JP2022118688A - Pressure sensor device and voltage receiving element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力センサ装置及び受圧素子に関する。 The present invention relates to pressure sensor devices and pressure receiving elements.
光ファイバの先端に配置されたハーフミラーと、ダイヤフラムの内面に形成された反射層とにより形成されるファブリ・ペロー共振器を使用して、患者の血管内等の狭小部における圧力を測定する圧力センサ装置が知られている(例えば、特許文献1及び2を参照)。特許文献1及び2に記載される圧力センサ装置は、径が125μmと非常に細い光ファイバの先端にファブリ・ペロー共振器を配置することで、患者の身体的な負担を軽減とした上で、患者の体内の狭小部において血圧等の圧力を計測できる。
A Fabry-Perot resonator formed by a half mirror placed at the tip of an optical fiber and a reflective layer formed on the inner surface of a diaphragm is used to measure the pressure in a narrow space such as a patient's blood vessel. Sensor devices are known (see, for example, US Pat. In the pressure sensor devices described in
しかしながら、ハーフミラーと反射層との間のギャップ長が均一の長さになるようにファブリ・ペロー共振器を製造することは、容易ではなく、特許文献1及び2に記載される圧力センサ装置の製造コストが高くなるおそれがある。 However, it is not easy to manufacture a Fabry-Perot resonator so that the gap length between the half mirror and the reflective layer is uniform. Manufacturing costs may increase.
本発明は、このような課題を解決するものであり、狭小部における圧力を検出可能であり且つ低コストで製造可能な光学センサ装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical sensor device that can detect pressure in a narrow space and that can be manufactured at low cost.
本発明に係る圧力センサ装置は、入射光を出射する発光部と、発光部に光学的に接続された光ファイバと、光ファイバの先端に配置され、光ファイバを介して入射光が入射されたときに、印加される圧力に応じた戻り光を出射する圧力センサと、圧力センサに光ファイバを介して光学的に接続され、戻り光に基づいて、圧力センサに印加される圧力に応じた検出信号を出力する検出信号発生部とを有し、圧力センサは、磁性体と、磁性体に近接して配置され、入射光が入射されたときに、磁界に応じた戻り光を出射する磁界センサ素子と、圧力が印加されることに応じて磁界センサ素子と磁性体との間の距離が変化するように磁性体を保持する受圧素子とを有する。 A pressure sensor device according to the present invention includes a light emitting portion that emits incident light, an optical fiber that is optically connected to the light emitting portion, and a tip of the optical fiber that receives the incident light through the optical fiber. Sometimes, a pressure sensor that emits return light corresponding to the applied pressure is optically connected to the pressure sensor via an optical fiber, and based on the return light, the pressure applied to the pressure sensor is detected. and a detection signal generator for outputting a signal, wherein the pressure sensor includes a magnetic material, and is arranged in proximity to the magnetic material, and emits return light corresponding to the magnetic field when incident light is incident thereon. and a pressure-receiving element that holds the magnetic body such that the distance between the magnetic field sensor element and the magnetic body changes according to the application of pressure.
さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、受圧素子は、円筒状の形状を有し、一方の側面に開口部が形成された基台と、基台の内部に配置され、磁性体を保持する支持部と、基台の他方の側面に配置され、一端が基台に接続され且つ他端が支持部に接続された螺旋状の弾性部とを有することが好ましい。 Further, in the pressure sensor device according to the present invention, the pressure-receiving element has a cylindrical shape and has a base with an opening formed on one side surface, and is arranged inside the base and holds the magnetic body. It is preferable to have a supporting part and a spiral elastic part arranged on the other side surface of the base and having one end connected to the base and the other end connected to the supporting part.
さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、受圧素子は、シリコンにより形成されることが好ましい。 Furthermore, in the pressure sensor device according to the present invention, the pressure receiving element is preferably made of silicon.
さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、弾性部は、磁界センサ素子に対向する第1面、及び第1面の反対の第2面の少なくとも一方に撥水膜が形成されることが好ましい。 Furthermore, in the pressure sensor device according to the present invention, the elastic portion preferably has a water-repellent film formed on at least one of a first surface facing the magnetic field sensor element and a second surface opposite to the first surface.
さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、弾性部の幅は、基台に接続される一端から支持部に接続される他端に向かうに従って幅が狭くなることが好ましい。 Furthermore, in the pressure sensor device according to the present invention, it is preferable that the width of the elastic portion becomes narrower from one end connected to the base toward the other end connected to the support portion.
さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、溝は、支持部の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成されることが好ましい。 Furthermore, in the pressure sensor device according to the present invention, the groove is preferably formed so as to extend along a logarithmic spiral whose origin is the center of the bottom surface of the support.
さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、弾性部は、第1溝、及び第2溝が形成され、第1溝及び第2溝の基台側の端部は、180度離隔して配置され、第1溝及び第2溝の支持部側の端部は、180度離隔して配置されることが好ましい。 Further, in the pressure sensor device according to the present invention, the elastic portion is formed with the first groove and the second groove, and the ends of the first groove and the second groove on the base side are arranged 180 degrees apart. , ends of the first groove and the second groove on the side of the support portion are preferably spaced apart by 180 degrees.
さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、弾性部は、第1溝、第2溝及び第3溝が形成され、第1溝、第2溝及び第3溝の基台側の端部は、120度ずつ離隔して配置され、第1溝、第2溝及び第3溝の支持部側の端部は、120度ずつ離隔して配置されることが好ましい。 Further, in the pressure sensor device according to the present invention, the elastic portion is formed with the first groove, the second groove and the third groove, and the ends of the first groove, the second groove and the third groove on the base side are It is preferable that they are spaced apart by 120 degrees, and the ends of the first groove, the second groove, and the third groove on the side of the support portion are spaced apart by 120 degrees.
さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、圧力センサは、受圧素子が保持する磁性体の端部と反対側の端部を保持する第2受圧素子をさらに有することが好ましい。 Furthermore, in the pressure sensor device according to the present invention, it is preferable that the pressure sensor further includes a second pressure receiving element that holds an end opposite to the end of the magnetic material held by the pressure receiving element.
また、本発明に係る受圧素子は、円筒状の形状を有し、一方の側面に開口部が形成された基台と、基台の内部に配置され、磁性体を保持する支持部と、基台の他方の側面に配置され、一端が基台に接続され且つ他端が支持部に接続され、螺旋状の1又は複数の溝が形成される弾性部とを有する。 Further, the pressure receiving element according to the present invention includes a base having a cylindrical shape and having an opening formed on one side surface, a supporting portion arranged inside the base and holding a magnetic body, and a base. and an elastic part disposed on the other side of the platform, one end of which is connected to the base and the other end of which is connected to the supporting part, and in which one or more spiral grooves are formed.
本発明に係る圧力センサ装置は、狭小部における圧力を検出可能であり且つ低コストで製造可能である。 The pressure sensor device according to the present invention can detect pressure in a narrow space and can be manufactured at low cost.
以下図面を参照して、本発明に係る圧力センサ装置及び受圧素子について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。 A pressure sensor device and a pressure receiving element according to the present invention will be described below with reference to the drawings. However, it should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to those embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof.
(実施形態に係る圧力センサ装置の構成及び機能)
図1は、実施形態に係る圧力センサ装置を示すブロック図である。
(Configuration and function of pressure sensor device according to embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the pressure sensor device according to the embodiment.
圧力センサ装置1は、発光部10と、サーキュレータ20と、第1光学素子30と、光路部40と、圧力センサ50と、検出信号発生部60とを有する。発光部10、サーキュレータ20、第1光学素子30、光路部40、圧力センサ50及び検出信号発生部60の間の光路は、PANDA(Polarization-maintaining AND Absorption-reducing)ファイバ80によって形成される。PANDファイバ80の外径は、一例では125μmである。なお、第1光学素子30、光路部40、圧力センサ50及び検出信号発生部60の間の光路は、ボウタイ(Bow-tie)ファイバ及び楕円ジャケット(Elliptical Jacket)ファイバ等の偏波保持型の光ファイバによって形成されてもよい。
The pressure sensor device 1 has a
発光部10は、発光素子11と、アイソレータ12と、偏光子13とを有する。発光素子11は、例えば半導体レーザ又は発光ダイオードである。具体的には、発光素子11として、ファブリペローレーザー、スーパールミネッセンスダイオード等を好ましく用いることができる。
The
アイソレータ12は、発光素子11から入射された光をサーキュレータ20側に透過すると共に、サーキュレータ20から入射された光を発光素子11側に透過しないことで、発光素子11を保護する。アイソレータ12は、例えば偏光依存型光アイソレータであり、偏光無依存型光アイソレータであってもよい。
The
偏光子13は、発光素子11が発した光を直線偏波光にするための光学素子であり、その種類は特に限定されない。偏光子13で得られる第1直線偏波光は、サーキュレータ20を介して第1光学素子30に入射される。
