WO2015178323A1 - 圧力センサ - Google Patents

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WO2015178323A1
WO2015178323A1 PCT/JP2015/064120 JP2015064120W WO2015178323A1 WO 2015178323 A1 WO2015178323 A1 WO 2015178323A1 JP 2015064120 W JP2015064120 W JP 2015064120W WO 2015178323 A1 WO2015178323 A1 WO 2015178323A1
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diaphragm
optical fiber
base member
pressure sensor
pressure
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PCT/JP2015/064120
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French (fr)
Inventor
正人 若原
Original Assignee
株式会社シミウス
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a pressure sensor that includes an optical fiber and optically detects pressure.
  • An optical pressure sensor using an optical fiber having an FBG (Fiber Bragg Grating) portion is used for measuring the fluid physical quantity.
  • This type of optical pressure sensor requires no wiring for measurement and power supply like a pressure sensor using an electric strain gauge, and it is necessary to make a hole in the model in order to place the wiring inside the model. In addition, a large number of sensors can be easily arranged on the model surface.
  • the optical pressure sensor has, for example, a configuration in which an FBG portion is fixed to a diaphragm with an adhesive as disclosed in Patent Document 1.
  • a change in pressure in the diaphragm is converted into a change in strain (stress), and the strain is detected as a change in wavelength of reflected light in the FBG section.
  • an optical fiber having an FBG portion is arranged on a through hole of a base film so that a more minute pressure change can be detected, and the diaphragm is covered so as to cover the through hole in a state of contacting the optical fiber.
  • a configuration in which is arranged is disclosed.
  • the base film since the base film has flexibility, it is possible to arrange a pressure sensor on an arbitrary surface such as a curved surface.
  • the base film since the base film has flexibility, the base film can be attached to the measurement surface relatively easily even when the measurement surface is a curved surface.
  • the positional relationship between the base film and the optical fiber (FBG portion) or the magnitude of the tension applied to the optical fiber changes. End up.
  • the amount of distortion of the FBG portion may be different, and the output value of the pressure sensor may be different.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide a pressure sensor with good measurement reproducibility and capable of detecting minute pressure changes.
  • the pressure sensor according to the present invention includes an optical fiber, a base member, a diaphragm, and a transmission unit.
  • the optical fiber includes an FBG (Fiber Bragg Grating) section.
  • the base member has an open end on one surface.
  • An optical fiber to which tension is applied is fixed to the base member so as to cross the open end.
  • the base member has rigidity that is not deformed by the tension.
  • the diaphragm has flexibility, and the outer periphery is supported at the open end in a state where the optical fiber is disposed between the diaphragm and the base member.
  • a transmission part is provided in a diaphragm and concentrates the stress which generate
  • the pressure sensor of the present invention since the stress generated in the diaphragm is concentrated on a specific part of the optical fiber fixed to the base member, the optical fiber can be distorted even with a minute pressure. As a result, a minute pressure change applied to the diaphragm can be detected. Further, since the base member has rigidity that does not deform due to the tension applied to the optical fiber, the diaphragm is not deformed in a short term or in the long term, and the tension of the optical fiber is not released. As a result, stable measurement reproducibility can be ensured. Although it is necessary to adjust the dimensions of each part, it is possible to measure from low pressure to high pressure with the same structure. For example, when measuring pressure in a reduced model and when measuring pressure in a real model Thus, a pressure sensor having the same structure can be used.
  • the base member can be configured to abut against a holding member having a rigidity lower than that of the base member, except for a surface that abuts against the diaphragm. According to this configuration, even when vibration or deformation occurs on the measurement target surface, it is possible to suppress the vibration or deformation from propagating to the highly rigid base member and being transmitted to the diaphragm or the FBG portion.
  • the reinforcement that is fixed to the diaphragm apart from the outer periphery and has higher rigidity than the diaphragm only part in a plan view, in a state of including the transmission part, the reinforcement that is fixed to the diaphragm apart from the outer periphery and has higher rigidity than the diaphragm only part.
  • the structure which further has a part can be adopted.
  • the base member can be an annular body made of metal, ceramic or glass.
  • the diaphragm can be formed of a resin film.
  • the optical fiber may be configured to be fixed to the base member while being accommodated in a groove provided on one surface of the base member.
  • the transmission unit is arranged in a state where no stress is applied to the optical fiber in a state where no pressure is applied to the diaphragm.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing an example of a pressure sensor in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a pressure sensor in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating another example of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing another example of the pressure sensor according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the pressure sensor in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the effect of the reinforcing portion in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing still another example of the pressure sensor in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of the overall configuration of the pressure sensor 1 in the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing an example of the pressure sensor 1 in the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG.
  • the pressure sensor 1 includes a base member 11, an optical fiber 12, a diaphragm 13, a transmission unit 14, and a holding member 19.
  • a base member 11 In order to show the internal structure, only the outer shape of the holding member 19 is indicated by a dotted line.
  • a broken line In order to show the internal structure, only the outer shape of the diaphragm 13 is indicated by a broken line in order to show the internal structure.
  • the base member 11 has an annular shape in which a circular through hole 15 is formed at the center of a disk-shaped plate member having a thickness larger than the diameter of the optical fiber 12. Fifteen open ends are exposed on both surfaces of the base member 11.
  • the groove part 16 which accommodates the optical fiber 12 is formed in the one surface (here upper surface) of the base member 11 along the diameter direction.
  • the groove portions 16 provided in the annular portions facing each other in the base member 11 are arranged in the same straight line.
