(57)【特許請求の範囲】
【請求項４】
センサ本体の内部に、振動方向に対してバネ部材で支持された振動子を備え、前記振動方向に向かって前記振動子の前面配設されたＶ字状の変位面と、前記振動子の後面に、前記変位面と同軸に配設されたＶ字状の基準面とを備え、
光を前記基準面の一方に照射する第１の光路系と、
前記基準面の一方から方向変換された他方からの反射光を受光する第２の光路系と、
前記光を前記変位面の一方に照射する第３の光路系と、
前記変位面の一方から方向変換された他方からの反射光を受光する第４の光路系と、
前記第１〜第４の光路系のいずれかに介挿された遅延部とを具備し、
前記第２の光路系及び前記第４の光路系で受光された光を合波することによって、前記基準面と前記変位面の光路差を計測できるようになっていることを特徴とする光干渉式センサ。
【請求項５】
前記Ｖ字状の基準面及び前記Ｖ字状の変位面が、複数のＶ状形状を有するギザギザ形状であると共に、前記各基準面及び変位面と対向するように、複数のＶ状形状を有するギザギザ形状の２つの反射面が配設されており、
前記基準面の一方に照射された光が前記基準面及び前記対向する反射面で複数回反射されて前記第２の光路に入射され、かつ前記変位面の一方に照射された光が前記変位面及び前記対向する変位面で複数回反射されて前記第４の光路に入射されるようになっている請求項４に記載の光干渉式センサ。
【請求項８】
センサ本体の内部に、振動方向に対してバネ部材で支持された振動子を備え、前記振動方向に向かって前記振動子の前面配設されたＶ字状の変位面と、前記振動子の後面に、前記変位面と同軸に配設されたＶ字状の基準面とを備え、
光を前記基準面の一方に照射する第１の光路系と、
前記基準面の一方から方向変換された他方からの反射光を受光する第２の光路系と、
前記光を前記変位面の一方に照射する第３の光路系と、
前記変位面の一方から方向変換された他方からの反射光を受光する第４の光路系と、
前記第１〜第４の光路系のいずれかに介挿された遅延部とを具備し、
前記第２の光路系及び前記第４の光路系で受光された光を合波する干渉式センサと、
強度変調及び位相変調された計測用光信号を発生し、前記照射用の光とする計測用光信号発生部と、
前記受光された光の時分割多重信号を受光し、光一電気変換してディジタル化し、計測光、参照光及び干渉光に基づく位相変動信号をセンサ信号として出力するセンサ信号演算処理部と、
を具備して成ることを特徴とする計測システム。
【請求項９】
前記干渉式センサが複数設けられ、複数の前記干渉式センサが光カプラを介して前記計測用光信号発生部及び前記センサ信号演算処理部に接続されている請求項８に記載の計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光（レーザ光）の干渉法（ホモダイン干渉若しくはマッハツェンダー干渉）を利用して、センサ対象物の速度や加速度等の物理量を正確に且つコンパクトな手法で、更に高ダイナミックレンジ及び高サンプリング周波数で計測する光干渉式センサ及びそれを用いた計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来加速度、速度などの物理量を計測するセンサとしては、永久磁石の磁力の内部でコイルを巻いた振動子を自由振動させて電磁誘導電流を計測する動コイル方式、或いは磁力の内部でコイルを巻いた振動子の変位が発生しないように制御して計測するサーボ方式、或いは２枚の金属板でコンデンサを形成し、その静電容量の変化から加速度を計測する静電容量式などがある。これらは、振動子の変位の時間的変化を電磁誘導電流や静電容量などの電気信号に変換してから、速度や加速度を求めるという方式をとっている。【０００３】
これらの方法では、振動子の応答特性（目的の周波数領域で、微小加速度から大きな加速度まで連続的に変位を起こす振動子）の設計と、変化に対応する電気信号のディジタル化の精度向上という設計上の制限の中で、センサが作製される。例えば地震動を観測する場合、地震動に相当する周波数帯域（0.01Hz〜100Hz）で変位を大きくとれる振動子は、振り子やバネのサイズが大きくなって実用には適さない。この問題に対し、サーボ型加速度計が開発され、変位を相殺させるような電流を与えることにより、変位が少ない構造で高ダイナミックレンジを実現している。【０００４】
しかしこの方法でも、ダイナミックレンジが電気信号を計測するに際して限界（低い方は増幅器の１／ｆノイズや熱雑音、高い方は電子回路の動作電圧の限界）があるため、電圧範囲は約1μV〜±５V程度、分解能は140dB程度が限界であり、低ノイズや電子回路の工夫をしても、146〜150dBが限界と言われている。また、同時にこの方法では、精度向上のためには電気設計も機構設計も複雑となり、取り扱いが繊細でかつ高コストで実用化には不向きのセンサとなっている。【０００５】
一方、低コストで小型の加速度センサを実現するために、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた静電容量式センサが開発されてきた。それは、小さな加速度に応答する微小な変位の変化を検出するために、２つの極板の間に小さな隙間を空けたコンデンサを構成し、振動によってそのコンデンサ間の隙間の距離が変化したり、極板がスライドすることによってコンデンサの面積が変化したりすることによる静電容量の変化を検出する方法である。【０００６】
この方法は、小型で低コストの加速度センサは実現するものの、静電容量の計測の限界から、ダイナミックレンジは100dB程度となっているのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−７１９３９号公報
【特許文献２】特開２０１１−２０２９６１号公報
【特許文献３】特表２００８−５００５４７号公報
【特許文献４】特開２０１１−１８５９４３号公報
【特許文献５】特許第５１１８００４号公報
【特許文献６】特許第５１１８２４６号公報
