JP2009036722A - 光ファイバ荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ出力が理想特性に近く、線状体の破断が生じにくい光ファイバ荷重センサを提供する。
【解決手段】本発明に係る光ファイバセンサ１０は、光ファイバ２０と、弾性を有すると共に３種類以上の硬度を有し、光ファイバ２０の長さ方向に沿って光ファイバ２０の外周に撚り合わされ、撚り合わせの単位ピッチにおける硬度が段階的に変化して硬度変化の単位周期を形成する複数の線状体とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ荷重センサに関する。

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の光ファイバに生じた曲げや歪により、光ファイバ中を伝播する光の光量が変化することを検知する。すなわち、光ファイバ方式のセンサは、曲げ損失や圧縮損失により光量が変化すると、光量の変化に応じて衝撃を検知する。

光ファイバ方式のセンサとして、例えば、光ファイバに曲げ及び歪を生じやすくしてセンサ感度を向上させ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、又は絶縁線状部材等を螺旋状に巻きつけて形成したセンサが提案されている。例えば、特許文献１においては、プラスチック光ファイバに螺旋状ワイヤを巻きつけた衝撃検知光ファイバセンサについて記載されている。

特許文献１に記載の衝撃検知光ファイバセンサによれば、プラスチック光ファイバの外周に螺旋状にワイヤを巻いているので、外力がプラスチック光ファイバに加わった場合に、プラスチック光ファイバに曲げ歪を生じやすくできる。これにより、プラスチック光ファイバの光損失感度が向上するので、ワイヤがない場合に比べて高感度で衝撃を検知できる。
特開２００５−２０７７６８号公報

しかし、特許文献１に記載の衝撃検知光ファイバセンサによれば、光ファイバの剛性の高さにより、光ファイバに曲げ歪が発生し難いため、十分なセンサ感度を得ることができない。また、光ファイバの剛性の高さにより、衝撃によって光ファイバセンサが破損する場合がある。

したがって、本発明の目的は、センサ出力が理想特性に近く、線状体の破断が生じにくい光ファイバ荷重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、光ファイバと、弾性を有すると共に３種類以上の硬度を有し、光ファイバの長さ方向に沿って光ファイバの外周に撚り合わされ、撚り合わせの単位ピッチにおける硬度が段階的に変化して硬度変化の単位周期を形成する複数の線状体とを備える光ファイバ荷重センサが提供される。

また、上記光ファイバ荷重センサにおいて、単位周期は、撚り合わせの単位ピッチにおいて、複数の線状体の硬度の大きさの順に応じて段階的に変化する周期であってもよい。また、複数の線状体は、第１の硬度を有する第１線状体と、第１の硬度より大きい第２の硬度を有する第２線状体と、第２の硬度より大きい第３の硬度を有する第３線状体とを少なくとも有していてよい。

また、上記光ファイバ荷重センサにおいて、線状体は、紐状の弾性体から形成されてもよい。更に、線状体は、テンションメンバと、テンションメンバの外周を被覆する弾性体とから形成され、硬度は弾性体の硬度であってもよい。また、線状体は、最も硬度の小さい線状体と最も硬度の大きい線状体とが光ファイバを中心として相対するように配置されていてもよい。また、弾性体は、シリコーンゴムであってもよい。

本発明によれば、センサ出力が理想特性に近く、線状体の破断が生じにくい光ファイバ荷重センサを提供することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの概要を示す。すなわち、図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図を示しており、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの側面図を示す。

（光ファイバ荷重センサの構成）
本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１０は、光を伝播するコア２００及びコア２００の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド２１０から形成される光ファイバ２０と、光ファイバ２０の外周に撚り合わされて配設される８本の線状体とを備える。ここで８本の線状体は、線状体Ａ１００と、線状体Ａ１００より大きな硬度の線状体Ｂ１０２と、線状体Ｂ１０２より大きな硬度の線状体Ｃ１０４と、線状体Ｃ１０４より大きな硬度の線状体Ｄ１０６と、線状体Ｄ１０６より大きな硬度の線状体Ｅとから形成される。

本実施形態に係る光ファイバ２０は、プラスチック光ファイバ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ：ＰＯＦ）である。光ファイバ２０は、光を伝播するコア２００と、コア２００の周囲を包囲して設けられ、コア２００を形成する材料が呈する屈折率よりも小さな屈折率を呈するクラッド２１０とを有する。光ファイバ２０は、光ファイバ２０を形成する材料の低損失波長帯に含まれる波長６５０ｎｍの光を伝播する。この光ファイバ２０は、例えば、ポリメチルメタクリレート等の汎用プラスチック樹脂とフッ素系樹脂とから形成することができる。

具体的に光ファイバ２０のコア２００は、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から形成される。また、コア２００は、ポリスチレン又はポリカーボネート等の芳香族系樹脂、若しくは脂環式透明樹脂から形成することもできる。更に、コア２００は、耐熱性及び耐久性の向上を目的として、芳香族系樹脂又は脂環式透明樹脂に所定の架橋剤を添加した後に、所定の架橋処理を施した架橋ポリマから形成することもできる。なお、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）、又はシリコーン樹脂等が挙げられる。

