JP2011180026A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】応力の計測精度を向上させるとともに、検出面に対して過剰な応力が付与された場合であっても構成部品の破損を防止できる光ファイバセンサを提供する。
【解決手段】光ファイバ３８、４４、５０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、グレーティング４０、４６、５２に伝達する弾性体５６が設けられている。弾性体５６は、光ファイバ３８、４４、５０の長手方向に対して平行方向に延在する平坦部５８と、平坦部５８の両端に連結される傾斜部６２ａ、６２ｂと、傾斜部６２ａ、６２ｂに連結されるとともに、光ファイバ３８、４４、５０の長手方向に対して垂直方向に延在して光ファイバ３８、４４、５０と接合する接合部６４ａ、６４ｂとを備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、特定波長の光を反射するグレーティングが配列された光ファイバを用いる光ファイバセンサに関する。

例えば、マニピュレータに物体を把持させて所定の作業を遂行させるため、該マニピュレータが備えるエンドエフェクタの一部に圧力センサを付設する場合がある。この圧力センサを用いることにより、物体の把持動作で受ける圧力（応力）を検出し、検出された圧力に基づいて前記エンドエフェクタに対する把持力をフィードバック制御することが可能である。これによって、物体を脱落又は破損させることなく、マニピュレータは適切な把持力でその物体を把持できる。

この圧力センサの一形態として、光ファイバをセンサとしてシートに配置し、物体から前記シートに圧力が付与されたときの前記光ファイバの歪みを検出することにより、前記光ファイバが配置された箇所の圧力を検出する装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００２−７１３２３号公報

ところで、マニピュレータに把持させる物体の位置、姿勢、あるいは形状に応じて、その物体が有する鋭利な部分が圧力センサの表面（検出面）と接触する場合がある。特に、小さな寸法の部品や、突起部分を有する物体を把持する際にはこの状況が頻繁に起こり得る。

このように、一定の把持力を受ける接触面積が小さくなると、その接触箇所の圧力が局所的に増加し、その応力がセンサの一部（単位素子）に過剰に掛かってしまう。すると、所定の限界値を超えた過剰な応力が加わった場合、圧力センサに内蔵された構成部品（光ファイバ等）が破損（具体的には、断線、変形、分離、剥離等）するおそれがある。これによって、圧力センサを用いて、物体から受ける圧力を正確に検出できなくなる懸念があった。

あわせて、特許文献１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測定することが容易でないという不都合もある。

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るとともに、検出面に対して過剰な応力が付与された場合であっても構成部品の破損を防止できる光ファイバセンサを提供することを目的とする。

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部とを有し、前記応力方向変換部は、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、前記平坦部の両端に連結される傾斜部と、前記傾斜部に連結されるとともに、前記光ファイバの長手方向に対して垂直方向に延在して前記光ファイバと接合する接合部とを備えることを特徴とする。

このように、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、前記平坦部の両端に連結される傾斜部と、前記傾斜部に連結されるとともに、光ファイバの長手方向に対して垂直方向に延在して該光ファイバと接合する接合部を設けたので、外部から応力を受けて平坦部と傾斜部とのなす角度が変化したとしても、光ファイバが接合部から受ける応力は、前記平行方向と前記垂直方向の２方向のみに分離される。すなわち、光ファイバが傾斜部の傾斜に伴う曲げ応力を受けないように構成されるので、その耐久性を向上することができる。これによって、圧力センサの検出面に対して過剰な応力が付与された場合であっても構成部品（特に光ファイバ）の破損を防止できる。

さらに、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に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、このために応力が該光ファイバに対して略均等に分散される。このため、格子同士の間隔の変化量に基づいて、前記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。

また、前記応力方向変換部は、応力の付与がない状態下での前記平坦部と前記傾斜部とのなす角φ₀が、π−Δφ＜φ₀＜π（Δφは、前記傾斜部の変位限界角である。）を満たすような位置関係で配置されていることが好ましい。これにより、傾斜部の角度がφ₀から変位し、最大値πに到達したとしても、該傾斜部の変位角が変位限界角Δφを超えることはない。したがって、外部からの応力によって圧力センサの構成部品（すなわち、応力方向変換部）を破損することを防止できる。

