JP2005265434A - Stereoscopic structure and shape measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は立体構造物および形状測定装置に関し、特に、光ファイバセンサを有する立体構造物および形状測定装置に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional structure and a shape measuring apparatus, and more particularly to a three-dimensional structure and a shape measuring apparatus having an optical fiber sensor.
光ファイバセンサは、例えば埋め込み可能という特徴を有しており、この特徴を活かして、複合材料の構造健全性をモニタリングするのに光ファイバセンサを用いた測定方法が開発されている。
中でも、BOTDRとFBGと呼ばれるセンサシステムを用いた損傷モニタリング測定が開発されている。
An optical fiber sensor has a feature that it can be embedded, for example. Taking advantage of this feature, a measurement method using an optical fiber sensor has been developed to monitor the structural integrity of a composite material.
Among them, damage monitoring measurement using a sensor system called BOTDR and FBG has been developed.
BOTDR(Brillouin Time Domain Reflectometer)は、分布型ネットワーク計測として、ブリルアン散乱光を時間分解で測定する方法である。これは、光ファイバの長さ方向に伸長させようと力を印加すると、光ファイバ内部に生じる超音波で散乱される光の波長がシフトする現象を利用したものである。 BOTDR (Brillouin Time Domain Reflectometer) is a method for measuring Brillouin scattered light by time resolution as distributed network measurement. This utilizes a phenomenon in which the wavelength of light scattered by ultrasonic waves generated inside the optical fiber shifts when a force is applied to extend the optical fiber in the length direction.
一方、FBG(Fiber Bragg Grating)の場合は、光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を与え、その周期に対応した波長がブラッグ回折により反射される現象を利用したものである。 On the other hand, in the case of FBG (Fiber Bragg Grating), a phenomenon that a periodic refractive index change is given to the core of the optical fiber and a wavelength corresponding to the period is reflected by Bragg diffraction is used.
ところで、皮膚の触覚を実現するために必要な物理量は、(1)機械変形、(2)温度、(3)化学的作用の3種類である。この中の機械変形について、皮膚の触覚を実現するためには1mmの空間解像度が必要であると考えられている(非特許文献1参照)。
MEMS技術を利用した少数配線あるいは無配線の触覚デバイスも知られている(特許文献1参照)。弾性体の内部に無配線で電力の供給と信号の電送が可能なセンサチップが埋め込まれて構成されている。触覚機能を向上させるためにはセンサの高密度実装が必要であり、電源配線や埋め込み配線の観点から実現が困難であったが、特許文献1記載の技術を用いることで、多数のセンサを配置することが容易となる。
By the way, there are three types of physical quantities necessary for realizing the tactile sensation of the skin: (1) mechanical deformation, (2) temperature, and (3) chemical action. Regarding the mechanical deformation in this, it is considered that a spatial resolution of 1 mm is necessary in order to realize the tactile sensation of the skin (see Non-Patent Document 1).
A tactile device with a small number of wires or no wires using the MEMS technology is also known (see Patent Document 1). A sensor chip capable of supplying power and transmitting signals without wiring is embedded in the elastic body. In order to improve the tactile function, high-density mounting of sensors is necessary, and it was difficult to realize from the viewpoint of power supply wiring and embedded wiring. However, by using the technique described in Patent Document 1, a large number of sensors are arranged. Easy to do.
また、上記の光ファイバセンサに関して、いわゆるヘテロコア部をセンサとして用いる構成が特許文献2および特許文献3に記載されている。
Moreover, regarding the optical fiber sensor described above,
しかしながら、上記の各センサは以下のような問題点を有していた。
BOTDRは微弱な光を測定する必要があるため、計測に時間がかかり、リアルタイム性に欠け、システムはより複雑となり、高価となってくる。
FBGでは、ファイバ上に波長程度の精密な周期的屈折率分布を形成するために赤外線レーザ干渉法を用いることから、センサ部分の製作が複雑で製造コストが高いという欠点がある。
また、皮膚感覚センサとしては、センサチップは小さいもので硬く、皮膚のような柔らかさを保てない。また、無線センシングではノイズが大きくなるという問題がある。
さらに、BOTDRとFBGは、温度依存性を有するため、温度補償の別の工夫を必要とする。
また、特許文献2および特許文献3に記載の構成では、3次元物体の形状などを計測することはできない。
Since BOTDR needs to measure weak light, it takes time to measure, lacks real-time properties, makes the system more complicated and expensive.
In FBG, since infrared laser interferometry is used to form a precise periodic refractive index distribution of about the wavelength on the fiber, there is a drawback that the manufacturing of the sensor portion is complicated and the manufacturing cost is high.
Moreover, as a skin sensor, a sensor chip is small and hard, and cannot maintain softness like skin. In addition, wireless sensing has a problem that noise increases.
Furthermore, since BOTDR and FBG have temperature dependence, another device for temperature compensation is required.
