JP2022118688A - 圧力センサ装置及び受圧素子 - Google Patents

Abstract

【課題】狭小部における圧力を検出可能であり且つ低コストで製造可能な光学センサ装置を提供する。【解決手段】圧力センサ装置１は、入射光を出射する発光部１０と、発光部１０に光学的に接続された光ファイバ８０と、光ファイバ８０の先端に配置され、光ファイバ８０を介して入射光が入射されたときに、印加される圧力に応じた戻り光を出射する圧力センサ５０と、圧力センサ５０に光ファイバ８０を介して光学的に接続され、戻り光に基づいて、圧力センサ５０に印加される圧力に応じた検出信号を出力する検出信号発生部６０とを有し、圧力センサ５０は、磁性体５５と、磁性体５５に近接して配置され、入射光が入射されたときに、磁界に応じた戻り光を出射する磁界センサ素子５２と、圧力が印加されることに応じて磁界センサ素子５２と磁性体５５との間の距離が変化するように磁性体５５を保持する受圧素子５４とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、圧力センサ装置及び受圧素子に関する。

光ファイバの先端に配置されたハーフミラーと、ダイヤフラムの内面に形成された反射層とにより形成されるファブリ・ペロー共振器を使用して、患者の血管内等の狭小部における圧力を測定する圧力センサ装置が知られている（例えば、特許文献１及び２を参照）。特許文献１及び２に記載される圧力センサ装置は、径が１２５μｍと非常に細い光ファイバの先端にファブリ・ペロー共振器を配置することで、患者の身体的な負担を軽減とした上で、患者の体内の狭小部において血圧等の圧力を計測できる。

特開２００５－２９１９４５号公報 特許第５５５８５８０号公報

しかしながら、ハーフミラーと反射層との間のギャップ長が均一の長さになるようにファブリ・ペロー共振器を製造することは、容易ではなく、特許文献１及び２に記載される圧力センサ装置の製造コストが高くなるおそれがある。

本発明は、このような課題を解決するものであり、狭小部における圧力を検出可能であり且つ低コストで製造可能な光学センサ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る圧力センサ装置は、入射光を出射する発光部と、発光部に光学的に接続された光ファイバと、光ファイバの先端に配置され、光ファイバを介して入射光が入射されたときに、印加される圧力に応じた戻り光を出射する圧力センサと、圧力センサに光ファイバを介して光学的に接続され、戻り光に基づいて、圧力センサに印加される圧力に応じた検出信号を出力する検出信号発生部とを有し、圧力センサは、磁性体と、磁性体に近接して配置され、入射光が入射されたときに、磁界に応じた戻り光を出射する磁界センサ素子と、圧力が印加されることに応じて磁界センサ素子と磁性体との間の距離が変化するように磁性体を保持する受圧素子とを有する。

さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、受圧素子は、円筒状の形状を有し、一方の側面に開口部が形成された基台と、基台の内部に配置され、磁性体を保持する支持部と、基台の他方の側面に配置され、一端が基台に接続され且つ他端が支持部に接続された螺旋状の弾性部とを有することが好ましい。

さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、受圧素子は、シリコンにより形成されることが好ましい。

さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、弾性部は、磁界センサ素子に対向する第１面、及び第１面の反対の第２面の少なくとも一方に撥水膜が形成されることが好ましい。

さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、弾性部の幅は、基台に接続される一端から支持部に接続される他端に向かうに従って幅が狭くなることが好ましい。

さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、溝は、支持部の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成されることが好ましい。

さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、弾性部は、第１溝、及び第２溝が形成され、第１溝及び第２溝の基台側の端部は、１８０度離隔して配置され、第１溝及び第２溝の支持部側の端部は、１８０度離隔して配置されることが好ましい。

さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、弾性部は、第１溝、第２溝及び第３溝が形成され、第１溝、第２溝及び第３溝の基台側の端部は、１２０度ずつ離隔して配置され、第１溝、第２溝及び第３溝の支持部側の端部は、１２０度ずつ離隔して配置されることが好ましい。

さらに、本発明に係る圧力センサ装置では、圧力センサは、受圧素子が保持する磁性体の端部と反対側の端部を保持する第２受圧素子をさらに有することが好ましい。

また、本発明に係る受圧素子は、円筒状の形状を有し、一方の側面に開口部が形成された基台と、基台の内部に配置され、磁性体を保持する支持部と、基台の他方の側面に配置され、一端が基台に接続され且つ他端が支持部に接続され、螺旋状の１又は複数の溝が形成される弾性部とを有する。

