JP2023529500A - ２次元光導波路圧力センサアレイ - Google Patents

Abstract

本発明は、２次元光導波路圧力センサアレイであって、２つ以上の行光導波路と、２つ以上の列光導波路とを備え、行光導波路および列光導波路は、変形可能であって、平面アレイに配設されてクロスポイント内にセンサを画定しており、ここで、各クロスポイントは、その交叉点において、列導波路の１つと接触する行導波路の１つを含み；各クロスポイントは、クロスポイントに圧力が付加されたときに導波路曲げを増強するように構成された、光結合構造をさらに含み；光結合構造は、行または列の光導波路の少なくとも１つに接触して配置された、機械的光散乱材料の層を含み；光導波路圧力センサアレイは、行光導波路に光を供給し、各クロスポイントにおいて、それの列光導波路に結合された光を測定することによって、またはその逆を行うことによって、圧力を感知するように構成され、ここで、列光導波路に結合された光は、センサとして作用するクロスポイントに付加される圧力に依存する、２次元光導波路圧力センサアレイを開示する。

Description

本発明は、一般に、光導波路圧力センサアレイに関し、より詳細には、光導波路圧力センサアレイ構成においてポリマー光ファイバを使用する、２次元圧力検知システムに関する。

２次元位置情報を提供する圧力検知システムは、例えば米国特許第４７３３０６８号明細書および米国特許出願公開第２０１９／０３０２８７９号明細書から知られている。これらの出版物から、光ファイバセンサアレイを使用して、２次元構造に加えられる圧力の空間分布を測定することが知られている。このような２次元圧力センサシステムは、物体および／または人の特定の位置および動きを測定およびモニタリングするのに特に適している。

センサアレイを光ファイバで構成し、それらの光ファイバがポリマー光ファイバ（ＰＯＦ）である圧力検知システムは、安価で堅牢、可撓性があり、電磁干渉（ＥＭＩ）の影響を受けないという利点がある。このような圧力検知システムでは、一方向に設けられたファイバが光源（特に発光ダイオード（ＬＥＤ））に接続され、横断方向に設けられたファイバが高感度光受信器に接続される、ファイバのグリッドが提供される。交差部では、１本のファイバからの光が、交差するファイバ中に結合することができる。この光パワー結合は交差部にかかる圧力に依存するため、グリッドのこれらの交差ポイントのそれぞれは局所的な圧力センサとして機能することができる。このような圧力検知システムは、十分に敏感な圧力依存性光結合を提供するためにアレイ内のセンサを修正する必要がある。このような十分な圧力依存性光結合を達成し、それによってセンサシステムの変換特性を改善するために、センサは、導波路曲げを増強し、それによって変換特性を改善するように構成された、追加の機械的構造を有することができる。このような機械的構造はリング形であるが、これらはファイバの交点との正確な位置合わせを必要とし、このことは、システムの複雑さを増大させる。

したがって、複雑度がより低い光導波路としてＰＯＦを使用する、圧力検知システムを、高レベルの正確さで実現することが有利である。

本開示の第１の態様では、２次元光導波路圧力センサアレイであって、
２つ以上の行光導波路と、
２つ以上の列光導波路とを備え、行光導波路および列光導波路は、変形可能であって、平面アレイに配設されてクロスポイント内にセンサを画定しており、ここで、各クロスポイントは、その交叉点において、列導波路の１つと接触する行導波路の１つを含み、
各クロスポイントは、クロスポイントに圧力が付加されたときに導波路曲げを増強するように構成された、光結合構造をさらに含み、
光結合構造は、行または列の光導波路の少なくとも１つに接触して配置された、機械的光散乱材料の層を含み、
光導波路圧力センサアレイは、行光導波路に光を供給し、各クロスポイントにおいて、それの列光導波路に結合された光を測定することによって、またはその逆を行うことによって、圧力を感知するように構成され、ここで、列光導波路に結合された光は、センサとして作用するクロスポイントに付加される圧力に依存する、２次元光導波路圧力センサアレイが提供される。

提供されるのは、２次元光導波路圧力センサアレイである。このような圧力センサアレイを使用すると、特定の構造上の物体および／または人の圧力の２次元空間分布を測定することができる。この目的のために、このシステムは、光導波路、好ましくはポリマーまたはプラスチックの光ファイバ（ＰＯＦ）、を提供する。

