JPH03249502A - 光センサ - 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、レーザ光及びファブリベロー共振器を用いて
被測定対象の微小な変位を測定する光センサに関するも
のである。

〈従来の技術〉 従来、この種の光センサとしては第３図のような構成が
知られている（例えば、特開昭６２−１４４０３３号公
報参照）。

第３図は従来の光センサの構成図である。尚、第４図は
第３図に用いられるファブリペロ−型干渉装置の構造を
示す図である。

第３図及び第４図において、発光ダイオード１から出力
された光は、被測定対象の物理量によって特性の変化す
る第４図に示すような構造の第１のファブリベロー型干
渉装置２を経由した後に回折格子４によって互いに傾き
を持った複数の光束に分割される。このときに、第１の
ファブリベロー型干渉装置Ｆ２は、ガラス板１１．１２
の夫々内側片面に増反射膜１３を蒸着し、これ等を夫々
内側としてスペーサ１４を介して対抗させた上で貼り合
せ、一方のガラス板１１に力Ｆが加えられることによる
ガラス１１の湾曲に基づく内部光路長変化による干渉特
性を他方のガラス板１２から、該ガラス板１２に取付け
られた光ファイバ１６が配置るマイクロレンズ１５を介
して光の入射及び出射により行なわれる。

この複数の光束の内、０次光を第２のファブリベロー型
干渉装置３　（構造は第４図と同じで透過型構成とした
ものが用いられている）に垂直に入射させた後、その透
過光をフォトダイオード５で受光させ、１次光を第２の
ファブリベロー型干渉装置３に斜めに入射させた後、そ
の透過光をフォトダイオード６で受光させる。フォトダ
イオード５゜６から出力信号は図示しない信号処理回路
で比較処理がなされ、被測定対象の物理量が求められる
。

〈発明が解決しようとする課題〉 従来の技術にあっては以下のような問題点があった。

上述の光センサは、外部からの物理量の変化による共振
周波数の変化を検出するというもので、光の多重干渉を
利用しているため、非常に高感度な計測が可能となる。

しかしながら、光ファイバ等の光伝送路を用いることか
ら、光伝送路の距離の違いや温度変動等の光ファイバに
対する外乱等で光伝送路の損失が変化し、センサの出力
光が変化してしまうという問題が発生することとなる。

そのため、センサ信号が誤差を含み、精度の高い計測は
できない。

本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、光セ
ンサの信号の改善及び高感度化を図り、且つ精度の高い
光センサを掛供するものである。

く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するために、本発明は、被測定対象のプ
ロセス量の変化を測定する光センサにおいて、内部の光
路長が前記プロセス変量に応じて変化して光共振周波数
が変化する構成の光共振器を少なくとも１つ有する検出
部と、少なくとも１つの可干渉光源、該可干渉光源の光
が光ファイバを介して前記光共振器の入力部に導かれた
後に該光共振器の反射光を光ファイバを介して受光して
電気信号に変換する第１の光検出器及び前記光共振器の
透過光を光ファイバを介して受光して電気信号に変換す
るための第２の光検出器、及び前記第１の光検出器と前
記第２の光検出器との信号比を取り前記プロセス量を信
号として出力する信号処理回路を有する信号処理部と、
を具備したことを特徴とするものである。

く作用〉 本発明は、被測定対象の微妙な物理量即ちプロセス変量
の変化を測定する光センサを構成するにあたり、信号処
理部に少なくとも１つの可干渉光源を設け、又検出部に
少なくとも１つの光共振器を設けて、可干渉光源と光共
振器を２芯の光ファイバを介して接続する。その上で、
可干渉光源からの光を光ファイバの１芯を通して光共振
器の入力部に導く、光共振器はその内部の光路長が外部
からのプロセス変量に応じて変化し、その結果、光共振
周波数が前記プロセス変量によって変化するものとし、
このような光共振器からの反射光を前記光ファイバの１
芯を再び通して信号処理部に設けられた第１の光検出器
において受信して電気信号に変換し、−力先共振器から
の透過光を前記光ファイバの他の１芯を通して信号処理
部に設けられた第２の光検出器において受信して電気信
号に変換する。そして、プロセス信号（プロセス変量の
信号）を得るために、第１の光検出器より得られた電気
信号と第２の光検出器より得られた電気信号との比を信
号処理回路で取る。