さらに、前記応力方向変換部は、樹脂材料及び／又は金属材料から構成されることが好ましい。樹脂材料や金属材料は、ゴム材料に比べて剛性が高く、ヤング率が高い。このため、光ファイバに作用した応力と格子同士の間隔の変化量（すなわち、波長シフト量）との関係は、低応力領域においても良好な線形性を示す。これにより、前記応力を更に精度よく検出することができる。

本発明に係る光ファイバセンサによれば、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、前記平坦部の両端に連結される傾斜部と、前記傾斜部に連結されるとともに、前記光ファイバの長手方向に対して垂直方向に延在して前記光ファイバと接合する接合部とを設けたので、外部から応力を受けて平坦部と傾斜部とのなす角度が変化したとしても、光ファイバが接合部から受ける応力は、前記平行方向と前記垂直方向の２方向のみに分離される。すなわち、光ファイバは、傾斜部の傾斜に伴う曲げ応力を受けないので、その耐久性を向上することができる。これによって、圧力センサの検出面に対して過剰な応力が付与された場合であっても構成部品（特に光ファイバ）の破損を防止できる。

さらに、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に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、このために応力が該光ファイバに対して略均等に分散される。このため、格子同士の間隔の変化量に基づいて、前記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。

本実施の形態に係る光ファイバセンサが組み込まれたロボットシステムの概略構成図である。 図２Ａは、ＦＢＧセンサの概略説明図である。図２Ｂは、ＦＢＧセンサに入射される光の波長と強度との関係を示す説明図である。図２Ｃは、グレーティングによって反射される光の波長と強度との関係を示す説明図である。図２Ｄは、グレーティングが伸張されたＦＢＧセンサの概略説明図である。 図１に示すＦＢＧセンサの分解構成斜視図である。 図３に示す１個の弾性体の拡大斜視図である。 図１のロボットシステムの機能ブロック図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、応力の付与前後における弾性体の形状の変化を模式的に示す平面説明図である。 図３に示す弾性体の平坦部、傾斜部及び接合部に作用する応力の関係を模式的に示した平面説明図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、応力の付与前後における平坦部と傾斜部のなす角の変化を模式的に示す平面説明図である。

以下、本発明に係る光ファイバセンサについて、その光ファイバセンサが組み込まれたロボットシステムとの関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る光ファイバセンサとしてのＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）センサ１８ａ、１８ｂが組み込まれたロボットシステム１０の概略構成図である。このロボットシステム１０は、物体１２を把持して所定の動作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ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂと、ＦＢＧ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センサコントローラ２０と、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いてマニピュレータ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。

この場合、物体１２を把持する際にＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂが検出した剪断応力に基づいて、ハンド部１６ａ、１６ｂに対する物体１２の滑り状態を検出することができる。また、物体１２を把持する際にＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂが検出した垂直応力に基づいて、ハンド部１６ａ、１６ｂによる物体１２の把持力を検出することができる。

本実施の形態に係るロボットシステム１０の構成についての詳細な説明に先立ち、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂを利用した応力検出の概要について、図２Ａ〜図２Ｄを参照しながら説明する。

ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂは、光ファイバ２４のうちの、ゲルマニウム（Ｇｅ）が添加されたコア２６の一部に、紫外線を照射してグレーティング２８を形成することにより構成される。図２Ａにおいて、グレーティング２８の周期（格子間隔）をΔ_Aとする。

光ファイバ２４に応力が付与されていない状態で、図２Ｂに示す波長及び強度の光がコア２６に入射された場合、グレーティング２８は、図２Ｂの波長λのうち、特定波長λ_Aの光（反射光）を反射する（図２Ａ参照）。

一方、光ファイバ２４に応力が付与されて、図２Ｄに示すように、格子間隔がΔ_AからΔ_B（Δ_A＜Δ_B）に変化すると、反射光の波長（反射波長）はλ_Aからλ_Bにシフトする（図２Ｃ参照）。

