JP2010054359A - Optical fiber sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバを有するとともに、該光ファイバにて応力を検出する光ファイバセンサに関する。 The present invention relates to an optical fiber sensor having an optical fiber in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arranged and detecting stress with the optical fiber.
例えば、マニピュレータにより物体を把持して所定の作業を遂行する場合、物体に過剰な把持力が付与されると、物体が損傷してしまうおそれがある。一方、物体に十分な把持力が付与されないと、物体がマニピュレータから脱落してしまうおそれがある。 For example, when a predetermined operation is performed by gripping an object with a manipulator, the object may be damaged if an excessive gripping force is applied to the object. On the other hand, if sufficient gripping force is not applied to the object, the object may fall off the manipulator.
そこで、マニピュレータ等による物体の把持状態を検知することのできるセンサを付設することが試みられている。この種のセンサとして、例えば、特許文献1、2に開示されているように、シート体の内部に埋設した光ファイバのコアに複数個のグレーティング(回折格子)を設けた、FBG(Fiber Bragg Grating)センサと呼称される光ファイバセンサを使用することが想起される。特許文献1、2に記載されるように、FBGセンサにおいては、物体から受けた応力に対応してグレーティング部分に歪みが発生したとき、該グレーティングによる反射光の波長が変化する。この現象を利用して歪みが生じたことを検出することができるとともに、物体から応力が付与されたことを検出することが可能となると考えられる。
Therefore, it has been attempted to provide a sensor that can detect the gripping state of an object by a manipulator or the like. As this type of sensor, for example, as disclosed in
ところで、特許文献1、2に記載された光ファイバセンサでは、把持する物体の形状や光ファイバに対する接触位置等が異なる場合、グレーティング部分に対する応力の分布状態が異なり、このために正確な応力を検出することが容易ではないという不都合がある。
By the way, in the optical fiber sensors described in
図20は、グレーティング1に対し、光ファイバ2の延在方向に対して直交する方向から応力が付与される前後を模式的に示した状態説明図である。グレーティング1に対して応力Fが略均等となるように付与されると、隣接する格子同士の間も互いに略均等に延伸する。この場合、図21に示されるように、反射光の波長が変化するのみである。
FIG. 20 is a state explanatory view schematically showing before and after stress is applied to the grating 1 from a direction orthogonal to the extending direction of the
しかしながら、把持する物体の形状や把持角度等が異なる場合、グレーティング1に対して応力が不均一に作用することもある。この場合、図22に示すように、隣接する格子同士の間が不均一に延伸し、その結果、図23に示すように、格子間間隔の相違に応じて複数個の波長で反射光が出現することになる。 However, when the shape of the object to be gripped, the gripping angle, or the like is different, the stress may act on the grating 1 non-uniformly. In this case, as shown in FIG. 22, the gaps between adjacent gratings are unevenly stretched, and as a result, reflected light appears at a plurality of wavelengths according to the difference in the spacing between the gratings as shown in FIG. Will do.
この観点から、特許文献3において提案されているように、光ファイバを固定層中に挿入するとともに前記固定層を弾性シートで挟持してFBGセンサ部を形成する一方、前記FBGセンサ部の一端面に接着層を介して被測定部を密着させるとともに、他端面に緩衝層を介して押圧板を設ける構成を採用することが想起される。 From this point of view, as proposed in Patent Document 3, the FBG sensor portion is formed by inserting an optical fiber into the fixed layer and sandwiching the fixed layer with an elastic sheet, while one end surface of the FBG sensor portion. It is recalled that the measured portion is closely attached to the other end through an adhesive layer and a pressing plate is provided on the other end surface through a buffer layer.
特許文献3に記載された構成を採用してもなお、把持する物体の形状や光ファイバに対する接触位置等が異なる場合、押圧板、ひいてはグレーティング部分に対する応力の分布状態が異なってしまう。このため、応力の正確な大きさを求めること、換言すれば、計測精度を十分に向上させることは容易ではない。 Even if the configuration described in Patent Document 3 is adopted, if the shape of the object to be gripped, the contact position with respect to the optical fiber, and the like are different, the distribution state of the stress on the pressing plate and thus the grating portion will be different. For this reason, it is not easy to obtain an accurate magnitude of stress, in other words, to sufficiently improve measurement accuracy.
