JP4287765B2 - Shock detection optical fiber sensor and system using the same - Google Patents
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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及びそれを用いたシステムに関するものである。 The present invention relates to an impact detection optical fiber sensor for sensing an impact received by a measurement object, and a system using the same.
従来の衝撃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。 In a conventional impact sensor, an electric sensor generally uses a pressure sensor, an acceleration sensor, and a strain gauge to detect pressure, acceleration, and strain due to impact.
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。 In the optical fiber type sensor, there is a sensor that detects an optical fiber by applying an impact such as pressure, acceleration, and strain to an optical fiber made of quartz or plastic, and changing the light amount by bending loss and compression loss. is there.
光ファイバ方式で一般的に考えられるのは、軟質円筒状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。 Generally considered in the optical fiber system, an optical fiber is spirally wound around a soft cylindrical tube, and the loss of light increases as the bending radius of the optical fiber is reduced when the tube is deformed by the external force of a collision. There is a method for detecting collision and impact.
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。 The prior art document information related to the invention of this application includes the following.
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。 However, in the case of the electric shock sensor in the above-described prior art, since the shock is detected by an electric signal, the sensor itself is vulnerable to electromagnetic noise, and there is a problem that it is difficult to distinguish the signal to be detected from the noise.
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。 In addition, when transmitting the detection signal, there is a problem that the transmission line is susceptible to electromagnetic noise from the outside, and the influence of this noise cannot be ignored.
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。 There is also a problem that the electrical signal has a large transmission loss in the transmission path.
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光の伝送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、衝撃印加時に石英ガラス光ファイバが切断する可能性があるという問題もある。 In the case of optical fiber type using quartz, transmission loss of light occurs due to bending and compression, but due to the characteristics of the material quartz, the optical fiber causes mechanical strength deterioration due to bending and compression, and when an impact is applied There is also a problem that the quartz glass optical fiber may be cut.
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光の伝送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。 In the case of a plastic optical fiber, the possibility of being cut by bending or compression is low, but since the rigidity is strong, there is a problem that light transmission loss is hardly caused by bending or compression and the accuracy of the sensor is lacking.
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及びそれを用いたシステムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly accurate impact detection optical fiber sensor which is resistant to electromagnetic noise and has little mechanical deterioration due to impact, and a system using the same.
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、衝撃を検知するためのプラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの外周部に所定の厚さで被覆するゴム層と、該ゴム層によって被覆されたプラスチック光ファイバの外周部をその長手方向に沿って露出させて収容する樋状に形成されたラック部材と、該ラック部材の内側に形成され、収容される上記プラスチック光ファイバに衝撃に応じた変形を与える凸状部材とを備えた衝撃検知光ファイバセンサである。 The present invention was devised to achieve the above object, and the first invention is a plastic optical fiber for detecting an impact, and a rubber covering the outer periphery of the plastic optical fiber with a predetermined thickness. Layer, a rack member formed into a bowl shape that exposes and accommodates the outer peripheral portion of the plastic optical fiber covered with the rubber layer along its longitudinal direction, and is formed and accommodated inside the rack member An impact detection optical fiber sensor comprising a convex member that deforms the plastic optical fiber according to an impact.
第2の発明は、上記ラック部材は、上記ゴム層を被覆したプラスチック光ファイバの長手方向に沿って設けられると共に、上記プラスチック光ファイバの露出部を衝撃方向に臨ませるように構成されたものである。 In a second aspect of the invention, the rack member is provided along the longitudinal direction of the plastic optical fiber coated with the rubber layer, and the exposed portion of the plastic optical fiber faces the impact direction. is there.
第3の発明は、上記ラック部材は、上記溝長手方向と直交する断面が略コ字状或いは略U字状の溝に形成されたものである。 In a third aspect of the invention, the rack member is formed in a groove having a substantially U-shaped or substantially U-shaped cross section perpendicular to the groove longitudinal direction.
第4の発明は、上記プラスチック光ファイバが、上記ラック部材の溝に対して着脱自在であるものである。 In a fourth aspect of the invention, the plastic optical fiber is detachable with respect to the groove of the rack member.
