(57)【要約】  導波路交差（例えば、交差する行と列）を有する光導波路のアレイを含む、２次元の位置分解能を有する圧力感知が提供される。交差する導波路間の圧力で誘起される公差結合は、局所的な導波路曲がりを増大させる機械的構造を各交差点に含めることにより増加する。例えば、このような構造を、導波路の取り囲む高剛性リングとすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ状の光導波路圧力センサであって、
２つ以上の行光導波路と、
２つ以上の列光導波路とを備え、前記行光導波路と前記列光導波路とが平面アレイ状に配置されて交差センサを形成し、前記交差センサの各々は、前記列光導波路の１つと交差点で接触する前記行光導波路の１つを含み、
前記交差センサの各々は、前記交差点に圧力が加えられたときに、増大した導波路曲がりが生じるように構成された機械的構造を更に含み、
前記アレイ状の光導波路圧力センサは、前記行光導波路に光を供給し、前記列光導波路に結合された光を測定するか、またはその逆に前記列光導波路に光を供給し、前記行光導波に結合された光を測定して圧力を感知するように構成されることを特徴とする光導波路圧力センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路圧力センサであって、
前記機械的構造は、前記行光導波路及び前記列光導波路のうちの一方と接触するように配置された第１の高剛性リングを含み、
前記第１の高剛性リングの孔は、前記交差センサの前記交差点を、前記平面アレイの横方向において取り囲んでいることを特徴とする光導波路圧力センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の光導波路圧力センサであって、
第２の高剛性リングを更に含み、前記第１の高剛性リングと前記第２の高剛性リングとの間に前記交差センサの前記交差点が、前記平面アレイの平面に対して垂直な方向に挟まれて配置され、
前記第２の高剛性リングの孔は、前記交差センサの交差点を、前記平面アレイの横方向において取り囲んでいることを特徴とする光導波路圧力センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の光導波路圧力センサであって、
前記第１の高剛性リングの孔と前記第２の高剛性リングの孔は、実質的に同じ大きさ及び同じ形状を有し、実質的に前記横方向に整列して配置されていることを特徴とする光導波路圧力センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の光導波路圧力センサであって、
前記行光導波路の各々は、導波路クラッドに外囲された導波路コアを含み、
前記列光導波路の各々は、導波路クラッドに外囲された導波路コアを含み、
前記行光導波路およぎ前記列光導波路の両方の導波路クラッドは、１つ以上の交差センサの位置で損なわれていない状態であることを特徴とする光導波路圧力センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の光導波路圧力センサであって、
前記行光導波路の各々は、導波路クラッドに外囲された導波路コアを含み、
前記列光導波路の各々は、導波路クラッドに外囲された導波路コアを含み、
前記行光導波路及び前記列光導波路のいずれか一方または両方の導波路クラッドは、１つ以上の交差センサの位置で少なくとも部分的に除去されていることを特徴とする光導波路圧力センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の光導波路圧力センサであって、
前記行光導波路の各々は、保護ジャケットに外囲された導波路クラッドに外囲された導波路コアを含む光ファイバであり、
前記列光導波路の各々は、保護ジャケットに外囲された導波路クラッドに外囲された導波路コアを含む光ファイバであり、
前記行光導波路及び前記列光導波路のいずれか一方または両方の保護ジャケットは、１つ以上の交差センサの位置で除去されていることを特徴とする光導波路圧力センサ。
【請求項８】
請求項１に記載の光導波路圧力センサであって、
前記交差センサの１つ以上が、前記交差センサが圧力か加えられたときの光学的結合を増加させるための反射構造を更に含むことを特徴とする光導波路圧力センサ。
【請求項９】
請求項１に記載の光導波路圧力センサであって、
前記交差センサの１つ以上が、前記交差センサが圧力が加えられたときの光学的結合を増加させるための散乱体を更に含むことを特徴とする光導波路圧力センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の光導波路圧力センサであって、
前記行光導波路及び前記列光導波路は、ステップインデックス・プラスチック光ファイバ及びグレーデッドインデックス・プラスチック光ファイバからなる群から選択されることを特徴とする光導波路圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２−Ｄ位置情報を提供する圧力感知に関する。
