JP5394171B2 - 光ファイバセンサ、分布型圧力センサ及びセンサ信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバを有する光ファイバセンサと、シート体に複数の光ファイバセンサを配置した分布型圧力センサと、分布型圧力センサから出力されたグレーティングでの反射光の波長のシフト量に基づいて光ファイバセンサが配置された箇所での応力を算出するセンサ信号処理装置とに関する。

従来より、光ファイバをセンサとしてシートに複数配置し、物体から前記シートに圧力（応力）が付与されたときの前記光ファイバの歪みを検出することにより、前記光ファイバが配置された箇所の圧力を検出する分布型圧力センサが知られている（特許文献１及び２参照）。

一方、垂直方向及び剪断方向に付与される圧力（垂直応力、剪断応力）を電気信号として検出するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を利用した圧力センサも知られている（特許文献３参照）。

特許第３８７１８７４号公報 特開２００２−７１３２３号公報 特開２００９−６８９８８号公報

特許文献１〜３に開示されている圧力センサを、複雑な組立を行うＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）用工作機械のエンドエフェクタに適用して、該エンドエフェクタでの物体の把持状態を検出すると共に、前記圧力センサが検出した圧力に基づいて前記エンドエフェクタに対するフィードバック制御を行う場合に、下記の課題が惹起されるおそれがある。

特許文献１及び２の分布型圧力センサをエンドエフェクタに適用した場合、シートに付与される圧力（応力）の大きさ及び方向を検出することは可能であるが、該応力を複数の方向の成分に分離して検出することは困難である。これにより、前記エンドエフェクタが把持した物体の状態が分からないため、該物体が前記エンドエフェクタから脱落してしまい、組立が完了したか否かを確認することができない。

また、特許文献３の圧力センサをエンドエフェクタに適用する場合、該圧力センサを構成する基板がＳｉウェーハからなるので、曲面を持つエンドエフェクタへの前記圧力センサの付設が困難である。さらに、過度の応力から前記Ｓｉウェーハを保護すると共に、応力から変換された電気信号を電磁波ノイズや各種サージ（例えば、人体や各種機械の静電気に起因した静電サージ）から電気的に保護するために、該Ｓｉウェーハをモールドする必要がある。さらにまた、応力を複数の方向の成分に分離して検出しようとすると、圧力センサの構造が複雑なものになると共に、前記電気信号に対する信号処理が煩雑になる。

従って、特許文献３の圧力センサは、その構造が複雑且つ大型化して、高価なものとなるので、エンドエフェクタに容易に付設することができない。仮に、前記エンドエフェクタに前記圧力センサを付設すると、該エンドエフェクタが全体的に大型化するおそれがある。

本発明は、前記の問題に鑑みなされたものであり、比較的簡単な構造で、物体から付与される応力を複数の方向（垂直方向、剪断方向）に分離して検出することが可能となる光ファイバセンサ、分布型圧力センサ及びセンサ信号処理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光ファイバセンサは、物体から受ける剪断応力の付与方向と平行で且つ前記物体から受ける垂直応力の付与方向と垂直な平面に沿って特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる応力検出センサ部と、前記垂直応力を前記平面に沿った方向の応力に変換して前記グレーティングに伝達する応力方向変換部とを備え、
前記応力検出センサ部は、第１のグレーティングが配列された第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの長手方向とは異なる方向に延在し且つ第２のグレーティングが配列された第２の光ファイバとを有することを特徴としている。

この構成によれば、前記剪断応力によって前記第１のグレーティングや前記第２のグレーティングに歪みが発生することにより、該各グレーティングで反射する光の波長（反射波長）が変化する。従って、前記各グレーティングでの反射波長のシフト量を検出することにより、前記物体から前記光ファイバセンサに付与された前記剪断応力を、前記第１の光ファイバの長手方向に沿った成分と、前記第２の光ファイバの長手方向に沿った成分とにそれぞれ分離して検出することが可能となる。

また、前記応力方向変換部は、前記物体から前記光ファイバセンサに付与された前記垂直応力を前記平面に沿った方向の応力に変換して前記各グレーティングに伝達する。この場合でも、前記変換後の応力によって前記第１のグレーティングや前記第２のグレーティングに歪みが発生することにより、該各グレーティングでの反射波長が変化する。従って、前記各光ファイバにおける反射波長のシフト量を検出して、前記変換後の応力を、前記第１の光ファイバの長手方向に沿った成分と、前記第２の光ファイバの長手方向に沿った成分とにそれぞれ分離して検出することにより、前記変換後の応力に基づく前記垂直応力（前記平面に垂直な方向に沿った応力の成分）を検出することが可能となる。

従って、本発明に係る光ファイバセンサによれば、比較的簡単な構造で、物体から付与される応力（垂直応力、剪断応力）を複数の方向（垂直方向、剪断方向）に分離して検出することが可能となる。

また、前記光ファイバセンサをマニピュレータ等のエンドエフェクタに搭載し、該エンドエフェクタが物体を把持する場合に、前記光ファイバセンサは、前記物体から前記エンドエフェクタに加えられる外力（垂直応力、剪断応力）を、複数の方向の成分に分離して検出するので、前記エンドエフェクタの空間座標内において前記外力がどのように作用しているのかを容易に把握することができる。

前記エンドエフェクタが前記物体を把持している最中に、該物体が滑り落ちることを確実に回避することが可能になる。また、前記光ファイバセンサを前記エンドエフェクタに付設することにより、従来は困難であった、組立作業のような、組立部品と被組立部品との間に外力が働くような工程での自動化に効果的である。

また、光ファイバを利用して応力を検出するので、前記光ファイバセンサが電磁波ノイズや各種サージ等に曝されても何ら影響を受けることがない。そのため、工場や屋外等の劣悪な環境下で使用しても、上記の各ノイズの影響を回避することが可能である。

ここで、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバは、前記垂直応力の付与方向に沿った互いに異なる高さにおいて、平面視で、前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとが直交するようにそれぞれ配置されていることが好ましい。

これにより、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバのうち、一方の光ファイバの長手方向をｘ方向とし、他方の光ファイバの長手方向をｙ方向とし、前記垂直応力の付与方向（前記平面に垂直な方向）をｚ方向とすれば、前記光ファイバセンサが配置された箇所での応力をｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の各成分に分離して検出することが可能となる。

また、前記応力方向変換部は、前記平面に沿った方向に延在する平坦部と、前記平坦部から前記第１の光ファイバに橋架された第１の応力伝達部と、前記平坦部から前記第２の光ファイバに橋架された第２の応力伝達部とを有する。

これにより、前記垂直応力を効率よく前記平面に沿った方向の応力に変換して前記各グレーティングに伝達することが可能となる。

この場合、前記応力方向変換部が弾性体であれば、前記物体から前記光ファイバセンサに前記垂直応力が付与されたときに、前記弾性体の作用によって、前記各グレーティングの格子間隔を、前記光ファイバの長手方向に沿って、前記変換後の応力に応じた長さだけ容易に変化させることができるので、前記変換後の応力を精度よく検出することが可能となる。

