特開 2023-8303 圧力センサ及び圧力センサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023008303

(43)【公開日】2023-01-19

(54)【発明の名称】圧力センサ及び圧力センサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 11/02 20060101AFI20230112BHJP

   G01R 33/032 20060101ALI20230112BHJP

【ＦＩ】

G01L11/02

G01R33/032

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021111745

(22)【出願日】2021-07-05

(71)【出願人】

【識別番号】000166948

【氏名又は名称】シチズンファインデバイス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズン時計株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100180806

【弁理士】

【氏名又は名称】三浦 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100151459

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 健一

(72)【発明者】

【氏名】宮本 光教

【テーマコード（参考）】

2F055

2G017

【Ｆターム（参考）】

2F055AA40

2F055BB20

2F055CC02

2F055DD11

2F055EE31

2F055FF11

2F055GG49

2G017AA02

2G017AD12

2G017CB15

2G017CB24

(57)【要約】

【課題】本発明は、印加される圧力が小さい場合であっても検出することが可能な圧力センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本開示の一実施形態に係る圧力センサは、連通する開口部を有する筐体と、磁場の変化により、直線偏光の旋光角度を変調させるファラデー効果を生じさせる磁性膜と、直線偏光を磁性膜に入射させ、磁性膜からの戻り光を受光し、且つ、開口部の一方の側に配置された光ファイバと、開口部の他方の側に、磁性膜と所定間隔隔てて配置され、且つ、印加された圧力に応じて少なくとも一部が変位する弾性膜と、磁性膜側とは反対側の弾性膜の表面上に形成され、且つ、弾性膜への水分の浸透を防止する防湿膜と、磁性膜側の弾性膜の表面上に配置され、且つ、弾性膜の変位に応じて磁性膜における磁場を変化させる磁性体と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

連通する開口部を有する筐体と、
磁場の変化により、直線偏光の旋光角度を変調させるファラデー効果を生じさせる磁性膜と、
直線偏光を前記磁性膜に入射させ、前記磁性膜からの戻り光を受光し、且つ、前記開口部の一方の側に配置された光ファイバと、
前記開口部の他方の側に、前記磁性膜と所定間隔隔てて配置され、且つ、印加された圧力に応じて少なくとも一部が変位する弾性膜と、
前記磁性膜側とは反対側の前記弾性膜の表面上に形成され、且つ、前記弾性膜への水分の浸透を防止する防湿膜と、
前記磁性膜側の前記弾性膜の表面上に配置され、且つ、前記弾性膜の変位に応じて前記磁性膜における磁場を変化させる磁性体と、
を有することを特徴とする圧力センサ。

【請求項2】

前記弾性膜は、樹脂を含む、請求項１に記載の圧力センサ。

【請求項3】

前記樹脂は、ポリイミドである、請求項２に記載の圧力センサ。

【請求項4】

前記磁性体は、粉末磁石を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧力センサ。

【請求項5】

前記磁性体は、粒径が１～２０μｍである、請求項４に記載の圧力センサ。

【請求項6】

前記磁性体は、ＳｍＣｏ及びＮｄＦｅＢの少なくとも一方を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧力センサ。

【請求項7】

前記防湿膜は、強磁性金属薄膜を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の圧力センサ。

【請求項8】

前記防湿膜の膜厚は、１０～１００ｎｍである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の圧力センサ。

【請求項9】

前記磁性体は、前記磁性膜に向かって突出した凸状構造を有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧力センサ。

【請求項10】

前記磁性膜上にさらに第２の弾性膜を有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の圧力センサ。

【請求項11】

前記磁性膜上に配置され、光源からの入射光を光源側に反射させる反射膜をさらに有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の圧力センサ。

【請求項12】

光源を備える発光部と、
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の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、
を有する圧力センサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧力センサ及び圧力センサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

これまでに、光ファイバの先端にファラデー素子と全反射ミラーを配置し、そのさらに外側に磁石が取り付けられたシリコン製ダイヤフラムを配置した、光学式微小圧力センサが開発されている（例えば、特許文献１）。