The
サーキュレータ20は、発光部10から出射された第1直線偏波光を第1光学素子30に透過すると共に、第1光学素子30から出射された第2直線偏波光を検出信号発生部60に分岐する光分岐部である。サーキュレータ20は、例えばファラデー回転子、1/2波長板、偏光ビームスプリッタ、及び反射ミラーによって形成される。
The
第1光学素子30は、例えばサーキュレータ20から入射される第1直線偏波光の偏光面に対して方位角が22.5度になるように配置された1/2波長板である。第1光学素子30は、サーキュレータ20から入射される第1直線偏波光の偏光面を45度回転し、光路部40に第1直線偏波光を出射する。第1光学素子30で偏光面が45度回転した第1直線偏波光は、P偏光である第1直線偏光CW1と、第1直線偏光CW1に直交するS偏光である第2直線偏光CCW1とを有する。
The first
また、第1光学素子30は、光路部40から入射される直線偏波光である第2直線偏波光の偏光面を45度回転し、サーキュレータ20に出射する。
Also, the first
光路部40は、第1ビームスプリッタ41と、第2ビームスプリッタ42と、第1光路43と、第2光路44と、第2光学素子45とを有する。
The
第1ビームスプリッタ41は、第1直線偏光CW1を第1光路43に出射すると共に、第2直線偏光CCW1を第2光路44に出射する。また、第1ビームスプリッタ41は、第3直線偏光CW2が第2光路44から入射されると共に、第4直線偏光CCW2が第1光路43から入射される。第3直線偏光CW2及び第4直線偏光CW2は、第1光学素子30に出射される第2直線偏波光の互いに直交する偏光成分である。
The
第2ビームスプリッタ42は、第1直線偏光CW1が第1光路43から入射されると共に、第2直線偏光CCW1が第2光路44から入射される。また、第2ビームスプリッタ42は、第3直線偏光CW2を第2光路44に出射すると共に、第4直線偏光CCW2を第1光路43に出射する。
The
第1ビームスプリッタ41及び第2ビームスプリッタ42は、入射光をP偏光成分とS偏光成分とに分離し、且つ、P偏光成分とS偏光成分とを合成し出射する。第1ビームスプリッタ41及び第2ビームスプリッタ42は、例えばプリズム型ビームスプリッタであるが、平面型ビームスプリッタ又はウェッジ型ビームスプリッタであってもよい。
The
第1光路43は、第1ビームスプリッタ41から導入された第1直線偏光CW1を第2ビームスプリッタ42に導出すると共に、第2ビームスプリッタ42から導入された第4直線偏光CCW2を第1ビームスプリッタ41に導出する。第2光路44は、第1ビームスプリッタ41から導入された第2直線偏光CCW2を第2ビームスプリッタ42に導出すると共に、第2ビームスプリッタ42から導入された第3直線偏光CW2を第1ビームスプリッタ41に導出する。
The first
第1光路43は、一端が第1ビームスプリッタ41に光学的に接続され且つ他端が第2ビームスプリッタ42に光学的に接続されたPANDAファイバである。第2光路44は、一端が第1ビームスプリッタ41に光学的に接続され且つ他端が第2ビームスプリッタ42に光学的に接続されたPANDAファイバである。なお、第1光路43及び第2光路44は、ボウタイファイバ及び楕円ジャケットファイバ等の偏波保持ファイバであってもよい。第2光路44には、第2光学素子45が配置される。
The first
第2光学素子45は、第1(1/4)波長板46と、第2(1/4)波長板47と、45度ファラデー回転子48とを有する。
The second
第1(1/4)波長板46は、第2光路44を形成するPANDAファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が45度傾斜して配置される1/4波長板である。第1(1/4)波長板46は、直線偏光を円偏光に変換すると共に、円偏光を直線偏光に変換する。
The first (quarter)
第2(1/4)波長板47は、第2光路44を形成するPANDAファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が-45度傾斜して配置される1/4波長板である。第2(1/4)波長板47は、45度ファラデー回転子48から円偏光を直線偏光に変換すると共に、直線偏光を円偏光に変換する。
The second (1/4)
45度ファラデー回転子48は、第1(1/4)波長板46及び第2(1/4)波長板47のそれぞれから入射される円偏光の位相を変化させるファラデー回転子である。
The 45-
45度ファラデー回転子48は、第2(1/4)波長板47から出射される第2直線偏光CCW1の位相が第1(1/4)波長板46に入射される直線偏光である第2直線偏光CCW1の位相から45シフトするように、第1(1/4)波長板46から入射される円偏光の位相を変化させる。また、45度ファラデー回転子48は、第1(1/4)波長板46から出射される第3直線偏光CW2の位相が第2(1/4)波長板47に入射される第3直線偏光CW2の位相から-45シフトするように、円偏光の位相を変化させる。
The 45-
圧力センサ50は、PANDAファイバ80の先端に配置され、PANDAファイバ80を介して第2ビームスプリッタ42に光学的に接続され、患者の血管等の比較的狭い場所に挿入される。圧力センサ50は、発光部10が出射した直線偏波光が入射光として入射されると共に、光ファイバ80を介して入射光が入射されたときに、印加される圧力に応じた戻り光を出射する。
The
検出信号発生部60は、第3ビームスプリッタ61と、第1受光素子62と、第2受光素子63と、信号処理回路70とを有し、サーキュレータ20で分岐された第2直線偏波光を受光する。検出信号発生部60は、第2直線偏波光をS偏光成分及びP偏光成分に分離し、S偏光成分及びP偏光成分を受光して電気信号に変換して差動増幅することで、圧力センサ50に印加される圧力に応じた検出信号Edを出力する。第3ビームスプリッタ61は、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型及び光導波路型等の偏光ビームスプリッタ(PBS)であり、サーキュレータ20で分岐された第2直線偏波光をS偏光成分64とP偏光成分65とに分離する。
The
第1受光素子62及び第2受光素子63のそれぞれは、例えばPINフォトダイオードである。第1受光素子62はS偏光成分64を受光し、第2受光素子63はP偏光成分65を受光する。第1受光素子62及び第2受光素子63のそれぞれは、受光した光を光電変換して、受光した光の光量の応じた電気信号を出力する。信号処理回路70は、S偏光成分を示す電気信号及びP偏光成分を示す電気信号を差動増幅することで、圧力センサ50に印加される圧力に応じた検出信号Edを出力する。
Each of the first
図2は、図1において破線Aで示される部分の拡大断面図である。 FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the portion indicated by broken line A in FIG.
