JPS63153406A - 光学式変位センサ - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、光学式変位センサに関する。

（ロ）従来技術とその問題点 一般に、非接触で物体の変位や振動、表面荒さ等を測定
したい場合には光学式変位センサが使用される。従来の
この種の光学式変位センサは、第４図に示すように、投
光用光ファイバＸと受光用光ファイバｙとを一端で結束
してバンドルファイバとし、このバンドルファイバの端
面を被測定物２に対向配置する。そして、図外の光源か
らの光を投光用光ファイバχを介して被測定物２に照射
し、被測定物Ｚから反射された光を受光用光ファイバｙ
を介して図外の光測定器で測定する。この場合、バンド
ルファイバの端部と被測定物２間の距離１１が変化する
と、これに伴なって投光パワーに対する受光パワーの比
、すなわち相対パワーが変化するので、その変化量から
被測定物の変位量が計測される。

このように、従来の光学式変位センサは、光ファイバＸ
、　Ｙを使用している関係」二、光の投光部分と受光部
分の位置が一致しない。すなわち、第５図に示すように
、投光用光ファイバＸから放射されて被測定物Ｚから反
射された光は、投光用光ファイバＸと異なる位置に配置
された受光用光ファイバｙに入射する。そのため、被測
定物Ｚの変位と相対パワーとの関係は、第６図に示すよ
うに、ある変位量ＨＯにおいてパワーの最大点Ｐを持つ
ことになる。たとえば、いま、ａを投光用光ファイバＸ
のコア半径、θを投光用光ファイバＸの光の放射角、Ｄ
Ｏを投光用光ファイバＸのコア中心から受光用光ファイ
バｙのコア外径までの距離とすると、最大点Ｐを示す変
位量ＨＯは、 Ｈｏ−（Ｄ　ｏ　−ａ）／　２θ　　　　　　　　　　
（１）となる。すなわち、投光用、受光用に光ファイバ
Ｘ％　Ｙを使用している限り必ず最大点Ｐが現われるこ
とになる。

このような従来構成の光学式変位センサを使用して変位
量を測定する場合には、測定の安定性、容易性等を考慮
すれば、変位量が多くなれば相対パワーが低下する特性
、すなわち、第６図において最大点Ｐを示す変位ｉ　１
−１　ｏから右の部分の特性を利用することが必要であ
る。逆に言えば、上記の最大点Ｐを示す変位量Ｈｏから
左の部分の特性利用して変位量を測定するのは適当でな
い。したがって、従来の光学式変位センサでは、上記の
最大点Ｐから左の部分りはいわゆるデッドゾーンとなり
、微少な変位量を精度良く測定することができなかった
。

さらに、従来の光学式変位センサは、投光用、受光用の
光ファイバを組み合わて構成する必要があるため、小型
化が難しく、しかも、量産性、品質の安定性に欠ける等
の不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、従来のようなデッドゾーンが無く、微少変位を精度
良く測定することが可能であり、また、小型化が容易で
、しかも、量産性、品質の安定性に優れた光学式変位セ
ンサを提供することを目的とする。

（ハ）問題点を解決するための手段 従来、光分岐／結合器と称せられるものには、ガラス等
の基体内に１本の合流路部分とこれを２つに分岐した分
岐路部分とからなる光導波路を形成し、この合流路部分
と分岐路部分の各端部にそれぞれ光ファイバを接続し、
１本の光ファイバからの光信号を２分して各光ファイバ
に分配して取り出したり、逆に２本の光ファイバから両
光信号を合波して１本の光ファイバに伝送できるように
したものがある。かかる従来の光分岐／結合器は、光の
分岐、結合のためにのみ使用されており、したがって、
合流路部分と分岐路部分には必ず光ファイバが接続され
た構成が採られる。

ところが、この光分岐／結合器の光導波路の合流路部分
を光ファイバに接続するのではなくて、被測定物に対向
配置した場合には、合流路部分から放射された光の反射
光は、同じ合流路部分で受光されることになる。すなわ
ち、光の投光部分と受光部分とが一致するため、従来、
光ファイバで構成される光学式変位センサの抱えていた
上記の問題点が解消されることが期待される。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであって、
上記の目的を達成するために、次の構成を採用した。す
なわち、本発明の光学式変位センサは、ガラスや高分子
材料などでできた基体内に光導波路が形成されてなるプ
ローブを備え、このプローブの前記光導波路は、１本の
合流路の一端を前記基体の端部に露出して被測定物に対
して所定の間隔を存して対向配置される投受光面を形成
する一方、前記合流路の他端部を２つに分岐して光源か
らの入射光を導く投光用分岐路と、前記被測定物からの
反射光を導く受光用分岐路とを設けている。

（ニ）作用 本発明の光学式変位センサでは、光源からの光をプロー
ブ内に形成された光導波路の投光用分岐路から合流路を
介して投受光面に導き、この投受光面から被測定物に対
して光を出射する。被測定物から反射された光は、同一
の投受光面で受光され、その光は合流路から受光用分岐
路を介して光測定器に導かれ、光測定器でそのパワーが
測定される。したがって、従来のにうなデッドゾーンが
なくなり、微少変位量についても測定が可能となる。

（ホ）実施例 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は光学式変位センサを使用した変位量測定装置の
全体を示す構成図である。この実施例の変位量測定装置
１では、本体部２に本発明の光学式変位センサ４が接続
されている。本体部２は光学式変位センサ４に制御信号
を与えるとともに、光学式変位センサ４からの検出信号
を処理する光測定器６とこの光測定器６の測定結果を表
示する表示器８とからなる。

