JP5433826B2 - Weight measuring element and weighing scale - Google Patents
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Description
本発明は、重量を計測するための重量計測素子及びそれを用いた重量計に関し、特に光ファイバセンサを用いた重量計測素子及びそれを用いた重量計に関する。 The present invention relates to a weight measuring element for measuring weight and a weight scale using the same, and more particularly to a weight measuring element using an optical fiber sensor and a weight scale using the same.
被計量物の重量を計測する重量計には、例えば、台座などに重量が作用したときに変形する圧縮バネを用いて計測する方法が広く用いられている。 As a weight scale for measuring the weight of an object to be weighed, for example, a method of measuring using a compression spring that is deformed when weight acts on a pedestal or the like is widely used.
通常は、圧縮バネの変形の大きさに応じて指示針を回動あるいは移動させ、指示針が被計測物の重量に対応する重量数値を指し示すように構成されている。 Normally, the pointer is rotated or moved in accordance with the magnitude of deformation of the compression spring, and the pointer indicates a weight value corresponding to the weight of the object to be measured.
しかし、従来の圧縮バネを用いた重量計は、重量計測の精度を高めることが難しく、高精度を実現しようとすると構造が複雑となり、製造コストが高価となる。さらに、電気信号を用いない機械的な重量計においては、遠隔計測や計測データ処理などが困難である。 However, it is difficult to increase the accuracy of weight measurement in a conventional weighing scale using a compression spring, and if high accuracy is to be realized, the structure becomes complicated and the manufacturing cost becomes expensive. Furthermore, it is difficult to perform remote measurement or measurement data processing in a mechanical weighing scale that does not use an electrical signal.
そこで、圧縮バネの変形量を電気的な信号に変換し、重量を電気的に計測する重量計測素子が広く一般的に用いられている。この場合、例えば、被計測物の重さを電気信号に変換し、電気信号の変化量などから重量を計測する重量計なども知られている。 Therefore, a weight measuring element that converts the deformation amount of the compression spring into an electrical signal and electrically measures the weight is widely used. In this case, for example, a weighing scale that converts the weight of an object to be measured into an electric signal and measures the weight from the amount of change in the electric signal is also known.
しかし、電気的センサを用いた重量計は、少量の水がかかっただけで容易に漏電するおそれがあり、防水対策を万全に講じる必要がある。さらに、電気的に感知して電気信号を授受するので、防爆施設などにおいては使用することができない。 However, a weight scale using an electrical sensor may easily leak if a small amount of water is applied, and it is necessary to take a waterproof measure. Furthermore, since it senses and sends and receives electrical signals, it cannot be used in explosion-proof facilities.
そこで、光ファイバを用いた重量計が提案されている。例えば、特開2002−188952号公報及び特開2002−168677号公報には、被計測物の荷重を受けて変形する荷重受け部及びこの荷重受け部を基板上で支持する支持部を有する受感部と、荷重受け部の変形に応じて歪みを付加されるセンシングファイバと、基準となる出力光を得るためのリファレンスファイバとを備え、両ファイバに光信号を分波して伝送し、両ファイバの位相差から被計測物の重量を計測する重量計が開示されている。 Therefore, a weight scale using an optical fiber has been proposed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2002-188952 and 2002-168777 include a load receiving part that deforms under the load of a measurement object and a support part that supports the load receiving part on a substrate. Part, a sensing fiber to which distortion is applied according to deformation of the load receiving part, and a reference fiber for obtaining reference output light, and optical signals are demultiplexed and transmitted to both fibers. A weight scale that measures the weight of an object to be measured from the phase difference is disclosed.
なお、ヘテロコア型の光ファイバセンサについては、国際公開97/48994号パンフレット及び特開2003−214906号公報に詳細が開示されている。 The hetero-core type optical fiber sensor is disclosed in detail in International Publication No. 97/48994 pamphlet and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-214906.
しかしながら、上記従来の光ファイバを用いた重量計は、被計測物の荷重を受けて変形する荷重受け部に応じた歪みがセンシングファイバに付加されないと計測できないため、被計測物が大型設備や大型車両等の重量が非常に重い物に限定されるという問題がある。 However, since the above-described conventional weighing scale using an optical fiber cannot be measured unless the strain corresponding to the load receiving portion that deforms under the load of the object to be measured is added to the sensing fiber, the object to be measured is a large facility or a large object. There is a problem that the vehicle is limited to a very heavy object.
本発明は、以上の点に鑑み、光ファイバセンサを用いて、軽重量物も計測可能な重量計測素子及び重量計を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a weight measuring element and a weighing scale capable of measuring a light weight object using an optical fiber sensor.
本発明の重量計測素子は、コア及び該コアの外周に積層されたクラッドを備える光ファイバと、該光ファイバに接続され、該光ファイバとの界面で伝送する光の一部を漏洩する光透過部材とを有し、入射端に入射されて前記光透過部材を通過した光を出射端から出射する光ファイバセンサ、第1基板、及び開口部が設けられた第2基板を有し、上下方向に重ねて配設した前記第1基板と前記第2基板との間に前記光ファイバセンサを、前記開口部の領域内に前記光透過部材が位置するように配置させ、上方から荷重が印加されたとき、前記光ファイバセンサの前記光透過部材及びその近傍部分に前記開口部側に凸となる曲げが生じ、前記光ファイバセンサを伝送する光に前記荷重に応じた損失が発生することを特徴とする。 The weight measuring element of the present invention includes an optical fiber including a core and a clad laminated on the outer periphery of the core, and light transmission that is connected to the optical fiber and leaks a part of light transmitted at the interface with the optical fiber. And an optical fiber sensor that emits light that has entered the incident end and passed through the light transmitting member from the exit end, a first substrate, and a second substrate provided with an opening, and has a vertical direction. The optical fiber sensor is disposed between the first substrate and the second substrate disposed so as to overlap each other so that the light transmitting member is positioned in the region of the opening, and a load is applied from above. In this case, the light transmitting member of the optical fiber sensor and its vicinity are bent so as to protrude toward the opening, and a loss corresponding to the load is generated in the light transmitted through the optical fiber sensor. And
本発明の重量計測素子によれば、本重量計側素子の上方から荷重が印加されたとき、光ファイバセンサの光透過部材及びその近傍部分に開口部側に凸となる曲げが生じ、光ファイバセンサを伝送する光に荷重に応じた損失が発生する。従って、光ファイバセンサを伝送する光に発生した損失を計測することにより、印加された荷重を推定して、被計測物の重量を計測することが可能となる。 According to the weight measuring element of the present invention, when a load is applied from above the weight measuring element, the light transmitting member of the optical fiber sensor and the vicinity thereof are bent so as to protrude toward the opening, and the optical fiber A loss corresponding to the load occurs in the light transmitted through the sensor. Therefore, by measuring the loss generated in the light transmitted through the optical fiber sensor, it is possible to estimate the applied load and measure the weight of the object to be measured.