圧力センサ50は、1/4波長板51と、ファラデー回転子52と、ミラー素子53と、受圧素子54と、磁性体55とを有する。圧力センサ50は、PANDAファイバ80の先端に配置され、光路部40及びPANDAファイバ80を介して入射光が入射されたときに、受圧素子54に印加される圧力に応じて戻り光を出射する。
The
1/4波長板51は、第2ビームスプリッタ42との間を光学的に接続するPANDAファイバ80の遅相軸及び進相軸に対して光学軸が45度傾斜して配置される1/4波長板である。1/4波長板51は、直線偏光である入射光の偏光状態を円偏光に変換すると共に、ファラデー回転子52から円偏光として入射される戻り光の偏光状態を直線偏光に変換する。
The quarter-
ファラデー回転子52は、誘電体と、誘電体から安定的に相分離した状態で誘電体中に分散しているナノオーダの磁性体粒子とを有するグラニュラー膜である。ファラデー回転子52は、1/4波長板51の端面に配置され、磁界を検出する磁界センサ素子である。磁性体粒子は、例えば最表層等のごく一部では酸化物が形成されていてもよいが、ファラデー回転子52の全体では、磁性体粒子が、バインダとなる誘電体と化合物を作らずに、単独で薄膜中に分散している。ファラデー回転子52内における磁性体粒子の分布は、完全に一様でなくてもよく、多少偏っていてもよい。誘電体として透明性が高いものを用いれば、誘電体中に磁性体粒子が光の波長よりも小さいサイズで存在することにより、ファラデー回転子52は光透過性を有する。
The
ファラデー回転子52は、単層のものに限らず、グラニュラー膜と誘電体膜とが交互に積層した多層膜であってもよい。グラニュラー膜を多層膜することでファラデー回転子52を形成することで、グラニュラー膜内での多重反射によって、より大きなファラデー回転角が得られる。
The
ファラデー回転子52の誘電体は、フッ化マグネシウム(MgF2)、フッ化アルミニウム(AlF3)、フッ化イットリウム(YF3)等のフッ化物(金属フッ化物)が好ましい。また、誘電体は、酸化タンタル(Ta2O5)、二酸化ケイ素(SiO2)、二酸化チタン(TiO2)、五酸化二ニオビウム(Nb2O5)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、二酸化ハフニウム(HfO2)、及び三酸化二アルミニウム(Al2O3)等の酸化物であってもよい。誘電体と磁性体粒子との良好な相分離のためには、酸化物よりもフッ化物の方が好ましく、透過率が高いフッ化マグネシウムが特に好ましい。
The dielectric of the
磁性体粒子の材質は、ファラデー効果を生じるものであればよく、特に限定されないが、磁性体粒子の材質としては、強磁性金属である鉄(Fe)、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)並びにこれらの合金が挙げられる。Fe、Co及びNiの合金としては、例えば、FeNi合金、FeCo合金、FeNiCo合金、NiCo合金が挙げられる。Fe、Co及びNiの単位長さ当たりのファラデー回転角は、従来のファラデー回転子に適用されている磁性ガーネットに比べて2~3桁近く大きい。 The material of the magnetic particles is not particularly limited as long as it produces the Faraday effect. Examples of the material of the magnetic particles include ferromagnetic metals such as iron (Fe), cobalt (Co) and nickel (Ni). These alloys are mentioned. Examples of alloys of Fe, Co and Ni include FeNi alloys, FeCo alloys, FeNiCo alloys, and NiCo alloys. The Faraday rotation angles per unit length of Fe, Co and Ni are two to three orders of magnitude larger than those of magnetic garnets applied to conventional Faraday rotators.
ミラー素子53は、ファラデー回転子52上に形成されており、ファラデー回転子52を透過した光をファラデー回転子52に向けて反射する。ミラー素子53としては、例えば、銀(Ag)膜、金(Au)膜、アルミニウム(Al)膜又は誘電体多層膜ミラー等を用いることができる。特に、反射率の高いAg膜及び耐食性が高いAu膜が成膜上簡便で好ましい。ミラー素子53の厚さは、98%以上の十分な反射率を確保できる大きさであればよく、例えばAg膜の場合には、50nm以上かつ200nm以下であることが好ましい。ミラー素子53を用いてファラデー回転子52内で光を往復させることにより、ファラデー回転角を大きくすることができる。
The
図3(a)は受圧素子54の斜視図(その1)であり、図3(b)は受圧素子54の斜視図(その2)であり、図3(c)は図3(a)のB-B線に沿う受圧素子54の斜視断面図である。
3(a) is a perspective view (part 1) of the
受圧素子54は、基台56と、支持部57と、弾性部58とを有し、高精度の微細加工が可能なシリコンをレーザ加工及びエッチング加工等により切削加工することにより、形成される。
The
基台56は、外径がPANDファイバ80の外径と同一である円筒状の形状を有する。基台56の一方の側面には、磁性体55が配置される開口部59が形成され、他方の側面には、弾性部58が配置される。
The
支持部57は、円柱状の形状を有し、一端が弾性部58の中心部に接続され、基台56の内部に配置される。支持部57の先端には、磁性体55が配置される。磁性体55は、円柱状の支持部の先端に配置されることで、磁界センサ素子であるファラデー回転子52に近接して配置される。
The
弾性部58は、渦巻き状すなわち螺旋状の形状を有し、基台56の他方の側面に配置され、フッ素系物質などの疎水性材料により形成される撥水膜が外面に配置される。弾性部58の間は、螺旋状に湾曲して延伸する単一の溝58aが形成される。弾性部58の間に形成される溝は、支持部57の底面の中心を原点とするアルキメデスの螺旋に沿って延伸するように形成される。弾性部58の間に形成される溝がアルキメデスの螺旋に沿って延伸するように形成されることで、弾性部58の幅は均一となる。
The
弾性部58は、外側から押下されると、基台56の内部方向に湾曲する。弾性部58が基台56の内部方向に湾曲すると、弾性部58の中央部に配置される支持部57を開口部59の方向に移動する。支持部57が開口部59の方向に移動すると、支持部57の先端に配置される磁性体55は、ファラデー回転子52に近づく方向に移動する。
The
磁性体55は、支持部57の径と同一形状を有する円形の平面形状を有する薄膜状の永久磁石である。磁性体55は、例えば鉄-白金(Fe-Pt)磁石である。なお、磁性体55は、ネオジム-鉄-ホウ素(Nd-Fe-B)磁石及びサマリウム-コバルト(Sm-Co)磁石等の鉄-白金磁石以外の永久磁石であってもよい。しかしながら、磁性体55は、圧力センサ50を人体の内部に挿入される場合は、人体への影響が小さい鉄-白金磁石であることが好ましい。
