JP3653284B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は圧力センサに関する。この発明は特に、散乱光線、またはその他の波動伝搬現象の輝度が空洞の容積、または散乱波を含む容積に応じて変化することで、これを印加された圧力の尺度として利用できる散乱装置に関する。
用途は、圧力状態の存在を、または圧力の変化を検出したいあらゆる分野に拡がっている。これには特に、センサ・マットおよびロボットのグリッパ用の接触検出アレイが含まれる。
発明の背景
圧力の状態を検出するために光線を利用することは公知である。圧力の状態を検出するために、特に光ファイバ・ケーブルおよび光ファイバが利用されてきた。
米国特許明細書第４、845、357号（ブレナン）では、ファイバの撓みによって光ファイバ内に生ずる後方散乱光線が検出される。反射モードで動作するファイバが構造内に埋設される。検出された信号は構造体のどこかに実装された圧電素子を起動させるために利用される。同様の脈絡で米国特許明細書第4,714,829号（ハートッグ他）も参照されたい。
米国特許明細書第4,701,614号（レーガー）では、光ファイバは、ファイバ壁の変形がファイバ内の光線の透過に及ぼす変調作用によって、光ファイバの側面に横から加えられた圧力を検出する役割を果たす。更に米国特許明細書第4,915,473号（ヘーゼ）をも参照されたい。
米国特許明細書第4,634,858号（ゲルト）では、光線が透過する媒体の屈折率の変化によって光ファイバ・カップリングが応力を検出する。
米国特許明細書第5,425,273号（シェベリエ）は、圧力が加わると離隔距離が変化して光ファイバ内に再反射する光学系の焦点距離が修正される、光ファイバのセグメントの形式の介在物を含む、変形可能で、弾力的な光透過性の材料で光ファイバが成端している圧力センサを開示している。
中空のガラス球の変形を光学的に検出することに基づく高圧センサはM.G.Xu、J.P,ダーキン共著の論文「高い静水圧を監視するための新規の中空の微小ガラス球センサ」（2/SPIE、1795巻、光ファイバおよびレーザー・センサＸ、1992年刊）に記載されている。光ファイバから供給されたレーザー光線をガラス球の内表面に反射することによって、圧力が加わった球の変形が検出された。撓みを検出するため、干渉作用のファブレー−ペロット干渉計の態様で反射信号が分析された。この文献では散乱光線を利用することは記載されていない。
反射光線、または後方散乱光線に作用を及ぼす外的現象または影響を測定するために反射光線を利用したセンサには下記が含まれる。
（１）米国特許明細書第4,599,908号（シェリダン）−反射光ビームの進路内に位置する圧縮−遮断穴の狭窄によって圧力が検出される。
（２）米国特許明細書第4,155,065号（スティムラー）−液体内の光散乱粒子の懸濁液を透過する音波を検出するためにドップラーレーザー粒子運動検出器が使用される。
（３）米国特許明細書第4,691,709号（コリーン）−カテーテルの末端の血圧が、反射モードで動作する光ファイバの光導体の端部の前に配置した可撓ミラーに加わる作用を変調することによって検出される。
（４）米国特許明細書第3,580,082号（ストラック）−光線を１つ置きの光検出ファイバに向ける偏向薄膜から反射した光線の強さの変化を検出することによって圧力を検出する。
（５）米国特許明細書第4,986,671号（サン）−光ファイバの能動端部に取付けられた変形可能な弾性材料に加わる圧力を測定するため、反射モードで動作する照射／受光用光ファイバを利用する。弾性材料の表面に形成された反射層が光ファイバの方に変位すると、ファイバが動作している２つのモード間の光学的結合のレベルに影響を及ぼす。この変化がファイバの端部に加えられる力または圧力の尺度になる。
（６）米国特許明細書第4,870,271号（フィリップス）−接触センサが撓む、片持ばねから再反射した光線を受けることで動作する。ばねは光ファイバからばねが撓む方向に発光された光線によって照射され、それが照射ファイバの近傍に位置する一対の光ファイバによって検出される。
フィリップス氏、サン氏およびその他の特許は、圧力に誘発される弾性部材の光センサの方向への撓みが、照射された表面の輝度の変化によって検出される圧力検出システムを記載している。これらの参考文献の照射された表面を監視するセンサは偏向面、および加えられる圧力の発生源の方向を向いている。そのために複合形の検出システムの機械的構造に限界がある。特に、フィリップス氏およびサン氏の特許は、光センサの監視方向に対して斜めに、または横向きに加えられる圧力を検出するための手段を備えてはいない。
更に、上記の参考文献のどれも、“積分空洞”または“積分光束空洞”に類する容積内にある、例えば光線のような複式散乱波エネルギの積分強度がこのような空洞の容積の変化によって変化することを利用しているものはない（“複式”はここでは副詞として用いている）。
本明細書で用いられる積分空洞、または容積はある側面では“積分球”と同類である。積分球は1997年版のフォトニックス辞典（マサチューセッツ州ピッツフィールドのローリン出版社刊、Ｄ−27ページ）に下記のように定義されている。
“白い拡散材料で内部が被覆され、入射ビーム、試料、および検出器用の開口部を有する、対象の拡散反射率、または透過率を測定するために使用される、中空の球”
このような容積内の光線は、それが局部的にほぼ等方向性の性質になる範囲まで、すなわち、光の強さが全方向で測定された時にある一点でほぼ同一になるまで繰り返し散乱される。このような球は発光源から発光された全光量を測定するために使用される。
容積を圧縮可能であり且つ散乱光線または散乱波エネルギを含んでいる、圧縮可能な光散乱媒体または容積に加わる圧力の作用は、刊行されているどの装置でも未だ利用されていない。散乱した光線または波動エネルギの検出によって、加えられる圧力を適正なコストで、局部的にも、特定の表面積全体でも測定できる圧力検出装置およびシステムを創出するチャンスがある。この発明はこのような目的を達成するものである。
