JP2007071613A - 光ファイバ圧力センサ及び重量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で安価に製造することが可能な光ファイバ圧力センサ及び圧力検出装置を提供する。
【解決手段】光ファイバ１に圧力に応じた局部的な曲げを付与して、光ファイバ１の光損失から圧力を求める光ファイバ圧力センサで、光ファイバ１を受ける枕部材２と、光ファイバ１を枕部材２に押しつけ光ファイバ１に局部的な曲げを付与する押圧部材３とを備える。枕部材２はベース部材４に支持され、押圧部材３は圧力に応じてベース部材に対して位置が変位する圧力伝達部材５により押圧されるように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体等の圧力に応じて光ファイバに曲げを与え、光ファイバの曲げにより生じる光損失を計測することにより、圧力を検出する光ファイバ圧力センサ、及び、それを用いた重量測定装置に関する。

光ファイバに、局部的な曲げを加えることにより光損失が生じ、この光損失量は光ファイバの曲げ撓みの程度によって変化することが知られている。そして、この現象を利用して、流体等の圧力で光ファイバを局部的に曲げ、これによる光損失から圧力を検出する光ファイバ圧力センサが知られている。例えば、特許文献１には、ガス圧力の変化をベローズ、連結棒、作動板等の伝達機構を介して凸状の突子の位置を変位させ、この突子を受ける凹状の固定部とにより光ファイバに曲げを付与する圧力センサが開示されている。これによる、光損失増加の状態をＯＤＴＲ等で測定することにより、ガス圧力の変化を検出することが開示されている。

また、特許文献２には、圧力によってダイヤフラムを撓ませて膜位置を変位させ、このダイヤフラムに一体に設けた突起で、光ファイバに曲げたわみを付与する圧力センサが開示されている。そして、光ファイバに初期曲げたわみを設定しておき、この初期曲げたわみに圧力変化に応じた曲げたわみを加えて、光ファイバを透過する光量の変化で圧力変化を検出することが開示されている。
特開平１０−４８０８４号公報 特開平１１−２６４７７８号公報

前記の特許文献１、２に開示の光ファイバ圧力センサは、いずれも流体等の圧力で光ファイバに曲げを付与して、曲げにより生じる光ファイバの光損失から圧力を推定するものである。特許文献１に開示の圧力センサは、光ファイバに弛みが生じないように光ファイバに張力を付与して精度の高い圧力測定を可能としたもので、製造コストが高く、また、測定手段にもＯＴＤＲ（後方散乱光検出装置）等の高価な装置を用いる必要がある。また、特許文献２においては、光ファイバを透過する光量（光強度）で測定する形態の圧力センサであるが、初期設定たわみを与えるための突起部の設定とダイヤフラムの成型及びダイヤフラムの取付けに精度を必要とし、製造コストが高いものとなっている。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で安価に製造することが可能な光ファイバ圧力センサ及びそれを用いた重量測定装置の提供を課題とする。

本発明による光ファイバ圧力センサは、光ファイバに圧力に応じた局部的な曲げを付与して、光ファイバの光損失から圧力を求める光ファイバ圧力センサで、光ファイバを受ける枕部材と、光ファイバを枕部材に押しつけ光ファイバに局部的な曲げを付与する押圧部材とを備える。枕部材はベース部材に支持され、押圧部材は圧力に応じてベース部材に対して位置が変位する圧力伝達部材により押圧されるように配置される。

圧力伝達部材は、例えば、可撓性のダイヤフラムで形成され、枕部材及び押圧部材は、例えば、光ファイバと接する面が滑らかで、ピン又は棒状とされ、Ｖ溝台により位置決めされる。また、枕部材は、ベース部材と一体的に形成され、押圧部材は、圧力伝達部材と一体的に形成する構成とすることもできる。さらに、ダイヤフラムとベース部材との間に、液体が充填する封止した構成、ダイヤフラムとベース部材との間に、低ヤング率の充填材を充填した構成、枕部材及び押圧部材が低ヤング率の材料でモールドした構成とすることができる。また、光ファイバが局部的な曲げを受ける領域部分のモードフィールド径を、他の光ファイバの領域部分より大きくして検出感度を高めるようにしてもよい。なお、上述の光ファイバ圧力センサを、複数個直列接続する使用形態としてもよい。

