光学式変位計
【課題】ダイヤフラムの反射面の劣化による検出精度の低下を抑制でき、しかも変位の検出範囲を拡大できる、光学式変位計を提供する。
【解決手段】光学式圧力計１０は、ダイヤフラム１１と、隔壁１４と、スリット１５と、発光素子１６と、検出用受光素子１７と、を備えたことを特徴とする。ダイヤフラム１１は、表裏をなす第一面１１１及び第二面１１２から成り、第一面１１１で受ける圧力Ｆに応じて変位ｄを生ずる。隔壁１４は、第二面１１２に対向するとともに、発光室１２と受光室１３とを仕切る。スリット１５は、隔壁１４と第二面１１２との間隙から成る。発光素子１６は、発光室１２に設けられ、電力Ｐを入力し光Ｌに変換して出力する。検出用受光素子１７は、受光室１３に設けられ、発光素子１６から出力されスリット１５を通過した光Ｌ’を入力し電気信号（光電流Ｉｏ）に変換して出力する。
【解決手段】光学式圧力計１０は、ダイヤフラム１１と、隔壁１４と、スリット１５と、発光素子１６と、検出用受光素子１７と、を備えたことを特徴とする。ダイヤフラム１１は、表裏をなす第一面１１１及び第二面１１２から成り、第一面１１１で受ける圧力Ｆに応じて変位ｄを生ずる。隔壁１４は、第二面１１２に対向するとともに、発光室１２と受光室１３とを仕切る。スリット１５は、隔壁１４と第二面１１２との間隙から成る。発光素子１６は、発光室１２に設けられ、電力Ｐを入力し光Ｌに変換して出力する。検出用受光素子１７は、受光室１３に設けられ、発光素子１６から出力されスリット１５を通過した光Ｌ’を入力し電気信号（光電流Ｉｏ）に変換して出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力によるダイヤフラムの変位を光学的に検出する光学式変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光学式変位計の一例として、光学式圧力計が特許文献１に開示されている。図６は特許文献１に記載の光学式圧力計を示し、図６［１］は構造の縦断面図、図６［２］は特性のグラフである。以下、これらの図面に基づき説明する。
【０００３】
図６［１］に示すように、特許文献１の光学式圧力計５０は、本体５１、ダイヤフラム５２、発光ダイオード５３、フォトトランジスタ５４等を有する。ダイヤフラム５２は、ポリエチレン膜５５と反射板５６との二層構造である。ポリエチレン膜５５は、透明で可撓性を有する。反射板５６は、ポリエチレン膜５５の表面に蒸着により形成した金、銀、アルミニウムなどの金属層から成る。ダイヤフラム５２が圧力を受けると、ポリエチレン膜５５及び反射板５６が変形することにより、変位ｄを生ずる。図６［１］では、圧力を受けて変形したポリエチレン膜５５の下面を、仮想線（二点鎖線）で示している。変形前のポリエチレン膜５５の下面と変形後のポリエチレン膜５５の下面との差が、変位ｄである。
【０００４】
発光ダイオード５３から出力された光ｐ１は反射板５６で正反射し、その正反射した光ｐ２はフォトトランジスタ５４に入力される。これにより、光学式圧力計５０は、圧力によるダイヤフラム５２の変位ｄを光学的に検出することができる。
【０００５】
図６［２］は、ダイヤフラム５２の変位ｄをパラメータとする出力電流Ｉｏ特性（反射光の検出感度）を示すグラフである。発光ダイオード５３が発光すると、その光ｐ１が反射板５６で正反射して光ｐ２となる。この光ｐ２がフォトトランジスタ５４に入射し、フォトトランジスタ５４に出力電流Ｉｏが流れる。このとき、出力電流Ｉｏは、発光ダイオード５３の光量、すなわち発光ダイオード５３の電流Ｉｆが一定であっても変位ｄによって変化する。変位ｄが大きくなるにつれて出力電流Ｉｏが大きくなり、変位ｄがある大きさを超えると、逆に変位ｄが大きくなるにつれて出力電流Ｉｏが次第に小さくなっていく。したがって、反射板５６への圧力による変位ｄを、出力電流Ｉｏの変化によって捉えることができる。この出力電流Ｉｏの変化量と圧力との相関をあらかじめ測定しておけば、出力電流Ｉｏから直接圧力の絶対値を知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１４９８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の光学式圧力計５０では、次のような問題があった。
【０００８】
反射板５６は、ダイヤフラム５２の一部であることから直接圧力が加わるため、圧力の変化によって伸縮を何度も繰り返すことになる。そのため、反射板５６は、経時変化によって微小なクラックが入るなどの劣化が起きやく、劣化すると変色、剥離等を生じて反射率が変化する。その結果、使用しているうちに検出精度が低下するなど、信頼性が損なわれていた。
【０００９】
また、変位ｄに応じて反射板５６も変形するため、反射板５６で正反射する光ｐ２は、変位ｄに応じて複雑な動きをする。そのため、図６［２］に示すように、入力（変位ｄ）と出力（出力電流Ｉｏ）との関係が複雑になる。その結果、入力と出力との関係が一対一に対応する、ごくわずかの範囲の変位ｄしか検出できなかった。実際に、特許文献１の光学式圧力計５０では、図６［２］において変位ｄが０〜１ｍｍとなるわずかな範囲だけを検出している（上記公報段落０００６、０００７参照）。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、ダイヤフラムの反射面の劣化による検出精度の低下を抑制でき、しかも変位の検出範囲を拡大できる、光学式変位計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る光学式変位計は、
表裏をなす第一面及び第二面から成るとともに当該第一面で受ける力に応じて変位を生ずるダイヤフラムと、
前記第二面に対向するとともに発光側と受光側とを仕切る隔壁と、
この隔壁と前記第二面との間隙から成るスリットと、
前記発光側に設けられ、電力を入力し光に変換して出力する発光素子と、
前記受光側に設けられ、前記発光素子から出力された光のうち前記スリットを通過した光を入力し電気信号に変換して出力する検出用受光素子と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光学式変位計によれば、ダイヤフラムの反射光を用いずに、スリットの通過光を用いることにより、ダイヤフラムの反射面の劣化による検出精度の低下を抑えることができるので、信頼性を向上できる。また、変位大（小）→スリット幅小（大）→受光量減（増）の関係は、変位のとり得るすべての範囲において成り立つので、広い範囲の変位を問題なく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一実施形態の光学式圧力計を示し、図１［１］は基本構成及び検出原理を示す概念図、図１［２］は検出結果を示すグラフ、図１［３］は変位が最大になった場合の概念図である。
【図２】第一実施形態の光学式圧力計における構造の第一例を示し、図２［１］は縦断面図、図２［２］は横断面図である。
【図３】第一実施形態の光学式圧力計における構造の第二例を示し、図３［１］は縦断面図、図３［２］は横断面図、図３［３］はダイヤフラムの変位が最大になるときの要部縦断面図である。
【図４】第二実施形態の光学式圧力計を示す回路図である。
【図５】第二実施形態の光学式圧力計における構造の一例を示し、図５［１］は縦断面図、図５［２］は横断面図である。
【図６】特許文献１に記載の光学式圧力計を示し、図６［１］は構造の縦断面図、図６［２］は特性のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る光学式変位計の実施形態として、光学式圧力計について図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１は第一実施形態の光学式圧力計を示し、図１［１］は基本構成及び検出原理を示す概念図、図１［２］は検出結果を示すグラフ、図１［３］は変位が最大になった場合の概念図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００１６】