従来型の設計には、センサの方向に軸方向に変位する圧力反応面を監視する必要性によって限定される傾向がある。このことによって前記構造の用途は制限されるが、これはそれらが横向きに加えられた圧力に対する感度がないか、または比較的低いためである。横向きに加えられた圧力に反応するセンサ装置を提供することによって、比較的低コストで実質面積があり、厚さが最小限の感圧性表面を備えたアレイを構成することが可能になる。従って、それがこの発明の更なる目的である。
先ずこの発明の基本的形式を説明してから、以下の図面を参照して特定の実施例を詳細に説明する。これらの実施例はこの発明の原理と実施態様を説明することを意図したものである。次にこの発明の最も広範囲の、より具体的な形式をさらに説明し、かつ本明細書を終結する個々の請求の範囲で定義する。
発明の大要
基本的にはこの発明は、
（１）外部境界を有する波動エネルギ透過性材料の圧縮可能な担持媒体と、
（２）前記担持媒体と結合された波動エネルギ源と、
（３）完全拡散された散乱波エネルギを含む発生源周囲領域に散乱したエネルギ容積を生成するための、前記担持媒体内に分散された波動エネルギ散乱中心と、
（４）散乱したエネルギ容積内の散乱波エネルギの積分強度に反応する波動エネルギ・レシーバと、
（５）波動エネルギ・レシーバに連結され、そこから圧力表示器に信号を伝送する信号結合手段と、
を備えてなり、
外部境界が変位すると、散乱エネルギ容積の寸法容積が外部からの圧力の変化に反応して、容積内部の散乱波エネルギの強さを変化させることで、圧力表示器が加えられた圧力の測定値を示すことができる、圧力センサに向けられている。好適なバリエーションでは、波動エネルギは光線であり、担持媒体は拡散透光性であり、光線を拡散的に散乱させ、波動エネルギ源は光源であり、波動エネルギ・レシーバは光センサである。好適には更に、センサは光源から直接発光される光線を遮断しない。
光線が波動と粒子の動作の双方で伝搬されることは認識されている。しかし、簡略にするため、ここでは光線の波形伝搬についてだけ説明する。粒子の放出は、認識されてはいるが、ここに述べられる物理現象の相対的にマイナーな要素を形成するものとして現れる。
更に指摘しておくと、好適な実施例は波動源として光線を利用しているが、この発明は適宜に修正すれば音を含む他の波動エネルギ源でも動作する。
更なるバリエーションとして、この発明は、
（１）照射源と、
（２）照射源からの光線がその内部で完全拡散し、複式散乱によって積分される積分空洞を形成する、圧縮可能な、または変形可能な光散乱媒体、もしくは中空の、圧縮可能な構造体と、
（３）積分空洞内の複式散乱に起因する、拡散する積分光線をサンプリングして、散乱する積分光線の強さを示す信号を送るために監視方向に向けられた光検出手段と、
（４）光検出手段に連結され、信号を圧力表示器に伝送するための信号結合手段と、
を備えてなり、
積分空洞の容積の変化は外部から加えられた圧力の変化に反応して変化して、拡散する積分光線の強さを変化させることによって、圧力表示器が加えられた圧力の測定値を示すことができる信号が生成される圧力センサを含んでいる。このような積分空洞の容積は有利に、監視方向に対して横向きに加えられる外部からの圧力に反応することで、ひいては横向きに加えられた圧力の測定が可能になる。
この発明は、積分光束空洞を形成する圧縮可能な、光散乱構造の表面に存在する、または表面に含まれる拡散する、複式散乱照射光線の強さ−輝度を検出するという原理に基づいている。このようにして検出された光の強さは加えられた圧力を測定する手段として利用される。
本明細書の積分光束空洞は、空洞内の照射光線が複式散乱反射、または屈折することによって、空洞全体の光線の分布が効率よく不規則化されて平滑になるような特徴を有する、材料内の、または構造体によって境界が形成された領域、または容積として定義される。このような空洞内では、照射光線の出射方向に関する情報は結局は境界で消失する。“完全に拡散された”なる用語は、レシーバが本質的にすべての側から均等に照射されるように、光線またはその他の波動エネルギが本質的に完全に散乱した状況を指す。
このような空洞の１つのバリエーションの例は、光源の特定の形状に関わりなく、光源の絶対測光輝度を測定するために一般的に使用される種類の光学積分球であろう。このような積分球内では、壁および全ての内部構造には白い拡散反射面が被覆され、光源からの光線がそこに到達するのに必ず１回以上反射されるように積分光束計が設置される。
しかし、ここで使用される積分光束空洞は、空気または気体を充填した容積でもよく、または光散乱中心を備える開放セル、または閉鎖セルの発泡マトリクスのような拡散透光性の固体が占める容積でもよい。
このような空洞の特性は、電力出力が一定の光源の場合、空洞内の光の強さが空洞の容積と、光源の寸法と、壁がある場合には壁の反射率との関数であることにある。この発明は好適には、光源と比較して相対的に大きく、壁がある場合には壁の反射率は良好であるが、完全ではないような空洞に関するものである。（完全な反射率である場合は、散乱光線の強さは空洞の容積の変化によって変化しなくなる。）例えば、壁の面積は光源の面積の10倍から1000倍であり、壁の反射率は50から99.9％でよいだろう。このような空洞が他の変化を伴わずに膨張または収縮すれば、空洞内の散乱光線の内部光度は空洞の容積と反比例して変化しよう。
このような空洞は球である必要はない。極端な形状のものは最適に反応しないが、任意のどのような形状でも同様の特性を有している。
このような空洞は光源および積分光束計の正確な位置と向きには感応しないことも特性の１つである。同様に、光源から発する照射光線の照射野および積分光束計の視野は、好適には積分光束計の視野を光源に直接向けないことを除けば限定されない。