第1基板及び第2基板の素材をそれぞれ適宜選択して、印加される荷重の範囲において、光ファイバセンサの光透過部材及びその近傍部分に開口部側に凸となる曲げが、荷重に応じて生じるよう構成することにより、前記範囲において荷重を精度良く推定して、被計測物の重量を計測することが可能となる。 The materials of the first substrate and the second substrate are appropriately selected, and within the range of applied load, the light-transmitting member of the optical fiber sensor and the bend protruding toward the opening side in the vicinity thereof are in accordance with the load. By configuring so as to occur, it is possible to accurately estimate the load in the range and measure the weight of the object to be measured.
第1基板を柔軟素材(弾性係数の高い素材)から構成することにより、印加される荷重が軽荷重であっても、開口部の領域内の第1基板が開口部側に凸となるように変形して、光ファイバセンサの光透過部材及びその近傍部分に開口部側に凸となる曲げが生じ得る。従って、上記従来の光ファイバを用いた重量計とは異なり、被計測物が軽重量物であっても計測可能となる。 By configuring the first substrate from a flexible material (a material having a high elastic modulus), the first substrate in the region of the opening is convex toward the opening even when the applied load is light. The optical fiber sensor may be deformed, and the light transmitting member of the optical fiber sensor and the vicinity thereof may be bent so as to protrude toward the opening. Therefore, unlike the conventional weighing scale using the optical fiber, measurement is possible even if the object to be measured is a light weight object.
第1基板を復元性が良好な素材から構成することにより、印加される荷重が経時的に変化する場合などであっても、開口部の領域内の第1基板が荷重に応じて開口部側に凸となるように即時的に変形する。従って、被計測物の重量が経時的に変化する場合であっても計測可能となる。また、被計測物の重量計測の再現性が良好となる。 By configuring the first substrate from a material having good resilience, even if the applied load changes over time, the first substrate in the region of the opening is open side according to the load. Immediately deform so as to be convex. Therefore, measurement is possible even when the weight of the object to be measured changes over time. Moreover, the reproducibility of the weight measurement of the measurement object is improved.
さらに、構成が簡易であるので、安価に重量計測素子を得ることが可能となる。 Furthermore, since the configuration is simple, it is possible to obtain a weight measuring element at low cost.
なお、第1基板と第2基板の何れが上方に配設されてもよい。さら、第1基板と第2基板との間に薄板状や薄膜状の部材を有してもよい。 Note that either the first substrate or the second substrate may be disposed above. Further, a thin plate or thin film member may be provided between the first substrate and the second substrate.
また、本発明の重量計測素子において、前記第1基板又は第2基板のうち上部に配置された基板上に配置される荷重均一化基板を有することが好ましい。 Moreover, in the weight measuring element of this invention, it is preferable to have a load equalization board | substrate arrange | positioned on the board | substrate arrange | positioned above among the said 1st board | substrate or a 2nd board | substrate.
この場合、荷重均一化基板の上面に印加される荷重が不均一であったとしても、荷重均一化基板によって荷重が均一化されて下部の基板に伝達される。そのため、被計測物の重量をより精度良く計測することができる。 In this case, even if the load applied to the upper surface of the load uniformizing substrate is not uniform, the load is uniformized by the load uniformizing substrate and transmitted to the lower substrate. Therefore, the weight of the object to be measured can be measured with higher accuracy.
また、本発明の重量計測素子において、前記開口部の開口長が10mm以下であることが好ましい。 In the weight measuring element of the present invention, it is preferable that the opening length of the opening is 10 mm or less.
第2基板の開口長が10mmを超えると、曲げが生じ得る光ファイバセンサの範囲が長くなり過ぎる。そのため、荷重が印加しても、光ファイバセンサを伝送する光に発生する損失の変化が精度良く計測可能な程度に、光ファイバセンサの光透過部材及びその近傍部分に曲げが生じないおそれがある。 If the opening length of the second substrate exceeds 10 mm, the range of the optical fiber sensor that can be bent becomes too long. Therefore, even if a load is applied, there is a possibility that the light transmission member of the optical fiber sensor and the vicinity thereof are not bent to such an extent that a change in loss generated in the light transmitted through the optical fiber sensor can be accurately measured. .
また、本発明の重量計測素子において、第1基板1の硬度が第2基板2の硬度より低いことが好ましい。
In the weight measuring element of the present invention, the hardness of the
この場合、第1基板が第2基板2より柔らかいので、第2基板に荷重が印加されたとき、光ファイバセンサの光透過部材及びその近傍部分に安定な曲げを、荷重に応じて生じさせることができる。また、荷重が除去されたとき、第1基板の沈み込みの戻りが早い、即ち、光ファイバセンサの光透過部材及びその近傍部分の曲げの戻りが早い。従って、より精度良く即時的に重量計測を行うことが可能となる。
In this case, since the first substrate is softer than the
また、本発明の重量計測素子において、前記光透過部材は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であることが好ましい。 In the weight measuring element of the present invention, it is preferable that the light transmission member is a hetero core portion having a core diameter different from the core diameter of the optical fiber.