本実施形態の光学式圧力計１０は、ダイヤフラム１１と、隔壁１４と、スリット１５と、発光素子１６と、検出用受光素子１７と、を備えたことを特徴とする。ダイヤフラム１１は、表裏をなす第一面１１１及び第二面１１２から成り、第一面１１１で受ける圧力Ｆに応じて変位ｄを生ずる。隔壁１４は、第二面１１２に対向するとともに、発光室１２と受光室１３とを仕切る。スリット１５は、隔壁１４と第二面１１２との間隙から成る。発光素子１６は、発光室１２に設けられ、電力Ｐを入力し光Ｌに変換して出力する。検出用受光素子１７は、受光室１３に設けられ、発光素子１６から出力されスリット１５を通過した光Ｌ’を、入力し電気信号（光電流Ｉｏ）に変換して出力する。
【００１７】
図１［１］では、ダイヤフラム１１に圧力Ｆが加わって変位ｄが生じたときの第二面１１２の位置を、仮想線（二点鎖線）で示している。このときの第二面１１２と隔壁１４との距離がスリット幅ｗである。図１［３］では、ダイヤフラム１１に更に圧力Ｆが加わって変位ｄが最大値ｄmaxになったときの第二面１１２の位置を、仮想線（二点鎖線）で示している。このとき、ダイヤフラム１１が隔壁１４に当接するため、スリット幅ｗは「０」である。
【００１８】
次に、光学式圧力計１０の動作（作用及び効果）を説明する。
【００１９】
ダイヤフラム１１に圧力Ｆが加わると、その圧力Ｆに応じてダイヤフラム１１に変位ｄが生じる。その変位ｄが大きくなると、ダイヤフラム１１と隔壁１４との間のスリット幅ｗが小さくなる。スリット幅ｗが小さくなると、発光素子１６から出力された光Ｌのうち、スリット１５を通過する光Ｌ’が少なくなって、検出用受光素子１７に到達する光が少なくなる。したがって、検出用受光素子１７の受光量（光電流Ｉｏ）によって、ダイヤフラム１１の変位ｄ及びこれに対応する圧力Ｆを間接的に検出することができる。このように、光学式圧力計１０によれば、ダイヤフラム１１の反射光を用いずに、スリット１５を通過する光Ｌ’を用いることにより、ダイヤフラム１１の反射面の劣化による検出精度の低下を抑えることができるので、信頼性を向上できる。
【００２０】
また、「変位ｄ大（又は小）→スリット幅ｗ小（又は大）→受光量（光電流Ｉｏ）減（又は増）」の関係は、変位ｄのとり得るすべての範囲において成り立つ。このとき、変位ｄが負（圧力Ｆが負）すなわち陰圧であっても検出することができる。つまり、スリット１５の断面積は変位ｄに反比例するので、光電流Ｉｏは、図１［２］に示すように、変位ｄが増加するにつれて減少し、変位ｄが最大値ｄmaxになったときに最小値Ｉｏminとなる。変位ｄが最大値ｄmaxになったときに、ダイヤフラム１１が隔壁１４に隙間無く当接するようにすれば、最小値Ｉｏminは検出用受光素子１７の暗電流となる。したがって、光学式圧力計１０によれば、負から正までの極めて広い範囲の変位ｄを、変位ｄに直線的に変化する光電流Ｉｏとして検出することができる。なお、図１［１］において、ダイヤフラム１１は一般に円板状であるので、隔壁１４が平板状であれば、隔壁１４の上端（開口端）を下に凸の円弧状にすることにより、ダイヤフラム１１が隔壁１４に隙間無く当接する構造を実現できる。
【００２１】
第二面１１２は、発光素子１６から出力された光Ｌの正反射を防止する機能を有することが好ましい。光Ｌの正反射を防止する機能とは、例えば光Ｌを乱反射する白色又は微細な凹凸、光Ｌを吸収する黒色などによって実現できる。この場合は、ダイヤフラム１１での光Ｌの正反射を防止できるので、ダイヤフラム１１の劣化に起因する検出精度の低下をより確実に抑えることができる。
【００２２】
図１［３］に示すように、変位ｄが最大値ｄmaxになるときに、ダイヤフラム１１が隔壁１４に当接することが好ましい。変位ｄが最大値ｄmaxになるときにダイヤフラム１１が隔壁１４に当接することにより、それ以上の圧力Ｆがダイヤフラム１１に加わってもダイヤフラム１１にはそれ以上の変位ｄが生じない。したがって、ダイヤフラム１１に大きな圧力Ｆが加わって破損することを抑えることができるので、より信頼性を向上できる。
【００２３】
図２は第一実施形態の光学式圧力計における構造の第一例を示し、図２［１］は縦断面図、図２［２］は横断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図２において図１と同じ部分は同じ符号を付す。
【００２４】
扁平な有底円筒状のケース２０内が、直線状の隔壁１４によって発光室１２と受光室１３とに仕切られている。すなわち、ケース２０は、隔壁１４を挟んで、内側面２１ａ及び内底面２２ａから成る発光室１２と、内側面２１ｂ及び内底面２２ｂから成る受光室１３とを有する。発光室１２の内底面２２ａに発光素子１６が設けられ、受光室１３の内底面２２ｂに検出用受光素子１７が設けられている。ケース２０の上端（開口端）には、ダイヤフラム１１が設けられている。内側面２１ａ，２１ｂ、内底面２２ａ，２２ｂ及び隔壁１４は、それぞれ光Ｌ，Ｌ’を乱反射又は正反射する機能を有することが好ましい。特に、内側面２１ａは発光素子１６から出力された光Ｌをスリット１５方向へ向けるため、内側面２１ｂはスリット１５を通過した光Ｌ’を検出用受光素子１７方向へ向けるため、それぞれ乱反射又は正反射する機能を有することが好ましい。
【００２５】
発光素子１６から出力された光Ｌは、発光室１２内を乱反射し、その一部がスリット１５を通過する。スリット１５を通過した光Ｌ’は、受光室１３内を乱反射し、その一部が検出用受光素子１７に到達する。このような構成によって、図１を用いた説明で述べたように、作用及び効果を奏する。
【００２６】
図３は第一実施形態の光学式圧力計における構造の第二例を示し、図３［１］は縦断面図、図３［２］は横断面図、図３［３］はダイヤフラムの変位が最大になるときの要部縦断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図３において図１及び図２と同じ部分は同じ符号を付す。
【００２７】
第一例（図２）と異なる箇所は、隔壁１４’が円筒状になっていることである。そのため、発光室１２’が内周、受光室１３が外周になっている。発光室１２’及び受光室１３’の内壁面は、それぞれ光Ｌ，Ｌ’を乱反射する機能を有することが好ましい。
【００２８】
発光素子１６から出力された光Ｌは、発光室１２’内を乱反射し、その一部がスリット１５を通過する。スリット１５を通過した光Ｌ’は、受光室１３’内を乱反射し、その一部が検出用受光素子１７に到達する。このような構成によって、図１を用いた説明で述べたように、作用及び効果を奏する。
【００２９】
また、ダイヤフラム１１が円板状であり、隔壁１４’が円筒状であり、ダイヤフラム１１の中心軸と隔壁１４’の中心軸とが一致し、ダイヤフラム１１の変位が最大になるときに第二面１１２が隔壁１４’の周端１４ａに当接する（図３［３］）。この状態で、それ以上の圧力がダイヤフラム１１に加わっても、ダイヤフラム１１にはそれ以上の変位が生じない。このとき、ダイヤフラム１１に加わる圧力が隔壁１４’の周端１４ａによって円状に均一に分散されるので、ダイヤフラム１１に大きな圧力が加わって破損することをより確実に抑えることができる。他の構成、作用及び効果は図２の第一例と同様である。
【００３０】
図４は、第二実施形態の光学式圧力計を示す回路図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図４において図１と同じ部分は同じ符号を付す。
【００３１】
本実施形態の光学式圧力計３０は、第一実施形態の光学式圧力計１０（図１）において、制御用受光素子３１と、制御回路３２とを更に備えている。制御用受光素子３１は、発光素子１６から出力された光Ｌの一部をスリット１５を介することなく光Ｌ''として直接入力し、光Ｌ''を電気信号に変換して出力する。また、制御用受光素子３１の入出力特性の温度依存性は、検出用受光素子１７の入出力特性の温度依存性と同じになっている。制御回路３２は、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力へフィードバックして、制御用受光素子３１の出力を一定にする機能を有する。
