JPS6080713A - 光学的変位センサ - Google Patents

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】 σン　技　術　分　野 この発明は、微少な機械的変位を、非接触で計測する光
学的変位センサに閃する。

精密機械加工等における表面加工精度の計測、回転物の
軸ブレ、機械振動物体、例えばスピーカのコーン等の振
動計測などに使う事ができる。

また医療分野において、カテーテル型心室内血圧計など
に用いる事もできる。

（イ）従来技術とその問題点 精密゛機械加工に於て表面粗さを測定したり、蒸着膜の
厚さなどの測定のためには、従来、触針による段差計、
′あらさ計などがあった。これは、触針によって測定対
象物の表面をたどってゆき、表面粗さを測定する。この
方法は、既に実績のあるものであるが、 （１）　被測定物表面にキズをつけてしまうことがある
。

（２）　検出感度が不十分なことが多い（せいぜい０．
５μｍ程度である）。

などの問題があった。これらは、接触測定であることか
らくる欠点である。

触針の先は丸くなっているが、この半径は数μ〃ｒ〜十
μか１程度あるから、微少な変位は分らないことが多い
。又、触針には一定の力が加えられているが、これによ
り、表面が僅かに変形することもある。

医療用の心臓内カテーテルによって、心室内の血圧パル
ス波形を高精度に計測しようとするものがある。これは
、複数の送光用の光ファイバと複数の受光用光ファイバ
をランダムに分布させてカテーテルの中に挿通しである
。送光用光ファイバの他端には光源があって、送光用光
ファイバへ光を入射するようになっていも。

受光用光ファイバの他端には光検出器が設けである。

光ファイバはクラットで囲まれた屈折率の高いコアに於
て、光を伝送する。コアから出た光は、コア、クラッド
の屈折率によって頂角が決定される円錐面に含まれる。

つまり、光の拡がりは、コアからの距離に比例して大き
くなる。

受光用ファイバについても同様で、コアを頂点とする円
錐面に含まれる光のみが受光用ファイバのコアに入射て
きる。

カテーテルの心臓内へ差込む方の先端には、送光用、受
光用ファイバ端面から僅かに離隔して（１００μｍ程度
）振動板が取付けである。送光用ファイバから出た光は
振動板の内向で反射され、一部は受光用ファイバに入り
、光検出器によって、その強度が測定される。

カテーテルの内部の気圧と、外部の圧力の差があれば振
動板は内、外へ歪む。振動板が動くと、送光用ファイバ
、受光用ファイバと反射面の距離が変化するので、受光
用ファイバに入る光の強度が変動する。これは光検出器
によって知ることができる。従って、これにより心室内
の血圧パルスを計測できる。

このように光ファイバ束を用いる方法は、（１）　光フ
ァイバを束ね、適宜分割して送光用ファイバ、受光用フ
ァイバに丹念に分ける、という手作業を要するため、工
業的ではない。

（２）　光フアイバ１本の太さは、最Ｊ−でも２０μｍ
φ程度である。これ以上に細くすると機械的強度が十分
でなくなるからである。送光用、受光用ファイバのピッ
チが数十ミクロン以下に小さくならないので、最小検出
変位もこのために制限を受け、成る程度以下にできない
。

（つ）本発明の目的 本発明の目的は、工業的手段により、量産でき、十分高
い感度、高いＳ／Ｎ比を有する光学的微小変位センサを
提供する事である。

に）　イメージファイバ 本発明は、バンドルファイバのがわリニイメージファイ
バを利用する。イメージファイバは、バンドルファイバ
より、はるかに多くの光ファイバを束にしたものである
。工業的にＭＬする方法も確立している。

（イメージファイバの製造方法は、マルチ法、９６積み
法、マルチファイバ法などがある。

マルチ法は、画素ファイバを多数束ねて素材ロッドとし
、これをさらに炉に通して、加熱溶融した後、一定径に
紡糸して作る。画素ファイバは、クラッドとなるロンド
にコアとなるロンドを挿入し加熱溶融し、これを細径の
ファイバにして巻き取ってゆくことによって作られる。

画素ファイバを束ねた素側ロッドを加熱溶融して紡糸す
るから、画素ファイバ１本あたりの断面積が減少する。

口の工程を何回が繰返えすと、画素数の多い解像度の高
いイメージファイバが製造される。マルチ法は、何回も
繰返して紡糸するから特に外径の小さい解像度の高いイ
メージファイバが作られる、という長所がある。また、
各画素ファイバの位置関係が、″どの断面に於ても同一
であるから、長いイメージファイバを途中で切断しても
、イメージファイバとして使うことができる。