本発明は、上記した問題を解決するためになされたもので、応力の計測精度を向上させ得る光ファイバセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object thereof is to provide an optical fiber sensor capable of improving the measurement accuracy of stress.
前記の目的を達成するために、本発明に係る光ファイバセンサは、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる応力検出センサ部と、
前記光ファイバの長手方向とは異なる方向に付与された応力の方向を前記長手方向と平行方向に変換して前記グレーティングに伝達する応力方向変換手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an optical fiber sensor according to the present invention includes a stress detection sensor unit including an optical fiber in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arranged;
A stress direction converting means for converting the direction of stress applied in a direction different from the longitudinal direction of the optical fiber into a direction parallel to the longitudinal direction and transmitting it to the grating;
It is characterized by providing.
この応力方向変換手段により光ファイバが伸張されると、該光ファイバの内部に形成されたグレーティングが、隣接する格子同士の間隔が略均等となるように伸張される。すなわち、光ファイバが応力方向変換手段との接点を基点として伸張され、このために応力が光ファイバに対して略均等に分散されるからである。 When the optical fiber is stretched by the stress direction changing means, the grating formed inside the optical fiber is stretched so that the intervals between adjacent lattices are substantially uniform. That is, the optical fiber is stretched with the contact point with the stress direction changing means as a base point, and for this reason, the stress is distributed substantially uniformly with respect to the optical fiber.
従って、本発明によれば、伸張後のグレーティングにおいて隣接する格子同士の間隔が略均等となる。このため、該グレーティングによる反射光が伸張前後でシフトすることが観察されるようになるので、このシフト結果から、光ファイバに作用した応力を精度よく検出することが可能となる。 Therefore, according to the present invention, the intervals between adjacent lattices in the extended grating are substantially equal. For this reason, since it is observed that the reflected light by the grating shifts before and after the extension, it is possible to accurately detect the stress acting on the optical fiber from the shift result.
なお、応力方向変換手段は、例えば、前記光ファイバの長手方向に対して平行方向に延在する平坦部と、前記平坦部から前記光ファイバに橋架された応力伝達部とを有するようにして構成することができる。 Note that the stress direction conversion means includes, for example, a flat portion extending in a direction parallel to the longitudinal direction of the optical fiber, and a stress transmission portion bridged from the flat portion to the optical fiber. can do.
この場合、前記平坦部が前記応力伝達部に比して高弾性であることが好ましい。これにより平坦部が先ず伸張し、且つこの伸張に伴って応力伝達部が湾曲することなく拡開するようになる。すなわち、光ファイバを伸張させることが容易となるからである。 In this case, it is preferable that the flat portion is highly elastic compared to the stress transmission portion. As a result, the flat portion first expands, and the stress transmission portion expands without being bent along with the expansion. That is, it becomes easy to extend the optical fiber.
本発明によれば、光ファイバのグレーティング部分に、前記光ファイバの長手方向とは異なる方向に付与された応力の方向を前記長手方向と平行方向に変換する応力方向変換手段を装着しているので、光ファイバには、応力が該光ファイバと応力方向変換手段との接点に分散して作用することになる。 According to the present invention, the grating portion of the optical fiber is equipped with stress direction conversion means for converting the direction of stress applied in a direction different from the longitudinal direction of the optical fiber into a direction parallel to the longitudinal direction. In the optical fiber, stress acts on the contact points between the optical fiber and the stress direction changing means.
このため、伸張後のグレーティングにおいて隣接する格子同士の間隔が略均等となり、グレーティングによる反射光が伸張前後でシフトすることが観察されるようになる。このシフト結果に基づき、光ファイバに作用した応力を精度よく検出することができる。 For this reason, in the extended grating, the intervals between adjacent gratings become substantially equal, and it is observed that the reflected light from the grating shifts before and after extension. Based on this shift result, the stress acting on the optical fiber can be accurately detected.