なお、前記弾性体としては、ゴム又は樹脂系の材料であることが好ましい。

本発明に係る分布型圧力センサは、
可撓性を有するシート体と、
前記シート体に接触した物体から受ける剪断応力の付与方向と平行で且つ前記物体から受ける垂直応力の付与方向と垂直な前記シート体の表面に沿って特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる応力検出センサ部と、前記垂直応力を前記シート体の表面に沿った方向の応力に変換して前記グレーティングに伝達する応力方向変換部とを備える光ファイバセンサと、
を有し、
前記シート体に前記光ファイバセンサが複数配置され、
前記応力検出センサ部は、第１のグレーティングが配列された第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの長手方向とは異なる方向に延在し且つ前記第２のグレーティングが配列された第２の光ファイバとを有することを特徴としている。

この構成によれば、前記光ファイバセンサを前記シート体に複数配置することにより、前記各光ファイバセンサが配置された箇所に付与された前記各剪断応力を、前記第１の光ファイバの長手方向に沿った成分と、前記第２の光ファイバの長手方向に沿った成分とに、それぞれ分離して検出することができる。

また、前記各光ファイバセンサが配置された箇所に付与された前記各垂直応力についても、前記変換後の各応力を、前記第１の光ファイバの長手方向に沿った成分と、前記第２の光ファイバの長手方向に沿った成分とに、それぞれ分離して検出することにより、前記変換後の各応力に応じた前記各垂直応力（前記シート体に垂直な方向に沿った応力の成分）を検出することが可能となる。

従って、本発明に係る分布型圧力センサによれば、比較的簡単な構造で、物体から各光ファイバセンサが配置された箇所に付与された各応力（垂直応力、剪断応力）を複数の方向（垂直方向、剪断方向）にそれぞれ分離して検出することが可能となる。

また、前記分布型圧力センサをマニピュレータ等のエンドエフェクタに搭載すれば、前記物体から前記エンドエフェクタに加えられる外力（垂直応力、剪断応力）が該エンドエフェクタの空間座標内においてどのように作用しているのかを容易に把握することができ、前記エンドエフェクタが前記物体を把持している最中に、該物体が滑り落ちることを確実に回避することが可能になる。また、前記分布型圧力センサを前記エンドエフェクタに付設することにより、従来は困難であった、組立作業のような、組立部品と被組立部品との間に外力が働くような工程での自動化に効果的である。

さらに、前記分布型圧力センサは、前記光ファイバセンサを搭載しているので、電磁波ノイズや各種サージ等に曝されても何ら影響を受けることがなく、従って、工場や屋外等の劣悪な環境下で使用しても、上記の各ノイズの影響を回避することが可能である。

ここで、前記各光ファイバセンサの第１の光ファイバ及び第２の光ファイバは、格子間隔の互いに異なる複数のグレーティングが形成された１本の光ファイバケーブルを前記シート体に配置することによりそれぞれ構成されることが好ましい。

前記１本の光ファイバケーブルを用いることにより前記シート体に全てのグレーティングが配置されるので、前記各グレーティングに光を供給する光源の個数が１つになり、装置全体のコストを低廉なものとすることができる。また、前記格子間隔が互いに異なるので、反射波長が互いに異なるものとなり、この結果、前記反射波長の誤検出を確実に防止することが可能となる。

本発明に係るセンサ信号処理装置は、
物体から受ける剪断応力の付与方向と平行で且つ前記物体から受ける垂直応力の付与方向と垂直な平面に沿って特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる応力検出センサ部と、前記垂直応力を前記平面に沿った方向の応力に変換して前記グレーティングに伝達する応力方向変換部とを備える光ファイバセンサと、
前記物体から前記光ファイバセンサへの前記剪断応力及び／又は前記垂直応力の付与により前記グレーティングに発生した歪みに起因する反射光の波長の変化に基づいて、前記剪断応力及び／又は前記垂直応力を算出する信号処理部と、
を有し、
前記応力検出センサ部は、第１のグレーティングが配列された第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの長手方向とは異なる方向に延在し且つ前記第２のグレーティングが配列された第２の光ファイバとを有し、
前記信号処理部は、前記第１のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量と、前記第２のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量とが略一致する場合に、前記物体から前記光ファイバセンサへの前記剪断応力の付与がないものと判定し、前記各シフト量に基づいて前記垂直応力を算出することを特徴としている。

この構成によれば、前記光ファイバセンサにより応力を検出するので、前記光ファイバセンサが配置された箇所に付与された応力を、前記第１の光ファイバの長手方向に沿った成分及び前記第２の光ファイバの長手方向に沿った成分（剪断応力）と、前記平面に垂直な方向に沿った成分（垂直応力）とにそれぞれ分離して検出することが可能となる。

また、前記信号処理部は、前記第１のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量と、前記第２のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量とが略一致する場合に、前記物体から前記光ファイバセンサへの前記剪断応力の付与がないと判定するので、前記物体から前記光ファイバセンサに現在付与されている応力が前記剪断応力及び／又は前記垂直応力であるか否かを容易に判定することができると共に、現在付与されている応力の誤検出を回避することができる。

従って、本発明に係るセンサ信号出力装置によれば、比較的簡単な構造で、光ファイバセンサが配置された箇所に付与された応力（垂直応力、剪断応力）を複数の方向（垂直方向、剪断方向）にそれぞれ分離して検出することが可能になると共に、物体から光ファイバセンサに現在付与されている応力が剪断応力及び／又は垂直応力であるか否かを容易に判定することができる。

ここで、前記センサ信号処理装置は、
前記物体が接触し且つ可撓性を有するシート体の表面に沿って前記光ファイバセンサが複数配置された分布型圧力センサをさらに有し、
前記信号処理部は、前記各光ファイバについて、前記第１のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量と前記第２のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量とが略一致した場合に、前記物体から前記各光ファイバセンサへの前記剪断応力の付与がないものと判定し、前記各シフト量に基づいて前記各光ファイバが配置された箇所の前記垂直応力をそれぞれ算出する。

これにより、前記各光ファイバセンサが配置された箇所に付与された各応力が剪断応力及び／又は垂直応力であるか否かを、前記各光ファイバセンサ毎に判定することができる。

この場合、前記各第１の光ファイバは、互いに同じ方向に配列されると共に、前記各第２の光ファイバは、互いに同じ方向に配列され、
前記信号処理部は、
前記各光ファイバについて、前記第１のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量と前記第２のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量とが一致しない場合に、前記物体から前記各光ファイバセンサに前記剪断応力及び前記垂直応力がそれぞれ付与されていると判定し、
隣接する２つの光ファイバセンサの第１のグレーティング間での反射光の波長の間隔と第２のグレーティング間での反射光の波長の間隔とに基づいて、前記２つの光ファイバセンサに付与される剪断応力を算出し、
前記第１のグレーティング間での反射光の波長の間隔と前記第１のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量、又は、前記第２のグレーティング間での反射光の波長の間隔と前記第２のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量に基づいて、前記光ファイバセンサに付与される垂直応力を算出する。

