JPS62124416A - 光応用センサ - Google Patents
光応用センサInfo
- Publication number
- JPS62124416A JPS62124416A JP26675485A JP26675485A JPS62124416A JP S62124416 A JPS62124416 A JP S62124416A JP 26675485 A JP26675485 A JP 26675485A JP 26675485 A JP26675485 A JP 26675485A JP S62124416 A JPS62124416 A JP S62124416A
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- opto
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
く技術分野〉
本発明は外界から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、全反射による光学的位相バイアス
を付与した光応用センサに関する。
る光弾性材料を用い、全反射による光学的位相バイアス
を付与した光応用センサに関する。
〈従来技術〉
板状の光弾性材料が外界からの物量たとえば圧力、荷重
、加速度、歪み、音響といった力学量によって曲げ変形
を受けるとその断面では第４図に示すような内部応力を
生じる。第４図の１は光弾性材料、２は外力、３は支持
点をそれぞれ示している。
、加速度、歪み、音響といった力学量によって曲げ変形
を受けるとその断面では第４図に示すような内部応力を
生じる。第４図の１は光弾性材料、２は外力、３は支持
点をそれぞれ示している。
この内部応力の分布は叔状光弾性材料ｌの上層部の圧縮
応力領域と下層部の引張応力領域に分けられ、その間に
応力の働かない境界線（図中の破線）が生じる。板状の
光弾性材料ｌの外力による曲げ変形に伴なう光強度変化
を利用した従来の力学量センサの構成例を第５図に示す
。発光素子４から出射した光は光ファイバー５．ロッド
レンズ６を経て偏光板７により単一の振動面を有する直
線偏光だけが光弾性材料１の外力２によって生じる圧縮
応力領域及び引張応力領域をそれぞれ通過し、さらに１
／４波長板８．偏光板９を通ってそれぞれロッドレンズ
１０，１１．光ファイバー１２．１３．受光素子１４．
１５に達する。
応力領域と下層部の引張応力領域に分けられ、その間に
応力の働かない境界線（図中の破線）が生じる。板状の
光弾性材料ｌの外力による曲げ変形に伴なう光強度変化
を利用した従来の力学量センサの構成例を第５図に示す
。発光素子４から出射した光は光ファイバー５．ロッド
レンズ６を経て偏光板７により単一の振動面を有する直
線偏光だけが光弾性材料１の外力２によって生じる圧縮
応力領域及び引張応力領域をそれぞれ通過し、さらに１
／４波長板８．偏光板９を通ってそれぞれロッドレンズ
１０，１１．光ファイバー１２．１３．受光素子１４．
１５に達する。
次Ｋ １／４ 波長板８の代わりにフルネルの斜方−
体のように全反射を２回繰返すことによってπ／２ の
位相バイアスを加え且つ光路を１８０゜折り曲げた型の
センサの従来例を第６図に示す。
体のように全反射を２回繰返すことによってπ／２ の
位相バイアスを加え且つ光路を１８０゜折り曲げた型の
センサの従来例を第６図に示す。
発光素子４から出射した光は光ファイバー５゜ロッドレ
ンズ６．偏光板７を通り直線偏光が光弾性材料１に入射
する。該偏光は外力２による曲げ変形を受けた光弾性材
料ｌに生ずる圧縮応力領域と引張応力領域のそれぞれを
通過する時、応力の大きさに応じて位相変調を受け、さ
らに２回全反射することによりπ／２ の位相バイアス
が加えられる。このようにして変調された光は進行方向
が１８０°反転し、それぞれ偏光板７．ロッドレンズ１
０，１１．光フアイバー１２．１３を経て受光素子１４
．１５に達する。第６図に示すような方式け１／４ 波
長板を使用せず同じ機能をフルネル斜方体と同様の全反
射によって得ているため、位相バイアスの波長依存が少
なく個々の素子の、バラツキが小さい上に高精度でかつ
安価であるという利点を有する。さらに光弾性材料１が
ミラーの働きを有するため素子全体がコンパクトになる
。
ンズ６．偏光板７を通り直線偏光が光弾性材料１に入射
する。該偏光は外力２による曲げ変形を受けた光弾性材
料ｌに生ずる圧縮応力領域と引張応力領域のそれぞれを
通過する時、応力の大きさに応じて位相変調を受け、さ
