JPH1172399A - 光ファイバ圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 感圧膜の取付が容易に行え、測定対象の圧力
分布の測定が可能な、光ファイバ圧力センサを提供する
ことにある。 【解決手段】 複数本のファイバの素線２ａからなるバ
ンドルファイバ２の先端面３において、ファイバの素線
２ａごとに凹部４を形成し、全ての凹部４を覆うように
一枚の可撓性の感圧膜５を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バンドルファイバ
を利用した光ファイバ圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバを用いた圧力センサ
（以下、「光ファイバ圧力センサ」という。）が、種々
の分野で利用されている。光ファイバ圧力センサは、従
来の圧力センサと異なり電気信号を用いないで圧力の検
出を行うため、生体への影響が少く、特に医療分野にお
いて広く利用されている。

【０００３】図５は、従来の光ファイバ圧力センサの一
例を示す図であり、断面で示している。同図の例では、
光ファイバ圧力センサ５１を構成する光ファイバ５２
は、単繊維の光ファイバであり、その先端面５３には凹
部５４が形成されている。先端面５３は更に感圧膜５５
で覆われている。光ファイバ圧力センサ５１は、測定対
象の圧力によって感圧膜５５が変形することによって、
圧力を検知している。具体的には、光ファイバ５２から
出た光を変形した感圧膜５５で反射させ、この反射光を
同じ光ファイバ５２で受け、その強度を測定し、この測
定値から圧力を算出する。同図に示した構造とすれば、
光ファイバ圧力センサの外径を光ファイバの外径と同程
度（５０μｍ〜５００μｍ）にすることができる。よっ
て、血管等の細管へ容易に挿入することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５で
示した光ファイバ圧力センサ５１は、単繊維の光ファイ
バで構成しているため、外径を小さくできる利点がある
反面、外径が小さいので感圧膜の取付が困難であり、そ
の結果圧力センサの作製が困難になること、各センサ間
での特性の個体差が大きくなることなどの問題がある。
また、測定対象の圧力分布が測定できないという問題も
ある。なお、上記例において、複数本の上記光ファイバ
圧力センサを束ねて用いれば、圧力分布の測定は可能と
なるが、この場合、測定分布密度が小さい、各センサ間
の個体差があるため正確な圧力分布の測定が困難である
という問題がある。

【０００５】本発明の課題は、感圧膜の取付が容易に行
え、測定対象の圧力分布の測定が可能な、光ファイバ圧
力センサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバ圧力
センサは、次の特徴を有するものである。 （１） 複数本のファイバの素線からなるバンドルファ
イバの先端面に、ファイバの素線ごとに凹部が形成さ
れ、一枚の可撓性の感圧膜が全ての凹部を覆うように設
けられていることを特徴とする光ファイバ圧力センサ。

【０００７】（２） 上記凹部が円柱状にくり抜かれた
形状を呈し、ファイバの素線と同心円状に形成されてお
り、その内径がファイバ素線のコア径と同一である上記
（１）記載の光ファイバ圧力センサ。

【０００８】（３） 上記バンドルファイバの直径が
０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであり、上記ファイバの素線の
直径が５０μｍ〜１２５μｍである上記（１）記載の光
ファイバ圧力センサ。

【０００９】

【作用】本発明の光ファイバ圧力センサにおいては、従
来の単繊維の光ファイバの代わりに、複数本のファイバ
の素線からなるバンドルファイバが用いられている。ま
た、バンドルファイバにはファイバの素線毎にその先端
面に凹部が形成されており、凹部はバンドルファイバの
先端面に設けられる一枚の感圧膜で覆われている。この
ような構造としているため、本発明の光ファイバ圧力セ
ンサでは、感圧膜の取付を比較的容易に行うことがで
き、また、各ファイバ素線毎の測定値を平均化して、圧
力を求めれるようにすることにより、作製の困難性に基
づく各センサ間の個体差は小さくなる。更に、一枚の感
圧膜で覆われているため、各ファイバ素線間の個体差が
小さく、測定対象の圧力分布を正確に測定することも可
能である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図を用いて詳細に
説明する。図１は、本発明の光ファイバ圧力センサの一
例を示す図であり、断面で示している。同図の例に示す
ように、バンドルファイバ２は複数本のファイバの素線
２ａを束ねて構成されている。バンドルファイバ２の先
端面３には、ファイバの素線ごとに凹部４が形成されて
おり、さらに、一枚の可撓性の感圧膜５が全ての凹部４
を覆うように設けられている。同図の例では、凹部４は
円柱状にくり抜かれた形状を呈しており、ファイバの素
線２ａに対して同心円となる位置に形成されている。感
圧膜５は、バンドルファイバ２の外径と略同径の円盤状
を呈している。

