JP2005156178A - Pressure evaluation method and optical waveguide type pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学プラント、製薬プラントなどに用いられる流体輸送管や圧力容器、また、日常のガスや水道管等の配管などの管壁圧力検出器や、水圧・ガス圧測定用の圧力センサとして好適に使用される光導波型圧力センサ及び圧力評価方法に関するものである。 The present invention is a fluid transport pipe and pressure vessel used in chemical plants, pharmaceutical plants, etc., as well as pipe wall pressure detectors such as pipes for daily gas and water pipes, and pressure sensors for measuring water pressure and gas pressure. The present invention relates to a suitably used optical waveguide pressure sensor and pressure evaluation method.
従来より、流体輸送管や圧力容器などの管壁に作用する圧力を検出する管壁圧力検出器としては、歪ゲージが用いられている。流体輸送管は、輸送液による内外の圧力差により管壁に力が作用することで、管が膨脹又は収縮する。蒸気管圧力検出器は、管の膨張又は収縮の変化量を歪ゲージで測定する方法である。 Conventionally, a strain gauge has been used as a tube wall pressure detector for detecting a pressure acting on a tube wall such as a fluid transport tube or a pressure vessel. In the fluid transport pipe, a force acts on the pipe wall due to a pressure difference between the inside and outside of the transport liquid, and the pipe expands or contracts. The steam pipe pressure detector is a method of measuring a change amount of expansion or contraction of a pipe with a strain gauge.
上記歪ゲージを用いた測定方法は、流体輸送管の外壁に歪ゲージを接着により固定し、流体輸送管の膨脹、収縮に伴う管外周の長さの変化によりゲージの長さが変化する方式で、その歪みの抵抗値を変化させる方法である。 The measurement method using the strain gauge is a method in which the strain gauge is fixed to the outer wall of the fluid transport pipe by adhesion, and the length of the gauge changes due to the change in the length of the outer circumference of the pipe accompanying expansion and contraction of the fluid transport pipe. This is a method of changing the resistance value of the distortion.
この方法では、この時の抵抗変化をホイートストンブリッヂなどの抵抗測定回路や直流4端子法を用いて測定することにより、流体輸送管の管壁に作用した圧力を間接的に知るようにしている。 In this method, the change in resistance at this time is measured using a resistance measuring circuit such as a Wheatstone bridge or the direct current four-terminal method, so that the pressure acting on the pipe wall of the fluid transport pipe is indirectly known.
その他の圧力評価方法としては、誘電体を用いた方法がある。この方法では、圧力を受けた際に発生する歪を電歪として電圧変換し、電圧値より圧力を測定する方法が一般的に用いられている。また、誘電体の誘電率の変化による容量変化からも、同様に圧力を評価することができる。 As another pressure evaluation method, there is a method using a dielectric. In this method, a method is generally used in which the strain generated when pressure is applied is converted into voltage as electrostriction and the pressure is measured from the voltage value. Further, the pressure can be similarly evaluated from a change in capacitance due to a change in the dielectric constant of the dielectric.
一方、磁性体の磁歪効果を用いる方法も知られている。この方法では、ホールプローブを磁性体表面に装着して、磁性体に加わる圧力により発生する磁束密度を測定し圧力を評価する。例えばFe2Dy系のような超磁歪材料を用いて、磁歪で発生する磁束を評価することが行われている。 On the other hand, a method using the magnetostrictive effect of a magnetic material is also known. In this method, a Hall probe is attached to the surface of a magnetic material, and the magnetic flux density generated by the pressure applied to the magnetic material is measured to evaluate the pressure. For example, the magnetic flux generated by magnetostriction is evaluated using a giant magnetostrictive material such as Fe 2 Dy.
他に、光ファイバーを用いた方法、光導波路を用いた方法についても開示がなされている(特許文献1〜2参照)。
しかしながら、上記従来のような、抵抗変化を用いた歪ゲージでの測定方法では、抵抗値が温度により変化するために温度補正を必要とし、特に、歪ゲージ全体に温度分布を持つ場合には、温度補正ができないという根本的な問題がある。 However, in the conventional measurement method using a strain gauge using a resistance change, since the resistance value changes with temperature, a temperature correction is required, and particularly when the strain gauge has a temperature distribution as a whole, There is a fundamental problem that the temperature cannot be corrected.
また、上記のような誘電体の特性を用いて圧力を測定する場合の問題点として、温度による誘電体特性の変化が大きく、室温から100℃程度の間でも誘電率や電歪特性が大きく変わるため、温度補正を掛ける必要がある。特に室温から100℃程度の低温では熱量の拡散が小さく、センサ全体で温度分布が生じやすく、温度補正を掛けにくいという根本的な問題を含んでいる。 In addition, as a problem when measuring pressure using the above-mentioned dielectric characteristics, the change in dielectric characteristics due to temperature is large, and the dielectric constant and electrostriction characteristics also vary greatly between room temperature and about 100 ° C. Therefore, it is necessary to apply temperature correction. In particular, at a low temperature of about 100 ° C. from room temperature, there is a fundamental problem that the amount of heat diffusion is small, temperature distribution tends to occur in the entire sensor, and temperature correction is difficult to apply.
