JP4779150B2

JP4779150B2 - ダイヤフラム型圧力センサ

Info

Publication number: JP4779150B2
Application number: JP2005096255A
Authority: JP
Inventors: 超男徐; 祐介今井; 芳雄安達; 雅規古賀
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP2006275813A

Description

本発明は、ダイヤフラムの材料に応力発光材料を用いたダイヤフラム型圧力センサに関し、更に詳しくは、加えられた圧力によってダイヤフラムが変形する際に、ダイヤフラムから放射される光の量を計測することにより該圧力を算出するダイヤフラム型圧力センサに関する。

従来、圧力センサとしてダイヤフラムの変位量を光を用いて計測するものが知られている（例えば、特許文献１ないし特許文献３参照）。

特昭６３−２７１９７５号公報特開平８−１８４５１４号公報特開平８−６３１６４号公報

しかしながら、従来のダイヤフラム型圧力センサでは、光源を必要とし、このことがセンサを小型化するための妨げとなっていた。
光源を設けようとすると、発光素子等を設けるだけでなく、それに関連する配線、電源等も必要になるからである。
また、このことはセンサ構造自体が複雑化して、部品点数が多くなり、結果的に故障の原因となる。

本発明は、かかる背景技術をもとになされたもので、上記の背景技術の問題点を克服するためになされたものである。
すなわち、本発明は、簡単な構造であり小型化が図られたダイヤフラム型圧力センサを提供することを目的とする。

かくして、本発明者は、このような課題背景に対して鋭意研究を重ねた結果、意外にも、ダイヤフラムの材料自体に応力発光材料を用いることにより、光源が不要となり且つ構造的にもシンプルとなることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明は、（１）、箱体と、該箱体の開口部に設けられた応力発光材料を含むダイヤフラムと、ダイヤフラムと対向する位置に設けられ、ダイヤフラムが発光する光を受ける受光部と、を有するダイヤフラム型圧力センサであって、ダイヤフラムが、可撓性セラミックス又はガラスである基材に応力発光材料であるＳｒＡｌ _２Ｏ _４：Ｅｕを混合したものであり、ダイヤフラムの厚みが１μｍ〜１０００μｍであり、受光部が光ファイバーの端面となっており、光ファイバーが光の伝送路であるコアと、光をコアに閉じこめるためにコアよりも屈折率を小さくしたクラッドと、コア及びクラッドを被覆する被覆材とからなり、ポリカーボネート又はアルミニウムで作製された箱体の内壁には反射膜が形成され、且つダイヤフラムの上面に反射膜が設けられているダイヤフラム型圧力センサに存する。

また、本発明は、（２）、前記ダイヤフラムと受光部との間に集光レンズを更に配設した上記（１）に記載のダイヤフラム型圧力センサに存する。

また、本発明は、（３）、受光部で受けた光を計測して圧力に換算する上記（１）又は（２）に記載のダイヤフラム型圧力センサに存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記（１）から（３）を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明によれば、ダイヤフラムは、応力発光材料を含む材質であるので、光源が不要となり、簡単な構造で且つ小型化が図られたダイヤフラム型圧力センサを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るダイヤフラム型圧力センサの例を示している。
この実施形態のダイヤフラム型圧力センサは、底部１ａを有する円筒状の箱体１を有している。
箱体１は、外部からの光が入らないように又は内部から外部に光が漏れないように、合成樹脂材（例えばポリカーボネート等）や金属材（例えばアルミニウム等）で作成されている。

また、箱体１の内壁には反射膜が形成され、光を効率良く反射することができる。

箱体１の長手方向の中程、すなわちダイヤフラムと後述する受光部との間には、集光レンズ３がレンズ保持部２を介して配設されている。
そして、このレンズ保持部２と集光レンズ３とにより筒状の箱体１の空間が第一空間４と第二空間５とに区画されている。
第一空間４の端部となる箱体１の開口部には、ダイヤフラム６が設けられている。

このダイヤフラム６は、基材となる材料に応力発光材料を適量添加したものである。
ここで応力発光材料とは、応力、摩擦力、衝撃力及び振動等により機械的に加えられたエネルギーによって発光する材料をいう。

また、基材となる材料としては、高分子材料、可撓性セラミックス、ガラスなどを用いることが出来る。高分子材料の材質としては、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の内の少なくとも１種類を含むようにすると良い。
特に、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート等はダイヤフラムとしての変形特性に適している。
また、可撓性セラミックス、ガラスを基材として用いると、高分子材料に比べて耐熱性に優れるため、高温条件下での使用が可能になる。

応力発光材料としては、無機材料と有機材料を用いることが出来る。発光強度の点から、無機材料を用いることが望ましい。
応力発光無機材料は、母体材料となる結晶中に、発光中心となる元素がドープされたものである。応力発光材料を構成する無機の母体材料の材質としては、メリライト構造、ＦｅＳ_２構造、ウルツ構造、スピネル構造、コランダム構造又はβ−アルミナ構造を有する酸化物、硫化物、炭化物又は窒化物が挙げられる。

