(57)【要約】【課題】検出対象の伸縮によるひずみをより精度良く検出可能とする。【解決手段】ひずみ検出機構２１では、ＦＢＧが形成された光ファイバにより構成されたセンサ部２４を、検出対象としてのパイプ本体３６の長手方向の両端部間の長さＬ２より短い長さＬ１に形成すると共に、その長手方向がパイプ本体３６の長手方向と平行な同一方向になるよう配置し、検出対象としてのパイプ本体３６の両端部にそれぞれ取り付けられてセンサ部２４を挟持する２つの挟持部４２，４４によって、パイプ本体３６の伸縮量ΔＬ２をセンサ部２４の伸縮量ΔＬ２としてそのまま伝達する構成とする。これにより、検出対象の伸縮によるひずみをより精度良く検出可能とすることができる。【選択図】図２
2011257364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象の伸縮によるひずみの検出に用いられるひずみ検出機構であって、
ファイバブラッググレーティングが形成された光ファイバにより構成され、前記検出対象の伸縮方向の長さより長さが短くなるよう形成されると共に前記光ファイバの長手方向が前記検出対象の伸縮方向と平行な同一方向になるよう配置される検出部と、
前記検出対象の伸縮方向の両端にそれぞれ取り付けられて前記検出部を挟持する２つの挟持部材を有し、前記検出対象の伸縮量を前記検出部の伸縮量として伝達する伸縮量伝達部と、
を備えるひずみ検出機構。
【請求項２】
請求項１記載のひずみ検出機構であって、
前記伸縮量伝達部は、前記検出対象に作用する該検出対象の伸縮方向の力に対する伸縮のしにくさとしての硬さ程度が、前記検出部の該硬さ程度より大きな前記検出対象の該硬さ程度以上に形成されてなる、
ひずみ検出機構。
【請求項３】
請求項１または２記載のひずみ検出機構であって、
前記検出部と前記伸縮量伝達部とを内部に収納し、機構外部から前記内部に予め定められた所定温度のガスを供給するための供給孔と、前記ガスを前記内部から前記機構外部に排出するための排出孔とが形成された収納部、
を備えるひずみ検出機構。
【請求項４】
請求項３記載のひずみ検出機構を備え、前記ひずみ検出機構の検出対象に力を作用させることによって計測対象の長手方向に作用する力の計測を行なう力計測に用いられる力計測機構であって、
前記ひずみ検出機構の検出対象の伸縮方向の一端に、前記計測対象の長手方向が前記検出対象の伸縮方向と同一方向になるよう該計測対象の長手方向の一端が取り付けられる、
力計測機構。
【請求項５】
請求項４記載の力計測機構であって、
前記ひずみ検出機構の検出対象が交換可能である、
力計測機構。
【請求項６】
請求項４または５記載の力計測機構であって、
前記ひずみ検出機構の検出対象の伸縮方向の一端と前記計測対象の長手方向の一端との間に介在する軸部材と、内周面が前記軸部材の外周面に対向する軸受部材と、を有し、前記計測対象の曲げ方向に作用する力を軸受構造により打ち消す曲げ力打消し部、
を備える力計測機構。
【請求項７】
請求項６記載の力計測機構であって、
前記曲げ力打消し部の軸部材と軸受部材との間に介在する弾性部材を有し、前記計測対象のねじれ方向に作用する力を弾性構造により打ち消すねじれ力打消し部、
を備える力計測機構。
【請求項８】
請求項４ないし７のいずれか１つの請求項に記載の力計測機構と、
前記ひずみ検出機構の検出部に光の入出力を行なう光入出力手段と、
前記ひずみ検出機構の収納部の供給孔に前記所定温度のガスを供給するガス供給手段と、
前記ひずみ検出機構の検出部から出力される光の波長により得られる前記検出対象の伸縮によるひずみに基づいて前記計測対象の長手方向に作用する力を計測する力計測手段と、
を備える力計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみ検出機構および力計測機構並びに力計測装置に関し、詳しくは、検出対象の伸縮によるひずみの検出に用いられるひずみ検出機構およびこうしたひずみ検出機構を備える力計測機構並びに力計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のひずみ検出機構としては、曲げ方向の応力により変形する棒状の部材を用いたセンサ構造であって、曲げが生じる複数の部分が向かい合わせに二列に並んで形成されると共にこの曲げが生じる複数の部分にゲル状の柔軟材料が接着されてなる背骨型部材に、複数のゲル部分を通過するよう対向する２本の光ファイバを通し、この２本の光ファイバのうちゲル部分を通過する箇所にファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を形成したものが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このセンサ構造では、複数のＦＢＧが向かい合わせとなる２本の光ファイバを用いることにより、１本の光ファイバを用いるものに比して曲げ応力に対する出力を２倍に増幅させたり、多点で曲げを検知することを可能としている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】荒田純平，寺川尚吾，藤本英雄，“光ファイバを用いた背骨型アレイ式力センサの開発”，日本コンピュータ外科学会誌，Vol.11, No.3, pp.344-345, 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のセンサ構造のように、ＦＢＧが形成された光ファイバを用いると、ＦＢＧにより反射される光の波長（ブラッグ波長）が光ファイバの長手方向の伸縮によりシフトする特性を利用することができ、ブラッグ波長のシフト量を測定することによって、このシフト量に比例する光ファイバの長手方向の伸縮量、そして単位長さあたりの伸縮量としてのひずみを得ることができる。したがって、検出対象の圧縮や引張りによるひずみを検出する目的で、電気抵抗の変化量を測定することによりひずみを得ることができる一般的なひずみゲージのように、ＦＢＧが形成された光ファイバを検出対象に貼り付けて用いることも考えられるが、この場合、例えば検出対象のヤング率が大きい場合や検出対象に作用する応力が小さい場合などには、ひずみが小さいために、センサとしての分解能が十分とはいえず、検出対象の伸縮によるひずみを精度よく検出することができない場合が生じる。