更に、用いる誘電体として、PLZTやPZT等では電歪特性にヒステリシスを有しており、温度補正以外にも補正を行うという複雑な回路を必要としていた。更にはピエゾ素子による起電が小さいこと、及び得られた起電力変化を信号処理するには静電容量が足りないことや、多少のヒステリシスも伴うために精度が出ないという問題があった。 Furthermore, as a dielectric to be used, PLZT, PZT, etc. have hysteresis in electrostriction characteristics, and a complicated circuit for performing correction other than temperature correction is required. Furthermore, there is a problem that the electromotive force generated by the piezo element is small, the capacitance is insufficient for signal processing of the obtained electromotive force change, and the accuracy is not obtained due to some hysteresis.
一方、上記特許文献2に示すような、光ファイバーを用いた歪測定では、10mmHg程度の圧力に対する感度は低いという問題がある。この方法では回折格子間が歪により変化し反射スペクトル特性が変化する方法を用いているが、直接圧力を測定するものではなく、歪により伸縮する状態から圧力を間接的に評価するものである。
On the other hand, the strain measurement using an optical fiber as shown in
上記のように、歪みゲージを用いた管壁圧力検出器や誘電体薄膜を用いた電歪による圧力測定、更に光ファイバーでの歪計測等、様々な方法があるが、温度やヒステリシス補正等を必要としない、且つ簡易な方法で微小の圧力変化を計測することが出来なかった。 As described above, there are various methods such as tube wall pressure detector using strain gauge, electrostrictive pressure measurement using dielectric thin film, and strain measurement using optical fiber, but temperature and hysteresis correction etc. are required. It was not possible to measure a small pressure change by a simple method.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、温度変化に対して影響が少なく、且つヒステリシス補正を必要としない、高感度な圧力検出が可能で、しかも取扱いが簡単な光導波型圧力センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is an optical waveguide pressure sensor that has a small effect on temperature change, does not require hysteresis correction, can perform highly sensitive pressure detection, and is easy to handle. The purpose is to provide.
1.光導波路を用いた圧力評価方法において、光導波路の少なくとも一部に、弾性変形する弾性導波路を形成し、前記弾性導波路を被検査部材表面に直接又は間接的に当接して、弾性導波路の弾性変形による光導波路の透過光又は反射光の光学的変化を検知することにより、前記被検査部材に加わる圧力を評価することを特徴とする圧力評価方法。 1. In a pressure evaluation method using an optical waveguide, an elastic waveguide that is elastically deformed is formed on at least a part of the optical waveguide, and the elastic waveguide is brought into direct or indirect contact with the surface of a member to be inspected. A pressure evaluation method characterized by evaluating a pressure applied to the member to be inspected by detecting an optical change of transmitted light or reflected light of an optical waveguide due to elastic deformation of the optical waveguide.
2.光導波路を用いた圧力評価方法において、光導波路の少なくとも一部に、弾性変形する光学的な異相端面を形成し、該異相端面を被検査部材表面に直接又は間接的に当接して、異相端面の弾性変形による異相端面における反射角又は入射角の変化に起因した光学的変化を検知することにより、被検査部材に加わる圧力を評価することを特徴とする圧力評価方法。 2. In a pressure evaluation method using an optical waveguide, an optically different end face that is elastically deformed is formed on at least a part of the optical waveguide, and the different end face is brought into direct or indirect contact with the surface of a member to be inspected. A pressure evaluation method for evaluating a pressure applied to a member to be inspected by detecting an optical change caused by a change in a reflection angle or an incident angle at a different phase end face due to elastic deformation of the member.
3.光導波路の少なくとも一部に形成される弾性導波路における体積弾性率(Pa)を変化させることにより、被検査部材に加えられる圧力に対する弾性導波路の弾性変位量を変化させ、光導波路における光学的変化量を調節することを特徴とする請求項1記載の圧力評価方法。
3. By changing the volume modulus of elasticity (Pa) in the elastic waveguide formed in at least a part of the optical waveguide, the amount of elastic displacement of the elastic waveguide with respect to the pressure applied to the member to be inspected is changed. The pressure evaluation method according to
4.光導波路中を伝播する光の強度、光の偏光強度、光の波長分散の変化量からなる群より選ばれる少なくとも1以上の特性と、被検査部材に加わる圧力との相関関係を用いて圧力を測定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧力評価方法。 4). The pressure is determined using a correlation between at least one characteristic selected from the group consisting of the intensity of light propagating in the optical waveguide, the polarization intensity of the light, and the amount of change in the wavelength dispersion of the light, and the pressure applied to the member to be inspected. It measures, The pressure evaluation method of any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.