また、クラッド２１０は、フッ素化アクリレート樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、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、又はフッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン三元共重合体等のフッ素系樹脂から形成することができる。また、クラッド２１０は、シリコーンゴムから形成することもできる。

ここで、クラッド２１０は、コア２００を伝播する光をコア２００中に閉じ込める。すなわち、本実施形態に係る光ファイバ２０は、クラッド２１０の屈折率がコア２００の屈折率よりも低いステップインデックス型構造を形成することにより、コア２００を伝播する光をコア２００中に閉じ込める。なお、光ファイバ２１０は、コア２００の屈折率をコア２００の外周から中心に向かって漸次高くして形成されるグレーデットインデックス型として形成することもできる。

本実施形態に係る光ファイバ２０は、一例として、外径２．２ｍｍのプラスチック製光ファイバである。すなわち、光ファイバ２０は、架橋ポリメチルメタクリレート樹脂から形成され外径が１．５ｍｍのコア２００と、フッ素樹脂から形成されるクラッド２１０とを有する。なお、一例として、コア２００は、弾性率が３×１０^９Ｐａである架橋ポリメチルメタクリレート樹脂から形成され、クラッド２１０は、弾性率が５×１０^８Ｐａであるフッ素系樹脂から形成される。

なお、クラッド２１０の外側に外傷等が生じることを防止すべく、光ファイバ２０のクラッド２１０の外周を包囲するジャケット層を、光ファイバ２０は更に有していてもよい。ジャケット層は、例えば、ポリエチレン、ポリアミド系合成樹脂（例えば、ナイロン（登録商標））、エチレン４フッ化エチレン共重合体樹脂等のフッ素系樹脂、軟質塩ビ樹脂、又は弾性材料としてのゴム材料等から形成することができる。

線状体Ａ１００、線状体Ｂ１０２、線状体Ｃ１０４、線状体Ｄ１０６、及び線状体Ｅ１０８は、それぞれの硬度が互いに異なると共に、弾性を有する弾性体から形成される。弾性体としては、例えば、ゴム又は熱可塑性エラストマー（スチレン系、オレフィン系、塩ビ系、ウレタン系、エステル系、又はアミド系の熱可塑性エラストマー）等が挙げられる。

これらの線状体は、低温から高温までの所定の温度範囲における弾性率（硬度）の変化が少ない特性を有する材料から形成されることが好ましい。例えば、これらの線状体は、シリコーンゴムから形成することができる。そして、線状体Ａ１００、線状体Ｂ１０２、線状体Ｃ１０４、線状体Ｄ１０６、及び線状体Ｅ１０８はそれぞれ、紐状に形成される。

本実施形態において、線状体Ａ１００、線状体Ｂ１０２、線状体Ｃ１０４、線状体Ｄ１０６、及び線状体Ｅ１０８は、係る順番に硬度の大きさが徐々に変化する。ここで、硬度は、ＪＩＳ規格「Ｋ６２５３」のデュロメータタイプＡによるゴム硬度である。具体的には、線状体Ａ１００、線状体Ｂ１０２、線状体Ｃ１０４、線状体Ｄ１０６、及び線状体Ｅ１０８の順番で、硬度が段階的に大きくなるべくこれらの線状体は形成される。

一例として、線状体Ａ１００の硬度を４０、線状体Ｂ１０２の硬度を５０、線状体Ｃ１０４の硬度を６０、線状体Ｄ１０６の硬度を７０、及び線状体Ｅ１０８の硬度を８０に選定できる。なお、光ファイバ２０の外周に線状体を撚り合わせる時の張力によって線状体が伸張して線状体の外径寸法が撚り合わせ前より小さくなったり、断面形状の変形が大になることを防止すべく、線状体の硬度は４０以上であることが好ましい。

ここで本実施形態においては、これらの複数の線状体が所定の順序の配列で配置され、光ファイバ２０の外周に当該配置を保ちつつ撚り合わされる。具体的に、複数の線状体は、光ファイバ２０の長さ方向に沿って光ファイバ２０の外周に撚り合わされ、撚り合わせの単位ピッチにおける線状体の硬度が段階的に変化して硬度変化の単位周期を形成する配置となるべく光ファイバ２０の外周に配置される。

より具体的には、単位周期は、複数の線状体の撚り合わせの単位ピッチにおいて、複数の線状体の硬度の大きさの順に応じて段階的に変化する周期である。例えば、複数の線状体を光ファイバ２０の外周に撚り合わせて配置した場合、撚り合わせの単位ピッチごとに基準としての一の線状体がピッチの最初に来る配列となる配置、すなわち、１ピッチごとに一の線状体に戻る配置に、異なる硬度を有する複数の線状体のそれぞれを配置する。例えば、複数の線状体の配列は、以下の通りである。

