應(yīng)變傳感器以及變形量測(cè)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種應(yīng)變傳感器及變形量測(cè)定方法，應(yīng)變傳感器具備：光源，其射出光；標(biāo)識(shí)器，其被設(shè)置于被測(cè)定對(duì)象物的表面，并反射從光源射出的光；檢測(cè)部，其檢測(cè)由標(biāo)識(shí)器反射后的光的光強(qiáng)度；以及信號(hào)處理部，其根據(jù)由檢測(cè)部檢測(cè)出的光強(qiáng)度計(jì)算變形量。另外，標(biāo)識(shí)器具備折射率不同的第一介質(zhì)及第二介質(zhì)。另外，第二介質(zhì)在與標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的平面上與第一介質(zhì)同時(shí)存在，并且，周期性地被排列在第一介質(zhì)內(nèi)，第二介質(zhì)的與標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向的最大長(zhǎng)度被形成為比從光源射出的光的波長(zhǎng)短，第一介質(zhì)及第二介質(zhì)受到與標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向的載荷而變形。
【專利說明】
應(yīng)變傳感器以及變形量測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及應(yīng)變傳感器以及變形量測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，為了測(cè)定作用于被測(cè)定對(duì)象物的各種物理量(例如，位移、載荷、加速度等)而使用應(yīng)變傳感器。具體而言，借助應(yīng)變傳感器測(cè)定在被測(cè)定對(duì)象物產(chǎn)生的應(yīng)變，并將所測(cè)定的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為物理量，由此測(cè)定物理量。
[0003]針對(duì)上述應(yīng)變傳感器，近年來出于對(duì)構(gòu)造物進(jìn)行監(jiān)測(cè)等目的而存在希望測(cè)定在構(gòu)造物整體上產(chǎn)生的應(yīng)變的需求。即，不是以往的應(yīng)變點(diǎn)測(cè)定而是以場(chǎng)所為單位測(cè)定在被測(cè)定對(duì)象物產(chǎn)生的應(yīng)變的能夠進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)測(cè)定的應(yīng)變傳感器受到關(guān)注。
[0004]作為能夠進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)測(cè)定的應(yīng)變傳感器，公開了如下應(yīng)變傳感器，其使用若照射激勵(lì)光則發(fā)光波長(zhǎng)因應(yīng)變的大小而變動(dòng)的應(yīng)力發(fā)光元件測(cè)定每個(gè)場(chǎng)所的發(fā)光波長(zhǎng)的變化量，由此能夠進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)計(jì)測(cè)(例如，參照日本特開2014-115220號(hào)公報(bào))。
[0005]另外，還公開了如下使用莫爾條紋法的應(yīng)變場(chǎng)計(jì)測(cè)，即將具有格子圖案的標(biāo)識(shí)器粘貼于被測(cè)定對(duì)象物，使用照相機(jī)等拍攝因載荷而產(chǎn)生的格子圖案的位移，比較施加載荷前后的圖像數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)嵤?yīng)變場(chǎng)的計(jì)測(cè)(例如，參照日本特開2009-264852號(hào)公報(bào))。
[0006]然而，日本特開2014-115220號(hào)公報(bào)以及日本特開2009-264852號(hào)公報(bào)所記載的技術(shù)存在難以測(cè)定基于納米尺寸的位移的應(yīng)變的問題點(diǎn)。
[0007]例如，要使用日本特開2014-115220號(hào)公報(bào)所記載的結(jié)構(gòu)來測(cè)定基于納米尺寸的位移的應(yīng)變，就需要測(cè)定皮米尺寸的發(fā)光波長(zhǎng)的變動(dòng)量，但以現(xiàn)有的分光器檢測(cè)如此微小的發(fā)光波長(zhǎng)的變動(dòng)量非常困難。
