JPH05273038A

JPH05273038A - 光学式センサ

Info

Publication number: JPH05273038A
Application number: JP6775092A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Takada; 勝浩高田; Yoshiaki Kanbe; 祥明神戸
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-03-26
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1993-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】複数種類の物理量を検出する場合でも、光軸合
わせが容易であり、かつ検知精度の高い光学式センサを
提供する。【構成】光源１から受光素子２への光を対向して配置し
た一対の光導波路８ａ，８ｂを介して伝送する。両光導
波路８ａ，８ｂの間には、被測定物理量に対応して光学
的性質が変化する検知セル９を配設する。各光導波路８
ａ，８ｂの検知セル９との対向面には光導波路８ａ，８
ｂを伝送される特定の光を取り出して検知セル９を通過
させるグレーティング７ａ，７ｂを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、検出すべき被測定物理
量を光学的変化に変換し、光学的変化を検出することに
よって被測定物理量を検出する光学式センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被測定物理量を光学的変化に
変換し、光学的変化を検出することによって被測定物理
量を検出するようにした光学式センサが提供されてい
る。すなわち、図１０に示すように、発光波長がほぼ単
一である複数の光源１ａ〜１ｄと、光源１ａ〜１ｄと同
数の受光素子２ａ〜２ｄとの間をそれぞれ入射用光ファ
イバ３ａ〜３ｄおよび出射用光ファイバ４ａ〜４ｄを介
して光結合し、入射用光ファイバ３ａ〜３ｄと出射用光
ファイバ４ａ〜４ｄの間に、外部から与えられる被測定
物理量の変化によって遮断波長が変化する半導体よりな
る検知素子５を配設したものが知られている（特開昭５
９−１１９２２５号公報）。この構成では、被測定物理
量の変化に対応した検知素子５の透過率（光源１ａ〜１
ｄからの光の波長について）の変化を受光素子２ａ〜２
ｄで検出する。

【０００３】また、図１１に示すように、発光波長がほ
ぼ単一である一対の光源１ａ，１ｂと、一対の受光素子
２ａ，２ｂとを設け、グレーティング（回折格子）より
なる検知素子５の表裏の両側にそれぞれ集束型レンズで
あるロッドレンズ６ａ，６ｂを配設した構成のものもあ
る（特開昭５９−６０６９９号公報）。各ロッドレンズ
６ａ，６ｂには、それぞれ入射用光ファイバ３ａ，３
ｂ、出射用光ファイバ４ａ，４ｂが光結合される。各ロ
ッドレンズ６ａ，６ｂに光結合される入射用光ファイバ
３ａ，３ｂ、出射用光ファイバ４ａ，４ｂのうちの一方
はロッドレンズ６ａ，６ｂの光軸上で接続され、他方は
ロッドレンズ６ａ，６ｂの光軸から所定距離だけ離れた
位置で接続される。

【０００４】この構成では、ロッドレンズ６ａの光軸上
で接続された入射用光ファイバ３ａからの光線は、図１
１に破線で示すように、検知素子５に対して直交するよ
うに入射し、ロッドレンズ６ａの光軸から離れた位置で
接続された入射用光ファイバ３ｂからの光線は、図１１
に実線で示すように、ロッドレンズ６ａの光軸から入射
用光ファイバ６ｂの接続位置までの距離に対応する角度
で検知素子５に入射する。検知素子５に入射した光線は
互いに干渉して回折され、回折光のうち０次光はロッド
レンズ６ｂを通して出力用光ファイバ４ａに入射する。
また、回折光のうち１次光はロッドレンズ６ｂを通して
出力用光ファイバ４ｂに入射する。したがって、被測定
物理量の変化に応じて格子定数が変化するような検知素
子５を用いれば、両受光素子２ａ，２ｂでの受光量に基
づいて被測定物理量を検出することができるのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特開昭５９
−１１９２２５号公報に記載された構成では、各光源１
ａ〜１ｄごとに異なる種類の半導体材料で形成した検知
素子５を設け、各検知素子５で検知する被測定物理量を
変えるようにすれば、複数の被測定物理量を検知する複
合センサを構成することができる。しかしながら、被測
定物理量の種類と同数の入射用光ファイバ３ａ〜３ｄお
よび出射用光ファイバ４ａ〜４ｄが必要であるから、被
測定物理量の種類が増えれば、それだけ入射用光ファイ
バ３ａ〜３ｄおよび出射用光ファイバ４ａ〜４ｄの光軸
合わせに要する手間が多くなるという問題が生じる。ま
た、各入射用光ファイバ３ａ〜３ｄおよび各出射用光フ
ァイバ４ａ〜４ｄについて、光軸を合わせるための機構
が必要であるから、センシング部が大型化するという問
題もある。

