JP7134425B2 - 光ファイバセンサ及びこれを用いた変位検出装置、変形感受装置並びに光ファイバセンサシステム - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバセンサ及びこれを用いた変位検出装置、変形感受装置並びに光ファイバセンサシステムに関する。

従来、ヘテロコア部を有する光ファイバを用いて、振動数、変形などを計測する光ファイバセンサが知られている。この光ファイバセンサにおいては、ヘテロコア部の曲げの大きさに応じて漏洩する光が多くなることを利用して計測している。そのため、ヘテロコア部の曲げが大きくなるように構成すれば、計測精度の向上を図ることが可能になる。

例えば、特許文献１には、光ファイバのヘテロコア部の両側端からそれぞれ外側に同じ距離だけ離間した部分を支持することにより、ヘテロコア部の曲げが大きくなるように構成することが開示されている。

特開２０１０－１８１２０４２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された構成などでは、ヘテロコア部の両側部分を支持する必要があり、光ファイバセンサの用途が限定されるという課題があった。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、用途の拡大を図り得る構成を有する光ファイバセンサ及びこれを用いた変位検出装置、変形感受装置並びに光ファイバセンサシステムを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバセンサは、コア及びクラッドを有する光伝送部と、該光伝送部のコア及びクラッドに各々連なるコア及びクラッドを有するヘテロコア部とを備え、該ヘテロコア部は前記光伝送部のコアと異なる直径のコアを有する光ファイバと、前記光ファイバの先端面に設けられた金属膜とからなる光ファイバセンサであって、先端から後端側に延び、前記光ファイバの先端部の一部外周を覆う覆い部材を備え、前記ヘテロコア部は前記覆い部材の後端より前記後端側であって、かつ、前記覆い部材の後端側近傍に配置され、前記覆い部材はセラミックス、硬質プラスチック、金属のうちの何れかの材質からなり、前記覆い部材の先端面と前記光ファイバの先端面とは同一平面上に位置していることを特徴とする。

本発明の光ファイバセンサによれば、ヘテロコア部の先端側に覆い部材及び金属膜が存在するが、ヘテロコア部より先端側は被計測体に固定する必要がない。そのため、光ファイバセンサのヘテロコア部より後端側の部分のみを被計測体に固定すればよいので、検出用途の拡大を図ることが可能となる。

さらに、光ファイバの先端に覆い部材を備えており、この覆い部材で覆われた部分は単位長さ当たりで光ファイバのみである部分と比較して重い。そのため、光ファイバの先端側を片持ち状態（カンチレバー状態）に支持した場合、梁が先端荷重を受け、梁の自重を無視可能な材料力学モデルに光ファイバセンサが比定される。また、光ファイバの先端側が変位を受ける場合、覆い部材の変位によって梁が先端に荷重を受け、梁の自重を無視可能な材料力学モデルに光ファイバセンサが比定される。

これらのモデルでは、先端側に近いほど光ファイバの曲げが大きくなるので、覆い部材の後端側近傍に配置されているヘテロコア部に大きな曲げを生じさせることが可能となる。これにより、ヘテロコア部から光ファイバの外部に漏洩する光が多くなるので、検出感度の向上を図ることが可能となる。

本発明の変位検出装置は、本発明の前記光ファイバセンサの前記光ファイバの後端側が変位体に固定され、自立して前記覆い部材を重錘として揺動自在に設けられていることを特徴とする。

本発明の変位検出装置によれば、変位体が変位すると、これに応じて、光ファイバを介して覆い部材が変位する。そして、覆い部材は重錘として存在するので、変位体の変位が小さなものであっても、覆い部材は大きく変位するので、覆い部材の後端側近傍に配置されているヘテロコア部に大きな曲げを生じさせることが可能となる。これにより、ヘテロコア部から光ファイバの外部に漏洩する光が多くなるので、変位の計測の高精度化を図ることが可能となる。

本発明の変形感受性部材は、本発明の光ファイバセンサの前記覆い部材が柔軟部材に固定され、前記光ファイバの後端側が当該柔軟部材の他の部分に固定され、当該柔軟部材に外力が作用することを特徴とする。

本発明の変形感受性部材によれば、柔軟部材が伸長、収縮、屈曲、歪み等の変形に伴い覆い部材が変位する。これにより、覆い部材の後端側近傍に配置されているヘテロコア部に大きな曲げを生じさせることが可能となる。ヘテロコア部から光ファイバの外部に漏洩する光が多くなるので、外力による柔軟部材の変形を計測することが可能となる。

