JPH03199920A - 光―変位トランスデューサおよびセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、光−変位トランスデユーサおよびこれを用い
て変位や、応力ないし圧力を検知するセンサに関する。

〈従来の技術〉 従来、光−変位トランスデユーサの１例としての応力な
いし圧力センサとしては、単結晶ないし多結晶Ｓｔ等の
半導体を用い、そのひずみによる抵抗変化（ピエゾ抵抗
効果）を利用した半導体センサ、水晶振動子の圧電効果
や光弾性効果などを利用したクォーツセンサ、 光ファイバの変形による電機光の位相の変化を利用した
光フアイバセンサ等が知られている。

また、変位センサとしては、ホール素子、磁気抵抗素子
などの半導体を応用した半導体センサ、 磁性体の磁性を利用した磁性体センサ、光ファイバの受
光強度を利用した光フアイバセンサなどが知られている
。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、従来のこれらセンサでは、光−変位変換材料の
構造が複雑であり、量産性、コストの点で未だ不十分で
あり、微小変位の検知に際し、精度が低い等の欠点があ
る。

本発明の主たる目的は、構成が簡易で、微小変位に精度
よく追随できる新規な光−変位トランスデユーサおよび
変位センサや、応力あるいは圧力センサを提供すること
にある。

く課題を解決するための手段〉 このような目的は、下記（１）〜（５）の本発明によっ
て達成される。

（１）吸収層と反射層との間に弾性体層を設け、前記弾
性体層の膜厚変化によって反射光の光学特性が変化する
ように構成したことを特徴とする光−変位トランスデユ
ーサ。

（２）基板上に吸収層、弾性体層および反射層をこの順
に設層し、照射光の前記基板を通しての光反射率が変化
するように構成した上記（１）に記載の光−変位トラン
スデユーサ。

（３）前記吸収層が色素層である上記（１）または（２
）に記載の光−変位トランスデユーサ。

（４）上記（１）ないしく３）のいずれかに記載の光−
変位トランスデユーサにより変位を検出するように構成
したセンサ。

（５）上記（１）ないしく３）のいずれかに記載の光−
変位トランスデユーサにより応力または圧力を検出する
ように構成したセンサ。

〈作用〉 本発明のトランスデユーサおよびセンサは、塗布等によ
って形成した積層膜を光−変位変換材料としており、そ
の構成はきわめて簡易なものとなる。

そして、積層膜を構成する吸収層と反射層との間に弾性
体層を設け、その膜厚変化を反射光の光反射率や位相変
化に変換するので、微小な変位に追随することができる
。

〈具体的構成〉 以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。

本発明の光−変位トランスデユーサは、吸収層と反射層
との間に弾性体層を介在させたものである。

本発明の光−変位トランスデユーサの１例が第１図に示
される。

第１図に示される光−変位トランスデユーサ１は、基板
ｌｌ上に、吸収層１２、弾性体層１３および反射層１４
を順次設層して構成され、さらに、反射層１４上には保
護層１５が設けられている。

そして、通常、基板１１裏面側から光を照射し、その基
板１１を通しての反射光を検知する。

反射光の検知には、通常反射率の変化を検出すればよい
が、その他、位相変化を検出してもよい。

照射光は、紫外光、可視光、赤外光いずれであってもよ
いが、発光および受光素子が小型化するという点で、可
視〜近赤外光を用いることが好ましい。

このうち、光源としては、半導体レーザ、発光ダイオー
ド等を用いることが有利である。

従って、用いる照射光の波長は、５００〜１．５００ｎ
ｍ、特に７００〜８５００ｍ程度が好ましい。

吸収層１２、弾性体層１３、反射層１４は、通常基板１
１上に設層される。

般に直接基板１１上に設層される吸収層１２は、照射光
に対し、適当な吸収および反射特性をもつ必要がある。

この場合、好ましくは７００〜８５０　ｎｍの照射光波
長における吸収層１２の屈折率ｎは１．８〜４．０、特
に１．８〜３．６、より好ましくは２．２〜２．８であ
ることが好ましい。

また、消衰係数には０．０５〜０，２、特に０．０８〜
０．１５であることが好ましい。

ｎおよびｋを上記範囲とすることにより、弾性層の膜厚
変化により、十分大きな光反射率等の変化を得ることが
できる。

吸収層構成材料に特に制限はなく、上記のようなｎおよ
びｋを有するものから選択すればよいが、上記の物性が
得易いこと、塗工が可能で量産性が高くなることなどか
ら、色素を用いることが好ましい。

