(57)【要約】【課題】簡便な構成で、種々の外部環境の変化とその位置を検出することができるファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムを提供する。【解決手段】ファイバーを用いた線状センサにおいて、音源５からの音波６を伝播するファイバー１と、前記音波６を検出するために、前記ファイバー１の両端部２，３に配置される半導体検出素子１０，２０とを具備する。【選択図】　図１
2004053539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）音源からの音波を伝播するファイバーと、
（ｂ）前記音波を検出するために、前記ファイバーの両端部に配置される半導体検出素子とを具備することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項２】
（ａ）音源からの音波を伝播するファイバーと、
（ｂ）該ファイバーの一方端部に配置され、音波を反射する反射手段と、
（ｃ）前記音波を検出するために、前記ファイバーの他方端部に配置される半導体検出素子とを具備することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のファイバーを用いた線状センサを用いたシステムであって、前記半導体検出素子は、前記ファイバーの両端部の外周に配置され、ゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とからなり、歪−電気信号変換及び増幅を行い、前記音波を電気信号に変換し、前記ファイバーの両端部に配置された前記半導体検出素子間の出力信号の時間差に基づいて音源位置を測定することを特徴とするファイバーを用いた線状センサシステム。
【請求項４】
（ａ）音源からの音波を伝播するファイバーと、
（ｂ）前記ファイバーの外周部に設けられる光電変換素子と、
（ｃ）前記音波を検出するために、前記ファイバーの両端部に配置される半導体検出素子とを具備することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項５】
（ａ）音源からの音波を伝播するファイバーと、
（ｂ）前記ファイバーの外周部に設けられる光電変換素子と、
（ｃ）前記ファイバーの一方端面に配置され、音波を反射する反射手段と、
（ｄ）前記音波を検出するために、前記ファイバーの他方端部に配置される半導体検出素子とを具備することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項６】
請求項４又は５記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光電変換素子は、前記ファイバー上の長尺方向に形成される光伝導体膜と、該光伝導体膜に接続されるように形成される１対の金属電極膜とを備え、外部からの光強度分布を検出することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項７】
請求項６記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、近赤外線を検出するＰｂＳからなることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項８】
請求項６記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、可視光を検出するＣｄＳ又はＣｄＳｅであることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項９】
請求項６記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、γ線を検出するＨｇＣｄＴｅからなることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項１０】
請求項４又は５記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光電変換素子は、前記ファイバー上の長尺方向に形成されるガス吸着により伝導率に変化を生じるガス感応伝導体膜と、該ガス感応伝導体膜に接続されるように形成される１対の金属電極膜とを備え、外部からのガス濃度分布を検出することを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項１１】
請求項１０記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、ＮＯ２　ガスを検出するバナジウムおよびインジウムを添加したＳｎＯ２　であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項１２】
請求項１０記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、ＮＯガスを検出するＩｎを添加したＴｉＯ２　であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項１３】
