WO2010007767A1 - 重量計測素子及び重量計 - Google Patents

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WO2010007767A1
WO2010007767A1 PCT/JP2009/003311 JP2009003311W WO2010007767A1 WO 2010007767 A1 WO2010007767 A1 WO 2010007767A1 JP 2009003311 W JP2009003311 W JP 2009003311W WO 2010007767 A1 WO2010007767 A1 WO 2010007767A1
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WO
WIPO (PCT)
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optical fiber
substrate
light
load
sensor
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/003311
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
仁 鎌田
重行 鈴木
一弘 渡辺
道子 西山
博幸 佐々木
Original Assignee
学校法人創価大学
日本電線工業株式会社
タマティーエルオー株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 学校法人創価大学, 日本電線工業株式会社, タマティーエルオー株式会社 filed Critical 学校法人創価大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/125—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing wherein the weighing element is an optical member

Definitions

  • 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.
  • a weighing scale for measuring the weight of an object to be weighed for example, a measurement method using a compression spring that is deformed when a weight acts on a pedestal or the like is widely used.
  • the indicator needle is rotated or moved in accordance with the magnitude of deformation of the compression spring, and the indicator needle is configured to indicate a weight value corresponding to the weight of the object to be measured.
  • 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.
  • 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.
  • Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2002-188952 and 2002-168777 have a load receiving part that deforms under the load of an object to be measured and a support part that supports the load receiving part on a substrate.
  • 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.
  • hetero-core type optical fiber sensor The details of the hetero-core type optical fiber sensor are disclosed in International Publication No. 97/48994 Pamphlet and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-214906.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • first substrate or the second substrate may be disposed above.
  • a thin plate or thin film member may be provided between the first substrate and the second substrate.
  • the weight measuring element of the present invention it is preferable to have a load uniformizing substrate disposed on the substrate disposed on the upper portion of the first substrate or the second substrate.
  • 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.
  • the opening length of the opening is 10 mm or less.
  • 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. .
  • the hardness of the first substrate 1 is lower than the hardness of the second substrate 2.
  • the first substrate is softer than the second substrate 2
  • a load is applied to the second substrate
  • a stable bend is generated in the light transmission member of the optical fiber sensor and its vicinity according to the load. Can do.
  • the first substrate sinks quickly, that is, the light transmitting member of the optical fiber sensor and the vicinity of the bent portion quickly return. Therefore, it is possible to measure the weight more accurately and instantaneously.
  • the light transmitting member is a hetero core portion having a core diameter different from the core diameter of the optical fiber.
  • the light transmitting member is made of 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.
  • 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.
  • a weighing scale having the effects of the weight measuring element of the present invention can be obtained.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram of the weight scale which concerns on 1st Embodiment of this invention. It is a perspective view of the weight measuring element which comprises the weight scale which concerns on 1st Embodiment of this invention. It is a structure explanatory drawing explaining the structure of a weight measuring element.
  • (A) is a plan view of the weight measuring element, (b) and (c) are both cross-sectional views taken along the line XX ′ in (a), and (b) shows a state where no load is applied.
  • (C) shows a state where a load is applied.
  • A) is a perspective view of the sensor part vicinity of the optical fiber sensor which comprises a weight measuring element,
  • (b) is sectional drawing of the longitudinal direction of the sensor part vicinity.
  • (A), (b) is sectional drawing of the longitudinal direction of sensor part SP vicinity of the weight measuring element which concerns on 2nd Embodiment of this invention. It is a schematic block diagram which shows the structure of the weigh scale which concerns on 3rd Embodiment of this invention. It is a schematic block diagram which shows the structure of the weigh scale which concerns on 4th Embodiment of this invention. It is a schematic block diagram which shows the structure of the weigh scale which concerns on 5th Embodiment of this invention. It is a schematic block diagram which shows the structure of the weighing scale which concerns on 6th Embodiment of this invention.
  • FIG. 3 is a graph in which loss values in the weighing scale according to Example 1 are plotted with respect to a load.