The
図4(a)は圧力が印加されない状態の圧力センサ50を示す図であり、図4(b)は圧力が印加された状態の圧力センサ50を示す図である。図5は、ファラデー回転子52と磁性体55との間の距離とファラデー回転子52に印加される磁界との関係を示す図である。
4A shows the
圧力センサ50では、弾性部58の外側から圧力が印加されると、弾性部58は、基台56の内側に向かって湾曲する。弾性部58が基台56の内側に向かって湾曲することに応じて、磁性体55は、ファラデー回転子52の方向に移動する。
In the
磁性体55がファラデー回転子52の方向に移動するに従って、ファラデー回転子52に印加させる磁界Hは、増加する。ファラデー回転子52に印加させる磁界Hは、ファラデー回転子52と磁性体55との間の距離Dの減少量に線形に増加する。
As the
1/4波長板51からファラデー回転子52に入射した円偏光は、ファラデー回転子52を透過し、ミラー素子53で反射し、再びファラデー回転子52を透過して戻り光となる。ファラデー回転子52を透過した戻り光は、1/4波長板51に再度入射される。
The circularly polarized light incident on the
1/4波長板51からファラデー回転子52に入射した円偏光は、ファラデー回転子52に印加される磁界に応じて位相を変化させる。また、ミラー素子53で反射した円偏光は、ファラデー回転子52に印加される磁界に応じて位相を更に変化させる。
The circularly polarized light incident on the
(実施形態に係る圧力センサ装置の作用効果)
圧力センサ装置1は、ファブリ・ペロー共振器を使用することなく、ファラデー回転子52と磁性体55との間の距離に応じて変化するファラデー回転子52に印加される磁界を検出することで圧力センサ50に印加される圧力を検出する。ファラデー回転子52に印加される磁界は、ファラデー回転子52と磁性体55との間の距離に応じて変化するので、ファラデー回転子52と磁性体55との間の距離を均一の長さに揃えて製造しなくてよい。圧力センサ装置1は、ファラデー回転子52と磁性体55との間の距離を均一の長さに揃えて製造しなくてよいので、ファブリ・ペロー共振器を使用する圧力センサ装置よりも製造が容易になり、製造コストを低減することができる。
(Action and effect of the pressure sensor device according to the embodiment)
The pressure sensor device 1 detects a magnetic field applied to the
また、ファラデー回転子52に印加される磁界は、ファラデー回転子52と磁性体55との間の距離に応じて変化するので、ファラデー回転子52と磁性体55との間の距離の変化に応じて線形に変化する。圧力センサ装置1は、ファラデー回転子52と磁性体55との間の距離の変化に応じて線形に変化する磁界を使用して圧力を検出するので、ファブリ・ペロー共振器の共振波長を使用して圧力を検出する圧力センサ装置よりも高精度に圧力を検出できる。
Further, since the magnetic field applied to the
また、圧力センサ装置1では、受圧素子54は、高精度の微細加工が可能なシリコンにより形成されるので、小型化が容易である。
In addition, in the pressure sensor device 1, the
また、圧力センサ装置1では、螺旋状の弾性部58の外面は、撥水膜が形成されるので、弾性部58の隙間から基台56の内部に血液等の液体が侵入するおそれは低く、基台56の内部に液体が侵入することにより測定精度が低下するおそれは低い。
In addition, in the pressure sensor device 1, since a water-repellent film is formed on the outer surface of the spiral
(実施形態に係る圧力センサ装置の変形例)
圧力センサ装置1では、受圧素子54は、シリコンを切削加工することにより形成されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、受圧素子は、ポリイミド樹脂等の可とう性を有する合成樹脂を薄膜状に加工することにより形成されてもよい。
(Modification of the pressure sensor device according to the embodiment)
In the pressure sensor device 1, the
また、圧力センサ装置1では、磁性体55は、弾性部58の中央部に配置される円柱状の支持部57の先端に配置されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、磁性体は、円柱状の形状を有し、弾性部58の中央部に配置されてもよい。
Further, in the pressure sensor device 1, the
また、圧力センサ装置1では、弾性部58は、外面に撥水膜が形成されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、弾性部は、内面に撥水膜が形成されてもよく、外面及び内面の双方に撥水膜が形成されてもよい。また、弾性部は、外面及び内面の何れにも撥水膜が形成されなくてもよい。
In the pressure sensor device 1, the
また、圧力センサ装置1では、受圧素子54の弾性部58は、均一な幅を有するが、実施形態に係る圧力センサ装置では、弾性部の幅は、均一でなくてもよい。受圧素子54では、弾性部58が均一な幅を有するので、圧力が印加されたときに、基台56に近い弾性部58の外側に応力が集中して、弾性部58の外側の変位量が弾性部58の内側の変位量よりも大きくなる。受圧素子54では、弾性部58の外側の変位量が大きくなるので、圧力を検出する対象物が液体であるときに、弾性部58の外側の溝58aから液体が弾性部58の外側の溝58aから侵入するおそれがある。
Further, in the pressure sensor device 1, the
図6(a)は第1変形例に係る受圧素子の斜視図(その1)であり、図6(b)は第1変形例に係る受圧素子の斜視図(その2)であり、図6(c)は第1変形例に係る受圧素子の正面図である。 FIG. 6A is a perspective view (Part 1) of the pressure receiving element according to the first modification, and FIG. 6B is a perspective view (Part 2) of the pressure receiving element according to the first modification. (c) is a front view of a pressure receiving element according to a first modified example.