これにより、前記２つの光ファイバセンサの間に付与された応力を、複数の方向の成分（垂直応力、剪断応力）にそれぞれ分離して検出（算出）することが可能になる。

本発明によれば、比較的簡単な構造で、物体から光ファイバセンサに付与される応力を複数の方向（垂直方向、剪断方向）に分離して検出することが可能となる。

図１Ａは、ＦＢＧセンサの概略説明図であり、図１Ｂは、ＦＢＧセンサに入射される光の波長と強度との関係を示す説明図であり、図１Ｃは、グレーティングによって反射される光の波長と強度との関係を示す説明図であり、図１Ｄは、グレーティングが伸張されたＦＢＧセンサの概略説明図である。 本実施形態に係るＦＢＧセンサをシート体に複数配置した分布型圧力センサの斜視図である。 図２のＦＢＧセンサの拡大斜視図である。 図３のＦＢＧセンサの概略説明図である。 図２及び図３のＦＢＧセンサによる垂直応力の検出原理の説明図である。 グレーティングによって反射される光の波長と強度との関係を示す説明図である。 図２の複数のＦＢＧセンサの拡大平面図である。 図２の２つのＦＢＧセンサ間での垂直応力及び剪断応力の検出原理の説明図である。 図２の２つのＦＢＧセンサ間での垂直応力及び剪断応力の検出原理の説明図である。 図８及び図９のＦＢＧセンサのグレーティングによって反射される光の波長と強度との関係を示す説明図である。 図２の分布型圧力センサが適用されるロボットシステムの構成図である。 図１１のロボットシステムのブロック図である。 図１２の演算処理部での処理を説明するためのフローチャートである。

本発明に係る光ファイバセンサ、該光ファイバセンサを有する分布型圧力センサ、及び、該分布型圧力センサを有するセンサ信号処理装置の好適な実施形態について、図１〜図１３を参照しながら説明する。

本実施形態の説明に先立ち、光ファイバセンサとしてのＦＢＧセンサ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ）を利用した応力検出の概要について、図１Ａ〜図１Ｄを参照しながら説明する。

ＦＢＧセンサは、光ファイバ１０におけるＧｅが添加されたコア１２の一部に、紫外線を照射してグレーティング１４を形成することにより構成される。図１Ａにおいて、グレーティング１４の周期（格子間隔）をΔ_Aとする。

光ファイバ１０に応力が付与されていない状態で、図１Ｂに示す波長及び強度の光がコア１２に入射された場合、グレーティング１４は、図１Ｂの波長λのうち、特定波長λ_Aの光（反射光）を反射する（図１Ｃ参照）。

一方、光ファイバ１０に応力が付与されて、図１Ｄに示すように、格子間隔がΔ_AからΔ_B（Δ_A＜Δ_B）に変化すると、反射光の波長（反射波長）はλ_Aからλ_Bにシフトする（図１Ｃ参照）。

ここで、応力が付与される前の反射波長λ_A、及び、応力が付与されたときの反射波長λ_Bは、コア１２の有効屈折率をｎ_effとすると、下記の（１）式及び（２）式で表わされる。
λ_A＝２×ｎ_eff×Δ_A （１）
λ_B＝２×ｎ_eff×Δ_B （２）

このように、反射波長λ_A、λ_Bは格子間隔Δ_A、Δ_Bによって決定される。また、応力付与前の初期の格子間隔Δ_Aは、用途やシステムに応じて任意に設定される。

従って、ＦＢＧセンサを利用することで、λ_Aからλ_Bへの反射波長のシフト量（λ_B−λ_A）に基づいて、光ファイバ１０に付与された応力を検出し、あるいは、応力の有無を判断することができる。

次に、本実施形態に係る分布型圧力センサ１６と、該分布型圧力センサ１６に組み込まれたＦＢＧセンサ２２とについて、図２〜図１０を参照しながら説明する。

分布型圧力センサ１６は、図２に示すように、可撓性を有するシート体１８の内部に、１本の光ファイバケーブル２０がシート体１８の表面方向（ｘ−ｙ方向）に沿って埋設され、この光ファイバケーブル２０に沿って複数のＦＢＧセンサ２２がマトリックス状に配置（配列）されてアドレス化することにより構成される。

すなわち、光ファイバケーブル２０は、ｙ方向に向かって蛇行することにより長手方向がｘ方向とされた光ファイバ（第１の光ファイバ）２０ｘと、ｘ方向に向かって蛇行することにより長手方向がｙ方向とされた光ファイバ（第２の光ファイバ）２０ｙとから構成されている。この場合、光ファイバ２０ｘと光ファイバ２０ｙとは、互いに異なる高さにおいて蛇行しているが（図２〜図４参照）、一方において、平面視で、光ファイバ２０ｘと光ファイバ２０ｙとが直交する箇所にＦＢＧセンサ２２が設けられている（図７参照）。従って、光ファイバケーブル２０とＦＢＧセンサ２２とを、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する材料でモールドすることによりシート体１８が形成される。

なお、図２は、３×３のマトリックス状に９個のＦＢＧセンサ２２が配置されてアドレス化された場合を図示しているが、シート体１８に埋設されるＦＢＧセンサ２２の個数は、９個に限定されることはなく、増やしてもよいし、あるいは、少なくしてもよい。いずれにしても、本実施形態では、シート体１８の内部において、シート体１８の表面方向（ｘ−ｙ方向）に沿ってマトリックス状に各ＦＢＧセンサ２２が並行に配置されていればよい。

また、図２〜図４では、光ファイバ２０ｘの下方に光ファイバ２０ｙが配置される場合を図示しているが、光ファイバ２０ｘの上方に光ファイバ２０ｙが配置してもよいことは勿論である。

図２〜図４及び図７に示すように、光ファイバ２０ｘと光ファイバ２０ｙとが直交する箇所では、光ファイバケーブル２０のｘ方向のコア２４ｘにグレーティング（第１のグレーティング）２６ｘが形成され、一方で、ｙ方向のコア２４ｙにグレーティング（第２のグレーティング）２６ｙが形成されている。この場合、全てのグレーティング２６ｘ、２６ｙは、互いに異なる格子間隔と反射波長とを有する。

すなわち、１本の光ファイバケーブル２０のコア２４ｘ、２４ｙには、互いに異なる格子間隔と反射波長とを有する複数のグレーティング２６ｘ、２６ｙが形成されており、本実施形態では、ＦＢＧセンサ２２が配置される箇所において、１つのグレーティング２６ｘと１つのグレーティング２６ｙとが平面視で交差するように、シート体１８の内部に光ファイバケーブル２０が埋設されている。

ここで、本実施形態に係るＦＢＧセンサ２２について、図２〜図４を参照しながら詳細に説明する。

ＦＢＧセンサ２２は、グレーティング２６ｘが形成された光ファイバ２０ｘと、グレーティング２６ｙが形成された光ファイバ２０ｙとからなる応力検出センサ部２７と、ｚ方向に付与される応力（垂直応力）をｘ方向及びｙ方向に沿った方向の応力（成分）に変換して光ファイバ２０ｘ、２０ｙに伝達する応力方向変換部２９とを備えている。

この場合、応力方向変換部２９は、ゴムや樹脂等の弾性体からなり、ｘ−ｙ方向に沿って平行に延在する矩形状の平坦部２８と、該平坦部２８の対向する二辺からグレーティング２６ｘの各端部に橋架された応力伝達部３０ｘと、平坦部２８の対向する他の二辺からグレーティング２６ｙの各端部に橋架された応力伝達部３０ｙとを有する。

互いに対向するように形成された２つの応力伝達部３０ｘは、平坦部２８に連なると共に光ファイバ２０ｘに向かって傾斜した傾斜部３２ｘと、該傾斜部３２ｘに連なると共に光ファイバ２０ｘの外周面の一部を囲繞する接合部３４ｘとをそれぞれ有する。この場合、図４及び図５に示すように、各傾斜部３２ｘと各接合部３４ｘとのなす角度は互いに等しく設定されている。

