JPH0862074A

JPH0862074A - 光式力センサ

Info

Publication number: JPH0862074A
Application number: JP20039294A
Authority: JP
Inventors: Sadao Mori; 貞雄森; Toshiaki Makino; 俊昭牧野; Kazuto Kinoshita; 和人木下; Hiroyuki Sugawara; 弘之菅原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1996-03-08

Abstract

(57)【要約】【目的】特別な防爆構造なしにしかも高電圧，高電流
が存在する悪環境下でも使用可能であり、製作容易で信
頼性の高い光式力センサを提供する。【構成】センシングプローブ６内の導波路１０の一部
のクラッド層９を薄くして、その部分に、例えば円柱ス
ペーサ１１を介在させ、センシング部材１２を設置す
る。センシングプローブ６と光源１と信号処理回路１
４，１５との間は、光ファイバ３，５，１３で結合す
る。【効果】力検出と信号伝達に光を用いるので、特別な
防爆構造が不要であり、高電圧，高電流が存在する悪環
境下でも、その影響を受けない。また、センシングプロ
ーブ６は、センシング部材１２を例えば円柱スペーサ１
１を介して導波路１０上に設置するだけで製作でき、製
作が容易であり、信頼性も高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光式力センサに係り、
特に、化学プラント等において必要とされる完全な防爆
性を備えるとともに高電圧，高電流の電気的外乱が存在
する環境下でも支障無く測定できる光式力センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】圧力センサには、電気式圧力センサと、
光学式圧力センサとが含まれる。電気式圧力センサの場
合、化学プラント等において使用するには、例えば、Ｊ
ＩＳＣ０９０３防爆規格を満たすような防爆構造を採る
必要がある。一方、光学式圧力センサの場合、例えば、
西原,春名,栖原共著『光集積回路』(オーム社１９８５
年発行)の３７１頁に記載されているような構造を採用
しており、特別な防爆構造を必要としない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】電気式圧力センサは、
電気信号を利用するので、化学プラント等で使用するに
は、防爆型にする必要がある。また、高圧，高電流の電
気的外乱が存在する環境下で使用するには、電気的シー
ルドのための特別な構造を採用しなければならない。

【０００４】これに対して、光学式圧力センサの場合
は、防爆性の確保や電気的外乱の克服のための特別な構
造は不要である。上記『光集積回路』は、図１１に示す
ように、光ファイバのクラッド層の一部を除去し、光の
波長程度の微小ギャップを介して、アルミニウムでコー
ティングしたダイアフラムを対向させ、センシング部と
している。このセンシング部は、ダイアフラムに圧力が
加わり曲がると、伝搬ロスが発生することを利用してい
る。しかし、ダイアフラムと光ファイバの間の３μｍ程
度の微小ギャップを正確に製作するのは困難であり、温
度の影響も受けやすく、信頼性に乏しい。また、ダイア
フラムのガラス薄膜は衝撃力に弱い。この点を強化する
と、今度は感度が低下してしまう。さらに、アルミニウ
ムのコーティングにかなり微妙な調整を要しており、導
波路と光ファイバとを精密に位置決めし接続する困難な
製造プロセスも伴っていた。

【０００５】本発明の第１の目的は、特別な防爆構造な
しで使用可能であり、製作容易で信頼性の高い光式力セ
ンサを提供することである。本発明の第２の目的は、衝
撃力に強く信頼性の高い光式力センサを提供することで
ある。本発明の第３の目的は、取扱い容易な光式力セン
サを提供することである。本発明の第４の目的は、実装
が容易な光式力センサを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記第１の目
的を達成するために、導波路上またはコア上にスペーサ
を介してセンシング部材を配置するセンシングプローブ
の構造を採用した。本発明は、上記第２の目的を達成す
るために、曲面で導波路と接する円柱スペーサまたは球
形スペーサを介在させるセンシングプローブ構造を採用
した。本発明は、上記第３の目的を達成するために、光
反射手段を付加したセンシングプローブ構造を採用し
た。本発明は、上記第４の目的を達成するために、光フ
ァイバの一部を加工し、その一部に力センサ機能を持た
せたセンシングプローブ構造を採用した。

【０００７】すなわち、本発明は、光源と、信号処理部
と、基板上に形成された導波路を含むセンシングプロー
ブと、光源およびセンシングプローブを結合する第１光
ファイバと、センシングプローブおよび信号処理部を結
合する第２光ファイバとからなる光式力センサにおい
て、センシングプローブが、導波路の一部である感圧部
と、感圧部の上部に設置されたセンシング部材と、セン
シング部材および感圧部の間に介在しセンシング部材に
かかる力に応じて変形し感圧部との接触面積が変化する
スペーサとを有する光式力センサを提案する。

【０００８】本発明は、また、光源と、信号処理部と、
基板上に形成された導波路を含むセンシングプローブ
と、光源およびセンシングプローブを結合する第１光フ
ァイバと、センシングプローブおよび信号処理部を結合
する第２光ファイバと、第１光ファイバの途中に形成さ
れた分岐部と、分岐部および信号処理部を結合する第３
光ファイバとからなる光式力センサにおいて、センシン
グプローブが、導波路の一部である感圧部と、感圧部の
上部に設置されたセンシング部材と、センシング部材お
よび感圧部の間に介在しセンシング部材にかかる力に応
じて変形し感圧部との接触面積が変化するスペーサとを
有する光式力センサを提案する。

