JP2000193539A - 力センサ及びそれを用いた力測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 光ファイバセンサが本来有している利点を活
かしつつ、安定性を改善し、感度を向上させる。 【解決手段】 ビーム型ロードセル１０の上面側にその
幅方向に沿った凹部２２を挟んで略ハの字状になるよう
にビーム型ロードセル１０の長さ方向に対して傾斜させ
た２つの溝２１Ａ、２１Ｂと２１Ｃ、２１Ｄをそれぞれ
設け、光ファイバ１１を力の付加に伴い曲率半径が増加
する屈曲部を凹部２２内に有するように配置すると共
に、ビーム型ロードセル１０の下面側にも凹部を挟んで
略ハの字状になるように傾斜させた２つの溝をそれぞれ
設け、光ファイバ１２を力の付加に伴い曲率半径が減少
する屈曲部を凹部内に有するように配置する。力の付加
に伴う各屈曲部の曲率半径の増加又は減少による光ファ
イバ１１と１２それぞれの透過光量の変化を検出するこ
とにより、大きな光量変化を検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバの曲げ
損失を利用した力センサ及び力測定システムに関し、特
に、工業プロセス計測、リニアモータカー・送電線・発
電機等におけるひずみ測定等、強電磁界ノイズ環境下の
計測、落雷環境下の土木関連計測等に用いるのに好適な
力センサ及び力測定システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】知的材料／構造物に具備される機能の一
つであるセンサ機能には、長期間に亘るオンライン計測
が可能であることが求められる。無誘導性、防爆性、耐
腐食性等の特徴を持つ光ファイバは、その構成要素とし
て有望であり、光ファイバの種々の特性を利用して圧力
（ひずみ）・張力等を測定する光ファイバセンサとして
実用化されている。従来より、光ファイバに小さな曲げ
を与えて、透過光の減衰と曲げを与えた力の関係から力
を検出する屈曲型の光ファイバを用いた力センサが知ら
れている。即ち、光ファイバは曲げる曲率半径によっ
て、透過光量の損失が異なり、曲率半径が大きい場含に
は、損失が発生しない。また、ある損失が発生する曲率
半径に対して、曲率半径が減少すると損失が大きくな
り、曲率半径が増加すると、損失が小さくなる。屈曲型
の光ファイバを用いた力センサは、この原理を利用し
て、センサに加わる力により曲率半径を変化させ、透過
光の光量変化から力を検出するものである。

【０００３】かかる屈曲型の光ファイバを利用した第１
の従来例として、ダイアフラム型の圧力センサを図１０
に示す。即ち、この第１の従来例に係る圧力センサは、
光ファイバ５１と、それぞれアクリル性の板材と棒材か
ら成る光ファイバ挟圧部５３及び５５と、光ファイバ挟
圧部５５の支持棒５７に連結されたダイアフラム５９
と、これらを収納する筐体６１とを有する。尚、筐体６
１の上部には、光ファイバ挟圧部５３の支持棒６３の下
方向の移動を調整するアジャスタ６５が設けられてい
る。光ファイバ挟圧部５３では、アクリル性板材５３Ａ
に直径３ｍｍの４つの円筒型のアクリル性棒材５３Ｂが
６ｍｍ間隔で接着されており、光ファイバ挟圧部５５で
は、アクリル性板材５５Ａに同様の３つのアクリル性棒
材５５Ｂが、上記アクリル性棒材５３Ｂ相互の間隔を埋
めるように接着されている。

【０００４】以上の構成において、アジャスタ６５を調
整して光ファイバ挟圧部５３を下方向に押圧すると、光
ファイバ５１はアクリル性棒材５３Ｂと５５Ｂに挟まれ
て、複数の屈曲部６７を生じる。この状態で、図示しな
い光源から光ファイバ５１の一端側に光を入射すると、
この光は各屈曲部６７で損失を生じつつその一部が光フ
ァイバ５１の他端側から出射されるので、この時の透過
光量を基準とする。

【０００５】さて、例えば、測定すべきガス圧がダイア
フラム５９に付加されると、ダイアフラム５９は上下の
圧力差により、例えば、上方向に変位するので、支持棒
５７を介して光ファイバ挟圧部５５が上方向に変位し、
アクリル性棒材５３Ｂと５５Ｂに挟まれた各屈曲部６７
の曲率半径が小さくなる。これにより、各屈曲部６７に
おける曲げ損失が増加するので、光ファイバ５１から出
射される透過光量が減少する。従って、この透過光量と
上述した基準となる透過光量との差を求めることによ
り、上記ガス圧を求めることが可能となる。

【０００６】図１１に、屈曲型の光ファイバを利用した
第２の従来例として、ベローズ型の圧力センサを示す。
この第２の従来例に係る圧力センサは、弾性体チューブ
に光ファイバを巻き付け、該弾性体チューブに平行平板
で側面応力を印加し、弾性体チューブ外周の曲率変化に
光ファイバを従わせ、該光ファイバに微小曲げ（マイク
ロベンド）損失を誘起するものである。即ち、この第２
の従来例の圧力センサは、図１１に示すように、弾性体
チューブ７２に光ファイバ７４を巻き付けた変位センサ
ユニット７６と弾性体チューブ７２に側面応力を印加す
るためのベローズ型受圧ユニット７８とを組合せて構成
されている。弾性体チューブ７２は、略円形状を有して
おり、この弾性体チューブ７２に巻き付けられた光ファ
イバ７４の一端側には、光源８０から光が入射され、こ
の光は光ファイバ７４の他端側から出射されて受光部８
２に受光される。弾性体チューブ７２は、所定の間隔を
有する平行平板８４及び８６に挟まれるように当接して
おり、例えば、図１１に示すように、測定圧がベローズ
型受圧ユニット７８に付加されると、ベローズ８８の変
位により平行平板８４及び８６の間隔が狭まり、弾性体
チューブ７２と光ファイバ７４を変形させ、マイクロベ
ンド効果を誘起する。これにより、変位センサユニット
７６の受光部８２に受光される透過光量（受光量）が変
化するので、この受光量の変化を電圧電流変化に変換し
て、上記測定圧が求められる。

