JPH0634469A - 力測定用変換器 - Google Patents
力測定用変換器Info
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- JPH0634469A JPH0634469A JP5115978A JP11597893A JPH0634469A JP H0634469 A JPH0634469 A JP H0634469A JP 5115978 A JP5115978 A JP 5115978A JP 11597893 A JP11597893 A JP 11597893A JP H0634469 A JPH0634469 A JP H0634469A
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
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- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
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- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
- G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
- G01L9/0079—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light with Fabry-Perot arrangements
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
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- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 絶対圧力、差圧力、加速度を測定用の、従来
技術の欠点のない新規な光学的力変換器を提供する。 【構成】 本体部分（１５）と感知素子（２７、３７）
は反射モードで作動される短い光学的ファブリ−ペロッ
ト共振子（２１、２３）を形成し、光学的検出組立体
（１、２、３、５、６）が幅広スペクトル光源（１）
と、光線を光源（１）から共振子（３３）に送りそして
そこから検出素子へ戻すための光導体（２、３）と、共
振子（３３）から受信した光のスペクトルを複数の波長
帯域に分解するための分散素子（５）と、分散した光ス
ペクトル中の吸収最大値（Ａ１、Ａ２）の波長を検出す
るための検出器素子（６）とを含み、かくしてスペクト
ル強度の最小値の場所が感知素子（２７、３７）に加え
られた力（Ｆ、Ｆ′）に比例する共振子（３３）の光路
長を計算するために使用される。
技術の欠点のない新規な光学的力変換器を提供する。 【構成】 本体部分（１５）と感知素子（２７、３７）
は反射モードで作動される短い光学的ファブリ−ペロッ
ト共振子（２１、２３）を形成し、光学的検出組立体
（１、２、３、５、６）が幅広スペクトル光源（１）
と、光線を光源（１）から共振子（３３）に送りそして
そこから検出素子へ戻すための光導体（２、３）と、共
振子（３３）から受信した光のスペクトルを複数の波長
帯域に分解するための分散素子（５）と、分散した光ス
ペクトル中の吸収最大値（Ａ１、Ａ２）の波長を検出す
るための検出器素子（６）とを含み、かくしてスペクト
ル強度の最小値の場所が感知素子（２７、３７）に加え
られた力（Ｆ、Ｆ′）に比例する共振子（３３）の光路
長を計算するために使用される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は本体部分と、前記本体部
分上に弾撥可能に取付けられた感知素子を備え、前記作
動される感知素子は力受け取り素子として作用し、前記
力受け取り素子の本体部分に対する撓みは前記感知素子
に加えられた力を計算するために用いられることがで
き、更に、感知素子の撓みを決定するための光学的検出
組立体を備えて成る力測定用変換器に関するものであ
る。本発明は主に絶対圧力、差圧力及び加速度の測定用
に使用するためのものである。
分上に弾撥可能に取付けられた感知素子を備え、前記作
動される感知素子は力受け取り素子として作用し、前記
力受け取り素子の本体部分に対する撓みは前記感知素子
に加えられた力を計算するために用いられることがで
き、更に、感知素子の撓みを決定するための光学的検出
組立体を備えて成る力測定用変換器に関するものであ
る。本発明は主に絶対圧力、差圧力及び加速度の測定用
に使用するためのものである。
【０００２】
【従来の技術】温度と圧力は工業的プロセスにおいて最
も普通の測定変数である。圧力変換器は絶えず寸法を小
さくすると共に、性能を高くする傾向へ発展してきた。
これは超小型電子技術からシリコンベースの変換器へと
変遷するシリコン技術の使用に大部分帰因している。
も普通の測定変数である。圧力変換器は絶えず寸法を小
さくすると共に、性能を高くする傾向へ発展してきた。
これは超小型電子技術からシリコンベースの変換器へと
変遷するシリコン技術の使用に大部分帰因している。
【０００３】シリコンは破断応力までフックの法則に従
いそして６００°Ｃ以下の温度ではヒステリシスがない
ため、優れた機械的特性をもつ。酸化物又は窒化物はシ
リコン上で成長することによって化学的抵抗性をもつに
至る。
