(57)【要約】【課題】応力支持部材の表面に固着された光導波管の微細構造の変化を利用してその部材に印加される撓み力を測定する撓みセンサー装置及び方法を提供する。【解決手段】光導波管を伝播する信号は応力支持部材及び光導波管に加わる力により変化する。それにより光導波管に生じる屈折率の変化及び限界曲げ半径の変化により伝送信号が変調される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材の撓みを感知する装置であって、
構造部材と、
構造部材に相対的に固定した位置で固着された導波管と、
導波管と通信関係にあって該導波管を伝送される信号を感知する送信機及び受信装置と、
感知した変調信号を構造部材の撓みとを相関させる感知手段とより成る撓み感知装置。
【請求項２】
構造部材はビーム、円柱形シャフト及び捩りバーである請求項１の装置。
【請求項３】
伝送される信号は可視及び非可視周波数の光波より成る請求項１の装置。
【請求項４】
伝送される信号は光波及び電磁波より成る請求項１の装置。
【請求項５】
導波管は、構造部材の周りに４５度の角度で螺旋状に巻回された光ファイバケーブルより成る請求項１の装置。
【請求項６】
導波管は、構造部材の周りに４５度の角度で螺旋状に巻回された多数の光ファイバケーブルより成る請求項１の装置。
【請求項７】
導波管は、構造部材の周りに同軸的に巻回された光ファイバスリーブより成る請求項１の装置。
【請求項８】
導波管は電磁波送信機より成る送信機により駆動される請求項１の装置。
【請求項９】
送信機はＬＥＤ発光源より成る請求項１の装置。
【請求項１０】
ＬＥＤ発光源は、電流源及びアナログ発振機より成り、導波管の第１の端部を介して伝送される信号を発する請求項９の発振機。
【請求項１１】
導波管は、その第１の端部を介して伝送される信号を発するレーザー光源により駆動される請求項１の装置。
【請求項１２】
受信装置は、導波管の第２の端部から出る変調信号を収集する請求項１の装置。
【請求項１３】
受信装置は、信号プロセッサにより変調信号をコンディショニングし分析する請求項１２の装置。
【請求項１４】
導波管の変形により構造部材へ応力が印加される請求項１の装置。
【請求項１５】
応力はトルクである請求項１４の装置。
【請求項１６】
導波管の変形により導波管の屈折角が変化する請求項１５の装置。
【請求項１７】
伝送される信号の変調は色分散、喪失モード及びスペクトル拡散により測定される請求項１の装置。
【請求項１８】
伝送される信号の変調は、導波管の外側表面に印加される力の関数として伝送信号の減衰により測定される請求項１の装置。
【請求項１９】
導波管は、機械式締結具、部品埋め込みまたは成型及びスタンドオフを用いる接合技術により構造部材に相対的に固定されている請求項１の装置。
【請求項２０】
導波管は、応力支持部材を加熱して構造部材上に溶着される請求項１の装置。
【請求項２１】
車両の応力支持部材にかかるトルクを感知する光学式トルクセンサー装置であって、
応力支持部材に固着された導波管を有し、導波管の変形により応力支持部材にかかるトルクを測定する光学式トルクセンサー装置。
【請求項２２】
導波管は光導波管である請求項２１の装置。
【請求項２３】
応力支持部材はビーム、円柱形シャフト及び捩りバーである請求項２１の装置。
【請求項２４】
導波管は、構造部材の周りに４５度の角度で螺旋状に巻回された光ファイバケーブルより成る請求項２１の装置。
【請求項２５】
導波管は、構造部材の周りに４５度の角度で螺旋状に巻回された多数の光ファイバケーブルより成る請求項２１の装置。
【請求項２６】
導波管は、構造部材の周りに同軸的に巻回された光ファイバスリーブより成る請求項２１の装置。
【請求項２７】
導波管は、電流源及びアナログ発振機より成るＬＥＤ発光源により駆動される請求項２１の装置。
【請求項２８】
ＬＥＤ発光源は、導波管の第１の端部を介して光キャリア信号を発する請求項２７の装置。
【請求項２９】
導波管は、その第１の端部を介して光キャリア信号を発するレーザー光源により駆動される請求項２１の装置。