【０００７】以上のように、第１及び第２の従来例は、
共に光ファイバの曲げの透過損失を利用するものである
が、このような力センサでは、一般的に、センサの温度
捕償を行う際、曲げを与えない光ファイバから成るダミ
ー用のループを設け、かかるループを介して検出された
光を参照光として用いる方法が採用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した第１の従来例
に係る力センサは、２枚の凹凸板の間に光ファイバを挟
み込んだ構造を有しているため、接触状態の繰り返し性
が悪くセンサとしての特性が必ずしも満足のいくもので
はなかった。即ち、一旦、ダイアフラム５９に付加され
たガス圧により光ファイバ挟圧部５３（板材５３Ａと棒
材５３Ｂ）と光ファイバ挟圧部５５（板材５５Ａと棒材
５５Ｂ）の間隔が挟まって複数の屈曲部６７を形成した
後に、ガス圧が減少して光ファイバ挟圧部５３と５５の
間隔が戻っても、光ファイバ５１に外部から多くの箇所
に曲げを与える構造を有しているため、屈曲部６７の形
が元の状態とは変わってしまうので、測定にバラツキが
生じてしまうのを避けることができないという問題があ
る。また、光ファイバ５１を凹凸のある挟圧部５３及び
５５により押圧することから、使用がかさむと光ファイ
バ５１が損傷あるいはアクリルが永久変形し、正確な測
定が不可能となる。従って、センサとしての耐久性に欠
けるという欠点もあった。 一方、上述した第２の従来
例に係る力センサでは、弾性体チューブ７２に光ファイ
バ７４を外面から巻き付け、負荷板８４を弾性体チュー
ブ７２に押し付ける構造を有しているので、上述した第
１の従来例における２つの欠点は改善される。しかしな
がら、弾性体チューブ７２の外表面の変形は曲率半径の
増加と減少の両方を伴い、変位センサユニット７６が１
本の光ファイバのループにより構成されるので、１本の
光ファイバ内で光の透過損失の増減があり、センサとし
ての感度を低下させてしまう虞れがある。即ち、負荷板
８４を弾性体チューブ７２に押し付けると、光ファイバ
７４を巻き付けた弾性体チューブ７２は、楕円形に変形
するから、この楕円形の長軸両端部の曲げの曲率は小さ
くなる一方、楕円形の短軸両端部の曲げの曲率は大きく
なることになる。従って、１本の光ファイバ７４から成
るループにこれら曲げの曲率の減少と増加が混在してい
るので、双方の総和が受光部８２により光量として検出
されてしまう。従って、正確に力を検出することが困難
であり、センサとしての信頼性に欠けるという問題があ
った。また、上述したように、光ファイバの曲げの透過
損失を利用する力センサでは、温度捕償のために、曲げ
を与えない光ファイバから成るダミー用のループを設け
るが、かかるダミー用のループを介して検出される光
は、単なる参照光としての情報しか含まないので、セン
サとしての感度を上げる役割は全く果たしていない。

【０００９】本発明の目的は、光ファイバの曲げ損失を
利用した従来の力センサの問題点を解決し、光ファイバ
センサが本来有している利点を活かしつつ、センサとし
ての安定性の改善と感度の向上が可能な力センサ及び該
力センサを用いた力測定システムを提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る力センサでは、弾性体の第１の面側に
その幅方向に沿って設けられた第１の凹部を挟んで略ハ
の字状になるように前記弾性体の長さ方向に対して傾斜
させて少なくとも２つの溝を設け、該凹部を挟んで略ハ
の字状になる２つの溝に沿って第１の光ファイバを前記
弾性体への力の付加に伴い曲率半径が増加する屈曲部を
前記第１の凹部内に有するように配置すると共に、前記
弾性体の前記第１の面と対向する第２の面側にもその幅
方向に沿って設けられた第２の凹部を挟んで略ハの字状
になるように前記弾性体の長さ方向に対して傾斜させて
少なくとも２つの溝を設け、該凹部を挟んで略ハの字状
になる２つの溝に沿って第２の光ファイバを前記弾性体
への力の付加に伴い曲率半径が減少する屈曲部を前記第
２の凹部内に有するように配置し、前記力の付加に伴う
各屈曲部の曲率半径の増加又は減少による第１又は第２
の光ファイバそれぞれの透過光量の変化を検出するよう
にしている。これにより、１つの光ファイバループに対
して増加と減少が混在する従来の力センサよりも大きな
光量変化を検出できる上に、溝の傾斜により各屈曲部を
簡単に形成し得ると共に、形成される屈曲部による曲げ
検出の感度も向上する。

【００１１】また、本発明に係る力センサでは、弾性体
に曲げ変形する箇所を設けて、その部分に光ファイバを
固定することにより、弾性体の繰り返し性の良い曲げ変
形を光ファイバに伝えるようにしている。これにより、
センサとしての繰り返し性、耐久性の改善が図れる。即
ち、弾性体に曲げ変形する筒所を２ケ所以上設け、一方
は曲げの曲率半径が減少するもの、他方は曲げの曲率半
径が増加するものとし、それぞれの筒所に対して分離し
た光ファイバを固定し、透過光量の純粋な増加と減少の
変化をそれぞれ検出すれば、同一巻数の光ファイバルー
プに対して増加と減少が混在する従来の力センサよりも
大きな光量変化を検出でき、センサの感度を上げられ
る。