一方、互いに対向するように形成された２つの応力伝達部３０ｙも、応力伝達部３０ｘと同様に、平坦部２８に連なると共に光ファイバ２０ｙに向かって傾斜した傾斜部３２ｙと、該傾斜部３２ｙに連なると共に光ファイバ２０ｙの外周面の一部を囲繞する接合部３４ｙとをそれぞれ有し、各傾斜部３２ｙと各接合部３４ｙとのなす角度は互いに等しく設定されている。

なお、前述したように、シート体１８の内部において、光ファイバ２０ｙは、光ファイバ２０ｘよりも低い位置に埋設されているので（図２〜図４参照）、接合部３４ｙの上面は、接合部３４ｘの上面よりも低い位置に設定されている。

次に、ＦＢＧセンサ２２上方のシート体１８の表面に物体４０が接触して、該物体４０からグレーティング２６ｘ、２６ｙに垂直応力（ｚ方向に沿った応力）が付与されたときの該垂直応力の検出と、前記垂直応力のみ付与され、剪断応力（ｘ−ｙ方向に沿った応力）が付与されていないことを判定するための方法とについて、図５〜図７を参照しながら説明する。

物体４０からシート体１８にｚ方向に沿った垂直応力Ｆが付与されたときに、応力伝達部３０ｘのｚ方向に沿った応力Ｆ´が付与される。

ここで、１つのＦＢＧセンサ２２には、４つの応力伝達部３０ｘ、３０ｙが存在するので、１つの応力伝達部３０ｘ、３０ｙに付与される応力Ｆ´は、理想的に、下記の（３）式で表わされる。
Ｆ´＝Ｆ／４ （３）

応力Ｆ´の傾斜部３２ｘに沿った方向の成分（力）Ｆ´´は、ｚ方向（応力Ｆ´）と傾斜部３２ｘとの成す角度をφとすると、下記の（４）式で表わされる。
Ｆ´´＝Ｆ´ｃｏｓφ＝（Ｆ／４）×ｃｏｓφ （４）

また、力Ｆ´´と光ファイバ２０ｘの長手方向（ｘ方向）との成す角度は、（９０°−φ）であるので、光ファイバ２０ｘ及び接合部３４ｘに付与される力Ｆ´´´は、下記の（５）式で表わされる。
Ｆ´´´＝Ｆ´´ｃｏｓ（９０°−φ）＝Ｆ´´ｓｉｎφ
＝（Ｆ／４）×ｃｏｓφ×ｓｉｎφ （５）

この力Ｆ´´´が光ファイバ２０ｘに付与されることで、グレーティング２６ｘがｘ方向に歪んで（伸張して）、該グレーティング２６ｘの格子間隔が変化（増加）する。

ここで、力Ｆ´´´の付与によりｘ方向に沿って発生するグレーティング２６ｘの歪みεは、該グレーティング２６ｘにおける図５の左側の歪みε´と、図５の右側の歪みε´´とを足した値となる（ε＝ε´＋ε´´）。

図５において、ＦＢＧセンサ２２が左右対称の構造であるため、グレーティング２６ｘの左右両側には同じ力Ｆ´´´が作用するので、ε´＝ε´´となる。

また、光ファイバ２０ｘのコア２４ｘのヤング率をＥとすれば、歪みε、ε´、ε´´は、それぞれ、下記の（６）式〜（８）式で表わすことができる。
ε´＝（１／Ｅ）×Ｆ´´´＝｛１／（４×Ｅ）｝×Ｆｃｏｓφ×ｓｉｎφ
（６）
ε´´＝ε´＝（１／Ｅ）×Ｆ´´´
＝｛１／（４×Ｅ）｝×Ｆｃｏｓφ×ｓｉｎφ （７）
ε＝ε´＋ε´´＝｛１／（２×Ｅ）｝×Ｆｃｏｓφ×ｓｉｎφ （８）

さらに、グレーティング２６ｘの格子数を仮にＮとしたときに、垂直応力Ｆの付与によるグレーティング２６ｘの格子間隔の増加分Δは、下記の（９）式で表わされる。
Δ＝ε／（Ｎ−１）
＝（Ｆ×ｃｏｓφ×ｓｉｎφ）／｛２×Ｅ×（Ｎ−１）｝ （９）

一方、垂直応力Ｆが付与される前のグレーティング２６ｘの格子間隔をΔ_0axとすれば、Ｆの付与前における反射波長λ_ax0（図６参照）は、（１）式に基づき、下記の（１０）式で表わされる。なお、添字のａは、当該記号が図７に示すＦＢＧセンサ２２Ａに関する記号であることを表わしている。
λ_ax0＝２×ｎ_eff×Δ_0ax （１０）

また、垂直応力Ｆの付与後のグレーティング２６ｘにおける反射波長λ_axは、（９）式の増加分Δを考慮すれば、下記の（１１）式で表わされる。
λ_ax＝２×ｎ_eff×（Δ＋Δ_0ax）
＝２×ｎ_eff×［（Ｆ×ｃｏｓφ×ｓｉｎφ）／
｛２×Ｅ×（Ｎ−１）｝＋Δ_0ax］ （１１）

従って、垂直応力Ｆの付与の前後における、グレーティング２６ｘでの反射波長のピークの変化分Δλ_axは、下記の（１２）式で表わされる。
Δλ_ax＝λ_ax−λ_ax0
＝２×ｎ_eff×［（Ｆ×ｃｏｓφ×ｓｉｎφ）／
｛２×Ｅ×（Ｎ−１）｝＋Δ_0ax］−２×ｎ_eff×Δ_0ax
＝ｎ_eff×［（Ｆ×ｃｏｓφ×ｓｉｎφ）／｛Ｅ×（Ｎ−１）｝］
（１２）

（１２）式と同様にして、ｙ方向のグレーティング２６ｙでの反射波長のピークの変化分Δλ_ay（図６参照）は、下記の（１３）式で表わされる。なお、（１３）式中、添字のｙは、当該記号がｙ方向に関わる記号（グレーティング２６ｙに関わる記号）であることを表わしている。
Δλ_ay＝λ_ay−λ_ay0
＝２×ｎ_eff×［（Ｆ×ｃｏｓφ×ｓｉｎφ）／
｛２×Ｅ×（Ｎ−１）｝＋Δ_0ay ］−２×ｎ_eff×Δ_0ay
＝ｎ_eff×［（Ｆ×ｃｏｓφ×ｓｉｎφ）／｛Ｅ×（Ｎ−１）｝］
（１３）

従って、シート体１８の表面に沿った剪断方向の応力（ｘ方向及びｙ方向に沿って付与される剪断応力）が発生せず、垂直応力Ｆのみが付与された場合には、１つのＦＢＧセンサ２２において、グレーティング２６ｘの反射波長のピークの変化分Δλ_axと、グレーティング２６ｙの反射波長のピークの変化分Δλ_ayとは、上記の（１２）式及び（１３）式より、次の（１４）式に示すように、互いに等しくなる。
Δλ_ax＝Δλ_ay （１４）

