JP2007033448A - 力を測定するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学変換器に作用する、回転力や横力のような力を検出するための光学変換器が本発明により提供される。
【解決手段】上記力を検出するために、光学信号２ａが、例えば光ファイバによって画定された光路１ｆを介して送信される。さらに、偏光スクランブル手段１ａが偏光手段１ｃと共に提供され、この偏光スクランブル手段は、光路に入射する光学信号の偏光を偏光手段の偏光軸に対して平行または垂直のいずれかにするように適合される。変換器を介して送信される光学信号２ｂの偏光は、変換器に作用する力の結果としてさらに変更され、したがって変換器を出る光学信号を、上記力を検出するために使用することができる。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は力の測定に関する。特に、本発明は、例えば横力（圧力）や回転力（トルク）などの機械的な力の測定に関する。より詳細には、本発明は光学変換器を使用することによる力の測定に関する。さらに、より詳細には、本発明は、光学変換器、および／または低コストの光ファイバから成るセンサを用いた力の測定に関する。最後に、本発明は、低コストの光学変換器および／または光学センサを含む装置およびシステムにより力を測定するための方法、装置およびシステムに関する。

過去何年間、多大な開発研究が、極めて高信頼に機械的な力を測定および／または検出するように適合される装置の提供に捧げられてきた。このような装置とシステムとが開発および提案されるに伴い、極めて精巧な電子組立品に基づいたシステムおよび装置が、最も広く使用される装置およびシステムとなった。これは、特に、集積回路分野の発展と、これに応じた極めて複雑な機能を利用する回路のサイズの小型化とにより、様々な目的のために極めて困難な条件下で使用されるように適合される極めて小さな電子変換器の提供が可能となったことによる。例えば、そのサイズが数立方ミリメートル未満に保たれた電子変換器が知られている。さらに、演算手段の分野、特に、常により短時間に極めて多量のデータを解析するのに適合されるソフトウェアの分野における最近の発展により、電子変換器により検出されたデータが自動でかつ信頼できる方法で解析できるようになった。最後に、電子システムのコストの低下により、電子変換器の製造コストを抑えることができ、したがって多くの目的と応用のために電子変換器を利用できるようになった。

しかしながら、電子変換器によって提供される上記したすべての利点にもかかわらず、電子変換器は、特に、例えば電子変換器が圧力やトルクのような機械的な力を測定するために使用された場合、欠点が無いわけではない。電子変換器に影響を及ぼす最も重大な欠点は、電子変換器を作動させるためには電流が必要であるということに起因する。力が電子変換器に作用すると、変換器を介して流れる電流はそれに作用する力により影響を受ける。したがって、変換器に作用する力の強度の示度を得るために、この電流の変化を検出して利用することができる。

しかしながら、電子変換器を介して流れる電流はまた、外部環境によって影響を受けることがあり、したがって、雷雨時に静電放電に曝される構造、あるいは電磁気雑音のある産業用構内などの不安定な環境における応用に対しては、電子変換器を信頼性の低いものとしている。さらに、易燃性の高い物質の貯蔵区域において電子変換器を使用することは難しく、または危険であろう。最後に、いくつかのタイプの電子変換器はまた、感電死の危険が生じるので生医学への応用には適切ではない。

電子式な力の測定システムに影響を与える欠点の克服のためのいくつかの試みもまた、過去何年間行われてきた。特に、過去何年間は、かなりの努力が光学変換器の開発に捧げられてきた。これらの光学変換器は、力、特に圧力またはトルクのような機械的な力は、光路に直接的または間接的に作用する力に起因する光路を介して送信された光への影響の評価を利用して測定および／または検出できるという考察に基づく。特に、公知の光学変換器の多くの動作原理は、試験下の力により制御され、光リンク減衰の変化または信号干渉に起因する光学信号の減衰によって光路の出力において検出されるフォト電流の変化を利用する。実際、光路の出力で検出されたフォト電流と、光路に作用する機械的応力（ｓｔｒｅｓｓ）との間に、一定の関係を確立できるということが観察されている。特に、これらの公知の光学変換器のいくつかは、外部から印加された力により誘発された微小な応力（ｍｉｃｒｏｓｔｒｅｓｓ）による光ファイバにおける偏光の変化を利用する。しかしながら、残念なことに、偏光の変化に基づくこれら公知の光学変換器はまた、その利用をほんのわずかの応用に制限してしまう欠点がないわけではない。さらに、これら公知の光学変換器により利用される測定結果は、ほとんどの場合は所望の信頼性がない。最後に、これら公知の光学変換器を組み立てて製造することは、厳格な機械的公差を必要とするのでかなり煩わしく、したがって極めて高価である。

上記光学変換器は２つの直交偏光モードの干渉に基づいており、したがって特に高度な複屈折ファイバと極めて精密な機械的な筐体とを必要とするので、これら公知の光学変換器に影響を与える欠点がほとんどの場合に生じるということを、本発明の発明者らは検証した。より詳細には、これら公知の光学変換器は、複屈折光ファイバを介して送信された光線の偏光の変化の検出に基づく。すなわち、ファイバに対する機械的応力の印加はかなりの数の干渉縞を生じ、そして位相測定システムは、機械的応力により誘発された複屈折の変化と、機械的応力そのものの値とを決定するために使用される。

したがって、上に説明した諸問題に鑑み、ファイバに基づいたセンサのすべての積極的な（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）特性を維持しつつ、これらの諸問題を解決または低減できる技術を提供することは望ましいであろう。特に、静電放電に曝される構造において、および／または電磁気雑音のある産業用構内において、または易燃性の高い物質の貯蔵区域においてさえも使用されるのに好適な変換器を提供することは望ましいであろう。同様に、生医学の応用に使用されるのに好適な、力を測定および／または検出するための変換器を提供することは望ましいであろう。さらに、低コスト、軽量、小型、および最小侵入性（ｍｉｎｉｍａｌ ｉｎｖａｓｉｖｅｎｅｓｓ）により特徴づけられた変換器を提供することは望ましいであろう。低コストで、簡単で、かつ公知の装置とともに使用することができる、高信頼に力を測定するための変換器を提供することも望ましいであろう。最後に、公知の光学変換器に影響を与えるこれらの欠点を克服することができる変換器を提供することは望ましいであろう。特に、標準の単一モード型光ファイバ（ＳＭＦ）に基づいた光学変換器を提供することは望ましいであろう。