【００３２】
光学式圧力計３０によれば、入出力特性の温度依存性が検出用受光素子１７と同じであり発光素子１６からの光Ｌの一部を光Ｌ''として直接受ける制御用受光素子３１を設け、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力にフィードバックして制御用受光素子３１の出力が一定になるように制御することにより、発光素子１６及び検出用受光素子１７の両方の温度特性の影響を低減できるので、温度変化による検出値の変動を抑えることができる。以下により詳しく説明する。
【００３３】
発光素子１６から出力された光Ｌの一部はスリット１５を通過し、スリット１５を通過した光Ｌ’の一部が検出用受光素子１７に到達する。そのため、検出用受光素子１７の受光量を検出することにより、スリット幅に対応するダイヤフラム１１の変位を検出することができる。しかし、発光素子１６、制御用受光素子３１及び検出用受光素子１７はそれぞれ温度特性を有するため、そのままでは、変位が一定の場合でも、温度に応じて検出値が変わってしまう。
【００３４】
そこで、発光素子１６の光Ｌ’の一部を光Ｌ''として直接（スリット１５を介さずに）制御用受光素子３１で受け、制御用受光素子３１の出力が一定になるように、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力にフィードバックする。例えば、発光素子１６の出力が温度変化により増加（又は減少）すると、制御用受光素子３１の出力も増加する（又は減少）ので、発光素子１６の入力を減少（又は増加）させることにより制御用受光素子３１の出力を一定にする。また、発光素子１６の出力が一定でも制御用受光素子３１の出力が温度変化により増加（又は減少）すると、発光素子１６の入力を減少（又は増加）させることにより制御用受光素子３１の出力を一定にする。このとき、制御用受光素子３１及び検出用受光素子１７は入出力特性の温度依存性がともに同じであるから、制御用受光素子３１の出力を一定にすることは、検出用受光素子１７の出力を一定にすることでもある。すなわち、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力へ負帰還させることにより、制御用受光素子３１の出力は、発光素子１６、制御用受光素子３１及び検出用受光素子１７のそれぞれの温度特性の影響が低減したものとなる。
【００３５】
図５は第二実施形態の光学式圧力計における構造の一例を示し、図５［１］は縦断面図、図５［２］は横断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図５において図２及び図４と同じ部分は同じ符号を付す。
【００３６】
発光室１２の底面に発光素子１６及び制御用受光素子３１が並んで設けられ、受光室１３の底面に検出用受光素子１７が設けられている。発光素子１６から出力された光Ｌは、発光室１２内を乱反射し、一部が光Ｌ''として制御用受光素子３１に到達し、一部がスリット１５を通過する。スリット１５を通過した光Ｌ’は、受光室１３内を乱反射し、その一部が検出用受光素子１７に到達する。このような構成によって、図４を用いた説明で述べたように、作用及び効果を奏する。他の構成、作用及び効果は図２の第一例と同様である。
【００３７】
次に、図４及び図５に基づき、本実施形態の光学式圧力計３０について更に詳しく説明する。
【００３８】
「入出力特性の温度依存性が同じ」について説明する。受光素子は、光信号を入力し、この光信号を一定の効率で電気信号に変換して出力する。このとき、二つの受光素子の入出力の温度依存性が同じとは、入力が一定でも温度変化に応じて出力が変化するとき、一方の受光素子の出力が増加するときは他方の受光素子も出力が増加し、逆に一方の受光素子の出力が減少するときは他方の受光素子も出力が減少することをいう。例えば、同一メーカの同一型名の二つの素子があれば、これらの素子の入出力特性の温度依存性は同じといえる。
【００３９】
発光素子１６及び検出用受光素子１７は、それぞれ隔壁１４を隔てて配置されることにより、発光素子１６からの光Ｌが（スリット１５を介することなく）直接検出用受光素子１７に到達しない構造になっている。一方、発光素子１６及び制御用受光素子３１は、同じ発光室１２内に近接して配置されることにより、発光素子１６からの光Ｌの一部が光Ｌ''として直接制御用受光素子３１に到達する構造になっている。光Ｌ''は、発光素子１６で発生した光Ｌが発光室１２内で乱反射して制御用受光素子３１に到達した光である。
【００４０】
発光素子１６、検出用受光素子１７及び制御用受光素子３１は、例えば互いに近接して配置されることにより、それぞれほぼ同じ温度になる熱結合部３３となっている。熱結合性を高めるためには、ケース２０の底面を熱伝導性に優れた金属やセラミックスとしたり、発光素子１６、検出用受光素子１７及び制御用受光素子３１を熱伝導性及び透光性に優れた樹脂で被覆したりすることが好ましい。
【００４１】
発光素子１６は発光ダイオードである。検出用受光素子１７及び制御用受光素子３１は、フォトダイオードを起電力発生素子として使用している。制御回路３２は、制御用受光素子３１の出力を増幅する増幅器３２１と、増幅器３２１の出力の帰還量βを設定する可変抵抗器３２２と、可変抵抗器３２２の出力と駆動回路３４からの矩形波との差を増幅する増幅器３２３とを備えている。増幅器３２１，３２３はオペアンプ及びその外付け抵抗器等からなる。
【００４２】
検出用受光素子１７の出力側には、出力回路３５が設けられている。出力回路３５は、検出用受光素子１７の出力を増幅する増幅器３５１と、増幅器３２１の出力の一部を増幅器３５３の入力とする可変抵抗器３５２と、可変抵抗器３５２の出力と増幅器３５１の出力との差を増幅する増幅器３５３と、ＣＲ微分回路であるコンデンサ３５４及び抵抗器３５５と、ボルテージフォロワ３５６とを備えている。増幅器３５１，３５３はオペアンプ及びその外付け抵抗器等からなる。
【００４３】
次に、光学式圧力計３０の動作（作用及び効果）について更に詳しく説明する。
【００４４】
発光素子１６からスリット１５を通過する光Ｌ’は、ダイヤフラム１１の変位に応じて増減する。そのため、検出用受光素子１７の受光量を検出することにより、間接的にダイヤフラム１１の変位やダイヤフラム１１に加わる圧力を検出することができる。しかし、発光素子１６及び検出用受光素子１７はともに温度特性を有するため、そのままでは、変位が一定のときでも、温度に応じて変位の検出値が変わってしまう。
【００４５】
そこで、本実施形態では、発光素子の光Ｌの一部を光Ｌ''として直接（スリット１５を介さずに）制御用受光素子３１で受け、制御用受光素子３１の出力が一定になるように、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力にフィードバックする。例えば、発光素子１６の出力が温度変化により増加すると、制御用受光素子３１の出力も増加する。この場合は、増幅器３２３の−入力端子の電圧が増加することにより、発光素子１６の入力が減少するので、制御用受光素子３１の出力が減少する。逆に、発光素子１６の出力が温度変化により減少すると、制御用受光素子３１の出力も減少する。この場合は、増幅器３２３の−入力端子の電圧が減少することにより、発光素子１６の入力が増加するので、制御用受光素子３１の出力が増加する。また、発光素子１６の出力が一定でも、制御用受光素子３１の出力が温度変化により増加すると、増幅器３２３の−入力端子の電圧が増加することにより、発光素子１６の入力が減少するので、制御用受光素子３１の出力が減少する。逆に、発光素子１６の出力が一定でも、制御用受光素子３１の出力が温度変化により減少すると増幅器３２３の−入力端子の電圧が減少することにより、発光素子１６の入力が増加するので、制御用受光素子３１の出力が増加する。その結果、制御用受光素子３１の出力は、発光素子１６及び制御用受光素子３１の両方の温度特性の影響が低減したものとなる。