【０００９】本発明は、さらに、光源と、信号処理部
と、センシングプローブと、光源および信号処理部を結
合する第１光ファイバとからなる光式力センサにおい
て、センシングプローブが、第１光ファイバの一部のク
ラッド層を部分的に削除して形成した感圧部と、感圧部
の上部に設置されたセンシング部材と、センシング部材
および感圧部の間に介在しセンシング部材にかかる力に
応じて変形し感圧部との接触面積が変化するスペーサと
を有する光式力センサを提案する。

【００１０】本発明は、光源と、信号処理部と、センシ
ングプローブと、光源および信号処理部を結合する第１
光ファイバと、光ファイバの途中に形成された分岐部
と、分岐部および信号処理部を結合する第３光ファイバ
とからなる光式力センサにおいて、センシングプローブ
が、第１光ファイバの一部のクラッド層を部分的に削除
して形成した感圧部と、感圧部の上部に設置されたセン
シング部材と、センシング部材および感圧部の間に介在
しセンシング部材にかかる力に応じて変形し感圧部との
接触面積が変化するスペーサとを有する光式力センサを
提案する。

【００１１】本発明は、また、光源と、信号処理部と、
基板上に形成された導波路を含むセンシングプローブ
と、光源およびセンシングプローブを結合する第１光フ
ァイバと、センシングプローブおよび信号処理部を結合
する第２光ファイバと、第１光ファイバの途中に形成さ
れた第１分岐部と、第１分岐部および信号処理部を結合
する第３光ファイバとからなる光式力センサにおいて、
センシングプローブが、第１光ファイバとの接続端に対
向する他端に第１反射膜を有し、第１光ファイバが、第
１反射膜からの反射光を第２光ファイバにより信号処理
部に結合する第２分岐部を第１分岐部よりもセンシング
プローブ側に有し、第３光ファイバが、第１分岐部との
接続端に対向する他端に第２反射膜を有するとともに、
第１分岐部と第２反射膜との間に第３分岐部を有し、第
２反射部からの反射光を信号処理部に結合する第４光フ
ァイバが、第３分岐部に接続され、センシングプローブ
が、導波路の一部である感圧部と、感圧部の上部に設置
されたセンシング部材と、センシング部材および感圧部
の間に介在しセンシング部材にかかる力に応じて変形し
感圧部との接触面積が変化するスペーサとを有する光式
力センサを提案する。

【００１２】本発明は、さらに、光源と、信号処理部
と、センシングプローブと、光源およびセンシングプロ
ーブを結合する第１光ファイバと、センシングプローブ
および信号処理部を結合する第２光ファイバと、第１光
ファイバの途中に形成された第１分岐部と、第１分岐部
および信号処理部を結合する第３光ファイバとからなる
光式力センサにおいて、センシングプローブが、第１光
ファイバとの接続端に対向する他端に第１反射膜を有
し、第１光ファイバが、第１反射膜からの反射光を第２
光ファイバにより信号処理部に結合する第２分岐部を第
１分岐部よりもセンシングプローブ側に有し、第３光フ
ァイバが、第１分岐部との接続端に対向する他端に第２
反射膜を有するとともに、第１分岐部と第２反射膜との
間に第３分岐部を有し、第２反射部からの反射光を信号
処理部に結合する第４光ファイバが、第３分岐部に接続
され、センシングプローブが、第１光ファイバの一部の
クラッド層を部分的に削除して形成した感圧部と、感圧
部の上部に設置されたセンシング部材と、センシング部
材および感圧部の間に介在しセンシング部材にかかる力
に応じて変形し感圧部との接触面積が変化するスペーサ
とを有する光式力センサを提案する。

【００１３】本発明は、光源と、信号処理部と、基板上
に形成された導波路を含むセンシングプローブと、光源
およびセンシングプローブを結合する第１光ファイバ
と、センシングプローブおよび信号処理部を結合する第
２光ファイバと、第１光ファイバの途中に形成された第
１分岐部と、第１分岐部および信号処理部を結合する第
３光ファイバとからなる光式力センサにおいて、センシ
ングプローブが、第１光ファイバとの接続端に対向する
他端に第１反射膜を有し、第１光ファイバが、第１反射
膜からの反射光を第２光ファイバにより信号処理部に結
合する第２分岐部を第１分岐部よりもセンシングプロー
ブ側に有し、センシングプローブが、導波路の一部であ
る感圧部と、感圧部の上部に設置されたセンシング部材
と、センシング部材および感圧部の間に介在しセンシン
グ部材にかかる力に応じて変形し感圧部との接触面積が
変化するスペーサとを有する光式力センサを提案する。

【００１４】本発明は、また、光源と、信号処理部と、
センシングプローブと、光源およびセンシングプローブ
を結合する第１光ファイバと、センシングプローブおよ
び信号処理部を結合する第２光ファイバと、第１光ファ
イバの途中に形成された第１分岐部と、第１分岐部およ
び信号処理部を結合する第３光ファイバとからなる光式
力センサにおいて、センシングプローブが、第１光ファ
イバとの接続端に対向する他端にに第１反射膜を有し、
第１光ファイバが、第１反射膜からの反射光を第２光フ
ァイバにより信号処理部に結合する第２分岐部を第１分
岐部よりもセンシングプローブ側に有し、センシングプ
ローブが、第１光ファイバの一部のクラッド層を部分的
に削除して形成した感圧部と、感圧部の上部に設置され
たセンシング部材と、センシング部材および感圧部の間
に介在しセンシング部材にかかる力に応じて変形し感圧
部との接触面積が変化するスペーサとを有する光式力セ
ンサを提案する。