【００１２】更に、本発明に係る力センサでは、上記の
２本の光ファイバの内、例えば曲率半径が減少する筒所
に固定した側の光ファイバ出力を参照光として用い、曲
率半径が増加する側の光ファイバ出力との比、あるいは
光ファイバ出力と力が比例するような条件下では差を取
ることにより、センサの温度補償等の安定性の向上とセ
ンサ感度の向上の両者を同時に達成することができる。

【００１３】また、前記第１の光ファイバ及び前記第２
の光ファイバにおける前記屈曲部をそれぞれ前記第１又
は第２の凹部内で内側から傾斜方向に押し込むことによ
りセンサ感度を調節するようにしても良い。かかる調節
により前記弾性体の許容応力内において、同一の弾性体
で様々なセンサ定格に対応することも可能である。

【００１４】尚、前記弾性体は、各屈曲部の前記曲率半
径を増加又は減少し易くするための中空部を有するよう
にしても良い。これにより、かかる中空部が無い場合に
比べてセンサとしてより充分な感度で力の測定が可能と
なる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００１６】本発明の第１の実施の形態に係る力センサ
は、図１〜３に示すように、弾性体から成るビーム型ロ
ードセル１０と、このビーム型ロードセル１０にそれぞ
れ貼り付けられ相互に異なるループを構成する第１及び
第２の光ファイバ１１及び１２とを有する。

【００１７】ビーム型ロードセル１０は、図１及び図２
に示すように、固定用ボルト１４，１４により任意の固
定箇所１６に固定されて片持ち梁を構成し、その自由端
側には、被測定荷重が印加される所定の荷重作用点１８
が設けられている。従って、荷重作用点１８に上方向か
ら荷重が印加されると、ビーム型ロードセル１０は、上
面側が引っ張られ、下面側が圧縮される。ビーム型ロー
ドセル１０には、図１〜３に示すように、固定用ボルト
１４，１４による固定部と荷重作用点１８との間に、ビ
ーム型ロードセル１０の上下両面から幅方向に沿って段
差部２０Ａ、２０Ｂが形成されている。また、段差部２
０Ａと２０Ｂの間には、センシング部２０が設けられて
いる。このセンシング部２０の上面側には、図１〜３に
示すように、ビーム型ロードセル１０の幅方向に沿って
凹部２２が設けられている。一方、センシング部２０の
下面側にも、同様にビーム型ロードセル１０の幅方向に
沿って凹部２４が設けられている。また、センシング部
２０の内部には、図２及び図３に示すように、中空部分
２３が設けられ、この中空部分２３は、凹部２２及び２
４が薄肉状に構成されるように形成されている。即ち、
ここに、凹部２２及び２４は、ビーム型ロードセル１０
の上下両面の幅方向に沿ったそれぞれの凹みと中空部分
２３により画成される薄肉状の部分により構成されてい
る。凹部２２及び２４は、ビーム型ロードセル１０の上
下それぞれの面に対称に形成されており、従って、上述
した荷重作用点１８に上方向から荷重が印加されると、
凹部２２には引張応力が集中するのに対し、凹部２４に
は圧縮応力が集中する。

【００１８】一方、ビーム型ロードセル１０の上面側に
は、入力側と出力側のファイバ挿通溝２６Ａ，２６Ｂが
それぞれ形成されており、ファイバ挿通溝２６Ａ，２６
Ｂは、それぞれビーム型ロードセル１０の固定端側端面
に設けられた入出力端子２８Ａ，２８Ｂから、ビーム型
ロードセル１０の上面側の段差部２０Ａまでビーム型ロ
ードセル１０の上面に設けられている。また、ビーム型
ロードセル１０の下面側には、入力側と出力側のファイ
バ挿通溝３０Ａ，３０Ｂがそれぞれ形成されており、同
様に、ファイバ挿通溝３０Ａ，３０Ｂは、それぞれビー
ム型ロードセル１０の固定端側端面に設けられた入出力
端子３２Ａ，３２Ｂから、ビーム型ロードセル１０の下
面側の段差部２０Ａまでビーム型ロードセル１０の下面
に設けられている。

【００１９】更に、ビーム型ロードセル１０のセンシン
グ部２０の上面の入力側のファイバ挿通溝２６Ａに対応
する側には、上述した凹部２２を挟んで略ハの字状にな
るようにビーム型ロードセル１０の長さ方向に対して傾
斜させた２つの溝２１Ａ、２１Ｂが設けられている。ま
た、ビーム型ロードセル１０のセンシング部２０の上面
の出力側のファイバ挿通溝２６Ｂに対応する側には、凹
部２２を挟んで略ハの字状になるようにビーム型ロード
セル１０の長さ方向に対して傾斜させた２つの溝２１
Ｃ、２１Ｄが設けられている。尚、図１及び図３におい
て、溝２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄの幅は、光ファ
イバ１１をガタツキなく挿入できる寸法に加工されてい
る。また、各２つの溝２１Ａ、２１Ｂと２１Ｃ、２１Ｄ
は、図３に示すように、ビーム型ロードセル１０の長手
方向に対して角度θだけ傾斜するように設けられてい
る。

【００２０】一方、ビーム型ロードセル１０のセンシン
グ部２０の下面の入力側のファイバ挿通溝３０Ａに対応
する側には、上述した凹部２４を挟んで略ハの字状にな
るようにビーム型ロードセル１０の長さ方向に対して傾
斜させた２つの溝２５Ａ、２５Ｂが設けられている。ま
た、ビーム型ロードセル１０のセンシング部２０の下面
の出力側のファイバ挿通溝３０Ｂに対応する側には、凹
部２４を挟んで略ハの字状になるようにビーム型ロード
セル１０の長さ方向に対して傾斜させた２つの溝２５
Ｃ、２５Ｄが設けられている。尚、溝２５Ａ、２５Ｂ、
２５Ｃ、２５Ｄの幅も、光ファイバ１２をガタツキなく
挿入できる寸法に加工されている。また、各２つの溝２
５Ａ、２５Ｂと２５Ｃ、２５Ｄも、図示しないが、ビー
ム型ロードセル１０の長手方向に対して角度θだけ傾斜
するように設けられている。