Further, with the configurations described in
解決しようとする問題点は、立体構造物または形状測定対象物の形状や形状の変化などの計測を安価なシステムでリアルタイム性をもって行うことが困難であったという点である。 The problem to be solved is that it is difficult to measure the shape of a three-dimensional structure or a shape measurement object, such as a change in shape, in real time with an inexpensive system.
本発明の立体構造物は、立体構造物本体と、コアおよびコアの外周に積層されたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有し、当該センサ部が前記立体構造物本体の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されるように、前記立体構造物本体の表層部分に埋め込まれ、あるいは当該表面上に設けられた複数本の光ファイバと、前記光ファイバの入射端に対する入射光を出射する光源と、前記センサ部を介して前記光ファイバの出射端から出射される光を検出する受光部とを有する。 The three-dimensional structure of the present invention includes a three-dimensional structure main body, a core and a clad laminated on the outer periphery of the core, and includes a sensor unit that enables interaction with a part of the outside of the transmitted light. A plurality of sensors embedded in the surface layer portion of the three-dimensional structure body or provided on the surface so that the sensor unit is two-dimensionally arranged at a plurality of positions on the surface constituting the surface of the three-dimensional structure body. An optical fiber; a light source that emits incident light to an incident end of the optical fiber; and a light receiving unit that detects light emitted from the exit end of the optical fiber via the sensor unit.
上記の本発明の立体構造物は、立体構造物本体の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されるように、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部が設けられている。これらのセンサ部を有する複数本の光ファイバに光を入射する光源と光ファイバからの光を検出する受光部とをさらに有する構成である。 The above-described three-dimensional structure of the present invention is a sensor that enables interaction with a part of the transmitted light to be externally arranged so as to be two-dimensionally arranged in a two-dimensional manner on the surface constituting the surface of the three-dimensional structure main body. Is provided. It is the structure which further has the light source which injects light into the several optical fiber which has these sensor parts, and the light-receiving part which detects the light from an optical fiber.
上記の本発明の立体構造物は、好適には、前記センサ部は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であり、前記光ファイバの中途部に融着接合されてなる構成である。
あるいは好適には、前記センサ部は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材が前記光ファイバの中途部に融着接合されてなる構成である。
あるいは、好適には、前記センサ部は、前記光ファイバのクラッドが除去された構成である。
In the above-described three-dimensional structure of the present invention, preferably, the sensor unit is a hetero-core unit having a core diameter different from the core diameter of the optical fiber, and is fusion-bonded to a middle part of the optical fiber. It is.
Alternatively, preferably, the sensor unit has a configuration in which a light transmission member having a refractive index equivalent to the refractive index of the core of the optical fiber or the refractive index of the clad is fused and joined to the middle part of the optical fiber. .
Alternatively, preferably, the sensor unit has a configuration in which the clad of the optical fiber is removed.
上記の本発明の立体構造物は、好適には、前記センサ部は、前記立体構造物の表面を構成する複数の曲面あるいは平面において2次元的に複数箇所配置されている。 In the above-described three-dimensional structure of the present invention, preferably, the sensor section is two-dimensionally arranged on a plurality of curved surfaces or planes constituting the surface of the three-dimensional structure.
上記の本発明の立体構造物は、好適には、前記光ファイバは、前記立体構造物本体の表面を構成する面において第1の方向に沿って配置された第1系統と、前記第1の方向と異なる第2の方向に沿って配置された第2系統を有する。 In the above three-dimensional structure of the present invention, preferably, the optical fiber includes a first system arranged along a first direction on a surface constituting the surface of the three-dimensional structure main body, and the first It has the 2nd system arranged along the 2nd direction different from a direction.
上記の本発明の立体構造物は、好適には、前記センサ部は、前記立体構造物本体の表面を構成する面において第1の密度で配置された第1領域と、前記第1の密度と異なる第2の密度で配置された第2領域を有する。 In the above-described three-dimensional structure of the present invention, preferably, the sensor unit has a first region arranged at a first density on a surface constituting a surface of the three-dimensional structure main body, and the first density. It has 2nd area | region arrange | positioned by different 2nd density.
上記の本発明の立体構造物は、好適には、前記光源からの光を複数に分岐して前記複数本の光ファイバの一本毎に切り替えて入射する光切替え器あるいは前記複数本の光ファイバのそれぞれに入射する光分岐器をさらに有する。 The above three-dimensional structure of the present invention is preferably an optical switch that splits light from the light source into a plurality of beams and switches each of the plurality of optical fibers, or the plurality of optical fibers. The optical branching device is further provided for each of the optical branching devices.
上記の本発明の立体構造物は、好適には、前記受光部が前記複数本の光ファイバの出射端から出射される光を順次あるいは同時に測定する受光素子列である。 The above-described three-dimensional structure of the present invention is preferably a light receiving element array in which the light receiving unit measures light emitted from the emission ends of the plurality of optical fibers sequentially or simultaneously.