[0008]另外，在日本特開2009-264852號(hào)公報(bào)所記載的技術(shù)中使用照相機(jī)測(cè)定應(yīng)變，因此應(yīng)變的測(cè)定精度取決于照相機(jī)的分辨率。考慮到現(xiàn)存的照相機(jī)的分辨率，要不被噪點(diǎn)淹沒來測(cè)定應(yīng)變，測(cè)定基于微米尺寸的位移的應(yīng)變是極限，難以測(cè)定基于更加微小的納米尺寸的位移的應(yīng)變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明鑒于上述情況而產(chǎn)生，目的在于提供一種能夠測(cè)定基于納米尺寸的位移的變形量的應(yīng)變傳感器以及變形量測(cè)定方法。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述課題中的至少一個(gè)，反映了本發(fā)明的一個(gè)方面的應(yīng)變傳感器，具備:光源，其射出光;標(biāo)識(shí)器，其被設(shè)置于被測(cè)定對(duì)象物的表面，使從上述光源射出的光反射或者透過;檢測(cè)部，其檢測(cè)由上述標(biāo)識(shí)器反射或透過后的光的光強(qiáng)度；以及信號(hào)處理部，其根據(jù)由上述檢測(cè)部檢測(cè)的光強(qiáng)度計(jì)算變形量，上述標(biāo)識(shí)器被形成為具有折射率不同的第一介質(zhì)及第二介質(zhì)的平板薄膜狀，上述第二介質(zhì)在與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的平面上與上述第一介質(zhì)同時(shí)存在，并且，周期性地被排列于上述第一介質(zhì)內(nèi)，上述第二介質(zhì)的與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向上的最大長(zhǎng)度被形成為比從上述光源射出的光的波長(zhǎng)短，上述第一介質(zhì)以及上述第二介質(zhì)受到與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向的載荷而變形。
[0011]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選上述光源射出多束向與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向偏振且各偏振方向不同的光，上述檢測(cè)部進(jìn)一步檢測(cè)由上述標(biāo)識(shí)器反射或透過后的光的偏振方向，上述信號(hào)處理部根據(jù)由上述檢測(cè)部檢測(cè)出的光強(qiáng)度及偏振方向計(jì)算應(yīng)變方向。
[0012]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選上述光源射出向由上述信號(hào)處理部計(jì)算出的應(yīng)變方向偏振的第一光、和向與上述第一光垂直的方向偏振的第二光。
[0013]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選上述光源射出隨著時(shí)間變化而偏振方向不同的光。
[0014]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選上述光源被配置多個(gè)，上述多個(gè)光源射出偏振方向彼此不同的光。
[0015]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選上述信號(hào)處理部根據(jù)表示每個(gè)偏振方向所具有的上述光強(qiáng)度與上述變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)，計(jì)算上述變形量。
[0016]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選上述信號(hào)處理部根據(jù)表示上述光強(qiáng)度與上述變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)計(jì)算上述變形量。
[0017]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選收納上述第二介質(zhì)的區(qū)域被形成為俯視時(shí)以與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面垂直的方向?yàn)橹行妮S的正圓形狀。
[0018]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選在收納上述第二介質(zhì)的區(qū)域收納氣體。
[0019]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選上述光源及上述檢測(cè)部被鄰接配置，上述光源向與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面大致垂直的方向射出光。
[0020]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選上述標(biāo)識(shí)器及上述被測(cè)定對(duì)象物是透明體，上述檢測(cè)部檢測(cè)透過了上述標(biāo)識(shí)器的光的光譜強(qiáng)度。
[0021]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選具備測(cè)定上述標(biāo)識(shí)器及上述被測(cè)定對(duì)象物的溫度的溫度測(cè)定部，上述信號(hào)處理部根據(jù)由上述溫度測(cè)定部測(cè)定的溫度，計(jì)算上述標(biāo)識(shí)器以及上述被測(cè)定對(duì)象物的楊氏模量。
[0022]在上述應(yīng)變傳感器中，優(yōu)選上述光源射出波長(zhǎng)為Ιμπι以下的光束。
[0023]另外，使用了反映本發(fā)明的一個(gè)方面的應(yīng)變傳感器的變形量測(cè)定方法具有根據(jù)由上述檢測(cè)部檢測(cè)出的光強(qiáng)度計(jì)算變形量的工序。
[0024]通過下述詳細(xì)說明與附圖會(huì)更加完整地理解本發(fā)明。但是，這些并不限定本發(fā)明。