受圧素子154は、基台156及び弾性部158を基台56及び弾性部58の代わりに有することが受圧素子54と相違する。基台156及び弾性部158以外の受圧素子154の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された受圧素子54の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。基台156は、長さが基台56よりも長いことが基台56と相違する。基台156は、長さが基台56よりも長いので、1/4波長板51、ファラデー回転子52及びミラー素子53を覆うように配置することができると共に、より大きな磁性体55を設置することができる。
The
弾性部158は、幅が基台156に接続される一端から支持部57に接続される他端に向かうに従って幅が狭くなるように形成される。具体的には、弾性部158は、弾性部158の間に形成される溝158aが支持部57の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成される。なお、溝158aは、双曲螺旋及びリチュース螺旋等の対数螺旋以外の代数螺旋に沿って延伸するように形成されてもよい。
The
受圧素子154は、弾性部158の幅が基台156に接続される一端から支持部57に接続される他端に向かうに従って幅が狭くなるように形成されるので、基台156に近い外側に応力が集中して弾性部58の外側の変位量が大きくなることはない。受圧素子154は、弾性部58の外側の変位量が大きくないので、弾性部58の外側の溝58aから液体が弾性部58の外側の溝58aから侵入するおそれは低い。
The pressure-receiving
また、圧力センサ装置1では、受圧素子54の弾性部58は、単一の溝が形成されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、弾性部は、複数の溝が形成されてもよい。受圧素子54では、弾性部58は単一の溝が形成されるので、圧力が印加され、弾性部58の中央部に配置される支持部57が開口部59の方向に移動するときに、支持部57が傾くことがある。圧力センサ装置1では、磁性体55を支持する支持部57が傾くことで、圧力に応じた磁界の変化を検出するときの検出精度が低下するおそれがある。
Further, in the pressure sensor device 1, the
図7(a)は第2変形例に係る受圧素子の斜視図(その1)であり、図7(b)は第2変形例に係る受圧素子の斜視図(その2)であり、図7(c)は第2変形例に係る受圧素子の正面図である。 FIG. 7A is a perspective view (Part 1) of the pressure receiving element according to the second modification, and FIG. 7B is a perspective view (Part 2) of the pressure receiving element according to the second modification. (c) is a front view of a pressure receiving element according to a second modification.
受圧素子254は、弾性部258を弾性部158の代わりに有することが受圧素子154と相違する。弾性部258以外の受圧素子254の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された受圧素子154の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
The
弾性部258は、第1溝258a及び第2溝258bの2つの溝が形成されることが弾性部158と相違する。第1溝258a及び第2溝258bは、支持部57の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成される。第1溝258a及び第2溝258bの基台156側の端部は、支持部57の周りに180度離隔して配置される。また、第1溝258a及び第2溝258bの支持部57側の端部は、支持部57の周りに180度離隔して配置される。
The
受圧素子254は、弾性部258に第1溝258a及び第2溝258bが形成されるので、磁性体55を支持する支持部57が傾くことで、圧力に応じた磁界の変化を検出するときの検出精度が低下するおそれは低い。また、受圧素子254は、2つの溝である第1溝258a及び第2溝258bの端部が180度離隔して配置されて、支持部57の底面の中心を対称の中心として点対称となるように形成されるので、支持部57が傾くおそれが更に低くなる。
Since the
図8(a)は第3変形例に係る受圧素子の斜視図(その1)であり、図8(b)は第3変形例に係る受圧素子の斜視図(その2)であり、図8(c)は第3変形例に係る受圧素子の正面図である。 8A is a perspective view (part 1) of the pressure receiving element according to the third modification, and FIG. 8B is a perspective view (part 2) of the pressure receiving element according to the third modification. (c) is a front view of a pressure receiving element according to a third modified example.
受圧素子354は、弾性部358を弾性部158の代わりに有することが受圧素子154と相違する。弾性部358以外の受圧素子354の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された受圧素子154の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
The
弾性部358は、第1溝358a、第2溝358b及び第3溝358cの3つの溝が形成されることが弾性部158と相違する。第1溝358a、第2溝358b及び第3溝358cは、支持部57の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成される。第1溝358a、第2溝358b及び第3溝358cは、例えば、以下の式で示される支持部57の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成される。
Xt=(0.092*exp (-0.06*t))*cos(t)
Yt=(0.092*exp (-0.06*t))*sin(t)
ここで、tは0*π以上であり且つ5*π以下の数値である。
The
Xt=(0.092*exp(-0.06*t))*cos(t)
Yt=(0.092*exp (-0.06*t))*sin(t)
Here, t is a numerical value greater than or equal to 0*π and less than or equal to 5*π.