【0003】

従来の圧力センサ装置によれば、狭小部における圧力を検出することが可能であり、且つ、低コストで製造することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特願２０２１－０１４９０６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の圧力センサでは、ダイヤフラムがシリコンにより形成されているために、ダイヤフラムに圧力を加えたときの変位量が比較的小さくなり、微小な圧力を正確に検出することが難しいという問題があった。

【0006】

本発明は、印加される圧力が小さい場合であっても、圧力を正確に検出することが可能な圧力センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一実施形態に係る圧力センサは、連通する開口部を有する筐体と、磁場の変化により、直線偏光の旋光角度を変調させるファラデー効果を生じさせる磁性膜と、直線偏光を磁性膜に入射させ、磁性膜からの戻り光を受光し、且つ、開口部の一方の側に配置された光ファイバと、開口部の他方の側に、磁性膜と所定間隔隔てて配置され、且つ、印加された圧力に応じて少なくとも一部が変位する弾性膜と、磁性膜側とは反対側の弾性膜の表面上に形成され、且つ、弾性膜への水分の浸透を防止する防湿膜と、磁性膜側の弾性膜の表面上に配置され、且つ、弾性膜の変位に応じて磁性膜における磁場を変化させる磁性体と、を有することを特徴とする。

【0008】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、弾性膜は、樹脂を含むことが好ましい。

【0009】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、樹脂は、ポリイミドであることが好ましい。

【0010】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、磁性体は、粉末磁石を含むことが好ましい。

【0011】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、磁性体は、粒径が１～２０μｍであることが好ましい。

【0012】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、磁性体は、ＳｍＣｏ及びＮｄＦｅＢの少なくとも一方を含むことが好ましい。

【0013】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、防湿膜は、強磁性金属薄膜を含むことが好ましい。

【0014】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、防湿膜の膜厚は、１０～１００ｎｍであることが好ましい。

【0015】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、磁性体は、磁性膜に向かって突出した凸状構造を有することが好ましい。

【0016】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、磁性膜上にさらに第２の弾性膜を有することが好ましい。

【0017】

本開示の一実施形態に係る圧力センサにおいて、磁性膜上に配置され、光源からの入射光を光源側に反射させる反射膜をさらに有することが好ましい。

【0018】

本開示の一実施形態に係る圧力センサ装置は、光源を備える発光部と、上記の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、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本開示の一実施形態に係る圧力センサによれば、印加される圧力が小さい場合であっても、圧力を正確に検出することが可能な圧力センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本開示の実施例１に係る圧力センサ装置の概略構成図である。

【図2】（ａ）及び（ｂ）は、本開示の実施例１に係る圧力センサの断面図であり、（ａ）は圧力を印加する前の状態を示し、（ｂ）は圧力を印加した後の状態を示す。

【図3】（ａ）は図２（ａ）の領域Ａの拡大図であり、（ｂ）は図２（ｂ）の領域Ｂの拡大図である。

【図4】本開示の実施例１に係る圧力センサにおいて、弾性膜への印加圧力と弾性膜の変形量との間の関係を示すグラフである。

【図5】本開示の実施例１に係る圧力センサにおいて、弾性膜の変形量と磁性膜における磁界強度との間の関係を示すグラフである。

【図6】（ａ）及び（ｂ）は、本開示の実施例２に係る圧力センサの断面図であり、（ａ）は弾性膜に圧力を印加する前の状態を示し、（ｂ）は弾性膜に圧力を印加した後の状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照して、本発明に係る圧力センサ及び圧力センサ装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、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。

【0022】

［実施例１］
まず、本開示の実施例１に係る圧力センサ装置について説明する。図１に、本開示の実施例１に係る圧力センサ装置１０００の概略構成図を示す。

【0023】

圧力センサ装置１０００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１０１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、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によって構成される。光路部４０と圧力センサ１０１との間の光路は、光ファイバ３により形成される。光ファイバ３は、ＰＡＮＤＡファイバ８０と同様の構成を有してよい。ＰＡＮＤＡ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１０１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。

【0024】

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、スーパールミネッセンスダイオード等を用いることができる。

【0025】

アイソレータ１２は、発光素子１１から入射された光を光分岐部であるサーキュレータ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側に透過しないようにすることで、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る。ただし、このような例には限られず、アイソレータ１２は、偏光無依存型光アイソレータであってもよい。