【００１５】本発明は、さらに、光源と、信号処理部
と、基板上に形成された導波路を含むセンシングプロー
ブと、光源およびセンシングプローブを結合する第１光
ファイバと、第１光ファイバの途中に形成された第１分
岐部と、第１分岐部および信号処理部を結合する第３光
ファイバとからなる光式力センサにおいて、センシング
プローブが、第１光ファイバとの接続端に対向する他端
に第１反射膜を有し、光源と第１光ファイバとの間に配
置され、第１反射膜からの反射光を信号処理部に反射す
るハーフミラーを備え、センシングプローブが、導波路
の一部である感圧部と、感圧部の上部に設置されたセン
シング部材と、センシング部材および感圧部の間に介在
しセンシング部材にかかる力に応じて変形し感圧部との
接触面積が変化するスペーサとを有する光式力センサを
提案する。

【００１６】本発明は、光源と、信号処理部と、センシ
ングプローブと、光源およびセンシングプローブを結合
する第１光ファイバと、第１光ファイバの途中に形成さ
れた第１分岐部と、第１分岐部および信号処理部を結合
する第３光ファイバとからなる光式力センサにおいて、
センシングプローブが、第１光ファイバとの接続端に対
向する他端にに第１反射膜を有し、光源と第１光ファイ
バとの間に配置され、第１反射膜からの反射光を信号処
理部に反射するハーフミラーを備え、センシングプロー
ブが、第１光ファイバの一部のクラッド層を部分的に削
除して形成した感圧部と、感圧部の上部に設置されたセ
ンシング部材と、センシング部材および感圧部の間に介
在しセンシング部材にかかる力に応じて変形し感圧部と
の接触面積が変化するスペーサとを有する光式力センサ
を提案する。

【００１７】本発明は、また、光源と、信号処理部と、
基板上に形成された導波路を含むセンシングプローブ
と、光源およびセンシングプローブを結合する第１光フ
ァイバとからなる光式力センサにおいて、センシングプ
ローブが、第１光ファイバとの接続端に対向する他端に
第１反射膜を有し、光源と第１光ファイバとの間に配置
され、光源から第１光ファイバへの入射光を信号処理部
に反射するとともに、第１反射膜からの反射光を信号処
理部に反射するハーフミラーを備え、センシングプロー
ブが、導波路の一部である感圧部と、感圧部の上部に設
置されたセンシング部材と、センシング部材および感圧
部の間に介在しセンシング部材にかかる力に応じて変形
し感圧部との接触面積が変化するスペーサとを有する光
式力センサうを提案する。

【００１８】本発明は、さらに、光源と、信号処理部
と、センシングプローブと、光源およびセンシングプロ
ーブを結合する第１光ファイバとからなる光式力センサ
において、センシングプローブが、第１光ファイバとの
接続端に対向する他端にに第１反射膜を有し、光源と第
１光ファイバとの間に配置され、光源から第１光ファイ
バへの入射光を信号処理部に反射するとともに、第１反
射膜からの反射光を信号処理部に反射するハーフミラー
を備え、センシングプローブが、第１光ファイバの一部
のクラッド層を部分的に削除して形成した感圧部と、感
圧部の上部に設置されたセンシング部材と、センシング
部材および感圧部の間に介在しセンシング部材にかかる
力に応じて変形し感圧部との接触面積が変化するスペー
サとを有する光式力センサを提案する。

【００１９】導波路を含む上記いずれのセンシングプロ
ーブの感圧部も、基板上に形成されたクラッド層と導波
層とからなる導波路のクラッド層の少なくとも一部を削
除して形成できる。

【００２０】また、上記スペーサは、より具体的には、
円柱スペーサ，球形スペーサ，または三角柱スペーサの
いずれかである。

【００２１】

【作用】センシング部材にかかる力によりスペーサが変
形すると、その下の導波路またはコアの伝搬光が漏洩す
るので、透過光の光量に基づいて力を検出可能な光式力
センサが得られる。

【００２２】また、円柱スペーサまたは球形スペーサが
曲面で導波路に接触すると、衝撃力が加わっても円柱ス
ペーサまたは球形スペーサが破損することが少ない。

【００２３】さらに、三角柱スペーサが鋭角で導波路と
接触する場合、微小な力でも大きな変形が生じ、漏洩光
が多くなる結果、感度が高くなる。

【００２４】光反射手段を付加すると、センシングプロ
ーブを光が往復するから、センシングプローブに光を供
給するための光ファイバと信号を導くための光ファイバ
とを共通化できる。

