JP4268528B2 - 衝撃検知光ファイバセンサ及びそれを用いたシステム - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の受ける衝撃をセンシングすることを目的とした衝撃検知光ファイバセンサシステムに関するものである。

従来の衝撃検知センサにおいて電気式のセンサでは、圧力センサ、加速度センサ及び歪ゲージを用いて衝撃による圧力、加速度及び歪を検知する方法が一般的である。

光ファイバ式のセンサにおいては、石英又はプラスチック材質の光ファイバへ圧力、加速度及び歪等の衝撃を印加して、光ファイバ中の光を曲げ損失及び圧縮損失によって光量変化させることにより検知するセンサがある。

光ファイバ方式で一般的に考えられるのは、軟質円筒状の筒の周囲に螺旋状に光ファイバを巻き付け、衝突の外力によって筒が変形した際の光ファイバの曲げ半径小径化に伴う光の損失増加により衝突、衝撃を検出する方法がある。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平９−２６３７０号公報 特開平５−２４９３５２号公報 特表２００２−５３１８１２号公報

しかしながら、上記の従来技術において電気式衝撃センサの場合、電気信号により衝撃を検知するためセンサ自身が電磁ノイズに弱く、検出したい信号とノイズの識別が困難になるという問題がある。

また、検出信号を伝送するにあたり、伝送路が外部からの電磁ノイズを受け易く、このノイズによる影響も無視できないという問題もある。

電気信号は、伝送路における伝送損失が大きいという問題もある。

石英を用いた光ファイバ式の場合には、曲げ及び圧縮により損失が発生するものの、石英という材質の特性上、曲げや圧縮により光ファイバが機械的強度の劣化を起こし、衝撃印加時に石英ファイバが切断する可能性があるという問題もある。

また、プラスチック光ファイバの場合、曲げや圧縮により切断する可能性は低いが、剛性も強いため曲げや圧縮により損失が発生し難くセンサの精度に欠けるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、電磁ノイズに強く、衝撃による機械的劣化の少ない高精度の衝撃検知光ファイバセンサシステムを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、衝撃を受けて撓む衝撃感受部材が、プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバに予め巻き付けた螺旋状ワイヤとを、所定の硬さを有する保護体に埋め込んで形成され、上記衝撃感受部材よりも上記プラスチック光ファイバの端部が長く延びており、そのプラスチック光ファイバの端部が一箇所に集められ、その一箇所に集められた端部から上記衝撃感受部材までのプラスチック光ファイバが連続して上記保護体で埋め込まれている衝撃検知光ファイバセンサである。

第２の発明は、上記プラスチック光ファイバの端部が一箇所に集められることにより形成される上記プラスチック光ファイバのループ内周部に、上記保護体のない中空部が形成されるものである。

第３の発明は、衝撃を受けて撓む衝撃感受部材が、プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバに予め巻き付けた螺旋状ワイヤとを、所定の硬さを有する保護体に埋め込んで形成され、上記プラスチック光ファイバの端部が一箇所に集められることにより形成される上記プラスチック光ファイバのループ内周部に、上記保護体のない中空部が形成されるものである。

第４の発明は、上記プラスチック光ファイバは、架橋アクリル樹脂をコア材とし、水分を透過しないフッ素樹脂をクラッド材とするものである。

第５の発明は、上記保護体が、エチレンプロピレンゴムであるものである。

第６の発明は、第１〜５いずれかの発明の衝撃検知光ファイバセンサから延出された上記プラスチック光ファイバの端部の一方に発光素子を、端部の他方に受光素子を接続し、発光素子からの光を上記プラスチック光ファイバに入力し、その光を受光素子で受光し、受光した光の光量変化を検出することで、上記プラスチック光ファイバの歪を検出し、その歪から上記衝撃感受部材が受けた上記衝撃を検知する衝撃検知光ファイバセンサシステムである。