【０００６】一方、特開昭５９−６０６９９号公報に記
載された構成では、グレーティングを検知素子５として
用いているから、被測定物理量の微小変化に対して鋭敏
に応答するものであり、感度ないし分解能が高いもので
ある。しかしながら、入射用光ファイバ３ａ，３ｂおよ
び出射用光ファイバ４ａ，４ｂとロッドレンズ６ａ，６
ｂとの光軸合わせを正確に行うことが必要であって、光
軸合わせに手間がかかる。また、一対の入射用光ファイ
バ３ａ，３ｂおよび出射用光ファイバ４ａ，４ｂを用い
て１つの被測定物理量を検知するものであるから、複数
の被測定物理量を検出できるように複合化すれば、セン
シング部が大型化するという問題が生じる。

【０００７】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、高感度ないし高分解能であるとともに、複数
種類の被測定物理量を検知する場合であっても光軸を合
わせる機構が１種類の被測定物理量を検知する場合と同
程度であって光軸合わせに手間がかからず、かつ、セン
シング部を小型化することができる光学式センサを提供
しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、光を伝送する光導波路と、光導
波路における光伝送方向に直交する周面に密着して配設
され光導波路内を伝送される光のうちで特定の光を選択
的に取り出すグレーティングと、グレーティングによっ
て光導波路から取り出された特定の光が通過するととも
に外部から与えられる被測定物理量に対応して通過光に
光学的変化を与える検知セルとを、発光素子と受光素子
との間の光路上に介在させているのである。

【０００９】請求項２の発明では、検知セルは、外力に
応じて光導波路との距離が変化するように配設されてい
る。請求項３の発明では、検知セルは、一対の電極間に
液晶が介装された構造を有し、電極間の印加電圧に応じ
て液晶の光学的性質を変化させるように構成されてい
る。

【００１０】請求項４の発明では、検知セルは、温度変
化に応じて光学的性質が変化する材料により形成されて
いる。

【００１１】

【作用】請求項１の構成によれば、光源からの光を光導
波路を用いて伝送するとともにグレーティングを用いて
特定の光を光導波路における光伝送方向に直交する表面
から選択的に取り出すのであって、取り出した光を検知
セルによって変調することによって被測定物理量に対応
する変化を受光素子で検出できるようにしているので、
複数種類の被測定物理量を検知するように構成する場合
であっても、複数種類の光をグレーティングによって分
離することができ、従来のように、入射用光ファイバと
出射用光ファイバとを複数本ずつ設ける必要がなく、１
本の光ファイバによって複数種類の情報を多重化して伝
送することができるのである。すなわち、複合的にセン
シングを行う場合であっても光学部品が少ないから、光
軸を合わせるのが容易であり、かつ、光軸合わせのため
の調節機構も簡単になるから、小型化につながるのであ
る。