【００２５】また、光ファイバを加工して感圧部とした
場合、導波路と光ファイバとを接着する困難な製造プロ
セスを省略でき、実装が容易である。

【００２６】

【実施例】次に、図１〜図１０を参照して、本発明によ
る光式力センサの実施例を説明する。

【００２７】《第１実施例》図１は、本発明による光式
力センサの第１実施例の全体構造を示す図である。レン
ズ２は、光源１から発射された光を集光し、第１光ファ
イバ３に導入する。第１光ファイバ３の途中に、分岐部
４を設け、第２光ファイバ５を接続する。分岐部４は、
第１光ファイバ３を伝搬する光の一部を一定の割合で第
２光ファイバ５に分配する。第２光ファイバ５は、第１
光ファイバ３，センシングプローブ６，第３光ファイバ
１３のできる限り近くに設置する。センシングプローブ
６は、導波路１０と、複数の円柱スペーサ１１と、セン
シング部材１２とで構成される。導波路１０は、基板７
と、導波層８と、クラッド層９とからなる。円柱スペー
サ１１は、透光性の材質，例えばガラスやアクリル等で
できている。第３光ファイバ１３は、センシングプロー
ブ６の出射光を光検出器１４に導く。光検出器１４は、
第３光ファイバ１３の出射光の光量を電気信号に変換
し、光検出器１５は、第２光ファイバ５の出射光の光量
を電気信号に変換する。補正回路１６は、光検出器１４
の出力を光検出器１５の出力で割算する。導波路１０の
一部は、感圧部１７となっており、その部分のクラッド
層９の厚さは、周囲に比べて薄く、この上に円柱スペー
サ１１が配置される。なお、感圧部１７のクラッド層の
厚さはゼロでもよい。スペース１８は、円柱スペーサ１
１と感圧部１７とにより区画された空間であり、円柱ス
ペーサ１１よりも低い屈折率を有する低屈折率ポリマ，
空気等の物質で充填されてもよい。

【００２８】図２は、図１の実施例における導波路１０
および円柱スペーサ１１の詳細な構造の一例を示す図で
ある。導波層８の一部をなすイオン拡散部１９には、金
属イオンを拡散し、周囲よりも屈折率を高くしてあり、
このイオン拡散部１９に光ファイバ３の出射光を導入す
る。

【００２９】このように構成した図１の第１実施例にお
いて、センシング部材１２に力が加わると、円柱スペー
サ１１が変形し、感圧部１７との接触面積が変化する。
円柱スペーサ１１の屈折率がスペース１８の屈折率より
も高いので、導波層８を伝搬する光の導波層８への閉じ
込めが、接触部２０では弱くなり、光が上方向に広が
る。接触部２０以外では、光の閉じ込めが再び強くな
り、通過できる範囲が狭まるから、広がった部分に存在
する光は漏洩する。接触面積は加わった力に応じて変化
するので、漏洩光量が変化する。漏洩光量は透過光量か
ら求められるので、力と透過光量との関係を予め求めて
おけば、加わった力を測定できる。

【００３０】ここで、第２光ファイバ５の光量変動を光
検出器１５で検出し、補正回路１６に供給すると、光源
１の光量の変動および第１光ファイバ３への入射効率の
変動の影響を補正できる。また、この実施例では、第１
光ファイバ３および第３光ファイバ１３のできる限り近
くに第２光ファイバ５を設置してあるので、第１光ファ
イバ３および／または第３光ファイバへの振動，曲げ，
温度変化，圧力変化等の外乱の影響も併せて補正でき
る。

【００３１】なお、第１光ファイバ３および／または第
３光ファイバへの振動，曲げ，温度変化，圧力変化等の
外乱が無い環境下では、分岐部４，光ファイバ５，光検
出器１５，補正回路１６を設けなくとも、センシングプ
ローブ６の構造に特徴を有する本発明が基本的に成立し
て、独自の効果を発揮するすることは、明らかであろ
う。

【００３２】円柱スペーサ１１は、不透光性の材質例え
ばアルミニウム，鉄等の金属やルビーや色ガラス等であ
ってもよい。なお、３個以上円柱スペーサを使用する場
合、円柱スペーサの径に誤差があると、加重が小さいと
き多数の円柱スペーサの一部だけが変形するので、多数
の光式力センサを製作した場合、特性がばらつく可能性
があるが、この実施例では、円柱スペーサ１１が２個で
あるから、円柱スペーサ１１の形が多少異なっていて
も、双方の円柱スペーサ１１には、ほぼ等しい加重がか
かる。したがって、多数の光式力センサを製作した場合
でも、加重に対する変形の大きさが安定しており、特性
のばらつきが少なくなる利点がある。さらに、円柱スペ
ーサ１１を１個とすることも可能である。この場合、セ
ンシング部材１２が基板７に対して傾かないように支持
する支持手段が必要となる。

【００３３】図３は、図１の実施例における導波路１０
および球形スペーサ１１ａの詳細な構造の一例を示す図
である。導波層８の一部をなすイオン拡散部１９には、
金属イオンを拡散し、周囲よりも屈折率を高くしてあ
り、このイオン拡散部１９に光ファイバ３の出射光を導
入する。図３の例は、図２の例とはスペーサの形状が異
なり、球形スペーサ１１ａと感圧部１７により、スペー
ス１８ａが区画される。