第７の発明は、第１〜５いずれかの発明の衝撃検知光ファイバセンサから延出された上記プラスチック光ファイバの端部の一方に発光素子を、端部の他方に受光素子を接続し、発光素子からの光を上記プラスチック光ファイバに入力し、その光を受光素子で受光し、受光した光の光量の時間的変化を検出することで、上記衝撃検知光ファイバセンサを取り付けた測定対象物の速度、重量、堅さに応じた光損失パターンを光量変化から予め求めておき、衝撃を受けた時の光損失パターンと上記予め求めた光損失パターンとを比較し速度、重量、堅さを識別する衝撃検知光ファイバセンサシステムである。

本発明によれば、電磁ノイズに強く、衝撃による機械的劣化の少ない高精度の衝撃検知光ファイバセンサ及びそれを用いたシステムを得られる。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適実施である衝撃検知光ファイバセンサ１０を用いた衝撃検知光ファイバセンサシステム１を示す図で、図１（ａ）は衝撃検知光ファイバセンサシステム１の正面図を、図１（ｂ）は右側面図を、図１（ｃ）は底面図をそれぞれ示す。

図１において、衝撃検知光ファイバセンサ１０は、ゴム、プラスチックなどの保護体８と、その保護体８に埋設されたプラスチック光ファイバ（以下、光ファイバと称する。）２と、光ファイバ２に巻き付けられた螺旋金属ワイヤ（以下、ワイヤと称する。）７とから構成される。

衝撃検知光ファイバセンサ１０は、図示したように直線状に形成された衝撃感受部材１１と、衝撃感受部材１１の両側に設けられ衝撃感受部材１１を支える屈曲部８ｄと、屈曲部８ｄからの光ファイバ２を一箇所に束ねた基部８ｂの各部が連続して形成されている。

光ファイバ２は、基部８ｂから屈曲部８ｄの一方を通り、衝撃感受部材１１を通って他方の屈曲部８ｄを通って、基部８ｂまで保護体８に埋設される。

光ファイバ２ｃには、ワイヤ７が予め一定長さ巻き付けられている。この光ファイバ２ｃがワイヤ７と共に保護体８に覆われることで、衝撃感受部材１１が構成されている。

光ファイバ２の端部は衝撃感受部材１１よりも長く延びており、その延長部分が丸く曲げられることにより光ファイバ２の端部が一箇所に集められ、一箇所に集められた光ファイバ２の端部から衝撃感受部材１１までが連続して保護体８に埋め込まれている。保護体８は、衝撃検知光ファイバセンサ１０が不要な外力を受けた時に、この外力を除去するクッション層のはたらきも有している。

光ファイバ２の端部が一箇所に集められたことで、光ファイバ２は光ファイバ２を覆った保護体８と共にループ状の形を形成している。

保護体８は、例えば図１（ｂ）のように平板状に形成される。平面視では、図１（ａ）に示すように衝撃感受部材１１及びそれに続く屈曲部８ｄの部分が広く、基部８ｂが幅の狭くなった形状、たとえて言うと全体に逆フラスコ型に形成されている。その平面視の略中央に光ファイバ２及び保護体８のループ内周部に保護体８がない中空部（以下、空間と称する。）８ａが形成されている。本実施の形態では、長円状の空間８ａが形成されている。

基部８ｂは、衝撃感受部材１１及び屈曲部８ｄを支え、自動車などのフレームに固定し易い形状となっている。空間８ａを挟んだ直線状の部分に衝撃を受けて撓む衝撃感受部材１１が形成され、かつ衝撃感受部材１１の両端が屈曲部８ｄを介して基部８ｂに支持されている。この衝撃感受部材１１は、例えば自動車バンパーの裏面に接するように設けられるとよい。

保護体８は、例えば硬度が４５〜９５度程度の所定硬さのエチレンプロピレンゴムを用い、保護体８の厚さを５〜６ｍｍ程度とするとよい。

保護体８は、光ファイバ２及び螺旋状ワイヤであるワイヤ７と共に一体モールド成形されるとよい。

また、予め分割してモールド成形された保護体８を用意し、この保護体８の内側に光ファイバ２及び螺旋金属ワイヤ７を嵌め込み、この光ファイバ２及び螺旋金属ワイヤ７を嵌め込まれた保護体８を組み立てて、衝撃検知光ファイバセンサ１０を形成してもよい。

