JPS5919829A

JPS5919829A - 光学的圧力センサ

Info

Publication number: JPS5919829A
Application number: JP13009582A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Izutsu; 雅之井筒; Tadashi Sueda; 末田　正; Masaharu Matano; 俣野　正治
Original assignee: Tateisi Electronics Co; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1982-07-26
Filing date: 1982-07-26
Publication date: 1984-02-01
Also published as: JPH0319937B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、圧力変化を光の強度変化に斐換して検出す
る光学的圧力センサに関する。

圧力計測には、従来から、金属製のタイヤフラムやブル
ドン管を用い１こ機械式計測装置と、各種の歪ゲージを
用い１コ９、半導体ｐｎ接合の圧力変化特性を利用し１
コ電気的計測装置とが多く使用されている。ところが、
機械式の圧力計測装置にはヒステリシスがあって、精度
の高い測定ができないという欠点がある。電気的計測で
は、シリコンの”ｌ　結晶に異方性エツチングによって
ダイヤフラムを形式し、このダイヤフラム上に拡散によ
り歪ゲージを作っ１こ圧力センサが精度の良い、ヒステ
リシスのないセンサとしてよく使われるようになってき
ている。しかしながらこの半導体センサは、電磁雑音が
存在する環境では計測精度が低下する、電気スパークに
よる火災まＴコは爆発のおそれがある、雰囲気に誹って
は金属導電体が腐蝕しゃすいなどの問題がある。そこで
、これらの諸問題を解消する計測装置として光学的に圧
力変化を測定するものが脚光をあびてきた。光を用い１
こ圧力センサとしては、タイヤフラムを形成したシリコ
ン・チップと光ファイバ３とを対向配置し、圧力変化を
シリコン・ダイヤフラムの変位に変換し、さらにこの変
位量を光ファイバから出射される光の反射量の変化に変
換して再びファイバ中を逆方向に伝搬させるという方式
のものが知られている。しかしながら、この光学的圧力
センサではシリコン・チップと光ファイバとの相対的な
位置関係を一定にかつ高精度に保つ必要があり、組立が
きわめて難しく、まｒコ圧力変化に対する光量の変化が
小さいという欠点がある。

この発明は、わすかな圧力変化に対しても大きな光量変
化か得られ高精度の圧力測定が可能であるとともに、構
成が簡単で製造が容易な光学的圧力センサを提供するこ
とを目的とする。

この発明による光学的圧力センサは、少なくとも１つの
入出力用単一モート光導波路と、この入出力用光害波路
の一端に結合され１コ１対の圧力検出用単一モート光導
波路とを有する基板、圧力検出用光導波路の光波を反射
させる手段、および１対の圧力検出用光導波路の一方の
上に被検出圧力を加える手段からなることを特徴とする
。被検出圧力が一方の圧力演出用先導波路に加わること
によシその先導波路の位相定数が変化する。入出力用光
害波路に入力しｆコ光彼は、１対の圧力検出用光導波路
ｌこ分岐して伝搬し、反射手段ｌこまって反射されて反
対方向に伝搬し再び入出力用先導波路に入って本ね合わ
される。一方の圧力検出用先導波路の位相定数が被検出
圧力によって変化するから、１対の圧力検出用光導波路
を伝搬する光波には位相差が生じる。入出力用先導波路
から出射される光の強度はこの位相差に誹って変化する
から、出射光の強度を測定することによシ、被検出圧力
を知ることができる。

この発明においては、光導波路の圧力による位相定数の
変化を利用しているから、圧力を精度まく検出すること
ができる。しかも基板上に形成されＴコ光導波路構造、
その一部を加圧するｆコめの手段および反射手段という
簡単な構成であシ、製作が容易となる。