【００４６】
検出用受光素子１７は、入出力特性の温度依存性が制御用受光素子３１と同じである。また、検出用受光素子１７は、スリット１５を介する点を除き、制御用受光素子３１と同じように発光素子１６からの光Ｌ’を受ける。そのため、制御用受光素子３１の出力が一定になるように発光素子１６の入力をフィードバック制御することは、ダイヤフラム１１の変位に対応して異なる検出用受光素子１７の出力が温度変化にかかわらず一定になるように、発光素子１６の入力をフィードバック制御することに他ならない。したがって、検出用受光素子１７の出力は、制御用受光素子３１の出力と同様に、発光素子１６及び検出用受光素子１７の両方の温度特性の影響が低減したものとなる。
【００４７】
出力回路３５において、検出用受光素子１７の出力は、制御用受光素子３１の出力に比べて一般に非常に小さくなる。そこで、可変抵抗器３５２によって制御用受光素子３１の出力のレベルを落として、検出用受光素子１７の出力のレベルに揃え、両者の差を増幅器３５３で出力している。すなわち、増幅器３５３の出力電圧Ｖout1は、スリット１５を通過する光Ｌ’の変化分に相当する。出力電圧Ｖout1は、コンデンサ３５４及び抵抗器３５５から成る微分回路で直流分がカットされ、かつ増幅器３２１，３５１，３５３で生ずるオフセットがカットされ、温度ドリフト分が軽減されて、出力電圧Ｖout2となる。
【００４８】
制御用受光素子３１側の増幅器３２１の出力電圧をＶｏ、検出用受光素子１７側の増幅器３５１の出力電圧をＶｏ’、ダイヤフラム１１の変位によって変化した電圧をＶｓ、ダイヤフラム１１の変位に関係ない一定電圧をＶｃ、比例定数をｋ、可変抵抗器３５２で設定された倍率をαとすると、Ｖｏ，Ｖｏ’，Ｖout1はそれぞれ次式で表せる。
Ｖｏ＝Ｖｃ＋Ｖｓ
Ｖｏ’＝ｋＶｃ−ｋＶｓ
Ｖout1＝αＶｏ−Ｖｏ’
スリット１５が狭くなると、スリット１５を通過する光Ｌ’が少なくなるので、発光室１２が明るくなり、受光室１３が暗くなる。すなわち、発光室１２側のＶｓの係数は負であり、受光室１３側のＶｓの係数は正である。
ここで、ダイヤフラム１１の変位が「０」のとき、Ｖｓ＝０であるから、Ｖout1は次式で表せる。
Ｖout1＝αＶｏ−Ｖｏ’＝（α−ｋ）Ｖｃ
したがって、ダイヤフラム１１の変位が「０」のときＶout1＝０にするには、可変抵抗器３５２を調整してα＝ｋに設定すればよい。このとき、Ｖout1は、
Ｖout1＝ｋ（Ｖｃ＋Ｖｓ）−（ｋＶｃ−ｋＶｓ）＝２ｋＶｓ
となる。したがって、出力電圧Ｖout1は、ダイヤフラム１１の変位によって変化した電圧Ｖｓに比例した値となる。
【００４９】
また、光学式圧力計３０は、発光素子１６を一定の周波数の矩形波で駆動する駆動回路３４と、検出用受光素子１７の出力を前記周波数に同期させて整流する同期整流回路（図示せず）とを備えている。その同期整流回路によって、出力電圧Ｖout2は、リップル電圧が低減すると同時に、外乱光の影響が低減する。同期整流回路の出力がダイヤフラム１１の変位となる。
【００５０】
次に、制御回路３２によるフィードバック制御について詳しく説明する。駆動回路３４の出力電圧をＶｉｎ、増幅器３２３の増幅率をＡ1、発光素子１６の発光効率をα1、発光素子１６から制御用受光素子３１への光伝達率をγ、制御用受光素子３１の変換効率をα2、増幅器３２１の増幅率をＡ2、可変抵抗器３２２による帰還率をβ、増幅器３２１の出力電圧をＶｏとする。このとき、Ｖｏは次式で与えられる。
Ｖｏ＝Ａ（Ｖｉｎ−βＶｏ） ・・・<1>
ただし、Ａ＝Ａ1×α1×γ×α2×Ａ2 ・・・<2>
式<1>から次式が得られる。
Ｖｏ＝｛Ａ／（１＋Ａβ）｝Ｖｉｎ
＝｛１／（１／Ａ＋β）｝Ｖｉｎ ・・・<3>
ここで、式<2>において、通常、増幅器３２３，３２１の増幅率Ａ1、Ａ2は極めて大きいので、（Ａ1×Ａ2）（α1×γ×α2）＞＞０となるように設定できる。したがって、式<3>において１／Ａ≒０とみなせることにより、式<3>は次式のように表せる。
Ｖｏ＝（１／β）Ｖｉｎ ・・・<4>
式<4>から明らかなように、α1又はα2が温度変化により変動しても、Ｖｏは影響を受けない。
【００５１】
本実施形態の光学式圧力計３０によれば、入出力特性の温度依存性が検出用受光素子１７と同じであり発光素子１６からの光を直接受ける制御用受光素子３１を設け、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力にフィードバックして制御用受光素子３１の出力が一定になるように制御することにより、発光素子１６及び検出用受光素子１７の両方の温度特性の影響を低減できるので、温度変化による測定値の変動を抑えることができる。
【００５２】
特に、ダイヤフラム１１を屋外の水中に浸漬して水圧を検出する場合、発光素子１６及び検出用受光素子１７等は外気温の変動及び水温の変動によって広範囲の温度変化にさらされることになる。このような厳しい使用条件にもかかわらず、光学式圧力計３０によれば温度変化の影響が少ない測定値が得られるので、光学式圧力計３０を屋外の水圧計として用いる場合は特に効果が顕著になる。
【００５３】
本実施形態の光学式圧力計３０の他の構成、作用及び効果については、第一実施形態の光学式圧力計１０（図１乃至図３）と同じである。
【００５４】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されない。例えば、検出用受光素子１７及び制御用受光素子３１は、フォトダイオードの代わりに、フォトトランジスタや光導電素子を用いてもよい。発光素子１６は、発光ダイオードの代わりに、ＥＬ（electroluminescence）素子や半導体レーザを用いてもよい。
【００５５】
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明に係る光学式変位計は、力によるダイヤフラムの変位を光学的に検出する計測器、例えば光学式圧力計などに利用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 光学式圧力計（光学式変位計）
１１ ダイヤフラム
１１１ 第一面
１１２ 第二面
１２ 発光室（発光側）
１３ 受光室（受光側）
１４ 隔壁
１５ スリット
１６ 発光素子
１７ 検出用受光素子
Ｆ 圧力（力）
ｄ 変位
Ｌ，Ｌ’ 光
Ｐ 電力
３０ 光学式圧力計（光学式変位計）
３１ 制御用受光素子
３２ 制御回路
３３ 熱結合部
３４ 駆動回路
３５ 出力回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力によるダイヤフラムの変位を光学的に検出する光学式変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光学式変位計の一例として、光学式圧力計が特許文献１に開示されている。図６は特許文献１に記載の光学式圧力計を示し、図６［１］は構造の縦断面図、図６［２］は特性のグラフである。以下、これらの図面に基づき説明する。
【０００３】
図６［１］に示すように、特許文献１の光学式圧力計５０は、本体５１、ダイヤフラム５２、発光ダイオード５３、フォトトランジスタ５４等を有する。ダイヤフラム５２は、ポリエチレン膜５５と反射板５６との二層構造である。ポリエチレン膜５５は、透明で可撓性を有する。反射板５６は、ポリエチレン膜５５の表面に蒸着により形成した金、銀、アルミニウムなどの金属層から成る。ダイヤフラム５２が圧力を受けると、ポリエチレン膜５５及び反射板５６が変形することにより、変位ｄを生ずる。図６［１］では、圧力を受けて変形したポリエチレン膜５５の下面を、仮想線（二点鎖線）で示している。変形前のポリエチレン膜５５の下面と変形後のポリエチレン膜５５の下面との差が、変位ｄである。