  • Each groove 16 is provided with a portion having a width slightly larger than the diameter of the optical fiber 12 and a wide portion 17 having a width wider than the width. It is not essential to provide the wide portion 17.
  • the optical fiber 12 is housed in each groove 16 in a state of crossing the through hole 15 and is fixed to the base member 11 in a state where a tension (pretension) is applied.
  • the fixing method is not particularly limited, in this embodiment, the optical fiber 12 is fixed to the base member 11 with an ultraviolet curable adhesive filled in the wide portion 17. In the present embodiment, not only the wide portion 17 but also the entire groove portion 16 is filled with the adhesive. In FIGS. 1 to 3, the adhesive is not shown.
  • the groove 16 has a uniform depth that is about the same as the diameter of the optical fiber 12. Further, the wide portion 17 is formed slightly deeper than the groove portion 16 as shown in FIG. Thereby, in the wide part 17, an adhesive agent can be made to go around also to the downward side of the optical fiber 12.
  • FIG. The bottom surface of the groove portion 16 is formed in parallel with the top surface and the bottom surface of the base member 11, and the optical fiber 12 is fixed in contact with the bottom surface of the groove portion 16, whereby the optical fiber 12 is fixed to the top surface of the base member 11. It can arrange
  • the bottom surface of the groove portion 16 may be formed of a curved surface that matches the outer periphery of the optical fiber 12.
  • the base member 11 has a rigidity that does not deform in a short term and a long term due to the tension applied to the optical fiber 12.
  • the material of the base member 11 is not particularly limited. For example, it can be made of metal, ceramic or glass. Here, the base member 11 is made of metal.
  • the optical fiber 12 includes an FBG (Fiber-Bragg-Grating) unit 18 having a specific Bragg wavelength.
  • the length of the FBG portion 18 may be longer than the diameter of the through hole 15 or may be shorter than the diameter of the through hole 15.
  • the FBG portion 18 only needs to be at least partially disposed in the portion of the optical fiber 12 that is fixed to the base member 11 on both sides. As described above, in this embodiment, the optical fiber 12 is fixed to the base member 11 over the entire groove portion 16. Therefore, in this embodiment, the portion of the optical fiber 12 that is fixed to the base member 11 on both sides is the portion of the optical fiber 12 that is disposed on the through hole 15.
  • the FBG portion 18 is configured to have a length of about 1 / of the diameter of the through hole 15, and in the plan view, the center of the through hole 15 (of the base member 11). (Center). In the drawing, for convenience, the FBG portion 18 is expressed by black painting.
  • the FBG unit 18 reflects light having a wavelength defined by the Bragg wavelength.
  • the FBG unit 18 is composed of a plurality of diffraction gratings arranged at a predetermined interval in the core of the optical fiber, and the Bragg wavelength is proportional to the product of the refractive index of the optical fiber and the arrangement interval of the diffraction gratings. Therefore, when the stress acts on the FBG part 18 and the interval between the diffraction gratings constituting the FBG part 18 increases, the wavelength of light reflected by the FBG part 18 increases.
  • the wavelength of light reflected by the FBG portion 18 becomes small.
  • the change in wavelength is acquired by a light source and a measuring instrument connected to one end of the optical fiber 12.
  • the Bragg wavelength of the FBG unit 18 of each pressure sensor 1 is set to a different wavelength. Thereby, the reflection position of reflected light can be easily distinguished based on the wavelength of reflected light.
  • the base member 11 is configured to contact the holding member 19 having a lower rigidity than the base member 11 except for the surface on which the diaphragm 13 contacts. That is, the lower surface and side surfaces of the base member 11 are surrounded by the holding member 19.
  • the holding member 19 has a pupil-shaped outer shape whose longitudinal direction faces the arrangement direction of the optical fiber 12 in plan view. The upper surface of the holding member 19 and the upper surface of the base member 11 are flush with each other, and the diaphragm 13 is fixed to the upper surface. Therefore, the optical fiber 12 is also sealed in the holding member 19.
  • a base member 11 having an optical fiber 12 fixed thereon is disposed on a pupil-shaped sheet member constituting a part of the holding member 19 in plan view, and the sheet member around the base member 11 is disposed.
  • This can be realized by introducing and curing a liquid resin material constituting a part of the holding member 19.
  • the material of the holding member 19 (sheet member) below the base member 11 and the material of the holding member 19 around the base member 11 may be the same or different.
  • the material of the holding member 19 for example, a resin material having a lower rigidity (having flexibility) than a metal such as an ultraviolet curable adhesive or a sealant can be used.
  • the holding member 19 is preferably made of a waterproof material.
  • the diaphragm 13 has a larger diameter than the outer shape of the base member 11 in plan view, and is fixed not only to the upper surface of the base member 11 but also to the upper surface of the holding member 19. ing.
  • the diaphragm 13 has a function of converting a change in pressure applied to the diaphragm 13 into a change in strain (stress).
  • the diaphragm 13 can be made of a flexible material (for example, a resin film).
  • the diaphragm 13 is made of a polyimide film.
  • the fixing method between the diaphragm 13 and the base member 11 and the holding member 19 is not particularly limited. For example, it can be fixed with an ultraviolet curable adhesive.
  • the transmission unit 14 is fixed to the diaphragm 13.
  • the fixing can be realized by an ultraviolet curable adhesive.
  • the transmission unit 14 has a function of concentrating stress generated in the diaphragm 13 on a specific portion of the optical fiber 12 according to the pressure applied to the diaphragm 13.
  • the transmission unit 14 is not fixed to the optical fiber 12.
  • the transmission part 14 is comprised by the cylindrical body arrange
  • the cylindrical body is arranged in a direction orthogonal to the arrangement direction of the optical fiber 12.
