JP5394198B2

JP5394198B2 - 光ファイバセンサ及び圧力センサ

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Publication number: JP5394198B2
Application number: JP2009252049A
Authority: JP
Inventors: 正樹国頭; 信宏笛木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-11-02
Also published as: JP2011095220A

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、シート体に前記光ファイバセンサを配置した圧力センサとに関する。

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、垂直方向及び水平方向に付与される圧力（垂直応力、水平応力）を電気信号として検出するＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）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（ＦａｃｔｏｒｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）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。

ところで、物体からシート体に付与される応力を光ファイバセンサ及び圧力センサが検出する場合、前記応力に対して検出面（反応面）の検出面積や変形量が大きければ、前記応力の検出感度を向上させることができる。

ここで、前記シート体に付与された垂直応力を該垂直応力に直交する検出面（前記シート体の表面に沿った検出面）において検出する場合、当該検出面は、前記シート体の表面方向に沿って形成されているので、検出面積や変形量を容易に大きくすることができる。

これに対して、前記シート体に付与された水平応力を該水平応力に直交する検出面（前記シート体の厚み方向に沿った検出面）において検出する場合、当該検出面は、前記シート体の厚み方向に沿って形成されているので、上述した垂直応力の検出面と比較して、検出面積や変形量を大きくすることは容易ではない。従って、前記水平応力の検出感度を向上させることが困難である。

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、水平方向）に分離して検出することが可能になると共に、前記水平方向の応力（水平応力）の検出感度を容易に向上することができる光ファイバセンサ及び圧力センサ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、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、外部から付与された応力を前記グレーティングを配列した方向の応力に変換して前記光ファイバに伝達する応力方向変換部とを備え、
前記応力方向変換部は、外部から応力が付与される平坦部と該平坦部から前記光ファイバに橋架された応力伝達部とを有し、前記平坦部には、突起及び／又は溝が形成されていることを特徴としている。

また、本発明に係る圧力センサは、可撓性を有するシート体と、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、及び、前記シート体に接触した物体から付与された応力を前記グレーティングを配列した方向の応力に変換して前記光ファイバに伝達する応力方向変換部を備える光ファイバセンサとを有し、
前記応力方向変換部は、前記物体から応力が付与される平坦部と該平坦部から前記光ファイバに橋架された応力伝達部とを有し、前記平坦部には、突起及び／又は溝が形成されていることを特徴としている。

これらの発明によれば、物体から平坦部に対して垂直応力が付与されたときに、応力方向変換部は、前記垂直応力をグレーティングが配列される方向の応力に変換し、変換後の応力を応力伝達部を介して前記光ファイバに伝達する。これにより、変換後の応力によって前記グレーティングに歪みが発生し、該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、前記グレーティングでの前記反射波長のシフト量を検出することにより、前記垂直応力を検出することが可能となる。

一方、前記物体から前記平坦部に対して水平応力が付与されたときに、前記平坦部は、前記水平応力によって該平坦部に沿った方向（前記グレーティングが配列された方向）に変位する。前述のように、前記応力伝達部は、前記平坦部と前記光ファイバとを橋架しているので、少なくとも前記応力伝達部の前記平坦部側は、該平坦部に対する前記水平応力の付与によって前記平坦部と共に変位する。

ここで、外部から前記光ファイバに光を入射して、この入射光を前記グレーティングに導く一方、特定波長の光（反射光）を前記グレーティングから外部に出射させる場合に、前記平坦部に対する前記水平応力の付与によって前記応力伝達部の一部が前記平坦部と共に一体的に変位すれば、前記応力伝達部に連結された前記光ファイバも前記変位に伴い湾曲（又は屈曲）し、前記光ファイバに曲げ損失が発生する。この曲げ損失の発生によって、前記反射光の強度（反射波強度）が変化する。