【0026】

偏光子１３は、発光素子１１から出射され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。

【0027】

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てよい。

【0028】

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度回転させ、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とを含む。

【0029】

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度回転させ、サーキュレータ２０に出射する。

【0030】

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。

【0031】

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ＣＣＷ２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。

【0032】

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。

【0033】

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。ただし、このような例には限られず、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、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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

第２光学素子４５は、第１四分の一波長板４６と、第２四分の一波長板４７と、４５度ファラデー回転子４８とを有する。

【0037】

第１四分の一波長板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四分の一（１／４）波長板である。第１四分の一波長板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。

【0038】

第２四分の一波長板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四分の一波長板である。第２四分の一波長板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。

【0039】

４５度ファラデー回転子４８は、第１四分の一波長板４６及び第２四分の一波長板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。

【0040】

４５度ファラデー回転子４８は、第２四分の一波長板４７から出射される第２直線偏光ＣＣＷ１の位相が、第１四分の一波長板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度シフトするように、第１四分の一波長板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１四分の一波長板４６から出射される第３直線偏光ＣＷ２の位相が第２四分の一波長板４７に入射される第３直線偏光ＣＷ２の位相から－４５度シフトするように、円偏光の位相を変化させる。

【0041】

圧力センサ１０１は、光ファイバ３の先端に配置され、光ファイバ３を介して第２ビームスプリッタ４２に光学的に接続される。圧力センサ１０１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３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。

【0042】

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１０１に印加される圧力に応じた検出信号Ｅｄを出力する。

【0043】

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。

【0044】

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、受光した光の光量に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により、圧力センサ１０１に印加される圧力に応じた検出信号Ｅｄを出力する。

【0045】

次に、実施例１に係る圧力センサについて説明する。図２（ａ）及び（ｂ）に、本開示の実施例１に係る圧力センサ１０１の断面図を示す。図２（ａ）は、圧力を印加する前の状態を示し、図２（ｂ）は、圧力を印加した後の状態を示す。

【0046】

圧力センサ１０１は、筐体１と、ファラデー回転子である磁性膜２と、光ファイバ３と、弾性膜４と、防湿膜５と、磁性体６と、を有する。圧力センサ１０１は、ＰＡＮＤＡファイバである光ファイバ３の先端に配置され、光路部４０及び光ファイバ３を介して入射光が入射されたときに、弾性膜４に印加される圧力に応じて戻り光を出射する。

【0047】

筐体１は、連通する開口部を有する。筐体１は、例えば、筒状構造を備えてよい。筐体１は、例えば、シリコンにより形成することができる。ただし、このような例には限られない。筐体１は、内周側に突出した凸部１ａを備えていてもよい。凸部１ａを設けることにより、弾性膜４に圧力が印加された場合であっても、筐体１の位置ずれを防止することができる。また、筐体１を光ファイバ３に固定するために接着剤８を用いてよい。

【0048】

磁性膜２は、磁場の変化により、直線偏光の旋光角度を変調させるファラデー効果を生じさせる。磁性膜２は、誘電体中にナノオーダの磁性体粒子が分散した構造を有するグラニュラー膜である。磁性膜２は、１／４波長板３１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等の金属化合物が形成されていてもよいが、磁性膜２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。磁性膜２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、磁性膜２は光透過性を有する。

【0049】

磁性膜２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として磁性膜２を形成することにより、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を得ることができる。

【0050】

磁性膜２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。

【0051】

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。磁性体粒子の材質としては、例えば、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。

【0052】

磁性膜２は、上記グラニュラー膜に限定されず、光透過性とファラデー効果を有する材料であれば良く、従来ある磁性ガーネット結晶やフェライト、コバルトフェライト等を用いることができる。

【0053】

磁性膜２上に配置され、光源からの入射光を光源側に反射させる反射膜７をさらに有することが好ましい。反射膜７は、磁性膜２上に形成されており、磁性膜２を透過した光を磁性膜２に向けて反射する。反射膜７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、製造プロセスが簡便であるため好ましい。反射膜７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。反射膜７を用いて磁性膜２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。