さらに、図６及び図７に示すように、例えば、隣り合う４つのＦＢＧセンサ２２Ａ〜２２Ｄにおいて、剪断応力が発生せず、且つ、垂直応力Ｆのみが付与されると、他のＦＢＧセンサ２２Ｂ〜２２Ｄについても、（１４）式と同様に、下記の（１５）式〜（１７）式の関係が成り立つ。なお、ｂ〜ｄの添字は、当該記号がＦＢＧセンサ２２Ｂ〜２２Ｄに関わる記号であることを表わしている。
Δλ_bx＝Δλ_by （１５）
Δλ_cx＝Δλ_cy （１６）
Δλ_dx＝Δλ_dy （１７）

従って、（１４）式〜（１７）式が成立すれば、反射波長のシフト量（変化分）Δλ_ax、Δλ_ay、Δλ_bx、Δλ_by、Δλ_cx、Δλ_cy、Δλ_dx、Δλ_dyに基づいて、ＦＢＧセンサ２２Ａ〜２２Ｄに付与された垂直応力を検出（算出）することが可能となる。

具体的に、剪断応力が付与されない場合に、各ＦＢＧセンサ２２Ａ〜２２Ｄのグレーティング２６ｘ、２６ｙの歪みの比例定数をそれぞれＫ、Ｌ、Ｍ、Ｎとすれば、各ＦＢＧセンサ２２Ａ〜２２Ｄに付与される垂直応力Ｆ_A、Ｆ_B、Ｆ_C、Ｆ_Dは、下記の（１８）式〜（２１）式で表わされる。
Ｆ_A＝Ｋ×Δλ_ax＝Ｋ×Δλ_ay （１８）
Ｆ_B＝Ｌ×Δλ_bx＝Ｌ×Δλ_by （１９）
Ｆ_C＝Ｍ×Δλ_cx＝Ｍ×Δλ_cy （２０）
Ｆ_D＝Ｎ×Δλ_dx＝Ｎ×Δλ_dy （２１）

次に、１つのＦＢＧセンサ２２上方のシート体１８の表面に物体５０が接触して、該物体５０からグレーティング２６ｘ、２６ｙに剪断応力（ｘ方向及びｙ方向に沿った応力）のみが付与されたときの検出原理について、図７〜図１０を参照しながら説明する。すなわち、各グレーティング２６ｘ、２６ｙに剪断応力が付与される一方で、垂直応力が付与されない場合について説明する。

先ず、４つのＦＢＧセンサ２２Ａ〜２２Ｄについて、（１４）式〜（１７）式が成立しなければ、ｘ−ｙ平面上（シート体１８の表面方向）に剪断応力が発生したと判別することができる。この場合、剪断応力の検出は、隣接する２つのＦＢＧセンサを用いて行う。すなわち、剪断応力を検出するために必要な最小限の空間分解能は、２つのＦＢＧセンサ分の面積となる。

ここで、図８及び図９に示すように、物体５０がＦＢＧセンサ２２Ａの右側とＦＢＧセンサ２２Ｃの左側とを跨ぐようにしてシート体１８の表面に接触している場合、該物体５０は、ｘ方向に沿った剪断応力をＦＢＧセンサ２２Ａの右側の応力伝達部３０ｘと、ＦＢＧセンサ２２Ｃの左側の応力伝達部３０ｘとに対して付与することになる。なお、図９では、ｘ方向に向かう剪断応力（＋ｘ方向への剪断応力）を付与した場合を図示している。

この場合、ＦＢＧセンサ２２Ａの右側の応力伝達部３０ｘに付与される剪断応力は、該ＦＢＧセンサ２２Ａのグレーティング２６ｘの格子間隔をｘ方向に伸張させる力として作用する。一方、ＦＢＧセンサ２２Ｃの左側の応力伝達部３０ｘに付与される剪断応力は、該ＦＢＧセンサ２２Ｃのグレーティング２６ｘの格子間隔をｘ方向に縮める力として作用する。

なお、図９には、剪断応力の付与前の応力伝達部３０ｘの位置（一点鎖線）と、剪断応力の付与後の応力伝達部３０ｘの位置（実線）とを併せて図示すると共に、剪断応力の付与後の各グレーティング２６ｘの格子間隔を模式的に図示している。

ここで、剪断応力が付与される前のＦＢＧセンサ２２Ａのグレーティング２６ｘの反射波長λ_ax0は、前述したように（１０）式で表わされ、一方で、ＦＢＧセンサ２２Ｃのグレーティング２６ｘの反射波長λ_cx0は、（１０）式と同様にして、下記の（２２）式で表わされる。
λ_cx0＝２×ｎ_eff×Δ_0cx （２２）

従って、図１０に示すように、λ_ax0とλ_cx0との間隔Δλ_0acxは、一意的に（２３）式で表わされる。
Δλ_0acx＝λ_cx0−λ_ax0＝２×ｎ_eff×（Δ_0cx−Δ_0ax） （２３）

そして、図９に示す剪断応力がｘ方向に付与された後のＦＢＧセンサ２２Ａのグレーティング２６ｘの反射波長λ_axは、前述の（１１）式と同様に表わされ、一方で、剪断応力の付与後のＦＢＧセンサ２２Ｃのグレーティング２６ｘの反射波長λ_cxは、（１１）式と同様にして、下記の（２４）式で表わされる。
λ_cx＝２×ｎ_eff×（−Δ＋Δ_0cx）
＝２×ｎ_eff×［−（Ｆｃｏｓφ×ｓｉｎφ）／
｛２×Ｅ×（Ｎ−１）｝＋Δ_0cx］ （２４）

なお、（２４）式中、Δに付けられたマイナスの符号は、剪断応力の付与によってＦＢＧセンサ２２Ｃのグレーティング２６ｘの格子間隔が縮むことを意味している。

このように、剪断応力の付与後の反射波長は、付与される剪断応力に対して線形に変化する。従って、図１０に示すλ_axとλ_cxとの間隔Δλ_acxも剪断応力に対して線形に変化し、下記の（２５）式のように表わされる。
Δλ_acx＝λ_cx−λ_ax
＝２×ｎ_eff×｛（−Δ＋Δ_0cx）−（Δ＋Δ_0ax）｝（２５）

（２５）式より、ＦＢＧセンサ２２Ａ、２２Ｃに付与される剪断応力の値Ｆ_acxは、該剪断応力の付与前後における反射波長の間隔Δλ_0acx、Δλ_acxの差分に比例する。また、その差分の符号は、剪断応力の方向を示す。

ここで、剪断応力によるｘ方向での歪みの比例定数をＯとすると、ＦＢＧセンサ２２Ａ、２２Ｃにおいて検出されるｘ方向の剪断応力Ｆ_acxは、下記の（２６）式で表わされる。
Ｆ_acx＝Ｏ（Δλ_0acx−Δλ_acx） （２６）

但し、（２６）式において、＋ｘ方向（ＦＢＧセンサ２２ＡからＦＢＧセンサ２２Ｃに向かう方向）に剪断応力が付与される場合には、Ｆ_acx＞０であり、一方で、−ｘ方向（ＦＢＧセンサ２２ＣからＦＢＧセンサ２２Ａに向かう方向）に剪断応力が付与される場合には、Ｆ_acx＜０となる。

上記の説明では、２つのＦＢＧセンサ２２Ａ、２２Ｃ間での剪断応力の検出について説明したが、ＦＢＧセンサ２２Ｂ、２２Ｄ間でのｘ方向の剪断応力、ＦＢＧセンサ２２Ａ、２２Ｂ間でのｙ方向の剪断応力、及び、ＦＢＧセンサ２２Ｃ、２２Ｄ間でのｙ方向の剪断応力も、同様にして検出することができる。