【００１１】同図に示した構造の光ファイバ圧力センサ
では、感圧膜に圧力が与えられると、感圧膜が変形して
反射光の反射方向が変化し、感圧膜で反射される反射光
の強度が減少する。この強度を測定し、測定値を、予め
求めておいた強度と感圧膜の変位に基づく圧力との対応
関係に当てはめることで測定対象の圧力を求めることが
できる。

【００１２】光ファイバ圧力センサを構成するバンドル
ファイバは、複数本のファイバの素線を束ねて形成した
ものであれば良く、既存のバンドルファイバであっても
良い。従って、材料、外径、長さ、ファイバの素線の外
径や本数等は特に限定されるものではなく、光ファイバ
圧力センサの用途や目的等に応じて決定すれば良い。例
えば、光ファイバ圧力センサをカテーテル内視鏡のバル
ーンの内圧測定に用いるのであれば、バンドルファイバ
の直径を０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ、ファイバの素線の本
数を４本〜１００本、その直径を０．０５０ｍｍ〜０．
１２５ｍｍに設定するのが好ましい。また、バンドルフ
ァイバはシングルモードであっても良いし、マルチモー
ドであっても良い。

【００１３】凹部は、バンドルファイバの先端面におい
てファイバの素線ごとに、即ち、ファイバの素線の各先
端面に形成される。凹部は感圧膜で覆われ、内部が密封
され得るものであれば良い。凹部は、（各ファイバ素線
の測定値を平均して圧力測定値として算出する場合の演
算を容易とすることや、圧力分布を測定する場合に、）
各ファイバ素線の特性の均一性が必要となるため、全て
の凹部において、形状、大きさ、ファイバの素線との位
置関係が同じとなるように形成するのが好ましい。

【００１４】凹部の形状は、円柱状や角柱状にくり抜か
れた形状であれば良い。但し、凹部の形状が角柱状にく
り抜かれた形状であると、圧力により感圧膜が撓む場
合、角部分で応力集中が発生するため、圧力測定を正確
に行えない、さらに感圧膜の寿命も短くなる。そのた
め、凹部の形状は円柱状にくり抜かれた形状であるのが
好ましい。凹部の深さは、感圧膜の特性や測定対象に応
じて適宜決定すれば良い。但し、光ファイバ圧力センサ
をカテーテル内視鏡のホットバルーンの内圧測定に用い
るのであれば、５０μｍ〜１００μｍ程度に設定するの
が好ましい。

【００１５】凹部の直径は、光ファイバ圧力センサが測
定対象の圧力を良好に検知できるように設定する。凹部
の直径は、ファイバの素線の直径に合わせて設定すれば
良い。具体的には、ファイバ素線のコアと同程度とする
ことにより、例えば強度変調など、反射光の諸特性の変
化を最大限受光できるので好ましい。

【００１６】凹部の位置は、ファイバの素線に対して同
心円となる位置、即ちファイバの素線の中心軸と凹部の
中心軸とが一致する位置であるのが好ましい。このよう
な位置とすれば、圧力による膜の撓みの最大となる位置
での検出が可能であり、センサの精度向上の観点より好
ましい。凹部の形成方法は、ファイバの素線の先端面を
凹まし得る方法であれば特に限定されないが、凹部の精
度、仕上がりの点から反応性イオンエッチングや集束イ
オンビーム等を用いた方法が好ましい。

【００１７】感圧膜は、バンドルファイバの先端面にお
いて、全ての凹部を一括して覆うように、また、全ての
凹部を一括して密封するように設けられる。感圧膜は、
測定対象の圧力に応じて変形する可撓性を有し、ファイ
バの素線から出射された光を反射し得るものであれば良
い。

【００１８】感圧膜を形成する材料としては、シリコン
やアルミニウム等の金属材料、誘電体、ポリイミド等の
有機物やこれらの積層体等が挙げられ、光ファイバ圧力
センサの用途等に応じて適宜決定すれば良い。感圧膜の
厚みについても、光ファイバ圧力センサの用途等に応じ
て適宜決定すれば良い。

【００１９】感圧膜のバンドルファイバへの取り付け
は、接着剤や陽極接合、直接接合（フュージョンボンデ
ィング）等によって行えば良い。感圧膜の形状は、全て
の凹部を密封し得る形状であれば良く、特に限定されな
いが、センサの外径が大きくならないなどの点から、バ
ンドルファイバの外径と同一の外径を有する円形である
のが好ましい。

