JP2008111762A

JP2008111762A - 衝撃検知光ファイバセンサ

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Publication number: JP2008111762A
Application number: JP2006295764A
Authority: JP
Inventors: Tomiya Abe; 富也阿部; Yasuyuki Hishida; 康之菱田; Mitsuo Takaba; 美津男高場; Satoru Yamamoto; 哲山本; Katsushi Tsutsuda; 勝志筒田; Shigenori Kobayashi; 重徳小林; Akira Suzuki; 明鈴木
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Denso Corp
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Denso Corp
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: EP1923682A3; US20080226218A1; EP1923682A2; JP4923960B2

Abstract

【課題】センサ精度を上げた衝撃検知光ファイバセンサを提供する。
【解決手段】光ファイバ１は、コア１１およびクラッド１２を備えて構成されている。衝撃検知光ファイバセンサ１００は、クラッド１２の外周面に、弾性体の硬度が異なる複数の線状体２および３を交互に撚り合わせた状態に配置して構成されている。線状体２の弾性体６は、線状体３の弾性体７に比べ、硬度が軟らかく、線状体２と線状体３との硬度差は、ＪＩＳ規格「Ｋ６２５３」のデュロメータタイプＡによるゴム硬度において、１０以上異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、衝撃を検知する衝撃検知光ファイバセンサに関するものである。

対象物に加わった衝撃を検知する衝撃検知センサとして、光ファイバを用いる方法がある。光ファイバ方式のセンサは、対象物に衝撃が加わったときに光ファイバに曲げや歪みが生じ、光ファイバ中を伝搬する光が曲げ損失および圧縮損失によって光量が変化することを検出することにより衝撃を検知する。

光ファイバ方式のセンサとして、例えば、光ファイバに曲げ、歪みを生じやすくして感度を上げることを目的として、光ファイバの外周にフィラメント、螺旋状ワイヤ、絶縁線状部材等を螺旋状に巻き付けたものがある（例えば、特許文献１〜４）。
特公平６−４８２２０号公報特開２００５−２０７７６８号公報特開２００５−０３１０６７号公報特開２００２−２８６５６１号公報

しかし、従来の光ファイバセンサによると、光ファイバは剛性が高いため、曲げや圧縮による光の伝送損失を発生しにくく、センサの十分な感度が得られないという問題がある。

従って、本発明の目的は、センサの感度に優れ、高精度の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、コアおよびクラッドを備えた光ファイバと、前記クラッドの外周に撚り合わされる弾性を有した第１の線状体と、前記第１の線状体とともに前記光ファイバの外周に撚り合わされると共に前記第１の線状体と異なる弾性を有した第２の線状体とを備えた衝撃検知光ファイバセンサを提供する。

本発明によれば、センサの感度に優れ、高精度の衝撃検知光ファイバセンサを得ることができる。

［第１の実施の形態］
（衝撃検知光ファイバセンサの構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

衝撃検知光ファイバセンサ１００は、中心に配置された合成樹脂製の光ファイバ１と、その外周に撚り合わされた状態で配設された第１の線状体としての４本の線状体２と、線状体２より弾性の小さい（すなわち硬い）第２の線状体としての４本の線状体３と、その外周に巻き付けられたＰＥＴテープ４とからなる。

光ファイバ１は、屈折率の高いコア１１と、コア１１の周囲に設けられた屈折率の低いクラッド１２とからなる。

コア１１は、光を伝達させる機能を有し、この機能を有していれば特に限定しないが、ポリメチルメタクリレートに代表されるアクリル系樹脂、或いは、ポリスチレン、ポリカーボネートに代表される芳香族系樹脂、脂環式透明樹脂などを用いることができる。更に、耐熱性や耐久性を向上させる目的で、これらの樹脂に架橋剤を添加し、架橋処理を実施した架橋ポリマを用いても良い。架橋ポリマとしては、架橋アクリル樹脂（熱硬化アクリル樹脂）、シリコーン樹脂等が挙げられる。