一方、本発明の光学式変位センサ４は、第２図に示すよ
うに、カラスや高分子材料などでできた保護層としての
基体１０内に光導波路１２が形成されてなるプローブ１
４を備える。すなわち、このプローブ１４は、ポリカー
ボネート等の高分子フィルム１６にポリカーボネートと
ポリメチルメタクリレートからなる高屈折率部分を光導
波路１２として形成し、この高分子フィルム１６の両面
に基体ｌＯをクラッドして構成される。

」−記の光導波路１２は、１本の合流路１２ａの一端が
前記基体１０の端部に露出されて被測定物１８に対して
所定の間隔Ｈを存して対向配置される投受光面１２．ｂ
が形成される一方、前記合流路１２ａの他端部が２つに
分岐されて入射光を導く投光用分岐路１２ｃと、前記被
測定物１８からの反射光を導く受光用分岐路１２ｄとが
形成されている。そして、投光用分岐路１２ｃが基体１
０端面において露出する部分に光源としての発光ダイオ
ード、レイザーダイオード等の発光素子２０が直結され
、また、受光用分岐路１２ｄが基体１０端面において露
出する部分にフォトダイオード、アバランンエフオトダ
イオード等の受光素子２２が直結されている。そして、
各素子２０．２２の外部リード端子２０ａ、２２ａがそ
れぞれ測定系６に接続される。

次に、本発明の作用について説明する。

変位量の測定にあたっては、プローブ１４の投光面１２
ｂを被測定物１８に対向配置した後、光測定器６から発
光用制御信号を与えて発光素子２０を発光させる。発光
素子２０からの光は、プローブ１４内の光導波路１２の
投光用分岐路１２ｃから合流路＋２ａに導かれ、その投
受光面１２ｂから被測定物１８に対して光が出射される
。被測定物１８から反射された光は、同じ投受光面１２
ｂで受光される。投受光面１２ｂからの入射光は合流路
１２ａから受光用分岐路１２ｄを介して受光素子２２に
導かれ、この受光素子２２で光電変換される。そして、
受光素子２２からの検出信号が光測定器６に入力されて
、その光パワーが測定される。投受光面１２ｂと被測定
物１８の間の距離Ｉ］が変化すると、これに伴なって発
光素子２０のパワーに対する受光素子２２のパワーの比
、すなわち相対パワーが変化するので、その変化量から
被測定物１８の変位量が測定され、その測定結果が表示
器８に表示される。

本発明の光学式変位センサ４では、被測定物１８に対す
る投光部分と受光部分の位置が投受光面１２ｂにおいて
一致するので、前述した（＋）式におけるａとＤｏの値
が同じになり、Ｈｏは零となる。

その結果、本発明の光学式変位センサ４においては、変
位量と相対パワーとの関係を示す特性図は第３図に示す
ようになる。すなわち、相対パワーの最大点Ｐは常に変
位量Ｈが零の位置となり、従来の」；うなデッドゾーン
が無いために微少変位を精度良く測定することができる
。また、光導波路１２の幅Ｗと厚さＴが大きくなるのに
伴なって同図中二点破線で示すように、分解能が低下す
る反面、測定範囲が広がる傾向を示すので、光導波路Ｉ
２の幅Ｗと厚さＴとを適宜設定することによって所望の
測定範囲と分解能を得ることが可能となる。

なお、この実施例の光学式変位センサ４では、発光素子
２０と受光素子２２とを投光用と受光用の各分岐路１２
ｃ、１２ｄに直結しているが、両分岐路１２ｃ、＋２ｄ
にそれぞれ一旦光ファイバを連結し、一方の光ファイバ
に発光素子を、他方の光ファイバに受光素子を接続した
構成とすることも可能である。

（へ）効果 以」二のように本発明によれば、基体内に光導波路を形
成し、この光導波路を１本の合流路の一端を前記基体の
端部に露出して被測定物に対して所定の間隔を存して対
向配置される投受光面を形成する一方、前記合流路の他
端部を２つに分岐して光源からの入射光を導く投光用分
岐路と、前記被測定物からの反射光を導く受光用分岐路
とを形成した構成としているので、被測定物に対して投
光部と受光部との位置が一致することになる。したがっ
て、従来のようなデッドゾーンが無くなるので、微少変
位を精度良く測定することが可能となる。しかも、発光
素子や受光素子を直結できるので小型化が容易であり、
さらに、量産性、品質の安定性に優れる等の優れた効果
が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の実施例を、第４図ないし
第６図は従来例をそれぞれ示すもので、第１図は変位セ
ンサを使用した変位量測定装置の全体を示す構成図、第
２図は変位センサと被測定物とを示す斜視図、第３図は
本発明の変位センサを使用して得られる変位量と相対パ
ワーとの関係を示す特性図、第４図は変位センサの平面
図、第５図は第４図の変位センサの投光用光ファイバと
受光用光ファイバとの光学的関係を示す説明図、第６図
は第４図の変位センサを使用して得られる変位量と相対
パワーとの関係を示す特性図である。 ４・・・光学式変位センサ、１０・・・基体、１２・・
光導波路、１２ａ・・・合流路、１２ｂ・・・投受光面
、１２Ｃ・・・投光用分岐路、１２ｄ・・・受光用分岐
路、１４・・プローブ、１８・・・被測定物。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガラスや高分子材料などでできた基体内に光導波
   路が形成されてなるプローブを備え、このプローブの前
   記光導波路は、１本の合流路の一端が前記基体の端部に
   露出されて被測定物に対して所定の間隔を存して対向配
   置される投受光面が形成される一方、前記合流路の他端
   部は２つに分岐されて光源からの入射光を導く投光用分
   岐路と、前記被測定物からの反射光を導く受光用分岐路
   とが設けられていることを特徴とする光学式変位センサ
   。