ここで、応力が付与される前の反射波長λ_A、及び、応力が付与されたときの反射波長λ_Bは、コア２６の有効屈折率をｎ_effとすると、下記の（１）式及び（２）式で表される。
λ_A＝２×ｎ_eff×Δ_A …（１）
λ_B＝２×ｎ_eff×Δ_B …（２）

このように、反射波長λ_A、λ_Bは格子間隔Δ_A、Δ_Bによって決定される。また、応力付与前の初期の格子間隔Δ_Aは、用途やシステムに応じて任意に設定される。

したがって、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂを利用することで、λ_Aからλ_Bへの反射波長のシフト量（λ_B−λ_A）に基づいて、光ファイバ２４に付与された応力を検出し、あるいは、応力の有無を判断することができる。

図３は、図１に示すＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂの分解構成斜視図である。ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂは、直交３軸座標系のＸ方向の剪断応力を検出するＸ方向応力センサ部３２と、Ｙ方向の剪断応力を検出するＹ方向応力センサ部３４と、Ｚ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。

Ｘ方向応力センサ部３２は、光ファイバ３８の軸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方向に対して垂直方向（図３ではＺ方向）に配列されるように、１本の光ファイバ３８を蛇行するように配置し、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（上述した格子間隔Δ_A、Δ_B）は、全て異なるものとする。

Ｙ方向応力センサ部３４は、光ファイバ４４の軸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方向に対して垂直方向（図３ではＺ方向）に配列されるように、１本の光ファイバ４４を蛇行するように配置し、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（上述した格子間隔Δ_A、Δ_B）は、全て異なるものとする。

Ｚ方向応力センサ部３６は、光ファイバ５０の軸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方向に対して垂直方向（図３ではＸ方向）に配列されるように、１本の光ファイバ５０を蛇行するように配置し、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（上述した格子間隔Δ_A、Δ_B）は、全て異なるものとする。

ＦＢＧ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。

なお、Ｘ方向応力センサ部３２、Ｙ方向応力センサ部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。

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。

図４に例示するように、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の長手方向に対して垂直方向に延在し、接合孔６３ａ、６３ｂを介して光ファイバ３８と接合する接合部６４ａ、６４ｂとからなる。ここで、Ｘ方向応力センサ部３２における接合部６４ａ、６４ｂの延在方向は、Ｘ方向に平行している。

平坦部５８と傾斜部６２ａ、６２ｂとがなす角度φ₁、φ₂はφ₀として互いに等しく設定されている。

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。

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。この場合、Ｙ方向応力センサ部３４における接合部６４ａ、６４ｂの延在方向はＹ方向に平行し、Ｚ方向応力センサ部３６における接合部６４ａ、６４ｂの延在方向はＺ方向に平行している。

図５は、以上のように構成されるＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂを用いたロボットシステム１０の機能ブロック図である。

ロボットシステム１０は、図１に示すマニピュレータ１４、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂ、センサコントローラ２０及びマニピュレータコントローラ２２の他に、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂ側に向けて光を出力する光源６８と、光源６８から出力された光の光路を時分割で選択するビーム切替器７０と、ビーム切替器７０により導かれた光の一部を反射し、残余の光を透過する３つのハーフミラー７２ａ〜７２ｃと、ハーフミラー７２ａ〜７２ｃからの透過光であって、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂを通過した光を導入する３つの透過光終端器７４ａ〜７４ｃとをさらに備える。

また、センサコントローラ２０は、ハーフミラー７２ａ〜７２ｃからの反射光を検出する反射光検出器７６と、反射光検出器７６により検出された光の波長のＸ方向及びＹ方向に対するシフト量及びシフト方向に基づいて、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剪断応力算出部７８と、反射光検出器７６により検出された光の波長のＺ方向に対するシフト量及びシフト方向に基づいて、その部分に生じた垂直応力の大きさ及び向きを算出する垂直応力算出部８０とから構成されている。

本実施の形態に係るＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂは、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作及び作用効果につき、ロボットシステム１０との関係で説明する。