クラッド１２は、コア１１内を伝搬する光をコア中に閉じ込める機能を有し、コア１１よりも屈折率が小さい特性を有する。クラッド１２には、ふっ素化アクリレート樹脂、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合樹脂、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン３元共重合体などのふっ素系の樹脂や、シリコーンゴムなどを用いることができる。

なお、光ファイバの構造としては、コアとその外側のクラッドから構成されていることが必須であるが、必要に応じてクラッドの外側に外傷などの保護を目的に、ジャケット層を有していてもよい。ここでジャケット層の材料の例としては、ポリエチレン、ナイロン、エチレン４フッ化エチレン共重合体樹脂などの各種フッ素樹脂、軟質塩ビ樹脂、またはゴム材料などが候補に挙げられる。

線状体２および３は、テンションメンバ５を芯材とし、このテンションメンバ５を異なる弾性を有する弾性体６，７で被覆する構成になっており、第１の実施の形態では４本ずつのグループ（線状体群）に分けた状態で光ファイバ１に巻き付けられている。線状体３の弾性体７は、線状体２の弾性体６よりも弾性が小さい特性のものを用いている。線状体２と線状体３のゴム硬度は、ＪＩＳ規格「Ｋ６２５３」のデュロメータタイプＡによるゴム硬度で１０以上異なることが望ましい。

テンションメンバ５として、銅線、アルミ線、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）等の繊維の紐などを用いることができる。特に、銅線は回路の電源や信号線に利用できることもあり好適である。

弾性体６，７として、光ファイバへの応力が開放された時点で光ファイバの変形も復元する必要があることから、弾性を有するゴムや熱可塑性エラストマーなどが用いられる。特に、シリコーンゴムは、低温から高温までの範囲で弾性率（硬度）特性の変化の少ない特性を有することから好適である。

（衝撃検知光ファイバセンサの動作）
次に、衝撃検知光ファイバセンサ１００の動作について説明する。

図２は、衝撃検知光ファイバセンサの使用例を示す。光ファイバ１は、一端に光源２１（例えば、波長６５０ｎｍのＬＥＤ）が接続され、他端には、受光器２２（例えば、ホトダイオード）が接続されている。更に、光ファイバ１には圧子２３が外嵌されている。

衝撃検知光ファイバセンサ１００の動作原理は、光ファイバ１の側面に応力が加わることで光ファイバ１に曲げ変形が発生し、この曲げ変形により光伝送特性が変化（すなわち、光が減衰）し、この変化を捉えることで応力の付与、すなわち、衝撃の印加を検知するものである。

本発明者は、線状体２および３に、硬軟の２種類以上のゴム硬度を有するもの、望ましくは硬度差が１０以上の組み合わせにすることで、硬い弾性体７を用いた線状体３で押された光ファイバ１の側面が大きく変形し、一方、柔軟な弾性体６を用いた線状体２で押された光ファイバ１の側面は小さく変形する。この結果、光ファイバ１に発生する曲げ変形は、単一な硬度のゴム被覆線を線状体に用いた場合と比べて大きくなり、光伝送損失の応力による変化も大きくなることを見出した。

図３は、図２の状態において、衝撃検知光ファイバセンサに荷重が加わった時の光ファイバの変形を示す。圧子２３から光ファイバ１に荷重が加わると、コア１１には、弾性体６，７の硬さに応じた圧力が加わり、微小な曲げ変形２４が生じる。曲げ変形２４が生じることで光透過損失が発生し、光源２１から受光器２２に到達する光が減少する。受光器２２に到達する光の変化を測定して光透過損失を求め、この損失の大きさを荷重に換算することで荷重検出が可能になる。圧子２３からの荷重が除去されると、線状体２および３の弾性体６，７自身が備える弾性力により、速やかに光ファイバ１の変形が回復し、光透過性能も原状に復元する。