【特許文献７】特許第４１５３４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述の静電容量型の加速度センサは、感度を大きくするためには電極間の距離を小さくするか、電極の面積を大きくすることが要求される。一方で、より大きな振動でも計測できるような測定をしようとすると、可動電極の可動領域が大きいことが要求される。そのため、電極の面積を大きくする方向で開発が進められている。このようなトレードオフのために、静電容量型のMEMS加速度センサのダイナミックレンジは、100dB程度にとどまっている。【０００９】
また、従来の光干渉法では、光ファイバに接続した反射鏡を固定点として、計測対象物（変位面）に設置した反射鏡との相対的な変位を算出している。かかる従来方法では、対象物の変位だけでなく、光ファイバの微小な変位、固定点までの温度の影響など、光ファイバ系内部の誤差要因を除去できないという問題がある。【００１０】
一方、従来MEMS技術で静電容量型のセンサを作成しようとすると、感度を高くすることが難しかった。例えば特表2008-500547号公報（特許文献3）若しくは特開2011-185943号公報（特許文献4）では、高感度の静電容量型MEMS加速度計を作成するために、コンデンサの電極面をスライドすることにより電極板の面積を変えて静電容量を変更する仕組みになっている。さらに、固有周期を下げるために柔らかいバネを入れながら、振動方向以外の振動を避けるために中間枠帯を設けている。しかし、中間枠帯を入れても電極間距離を変える方向は完全には防げないため、電極板のズレによる静電容量変化と、電極間距離の変化による静電容量の変化とを区別することができないという問題がある。【００１１】
更に、センサとしては300℃以上の高温度の環境においても、連続して正確に計測できることが強く要請されている。【００１２】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、部品を繋げるジョイント部を持たずMEMS技術によって加工が容易でかつ一体成形が可能であり、無電源で作動するセンサにより、300℃以上の高温環境下でも連続計測が可能で、高ダイナミックレンジ及び高サンプリング周波数で物理量を計測でき、160dB程度の高分解能を有する光干渉式センサ及びそれを用いた計測システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は光干渉式センサに関し、本発明の上記目的は、センサ本体の内部に、振動方向に対してバネ部材で支持された振動子を備え、前記振動方向に向かって前記振動子の前面に配設された変位面と、前記振動子の後面に、前記変位面と同軸に配設された基準面とを備え、光を前記基準面に照射すると共に、前記基準面からの反射光を受光する第１の光路系と、前記光を前記変位面に照射すると共に、前記変位面からの反射光を受光する第２の光路系と、前記第１の光路系又は前記第２の光路系に介挿された遅延部とを具備し、前記第１の光路系及び前記第２の光路系で受光された光を合波することによって、前記基準面と前記変位面の光路差を計測ことにより達成される。【００１４】
本発明は計測システムに関し、本発明の上記目的は、前記各光干渉式センサと、強度変調及び位相変調された計測用光信号を発生し、前記照射用の光とする計測用光信号発生部と、前記受光された光の時分割多重信号を受光し、光−電気変換してディジタル化し、計測光、参照光及び干渉光に基づく位相変動信号をセンサ信号として出力するセンサ信号演算処理部とを具備することにより達成される。
【発明の効果】
【００１５】
例えば従来の加速度センサは、高温でも一定時間動作する電子部品を選定して保温箱などに内蔵し、ペルチェ素子で冷却させながら数ヶ月間、200℃で加速度計測を行っているが、高温環境下で1年間以上継続して動作するセンサは存在しない。しかしながら、本発明の光干渉式センサは、Si単結晶若しくはSiO2単結晶からMEMS技術で加工作製されたホモダイン干渉方式若しくはマッハツェンダー方式の光干渉式センサであり、振動子の両面の相対変位を、１MHz以上の高サンプリング周波数で求めることにより、速度及び加速度を算出している。光干渉式センサは電源を必要としないので、電子部品による温度の影響を考慮する必要がなく、高温環境下で動作するSi若しくはSiO2で光ファイバ、センサ本体、バネ、反射面（反射鏡）を一体構成しているので、高温でも長時間正常に動作するセンサの作製が可能となる。Si単結晶は常圧では融点が1400℃、SiO2単結晶は常圧では500℃程度まで低温型石英の構造であるので、300℃程度の状態ではいずれも層転移を起こすことなく、物性が連続的に変化する。【００１６】
また、従来、光干渉法を利用し、無電源で動作する加速度計は存在しているが、計測範囲がレーザ光波長の1/2までの領域に限られており、ダイナミックレンジは100dBが限界であった。しかしながら、本発明の光干渉式センサ及び計測システムでは、照射する例えば波長1.55μmのレーザ光を1〜10nsecの光パルスとし、位相を90°ずらせた光パルスと共に反射面に照射し、その反射光との干渉光を光−電気変換し、更にディジタル化することによって相対変位の変化を検出する方法を採用している。そのため、レーザ光の波長の1/2という制限がなく、1pm〜10nmの分解能を保ったまま半波長の10,000倍（7.7mm）を超える変位を連続的に検出することができる。これにより、例えば0.1nmの分解能で２mmまでの変位を１MHzで測定するモードでは、144dBのダイナミックレンジを実現することができる。【００１７】