すなわち、線状体Ａ１００と、線状体Ａ１００に隣接する第１の線状体Ｂ１０２と、第１の線状体Ｂ１０２に隣接する第１の線状体Ｃ１０４と、第１の線状体Ｃ１０４に隣接する第１の線状体Ｄ１０６と、第１の線状体Ｄ１０６に隣接する線状体Ｅ１０８と、線状体Ｅ１０８に隣接する第２の線状体Ｄ１０６と、第２の線状体Ｄ１０６に隣接する第２の線状体Ｃ１０４と、第２の線状体Ｃ１０４に隣接する第２の線状体Ｂ１０２とが係る順に光ファイバ２０の外周に配置される。

そして、これら５種類の硬度の８本の線状体を一組として、これらの複数の線状体は、光ファイバ２０の外周に撚り合わされて配置される。ここで、第２の線状体Ｂ１０２の第２の線状体Ｃ１０４と隣接する側の反対側において、第２の線状体Ｂ１０２は第１の線状体Ａ１００と隣接する。

なお、一例として、線状体Ａ１００、第１の線状体Ｂ１０２、第１の線状体Ｃ１０４、第１の線状体Ｄ１０６、線状体Ｅ１０８、第２の線状体Ｄ１０６、第２の線状体Ｃ１０４、及び第２の線状体Ｂ１０２はそれぞれ、撚り合わせのピッチを約１６ｍｍに設定して、光ファイバ２０の外周に撚り合わせて巻き付けられる。そして、本実施形態においては、上述したように、隣接する線状体の硬度はそれぞれ段階的に異なることとなる。更に、線状体Ａ１００を基準とすると、光ファイバ２０の周方向における複数の線状体の配置は、撚り合わせの単位ピッチごとに線状体Ａ１００から線状体Ａ１００に戻ることとなる。

ここで、線状体Ａ１００と、線状体Ｂ１０２と、線状体Ｃ１０４と、線状体Ｄ１０６と、線状体Ｅ１０８の外径は、一例として１．２ｍｍである。

（光ファイバ荷重センサの動作）
図２（ａ）は、光ファイバ荷重センサの使用例を示す。また、図２（ｂ）は、光ファイバ荷重センサに荷重が加わったときの状態を示す。

図２（ａ）を参照すると、光ファイバ荷重センサ１０は、光ファイバ２０の一端に光源３０が接続され、他端に受光器４０が接続される。更に、光ファイバ２０の長さ方向における所定の位置に、光ファイバ荷重センサ１０を光ファイバ荷重センサ１０の外部から挟む圧子５０が設けられる。

光源３０は、一例として、ピーク波長が６５０ｎｍの光を発する発光ダイオードを有する発光装置である。なお、光源３０は、波長６５０ｎｍのレーザ光を発する半導体レーザダイオードから構成することもできる。また、受光器４０は、光源３０が発する光に対して所定の感度を有するフォトダイオードから構成される。一例として、受光器４０を構成するフォトダイオードは、４００ｎｍから１１００ｎｍの波長の光に感度を有するシリコンから形成されるフォトダイオードである。

光ファイバ荷重センサ１０の動作原理は以下の通りである。すなわち、図２（ｂ）に示すように、まず、光源３０から光ファイバ２０を介して、受光器４０に所定の光を送信する。ここで、光ファイバ２０の側面に圧子５０を介して所定の荷重が加わると、コア２００には、複数の線状体それぞれの硬度に応じた圧力が圧子５０を介して加わる。すると、圧子５０に加わった荷重に応じて光ファイバ２０内には応力が発生する。そして、光ファイバ２０の圧子５０が設けられている領域に、発生した応力に応じた微小な曲げ変形５００が生じる。

ここで、硬度の大きい線状体と硬度の小さい線状体とが光ファイバ荷重センサ１０の断面で相対する位置に配置されているため、光ファイバ２０は硬度の大きい線状体に押されて硬度の小さい線状体側に変位する。すなわち、複数の線状体のそれぞれは、光ファイバ２０の側面に圧力を加える部材としての機能を有すると共に、それぞれの硬度に応じて光ファイバ２０の側面に異なる圧力を加える。これにより、光ファイバ２０には、光ファイバ２０の外周に撚り合されて設けられている複数の線状体のそれぞれの硬度に応じて周期的に変形する立体的な曲げ変形５００が生じる。そして、生じた曲げ変形５００により、光ファイバ２０を伝播する光の光伝送特性が変化する。

本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１０は、光ファイバ２０に加わった荷重又は衝撃を、光伝送特性の変化として検知する。ここで、光伝送特性は、一例として、光源３０が発する光の光量である。圧子５０に力が加わると、受光器４０が受光する光源３０が発した光の光量は、圧子５０に力が加わる前に比べて減少する。すなわち、曲げ変形５００が生じることによって、光透過損失が発生して、光源３０から受光器４０に到達する光が減少する。

そして、受光器４０に到達する光の変化を測定することにより光透過損失を算出して、算出した光透過損失の大きさを荷重に換算することで光ファイバ２０に加わった荷重を検出することができる。したがって、光ファイバ荷重センサ１０によれば、受光器４０が受光する光量の増減に基づいて、光ファイバ２０に荷重が加わったか否かを判断できる。

