JP2006250562A - 衝撃検知光ファイバセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズに強く、衝撃による機械的劣化の少ない高精度の衝撃検知光ファイバセンサを提供する
【解決手段】 合成樹脂光ファイバ１に光を通して合成樹脂光ファイバ１が受けた変形による光損失の変化を検知する衝撃検知光ファイバセンサ１０において、合成樹脂光ファイバ１を通すための穴２が設けられた弾性構造体３と、弾性構造体３の穴２に挿通された合成樹脂光ファイバ１と、合成樹脂光ファイバ１の長手方向に沿って弾性構造体３内に設けられる板状部材４と、板状部材４に一定間隔をおいて設けられ合成樹脂光ファイバ１の側面に接した凸状部材４ａとを備え、衝撃が加えられたときに、衝撃に応じて凸状部材４ａが合成樹脂光ファイバ１に変形を与えるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、衝撃検知光ファイバセンサ及びその製造方法に関するものである。

従来の衝撃センサにおいて、電気式のセンサでは、圧力センサ、加速度センサあるいは歪ゲージを用いて衝撃による圧力、加速度あるいは歪を検知する方法が一般的である。

光ファイバ方式のセンサは、石英またはプラスチック材質の光ファイバへ圧力、加速度、歪等の衝撃を印加して、光ファイバ中の光を曲げ損失及び圧縮損失によって光量変化させることによって検知させる。

光ファイバ方式のセンサで一般的に考えられるのは、軟質円筒状筒の周囲に螺旋状に光ファイバを巻き付けて、衝突の衝撃によって筒が変形した際の光ファイバの曲げ半径小径化に伴う光の損失増加により、衝突、衝撃を検知する方法である。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

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

しかしながら、上記従来技術において電気式衝撃センサの場合、電気信号により衝撃を検知するためのセンサ自身が電磁ノイズに弱く、検出したい信号とノイズの識別が困難になるという問題がある。

また、検出信号を伝送するにあたり、伝送路が外部からの電磁ノイズを受け易く、このノイズによる影響も無視できないという問題がある。

電気信号は、伝送路における伝送損失が大きいという問題もある。

石英を用いた光ファイバ方式の場合には、石英ガラス光ファイバに対する曲げ及び圧縮により、石英ガラス光ファイバが機械的強度の劣化を起こして、衝撃印加時に石英ガラス光ファイバが切断する可能性があるという問題がある。

また、合成樹脂光ファイバの場合、曲げや圧縮により切断する可能性は低いが、剛性も強いため曲げや圧縮により光の伝送損失が発生しにくく、センサの精度に欠けるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、ノイズに強く、衝撃による機械的劣化の少ない高精度の衝撃検知光ファイバセンサ及びその製造方法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、合成樹脂光ファイバに光を通して該合成樹脂光ファイバが受けた変形による光損失の変化を検知する衝撃検知光ファイバセンサにおいて、上記合成樹脂光ファイバを通すための穴が設けられた弾性構造体と、上記弾性構造体の穴に挿通された上記合成樹脂光ファイバと、上記合成樹脂光ファイバの長手方向に沿って上記弾性構造体内に設けられる板状部材と、該板状部材に一定間隔をおいて設けられ上記合成樹脂光ファイバの側面に接した凸状部材とを備え、衝撃が加えられたときに、衝撃に応じて上記凸状部材が上記合成樹脂光ファイバに変形を与える衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項２の発明は、上記合成樹脂光ファイバのファイバコアのヤング率が、上記凸状部材のヤング率の１／１０以下である請求項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、上記弾性構造体が、シリコーンゴムからなる請求項１または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、上記弾性構造体が、エチレンプロピレンゴムからなる請求項１または２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、上記弾性構造体の穴の両端が、水等の浸入を防ぐために封止されている請求項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、細長く板状に形成した板状部材の表面に、一定間隔をおいて凸状部材を形成して、上記板状部材に棒状の剛性体を沿わせて、上記板状部材と上記棒状の剛性体との周囲に加熱した弾性体を被覆して上記弾性体による弾性構造体を形成し、その後上記棒状の剛性体を上記弾性構造体から引き抜くことにより穴を形成して、該穴に合成樹脂光ファイバを挿通する衝撃検知光ファイバセンサの製造方法である。