5. 光導波路中に入射した入射光の反射光量を光導波路の入射側で計測するか、又は、光導波路中に入射した入射光の透過光量を光導波路の透過側で計測することにより、弾性導波路又は光導波路の弾性変形による光学的変化を検知することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧力評価方法。
5). By measuring the amount of reflected light incident on the optical waveguide on the incident side of the optical waveguide, or measuring the amount of transmitted incident light incident on the optical waveguide on the transmission side of the optical waveguide, an elastic waveguide The pressure evaluation method according to
6.光導波路を備えた光導波路型圧力センサであって、被検査部材表面に当接する当接面と、前記光導波路の少なくとも一部に形成される弾性導波路とを備え、前記弾性導波路は、前記当接面を介して伝播する被検査部材表面の圧力により弾性変形することを特徴とする光導波路型圧力センサ。 6). An optical waveguide type pressure sensor including an optical waveguide, comprising: a contact surface that contacts the surface of a member to be inspected; and an elastic waveguide formed on at least a part of the optical waveguide. An optical waveguide type pressure sensor that is elastically deformed by the pressure of a surface of a member to be inspected that propagates through the contact surface.
7.弾性導波路は、体積弾性率が5×109Pa以下であるゴム及び/又は合成樹脂であることを特徴とする請求項6記載の光導波路型圧力センサ。
7). 7. The optical waveguide pressure sensor according to
8.光導波路を備えた光導波路型圧力センサであって、被検査部材表面に当接する当接面と、前記光導波路の少なくとも一部に形成される光学的な異相端面とを備え、前記異相端面は、前記当接面を介して伝播する被検査部材表面の圧力により弾性変形することを特徴とする光導波路型圧力センサ。 8). An optical waveguide pressure sensor including an optical waveguide, comprising: an abutting surface that abuts on a surface of a member to be inspected; and an optical different phase end surface formed on at least a part of the optical waveguide, An optical waveguide pressure sensor that is elastically deformed by the pressure of the surface of the member to be inspected that propagates through the contact surface.
9.光導波路中に出入射する光の光学的変化を検知する検知部を備えたことを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の光導波路型圧力センサ。
9. The optical waveguide type pressure sensor according to any one of
10.光導波路が光ファイバーであることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の光導波路型圧力センサ。
10. The optical waveguide pressure sensor according to any one of
11.光導波路に対して当接面と反対側に設けられ、光導波路を支持するための支持基板と、当接面側に設けられ被検査部材表面の圧力を弾性導波路又は光導波路に伝播するための感圧部とを備えていることを特徴とする請求項6〜10のいずれか1項に記載の光導波路型圧力センサ。
11. A support substrate for supporting the optical waveguide provided on the side opposite to the contact surface with respect to the optical waveguide, and a pressure on the surface of the member to be inspected provided on the contact surface side to propagate to the elastic waveguide or the optical waveguide The optical waveguide pressure sensor according to
12.光導波路に対して当接面と反対側に設けられ、光導波路を支持するための支持基板と、該支持基板と光導波路との間に設けられ、被検査部材表面から光導波路を介して伝播する圧力により弾性変形する弾性部が設けられていることを特徴とする請求項6〜11のいずれか1項に記載の光導波路型圧力センサ。
12 Providing the optical waveguide on the opposite side of the contact surface, supporting the optical waveguide, provided between the support substrate and the optical waveguide, and propagating from the surface of the member to be inspected through the optical waveguide The optical waveguide pressure sensor according to any one of
本発明の圧力評価方法によれば、被検査部材の表面、又は支持基板上に弾性変形する弾性導波路を形成し、被検査部材の圧力を弾性導波路の弾性変形による光学的変化を用いて圧力評価を行う。この弾性導波路として、弾性定数、反発弾性率又は体積弾性率を様々に変えたゴム材質を利用したり、又はゴム材質中に高屈折率材料や逆に低屈折率材料を添加して圧力による媒体密度の変化を利用して媒体の屈折率を大きく変化させることができる。本発明の圧力評価方法は、これにより、伝播する光の強度や光スペクトルの変化を評価して、高感度な圧力検知が可能であり、しかも取り扱いが簡単な圧力評価方法を提供することができる。 According to the pressure evaluation method of the present invention, an elastic waveguide that is elastically deformed is formed on the surface of a member to be inspected or a support substrate, and the pressure of the member to be inspected is changed using an optical change caused by elastic deformation of the elastic waveguide. Perform pressure assessment. As this elastic waveguide, a rubber material with variously changed elastic constants, rebound elastic modulus or bulk elastic modulus is used, or a high refractive index material or a low refractive index material is added to the rubber material, and depending on pressure. The refractive index of the medium can be greatly changed by utilizing the change in the medium density. Thus, the pressure evaluation method of the present invention can provide a pressure evaluation method that is capable of highly sensitive pressure detection and is easy to handle by evaluating the intensity of propagating light and changes in the optical spectrum. .
また、本発明によれば、被検査部材の壁面等に作用する圧力に対して、被検査部材の表面、又は支持基板上に、光学的な異相端面(異相界面)を有する弾性導波路を形成し、被検査部材の壁面等に作用する圧力を、該異相界面部の弾性変形による媒体密度の変化を利用して媒体の屈折率をより大きく変化させて光学的変化を検知することができる。 Further, according to the present invention, an elastic waveguide having an optically different end face (different phase interface) is formed on the surface of the member to be inspected or on the support substrate against the pressure acting on the wall surface of the member to be inspected. Then, the pressure acting on the wall surface of the member to be inspected can be detected by changing the refractive index of the medium more greatly by utilizing the change in the medium density due to the elastic deformation of the different phase interface.