本発明によれば、ベース部材に光ファイバを挟んで枕部材と押圧部材を配置し、圧力により変位するダイヤフラム等の作動部材で押圧部材を押圧するという簡単な構成で、流体等の圧力を容易に測定することができる。また、枕部材と押圧部材の太さを変えたり、間隔を変えたり、本数を変えることで、測定感度を容易に変えることができ、これによる製造設備の大きな変更はなく、種々の特性のものを製造することができる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の概略を説明する図、図２は圧力伝達部材をダイヤフラムで形成した例を説明する図、図３はピンアレイの一例を説明する図である。図中、１は光ファイバ、２は枕部材、３は押圧部材、４はベース部材、４ａは基壁、４ｂは側壁、５は圧力伝達部材、６は光源、７は受光器、８はダイヤフラム、９は補助部材、１０はＶ溝台、１０ａは平坦部、１０ｂは台部、１１ａ，１１ｂはＶ溝を示す。

本発明による光ファイバ圧力センサの実施形態は、図１（Ａ）に示すように、光ファイバ１を受ける枕部材２と、光ファイバ１を枕部材２に押しつけて光ファイバ１に曲げを与える押圧部材３を備えている。枕部材２と押圧部材３は、例えば、少なくとも光ファイバ１と接する面が円弧状のピン又は棒状に形成され、ベース部材４の基壁４ａ側に配置するものを枕部材２と称し、光ファイバ１を挟んで圧力伝達部材５側に配置されるものを押圧部材３と称する。図２（Ａ）においては、枕部材２として１本のピンを配し、押圧部材３として２本のピンを配し、枕部材２を２本の押圧部材３の中間に位置するように配置する。

図１（Ｂ）は、枕部材２側を２本のピンとし、この２本の枕部材２の中間に１本の押圧部材３を配置した例で、図１（Ａ）と図１（Ｂ）は、枕部材２と押圧部材３の配置を入れ替えた形態で、いずれの形態でもよいことを示すものである。光ファイバ１は、ベース部材４の両側の側壁４ｂで支持するようにして取付け固定される。光ファイバ１の取付け固定は、例えば、側壁４ｂに設けた通し孔に挿通させて接着固定してもよく、ベース部材４を光ファイバ１が貫通する部分で半割した２分割構造とし、接合部分で把持固定するようにしてもよい。枕部材２及び押圧部材３は、光ファイバ１と直交するように平行に並べて、光ファイバ１に曲げを与えるように配置され、その両端を接着又は把持により位置決めして固定される。位置決めの方法については、後述する図３に示すようなＶ溝台を用いることができる。

枕部材２及び押圧部材３のピンとしては、例えば、外径０.５ｍｍ程度の円形ピンで、光ファイバ１との接触で光ファイバに傷がつかないように、光ファイバ１の外被に用いている被覆材と同等な硬度を持つプラスチック材料で形成されていることが望ましい。光ファイバ１には、例えば、コア部のモードフィールド径が５〜１２μｍ程度で、ガラス外径が１２５μｍ、被覆外径が２５０μｍ程度のシングルモード光ファイバを用いることができる。その他、プラスチックファイバ（ＰＯＦ、ＨＰＣＦ等）を用いることもできる。

光ファイバ１の一方の端部には、連続発信ガスレーザ（ＣＷ）、レーザ発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源６を接続し、他方の端部にはフォトダイオード等の受光器７を接続し、光ファイバ１内を透過する光量（光強度）を測定できるようにされる。圧力伝達部材５は、圧力発生部からメカニカル的な伝動機構を介して位置変位されるか、又は圧力流体（気体、液体）により伝達される圧力により直接変位されるように構成することができる。後者の流体により直接変位させる圧力伝達部材としては、後述する図２に示すようなダイヤフラムを用いることができる。

以上のように構成された光ファイバ圧力センサは、圧力伝達部材５に伝達される圧力が変化することで、その作用位置が変位する。圧力伝達部材５の作用位置が変位すると、押圧部材３の位置が変位し、枕部材２との間に配されている光ファイバ１の曲げ状態が変化し、光損失が変動する。この光損失と圧力の関係は、図１（Ｃ）に示すような所定の関係（広い範囲でほぼリニアな関係）にあり、光損失を測定することにより圧力を決定することができる。この結果、変化前の圧力と変化後の圧力から、圧力変差を求めることができる。

図２は、上述の圧力伝達部材５として、可撓性の薄い膜（例えば、厚さ０.２ｍｍ程度のニトリルゴム）で形成されたダイヤフラム８を用いた例を示し、検出される圧力変化はダイヤフラム８に直接伝達され、押圧部材３を変位させる。図２（Ａ）は、図１（Ａ）に対応する例で、枕部材２側として１本のピンを配し、押圧部材３側として２本のピンを配し、枕部材２を２本の押圧部材３の中間に位置するように配置する。この場合、ダイヤフラム８の圧力が２本の押圧部材３に均等に作用するように硬質の補助部材９を介して押圧する。