本発明の光ファイバセンサシステムは、本発明の光ファイバセンサの前記光ファイバの前記後端側が分岐しており、一方の分岐路に光源が、他方の分岐路に光検出器がそれぞれ接続されていることを特徴とする。

本発明の光ファイバセンサシステムによれば、光の漏洩量を検出することができ、本発明の光ファイバセンサが備える効果を有するシステムを得ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る光ファイバセンサの模式一部断面図。 本発明の実施形態に係る光ファイバセンサシステムの模式図。 本発明の実施形態に係る変位検出装置の模式図。 本発明の実施形態に係る変形感受装置の模式図。 本発明の実施形態に係る変形感受装置を用いた指先センサの模式図。 光ファイバシステムにおいてフェルールを持ち上げ及び持ち下げしたときにおける光損失の変化を示すグラフ。 変位検出装置において変位体に振動を与えたときにおける光損失の変化を示すグラフ 変位感受装置において柔軟部材を収縮及び伸長させたときにおける光損失の変化を示すグラフ

本発明の実施形態に係る光ファイバセンサ１００について図１を参照して説明する。

光ファイバセンサ１００は、先端面１０ａに金属膜３０を有する光ファイバ１０と、光ファイバ１０の先端部の一部外周を覆う覆い部材であるフェルール２０とを備えている。

ここで、光ファイバ１０は、コア１１及びクラッド１２を有する光伝送部１３と、光伝送部１３のコア１１及びクラッド１２に各々連なるコア１４及びクラッド１５を有するヘテロコア部１６を中間部に備えている。ヘテロコア部１６は光伝送部１３のコア１１の直径とは直径が異なるコア１４を有している。また、光伝送部１３及びヘテロコア部１６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いずれであってもよい。

なお、本実施形態では、ヘテロコア部１６のコア１４は光伝送部１３のコア１１の直径よりも直径が小さいが、ヘテロコア部１６のコア１４は光伝送部１３のコア１１の直径よりも直径が大きくてもよい。

図１にはヘテロコア部１６のコア１４の直径は一定である場合を示しているが、コア１４の直径が、軸心方向で変化するように、コア１４が形成されていてもよい。例えば、コア１４の直径が軸心方向の両端から中央側に向かって徐々に縮径していくようにコア１４が形成されていてもよい。

そして、フェルール２０は、光ファイバ１０の先端部に先端部が固定されている。フェルール２０は、円筒形状であり、例えば、セラミックス、硬質プラスチック、金属などから形成されている。

フェルール２０の先端面は、光ファイバ１０の先端面１０ａに形成されている金属膜３０の後端側の面と同一平面上に位置している。金属膜３０は、銀などの金属からなる膜であり、光ファイバ１０を伝送されてきた光が良好に反射するように、良好な反射面となるように構成されている。

フェルール２０と光ファイバ１０との先端面が同一平面上に位置しているので、光ファイバ１０の先端面を平滑に研磨するとき、フェルール２０を研磨機の固定装置に固定した状態で、フェルール２０と共に光ファイバ１０を研磨することにより、簡易に光ファイバ１０の先端面を良好に研磨することが可能となる。よって、フェルール２０は、硬質の材質からなることが好ましい。

フェルール２０と光ファイバ１０の先端部とは、エポキシ樹脂などの柔軟性を有する材料４０によって固定されている。また、光ファイバ１０は、光ファイバ被膜５０によって覆われており、フェルール２０の後端部と光ファイバ被膜５０の先端部とは、接着剤６０によって固定されている。

なお、光ファイバ１０は光ファイバ被膜５０によって覆われていなくてもよい。光ファイバ被膜５０は、例えば、ビニルなどの樹脂からなるものである。

上記のように、ヘテロコア部１６はフェルール２０の後端側近傍に配置されている。ヘテロコア部１６とフェルール２０の後端との距離は、接着剤６０による固定を考慮したうえで短ければよいが、例えば、数ｍｍ又は十数ｍｍ以下であってもよい。

以上のように構成された光ファイバセンサ１００は、光ファイバセンサシステム２００に使用される。

光ファイバ１０のヘテロコア部１６よりも後端側の中途部に光カプラ１１０が設けられており、光カプラ１１０で別の光ファイバ１２０に分岐している。

光ファイバセンサシステム２００は、光ファイバ１０の後端部に接続され、光伝送部１３に入射する光を出力する光源１３０と、分岐された光ファイバ１２０の後端部に接続され、この光ファイバ１２０から出射する光を受光する光検出器１４０と。光検出器１４０の出力を図示しないＡＤ変換器を介して取り込むデータ処理装置１５０とを備える。

