JP2005031002A

JP2005031002A - 電気光学効果を用いた温度センサ

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Publication number: JP2005031002A
Application number: JP2003272511A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Jin; 好人神; Katsuyuki Ochiai; 克幸落合; Mitsuru Shinagawa; 満品川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03
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Abstract

【課題】電気光学効果を用いて物体の温度変化を容易に検出する。
【解決手段】電気光学効果に応じたレーザ光Ｌ１の位相差を利用して生体Ｈの温度変化を検出する電気光学効果を用いた温度センサ１。生体Ｈが接することができる絶縁膜３および検出電極２と、レーザ光Ｌ１の光路上に検出電極２に隣接して配置され、電気光学効果および焦電効果をそれぞれ有するＥＯ結晶５と、このＥＯ結晶５の温度とＥＯ結晶５内部の電界に係わるパラメータとの関係を表す関係データＲＤを記憶する情報処理回路４２（図２参照）と、ＥＯ結晶５に、レーザ光Ｌ１の光路を挟んで検出電極２に対向して取り付けられた印加電極１２と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気光学効果に応じた検出光の位相差を利用して物体の温度変化を検出する電気光学効果を用いた温度センサに関する。

一次の電気光学（electro-optic：ＥＯ）効果は、ポッケルス効果とも呼ばれており、例えば電気光学結晶（以下ＥＯ結晶とも記載する）等の反転対称性のない結晶において、常光と異常光の２種の光波に対する屈折率が結晶に印加される印加電界（電圧）に比例して変化する性質を表すものであり、この電気光学効果を利用して物体の物理量を検出する方法が研究されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、ウェアラブルコンピュータと他のコンピュータ（他のウェアラブルコンピュータ等）との間の情報通信手段として、ＥＯ結晶の電気光学効果を利用して生体を介して情報を通信できるトランシーバの研究・開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。

塩嵜忠著「強誘電体材料の開発と応用」、ＣＭＣ出版特開２００１−３５２２９８号公報（第５−１０頁、第１図〜第４図）。

従来のＥＯ結晶に基づく電気光学効果を利用した物体の物理量検出方式は、検出対象となる物体の電気光学結晶に取り付けられた電極への接触に応じた印加電界の変化に対応する電気光学結晶の屈折率変化を検出光の位相差として検出する方式である。

すなわち、従来の電気光学効果を利用した物体の物理量検出方式は、物体の上記電極への接触の有無に応じた検出光の強度変化を２値的（デジタル的）に検出するものであるため、物体の連続的（アナログ的）な変化、特に温度変化を検出することが困難であった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、電気光学効果を用いて物体の温度変化を容易に検出することができる電気光学効果を用いた温度センサを提供することをその目的とする。

また、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、電気光学効果を用いて物体の温度変化を検出し、その検出結果に基づいて、連続的に移動する物体の移動方向および／または移動量を検出することができる電気光学効果を用いた温度センサを提供することを他の目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明は、請求項１に記載したように、電気光学効果に応じた検出光の位相差を利用して物体の温度変化を検出する電気光学効果を用いた温度センサであって、前記物体が接することができる第１の電極部と、前記検出光の光路上に前記第１の電極部に隣接して配置され、前記電気光学効果および焦電効果をそれぞれ有する電気光学結晶部材と、前記焦電効果に対応する前記電気光学結晶部材の温度と該電気光学結晶部材内部の電界に係わるパラメータとの関係を表す情報を記憶する温度電界関係情報記憶部と、前記電気光学結晶部材に、前記検出光の光路を挟んで前記第１の電極部に対向して取り付けられた第２の電極部と、を備えている。

請求項２記載の発明において、前記パラメータは前記電気光学結晶部材に生じる分極の大きさである。

請求項３記載の発明において、前記第１の電極部は、前記電気光学結晶部材に接する第１の電極と、この第１の電極から前記物体側へ向けて離間し、該第１の電極に対して対向配置された第２の電極と、温度伝導性を有し、前記第１の電極を、前記第２の電極に対して電気的に接続する弾性変形自在な接続電極とを備えている。

請求項４記載の発明は、前記第２の電極部を介して前記電気光学効果発生用の電界を当該第２の電極部および前記第１の電極部間の電位差として前記電気光学結晶部材に印加する印加手段をさらに備えている。

請求項５記載の発明において、前記物体は電界伝達媒体であり、当該電界伝達媒体により前記第１の電極部が接触された状態で、前記電界伝達媒体に前記電気光学効果発生用の電界が誘起された際に、この誘起された電界が当該電界伝達媒体を介して前記第１の電極部に印加されるように構成されている。

請求項６記載の発明は、前記物体が前記第１の電極部に当接して該第１の電極部を介して前記物体の温度変化が前記電気光学結晶部材に伝達され、該電気光学結晶部材の焦電効果により前記物体の温度変化に応じてその自発分極の大きさが変化し、この自発分極の変化に応じて前記第１の電極部および第２の電極部間の電位差が変化して前記検出光の位相差が変化した際に、その検出光の位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記温度変化を検出する検出手段をさらに備えている。