図1は、本発明に係る光ファイバセンサが適用されるロボットシステム10の構成図である。このロボットシステム10は、物体12を把持して所定の処理を行うマニピュレータ14と、マニピュレータ14のハンド部16a、16bに配設され、物体12に接触した状態で、ハンド部16a、16bによる物体12の把持状態を検出する光ファイバセンサ18a、18bと、光ファイバセンサ18a、18bを制御し、物体12の把持状態に係る情報である剪断応力及び垂直応力を取得する光ファイバセンサコントローラ20と、光ファイバセンサコントローラ20によって取得した剪断応力及び垂直応力に基づき、マニピュレータ14を制御するマニピュレータコントローラ22とを備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of a
この場合、物体12を把持する際に光ファイバセンサ18a、18bが検出した剪断応力に基づき、ハンド部16a、16bに対する物体12の滑り状態を検知することができる。また、物体12を把持する際に光ファイバセンサ18a、18bが検出した垂直応力に基づき、ハンド部16a、16bによる物体12の把持力を検知することができる。従って、剪断応力及び垂直応力に従ってハンド部16a、16bを制御することにより、物体12を脱落させることなく、適切な把持力で把持して所望の位置に移動させる等の作業を遂行することができる。
In this case, the sliding state of the
次に、図2に従い、光ファイバセンサ18a、18bに用いられるFBGセンサ24の動作原理について説明する。
Next, the operation principle of the
FBGセンサ24は、光ファイバ26のコア28の一部に、紫外線を用いてグレーティング30A、30Bを形成して構成される。なお、図2では、2つのグレーティング30A、30Bを有するFBGセンサ24を例示している。
The
各グレーティング30A、30Bの周期をΛA、ΛB、コア28の有効屈折率をneffとすると、各グレーティング30A、30Bは、以下の式(1)、式(2)を満たす波長λA、λB(ブラッグ波長)の光を反射し、その他の波長の光を透過させる。
λA=2neffΛA …(1)
λB=2neffΛB …(2)
When the period of each grating 30A, 30B is Λ A , Λ B , and the effective refractive index of the
λ A = 2n eff Λ A (1)
λ B = 2n eff Λ B (2)
従って、図3に示す所定範囲の波長λからなる光を光ファイバ26のコア28に入射させると、ΛA≠ΛBとして、入射端側から波長λA、λBの反射光が得られる一方、出射端側からその他の波長の光が出力される。
Therefore, when light having a wavelength λ in a predetermined range shown in FIG. 3 is incident on the
ここで、図4に示すように、グレーティング30A、30B間に、光ファイバ26の長手方向に沿った矢印X1方向の剪断応力が加わると、グレーティング30Aの周期ΛAが短くなる一方、グレーティング30Bの周期ΛBが長くなる。従って、図5に示すように、グレーティング30Aによって反射される光の波長λA -は、波長λAよりも短くなる方向にシフトする一方、グレーティング30Bによって反射される光の波長λB +は、波長λBよりも長くなる方向にシフトする。
Here, as shown in FIG. 4, when a shear stress in the direction of the arrow X1 along the longitudinal direction of the
また、図6に示すように、グレーティング30A、30B間に、光ファイバ26の長手方向に沿った矢印X2方向の剪断応力が加わると、グレーティング30Aの周期ΛAが長くなる一方、グレーティング30Bの周期ΛBが短くなる。従って、図7に示すように、グレーティング30Aによって反射される光の波長λA +は、波長λAよりも長くなる方向にシフトする一方、グレーティング30Bによって反射される光の波長λB -は、波長λBよりも短くなる方向にシフトする。
Further, as shown in FIG. 6, when a shear stress in the direction of the arrow X2 along the longitudinal direction of the
以上の結果から、隣接する2つのグレーティング30A、30Bによって反射される光の波長λA、λBのシフト方向及びシフト量を検出することにより、剪断応力の向き及び大きさを求めることができる。
From the above results, the direction and magnitude of the shear stress can be obtained by detecting the shift direction and shift amount of the wavelengths λ A and λ B of the light reflected by the two
光ファイバ26の長手方向に加わる応力(垂直応力)は、1つのグレーティング30A又は30Bによって反射される光の波長λA又はλBのシフト量を検出することにより、その大きさを求めることができる。
The magnitude of the stress (vertical stress) applied in the longitudinal direction of the