【附圖說明】
[0025]圖1是示出本實(shí)施方式所涉及的應(yīng)變傳感器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。
[0026]圖2是示出標(biāo)識(shí)器的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0027]圖3是示出圖2的II1-1II部分的一個(gè)例子的剖視圖。
[0028]圖4Α是示出在標(biāo)識(shí)器上產(chǎn)生X方向的載荷前的樣子的俯視圖。
[0029]圖4Β是示出在標(biāo)識(shí)器上產(chǎn)生了X方向的載荷時(shí)的變形的樣子的俯視圖。
[0030]圖4C是示出在標(biāo)識(shí)器上產(chǎn)生X方向的載荷前后的第二介質(zhì)的樣子的俯視圖。
[0031]圖5Α是示出在標(biāo)識(shí)器上產(chǎn)生Y方向的載荷前的樣子的俯視圖。
[0032]圖5Β是示出在標(biāo)識(shí)器上產(chǎn)生了Y方向的載荷時(shí)的變形的樣子的俯視圖。
[0033]圖5C是示出了在標(biāo)識(shí)器上產(chǎn)生Y方向的載荷前后的第二介質(zhì)的樣子的俯視圖。
[0034]圖6是不出變形量與反射光強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖。
[0035]圖7是示出變形例所涉及的應(yīng)變傳感器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。
[0036]圖8是示出每個(gè)偏振方向的反射光強(qiáng)度的圖。
[0037]圖9是示出第二介質(zhì)的應(yīng)變方向及偏振方向的圖。
[0038]圖10是不出變形量與反射光強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖。
[0039]圖11是示出具有多個(gè)光源的應(yīng)變傳感器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。此外，在以下說明中，設(shè)圖1中的左右方向?yàn)閄方向，上下方向?yàn)閆方向，與X方向及Z方向正交的方向(前后方向)為Y方向。
[0041]本實(shí)施方式所涉及的應(yīng)變傳感器I是能夠利用光來測(cè)定在被測(cè)定對(duì)象物W上產(chǎn)生的應(yīng)變場(chǎng)的傳感器。如圖1所示，應(yīng)變傳感器I具備:光源2;標(biāo)識(shí)器3，其被固定于在光源2的Z方向下方所配置的被測(cè)定對(duì)象物W的上表面，反射從光源2出射的光;檢測(cè)部4，其被配置于被測(cè)定對(duì)象物W的Z方向上方，檢測(cè)由標(biāo)識(shí)器3反射后的光；以及信號(hào)處理部5，其根據(jù)由檢測(cè)部4檢測(cè)出的光來測(cè)定被測(cè)定對(duì)象物W的應(yīng)變。
[0042]光源2向被固定于下方的標(biāo)識(shí)器3射出非偏振的光束(入射光21)。光源2射出Iμπι以下波長(zhǎng)的光束。
[0043]標(biāo)識(shí)器3具有反射光的光強(qiáng)度根據(jù)因載荷而產(chǎn)生的變形量變動(dòng)的納米尺寸的均勻的細(xì)孔規(guī)則排列而成的納米孔陣列構(gòu)造。標(biāo)識(shí)器3如圖2及圖3所示，具有折射率不同的第一介質(zhì)31與第二介質(zhì)32，形成為平板薄膜狀，反射從光源2射出的光束。
[0044]第一介質(zhì)31是由鋁、金、銀、鈦、氧化鈦等金屬或者樹脂等形成的大致正方形的板狀部件。第一介質(zhì)31上收納第二介質(zhì)32的區(qū)域形成為俯視下以Z方向?yàn)橹行妮S的正圓形狀。
[0045]第二介質(zhì)32由丙烯酸樹脂等形成，形成為俯視下以Z方向?yàn)橹行妮S的正圓形狀。第二介質(zhì)32具有與第一介質(zhì)31相同的厚度，并且，周期性地排列于第一介質(zhì)31內(nèi)。另外，第二介質(zhì)32的直徑XO形成為比光源2的峰值波長(zhǎng)短。
[0046]另外，構(gòu)成標(biāo)識(shí)器3的第一介質(zhì)31及第二介質(zhì)32如圖4及圖5所示，相對(duì)于與標(biāo)識(shí)器3的固定面平行的方向的載荷而變形。
[0047]例如，如圖4(A)及圖4(B)所示，在標(biāo)識(shí)器3上產(chǎn)生了X方向的載荷(X載荷711)的情況下，標(biāo)識(shí)器3在X方向上變位。如圖4(C)所示，如果將負(fù)載X載荷711前的第二介質(zhì)設(shè)為320，將負(fù)載X載荷711后的第二介質(zhì)設(shè)為321，將負(fù)載載荷前的第二介質(zhì)320的直徑設(shè)為Χ0，將負(fù)載載荷后的第二介質(zhì)321的直徑設(shè)為XI，則因X載荷711而在標(biāo)識(shí)器3上產(chǎn)生的變形量εχ能夠由公式(I)計(jì)算。
[0048]公式(1):εχ=(Χ1-Χ0)/Χ0
[0049]另外，圖5(A)?圖5(C)是示出在標(biāo)識(shí)器3上產(chǎn)生了Y方向的載荷(Y載荷712)的情況下標(biāo)識(shí)器3在Y方向上變位的圖。如圖5(C)所示，如果設(shè)負(fù)載Y載荷712前的第二介質(zhì)為320，負(fù)載Y載荷712后的第二介質(zhì)為321，負(fù)載載荷前的第二介質(zhì)320的直徑為YO，負(fù)載載荷后的第二介質(zhì)321的直徑為Yl，則因Y載荷712而在標(biāo)識(shí)器3上產(chǎn)生的變形量ey能夠由公式(2)計(jì)笪并ο