そこで、本発明では、前記曲げ損失に起因した前記反射波強度の変化量を検出することにより、前記反射波強度に応じた前記水平応力を検出するようにしている。

従って、本発明によれば、比較的簡単な構造で、物体から付与される応力（垂直応力、水平応力）を複数の方向（垂直方向、水平方向）に分離して検出することが可能となる。すなわち、本発明では、１本の光ファイバから出力された反射光（１つの出力信号）を利用して前記垂直応力及び前記水平応力を容易に検出することができる。

しかも、本発明では、前記平坦部に突起及び／又は溝がさらに形成されている。この場合、前記水平応力が付与される前記平坦部に前記突起及び／又は前記溝を設けることにより、前記突起及び／前記溝がない場合と比較して、前記水平応力が付与される方向（前記平坦部に沿った方向、前記グレーティングが配列された方向）に直交する前記水平応力の検出面（反応面）における検出面積や変形量を容易に大きくすることができる。この結果、前記水平応力の検出感度を高めることが可能になると共に、前記水平応力の検出精度も高めることができる。

ここで、前記突起及び／又は前記溝は、柱形状又は点形状であることが好ましい。また、前記突起及び／又は前記溝を柱形状とした場合に、前記突起及び／又は前記溝は、前記グレーティングを配列した方向と略直交する方向に沿って形成される。

前記突起及び／又は前記溝を上述の形状とすることにより、前記水平応力の検出面積や変形量を一層大きくすることが可能となり、前記水平応力の検出感度及び検出精度のさらなる向上を図ることができる。

また、前記突起及び／又は前記溝を前記平坦部に複数設けると、前記水平応力の検出面積や変形量をさらに大きくすることが可能となる。

本発明によれば、比較的簡単な構造で、物体から付与される応力（垂直応力、水平応力）を複数の方向（垂直方向、水平方向）に分離して検出することが可能となる。すなわち、本発明では、１本の光ファイバから出力された反射光（１つの出力信号）を利用して前記垂直応力及び前記水平応力を容易に検出することができる。

また、本発明によれば、平坦部に突起及び／又は溝を形成することにより、水平応力の検出面（反応面）における検出面積や変形量が大きくなるので、前記水平応力の検出感度や検出精度を向上することができる。

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（反射光）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。第１実施形態に係るＦＢＧセンサをシート体に配置した圧力センサの斜視図である。図２の圧力センサの平面図である。図２のＦＢＧセンサの概略説明図である。図２〜図４のＦＢＧセンサによる垂直応力の検出原理の説明図である。図２〜図４のＦＢＧセンサによる水平応力の検出原理の説明図である。図２及び図３の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７のロボットシステムのブロック図である。第２実施形態に係るＦＢＧセンサをシート体に配置した圧力センサの斜視図である。図９の圧力センサの平面図である。図９のＦＢＧセンサの概略説明図である。図９〜図１１のＦＢＧセンサによる水平応力の検出原理の説明図である。第３実施形態に係るＦＢＧセンサをシート体に配置した圧力センサの斜視図である。図１３の圧力センサの平面図である。図１３のＦＢＧセンサの概略説明図である。図１３〜図１５のＦＢＧセンサによる水平応力の検出原理の説明図である。

本発明に係る光ファイバセンサ、及び、該光ファイバセンサを有する圧力センサの好適な実施形態（第１〜第３実施形態）について、図１Ａ〜図１６を参照しながら説明する。

第１〜第３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（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇＳｅｎｓｏｒ）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において、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（入射光）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により、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、第１実施形態に係る圧力センサ１６と、該圧力センサ１６に組み込まれたＦＢＧセンサ２２とについて、図２〜図６を参照しながら説明する。

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、Ｘ方向を長手方向とした１本の光ファイバケーブル２０が埋設され、この光ファイバケーブル２０にＦＢＧセンサ２２を形成することにより構成される。すなわち、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する材料でＦＢＧセンサ２２をモールドすることによりシート体１８が形成される。この場合、シート体１８は、ＦＢＧセンサ２２を該シート体１８の内部に固定すると共に、外部から付与される過度の応力や熱等からＦＢＧセンサ２２を保護するために形成される。