次に、圧子５０から荷重が取り除かれると、複数の線状体のそれぞれが有する弾性力の働きによって、光ファイバ２０に生じていた曲げ変形５００が消滅する。そして、光ファイバ２０の形状は、圧子５０を介して光ファイバ２０に力が加わる前の状態の形状に回復する。これにより、光伝送特性も元の状態に復元する。

なお、本実施形態において、互いに隣接する２つの線状体の硬度の差は、硬度の異なる線状体の境界部分において急な応力の分布が生じることを防止すべく、小さいことが好ましい。ここで、最も硬度の大きい線状体と最も硬度の小さい線状体との硬度差が大きいほど感度がより大きい点、線状体の外径が所定の外径以上ない場合には、光ファイバ２０の変形量を確保できない点、及び線状体の外径と光ファイバ２０の外径とが決定されると、光ファイバ２０に巻きつけることができる線状体の本数の上限が決定される点から、隣接する線状体の硬度差には限界点が存在する。したがって、本実施形態においては、隣接する線状体の硬度差は、１０から２０の範囲内にあることが好ましい。

また、それぞれ異なる硬度を有して互いに隣接する線状体の硬度差は、光ファイバ２０の周方向で一定の硬度差であることがより好ましい。例えば、本実施形態に示すべく、線状体Ａ１００の硬度と第１の線状体Ｂ１０２の硬度の差は１０であり、第１の線状体Ｂ１０２の硬度と第１の線状体Ｃ１０４の硬度の差は１０であり、他の互いに隣接する線状体の硬度の差も全て１０になるべく光ファイバ荷重センサ１０は形成される。

更に、複数の線状体のそれぞれの硬度は、線状体間の硬度差を大きくすることを目的として、一の線状体を選定した場合、他の線状体は、一の線状体よりも大きい硬度を示す材料から形成することが望まれる。しかしながら、他の線状体の硬度が一の線状体の硬度に比べて所定値以上となると、線状体の弾性体としての特性が低下、すなわち、弾性限界が小さくなる場合がある。

また、光ファイバ２０に荷重が加わった場合において、一の線状体の硬度と他の線状体の硬度との差が大きいと、光ファイバ２０が破損するほどの変形を与える場合がある。更に、複数の線状体のそれぞれを光ファイバ２０に巻きつける場合に、線状体の硬度が大きいほど線状体に加える張力を大きくして巻きつけなければならない。したがって、光ファイバ２０を光の伝播方向に対して横方向に引っ張る力が増加して、巻きつけた後の光ファイバ２０にうねりが生じやすくなる場合がある。これにより、複数の線状体のそれぞれの硬度は、４０から８０の範囲で選定することが好ましく、複数の線状体のそれぞれの外径は全て等しいことが好ましい。

図３（ａ）は、比較例に係る光ファイバ荷重センサの断面図を示しており、図３（ｂ）は、比較例に係る光ファイバ荷重センサを形成する光ファイバのＡ−Ａ’断面において発生する応力を示しており、更に、図３（ｃ）は、図３（ａ）の比較例に係る光ファイバ荷重センサのＡ−Ａ’での側面図を示す。

図３（ａ）に示すように、比較例に係る光ファイバ荷重センサ１８は、第１の硬度（一例として、硬度：４０）を有する弾性体から形成される４本の線状体Ａ１００（第１の線状体群）と、第１の硬度よりも大きい硬度の第２の硬度（一例として、硬度：８０）を有する弾性体から形成される４本の線状体Ｂ１０２（第２の線状体群）とが、光ファイバ２０の外周に約１６ｍｍのピッチで撚り合わされて形成される。

なお、線状体Ａ１００及び線状体Ｂ１０２はそれぞれシリコーンゴムから形成され、外径は１．２ｍｍである。また、硬度は本実施形態同様に、ＪＩＳ規格「Ｋ６２５３」のデュロメータタイプＡによるゴム硬度である。そして、光ファイバ２０は、外形が２．２ｍｍのプラスチック光ファイバであり、弾性率が３×１０^９Ｐａである架橋ポリメチルメタクリレート樹脂から形成されるコア２００の外径は１．５ｍｍであり、弾性率が５×１０^８Ｐａであるクラッド２１０はフッ素系樹脂から形成される。

係る光ファイバ荷重センサ１８に外部から荷重が加わると、硬い線状体Ｂ１０２で押された光ファイバ２０の側面が、柔らかい線状体Ａ１００で押された光ファイバ２０の側面側に変形する。これにより、光ファイバ２０に発生する曲げ変形は、複数の線状体を全て同一の硬度を有する材料から形成する場合に比べて大きくなり、光ファイバ２０を伝播する光の光伝送損失の応力による変化も大きくなる。

ここで、図３（ｃ）を参照すると、比較例に係る光ファイバ荷重センサ１８は、硬度の異なる２種類の線状体が隣接する部分において、光ファイバ荷重センサ１８の長さ方向で光ファイバ２０と線状体Ａ１００及び線状体Ｂ１０８との間の応力変化が大きい。すなわち、図３（ｂ）に示すように、第１の線状体群と第２の線状体群とが隣接する部分で光ファイバ２０に生じる応力の方向が大きく変化する（応力変化部分７０２）。