本発明によれば、ノイズに強く、衝撃による機械的劣化の少ない高精度の衝撃検知光ファイバセンサが得られる。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適実施である衝撃検知光ファイバセンサ１０を示す断面図である。

図示したように衝撃検知光ファイバセンサ１０は、合成樹脂によって形成された合成樹脂光ファイバ１に光を通して合成樹脂光ファイバ１が衝撃により受けた合成樹脂光ファイバ１の変形による光損失の変化を検知するものであって、合成樹脂光ファイバ１を通すための穴２が設けられた弾性構造体３と、弾性構造体３の穴２に挿通された合成樹脂光ファイバ１と、合成樹脂光ファイバ１の長手方向に沿って弾性構造体３内に設けられる板状部材４と、板状部材４に一定間隔をおいて設けられ合成樹脂光ファイバ１の側面に接して合成樹脂光ファイバ１に衝撃に応じた変形を与えるための凸状部材４ａとを備えて構成され、衝撃検知光ファイバセンサ１０に衝撃が加えられたときに、衝撃に応じて凸状部材４ａが合成樹脂光ファイバ１に変形を与える構造となっている。

図１に示した衝撃検知光ファイバセンサ１０のＡ−Ａ線断面図を、図２に示す。

衝撃検知光ファイバセンサ１０は、弾性構造体３内に敷設された板状部材４に凸状部材４ａが長手方向に一定間隔で形成されており、弾性構造体３に設けられた穴２に挿通された合成樹脂光ファイバ１が凸状部材４ａの凸部に接するようにして弾性構造体３の長手方向に沿って設けられる。

合成樹脂光ファイバ１は、屈折率の高いファイバコアと、ファイバコアの周囲に設けられた屈折率の低いファイバクラッドとからなる衝撃検知用の光ファイバである。

ここで、ファイバコアのヤング率が凸状部材４ａ（あるいは凸状部材４ａ及び板状部材４）のヤング率の１／１０以下であるとよい。ファイバコアのヤング率が凸状部材４ａ（あるいは凸状部材４ａ及び板状部材４）のヤング率の１／１０を超える場合は、衝撃が加わっても、ファイバコアに加わる荷重が緩和されるため、ファイバコアの変形が小さく、結果としてセンサの感度が小さくなるからである。

ファイバコアは、架橋アクリル樹脂（熱硬化アクリル樹脂）、シリコーン樹脂等のコア材で形成され、ファイバクラッドは、水分を透過しないフッ素樹脂等のクラッド材で形成される。

例えば本実施の形態では、ファイバコア外径がφ１．５ｍｍであり、ファイバクラッド外径がφ２．２ｍｍであり、ファイバコアを架橋アクリル樹脂で形成した。この場合、ファイバコアのヤング率は温度２０℃において３ＧＰａである。

板状部材４は、硬質製のプラスチック、真鍮（ＢＳ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の剛体材料を用いて、細長い板状に形成される。例えば本実施の形態では、板状部材４をステンレスＳＵＳ３０４で形成した。この場合、板状部材４のヤング率は温度２０℃において２００ＧＰａである。

凸状部材４ａは、硬質製のプラスチック、真鍮（ＢＳ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の剛体材料を用いて、半円柱体の形状に形成され、長方形状の平面を板状部材４の上面に伏せ円柱の長手方向が板状部材４の長手方向と直交にするようにして、各々の凸状部材４ａが板状部材４の長手方向に一定間隔をおいて設けられている。

例えば本実施の形態では、凸状部材４ａをステンレスＳＵＳ３０４で形成した。この場合、凸状部材４ａのヤング率は温度２０℃において２００ＧＰａである。

この凸状部材４ａは、板状部材４と一体に形成されるとよく、例えば、直径１．８ｍｍの半円柱状の凸状部材４ａを、板状部材４の長手方向に沿って２０ｍｍ間隔で設ける。

弾性構造体３は、細長い棒状に形成され、合成樹脂光ファイバ１のファイバクラッド外径よりも大きな径の穴２が長手方向に沿って設けられ、この穴２に沿って弾性構造体３内に板状部材４を埋設している。