【０００５】
本発明のひずみ検出機構および力計測機構並びに力計測装置は、検出対象の伸縮によるひずみをより精度良く検出可能とすることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のひずみ検出機構および力計測機構並びに力計測装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明のひずみ検出機構は、
検出対象の伸縮によるひずみの検出に用いられるひずみ検出機構であって、
ファイバブラッググレーティングが形成された光ファイバにより構成され、前記検出対象の伸縮方向の長さより長さが短くなるよう形成されると共に前記光ファイバの長手方向が前記検出対象の伸縮方向と平行な同一方向になるよう配置される検出部と、
前記検出対象の伸縮方向の両端にそれぞれ取り付けられて前記検出部を挟持する２つの挟持部材を有し、前記検出対象の伸縮量を前記検出部の伸縮量として伝達する伸縮量伝達部と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明のひずみ検出機構では、ファイバブラッググレーティングが形成された光ファイバにより構成され、検出対象の伸縮方向の長さより長さが短くなるよう形成されると共に光ファイバの長手方向が検出対象の伸縮方向と平行な同一方向になるよう配置される検出部と、検出対象の伸縮方向の両端にそれぞれ取り付けられて検出部を挟持する２つの挟持部材を有し、検出対象の伸縮量を検出部の伸縮量として伝達する伸縮量伝達部と、を備える。これにより、検出部のひずみ（単位長さあたりの伸縮量）を検出対象のひずみに比して大きくすることができるから、検出対象の伸縮量が比較的小さいときでも、検出対象の伸縮によるひずみをより精度良く検出可能とすることができる。ここで、「検出対象」は、長手方向を伸縮方向とする棒状や筒状の物の全体または一部としたり略平面状の物の伸縮方向における任意の２つの部位間の部分などとすることができる。
【０００９】
こうした本発明のひずみ検出機構において、前記伸縮量伝達部は、前記検出対象に作用する該検出対象の伸縮方向の力に対する伸縮のしにくさとしての硬さ程度が、前記検出部の該硬さ程度より大きな前記検出対象の該硬さ程度以上に形成されてなる、ものとすることもできる。こうすれば、検出対象の伸縮量を検出部の伸縮量としてより確実に伝達することができる。
【００１０】
また、本発明のひずみ検出機構において、前記検出部と前記伸縮量伝達部とを内部に収納し、機構外部から前記内部に予め定められた所定温度のガスを供給するための供給孔と、前記ガスを前記内部から前記機構外部に排出するための排出孔とが形成された収納部、を備えるものとすることもできる。こうすれば、検出対象の伸縮によるひずみを更に精度良く検出可能とすることができる。これは、ファイバブラッググレーティングは温度依存性が比較的高い特性を有することに基づく。
【００１１】
本発明の力計測機構は、上述の収納部を備える態様の本発明のひずみ検出機構、即ち、基本的には、検出対象の伸縮によるひずみの検出に用いられるひずみ検出機構であって、ファイバブラッググレーティングが形成された光ファイバにより構成され、前記検出対象の伸縮方向の長さより長さが短くなるよう形成されると共に前記光ファイバの長手方向が前記検出対象の伸縮方向と平行な同一方向になるよう配置される検出部と、前記検出対象の伸縮方向の両端にそれぞれ取り付けられて前記検出部を挟持する２つの挟持部材を有し、前記検出対象の伸縮量を前記検出部の伸縮量として伝達する伸縮量伝達部と、前記検出部と前記伸縮量伝達部とを内部に収納し、機構外部から前記内部に予め定められた所定温度のガスを供給するための供給孔と、前記ガスを前記内部から前記機構外部に排出するための排出孔とが形成された収納部と、を備えるひずみ検出機構を備え、前記ひずみ検出機構の検出対象に力を作用させることによって計測対象の長手方向に作用する力の計測を行なう力計測に用いられる力計測機構であって、前記ひずみ検出機構の検出対象の伸縮方向の一端に、前記計測対象の長手方向が前記検出対象の伸縮方向と同一方向になるよう該計測対象の長手方向の一端が取り付けられる、ことを要旨とする。
【００１２】
この本発明の力計測機構では、上述の収納部を備える態様の本発明のひずみ検出機構を備えるから、上述の収納部を備える態様の本発明のひずみ検出機構が奏する効果、例えば、検出対象の伸縮によるひずみをより精度良く検出可能とすることができる効果などと同様の効果を奏することができる。この結果、計測対象の長手方向に作用する力をより精度良く計測可能とすることができる。ここで、ひずみ検出機構の検出対象の伸縮方向の一端には、計測対象の長手方向の一端が、直接取り付けられるものとしてもよいし、他の部材を介して間接的に取り付けられるものとしてもよい。
【００１３】
こうした本発明の力計測機構において、前記ひずみ検出機構の検出対象が交換可能である、ものとすることもできる。こうすれば、検出対象を交換することによって、計測対象の長手方向に作用する同一の力による検出対象のひずみを異なるものとすることができ、力計測における分解能を調整可能とすることができる。
【００１４】
