(57)【要約】【課題】  先端にハーフミラー膜が形成された光ファイバーと、当該ハーフミラー膜と対向する側に全反射膜が形成された振動子部を有する構造の光干渉型振動センサにおいて、測定精度を向上し得る構造を提供するとともに、製造工程の簡略化を図る。【解決手段】  シリコン基板に中央部から一定の距離を有する位置から、周縁部から一定の距離を有する位置へ設けられた複数のスリットを形成して振動子部６を作製し、表面に全反射ミラー膜５を形成する。振動子部６の全反射ミラー膜５と反対の側には支持部を設ける。光ファイバー１はフェルール３の光ファイバー挿通孔２挿入して、挿入された側の端面をフェルール３の端面に一致させ、フェルール３の当該端面全体にハーフミラー膜４を形成し、全反射ミラー膜５とハーフミラー膜との間隔を確保するためにスペーサ８を挿入する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部から一定の距離を有する位置から、周縁部から一定の距離を有する位置へ設けられた複数のスリットを有するシリコン基板からなる振動子部と、前記振動子部の中央に設けられた全反射ミラーと、前記全反射ミラーが設けられた側とは反対側に設けられた支持部材とを有するセンサチップと、中央部に貫通孔を有する部材と、前記貫通孔に挿通され、挿通された側の端面が前記部材の一方の端面の位置に配された光ファイバーと、前記部材の前記一方の端面に設けられたハーフミラーとを有する光ファイバー固定部材と、前記全反射ミラーと前記ハーフミラーとを対向させた状態で一定の距離を確保するためのスペーサを有することを特徴とする光干渉型振動センサ。
【請求項２】
前記振動子部は、前記シリコン基板の所要の位置のエッチングによる除去により形成することを特徴とする、請求項１に記載の光干渉型振動センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動センサに関わり、特に片方の端面にハーフミラーを取り付けた光ファイバーと、前記のハーフミラーと対向する側に全反射ミラーが設けられた振動子部を有する光干渉型振動センサとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動センサには様々な形式のものがあり、振動の検出方法の主なものとして、静電容量の変化を利用したもの、圧電材料を利用したもの、光学式のものなどが挙げられる。その中で、光学式のものには、光ファイバーを介して導出される出射光と反射光の干渉を利用した、光干渉型振動センサがある。光干渉型振動センサは、電磁気的な干渉を受けず長距離の信号伝送が可能で、小型化が容易であるという利点を有する。
【０００３】
従来の光干渉型振動センサの一例として、特許文献１に開示されている、本発明者らが開発した光干渉型振動センサがある。図３は、当該光干渉型振動センサの断面図である。図３において、１５は光ファイバー、１６は接着剤、１７は光ファイバー挿通孔、１８はＳＯＩ基板下層シリコン、１９はＳＯＩ基板中間絶縁ＳｉＯ２層、２０はＳＯＩ基板上層シリコン、２１は保護部材、２２はハーフミラー膜、２３は全反射ミラー膜、２４は導電性膜、２５は振動子部である。
【０００４】
図３に示した光干渉型振動センサの動作原理は、光ファイバー１５の端面から射出される光の一部がハーフミラー膜２２によって反射され、ハーフミラー膜２２を通過した光が全反射ミラー膜２３によって反射されるので、二つの反射光の干渉が生じるが、ハーフミラー膜２２と全反射ミラー膜２３の距離が変化すると、干渉光の強度が変化するというものである。つまり、全反射ミラー膜２３が設けられた振動子部２５の変位の状態を検出することができる。
【０００５】
また、図３に構造を示した光干渉型振動センサは、素材としてＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、ＳＯＩ基板上層シリコン２０には、図における下側に段差を形成した後、錘となる部分及び梁となる部分を形成することによって振動子部２５を形成し、ＳＯＩ基板下層シリコン１８には、光ファイバー１５を挿通するための光ファイバー挿通孔１７を形成し、ＳＯＩ基板中間絶縁ＳｉＯ２層１９の一部を除去することにより振動子部２５とＳＯＩ基板下層シリコン１８との間に空間を形成するとともに、光ファイバー挿入孔１７を通して振動子２５の表面に全反射ミラー膜２３を形成し、端面にハーフミラー膜２２を形成した光ファイバー１５を挿通して接着剤１６で固定した構造で、ＳＯＩ基板上層シリコン２０の側には、表面に導電性膜２４を有する保護部材２１を接合している。