【背景技術】
【０００２】
位置感知は、物体及び／または人の動きをモニタリングするために必要となる重要な機能である。好ましくは、これらの物体／人の動きを妨げないように、これらの物体／人にワイヤを付けないことが望ましい。特に人の行動を観察する際に、この感知機能がその妨げにならないことが望ましい。
【０００３】
これを行うための提案された方法の１つは、光ファイバをセンサとして用いる圧力感知に基づく方法である。一例（Ｒｏｔｈｍａｉｅｒら、２００８：非特許文献１）では、可撓性光ファイバを含む織物がそのようなセンサとして使用され、この場合、圧力が加えられたファイバからの透過光の損失が利用される物理的効果である。しかし、このアプローチでは、対応する圧力（または複数の圧力）がファイバに沿って発生した場合には、透過強度の低下からの判定ができないため、完全な位置分解能が提供されない。
【０００４】
したがって、完全な２次元位置分解能を有するような光導波路を用いた圧力感知を提供することは、当該分野における進歩である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Rothmaier ら, Sensors v8, pp4318-4329, 2008
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、本発明は、物体及び／または人への物理的接続を必要としない位置感知方法を提供する。本発明は、２次元の光導波路構造を用いて、それらが表面上に加えられた局所的な圧力を検知するという構成を基礎とする。この光導波路構造内では、その圧力によって光の伝播が変化し、光導波路構造内の位置と相関するこれらの変化を測定することによって、２次元の位置特定が行われる。例えば、この光導波路構造をマットレスの内部または下部に置くことによって、睡眠中の人の２次元運動を、睡眠に影響を及ぼす可能性のあるセンシングシステムからの影響を与えることなくモニタリングすることができる。測定が、電界ではなく、光導波路構造の光伝搬特性の変化に基づいて行われることに留意されたい。したがって、これらの測定では、測定の妨げになる電磁場（例えば、ローカルなＷｉＦｉ（登録商標）システムまたは電力線に由来する）による影響を受けず、また、例えば医療用モニタリング装置または人の体内及び／または近傍の装置（例えば、心臓ペースメーカ）に干渉する可能性がある電磁場自体も発生しない。
【０００７】
光導波路を曲げると、光の逃げ（漏れ）のために損失が生ずることがあり得る。逃げる光は、交差導波路内に捕捉することができる。したがって、圧力または力が加えられたときに、交差光導波路の曲がりは２つの交差する導波路の間で光学的結合を生じさせることが可能で、その光学的結合は加えられた圧力または力に概ね比例する。例えば、導波路交差部における単純なリングにより、導波路のこの曲がりを実現することができる。このリング構造は、導波路クラスをそのまま残すことができ、位置整合が重要とはならないため、容易に作成することができる。これを用いても交差点は非常に頑丈なままである。導波路の交差部で曲がりを実現するための他の構成も使用可能である。
【０００８】
この感知方法は、好ましい実施形態では、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を使用して堅牢で柔軟で防水性のあるものとなり、Ｎ個の検出器とＭ個の光源がＮ×Ｍ個のセンサ点を形成するので容易にスケーラブルな実施ができ、外部電場の影響を受けず、またそれ自体に電場を形成することもなく、薄い（一例ではわずか３ｍｍの厚さ）ものとなり、したがって、例えばマットレスなどの下に簡単に置くことができる。また、この方法は、照明のためにＬＥＤ及びシリコンフォトダイオードなどの容易に入手可能な光学的及び電気的構成要素を使用でき、低周波用の電子機器部品しか必要としないので低コストである。
【０００９】
多くの応用分野での使用が予測される。応用例としては、以下に限定しないが、（１）睡眠中の人の睡眠を妨げることなくその人の位置をモニタリングすること、（２）カーペットの下に置くセンサ配置形態（またはカーペットに織り込まれたセンサ装置）による人の転びや落下のモニタリング等が挙げられる。また本発明により、ビデオカメラの使用よりもプライバシーが守ることが可能な形で、高齢者の歩行と転倒を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の例示的な実施形態を示す図である。
【図２】図２は、圧力をかけられたとき導波路曲がりを増大させるためのリングを有する交差センサの上面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２の交差センサの動作を示す側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２の交差センサの動作を示す側面図である。
【図４】図４は、導波路交差を挟む２本の高剛性リングを有する交差センサを示す図である。
【図５】図５は、導波路交差結合を測定するための例示的な実験の構成を示す図である。