【請求項３０】
受信装置は、導波管の第２の端部から出る変調送信信号を収集する請求項２１の装置。
【請求項３１】
受信装置は、信号プロセッサにより変調送信信号をコンディショニングし分析する請求項２１の装置。
【請求項３２】
導波管の変形により構造部材へ応力が印加される請求項２１の装置。
【請求項３３】
応力はトルクである請求項２１の装置。
【請求項３４】
導波管の変形により導波管の屈折角が変化する請求項２１の装置。
【請求項３５】
伝送信号の変調は色分散、喪失モード及びスペクトル拡散により測定される請求項２１の装置。
【請求項３６】
伝送信号の変調は、導波管の外側表面に印加される力の関数として伝送信号の減衰により測定される請求項２１の装置。
【請求項３７】
導波管は、機械式締結具、部品埋め込みまたは成型及びスタンドオフを用いる接合技術により構造部材に相対的に固定されている請求項２１の装置。
【請求項３８】
導波管は、応力支持部材を加熱して構造部材上に溶着される請求項２１の装置。
【請求項３９】
車両は輸送用の車輪付き自己駆動手段である請求項２１の装置。
【請求項４０】
構造部材の撓みを感知する方法であって、
導波管を構造部材に相対的に固定し、
導波管を介して信号を伝送し、
信号の差を構造部材の撓みと相関させるステップより成る撓み感知方法。
【請求項４１】
構造部材はビーム、円柱形シャフト及び捩りバーである請求項４０の方法。
【請求項４２】
伝送される信号は可視及び非可視周波数の光波より成る請求項４０の方法。
【請求項４３】
伝送される信号は光波及び電磁波より成る請求項４０の方法。
【請求項４４】
導波管は、構造部材の周りに４５度の角度で螺旋状に巻回された光ファイバケーブルより成る請求項４０の方法。
【請求項４５】
導波管は、構造部材の周りに４５度の角度で螺旋状に巻回された多数の光ファイバケーブルより成る請求項４０の方法。
【請求項４６】
導波管は、構造部材の周りに同軸的に巻回された光ファイバスリーブより成る請求項４０の方法。
【請求項４７】
導波管は電磁波送信機より成る送信機により駆動される請求項４０の方法。
【請求項４８】
送信機はＬＥＤ発光源より成る請求項４０の方法。
【請求項４９】
ＬＥＤ発光源は、電流源及びアナログ発振機より成り、導波管の第１の端部を介して伝送される信号を発する請求項４０の方法。
【請求項５０】
導波管は、その第１の端部を介して伝送される信号を発するレーザー光源により駆動される請求項４０の方法。
【請求項５１】
受信装置は、導波管の第２の端部から出る変調信号を収集する請求項４０の方法。
【請求項５２】
受信装置は、信号プロセッサにより変調信号をコンディショニングし分析する請求項４０の方法。
【請求項５３】
導波管の変形により構造部材へ応力が印加される請求項４０の方法。
【請求項５４】
応力はトルクである請求項４０の方法。
【請求項５５】
導波管の変形により導波管の屈折角が変化する請求項５４の方法。
【請求項５６】
伝送される信号の変調は色分散、喪失モード及びスペクトル拡散により測定される請求項４０の方法。
【請求項５７】
信号の変調は、導波管の外側表面に印加される力の関数として伝送信号の減衰により測定される請求項４０の方法。
【請求項５８】
導波管は、機械式締結具、部品埋め込みまたは成型及びスタンドオフを用いる接合技術により構造部材に相対的に固定されている請求項４０の方法。
【請求項５９】
導波管は、応力支持部材を加熱して構造部材上に溶着される請求項４０の方法。
【請求項６０】
車両の雑音排除性を有するセンサーを製造する方法であって、
導波管を形成し、
導波管を応力支持部材に結合するステップより成るセンサー製造方法。
【請求項６１】
構造部材はビーム、円柱形シャフト及び捩りバーである請求項６０の方法。
【請求項６２】
導波管は、構造部材の周りに４５度の角度で螺旋状に巻回された光ファイバケーブルより成る請求項６０の方法。
【請求項６３】
導波管は、構造部材の周りに４５度の角度で螺旋状に巻回された多数の光ファイバケーブルより成る請求項６０の方法。