図8は、図2に示すFBGセンサ24を利用した光ファイバセンサ18a、18bの分解構成斜視図である。
FIG. 8 is an exploded perspective view of the
光ファイバセンサ18a、18bは、直交3軸座標系のX軸方向の剪断応力を検出するX方向剪断応力センサ部32と、Y軸方向の剪断応力を検出するY方向剪断応力センサ部34と、Z軸方向の垂直応力を検出するZ方向応力センサ部36とを積層して構成される。
The
X方向剪断応力センサ部32は、光ファイバ38の長手方向に沿って一定の間隔で形成した多数のグレーティング40がX軸方向に配列されるように、1本の光ファイバ38を配置し、この光ファイバ38を、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する感圧部材42にモールドしたシート体として形成される。なお、各グレーティング40の周期(図2の周期ΛA、ΛB参照)は、全て異なるものとする。
The X-direction shear
Y方向剪断応力センサ部34は、光ファイバ44の長手方向に沿って一定の間隔で形成した多数のグレーティング46がY軸方向に配列されるように、1本の光ファイバ44を配置し、この光ファイバ44を、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する感圧部材48にモールドしたシート体として形成される。なお、各グレーティング46の周期(図2の周期ΛA、ΛB参照)は、全て異なるものとする。
The Y-direction shear
Z方向応力センサ部36は、光ファイバ50の長手方向に沿って一定の間隔で形成した多数のグレーティング52がZ軸方向に配列されるように、1本の光ファイバ50を配置し、この光ファイバ50を、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する感圧部材54にモールドしたシート体として形成される。なお、各グレーティング52の周期(図2の周期ΛA、ΛB参照)は、全て異なるものとする。
The Z-direction
光ファイバセンサ18a、18bは、可撓性を有するシート体から形成することにより、任意の形状からなるハンド部16a、16bの表面に装着して使用することができる。
The
なお、X方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34及びZ方向応力センサ部36は、それぞれ連続する1本の光ファイバ38、44及び50で構成しているが、複数の光ファイバに分割して構成してもよい。
The X-direction shear
以上の構成において、光ファイバ38、44、50の各々には、応力方向変換手段としての弾性体56がグレーティング40、46、52を跨ぐようにして装着されている。
In the above configuration, an
光ファイバ38を例示した図9に示すように、弾性体56は、光ファイバ38の長手方向に対して平行に延在する平坦部58と、該平坦部58からグレーティング40の各端部に橋架された応力伝達部60とを有する。本実施の形態において、応力伝達部60は、平坦部58に連なるとともに光ファイバ38に向かって傾斜した傾斜部62a、62bと、該傾斜部62a、62bに連なるとともに光ファイバ38を囲繞した接合部64a、64bとからなる。この場合、傾斜部62a、62bと接合部64a、64bとがなす角度θ1、θ2は互いに等しく設定されている。
As shown in FIG. 9 illustrating the
弾性体56の材質は、弾性変形が可能なものであれば特に限定されるものではないが、ゴムや樹脂を好適な例として挙げることができる。なお、液晶ポリマーや炭素繊維強化プラスチック(CFRP)等であってもよい。さらに、平坦部58、傾斜部62a、62b及び接合部64a、64bの中で平坦部58の弾性率を最も高く設定することが好ましい。
The material of the
勿論、残余の光ファイバ44、50に設けられた弾性体56も同様に構成されている。
Of course, the
図10は、以上のように構成される光ファイバセンサ18a、18bを用いたロボットシステム10の構成ブロック図である。
FIG. 10 is a configuration block diagram of the
光源68から出力された光は、ビーム切替器70により時分割で選択されたハーフミラー72a〜72cの1つを介して、光ファイバセンサ18a、18bを構成するX方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34又はZ方向応力センサ部36に供給される。
The light output from the
X方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34又はZ方向応力センサ部36の光ファイバ38、44又は50(図8)の一端部から入射した光は、一部の光がグレーティング40、46又は52により反射される一方、残りの光がグレーティング40、46又は52を透過した後、透過光終端器74a〜74cに導かれる。
A portion of the light incident from one end of the
グレーティング40、46又は52により反射された光は、ハーフミラー72a〜72cを介して光ファイバセンサコントローラ20の反射光検出器76に導かれ、電気信号に変換される。なお、反射光検出器76は、入射した光を波長毎に分光して検出する分光器により構成される。X方向剪断応力センサ部32及びY方向剪断応力センサ部34からの光に係る電気信号は、剪断応力算出部78に供給される。また、Z方向応力センサ部36からの光に係る電気信号は、垂直応力算出部80に供給される。