また、本発明の力計測機構において、前記ひずみ検出機構の検出対象の伸縮方向の一端と前記計測対象の長手方向の一端との間に介在する軸部材と、内周面が前記軸部材の外周面に対向する軸受部材と、を有し、前記計測対象の曲げ方向に作用する力を軸受構造により打ち消す曲げ力打消し部、を備えるものとすることもできる。この場合、前記曲げ力打消し部の軸部材と軸受部材との間に介在する弾性部材を有し、前記計測対象のねじれ方向に作用する力を弾性構造により打ち消すねじれ力打消し部、を備えるものとすることもできる。これらによれば、計測対象の長手方向に作用する力を更に精度よく計測可能とすることができる。
【００１５】
本発明の力計測装置は、上述のいずれかの態様の本発明の力計測機構、即ち、基本的には、上述の収納部を備える態様の本発明のひずみ検出機構を備え、前記ひずみ検出機構の検出対象に力を作用させることによって計測対象の長手方向に作用する力の計測を行なう力計測に用いられる力計測機構であって、前記ひずみ検出機構の検出対象の伸縮方向の一端に、前記計測対象の長手方向が前記検出対象の伸縮方向と同一方向になるよう該計測対象の長手方向の一端が取り付けられる、力計測機構と、前記ひずみ検出機構の検出部に光の入出力を行なう光入出力手段と、前記ひずみ検出機構の収納部の供給孔に前記所定温度のガスを供給するガス供給手段と、前記ひずみ検出機構の検出部から出力される光の波長により得られる前記検出対象の伸縮によるひずみに基づいて前記計測対象の長手方向に作用する力を計測する力計測手段と、を備えることを要旨とする。
【００１６】
この本発明の力計測装置では、上述のいずれかの態様の本発明の力計測機構を備えるから、上述の力計測機構が奏する効果、例えば、検出対象の伸縮によるひずみをより精度良く検出可能とすることができる効果や計測対象の長手方向に作用する力をより精度よく計測可能とすることができる効果などと同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例としてのひずみ検出機構２１を含む力計測機構２０を備える力計測装置１０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】力計測機構２０の構成の概略を模式的に示す説明図である。
【図３】センサ部２４の内部の様子を模式的に示す説明図である。
【図４】力計測機構２０の外観を示す外観図である。
【図５】力計測機構２０の機構本体３０の外観を示す外観図である。
【図６】力計測機構２０の収納部本体７２の外観を示す外観図である。
【図７】機構本体３０に用いられるセンタパイプ３４の外観を示す外観図である。
【図８】力計測機構２０の内部の様子を断面により示す説明図である。
【図９】ねじれ抑制部８９を構成する第１弾性部材８０の外観を示す外観図である。
【図１０】ねじれ抑制部８９を構成する第２弾性部材８４の外観を示す外観図である。
【図１１】第１弾性部材８０と第２弾性部材８４とを用いてねじれ抑制部８９を形成する様子を説明する説明図である。
【図１２】ひずみ検出機構２１のひずみ増幅部４６の機能を説明する説明図である。
【図１３】ひずみ検出機構２１の内部温度を保持する機能を説明する説明図である。
【図１４】力計測機構２０の軸受構造の機能を説明する説明図である。
【図１５】力計測機構２０のねじれ抑制部８９の機能を説明する説明図である。
【図１６】計測対象１２の長手方向に加えられた圧縮または引張り応力とセンサ部２４の長手方向のひずみとの関係の一例を示す説明図である。
【図１７】センタパイプ３６の材質にステンレスを用いた場合とポリエーテルエーテルケトン樹脂を用いた場合とにおける図１６と同様の関係の一例を示す説明図である。
【図１８】力計測機構２０の空気軸受に圧縮空気を供給した場合と供給しなかった場合とにおける計測対象１２の曲げ方向の力と変位量との関係の一例を示す説明図である。
【図１９】力計測機構２０にねじれ抑制部８９を設けた場合と設けなかった場合とにおける計測対象１２のねじれ方向の力と変位量との関係の一例を示す説明図である。
【図２０】変形例のひずみ検出機構１２１の構成の概略を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００１９】
図１は本発明の一実施例としてのひずみ検出機構２１を含む力計測機構２０を備える力計測装置１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は力計測機構２０の構成の概略を模式的に示す説明図である。実施例の力計測装置１０は、図示するように、一端が計測対象（例えば、内視鏡手術用のロボット鉗子の棒状で筒状の鉗子部など）１２に固定されると共に他端が固定用剛体（例えば、ロボット鉗子を固定するベース部など）１４に固定された力計測機構２０と、力計測機構２０を貫通する光ファイバ２２に光信号の入出力を行なう光信号処理装置９０と、力計測機構２０に圧縮空気を供給する圧縮空気供給装置９２と、光信号処理装置９０および圧縮空気供給装置９２と通信可能に接続されたデータ処理装置９４とを備え、ひずみ検出機構２１の検出対象であるパイプ本体３６の長手方向と計測対象１２の長手方向とが同一方向になるよう、パイプ本体３６の長手方向の一端に計測対象１２の長手方向の一端が他の部材を介して取り付けられており、計測対象１２から作用する力によりパイプ本体３６が伸縮したときのひずみを検出することによって、計測対象１２に作用する圧縮と引張り，曲げ，ねじれによる力のうちの圧縮と引張りによる長手方向の力を、計測対象１２の力計測機構２０への固定点を力の計測点として計測する。
【００２０】