上記の本発明の立体構造物は、好適には、前記センサ部が、前記立体構造物本体の外界からの圧力分布、形状および/あるいはそれらの変化を検知する。
あるいは好適には、前記センサ部が、前記立体構造物と接触する液体の有無、種類および/あるいはその濃度を検知する。
In the above-described three-dimensional structure of the present invention, preferably, the sensor unit detects the pressure distribution, shape and / or change thereof from the outside of the three-dimensional structure main body.
Alternatively, preferably, the sensor unit detects the presence / absence, type and / or concentration of the liquid in contact with the three-dimensional structure.
また、本発明の形状計測装置は、形状測定対象物の形状を測定する形状測定装置であって、コアおよびコアの外周に積層されたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有し、当該センサ部が前記形状測定対象物の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されるように、前記形状測定対象物の表面上に設けられた複数本の光ファイバと、前記光ファイバの入射端に対する入射光を出射する光源と、前記センサ部を介して前記光ファイバの出射端から出射される光を検出する受光部とを有する。 The shape measuring device of the present invention is a shape measuring device for measuring the shape of a shape measuring object, and includes a core and a clad laminated on the outer periphery of the core, and a mutual relationship between a part of transmitted light and the outside world. A sensor unit that enables operation, and the sensor unit is provided on the surface of the shape measurement object so that the sensor unit is two-dimensionally arranged on a surface constituting the surface of the shape measurement object. A plurality of optical fibers, a light source that emits incident light to the incident end of the optical fiber, and a light receiving unit that detects light emitted from the exit end of the optical fiber via the sensor unit.
上記の発明の形状計測装置は、形状測定対象物の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されるように、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部が設けられている。これらのセンサ部を有する複数本の光ファイバに光を入射する光源と光ファイバからの光を検出する受光部とをさらに有する構成である。 The shape measuring device of the above invention is a sensor unit that enables interaction with a part of the transmitted light to be externally arranged so as to be two-dimensionally arranged on a surface constituting the surface of the shape measuring object. Is provided. It is the structure which further has the light source which injects light into the several optical fiber which has these sensor parts, and the light-receiving part which detects the light from an optical fiber.
上記の発明の形状計測装置は、好適には、前記センサ部が、前記形状測定対象物の外界からの圧力分布、形状および/あるいはそれらの変化を検知する。 In the shape measuring apparatus of the above invention, preferably, the sensor unit detects the pressure distribution, shape and / or change thereof from the outside of the shape measuring object.
本発明の立体構造物は、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部が立体構造物本体の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されているので、3次元物体の形状や形状の変化の計測を安価なシステムでリアルタイム性をもって行うことができる。 Since the three-dimensional structure of the present invention has a plurality of two-dimensionally arranged sensor parts on the surface constituting the surface of the three-dimensional structure main body, which allows the interaction of a part of the transmitted light with the outside world. It is possible to measure the shape of a three-dimensional object and the change of the shape with an inexpensive system in real time.
また、本発明の形状測定装置は、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部が形状測定対象物の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されているので、3次元物体の形状や形状の変化の計測を安価なシステムでリアルタイム性をもって行うことができる。 Further, in the shape measuring apparatus of the present invention, a plurality of sensor portions that enable interaction with a part of the transmitted light with the outside world are two-dimensionally arranged on the surface constituting the surface of the shape measuring object. Therefore, it is possible to measure the shape of the three-dimensional object and the change of the shape with an inexpensive system in real time.
以下に、本発明の立体構造物および形状測定装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a three-dimensional structure and a shape measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
第1実施形態
図1は本実施形態に係る立体構造物の構成を示す模式図である。
本実施形態に係る立体構造物は、コアおよびコアの外周に積層されたクラッドを備えた複数本の光ファイバ(20a,20b)が立体構造物本体10の表層部分に埋め込まれ、あるいは表面上に設けられている。光ファイバ(20a,20b)は、例えばコア径9μmのシングルモードファイバである。
光ファイバ(20a,20b)の中途部には、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部SPが設けられており、このセンサ部SPが立体構造物本体10の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されている。
First Embodiment FIG. 1 is a schematic view showing the structure of a three-dimensional structure according to this embodiment.