【図６】図６は、図５の構成で行った実験の結果を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、交差センサにおける導波路形状のいくつかの異なる選択肢の１つを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、交差センサにおける導波路形状のいくつかの異なる選択肢の１つを示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、交差センサにおける導波路形状のいくつかの異なる選択肢の１つを示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、交差センサにおける導波路形状のいくつかの異なる選択肢の１つを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の例示的な実施形態を示す。この実施形態では、２つ以上の光導波路１０２、１０４、１０６と、２つ以上の列導波路１０８、１１０、１１２とが平面アレイ状に配置されている。各交差センサは、列導波路の１つと交点で接触する行導波路の１つを含む。各交差センサは、更に、その交差センサに圧力が加えられたときに導波路曲がりを増加させるように構成された機械的構造を含む。図１に示すように、これらの機械的構造は高剛性リング１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅ、１１４ｆ、１１４ｇ、１１４ｈ、１１４ｉである。リングが説明目的で例示されているが、交差センサが圧力を受けたときに導波路曲がりを増大させる他の機械的構造も使用することができる。これが提供する光導波路圧力センサアレイは、光源電子装置１１８を用いて行光導波路に光を供給して検出電子装置１１６を用いて列光導波路に結合された光を測定するか、またはその逆を行うことによって圧力を感知するように構成される。
【００１２】
機械的構造が高剛性リングを含む場合、リングの孔は、図１に示すように、交差センサの交差点を横方向に取り囲むことが好ましい。
【００１３】
本発明は、行及び列光導波路に使用される導波路の種類に決定的に左右されることなく実施される。適切な導波路としては、ステップインデックス・プラスチック光ファイバ、及びグレーデッドインデックス・プラスチック光ファイバが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１４】
交差センサにおける導波路間の光学的結合は局部的な圧力の関数であるため、受光された光強度を検出することにより、交差センサに加わる圧力を測定することができる。送信導波路と受信導波路の光学的結合効果は非常に小さいので、利得が高く入力インピーダンスが高いトランスインピーダンス増幅器を用いた高感度の光受信器が必要となる。受信感度は、各光源を低周波キャリアで変調し、かつ高選択度の同期検波またはロックイン検出（受信された増幅信号に、ＬＥＤを駆動する同じキャリア信号を乗算して出力をローパスフィルタでフィルタリングすることによって実行される）を行うことによって高めることができる。単純でスケーラブルなシステムを実現するためには、交差センサ・スキャニング法を用いるのが好ましい。光源電子装置１１８は、一度に１つの行のみを選択して照明し、検出電子装置１１６によって複数の交差が列毎にスキャニングされる。このようにして、各交差センサは個別に状態決定され、結果を合成することにより、完全な２次元圧力マップを提供することができる。
【００１５】
好ましい電子装置構成のより具体的な例を以下に示す。局部発振器は、周波数ｆ０で電気信号（例えば方形波）を生成し、その周波数でＭ個の光源（例えばＬＥＤ）のアレイが変調される。１：Ｐ分周器、カウンタ、及びラインセレクタにより、周波数ｆ０のこの信号は一度に１つのＬＥＤにのみ供給され、アレイの各ＬＥＤは周期的に（期間Ｍ×Ｐ／ｆ０で）作動させられる。これらのＬＥＤはそれぞれ、マトリクスのある１つの列の交点に沿って延びる送信導波路に光を供給する。２次元感知モジュールの受信側では、それぞれが行列の行に沿って延びる受信導波路の各々が光検出器（ＰＤ）に給電する。ＰＤの出力信号は増幅された後、乗算器回路に供給され、そこで局部発振器からの信号と関連付けられる。ローパスフィルタによるフィルタリングと振幅検出により、ＰＤからの受信信号は、高い選択性と感度のアナログ検出によって測定できる。選択に応じて、リミッタ装置を介してアナログ信号を流す場合、アクティブな交差点のバイナリ検出を行うこともできる。（バイナリ）行出力及び（バイナリまたはアナログ）列出力の共同処理により、（行、列）位置感知情報が提供される。
【００１６】
図２は、圧力が加えられたときの導波路曲がりを増大させるリングを有する交差センサの上面図である。この図で、２０２は第１の高剛性リング、２０６は受信光導波路、２０４は送信光導波路である。代替的に、２０６が送信光導波路で、２０４が受信光導波路でもよい。リング２０２の孔の内縁には符合２０８が付される。相互に９０°の角度をなす導波路が図２に示されているが、他の交差角をなす形態も可能である。