また、この穴２には合成樹脂光ファイバ１を挿通し、合成樹脂光ファイバ１の挿通の後、穴２に水などが浸入することを防ぐために、穴２の両端を封止する。

弾性構造体３の材料は、例えば生ゴム、合成ゴム等が用いられ、合成ゴムの例としてシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴムなどが代表的である。

図示したように衝撃検知光ファイバセンサ１０は、外径φ２．２ｍｍの合成樹脂製の合成樹脂光ファイバ１が、弾性構造体３に開けられた穴２に挿通された構造になっている。

次に、衝撃検知光ファイバセンサ１０の製造方法を説明する。

先ず、弾性構造体３に穴２を設けるための棒状の剛性体である例えば外径φ２．４ｍｍのステンレス製棒を予め用意する。また、弾性構造体３の材料である合成ゴムを成形し弾性構造体３を形成するための金型を予め用意する。この金型は中空棒状になっており、この金型によって形成される弾性構造体３の断面は、円形、矩形などの形状を有している。

他方、板状部材４と凸状部材４ａとを、例えばステンレスなどの剛性体の材料を用いて、一体に形成する。

続いて、この板状部材４に設けられた凸状部材４ａにステンレス製棒が接するようにして、板状部材４とステンレス製棒とを長手方向に平行にして互いに沿わせる。金型を用いて、この板状部材４とステンレス製棒との周りを弾性体としての合成ゴムで覆い、合成ゴムを加熱成型して弾性構造体３となるゴムモールドを形成する。

その後、このゴムモールドからステンレス製棒を引き抜いて除去すると、ゴムモールドに穴２が形成される。これにより、合成樹脂光ファイバ１挿通用の穴２が設けられ、かつ板状部材４が埋設された弾性構造体３が得られる。

最後に、この弾性構造体３の穴２に合成樹脂光ファイバ１を挿通して、弾性構造体３の穴２の両端を封止することで衝撃検知光ファイバセンサ１０が得られる。

このように、板状部材４及びステンレス製棒の周囲を合成ゴムで被覆した後、ステンレス製棒を抜き取って穴２を形成し、その後合成樹脂光ファイバ１を弾性構造体３の穴２に挿通して衝撃検知光ファイバセンサ１０を製造することにより、合成ゴムが加熱されても合成樹脂光ファイバ１は加熱されることなく弾性構造体３に装着されるため、合成樹脂光ファイバ１が合成ゴム加熱により特性変化したり、劣化したりすることを防いでいる。

ステンレス製棒を用いて弾性構造体３に予め穴２を形成しておき、その穴２にファイバ１を挿通すると、ステンレス製棒はファイバ１に比較して剛直であるため、ゴムモールドした場合、穴２の位置精度が良くなり、ファイバ１挿通後も精度の良い状態で弾性構造体３内にファイバ１と板状部材４が格納されるという利点もある。

一方、ファイバ１にゴムを直接モールドすると、モールド時のゴムの流れ、応力でファイバ１がうねってしまったり、曲がってしまったりしやすくなり、ゴムモールド内のファイバ１の位置精度が出づらい。

また、板状部材４の表面上に設けられた凸状部材４ａが合成樹脂光ファイバ１の外径表面（側面）に接する構造となっていることで、衝撃を受けた場合にこの接する部分で合成樹脂光ファイバ１に変形を与え合成樹脂光ファイバ１に応力が集中して生じる構造となっている。

更には、弾性構造体３の両端を封止したことで、衝撃検知光ファイバセンサ１０の穴２に水等が浸入することを防ぐことができ、この結果誤差の少ない衝撃検知光ファイバセンサ１０となっている。

次に、この衝撃検知光ファイバセンサ１０の衝撃検知について図１〜３により説明する。

衝撃検知光ファイバセンサ１０の合成樹脂光ファイバ１の一端には、光源としての一定波長の光を発光する例えば図示しない発光ダイオードが接続され、発光した光を合成樹脂光ファイバ１に入射し、合成樹脂光ファイバ１の他端には、例えば受光素子である図示しないフォトダイオードが接続され、フォトダイオードにより合成樹脂光ファイバ１を伝送した光の光量を検知し、その光の光量変化を検出することで、衝撃検知光ファイバセンサ１０に加わった衝撃を検知できるようになっている。