保護体８は、図１（ａ）に示すように保護体８の衝撃感受部材１１の幅Ｗは約１０〜１２ｍｍ、図１（ｂ）に示すように衝撃感受部材の厚さｔは約５〜６ｍｍとなっている。保護体８が図に示すように形成され、光ファイバ２が保護体８に埋め込まれている。このため、光ファイバ２は保護体８に埋め込まれた時のままの逆フラスコ形状を保持している。

基部８ｂは、各屈曲部８ｄから導かれた光ファイバ２の端部を一箇所に集め束ねて、保護体８に埋め込んだ部分である。この基部８ｂの形状により自動車のバンパーなどの測定対象物への取付作業性を容易にしている。

衝撃検知光ファイバセンサ１０は、図１に示した保護体８の形状に限定されるものでない。図では衝撃感受部材１１は略直線状に形成されており、衝撃感受部材１１の長手方向と直交する向きで空間８ａに向かって撓み易くなっており、衝撃感受部材１１はこの向きの衝撃を最も感知し易い構造である。

衝撃感受部材１１を例えば円弧状に設けることで、衝撃を一方向のみでなく、円弧に直交する多方向からの衝撃を検知する構造としてもよい。

ワイヤ７は、光ファイバ２の外周の一部に螺旋状に巻かれることで、衝撃検知光ファイバセンサ１０が衝撃を受けたときに、衝撃により衝撃感受部材１１に加えられる力を光ファイバ２に対して曲げ歪や圧縮歪として伝える構造をなしている。衝撃感受部材１１は、ワイヤ７の巻かれたことでワイヤ７が光ファイバ２に接した部分に集中して力が掛かる構造となっている。

このような螺旋状に巻いたワイヤ７の所謂マイクロベンド効果により、外力により生じた光ファイバ２ｃの曲げ歪による光ファイバ２ｃの光損失感度を向上させ、衝撃感受部材１１の衝撃検知をより高感度にすることができる。

ワイヤ７は、上記光ファイバ２を用いる場合には、例えばワイヤ７の太さをφ０．５〜１．０ｍｍ、光ファイバ２への巻き付けピッチを５〜１０ｍｍ程度とするとよい。

衝撃検知光ファイバセンサ１０から延びた光ファイバ２ｆは、自動車のコントロールボックスなどまで延出され、その光ファイバ２ｆの一方にはレーザダイオードやＬＥＤからなる発光素子ＬＤ１が接続される。光ファイバ２ｆの他方には、光ファイバ２ｃを通った光を検出するためのフォトダイオードなどの受光素子ＰＤ３が接続される。

光ファイバ２は、例えば耐熱性プラスチック光ファイバ（ＨＰＯＦ：Highly Heat-resistant Plastic Optical Fiber）が用いられる。

図２に示すように光ファイバ２は、屈折率の高いコア５の部分と、コア５の周囲に設けられた屈折率の低いクラッド６の部分とから成り、コア５の部分を光が伝送しクラッド６から外部に光が漏洩し難い構造となっている。光ファイバ２は、例えばコア５がコア径φ１．５ｍｍ、クラッド径がφ２．２ｍｍの形状のものを用いるとよい。コア５は架橋アクリル樹脂（熱硬化アクリル樹脂）、シリコーン樹脂等のコア材で形成され、クラッド６は水分を透過しないフッ素樹脂等のクラッド材で形成される。

光ファイバ２は、水分を透過しないフッ素樹脂がクラッド材として使用されているので、湿気等に強い衝撃検知光ファイバセンサ１０の良好な部材として用いられる。

図１に示すように、発光素子ＬＤ１は電気信号線４を介して電源（図示せず）に接続され、受光素子ＰＤ３は電気信号線４を介して衝撃検出装置（図示せず）に接続される。

発光素子ＬＤ１は、例えばＬＤ若しくはＬＥＤなどの光部品であり、電気信号線４に接続される電源により発光し、発光した光を接続された光ファイバ２に送出するものである。

受光素子ＰＤ３は、例えばフォトダイオードを用いた受光のための光部品であり、接続された衝撃検知光ファイバセンサ１０から受光した光信号を電気信号に変換し、電気信号線４に送出するものである。