従来の光干渉法では、光ファイバに接続した反射鏡をセンサ対象物とは異なる固定点（基準面）として、対象物（変位面）に設置した反射鏡との相対的な変位を検出するようになっている。かかる従来方法では、センサ対象物の変位だけでなく、光ファイバの微小な変位、固定点までの温度の影響など、光ファイバ系内部の誤差要因を除去できないという問題がある。これに対し本発明の光干渉式センサでは、対象物（センサ本体）の内部に基準面を設け、対象物の運動系内部での変位面の相対的な変位を直接計測するようにしているので、計測値は振動子の振動特性による変位だけを示す。そのため、ファイバ系の微小振動や温度による計測誤差の影響を受けない利点がある。【００１８】
本発明では、振動子やバネの材質としてりん青銅などの金属バネ材料ではなく、MEMS加工に適したSi単結晶やSiO2単結晶を用いている。Si単結晶やSiO2単結晶は金属材料に比べて温度係数、ヤング率が小さく、微小加速度に対し完全弾性体として挙動する。一方、りん青銅など金属材料は、結晶構造の格子欠陥や粒界の固着力のばらつきにより、微小加速度を受けた時に変位を起こさなかったり、飛び変位を生じることがある。しかし、Si単結晶やSiO2単結晶を用いることにより、材料の均質性が保持されると共に、微小加速度による微小変位時の線形性が保持され、微小変位を計測することで微小加速度（例えば１nG）から大加速度（例えば10G）までを検出することができる。本発明では微小変位計測（分解能で0.1nm以下）を実現するため、Si単結晶やSiO2単結晶の振動子を採用しており、微小変位を検出する方式として適切である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】光干渉型センサ（第１特許）の原理を説明するための構成図である。
【図２】光干渉型センサ（第１特許）の動作例を示すタイムチャートある。
【図３】光干渉型センサ（第１特許）の特性例を示す図である。
【図４】光干渉型センサ（第２特許）の原理を説明するための構成図である。
【図５】光干渉型センサ（第２特許）の動作例を示すタイムチャートである。
【図６】光干渉型センサ（第２特許）の特性例を示す図である。
【図７】本発明に係る光干渉式センサの第１実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。
【図８】本発明に係る光干渉式センサの第２実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。
【図９】本発明に係る光干渉式センサ（ホモダイン型）を複数用いた計測システムの構成例（システム第１実施形態）を示すブロック構成図である。
【図１０】本発明に係る光干渉式センサ（マッハツェンダー型）を複数用いた計測システムの構成例（システム第２実施形態）を示すブロック構成図である。
【図１１】本発明に係る光干渉式センサの第３実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。
【図１２】本発明に係る光干渉式センサの第４実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。
【図１３】本発明に係る光干渉式センサの第５実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。
【図１４】第５実施形態の一部を詳細に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る光干渉式センサは、Si若しくはSiO2（石英）の単結晶基板をMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術でエッチング処理して作製し、バネ部材と振動子の空間を密閉（シールド）処理して閉空間としている。センサ本体内の空間に設けられた振動子の一方を変位面（光の反射面）、他方を基準面（光の反射面）とし、基準面に対する変位面の相対変位1nm〜10mm位の範囲を、例えば1pm〜1nmの分解能で1MHz〜100MHzのサンプリング周波数を用いて光干渉法で計測することによって、振動子の変位面が外力によって受ける物理量を正確かつ高速度に、大きなダイナミックレンジ(例えば140dB〜170dB)で求めることが可能なセンサである。光干渉式センサで得られた計測データを、高サンプリング周波数で演算処理することによって、容易に速度センサや加速度センサとして利用することができる。
【００２１】
高サンプリング周波数（1MHz〜100MHz）で計測された振動子の変位面の変位データから、振動計測で求められるサンプリング周波数（10Hz〜10kHz）にデシメーションする過程で相対変位の分解能を10pmに上げ、速度、加速度を求めるデシメーションフィルタ処理を行う。これにより、振動子の変位面の基準面に対する相対変位を10pmの分解能で±1mmの範囲で計測し、サンプリング周波数1kHzでダイナミックレンジ166dBの速度センサ、加速度センサを実現できる。
【００２２】
本発明の光干渉式センサを加速度センサに適用した場合、微小な加速度（約1nG）から大加速度まで（約10G）に正確に応答し、それに対応する変位を±10pm〜±1mmの範囲で出力する振動子の構造を用いている。従来の静電容量型MEMS加速度センサでは、電極板間距離の変化若しくは電極板がスライドすることによる電極板面積の変化によって計測を行っていたが、それらには電気的限界などがあり、高ダイナミックレンジを取ることができなかった。しかし、本発明では電極面は存在せず、小さな変位と共に、大きな変位をも正確に計測できることに特徴がある。
【００２３】
本発明では、振動子の両面を変位面及び基準面とし、変位面及び基準面の相対変位及びそれに伴う物理量を、光干渉法を用いた物理量の計測方法（例えば特許第5118004号（第１特許）、特許第5118246号（第２特許））によって計測する。具体的には、センサ本体の内部に１軸のバネ部を構成し、このバネ部で支持された振動子の両面をそれぞれ変位面及び基準面とし、それぞれの面にレーザ光の反射ミラーを設ける。外力による本振動子の変位量（加速度、速度）は、それぞれの反射光の干渉信号から光路差を導くことで求める。