本発明に係る圧力センサ装置は、狭小部における圧力を検出可能であり且つ低コストで製造可能である。

実施形態に係る圧力センサ装置を示すブロック図である。 図１において破線Ａで示される部分の拡大断面図である。 （ａ）は図２に示す受圧素子の斜視図（その１）であり、（ｂ）は図２に示す受圧素子の斜視図（その２）であり、（ｃ）は（ａ）のＢ－Ｂ線に沿う受圧素子の斜視断面図である。 （ａ）は圧力が印加されない状態の圧力センサを示す図であり、（ｂ）は圧力が印加された状態の圧力センサを示す図である。 図２に示すファラデー回転子と磁性体との間の距離とファラデー回転子に印加される磁界との関係を示す図である。 （ａ）は第１変形例に係る受圧素子の斜視図（その１）であり、（ｂ）は第１変形例に係る受圧素子の斜視図（その２）であり、（ｃ）は第１変形例に係る受圧素子の正面図である。 （ａ）は第２変形例に係る受圧素子の斜視図（その１）であり、（ｂ）は第２変形例に係る受圧素子の斜視図（その２）であり、（ｃ）は第２変形例に係る受圧素子の正面図である。 （ａ）は第３変形例に係る受圧素子の斜視図（その１）であり、（ｂ）は第３変形例に係る受圧素子の斜視図（その２）であり、（ｃ）は第３変形例に係る受圧素子の正面図である。 （ａ）は圧力が印加されない状態の圧力センサを示す図であり、（ｂ）は圧力が印加された状態の圧力センサを示す図である。 図８に示す受圧素子の応力シミュレーションの結果を示す図であり、（ａ）は圧力が印加されることに応じた弾性部の変移量を示し、（ｂ）は圧力が印加されることに応じて弾性部に発生するミーゼス応力を示す。 第４変形例に係る圧力センサ装置の部分拡大断面図である。 図１１に示す圧力センサ装置の部分拡大分解断面図である。 （ａ）は図１１に示す第１受圧素子の平面図であり、（ｂ）は図１１に示す第２受圧素子の平面図である。 （ａ）は圧力が印加されない状態の図１１に示す圧力センサを示す図であり、（ｂ）は圧力が印加された状態の図１１に示す圧力センサを示す図である。 変形例に係る第２受圧素子の平面図である。

以下図面を参照して、本発明に係る圧力センサ装置及び受圧素子について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

（実施形態に係る圧力センサ装置の構成及び機能）
図１は、実施形態に係る圧力センサ装置を示すブロック図である。

圧力センサ装置１は、発光部１０と、サーキュレータ２０と、第１光学素子３０と、光路部４０と、圧力センサ５０と、検出信号発生部６０とを有する。発光部１０、サーキュレータ２０、第１光学素子３０、光路部４０、圧力センサ５０及び検出信号発生部６０の間の光路は、ＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバ８０によって形成される。ＰＡＮＤファイバ８０の外径は、一例では１２５μｍである。なお、第１光学素子３０、光路部４０、圧力センサ５０及び検出信号発生部６０の間の光路は、ボウタイ（Bow-tie）ファイバ及び楕円ジャケット（Elliptical Jacket）ファイバ等の偏波保持型の光ファイバによって形成されてもよい。

発光部１０は、発光素子１１と、アイソレータ１２と、偏光子１３とを有する。発光素子１１は、例えば半導体レーザ又は発光ダイオードである。具体的には、発光素子１１として、ファブリペローレーザー、スーパールミネッセンスダイオード等を好ましく用いることができる。

アイソレータ１２は、発光素子１１から入射された光をサーキュレータ２０側に透過すると共に、サーキュレータ２０から入射された光を発光素子１１側に透過しないことで、発光素子１１を保護する。アイソレータ１２は、例えば偏光依存型光アイソレータであり、偏光無依存型光アイソレータであってもよい。

偏光子１３は、発光素子１１が発した光を直線偏波光にするための光学素子であり、その種類は特に限定されない。偏光子１３で得られる第１直線偏波光は、サーキュレータ２０を介して第１光学素子３０に入射される。

サーキュレータ２０は、発光部１０から出射された第１直線偏波光を第１光学素子３０に透過すると共に、第１光学素子３０から出射された第２直線偏波光を検出信号発生部６０に分岐する光分岐部である。サーキュレータ２０は、例えばファラデー回転子、１／２波長板、偏光ビームスプリッタ、及び反射ミラーによって形成される。

第１光学素子３０は、例えばサーキュレータ２０から入射される第１直線偏波光の偏光面に対して方位角が２２．５度になるように配置された１／２波長板である。第１光学素子３０は、サーキュレータ２０から入射される第１直線偏波光の偏光面を４５度回転し、光路部４０に第１直線偏波光を出射する。第１光学素子３０で偏光面が４５度回転した第１直線偏波光は、Ｐ偏光である第１直線偏光ＣＷ１と、第１直線偏光ＣＷ１に直交するＳ偏光である第２直線偏光ＣＣＷ１とを有する。

また、第１光学素子３０は、光路部４０から入射される直線偏波光である第２直線偏波光の偏光面を４５度回転し、サーキュレータ２０に出射する。

光路部４０は、第１ビームスプリッタ４１と、第２ビームスプリッタ４２と、第１光路４３と、第２光路４４と、第２光学素子４５とを有する。

第１ビームスプリッタ４１は、第１直線偏光ＣＷ１を第１光路４３に出射すると共に、第２直線偏光ＣＣＷ１を第２光路４４に出射する。また、第１ビームスプリッタ４１は、第３直線偏光ＣＷ２が第２光路４４から入射されると共に、第４直線偏光ＣＣＷ２が第１光路４３から入射される。第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＷ２は、第１光学素子３０に出射される第２直線偏波光の互いに直交する偏光成分である。

