JP2017166861A - 光ファイバを組み込んだ変形感受性生地、及びこれを用いた検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象面の凹凸変形、伸縮などの変形を適切に検知することができる光ファイバを組み込んだ変形感受性生地を提供する。
【解決手段】変形感受性織物は、異なる径のコア１ａ及び該コア１ａの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部１ａを有し、入射端から入射されヘテロコア部１ａを通過した光を出射端から出射するヘテロコア光ファイバ１を、糸２と共に織り込む又は編み込むことによって作製された織物３からなる。ヘテロコア部１ａと糸２とが接触している。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ファイバを組み込んだ変形感受性生地、及びこれを用いた検出装置に関する。

近年、人の皮膚の表面等の測定対象面の変形を検知し得るセンサ装置が望まれている。

特許文献１には、ファブリック（生地、織物）に光ファイバを織り込んだ衣服が開示されている。光ファイバの破壊による光損失を監視することにより、衣服ひいては衣服の着用者に生じた損傷を検出することが可能となっている。

特許文献２には、シーツ、敷布、毛布、マット等の平板状体に光ファイバを固定又は混入してなる光ファイバ式平板状体センサが開示されている。光ファイバにおける偏波変動を測定することにより、平板状体がその面に垂直な方向の力を受けたことによる該平板状体の凹凸変形を検出している。

特表２００２−５１７３０１号公報 特開２００７−６１３０６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された衣服では、光ファイバの破壊による衣服の損傷は検出可能であるが、衣服の凹凸変形、伸縮変形などの変形は検出することはできない。

上記特許文献２に開示された光ファイバ式平板状体センサでは、平板状体の面に垂直な方向の力を受けることによる該平板状体の凹凸変形は検出可能であるが、凹凸変形を伴わない伸縮変形などの測定対象面における変形を検知することはできない。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、測定対象面の凹凸変形、伸縮変形などの変形を適切に検知することができる光ファイバを組み込んだ変形感受性生地、及びこれを用いた検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地は、上記目的を達成するために、異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部を漏洩する光透過部を有し、入射端から入射され前記光透過部を通過した光を出射端から出射する光ファイバを、糸と共に織り込む又は編み込むことによって作製された織物又は編物からなり、前記光透過部と前記糸とが接触していることを特徴とする。

本発明の第１発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地によれば、光透過部と糸とが接触しているので、当該糸に張力が付与されているか否かの状態の変化に応じて、糸の硬さが変化し、これに伴い光透過部の湾曲度合（曲率）が変化する。よって、織物又は編物が接触する測定対象物の表面の凹凸変形、伸縮変形などの変形を適切に検知することが可能である。

また、前記光ファイバを糸と共に織り込む又は編み込むことによって作製された織物又は編物からなるので、糸のみからなる通常の織物又は編物と同様に、衣服などの生地となり、人体などの検知対象物の表面を過度に拘束することなく覆うことが可能である。

本発明の第２発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地は、異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部を漏洩する光透過部を有し、入射端から入射され前記光透過部を通過した光を出射端から出射する光ファイバを糸と撚り合わせた光ファイバ組込み撚糸と、糸のみを撚り合わせた撚糸又は糸と共に織り込む又は編み込むことによって作製された織物又は編物からなり、前記光透過部を前記撚糸又は前記糸の方向に投影した投影空間内において、前記光ファイバ組込み撚糸と当該撚糸又は当該糸とが接触していることを特徴とする。

本発明の第２発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地によれば、第１発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地と同様に、織物又は編物が接触する測定対象物の表面の凹凸変形、伸縮変形などの変形を適切に検知することが可能であると共に、衣服などの生地となり、人体などの検知対象物の表面を過度に拘束することなく覆うことが可能である。

本発明の第１又は第２発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地において、前記織物又は編物は、検知対象物に装着される形状に構成されていることが好ましい。

この場合、光ファイバを組み込んだ変形感受性生地を検知対象物の表面に接触させた状態で、簡易に検知対象物に装着することが可能となる。

また、本発明の第１又は第２発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地において、前記光透過部は、検知対象物の変動方向に対して直交する方向を長手方向とするように配置されていることが好ましい。

この場合、織物又は編物が接触する測定対象物の表面の凹凸変形、伸縮変形などの変形をより高精度に検知することが可能となる。

また、本発明の第１又は第２発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地において、前記検知対象物は人体であり、前記織物又は編物は衣服状に構成されていることが好ましい。

この場合、光ファイバを組み込んだ変形感受性生地を被検知者の皮膚の表面に接触させた状態で、簡易に被検知者に装着することが可能となる。

また、本発明の第１又は第２発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地において、前記織物又は編物の表面に被覆層を備えることが好ましい。

この場合、被覆層を適宜な素材からなるものとすることにより、織物又は編物の表面における防水性、洗浄性、強度などを高めることが可能となる。

本発明に係る検出装置は、本発明の第１又は第２発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地と、前記入射端から前記光ファイバに入射する光を出力する光源と、前記光ファイバの前記出射端から出射される光を受光する光検出器とを備えることを特徴とする。

本発明に係る検出装置によれば、上述した作用効果を有する本発明の第１又は第２発明に係る光ファイバを組み込んだ変形感受性生地を用いて、当該生地が接触する測定対象物の表面の凹凸変形、伸縮変形などの変形を適切に検知することが可能である。