【０００４】
発光ダイオード５３から出力された光ｐ１は反射板５６で正反射し、その正反射した光ｐ２はフォトトランジスタ５４に入力される。これにより、光学式圧力計５０は、圧力によるダイヤフラム５２の変位ｄを光学的に検出することができる。
【０００５】
図６［２］は、ダイヤフラム５２の変位ｄをパラメータとする出力電流Ｉｏ特性（反射光の検出感度）を示すグラフである。発光ダイオード５３が発光すると、その光ｐ１が反射板５６で正反射して光ｐ２となる。この光ｐ２がフォトトランジスタ５４に入射し、フォトトランジスタ５４に出力電流Ｉｏが流れる。このとき、出力電流Ｉｏは、発光ダイオード５３の光量、すなわち発光ダイオード５３の電流Ｉｆが一定であっても変位ｄによって変化する。変位ｄが大きくなるにつれて出力電流Ｉｏが大きくなり、変位ｄがある大きさを超えると、逆に変位ｄが大きくなるにつれて出力電流Ｉｏが次第に小さくなっていく。したがって、反射板５６への圧力による変位ｄを、出力電流Ｉｏの変化によって捉えることができる。この出力電流Ｉｏの変化量と圧力との相関をあらかじめ測定しておけば、出力電流Ｉｏから直接圧力の絶対値を知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１４９８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の光学式圧力計５０では、次のような問題があった。
【０００８】
反射板５６は、ダイヤフラム５２の一部であることから直接圧力が加わるため、圧力の変化によって伸縮を何度も繰り返すことになる。そのため、反射板５６は、経時変化によって微小なクラックが入るなどの劣化が起きやく、劣化すると変色、剥離等を生じて反射率が変化する。その結果、使用しているうちに検出精度が低下するなど、信頼性が損なわれていた。
【０００９】
また、変位ｄに応じて反射板５６も変形するため、反射板５６で正反射する光ｐ２は、変位ｄに応じて複雑な動きをする。そのため、図６［２］に示すように、入力（変位ｄ）と出力（出力電流Ｉｏ）との関係が複雑になる。その結果、入力と出力との関係が一対一に対応する、ごくわずかの範囲の変位ｄしか検出できなかった。実際に、特許文献１の光学式圧力計５０では、図６［２］において変位ｄが０〜１ｍｍとなるわずかな範囲だけを検出している（上記公報段落０００６、０００７参照）。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、ダイヤフラムの反射面の劣化による検出精度の低下を抑制でき、しかも変位の検出範囲を拡大できる、光学式変位計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る光学式変位計は、
表裏をなす第一面及び第二面から成るとともに当該第一面で受ける力に応じて変位を生ずるダイヤフラムと、
前記第二面に対向するとともに発光側と受光側とを仕切る隔壁と、
この隔壁と前記第二面との間隙から成るスリットと、
前記発光側に設けられ、電力を入力し光に変換して出力する発光素子と、
前記受光側に設けられ、前記発光素子から出力された光のうち前記スリットを通過した光を入力し電気信号に変換して出力する検出用受光素子と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光学式変位計によれば、ダイヤフラムの反射光を用いずに、スリットの通過光を用いることにより、ダイヤフラムの反射面の劣化による検出精度の低下を抑えることができるので、信頼性を向上できる。また、変位大（小）→スリット幅小（大）→受光量減（増）の関係は、変位のとり得るすべての範囲において成り立つので、広い範囲の変位を問題なく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一実施形態の光学式圧力計を示し、図１［１］は基本構成及び検出原理を示す概念図、図１［２］は検出結果を示すグラフ、図１［３］は変位が最大になった場合の概念図である。
【図２】第一実施形態の光学式圧力計における構造の第一例を示し、図２［１］は縦断面図、図２［２］は横断面図である。
【図３】第一実施形態の光学式圧力計における構造の第二例を示し、図３［１］は縦断面図、図３［２］は横断面図、図３［３］はダイヤフラムの変位が最大になるときの要部縦断面図である。
【図４】第二実施形態の光学式圧力計を示す回路図である。
【図５】第二実施形態の光学式圧力計における構造の一例を示し、図５［１］は縦断面図、図５［２］は横断面図である。
【図６】特許文献１に記載の光学式圧力計を示し、図６［１］は構造の縦断面図、図６［２］は特性のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る光学式変位計の実施形態として、光学式圧力計について図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１は第一実施形態の光学式圧力計を示し、図１［１］は基本構成及び検出原理を示す概念図、図１［２］は検出結果を示すグラフ、図１［３］は変位が最大になった場合の概念図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００１６】
本実施形態の光学式圧力計１０は、ダイヤフラム１１と、隔壁１４と、スリット１５と、発光素子１６と、検出用受光素子１７と、を備えたことを特徴とする。ダイヤフラム１１は、表裏をなす第一面１１１及び第二面１１２から成り、第一面１１１で受ける圧力Ｆに応じて変位ｄを生ずる。隔壁１４は、第二面１１２に対向するとともに、発光室１２と受光室１３とを仕切る。スリット１５は、隔壁１４と第二面１１２との間隙から成る。発光素子１６は、発光室１２に設けられ、電力Ｐを入力し光Ｌに変換して出力する。検出用受光素子１７は、受光室１３に設けられ、発光素子１６から出力されスリット１５を通過した光Ｌ’を、入力し電気信号（光電流Ｉｏ）に変換して出力する。
【００１７】
図１［１］では、ダイヤフラム１１に圧力Ｆが加わって変位ｄが生じたときの第二面１１２の位置を、仮想線（二点鎖線）で示している。このときの第二面１１２と隔壁１４との距離がスリット幅ｗである。図１［３］では、ダイヤフラム１１に更に圧力Ｆが加わって変位ｄが最大値ｄmaxになったときの第二面１１２の位置を、仮想線（二点鎖線）で示している。このとき、ダイヤフラム１１が隔壁１４に当接するため、スリット幅ｗは「０」である。
【００１８】
次に、光学式圧力計１０の動作（作用及び効果）を説明する。
【００１９】
ダイヤフラム１１に圧力Ｆが加わると、その圧力Ｆに応じてダイヤフラム１１に変位ｄが生じる。その変位ｄが大きくなると、ダイヤフラム１１と隔壁１４との間のスリット幅ｗが小さくなる。スリット幅ｗが小さくなると、発光素子１６から出力された光Ｌのうち、スリット１５を通過する光Ｌ’が少なくなって、検出用受光素子１７に到達する光が少なくなる。したがって、検出用受光素子１７の受光量（光電流Ｉｏ）によって、ダイヤフラム１１の変位ｄ及びこれに対応する圧力Ｆを間接的に検出することができる。このように、光学式圧力計１０によれば、ダイヤフラム１１の反射光を用いずに、スリット１５を通過する光Ｌ’を用いることにより、ダイヤフラム１１の反射面の劣化による検出精度の低下を抑えることができるので、信頼性を向上できる。
【００２０】
また、「変位ｄ大（又は小）→スリット幅ｗ小（又は大）→受光量（光電流Ｉｏ）減（又は増）」の関係は、変位ｄのとり得るすべての範囲において成り立つ。このとき、変位ｄが負（圧力Ｆが負）すなわち陰圧であっても検出することができる。つまり、スリット１５の断面積は変位ｄに反比例するので、光電流Ｉｏは、図１［２］に示すように、変位ｄが増加するにつれて減少し、変位ｄが最大値ｄmaxになったときに最小値Ｉｏminとなる。変位ｄが最大値ｄmaxになったときに、ダイヤフラム１１が隔壁１４に隙間無く当接するようにすれば、最小値Ｉｏminは検出用受光素子１７の暗電流となる。したがって、光学式圧力計１０によれば、負から正までの極めて広い範囲の変位ｄを、変位ｄに直線的に変化する光電流Ｉｏとして検出することができる。なお、図１［１］において、ダイヤフラム１１は一般に円板状であるので、隔壁１４が平板状であれば、隔壁１４の上端（開口端）を下に凸の円弧状にすることにより、ダイヤフラム１１が隔壁１４に隙間無く当接する構造を実現できる。