ひずみ検出機構２１は、図２の下部に力計測機構２０の内部の様子を拡大して模式的に示すように、光ファイバ２２にファイバブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ、以下、ＦＢＧという）が形成されてなるセンサ部２４と、このセンサ部２４を挟持する挟持部４２，４４を有するひずみ増幅部４６と、検出対象としてのパイプ本体３６を含めてセンサ部２４およびひずみ増幅部４６を内部の空間に収納する収納部７０と、を備える。図３は、センサ部２４の内部の様子を模式的に示す説明図である。図示するように、センサ部２４には、光ファイバ２２のクラッド２４ａ内のコア２４ｂに紫外線を露光することによりＦＢＧとしての回折格子部２５が形成されている。ＦＢＧは、その周期がコア２４ｂを伝播する光の半波長に一致したときにいわゆるブラッグ反射を起こし、入射光のうちブラッグ反射による反射光の波長（ブラッグ波長）の成分を除いたものを透過光とする特性や、光ファイバの長手方向の伸縮量に比例してブラッグ波長がシフトする特性を有することで知られており、ブラッグ波長のシフト量からＦＢＧが形成された光ファイバのひずみを得るためのセンサとして用いられている。図３中、ブラッグ波長λは、ＦＢＧの屈折率ｎとＦＢＧの周期としてのグレーティング間隔ｄとの積の２倍（λ＝２ｎｄ）として表される。ＦＢＧを用いたセンサによりひずみを検出する技術は周知であるため、これ以上の詳細な説明は省略する。
【００２１】
光信号処理装置９０は、シングルモードの光ファイバ２２に所定の高波長（例えば、１５２０ｎｍ〜１５７０ｎｍなど）の入射光を出力するＬＥＤなどによる光源部や、光源部からの光の出力を制御すると共に、光ファイバ２２から透過光を入力してブラッグ波長のシフト量を解析することによってセンサ部２４の長手方向のひずみε１を演算するＣＰＵなどによる制御部を備える。実施例では、ひずみは、対象物（対象範囲）の単位長さあたりの伸縮量として得られるものとする。
【００２２】
圧縮空気供給装置９２は、空気を圧縮して力計測機構２０の内部の空間に供給するコンプレッサや、力計測機構２０に供給される圧縮空気の温度と圧力とが所定温度Ｔｓｅｔと所定圧力Ｐｓｅｔとになるようコンプレッサの回転数などを制御するＣＰＵなどによる制御部を備える。ここで、所定温度Ｔｓｅｔは、波長の温度依存性が比較的高いＦＢＧの特性を考慮して、センサ部２４の雰囲気温度を一定に保持するためのものであり、力計測機構２０の使用環境などに基づいて予め実験などにより定められた温度（例えば、２０℃や３０℃、４０℃など）を用いるものとした。また、所定圧力Ｐｓｅｔは、計測対象１２が固定される力計測機構２０の軸部５０と、内周面が軸部５０の外周面に対向する軸受部７６と、からなる静圧型の空気軸受としての軸受構造（図２参照）に適したものであり、力計測機構２０のサイズや軸受構造などに基づいて圧縮空気の供給流量（例えば、毎分数十ｍｌや毎分数百ｍｌなど）と共に予め実験などにより定められた圧力（例えば、数十ｋＰａや数百ｋＰａなど）を用いるものとした。
【００２３】
データ処理装置９４は、汎用のパーソナルコンピュータなど、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭを有するマイクロプロセッサが搭載された装置として構成され、光信号処理装置９０の制御部からセンサ部２４のひずみε１などの各種データを入力すると共に圧縮空気供給装置９２の制御部から圧縮空気の所定温度Ｔｓｅｔや所定圧力Ｐｓｅｔなどの各種データを入力しており、入力したセンサ部２４のひずみε１に基づいてひずみ検出機構２１の検出対象であるパイプ本体３６の長手方向のひずみε２を演算し、演算したひずみε２に基づいて力計測機構２０の計測対象１２の長手方向に作用する力Ｐを演算するなど、各種データ処理を行なっている。
【００２４】
次に、力計測機構２０の構成についてより詳細に説明する。図４は力計測機構２０の外観を示す外観図であり、図５は力計測機構２０の機構本体３０の外観を示す外観図であり、図６は力計測機構２０の収納部本体７２の外観を示す外観図であり、図７は機構本体３０に用いられるセンタパイプ３４の外観を示す外観図であり、図８は力計測機構２０の内部の様子を断面により示す説明図である。図４の力計測機構２０は、図５の機構本体３０を図６の収納部本体７２にその一方側（図中右側）から挿入し固定するなどにより形成される。また、図９はねじれ抑制部８９（図２参照）を構成する第１弾性部材８０の外観を示す外観図であり、図１０はねじれ抑制部８９を構成する第２弾性部材８４の外観を示す外観図であり、図１１は第１弾性部材８０と第２弾性部材８４とを用いてねじれ抑制部８９を形成する様子を図２中Ａ方向からみたときの様子として説明する説明図である。力計測機構２０は、図４〜図６に示すように、光ファイバ２２にＦＢＧが形成されてなる前述のセンサ部２４と、機構本体３０と、この機構本体３０を内部に収納する略円筒状の収納部本体７２と、機構本体３０および収納部本体７２に取り付けられたねじれ抑制部８９との組み合わせとして構成されている。なお、図８では、センサ部２４とねじれ抑制部８９とについては、図示を省略した。
【００２５】
