JP2006105973A - 衝撃検知光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ感度を向上させる衝撃検知光ファイバセンサを提供することにある。
【解決手段】 プラスチック光ファイバ２と、該プラスチック光ファイバ２の長手方向の片面もしくは両面に添えた複数個の突起を有する波付板６と、上記プラスチック光ファイバ２と上記波付板６とをモールド材７で覆ってなるセンサ部３と、光ファイバ２の一端に接続された発光素子と、光ファイバ２の他端に接続された受光素子とを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定対象物による衝撃をセンシングするための衝撃検知光ファイバセンサに関する。

自動車などの車両に備えられ、他の車両や障害物などと衝突したときその衝撃を検知するための衝撃検知センサが検討されている（例えば、特許文献１）。

従来の衝撃検知センサとしては、弾性を有する支持体に光ファイバを巻き付け、光ファイバの一端に発光素子を接続し、他端に受光素子を接続したものがある（例えば、特許文献２）。このセンサに衝撃が加わったとき、支持体が変形し、それとともに光ファイバが変形する。この変形により光ファイバを通過する光の透過量が変化し、この変化から衝撃を検知する。

この光ファイバとして、プラスチックファイバ（ＰＯＦ）を用いることができる（例えば、特許文献３）。

特表２００２−５３１８１２号公報 特開平９−２６３７０号公報 特開平５−２４９３５２号公報

センサに大きな衝撃が加わった場合、ＰＯＦが切断されるという耐衝撃性の問題がある。

一方、ＰＯＦの切断を防止するために、ＰＯＦに衝撃による荷重が掛かりにくくして、耐衝撃性を向上させることが考えられるが、この場合、微小な衝撃を検知できなくなってしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、センサ感度を向上させる衝撃検知光ファイバセンサを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、耐衝撃性を有するとともにセンサ感度を向上させた衝撃検知光ファイバセンサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの長手方向の片面もしくは両面に添えた複数個の突起を有する波付板と、上記プラスチック光ファイバと上記波付板とをモールド材で覆ってなるセンサ部と、上記光ファイバの一端に接続された発光素子と、上記光ファイバの他端に接続された受光素子とを備えたことを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項２の発明は、上記光ファイバのクラッド層は、光が漏れない範囲で極力薄い請求項１記載の衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項３の発明は、上記クラッド層は数％以上薄い請求項２記載の衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項４の発明は、上記光ファイバは、コア径が１．５ｍｍ、上記クラッド層の厚さが０．３５ｍｍの光ファイバに対し、上記クラッド層の厚さが１５μｍ薄い請求項１〜３いずれかに記載の衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項５の発明は、上記光ファイバのコアおよびクラッド層の横断面は、上記波付板に短軸が直交するように楕円形状である請求項１〜４いずれかに記載の衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項６の発明は、プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの長手方向の片面もしくは両面に添えた複数個の突起を有する波付板と、上記プラスチック光ファイバと上記波付板とをモールド材で覆ってなるセンサ部と、上記光ファイバの一端に接続された発光素子と、上記光ファイバの他端に接続された受光素子とを備え、上記複数個の突起は、長手方向に平面部が形成された平面形状突起である衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項７の発明は、上記平面形状突起は、長手方向の両端に滑らかなＲ状部が形成されると共に中央に平面部が形成されて構成される請求項６記載の衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項８の発明は、上記平面形状突起の平面部の長さ、Ｒ状部の曲率半径を、センサ感度と耐衝撃性に合わせて調節された長さ及び曲率半径である請求項６または７記載の衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項９の発明は、プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの長手方向の片面もしくは両面に添えた複数個の突起を有する波付板と、上記プラスチック光ファイバと上記波付板とをモールド材で覆ってなるセンサ部と、上記光ファイバの一端に接続された発光素子と、上記光ファイバの他端に接続された受光素子とを備え、上記複数個の突起は、少なくとも２段階に互いの高さが異なり、かつ滑らかなＲ形状突起を組み合わせて構成される衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項１０の発明は、上記Ｒ形状突起の曲率半径、高さは、センサ感度と耐衝撃性に合わせて調節された曲率半径、高さである請求項９記載の衝撃検知光ファイバセンサである。