いそして６００°Ｃ以下の温度ではヒステリシスがない
ため、優れた機械的特性をもつ。酸化物又は窒化物はシ
リコン上で成長することによって化学的抵抗性をもつに
至る。
【０００４】変換器は静的構造と振動性構造の両方に基
づいている。通常、圧力変化は圧電抵抗効果、キャパシ
タンス変化又は光強度によって静的構造において検出さ
れる。圧電抵抗型変換器はシリコンの電気的及び機械的
特性を利用し、一方、容量性又は光学的変換器はシリコ
ンの機械的特性のみを利用する。
づいている。通常、圧力変化は圧電抵抗効果、キャパシ
タンス変化又は光強度によって静的構造において検出さ
れる。圧電抵抗型変換器はシリコンの電気的及び機械的
特性を利用し、一方、容量性又は光学的変換器はシリコ
ンの機械的特性のみを利用する。
【０００５】感度とオフセットドリフトの温度依存性は
容量性変換器においては圧電抵抗型変換器におけるより
もかなり小さい。容量性変換器はまた、低圧力範囲で優
れた性能をもつ。
容量性変換器においては圧電抵抗型変換器におけるより
もかなり小さい。容量性変換器はまた、低圧力範囲で優
れた性能をもつ。
【０００６】Ｂ．Ｃｕｌｓｈａｗ（後記の文献１参照）
はシリコン技術に基づく光学的−感知型圧力変換器を開
示した。前記変換器の内部はその引張り応力が印加され
た圧力に関連するような機械的振動ブリッジを含む。前
記ブリッジの共振周波数は引張り応力の関数であり、変
換器からの出力信号は直接的にブリッジの共振子周波数
となる。
はシリコン技術に基づく光学的−感知型圧力変換器を開
示した。前記変換器の内部はその引張り応力が印加され
た圧力に関連するような機械的振動ブリッジを含む。前
記ブリッジの共振周波数は引張り応力の関数であり、変
換器からの出力信号は直接的にブリッジの共振子周波数
となる。
【０００７】感知素子の出力周波数は高精度で測定され
る。前記構造のもう１つの利点は電気接続なしに感知素
子自体が動作することである。感知素子は振動素子のた
めの十分に高いＱ−ファクタを得るために真空中に封入
される。しかしかかる使用法に必要な基準圧力は変換器
内部に印加しなければならないので、上記特性は変換器
が差圧力測定には適さないという欠点をもつ。かかる変
換器は感知素子の振動モードを変え得る衝撃に対して敏
感である。
る。前記構造のもう１つの利点は電気接続なしに感知素
子自体が動作することである。感知素子は振動素子のた
めの十分に高いＱ−ファクタを得るために真空中に封入
される。しかしかかる使用法に必要な基準圧力は変換器
内部に印加しなければならないので、上記特性は変換器
が差圧力測定には適さないという欠点をもつ。かかる変
換器は感知素子の振動モードを変え得る衝撃に対して敏
感である。
【０００８】振動変換器はより小さい励振電力で動作す
る程、振動素子のＱ−ファクタはより高くなる。典型的
にはＱ−ファクタは変換器内部を真空にすることによっ
て高くされる。その結果、これら従来技術の変換器は、
振動素子が基準圧力のガス雰囲気によって包囲されて該
素子のＱ−ファクタを許容できない程の小さい値に下げ
るため、差圧力の測定には使用できない。
る程、振動素子のＱ−ファクタはより高くなる。典型的
にはＱ−ファクタは変換器内部を真空にすることによっ
て高くされる。その結果、これら従来技術の変換器は、
振動素子が基準圧力のガス雰囲気によって包囲されて該
素子のＱ−ファクタを許容できない程の小さい値に下げ
るため、差圧力の測定には使用できない。
【０００９】Ｌ．Ａ．Ｄｚｉｕｂａｎその他（後記の文
献２参照）はシリコン技術に基づいた光学的感知型圧力
変換器を開示しており、この変換器は光ファイバーの端
部を単結晶シリコンから作ったダイアフラムに取付けら
れている。印加した圧力が変化すると、ダイアフラムは
それに取付けたファイバーと共に撓む。ファイバー端部
は検出器に入る光強度が検出器に対するファイバー端部
の相対的位置に依存するように検出器に接近して置かれ
る。変換器出力信号は検出器に当たる光によって生じた
電圧又は電流として利用される。
献２参照）はシリコン技術に基づいた光学的感知型圧力
変換器を開示しており、この変換器は光ファイバーの端
部を単結晶シリコンから作ったダイアフラムに取付けら
れている。印加した圧力が変化すると、ダイアフラムは
それに取付けたファイバーと共に撓む。ファイバー端部
は検出器に入る光強度が検出器に対するファイバー端部
の相対的位置に依存するように検出器に接近して置かれ
る。変換器出力信号は検出器に当たる光によって生じた
電圧又は電流として利用される。
【００１０】上記実施例は光源の強度変化に対して出力
信号が敏感であるという欠点をもち、従って補償用の基
準チャンネルを使用する必要がある。前記著者による刊
行物はかかる補償を実施するための方法を開示していな
い。もう１つの欠点は検出器出力の温度敏感性が高く、
そのため変換器内部温度の感知が補償のために必要であ
ることにある。
信号が敏感であるという欠点をもち、従って補償用の基
準チャンネルを使用する必要がある。前記著者による刊
行物はかかる補償を実施するための方法を開示していな
い。もう１つの欠点は検出器出力の温度敏感性が高く、
そのため変換器内部温度の感知が補償のために必要であ
ることにある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
技術の上記欠点を解消し、完全に新規な型式の光学的力
変換器を得ることにある。
技術の上記欠点を解消し、完全に新規な型式の光学的力
変換器を得ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は圧力と加速度の