【００２１】さて、第１の光ファイバ、即ち、引張側の
光ファイバ１１は、一端側が入力端子２８Ａに接続さ
れ、ファイバ挿通溝２６Ａを挿通して、ビーム型ロード
セル１０の上面側の段差部２０Ａを介して、略ハの字状
に傾斜させた２つの溝２１Ａ、２１Ｂと凹部２２を通し
た後、ビーム型ロードセル１０の上面側の段差部２０Ｂ
において半円状に周回した後、今度は、略ハの字状に傾
斜させた２つの溝２１Ｃ、２１Ｄと凹部２２を通した
後、再び、ビーム型ロードセル１０の上面側の段差部２
０Ａを介して、ファイバ挿通溝２６Ｂを挿通して、他端
側は出力端子２８Ｂに接続されている。この光ファイバ
１１は、入力側において、上記のように傾斜させた２つ
の溝２１Ａ、２１Ｂに沿って挿通されることにより、凹
部２２の略中央に形成される一の屈曲部と、該屈曲部
を、図３に矢印Ｙで示すように、曲げの内側から溝２１
Ａ、２１Ｂの傾斜方向に押し込みながら光ファイバ１１
を凹部２２に固定することにより凹部２２の両端部（エ
ッジ部分）にそれぞれ形成される二の屈曲部とを含む。
また、この光ファイバ１１は、出力側においても、上記
のように傾斜させた２つの溝２１Ｃ、２１Ｄに沿って挿
通されることにより、凹部２２の略中央に形成される一
の屈曲部と、該屈曲部を、図３に矢印Ｙ´で示すよう
に、曲げの内側から溝２１Ｃ、２１Ｄの傾斜方向に押し
込みながら光ファイバ１１を凹部２２に固定することに
より凹部２２の両端部（エッジ部分）にそれぞれ形成さ
れる二の屈曲部とを含む。

【００２２】また一方、第２の光ファイバ、即ち、圧縮
側の光ファイバ１２は、一端側が入力端子３２Ａに接続
され、ファイバ挿通溝３０Ａを挿通して、ビーム型ロー
ドセル１０の下面側の段差部２０Ａを介して、略ハの字
状に傾斜させた２つの溝２５Ａ、２５Ｂと凹部２４を通
した後、ビーム型ロードセル１０の下面側の段差部２０
Ｂにおいて半円状に周回した後、今度は、略ハの字状に
傾斜させた２つの溝２５Ｃ、２５Ｄと凹部２４を通した
後、再び、ビーム型ロードセル１０の下面側の段差部２
０Ａを介して、ファイバ挿通溝３０Ｂを挿通して、他端
側は出力端子３２Ｂに接続されている。この光ファイバ
１２は、入力側において、上記のように傾斜させた２つ
の溝２５Ａ、２５Ｂに沿って挿通されることにより、凹
部２４の略中央に形成される一の屈曲部と、該屈曲部
を、図示はしないが、曲げの内側から溝２５Ａ、２５Ｂ
の傾斜方向に押し込みながら光ファイバ１２を凹部２４
に固定することにより凹部２４の両端部（エッジ部分）
にそれぞれ形成される二の屈曲部とを含む。また、この
光ファイバ１２は、出力側においても、上記のように傾
斜させた２つの溝２５Ｃ、２５Ｄに沿って挿通されるこ
とにより、凹部２４の略中央に形成される一の屈曲部
と、該屈曲部を、図示はしないが、曲げの内側から溝２
５Ｃ、２５Ｄの傾斜方向に押し込みながら光ファイバ１
２を凹部２４に固定することにより凹部２４の両端部
（エッジ部分）にそれぞれ形成される二の屈曲部とを含
む。

【００２３】このように、光ファイバ１１及び１２は、
それぞれ上記のように挿通された後、接着剤等を用いて
各溝内や段差部内に貼り付けられることにより、固定さ
れる。

【００２４】尚、入出力端子２８Ａ，２８Ｂ及び３２
Ａ，３２Ｂは、光コネクタ等を用いて光源等からの光を
入射するための他の光ファイバや受光用の他の光ファイ
バと接続できる構成にすればよい。

【００２５】以上のように、本実施の形態の力センサで
は、曲げ変形を起こさせる箇所を弾性体梁を構成するビ
ーム型ロードセル１０の上下に設け、荷重作用点１８に
負荷させることにより、上部には引張（光ファイバ１１
の各屈曲部の曲率半径が大きくなる）、下部には圧縮
（光ファイバ１２の各屈曲部の曲率半径が小さくなる）
を発生できることにより、弾性体梁の繰り返し性の良い
曲げ変形を第１，第２の光ファイバ１１，１２に伝える
方式を採用できるので、前述した第１の従来例等に比べ
て、センサとしての繰り返し性、耐久性を大きく改善す
ることが可能である。更に、これらの引張、圧縮の変形
部に対して、第１，第２の光ファイバ１１，１２をそれ
ぞれビーム型ロードセル１０の外面から貼り付けること
ができるため、センサ製作の作業性も大幅に向上する。