請求項１０記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、アンモニアガスを検出するＡｕを添加したＷＯ３　であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項１４】
請求項１０記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、オゾンを検出するＦｅ２　Ｏ３　を添加したＩｎ２　Ｏ３　であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項１５】
請求項１０記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、硫化水素を検出するＣｕＯを添加したＳｎＯ２　であることを特徴とするファイバーを用いた線状センサ。
【請求項１６】
請求項４から１０の何れか１項記載のファイバーを用いた線状センサを用いたシステムであって、前記半導体検出素子は、前記ファイバーの両端部の外周に配置され、ゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とからなり、歪−電気信号変換及び増幅を行い、前記音波を電気信号に変換し、前記ファイバーの両端部に配置された前記半導体検出素子間の出力信号の時間差に基づいて外部から与えられる現象を測定することを特徴とするファイバーを用いた線状センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本願発明者は、ファイバーを用いた織物構造を有する電子集積装置を新規に開発して、既に特願２００１−３５９８３０、特願２００２−１１２８６８として提案している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した織物構造を有する電子集積装置の開発過程で、ファイバーを用いた線状センサが提案されるに至った。
【０００４】
本発明による線状センサは、簡単な構成でありながら、工場内のガスセンサ、ビル内廊下の移動体センサ、高速道路速度センサや建物などにおける一次元侵入者追跡センサとそれらの検出システム等として広汎な利用が見込まれる。
【０００５】
本発明は、簡便な構成で、種々の外部環境の変化とその位置を検出することができるファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ファイバーを用いた線状センサにおいて、音源からの音波を伝播するファイバーと、前記音波を検出するために、前記ファイバーの両端部に配置される半導体検出素子とを具備することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕ファイバーを用いた線状センサにおいて、音源からの音波を伝播するファイバーと、このファイバーの一方端部に配置され、音波を反射する反射手段と、前記音波を検出するために、前記ファイバーの他方端部に配置される半導体検出素子とを具備することを特徴とする。
【０００８】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のファイバーを用いた線状センサを用いたシステムであって、前記半導体検出素子は、前記ファイバーの両端部の外周に配置され、ゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とからなり、歪−電気信号変換及び増幅を行い、前記音波を電気信号に変換し、前記ファイバーの両端部に配置された前記半導体検出素子間の出力信号の時間差に基づいて音源位置を測定することを特徴とする。
【０００９】
〔４〕ファイバーを用いた線状センサにおいて、音源からの音波を伝播するファイバーと、前記ファイバーの外周部に設けられる光電変換素子と、前記音波を検出するために、前記ファイバーの両端部に配置される半導体検出素子とを具備することを特徴とする。
【００１０】
〔５〕ファイバーを用いた線状センサにおいて、音源からの音波を伝播するファイバーと、前記ファイバーの外周部に設けられる光電変換素子と、前記ファイバーの一方端面に配置され、音波を反射する反射手段と、前記音波を検出するために、前記ファイバーの他方端部に配置される半導体検出素子とを具備することを特徴とする。
【００１１】
〔６〕上記〔４〕又は〔５〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光電変換素子は、前記ファイバー上の長尺方向に形成される光伝導体膜と、この光伝導体膜に接続されるように形成される１対の金属電極膜とを備え、外部からの光強度分布を検出することを特徴とする。
【００１２】
〔７〕上記〔６〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、近赤外線を検出するＰｂＳからなることを特徴とする。