本発明の光導波路型圧力センサを用いれば、前記光学的変化を検知することにより、前記圧力を評価でき、光導波路の一部に弾性変形する弾性導波路を形成し、この弾性導波路を被検査部材に接触させて被検査部材に加わる圧力を弾性導波路の変形による光導波路の光学的変化を用いて評価する。これにより、従来に比較して、温度に依存せず、且つ高感度に圧力を検知し、評価することができる。また構成も簡易であり製作しやすい上に、取扱いも簡単にできるなど産業上利用価値が大である。 By using the optical waveguide pressure sensor of the present invention, the pressure can be evaluated by detecting the optical change, and an elastic waveguide that is elastically deformed is formed in a part of the optical waveguide, and the elastic waveguide is covered. The pressure applied to the member to be inspected in contact with the inspection member is evaluated using the optical change of the optical waveguide due to the deformation of the elastic waveguide. Thereby, compared with the past, pressure can be detected and evaluated with high sensitivity without depending on temperature. In addition, the structure is simple and easy to manufacture, and it can be handled easily, and thus has great industrial utility value.
本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の圧力評価方法は、光導波路の少なくとも一部に、弾性変形する弾性導波路を形成し、被検査部材の圧力を該弾性導波路の変形による光学的変化を検知することにより、圧力測定を行うなど、圧力を評価する方法である。 According to the pressure evaluation method of the present invention, an elastic waveguide that is elastically deformed is formed in at least a part of an optical waveguide, and the pressure of the member to be inspected is measured by detecting an optical change due to the deformation of the elastic waveguide. This is a method for evaluating the pressure.
本発明の光導波路型圧力センサは、光導波路を備えた光導波路型圧力センサであって、被検査部材表面に当接する当接面と、前記光導波路の少なくとも一部に形成される弾性導波路とを備え、前記弾性導波路は、前記当接面を介して伝播する被検査部材表面の圧力により弾性変形する構成である。 An optical waveguide type pressure sensor according to the present invention is an optical waveguide type pressure sensor provided with an optical waveguide, wherein the contact surface is in contact with the surface of a member to be inspected, and an elastic waveguide is formed on at least a part of the optical waveguide. The elastic waveguide is configured to be elastically deformed by the pressure of the surface of the member to be inspected that propagates through the contact surface.
本発明の光導波路型圧力センサには、光導波路中に出入射する光の光学的変化を検知する検知部が備えられていてもよく、検知部が光導波路型圧力センサ外部に取り付けられている構成であってもよい。 The optical waveguide pressure sensor of the present invention may be provided with a detection unit that detects an optical change of light entering and exiting the optical waveguide, and the detection unit is attached to the outside of the optical waveguide pressure sensor. It may be a configuration.
本発明によれば、被検査部材の表面又は支持基板上に、弾性変形する弾性導波路を形成し、被検査部材の圧力を弾性導波路の弾性変形による光学的変化を検知することにより圧力評価を行うことができる。 According to the present invention, an elastic waveguide that is elastically deformed is formed on the surface of a member to be inspected or a support substrate, and the pressure of the member to be inspected is detected by detecting an optical change due to elastic deformation of the elastic waveguide. It can be performed.
また、本発明の圧力評価方法は、光導波路の少なくとも一部に光学的な異相端面を形成した構成としてもよい。この異相端面は、被検査部材表面から伝播する圧力により弾性変形するように構成する。 Further, the pressure evaluation method of the present invention may have a configuration in which an optically different end face is formed on at least a part of the optical waveguide. The different phase end surface is configured to be elastically deformed by the pressure propagating from the surface of the member to be inspected.
このように異相端面を形成することで、被検査部材の圧力を光導波路の弾性変形による異相端面の反射角や入射角の違いに起因した光学的変化を検知することにより圧力評価を行うことができる。 By forming the different phase end face in this manner, the pressure of the member to be inspected can be evaluated by detecting an optical change caused by a difference in reflection angle or incident angle of the different phase end face due to elastic deformation of the optical waveguide. it can.
具体的には、例えば光導波路の異相端面としては、単純にクラックだけの状態、つまり非接合界面として空気があるという状態であってもよく、また、他の媒質、例えば透明なゴムやプラスチック媒体により非連続界面を形成したものであってもよい。このように、同一の光導波路材料が連続して存在しない非連続界面が形成されていれば、該非連続界面部において光の透過性が変化するので、該界面部に圧力が加えられた時の光の変化量から、被検査部材表面に作用する圧力を推定し評価することができる。 Specifically, for example, the different phase end face of the optical waveguide may be in a state of only a crack, that is, a state where there is air as a non-bonding interface, and other media such as a transparent rubber or plastic medium. May form a discontinuous interface. Thus, if a non-continuous interface in which the same optical waveguide material does not exist continuously is formed, the light transmittance changes at the non-continuous interface, so that when pressure is applied to the interface, The pressure acting on the surface of the member to be inspected can be estimated and evaluated from the amount of change in light.