すなわち、ＦＢＧセンサ２２Ｂ、２２Ｄ間での剪断応力によるｘ方向の歪みの比例乗数をＰとし、ＦＢＧセンサ２２Ａ、２２Ｂ間での剪断応力によるｙ方向の歪みの比例乗数をＱとし、ＦＢＧセンサ２２Ｃ、２２Ｄ間での剪断応力によるｙ方向の歪みの比例乗数をＲとした場合、ＦＢＧセンサ２２Ｂ、２２Ｄにおいて検出されるｘ方向の剪断応力Ｆ_bdx、ＦＢＧセンサ２２Ａ、２２Ｂにおいて検出されるｙ方向の剪断応力Ｆ_aby、及び、ＦＢＧセンサ２２Ｃ、２２Ｄにおいて検出されるｙ方向の剪断応力Ｆ_cdyは、（２６）式と同様にして、それぞれ、（２７）式〜（２９）式で表わされる。
Ｆ_bdx＝Ｐ（Δλ_0bdx−Δλ_bdx） （２７）
Ｆ_aby＝Ｑ（Δλ_0aby−Δλ_aby） （２８）
Ｆ_cdy＝Ｒ（Δλ_0cdy−Δλ_cdy） （２９）

なお、（２７）式〜（２９）式において、添字ｂｄ、ａｂ、ｃｄは、当該記号が各ＦＢＧセンサに関わる記号であることを表わし、添字ｘ、ｙは、当該記号がｘ方向、ｙ方向に関わる記号であることを表わしている。また、（２７）式〜（２９）式でも、＋ｘ方向又は＋ｙ方向に剪断応力が付与される場合に、剪断応力の大きさは正の値となり、一方で、−ｘ方向又は−ｙ方向に剪断応力が付与される場合に、剪断応力の大きさは負の値となる。

次に、剪断応力と垂直応力との双方が付与される場合での垂直応力の検出について説明する。ここでは、ｘ方向に付加される剪断応力からＦＢＧセンサ２２Ａに付加される垂直応力を検出する方法について説明する。

図１０において、破線が応力（剪断応力及び垂直応力）付与前の反射波長を示し、実線が剪断応力付与後の反射波長を示している場合に、垂直応力も併せて付与されると、反射波長は、実線の特性から一点鎖線の特性にシフトする。

すなわち、ＦＢＧセンサ２２Ａ、２２Ｃに応力が付与されているときに、２つの一点鎖線の特性は、ＦＢＧセンサ２２Ａにおける垂直応力の寄与分を考慮した場合の反射波長（左側の一点鎖線）と、ＦＢＧセンサ２２Ｃにおける垂直応力の寄与分を考慮した場合の反射波長（右側の一点鎖線）とをそれぞれ図示している。

ここで、剪断応力及び垂直応力の双方が付与されている場合に、付与されている全応力のうち、剪断応力の寄与分は、ＦＢＧセンサ２２Ａについては、（２６）式を用いて、下記の（３０）式で表わすことができる。
Δλ_0acx−Δλ_acx （３０）

また、ＦＢＧセンサ２２Ａのグレーティング２６ｘが伸張した長さ（伸び分）と、ＦＢＧセンサ２２Ｃのグレーティング２６ｘが縮んだ長さ（縮み分）とは略等しいので、各ＦＢＧセンサ２２Ａ、２２Ｃについて、剪断応力の寄与分は、（３０）式を用いると、下記の（３１）式で表わすことができる。
（Δλ_0acx−Δλ_acx）／２ （３１）

一方、ＦＢＧセンサ２２Ａのグレーティング２６ｘにおいて、応力の付与前後の反射波長の差分は、図１０のΔλ_axとして求めることができる。

そして、この差分Δλ_axから（３１）式に示す剪断応力への寄与分を差し引いた値は、ＦＢＧセンサ２２Ａに付与される垂直応力の反射波長への寄与分になる。

この寄与分は、応力に対して線形に変化する値となるので、ＦＢＧセンサ２２Ａに付与される垂直応力Ｆ_azは、該垂直応力Ｆ_azによるｚ方向の歪みの比例定数をＳとすれば、下記の（３２）式で表わすことができる。
Ｆ_az＝Ｓ［Δλ_ax−（Δλ_0acx−Δλ_acx）／２］ （３２）

一方、ＦＢＧセンサ２２Ａとは対照的に、ＦＢＧセンサ２２Ｃでは、Δλ_cxに剪断応力の寄与分を付加した値が垂直成分の反射波長への寄与分になる。

従って、ＦＢＧセンサ２２Ｃに付与される垂直応力Ｆ_czは、該垂直応力Ｆ_czによるｚ方向の歪みの比例定数をＵとすれば、下記の（３３）式で表わすことができる。
Ｆ_cz＝Ｕ［Δλ_cx＋（Δλ_0acx−Δλ_acx）／２］ （３３）

ＦＢＧセンサ２２Ｂ、２２Ｄに付加される垂直応力Ｆ_bz、Ｆ_dzについても、ＦＢＧセンサ２２Ｂ、２２Ｄにｘ方向に付与される剪断応力から求めることが可能である。

具体的に、垂直応力Ｆ_bz、Ｆ_dzは、該垂直応力Ｆ_bz、Ｆ_dzによるｚ方向の歪みの比例定数をＴ、Ｖとすれば、下記の（３４）式及び（３５）式で表わすことができる。
Ｆ_bz＝Ｔ［Δλ_bx−（Δλ_0bdx−Δλ_bdx）／２］ （３４）
Ｆ_dz＝Ｖ［Δλ_dx＋（Δλ_0bdx−Δλ_bdx）／２］ （３５）

なお、（３４）式及び（３５）式において、添字ｂ、ｄは、当該記号が各ＦＢＧセンサに関わる記号であることを表わし、添字ｘは、当該記号がｘ方向に関わる記号であることを表わしている。

また、上記の説明では、ｘ方向に付加される剪断応力からｚ方向の垂直応力を求める場合について説明したが、ｙ方向に付加される剪断応力からｚ方向の垂直応力を求めることも可能である。

この場合、ｙ方向に沿った２つのＦＢＧセンサ２２Ａ、２２Ｂのペアと、ＦＢＧセンサ２２Ｃ、２２Ｄのペアとについて、上記の（３２）式〜（３５）式と同様にして、垂直応力を求めることができる。具体的には、下記の（３６）式〜（３９）式により垂直応力Ｆ_az、Ｆ_bz、Ｆ_cz、Ｆ_dzが求められる。
Ｆ_az＝Ｓ［Δλ_ay−（Δλ_0aby−Δλ_aby）／２］ （３６）
Ｆ_bz＝Ｔ［Δλ_by＋（Δλ_0aby−Δλ_aby）／２］ （３７）
Ｆ_cz＝Ｕ［Δλ_cy−（Δλ_0cdy−Δλ_cdy）／２］ （３８）
Ｆ_dz＝Ｖ［Δλ_dx＋（Δλ_0cdy−Δλ_cdy）／２］ （３９）

次に、本実施形態に係る分布型圧力センサ１６が付設されるロボットシステム（センサ信号処理装置）６０について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。