く実施例〉 実施例について図面を参照して説明する。

尚、以下の図面において、第３図乃至第４図と重複する
部分は同一番号を付してその説明は省略する。

第１図は本発明の光センサの具体的実施例の構成図であ
る。

第１図において、２０は信号処理部、３０は光ファイバ
ーゲーブル部（以下ｒｃＡＪと略称する）、４０は検出
部である。この時に各部は以下のようになる。信号処理
部２０は、割算器２１、例えば半導体レーザから成る可
干渉光源（以下ｒＬＤＪと略称する）２２、及び例えば
フォトダイオード等からなる第１．第２の受光素子（又
は光検出素子といい、以下これについてはｒＰＤＪと略
称する＞　２３．２４から成る。検出部４０は、レンズ
４１．４２、及び前後に部分透過ミラー８Ｎ、　、　８
８２が配置されてその中央に光弾性材料Ｍが挿入された
構成の光共振器（ファブリ・ベロー共振器、以下ｒＦＰ
Ｅ、と略称する）４３から成る。ＣＡ３０はＬ　Ｄ　２
２とＦＰＥ４３とを接続するために、１心の光ファイバ
Ｆ、　、　Ｆ＋　ａ　＋　Ｆ　＋　ｂ　＋　Ｆ　２　ｒ
　Ｙ分岐カブラ３１．２心の光ファイバＦｏｒ及び２心
の光ファイバＦＯの前後に設けられて１心の光ファイバ
をこれに接続する光コネクタ３２．３３から成る。

以下このような被測定対象の微妙な物理量の変化を測定
する光センサの構成において、その動作は以下のように
なる。

ＬＤ２２は周波数の安定化を行なうために用いられる。

ＬＤ２２のコヒーレント光は光ファイバＦ。

ｂを介してＹ分岐カプラー３１へと導かれ、Ｙ分岐カプ
ラー３１を通過して光コネクタ３２に至り、２心の光フ
ァイバＦ０を介して光コネクタ３３から光ファイバＦ、
を介して検出部４０内に導かれる。検出部４０内におい
てＬＤ２２の光はＦＰＥ４３の入力部、即ち、レンズ４
１に導かれ、このレンズ４１によってコリメートされて
ＦＰＥ４３の部分透過ミラーＢＨ＋を介して外部からの
力Ｆによって内部の屈折率が変化する光学的に透明な光
弾性材料ＬＨに導かれる。

光弾性材料ｔＳにおいてはその内部の光路長が外部から
のプロセス変量である力Ｆに応じて変化し、その結果、
光共振周波数が変化することとなる。

この光共振周波数変化に伴う光弾性材料通過光が部分透
過ミラーＢＨ２からＦＰＥ出射光としてリンズ４２に出
射され、レンズ４２によって光ファイバＦ２に集光され
る。そして検出部４０の出力光として光コネクタ３３に
至る。更に、光コネクタ３３を通過した光は２心の光フ
ァイバＦ０を介して光コネクタ３２から光ファイバＦ２
によりプロセス信号を得るための信号処理部２０内へと
導かれる。信号処理部２０内においては、光ファイバＦ
２により伝送されてきた光（ＦＰＥ４３からの透過光）
を電気信号に変換するため第２のＰＤ２４で受光する。

一方、ＦＰＥ４３の部分透過ミラーＩＥ、で反射された
光は、再び逆の経路で４１→Ｆ、→３３→３０−３２−
３１→信号処理部２０内へと導かれる。信号処理部２０
内においては、光ファイバＦ’＋ａにより伝送されてき
た光（ＦＰＥ４３からの反射光）を電気信号に変換する
ため第１のＰＤ２３で受光する。

この結果、第１のＰＤ２３の電気信号と第２のＰＤ２４
の電気信号は、割算器２１において、その比、即ち、“
第１のＰＤの電気信号／第２のＰＤの電気信号”の演算
が行なわれ、所望の信号が出力として得られる。

以上のことを式で表わすと次のようになる。

ＦＰＥ４３に入射する光は、多重反射を起こして共振周
波数に相当する周波数の光のみを透過する。

ここで、ＦＰＥ４３への入射光強度をＩＯ＋外部からの
力によって起因されたＦＰＥ内部の光弾性材料ＬＨに生
じる位相変化をδ、部分透過ミラー８Ｎ。

の反射率をＲとすると、ＦＰＥ入射光強度■。に対する
ＦＰＥ４３の透過強度、つまり光ファイバＦ２へ入射す
る光強度の比は、 Ｉ　ｔ　／　Ｉ　ｏ−（Ｉ　　Ｒ）　２／　（（Ｉ　　
Ｒ）　２−ト　４Ｒｓ　　ｉ　　ｎ　　２　　（δ　／
　　２　　）　　　１−１）となり（但し、Ｉｔは透過
光強度）、ＦＰＥ入射光強度■。に対するＦＰＥ４３の
反射光強度の比は、Ｉｔ／Ｉｏ＝４Ｒｓｉｎ’　　（δ
／２）／＋（１−Ｒ）２ ＋４Ｒｓ　ｉ　ｎ２　（δ／　２　）　）　＝−（２）
で夫々与えられる（但し、Ｉｒは反射光強度）。

