重量計測素子及び重量計
【課題】安価で高精度な重量計を実現できる重量計測素子及び重量計を提供する。
【解決手段】コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有する光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の入射端に光が入射されて出射端から光透過部材（ＳＰ）を通過した光が出射され、少なくとも光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように光ファイバの下方に第１基板が１配置され、開口部３ａが設けられた第２基板３が、光透過部材の部分が開口部の領域内に位置するように光ファイバの上方に配置され、開口部に第１基板及び第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材４が嵌入され、第２基板及び押圧部材上に荷重均一化基板５が設けられた構成とし、押圧部材の光ファイバの光透過部材の部分を押圧する部分が、押圧部材に荷重が印加されたときに光ファイバの光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状とする。
【解決手段】コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有する光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の入射端に光が入射されて出射端から光透過部材（ＳＰ）を通過した光が出射され、少なくとも光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように光ファイバの下方に第１基板が１配置され、開口部３ａが設けられた第２基板３が、光透過部材の部分が開口部の領域内に位置するように光ファイバの上方に配置され、開口部に第１基板及び第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材４が嵌入され、第２基板及び押圧部材上に荷重均一化基板５が設けられた構成とし、押圧部材の光ファイバの光透過部材の部分を押圧する部分が、押圧部材に荷重が印加されたときに光ファイバの光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
被計量物の重量を計測する重量計は、例えば、台座などに重量が作用したときに圧縮バネが変形するようにし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、指示針が被計量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。
【０００３】
また、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、被計量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。
【０００４】
一方で、特許文献１及び２に開示されているように、ヘテロコア型の光ファイバセンサが開発されている。
また、特許文献３及び４には、光ファイバを用いた重量計が開示されている。
【特許文献１】国際公開９７／４８９９４号パンフレット
【特許文献２】特開２００３−２１４９０６号公報
【特許文献３】特開２００２−１８８９５２号公報
【特許文献４】特開２００２−１６８６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の重量計で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っていた。
さらに、従来の電気信号を用いた重量計などにおいては、電気的センサを用いているので、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った。さらに、電気的に感知して電気信号を授受することから、防爆施設などにおいては使用することができなかった。
【０００６】
解決しようとする問題点は、安価で高精度な重量計を実現することが困難であるという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の重量計測素子は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、少なくとも前記光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように前記光ファイバの下方に配置される第１基板と、開口部が設けられ、少なくとも前記光透過部材の部分が前記開口部の領域内に位置するように前記光ファイバの上方に配置された第２基板と、前記開口部に嵌入され、前記第１基板及び前記第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材と、前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられた荷重均一化基板とを有し、前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が、前記押圧部材に荷重が印加されたときに前記光ファイバの前記光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、前記荷重均一化基板に荷重が印加されたときに前記光ファイバを伝送する光に対して前記荷重に応じた損失を発生させる構成である。
【０００８】
上記の本発明の重量計測素子は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有する光ファイバの入射端に光が入射されて出射端から光透過部材を通過した光が出射され、少なくとも光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように光ファイバの下方に第１基板が配置され、開口部が設けられた第２基板が、少なくとも光透過部材の部分が開口部の領域内に位置するように光ファイバの上方に配置され、開口部に第１基板及び第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材が嵌入され、第２基板及び押圧部材上に荷重均一化基板が設けられている。
ここで、押圧部材の光ファイバの光透過部材の部分を押圧する部分が、押圧部材に荷重が印加されたときに光ファイバの光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、荷重均一化基板に荷重が印加されたときに光ファイバを伝送する光に対して荷重に応じた損失を発生させる構成である。
【０００９】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記第２基板及び前記押圧部材と前記光ファイバの間に前記光ファイバを保護する保護シートが設けられている
【００１０】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記開口部の前記光透過部材の部分の近傍において、前記光ファイバが配置されている方向と直交する方向の側壁部分に前記開口部に連通する切り込み部が形成されている。
【００１１】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記押圧部材の高さが前記第２基板の厚さと実質的に同等である。
【００１２】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が丸められたあるいは尖った形状となっている。
【００１３】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記押圧部材が金属あるいはシリコーンゴムからなり、前記第１基板及び前記第２基板がシリコーンゴムからなる。
【００１４】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、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。あるいは、好適には、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である。
【００１５】
また、本発明の重量計は、光ファイバを含んで構成された重力計測素子と、前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、前記光ファイバの出射端に設けられた受光部とを有し、前記重量計測素子は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、少なくとも前記光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように前記光ファイバの下方に配置される第１基板と、開口部が設けられ、少なくとも前記光透過部材の部分が前記開口部の領域内に位置するように前記光ファイバの上方に配置された第２基板と、前記開口部に嵌入され、前記第１基板及び前記第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材と、前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられた荷重均一化基板とを有し、前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が、前記押圧部材に荷重が印加されたときに前記光ファイバの前記光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、前記荷重均一化基板に荷重が印加されたときに前記光ファイバを伝送する光に対して前記荷重に応じた損失を発生させる構成である。
【００１６】