そして、第１の線状体群と第２の線状体群とが光ファイバ２０に巻きつけられたときの撚り合わせの単位ピッチ７００の始め、中間、及び終わりの位置で光ファイバ２０に生じる応力の変化部分である複数の応力変化部分７０２において、光ファイバ２０の形状が変形することによる光の損失が、光ファイバ２０に加わる荷重が小さいときでも発生し易い。したがって、複数の線状体のそれぞれを同一の材料で形成した場合に比べて、光ファイバ荷重センサ１８のセンサ感度は向上する。

一方、光ファイバ２０に加わる荷重が大きくなるにつれ、硬度の大きい線状体Ｂ１０２及び硬度の小さい線状体Ａ１００のいずれにおいても線状体の圧縮量が大きくなり、線状体Ａ１００及び線状体Ｂ１０２それぞれについて変形できる量が徐々に減少する。したがって、所定値以上の荷重が光ファイバ２０に加わった場合には、センサ感度が飽和する。また、所定値以上の荷重が光ファイバ２０に加わった場合には、応力変化部分７０２において、線状体に過大なせん断力が加わり、線状体の破断が生じやすい。

図４（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図を示しており、図４（ｂ）は、第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサを形成する光ファイバのＢ−Ｂ’断面において発生する応力を示しており、更に、図４（ｃ）は、図４（ａ）の第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサのＢ−Ｂ’での側面図を示す。

図４（ｂ）を参照すると、本実施形態においては、光ファイバ２０の外周に硬度が異なる５種類の線状体を硬度の大きさの順に沿って撚り合わせたので、光ファイバ荷重センサ１０の長さ方向の応力分布の形状は、比較例に比べて緩和していることが分かる。すなわち、図４（ｃ）に示すように、線状体Ａ１００と第１の線状体Ｂ１０２とが隣接する部分、第１の線状体Ｂ１０２と第１の線状体Ｃ１０４とが隣接する部分、第１の線状体Ｃ１０４と第１の線状体Ｄ１０６とが隣接する部分、及び第１の線状体Ｄ１０６と線状体Ｅ１０８とが隣接する部分である複数の応力変化部分７１２のそれぞれにおける応力の変化量は、比較例と比べて少ない。

また、線状体Ｅ１０８と第２の線状体Ｄ１０６とが隣接する部分、第２の線状体Ｄ１０６と第２の線状体Ｃ１０４とが隣接する部分、第２の線状体Ｃ１０４と第２の線状体Ｂ１０２とが隣接する部分、及び第２の線状体Ｂ１０２と線状体Ａ１００とが隣接する部分の応力変化部分７１２のそれぞれにおける応力の変化量も同様である。すなわち、本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１０によれば、複数の線状体の撚り合わせの単位ピッチ７００あたりにおいて複数の線状体の硬度が段階的に変化することにより、光ファイバ２０に生ずる応力も段階的に細かく変化することとなる。

図５は、比較例及び本実施形態に係る光ファイバ荷重センサのセンサ感度特性のグラフを示す。

具体的には、比較例に係る光ファイバ荷重センサ１８及び本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１０の所定の位置から長さ方向に向かって１０ｃｍの範囲に所定の荷重を加えた場合のそれぞれのセンサ出力を示す。光ファイバ荷重センサ１８においては、図５のセンサ出力８０４に示すように、荷重が大きくなるにつれてセンサ感度も大きくなるが、荷重に対するセンサ感度は飽和する傾向であり、理想的なセンサ出力、すなわち、光ファイバ２０に加わる荷重に対してセンサ感度が比例するセンサ出力である理想出力８００からの乖離が大きい。

一方、本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１０においては、図５のセンサ出力８０２に示すように、荷重が大きくなるにつれてセンサ感度も大きくなり、荷重に対するセンサ感度は比較例に係る光ファイバ荷重センサ１８の場合と比べて、理想出力８００に近似する。なお、本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１０においては、光ファイバ２０の所定の位置に荷重を加えた場合において、複数の線状体の破断が生じる荷重を、比較例と比べて大きくすることができる。

（第１の実施の形態の効果）
本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１０によれば、硬度がそれぞれ異なる線状体を光ファイバ２０の外周に撚り合わせたので、光ファイバ荷重センサ１０に加わる荷重に対してセンサ感度が比例する理想特性に近いセンサ出力を得ることができる。

また、本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１０によれば、光ファイバ２０の外周に巻きつける線状体の硬度の種類が比較例に係る光ファイバ荷重センサ１８よりも多いので、光ファイバ２０の外周に撚り合わせる複数の線状体の破断が生じにくい。したがって、本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１０は、加わる荷重に対するセンサ感度の直線性が良好であり、耐荷重性も良好であるので、一例として、自動車の衝突物判定システムに適用することができる。

［第２の実施の形態］
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの概要を示す。すなわち、図６（ａ）は、第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図を示しており、（ｂ）は、第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの側面図を示す。