この無機の母体材料にドープされる発光中心となる元素としては、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ等の希土類イオン、及びＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ等の遷移金属イオン中の１種類以上を用いることが好ましい。

母体材料として、例えばストロンチウム及びアルミニウム含有複合酸化物を用いる場合、ｘＳｒＯ・ｙＡｌ_２Ｏ_３・ｚＭＯ（Ｍは二価金属、Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ，ｘ，ｙ，ｚは整数である）、ｘＳｒＯ・ｙＡｌ_２Ｏ_３・ｚＳｉＯ_２（ｘ，ｙ，ｚは整数である）を用いると良い。
中でも、ＳｒＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ、（Ｓｒ_ｘＢａ_１−ｘ）Ａｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ（０<ｘ<１）、ＳｒＡｌ_２ＳｉＯ_７：Ｅｕ等が望ましい。
またダイヤフラムの形態としては、例えば、基材である高分子材料等に応力発光材料を混入してフイルム状に成形したもの、基材となるフイルム表面に発光材料の層を形成した膜等があり、変形可能なフイルム状のものであれば採用可能である。

また、ダイヤフラム６の上面には、ダイヤフラム６から放射される光が効率良く、後述する受光部に到達するように、反射膜７が設けられている。
反射膜７の材質は、ダイヤフラムの変形を阻害しないものであれば特に限定されるものでないが、例えば、アルミニウム、金、白金、ニッケル、チタン等の金属膜が使用され、例えば蒸着やコーティング等により形成される。

また、底部１ａの中央には、光ファイバー８が設けられダイヤフラム６と対向するように配置されている。
この光ファイバー８は、光の伝送路であるコア９と、光をコア９に閉じこめるためにコア９よりも屈折率が小さくされたクラッド１０と、コア９及びクラッド１０を被覆する被覆材１１と、により構成されている。
また、光ファイバー８は、その端面の中心が集光レンズ３の中心軸上に来るように、配置されている。
光ファイバー８の端面を受光部とすることにより、受光部自体の構造もシンプルとなり、圧力センサの構造をより簡素化することができる。

いま、図２に示すように、ダイヤフラム６の上面に圧力ｐを加えると、ダイヤフラム６は撓み、応力発光材料から光が放射される。
この放射された光は、反射膜７や箱体１の内壁で全反射するので、ダイヤフラム６と光ファイバー８の端面との間、より具体的には箱体１の開口部と底部との中間位置に設けられている集光レンズ３に効率良く導かれる。
集光レンズ３に導かれた光の一部は、集光レンズ３で集光され、受光部である光ファイバー８の端面、詳しくはコア９の端面を集中的に照らし、コア９内に光が侵入することになる。

コア９内に侵入した光は、コア９の周囲を取り囲むコア９より屈折率の小さいクラッド１０に侵入することができずに全反射され、図３に示す光検出器１２に入る。
すなわち、ダイヤフラム６の形状変形により発光した光は、箱体１から光ファイバー８を経由して光検出器１２で受光される。
光検出器１２内には、フォトダイオードが設けられており、該フォトダイオードで光エネルギーから電気信号に変換され、ケーブルを介して情報処理装置である例えばパーソナルコンピュータ１３に送られる。
なお、フォトダイオードに代わって、例えば、光電子増倍管、フォトトランジスタ、ＣＣＤ等を採用することも可能である。
このパーソナルコンピュータ１３において、予め作成したプログラムを用いて、電気信号が圧力値に換算表示される。
このように受光部で計測された光が最終的に圧力に換算されることとなる。

なお、圧力を算出するに当たっては、予め、ダイヤフラム６に加える圧力と、該圧力によりフォトダイオードから送信される電気信号の電圧値との対応関係を測定しておき、換算式を求めておくことが必要である。
このように換算式を、前記プログラム内に記憶しておくことにより、適宜、正確な圧力を換算表示できる。
また、応力発光材料の発光強度は温度によっても異なるため、温度条件も変数に入れて換算式のキャリブレーションを行う。

また、圧力を測定する場合に留意すべき点として、ダイヤフラム６が圧力によって変形し始めてから変形し終わるまでの間、ダイヤフラム６が発光するから、圧力変化が単調増加するか単調減少している間に光を測定する必要がある。

本発明におけるダイヤフラム６は圧力により容易に変形するように（図４参照）、厚みが１μｍ〜１０００μｍの範囲のものを使うことが好ましい。
ダイヤフラム６の圧力による変形度合いが大きい程、小さい圧力が測定されることとなる。