機構本体３０は、図５に示すように、計測対象１２の長手方向の一端が固定される円筒状の固定部３２と、外径が固定部３２より大きい円筒状に形成され固定部３２に同軸となるよう取り付けられた軸部５０と、外径が軸部５０より若干大きく且つ収納部本体７２の内径に一致する円筒状に形成された第１固定端部６２と、外周が収納部本体７２の外周に一致する略円筒状に形成され第１固定端部６２に同軸となるよう取り付けられた第２固定端部６４と、固定用剛体１４に固定可能に矩形状に形成され第２固定端部６４に取り付けられた第３固定端部６６と、パイプ本体３６の外径が固定部３２と略同一の円筒状に形成され軸部５０と第１固定端部６２とに同軸で交換可能に取り付けられたセンタパイプ３４と、軸部５０を介してセンタパイプ３４の一端に取り付けられると共に第１固定端部６２を介してセンタパイプ３４の他端に取り付けられセンタパイプ３４と平行な同一方向に延在してセンサ部２４を挟持する２つの挟持部４２，４４と、により構成されている。図５や図７に示すように、センタパイプ３４は、パイプ本体３６と、その一端で軸部５０に固定可能に溝が設けられたパイプ固定部３８と、同じく他端で第１固定端部６２に固定可能に溝が設けられたパイプ固定部３９とにより、例えばロボット鉗子の鉗子部としての計測対象１２に信号線を導いたり計測対象１２から作用する力により検出対象としてのパイプ本体３６を比較的伸縮しやすくするなどのため、中空円筒状に形成されている。また、図５や図８に示すように、センサ部２４を挟持する２つの挟持部４２，４４は、それぞれ軸部５０を軸方向に貫通する中空の貫通部材２６の一部，第１固定端部６２と第２固定端部６４とを軸方向に貫通する中空の貫通部材２８の一部として形成されており、それぞれのセンサ部２４側の端部４３，４５で、貫通部材２６，２８を貫通する光ファイバ２２におけるセンサ部２４を形成する部分をその張力を保持した状態で接着剤などにより固着する。なお、第１固定端部６２と第２固定端部６４とが貫通部材２８によって互いに固定されると共に、第２固定端部６４と収納部本体７２とが複数の固定部材６７によって互いに固定され、更に第２固定端部６４と第３固定端部６６とが図示しない複数の固定部材によって互いに固定されることにより、第１固定端部６２，第２固定端部６４，第３固定端部６６，そして収納部本体７２は一体となる。これらのうち、第２固定端部６４と第３固定端部６６と収納部本体７２との組み合わせを、実施例では、収納部７０と称する。
【００２６】
収納部７０において、図５や図８に示すように、第３固定端部６６には圧縮空気供給装置９２から圧縮空気を供給するための吸気孔６８と外部に空気を排出するための排気孔６９とが設けられ、第２固定端部６４には吸気孔６８からの圧縮空気を通す貫通孔６５（図５参照）が設けられており、圧縮空気供給装置９２からの圧縮空気を吸気孔６８と貫通孔６５とを接続して収納部本体７２の一部としての軸受部７６の軸方向の略中央部位まで供給する供給路７８（図８参照）が収納部７０には形成されている。また、第１固定端部６２にはセンサ部２４周囲からの空気を通す貫通孔６３（図５参照）が設けられており、軸部５０と軸受部７６との隙間からセンサ部２４周囲に供給される空気を貫通孔６３と排気孔６９とを接続して力計測機構２０外部に排出する排出路７９（図８参照）が収納部７０に形成されている。
【００２７】
ねじれ抑制部８９は、図１１に示すように、まず、軸部５０の計測対象１２側の端面で互いに対向する位置に設けられた２つの取付孔５２（図５参照）に、それぞれ穴部が軸部５０の外周端より外側となるよう階段状の２つの取付部材８８を取り付け、続いて、軸受部７６の計測対象１２側の端面で軸部５０の取付孔５２とは９０度離れた位置に設けられた２つの取付孔７４（図６参照）に、図９の第１弾性部材８０をその穴部８２とねじなどの部材とを用いて取り付け、そして、第１弾性部材８０の内側４箇所に設けられた穴部８３に図１０の第２弾性部材８４をその穴部８６とねじなどの部材を用いて固定すると共に、先に軸部５０に取り付けた２つの取付部材８８の穴部に第２弾性部材８４をその穴部８７とねじなどの部材とを用いて取り付ける、ことにより形成されている。
【００２８】
続いて、こうして構成された力計測機構２０の機能についてより詳細に説明する。図１２は力計測機構２０に含まれるひずみ検出機構２１のひずみ増幅部４６（図２参照）の機能を説明する説明図であり、図１３はひずみ検出機構２１の内部温度を保持する機能を説明する説明図であり、図１４は力計測機構２０の軸受構造の機能を説明する説明図であり、図１５は力計測機構２０のねじれ抑制部８９の機能を説明する説明図である。
【００２９】
図１２に示すように、ひずみ増幅部４６は、２つの挟持部４２，４４と、ひずみ検出機構２１の検出対象であるパイプ本体３６における一方の端部３６ａに挟持部４２を取り付ける部分としてのパイプ固定部３８と軸部５０の一部との組み合わせと、パイプ本体３６の他方の端部３６ｂに挟持部４４を取り付ける部分としてのパイプ固定部３９と第１固定端部６２の一部との組み合わせと、により構成されているといえる。なお、図１２の下部は、伸縮対象に伸縮が生じたときのひずみ検出機構２１の様子を模式的に示すものである。ここで、実施例の力計測機構２０は、センサ部２４をなすＦＢＧが形成された光ファイバ２２（そのヤング率Ｅ１は、７２ＧＰａなど）と、交換可能に取り付けられたセンタパイプ３４とを除いて、センサ部２４のヤング率Ｅ１より十分に大きいヤング率Ｅ２を有する基本素材（例えば、ヤング率Ｅ２が１９７ＧＰａのステンレスなど）により構成されるものとした。また、交換可能なセンタパイプ３４は、基本素材のヤング率Ｅ２未満のヤング率を有するパイプ素材（例えば、アルミニウム合金や樹脂など）や、基本素材と同一のパイプ素材（例えば、ステンレスなど）によるものを用いることができる。力計測機構２０を構成するこれらの素材と、パイプ本体３６や挟持部４２，４４，センサ部２４の各長手方向に垂直な方向の断面形状（断面積）との関係から、検出対象としてのパイプ本体３６の長手方向に作用する力に対する伸縮のしにくさの程度としての硬さについて、パイプ本体３６はセンサ部２４より硬く、且つ、ひずみ増幅部４６はパイプ本体３６以上の硬さに形成されている。さらに、ひずみ増幅部４６の構成上、センサ部２４の長手方向の長さＬ１は、パイプ本体３６の長手方向の長さＬ２より短い。こうした硬さと長さの関係から、ひずみ増幅部４６では、パイプ本体３６がその長手方向の圧縮や引張りにより伸縮したときの伸縮量ΔＬ２（伸び方向を正，縮み方向を負とする）を、センサ部２４の長手方向の伸縮量ΔＬ２としてそのまま伝達するものとなる。