JP2022187330A - 圧力計測装置及び圧力検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】応答性が高く、種々の環境で計測ができる圧力計測装置及び圧力検出方法を提供する。【解決手段】計測面が凹凸である基板２２と、基板の凹凸に保持される感圧色素２３ａと、を有し、基板は、感圧色素２３ａから発光される光を透過する。【選択図】図２

Description

本開示は、圧力計測装置及び圧力検出方法に関する。

計測面に加わる圧力を検出する方法として、透明の基板を用い、計測面に感圧色素を付与し、裏面側、基板の計測面とは反対側の面から計測面を撮影して、圧力を検出する装置がある（例えば特許文献１）。特許文献１には、多数の貫通孔を有する多孔質部材と、前記多孔質部材における前記貫通孔が開口する一方の面に塗布される感圧塗料と、前記多孔質部材における前記貫通孔が開口する他方の面に設けられて光透過性を有する補強部材と、を有することを特徴とする圧力センサが記載されている。特許文献１に記載の圧力センサは、透明の補強部材の表面に多孔質部材を配置し、多孔質部材に保持された励起光源が多孔質部材の貫通孔を通過して補強部材に入射する。

特開２０１３－２０５１７４号公報

特許文献１に記載の圧力センサは、励起光源が多孔質部材の貫通孔を通過することで、各位置での圧力を検出し、圧力分布を検出している。ここで、特許文献１に記載の圧力センサは、励起光が多孔質部材の貫通孔を通過させる構造であるため、多孔質部材の貫通孔とそれ以外の部分とで、励起光の通過状態が異なる。

本開示の少なくとも一実施形態は、上記課題を解決するために、応答性が高く、種々の環境で計測ができる圧力計測装置及び圧力検出方法を提供することを課題とする。

本開示は、計測面が凹凸である基板と、前記基板の凹凸に保持される感圧色素と、を有し、前記基板は、前記感圧色素から発光される光を透過する圧力計測装置を提供する。

本開示は、上記に記載の圧力計測装置を計測位置に設置し、前記圧力計測装置の感圧色素で発光し、前記基板を通過した光を、前記基板の前記計測面とは反対側の面から観察し、前記計測面の圧力を検出する圧力検出方法を提供する。

上記構成とすることで、応答性が高く、種々の環境で計測ができるという効果を奏する。

図１は、本実施形態の圧力計測装置の一例の概略構成を示す模式図である。 図２は、圧力センサの計測面を拡大した拡大図である。 図３は、他の例の圧力センサの計測面を拡大した拡大図である。

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

図１は、本実施形態の圧力計測装置の一例の概略構成を示す模式図である。図２は、圧力センサの計測面を拡大した拡大図である。圧力計測装置１０は、圧力センサ１１と、励起光源１２と、撮像装置としてのカメラ１３とを有する。圧力計測装置１０は、流路１４に設置され、設置された面の圧力分布を計測する。なお、圧力計測装置１０の設置場所、計測位置は流路に限定されず、種々の場所に設置することができる。

圧力センサ１１は、基板２２と、基板２２の計測面２３に配置された感圧色素２３ａと、を含む。計測面２３は、流路１４の流体が流れる面、つまり圧力を計測する面に露出している面である。

基板２２は、圧力の計測で用いる励起光源１２の光の波長と、感圧色素２３ａの波長を透過する材料で形成されている。基板２２は、図２に示すように、計測面２３が凹凸面となる。具体的には、基板２２は、計測面２３となる面に、凸部３０と凹部３２とが多数形成されている。図２では、凸部３０と凹部３２とが規則的に配置されている状態を示しているが、凸部３０の突出量や、凹部３２の穴径にばらつきがある不規則な形状でよい。ここで、凹部３２は、穴径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。

また、基板２２は、励起光源１２の光の波長と、感圧色素２３ａの波長を透過する材料であればよいが、対象の波長、励起光の近紫外域近傍の３５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長域および感圧色素２３ａの発光波長の可視領域における透過率が５０％以上であることが好ましい。また、基板２２は、透明な材料であることも好ましい。基板２２は、例えば、石英ガラスやアクリル樹脂（合成樹脂）などにより形成されている。本実施形態の基板２２は、多孔質ガラスを用いることができる。多孔質ガラスとしては、分光ポーラスガラスを用いることができる。