【００１３】
〔８〕上記〔６〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、可視光を検出するＣｄＳ又はＣｄＳｅであることを特徴とする。
【００１４】
〔９〕上記〔６〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光伝導体膜は、γ線を検出するＨｇＣｄＴｅからなることを特徴とする。
【００１５】
〔１０〕上記〔４〕又は〔５〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記光電変換素子は、前記ファイバー上の長尺方向に形成されるガス吸着により伝導率に変化を生じるガス感応伝導体膜と、このガス感応伝導体膜に接続されるように形成される１対の金属電極膜とを備え、外部からのガス濃度分布を検出することを特徴とする。
【００１６】
〔１１〕上記〔１０〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜はＮＯ２　ガスを検出するバナジウムおよびインジウムを添加したＳｎＯ２　であることを特徴とする。
【００１７】
〔１２〕上記〔１０〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、ＮＯガスを検出するＩｎを添加したＴｉＯ２　であることを特徴とする。
【００１８】
〔１３〕上記〔１０〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、アンモニアガスを検出するＡｕを添加したＷＯ３　であることを特徴とする。
【００１９】
〔１４〕上記〔１０〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、オゾンを検出するＦｅ２　Ｏ３　を添加したＩｎ２　Ｏ３　であることを特徴とする。
【００２０】
〔１５〕上記〔１０〕記載のファイバーを用いた線状センサにおいて、前記ガス感応伝導体膜は、硫化水素を検出するＣｕＯを添加したＳｎＯ２　であることを特徴とする。
【００２１】
〔１６〕上記〔４〕から〔１０〕の何れか１項記載のファイバーを用いた線状センサを用いたシステムであって、前記半導体検出素子は、前記ファイバーの両端部の外周に配置され、ゲート電極と、圧電体からなるゲート絶縁膜と、ソース電極と、チャネルと、ドレイン電極とからなり、歪−電気信号変換及び増幅を行い、前記音波を電気信号に変換し、前記ファイバーの両端部に配置された前記半導体検出素子間の出力信号の時間差に基づいて外部から与えられる現象を測定することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図であり、図１（ａ）はそのファイバーを用いた線状センサの全体構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′線拡大断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ′線拡大断面図、図２はその線状センサを用いたシステムの構成図である。
【００２４】
この実施例では、半導体検出素子であるゲート絶縁膜として圧電体を使った電界効果トランジスタを有するファイバー式音源位置センサおよびそのシステムとして構成している。
【００２５】
図１において、１はファイバー、１０，２０はそのファイバー１の両端部２，３に設けられる電界効果トランジスタ（圧電トランジスタ）であり、この電界効果トランジスタ１０，２０は、ファイバー１の端部２，３から、ゲート電極１１，２１、圧電体からなる電界効果トランジスタゲート絶縁膜（圧電体）１２，２２、ソース電極１３，２３、チャネル１４，２４、ドレイン電極１５，２５で構成され、ファイバー１の端面２Ａ，３Ａには吸音材１６，２６が設置されている。
【００２６】
この音源位置センサの動作原理について説明する。
【００２７】
図１に示すように、音源５から発した音６を、ファイバー１上を両方向に伝播させ、ファイバー１の両端部２，３に設置した電界効果トランジスタ１０，２０のゲート絶縁膜（圧電体）１２，２２を使って歪−電気信号に変換および増幅を行い、ドレイン電極１５，２５から出力される電気信号に変換する。この電気信号は、コンピュータ（ＰＣ：パソコン）３０に取り込まれる。
【００２８】
これにより、図２に示すように、二つの電界効果トランジスタ１０，２０のドレイン電極１５，２５からの出力信号をコンピュータ（ＰＣ：パソコン）３０に取込み、信号増幅部３１，３２で増幅し、その増幅された出力信号の遅延時間をＣＰＵ（中央処理装置）３３に接続される比較部３４で比較して、音源５の位置を特定することができる。なお、ファイバー１の両端面２Ａ，３Ａに設置される吸音材１６，２６は音の反射を少なくする効果を有する。
【００２９】