【００２１】
第二面１１２は、発光素子１６から出力された光Ｌの正反射を防止する機能を有することが好ましい。光Ｌの正反射を防止する機能とは、例えば光Ｌを乱反射する白色又は微細な凹凸、光Ｌを吸収する黒色などによって実現できる。この場合は、ダイヤフラム１１での光Ｌの正反射を防止できるので、ダイヤフラム１１の劣化に起因する検出精度の低下をより確実に抑えることができる。
【００２２】
図１［３］に示すように、変位ｄが最大値ｄmaxになるときに、ダイヤフラム１１が隔壁１４に当接することが好ましい。変位ｄが最大値ｄmaxになるときにダイヤフラム１１が隔壁１４に当接することにより、それ以上の圧力Ｆがダイヤフラム１１に加わってもダイヤフラム１１にはそれ以上の変位ｄが生じない。したがって、ダイヤフラム１１に大きな圧力Ｆが加わって破損することを抑えることができるので、より信頼性を向上できる。
【００２３】
図２は第一実施形態の光学式圧力計における構造の第一例を示し、図２［１］は縦断面図、図２［２］は横断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図２において図１と同じ部分は同じ符号を付す。
【００２４】
扁平な有底円筒状のケース２０内が、直線状の隔壁１４によって発光室１２と受光室１３とに仕切られている。すなわち、ケース２０は、隔壁１４を挟んで、内側面２１ａ及び内底面２２ａから成る発光室１２と、内側面２１ｂ及び内底面２２ｂから成る受光室１３とを有する。発光室１２の内底面２２ａに発光素子１６が設けられ、受光室１３の内底面２２ｂに検出用受光素子１７が設けられている。ケース２０の上端（開口端）には、ダイヤフラム１１が設けられている。内側面２１ａ，２１ｂ、内底面２２ａ，２２ｂ及び隔壁１４は、それぞれ光Ｌ，Ｌ’を乱反射又は正反射する機能を有することが好ましい。特に、内側面２１ａは発光素子１６から出力された光Ｌをスリット１５方向へ向けるため、内側面２１ｂはスリット１５を通過した光Ｌ’を検出用受光素子１７方向へ向けるため、それぞれ乱反射又は正反射する機能を有することが好ましい。
【００２５】
発光素子１６から出力された光Ｌは、発光室１２内を乱反射し、その一部がスリット１５を通過する。スリット１５を通過した光Ｌ’は、受光室１３内を乱反射し、その一部が検出用受光素子１７に到達する。このような構成によって、図１を用いた説明で述べたように、作用及び効果を奏する。
【００２６】
図３は第一実施形態の光学式圧力計における構造の第二例を示し、図３［１］は縦断面図、図３［２］は横断面図、図３［３］はダイヤフラムの変位が最大になるときの要部縦断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図３において図１及び図２と同じ部分は同じ符号を付す。
【００２７】
第一例（図２）と異なる箇所は、隔壁１４’が円筒状になっていることである。そのため、発光室１２’が内周、受光室１３が外周になっている。発光室１２’及び受光室１３’の内壁面は、それぞれ光Ｌ，Ｌ’を乱反射する機能を有することが好ましい。
【００２８】
発光素子１６から出力された光Ｌは、発光室１２’内を乱反射し、その一部がスリット１５を通過する。スリット１５を通過した光Ｌ’は、受光室１３’内を乱反射し、その一部が検出用受光素子１７に到達する。このような構成によって、図１を用いた説明で述べたように、作用及び効果を奏する。
【００２９】
また、ダイヤフラム１１が円板状であり、隔壁１４’が円筒状であり、ダイヤフラム１１の中心軸と隔壁１４’の中心軸とが一致し、ダイヤフラム１１の変位が最大になるときに第二面１１２が隔壁１４’の周端１４ａに当接する（図３［３］）。この状態で、それ以上の圧力がダイヤフラム１１に加わっても、ダイヤフラム１１にはそれ以上の変位が生じない。このとき、ダイヤフラム１１に加わる圧力が隔壁１４’の周端１４ａによって円状に均一に分散されるので、ダイヤフラム１１に大きな圧力が加わって破損することをより確実に抑えることができる。他の構成、作用及び効果は図２の第一例と同様である。
【００３０】
図４は、第二実施形態の光学式圧力計を示す回路図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図４において図１と同じ部分は同じ符号を付す。
【００３１】
本実施形態の光学式圧力計３０は、第一実施形態の光学式圧力計１０（図１）において、制御用受光素子３１と、制御回路３２とを更に備えている。制御用受光素子３１は、発光素子１６から出力された光Ｌの一部をスリット１５を介することなく光Ｌ''として直接入力し、光Ｌ''を電気信号に変換して出力する。また、制御用受光素子３１の入出力特性の温度依存性は、検出用受光素子１７の入出力特性の温度依存性と同じになっている。制御回路３２は、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力へフィードバックして、制御用受光素子３１の出力を一定にする機能を有する。
【００３２】
光学式圧力計３０によれば、入出力特性の温度依存性が検出用受光素子１７と同じであり発光素子１６からの光Ｌの一部を光Ｌ''として直接受ける制御用受光素子３１を設け、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力にフィードバックして制御用受光素子３１の出力が一定になるように制御することにより、発光素子１６及び検出用受光素子１７の両方の温度特性の影響を低減できるので、温度変化による検出値の変動を抑えることができる。以下により詳しく説明する。
【００３３】
発光素子１６から出力された光Ｌの一部はスリット１５を通過し、スリット１５を通過した光Ｌ’の一部が検出用受光素子１７に到達する。そのため、検出用受光素子１７の受光量を検出することにより、スリット幅に対応するダイヤフラム１１の変位を検出することができる。しかし、発光素子１６、制御用受光素子３１及び検出用受光素子１７はそれぞれ温度特性を有するため、そのままでは、変位が一定の場合でも、温度に応じて検出値が変わってしまう。
【００３４】
そこで、発光素子１６の光Ｌ’の一部を光Ｌ''として直接（スリット１５を介さずに）制御用受光素子３１で受け、制御用受光素子３１の出力が一定になるように、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力にフィードバックする。例えば、発光素子１６の出力が温度変化により増加（又は減少）すると、制御用受光素子３１の出力も増加する（又は減少）ので、発光素子１６の入力を減少（又は増加）させることにより制御用受光素子３１の出力を一定にする。また、発光素子１６の出力が一定でも制御用受光素子３１の出力が温度変化により増加（又は減少）すると、発光素子１６の入力を減少（又は増加）させることにより制御用受光素子３１の出力を一定にする。このとき、制御用受光素子３１及び検出用受光素子１７は入出力特性の温度依存性がともに同じであるから、制御用受光素子３１の出力を一定にすることは、検出用受光素子１７の出力を一定にすることでもある。すなわち、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力へ負帰還させることにより、制御用受光素子３１の出力は、発光素子１６、制御用受光素子３１及び検出用受光素子１７のそれぞれの温度特性の影響が低減したものとなる。
【００３５】
図５は第二実施形態の光学式圧力計における構造の一例を示し、図５［１］は縦断面図、図５［２］は横断面図である。以下、この図面に基づき説明する。なお、図５において図２及び図４と同じ部分は同じ符号を付す。