[0050]公式(2):ey= (Yl-Y0)/Y0
[0051]檢測(cè)部4檢測(cè)由標(biāo)識(shí)器3反射后的光束(反射光22)的光強(qiáng)度。由檢測(cè)部4檢測(cè)出的反射光22的光強(qiáng)度被輸出到信號(hào)處理部5。
[0052]信號(hào)處理部5根據(jù)從檢測(cè)部4輸出的反射光22的光強(qiáng)度計(jì)算被測(cè)定對(duì)象物W的變形量。具體而言，信號(hào)處理部5根據(jù)表示光強(qiáng)度與變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)(參照?qǐng)D6)計(jì)算變形量。
[0053]接下來，參照?qǐng)D6說明使用本實(shí)施方式所涉及的應(yīng)變傳感器I計(jì)算在標(biāo)識(shí)器3上產(chǎn)生的變形量的方法。此外，可測(cè)定的位移量的范圍取決于光源2的波長(zhǎng)、第二介質(zhì)32的直徑XO的長(zhǎng)度。因此，通過將光源2的波長(zhǎng)及第二介質(zhì)的直徑XO規(guī)定為納米尺寸，能夠測(cè)定基于納米尺寸的位移的變形量。當(dāng)然通過適當(dāng)設(shè)定光源2的波長(zhǎng)、構(gòu)造體的大小、材料等，能夠測(cè)定基于微米或其以上位移所產(chǎn)生的變形量。
[0054]【實(shí)施例】
[0055]在實(shí)施例中，作為標(biāo)識(shí)器3，使用了第一介質(zhì)31的厚度ZO為200nm、第二介質(zhì)32的直徑XO為200nm、第二介質(zhì)32的周期CO為300nm的標(biāo)識(shí)器。另外，使用了鋁(Al)作為第一介質(zhì)31，使用了二氧化硅(S12)作為第二介質(zhì)32。另外，光源2使用了非偏振光且峰值波長(zhǎng)約700nm的光源。
[0056]圖6是表示變形量ε與反射光強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)。使用“反射光22的光量+入射光21的光量”來計(jì)算反射光強(qiáng)度。在實(shí)施例中，如圖6所示，隨著負(fù)載載荷(變形量ε增大)，反射光強(qiáng)度單調(diào)減小。這是因?yàn)槿绻跇?biāo)識(shí)器3上產(chǎn)生載荷，則標(biāo)識(shí)器3所包含的第二介質(zhì)32的形狀因載荷而變形，標(biāo)識(shí)器3的表面所產(chǎn)生的表面等離子體的特性發(fā)生變化。
[0057]在信號(hào)處理部5，預(yù)先準(zhǔn)備圖6所示的表數(shù)據(jù)，從而能夠根據(jù)由檢測(cè)部4檢測(cè)出的反射光強(qiáng)度計(jì)算在標(biāo)識(shí)器3上產(chǎn)生的變形量ε。例如，在檢測(cè)部4檢測(cè)出的反射光強(qiáng)度為0.60的情況下，能夠參照?qǐng)D6所示的表數(shù)據(jù)，計(jì)算與反射光強(qiáng)度0.60相對(duì)應(yīng)的變形量ε( ? 0.10)。
[0058]如上所述，本實(shí)施方式所涉及的應(yīng)變傳感器I具備:光源2，其射出光;標(biāo)識(shí)器3，其被固定于被測(cè)定對(duì)象物W的表面，反射從光源2射出的光;檢測(cè)部4，其檢測(cè)由標(biāo)識(shí)器3反射后的光的光強(qiáng)度；以及信號(hào)處理部5，其根據(jù)由檢測(cè)部4檢測(cè)出的光強(qiáng)度來計(jì)算變形量。另外，標(biāo)識(shí)器3形成為具有折射率不同的第一介質(zhì)31及第二介質(zhì)32的平板薄膜狀。另外，第二介質(zhì)32具有與第一介質(zhì)31相同的厚度，并且，周期性地排列于第一介質(zhì)31內(nèi)，第二介質(zhì)32的與標(biāo)識(shí)器3的固定面平行的方向的最大長(zhǎng)度形成為比從光源2射出的光的波長(zhǎng)短，第一介質(zhì)31及第二介質(zhì)32相對(duì)于與標(biāo)識(shí)器3的固定面平行的方向的載荷而變形。
[0059]因此，根據(jù)本實(shí)施方式所涉及的應(yīng)變傳感器I，將光源2的波長(zhǎng)與第二介質(zhì)32的直徑的長(zhǎng)度規(guī)定為納米尺寸(例如，使用在元件表面規(guī)則排列著納米尺寸的均勻的細(xì)孔的納米孔陣列構(gòu)造材料)，由此能夠?qū)⒖蓽y(cè)定的位移量的范圍規(guī)定為納米尺寸，因此能夠測(cè)定基于納米尺寸的位移的變形量。
[0060]另外，根據(jù)本實(shí)施方式所涉及的應(yīng)變傳感器I，信號(hào)處理部5根據(jù)表示光強(qiáng)度與變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)來計(jì)算變形量，因此能夠減少環(huán)境誤差、制造誤差，從而能夠提高變形量的檢測(cè)精度。
[0061]另外，根據(jù)本實(shí)施方式所涉及的應(yīng)變傳感器I，收納第二介質(zhì)32的區(qū)域形成為俯視下以與標(biāo)識(shí)器3的固定面垂直的方向?yàn)橹行妮S的正圓形狀，因此能夠在平面上的所有方向上恒定保持對(duì)應(yīng)變的靈敏度，能夠容易地實(shí)施變形量的檢測(cè)。