以降ではＰＯＦと呼ばれる、光導波路は、Ｎ×Ｍ個のセンサを画定するＮ×Ｍ本のファイバの２次元グリッドとして設けられ、この２次元グリッドは、少なくとも２つの行および少なくとも２つの列を含む。当業者であれば、好ましい実施形態では、行および列の数は２×２グリッドよりもはるかに大きく、例えば、８×８グリッド、１６×１６グリッド、３２×３２グリッド、６４×６４グリッドであるか、または８×１６グリッドまたは１６×３２グリッドのような、異なる数の行および列を有することを認識するであろう。

ＰＯＦは、低速、短距離の光データ通信に一般的に使用され、堅牢で可撓性があり、電磁干渉（ＥＭＩ）の影響を受けない。ＰＯＦは安価で、コアおよびクラッディングの直径が比較的大きいため、取り扱いが簡単で、中で光を結合させやすい。延性ポリマー（例えば、ＰＭＭＡ）製であるため、シリカファイバほど脆くなく、引き伸ばされても、壊れず、伸びるだけである。２つのＰＯＦを相互接続するために、低精度のコネクタを使用することができ、また省略される、すなわち、単にＰＯＦを切断して突合せ接合することによって相互接続されることさえある。コア径が大きいため、ファイバの端面上の小さな傷またはほこりの粒子の影響も軽減される。その延性によって増強された、曲げに敏感な特性のために、ＰＯＦは、センシングにも使用できる。

ＰＯＦ内の減衰のみを検出することに基づく２次元（２Ｄ）ＰＯＦベースの圧力センサアレイは、複雑なファイバグリッドだけでは、原理的に不可能である。Ｎ個のＰＯＦがｘ方向に、Ｍ個のＰＯＦがｙ方向に並ぶ、交差ＰＯＦの２Ｄグリッドにおいて、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれのＰＯＦの減衰変動のみを測定するだけでは個別に検出できない、Ｍ×Ｎ個の交差部、したがってＮ＋Ｍ個の欠損測定値、が得られる。また、ファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg gratings）を使用するＰＯＦ圧力センシングは、基本的に複雑で高価な技術である。

提案のシステムは、一方向のファイバが光源に接続され、垂直方向のファイバが高感度光受信器に接続される、ＰＯＦのグリッドを有する。ファイバが修正されていないことが好ましい、交差部では、１本のファイバからの非常に少量の光が、交差するファイバ中に結合する可能性がある。この非常に小さな光パワー結合が、交差部にかかる圧力に依存するため、グリッドの各ファイバ交差部は、クロスポイントまたは交差部で結合される光が、対応する交差部に付加される圧力に依存する、圧力センサとして機能することができる。より好ましくは、結合される光と、交差部に付加される圧力との間に比例関係があり、さらに好ましくは線形関係がある。

提案されている低コストで堅牢な２Ｄ光学式圧力センサの原理は、次のような多くの用途に対して使用できる：
非臨床（家庭）状況における長期非侵襲的な精密睡眠運動モニタリングに対して、
人またはゲーマーが正しい領域に留まるように、これらの人々の正確な位置を検出するための、仮想現実（ＶＲ）フロアマットにおいて、
（高齢の）人のプライバシフレンドリ転倒検出のために、カーペットの下（またはそれに編み込まれて）、もしくは、例えば、ＰＶＣフロアの下に、
または、ＭＲＩ走査中に人の動きを検出するために適用することができる、なお、この光検出方法は、非常に強力な磁気およびＲＦ場に対して不感受性である、
圧力傷害（例えば、床擦れ（decubitus））を防止するために、動きが制限されてベッドの中にいる人の精密な圧力プロフィールをモニタリングするため、
睡眠快適性を改善するために局所圧力が自動的に制御される、適応性マットレスにおいて。

ＰＯＦに基づく既知の２次元光導波路圧力センサアレイは、ＰＯＦの導波路曲げを強化するために、小さなリング形要素の形態の光結合構造を必要とする。リング形要素を追加すると、導波路の曲げが強化され、それによって変換特性が向上する可能性があるが、各リングのファイバの交点との正確な位置合わせが必要なため、複雑さが増すという欠点もある。

検出可能な十分な圧力依存性光結合を実現するために、構成ファイバを修正する必要はなく、変更無しのままにするとともに、光結合構造をリング形にする必要がない一方で、光結合構造を、各ファイバクロスポイントに有利に適用される、様々な形状およびサイズの光散乱材料の小さなパッチの形態で使用することができることに気付いたのは、発明者らの洞察であった。クロスポイントに対するパッチの位置決めは、高い精度を必要としないが、リングの位置は正確である必要がある。

光結合構造は、さらに好ましくは可撓性であり、例えば白色シリコーンゴムを含む。可撓性光散乱材料の層を有する光結合構造を用いると、改善された方法で光結合を検出することができる。より具体的には、提案の光結合構造は、センサをより正確にするだけでなく、読み出しを簡素化する、より直線的な変換特性を可能にする。

