JPH03238330A - 光式振動形力センサ - 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〉 本発明は光式振動形力センサに関し、更に詳しくは、干
渉光信号を用いた光式振動形力センサに関する。

〈従来の技術〉 第５図に従来の振動形カセンサの一例を示す。

図において、１は複合音叉振動子である。該複合音叉振
動子１の両端にはフレクシャ２，３を介して固定部４．
５が設けられている。また、複合音叉振動子１の一端の
両側には励振及び振動検出のための圧電素子６．７が貼
り付けられていて、これらをアンプ８で接続することに
より発振器として構成されている。

このような構成において、測定対象となる力は複合音叉
振動子１の軸方向に印加され、印加される力の大きさに
応じて複合音叉振動子１の固有振動数が変化する。

すなわち、力の大きさを周波数信号として測定すること
ができる。

このように構成される振動形カセンサは、再現性１分解
能、安定性等が極めて優れているという長所がある。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、信号にノイズが入りやすく、また、Ｓ／
Ｎ比を上げるためには大きなエネルギーを印加して加振
しなければならないという問題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、小さな駆動エネルギーでノイズの影響を受け
にくく高いＳ／Ｎ比が得られ、速い応答速度が得られる
光式振動形力センサを提供することにある。

く課題を解決するための手段〉 上記課題を解決する本発明は、 可干渉性光源と、 該可干渉性光源の出力光を分岐して伝送する少なくとも
２本の光路か形成された光干渉計センサとを具備し、 前記光干渉計センサの少なくとも１本の光路は圧電素子
により振動させられる振動梁の一部に形成され、該振動
梁に加えられる力の変化に応じた共振層・波数の変化を
干渉光信号として検出することを特徴とするものである
。

く作用〉 本発明の光式振動形力センサにおいて、光干渉計センサ
の振動梁に加えられる力の変化に応して振動梁の一部に
形成された光路の屈折率が変化し、該光路を通る光の位
相が変化する。このように位相が変化した光と位相が変
化しない光とを干渉させて干渉光信号を得る。

そして、該干渉光信号の振幅が最大になるように、すな
わち振動梁が共振するように圧電素子を駆動する。

これにより、従来の振動形カセンサと同様に、振動梁に
印加される力を周波数信号として検出できる。

〈実施例〉 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明で用いる光干渉計センサの一例を示す構
成図であり、（ａ）は平面を、（ｂ）は側面を示してい
る。図において、基板１０の上にはシングルモードの光
導波路１１が形成されている。該光導波路１１の途中部
分は２本に分岐されていて、一方１１ａは振動梁１２と
して形成された振動する部分を通り、他方１１ｂは振動
しない部分を通っている。すなわち、該光干渉計センサ
は、いわゆるマツハ・ツエンダ形干渉計として形成され
ている。なお、これら光導波路１１の途中部分１１ａ、
ｌｌｂの長さは、基板１０に特別な応力が加わっていな
い状態で両者を通る光の位相差がπ／２になるように異
なっている。振動梁１２の側面には圧電素子１３が貼り
付けられている。

第２図は本発明の一実施例を示す構成図である。

センサ１４は第１図に示したものであり、一端はケース
１５の底部に固着され、他端はケース１５の開口面を塞
ぐように取り付けられたダイヤフラム１６の中心部分に
固着されている。１７は可干渉性光源として用いる半導
体レーザーであり、その出力光は半導体レーザー１７の
発光強度をモニタするためのビームサンプラ１８に入射
されている。該ビームサンプラ１８を透過した光は光フ
ァイバ１９を介してセンサ１４の光導波路１１の一端に
入射され、該ビームサンプラ１８て反射された光はフォ
トダイオード２０に入射されている。

センサ１４の光導波路１１の他端から出射される光は光
ファイバ２１を介してフォトダイオード２２に入射され
ている。これらフォトダイオード２１．２２はそれぞれ
に入射される光を電気信号に変換して割算器２３に入力
される。該割算器２３はこれら入力信号の比をとること
によって振幅を規格化した後、規格化された信号を周波
数変調器２４に出力する。該周波数変調器２４は、信号
の振幅が最大になるように、すなわち振動梁１２が共振
するように圧電素子１３を駆動すると共にその信号を周
波数信号として出力する。