【００２０】図２は、本発明の光ファイバ圧力センサの
製造工程の一例を示す図である。なお、同図（ａ）〜
（ｄ）では、左側に先端面、右側に長手方向の断面を示
している。同図（ａ）は、本発明の光ファイバ圧力セン
サ１に用いられるバンドルファイバ２を示している。バ
ンドルファイバ２は複数本のファイバの素線２ａを束ね
て構成されている。同図（ｂ）は、凹部を形成すべき部
分のみが露出するように、バンドルファイバ２の先端面
３にレジスト６を形成する工程を示している。同図
（ｂ）では、ファイバの素線２ａのコアのみが露出され
ている。

【００２１】同図（ｃ）は、バンドルファイバ２の先端
面３にエッチングを施し、レジスト６を除去して凹部４
を形成する工程を示している。同図（ｃ）では、ファイ
バの素線２ａのコアの先端部が取り除かれて凹部４とな
っている。凹部４の形状は、円柱状にくり抜かれた形状
となっている。同図（ｄ）は、凹部４が形成されたバン
ドルファイバ２の先端面３に、感圧膜５を取り付け、光
ファイバ圧力センサ１を完成させる工程を示している。
同図（ｄ）では、感圧膜５は先端面３と同形状の金属板
であり、陽極接合によって取り付けられている。なお、
図示していないが、取り付け後、感圧膜５には所望の厚
みとなるまでエッチングが施されている。このように、
同図（ａ）〜（ｄ）の工程に従えば、本発明の光ファイ
バ圧力センサを容易に製造することができる。また、感
圧膜の取り付けも容易に行うことができる。

【００２２】図３は、本発明の光ファイバ圧力センサを
用いた測定系の一例を示す図であり、圧力容器の内圧を
測定対象としている。同図の例に示すように、光ファイ
バ圧力センサ１は、圧力容器１２の内部に設置されてい
る。バンドルファイバ２はカップラ１３を経由して二つ
の束（入射ファイバ１０、受光ファイバ１１）に分けら
れている。入射ファイバ１０は光源１４に接続されてお
り、受光ファイバ１１はパワーメータ１５に接続されて
いる。パワーメータ１５は演算・表示回路１６に接続さ
れている。

【００２３】同図の例では、光源１４で発生した光１７
は、入射ファイバ１０を経由して感圧膜５に導かれ、感
圧膜５で反射される。反射光１８は受光ファイバ１１を
経由してパワーメータ１５に導かれる。パワーメータ１
５は、この反射光１８の強度を計測する。演算・表示回
路１６は、この測定値から圧力を算出し、その結果を表
示する。

【００２４】図４は、本発明の光ファイバ圧力センサを
用いた測定系の他の例を示す図であり、図３と同様に圧
力容器の内圧を測定対象としている。同図の例に示すよ
うに、光ファイバ圧力センサ１は、圧力容器１２の内部
に設置されている。バンドルファイバ２の後方側には、
ハーフミラー１９と光源１４とが順に設置されている。
ハーフミラー１９は、反射面２０をバンドルファイバ２
に向け、反射面２０がバンドルファイバ２の長手軸と４
５度の角度をなすように設置されている。ハーフミラー
１９の横手にはパワーメータ１５が設置されている。パ
ワーメータ１５は演算・表示回路１６に接続されてい
る。

【００２５】同図の例では、光源１４で発生した光１７
は、ハーフミラー１９を透過し、バンドルファイバ２経
由して感圧膜５に導かれ、反射される。この反射光１８
は、再度バンドルファイバ２を経由して、ハーフミラー
１９に導かれる。反射光１８は、更に、ハーフミラー１
９で反射されパワーメータ１５に導かれる。パワーメー
タ１５は、この反射光１８の強度を計測する。演算・表
示回路１６は、この測定値から圧力を算出し、その結果
を表示する。

【００２６】このように、本発明の光ファイバ圧力セン
サを用いて図３、４に示す測定系を構成すれば、測定対
象の圧力を簡単に測定することができる。図３、４に示
したパワーメータ、光源、ハーフミラー等の機器として
は、既存のものを利用すれば良い。なお、図４の構成と
した場合はパワーメータの代わりにＣＣＤカメラを使用
しても良い。この場合、光ファイバ圧力センサの受圧面
全体の圧力変化を「画像」として検出でき、これに画像
処理を施せば圧力分布の測定が可能となる。

【００２７】本発明の光ファイバ圧力センサは、測定対
象が限定されるものではなく、どのような測定対象に対
しても良好に圧力測定を行いうるものである。とりわ
け、医療分野において有用であり、例えば、血管内にお
けるバルーンカテーテルの内圧測定やその他の狭部の圧
力測定などに好ましく用いることができる。