１層または複数層の光散乱材料を有する光結合構造を備えるＰＯＦに基づく提案のシステムを用いると、（好ましくは可撓性の）光散乱材料を有する光結合構造が、（光がクラッディングを通ってコアから出る、ファイバの特定の最小曲げ半径を有する）マクロベンディングだけでなく、ファイバが接触したときに発生するマイクロベンディングも発生し、その結果、ファイバに歪みが生じ、そこにおいて少量の光がクラッディングを通ってコアから出ることから、複雑さを加えることなく、センサの変換特性が改善されることが認識された。少量の光だけがクラッディングを通ってコアから出るという事実は、光の大部分がコアに残り、こうして次の交差ポイントまたはセンサに進み、そこでは強度が低下しにくいため、有利である。したがって、さらなる交差ポイントの感度は、特定の交差ポイントに付加される圧力の影響をほとんど受けない。これにより、システムはより大きな２Ｄマトリックスに十分に拡張可能になる。

剛性のあるリング形の機械要素として構成される既知の光結合構造ではない、可撓性がある光結合構造によれば、ファイバは、より多くのマイクロベンディング、およびより少ないマクロベンディングを示す傾向がある。光散乱材料層を使用すると、クラッディングを介してコアから出る光の量が少ないため、散乱材料を介して交差ファイバのコア中に結合する可能性が高くなるので、変換特性が向上する。

ＰＯＦを用いるため、提案の光２Ｄセンシング手法は、堅牢、高速、可撓性、防水性があり、外部電場の影響を受けず、それ自体、いかなる電場も発生しない。この方法は、限られた数のＬＥＤおよび光受信器で多くのセンサポイントを検出できるため、拡張可能である。ＰＯＦ自体、ならびに光散乱パッチが安価であり、構成および組み立てが容易で、すぐに入手可能な光学部品および電気部品を使用できるため、低コストである。

本開示の実施例では、感圧性光結合機構は、ファイバが修正されず、手つかずのままであり、非常に位置合わせ許容性の高い、交差部の構築を可能にし、このことは、ＰＯＦグリッドを低コストで製造することを容易にする。パッチのサイズに応じて、広い検出範囲を実現するために、局所圧力に対する、指数依存性から、より線形の依存性、さらには対数依存性まで、さまざまな変換特性を実現することができる。剛性リング構造では、指数特性しか得られず、これは特定の閾値レベルを超える圧力の有無を検出したい場合にのみ有利である。また、可撓性（ゴム）材料は、大きな力を吸収することによりファイバを永久的な損傷から保護するため、堅牢性が向上する。

一例において、光結合構造は、行および列の光導波路に接触し、かつその両側に配置された２層の光散乱材料を含み、ここで、行および列の光導波路は、２層の光散乱材料の間に垂直に配置されているか、またはそれによって挟まれている。

本開示のいくつかの実施形態による光結合構造は、行および列の光導波路の両側に適用されてもよく、片側、両側のいずれかに光散乱材料の層を有してもよく、どちらの側にも可撓性材料を有さないか、片側または両側に可撓性材料を有してもよい。最良の変換特性を提供する、最も好ましい実施形態では、光結合構造は、両側に適用されて、両側に可撓性の光散乱材料を有する。

一例において、２層の光散乱材料は、実質的に同じサイズおよび形状のものであり、実質的に横方向に位置合わせされている。

光散乱材料の上端層および下端層はサイズや形状が異なっていてもよいが、変換特性が改善された好ましい実施形態では、これらは少なくとも実質的に同じサイズおよび形状であり、横方向に位置合わせされている。

一例において、各行光導波路は、導波路クラッディングによって包囲された導波路コアを含み、各列光導波路は、導波路クラッディングによって包囲された導波路コアを含み、列光導波路と列光導波路の両方の導波路クラッディングは、１つまたは複数の交差センサにおける光透過接触のために配設されている。

一例において、各行光導波路は、導波路クラッディングによって包囲された導波路コアを含み、各列光導波路は、導波路クラッディングによって包囲された導波路コアを含み、導波路クラッディングに対する導波路コアの断面直径の比は、少なくとも５０：１、好ましくは少なくとも７５：１、より好ましくは少なくとも９０：１、最も好ましくは約１００：１である。

クラッディングは、無視できない量の光が、１つのファイバのコアから別の交差ファイバに結合され得る程度に、少なくとも十分に薄い。コアの断面直径とクラッディングとの比が増大すると、光は交差ファイバ中に結合する傾向が高くなる。そのように、比は少なくとも５０：１であってもよいが、より好ましくはより高い。

