JPS63311137A - 光学的圧力センサ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、圧力変化を光波の位相変化に変換して検出す
る光学的圧力センサに関する。本光学的圧カセンサは、
各種工業（たとえば、理化学分野、医用分野、自動車、
自動機械、ロボット、油圧空圧機器）における計測に使
用される。

（従来の技術および発明が解決しようとする問題点） 従来の圧力センサには、機械的センサと電気的センサと
がある。

機械的センサは、圧力を弾性体の機械的変位に変換して
指示させるものであり、たとえば、金属製のダイヤフラ
ム式圧力計やブルドン管圧力計がある。機械的センサの
欠点は、ヒステリシスがあって、精度の高い測定ができ
ないことである。

一方、電気的センサは、圧力による機械的変位や歪みを
電気的信号に変換するものであり、たとえば、歪ゲージ
や半導体圧力センサがある。電気的センサの欠点は電磁
雑音に弱いこと、電気スパークによる火災または爆発の
おそれがあること、雰囲気によっては金属導電体が腐蝕
しやすいことなどである。

そこで、高精度で電磁雑音に強い光学的圧力センサが注
目されてきた（たとえば、特開昭５８−１９５２８号公
報、特開昭５９−１９８２９号公報、特開昭５９−６１
７３５号公報、特開昭５９−１６６８３０号公報参照）
。これらの光学的圧力センサには、圧力、検出用光導波
路と参照用先導波路とを結合して干渉光を形成させ、干
渉縞を観測する方式のものがある（たとえば、特開昭５
９−１９８２９号公報）。しかしながら、これらの光学
的圧力センサでは、微細にパターン化した先導波路を形
成する必要があり、製作が困難でコストも高くなる。ま
た、圧力は一方の光導波路に加圧ロッド等で機械的に伝
達されるので必要十分な感度が得難い。

本発明の目的は、構成が簡素である光学的圧力センサを
提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る光学的圧力センサは、基板上に形成された
単一モード先導波路を備え、この単一モート先導波路に
入射した可干渉光の所定の幅の光束が出射端近傍で有効
に干渉し得る２つの光路を形成する光干渉手段と、上記
の２つの光路のうちの１つの光路の上に設置され、被検
出圧力により該光路の位相定数を変化させる圧力印加手
段と、上記の光干渉部の出射端に形成される光干渉縞の
変化を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする。

（作　用） 単一モード先導波路の出射端近傍で２つの光路からの光
が干渉し合い、出射端に光干渉縞を形成する。一方の光
路の光は、その上に設けた圧力印加手段により、被検出
圧力に応じて位相が変化する。他方の光路の光を参照用
に用いると、被検出圧力に応じて光干渉縞の強度の変化
や干渉縞の移動が生じる。この変化を検出手段により検
出し、圧力に換算する。

（実施例） 以下、添付の図面を参照して本発明の詳細な説明する。

本発明に係る光学的圧力センサは、第１図に示すように
、光干渉部１、圧力検出部２および電気信号処理回路を
含む光検出部３からなる。

光干渉部１は、第２図に示すように、ガラス等の誘電体
やシリコン等の半導体の基板１１の表面に単一モード先
導波路１２を形成したものである。

単一モード光導波路１２は、たとえばガラスにカリウム
を拡散して形成する。単一モード先導波路１２には、レ
ーザー光などの可干渉光の所定の幅をもたせた光束１３
を入射させる。この光束１３は、入射端Ｉ４より単一モ
ード光導波路１２に入った後、正分され、２つの光路（
すなわち、圧力検出用光路１５と参照用光路１６）を通
り、出射端１７から出ていく。正分された光束の導出光
は、出射端１７の近傍で重なり、干渉し、出射端１７に
スポット状の干渉縞１８を生じる。

出射端１７の近傍で干渉が生じるように、入射端１４は
、中央を頂点１４ａとするプリズムのように研磨される
。したがって、光束１３は、頂点１４ａの両側の入射端
部分１４ｂ、Ｉ４ｃに斜めに入射することになり、屈折
して光路１５，１６に入る。そして、光出射端１７の近
傍で干渉縞を生じる。

いま、第１図に示すように、光路Ｉ５の上に圧力検出部
２を設けて、この圧力検出部２に検出すべき圧力を作用
させると、その圧力により光路１５の位相定数が変化し
、光路１６からの光を参照光として光出射端１７での干
渉縞Ｉ８が変化する。