また、本発明の重量計測素子において、前記光透過部材は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材からなることが好ましい。 In the weight measuring element of the present invention, it is preferable that the light transmitting member is a light transmitting member having a refractive index equivalent to the refractive index of the core of the optical fiber or the refractive index of the cladding.
これらの場合、放電による融着などにより簡易に光透過部材を有する光ファイバセンサを得ることができるので、重量計測素子を簡易かつ安価に得ることが可能となる。 In these cases, an optical fiber sensor having a light transmitting member can be obtained simply by fusion by discharge, etc., so that a weight measuring element can be obtained easily and inexpensively.
本発明の重量計は、前記本発明の重量計測素と、前記光ファイバセンサの入射端に設けられた光源と、前記光ファイバセンサの出射端に設けられた受光部とを備えることを特徴とする。 A weight scale of the present invention comprises the weight measuring element of the present invention, a light source provided at an incident end of the optical fiber sensor, and a light receiving unit provided at an output end of the optical fiber sensor. To do.
本発明の重量計によれば、前記本発明の重量計測素子が有する効果を備えた重量計を得ることができる。 According to the weighing scale of the present invention, a weighing scale having the effects of the weight measuring element of the present invention can be obtained.
以下に、本発明の重量計測素子及びこれを用いた重量計に係る実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment according to a weight measuring element of the present invention and a weight scale using the weight measuring element will be described with reference to the drawings.
〔第1実施形態〕
図1を参照して、本発明の第1実施形態に係る重量計は、光ファイバ20a,20bを含み構成された光ファイバセンサ(センサファイバ)の一部を有する重量計測素子WMと、光ファイバセンサの光入射端である光ファイバ20a端部に設けられた光源11と、光ファイバセンサの光出射端である光ファイバ20b端部に設けられた受光部12とを備えている。重量計測素子WMは、光ファイバ20a,20bの中途部に設けられている。[First Embodiment]
Referring to FIG. 1, a weight scale according to a first embodiment of the present invention includes a weight measuring element WM having a part of an optical fiber sensor (sensor fiber) including
光源11は、例えば、半導体発光ダイオード(LED)、半導体レーザなどの発光素子を有しており、センサ光を出射する。受光部12は、例えば、フォトダイドード(PD)や電荷結合素子(CCD)などの受光素子を有する光マルチメータであり、光出射端から出射されるセンサ光を検出する。
The
図2を参照して、光ファイバセンサは、光ファイバ20a,20bと、該光ファイバ20a,20bの中途部に接続され、光ファイバ20a,20bとの界面40(図4(b)参照)で伝送する光の一部を漏洩する光透過部材であるセンサ部SPとから構成されている。
Referring to FIG. 2, the optical fiber sensor is connected to
図2から図4を参照して、重量計測素子WMは、第1基板1、第2基板2、及び荷重均一化基板3を備えている。
Referring to FIGS. 2 to 4, the weight measuring element WM includes a
第1基板1は、樹脂製ゴムなどの柔軟素材からなる板状部材であり、ここでは、厚みが1mm〜4mm程度のクロロプレンゴムあるいはシリコーンゴムなどから構成されている。第1基板1は、第2基板2と当接する上面、及び図示しない基台と当接する下面が、少なくも水平面であることが好ましい。
The
第1基板1の上面には、光ファイバセンサが戴置されている。なお、ここでは、光ファイバセンサは、第1基板1上で一直線状に載置されている。しかし、光ファイバセンサは、第1基板1の上面で一定の曲線を描くよう安定的に載置されていてもよい。
An optical fiber sensor is placed on the upper surface of the
ただし、光ファイバセンサの両端から適度な張力を印加することにより、光ファイバセンサをその長手方向に沿って常に一直線状とすることが容易に可能となる。よって、光ファイバセンサを一直線状に配置することが設置の簡易化の観点から好ましい。 However, by applying an appropriate tension from both ends of the optical fiber sensor, the optical fiber sensor can easily be always in a straight line along its longitudinal direction. Therefore, it is preferable to arrange the optical fiber sensors in a straight line from the viewpoint of simplification of installation.