このため、センサ部２４の長さＬ１を検出対象としてのパイプ本体３６の長さＬ２と同じとした場合（例えば、ＦＢＧが形成された光ファイバを検出対象に貼り付けた場合など）のセンサ部２４のひずみ（ΔＬ２／Ｌ２）に比して、センサ部２４のひずみε１（＝ΔＬ２／Ｌ１）を（Ｌ２／Ｌ１）倍（例えば、数倍など）に増幅させることができる。なお、前述のデータ処理装置９４は、光信号処理装置９０から入力したセンサ部２４のひずみε１に対してＲＯＭに記憶された値（Ｌ１／Ｌ２）を乗じることにより検出対象としてのパイプ本体３６のひずみε２を演算し、演算したひずみε２に対してＲＯＭに記憶された換算係数を乗じることにより計測対象１２の長手方向に作用する力Ｐを演算する。したがって、検出対象が金属等の剛性が高いものの場合でも、より高い分解能をもって検出対象のひずみを検出することができ、検出対象のひずみをより精度よく検出可能とすることができる。しかも、センタパイプ３４を交換可能とすることにより、力計測機構２０の計測対象１２から作用する力の大きさなどに応じてパイプ本体３６の材質や断面形状が異なるセンタパイプ３４を用いることができるから、力計測機��２０の力計測における分解能を調整可能とすることができる。さらに、センタパイプ３４を中空円筒状とするから、計測対象１２から作用する力に対してパイプ本体３６のひずみε２を大きくすることができ、力計測機構２０における力計測の分解能を高めることができる。
【００３０】
また、図１３に太線矢印で空気の流れを示すように、圧縮空気供給装置９２からの所定温度Ｔｓｅｔの圧縮空気が収納部７０の吸気孔６８と供給路７８とを通じてセンサ部２４とパイプ本体３６とを包囲する空間（図中、ハッチングした領域）に供給され、この空間から収納部７０の排出路７９と排気孔６９とを通じて（さらに軸部５０と軸受部７６との隙間を通じて）力計測機構２０外部に空気が排出される。したがって、センサ部２４の雰囲気温度を所定温度Ｔｓｅｔ近傍に保持することができる。この結果、波長の温度依存性が比較的高いＦＢＧが形成された光ファイバによりセンサ部２４を構成する場合において、温度補償用に別途１本の光ファイバを用いる必要性や検出値を雰囲気温度により補正する必要性を排除でき、機構の小型化を図ることができると共に、検出対象のひずみの演算に要する時間を短くすることができる。
【００３１】
さらに、図１４に示すように、圧縮空気供給装置９２からの所定圧力Ｐｓｅｔの圧縮空気が供給路７８を通じて軸部５０と軸受部７６との円筒状の隙間に供給され、両部が静圧型の空気軸受として機能する。したがって、計測対象１２の力計測機構２０への固定点に作用する力のうち、計測対象１２の曲げ方向に作用する力による成分を打ち消すことができる。しかも、静圧型の空気軸受を構成するから、計測対象１２の長手方向に作用する力をほぼ減衰させることなく検出対象としてのパイプ本体３６に伝えることができる。この結果、計測対象１２の長手方向に作用する力によるパイプ本体３４のひずみε２をより精度よく検出することができる。
【００３２】
また、図１５に４つのばねを用いて概念的に示すように、機構本体３０の軸部５０の端面と収納部本体７２の軸受部７６の端面とに取り付けられた第１弾性部材８０および第２弾性部材８４によって、力計測機構２０にねじれ抑制部８９が形成されており、計測対象１２のねじれ方向に作用する力を打ち消すことができる。なお、実施例のねじれ抑制部８９は、軸受部７６における第１弾性部材８０の固定部位と軸部５０における第２弾性部材８４の固定部位とに作用するモーメントが同一になるように形成されるものとした。したがって、計測対象１２に作用するねじれ方向の力が検出対象としてのパイプ本体３４に作用するのを抑制することができる。この結果、計測対象１２の長手方向に作用する力によるパイプ本体３４のひずみε２をより精度よく検出することができる。
【００３３】
ここで、実施例の力計測装置１０により取得された各種データの一例を説明する。図１６は、計測対象１２の長手方向に加えられた圧縮応力または引張り応力（横軸）と光信号処理装置９０により演算されたセンサ部２４の長手方向のひずみ（縦軸）との関係の一例である。図中、「ｎ」はデータ数を示し、「Ｔａ」はセンサ部２４の雰囲気温度を示す。図の例では、応力とひずみとの間には線形な関係が認められる。図１７は、センタパイプ３６の材質にステンレスを用いた場合とポリエーテルエーテルケトン樹脂を用いた場合とにおける図１６と同様の関係の一例である。図の例では、センタパイプ３６の材質により検出可能なレンジを調整可能といえる。図１８は、所定圧力Ｐｓｅｔとして０．２５ＭＰａの圧縮空気を力計測機構２０の空気軸受に供給した場合と圧縮空気を供給しなかった場合とにおける計測対象１２に作用する曲げ方向の力とこの力の作用点の変位量との関係の一例である。図の例では、圧縮空気の供給により２．３２Ｎ以下の力に対して曲げ方向の力が打ち消され、２．３２Ｎより大きく８．７０Ｎ未満の力に対して曲げ方向の力の一部が打ち消されている。図１９は、力計測機構２０にねじれ抑制部８９を設けた場合と設けなかった場合とにおける計測対象１２の力計測機構２０への固定点中心から径方向に所定距離離れた位置に作用するねじれ方向の力とこの力の作用点の変位量との関係の一例である。図の例では、ねじれ抑制部８９の効果が認められる。
【００３４】