【００２４】
振動子が振動方向の１軸方向に変位する１軸支持式では、基準面と変位面に照射された光が反射面から同方向に反射され、ホモダイン干渉若しくはマッハツェンダー干渉の干渉信号に基づいて光路差を求めることができる。
【００２５】
振動子とバネ部材はセンサ本体の振動方向の中心（中心線）に対して対称形の形状を有し、振動子とセンサ本体の間をシームレスに結ぶバネ部材で閉空間を形成し、振動子の振動に伴ってダンパ効果を持つようになっている。
【００２６】
本発明は、本出願人に係る特許第5118004号（第１特許）及び特許第5118246号（第２特許）に開示されている光干渉法の原理を用いており、先ずその概略を説明する。
【００２７】
図１は、特許第5118004号（第１特許）に示される光干渉型センサ（ホモダイン干渉）の概略構成であり、図２（Ａ）に示すような光パルスの参照光Ｒが、光ファイバ１１から光カプラ１０に入射されて光ファイバ１２から照射（参照光Ｒ）されると共に、その照射光が基準反射面１４から反射される。また、図２（Ｂ）に示すような光パルスの計測光Ｓが光ファイバ１１から光カプラ１０に入射され、遅延時間t/2をもって光ファイバ１３から照射されると共に、その照射光（計測光Ｓ）が計測反射面１５から反射される。本例は、基準反射面１４に対して、参照光Ｒの照射もその反射光の受光も同一の光ファイバ１２で行い、計測反射面１５に対して、計測光Ｓの照射もその反射光の受光も同一の光ファイバ１３で行うようになっており、１本の光ファイバで投受光を行うホモダイン干渉型と称される。基準反射面１４及び計測反射面１５から反射された光は光カプラ１０で合波され、反射光Ｒ，Ｉ，Ｓとして、入射された光ファイバ１１から出射される。入力される光パルスは短いので、その間は光のレベルは変化しないと考える。
【００２８】
光カプラ１０で合波された反射光は図２（Ｃ）に示すように、参照光Ｒ、計測光Ｓと共に、参照光Ｒ及び計測光Ｓが干渉する干渉光Ｉを含むことになり、参照光Ｒ及び計測光Ｓの位相差θ、つまり基準面（基準反射面１４）と計測面（計測反射面１５）との位相差θは、下記数１で表される。なお、計測光Ｓは同一経路で照射され、その反射光Ｓも同一経路を経るので、合計遅延時間はt/2＋t/2=ｔとなる。
【００２９】
【数１】
0006002329.tif 000002
そして、位相変化に対するcosθの特性は図３に示すようになり、反射光の干渉光Ｉ，参照光Ｒ，計測光Ｓを計測してcosθを求めることにより、光信号レベル変動の影響を受けない光干渉型センサを構成することができる。
【００３０】
図４は、特許第5118246号（第２特許）に示される光干渉型センサ（ホモダイン干渉）の概略構成であり、図５（Ａ）に示すような領域＃１及び＃２で位相差90°を有する光パルスの参照光Ｒが、光ファイバ２１から光カプラ２０に入射されて光ファイバ２２から照射（参照光Ｒ）されると共に、その照射光が基準反射面２４から反射され光ファイバ２２に入射する。また、図５（Ｂ）に示すような領域＃１及び＃２で位相差90°を有する光パルスの計測光Ｓが光ファイバ２１から光カプラ２０に入射され、遅延時間t/2をもって光ファイバ２３から照射されると共に、その照射光（計測光Ｓ）が計測反射面２５から反射されて光ファイバ２３に入射する。なお、領域＃１及び＃２の時間比はいずれのパルスも２対１となっている。基準反射面２４及び計測反射面２５から反射された光は光カプラ２０で合波され、反射光Ｒ，Ｉ１，Ｉ２，Ｓとして入射された光ファイバ２１から出射される。
【００３１】
基準反射面２４及び計測反射面２５に照射された光はいずれも反射されるので、反射光は図５（Ｃ）に示すように、参照光Ｒ、計測光Ｓと共に、参照光Ｒ及び計測光Ｓが干渉する２つの異なる干渉光Ｉ１及びＩ２を含むことになり、複数の異なる位相の干渉出力が得られる。
【００３２】
第１特許では、参照光と計測光の位相関係が、位相差90度を動作点としたときに、計測可能な位相の最大は±90°（半波長）しかなく、これを越えることは原理的に不可能であるが、第２特許では、90°位相をずらした光パルスを一定の周波数（例えば１ＭＨｚ）で入力することにより、その壁を乗り越えて計測することが可能になっている。
【００３３】
図６は、９０°位相差があるcosθ１とcosθ２による連続計測の様子を示している。計測値は両者の値のうち、1/√2と-1/√2の間にあるものを常に選択する。位相の変動方向は、直前に計測した位相との差から判定する。このことにより、その半波長の長さを越えた変位を計測することが可能となる。
【００３４】
本発明では上述した第１特許及び第２特許の計測原理を応用し、以下に説明する光干渉式センサ及びそれを用いた計測システムを構築する。
【００３５】
図７は、本発明に係るホモダイン干渉型で、１軸支持式の光干渉式センサ１００の構造例（センサ第１実施形態）を示す平面構成図及び結線図であり、計測対象物であるセンサ本体１１０はSi結晶体基板若しくはSiO2結晶体基板からMEMS技術によって一体的に作製され、センサ本体１１０は方形状の空洞部１１１を有し、Ｕ字状の直線で形成された４つのバネ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１３Ａ，１１３Ｂで支持された振動子１１４を空洞部１１１内に備えている。振動子１１４及びバネ１１２Ａ〜１１３ＢもMEMS技術によって作製される。振動子１１４並びにバネ１１２Ａと１１２Ｂ、バネ１１３Ａと１１３Ｂは、振動方向（図示Ｘ方向）の中心線ＣＬ１に対して対称な形状となっており、振動子１１４はＹ方向には無視できる程度の変化にとどまり、Ｘ方向の１軸に変位する構造になっている。振動子１１４の前面中央部には、鏡面処理された平面な反射面（変位面）１１５が設けられており、振動子１１４の後面中央部には鏡面処理された平面な反射面（基準面）１１６が設けられている。センサ本体１１０は、例えば縦横が10mm、厚さは400μmであり、反射面１１５及び１１６はミラーであっても良い。