光ファイバセンサは、コア21及びコア21の外周に設けられたクラッド22を備えた光ファイバ20a,20b(図5(b)参照)の中途部に、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にする光透過部材からなるセンサ部SPを有する構成であり、少なくともセンサ部(光透過部材)SP及びその近傍部分(以下、「センサ部SP及びその近傍部分」を「センサ部SP近傍」という)が第1基板1上に載るように配置されている。
The optical fiber sensor includes a
光ファイバセンサを構成する光ファイバ20a,20bにおいて、上記のように光ファイバ20aの光入射端に光源11が設けられ、光ファイバ20bの光出射端に受光部12が設けられている。
In the
第2基板2は、樹脂製ゴムなどの柔軟素材からなる板状部材であり、ここでは、厚さが1mm〜4mm程度のクロロプレンゴムあるいはシリコーンゴムなどから構成されている。第2基板2は、光ファイバセンサ上に配置されている。第2基板2は、第1基板1と当接する下面、及び荷重均一化基板3と当接する上面は、少なくも水平面であることが好ましい。
The
第2基板2には、例えば、センサ部SPとなる光透過部材の光透過方向の長さ以上10mm以下程度の開口径を有する円形の開口部2aが設けられている。開口部2aの形状は円形に限らず、四角形などの多角形形状や楕円などの曲線形状等の任意の形状であってもよい。
The
上方視において開口部2aの領域内に光ファイバセンサのセンサ部SPが位置するように、光ファイバセンサ及び第2基板2が配置される。
The optical fiber sensor and the
荷重均一化基板3は、硬質部材からなる板状部材であり、ここでは、厚さが1mm〜4mm程度のアクリル板などから構成されている。荷重均一化基板3は、第2基板2上に配置されている。荷重均一化基板3は硬質部材からなり、少なくともその硬度は第2基板2の硬度よりも高い。荷重均一化基板3は、第2基板2と当接する下面が少なくも水平面であることが好ましい。なお、図4(a)では荷重均一化基板3は省略して図示されている。
The
図5(a)及び図5(b)を参照して、光ファイバセンサは、ここでは、光ファイバ20aと光ファイバ20bとの間に、センサ部SPが設けられた構成である。センサ部SPは、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にする光透過部材であるヘテロコア部30からなる。
With reference to FIG. 5A and FIG. 5B, the optical fiber sensor has a configuration in which a sensor unit SP is provided between the
光ファイバ20a,20bは、コア21と、その外周部に設けられたクラッド22とを有し、ヘテロコア部30は、光ファイバ20a,20bのコア径alと異なるコア径blを有するコア31と、その外周部に設けられたクラッド32とを有する。
The
ヘテロコア部30におけるコア31の径blは、ここでは、光ファイバ20a,20bのコア21の径alより小さく、例えば、コア径alが9μmの場合、コア径blは5μmである。また、ヘテロコア部30の長さclは、例えば1mm〜2mm程度である。なお、コア径blは、例えば3μmや4μmであってもよい。光ファイバ20a,20bとヘテロコア部30とのクラッド径は同一又は略同一であり、例えば共に125μmである。
Here, the diameter bl of the core 31 in the hetero-
センサ部SPを構成するヘテロコア部30と光ファイバ20a,20bは、長手方向に直交する界面40でコア同士が接合するように略同軸に、例えば汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。
The hetero-
光ファイバ20a,20b及びヘテロコア部30としては、シングルモード光ファイバ及びマルチモード光ファイバの何れをも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。
As the
なお、光ファイバセンサの破損防止のため、保護用の被膜を光ファイバセンサに設けることが好ましい。また、第1基板1や第2基板2と光ファイバセンサとの間に、光ファイバセンサ保護用の薄膜を配設してもよい。
In order to prevent damage to the optical fiber sensor, it is preferable to provide a protective coating on the optical fiber sensor. Further, a thin film for protecting an optical fiber sensor may be disposed between the
光ファイバ20a,20bの中途部にヘテロコア型のセンサ部SPが接合されて構成を有する光ファイバセンサにおいて、センサ部SPのコア径blと光ファイバ20a,20bのコア径alとが界面40で異なっている。この界面40でのコア径の差に起因して、図5(a)に示すように、光ファイバセンサを伝送される光の一部がセンサ部SPのクラッド32へ漏洩し、リーク光Wが発生する。
In an optical fiber sensor having a configuration in which a hetero-core type sensor unit SP is joined to a middle part of the
コア径al,blの相違が小さくなるようにコア21,31の組み合わせを設定すると、リークWが小さくなり、大部分の光は再びコア21に入射し、伝送される光の損失(ロス)が小さくなる。コア径al,blの差が大きくなるようにコア21,31の組み合わせを設定すると、リークWが大きくなり、伝送されるセンサ光の損失が大きくなる。
When the combination of the
ヘテロコア型のセンサ部SPを有する光ファイバセンサにおいて、リークWの大きさ、即ちセンサ光の損失量は、センサ部SP近傍の光ファイバセンサの屈曲、より正確には、光ファイバセンサが描く曲線の界面40での曲率の変動により鋭敏に変化し、曲率が大きいほど大きくなる。
In the optical fiber sensor having the hetero-core type sensor unit SP, the magnitude of the leak W, that is, the loss amount of the sensor light is the bending of the optical fiber sensor near the sensor unit SP, more precisely, the curve drawn by the optical fiber sensor. It changes sharply due to the variation in curvature at the
次に、上記のように構成された重量計測素子WMの動作について説明する。 Next, the operation of the weight measuring element WM configured as described above will be described.
図4(b)に示す断面図を有する重量計測素子WMの荷重均一化基板3の上に図示しない計測対象物を載せると、計測対象物の重量に応じた荷重が荷重均一化基板3に印加され、この荷重が荷重均一化基板3の下部に配置された第2基板2へと伝達される。このとき、荷重均一化基板3の上面に印加される荷重が不均一であったとしても、下部へ伝達される荷重は、均一化されて、第2基板2へ略均等に伝達される。
When a measurement object (not shown) is placed on the
第2基板2に荷重が印加されたとき、図4(c)に示すように、開口部2aを除く部分では第1基板1は第2基板2に押されて沈み込むが、開口部2a内では押されないので第1基板1は元の厚さを保持しようとする。この結果、第1基板1は、開口部2aの領域内では、開口部2aに凸となるように上面が盛り上る。そして、光ファイバセンサは、第1基板1の上面に載置されているので、開口部2aの領域内に位置する光ファイバセンサのセンサ部SP近傍に、第2基板2に設けられた開口部2a側に凸となるよう、即ち上向きに凸となる曲げが生じる。
When a load is applied to the
光ファイバセンサのセンサ部SP近傍に生じた曲げに起因して、光ファイバセンサに伝送されるセンサ光の損失が変化する。即ち、荷重均一化基板3又は第2基板2に荷重が印加されたとき、光ファイバセンサを伝送する光の損失が変化する構成となっている。
The loss of sensor light transmitted to the optical fiber sensor changes due to bending that occurs in the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor. That is, when a load is applied to the
計測対象物の所定の重量範囲において、荷重の大きさに応じて、光ファイバセンサのセンサ部SP近傍の曲げの大きさが1対1対応で変化するように構成することにより、荷重の大きさに応じてセンサ光の損失が1対1対応で変化する。 In the predetermined weight range of the measurement object, the magnitude of the load is configured such that the bending magnitude in the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor changes in a one-to-one correspondence according to the magnitude of the load. Accordingly, the loss of the sensor light changes in a one-to-one correspondence.