上記の本発明の重量計は、光ファイバを含んで構成された重力計測素子に対して光ファイバの入射端に光源が設けられ、出射端に受光部が設けられており、上記の重量計測素子は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバの中途部に、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が設けられており、少なくとも光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように光ファイバの下方に第１基板が配置され、開口部が設けられた第２基板が、少なくとも光透過部材の部分が開口部の領域内に位置するように光ファイバの上方に配置され、開口部に第１基板及び第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材が嵌入され、第２基板及び押圧部材上に荷重均一化基板が設けられている。
ここで、重量計測素子において、押圧部材の光ファイバの光透過部材の部分を押圧する部分が、押圧部材に荷重が印加されたときに光ファイバの光透過部材の部分に曲げを発生させる形状であり、荷重均一化基板に荷重が印加されたときに光ファイバを伝送する光に対して荷重に応じた損失を発生させる構成である。
【００１７】
上記の本発明の重量計は、好適には、前記光源が半導体発光ダイオード、半導体レーザあるいは白色光である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の重量計測素子は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて光ファイバ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。
【００１９】
また、本発明の重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて光ファイバ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である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の重量計測素子及びそれを用いた重量計の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
第１実施形態
図１は本実施形態に係る重量計の模式構成図である。
例えば、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。
また、例えば、光ファイバ２０ａの光入射端に、センサ光を出射する半導体発光ダイオードまたは半導体レーザなどの光源１１が設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に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。
本実施形態に係る重量計は、上記のように構成されている。
【００２２】
図２は、本実施形態に係る重量計を構成する本実施形態の重量計測素子の斜視図であり、図３は図２に示す重量計測素子の構成を説明する構成説明図である。
また、図４（ａ）は重量計測素子の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
【００２３】
例えば、厚みが２〜４ｍｍ程度のシリコーンゴムなどからなる第１基板１上にセンサファイバが戴置されている。
センサファイバは、例えば、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）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、上記の少なくともセンサ部ＳＰ（光透過部材の部分）及びその近傍部分が第１基板１上に載るように配置されている。
センサファイバ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。
【００２４】
また、例えば、上記のセンサファイバ上に、０．５ｍｍの厚みのウレタンシートなどからなるセンサファイバを保護するための保護シート２が配置されており、その上層に、２〜４ｍｍ程度のシリコーンゴムなどからなる第２基板３が配置されている。
上記の第２基板３には、例えば、一辺（ａ）が２〜４ｍｍ程度、他辺（ｂ）が１０ｍｍ程度（図４（ａ）参照）の長方形の開口部３ａが設けられている。
上記の開口部３ａの領域内にセンサファイバのセンサ部ＳＰが位置するように、センサファイバ及び第２基板３が配置される。
【００２５】
さらに、例えば、底面が直径２〜４ｍｍ程度の円であり、高さが１０ｍｍ程度である円柱形状であり、第１基板１及び第２基板３より高硬度の材料である金属あるいはシリコーンゴムなどからなる押圧部材４が、円柱形状の曲面である側面が保護シート２に接するように、開口部３ａに嵌入されている。即ち、開口部３ａは円柱形上の押圧部材４が丁度嵌入するような形状となっている。また、後述のように、押圧部材４は、押圧部材４に荷重が与えられたときにセンサファイバのセンサ部ＳＰ近傍に曲げを発生させる形状となっている。
【００２６】
また、例えば、ファイバセンサのセンサ部ＳＰの近傍において、第２基板３の開口部３ａのファイバセンサが配置されている方向と直交する方向の側壁部分に、開口部３ａに連通する切り込み部３ｂが形成されている。例えば、切り込み部３ｂは、長さｓ＝２〜４ｍｍ程度、幅ｔ＝２〜４ｍｍ程度（図４（ａ）参照）の大きさで形成されている。
【００２７】
また、例えば、第２基板３及び押圧部材４上に、厚みが２〜４ｍｍ程度のアクリル板などからなる荷重均一化基板５が設けられている。
【００２８】
例えば、押圧部材４のファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧する部分が、押圧部材４に荷重が印加されたときにファイバセンサのセンサ部ＳＰの近傍部分に曲げを発生させる形状となっている。本実施形態においては、円柱形状の押圧部材４の曲面である側面が保護シート２を介してファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分にあたるように配置されている。
上記のようにして、重量計測素子ＷＭが構成されている。
【００２９】
図５（ａ）は、本実施形態に係る重量計測素子を構成するファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図５（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
例えば、本実施形態の測定装置に用いられる光ファイバセンサは、コア径５０μｍのマルチモードファイバである一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂ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、例えば、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。
【００３０】
例えば、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）のコア径と異なるコア径を有するコア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する。
また、例えば、ヘテロコア部３０におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌより小さく、例えばａｌ＝９μｍ、ｂｌ＝５μｍである。また、ヘテロコア部３０の長さｃｌは、例えば１〜２ｍｍ程度である。
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、例えば、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ほぼ同軸に、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。
【００３１】
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）およびヘテロコア部３０としては、例えば、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバのいず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。
【００３２】
上記の光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にヘテロコア型のセンサ部ＳＰが接合されてなる構成において、ヘテロコア部３０におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌとが界面４０で異なっており、このコア径の差に起因して、図５（ａ）に示すように、光の一部のヘテロコア部３０のクラッド３２へのリークＷが発生する。
【００３３】
リークＷが小さくなるようにコア２１とコア３１の径の組み合わせを設定すると、大部分の光は再びコア２１に入射し、伝送される。コア２１とコア３１の径の組み合わせによっては、リークＷが大きくなり、伝送するセンサ光のロスも大きくなる。リークＷが小さくなれば、ロスも小さくなる。
ヘテロコア型のセンサ部において、リークＷの大きさ、即ちセンサ光のロス量は、センサ部近傍の光ファイバの屈曲の変化により鋭敏に変化する。
【００３４】
次に、重量計測素子ＷＭの動作について説明する。
例えば、上記の重量計測素子ＷＭにおいて、荷重均一化基板５に計測対象物が載せられると、計測対象物の重量に応じた荷重が荷重均一化基板５に印加される。これにより、荷重が荷重均一化基板５に配置された押圧部材４と第２基板３へと伝達される。このとき、荷重均一化基板５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より均一化されて、押圧部材４と第２基板３へ均等に伝達される。