実際的な目的のために、積分光束空洞は光源と積分光束計とを白いラテックス気球内部に配置することによって製造できよう。このような構造体は外部の大気圧の変化と共に膨張、または収縮し、外圧が上昇すると増大する信号を積分光束計は発するであろう。
積分球と同義である光束空洞は光源と積分光束計とを光散乱媒体内に埋設することによっても製造できる。媒体は拡散された散乱中心を含む透明材料または液体でよい。拡散の中心は反射性でも屈折性でもよく、レイリー、MIEまたは形状範囲で散乱するものでよい。散乱中心は媒体内の平均自由光路と比較して小さくなければならない。
更に、構造体が圧縮可能な光散乱媒体を封入する変形可能な外皮からなっていれば、構造全体が圧縮されない場合でもこの発明が作動することが分かる。その理由は、光源と検出手段とを囲む領域内の媒体は、曲部的な圧力と加えると圧縮するからである。このような結果は、例えば構造体が可撓性の不透気性外皮によって囲まれた圧縮可能な散乱媒体からなっていることで、構造体の１領域が圧縮すると外皮が変形し、媒体が局部的に圧縮されるが、構造体のいずれかの箇所で対応する膨張が生ずるので構造全体は圧縮しないことで達成できる。
本明細書で定義する散乱は反射性でも屈折性でもよい。不可欠な特性は光線の向きが変わることである。散乱中心が関連する空洞の容積は変化するので、このような効果を達成する散乱中心の上記の能力は堅持されなければならない。標準的には、それらの個々の散乱特性はこのような容積の変化によっても不変である。このような特性が容積と共に変化する場合は、容積内の散乱光線の全体的な光度が空洞の寸法の変化と共にある程度変化するだけで充分である。
光線が空洞内で複式散乱すると、光線はより均質になる傾向がある。このようなプロセスによって、光線は累積した散乱を介して封入スペース内で積分、すなわち平滑化、もしくは平均化される。複式散乱が進捗すると、空洞内の光線は、半径方向の光度の傾きがある場合のように部分的な等方向性しか有していない場合でも局部的に等方向性に向おうとする。
容積内に分散した散乱中心がある光分散媒体の場合、平均自由光路を特性散乱長として定義することが通例である。これは散乱中心に遭遇する約63％の確率で光線が進行可能な距離である。このような条件下で、光散乱媒体内には、前述のような中空の、境界付けされた空洞と同じ特性を有する光源を囲む照射領域がある（双方とも本明細書では“光束空洞”の意味に含まれる）。光源を囲む光束空洞内の照射野は不規則化され、中空の空洞の光度が空洞の全体の容積に相関するのと同様に特性散乱長に反比例する光度を有する。吸収損が発生することは避けられないので、散乱光線の光度は光源から更に進むにつれて低下する。
上記のケースで、拡散透光性の光散乱媒体が圧縮可能である場合は、媒体が圧縮されると散乱中心はより密接に凝集される。その結果、特性散乱長は短縮し、光源の近傍の局部的照射野の光度はより高くなる。同じような近傍にある測光検出器が信号の増大を記録する。このようにして構成された空洞は限定された材料構造を有している必要はないが、それでもなお圧縮による変形に対する予測可能な反応を示す。更にこの空洞は、加えられる力の方向に関わりなく均一に反応して、均一に圧縮変形する。
光束空洞の双方の構造、すなわち“散乱境界面を有する中空の媒体”と、“散乱媒体”は、圧力センサとして構成することができ、実際には単一の装置内に２つの構造を複合することができる。
この発明の上記のバリエーションへの使用に適した散乱媒体の特性は下記のとおりである。
−自己支持構造
−圧縮可能、すなわち容積が縮小可能
−弾性（オプション）
−例えば拡散透光性のように、光線の少なくとも一部を透過
−媒体が圧縮すると密度を変化させる拡散中心
圧力が加えられたことに反応して散乱中心の密度が上昇すると、散乱光線の輝度は光源の近傍領域で上昇する。更に、散乱光線からの照射が集中するゾーンの容積が収縮すると、光源から離れた領域の散乱光線の輝度は低下する。双方の領域の間に屈曲領域があるので、圧力が加えられると近傍領域と遠隔領域の双方で輝度の変化が生ずる。好適には、この発明は、光散乱中心の凝集密度が高まるにつれて散乱光線による照射光度が上昇するゾーンで輝度を検出することに依るものである。
この発明の好適な構造は、光源から直接照射を受けることなくセンサの視野が散乱光線の照射野と重なるように、照射源と光検出手段とを配置するものである。このような条件は、光源とセンサの双方が光散乱体の同じ照射領域を向くように光源とセンサを並置することで満たされる。
例えば積分空洞内の光源または直接照射される固定表面から直接発する光線のような、複式散乱によって積分されていない何らかの光線をセンサが検出した場合は、この種類の光線からの信号成分は、積分光線と同様に空洞の容積の変化と共に変化しない。これらの検出された入力は後続の信号処理を介して微分され、積分された散乱光線の検出に派生する成分が分離される。このようにして、混合された入力モードが存在する場合でも、システムは検出される光線の複式散乱成分の変化に反応することができる。
好適にはセンサは、空洞内の照射光線のその他の、反応度がより少ない、もしくは非反応の成分をピックアップしないように構成する必要がある。例えば、照射源は直接視野に入ってはならない。言い換えると、センサの視野に照射源が含まれていてはならない。さもなければ、異なる作用を分離するために出力信号を処理する必要が生ずる。
この発明の別のバリエーションでは、光拡散媒体は拡散反射する可撓性の発泡シート、または弾性ポリマー材料の固体シートの形式である。このシートは光源とセンサとを覆って拡散光線を含む照射空洞になるように配置される。光センサを覆うシートに圧力が加わると、シートの撓みにより空洞の容積は縮小し、空洞内の光線の光度が低下する。同時に、発泡材料を使用した場合は、発泡体内の散乱光線の輝度も圧縮と共に上昇する。発泡体内の散乱光線のこのゾーンは光束空洞の一部として含まれると言ってもよい。