従って、このようにして重量計測素子を構成し、荷重の大きさとセンサ光の損失の大きさの関係を予め調べておくことで、計測対象物を戴置したときに発生するセンサ光の損失の大きさから、計測対象物の重量を算出することができる。 Therefore, the weight measuring element is configured in this way, and the relationship between the magnitude of the load and the magnitude of the loss of sensor light is examined in advance, so that the loss of sensor light that occurs when the measurement object is placed is reduced. From the size, the weight of the measurement object can be calculated.
荷重の大きさとセンサ光の損失の大きさの関係を示すデータと計測時のセンサ光の損失データからの計測対象物の重量の算出は、例えば、損失データを重量値に換算する所定のプログラムを組み込んだコンピュータなどにより実現できる。 Calculation of the weight of the measurement object from the data indicating the relationship between the magnitude of the load and the loss of the sensor light and the loss data of the sensor light at the time of measurement is performed by, for example, a predetermined program for converting the loss data into a weight value. It can be realized by an embedded computer.
本実施形態に係る重量計測素子WMと、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板3に印加される荷重に応じて光ファイバセンサを伝送する光に対して損失を発生させる構成となっており、安価な構成で高精度な重量計測が実現することができる。
The weight measuring element WM according to the present embodiment and the weight scale configured using the weight measuring element WM are configured to generate a loss with respect to the light transmitted through the optical fiber sensor in accordance with the load applied to the
重量計測素子WMは、電気的に重量計測を行っていないので、例えば防爆施設などにおける重量計測に用いられる重量計に好適に利用可能である。 Since the weight measuring element WM does not electrically measure the weight, the weight measuring element WM can be suitably used for, for example, a weight scale used for weight measurement in an explosion-proof facility or the like.
なお、第2基板2の開口部2aの開口長、ここでは開口径が10mm以下であることが好ましい。
In addition, it is preferable that the opening length of the
第2基板2の開口部2aの開口径が10mmを超えると、センサ部SPの長さcl(図5(b)参照)と比較して十分に大きくなり過ぎ、荷重が印加しても光損失の変化が精度良く計測可能な程度に光ファイバセンサの曲げが発生しないおそれがある。
When the opening diameter of the
一方、第2基板2の開口部2aの開口径の下限については特に限定はないが、例えば、1mm以上であることが好ましい。開口径が1mmより小さくなるにつれて、伝送する光の損失が発生するような光ファイバセンサの曲げを生じさせることが困難となる可能性がある。なお、光ファイバセンサのセンサ部SP近傍の曲率半径(擬似曲率半径)は、最大で開口部2aの開口径の半分程度となる。
On the other hand, the lower limit of the opening diameter of the
また、第1基板1の硬度が第2基板2の硬度より低いことが好ましい。第1基板1が第2基板2より柔らかいことで、第2基板2に荷重が印加されたときに、光ファイバセンサのセンサ部SP近傍に安定な曲げを発生させることができ、光ファイバセンサのセンサ部SP近傍の曲げを荷重に応じて生じさせることができる。また、荷重が除去されたとき、第1基板1の沈み込みの戻りが早い、即ち、光ファイバセンサのセンサ部SP近傍の曲げの戻りが早いので、より精密な重量計測を行うことが可能となる。
The hardness of the
例えば、第1基板1がクロロプレンゴム(硬度80程度)からなり、第2基板2がシリコーンゴム(硬度65程度)からなる構成を好ましく用いることができる。
For example, a configuration in which the
なお、第1基板1の盛り上がりが第2基板2の厚さを超えると、光ファイバセンサが荷重均一板3に当接して、再現性の良好な計測結果を得ることができない。また、第1基板1の盛り上がりが微小になり過ぎると、光ファイバセンサのセンサ部SP近傍に生じる曲げが極小となり、精度良い計測結果を得ることができない。従って、第1基板1と第2基板2の素材や硬度は、計測する荷重範囲に応じて適宜定めればよい。例えば、車両等の重量物を計測する場合には、第1基板1と第2基板2の硬度を高いものとし、微小物等の軽量物を計測する場合には、、第1基板1と第2基板2の硬度を低いものとすることが好ましい。
If the rising of the
また、第2基板2は、開口部20aの端部に接触する光ファイバセンサを破損しないよう、ゴム等の柔軟素材からなることが好ましいが、これに限定されない。例えば、開口部2aの端部をR形状に形成することや、開口部2aの端部に保護部材を設けることにより、第2基板2を硬質素材から構成することも可能である。
Moreover, although it is preferable that the 2nd board |
また、本実施形態では、1枚の荷重均一基板3に対して、センサ部SPが領域内に位置する開口部2aを1つ設ける場合について説明したが、これに限定されない。例えば、1枚の荷重均一基板3に対して、センサ部SPが領域内にそれぞれ位置する開口部2aを複数設けてもよい。この場合、1本の光ファイバセンサに複数のセンサ部SPを設けること、複数本の光ファイバセンサを用いることの何れも可能である。
Moreover, although this embodiment demonstrated the case where the sensor part SP provided one
また、本実施形態では、光ファイバセンサ、光ファイバセンサの下方に配置される第1基板1、及び開口部2aが設けられ、該開口部2aの領域内にセンサ部SPを位置させて光ファイバセンサの上方に配置される第2基板2、第2基板2上に配置される荷重均一化基板3を有し、荷重均一化基板3に荷重が印加されたとき、光ファイバセンサのセンサ部SP近傍に開口部2a側に凸となる曲げが生じ、光ファイバセンサを伝送する光に荷重に応じた損失が発生する重量計測素子WMについて説明した。
In the present embodiment, the optical fiber sensor, the
しかし、光ファイバセンサ、光ファイバセンサの上方に配置される第1基板1、及び開口部2aが設けられ、該開口部2aの領域内にセンサ部SPを位置させて光ファイバセンサの下方に配置される第2基板2、第1基板1上に配置される荷重均一化基板3を有し、荷重均一化基板3に荷重が印加されたとき、光ファイバセンサのセンサ部SP近傍に開口部2a側に凸となる曲げが生じ、光ファイバセンサを伝送する光に荷重に応じた損失が発生する重量計測素子であってもよい。
However, the optical fiber sensor, the
〔第2実施形態〕
センサ部SPとして、第1実施形態に記載の構成以外の構成を採用することも可能である。[Second Embodiment]
As the sensor unit SP, a configuration other than the configuration described in the first embodiment may be employed.