【００３５】
押圧部材４は、第２基板３より高硬度な材料から構成されており、第２基板３は荷重を受けると押圧部材４より押しつぶされる程度が大きく、押圧部材４はより押しつぶされないことになる。また、第２基板３の下層には保護シート２を介して第２基板３と同様に押圧部材４より低硬度な材料から構成された第１基板１が配置されている。従って、荷重均一化基板５の上面に荷重が印加されると、押圧部材４が第２基板３より深く沈み込んでファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧し、センサ部ＳＰ近傍に曲げを発生させる。
上記のファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍に発生する曲げに起因して、ファイバセンサに伝送されるセンサ光に損失が発生する。即ち、荷重均一化基板５に荷重が印加されたときに、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いる。
【００３６】
上記において、ある重量範囲において、荷重の大きさに応じて、ファイバセンサのセンサ部ＳＰ部分の曲げの大きさが変化するように設定することで、荷重の大きさに応じてセンサ光の損失が変化するように構成することができる。
従って、上記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、重量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、重量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測定時のセンサ光の損失データからの重量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。
【００３７】
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板５に印加される荷重に応じて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。
上記の重量計は、電気的に測定しているものではないので、例えば防爆施設などにおいて用いられる重量計に適用可能である。
【００３８】
上記の本実施形態の重量計測素子は、上記のように、第２基板３及び押圧部材４とファイバセンサの間にファイバセンサを保護する保護シート２が設けられていることが好ましく、これによりファイバセンサが押圧部材４に押圧されたときに破損あるいは破壊されるのを防止することができる。
【００３９】
また、上記の本実施形態の重量計測素子は、第２基板３の開口部３ａのセンサ部ＳＰの近傍において、ファイバセンサが配置されている方向と直交する方向の側壁部分に、開口部３ａに連通する切り込み部３ｂが形成されていることが好ましい。これにより、重量が軽いときに得られる損失の値のバラツキを抑制することができる。
図４における切り込み部３ｂの端部から端部までの距離であるａ＋２ｓは、例えばａ＝２〜４ｍｍ程度のときに１０ｍｍ程度としており、この大きさを小さくする、即ち、長さｓを短くすると、切り込み部を設けた効果が薄れ、例えばａ＋２ｓを６ｍｍ以上にすることで重量が軽いときに得られる損失の値のバラツキの抑制効果を十分に得ることができる。
【００４０】
また、上記の本実施形態の重量計測素子は、押圧部材４の高さが第２基板３の厚さと実質的に同等であることが好ましい。同等であると重量が軽いときからセンサ光の損失を感知することができる。
押圧部材４の高さが第２基板３の厚さより低いと、押圧部材４が実際にファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍を押圧するまで沈み込むまでの間の重量では、センサ光の損失が感知されない。
また、押圧部材４の高さが第２基板３の厚さより高いと、重量ゼロの時点で既に損失が発生していることになり、重量計測のダイナミックレンジを狭くするおそれがある。
【００４１】
また、上記の本実施形態の重量計測素子は、押圧部材４が金属からなり、第１基板１及び第２基板３がシリコーンゴムからなることが好ましい。上記のように、高度に差を有する材料から構成することで、荷重が印加されたときの押圧部材４の沈み込みを実現し、センサファイバのセンサ部近傍に安定な曲げを発生させることができる。
【００４２】
第２実施形態
図６及び図７は本実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図であり、第１実施形態の図４（ｂ）に相当する断面図である。
本実施形態に係る重量計測素子は、押圧部材の形状が第１実施形態に係る押圧部材４と異なる。上記以外は、実質的に第１実施形態と同様である。
【００４３】
図６に示す形態においては、第１実施形態と同様に、押圧部材４ａのファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧する部分の形状が丸められた形状となっている。
一方、図７に示す形態においては、押圧部材４ｂのファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧する部分の形状が尖った形状となっている。
【００４４】
上記のほか、押圧部材４のファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧する部分の形状は、押圧部材４に荷重が与えられたときにセンサファイバのセンサ部ＳＰ近傍に曲げを発生させる形状となっていればよく、特に限定されるものではない。
【００４５】
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板５に印加される荷重に応じて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。
【００４６】
第３実施形態
図８は本実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図であり、第１実施形態の図４（ｃ）に相当する断面図である。
本実施形態に係る重量計測素子は、押圧部材４の上方における開口部３ａの空間が、シリコーン樹脂などによるシーラント６により埋め込まれていることが第１実施形態と異なる。上記以外は、実質的に第１実施形態と同様である。
【００４７】
上記のように、押圧部材４の上方における開口部３ａの空間がシーラント６で埋め込まれていることにより、例えば押圧部材４が円柱形状である場合などにおいて押圧部材４に伝達される荷重がより均一化されるなど、動作をより安定化させることが可能となる。
【００４８】
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板５に印加される荷重に応じて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。
【００４９】
第４実施形態
センサ部ＳＰとしては、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。
図９（ａ）及び（ｂ）は、本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。
図９（ａ）では、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。
図９（ｂ）では、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。
【００５０】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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。
【００５１】
第５実施形態
図１０は、本実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
例えば、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には、光カプラ１６において光ファイバ２０ｃを分岐する構成であり、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端部が光入射端、光ファイバ２０ｃ端部が光出射端となる。
光ファイバ２０ａの光入射端にセンサ光を出射する半導体発光ダイオードまたは半導体レーザなどの光源１１が設けられ、光ファイバ２０ｃの光出射端に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。
【００５２】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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。
【００５３】
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測定され、より高感度に重量計測を行うことができる。
【００５４】
第６実施形態
図１１は、本実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
例えば、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には、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。
【００５５】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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。