感圧色素２３ａは、周囲の圧力に応じて発光強度が変化する蛍光色素である。感圧色素２３ａは、基板２２の計測面２３に保持される。具体的には、感圧色素２３ａは、計測面２３の凹凸形状の特に凹部３２に挿入され、基板２２の表面に保持される。感圧色素２３ａは、周辺大気における酸素が塗料の蛍光（または、燐光）を消光させる作用を有している。酸素濃度は、静圧に比例するため、感圧色素をすることで、表面（計測面）２３の圧力分布を光学的に把握することができる。

感圧色素２３ａとしては、例えば、ポルフィリン系やルテニウム錯体などの遷移金属錯体、また、ピレン系分子などの多環式芳香族化合物などが用いられ、ポリマーとしては、例えば、フッ素系ポリマーが用いられる。

本実施形態の、感圧色素２３ａは、多孔質部材２２における一方の面に、例えば、スプレーガンにより薄く塗布される。これにより、感圧色素２３ａは、計測面２３の凹凸部分に所定の厚みで供給され、凹凸部分で保持（担持）される。なお、計測面２３に対する感圧色素２３ａの供給方法は、スプレーガンによるものに限らず、刷毛による塗布、浸漬など、種々の方法を用いることができる。

励起光源１２は、感圧色素２３ａの励起波長と発光波長に応じて設定されるものであり、キセノンランプなどが用いられる。カメラ１３は、受光部が高速度・高感度の光センサによって構成されたカメラである。圧力計測装置１０は、基板２２が感圧色素２３ａを保持する計測面２３の発光強度分布をカメラ１３で撮影して画像処理を行うことで、計測面２３の圧力分布を計測する。

圧力計測装置１０は、流路１４側に感圧色素２３ａの計測面２３が面するように配置され、圧力センサ１１における基板２２の計測面２３と反対側に励起光源１２が配置されると共に、励起光源１２と同じ側にカメラ１３が配置される。励起光源１２とカメラ１３は、圧力センサ１１の計測面２３に対してほぼ同距離となるように、支持部材１５に支持されている。なお、励起光源１２の光量やカメラ１３のレンズや絞りなどに調整可能とすれば、励起光源１２とカメラ１３を圧力センサ１１の計測面２３に対して同距離に設定する必要はない。

圧力計測装置１０は、励起光源１２が圧力センサ１１における補強部材２４側から励起光を照射し、カメラ１３が圧力センサ１１における補強部材２４からの発光光を受光し、この受光光から流路１４の圧力分布を計測する。

具体的には、圧力計測装置１０は、励起光源１２から圧力センサ１１に向けて励起光を照射する。励起光は、基板２２を透過し、感圧色素２３ａに至る。感圧色素２３ａは、励起光が照射されると、蛍光・燐光色素が基底状態から励起状態へ移行し、内部転換を経て励起一重項状態に移行して発光（蛍光・燐光）する。また、感圧色素２３ａは、酸素分子が感圧色素に付着すると、励起エネルギの一部が酸素分子によって奪われ、感圧色素の発光が阻害されて発光強度が低下する。

カメラ１３は、基板２２を通して感圧色素２３ａの発光を撮像する。感圧色素２３ａは、発光強度と酸素濃度とが逆相関関係をもつことから、発光強度により酸素濃度、つまり、酸素分圧を計測することができる。圧力計測装置１０は、この関係を用い、カメラ１３が撮像した発光強度を色の濃淡に対して、計測面２３の酸素分圧を計測する。感圧計測装置１０は、酸素分割の計測結果に基づいて、計測面２３の近傍における流路１４の圧力分布を計測することができる。

以上より、圧力計測装置１０は、計測面２３が凹凸である基板２２と、基板２２の凹凸に保持される感圧色素２３ａと、を有し、基板２２は、感圧色素から発光される光を透過する。つまり、本実施形態の圧力計測装置１０は、基板２２の計測面２３に多数の凸部３０と多数の凹部３２が形成された凹凸形状とし、凹凸形状に直接感圧色素２３ａを保持させる。これにより、計測面２３の表面には、感圧色素２３ａが露出し、かつ、感圧色素２３ａと基板２２との間に光を遮る部材がない構成とすることができる。これにより、感圧色素２３ａと酸素とが接触しやすい状態とし、かつ、基板２２の裏面からの励起光が感圧色素２３ａに到達しやすく、かつ、感圧色素２３ａの発光がカメラ１３に到達しやすくできる。これにより、圧力計測装置１０は、２ｋＨｚ程度の応答速度で圧力を計測することができる。