【００２６】また、本実施の形態の力センサでは、第１
の光ファイバ（引張側の光ファイバ）１１と第２の光フ
ァイバ（圧縮側の光ファイバ）１２とは、それぞれビー
ム型ロードセル１０の上下両側（引張側と圧縮側）にお
いて別個のループを構成するように設けられている。従
って、１つの光ファイバループに対して増加と減少が混
在する前述した第２の従来例等に比べて、より大きな光
量変化を検出できる。即ち、弾性体梁に曲げ変形する筒
所を２ケ所以上設け、一方は曲げの曲率半径が減少する
もの、他方は曲げの曲率半径が増加するものとし、それ
ぞれの筒所に対して分離した光ファイバ１１と１２を貼
り付けるので、透過光量の純粋な増加と減少の変化をそ
れぞれ検出し得ることとなり、同一巻数の光ファイバル
ープに対して増加と減少が混在する第２の従来例等の力
センサよりも大きな光量変化を検出でき、センサとして
の感度を大きく高めることができる。

【００２７】更に、弾性体梁を構成するビーム型ロード
セル１０には、中空部分２３が設けられているので、か
かる中空部分が無い場合に比べてセンサとしてより充分
な感度で力の測定が可能となる。

【００２８】尚、以上の実施形態において、ビーム型ロ
ードセル１０の材料としては、アルミニウム材、ステン
レス材、スチール（鋼）材等様々な材料を用いることが
できる。第１及び第２の光ファイバ１１と１２には、損
失及び感度が大きいことからシングルモードのものを用
いたが、マルチモードのものを使用することも可能であ
る。また、第１及び第２の光ファイバ１１と１２は、コ
アとクラッドから成るグラスファイバ素線にポリイミド
コーティングを施したものを用いた。これは、軟らかい
被覆が付いたものを弾性体（ビーム型ロードセル１０）
に貼り付けると、被覆材が弾性体の曲げを一部吸収して
しまう虞れがあるので、このような被覆材の影響を避け
るため、コアとクラッドから成る素線に比較的硬いポリ
イミドコーティングを施したものを、接着剤を用いて弾
性体に貼り付けるようにした。尚、クラッド径が１２５
μｍで、ポリイミドコーティング層を加えて１５０〜２
５０μｍ程度のファイバを用いた。ポリイミドコーティ
ング層は、接着剤を用いて弾性体にも貼り付け易いので
好適である。

【００２９】尚、上述したように、光ファイバ１１は、
入力側において、傾斜させた２つの溝２１Ａ、２１Ｂに
沿って挿通されることにより、凹部２２の略中央に形成
される一の屈曲部と、該屈曲部を曲げの内側から溝２１
Ａ、２１Ｂの傾斜方向に押し込みながら光ファイバ１１
を凹部２２に固定することにより凹部２２の両端部（エ
ッジ部分）にそれぞれ形成される二の屈曲部とを含み、
更に、出力側においても、傾斜させた２つの溝２１Ｃ、
２１Ｄに沿って挿通されることにより、凹部２２の略中
央に形成される一の屈曲部と、該屈曲部を曲げの内側か
ら溝２１Ｃ、２１Ｄの傾斜方向に押し込みながら光ファ
イバ１１を凹部２２に固定することにより凹部２２の両
端部（エッジ部分）にそれぞれ形成される二の屈曲部と
を含む。また、光ファイバ１２は、入力側において、傾
斜させた２つの溝２５Ａ、２５Ｂに沿って挿通されるこ
とにより、凹部２４の略中央に形成される一の屈曲部
と、該屈曲部を曲げの内側から溝２５Ａ、２５Ｂの傾斜
方向に押し込みながら光ファイバ１２を凹部２４に固定
することにより凹部２４の両端部（エッジ部分）にそれ
ぞれ形成される二の屈曲部とを含み、出力側において
も、傾斜させた２つの溝２５Ｃ、２５Ｄに沿って挿通さ
れることにより、凹部２４の略中央に形成される一の屈
曲部と、該屈曲部を曲げの内側から溝２５Ｃ、２５Ｄの
傾斜方向に押し込みながら光ファイバ１２を凹部２４に
固定することにより凹部２４の両端部（エッジ部分）に
それぞれ形成される二の屈曲部とを含む。

【００３０】このように、本実施形態では、入力側と出
力側の双方において、凹部２２内に溝の傾斜により形成
される一の屈曲部を、各２つの溝の傾斜方向に押し込み
ながら接着固定することにより、凹部２２内の光ファイ
バ１１のエッジ部分にも、それぞれ二の屈曲部を形成し
得る。また、同様に、入力側と出力側の双方において、
凹部２４内に溝の傾斜により形成される一の屈曲部を、
各２つの溝の傾斜方向に押し込みながら接着固定するこ
とにより、凹部２４内の光ファイバ１２のエッジ部分に
も、それぞれ二の屈曲部を形成し得る。これにより、ビ
ーム型ロードセル１０の上面側（引張側）と下面側（圧
縮側）の両方とも、検出感度を著しく向上させることが
可能である。即ち、凹部２２又は２４内の光ファイバの
エッジ部分にも、入力側と出力側の双方ともそれぞれ二
のマイクロベンド（屈曲部）が形成され、これらのマイ
クロベンド（屈曲部）も、引張りの場合に曲率半径が増
加し、圧縮の場合には曲率半径が減少する。特に、これ
らのマイクロベンド（屈曲部）の曲率半径は、その形状
からも、引張又は圧縮に対して敏感に反応する。従っ
て、凹部２２又は２４内に溝の傾斜により形成される屈
曲部と相俟って、力センサの検出感度を大きく向上させ
得る。この点に着目すれば、この力センサは、ビーム型
ロードセル１０の上面側（引張側）において、２つの溝
２１Ａ、２１Ｂ又は２１Ｃ、２１Ｄをビーム型ロードセ
ル１０の長手方向に対して傾斜させることで、光ファイ
バ１１に凹部２２内の屈曲部を形成した上に、更に、こ
の屈曲部を幅方向に押しながら、光ファイバ１１を２つ
の溝２１Ａ、２１Ｂ又は２１Ｃ、２１Ｄ内に接着固定す
ることで、凹部２２のエッジ部分にもマイクロベンド
（屈曲部）を簡単に形成することができる。また、ビー
ム型ロードセル１０の下面側（圧縮側）において、２つ
の溝２５Ａ、２５Ｂ又は２５Ｃ、２５Ｄをビーム型ロー
ドセル１０の長手方向に対して傾斜させることで、光フ
ァイバ１２に凹部２４内の屈曲部を形成した上に、更
に、この屈曲部を幅方向に押しながら、光ファイバ１２
を２つの溝２５Ａ、２５Ｂ又は２５Ｃ、２５Ｄ内に接着
固定することで、凹部２４のエッジ部分にもマイクロベ
ンド（屈曲部）を簡単に形成することができる。