第1溝358a、第2溝358b及び第3溝358cの基台156側の端部は、支持部57の周りに120度ずつ離隔して配置される。また、第1溝358a、第2溝358b及び第3溝358cの支持部57側の端部は、支持部57の周りに120度ずつ離隔して配置される。
The ends of the
図9(a)は圧力が印加されない状態の圧力センサを示す図であり、図9(b)は圧力が印加された状態の圧力センサを示す図である。図9(a)及び9(b)に示す圧力センサ50aは、受圧素子354が受圧素子54の代わりに配置されることが圧力センサ50と相違する。また、圧力センサ50aは、磁性体55aが磁性体55の代わりに配置されることが圧力センサ50と相違する。磁性体55aは、大きさが磁性体55よりも大きいこと以外は磁性体55と同様な構成及び機能を有するので、ここでは詳細な説明は省略する。
FIG. 9(a) is a diagram showing the pressure sensor with no pressure applied, and FIG. 9(b) is a diagram showing the pressure sensor with pressure applied. A
受圧素子354は、弾性部358に第1溝358a、第2溝358b及び第3溝358cが形成されるので、磁性体55を支持する支持部57が傾くことで、圧力に応じた磁界の変化を検出するときの検出精度が低下するおそれは低い。また、受圧素子254は、3つの溝である第1溝358a、第2溝358b及び第3溝358cの端部が180度離隔して配置されて、支持部57の底面の中心を対称の中心として点対称となるように形成されるので、支持部57が傾くおそれが更に低くなる。
In the
図10は受圧素子354の応力シミュレーションの結果を示す図である。図10(a)は圧力が印加されることに応じた弾性部358の変移量を示し、図10(b)は圧力が印加されることに応じて弾性部358に発生するミーゼス応力を示す。図10(a)は受圧素子354及び磁性体55aの断面図であり、図10(b)は受圧素子354の平面図である。
FIG. 10 is a diagram showing the results of stress simulation of the
図10(a)に示すように、受圧素子354では、弾性部358は、圧力が印加されたときに、支持部57が傾くことなく、圧力が印加される印加方向に平行に磁性体55aを移動する。
As shown in FIG. 10A, in the
また、図10(a)に示すように、受圧素子354では、弾性部358は、支持部57の近傍の中心部から基台156の近傍の外縁部に亘って略均一にミーゼス応力が印加され、弾性部358の外側に応力が集中する現象は発生していない。
Further, as shown in FIG. 10A, in the
また、圧力センサ装置1では、単一の受圧素子54が配置されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、複数の受圧素子が配置されてもよい。
Also, in the pressure sensor device 1, a single
図11は第4変形例に係る圧力センサ装置の部分拡大断面図であり、図12は図11に示す圧力センサ装置の部分拡大分解断面図であり、図13(a)は図11に示す第1受圧素子の平面図であり、図13(b)は図11に示す第2受圧素子の平面図である。 11 is a partially enlarged cross-sectional view of a pressure sensor device according to a fourth modification, FIG. 12 is a partially enlarged exploded cross-sectional view of the pressure sensor device shown in FIG. 11, and FIG. 13(b) is a plan view of the second pressure receiving element shown in FIG. 11. FIG.
圧力センサ50bは、第1受圧素子454及び第2受圧素子554を受圧素子354の代わりに有することが圧力センサ50aと相違する。また、圧力センサ50bは、ヨーク55bを有することが圧力センサ50aと相違する。第1受圧素子454及び第2受圧素子554並びにヨーク55b以外の圧力センサ50bの構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された圧力センサ50aの構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
The
第1受圧素子454は、基台456及び弾性部158を基台156及び弾性部358の代わりに有することが受圧素子354と相違する。基台456及び弾性部158以外の第1受圧素子454の構成及び機能は、受圧素子354の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。また、弾性部158の構成及び機能は、図6等を参照して説明したので、ここでは詳細な説明は省略する。
The first
第2受圧素子554は、基台556及び弾性部558を基台156及び弾性部358の代わりに有することが受圧素子354と相違する。また、第2受圧素子554は、支持部57を有さないことが受圧素子354と相違する。基台556及び弾性部558以外の第2受圧素子554の構成及び機能は、受圧素子354の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。弾性部558は、ヨーク受け孔557が中央に形成されることが弾性部158と相違する。
The second
ヨーク557は、パーマロイ等の磁性体材料により形成され、略円錐台状の形状を有する。ヨーク557の下底は磁性体55aの端面に接続され、ヨーク55bの上底は弾性部558のヨーク受け孔557に係合される。
The
図14(a)は圧力が印加されない状態の圧力センサ50bを示す図であり、図14(b)は圧力が印加された状態の圧力センサ50bを示す図である。
FIG. 14(a) shows the
圧力センサ50bは、磁性体55aの一方の端面が支持部57に支持され、磁性体55aの他方の端面がヨーク55bを介して第2受圧素子554に係合され、磁性体55aは直線的に移動するので、磁界の変化を検出する精度が低下するおそれは低い。
In the
また、圧力センサ50bは、ファラデー回転子52と磁性体55aとの間にヨーク55bが配置されるので、磁性体55aからファラデー回転子52に磁界を効率的に案内することができる。なお、圧力センサ50bは、ヨーク55bを有するが、実施形態に係る圧力センサは、ヨークを有さなくてもよい。また、圧力センサ50及び50aにおいて、ヨークは、配置されないが、圧力センサ50及び50aでは、ヨークが追加的に配置されてもよい。
Moreover, since the
また、圧力センサ50bは、螺旋状に湾曲して延伸する溝が形成される弾性部を有する第1受圧素子454及び第2受圧素子554を有するが、実施形態に係る圧力センサが有する第1受圧素子及び第2受圧素子の弾性部の形状は、限定されない。
In addition, the
図15は、変形例に係る第2受圧素子の平面図である。 FIG. 15 is a plan view of a second pressure receiving element according to a modification.