本発明によれば、耐衝撃性を確保しながらセンサ感度を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１（ａ）は、本発明の好適な第１の実施の形態を示す衝撃検知光ファイバセンサの主要部の側面図、図１（ｂ）はその横断面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、第１の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサ１は、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）２を有する衝撃を検知するためのセンサ部３と、ＰＯＦ２の一端に接続される図示しない半導体レーザなどの発光素子と、ＰＯＦ２の他端に接続される図示しないフォトダイオードなどの受光素子とを備えて主に構成される。以下に説明する本実施の形態では、ＰＯＦ２として、耐熱性を有する耐熱性プラスチック光ファイバ（ＨＰＯＦ）を使用した。

ＰＯＦ２は、衝撃に応じて光伝送特性が変化するものであり、横断面が円形のコア４の外周にクラッド層５を被覆して構成され、横断面が同心円形状に形成される。コア４としては、耐熱性に優れた合成樹脂、例えば、アクリル樹脂、架橋アクリル樹脂（熱硬化アクリル樹脂）、シリコーン樹脂を用いる。クラッド層５としては、耐熱性、耐水性、機械的特性に優れた合成樹脂、例えば、ふっ化エチレンプロピレン樹脂（ＦＥＰ）などのふっ素樹脂を用いる。

さて、センサ１は、センサ感度を向上させるため、ＰＯＦ２のクラッド層５を、ＰＯＦ２から光が漏れず、かつＰＯＦ２が十分な強度を有する範囲で極力薄く、具体的には、一般に用いられるＰＯＦのクラッド層よりも数％以上、好ましくは４％以上薄くしてある。

ＰＯＦ２は、例えば、コア径が１．５ｍｍ、クラッド層の厚さが０．３５ｍｍの一般的なＰＯＦに対し、クラッド層５の厚さを１５μｍ薄くしてある。この場合、クラッド層５の厚さは０．３３５ｍｍである。

センサ部３は、ＰＯＦ２の片面（図１（ａ）および図１（ｂ）では裏面）に、複数個の突起を有する波付板６を添えた状態で、ＰＯＦ２と波付板６とが合成樹脂などのモールド材７により覆われている。ここで、モールド材による覆い方としては、ＰＯＦ２と波付板６とをまとめてモールド材により一体成型してもよく、また先に波付板６をモールド材によって覆い、その後ＰＯＦ２をモールド材に設けた空間に挿入するようにしてもよい。

波付板６は、その表面に突起としての平面形状突起８が、長手方向に沿って一定間隔で複数個形成されたものである。平面形状突起８は、側面視が略台形状であり、台形上部に平面部１０が形成されて構成される。各平面形状突起８の高さは互いに同じであり、ＰＯＦ２に波付板６を添えたとき、ＰＯＦ２と各平面部１０とが接触するようになっている。

波付板の形状としては、平面形状突起８の平面部１０の長手方向の両端に一定の曲率半径を有する滑らかなＲ状部９が形成されるＲ付き平面形状突起を用いてもよい。

波付板６としては、例えば、硬質性のプラスチック（ロックウェル硬度（ＪＩＳ Ｋ ７２０２）Ｒスケール１１８、Ｍスケール８０程度のもの）、真ちゅう（ＢＳ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを用いる。

第１の実施の形態の作用を説明する。

センサ１では、センサ部３に衝撃（あるいは荷重）が（図１（ａ）および図１（ｂ）では上方向から）加わると、ＰＯＦ２が波付板６の平面形状突起８に押し付けられ、コア４が変形することにより、ＰＯＦ２に衝撃に応じた曲げ損失または圧縮損失が発生する。この曲げ損失または圧縮損失の損失量を、ＰＯＦ２の一端から発光素子によって光を入射し、ＰＯＦ２の他端で受光素子によって受光し、ＰＯＦ２を伝搬する光の透過光量の変化（減衰量）を観測することで測定する。測定した損失量からセンサ部３に加わる衝撃の有無、大きさを求めて検知する。