一例において、光結合構造は、変形可能な材料の層を含み、ここで、変形可能な、または可撓性の層は、光散乱効果を提供する材料と同じ材料によって提供されてもよい。しかしながら、一例によれば、光結合構造のスタックに、変形特性のみを提供する別個の層を追加することができる。一例において、変形可能な材料の層は、シリコーンゴムを含む。さらなる例では、変形可能な材料は、変換特性に合わせて選択または調整される。つまり、センサ、すなわちファイバ交差ポイントに圧力を付加すると、ファイバが滑らかに曲がり、ほとんどがマイクロベンディングを引き起こし、マクロベンディングはほとんど引き起こさず、その結果、指数的、少なくともほとんど線形の変換特性、または対数変換特性に従って、パッチのサイズおよび形状に応じて光が結合される程度に、変換特性を最適化するように、材料が選択または調整されることを意味する。

一例において、光結合構造は、ポリ塩化ビニルなどの剛性材料の層をさらに含む。

一例において、光結合構造は、行および列の光導波路と接触して、その両側に配置された２層の光散乱材料と、２層の光散乱材料と接触して、その両側に配置された２層の剛性材料とを含み、行および列の光導波路と２層の剛性材料を備える２層の光散乱材料との間に垂直に配置されるか、又はこれらによって挟みこまれる。

一例において、光結合構造は、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形、十字形、ダイアモンド形、および多角形の群の内の１つに従って成形され、ここで、特に、光結合構造は、様々なサイズを有し、特に、光結合構造は、近似的に、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍの断面直径を有し、特に、光結合構造は閉鎖構造を有し、閉鎖構造の中心に変形可能な材料が配置されている。

光結合構造は、様々な形状および様々なサイズを有してもよい。さらに、光結合構造は、０．５ｍｍから３．０ｍｍの範囲の断面直径を有してもよい。本開示の光結合構造は、ファイバがクロスポイント領域において構造と接触しないように、クロスポイント領域で開口している既知のリング形の機械的パッチと比較して、閉鎖構造であることが好ましい。その結果、可撓性シリコンなどの変形可能な材料が設けられた本開示による光結合構造は、マクロベンディングに加えて、クロスポイント領域への散乱を提供することになる。

光結合および付加圧力の依存性は、例えば特定の形状、層の厚さ、サイズおよび材料を選択することによる、光結合構造の成形によってさらに最適化することができる。

一例において、行および列の光導波路は、ステップインデックスプラスチックファイバ（step-index plastic fibers）およびグレーデッドインデックスプラスチックファイバ（graded-index plastic fibers）からなる群から選択される。

一例において、２次元光導波路圧力センサアレイは、マトラス（matrass）上の個人の睡眠関連運動の非侵襲測定のために、マトラスの下に適用される睡眠モニタリングセンサとして構成される。

本開示の第１の態様による、２次元光導波路圧力センサアレイの概略図である。 本開示の態様による、両側に可撓性材料のあるＰＯＦ交差部の上面図および２つの側面図である。 本開示の態様による、片側に可撓性材料のあるＰＯＦ交差部の上面図および２つの側面図である。 図４は、本開示の態様による、ＰＯＦ交差部の感度特性を測定する配置を示す図である。 交差部に可撓性材料が無い本開示の態様における、付加重量の関数としての受信器出力電圧のグラフである。 交差部の両側および片側に可撓性材料がある本開示の態様における、付加重量の関数としての受信器出力電圧のグラフである。 両側に光散乱材料が使用される本開示の態様における、散乱材料のサイズの影響を示すグラフである。 片側に光散乱材料が使用される本開示の態様における、散乱材料のサイズの影響を示すグラフである。