【０００６】
この光干渉型振動センサにおいては、ＳＯＩを用いることにより、前記のような構造を得るために、ドライエッチングあるいはウェットエッチングなどを組み合わせた方法が適用できる。つまり、ＭＥＭＳ(メムス；Micro Electro Mechanical Systems)と称される手法が適用できるので、小型で高精度のものを大量に製造できる利点がある。
【０００７】
しかしながら、図３に示した構造の光干渉センサでは、接着剤１６の熱膨張率が他の部材よりも大きいため、温度変化に伴うハーフミラー膜２２と全反射ミラー膜２３との距離の変化が大きく、測定精度に向上の余地がある。また、エッチング工程を省くことにより製造コストを低減できる可能性がある。
【０００８】
【特許文献１】特許第４１５３４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の課題は、前記のような構造の光干渉型振動センサにおいて、測定精度を向上し得る構造を提供するとともに、製造工程の簡略化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記の課題解決のため、必要な機能を得るために既存の製品を適用することや、製造工程を見直した結果なされたものである。
【００１１】
即ち、本発明は、中央部から一定の距離を有する位置から、周縁部から一定の距離を有する位置へ設けられた複数のスリットを有するシリコン基板からなる振動子部と、前記振動子部の中央に設けられた全反射ミラーと、前記全反射ミラーが設けられた側とは反対側に設けられた支持部材とを有するセンサチップと、中央部に貫通孔を有する部材と、前記貫通孔に挿通され、挿通された側の端面が前記部材の一方の端面の位置に配された光ファイバーと、前記部材の前記一方の端面に設けられたハーフミラーとを有する光ファイバー固定部材と、前記全反射ミラーと前記ハーフミラーとを対向させた状態で一定の距離を確保するためのスペーサを有することを特徴とする光干渉型振動センサである。
【００１２】
また、本発明は、前記振動子部が、前記シリコン基板の所要の位置のエッチングによる除去により形成されることを特徴とする、前記の光干渉型振動センサの製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による光干渉型振動センサは、その構造的な特徴から、次のような利点を有する。
（１）光ファイバー固定部材は、市販のフェルールなどに光ファイバー挿通することで得られるので、図３に示したような光ファイバー挿入孔１７の加工が不要となる。
（２）別途にスペーサを組み込むので、図３におけるＳＯＩ基板中間絶縁ＳｉＯ２層の除去工程が不要となる。
（３）センサチップと光ファイバー固定部材を組み立てて封入するパッケージが容易に得られる。
（４）振動子部の形成には、従来のシリコン基板のエッチングによる方法がそのまま適用できるので、高精度にものが大量に得られる。
【００１４】
従って、従来よりも高精度の光干渉型振動センサを、従来よりも簡略された工程で得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明による光干渉型振動センサの実施の形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
【００１６】
図１は本発明の光干渉型振動センサの一例を示す断面図である。図１において、１は光ファイバー、２は光ファイバー挿通孔、３はフェルール、４はハーフミラー膜、５は全反射ミラー膜、６は振動子部、７は支持部材、８はスペーサ、９及び１０はパッケージ用部材、１１はＯリングである。
【００１７】
また、図２は、図１における全反射ミラー膜５、振動子部６、支持部材部材７の詳細を示す図で、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）はＡＡ断面図である。図２において、１２はＳＯＩ基板中間絶縁ＳｉＯ２層、１３はスリット、１４は梁である。
【００１８】
ここに示した振動子部６は、素材としてＳＯＩ基板にエッチングを施して得られる。つまり、まずＳＯＩ基板下層シリコンとＳＯＩ基板中間絶縁ＳｉＯ２層１２をエッチングで除去し、残った部分を支持部材７とする。さらにエッチングにより、ＳＯＩ基板上層シリコンに、中央部から一定の距離を有する位置から周縁部から一定の距離を有する位置へ設けられた複数のスリット１３を形成する。
