JP2007192570A - 光ファイバマットセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】安価かつ高感度であり、安全性の高い光ファイバマットセンサを提供する。
【解決手段】コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバ１１であって、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を有する光ファイバ１１を有し、センサ部ＳＰを挟み込み、光ファイバ１１の両端を外部に引き出すように一対のマット１４が設けられており、光ファイバ１１の入射端に対してセンサ光を出射する光源１２が接続され、センサ部ＳＰを介して光ファイバ１１の出射端から出射されるセンサ光を検出する受光部１３が接続され、受光部１３においてセンサ光の強度を検出し、これによりマット１４の主面に印加される圧力を感知する構成となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は光ファイバマットセンサに関し、特に、ヘテロコア型光ファイバセンサを用いた光ファイバマットセンサに関するものである。

例えば、自動ドアにおいてドア通行人の有無を感知する装置としてマットセンサが知られている。
マットセンサは、マット上に通行人が乗ることなどによる圧力を感知するマット状のセンサである。
例えば自動ドアのセンサとして用いられる場合、マットセンサの出力信号がドアの開閉制御部に伝達され、マット上に通行人が乗ったときに自動的にドアが開くように構成される。

従来のマットセンサは、電気的センサをマットに埋め込んで形成されたものであり、製造コストが高価である上に、電気的センサを用いているので、少量の水がかかっただけで容易に漏電するおそれがあり、防水対策を万全に講じる必要があった。
さらに、電気的に感知して電気信号を授受することから、防爆施設などにおいては使用することができなかった。

一方、光ファイバを用いたセンサとして種々のタイプが開発され、建築物のセキュリティシステムなどの用途に利用がなされている。
例えば、特許文献１には、ＦＢＧ（fiber bragg grating）と呼ばれる光ファイバセンサが開示されている。ＦＢＧは、光ファイバの伝送路上で、ブラッグの原理に従って特定の波長の光を透過あるいは反射するように構成した可変光学フィルタである。
また、特許文献２及び３には、いわゆるヘテロコア部をセンサとして用いる光ファイバセンサが記載されている。
さらに、光ファイバを用いたマットセンサとしては、例えば特許文献４に記載がある。
特公表２００３−５３２１４０号公報 国際公開９７／４８９９４号パンフレット 特開２００３−２１４９０６号公報 特表２００２−５０７２７９号公報

本願は上記の状況に鑑みてなされたものであり、安価かつ高感度であり、安全性の高い光ファイバを用いたマットセンサを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバマットセンサは、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバであって、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する光ファイバと、前記センサ部を挟み込み、前記光ファイバの両端を外部に引き出すように設けられた一対のマットと、前記光ファイバの入射端に対してセンサ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前記センサ光を検出する受光部とを有し、前記受光部で検出される前記センサ光の強度により前記マットの主面に印加される圧力を感知する。

上記の本発明の光ファイバマットセンサは、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバであって、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する光ファイバを有し、センサ部を挟み込み、光ファイバの両端を外部に引き出すように一対のマットが設けられている。
光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源が接続され、センサ部を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を検出する受光部が接続されている。
受光部においてセンサ光の強度を検出し、これによりマットの主面に印加される圧力を感知する構成となっている。

上記の本発明の光ファイバマットセンサは、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、前記光ファイバの前記クラッド部が除去されてなる構成である。

上記の本発明の光ファイバマットセンサは、好適には、前記光ファイバに前記センサ部が複数直列に接続して設けられている。

上記の本発明の光ファイバマットセンサは、好適には、前記マットがゴムマットを含む。

上記の本発明の光ファイバマットセンサは、好適には、前記マットと前記センサ部の間に挟持された前記センサ部の感度を高める増感部材をさらに有する。

上記の本発明の光ファイバマットセンサは、好適には、前記光ファイバを内部に通して内壁が前記センサ部にあたるように保持された保護チューブをさらに有する。

本発明の光ファイバマットセンサは、センサ部として光ファイバセンサを用いており、安価かつ高感度であり、安全性の高いマットセンサである。

以下に、本発明の光ファイバマットセンサの実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１（ａ）は本実施形態に係る光ファイバマットセンサの模式構成図である。
例えば、センサヘッド１０から光ファイバ１１の両端が引き出されており、光ファイバ１１の入射端に対してセンサ光を出射する光源１２が光学的に接続されており、光ファイバ１１の出射端に対して、出射端から出射されるセンサ光を検出する受光部が光学的に接続されている。