本発明の第１実施形態の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地である変形感受性織物の構成を示す写真及びその部分拡大写真。 ヘテロコア光ファイバの構成を示す模式斜視図。 変形感受性織物の構成を示す模式上面図。 縦糸に張力が生じていない状態における変形感受性織物を示す模式側面図。 縦糸に張力が生じている状態における変形感受性織物を示す模式側面図。 測定システムの構成を示す模式図。 圧力特性の検証試験における光ファイバの光伝送特性の測定データを示すグラフ。 曲げ特性の検証試験における光ファイバの光伝送特性の測定データを示すグラフ。 上下方向の伸縮特性の検証試験における光ファイバの光伝送特性の測定データを示すグラフ。 左右方向の伸縮特性の検証試験における光ファイバの光伝送特性の測定データを示すグラフ。 脈拍計測試験における変形感受性織物の装着状態を示す写真。 脈拍計測試験における光ファイバの光伝送特性の測定データを示すグラフ。 手の開閉計測試験における変形感受性織物の装着状態を示す写真。 手の開閉計測試験における光ファイバの光伝送特性の測定データを示すグラフ。 縦糸に張力が生じていない状態における、本発明の第２実施形態の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地である変形感受性織物を示す模式側面図。 縦糸に張力が生じている状態における変形感受性織物を示す模式側面図。 伸縮特性の検証試験における光ファイバの光伝送特性の測定データを示すグラフ。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を図面を参照して説明する。

本実施形態の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地は、図１に示すように、光ファイバ１を糸２と共に織り込んだ織物３からなる変形感受性織物１００として構成されている。

光ファイバ１は、本実施形態では、図２に示すように、その全長のうちの途中部に所定長（例えば数ｍｍ）の本発明の光透過部に相当するヘテロコア部１ａを有する光ファイバである。ヘテロコア部１ａは、その軸心方向の両側に連なる光伝送路を構成する光ファイバ１ｂ，１ｂ（以降、光ファイバ１ｂを伝送路光ファイバ１ｂという）のそれぞれのコア１ｂ１よりも、小さい径のコア１ａ1を有する部分である。

なお、ヘテロコア部１ａのコア１ａ1の周囲と、各伝送路光ファイバ１ｂのコア１ｂ１の周囲とには、通常の光ファイバと同様に、それぞれ一定外径のクラッド１ａ２、１ｂ２が各々形成されている。また、ヘテロコア部１ａを構成する光ファイバ、及び各伝送路光ファイバ１ｂは、シングルモード光ファイバ及びマルチモード光ファイバの何れであってもよい。

上記のように、ヘテロコア部１ａを有する光ファイバ１（以降、ヘテロコア光ファイバ１という）は、例えば、ヘテロコア部１ａを構成する光ファイバの軸心方向の両端面に、該光ファイバよりもコア径が大きい伝送路光ファイバ１ｂ，１ｂを融着等により同軸心に接合することで作製することができる。

例えば、伝送路光ファイバ１ｂとしてコア径９μｍのシングルモードファイバを用いて、これを切断し、ヘテロコア部１ａとしてコア径５μｍのシングルモードファイバを２ｍｍを挿入して接続部を融着することにより、ヘテロコア光ファイバ１を作製すればよい。

かかるヘテロコア光ファイバ１にあっては、伝送路光ファイバ１ｂの一方側である入射端から光を入射したとき、当該一方側の伝送路光ファイバ１ｂからヘテロコア部１ａに進入する光の一部が、ヘテロコア部１ａのコア１ａ１を通って他方側の伝送路光ファイバ１ｂに伝送されずに、ヘテロコア部１ａの外部に漏洩する。この場合の光の漏洩量は、ヘテロコア部１ａでのヘテロコア光ファイバ１の湾曲度合（平均的な曲率）と高い相関性を有し、湾曲度合が高いほど、光の漏洩量（リーク量）が多くなる。

従って、ヘテロコア光ファイバ１における光の伝送損失を計測した場合、伝送損失は、ヘテロコア部１ａでのヘテロコア光ファイバ１の湾曲度合が高いほど、大きくなる。

補足すると、図２では、ヘテロコア部１ａのコア径が一定である場合を例示しているが、ヘテロコア部１ａのコア径が、該ヘテロコア部１ａの軸心方向で変化するように、コア１ａ１が形成されていてもよい。例えば、ヘテロコア部１ａのコア径が、ヘテロコア部１ａの軸心方向の両端から中央側向かって徐々に縮径するようにコア１ａ１が形成されていてもよい。

糸２は、繊維が長く線状に連続したものである。糸２は、綿糸、毛糸など短い繊維を紡績したものであっても、生糸、合成繊維など長い繊維１本からなるものがあっても、長い繊維を撚り合わせたものであってもよい。また、糸２は複数本の糸を撚り合わせた撚糸であってもよい。

糸２は、ウール、麻、絹、羊毛などの天然繊維からあるものであっても、ポリエステルなどの合成繊維からなるものであってもよい。

織物３は、図３に示すように、ヘテロコア光ファイバ１を糸２と共に織り込んだものであり、変形感受性を有する変形感受性織物１００として構成されている。織物３は、少なくとも１本のヘテロコア光ファイバ１を縦糸（経糸）又は横糸として、多数本の糸２を縦糸及び横糸として、縦糸と横糸とを交差させることにより作製される。すなわち、織物３は、縦糸又は横糸となる糸２の代わりにヘテロコア光ファイバ１を用いて織り込まれたものである。