上記いずれの方法でも、形成された光導波路は、同一の導波路材料が連続しているのではなく、圧力測定部において異相端面、すなわち、不連続界面、又は弾性定数の異なる不連続層を有している。 In any of the above methods, the formed optical waveguide does not have the same waveguide material continuous, but has a different-phase end face, that is, a discontinuous interface, or a discontinuous layer having a different elastic constant in the pressure measurement section. doing.
本発明の光導波路に用いられる材質又は異相端面部の材料としては、透明な材質であれば特に限定されるものではないが、シロキサン骨格のシリコンゴム系、ポリエチレン、ポリカーボネイト、フッ素系樹脂等が挙げられる。 The material used for the optical waveguide of the present invention or the material of the different phase end face portion is not particularly limited as long as it is a transparent material, and examples thereof include siloxane skeleton silicon rubber, polyethylene, polycarbonate, fluorine resin, and the like. It is done.
また、これらの材質の中に、屈折率が相対的に異なる他の材質として、例えば酸化チタンや酸化ケイ素、PLZT,PZT,チタン酸バリウム等の添加物を加えて、媒体の屈折率を大きく、圧力を受けた際の密度変化に伴って生じる光学物性の変化を大きくする構成を用いてもよい。これにより、圧力の測定精度をさらに向上させることができる。 In addition, among these materials, as other materials having relatively different refractive indexes, for example, an additive such as titanium oxide, silicon oxide, PLZT, PZT, barium titanate, etc. is added to increase the refractive index of the medium, You may use the structure which enlarges the change of the optical physical property which arises with the density change at the time of receiving a pressure. Thereby, the pressure measurement accuracy can be further improved.
本発明の光導波路は、シリコンウエハー等の結晶を支持基板として用いて、CVDやスパッター法により、酸化ケイ素等により形成してもよく、また、一般的な回路基板のエポキシ基板の上に光ファイバーを設置する構成としてもよい。 The optical waveguide of the present invention may be formed of silicon oxide or the like by a CVD or sputtering method using a crystal such as a silicon wafer as a supporting substrate, and an optical fiber is formed on an epoxy substrate of a general circuit board. It is good also as a structure to install.
本発明の弾性導波路としては、弾性定数、反発弾性率又は体積弾性率を様々に変えたゴムや合成樹脂を利用することができる。また、ゴムや合成樹脂の材質中に高屈折率材料や逆に低屈折率材料を添加して圧力による媒体密度の変化を利用して媒体の屈折率を大きく変化させた媒体を用いることもできる。例えば、弾性導波路としては、体積弾性率が5×109Pa以下であるゴム又は合成樹脂等が用いられる。本発明の圧力評価方法は、前記弾性光導波路を用いて、伝播する光の強度や光スペクトルの変化を検知することによって、被検査部材表面に作用する圧力を評価するものである。 As the elastic waveguide of the present invention, rubber or synthetic resin in which the elastic constant, rebound elastic modulus, or bulk elastic modulus is variously changed can be used. It is also possible to use a medium in which the refractive index of the medium is greatly changed by adding a high refractive index material or conversely a low refractive index material to the material of rubber or synthetic resin and utilizing the change in the medium density due to pressure. . For example, as the elastic waveguide, rubber or synthetic resin having a bulk modulus of 5 × 10 9 Pa or less is used. The pressure evaluation method of the present invention evaluates the pressure acting on the surface of the member to be inspected by detecting the intensity of propagating light or changes in the optical spectrum using the elastic optical waveguide.
本発明の光導波路型圧力センサには、被検査部材表面に直接又は間接的に当接する当接面が設けられている。これにより、圧力を均一化してセンサ側に伝播することができる。 The optical waveguide pressure sensor of the present invention is provided with a contact surface that directly or indirectly contacts the surface of the member to be inspected. Thereby, the pressure can be made uniform and propagated to the sensor side.
本発明の光導波路型圧力センサには、前記当接面と反対側に設けられ、光導波路を支持するための支持基板が設けられていてもよい。また、当接面側に、被検査部材表面の圧力を弾性導波路に伝播するための感圧部が設けられていることが好ましい。感圧部は、例えば、弾性導波路と同じ材質で、該弾性導波路と一体に成形し、光導波路に対して当接面側に設ける。また、感圧部表面を当接面自体として形成してもよい。このように感圧部を設けることで、圧力を均一化して伝播できる。 The optical waveguide pressure sensor of the present invention may be provided with a support substrate that is provided on the side opposite to the contact surface and supports the optical waveguide. Further, it is preferable that a pressure-sensitive portion for propagating the pressure on the surface of the member to be inspected to the elastic waveguide is provided on the contact surface side. For example, the pressure-sensitive portion is made of the same material as the elastic waveguide, is formed integrally with the elastic waveguide, and is provided on the contact surface side with respect to the optical waveguide. Further, the pressure-sensitive portion surface may be formed as the contact surface itself. By providing the pressure sensitive part in this way, the pressure can be made uniform and propagated.