なお、図２は、シート体１８に１個のＦＢＧセンサ２２を配置し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、１個に限定されることはない。例えば、ＦＢＧセンサ２２をＸ方向及びＹ方向（シート体１８の表面方向）に沿ってマトリックス状に複数配置してアドレス化してもよい。また、光ファイバケーブル２０の長手方向についても、Ｘ方向に限定されることはなく、Ｙ方向であってもよい。いずれにしても、シート体１８の内部において、少なくとも１つの各ＦＢＧセンサ２２が配置されていればよい。

次に、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、シート体１８の内部における略中央部に配置され、グレーティング２６が形成された光ファイバケーブル２０を含む応力検出センサ部２８と、外部からシート体１８に付与された応力（垂直応力、水平応力）を該シート体１８を介して受け、受けた前記応力をグレーティング２６が配列された方向（光ファイバケーブル２０の長手方向であるＸ方向）に沿った方向の応力（成分）に変換して光ファイバケーブル２０に伝達する応力方向変換部３０とを備えている。

この場合、外部からの応力に対する受感部材としての応力方向変換部３０は、ゴムや樹脂等の弾性体からなり、Ｘ−Ｙ方向に沿ってグレーティング２６と略平行に延在する矩形状の平坦部３２と、該平坦部３２におけるＸ方向に沿った対向する二辺からグレーティング２６の各端部に向かって橋架された応力伝達部３４ａ、３４ｂとを有する。

平坦部３２の上面には、柱形状の複数の突起４４が形成されている。各突起４４は、Ｘ方向に沿って所定間隔だけ離間した状態で配置されている。また、各突起４４がＹ方向に沿ってそれぞれ延在することにより、該各突起４４間には、溝４５が形成されている。各溝４５は、平坦部３２の上面に複数の突起４４を形成することにより設けられる。あるいは、１つの矩形状の部材に複数の溝４５を形成することにより、平坦部３２及び突起４４を設けるようにしてもよい。

なお、図２〜図４では、平坦部３２に３個の柱形状の突起４４を形成しているが、この例に限定されることはなく、突起４４の個数は、３個より少なくてもよいし、あるいは、多くてもよい。また、平坦部３２に３個の柱形状の突起４４を形成することにより、各突起４４間に溝４５が形成されているが、この構成に代えて、平坦部３２に溝４５を形成して突起４４を省略してもよい。

応力方向変換部３０は、応力が付与されていない状態では、図３及び図４に示すグレーティング２６を中心にして、左右対称の構造とされている。すなわち、応力伝達部３４ａ、３４ｂは、平坦部３２に連なると共に光ファイバケーブル２０（におけるグレーティング２６の両端部側の近傍）に向かって傾斜した傾斜部３６ａ、３６ｂと、該傾斜部３６ａ、３６ｂに連なると共に光ファイバケーブル２０の外周面の一部を囲繞する接合部３８ａ、３８ｂとをそれぞれ有する。また、図４及び図５に示すように、平坦部３２と各傾斜部３６ａ、３６ｂとのなす角度は互いに等しく設定されていると共に、各傾斜部３６ａ、３６ｂと各接合部３８ａ、３８ｂとのなす角度も互いに等しく設定されている。

応力伝達部３４ｂの傾斜部３６ｂには、光ファイバケーブル２０の一部が該傾斜部３６ｂに沿って配置されている。この場合、この光ファイバケーブル２０の一部は、接合部３８ｂから露出し且つ傾斜部３６ｂに向かって湾曲（又は屈曲）する湾曲部４０ａと、湾曲部４０ａに連なり且つ傾斜部３６ｂに沿って配置された傾斜部４０ｂと、傾斜部４０ｂに連なり且つＸ方向に向かって湾曲（又は屈曲）する湾曲部４０ｃとから構成される。また、可撓性を有する材料によってＦＢＧセンサ２２がモールドされることでシート体１８が形成されるので、傾斜部４０ｂは、シート体１８の内部において、傾斜部３６ｂに固着された状態で該傾斜部３６ｂに沿って配置されることになる。