このように、ヘテロコア光ファイバ１が織物３中に織り込まれているので、織物３は糸２のみからなる通常の織物と同様に、衣服などの生地となり、人体などの検知対象物の表面を過度に拘束することなく覆うことができる。

なお、図３では、横糸となる糸２の代わりにヘテロコア光ファイバ１を用いて織り合せているが、縦糸となる糸２の代わりにヘテロコア光ファイバ１を用いて織り合せてもよい。

また、図３では、縦糸及び横糸同士の間に隙間を有して織り合せた例を示しているが、隙間無く織り合せてもよい、また、図３では、平織で織り合せた例を示しているが、織り方はこれに限定されず、公知の他の織り方、例えば、綾織・朱子織などの織り方であってもよい。

図４Ａに織物３の断面図を示すように、ヘテロコア光ファイバ１を横糸として用いた場合、ヘテロコア光ファイバ１のヘテロコア部１ａが縦糸である糸２のうちの１本と接触している。このとき、ヘテロコア部１ａの軸方向の中心部が糸２と接触していることが好ましい。

ヘテロコア光ファイバ１と糸２とを比較した場合、ヘテロコア光ファイバ１の素材のほうが糸２の素材よりも硬質であるので、図４Ａに示すように、織物３に対して張力が付与されていない状態ではヘテロコア部１ａに対する曲率は非常に小さい。このように、織物３では、柔軟な繊維からなる糸２を素材に用い、ヘテロコア部１ａに対して適度な湾曲度合を付与している。

この状態から、織物３が縦糸の延在する方向に引っ張られると、ヘテロコア部１ａに接触する縦糸である糸２にも張力が付与され、糸２は直径が減少して硬くなる。その結果、図４Ｂに示すように、糸２の硬さの増加に従ってヘテロコア部１ａの湾曲度合が増加し、漏洩により伝搬光強度が減少する。

また、織物３に圧力、シワ、折り目が付与された場合にも、ヘテロコア部１ａの湾曲度合が変化するので、これらの変化を測定することも可能である。

なお、ヘテロコア部１ａと糸２とが接触する位置により感度が異なる。しかし、一般にヘテロコア部１ａの長さは１ｍｍから２ｍｍ程度であり、糸２の直径及び糸２同士の間隔に比較して長いので、位置に対する依存性は鋭敏ではない。そして、多少の感度の個別的変化は、使用時に適宜に個々に校正すればよい。

なお、織物３は、ヘテロコア光ファイバ１が１本だけでなく複数本織り込まれたものであってもよい。さらに、ヘテロコア光ファイバ１は、縦糸又は横糸として織り込まれるものであっても、縦糸及び横糸として織り込まれるものであってもよい。ただし、この場合、ヘテロコア光ファイバ１のヘテロコア部１ａ同士が接触することは好ましくない。

以上説明したように、変形感受性織物１００は、織物３の素材の一部として柔軟な糸２にヘテロコア光ファイバ１を織り込んでいるので、織物３に対して付与される、外的変形、例えば曲げ、伸縮、圧力などの物理量をその柔軟さを損なわずに光強度の変化として実時間で検出することができる。

また、ヘテロコア光ファイバ１としてシングルモードファイバを伝送路光ファイバ１ｂとして使用すれば、伝送路光ファイバ１ｂは曲げや温度変化などの外乱に強いので、変形感受性織物１００は、伝送路光ファイバ１ｂにおける温度補償を行う必要がないため汎用性が高くなる。

また、変形感受性織物１００を生地として衣服に作製した場合、腕、足の関節などの身体動作、又は脈拍、心拍などの生体情報による物理的振動を、着衣者が拘束感が無い状態で測定することが可能となる。よって、変形感受性織物１００を着衣者の皮膚表面等の任意の測定対象面に密着させることができる。

また、変形感受性織物１００をシート状に形成した場合、人に拘束感等の違和感をほとんど及ぼさないようにして、被測定者の皮膚表面に変形感受性織物１００を貼着などによって固定することも可能である。

このようにして、変形感受性織物１００は測定対象面の変形に伴い、高い追従性を有し変形するので、高精度で測定することが可能である。

次に、変形感受性織物１００を用いて、任意の測定対象面の変形を検知する場合の測定手法を図１を参照して説明する。

変形感受性織物１００が、測定対象物（図示省略）の表面の変形に伴い変形するように測定対象物に装着される。この場合、変形感受性織物１００の測定対象物への装着は、例えば、測定対象物が人体である場合には、変形感受性織物１００を衣服などの形状として人体に着衣させることで行うことができる。また、変形感受性織物１００をバンド状に形成して、人体の腕、手首、脚、足首などに装着してもよい。その他、変形感受性織物１００を生地として用いて様々な形状に縫製すればよい。

さらに、変形感受性織物１００をシート状として、測定対象物の表面に載置、接着などによって一時的に固定してもよい。

そして、例えば、図５に示すように、検出装置１０を用いて測定対象物の表面の変形を検知する測定が行われる。

この検出装置１０は、変形感受性織物１００と、入射端からヘテロコア光ファイバ１に入射する光を出力する光源１１と、ヘテロコア光ファイバ１の出射端から出射される光を受光する光検出器１２と、光検出器１２の出力を図示しないＡＤ変換器を介して取り込むデータ処理装置１３とを備える。

光源１１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等により構成され、ヘテロコア光ファイバ１の伝送路光ファイバ１ｂ，１ｂのうちの一方側の端部に接続される。