第5の発明は、上記ラック部材は、硬質製プラスチックまたはステンレス鋼、真鍮等の金属で形成されたものである。 In a fifth aspect of the invention, the rack member is formed of a hard plastic or a metal such as stainless steel or brass.
第6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。 According to a sixth aspect of the present invention, the plastic optical fiber has a cross-linked acrylic resin as a core material and a fluororesin that does not transmit moisture as a cladding material.
第7の発明は、上記凸状部材が、上記溝長手方向に複数設けられたものである。 In a seventh aspect of the present invention, a plurality of the convex members are provided in the groove longitudinal direction .
第8の発明は、上記凸状部材は、半円柱状に形成されるものである。 In an eighth aspect of the invention, the convex member is formed in a semi-cylindrical shape.
第9の発明は、上記ゴム層が、エチレンプロピレンゴムで形成されたものである。 In a ninth aspect of the invention, the rubber layer is formed of ethylene propylene rubber.
第10の発明は、第1〜10の発明いずれかに記載の衝撃検知光ファイバセンサから上記プラスチック光ファイバをそれぞれ延出し、そのプラスチック光ファイバの一方に発光素子を、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射し、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検知光ファイバセンサ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。 According to a tenth aspect of the present invention, the plastic optical fiber is extended from the impact detection optical fiber sensor according to any one of the first to tenth aspects of the invention, and a light emitting element is connected to one of the plastic optical fibers and a light receiving element is connected to the other. The light from the light emitting element is incident on the plastic optical fiber, the light is received by the light receiving element, and the change in the amount of received light is detected to detect the distortion of the plastic optical fiber. An impact detection optical fiber sensor system that detects the impact received by the impact detection optical fiber sensor.
第11の発明は、第1〜10の発明いずれかに記載の衝撃検知光ファイバセンサから上記プラスチック光ファイバをそれぞれ延出し、そのプラスチック光ファイバの一方に発光素子を、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射し、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し、他方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、上記衝撃を受けた時に検出される光損失パターンを検出し、そ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。 In an eleventh aspect of the invention, the plastic optical fiber is extended from the impact detection optical fiber sensor according to any one of the first to tenth aspects of the invention, and a light emitting element is connected to one of the plastic optical fibers and a light receiving element is connected to the other. , The light from the light emitting element is incident on the plastic optical fiber, the light is received by the light receiving element, the light quantity change of the received light is detected, and the speed of the measurement object to which the impact detection optical fiber sensor is attached, A light loss pattern corresponding to the weight and stiffness is obtained in advance from the change in the amount of light, the light loss pattern detected when receiving the impact is detected, and the light loss pattern is compared with the previously obtained light loss pattern. It is an impact sensing optical fiber sensor system that identifies speed, weight and stiffness.
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。 According to the present invention, it is possible to obtain a highly accurate impact detection optical fiber sensor that is resistant to electromagnetic noise and has little mechanical deterioration due to impact, and a system using the same.
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。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
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を示す構成図である。 FIG. 1 is a block diagram showing an impact detection optical fiber sensor system 1 using an impact detection optical fiber sensor 10 according to a preferred embodiment of the present invention.