【００１２】請求項２ないし請求項４の構成は、本発明
を応用した実施態様である。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）図１（ａ）に示すように、基本的には、半
導体レーザよりなる光源１からの光を入射用光ファイバ
３を通して検知素子５に入射し、検知素子５を通った光
を出射用光ファイバ４を通して受光素子２で受光するよ
うに構成される。検知素子５は、図１（ｂ）（ｃ）に示
すように、光伝送方向に直交する表面の要所に出射用の
グレーティング７ａを形成した平板状の光導波路８ａ
と、光伝送方向に直交する表面の要所に入射用のグレー
ティング７ｂを形成した平板状の光導波路８ｂとを、グ
レーティング７ａ，７ｂを対向させた形で配設するとと
もに、両グレーティング７ａ，７ｂの間に液晶を用いた
検知セル９を配置した構成を有する。

【００１４】検知セル９は、たとえば、図２に示すよう
に、液晶９ａを一対の電極９ｂの間に封入したものであ
って、電極９ｂに印加する電圧に応じて透過率、偏光、
偏波面の傾きなどの光学的性質の変化するように構成さ
れる。また、液晶９ａを用いた検知セル９は、外力によ
って光学的性質を変化させたり、周囲温度によって光学
的性質を変化させるように構成することも可能である。
ここに、電極９ｂは光の通過方向に交差する方向に離れ
て配置されているが、透明電極を用いれば光の通過方向
に電極９ｂを配置することも可能である。

【００１５】グレーティング７ａ，７ｂは、図３に示す
ようにして形成される。すなわち、図３（ａ）に示すよ
うに、シリコンの基板１１の上に熱的酸化によって二酸
化ケイ素（ＳｉＯ₂）のバッファ層１２を形成する。さ
らに、図３（ｂ）のように、バッファ層１２の上にスパ
ッタリングによってガラス（たとえば、コーニング社の
７０５９）の導波層１３を形成する。この導波層１３が
光導波路８ａ，８ｂとして機能する。導波層１３の上に
は図３（ｃ）のように窒化ケイ素（ＳｉＮ）のクラッド
１４を積層する。ここで、図３（ｄ）のように、レジス
ト層１５を最上層として積層し、レジスト層１５に対し
てマスクないし直接描画によって縞状のパターンを転写
する（図３（ｅ））。その後、ドライエッチングによっ
てパターンに対応するクラッド１４を除去し（図３
（ｆ））、図３（ｇ）のようにレジスト層１５を除去す
る。その後、縞状のパターンに一致するようにマスクを
設定し、光導波路８ａ，８ｂの表面にグレーティング７
ａ，７ｂを形成する。マスクの位置合わせには、グレー
ティング７ａ，７ｂとは異なる位置で光導波路８ａ，８
ｂとマスクとに設けた位置合わせ用のマークを一致させ
るようにすればよい。このような作成工程を採用すれ
ば、異なる仕様のグレーティング７ａ，７ｂを作成する
場合でも、マスクを交換すればよいだけであって、作成
工程を変更する必要がない。

【００１６】上記構成では、光源１から入射用光ファイ
バ３を通して光導波路８ａに入射された光はグレーティ
ング７ａを通して光導波路８ａから出射し、検知セル９
を通った後に、グレーティング７ｂを通して光導波路８
ｂに入射し、出射用光ファイバ４を通して受光素子２に
導かれるのである。グレーティング７ａ，７ｂは、光の
入射角度および格子定数に対応して波長や偏波面の傾き
に対して選択性を有していることが知られている。