用いる色素に特に制限はないが、シアニン系、フタロシ
アニン系、ナフタロシアニン系、アントラキノン系、ア
ゾ系、トリフェニルメタン系、ピリリウムないしチアピ
リリウム塩系、金属錯体色素系等が好ましい。

シアニン色素としては、インドレニン環を有するシアニ
ン色素であることが好ましい。

また、色素をクエンチャ−と混合して混合物として用い
てもよく、このとき、クエンチャ−は色素としても機能
する。　さらに、色素カチオンとクエンチャ−アニオン
とのイオン結合体を色素として用いてもよい。

上記の場合において、色素としてはインドレニン環を有
するシアニン色素が、クエンチャ−としてはビスフエニ
ルジチオール金属錯体等の金属錯体色素が好ましい。

好ましい色素、クエンチャ−１結合体の詳細については
特開昭５９−２４６９２号、同５９−５５７９４号、同
５９−５５７９５号、同５９−８１１９４号、同５９−
８３６９５号、同６０−１８３８７号、同６０−１９５
８６号、同６０−１９５８７号、同６０−３５０５４号
、同６０−３６１９０号、同６０−３６１９１号、同６
０−４４５５４号、同６０−４４５５５号、同６０−４
４３８９号、同６０−４４３９０号、同６０−４７０６
９号、同６０−２０９９１号、同６０−７１２９４号、
同６ｑ−５４８９２号、同６０−７１２９５号、同６０
−７１２９６号、同６０−７３８９１号、同６０−７３
８９２号、同６０−７３８９３号、同６０−８３８９２
号、同６０−８５４４９号、同６０−９２８９３号、同
６０−１５９０８７号、同６０−１６２６９１号、同６
０−２０３４８８号、同６０−２０１９８８号、同６０
−２３４８８６号、同６０−２３４８９２号、同６１−
１６８９４号、同６１−１１２９２号、同６１−１１２
９４号、同６１−１６８９１号、同６１−８３８４号、
同６１−１４９８８号、同６１−１６３２４３号、同６
１−２１０５３９号、特願昭６０−５４０１３号等に記
載されている。

本発明では、上記のような色素、色素−クエンチャ−混
合物、色素−クエンチャ−結合体から上記範囲のｎおよ
びｋを有するものを選択するか、あるいは新たに分子設
計を行ない合成することもできる。

なお、色素の照射光であるレーザ光に対するｋは、その
骨格や置換基によりＯ〜２程度まで種々変化しているた
め、上記範囲のｋを有する色素を選定するに際しては、
その骨格や置換基に制限がある。　このため、塗布溶媒
に制限を生じたり、基板材質によっては塗工できないこ
ともある。　あるいは気相成膜できないこともある。　
また、新たに分子設計を行なう場合、設計および合成に
大きな労力を必要とする。

一方、本発明者らの実験によれば、２種以上の色素を含
有する混合吸収層のｋは、用いる各色素単独から構成さ
れる吸収層のｋに応じ、その混合比にほぼ対応する値に
なることが判明した。　従って、本発明では、吸収層は
２種以上の色素を相溶して形成されてもよい。

この際、はとんどの色素の混合系で混合比にほぼ比例し
たｋが得られるものである。　すなわち、ｉ種の色素の
混合分率およびｋをそれぞれＣｉおよびｋｉとしたとき
、ｋは、はぼΣＣ１ｋｉとなる。　従って、ｋの異なる
色素同士を混合比を制御して混合することにより、上記
範囲のｋを有する吸収層を得ることができる。　このた
め、きわめて広い範囲の色素群の中から用いる色素を選
択することができる。

この結果、塗布溶媒等の制約など成膜法に制限はなくな
り、また、合成が容易で安価な色素の使用や、特性の良
好な色素の使用や、難溶性の色素の使用をも可能とする
ことができる。