このロボットシステム６０は、物体６２を把持して所定の処理を行うマニピュレータ６４と、マニピュレータ６４のハンド部６６ａ、６６ｂに配設され、物体６２に接触した状態で、ハンド部６６ａ、６６ｂによる物体６２の把持状態を検出する分布型圧力センサ１６ａ、１６ｂと、該分布型圧力センサ１６ａ、１６ｂを制御し、物体６２の把持状態に係る情報である剪断応力及び／又は垂直応力を取得するセンサコントローラ６８と、センサコントローラ６８によって取得した剪断応力及び／又は垂直応力に基づき、マニピュレータ６４を制御するマニピュレータコントローラ７０とを備える。

この場合、物体６２を把持する際に分布型圧力センサ１６ａ、１６ｂが検出した剪断応力に基づき、ハンド部６６ａ、６６ｂに対する物体６２の滑り状態を検知することができる。また、物体６２を把持する際に分布型圧力センサ１６ａ、１６ｂが検出した垂直応力に基づき、ハンド部６６ａ、６６ｂによる物体６２の把持力を検知することができる。従って、剪断応力及び／又は垂直応力に従ってハンド部６６ａ、６６ｂを制御することにより、物体６２を脱落させることなく、適切な把持力で把持して所望の位置に移動させる等の作業を遂行することができる。

また、図１２に示すように、ロボットシステム６０において、光源７２から出力された光は、光サーキュレータ７４により分布型圧力センサ１６ａ、１６ｂの光ファイバケーブル２０に供給される。

光ファイバケーブル２０の一端部から入射した光は、一部の光が各グレーティング２６ｘ、２６ｙにより反射される一方、残りの光がグレーティング２６ｘ、２６ｙを透過した後、透過光終端器７６に導かれる。

各グレーティング２６ｘ、２６ｙにより反射された光は、光サーキュレータ７４からセンサコントローラ６８の光検出器７８に導かれ、該光検出器７８は、反射波長のピーク値を電気信号に変換して出力する。前述したように、各グレーティング２６ｘ、２６ｙは、格子間隔及び反射波長が互いに異なるので、センサコントローラ６８では、複数のグレーティング２６ｘ、２６ｙからの反射光を光検出器７８で受光しても、どのグレーティング２６ｘ、２６ｙからの光であるのかを判別することが可能である。

センサコントローラ６８内の演算処理部（信号処理部）８０は、コンピュータのＣＰＵによって構成され、剪断応力判定部８２と、剪断応力演算部８４と、垂直応力演算部８６とを有する。

図１３は、演算処理部８０において行われる処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ１において、剪断応力判定部８２は、光検出器７８からの電気信号に基づき、反射波長のピークの変化分について、（１４）式〜（１７）式が成立するか否か、すなわち、各ＦＢＧセンサ２２が配置されている箇所において、応力のｘ方向成分とｙ方向成分とが等しいか否かを判定する。

ステップＳ１において、（１４）式〜（１７）式が成立すると剪断応力判定部８２が判定した場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２において、剪断応力演算部８４は、各ＦＢＧセンサ２２における剪断応力の値を０として出力し、一方で、垂直応力演算部８６は、（１８）式〜（２１）式を用いて各ＦＢＧセンサ２２における垂直応力の値を算出する。

また、ステップＳ１において、（１４）式〜（１７）式が成立しないと剪断応力判定部８２が判定した場合（ステップＳ１：ＮＯ）、ステップＳ３において、剪断応力演算部８４は、（２６）式〜（２９）式を用いて２つのＦＢＧセンサ２２に付与される剪断応力の値を算出する。また、垂直応力演算部８６は、（３２）式〜（３５）式（ステップＳ４）、あるいは、（３６）式〜（３９）式（ステップＳ５）を用いて、各ＦＢＧセンサ２２に付与される垂直応力の値を算出する。

このように、剪断応力の値を算出することで、ｘ−ｙ平面における物体６２の滑り状態を検出することができる。また、垂直応力の値を算出することで、ｚ方向に対する物体６２の把持力を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄ、分布型圧力センサ１６、１６ａ、１６ｂ及びロボットシステム６０によれば、剪断応力によってグレーティング２６ｘ、２６ｙに歪みが発生することにより、該各グレーティング２６ｘ、２６ｙの反射波長が変化するので、各グレーティング２６ｘ、２６ｙでの反射波長のシフト量を検出することにより、物体４０、５０、６２からＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄに付与された剪断応力を、光ファイバ２０ｘ、２０ｙの長手方向に沿った各成分にそれぞれ分離して検出することが可能となる。

また、応力方向変換部２９は、物体４０、５０、６２からＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄに付与された垂直応力をｘ方向及びｙ方向に沿った応力に変換して各グレーティング２６ｘ、２６ｙに伝達するので、変換後の応力によって各グレーティング２６ｘ、２６ｙに歪みが発生することにより、該各グレーティング２６ｘ、２６ｙでの反射波長が変化する。従って、各光ファイバ２０ｘ、２０ｙにおける反射波長のシフト量を検出して、変換後の応力を各光ファイバ２０ｘ、２０ｙの長手方向に沿った各成分にそれぞれ分離して検出することにより、変換後の応力に基づく垂直応力を検出することが可能となる。

従って、本実施形態によれば、比較的簡単な構造で、物体４０、５０、６２から付与される応力（垂直応力、剪断応力）を複数の方向（垂直方向、剪断方向）に分離して検出することが可能となる。

また、ＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄを含む分布型圧力センサ１６、１６ａ、１６ｂをマニピュレータ６４等のエンドエフェクタ（ハンド部６６ａ、６６ｂ）に搭載し、該ハンド部６６ａ、６６ｂが物体６２を把持する場合に、各ＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄは、物体６２からハンド部６６ａ、６６ｂに加えられる外力（垂直応力、剪断応力）を、複数の方向の成分に分離して検出するので、ハンド部６６ａ、６６ｂの空間座標内において外力がどのように作用しているのかを容易に把握することができる。

これにより、ハンド部６６ａ、６６ｂが物体６２を把持している最中に、該物体６２が滑り落ちることを確実に回避することが可能になる。また、分布型圧力センサ１６、１６ａ、１６ｂをハンド部６６ａ、６６ｂに付設することにより、従来は困難であった、組立作業のような、組立部品と被組立部品との間に外力が働くような工程での自動化に効果的である。

また、光ファイバ２０ｘ、２０ｙを利用して応力を検出するので、ＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄが電磁波ノイズや各種サージ等に曝されても何ら影響を受けることがない。そのため、工場や屋外等の劣悪な環境下で使用しても、上記の各ノイズの影響を回避することが可能である。

さらに、光ファイバ２０ｘ、２０ｙの長手方向がそれぞれｘ方向及びｙ方向とし、シート体１８の表面に垂直な方向がｚ方向であれば、ＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄが配置された箇所での応力をｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の各成分に分離して検出することが可能となる。

また、平坦部２８と応力伝達部３０ｘ、３０ｙとで応力方向変換部２９を構成することにより、垂直応力を効率よくシート体１８の表面方向に沿った応力に変換して各グレーティング２６ｘ、２６ｙに伝達することが可能となる。

この場合、応力方向変換部２９がゴム又は樹脂等の弾性体であれば、物体６２からＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄに垂直応力が付与されたときに、弾性体の作用によって、各グレーティング２６ｘ、２６ｙの格子間隔を、光ファイバ２０ｘ、２０ｙの長手方向に沿って、変換後の応力に応じた長さだけ容易に変化させることができるので、変換後の応力を精度よく検出することが可能となる。