図１は、２次元（２Ｄ）表面に埋め込まれた２Ｄ構造上のクロスポイント当たりに加えられる局所的な圧力をモニタリングすることに基づく、リアルタイム２次元（２Ｄ）圧力検知システムの概略図を示す。このシステムは、２Ｄ ＰＯＦグリッド、オプトエレクトロニクスモジュール、およびデータ収集・制御モジュールを有する。２Ｄ ＰＯＦグリッドは、クロスポイントのマトリックスを形成するＳＩ－ＰＯＦ（ステップインデックスＰＯＦ）のグリッドで構成されている。ＰＯＦグリッドのいわゆる送信ファイバはＬＥＤに接続され、受信ファイバはオプトエレクトロニクスモジュールのフォトダイオードに接続されている。ＬＥＤはオプトエレクトロニクスモジュールの送信部分の一部であり、フォトダイオードはオプトエレクトロニクスモジュールの受信部分の一部である。データ収集・制御モジュールは、ＬＥＤトランスミッタを制御し、オプトエレクトロニクスモジュールにおけるフォトダイオード受信器から取得した測定データを処理する。クロスポイントでのＰＯＦ間の光結合は局所的な圧力の関数であるため、フォトダイオードが受け取る光パワーを検出することで、クロスポイント上の圧力を測定することができる。送受信ＳＩ－ＰＯＦファイバ間の光結合効果は非常に小さいため、高い利得および高い入力インピーダンスを有する、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）を使用する、高感度光受信器が必要である。さらに、それぞれのクロスポイントに圧力がかかると、送信ファイバから少量の光パワーだけが結合されるので、送信ファイバ内にとどまり、次のクロスポイントに進む光はほとんど減少しない。したがって、クロスポイントの感度は、他のクロスポイントへの圧力の影響をほとんど受けず、すなわち、クロスポイントの性能の位置依存性は無視可能である。これによって、システムはより大きな２次元行列へと、十分に拡張可能になる。簡潔で拡張可能なシステムを達成するために、クロスポイントスキャン方式が実装されている。図１のデータ収集・制御モジュールは、一度に１つのＬＥＤのみを選択する、セレクタを制御し、交差部は列ごとにスキャンされる。光検出器の出力をラインごとに同時に読み取ることで、データ収集・制御モジュールが、２Ｄ圧力検出を行うことが可能となる。このソリューションは、Ｎ個の光検出器およびＭ個のＬＥＤ光源がＮ×Ｍのセンサポイントを検出でき、垂直カラムが１つずつスキャンされるため、容易に拡張できる。

本開示の革新的な特徴は、感圧性光結合機構の設計、およびファイバが修正されずにそのまま残される交差部の構築である。さらに、クロスポイント設計は、感度を高める散乱材料を、交差部で正確に位置合わせする必要がないため、非常に位置合わせ許容性が高い。この革新的なクロスポイント設計により、ＰＯＦグリッドを低コストで簡単に製造することが可能になる。次に、本発明の２つの実施形態について説明する：すなわち、交差部の両側（上および下）の可撓性散乱材料、および、構造をより薄くする、片側（上または下）のみの可撓性散乱材料である。以下では、これらのオプションについて、測定結果を含めて考察する。

オプション１：両側での可撓性散乱材料
ポリマー光ファイバ（ＰＯＦ）交差部には、図２に示すように、可撓性の光散乱材料、例えば１０×１０×１．５ｍｍ^３の白色シリコーンゴムと、薄い剛性材料、例えば厚さ０．３ｍｍの硬質ＰＶＣとが、両側に設けられている。ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）ＰＯＦは、４００から７００ｎｍの間の波長範囲で、損失が＜０．５ｄＢ／ｍの可視光に適している。光結合を改善するために、可撓性材料は、使用される光の波長を可能な限り散乱させる必要があり、明らかにこれらの波長において低い吸収係数を有する必要がある。したがって、赤色光を使用する場合は、可撓性材料赤色光を使用する必要があり、白色光を使用する場合は、広い白色光スペクトルを散乱する（したがって、外部から白い材料として見える）可撓性材料を使用する必要がある。実験では、白色ＬＥＤおよび、したがって白色の可撓性材料が使用されるが、それはその他の色が、紫外光でさえ、有意な改善をもたらさなかったからである。材料の延性は可逆的でなければならない：可撓性材料は、圧力が消えたときに元の形状をとる必要があるため、大きな圧力が付加された後に変形が残らず、堅牢でなければならない。材料の可撓性および厚さも検出特性に影響を与える。材料が厚いと感度が低下する。散乱材料およびＰＯＦの可撓性は、ノードに垂直に圧力が付加されたときに、可撓性散乱材料が両方のファイバの両側を押し、そのため、ファイバを少し、滑らかに曲げるようなものでなければならない。また、両方のファイバの可撓性散乱材料との物理的接触面積も増加することになる。（ファイバ同士が接触することによる）マイクロベンディングおよび（ファイバが滑らかに曲げられることによる）マクロベンディングにより、少量の光が送信ファイバから漏れ、受信ファイバに結合する。光結合の量は、付加圧力に比例する。漏れた光は、（白い）可撓性散乱材料内ですべての方向に散乱され、ファイバのマイクロベンディングおよびマクロベンディングにより、再び受信ファイバに部分的に結合する。可撓性材料により、センサグリッドも非常に堅牢になる。可撓性材料は、圧力が付加されたときに、交差部においてファイバにより滑らかな曲げ半径を与えて、力がファイバ交差部の外側の可撓性材料によって部分的に吸収される。可撓性材料無しで、剛性のある材料のみでは、力がファイバのクロスポイントに集中し、これは、永久変形を引き起こす可能性がある。剛性材料は、交差部に垂直方向の圧力を集中させる。