光検出器１２は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）等により構成され、ヘテロコア光ファイバ１の伝送路光ファイバ１ｂ，１ｂのうちの他方側の端部に接続される。

データ処理装置１３は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータ、あるいは、ＣＰＵ等を含む電子回路ユニットにより構成される。

かかる構成の検出装置１０の光源１１からヘテロコア光ファイバ１に光が入射され、該ヘテロコア光ファイバ１からの出射光が光検出器１２により検出される。

そして、データ処理装置１３により、光検出器１２の出力により示される出射光の強度が計測され、該出射光の強度の計測値と、入射光の既定の強度との比率等を指標値として、ヘテロコア光ファイバ１における光の伝送損失（以降、単に光損失という）が計測される。なお、ヘテロコア光ファイバ１の光損失は、入射光の強度に対する出射光の強度の比率が小さいほど、大きなものなる。

ここで、測定対象物の表面が変形すると、測定対象物の表面に隆起あるいは沈下、または測定対象物の表面に伸長あるいは短縮が生じ、それらによりヘテロコア部１ａの湾曲度合が変化する。例えば、測定対象物の表面が隆起した場合、測定対象物の表面に沿ったヘテロコア部１ａが持ち上がり、ヘテロコア部１ａの湾曲度合が大きくなる。このヘテロコア部１ａの湾曲度合の変化に応じて、ヘテロコア部１ａでの光の漏洩量が変化する。このため、ヘテロコア光ファイバ１の光損失の計測値に基づいて、測定対象物の表面の変形を検知することが可能となる。

例えば、測定対象物の表面が隆起した場合、ヘテロコア部１ａが持ち上がるので、ヘテロコア部１ａの湾曲度合が増大して、ヘテロコア光ファイバ１の光損失の計測値が増加する。

逆に、測定対象物の表面が沈下した場合、ヘテロコア部１ａが下がるので、ヘテロコア部１ａの湾曲度合が減少して、ヘテロコア光ファイバ１の光損失の計測値が減少する。

また、例えば、測定対象物の表面の変形に伴ってヘテロコア部１ａと接触する糸２が長手方向に伸長した場合、該糸２に張力が生じる。このようにして糸２に張力が生じると、該糸２は細くなり、硬くなるので、該糸２と接触するヘテロコア部１ａの湾曲度合が大きくなる。このヘテロコア部１ａの湾曲度合の変化に応じて、ヘテロコア部１ａでの光漏洩量が変化する。このため、ヘテロコア光ファイバ１の光損失の計測値に基づいて、計測対象物の表面の変形を検知することが可能となる。

例えば、測定対象物の表面の変形に伴ってヘテロコア部１ａと接触する糸２が長手方向に伸長した場合、ヘテロコア部１ａと接触する糸２が細くなり、硬くなるので、ヘテロコア部１ａの湾曲度合が増大して、ヘテロコア光ファイバ１の光損失の計測値が増加する。

逆に、測定対象物の表面の変形に伴ってヘテロコア部１ａと接触する糸２が戻って長手方向に短縮した場合、ヘテロコア部１ａと接触する糸２が戻って太くなり、柔らかくなるので、ヘテロコア部１ａの湾曲度合が減少して、ヘテロコア光ファイバ１の光損失の計測値が減少する。

このように、ヘテロコア光ファイバ１の光損失の計測値に基づいて、測定対象物の表面の変形、例えば、表面の隆起又は沈下、及び伸縮を検知することが可能となる。

［検証試験］
次に、変形感受性織物１００の実施例の動作特性の検証試験について説明する。

（実施例）
検証試験に用いた作製した変形感受性織物１００の実施例の仕様は次の通りである。

すなわち、コア径９μｍのシングルモード光ファイバと、コア径５μｍのシングルモード光ファイバとを、それぞれ、伝送路光ファイバ１ｂ、ヘテロコア部１ａの光ファイバとして用いて、図３に示した構造のヘテロコア光ファイバ１を作製した。ヘテロコア部１ａの長さは２ｍｍ、ヘテロコア部１ａ及び伝送路光ファイバ１ｂのそれぞれのクラッド１ａ２，３ｂ２の外径は１２５μｍである。伝送路光ファイバ１ｂとヘテロコア部１ａの光ファイバとは融着により接合した。

糸２として、平均直径２ｍｍの毛糸を用いた。この糸２に１本のヘテロコア光ファイバ１を横糸として織り込み、縦糸及び横糸の間に１．５〜２．０ｍｍ程度の隙間を設けた平織により、１１０ｍｍ×２００ｍｍのサイズの長方形状の織物３を作製した。ヘテロコア光ファイバ１のヘテロコア部１ａの軸方向の中心部の真上に１本の縦糸としての糸２が径方向の中心で接触するように構成した。

（圧力特性）
変形感受性織物１００の圧力特性を検証するための検証試験について説明する。この検証試験では、織物３の実施例に付与した圧力と、ヘテロコア光ファイバ１の光損失との関係を計測した。

織物３を、糸２と比較して十分に硬質な平坦な金属台の上に載置した。そして、ヘテロコア部１ａを中央として、直径１３ｍｍの円形状の荷重付与部を先端に有する荷重負荷装置によって、織物３に圧力を上方から付与した。そして、付与した圧力を０Ｎから２０Ｎまで１Ｎ増加させる毎における、ヘテロコア光ファイバ１の光損失を検出装置１０を用いて計測した。