次に、具体的な動作を説明する。

半導体レーザー１７の出力光の一部はビームサンプラ１
８によりフォトダイオード２０に入射されて半導体レー
ザ−１７自体の発光強度がモニタされ、該フォトダイオ
ード２０の出力信号は割算器２３の一方の入力端子に加
えられている。半導体レーザー１７の出力光の残りの光
は光ファイバ１９を介してセンサ１４の光導波路１１の
一端に入射される。ここで、センサ１４の振動梁１２は
圧電素子１３で振動させられているが、該振動粱１２の
固有振動数はその材質、形状によって一義的に決まるも
のであって、その周波数で共振する。

ところで、振動梁１２の上に形成された光路１１ａの屈
折率は振動梁１２に加えられる力の変化に起因する歪み
に応じて変化し、該光路１１ａを通る光の位相が変化す
る。このように光路１１ａを通ることによって位相が変
化した光と光路１１ｂを通ることによって位相が変化し
ない光とを干渉させてセンサ１４の光導波路１１の他端
から出射させ、該干渉光を光ファイバ２１を介してフォ
トダイオード２２に入射させる。該フォトダイオ−２２
の出力信号は割算器２３の他方の入力端子に入力される
。割算器２３は、半導体レーザー１７の出力光の強度の
ふらつき分を除去するために、フォトダイオード２２の
出力信号をフォトダイオード２０の出力信号で規格化す
る。このようにして割算器２３で規格化された信号は周
波数変調器２４に出力される。そして、該周波数変調器
２４は、フォトダイオード２２の出力信号の振幅が最大
になるように、すなわち振動梁１２が共振するように圧
電素子１３を駆動すると共にその信号を周波数信号とし
て出力する。

このように構成される光式振動形力センサは、光信号を
検出するので電気パルス等のノイズの影響を受けにくく
、ノイズが小さいことから圧電素子１３の駆動エネルギ
ーを従来の振動形カセンサよりも小さくでき、応答速度
も速くなる。

なお、光源は、可干渉光が出力されるものであれば半導
体レーザーでなくてもよい。

また、光干渉センサは、第３図に示すように端面に反射
膜２５が形成されたマイケルソン干渉計でもよい。この
ような構成によれば、センサと光ファイバの結合は１か
所になると共に、感度は２倍になる。

また、光源として用いる半導体レーザーの出力光強度が
十分安定していればモニタ用のフォトダイオードは不要
になる。

また、センサの形状は第１図や第３図に制限されるもの
ではなく、加えられる力の大きさに応じて固有振動数が
変化する振動梁の一部に形成された光路と振動梁以外の
振動しない部分に形成された光路があればよい。

例えば第４図に示すように、ダイアフラム２６の一部に
振動梁２７を直接形成してもよく、力の検出方法は制限
しない。

また、光路の数は３本以上であってもよく、振動梁の一
部に形成される光路は２本以上であってもよい。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、本発明によれば、小さな駆
動エネルギーでノイズの影響を受けにくく高いＳ／Ｎ比
が得られ、速い応答速度が得られる光式振動形力センサ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いる光干渉計センサの一例を示す構
成図、 第２図は本発明の一実施例を示す構成図、第３図及び第
４図は本発明で用いる光干渉計センサの他の例を示す構
成図、 第５図は従来の振動形カセンサの一例を示す外観図であ
る。 １１・・・光導波路　　　　１２．２７・・・振動梁１
３・・・圧電素子　　　　１４・・・光干渉計センサ１
５・・・ケース １６．２６・・・ダイアフラム １７・・・半導体レーザー（可干渉光源）１９．２１・
・・光ファイバ ２０．２２・・・フォトダイオード ２３・・・割算器　　　　　２４・・・周波数変調器２
５・・・反射膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 可干渉性光源と、 該可干渉性光源の出力光を分岐して伝送する少なくとも
   ２本の光路が形成された光干渉計センサとを具備し、 前記光干渉計センサの少なくとも１本の光路は圧電素子
   により振動させられる振動梁の一部に形成され、該振動
   梁に加えられる力の変化に応じた共振周波数の変化を干
   渉光信号として検出することを特徴とする光式振動形力
   センサ。