第２ビームスプリッタ４２は、第１直線偏光ＣＷ１が第１光路４３から入射されると共に、第２直線偏光ＣＣＷ１が第２光路４４から入射される。また、第２ビームスプリッタ４２は、第３直線偏光ＣＷ２を第２光路４４に出射すると共に、第４直線偏光ＣＣＷ２を第１光路４３に出射する。

第１ビームスプリッタ４１及び第２ビームスプリッタ４２は、入射光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、且つ、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを合成し出射する。第１ビームスプリッタ４１及び第２ビームスプリッタ４２は、例えばプリズム型ビームスプリッタであるが、平面型ビームスプリッタ又はウェッジ型ビームスプリッタであってもよい。

第１光路４３は、第１ビームスプリッタ４１から導入された第１直線偏光ＣＷ１を第２ビームスプリッタ４２に導出すると共に、第２ビームスプリッタ４２から導入された第４直線偏光ＣＣＷ２を第１ビームスプリッタ４１に導出する。第２光路４４は、第１ビームスプリッタ４１から導入された第２直線偏光ＣＣＷ２を第２ビームスプリッタ４２に導出すると共に、第２ビームスプリッタ４２から導入された第３直線偏光ＣＷ２を第１ビームスプリッタ４１に導出する。

第１光路４３は、一端が第１ビームスプリッタ４１に光学的に接続され且つ他端が第２ビームスプリッタ４２に光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバである。第２光路４４は、一端が第１ビームスプリッタ４１に光学的に接続され且つ他端が第２ビームスプリッタ４２に光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバである。なお、第１光路４３及び第２光路４４は、ボウタイファイバ及び楕円ジャケットファイバ等の偏波保持ファイバであってもよい。第２光路４４には、第２光学素子４５が配置される。

第２光学素子４５は、第１（１／４）波長板４６と、第２（１／４）波長板４７と、４５度ファラデー回転子４８とを有する。

第１（１／４）波長板４６は、第２光路４４を形成するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が４５度傾斜して配置される１／４波長板である。第１（１／４）波長板４６は、直線偏光を円偏光に変換すると共に、円偏光を直線偏光に変換する。

第２（１／４）波長板４７は、第２光路４４を形成するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が－４５度傾斜して配置される１／４波長板である。第２（１／４）波長板４７は、４５度ファラデー回転子４８から円偏光を直線偏光に変換すると共に、直線偏光を円偏光に変換する。

４５度ファラデー回転子４８は、第１（１／４）波長板４６及び第２（１／４）波長板４７のそれぞれから入射される円偏光の位相を変化させるファラデー回転子である。

４５度ファラデー回転子４８は、第２（１／４）波長板４７から出射される第２直線偏光ＣＣＷ１の位相が第１（１／４）波長板４６に入射される直線偏光である第２直線偏光ＣＣＷ１の位相から４５シフトするように、第１（１／４）波長板４６から入射される円偏光の位相を変化させる。また、４５度ファラデー回転子４８は、第１（１／４）波長板４６から出射される第３直線偏光ＣＷ２の位相が第２（１／４）波長板４７に入射される第３直線偏光ＣＷ２の位相から－４５シフトするように、円偏光の位相を変化させる。

圧力センサ５０は、ＰＡＮＤＡファイバ８０の先端に配置され、ＰＡＮＤＡファイバ８０を介して第２ビームスプリッタ４２に光学的に接続され、患者の血管等の比較的狭い場所に挿入される。圧力センサ５０は、発光部１０が出射した直線偏波光が入射光として入射されると共に、光ファイバ８０を介して入射光が入射されたときに、印加される圧力に応じた戻り光を出射する。

検出信号発生部６０は、第３ビームスプリッタ６１と、第１受光素子６２と、第２受光素子６３と、信号処理回路７０とを有し、サーキュレータ２０で分岐された第２直線偏波光を受光する。検出信号発生部６０は、第２直線偏波光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離し、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分を受光して電気信号に変換して差動増幅することで、圧力センサ５０に印加される圧力に応じた検出信号Ｅｄを出力する。第３ビームスプリッタ６１は、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型及び光導波路型等の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、サーキュレータ２０で分岐された第２直線偏波光をＳ偏光成分６４とＰ偏光成分６５とに分離する。

第１受光素子６２及び第２受光素子６３のそれぞれは、例えばＰＩＮフォトダイオードである。第１受光素子６２はＳ偏光成分６４を受光し、第２受光素子６３はＰ偏光成分６５を受光する。第１受光素子６２及び第２受光素子６３のそれぞれは、受光した光を光電変換して、受光した光の光量の応じた電気信号を出力する。信号処理回路７０は、Ｓ偏光成分を示す電気信号及びＰ偏光成分を示す電気信号を差動増幅することで、圧力センサ５０に印加される圧力に応じた検出信号Ｅｄを出力する。

図２は、図１において破線Ａで示される部分の拡大断面図である。

圧力センサ５０は、１／４波長板５１と、ファラデー回転子５２と、ミラー素子５３と、受圧素子５４と、磁性体５５とを有する。圧力センサ５０は、ＰＡＮＤＡファイバ８０の先端に配置され、光路部４０及びＰＡＮＤＡファイバ８０を介して入射光が入射されたときに、受圧素子５４に印加される圧力に応じて戻り光を出射する。