オプション２：片側に可撓性散乱材料
ポリマー光ファイバ交差部には、図３に示すように、白色シリコーンゴムなどの可撓性の光散乱材料、および硬質ＰＶＣなどの薄い剛性材料が片側（上端など）に設けられる。反対側（例えば、下端）では、交差部に、垂直圧力を集中させるために、薄い光散乱剛性材料、例えば白色硬質ＰＶＣ、が設けられている。センサが固体表面に置かれている場合、この剛性材料は必要ではない。散乱材料およびＰＯＦの可撓性は、垂直方向の圧力が加えられたときに、受信ファイバが送信ファイバを可撓性の散乱材料中に押し込んで曲げるようなものである必要がある。また、両方のファイバの可撓性の散乱材料との物理的接触も増加する。ファイバ同士が接触することによるマイクロベンディングと、送信ファイバが滑らかに曲がることによるマクロベンディングとにより、少量の光が送信ファイバから漏れて、受信ファイバに結合する。光結合の量は、加えられた圧力に比例する。漏れた光は、（白色の）可撓性散乱材料、および剛性の（白色の）散乱材料におけるすべての方向に散乱され、部分的に受信ファイバ中に結合される。ここでも、可撓性材料は、センサグリッドを非常に堅牢にする。可撓性の材料は、圧力が加えられるとき、交差部においてファイバにより滑らかな曲げ半径を与え、ファイバ交差部の外側の可撓性材料によって力が部分的に吸収される。可撓性材料無しで、剛性材料のみを用いると、力がファイバのクロスポイントに集中し、これが、永久変形を引き起こす可能性がある。剛性材料は、交差部に圧力を集中させる。

提案のシステムは、すべての、または一部の態様において、以下の利点を有する：
ＰＯＦファイバは、その元の状態に残される、すなわち修正を必要としない、
ＰＯＦは無修正のままであるが、ファイバに接触する交差部における、マイクロベンディング（ＰＯＦが互いに接触）、マクロベンディング（交差部においてファイバが曲げられる）、および散乱可撓性材料のために、高い感度がもたらされる、
交差部に対する可撓性パッチの位置決めに関して非常に許容性がある、
可撓性材料がファイバ交差部を保護するために非常に堅牢である、
パッチの寸法に応じて、異なる感度特性を実現することが可能である、以下の測定結果を参照のこと。

ＰＯＦファイバタイプとしては、ＣＫ２０、三菱レイヨン製、０．５ｍｍ直径ステップインデックスＰＭＭＡ ＰＯＦとすることができる。ファイバの可撓性は、光結合の圧力感度にも影響を及ぼす。力学から、ロッドを曲げるのに必要な力はロッドの直径とともに増加することが知られている。したがって、ファイバの直径が小さいほど、ファイバの可撓性が高くなる。したがって、０．５ｍｍ直径のＰＯＦは、標準の１ｍｍ直径のＰＯＦよりも可撓性があり、かつ感度が高い。また、ファイバの散乱損失も重要である。ファイバは、受信器の入力において検出可能な光信号パワーを可能にするために、比較的高い散乱および低い吸収損失を有する必要がある。したがって、石英ガラス光ファイバは、ＰＯＦと比較して石英ガラスの散乱損失が非常に低いため、適していない。ファイバはまた、隣接する交差部の影響を防ぐために薄いクラッディングを有する必要があるため、グレーデッドインデックスＰＯＦも適していない。クラッディング直径は５００ｐｍ、コア直径は４８６ｐｍであることが好ましい。白色シリコーンゴム材料の寸法は、１０×１０×１．５ｍｍ^３であることが好ましい。白色ＬＥＤによって送信ＰＯＦ中に結合された光パワーは、＞１ｍＷである。この電力はファイバコアの直径に依存し、一般に、ファイバに結合されたＬＥＤからの電力は、ファイバコアの直径が大きいほど高くなる。フォトダイオード受信器の感度は、好ましくは０．４Ｖ／ｎＷである。