また、上記当接面と反対側に設けられ、光導波路を支持するための支持基板を設ける構成としてもよい。また、支持基板と光導波路との間に、被検査部材表面から光導波路を介して伝播する圧力により弾性変形する弾性部を設ける構成としてもよい。弾性部は、例えば、弾性導波路と一体に成形し、前記支持基板に嵌合する。 Moreover, it is good also as a structure which provides in the opposite side to the said contact surface and provides the support substrate for supporting an optical waveguide. Moreover, it is good also as a structure which provides the elastic part elastically deformed by the pressure which propagates via the optical waveguide from the to-be-inspected member surface between a support substrate and an optical waveguide. The elastic part is formed integrally with the elastic waveguide, for example, and is fitted to the support substrate.
本発明の光導波路型圧力センサには、上記当接面上をさらに被覆するハードコート膜が設けられていてもよい。ハードコート膜としては、例えば、SUSやNi,Fe,SiO2,アルミナ、ガラス基板、ポリアクリル系ハードコート等の金属や無機化合物、所定の硬度を有する有機樹脂等が用いられる。また、当接面自体を上記ハードコート膜で形成する構成としてもよい。 The optical waveguide pressure sensor of the present invention may be provided with a hard coat film that further covers the contact surface. As the hard coat film, for example, SUS, Ni, Fe, SiO2, alumina, a glass substrate, a polyacrylic hard coat or other metal or an inorganic compound, an organic resin having a predetermined hardness, or the like is used. The contact surface itself may be formed of the hard coat film.
また、上記ハードコート膜を、スパッターやプラズマCVD等により酸化ケイ素や酸化アルミニウム、窒化珪素等で形成して、耐酸化性や耐腐食性を向上させることができる。これにより、被検査部材の状態によって、光導波路型圧力センサを用いる環境が、酸化性や腐食性環境になる場合に備えて、耐酸化性、耐腐食性をさらに向上させることができる。 In addition, the hard coat film can be formed of silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, or the like by sputtering, plasma CVD, or the like to improve oxidation resistance and corrosion resistance. Thereby, depending on the state of the member to be inspected, the oxidation resistance and the corrosion resistance can be further improved in preparation for the case where the environment using the optical waveguide pressure sensor becomes an oxidizing or corrosive environment.
上記ハードコート膜を設けず、上記感圧部表面に当接面を形成して、直接、被検査部材表面の圧力を感圧部を介して異相端面部に加え、界面部での不均一な圧力分布を計測することも可能である。 Without providing the hard coat film, a contact surface is formed on the surface of the pressure-sensitive part, and the pressure of the surface of the member to be inspected is directly applied to the different phase end surface part via the pressure-sensitive part, and unevenness at the interface part It is also possible to measure the pressure distribution.
光導波路に伝播させる光としては、例えば、半導体レーザー、ガスレーザー、発光ダイオード、通常のタングステンランプ等光源に限定はないが、光スペクトルの変化を用いる場合には抵抗加熱を用いたランプが妥当であり、また光の強度変化を用いる場合にはLD,LEDのどちらを用いても良い。 The light propagating in the optical waveguide is not limited to light sources such as semiconductor lasers, gas lasers, light emitting diodes, and ordinary tungsten lamps, but lamps using resistance heating are appropriate when using changes in the optical spectrum. In addition, when using a change in light intensity, either LD or LED may be used.
以下、本発明の一実施例を図面に従い説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, although one Example of this invention is described according to drawing, this invention is not limited to these Examples.
図1は、本発明の一実施例に係る圧力センサ20の概略構成を示す説明図である。図1に示すように、圧力センサ20は、1mm厚のポリカーボネイト基板1(支持基板)と、ポリカーボネイト基板1上に嵌合されたシリコンゴム2(弾性部)と、該シリコンゴム2上に設置された、0.1mmφのガラス製の光ファイバー3(光導波路)を備えている。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a pressure sensor 20 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the pressure sensor 20 is installed on a 1 mm thick polycarbonate substrate 1 (support substrate), silicon rubber 2 (elastic portion) fitted on the
光ファイバー3の間隙には、シリコンゴムで作製された弾性導波路6が設けられている。光ファイバー3上面には、光ファイバー3上面を全体的に覆うようにシリコンゴム4(感圧部)が形成されている。シリコンゴム4、弾性導波路6、及び、シリコンゴム2は、この順に一体成形されている。さらに、シリコンゴム4上には、圧力センサ20における被検査部材との接触面に加えられる圧力を均一化し、耐酸化性、耐腐食性を向上させるために、アクリル樹脂系のハードコート膜5が形成されている。
An
ここで、光ファイバー3には、GaAlAs系LD発光波長760nmの光を、光ファイバー3の片端面6Aに入射し、戻り光を図示しないハーフミラーで分光し、PD(photo−detector)(検知部)で光強度を測定する。また、光ファイバーの端面6Bより得られる透過光も同様にPD(photo−detector)で光強度を測定する。
Here, the light having a GaAlAs-based LD emission wavelength of 760 nm is incident on the
本実施例では、シリコンゴムに高屈折材料のPZTの0.5ミクロン粒子を0〜50vol%で充填して屈折率を大きくして、戻り光を大きくしている。こうすることで、不連続界面(シリコンゴムで作製された弾性導波路6と光ファイバー3との界面)に作用する圧力に対する感度を上げることができる。高屈折材料としては、上記PZTが挙げられるが、他に、PLZT、チタン酸バリウム等が挙げられる。また、上記粒子径は、0.5ミクロンであったが、粒子径は特に限定されず、必要に応じ適宜定めればよい。
シリコンゴムに対する高屈折材料の割合が50vol%を超えると、弾性強度の低下が生じるため好ましくない。
In this embodiment, silicon rubber is filled with 0.5 to 50 vol% of PZT, which is a highly refractive material, to increase the refractive index and increase the return light. By doing so, the sensitivity to the pressure acting on the discontinuous interface (the interface between the
When the ratio of the high refractive material to the silicon rubber exceeds 50 vol%, the elastic strength is lowered, which is not preferable.