  • 10 is a graph showing a change over time in loss in the weighing scale according to Example 2. It is the graph which plotted the value of the loss in the weight scale concerning Example 2 with respect to the load. It is a graph which shows the time change of the loss in the weight scale concerning a comparative example. It is the graph which plotted the value of the loss in the weight scale concerning a comparative example with respect to a load.
  • 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 optical fibers 20a and 20b, and an optical fiber.
  • the light source 11 is provided at the end of the optical fiber 20a that is the light incident end of the sensor, and the light receiving unit 12 is provided at the end of the optical fiber 20b that is the light emitting end of the optical fiber sensor.
  • the weight measuring element WM is provided in the middle of the optical fibers 20a and 20b.
  • the light source 11 has, for example, a light emitting element such as a semiconductor light emitting diode (LED) or a semiconductor laser, and emits sensor light.
  • the light receiving unit 12 is an optical multimeter having a light receiving element such as a photodiode (PD) or a charge coupled device (CCD), for example, and detects sensor light emitted from the light emitting end.
  • a light emitting element such as a semiconductor light emitting diode (LED) or a semiconductor laser
  • LED semiconductor light emitting diode
  • the light receiving unit 12 is an optical multimeter having a light receiving element such as a photodiode (PD) or a charge coupled device (CCD), for example, and detects sensor light emitted from the light emitting end.
  • PD photodiode
  • CCD charge coupled device
  • the optical fiber sensor is connected to optical fibers 20a and 20b and a middle portion of the optical fibers 20a and 20b, and at an interface 40 between the optical fibers 20a and 20b (see FIG. 4B).
  • the sensor unit SP is a light transmitting member that leaks part of the transmitted light.
  • the weight measuring element WM includes a first substrate 1, a second substrate 2, and a load uniformizing substrate 3.
  • the first substrate 1 is a plate-like member made of a flexible material such as resin rubber, and here, it is made of chloroprene rubber or silicone rubber having a thickness of about 1 mm to 4 mm.
  • the upper surface in contact with the second substrate 2 and the lower surface in contact with a base are at least horizontal.
  • An optical fiber sensor is placed on the upper surface of the first substrate 1.
  • the optical fiber sensors are placed in a straight line on the first substrate 1.
  • the optical fiber sensor may be stably placed so as to draw a certain curve on the upper surface of the first substrate 1.
  • optical fiber sensor By applying an appropriate tension from both ends of the optical fiber sensor, it is possible to easily make the optical fiber sensor always straight 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.
  • the optical fiber sensor includes a core 21 and optical fibers 20 a and 20 b (see FIG. 5B) provided with a cladding 22 provided on the outer periphery of the core 21. It has a configuration having a sensor part SP made of a light transmitting member that enables the action, and at least the sensor part (light transmitting member) SP and its vicinity (hereinafter referred to as “sensor part SP and its vicinity”) are referred to as “sensor part SP vicinity” Is placed on the first substrate 1.
  • the light source 11 is provided at the light incident end of the optical fiber 20a as described above, and the light receiving unit 12 is provided at the light emitting end of the optical fiber 20b.
  • the second substrate 2 is a plate-like member made of a flexible material such as resin rubber, and here, it is made of chloroprene rubber or silicone rubber having a thickness of about 1 mm to 4 mm.
  • the second substrate 2 is disposed on the optical fiber sensor. In the second substrate 2, it is preferable that the lower surface in contact with the first substrate 1 and the upper surface in contact with the load uniformizing substrate 3 are at least horizontal.
  • the second substrate 2 is provided with, for example, a circular opening 2a having an opening diameter of about 10 mm or less in the light transmission direction of the light transmission member serving as the sensor part SP.
  • the shape of the opening 2a is not limited to a circle, and may be an arbitrary shape such as a polygonal shape such as a quadrangle or a curved shape such as an ellipse.
  • the optical fiber sensor and the second substrate 2 are arranged so that the sensor part SP of the optical fiber sensor is located in the region of the opening 2a when viewed from above.