図２及び図３に示すように、シート体１８においてＸ方向に沿って対向する２つの側面には、光の入射又は出射が可能な光ファイバケーブル２０の入出力端４２ａ、４２ｂが外部にそれぞれ露呈している。従って、光ファイバケーブル２０は、Ｘ方向を長手方向としてシート体１８の内部に埋設されているが、入出力端４２ａからグレーティング２６を経由した湾曲部４０ａまでの箇所と、湾曲部４０ｃから入出力端４２ｂまでの箇所とは、傾斜部３６ｂに沿って配置された傾斜部４０ｂの存在によって、互いに異なる高さに配置されることになる（図２及び図４参照）。

なお、図２〜図４では、応力伝達部３４ｂの傾斜部３６ｂ及び接合部３８ｂに湾曲部４０ａ、傾斜部４０ｂ及び湾曲部４０ｃが形成されているが、この構成に代えて、応力伝達部３４ａの傾斜部３６ａ及び接合部３８ａに湾曲部４０ａ、傾斜部４０ｂ及び湾曲部４０ｃを形成してもよい。

次に、ＦＢＧセンサ２２上方のシート体１８の表面に図示しない物体が接触し、該物体からグレーティング２６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について、図５を参照しながら説明する。

前述したように、応力付与前の応力方向変換部３０の形状は、グレーティング２６を中心として左右対称の構造であるため（図３及び図４参照）、前記物体からシート体１８にＺ方向に沿った垂直応力Ｆが付与されたときに、応力方向変換部３０の各応力伝達部３４ａ、３４ｂには、理想的に、Ｚ方向に沿った応力Ｆ／２が付与される。

そして、光ファイバケーブル２０及び接合部３８ａ、３８ｂの各接合部分には、応力Ｆ／２に基づく力Ｆ´´がそれぞれ付与される。従って、前記各接合部分に付与される力Ｆ´´がグレーティング２６にかかることで、グレーティング２６がＸ方向に歪んで（伸張して）、該グレーティング２６の格子間隔が変化（増加）する。

そのため、垂直応力Ｆが付与されていない状態では、グレーティング２６は、入射光に対して反射波長（例えば、図１Ｃのλ_A）の反射光を反射し、この反射光を入出力端４２ａ又は入出力端４２ｂから外部に出射させる。これに対して、垂直応力Ｆが付与された場合には、グレーティング２６の格子間隔が増加して反射波長がλ_Bにシフトするので、該グレーティング２６は、入射光に対して波長λ_Bの反射光を反射し、この反射光を入出力端４２ａ又は入出力端４２ｂから外部に出射させる。

従って、ＦＢＧセンサ２２及び圧力センサ１６では、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、シート体１８に付与された垂直応力Ｆを検出することができる。

次に、ＦＢＧセンサ２２上方のシート体１８の表面に図示しない物体が接触し、該物体からグレーティング２６に水平応力（例えば、Ｘ方向に沿った応力）が付与されたときの該水平応力の検出について、図６を参照しながら説明する。

ここでは、入出力端４２ｂから入射された入射光が、湾曲部４０ｃ、傾斜部４０ｂ及び湾曲部４０ａを経由してグレーティング２６に導かれ、一方で、グレーティング２６で反射した光（反射光）が、湾曲部４０ａ、傾斜部４０ｂ及び湾曲部４０ｃを経由して入出力端４２ｂから外部に出射されるものとして説明する。

例えば、＋Ｘ方向に沿った水平応力Ｆ_hがシート体１８に付与されると、この水平応力Ｆ_hは、シート体１８を介して平坦部３２に伝達され、平坦部３２は、該水平応力Ｆ_hによって＋Ｘ方向に変位する。