【００３６】
図示はしないが、空洞部１１１はMEMS加工の後、硼珪酸ガラス板などでシールドされて密閉され、閉空間となっている。つまり、閉空間内に振動子１１４、バネ１１２Ａ〜１１３Ｂが配設されている。閉空間内は真空であっても、気体が充填されていても良い。
【００３７】
計測システム３００は後述するが、計測システム３００には、照射する光（レーザ光）を伝送する光ファイバ１０１Ａ、反射された光を光サーキュレータ１０１から入射する光ファイバ１０１Ｃが接続されており、光サーキュレータ１０１には光ファイバ１０１Ｂを経て光カプラ１０２が接続されている。光カプラ１０２には、基準面となる反射面１１６に光を照射し、その反射光を受光する光ファイバ１０２Ａと、変位面となる反射面１１５に遅延部１０３を経て光を照射し、その反射光を受光する光ファイバ１０２Ｂとが接続されている。また、光ファイバ１０２Ａ及び１０２Ｂの各先端には、光の平行照射及び平行受光を確実に行うためのコリメータ１０４Ａ及び１０４Ｂが設けられているが、必須のものではない。
【００３８】
このような構成において、計測システム３００で発生された計測用光信号は、光ファイバ１０１Ａ、光サーキュレータ１０１、光ファイバ１０１Ｂ、光カプラ１０２、光ファイバ１０２Ａ、コリメータ１０４Ａを経て基準面の反射面１１６に照射される。反射面１１６は平面であり、反射面１１６から反射された反射光は、逆にコリメータ１０４Ａ、光ファイバ１０２Ａ、光カプラ１０２、光ファイバ１０１Ｂ、光サーキュレータ１０１を経て、光ファイバ１０１Ｃから計測システム３００に入射される。光カプラ１０２で分波された計測用光信号は、遅延部１０３を具備した光ファイバ１０２Ｂ、コリメータ１０４Ｂを経て変位面となる反射面１１５に照射され、反射面１１５から反射された反射光は逆にコリメータ１０４Ｂ、光ファイバ１０２Ｂ、光カプラ１０２、光ファイバ１０１Ｂ、光サーキュレータ１０１を経て、光ファイバ１０１Ｃから計測システム３００に入射される。
【００３９】
本実施形態では、振動子１１４が中心線ＣＬ１に対して対称であると共に、４つのバネ１１２Ａ〜１１３Ｂで均等に前後に支持されているので、振動運動に対して振動子１１４は振動方向（Ｘ方向）にのみ変位し、他の方向（例えばＹ方向）には無視できる程度の変位である。その結果、変位面の反射面１１５も振動方向（Ｘ方向）にのみ変位するので、確実にかつ正確に光路差を計測することができる。本実施形態では、基準面１１６及び変位面１１５は同一線上にかつ振動子１１４と一体になっているので、光路差を振動子の変位量の２倍として計測することができる。
【００４０】
図８は、本発明に係るマッハツェンダー干渉型で、１軸支持式の光干渉式センサ１２０の構造例（センサ第２実施形態）を示す平面構成図及び結線図であり、計測対象物であるセンサ本体１３０はセンサ第１実施形態と同様に、Si結晶体基板若しくはSiO2結晶体基板からMEMS技術によって一体的に作製され、センサ本体１３０は方形状の空洞部１３１を有し、Ｕ字状の直線で形成された４つのバネ１３２Ａ，１３２Ｂ，１３３Ａ，１３３Ｂで支持された振動子１３４を空洞部１３１内に備えている。センサ第１実施形態と同様に、振動子１３４並びにバネ１３２Ａと１３２Ｂ、バネ１３３Ａと１３３Ｂは、振動方向（図示Ｘ方向）の中心線ＣＬ２に対して対称な形状となっており、振動子１３４はＹ方向には無視できる程度の変位にとどまり、Ｘ方向の１軸に変位する構造になっている。振動子１３４の前面中央部には、鏡面処理された断面Ｖ字状の形状で再帰特性を有する反射面（変位面）１３５が設けられており、振動子１３４の後面中央部には、鏡面処理された断面Ｖ字状の形状で再帰特性を有する反射面（基準面）１３６が設けられている。本例も空洞部１３４はMEMS加工の後、硼珪酸ガラス板等でシールドされて密閉され、閉空間となっている。反射面（変位面）１３５及び反射面（基準面）１３６はＶ型ミラーであっても良い。
【００４１】
計測システム３００には、照射する光（レーザ光）を伝送する光ファイバ１２１及び反射光を入射する光ファイバ１２６が接続されている。光ファイバ１２１には照射光を分波する光カプラ１２２が接続され、光ファイバ１２６には反射光を合波する光カプラ１２７が接続されている。光カプラ１２２には、基準面となる反射面１３６に光を照射する光ファイバ１２３Ａと、変位面となる反射面１３５に遅延部１２４を経て光を照射する光ファイバ１２３Ｂとが接続されている。また、光カプラ１２７には、反射面１３６からの反射光を受光する光ファイバ１２８Ａと、反射面１３からの反射光を受光する光ファイバ１２８Ｂとが接続されている。また、光ファイバ１２３Ａ，１２３Ｂ及び１２８Ａ，１２８Ｂの各先端には、光の平行照射及び平行受光を確実に行うためのコリメータ１２５Ａ，１２５Ｂ及び１２９Ａ，１２９Ｂが設けられているが、必須のものではない。
【００４２】
なお、反射面１３５及び１３６はＶ字状（直交）の形状となっており、いずれも一方の面に照射された光が方向変換され、他方の面から入射と同一方向に反射されるような再帰特性を有している。Ｖ字状（直交）の形状だけではなく、プリズムを用いて同様な再帰特性の反射面を形成することも可能である。
【００４３】
このような構成において、計測システム３００で発生された計測用光信号は、光ファイバ１２１を経て光カプラ１２２で分波され、一方は光ファイバ１２３Ａ、コリメータ１２５Ａを経て基準面の反射面１３６に照射され、他方は光ファイバ１２３Ｂ、コリメータ１２５Ｂを経て変位面の反射面１３５に照射される。反射面１３６からの反射光は、コリメータ１２９Ａ、光ファイバ１２８Ａを経て光カプラ１２７に入射され、反射面１３５からの反射光は、コリメータ１２９Ｂ、光ファイバ１２８Ｂを経て光カプラ１２７に入射される。光カプラ１２７で合波された光は、光ファイバ１２６を経て計測システム３００に入射される。
【００４４】