箔積み法（積上げ法）は現在もつともよく使われている
製造法である。まず、細い画素ファイバを、巻きとりド
ラム上に一層に整列して巻く。数百回巻き終ると、整列
部に接着剤を薄く塗布して固める。接着剤が硬化した後
ドラムからコイル（一層の）上の画素ファイバをとりは
ずす。こうして作った単層ファイバをコの字型のガイド
に入れて順次積み重ねる。単層ファイバが箔のようにな
るので箔積みという。積重ねた部分は上下に規則正しく
配列するが、その他の部分での画素ファイバの配列はラ
ンダムである。ランダムであってもさしつかえない。

箔積みした部分に接着剤を注入して一体化する。

一体化した部分を切断する。切断して箔積みファイバを
拡げる。切断した部分は、画素の位置関係が対応してい
るから、切断面の一方から与えられた画像は、他方に於
て同一の画像として現われることになる。中間での画素
ファイバの位置関係はランダムであるから、このファイ
バを任意の長さに切断して使うということはできない。

イメージファイバの長さは、巻取りドラムの円周に等し
い。このため、任意の長さのイメージファイバを箔積み
法で作ることは離しい。箔積み法で製作できるイメージ
ファイバの長さは、５０α〜３ｍ程度である。

マルチファイバ法は、画素数をさらに増加させるために
、マルチ法で作られたファイバを積上げる方法である。

画素数を容易に増やすことができるがマルチファイバ間
に空隙ができることがある。

イメージファイバの画素の数を増すと、解像度が向上す
るが、ひとつのファイバが細くなり波長のオーダの径に
近づくと、単一モード伝送に近くなり、開口数が減少し
、画像が暗くなってし丁う。

胃カメラなどに用いられるイメージファイバの画素の径
は約１０μｎ１である。一般に画素の径は数μｍ程度が
最適径である。

け）本発明の構成 第１図は本発明の主要部を示す構成図である。

イメージファイバ１は既に述べたように数千〜敵方の画
素ファイバを、両端に於ける各画素の位置関係が対応す
るように束ねたものである。

光学的変位センサの全体は、対象物の近傍にまで差入れ
られる撮像部Ａと、観察者又は観察装置が存在する受像
部Ｂと、両者をつなぐ数ｍの伝送部とよりなっている。

イメージファイバ１の外側には、プラスチック製の被覆
や可撓管が設けられて、イメージファイバ１を保護して
いる。これら被験については図示を省略している。この
例で、イメージファイバの直径は、１．３ｍｍφで、可
撓管を含む全体の外径は、２．７ｆｆｆｆφである。

受像部Ｂには、通常は、受像アダプタが取付けられて、
イメージファイバ端面に現われる像を直・　接観察でき
るようになっている。しかし、本発明ではイメージファ
イバを画像伝送用に使用してｌ／するのではないから、
このようなものは取付けない。

受像部Ｂのイメージファイバの端面は研磨して、十分平
坦な面にして、半導体プロセスによって、縞状の光検出
膜２を形成する。光検出膜２は、ピッチがＰで、幅がＷ
の互に平行な細長い光検出素子である。第２図はイメー
ジファイバ端面図、第３図は光検出膜２の拡大断面図で
ある。光検出膜２の外側には、光源からの光が入るのを
防ぐために、遮光膜３が設けられ光検出膜２を身ってい
る。

光検出膜２は、イメージファイバの直径りを、繰返しピ
ッチＰて除した値ｍたけ設けることができる。ピッチＰ
がこのセンサの検出＝ｉを規定する。ピッチを小さくす
ると感度が増大する。