図１に示すマニピュレータ１４は、マニピュレータコントローラ２２による制御信号を受けて、所定の位置・姿勢になるようにハンド部１６ａ、１６ｂを駆動し、物体１２を把持する。この場合、図６Ａに示すように、マニピュレータ１４が物体１２を把持する前は、物体１２とＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂとの間に隙間８２が設けられており、両者は未だに接触していない。すなわち、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂには一切の応力が作用しない状態である。

なお、説明の便宜のため、図６Ａにおいて、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂの一部を構成するＸ方向応力センサ部３２及びＹ方向応力センサ部３４（図４参照）を省略して、Ｚ方向応力センサ部３６のみを表している。図６Ｂ、図７、図８Ａ及び図８Ｂについても図６Ａと同様である。

そして、図６Ｂに示すように、マニピュレータ１４が物体１２を把持する際、物体１２とＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂとが接触することにより、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂにはＺ方向に対する垂直応力Ｆが付与される。

ここで、Ｚ方向応力センサ部３６においては、垂直応力Ｆ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。

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Ｃ₁方向、Ｃ₂方向にそれぞれ傾斜し、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。

接合部６４ａ、６４ｂ同士の離間に伴い、光ファイバ５０が伸張する。その結果、グレーティング５２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５０が接合部６４ａ、６４ｂの双方によってＤ₁方向、Ｄ₂方向にそれぞれ伸張されるからである。

垂直応力Ｆと、該垂直応力Ｆに抗して発生する垂直抗力Ｆ’とにより、感圧部材５４はＧ₁方向、Ｇ₂方向にそれぞれ圧縮される。

このように、弾性体５６は、垂直応力Ｆが作用する方向（Ｚ方向）を、光ファイバ５０の長手方向（例えばＸ方向）と平行方向に変換する作用を営む。

図７は、図３に示す弾性体５６の平坦部５８、傾斜部６２ａ、６２ｂ及び接合部６４ａ、６４ｂに作用する応力の関係を模式的に示した平面説明図である。

上述のように、物体１２によって、平坦部５８の長手方向中腹部を重心として垂直応力Ｆが一様に付与されている。そして、この垂直応力Ｆに抗した垂直抗力Ｆ’がハンド部１６ａ、１６ｂを介して発生している。

そして、傾斜部６２ａ、６２ｂの各々に作用する応力をＦ₁、接合部６４ａ、６４ｂの各々に作用するＸ方向、Ｚ方向の応力をそれぞれＦ₂、Ｆ₃とする。また、平坦部５８の延在方向（図７ではＸ方向）と傾斜部６２ａのなす角度φ₁と、傾斜部６２ｂと接合部６４ｂのなす角度φ₂とがφで等しいものとする。このとき、Ｆ₁は、次の（３）式で算出される。
Ｆ₁＝（Ｆ／２）・ｃｏｓ（φ−π／２）＝Ｆｓｉｎφ／２ …（３）

また、傾斜部６２ａ、６２ｂとＺ方向とのなす角度は（φ−π／２）であるから、光ファイバ５０と接合部６４ａ、６４ｂに作用する力Ｆ₂、Ｆ₃は、以下の（４）式及び（５）式で算出される。
Ｆ₂＝Ｆ₁ｃｏｓ（φ−π／２）＝Ｆ₁ｓｉｎφ＝Ｆｓｉｎ²φ／２ …（４）
Ｆ₃＝Ｆ₁ｓｉｎ（φ−π／２）＝Ｆ₁ｃｏｓφ＝Ｆｓｉｎφｃｏｓφ／２ …（５）

このように、角度φが変化したとしても、光ファイバ５０が接合部６４ａ、６４ｂからそれぞれ受ける応力は、平行成分（Ｆ₂）と垂直方向（Ｆ₃）の２方向のみに分離される。すなわち、光ファイバ５０が傾斜部６２ａ、６２ｂの傾斜に伴う曲げ応力を受けないように構成されるので、その耐久性を向上することができる。

図８Ａに示すように、マニピュレータ１４が物体１２を把持する前、すなわち、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂに一切の応力が作用しない状態下では、平坦部５８と傾斜部６２ａ、６２ｂとがなす角度φ₁、φ₂はφ₀として互いに等しく設定されている。

