JP2001033331A

JP2001033331A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2001033331A
Application number: JP11202204A
Authority: JP
Inventors: Takemichi Kudo; 剛道工藤; Yasutaka Hasegawa; 靖高長谷川
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2001-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力の検出に高速処理を必要とせず、しか
も、高精度で圧力検出できる圧力センサを得る。【解決手段】一方の面に反射膜１１Ｃ、１２Ｃを蒸着
形成し、他方の面に反射防止膜１１Ｂ、１２Ｂを蒸着形
成した膜付フィルム１１と膜付基板１２とを互いに反射
膜１１Ｃ、１２Ｃ側の面が向い合うように対向配置して
ファブリ・ペローエタロン構造を作り、さらに膜付基板
１２と受光素子９との間にハイパスフィルタ１３を傾斜
配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスなどの流体の圧力
を光の特性を利用して検出する圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、上述した圧力センサとして、例え
ば特開平９−２４３４８９号公報で開示されているもの
がある。この公報で開示された圧力センサは、被測定流
体圧力としてガス圧を検出するものである。図６はその
圧力センサの構造を示す図である。この図において、ガ
ス管１の途中に形成された検出管２の先端開口部には、
ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等からなる反射膜３
が補助管４との間に挟持固定されて検出管２の先端開口
部を密閉している。反射膜３は弾性変形可能になってお
り、ガス圧Ｐを受ける面と反対側の面にアルミニウムな
どを蒸着した反射面３ａが形成されている。

【０００３】補助管４の先端には１／４波長板５が装着
されており、その１／４波長板５は三角プリズム６の一
方の斜面に密着している。三角プリズム６の他方の斜面
に対向する位置には、内蔵するコリメータレンズを介し
て光を照射する光源７が設置されている。三角プリズム
６の底面には光源７からの光を垂直成分（Ｐ波）と水平
成分（Ｓ波）とに分離する偏光分離膜８が蒸着して形成
され、この偏光分離膜８の底面側には受光素子９が配置
されている。偏光分離膜８は、光源７からの光のＰ波を
透過させて受光素子９に導き、Ｓ波を反射させて１／４
波長板５に向けて進行させる。

【０００４】このような構成において、三角プリズム６
の１辺から入射した光は、偏光分離膜８にてＰ波が透過
して受光素子９に入射し、Ｓ波が反射されて三角プリズ
ム６の他辺に向かう。反射されたＳ波は１／４波長板５
を通過することで円偏光となり、フィルムの反射膜３に
て反射され、再度１／４波長板５を透過することでＰ波
となる。Ｐ波となった光は偏光分離膜８を透過して受光
素子９に入射する。このような作用において、反射膜３
に加わるガス圧力Ｐが変化して反射膜３の位置が変わる
と、最初に偏光分離膜８を透過して受光素子９に入射し
たＰ波と、偏光分離膜８で反射されたＳ波が１／４波長
板５を透過して円偏光されて、その後再度１／４波長板
５を透過して受光素子９に入射したＰ波との時間差が変
化することになる。そこで、この時間差を検出すること
で圧力が測定できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の圧力センサにあっては、光源７で発生させた光の垂
直成分であるＰ波を偏光分離膜８によって直接受光素子
９に入射させる一方、水平成分であるＳ波を偏光分離膜
８にて反射させて１／４波長板５で円偏光し、さらに反
射膜３にて反射させて戻ってくる途中で１／４波長板５
にてＰ波にして受光素子９に入射させ、このときのＰ波
と先に受光素子９に入射させたＰ波との時間差を計測し
て圧力を検出するようにしている。しかしながら、光の
成分の時間差を計測するには高速処理が要求されること
から技術的に難しく、また時間の分解能に限界があるこ
とから高精度な計測が困難であるという問題点があっ
た。また、反射膜３、１／４波長板５及び偏光分離膜８
の各部材の形状に比べて三角プリズム６の形状が大き
く、これが小型、軽量化を阻害している。