図示したように衝撃検知光ファイバセンサ10は、プラスチック光ファイバ12の外周部に一定厚のゴム層18(図4参照)が被覆された衝撃を検知する検知ファイバ12aと、検知ファイバ12aの長手方向に沿って、その検知ファイバ12aを露出させて収容する樋状のラック部材17と、そのラック部材17の内側に形成され、収容されるプラスチック光ファイバ12に衝撃に応じた変形を与える凸状部材19(図2、図3、図5参照)とを備えて構成される。
As shown in the figure, the impact detection optical fiber sensor 10 includes a
検知ファイバ12aは、図4に示すように屈折率の高いコア15(例えば、コア径φ1.5mm)と、コア15の周囲に設けられた屈折率の低いクラッド16(例えば、クラッド径φ2.2mm)からなるプラスチック光ファイバ12の外周部にゴム層18が一定厚さで被覆(例えば、被覆厚さ0.4mm)されて構成される。
As shown in FIG. 4, the
この検知ファイバ12aは、例えばエチレンプロピレン被覆耐熱性プラスチック光ファイバ(EPHPOF:Ethylene Propylene Highly Heat-resistant Plastic Optical Fiber)が用いられ、一例として、コア15が、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16が、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た耐熱性プラスチック光ファイバ12で構成され、その耐熱性プラスチック光ファイバ12の外周部に、ショア硬度(JIS K 7215 Aタイプ)が45前後の所定硬さのエチレンプロピレンゴム等のゴム層18が被覆されて構成される。
As the
検知ファイバ12aは、衝撃を検知する測定対象物60に対してU字状に折り返されて配置されると共に、その各直線部の検知ファイバ12aがラック部材17に収容されてセンサ部10aが構成される。
The
センサ部10aは、図3(a)に示すように、樋状、図では略コ字状(若しくは、アルファベットの略U字状)の溝17aを有するラック部材17の溝17a底部に凸状部材19を設け、その溝17aに検知ファイバ12aを、ラック部材17から所定距離の露出量hだけ突出するように着脱自在に組み込んだものである。
As shown in FIG. 3A, the
凸状部材19は、図2に示すように、半円柱体の形状に形成され、溝17a底部に所定間隔をおいてラック部材17と一体に形成される。
As shown in FIG. 2, the convex
このラック部材17には、硬質製のプラスチック(ロックウェル硬度(JIS K 7202)Rスケール118、Mスケール80程度のもの)、真鍮(BS)、ステンレス鋼(SUS)等が用いられる。
The
図1に示すように、測定対象物60に配置された検知ファイバ12aの両端からそれぞれ延出されたプラスチック光ファイバ12i、12o(ゴム層18は被覆されていてもいなくてもよい)が延出され、その一方のプラスチック光ファイバ12iの端部に発光素子11が接続され、他方のプラスチック光ファイバ12oの端部には受光素子13が接続される。発光素子11及び受光素子13には、それぞれ電気信号線14が接続され、発光素子11に電力を供給するための図示しない電源や、受光素子13で受光した光量を処理するための図示しない衝撃検知部等に接続される。
As shown in FIG. 1, plastic optical fibers 12i and 12o (the
次に本発明の作用を説明する。 Next, the operation of the present invention will be described.
検知ファイバ12aには、発光素子11からの光が常時入力され、検知ファイバ12aの他端の受光素子13で、その光を受光し、その光の光量変化を検出することで、測定対象物60に加わった衝撃を検知できるようになっている。
The light from the light emitting element 11 is always input to the
図3(a)は、衝撃検知光ファイバセンサが衝撃を受けない状態を示す断面図である。 FIG. 3A is a cross-sectional view showing a state in which the impact detection optical fiber sensor does not receive an impact.
衝撃を受けない状態では、検知ファイバ12aは何ら応力を受けないため、コア15、クラッド16、ゴム層18何れも歪を殆ど生じない。
In a state where no impact is received, the
この測定対象物60に加わる衝撃は、図2、図3(b)に示したように、センサ部10aの検知ファイバ12aに加わる押圧力であり、これにより、検知ファイバ12aは、その下部が所定間隔で凸状部材19に接しているため、凸状部材19に接した箇所では、凸状部材19とラック部材17の上端までの距離以上に変形することはなく、また凸状部材19に接していない部分では、ラック部材17の溝17a内に押し込まれることになる。これにより、検知ファイバ12aは、各凸状部材19によるマイクロベンド効果で、凸状部材19を起点として屈曲されるため、検知ファイバ12aには、曲げにより曲げ損失や圧縮損失が発生して伝送損失が大きくなる。
As shown in FIGS. 2 and 3 (b), the impact applied to the
すなわち、衝撃検知光ファイバセンサ10のセンサ部10aが矢印33の方向に衝撃を受けたときに、凸状部材19に接した部分を支点として検知ファイバ12aに最も効果的に応力が集中し、コア15、クラッド16、ゴム層18に発生する歪により検知ファイバ12aの伝送損失が増加する。この伝送損失の増加により検知ファイバ12aを通過する光量が減少する。
That is, when the
この伝送損失は、測定対象物60に加わる衝撃の大きさに関係するため、伝送損失の経時的変化を計測することで、衝撃の大きさや測定対象物60の速度等が検知できる。
Since this transmission loss is related to the magnitude of the impact applied to the
図6は、衝撃検知光ファイバセンサ10の検知ファイバ12aを通過する光量すなわち受光素子13の受光量の経時変化を示す図で、図中横軸は時間を示し、縦軸は受光量yを示し、実線は本発明の実施の形態であり、破線はプラスチック光ファイバを2枚の板ではさんで衝撃センサを形成した従来例であり、それぞれの線は同じ衝撃を加えたときの経時変化を示す。
FIG. 6 is a diagram showing the change over time in the amount of light passing through the
衝撃が加わらないときは、本発明(実線)も従来例(破線)も受光量yは一定であるが、時刻t1で衝撃が加わると、共に受光量yが減少する。 When no impact is applied, the received light amount y is constant in both the present invention (solid line) and the conventional example (broken line), but when the impact is applied at time t1, the received light amount y decreases.