この場合、傾斜部３６ｂの一端部が平坦部３２に連結され、他端部が接合部３８ｂに連結されている。また、光ファイバケーブル２０の傾斜部４０ｂが傾斜部３６ｂに沿って該傾斜部３６ｂに固着された状態で配置され、接合部３８ｂが光ファイバケーブル２０の湾曲部４０ａと接合している。従って、水平応力Ｆ_hによる平坦部３２の＋Ｘ方向の変位に伴って、傾斜部３６ｂ及び傾斜部４０ｂも一体的に＋Ｘ方向に変位する。

これにより、湾曲部４０ａ、４０ｃは、前記変位に伴って一層湾曲し、曲げ損失が発生する。この結果、前記曲げ損失に起因して、反射光の強度（反射波強度）が変化する。

従って、ＦＢＧセンサ２２及び圧力センサ１６では、反射波強度の変化量に基づいて、シート体１８に付与された水平応力Ｆ_hを検出することができる。

ところで、前記物体からシート体１８に付与される応力をＦＢＧセンサ２２及び圧力センサ１６が検出する場合、応力に対する検出面（反応面）の検出面積や変形量が大きければ、応力の検出感度を向上させることができる。

ここで、シート体１８に付与された垂直応力Ｆを該垂直応力Ｆに直交する検出面（応力方向変換部３０における平坦部３２の上面等）において検出する場合、垂直応力Ｆの検出面は、シート体１８の表面方向（Ｘ−Ｙ方向）に沿って形成されているので、当該検出面の検出面積や変形量を容易に大きくすることができる。

これに対して、シート体１８に付与された水平応力Ｆ_hを平坦部３２において検出する場合、水平応力Ｆ_hの検出面（平坦部３２の側面等）は、シート体１８の厚み方向に沿って形成されているので、垂直応力Ｆの検出面と比較して、検出面積や変形量を大きくすることが容易ではない。従って、水平応力Ｆ_hの検出感度を向上させることが困難である。

そこで、第１実施形態においては、平坦部３２の上面に柱形状の複数の突起４４を形成することにより、例えば、＋Ｘ方向の水平応力Ｆ_hが平坦部３２に付与された場合に、図６における平坦部３２及び傾斜部３６ｂの左側面（水平応力Ｆ_hに対向する側面）のみならず、各突起４４の左側面も水平応力Ｆ_hに対する検出面４６として利用することができる。この結果、水平応力Ｆ_hに対する検出面積や変形量が大きくなって、検出感度を高めることが可能となる。

次に、第１実施形態に係る圧力センサ１６が付設されるロボットシステム５０について、図７及び図８を参照しながら説明する。

このロボットシステム５０は、物体５２を把持して所定の処理を行うマニピュレータ５４と、マニピュレータ５４のハンド部５６ａ、５６ｂに配設され、物体５２に接触した状態で、ハンド部５６ａ、５６ｂによる物体５２の把持状態を検出する圧力センサ１６ａ、１６ｂと、該圧力センサ１６ａ、１６ｂを制御し、物体５２の把持状態に係る情報である垂直応力Ｆ及び／又は水平応力Ｆ_hを取得するセンサコントローラ５８と、センサコントローラ５８によって取得した垂直応力Ｆ及び／又は水平応力Ｆ_hに基づき、マニピュレータ５４を制御するマニピュレータコントローラ６０とを備える。

この場合、物体５２を把持する際に圧力センサ１６ａ、１６ｂが検出した水平応力Ｆ_hに基づき、ハンド部５６ａ、５６ｂに対する物体５２の滑り状態を検知することができる。また、物体５２を把持する際に圧力センサ１６ａ、１６ｂが検出した垂直応力Ｆに基づき、ハンド部５６ａ、５６ｂによる物体５２の把持力を検知することができる。従って、垂直応力Ｆ及び／又は水平応力Ｆ_hに従ってハンド部５６ａ、５６ｂを制御することにより、物体５２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８に示すように、ロボットシステム５０において、光源６２から出力された光（入射光）は、光サーキュレータ６４により圧力センサ１６ａ、１６ｂの光ファイバケーブル２０（図２〜図６参照）に供給される。

