(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に周期的に設置され互いに近接または接触する複数の導電膜を備え、前記導電膜のない領域と前記導電膜のある領域とが同形状で同面積に形成された絶縁性の弾性体基板と、前記導電膜の設置周期に対応する波長の光を照射する光発生部と、
前記弾性体基板を透過した前記光または前記弾性体基板から反射した前記光の強度を検知する光検知部と、
前記導電膜の相互接触の有無により変動する前記光の強度から前記弾性体基板に印加される所定の応力の有無を検出する応力検出部と
を備えたセンサ。
【請求項２】
表面に周期的に設置され互いに近接または接触する複数の導電膜を備え、前記導電膜のない領域と前記導電膜のある領域とが同形状で同面積に形成され、熱により伸縮する絶縁性の基板と、
前記導電膜の設置周期に対応する波長の光を照射する光発生部と、
前記基板を透過した前記光または前記基板から反射した前記光の強度を検知する光検知部と、
前記導電膜の相互接触の有無により変動する前記光の強度から前記基板が所定の温度か否かを検出する温度検出部と
を備えたセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、互いに近接して自己補対的にかつ周期的に配置された複数の導電体間の導通を非接触でセンシングする原理を利用した、圧力、温度を検量するセンサに係るものである。
【背景技術】
【０００２】
金属表面で発生する表面プラズモン共鳴を利用して気体や液体などの化学物質を検量するセンサは従来から知られており、金属の表面に直接または間接に付着する化学物質により共鳴条件が変化することを利用して化学物質の検量を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２５０９８１号公報（第２〜３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のような従来の表面プラズモン共鳴センサによる化学物質の検量においては、表面プラズモンとプローブ光を効率よく結合する必要がある。平坦な金属膜に対してプローブ光を用いて表面プラズモンを発生させるためには、金属上に光学プリズムを設置して特定の入射角度でプローブ光を照射しなければならず、プローブ光の光源、光学プリズム、金属膜、光検出器の位置関係を高精度に保持する必要がある。
【０００５】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、互いに近接した周期構造を有する導電体間の導通を非接触でセンシングする方法を利用した、圧力、温度の検知を行う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】
この発明に係るセンサは、
表面に周期的に設置され互いに近接または接触する複数の導電膜を備え、導電膜のない領域と導電膜のある領域とが同形状で同面積に形成された絶縁性の弾性体基板と、導電膜の設置周期に対応する波長の光を照射する光発生部と、弾性体基板を透過した光または弾性体基板から反射した光の強度を検知する光検知部と、導電膜の相互接触の有無により変動する光の強度から弾性体基板に印加される所定の応力の有無を検出する応力検出部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、小型で簡便な構成で安定して応力、温度を検出するセンサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるセンシング方法を説明する模式図である。図１において、特定波長の光を出射する光発生部１０と、光発生部１０から出射される光の強度を検出する光検出部２０の間に、光を透過する基板３０が配置されている。基板３０の表面上には、複数の導電膜４０である金属膜が周期的にかつ自己補対的に互いに近接または接触して形成されている。自己補対的な配置とは、例えば平面の場合、平面上の任意の構造で、その構造の構成材料がない部分の形状が、その構造の構成材料がある部分の形状と同面積で同形状であるような配置のことをいう。
【００１３】
基板３０の表面への導電膜４０の自己補対的な配置の例を図２および図３に示す。図２および図３は基板３０を基板３０の上方からみた平面図である。図２では、基板３０の一方の表面上に、複数の正方形の導電膜４０が互いに角を近接して周期的に配置されており、図３では、基板３０の一方の表面上に、複数の正方形の導電膜４０が互いに角部で接触して周期的に配置されている。
【００１４】
次に、本実施の形態におけるセンシング方法について、図１〜４を用いて説明する。
基板３０であるセルロース基板の上に、一辺が１ｍｍの正方形の形状のアルミニウム金属膜である導電膜４０を図２および図３に示すように互いに近接または接触させて形成したものに、光発生部１０から光を照射すると、隣接する金属膜が接触している場合と、接触していない場合とにより、光検出部２０に達する光のスペクトルが変化する。
【００１５】
