JPH05196527A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複雑な電子回路を用いずに、容易に圧力の最
大値を検出する。 【構成】 基板３１の液晶配向膜３３間のセルギャップ
ｄが強誘電性液晶３４の螺旋ピッチｐより小さければ、
液晶分子のコーン上の移動が規制され、二つの状態を示
す。圧力がかかっていないときに、二状態のうちのいず
れかの状態に初期配向させておく。基板３１に圧力が加
わってそれがたわむと、強誘電性液晶の層構造が変化す
る。その変化に従って、透過面積及び透過する光量が変
化する。層の変化は不可逆的であり、圧力値の最大値が
記憶されるため、複雑な回路を用いることなくピークホ
ールドをすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は強誘電性液晶をもちいた
圧力センサーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧力センサーは多くの産業機器に
組み込まれるようになってきた。圧力センサーの多くは
複雑なセンサー部とそのセンサーからの情報を表示する
機械的機能や電子的機能により構成されている。

【０００３】例えば、梱包物を輸送中にその梱包物に振
動による圧力が加わったかどうかを検知する場合、過去
に加わった最大の圧力値がいくらぐらいであるのかを知
っておくことが重要である。その場合従来の圧力センサ
ーでは、外力に応じた変化を検出する。しかし、外力に
応じた変化は動的であり最大値の情報を得るためには複
雑な電子回路が必要となり、コストが高くなる。

【０００４】以下に従来の圧力センサーについて説明す
る。圧力センサーとしては、弾性体のダイヤフラムに歪
ゲージを取り付けたものが多く用いられている。一方、
圧電素子を用いたのもある。ここでは圧力センサーとし
て、シリコンのダイヤフラムを用いた構造の一例を示
す。

【０００５】図５（ａ）は従来の圧力センサーの断面図
であり、１は電極、２は保護膜、３は歪ゲージ、４はシ
リコンダイヤフラム、５は真空部、６はガラスシール、
７はシリコンウェハーである。

【０００６】以上のように構成された圧力センサーにつ
いて、以下その動作を説明する。まずシリコンダイヤフ
ラム４に圧力がかかると、シリコンダイヤフラム４は圧
力に比例して反対側に弾性的に変化する。するとシリコ
ンダイヤフラム４上に設けられているシリコンに不純物
を拡散させた高抵抗層である歪ゲージ３もその変化につ
れて同様に変化する。このとき、その応力に比例して歪
ゲージ３の抵抗値が変化する。その抵抗値の変化を電極
１より取り出し、圧力を求めるものである。

【０００７】圧力が取り去られると、シリコンダイヤフ
ラム４と歪ゲージ３は定状状態にもどる。このように得
られる圧力値は、動的なものとなる。従って、加えられ
た圧力値の最大値を求めるためには図１（ｂ）に示すよ
うな回路システムが必要である。

【０００８】圧力センサー８から得られた信号は、Ａ／
Ｄコンバーター９を介してデジタル値に変換され、マイ
コン１０に取り込まれる。ここで取り込まれてくる最大
の圧力値を記憶しておき、ディスプレイ１１に表示す
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、圧力値の最大値を表示するためには複雑
な電子回路を必要とするため、コストが高く、また常に
電源を供給しなければならないという欠点を有してい
た。

【００１０】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、圧力値の最大値を複雑な電子回路を用いずに、簡略
的に表示することのできる圧力センサーを提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の圧力センサーは、互いに平行な基板間に、少
なくとも一方の基板に強誘電性液晶を配向させる配向手
段を有し、少なくともアイソトロピック、カイラルスメ
クチックＣの相状態を示す強誘電性液晶を配向し、基板
にかかる圧力により強誘電性液晶の配向を変化させ、そ
の配向の変化を偏光板を用いて、光学的に検出する構成
を有している。

【００１２】また詳細な圧力値を求めるために、両基板
の内側の面に透明な導電性の膜を設け、強誘電性液晶の
配向の変化を、自発分極の積分値として測定し、電気的
に検出する構成を有している。