The light reflected by the grating 40, 46 or 52 is guided to the reflected
剪断応力算出部78は、X方向剪断応力センサ部32の各グレーティング40によって反射された光の波長毎の電気信号に基づき、図5及び図7に示すように、隣り合うグレーティング40から得られた反射光の波長のX方向に対するシフト量及びシフト方向に従い、その部分に生じた剪断応力の大きさ及び向きを算出する。同様に、剪断応力算出部78は、Y方向剪断応力センサ部34からの反射光の波長のY方向に対するシフト量及びシフト方向に従い、その部分に生じた剪断応力の大きさ及び向きを算出する。そして、これらから、X−Y平面における物体12の滑り状態を検出することができる。
The shear
なお、グレーティング40、46は、X−Y平面内においてマトリックス状に配設されているため、各グレーティング40、46によって検出された滑り状態と、各グレーティング40、46の位置情報とに基づき、X−Y平面における滑り状態の分布を求めることができる。
Since the
垂直応力算出部80は、Z方向応力センサ部36の各グレーティング52によって反射された光の波長毎の電気信号に基づき、各グレーティング52から得られた反射光の波長のシフト量に従い、その部分に生じた垂直応力の大きさを算出する。この垂直応力から、Z方向に対する物体12の把持力を検出することができる。なお、グレーティング52は、X−Y平面内においてマトリックス状に配設されているため、X−Y平面における把持力の分布を求めることができる。
Based on the electrical signal for each wavelength of the light reflected by each grating 52 of the Z-direction
ここで、光ファイバ38、44においては、図11に示すように、剪断応力が先ず弾性体56の平坦部58に作用する。これにより、平坦部58が伸張する。
Here, in the
上記したように、この場合、傾斜部62a、62b及び接合部64a、64bが平坦部58に比して低弾性に設定されている。このため、傾斜部62a、62bは、湾曲することなく平坦部58との境界を支点として互いに離間するように傾斜し、これに伴って平坦部58と傾斜部62a、62bがなす角度が大きくなる。換言すれば、傾斜部62a、62bが拡開し、その結果、接合部64a、64b同士が離間するように変位するとともに、傾斜部62a、62bと接合部64a、64bがなす角度が小さくなる。
As described above, in this case, the
接合部64a、64b同士の離間に伴い、光ファイバ38、44が伸張する。その結果、グレーティング40、46における格子同士の間隔も伸張する。このようにして伸張した格子同士の間隔は、互いに略均等である。接合部64a、64b同士が離間することに伴って光ファイバ38、44が接合部64a、64bの双方によって伸張されるからである。
As the
このように、弾性体56は、剪断応力が作用する方向を、光ファイバ38、44の長手方向に対して略直交する方向から平行方向に変換する作用を営む。
Thus, the
図13に示すように、剪断応力をF、傾斜部62a、62bの各々に作用する応力をF1、F2、接合部64a、64bの各々に作用する応力をF3、F4とすると、グレーティング40、46を伸張する力はF3、F4である。剪断応力Fの作用する方向と傾斜部62a、62bとのなす角度をαとすると、次の式(3)が成立する。
F1=F2=Fcosα …(3)
As shown in FIG. 13, when the shear stress is F, the stress acting on each of the
F1 = F2 = Fcosα (3)
F2と光ファイバ38、44の長手方向とがなす角度は90°−αであるから、光ファイバ38、44と接合部64a、64bに作用する力F4は、以下の式(4)によって求められる。
F3=F4=F2cos(90−α)
=F2sinα
=Fcosαsinα …(4)
Since the angle formed by F2 and the longitudinal direction of the
F3 = F4 = F2cos (90-α)
= F2sinα
= Fcos α sin α (4)
この場合、傾斜部62aと接合部64aのなす角度θ1と、傾斜部62bと接合部64bのなす角度θ2とが等しいので、F1=F2、F3=F4となる。従って、光ファイバ38、44の弾性定数をE、歪みをεとすると、以下の式(5)が成立する。
ε=(2/E)Fcosαsinα …(5)
In this case, since the angle θ1 formed by the
ε = (2 / E) Fcosαsinα (5)
グレーティング40、46における格子数をN、格子間隔をΔとすると、ΔとNとの間には次の関係式(6)が成り立つ。
Δ=ε/(N−1) …(6)
When the number of lattices in the
Δ = ε / (N−1) (6)
式(6)に式(5)を代入すれば、以下の式(7)が得られる。
Δ=2Fcosαsinα/[E×(N−1)] …(7)
Substituting equation (5) into equation (6) yields the following equation (7).