図４は、金属膜が互いに接触している場合と接触していない場合との光検出部２０に達する透過光の周波数依存性を示すスペクトル図である。図４において、図３のように金属膜が互いに接触している場合には透過光はスペクトルＡとなり、図２のように金属膜が接触していない場合には透過光はスペクトルＢとなる。金属膜間の接触の有無による透過スペクトルの変化は、金属膜間のギャップの大きさに関係なく、接していればスペクトルＡとなり、接していなければスペクトルＡを反転したスペクトルＢとなる。
【００１６】
図４では、少なくとも０．１ＴＨｚ以上で０．３３ＴＨｚ以下の周波数の領域で透過率変化が大きくなっており、中でも周波数０．２４ＴＨｚ近傍で透過率が最も大きく変化している。
本実施の形態の場合、基板３０上の金属膜の繰返し周期、すなわち導電膜４０の設置周期は図２および図３の縦横方向には２ｍｍであり、この設置周期に対応する光の周波数は０．１５ＴＨｚである。
【００１７】
このように、導電膜４０の設置周期に対応する波長を有する光、つまり、導電膜４０の設置周期と少なくともオーダーが同じ波長を有する光、より好ましくは導電膜４０の設置周期の０．５〜２倍の波長を有する光の強度を光検知部２０で検知することにより、金属膜の相互接触の有無をより有効に検知できる。
したがって、例えば、導電膜４０の設置周期を１〜１０μｍ程度にすると、赤外線により導電膜４０の相互接触の有無が、また、導電膜４０の設置周期を０．１〜１μｍ程度にすると、紫外光から近赤外光により導電膜４０の相互接触の有無が検知できる。
【００１８】
このような効果は、表面プラズモンを利用していないために幅広い波長の光を利用できる。また、使用する光により導電膜４０の周期を変えることにより、同じ材料を用いて可視光からマイクロ波までの幅広い波長領域で動作するセンサを得ることができる。
【００１９】
また、本実施の形態における基板３０のように、周期的にかつ互いに近接または接触して形成された複数の導電膜４０が、導電膜４０のない領域と導電膜４０がある領域が同面積でかつ周期的に設けられたものは、視認が困難な導電膜４０の接触または非接触の情報を有するマーカーとして利用できる。
【００２０】
なお、本実施の形態においては、互いに近接した金属膜の自己補対的な配置の例として基板３０を上方から見て正方形のものを配置した例を示したが、この配置はこれに限るものではなく、金属膜の形状は四角形であっても正方形以外の長方形、菱型、平行四辺形などであってもよい。また、図５に示すように正三角形などの三角形であってもよく、また図６に示す十字型や図７と図８とに示す卍型であっても、複数の金属膜が互いに近接しており、導電膜４０と導電膜４０がない部分と同じ形状と面積であれば、同様の効果を奏する。
【００２１】
また、本実施の形態においては、導電膜４０の材料の例として金属膜であるアルミニウムの例を示したが、金属膜の材料としてはこれに限るものではなく、金、銀、銅、クロムなど、可視光からマイクロ波の周波数領域の光に対して金属の性質、すなわち、金属表面に平行な電界成分が０となる性質を有する材料であれば、何であってもよく、可視光からマイクロ波の周波数領域の光を使用したセンサに利用できる。
さらに、導電膜４０の材料としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛，酸化スズなどの酸化物、あるいは高濃度に不純物をドープした珪素、ゲルマニウム、炭素、ガリウム砒素、インジウム燐、炭化珪素、シリコンゲルマニウムなどであってもよく、テラヘルツ波やマイクロ波の周波数領域で金属の性質を示す材料であれば、他の材料であっても利用することができる。
【００２２】
また、基板３０の材料としてはセルロースの例を示したが、使用する光の波長に対して透過性を有するものであれば、他の材料であってもよく、例えば可視光に対しては透明なガラスなどを使用できる。
【００２３】
実施の形態２．
図９は、この発明を実施するための実施の形態２における、センシング方法を説明する模式図である。図９において、複数の導電膜４０である金属膜が基板３０の表面上に周期的にかつ自己補対的に互いに近接または接触して形成されている。基板３０の上方には、光を出射する光発生部１０と、光発生部１０から出射される光の強度を検出する光検出部２０とが配置されている。ここで、基板３０は光発生部１０から出射される光を吸収する材料で構成されているものとする。基板３０の表面上への導電膜４０である金属膜の配置は、図２または図３に示したものと同様に一辺が１ｍｍの正方形の形状のものを周期的に配置したものとする。
【００２４】
基板３０の材料はアモルファスガラスであり、導電膜４０である金属膜はアルミニウムからなる。ここで、光発生部１０から光を照射すると、隣接する金属膜が接触している場合と、接触していない場合とにより、光検出部２０に達する光のスペクトルが変化する。
本実施の形態においては、光検出部２０に達する光のスペクトルは、実施の形態１の図４を反転したものになる。したがって、実施の形態１の場合と同様に０．３３ＴＨｚ以下の周波数の光の強度を検出することにより導電膜４０の接触の有無を検出できる。
【００２５】