【0054】

光ファイバ３は、直線偏光を磁性膜２に入射させ、磁性膜２からの戻り光を受光する。光ファイバ３は、筐体１の開口部の一方の側に配置されてよい。光ファイバ３は、コア３２と、クラッド３３とを有する。コア３２は、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）により形成されるクラッド３３よりも屈折率が大きくなるように、例えば、二酸化ケイ素に二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）を添加して形成されることが好ましい。

【0055】

光ファイバ３の先端部には、１／４波長板３１が設けられている。１／４波長板３１は、第２ビームスプリッタ４２との間を光学的に接続する光ファイバ３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３１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、磁性膜２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。

【0056】

弾性膜４は、光ファイバ３が配置された側と反対側である、筐体１の開口部の他方の側に、磁性膜２と所定間隔隔てて配置されている。また、弾性膜４は、印加された圧力に応じて少なくとも一部が変位するように構成されている。弾性膜４は、樹脂を含むことが好ましい。樹脂として、例えば、ポリイミドを用いることができる。ただし、このような例には限られず、弾性膜４を他の樹脂により形成するようにしてもよい。

【0057】

弾性膜４をポリイミド等の樹脂により形成することにより、弾性膜４に印加する圧力が小さい場合であっても、弾性膜４の変位量を大きくすることができる。しかしながら、樹脂が透湿性を有する場合には、外部環境によって膨張し、あるいは、収縮してしまう恐れがあり、圧力検出におけるゼロ点が不安定になるという問題が生じる恐れがある。そこで、実施例１に係る圧力センサ１０１においては、弾性膜４上に防湿膜５を設けている。防湿膜５は、磁性膜２側とは反対側の弾性膜４の表面上に形成されている。防湿膜５を弾性膜４上に配置することにより、外部環境から弾性膜４への水分の浸透を防止することができる。

【0058】

防湿膜５は、強磁性金属薄膜を含むことが好ましい。強磁性金属薄膜として、例えば、鉄、コバルト、及びニッケルからなる金属群より選択された少なくとも１種の金属を含有した薄膜等を用いることができる。防湿膜５が強磁性金属薄膜を含むことにより、後述するように、粉末磁石等の磁性体６を弾性膜４に吸着させることができる。

【0059】

防湿膜５の膜厚は、１０～１００ｎｍであることが好ましい。弾性膜４は、印加した圧力に応じて変位する必要がある。防湿膜５を強磁性金属薄膜により形成した場合であっても、膜厚が１０～１００ｎｍ程度であれば弾性膜４の変位に合わせて湾曲することができるため、防湿膜５を設けた弾性膜４に圧力を印加した場合であっても、弾性膜４を湾曲させることができる。

【0060】

磁性体６は、磁性膜２側の弾性膜４の表面上に配置される。例えば、図２（ａ）に示すように、防湿膜５が弾性膜４上に形成され、防湿膜５が磁性材料を含んで構成されている場合は、磁性体６は、防湿膜５との間に作用する磁力により引き寄せられ、弾性膜４上に配置させることができる。また、防湿膜５が磁性材料を含んでいない場合であっても、弾性膜４が磁性材料を含んでいる場合には、弾性膜４に含まれる磁性材料と磁性体６との間で磁力が働き、磁性体６を弾性膜４上に配置させることができる。

【0061】

また、磁性体６は、弾性膜４の変位に応じて磁性膜２における磁場を変化させる。磁性体６は、粉末磁石を含んで構成されることが好ましい。磁性体６を構成する粉末磁石は、粒径が１～２０μｍであることが好ましい。磁性体６を構成する粉末磁石は、ＳｍＣｏ（サマリウムコバルト）及びＮｄＦｅＢ（ネオジム）の少なくとも一方を含むことが好ましい。

【0062】

磁性体６を、粉末磁石を用いて形成することにより、弾性膜４の変形に応じて磁性体６も変形することができる。図３（ａ）に、図２（ａ）の領域Ａの拡大図を示し、図３（ｂ）に、図２（ｂ）の領域Ｂの拡大図を示す。磁性体６が弾性膜４の表面４ａに配置されているものとする。例えば、弾性膜４の表面４ａ上に、粉末磁石（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）が配置されているものとする。このとき、粉末磁石（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）は、弾性膜４の表面４ａ上を自由に移動することができる。図３（ｂ）に示すように、弾性膜４に圧力が印加されると、弾性膜４の表面４ｂは湾曲する。この場合、磁性体６が粉末磁石を含んで構成されている場合、粉末磁石（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）は、湾曲した表面４ｂに沿って移動することができるため、磁性体６と弾性膜４とは密着した状態を維持することができる。