  • the transmission unit 14 makes point contact with the optical fiber 12 to concentrate stress generated in the diaphragm 13 on the portion of the optical fiber 12 located at the center of the through hole 15.
  • a small piece of an optical fiber having the same outer diameter as that of the optical fiber 12 is used as the transmission unit 14.
  • any known method such as an adhesive or a double-sided tape can be employed.
  • the above pressure sensor 1 does not measure the distortion of the diaphragm 13 but measures the distortion (stress) that is amplified and transmitted by the transmission unit 14 in accordance with the distortion of the diaphragm 13. Therefore, since the stress generated in the diaphragm 13 is concentrated on a specific portion of the optical fiber 12 fixed to the base member 11, the optical fiber 12 can be distorted even with a minute pressure. As a result, a minute pressure change applied to the diaphragm 13 can be detected.
  • the base member 11 has rigidity that does not deform due to the tension applied to the optical fiber 12, the diaphragm 13 is not deformed in a short term or in the long term, and the tension of the optical fiber 12 is not released. . As a result, stable measurement reproducibility can be ensured.
  • the base member 11 is an annular body, the size of the pressure sensor 1 can be minimized, and the base member 11 is covered with a relatively soft holding member 19 so that the measurement is possible. Even if the target surface is a curved surface, the pressure sensor 1 can be attached relatively easily. Thus, even when pasted on the curved surface, the positional relationship between the base member 11 and the optical fiber 12 (FBG portion 18) does not change, and the magnitude of the tension applied to the optical fiber 12 does not change. Therefore, unlike the case where a flexible base film is used, a situation where the output value of the pressure sensor is different does not occur.
  • the holding member 19 is disposed around the base member 11, even when vibration or deformation occurs on the measurement target surface, it is possible to suppress the vibration or deformation from being transmitted to the diaphragm 13 or the FBG portion 18. Incorrect measurement of the pressure sensor 1 can be prevented.
  • the pressure sensor 1 since it can measure from low pressure to high pressure with the same structure, for example, when measuring pressure in a reduced model
  • the pressure sensor having the same structure can be used when the pressure is measured in the real model.
  • the diameter of the through-hole 15 can be about 6 mm
  • the diameter of the cylindrical body which is the transmission part 14 can be about 0.15 mm.
  • the width and thickness of the annular portion can be arbitrarily designed.
  • what is necessary is just to make the dimension of each part into a constant multiple when measuring a high pressure.
  • 1 to 3 show a state in which the transmission unit 14 is in contact with the optical fiber 12 while being pressed down. However, when no pressure is applied to the diaphragm 13, the transmission unit 14 is applied to the optical fiber 12. You may arrange
  • the diaphragm 13 and the transmission unit 14 are separate members, but the transmission unit 14 may be formed integrally with the diaphragm 13.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the overall configuration of the pressure sensor 2 in the present embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing an example of the pressure sensor 2 in the present embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view along the line BB shown in FIG.
  • the pressure sensor 2 is different from the configuration of the pressure sensor 1 in that it further includes a reinforcing portion 21.
  • the other configuration is the same as that of the pressure sensor 1, and the same reference numerals are given to the components that exhibit the same effects as the pressure sensor 1.
  • FIG. 4 in order to show the internal structure, only the outer shape of the holding member 19 is indicated by a dotted line. 4 and 5, only the outer shape of the diaphragm 13 and the reinforcing portion 21 is indicated by a dotted line.
  • the reinforcing part 21 is fixed to the diaphragm 13 in a state including the transmission part 14 and spaced from the outer periphery of the diaphragm 13 in a plan view.
  • the outer periphery of the diaphragm 13 is a portion where the diaphragm 13 and the base member 11 are fixed.
  • the reinforcement part 21 is arrange
  • the reinforcing portion 21 may be disposed on any surface of the diaphragm 13.
  • the reinforcing portion 21 is disposed between the diaphragm 13 and the transmission portion 14 as shown in FIG.
  • the reinforcing portion 21 is fixed to the diaphragm 13, and then the transmission portion 14 is fixed to the reinforcing portion 21.
  • the reinforcing portion 21 is disposed in a state where it does not interfere with the optical fiber 12 even when pressure is applied to the diaphragm 13. That is, the reinforcing portion 21 is designed to have a diameter that does not interfere with the optical fiber 12.
  • any material can be used for the reinforcing portion 21.
  • a glass plate or a polyimide film can be used.
  • an ultraviolet curable adhesive can be used for fixing the reinforcing portion 21.
  • FIG. 7 is a diagram showing the effect of the reinforcing portion 21.
  • the horizontal axis corresponds to the pressure applied to the diaphragm 13.
  • the vertical axis corresponds to the shift amount of the Bragg wavelength.
  • data when the film thickness of the diaphragm 13 is reduced is indicated by a broken line.
  • the data at the time of applying the diaphragm 13 of the same film thickness in the structure of the pressure sensor 2 provided with the reinforcement part 21 are shown as the continuous line.
  • the reinforcing portion 21 when the reinforcing portion 21 is present, the amount of shift of the Bragg wavelength increases substantially in proportion to the increase in pressure over the relatively high region from when the pressure applied to the diaphragm 13 is relatively low. ing. Further, it can be understood that the increase rate of the shift amount of the Bragg wavelength with respect to the pressure is also increased, and the measurement sensitivity is improved as compared with the case where the reinforcing portion 21 is not present. This is because the reinforcing portion 21 has the effect of preventing the transmission portion 14 in contact with the optical fiber 12 from being pushed out to the diaphragm 13 side and the effect of enhancing the stress concentration due to the action of the transmission portion 14. ing.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a pressure sensor 3 provided with such a diaphragm 31.