図６はかかる検証試験による測定データを示している。なお、図６の横軸は、織物３に付与した圧力［Ｎ］を表し、縦軸は、織物３の当初状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を基準とする相対的な光損失［ｄＢ］を表している。

図６に示すように、付与する圧力を０Ｎから約１５Ｎまでの範囲で増加させた場合には、圧力が大きくなるほど、ヘテロコア光ファイバ１の相対光損失が単調に増加することが判る。これは、圧力が大きくなるほど、縦糸が細くなって、ヘテロコア部１ａの湾曲度合を大きくしているためであると考えられる。

一方、付与する圧力が約１５Ｎを超えた範囲では、圧力が大きくなっても、ヘテロコア光ファイバ１の相対光損失はほぼ一定であり、増加が飽和していることが判る。これは、圧力が所定値を超えると、ヘテロコア部１ａと接触する縦糸は形状が平らに変化し、ヘテロコア部１ａの湾曲度合がほぼ変化しないためであると考えられる。

以上の検証試験の結果から、変形感受性織物１００は付与される微小な圧力の変化に対しては、一意的に検出する性能を有することが判った。よって、変形感受性織物１００は、人体の身体表面に生じる脈拍、心拍などによる微小圧力変化を捉えるために有用であると考えられる。

（曲げ特性）
変形感受性織物１００の曲げ特性を検証するための検証試験について説明する。この検証試験では、変形感受性織物１００の実施例に付与した曲げと、ヘテロコア光ファイバ１の光損失との関係を計測した。

織物３の上下両端部（縦糸の延在する方向の両端部）を実験者が左右の手の指で把持して、織物３を丸みを有するように屈曲させた。このとき、ヘテロコア部１ａに対しても屈曲が付与された。この状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を検出装置１０を用いて３秒間計測した。

図７の線Ａはかかる検証試験による測定データを示している。なお、図７の横軸は、経過時間［秒］を表し、縦軸は、織物３の当初状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を基準とする相対的な光損失［ｄＢ］を表している。

図７の線Ａに示すように、ヘテロコア光ファイバ１の相対的な光損失は約２．０ｄＢであった。これは、ヘテロコア部１ａに湾曲が付与されたためであると考えられる。

なお、ヘテロコア光ファイバ１の光損失は、時間によって僅かに変動している。これは、実験者の手の僅かな上下方向の震えを検出したものであると考えられる。

一方、織物３の左右両端部（横糸の延在する方向の両端部）を実験者が左右の手の指で把持して、織物３を丸みを有するように屈曲させた。このとき、ヘテロコア部１ａへは屈曲が付与されない。そして、この状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を検出装置１０を用いて３秒間計測した。

図７の線Ｂはかかる検証試験による測定データを示している。図７の線Ｂに示すように、ヘテロコア光ファイバ１の相対的な光損失は０ｄＢで一定であった。これは、ヘテロコア部１ａの湾曲度合が変化しなかったためであると考えられる。なお、ヘテロコア光ファイバ１の光損失は、時間によって変動していない。これは、ヘテロコア部１ａに湾曲が付与されていないために、実験者の手の僅かな上下方向の震えを検出しなかったものであると考えられる。

以上の検証試験の結果から、変形感受性織物１００は付与される曲げ変形を、曲げの方向に応じて検出する性能を有することが判った。よって、変形感受性織物１００は、曲げの方向に応じた曲げ変形の大きさを検出することができ有用であると考えられる。さらに、織物３の横糸に代えてヘテロコア光ファイバ１を織り込むだけでなく、縦糸にもヘテロコア光ファイバ１を織り込むことによって、２次元の方向に曲げ変形の大きさを検出することが可能となると考えられる。

（伸縮特性）
変形感受性織物１００の伸縮特性を検証するための検証試験について説明する。この検証試験では、変形感受性織物１００の実施例に付与した伸縮と、ヘテロコア光ファイバ１の光損失との関係を計測した。

糸２と比較して十分に硬質なプラスチックからなる平坦な台の上に織物３を載置した。そして、この織物３の上下両端部（縦糸の延在する方向の両端部）を実験者が左右の手の指で台に押し付けながら上下方向に往復移動させた。この状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を検出装置１０を用いて６秒間計測した。

図８Ａはかかる検証試験による測定データを示している。なお、図８Ａ及び図８Ｂの横軸は、経過時間［秒］を表し、縦軸は、織物３の当初状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を基準とする相対的な光損失［ｄＢ］を表している。

図８Ａに示すように、ヘテロコア光ファイバ１の相対的な光損失は０ｄＢと約０．５ｄＢとの間で周期的に推移した。これは、縦糸が伸長するときは、ヘテロコア部１ａの湾曲度合が大きくなって光損失が増加し、縦糸が短縮するときは、ヘテロコア部１ａの湾曲度合が小さくなって光損失が減少したたためであると考えられる。

一方、上記台の上に載置した織物３の左右両端部（横糸の延在する方向の両端部）を実験者が左右の手の指で台に押し付けながら上下方向に往復移動させた。この状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を検出装置１０を用いて６秒間計測した。

図８Ｂはかかる検証試験による測定データを示している。図８Ｂに示すように、ヘテロコア光ファイバ１の相対的な光損失は０ｄＢで一定であった。これは、織物３の左右方向の伸縮によっては、横糸の代わりに織り込まれたヘテロコア光ファイバ１のヘテロコア部１ａの湾曲度合が変化しなかったためであると考えられる。

