JPS62151716A - 光応用センサ - 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】 く技術分野〉 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３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、ｔ／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、偏光ビームスプリンタ７ば、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！３に達する。受光素子１２及び＋３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Ｋ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３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、実際には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。

この様な問題に対処するための従来例として、２光束を
利用した方式が考えられている。

第４図（Ａ）（Ｂ）はこの２光束を用いた荷重センサの
例であって、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へ伝送すれ、さらに偏
光子４ｏを経て光弾性材料５ｏ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かか
るように下部支点５１及び上部荷重点５２が配置構成さ
れている。荷重によって直交する２偏光酸分間に位相差
が生じるが、さらに１／４波長板６によって直交する２
偏光酸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５ｏ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
連絡された受光素子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０こ
の場合の発光強度変動あるいは結合損失変動に起因する
検出誤差は非常に少なくなる。

このセンサの動作について簡単に説明する。

第４図（Ｂ）は第４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５Ｉ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−曲げと称される状態にあって、
２つの上部荷重点５２０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４図（Ｂ）矢印方向
に生ずる。第４図（Ｂ）Ｋ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偏光酸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元々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２！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−〇とする。

最初に１／４波長板６がない場合を考える。光ファイバ
ー２０を通って受光素子１２に達する光量をＡ、光ファ
イバー２１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２Ｉ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、 Ａ　＝　Ｉ　５ｉｎ２！ＬＢ　＝　Ｉ　＝Ｊｎ２’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１７４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 Ａ”ｌ５ｔｎ２’−咀０’＝　Ｉ　（、十癲θ）Ｂ　＝
　ｌ５ｆｎ２−”二”’＝　’　（ｌ　−５Ｉｎｌｌ　
）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。

す々わち、 ＝癲θ Ａ＋Ｂ 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■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。

以上の説明において、上半分を通る光の位相差をθ、下
半分を通る光の位相差を一〇とした。実際妃は、この条
件を満たすためには光束と光弾性材料の間に厳密な位置
関係を設定する必要がある。

第４図（Ｂ）に示す様に光弾性材料５ｏに曲げモーメン
トを付与した場合、光弾性材料５ｏの上面では圧縮応力
が最大、下面では引張り応力が最大となり、その絶対値
はほぼ等しいと考えられる。このとき、応力は厚み方向
に急峻な変化をもって分布しているため、第４図（５）
の受光用大口径ファイバー２０．２１の位置がわずかに
上下しただけで上下の位相差の対称性が保てなくなる。

特に、高感度化を図るために光弾性材料５ｏを薄くした
場合、位置関係の設定にさらに精度が要求され、実用的
でなかった。

１　ｉｃ、上記以外にも次の様な欠点を有している。

この例の様に１つのレンズ３でコリメートされた′　光
を２つに分けて受光することにょシ２光束としての動作
を行う場合、レンズ３にょるコリメート光の光強度中心
は、応力のない光弾性材料５ｏの厚み方向の中心部を通
過することになる０このため、光の利用効率および感度
が悪いという欠点が残存する。

〈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、高感度で
、かつ取扱いが簡便な光弾性効果を用いた光応用センサ
を提供することを目的上する０ 〈実施例〉 以下第１図乃至第２図に従って、本発明の詳細な説明す
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！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
光板４０（第１の偏光子）を経て、光束の上部は光弾性
材料５０に入射せず通過し、光束の下部は光弾性材料５
０に入射する。光弾性材料５０は、第１図（Ｂ）に示す
様に荷重５３の重さに応じた曲げモーメントが、下部支
点５Ｉ、上部荷重点５２によってかかる様に構成されて
いる。

なお、第１図（Ａ）では荷重５３、下部支点５１．上部
荷重点５２は省略されている。光束下部は荷重によって
直交する２偏光板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偏光板分間の位相差を一
定量加え、検光板７０（第２の偏光子）によって位相差
を光強度に変換する。一方、光束下部は、１／４波長板
６を通ることによって常に一定の位相差が付与され、検
光板７０によって位相差を光強度に変換する。光束上部
及び光束下部は、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ｌ０Ｑｕ、特に端面加工
が施されたものであって光束下部を光ファイバー１０に
、光束上部を光ファイバー！■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。

受光素子１２の出力をＡ、受光素子１３の出力をＢとす
ると、Ａは光弾性材料を通り、Ｂは通っでいないため、
次の様な出力が得られる。

■ Ａ＝Ｔ（！十自θ） ■ Ｂ＝− ま ただし、θは荷重に比例する位相差である０また、■は
光強度であって、発光強度変動や光ファイバー等の光学
部品を用いたことに起因する損失変動のほとんどは、■
の変動として表われることになる。出力Ｂは、光強度■
の変動の影響が最終的な信号さして表われないために用
いられる。すなわちＡ／Ｂをとることにより■の項は消
え、これらの変動に対し出力が安定化されることになる
０ここで、この方式では、従来例と異なりＡ＋Ｂ等の演
算をする必要がなく、処理回路が単純化される０ここで
、従来法による安定化と異なり、出力Ｂの値が一定であ
ることから光束上部と光束下部の位置関係によらず、得
られる出力形状は同一式で表わされる。これは、出力Ｂ
も出力Ａとほぼ同一周期の振動波形であり、その周期の
一致が要求される従来例と比べて著しい特徴である。