１／４波長板５１は、第２ビームスプリッタ４２との間を光学的に接続するＰＡＮＤＡファイバ８０の遅相軸及び進相軸に対して光学軸が４５度傾斜して配置される１／４波長板である。１／４波長板５１は、直線偏光である入射光の偏光状態を円偏光に変換すると共に、ファラデー回転子５２から円偏光として入射される戻り光の偏光状態を直線偏光に変換する。

ファラデー回転子５２は、誘電体と、誘電体から安定的に相分離した状態で誘電体中に分散しているナノオーダの磁性体粒子とを有するグラニュラー膜である。ファラデー回転子５２は、１／４波長板５１の端面に配置され、磁界を検出する磁界センサ素子である。磁性体粒子は、例えば最表層等のごく一部では酸化物が形成されていてもよいが、ファラデー回転子５２の全体では、磁性体粒子が、バインダとなる誘電体と化合物を作らずに、単独で薄膜中に分散している。ファラデー回転子５２内における磁性体粒子の分布は、完全に一様でなくてもよく、多少偏っていてもよい。誘電体として透明性が高いものを用いれば、誘電体中に磁性体粒子が光の波長よりも小さいサイズで存在することにより、ファラデー回転子５２は光透過性を有する。

ファラデー回転子５２は、単層のものに限らず、グラニュラー膜と誘電体膜とが交互に積層した多層膜であってもよい。グラニュラー膜を多層膜することでファラデー回転子５２を形成することで、グラニュラー膜内での多重反射によって、より大きなファラデー回転角が得られる。

ファラデー回転子５２の誘電体は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ₃）、フッ化イットリウム（ＹＦ₃）等のフッ化物（金属フッ化物）が好ましい。また、誘電体は、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、五酸化二ニオビウム（Ｎｂ₂Ｏ₅）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、及び三酸化二アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の酸化物であってもよい。誘電体と磁性体粒子との良好な相分離のためには、酸化物よりもフッ化物の方が好ましく、透過率が高いフッ化マグネシウムが特に好ましい。

磁性体粒子の材質は、ファラデー効果を生じるものであればよく、特に限定されないが、磁性体粒子の材質としては、強磁性金属である鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）並びにこれらの合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの合金としては、例えば、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金、ＮｉＣｏ合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの単位長さ当たりのファラデー回転角は、従来のファラデー回転子に適用されている磁性ガーネットに比べて２～３桁近く大きい。

ミラー素子５３は、ファラデー回転子５２上に形成されており、ファラデー回転子５２を透過した光をファラデー回転子５２に向けて反射する。ミラー素子５３としては、例えば、銀（Ａｇ）膜、金（Ａｕ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜又は誘電体多層膜ミラー等を用いることができる。特に、反射率の高いＡｇ膜及び耐食性が高いＡｕ膜が成膜上簡便で好ましい。ミラー素子５３の厚さは、９８％以上の十分な反射率を確保できる大きさであればよく、例えばＡｇ膜の場合には、５０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下であることが好ましい。ミラー素子５３を用いてファラデー回転子５２内で光を往復させることにより、ファラデー回転角を大きくすることができる。

図３（ａ）は受圧素子５４の斜視図（その１）であり、図３（ｂ）は受圧素子５４の斜視図（その２）であり、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ－Ｂ線に沿う受圧素子５４の斜視断面図である。

受圧素子５４は、基台５６と、支持部５７と、弾性部５８とを有し、高精度の微細加工が可能なシリコンをレーザ加工及びエッチング加工等により切削加工することにより、形成される。

基台５６は、外径がＰＡＮＤファイバ８０の外径と同一である円筒状の形状を有する。基台５６の一方の側面には、磁性体５５が配置される開口部５９が形成され、他方の側面には、弾性部５８が配置される。

支持部５７は、円柱状の形状を有し、一端が弾性部５８の中心部に接続され、基台５６の内部に配置される。支持部５７の先端には、磁性体５５が配置される。磁性体５５は、円柱状の支持部の先端に配置されることで、磁界センサ素子であるファラデー回転子５２に近接して配置される。

弾性部５８は、渦巻き状すなわち螺旋状の形状を有し、基台５６の他方の側面に配置され、フッ素系物質などの疎水性材料により形成される撥水膜が外面に配置される。弾性部５８の間は、螺旋状に湾曲して延伸する単一の溝５８ａが形成される。弾性部５８の間に形成される溝は、支持部５７の底面の中心を原点とするアルキメデスの螺旋に沿って延伸するように形成される。弾性部５８の間に形成される溝がアルキメデスの螺旋に沿って延伸するように形成されることで、弾性部５８の幅は均一となる。

弾性部５８は、外側から押下されると、基台５６の内部方向に湾曲する。弾性部５８が基台５６の内部方向に湾曲すると、弾性部５８の中央部に配置される支持部５７を開口部５９の方向に移動する。支持部５７が開口部５９の方向に移動すると、支持部５７の先端に配置される磁性体５５は、ファラデー回転子５２に近づく方向に移動する。