（発明の概要）
一般的には、本発明は、力、特に圧力またはトルクのような機械的な力は、光学信号が光路を介して送信されて力が直接的または間接的にその光路に作用する場合に、光学信号の受ける偏光の変化に基づいて測定および／または検出できるという考察に基づく。特に、本発明の動作原理は、光路を出る光学信号とこの光路に作用する力との間に、一定の関係が確立されうるという考察に基づく。より詳細には、本発明は、光路が所定の偏光の光学信号を放射するように適合される偏光スクランブル手段と受信側で特定の偏光のみを選択するように適合される偏光手段とを含む場合、光路を出る光学信号のパワー（強度）は、光路に作用する力または応力の結果としての、光路を介して送信された光学信号の偏光の変化に依存するという考察に基づく。したがって、光路を出る光学信号のパワーおよび／または強度と、この光路に作用する力との間に、一定の関係を確立することができる。さらに、光路を出る光学信号は電流および／または電圧の測定単位に変換されうるので、測定される電流または電圧と光路に作用する力との間に、一定の関係を確立することができる。さらに、本発明は、所定の偏光の光学信号が光路内、例えば光路の出力に配置された偏光手段の偏光軸に平行または垂直に導入された場合、最大または最小の強度またはパワーのいずれかの光学信号が、光路に作用する力が全く無い状態で光路の出力において収集されうるというさらなる考察に基づく。したがって、光路に作用する力の場合、光路を出る光学信号の強度の減少（光路に入射する光の偏光が偏光手段の偏光軸に平行な場合）と、光路を出る光学信号の強度の増加（偏光手段の偏光軸に垂直な偏光を有する光学信号の場合）とのうちのいずれかを、光路に作用する力との関係に取り入れることができる。本発明による検出手法は原理的には全く一般的であるかもしれないが、力、特に、例えば圧力またはトルクのような機械的な力を検出および／または測定するためには極めて信頼できることが明らかになった。さらに、標準の単一モードファイバが光路を画定するために使用された場合、軽量、最小侵入性、電磁妨害雑音に対する不感受性、および火事または爆発を起こす可能性が無いことなどの標準的な光ファイバおよび複屈折の光ファイバに共通の利点に加え、コスト面でのさらなる利点が生じる。

上述の考察に基づき、本発明の第１の実施態様は、請求項１に記載の光学変換器に関する。すなわち、本変換器は、光学信号を送信するように適合される光路を含み、前記光路は、感知手段に作用する力の結果として前記光路を通る前記光学信号の透過率を変更するように適合される感知手段を含み、前記光路は、前記光路に入射する光学信号の偏光を変更するように適合される偏光スクランブル手段と、所定の偏光の光学信号を放射するように適合される偏光手段とを含む、ことを特徴とする。

本発明の別の実施態様によると、請求項３に記載の光学変換器、すなわち前記偏光スクランブル手段が前記光ファイバの第１の部分を含む光学変換器が提供される。

本発明のさらに別の実施態様によると、請求項１６に記載の光学変換器、すなわち、前記光ファイバの第３の部分が所定の偏光軸を有し、これによりその偏光が前記所定の偏光軸に対して平行な光学信号の送信を可能にする、ことを特徴とする光学変換器が提供される。

本発明のさらなる実施態様によると、請求項１９に記載の測定装置、すなわち本発明の動作原理に基づく光学変換器を含む測定装置が提供される。

請求項２２に記載の測定システム、すなわち本発明の動作原理による光学変換器を備える測定装置を少なくとも１つ含む測定システムもまた提供される。

本発明のさらなる実施態様によると、請求項２５に記載の力を検出するための方法、すなわち、前記変換器に光学信号を導入する工程と、前記変換器を出る光学信号を収集する工程とを含み、前記変換器にいかなる力も作用しないとき、前記変換器に入射する信号の偏光は、偏光スクランブル手段により変更される、ことを特徴とする方法が提供される。

本発明のさらなる実施態様によると、請求項２６および請求項２７に記載の方法、すなわち、前記変換器に入射する光学信号の偏光が、前記変換器の前記偏光手段の偏光軸に対して実質的に平行または垂直にされる、方法も提供される。

本発明のさらなる実施態様は添付の請求項において定義される。

（詳細な説明）
本発明のさらなる利点、目的、特徴、および実施態様は、添付の特許請求の範囲において定義され、添付の図面を参照した以下の詳細な説明によりさらに明らかになるであろう。同図面では、対応する同一の部分は同じ参照番号を使用することにより特定される。

本発明は、以下の詳細な説明および図面に例示される実施態様を参照して説明されるが、以下の詳細な説明および図面は、本発明を、開示された特定の例示的実施態様に限定するように意図するものではなく、むしろ、説明された例示的実施態様は、本発明の様々な態様を単に例示し、その範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されるということを理解すべきである。

本発明は、例えば圧力およびトルクのような横力と回転力とを検出および／または測定するために使用された場合に、特に有利であると理解される。このため、本発明による光学変換器の対応する実施態様については、圧力とトルクとを検出および／または測定するために使用される実施例が以下に記載される。しかしながら、本発明による光学変換器の使用は、圧力とトルクとの検出および／または測定に限定されるものではなく、むしろ本発明による光学変換器は、それに作用する様々な力を測定および／または検出するためにも使用され得ることに留意されたい。したがって、本発明はまた、これらのすべての力の測定に対しても有用であり、以下に説明される横力（圧力）および／または回転力（トルク）は、変換器に作用する任意の力をも表すものとする。