【００５６】
第７実施形態
図１２は、本実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
例えば、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、複数個の重量計測素子（ＷＭ１〜ＷＭ３）が１本の光ファイバ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。
【００５７】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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）で同時に重量を測定することが可能である。
【００５８】
第８実施形態
図１３は、本実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
例えば、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の光入射端に、白色光などのセンサ光を出射する光源１１ａが設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に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。
センサ光としては、半導体発光ダイオードまた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、白色光などを用いることができる。
【００５９】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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。
【００６０】
＜実施例＞
上記の第１実施形態に係る重量計を作成し、荷重均一化基板に印加される荷重とセンサ光に生じる損失の関係を測定した。
結果を図１４に示す。図中、横軸は荷重（ｋｇ）、縦軸は損失（ｄＢ）である。
図１４に示すように、荷重が大きくなるにつれて損失が大きくなるように変化するように構成することができる。
従って、荷重均一化基板に測定対象物を載せたときに、センサ光の損失のデータを得れば、図１４から荷重の値を算出することができる。
【００６１】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、用いる光源や受光部などは、上述のものに限らず、種々のものを使用できる。
光ファイバはマルチモードファイバでもシングルモードファイバでも使用できる。
その他、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。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
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などに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る重量計の模式構成図である。
【図２】図２は本発明の第１実施形態に係る重量計を構成する本実施形態の重量計測素子の斜視図である。
【図３】図３は図２に示す重量計測素子の構成を説明する構成説明図である。
【図４】図４（ａ）は重量計測素子の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の第１実施形態に係る重量計測素子を構成するファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図５（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
【図６】図６は本発明の第２実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図である。
【図７】図７は本発明の第２実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図である。
【図８】図８は本発明の第３実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図である。
【図９】図９（ａ）及び（ｂ）は本発明の第４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。
【図１０】図１０は本発明の第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。
【図１１】図１１は本発明の第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。
【図１２】図１２は本発明の第７実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
【図１３】図１３は本発明の第８実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
【図１４】図１４は実施例に係る荷重均一化基板に印加される荷重とセンサ光に生じる損失の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…第１基板
２…保護シート
３…第２基板
３ａ…開口部
３ｂ…切り込み部
４…押圧部材
５…荷重均一化基板
６…シーラント
１１，１１ａ…光源
１２，１２ａ…受光部
１５…反射部
１６…光カプラ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…ヘテロコア部
３０ａ…光透過部材
４０…界面
７０…ＯＴＤＲ装置
ＳＰ…センサ部
Ｗ…リーク
ＷＭ，ＷＭ１，ＷＭ２，ＷＭ３…重量計測素子
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
被計量物の重量を計測する重量計は、例えば、台座などに重量が作用したときに圧縮バネが変形するようにし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、指示針が被計量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。
【０００３】
また、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、被計量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。
【０００４】
一方で、特許文献１及び２に開示されているように、ヘテロコア型の光ファイバセンサが開発されている。
また、特許文献３及び４には、光ファイバを用いた重量計が開示されている。
【特許文献１】国際公開９７／４８９９４号パンフレット
【特許文献２】特開２００３−２１４９０６号公報
【特許文献３】特開２００２−１８８９５２号公報
【特許文献４】特開２００２−１６８６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の重量計で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っていた。
さらに、従来の電気信号を用いた重量計などにおいては、電気的センサを用いているので、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った。さらに、電気的に感知して電気信号を授受することから、防爆施設などにおいては使用することができなかった。
【０００６】
解決しようとする問題点は、安価で高精度な重量計を実現することが困難であるという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の重量計測素子は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、少なくとも前記光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように前記光ファイバの下方に配置される第１基板と、開口部が設けられ、少なくとも前記光透過部材の部分が前記開口部の領域内に位置するように前記光ファイバの上方に配置された第２基板と、前記開口部に嵌入され、前記第１基板及び前記第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材と、前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられた荷重均一化基板とを有し、前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が、前記押圧部材に荷重が印加されたときに前記光ファイバの前記光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、前記荷重均一化基板に荷重が印加されたときに前記光ファイバを伝送する光に対して前記荷重に応じた損失を発生させる構成である。
【０００８】
上記の本発明の重量計測素子は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有する光ファイバの入射端に光が入射されて出射端から光透過部材を通過した光が出射され、少なくとも光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように光ファイバの下方に第１基板が配置され、開口部が設けられた第２基板が、少なくとも光透過部材の部分が開口部の領域内に位置するように光ファイバの上方に配置され、開口部に第１基板及び第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材が嵌入され、第２基板及び押圧部材上に荷重均一化基板が設けられている。