図３は本発明の第２実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図であり、図３（ａ）はそのファイバーを用いた線状センサの全体の構成図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ′線拡大断面図、図４はその線状センサを用いたシステムの構成図である。この実施例では、一次元光センサとそのシステムとして構成される。
【００３０】
ファイバーとその両端部に配置される半導体検出素子は、上記第１実施例と同様の構造を有する。その上に、前記ファイバーの音波伝播部に、図３に示すように、一様なスリットを有する二つの金属電極膜４１，４２および二つの金属電極膜４１，４２を接続するようにスリット上に光伝導体膜４３を形成した構造を有する。
【００３１】
以下、この一次元光センサの動作について説明する。
【００３２】
本実施例では、金属電極膜４１，４２間に短い電圧パルスを印加して光伝導体膜４３に電流を流し、ジュール熱を発生させることによりファイバー１の各部分に熱歪みを発生させ、これを音源とする。その際、強い光が照射されている部位は、抵抗が小さく発熱が大きくなり、強い音源となる。第１実施例で示したのと同様に、この音波信号を両端部の圧電トランジスタ１０，２０で電気信号に変換し、図４に示すように、その電気信号をコンピュータ（ＰＣ：パソコン）５０に取り込む。このコンピュータ５０はパルス発生器５１、信号増幅部５２，５３、波形記憶部５４，５５、時間反転レジスタ５６、波形加算部５７を有している。
【００３３】
その検出メカニズムを詳細に説明すると、パルス発生器５１により短時間の電圧パルスを光伝導体膜４３に印加し、ファイバー１の各部分に光強度に比例した音源を生成する。電圧パルス印加直後にトリガ信号により波形記憶部５４，５５で波形記憶を開始し、一定時間（＝センサ長／音速）継続する。
【００３４】
その後、ファイバー両端部２，３の圧電トランジスタ１０，２０からの二つの信号の片方を時間反転レジスタ５６で時間反転した後に、波形加算部５７で波形加算し、平均化することにより、ファイバー１内を伝播する音波信号の減衰による強度分布の測定誤差を補正した光強度分布を得ることができる。
【００３５】
このように構成したので、上記二つの信号の時間変化から一次元光強度分布を得ることができる。さらに、電圧パルスを一定の周期で印加することにより、光パターンの一次元運動を捉えることができる。
【００３６】
なお、上記の光伝導体膜４３は、近赤外線を検出する場合はＰｂＳ、可視光を検出する場合はＣｄＳ又はＣｄＳｅ、γ線を検出する場合はＨｇＣｄＴｅを用いることができる。
【００３７】
図５は本発明の第３実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図であり、図５（ａ）はそのファイバーを用いた線状センサの全体構成図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ′線拡大断面図、図６はその線状センサを用いたシステムの構成図である。この実施例では、一次元ガス濃度分布センサ及びそのシステムとして構成する。
【００３８】
ファイバー１の音波伝播部に、図５に示すように一様なスリット上にガス吸着により伝導率変化を生じるガス感応伝導体膜６３を有する二つの金属電極膜６１，６２を形成した構造を有する。金属電極膜６１，６２間に短い電圧パルスを印加し、ガス感応伝導体膜６３に電流を流し、ジュール熱を発生させることにより、ファイバー１の各部分にガス濃度分布に対応した熱歪みを発生させて音源とする。その際、高濃度のガスに曝されている部位は抵抗が小さく発熱が大きくなり、強い音源となる。
【００３９】
この音波信号をファイバー両端部２，３の圧電トランジスタ１０，２０で電気信号とし、これを、図６に示すように、第２実施例と同様に構成し、コンピュータ５０に取込み、第２実施例と同様にして、二つの信号の時間変化から一次元ガス濃度分布を得る。さらに、電圧パルスを一定の周期で印加することにより、ガスの分布パターンの時間変化を捉えることができる。
【００４０】
その検出メカニズムを詳細に説明すると、パルス発生器５１により短時間の電圧パルスをガス感応伝導体膜６３に印加し、その直後にトリガ信号により波形記憶部５４で波形記憶を開始し、一定時間（＝センサ長／音速）継続する。その後、ファイバー両端部２，３の圧電トランジスタ１０，２０からの二つの信号の片方を時間反転レジスタ５６で時間反転した後に、波形加算部５７で波形加算し、平均化することにより、ファイバー１内を伝播する音波信号の減衰による強度分布の測定誤差を軽減している。
【００４１】
なお、ガス感応伝導体膜６３は、ＮＯ２　ガスを検出する場合は、Ｖ（バナジウム）及びＩｎ（インジウム）を添加したＳｎＯ２　、ＮＯガスを検出する場合はＩｎを添加したＴｉＯ２　、アンモニアガスを検出する場合はＡｕを添加したＷＯ３　、オゾンを検出する場合はＦｅ２　Ｏ３　を添加したＩｎ２　Ｏ３　、硫化水素を検出する場合はＣｕＯを添加したＳｎＯ２　を用いることができる。
【００４２】