【０００６】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、高速処理を行うことなく、高精度で圧力の検出が可
能で、且つ小型、軽量な圧力センサを提供することを目
的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のための請
求項１記載の発明による圧力センサは、被測定流体管路
に直交する密封管路内に対向配置され、それぞれの対向
面に反射膜、非対向面に反射防止膜を蒸着したフィルム
及び基板と、光を前記被測定流体管路を横断して前記フ
ィルム及び基板に向けて照射する光源と、前記基板の非
対向面側に配置され、前記フィルム及び基板を順次透過
する波長の光を受けて電気信号に変換する受光素子と、
前記基板と前記受光素子との間において所定角度に傾斜
して配置されたフィルタとを具備し、前記フィルムは被
測定流体の圧力変化に応じて弾性変形して前記基板との
間の距離を変化させ、前記フィルタは前記フィルムと基
板との間の距離の変化に応じて前記光源より照射された
光の波長を選択透過することを特徴とする。

【０００８】本発明によれば、密封管路内に被測定流体
管路から遠ざかる方向にフィルム、基板、フィルタ、受
光素子の順で配置し、フィルムと基板はそれぞれの反射
膜が対向するようにし、フィルタは基板の反射膜と干渉
が起こらないように所定角度に傾斜させる。また、光が
被測定流体管路を横断してフィルムに入射する位置に光
源を配置する。上記フィルムと基板の夫々の一方の面に
反射膜を蒸着形成し、他方の面に反射防止膜を蒸着形成
して、互いに反射膜側の面が向き合うように配置するこ
とで、ファブリ・ペローエタロン構造となる。このファ
ブリ・ペローエタロン構造とすることで波長分光が可能
となり、フィルム−基板間の距離に応じた波長の光のみ
選択することができるようになる。

【０００９】フィルム−基板間を密閉することで、被測
定流体管内を流れる流体の圧力が変化すると、フィルム
が弾性変形してフィルム−基板間の距離を変化させる。
このときの距離に応じた波長の光がファブリ・ペローエ
タロンを透過する。ファブリ・ペローエタロンを透過し
た光は、フィルタ（ローパスフィルタまたはハイパスフ
ィルタ）を透過することで、波長に応じた出力の光が受
光素子に入射する。このときの光の出力と波長、波長と
圧力の相関を取ることで圧力の検出が可能となる。

【００１０】ここで、図３は光源に発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）を使用し、フィルタにハイパスフィルタを使用し
た場合の各位置での波長特性を示す波形図である。この
図において、（ａ）は発光ダイオードの波長特性、
（ｂ）はフィルム−基板間出射後の波長特性、（ｃ）は
ハイパスフィルタの波長特性である。フィルムと基板と
によるファブリ・ペローエタロンを透過した後の波長特
性がフィルム−基板間の距離に応じて変化し、しかも波
長の変化に伴う光出力が発光ダイオードの周波数帯域内
では略一定になるので、ハイパスフィルタ透過後の光の
出力が波長の変化に略比例することになる。

【００１１】したがって、光の出力と波長、波長と圧力
の相関を取れば、圧力を容易に検出することが可能とな
る。このように、光の波長を利用するので高精度な検出
が可能となる。また、光の出力と波長、波長と圧力の相
関を取るだけで圧力を検出できるので、高速処理を必要
とせず、技術的に容易に実現できる。また、従来のよう
な三角プリズムを用いないので、小型、軽量化が図れ、
また低コスト化が図れる。なお、光源には、発光ダイオ
ードのように波長帯域の広いものであれば、どのような
ものを用いてもよい。例えば、一般的なランプと、この
ランプからの光を平行又は収束させるレンズとを組み合
わせたものでもよい。また、波長検出にハイパスフィル
タやローパスフィルタを用いる他に、波長可変フィルタ
やグレーティング（回折格子）を用いてもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面を用いて説明する。（第１の実施形態）図１は本発明の第１実施形態に係る
圧力センサの構造を示す図である。また、図２はこの圧
力センサを構成する一部品の構造図である。なお、図１
において、前述した図６と共通する部分には同一の符号
を付けている。この実施の形態１の圧力センサ１０は、
被測定流体管路となるガス管１の途中に形成された検出
管２の先端開口部にＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデ
ン）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクレート）等のフィル
ム１１Ａ（図２（ａ）参照）からなる弾性変形可能な膜
付フィルム１１が補助管４との間に挟持固定されて検出
管２の先端開口部を密閉している。膜付フィルム１１に
は、図２（ａ）に示すように、そのガス圧Ｐを受ける側
の面に反射防止膜１１Ｂが蒸着形成され、その反対側の
面に反射膜１１Ｃが蒸着形成されている。なお、検出管
２と補助管４とで密封管路が形成されている。