次に図１、図３、図４を用いて本発明の作用を説明する。

図１に示すように、発光素子ＬＤ１より出力された光は光ファイバ２に入射され、その光が受光素子ＰＤ３で受光される。受光素子ＰＤ３により検出された光強度は、電気信号線４によって電気信号として図示していない衝撃検出装置へ送信される。本発明では、光ファイバ２ｃを通過する光の強度変化によって受けた衝撃を検知するため、衝撃検知光ファイバセンサ１０近傍の電磁ノイズの影響を受けずに衝撃を検知することが可能である。

なお、発光素子ＬＤ１及び受光素子は、電気−光変換を行う光部品であるため、電磁的ノイズの影響を全くない状態にすることは困難であるが、電磁ノイズの影響を受けない光ファイバ２ｆを伸ばし発光素子ＬＤ１及び受光素子ＰＤ３を衝撃検知光ファイバセンサ１０から離れた場所に設けることで電磁ノイズの影響を無視できる。

さらに、発光素子ＬＤ１、受光素子ＰＤ３と、衝撃感受部材１１とは異なる位置に設けることができる。このため、発光素子ＬＤ１、受光素子ＰＤ３を金属板などで覆うことで、電磁ノイズを遮蔽することができる。

衝撃検知光ファイバセンサ１０は、衝撃感受部材１１で光ファイバ２ｃの長手方向と直交する方向に衝撃が加えられた時が、最も衝撃検知の感度がよい。これは、屈曲部８ｄで衝撃感受部材１１を支えることで衝撃感受部材１１に曲げ歪や圧縮歪が生じ易いからである。

さらに、この曲げ歪や圧縮歪は、保護体８を介してワイヤ７に加えられる。ワイヤ７に加えられた曲げ歪等により、光ファイバ２ｃに接する部分が顕著に曲げられて、光ファイバ２ｃに曲げ歪等が効率的に伝わる。

図３は、衝撃感受部材が衝撃を受けて撓んだ時の状態を示す図である。

衝撃により衝撃感受部材１１が撓む場合を詳述すると次のようになる。

衝撃検知光ファイバセンサ１０が受けた衝撃により、衝撃感受部材１１が図に示すように矢印３１の方向に撓み、ワイヤ７及び光ファイバ２ｃに力が加わる。この際、光ファイバ２ｃに巻かれたワイヤ７に保護体８の撓みによる力が集中して、このワイヤ７に集中した力は、ワイヤ７が光ファイバ２を局所的に曲げることで光ファイバ２ｃに加えられる。

空間８ａが設けられていることで、衝撃を受けたときに保護体８が撓み易くなっており、衝撃感受部材１１の衝撃検知感度を向上させている。

このため、ワイヤ７により光ファイバ２ｃに顕著な曲げ歪が生じ、この曲げ歪により、光ファイバ２ｃの伝送損失が増加する。この曲げ歪の増加により光ファイバ２ｃを通過する光量が減少する。

光ファイバ２ｆを介してこの光量を受光素子ＰＤ３が受光すると、受光した光量の増減が分かる。この光量の時間的変化は、図５のように現れる。

図５は、衝撃検知光ファイバセンサ１０の光ファイバ２ｃを通過する光量の経時変化を示す図である。図中の横軸は時間を示し、縦軸は受光素子ＰＤ３が受光する光量を示す。

図中時刻ｔ１で衝撃検知光ファイバセンサ１０に衝撃が印加され、衝撃検知光ファイバセンサ１０の衝撃感受部材１１が撓む。衝撃は時刻ｔ２にて最大に達して、このとき光ファイバ２ｃは曲げ歪が最大となり光ファイバ２ｃの伝送損失は最大となる。

衝撃検知光ファイバセンサ１０に印加された衝撃が緩和されるに従い、衝撃感受部材１１の撓みが減少し、光ファイバ２ｃの曲げ歪も緩和され光ファイバ２ｃの伝送損失は減少する。