光ファイバケーブル２０の入出力端４２ｂから入射した入射光は、一部の光がグレーティング２６により反射される一方、残りの光がグレーティング２６を透過した後、入出力端４２ａから透過光終端器６６に導かれる。

グレーティング２６により反射された光（反射光）は、光サーキュレータ６４からセンサコントローラ５８の光検出器６８に導かれ、該光検出器６８は、反射波長及び反射波強度のピーク値を電気信号に変換して出力する。

センサコントローラ５８内の演算処理部７０は、コンピュータのＣＰＵによって構成され、水平応力演算部７２と、垂直応力演算部７４とを有する。

水平応力演算部７２は、光検出器６８からの水平応力Ｆ_hに応じた信号に基づいて、ＦＢＧセンサ２２に付与される水平応力Ｆ_hの値を算出する。また、垂直応力演算部７４は、光検出器６８からの垂直応力Ｆに応じた信号に基づいて、ＦＢＧセンサ２２に付与される垂直応力Ｆの値を算出する。

このように、水平応力Ｆ_hの値を算出することで、Ｘ−Ｙ平面における物体５２の滑り状態を検出することができる。また、垂直応力Ｆの値を算出することで、Ｚ方向に対する物体５２の把持力を検出することができる。

以上説明したように、第１実施形態に係るＦＢＧセンサ２２及び圧力センサ１６、１６ａ、１６ｂによれば、物体５２からシート体１８を介して平坦部３２に垂直応力Ｆが付与されたときに、応力方向変換部３０は、垂直応力Ｆをグレーティング２６が配列される方向（Ｘ方向）の力Ｆ´´に変換し、変換後の力Ｆ´´を応力伝達部３４ａ、３４ｂを介してグレーティング２６に伝達する。これにより、変換後の力Ｆ´´によってグレーティング２６に歪みが発生し、該グレーティング２６で反射する光の波長（反射波長）が変化する。従って、グレーティング２６での反射波長のシフト量を検出することにより、垂直応力Ｆを検出することが可能となる。

一方、物体５２からシート体１８を介して平坦部３２に水平応力Ｆ_hが付与されたときに、平坦部３２は、水平応力Ｆ_hによって該平坦部３２に沿った方向（グレーティング２６が配列されたＸ方向）に変位する。応力伝達部３４ａ、３４ｂは、平坦部３２と光ファイバケーブル２０とを橋架しているので、少なくとも応力伝達部３４ａ、３４ｂの平坦部３２側は、該平坦部３２に対する水平応力Ｆ_hの付与によって平坦部３２と共に変位する。

ここで、外部から光ファイバケーブル２０の入出力端４２ｂに光を入射して、この入射光を応力伝達部３４ｂの傾斜部３６ｂに沿った光ファイバの湾曲部４０ｃ、傾斜部４０ｂ及び湾曲部４０ａに通過させてグレーティング２６に導く一方、特定波長の光（反射光）をグレーティング２６から光ファイバケーブル２０の湾曲部４０ａ、傾斜部４０ｂ及び湾曲部４０ｃを通過させて外部に出射させる場合に、平坦部３２に対する水平応力Ｆ_hの付与によって傾斜部３６ｂが平坦部３２と共に変位すれば、前記変位に伴って湾曲部４０ｃ及び湾曲部４０ａが湾曲（又は屈曲）すると共に傾斜部４０ｂも変位するので、光ファイバケーブル２０に曲げ損失が発生する。この曲げ損失の発生によって、湾曲部４０ａ、傾斜部４０ｂ及び湾曲部４０ｃを通過して外部に出射される反射光の強度（反射波強度）が変化する。