本センサ実施形態２もセンサ実施形態１と同様に、振動子１３４が中心線ＣＬ２に対して対称であると共に、４つのバネ１３２Ａ〜１３３Ｂで均等に前後に支持されているので、振動運動に対して振動子１３４は振動方向（Ｘ方向）にのみ変位し、他の方向（例えばＹ方向）には無視できる程度の変位である。その結果、変位面の反射面１３５も振動方向（Ｘ方向）にのみ変位するので、確実にかつ正確に光路差を計測することができる。本実施形態では、基準面１３６及び変位面１３６は同一線上にかつ振動子と一体になっていると共に、Ｖ字状の基準面１３６及び変位面１３６で２回反射されるため、光路差を４倍の変位量で計測することができる。
【００４５】
上記ホモダイン干渉型及びマッハツェンダー干渉型の１軸支持式センサは、いずれもバネ部材と振動子は天井板及び底板でシールドされた密閉の閉空間を構成し、振動子の運動に伴って左右の空間体積が変化することにより、充填気体の粘性によりダンパ効果をもたらす。これにより、大きな加速度がかかった時の振動子とセンサ本体との衝突を避け、耐久性をもたらす。振動子とバネ部材は振動方向に対して対称な形を持つ構造であり、振動方向以外の他軸感度を下げる効果が大きい。
【００４６】
次に、上述した光干渉式センサを用いた計測システムの構成例を、図面に示して説明する。
【００４７】
図９の計測システムは、センサの第１実施形態で示したホモダイン干渉型で、１軸支持式の光干渉式センサ１００を複数（本例では３個）用いて、各センサに加わる加速度等の物理量を計測する例（システム第１実施形態）を示している。センサ＃１〜＃３は同一の構造であり、図７で説明した内容と同一であるので説明を省略する。なお、図９では、センサ＃３を省略している。
【００４８】
計測システム３００は計測用光信号発生部３１０及びセンサ信号演算処理部３２０で構成されており、計測用光信号発生部３１０は、高安定のレーザ光源３１１で発生された連続レーザ光を強度変調して光パルスを生成する光強度変調部３１２と、光パルスの位相を90°（π／２）ずらせて出力する光位相変調部３１３とで構成されている。計測用光信号発生部３１０は計測信号及び計測の参照として使用する参照信号を発生する。光位相変調部３１３からの計測用光信号（光パルス）は、光ファイバ１０１Ａを経て光サーキュレータ１０１に入射され、更に光ファイバ１０１Ｂを経て光カプラ１６０に入射される。計測用光信号発生部３１０は、周期Ｔでパルス幅３ｔの計測用光信号を出力する。この３ｔパルスは前方の２ｔ幅と後方の１ｔ幅を、位相が90°異なる（直交位相）よう位相変調した構成になっている。計測用光信号は光カプラ１６０で分波され、一方はセンサ＃１の光カプラＣＰ１を経て前述のようにセンサ＃１の反射部に照射され、他方は遅延部１６１Ｂを具備する光ファイバ１６１Ａを経て光カプラ１６２に入射される。光カプラ１６２で分波された一方の光は、センサ＃２の光カプラＣＰ２を経てセンサ＃２の反射部に照射され、他方の光は遅延部１６３Ｂを具備する光ファイバ１６３Ａを経てセンサ＃３の光カプラＣＰ３に入射され、センサ＃３の反射部に照射される。
【００４９】
センサ＃１〜＃３の各基準面の反射面及び各変位面の反射鏡に照射された光はそれぞれ同一の光ファイバで受光され、センサ＃３で受光された光は光カプラＣＰ３で合波され、合波された光は光ファイバ１６３Ａを経て光カプラ１６２に入射される。センサ＃２で受光された光は光カプラＣＰ２で合波され、合波された光は光カプラ１６２で合波され、合波された光は光ファイバ１６１Ａを経て光カプラ１６０に入射される。また、センサ＃１で受光された光は光カプラＣＰ１で合波され、合波された光は光カプラ１６０で合波され、合波された光は光ファイバ１０１Ｂを経て光サーキュレータ１０１に入射され、更に光ファイバ１０１Ｃを経て計測システム３００内のセンサ信号演算処理部３２０に入射される。センサ信号演算処理部３２０に入射されるセンサ＃１、＃２、＃３の光信号は時分割多重光信号であり、各々のセンサの信号の中に、光信号の無い部分（Ｚ）、参照光部分（Ｒ）、干渉光部分（Ｉ１，Ｉ２）、計測光部分（Ｓ）を含んでいる。
【００５０】
複数のセンサを観測する場合、入射するパルスのタイミングと図９に示す遅延部１６２Ｂ及び１６３Ｂによる遅延量とを合わせて、入射したときにセンサ＃１による干渉光、センサ＃２による干渉光、センサ＃３による干渉光をそれぞれ（受信タイミングをずらして）独立にセンサ信号演算処理部３２０で受信し解析する。
【００５１】
センサ信号演算処理部３２０はセンサ＃１〜＃３について光信号（Ｒ，Ｉ１，Ｉ２，Ｓ）を入力し、光−電気変換部（Ｏ／Ｅ）３２１で電気信号に変換し、そのアナログ電気信号をＡ／Ｄ変換部３２２においてディジタル化する。ディジタル化された信号はＲフィルタ３２３Ａ、Ｉ１フィルタ３２３Ｂ、Ｉ２フィルタ３２３Ｃ、Ｓフィルタ３２３Ｄにおいてそれぞれ必要な周波数帯域の制限を受け、ｃｏｓ演算部３２４に入力され、ｃｏｓ演算部３２４においてパルス入力直前の光信号がない部分をゼロ点として、参照光Ｒ，干渉光Ｉ１，Ｉ２，計測光Ｓのゼロ点補正後、ｃｏｓθ１及びｃｏｓθ２が下記数２及び数３に従って演算される。
【００５２】
【数２】
0006002329.tif 000003
【００５３】
【数３】
0006002329.tif 000004
0006002329.tif 000005
ただし、干渉光Ｉ１と干渉光Ｉ２は直交位相にあることから、ｃｏｓθ１とｃｏｓθ２は90°離れた位相関係にある。
ｃｏｓ演算部３２４で演算されたｃｏｓθ１及びｃｏｓθ２が、差分演算部３２５に入力され、θ１、θ２、Δθ１、Δθ２が演算され、演算された差分Δθが周期Ｔで積算演算部３２６に入力される。差分演算部３２５では、ｃｏｓθ１とｃｏｓθ２を用いて次の（１）〜（７）の処理を実行する。
（１）ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２について、絶対値が０に近い方を識別する。
（２）ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２について、その大小を比較して識別する。