以上説明した実施例のひずみ検出機構２１を含む力計測機構２０によれば、ひずみ検出機構２１では、ＦＢＧが形成された光ファイバ２２により構成されたセンサ部２４を、検出対象としてのパイプ本体３６の長手方向の両端部３６ａ，３６ｂ間の長さＬ２より短い長さＬ１に形成すると共に、その長手方向がパイプ本体３６の長手方向と平行な同一方向になるよう配置し、検出対象としてのパイプ本体３６の両端部３６ａ，３６ｂにそれぞれ取り付けられてセンサ部２４を挟持する２つの挟持部４２，４４によって、パイプ本体３６の伸縮量ΔＬ２をセンサ部２４の伸縮量ΔＬ２としてそのまま伝達する構成とするから、検出対象の伸縮によるひずみをより精度良く検出可能とすることができる。さらに、ひずみ検出機構２１では、波長の温度依存性が比較的高いＦＢＧの特性を考慮し、収納部７０には所定温度Ｔｓｅｔの圧縮空気を供給するための吸気孔６８と空気を排出するための排気孔６９とを設けてセンサ部２４の雰囲気温度を保持するから、検出対象の伸縮によるひずみを更に精度良く検出可能とすることができる。また、力計測機構２０としては、ひずみ検出機構２１の検出対象としてのパイプ本体３６を形成するセンタパイプ３４を交換可能としたから、力計測における分解能を調整可能とすることができる。しかも、力計測機構２０では、軸部５０と軸受部７６とによる軸受構造を設けて計測対象１２に作用する曲げ方向の力を打ち消し、軸部５０と軸受部７６との間に弾性構造を形成するねじれ抑制部８９を設けて計測対象１２に作用するねじれ方向の力を打ち消すから、計測対象１２の長手方向に作用する力をより精度よく計測可能とすることができる。
【００３５】
実施例のひずみ検出機構２１を含む力計測機構２０では、軸部５０と軸受部７６との間に、基本素材による第１弾性部材８０と第２弾性部材８４とを用いて弾性構造を形成してなるねじれ抑制部８９を設けるものとしたが、ねじれ抑制部は基本素材とは異なるゴムなどの弾性素材によって形成してもよいし、単一の部材によって形成してもよいし、例えば、計測対象１２にねじれ方向の力が作用しない場合や、計測対象１２に作用するねじれ方向の力がひずみ検出機構２１の検出対象のひずみに影響しないとみなすことができる場合などには、こうしたねじれ抑制部を形成しないものとしてもよい。
【００３６】
実施例のひずみ検出機構２１を含む力計測機構２０では、軸部５０と軸受部７６との間ですべりが生じる静圧型の空気軸受による軸受構造を設けて計測対象１２に作用する曲げ方向の力を打ち消すものとしたが、軸受構造は軸部５０と軸受部７６との間で転がりが生じるベアリングを用いた転がり軸受などとしてもよいし、例えば、計測対象１２に曲げ方向の力が作用しない場合や、計測対象１２に作用する曲げ方向の力がひずみ検出機構２１の検出対象のひずみに影響しないとみなすことができる場合などには、こうした軸受構造を設けないものとしてもよい。軸受構造を設けない場合、計測対象１２の長手方向の端部はひずみ検出機構２１の検出対象の端部と直接接続して固定すればよいし、圧縮空気はセンサ部２４近くに直接供給すればよい。
【００３７】
実施例のひずみ検出機構２１を含む力計測機構２０では、ひずみ検出機構２１の検出対象としてのパイプ本体３６を形成するセンタパイプ３４は交換可能であるものとしたが、例えば、センサ部２４の長さＬ１が調整可能な場合や機構の使用環境や使用目的が単一の場合などには、センタパイプ３４は交換可能でなくてもよい。
【００３８】
実施例のひずみ検出機構２１では、吸気孔６８と排気孔６９とを有する収納部７０を備えることにより、所定温度Ｔｓｅｔの圧縮空気の供給によってセンサ部２４の雰囲気温度を保持するものとしたが、例えば、機構の使用環境が恒温環境である場合や検出値の補正に要する演算時間を許容できる場合などには、収納部７０については吸気孔６８と排気孔６９とを設けないで単に内部に検出対象とセンサ部２４とひずみ増幅部４６とを収納するものとしてもよいし、こうした収納部７０を備えないものとしてもよい。
【００３９】
実施例のひずみ検出機構２１では、センタパイプ３４は中空円筒状に形成されているものとしたが、検出対象としてのパイプ本体３６の長手方向に作用する力に対する伸縮のしにくさの程度としての硬さについて、パイプ本体３６はセンサ部２４より硬く且つひずみ増幅部４６はパイプ本体３６以上の硬さに形成されているものであれば、センタパイプ３４は中空でない形状（例えば、円柱状など）に形成されているものとしてもよい。
【００４０】
実施例のひずみ検出機構２１では、光ファイバ２２は中空の貫通部材２６，２８の各一部としての挟持部４２，４４を貫通し、光信号処理装置９０は光ファイバ２２から透過光を入力してブラッグ波長のシフト量を解析することによってセンサ部２４のひずみε１を演算するものとしたが、光信号処理装置９０は光ファイバ２２からブラッグ反射による反射光（図３参照）を入力してブラッグ波長のシフト量を解析することによってセンサ部２４のひずみε１を演算するものとしてもよい。この場合、光ファイバ２２は挟持部４２を貫通してセンサ部２４を形成するが挟持部４４の内部で切断され、光信号処理装置９０は光ファイバ２２から透過光を入力しないものとしても構わない。
【００４１】
実施例のひずみ検出機構２１では、検出対象としてのパイプ本体３６の両端部３６ａ，３６ｂに挟持部４２，４４を取り付けるものとしたが、図２０の変形例のひずみ検出機構１２１に示すように、検出対象物１３６の検出すべき伸縮方向における両端中間の２つの部位にそれぞれ挟持部１４２，１４４を取り付けるものとしてもよいし、一方の端部部位と両端中間の部位とにそれぞれ挟持部を取り付けるものとしてもよい。
【００４２】
実施例のひずみ検出機構２１では、検出対象は管状のセンタパイプ３４のパイプ本体３６であるものとしたが、例えば装置の金属ケースや車両のボディなど、検出対象は板状であってもよい。
【００４３】
実施例では、力計測装置１０に適用して説明したが、ひずみ検出機構の検出対象に力を作用させることによって計測対象の長手方向に作用する力の計測を行なう力計測に用いられる力計測機構の形態や、検出対象の伸縮によるひずみの検出に用いられるひずみ検出機構の形態としても構わない。
【００４４】