  • the load equalizing substrate 3 is a plate-like member made of a hard member, and here, it is made of an acrylic plate having a thickness of about 1 mm to 4 mm.
  • the load uniformizing substrate 3 is disposed on the second substrate 2.
  • the load uniformizing substrate 3 is made of a hard member, and at least the hardness thereof is higher than the hardness of the second substrate 2. It is preferable that the load uniformizing substrate 3 has at least a horizontal plane with a lower surface in contact with the second substrate 2. In FIG. 4A, the load uniformizing substrate 3 is omitted.
  • the optical fiber sensor here has a configuration in which a sensor unit SP is provided between the optical fiber 20a and the optical fiber 20b.
  • the sensor unit SP includes a hetero-core unit 30 that is a light transmitting member that enables a part of transmitted light to interact with the outside world.
  • the optical fibers 20a and 20b have a core 21 and a clad 22 provided on the outer periphery thereof, and the hetero-core portion 30 has a core 31 having a core diameter bl different from the core diameter al of the optical fibers 20a and 20b, and And a clad 32 provided on the outer periphery thereof.
  • the diameter bl of the core 31 in the hetero-core portion 30 is smaller than the diameter al of the core 21 of the optical fibers 20a and 20b.
  • the core diameter al is 9 ⁇ m
  • the core diameter bl is 5 ⁇ m.
  • the length cl of the hetero-core part 30 is, for example, about 1 mm to 2 mm.
  • the core diameter bl may be 3 ⁇ m or 4 ⁇ m, for example.
  • the clad diameters of the optical fibers 20a, 20b and the heterocore part 30 are the same or substantially the same, for example, both are 125 ⁇ m.
  • the hetero-core part 30 and the optical fibers 20a and 20b constituting the sensor part SP are joined substantially coaxially so that the cores are joined at the interface 40 orthogonal to the longitudinal direction, for example, by fusion using a generalized discharge. Has been.
  • optical fibers 20a and 20b and the hetero-core unit 30 either a single mode optical fiber or a multimode optical fiber can be used, and these may be used in combination.
  • a protective coating on the optical fiber sensor 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 first substrate 1 or the second substrate 2 and the optical fiber sensor.
  • the core diameter bl of the sensor unit SP and the core diameter al of the optical fibers 20a and 20b are different at the interface 40. ing. Due to the difference in the core diameter at the interface 40, as shown in FIG. 5A, a part of the light transmitted through the optical fiber sensor leaks to the clad 32 of the sensor part SP, and the leaked light W is generated. appear.
  • the leak W becomes small, most of the light is incident on the core 21 again, and the loss of the transmitted light is lost. Get smaller.
  • the combination of the cores 21 and 31 is set so that the difference between the core diameters al and bl becomes large, the leak W increases and the loss of transmitted sensor light increases.
  • 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 interface 40, and increases as the curvature increases.
  • the first substrate 1 When a load is applied to the second substrate 2, as shown in FIG. 4 (c), the first substrate 1 is pushed by the second substrate 2 and sinks in the portion excluding the opening 2a. Then, the first substrate 1 tries to keep the original thickness because it is not pushed. As a result, the upper surface of the first substrate 1 rises so as to protrude from the opening 2a in the region of the opening 2a. Since the optical fiber sensor is placed on the upper surface of the first substrate 1, the opening provided in the second substrate 2 in the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor located in the region of the opening 2 a. Bending that is convex toward 2a, that is, convex upward occurs.
  • 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 load uniformizing substrate 3 or the second substrate 2, the loss of light transmitted through the optical fiber sensor changes.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 load uniformizing substrate 3.
  • highly accurate weight measurement can be realized with an inexpensive configuration.
  • the weight measuring element WM does not electrically measure the weight
  • the weight measuring element WM can be suitably used for a weight scale used for weight measurement in an explosion-proof facility, for example.
  • an opening diameter here is 10 mm or less.
