JPS62126303A - 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〉 本発明はファプリー・ベロー干渉計を利用した洸応用セ
ンサに関するものである。

〈従来技術〉 従来、触圧全測るセンサとしてロードセルが一般的に広
く用いられている。このセンサは金属抵抗ひずみゲージ
を応用したセンサである。即ち、金属弾性体の表面等に
ひずみゲージを貼り、金属弾性体に力が加われば、弾性
変形を生じるためこの変形量に応じてゲージの電気抵抗
が変化することを利用している。しかしながら、この変
化率は非常に小さいので、通常はホイートストンブリッ
ジを組んで検知出力全増大させている。また、温度依存
性が大きいので使用に際して、この点にも注意を払う必
要がある。従来のロードセルとしては高荷重用が一般的
であり、低荷重用（フルヌケール５００ｙ重以下）のも
のはなく、小型化が困難等の欠点があった。

また圧力センサとしてはシリコンダイアフラムを用いた
半導体圧力センサが、多くの特徴を具備しており広く用
いられている。しかし、ロードセルと同様に電気式のセ
ンサであるため電磁雑音の強い環境あるいは生体内等で
は特殊な加工を必要とし、これが欠点となっていた。

一方、光学装置としてファプリー・ベロー干渉計がよく
知られている。この装置は一対の平面板をある所定の間
隔をもって平行に固定する。その平面板の内側にはある
定められた反射率をもつ反射膜が形成されている。一方
の平面板から垂直に光を入射したとき、平面板の間隔を
も、その間の屈折率をｎ、入射光の波長をλとすると次
式の関係を満たすとき反射光は極小値を示す。

ｎｔ λ＝　−（ｍ　＝　１　、２　、３・・・）・・（１）
波艮入を一定とし、平行板間隔ｔが変化したときの反射
光量変化を第６図に示す。肉中ａは反射膜の反射率が高
い場合の特性曲線でｂはこれが低い場合の特性曲線であ
る。

この干渉計の場合、一対の平面板の平行度と間隔を非常
に高い精度で制御する必要がある。

光ファイバの両端面を研磨するとともにこの面に反Ｑ、
ｔ　Ｈをコーティングし、この光ファイバの両端面間で
干渉計を構成した温度センサが提案されている。この構
成でこれを力学量センサに応用するには上記光ファイバ
を金属等の弾性体に巻き付け、外力を該弾性体に加えて
弾性体を歪ませ、それを該光フィバに伝えるという間接
的な検出法となる。このような力学量センサは弾性体を
介在させるので、検出感度が光ファイバの巻きつけ方等
の要因で左右され、小型化が困難であるという欠点があ
る。

〈発明の目的〉 本発明はファプリー・ベロー干渉計の原理に基つき、干
渉計を構成する部分を高精度で制御することができ、小
型化が可能となる光応用セン廿を提供することを目的と
する。

〈実施例〉 第１図は本発明の一実施例の説明に供する光応用センサ
の感圧部分の断面拡大図である。感圧部分は、特定の反
射率を有した反射膜３が片面にコーティングされた透明
体で成る１対の基板１．２がスペーサ４を間にはさんで
対向配置され反射膜３が対向するように固持されている
。基板１．２としては例えばガラス仮やプラスチック板
その他が用いられる。基板１．２の間に形成される空洞
部分で、ファプリー・ベロー干渉計が構成されている。

一方の基板２から該４２洞の中央部分に垂直にかつ平行
に光が入射されるようにレンズ５及び光ファイバ６を固
定する。特に垂直入射でなくてもよいが、垂直に入射さ
せた方が構成が簡単になる。

力学量センサとしての動作原理は次の如くである。接触
圧が上８（Ｓ基＆１に加わると、該基板１がたわむ。外
部から加えられる接触圧と基板１の変位紙は比例する。

下部基板２との間で光ファイバ６、レンズ５を介して光
が照射される空洞間隔を、使用する光の波長λの２分の
１（λ／２）の整数倍にすると空洞内の屈折率は１であ
り、即ち（１）式を４：４だすことになり変位量０のと
きに反射光は極小を示す。反射膜の反射率を低くすると
第６図すの特性が得られ、変位量がλ／４以下のときは
、変位量に応じ、反射光量は単調に増加する。従って、
第２図に示す様な荷重対反射光量の出方特性が得られる
。この検出感度は基板１．２の形成に関係している。