【請求項６４】
導波管は、構造部材の周りに同軸的に巻回された光ファイバスリーブより成る請求項６０の方法。
【請求項６５】
導波管は、機械式締結具、部品埋め込みまたは成型及びスタンドオフを用いる接合技術により構造部材に相対的に固定されている請求項６０の方法。
【請求項６６】
導波管は、応力支持部材を加熱して構造部材上に溶着される請求項６０の方法。
【請求項６７】
車両は輸送用の車輪付き自己駆動手段である請求項６０の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応力支持部材の撓みを測定する撓みセンサー装置に関し、さらに詳細には、光導波管型センサーにより応力支持部材にかかる屈撓力を測定する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ソリッドステートセンサーの普通の用途として、応力及び歪みのような機械的な現象を電気信号に変換するものがある。一般的に、歪みゲージは、基体の曲り及び捩れを、刺激を受ける圧電抵抗型センサーの変形に付随する電流または電圧レベルの変化のような電気的な変化を量定することにより測定する。かかるセンサーから得られる測定値は、挙動の特性を研究したり、閉ループシステムのフィードバックに使用したりするためにモニター及び記録することができる。多数の低レベル電気信号と同様に、漂遊電磁界（即ち、電磁干渉または電気ノイズ）は、ソリッドステート「ハードワイヤー」型センサーに干渉してこれらのセンサーの正常な動作を妨げるため、それらの測定値が不確定になる。センサー装置への周囲のノイズの影響を減少させる方法の大部分は、特に、信号をセンサーから受信機へ転送する通信チャンネルの遮蔽及び接地に焦点を当てたものが一般的である。通信チャンネルでなくてセンサー装置それ自体に侵入するノイズは、前段階（センサー後段）の増幅では信号雑音比が改善されないため、所望の情報と区別し除去するのがもっとも困難である。
【０００３】
従って、本発明の目的は上記問題点の少なくとも１つを克服または軽減することにある。
【発明の概要】
【０００４】
本明細書に述べる撓みセンサーは、屈撓力により生じる試料の応力を、一般的に光ファイバ技術の利点である電磁干渉（ＥＭＩ）排除性を利用しながら光ファイバの屈折率にそれに対応する変化を発生させて測定するものである。
【０００５】
本発明の目的は、トルクにより生じる試料の応力を、一般的に光ファイバ技術の利点である電磁干渉（ＥＭＩ）排除性を利用しながら光ファイバの屈折率にそれに対応する変化を発生させて測定する光学式トルクセンサーを提供することにある。
【０００６】
本発明の目的は、機械的システムの応力及び歪みを、光ファイバ通信チャンネルの確立したＥＭＩ排除性を利用して感知する別のアプローチを提供することにある。
【０００７】
本発明の目的は、システムへのノイズ注入源となる外部電磁界を排除できる可視及び非可視周波数の光通信チャンネルを提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、応力支持部材に装着された光導波管の変形を利用する改良型応力測定方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の構造部材の撓みを感知する装置は、構造部材と、構造部材に相対的に固定した位置で固着された導波管と、導波管と通信関係にあって該導波管を伝送される信号を感知する送信機及び受信装置と、感知した変調信号を構造部材の撓みとを相関させる感知手段とより成る。
【００１０】
本発明の１つの局面によると、車両の応力支持部材にかかるトルクを感知する光学式トルクセンサー装置は、応力支持部材に固着された導波管を有し、導波管の変形により応力支持部材にかかるトルクを測定する。
【００１１】
本発明の別の局面によると、構造部材の撓みを感知する方法は、導波管を構造部材に相対的に固定し、導波管を介して信号を伝送し、信号の差を構造部材の撓みと相関させるステップより成る。
【００１２】