この発明の詳細な説明に先だち、その実施例で利用され
る特殊な先導波路構造について説明しておく。

第１図において、１対の単一モード光害１！ｌ路（１）
と（２）がその一端において微小角度θ１で交差してい
る。これらの先導波路（１）と（２）とは等しい巾Ｗｌ
。

Ｗ２を有しており、シ１コがって位相定数が等しく設定
されている。もう１対の単一モード先導波路（３）と（
４）とがあシ、これらの光導波路（３）と（４）もまｆ
こ一端にて微小角度θ２で交差している。光導波路（３
）と（４）の巾Ｗ８とＷ４とは異なシ、光導波路（４）
の１１」〜１４は光導波路（３）の巾Ｗ３よシも狭くな
っている。し１こがって、先導波路（３）と（４）の位
相定数は異なり、先導波路（３）の方が大きい。このよ
うな先導波路（１）　（２）と光導波路（３）　（４）
とは、これらの光導波路がほぼ直線状になるように、そ
れぞれの交差部で結合されている。この結合部を杓号（
５）で示す。説明の便宜の１こめに、先導波路（１）　
（２）から先導波路（３）（４）に向う方向をＺ軸、紙
面に垂直な方向をＸ軸として、ＸＹＺ座標軸をとる。ま
た、光導波路（］）　（２）益を対称側、先導波路（３）　（１）を非対象側と呼ぶ。

簡単の１こめに、Ｘ方向には変化のない２次元構造を考
える。また、２つの交差角θ１．θ２はいずれも十分に
小さく、光波はほぼＺ方向に進行し、Ｚ方向の微小変化
に対して先導ｌ支路（１）と（２）の間隔、および先導
波路（３）と（４）の間隔の変化は無視できるものとす
る。すなわち、結合部（５）を除いて、微小区間を考え
れば、２本の平行な光導波路があシ、Ｙ方向に一様な５
層構造が形成されている、とみなすことができるものと
する。このような場合には、ローカル・ノーマル・モー
ド（Ｌｏｃａｌ　Ｎｏｎｎａｌ　ＭＪｄｅ）による解析
法が適用できる。

よく知られているように、２つの単一モード光導波路か
らなる５層先導波路の固有モードには、偶モードと奇モ
ードの２種類がある。第２図（ａ）。

（１〕）には、この５層先導波路構造における偶モード
と奇モードの伝搬状態がそれぞれ示されている。

第２図（ｃ）には、この５層光導波路構造の偶、奇両モ
ードの位相定数の変化の様子が示されている。

光導波路（１）　（２）からなる対称側において、結合
部（５）から十分に遠く、先導波路（１）と（２）の間
隔が広い位置では、光導波路（１）と（２）の間の結合
が無視できるｆコめ２つの固有モードは縮退し、両モー
ドの位相定数は等しい。結合部（５）に近づくにつれて
縮退がとけて両モードの位相定数の差が大きくなる。結
合部（５）では、２つの先導波路が１つになシ、３層先
導波路構造となるｆコめ、偶モードは８　Ｉｖｊ光導波
路の基本モード（位相定数の大きい方）に、奇モードは
１次モード（位相定数の小さい方）にそれぞれ移行する
。結合部（５）を過ぎて、光導波路（３）と（４）から
なる非対称側にはいると、光導波路（３）と（４）の間
隔が再び拡大する１こめ両モードの位相定数の差は減少
するが、光導波路（３）と（４）の位相定数が異なるの
で偶、奇モードの位相定数はそれぞれ異なる値に漸近す
る。この例では、先導波路（３）の幅が先導波路（４）
の幅よシ広くなっているから、位相定数は先導波路（３
）のほうで大きい。し１こかって、偶モードの光波パワ
ーは光導波路（３）に、奇モードの光波パワー！；を光
導波路（４）にそれぞれ集中する。

上述の説明は、光が対称側から非対称側に伝搬する場合
のものであるが、非対称側から対称側に光が進む場合に
は、に述の説明を逆にＴコどればよい。

第３図は、上述の先導波路に対称側から種々の光、皮を
入力し１こときに得られる光波出力を示している。、第
３図（ａ）は、対称側の２つの光導波路（］、）　（２
）に同相の光）皮が入力しｒコ場合である。対称側では
偶モードが励振されて伝搬し、結合部（５）では基本モ
ードに、非対称側では再び偶モードにそれぞれ変化する
。非対称側における偶モードの光波パワーは光導波路（
３）に集中している１こめ、出力光波は光導ｌ支路（３
）から得られる。第３図（１〕）は、互いに逆相の光波
を対称側の２つの光導波ＩＭ　（＋）　（２）に入力し
ｆコ場合である。対１９＜側では奇モードが励振されて
伝搬し、結合部（５）では１次モードに、非対称側では
再び奇モードにそれぞれ変化する。非対称側における奇
モードの光波パワーは先導波路（４）に集中しているＴ
コめ、出力光波は先導波路（４）から得られる。第３図
（ｅ）は、光波が光導波路（１）にのみ入力し１こ場合
である。この場合には、対称側で偶モードと奇モードと
が等しいパワーで励振されｆコと考えられるから、第３
図（ａ）と（ｂ）の血ね合わせとなシ、先導波路（３）
と（４）に等しいパワーの光波が出力される。