上述した目的を達成するため、本発明は、請求項７に記載したように、電気光学効果に応じた複数の検出光の位相差を利用して物体の温度変化を検出する電気光学効果を用いた温度センサであって、それぞれの一端面が同一平面上に位置するように配列された複数の第１の電極と、前記物体が接することができ、前記複数の第１の電極それぞれの一端面をそれぞれ被覆する絶縁性被覆部材と、前記複数の検出光の光路上に前記複数の第１の電極に隣接して配置され、前記電気光学効果および焦電効果をそれぞれ有する複数の電気光学結晶部材と、前記複数の電気光学結晶部材それぞれの焦電効果に対応する前記複数の電気光学結晶部材それぞれの温度と該複数の電気光学結晶部材それぞれに発生する電界に係わるパラメータとの関係を表す情報を記憶する温度電界関係情報記憶部と、前記複数の電気光学結晶部材に、前記複数の検出光の光路を挟んで前記複数の第１の電極にそれぞれ対向して取り付けられた複数の第２の電極と、を備えている。

以上述べたように、本発明の温度センサによれば、電気光学効果および焦電効果をそれぞれ有する電気光学結晶部材により、物体の温度変化を、焦電効果を利用して、その温度変化に対応する電気光学結晶部材の自発分極の変化として検出し、その自発分極変化を、電気光学結晶部材の電気光学効果による検出光の位相差の変化として検出することができる。

そして、この検出光の位相差の変化から、上記焦電効果により、その位相差変化に相当する電気光学結晶部材内部の電界に係わるパラメータの変化を求め、そのパラメータ変化に対応する温度変化を、電気光学結晶部材の温度と上記電気光学結晶部材内部の電界に係わるパラメータとの関係を表す情報から求めることができる。

この結果、物体に生じた連続的（アナログ的）な温度変化を容易に検出することができる。

本発明に係わる電気光学効果を用いた温度センサの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる電気光学効果を用いた温度センサ１の概略構成を示す図である。

本実施形態の温度センサ１は、接地された物体である例えば生体Ｈの温度変化を検出するセンサである。

図１に示すように、温度センサ１は、例えば略薄板形状を有し、温度伝導性の高い例えば金属製の検出電極２と、この検出電極２の一表面２ａに取り付けられており、その一表面２ａを被覆する例えばシリコンゴム等のフレキシブルかつ温度伝導性の高い絶縁性部材、または上記検出電極２の電極材料と密着性が良く温度伝導性の高い二酸化シリコンやアルミナ等の極薄膜絶縁性部材等から成る絶縁膜３とを備えている。また、この絶縁膜３の検出電極側とは反対側の面３ａは外部に露出しており、生体Ｈの少なくとも一部が接触可能になっている。

また、温度センサ１は、例えば直方体形状を有しており、電気光学効果（ポッケルス効果）および焦電効果をそれぞれ有する電気光学結晶（電気光学結晶部材、以下、ＥＯ結晶と記載する）５を備えている。なお、このＥＯ結晶５としては、例えばペロブスカイト（Perovskite）構造の結晶（PZT、LiNbO3等の強誘電体材料）等がある。

このＥＯ結晶５は、長手方向に沿った第１の側面５ａと、この第１の側面５ａに対向する第２の側面５ｂとを有しており、この第１の側面５ａおよび第２の側面５ｂ間の距離（厚さ）は、一定の値（以下、ｄとする）となっている。また、ＥＯ結晶５における第１および第２の側面５ａおよび５ｂの長手方向の長さは、例えば検出電極２の長手方向の長さよりも長くなっている。

検出電極２は、ＥＯ結晶５の第１の側面５ａに隣接してその第１の側面５ａに取り付けられている。

さらに、温度センサ１は、生体温度変化検出用の検出光として、略単一波長の検出光である例えばレーザ光を検出電極２の長手方向に平行なレーザ光に変換し、その平行レーザ光を、例えば円偏光や電気光学結晶５の主軸に対して４５°回転した直線偏光等に偏光した状態でレーザ光Ｌ１として出力する検出光出力部１０を備えており、ＥＯ結晶５は、例えばその中央部分が検出光出力部１０から出力されたレーザ光の光路上に位置するように配置されている。

そして、温度センサ１は、ＥＯ結晶５の第２の側面５ｂに取り付けられ、検出電極２と対向配置された印加電極１２を含み、この印加電極１２を介してＥＯ結晶５に電界を印加するための電界印加部１３を備えている。印加電極１２は、検出電極２と略同一の形状を有している。

さらに、温度センサ１は、ＥＯ結晶５を通過してきたレーザ光Ｌ２の位相差の変化を、波長板、偏光子や偏光ビームスプリッタ等を含む偏光検出光学系によりレーザ光の強度変化として検出し、検出したレーザ光の強度変化をフォトディテクタ等の光電変換器を介して電気信号に変換する検出部１５を備えている。なお、第１の実施の形態において、ＥＯ結晶５、検出光出力部１０および検出部１５が電界検出光学部２０を構成している。

図２は、図１に示す温度センサ１における電界検出光学部２０に電気的に接続された信号処理系である電界検出部３２および情報処理回路４２の概略構成、ならびに電界印加部１３の概略構成をそれぞれ示すブロック図である。