本発明の別の局面によると、雑音排除性を有するセンサーを製造する方法は、導波管を形成し、導波管を応力支持部材に結合するステップより成る。
【実施例】
【００１３】
図１に示すように、応力測定装置及び方法１００の基本的構成は、光導波管１１０を応力支持部材１２０の端縁部上に装着したものである。光導波管１２０は紫外（赤外及び遠赤外）周波数を伝送する。当業者は、可視周波数及び非可視周波数の両範囲または電磁波を伝送する導波管を用いてもよい。
【００１４】
応力支持部材１２０は、図１に示すようなビームか、図３に示すようなトルク支持シャフト１３０であり、力が印加されると幾分か変形する。図１は、曲げモーメント屈撓力を受ける応力支持部材を示す。図１ａは引張性または圧縮性の屈撓力を受ける応力支持部材を示す。図３は、トルクによる屈撓力を受けるシャフト１３０の好ましい実施例を示す。光導波管１１０は、図３に示すような光ファイバケーブル１４０でよい。図３は、トルクを受けるシャフト１３０の表面に固着される光ファイバケーブル１４０の量が多く、光ファイバケーブル１４０をトルク支持シャフト１３０の主要な応力ベクトルと整列させる幾何学的形状の好ましい実施例を示す。光ファイバケーブル１４０を外側表面の周りに螺旋状に巻回したトルク支持シャフト１３０を使用し、このトルク支持シャフト１３０を捩るトルクである力を印加する。トルクが印加されるトルク支持シャフト１３０は、その表面上にトルクの大きさに比例する螺旋状の主要な圧縮性及び引張性応力を発生させる。
【００１５】
トルク支持シャフト１３０は、剛性率のためにコンプライアンス材料（即ち、アルミニウム）で形成すると共に、直径の仕様を外径を小さくして導波管１１０に大きな予荷重を加えやすくなるようにする必要がある。予荷重とは、光導波管１１０が既に応力の作用下にある最初の状態をいう。トルク支持シャフトは、トルク範囲にわたってある程度の捩りを示すように設計されている。トルク支持シャフト１３０は円柱形である。
【００１６】
図４は、応力測定装置１００が光導波管１１０として光ファイバスリーブ１５０を使用する別の実施例を示す。光ファイバスリーブ１５０は本質的に同軸であり、中空の内部にトルク支持シャフト１３０を同心配置することができる。このアプローチは、非接触手段を介する光信号の投入及び収集を容易にすることにより、応力測定装置１００の自由回転式実施例を提供する。光学的材料のその下のトルク支持シャフト１３０上への直接配置、トルク支持シャフト１３０上への光学的材料のスリーブの引落しのような付着機構、もしくは接着剤による光スリーブ１５０のトルク支持シャフト１３０への装着を含む種々の物理的実施例が可能である。
【００１７】
逆方向の、互いに直交する４５度の２つの螺旋に沿って生じる主要な圧縮性応力及び引張性応力は、下式により定義される。
【００１８】
ｔ＝Ｔｒ／Ｊ
上式において、Ｔはシャフト１３０に加わるトルク、ｒはシャフトの半径、Ｊは極慣性モーメントである。中実円柱シャフトはπｒ4／３２＝Ｊ及びｒ＝ｄ／２であるため、
ｔ＝１６Ｔ／πｄ3
さらに、所与のトルクでシャフト１３０が経験する捩り度は下式により与えられる。
【００１９】
θ＝３２（ＬＴ）／（πｄ4Ｇ）
上式において、Ｌはシャフト１３０の長さ、Ｔは印加トルク、ｄはシャフト１３０の直径、Ｇはシャフト１３０の剛性率である。剛性率はシャフト材料の弾性レベルを定義するため、Ｇの値が小さければ小さいほど任意所与のトルクによるシャフトの捩りが大きいことがわかる。
【００２０】
シャフト１３０から光ファイバケーブル１４０の外側表面である被覆材料１６０（図７に示す）へ応力を予想可能な態様で転送するためには、光ファイバケーブル１４０のシャフト１３０に対する相対的位置関係を実際に固定するとよい。同様に、光ファイバケーブル１４０の被覆材料１６０の屈折率は、トルクによる応力がその微細構造を変化させると変化する。好ましくは光波キャリアである変調前の（即ち、トルク信号が存在しない）伝送信号１７０は、スネルの法則に従い光ファイバケーブル１４０に沿って伝播する。当業者は、使用する特定の光導波管１１０に応じて電磁波信号を伝送する方を選択するかもしれない。スネルの法則は、光が２つの異なる材料の界面を通過する際に生じる光線の曲りを記述している。図５を参照して、２つのかかる材料間の界面を通過する時の光の屈折（即ち、真直ぐな光路からの曲り）角度は、以下の関係式に従って、各材料の屈折率と、その界面に垂直なラインに関する入射光の角度とに関係がある。