時刻ｔ３で衝撃が無くなると、衝撃感受部材１１の撓みは無くなり衝撃印加前の衝撃感受部材１１の形状に戻る。このとき、光ファイバ２ｃも衝撃印加前の状態に戻ることで生じていた曲げ歪が無くなり、光ファイバ２ｃの伝送損失も衝撃印加前の状態に戻る。

このように、光ファイバ２ｃに光を入力し、受光素子ＰＤ３で受光した光の光量変化を検出することで、光ファイバ２ｃの歪を検出し、その歪から衝撃感受部材１１が受けた衝撃を検知することができる。

ここで、時刻ｔ１〜ｔ３の光量変化の状態（光損失パターン）から測定対象物に加わる異なる衝撃時の速度、重量、堅さなどを識別することができる。

例えば、同じ大きさの衝撃が自動車に加えられた場合でも、自動車に搭載された衝撃検知光ファイバセンサ１０で検知される光量変化は、自動車の走行する速度により図中の光量の変化の傾きや大きさが異なったり、ピークに達するまでの時刻ｔ２などが異なったりする。すなわち、得られる光量の変化は速度に対応して固有の光損失パターンとなる。

同じ大きさの衝撃が自動車に加えられた場合でも、自動車の質量が異なるケースでは、衝撃検知光ファイバセンサ１０で検知される光量変化は、自動車の質量により図中の光量の変化の傾きや大きさが異なったり、ピークに達するまでの時刻ｔ２が異なったりする。すなわち、得られる光量の変化は自動車の質量に対応して固有の光損失パターンとなる。

また、同じ大きさの衝撃が自動車に加えられた場合でも、自動車のバンパーや車体の堅さが異なれば、得られる光量の変化は同様に車体等の堅さに対応して固有のパターンとなる。

このように、光ファイバ２ｃに光を入力し、受光素子ＰＤ３で受光した光の光量の時間的変化を検出することで、衝撃検知光ファイバセンサ１０を取り付けた測定対象物の速度、重量、堅さに応じた光損失パターンを光量変化から予め求めておき、衝撃を受けた時の光損失パターンと上記予め求めた光損失パターンとを比較し速度、重量、堅さを識別することができる。

衝撃により衝撃感受部材１１が圧縮する場合も前述の状況と略同様になる。

図４は、衝撃感受部材が衝撃を受け圧縮された時の状態を示す図である。

衝撃検知光ファイバセンサ１０が受けた衝撃により衝撃感受部材１１が図４に示すように矢印３１の方向に圧縮され、保護体８が圧縮されることを介してワイヤ７及び光ファイバ２ｃに力が加わる。光ファイバ２ｃに巻かれたワイヤ７に保護体８の圧縮による力が集中して、この力は光ファイバ２ｃに加えられる。

このため、ワイヤ７により光ファイバ２ｃに顕著な圧縮歪が生じ、この圧縮歪により、光ファイバ２ｃの伝送損失が増加する。この圧縮歪の増加により光ファイバ２ｃを通過する光量が減少する。接続された光ファイバ２ｆを介してこの光量変化を受光素子ＰＤ３が受光すると、この光量の時間的変化が図５に示した経時変化パターンと同様になって現れる。

本発明を用いることにより、従来の電気式衝撃センサで問題であった電磁ノイズ及び伝送損失の影響を排除することができる。

また、石英ガラス光ファイバを用いた衝撃検知センサに比べて、螺旋状のワイヤを装着した実施の形態の衝撃検知光ファイバセンサ１０は曲げ及び圧縮による石英ガラス光ファイバの疲労切断等が起こり難く、高信頼性のセンサシステムを構成することができる。

衝撃検知光ファイバセンサ１０は、従来の光ファイバを用いた衝撃検知センサと比して、その構造により衝撃による光ファイバへの曲げや圧縮の程度が効率的に生じる。従って、衝撃検知光ファイバセンサ１０は、加えられた衝撃を精度良く検知することのできる高感度センサとなっている。

架橋アクリル樹脂をコア材とし、水分を透過しないフッ素樹脂をクラッド材とする光ファイバ２は、電磁的ノイズの影響を受けないうえ湿気等にも強い衝撃検知光ファイバセンサ１０の良好な部材として用いることができる。