すなわち、電界検出部３２は、信号処理回路３８を備えている。この信号処理回路３８は、電界検出光学部２０と共に受信部３６を構成しており、電界検出光学部２０の検出部１５に接続され、この検出部１５から出力された電気信号に対して、増幅処理、ノイズ除去処理等の信号処理を施すようになっている。

また、電界検出部３２は、信号処理回路３８に接続され、この信号処理回路３８により信号処理された電気信号に対して波形整形処理を施す波形整形回路４０と、この電気信号を受信データとして、物理量検出処理用の情報処理回路（例えば、コンピュータを内蔵した回路）４２に送信するＩ／Ｏ回路４４とを備えている。

温度センサ１における情報処理回路４２には、ＥＯ結晶５の焦電効果に対応するＥＯ結晶５の温度ＴとＥＯ結晶５内部の電界に係わるパラメータである例えばＥＯ結晶５に生じる分極の大きさＰとの関係を表す情報がデータ化された関係データＲＤが記憶されている。

図３は、関係データＲＤを概念的に示すグラフであり、ＥＯ結晶５の温度Ｔの値に対応するＥＯ結晶５の分極の大きさＰの値とが所定の分解能に基づいて互いに対応付けられた例えばテーブル形式として予め記憶されている。

一方、電界印加部１３は、外部機器接続用のＩ／Ｏ回路４６と、例えばこのＩ／Ｏ回路４６を介して入力された信号に基づく電界を、印加電極１２および検出電極２間の電位差Ｖとして印加電極１２を介してＥＯ結晶５に印加する電界印加回路４８とを備えている。

次に本実施形態の温度センサ１の全体動作について説明する。

一般に、マックスウェルの方程式により、誘電体に外部電界Ｅが印加されている際において、その誘電体内の電気変位（電束密度）Ｄは、真空の誘電率をε₀および上記外部電界Ｅにより誘電体内に生じる分極（電気分極）をＰとすると、下式（１）により表すことができる。

Ｄ＝ε₀Ｅ＋Ｐ・・・（１）
このとき、誘電体としての例えば結晶内に生じている分極Ｐは、下式（２）のように表すことができる
Ｐ＝εＥ・・・（２）
但し、εは結晶の誘電率であり、Ｅは、ＥＯ結晶５に外部から印加される電界である。

ここで、εはテンソルとして表され、分極Ｐは、下式（３）のように表される。

一方、本実施形態において、ＥＯ結晶５には、検出光出力部１０から出力されたレーザ光Ｌ１が入射されている。ＥＯ結晶５は、そのＥＯ結晶５に対して検出電極２および印加電極１２間に印加されている電位差Ｖに対応する外部電界Ｅ（Ｅ＝Ｖ／ｄ）が変化すると、その電気光学効果により、ＥＯ結晶５の分極Ｐおよび屈折率ｎがそれぞれ変化する。この結果、ＥＯ結晶５内を通過するレーザ光Ｌ１に対して、下式（４）で表される位相差Ψが発生する。

Ψ＝（２π／λ）・ｎ^３γＶ・・・（４）
但し、λは、レーザ光Ｌ１の波長であり、γは、ＥＯ結晶５のポッケルス係数である。

ここで、接地されている生体Ｈがその例えば一部（指等）を介して絶縁膜３に接触したとき、生体Ｈの温度変化ΔＴは、絶縁膜３および検出電極２を介して熱変化として略損失無くＥＯ結晶５に伝達される。

このとき、本実施形態におけるＥＯ結晶５は焦電効果、すなわち、結晶の温度変化により結晶５の自発分極の大きさが変化する効果を有しているため、伝達された生体Ｈの温度変化ΔＴによるＥＯ結晶５の温度変化により、ＥＯ結晶５の自発分極の大きさＰｓが変化し、上式（２）により、自発分極の大きさＰｓの変化に対応してＥＯ結晶５内部の電界Ｅｓが変化する。

この内部電界Ｅｓの変化に応じてＥＯ結晶５全体の分極Ｐおよび屈折率ｎが変化し、上式（４）に示す電位差Ｖが変化してレーザ光Ｌ１の位相差Ψ１が変化する。

このように、ＥＯ結晶５を通過した際に、生体Ｈの温度変化ΔＴ（ＥＯ結晶５の温度変化）に応じてその位相差Ψ１が変化したレーザ光Ｌ２は、検出部１５を介して強度変化を表す電気信号に変換され、信号処理回路３８、波形整形回路４０を介して増幅、波形整形処理等が施された後、Ｉ／Ｏ回路４４を介して情報処理回路４２に送信される。

情報処理回路４２では、送信されてきたデータ、すなわち、生体Ｈの温度変化ΔＴ（レーザ光Ｌ２の位相差Ψ１の変化）に相当するレーザ光強度変化を表すデータが受信される。

このとき、情報処理回路４２は、この受信データに基づいて、その受信データに対応する分極の大きさＰの変化を算出し、算出した分極の大きさＰの変化に対応する温度変化ΔＴを、図３に示す関係データＲＤを参照して抽出することができる。