第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサ１２は、第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサ１０に対して、光ファイバ２０の外周に巻きつける線状体の硬度及び順序が異なる点を除いて略同一の構成を有するので、相違点を除き、詳細な説明は省略する。

本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１２においては、３種類の硬度を有する線状体を計８本、光ファイバ２０の外周に巻きつける。すなわち、光ファイバ２０の外周に、第１の硬度を有する線状体Ａ１００と、第１の硬度より大きい第２の硬度の線状体Ｂ１０２と、第２の硬度より大きい第３の硬度の線状体Ｃ１０４とをそれぞれ２本ずつ巻きつけて光ファイバ荷重センサ１２は形成される。

具体的には、２本の線状体Ａ１００から構成される第１の線状体群と、２本の線状体Ｂ１０２から構成される第２の線状体群と、２本の線状体Ｃ１０４から構成される第３の線状体群と、更に、２本の線状体Ｂ１０２から構成される第４の線状体群が係る順序で光ファイバ２０の外周に巻きつけられて光ファイバ荷重センサ１２は形成される。

すなわち、本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１２は、光ファイバ２０の外周に、第１の線状体群と、第１の線状体群に隣接する第２の線状体群と、第２の線状体群に隣接する第３の線状体群と、第３の線状体群に隣接すると共に第１の線状体群と隣接する第４の線状体群とを有する。

なお、３種類の線状体のうち、最小の硬度を有する線状体Ａ１００の硬度は、第１の実施の形態と同様に４０以上であることが好ましい。一例として、第１の硬度は４０、第２の硬度は６０、及び第３の硬度は８０に選定できる。また、線状体Ａ１００、線状体Ｂ１０２、及び線状体Ｃ１０４はそれぞれ、外径１．２ｍｍのシリコーンゴムから形成することができる。

図７（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図を示しており、図７（ｂ）は、第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサを形成する光ファイバのＣ−Ｃ’断面において発生する応力を示しており、更に、図７（ｃ）は、図７（ａ）の第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサのＣ−Ｃ’での側面図を示す。

図７（ｂ）を参照すると、本実施形態においては、光ファイバ２０の外周に硬度が異なる３種類の線状体を硬度の大きさの順に沿って撚り合わせたので、光ファイバ荷重センサ１２の長さ方向の応力分布の変化は、上述した図３における比較例に比べて緩和していることが分かる。

すなわち、図７（ｃ）に示すように、２本の線状体Ａ１００から構成される第１の線状体群と２本の線状体Ｂ１０２から構成される第２の線状体群とが隣接する部分、第２の線状体群と２本の線状体Ｃ１０４から構成される第３の線状体群とが隣接する部分、及び第３の線状体群と２本の線状体Ｂ１０６から構成される第４の線状体群とが隣接する部分のそれぞれにおける応力の変化量は、比較例と比べて少ない。

換言すると、光ファイバ２０に生じる応力が変化する部分である応力変化部分７１２の数を、光ファイバ２０の外周に巻きつける線状体の撚り合わせのピッチ７００内において、比較例に係る光ファイバ荷重センサ１８よりも増加させることができる。

（第２の実施の形態の効果）
本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１２によれば、光ファイバ２０の長さ方向のおける応力分布の変化を小さくすることができる。

また、本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１２によれば、光ファイバ２０に巻きつける線状体の種類を第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサ１０より少なくすることができる。したがって、光ファイバ荷重センサ１２に要求される荷重−センサ感度特性が多少飽和してもよい用途に光ファイバ荷重センサ１２を用いる場合、又は、光ファイバ荷重センサ１２に加わる荷重範囲が光ファイバ荷重センサ１０よりも低い用途に光ファイバ荷重センサ１２を用いる場合には、同一種類の材料の使用量を増加させることができるので、材料調達費を低減できる。

更に、本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１２によれば、用いる線状体の種類を第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサ１０よりも少なくできるので、光ファイバ荷重センサ１２の製造時等において管理すべき材料の種類を減少させることができ、材料管理費を低減することができる。

［第３の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの概要を示す。すなわち、図８（ａ）は、第３の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図を示しており、（ｂ）は、第３の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの側面図を示す。

第３の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサ１４は、第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサ１０に対して、光ファイバ２０の外周に巻きつける線状体の硬度及び順序が異なる点を除いて略同一の構成を有するので、相違点を除き、詳細な説明は省略する。

本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１４においては、４種類の硬度を有する線状体を計８本、光ファイバ２０の外周に巻きつける。すなわち、光ファイバ２０の外周に、第１の硬度を有する線状体Ａ１００と、第１の硬度より大きい第２の硬度の第１の線状体Ｂ１０２と、第２の硬度より大きい第３の硬度の第１の線状体Ｃ１０４と、第３の硬度より大きい第４の硬度の線状体Ｄ１０６とを巻きつけて光ファイバ荷重センサ１４は形成される。

具体的には、２本の線状体Ａ１００から構成される第１の線状体群と、第１の線状体Ｂ１０２と、第１の線状体Ｃ１０４と、２本の線状体Ｄ１０６から構成される第２の線状体群と、第２の線状体Ｃ１０４と、第２の線状体Ｂ１０２とが係る順序で光ファイバ２０の外周に巻きつけられて光ファイバ荷重センサ１４は形成される。