磁性体５５は、支持部５７の径と同一形状を有する円形の平面形状を有する薄膜状の永久磁石である。磁性体５５は、例えば鉄－白金（Ｆｅ－Ｐｔ）磁石である。なお、磁性体５５は、ネオジム-鉄-ホウ素（Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ）磁石及びサマリウム-コバルト（Ｓｍ－Ｃｏ）磁石等の鉄－白金磁石以外の永久磁石であってもよい。しかしながら、磁性体５５は、圧力センサ５０を人体の内部に挿入される場合は、人体への影響が小さい鉄－白金磁石であることが好ましい。

図４（ａ）は圧力が印加されない状態の圧力センサ５０を示す図であり、図４（ｂ）は圧力が印加された状態の圧力センサ５０を示す図である。図５は、ファラデー回転子５２と磁性体５５との間の距離とファラデー回転子５２に印加される磁界との関係を示す図である。

圧力センサ５０では、弾性部５８の外側から圧力が印加されると、弾性部５８は、基台５６の内側に向かって湾曲する。弾性部５８が基台５６の内側に向かって湾曲することに応じて、磁性体５５は、ファラデー回転子５２の方向に移動する。

磁性体５５がファラデー回転子５２の方向に移動するに従って、ファラデー回転子５２に印加させる磁界Ｈは、増加する。ファラデー回転子５２に印加させる磁界Ｈは、ファラデー回転子５２と磁性体５５との間の距離Ｄの減少量に線形に増加する。

１／４波長板５１からファラデー回転子５２に入射した円偏光は、ファラデー回転子５２を透過し、ミラー素子５３で反射し、再びファラデー回転子５２を透過して戻り光となる。ファラデー回転子５２を透過した戻り光は、１／４波長板５１に再度入射される。

１／４波長板５１からファラデー回転子５２に入射した円偏光は、ファラデー回転子５２に印加される磁界に応じて位相を変化させる。また、ミラー素子５３で反射した円偏光は、ファラデー回転子５２に印加される磁界に応じて位相を更に変化させる。

（実施形態に係る圧力センサ装置の作用効果）
圧力センサ装置１は、ファブリ・ペロー共振器を使用することなく、ファラデー回転子５２と磁性体５５との間の距離に応じて変化するファラデー回転子５２に印加される磁界を検出することで圧力センサ５０に印加される圧力を検出する。ファラデー回転子５２に印加される磁界は、ファラデー回転子５２と磁性体５５との間の距離に応じて変化するので、ファラデー回転子５２と磁性体５５との間の距離を均一の長さに揃えて製造しなくてよい。圧力センサ装置１は、ファラデー回転子５２と磁性体５５との間の距離を均一の長さに揃えて製造しなくてよいので、ファブリ・ペロー共振器を使用する圧力センサ装置よりも製造が容易になり、製造コストを低減することができる。

また、ファラデー回転子５２に印加される磁界は、ファラデー回転子５２と磁性体５５との間の距離に応じて変化するので、ファラデー回転子５２と磁性体５５との間の距離の変化に応じて線形に変化する。圧力センサ装置１は、ファラデー回転子５２と磁性体５５との間の距離の変化に応じて線形に変化する磁界を使用して圧力を検出するので、ファブリ・ペロー共振器の共振波長を使用して圧力を検出する圧力センサ装置よりも高精度に圧力を検出できる。

また、圧力センサ装置１では、受圧素子５４は、高精度の微細加工が可能なシリコンにより形成されるので、小型化が容易である。

また、圧力センサ装置１では、螺旋状の弾性部５８の外面は、撥水膜が形成されるので、弾性部５８の隙間から基台５６の内部に血液等の液体が侵入するおそれは低く、基台５６の内部に液体が侵入することにより測定精度が低下するおそれは低い。

（実施形態に係る圧力センサ装置の変形例）
圧力センサ装置１では、受圧素子５４は、シリコンを切削加工することにより形成されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、受圧素子は、ポリイミド樹脂等の可とう性を有する合成樹脂を薄膜状に加工することにより形成されてもよい。

また、圧力センサ装置１では、磁性体５５は、弾性部５８の中央部に配置される円柱状の支持部５７の先端に配置されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、磁性体は、円柱状の形状を有し、弾性部５８の中央部に配置されてもよい。

また、圧力センサ装置１では、弾性部５８は、外面に撥水膜が形成されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、弾性部は、内面に撥水膜が形成されてもよく、外面及び内面の双方に撥水膜が形成されてもよい。また、弾性部は、外面及び内面の何れにも撥水膜が形成されなくてもよい。

また、圧力センサ装置１では、受圧素子５４の弾性部５８は、均一な幅を有するが、実施形態に係る圧力センサ装置では、弾性部の幅は、均一でなくてもよい。受圧素子５４では、弾性部５８が均一な幅を有するので、圧力が印加されたときに、基台５６に近い弾性部５８の外側に応力が集中して、弾性部５８の外側の変位量が弾性部５８の内側の変位量よりも大きくなる。受圧素子５４では、弾性部５８の外側の変位量が大きくなるので、圧力を検出する対象物が液体であるときに、弾性部５８の外側の溝５８ａから液体が弾性部５８の外側の溝５８ａから侵入するおそれがある。