以上述べたように、本実施形態に係わる温度センサ１によれば、電気光学効果および焦電効果をそれぞれ有するＥＯ結晶５により、生体Ｈの温度変化ΔＴを、焦電効果を利用して、温度変化ΔＴに対応する自発分極Ｐｓの変化として検出し、その自発分極Ｐｓ変化を、電気光学効果によるレーザ光Ｌ１の位相差Ψ１の変化として検出することができる。

そして、このレーザ光Ｌ１の位相差Ψ１の変化に相当するＥＯ結晶５の分極Ｐの変化とその温度Ｔの変化との対応関係から、生体Ｈの温度変化ΔＴを求めることができる。

この結果、生体Ｈに生じた連続的（アナログ的）な変化である温度変化を容易に検出することができる。

なお、図１および図２に示す温度センサ１においては、検出電極２の一表面２ａに絶縁膜３を取り付けてその一表面２ａを被覆したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、図４に示す温度センサ１Ａのように、図１の構成から絶縁膜３を取り除いて検出電極２の一表面２ａを外部に露出させておき、生体Ｈが直接検出電極２に接触できるようにしてもよい。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係わる温度センサ１Ｂの概略構成を示す図であり、図６は、図５に示す温度センサ１Ｂにおける電界検出光学部６０に電気的に接続された信号処理系である電界検出部３２および情報処理回路４２の概略構成、ならびに電界印加部１３の概略構成をそれぞれ示すブロック図である。

本実施形態の温度センサ１Ｂは、ＥＯ結晶５の第１の側面５ａに隣接してその第１の側面５ａに取り付けられた例えば略薄板形状を有する第１の電極（検出電極）６１を備えており、この第１の電極６１は、温度伝導性の高い例えば金属等により形成されている。

また、温度センサ１Ｂは、第１の電極６１に対して所定間隔を空けて対向配置された第１の電極６１と略同一の形状を有する第２の電極６２を備えており、この第２の電極６２は、温度伝導性の高い例えば金属等により形成されている。

さらに、温度センサ１Ｂは、第１の電極６１を、第２の電極６２に対して電気的に接続する弾性変形自在な接続電極６３を備えており、絶縁膜３は、第２の電極６２における第１の電極６１側とは反対側の表面６２ａを被覆している。

接続電極６３は、導電性を有し、温度伝導性が高く、かつ弾性変形自在な材料より構成されている。また、例えば、金属箔（アルミ箔等）を蛇腹状に折曲して形成してもよい。

なお、第２の実施の形態に係わる温度センサ１Ｂのその他の構成については、第１の実施の形態に係わる温度センサ１の構成要素と略同等であるため、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。

次に、本実施形態の温度センサ１Ｂの全体動作について説明する。

第１実施形態と同様に、接地されている生体Ｈがその例えば一部を介して絶縁膜３に接触したとき、絶縁膜３、第２の電極６２、接続電極６３および第１の電極６１がそれぞれ温度伝達性が高いため、生体Ｈの温度変化ΔＴは、熱変化として、絶縁膜３、第２の電極６２、接続電極６３および第１の電極６１を介して略損失無くＥＯ結晶５に伝達され、伝達された温度変化ΔＴによりＥＯ結晶５に温度変化ΔＴが生じる。

このとき、本実施形態では、生体Ｈが接触する側の第２の電極６２を、ＥＯ結晶５から切り離し、ＥＯ結晶５側の第１の電極６１に対して、温度伝導性が高い材料により弾性変形自在に形成された接続電極６３により接続している。

このため、生体Ｈの絶縁膜３に対する接触により第２の電極６２に生じた圧力を、上記接続電極６３の弾性変形により吸収することができ、生体Ｈの接触圧がＥＯ結晶５に対して作用することを抑制することができる。

この結果、ＥＯ結晶５に伝達された生体Ｈの温度変化ΔＴによるＥＯ結晶５の自発分極の大きさＰｓの変化に基づくレーザ光Ｌ１の位相差Ψ１の変化に対して、上記生体Ｈの接触圧に起因する位相変化成分が含まれることを抑制することができる。

したがって、検出部１５を介して検出されるレーザ光の強度変化を表す電気信号に含まれる上記生体Ｈの接触圧に起因したノイズ成分を低減することができ、生体Ｈの接触動作に伴う温度変化検出精度を高く維持することができる。

なお、図５および図６に示す温度センサ１Ｂにおいては、第２の電極６２の一表面６２ａに絶縁膜３を取り付けてその一表面６２ａを被覆したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、図７に示す温度センサ１Ｃのように、図５および図６の構成から絶縁膜３を取り除いて第２の電極６２ａの一表面６２ａを外部に露出させておき、生体Ｈが直接第２の電極６２に接触できるようにしてもよい。

（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態に係わる温度センサ１Ｄの概略構成を示す図であり、図９は、図８に示す温度センサ１Ｄにおける電界検出光学部７０に電気的に接続された信号処理系である電界検出部３２および情報処理回路４２の概略構成、ならびに電界伝達媒体である生体Ｈを介して検出電極２に対して電界を印加するための上記特許文献１に開示されたトランシーバの概略構成をそれぞれ示すブロック図である。

本実施形態の温度センサ１Ｄにおける電界検出光学部７０は、図８に示すように、ＥＯ結晶５の第２の側面５ｂに対して印加電極の代わりに取り付けられ、検出電極２と対向配置された接地電極７１を備えており、この接地電極」７１は接地されている。