すなわち、本実施形態に係る光ファイバ荷重センサ１４は、光ファイバ２０の外周に、第１の線状体群と、第１の線状体群に隣接する第１の線状体Ｂ１０２と、第１の線状体Ｂ１０２に隣接する第１の線状体Ｃ１０４と、第１の線状体Ｃ１０４に隣接する第２の線状体群と、第２の線状体群に隣接する第２の線状体Ｃ１０４と、第２の線状体Ｃ１０４に隣接すると共に線状体Ａ１００と隣接する第２の線状体Ｂ１０２とを有する。なお、３種類の線状体のうち、最小の硬度を有する線状体Ａ１００の硬度は、第１の実施の形態と同様に４０以上であることが好ましい。

図９は、本発明の変形例を示す。すなわち、図９（ａ）は、光ファイバの周囲に巻きつける線状体の本数を６本にした光ファイバ荷重センサの断面図を示しており、（ｂ）は、テンションメンバ及びシース材を更に設けた光ファイバ荷重センサの断面図を示す。

まず、図９（ａ）を参照する。本変形例においては、光ファイバ２０の外周に撚り合わせる線状体の本数を６本にした光ファイバ荷重センサ１６を形成する。具体的には、第１の硬度の線状体Ａ１００と、第１の硬度より大きい第２の硬度の線状体Ｂ１０２と、第２の硬度より大きい第３の硬度の線状体Ｃ１０４と、第３の硬度より大きい第４の硬度の線状体Ｄ１０６とが光ファイバ２０の外周に巻きつけられて光ファイバ荷重センサ１６は形成される。

すなわち、光ファイバ荷重センサ１６は、光ファイバ２０の外周に、線状体Ａ１００と、線状体Ａ１００に隣接する第１の線状体Ｂ１０２と、第１の線状体Ｂ１０２に隣接する第１の線状体Ｃ１０４と、第１の線状体Ｃ１０４に隣接する線状体Ｄ１０６と、線状体Ｄ１０６に隣接する第２の線状体Ｃ１０４と、第２の線状体Ｃ１０４に隣接する第２の線状体Ｂ１０２とを有する。そして、第２の線状体Ｂ１０２は、線状体Ａ１００に更に隣接する。

本変形例においても第１の実施の形態と同様に、線状体Ａ１００から線状体Ｄ１０６に進むにつれて硬度が大きくなり、線状体Ｄ１０６から線状体Ａ１００に進むにつれて硬度が小さくなる構成として光ファイバ荷重センサ１６は形成される。なお、光ファイバ荷重センサ１６は、線状体Ａ１００から線状体Ｄ１０６に進むにつれて硬度が小さくなり、線状体Ｄ１０６から線状体Ａ１００に進むにつれて硬度が大きくなる構成として形成することもできる。

一例として、光ファイバ荷重センサ１６の線状体はそれぞれ、弾性率の温度依存性が小さいシリコーンゴムから形成される。また、線状体の外径はそれぞれ１．４ｍｍに形成される。そして、６本の線状体は、外径が２．２ｍｍのプラスチック製の光ファイバ２０に約１６ｍｍのピッチでより合わせて形成される。なお、コア２００は、弾性率が３×１０^９Ｐａの架橋ポリメチルメタクリレート樹脂から形成され、外径が１．５ｍｍである。また、クラッド２１０は、弾性率が５×１０^８Ｐａのフッ素樹脂から形成される。

また、一例として、線状体Ａ１００の硬度を４０、線状体Ｂ１０２の硬度を５０、線状体Ｃ１０４の硬度を６０、及び線状体Ｄ１０６の硬度を７０に選定できる。なお、線状体の硬度は、４０以上であれば特に限定されない。

次に図９（ｂ）を参照する。図９（ｂ）に係る変形例の光ファイバ荷重センサ１１においては、複数の線状体がテンションメンバ６０を心材として有する点、及び複数の線状体の外部にシース材７０が設けられている点を除き、第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサ１０と略同一の構成を有する。したがって、相違点を除き、詳細な説明は省略する。

本変形例に係る光ファイバ荷重センサ１１の複数の線状体はそれぞれ、心材としてのテンションメンバ６０を有する。複数の線状体はそれぞれ、テンションメンバ６０を弾性体で被覆して形成される。なお、複数の線状体の硬度は、テンションメンバ６０を被覆する弾性体の硬度で規定される。

テンションメンバ６０は、導電性金属から形成される線材、例えば、銅線、又はアルミ線等から形成される。また、テンションメンバ６０は、絶縁性材料から形成される紐、例えば、紐状の繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＦＲＰ）やポリエステル繊維から形成することもできる。テンションメンバ６０に導電性金属から形成される線材としての銅線を用いる場合、当該銅線を、所定の回路に電源を供給する電力供給線、又は所定の信号を伝播する信号線として利用できる。