圧縮不能な、または圧縮可能な拡散透光性シートのいずれを使用しても、照射方向に対して斜めの角度で照射源を覆うようにシートを配置して間に空洞を形成すると、シートに加えられる圧力は利便に照射方向に対して横向きまたは斜め向きの方向から発する。いずれの場合も、圧力が加えられると反射体、または光散乱体によって形成され、またはその中に存在する照射された光束空洞内にある複式散乱され、拡散反射された光線の知覚された輝度の関連する変化によって加えられた圧力が検出される。
オプションとして、周囲光が照射空洞内に侵入しないように外側の防護カバーを備えてもよい。センサの性能を調整するために、いずれかの種類のカバー・シートの表面の空洞を形成する側、並びに空洞の境界を形成する他の表面の反射率を増減してもよい。
この発明にはどの種類の波動エネルギ・センサまたは光検出器を使用してもよい。照射を行い、圧力を加えることで変調される光線を検出する好適な手段は、光ファイバを使用することである。
好適なバリエーションでは、光センサとして機能する光ファイバの端部は感圧性の光変調媒体内、またはその下に配置される。更に、この光変調媒体を光ファイバで照射してもよい。利便には、反射性の作用を有する単一の光ファイバは変調媒体の照射領域、もしくは照射ゾーンを照射し、その輝度を検出する双方の役割を果たすことができる。
照射源と、散乱光線のセンサの双方の役割を果たす光ファイバを使用することによって、ファイバ終端／検出ゾーンの周囲をさざわざ区別された構造にする必要なく、平坦なファイバ層を含む積層シートを構成することができる。それによって達成される利点は、薄い断面積での大きい圧力検出アレイを非常な低コストで製造できることにある。
光ファイバを使用する更なる利点は、寸法上高密度で組成された光検出ファイバ端部の平坦なアレイが形成されるように、前記ファイバを配置できることにある。これは、各層内のファイバ端部を前記層の幅全体に亘って延在する直線的な、または狭い二次元ゾーンで光線をサンプリングするように配置して、光ファイバの連続的な、千鳥形に配置された平坦層を形成することによって達成される。次に、拡張された平坦領域がサンプリングされるように、各層のサンプリング・ゾーンは隣接のゾーンと連続するように配置される。
個々の圧力センサのアレイは、光検出ファイバの端部を位置合わせして、またはシート表面の幅を横切って分散させて、光ファイバを使用して担体シート上に組立てることができる。検出端部を線、または狭い帯域に配置した場合は、平坦なセンサ・アレイの連続層を引っ込んだ位置で重ねて、ほぼ平坦な場に高密度で配分された圧力検出領域を備えるようにしてもよい。このような複合アレイの場合、センサの端部に共通の防護カバー、および共通の照射光線散乱媒体を取付けてもよい。
共通の照射光線散乱媒体を使用する場合、センサはセンサ相互の妨害性の“クロストーク”を回避するために充分な距離だけ間隔を離される。拡散透光性の発泡体の場合は、これは照射源からの光線が最終的に効率よく消滅する速度を調節する特性散乱長を有するようにする。クロストークを最小限にするには、センサの間隔は上記の消滅長さを超えるようにし、またはセンサを遮断する（例えばセンサ間の境界を非透光性にするような）他の特別の手段を講じる必要があろう。
単一のセンサからの信号出力は光学信号−電子信号変換器に送られて、それが電子メーターによって表示されるようにしてもよい。アレイの出力の場合は、出力をカメラによって光学式に走査できるように、ファイバ端部は担体シート上に配分される順序と同じ順序で組立てられる。
この発明の利点の１つは、平坦な光散乱媒体の変形に反応して生ずる輝度の変化に基づいて空間的に配分されたデータをビデオ画像として視覚的に表示できることにある。これは、アレイに構成された複数の輝度センサを使用し、ビデオ画像内の関連するピクセルの輝度を制御するために個々のセンサの出力を利用することによって行われる。このようにして抽出された画像は次に、ビデオ・スクリーン上に通常の態様で表示され、各センサの領域内にある圧力状態の圧力マップである画像が提示される。あるいは画像が、従来の機械ビジョン技術を利用してディジタル化され、分析されてもよい。
このように、他の場合には光ファイバ・センサで用いられる離散的な光学式読取りの代わりに、バルク・ビデオ・インターフェースを使用することもできる。この技術に基づくインターフェース・モジュールは同時に10⁵以上のファイバを照射し、そこから信号を読取ることができる。センサの大型アレイからのビデオ信号は、既存の画像捕捉および分析技術を利用して実時間で捕捉および解読され、または後に処理されるために電子的に記憶されることができる。ビデオ情報は解読された様式、または生の様式で従来型のRS170ビデオ画像として表示することができる。
この発明は更に、基本的に上記に示した種類の圧力センサに加えられた圧力を検出し、測定する方法をも含んでいる。この方法は、外部境界と、担持媒体に結合された波動エネルギ発生源とを有する、波動エネルギの圧縮可能な担持媒体を備えた圧力センサを備えるステップと、
担持媒体内に分散された波動エネルギ散乱中心と、散乱波エネルギの積分強度を受ける波動エネルギ・レシーバと、レシーバに接続された信号結合手段と、を備えるステップと、
エネルギ発生源とレシーバとを囲む領域内に散乱エネルギ容積を形成し、外部境界が内側に変位すると、散乱エネルギ容積の寸法容積が縮小して、散乱エネルギ容積内の散乱波エネルギを増大させるステップと、
レシーバ内の波動エネルギを検出するステップと、
外部境界に加えられた圧力を示す信号をレシーバから圧力インジケータに伝送するステップと、
を含むことを特徴としている。
好適には、波動エネルギは光線であり、光ビームは発生源からレシーバへと間接的にしか透過されず、レシーバは実質的に散乱光線だけを検出する。