  • the opening diameter of the opening 2a of the second substrate 2 exceeds 10 mm, it becomes too large compared to the length cl (see FIG. 5B) of the sensor part SP, and even if a load is applied, light loss is caused. There is a possibility that bending of the optical fiber sensor does not occur to such an extent that the change in the angle can be measured with high accuracy.
  • the lower limit of the opening diameter of the opening 2a of the second substrate 2 is not particularly limited, but is preferably 1 mm or more, for example. As the aperture diameter becomes smaller than 1 mm, it may become difficult to cause bending of the optical fiber sensor that causes loss of transmitted light.
  • the radius of curvature (pseudo curvature radius) in the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor is about half of the opening diameter of the opening 2a at the maximum.
  • the hardness of the first substrate 1 is lower than the hardness of the second substrate 2. Since the first substrate 1 is softer than the second substrate 2, when a load is applied to the second substrate 2, a stable bend can be generated in the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor. Bending in the vicinity of the sensor part SP can be caused according to the load. Also, when the load is removed, the first substrate 1 sinks quickly, that is, the bending near the sensor portion SP of the optical fiber sensor returns quickly, so that more accurate weight measurement can be performed. Become.
  • the first substrate 1 is made of chloroprene rubber (having a hardness of about 80) and the second substrate 2 is made of silicone rubber (having a hardness of about 65) can be preferably used.
  • the material and hardness of the first substrate 1 and the second substrate 2 may be determined as appropriate according to the load range to be measured. For example, when measuring a heavy object such as a vehicle, the hardness of the first substrate 1 and the second substrate 2 is high, and when measuring a light object such as a minute object, It is preferable to make the hardness of the two substrates 2 low.
  • the second substrate 2 is preferably made of a flexible material such as rubber so as not to damage the optical fiber sensor that contacts the end of the opening 20a, but is not limited thereto.
  • the second substrate 2 can be made of a hard material by forming the end of the opening 2a into an R shape or providing a protective member at the end of the opening 2a.
  • one opening portion 2a in which the sensor unit SP is located in the region is provided for one load uniform substrate 3
  • the present invention is not limited to this.
  • a plurality of openings 2a in which the sensor portions SP are located in the region may be provided for one load uniform substrate 3.
  • the optical fiber sensor, the first substrate 1 disposed below the optical fiber sensor, and the opening 2a are provided, and the sensor part SP is positioned in the region of the opening 2a to provide the optical fiber.
  • the sensor has a second substrate 2 disposed above the sensor and a load uniformizing substrate 3 disposed on the second substrate 2, and when a load is applied to the load uniformizing substrate 3, the sensor portion SP of the optical fiber sensor.
  • the weight measuring element WM has been described in which a bend which is convex toward the opening 2a occurs in the vicinity, and a loss corresponding to a load occurs in the light transmitted through the optical fiber sensor.
  • the optical fiber sensor, the first substrate 1 disposed above the optical fiber sensor, and the opening 2a are provided, and the sensor unit SP is positioned in the region of the opening 2a and disposed below the optical fiber sensor.
  • the weight measuring element WM according to the second embodiment of the present invention.
  • the diameter bl of the core 31 of the hetero-core part 30 that is a light transmitting member constituting the sensor part SP is larger than the diameter al of the core 21 of the optical fibers 20a and 20b. Yes.
  • a weight measuring element WM according to a modification of the second embodiment of the present invention.
  • 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 core 21 of the optical fibers 20a and 20b or the refractive index of the cladding 22 as the sensor portion SP. 30a is joined to the middle part of the optical fibers 20a and 20b.
  • the configuration of the weight measuring element WM other than the sensor unit SP is substantially the same as in the first embodiment.
  • 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 load uniformizing substrate 3. Therefore, an inexpensive and highly accurate weighing scale can be realized.
  • the optical fiber sensor is configured such that, in the optical coupler 16, the optical fiber 20a is branched into an optical fiber 20b and an optical fiber 20c. Yes.
  • a reflection part (mirror) 15 formed by vapor-depositing silver is provided at the end of the optical fiber 20b.