異相端面に形成する弾性変形材料として、弾性変形の定数(N/m)が異なるものを適宜選択し、被検査部材に加えられる圧力に対する弾性変位量を変化させて、光学的変化量を調節する。この時の状態を図2に示しながら説明する。 As the elastically deformable material formed on the different phase end faces, materials having different elastic deformation constants (N / m) are appropriately selected, and the amount of elastic displacement with respect to the pressure applied to the member to be inspected is changed to adjust the optical change amount. . The state at this time will be described with reference to FIG.
図2のように、ポリカーボネイト基板1上に、シリコンゴム2を介して、2つに分割された光ファイバー3・3’を載置し、その2つの光ファイバー3・3’の互いに対向する各端面(異相端面)を1mm程度に離したまま固定する。この時、上記互いに対向する光ファイバー3・3’の各端面間は空気が介在する層12を形成する。その他の、ポリカーボネイト基板1の凹部分や、光ファイバー3・3’上面のその他の部分は、シリコンゴム4で覆われた状態となっている。
As shown in FIG. 2,
ここで、光ファイバー3・3’の端面部の上部に当たるハードコート膜5表面に圧力を加えると、互いに平行となっている光ファイバー3・3’の各端面、又は共通の垂線になっている端面が傾くために、伝播する光が該端面で反射され、透過する光量は低下し、また戻り光量を大きくすることができる。
Here, when pressure is applied to the surface of the
被検査部材表面の圧力に対して光ファイバーが弾性変形する際に、光ファイバーを支持するシリコンゴムも弾性変化する。このため、ある圧力Pに対して発生する応力は、光ファイバーからの応力P1と、支持するシリコンゴムからの応力P2とが等しくなる。これを、単純にP=P1+P2と示す。ここで、シリコンゴムの架橋度を変えて硬くした場合には、シリコンゴムの弾性定数K2が大きくなるので、シリコンゴム側の応力P2で発生する歪量が小さくなる。光ファイバーの弾性定数をK1とすると、変位量Xは光ファイバーとシリコンゴムは接触しているので同じと近似すると、P=(K1+K2)×Xで示せる。ここで、シリコンゴムの弾性定数が大きくなると、変位量Xが小さくなることが分かる。 When the optical fiber is elastically deformed with respect to the pressure on the surface of the member to be inspected, the silicon rubber supporting the optical fiber is also elastically changed. Therefore, the stress generated for a certain pressure P is equal to the stress P1 from the optical fiber and the stress P2 from the supporting silicon rubber. This is simply indicated as P = P1 + P2. Here, when the degree of crosslinking of the silicon rubber is changed to be hardened, the elastic constant K2 of the silicon rubber increases, so that the amount of strain generated by the stress P2 on the silicon rubber side decreases. If the elastic constant of the optical fiber is K1, the displacement amount X can be expressed as P = (K1 + K2) × X if the optical fiber and silicon rubber are in contact with each other and are approximated to be the same. Here, it can be seen that the displacement X decreases as the elastic constant of the silicon rubber increases.
変位量が小さくなるということは、端面での傾きが小さくなることを意味するため、光の透過量は大きくなる。この結果、シリコンゴムの弾性定数を変化させることにより、圧力に対する光強度の変化量を変えることができ、更には測定する圧力によりシリコンゴムの弾性定数を変えることで、低圧から高圧までの広範囲を測定することができる。 The fact that the amount of displacement is small means that the inclination at the end face is small, so that the amount of transmitted light is large. As a result, by changing the elastic constant of silicon rubber, the amount of change in light intensity with respect to pressure can be changed, and by changing the elastic constant of silicon rubber according to the pressure to be measured, a wide range from low pressure to high pressure can be obtained. Can be measured.