[0062]另外，根據(jù)本實(shí)施方式所涉及的應(yīng)變傳感器I，由于光源2射出波長(zhǎng)為Ιμπι以下的光束，因此能夠?qū)⒖蓽y(cè)定的位移量的范圍規(guī)定為納米尺寸，能夠高精度地測(cè)定基于納米尺寸的位移的變形量。
[0063]此外，根據(jù)本實(shí)施方式所涉及的應(yīng)變傳感器I，將光源2的波長(zhǎng)設(shè)定為Ιμπι以上，能夠?qū)⒖蓽y(cè)定的位移量的范圍規(guī)定為微米尺寸，能夠高精度地測(cè)定基于微米尺寸的位移的變形量。
[0064]以上，根據(jù)本發(fā)明所涉及的實(shí)施方式具體進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，能夠在不脫離其要旨的范圍內(nèi)進(jìn)行變更。
[0065](變形例)
[0066]在變形例所涉及的應(yīng)變傳感器IA中，例如，如圖7?圖10所示，與實(shí)施方式的應(yīng)變傳感器I相比，光源2Α、檢測(cè)部4Α及信號(hào)處理部5Α的結(jié)構(gòu)不同。此外，為了簡(jiǎn)化說明，對(duì)與實(shí)施方式相同的結(jié)構(gòu)標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，省略其詳細(xì)說明。
[0067]如圖7所示，光源2Α向被固定于下方的標(biāo)識(shí)器3射出直線偏振的光束(入射光21Α)。
[0068]檢測(cè)部4Α檢測(cè)由標(biāo)識(shí)器3反射后的光束(反射光22Α)的光強(qiáng)度及偏振方向。
[0069]信號(hào)處理部5Α根據(jù)從檢測(cè)部4Α輸出的反射光22Α的光強(qiáng)度及偏振方向，計(jì)算被測(cè)定對(duì)象物W的應(yīng)變方向以及變形量。具體而言，信號(hào)處理部5Α首先根據(jù)從檢測(cè)部4Α輸出的反射光22Α的光強(qiáng)度及偏振方向，將具有最大光強(qiáng)度的偏振方向設(shè)為被測(cè)定對(duì)象物W的應(yīng)變方向進(jìn)行計(jì)算。繼而，信號(hào)處理部5Α根據(jù)表示所計(jì)算出的應(yīng)變方向上的光強(qiáng)度與變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)(參照?qǐng)D1O)計(jì)算變形量。
[0070]接下來，參照?qǐng)D8?圖10說明使用變形例所涉及的應(yīng)變傳感器IA計(jì)算在標(biāo)識(shí)器3上產(chǎn)生的變形量的方法。
[0071]在變形例中，作為標(biāo)識(shí)器3，使用了第一介質(zhì)31的厚度ZO為200nm、第二介質(zhì)32的直徑XO為200nm、第二介質(zhì)32的周期CO為300nm的標(biāo)識(shí)器。另外，使用了鋁(Al)作為第一介質(zhì)31，使用了二氧化硅(S12)作為第二介質(zhì)32。另外，光源2A使用了為直線偏振光且峰值波長(zhǎng)約700nm的光源。此外，在變形例中，從光源2A射出偏振方向隨著時(shí)間變化而有所不同的光，測(cè)定了各偏振方向上的光強(qiáng)度。
[0072]圖8是將每個(gè)偏振方向Θ的反射光強(qiáng)度圖表化的圖。如圖9所示，偏振方向Θ是在XY平面上從X方向偏振的角度。如圖8所示，如果在XY平面上的任一方向上產(chǎn)生單軸載荷，則標(biāo)識(shí)器3的反射光強(qiáng)度因其偏振方向而產(chǎn)生差異。這是因?yàn)榈诙橘|(zhì)32因載荷而從正圓形狀變位為橢圓形狀，因偏振方向，第二介質(zhì)32的直徑的大小產(chǎn)生差異，標(biāo)識(shí)器3的表面所產(chǎn)生的表面等離子體的特性發(fā)生變化。在變形例的條件下，如果第二介質(zhì)32的直徑的大小增大，則反射光強(qiáng)度增大。即，被測(cè)定對(duì)象物W的應(yīng)變方向是第二介質(zhì)32的直徑變?yōu)樽畲蟮姆较颍诙橘|(zhì)32的直徑變?yōu)樽畲蟮姆较蚴蔷哂凶畲蟮姆瓷涔鈴?qiáng)度的偏振方向。例如，如圖8所示，在獲得了像“有載荷”這樣的反射光強(qiáng)度的特性的情況下，變?yōu)樽畲蟮姆瓷涔鈴?qiáng)度的偏振方向Θ為45°，應(yīng)變方向被計(jì)算為45°。
[0073]圖10是表示變形量ε與反射光強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)。在信號(hào)處理部5A中，按照每個(gè)偏振方向(應(yīng)變方向)預(yù)先準(zhǔn)備圖10所示的表數(shù)據(jù)，從而能夠根據(jù)由檢測(cè)部4Α檢測(cè)出的反射光強(qiáng)度及偏振方向，計(jì)算在標(biāo)識(shí)器3上產(chǎn)生的變形量ε。例如，在偏振方向Θ的偏振光照射標(biāo)識(shí)器3時(shí)，在檢測(cè)部4Α檢測(cè)出的反射光強(qiáng)度為0.70的情況下，參照?qǐng)D10所示的偏振方向Θ的表數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算與反射光強(qiáng)度0.70相對(duì)應(yīng)的變形量ε( ?0.10)。