以上の検証試験の結果から、変形感受性織物１００は付与される伸縮を、伸縮の方向に応じて検出する性能を有することが判った。よって、変形感受性織物１００は、伸縮の方向に応じた伸縮の大きさを検出することができ有用であると考えられる。さらに、変形感受性織物１００の横糸に代えてヘテロコア光ファイバ１を織り込むだけでなく、縦糸にもヘテロコア光ファイバ１を織り込むことによって、２次元の方向に伸縮の大きさを検出することが可能となると考えられる。

（脈拍計測試験）
変形感受性織物１００を用いた脈拍計測試験について説明する。

この試験では、図９に示すように、変形感受性織物１００を、被験者の右手首の上に載置した。このとき、ヘテロコア部１ａの中心が脈拍計測位置である皮膚のほぼ真上で接触するように配置した。なお、織物３は手首の上に単に載置しただけあり、固定しなかった。そして、この状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を検出装置１０を用いて１０秒間計測した。

図１０はかかる脈拍計測試験による測定データを示している。なお、図１０の横軸は、経過時間［秒］を表し、縦軸は、ヘテロコア光ファイバ１の光損失［ｄＢ］を表している。

図１０に示すように、ヘテロコア光ファイバ１の光損失は、時間経過に伴って周期的に変化していることが判る。これは、被験者の脈動による脈拍計測位置における皮膚の表面上に生じる微妙な上下変動による圧力により周期的にヘテロコア部１ａの湾曲度合が変化したためであると考えられる。

そして、ヘテロコア光ファイバ１の光損失は、１０秒間にほぼ１１回の周期的な変動をしており、これから所定時間当りの脈拍数を得られることが判った。

以上の脈拍計測試験の結果から、変形感受性織物１００は脈拍計測位置における脈動による微小な圧力の経時的な変化を検出する性能を有することが判った。よって、変形感受性織物１００は、人体の身体表面に生じる脈拍数を計測でき、有用であると考えられる。

そして、ヘテロコア光ファイバ１の光損失は、各周期で約０．０４ｄＢでほぼ一定であり脈動による圧力変動、すなわち脈圧も計測できる可能性があることも判る。

なお、ヘテロコア光ファイバ１の光損失は、時間経過に伴って僅かであるが大きくなった。これは、時間経過に伴い、被験者の手首に対するヘテロコア部１ａの位置が僅かにずれたためであると考えられる。このような事態を防止するには、変形感受性織物１００を被験者の手首に、接着テープ、ゴムバンドなどの公知の固定手段によって固定すればよい。

（手の開閉計測試験）
変形感受性織物１００を用いた手の開閉計測試験について説明する。

この試験では、図１１に示すように、織物３を、被験者の右前腕の先端部に巻き付けた。このとき、ヘテロコア部１ａの中心が手の開閉に応じて動作する筋の真上に位置する皮膚と接触するように織物３を配置した。そして、この状態で被験者が手の開閉を繰り返しながら、ヘテロコア光ファイバ１の光損失を検出装置１０を用いて７秒間計測した。

図１２はかかる手の開閉試験による測定データを示している。なお、図１２の横軸は、経過時間［秒］を表し、縦軸は、ヘテロコア光ファイバ１の光損失［ｄＢ］を表している。

図１２に示すように、ヘテロコア光ファイバ１の光損失は、手を開いたときには約０．１ｄＢであった。これは、ヘテロコア光ファイバ１が前腕の周囲方向に婉曲しているためである。また、手を閉じているときは約０．６〜０．８ｄＢと大きくなっていることが判る。これは、被験者の手の開閉によって計測位置における筋肉が動作し、皮膚の表面上に微妙な上下変動が生じ、それによる圧力がヘテロコア部１ａの湾曲度合を変化させたためであると考えられる。

以上の手の開閉試験の結果から、変形感受性織物１００は手の開閉に伴う筋の微小な動きによる微小な圧力の変化を検出する性能を有することが判った。よって、変形感受性織物１００は、人体の身体表面に生じる筋の動きを計測でき、各所の関節の動作を検出することが可能であると考えられる。

さらに、ヘテロコア光ファイバ１の光損失は、関節角度も計測できる可能性がある。

なお、ヘテロコア光ファイバ１の光損失の最大値は、時間経過に伴って僅かであるが大きくなった。これは、時間経過に伴い、被験者の手首に対するヘテロコア部１ａの位置が僅かにずれたためであると考えられる。このような事態を防止するには、変形感受性織物１００を被験者の手首に、接着テープ、ゴムバンドなどの公知の固定手段によって固定すればよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を図面を参照して以下に説明する。なお、本実施形態は、ヘテロコア光ファイバ１を織り込んだ織物６の構成だけが、第１実施形態と相違するものである。このため、第１実施形態と同一の事項については説明を省略する。

図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、本発明の光ファイバ式センサ装置の第２実施形態である変形感受性織物１００Ａにおいて、ヘテロコア光ファイバ１は、その少なくも長手方向の一部に亘って、糸２から解き分割された複数本の糸又は繊維と撚り合わされ、光ファイバ組込み撚糸４とされている。そして、複数本の糸２を縦糸又は横糸として全体を織り上げて織物、又は布地としている。なお、１本の光ファイバ組込み撚糸４に複数本のヘテロコア光ファイバ１を１本又は複数本の糸２と撚り合わせてもよく、１本の光ファイバ組込み撚糸４を複数本のヘテロコア光ファイバ１のみを撚り合わせて形成してもよい。