ここでは、シリコンゴムを用いた場合の弾性定数の変化で説明したが、弾性導波路は、必ずしもシリコンゴムである必要はなく、天然ゴムや合成ゴム等、または一般的なエラストマーで良いし、ゴムに限らずに一般的な合成樹脂でも良い。但し、上記の説明では光ファイバーの端面間には空気を介在させていたが、端面間にも強度安定性の為に挿入する場合にはなるべく透明である方が透過光強度を取れるので好ましい。 Here, the change in the elastic constant when silicon rubber is used has been described. However, the elastic waveguide does not necessarily need to be silicon rubber, and natural rubber, synthetic rubber, etc., or a general elastomer may be used. The synthetic resin is not limited to the above. However, in the above description, air is interposed between the end faces of the optical fibers. However, when inserted between the end faces for strength stability, it is preferable to be as transparent as possible because the transmitted light intensity can be obtained.
以上では、光導波路として光ファイバーを用いる構成について説明した。次に、光ファイバーを用いない光導波路をシリコン基板上に形成した場合について、図3に基づいて説明する。 The configuration using an optical fiber as the optical waveguide has been described above. Next, a case where an optical waveguide not using an optical fiber is formed on a silicon substrate will be described with reference to FIG.
結晶シリコン基板13上にCVD法を用いて100ミクロン幅で高さ200ミクロン厚の酸化ケイ素を形成した後に、リソグラフィを用いて図3に示すような断面を有する酸化ケイ素の光導波路10を形成する。このときの酸化ケイ素光導波路10と結晶シリコン基板13との間には、3mmのギャップが形成されている。この図では0.3ミクロンの酸化ケイ素粉を分散させたシリコン系ゲル媒質を用いた弾性導波路9を酸化ケイ素光導波路10の中間部分に形成する。これらの上面を、厚み10ミクロン程度のPETフィルム11で被覆する。
After forming silicon oxide having a width of 100 microns and a thickness of 200 microns on the
上記図1の異相端面を有する光導波路では、10mWのGaAlAsのレーザーを用いて、圧力を10mmHg〜300mmHgで変えた場合に、反射強度、及び透過光強度は図4のように変化し、圧力との相関を確認することが出来た。
図4の縦軸の相対値は、反射量の場合には反射量の変化量を300mmHgでの変化量で割ったものとして定義し、透過光量の場合も透過光量の変化量を300mmHgでの変化量で割ったものとして定義しパーセントで表示した。同様に図3の構造を有する光導波路型圧力センサでも同じ傾向が得られた。
In the optical waveguide having the different phase end face in FIG. 1 above, when the pressure is changed from 10 mmHg to 300 mmHg using a 10 mW GaAlAs laser, the reflection intensity and the transmitted light intensity change as shown in FIG. The correlation was confirmed.
The relative value on the vertical axis in Fig. 4 is defined as the amount of change in reflection divided by the amount of change at 300 mmHg in the case of reflection, and the amount of change in transmitted light at 300 mmHg in the case of transmitted light Defined as divided by quantity and expressed as a percentage. Similarly, the same tendency was obtained with the optical waveguide pressure sensor having the structure of FIG.
図1において弾性導波路6でシリコンゴムの架橋度を変えて体積弾性率を変えた場合の反射光の変化を一定圧力300mmHgで行った結果を図5に示した。横軸に体積弾性率(109Pa)を示し、縦軸に光反射量の変化の最大値で規格化した相対値(%)を示した。この結果から、体積弾性率を変えることにより反射光の変化を変えることが出来ることがわかった。
FIG. 5 shows the result of changing the reflected light at a constant pressure of 300 mmHg when the elastic modulus is changed by changing the degree of crosslinking of the silicon rubber in the
なお、本発明は上記実施例にのみ限定されず、ガス圧、水圧等に対しても用いることができるほか、低圧に対しても同様な構成で応用展開することができる。 In addition, this invention is not limited only to the said Example, In addition to being applicable also with respect to a gas pressure, a water pressure, etc., it can be applied and developed with the same structure also about a low pressure.
本発明の圧力評価方法及び光導波路を用いた圧力センサの用途としては、例えば、化学プラント、製薬プラントなどに用いられる流体輸送管や圧力容器、また日常のガスや水道管等の配管などの管壁圧力検出器や、水圧・ガス圧測定用の圧力センサとしての用途等が挙げられる。 The pressure evaluation method of the present invention and the use of a pressure sensor using an optical waveguide include, for example, fluid transport pipes and pressure vessels used in chemical plants, pharmaceutical plants, and pipes such as daily gas and water pipes. Applications include a wall pressure detector and a pressure sensor for measuring water pressure and gas pressure.
1 ポリカーボネイト基板(支持基板)
2 シリコンゴム(弾性部)
3 光ファイバー(光導波路)
4 シリコンゴム(感圧部,当接面)
5 ハードコート膜(当接面)
6 弾性導波路
10 酸化ケイ素光導波路
11 PETフィルム(当接面)
12 空気が介在する層
13 結晶シリコン基板(支持基板)
1 Polycarbonate substrate (support substrate)
2 Silicone rubber (elastic part)
3 Optical fiber (optical waveguide)
4 Silicone rubber (pressure sensitive part, contact surface)
5 Hard coat film (contact surface)
6
12 Layer with
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