  • the pressure sensor 3 is different in the structure of the diaphragm 31 from the configuration of the pressure sensor 2 described above.
  • the other configurations are the same as those of the pressure sensor 2, and the same reference numerals are given to components that exhibit the same operational effects as the pressure sensor 2.
  • the thickness of the diaphragm 31 in the periphery 33 of the transmission unit 32 is thicker than the thickness of the diaphragm 31 on the outer periphery of the diaphragm 31. Therefore, the rigidity of the part including the transmission part 32 can be increased more than the peripheral part with a thin film thickness. As a result, the same effect as the pressure sensor 2 described above can be obtained.
  • the shape of the through hole 15 is circular and the outer shape of the base member 11 is circular, but the shape of the through hole may be a polygon, and the outer shape of the base member is also It can be of any shape.
  • the base member 11 may be configured to include a concave portion whose bottom surface is closed instead of the through hole 15.
  • the holding member 19 may be formed only on the lower surface side of the base member 11, and the holding member 19 may not be provided.
  • a pressure sensor with good measurement reproducibility and capable of detecting minute pressure changes can be realized, and is useful as a pressure sensor.

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Abstract

　本発明に係る圧力センサでは、光ファイバはＦＢＧ部を備える。ベース部材は、一方面に開口端を備える。ベース部材には、当該開口端を横断する状態で、張力が付与された光ファイバが固定される。ベース部材は、当該張力により変形することのない剛性を有する。ダイヤフラムは、可撓性を有し、ベース部材との間に光ファイバが配置される状態で開口端に外周が支持される。伝達部は、ダイヤフラムに設けられ、付与された圧力に応じてダイヤフラムに発生する応力を、光ファイバの特定部位に集中させる。

Description

圧力センサ
　本発明は、圧力センサに関し、特に、光ファイバを備え光学的に圧力を検知する圧力センサに関する。
　従来、自動車、船舶、航空機等の設計では、物体の表面に作用する空気圧や水圧等の流体物理量を把握することが求められている。このような流体物理量を把握するためにシミュレーションが多用されている。また、シミュレーションの精度向上や妥当性の確認を目的として、縮小モデル（例えば、１／１００モデル）や実寸モデルを使用した風洞実験によるモデル表面における空気圧の測定や、水槽実験によるモデル表面の水圧の測定が実施されている。
　このような流体物理量の測定に、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部を備える光ファイバを利用した光式圧力センサが使用されている。この種の光式圧力センサは、電気式の歪みゲージを使用した圧力センサのような計測及び給電のための配線が不要であり、モデル内部に配線を配置するためにモデルに穴をあける必要がなく、モデル表面に多数のセンサを容易に配置することができるという特徴を有している。
　光式圧力センサは、例えば、特許文献１が開示するように、ＦＢＧ部が接着剤によりダイヤフラムに固定された構成を有している。この構成では、ダイヤフラムにおいて圧力の変化が歪み（応力）の変化に変換され、当該歪みがＦＢＧ部における反射光の波長変化として検出される。
　また、特許文献２は、より微小な圧力変化を検知できるように、ベースフィルムの貫通孔上にＦＢＧ部を備える光ファイバを配置し、当該光ファイバに当接する状態で貫通孔を覆うようにダイヤフラムを配置した構成を開示している。また、この構成では、ベースフィルムが可撓性を有しているため、曲面等の任意の面に圧力センサを配置することが可能になっている。
特開２００２－０９８６０４号公報 特開２００８－０７０３５７号公報
　ＦＢＧ部を備える光ファイバにより歪みを安定的に計測するためには、光ファイバに張力を安定して付与し続ける必要がある。しかしながら、特許文献１のように、ダイヤフラムに光ファイバを直接固定する構成では、光ファイバに付与された張力により短期的又は長期的にダイヤフラムが変形して光ファイバの張力が開放されるため、十分な測定再現性を得られないという問題がある。