上記はこの発明と幾つかのオプションの側面の基本的特徴を要約したものである。この発明は以下の図面を参照した好適な実施例に説明によって更に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
図１は光散乱性発泡体の中心で成端している２個の光ファイバの概略横断図面である。
図２はそれぞれが圧縮された図１の構造を示している。
図３および3aはそれぞれ圧縮前と圧縮状態とで、ファイバが基板の近傍にある図１ノード部品を示している。
図４は基板上の２個の光ファイバを覆う発泡シートの横断面図である。
図５は圧縮状態の図４の構造を示している。
図６は発泡シートがゴムで裏打ちされた、図４のセンサの概略横断面図である。
図７は複数個の光ファイバを担持するテープの概略横断面図である。
図８は図７のテープの平面図である。
図９は図７のテープ・アレイの平面図である。
図9aは光ファイバ成端ブロックの略図である。
図10は照射用ファイバと検出用ファイバとの分離を示した概略透視図である。
図10aは１つ置きの照射用および検出用ファイバの能動端部の透視図である。
図11は２つのテープを互いに重ねたテープによって担持される光ファイバの１つ置きの構成の透視図である。
図12はファイバ成端ブロックに結合するためのビームスプリッタの概略横断面図である。
図13は圧力マットからビデオ・モニタへの信号伝送の略図である。
図14は侵入者を検知するためのセキュリティ・システムの圧力マットを示している。
図15は直接的な反射を利用した従来型のシステムの概略図である。
図16はこの発明によって開発された積分光束空洞の概略図である。
好適な実施例の説明
この発明の１つのバリエーションに基づく光散乱幾何学的配置センサの基本要素は散乱媒体３内に埋設された光ファイバ・トランスミッタ１とレシーバ２とからなっている。媒体３の散乱特性は変形に反応して変化し、加えられた圧力に比例する光信号を発生する。図１に示すように、この発明に基づくセンサは一対の光ファイバ１、２を圧縮可能な開放セルの拡散透光性発泡体３内で成端させることによって製造可能である。この開放セル発泡体の見かけはポリウレタン製の場合は標準的には白である。この発泡体３は孔のサイズがミリメートル・レベルである拡散透光性の自己支持マトリクスを有している。一方の光ファイバ１は、発光ダイオード４のような光源からの光線を提供する。他方の光ファイバは光線を受光し、この光線はフォトダイオード５に透過される。前述のように、それに引き続いて上記の２個の光ファイバ１、２を反射モードで動作する単一のファイバ６で置き換えてもよい。
図２には圧力が加えられた場合に光散乱発泡体３内の照射ゾーン７もしくは領域の容積が収縮することによる、散乱媒体３の圧縮の作用が示されている。この照射ゾーン７は積分光束空洞として機能する。このゾーン７の容積が縮小するだけではなく、その内部の輝度も上昇する。光検出ファイバ２の検出端部８を、収縮する照射容積７内の残された場合に配置することによって、例えば光源端部９の近傍が圧縮されると、センサ２は、発泡体３の圧縮が強まると共に上昇する出力信号を発生する。
図１および２の周囲の発泡体３によって対称形に結合された光ファイバを示しているが、このようなファイバ１、２は図３、3aに示すように境界面もしくは基板10の近傍に配置してもよい。この基板の内表面10aと上部カバー層11は反射性でも吸収性でもよい。光センサ２が圧縮に感応しなくなるほど背景の環境照度が高くない場合は、透光性でもよい。しかし、不透光の境界面の方が好適である。
満足すべき性能を達成するために、以下の条件を満たすことが望ましい。
（１）光源とセンサ端部９、８の直径を好適には光散乱媒体３内の光線の特性散乱長と比較して小さくする。
（２）媒体３内の光散乱素子を好適には光源とセンサ９、８の寸法と比較して小さくする。
（３）散乱媒体内の照射ゾーン７の容積を少なくとも媒体３の特性散乱長に匹敵するもにする。
これらは単に概略のパラメタ範囲である。この発明はこれらの範囲外で動作するようにも製造できる。光散乱媒体の特性散乱長とは、その範囲内で光線の約63％が散乱する長さである。これは係数（１−l/e）に基づいている。
図４および図５では、発泡シート3aは、下部基板10と上部カバー11とに含まれる２個の光ファイバの検査端部と照射端部８、９を覆うように配置されている。照射ゾーン、または光束空洞７は発泡体３内に延在しており、圧縮する圧力を加える前と後で双方の図面に示されている。光束空洞７は空気を充填したスペース13と、発泡体の照射部分7aとを含んでいる。発泡体３はシート形式3aであるので、ファイバ１、２の能動端部８、９に小さい空洞13があり、これらの端部８、９を小さい空隙で発泡体３から隔離している。圧力が加えられ、発泡体３が圧縮すると、空気を充填した前記空洞13の容積が縮小する。
この状況には幾つかのメカニズムが含まれているものと考えられる。すなわち、
（１）発泡体３がシート3aとして実施されている場合、発泡体３は自然にファイバ端部８、９と直接接触することが防止される。それによって、圧力が加えられない場合に検出ファイバ８によって“視野に入る”発泡体３の下表面14から発する光量が減少する空隙空洞が導入される。発泡体３が圧縮されると、空気を充填した空洞13の容積は縮小し、それによって散乱した積分光線のセンサ端部８への戻り、ひいては検出される輝度が増加する。
（２）発泡体３は基本的に空隙と、拡散透光性の介在ポリマー材料とからなっている。圧力によって発泡体３内の空隙が縮小し、発泡体３内で散乱する積分光線の照射ゾーン7aの輝度が高まる。
（３）発泡体層3aが撓むことによって更に、照射用ファイバ９と検出用ファイバ８の双方の“範囲”内により多くの光散乱ポリマーがもたらされることで、戻り信号が増加する。