以下では、本発明による光学変換器の第１の実施例について、図１ａを参照して説明する。

図１ａにおいて、参照番号１ｆは、光学信号を受信し、送信し、かつ放射するように適合される光路（例えば、光ファイバ）を示す。特に、図１ａでは、光路１ｆに入射する光学信号は参照番号２ａにより示され、一方、この光路を出る光学信号は参照番号２ｂにより示される。図１ａの光学変換器１は、さらに偏光スクランブル手段１ａ、感知手段１ｂ、および偏光手段１ｃを含む。以下に詳細に説明するように、偏光スクランブル手段１ａ、感知手段１ｂ、および偏光手段１ｃは、光ファイバ１ｆの１つまたは複数のループ１ａａ、１ｂｂ、１ｃｃを含み、あるいは光ファイバ１ｆの１つまたは複数のループ１ａａ、１ｂｂ、１ｃｃにより成される。最後に、図１ａにおいて、参照番号５は、変換器１、特にこの変換器１の感知手段１ｂに作用する力および／または機械的応力（例えば、圧力または回転力）を示す。

「偏光スクランブル手段」という表現は、本発明に照らすと、偏光スクランブル手段を出る光学信号の偏光を所定の方向または軸に対して平行にするために、偏光スクランブル手段１ａに入射する（光路すなわちファイバ１ｆに入射した後）光学信号２ａ（例えば、光信号）の偏光を変更するように適合される手段の意味として理解する必要がある。さらに、本発明に照らすと、「偏光手段」という表現は、所定の偏光の光学信号を放射するように適合される手段の意味として理解する必要がある。例えば、図１ａの偏光手段１ｃは、所定の方向に対して平行な偏光軸を含むことができる。これにより、偏光手段の偏光軸に対して平行な偏光を有する光学信号だけが偏光手段１ｃを出ることができ、一方、偏光手段の偏光軸に対して平行でない偏光を有する光学信号は吸収され、または反射される。したがって、偏光手段の偏光軸に対して平行な偏光を有する光学信号だけが、偏光手段１ｃを介して送信されそしてそこから放射され得るので、図１ａの光学変換器１に含まれる偏光手段１ｃは一種の光学フィルタとして作用するということを理解しなければならない。一方、その偏光が偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行でない光学信号は吸収されるので、偏光手段１ｃを介して送信されず、かつ偏光手段１ｃから放射もされないということを理解しなければならない。光路１ｆに入射する光学信号２ａが、通常、対応する様々な特徴、特に対応する様々な波長や偏光を有するいくつかの成分を含むということを理解すれば、偏光手段１ｃに入射し、かつ偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行な偏光を有する成分のみが偏光手段１ｃを介して送信され、さらに放射されるということも理解しなければならない。さらに、本発明に照らし、「感知手段」という表現は、感知手段１ｂに入射する光学信号の透過率を変更するように適合される手段の意味として理解する必要がある。特に、「感知手段」という表現は、感知手段１ｂに作用する力（例えば、圧力、トルク、または任意の機械的応力ですら）の結果として感知手段１ｂに入射する光学信号の偏光を変更するように適合される手段の意味として理解する必要がある。例えば、感知手段１ｂが光ファイバの１つまたは複数のループ１ｂｂを含む場合、この感知手段に（光ファイバの１つまたは複数のループ上に直接的または間接的に）作用する力は、この光ファイバの１つまたは複数のループを圧迫し、あるいは損傷しうるということが理解できる。また、ファイバに作用する機械的応力の結果としてファイバに生じる微小な変形が、感知手段を介して送信される光学信号の偏光に変化を引き起こすということが理解できる。以下に詳細に説明するように、光学信号の偏光に関する変化は、感知手段１ｂに作用する力または応力との関係に取り入れることができる。

図１ａに図示した光学変換器１の動作原理は以下の通りである。印加される力５が全く無いとき、偏光スクランブル手段１ａが、光学変換器１を出る光学信号２ｂを規定するために設定される。言い換えれば、偏光スクランブル手段１ａにより、光路１ｆに入射する光学信号２ａの偏光は、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光が所定の方向に対して平行となるまで変更される。例えば、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光は、偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行にされ得る。あるいは、偏光スクランブル手段１ａにより、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光は、偏光手段１ｃの偏光軸に対して垂直にされ得る。第１の場合、すなわち偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光が偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行にされた場合、光路１ｆ（偏光手段１ｃ）を出る光学信号２ｂは、実質的に光路１ｆに入射する光学信号１ａに相当する。言い換えれば、出力される光学信号２ｂの強度は、実質的に、光路の避け難い不完全性による無視できるパワー損失を除いて、入力される光学信号２ａに相当する。したがって、あり得る限り最強かつ最大の信号２ｂが光学変換器１の出力で収集される。逆に、光学変換器１に入射し偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号２ａの偏光が偏光手段１ｃの偏光軸に対して垂直にされ、かつ依然として変換器１（感知手段１ｂ）に作用するいかなる力または応力５も無いとき、基本的には、光学変換器１の出力ではなんらの信号も収集されず、あるいはあり得る限り最小かつ最弱の信号２ｂが収集される。

力または応力５が変換器（感知手段１ｂ）に作用する場合、光路１ｆを通る光学信号の透過率は、この力または応力５の結果として変更される。特に、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光は、力５の結果、例えば感知手段１ｂに（例えば、その１つまたは複数のファイバループ１ｂｂの一部に）導入された微小な変形により、変更される。このことは、感知手段１ｂを出る光学信号（したがって、偏光手段１ｃに入射する光学信号）の少なくともいくつかの成分は、偏光スクランブル手段を出る光学信号の対応する成分の偏光とは異なる偏光を有することを意味する。言い換えれば、感知手段１ｂを出る光学信号の少なくともいくつかの成分の偏光は、上に説明したように、所定の方向に対して平行にされた偏光スクランブル手段１ａを出る対応する成分の偏光とは異なるものとなる。要するに、感知手段１ｂを出る光学信号の少なくともいくつかの成分の偏光は、もはや上記所定の方向に対して平行とはならない。したがって、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光が偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行にされた場合、感知手段１ｂを出る光学信号の少なくともいくつかの成分の偏光は、もはや偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行とはならないという結果になる。したがって、偏光手段１ｃ（光路１ｆ）を出る光学信号２ｂの強度は、光路１ｆに入射し偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号２ａの強度よりも小さくなる。光学信号２ｂと光学信号２ａとの強度の差は、感知手段１ｂに作用する力５の強度に依存するようになり、その結果、出力信号２ｂおよび入力信号２ａの間の差と、力５の強度とを関係付けることができる。同様に、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光が偏光手段１ｃの偏光軸に対して垂直にされた場合、感知手段１ｂを出る光学信号の少なくともいくつかの成分は、感知手段１ｂに作用する何らかの力または応力５の結果、偏光手段１ｃの偏光軸に対してもはや垂直とはならない偏光を有することになる。したがって、光学変換器１（偏光手段１ｃ）を出る光学信号２ｂを収集するとともに、この信号２ｂの強度またはパワーと、変換器１に作用する力またはストレス５の強度との間に一定の関係を確立することができる。