なお、基板３０の材料としては、アモルファスガラスのほかに、誘電体、半導体、セラミックス、ガラス材料、有機材料などであってもよい。導電膜４０の材料は実施の形態１と同様に金属の性質を示すものであればよい。導電膜４０の材料としては、実施の形態１と同様に選択すればよい。
【００２６】
実施の形態３．
図１０は、この発明を実施するための実施の形態３における、センシング方法を説明する模式図である。図９において、複数の立方体形状の導電体ブロック５０である金属ブロックが絶縁性の接続棒５５によって、各頂点で互いに近接または接触するように、自己補対的に配置されている。複数の金属ブロックの一方に光発生部１０が設けられており、その反対側に光検知部２０が設けられている。
複数の導電体ブロック５０と導電体ブロック５０の空隙とは、空間の中で等しい体積を有し、導電体ブロック５０は自己補対的にかつ周期的に配置されている。また、透過光は導電体ブロック５０の設置周期に近い波長を有する。
【００２７】
図１０に示した立体的に自己補対的に配置された複数の導電体ブロック５０に対して光発生部１０から光を照射した場合、導電体ブロック５０の相互接触の有無によって、光の透過光強度が特定の波長領域で大幅に変化する。したがって、透過率が大幅に変化する波長領域の光強度を検知することにより、微細な接触の有無を検出することができる。
【００２８】
実施の形態４．
図１１は、この発明を実施するための実施の形態４における、センサの模式図である。基板３０の上面図であり、図１２は図１１のＡ−Ａ’断面に沿って基板３０をみた断面模式図である。この発明を実施するための実施の形態４におけるセンサは、図１１および図１２に示した基板３０が実施の形態１の図１の基板３０のように配置されたものである。図１１および図１２において、基板３０は伸び縮みする弾性体の材料で構成されており、基板３０の上に導電膜４０である金属膜が実施の形態１の図２あるいは図３と同様に設けられている。
応力のない初期の状態では、図１２に示すように金属膜は互いに接触しているが、基板３０に引っ張り応力が加わると、図１３に示すように金属膜の間に空隙ができる。
【００２９】
基板３０に引っ張り応力が加わって複数の金属膜間に空隙ができるかできないかにより、実施の形態１と同様に光検知部２０に達する光の透過率が変動するため、光検知部２０で検知される光の強度により基板３０かかる引っ張り応力の有無が検出できる。
また、初期の状態の基板３０上の金属膜の配置を図１３に示すように金属膜間に空隙を有するものにすると、圧縮応力がかかることにより基板３０の断面図が図１２に示すように金属膜が接触し間の空隙がなくなると基板３０の透過率が変動するので、圧縮応力の有無を検知できる。
【００３０】
なお、図１４に示すように本実施の形態の基板３０を、応力が発生する構造体６０に貼り付け、光をあててその透過光を検出することにより、構造体にかかる応力を測定することができる。この場合は、透過光を測定するのではなく、実施の形態２に示したように反射光を検知してもよい。このような基板３０を応力が発生する構造体の表面全面に貼り付け、光発生部１０および光検知部２０をスキャンすることにより、構造体全体の応力分布を測定することができる。
【００３１】
また、基板３０を熱により伸縮するものとすることにより、基板の温度を検出することができる。また、これを構造体に貼り付けることにより、構造体の温度分布を測定できることは応力測定の場合と同様である。
【００３２】
実施の形態５．
図１５は、この発明を実施するための実施の形態５における、センサの模式図である。図１５において、基板３０の上に周期的にかつ自己補対的に配置された複数の導電膜４０である金属膜がわずかな間隔をもって設けられている。この基板３０を容器７５に入れた導電性の液体７０に浸した状態で光発生部１０から光を出射すると、液体の導電率の違いにより光検知部２０において検出される光の強度が変動する。液体７０の導電性が高い場合には、導電膜４０である金属膜間の抵抗値が変化して光検知部２０で検知される光強度が大きくなるが、液体の導電性が低い場合には、導電膜４０である金属膜間の抵抗値が高く光検知部２０で検知される光強度が小さくなる。
【００３３】
本実施の形態におけるセンサにおいては、液体７０の導電率の大きさによって光検知部２０で検知される光強度が決まるため、実施の形態１のような二値的な変化をするのではなく、導電膜４０である金属膜間の導電率の大きさに応じて検知される光の強度が変化する。
あらかじめ導電率の判明している液体を用いて導電率と光検知部２０で検知される光強度との関係を測定しておくことにより、光検知部２０で検知される光強度から液体７０の導電率を得ることができる。
【００３４】
実施の形態６．
図１６は、この発明を実施するための実施の形態６における、センサの基板の模式図である。図１６において、基板３０の上に自己補対的に配置された導電膜４０である金属膜がわずかな間隔をもって設けられている。このわずかな間隔部分に、化学物質の吸着によって導電率が変化する機能膜８０を設ける。図１６に示した基板３０が実施の形態１の図１の基板３０のように配置される。
【００３５】