ＰＯＦ２の透過光量の減衰は、コア４が変形することにより発生し、ＰＯＦ２が平面形状突起８で押しつぶされることによりコア４に変形が起こる。コア４よりクラッド層５が柔らかい（弾性率が低い）ため、クラッド層５が先に変形し始め、コア４は遅れて変形し始める。クラッド層が厚いと、それだけコアの変形に遅延が発生し、センサ感度が低下することになる。

しかし、センサ１は、クラッド層５を、ＰＯＦ２から光が漏れず、かつＰＯＦ２が十分な強度を有する範囲で極力薄く、具体的には、一般的なＰＯＦのクラッド層よりも４％以上薄くしたので、小さい衝撃（低荷重）でＰＯＦ２の透過光量を減衰させることができ、センサ感度が高い。これは、平面形状突起８を有する波付板６の代わりに、背景技術で説明したＲ形状突起のみを有する波付板を用いても同様である。

例えば、コア径が１．５ｍｍ、クラッド層の厚さが０．３５ｍｍの一般的なＰＯＦに対し、クラッド層５の厚さを１５μｍ薄くしたＰＯＦ２を用いることで、センサ部３にある静荷重を印加したときに、センサ１は、従来のセンサに比べて約１．５倍のセンサ感度（ロス、ｄＢ）が得られた。

さらに、センサ１は、波付板６の突起がすべて平面形状突起８なので、センサ部３に大きな衝撃を印加した場合、平面形状突起８の平面部１０でＰＯＦ２に加わる応力が分散されるので、ＰＯＦ２が切断されにくい。つまり、センサ１によれば、耐衝撃性を確保しながらセンサ感度を向上させることができる。

これは、突起としてＲ状部９がない平面形状突起を用いる場合も同様である。ただし、平面形状突起８を用いる場合は、Ｒ状部９がない平面形状突起を用いる場合に比べて、Ｒ状部９でＰＯＦ２に加わる応力がより分散されるので、ＰＯＦ２がより切断されにくい。

第２の実施の形態を説明する。

図２に示すように、衝撃検知光ファイバセンサ２１は、図１のＰＯＦ２の代わりに、横断面が同心円形状の一般的なＰＯＦを加工し、コア２４およびクラッド層２５の横断面を、波付板６に短軸が直交するように楕円形状に成型したＰＯＦ２２を用いて、センサ部２３を構成したものである。センサ２１のその他の構成は、図１のセンサ１と同じである。

ＰＯＦ２２の成型方法としては、例えば、一般的なＰＯＦの片面に波付板６を添え、ＰＯＦを高温（約１５０℃）に加熱し、コア、クラッド共に軟らかく軟化した状態で、ＰＯＦを反対面（図２では上方）から平板で圧縮し、ＰＯＦを圧縮したまま常温に戻し、横断面が楕円形状のＰＯＦ２２を成型するという工程を含む方法をとった。

ＰＯＦ２２は、例えば、コア径が１．５ｍｍ、クラッド層の厚さが０．３５ｍｍの一般的なＰＯＦに対し、クラッド層２５の短軸方向の厚さを１５μｍ薄くしてある。この場合、クラッド層２５の短軸方向の厚さは０．３３５ｍｍである。

このセンサ２１によっても、クラッド層２５の短軸方向の厚さを、ＰＯＦ２２から光が漏れず、かつＰＯＦ２２が十分な強度を有する範囲で極力薄くしたので、図１のセンサ１と同じ作用効果が得られる。

また、センサ２１は、ＰＯＦ２２の横断面が楕円形状となっているため、横断面が円形のＰＯＦに比べてＰＯＦ２２と波付板６との接触面積が大きくなり、斜め（ＰＯＦ２２の短軸に平行でない方向）方向から荷重を受けたときでも、ＰＯＦ２２が波付板６の表面に残る（ＰＯＦ２２が波付板６の表面からズレにくい）ので、コア２４を効率良く変形させることができる。つまり、センサ２１は、図１のセンサ１に比べるとセンサ感度が高い。

第３の実施の形態を説明する。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、衝撃検知光ファイバセンサ３１は、図１の波付板６の代わりに、突起として、平面形状突起８と、Ｒ形状突起３２との２種類の突起を、長手方向に沿って一定間隔で交互に組み合わせて形成した波付板３６を用いて、センサ部３３を構成したものである。