一方、信号処理部２０と検出部４０は光ファイバで接続
されているので、光フアイバ内部の損失は距離や温度に
よって変化する。この２本の光ファイバＦ＋、Ｆ２での
光の損失を夫々Ｌ、、Ｌ２とすれば、光ファイバＦ、　
　Ｆ２の長さは等しく１本のゲープル内に治められてい
るため、Ｌｌ　＝Ｌ２Ｌどなるから、最終的には、第１
のＰＤ２３及び第２のＰＤ２４で検出される光強度は、
夫々Ｉｔ−／Ｉｏ＝Ｌ［（Ｉ　　Ｒ）’／ ＋（１−４＞’ ＋４Ｒｓ　ｉ　ｎ’　　（δ／　２　）　）　］−（３
）Ｉ　ｒ　　−／　Ｉ　ｏ　　＝　Ｌ　　［４Ｒｓ　　
ｉ　　ｎ　２（δ／２）／Ｉ（１−Ｒ）２ ＋４Ｒｓｔｎ’（δ／　２　）　ｌ　］　・（４）とな
る。割算器２１でこの２つの光強度の比をとると、 ＩＴ　　−／Ｉｔ　　−＝４Ｒｓｉｎ２　（δ／２））
／（１−Ｒ）２　） ＝　Ｉ　ｒ　／　Ｉ　ｔ　　　　　　　　　　　　・・
・（５）となり、光弾性材料ＬＨに生じる位相変化δに
対してｓｉｎ’の関数になるから、本構成とすることに
より、光ファイバの損失りの変化によらない信号が検出
できることとなる。

くその他の実施例〉 本発明は以上説明した内容に限定されない、即ち、以下
のように変型することができる。

■：光光拡振器構造は制限しない。つまり、第１図のよ
うに前後にレンズ４１．４２を配置し、その内側に光弾
性材料Ｍを挟んだ形で部分透過ミラー８８、８８２が配
置された構成とするのではなく、第２図の他の実施例の
説明に供する図に示すように、導波路形の光共振器５０
としてもよい、第２図においては、光導波路基板５１に
光導波Ｆ＃１５２が設けられて光ファイバＦ＋、Ｆ２に
部分透過ミラーコーティング５３を介して接続され、裏
面にタイアフラム５４か加工されて設けられた構造とな
っている場合を図示する。

つまり、光共振器内部構造に特別な制限は無く、力の伝
達機構及び検出する物量はこのほかにもいろいろなもの
が考えられ、これ等は設計的な事項として広く応用をき
かせることができる。

そしてこの光共振器は、参照用のセンサ等として複数設
けるようにしてもよいものである。

■二カプラ類は第１図のようにＹ分岐型のみでなく、Ｘ
分岐型や方向性結合器等なんでもよい。

■：光源は半導体レーザでなく他のレーザでもよく、要
は可干渉性のある光源であれは良い。

〈発明の効果〉 本発明は、以上説明したように少なくとも１つの可干渉
性のある光源と少なくとも１つの光共振器を有して構成
されているので、次に記載するような効果を奏する。

■：：ファイバを用いるため遠隔計測が可能で、２つの
出力信号の比をとるために、光ファイバ等のロスを含ま
ない信号検出ができ、高精度な検出ができる。

■：：干渉性のある光源の出力のモニタ構成部か不要と
なる。

■：：学系か単純で特殊な光学部品を用いないで、ロー
コストで信頼性の高い光センサが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光センサの具体的実施例の構成図、第
２図は他の実施例の説明に供する図、第３図は従来の光
センサの構成図、第４図は第３図に用いられるファブリ
ベロー型干渉装置の構造を示す図である。 ２０・・・信号処理部、２１・・・割算器、２２・・・
可干渉光源（ＬＤ）、２３．２４・・・第１．第２の受
光素子（又は光検出素子、ＰＤ）、３０・・・光フアイ
バーケーブル部（ＣＡ、　）　、３２．３３・・・光コ
ネクタ、４０・・・検出部、４３、５０・・・光共振器
（ＦＰＥ）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定対象のプロセス量の変化を測定する光センサにお
   いて、内部の光路長が前記プロセス変量に応じて変化し
   て光共振周波数が変化する構成の光共振器を少なくとも
   １つ有する検出部と、少なくとも１つの可干渉光源、該
   可干渉光源の光が光ファイバを介して前記光共振器の入
   力部に導かれた後に該光共振器の反射光を光ファイバを
   介して受光して電気信号に変換する第１の光検出器及び
   前記光共振器の透過光を光ファイバを介して受光して電
   気信号に変換するための第２の光検出器、及び前記第１
   の光検出器と前記第２の光検出器との信号比を取り前記
   プロセス量を信号として出力する信号処理回路を有する
   信号処理部と、を具備したことを特徴とする光センサ。