以下にさらに詳細に説明するように、偏光スクランブル手段１ａは、光ファイバ１ｆの第１の部分を含み得る。特に、この偏光スクランブル手段は、光ファイバ１ｆの１つまたは複数のループ１ａａを含み得る。同様に、感知手段１ｂは、光ファイバ１ｆの第２の部分を含み得る。特に、この感知手段１ｂは、光ファイバ１ｆの１つまたは複数のループ１ｂｂを含み得る。

以下では、図１ｂを参照して、本発明の動作原理を利用する測定装置の電気的配置の一例を説明する。図１ｂでは、図１ａを参照して既に説明した部品は、同じ参照番号により特定される。

図１ｂでは、参照番号６ａは光学信号放射装置を示し、参照番号６ｂは光学信号受信装置を示す。装置６ａは、光学信号を生成および／または放射する。この光学信号は、光路１ｆに入射し、偏光スクランブル手段１ａ、感知手段１ｂ、および偏光手段１ｃにより成される光路を介して送信され、最終的には、部分的または完全に偏光手段１ｃにより吸収される。結果として生じる偏光手段１ｃを出る光学信号は、受信装置６ｂにより受信および／または収集される。例えば、放射装置６ａは、レーザ光源に接続された電流発生器または電圧発生器を含み、同様に、受信装置６ｂは、フォトダイオードとそれに続く低雑音増幅器を備える増幅型光検出器を含む。しかしながら、光路１ｆに入射する光学信号を生成するため、および光路１ｆを出る光学信号を受信するためには、多くの解決策を採用することができる。本発明を利用するためには、結果として生じる電流信号および／または電圧信号が変換器１に作用する力５を検出するために解析されるように、電流信号および電圧信号のいずれかが変換器１に入射する光学信号２ａに変換されること、ならびに変換器１を出る光学信号２ｂが電流信号および電圧信号のいずれかに変換されることだけは必須である。

以下では、図２ａ、２ｂを参照して、本発明による光学変換器とともに使用するように適合される放射装置および受信装置の一例をそれぞれ説明する。

図２ａに概略的に示した放射装置６ａは、電圧源７ａ、可変抵抗器７ｂ、および光放射レーザ装置７ｃを含む。このような回路を流れ、レーザ７ｃに入る電流は、図１ａ、１ｂに示すように、光学変換器１に入射するのに適した光に変換される。同様にして、図２ｂに示す受信装置６ｂは、電圧源７ａ、抵抗器７ｂ、および入射した光学信号を電流信号に変換するフォトダイオード７ｄを含み、測定装置７ｅによって、結果として生じる電流を測定することができる。但し、図２ａ、２ｂに示す放射装置６ａおよび受信装置６ｂのそれぞれは、本発明による変換器とともに使用するように適合される装置の２つの可能な実施例を表すだけであることに留意されたい。当然ながら、本発明の範囲から逸脱することなく、代替解決策または異なる解決策は当業者に知られたものの中から使用することができる。例えば、状況によっては、光学信号は電圧信号に変換することができ、生じた電圧信号の測定のために電圧測定装置７ｅを使用することができる。

上述のように、本発明による光学変換器によって力を測定および／または検出するためには、光学変換器に、光路１ｆに入射し偏光スクランブル手段を出る光学信号の偏光を偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行あるいは垂直にするように適合される偏光スクランブル手段を設けることが望ましい。以下では、本発明の光学変換器とともに使用するように適合される偏光手段の一例について、図２ｃを参照して開示する。ここでは、前の図を参照して既に説明した構成部分は、同じ参照番号を使用することにより特定される。

図２ｃに示す例において示される偏光スクランブル手段１ａは、光ファイバ１ｆのいくつかのループ１ａａを含む。また、この偏光スクランブル手段１ａはいくつかの板１ａｂを含む。例えば、これらの板１ａｂは金属板であり、状況によっては、例えばプレキシグラス板のような他の材料の板を使用してもよい。板１ａｂのそれぞれは、光ファイバ１ｆの１つまたは複数のループ１ａａを含む。例えば、ファイバループ１ａａを対応する板１ａｂに固定するために、光学ループ１ａａを板１ａｂ内に埋込むことができ、これは、特にプレキシグラス板１ａｂの場合に適用される。あるいは、状況によって（例えば、板１ａｂの材料によって）、ファイバループ１ａａを対応する板１ａｂに固定するために、他の解決策を採用することができる。例えば、金属板の場合には、ファイバ・ループ１ａａを金属板１ａｂに接着し、または張り付けることができる。図２ｃを見ると、金属板１ａｂのそれぞれは、所定の回転軸上で回転できるということが理解される。特に、図２ｃの場合、それぞれの板１ａｂは、光ファイバ１ｆに対して実質的に平行な軸上で、または少なくとも光ファイバ１ｆを通る光学信号の送信方向に対して実質的に平行な軸上で回転することができる。したがって、１つまたは複数の板１ａｂと、それに固定された対応するファイバループとの回転が、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光に影響を及ぼすということも理解できる。したがって、１つまたは複数の光学板１ａｂを同時または非同時に単に回転させることにより、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光を選択することができるという結果になる。したがって、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光を所定の方向に対して平行にすることができる。特に、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光を、図１ａ、１ｂに図示した偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行または垂直にすることができる。特に、１つまたは複数の板１ａｂの回転は、手動で（変換器を管理するユーザによって）、またはこの目的に適した自動装置によって自動的に、利用または実行することができる。しかしながら、これらの自動装置は本発明の範囲の枠を越えているので、さらに詳細には説明しない。当業者に公知の各自動装置は、図２ｃの偏光スクランブル手段１ａの１つまたは複数の板１ａｂを回転するために使用され得るということだけには留意されたい。