センサは、合刷ｍ本の細長い光検出膜２を有する。それ
ぞれの光検出膜２の出力はアンプ５によって増幅され、
記録計６に、又はコンピュータに入力される。

光検出膜２はｍ本あるので、アンプ５もｍ個必要になる
。こうすれば、対象物７の変位を局所的に知ることがで
きる。

撮像部Ａに於て、対象物７の面に対する法線方間を２と
し、面方向にＸｓ’／軸をとる。

イメージファイバの光軸が２軸に平行であるとする。対
象物１とイメージファイバ頭面の距離は。

ｔｏｎｍ〜１醋でなければならない。光検出膜２に対応
する画素群は撮像部Ａの端面に於ても平行な縞状の領域
にある。この平行群の方向をｙ軸にとる。

ｍ個の光検出膜２の出力が区別して演算されるならば、
対象物の一点（Ｘ、３’）の変位ｚ（ｘ。

ｙ）の内、Ｘ方向に平均化された変位 Ｚ（Ｘ）　−＜ｚ（ｘ、ｙ）＞　（１）をめることがで
きる。〈・・・〉は平均を意味する。

しかし、このようにＸ方向の局所的な変位を知る必要が
ない場合は、ｍ個の光検出膜の出力を平均化して、この
領域での対象物の平均の変位ｚａｖｚ、ｖ＝　＜Ｚ（Ｘ
）＞ｘ（２） を請求めればよい。この場合、光検出膜の出力を前置増
１陥回路で増１陥し、ごれ以後はこれらの値の和のみに
ついて演算処理すれば良い。

光検出膜２は例えば、アモルファスシリコン、又はシリ
コン単結晶よりなる光検出素子とする。

光検出膜２を憶う遮光膜３は例えばＡβなどの金属薄膜
を用いることができる。

受像部Ｂに於て、イメージファインく１の端面に光源４
から光を照射する。図示していないがレンズを使って光
源４の光を狭い面積の端面に収束さぜる。

イメージファイバは多くの画素ファインくを持っている
か、一部分のファイバの！７：Ｍ面は光検出膜２、遮光
膜３によって覆われている。

端面に於て露出している画素ファイ／くのみに、光源か
らの照明光が入射する。照明光はファインくの中をその
まま伝搬し、受像部Ｂ１伝送部、撮（ｌｆｉ部Ａへと進
行し、撮像部の端面から、一定の円囲ミ面内に出射する
。

この光は、対象物７０表面で反射され、イメージファイ
バ端面の近傍の画素ファインく端面に人身・１する。反
射光はファイバ中を戻って、受像部Ｂの光検出膜２に至
り、光強度が測定される。

イメージファイバの画素ファインくけ、それ放送るべき
光の役割により、照明充用ファイバと反射光用ファイバ
とに区別することができる。

第４図は照明光用ファイバと反射光用ファインくの端面
に於ける位置関係を説明する略図である。

光ファイバはコア、クラッドの屈折率によって決まる開
口数ＮＡによって、光の拡がり角が定義される。光ファ
イバより出射する光は、 ＮＡ　＝　ｓｉｎθ　（３） で決まる角０で拡散する円錐の中に含まれる。この円錐
に含まれる光のみが、光ファインくに入射することがで
きる。

照明充用ファイバに１反射光用ファインくＬのコアの端
面から頂角が２０の円錐（詳しくは円錐台）を描く。対
象物体の表面をＭで表わす。円錐台と平面Ｍの交わりは
、円になる。一方は直径をＵＶとする円であり、他方は
直径をＶｆＸとする円である。

円ＵＶと円Ｗｘが共通部分を持たない時（ｄがＯに近い
）、反射光は、全く反射光用光ファインくに入らない。

円ｔＪＶを照明円と呼び、円ＷＸを反射円と呼ぶ。

光フアイバ端面と平面Ｍの距）ｋｄが増大すると、照明
円ＵＶ、反射円ＷＸが等しく拡大してゆく。

照明円ＵＶと、反射円ＷＸとが共通部分を持てば、反射
光の一部が反射光用ファイバに入る。

ｄか増大すると、照明円と反射円の共通部分が増大する
。しかし、距離ｄの２乗に反比例して、反射光がファイ
バに到達する割合が減少してくる。

結局、ｄと反射光強度工の関係は、第５図で示すような
、ｄｍでピークを持つ函数になる。０からｄｍの間で、
線型性の良い領域が存在する。この領域で使う事とすれ
ば、ｄの変化と工の変化とが比例関係にある。

比例関係にある領域で使えば、反則光強度を測定して、
直ちに変位ｄを知ることができる。

しかし、ｄと工の関係を決める函数形は計算によってめ
ることができ、ｄｍでの工の極大値を知ることができれ
ば、ｄ−Ｉ曲排を校正できる。そうすれば、０＜ｄ＜ｄ
ｍの単鯛増加饋域の全体に於て、このセンサを、変位計
測のために用いることができる。