そこで、第１実施形態では、曲げ損失に起因した反射波強度の変化量を検出することにより、前記反射波強度に応じた水平応力Ｆ_hを検出するようにしている。

従って、第１実施形態によれば、比較的簡単な構造で、物体５２から付与される応力（垂直応力Ｆ、水平応力Ｆ_h）を複数の方向（Ｚ方向、Ｘ方向）に分離して検出することが可能となる。すなわち、第１実施形態では、１本の光ファイバケーブル２０から出力された反射光（１つの出力信号）を利用して垂直応力Ｆ及び水平応力Ｆ_hを容易に検出することができる。

しかも、第１実施形態では、平坦部３２に突起４４及び溝４５がさらに形成されている。この場合、水平応力Ｆ_hが付与される平坦部３２に突起４４及び溝４５を設けることにより、突起４４及び溝４５がない場合と比較して、水平応力Ｆ_hが付与される方向（平坦部３２に沿った方向、グレーティング２６が配列された方向）に直交する水平応力Ｆ_hの検出面（反応面）４６での検出面積や変形量を大きくすることができる。この結果、応力方向変換部３０における水平応力Ｆ_hの検出感度を高めることが可能になると共に、水平応力Ｆ_hの検出精度も高めることができる。

ここで、突起４４及び溝４５を柱形状とすることにより、水平応力Ｆ_hに対して検出面積や変形量を一層大きくすることが可能となり、水平応力Ｆ_hの検出感度及び検出精度のさらなる向上を図ることができる。また、突起４４及び溝４５を平坦部３２に複数設けると、水平応力Ｆ_hに対する検出面積や変形量をさらに大きくすることが可能となる。

次に、第２実施形態に係るＦＢＧセンサ２２Ａ及び圧力センサ１６Ａについて、図９〜図１２を参照しながら説明する。

ＦＢＧセンサ２２Ａ及び圧力センサ１６Ａの説明において、第１実施形態に係るＦＢＧセンサ２２及び圧力センサ１６（図２〜図８参照）と同じ構成要素については、同じ参照数字を付けて、その詳細な説明を省略し、以下同様とする。

第２実施形態に係るＦＢＧセンサ２２Ａ及び圧力センサ１６Ａは、図９〜図１２に示すように、平坦部３２の上面に半球形状（点形状）の突起８０を複数配置して、溝を設けないようにした点で、第１実施形態に係るＦＢＧセンサ２２及び圧力センサ１６とは異なる。

この場合でも、＋Ｘ方向の水平応力Ｆ_hが付与されたときに、図１２の各突起８０における左側面も水平応力Ｆ_hの検出面４６とすることができるので、水平応力Ｆ_hに対する検出面積や変形量を一層大きくすることが可能となり、水平応力Ｆ_hの検出感度及び検出精度を高めることが可能となる。

また、突起８０を半球形状とすることで、シート体１８に対する鋭角部分が無くなるので、ＦＢＧセンサ２２Ａ及び圧力センサ１６Ａの耐久性も向上させることが可能となる。

次に、第３実施形態に係るＦＢＧセンサ２２Ｂ及び圧力センサ１６Ｂについて、図１３〜図１６を参照しながら説明する。

第３実施形態に係るＦＢＧセンサ２２Ｂ及び圧力センサ１６Ｂは、図１３〜図１６に示すように、平坦部３２の上面に曲線形状（波形状）の突起８２を複数配置し、これらの突起８２の間に溝８３が形成されている点で、第１及び第２実施形態に係るＦＢＧセンサ２２、２２Ａ及び圧力センサ１６、１６Ａとは異なる。

この場合でも、第１実施形態（図２〜図８参照）と同様に、＋Ｘ方向の水平応力Ｆ_hが付与されたときに、図１６の各突起８２における左側面も水平応力Ｆ_hの検出面４６とすることができるので、水平応力Ｆ_hの検出面積や変形量を一層大きくすることが可能となり、水平応力Ｆ_hの検出感度及び検出精度を高めることが可能となる。