その上、発泡シート3aの上にオプションとして下部反射面15を有する反射性の上部カバー11aを被せてもよく、これは厚さが消光経路の長さ未満である発泡シート3aを使用した場合に機能する。カバーの反射率は全体的な光度に影響を及ぼすが、反応特性を実質的に変えることはない。実際には、迷光が光散乱媒体３内に進入しないように、上部カバー11aを不透光性にしてもよい。
加えられた圧力の検出は上記全てのメカニズムの作用を組合わせることによって行うことができる。あるいは、空気を充填した空洞13が除かれた場合（例えば発泡体を本来の位置に取付けた場合）、または上部反射カバー11aがない場合（例えば極めて厚い発泡体を使用しているので、迷光による妨害の可能性がない場合）でも動作するようにすることもできる。
図４および５は発泡シート12を使用した場合を示しているが、拡散的に反射する下表面を有する固体の、可撓性の弾性シートを使用しても同様の結果が達成された。このような実施例では、実質的には上記の第１のメカニズムからだけ信号発生現象が生ずる。
図６は基板20上に担持され、ゴムで裏打ちされた発泡シート3bによって覆われた反射式に動作する光ファイバ６を有する簡略な単一センサ・システムを概略的に図示しており、図４および５に示したセンサに組込まれた原理を示している。この単一センサを複数個組立てて、図７および８に示すような“テープ”の形状にすることも便利である。
図７および８のテープ16は、長さが拡張され、ファイバ６とファイバ間の間隔とが占めるスペースに等しい幅を有する基板10によって担持された、例えば32個の、反射式に動作する複数の光ファイバ６を有している。１ミリメートルの間隔に直径0.25ミリメートルのファイバ６を有する幅10ミリメートルのテープ16が使用されている。ファイバの能動端部17は、ファイバ間の間隔18によってだけではなくテープ16の幅の対角線で千鳥形に配置することで互いに変位されてもよい。長手方向の分離間隔19は10ミリメートルで許容されることが判明した。能動ゾーンを越えると、ファイバ６を束20に組み、コネクタ21に送ってもよい。
複数のテープ16を共通の担体シート上に平行に組付け、図９に示すようにアレイ22の形式の拡張された検出面を形成するようにしてもよい。ファイバ６のすべてを共通のコネクタ21にリードオフして信号を信号表示システムに送出することおよび共通に照射することとしてもよい。
検出器のアレイは図９に示すように汎用目的の現場設置可能なテープとして構成されてもよい。アレイ22の感応区間を当該位置に取付ける一方で、ファイバのリード６を適宜の位置に誘導して、図9aに示すように特定の種類のコネクタ21としての役割を果たす共通の成端ブロック23で特定の長さに切断することができる。
１つの試作品では各テープは図10、10aに示すように単一機能の照射用および検出用ファイバ１、２を担持し、これらは１つ置きのファイバ１、２が受信と送信を行うように二股に形成されることで、反射式照射システムを使用する必要がなくなる。
検出用アレイ22aを組立てる別の一つ置きの形式は、各テープ16内のファイバ端部6aを同一線上で成端するように配置することによって、“タクセル”（taxel）すなわち圧力検出用ファイバ端部6aが図11に示すように一次元で連続するようにするものである。積層アレイ22aは、テープ16を積重ねて形成して、稠密に配置されたタクセルの、広範且つ高感度なゾーンが得られるファイバ端部6aの階段状ブロックが形成されるようにしてもよい。
反射式照射は図12に示すようにビームスプリッタを使用して行うことができる。図11では、光ファイバ６用の成端ブロック23は、圧力検出アレイ22、22a上のタクセルの配置に対応する面26を横切るファイバ端部6aを提示している。ダイオード・レーザ27は光線を放ち、この光線はレンズ系28を通して拡大され、ビームを分割する半透過性の傾斜したミラー29で反射した後、成端ブロック23に保持されている露出したファイバ端部6aへと誘導される。ファイバ端部6aからの反射光線30は成端ブロック面26からミラー29と光学レンズとを経て透過し、光検出器によって検出される。これはVE−262インタープリタ32を備えたビデオ・カメラであることが便利である。
図13に示すように、触覚検出アレイ22、22aからの信号33はビデオフォーマットでビデオモニタ35の画面34に送られ、標準のVE−262インタープリタ32を使用して表示されることができる。
これらの信号33を発する触覚マット22、22aは、幅200ミリメートルで、長さ320ミリメートルであるのが便利である。各々が32のファイバを担持する20個のテープ・センサによって、640（32×20）のタクセルのアレイが形成される。このようなマット22は加えられた圧力を検出したい領域に配置すればよい。図14は、ビル37の窓38近傍の床36上に設置された上記マット22を示し、ここで侵入者39の存在が検出される。マット22上の侵入者39によって形成される足跡40の画像は、容易に認識できるパターンとしてビデオ・スクリーン34に表示される。無線、または赤外線送信機41が遠隔位置に信号を送り、そこで信号がセキュリティ・サービスによってモニターされてもよい。
監視所では、センチの活動が例えば足跡の画像としてコンピュータ・モニタに表示可能なので、スタッフは監視下の現場で検出、または記録された活動を遠隔地で解読することができる。
ファイバ端部６によって与えられた光信号に対応するディジタル化された出力は、感度と、８ビットを超えるダイナミック・レンジの双方を備えることができる。これはファイバ信号を複数のピクセルにわたって拡張することによって達成される。この技術は、ファイバ数がピクセル数未満である場合に有用である。これは一般に、スペース・ビジョン・システムに採用されてきたサブ・ピクセル補間技術に関係するものである。
この発明は静的および動的な信号処理をも行う。すなわち静圧測定と動的事象の監視（例えばスリップ、接触、衝撃）である。更に接触パターン認識を行うことも可能である。