本実施の形態におけるセンサにおいては、機能膜８０に吸着する化学物質の濃度により、導電膜４０である金属膜間の導電率が変動する。例えば、機能膜８０として酸化亜鉛、酸化チタニウム、酸化ガリウムなどを設けると、アンモニア、一酸化窒素、一酸化炭素などのガスの濃度の検出ができる。
あらかじめ濃度の判明している化学物質を用いて化学物質の濃度と光検知部２０で検知される光強度との関係を測定しておくことにより、光検知部２０で検知される光強度から化学物質の濃度が検出できる。
【００３６】
実施の形態７．
図１７は、この発明を実施するための実施の形態７における、センサの模式図である。導電膜が実施の形態１の図２に示したように配置された基板３０に、導電膜の周期に対応する波長より短い波長の光を発する第１の光発生部１１と、導電膜の周期に対応する波長より長い波長の光を発する第２の光発生部１２とから出射した光とをダイクロイックミラー９０などで合波し、基板３０に照射する。基板３０を透過した光をダイクロイックミラー、あるいはハーフミラーとフィルタを組み合わせた光学部品で構成された光分波器９１により波長の異なる２つの光を分離し、導電膜の周期の波長より短い波長の光の光強度を第１の光検出部２１で、導電膜の周期の波長より長い波長の光の光強度を第２の光検出部２１で、個別に検出する。
【００３７】
第１の光発生部１１から出射する光の透過率は導電膜の接触の有無により大きく変化するが、第２の光発生部１２から出射する光の透過率は導電膜の接触の有無によりほとんど変化しない。そのため、第１の光検出部２１の出力信号と第２の光検出部２１の出力信号とを比較することにより、測定にともなうノイズを低減することができ、より高感度に導電膜の接触の有無の検知が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態１におけるセンシング方法を説明する模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるセンシング方法の基板上の導電膜の配置を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるセンシング方法の基板上の導電膜の配置を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１におけるセンシング方法の出力例を示すスペクトル図である。
【図５】この発明の実施の形態１におけるセンシング方法の基板上の導電膜の配置を示す模式図である。
【図６】この発明の実施の形態１におけるセンシング方法の導電膜の配置を示す模式図である。
【図７】この発明の実施の形態１におけるセンシング方法の導電膜の配置を示す模式図である。
【図８】この発明の実施の形態１におけるセンシング方法の導電膜の配置を示す模式図である。
【図９】この発明の実施の形態２におけるセンシング方法の模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態３におけるセンシング方法の模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態４におけるセンサの基板上の導電膜の配置を示す模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態４におけるセンサの断面模式図である。
【図１３】この発明の実施の形態４におけるセンサの断面模式図である。
【図１４】この発明の実施の形態４におけるセンサを用いた構造体の応力分布の測定例を示す断面模式図である。
【図１５】この発明の実施の形態５におけるセンサの断面模式図である。
【図１６】この発明の実施の形態６におけるセンサの断面模式図である。
【図１７】この発明の実施の形態７におけるセンシング方法の模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０，１１，１２  光発生部、２０，２１，２２  光検知部、３０  基板、４０  金属膜、５０  金属ブロック、５５  接続棒、６０  応力が発生する構造体、７０  液体、７５  容器、８０  機能膜、９０  ダイクロイックミラー、９１  光分波器。
【図１】
0005136008.tif 000002
【図２】
0005136008.tif 000003
【図３】
0005136008.tif 000004
【図４】
0005136008.tif 000005
【図５】
0005136008.tif 000006
【図６】
0005136008.tif 000007
【図７】
0005136008.tif 000008
【図８】
0005136008.tif 000009
【図９】
0005136008.tif 000010
【図１０】
0005136008.tif 000011
【図１１】
0005136008.tif 000012
【図１２】
0005136008.tif 000013
【図１３】
0005136008.tif 000014
【図１４】
0005136008.tif 000015
【図１５】
0005136008.tif 000016
【図１６】
0005136008.tif 000017
【図１７】
0005136008.tif 000018