In the three-dimensional structure according to the present embodiment, a plurality of optical fibers (20a, 20b) having a core and a clad laminated on the outer periphery of the core are embedded in the surface layer portion of the three-
In the middle of the optical fiber (20a, 20b), a sensor part SP that enables interaction with a part of the transmitted light is provided. The sensor part SP is a surface of the three-dimensional structure
また、光ファイバの入射端に対する入射光を出射する発光ダイオード(LED)あるいはレーザダイオード(LD)などの光源11を有する。1つの光源11と複数本の光ファイバの光結合は、例えば光切替え器(光スイッチ)あるいは光分岐器(光カプラ)12により行う。光切替え器は光源11からの光を複数に分岐して複数本の光ファイバ20aの一本毎に切り替えて入射し、光分岐器は光源11からの光を複数に分岐して複数本の光ファイバのそれぞれに入射する。
また、センサ部SPを介して光ファイバ20bの出射端から出射される光を検出する受光部13を有する。受光部13は、例えばフォトダイオードからなり、複数本の光ファイバ20bの出射端から出射される光を順次あるいは同時に測定するラインセンサなどの受光素子列であることが好ましい。
In addition, the
Moreover, it has the light-receiving
さらに、本実施形態に係る立体構造物は、信号処理部14と画像表示部15を有する。
信号処理部14は、受光部13から出力される光信号に対して電流−電圧変換などの信号処理をして画像データを形成し、画像表示部15は得られた画像データを表示する。
Furthermore, the three-dimensional structure according to the present embodiment includes a
The
光ファイバ(20a,20b)は、その中途部、即ち、光入射側の光ファイバ20aと光出射側の光ファイバ20bの間にセンサ部SP有する。
図2(a)は、センサ部SPの構成の一例を示すための、光ファイバ(20a,20b)のセンサ部SP近傍での斜視図であり、図2(b)はセンサ部SP近傍での長手方向の断面図である。
光ファイバ(20a,20b)は、コア21と、その外周部に積層されたクラッド22とを有する。光切替え器または光分岐器12からの光は、光入射端側からコア21に入射され、センサ部SPを介して光出射端側のコア21から受光部へと出射される。
The optical fiber (20a, 20b) has a sensor part SP in the middle part thereof, that is, between the
FIG. 2A is a perspective view of the optical fiber (20a, 20b) in the vicinity of the sensor unit SP for showing an example of the configuration of the sensor unit SP, and FIG. 2B is a diagram in the vicinity of the sensor unit SP. It is sectional drawing of a longitudinal direction.
The optical fibers (20a, 20b) have a core 21 and a clad 22 laminated on the outer periphery thereof. The light from the optical switching device or the optical branching
図2(a)および(b)に示すセンサ部SPは、光ファイバ(20a,20b)のコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部3であり、コア31と、その外周部に積層されたクラッド32とを有する。
ヘテロコア部3におけるコア31の径blは、光ファイバ(20a,20b)のコア21の径alより十分に小さく、例えばal=50μm、bl=3μmである。また、ヘテロコア部3の長さclは数mm〜数cmであり、例えば5mm程度である。
光ファイバ(20a,20b)とセンサ部SPを構成するヘテロコア部3は、長手方向に直交する界面4でコア同士が接合するように同軸に、例えば汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。
A sensor part SP shown in FIGS. 2A and 2B is a hetero-
The diameter bl of the core 31 in the
The hetero-
図2(a)および(b)に示すように、光ファイバ(20a,20b)の中途部にセンサ部SPが接合されてなる構成において、ヘテロコア部3におけるコア31の径blと光ファイバ(20a,20b)のコア21の径alとが界面4で異なっており、このコア径の差に起因して光の一部がヘテロコア部3のクラッド32にリークWし、クラッド32と外界との境界においてセバネッセント波を発生させ、これを外界に作用させることができる。エバネッセント波は、第1媒質中の光が第2媒質との境界で全反射したときなどに第2媒質中に生じる光波のように、境界面からの距離とともに指数関数的に減衰するエバネッセント(Evanescent:次第に消える)な波であり、実質的にエネルギーを持たない光波のことである。エバネッセント波により外界との相互作用を受けた光は、再び光ファイバのコア21に入射し、伝送される。
As shown in FIGS. 2A and 2B, in the configuration in which the sensor part SP is joined to the middle part of the optical fiber (20a, 20b), the diameter bl of the core 31 in the hetero-
上記のようにリークした光は、センサ部SPにおける光ファイバの屈曲の度合いに応じて変化するので、外界と相互作用した結果生じた変化を検知することで、センサ部SPを2次元的に複数箇所配置することにより、立体構造物本体10の外界からの圧力分布、形状およびそれらの変化を検知することができる。即ち、ヘテロコア部などのセンサ部SPに歪みなどの変動が与えられると、ヘテロコア部に入った光がクラッドに漏れ出て、受光部で受光される光の量に損失(変化)が生じ、これを検出することで立体構造物本体10の歪みなどを検出できる。例えば図2(a)に示すように、光ファイバ(20a,20b)の延伸方向DRに沿った立体構造物本体10の外界からの圧力分布、形状およびそれらの変化を検知する。
Since the light leaked as described above changes in accordance with the degree of bending of the optical fiber in the sensor unit SP, a plurality of sensor units SP can be two-dimensionally detected by detecting changes caused as a result of interaction with the outside world. By arranging the locations, the pressure distribution and shape from the outside of the three-dimensional structure
センサ部SPとしては、他の構成を採用することも可能である。
図3(a)〜(c)は、センサ部SPの構成の一例を示すための、光ファイバ(20a,20b)のセンサ部SP近傍での長手方向の断面図である。
図3(a)では、センサ部SPを構成するヘテロコア部3のコア31の径blが、光ファイバ(20a,20b)のコア21の径alよりも大きな構成となっている。
図3(b)に示すように、ヘテロコア部の代わりに、センサ部SPは、光ファイバ(20a,20b)のコア21の屈折率あるいはクラッド22の屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材30が光ファイバ(20a,20b)の中途部に接合されてなる構成とすることもできる。
図3(c)に示すように、センサ部SPが光ファイバ20のコア21の一部が露出するようにクラッド22を削ることで形成された構成とすることも可能であり、この場合には、センサ部SPにおけるコア21の表面においてエバネッセント波を外界に直接作用させることができる。
As the sensor unit SP, other configurations can be adopted.
FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views in the longitudinal direction of the optical fiber (20a, 20b) in the vicinity of the sensor unit SP for illustrating an example of the configuration of the sensor unit SP.
In FIG. 3A, the diameter bl of the
As shown in FIG. 3B, instead of the hetero-core portion, the sensor portion SP has a light transmission member having a refractive index equivalent to the refractive index of the core 21 or the refractive index of the
As shown in FIG. 3C, the sensor unit SP may be formed by cutting the
本実施形態における立体構造物において、図1に示すように、外界から圧力Pが印加されて変形されると、立体構造物の表面が変形して、即ち、2次元に配置されたセンサ部を有する光ファイバも変形する。
ここで、上記のように光源11からの光を各光ファイバ20aに入射させ、センサ部SPで外界と相互作用した光を各光ファイバ20bから出射させて、これを受光部13で受光し、受光部13から出力される光信号を信号処理部14において処理して画像データを形成し、得られた画像データを画像表示装置15上に表示することで、立体構造物の表面が変形や外界からの圧力などを画像として見ることができる。
In the three-dimensional structure in the present embodiment, as shown in FIG. 1, when the pressure P is applied and deformed from the outside, the surface of the three-dimensional structure is deformed, that is, the sensor unit arranged two-dimensionally. The optical fiber it has also deforms.
Here, the light from the
本実施形態に係る立体構造物において、センサ部SPは、立体構造物本体10の表面を構成する複数の曲面あるいは平面において、2次元的に複数箇所配置されていることが好ましい。
例えば、平板状の立体構造物の対向する1対の面のそれぞれにセンサ部を配置した場合、両面の形状を解析することで、例えば両面の曲率の違いなどから、より精密に立体構造物の表面が変形や外界からの圧力などを解析することができる。
In the three-dimensional structure according to the present embodiment, it is preferable that the sensor units SP are two-dimensionally arranged at a plurality of curved surfaces or planes constituting the surface of the three-dimensional structure
For example, when a sensor unit is arranged on each of a pair of opposing surfaces of a flat three-dimensional structure, by analyzing the shape of both surfaces, for example, from the difference in curvature of both surfaces, the three-dimensional structure can be more precisely The surface can be analyzed for deformation and pressure from the outside.
また、上記のように中途部にセンサ部SPを設けた光ファイバ(20a,20b)は、光ファイバ(20a,20b)の延伸方向DRに沿った立体構造物本体10の外界からの圧力分布、形状およびそれらの変化を検出できるが、これと異なる方向に沿った圧力分布や形状変化などは検出できない場合がある。
そこで、光ファイバは、立体構造物本体の表面を構成する面において第1の方向に沿って配置された第1系統と、第1の方向と異なる第2の方向に沿って配置された第2系統を有することが好ましい。
Moreover, the optical fiber (20a, 20b) provided with the sensor part SP in the middle as described above has a pressure distribution from the outside of the three-
Therefore, the optical fiber has a first system arranged along the first direction on the surface constituting the surface of the three-dimensional structure main body, and a second system arranged along the second direction different from the first direction. It is preferable to have a system.
図4(a)および(b)は上記の複数の系統を有する場合の光ファイバとセンサ部の配置構成を示す模式図である。
図4(a)は、第1の方向DRXに延伸する第1系統(x1,x2,・・・)と、第1の方向DRXと略直交する第2の方向DRyに延伸する第2系統(y1,y2,・・・)とを有し、これらの各系統の交差する位置(A11,A12,A21,A22・・)のぞれぞれに、第1系統および第2系統の両者ともにセンサ部SPが設けられている構成である。
また、図4(b)は、略直交する第1系統(x1,x2,・・・)と第2系統(y1,y2,・・・)とを有し、これらの各系統の交差する位置(A11,A12,A21,A22・・)において、第1系統および第2系統とで交互にセンサ部SPが設けられている構成である。即ち、例えば位置(A11,A22・・)には第1系統の光ファイバにセンサ部が設けられ、位置(A12,A21・・)には第2系統の光ファイバにセンサ部が設けられている。
さらに、上記のパターン以外のパターンに沿ってセンサ部が設けられていてもよい。
なお、図1においても第1系統とこれに略直交する第2系統とを有する構成について示しているが、光ファイバ(20a,20b)などの図示は一方の系統についてのみ示し、他方の系統については省略している。
FIGS. 4A and 4B are schematic views showing the arrangement configuration of the optical fiber and the sensor unit in the case of having the above-described plurality of systems.