吸収層を混合吸収層とする場合、用いる色素は、ｎ＝１
．５〜６．Ｏ，に＝０．０３〜０．４の範囲内のものか
ら選択すればよい。

また、吸収層１２は、上記ｎおよびｋが得られるように
、２層以上を積層してもよい。

なお、ｎおよびｋの測定に際しては、所定の透明基板上
に吸収層を例えば４００〜８００Å程度の厚さに実際の
条件にて設層して、測定サンプルを作製する。　次いで
、基板を通しての、あるいは吸収層側からの絶対反射率
を測定する。　反射率は記録再生光波長を用いて鏡面反
射（５°程度）にて測定する。　また、サンプルの透過
率を測定する。　これらの測定値から、例えば、県立全
書「光学」石黒浩三Ｐ１６８〜１７８に準じ、ｎ、ｋを
算出すればよい。

吸収層の厚さは、７００〜２，０００人であることが好
ましい。　７００Å未満では、反射率は十分であるが吸
収率が不十分となり、変化率を大きく得ることが困難と
なる。　また、この範囲を超えると、所定の反射率を得
ることが困難となる。

吸収層の設層方法に特に制限はないが、本発明では、色
素選択や、素子設計や、製造上の自由度や容易さがより
拡大する点で、塗工によって設層することが好ましい。

１ ２ 吸収層の塗設には、ケトン系、エステル系、エーテル系
、芳香族系、ハロゲン化アルキル系、アルコール系等の
各種溶媒を用いることができる。　塗布方法としては、
スピンコード、ローラコート等を用いればよい。

このような吸収層上には、密着して弾性体層１３が設け
られる。

この弾性体層１３は、弾性体から構成されており、照射
光波長、特に７００〜８５０　ｎｍにおけるｎは１，４
〜１．７、特に１．４５〜１．５５であることが好まし
い。

また、ｋは０〜０．０１、特にＯであることが好ましい
。

このように、弾性体層１３は、照射光に対し、実質的に
透明（好ましくは透過率８０％以上）である。

弾性体層１３を構成する弾性体としては、上記の光学特
性を示すものであって、さらに外力（変形、応力ないし
圧力等）によりその力の大きさに応じて膜厚が変化する
ものであれば構成材料に特に制限はないが、ゴム系の樹
脂弾性体であることが好ましい。

吸収層上へ直接塗工できるからである。

弾性体材質のヤング率は、１０７〜１０８１０８ｄｙｎ
”の範囲のゴム弾性領域のものであることが好ましい。

このような弾性体としては、具体的には、シリコーンゴ
ム、ウレタンゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、エチレ
ン酢ビゴム、スチレンゴム、ポリエステルゴム、エピク
ロルヒドリンゴム、ニトリルイソプレンゴム、ニトリル
ゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム、ブタジェ
ン−スチレン共重合体、ブタジェン−イソプレン共重合
体、エチレン−プロピレンゴム等が挙げられる。

なお、この弾性体層１３の厚さは、１０００〜５Ｘ１０
’人、特に５Ｘ１０’〜５Ｘ１０’人とすることが好ま
しい。

弾性体層１３上には、直接密着して反射層１４が設層さ
れる。

反射層１３としては、８０％程度以上の反射率が得られ
ればその材質に特に制限はなく、Ａ４、Ａｕ、Ａｌ２Ｍ
ｇ合金、Ａｊ２Ｎ　ｉ合金、Ａｇ、ＰｔおよびＣｕ等の
高反射率金属を用いればよい。　これらのうちでは、低
コストであり、また腐食しにくいことから、八４、Ａｎ
Ｍｇ合金、ＡｎＮ　ｉ合金等を用いることが好ましい。

　なお、Ａ４Ｍｇ合金中のＭｇ含有率は３〜７ｗｔ％程
度であることが、また、Ａｌ２Ｎ　ｉ合金中のＮｉ含有
率は３〜４ｗｔ％程度であることが好ましい。

反射層１３の厚さは、５００Å以上であることが好まし
く、蒸着、スパッタ等により設層すればよい。　また、
厚さの上限に特に制限はないが、コスト、生産作業時間
等を考慮すると、１０００入程度以下であることが好ま
しい。

反射層１４上には、保護層１５を設層することが好まし
い。　保護層を設層することによって、積層体の損傷や
劣化等を防止することができる。

保護層は、例えば紫外線硬化樹脂等の各種樹脂材質から
、一般に１００〜１０００−程度の厚さに設層すればよ
い。　保護層は、層状であってもシート状であってもよ
い。

この他、剛性体を保護層としてもよい。

用いる基板１１は、照射光に対し、実質的に透明（好ま
しくは透過率８９％以上）な樹脂あるいはガラスから形
成される。

基板材質としては、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹
脂、アモルファスポリオレフィン、ＴＰＸ、ＰＥＴ等の
熱可塑性樹脂やガラスが好適である。