光源１３０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等により構成され、光ファイバセンサ１００の光ファイバ１０の一方側の端部に接続される。光検出器１４０は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）等により構成されている。

データ処理装置１５０は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータ、あるいは、ＣＰＵ等を含む電子回路ユニットにより構成される。

このように構成された光ファイバセンサシステム２００の光源１３０から光ファイバ１０の光伝送部１３に光が入射され、光ファイバ１０の光伝送部１３からの出射光が光検出器１４０により検出される。

そして、データ処理装置１５０により、光検出器１４０の出力により示される出射光の強度が計測され、該出射光の強度の計測値と、入射光の既定の強度との比率等を指標値として、光ファイバセンサ１００における光の伝送損失（以降、単に光損失という）が計測される。なお、光ファイバセンサ１００の光損失は、入射光の強度に対する出射光の強度の比率が小さいほど、大きなものとなる。

本実施形態においては、光ファイバ１０の先端側にフェルール２０及び金属膜３０が存在するが、上記特許文献１とは異なり、ヘテロコア部１００より後端側の部分のみを被計測体（例えば、図３に示す変位体３１０）に固定すればよいので、検出用途の拡大を図ることが可能となる。

フェルール２０で覆われた部分は、単位長さ当たりで他の部分の光ファイバ１０と比較して重い。そのため、光ファイバ１０の先端側を片持ち状態（カンチレバー状態）に支持した場合、梁が先端荷重を受け、梁の自重を無視可能な材料力学モデルに光ファイバセンサ１００が比定される。また、光ファイバ１０の先端側が変位を受ける場合、フェルール２０の変位によって梁が先端に荷重を受け、梁の自重を無視可能な材料力学モデルに光ファイバセンサ１００が比定される。

これらのモデルでは、先端側に近いほど光ファイバ１０の曲げが大きくなるので、ヘテロコア部１６に大きな曲げを生じさせることが可能となる。これにより、ヘテロコア部１６から光ファイバ１０の外部に漏洩する光が多くなるので、検出感度の向上を図ることが可能となる。

従って、光検出器１４０で受光した光量を計測することにより、ヘテロコア部１６の曲げの大きさを介して、フェルール２０の変位を高精度で検出することができる。ここで、光損失とフェルール２０の変位を予め関係付けておくことにより、得られた光損失からフェルール２０の変位を求めることができる。

次に、上記の光ファイバセンサ１００を用いた、本発明の実施形態に係る変位検出装置３００について図３を参照して説明する。

変位検出装置３００においては、光ファイバセンサ１００の光ファイバ１０の後端側が変位体３１０に固定されており、フェルール２０が重錘として自立した状態で変位体３１０に対して搖動自在に設けれている。すなわち、光ファイバセンサ１００は片持ち状態で変位体３１０に固定されている。

変位体３１０は、変位検出装置３００を用いて検査する変位の被測定物である。すなわち、変位検出装置３００を用いて、変位体３１０又はこれに固定された物体の変位の有無、振動数などを検査することが可能となる。

変位体３１０は、フェルール２０の搖動によって変位しない程度に、フェルール２０などの重さと比較して重い物体である。

変位検出装置３００において、変位体３１０が変位すると、これに応じて、光ファイバ１０を介してフェルール２０が変位する。このフェルール２０の変位は上述したように、光検出器１４０で受光した光量を計測することにより、求めることができる。

そして、フェルール２０は重錘として存在するので、変位体３１０の変位が小さなものであっても、フェルール２０は大きく変位するので、変位の計測の高精度化を図ることが可能となる。

また、光ファイバ１０の固定箇所、フェルール２０の重量などの適宜設定することにより、検査対象となる変位体３１０の変位、振動数などの大小に応じた良好な検査を行うことが可能となる。

例えば、光ファイバセンサ１００の共振点に対して変位体３１０の振動の振動数が十分に低い場合、変位検出装置１００は加速度計などの振動検出装置として機能する。一方、光ファイバセンサ１００の共振点に対して変位体３１０の振動の振動数が十分に高い場合、変位検出装置１００は地震計として機能する。光ファイバセンサ１００の共振点は、前記設定に応じて定まる。なお、前記設定によっては、フェルール２０は変位体３１０と並進するので、変位体３１０の変位を検出できない場合もある。