らに２回全反射することによりπ／２ の位相バイアス
が加えられる。このようにして変調された光は進行方向
が１８０°反転し、それぞれ偏光板７．ロッドレンズ１
０，１１．光フアイバー１２．１３を経て受光素子１４
．１５に達する。第６図に示すような方式け１／４ 波
長板を使用せず同じ機能をフルネル斜方体と同様の全反
射によって得ているため、位相バイアスの波長依存が少
なく個々の素子の、バラツキが小さい上に高精度でかつ
安価であるという利点を有する。さらに光弾性材料１が
ミラーの働きを有するため素子全体がコンパクトになる
。
ところが第５図、及び第６図に示す構成例は光弾性材料
ｌの曲げ変形によって生じる圧縮応力領域及び引張応力
領域のそれぞれを通過した光がロッドレンズ１０．１１
に入射するとき、ロッドレンズ金具の大きさの制約のた
めにロッドレンズ１０゜１１をある程度離して配置せざ
るを得す、光弾性材料１の厚みが大きくなるという欠点
を有し、これが負荷特性の感度を大きくすることができ
ない原因となっていた。また第６図の構成例の光弾性材
料ｌけ素材から所定の角度で切り出された後各面が光学
研磨されるため製作コストが高くなるという問題を内在
してｂた。
ｌの曲げ変形によって生じる圧縮応力領域及び引張応力
領域のそれぞれを通過した光がロッドレンズ１０．１１
に入射するとき、ロッドレンズ金具の大きさの制約のた
めにロッドレンズ１０゜１１をある程度離して配置せざ
るを得す、光弾性材料１の厚みが大きくなるという欠点
を有し、これが負荷特性の感度を大きくすることができ
ない原因となっていた。また第６図の構成例の光弾性材
料ｌけ素材から所定の角度で切り出された後各面が光学
研磨されるため製作コストが高くなるという問題を内在
してｂた。
〈発明の目的〉
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、光
弾性材料の圧縮応力領域及び引張応力領域のそれぞれを
通過し２回全反射した光が、互いに所定の距離だけＷ＆
れることによって、光弾性材料の厚さがロッドレンズ等
に制約されない光応用センナを提供することを目的とす
る。
弾性材料の圧縮応力領域及び引張応力領域のそれぞれを
通過し２回全反射した光が、互いに所定の距離だけＷ＆
れることによって、光弾性材料の厚さがロッドレンズ等
に制約されない光応用センナを提供することを目的とす
る。
〈実施例〉
第１図（７Ｓ、Ｊは本発明の１実施例を示す力学１セン
サの模式構成図である。同図（Ｂ）は同図（、〜に用い
られる光弾性材料の平面図であり、図中の矢印は光の進
行方向を示している。板状の光弾性材料１の上下の七）
１ぞれの面には直角に交わる２本の溝が刻まれており、
図中の実線は上面の溝を、破線は下面の溝を示している
。溝はダイシング等の方法知より加工され、この溝の壁
面か全反射面として用いられる。同図（Ｃ）は偏光板７
側から見た光弾性材料の側面図であり図中の円は入射光
束、半円は反射光束をそれぞれ示している。次に第１図
（５）に示す構成例を説明する。発光素子４から出射し
た光は光ファイバー５．ロッドレンズ６を通り、偏光板
７を通過した直線偏光が外力２で曲げ変形を受ける光弾
性材料１に入射する。曲げ変形によって生じる圧縮応力
領域を通過し位相変調を受けた光は、光弾性材料ｌの上
面に形成された溝の壁面で２回全反射し位相バイアスが
付加されるとともに進路が反転する。一方、引張応力領
域を通過した光は、応力による位相変調を受けた後光弾
性材料１の下面に形成された溝の壁面で２回全反射し位
相バイアスが付加され進路が反転する。光弾性材料１か
らの２本の出射光は、入射光軸に対して互いに左右逆の
位置よシ出射されるため、その間隔は互いに光分離れて
いて従来のように光弾性材料の板厚に制約を与えない。
サの模式構成図である。同図（Ｂ）は同図（、〜に用い
られる光弾性材料の平面図であり、図中の矢印は光の進
行方向を示している。板状の光弾性材料１の上下の七）
１ぞれの面には直角に交わる２本の溝が刻まれており、
図中の実線は上面の溝を、破線は下面の溝を示している
。溝はダイシング等の方法知より加工され、この溝の壁
面か全反射面として用いられる。同図（Ｃ）は偏光板７
側から見た光弾性材料の側面図であり図中の円は入射光
束、半円は反射光束をそれぞれ示している。次に第１図
（５）に示す構成例を説明する。発光素子４から出射し
た光は光ファイバー５．ロッドレンズ６を通り、偏光板
７を通過した直線偏光が外力２で曲げ変形を受ける光弾