【００２８】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を具体的に示
す。

【００２９】実施例１ 〔光ファイバ圧力センサの製造〕図２に示す製造工程に
従って、図１に示す光ファイバ圧力センサを製造した。
なお、製造本数は１０本とした。バンドルファイバとし
ては、外径２ｍｍ、ファイバの素線の外径１２５μｍ、
ファイバの素線の本数６４本の石英系バンドルファイバ
を用いた。

【００３０】同図（ｂ）に示す工程において、レジスト
としてはポジ型レジストを用いた。レジストの露光はＵ
Ｖ光の照射により行なった。現像は前記レジストに対応
する現像液に浸して行なった。なお、レジストは凹部と
なる部分（直径５０μｍ）が露出するように施されてい
る。

【００３１】同図（ｃ）に示す工程において、エッチン
グはＣＦ₄ ガスを用いて凹部の深さが５０μｍとなるま
で行なった。形成された凹部は、円柱状にくり抜かれた
形状を呈しており、ファイバの素線と同心円状に形成さ
れている。凹部の大きさは直径５０μｍ、深さ５０μｍ
であった。

【００３２】同図（ｄ）において、感圧膜としてはシリ
コンで形成された円板（直径２ｍｍ、厚み５０μｍ）を
用いた。感圧膜の取り付けは、陽極接合により行なっ
た。感圧膜には更に厚みが１０μｍになるまでエッチン
グを施した。

【００３３】〔測定〕上記で得られた１０本の光ファイ
バ圧力センサを用い、各センサについて図３に示す測定
系により圧力の測定を行なった。光源にはハロゲンラン
プ（１５０Ｗ）を用いた。測定対象は窒素雰囲気とし、
印加圧力を０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａへと徐々に増加さ
せていった。結果、印加圧力が０．１ＭＰａの時の反射
光の強度は１０．０Ｗ±０．０３Ｗとなり、各センサ間
の誤差は±０．３％であった。

【００３４】比較例１ 図５で示した従来の光ファイバ圧力センサを１０本製造
し、実施例１と同様の測定を各センサについて行なっ
た。なお、光ファイバとしては外径１２５μｍのものを
用い、凹部は実施例１と同様のものとした。測定系で用
いられる光源としては、ＬＥＤ光源（５０μＷ、λ＝
０．８５μｍ）を用いた。結果、印加圧力が０．１ＭＰ
ａの時の反射光の強度は１．５μＷ±０．３μＷとな
り、各センサ間の誤差は±２０％であった。

【００３５】〔評価〕実施例１及び比較例１から分かる
ように、本発明の光ファイバ圧力センサを用いれば、同
様に製作された各センサ間の個体差を小さくすることが
できる。また、感圧膜の取り付けは容易であった。

【００３６】

【発明の効果】本発明の光ファイバ圧力センサを用いれ
ば、従来の光ファイバ圧力センサに比べてセンサ間で個
体差のない光ファイバ圧力センサを作製することができ
る。また、従来のものに比べて比較的外径が大きいた
め、感圧膜の取付も比較的容易になる。従って、生産性
を向上させることができ、引いては製造コストを低減す
ることができる。更に、測定対象の圧力分布の測定を行
うこともできるので、例えば、体内の病変部に接触させ
て用いることにより、診断用の接触覚センサとしても用
いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバ圧力センサの一例を示す図
である。

【図２】本発明の光ファイバ圧力センサの製造工程の一
例を示す図である。

【図３】本発明の光ファイバ圧力センサを用いた測定系
の一例を示す図である。

【図４】本発明の光ファイバ圧力センサを用いた測定系
の他の例を示す図である。

【図５】従来の光ファイバ圧力センサの一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 光ファイバ圧力センサ ２ バンドルファイバ ２ａ ファイバの素線 ３ 先端面 ４ 凹部 ５ 感圧膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数本のファイバの素線からなるバンド
   ルファイバの先端面に、ファイバの素線ごとに凹部が形
   成され、一枚の可撓性の感圧膜が全ての凹部を覆うよう
   に設けられていることを特徴とする光ファイバ圧力セン
   サ。
2. 【請求項２】 上記凹部が円柱状にくり抜かれた形状を
   呈し、ファイバの素線と同心円状に形成されており、そ
   の内径がファイバ素線のコア径と同一である請求項１記
   載の光ファイバ圧力センサ。
3. 【請求項３】 上記バンドルファイバの直径が０．３ｍ
   ｍ〜０．５ｍｍであり、上記ファイバの素線の直径が５
   ０μｍ〜１２５μｍである請求項１記載の光ファイバ圧
   力センサ。