一方、本実施形態の温度センサ１Ｄにおける生体Ｈには、例えばウェラブルコンピュータの一部としてのトランシーバ７５が取り付けられている。

このトランシーバ７５は、直接または絶縁膜等の絶縁性部材を介して生体Ｈに接するように配置された印加電極７６と、電界生成用の情報生成機能等を有する情報処理回路７８と、この情報処理回路７８に対する情報の入出力に関するインタフェース機能を有するＩ／Ｏ回路８０と、このＩ／Ｏ回路８０を介して入力された電界生成用情報に基づく一定の電界を、印加電極７６を介して生体Ｈに誘起させる電界印加回路８２ａを含む電界印加部８２とを備えている。

なお、第３の実施の形態に係わる温度センサ１Ｄのその他の構成については、第１の実施の形態に係わる温度センサ１の構成要素と略同等であるため、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。

次に、本実施形態の温度センサ１Ｄの全体動作について説明する。

本実施形態において、生体Ｈに直接または絶縁膜等を介して当接された印加電極７６には、トランシーバ７５の情報処理回路７８および電界印加部８２を介して電界が誘起されている。

このとき、生体Ｈがその例えば一部を介して絶縁膜３に接触したとき、その生体Ｈに誘起された電界は、絶縁膜３を介して検出電極２に印加される。

検出電極２に対してＥＯ結晶５を挟んで対向配置された接地電極７１が接地されているため、検出電極２および接地電極７１間のＥＯ結晶５には印加電界に対応する電位差Ｖが印加される。

このとき、本実施形態においても、ＥＯ結晶５には、検出光出力部１０から出力されたレーザ光Ｌ１が入射されている。

ここで、絶縁膜３に接触した生体Ｈに温度変化ΔＴが生じたとする。

この生体Ｈの温度変化ΔＴは、絶縁膜３および検出電極２を介して熱変化としてＥＯ結晶５に伝達され、伝達された生体Ｈの温度変化ΔＴによるＥＯ結晶５の温度変化により、ＥＯ結晶５の自発分極の大きさＰｓが変化し、上式（２）により、自発分極の大きさＰｓの変化に対応してＥＯ結晶５内部の電界Ｅｓが変化する。

このとき、情報処理回路４２は、この受信データに基づいて、その受信データに対応する分極の大きさＰの変化を算出し、算出した分極の大きさＰの変化と関係データＲＤとから、算出された分極の大きさＰの変化に対応する温度変化ΔＴを算出することができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、生体Ｈにトランシーバ７５が取り付けられている場合には、その生体Ｈにトランシーバ７５から誘起された電界が温度センサ１Ｄの検出電極２に対して印加され、検出電極２および接地電極７１間の電位差ＶとしてＥＯ結晶５に印加される。

このため、温度センサ１Ｄにおいては、第１および第２の実施形態に係わる温度センサ１、１Ａ〜１Ｃにおける電界印加部を設けることなく、単に接地電極７１を設けることにより、ＥＯ結晶５に電位を印加することが可能になる。

この結果、第１実施の形態の効果に加えて、温度センサ１Ｄの小型化を図ることができる。また、トランシーバ７５を有していない生体が温度センサ１Ｄの絶縁膜３に接触しても、温度センサ１Ｄでは、その接触しか検出されない。このため、温度センサ１Ｄの検出対象を限定することができ、温度センサ１Ｄを用いた温度変化検出におけるセキュリティ性を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係わる温度センサ１Ｅの概略構成を示す図であり、図１１は、図１０に示す温度センサ１Ｅにおける電界検出光学部７０ａに電気的に接続された信号処理系である電界検出部３２および情報処理回路４２の概略構成、ならびに生体Ｈを介して検出電極２に対して電界を印加するための上記特許文献１に開示されたトランシーバの概略構成をそれぞれ示すブロック図である。

本実施形態の温度センサ１Ｅは、第２の実施の形態と同様に、図１０および図１１に示すように、ＥＯ結晶５の第１の側面５ａに取り付けられた第１の電極６１と、この第１の電極６１に対して所定間隔を空けて対向配置された第２の電極６２と、第１の電極６１を、第２の電極６２に対して電気的に接続する弾性変形自在な接続電極６３とを備えており、絶縁膜３は、第２の電極６２における第１の電極６１側とは反対側の表面６２ａを被覆している。

そして、本実施形態の温度センサ１Ｅにおける電界検出光学部７０ａは、第３の実施の形態と同様に、図１０および図１１に示すように、ＥＯ結晶５の第２の側面５ｂに対して取り付けられた接地電極７１を備えており、本実施形態の温度センサ１Ｅにおける生体Ｈに対しては、第３の実施の形態と同様の構成を有するトランシーバ７５が取り付けられている。

なお、第４の実施の形態に係わる温度センサ１Ｅのその他の構成については、第２の実施の形態に係わる温度センサ１Ｂおよび第３の実施の形態に係わる温度センサ１Ｄの構成要素と略同等であるため、同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。

次に、本実施形態の温度センサ１Ｅの全体動作について説明する。

第３実施形態と同様に、生体Ｈに直接または絶縁膜等を介して当接された印加電極７６には、トランシーバ７５の情報処理回路７８および電界印加部８２を介して電界が誘起されている。