  • the end of the optical fiber 20a is the light incident end of the optical fiber sensor, and the end of the optical fiber 20c is the optical fiber sensor. It becomes the light exit end.
  • a weight measuring element WM is provided in the middle of the optical fibers 20a and 20b.
  • a light source 11 that emits sensor light is provided at the end of the optical fiber 20a, and a light receiving unit 12 that detects sensor light emitted from the emission end is provided at the end of the optical fiber 20c.
  • 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 load leveling substrate 3, and is an inexpensive and highly accurate weight scale. Can be realized.
  • the sensor light reflected by the reflecting portion 15 passes through the sensor portion SP again, more light including information on mutual interference is measured as compared to light that has only passed in one direction. Weighing can be performed with high sensitivity.
  • an OTDR (Optical time-domain reflectometer) device 70 is connected to the end of the optical fiber 20a which is one end of the optical fiber sensor. ing. The OTDR device 70 itself detects Rayleigh scattered light behind the sensor light incident from the OTDR device 70.
  • 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 load leveling substrate 3, and an inexpensive and highly accurate weighing scale can be used. Can be realized.
  • a plurality of weight measuring elements WM are connected in series on one optical fiber sensor.
  • a first weight measuring element WM 1 is provided in the middle of the optical fibers 20a and 20b, and a second weight measuring element WM 2 is provided in the middle of the optical fibers 20b and 20c. Further, a third weight measuring element WM 3 is provided in the middle of the optical fibers 20c and 20d. That is, here, three weight measuring elements WM 1 to WM 3 are connected in series on one optical fiber sensor.
  • An OTDR device 70 is connected to the optical fiber 20a.
  • sensor light is incident from the OTDR device 70, backward Rayleigh scattered light is generated in each of the plurality of weight measuring elements WM 1 to WM 3 , and this is detected by the OTDR device 70.
  • 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.
  • 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 load leveling substrate 3. Can be realized.
  • a white light source 11a that emits sensor light such as white light to the end of the optical fiber 20a that is the light incident end of the optical fiber sensor.
  • a light receiving unit 12 such as an optical multimeter that detects sensor light emitted from the light emitting end is provided at the end of the optical fiber 20b that is the light emitting end of the optical fiber sensor.
  • white light can be used as the sensor light, in addition to light of a single wavelength or a narrow wavelength region emitted from the semiconductor light emitting diode or the semiconductor laser.
  • 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 load leveling substrate 3. Can be realized.
  • Example 1 As shown in FIG. 11B, the weighing scale according to the first embodiment was created.
  • the first substrate 1 a sheet made of chloroprene rubber having a size of 30 mm ⁇ 30 mm, a thickness of 1 mm, and a hardness of 80 (JIS K6301 A) was used.
  • the second substrate 2 a sheet made of chloroprene rubber having a size of 30 mm ⁇ 30 mm, a thickness of 1 mm, and a hardness of 80 (JIS K6301 A) was used.
  • the second substrate 2 was provided with a circular opening 2a having an opening diameter of 3 mm.
  • the optical fiber sensor is arranged on the first substrate 1 so that the sensor part SP is arranged, and the second substrate 2 is arranged so that the sensor part SP is arranged in the opening 2a.
  • the optical fiber sensor includes optical fibers 20a and 20b having a core diameter al of 9 ⁇ m and a cladding diameter of 125 ⁇ m, and a sensor part SP having a core diameter bl of 5 ⁇ m, a cladding diameter of 125 ⁇ m, and a length cl of 1 mm to 2 mm. Things were used.
  • Example 2 a sheet made of silicone rubber having a size of 30 mm ⁇ 30 mm and a thickness of 2 mm and having a hardness of 65 (JIS K6301A) is used. This was prepared as Example 2.
  • 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 first substrate 100.
  • the optical fiber sensors 20a and 20b are arranged, and a pressing member 101 made of a rectangular parallelepiped urethane rubber having a size of 20 mm ⁇ 3 mm and a thickness of 0.5 mm is arranged so as to contact the sensor part SP.