全体のブロック構成図を第３図に示す。感圧部分７、光
源８、光検出器９及び光分岐器１０から構成される。光
源８が発する光は光分岐器１０を通り、感圧部分７に達
する。そこで反射光は接触圧に応じて変調され、光分岐
器１０に戻り、光検出器へ分岐される。光検出器９でＴ
完信号に変換され検知信号となる。光源は発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）、半導体レーザあるいはガスレーザ等でよ
い。各構成要素を連結する方式は光フアイバ方式空間伝
播方式のいずれでもよい。

次に感圧部分の作製方法について説明する。平面度及び
表面粗度の良好な透明体基板２の上に反射膜となる金属
膜または誘電体単層膜若しくは多層嘆を形成する。この
上に金属、半導体あるいは誘電体の薄膜を蒸着法、スパ
ッタ法、ＣＶＤ法あるいはメッキ法で作製する。また、
該薄膜はスピンコーティング等で作製された有機薄膜で
もよく熱膨張係数の小さい材料が適している。次にフォ
トリソプロセスによりパターニングを行いウェットエッ
チングあるいはドライエツチングをして、第４図に示さ
れるようなスペーサ４のパターンを得る。第１図と同一
のものは同一符号を符した。

次にもう一方の透明体基板１に反射膜３を形成する。上
述の２枚の基板１，２を反射膜３が内側を向くように貼
り合わせる。この後格子状に切断して個々のデバイスに
分割する。この様にして第５図に示す様な空洞を存する
感圧素子を作製することができる。第４図に示す透明体
基板２の作製に際しては、先にスペーサ４となる薄膜を
形成しておいて、パターニング、エツチングを行った後
に反射膜３を形成してもよい。また両基板１．２にスペ
ーサ４となる薄膜を形成してもよい。薄膜形成プロセス
にて感圧素手を作製できることが特徴である。

なお、基板を薄くする等によシ接触圧に対して高感度に
すれば、反射光量は周期的に変化するのでディジタル信
号を得ることができる。この場合所撃センサ、振動セン
サ及び音響センサに適している。また上述の実施例では
空洞は密閉されてぃないが、空洞を密閉構造にすると圧
力センサになる。

スペーサと薄膜の材料に熱膨張係数の大きい材料を用い
れば温度センサになり得る。また該薄１漢材ｑ材料に外
部磁気によシ変形する磁歪材料を用いれば磁気センサに
、電歪効果、圧電効果を有する材料を用いれば電界セン
サに応用できる。

〈発明の効果〉 このように木発明によれば、耐環境性に強い光応用セン
サが実現でき、薄膜形成プロセスにて素子を作製すると
いう特徴によって空洞間隔が制御しやすく、また１度に
大量の素子を作ることができる。また、小型化にも非常
に有効であり、力学量センサの場合、基板の厚さ等の感
圧素子のスケールファクタを変えることで任意の感度の
センサを作ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は木発明の一実施例の説明に供する光応用センサ
の主要拡大新面図である。第２図は第１図に示す感圧素
子の出力特性図である。第３図は第１図に示す実施例の
基本構成を示すブロック図である。第４図及び第５図は
第１図に示す感圧素子の作製プロセスを示す製造工程図
である。第６図は従来のファブリ・ペロー干渉計の出力
特性図である。 １・・・上部基板　　２・・・下部基板　　３・・・反
射膜４・・・スペーサ　　７・・・感圧素子　　８・・
・光源９・・・光検出器　　１０　・光分岐器代卯人　
弁理士　　福　士　愛　彦（他２名）第　２　トづ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光透過性材料又は光反射性材料から成る１対の基板
   を対向させ、対向間隙に挿入される成膜体のスペーサに
   対応して前記基板間に空洞を形成するとともに前記基板
   面へ光照射して反射光を検出する光学系を付設し、ファ
   ブリ・ペロー干渉計を構成したことを特徴とする光応用
   センサ。 ２、外部応力により変形する前記基板の反射面に対応し
   て変化する反射光を検出し、外部応力を求めるようにし
   た特許請求の範囲第１項記載の光応用センサ。