【００３６】
発光室１２の底面に発光素子１６及び制御用受光素子３１が並んで設けられ、受光室１３の底面に検出用受光素子１７が設けられている。発光素子１６から出力された光Ｌは、発光室１２内を乱反射し、一部が光Ｌ''として制御用受光素子３１に到達し、一部がスリット１５を通過する。スリット１５を通過した光Ｌ’は、受光室１３内を乱反射し、その一部が検出用受光素子１７に到達する。このような構成によって、図４を用いた説明で述べたように、作用及び効果を奏する。他の構成、作用及び効果は図２の第一例と同様である。
【００３７】
次に、図４及び図５に基づき、本実施形態の光学式圧力計３０について更に詳しく説明する。
【００３８】
「入出力特性の温度依存性が同じ」について説明する。受光素子は、光信号を入力し、この光信号を一定の効率で電気信号に変換して出力する。このとき、二つの受光素子の入出力の温度依存性が同じとは、入力が一定でも温度変化に応じて出力が変化するとき、一方の受光素子の出力が増加するときは他方の受光素子も出力が増加し、逆に一方の受光素子の出力が減少するときは他方の受光素子も出力が減少することをいう。例えば、同一メーカの同一型名の二つの素子があれば、これらの素子の入出力特性の温度依存性は同じといえる。
【００３９】
発光素子１６及び検出用受光素子１７は、それぞれ隔壁１４を隔てて配置されることにより、発光素子１６からの光Ｌが（スリット１５を介することなく）直接検出用受光素子１７に到達しない構造になっている。一方、発光素子１６及び制御用受光素子３１は、同じ発光室１２内に近接して配置されることにより、発光素子１６からの光Ｌの一部が光Ｌ''として直接制御用受光素子３１に到達する構造になっている。光Ｌ''は、発光素子１６で発生した光Ｌが発光室１２内で乱反射して制御用受光素子３１に到達した光である。
【００４０】
発光素子１６、検出用受光素子１７及び制御用受光素子３１は、例えば互いに近接して配置されることにより、それぞれほぼ同じ温度になる熱結合部３３となっている。熱結合性を高めるためには、ケース２０の底面を熱伝導性に優れた金属やセラミックスとしたり、発光素子１６、検出用受光素子１７及び制御用受光素子３１を熱伝導性及び透光性に優れた樹脂で被覆したりすることが好ましい。
【００４１】
発光素子１６は発光ダイオードである。検出用受光素子１７及び制御用受光素子３１は、フォトダイオードを起電力発生素子として使用している。制御回路３２は、制御用受光素子３１の出力を増幅する増幅器３２１と、増幅器３２１の出力の帰還量βを設定する可変抵抗器３２２と、可変抵抗器３２２の出力と駆動回路３４からの矩形波との差を増幅する増幅器３２３とを備えている。増幅器３２１，３２３はオペアンプ及びその外付け抵抗器等からなる。
【００４２】
検出用受光素子１７の出力側には、出力回路３５が設けられている。出力回路３５は、検出用受光素子１７の出力を増幅する増幅器３５１と、増幅器３２１の出力の一部を増幅器３５３の入力とする可変抵抗器３５２と、可変抵抗器３５２の出力と増幅器３５１の出力との差を増幅する増幅器３５３と、ＣＲ微分回路であるコンデンサ３５４及び抵抗器３５５と、ボルテージフォロワ３５６とを備えている。増幅器３５１，３５３はオペアンプ及びその外付け抵抗器等からなる。
【００４３】
次に、光学式圧力計３０の動作（作用及び効果）について更に詳しく説明する。
【００４４】
発光素子１６からスリット１５を通過する光Ｌ’は、ダイヤフラム１１の変位に応じて増減する。そのため、検出用受光素子１７の受光量を検出することにより、間接的にダイヤフラム１１の変位やダイヤフラム１１に加わる圧力を検出することができる。しかし、発光素子１６及び検出用受光素子１７はともに温度特性を有するため、そのままでは、変位が一定のときでも、温度に応じて変位の検出値が変わってしまう。
【００４５】
そこで、本実施形態では、発光素子の光Ｌの一部を光Ｌ''として直接（スリット１５を介さずに）制御用受光素子３１で受け、制御用受光素子３１の出力が一定になるように、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力にフィードバックする。例えば、発光素子１６の出力が温度変化により増加すると、制御用受光素子３１の出力も増加する。この場合は、増幅器３２３の−入力端子の電圧が増加することにより、発光素子１６の入力が減少するので、制御用受光素子３１の出力が減少する。逆に、発光素子１６の出力が温度変化により減少すると、制御用受光素子３１の出力も減少する。この場合は、増幅器３２３の−入力端子の電圧が減少することにより、発光素子１６の入力が増加するので、制御用受光素子３１の出力が増加する。また、発光素子１６の出力が一定でも、制御用受光素子３１の出力が温度変化により増加すると、増幅器３２３の−入力端子の電圧が増加することにより、発光素子１６の入力が減少するので、制御用受光素子３１の出力が減少する。逆に、発光素子１６の出力が一定でも、制御用受光素子３１の出力が温度変化により減少すると増幅器３２３の−入力端子の電圧が減少することにより、発光素子１６の入力が増加するので、制御用受光素子３１の出力が増加する。その結果、制御用受光素子３１の出力は、発光素子１６及び制御用受光素子３１の両方の温度特性の影響が低減したものとなる。
【００４６】
検出用受光素子１７は、入出力特性の温度依存性が制御用受光素子３１と同じである。また、検出用受光素子１７は、スリット１５を介する点を除き、制御用受光素子３１と同じように発光素子１６からの光Ｌ’を受ける。そのため、制御用受光素子３１の出力が一定になるように発光素子１６の入力をフィードバック制御することは、ダイヤフラム１１の変位に対応して異なる検出用受光素子１７の出力が温度変化にかかわらず一定になるように、発光素子１６の入力をフィードバック制御することに他ならない。したがって、検出用受光素子１７の出力は、制御用受光素子３１の出力と同様に、発光素子１６及び検出用受光素子１７の両方の温度特性の影響が低減したものとなる。
【００４７】
出力回路３５において、検出用受光素子１７の出力は、制御用受光素子３１の出力に比べて一般に非常に小さくなる。そこで、可変抵抗器３５２によって制御用受光素子３１の出力のレベルを落として、検出用受光素子１７の出力のレベルに揃え、両者の差を増幅器３５３で出力している。すなわち、増幅器３５３の出力電圧Ｖout1は、スリット１５を通過する光Ｌ’の変化分に相当する。出力電圧Ｖout1は、コンデンサ３５４及び抵抗器３５５から成る微分回路で直流分がカットされ、かつ増幅器３２１，３５１，３５３で生ずるオフセットがカットされ、温度ドリフト分が軽減されて、出力電圧Ｖout2となる。
【００４８】
制御用受光素子３１側の増幅器３２１の出力電圧をＶｏ、検出用受光素子１７側の増幅器３５１の出力電圧をＶｏ’、ダイヤフラム１１の変位によって変化した電圧をＶｓ、ダイヤフラム１１の変位に関係ない一定電圧をＶｃ、比例定数をｋ、可変抵抗器３５２で設定された倍率をαとすると、Ｖｏ，Ｖｏ’，Ｖout1はそれぞれ次式で表せる。
Ｖｏ＝Ｖｃ＋Ｖｓ
Ｖｏ’＝ｋＶｃ−ｋＶｓ
Ｖout1＝αＶｏ−Ｖｏ’
スリット１５が狭くなると、スリット１５を通過する光Ｌ’が少なくなるので、発光室１２が明るくなり、受光室１３が暗くなる。すなわち、発光室１２側のＶｓの係数は負であり、受光室１３側のＶｓの係数は正である。
ここで、ダイヤフラム１１の変位が「０」のとき、Ｖｓ＝０であるから、Ｖout1は次式で表せる。
Ｖout1＝αＶｏ−Ｖｏ’＝（α−ｋ）Ｖｃ
したがって、ダイヤフラム１１の変位が「０」のときＶout1＝０にするには、可変抵抗器３５２を調整してα＝ｋに設定すればよい。このとき、Ｖout1は、
Ｖout1＝ｋ（Ｖｃ＋Ｖｓ）−（ｋＶｃ−ｋＶｓ）＝２ｋＶｓ
となる。したがって、出力電圧Ｖout1は、ダイヤフラム１１の変位によって変化した電圧Ｖｓに比例した値となる。
【００４９】