さらに、１本の光ファイバケーブル２０を用いることによりシート体１８に全てのグレーティング２６ｘ、２６ｙが配置されるので、各グレーティング２６ｘ、２６ｙに光を供給する光源７２の個数が１つになり、装置全体のコストを低廉なものとすることができる。また、格子間隔が互いに異なるので、反射波長が互いに異なるものとなり、この結果、センサコントローラ６８における反射波長の誤検出を確実に防止することが可能となる。

また、演算処理部８０の剪断応力判定部８２は、（１４）式〜（１７）式に基づいて、物体４０、５０、６２から各ＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄへの剪断応力の付与の有無を判定するので、物体４０、５０、６２から各ＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄに現在付与されている応力が剪断応力及び／又は垂直応力であるか否かを各ＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄ毎に容易に判定することができると共に、現在付与されている応力の誤検出を回避することができる。

さらに、垂直応力演算部８６では、（１８）式〜（２１）式を用いて各ＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄにおける垂直応力の値を算出するか、あるいは、（３２）式〜（３５）式又は（３６）式〜（３９）式を用いて各ＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄに付与される垂直応力の値を算出する。また、剪断応力演算部８４は、（２６）式〜（２９）式を用いて２つのＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄに付与される剪断応力の値を算出する。

これにより、２つのＦＢＧセンサ２２、２２Ａ〜２２Ｄに付与された応力を、複数の方向の成分（垂直応力、剪断応力）にそれぞれ分離して算出することが可能になる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。

１６、１６ａ、１６ｂ…分布型圧力センサ
１８…シート体 ２０…光ファイバケーブル
２０ｘ、２０ｙ…光ファイバ ２２、２２Ａ〜２２Ｄ…ＦＢＧセンサ
２６ｘ、２６ｙ…グレーティング ２７…応力検出センサ部
２８…平坦部 ２９…応力方向変換部
３０ｘ、３０ｙ…応力伝達部 ４０、５０、６２…物体
６０…ロボットシステム ８０…演算処理部
８２…剪断応力判定部 ８４…剪断応力演算部
８６…垂直応力演算部

Claims (8)

1. 物体から受ける剪断応力の付与方向と平行で、且つ、前記物体から受ける垂直応力の付与方向と垂直な平面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる応力検出センサ部と、
   前記垂直応力を前記平面に沿った方向の応力に変換して前記グレーティングに伝達する応力方向変換部と、
   を備え、
   前記応力検出センサ部は、第１のグレーティングが配列された第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの長手方向とは異なる方向に延在し且つ第２のグレーティングが配列された第２の光ファイバとを有し、
   前記応力方向変換部は、前記平面に沿った方向に延在する平坦部と、前記平坦部から前記第１の光ファイバに橋架された第１の応力伝達部と、前記平坦部から前記第２の光ファイバに橋架された第２の応力伝達部とを有することを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 請求項１記載のセンサにおいて、
   前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバは、前記垂直応力の付与方向に沿った互いに異なる高さにおいて、平面視で、前記第１のグレーティングと前記第２のグレーティングとが直交するようにそれぞれ配置されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
3. 請求項１又は２記載のセンサにおいて、
   前記応力方向変換部は、弾性体からなることを特徴とする光ファイバセンサ。
4. 可撓性を有するシート体と、
   前記シート体に接触した物体から受ける剪断応力の付与方向と平行で、且つ、前記物体から受ける垂直応力の付与方向と垂直な前記シート体の表面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる応力検出センサ部と、前記垂直応力を前記シート体の表面に沿った方向の応力に変換して前記グレーティングに伝達する応力方向変換部とを備える光ファイバセンサと、
   を有し、
   前記シート体に前記光ファイバセンサが複数配置され、
   前記応力検出センサ部は、第１のグレーティングが配列された第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの長手方向とは異なる方向に延在し且つ第２のグレーティングが配列された第２の光ファイバとを有し、
   前記応力方向変換部は、前記表面に沿った方向に延在する平坦部と、前記平坦部から前記第１の光ファイバに橋架された第１の応力伝達部と、前記平坦部から前記第２の光ファイバに橋架された第２の応力伝達部とを有することを特徴とする分布型圧力センサ。
5. 請求項４記載のセンサにおいて、
   前記各光ファイバセンサの第１の光ファイバ及び第２の光ファイバは、格子間隔の互いに異なる複数のグレーティングが形成された１本の光ファイバケーブルを前記シート体に配置することによりそれぞれ構成されることを特徴とする分布型圧力センサ。
6. 物体から受ける剪断応力の付与方向と平行で、且つ、前記物体から受ける垂直応力の付与方向と垂直な平面に沿って、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる応力検出センサ部と、前記垂直応力を前記平面に沿った方向の応力に変換して前記グレーティングに伝達する応力方向変換部とを備える光ファイバセンサと、
   前記物体から前記光ファイバセンサへの前記剪断応力及び／又は前記垂直応力の付与により前記グレーティングに発生した歪みに起因する反射光の波長の変化に基づいて、前記剪断応力及び／又は前記垂直応力を算出する信号処理部と、
   を有し、
   前記応力検出センサ部は、第１のグレーティングが配列された第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバの長手方向とは異なる方向に延在し且つ第２のグレーティングが配列された第２の光ファイバとを有し、
   前記応力方向変換部は、前記平面に沿った方向に延在する平坦部と、前記平坦部から前記第１の光ファイバに橋架された第１の応力伝達部と、前記平坦部から前記第２の光ファイバに橋架された第２の応力伝達部とを有し、
   前記信号処理部は、前記第１のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量と、前記第２のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量とが略一致する場合に、前記物体から前記光ファイバセンサへの前記剪断応力の付与がないものと判定し、前記各シフト量に基づいて前記垂直応力を算出することを特徴とするセンサ信号処理装置。
7. 請求項６記載の装置において、
   前記物体が接触し且つ可撓性を有するシート体の表面に沿って前記光ファイバセンサが複数配置された分布型圧力センサをさらに有し、
   前記信号処理部は、前記各光ファイバについて、前記第１のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量と前記第２のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量とが略一致した場合に、前記物体から前記各光ファイバセンサへの前記剪断応力の付与がないものと判定し、前記各シフト量に基づいて前記各光ファイバが配置された箇所の前記垂直応力をそれぞれ算出することを特徴とするセンサ信号処理装置。
8. 請求項７記載の装置において、
   前記各第１の光ファイバは、互いに同じ方向に配列されると共に、前記各第２の光ファイバは、互いに同じ方向に配列され、
   前記信号処理部は、
   前記各光ファイバについて、前記第１のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量と前記第２のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量とが一致しない場合に、前記物体から前記各光ファイバセンサに前記剪断応力及び前記垂直応力がそれぞれ付与されていると判定し、
   隣接する２つの光ファイバセンサの第１のグレーティング間での反射光の波長の間隔と第２のグレーティング間での反射光の波長の間隔とに基づいて、前記２つの光ファイバセンサに付与される剪断応力を算出し、
   前記第１のグレーティング間での反射光の波長の間隔と前記第１のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量、又は、前記第２のグレーティング間での反射光の波長の間隔と前記第２のグレーティングにおける反射光の波長のシフト量に基づいて、前記光ファイバセンサに付与される垂直応力を算出することを特徴とするセンサ信号処理装置。

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