Δ = 2Fcos αsin α / [E × (N−1)] (7)
従って、波長のシフト量λは以下の式(8)によって求めることができる。
λ=2×neff×Δ
=4×neff×Fcosαsinα/[E×(N−1)] …(8)
Therefore, the wavelength shift amount λ can be obtained by the following equation (8).
λ = 2 × n eff × Δ
= 4 × n eff × Fcos αsin α / [E × (N−1)] (8)
すなわち、剪断応力Fに対してピーク波形が一義的に決定される。 That is, the peak waveform is uniquely determined with respect to the shear stress F.
この現象は、剪断応力が平坦部58の長手方向中腹部から外れた場合、例えば、図12に示すように、傾斜部62bに近接する端部に作用したときも同様に起こる。すなわち、この部位に剪断応力が作用すると、平坦部58が傾斜部62a側に向かって伸張する。これに追従して傾斜部62a、62b同士が互いに離間するようにさらに傾斜し、この傾斜に伴って、接合部64a、64b同士が互いに離間するように変位する。これにより光ファイバ38、44が伸張し、グレーティング40、46における格子同士の間隔も伸張する。勿論、この場合においても、図12に示すように、伸張後の格子同士の間隔は互いに略均等となる。
This phenomenon also occurs when the shear stress is deviated from the middle part in the longitudinal direction of the
図示しないが、平坦部58における傾斜部62aに近接する端部に剪断応力が作用したときも同様である。
Although not shown in the drawings, the same applies when a shear stress acts on the end portion of the
このようにして格子同士の間隔が互いに略均等となるようにグレーティング40、46が伸張する結果、複数個の波長で反射光が出現する(図23参照)ことが回避され、図21に示されるように、グレーティング40、46の伸張前に対して波長が異なる反射光が得られる。
Thus, as a result of the
なお、傾斜部62aと接合部64aのなす角度θ1と、傾斜部62bと接合部64bのなす角度θ2とが異なる場合、以下のように計算を行えばよい。
When the angle θ1 formed by the
剪断応力Fの作用する方向と傾斜部62a、62bの各々とのなす角度をα、β、傾斜部62a、62b側の歪みをε1、ε2とすると、次の式(9)、(10)が成立する。
ε1=F3/E
=Fcosαsinα/E …(9)
ε2=F4/E
=Fcosβsinβ/E …(10)
When the angle between the direction in which the shear stress F acts and each of the
ε1 = F3 / E
= Fcos αsin α / E (9)
ε2 = F4 / E
= Fcosβsinβ / E (10)
この場合、歪みの総和εはε1+ε2と等しくなるのであるから、次の式(11)が成立する。
ε=ε1+ε2
=(Fcosαsinα+Fcosβsinβ)/E …(11)
In this case, since the total distortion ε is equal to ε1 + ε2, the following equation (11) is established.
ε = ε1 + ε2
= (Fcosαsinα + Fcosβsinβ) / E (11)
以下、上記の式(6)に式(11)を代入すれば、以下の式(12)が得られる。
Δ=(Fcosαsinα+Fcosβsinβ)/[E×(N−1)] …(12)
Hereinafter, the following formula (12) is obtained by substituting the formula (11) into the above formula (6).