【００１７】上記構成のグレーティング７ａ，７ｂの波
長に対する選択性について、図４に基づいて説明する。
まず、導波層１３とグレーティング７ａとの境界面での
入射光と出射光との関係を考える。入射光から出射光に
移行する際には、入射光と出射光との結合係数が非常に
大きく一度に多量のエネルギが出射光に移行する場合
と、結合係数が小さく比較的長い距離を進む間に徐々に
エネルギが出射光に移行する場合とがある。後者の場合
に、多くのエネルギを出射光として取り出すには、比較
的長い距離に亙って入射光と出射光との位相が一致して
いることが必要である。図４において、導波層１３を伝
搬する光の位相ベクトルをＶ₂とし、グレーティング７
ａの格子ベクトルをＶ₁とすると、位相ベクトルＶ₂に
格子ベクトルＶ₁の整数倍のベクトルを加算もしくは減
算した位相ベクトルＶ₃〜Ｖ₆を有する光は、比較的長
い距離に亙って入射光との位相関係が一定に保たれる。
その結果、上記条件を満たす光はグレーティング７ａか
らは比較的長い距離に亙って出射することになる。

【００１８】ここで、位相ベクトルＶ₂は、入射光の波
束ベクトルｋと、入射光に対する導波層１３の屈折率Ｎ
との積であるから（すなわち、Ｖ₂＝Ｎ・ｋ）、波束ベ
クトルｋの大きさと屈折率Ｎとの少なくともいずれか一
方が変化することによって、位相ベクトルＶ₂と位相ベ
クトルＶ₃〜Ｖ₆との位相が一致する場合と一致しない
場合とが生じることになる。波束ベクトルｋは、入射光
の波長の逆数に比例する大きさを有するから入射光の波
長が変われば変化し、また、屈折率Ｎは入射光の伝送モ
ードによって変化する。要するに、入射光と出射光との
位相が整合すれば光導波路８ａを伝搬される光はグレー
ティング７ａを通して放射され、位相が整合しなければ
光導波路８ａをそのまま伝搬するのである。その結果、
適切な格子定数を有するグレーティング７ａを設けてお
けば、入射光の波長や伝送モードに対して選択的に出射
光を得ることができるのである。

【００１９】たとえば、図５（ａ）に示すように、異な
る波長の光Ｌａ，Ｌｂが光導波路７ａに伝送されている
とし、グレーティング７ａが光Ｌａを出射光として得る
ことができるように設定されているとすれば、光導波路
７ａを伝送される光Ｌａは出射光として放射されて光導
波路７ａの中では光Ｌａの強度が次第に低下する。ま
た、光Ｌｂは出射光として得られないから、光導波路７
ａをそのまま伝送されるのである。図５（ｂ）に示すよ
うに、伝送モードが異なる光Ｍａ，Ｍｂの場合も同様で
あって、グレーティング７ａが光Ｍａに対して出射光が
得られるように設定されているとすれば、光Ｍｂは光導
波路７ａをそのまま伝送されることになる。グレーティ
ング７ａによる入射光と出射光との関係は可逆的である
から、グレーティング７ｂにおける入射光は波長や伝送
モードについて選択的に光導波路８ｂに導かれることに
なる。

【００２０】以上の構成によれば、検知セル９の電極９
ｂの間に印加する電圧を変化させて透過率、偏光、偏波
面の傾き等を変えることができ、両グレーティング７
ａ，７ｂの間を通過する光を変調することができる。す
なわち、印加電圧の変化を受光素子２で検出することが
できるのである。検知セル９に対して光導波路８ａ，８
ｂとの距離を変えるように外力を作用させた場合にも、
グレーティング７ａ，７ｂの間での光の入射角度や入射
位置を変えることができるから光導波路８ａ，８ｂの間
で光が変調されることになり、受光素子２で外力の変化
を検出することができる。また、両光導波路８ａ，８ｂ
の距離が外力によって変化するように光導波路８ａ，８
ｂに対して外力を作用させるように構成してもよい。す
なわち、荷重を被測定物理量として検出することができ
るのである。さらに、検知セル９や光導波路８ａ，８ｂ
を温度によって屈折率の変化する材料で形成しておけ
ば、周囲温度の変化を検出することも可能である。