図２（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する例で、枕部材２側を２本のピンとし、この２本の枕部材２の中間に１本の押圧部材３を配置した例である。この図２（Ｂ）においては、押圧部材３がダイヤフラム８の中心部に位置することから、ダイヤフラム８の変位力の全てを受けることができるので、図２（Ａ）で用いたような補助部材９は不要であるが、ダイヤフラム８の中心に応力が集中して変形を生じるのを抑制するために硬質の補助部材は残しておいてもよい。

図２（Ｃ）は、枕部材２側を２本のピンとし、押圧部材３側として３本のピンを配した例で、枕部材２と押圧部材３のピンは、任意の本数で形成することができることを示すものである。なお、枕部材２と押圧部材３のピンの本数は１本の差があれば、ダイヤフラム中心に対して左右均等な押圧状態とすることができるが、多少の左右の押圧状態が不均等であっても問題がないような場合は、枕部材２と押圧部材３のピンの本数は同数としてもよい。

枕部材２と押圧部材３のピンの本数を増加させることにより、光ファイバの曲げ個所が増加するので、その増加分だけ光損失が大きくなる。この結果、圧力センサとしての感度を高めることができる。ただ、圧力センサの受圧面積も増加するので、その分だけ圧力センサとしては大型となる。また、この他、ピンの太さや配列ピッチを変えることにより、光ファイバの曲げ径を変化させることができ、これによって、圧力センサとしての感度を調整することができる。

図３は、枕部材２及び押圧部材３のピンの支持形態の一例を示す図で、Ｖ溝台１０を用いてピンアレイを作成する。Ｖ溝台１０には、樹脂、セラミック、金属等の加工容易な材料を用い、平坦部１０ａの中央に枕部材２の全長を位置決めするＶ溝１１ａを形成する。平坦部１０ａの四隅部分には平坦部１０ａの面より、高さを高くした台部１０ｂを形成し、押圧部材３を位置決めするＶ溝１１ｂを形成する。枕部材２用のピンは、中央のＶ溝１１ａに入れられてピン全長が位置決めされて保持される。押圧部材３用のピンは、両端を四隅のＶ溝１１ｂに入れられてピン両端のみが位置決めされ、中間部は弾性的に変位可能に保持される。Ｖ溝台１０の両端でのピンの固定は、ピンの両端を押えブロック等で押え、接着材等で固定する。

これにより、枕部材２は全長に亘って固定され、押圧部材３は両端が固定でき、中間部分はダイヤフラムの圧力で弾性的に撓み可能とされる。なお、図１（Ｂ），図２（Ｂ）のように、枕部材２が２本で、押圧部材３を中央部に１本配した構成の場合は、Ｖ溝台１０の両端中央に台部１０ｂを形成してＶ溝１１ｂを設け、中央に１本の押圧部材３を配置する。そして、Ｖ溝台１０の両側は、平坦部１０ａとして枕部材２の全長を位置決めするＶ溝１１ａを設ける。光ファイバ１は、枕部材２と押圧部材３の間の間隙部分に直交するように通して保持させる。上記のように、枕部材２と押圧部材３をＶ溝台１０に取付け固定してピンアレイとして１つの部品として予め組立てておくことにより、ベース部材への組込みが容易で製造が簡単となる。

図４は、他の実施形態を説明する図で、枕部材をベース部材に、押圧部材を圧力伝達部材に一体に形成する例である。図４（Ａ）は、１つの枕部材２ａをベース部材４の基壁４ａの中央に一体成型で形成し、２つの押圧部材３ａは補助部材９に一体成型で形成した例である。また、図４（Ｂ）は２つの枕部材２ａをベース部材４の基壁４ａに一体成型で形成し、１つの押圧部材３ａをダイヤフラム８の中央に一体成型で形成した例である。

枕部材２ａ及び押圧部材３ａは、図１〜図３で説明した枕部材２及び押圧部材３と同様な機能を有し、枕部材２ａと押圧部材３ａの間に光ファイバ１が配され、光ファイバ１の一方の端部には光源６を接続し、他方の端部には受光器７を接続し、光ファイバ１内を透過する光量（光強度）を測定できるようにされる。この例においても、図２で説明したのと同様に、ダイヤフラム８に伝達される圧力が変化することで、その作用位置が変位する。ダイヤフラム８の作用位置が変位すると、押圧部材３ａの位置が変位し、枕部材２との間に配されている光ファイバ１の曲げ状態が変化し、光損失が変化する。そして、光損失と圧力の関係から、光損失を測定することにより圧力を推定することができる。この結果、変化前と圧力の変化後の圧力から、圧力変差を求めることができる。