上記の説明では、＋Ｘ方向に水平応力Ｆ_hが付与された場合について説明したが、−Ｘ方向に水平応力Ｆ_hが付与された場合でも、上述した第１〜第３実施形態の各効果が得られることは勿論である。この場合、平坦部３２及び傾斜部３６ａの右側面や各突起４４、８０、８２の右側面が水平応力Ｆ_hに対する検出面４６となる。

また、第２実施形態において、半球形状の溝を平坦部３２に設けてもよいし、あるいは、突起８０を無くして前記溝のみ設けてもよい。さらに、第３実施形態においても、平坦部３２に溝８３を形成して、突起８２を無くしてもよい。この場合でも、第１実施形態と同様の効果が得られる。

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、１６Ａ、１６Ｂ…圧力センサ
１８…シート体２０…光ファイバケーブル
２２、２２Ａ、２２Ｂ…ＦＢＧセンサ２６…グレーティング
２８…応力検出センサ部３０…応力方向変換部
３２…平坦部３４ａ、３４ｂ…応力伝達部
３６ａ、３６ｂ、４０ｂ…傾斜部３８ａ、３８ｂ…接合部
４０ａ、４０ｃ…湾曲部４４、８０、８２…突起
４５、８３…溝４６…検出面

Claims

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、
外部から付与された応力を前記グレーティングを配列した方向の応力に変換して前記光ファイバに伝達する応力方向変換部と、
を備え、
前記応力方向変換部は、外部から応力が付与される応力受部と、該応力受部から前記光ファイバに橋架された応力伝達部とを有し、
前記応力受部は、前記グレーティングを配列した方向に沿って配置され、
前記応力伝達部は、前記応力受部の一端部から前記光ファイバに向かって傾斜した第１の傾斜部と、前記第１の傾斜部に連なると共に前記光ファイバの外周面のうち前記グレーティングの一端部側の近傍を囲繞する第１の接合部と、前記応力受部の他端部から前記光ファイバに向かって傾斜した第２の傾斜部と、前記第２の傾斜部に連なると共に前記光ファイバの外周面のうち前記グレーティングの他端部側の近傍を囲繞する第２の接合部と、から構成され、
前記応力受部には、前記第１及び第２の傾斜部と異なる位置で、前記応力受部に沿った水平方向の応力に対向する検出面を有する突起及び／又は溝が形成されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
請求項１記載のセンサにおいて、
前記突起及び／又は前記溝は、半球形状であることを特徴とする光ファイバセンサ。
請求項１又は２記載のセンサにおいて、
前記突起及び／又は前記溝は、前記応力受部に複数設けられていることを特徴とする光ファイバセンサ。
可撓性を有するシート体と、
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、及び、前記シート体に接触した物体から付与された応力を前記グレーティングを配列した方向の応力に変換して前記光ファイバに伝達する応力方向変換部を備える光ファイバセンサと、
を有し、
前記応力方向変換部は、前記物体から応力が付与される応力受部と、該応力受部から前記光ファイバに橋架された応力伝達部とを有し、
前記応力受部は、前記グレーティングを配列した方向に沿って配置され、
前記応力伝達部は、前記応力受部の一端部から前記光ファイバに向かって傾斜した第１の傾斜部と、前記第１の傾斜部に連なると共に前記光ファイバの外周面のうち前記グレーティングの一端部側の近傍を囲繞する第１の接合部と、前記応力受部の他端部から前記光ファイバに向かって傾斜した第２の傾斜部と、前記第２の傾斜部に連なると共に前記光ファイバの外周面のうち前記グレーティングの他端部側の近傍を囲繞する第２の接合部と、から構成され、
前記応力受部には、前記第１及び第２の傾斜部と異なる位置で、前記応力受部に沿った水平方向の応力に対向する検出面を有する突起及び／又は溝が形成されていることを特徴とする圧力センサ。