光検出層の出力と、ｄ−Ｉ函数とから、ｄを計算するよ
うにすれば良い。

以上に説明したものは、対象物の変位を検出するセンサ
の例であった。

本発明は振動板をカテーテル前端に設は外圧と内圧の差
を振動板の変位に変換することとして、血圧計などに使
うことができる。

第６図はそのようにした本発明のセンサのカテーテル先
端部のみの構造を示す断面図である。イメージファイバ
を内部に含むカテーテルには別のパイプによって空気が
送りこまれ、内圧を標準の圧力に保つようになっている
。このような血圧計は、心臓の中へ差込まれる。振動板
の外側は、心臓内の圧力と等しい圧力が加わる。振動板
は内外圧力差によって撓む。

振動板８に対向して、照明光用ファイバ、反射光用ファ
イバが位置している。振動板８の変位は反射光の強度を
検出する事によって知ることができる。従って、このよ
うなセンサにより血圧を知る口とができる。またこの圧
力は心臓の鼓動とともに振動する。この振動の強さ、周
期をも測定することができる。

（力）　効　果 本発明の光学的変位センサは、非接触で、光学的手段に
よって計測するので、次の効果がある。

（１）被測定物体に、反力、キズなどを全く加えるおそ
れがない。

（２）応答が速い。

（３）　光ファイバを使うので、感電の危険がない。

本質的に防爆型で、安全である。特に医療用のセンサと
して最適である。

（４）　イメージファイバを使用するので、工業的手段
で量産可能である。バンドルファイバを用いるものに比
して、照明充用、反射光用ファイバを１本１本より分け
るという極めて煩瑣な作業を必要としない。

（５）　イメージファイバの端面上に平行な多数の光検
出膜全設けるようにしたが、半導体プロセスは現在にお
いても既に高度に発達しているので、光検出膜のピッチ
Ｐを十分狭くできる。ピッチＰを狭くすることにより、
例えば、〜ｌＱｎｍという超高感度の変位検出が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学的変位センサの基本構成図。 第２図はイメージファイバの受像側の端面図。 第３図は光検出＋１６（近傍の拡大断面図。 第４図は照明光用ファイバ、反射光用ファイバと対象物
体面に於ける光の円錐の交わりを説明するだめの説明図
０第５図は距離（ｄ）−光強度曲線図。 第６図は血圧計とするための振動板を設けた他の実施例
を示す撮像部先端の断面図。 １　・・・・・・・・・　イメージファイバ２　・・・
・・・・・・　光　検　出　膜３　・・・・・・・・・
　遮　光　膜 ４　・・・・・・・・・　光　源 ５　・・・　・・・　・・・　ア　ン　プロ　・・・・
・・・・・　記　録　計 ８　・・・・・・・・・　振　動　板 Ａ　・・・・・・・・・　撮　像　部 Ｂ　・・・・・・・・・　受　像　乱 発　明　者　小　野　公　三 特許出願人　住友電気工業株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　コアとクラッドよりなる多数の画素ファイバを
   整列集合したのち、これを加熱一体化して母材を作りこ
   れを線引することによって得られるイメージファイバ１
   と）イメージファイバ１の受像側Ｂの端面に間欠的に形
   成され画素ファイバ中を伝搬してきた光の強匣を測定す
   るための光検出膜２、・・・と、光検出膜２、・・・を
   覆うためこの外側に形成された遮光膜３、・・・と、イ
   メージファイバ１の受像側Ｂの端面に照明光を入射させ
   る光源４と、光検出膜２から出力される電気信号を増幅
   する増１陶器とよりなり、撮像側Ａに於て、イメージフ
   ァイバ１の端面と対象物体７とを接近させ、両者の距離
   ｄと、照明光用イメージファイバから出た光が物体面で
   反射され反射光用イメージファイバへ入射する光の強度
   工とが単調増加関係にある領域で対象物体γの変位をＢ
   １測することを特徴とする光学的変位センサ。
2. （２）　光検出膜２がアモルファスシリコンである特許
   請求の範囲第（１）項記載の光学的変位センサ０
3. （３）　光検出膜２がシリコン単結晶である特Ｈ’ｆ　
   請求の範囲第（１）項記載の光学的変位センサ。
4. （４）　遮光膜３がアルミ＃膜である特＃’Ｆ　、請求
   の）１ル囲第（１）項記載の光学的変位センサ。