性材料１に入射する。曲げ変形によって生じる圧縮応力
領域を通過し位相変調を受けた光は、光弾性材料ｌの上
面に形成された溝の壁面で２回全反射し位相バイアスが
付加されるとともに進路が反転する。一方、引張応力領
域を通過した光は、応力による位相変調を受けた後光弾
性材料１の下面に形成された溝の壁面で２回全反射し位
相バイアスが付加され進路が反転する。光弾性材料１か
らの２本の出射光は、入射光軸に対して互いに左右逆の
位置よシ出射されるため、その間隔は互いに光分離れて
いて従来のように光弾性材料の板厚に制約を与えない。
それぞれの出射光は偏光板７で光強度変調に変換され、
ロッドレンズ１０．１１光ファイバー１２．１３を経て
受光素子１４．１５に達する。
ロッドレンズ１０．１１光ファイバー１２．１３を経て
受光素子１４．１５に達する。
次に上述した光応用センサにおけるセンサ出力の負荷特
性について述べる・ τド偏光板７を通過した直線偏光は、Ｘ成分、Ｙ成゛・
◇゛−゛、＼ 分とも同一振幅、同一位相を有し、光弾性材料１を通過
するとき曲げ変形によって生じる内部応力量に応じて上
記の２偏光成分に位相差が生じる。
性について述べる・ τド偏光板７を通過した直線偏光は、Ｘ成分、Ｙ成゛・
◇゛−゛、＼ 分とも同一振幅、同一位相を有し、光弾性材料１を通過
するとき曲げ変形によって生じる内部応力量に応じて上
記の２偏光成分に位相差が生じる。
光弾性材料の圧縮応力領域での位相差をθとすると引張
応力領域のそれは−θとなる。］／４ 波長板８が無い
場合、光ファイバー１２を通って受光素子１４に達する
光量をＡ、光ファイバー１３を通って受光素子１５に達
する光量をＢとするととなる。（Ｉは比例定数） 明らかにＡ＝Ｂであり、２つの光量Ａ、Ｂを個々に検出
することは意味をもたない。１／４７Ｊ！、長板８が存
在するときは２つの光にそノ１ぞｈ９０’の位相バイア
スが加わり、その時の受光素子１４゜１５に達する光量
はそれぞノ１ と別々の変化を示す。光ｆｒＡ、Ｂの負荷特性は、第２
図に示すように低荷重域でほぼ直線的に変化する。また
比例定数■によらずに応力に伴なう位相差θを得るには Ａ＋Ｂ を求めればよい。発光強度変動、接続損失変動などの外
乱１寸すべて比例定数■の変動であるので、発光素子４
から偏光板９の間における外乱の影響は充分に小さく抑
えることが可能である。
応力領域のそれは−θとなる。］／４ 波長板８が無い
場合、光ファイバー１２を通って受光素子１４に達する
光量をＡ、光ファイバー１３を通って受光素子１５に達
する光量をＢとするととなる。（Ｉは比例定数） 明らかにＡ＝Ｂであり、２つの光量Ａ、Ｂを個々に検出
することは意味をもたない。１／４７Ｊ！、長板８が存
在するときは２つの光にそノ１ぞｈ９０’の位相バイア
スが加わり、その時の受光素子１４゜１５に達する光量
はそれぞノ１ と別々の変化を示す。光ｆｒＡ、Ｂの負荷特性は、第２
図に示すように低荷重域でほぼ直線的に変化する。また
比例定数■によらずに応力に伴なう位相差θを得るには Ａ＋Ｂ を求めればよい。発光強度変動、接続損失変動などの外
乱１寸すべて比例定数■の変動であるので、発光素子４
から偏光板９の間における外乱の影響は充分に小さく抑
えることが可能である。
さらに上記出力（Ａ−Ｂ ）／（Ａ＋Ｂ ）けθが小さ
い値のときほぼθに比例するため、処理回路を単純化す
ることができる。また発光素子４つ発光強度がＡ＋Ｂ＝
一定になるように電気的に制御されている時Ａ−Ｂの値
が求められればＡ ＋ Ｂで割る演算を省くことができ
、信号の電気的処理を簡素化することが可能である。
い値のときほぼθに比例するため、処理回路を単純化す
ることができる。また発光素子４つ発光強度がＡ＋Ｂ＝
一定になるように電気的に制御されている時Ａ−Ｂの値
が求められればＡ ＋ Ｂで割る演算を省くことができ
、信号の電気的処理を簡素化することが可能である。
次に光弾性材料１内での全反射（でよって生じる直交す
る２偏光成分間の位相差について説明する。
る２偏光成分間の位相差について説明する。
全反射における反射面内に１辰動而を有する直線偏光と
それＩＣ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。
それＩＣ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。
ここでｎけ媒質の屈折率、ψは反射角である。本実施例
ではψは４５°であり、この時１回の全反射によって得
られる位相差は次の様になる。
ではψは４５°であり、この時１回の全反射によって得