以下では、本発明の変換器のさらなる実施態様について、図３ａ、３ｂを参照して説明する。ここでは、前の図を参照して既に説明した対応部分または同一部分は、同じ参照番号を使用することにより特定される。

図３ａに示した変換器は、実質的には図１ａ、１ｂを参照して説明した変換器に対応する。したがって、この変換器は、光路１ｆ（光ファイバ）、偏光スクランブル手段１ａ（最終的には、光ファイバ１ｆの１つまたは複数のループ１ａａを含む）、感知手段１ｂ（最終的には、光ファイバ１ｆの１つまたは複数のループ１ｂｂを含む）、および偏光手段１ｃを含む。しかしながら、図３ａに図示した変換器１は、図１ａ、１ｂを参照して上に開示された変換器とは、次の点、すなわち図３ａ、３ｂの変換器が回転力および／またはねじり力５を感知および検出するのに特に適した感知手段１ｂを備えるという点で異なる。この目的のために、図３ａ、３ｂの感知手段１ｂは、回転板１ｂｐに固着された１つまたは複数のファイバループ１ｂｂを含む。例えば、図３ｂに示すように、１つまたは複数のファイバループ１ｂｂは板１ｂｐ内に埋込むことができるが、状況によっては、例えば１つまたは複数のファイバループ１ｂｂを接着により板１ｂｐに固定するなどの他の解決策が可能である。板１ｂｐを出る１つまたは複数のファイバループ１ｂｂの２つの対向する部分は、対応する固定点４ａおよび４ｂにおいて、光ファイバ１ｆにそれぞれ固定される。力５が板１ｂｂを回転させる場合（例えば、図３ｂを参照）、感知手段１ｂと交差する光学信号の透過率が変更される。特に、感知手段１ｂを出る光学信号の少なくともいくつかの成分の偏光は、光ファイバ１ｆに入射して偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号２ａの対応する成分の偏光とは異なる。したがって、図１ａ、１ｂに示した変換器の方法と類似した方法で、偏光スクランブル手段１ａを出る光学信号の偏光が偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行または垂直のいずれかにされた場合、感知手段１ｂを出る光学信号の少なくともいくつかの成分の偏光は、もはや偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行または垂直ではなくなる。その結果、力５が板１ｂｐを移動させる場合、板１ｂｐに作用する力が全く無い時に収集されたであろう光学信号とは異なる光学信号２ｂが、光学変換器１の出力において収集される。特に、光学信号２ａの偏光が偏光手段１ｃの偏光軸に対して平行にされた場合、光学信号２ｂが光学変換器の出力において収集され、その強度またはパワーは、変換器に作用する力が全く無い時に収集されたであろう光学信号２ｂのものより小さい。同様にして、光路１ｆに入射する光学信号２ａの偏光が偏光手段１ｃの偏光軸に対して垂直にされた場合（変換器に作用する力が全く無い）、光学信号２ｂは、力５が板１ｂｐに作用すると、光学変換器の出力において収集される。この光学信号２ｂの強度は、変換器に作用する力が全く無い時に収集されたであろう光学信号のものより高くなる。

当然ながら、図３ａ、３ｂの光学変換器を実装する測定装置の配置は、図１ａ、図１ｂに示す光学変換器を実装する測定装置のものに対応するであろう。したがって、図３ａ、３ｂの光学変換器を実装する測定装置に関するさらなる詳細に関しては、図１ｂとその対応する開示とを参照されたい。

以下では、図４ａ〜４ｃを参照して、本発明による変換器のさらなる例について説明する。また、図４ａ、４ｂにおいて、前の図を参照して既に説明した変換器の部分および／または特徴は、同じ参照番号により特定される。

図１ａと図３ａ、３ｂとを参照して上に開示したものと識別される図４ａ、４ｂ、４ｃに示した光学変換器の特徴もまた、光学変換器の感知手段１ｂと関連する。図４ａ〜４ｃに図示した光学変換器１のその他すべての構成部分は、先に説明した光学変換器のものに実質的に対応する。図４ａ〜４ｃの光学変換器の場合、感知手段１ｂは、２つの剛体板の間に埋込まれたいくつかのファイバループ１ｂｂ（図４ｂの例では３つ）を含む。特に、上の板１ｂｕと下の板１ｂｌとの間に埋込まれた３つのファイバループ１ｂｂを有する例を、図４ｃに図示する。例えば、上の板１ｂｕおよび下の板１ｂｌは金属板である。しかし、板１ｂｕ、１ｂｌに適切な剛性を付与するのに適したものの中の他の材料を使用してもよい。図４ｃに示した組立品は、感知手段１ｂを、同様な力の圧力の測定に対して特に好適なものにする。感知手段１ｂ（上の板１ｂｕおよび下の板１ｂｌのいずれか）に作用する圧力５は、剛体板１ｂｕおよび１ｂｌの１つまたは双方に微小な変形を引き起こす。次いで、これらの微小な変形は、ファイバループ１ｂｂの１つの対応する微小な変形を引き起こす。したがって、図１ａと図３ａ〜３ｂとを参照して上に開示した光学変換器の場合に指摘したものと同じ考察が適用される。実際、ファイバループ１ｂｂの１つまたは複数の微小な変形は、感知手段１ｂと交差する光学信号の透過率が変更されるという結果を引き起こし、特に、感知手段１ｂと交差する光学信号の偏光は、光学手段１ｂに作用する圧力５の結果として変更される。上述したように、感知手段の図４ｂ、４ｃに示す組立品は、図４ａの（これらの感知手段を備える）光学変換器を、圧力測定に対して特に好適なものにする。特に、これは、ファイバループ１ｂｂの数と長さとに依存してその面積が拡大したことにより、大きな面積に作用する圧力が検出できるということによる。さらに、感知手段の感度はまた、ファイバループ１ｂｂの数を適切に選択することにより規定することができる。当然ながら、図４ａ〜４ｃを参照して上に説明した変換器の場合、図１ａと図３ａ、３ｂを参照して先に説明した変換器に関して指摘したものと同じ考察（変換器の出力において収集される光学信号と変換器に作用する力との関係を確立する可能性に関する）が適用される。したがって、簡単化のために、これらの考察はここでは繰り返さない。