【００３４】図４は、図１の実施例における導波路１０
および三角柱スペーサ１１ｂの詳細な構造の一例を示す
図である。導波層８の一部をなすイオン拡散部１９に
は、金属イオンを拡散し、周囲よりも屈折率を高くして
あり、このイオン拡散部１９に光ファイバ３の出射光を
導入する。図４の例は、図２の例とはスペーサの形状が
異なり、三角柱スペーサ１１ｂと感圧部１７により、ス
ペース１８ｂが区画される。

【００３５】図２または図３の例のように、円柱スペー
サ１１または球形スペーサ１１ａの感圧部１７と接触す
る部分が曲面の場合は、衝撃力が加わっても円柱スペー
サ１１または球形スペーサ１１ａが破損することが少な
いので、信頼性がより高くなる。また、スペーサの形状
に自由度があり、円柱，球形，三角柱等の形状から、ス
ペーサの加工し易さや弾性率等の材料特性に合わせて最
適形状を選択できる。したがって、センサを取り巻く温
度，衝撃等の使用環境に応じて、スペーサ材を比較的自
由に選択して使用でき、本発明による光式力センサの適
用可能な範囲はかなり広い。

【００３６】なお、球形スペーサ１１ａ，三角柱スペー
サ１１ｂのいずれも、円柱スペーサ１１の場合と同様
に、１個のみとすることも可能である。

【００３７】《第２実施例》図５は、本発明による光式
力センサの第２実施例のセンシングプローブ部分の構造
を示す図である。図５の第２実施例は、図１の第１実施
例とは、センシングプローブの構造が異なる。本実施例
のセンシングプローブ２１は、感圧部２７と、複数の円
柱スペーサ２８と、センシング部材３０とにより構成さ
れる。感圧部２７は、光ファイバ保持部２２に保持され
たコア２３とクラッド層２４とからなる光ファイバ２５
の一部のクラッド層２４およびコア２３を部分的に削り
取り、低屈折率層２６をコーティングして形成されてい
る。ここで、低屈折率層２６は、必ずしも設けなくとも
よい。また、スペース２９は、スペーサ２８よりも低い
屈折率を有する低屈折率ポリマ，空気等の物質で充填さ
れていてもよい。さらに、スペーサ２８は、第１実施例
と同様に、１個のみとすることも可能である。

【００３８】第２実施例では、光ファイバ２５の一部を
加工してセンシングプローブ２１の一部とするので、第
１実施例のように光ファイバ３，１３と導波路１０とを
精密位置決めして接続する必要はないので、製造が容易
である。

【００３９】《第３実施例》図６は、本発明による光式
力センサの第３実施例の全体構造を示す図である。図６
の第３実施例は、図１の第１実施例とは、光検出器４
１，４２の設置位置が異なり、図面上右端の反射膜４
０，３６で反射されて戻ってきた光を検出するようにな
っている。すなわち、光源１から発射された光は、レン
ズ２により集光され、光ファイバ３１に導かれる。光フ
ァイバ３１は、光源１とセンシングプローブ３９を接続
する。光ファイバ３１は、光源１から入射した光の一部
を光ファイバ３２に分岐する分岐部３３と、センシング
プローブ３９から戻ってきた光を光ファイバ３５に分岐
する分岐部３４とを有する。光ファイバ３２は、分岐部
３３とは反対側の端面に反射膜３６を形成され、さら
に、途中に分岐部３７を有し、光ファイバ３８を接続さ
れている。光ファイバ３２は、光ファイバ３１，センシ
ングプローブ３９のできる限り近くに配置する。センシ
ングプローブ３９は、光ファイバ３１が接続された側と
は反対側の端面に反射膜４０を形成されている。

【００４０】したがって、光ファイバ３１からセンシン
グプローブ３９に入射した光は、センシングプローブ３
９の端面に形成された反射膜４０で反射され、光ファイ
バ３１に入射し、分岐部３４で分岐され、光ファイバ３
５により光検出器４１に導かれる。一方、分岐部３３で
光ファイバ３２に分岐した光は、反射膜３６で反射さ
れ、分岐部３７で分岐され、光ファイバ３８により光検
出器４２に導かれる。

【００４１】第３実施例は、センシングプローブ３９に
は１本の光ファイバ３１しか接続されていないので、製
造や取扱いが容易になる。

【００４２】《第４実施例》図７は、本発明による光式
力センサの第４実施例のセンシングプローブ部分の構造
を示す図である。図６の第３実施例は、導波路型のセン
シングプローブに反射面を形成した例であったが、光フ
ァイバの一部を加工したセンシングプローブでも、反射
面を形成することができる。図７は、反射面を形成した
センシングプローブ３９ａの構造を示している。図５の
第２実施例との比較から明らかなように、コア２３およ
びクラッド層２４からなる光ファイバ２５の端面には反
射膜４３が形成されている。

【００４３】図７の実施例は、図５の第２実施例と図６
の第３実施例との特徴を併せて持つことになり、製造が
容易であるとともに、センシングプローブ３９ａの周り
がコンパクトになる。

【００４４】《第５実施例》図８は、本発明による光式
力センサの第５実施例の全体構造を示す図である。図８
の第５実施例は、図６の第３実施例とは、分岐部３３に
接続される光ファイバ３２ａが異なる。本実施例におい
て、光ファイバ３２ａの出射光は、光検出器４２に直接
導かれる。