そこで、本発明の第2実施形態に係る重量計測素子WMは。図6(a)を参照して、センサ部SPを構成する光透過部材であるヘテロコア部30のコア31の径blが、光ファイバ20a,20bのコア21の径alよりも大きな構成となっている。
Therefore, the weight measuring element WM according to the second embodiment of the present invention. With reference to FIG. 6A, the diameter bl of the
また、本発明の第2実施形態の変形に係る重量計測素子WMは。図6(b)を参照して、センサ部SPとして、光ファイバ20a,20bのコア21の屈折率あるいはクラッド22の屈折率と同等の屈折率を持つ材料からなる、ヘテロコア部ではない光透過部材30aが光ファイバ20a,20bの中途部に接合されてなる構成となっている。
A weight measuring element WM according to a modification of the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 (b), a light transmitting member that is not a hetero-core portion made of a material having a refractive index equivalent to the refractive index of the
センサ部SP以外の重量計測素子WMの構成は、実質的に第1実施形態と同様である。 The configuration of the weight measuring element WM other than the sensor unit SP is substantially the same as in the first embodiment.
本実施形態の重量計測素子WMと、これを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板3に印加される荷重に応じて光ファイバセンサを伝送する光に対して損失を発生させる構成となっており、安価で高精度な重量計を実現することができる。
The weight measuring element WM of the present embodiment and the weighing scale configured using the weight measuring element WM generate a loss with respect to the light transmitted through the optical fiber sensor in accordance with the load applied to the
〔第3実施形態〕
本発明の第3実施形態に係る重量計においては、図7を参照して、光ファイバセンサが、光カプラ16において、光ファイバ20aが光ファイバ20bと光ファイバ20cとに分岐するよう構成されている。光ファイバ20bの端部には銀を蒸着して形成された反射部(鏡)15が設けられ、光ファイバ20a端部が光ファイバセンサの光入射端、光ファイバ20c端部が光ファイバセンサの光出射端となる。光ファイバ20a,20bの中途部に重量計測素子WMが設けられている。[Third Embodiment]
In the weighing scale according to the third embodiment of the present invention, referring to FIG. 7, the optical fiber sensor is configured such that, in the
光ファイバ20aの端部にセンサ光を出射する光源11が設けられ、、光ファイバ20cの端部に、この出射端から出射されるセンサ光を検出する受光部12が設けられている。
A
上記以外の構成は、実質的に第1実施形態と同様である。また、第2実施形態の構成も適用可能である。 Other configurations are substantially the same as those in the first embodiment. The configuration of the second embodiment is also applicable.
第3実施形態に係る重量計は、荷重均一化基板3に印加される荷重に応じて光ファイバセンサを伝送する光に対して損失を発生させる構成となっており、安価で高精度な重量計を実現することができる。
The weigh scale according to the third embodiment is configured to generate a loss with respect to the light transmitted through the optical fiber sensor in accordance with the load applied to the
特に、反射部15で反射したセンサ光は、再びセンサ部SPを通過するため、一方向に通過させただけの光と比較してより多くの相互干渉の情報を含んだ光が計測され、より高感度に重量計測を行うことができる。
In particular, since the sensor light reflected by the reflecting
〔第4実施形態〕
本発明の第4実施形態に係る重量計においては、図8を参照して、光ファイバセンサの一端部である光ファイバ20aの端部に、OTDR(Optical time-domain reflectometer)装置70が接続されている。OTDR装置70から入射されたセンサ光の後方へのレイリー散乱光をOTDR装置70自身が検出する。[Fourth Embodiment]
In the weigh scale according to the fourth embodiment of the present invention, referring to FIG. 8, an OTDR (Optical time-domain reflectometer)
上記以外の構成は、実質的に第1実施形態と同様である。また、第2,3実施形態の構成も適用可能である。 Other configurations are substantially the same as those in the first embodiment. The configurations of the second and third embodiments are also applicable.
第4実施形態の重量計は、荷重均一化基板3に印加される荷重に応じて光ファイバセンサを伝送する光に対して損失を発生させる構成となっており、安価で高精度な重量計を実現することができる。
The weighing scale according to the fourth embodiment is configured to generate a loss with respect to the light transmitted through the optical fiber sensor in accordance with the load applied to the
〔第5実施形態〕
本発明の第5実施形態に係る重量計においては、複数個の重量計測素子WMが1本の光ファイバセンサ上に直列に接続された構成となっている。[Fifth Embodiment]
In the weighing scale according to the fifth embodiment of the present invention, a plurality of weight measuring elements WM are connected in series on one optical fiber sensor.