（３）ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２が参照光位相で90°離れていること、絶対値が０に近い側を基準として、２つの大小の条件から、余弦曲線上に２つのｃｏｓθ位置を定める。
（４）余弦曲線上の定められたｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２位置より、その角度θ１、θ２を求める。
（５）１周期前のｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２より得られた角度をθ１ａ、θ２ａとする。
（６）１周期前との位相変化の差分ΔθをΔθ１＝θ１−θ１ａ、Δθ２＝θ２−θ２ａとして求める。
（７）差分Δθ１、Δθ２より、ｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２で、絶対値が０に近い側の差分をΔθとして選択し、出力する。
差分演算部３２５で演算された差分Δθは積算演算部３２６に入力され、積算演算部３２６で差分Δθが積算され、積算値が変位センサ信号θｓとして出力される。
【００５４】
なお、本例では３個の光干渉式センサ１００（＃１〜＃３）を設置しているが、１つでも良く、或いは４個以上のセンサについても同様に適用できる。また、光−電気変換された電気信号をＡ／Ｄ変換して後にディジタル的なフィルタ処理を施しているが、電気信号をアナログでフィルタ処理して後にＡ／Ｄ変換してディジタル化処理しても良い。
【００５５】
次に、図８で説明したマッハツェンダー干渉型で、１軸支持式の光干渉式センサ１２０を複数（本例は３個）用いて、各センサに加わる加速度等の物理量を計測する例（システム第２実施形態）を図１０に示して説明する。センサ＃１〜＃３は同一の構造であり、図８で説明した内容と同一であるので説明を省略する。また、計測システム３００も同図９のシステム第１実施形態と同様であり、説明を省略し、図１０ではセンサ＃３を省略している。
【００５６】
計測システム３００内の計測用光信号発生部３１０からの計測用光信号は、光ファイバ１０１Ａを経て光カプラ１７０に入射され、光カプラ１７０で分波された光の一方は光ファイバ１７０Ａを経てセンサ＃１の光カプラＣＰ１１に入射され、他方は遅延部１７０Ｃを具備する光ファイバ１７０Ｂを経て光カプラ１７２に入射される。光カプラ１７２で分波された光の一方は光ファイバ１７２Ａを経てセンサ＃２の光カプラＣＰ２１に入射され、他方は遅延部１７２Ｃを具備する光ファイバ１７２Ｂを経てセンサ＃３の光カプラＣＰ３１に入射される。
【００５７】
センサ＃３からの２つの反射光は光カプラＣＰ３２で合波され、合波された光は光ファイバ１７８Ｂを経て光カプラ１７８に入射される。また、センサ＃２からの２つの反射光は光カプラＣＰ２２で合波され、合波された光は光ファイバ１７８Ａを経て光カプラ１７８に入射される。光カプラ１７８で合波された光は光ファイバ１７６Ｂを経て光カプラ１７６に入射され、センサ＃１からの２つの反射光は光カプラＣＰ１２で合波され、合波された光は光ファイバ１７６Ａを経て光カプラ１７６に入射される。光カプラ１７６で合波された光は光ファイバ１０１Ｃを経て計測システム３００内のセンサ信号演算処理部３２０に入射される。センサ信号演算処理部３２０に入射されるセンサ＃１、＃２、＃３の光信号は時分割多重光信号であり、各々のセンサ信号の中に光信号の無い部分（Ｚ）、参照光部分（Ｒ）、干渉光部分（Ｉ１，Ｉ２）、計測光部分（Ｓ）を含んでいる。
【００５８】
なお、本例では３個の光センサ１２０（＃１〜＃３）で説明しているが、１つでも良く、或いは４個以上のセンサについても同様に適用できる。本マッハツェンダー干渉では、照射用の光ファイバとは異なる反射光用の光ファイバに反射光を入射させることにより、反射光と照射光の干渉が起こらず、照射光パルスを連続的に照射した結果発生する干渉光を連続的に伝送できる。これにより、ホモダイン干渉に比べ、１本の光ファイバにより多数のセンサの接続が可能になる。
【００５９】
以下、本発明に係る光干渉式センサの更に他の実施形態について説明するが、これらセンサについても上記計測システムを同様に適用することができる。
【００６０】
上述の光干渉式センサの各実施形態ではいずれも、基準面を振動子後面の同一軸線（中心線）上に配置しているが、図１１の第３実施形態（ホモダイン干渉）に示すように、センサ本体１１０の中心線ＣＬ１に近い固定部に、鏡面処理された反射面（基準面）１１６を空洞部共に設けた構造としても良い。反射面（基準面）１１６に光ファイバ１０２Ａからコリメータ１０４Ａを経て光照射され、反射面（基準面）１１６からの反射光がコリメータ１０４Ａを経て光ファイバ１０２Ａに入射される。
【００６１】
また、図１２の第４実施形態（マッハツェンダー干渉）は、センサ本体１３０の中心線ＣＬ２に近い固定部に、鏡面処理されたＶ字状の反射面（基準面）１３６を空洞部共に設けた構造としている。反射面（基準面）１３６に光ファイバ１１２９Ａからコリメータ１２５Ａを経て光照射され、反射面（基準面）１３６でＶ字反射された反射光がコリメータ１２９Ａを経て光ファイバ１２８Ａに入射される。このように、センサ本体に固定された基準面を設けるようにしても、前述と同様に、センサの変位を光路長の変化で計測することができる。
【００６２】
図１３に示す第５実施形態のセンサ１６０は、図８に示す第２実施形態に対応するものであり、センサ本体１３０側に設けられ、Ｖ字状鏡面を複数備えたギザギザ状鏡面１６１と、このギザギザ状鏡面１６１に凹凸が逆に対向するように振動子１３４側に設けられ、Ｖ字状鏡面を複数備えたギザギザ状鏡面１６２とが、基準面及び変位面としてそれぞれ設けられている。例えば、変位面でのギザギザ状鏡面１６１及び１６２の対向関係は図１４に示すようになっており、コリメータ１２５Ｂから照射された光ＬＧ１は、各Ｖ字鏡面で次々に反射され、最後に振動子側の鏡面で反射された光ＬＧ１９がコリメータ１２９Ｂに入射される。このように複数回、光をギザギザ状鏡面１６１及び１６２でｎ（２以上の整数）回反射させることにより、光路差をｎ倍とすることができる。