【００４５】したがって、実質的には、１本の光ファイ
バ３１を引き回し、センシングプローブ３９のみをセン
シング位置に設置すればよいから、光ファイバ３２の引
き回しの手間が無くなる。この場合でも、光源１の光量
変動に起因する測定誤差のみは、補正される。

【００４６】なお、図８の第５実施例では、分岐部３４
は、分岐部３３の左に位置してもよい。また、煩雑さを
避けるために、図示を省略するが、センシングプローブ
３９が図７に示した光ファイバ型センシングプローブ３
９ａでもよいことは、明らかであろう。

【００４７】《第６実施例》図９は、本発明による光式
力センサの第６実施例の全体構造を示す図である。図９
の第６実施例は、図８の第５実施例における分岐部３４
および光ファイバ３５を廃止して、代わりに、光ファイ
バ３１と光源１との間にハーフミラー４４を設置し、セ
ンシングプローブ３９から戻ってきた光をハーフミラー
４４で反射させ、光検出器４１に導いている。

【００４８】したがって、分岐部が分岐部３３の一カ所
になり、光ファイバ３１の加工が容易になる。この場合
でも、光源１の光量変動に起因する測定誤差のみは、補
正される。

【００４９】なお、煩雑さを避けるために、図示を省略
するが、センシングプローブ３９が図７に示した光ファ
イバ型センシングプローブ３９ａでもよいことは、明ら
かであろう。

【００５０】《第７実施例》図１０は、本発明による光
式力センサの第７実施例の全体構造を示す図である。図
１０の第７実施例は、図９の第６実施例から分岐部３３
を廃止するために、光源１からの光の一部をハーフミラ
ー４４で反射させ、光検出器４２に直接入射させ、光源
１の光量変動の検出に用いている。光源１からハーフミ
ラー４４に向かった残りの光は、レンズ２で集光され、
光ファイバ３１によりセンシングプローブ３９に導かれ
る。

【００５１】本実施例は、単なる光ファイバ３１のみ
で、光源１とセンシングプローブ３９とを結合できる。

【００５２】なお、煩雑さを避けるために、図示を省略
するが、センシングプローブ３９が図７に示した光ファ
イバ型センシングプローブ３９ａでもよいことは、明ら
かであろう。

【００５３】

【発明の効果】本発明による力センサは、光学的パラメ
ータを利用するものであるから、特に周囲を囲まなくて
も、すなわちそのままの状態で防爆構造となっている。
高圧，高電流等の電気的外乱にも影響されない。特に、
ギャップがスペーサ自体の形状で決まるので、製作が容
易であり、信頼性が高い。また、スペーサが曲面で導波
路と接触する円柱スペーサおよび球形スペーサの場合
は、衝撃力が加わっても、スペーサが破損することが少
ない。一方、三角形スペーサの場合は、スペーサが鋭角
で導波路と接触するので、微小な力でも大きな変形が生
じ、漏洩光が多くなる結果、高感度が得られる。さら
に、光ファイバを加工して感圧部とした場合は、導波路
と光ファイバとを接着する困難な製造プロセスを排除で
きる。加えて、センシングプローブの後端に反射面を形
成した場合は、接続される光ファイバの本数が減り、光
式力センサの取扱いが容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光式力センサの第１実施例の全体
構造を示す図である。