図４ｄは、図４ａ〜４ｃの光学変換器の出力において収集されたデータの一例を示す。

図４ｄから明らかなように、変換器に作用する力が全く無い時、この変換器を出る光学信号のパワーは実質的にゼロに相当する。逆に、圧力が変換器に作用する場合には、変換器を出る光学信号のパワーは、３０〜３５ｄＢの範囲内の値に上昇する。したがって、図４ｄから、図４ａの光学変換器は、例えば物を数える産業用圧力センサとして使用される場合、特定の領域を横切る車両を数える交通制御への応用の場合、または機密領域（ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ａｒｅａ）に入る人間を検知する反侵入システムにおいて特に好適である。

以下では、図５ａ、５ｂ、５ｃを参照して、本発明による光学変換器において実装するように適合される感知手段のさらなる例について説明する。また、前の図を参照して既に説明した構成部分は、図５ａ、５ｂ、５ｃでは同じ参照番号により特定される。

図５ａ、５ｂ、５ｃに示した場合では、４つのファイバループ１ｂｂがコンクリート梁１ｂｃ内に埋め込まれる（特に図５ｂを参照）。この組立品は、コンクリート梁１ｂｃに作用する力５によるコンクリート梁１の変形を記録するために、図５ａ、５ｂ、５ｃの感知手段１ｂを、様々な荷重が負荷されるのに特に適したものにする。コンクリート梁１ｂｃのあり得る変形は、特に図５ａ、５ｂに図示される。コンクリート梁１ｂｃ内に埋込まれるファイバループ１ｂｂの数は、状況と、感知手段１ｂが達成すべき感度とに依存して選択され得る。さらに、コンクリート梁１ｂｃの材料は、状況により、実行される測定に依存して選択され得る。

図５ｄは、図５ａ〜５ｃを参照して開示し、実証のためにプレキシグラス梁内に埋込まれた感知手段１ｂを備える本発明による光学変換器の測定能力の一例を示す。特に、図５ｄは、システムの再現性と信頼性を評価するための増加／減少する負荷の４つのサイクルに関する、出力読み取り値（すなわち、光検出器出力での電圧）と、印加荷重との比較を示す。図５ｄに示した曲線群が実質的に一致していることは、本システムの良好な再現性を実証している。この点に関し、線形性からのわずかな逸脱は、変換器自身の固有な特性というより、むしろ主に梁１ｂｃに使用される材料によるものであることに留意されたい。

以下では、図６ａ、６ｂを参照して、本発明による光学変換器を実装するのに適した対応する測定装置の２つの例を説明する。

図６ａにおいて、参照番号６ａは、光学信号を放射するように適合される対応する放射装置を示す。例えば、この放射装置６ａは、図２ａを参照して説明した種類のものでよい。図６ａにおける光学ソースは、単一の放射装置と、その後に続く、すべての感知アームに供給する適切なパワースプリッタとによっても構成され得ることに留意されたい。参照番号１は光学変換器を示す。これらの光学変換器は、上述した任意の種類のものでよい。さらに、対応する様々な測定を利用するために様々な光学変換器を使用することができる。例えば、図６ａの変換器１のいくつかは、図３ａ、３ｂで示した、ねじり力および／または回転力を検出するように適合される種類のものでよい。さらに、図６ａの変換器１のいくつかは、図４ａ〜４ｃを参照して上に説明した特に圧力を検出するように適合される感知手段を備えてもよい。最後に、図６ａの変換器１のいくつかは、図５ａ〜５ｃで示した種類の感知手段を備えてもよく、これにより構造上の変形を検出するのに特に好適である。図６ａにおいて、参照番号６ｂは、受信装置、例えば図２ｂを参照して説明した種類の受信装置を示す。さらに、参照番号９は電圧増幅器または電流増幅器を示し、一方、参照番号１０は、電流信号または電圧信号をディジタル信号に変換するように適合される装置（例えば、ＤＡＱディジタル捕捉基板）を示す。最後に、参照番号１１は、ディジタルデータを解析するように適合される演算ユニットを示す。放射装置６ａにより放射された光学信号は、光学変換器１に入射し、この変換器に作用する力の結果として変更された後、受信装置６ｂによって受信される。結果として生じた電流信号および／または電圧信号は、増幅器９により収集され、所定の値まで十分に増幅され、フィルタリングされる。次に、この増幅された信号は、装置１０によってディジタル信号に変換され、演算ユニット（例えばＰＣ）へ送信される。このようにして、いくつかの変換器を同時に制御することができ、したがってセンサおよび／または変換器の複雑なネットワークを考案することも可能である。さらに、そのプログラムにより、測定結果を評価し、時間の経過に伴う力の変化を図示し、所定の閾値を越えて読み取りが増加した場合に警告を発することができる。さらに、適切なソフトウェアを使用することにより、例えばＴＣＰ／ＩＰなどの標準プロトコルを使用して、ウェブを介して変換器を制御することも容易である。