られる位相差は次の様になる。
第６図や第１四回に示すように反射角・！５°の２回の
全反射によって、１／４ 波長板と同等のπ／２の位相
バイアスを得るためには２δ＝π／２であバばよく、こ
れを満たす光弾性材料１の屈折率はｎ＝１．５５４であ
る。
全反射によって、１／４ 波長板と同等のπ／２の位相
バイアスを得るためには２δ＝π／２であバばよく、こ
れを満たす光弾性材料１の屈折率はｎ＝１．５５４であ
る。
第４四穴に示す実施例は光弾性材料１に溝加工による全
反射面を形成したものであるが、第３四回に示すように
外力による曲げ変形−うぶ付与される光弾性材料１と全
反射部１′ とを分離してもよい。
反射面を形成したものであるが、第３四回に示すように
外力による曲げ変形−うぶ付与される光弾性材料１と全
反射部１′ とを分離してもよい。
その場合全反射部１′は屈折率ｎ＝１．５５４の透、光
性材料に限定されるが、光弾性材料ｌは自由に選択でき
たとえば石英ガラス、光学ガラス等の各種ガラス、Ｌｉ
ＮｂＯ３、ＬｉＴａ０＋ 、ＧａＰ 等の光学セラ
ミックスあるいは光学結晶；エポキシ樹脂、ジアリルフ
タレート樹脂、メチルメタクリレート樹脂などの高分子
材料を用いることができる。
性材料に限定されるが、光弾性材料ｌは自由に選択でき
たとえば石英ガラス、光学ガラス等の各種ガラス、Ｌｉ
ＮｂＯ３、ＬｉＴａ０＋ 、ＧａＰ 等の光学セラ
ミックスあるいは光学結晶；エポキシ樹脂、ジアリルフ
タレート樹脂、メチルメタクリレート樹脂などの高分子
材料を用いることができる。
また第３四回は光弾性材料１が支持点３の間で曲げ変形
を受ける構造であるのに対し、第３図ＣＢ）は外力２の
付与される光弾性材料１がダイアフラムとなっていて、
静水圧測定が可能な構造を示して込る。
を受ける構造であるのに対し、第３図ＣＢ）は外力２の
付与される光弾性材料１がダイアフラムとなっていて、
静水圧測定が可能な構造を示して込る。
上記実施例では荷重センサや王カセンザについて示した
か、同様な構成で音響、歪み、変位センサとして使用す
ることも可能である。さらに外界の物理量が力孝債に変
換さバるようなトランスデユーサを付加すると、たとえ
ば光弾性材料と熱膨張率の異なる材料と組合せて温度セ
ンサに、電歪材料と組合せて磁圧センサに、磁歪材料と
組合せて磁気センサや電流センサにすることも考えられ
る・ 〈発明の効果〉 本発明によれば、板状の光弾性材料の上下各面に形成さ
バた溝の壁面を全反射面とすることにより、光弾性材料
の曲げ変形によって生じる圧縮応力領域及び引張応力領
域のそれぞノ１を通過した２つの光を互いに充分な間隔
だけ離すことが可能になり、光弾性材料の板厚がロッド
レンズ金具の大きさに制約されず自由に設定できるとい
う効果が得られる。
か、同様な構成で音響、歪み、変位センサとして使用す
ることも可能である。さらに外界の物理量が力孝債に変
換さバるようなトランスデユーサを付加すると、たとえ
ば光弾性材料と熱膨張率の異なる材料と組合せて温度セ
ンサに、電歪材料と組合せて磁圧センサに、磁歪材料と
組合せて磁気センサや電流センサにすることも考えられ
る・ 〈発明の効果〉 本発明によれば、板状の光弾性材料の上下各面に形成さ
バた溝の壁面を全反射面とすることにより、光弾性材料
の曲げ変形によって生じる圧縮応力領域及び引張応力領
域のそれぞノ１を通過した２つの光を互いに充分な間隔
だけ離すことが可能になり、光弾性材料の板厚がロッド
レンズ金具の大きさに制約されず自由に設定できるとい
う効果が得られる。
また全反射面をダイシング等で形成するので加工時にお
ける全反射角の設定が容易で、光学研磨を必要としない
為、製作コストが著しく低減されるという利点も有する
。
ける全反射角の設定が容易で、光学研磨を必要としない
為、製作コストが著しく低減されるという利点も有する
。
第１四穴は本発明の１実施例を示す全反射型光応用セン
ナの模式構成図であ乙。８１図（Ｊ３）は同様に光弾性
材料の平面図である。第１図（Ｃ）は同様に光弾性材料
の側面図である。 第２図は光弾性材料を用い７七力学量センサの出力負荷
特性図である。 第３図は光弾性材料の他の実施例を示す斜視図である。 第４図は光弾性材料に生じる応用分布図である。 第５図は従来の透過型光応用センサの構成図である。 第６図は従来の全反射型光応用センサの構成図である。 １・・・光弾性材料、 １′・・・全反射部、２・
・・外力、 ３・・・支持点、 ４・・・発光素子
、５．１２．１３・・光ファイバー、 ６．１０．１１・・・ロッドレンズ、 ７．９・・