　このような問題は、高剛性で変形することのないダイヤフラムを使用することで解消することができるとも思える。しかしながら、そのような対応では、微小な圧力変化でダイヤフラムが変形することがないため、微小な圧力変化を検出することは不可能である。
　また、特許文献２が開示する構成によれば、光ファイバが、ベースフィルムの貫通孔上に配置され、当該貫通孔上でダイヤフラムと接触しているため、ダイヤフラムの微小な歪み変化を検出することはできる。しかしながら、光ファイバを保持するベース部材がフィルム状であるため、特許文献１と同様、十分な測定再現性を得られないという問題がある。このような問題は、ベースフィルムを金属等の高剛性材料で構成した場合でも、ベースフィルムが可撓性を有している以上、光ファイバに付与された張力により短期的又は長期的にベースフィルムが変形し、十分な測定再現性を得られないという問題がある。
　さらに、特許文献２が開示する構成では、ベースフィルムが可撓性を有するため、測定表面が曲面である場合でも、ベースフィルムを測定表面に比較的容易に貼り付けることができる。しかしながら、ベースフィルムが可撓性を有する場合、曲面にベースフィルムを貼り付けると、ベースフィルムと光ファイバ（ＦＢＧ部）との位置関係、あるいは、光ファイバに付与された張力の大きさが変化してしまう。その結果、ダイヤフラムに同一の圧力が付与された状態であっても、ＦＢＧ部の歪み量が異なってしまい、圧力センサの出力値が異なるという状況が発生し得る。
　本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、測定再現性がよく、微小な圧力変化を検出可能な圧力センサを提供することを目的とする。
　上述の目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係る圧力センサは、光ファイバ、ベース部材、ダイヤフラム及び伝達部を備える。光ファイバはＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部を備える。ベース部材は、一方面に開口端を備える。ベース部材には、当該開口端を横断する状態で、張力が付与された光ファイバが固定される。ベース部材は、当該張力により変形することのない剛性を有する。ダイヤフラムは、可撓性を有し、ベース部材との間に光ファイバが配置される状態で開口端に外周が支持される。伝達部は、ダイヤフラムに設けられ、付与された圧力に応じてダイヤフラムに発生する応力を、光ファイバの特定部位に集中させる。
　本発明の圧力センサによれば、ダイヤフラムに発生する応力が、ベース部材に固定された光ファイバの特定部位に集中するため、微小な圧力であっても光ファイバを歪ませることができる。その結果、ダイヤフラムに付与される微小な圧力変化を検出することができる。また、ベース部材は、光ファイバに付与された張力により変形することのない剛性を有するため、短期的又は長期的にダイヤフラムが変形して光ファイバの張力が開放されることもない。その結果、安定した測定再現性を確保することができる。各部の寸法を調整する必要はあるが、同一の構造で、低圧力から高圧力までを計測することができるため、例えば、縮小モデルにおいて圧力を測定する場合と、実物モデルにおいて圧力を測定する場合とで、同一構造の圧力センサを使用することができる。
　以上の圧力センサにおいて、ベース部材は、ダイヤフラムと当接する面を除いて、ベース部材よりも剛性の低い保持部材に当接する構成を採用することができる。この構成によれば、計測対象面に振動や変形が生じた場合でも、高剛性のベース部材にその振動や変形が伝搬して、ダイヤフラムやＦＢＧ部に伝わることを抑制することができる。
　また、以上の圧力センサにおいて、光ファイバと干渉することがなく、平面視において、伝達部を包含する状態で、外周から離間してダイヤフラムに固定された、ダイヤフラムのみの部分よりも剛性を高める補強部をさらに備える構成を採用することができる。あるいは、伝達部がダイヤフラムと一体で構成され、伝達部の周囲におけるダイヤフラムの厚さが、ダイヤフラムの外周におけるダイヤフラムの厚さよりも厚い構成を採用することができる。これらの構成によれば、より微小な圧力の計測を目的としてダイヤフラムの厚さを低減した場合でも、ダイヤフラムのうねり等に起因するダイナミックレンジの低下を抑制することができる。
　また、ベース部材は、金属、セラミック又はガラスにより構成される環状体とすることができる。また、ダイヤフラムは、樹脂膜により構成することができる。さらに、光ファイバは、ベース部材の一方面に設けられた溝部に収容された状態で、ベース部材に固定される構成を採用することもできる。
　さらに、以上の圧力センサにおいて、ダイヤフラムに圧力が付与されていない状況下において、伝達部は光ファイバに応力を作用させない状態で配置される構成を採用することもできる。
　本発明によれば、測定再現性がよく、微小な圧力変化を検出可能な圧力センサを実現することができる。
図１は、本発明の一実施形態における圧力センサの一例を示す概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態における圧力センサの一例を示す概略平面図である。 図３は、本発明の一実施形態における圧力センサの一例を示す概略断面図である。 図４は、本発明の一実施形態における圧力センサの他の例を示す概略構成図である。 図５は、本発明の一実施形態における圧力センサの他の例を示す概略平面図である。 図６は、本発明の一実施形態における圧力センサの他の例を示す概略断面図である。 図７は、本発明の一実施形態における補強部の効果を示す図である。 図８は、本発明の一実施形態における圧力センサのさらに他の例を示す概略断面図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。図１は、本実施形態における圧力センサ１の全体構成の一例を示す概略構成図である。また、図２は、本実施形態における圧力センサ１の一例を示す概略平面図である。さらに、図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿う概略断面図である。