図9を参照して、ここでは、光ファイバ20a,20bの中途部に第1重量計測素子WM1が設けられ、光ファイバ20b,20cの中途部に第2重量計測素子WM2が設けられ、さらに光ファイバ20c,20dの中途部に第3重量計測素子WM3が設けられている。即ち、ここでは、3個の重量計測素子WM1〜WM3が1本の光ファイバセンサ上に直列に接続された構成となっている。Referring to FIG. 9, here, a first weight measuring element WM 1 is provided in the middle of the
光ファイバ20aには、OTDR装置70が接続されている。OTDR装置70からセンサ光が入射されると、複数個の重量計測素子WM1〜WM3のそれぞれにおいて後方へのレイリー散乱光が発生し、これをOTDR装置70が検出する。An
上記以外の構成は、実質的に第1実施形態と同様であり、重量計測素子WM1〜WM3はそれぞれ第1実施形態と同様の構成とすることができる。また、第2から第4の各実施形態に適用可能である。The configuration other than the above is substantially the same as that of the first embodiment, and the weight measuring elements WM 1 to WM 3 can be the same as those of the first embodiment. Further, the present invention can be applied to the second to fourth embodiments.
第5実施形態の重量計は、荷重均一化基板3に印加される荷重に応じて光ファイバセンサを伝送する光に対して損失を発生させる構成となっており、安価で高精度な重量計を実現することができる。
The weigh scale of the fifth embodiment is configured to generate a loss with respect to the light transmitted through the optical fiber sensor in accordance with the load applied to the
特に、複数個の重量計測素子WM1〜WM3で同時に重量を計測することが可能である。In particular, it is possible to simultaneously measure the weight with a plurality of weight measuring elements WM 1 to WM 3 .
〔第6実施形態〕
本発明の第6実施形態に係る重量計においては、図10を参照して、光ファイバセンサの光入射端である光ファイバ20aの端部に、白色光などのセンサ光を出射する白色光源11aが設けられている。そして、光ファイバセンサの光出射端である光ファイバ20bの端部に、この光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータなどの受光部12が設けられている。このように、センサ光として、半導体発光ダイオード又は半導体レーザの発光する単一波長あるいは狭い波長領域の光のほかに、白色光を用いることができる。[Sixth Embodiment]
In the weight scale according to the sixth embodiment of the present invention, referring to FIG. 10, a
上記以外の構成は、実質的に第1実施形態と同様である。また、第2から第5の各実施形態の構成も適用可能である。 Other configurations are substantially the same as those in the first embodiment. The configurations of the second to fifth embodiments are also applicable.
第6実施形態の重量計は、荷重均一化基板3に印加される荷重に応じて光ファイバセンサを伝送する光に対して損失を発生させる構成となっており、安価で高精度な重量計を実現することができる。
The weigh scale according to the sixth embodiment is configured to generate a loss with respect to the light transmitted through the optical fiber sensor in accordance with the load applied to the
〔実施例〕
実施例1として、図11(b)に示すように、上記の第1実施形態に係る重量計を作成した。第1基板1として、30mm×30mmの大きさで厚みが1mmであり、硬度80(JIS K6301 A)のクロロプレンゴムからなるシートを用いた。第2基板2として、30mm×30mmの大きさで厚みが1mmであり、硬度80(JIS K6301 A)のクロロプレンゴムからなるシートを用いた。第2基板2には開口径3mmの円形状の開口部2aを設けた。第1基板1上にセンサ部SPが配置されるように光ファイバセンサを配置し、センサ部SPが開口部2a内に配置されるように、第2基板2を配置した。また、光ファイバセンサとして、コア径alが9μm、クラッド径が125μmの光ファイバ20a,20bと、コア径blが5μm、クラッド径が125μm、長さclが1mm〜2mmのセンサ部SPとからなるものを用いた。〔Example〕
As Example 1, as shown in FIG. 11B, the weighing scale according to the first embodiment was created. As the
また、第1基板1として、30mm×30mmの大きさで厚みが2mmであり、硬度65(JIS K6301 A)のシリコーンゴムからなるシートを用い、上記以外は実施例1と同様にした重量計を、実施例2として作成した。
Further, as the
また、比較例として、図11(a)に示すように、第1基板100である30mm×30mmの大きさで厚みが1mmのクロロプレンゴムからなるシート上にセンサ部SPが配置されるように、光ファイバセンサ20a,20bを配置し、センサ部SPに当接するように、20mm×3mmの大きさで厚さが0.5mmである直方体形状のウレタンゴムからなる押圧部材101を配置し、これらを覆うように第2基板102である30mm×30mmの大きさで厚みが1mmのクロロプレンゴムからなるシートを配置した。
As a comparative example, as shown in FIG. 11A, the sensor unit SP is disposed on a sheet of chloroprene rubber having a size of 30 mm × 30 mm and a thickness of 1 mm, which is the
実施例1,2及び比較例に係る重量計に対して、20秒毎に、荷重を0,1,6.1,11.2,16.3,21.4,26.5,31.6,26.5,21.4,16.3,11.2,6.1,1,0(kgf)と、一度0kgfから31.6kgfまで増加させた後、再び0kgfに減らすように変化させたときの光ファイバセンサを伝送される光の損失を計測した。なお、図12から図17において、損失の値は、荷重が印加していないときの損失の値を基準(0dB)としている。 For the weigh scales according to Examples 1 and 2 and the comparative example, the load is 0, 1, 6.1, 11.2, 16.3, 21.4, 26.5, 31.6 every 20 seconds. , 26.5, 21.4, 16.3, 11.2, 6.1, 1, 0 (kgf), once increased from 0 kgf to 31.6 kgf and then decreased to 0 kgf again. The loss of light transmitted through the optical fiber sensor was measured. 12 to 17, the loss value is based on the loss value when no load is applied (0 dB).