光ファイバ組込み撚糸４を横糸として用いた場合、ヘテロコア光ファイバ１のヘテロコア部１ａを、当該ヘテロコア光ファイバ１と接触する縦糸である糸２の方向に投影した投影空間内において、当該光ファイバ組込み撚糸４と当該糸２とが接触している。このとき、ヘテロコア部１ａの軸方向の中心部を当該糸２の方向に投影した投影空間において、光ファイバ組込み撚糸４と糸２とが接触していることが好ましい。図１３Ａでは、ヘテロコア部１ａの下方において光ファイバ組込み撚糸４と糸２とが接触している。

ヘテロコア光ファイバ１の素材のほうが糸２の素材よりも硬質であるので、図１３Ａに示すように、織物５の縦糸方向に対して張力が付与されていない状態ではヘテロコア部１ａに対する曲率は非常に小さい。

この状態から、織物６が縦糸の延在する方向に引っ張られると、光ファイバ組込み撚糸４に接触する縦糸としての糸２にも張力が付与され、糸２は直径が減少して硬くなる。その結果、図１３Ｂに示すように、糸２の硬さの増加に従ってヘテロコア部１ａの湾曲度合（平均的な曲率）が増加し、伝搬光強度がリークにより減少する。

（検証試験）
次に、変形感受性織物１００Ａの実施例の動作特性の検証試験について説明する。

（実施例）
検証試験に用いるために作製した変形感受性織物１００Ａの実施例の仕様は次の通りである。

すなわち、コア径９μｍのシングルモード光ファイバと、コア径５μｍのシングルモード光ファイバとを、それぞれ、伝送路光ファイバ１ｂ、ヘテロコア部１ａの光ファイバとして用いて、図２に示した構造のヘテロコア光ファイバ１を作製した。ヘテロコア部１ａの長さは２ｍｍ、ヘテロコア部１ａ及び伝送路光ファイバ１ｂのそれぞれのクラッド１ａ２，３ｂ２の外径は１２５μｍである。伝送路光ファイバ１ｂとヘテロコア部１ａの光ファイバとは融着により接合した。

糸２として、平均直径２ｍｍの毛糸を用いた。

そして、１本の糸２を解き４本の糸に分け、ヘテロコア光ファイバ１を４本の糸の中央に組込み撚り合わせて光ファイバ組込み撚糸４を作製した。そして、糸２を縦糸及び横糸に、１本の光ファイバ組込み撚糸４を横糸として織り込み、縦糸及び横糸の間に隙間の無い平織により、５０ｍｍ×９０ｍｍのサイズの長方形状の織物６を作製した。ヘテロコア光ファイバ１のヘテロコア部１ａの軸方向の中心部の真上に１本の縦糸としての糸２が径方向の中心で接触するように構成した。

（伸縮特性）
変形感受性織物１００Ａの伸縮特性を検証するための検証試験について説明する。この検証試験では、変形感受性織物１００Ａの実施例に付与した伸縮と、ヘテロコア光ファイバ１の光損失との関係を計測した。

織物６の上下方向（縦糸の延在する方向）の一方の端部を、糸２と比較して十分に硬質な金属からなる平坦な固定台上に、金属とプラスチックにより固定した。そして、この織物６の上下方向の他方の端部を、固定台と同じ材質からなる平坦な可動ステージ上に、金属とプラスチックにより固定した。そして、可動ステージを０．１ｍｍ刻みで固定台から離間する方向に１ｍｍまで往復移動させた。このような状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を検出装置１０を用いて計測した。

図１４の線Ａ，Ｂにかかる検証試験による測定データを示している。なお、図１４の横軸は、変位量［ｍｍ］を表し、縦軸は、織物６の当初状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を基準とする相対的な光損失［ｄＢ］を表している。

図１４の線Ａに示すように、織物６が上下方向に伸長するほどに単調にヘテロコア光ファイバ１の光損失が増加した。これは、織物６が伸長すると、縦糸の糸２も伸長して細く且つ硬くなったので、これと接触する光ファイバ組込み撚糸４内のヘテロコア光ファイバ１のヘテロコア部１ａの湾曲度合が大きくなって、光損失が増加したためであると考えられる。

一方、織物６を上下方向に短縮させたときは、図１４の線Ｂに示すように、短縮するほどに単調にヘテロコア光ファイバ１の光損失は減少した。これは、織物６が短縮すると、縦糸の糸２も短縮して太く且つ柔らかくなったので、これと接触する光ファイバ組込み撚糸４内のヘテロコア光ファイバ１のヘテロコア部１ａの湾曲度合が小さくなって、光損失が減少したためであると考えられる。

また、織物６を上下方向に伸長させた場合と短縮させた場合とでは、ヘテロコア光ファイバ１の光損失の変化がヒステリシス特性を有することが確認された。図１４の線Ａ，Ｂに示す測定データでは、織物６を上下方向に伸長させた場合と短縮させた場合とでは、織物６の伸長量が同一であっても、ヘテロコア光ファイバ１の光損失が若干相違するものとなっている。

次に、織物６の左右方向（横糸の延在する方向）の一方の端部を、上記固定台上に、金属とプラスチックにより固定した。そして、この織物６の左右方向の他方の端部を、上記可動ステージ上に、金属とプラスチックにより固定した。そして、可動ステージを０．１ｍｍ刻みで固定台から離間する方向に１ｍｍまで往復移動させた。このような状態でのヘテロコア光ファイバ１の光損失を検出装置１０を用いて計測した。