【００１７】
図３Ａ及び図３Ｂは、図２の交差センサの動作を示す側面図である。図３Ａは、圧力を受けていないときの形態を示す。ここで、圧力が加えられる（図３Ｂのブロック矢印）と、図３Ｂに示すように導波路曲がりを引き起こすように作用することが分かる。導波路の曲がりは、導波路交差での光学的結合を生じるが、その程度は印加される圧力に概ね比例する。十分に小さい曲げ半径で導波路を曲げると、導波モードの閉じ込めがわずかに乱される（すなわち、光のわずかな部分がクラッドを通して漏れる）が、これが本発明の基礎となる物理的効果である。具体的には、光交差結合は、主に送信及び／または受信導波路の曲げによって生じるものである。曲がりが増大すると、送信導波路から放射される光と、受信導波路が入射光をそのコアに結合する能力の両方を高められる。
【００１８】
図４は、導波路交差を挟む２本の高剛性リングを有する交差センサを示す。ここでは、その孔４０８を画定する内縁を有する第２の高剛性リング４０２が、リング３０２とそのリング４０２とで交差センサの交差点を挟むように配置されている。好ましくは、第１及び第２の高剛性リングの孔は、実質的に同じ大きさ及び形状を有し、また、図４に概略的に示すように、実質的に横方向に整列している。このような構成では、両方の導波路の曲がりが増大され、それによって交差結合が更に増加する。
【００１９】
図５は、導波路交差結合を測定するための例示的な実験の構成を示す。同期検波（ロックイン検出とも呼ばれる）が採用されている。ここで、５０２は周波数基準、５０４は光源、５０６は送信光導波路、５０８は受信光導波路、５１０（存在する場合）は圧力が加えられたときの導波路曲がりのための機械的構造、５１２は光検出器、５１４はトランスインピーダンス増幅器であり、５１６はロックイン増幅器である。
【００２０】
実施した１つの実験では、導波路５０８及び５１０は、ファイバコア直径０．９８ｍｍ、ファイバクラッド直径１．０ｍｍ、及び開口数０．５の標準的なＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）ステップインデックスＰＯＦ（ＳＩ−ＰＯＦ）であった。光源５０４は、約３ｍＷのＳＩ−ＰＯＦに結合された出力パワーを有する可視白色光ＬＥＤであった。この光は、周波数基準５０２からの１０００Ｈｚの周波数を有する方形波信号で変調された。検出器５１２はシリコンフォトダイオードであり、５１６は増幅及び同期検波動作を実行するＥＧ＆Ｇ  Ｂｒｏｏｋｄｅａｌ（商標）  ５２０６ロックイン増幅器であった。リング５１０の外径は５０ｍｍ、内径は８．５ｍｍであった。
【００２１】
図６は、２リング、１リング、及びリングなしの交差に対して加えられた重量に対するロックイン増幅器の電圧を示す。これらの結果は、リングによって増大されるファイバ交差でのファイバの曲がりの効果を明確に示している。リングが存在しない場合、交差結合が大幅に減少することも明らかである。
【００２２】
導波路交差の構成には、様々な特定の選択肢が存在する。これらは、導波路が光ファイバである場合を例にとって論ずるが、その原理は一般的に適用可能である。
【００２３】
図７Ａは、光ファイバの断面を概略的に示す。ここで７０２はコア、７０４はクラッド、７０６は保護ジャケットである。クラッド７０４と保護ジャケット７０６の相違を明確に理解することは有益なので、以下でこの区別を簡単に見直しておく。
【００２４】
導波路は、クラッドによって外囲されたコアを有し、主にコア内に閉じ込められた光の伝搬を提供する。光は、コアに最も近いクラッドの部分（すなわち、導波路モードのエバネッセント・テール）に拡がるが、クラッドは、通常は、光の無視できるほどわずかな（すなわち、指数関数的に小さい）一部分しかクラッドの外面に達しない程度に十分に厚い。導波モードがクラッド内まで拡がるので、クラッドは低い光損失を有するべきである。従来の光ファイバは、図７Ａのようにコア、クラッド及び保護ジャケットの３層構造を有する場合が多いことに留意されたい。保護ジャケットは、それが存在する場合、導波モードの大部分が保護ジャケット内まで拡がっていないので、クラッドの一部ではない。したがって、保護ジャケットの光学的特性は特に意味がなく、光学的損失が少ないものである必要はない。
【００２５】
図７Ｂは、ファイバを有する交差センサの好ましい構成を示す。ここで、第１のファイバは、コア７０２、クラッド７０４、及び保護ジャケット７０６を有する。第２のファイバは、コア７１２、クラッド７１４及び保護ジャケット７１６を有する。選択に応じて、反射構造７２０及び／または７２２（例えば、アルミニウムホイル）は、圧力を受けているときの交差結合を増強するために設けることができる。図７Ｂは、交差センサにおいて両方のファイバから保護ジャケット（７０６、７１６）が除去されている。しかしながら、両方のファイバのクラッド（７０４、７１４）は、交差で除去されていない。これにより、交差センサの製造に必要な作業量が大幅に削減される。具体的には、取り外す必要があるのはジャケットのみである。クラッドに対しては何もする必要がない。この実施形態の主要なポイントの１つは、導波路クラッドが元のままの導波路の交差に対しても、導波路曲がりを介して十分な導波路交差結合が得られることである。