【００１９】
これによって、中央部から周縁部に延在する梁１４が形成され、中央部が図２（ｂ）における上下方向に変位する振動子部６が得られる。つまり、図３に示した従来例と同様に、ＭＥＭＳの手法により、高精度のものを大量に得ることができる。
【００２０】
また、ＳＯＩ基板中間絶縁層ＳｉＯ２層が除去され、振動子部分に可動スペースが確保できるならば、支持部材７はエッチングする必要は無い。これにより振動子部６と支持部材７の間のスペース間のエアーダンピングにより、振動センサの周波数特性を調整することができる。
【００２１】
また、光ファイバー１を挿通固定する部材として、市販のフェルールをそのまま用いることができるので、図３に示した従来例の場合のように、ＳＯＩ基板に貫通孔を形成する工程を省略することができるばかりでなく、固定に用いる接着剤（図示せず）は、光ファイバー挿通孔２の図１における上側の開口部の部分から、光ファイバー１と光ファイバー挿通孔２との間の空隙に少量注入するだけ十分なので、接着剤の熱膨張の影響は、無視し得る程度になる。
【００２２】
また、ハーフミラー膜４を光ファイバー１とフェルール３の端面の全面に形成するので、ファイバー端面のみに形成する場合に比較して形成工程の簡略化が可能になるので、製造コスト低減に寄与できる。スペーサ８についても同様であり、金属箔を打ち抜いたものなどが使用可能であり、製造コスト低減に寄与できるとともに、これを用いることで、ハーフミラー膜４と全反射ミラー膜５の距離の設定が容易になる。なお、スペーサ８の外径をパッケージ用部材９の内径とほぼ同じとすることにより、位置決めを容易にできる。スペーサ８は振動子部６の上面とフェルール３の下面の片面あるいは両面にあらかじめ接合などで作りこんでおくと組立を簡略化することができる。
【００２３】
さらに、パッケージ用部材９、１０としては、図１に示したように、２分割した部材をネジ止めで組立固定することも可能であるが、機械的な固定であれば、嵌合やかしめでもよい。また、図１に示したように内周に溝を設け、Ｏリングを嵌合することで、防水機能を付与できる。
【００２４】
以上に説明したように、本発明によれば、従来よりも簡略な製造工程により、信頼性が向上した高精度の光干渉型振動センサを得ることができる。従って本発明が光干渉型振動センサの普及に寄与するところには極めて大きいものがある。
【００２５】
なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る、各種変形、修正を含む本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。例えば前記の実施の形態においては、振動子部６の素材として、ＳＯＩ基板を用いる例を挙げたが、シリコン基板に直接エッチングを施し、別途に作製した支持部材を接合したものも本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の光干渉型振動センサの一例を示す断面図
【図２】全反射ミラー膜５、振動子部６、支持部材部材７の詳細を示す図で、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）はＡＡ断面図
【図３】従来の光干渉型振動センサの一例の断面図
【符号の説明】
【００２７】
１，１５    光ファイバー
２，１７    光ファイバー挿通孔
３          フェルール
４，２２    ハーフミラー膜
５，２３    全反射ミラー膜
６，２５    振動子部
７          支持部材
８          スペーサ
９，１０    パッケージ用部材
１１        Ｏリング
１２，１９  ＳＯＩ基板中間絶縁ＳｉＯ２層
１３        スリット
１４        梁
１６        接着剤
１８        ＳＯＩ基板下層シリコン
２０        ＳＯＩ基板上層シリコン
２１        保護部材
２４        導電性膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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