このとき、生体Ｈがその例えば一部を介して絶縁膜３に接触したとき、その生体Ｈに誘起された電界は、絶縁膜３を介して第２の電極６２に印加され、接続電極６３を介して第１の電極６１に印加される。

このとき、第１の電極６１と共にＥＯ結晶５を挟んで対向配置された接地電極７１が接地されているため、第１の電極６１と接地電極７１との間のＥＯ結晶５には、印加電界に対応する電位差Ｖが印加される。

生体Ｈの温度変化ΔＴは、第２の実施の形態と同様に、熱変化として絶縁膜３、第２の電極６２、接続電極６３および第１の電極６１を介して略損失無くＥＯ結晶５に伝達され、伝達された温度変化ΔＴによりＥＯ結晶５に温度変化ΔＴが生じる。

このＥＯ結晶５の温度変化により、ＥＯ結晶５の自発分極の大きさＰｓが変化し、上式（２）により、自発分極の大きさＰｓの変化に対応してＥＯ結晶５内部の電界Ｅｓが変化する。

以上述べたように、本実施形態によれば、生体Ｈにトランシーバ７５が取り付けられている場合には、その生体Ｈにトランシーバ７５から誘起された電界が温度センサ１Ｅの絶縁膜３、第２の電極６２および接続電極６３を介して第１の電極６１に対して印加され、第１の電極６１および接地電極７１間の電位差ＶとしてＥＯ結晶５に印加される。

このため、温度センサ１Ｅにおいては、第１および第２の実施形態に係わる温度センサ１１、１Ａ〜１Ｃにおける電界印加部を設けることなく、単に接地電極７１を設けることにより、ＥＯ結晶５に電位を印加することが可能になる。

この結果、第２実施の形態の効果に加えて、第３の実施の形態と同様に、温度センサ１Ｅの小型化、およびセキュリティ性向上をそれぞれ図ることができる。

なお、上述した第３および第４の実施形態においては、生体Ｈにトランシーバ７５が取り付けられていない場合であっても、生体Ｈが未接地であり、接地電極７１に対して所定の電位差を有している際には、その生体Ｈの絶縁膜３への接触により生体Ｈの上記電位差に基づく電界が絶縁膜３を介して検出電極２または第１の電極に印加され、その温度変化ΔＴを検出することができる。このため、温度センサ１Ｄおよび１Ｅを生体Ｈの接触を検出する接触検出センサとして機能させることも可能である。

（第５の実施の形態）
図１２は、本発明の第５の実施の形態に係わる温度センサ１Ｆの概略構成を示す図である。

図１２に示すように、温度センサ１Ｆは、図１および図２に示した検出電極に対応する複数の検出電極２ｘ_１、・・・、２ｘ_ｎを有しており、この複数の検出電極２ｘ_１、・・・、２ｘ_ｎが例えば列状あるいはマトリクス状に互いに非接触かつその一表面２ａが同一平面上に位置するように配列されている。

また、温度センサ１Ｆは、この検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎのそれぞれの一表面２ａにその一表面２ａ全てを略均一の厚さで被覆する絶縁膜３ｘ（絶縁膜３に対応）を備えている。

さらに、温度センサ１Ｆは、検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎのそれぞれに対応して設けられており、それぞれの検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎを介して電界を検出するための電界検出部３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎ（電界検出部３２に対応）と、この電界検出部３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎに対応して設けられており、それぞれの電界検出部３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎに対して電界を印加するための電界印加部１３ｘ_１〜１３ｘ_ｎ（電界印加部１３に対応）とを備えている。

図１３は、図１２に示す温度センサ１Ｆにおける電界検出部３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎおよび情報処理回路４２の概略構成、ならびに電界印加部１３ｘ_１〜１３ｘ_ｎの概略構成をそれぞれ示すブロック図である。

図１３に示すように、各電界検出部３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎは、電界検出光学部２０を備えており、この電界検出光学部２０は、第１の実施の形態と同様に、その長手方向に沿った第１の側面５ａに対して対応する各検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎが取り付けられており、電気光学効果および焦電効果をそれぞれ有するＥＯ結晶５（図１参照）と、検出電極２の長手方向に平行なレーザ光を、ＥＯ結晶５に対して、例えば円偏光や電気光学結晶５の主軸に対して４５°回転した直線偏光等に偏光した状態でレーザ光Ｌ１として出力する検出光出力部１０（図１参照）と、ＥＯ結晶５を通過してきたレーザ光の位相差の変化をレーザ光の強度変化として検出し、検出したレーザ光の強度変化を電気信号に変換する検出部１５（図１参照）とを備えている。

各電界印加部１３ｘ_１〜１３ｘ_ｎは、各電界検出部３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎの各ＥＯ結晶５に対して取り付けられ、その各レーザ光Ｌ１の光路を挟んで各検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎに対向配置された印加電極１２と、外部機器接続用のＩ／Ｏ回路４６と、例えばこのＩ／Ｏ回路４６を介して入力された信号に基づく一定の電界を、各電界印加部１３ｘ_１〜１３ｘ_ｎの各印加電極１２および各検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎ間の一定の電位差Ｖとして各検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎを介して各印加電極１２に印加する電界印加回路４８とを備えている。