基板１１の照射光に対するｎは１．４〜１．６、ｋはほ
ぼＯであることが好ましい。

基板の形状に特に制限はなく、目的・用途に応じて種々
のものとすることができる。

基板の厚さは、通常０．２〜５ｍｍ程度とすればよい。

基板のサイズ、すなわち、検知面積は１１ｎｆｆ１２以
上任意であるが、検出素子の大きさから、検　５ ６ 出可能面積はＩＣ−程度までである。

このような積層体に照射光を照射することにより、弾性
体層１２の膜厚に対応し、反射光の反射率や位相が変化
する。

照射光の強度としては、十分な反射光の光学特性変化が
検知できる程度のものであれば特に制限はない。

また、反射光の検知に際しては、通常の受光素子により
反射率を検出したり、位相差を検出したりすればよい。

従って、好ましくは保護層１４を外系と対接させ、外力
により生じる弾性体層の膜厚変化によって、変位や、応
力あるいは圧力を検出センサが実現する。

本発明のトランスデユーサおよびセンサは、０〜１０４
人の変位量の変化、５０〜１００人程度の精度で検出す
ることができる。

この際、反射率および位相は、第２図に示されるように
、１．０００〜３，０００人程度の膜厚変化で定周期で
変化するので、大変位については、反射率等の変化のピ
ーク値や、最小値等の回数を測定することによって、容
易に測定することができる。

この場合、本発明のトランスデユーサは、積層膜から構
成されるので、検知部は曲面とすることもできる。

〈発明の効果〉 本発明の光−変位トランスデユーサは、外力により生じ
た弾性体層の膜厚変化を反射光の反射率や位相変化に変
換するものである。

この結果、きわめて小さな変位量から大きな変位量に至
るまで、精度よく変位を検出することができる。

しかも、トランスデユーサ構成は、きわめて簡単であり
、量産性にとみ、コストも低廉である。

また、検知面積もきわめて大面積から小面積まで可能で
ある。

本発明者は、これらの効果を確認するために、種々実験
を行った。　以下、−例を示す。

実験例１ 第１図に示される態様の光−変位トランスデユーサ（素
子１）を以下のようにして作製した。

厚さ１．１ｍｍのガラス基板（５０ｍｍｘ５０ｍｍ）上
に、下記の色素（Ａ）のシクロヘキサノン（２ｗｔ％）
溶液をスピンコードにより塗布し、乾燥膜厚で７００Ａ
となるように吸収層１２を設層した。

色素（Ａ） 波長７８０　ｎｍにおける吸収層の屈折率（ｎ）および
消衰係数（ｋ）は下記の通りであつた。

ｎ＝２．　６　、　ｋ＝１ 吸収層のｎおよびｋは、上記色素を含有する溶液を測定
用基板上に乾燥厚さ６００Åに成膜して被検吸収層とし
、この被検吸収層のｎおよびｋを測定することにより求
めた。　なお、この測定は、「光学」　（石黒浩三著、
県立全書〉第１６８〜１７８ページの記載に準じて、反
射率と透過率の測定値から逆算する方法により行なった
。　また、溶媒には、エチルセルソルブ、測定用基板に
はガラス基板を用いた。

次に、色素層１２上にシリコーンＲＴＶ　（シルボット
１８４：ダウコーニング■製）を触媒と混合した後、ス
ピンコードにより塗布設層して弾性体層１３を設けた。

　弾性体層の厚さは２Ｘ１０５入とした。

この弾性体層のｎおよびｋは（７８０ｎｍ、以下向）は
、それぞれ、１．４６および０であった。

さらに、この弾性体層上にＡｕを蒸着して反射層１４を
形成した。　反射層の厚さは６００λとした。　この反
射層のｎおよびｋは、それ　９ ０ ぞれ１．５９および４．７であった。