また、光学式圧力計３０は、発光素子１６を一定の周波数の矩形波で駆動する駆動回路３４と、検出用受光素子１７の出力を前記周波数に同期させて整流する同期整流回路（図示せず）とを備えている。その同期整流回路によって、出力電圧Ｖout2は、リップル電圧が低減すると同時に、外乱光の影響が低減する。同期整流回路の出力がダイヤフラム１１の変位となる。
【００５０】
次に、制御回路３２によるフィードバック制御について詳しく説明する。駆動回路３４の出力電圧をＶｉｎ、増幅器３２３の増幅率をＡ1、発光素子１６の発光効率をα1、発光素子１６から制御用受光素子３１への光伝達率をγ、制御用受光素子３１の変換効率をα2、増幅器３２１の増幅率をＡ2、可変抵抗器３２２による帰還率をβ、増幅器３２１の出力電圧をＶｏとする。このとき、Ｖｏは次式で与えられる。
Ｖｏ＝Ａ（Ｖｉｎ−βＶｏ） ・・・<1>
ただし、Ａ＝Ａ1×α1×γ×α2×Ａ2 ・・・<2>
式<1>から次式が得られる。
Ｖｏ＝｛Ａ／（１＋Ａβ）｝Ｖｉｎ
＝｛１／（１／Ａ＋β）｝Ｖｉｎ ・・・<3>
ここで、式<2>において、通常、増幅器３２３，３２１の増幅率Ａ1、Ａ2は極めて大きいので、（Ａ1×Ａ2）（α1×γ×α2）＞＞０となるように設定できる。したがって、式<3>において１／Ａ≒０とみなせることにより、式<3>は次式のように表せる。
Ｖｏ＝（１／β）Ｖｉｎ ・・・<4>
式<4>から明らかなように、α1又はα2が温度変化により変動しても、Ｖｏは影響を受けない。
【００５１】
本実施形態の光学式圧力計３０によれば、入出力特性の温度依存性が検出用受光素子１７と同じであり発光素子１６からの光を直接受ける制御用受光素子３１を設け、制御用受光素子３１の出力を発光素子１６の入力にフィードバックして制御用受光素子３１の出力が一定になるように制御することにより、発光素子１６及び検出用受光素子１７の両方の温度特性の影響を低減できるので、温度変化による測定値の変動を抑えることができる。
【００５２】
特に、ダイヤフラム１１を屋外の水中に浸漬して水圧を検出する場合、発光素子１６及び検出用受光素子１７等は外気温の変動及び水温の変動によって広範囲の温度変化にさらされることになる。このような厳しい使用条件にもかかわらず、光学式圧力計３０によれば温度変化の影響が少ない測定値が得られるので、光学式圧力計３０を屋外の水圧計として用いる場合は特に効果が顕著になる。
【００５３】
本実施形態の光学式圧力計３０の他の構成、作用及び効果については、第一実施形態の光学式圧力計１０（図１乃至図３）と同じである。
【００５４】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されない。例えば、検出用受光素子１７及び制御用受光素子３１は、フォトダイオードの代わりに、フォトトランジスタや光導電素子を用いてもよい。発光素子１６は、発光ダイオードの代わりに、ＥＬ（electroluminescence）素子や半導体レーザを用いてもよい。
【００５５】
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明に係る光学式変位計は、力によるダイヤフラムの変位を光学的に検出する計測器、例えば光学式圧力計などに利用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 光学式圧力計（光学式変位計）
１１ ダイヤフラム
１１１ 第一面
１１２ 第二面
１２ 発光室（発光側）
１３ 受光室（受光側）
１４ 隔壁
１５ スリット
１６ 発光素子
１７ 検出用受光素子
Ｆ 圧力（力）
ｄ 変位
Ｌ，Ｌ’ 光
Ｐ 電力
３０ 光学式圧力計（光学式変位計）
３１ 制御用受光素子
３２ 制御回路
３３ 熱結合部
３４ 駆動回路
３５ 出力回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏をなす第一面及び第二面から成るとともに当該第一面で受ける力に応じて変位を生ずるダイヤフラムと、
前記第二面に対向するとともに発光側と受光側とを仕切る隔壁と、
この隔壁と前記第二面との間隙から成るスリットと、
前記発光側に設けられ、電力を入力し光に変換して出力する発光素子と、
前記受光側に設けられ、前記発光素子から出力され前記スリットを通過した光を入力し電気信号に変換して出力する検出用受光素子と、
を備えたことを特徴とする光学式変位計。
【請求項２】
前記第二面は、前記発光素子から出力された光の正反射を防止する機能を有する、
ことを特徴とする請求項１記載の光学式変位計。
【請求項３】
前記変位が最大になるときに前記第二面が前記隔壁に当接する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学式変位計。
【請求項４】
前記ダイヤフラムが円板状であり、前記隔壁が円筒状であり、前記ダイヤフラムの中心軸と前記隔壁の中心軸とが一致し、前記変位が最大になるときに前記第二面が前記隔壁の周端に当接する、
ことを特徴とする請求項３記載の光学式変位計。
【請求項５】
前記発光素子から出力された光を前記スリットを介することなく直接入力し電気信号に変換して出力するとともに入出力特性の温度依存性が前記検出用受光素子と同じである制御用受光素子と、
この制御用受光素子の出力を前記発光素子の入力へフィードバックして当該制御用受光素子の出力を一定にする制御回路と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の光学式変位計。
【請求項１】
表裏をなす第一面及び第二面から成るとともに当該第一面で受ける力に応じて変位を生ずるダイヤフラムと、
前記第二面に対向するとともに発光側と受光側とを仕切る隔壁と、
この隔壁と前記第二面との間隙から成るスリットと、
前記発光側に設けられ、電力を入力し光に変換して出力する発光素子と、
前記受光側に設けられ、前記発光素子から出力され前記スリットを通過した光を入力し電気信号に変換して出力する検出用受光素子と、
を備えたことを特徴とする光学式変位計。
【請求項２】
前記第二面は、前記発光素子から出力された光の正反射を防止する機能を有する、
ことを特徴とする請求項１記載の光学式変位計。
【請求項３】
前記変位が最大になるときに前記第二面が前記隔壁に当接する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学式変位計。
【請求項４】
前記ダイヤフラムが円板状であり、前記隔壁が円筒状であり、前記ダイヤフラムの中心軸と前記隔壁の中心軸とが一致し、前記変位が最大になるときに前記第二面が前記隔壁の周端に当接する、
ことを特徴とする請求項３記載の光学式変位計。
【請求項５】
前記発光素子から出力された光を前記スリットを介することなく直接入力し電気信号に変換して出力するとともに入出力特性の温度依存性が前記検出用受光素子と同じである制御用受光素子と、
この制御用受光素子の出力を前記発光素子の入力へフィードバックして当該制御用受光素子の出力を一定にする制御回路と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の光学式変位計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１８５７１０（Ｐ２０１０−１８５７１０Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８７７０（Ｐ２００９−２８７７０）
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（３９３０２７５６７）株式会社ケネック (3)
【出願人】（５９３１０８９９０）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（３９３０２７５６７）株式会社ケネック (3)
【出願人】（５９３１０８９９０）
【Ｆターム（参考）】
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