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、センサ部２４が「検出部」に相当し、ひずみ増幅部４６が「伸縮量伝達部」に相当する。また、収納部７０が「収納部」に相当し、軸部５０と軸受部７６との組み合わせが「曲げ力打消し部」に相当し、ねじれ抑制部８９が「ねじれ力打消し部」に相当し、光信号処理装置９０が「光入出力手段」に相当し、圧縮空気供給装置９２が「ガス供給手段」に相当し、データ処理装置９４が「力計測手段」に相当する。
【００４５】
ここで、「検出部」としては、センサ部２４に限定されるものではなく、ファイバブラッググレーティングが形成された光ファイバにより構成され、検出対象の伸縮方向の長さより長さが短くなるよう形成されると共に光ファイバの長手方向が検出対象の伸縮方向と平行な同一方向になるよう配置されるものであれば如何なるものとしても構わない。「伸縮量伝達部」としては、ひずみ増幅部４６に限定されるものではなく、検出対象の伸縮方向の両端にそれぞれ取り付けられて検出部を挟持する２つの挟持部材を有し、検出対象の伸縮量を検出部の伸縮量として伝達するものであれば如何なるものとしても構わない。「収納部」としては、供給路７８と排出路７９とが形成された収納部７０に限定されるものではなく、供給路７８と排出路７９とが形成されずに単に吸気孔６８と排気孔６９とが形成されたものなど、検出部と伸縮量伝達部とを内部に収納し、機構外部から内部に予め定められた所定温度のガスを供給するための供給孔と、ガスを内部から機構外部に排出するための排出孔とが形成されたものであれば如何なるものとしても構わない。「曲げ力打消し部」としては、空気軸受を構成する軸部５０と軸受部７６との組み合わせに限定されるものではなく、転がり軸受を構成するものなど、ひずみ検出機構の検出対象の伸縮方向の一端と計測対象の長手方向の一端との間に介在する軸部材と、内周面が軸部材の外周面に対向する軸受部材と、を有し、計測対象の曲げ方向に作用する力を軸受構造により打ち消すものであれば如何なるものとしても構わない。「ねじれ力打消し部」としては、２つの部材により構成されるねじれ抑制部８９に限定されるものではなく、単一の部材によるものなど、曲げ力打消し部の軸部材と軸受部材との間に介在する弾性部材を有し、計測対象のねじれ方向に作用する力を弾性構造により打ち消すものであれば如何なるものとしても構わない。「光入出力手段」としては、光信号処理装置９０に限定されるものではなく、複数の装置により構成されるものなど、ひずみ検出機構の検出部に光の入出力を行なうものであれば如何なるものとしても構わない。「ガス供給手段」としては、圧縮空気供給装置９２に限定されるものではなく、複数の装置により構成されるものなど、ひずみ検出機構の収納部の供給孔に所定温度のガスを供給するものであれば如何なるものとしても構わない。「力計測手段」としては、データ処理装置９４に限定されるものではなく、複数の装置により構成されるものなど、ひずみ検出機構の検出部から出力される光の波長により得られる検出対象の伸縮によるひずみに基づいて計測対象の長手方向に作用する力を計測するものであれば如何なるものとしても構わない。
【００４６】
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
【００４７】
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、ひずみ検出機構の製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  力計測装置、１２  計測対象、１４  固定用剛体、２０  力計測機構、２１  ひずみ検出機構、２２  光ファイバ、２４  センサ部、２４ａ  クラッド、２４ｂ  コア、２５  回折格子部、２６，２８  貫通部材、３０  機構本体、３２  固定部、３４  センタパイプ、３６  パイプ本体、３６ａ，３６ｂ  端部、３８，３９  パイプ固定部、４２，４４  挟持部、４３，４５  端部、４６  ひずみ増幅部、５０  軸部、５２  取付孔、６２  第１固定端部、６３，６５  貫通孔、６４  第２固定端部、６６  第３固定端部、６７  固定部材、６８  吸気孔、６９  排気孔、７０  収納部、７２  収納部本体、７４  取付孔、７６  軸受部、７８  供給路、７９  排出路、８０  第１弾性部材、８２，８３  穴部、８４  第２弾性部材、８６，８７  穴部、８８  取付部材、８９  ねじれ抑制部、９０  光信号処理装置、９２  圧縮空気供給装置、９４  データ処理装置、１２１  ひずみ検出機構、１３６  計測対象物、１４２，１４４  挟持部。
【図１】
2011257364.tif 000003
【図２】
2011257364.tif 000004
【図３】
2011257364.tif 000005
【図４】
2011257364.tif 000006
【図５】
2011257364.tif 000007
【図６】
2011257364.tif 000008
【図７】
2011257364.tif 000009
【図８】
2011257364.tif 000010
【図９】
2011257364.tif 000011
【図１０】
2011257364.tif 000012
【図１１】
2011257364.tif 000013
【図１２】
2011257364.tif 000014
【図１３】
2011257364.tif 000015
【図１４】
2011257364.tif 000016
【図１５】
2011257364.tif 000017
【図１６】
2011257364.tif 000018
【図１７】
2011257364.tif 000019
【図１８】
2011257364.tif 000020
【図１９】
2011257364.tif 000021
【図２０】
2011257364.tif 000022