発光ダイオードは、代表的なものとして波長６６０ｎｍの光を発光するものが用いられる。

図１、２は、衝撃検知光ファイバセンサ１０が衝撃を受ける前の状態を示している。

衝撃を受けない状態では、合成樹脂光ファイバ１は何ら応力を受けないため、合成樹脂光ファイバ１は歪を殆ど生じない。

この衝撃検知光ファイバセンサ１０が図中上方から衝撃を受けた場合を想定する。この衝撃を受けた衝撃検知光ファイバセンサ１０の状態を図３に示す。

この衝撃検知光ファイバセンサ１０に加わる衝撃は、合成樹脂光ファイバ１の径方向に加わる押圧力であり、これにより、合成樹脂光ファイバ１は、その下部が所定間隔で凸状部材４ａに接しているため、凸状部材４ａに接した箇所では、衝撃に応じて凸状部材４ａが合成樹脂光ファイバ１に変形を与える。これにより、合成樹脂光ファイバ１は、各凸状部材４ａによる局所的な歪による効果で、凸状部材４ａを起点として歪み、屈曲されるため、合成樹脂光ファイバ１には、曲げにより歪みが発生して合成樹脂光ファイバ１の伝送損失（光損失）が大きくなる。

すなわち、衝撃検知光ファイバセンサ１０が図中上方から下方に衝撃を受けたときに、凸状部材４ａに接した部分を支点として合成樹脂光ファイバ１に最も効果的に応力が集中し、合成樹脂光ファイバ１を形成しているファイバコア及びファイバクラッドに発生する歪により合成樹脂光ファイバ１の伝送損失（光損失）が増加する。この伝送損失の増加により合成樹脂光ファイバ１を通過する光量が減少する。

この伝送損失は、衝撃検知光ファイバセンサ１０に加わる衝撃の大きさに関係するため、伝送損失の経時的変化を計測することで、衝撃の大きさや衝撃を受ける時間等が検知できる。

図４は、従来の衝撃センサであるロードセルにより検知した衝撃の経時変化を示す。図４の横軸は時間（単位：ｍｓ）を示し、縦軸はロードセルの受けた荷重（単位：ＫＮ）を示す。

図から分かるように、衝撃が加わらないときは、ロードセルには殆ど荷重は掛かっていないが、インパルス状の衝撃が加わると、ロードセルに掛かる荷重が増加しほぼ時間１０ｍｓで受ける荷重は最大となり、その後減少して衝撃を受ける前の状態まで荷重は減少する。

次に、ロードセルと同じ衝撃を本実施の形態の衝撃検知光ファイバセンサ１０に印加したときの合成樹脂光ファイバ１の光損失変化を、図５に示す。図５の横軸は時間（単位：ｍｓ）を示し、縦軸は衝撃検知光ファイバセンサ１０の光損失（単位：ｄＢ）を示す。

図から分かるように、衝撃が加わらないときは、衝撃検知光ファイバセンサ１０の光損失は小さくなっており、インパルス状の衝撃が加わると、光損失が増加しほぼ時間１０ｍｓで衝撃検知光ファイバセンサ１０の光損失は最大となり、その後減少して衝撃を受ける前の状態まで光損失は減少する。

図４及び図５の経時変化を比較してみると、各々の経時変化は互いに同様の変化傾向を辿り、殆ど相似した経時変化になっていることが分かる。

これは、衝撃検知光ファイバセンサ１０が従来の衝撃センサ（ロードセル）と同様に衝撃を検知するためのセンサとして有効であることを意味している。

すなわち、衝撃検知光ファイバセンサ１０の光損失の経時変化は、ロードセルの経時変化出力と同様のパターンとなっており、衝撃検知光ファイバセンサ１０の光損失の程度は、測定対象物が受けた衝撃の程度に対応したものとなっている。

このように、衝撃検知光ファイバセンサ１０に衝撃による荷重が負荷され、合成樹脂光ファイバ１の伝送損失（光損失）が急激に増加して、衝撃を的確に検出できることが確認された。

以上説明した製造方法により製造された衝撃検知光ファイバセンサ１０は、合成樹脂光ファイバ１を通過する光損失変化によって受けた衝撃を検知するため、衝撃検知光ファイバセンサ１０の設置された場所で発生若しくは受けている電磁ノイズの影響を受けずに衝撃を検知することが可能である。