次に、上記の光ファイバセンサ１００を用いた、本発明の実施形態に係る変形感受装置４００について図４を参照して説明する。

変形感受装置４００においては、光ファイバセンサ１００のフェルール２０が柔軟部材４１０の一部に固定されている。

柔軟部材４１０は、外力が作用すると変形する部材であり、シリコーンゴムなどの柔軟な材料から形成されている。ここでは、柔軟部材４１０は矩形板状であるが、柔軟部材４１０の形状はこれに限定されず、例えば、平板状でなく、立体状であってもよい。

フェルール２０を含む光ファイバセンサ１００は柔軟部材４１０に埋め込まれている。フェルール２０を固定する部分は、変形感受装置４００を用いて柔軟部材４１０の変位を感受する部分である。

よって、変形感受装置４００を用いて、柔軟部材４１０全体の変位を求めることも可能であるが、フェルール２０が固定されている部分の柔軟部材４１０の部分的な変位を求めることも可能である。例えば、１つの柔軟部材４１０の複数の光ファイバセンサ１００のフェルール２０を固定することにより、柔軟部材４１０の部分的な複数箇所の変位を求めることが可能となる。なお、フェルール２０は、その一部又は全体が接着剤などによって柔軟部材４１０に固定されていてもよい。

変形感受装置４００において、柔軟部材４１０が伸長、収縮、屈曲、歪み等の変位に伴いフェルール２０が変位すると、このフェルール２０の変位は上述したように、光検出器１４０で受光した光量を計測することにより、求めることができる。

次に、上記の変形感受装置４００を用いた指先センサ５００について図５を参照して説明する。指先センサ５００は、人型ロボット、把持ロボットなどのロボットハンドの指先に相当する部分に適用されるものである。

ここでは、指先センサ５００においては、光ファイバセンサ１３のヘテロコア部１６より後端側の部分が、硬質の部材からなり、ロボットハンドの指先部分の構造部材５１０に固定されている。ここでは、この構造部材５１０の先端部は円板状になっており、この外周部を覆うように柔軟素材からなる袋状の指先部材５２０の開口部が固定されている。

指先部材５２０は、柔軟部材４１０と同様に、外力が作用すると変形する部材であり、シリコーンゴムなどの柔軟な材料から形成されている。指先部材５２０の指腹に相当する部分の内面にフェルール２０の一部又は全体が接着剤などによって固定されている。さらに、構造部材５１０の先端部には、指先部材５２０の形状を袋状に保持するために、硬質部材からなる保持部材５３０が固定されている。

以上のように構成された指先センサ５００においては、指先部材５２０の指腹に相当する部分が何らの物体に接触したとき、指先部材５２０が圧縮されて変形し、フェルール２０が変位する。これにより、指先センサ５００は、指先に何らかの物体が接触している否かを判定する接触センサとしての機能を奏する。

以下、本実施形態の変位検出装置３００に係る実施例１について説明する。

まず、図１に示す光ファイバセンサ１００を製造した。光伝送部１３は、コア１１の直径が５μｍ、クラッド１２の直径が１２５μｍであるシングルモード光ファイバを用いた。ヘテロコア部１６は、コア１４の直径が５μｍ、クラッド１５の直径が１２５μｍであるシングルモード光ファイバを用いた。ヘテロコア部１６の長さは１．０ｍｍであった。

フェルール２０は、ジルコニアのセラミックスからなり、長さ７．１ｍｍ、厚さ１．２５ｍｍの円筒形状のものを用いた。フェルール２０の後端からヘテロコア部１６の先端までの距離は２．０ｍｍであった。

そして、フェルール２０の後端から１４ｍｍの部分において、光ファイバ１０を不動物に固定した。

このようにして製造した光ファイバセンサ１００を使用した光ファイバセンサステム２００において、ＬＥＤからなる光源１３０から光ファイバ１０に１．３１μｍの光を入射し、フェルール２０が水平な状態から、フェルール２０の先端の高さｄを０．１ｍｍ刻みで、０ｍｍから５ｍｍまで持ち上げ、さらに、５ｍｍから０ｍｍまで持ち下げた。このとき、光検出器１４０で検出した光損失の変化を図６のグラフに示した。図６から、持ち上げ時と持ち下げ時においてほぼ同じ光損失を示しており、履歴に依存しない良好な検出が確保されることが分かった。