【００２１】（実施例２）上記実施例では、光源１とし
てほぼ単一波長のものを用いたが、本実施例では、図６
に示すように、波長の異なる４種類の光Ｌａ〜Ｌｄを光
導波路８ａ，８ｂを通して伝送するとともに、格子定数
が等しい同じ形状のグレーティング７ａ₁，７ａ₂を光
導波路８ａ（８ｂ）を設けた基板１１の２箇所に形成し
ている。光導波路８ａ（８ｂ）は略Ｕ形に屈曲され、各
グレーティング７ａ₁，７ａ₂をそれぞれ２回ずつ通る
ように構成してある。光導波路８ａ（８ｂ）と各グレー
ティング７ａ₁，７ａ₂との交差角度θ₁〜θ₃はそれ
ぞれ異なるように設定される。このように、交差角度θ
₁〜θ₃を異ならせることによって、光導波路８ａがグ
レーティング７ａ₁〜７ａ₂を通過する際に出射される
光の波長を変えることができる。要するに、図６に示す
ように、各グレーティング７ａ₁，７ａ₂を通るたびに
異なる波長の光Ｌａ〜Ｌｄを出射させることができるの
である。光導波路８ａから出射された各波長の光は検知
セル９によってそれぞれ変調され、光導波路８ｂに入射
する。光の一部は出射用光ファイバ４を通して受光素子
２に伝送されるが、残りの光は基板１１を通して外部に
放射される。したがって、この光を見れば検知素子５の
動作を目視して確認することができる。他の構成および
動作は実施例１と同様である。

【００２２】（実施例３）本実施例は、図７および図８
に示すように、グレーティング７ａ，７ｂを光導波路８
ａ，８ｂではなく検知セル９の表裏両面に設け、検知素
子５によって加速度をセンシングするものである。ま
た、検知セル９は一端部が支柱１０によって回動自在に
支持され、光導波路８ａ，８ｂの対向面と平行に揺動で
きるようになっている。光導波路８ａ，８ｂおよび検知
セル９は屈折率の大きい液体の中に浸漬される。この液
体は、光導波路８ａ，８ｂと検知セル９との屈折率の整
合および検知セルを滑らかに移動させるための潤滑液と
して機能する。光導波路８ａ，８ｂは異なる波長の複数
の光を伝送することができるものが用いられる。

【００２３】検知セル９が静止しているときには、光導
波路８ａ，８ｂに波長の異なる複数の光を導入すると、
検知セル９の角度に応じた特定波長の光のみが光導波路
８ｂに導入される。ここで、検知セル９を移動させるよ
うな加速度が作用すると、検知セル９が回転し、グレー
ティング７ａ，７ｂに対する光の入射角が変化する。そ
の結果、光導波路８ｂに入射する光の波長が変化し、加
速度が生じたことを検知できるのである。他の構成は実
施例１と同様である。

【００２４】（実施例４）本実施例では、図９に示すよ
うに、主光導波路８ｃに対して副光導波路８ｄを対向さ
せて配置し、副光導波路８ｄの表面にグレーティング７
ａ，７ｂを形成したものである。副光導波路８ｄには電
気光学効果、磁気光学効果のように被測定物理量によっ
て光学的性質が変化する材料が用いられる。

【００２５】この構成では、主光導波路８ｃに入射した
光のうちグレーティング７ａ，７ｂを通過する特定の光
は副光導波路８ｄを通り、副光導波路８ｄの中で光学的
な変調を受けた後に主光導波路８ｃに戻ることになる。
したがって、副光導波路８ｄを通過する光について受光
素子２で変化を検出すれば、被測定物理量に対応した光
の変化を検知することができる。この構成では、副光導
波路８ｄの仕様を変更するだけで、センシング機能を変
更することが可能であり、しかも、光軸合わせについて
は、主光導波路８ｃと副光導波路８ｄとの方向を一致さ
せるだけでよいから、光軸合わせをきわめて容易に行う
ことができる。他の構成は実施例１と同様である。