また、図１（ｂ）は光ファイバマットセンサの要部の模式的平面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）中のＸ−Ｘ’における断面図である。
例えば、光ファイバ１１は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバであって、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を有しており、このようなセンサ部ＳＰを挟み込んで光ファイバ１１の両端を外部に引き出すように一対のゴム製のマット１４（１４ａ，１４ｂ）が設けられている。
センサ部ＳＰを含む光ファイバ１１は、マット１４（１４ａ，１４ｂ）間でずれないように、接着剤などで所定の位置に固定されている。
上記のようにセンサヘッド１０が構成されている。

上記の光ファイバマットセンサにおいては、光源１２から光ファイバ１１に入射されたセンサ光がセンサ部ＳＰを介して受光部１３で受光され、ここでセンサ部ＳＰは、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能な構造となっている。
上記のようにセンサ部をマットで挟み込むことで、受光部で検出されるセンサ光の強度によりマットの主面に印加される圧力を感知する構成となっている。
受光部は外部の上位機器に接続され、例えば自動ドアのセンサとして用いられる場合にはドア開閉制御部などに接続される。

上記の光ファイバセンサラインを構成する光ファイバとセンサ部について説明する。
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。
例えば、光ファイバセンサラインを構成する各光ファイバは、光ファイバ通信ラインの光ファイバと同じ構成、即ち、例えばコア径９μｍのシングルモードファイバであり、一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂの間にセンサ部ＳＰが設けられているものとする。
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有する。光源より伝送された光は、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。

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、その外周部に設けられたクラッド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より小さく、例えばａｌ＝９μｍ、ｂｌ＝５μｍ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１ｍｍ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ほぼ同軸に、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。

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する。リークＷを小さくするように、コア２１とコア３１の径の組み合わせをすると大部分の光は再び光ファイバ２１に入射し、伝送される。このとき、センサの挿入損失は小さく、また、リークＷの程度は屈曲などの外界の変化により、鋭敏に変化する。また、コア２１とコア３１の径の組み合わせによっては、リークＷを極度に大きくすることもできる。この場合、多くのリークＷの光がクラッド３２と外界との境界面においてエバネッセント波を発生させ、外界に作用させ変化を感受することができる。

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や光ファイバが置かれている環境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で測定しようとして情報を得ることができる。
即ち、本実施形態においては、センサ部ＳＰをマットで挟み込む構成とすることでマットの主面に圧力が印加されるとセンサ部ＳＰに歪が生じ、これによりリークＷの大きさが変化する。従って、受光部で検出されるセンサ光の強度によりマットの主面に印加される圧力を感知することができる。

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）〜図３（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、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有する光ファイバのセンサ部ＳＰにおいて、クラッド２２が除去されている構成とすることもできる。

本実施形態の光ファイバマットセンサは、センサ部として光ファイバセンサを用いており、安価かつ高感度であり、安全性の高いマットセンサである。

本実施形態の光ファイバマットセンサによると、上記のような伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にする光ファイバセンサが高感度であるので、マットセンサとしても非常に高感度となる。
また、電磁波の影響を受けず、与えることもない。
さらに光ファイバを用いているので金属腐食による接点不良などの不具合が起こらない。
マットセンサとしては電気的センサを用いておらず、光源、センサヘッドから受光部まで光で信号の授受を行っており、漏電の心配がない。電気的スパークによる引火、火災、誘爆のなく、安全防爆性を有しており、防爆施設に適用することができる。
光ファイバを延伸することで、遠隔地でリアルタイムに検知することができ、例えば複数のセンサを集中管理センター一箇所で管理することができる。

本実施形態の光ファイバマットセンサは、例えば自動ドアのセンサとして適用できる。
また、介護施設などにおける起床センサあるいは徘徊センサとして適用できる。

第２実施形態
図４は本発明の第２実施形態に係る光ファイバマットセンサの模式平面図である。
本実施形態においては、光ファイバ１１に例えば５個のセンサ部（ＳＰａ，ＳＰｂ，ＳＰｃ，ＳＰｄ，ＳＰｅ）が複数直列に接続して設けられており、これらのセンサ部を挟み込んで光ファイバ１１の両端を外部に引き出すように一対のゴム製のマット１４が設けられている。
本実施形態に係る光ファイバマットセンサは、複数のセンサ部を設けることで、複数のセンサ部で構成されるマット面全体の領域で広く圧力をすることが可能となる。
センサ部の個数について限定はなく、レイアウトについても限定はないが、例えば５個の場合、中央部に１個配置し、その周囲に４個を配置するようにするとマット面全体を感知できるようになる。

第３実施形態
図５（ａ）は本発明の第３実施形態に係る光ファイバマットセンサの模式平面図であり、図５（ｂ）はマットを分解して示す構成図である。
本実施形態の光ファイバマットセンサは、第１及び第２実施形態の光ファイバマットセンサの構成をより詳細に示したものである。