ここで、押圧部材の光ファイバの光透過部材の部分を押圧する部分が、押圧部材に荷重が印加されたときに光ファイバの光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、荷重均一化基板に荷重が印加されたときに光ファイバを伝送する光に対して荷重に応じた損失を発生させる構成である。
【０００９】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記第２基板及び前記押圧部材と前記光ファイバの間に前記光ファイバを保護する保護シートが設けられている
【００１０】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記開口部の前記光透過部材の部分の近傍において、前記光ファイバが配置されている方向と直交する方向の側壁部分に前記開口部に連通する切り込み部が形成されている。
【００１１】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記押圧部材の高さが前記第２基板の厚さと実質的に同等である。
【００１２】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が丸められたあるいは尖った形状となっている。
【００１３】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、前記押圧部材が金属あるいはシリコーンゴムからなり、前記第１基板及び前記第２基板がシリコーンゴムからなる。
【００１４】
上記の本発明の重量計測素子は、好適には、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。あるいは、好適には、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である。
【００１５】
また、本発明の重量計は、光ファイバを含んで構成された重力計測素子と、前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、前記光ファイバの出射端に設けられた受光部とを有し、前記重量計測素子は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、少なくとも前記光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように前記光ファイバの下方に配置される第１基板と、開口部が設けられ、少なくとも前記光透過部材の部分が前記開口部の領域内に位置するように前記光ファイバの上方に配置された第２基板と、前記開口部に嵌入され、前記第１基板及び前記第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材と、前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられた荷重均一化基板とを有し、前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が、前記押圧部材に荷重が印加されたときに前記光ファイバの前記光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、前記荷重均一化基板に荷重が印加されたときに前記光ファイバを伝送する光に対して前記荷重に応じた損失を発生させる構成である。
【００１６】
上記の本発明の重量計は、光ファイバを含んで構成された重力計測素子に対して光ファイバの入射端に光源が設けられ、出射端に受光部が設けられており、上記の重量計測素子は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバの中途部に、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が設けられており、少なくとも光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように光ファイバの下方に第１基板が配置され、開口部が設けられた第２基板が、少なくとも光透過部材の部分が開口部の領域内に位置するように光ファイバの上方に配置され、開口部に第１基板及び第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材が嵌入され、第２基板及び押圧部材上に荷重均一化基板が設けられている。
ここで、重量計測素子において、押圧部材の光ファイバの光透過部材の部分を押圧する部分が、押圧部材に荷重が印加されたときに光ファイバの光透過部材の部分に曲げを発生させる形状であり、荷重均一化基板に荷重が印加されたときに光ファイバを伝送する光に対して荷重に応じた損失を発生させる構成である。
【００１７】
上記の本発明の重量計は、好適には、前記光源が半導体発光ダイオード、半導体レーザあるいは白色光である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の重量計測素子は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて光ファイバ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。
【００１９】
また、本発明の重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて光ファイバ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である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の重量計測素子及びそれを用いた重量計の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
第１実施形態
図１は本実施形態に係る重量計の模式構成図である。
例えば、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。
また、例えば、光ファイバ２０ａの光入射端に、センサ光を出射する半導体発光ダイオードまたは半導体レーザなどの光源１１が設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に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。
本実施形態に係る重量計は、上記のように構成されている。
【００２２】
図２は、本実施形態に係る重量計を構成する本実施形態の重量計測素子の斜視図であり、図３は図２に示す重量計測素子の構成を説明する構成説明図である。
また、図４（ａ）は重量計測素子の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
【００２３】
例えば、厚みが２〜４ｍｍ程度のシリコーンゴムなどからなる第１基板１上にセンサファイバが戴置されている。
センサファイバは、例えば、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）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、上記の少なくともセンサ部ＳＰ（光透過部材の部分）及びその近傍部分が第１基板１上に載るように配置されている。
センサファイバ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。
【００２４】
また、例えば、上記のセンサファイバ上に、０．５ｍｍの厚みのウレタンシートなどからなるセンサファイバを保護するための保護シート２が配置されており、その上層に、２〜４ｍｍ程度のシリコーンゴムなどからなる第２基板３が配置されている。
上記の第２基板３には、例えば、一辺（ａ）が２〜４ｍｍ程度、他辺（ｂ）が１０ｍｍ程度（図４（ａ）参照）の長方形の開口部３ａが設けられている。
上記の開口部３ａの領域内にセンサファイバのセンサ部ＳＰが位置するように、センサファイバ及び第２基板３が配置される。
【００２５】
さらに、例えば、底面が直径２〜４ｍｍ程度の円であり、高さが１０ｍｍ程度である円柱形状であり、第１基板１及び第２基板３より高硬度の材料である金属あるいはシリコーンゴムなどからなる押圧部材４が、円柱形状の曲面である側面が保護シート２に接するように、開口部３ａに嵌入されている。即ち、開口部３ａは円柱形上の押圧部材４が丁度嵌入するような形状となっている。また、後述のように、押圧部材４は、押圧部材４に荷重が与えられたときにセンサファイバのセンサ部ＳＰ近傍に曲げを発生させる形状となっている。
【００２６】
また、例えば、ファイバセンサのセンサ部ＳＰの近傍において、第２基板３の開口部３ａのファイバセンサが配置されている方向と直交する方向の側壁部分に、開口部３ａに連通する切り込み部３ｂが形成されている。例えば、切り込み部３ｂは、長さｓ＝２〜４ｍｍ程度、幅ｔ＝２〜４ｍｍ程度（図４（ａ）参照）の大きさで形成されている。
【００２７】
また、例えば、第２基板３及び押圧部材４上に、厚みが２〜４ｍｍ程度のアクリル板などからなる荷重均一化基板５が設けられている。
【００２８】
例えば、押圧部材４のファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧する部分が、押圧部材４に荷重が印加されたときにファイバセンサのセンサ部ＳＰの近傍部分に曲げを発生させる形状となっている。本実施形態においては、円柱形状の押圧部材４の曲面である側面が保護シート２を介してファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分にあたるように配置されている。
上記のようにして、重量計測素子ＷＭが構成されている。
【００２９】