4 (a) is the first system (x 1, x 2, · · ·) extending in a first direction DR X and, extending in a second direction DR y substantially orthogonal to the first direction DR X And a second system (y 1 , y 2 ,...) That intersects each of these systems (A 11 , A 12 , A 21 , A 22 ...), In both the first system and the second system, the sensor unit SP is provided.
4B has a first system (x 1 , x 2 ,...) And a second system (y 1 , y 2 ,...) That are substantially orthogonal to each other. In the positions (A 11 , A 12 , A 21 , A 22 ...) Intersecting, sensor units SP are alternately provided in the first system and the second system. That is, for example, a sensor unit is provided in the first optical fiber at the position (A 11 , A 22 ...), And a sensor unit is provided in the second optical fiber at the position (A 12 , A 21. Is provided.
Furthermore, the sensor part may be provided along patterns other than said pattern.
Although FIG. 1 also shows a configuration having a first system and a second system that is substantially orthogonal to the first system, the illustration of the optical fibers (20a, 20b), etc. is shown only for one system and the other system is shown. Is omitted.
上記のように、光ファイバが第1の方向に沿って配置された第1系統と、第1の方向と異なる第2の方向に沿って配置された第2系統を有することで、複数の方向に沿った圧力分布や形状変化などを検出でき、より精密に立体構造物の表面が変形や外界からの圧力などを解析することができる。 As described above, the optical fiber has a first system arranged along the first direction and a second system arranged along the second direction different from the first direction, so that a plurality of directions can be obtained. It is possible to detect the pressure distribution and shape change along the surface, and to analyze the surface of the three-dimensional structure more precisely, the pressure from the outside, and the like.
また、センサ部は、立体構造物本体の表面を構成する面において第1の密度で配置された第1領域と、第1の密度と異なる第2の密度で配置された第2領域を有することが好ましい。
図5(a)および(b)は上記のセンサ部の配置の密度が異なる第1領域および第2領域の配置構成を示す模式図である。
図5(a)は、第1領域において、第1の方向DRXに延伸する第1系統(x1,x2,・・・)と、第1の方向DRXと略直交する第2の方向DRyに延伸する第2系統(y1,y2,・・・)とを有し、これらの各系統の交差する位置(A11,A12,A21,A22・・)に第1の密度でセンサ部SPが設けられている構成であり、図5(b)は、第1の方向DRXに延伸する第1系統(X1,X2,・・・)と、第1の方向DRXと略直交する第2の方向DRyに延伸する第2系統(Y1,Y2,・・・)とを有する第2領域において、第1の密度よりも低い第2の密度でセンサ部SPが設けられている構成である。
さらに、密度が連続的に変化するパターンに沿ってセンサ部が設けられていてもよい。
In addition, the sensor unit includes a first region arranged at a first density on a surface constituting the surface of the three-dimensional structure main body, and a second region arranged at a second density different from the first density. Is preferred.
FIGS. 5A and 5B are schematic views showing the arrangement configuration of the first region and the second region in which the density of the arrangement of the sensor units is different.
FIG. 5A shows a first system (x 1 , x 2 ,...) Extending in the first direction DR X in the first region, and a second system that is substantially orthogonal to the first direction DR X. And a second system (y 1 , y 2 ,...) Extending in the direction DR y, and the second system (A 11 , A 12 , A 21 , A 22 ...) FIG. 5B shows a first system (X 1 , X 2 ,...) Extending in the first direction DR X , and a first configuration. Second density lower than the first density in the second region having the second system (Y 1 , Y 2 ,...) Extending in the second direction DR y substantially orthogonal to the direction DR X of In this configuration, the sensor unit SP is provided.
Furthermore, the sensor unit may be provided along a pattern in which the density changes continuously.
上記のように、センサ部が第1の密度で配置された第1領域と、第1の密度と異なる第2の密度で配置された第2領域とを有することで、立体構造物の構造変化をしやすい領域や重要性の高い領域に高密度にセンサ部を設け、構造変化をしにくい領域や重要性の低い領域を低密度にセンサ部を配置することで、より効率よく必要なデータを取得することができる。 As described above, the sensor unit has the first region arranged at the first density and the second region arranged at the second density different from the first density, thereby changing the structure of the three-dimensional structure. By providing sensor sections with high density in areas that are easy to perform or in areas of high importance, and arranging sensor sections with low density in areas that are difficult to change structures or areas of low importance, the necessary data can be collected more efficiently. Can be acquired.