測定に適用できる力変換器を提供し、前記変換器は可変
長さをもつファブリ−ペロット共振子と、前記共振子か
ら放出される反射スペクトルの測定に適したスペクトロ
メータを備える。
測定に適用できる力変換器を提供し、前記変換器は可変
長さをもつファブリ−ペロット共振子と、前記共振子か
ら放出される反射スペクトルの測定に適したスペクトロ
メータを備える。
【００１３】本発明は変換器の一体部分としてファブリ
−ペロット共振子を形成し、次いで、感知素子に印加し
た力によって起こされる感知素子の撓みを測定するため
に前記共振子を使用することに基づいている。
−ペロット共振子を形成し、次いで、感知素子に印加し
た力によって起こされる感知素子の撓みを測定するため
に前記共振子を使用することに基づいている。
【００１４】特に、本発明の変換器は前記本体部分と前
記感知素子は反射モードで作動される短い光学的ファブ
リ−ペロット共振子を形成し、前記光学的検出組立体が
幅広スペクトル光源と、光線を前記光源から前記共振子
に送りそしてそこから検出素子へ戻すための光導体と、
前記共振子から受信した光スペクトルを複数の波長帯域
に分解させるための分散素子と、分散した光スペクトル
中の吸収最大値の波長を検出するための検出器素子とを
含み、かくしてスペクトル強度の最小値の場所が感知素
子に加えられた力に比例する共振子の光路長を計算する
ために使用されることに特徴を有する。
記感知素子は反射モードで作動される短い光学的ファブ
リ−ペロット共振子を形成し、前記光学的検出組立体が
幅広スペクトル光源と、光線を前記光源から前記共振子
に送りそしてそこから検出素子へ戻すための光導体と、
前記共振子から受信した光スペクトルを複数の波長帯域
に分解させるための分散素子と、分散した光スペクトル
中の吸収最大値の波長を検出するための検出器素子とを
含み、かくしてスペクトル強度の最小値の場所が感知素
子に加えられた力に比例する共振子の光路長を計算する
ために使用されることに特徴を有する。
【００１５】本発明は大きな利点をもつ。即ち、本発明
の変換器はスペクトル−分解をなす分散素子と直線アレ
イセンサーによって構成される変換器変換部分が測定さ
れるべき望ましい力範囲のすべてについて同一になし得
るという一般的特質をもつ。共振子中の可動の感知反射
体の剛性は例えば、動く反射体の撓みが測定範囲の最大
値に関係なく外力の或る相対的値で同じに留まりるよう
にその厚さを変えることによって、大きさを決めること
ができる。次いで、直線アレイセンサーはすべての変更
例において同一スペクトル範囲で検出を行う。
の変換器はスペクトル−分解をなす分散素子と直線アレ
イセンサーによって構成される変換器変換部分が測定さ
れるべき望ましい力範囲のすべてについて同一になし得
るという一般的特質をもつ。共振子中の可動の感知反射
体の剛性は例えば、動く反射体の撓みが測定範囲の最大
値に関係なく外力の或る相対的値で同じに留まりるよう
にその厚さを変えることによって、大きさを決めること
ができる。次いで、直線アレイセンサーはすべての変更
例において同一スペクトル範囲で検出を行う。
【００１６】本発明の変換器は衝撃によって損傷を受け
る振動素子をもたないので、優れた衝撃抵抗をもつ。慣
例の変換器は環境からの振動に、特に慣例の変換器中の
振動素子の共振周波数に近い周波数をもつ振動に、共振
し得る。これに反して、本発明の変換器は圧力下で動く
ダイアフラムの非常に高い共振周波数に対応して設計す
ることができ、従ってあらゆる外部振動の起こり得る効
果は直線アレイセンサーの光感知領域上のスペクトル線
を広げるので証明される。しかし、これはスペクトル中
の最小値の検出を妨げない。
る振動素子をもたないので、優れた衝撃抵抗をもつ。慣
例の変換器は環境からの振動に、特に慣例の変換器中の
振動素子の共振周波数に近い周波数をもつ振動に、共振
し得る。これに反して、本発明の変換器は圧力下で動く
ダイアフラムの非常に高い共振周波数に対応して設計す
ることができ、従ってあらゆる外部振動の起こり得る効
果は直線アレイセンサーの光感知領域上のスペクトル線
を広げるので証明される。しかし、これはスペクトル中
の最小値の検出を妨げない。
【００１７】本発明の変換器変換部分を収納する電子機
器包囲体が感知部分固有の衝撃を受けることは稀であ
る。本発明の変換器は例えば超小型の白熱球又はＬＥＤ
の如き幅広−スペクトル光源を使用する。これらは低価
格の標準的部品であり、温度変化に起因する波長スペク
トルの如何なるシフトも変換器の機能を害しない。
器包囲体が感知部分固有の衝撃を受けることは稀であ
る。本発明の変換器は例えば超小型の白熱球又はＬＥＤ
の如き幅広−スペクトル光源を使用する。これらは低価
格の標準的部品であり、温度変化に起因する波長スペク
トルの如何なるシフトも変換器の機能を害しない。
【００１８】白色光は強い光干渉の最大値を形成できな
いので、幅広−スペクトル光源を使用すれば測定に与え
るファイバー関連の妨害効果を最小にする。本発明の変
換器は光源の出力強度の変動に対して寛容であり、変換
器の測定精度を低下させることない。その理由は、直線
アレイセンサーは実際の強度レベルの代わりに、強度の
最小値のみを検出するために使用されるからである。
いので、幅広−スペクトル光源を使用すれば測定に与え
るファイバー関連の妨害効果を最小にする。本発明の変
換器は光源の出力強度の変動に対して寛容であり、変換
器の測定精度を低下させることない。その理由は、直線
アレイセンサーは実際の強度レベルの代わりに、強度の