【００３１】また、光ファイバ１１及び光ファイバ１２
における溝の傾斜により凹部２２又は２４内に形成され
る屈曲部をそれぞれ内側から傾斜方向に押し込むことに
よりセンサ感度を調節するようにしても良い。かかる調
節により弾性体としての許容応力内において同一のビー
ム型ロードセル１０で様々なセンサ定格に対応すること
も可能である。

【００３２】本実施形態の力センサについて、その効果
を確認するため以下のような実験を行った。即ち、上述
した各２つの溝のビーム型ロードセル１０の長手方向に
対する傾斜角度θを、図３に示すように、６度（６ ｄ
ｅｇ）とした本実施形態の力センサを、図４に示す実験
装置を用い、載荷する荷重を増加させていき、下記のよ
うに測定データの解析を行った。

【００３３】即ち、上下２箇所（引張側・圧縮側）の屈
曲部からの任意の負荷Ｗでの光強度出力をＩ上（Ｗ）、
Ｉ下（Ｗ）［単位はＷ（ワット）、ｄＢ換算ではない］
とし、まず、上下２箇所の屈曲部からの出力を除算し、
Ｅ（Ｗ）＝Ｉ上（Ｗ）／Ｉ下（Ｗ）を求め、このＥ
（Ｗ）を無負荷時の値で規格化し、Ｓ（Ｗ）＝Ｅ（Ｗ）
／Ｅ（０）を、各荷重ごとに求めた。

【００３４】比較例として、本発明者等が以前に考案し
た力センサを用いて同様の実験を行った。ここで、この
比較例に用いた力センサの構成等につき簡単に紹介して
おく。この比較例に係る力センサは、図５及び図６に示
すように、第１の光ファイバ（引張側の光ファイバ）１
１と第２の光ファイバ（圧縮側の光ファイバ）１２と
が、それぞれビーム型ロードセル１０の上下両側（引張
側と圧縮側）において別個のループを構成するように設
けられているのは、本実施形態の力センサと同様である
が、その屈曲部は、図６に示すように、ビーム型ロード
セル１０の上下それぞれの面に対称に形成されたアール
部２２、２４に沿って上下方向にのみ形成されている。
即ち、図５に示すように、センシング部２０には、傾斜
させた溝等は設けられておらず、従って、かかる溝の傾
斜を利用した屈曲部も存在しない。尚、図５及び図６に
おいて、本実施形態の力センサと同様の部分は、同様の
参照符号で示す。

【００３５】本実施形態の力センサによる上記実験結果
を図７に、比較例による上記実験結果を図８に示す。図
７及び図８から明らかなように、本実施形態及び比較例
共に、負荷の増加に応じて出力も略直線的に変化してお
り、増幅器等を用いて出力を増幅すればセンサとして充
分に実用に耐え得ることが分かる。しかしながら、図８
に示すように、比較例では、負荷が２ｋｇ増加した場合
でも出力比は約０．００５増加するのに過ぎないのに対
し、本実施形態では、負荷が２ｋｇ増加した場合には出
力比は約０．０２以上増加している。このように、本実
施形態では、比較例の４倍以上のセンサ感度を得られる
ことが確認された。

【００３６】これは、ビーム型ロードセル１０における
曲げ変形による引張及び圧縮は、その軸方向における引
張及び圧縮と略等価に解されるから、本実施形態におけ
る溝の傾斜を利用した屈曲部が、この検出感度を向上す
るのに寄与したものと考えられる。以上のように、本実
施形態によれば、検出感度が大変優れた力センサを得る
ことが可能である。

【００３７】図９に、本発明の第２の実施の形態とし
て、図１〜３に示した力センサを用いた力測定システム
を示す。この第２の実施の形態に係る力測定システム
は、図９に示すように、上述した弾性体梁を構成するビ
ーム型ロードセル１０の上下に第１，第２の光ファイバ
１１，１２をそれぞれ貼り付けたセンサ部４０と、第１
及び第２の光ファイバ１１，１２それぞれの一端側から
光を入射する光入射部４２と、第１及び第２の光ファイ
バ１１，１２それぞれの他端側から出射される透過光量
を検出し演算する透過光量検出演算部４４とを備えてい
る。

【００３８】センサ部４０は、上記第１の実施の形態に
係る力センサそのものであるので、その説明を省略す
る。光入射部４２は、光源４２Ａと、２×２カップラ４
２Ｂと、上述した入力端子２８Ａ，３２Ａを介してそれ
ぞれ第１及び第２の光ファイバ１１，１２の一端側と接
続される（伝送路としての）光ファイバケーブル４２
Ｃ，４２Ｄから構成されている。尚、光源４２Ａには、
発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたが、レーザダイオー
ド（ＬＤ）を用いることができるのは勿論である。

【００３９】また、透過光量検出演算部４４は、第１及
び第２のフォトダイオード（ＰＤ）４４Ａ及び４４Ｂ
と、これらＰＤ４４Ａ，４４Ｂそれぞれの出力を増幅す
る第１及び第２の増幅器４４Ｃ及び４４Ｄと、これら第
１及び第２の増幅器４４Ｃ，４４Ｄそれぞれの出力信号
を比較し、その差分から荷重を表す信号を算出する演算
回路４４Ｅと、この演算回路４４Ｅの出力信号をモニタ
して荷重を表示する出力モニタ４４Ｆと、上述した出力
端子２８Ｂ，３２Ｂを介してそれぞれ第１及び第２の光
ファイバ１１，１２の他端側と接続される（伝送路とし
ての）光ファイバケーブル４４Ｇ，４４Ｈから構成され
ている。