【００２６】

【発明の効果】本発明は上述のように、光源からの光を
光導波路を用いて伝送するとともにグレーティングを用
いて特定の光を光導波路における光伝送方向に直交する
表面から選択的に取り出すのであって、取り出した光を
検知セルによって変調することによって被測定物理量に
対応する変化を受光素子で検出できるようにしているの
で、複数種類の被測定物理量を検知するように構成する
場合であっても、複数種類の光をグレーティングによっ
て分離することができ、従来のように、入射用光ファイ
バと出射用光ファイバとを複数本ずつ設ける必要がな
く、１本の光ファイバによって複数種類の情報を多重化
して伝送することができるという効果を奏する。すなわ
ち、複合的にセンシングを行う場合であっても光学部品
が少ないから、光軸を合わせるのが容易であり、かつ、
光軸合わせのための調節機構も簡単になるから、小型化
につながるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１を示し、（ａ）は全体構成の概略図、
（ｂ）は検知素子の要部の斜視図、（ｃ）は検知素子の
側面図である。

【図２】実施例１における検知素子の要部断面図であ
る。

【図３】実施例１における光導波路の製造過程を示す工
程図である。

【図４】実施例１の動作原理を説明する図である。

【図５】実施例１の動作説明図である。

【図６】実施例２を示し、（ａ）は要部平面図、（ｂ）
は要部側面図である。

【図７】実施例３に用いる検知素子の斜視図である。

【図８】実施例３に用いる検知素子の側面図である。

【図９】実施例４に用いる検知素子の分解斜視図であ
る。

【図１０】従来例を示す概略構成図である。

【図１１】他の従来例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１光源２受光素子３入射用光ファイバ４出射用光ファイバ５検知素子７ａグレーティング７ｂグレーティング８ａ光導波路８ｂ光導波路９検知セル

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【手続補正書】

【提出日】平成４年６月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】ここで、位相ベクトルＶ₂は、入射光の波
数ベクトルｋと、入射光に対する導波層１３の屈折率Ｎ
との積であるから（すなわち、Ｖ₂＝Ｎ・ｋ）、波数ベ
クトルｋの大きさと屈折率Ｎとの少なくともいずれか一
方が変化することによって、位相ベクトルＶ₂と位相ベ
クトルＶ₃〜Ｖ₆との位相が一致する場合と一致しない
場合とが生じることになる。波数ベクトルｋは、入射光
の波長の逆数に比例する大きさを有するから入射光の波
長が変われば変化し、また、屈折率Ｎは入射光の伝送モ
ードによって変化する。要するに、入射光と出射光との
位相が整合すれば光導波路８ａを伝搬される光はグレー
ティング７ａを通して放射され、位相が整合しなければ
光導波路８ａをそのまま伝搬するのである。その結果、
適切な格子定数を有するグレーティング７ａを設けてお
けば、入射光の波長や伝送モードに対して選択的に出射
光を得ることができるのである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 5/18 9018−2Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を伝送する光導波路と、光導波路にお
ける光伝送方向に直交する周面に密着して配設され光導
波路内を伝送される光のうちで特定の光を選択的に取り
出すグレーティングと、グレーティングによって光導波
路から取り出された特定の光が通過するとともに外部か
ら与えられる被測定物理量に対応して通過光に光学的変
化を与える検知セルとを、発光素子と受光素子との間の
光路上に介在させたことを特徴とする光学式センサ。
【請求項２】検知セルは、外力に応じて光導波路との
距離が変化するように配設されたことを特徴とする請求
項１記載の光学式センサ。
【請求項３】検知セルは、一対の電極間に液晶が介装
された構造を有し、電極間の印加電圧に応じて液晶の光
学的性質を変化させるように構成されたことを特徴とす
る請求項１記載の光学式センサ。
【請求項４】検知セルは、温度変化に応じて光学的性
質が変化する材料により形成されたことを特徴とする請
求項１記載の光学式センサ。