Δ = (Fcosαsinα + Fcosβsinβ) / [E × (N−1)] (12)
従って、波長のシフト量λは以下の式(13)によって求められる。
λ=2×neff×Δ
=2×neff×(Fcosαsinα+Fcosβsinβ)/[E×(N−1)] …(13)
Therefore, the wavelength shift amount λ is obtained by the following equation (13).
λ = 2 × n eff × Δ
= 2 × n eff × (Fcosαsinα + Fcosβsinβ) / [E × (N−1)] (13)
勿論、垂直応力が光ファイバ50に作用したときにおいても同様に、以上の動作が営まれる。そして、上記の式(4)〜(13)に準じた式により、垂直応力に応じたピーク波形が得られる。
Of course, the above operation is similarly performed when a normal stress is applied to the
このように、本実施の形態によれば、グレーティング40、46、52が伸張した際、隣接する格子同士の間隔が略均等となり、シフトする波長が応力に応じて一義的に決定される。このため、応力の計測精度が向上する。
As described above, according to the present embodiment, when the
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change freely in the range which does not deviate from the main point of this invention.
例えば、図14に示すように、隣接する弾性体56の接合部64a、64b同士が連なっていてもよい。また、図15に示すように、弾性体56(応力方向変換手段)は、光ファイバ38、44、50を上面及び下面の双方から囲繞する構成であってもよい。勿論、この場合においても、図16に示すように、隣接する弾性体56の接合部64a、64b同士を連ならせてもよい。
For example, as illustrated in FIG. 14, the
さらに、図17に示すように、弾性体56を光ファイバ38、44、50の上面又は下面のいずれか一方に配置したり、隣接する弾性体56の接合部64a、64b同士を連ならせたりするようにしてもよい。
Furthermore, as shown in FIG. 17, the
さらにまた、図18及び図19に示すように、隣接する弾性体56の平坦部58同士を連ならせるようにしてもよい。
Furthermore, as shown in FIGS. 18 and 19, the
そして、図10に示すロボットシステム10において、光源68から出力された光をビーム切替器70により時分割して光ファイバセンサ18a、18bに供給する代わりに、光ファイバセンサ18a、18bを構成するX方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34及びZ方向応力センサ部36に対して、独立した3つの光源からそれぞれ光を供給する一方、X方向剪断応力センサ部32、Y方向剪断応力センサ部34及びZ方向応力センサ部36からの反射光を、独立した3つの反射光検出器によって検出するように構成してもよい。このように構成することにより、物体12から受ける剪断応力及び垂直応力を同時に検出することができる。
In the
また、光ファイバセンサ18a、18bは、ハンド部16a、16bによる物体12の把持状態の検出に限らず、例えば、物体の表面状態の検出にも適用することができる。
Further, the
10…ロボットシステム 12…物体
14…マニピュレータ 16a、16b…ハンド部
18a、18b…光ファイバセンサ 20…光ファイバセンサコントローラ
22…マニピュレータコントローラ 24…FBGセンサ
26、38、44、50…光ファイバ
30A、30B、40、46、52…グレーティング
32…X方向剪断応力センサ部 34…Y方向剪断応力センサ部
36…Z方向応力センサ部 42、48、54…感圧部材
56…弾性体 58…平坦部
60…応力伝達部 62a、62b…傾斜部
64a、64b…接合部 68…光源
70…ビーム切替器 72a〜72c…ハーフミラー
74a〜74c…透過光終端器 76…反射光検出器
78…剪断応力算出部 80…垂直応力算出部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記光ファイバの長手方向とは異なる方向に付与された応力の方向を前記長手方向と平行方向に変換して前記グレーティングに伝達する応力方向変換手段と、
を備えることを特徴とする光ファイバセンサ。 A stress detection sensor unit comprising an optical fiber in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arranged;
A stress direction conversion means for converting the direction of stress applied in a direction different from the longitudinal direction of the optical fiber into a direction parallel to the longitudinal direction and transmitting it to the grating;
An optical fiber sensor comprising:
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