このような、ファイバーを用いた線状センサを使った一次元光強度分布およびガス濃度分布測定システムにおいて、線状センサの両端部に歪みセンサを設置した場合、その線状センサの長さが長くなるに従って検出回路の配線も長距離になるため、ノイズの影響を受けやすくなる等の問題が生ずる。これを解決するために、センサの一方の端面を反射端とし、他方の端部にのみ歪みセンサを設置したシステムを以下に示す。
【００４３】
図７は本発明の第４実施例を示すファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムの構成図である。
【００４４】
この図において、ファイバー１の一方端面３Ａには音波反射材８０を配置している。そこで、コンピュータ７０のパルス発生器７１により短時間の電圧パルスを光伝導体膜４３またはガス感応伝導体膜６３に印加し、同時に第１のトリガ信号により波形記憶部７３で波形記憶を開始し、一定時間Ｔ（＝センサ長／音速）後に発する第２のトリガ信号により記憶波形を直接波形レジスタ７４に転送するとともに、以後の波形記憶を開始する。
【００４５】
さらにＴ時間経過後、波形記憶部７３より記憶波形（反射波形）を時間反転レジスタ７５に転送し、時間反転した後に直接波形レジスタ７４の内容と足し合わせ、平均化することにより、ファイバー１内を伝播する音波信号の減衰による強度分布の測定誤差を軽減している。なお、圧電トランジスタ１０を設置した他方端面２Ａは吸音端面とし、反射波を制限する吸音材１６が配置されている。
【００４６】
このように構成したので、線状センサの長さにかかわらず検出回路の配線は短くなり、ノイズの影響を受けにくくなるとともに、半導体検出素子の構成を簡素化し、コンパクトにすることができる。
【００４７】
なお、上記のようなファイバーの一方端面に音波の反射部材を配置する構成は、図１及び図２の第１実施例のファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムにも用いることができることは言うまでもない。
【００４８】
また、上記したファイバーを用いた線状センサの歪−電気信号変換部は、この実施例の圧電トランジスタに限るものでなく、圧電素子、電歪素子、マイクロフォンなど他の歪−電気信号変換素子を利用することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５１】
（Ａ）簡便な構成で、種々の外部環境の変化とその位置を検出することができる。
【００５２】
（Ｂ）線状に配置されたセンサにより外部からの音波の到来とその位置を検出することができる。
【００５３】
（Ｃ）線状に配置されたセンサにより外部からの光の到来とその位置を検出することができる。
【００５４】
（Ｄ）線状に配置されたセンサにより一次元ガス濃度分布とその位置の検出を行うことができる。
【００５５】
（Ｅ）一方端面には反射部材を配置した線状に配置されたセンサにより、検出回路の配線が短くなり、ノイズの影響を受けにくくなるとともに、半導体検出素子の構成を簡素化し、コンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図である。
【図２】本発明の第１実施例を示すファイバーを用いた線状センサを用いたシステムの構成図である。
【図３】本発明の第２実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図である。
【図４】本発明の第２実施例を示すファイバーを用いた線状センサを用いたシステムの構成図である。
【図５】本発明の第３実施例を示すファイバーを用いた線状センサの構成図である。
【図６】本発明の第３実施例を示すファイバーを用いた線状センサを用いたシステムの構成図である。
【図７】本発明の第４実施例を示すファイバーを用いた線状センサ及びそのシステムの構成図である。
【符号の説明】
１　　ファイバー
２，３　　ファイバーの端部
２Ａ，３Ａ　　ファイバーの端面
５　　音源
６　　音
１０，２０　　電界効果トランジスタ（圧電トランジスタ）
１１，２１　　ゲート電極
１２，２２　　電界効果トランジスタゲート絶縁膜（圧電体）
１３，２３　　ソース電極
１４，２４　　チャネル
１５，２５　　ドレイン電極
１６，２６　　吸音材
３０，５０，７０　　コンピュータ（ＰＣ：パソコン）
３１，３２，５２，５３，７２　　信号増幅部
３３　　ＣＰＵ（中央処理装置）
３４　　比較部
４１，４２，６１，６２　　二つの金属電極膜
４３　　スリット上に形成される光伝導体膜
５１，７１　　パルス発生器
５４，５５，７３　　波形記憶部
５６，７５　　時間反転レジスタ
５７，７６　　波形加算部
６３　　スリット上に形成されるガス感応伝導体膜
７４　　直接波形レジスタ
８０　　音波反射材
【図１】
2004053539.tif 000003
【図２】
2004053539.tif 000004
【図３】
2004053539.tif 000005
【図４】
2004053539.tif 000006
【図５】
2004053539.tif 000007
【図６】
2004053539.tif 000008
【図７】
2004053539.tif 000009