【００４０】以上の構成を有する本実施の形態の力測定
システムでは、光源４２Ａから出射された光を２×２カ
ップラ４２Ｂにより２つに分け、一方を光ファイバケー
ブル４２Ｃを介してセンサ部４０の引張側の曲げ検出部
に、もう一方を光ファイバケーブル４２Ｄを介してセン
サ部４０の圧縮側の曲げ検出部に入力する。センサ部４
０の出力は引張側を光ファイバケーブル４４Ｇ、圧縮側
を光ファイバケーブル４４Ｈを介して、それぞれ別個に
第１，第２のＰＤ（フォトダイオード）４４Ａ，４４Ｂ
で電気信号に変換し、第１，第２の増幅器４４Ｃ，４４
Ｄで増幅した後、演算回路４４Ｅに送り物理量の出力を
得て出力モニタ４４Ｆによりモニタされる。このよう
に、本第３の実施の形態に係る力測定システムでは、セ
ンサ部４０における第１の光ファイバ１１から成る引張
側の曲げ検出のル一プと、第２の光ファイバから成る圧
縮側の曲げ検出のル一プそれぞれの透過光量の変化を検
出し演算することにより力の大きさを算出するので、力
の大きさを感度良く測定し得る。 尚、以上の実施形態
では、第１及び第２の光ファイバ１１，１２を伝送用の
他の光ファイバ（ケーブル）４２Ｃ及び４２Ｄ、また４
４Ｇ及び４４Ｈと接続するようにしたが、伝送用の他の
光ファイバを設けずに、第１及び第２の光ファイバ１
１，１２に長さの大きいものを用いて、直接、２×２カ
ップラ４２Ｂや第１及び第２のフォトダイオード４４
Ａ，４４Ｂ等に接続する構成としてもよい。

【００４１】以上、本発明を特定の実施形態について述
べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、特許
請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態
についても適用される。

【００４２】例えば、上述した実施形態では、弾性体梁
の外表面に形成した溝内に光ファイバを挿通させて貼り
付ける構造としたが、溝の替わりに弾性体梁の内部に貫
通孔を形成し、該貫通孔内に光ファイバを挿通させた上
で貼り付けるようにしても良い。この場合、弾性体梁の
長さ方向に対して略ハの字状に傾斜させた２つの貫通孔
を挿通させた光ファイバを両貫通孔間の凹部で屈曲部を
形成した上で貼り付けるようにすれば良い。

【００４３】更に、以上の実施形態では、弾性体を片持
ち梁状のものとしたが、例えば、両端支持梁状のものと
しても良い。この場合には、例えば、荷重作用点を中心
に左右対象にロードセルを形成してその両端を固定し、
荷重作用点を中心に対象に光ファイバの屈曲部を設ける
ようにすれば良い。その他、特許請求の範囲に記載され
た構成を含む限り、例えば、引張用や圧縮用等、他の様
々なロードセルにも拡張が可能である。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光ファイバを用いたセンサのメリットを確保しつつ、従
来の屈曲型の光ファイバセンサが有していた不安定さの
改善が図れる。即ち、無誘導性、防爆性、耐腐食性を備
え、航空機・船舶・橋梁・原子炉等の健全性監視（ヘル
スモニタリング）、及び電磁波の影響があり電気抵抗ひ
ずみゲージが利用できない環境下での力測定等に用いる
のに好適な力センサ及びそれを用いた力測定システムを
提供することができ、この方式の応用は、多くの力セン
サ（荷重変換器、圧力計、加速度計）、ひずみ計、変位
計等にも拡張が可能である。

【００４５】また、本発明の力センサでは、弾性体への
力の付加に伴い曲率半径が増加又は減少する第１及び第
２の光ファイバそれぞれの透過光量の変化を検出するの
で、１つの光ファイバループに対して増加と減少が混在
する従来の力センサよりも大きな光量変化を検出でき、
センサとしての感度の向上が可能である。更に、弾性体
に曲げ変形する箇所を設け、その部分に光ファイバを貼
り付けることにより、弾性体の繰り返し性の良い曲げ変
形を光ファイバに伝えることができるので、センサとし
ての繰り返し性、耐久性の改善が図れる。更にまた、本
発明に係る力測定システムによれば、例えば曲率半径が
減少する筒所に貼った光ファイバ側出力を参照光として
用い、曲率半径が増加する光ファイバ側出力との比、あ
るいは光ファイバ出力と力が比例するような条件下では
差を取ることにより、センサの温度補償等の安定性の向
上とセンサ感度の向上の両者を同時に達成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る力センサの平
面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る力センサの側
面図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る力センサにお
けるセンシング部の詳細拡大図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態に係る力センサの効
果を確認した実験装置の概要を示す図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態に係る力センサの効
果を確認する実験において比較例として用いた力センサ
の平面図である。

【図６】本発明の第１の実施の形態に係る力センサの効
果を確認する実験において比較例として用いた力センサ
のセンシング部の詳細拡大図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態に係る力センサの効
果を確認する実験において、本発明の第１の実施の形態
に係る力センサにおける負荷と出力比の関係を示すグラ
フである。