また、各電界検出部３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎは、第１の実施形態と同様に、検出部１５から出力された電気信号に対して、増幅処理、ノイズ除去処理等の信号処理を施す受信部３６の信号処理回路３８と、この信号処理回路３８により信号処理された電気信号に対して波形整形処理を施す波形整形回路４０と、この電気信号を受信データとして情報処理回路４２に送信するＩ／Ｏ回路４４とを備えている。

温度センサ１Ｆにおける情報処理回路４２には、第１の実施の形態と同様に、各ＥＯ結晶５の焦電効果に対応する各ＥＯ結晶５の温度Ｔと各ＥＯ結晶５内部の電界に係わるパラメータである例えば各ＥＯ結晶５に生じる分極の大きさＰとの関係を表す情報がデータ化された関係データＲＤが記憶されている。なお、本実施の形態においては、電界検出部３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎそれぞれのＥＯ結晶５は互いに同一の材質で形成された同一形状を有しており、上記関係データＲＤは、全てのＥＯ結晶５で共通であるものとする。

次に本実施形態の温度センサ１Ｆの全体動作について説明する。

今、例えば時間Ａにおいて、接地されている生体Ｈが、その各検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎの一端面２ａよりも面積が小さい操作部位（例えば、指先等）を介して、図１４に示すように、絶縁膜３ｘにおける検出電極２ｘ_ｋ−１と検出電極２ｘ_ｋ（１≦ｋ≦ｎ）との間の部位に当接し、以下、その当接部位を検出電極２ｘ_ｋに向けて連続的に移動させていき、時間Ｂにおいて、絶縁膜３ｘにおける検出電極２ｘ_ｋに対向する部分に到達し、時間Ｃにおいて検出電極２ｘ_ｋの対向部分を超え、時間Ｚにおいて検出電極２ｘ_ｋ＋１に対向する部分にそれぞれ到達したとする。

ここで、生体Ｈの操作部位が検出電極２ｘ_ｋ−１の対向位置から離れて検出電極２ｘ_ｋの対向位置へ向かうとき、検出電極２ｘ_ｋ−１に対応する電界検出部３２ｘ_ｋ−１を介して情報処理部４２により検出される生体Ｈの温度が下降し、検出電極２ｘ_ｋに対応する電界検出部３２ｘ_ｋを介して情報処理部４２により検出される生体Ｈの温度が上昇する。

同様に、生体Ｈの操作部位が検出電極２ｘ_ｋの対向位置から離れて検出電極２ｘ_ｋ＋１の対向位置へ向かうとき、検出電極２ｘ_ｋに対応する電界検出部３２ｘ_ｋを介して情報処理部４２により検出される生体Ｈの温度が下降し、検出電極２ｘ_ｋ＋１に対応する電界検出部３２ｘ_ｋ＋１を介して情報処理部４２により検出される生体Ｈの温度が上昇する。

したがって、情報処理回路４２は、検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎの電界検出部３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎで検出される位相差の変化（温度変化）に基づいて、例えば最初に温度変化が検出された電界検出部から最後の温度変化が検出された電界検出部までの距離およびその方向を、生体Ｈの操作部位、すなわち、絶縁膜３ｘに対する当接部位の移動量および移動方向として容易に検出することができる。

なお、本実施形態においても、例えば、第３の実施の形態のように、各電界印加部１３ｘ_１〜１３ｘ_ｎを各接地電極に置き換えて各電界印加部１３ｘ_１〜１３ｘ_ｎを取り除き、生体Ｈに取り付けられたトランシーバにより生体Ｈに誘起された電界を各検出電極２ｘ_１〜２ｘ_ｎに印加させることも可能である。

また、第１〜第５の実施の形態およびその変形例においては、温度センサの検出対象である温度変化を起こす物体を生体としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、生体以外の温度を有する物体であってもよい。