最小値のみを検出するために使用されるからである。
【００１９】本発明の上記実施例は簡単に共振子の内部
に基準圧力を印加することによって差圧力を測定するの
にも適している。
に基準圧力を印加することによって差圧力を測定するの
にも適している。
【００２０】振動素子型式を除外すれば、従来技術の変
換器は加速度の測定に適する。振動素子は引張り応力下
で作動されるに過ぎず、従って該素子に圧縮応力を生ぜ
しめる力の測定には適用できない。しかし内部が真空で
ある変換器は高感度ダイアフラムを備えることができ
る。それは、ダイアフラムは周囲圧力に耐えなければな
らないからである。本発明にはかかる制限はない。それ
は、もしダイアフラムの両面が等しい圧力で作動された
るならば、光学的共振子の可動の反射体ダイアフラムは
極めて高感度に作ることができるからである。特に高感
度の加速度変換器が望まれるときには、共振子の反射体
ダイアフラムは好適には追加の質量を備える。
換器は加速度の測定に適する。振動素子は引張り応力下
で作動されるに過ぎず、従って該素子に圧縮応力を生ぜ
しめる力の測定には適用できない。しかし内部が真空で
ある変換器は高感度ダイアフラムを備えることができ
る。それは、ダイアフラムは周囲圧力に耐えなければな
らないからである。本発明にはかかる制限はない。それ
は、もしダイアフラムの両面が等しい圧力で作動された
るならば、光学的共振子の可動の反射体ダイアフラムは
極めて高感度に作ることができるからである。特に高感
度の加速度変換器が望まれるときには、共振子の反射体
ダイアフラムは好適には追加の質量を備える。
【００２１】以下、本発明を図示の実施例につき詳述す
る。
る。
【００２２】
【実施例】図１を参照すれば、白色光の光線は光源１か
ら分岐カプラー２を経て光ファイバー３に伝送され、前
記光ファイバーに沿って光は感知構造体４に送られる。
この構造体は１つ又はそれ以上の狭い波長帯域を除外し
たすべての光を反射する。反射した光スペクトルはファ
イバー３に沿って分散素子５に伝送される。前記分散素
子は回折格子又はプリズムとすることができる。回折格
子はインテグレイテッドオプティクス及び検出器として
作用する直線アレイセンサー６（ホトダイオードアレイ
又は直線アレイＣＣＤセンサー）を用いて構成すること
ができる。感知共振子４の他方のミラーは例えば圧力の
如き外力の影響下で動いて、共振子の光路長を変化させ
ることができる。
ら分岐カプラー２を経て光ファイバー３に伝送され、前
記光ファイバーに沿って光は感知構造体４に送られる。
この構造体は１つ又はそれ以上の狭い波長帯域を除外し
たすべての光を反射する。反射した光スペクトルはファ
イバー３に沿って分散素子５に伝送される。前記分散素
子は回折格子又はプリズムとすることができる。回折格
子はインテグレイテッドオプティクス及び検出器として
作用する直線アレイセンサー６（ホトダイオードアレイ
又は直線アレイＣＣＤセンサー）を用いて構成すること
ができる。感知共振子４の他方のミラーは例えば圧力の
如き外力の影響下で動いて、共振子の光路長を変化させ
ることができる。
【００２３】直線アレイセンサー６は白色光の広帯域ス
ペクトルで感知共振子によって生ぜしめられる吸収最大
値を検出する。前記最大値の位置及び相互の波長間隔は
感知共振子の光路長に依存する。この長さは例えば印加
した圧力又は加速度に比例するよう準備する。
ペクトルで感知共振子によって生ぜしめられる吸収最大
値を検出する。前記最大値の位置及び相互の波長間隔は
感知共振子の光路長に依存する。この長さは例えば印加
した圧力又は加速度に比例するよう準備する。
【００２４】図２を参照すれば、光線は光ファイバー３
によって形成された光路に沿って変換器構造体４に送ら
れる。変換器構造体４は単結晶シリコンから作られた本
体部分１５と、小さい厚さの一体作動される感知ダイア
フラム２７から構成される。前記厚さはダイアフラムに
加えられる外力Ｆが前記ダイアフラム２７と変換器構造
体の本体部分との間の距離に測定可能な変化を生じるこ
とができるような小さい厚さとする。それ故、作動ダイ
アフラム２７は変換器本体部分１５に弾撥可能に取付け
られた素子と考えられる。本体部分１５の材料は１．１
μｍより大きい波長に対して透過性を有する。光ファイ
バー３から送出される光線は、本体部分１５と一体の部
分伝送性の反射体２１へ最初に当たるように、本体部分
１５の光透過性セクションを通って伝送される。前記反
射体を通って光の一部は共振子スぺース３３に入り、前
記スぺースを通り、作動感知メンブラン上の反射体面２
３に当たる。幅広スペクトル光のこれらの波長成分は、
そのために共振子光路長ｄは半波長の或る整数倍に等し
く、減衰が大きく、そのため波長は光ファイバー３から
受信される帰路信号中で最小値として検出される。大き
な力Ｆ′が作動ダイアフラム２７に加えられたとき、ダ
イアフラム２７と変換器本体部分間の距離はｄ′の値に
減少し、それによって新しい強さの最小値が検出され
る。
によって形成された光路に沿って変換器構造体４に送ら
れる。変換器構造体４は単結晶シリコンから作られた本
体部分１５と、小さい厚さの一体作動される感知ダイア
フラム２７から構成される。前記厚さはダイアフラムに
加えられる外力Ｆが前記ダイアフラム２７と変換器構造
体の本体部分との間の距離に測定可能な変化を生じるこ
とができるような小さい厚さとする。それ故、作動ダイ
アフラム２７は変換器本体部分１５に弾撥可能に取付け
られた素子と考えられる。本体部分１５の材料は１．１