上述した実施形態によれば、ダイヤフラム６は、応力発光材料を含む材質であるので、光源が不要となり、簡単な構造であり小型化が図られたダイヤフラム型圧力センサを提供することができる。
〔他の実施の形態〕
前述した図１は、集光レンズを有するダイヤフラム型圧力センサであるが、本発明としては、必ずしも集光レンズを必要とするものではない。
すなわち、ダイヤフラム型圧力センサとしては、ダイヤフラムと受光部との間に配置している集光レンズを省略することも可能である。
この場合も、受光部等は前述の実施の形態の同様な構成を採用することとなる。

図５は本発明のダイヤフラム型圧力センサを使って管内圧力を測定する例を示したものである。
このように配管面にダイヤフラムを配設して配管内の圧力を測定するが、センサ自体がシンプルで小型化されるために極めて有用である。
以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質から逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。
例えば、応力発光材料は無機材料で説明したが、有機系の材料で応力による発光現象を有するものであれば、ダイヤフラムとして適用可能である。
以下、更に実施例を用いて説明することとするが、この実施例に限定されるものではないことは当然である。

図６に示した装置を用いて、ダイヤフラム型圧力センサの性能評価試験を行った。
ここで箱体の大きさは、開口部の内径が２５ｍｍ、またダイヤフラム６から光ファイバー８の端部までの距離が１５ｍｍのものを使った。
光ファイバーとしては、ファイバー径３ｍｍ、コア径２．９４ｍｍ、最大減衰率０．１９ｄＢ／ｍのプラスチック光ファイバーを用いた。
ダイヤフラム６は、母体材料であるポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）に発光粒子であるＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ（ＳＡＯ−Ｅ）を混合して（重量比１０：１）フイルム状にした（厚み２５０μｍ）
因みに、この重量比の例であるとダイヤフラムと機能する強度を十分維持できる。
このようなダイヤフラム型圧力センサに対して、圧力印加部から、ガス圧により種々の圧力変動をダイヤフラムに対して加え、発光強度を測定した。
図７に、その実験結果のグラフを示す。
なお、縦軸に発光強度（ｃｐｓ）、横軸に印加した圧力（ＭＰａ）を示し、発光強度の単位であるｃｐｓは、１秒間に検出される光子の数を表す。
このグラフから分かるように、０から０．１ＭＰａまでの圧力変動の範囲で、発光強度は加えた圧力変動に対して優れた直線性を示している。
このようなことから圧力センサとして十分な効果を発揮できるものである。

本発明は、加えられた圧力によってダイヤフラムが変形する際に、ダイヤフラムから放射される光の量を計測することにより該圧力を算出するダイヤフラム型圧力センサに関するものであるが、ダイヤフラムが変形による発光を利用したものであれば、圧力センサー以外にも当然、その原理は適用できるものであり、応用分野は広い。

図１は、本発明の一実施形態に係るダイヤフラム型圧力センサを示す説明図である。図２は、図１のダイヤフラム型圧力センサのダイヤフラムに荷重を加えた場合の状態を示す説明図である。図３は、図１のダイヤフラム型圧力センサの全体構成を示すブロック図である。図４は、ダイヤフラムが振動している状態を説明する図である。図５は本発明のダイヤフラム型圧力センサを使って管内圧力を測定する例を示したものである。図６は、ダイヤフラム型圧力センサの性能評価試験に使用した装置である。図７は、ダイヤフラム型圧力センサの性能評価試験に係る実験結果のグラフを示す図である。

符号の説明

１センサ本体
１ａ底部
２レンズ保持部
３集光レンズ
４第一空間
５第二空間
６ダイヤフラム
７反射膜
８光ファイバー
９コア
１０クラッド
１１被覆材
ｐ圧力

Claims

箱体と、
該箱体の開口部に設けられた応力発光材料を含むダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムと対向する位置に設けられ、前記ダイヤフラムが発光する光を受ける受光部と、を有するダイヤフラム型圧力センサであって、
前記ダイヤフラムが、可撓性セラミックス又はガラスである基材に応力発光材料であるＳｒＡｌ _２Ｏ _４：Ｅｕを混合したものであり、
前記ダイヤフラムの厚みが１μｍ〜１０００μｍであり、
前記受光部が光ファイバーの端面となっており、
前記光ファイバーが光の伝送路であるコアと、光を前記コアに閉じこめるために前記コアよりも屈折率を小さくしたクラッドと、前記コア及び前記クラッドを被覆する被覆材とからなり、
ポリカーボネート又はアルミニウムで作製された前記箱体の内壁には反射膜が形成され、且つ
前記ダイヤフラムの上面に反射膜が設けられていることを特徴とするダイヤフラム型圧力センサ。
前記ダイヤフラムと受光部との間に集光レンズを更に配設したことを特徴とする請求項１に記載のダイヤフラム型圧力センサ。
受光部で受けた光を計測して圧力に換算することを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤフラム型圧力センサ。