[0074]如上所述，根據(jù)變形例所涉及的應(yīng)變傳感器1A，光源2A射出多束向與標(biāo)識(shí)器3的固定面平行的方向偏振且偏振方向彼此不同的光，檢測(cè)部4A進(jìn)一步檢測(cè)由標(biāo)識(shí)器3反射后的光的偏振方向，信號(hào)處理部5A根據(jù)由檢測(cè)部4A檢測(cè)出的光強(qiáng)度及偏振方向計(jì)算應(yīng)變方向。
[0075]因此，根據(jù)變形例所涉及的應(yīng)變傳感器1A，能夠檢測(cè)多個(gè)偏振方向的反射光強(qiáng)度，因此能夠根據(jù)各偏振方向的反射光強(qiáng)度之差測(cè)定最大應(yīng)變方向。另外，能夠根據(jù)測(cè)定出的最大應(yīng)變方向的光強(qiáng)度測(cè)定最大應(yīng)變方向的變形量。
[0076]另外，根據(jù)變形例所涉及的應(yīng)變傳感器I，光源2A射出隨著時(shí)間變化而偏振方向有所不同的光，因此僅具備一個(gè)光源2A就能測(cè)定各偏振方向上的光強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)光源2A及檢測(cè)部4A的小型化與成本減少。
[0077]另外，根據(jù)變形例所涉及的應(yīng)變傳感器I，信號(hào)處理部5A根據(jù)表示每個(gè)偏振方向所具備的光強(qiáng)度與變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)計(jì)算變形量，因此能夠減少環(huán)境誤差、制造誤差，從而能夠提尚變形量的檢測(cè)精度。
[0078]此外，變形例是根據(jù)表示光強(qiáng)度與變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)(參照?qǐng)D10)計(jì)算變形量，但并不局限于此。例如，也可以根據(jù)由檢測(cè)部4A檢測(cè)出的光強(qiáng)度，通過規(guī)定的計(jì)算式計(jì)算。
[0079]另外，在上述變形例中，信號(hào)處理部5A根據(jù)由檢測(cè)部4A檢測(cè)出的光強(qiáng)度及偏振方向計(jì)算應(yīng)變方向，但并不局限于此。例如，也可以在由信號(hào)處理部5A計(jì)算出應(yīng)變方向后，從光源2A射出向該計(jì)算出的應(yīng)變方向偏振的第一光、和向與第一光垂直的方向偏振的第二光。
[0080]由此，能夠計(jì)算第二介質(zhì)32的俯視形狀亦即橢圓的長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度(應(yīng)變方向的變形量)、短軸的長(zhǎng)度(與應(yīng)變方向垂直的方向的變形量)以及旋轉(zhuǎn)角度Θ，能夠測(cè)定標(biāo)識(shí)器3整體的應(yīng)變情況。
[0081]另外，在上述變形例中，從一個(gè)光源2A射出隨著時(shí)間變化而偏振方向有所不同的光，但并不局限于此。例如，也可以如圖11所示的應(yīng)變傳感器IB那樣，配置多個(gè)光源2B，從多個(gè)光源2B射出偏振方向彼此不同的光(入射光21B)。
[0082]在該情況下，檢測(cè)部4B檢測(cè)由標(biāo)識(shí)器3反射后的光束(反射光22B)的光強(qiáng)度及偏振方向。信號(hào)處理部5B根據(jù)從檢測(cè)部4B輸出的反射光22B的光強(qiáng)度及偏振方向，計(jì)算被測(cè)定對(duì)象物W的應(yīng)變方向及變形量。
[0083]由此，能夠向標(biāo)識(shí)器3射出多束偏振方向不同的光束，因此能夠通過一次測(cè)定獲得大量數(shù)據(jù)，從而能夠提高應(yīng)變方向及變形量的測(cè)定精度。另外，能夠通過一次測(cè)定計(jì)算應(yīng)變方向及變形量，因此能夠縮短測(cè)定時(shí)間。
[0084](其他變形例)
[0085]另外，在上述實(shí)施方式中，根據(jù)表示光強(qiáng)度與變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)(參照?qǐng)D6)計(jì)算變形量，但并不局限于此。例如，也可以根據(jù)由檢測(cè)部4檢測(cè)出的光強(qiáng)度，通過規(guī)定的計(jì)算式計(jì)算。
[0086]另外，在上述實(shí)施方式中，將收納第二介質(zhì)32的區(qū)域形成為俯視時(shí)以Z方向(與標(biāo)識(shí)器3的固定面垂直的方向)為中心軸的正圓形狀，但并不局限于此。即，只要是與標(biāo)識(shí)器3的固定面平行的方向的最大長(zhǎng)度比從光源2射出的光的波長(zhǎng)短的形狀，則可以是任何形狀，例如可以是橢圓形狀、矩形狀等。
[0087]另外，在上述實(shí)施方式中，第二介質(zhì)32由丙烯酸樹脂等形成，但并不局限于此。例如，也可以在收納第二介質(zhì)32的區(qū)域收納氣體。在該情況下，可以密封任意的氣體，也可以將第二介質(zhì)32的區(qū)域設(shè)為空間，由此將空氣設(shè)為第二介質(zhì)32。
[0088]通過在收納第二介質(zhì)32的區(qū)域收納氣體，在標(biāo)識(shí)器3變位時(shí)不會(huì)在第一介質(zhì)31與第二介質(zhì)32之間產(chǎn)生縫隙，另外，在標(biāo)識(shí)器3的溫度上升了的情況下，也能夠減小因第一介質(zhì)31與第二介質(zhì)32的熱膨脹之差而產(chǎn)生的應(yīng)力，因此能夠進(jìn)一步提高變形量的檢測(cè)精度。