μｍより大きい波長に対して透過性を有する。光ファイ
バー３から送出される光線は、本体部分１５と一体の部
分伝送性の反射体２１へ最初に当たるように、本体部分
１５の光透過性セクションを通って伝送される。前記反
射体を通って光の一部は共振子スぺース３３に入り、前
記スぺースを通り、作動感知メンブラン上の反射体面２
３に当たる。幅広スペクトル光のこれらの波長成分は、
そのために共振子光路長ｄは半波長の或る整数倍に等し
く、減衰が大きく、そのため波長は光ファイバー３から
受信される帰路信号中で最小値として検出される。大き
な力Ｆ′が作動ダイアフラム２７に加えられたとき、ダ
イアフラム２７と変換器本体部分間の距離はｄ′の値に
減少し、それによって新しい強さの最小値が検出され
る。
【００２５】図２に示す共振子３３は反射モードで作用
する光学的な短いファブリ−ペロット（Ｆａｂｒｙ−Ｐ
ｅｒｏｔ）共振子として限定し得る。上記用語の短いと
は測定された波長に対して半分の又は完全な波長である
共振子長さを言うものと理解すべきである。実際に、こ
れは、共振子３３の長さｄが０．６〜１．５μｍ程度で
あることを意味する。
する光学的な短いファブリ−ペロット（Ｆａｂｒｙ−Ｐ
ｅｒｏｔ）共振子として限定し得る。上記用語の短いと
は測定された波長に対して半分の又は完全な波長である
共振子長さを言うものと理解すべきである。実際に、こ
れは、共振子３３の長さｄが０．６〜１．５μｍ程度で
あることを意味する。
【００２６】商業的生産では、図２に示す変換器構造体
４は慣例の薄膜沈着法によって作られる。この方法で
は、単結晶シリコンの基体１５が複数の透過性金属膜２
１で覆われる。次に、前記金属膜２１上に二酸化ケイ素
層２５が成長させられる。この層の厚さは共振子スぺー
ス３３の基本的高さを決定する。次いで、二酸化ケイ素
層２５上に第２の金属膜２３が沈着させられ、この膜の
機能は共振子３３の他の反射体として作用することであ
る。金属膜２３上に沈着させられるのは多結晶シリコン
層２７であり、この層の厚さは変換器４の機械的感度を
決定する。適当な方法を用いて、二酸化ケイ素層２５は
共振子スぺース３３を形成するためエッチングされる。
最後に、保護素子３０が単結晶シリコンから作られる。
例えばガラスの中間層２９が多結晶シリコンから作られ
た感知ダイアフラム２７に保護素子３０を取付けるため
に用いられる。保護素子３０は差圧力測定で測定された
圧力を変換器内部に送出するための適当な入口をもつ。
基準圧力は溝３１を経て共振子に送られ、前記溝は絶対
圧力変換器では省略することができる。
４は慣例の薄膜沈着法によって作られる。この方法で
は、単結晶シリコンの基体１５が複数の透過性金属膜２
１で覆われる。次に、前記金属膜２１上に二酸化ケイ素
層２５が成長させられる。この層の厚さは共振子スぺー
ス３３の基本的高さを決定する。次いで、二酸化ケイ素
層２５上に第２の金属膜２３が沈着させられ、この膜の
機能は共振子３３の他の反射体として作用することであ
る。金属膜２３上に沈着させられるのは多結晶シリコン
層２７であり、この層の厚さは変換器４の機械的感度を
決定する。適当な方法を用いて、二酸化ケイ素層２５は
共振子スぺース３３を形成するためエッチングされる。
最後に、保護素子３０が単結晶シリコンから作られる。
例えばガラスの中間層２９が多結晶シリコンから作られ
た感知ダイアフラム２７に保護素子３０を取付けるため
に用いられる。保護素子３０は差圧力測定で測定された
圧力を変換器内部に送出するための適当な入口をもつ。
基準圧力は溝３１を経て共振子に送られ、前記溝は絶対
圧力変換器では省略することができる。
【００２７】変換器素子用の代表的寸法を下記の表に示
す。
す。
【表１】
【００２８】図３を参照すれば、ファブリ−ペロット共
振子の作用原理に従って、共振子光路長ｄ（又はｄ′）
が半波長の整数倍に等しくなるような或るスペクトルの
これらの波長成分は、光ファイバー３に反射して戻った
スペクトルから殆ど全部除去され、それによって力Ｆが
最小値Ａ１とＡ２の強さそして、力Ｆ′が最小値Ａ１′
とＡ２′の強さを夫々生じる。図１に示したプリズム５
の助けをかりて又は別法として回折格子によってスペク
トルを分解し、次いで直線アレイセンサー６を用いて最
小値のＡ１とＡ２（又はＡ１′とＡ２′、夫々）の場所
を検出することによって、共振子光路長ｄは決定でき、
力Ｆの大きさは変換器構造体の機械的性質から計算でき
る。事実、単一の強さ最小値の場所でさえ力の大きさを
決定するのには十分である。
振子の作用原理に従って、共振子光路長ｄ（又はｄ′）
が半波長の整数倍に等しくなるような或るスペクトルの
これらの波長成分は、光ファイバー３に反射して戻った
スペクトルから殆ど全部除去され、それによって力Ｆが
最小値Ａ１とＡ２の強さそして、力Ｆ′が最小値Ａ１′
とＡ２′の強さを夫々生じる。図１に示したプリズム５
の助けをかりて又は別法として回折格子によってスペク
トルを分解し、次いで直線アレイセンサー６を用いて最
小値のＡ１とＡ２（又はＡ１′とＡ２′、夫々）の場所
を検出することによって、共振子光路長ｄは決定でき、
力Ｆの大きさは変換器構造体の機械的性質から計算でき
る。事実、単一の強さ最小値の場所でさえ力の大きさを
決定するのには十分である。
【００２９】図４を参照すれば、感知膜２７は追加の質
量３７を備えることができ、それによって変換器は加速
度測定に十分に適応することができる。製造に際して
は、変換器構造体用の基体は本体部分１５か又は保護素
子３０の何れかとすることができる。
量３７を備えることができ、それによって変換器は加速