図１４の線Ｃに、かかる検証試験による測定データを示している。

図１４の線Ｃに示すように、織物６の左右方向の伸長量に拘わらずヘテロコア光ファイバ１の光損失は同じであった。これは、織物６が左右方向に伸長又は収縮しても、縦糸は伸長又は収縮しないので、これと接触する光ファイバ組込み撚糸４内のヘテロコア光ファイバ１のヘテロコア部１ａの湾曲度合も同じであり、光損失が変化しなかったためであると考えられる。

（素材による伸縮感度）
素材の違いによる変形感受性織物１００Ａの伸縮感度を検証するための検証試験について説明する。

糸２の素材を変更して、上記した光ファイバ組込み撚糸４を作製した。そして、これら各素材ごとに、上記伸縮特性を検証するための検証試験を、織物６を上下方向に伸長させる場合について行った。

図１４の線Ａ，Ｂに示すように、糸２が直径が２ｍｍの毛糸である場合には、変位量１ｍｍにおけるヘテロコア光ファイバ１の光損失の相対的な増加は約０．２ｄＢであった。

糸２が綿からなり直径０．７ｍｍの綿糸である場合には、変位量１ｍｍにおけるヘテロコア光ファイバ１の光損失の相対的な増加は約１．３１ｄＢであった。

糸２が絹からなり直径０．７ｍｍの絹糸である場合には、変位量０．５ｍｍにおけるヘテロコア光ファイバ１の光損失の相対的な増加は約０．８８ｄＢであった。

糸２がポリエステルからなり直径０．５ｍｍのポリエステル糸である場合には、変位量１ｍｍにおけるヘテロコア光ファイバ１の光損失の相対的な増加は約１．２９ｄＢであった。

これらの結果から、糸２の素材が硬いほど伸縮感度が増加することが判った。

［変形態様について］
次に、本発明の変形態様について説明する。

上記第１及び第２実施形態に示した変形感受性織物１００，１００Ａにおいては、ヘテロコア光ファイバ１又は光ファイバ組込み撚糸４を縦糸又は横糸として織り込んだ織物３，６によって構成されている場合について説明した。しかし、本発明の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地はこれに限定されない。

例えば、本発明の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地は、ヘテロコア光ファイバ１又は光ファイバ組込み撚糸４を糸２と共に編み込んだ編物として構成してもよい。編み方は、例えば平編やゴム編であるが、これらに限定されない。

また、織物３，６又は編物の表面に被覆層を備えていてもよい。例えば、服飾などで使用されるビニール、ポリウレタンなどの素材からなる層を被覆層とすることができる。これにより、被覆層に応じた効果を織物３，６又は編物に与えることが可能となる。

さらに、上記第１及び第２実施形態に示した変形感受性織物１００，１００Ａにおいては、ヘテロコア部１ａを有するヘテロコア光ファイバ１を用いて構成されている。ただし、本発明の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地は、光透過部の湾曲度合に応じて、比較的高い相関性で光の伝送特性が変化し得るものであれば、ヘテロコア光ファイバ１以外の光ファイバを使用することもできる。

例えば、ヘテロコア光ファイバ１以外の光ファイバとして、長周期光ファイバグレーティングを使用することもできる。この場合、光ファイバの湾曲度合に応じて共鳴波長のシフトを生じるので、光ファイバにおける伝送光のスペクトルに基づいて、光ファイバの湾曲度合を検知することが可能である。

１００，１００Ａ…変形感受性織物、光ファイバを組み込んだ変形感受性生地、 １…ヘテロコア光ファイバ（光ファイバ）、 １ａ…ヘテロコア部、 １ａ１…コア、 １ａ２…クラッド、 １ｂ…伝送路光ファイバ、 １ｂ１…コア、 １ｂ２…クラッド、 ２…糸、 ３，６…織物、 ４…光ファイバ組込み撚糸、 ５…撚糸、 １０…検出装置、 １１…光源、 １２…光検出器、 １３…データ処理装置。

Claims (7)

1. 異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部を漏洩する光透過部を有し、入射端から入射され前記光透過部を通過した光を出射端から出射する光ファイバを、糸と共に織り込む又は編み込むことによって作製された織物又は編物からなり、
   前記光透過部と前記糸とが接触していることを特徴とする光ファイバを組み込んだ変形感受性生地。
2. 異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部を漏洩する光透過部を有し、入射端から入射され前記光透過部を通過した光を出射端から出射する光ファイバを糸と撚り合わせた光ファイバ組込み撚糸と、糸のみを撚り合わせた撚糸又は糸と共に織り込む又は編み込むことによって作製された織物又は編物からなり、
   前記光透過部を前記撚糸又は前記糸の方向に投影した投影空間内において、前記光ファイバ組込み撚糸と当該撚糸又は当該糸とが接触していることを特徴とする光ファイバを組み込んだ変形感受性生地。
3. 前記織物又は編物は、検知対象物に装着される形状に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地。
4. 前記光透過部は、検知対象物の変動方向に対して直交する方向を長手方向とするように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地。
5. 前記検知対象物は人体であり、前記織物又は編物は衣服状に構成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地。
6. 前記織物又は編物の表面に被覆層を備えることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の光ファイバを組み込んだ変形感受性生地と、
   前記入射端から前記光ファイバに入射する光を出力する光源と、
   前記光ファイバの前記出射端から出射される光を受光する光検出器とを備えることを特徴とする検出装置。