JPH0663874B2 - 光応用センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明は、光学的な手法により物理量を検知する、いわ
ゆる光応用センサに関するものである。更に詳しくは、
外界の物理量に応じて複屈折の値が変化する光弾性材料
を用いた光応用センサに関する。

＜従来技術＞ 複屈折を利用した光応用センサは、偏光を利用すること
により検出すべき物理量を直交する２方向の微少な光の
屈折率差に変換して高感度に検出することができるとい
う特徴を有する。中でも光弾性効果に基く一時的複屈折
を利用した光応用センサは、種々の力学量、例えば圧
力，荷重，加速度，歪み，音響などを検出することが可
能なものである。

光応用センサの作製において重要な点は、受光素子等の
光検知器に達する光強度が外乱によって変化しても、検
出誤差を生じない様に構成することである。ここで外乱
としては、発光素子の出力強度変動あるいは発光素子と
光ファイバー、光ファイバーと各種光学部品、その他の
結合損失が考えられる。

以上の様な外乱に対して誤差を低く抑える光応用センサ
の構成として、従来より使用されているものを第４図に
示す。発光素子１より出力された光は、光ファイバー
２、マイクロレンズ３を通って第１の偏光ビームスプリ
ッタ４に入る。ここで単一の偏光成分をもつ光だけが光
弾性材料５、1/4波長板６を通り、第２の偏光ビームス
プリッタ７に達する。ここで、光弾性材料５は、その内
部応力に応じて２つの直交する偏光成分の割合を変化さ
せる作用を有し、偏光ビームスプリッタ７は、その２つ
の偏光成分を、別々の光路に分離する作用を有する。分
離された２つの偏光は、一方がマイクロレンズ８、光フ
ァイバー10を経て一方の受光素子12に達し、他方がマイ
クロレンズ９、光ファイバー11を経て他方の受光素子13
に達する。受光素子12及び13の出力は、偏光ビームスプ
リッタ７以前での外乱に対して同一の割合で増減するた
め、この２つの出力の比をとることにより外乱による検
出誤差を低く抑えることが可能となる。

この構成の欠点は、高価な光学部品を多数使用している
ことにある。特に偏光ビームスプリッタは非常に高価な
部品であるが、この構成においては、偏光ビームスプリ
ッタ７を安価な偏光板その他の偏光子にそのまま置き換
えることができない。また、第４図の様にファイバーが
光弾性材料５に対して３つの異なる方向を向いているの
は使用上非常に不便であって、実には３本のファイバー
を１つに束ねる必要があるが、そのためにはさらに直角
プリズムその他の光学部品を加える必要があり、さらに
部品点数が増えてしまうという問題を有している。

＜発明の目的＞ 本発明は、以上の様な点に鑑みてなされたものであっ
て、検出誤差が小さく、光学部品点数が少なく、かつ取
扱いが簡単な光弾性効果を用いた光応用センサを提供す
るこを目的とする。

＜実施例＞ 以下第１図乃至第３図に従って、本発明の実施例を説明
する。

第１図（Ａ）は、本発明の第一の実施例に係る荷重セン
サであって、発光素子１より出力された光は、光ファイ
バー２を介してマイクロレンズ３へ伝送され、さらに偏
光子40を経て光弾性材料50に入射する。光弾性材料50
は、荷重53の重さに応じた曲げモーメントが、下部支点
51、上部荷重点52よってかかる様に構成されている。荷
重によって直交する２偏光成分間に位相差が生じるが、
さらに1/4波長板６によって直交する２偏光成分間の位
相差を一定量加え、偏光子70によって位相差を光強度に
変換する。光弾性材料50の上部を通過した光と下部を通
過した光とは、それぞれ大口径ファイバー20,21に入射
され各ファイバー20,21に連結された受光素子12,13によ
って電気信号に変えられる。受光素子12の出力と受光素
子13の出力との比を求めることにより、荷重量の測定値
が得られる。この場合の検出誤差は非常に少なくなる。