本実施形態において、例えば、数ｍｍの厚みの第１ゴムマット１４ｃと数ｍｍの厚みの第２ゴムマット１４ｄが積層され、マットが構成されている。
例えば、第１ゴムマット１４ｃと第２ゴムマット１４ｄの間に、センサ部ＳＰを有する光ファイバ１１が挟み込まれている構成である。
上記のように、本実施形態においてはマットがゴムマットを含む構成となっている。

また、例えば、光ファイバ１１を内部に通して内壁がセンサ部ＳＰにあたるように、ゴムなどの樹脂からなる保護チューブ１５がずれないように保持されている。例えば、２５０μｍ程度の径の光ファイバに対して、内径が１ｍｍ程度の保護チューブが用いられる。
さらに、上記のようにセンサ部ＳＰが保護チューブ１５内に保持された状態で、マット（第２ゴムマット１４ｄ）との間に、ゴムなどの樹脂からなり、センサ部の感度を高める増感部材１６が挟持されている。増感部材１６は、例えば細長い板状であり、光ファイバの延伸方向に直行するようにして、センサ部ＳＰを覆うように配置される。
センサ部ＳＰを含む光ファイバ１１は、保護チューブ１５及び増感部材１６とともに、マット１４間でずれないように、接着剤などで所定の位置に固定されている。

保護チューブ１５は、例えばマット１４間で弾性を持って潰れながら、光ファイバのセンサ部に過度の荷重がかからないように保護する機能を有する。

また、増感部材１６は、マット面に印加された圧力を効率的にセンサ部ＳＰに伝達することができ、光ファイバマットセンサの感度を高めることができる。

上記のようにゴムマットを用い、保護チューブ及び増感部材を有する構成とすることで、センサ部の感度を高め、かつ高い耐久性を実現できる。
本実施形態の光ファイバマットセンサは、センサ部として光ファイバセンサを用いており、安価かつ高感度であり、安全性の高いマットセンサである。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、光ファイバを挟み込むマットについては特に限定はなく、一対のゴムマットでセンサ部を挟み込む単純な構成でもよい。但し、第３実施形態に示すように光ファイバ以外の部分の構造を適宜調整することで、マットセンサ自体の感度を大きく高めることが可能である。
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。

本発明の光ファイバマットセンサは、自動ドアのセンサ、あるいは、介護施設などにおける起床センサあるいは徘徊センサとして適用できる。

図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る光ファイバマットセンサの模式構成図であり、図１（ｂ）は光ファイバマットセンサの模式的平面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）中のＸ−Ｘ’における断面図である。 図２（ａ）は、センサ部の構成の一例を示すための、光ファイバのセンサ部ＳＰ近傍での斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部近傍での長手方向の断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、センサ部の構成の一例を示すための、光ファイバのセンサ部近傍での長手方向の断面図である。 図４は本発明の第２実施形態に係る光ファイバマットセンサの模式平面図である。 図５（ａ）は本発明の第３実施形態に係る光ファイバマットセンサの模式平面図であり、図５（ｂ）はマットを分解して示す構成図である。

符号の説明

３…ヘテロコア部
４…界面
１０…センサヘッド
１１…光ファイバ
１２…光源
１３…受光部
１４，１４ａ，１４ｂ…マット
１４ｃ…第１ゴムマット
１４ｄ…第２ゴムマット
１５…保護チューブ
１６…増感部材
２０ａ，２０ｂ…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…光透過部材
ＳＰ，ＳＰａ，ＳＰｂ，ＳＰｃ，ＳＰｄ，ＳＰｅ…センサ部
Ｗ…リーク光

Claims (8)

1. コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバであって、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する光ファイバと、
   前記センサ部を挟み込み、前記光ファイバの両端を外部に引き出すように設けられた一対のマットと、
   前記光ファイバの入射端に対してセンサ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前記センサ光を検出する受光部と
   を有し、
   前記受光部で検出される前記センサ光の強度により前記マットの主面に印加される圧力を感知する
   光ファイバマットセンサ。
2. 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接合されてなる構成である
   請求項１に記載の光ファイバマットセンサ。
3. 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接合されてなる構成である
   請求項１に記載の光ファイバマットセンサ。
4. 前記センサ部は、前記光ファイバの前記クラッド部が除去されてなる構成である
   請求項１に記載の光ファイバマットセンサ。
5. 前記光ファイバに前記センサ部が複数直列に接続して設けられている
   請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバマットセンサ。
6. 前記マットがゴムマットを含む
   請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバマットセンサ。
7. 前記マットと前記センサ部の間に挟持された前記センサ部の感度を高める増感部材をさらに有する
   請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバマットセンサ。
8. 前記光ファイバを内部に通して内壁が前記センサ部にあたるように保持された保護チューブをさらに有する
   請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバマットセンサ。

Images