なお、図４の実施形態は、枕部材２ａ及び押圧部材３ａをベース部材４及びダイヤフラム８や補助部材９に一体成型で形成する例で説明したが、断面円形又は半円形のピン或いは棒状に形成したものを、ベース部材４及びダイヤフラム８や補助部材９に接着剤で接着して一体的な形態とするようにしてもよい。また、枕部材２ａ及び押圧部材３ａは、平面から突き出る凸状となる例で説明したが、枕部材２ａ及び押圧部材３ａを一体成型で形成する場合、凸部と凹部が滑らかに連続する波型の形状になるように形成し、波型の凸部と凹部の間で光ファイバ１を挟む形態としてもよい。

図５は、本発明のその他の実施形態を説明する図である。図５（Ａ）は、ダイヤフラムとベース部材の間に液体を充填した例を示す図、図５（Ｂ）は、ダイヤフラムとベース部材の間に低ヤング率の充填材を充填した例を示す図、図５（Ｃ）は、枕部材、押圧部材、光ファイバを低ヤング率の材料でモールドした例を示す図である。図中、１２は液体、１３は充填材、１４はモールドで、その他の符号は図１〜４で用いたのと同じ符号を用いることにより説明を省略する。

図５（Ａ）に示すように、ベース部材４とダイヤフラム８との間に、例えば、シリコンオイルのような液体１２を充填して、光ファイバ１の曲げ部分を封止構造とすることができる。液体１２を封入することで、光ファイバ１と枕部材２及び押圧部材３との滑りをスムーズにし、圧力変化に対する応答性を高めることができる。また、液体１２を封止することで、ダイヤフラム８の変位は、ダイヤフラム８の両側の圧力差で生じることになるが、液体１２の封入側の圧力変化を一定にする緩衝部（図示せず）を設けることにより、ダイヤフラム８の変位を容易にし、圧力変化に応じた変位を許容させることができる。

図５（Ｂ）では、図５（Ａ）の液体封入に変えて、低ヤング率で弾性的に自由に変形しうる固体状の充填材で充填している。充填材としては、シリコンゴムのような弾性ゴムやスポンジのような多孔材料を用いることにより実現することができる。この構成によれば、枕部材２及び押圧部材３と光ファイバ１を低ヤング率の充填材１３により保持することができ、図３で説明したようなＶ溝台を用いて、枕部材２及び押圧部材３を保持する構成を省略することが可能となる。

また、図５（Ｃ）に示すように、枕部材２及び押圧部材３並びに光ファイバ１を低ヤング率の材料で所定の配置を保ってモールドすると、モールド１４の上面１４ａにダイヤフラムとしての機能を持たせることが可能となる。この結果、図５（Ｂ）と同様にＶ溝台等を用いて枕部材２及び押圧部材３を保持する構成を省略することが可能であると共に、ダイヤフラム８を省略することも可能となる。

図６は、本発明のその他の実施形態を示す図で、光ファイバ１のコア部１ａのモードフィールド径を大きくすることにより、検出感度を高めるようにする例を説明する図である。光ファイバのモードフィールド径が小さいと曲げによる光損失が小さく、モードフィールド径が大きくなると曲げによる光損失も大きくなることはよく知られている。したがって、圧力検出に寄与する曲げ領域Ｍのモードフィールド径が大きい光ファイバを用いることが好ましく、これにより、光損失の検出感度を高めることができる。

その他の部分Ｓは、光ファイバ１を外部装置に接続するため、狭いスペース内で光コネクタを取り付ける必要があることから、許容曲げ径が小さいものが好ましく、この結果、モードフィールド径が小さいものが選ばれる。そこで、光ファイバ１の全体としては、モードフィールド径が小さいものを用い、この光ファイバ１の曲げ領域Ｍの部分のみ、加熱処理して、この部分のモードフィールド径を拡大する。なお、曲げ領域Ｍの部分にモードフィールド径の大きい光ファイバを融着する方法も考えられるが、融着部の補強が必要となるため、補強部の保持スペースが十分確保できる場合に限られる。

図７は、上述の如くに構成された光ファイバ圧力センサ２０を複数個直列接続して使用する形態を示す図である。光ファイバ圧力センサ２０による圧力検出を複数箇所で行い、その平均値を求める場合がある。このような場合、光ファイバ圧力センサ２０の光ファイバ１の端部に取り付けられた光コネクタ２１を用いて、複数個を直列に接続する。この結果、個別に圧力検出する場合と比べて、光ファイバの光損失のトータル量も積算されて検出感度を高め、また、平均値の算出も簡単に行うことができる。