図６（ａ）は第１変形例に係る受圧素子の斜視図（その１）であり、図６（ｂ）は第１変形例に係る受圧素子の斜視図（その２）であり、図６（ｃ）は第１変形例に係る受圧素子の正面図である。

受圧素子１５４は、基台１５６及び弾性部１５８を基台５６及び弾性部５８の代わりに有することが受圧素子５４と相違する。基台１５６及び弾性部１５８以外の受圧素子１５４の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された受圧素子５４の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。基台１５６は、長さが基台５６よりも長いことが基台５６と相違する。基台１５６は、長さが基台５６よりも長いので、１／４波長板５１、ファラデー回転子５２及びミラー素子５３を覆うように配置することができると共に、より大きな磁性体５５を設置することができる。

弾性部１５８は、幅が基台１５６に接続される一端から支持部５７に接続される他端に向かうに従って幅が狭くなるように形成される。具体的には、弾性部１５８は、弾性部１５８の間に形成される溝１５８ａが支持部５７の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成される。なお、溝１５８ａは、双曲螺旋及びリチュース螺旋等の対数螺旋以外の代数螺旋に沿って延伸するように形成されてもよい。

受圧素子１５４は、弾性部１５８の幅が基台１５６に接続される一端から支持部５７に接続される他端に向かうに従って幅が狭くなるように形成されるので、基台１５６に近い外側に応力が集中して弾性部５８の外側の変位量が大きくなることはない。受圧素子１５４は、弾性部５８の外側の変位量が大きくないので、弾性部５８の外側の溝５８ａから液体が弾性部５８の外側の溝５８ａから侵入するおそれは低い。

また、圧力センサ装置１では、受圧素子５４の弾性部５８は、単一の溝が形成されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、弾性部は、複数の溝が形成されてもよい。受圧素子５４では、弾性部５８は単一の溝が形成されるので、圧力が印加され、弾性部５８の中央部に配置される支持部５７が開口部５９の方向に移動するときに、支持部５７が傾くことがある。圧力センサ装置１では、磁性体５５を支持する支持部５７が傾くことで、圧力に応じた磁界の変化を検出するときの検出精度が低下するおそれがある。

図７（ａ）は第２変形例に係る受圧素子の斜視図（その１）であり、図７（ｂ）は第２変形例に係る受圧素子の斜視図（その２）であり、図７（ｃ）は第２変形例に係る受圧素子の正面図である。

受圧素子２５４は、弾性部２５８を弾性部１５８の代わりに有することが受圧素子１５４と相違する。弾性部２５８以外の受圧素子２５４の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された受圧素子１５４の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

弾性部２５８は、第１溝２５８ａ及び第２溝２５８ｂの２つの溝が形成されることが弾性部１５８と相違する。第１溝２５８ａ及び第２溝２５８ｂは、支持部５７の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成される。第１溝２５８ａ及び第２溝２５８ｂの基台１５６側の端部は、支持部５７の周りに１８０度離隔して配置される。また、第１溝２５８ａ及び第２溝２５８ｂの支持部５７側の端部は、支持部５７の周りに１８０度離隔して配置される。

受圧素子２５４は、弾性部２５８に第１溝２５８ａ及び第２溝２５８ｂが形成されるので、磁性体５５を支持する支持部５７が傾くことで、圧力に応じた磁界の変化を検出するときの検出精度が低下するおそれは低い。また、受圧素子２５４は、２つの溝である第１溝２５８ａ及び第２溝２５８ｂの端部が１８０度離隔して配置されて、支持部５７の底面の中心を対称の中心として点対称となるように形成されるので、支持部５７が傾くおそれが更に低くなる。

図８（ａ）は第３変形例に係る受圧素子の斜視図（その１）であり、図８（ｂ）は第３変形例に係る受圧素子の斜視図（その２）であり、図８（ｃ）は第３変形例に係る受圧素子の正面図である。

受圧素子３５４は、弾性部３５８を弾性部１５８の代わりに有することが受圧素子１５４と相違する。弾性部３５８以外の受圧素子３５４の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された受圧素子１５４の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

弾性部３５８は、第１溝３５８ａ、第２溝３５８ｂ及び第３溝３５８ｃの３つの溝が形成されることが弾性部１５８と相違する。第１溝３５８ａ、第２溝３５８ｂ及び第３溝３５８ｃは、支持部５７の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成される。第１溝３５８ａ、第２溝３５８ｂ及び第３溝３５８ｃは、例えば、以下の式で示される支持部５７の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成される。
Xt＝(0.092*exp (-0.06*t))*cos(t)
Yt=(0.092*exp (-0.06*t))*sin(t)
ここで、ｔは0*π以上であり且つ5*π以下の数値である。

第１溝３５８ａ、第２溝３５８ｂ及び第３溝３５８ｃの基台１５６側の端部は、支持部５７の周りに１２０度ずつ離隔して配置される。また、第１溝３５８ａ、第２溝３５８ｂ及び第３溝３５８ｃの支持部５７側の端部は、支持部５７の周りに１２０度ずつ離隔して配置される。