度測定に十分に適応することができる。製造に際して
は、変換器構造体用の基体は本体部分１５か又は保護素
子３０の何れかとすることができる。
【００３０】図２は典型的な変換器構造体の１実施例を
示す。複数の異なった技術を該構造体の製造に使用でき
ることは当業者には明らかである。本発明の特性は、例
えば圧力のような外力による作動の下で動くことができ
る１つの反射体をもつファブリ−ペロット共振子が形成
されることにある。
示す。複数の異なった技術を該構造体の製造に使用でき
ることは当業者には明らかである。本発明の特性は、例
えば圧力のような外力による作動の下で動くことができ
る１つの反射体をもつファブリ−ペロット共振子が形成
されることにある。
【００３１】参照文献： １．Ｂ．Ｃｕｌｓｈａｗ，“Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅ
ｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ａ Ｓｙｎｓｅｒｇｉｓｔｉｃ
Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｒｅ
Ｓｅｎｓｉｎｇ？”，Ｐｒｏｃ．７ｔｈ Ｏｐｔｉｃ
ａｌ Ｆｉｂｒｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅ，Ｄｅｃ．２−６， １９９０，Ｓｙｄｎｅｙ，Ｎ
ｅｗ Ｓｏｕｔｈ Ｗａｌｅｓ． ２．Ｉ．Ａ．Ｄｚｉｕｂａｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｌ
ｉｃｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎ
ｓｏｒ”， Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ Ｖ，Ｂｏｏｋ
ｏｆ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ，３０ Ｓｅｐｔ．−Ｏｃ
ｔ．１９９１，Ｒｏｍｅ．
ｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ａ Ｓｙｎｓｅｒｇｉｓｔｉｃ
Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｒｅ
Ｓｅｎｓｉｎｇ？”，Ｐｒｏｃ．７ｔｈ Ｏｐｔｉｃ
ａｌ Ｆｉｂｒｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅ，Ｄｅｃ．２−６， １９９０，Ｓｙｄｎｅｙ，Ｎ
ｅｗ Ｓｏｕｔｈ Ｗａｌｅｓ． ２．Ｉ．Ａ．Ｄｚｉｕｂａｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｌ
ｉｃｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎ
ｓｏｒ”， Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ Ｖ，Ｂｏｏｋ
ｏｆ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ，３０ Ｓｅｐｔ．−Ｏｃ
ｔ．１９９１，Ｒｏｍｅ．
【図１】本発明の変換器を示す線図である。
【図２】本発明の変換器の縦断、側面図である。
【図３】本発明の変換器の検出器素子上で測定される信
号形状を示す線図である。
号形状を示す線図である。
【図４】図２に示す変換器構造の別の実施例を示す図で
ある。
ある。
２ 分岐カプラー ３ 光ファイバー ４ 感知構造体４ ５ 分散素子 ６ 直線アレイセンサー １５ 本体部分 ２１ 金属膜 ２５ 二酸化ケイ素層 ２７ 感知ダイアフラム ２３ 反射体面 ２９ 中間層 ３０ 保護素子 ３３ 共振子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルク オルパナ フィンランド国 02340 エスポー カス キサヴ ２ エフ 23 (72)発明者 アンシ コロホーネン フィンランド国 00700 ヘルシンキ ラ ウルラスターンクヤ １ エフ 37 (72)発明者 シモ タメラ フィンランド国 02130 エスポー ヴィ サマキ ３ ベー
Claims (9)
- 【請求項１】 本体部分（１５）と、前記本体部分（１
５）上に弾撥可能に取付けられた感知素子（２７、３
７）を備え、前記作動感知素子は力受け取り素子として
作用し、前記力受け取り素子の本体部分（１５）に対す
る撓みは前記感知素子（２７、３７）に加えられた力を
計算するために用いられ、更に、感知素子（２７、３
７）の撓みを決定するための光学的検出組立体（１、
２、３、５、６）を備えて成る力測定用変換器におい
て、前記本体部分（１５）と前記感知素子（２７、３
７）は反射モードで作動される短い光学的ファブリ−ペ
ロット共振子（２１、２３）を形成し、前記光学的検出
組立体（１、２、３、５、６）が幅広スペクトル光源
（１）と、光線を前記光源（１）から前記共振子（３
３）に送りそしてそこから検出素子へ戻すための光導体
（２、３）と、前記共振子（３３）から受信した光スペ
クトルを複数の波長帯域に分解するための分散素子
（５）と、分散した光スペクトル中の吸収最大値（Ａ
１、Ａ２）の波長を検出するための検出器素子（６）と
を含み、かくしてスペクトル強度の最小値の場所が感知
素子（２７、３７）に加えられた力（Ｆ、Ｆ′）に比例
する共振子（３３）の光路長を計算するために使用され