さらに、第１〜第５の実施の形態においては、信号処理回路を電界検出部の外に構成したが、電界検出部の中に一体に構成してもよい。

そして、第１〜第５の実施の形態においては、ＥＯ結晶５の温度Ｔに対する関係を表すＥＯ結晶５内部の電界に係わるパラメータとして、例えばＥＯ結晶５に生じる分極の大きさＰを用いたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、ＥＯ結晶５内部の電界に係わるパラメータであれば、例えばＥＯ結晶５の内部の電界自体等のパラメータであってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係わる電気光学効果を用いた温度センサの概略構成を示す図。図１に示す温度センサにおける電界検出光学部に電気的に接続された信号処理系である電界検出部および情報処理回路の概略構成、ならびに電界印加部の概略構成をそれぞれ示すブロック図。第１の実施の形態に係わるＥＯ結晶の分極の大きさと温度の関係を表す関係データを概念的に示すグラフ。第１の実施の形態の変形例に係わる電気光学効果を用いた温度センサの概略構成を示す図。本発明の第２の実施の形態に係わる電気光学効果を用いた温度センサの概略構成を示す図。図５に示す温度センサにおける電界検出光学部に電気的に接続された信号処理系である電界検出部および情報処理回路の概略構成、ならびに電界印加部の概略構成をそれぞれ示すブロック図。第２の実施の形態の変形例に係わる電気光学効果を用いた温度センサの概略構成を示す図。本発明の第３の実施の形態に係わる電気光学効果を用いた温度センサの概略構成を示す図。図８に示す温度センサにおける電界検出光学部に電気的に接続された信号処理系である電界検出部および情報処理回路の概略構成、ならびに電界伝達媒体である生体を介して検出電極に対して電界を印加するためのトランシーバの概略構成をそれぞれ示すブロック図。本発明の第４の実施の形態に係わる電気光学効果を用いた温度センサの概略構成を示す図。図１０に示す温度センサにおける電界検出光学部に電気的に接続された信号処理系である電界検出部および情報処理回路の概略構成、ならびに生体を介して検出電極に対して電界を印加するためのトランシーバの概略構成をそれぞれ示すブロック図。本発明の第５の実施の形態に係わる温度センサの概略構成を示す図。図１２に示す温度センサにおける電界検出部および情報処理回路の概略構成、ならびに電界印加部の概略構成をそれぞれ示すブロック図。第５の実施の形態に係わる生体の移動と検出電極および電界検出部との関係を表す図。

符号の説明

１、１Ａ〜１Ｆ…温度センサ
２、２ｘ_１〜２ｘ_ｎ…検出電極
３、３Ｘ…絶縁膜
５…ＥＯ結晶
１０…検出光出力部
１２、７６…印加電極
１３、１３ｘ_１〜１３ｘ_ｎ、８２…電界印加部
１５…検出部
２０…電界検出光学部
３２、３２ｘ_１〜３２ｘ_ｎ…電界検出部
３６…受信部
３８…信号処理回路
４０…波形整形回路
４２、７８…情報処理回路
６１…第１の電極
６０、７０、７０ａ…電界検出光学部
６２…第２の電極
６３…接続電極
７１…接地電極
７５…トランシーバ
８２ａ…電界印加回路

Claims

電気光学効果に応じた検出光の位相差を利用して物体の温度変化を検出する電気光学効果を用いた温度センサであって、
前記物体が接することができる第１の電極部と、
前記検出光の光路上に前記第１の電極部に隣接して配置され、前記電気光学効果および焦電効果をそれぞれ有する電気光学結晶部材と、
前記焦電効果に対応する前記電気光学結晶部材の温度変化と該電気光学結晶部材内部の電界に係わるパラメータとの関係を表す情報を記憶する温度電界関係情報記憶部と、
前記電気光学結晶部材に、前記検出光の光路を挟んで前記第１の電極部に対向して取り付けられた第２の電極部と、
を備えたことを特徴とする温度センサ。
前記パラメータは前記電気光学結晶部材に生じる分極の大きさである請求項１記載の温度センサ。
前記第１の電極部は、前記電気光学結晶部材に接する第１の電極と、この第１の電極から前記物体側へ向けて離間し、該第１の電極に対して対向配置された第２の電極と、温度伝導性を有し、前記第１の電極を、前記第２の電極に対して電気的に接続する弾性変形自在な接続電極とを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の温度センサ。
前記第２の電極部を介して前記電気光学効果発生用の電界を当該第２の電極部および前記第１の電極部間の電位差として前記電気光学結晶部材に印加する印加手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３の内の何れか１項記載の温度センサ。
前記物体は電界伝達媒体であり、当該電界伝達媒体により前記第１の電極部が接触された状態で、前記電界伝達媒体に前記電気光学効果発生用の電界が誘起された際に、この誘起された電界が当該電界伝達媒体を介して前記第１の電極部に印加されるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３の内の何れか１項記載の温度センサ。
前記物体が前記第１の電極部に当接して該第１の電極部を介して前記物体の温度変化が前記電気光学結晶部材に伝達され、該電気光学結晶部材の焦電効果により前記物体の温度変化に応じてその自発分極の大きさが変化し、この自発分極の変化に応じて前記第１の電極部および第２の電極部間の電位差が変化して前記検出光の位相差が変化した際に、その検出光の位相差を検出し、検出した位相差に基づいて前記温度変化を検出する検出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５の内の何れか１項記載の温度センサ。
電気光学効果に応じた複数の検出光の位相差を利用して物体の温度変化を検出する電気光学効果を用いた温度センサであって、
それぞれの一端面が同一平面上に位置するように配列された複数の第１の電極と、
前記物体が接することができ、前記複数の第１の電極それぞれの一端面をそれぞれ被覆する絶縁性被覆部材と、
前記複数の検出光の光路上に前記複数の第１の電極に隣接して配置され、前記電気光学効果および焦電効果をそれぞれ有する複数の電気光学結晶部材と、
前記複数の電気光学結晶部材それぞれの焦電効果に対応する前記複数の電気光学結晶部材それぞれの温度と該複数の電気光学結晶部材それぞれに発生する電界に係わるパラメータとの関係を表す情報を記憶する温度電界関係情報記憶部と、
前記複数の電気光学結晶部材に、前記複数の検出光の光路を挟んで前記複数の第１の電極にそれぞれ対向して取り付けられた複数の第２の電極と、
を備えたことを特徴とする温度検出センサ。