　図１～図３に示すように、圧力センサ１は、ベース部材１１、光ファイバ１２、ダイヤフラム１３、伝達部１４及び保持部材１９を備える。なお、図１では、内部構造を示すため、保持部材１９は外形のみを点線で示している。同様に、図１及び図２では、内部構造を示すため、ダイヤフラム１３は外形のみを破線で示している。
　本実施形態では、ベース部材１１は、光ファイバ１２の直径よりも大きな厚みを有する円盤状の板材の中央部に円形の貫通孔１５が形成された円環状の形態を有しており、貫通孔１５の開口端がベース部材１１の両面に露出している。
　ベース部材１１の一方面（ここでは、上面）には直径方向に沿って、光ファイバ１２を収容する溝部１６が形成されている。ベース部材１１において対向する円環部分に設けられた溝部１６は同一直線状に配置されている。各溝部１６には、光ファイバ１２の直径よりもわずかに大きい幅の部分と、当該幅よりも広い幅を有する幅広部１７が設けられている。なお、幅広部１７を設けることは必須ではない。
　光ファイバ１２は、貫通孔１５を横断する状態で各溝部１６に収容されるとともに、張力（プリテンション）が付与された状態でベース部材１１に固定される。固定方法は特に限定されないが、本実施形態では、幅広部１７に充填された紫外線硬化型接着剤により光ファイバ１２がベース部材１１に固定されている。本実施形態では、幅広部１７だけでなく、溝部１６の全体にわたって接着剤が充填されている。なお、図１～図３では、接着剤の図示を省略している。
　本実施形態では、溝部１６は、光ファイバ１２の直径と同程度の均一な深さを有している。また、幅広部１７は、図３に示すように、溝部１６よりもわずかに深く形成されている。これにより、幅広部１７では、光ファイバ１２の下方側にも接着剤を回り込ませることができる。溝部１６の底面は、ベース部材１１の上面及び下面と平行に形成されており、光ファイバ１２を溝部１６の底面に接触する状態で固定することで、光ファイバ１２を、ベース部材１１の上面及び下面と平行な同一面内に配置することができる。なお、溝部１６の底面は、光ファイバ１２の外周に整合する曲面で構成することもできる。
　ベース部材１１は、光ファイバ１２に付与された張力により、短期的及び長期的に変形することのない剛性を有する。ベース部材１１の材質は、特に限定されない。例えば、金属、セラミック又はガラスにより構成することができる。ここでは、ベース部材１１は金属により構成されている。
　光ファイバ１２は、特定のブラッグ波長を有するＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部１８を備える。ＦＢＧ部１８の長さは、貫通孔１５の直径より長くてもよく、また、貫通孔１５の直径より短くてもよい。ＦＢＧ部１８は、両側がベース部材１１に固定された光ファイバ１２の部分に、少なくともその一部が配置されていればよい。上述のように、本実施形態では、光ファイバ１２は溝部１６の全体にわたってベース部材１１に固定されている。したがって、本実施形態では、両側がベース部材１１に固定されている光ファイバ１２の部分は、貫通孔１５上に配置された光ファイバ１２の部分になる。なお、特に限定されないが、本実施形態では、ＦＢＧ部１８は、貫通孔１５の直径の１／３程度の長さで構成されており、平面視において、貫通孔１５の中心（ベース部材１１の中心）に配置されている。図中では、便宜上、ＦＢＧ部１８を黒塗りにより表現している。
　公知のように、ＦＢＧ部１８はブラッグ波長により規定される波長の光を反射する。ＦＢＧ部１８は光ファイバのコアに所定の間隔で配置された複数の回折格子により構成され、ブラッグ波長は光ファイバの屈折率と回折格子の配置間隔との積に比例する。したがって、ＦＢＧ部１８に応力が作用してＦＢＧ部１８を構成する回折格子の間隔が拡がると、ＦＢＧ部１８により反射される光の波長は大きくなる。また、応力によりＦＢＧ部１８が圧縮されＦＢＧ部１８を構成する回折格子の間隔が狭まると、ＦＢＧ部１８により反射される光の波長は小さくなる。波長の変化は、光ファイバ１２の一端に接続された光源及び計測器により取得される。なお、複数の圧力センサ１を直列接続して使用する場合は、各圧力センサ１のＦＢＧ部１８のブラッグ波長は互いに異なる波長に設定される。これにより、反射光の波長に基づいて反射光の反射位置を容易に区別することができる。
　また、ベース部材１１は、ダイヤフラム１３が当接する面を除いて、ベース部材１１よりも剛性の低い保持部材１９に当接する構成になっている。すなわち、ベース部材１１の下面、側面が保持部材１９に囲まれている。本実施形態では、保持部材１９は、平面視において、長手方向が光ファイバ１２の配置方向を向いた瞳型状の外形を有している。保持部材１９の上面とベース部材１１の上面とは面一に構成されており、当該上面にダイヤフラム１３が固定される。そのため、光ファイバ１２も保持部材１９内に封止されている。このような構造は、例えば、保持部材１９の一部を構成する、平面視において瞳形状のシート部材上に、光ファイバ１２を固定したベース部材１１を配置し、ベース部材１１の周囲のシート部材上に保持部材１９の一部を構成する液体状の樹脂材料を導入して硬化させることで実現できる。このような構成では、例えば、ベース部材１１下方の保持部材１９（シート部材）の材質と、ベース部材１１周囲の保持部材１９の材質は、同一であってもよく、異なっていてもよい。保持部材１９の材質として、例えば、紫外線硬化型接着剤や封止剤のような金属等と比較して剛性の低い（柔軟性を有する）樹脂系材料を使用することができる。なお、圧力センサ１の防水性を高める観点では、保持部材１９は防水性を有する材質であることが好ましい。
　ダイヤフラム１３は、貫通孔１５の開口端であるベース部材１１の円環部分に外周が固定支持されている。したがって、光ファイバ１２は、ダイヤフラム１３とベース部材１１との間に配置されることになる。特に限定されないが、本実施形態では、ダイヤフラム１３は、平面視において、ベース部材１１の外形より大きな直径を有しており、ベース部材１１の上面だけでなく、保持部材１９の上面にも固定されている。