トランスデューサ／インタープリタの感度性能は、任意の高感度が得られるように工夫された。12ビットの感度（1:1000）が容易に実証された。
開放セル発泡体３で構成されたセンサ・アレイ22は、数グラムの力が加えられて生じた僅かな変形に感応した。信号強度は変形の度合いが高まると共に最大約1kg/cm²まで上昇した。センチにはある程度のヒステリシスが認められた。
インタープリタは命令によって光ファイバの画像位置の情報を取得することができた。次にインタープリタは信号レベルの変化をトラッキングし、約15Hzの再生速度で解読された出力を表示することができた。ダイナミック・レンジと感度は12ビットよりも優れていた。
システム設計によって、極めて低コストで多岐にわたる検出情報の提供が可能になる。離散的な電子読取りによる従来型の光ファイバ触感センサは信号の解読なしでタクセル当たりに約20ドルのコストがかかる。その他の種類の市販の触感センサは読取りなしでタクセル当たり50ドルものコストがかかる。従来の触感読取り技術を利用した（10⁴）タクセルの大型アレイのコストは100万ドル程度にも及ぶであろう。
ビデオ技術を用いた光ファイバ検出の集積化には２つの効果がある。
（１）それによって光ファイバ・センサの製造コストが低減し、極めて低コストの技術を利用して多数のセンサの読取りが可能になる。信号インターフェースのコストは数百ドルまで、すなわち10⁴のセンサ・アレイでセンサ１個当たり約0.01ドルまで低くすることができる。
（２）ビデオ・インターフェースはただ信号を捕捉するのではなく、既製の信号解読能力にアクセスすることができる。従来型の機械ビジョン画像分析技術は、0.01から0.1ドル／タクセル程度のコストで信号の捕捉と、実時間で10⁵のタクセルを解読する処理能力を備えることができる。
このことは検出技術における先例のない技術躍進を示している。
この発明は従来技術とは異なった原理で動作する。図15は、光源42が拡散反射性の、軸方向に配置された平坦面44上に照射野43を投射する従来型の構造を示している。検出器45は同じ表面44を視野に入れる。表面44が検出器41の方向に軸方向に変位すると、反射光線46を直接受光することで検出器41によって測定された光度は距離“d"に反比例してｎ乗まで変化するものであり、但しｎは２と４の間であり、“d"は光源と検出器との間隔よりも大きい。これが従来型の実施例である。
図16に示すように拡散反射する側壁を加えることによって、積分光束空洞47が形成される。光源42と検出器45とが空洞47の寸法と比較して充分に小さく、また、空洞47の“Q"が寸法に対して適切であるならば、主反射面44の軸方向変位に対する検出された反応性は完全に異なるものになる。このような反応性は距離“d"に反比例してｎ乗まで変化し、ｎは１と２の間である。さらに、反応性は空洞47の境界を形成するいずれの面が変位した場合にも同様に変化し、それには光源と検出器の背後に位置する壁49の変位も含まれる。
この発明は空洞47の散乱素子と複式の散乱相互作用を受ける反射光線48に反応するものである。壁44、49は光線48を散乱させるものとして図示してあるが、このような散乱は、発泡体が散乱媒体として機能する前述の場合のように、容積内で分散された散乱中心によっても同様に生ずる。
前述したように、この発明は更に、光線以外の音波またはその他の波動伝達エネルギを利用して同じ結果を達成する、上記のように構成された装置と方法をも含むものである。図17に示されたこのバージョンでは、前述の光源の代わりに音源が使用され、前述の光検出器の代わりに音響検出器が使用されている。音源104は例えば圧電装置のような音響発生器からなり、音響は一端が音響発生器に連結され、開放された対向端109で積分チャンバ103の内部と通信する音響を伝導する筒状部材101を通して伝導される。検出器は音響を検出し、音波を電気パルスに変換するマイクロフォン105またはその他の同類の手段からなり、次に前記電気パルスは前述の種類のように構成された情報処理手段に伝送される。このバージョンでは積分球は音響拡散材料107を含んでいてもよい。
上記はこの発明を如何にして適用し、実用化するかを示した特定の実施例の説明である。これらの実施例は例示に過ぎない。この発明は最も広範囲の、より具体的な側面で、下記の請求の範囲に更に説明され、定義されている。
これらの請求の範囲、およびそこで用いられている用語は、説明されたこの発明のバリエーションとしても理解されるべきものである。それらはこのようなバリエーションに限定されるものではなく、この発明の範囲内で暗示された発明と、これまでの開示内容の全範囲を網羅するものとして読まれるべきものである。

Claims (24)

1. 外部境界を有する波動エネルギ伝導材料の圧縮変形可能な担持媒体と、
   前記担持媒体と結合された波動エネルギ発生源とを有する種類の圧力センサにおいて、
   前記担持媒体内に分散され、前記波動エネルギが完全拡散された散乱波エネルギを含む積分空洞を形成する散乱エネルギ容積を形成する波動エネルギ散乱中心と、
   前記担持媒体内で散乱波エネルギの積分強度に反応する波動エネルギ・レシーバと、
   波動エネルギ・レシーバに接続され、そこから圧力インジケータに信号を伝送するための信号結合手段と、
   を備えてなり、前記波動エネルギ発生源と前記レシーバの周囲の領域が実質的に前記完全拡散された散乱エネルギ容積を形成し、外部境界が変位すると、散乱エネルギ容積の寸法容積が外部から加えられた圧力の変化に反応して変化して、完全拡散された散乱波エネルギの強度を変化させることにより、圧力インジケータが加えられた圧力の測定を行えるような信号を発生することを特徴とする圧力センサ。
2. （１）圧縮変形可能な担持媒体は光透過材料からなり、
   （２）波動エネルギ発生源は光源であり、
   （３）前記担持媒体内に分散された散乱中心は光散乱中心であり、