線状体２および３が撚り合わされていることにより、光ファイバ１の側面に応力が加わったとき、精度良く効率的に凹凸形状が側面に形成される。また、弾性体６，７は、光ファイバ１の側面に圧力を加える部材として機能する。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）弾性体７，６に硬、軟の硬度を持たせたことで、線状体２および３が光ファイバ１の側面に及ぼす変形の度合いを変えることができ、衝撃検知光ファイバセンサ１００のセンサ感度を上げることができる。
（２）線状体２および３の中心にテンションメンバ５を設けることにより、線状体の長手方向に強度が確保され、光ファイバ１の外周に線状体２および３を容易かつ精度良く巻き付けることができる。
（３）弾性体６，７として、低温から高温までの範囲で弾性率（硬度）特性の変化の少ないシリコーンゴムを用いることで、衝撃検知光ファイバセンサ１００を広い温度領域で使用しても、低温から高温まで安定した応力・光損失変化特性を有する衝撃検知光ファイバセンサ１００を得ることができる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

第２の実施の形態は、第１の実施の形態において、複数の線状体２および３からなる線状体群を配置した構成に代えて光ファイバ１の外周の円周方向に交互に配置したものである。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、衝撃検知光ファイバセンサ１００のセンサ感度を上げることができ、低温から高温まで安定した応力・光損失変化特性を有する衝撃検知光ファイバセンサ１００を得ることができる。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

第３の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサ１００は、図４の第２の実施の形態において、線状体２および３に代えて、線状体２および３からテンションメンバ５を除去して紐状の弾性体のみで構成した線状体８，９を用いて構成したものであり、４本の線状体８からなる第１の線状体群と４本の線状体９からなる第２の線状体群とを構成している。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

第３の実施の形態によれば、紐状の線状体８，９の硬度を異ならせていることにより、第１の実施の形態と同様に、感度の良い衝撃検知光ファイバセンサ１００を得ることができる。

［第４の実施の形態］
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

第４の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサ１００は、図５に示す第３の実施の形態において線状体８と線状体９を光ファイバ１の外周に円周方向に交互に配置したものである。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

第４の実施の形態についても、第１の実施の形態と同様に、衝撃検知光ファイバセンサ１００のセンサ感度を上げることができ、低温から高温まで安定した応力・光損失変化特性を有する衝撃検知光ファイバセンサ１００を得ることができる。

次に、実施例について説明する。
［実施例１〜８］
表１は、第１の実施の形態の衝撃検知光ファイバセンサ１００において、テンションメンバ５として銅線に弾性体を被覆した線状体２および３を光ファイバ１に巻き付けた衝撃検知光ファイバセンサ１００の実施例１〜８としてまとめたものである。

ここで、光ファイバ１は、外径が１．５ｍｍの架橋アクリル樹脂からなるコア１１と、外径が２．２ｍｍのふっ素樹脂からなるクラッド１２とにより構成されている。

弾性体６，７は、外径０．３ｍｍの銅線によるテンションメンバ５に対し、表１に示す硬度を有する弾性体を０．３５ｍｍの厚さに被覆して構成した。

線状体２および３は、図１に示すように、４本ずつ交互に配置して光ファイバ１に撚って巻き付けた。巻き付け周期は４０ｍｍとした。８本の線状体２および３を巻き付けた後、巻き付けが崩れないように厚さ５μｍのＰＥＴテープ４を巻き付けた。

センサの感度は、長さ１ｍで形成される衝撃検知光ファイバセンサ１００の中心部の１００ｍｍ領域に１ＫＮの荷重を付加した時に生じる光透過損失で定義した。測定は、図２に示すように、衝撃検知光ファイバセンサ１００の片端から光源２１により６６０ｎｍのＬＥＤ光を入射し、他端から出た光を受光器２２として光パワーメータで受光して行った。

図７は、表１に示す実施例１，２，４〜８による硬度差と感度の関係を示す。図７に示すように、弾性体６，７の硬度差が大きくなるにつれて感度が良くなっていることが分かる。好ましくは、感度が略０．２以上となる硬度差１０以上とするのが良い。より好ましくは、硬度差１５以上とするのが良い。