【００２１】
ｎ1sinΦ1＝ｎ2 sinΦ2
所与の材料の屈折率ｎは、その材料の光の伝播速度ｖと真空中の光の伝播速度ｃとの比率として定義される。
【００２２】
ｎ＝ｃ／ｖ
従って、真空中では、ｖ＝ｃ及びｎ＝１である。真空以外の媒質では、ｖ＜ｃ及びｎ＞１である。逆に言うと、光の速度は媒質密度が小さければ小さいほど大きくなり、ｎの値は小さくなる。光が遅くなると、所与の時間においてカバーする距離が小さい。ｎ１＜ｎ２で距離ｂ＜ａである。所与の時間ｔに光が伝播する距離ａ及びｂは、光の速度により以下のように記述できる。
【００２３】
ａ＝ｖ1ｔ及びｂ＝ｖ2ｔ
また、変数を整えた後は、
ｖ1＝ａ／ｔ及びｖ2＝ｂ／ｔ
定義によりｎ1＝ｃ／ｖ1及びｎ2＝ｃ／ｖ2であるから、代入した後のｎ1及びｎ2は以下のように書き換えることができる。
【００２４】
ｎ1＝ｃ／［ａ／ｔ］及びｎ2＝ｃ／［ｂ／ｔ］
各式においてａ及びｂを解くと、以下の式が与えられる。
【００２５】
ａ＝ｃｔ／ｎ1及びｂ＝ｃｔ／ｎ2
図５に示す、斜辺の長さがｈ、１つの辺の長さがａである直角三角形１８０から、三角法で以下のことが明らかになる。
【００２６】
ａ＝ｈsinΦ1
または、        ｈ＝ａ／(sinΦ1)
他の媒質では、１辺の長さがｂの直角三角形１８０と前述の直角三角形とは斜辺を共有し、以下のように記述される。
【００２７】
ｂ＝ｈsinΦ2
または、        ｈ＝ｂ／(sinΦ2)
ｈの前式を結合すると、
ｈ＝ａ／(sinΦ1)＝ｂ／(sinΦ2)
または、        ａsinΦ2＝ｂsinΦ1
最後に、ａ及びｂの解を前式に代入すると、
[ｃｔ／ｎ1]sinΦ2＝[ｃｔ／ｎ2]sinΦ1
両側の共通項を相殺すると、式は下記のように単純化される。
【００２８】
[１／ｎ1]sinΦ2＝[１／ｎ2]sinΦ1
または、        ｎ1sinΦ1＝ｎ2sinΦ2
であり、これはスネルの法則の普通の形である。
【００２９】
図６を参照して、センサー装置１００の場合、光の速度は光ファイバケーブルの内側表面内のコア１９０の方が光ファイバケーブル１４０の外側表面内の被覆１６０よりも遅く、２つの屈折率の比率は光が全て内部で屈折する値である。
【００３０】
さらに、真空中の光の周波数ｆcと波長λとの関係は、
ｆc＝ｃ／λ
定数ｃは自由空間（即ち、真空）中の光の速度である。一般的に、伝播する波の波長は、
λ＝ｖ／ｆc
または、        ｖ＝／ｆcλ
これは、光の速度ｖが一定の周波数では波長と正比例することを示す。屈折率に関して、自由空間及び他の或る媒質中の光の所与の周波数を考えると、ｎの式は以下のようになる。
【００３１】
ｎ＝ｃ／ｖ＝(ｆcλc)(ｆcλｖ)＝λc／λｖ
または、        ｎ＝λc／λｖ
自由空間を速度ｃで伝播する、波長λcで周波数ｆcの光波を、自由空間でない媒質中を速度ｖで伝播する、波長λcで周波数ｆcの光波と比較すると、比率ｎが得られる。光波が真空中からより密度の大きな媒質に入射すると、波長が大きくなるため速度が遅くなり、周波数はｆcのまま不変である。最後に、ｎ＝ｃ／ｖをｎ＝λc／λｖと結合すると、下式が得られる。
【００３２】
ｃ／ｖ＝λc／λｖ
または、         ｖ＝(λｖ／λc)ｃ
伝送信号１７０が光ファイバケーブル１４０のような媒質を伝播すると、その速度は伝送信号１７０の波長と直接関係がある。詳述すると、光の波長が長くなればなるほど伝播速度が速くなる。伝播定数βの下式は、波長が増加すると伝播時間が減少すること示す。
【００３３】
β＝２πｎ(λ)／λ
屈折率は、伝播する光の波長の関数としてさらに正確に規定される。
【００３４】