保護体８は、保護体８に埋め込まれた光ファイバ２の形状を保持し、ループ状（逆フラスコ状）の形状により衝撃感受部材１１が衝撃を受けたときに撓み、この撓みにより光ファイバ２に衝撃により生じた曲げ応力を効率的に伝えるものである。保護体８は、不要な外力を除去するクッション層のはたらきも有し、保護体８の基部８ｂが測定対象物に取付易い形状となっている。

図１（ａ）は、衝撃検知光ファイバセンサシステムの正面図である。図１（ｂ）は衝撃検知光ファイバセンサシステムの右側面図である。図１（ｃ）は衝撃検知光ファイバセンサシステムの底面図である。 プラスチック光ファイバの断面を示す断面図である。 衝撃感受部材が衝撃を受けて撓んだ時の状態を示す状態図である。 衝撃感受部材が衝撃を受けて圧縮された時の状態を示す状態図である。 衝撃検知光ファイバセンサを通過する光量の変化を示す時間変化図である。

符号の説明

１ 衝撃検知光ファイバセンサシステム
２ 光ファイバ（プラスチック光ファイバ）
２ｃ 光ファイバ（プラスチック光ファイバ）
２ｆ 光ファイバ（プラスチック光ファイバ）
４ 電気信号線
７ 螺旋金属ワイヤ（ワイヤ）
８ 保護体
８ａ 空間
８ｂ 基部
８ｄ 屈曲部
１０ 衝撃検知光ファイバセンサ
１１ 衝撃感受部材
ＬＤ１ 発光素子
ＰＤ３ 受光素子
ｔ 厚さ
Ｗ 幅

Claims (7)

1. 衝撃を受けて撓む衝撃感受部材が、プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバに予め巻き付けた螺旋状ワイヤとを、所定の硬さを有する保護体に埋め込んで形成され、上記衝撃感受部材よりも上記プラスチック光ファイバの端部が長く延びており、そのプラスチック光ファイバの端部が一箇所に集められ、その一箇所に集められた端部から上記衝撃感受部材までのプラスチック光ファイバが連続して上記保護体で埋め込まれていることを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサ。
2. 上記プラスチック光ファイバの端部が一箇所に集められることにより形成される上記プラスチック光ファイバのループ内周部に、上記保護体のない中空部が形成される請求項１記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
3. 衝撃を受けて撓む衝撃感受部材が、プラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバに予め巻き付けた螺旋状ワイヤとを、所定の硬さを有する保護体に埋め込んで形成され、上記プラスチック光ファイバの端部が一箇所に集められることにより形成される上記プラスチック光ファイバのループ内周部に、上記保護体のない中空部が形成されることを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサ。
4. 上記プラスチック光ファイバは、架橋アクリル樹脂をコア材とし、水分を透過しないフッ素樹脂をクラッド材とする請求項１〜３いずれか記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
5. 上記保護体が、エチレンプロピレンゴムである請求項１〜４いずれか記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
6. 請求項１〜５いずれかに記載の衝撃検知光ファイバセンサから延出された上記プラスチック光ファイバの端部の一方に発光素子を、端部の他方に受光素子を接続し、発光素子からの光を上記プラスチック光ファイバに入力し、その光を受光素子で受光し、受光した光の光量変化を検出することで、上記プラスチック光ファイバの歪を検出し、その歪から上記衝撃感受部材が受けた上記衝撃を検知することを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサシステム。
7. 請求項１〜５いずれかに記載の衝撃検知光ファイバセンサから延出された上記プラスチック光ファイバの端部の一方に発光素子を、端部の他方に受光素子を接続し、発光素子からの光を上記プラスチック光ファイバに入力し、その光を受光素子で受光し、受光した光の光量の時間的変化を検出することで、上記衝撃検知光ファイバセンサを取り付けた測定対象物の速度、重量、堅さに応じた光損失パターンを光量変化から予め求めておき、衝撃を受けた時の光損失パターンと上記予め求めた光損失パターンとを比較し速度、重量、堅さを識別することを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサシステム。

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