【００１３】

【作用】この構成によって、基板間に配向した強誘電性
液晶は、層構造を持つ配向状態を示す。この層構造を持
つ配向状態に圧力が加わると、層構造が破壊され配向状
態が変化する。この変化は、強誘電性液晶が相変化しな
い限りは不可逆的なものなので、圧力がなくなっても強
誘電性液晶の配向状態は変化しない。

【００１４】強誘電性液晶に加わった圧力の最大値は、
センサー部をクロスニコル状態にした偏光板間に挿入す
ることにより、透過量の変化または、透過量の変化した
面積として容易に求めることができる。

【００１５】また詳細な圧力値を求める場合、基板間内
側に透明な導電性の膜を設け、三角波を印加する事によ
り、強誘電性液晶の持つ自発分極の積分値の変化として
測定できる。

【００１６】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１７】図１（ａ）は本発明の一実施例における、
圧力センサーの強誘電性液晶の配向状態を示すものであ
る。

【００１８】図において、２１は基板、２２は液晶層、
２３は液晶分子、２４はＣダイレクター、２５は自発分
極Ｐｓ、２６はチルト角θである。

【００１９】液晶分子は棒状形をしており、液晶層２２
の垂線よりやや傾いた状態にある。また、液晶層２２の
Ｚ軸方向の厚みを変えない状態で、垂線よりθ傾いたコ
ーン上を自由に移動できる。また液晶分子は自発分極Ｐ
ｓを液晶分子の長軸方向に対して垂直に立ち、外部電界
と応答して、コーン上を回転することができる。コーン
の底面の中心から分子におろしたベクトルをＣダイレク
ターという。

【００２０】図１（ｂ）に本発明の一実施例における、
圧力センサーの構造断面図を示す。図において、３１は
基板、３２は透明電導膜、３３は液晶配向膜、３４は強
誘電性液晶、３５はスペーサ、３６は封止材、３７は射
出側偏光板でアナライザー、３８は入射側偏光板でポー
ラライザーである。両方の基板３１の液晶配向膜３３間
の液晶層の厚さをセルギャップｄと言い、均一なセルギ
ャップｄを得るために、弾力性を持つスペーサ３５を基
板間に挟んでいる。

【００２１】上部基板に圧力がかかると、その圧力で基
板３１が液晶方向にたわみ、液晶層の配向が変化する。
その変化を光学的、電気的に検出し圧力を求める。その
原理を以下に述べる。

【００２２】上記のセルギャップｄが強誘電性液晶の螺
旋ピッチｐより小さければ、液晶分子のコーン上の移動
が規制され、二つの状態を示す。

【００２３】図２に液晶分子の二つの状態を示す。図に
おいて、４１は液晶分子、４２は液晶の層構造、４３は
自発分極の紙面裏方向、４４は傾き角＋θ、４５は傾き
角−θ、４６は入射側偏光板偏光方向、４７は射出側偏
光板偏光方向、４８は自発分極の紙面表方向である。

【００２４】基板が紙面と平行に基板が存在し、液晶分
子が図２（ａ），（ｂ）に示すようにそれぞれ＋θ，−
θ傾いている。

【００２５】このような２状態の配向を示す圧力センサ
ーにおいて、紙面裏側から表側に光が入射している場
合、入射側偏光板偏光方向４６、射出側偏光板偏光方向
４７をクロスニコルの状態にすると、図２（ａ）では暗
状態、（ｂ）では明状態になる。

【００２６】すなわち図１（ｂ）に示した圧力センサー
の構造図において、圧力センサーの上下にクロスニコル
状態にした偏光板を設け、圧力がかかっていない場合
に、２状態のうちのいずれかを初期配向させておく。次
に圧力により液晶層構造が変化するにしたがい、光の透
過面積及び透過する光量が変化することになる。

【００２７】図３に圧力センサーに加えられた圧力と透
過面積、または透過する光量の関係を示す。

【００２８】初期状態が暗状態になるように偏光板をセ
ットすると、ほぼ圧力に比例して透過面積、透過光量が
増加する。よって透過面積、透過光量を測定すれば圧力
を容易に求めることができる。