上述したように、平面形状突起８は、側面視が略台形状であり、長手方向の両端に一定の曲率半径を有する滑らかなＲ状部９が形成されると共に中央部に平面部１０が形成されて構成される。Ｒ形状突起３２は、側面視が略半円形状であり、一定の曲率半径を有する滑らかな突起である。突起としては、平面形状突起８の代わりに、長手方向に平面部が形成された（Ｒ状部９が形成されていない）平面形状突起を用いてもよい。

センサ３１としては、ＰＯＦ２の代わりに、図２のＰＯＦ２２を用いてもよいし、一般的なＰＯＦを用いてもよい。センサ３１のその他の構成は、図１のセンサ１と同じである。

センサ３１の構造では、モールド材７の弾性係数がＰＯＦ２や波付板３６の弾性係数よりも小さいため、ＰＯＦ２に掛かった荷重は、主に波付板３６によって支えられる。

衝撃印加時、平面形状突起８では、荷重を受ける面積がＲ形状突起３２に比べて大きいため、単位面積に掛かる荷重が小さくなる。したがって、センサ３１は、Ｒ形状突起のみを有する波付板を用いた従来のセンサよりも、ＰＯＦ２が切断される際の衝撃が大きくなり、耐衝撃性が向上する。

ここで、波付板の突起を平面形状突起８ばかりにすると、耐衝撃性は向上するが、ＰＯＦ２の損失が小さくなり、センサ感度が下がる場合がある。そこで、センサ３１では、耐衝撃性を向上させる平面形状突起８と、センサ感度を向上させるＲ形状突起３２とを交互に形成した波付板３６を用いることで、所望のセンサ感度と耐衝撃性が得られる。つまり、センサ３１は、センサ感度と耐衝撃性がバランスよく両立したセンサである。

また、Ｒ形状突起３２でも曲率半径を大きくすることで、センサ３１の耐衝撃性を大きくすることができる。Ｒ形状突起３２では、荷重が加わりＰＯＦ２が変形するにしたがい、荷重を受ける面積が大きくなるのだが、曲率半径を大きくするほど荷重を受ける面積の増加量が大きくなるためである。

さらに、センサ３１では、平面形状突起８のＲ状部９の曲率半径、平面部１０の長さ、パターン（例えば、突起の間隔）又は／及びＲ形状突起３２の曲率半径、パターンを、センサ感度と耐衝撃性に合わせて予め調節（設定）することで、所望のセンサ感度と耐衝撃性が得られる。

第４の実施の形態を説明する。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、衝撃検知光ファイバセンサ４１は、図１の波付板６の代わりに、突起として、高さが高いＲ形状突起（高突起）４２Ｈと、高突起４２Ｈよりも高さが低いＲ形状突起（低突起）４２Ｌとの２段階に高さが異なる２種類の突起を、長手方向に沿って一定間隔で交互に組み合わせて形成した波付板４６を用いて、センサ部４３を構成したものである。

各高突起４２Ｈの高さは互いに同じであり、ＰＯＦ２に波付板４６を添えたとき、ＰＯＦ２と各高突起４２Ｈの頂部とが接触するようになっている。各低突起４２Ｌの高さも互いに同じである。

センサ４１としては、ＰＯＦ２の代わりに、図２のＰＯＦ２２を用いてもよいし、一般的なＰＯＦを用いてもよい。センサ４１のその他の構成は、図１のセンサ１と同じである。

センサ４１では、衝撃印加時において、微小な衝撃の場合、ＰＯＦ２は高突起４２Ｈのみと接触し、衝撃によってＰＯＦ２が受けた荷重は高突起４２Ｈのみで支えられる。

また、図５に示すように、大衝撃Ｓ印加時のように衝撃が大きい場合、荷重の掛かり始めでは、ＰＯＦ２は高突起４２Ｈのみと接触した後、押しつぶされていき、ＰＯＦ２が高突起４２Ｈの高さと低突起４２Ｌの高さとの差以上変形すると、高突起４２Ｈおよび低突起４２Ｌと接触する。ＰＯＦ２が高突起４２Ｈおよび低突起４２Ｌと接触すると、荷重を受ける面積が大きくなるため、ＰＯＦ２の単位断面積に掛かる荷重が低減される。