また、複数の線状体のそれぞれがテンションメンバ６０を有する場合、線状体を光ファイバ２０の外周に撚り合わせるときの張力が大きい場合であっても線状体が伸張し難くなる。したがって、複数の線状体のそれぞれがテンションメンバ６０を有する場合には、複数の線状体のそれぞれがテンションメンバ６０を有さない場合に比べてより高い張力で光ファイバ２０の外周に撚り合わせることができるので、撚り合わせ後の複数の線状体をほどけにくくする事ができる。

また、光ファイバ荷重センサ１１に荷重が印加された際に、撚り合わせた線状体が伸びて必要以上に変形することを抑制することもできる。

更に、本変形例に係る光ファイバ荷重センサ１１は、複数の線状体の外側にシース材７０を更に備える。シース材７０は、厚さ１００μｍ以下のＰＥＴテープ材、又はシリコーンゴム等から形成することができる。光ファイバ荷重センサ１１として広い温度範囲で所定のセンサ感度を保つべく、シース材７０を形成する材料は、弾性率の温度特性が小さいことが好ましい。

したがって、シース材７０は、弾性率の温度特性が小さいシリコーンゴムから形成することが好ましい。なお、シース材７０を形成する材料の弾性率の温度特性が多少大きい場合であっても、光ファイバ荷重センサ１１に加わる荷重の方向のシース材７０の厚さを所定値よりも薄くすることにより、弾性率の温度特性が大きいことの影響を抑制できる。

シース材７０を設けることにより、複数の線状体のほどけ防止、複数の線状体間への水の浸入防止、及び複数の線状体の外部に外傷がつくことの防止等ができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

（ａ）は、第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図であり、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの側面図である。 （ａ）は、光ファイバ荷重センサの使用例を示す図であり、（ｂ）は、光ファイバ荷重センサに荷重が加わったときの状態を示す図である。 （ａ）は、比較例に係る光ファイバ荷重センサの断面図であり、（ｂ）は、比較例に係る光ファイバ荷重センサを形成する光ファイバのＡ−Ａ’断面において発生する応力を示す図であり、（ｃ）は、（ａ）の比較例に係る光ファイバ荷重センサのＡ−Ａ’での側面図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図であり、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサを形成する光ファイバのＢ−Ｂ’断面において発生する応力を示す図であり、（ｃ）は、（ａ）の第１の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサのＢ−Ｂ’での側面図である。 比較例及び本実施形態に係る光ファイバ荷重センサのセンサ感度特性を示すグラフである。 （ａ）は、第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図であり、（ｂ）は、第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの側面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図であり、（ｂ）は、第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサを形成する光ファイバのＣ−Ｃ’断面において発生する応力を示す図であり、（ｃ）は、（ａ）の第２の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサのＣ−Ｃ’での側面図である。 （ａ）は、第３の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの断面図であり、（ｂ）は、第３の実施の形態に係る光ファイバ荷重センサの側面図である。 （ａ）は、光ファイバの周囲に巻きつける線状体の本数を６本にした光ファイバ荷重センサの断面図であり、（ｂ）は、テンションメンバ及びシース材を更に設けた光ファイバ荷重センサの断面図である。

符号の説明

１０、１１、１２、１４、１６、１８ 光ファイバ荷重センサ
２０ 光ファイバ
３０ 光源
４０ 受光器
５０ 圧子
６０ テンションメンバ
７０ シース材
１００ 線状体Ａ
１０２ 線状体Ｂ
１０４ 線状体Ｃ
１０６ 線状体Ｄ
１０８ 線状体Ｅ
２００ コア
２１０ クラッド
５００ 曲げ変形
７００ ピッチ
７０２、７１２、７２２ 応力変化部分
８００ 理想出力
８０２、８０４ センサ出力

Claims (7)

1. 光ファイバと、
   弾性を有すると共に３種類以上の硬度を有し、前記光ファイバの長さ方向に沿って前記光ファイバの外周に撚り合わされ、撚り合わせの単位ピッチにおける硬度が段階的に変化して硬度変化の単位周期を形成する複数の線状体とを備える光ファイバ荷重センサ。
2. 前記単位周期は、撚り合わせの単位ピッチにおいて、複数の前記線状体の硬度の大きさの順に応じて段階的に変化する周期である請求項１に記載の光ファイバ荷重センサ。
3. 複数の前記線状体は、第１の硬度を有する第１線状体と、前記第１の硬度より大きい第２の硬度を有する第２線状体と、前記第２の硬度より大きい第３の硬度を有する第３線状体とを少なくとも有する請求項１又は２に記載の光ファイバ荷重センサ。
4. 前記線状体は、紐状の弾性体から形成される請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバ荷重センサ。
5. 前記線状体は、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とから形成され、前記硬度は前記弾性体の硬度である請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバ荷重センサ。
6. 前記線状体は、最も硬度の小さい線状体と最も硬度の大きい線状体とが前記光ファイバを中心として相対するように配置されている請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバ荷重センサ。
7. 前記弾性体は、シリコーンゴムである請求項４又は５に記載の光ファイバ荷重センサ。

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