【図２】図１の実施例における導波路および円柱スペー
サの詳細な構造の一例を示す(Ａ)平面図,(Ｂ)断面図,
(Ｃ)側断面図である。

【図３】図１の実施例における導波路および球形スペー
サの詳細な構造の一例を示す(Ａ)平面図および(Ｂ)断面
図である。

【図４】図１の実施例における導波路および三角形スペ
ーサの詳細な構造の一例を示す(Ａ)平面図および(Ｂ)断
面図である。

【図５】本発明による光式力センサの第２実施例のセン
シングプローブ部分の構造を示す(Ａ)断面図および(Ｂ)
平面図である。

【図６】本発明による光式力センサの第３実施例の全体
構造を示す図である。

【図７】本発明による光式力センサの第４実施例のセン
シングプローブ部分の構造を示す図である。

【図８】本発明による光式力センサの第５実施例の全体
構造を示す図である。

【図９】本発明による光式力センサの第６実施例の全体
構造を示す図である。

【図１０】本発明による光式力センサの第７実施例の全
体構造を示す図である。

【図１１】従来の光式力センサの構造の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１光源２レンズ３光ファイバ４分岐部５光ファイバ６センシングプローブ７基板８導波層９クラッド層１０導波路１１円柱スペーサ１１ａ球形スペーサ１１ｂ三角柱スペーサ１２センシング部材１３光ファイバ１４光検出器１５光検出器１６補正回路１７感圧部１８スペース１９イオン拡散部２０接触部２１センシングプローブ２２光ファイバ保持部２３コア２４クラッド層２５光ファイバ２６低屈折率層２７感圧部２８円筒形スペーサ２９スペース３０センシング部材３１光ファイバ３２光ファイバ３３分岐部３４分岐部３５光ファイバ３６反射膜３７分岐部３８光ファイバ３９センシングプローブ４０反射膜４１検出器４３反射膜４４ハーフミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅原弘之茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、信号処理部と、基板上に形成さ
れた導波路を含むセンシングプローブと、前記光源およ
びセンシングプローブを結合する第１光ファイバと、前
記センシングプローブおよび信号処理部を結合する第２
光ファイバとからなる光式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記導波路の一部である感
圧部と、前記感圧部の上部に設置されたセンシング部材
と、前記センシング部材および前記感圧部の間に介在し
前記センシング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧
部との接触面積が変化するスペーサとを有することを特
徴とする光式力センサ。
【請求項２】光源と、信号処理部と、基板上に形成さ
れた導波路を含むセンシングプローブと、前記光源およ
びセンシングプローブを結合する第１光ファイバと、前
記センシングプローブおよび信号処理部を結合する第２
光ファイバと、前記第１光ファイバの途中に形成された
分岐部と、前記分岐部および信号処理部を結合する第３
光ファイバとからなる光式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記導波路の一部である感
圧部と、前記感圧部の上部に設置されたセンシング部材
と、前記センシング部材および前記感圧部の間に介在し
前記センシング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧
部との接触面積が変化するスペーサとを有することを特
徴とする光式力センサ。
【請求項３】光源と、信号処理部と、センシングプロ
ーブと、前記光源および信号処理部を結合する第１光フ
ァイバとからなる光式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバの一部
のクラッド層を部分的に削除して形成した感圧部と、前
記感圧部の上部に設置されたセンシング部材と、前記セ
ンシング部材および前記感圧部の間に介在し前記センシ
ング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧部との接触
面積が変化するスペーサとを有することを特徴とする光
式力センサ。
【請求項４】光源と、信号処理部と、センシングプロ
ーブと、前記光源および信号処理部を結合する第１光フ
ァイバと、前記光ファイバの途中に形成された分岐部
と、前記分岐部および信号処理部を結合する第３光ファ
イバとからなる光式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバの一部
のクラッド層を部分的に削除して形成した感圧部と、前
記感圧部の上部に設置されたセンシング部材と、前記セ
ンシング部材および前記感圧部の間に介在し前記センシ
ング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧部との接触
面積が変化するスペーサとを有することを特徴とする光
式力センサ。
【請求項５】光源と、信号処理部と、基板上に形成さ
れた導波路を含むセンシングプローブと、前記光源およ
びセンシングプローブを結合する第１光ファイバと、前
記センシングプローブおよび信号処理部を結合する第２
光ファイバと、前記第１光ファイバの途中に形成された
第１分岐部と、前記第１分岐部および信号処理部を結合
する光路の一部をなす第３光ファイバとからなる光式力
センサにおいて、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバとの接
続端に対向する他端に第１反射膜を有し、前記第１光ファイバが、前記第１反射膜からの反射光を
前記第２光ファイバにより前記信号処理部に結合する第
２分岐部を前記第１分岐部よりも前記センシングプロー
ブ側に有し、前記第３光ファイバが、前記第１分岐部との接続端に対
向する他端に第２反射膜を有するとともに、前記第１分
岐部と前記第２反射膜との間に第３分岐部を有し、前記第２反射部からの反射光を前記信号処理部に結合す
る第４光ファイバが、前記第３分岐部に接続され、前記センシングプローブが、前記導波路の一部である感
圧部と、前記感圧部の上部に設置されたセンシング部材
と、前記センシング部材および前記感圧部の間に介在し
前記センシング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧
部との接触面積が変化するスペーサとを有することを特
徴とする光式力センサ。
【請求項６】光源と、信号処理部と、センシングプロ
ーブと、前記光源およびセンシングプローブを結合する
第１光ファイバと、前記センシングプローブおよび信号
処理部を結合する第２光ファイバと、前記第１光ファイ
バの途中に形成された第１分岐部と、前記第１分岐部お
よび信号処理部を結合する光路の一部をなす第３光ファ
イバとからなる光式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバとの接
続端に対向する他端に第１反射膜を有し、前記第１光ファイバが、前記第１反射膜からの反射光を
前記第２光ファイバにより前記信号処理部に結合する第
２分岐部を前記第１分岐部よりも前記センシングプロー
ブ側に有し、前記第３光ファイバが、前記第１分岐部との接続端に対
向する他端に第２反射膜を有するとともに、前記第１分
岐部と前記第２反射膜との間に第３分岐部を有し、前記第２反射部からの反射光を前記信号処理部に結合す
る第４光ファイバが、前記第３分岐部に接続され、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバの一部