また、石英ガラス光ファイバを用いた衝撃センサに比べて、本発明による衝撃検知光ファイバセンサ１０は曲げ及び圧縮による合成樹脂光ファイバ１の疲労切断等が起こり難く、高信頼性の衝撃検知光ファイバセンサを構成することができる。

衝撃検知光ファイバセンサ１０は、従来の光ファイバを用いた衝撃センサと比して、凸状部材４ａを有した構造となっており、合成樹脂光ファイバ１のファイバコアの有するヤング率が、凸状部材４ａのヤング率の１／１０以下であるため、衝撃による合成樹脂光ファイバ１への曲げや圧縮の程度が効率的に生じる。従って、衝撃検知光ファイバセンサ１０は、加えられた衝撃を精度良く検知することのできる高感度センサとなっている。

また、弾性構造体３の穴２に合成樹脂光ファイバ１が挿通されていることで、穴２と合成樹脂光ファイバ１とは完全には密着していないため、衝撃以外の衝撃検知光ファイバセンサへの圧力等に対して歪が生じにくく影響を受けにくくなっており、衝撃に対してのみ感度の高い衝撃センサとなっている。

更には、合成樹脂光ファイバ１には直接熱を加えることなく衝撃検知光ファイバセンサ１０が製造されるため、合成樹脂光ファイバ１が熱によって特性変化しておらず、また劣化を防いでいるため、衝撃を受けた際に合成樹脂光ファイバ１の光損失が精度良く変化するセンサとなっている。

架橋アクリル樹脂をコア材とし、水分を透過しないフッ素樹脂をクラッド材とする合成樹脂光ファイバ１は、電磁的ノイズの影響を受けないうえ湿気等にも強く、更に弾性構造体の両端を封止することで水などの浸入を防止しており、良好な衝撃検知光ファイバセンサ１０を実現することができる。

衝撃検知光ファイバセンサを示す断面図である。 図１に示した衝撃検知光ファイバセンサのＡ−Ａ線断面図である。 衝撃検知光ファイバセンサが衝撃を受けた状態を示す断面図である。 ロードセルにより取得された衝撃検知の経時変化を示す図である。 衝撃を受けたときの衝撃検知光ファイバセンサを通過する光量の光損失変化を示す経時変化図である。

符号の説明

１０ 衝撃検知光ファイバセンサ
１ 合成樹脂光ファイバ
２ 穴
３ 弾性構造体（モールド）
４ 板状部材
４ａ 凸状部材

Claims (6)

1. 合成樹脂光ファイバに光を通して該合成樹脂光ファイバが受けた変形による光損失の変化を検知する衝撃検知光ファイバセンサにおいて、上記合成樹脂光ファイバを通すための穴が設けられた弾性構造体と、上記弾性構造体の穴に挿通された上記合成樹脂光ファイバと、上記合成樹脂光ファイバの長手方向に沿って上記弾性構造体内に設けられる板状部材と、該板状部材に一定間隔をおいて設けられ上記合成樹脂光ファイバの側面に接した凸状部材とを備え、衝撃が加えられたときに、衝撃に応じて上記凸状部材が上記合成樹脂光ファイバに変形を与えることを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサ。
2. 上記合成樹脂光ファイバのファイバコアのヤング率が、上記凸状部材のヤング率の１／１０以下である請求項１記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
3. 上記弾性構造体が、シリコーンゴムからなる請求項１または２記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
4. 上記弾性構造体が、エチレンプロピレンゴムからなる請求項１または２記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
5. 上記弾性構造体の穴の両端が、水等の浸入を防ぐために封止されている請求項１〜４いずれかに記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
6. 細長く板状に形成した板状部材の表面に、一定間隔をおいて凸状部材を形成して、上記板状部材に棒状の剛性体を沿わせて、上記板状部材と上記棒状の剛性体との周囲に加熱した弾性体を被覆して上記弾性体による弾性構造体を形成し、その後上記棒状の剛性体を上記弾性構造体から引き抜くことにより穴を形成して、該穴に合成樹脂光ファイバを挿通することを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサの製造方法。
   

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