ることを特徴とする力測定用変換器。 - 【請求項２】 前記検出器素子（６）は直線アレイセン
サーとすることを特徴とする請求項１に記載の変換器。 - 【請求項３】 前記光源（１）は白熱球とすることを特
徴とする請求項１に記載の変換器。 - 【請求項４】 前記光源（１）はＬＥＤとすることを特
徴とする請求項１に記載の変換器。 - 【請求項５】 前記分散素子（５）は小型寸法のプリズ
ムとすることを特徴とする請求項１に記載の変換器。 - 【請求項６】 前記分散素子（５）は光回折格子とする
ことを特徴とする請求項１に記載の変換器。 - 【請求項７】 前記光回折格子（５）は同様のインテグ
レイテッドオプティクスの製造技術を用いて直線アレイ
センサー素子で同じ基体上に作られることを特徴とする
請求項６に記載の変換器。 - 【請求項８】 本体部分（１５）は全変換器のための基
体として作用することを特徴とする請求項１から７の何
れか１項に記載の変換器。 - 【請求項９】 保護素子（３０）は全変換器のための基
体として作用することを特徴とする請求項１から８の何
れか１項に記載の変換器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI922262A FI98094C (fi) | 1992-05-19 | 1992-05-19 | Fabry-Perot resonaattoriin perustuva optinen voima-anturi |
| FI922262 | 1992-05-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0634469A true JPH0634469A (ja) | 1994-02-08 |
Family
ID=8535310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5115978A Pending JPH0634469A (ja) | 1992-05-19 | 1993-05-18 | 力測定用変換器 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0571106A1 (ja) |
| JP (1) | JPH0634469A (ja) |
| KR (1) | KR930023713A (ja) |
| CN (1) | CN1047662C (ja) |
| BR (1) | BR9301923A (ja) |
| FI (1) | FI98094C (ja) |
| MX (1) | MX9302894A (ja) |
| NO (1) | NO931789L (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005291946A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Masaki Esashi | 光ファイバセンサ |
| JP2005291945A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Masaki Esashi | センサ装置 |
| JP2009505041A (ja) * | 2005-08-12 | 2009-02-05 | インフィコン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 光学式の干渉応用圧力センサ |
| US9320942B2 (en) | 2010-01-20 | 2016-04-26 | Nike, Inc. | Golf ball with cover layer having zones of differing materials |
| WO2023074112A1 (ja) * | 2021-11-01 | 2023-05-04 | 朝日インテック株式会社 | 光学式圧力センサおよびその製造方法 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FI98094C (fi) * | 1992-05-19 | 1997-04-10 | Vaisala Technologies Inc Oy | Fabry-Perot resonaattoriin perustuva optinen voima-anturi |
| CN100386598C (zh) * | 2005-03-04 | 2008-05-07 | 南开大学 | 应力长周期光纤光栅可读施力构件 |
| US7728984B2 (en) * | 2008-02-28 | 2010-06-01 | Inficon Gmbh | Method for evaluating a measured parameter |
| DE102012111533A1 (de) * | 2012-11-28 | 2014-05-28 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Druckmesszelle |
| GB2509105B (en) * | 2012-12-20 | 2017-02-22 | Oxsensis Ltd | Mechanical resonator sensor |
| CN106969874B (zh) * | 2016-01-14 | 2019-09-13 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 力敏薄膜厚度精确可控的差压传感结构及其制备方法 |