【0063】

図２（ｂ）に示すように、防湿膜５を設けた弾性膜４に対して、弾性膜４の外部から圧力Ｐ１を印加すると、弾性膜４は、筐体１の内側へ向かって中央部が凹むように湾曲する。弾性膜４が、筐体１の内側へ向かって湾曲することにより、磁性体６の頂上部６Ｔは、磁性膜２の方向に変位する。例えば、図２（ａ）に示すように、弾性膜４に圧力を印加する前の状態において、磁性体６の頂上部６Ｔから磁性膜２の表面２ａまでの距離がｄ１であった場合、図２（ｂ）に示すように、弾性膜４に圧力Ｐ１を印加した場合には、磁性体６の頂上部６Ｔから磁性膜２の表面２ａまでの距離はｄ２に変化する。ここで、弾性膜４に圧力Ｐ１を印加することにより、磁性体６の頂上部６Ｔが磁性膜２の表面２ａに近づくため、ｄ２はｄ１より小さい値となる。この場合、図２（ａ）に示すように、弾性膜４に圧力を印加する前に、磁性体６によって生じる、磁性膜２の表面２ａにおける磁界の強度がＨ１であったとすると、図２（ｂ）に示すように、弾性膜４に圧力Ｐ１を印加した場合には、磁性膜２の表面２ａにおける磁界の強度がＨ２に変化する。磁性膜２における磁界強度の変化により、検出されるファラデー回転角の大きさが変化する。従って、ファラデー回転角の大きさから、弾性膜４への印加圧力を算出することができる。

【0064】

次に、印加圧力の具体的な測定例について説明する。図４は、本開示の実施例１に係る圧力センサ１０１における弾性膜４への印加圧力と弾性膜４の変形量との間の関係を示すグラフである。図４から、弾性膜４に印加する圧力を増加させると、ほぼ比例して弾性膜４の変形量が増加することが分かる。例えば、印加圧力が１５０［ｍｍＨｇ］の場合の変形量は６［μｍ］であり、印加圧力が３００［ｍｍＨｇ］の場合の変形量は１２［μｍ］である。

【0065】

図５は、本開示の実施例１に係る圧力センサ１０１における弾性膜４の変形量と磁性膜２における磁界強度との間の関係を示すグラフである。図５から、弾性膜４の変形量が増加すると、磁性体６における磁界強度が増加することが分かる。例えば、弾性膜４の変形量が６［μｍ］の場合の磁界強度は３５１［Ｏｅ］であり、弾性膜４の変形量が１２［μｍ］の場合の磁界強度は３７３［Ｏｅ］である。

【0066】

以上の測定例から、弾性膜４への印加圧力に応じて、弾性膜４の変形量が一意的に決まり、弾性膜４の変形量から磁性膜２における磁界強度の変化量を算出することができる。まず、弾性膜４に圧力を印加する前の状態の磁性膜２における磁界強度を求める。図５に示した例では、弾性膜４の変形量が０［μｍ］の場合の磁界強度が３３１［Ｏｅ］と求められる。この値を用いることにより、弾性膜４への印加圧力と磁性膜２における磁界強度の変化量との関係を求めることができる。例えば、弾性膜４へ１５０［ｍｍＨｇ］の圧力を印加すると、磁性膜２における磁界強度は３３１［Ｏｅ］から３５１［Ｏｅ］に変化するため、磁界強度の変化量は２０［Ｏｅ］となる。磁性膜２における磁界強度の変化量に基づいてファラデー回転角が決まるため、検出信号発生部６０で算出されたファラデー回転角から磁界強度の変化量が算出され、算出された磁界強度の変化量から弾性膜への印加圧力を算出することができる。