本実施例においては、光弾性材料50として光学ガラスを
用いたが、それ以外にも石英ガラス等の各種ガラス,Ga
P,LiNbO_３,LiTaO_３その他の光学結晶あるいは光学セラ
ミックス，フェノール樹脂，セルロイド，エポキシ樹
脂，ジアリルフタレート重合体，スチレン・ポリエステ
ル共重合体，メチルメタクリレート重合体，ポリカーボ
ネート，ゼラチン，ポリウレタンゴム，エポキシラバー
シリコン樹脂，ポリシクロヘキシルメタクリレート，ポ
リアクリロニトリル，ポリ塩化ビニル，不飽和ポリエス
テル系感光樹脂，その他の高分子材料を用いることがで
きる。

ここで、光弾性材料50にかかる応力について説明する。
第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）の光弾性材料50周辺部にお
けるxy面方向の断面図である。光弾性材料50は、２つの
下部支点51および２つの上部荷重点52によって４点曲
げ、もしくは均一曲げと称される状態にあって、２つの
上部荷重点52の間において曲げモーメントは均一であ
る。この曲げによって光弾性材料50の上部では圧縮応
力、下部では引張り応力が第１図（Ｂ）矢印方向に生ず
る。第１図（Ｂ）に示す様にx,y方向を定めると光弾性
材料50に入射する光は、偏光子40によってｘ方向の偏光
成分とｙ方向の偏光成分とが同一振幅，同一位相になっ
ているが、光弾性材料50内において光弾性効果により上
記２偏光成分間に位相差が生じる。この位相差は応力に
比例するため、光弾性材料50の上部を通過する光と下部
を通過する光とでは逆符号の位相差が生じることにな
る。

以下、数式を用いた説明の便宜上、次の様に理想化を行
う。光ファイバー20及び21に入射する２本の光線は、偏
光板70に達する前は同一強度であって、また拡がりをも
たないものとする。２本の光線のそれぞれについて、光
弾性材料50を通過することによって生じる２つの直交す
る偏光成分間の位相差を、θ及び−θとする。

最初に1/4波長板６がない場合を考える。光ファイバー2
0を通って受光素子12に達する光量をＡ、光ファイバー2
1を通って受光素子13に達する光量をＢとし、光ファイ
バー20あるいは21に入ったのちの光損失が同一と仮定す
ると、比例定数をＩとして、 となることが知られている。式の形から明かな様にＡ＝
Ｂであって、このままでは２つの光量A,Bを独立に検出
する意味をなさない。

実際には1/4波長板６が入っているが、これは２つの光
に共通の位相差90゜を加える働きをする。このとき出力
は と別々の変化を示す。この２つの光量Ａ及びＢより比例
定数Ｉによらずθを求めることができる。

すなわち、 である。発光強度変動、接続損失変動などの外乱は、す
べて比例定数Ｉの変動であるので、光量Ａ及びＢを用い
ることによって、発光素子１から偏光子70の間における
外乱の影響を十分小さく抑えることが可能となる。さら
に、上記出力（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）は、θが小さい値
のときほぼθに比例することから、処理回路を大幅に単
純化することができる。

実際の測定結果を第２図に示す。２本の曲線はそれぞれ
出力Ａ、出力Ｂであって、小さな荷重領域ではいずれも
直線的に変化をしている。ここで発光素子１の発光強度
はＡ＋Ｂ＝一定になる様に電気的に制御されている。こ
れにより、出力としてはＡ−Ｂの値をそのままとればよ
く、Ａ＋Ｂで割る演算を省くことができるが、これは信
号の電気的処理を著しく簡素化するものである。

次に、本発明の第二の実施例に係る圧力センサを第３図
（Ａ）（Ｂ）に示す。発光素子１より出力された光は上
記実施例同様光ファイバー2,マイクロレンズ3,偏光子40
を通って光弾性材料55に入射する。光弾性材料55は、底
面にダイヤフラム状にザグリを入れてあるので、ダイヤ
フラム内外の圧力差に応じて曲げによる応力を生じる様
になっている。ここで光が光弾性材料55内で２回全反射
し、そのため光路が180゜折り曲げられるが、その際直
交する２偏光成分間に位相差が生ずる。換言すると、第
一の実施例における1/4波長板６の役割が、この２回全
反射によってなされることになる。光路を折り曲げられ
た光は再び偏光子40を通って分布屈折率型マイクロレン
ズ100に入射する。このマイクロレンズ100は、特に端面
を第３図（Ｂ）に側面図として示す様に加工してあっ
て、光弾性材料55の上部を通過した光を光ファイバー10
に、下部を通過した光を光ファイバー11に導入する働き
をする。光ファイバー10,11に導入された光は、それぞ
れ受光素子12,13に到達し、その出力を電気的に処理す
ることにより、正確に圧力測定値を得ることができる。