図９（ａ）は圧力が印加されない状態の圧力センサを示す図であり、図９（ｂ）は圧力が印加された状態の圧力センサを示す図である。図９（ａ）及び９（ｂ）に示す圧力センサ５０ａは、受圧素子３５４が受圧素子５４の代わりに配置されることが圧力センサ５０と相違する。また、圧力センサ５０ａは、磁性体５５ａが磁性体５５の代わりに配置されることが圧力センサ５０と相違する。磁性体５５ａは、大きさが磁性体５５よりも大きいこと以外は磁性体５５と同様な構成及び機能を有するので、ここでは詳細な説明は省略する。

受圧素子３５４は、弾性部３５８に第１溝３５８ａ、第２溝３５８ｂ及び第３溝３５８ｃが形成されるので、磁性体５５を支持する支持部５７が傾くことで、圧力に応じた磁界の変化を検出するときの検出精度が低下するおそれは低い。また、受圧素子２５４は、３つの溝である第１溝３５８ａ、第２溝３５８ｂ及び第３溝３５８ｃの端部が１８０度離隔して配置されて、支持部５７の底面の中心を対称の中心として点対称となるように形成されるので、支持部５７が傾くおそれが更に低くなる。

図１０は受圧素子３５４の応力シミュレーションの結果を示す図である。図１０（ａ）は圧力が印加されることに応じた弾性部３５８の変移量を示し、図１０（ｂ）は圧力が印加されることに応じて弾性部３５８に発生するミーゼス応力を示す。図１０（ａ）は受圧素子３５４及び磁性体５５ａの断面図であり、図１０（ｂ）は受圧素子３５４の平面図である。

図１０（ａ）に示すように、受圧素子３５４では、弾性部３５８は、圧力が印加されたときに、支持部５７が傾くことなく、圧力が印加される印加方向に平行に磁性体５５ａを移動する。

また、図１０（ａ）に示すように、受圧素子３５４では、弾性部３５８は、支持部５７の近傍の中心部から基台１５６の近傍の外縁部に亘って略均一にミーゼス応力が印加され、弾性部３５８の外側に応力が集中する現象は発生していない。

また、圧力センサ装置１では、単一の受圧素子５４が配置されるが、実施形態に係る圧力センサ装置では、複数の受圧素子が配置されてもよい。

図１１は第４変形例に係る圧力センサ装置の部分拡大断面図であり、図１２は図１１に示す圧力センサ装置の部分拡大分解断面図であり、図１３（ａ）は図１１に示す第１受圧素子の平面図であり、図１３（ｂ）は図１１に示す第２受圧素子の平面図である。

圧力センサ５０ｂは、第１受圧素子４５４及び第２受圧素子５５４を受圧素子３５４の代わりに有することが圧力センサ５０ａと相違する。また、圧力センサ５０ｂは、ヨーク５５ｂを有することが圧力センサ５０ａと相違する。第１受圧素子４５４及び第２受圧素子５５４並びにヨーク５５ｂ以外の圧力センサ５０ｂの構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された圧力センサ５０ａの構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

第１受圧素子４５４は、基台４５６及び弾性部１５８を基台１５６及び弾性部３５８の代わりに有することが受圧素子３５４と相違する。基台４５６及び弾性部１５８以外の第１受圧素子４５４の構成及び機能は、受圧素子３５４の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。また、弾性部１５８の構成及び機能は、図６等を参照して説明したので、ここでは詳細な説明は省略する。

第２受圧素子５５４は、基台５５６及び弾性部５５８を基台１５６及び弾性部３５８の代わりに有することが受圧素子３５４と相違する。また、第２受圧素子５５４は、支持部５７を有さないことが受圧素子３５４と相違する。基台５５６及び弾性部５５８以外の第２受圧素子５５４の構成及び機能は、受圧素子３５４の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。弾性部５５８は、ヨーク受け孔５５７が中央に形成されることが弾性部１５８と相違する。

ヨーク５５７は、パーマロイ等の磁性体材料により形成され、略円錐台状の形状を有する。ヨーク５５７の下底は磁性体５５ａの端面に接続され、ヨーク５５ｂの上底は弾性部５５８のヨーク受け孔５５７に係合される。

図１４（ａ）は圧力が印加されない状態の圧力センサ５０ｂを示す図であり、図１４（ｂ）は圧力が印加された状態の圧力センサ５０ｂを示す図である。

圧力センサ５０ｂは、磁性体５５ａの一方の端面が支持部５７に支持され、磁性体５５ａの他方の端面がヨーク５５ｂを介して第２受圧素子５５４に係合され、磁性体５５ａは直線的に移動するので、磁界の変化を検出する精度が低下するおそれは低い。

また、圧力センサ５０ｂは、ファラデー回転子５２と磁性体５５ａとの間にヨーク５５ｂが配置されるので、磁性体５５ａからファラデー回転子５２に磁界を効率的に案内することができる。なお、圧力センサ５０ｂは、ヨーク５５ｂを有するが、実施形態に係る圧力センサは、ヨークを有さなくてもよい。また、圧力センサ５０及び５０ａにおいて、ヨークは、配置されないが、圧力センサ５０及び５０ａでは、ヨークが追加的に配置されてもよい。