圧力計測装置は、一例として、基板２２の表面にバインダ等を用いて、感圧色素２３ａを配置すると、バインダにより感圧色素２３ａに酸素が到達しにくくなり、かつ、バインダにより感圧色素２３ａが基板２２に到達しにくくなる。これに対して、圧力計測装置１０は、バインダを用いずに基板２２に感圧色素２３ａを保持させることで、計測面２３の感圧色素２３ａを効率よく使用することができる。また、バインダを用いないことで、計測面２３の環境負荷が大きい、例えば、バインダが変質する高温環境下でも圧力の計測が可能となる。

また、基板２２の凹凸形状を、金属等で形成した場合、裏面からの光が金属で減衰または遮られる。これに対して、圧力計測装置１０は、基板２２を感圧色素から発光される光を透過する材料とし、基板２２に凹凸形状を形成することで、基板２２の光の透過の低減を抑制することができる。

ここで、基板２２は、計測面の凹凸の孔の径を１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましい。孔の径を上記範囲とすることで、感圧色素２３ａを、計測面２３に好適に保持することができる。

また、基板２２は、本実施形態のように多孔質ガラスを用いることが好ましく、上述したように分相ポーラスガラスを用いることが好ましい。多孔質ガラス、好ましくは分相ポーラスガラスを用いることで、計測面２３が適切な凹凸で感圧色素２３ａを保持できる構造とすることができる。また、励起光源１２からの光、感圧色素２３ａの光を好適に透過させることができる。また、基板２２としてガラス等の無機材料を用いることで、感圧色素２３ａとして種々の物質を用いることができ、計測できる環境をより多くすることができる。なお、基板２２は、多孔質ガラスに限定されず、例えば、三次元積層技術、具体的にはナノインプリント技術を用いて、樹脂他の可塑材料で凹凸を備える表面構造を形成した基板も用いることができる。

ここで、基板２２は、計測面２３の表面を前記計測面が光を乱反射させるすりガラス構造とすることが好ましい。基板２２は、計測面２３の表面をすりガラス構造とし、計測面２３で感圧色素２３ａからの光を乱反射させることで、感圧色素２３ａの光がカメラ１３以外の方向に透過することを抑制でき、圧力（酸素）による光の変動を好適に検出することができる。また、基板２２の計測面２３のみをすりガラス構造とすることで、基板２２で光が減衰することを防止でき、また、基板２２内部で光が乱反射し、感圧色素２３ａの各位置の蛍光状態が観察できなくなることを抑制できる。

図３は、他の例の圧力センサの計測面を拡大した拡大図である。圧力センサは、計測面２３の表面に薄膜５０を設けてもよい。薄膜５０は、圧力透過性を備え、感圧色素２３ａからの光を反射する。圧力透過性は、本実施形態では酸素を透過させる性能であり、酸素透過性となる。圧力透過性は、感圧色素２３ａが圧力により蛍光が変動する物理量に対して透過性があることをいう。例えば、感圧色素が圧力により蛍光が変化する場合、薄膜５０は、圧力により変形し、感圧色素２３ａに圧力を伝達する。薄膜５０は、例えば、白色の膜である。

図３に示す圧力センサは、薄膜５０を備えることで、感圧色素２３ａの蛍光のうち、流路１４側に照射される光を薄膜５０で基板２２側に反射させることができる。これにより、カメラ１３に到達する光をより多くでき、計測精度をより向上させることができる。

１０ 圧力計測装置
１１ 圧力センサ
１２ 励起光源
１３ 撮像装置（カメラ）
１４ 流路
２２ 基板
２３ 計測面
２３ａ 感圧色素
３０ 凸部
３２ 凹部
５０ 薄膜

Claims (7)

1. 計測面が凹凸である基板と、
   前記基板の凹凸に保持される感圧色素と、を有し、
   前記基板は、前記感圧色素から発光される光を透過する圧力計測装置。
2. 前記基板は、前記計測面の凹凸の孔の径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下である請求項１に記載の圧力計測装置。
3. 前記基板は、多孔質ガラスである請求項１または請求項２に記載の圧力計測装置。
4. 前記基板は、前記計測面が光を乱反射させるすりガラス構造である請求項１または請求項２に記載の圧力計測装置。
5. 前記計測面の前記感圧色素が保持されている面上に積層された、圧力透過性を備えかつ前記感圧色素からの光を反射する薄膜を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧力計測装置。
6. 前記基板の前記計測面とは反対側から、前記計測面の画像を取得するカメラを有する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の圧力計測装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の圧力計測装置を計測位置に設置し、
   前記圧力計測装置の感圧色素で発光し、前記基板を通過した光を、前記基板の前記計測面とは反対側の面から観察し、前記計測面の圧力を検出する圧力検出方法。

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