ここで光弾性材料55内での全反射によって生じる直交し
た２偏光成分間の位相差について説明する。一般の全反
射において、全反射面内に振動する電界をもつ直線偏光
と、それに直交する方向に振動する直線偏光との間に生
じる位相差δは次式で表わされる。

ただし、ｎは媒質の比屈折率、ψは反射面に立てた垂線
に対する入射光のなす角度である。

本実施例においてはｎは光弾性材料55の屈折率、ψ＝45
゜であって、この場合の位相差δは次式の様になる 本実施例における２回全反射が上記第一の実施例におけ
る1/4波長板６と同じ働きをするためには、２δ＝90゜
であればよく、これを満す光弾性材料55の屈折率はｎ＝
1.554であればよい。実際には必ずしも位相差２δは90
゜である必要はない。全反射によって位相差２δが与え
られるとき、数式を用いた説明のため第一の実施例と同
じ理想化を行なえば、受光素子12に達する光量Ａ及び受
光素子13に達する光量Ｂはそれぞれ となる。また、 Ａ−Ｂ＝Ｉsin２δsinθ Ａ＋Ｂ＝Ｉ（１−cos２δcosθ）、 であって、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）は、Ｉに依存しない
信号、すなわち となる。この信号が外乱に対して安定であることは、第
一の実施例と同じである。また、第一の実施例における
（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の値は、上式において２δ＝90
゜を代入した場合に相当する。

上述した実施例では、曲げモーメントによって圧縮応力
を受ける部分と引張り応力を受ける部分とで生じる位相
差が理想的に等しいとしたが、現実的には位相差が略等
しなければ安定して計測値を求めることができる。

なおここで、第一の実施例は荷重センサ、第二の実施例
は圧力センサとしたが、それぞれの光学系をそのままに
して、第一の実施例を圧力センサ、第二の実施例を荷重
センサとすることもできる。また、光弾性材料を使った
光応用センサは、荷重センサあるいは圧力センサだけに
留まらず、音響、歪み、変位センサとすることができ
る。さらに、光弾性材料を熱膨張率の違う材料と組合せ
て温度センサ、電歪材料と組合せて電圧センサ、磁歪材
料と組合せて電流センサ、磁気センサにすることも可能
である。

＜発明の効果＞ 以上の様に、本発明の光応用センサは光弾性材料に曲げ
モーメントを加えた際、圧縮応力と引張り応力の両方が
生じることを利用して、それぞれの応力部分を通った光
を独立に検出することにより計測値を求めて、発光強度
変動、接続損失変動などの外乱の影響を除外して演算を
することを特徴としており、これによって、センサとし
ての検出誤差が小さく、構成部品点数が少ないといった
利点が得られる。この利点は光応用センサを広く普及す
る上で非常に有益なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光応用センサの構成
図、第２図は第１図の光応用センサによって得られた出
力を表わす説明図、第３図は本発明の他の実施例を示す
光応用センサの構成図である。第４図は従来の光応用セ
ンサを示す構成図である。 １……発光素子、２・10・11……光ファイバー ３・８・９・100……マイクロレンズ ４・７……偏光ビームスプリッタ、６……1/4波長板 ５・50・55……光弾性材料、12・13……受光素子 20・21……大口径光ファイバー 40・70……偏光子、51……下部支点 52……上部荷重点、53……荷重

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定対象の物理量に応じた曲げモーメント
   が付与される光弾性材料の前記曲げモーメントによって
   圧縮応力を受ける部分及び引張り応力を受ける部分に、
   光の直交する偏向成分を通過させ、前記圧縮応力を受け
   る部分と前記引張り応力を受ける部分とで生じる位相差
   が略等しく逆符号の直交する偏光成分を得る光伝送系
   と、 該光伝送系で得られた光の偏光成分間に、定められた位
   相差を与える手段と、 位相差を与えられた光の各々を個別に検出する２つの光
   検知器と、 該光検知器から得た２つの出力Ａ、Ｂについて、（Ａ−
   Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を計算することにより前記物理量を得
   る演算手段と、を具備したことを特徴とする光応用セン
   サ。