また、圧力センサ５０ｂは、螺旋状に湾曲して延伸する溝が形成される弾性部を有する第１受圧素子４５４及び第２受圧素子５５４を有するが、実施形態に係る圧力センサが有する第１受圧素子及び第２受圧素子の弾性部の形状は、限定されない。

図１５は、変形例に係る第２受圧素子の平面図である。

第２受圧素子６５４は、弾性部６５８を弾性部５５８の代わりに有することが第２受圧素子５５４と相違する。弾性部６５８以外の第２受圧素子６５４の構成及び機能は、受圧素子３５４の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

弾性部６５８は、第１弾性部材６５８ａと、第２弾性部材６５８ｂと、第３弾性部材６５８ｃと、ヨーク支持部材６５８ｄとを有する。第１弾性部材６５８ａ、第２弾性部材６５８ｂ及び第３弾性部材６５８ｃは、バネ等の弾性部材であり、１２０度ずつ離隔して配置される。第１弾性部材６５８ａ、第２弾性部材６５８ｂ及び第３弾性部材６５８ｃの一端はヨーク支持部６５８ｄに接続され、第１弾性部材６５８ａ、第２弾性部材６５８ｂ及び第３弾性部材６５８ｃの他端は基台５５４に接続される。ヨーク支持部材６５８ｄはリング状の平面形状を有し、ヨーク５５７の上底が係合されるヨーク受け孔６５８ｅが形成される。

１ 圧力センサ装置
１０ 発光部
２０ サーキュレータ（光分岐部）
３０ 第１光学素子
４０ 光路部
５０、５０ａ、５０ｂ 圧力センサ
５１ １／４波長板
５２ ファラデー回転子（磁界センサ素子）
５３ ミラー素子
５４、１５４、２５４、３５４ 受圧素子
５５、５５ａ 磁性体
５６、１５６ 基台
５７ 支持部
５８、１５８、２５８、３５８ 弾性部
５９ 開口部
６０ 検出信号発生部

Claims (10)

1. 入射光を出射する発光部と、
   前記発光部に光学的に接続された光ファイバと、
   前記光ファイバの先端に配置され、前記光ファイバを介して前記入射光が入射されたときに、印加される圧力に応じた戻り光を出射する圧力センサと、
   前記圧力センサに前記光ファイバを介して光学的に接続され、前記戻り光に基づいて、前記圧力センサに印加される圧力に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、を有し、前記圧力センサは、
   磁性体と、
   前記磁性体に近接して配置され、前記入射光が入射されたときに、磁界に応じた戻り光を出射する磁界センサ素子と、
   圧力が印加されることに応じて前記磁界センサ素子と前記磁性体との間の距離が変化するように前記磁性体を保持する受圧素子と、
   を有することを特徴とする圧力センサ装置。
2. 前記受圧素子は、
   円筒状の形状を有し、一方の側面に開口部が形成された基台と、
   前記基台の内部に配置され、前記磁性体を保持する支持部と、
   前記基台の他方の側面に配置され、一端が前記基台に接続され且つ他端が前記支持部に接続され、螺旋状の１又は複数の溝が形成される弾性部と、
   を有する、請求項１に記載の圧力センサ装置。
3. 前記受圧素子は、シリコンにより形成される、請求項２に記載の圧力センサ装置。
4. 前記弾性部は、磁界センサ素子に対向する第１面、及び前記第１面の反対の第２面の少なくとも一方に撥水膜が形成される、請求項３に記載の圧力センサ装置。
5. 前記弾性部の幅は、前記基台に接続される前記一端から前記支持部に接続される前記他端に向かうに従って幅が狭くなる、請求項２～４の何れか一項に記載の圧力センサ装置。
6. 前記溝は、前記支持部の底面の中心を原点とする対数螺旋に沿って延伸するように形成される、請求項５に記載の圧力センサ装置。
7. 前記弾性部は、第１溝、及び第２溝が形成され、
   前記第１溝及び前記第２溝の前記基台側の端部は、１８０度離隔して配置され、
   前記第１溝及び前記第２溝の前記支持部側の端部は、１８０度離隔して配置される、請求項２～６の何れか一項に記載の圧力センサ装置。
8. 前記弾性部は、第１溝、第２溝及び第３溝が形成され、
   前記第１溝、前記第２溝及び前記第３溝の前記基台側の端部は、１２０度ずつ離隔して配置され、
   前記第１溝、前記第２溝及び前記第３溝の前記支持部側の端部は、１２０度ずつ離隔して配置される、請求項２～６の何れか一項に記載の圧力センサ装置。
9. 前記圧力センサは、前記受圧素子が保持する前記磁性体の端部と反対側の端部を保持する第２受圧素子をさらに有する、請求項１～８の何れか一項に記載の圧力センサ装置。
10. 円筒状の形状を有し、一方の側面に開口部が形成された基台と、
    前記基台の内部に配置され、前記磁性体を保持する支持部と、
    前記基台の他方の側面に配置され、一端が前記基台に接続され且つ他端が前記支持部に接続され、螺旋状の１又は複数の溝が形成される弾性部と、
    を有することを特徴とする受圧素子。

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