本実施形態の立体構造物によれば、2次元に分布したセンサ部において各センサ部での光の損失量(変化量)の分布を実時間で計測できることから、立体構造物の損傷状態などを含む形状や形状の変化をリアルタイムにモニターすることができる。また、光源としては安価なレーザダイオードや発光ダイオードなどの発光素子を用いることができ、受光部としても安価なフォトダイオードなどを用いることができ、さらにセンサ部も融着などにより簡単に形成することができるので、簡便かつ安価なシステムを構築することができる。また、しなやかな特性を有する光ファイバを用いているので、皮膚のような柔らかさを保つことができ、人工的な皮膚感覚センサなど、より広い分野への応用が考えられる。 According to the three-dimensional structure of the present embodiment, since the distribution of light loss (change amount) in each sensor unit can be measured in real time in the two-dimensionally distributed sensor unit, the damage state of the three-dimensional structure can be measured. It is possible to monitor the shape and the change of the shape in real time. In addition, a light-emitting element such as an inexpensive laser diode or a light-emitting diode can be used as the light source, an inexpensive photodiode or the like can be used as the light-receiving unit, and the sensor unit can be easily formed by fusion or the like. Therefore, a simple and inexpensive system can be constructed. In addition, since an optical fiber having a supple characteristic is used, the skin-like softness can be maintained, and application to a wider field such as an artificial skin sensor is conceivable.
第2実施形態
本実施形態は形状測定対象物である手の形状を測定する形状測定装置であり、図6はその構成を示す模式図である。
コアおよびコアの外周に積層されたクラッドを備えた複数本の光ファイバ(20a,20b)が形状測定対象物である手16を被覆するグローブ17などに組み込まれ、これによって光ファイバ(20a,20b)が手16の表面上に設けられている構成とする。
光ファイバ(20a,20b)の中途部には、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部SPが設けられており、このセンサ部SPが形状測定対象物である手16の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されている。特に、手の動きを敏感に検知するために、センサ部SPを手16の関節などの曲がる部分に重点的に配置することが好ましい。
光ファイバ(20a,20b)およびセンサ部SPの詳細な構成などは、第1実施形態と同様とする。
Second Embodiment This embodiment is a shape measuring apparatus for measuring the shape of a hand, which is a shape measuring object, and FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration thereof.
A plurality of optical fibers (20a, 20b) having a core and a clad laminated on the outer periphery of the core are incorporated in a
In the middle of the optical fiber (20a, 20b), a sensor unit SP that enables interaction with a part of the transmitted light is provided, and the sensor unit SP is a shape measurement object. A plurality of positions are two-dimensionally arranged on the surface constituting the surface of 16. In particular, in order to detect the movement of the hand sensitively, it is preferable to place the sensor unit SP mainly on a bent portion such as a joint of the
The detailed configurations of the optical fibers (20a, 20b) and the sensor unit SP are the same as those in the first embodiment.
また、第1実施形態と同様に、光ファイバの入射端に対する入射光を出射する発光ダイオード(LED)あるいはレーザダイオード(LD)などの光源11を有する。1つの光源11と複数本の光ファイバの光結合は、例えば光切替え器(光スイッチ)あるいは光分岐器(光カプラ)12により行う。
また、センサ部SPを介して光ファイバ20bの出射端には、出射端から出射される光を検出するフォトダイオードあるいはこれらが集積されたラインセンサなどの受光部13が設けられ、さらに受光部13から出力される光信号を信号処理して画像データを形成する信号処理部14と、得られた画像データを表示する画像表示部15が設けられている。
Further, similarly to the first embodiment, the
In addition, a
本実施形態に係る形状測定装置によれば、2次元に分布したセンサ部において各センサ部での光の損失量の分布を実時間で計測できることから、形状測定対象物である手の形状や形状の変化をリアルタイムにモニターすることができる。また、光源としては安価なレーザダイオードや発光ダイオードなどの発光素子を用いることができ、受光部としても安価なフォトダイオードなどを用いることができ、さらにセンサ部も融着などにより簡単に形成することができるので、簡便かつ安価なシステムを構築することができる。また、しなやかな特性を有する光ファイバを用いているので、手の関節などになめらかに追従でき、高い信頼性をもって形状を測定できる。 According to the shape measuring apparatus according to the present embodiment, since the distribution of the loss amount of light in each sensor unit can be measured in real time in the sensor unit distributed in two dimensions, the shape and shape of the hand that is the shape measurement object Changes in real time can be monitored. In addition, a light-emitting element such as an inexpensive laser diode or a light-emitting diode can be used as the light source, an inexpensive photodiode or the like can be used as the light-receiving unit, and the sensor unit can be easily formed by fusion or the like. Therefore, a simple and inexpensive system can be constructed. In addition, since an optical fiber having a supple characteristic is used, the shape can be measured with high reliability by smoothly following the joint of the hand.
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、センサ部としては、エバネッセント波による外界との相互作用を測定することで、立体構造物あるいは測定対象物と接触する液体の有無、種類および/あるいはその濃度を検知することも可能である。
形状測定装置としては、手以外の体の部分あるいはその他のあらゆる構造物を対象とすることができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the above description.
For example, the sensor unit can detect the presence, type, and / or concentration of a liquid in contact with the three-dimensional structure or the measurement object by measuring the interaction with the external environment due to the evanescent wave.
The shape measuring device can be a body part other than the hand or any other structure.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明の立体構造物は、内圧あるいは外圧が印加される液体あるいは気体の輸送管などの形状監視システムやその他の形状を監視することが望まれている立体構造物に適用できる。
また、本発明の形状測定装置は、手や体の形状および動きなどをリアルタイムに測定するシステムなどに適用できる。
The three-dimensional structure of the present invention can be applied to a shape monitoring system such as a liquid or gas transport pipe to which an internal pressure or an external pressure is applied, or other three-dimensional structures that are desired to be monitored.