光波を非対称側から入力することもでき、この場合には
上述した逆の過程を１ことる。１ことえば、光導波路（
３）に光波が入力し１こ場合には、対称側の両光導波路
（１）と（２）とから同相の光波が出力される（第３図
（ａ）に破線の矢印で示す、）。他についても同じまう
に考えることができる。以上の考察から、この先導波路
構造が通常の光ヒーム・スプリッタ（ｆことえばハーフ
・ミラー）と等価な機能を有す第４図は実施例を示して
いる。Ｚカットの餅跡０３　　結晶基板（１１の一面上
に、Ｔｉを熱拡散することにより、第１図に示すような
光導波路（１）と（２）の対、先導波路（３）と（４）
の対およびこれらの交差部の結合部（５）が形成されて
いる。これらの光導波路（１）〜（４）の結合部（５）
と反対側端部には、平行な先導波路（１１）（２）０３
０４）がそれぞれ連続している。先導波ｍ　（３）θ葎
が入力用、光導波路（４）　０４４が出力用、光導波路
（１）　（２）　（Ｉυ０功が圧力検出用である。この
ような使い方は、第飾３図（ａ）に破線で示すように、光波を非対米側から入
力するものと同じである。先導波路（１）と（２）の交
差角、光導波路（３）と（４）の交差角θ１．θ２はい
ずれも１２°以下の小さい値にとられている。基板（Ｉ
Ｉの光導波路θυＱ功側の端面にはＡｌを蒸着すること
により反射膜（８）が形成されている。ま１こ、先導波
路０υα２上には、同じ長さの５ｉＯＪ＆膜（６）　（
７）がこれらを覆うようにそれぞれ形成されている。そ
して、一方のＳｉＯ□膜（６）上にはロッド（９）によ
って被検出圧力が印加されるようになっている。被検出
圧力が機械的な機構によって発生される場合にはとのロ
ッド（９）がその機構に直接にまｒコは間接に連結され
る。被検出圧力が流体圧の場合には、その流体が導かれ
るシリンダのピストンにこのロッド（９）が連結される
。ロッド（９）に代えてシリンダをＳｉＯ２膜（６）上
に配置し、このシリンダに被検出流体を直接に導いても
よい。

入力用光導波路０撞には適当な光源０図示略）から光学
系まｆコは光ファイバなどを通して光が入射される。出
力用先導波路θ荀は、光学系ま１こは光ファイバを介し
て光電検出器（図示略）に結合されている。ロッド（９
）によって圧力が印加されていない場合には、先導波路
（１）θυと（２）　０２との位相定数は等しい。し１
こがって光導波路α劃から入射されｆコ光は両光導波路
（１）　（２）に等しく分れて伝搬し、反射膜（８）で
反射しｒコのち再び光導波路０３に戻シ、光導波路０く
から出力光は得られない（第３図（ａ）参照）。

ロッド（９）を介して圧力が印加されると、この圧力に
よって光導波路θυの厚さが変化すること、および圧力
によって生しｆ、：歪みによって先導波路０υの屈折率
が変化することにょシ、光導波路０υの位相定数が変化
する。しｆコがって、光導波路（１）ｏυと光導波１１
ｆｒ、　（２）　Ｏａとを伝搬する光波に位相差が生じ
、この位相差に応じ１こ強度の光が先導波路０４）から
出射する。先導波路０４）から出力する光の強度を測定
することにより、圧力を検出することができる。印加圧
力に対する先導波路Ｈの出力光の強度変化が第５図に示
されている。