従来例では、凸状部材がないのでセンサ部に生じる応力が光ファイバに分散するためセンサ部に生じる歪は小さく、図中折れ破線で示したように応力による光損失の検知が小さい。 In the conventional example, since there is no convex member, the stress generated in the sensor unit is dispersed in the optical fiber, so the strain generated in the sensor unit is small, and the detection of light loss due to the stress is small as shown by the broken broken line in the figure.
この場合、本発明では、R形状の凸状部材で、検知ファイバにマイクロベンドを与えるため、従来例に比べて大きな伝送損失を得ることができ、衝撃を検知する感度が高くなりより正確に衝撃を検知することができる。 In this case, in the present invention, since the R-shaped convex member gives the detection fiber a microbend, it is possible to obtain a larger transmission loss than in the conventional example, and the sensitivity for detecting the impact is increased, and the impact is more accurately detected. Can be detected.
また、衝撃が加わったときに、時刻t1から、時刻t2にて伝送損失が最大(受光量y小)に達し、その後、時刻t3で衝撃がなくなると受光量も元の値に戻る特性となるため、時刻t1から時刻t2、時刻t2から時刻t3の伝送損失(受光量y)の傾きを検出することで、測定対象物60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。
Further, when an impact is applied, the transmission loss reaches the maximum (light reception amount y is small) from time t1 at time t2, and then the light reception amount returns to the original value when the impact disappears at time t3. Therefore, by detecting the slope of the transmission loss (light reception amount y) from time t1 to time t2 and from time t2 to time t3, the speed, weight, stiffness, and the like at the time of different impacts applied to the
そこで、時刻t1〜t3の光量変化の状態(光損失パターン)を予め記憶させておき、実際に加わった受光量の変化(光損失変化)を、予め記憶させた光損失パターンと比較させることで、測定対象物60に加わる衝撃時の速度、重量、堅さなどを簡単に識別することができる。
Accordingly, the state of change in light quantity (light loss pattern) at times t1 to t3 is stored in advance, and the change in received light amount (change in light loss) actually applied is compared with the previously stored light loss pattern. The speed, weight, stiffness, etc. at the time of impact applied to the
すなわち、例えば、同じ大きさの衝撃が測定対象物60である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ため、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。
That is, for example, even when an impact of the same magnitude is applied to the vehicle that is the
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。 Even when an impact of the same magnitude is applied to an automobile, in the case where the mass of the automobile is different, the change in the amount of light detected by the impact detection optical fiber sensor 10 is caused by the inclination or magnitude of the change in the amount of light in the figure depending on the mass of the automobile. Or the time t2 until reaching the peak is different. That is, the change in the amount of light obtained becomes a unique light loss pattern corresponding to the mass of the automobile.
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。 In addition, even when the same impact is applied to the car, if the bumper or the body of the car is different, the change in the amount of light obtained will be a unique pattern corresponding to the firmness of the car body, etc. .