測定結果
Ａ．交差部に可撓性材料無し
可撓性散乱材料の影響を示すために、まず付加重量の関数としての受信器出力電圧が、図２の交差部のまわりの可撓性材料無しで示されている。図５に示す測定結果は、交差部を囲む剛性硬質ＰＶＣ材料の両表面が、ａ）黒色光吸収、ｂ）白色光散乱、またはｃ）白色粘着テープで互いに貼り合わされている場合である。交差部のまわりに白色の散乱材料または白色のテープを使用することで、より大きな重量に対して感度が非常に大きくなる。ただし、光受信器の出力電圧は常に制限されている（この場合は約３ボルト）。これにより、白色テープを使用した場合、センサを使用できる圧力範囲は約６００ｇに制限される。出力電圧対重量曲線は指数関数的な動作を示す（図５を参照）。２００ｇ未満の重量はすでに検出が困難である。例えば、ＬＥＤの出力電力を下げるなどしてセンサの感度を下げると、最大重量は増加するが、小さな重量を検出することはさらに困難になる。したがって、これらの指数特性はあまり実用的ではない。より広い範囲を検出するには、線形特性またはさらには対数特性が好ましい。

特定の圧力があるか否かについての感度のよい検出に対して、指数特性は問題がない。

交差部においてファイバを白色シリコーンシーラントで互いに貼り合わせる実験では、再現性があまり良くない、感度特性が結果として得られた。

図５は、交差部に可撓性材料が無い状態で、付加重量の関数としての受信器出力電圧のグラフである：
ａ）交差部の両側に黒色吸収剛性材料あり、
ｂ）交差部の両側に白色散乱剛性材料あり、
ｃ）ファイバが、白色粘着テープで貼り合わされている。

Ｂ．交差部に可撓性材料あり
図６は、ａ）図２に示されるように交差部のまわりの両側に可撓性散乱材が使用される、およびｂ）図３に示されるように、片側だけに可撓性散乱材料が使用される場合の、付加重量の関数としての受信出力電圧を示す。図５の結果と比較して、小さな重量に対する感度が向上し、特性がより直線的であるため、より大きな圧力範囲の測定に適している。図３の構成では、片側が可撓性で、もう片側が剛性であるため、両側に可撓性の材料を使用した交差部と比較して、より多くのマクロベンディングが導入される。これは、第２のオプションの感度が高いことを説明している。

図６は、付加重量の関数としての受信器出力電圧のグラフである：
ａ）（図２の交差部による）交差部の両側に可撓性散乱材料、
ｂ）（図３の交差部による）交差部の片側に可撓性散乱材料。

図７および図８は、散乱材料のサイズの影響を示している：図７は両面に散乱材を使用した場合、図８は片側のみに使用した場合である。図からわかるように、散乱材料のサイズは、感度特性の形状に影響を与える。特定の圧力があるか否かを高感度に検出するには、５×５ｍｍ^２のパッチ可撓性材料を使用して得られた図７（ａ）および図８（ａ）の指数関数特性が有利である。より直線的な特性が要求される場合には、１０×１０ｍｍ^２のパッチを適用することができる、図７（ｂ）および図８（ｂ）を参照されたい。より大きなパッチを使用すると、対数特性が得られ、検出範囲が広くなる（例えば、図７（ｃ）および７（ｄ）、ならびに図８（ｃ）および７（ｄ）を参照）。

図７は、両側に可撓性材料がある状態（図２による）で、付加重量、および可撓性材料のサイズの関数としての受信器出力電圧のグラフである：
ａ）５×５ｍｍ^２
ｂ）１０×１０ｍｍ^２
ｃ）１５×１５ｍｍ^２
ｄ）２０×２０ｍｍ^２

図８は、片側に可撓性材料がある状態（図３による）で、付加重量、および可撓性材料のサイズの関数としての受信器出力電圧のグラフである：
ａ）５×５ｍｍ^２
ｂ）１０×１０ｍｍ^２
ｃ）１５×１５ｍｍ^２
ｄ）２０×２０ｍｍ^２

本明細書に記載された実施形態は、マットレスの下で１６×８ＰＯＦグリッド、したがって１２８の交差部を有するマットレス上での人の１秒間に５０の圧力プロフィールを検出することができる。