その他にもこの方式はいくつかの利点を有する０一つは
、レンズ３の光強度分布が最大になる中心が、光弾性材
料５０の応力が最大となる表面部分を通過するため感度
が良くなることである。また、光束下部は光ファイバー
１０．光束上部は光フアイバー１夏に、はぼ全光量が入
射されるため、光利用効率が極めて優れていることも利
点である。

また、光束上部が、偏光板４０と検光板７ｏの両方を通
るため、偏光板４０及び検光板７０における損失のばら
つきに対し安定な出力を得られるという利点も有してい
る。

次に、本発明の第二の実施例に係る圧力センサを第２図
に示す。発光素子Ｉ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３１、偏光板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であるので、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。ここで光束下部が光弾性材料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偏光板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！／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。一方、
光束上部は、光弾性材料５５の上部を通過した後、直角
プリズム６１に入射する。ここで光束上部が直角プリズ
ム６１内で２回全反射し、そのため光路が１８０°折り
曲げられるが、その際光束下部と同様直交する２偏光板
分間忙位相差が生ずる。光路を折り曲げられた光束上部
、下部は再び偏光板４０を通り、光束下部はマイクロレ
ンズ３２、光束上部はマイクロレンズ３３によってそれ
ぞれ光ファイバー１０．Ｉ＋に導入され、それぞれ受光
素子１２．ＩＳ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。偏
光板４０は一枚であるが、光の通過する領域に応じてそ
れぞれ偏光板と検光板としての役割をもつ。

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偏光板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０本実施例においては
ｎは光弾性材料５５または直角プリズム６１の屈折率、
ψ＝４５°であって、この場合の位相差δけ次式の様に
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１７４波長板６と同じ働きをするためには、２δ＝９
０°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１　　　　　　際に
は必ずしも位相差２δは９０°である必要はない。光弾
性材料５５内での２回全反射による位相差全２δ１．直
角プリズム６１内での２回全反射による位相差を２Ｊ２
　とすれば、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。Ａ／Ｂを求めることによりＩに依存しない安定
な信号が得られることは第一の実施例に同じである。た
だし、Ｂ＝０とならない様２δ２が適当な値となる様な
材料で直角プリズム６Ｉを作製する必要がある。第二の
実施例は第一の実施例に比べて、光路変換と位相差付与
とりう全く機能の異なる作用を２回全反射によって得て
いるため、少ない部品点数で取扱い易いコンパクトなセ
ンサ形状が得られるという特徴を有している。しかも、
光弾性材料５５内部を通過する光束下部と外部を通過す
る光束上部とが全反射によって空間的に大きく隔てられ
てマイクロレンズ３２．３３に入射スるため、マイクロ
レンズ３１，３２．３３の設定精度に対する要求が大幅
に緩和されるという特徴をも有している。また第一の実
施例と同様に、光束下部の光エネルギーが光弾性材料５
５の表面層に集中しているため、感度が優れているとい
う利点を有している。

なお、以上の各実施例においては、光弾性材料５０及び
５５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、ＧａＰ。

ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３，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、ポリシクロへキシルメタクリ
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。

また、第−及び第二の実施例において光弾性材料に曲げ
による応力を付与したが、一様に力を加え、均一な応力
分布となる様にして用いてもよい０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入射
する光束と入射しない光束とを独立に検出することによ
り、光量、光損失の変動に対して安定であるだけでなく
、光学系の設定精度に対する要求が緩和され、感度の向
上が図れるものである。これによって低価格、高感度な
センサが得られるが、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０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す光応用センサの構
成図、第２図は本発明の第二の実施例を示す光応用セン
サの構成図、第３図及び第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・３１・３２・３３−１００・・・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　■２・１３・・
・受光素子　２０・２１・・・大口径光ファイバー　６
１・・・直角プリズム　４０・７０・・・偏光子　５Ｉ
・・・下部支点５２・・・上部荷重点　５３・・・荷重
代理人　弁理士　福　士　愛　彦（他２名）第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源と、該光源の光進行経路上に配置された偏光子
   と、測定対象の物理量に応じた応力が付与される光弾性
   材料と、 前記光源より前記偏光子及び前記光弾性材料を経由する
   第１の光束を受光する第１の受光素子と、前記光源より
   前記光弾性材料を経由することなく前記偏光子を経由す
   る第２の光束を受光する第２の受光素子と、該第１及び
   第２の受光素子からの出力信号を比較して被測定物の物
   理量を求める論理回路と、を具備して成ることを特徴と
   する光応用センサ。 ２、少なくとも前記第１または前記第２の光束の一方に
   対して、前記偏光子通過後の光の直交する偏光成分に位
   相差を付与する素子を配設した特許請求の範囲第１項記
   載の光応用センサ。 ３、前記光源より前記偏光子を経由した同一偏光光束の
   中心が前記光弾性材料の表面層の近傍に設定され、光束
   の一部が前記光弾性材料に入射する前記第１の光束であ
   り、光束の他部が前記光弾性材料に入射しない前記第２
   の光束である特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   光応用センサ。 ４、前記光弾性素子は、被測定物理量の変化によって曲
   げモーメントが変化する、特許請求の範囲第１項、第２
   項または第３項記載の光応用センサ。