また、同じ硬度差２５である実施例１と実施例３を比較すると、弾性体としてシリコーンゴムを用いた実施例１は、弾性体としてエチレンプロピレンゴムを用いた実施例３よりも、−３０℃〜７０℃の温度変化に対して感度の変化が小さいことが分かる。

［実施例９〜１５］
表２は、第３の実施の形態に示したテンションメンバ５を有しない衝撃検知光ファイバセンサ１００による実施例９〜１５をまとめたものである。

ここで、光ファイバ１は、外径が１．５ｍｍの架橋アクリル樹脂からなるコア１１と、外径が２．２ｍｍのふっ素樹脂からなるクラッド１２とによる構成にした。弾性体からなる線状体８および９は、図５に示すように、４本ずつ連続して配置して光ファイバ１に巻き付けた。巻き付け周期は４０ｍｍとした。８本の線状体８および９を巻き付けた後に、巻き付けが崩れないように、厚さ５μｍのＰＥＴテープ４を巻き付けた。

図８は、表２に示す実施例９，１０，１２〜１５による硬度差と感度の関係を示す。図８に示すように、線状体８，９を構成する弾性体の硬度差が大きくなるにつれて感度が良くなっていることが分かる。好ましくは、感度が略０．２以上となる硬度差１０以上とするのが良い。より好ましくは、硬度差１５以上とするのが良い。

また、同じ硬度差２５である実施例１１と実施例１５を比較すると、弾性体としてシリコーンゴムを用いた実施例１５は、弾性体としてエチレンプロピレンゴムを用いた実施例１１よりも−３０℃〜７０℃の温度変化に対して感度の変化が小さいことが分かる。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、各実施の形態間の構成要素の組み合わせは任意に行うことができる。例えば、第１の実施の形態の線状体２または線状体３と、第３の実施の形態の線状体８または第４の線状体９とを組み合わせて衝撃検知光ファイバセンサ１００を構成することもできる。

本発明の第１の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。衝撃検知光ファイバセンサの使用例を示す構成図である。図２の状態において、荷重が加わって変形した衝撃検知光ファイバセンサの構成図である。本発明の第２の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。本発明の第３の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。本発明の第４の実施の形態に係る衝撃検知光ファイバセンサを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。表１に示す実施例１における硬度差と感度の関係を示す特性図である。表２に示す実施例２における硬度差と感度の関係を示す特性図である。

符号の説明

１光ファイバ
２線状体
３線状体
４ＰＥＴテープ
５テンションメンバ
６，７弾性体
８線状体
９線状体
１１コア
１２クラッド
２１光源
２２受光器
２３圧子
１００衝撃検知光ファイバセンサ

Claims

コアおよびクラッドを備えた光ファイバと、
前記クラッドの外周に撚り合わされる弾性を有した第１の線状体と、
前記第１の線状体とともに前記光ファイバの外周に撚り合わされると共に前記第１の線状体と異なる弾性を有した第２の線状体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。
前記第１および第２の線状体は、円周方向に交互に配置されて前記光ファイバに撚り合わされていることを特徴とする請求項１に記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
前記第１および第２の線状体は、複数の前記第１の線状体からなる第１の線状体群と、複数の前記第２の線状体からなる第２の線状体群として円周方向に交互に配置されて前記光ファイバに撚り合わされていることを特徴とする請求項１に記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
前記第１および第２の線状体は、テンションメンバと、前記テンションメンバの外周を被覆する弾性体からなることを特徴とする請求項１に記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
前記第１および第２の線状体は、紐状の弾性体からなることを特徴とする請求項１に記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
前記弾性体は、前記第１の線状体と前記第２の線状体とで、ＪＩＳ規格「Ｋ６２５３」のデュロメータタイプＡによるゴム硬度が１０以上異なることを特徴とする請求項４または５に記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
前記弾性体は、シリコーンゴムであることを特徴とする請求項４または５に記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
前記テンションメンバは、銅線であることを特徴とする請求項４に記載の衝撃検知光ファイバセンサ。