実施例1に係る重量計は、損失の時間変化を示すグラフである図12を参照して、20秒毎に変化させた荷重に対応して、損失が階段状に変化することが確認された。 The weigh scale according to Example 1 was confirmed to change in a stepped manner in accordance with the load changed every 20 seconds with reference to FIG. 12, which is a graph showing the time change of loss. .
損失の値を荷重に対してプロットしたグラフである図13を参照して、荷重が増加するときの損失に対して、荷重が減少するときの損失がやや大きいが、30kgf程度までの荷重に対して損失は一様に変化することが確認された。 Referring to FIG. 13, which is a graph in which the value of loss is plotted against the load, the loss when the load decreases is slightly larger than the loss when the load increases, but for loads up to about 30 kgf The loss was confirmed to change uniformly.
実施例2に係る重量計は、損失の時間変化を示すグラフである図14を参照して、実施例1と同様に損失が階段状に変化していることが確認された。 In the weigh scale according to Example 2, it was confirmed that the loss changed in a stepped manner as in Example 1 with reference to FIG. 14 which is a graph showing the time change of loss.
損失の値を荷重に対してプロットしたグラフである図15を参照して、荷重が増加するときと荷重が減少するときの損失の差が実施例1より小さい。第1基板1の硬度が第2基板2の硬度より低くなるように構成とすることで、荷重が除去されるときの第1基板1の沈み込みの戻りが早く、即ち、光ファイバセンサのセンサ部SP近傍の曲げの戻りが早くなり、より精密な重量計測を行うことが可能となることが確認された。また、損失の値が荷重に対して直線状に変化する領域が増えており、より精密な計測に貢献しうることが確認された。
Referring to FIG. 15, which is a graph in which the value of loss is plotted against the load, the difference in loss when the load increases and when the load decreases is smaller than the first embodiment. By configuring the
比較例に係る重量計は、損失の時間変化を示すグラフである図16を参照して、押圧部材101により荷重がセンサ部SPに集中し、5kgf程度までの軽い荷重の領域では実施例1,2より大きな損失が得られる。しかし、5kgf程度で飽和してしまい、5kgを超えると、実施例1,2のような階段状の損失の変化にはならなかった。
With reference to FIG. 16 which is a graph showing a time change of loss, the weight meter according to the comparative example is that the load is concentrated on the sensor part SP by the pressing
また、損失の値を荷重に対してプロットしたグラフである図17を参照して、荷重が増加するときと荷重が減少するときの損失の差が大きく、特に荷重を0に近づけるときの損失が小さくなる戻りが遅いことが確認された。 Further, referring to FIG. 17 which is a graph in which the value of the loss is plotted with respect to the load, there is a large difference in loss when the load increases and when the load decreases. It was confirmed that the return to be small was slow.
本発明は、上記の各実施形態に限定されず、各実施形態を適宜組み合わせた形態などであってもよく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。 The present invention is not limited to each of the above-described embodiments, and may be a form in which the embodiments are appropriately combined, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
例えば、荷重均一化基板3を有さない構成とすることも可能である。しかし、この場合、均一化がなされないまま荷重が第2基板2に直接印加されるため、重量計測の精度が劣るため、荷重均一化基板3を有することが好ましい。ただし、計測対象物の底部形状等によって、荷重が第2基板2に略均等に印加される場合には、荷重均一化基板3は必要としない。
For example, a configuration without the
また、荷重均一化基板3上に載置等される被計測物の重量を計測することに限定されない。例えば、各実施形態の重量計測素子WMを水圧計に用いてもよい。この場合、重量計測素子WMを格納するステンレス等からなる筐体を設け、この筐体の上部に開口を形成する。そして、開口を介して印加される水圧によって光ファイバセンサのセンサ部SP近傍に発生する曲げから、水圧を求める。重量計測素子WMは、電気を用いないため、特別な防水対策を施す必要がなく、水圧計への利用に適している。さらに、防水され大気と連通した穴を筐体の下部に形成することにより、大気圧との差圧を計測することも可能となる。
Further, the present invention is not limited to measuring the weight of an object to be measured placed on the
本発明の重量計測素子及びそれを用いた重量計は、例えば防爆施設などにおいて用いられる重量計に好適に利用可能である。
The weight measuring element of the present invention and the weight scale using the weight measuring element can be suitably used for a weight scale used in, for example, an explosion-proof facility.
Claims (7)
第1基板、及び
開口部が設けられた第2基板を有し、
上下方向に重ねて配設した前記第1基板と前記第2基板との間に前記光ファイバセンサを、前記開口部の領域内に前記光透過部材が位置するように配置させ、
上方から荷重が印加されたとき、前記光ファイバセンサの前記光透過部材及びその近傍部分に前記開口部側に凸となる曲げが生じ、前記光ファイバセンサを伝送する光に前記荷重に応じた損失が発生することを特徴とする重量計測素子。An optical fiber having a core and a clad laminated on the outer periphery of the core; and a light transmitting member connected to the optical fiber and leaking a part of light transmitted at the interface with the optical fiber, and having an incident end An optical fiber sensor that emits from the exit end the light that has entered the light and passed through the light transmission member,
A first substrate and a second substrate provided with an opening;
The optical fiber sensor is disposed between the first substrate and the second substrate disposed so as to overlap in the vertical direction so that the light transmission member is positioned in the region of the opening,
When a load is applied from above, the light transmission member of the optical fiber sensor and its vicinity are bent so as to protrude toward the opening, and the light transmitted through the optical fiber sensor has a loss corresponding to the load. A weight measuring element characterized by the above.
前記光ファイバセンサの入射端に設けられた光源と、
前記光ファイバセンサの出射端に設けられた受光部とを備えることを特徴とする重量計。
The weight measuring element according to any one of claims 1 to 6,
A light source provided at an incident end of the optical fiber sensor;
And a light receiving portion provided at an emission end of the optical fiber sensor.
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