第2受圧素子654は、弾性部658を弾性部558の代わりに有することが第2受圧素子554と相違する。弾性部658以外の第2受圧素子654の構成及び機能は、受圧素子354の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
The second
弾性部658は、第1弾性部材658aと、第2弾性部材658bと、第3弾性部材658cと、ヨーク支持部材658dとを有する。第1弾性部材658a、第2弾性部材658b及び第3弾性部材658cは、バネ等の弾性部材であり、120度ずつ離隔して配置される。第1弾性部材658a、第2弾性部材658b及び第3弾性部材658cの一端はヨーク支持部658dに接続され、第1弾性部材658a、第2弾性部材658b及び第3弾性部材658cの他端は基台554に接続される。ヨーク支持部材658dはリング状の平面形状を有し、ヨーク557の上底が係合されるヨーク受け孔658eが形成される。
The
1 圧力センサ装置
10 発光部
20 サーキュレータ(光分岐部)
30 第1光学素子
40 光路部
50、50a、50b 圧力センサ
51 1/4波長板
52 ファラデー回転子(磁界センサ素子)
53 ミラー素子
54、154、254、354 受圧素子
55、55a 磁性体
56、156 基台
57 支持部
58、158、258、358 弾性部
59 開口部
60 検出信号発生部
1
30 first
53
Claims (10)
前記発光部に光学的に接続された光ファイバと、
前記光ファイバの先端に配置され、前記光ファイバを介して前記入射光が入射されたときに、印加される圧力に応じた戻り光を出射する圧力センサと、
前記圧力センサに前記光ファイバを介して光学的に接続され、前記戻り光に基づいて、前記圧力センサに印加される圧力に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、を有し、前記圧力センサは、
磁性体と、
前記磁性体に近接して配置され、前記入射光が入射されたときに、磁界に応じた戻り光を出射する磁界センサ素子と、
圧力が印加されることに応じて前記磁界センサ素子と前記磁性体との間の距離が変化するように前記磁性体を保持する受圧素子と、
を有することを特徴とする圧力センサ装置。 a light emitting unit that emits incident light;
an optical fiber optically connected to the light emitting unit;
a pressure sensor disposed at the tip of the optical fiber and configured to emit return light corresponding to the applied pressure when the incident light is incident through the optical fiber;
a detection signal generator optically connected to the pressure sensor via the optical fiber and outputting a detection signal corresponding to the pressure applied to the pressure sensor based on the returned light; pressure sensor
a magnetic body;
a magnetic field sensor element that is arranged in proximity to the magnetic body and that emits return light according to the magnetic field when the incident light is incident;
a pressure-receiving element that holds the magnetic body such that the distance between the magnetic field sensor element and the magnetic body changes according to the application of pressure;
A pressure sensor device comprising:
円筒状の形状を有し、一方の側面に開口部が形成された基台と、
前記基台の内部に配置され、前記磁性体を保持する支持部と、
前記基台の他方の側面に配置され、一端が前記基台に接続され且つ他端が前記支持部に接続され、螺旋状の1又は複数の溝が形成される弾性部と、
を有する、請求項1に記載の圧力センサ装置。 The pressure receiving element is
a base having a cylindrical shape and having an opening formed on one side;
a support portion disposed inside the base and holding the magnetic body;
an elastic part disposed on the other side of the base, having one end connected to the base and the other end connected to the support, and having one or more spiral grooves formed thereon;
2. The pressure sensor device of claim 1, comprising:
前記第1溝及び前記第2溝の前記基台側の端部は、180度離隔して配置され、
前記第1溝及び前記第2溝の前記支持部側の端部は、180度離隔して配置される、請求項2~6の何れか一項に記載の圧力センサ装置。 the elastic portion has a first groove and a second groove;
The ends of the first groove and the second groove on the base side are arranged 180 degrees apart,
The pressure sensor device according to any one of claims 2 to 6, wherein the end portions of the first groove and the second groove on the side of the support portion are separated by 180 degrees.
前記第1溝、前記第2溝及び前記第3溝の前記基台側の端部は、120度ずつ離隔して配置され、
前記第1溝、前記第2溝及び前記第3溝の前記支持部側の端部は、120度ずつ離隔して配置される、請求項2~6の何れか一項に記載の圧力センサ装置。 The elastic portion has a first groove, a second groove and a third groove,
The ends of the first groove, the second groove, and the third groove on the base side are arranged at intervals of 120 degrees,
The pressure sensor device according to any one of claims 2 to 6, wherein ends of the first groove, the second groove, and the third groove on the side of the support portion are spaced apart by 120 degrees. .
前記基台の内部に配置され、前記磁性体を保持する支持部と、
前記基台の他方の側面に配置され、一端が前記基台に接続され且つ他端が前記支持部に接続され、螺旋状の1又は複数の溝が形成される弾性部と、
を有することを特徴とする受圧素子。 a base having a cylindrical shape and having an opening formed on one side;
a support portion disposed inside the base and holding the magnetic body;
an elastic part disposed on the other side of the base, having one end connected to the base and the other end connected to the support, and having one or more spiral grooves formed thereon;
A pressure receiving element characterized by comprising:
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