| CN111366189A (zh) * | 2020-02-24 | 2020-07-03 | 北京理工大学 | 用于感测压力或振动的系统和方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8414671D0 (en) * | 1984-06-08 | 1984-07-11 | Sira Ltd | Wavelength detection |
| DE3816529A1 (de) * | 1988-05-14 | 1989-11-23 | Kistler Instr Gmbh | Druckmessvorrichtung |
| US5020910A (en) * | 1990-03-05 | 1991-06-04 | Motorola, Inc. | Monolithic diffraction spectrometer |
| EP0460357A3 (en) * | 1990-06-08 | 1992-07-29 | Landis & Gyr Betriebs Ag | Device for optical measurement of pressure differences |
| FI98094C (fi) * | 1992-05-19 | 1997-04-10 | Vaisala Technologies Inc Oy | Fabry-Perot resonaattoriin perustuva optinen voima-anturi |
-
1992
- 1992-05-19 FI FI922262A patent/FI98094C/fi not_active IP Right Cessation
-
1993
- 1993-05-06 EP EP93303504A patent/EP0571106A1/en not_active Withdrawn
- 1993-05-18 MX MX9302894A patent/MX9302894A/es unknown
- 1993-05-18 BR BR9301923A patent/BR9301923A/pt not_active Application Discontinuation
- 1993-05-18 NO NO931789A patent/NO931789L/no not_active Application Discontinuation
- 1993-05-18 JP JP5115978A patent/JPH0634469A/ja active Pending
- 1993-05-19 KR KR1019930008560A patent/KR930023713A/ko not_active Application Discontinuation
- 1993-05-19 CN CN93106073A patent/CN1047662C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005291946A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Masaki Esashi | 光ファイバセンサ |
| JP2005291945A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Masaki Esashi | センサ装置 |
| JP2009505041A (ja) * | 2005-08-12 | 2009-02-05 | インフィコン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 光学式の干渉応用圧力センサ |
| US9320942B2 (en) | 2010-01-20 | 2016-04-26 | Nike, Inc. | Golf ball with cover layer having zones of differing materials |
| WO2023074112A1 (ja) * | 2021-11-01 | 2023-05-04 | 朝日インテック株式会社 | 光学式圧力センサおよびその製造方法 |
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|---|---|
| FI922262L (fi) | 1993-11-20 |
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| BR9301923A (pt) | 1993-11-23 |
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| FI98094B (fi) | 1996-12-31 |
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| EP0571106A1 (en) | 1993-11-24 |
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| NO931789D0 (no) | 1993-05-18 |
| CN1079821A (zh) | 1993-12-22 |
| FI922262A0 (fi) | 1992-05-19 |
| MX9302894A (es) | 1994-02-28 |
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