図６ｂにおいて、複数のレーザ装置７ｃは、電圧源７ａと抵抗７ｂとを直列に接続して使用される。したがって、レーザ装置７ｃが、電圧源７ａおよび抵抗７ｂとともに、図２ａに示した種類のマルチチャネル放射装置を成すことは明らかである。動作時、レーザ装置７ｃによって放射された光学信号は、対応する光学変換器１に入射し、そして変換器に作用する力の結果として変更された後、ダイオード７ｄによって収集され、次に、電流信号および電圧信号のいずれかに変換される。次に、結果として生じたダイオード７ｄを出る電流信号または電圧信号は、増幅器９によって増幅されフィルタリングされ、コンバータ手段１０に転送されてディジタル信号に変換され、そして最後に演算ユニット１１に転送されて適切に解析される。図６ｂの構造と図６ａの構造との間の最も重要な差異は、レーザ装置７ｃの群のうちの１つ（図６ｂの一番下のもの）が、対応するダイオード７ｄに直接接続されるということと関連する。この解決策は、特に、検出装置および／または測定装置の分解能を増すために、光源の変動に対する検出および／または測定を補償するように適合される。これは、特に、図６ｂにおける一番下のレーザ装置によって放射された光学信号がいかなる変換器（または、変換器に作用するいかなる力）からも影響を受けずかつ変更もされず、対応するダイオード７ｄへ直接送信されること、つまり、レーザ装置７ｃおよび対応するダイオード７ｄが測定装置の他のチャネルと同じ変動を経験し、したがって基準結果または基準点として使用され得るということによる。この解決策は、高価な追加の光学部品を必要とすることなく極めて正確な結果をもたらすことを証明した。しかしながら、状況によっては、通常はレーザダイオードのパッケージ内に含まれる監視フォトダイオードからの出力電流を読み取ることにより、あるいは監視のために光源からわずかな光を取り入れる追加のカップラにより、さらに正確な結果を達成することができる。また、温度の影響を補償できる市販の低コストの集積化電子式温度センサ（例えば、アナログデバイス社のＴＭＰ３５に類似するもの）から環境温度を補償するために、図６ｂの測定装置の別のチャネルを割り当てることも可能である。ここでは様々な変換器は概ね同一温度であると仮定している。温度の影響だけでなく、湿度、好ましくない歪、経年変化などを含むさらに正確な補償は、連続する基準ファイバが監視ファイバに対して平行に走るように基準レーザ装置をそのフォトダイオードへ接続することにより達成することができる。

要するに、上記開示より、本発明による光学変換器は、当業者には公知の変換器に影響を与える欠点を克服し、または少なくとも最小化することができる。特に、本発明による光学変換器は、横力（圧力）と回転力（トルク）との双方、および構造上の変形を高信頼に検出することができる。さらに、本発明の光学変換器は、単一の点に作用する力と、対応する複数の点に作用する複数の力との双方を検出および／または測定することができる。

さらに、本発明の光学変換器は、電磁気雑音のある産業用構内において、易燃性の高い物質の貯蔵領域において、および雷雨時に静電放電に曝される構造におけるような不安定な環境における応用に対して特に適している。また、変換器を介して流れる電流が無いことは、感電死のリスクを回避する生医学への応用に対して、また火事が起こらないような重要文化財や美術品の監視に対して理想的であろう。特に、本発明による光学変換器は、例えば反侵入システム（提案した変換器の１つを備えた感知式カーペット（ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｃａｒｐｅｔ）上で動く人間により、あるいは窓をハンマーで叩くことにより引き起こされるような圧力の突然の変化を検出するために本変換器を使用する）、産業用圧力測定（例えば、物を数えるための、または特定の領域を横切る車両を数える交通制御への応用の場合）、ねじり／回転測定（例えば、バルブの開放、あるいは可燃性の高いガス用のパイプラインにおける圧力不足を検出する）、構造上の変形測定（例えば、コンクリート梁あるいは複合材料の表面の変形）のような応用に使用された場合に特に有用であることが明らかになった。

特に、石英光ファイバを使用することにより優れた結果が得られたが、本発明による光学変換器を利用しまたは実現するためには、様々な光ファイバを使用することもできる。

本発明について、特定の実施態様を参照して説明したが、本発明は説明した特定の実施態様に限定されることなく、むしろ添付の特許請求の範囲により定義された本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を、説明した実施態様に導入することができることを理解されたい。

例えば、状況によっては、上に説明したすべての実施態様の雑音除去特性は、光学ソース６ａの変調信号と、この変調信号と同期した信号成分のみの選択増幅による受信装置側とに基づいた周知のロックイン技術を使用することにより改善することができる。これは、専用電子回路、および捕捉したデータを解析する適切なソフトウェアのいずれかを使用する異なる手段により実装することができる。

本発明の第１の実施態様による光学変換器の動作原理を概略的に表す図 図１ａの変換器を実装する測定装置の電気的な配置の概略図 本発明による光学変換器とともに使用するように適合される可能な対応する構成部分の概略図 本発明による光学変換器とともに使用するように適合される可能な対応する構成部分の概略図 本発明による光学変換器とともに使用するように適合される偏光スクランブル手段の一例の概略図 本発明による光学変換器のさらなる実施態様の概略上面図 本発明による光学変換器のさらなる実施態様の概略断面図 本発明による光学変換器のさらなる実施態様を概略的に示す図 図４ａの光学変換器とともに使用するように適合される感知手段の上面図 図４ａの光学変換器とともに使用するように適合される感知手段の側面図 本発明による光学変換器の出力において収集される光学信号の出力の一例を示す図 本発明による光学変換器のさらなる例を示す図 本発明による光学変換器のさらなる例を示す図 図５ａおよび５ｂの光学変換器とともに使用するように適合される感知手段の一例を示す図 本発明による光学変換器により実行された測定結果の一例を示す図 本発明による光学変換器を実装する対応する測定システムの電気的な配置を概略的に表す図 本発明による光学変換器を実装する対応する測定システムの電気的な配置を概略的に表す図

Claims (30)