以上において、本発明では、凸状部材19により、検知ファイバ12aに衝撃が加わったときにマイクロベンド効果を与えて衝撃に応じた変形を付与するものであるが、ラック部材17からの検知ファイバ12aの露出量hと、凸状部材19の形状とその大きさについてさらに説明する。
As described above, in the present invention, when the impact is applied to the
図5は、検知ファイバ12aが、上述したように、コア径φ1.5mm、クラッド径φ2.2mm、ゴム層18の被覆厚さ0.4mmとしたとき、検知ファイバ12aの直径がφ3.0mmのときの凸状部材19の形状と寸法を示したものである。
FIG. 5 shows that when the
図中、凸状部材19は、半径がr=1.8mmの半円柱で、半円柱が溝17a底部から出た部分の高さがH=0.9mmの寸法のR形状(半円曲面)を有する形状とし、凸状部材19の間隔は、例えばピッチP=6.3mmとするとよく、また露出量hは、h=1.2mmとすると、衝撃で検知ファイバ12aが破断することなく衝撃を検知することができる。
In the figure, the
この凸状部材19は、半径r=0.5〜10mmの範囲、高さH=0.1〜5mmの範囲、露出量hも、h=0〜3mm範囲で選択できる。またピッチPも、P=1〜20mmの範囲で選択できる。
The
次に、本発明の参考例について説明する。 Next, reference examples of the present invention will be described.
図7は、本発明の参考例である衝撃検知光ファイバセンサ20を用いた衝撃検知光ファイバセンサシステム2を示す構成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram showing an impact detection optical fiber sensor system 2 using an impact detection
図示したように衝撃検知光ファイバセンサ20は、衝撃を検知するためのプラスチック光ファイバ22と、プラスチック光ファイバ22の長手方向に沿って設けられる平板部材27(図9、図10参照)と、平板部材27に設けられた上記プラスチック光ファイバ22に衝撃に応じた変形を与える凸状部材29(図9、図10参照)と、プラスチック光ファイバ22及び平板部材27の周囲を被覆するクッション部材28とを備えて構成される。
As shown in the figure, the impact detection
プラスチック光ファイバ22は、図8に示すように屈折率の高いコア25(例えば、コア径φ1.5mm)と、コア25の周囲に設けられた屈折率の低いクラッド26(例えば、クラッド径φ2.2mm)からなる衝撃検知用の光ファイバである。
As shown in FIG. 8, the plastic
このプラスチック光ファイバ22は、一例として、コア15が、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16が、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た光ファイバで構成される
プラスチック光ファイバ22は、衝撃を検知する測定対象物60に対してU字状に折り返されて配置されると共に、その各直線部のプラスチック光ファイバ22が平板部材27と共にクッション部材28で被覆されてセンサ部20aが構成される。
As an example, the plastic
センサ部20aは、図10(a)に示すように、プラスチック光ファイバ22の長手方向に沿って平板部材27が設けられ、プラスチック光ファイバ22が設けられる片面に凸状部材29が設けられて、プラスチック光ファイバ22と凸状部材29が接するように構成され、プラスチック光ファイバ22と平板部材27とが周囲を被覆されたものである。
As shown in FIG. 10A, the
凸状部材29は、図9に示すように、半円柱体の形状に形成され、所定間隔をおいて平板部材27と一体に形成される。
As shown in FIG. 9, the
この凸状部材29は、衝撃検知光ファイバセンサ10のセンサ部10aに設けられた凸状部材19の形状・寸法及び間隔と同様とするとよい(図5参照)。
The
この平板部材27には、硬質製のプラスチック(ロックウェル硬度(JIS K 7202)Rスケール118、Mスケール80程度のもの)、真鍮(BS)、ステンレス鋼(SUS)等が用いられる。
The
図7に示すように、測定対象物60に配置されたプラスチック光ファイバ22の両端からそれぞれ延出されたプラスチック光ファイバ22i、22oが延出され、その一方のプラスチック光ファイバ22iの端部に発光素子11が接続され、他方のプラスチック光ファイバ22oの端部には受光素子13が接続される。発光素子11及び受光素子13には、それぞれ電気信号線14が接続される。
As shown in FIG. 7, plastic optical fibers 22i and 22o extending from both ends of the plastic
次に本発明の参考例の作用を説明する。 Next, the operation of the reference example of the present invention will be described.