[0089]另外，在上述實(shí)施方式中，如圖1所示，將光源2與檢測(cè)部4分開配置，但并不局限于此。即，也可以使光源2及檢測(cè)部4鄰接配置，并且從光源2向與標(biāo)識(shí)器3的固定面大致垂直的方向射出光。
[0090]由此，能夠相對(duì)于標(biāo)識(shí)器3大致垂直地入射光束，因此能夠極力抑制因光束的入射角度而產(chǎn)生的分光強(qiáng)度的偏差，從而能夠確保變形量的測(cè)定精度的穩(wěn)定性。
[0091]另外，在上述實(shí)施方式中，例舉說明了由標(biāo)識(shí)器3反射從光源2射出的光束的結(jié)構(gòu)，但并不局限于此。例如，也可以通過將標(biāo)識(shí)器3及被測(cè)定對(duì)象物W設(shè)為透明體而形成從光源2射出的光束透過標(biāo)識(shí)器3及被測(cè)定對(duì)象物W的結(jié)構(gòu)。在該情況下，檢測(cè)部4被配置于從光源2射出的光束透過標(biāo)識(shí)器3及被測(cè)定對(duì)象物W后的前方，檢測(cè)由標(biāo)識(shí)器3透過了的光的光譜強(qiáng)度。
[0092]由此，能夠使用透過了標(biāo)識(shí)器3及被測(cè)定對(duì)象物W的光來測(cè)定變形量，因此與使用了反射光的測(cè)定相比，能夠更加提高測(cè)定精度。
[0093]另外，可以具備測(cè)定標(biāo)識(shí)器3及被測(cè)定對(duì)象物W的溫度的溫度測(cè)定部，信號(hào)處理部5根據(jù)由溫度測(cè)定部測(cè)定出的溫度，計(jì)算標(biāo)識(shí)器3及被測(cè)定對(duì)象物W的楊氏模量。
[0094]由此，能夠根據(jù)計(jì)算出的楊氏模量修正測(cè)定值，因此能夠進(jìn)一步提高變形量的測(cè)定精度。另外，不僅能計(jì)算變形量，還能計(jì)算因載荷產(chǎn)生的應(yīng)力。
[0095]另外，在上述實(shí)施方式中，將標(biāo)識(shí)器3固定于被測(cè)定對(duì)象物W的表面，但并不局限于此。即，只要標(biāo)識(shí)器3被設(shè)置于被測(cè)定對(duì)象物W的表面即可，更加優(yōu)選通過粘合等將標(biāo)識(shí)器3固定于被測(cè)定對(duì)象物W的表面，但例如也可以是將標(biāo)識(shí)器3載置于被測(cè)定對(duì)象物W的表面的結(jié)構(gòu)。
[0096]另外，在上述實(shí)施方式中，例舉說明了第二介質(zhì)32具有與第一介質(zhì)31相同的厚度的結(jié)構(gòu)，但并不局限于此。即，只要是第二介質(zhì)32在與標(biāo)識(shí)器3的設(shè)置面平行的平面上與第一介質(zhì)31同時(shí)存在的結(jié)構(gòu)即可，例如，可以是第二介質(zhì)32的厚度薄于第一介質(zhì)31的厚度的結(jié)構(gòu)。
[0097]此外，有關(guān)構(gòu)成應(yīng)變傳感器的各裝置的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)及各裝置的細(xì)節(jié)動(dòng)作，可在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)適當(dāng)變更。
[0098]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的一個(gè)方面，提供如下應(yīng)變傳感器，其具備:光源，其射出光;標(biāo)識(shí)器，其被配置于被測(cè)定對(duì)象物的表面，并反射或透過從上述光源射出的光;檢測(cè)部，其檢測(cè)由上述標(biāo)識(shí)器反射或透過后的光的光強(qiáng)度；以及信號(hào)處理部，其根據(jù)由上述檢測(cè)部檢測(cè)出的光強(qiáng)度來計(jì)算變形量，上述標(biāo)識(shí)器形成為具有折射率不同的第一介質(zhì)及第二介質(zhì)的平板薄膜狀，上述第二介質(zhì)在與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的平面上與上述第一介質(zhì)同時(shí)存在，并且，被周期性地排列在上述第一介質(zhì)內(nèi)，上述第二介質(zhì)的與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向的最大長(zhǎng)度形成為比從上述光源射出的光的波長(zhǎng)短，上述第一介質(zhì)及上述第二介質(zhì)相對(duì)于與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向的載荷而變形。
[0099]該應(yīng)變傳感器能夠測(cè)定基于納米尺寸的位移的變形量。