例えば、φ₀は、π−Δφ＜φ₀＜πの関係を満たしている。ここで、Δφは、傾斜部６２ａ、６２ｂの変位限界角である。なお、変位限界角Δφとは、初期状態であるφ₀（π／２＜φ₀＜π）に対して、傾斜部６２ａ、６２ｂを破損することなく変位可能な上限値である。すなわち、角度φ₁、φ₂が（φ₀＋Δφ）を超えると弾性体５６が破損することを意味する。

図８Ｂに示すように、マニピュレータ１４が物体１２を把持する際、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂに付与された垂直応力Ｆにより、平坦部５８と傾斜部６２ａ、６２ｂとがなす角度はφとなるように変位する。

このとき、弾性体５６の構造上、φ＞πを満たす位置関係にはならないので、図８Ｂに示す角度の変位量がΔφを超えることがない。すなわち、Ｚ方向応力センサ部３６の一部に対して過剰な応力が付与されたとしても、弾性体５６が破損しない。

なお、図６Ａ、図６Ｂ、図７、図８Ａ及び図８Ｂは、Ｚ方向応力センサ部３６の動作について説明したが、Ｘ方向応力センサ部３２及びＹ方向応力センサ部３４（図４参照）もこれと同様の動作を行うことはいうまでもない。

ところで、図示しない剪断応力や垂直応力Ｆが付与されるＦＲＧセンサ１８ａ、１８ｂの内部には、光源６８から出力された光が常時供給されている。

図５に示すように、光源６８からの出力光は、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のいずれか１つを介して、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂを構成するＸ方向応力センサ部３２、Ｙ方向応力センサ部３４又はＺ方向応力センサ部３６のいずれか１つに供給される。

Ｘ方向応力センサ部３２、Ｙ方向応力センサ部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３参照）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。

グレーティング４０、４６又は５２により反射された光は、物体１２から受ける図示しない剪断応力や垂直応力Ｆにより、光波長が変調されている。

したがって、図７に示すＺ方向応力センサ部３６の場合において、光ファイバ５０の弾性定数をＥとすると、光ファイバ５０の歪みεは、（５）式を用いて以下の（６）式で算出される。
ε＝２Ｆ₂／Ｅ＝（１／Ｅ）Ｆｓｉｎ²φ …（６）

グレーティング５２の格子数をＮとすると、格子間隔Δは、次の（７）式で算出される。
Δ＝ε／（Ｎ−１） …（７）

（７）式に（６）式を代入すれば、以下の（８）式が得られる。
Δ＝Ｆｓｉｎ²φ／［Ｅ×（Ｎ−１）］ …（８）

したがって、波長のシフト量δλは以下の式（９）によって求めることができる。これは、垂直応力Ｆの大きさに対して、光の波長特性が一義的に決定されることを意味する。
δλ＝２×ｎ_eff×Δ
＝２×ｎ_eff×Ｆｓｉｎ²φ／［Ｅ×（Ｎ−１）］ …（９）

なお、垂直応力Ｆが付与される重心位置が、平坦部５８の長手方向中腹部から離れた場合においても、力学的あるいは光学的考察に基づいて、光の波長特性と垂直応力との関係が一義的に決定されることが諒解される。また、剪断応力の場合も上記と同様である（詳しくは、特願２００８−２２０００３号を参照）。

グレーティング４０、４６又は５２によりその波長を変調された反射光は、ハーフミラー７２ａ〜７２ｃを介して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方向応力センサ部３２及びＹ方向応力センサ部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。

剪断応力算出部７８は、Ｘ方向応力センサ部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、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。

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。

一方、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。

そして、マニピュレータコントローラ２２は、センサコントローラ２０により取得された剪断応力及び垂直応力に基づいて、ハンド部１６ａ、１６ｂをフィードバック制御する。これによって、マニピュレータ１４は、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。