図５（ａ）は、本実施形態に係る重量計測素子を構成するファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図５（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
例えば、本実施形態の測定装置に用いられる光ファイバセンサは、コア径５０μｍのマルチモードファイバである一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂ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、例えば、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。
【００３０】
例えば、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）のコア径と異なるコア径を有するコア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する。
また、例えば、ヘテロコア部３０におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌより小さく、例えばａｌ＝９μｍ、ｂｌ＝５μｍである。また、ヘテロコア部３０の長さｃｌは、例えば１〜２ｍｍ程度である。
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、例えば、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ほぼ同軸に、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。
【００３１】
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）およびヘテロコア部３０としては、例えば、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバのいず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。
【００３２】
上記の光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にヘテロコア型のセンサ部ＳＰが接合されてなる構成において、ヘテロコア部３０におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌとが界面４０で異なっており、このコア径の差に起因して、図５（ａ）に示すように、光の一部のヘテロコア部３０のクラッド３２へのリークＷが発生する。
【００３３】
リークＷが小さくなるようにコア２１とコア３１の径の組み合わせを設定すると、大部分の光は再びコア２１に入射し、伝送される。コア２１とコア３１の径の組み合わせによっては、リークＷが大きくなり、伝送するセンサ光のロスも大きくなる。リークＷが小さくなれば、ロスも小さくなる。
ヘテロコア型のセンサ部において、リークＷの大きさ、即ちセンサ光のロス量は、センサ部近傍の光ファイバの屈曲の変化により鋭敏に変化する。
【００３４】
次に、重量計測素子ＷＭの動作について説明する。
例えば、上記の重量計測素子ＷＭにおいて、荷重均一化基板５に計測対象物が載せられると、計測対象物の重量に応じた荷重が荷重均一化基板５に印加される。これにより、荷重が荷重均一化基板５に配置された押圧部材４と第２基板３へと伝達される。このとき、荷重均一化基板５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より均一化されて、押圧部材４と第２基板３へ均等に伝達される。
【００３５】
押圧部材４は、第２基板３より高硬度な材料から構成されており、第２基板３は荷重を受けると押圧部材４より押しつぶされる程度が大きく、押圧部材４はより押しつぶされないことになる。また、第２基板３の下層には保護シート２を介して第２基板３と同様に押圧部材４より低硬度な材料から構成された第１基板１が配置されている。従って、荷重均一化基板５の上面に荷重が印加されると、押圧部材４が第２基板３より深く沈み込んでファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧し、センサ部ＳＰ近傍に曲げを発生させる。
上記のファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍に発生する曲げに起因して、ファイバセンサに伝送されるセンサ光に損失が発生する。即ち、荷重均一化基板５に荷重が印加されたときに、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いる。
【００３６】
上記において、ある重量範囲において、荷重の大きさに応じて、ファイバセンサのセンサ部ＳＰ部分の曲げの大きさが変化するように設定することで、荷重の大きさに応じてセンサ光の損失が変化するように構成することができる。
従って、上記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、重量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、重量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測定時のセンサ光の損失データからの重量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。
【００３７】
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板５に印加される荷重に応じて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。
上記の重量計は、電気的に測定しているものではないので、例えば防爆施設などにおいて用いられる重量計に適用可能である。
【００３８】
上記の本実施形態の重量計測素子は、上記のように、第２基板３及び押圧部材４とファイバセンサの間にファイバセンサを保護する保護シート２が設けられていることが好ましく、これによりファイバセンサが押圧部材４に押圧されたときに破損あるいは破壊されるのを防止することができる。
【００３９】
また、上記の本実施形態の重量計測素子は、第２基板３の開口部３ａのセンサ部ＳＰの近傍において、ファイバセンサが配置されている方向と直交する方向の側壁部分に、開口部３ａに連通する切り込み部３ｂが形成されていることが好ましい。これにより、重量が軽いときに得られる損失の値のバラツキを抑制することができる。
図４における切り込み部３ｂの端部から端部までの距離であるａ＋２ｓは、例えばａ＝２〜４ｍｍ程度のときに１０ｍｍ程度としており、この大きさを小さくする、即ち、長さｓを短くすると、切り込み部を設けた効果が薄れ、例えばａ＋２ｓを６ｍｍ以上にすることで重量が軽いときに得られる損失の値のバラツキの抑制効果を十分に得ることができる。
【００４０】
また、上記の本実施形態の重量計測素子は、押圧部材４の高さが第２基板３の厚さと実質的に同等であることが好ましい。同等であると重量が軽いときからセンサ光の損失を感知することができる。
押圧部材４の高さが第２基板３の厚さより低いと、押圧部材４が実際にファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍を押圧するまで沈み込むまでの間の重量では、センサ光の損失が感知されない。
また、押圧部材４の高さが第２基板３の厚さより高いと、重量ゼロの時点で既に損失が発生していることになり、重量計測のダイナミックレンジを狭くするおそれがある。
【００４１】
また、上記の本実施形態の重量計測素子は、押圧部材４が金属からなり、第１基板１及び第２基板３がシリコーンゴムからなることが好ましい。上記のように、高度に差を有する材料から構成することで、荷重が印加されたときの押圧部材４の沈み込みを実現し、センサファイバのセンサ部近傍に安定な曲げを発生させることができる。
【００４２】
第２実施形態
図６及び図７は本実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図であり、第１実施形態の図４（ｂ）に相当する断面図である。
本実施形態に係る重量計測素子は、押圧部材の形状が第１実施形態に係る押圧部材４と異なる。上記以外は、実質的に第１実施形態と同様である。
【００４３】
図６に示す形態においては、第１実施形態と同様に、押圧部材４ａのファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧する部分の形状が丸められた形状となっている。
一方、図７に示す形態においては、押圧部材４ｂのファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧する部分の形状が尖った形状となっている。
【００４４】
上記のほか、押圧部材４のファイバセンサのセンサ部ＳＰの部分を押圧する部分の形状は、押圧部材４に荷重が与えられたときにセンサファイバのセンサ部ＳＰ近傍に曲げを発生させる形状となっていればよく、特に限定されるものではない。
【００４５】
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板５に印加される荷重に応じて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。
【００４６】
第３実施形態
図８は本実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図であり、第１実施形態の図４（ｃ）に相当する断面図である。
本実施形態に係る重量計測素子は、押圧部材４の上方における開口部３ａの空間が、シリコーン樹脂などによるシーラント６により埋め込まれていることが第１実施形態と異なる。上記以外は、実質的に第１実施形態と同様である。