この低コストで堅牢な２次元（２Ｄ）光学式圧力センサ原理は、多くの応用に対して使用することができる。

非臨床（家庭）状況における、長期非侵襲的な精密睡眠運動モニタリング用として。

圧力傷害（例えば、床擦れ）を防止するために、動きが制限されてベッドの中にいる人の精密な圧力プロフィールのモニタリング用として。

睡眠快適性を改善するために局所圧力が自動的に制御される、適応性マットレスにおいて。

（高齢の）人の転倒検出のために、カーペットの下に（またはそれに編み込まれて）、または、例えば、ＰＶＣフロアの下に、適用することができる。

人／ゲーマーが正しい領域に留まるように、これらの人／ゲーマーの正確な位置を検出する、仮想現実（ＶＲ）フロアマットにおいて。

本発明は、ここでは、いくつかの例示的な実施形態に従って説明されており、これらは、限定的ではなく、すべての態様において例示であることが意図されている。したがって、本発明は、詳細な実施において多くの変形が可能であり、これらの変形は、当業者によって本明細書に含まれる説明から導き出すことができる。このような変形はすべて、以下の特許請求の範囲、およびそれらの法的均等物によって定義される本発明の範囲および趣旨、に含まれると見なされる。

Claims (15)

1. ２次元光導波路圧力センサアレイであって、
   ２つ以上の行光導波路と、
   ２つ以上の列光導波路とを備え、前記行光導波路および前記列光導波路は、変形可能であって、平面アレイに配設されてクロスポイント内にセンサを画定しており、各クロスポイントは、その交叉点において、前記列導波路の１つと接触する前記行導波路の１つを含み、
   各クロスポイントは、前記クロスポイントに圧力が付加されたときに導波路曲げを増強するように構成された、光結合構造をさらに含み、
   前記光結合構造は、前記行または列の光導波路の少なくとも１つに接触して配置された、機械的光散乱材料の層を含み、
   前記光導波路圧力センサアレイは、前記行光導波路に光を供給し、各クロスポイントにおいて、それの列光導波路に結合された光を測定することによって、またはその逆を行うことによって、圧力を感知するように構成され、ここで、前記列光導波路に結合された光は、センサとして作用する前記クロスポイントに付加される圧力に依存する、２次元光導波路圧力センサアレイ。
2. 前記光結合構造は、前記行および列の光導波路と接触し、かつその両側に配置された２層の光散乱材料を含み、前記行および列の光導波路は、前記２層の光散乱材料の間に垂直に配置されている、請求項１に記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
3. 前記２層の光散乱材料は、実質的に同じサイズおよび形状であって、実質的に横方向に整列されている、請求項１および２のいずれかに記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
4. 各行光導波路が、導波路クラッディングによって包囲された導波路コアを含み、
   各列光導波路が、導波路クラッディングによって包囲された導波路コアを含み、
   前記行光導波路と前記列光導波路の両方の導波路クラッディングが、１つまたは複数の交差センサにおける光透過接触のために配設されている、請求項１から３のいずれかに記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
5. 各行光導波路が、導波路クラッディングによって包囲された導波路コアを含み、
   各列光導波路が、導波路クラッディングによって包囲された導波路コアを含み、
   導波路クラッディングに対する導波路コアの断面直径の比は、少なくとも５０：１、好ましくは少なくとも７５：１、より好ましくは少なくとも９０：１、最も好ましくは約１００：１である、請求項１から４のいずれかに記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
6. 前記光結合構造が、変形可能な材料の層を含む、請求項１から５のいずれかに記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
7. 前記変形可能な材料の層が、光散乱材料の層である、請求項６に記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
8. 前記変形可能な材料の層が、シリコーンゴムを含む、請求項６または７に記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
9. 前記光結合構造が、剛性材料の層をさらに含む、請求項１から８のいずれかに記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
10. 前記剛性材料の層がポリ塩化ビニルを含む、請求項９に記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
11. 前記光結合構造は、前記行および列の光導波路と接触して、その両側に配置された２層の光散乱材料と、前記２層の光散乱材料と接触して、その両側に配置された、２層の剛性材料とを含み、前記行および列の光導波路と、前記２層の剛性材料を備えた前記２層の光散乱材料との間に垂直に配置されている、請求項９または１０に記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
12. 前記光結合構造が、円形、楕円形、長方形、正方形、および多角形の群の内の１つにより成形されており、前記光結合構造が様々なサイズ、または対応するサイズを有する、請求項１から１１のいずれかに記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
13. 前記光結合構造が、近似的に、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍの断面直径を有し、特には、前記光結合構造は閉鎖構造を有し、前記閉鎖構造の中心に変形可能な材料が配設されている、請求項１から１２のいずれかに記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
14. 前記行および列の光導波路が、ステップインデックスプラスチックファイバおよびグレーデッドインデックスプラスチックファイバからなる群から選択される、請求項１から１３のいずれかに記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
15. ２次元光導波路圧力センサアレイが、マトラス上の個人の睡眠関連運動の非侵襲測定のために、前記マトラスの下に配設された睡眠モニタリングセンサとして構成されている、請求項１から１４のいずれかに記載の２次元光導波路圧力センサアレイ。
    

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