　ダイヤフラム１３は、ダイヤフラム１３に付与される圧力の変化を歪み（応力）の変化に変換する機能を有する。ダイヤフラム１３は、可撓性を有する材料（例えば、樹脂膜）により構成することができる。特に限定されないが、本実施形態では、ダイヤフラム１３は、ポリイミドフィルムにより構成されている。ダイヤフラム１３とベース部材１１及び保持部材１９との間の固定方法は特に限定されない。例えば、紫外線硬化型接着剤により固定することができる。
　伝達部１４は、ダイヤフラム１３に固定されている。当該固定は、紫外線硬化型接着剤により実現することができる。伝達部１４は、ダイヤフラム１３に付与された圧力に応じてダイヤフラム１３に発生する応力を、光ファイバ１２の特定部位に集中させる機能を有する。伝達部１４は、光ファイバ１２に対しては固定されていない。本実施形態では、伝達部１４は、平面視において、貫通孔１５の中心に配置された円柱体により構成されている。当該円柱体は、光ファイバ１２の配置方向と直交する方向に向けて配置されている。当該伝達部１４は、光ファイバ１２と点接触することで、ダイヤフラム１３に発生する応力を貫通孔１５の中心に位置する光ファイバ１２の部分に集中させる。なお、本実施形態では、伝達部１４として光ファイバ１２と同一の外径を有する光ファイバの小片を使用している。
　計測対象物への圧力センサ１の固定には、接着剤や両面テープ等、公知の任意の手法を採用することができる。
　以上の圧力センサ１では、ダイヤフラム１３の歪みを計測するのではなく、ダイヤフラム１３の歪みに応じて伝達部１４により増幅して伝えられた歪み（応力）を計測する。したがって、ダイヤフラム１３に発生する応力が、ベース部材１１に固定された光ファイバ１２の特定部位に集中するため、微小な圧力であっても光ファイバ１２を歪ませることができる。その結果、ダイヤフラム１３に付与される微小な圧力変化を検出することが可能になる。
　また、ベース部材１１は、光ファイバ１２に付与された張力により変形することのない剛性を有するため、短期的又は長期的にダイヤフラム１３が変形して光ファイバ１２の張力が開放されることもない。その結果、安定した測定再現性を確保することができる。
　さらに、ベース部材１１を環状体とすることで、圧力センサ１のサイズを必要最小限とすることができ、また、ベース部材１１の周囲に比較的柔らかい保持部材１９で覆われているため、計測対象面が曲面であっても圧力センサ１を比較的容易に貼り付けることができる。このように曲面に貼り付けた場合であっても、ベース部材１１と光ファイバ１２（ＦＢＧ部１８）との位置関係が変わることがなく、光ファイバ１２に付与された張力の大きさも変化しない。そのため、可撓性のベースフィルムを使用した場合のように、圧力センサの出力値が異なるという状況は発生しない。
　加えて、ベース部材１１の周囲に保持部材１９を配置しているため、計測対象面に振動や変形が生じた場合でも、ダイヤフラム１３やＦＢＧ部１８にその振動や変形が伝わることを抑制できるため、圧力センサ１の誤計測を防止することができる。
　また、各部の寸法を調整する必要はあるが、圧力センサ１によれば、同一の構造で、低圧力から高圧力までを計測することができるため、例えば、縮小モデルにおいて圧力を測定する場合と、実物モデルにおいて圧力を測定する場合とで、同一構造の圧力センサを使用することができる。例えば、低圧力を測定する場合、貫通孔１５の直径を６ｍｍ程度、伝達部１４である円筒体の直径を０．１５ｍｍ程度にすることができる。円環部分の幅や厚さは、任意に設計することができる。また、高圧力を測定する場合、各部の寸法を定数倍にすればよい。
　なお、図１～図３では、伝達部１４が光ファイバ１２を押し下げる状態で当接した様子を図示しているが、ダイヤフラム１３に圧力が付与されていない場合、伝達部１４が光ファイバ１２に応力を作用させない状態で配置してもよい。
　また、上述の例では、ダイヤフラム１３と伝達部１４とを個別の部材としているが、伝達部１４はダイヤフラム１３と一体に形成されてもよい。
　以上で説明した構成において、より微小な圧力変動を検知可能にするためには、ダイヤフラム１３の膜厚を薄くする必要がある。しかしながら、上述のように、光ファイバ１２の特定部分に伝達部１４が当接する構成では、ダイヤフラム１３の膜厚を薄くすると、ダイヤフラム１３の強度が低下する結果、光ファイバ１２に当接した伝達部１４がダイヤフラム１３側に押し出されてダイヤフラム１３を変形させる状況が発生し得る。この場合、伝達部１４はダイヤフラム１３に発生した応力を、光ファイバ１２に適切に伝えることができなくなる。また、以上のような状態でダイヤフラム１３の変形が固定化した場合、その後に圧力を正常に計測することができなくなる。
　そこで、以下では、ダイヤフラム１３の膜厚を薄くする場合に特に好適な構成について説明する。図４は、本実施形態における圧力センサ２の全体構成の一例を示す概略構成図である。また、図５は、本実施形態における圧力センサ２の一例を示す概略平面図である。さらに、図６は、図５に示すＢ－Ｂ線に沿う概略断面図である。
　図４～図６に示すように、圧力センサ２は、補強部２１をさらに備える点で、圧力センサ１の構成と異なる。他の構成は圧力センサ１と同一であり、圧力センサ１と同様の作用効果を奏する構成要素には同一の符号を付している。なお、図４では、内部構造を示すため、保持部材１９は外形のみを点線で示している。また、図４及び図５では、ダイヤフラム１３及び補強部２１は外形のみを点線で示している。
　補強部２１は、平面視において、伝達部１４を包含する状態かつダイヤフラム１３の外周から離間してダイヤフラム１３に固定される。ここで、ダイヤフラム１３の外周とは、ダイヤフラム１３とベース部材１１とが固定された部分である。本実施形態では、補強部２１は、平面視において、貫通孔１５と同軸に配置されている。補強部２１は、貼り付けた部分の剛性をダイヤフラム１３のみの部分に比べて高める作用を有している。
　補強部２１は、ダイヤフラム１３のいずれの面に配置してもよい。ダイヤフラム１３の光ファイバ１２側に配置する場合、図６に示すように、補強部２１はダイヤフラム１３と伝達部１４との間に配置される。この場合、まず、ダイヤフラム１３に補強部２１が固定され、次いで、当該補強部２１に伝達部１４が固定される。また、この場合、補強部２１は、ダイヤフラム１３に圧力が作用した場合でも、光ファイバ１２と干渉することがない状態で配置される。すなわち、補強部２１は、光ファイバ１２と干渉することがない径に設計される。