【００４７】
上記のように、押圧部材４の上方における開口部３ａの空間がシーラント６で埋め込まれていることにより、例えば押圧部材４が円柱形状である場合などにおいて押圧部材４に伝達される荷重がより均一化されるなど、動作をより安定化させることが可能となる。
【００４８】
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板５に印加される荷重に応じて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。
【００４９】
第４実施形態
センサ部ＳＰとしては、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。
図９（ａ）及び（ｂ）は、本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。
図９（ａ）では、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。
図９（ｂ）では、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。
【００５０】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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。
【００５１】
第５実施形態
図１０は、本実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
例えば、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には、光カプラ１６において光ファイバ２０ｃを分岐する構成であり、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端部が光入射端、光ファイバ２０ｃ端部が光出射端となる。
光ファイバ２０ａの光入射端にセンサ光を出射する半導体発光ダイオードまたは半導体レーザなどの光源１１が設けられ、光ファイバ２０ｃの光出射端に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。
【００５２】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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。
【００５３】
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測定され、より高感度に重量計測を行うことができる。
【００５４】
第６実施形態
図１１は、本実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
例えば、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には、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。
【００５５】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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。
【００５６】
第７実施形態
図１２は、本実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
例えば、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、複数個の重量計測素子（ＷＭ１〜ＷＭ３）が１本の光ファイバ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。
【００５７】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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）で同時に重量を測定することが可能である。
【００５８】
第８実施形態
図１３は、本実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
例えば、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の光入射端に、白色光などのセンサ光を出射する光源１１ａが設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に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。
センサ光としては、半導体発光ダイオードまた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、白色光などを用いることができる。
【００５９】
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、上記の各実施形態に適用可能である。
上記の本実施形態の重量計測素子と、それを用いて構成された重量計は、荷重均一化基板に印加される荷重に応じて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。
【００６０】
＜実施例＞
上記の第１実施形態に係る重量計を作成し、荷重均一化基板に印加される荷重とセンサ光に生じる損失の関係を測定した。
結果を図１４に示す。図中、横軸は荷重（ｋｇ）、縦軸は損失（ｄＢ）である。
図１４に示すように、荷重が大きくなるにつれて損失が大きくなるように変化するように構成することができる。
従って、荷重均一化基板に測定対象物を載せたときに、センサ光の損失のデータを得れば、図１４から荷重の値を算出することができる。
【００６１】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、用いる光源や受光部などは、上述のものに限らず、種々のものを使用できる。
光ファイバはマルチモードファイバでもシングルモードファイバでも使用できる。
その他、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。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
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などに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る重量計の模式構成図である。
【図２】図２は本発明の第１実施形態に係る重量計を構成する本実施形態の重量計測素子の斜視図である。
【図３】図３は図２に示す重量計測素子の構成を説明する構成説明図である。
【図４】図４（ａ）は重量計測素子の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の第１実施形態に係る重量計測素子を構成するファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図５（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
【図６】図６は本発明の第２実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図である。
【図７】図７は本発明の第２実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図である。
【図８】図８は本発明の第３実施形態に係る重量計を構成する重量計測素子の断面図である。
【図９】図９（ａ）及び（ｂ）は本発明の第４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。
【図１０】図１０は本発明の第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。
【図１１】図１１は本発明の第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。
【図１２】図１２は本発明の第７実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
【図１３】図１３は本発明の第８実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。
【図１４】図１４は実施例に係る荷重均一化基板に印加される荷重とセンサ光に生じる損失の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…第１基板
２…保護シート
３…第２基板
３ａ…開口部
３ｂ…切り込み部
４…押圧部材
５…荷重均一化基板
６…シーラント
１１，１１ａ…光源
１２，１２ａ…受光部
１５…反射部
１６…光カプラ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…ヘテロコア部
３０ａ…光透過部材
４０…界面
７０…ＯＴＤＲ装置
ＳＰ…センサ部
Ｗ…リーク
ＷＭ，ＷＭ１，ＷＭ２，ＷＭ３…重量計測素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、
少なくとも前記光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように前記光ファイバの下方に配置される第１基板と、
開口部が設けられ、少なくとも前記光透過部材の部分が前記開口部の領域内に位置するように前記光ファイバの上方に配置された第２基板と、