このように、センサ４１では、微小な衝撃の場合、ＰＯＦ２に掛かる荷重は小さな面積（高突起４２Ｈのみ）で支えられ、大きな衝撃の場合、ＰＯＦ２に掛かる荷重は大きな面積（高突起４２Ｈおよび低突起４２Ｌ）で支えられる。そのため、センサ４１は、微小な衝撃を感度良く検出することができ、大きな衝撃が加わった場合の耐衝撃性が向上する。つまり、センサ４１は、センサ感度と耐衝撃性がバランスよく両立したセンサである。

さらに、センサ４１では、高突起４２Ｈの曲率半径、高さ、パターン又は及び低突起４２Ｌの曲率半径、高さ、パターンを、センサ感度と耐衝撃性に合わせて予め調節することで、所望のセンサ感度と耐衝撃性が得られる。

また、突起の高さを２段階だけでなく、３段階以上に互いの高さを異ならせることで、さらに細かくセンサ感度と耐衝撃性を調節できる。

上記実施の形態では、ＰＯＦの片面に波付板を添えた例で説明したが、ＰＯＦの両面に波付板を添えてもよい。この場合、センサ感度がより向上する。

図１（ａ）は本発明の好適な第１の実施の形態を示す衝撃検知光ファイバセンサの主要部の側面図、図１（ｂ）はその横断面図である。 第２の実施の形態を示す主要部の横断面図である。 図３（ａ）は第３の実施の形態を示す主要部の側面図、図３（ｂ）はその横断面図である。 図４（ａ）は第４の実施の形態を示す主要部の側面図、図４（ｂ）はその横断面図である。 大衝撃印加時における図４に示した衝撃検知光ファイバセンサの主要部の横断面図である。

符号の説明

１ 衝撃検知光ファイバセンサ
２ プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）
３ センサ部
４ コア
５ クラッド層
６ 波付板
７ モールド材

Claims (10)

1. プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの長手方向の片面もしくは両面に添えた複数個の突起を有する波付板と、上記プラスチック光ファイバと上記波付板とをモールド材で覆ってなるセンサ部と、上記光ファイバの一端に接続された発光素子と、上記光ファイバの他端に接続された受光素子とを備えたことを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサ。
2. 上記光ファイバのクラッド層は、光が漏れない範囲で極力薄い請求項１記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
3. 上記クラッド層は数％以上薄い請求項２記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
4. 上記光ファイバは、コア径が１．５ｍｍ、上記クラッド層の厚さが０．３５ｍｍの光ファイバに対し、上記クラッド層の厚さが１５μｍ薄い請求項１〜３いずれかに記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
5. 上記光ファイバのコアおよびクラッド層の横断面は、上記波付板に短軸が直交するように楕円形状である請求項１〜４いずれかに記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
6. プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの長手方向の片面もしくは両面に添えた複数個の突起を有する波付板と、上記プラスチック光ファイバと上記波付板とをモールド材で覆ってなるセンサ部と、上記光ファイバの一端に接続された発光素子と、上記光ファイバの他端に接続された受光素子とを備え、上記複数個の突起は、長手方向に平面部が形成された平面形状突起であることを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサ。
7. 上記平面形状突起は、長手方向の両端に滑らかなＲ状部が形成されると共に中央に平面部が形成されて構成される請求項６記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
8. 上記平面形状突起の平面部の長さ、Ｒ状部の曲率半径は、センサ感度と耐衝撃性に合わせて調節された長さ及び曲率半径である請求項６または７記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
9. プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの長手方向の片面もしくは両面に添えた複数個の突起を有する波付板と、上記プラスチック光ファイバと上記波付板とをモールド材で覆ってなるセンサ部と、上記光ファイバの一端に接続された発光素子と、上記光ファイバの他端に接続された受光素子とを備え、上記複数個の突起は、少なくとも２段階に互いの高さが異なり、かつ滑らかなＲ形状突起を組み合わせて構成されることを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサ。
10. 上記Ｒ形状突起の曲率半径、高さは、センサ感度と耐衝撃性に合わせて調節された曲率半径、高さである請求項９記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
    

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