【００１３】補助管４の先端にはガラス、シリコン等の
基板１２Ａ（図２（ｂ）参照）からなる膜付基板１２が
装着されている。この膜付基板１２には、図２（ｂ）に
示すように、膜付フィルム１１と対向する側の面に反射
膜１２Ｃが蒸着形成され、その反対側の面に反射防止膜
１２Ｂが蒸着形成されている。この膜付基板１２と膜付
フィルム１１の間はファブリ・ペローエタロン構造とな
り、波長分光を可能にしている。すなわち、膜付フィル
ム１１と膜付基板１２との間の距離に応じた波長の光を
選択できるようにしている。膜付基板１２と受光素子９
との間には、波長に応じた光出力を得るためのハイパス
フィルタ１３が配置されている。このハイパスフィルタ
１３は、膜付基板１２の反射膜１２Ｃと干渉が起こらな
いように、所定角度で傾斜配置されている。

【００１４】ガス管１には、これを横断して膜付フィル
ム１１及び膜付基板１２に向けて光を照射する発光ダイ
オード１４が装着されている。なお、発光ダイオード１
４の他に、ランプとこのランプからの光を平行又は集光
するレンズとを組み合わせたものであってもよい。すな
わち、波長帯域の広い光を膜付フィルム１１及び膜付基
板１２に向けて照射できるものであれば、どのようなも
のであってもよい。

【００１５】このような構成の圧力センサにおいて、発
光ダイオード１４から出力された光は、ガス管１内を横
断して膜付フィルム１１に入射し、膜付フィルム１１と
膜付基板１２との間の距離に応じた波長の光のみが透過
する。そして、膜付フィルム１１と膜付基板１２を透過
した光はハイパスフィルタ１３を透過することで波長に
応じた光出力が受光素子９に入力される。受光素子９か
らはこの光出力に応じた信号が出力される。

【００１６】ガス管１内を流れるガスの圧力が変化する
と、膜付フィルム１１と膜付基板１２との間が密閉され
ていることから膜付フィルム１１が弾性変形する。膜付
フィルム１１が弾性変形すると、膜付フィルム１１と膜
付基板１２との間の距離が変化し、その際の距離に応じ
た波長の光が透過する。そして、膜付フィルム１１と膜
付基板１２を透過した光は、ハイパスフィルタ１３を透
過して受光素子９に入力される。このときの光は膜付フ
ィルム１１が弾性変形する前の光と波長が異なるので、
図３から分かるように、ハイパスフィルタ１３を透過し
た光の出力が膜付フィルム１１の変形前のときの出力と
異なる。受光素子９の出力に基づいて光出力と波長の相
関を取り、さらに波長と圧力の相関を取ることでガス圧
を検出することができる。

【００１７】このように、この実施の形態１では、膜付
フィルム１１と膜付基板１２とでファブリ・ペローエタ
ロン構造を作ってガス圧の変化に応じた波長の光を取り
出し、さらに膜付基板１２と受光素子９との間にハイパ
スフィルタ１３を配置して波長に応じた光出力が得られ
るようにしたので、受光素子９の出力に基づいて光出力
と波長の相関を取り、さらに波長と圧力の相関を取るこ
とで、ガス圧を検出することが可能になる。そして、光
の波長を利用することから高精度な検出が可能となり、
また光の出力と波長及び波長と圧力の相関を取ることで
圧力を検出できるので、高速処理を必要とせず、技術的
に容易に実現できる。また、従来のような三角プリズム
を用いないので、小型、軽量化が図れ、また低コスト化
が図れる。

【００１８】（第２の実施形態）波長の検出は、実施の
形態１のハイパスフィルタ１３による検出だけではな
く、ローパスフィルタでも可能であり、また波長可変フ
ィルタの掃引による検出やグレーティング（回折格子）
を使用した検出などでも可能である。波長可変フィルタ
やグレーティングを使用することにより、光源からの光
の波形を気にすることなく、波長検出が可能となり、光
源に依存しない安定したデータが得られる。以下、波長
可変フィルタ及びグレーティングを使用した場合につい
て説明する。