前記開口部に嵌入され、前記第１基板及び前記第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材と、
前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられた荷重均一化基板と
を有し、
前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が、前記押圧部材に荷重が印加されたときに前記光ファイバの前記光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、前記荷重均一化基板に荷重が印加されたときに前記光ファイバを伝送する光に対して前記荷重に応じた損失を発生させる構成である
重量計測素子。
【請求項２】
前記第２基板及び前記押圧部材と前記光ファイバの間に前記光ファイバを保護する保護シートが設けられている
請求項１に記載の重量計測素子。
【請求項３】
前記開口部の前記光透過部材の部分の近傍において、前記光ファイバが配置されている方向と直交する方向の側壁部分に前記開口部に連通する切り込み部が形成されている
請求項１または２に記載の重量計測素子。
【請求項４】
前記押圧部材の高さが前記第２基板の厚さと実質的に同等である
請求項１〜３のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項５】
前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が丸められたあるいは尖った形状となっている
請求項１〜４のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項６】
前記押圧部材が金属あるいはシリコーンゴムからなり、前記第１基板及び前記第２基板がシリコーンゴムからなる
請求項１〜５のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項７】
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
請求項１〜６のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項８】
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である
請求項１〜６のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項９】
光ファイバを含んで構成された重力計測素子と、
前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、
前記光ファイバの出射端に設けられた受光部と
を有し、
前記重量計測素子は、
コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、
少なくとも前記光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように前記光ファイバの下方に配置される第１基板と、
開口部が設けられ、少なくとも前記光透過部材の部分が前記開口部の領域内に位置するように前記光ファイバの上方に配置された第２基板と、
前記開口部に嵌入され、前記第１基板及び前記第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材と、
前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられた荷重均一化基板と
を有し、
前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が、前記押圧部材に荷重が印加されたときに前記光ファイバの前記光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、前記荷重均一化基板に荷重が印加されたときに前記光ファイバを伝送する光に対して前記荷重に応じた損失を発生させる構成である
重量計。
【請求項１０】
前記光源が半導体発光ダイオード、半導体レーザあるいは白色光である
請求項９に記載の重量計。
【請求項１】
コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、
少なくとも前記光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように前記光ファイバの下方に配置される第１基板と、
開口部が設けられ、少なくとも前記光透過部材の部分が前記開口部の領域内に位置するように前記光ファイバの上方に配置された第２基板と、
前記開口部に嵌入され、前記第１基板及び前記第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材と、
前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられた荷重均一化基板と
を有し、
前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が、前記押圧部材に荷重が印加されたときに前記光ファイバの前記光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、前記荷重均一化基板に荷重が印加されたときに前記光ファイバを伝送する光に対して前記荷重に応じた損失を発生させる構成である
重量計測素子。
【請求項２】
前記第２基板及び前記押圧部材と前記光ファイバの間に前記光ファイバを保護する保護シートが設けられている
請求項１に記載の重量計測素子。
【請求項３】
前記開口部の前記光透過部材の部分の近傍において、前記光ファイバが配置されている方向と直交する方向の側壁部分に前記開口部に連通する切り込み部が形成されている
請求項１または２に記載の重量計測素子。
【請求項４】
前記押圧部材の高さが前記第２基板の厚さと実質的に同等である
請求項１〜３のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項５】
前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が丸められたあるいは尖った形状となっている
請求項１〜４のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項６】
前記押圧部材が金属あるいはシリコーンゴムからなり、前記第１基板及び前記第２基板がシリコーンゴムからなる
請求項１〜５のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項７】
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
請求項１〜６のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項８】
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である
請求項１〜６のいずれかに記載の重量計測素子。
【請求項９】
光ファイバを含んで構成された重力計測素子と、
前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、
前記光ファイバの出射端に設けられた受光部と
を有し、
前記重量計測素子は、
コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、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を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、
少なくとも前記光透過部材の部分及びその近傍部分を載せるように前記光ファイバの下方に配置される第１基板と、
開口部が設けられ、少なくとも前記光透過部材の部分が前記開口部の領域内に位置するように前記光ファイバの上方に配置された第２基板と、
前記開口部に嵌入され、前記第１基板及び前記第２基板より高硬度の材料からなる押圧部材と、
前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられた荷重均一化基板と
を有し、
前記押圧部材の前記光ファイバの前記光透過部材の部分を押圧する部分が、前記押圧部材に荷重が印加されたときに前記光ファイバの前記光透過部材の近傍部分に曲げを発生させる形状であり、前記荷重均一化基板に荷重が印加されたときに前記光ファイバを伝送する光に対して前記荷重に応じた損失を発生させる構成である
重量計。
【請求項１０】
前記光源が半導体発光ダイオード、半導体レーザあるいは白色光である
請求項９に記載の重量計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１０２６９５（Ｐ２０１１−１０２６９５Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４９６１５（Ｐ２００８−４９６１５）
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（５９３１０３１７９）日本電線工業株式会社 (3)
【出願人】（５９８１２３１３８）学校法人 創価大学 (49)
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（５９３１０３１７９）日本電線工業株式会社 (3)
【出願人】（５９８１２３１３８）学校法人 創価大学 (49)
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
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