したがって、干渉光の強度あるいは縞の移動を見れば、
圧力の計測が行える。

光路１６からの光を参照光として用いるため、圧力検出
部２の下では、２つの光路１５，１６が重ならないよう
にす−る必要がある。そこで、第１図に示すように、入
射端部分１４ｃの頂点１４ａ側に金属等で光遮蔽用のコ
ーティング１９を施こす。コーティング１９の幅は、第
３図に示すように、２つの光路１５．１６が重ならない
ように定めればよい。

第４図は、圧力検出部２の詳細を示す。スペーサー２１
を介して、単一モード光導波路１２の光路１５の上に、
単一モード光導波路の材料よりも屈折率の小さい誘電体
を材料とした薄膜２２を取り付け、その上に圧力導入ポ
ート２３を設ける。

いま圧力導入ポート２３から被検出圧力を加えると、誘
電体薄膜２２がたわんで、単一モード先導波路１２と接
触する。圧力の大きさによって接触部分の長さしが変化
する。この接触部分は、単一モード先導波路１２のクラ
ッドと考えることができ、この部分の単一モード先導波
路の位相定数は他の部分と異なる。したがって、圧力変
化によって、単一モード先導波路Ｉ２の位相定数の異な
る部分の長さしが変化することになる。これにより、出
射端１７での干渉縞１８の強度やパターンが変化する。

圧力変化は、出力光の強度変化として、または、干渉縞
の移動として検出する。

第５図は、印加圧力に対して出力光の強度変化を測定す
る場合の回路を示す。すなわち、単一モード光導波路出
射端１７の干渉縞生成部に光ファイバ３１を接着し、光
ファイバ３１の他端に受光素子（たとえばフォトダイオ
ード）３２を接着し、そして、受光素子３２の光電変換
出力を増幅器３３で増幅し、電圧計（図示しない）など
で読み取る。

例えば印加圧力がＯのとき出力光強度がＯになるような
位置に光ファイバ３１を接着して＄けば、第６図のよう
に増幅器３３の出力が印加圧力の関数として得られる。

あらかじめ、既知の印加圧力に対する増幅器出力を測定
して変換表を作成しておけば、測定値から印加圧力を知
ることができる。マイクロコンピュータでこの変換表を
参照して演算処理して圧力情報を自動的に出力すること
もできる。

なお、この場合は光源の強度変動が問題となるが、これ
をキャンセルする方式の一例を第７図に示す。光ファイ
バ３６を、単一モード光導波路出射端１７において干渉
縞１８の無い部分に接着して、これを参、照光とするの
である。この参照先の強度を受光素子３７で光電変換し
、増幅器３８で増幅した後、差動増幅器３９の一方の入
力端子に送る。差動増幅器３９は、両槽幅器３３．３８
の出力の差を増幅する。増幅器３３．３８の増幅率を調
節して、差動増幅器３９で光源の強度変動を打ち消すよ
うにする。

第８図は干渉縞１８の移動方向及び移動本数を検出する
回路を示す。この検出方式は移動本数というディジタル
量を計数するので、光源の強度変動は問題にならない。

２本の光ファイバ４１．４２は、単一モード光導波路の
出射端１７において、干渉縞１８のピッチをＰとすると
、光ファイバ４１．４２の間隔Ｗが、 Ｗ−（ｎ＋−）Ｐ　　（ｎ＝ｏ、１，２．３．・・・）
となるように端面に接着する（第９図参照）。光ファイ
バ４１，４２を通った出射光は、それぞれ、受光素子４
３．４４で光電変換され、増幅器４５゜４６で増幅され
た後、２値化回路４７，４８で所定のしきい値を用いて
２値化される。２値化回路４７．４８は、それぞれ、干
渉縞１８のピークを検出したときに信号を移動方向検出
回路４９に送る。移動方向検出回路４９は、２値化回路
４７゜４８のいずれからの信号であるかにより干渉縞１
８のピークの移動方向を判別し、カウンタ回路５０は、
移動方向により移動本数を増減する。

この測定系では、ある圧力（これをＢとする）からの変
化分（差圧）が干渉縞の移動量となってあられれる（第
１Ｏ図参照）。したがって、例えばゲージ圧を知りたい
場合には、差圧測定後に圧力導入ポート２３に大気圧を
導いて干渉縞移動量を測定し、予め得られた移動本数圧
力換算表によりこれを圧力に換算するとよい。