【0067】

具体的には、１／４波長板３１から磁性膜２に入射した円偏光は、磁性膜２を透過し、反射膜７で反射し、再び磁性膜２を透過して戻り光となる。磁性膜２を透過した戻り光は、１／４波長板３１に再度入射される。

【0068】

１／４波長板３１から磁性膜２に入射した円偏光は、磁性膜２に印加される磁界に応じて位相を変化させる。また、反射膜７で反射した円偏光は、磁性膜２に印加される磁界に応じて位相を更に変化させる。圧力センサ１０１を用いることにより、磁性膜２と磁性体６との間の距離に応じて変化する磁性膜２における磁界強度の変化量を検出することにより、圧力センサ１０１に印加される圧力を検出することができる。

【0069】

磁性体６は、磁性膜２に向かって突出した凸状構造を有することが好ましい。また、磁性体６は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、円錐状あるいは角錐状に形成されるようにしてもよい。磁性体６の形状を凸状構造とすることにより、磁性体６と磁性膜２との間の距離を短くすることができ、磁性膜２における磁界強度を大きくすることができるため、圧力センサの感度を向上させることができる。

【0070】

［実施例２］
次に、実施例２に係る圧力センサについて説明する。図６（ａ）及び（ｂ）に、本開示の実施例２に係る圧力センサ１０２の断面図を示す。図６（ａ）は、弾性膜４に圧力を印加する前の状態を示し、図６（ｂ）は、弾性膜４に圧力を印加した後の状態を示す。実施例２に係る圧力センサ１０２が、実施例１に係る圧力センサ１０１と異なっている点は、磁性体６上にさらに第２の弾性膜９を有する点である。実施例２に係る圧力センサ１０２のその他の構成は、実施例１に係る圧力センサ１０１における構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。

【0071】

磁性体６の磁性膜２側の表面上に第２の弾性膜９を設けることにより、磁性体６を粉末磁石により形成した場合であっても磁性体６の形状を維持することができる。第２の弾性膜９は、弾性膜４と同じ材料を用いて形成するようにしてもよい。

【0072】

なお、図６（ａ）及び（ｂ）に示した例では、平坦な形状を有する磁性体６を覆うようにして第２の弾性膜９を設ける例について示したが、このような例には限られない。即ち、磁性体６を図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、凸状構造を有するように形成し、そのような凸状構造を有する磁性体６を覆うようにして第２の弾性膜９を設けるようにしてもよい。このような構成により、弾性膜４に対して、繰り返し圧力を印加した場合であっても、磁性体６の凸状構造を維持することができる。

【0073】

図６（ｂ）に示すように、防湿膜５を設けた弾性膜４に対して圧力Ｐ２を印加すると、弾性膜４は中央部が凹むように変位する。これに伴って、磁性体６の表面中央部６Ｕは、磁性膜２の方向に変位する。例えば、図６（ａ）に示すように、弾性膜４に圧力を印加する前の状態において、磁性体６の表面中央部６Ｕから磁性膜２の表面２ａまでの距離がｄ３であった場合、図６（ｂ）に示すように、弾性膜４に圧力Ｐ２を印加した場合には、磁性体６の表面中央部６Ｕから磁性膜２の表面２ａまでの距離はｄ４に変化する。ここで、ｄ４はｄ３より小さい値となる。この場合、図６（ａ）に示すように、弾性膜４に圧力を印加する前に、磁性体６によって、磁性膜２の表面２ａにおける磁界の強度がＨ３であったとすると、図６（ｂ）に示すように、弾性膜４に圧力Ｐ２を印加した場合には、磁性膜２の表面２ａにおける磁界の強度がＨ４に変化する。

【0074】

実施例２に係る圧力センサ１０２においても、磁界強度の変化量に応じて、磁性膜２におけるファラデー回転の角度が変化するため、ファラデー回転の角度から磁性体６の変位量を算出でき、弾性膜４に印加された圧力を算出することができる。

【符号の説明】

【0075】

１ 筐体
２ 磁性膜
３ 光ファイバ
４ 弾性膜
５ 防湿膜
６ 磁性体
７ 反射膜
１０ 発光部
２０ サーキュレータ
３０ 第１光学素子
４０ 光路部
６０ 検出信号発生部
１０１、１０２ 圧力センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】