【図８】本発明の第１の実施の形態に係る力センサの効
果を確認する実験において、比較例として用いた力セン
サにおける負荷と出力比の関係を示すグラフである。

【図９】本発明の第２の実施の形態に係る力測定システ
ムの構成を示す機能ブロック図である。

【図１０】第１の従来例に係る力センサの構成を示す図
である。

【図１１】第２の従来例に係る力センサの構成を示す図
である。

【符号の説明】

１０ ビーム型ロードセル １１ 第１の光ファイバ １２ 第２の光ファイバ １４ 固定用ボルト １６ 固定箇所 １８ 荷重作用点 ２０ センシング部 ２０Ａ 段差部 ２０Ｂ 段差部 ２１Ａ （略ハの字状に傾斜させた）溝 ２１Ｂ （略ハの字状に傾斜させた）溝 ２１Ｃ （略ハの字状に傾斜させた）溝 ２１Ｄ （略ハの字状に傾斜させた）溝 ２２ 凹部 ２３ 中空部分 ２４ 凹部 ２５Ａ （略ハの字状に傾斜させた）溝 ２５Ｂ （略ハの字状に傾斜させた）溝 ２５Ｃ （略ハの字状に傾斜させた）溝 ２５Ｄ （略ハの字状に傾斜させた）溝 ２６Ａ ファイバ挿通溝 ２６Ｂ ファイバ挿通溝 ２８Ａ 入力端子 ２８Ｂ 出力端子 ３０Ａ ファイバ挿通溝 ３０Ｂ ファイバ挿通溝 ３２Ａ 入力端子 ３２Ｂ 出力端子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体と、該弾性体の第１の面側にその
   幅方向に沿って設けられた第１の凹部を挟んで略ハの字
   状になるように前記弾性体の長さ方向に対して傾斜させ
   た少なくとも２つの第１の溝を設け、該２つの第１の溝
   に配置され該２つの第１の溝の傾斜により前記第１の凹
   部内に前記弾性体への力の付加に伴い曲率半径が増加す
   る第１の屈曲部を有する第１の光ファイバと、前記弾性
   体の前記第１の面と対向する第２の面側にその幅方向に
   沿って設けられた第２の凹部を挟んで略ハの字状になる
   ように前記弾性体の長さ方向に対して傾斜させた少なく
   とも２つの第２の溝を設け、該２つの第２の溝に配置さ
   れ該２つの第２の溝の傾斜により前記第２の凹部内に前
   記力の付加に伴い曲率半径が減少する第２の屈曲部を有
   する第２の光ファイバとを備え、前記力の付加に伴う各
   屈曲部の曲率半径の増加又は減少による第１又は第２の
   光ファイバそれぞれの透過光量の変化を検出することに
   より、前記弾性体へ付加された力を測定し得ることを特
   徴とする力センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の力センサにおいて、前記
   第１の屈曲部は、前記弾性体の長さ方向に対して傾斜さ
   せた少なくとも２つの第１の溝に沿って前記第１の光フ
   ァイバを配置することにより、前記第１の凹部の略中央
   に形成される一の屈曲部と、該一の屈曲部を内側から傾
   斜方向に押し込みながら前記第１の光ファイバを前記２
   つの第１の溝内に固定することにより前記第１の凹部の
   両端部にそれぞれ形成される二の屈曲部とを含み、前記
   第２の屈曲部は、前記弾性体の長さ方向に対して傾斜さ
   せた少なくとも２つの第２の溝に沿って前記第２の光フ
   ァイバを配置することにより、前記第２の凹部の略中央
   に形成される一の屈曲部と、該一の屈曲部を内側から傾
   斜方向に押し込みながら前記第２の光ファイバを前記２
   つの第２の溝内に固定することにより前記第２の凹部の
   両端部にそれぞれ形成される二の屈曲部とを含むことを
   特徴とする力センサ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の力センサにおい
   て、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバに
   おける前記一の屈曲部をそれぞれ内側から傾斜方向に押
   し込むことによりセンサ感度の調節が可能であり、該調
   節により前記弾性体の許容応力内において、同一の弾性
   体で複数のセンサ定格に対応し得ることを特徴とする力
   センサ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載の力センサにおい
   て、前記弾性体は、前記各屈曲部の前記曲率半径を増加
   又は減少し易くするための中空部を有することを特徴と
   する力センサ。
5. 【請求項５】 弾性体と、該弾性体の第１の面側にその
   幅方向に沿って設けられた第１の凹部を挟んで略ハの字
   状になるように前記弾性体の長さ方向に対して傾斜させ
   た少なくとも２つの第１の溝を設け、該２つの第１の溝
   に配置され該２つの第１の溝の傾斜により前記第１の凹
   部内に前記弾性体への力の付加に伴い曲率半径が増加す
   る第１の屈曲部を有する第１の光ファイバと、前記弾性
   体の前記第１の面と対向する第２の面側にその幅方向に
   沿って設けられた第２の凹部を挟んで略ハの字状になる
   ように前記弾性体の長さ方向に対して傾斜させた少なく
   とも２つの第２の溝を設け、該２つの第２の溝に配置さ
   れ該２つの第２の溝の傾斜により前記第２の凹部内に前
   記力の付加に伴い曲率半径が減少する第２の屈曲部を有
   する第２の光ファイバとを備えるセンサ部と、 前記第１及び第２の光ファイバそれぞれの一端側から光
   を入射する光入射部と、 前記第１及び第２の光ファイ
   バそれぞれの他端側から出射される透過光量を検出し演
   算する透過光量検出演算部とを備え、 前記光入射部から前記第１及び第２の光ファイバそれぞ
   れに光を入射し、 前記センサ部における前記弾性体への力の付加に伴う前
   記第１及び第２の屈曲部における曲げ損失の減少又は増
   加に基づき、 前記透過光量検出演算部が前記第１及び第２の光ファイ
   バそれぞれの他端側から出射される透過光量の増加又は
   減少をそれぞれ検出し該透過光量の増加と減少の双方を
   用いて前記弾性体へ付加された力の大きさを算出するこ
   とを特徴とする力測定システム。