なお、光干渉部ｌは、以上の実施例に用いた構成のほか
に、種々の構成が可能である。可干渉性の光の２つの光
路が出射端の近傍で重なり合い、出射端で干渉縞が観測
できればよい。そして一方の光路の上に圧力検出部を設
けて、被検出圧力によりその光路の位相定数が変化する
ようにすればよい。

第１１図〜第１４図に示すような光路の途中で光を反射
させる反射型でも光干渉部が構成できる。

第１１図に示す光干渉部では、基板６１上に形成した単
一モード先導波路６２において、レーサー光の光束６３
は、側面の反射部６４で全反射するような角度で入射端
６５に垂直に入射させる。反射部６４は、第２図の入射
端１４と同様に頂角６４ａを有していて、全反射された
光束は頂角６４ａを境として一部で重り合い、出射端６
６で干渉縞６７を作る。圧力検出部は、斜線で示す位置
６８に設ける。すなわち、頂角６４ａに入射する光線の
上に位置しないようにする。この場合、光路は圧力検出
部の下で重ならないので、第１図のような光遮蔽用コー
ティングは必要でない。

第１２図は、第１図〜第３図に示した実施例と異なり、
入射端７１の形状を凹状に形成する。入射された光束７
２は、正分され、それぞれ両側面７３．７４で反射され
た後、出射端７５近傍で重り合い、干渉縞７６を形成す
る。圧力検出部は、２分された光束の一方の上（斜線部
７７）に配置する。この場合も、光遮蔽用コーティング
は不必要である。

第１３図に示した光干渉部では、入射端８１に垂直に入
射したレーザー光の光束８２の半分を反射膜８３，８４
で順次反射しく凹面の反射膜８４では反転する）、他方
の半分の光束と出射端８５の近傍で重り合わせ、出射端
８５で干渉縞８６を形成させる。圧力検出部は、一方の
光路上（斜線部８７）上に設ける。。

第１４図に示した光干渉部では、レーザー光の光束９１
は、直角プリズム状に形成した単一モード光導波路の最
長辺９２に垂直に入射される。圧力検出部は、頂角を通
る光線で正分される光束９１の一方（斜線部９３）上に
配置する。他方の光束は辺９４で反射され、干渉縞９５
を形成する。

なお、第１１図〜第１４図に示した光干渉部に対しても
、上に説明した圧力検出部や光検出部を用いればよい。

（発明の効果） 本発明に係る光学的圧力センサは、微細なパターン化先
導波路は必要無い。よって製作工程及び構成が簡素化さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、光学的圧力センサの斜視図である。 第２図は、光干渉部の斜視図である。 第３図は、光干渉部の平面図である。 ＝１１− 第４図は、圧力検出部の断面図である。 第５図は、電気信号処理部の一例のブロック図である。 第６図は、増幅器出力の印加圧力依存性の一例のグラフ
である。 第７図は、電気信号処理部の一例のブロック図である。 第８図は、電気信号処理部の一例のブロック図である。 第９図は、干渉縞と光ファイバの配置を示す図である。 第１０図は、差圧とゲージ圧の関係を示す図である。 第１１図、第１２図、第１３図および第１４図は、それ
ぞれ、反射型の光干渉部の図である。 １・・光干渉部、　２・・・圧力検出部、３・−光検出
部、　　１１・・・基板、１２・・単一モード先導波路
、 １３・・レーザー光の光束、 １４　・入射端、　　１５．１６・・・光路、Ｉ７・・
・出射端、　　Ｉ８・・・干渉縞、２２・・・誘電体薄
膜。 特許出願人　　倉敷紡績株式会社 代理人　弁理士　　前出　葆ほか２名 第９図 第１１図 第１０図 第１２図 第１３図 第１４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に形成された単一モード光導波路を備え、
   この単一モード光導波路に入射した可干渉光の所定の幅
   の光束が出射端近傍で有効に干渉し得る２つの光路を形
   成する光干渉手段と、 上記の２つの光路のうちの１つの光路の上に設置され、
   被検出圧力により該光路の位相定数を変化させる圧力印
   加手段と、 上記の光干渉部の出射端に形成される光干渉縞の変化を
   検出する検出手段とを備えたことを特徴とする光学的圧
   力センサ。