【００１９】（ａ）波長可変フィルタ波長可変フィルタは、印加電圧や位置、回転角により波
長が変化するものである。このフィルタを使用する場合
は、予め印加電圧−波長特性を把握しておく必要があ
る。図４は波長可変フィルタを使用した圧力センサの構
造を示す図である。また、図５は圧力センサ部２０と波
長可変フィルタ２１での波長特性を示す図である。膜付
フィルム１１と膜付基板１２とからなる圧力センサ部２
０で検出された波長に対し、後段に配置した波長可変フ
ィルタ２１をスキャンすることで、センサ部を通過後の
出力波形と波長可変フィルタの窓が一致した電圧（位
置）で受光素子９にて光が検出される。このときの電圧
（位置）を読み込むことで上記印加電圧−波長特性デー
タから波長を換算できる。なお、この波長可変フィルタ
２１として、誘電体多層膜、液晶エタロン等が挙げられ
る。

【００２０】（ｂ）グレーティング（回折格子）分光器に使用される方法で、ある波長の光がグレーティ
ングで反射されたときに、波長によって反射角が異なる
性質を利用している。ある位置に受光素子９を配置し、
グレーティングを回転させたとき、ある回転角で光が検
出される。この回転角と波長の相関を取ることで換算で
きる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
それぞれの対向面に反射膜、非対向面に反射防止膜を蒸
着したフィルム及び基板とでファブリ・ペローエタロン
構造を作ってガス圧の変化に応じた波長の光を取り出
し、さらに基板と受光素子との間にフィルタを傾斜配置
して波長に応じた光出力が得られるようにしたので、受
光素子の出力に基づいて光出力と波長の相関を取り、さ
らに波長と圧力の相関を取ることで、ガス圧を検出する
ことができる。そして、光の波長を利用することから高
精度な検出が可能となり、また光の出力と波長及び波長
と圧力の相関を取ることで圧力を検出できるので、高速
処理を必要とせず、技術的に容易に実現できる。また、
従来のような三角プリズムを用いないので、小型、軽量
化が図れ、また低コスト化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る圧力センサの構造
を示す図である。

【図２】実施の形態１に係る圧力センサの膜付フィルム
及び膜付基板の構造を示す図である。

【図３】実施の形態１に係る圧力センサの各位置での波
長特性を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態１に係る圧力センサの構造
を示す図である。

【図５】実施の形態２に係る圧力センサの各位置での波
長特性を示す図である。

【図６】従来の圧力センサの構造を示す図である。

【符号の説明】

１ガス管２検出管４補助管９受光素子１０圧力センサ１１膜付フィルム（フィルム）１１Ａフィルム１１Ｂ反射防止膜１１Ｃ反射膜１２膜付基板（基板）１２Ａ基板１２Ｂ反射防止膜１２Ｃ反射膜１３ハイパスフィルタ（フィルタ）１４発光ダイオード（光源）２０センサ部２１波長可変フィルタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定流体管路に直交する密封管路内に
対向配置され、それぞれの対向面に反射膜、非対向面に
反射防止膜を蒸着したフィルム及び基板と、光を前記被
測定流体管路を横断して前記フィルム及び基板に向けて
照射する光源と、前記基板の非対向面側に配置され、前
記フィルム及び基板を順次透過する波長の光を受けて電
気信号に変換する受光素子と、前記基板と前記受光素子
との間において所定角度に傾斜して配置されたフィルタ
とを具備し、前記フィルムは被測定流体の圧力変化に応じて弾性変形
して前記基板との間の距離を変化させ、前記フィルタは
前記フィルムと前記基板との間の距離の変化に応じて前
記光源より照射された光の波長を選択透過することを特
徴とする圧力センサ。
【請求項２】前記光源は、広帯域光源であることを特
徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】前記フィルタは、ハイパスフィルタであ
ることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項４】前記フィルタは、ローパスフィルタであ
ることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項５】前記フィルタに代わって波長可変フィル
タを備え、この波長可変フィルタは前記基板と前記受光
素子との間に配置されたことを特徴とする請求項１記載
の圧力センサ。
【請求項６】前記フィルタに代わって回折格子を備
え、この波長可変フィルタは前記基板と前記受光素子と
の間に配置されたことを特徴とする請求項１記載の圧力
センサ。