第４図において、先導波路０→から光を入射させ光導波
路Ｇ；ヤから検出光を得るようにしてもよい。

ま１こ、ＳｉＯ□膜（７）に圧力を加えるようにしても
よい。

Ｓ　ｉＯ２膜＋６）　［７）の両方にそれぞれ異なる圧
力を印１ｊＩＪすると、これらの圧力の差を検出するこ
とができる。さらに、光導波路（１）０υ（２）　０２
を入出力用、光導波路（３）θ３　（４）　（＋４）を
圧力検出用とすることも可能である。

ま１こ、光導波路θυとθ功における光の反射位置を光
の波長をλとして、λ／４だけ異ならせておけば、圧力
を印加しない場合に先導波路０ぐから最大強度の出力光
が得られる。光の反射手段は基板αＱに形成せずに、基
板ＯＣＪの外部に設けてもよい。そして、反射手段とし
ては反射鏡以外にＴことえば光ファイバの端面を利用し
てもよい。

第６図はこの発明の他の実施例を示している。

ガラス基板勾玉に銀イオンを電界拡散させることによシ
、入出力用単一モード光導波路（財）、この光、導波路
（ハ）のＹ字形光分岐路（ハ）、およびとのＹ字形光分
岐路に）にそれぞれつながる１対の平行な圧力検出用単
一モード光導波路（ハ）（イ）が形成され、基板（イ）
の光導波路（２１）（イ）側端面にＡ６を蒸着すること
によシ反射膜（ハ）が形成されている。１対の光導波路
１２１）（イ）のうちの−万〇〇に被検出圧力を印加す
るｆコめのロッド（９）が配置されている。光は光導波
ＩＩ　Ｅ４から入射される。圧力が印加されてい々い場
合には、１対の光導波１ｆｓ−＋　０７］）（イ）を伝
搬゛する光波間には位相差は生じないから、先導波路（
ハ）から出射される訓導波路ｌ２Ｉ）＠の光波の重ね合
わされた光は最大値を示す。ロッド（９）によって先導
波路Ｑυに圧力が印加されると、先導波路（２］）の位
相定数が変化するので、先導波路（ハ）から出力される
光は圧力によって強度変調される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、導波形光ビーム・スプリッタの動作原理を示
す禍成図、第２図（ａ）、ら）は、このビーム・スプリ
ッタにおける固有モードの伝搬の様子を示す図、第２図
（ｅ）は位相定数の変化を示すクラン、第３図は、との
ビーム・スプリッタへの光波の入力と出力との種々の関
係を示す図、第４図は、この発明の実施例を示す斜視図
、第５図は、出力光の強度の圧力による変化を示すクラ
ン、第６図はこの発明の他の実施例を示す斜視図である
。（１）　（２）　Ｑυａノ０Ｉ）（２）・・・圧力検出
用単一モード先導波路、（３）　（４）　（＋３０４）
　Ｈ−・・入出力用単一モード先導波路、（１０に）・
・・基板、（８）（ハ）・・・反射膜、（９）・・・被
検出圧力印加用ロッ　　ド以　　上特許出願人　　井　筒雅　之同　　末１）正同　　　　立石電機株式会社第２図（ａ） □２第３図第４図第５図一會ｆＰ７ＩＩｌｌ圧巾第６図手続補正書Ｉ］■ 昭和５７年１り月／、７日特許庁長官　　若　杉　和　夫　　殿１、事ｆ′１の大小　　昭和５７年持、ｖ１願第１３０
０９５号２　発明の名称　　光学的圧力センサ３、補正をする者事件との関係　　　　特ｒ「出願人４、代　理　人外４名５　補正命令の日付　　　昭和５７年１０月２６１１以
上

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも１つの入出力用単一モード先導波路と
、この入出力用先導波路の一端に結合されｒコ１対の圧
力検出用単一モード光導波路とを有する基板、圧力検出用先導波路の光波を反射させる手段、および圧力検出用先導波路上に被検出圧力を加える手肌を備えている光学的圧力センサ。
（２）入出力用光導波路に光波を入射させる手段、度おまひ入出力用光導波路から出射する光の強Ｘを検出す
る手段を備えている、特許請求の範囲第（１）項記載の
光学的圧力センサ。