次に、図３に示す変位検出装置３００を製造した。この変位検出装置３００においては、上述した光ファイバセンサ１００のフェルール２０の後端から３ｍｍの部分において、光ファイバ１０が垂直となるようにして、光ファイバ１０を変位体３１０に固定した。変位体３１０は、ＡＢＳ樹脂からなり、直方体状であった。

このようにして製造した光ファイバセンサ１００を使用した変位検出装置３００において、図２を参照して、ＬＥＤからなる光源１３０から光ファイバ１０に１．３１μｍの光を入射し、変位体３１０をハンマを用いて叩いた。このとき、光検出器１４０で検出した光損失の変化を図６のグラフに示した。図６から、光損失の値が振動しながら減衰することが示しており、変位体３１０に生じた振動を良好に検出可能であることが分かった。

次に、図４に示す変形感受装置４００を製造した。この変形感受装置４００においては、１辺３０ｍｍ、厚さ３０ｍｍのシリコーンゴムからなる柔軟部材４１０を用いた。そして、この柔軟部材４１０の中央部付近に接着剤を用いてフェルール２０を固定した。さらに、フェルール２０の後端から６．０ｍｍ離れた位置において、接着剤を用いて光ファイバ１０を柔軟部材４１０に固定した。

柔軟部材４１０の左右方向、すなわちフェルール２０が延伸する方向と直交する方向の両端部をそれぞれ硬質な部材に接着剤によって固定した。

このようにして製造した光ファイバセンサ１００を使用した変形感受装置４００において、図２を参照して、ＬＥＤからなる光源１３０から光ファイバ１０に１．３１μｍの光を入射し、一方の上記硬質な部材を他の上記硬質な部材側に向けて、すなわち柔軟部材４１０の左右方向の幅が縮まるように、幅の変位ｄを０．１ｍｍ刻みで、０ｍｍから５ｍｍまで収縮させ、その後、幅の変位ｄを５ｍｍから０ｍｍまで伸長させた。このとき、光検出器１４０で検出した光損失の変化を図７のグラフに示した。図７から、収縮時と伸長時において少し異なる光損失を示しているが、変位を良好に検出可能であることが分かった。

１０…光ファイバ、 １０ａ…先端面、 １１…コア、 １２…クラッド、 １３…光伝送部、 １４…コア、 １５…クラッド、 １６…ヘテロコア部、 ３０…金属膜、 ２０…フェルール（覆い部材）、 ４０…水柔軟性を有する材料、 ５０…光ファイバ被膜、 ６０…接着剤、 ５４…穴、 ５４ａ…穴の表面、 １００…光ファイバセンサ、 １１０…光カプラ、 １２０…光ファイバ、 １３０…光源、 １４０…光検出器、 １５０…データ処理装置、 ２００…光ファイバセンサシステム、 ３００…変位検出装置、 ３１０…変位体、 ４００…変形感受装置、 ４１０…に柔軟部材、 ５００…指先センサ、 ５１０…構造部材、 ５２０…指先部材、 ５３０…保持部材。

Claims (4)

1. コア及びクラッドを有する光伝送部と、該光伝送部のコア及びクラッドに各々連なるコア及びクラッドを有するヘテロコア部とを備え、該ヘテロコア部は前記光伝送部のコアと異なる直径のコアを有する光ファイバと、前記光ファイバの先端面に設けられた金属膜とからなる光ファイバセンサであって、先端から後端側に延び、前記光ファイバの先端部の一部外周を覆う覆い部材を備え、前記ヘテロコア部は前記覆い部材の後端より前記後端側であって、かつ、前記覆い部材の後端側近傍に配置され、前記覆い部材はセラミックス、硬質プラスチック、金属のうちの何れかの材質からなり、前記覆い部材の先端面と前記光ファイバの先端面とは同一平面上に位置していることを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 請求項１に記載の前記光ファイバセンサの前記光ファイバの後端側が変位体に固定され、自立して前記覆い部材を重錘として揺動自在に設けられていることを特徴とする変位検出装置。
3. 請求項１に記載の光ファイバセンサの前記覆い部材が柔軟部材に固定され、前記光ファイバの後端側が当該柔軟部材の他の部分に固定され、当該柔軟部材に外力が作用することを特徴とする変形感受性部材。
4. 請求項１に記載の光ファイバセンサの前記光ファイバの前記後端側が分岐しており、
   一方の分岐路に光源が、他方の分岐路に光検出器がそれぞれ接続されていることを特徴とする光ファイバセンサシステム。

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