【００２６】
以前に行った実証実験において、本発明者は、クラッドが元のままで保護ジャケットが取り除かれた交差点において、導波路曲がりを増大させるためのリングまたは他の構造を用いることなくグレーデッドインデックスＰＯＦ及び半導体レーザ光源を用いて導波路交差結合が得られるという知見を得た。しかし、導波路曲がりの増強を組み合わせたグレーデッドインデックスＰＯＦは、先行実験と比較して非常に向上した性能を提供することが予測される。
【００２７】
他の従来の実証実験では、ステップインデックスＰＯＦは、元のままのクラッドを有する導波路交差では十分な交差結合が提供されないという結果が得られた。そのような場合に公差結合を増大させるためのアプローチが開発され、これらの技術思想は発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いた実験で実証された。レーザの代わりにＬＥＤを使用することには、コストが低減するという有利さがある。交差結合を増大させるためのこれらのアプローチは、本明細書で説明するように増大した導波路曲がりと組み合わせて、向上した性能をもたらすことができる。したがって、それらについて、図７Ｃ及び図７Ｄと関連付けて後述する。この構成に関する実験では、１００ｇの重量が検出可能であった。この測定された信号は、交差センサの重量圧に対して明確で再現性があり、ほぼ線形の関係を示す。
【００２８】
図７Ｃの構成は、交差センサでクラッド（７０４、７１４）が両方のファイバから除去されている点を除いて、図７Ｂの構成と同様である。このクラッドの除去は、部分的な除去または完全な除去であり得る（図７Ｃは完全な除去の場合を示す）。そのようなクラッドの部分的なまたは完全な除去により、圧力の印加時に交差センサによって提供される交差結合を増加させることができる。
【００２９】
図７Ｄに示すように、クラッド７１４は、交差センサにおいて除去され、クラッド７０４は、交差部において元のままであり、クラッド７０４は散乱体７３０によって外囲されている。散乱体７３０は、ファイバのコア７０２（受信）で終わるファイバのコア７１２（送信）から放射される光の割合を増加させる役目を果たす。
【００３０】
図７Ｄの構成の一例では、コア７１２内の光のわずかな割合（＜０．１％）だけが漏れ出すように、クラッド７１４の小さい領域が除去される。この小さなパーセンテージのために、送信ファイバの光パワーは、ファイバの全長（通常、数メートル未満）にわたって概ね一定である。交差部では、受信ファイバの保護コーティングすなわち保護ジャケット７１６が数センチメートルにわたって除去され、弾性散乱性で非吸収性の一次コーティングである散乱体７３０と置き換えられる。受信ファイバの弾性散乱性の一次コーティングである散乱体７３０は、同一次コーティングである散乱体７３０が、固定位置で送信ファイバのコア／クラッドに物理的に接触できるように配置される。公差部に圧力を加えることによって、受信ファイバの弾性散乱性の一次コーティングである散乱体７３０において結合された送信ファイバの光が、クラッド７０４を介して受信ファイバのコア７０２に移行する。また、送信ファイバから受信ファイバに逃げた光の結合を更に増大させるために、反射構造（反射アルミニウムホイルなど）７２０、７２２を交差センサに局所的に加えた。したがって、わずか約３ｍｍの厚さの単一の交差センサにおいて、一部の光が送信ファイバから受信ファイバに到達する。この移行する光の量は、交差センサに加わる力に応じて変化する。
【００３１】
図７Ｄのようにファイバ交差を使用してマットレス上に横たわっている人の圧力プロファイルを測定する、実証実験の構成が実現されている。スキャニング（すなわち、受信ファイバを単一のフォトダイオードへ切り替えること）は手作業で行った。センサグリッドは、透過率が８で開口数が０．３のＳＩ−ＰＯＦの８本を送信に、８本を受信に用いたので、グリッドは６４個の交差点を有するものであった。ファイバ間の距離は９ｃｍなので、約７０×７０ｃｍの領域がカバーされる。局所圧力を集中させるために、６×６ｃｍの金属円板をＰＯＦ交差部に固定する。このグリッドは、１８０×８０×１６ｃｍの発泡体材料マットレスの下に置かれ、２Ｄ圧力プロファイルは、人がマットレスに立っている場合、人がマットレスの上に仰向けに横たわっている場合、人が右横を向いて横たわっている場合の３つの状況で測定される。測定された圧力プロファイルは、マットレス上の人の位置を明確に示すものとなった。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【国際調査報告】
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2019512773.tif 000015
2019512773.tif 000016
2019512773.tif 000017