・偏光板、 ８・１／４ 波長板、 １４．１５
・・・受光素子。 代理人 弁理士 福 士 愛 彦（他２名）硝 曵ｆＫ
９１ 第３図
ナの模式構成図であ乙。８１図（Ｊ３）は同様に光弾性
材料の平面図である。第１図（Ｃ）は同様に光弾性材料
の側面図である。 第２図は光弾性材料を用い７七力学量センサの出力負荷
特性図である。 第３図は光弾性材料の他の実施例を示す斜視図である。 第４図は光弾性材料に生じる応用分布図である。 第５図は従来の透過型光応用センサの構成図である。 第６図は従来の全反射型光応用センサの構成図である。 １・・・光弾性材料、 １′・・・全反射部、２・
・・外力、 ３・・・支持点、 ４・・・発光素子
、５．１２．１３・・光ファイバー、 ６．１０．１１・・・ロッドレンズ、 ７．９・・
・偏光板、 ８・１／４ 波長板、 １４．１５
・・・受光素子。 代理人 弁理士 福 士 愛 彦（他２名）硝 曵ｆＫ
９１ 第３図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、外界の物理量に対応した曲げ変形によって付与され
る光弾性材料の圧縮応力領域及び引張応力領域のそれぞ
れを通過した偏光を、前記光弾性材料の上下各面に加工
された位置の異なる溝の壁面でそれぞれ個別に全反射せ
しめた後、その反射光を検出する光学系を設けたことを
特徴とする光応用センサ。 ２、全反射の反射角が４５°であり、前記光弾性材料の
曲げ変形によって生じる前記圧縮応力領域及び前記引張
応力領域のそれぞれを通過した前記偏光は、２回の全反
射によって互いに所定の間隔だけ離間されるとともに光
の進行方向が１８０°反転する特許請求の範囲第１項記
載の光応用センサ。 ３、前記光弾性材料の曲げ変形が付与される部分と、前
記溝の壁面を利用した全反射部分とが分離している特許
請求の範囲第１項又は第２項記載の光応用センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26675485A JPS62124416A (ja) | 1985-11-25 | 1985-11-25 | 光応用センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26675485A JPS62124416A (ja) | 1985-11-25 | 1985-11-25 | 光応用センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62124416A true JPS62124416A (ja) | 1987-06-05 |
Family
ID=17435241
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26675485A Pending JPS62124416A (ja) | 1985-11-25 | 1985-11-25 | 光応用センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62124416A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5490426A (en) * | 1994-03-18 | 1996-02-13 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Method for detecting stresses |
| JP2012514746A (ja) * | 2009-01-08 | 2012-06-28 | スネクマ | 回転シャフトのねじれを測定する装置 |
-
1985
- 1985-11-25 JP JP26675485A patent/JPS62124416A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5490426A (en) * | 1994-03-18 | 1996-02-13 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Method for detecting stresses |
| JP2012514746A (ja) * | 2009-01-08 | 2012-06-28 | スネクマ | 回転シャフトのねじれを測定する装置 |
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