【００６３】
次に、ダイナミックレンジについて説明する。
【００６４】
測定繰返し周期を1MHz(1μsec)とし、測定するための光の波長を1.55μmとする。測定対象の片振幅を1.55μmの1000倍の1.55mmとすると、往復で2000波長、1/2波長で4000回取れることになる。そのため、1μsecの4000倍で72dBが得られる。その1/2波長を10bitでＡ／Ｄサンプルすることにより、60dBを得ることができる。その得られた計測データに含まれる、変位信号に無関係なホワイトノイズは、信号抽出の帯域を0.01Hzから50Hzに絞ることによって削減できる。サンプリング周波数を1MHzから125Hzまでデシメーションすると、√（1/8000）=1/89が39dBである。以上より、ダイナミックレンジは72+60+39=171dB程度取れる可能性がある。
【００６５】
以下に本発明の主な特徴を列挙して説明する。
【００６６】
光計測とMEMS技術を用いているため電子部品を使わず、対環境性が良く、無電源で高温環境に適している。光計測とMEMS技術を用いているため、約10mm四方と小型である。また、MEMS技術でSi単結晶若しくはSiO2単結晶の微小振動子（格子欠陥極小、微細加工で厚さ20μm長さ５mmのバネ）を作製しているので、微小加速度に応答する振動子である。
【００６７】
振動子の基準面と振動子先端の変位面に再帰性反射面を設け、それぞれからの反射光を干渉させることにより、基準面と振動子先端の相対変位だけを抽出するので、振動子の微小変形を捉える光計測が可能である。
【００６８】
従来、加速度、速度等の物理量を計測するセンサとしては、動コイル式、サーボ式、静電容量式などがあるが、これらはいずれも物理量を電気信号に変換して計測するため、上限、下限共に限界がある。計測の下限については、本方法では変位を電気信号に直さず、光計測だけで扱うので、電気信号特有の限界とは関係なく、微小信号を計測することができる。本方法では、測定上限は振動子の変位の大きさに依存するだけなので、±1mmの変位を持つ振動子があれば140dBのダイナミックレンジが実現できる。
【００６９】
また従来の光計測での加速度センサは、1/2波長以内の変位計測に限られており、100dBまでのダイナミックレンジが限界であった。本方法によると、作製した振動子は±1mmまでの変位を持ち、その振動を、センサ本体の基準面と振動子前面の変位面の相対変位として捉えることができる。特許5118004号と特許5118246号に示される光干渉法による計測方式を用いて、上記±1mmの相対変位を計測できるセンサ装置とすることで、140dBの加速度計測が実現できる。また、計測用光パルスを時分割で制御することで、時分割多重の干渉光を捉え信号処理できるので、光ファイバに複数個のセンサを接続した多点計測システムの構成が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係る光干渉式センサは、センサ部に電子回路を使用しないので、計測システム部を除く全ての部分が無電源で作動する。これにより、電子回路が作動しない高温環境下、長期間安定動作が要求される海底環境下での資源探査用の無電源４Ｄ観測網、及び海底地震観測網に利用可能である。【００７１】
また、海底地震観測網を構築するための無電源のセンサネットワーク、低侵襲医療用マイクロデバイスとしての超小型のセンサ、多関節ロボット内蔵用の超小型多点接続のセンサにも応用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０，２０        光カプラ
１４、２４        反射面（基準面）
１５、２５        反射面（計測面）
１００            光干渉式センサ（ホモダイン型）
１０１            光サーキュレータ
１０２、１２２、１２７    光カプラ
１１６、１３６    反射面（基準面）
１１５、１３５    反射面（変位面）
１２０            光干渉式センサ（マッハツェンダー型）
２００            光干渉式センサ（マッハツェンダー型）
２１１、２２１    光カプラ
２３１            反射面（基準面）
２３３            反射面（変位面）
３００            計測システム
３１０            計測用光信号発生部
３１１            レーザ光源
３１２            光強度変調部
３１３            光位相変調部
３２０            センサ信号演算処理部
３２１            光−電気変換部（Ｏ／Ｅ）
３２４            ｃｏｓ演算部
３２５            差分演算部
３２６            積算演算部
【図１】
0006002329.tif 000006
【図２】
0006002329.tif 000007
【図３】
0006002329.tif 000008
【図４】
0006002329.tif 000009
【図５】
0006002329.tif 000010
【図６】
0006002329.tif 000011
【図７】
0006002329.tif 000012
【図８】
0006002329.tif 000013
【図９】
0006002329.tif 000014
【図１０】
0006002329.tif 000015
【図１１】
0006002329.tif 000016
【図１２】
0006002329.tif 000017
【図１３】
0006002329.tif 000018
【図１４】
0006002329.tif 000019