このように、本実施の形態によれば、光ファイバ３８、４４、５０の長手方向に対して平行方向に延在する平坦部５８と、平坦部５８の両端に連結される傾斜部６２ａ、６２ｂと、傾斜部６２ａ、６２ｂに連結されるとともに、光ファイバ３８、４４、５０の長手方向に対して垂直方向に延在して光ファイバ３８、４４、５０と接合する接合部６４ａ、６４ｂを設けたので、外部から応力を受けて平坦部５８と傾斜部６２ａ、６２ｂとのなす角度が変化したとしても、光ファイバ３８、４４、５０が接合部６４ａ、６４ｂから受ける応力は、前記平行方向と前記垂直方向の２方向のみに分離される。すなわち、光ファイバ３８、４４、５０が傾斜部６２ａ、６２ｂの傾斜に伴う曲げ応力を受けないように構成されるので、その耐久性を向上することができる。これによって、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂの検出面に対して過剰な応力が付与された場合であっても構成部品（特に光ファイバ３８、４４、５０）の破損を防止できる。

また、弾性体５６により光ファイバ３８、４４、５０が伸張されると、光ファイバ３８、４４、５０の内部に形成されたグレーティング４０、４６、５２が、隣接する格子同士の間隔が略均等になるように伸張される。すなわち、光ファイバ３８、４４、５０が弾性体５６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３８、４４、５０に対して略均等に分散される。このため、格子同士の間隔の変化量に基づいて、前記光ファイバ３８、４４、５０に作用した応力を精度よく検出することができる。

さらに、弾性体５６は、応力の付与がない状態下での平坦部５８と傾斜部６２ａ、６２ｂとのなす角φ₀が、π−Δφ＜φ₀＜π（Δφは、傾斜部６２ａ、６２ｂの変位限界角である。）を満たすような位置関係で配置されていることが好ましい。これにより、傾斜部６２ａ、６２ｂの角度がφ₀から変位し、最大値πに到達したとしても、傾斜部６２ａ、６２ｂの変位角が変位限界角Δφを超えることはない。したがって、外部からの応力によってＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂの構成部品（すなわち、弾性体５６）を破損することを防止できる。

さらに、弾性体５６は、樹脂材料及び／又は金属材料から構成されることが好ましい。樹脂材料や金属材料は、ゴム材料に比べて剛性が高く、ヤング率が高い。このため、光ファイバ３８、４４、５０に作用した応力とグレーティング４０、４６、５２の間隔の変化量（すなわち、波長シフト量）との関係は、低応力領域においても良好な線形性を示す。これにより、前記応力を更に精度よく検出することができる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この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。

そして、図５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ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂに供給する代わりに、ＦＢＧセンサ１８ａ、１８ｂを構成するＸ方向応力センサ部３２、Ｙ方向応力センサ部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方向応力センサ部３２、Ｙ方向応力センサ部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。

また、ＦＢＧ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。

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…ＦＢＧセンサ ２０…センサコントローラ
２２…マニピュレータコントローラ ２４、３８、４４、５０…光ファイバ
２６…コア ２８、４０、４６、５２…グレーティング
３２…Ｘ方向検出センサ部 ３４…Ｙ方向検出センサ部
３６…Ｚ方向検出センサ部 ４２、４８、５４…感圧部材
５８…平坦部 ６０…応力伝達部
６２ａ、６２ｂ…傾斜部 ６３ａ、６３ｂ…接合孔
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…剪断応力演算部 ８０…垂直応力演算部

Claims (3)

1. 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部とを有し、
   前記応力方向変換部は、
   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、
   前記平坦部の両端に連結される傾斜部と、
   前記傾斜部に連結されるとともに、前記光ファイバの長手方向に対して垂直方向に延在して前記光ファイバと接合する接合部とを備える
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 請求項１記載の光ファイバセンサにおいて、
   前記応力方向変換部は、応力の付与がない状態下での前記平坦部と前記傾斜部とのなす角φ₀が、π−Δφ＜φ₀＜π（Δφは、前記傾斜部の変位限界角である。）を満たすような位置関係で配置されている
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
3. 請求項１又は２に記載の光ファイバセンサにおいて、
   前記応力方向変換部は、樹脂材料及び／又は金属材料から構成される
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。

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