プラスチック光ファイバ22には、発光素子11からの光が常時入力され、プラスチック光ファイバ22の他端の受光素子13で、その光を受光し、その光の光量変化を検出することで、測定対象物60に加わった衝撃を検知できるようになっている。
The light from the light emitting element 11 is always input to the plastic
図10(a)は、衝撃検知光ファイバセンサが衝撃を受けない状態を示す断面図である。 FIG. 10A is a cross-sectional view showing a state in which the impact detection optical fiber sensor does not receive an impact.
衝撃を受けない状態では、プラスチック光ファイバ22は何ら応力を受けないため、コア25、クラッド26何れも歪を殆ど生じない。
In a state where no impact is applied, the plastic
この測定対象物60に加わる衝撃は、図9、図10(b)に示したように、センサ部20aのプラスチック光ファイバ22に加わる押圧力であり、これにより、プラスチック光ファイバ22は、その下部が所定間隔で凸状部材29に接しているため、凸状部材29に接した箇所では、凸状部材29とプラスチック光ファイバ22の断面上端までの距離以上に変形することはなく、また凸状部材29に接していない部分では、平板部材27に押し込まれることになる。これにより、プラスチック光ファイバ22は、各凸状部材29によるマイクロベンド効果で、凸状部材29を起点として屈曲されるため、プラスチック光ファイバ22には、曲げにより歪みが発生して伝送損失が大きくなる。
The impact applied to the
すなわち、衝撃検知光ファイバセンサ20のセンサ部20aが矢印33の方向に衝撃を受けたときに、凸状部材29に接した部分を支点としてプラスチック光ファイバ22に最も効果的に応力が集中し、コア25、クラッド26に発生する歪によりプラスチック光ファイバ22の伝送損失が増加する。この伝送損失の増加によりプラスチック光ファイバ22を通過する光量が減少する。
That is, when the
この伝送損失は、測定対象物60に加わる衝撃の大きさに関係するため、伝送損失の経時的変化を計測することで、衝撃の大きさや測定対象物60の速度等が検知できる。
Since this transmission loss is related to the magnitude of the impact applied to the
図11は、衝撃検知光ファイバセンサ20のプラスチック光ファイバ22の光量(すなわち、受光素子13の受光量)の経時変化を示す図で、図中横軸は、時間を示し、縦軸は受光量yを示し、実線は本発明の参考例であり、破線はプラスチック光ファイバを2枚の板ではさんで衝撃センサを形成した従来例であり、それぞれの線は同じ衝撃を加えたときの経時変化を示す。
FIG. 11 is a diagram showing the change over time of the light amount of the plastic
衝撃が加わらないときは、本発明(実線)も従来例(破線)も受光量yは一定であるが、衝撃が加わると、共に受光量yが減少する。 When no impact is applied, the received light amount y is constant in both the present invention (solid line) and the conventional example (broken line). However, when an impact is applied, the received light amount y decreases.
この場合、衝撃検知光ファイバセンサ20では、衝撃検知光ファイバセンサ10と同様に、凸状部材でプラスチック光ファイバにマイクロベンドを与えるため、従来例に比べて大きな伝送損失を得ることができ、衝撃を検知する感度が高くなりより正確に衝撃を検知することができる。
In this case, in the impact detection
また、図6の場合と同様に、伝送損失(受光量y)の傾きを検出することで、測定対象物60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。
Similarly to the case of FIG. 6, by detecting the inclination of the transmission loss (light reception amount y), it is possible to identify the speed, weight, stiffness, and the like at the time of different impacts applied to the
そこで、図11に示すような光量変化の状態(光損失パターン)を予め記憶させておき、実際に加わった受光量の変化を、予め記憶させた光損失パターンと比較させることで、測定対象物60に加わる衝撃時の速度、重量、堅さなどを簡単に識別することができる。 Therefore, the state of light quantity change (light loss pattern) as shown in FIG. 11 is stored in advance, and the change in the amount of received light actually applied is compared with the light loss pattern stored in advance, so that the measurement object The speed, weight, stiffness, etc. at the time of impact applied to 60 can be easily identified.