図８は、流体を封入した袋体２４、袋体２４内の流体の圧力を光学的に求める圧力センサ２０を有する荷重測定装置を示す図である。図８において、荷重測定装置は車両シート２２に取り付けられており、車両乗員の体重測定に使われる。圧力センサ２０としては、例えば、本発明の光ファイバ式圧力センサを使うことができる。車両乗員の体重測定に使われる場合、車の加速度状態や傾きにより袋体内に圧力分布を生じる場合があるため、図７の光ファイバ圧力センサを使い複数箇所で圧力を検出すると、精度がより良くなる。

車両の乗員の体重がわかれば、エアバックの膨らまし量の設定等が可能となり、乗員の体重に対応じた状態で脹らませて、より適切な状態での保護を図ることができる。乗員の体重は、車両シート２２に人が座った時に、座部クッション２３内に配設した流体を封入した袋体２４を圧し、封入されている流体の圧力を変化させる。例えば、座る前の圧力と座った時の圧力を計測することにより、その圧力変差から乗員の体重を推定することができる。流体を封入した袋体２４による圧力は、上述した光ファイバ圧力センサ２０を用いて光ファイバの光損失として計測装置２５により測定され、この測定値を圧力差及び体重に変換することにより、車両シートに座った人の体重を推定することができる。

本発明の概略を説明する図である。 本発明の圧力伝達部材をダイヤフラムで形成した例を説明する図である。 本発明におけるピンアレイの一例を説明する図である。 本発明による他の実施形態を説明する図である。 本発明によるその他の実施形態を説明する図である。 本発明によるその他の実施形態を説明する図である。 本発明によるその他の実施形態を説明する図である。 本発明による光ファイバ圧力センサを用いて、車両乗員の体重測定する例を説明する図である。

符号の説明

１…光ファイバ、１ａ…コア部、２，２ａ…枕部材、３，３ａ…押圧部材、４…ベース部材、４ａ…基壁、４ｂ…側壁、５…圧力伝達部材、６…光源、７…受光器、８…ダイヤフラム、９…補助部材、１０…Ｖ溝台、１０ａ…平坦部、１０ｂ…台部、１１ａ，１１ｂ…Ｖ溝、１２…液体、１３…充填材、１４…モールド、２０…光ファイバ圧力センサ、２１…光コネクタ、２２…車両シート、２３…座部クッション、２４…流体を封入した袋体、２５…計測装置。

Claims (13)

1. 光ファイバに圧力に応じた局部的な曲げを付与して、前記光ファイバの光損失から圧力を求める光ファイバ圧力センサであって、
   前記光ファイバを受ける枕部材と、前記光ファイバを前記枕部材に押しつけ前記ファイバに局部的な曲げを付与する押圧部材とを備え、前記枕部材はベース部材に支持され、前記押圧部材は圧力に応じて前記ベース部材に対して位置が変位する圧力伝達部材により押圧されるように配置されていることを特徴とする光ファイバ圧力センサ。
2. 前記圧力伝達部材は、可撓性のダイヤフラムで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ圧力センサ。
3. 前記枕部材及び前記押圧部材は、前記光ファイバと接する面がなめらかで、ピン又は棒状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ圧力センサ。
4. 前記枕部材及び前記押圧部材は、Ｖ溝台により位置決めされていることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ圧力センサ。
5. 前記枕部材は、前記ベース部材と一体又は一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ圧力センサ。
6. 前記押圧部材は、前記圧力伝達部材と一体又は一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ圧力センサ。
7. 前記ダイヤフラムと前記ベース部材との間に、液体が充填されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の光ファイバ圧力センサ。
8. 前記ダイヤフラムと前記ベース部材との間に、低ヤング率の充填材が充填されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の光ファイバ圧力センサ。
9. 前記枕部材及び押圧部材が低ヤング率の材料でモールドされていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の光ファイバ圧力センサ。
10. 前記光ファイバが局部的な曲げを受ける領域部分のモードフィールド径を、他の光ファイバの領域部分より大きくしたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光ファイバ圧力センサ。
11. 請求項１〜１０に記載の光ファイバ圧力センサを複数個直列接続したことを特徴とする光ファイバ圧力センサ。
12. 請求項１〜１０に記載の光ファイバ圧力センサを、流体を封入した袋体に組付けたことを特徴とする重量測定装置。
13. 前記袋体は、車両シート部に配置されており、車両乗員の体重推定を行うことを特徴とする請求項１２に記載の重量測定装置。

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