なお、弾性体層および反射層のｎおよびｋの測定に際し
ては、実際の設層条件と同一にして行った。

この反射層の上に、オリゴエステルアクリレートを含有
する紫外線硬化型樹脂の塗膜を紫外線硬化して保護層１
５を形成した。　保護層の厚さは２００−とした。

なお、上記において、各層の設層後の膜厚は、光干渉膜
厚計またはエリプソメータにより測定した。

このトランスデユーサに、保護層側１５に当接した基準
板を変位させ、この変位量と光反射事変化との関係を調
べた。

基準板の変位量は、エリプソメータによって測定した。

なお、光反射率（絶対反射率／％）は、基板裏面側から
半導体レーザ（波長７８０　ｒ＋ｍ）を照射して求めた
値である。

この結果を第２図に示す（図中、Ｏで示す）。

なお、第２図の横軸は、前記変位量に応じて変化した弾
性体層の膜厚（入）である。

第２図に示されるように、弾性体層の膜厚変化によって
光反射率が変化することが確認される。

なお、これとは別に、各層のｎ、におよび膜厚をもとに
、下記式に従い反射率Ｒ０を算出した。

Ｒ＝　ｌ　ｒｏ　　Ｉ　” ｒＯ。

（ｍ＝１） （ただし、ｊ＝１〜３である。） なお、上記において、 γ、＝（４π／λ）ＤＪη４ −　　（ηｊ　−ηＪ◆■　） ρ用Ｊ　＋　Ｉ　ｌ　−（η、＋η１，１）η、＝ｎ、
、＋ｉｋ、　　・第４層の複素屈折率λ二人射光波長 ＤＪ　：第４層の厚さ ｊ＝ｏ、基板１１ ｊ＝１：吸収層１２ ｊ＝２；弾性体層１３ ｊ＝３；反射層１４ この際、弾性体層１３の膜厚を変化させて、Ｒを算出し
たところ、第２図の結果ときわめて良好に合致した（図
中、理論曲線として実線で示す）。

実験例２ 実験例１において、吸収層の色素を下記の色素（Ｂ）に
かえて、蒸着により膜形成するほかは、同様にして素子
２を作製した。

なお、吸収層のｎおよびｋは、それぞれ、２．８および
０．１６であった。

このものでも、実験例１と同様の、変位量に応じた光反
射率変化が得られた。

色素（Ｂ） 実験例３ 実験例１の素子１において、吸収層の色素を下記の色素
（Ｃ）と色素（Ｄ）との１：１０混合物（重量比）にか
えるほかは同様にして素子３を作製した。

なお、吸収層のｎおよびｋは、それぞれ、２．５および
０．１５であった。

このものでも、実験例１と同様、変位量に応じた光反射
率変化が得られた。

　３ ４ 色素（Ｃ） 色素（Ｄ）

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光−変位トランスデユーサの構成を
示す断面図である。 第２図は、本発明の光−変位トランスデユーサの変位量
にもとづく弾性体層の膜厚と光反射率変化との関係を示
すグラフである。 実験例４ 実験例１の素子１に、光反射率を検出しこれを電圧に出
力するような公知のデバイスを設置してセンサを構成し
た。 このセンサを用いて、変位、圧力ないし応力を測定した
ところ、いずれも精度よく測定することができた。 符号の説明 １・・・光−変位トランスデユーサ １２・・・吸収層 １３・・・弾性体層 １４・・・反射層 出　願　人　ティーデイ−ケイ株式会社代　　理　　人
　　弁理士　　　石　　井　　隔間　　　　　弁理士　
　　増　　１）　達　　哉ＦＩＧ、１ １ Ｆ　Ｉ　Ｇ、　２ 変イヒした月莫、簡ｔ　（云 ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）吸収層と反射層との間に弾性体層を設け、前記弾
   性体層の膜厚変化によって反射光の光学特性が変化する
   ように構成したことを特徴とする光−変位トランスデュ
   ーサ。 （２）基板上に吸収層、弾性体層および反射層をこの順
   に設層し、照射光の前記基板を通しての光反射率が変化
   するように構成した請求項１に記載の光−変位トランス
   デューサ。（３）前記吸収層が色素層である請求項１ま
   たは２に記載の光−変位トランスデューサ。（４）請求
   項１ないし３のいずれかに記載の光−変位トランスデュ
   ーサにより変位を検出するように構成したセンサ。 （５）請求項１ないし３のいずれかに記載の光−変位ト
   ランスデューサにより応力または圧力を検出するように
   構成したセンサ。