センサ部20aは、図に示した構造に限定されるものではない。例えば、図9に示した各センサ部20aでは、平板部材27を1枚使用しているが、これを2枚使用することで、より衝撃検知の効果を高めることもできる。2枚の平板部材27を凸状部材29の在る面を互いに対向させて、これらの平板部材27の間にプラスチック光ファイバ22を挟み込む構造とすると、曲げ歪、圧縮歪がより強くプラスチック光ファイバ22にかかり、センサ部20aの光の伝送損失の変化が顕著になる。
The
これらの参考例の作用は、基本的に衝撃検知光ファイバセンサ10と同様である。 The operation of these reference examples is basically the same as that of the impact detection optical fiber sensor 10.
ここで、衝撃検知光ファイバセンサ10、20は、図1、図7に示した形状に限定されるものでない。図ではセンサ部10a、20aは略直線状に形成されており、センサ部10a、20aの長手方向と直交する向きで検知ファイバ12a、プラスチック光ファイバ22が最も凸状部材19、29により曲げ歪を受け易くなっており、センサ部10a、20aはこの方向からの衝撃を最も感知し易い構造である。
Here, the impact detection
複数のセンサ部10a、20a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ことのできる衝撃検知光ファイバセンサ10、20の構造としてもよい。
For example, by providing a plurality of
また、ラック部材17に凸状部材19を設ける代わりに、ラック部材17の溝底部、溝側壁の表面を波打たせた形状とし、この波打たせたことにより設けられた山状の部分に接するように検知光ファイバ12aを溝に組み込んで、この波打ち形状の山状の部分が凸状部材と同様の効果を得ることでもよい。
Further, instead of providing the
また、平板部材27に凸状部材29を設ける代わりに、平板部材17の表面を波打たせた形状とし、この波打たせたことにより設けられた山状の部分に接するようにプラスチック光ファイバ22を接して組み込んで、この波打ち形状の山状の部分が凸状部材と同様の効果を得ることでもよい。
Further, instead of providing the
本発明では、検知ファイバ12a、プラスチック光ファイバ22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、20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。
In the present invention, since the impact received by the change in the intensity of light passing through the
なお、発光素子11及び受光素子13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プラスチック光ファイバ12i、12o、22i、22oを伸ばし発光素子11及び受光素子13を衝撃検知光ファイバセンサ10、20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。
Since the light emitting element 11 and the
さらに、発光素子11及び受光素子13と、センサ部10a、20aとは異なる場所に設置することができる。このため、発光素子11、受光素子13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。
Furthermore, the light emitting element 11 and the
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。 By using the present invention, it is possible to eliminate the influence of electromagnetic noise and transmission loss, which were problems with conventional electric shock sensors.
また、石英ガラス光ファイバを用いた衝撃センサに比べて、本発明による衝撃検知光ファイバセンサ10、20は曲げ及び圧縮によるプラスチック光ファイバ12,22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。
In addition, compared with an impact sensor using a silica glass optical fiber, the impact detection
衝撃検知光ファイバセンサ10、20は、従来の光ファイバを用いた衝撃センサと比して、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、20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。
The impact detection
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12、22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、20の良好な部材として用いることができる。
衝撃検知光ファイバセンサ10、20は、センサ部10a、20aが複数設けられることにより、測定対象物60の多点、多方向の衝撃を検知することができる。
The impact detection
衝撃検知光ファイバセンサ10、20は、凸状部材を有した構造となっているため、衝撃検知の感度を向上させることができる。
Since the impact detection
また、衝撃検知光ファイバセンサは簡易な構成であり、ワンタッチ組立容易な構造となっており、量産化が可能な低コストの衝撃検知光ファイバセンサシステムを容易に実現することができる。 Further, the impact detection optical fiber sensor has a simple configuration and a structure that allows easy one-touch assembly, and a low-cost impact detection optical fiber sensor system that can be mass-produced can be easily realized.
1 衝撃検知光ファイバセンサシステム
10 衝撃検知光ファイバセンサ
10a センサ部
11 発光素子
12 プラスチック光ファイバ
12a 検知ファイバ
12i、12o プラスチック光ファイバ
13 受光素子
14 電気信号線
17 ラック部材
17a 溝
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