のクラッド層を部分的に削除して形成した感圧部と、前
記感圧部の上部に設置されたセンシング部材と、前記セ
ンシング部材および前記感圧部の間に介在し前記センシ
ング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧部との接触
面積が変化するスペーサとを有することを特徴とする光
式力センサ。
【請求項７】光源と、信号処理部と、基板上に形成さ
れた導波路を含むセンシングプローブと、前記光源およ
びセンシングプローブを結合する第１光ファイバと、前
記センシングプローブおよび信号処理部を結合する第２
光ファイバと、前記第１光ファイバの途中に形成された
第１分岐部と、前記第１分岐部および信号処理部を結合
する第３光ファイバとからなる光式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバとの接
続端に対向する他端に第１反射膜を有し、前記第１光ファイバが、前記第１反射膜からの反射光を
前記第２光ファイバにより前記信号処理部に結合する第
２分岐部を前記第１分岐部よりも前記センシングプロー
ブ側に有し、前記センシングプローブが、前記導波路の一部である感
圧部と、前記感圧部の上部に設置されたセンシング部材
と、前記センシング部材および前記感圧部の間に介在し
前記センシング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧
部との接触面積が変化するスペーサとを有することを特
徴とする光式力センサ。
【請求項８】光源と、信号処理部と、センシングプロ
ーブと、前記光源およびセンシングプローブを結合する
第１光ファイバと、前記センシングプローブおよび信号
処理部を結合する第２光ファイバと、前記第１光ファイ
バの途中に形成された第１分岐部と、前記第１分岐部お
よび信号処理部を結合する第３光ファイバとからなる光
式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバとの接
続端に対向する他端にに第１反射膜を有し、前記第１光ファイバが、前記第１反射膜からの反射光を
前記第２光ファイバにより前記信号処理部に結合する第
２分岐部を前記第１分岐部よりも前記センシングプロー
ブ側に有し、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバの一部
のクラッド層を部分的に削除して形成した感圧部と、前
記感圧部の上部に設置されたセンシング部材と、前記セ
ンシング部材および前記感圧部の間に介在し前記センシ
ング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧部との接触
面積が変化するスペーサとを有することを特徴とする光
式力センサ。
【請求項９】光源と、信号処理部と、基板上に形成さ
れた導波路を含むセンシングプローブと、前記光源およ
びセンシングプローブを結合する第１光ファイバと、前
記第１光ファイバの途中に形成された第１分岐部と、前
記第１分岐部および前記信号処理部を結合する第３光フ
ァイバとからなる光式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバとの接
続端に対向する他端に第１反射膜を有し、前記光源と前記第１光ファイバとの間に配置され、前記
第１反射膜からの反射光を前記信号処理部に反射するハ
ーフミラーを備え、前記センシングプローブが、前記導波路の一部である感
圧部と、前記感圧部の上部に設置されたセンシング部材
と、前記センシング部材および前記感圧部の間に介在し
前記センシング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧
部との接触面積が変化するスペーサとを有することを特
徴とする光式力センサ。
【請求項１０】光源と、信号処理部と、センシングプ
ローブと、前記光源およびセンシングプローブを結合す
る第１光ファイバと、前記第１光ファイバの途中に形成
された第１分岐部と、前記第１分岐部および前記信号処
理部を結合する第３光ファイバとからなる光式力センサ
において、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバとの接
続端に対向する他端にに第１反射膜を有し、前記光源と前記第１光ファイバとの間に配置され、前記
第１反射膜からの反射光を前記信号処理部に反射するハ
ーフミラーを備え、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバの一部
のクラッド層を部分的に削除して形成した感圧部と、前
記感圧部の上部に設置されたセンシング部材と、前記セ
ンシング部材および前記感圧部の間に介在し前記センシ
ング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧部との接触
面積が変化するスペーサとを有することを特徴とする光
式力センサ。
【請求項１１】光源と、信号処理部と、基板上に形成
された導波路を含むセンシングプローブと、前記光源お
よびセンシングプローブを結合する第１光ファイバとか
らなる光式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバとの接
続端に対向する他端に第１反射膜を有し、前記光源と前記第１光ファイバとの間に配置され、前記
光源から前記第１光ファイバへの入射光を前記信号処理
部に反射するとともに、前記第１反射膜からの反射光を
前記信号処理部に反射するハーフミラーを備え、前記センシングプローブが、前記導波路の一部である感
圧部と、前記感圧部の上部に設置されたセンシング部材
と、前記センシング部材および前記感圧部の間に介在し
前記センシング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧
部との接触面積が変化するスペーサとを有することを特
徴とする光式力センサ。
【請求項１２】光源と、信号処理部と、センシングプ
ローブと、前記光源およびセンシングプローブを結合す
る第１光ファイバとからなる光式力センサにおいて、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバとの接
続端に対向する他端にに第１反射膜を有し、前記光源と前記第１光ファイバとの間に配置され、前記
光源から前記第１光ファイバへの入射光を前記信号処理
部に反射するとともに、前記第１反射膜からの反射光を
前記信号処理部に反射するハーフミラーを備え、前記センシングプローブが、前記第１光ファイバの一部
の少なくともクラッド層を削除して形成した感圧部と、
前記感圧部の上部に設置されたセンシング部材と、前記
センシング部材および前記感圧部の間に介在し前記セン
シング部材にかかる力に応じて変形し前記感圧部との接
触面積が変化するスペーサとを有することを特徴とする
光式力センサ。
【請求項１３】請求項１，２，６，８，１０，１２の
いずれか一項に記載の光式力センサにおいて、前記感圧部が、前記基板上に形成されたクラッド層と導
波層とからなる導波路のクラッド層の少なくとも一部を
削除して形成されていることを特徴とする光式力セン
サ。
【請求項１４】請求項１ないし請求項１３のいずれか
一項に記載の光式力センサにおいて、前記スペーサが、円柱スペーサであることを特徴とする
光式力センサ。
【請求項１５】請求項１ないし請求項１３のいずれか
一項に記載の光式力センサにおいて、前記スペーサが、球形スペーサであることを特徴とする
光式力センサ。
【請求項１６】請求項１ないし請求項１３のいずれか
一項に記載の光式力センサにおいて、前記スペーサが、三角柱スペーサであることを特徴とす
る光式力センサ。