[0100]本申請(qǐng)以2015年2月26日向日本專利局申請(qǐng)的日本特愿2015-036053號(hào)專利為基礎(chǔ)，本申請(qǐng)中的全部記載內(nèi)容都被日本特愿2015-036053號(hào)專利公開。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種應(yīng)變傳感器，其特征在于，具備: 光源，其射出光； 標(biāo)識(shí)器，其被設(shè)置于被測(cè)定對(duì)象物的表面，反射或透過從上述光源射出的光； 檢測(cè)部，其檢測(cè)由上述標(biāo)識(shí)器反射或透過后的光的光強(qiáng)度；以及 信號(hào)處理部，其根據(jù)由上述檢測(cè)部檢測(cè)出的光強(qiáng)度計(jì)算變形量， 上述標(biāo)識(shí)器被形成為具有折射率不同的第一介質(zhì)及第二介質(zhì)的平板薄膜狀， 上述第二介質(zhì)在與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的平面上與上述第一介質(zhì)同時(shí)存在，并且周期性地被排列于上述第一介質(zhì)內(nèi)， 上述第二介質(zhì)的與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向的最大長(zhǎng)度被形成為比從上述光源射出的光的波長(zhǎng)短， 上述第一介質(zhì)及上述第二介質(zhì)相對(duì)于與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向的載荷而變形。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其中， 上述光源射出多束向與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面平行的方向偏振且偏振方向彼此不同的光， 上述檢測(cè)部進(jìn)一步檢測(cè)由上述標(biāo)識(shí)器反射或透過后的光的偏振方向， 上述信號(hào)處理部根據(jù)由上述檢測(cè)部檢測(cè)出的光強(qiáng)度及偏振方向計(jì)算應(yīng)變方向。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)變傳感器，其中， 上述光源射出向由上述信號(hào)處理部計(jì)算出的應(yīng)變方向偏振的第一光、和向與上述第一光垂直的方向偏振的第二光。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)變傳感器，其中 上述光源射出隨著時(shí)間變化而偏振方向不同的光。5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)變傳感器，其中， 上述光源被配置多個(gè)， 上述多個(gè)光源射出偏振方向彼此不同的光。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)變傳感器，其中， 上述信號(hào)處理部根據(jù)表示每個(gè)偏振方向所具備的上述光強(qiáng)度與上述變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)計(jì)算上述變形量。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其中， 上述信號(hào)處理部根據(jù)表示上述光強(qiáng)度與上述變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的表數(shù)據(jù)計(jì)算上述變形量。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其中， 收納上述第二介質(zhì)的區(qū)域被形成為俯視時(shí)以與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面垂直的方向?yàn)橹行妮S的正圓形狀。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其中， 在收納上述第二介質(zhì)的區(qū)域收納氣體。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其中， 上述光源及上述檢測(cè)部被鄰接配置， 上述光源向與上述標(biāo)識(shí)器的設(shè)置面大致垂直的方向射出光。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其中， 上述標(biāo)識(shí)器及上述被測(cè)定對(duì)象物為透明體， 上述檢測(cè)部檢測(cè)透過了上述標(biāo)識(shí)器的光的光譜強(qiáng)度。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其中， 具備測(cè)定上述標(biāo)識(shí)器及上述被測(cè)定對(duì)象物的溫度的溫度測(cè)定部， 上述信號(hào)處理部根據(jù)由上述溫度測(cè)定部測(cè)定出的溫度，計(jì)算上述標(biāo)識(shí)器及上述被測(cè)定對(duì)象物的楊氏模量。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器，其中， 上述光源射出波長(zhǎng)為Iym以下的光束。14.一種變形量測(cè)定方法，其使用了權(quán)利要求1?13中任一項(xiàng)所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于， 具有根據(jù)由上述檢測(cè)部檢測(cè)出的光強(qiáng)度計(jì)算變形量的工序。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK105928465SQ201610104519
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年2月25日
【發(fā)明人】池田和樹, 黑澤崇, 植村英生
【申請(qǐng)人】柯尼卡美能達(dá)株式會(huì)社