   （４）波動エネルギ・レシーバは前記担持媒体内の散乱光線を検出する光センサである、
   請求の範囲第１項に記載の圧力センサ。
3. 光センサは光源から直接発光する光線を遮断しない請求の範囲第２項に記載の圧力センサ。
4. 前記波動エネルギ発生源は音波を発する請求の範囲第１項に記載の圧力センサ。
5. 監視方向へ向けられ、前記担持媒体内での複式散乱によって生じる完全に拡散され積分された光線をサンプリングし、且つ拡散され積分された光線の強度を示す信号を供給する光検出手段を更なる特徴とする請求の範囲第２項に記載の圧力センサ。
6. 積分空洞の容積は監視方向に対して横向きに加えられた外圧に反応する請求の範囲第５項に記載の圧力センサ。
7. 光源は監視方向の外側にある請求の範囲第６項に記載の圧力センサ。
8. 照射野を形成する照射源を備えた種類の圧力測定システムにおいて、
   光散乱体が照射野内に配置され、複式散乱した光線によって照射される照射領域をもたらし、且つ積分空洞を形成するものであり、この照射領域は、光散乱体に圧力を加えたときに圧縮可能な容積を有するものであり、
   照射領域からの複式散乱した光線を視野に入れる方向に光検出手段が向けられ、照射領域内の散乱光線の強度を示す信号を供給するものであり、
   信号を圧力インジケータに伝送する信号結合手段が光検出手段に接続されていることを特徴とし、
   光散乱体に圧力が加えられて照射領域の容積を変化させると、照射領域内で完全拡散した散乱光線の強度の変化が生じ、光検出手段は加えられた圧力の量に対応する信号を供給して、圧力インジケータが加えられた圧力の測定を行えるようにするものである圧力測定システム。
9. 光散乱体は表面を有する可撓シートの形式であると共に、照射領域は前記シートの表面によって一部が形成された空洞である請求の範囲第８項に記載の圧力測定システム。
10. 光散乱体は拡散透光性の自己支持マトリクスであると共に、照射領域は照射源からの光線が散乱するゾーンをマトリクス内に含んでいる請求の範囲第８項に記載の圧力測定システム。
11. 光検出手段は前記散乱光線を受光する方向に向けられた検出端部を有する光ファイバからなる請求の範囲第８項に記載の圧力測定システム。
12. 照射源は光ファイバからなる請求の範囲第11項に記載の圧力測定システム。
13. 光検出手段と照射源とは双方とも同じ光ファイバを共用している請求の範囲第12項に記載の圧力測定システム。
14. （１）ほぼ水平面向きの照射ゾーンを備えるための光源からなる前記波動エネルギ源と、
    （２）照射ゾーンの一部を含む視野を有する光センサからなる前記波動エネルギ・レシーバとを備えることを更なる特徴とし、
    水平面に配置され、光源と光センサとを担持する支持面と、
    照射ゾーンおよび視野を覆い、少なくとも部分的にそれらの内部に位置する下部光散乱面を有する、弾性の平坦なカバー・シートと、を備え、
    カバー・シートが下方に撓むと、光センサによって視野内で検出される照射の視輝度が変化することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧力センサ。
15. 平坦なカバー・シートは周囲光線が視野に進入しないように光線を透過しない請求の範囲第14項に圧力センサ。
16. 光源と光センサは連続している請求の範囲第14項に記載の圧力センサ。
17. カバー・シートは固体弾性材料から形成される請求の範囲第14項に記載の圧力センサ。
18. カバー・シートは、容積が縮小可能であるという意味で圧縮可能な、光センサの視野および照射ゾーン内に配置された拡散透光性の、弾性光散乱媒体からなる請求の範囲第14項に記載の圧力センサ。
19. 前記各センサと関連する、電子メーターまたは表示装置によって表示されるための光学信号−電気信号プロセッサを備えたことを更なる特徴とする請求の範囲第１項から第７項および第14項から第18項のいずれかに記載の圧力センサ。
20. 前記圧力センサは圧力センサに衝突する圧力パターンを検出するため分散配置された前記光センサのアレイを含み、前記各センサからの信号出力は、前記圧力パターンを光学的に走査、表示、または監視するための前記分散配置に対応する出力アレイに配列される請求の範囲第18項に記載の圧力センサ。
21. 外部境界を有する、圧縮可能な、波動エネルギの担持媒体と、担持媒体に結合された波動エネルギ発生源とからなる圧力センサを備えるステップを含む種類の、圧力センサに加えられた圧力を測定する方法において、
    散乱エネルギ容量によって定められる前記担持媒体内の積分空洞内で波動エネルギを完全拡散するために担持媒体内に分散された波動エネルギ散乱中心と、散乱波エネルギの積分強度を受けるための波動エネルギ・レシーバと、レシーバに接続された信号結合手段とを備え、
    エネルギ発生源とレシーバとを囲む領域内に完全拡散された散乱エネルギ容積を形成し、外部境界が内側に変位すると、散乱エネルギ容積の寸法容積が縮小して、散乱エネルギ容積内の散乱波エネルギ強度が増大するようにし、
    前記波動エネルギを前記レシーバで検出し、
    前記外部境界に加えられた圧力を示す信号を前記レシーバから圧力インジケータへと転送する、
    ことを特徴とする方法。
22. 前記波動エネルギは光線であることを特徴とする請求の範囲第21項に記載の方法。
23. 前記レシーバによって受け取られた前記散乱波エネルギは前記発生源から直接発せられない請求の範囲第21項に記載の方法。
24. 前記担持媒体は、波動エネルギが散乱によってその内部で拡散され、積分される積分空洞を形成すると共に、前記空洞に外圧が加えられると前記空洞を減少させ、拡散し、積分された波動エネルギの強度を対応して高めるステップを含むことを特徴とする請求の範囲第21項に記載の方法。

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