　補強部２１には、任意の材質を使用することができる。例えば、ガラスプレートやポリイミドフィルム等を使用することができる。補強部２１の固定には、例えば、紫外線硬化型接着剤を使用することができる。
　図７は、補強部２１の効果を示す図である。図７において、横軸はダイヤフラム１３に付与される圧力に対応する。縦軸は、ブラッグ波長のシフト量に対応する。図７では、補強部２１が存在しない圧力センサ１の構成において、ダイヤフラム１３の膜厚を薄くした場合のデータを破線で示している。また、補強部２１を備える圧力センサ２の構成において同一膜厚のダイヤフラム１３を適用した場合のデータを実線で示している。
　図７に示すように、補強部２１が存在しない場合、ダイヤフラム１３に付与される圧力が相対的に低いときは、圧力の増大にほぼ比例してブラッグ波長のシフト量が増大する。しかしながら、圧力がさらに大きくなると、ダイヤフラム１３に付与される圧力が増大しても、ブラッグ波長のシフト量は増大しなくなる。これは、光ファイバ１２に当接した伝達部１４がダイヤフラム１３側に押し出されてダイヤフラム１３を変形させている状態に対応する。
　一方、補強部２１が存在する場合、ダイヤフラム１３に付与される圧力が相対的に低いときから、相対的に高い領域の全体にわたって、圧力の増大にほぼ比例してブラッグ波長のシフト量が増大している。また、圧力に対するブラッグ波長のシフト量の増加率も増大しており、補強部２１が存在しない場合に比べて、測定感度も向上していることが理解できる。これは、補強部２１が、光ファイバ１２に当接した伝達部１４がダイヤフラム１３側に押し出されることを防止する効果とともに、伝達部１４の作用による応力集中を増強する効果を奏することに起因している。
　なお、図４～図６の例では、補強部２１とダイヤフラム１３とを個別の部材としているが、補強部２１はダイヤフラム１３及び伝達部１４と一体に形成されてもよい。図８は、このようなダイヤフラム３１を備える圧力センサ３を示す概略断面図である。圧力センサ３は、ダイヤフラム３１の構造が上述の圧力センサ２の構成と異なる。他の構成は圧力センサ２と同一であり、圧力センサ２と同様の作用効果を奏する構成要素には同一の符号を付している。
　図８に示すように、ダイヤフラム３１は、伝達部３２の周囲３３におけるダイヤフラム３１の厚さが、ダイヤフラム３１の外周におけるダイヤフラム３１の厚さよりも厚くなっている。そのため、伝達部３２を包含する部分の剛性を、膜厚の薄い周縁部よりも高めることができる。その結果、上述の圧力センサ２と同様の作用効果を得ることができる。
　なお、上述した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、特に好ましい形態として貫通孔１５の形状を円形とし、かつベース部材１１の外形を円形としたが、貫通孔の形状は多角形であってもよく、ベース部材の外形も任意の形状とすることができる。
　また、ベース部材１１は貫通孔１５に代えて、下面が閉塞された凹部を備える構成であってもよい。さらに、保持部材１９は、ベース部材１１の下面側のみに形成されてもよく、また、保持部材１９を備えない構成とすることもできる。
　本発明によれば、測定再現性がよく、微小な圧力変化を検出可能な圧力センサを実現でき、圧力センサとして有用である。
　１、２、３　圧力センサ
　１１　ベース部材
　１２　光ファイバ
　１３、３１　ダイヤフラム
　１４、３２　伝達部
　１５　貫通孔
　１６　溝部
　１８　ＦＢＧ部
　１９　保持部材
　２１　補強部

Claims (8)

  1. 　ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部を備える光ファイバと、
    　一方面に開口端を備え、当該開口端を横断する状態で、張力が付与された前記光ファイバが固定されるとともに、当該張力により変形することのない剛性を有するベース部材と、
    　前記ベース部材との間に前記光ファイバが配置される状態で前記開口端に外周が支持される可撓性のダイヤフラムと、
    　前記ダイヤフラムに設けられ、付与された圧力に応じて前記ダイヤフラムに発生する応力を、前記光ファイバの特定部位に集中させる伝達部と、
    を備える圧力センサ。
  2. 　前記ベース部材は、前記ダイヤフラムと当接する面を除いて、前記ベース部材よりも剛性の低い保持部材に当接する、請求項１記載の圧力センサ。
  3. 　前記光ファイバと干渉することがなく、平面視において、前記伝達部を包含する状態で、前記外周から離間して前記ダイヤフラムに固定された、前記ダイヤフラムのみの部分よりも剛性を高める補強部をさらに備える請求項１又は請求項２記載の圧力センサ。
  4. 　前記伝達部が前記ダイヤフラムと一体で構成され、前記伝達部の周囲における前記ダイヤフラムの厚さが、前記ダイヤフラムの外周におけるダイヤフラムの厚さよりも厚い請求項１又は請求項２記載の圧力センサ。
  5. 　前記ベース部材が、金属、セラミック又はガラスにより構成される環状体である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
  6. 　前記ダイヤフラムが樹脂膜により構成される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧力センサ。
  7. 　前記光ファイバは、前記ベース部材の一方面に設けられた溝部に収容された状態で、前記ベース部材に固定される、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧力センサ。
  8. 　前記ダイヤフラムに圧力が付与されていない状況下において、前記伝達部は前記光ファイバに応力を作用させない状態で配置される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧力センサ。
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