The shape measuring apparatus of the present invention can be applied to a system for measuring the shape and movement of a hand or body in real time.
3…ヘテロコア部
4…界面
10…立体構造物本体
11…光源
12…光切替え器あるいは光分岐器
13…受光部
14…信号処理部
15…画像表示部
16…手
17…グローブ
20a,20b…光ファイバ
21,31…コア
22,32…クラッド
30…光透過部材
SP…センサ部
DR…延伸方向
DRx…第1の方向
DRy…第2の方向
P…圧力
W…リーク光
DESCRIPTION OF
Claims (13)
コアおよびコアの外周に積層されたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有し、当該センサ部が前記立体構造物本体の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されるように、前記立体構造物本体の表層部分に埋め込まれ、あるいは当該表面上に設けられた複数本の光ファイバと、
前記光ファイバの入射端に対する入射光を出射する光源と、
前記センサ部を介して前記光ファイバの出射端から出射される光を検出する受光部と
を有する立体構造物。 A three-dimensional structure body;
A surface that includes a core and a clad laminated on the outer periphery of the core, has a sensor unit that enables interaction with a part of the transmitted light, and the sensor unit forms a surface of the three-dimensional structure body A plurality of optical fibers embedded in the surface layer portion of the three-dimensional structure main body or provided on the surface so as to be arranged two-dimensionally in
A light source that emits incident light to an incident end of the optical fiber;
A three-dimensional structure comprising: a light receiving portion that detects light emitted from an emission end of the optical fiber via the sensor portion.
請求項1に記載の立体構造物。 The three-dimensional structure according to claim 1, wherein the sensor unit is a hetero-core unit having a core diameter different from a core diameter of the optical fiber and is joined to a midway part of the optical fiber.
請求項1に記載の立体構造物。 The three-dimensional structure according to claim 1, wherein the sensor unit has a configuration in which a light transmission member having a refractive index equivalent to a refractive index of a core of the optical fiber or a refractive index of a cladding is joined to a midway part of the optical fiber. Structure.
請求項1に記載の立体構造物。 The three-dimensional structure according to claim 1, wherein the sensor unit has a configuration in which a clad of the optical fiber is removed.
請求項1〜4のいずれかに記載の立体構造物。 The three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the sensor unit is two-dimensionally arranged on a plurality of curved surfaces or planes constituting the surface of the three-dimensional structure.
請求項1〜5のいずれかに記載の立体構造物。 The optical fiber includes a first system disposed along a first direction on a surface constituting the surface of the three-dimensional structure main body, and a second system disposed along a second direction different from the first direction. The three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 5, which has two systems.
請求項1〜6のいずれかに記載の立体構造物。 The sensor unit includes a first region arranged at a first density on a surface constituting the surface of the three-dimensional structure main body, and a second region arranged at a second density different from the first density. The three-dimensional structure in any one of Claims 1-6.
請求項1〜7のいずれかに記載の立体構造物。 2. An optical switch for splitting light from the light source into a plurality of beams and switching each of the plurality of optical fibers to enter, or an optical switch for entering each of the plurality of optical fibers. The three-dimensional structure in any one of -7.
請求項1〜8のいずれかに記載の立体構造物。 The three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 8, wherein the light receiving unit is a light receiving element array that sequentially or simultaneously measures light emitted from emission ends of the plurality of optical fibers.
請求項1〜9のいずれかに記載の立体構造物。 The three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 9, wherein the sensor unit detects a pressure distribution, a shape and / or a change thereof from the outside of the three-dimensional structure main body.
請求項1〜9のいずれかに記載の立体構造物。 The three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 9, wherein the sensor unit detects the presence / absence, type and / or concentration of a liquid in contact with the three-dimensional structure.
コアおよびコアの外周に積層されたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有し、当該センサ部が前記形状測定対象物の表面を構成する面において2次元的に複数箇所配置されるように、前記形状測定対象物の表面上に設けられた複数本の光ファイバと、
前記光ファイバの入射端に対する入射光を出射する光源と、
前記センサ部を介して前記光ファイバの出射端から出射される光を検出する受光部と
を有する形状測定装置。 A shape measuring device for measuring the shape of a shape measuring object,
A surface that includes a core and a clad laminated on the outer periphery of the core, has a sensor unit that enables interaction with a part of the transmitted light, and the sensor unit forms a surface of the shape measurement object A plurality of optical fibers provided on the surface of the shape measurement object so as to be two-dimensionally arranged in
A light source that emits incident light to an incident end of the optical fiber;
A shape measuring apparatus comprising: a light receiving portion that detects light emitted from an emission end of the optical fiber via the sensor portion.
請求項12に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 12, wherein the sensor unit detects a pressure distribution, a shape and / or a change thereof from the outside of the shape measuring object.
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