【００２９】また圧力が増加する方向は検出できるが、
減少する方向は検出できないため、容易に圧力値の最大
値を得ることができる。

【００３０】以上に記述した方法で、容易に加えられた
圧力を求めることができるが、さらに詳細にまたはリア
ルタイムに圧力を検出したい場合の方法を示す。

【００３１】図４は詳細、リアルタイムに圧力を検出す
る方法を示す。５１は三角波電源、５２は電流計、５３
は圧力センサーである。

【００３２】図４（ａ）は、圧力センサーに三角波を印
加し、回路に流れる電流を測定するものである。

【００３３】図４（ｂ）に示すような三角波電圧を印加
すると、電流は図４（ｃ）のような波形となる。この波
形は圧力センサーの、強誘電性液晶及び配向膜の容量成
分と、強誘電性液晶のイオン電導成分と、強誘電性液晶
の自発分極成分が合成されたものである。

【００３４】このなかで自発分極以外は圧力に対して比
較的変化しにくい。このため自発分極の積分値を測定す
ることにより、圧力を求めることができる。

【００３５】本発明による圧力センサーは最大値を記憶
するため、最大値以下の測定には再使用できない。しか
し強誘電液晶に熱を加え、アイソトロピック状態に相変
化させ再配向を行なえば、再び初期状態にもどるため再
使用が可能となる。

【００３６】以上のように本実施例によれば、強誘電性
液晶に加えられる圧力により、強誘電性液晶の不可逆的
な層構造の変化により、加えられた圧力の最大値を容易
に記憶することができる。

【００３７】また強誘電性液晶をアイソトロピック状態
に相変化させ、再配向を行なうことにより再使用が可能
となる。

【００３８】なお、本実施例では、圧力センサーを偏光
板に挟んで圧力を読みとる方法を行なっているが、偏光
板を圧力センサーに予め取り付けておいてもよい。

【００３９】また一方の偏光板の外側に反射板を取り付
け、入射光ではなく反射光を利用して、圧力を読みとる
ことも可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明は、アイソトロピッ
ク、カイラルスメクチックＣの相状態を示す強誘電性液
晶を基板間に配向させ、基板にかかる圧力により強誘電
性液晶の配向を変化させ、その配向の不可逆的な変化を
偏光板を用いて、光学的に検出することにより、複雑な
電子回路を用いずに、容易に圧力の最大値を検出するこ
とができる優れた圧力センサーを実現できるものであ
る。

【００４１】また配向の不可逆的な変化を、強誘電性液
晶の自発分極を測定することにより、詳細に、リアルタ
イムに最大値を検出することができる優れた圧力センサ
ーを実現できるものである。

【００４２】さらに、感圧紙を用いた最大値記憶タイプ
の圧力ゲージのように、再使用が不可能ではなく、強誘
電性液晶をアイソトロピック状態にし、再配向すること
により再使用が可能となる優れた圧力センサーを実現で
きるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における圧力センサーの構造
図

【図２】本発明の一実施例における、強誘電性液晶の配
向状態図

【図３】本発明の圧力センサーの圧力と透過面積、透過
光量の関係を示す図

【図４】本発明の圧力センサーでの自発分極測定回路及
び印加波形、電流波形図

【図５】従来の圧力センサーの構造図、回路図

【符号の説明】

２１，３１ 基板 ２２ 液晶層 ２３ 液晶分子 ２４ Ｃダイレクター ２５ 自発分極Ｐｓ ２６ チルト角θ ３２ 透明電導膜 ３３ 液晶配向膜 ３４ 強誘電性液晶 ３５ スペーサ ３６ 封止材 ３７ 射出側偏光板 ３８ 入射側偏光板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに平行な基板間に、少なくとも一方の
   基板に強誘電性液晶を配向させる配向手段を有し、少な
   くともアイソトロピック、カイラルスメクチックＣの相
   状態を示す強誘電性液晶を配向させて、基板にかかる圧
   力により強誘電性液晶の配向を変化させ、その配向の変
   化を偏光板を用いて、光学的に検出することを特徴とす
   る圧力センサー。
2. 【請求項２】両基板の内側の面に透明な導電性の膜を設
   け、配向の変化をそのセンサー部の自発分極の積分値を
   測定し、電気的に検出することを特徴とする請求項１記
   載の圧力センサー。