1. 光学変換器（１）に作用する力を検出するための光学変換器（１）であって、前記光学変換器（１）は、光学信号（２ａ、２ｂ）を送信するように適合される光路（１ｆ）を含み、前記光路は、感知手段（１ｂ）に作用する力（５）の結果として前記光路を通る前記光学信号の透過率を変更するように適合される感知手段（１ｂ）を含み、
   前記光路（１ｆ）は、前記光路（１ｆ）に入射する光学信号（２ａ）の偏光を変更するように適合される偏光スクランブル手段（１ａ）と、所定の偏光の光学信号（１ｂ）を放射するように適合される偏光手段（１ｃ）とを含む、ことを特徴とする変換器。
2. 前記光路（１ｆ）は、光ファイバを含む、ことを特徴とする請求項１記載の変換器。
3. 前記偏光スクランブル手段は、前記光ファイバの第１の部分（１ａａ）を含む、ことを特徴とする請求項２記載の変換器。
4. 前記光ファイバの第１の部分は、前記光ファイバの１つまたは複数のループを含む、ことを特徴とする請求項３記載の変換器。
5. 前記ループの少なくとも１つは、前記光路（１ｆ）に入射する前記光学信号（２ａ）の偏光を変更するために回転され得る、ことを特徴とする請求項４記載の変換器。
6. 前記ループの少なくとも１つは、対応する回転可能な板（１ａｂ）に固定される、ことを特徴とする請求項４または請求項５記載の変換器。
7. 前記感知手段（１ｂ）は、前記光ファイバの第２の部分（１ｂｂ）を含み、該光ファイバの第２の部分は、前記光路を介して送信される光学信号の偏光を変更するために、それに作用する力（５）の結果として変形するように適合される、ことを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれかに記載の変換器。
8. 前記光ファイバの第２の部分（１ｂｂ）は、回転可能な板（１ｂｐ）に固定され、該回転可能な板（１ｂｐ）は、前記光ファイバの第２の部分を変形しこれにより前記光路（１ｆ）を介して送信される前記光学信号（１ａ）の偏光を変更するために、前記板に作用する力（５）の結果として回転するように適合される、ことを特徴とする請求項７記載の変換器。
9. 前記光ファイバの第２の部分は、前記光ファイバの１つまたは複数のループを含む、ことを特徴とする請求項７または請求項８記載の変換器。
10. 前記光ファイバの第２の部分（１ｂｂ）の１つまたは複数のループは、前記板（１ｂｐ）内に埋込まれる、ことを特徴とする請求項８または請求項９記載の変換器。
11. 前記光ファイバの第２の部分（１ｂｂ）は、前記板の１つに作用する力（５）の結果として押しつぶされるように、第１の弾性板（１ｂｕ）と第２の弾性板（１ｂｌ）との間に埋込まれる、ことを特徴とする請求項７記載の変換器。
12. 前記第１および第２の板（１ｂｕ、１ｂｌ）は、金属またはプレキシグラス等の任意の剛体材料からなる、ことを特徴とする請求項１１記載の変換器。
13. 前記光ファイバの第２の部分（１ｂｂ）は、梁（１ｂｃ）内に埋込まれ、該梁（１ｂｃ）は、それに作用する力（５）の結果として変形しこれにより前記第２の部分（１ｂｂ）を変形させるように適合される、ことを特徴とする請求項７記載の変換器。
14. 前記光ファイバの第２の部分（１ｂｂ）は、１つまたは複数のループを含む、ことを特徴とする請求項７乃至請求項１３のいずれかに記載の変換器。
15. 前記偏光手段（１ｃ）は、前記光ファイバの第３の部分（１ｃｃ）を含む、ことを特徴とする請求項２乃至請求項１４のいずれかに記載の変換器。
16. 前記光ファイバの第３の部分（１ｃｃ）は、所定の偏光軸を有し、これによりその偏光が前記所定の偏光軸に対して平行な光学信号の送信を可能にする、ことを特徴とする請求項１５記載の変換器。
17. 前記光ファイバは、単一モード型光ファイバである、ことを特徴とする請求項２乃至請求項１６のいずれかに記載の変換器。
18. 前記光ファイバは、石英光ファイバである、ことを特徴とする請求項２乃至請求項１７のいずれかに記載の変換器。
19. 請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載の少なくとも１つの光学変換器を含む、ことを特徴とする力を測定および／または検出するための測定装置。
20. 前記測定装置は、光学信号を前記光路（１ｆ）に導入するための少なくとも１つの光学信号放射装置（６ａ）と、前記光路を出る光学信号を受信するための少なくとも１つの光学信号受信装置（６ｂ）とを含み、前記受信手段は、光学信号を電気信号に変換するようにさらに適合される、ことを特徴とする請求項１９記載の測定装置。
21. 前記少なくとも１つの放射装置（６ａ）は、少なくとも１つのレーザダイオード（７ｃ）を含み、前記少なくとも１つの受信装置（６ｂ）は少なくとも１つのダイオード（７ｄ）を含む、ことを特徴とする請求項２０記載の測定装置。
22. 請求項１９乃至請求項２１のいずれかに記載の少なくとも１つの測定装置を含む、ことを特徴とする力を測定するための測定システム。
23. 前記測定システムは、前記受信装置（６ｂ）を出る電気信号を演算するための演算手段（１１）を含む、ことを特徴とする請求項２２記載の測定システム。
24. 前記測定システムは、複数の測定装置と、閾値信号を生成するように適合される閾値装置とを含む、ことを特徴とする請求項２２または請求項２３記載の測定システム。
25. 請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載の変換器（１）により力を検出する方法であって、前記変換器に光学信号（２ａ）を導入する工程と、前記変換器を出る光学信号（２ｂ）を収集する工程とを含み、
    前記変換器にいかなる力も作用しないとき、前記変換器に入射する信号（２ａ）の偏光は、前記偏光スクランブル手段（１ａ）により変更される、ことを特徴とする方法。
26. 前記変換器（１）に入射する光学信号（２ａ）の偏光は、前記偏光手段（１ｃ）の偏光軸に対して実質的に平行にされる、ことを特徴とする請求項２５記載の方法。
27. 前記変換器（１）に入射する前記光学信号（２ａ）の偏光は、前記偏光手段（１ｃ）の軸に対して実質的に垂直にされる、ことを特徴とする請求項２５記載の方法。
28. 所定の波長の光学信号（２ａ）が前記変換器（１）に導入される、ことを特徴とする請求項２５乃至請求項２７のいずれかに記載の方法。
29. 前記変換器内に導入される前記光学信号は、光学信号放射装置により生成され、前記変換器（１）を出る前記光学信号（２ｂ）は、光学信号受信装置により収集される、ことを特徴とする請求項２５乃至請求項２８のいずれかに記載の方法。
30. 対応する複数の感知点に作用する複数の力を検出する、ことを特徴とする請求項２５乃至請求項２９のいずれかに記載の方法。

Images