  • 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).
  • 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. .
  • FIG. 13 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.
  • Example 14 is a graph showing the time variation of loss, the weight according to Example 2 was confirmed that the loss changed in a stepped manner as in Example 1.
  • FIG. 15 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 Example 1.
  • the weight meter according to the comparative example is that the load is concentrated on the sensor part SP by the pressing member 101, and in the light load region up to about 5 kgf, A loss greater than 2 is obtained. However, it was saturated at about 5 kgf, and when it exceeded 5 kg, the stepped loss did not change as in Examples 1 and 2.
  • FIG. 17 is a graph in which the value of the loss is plotted with respect to the load.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be a form in which the embodiments are appropriately combined, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
  • a configuration without the load uniformizing substrate 3 is also possible.
  • the load is directly applied to the second substrate 2 without being made uniform, the accuracy of weight measurement is inferior. Therefore, it is preferable to have the load uniform substrate 3.
  • the load equalization substrate 3 is not necessary.
  • the present invention is not limited to measuring the weight of an object to be measured placed on the load uniformizing substrate 3.
  • the weight measuring element WM of each embodiment may be used for a water pressure gauge.
  • a housing made of stainless steel or the like for storing the weight measuring element WM is provided, and an opening is formed in the upper portion of the housing.
  • a water pressure is calculated
  • 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.

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Abstract

　重量計測素子ＷＭは、光ファイバ２０ａ，２０ｂと、光ファイバ２０ａ，２０ｂとの界面で伝送する光の一部を漏洩するセンサ部ＳＰとを有し、入射端に入射されてセンサ部ＳＰ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１、及び開口部２ａが設けられた第２基板２を有する。上下方向に重ねて配設した第１基板１と第２基板２との間に光ファイバセンサが、開口部２ａの領域内にセンサ部ＳＰが位置するように配置させる。上方から荷重が印加されたとき、光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ及びその近傍部分に開口部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。軽重量物も計測可能である。

Description

重量計測素子及び重量計
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
本発明の第１実施形態に係る重量計の模式構成図である。 本発明の第１実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の斜視図である。 重量計測素子の構成を説明する構成説明図である。 （ａ）は重量計測素子の平面図であり、（ｂ）、（ｃ）は共に（ａ）中のＸ－Ｘ´における断面図であり、（ｂ）は荷重が印加されていない状態を、（ｃ）は荷重が印加されている状態をそれぞれ示す。 （ａ）は重量計測素子を構成する光ファイバセンサのセンサ部近傍の斜視図であり、（ｂ）はセンサ部近傍の長手方向の断面図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る重量計測素子のセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。 本発明の第４実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。 本発明の第５実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。 本発明の第６実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。 （ａ）は比較例に係る重量計測素子の構成を示す模式図であり、（ｂ）は実施例１，２に係る重量計測素子の構成を示す模式図である。 実施例１に係る重量計における損失の時間変化を示すグラフである。 実施例１に係る重量計における損失の値を荷重に対してプロットしたグラフである。 実施例２に係る重量計における損失の時間変化を示すグラフである。 実施例２に係る重量計における損失の値を荷重に対してプロットしたグラフである。 比較例に係る重量計における損失の時間変化を示すグラフである。 比較例に係る重量計における損失の値を荷重に対してプロットしたグラフである。
　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。
　〔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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　〔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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　〔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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　〔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。
　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。
　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。
　〔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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　〔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。
　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。
　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。
　〔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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　　　　　　　　　　　　　

Claims (7)

  1. 　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重量計測素子。
  2. 　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を特徴とする請求項１に記載の重量計測素子。
  3. 　前記開口部の開口長が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の重量計測素子。
  4. 　前記第１基板の硬度が前記第２基板の硬度より低いことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の重量計測素子。
  5. 　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を特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の重量計測素子。
  6. 　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を特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の重量計測素子。
  7. 　請求項１から６の何れか１項に記載の重量計測素子と、
    　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重量計。
    　　　　　　　　　　　　　　
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