従って、長い波長の光は短い波長の光よりも速い速度で伝播するため、あるスペクトルの光が媒質に送り込まれると、長い波長が受信機３００、好ましくは光受信機に最初に到達する。
【００３５】
図７を参照して、ある材料の屈折率はその微細構造に基づくものであり、屈折率は被覆材料１６０及び／またはコア１９０の密度に影響を与えるトルクによる応力のような外部からの作用力に起因する微細構造の変化により左右される。光ファイバケーブル１４０の場合、外部の物理的パラメータに応答して被覆材料１６０の屈折率が変化すると、減衰、喪失モード、スペクトル拡散または色分散（またはこれらの状態の組合わせ）の形の変調が起こる。従って、屈折角がトルクによる応力に起因する屈折率の変化により十分有意に変化すると、変調信号２００または光ファイバケーブル１４０からの変調された光は測定可能な変化を呈するため、光ファイバケーブル１４０はセンサーとして働く。
【００３６】
ケーブルが曲ると、応力関連の光ファイバケーブル１４０の微細構造の変化及びそれに続いて起こる屈折率の変化に影響を与える。マクロの曲げは、トルク感知時に微細構造に送られる応力と類似の応力を微細構造に与える。さらに、マクロの曲げにより静止状態（トルクがかからない状態）のケーブル１４０に予荷重を与えることにより、トルクの影響をより直接的及び実質的なものにする。予荷重は、ケーブル１４０を、応力を増加させると光伝送キャリアに有意な影響が出るしきい点にもたらす。
【００３７】
最小曲率半径、最小曲げ半径または限界曲げ半径は、出力信号が劣化して伝播するモードの数が５０％減少する前の許容可能な曲げの大きさを規定する。上述したように、種々の周波数の光は種々の速度で進行し、異なる態様で屈折するため、光ファイバケーブル１４０を伝播する際種々の光路を辿る。これらの光路をモードと呼び、搬送する光の周波数により特徴付けられる。単一のモード光ケーブルはただ１つのモードを搬送できる。マルチモードケーブルは２以上のモードを搬送する。本発明に用いるファイバケーブル１４０は全てマルチモードタイプである。
【００３８】
図６を参照して、伝送信号１７０により、光ファイバケーブル１４０を介して光が伝播されるが、その理由は、コア１９０と被覆材料１６０との間の界面における屈折角が、光ファイバケーブル１４０の一方の端部に正しい角度で入射する光がコア１９０に沿って内部屈折するような値であるからである。これを臨界角と呼ぶが、光ファイバケーブル１４０の内部に全て屈折する状態を発生させる。内部に全て屈折する状態から光が逃げると放射損失が生じる。コア材料１９０と被覆材料１６０との界面に臨界角より大きい角度で入射する光はコア１９０から屈折して被覆材料１６０内に入り、そこで最終的に消失する。
【００３９】
限界曲げ半径は下式で表される。
【００４０】
Ｒc≒３ｎ12λ／[４π(ｎ12−ｎ22)3/2]
限界曲げ半径は、被覆材料１６０とコア材料１９０の両方の材料の屈折率の関数であることに注意されたい。それは伝播する伝送信号１７０の波長による影響を受けるが、そのパラメータは設計により一定に保持される。光ファイバケーブル１４０をトルク支持シャフト１３０の周りに巻回して、ケーブル１４０を、事実上、最小曲率半径に近い状態とし、トルクを付加して応力をかけると信号が急速に減衰するようにケーブル１４０に予荷重を与える。
【００４１】
光ファイバケーブル１４０はプラスチック製でもよい。しかしながら、当業者はガラスのような異なる材料を用いてもよい。同様に、光ファイバケーブル１４０はマルチモードタイプである。しかしながら、当業者は単一モードのような異なるタイプのものを選択してもよい。
【００４２】
光ファイバケーブル１４０をほとんど最小曲率半径になるように取付けることは、その下のトルク支持シャフト１３０に加わる力に応答して最高レベルの信号変化（または最大変調深さ）を得るために非常に重要である。従って、光ファイバケーブル１４０をシャフト１３０の周りに巻回してケーブル１４０をさらに印加される応力の影響を受けやすい状態におくことにより静止曲げ状態にする。
【００４３】
光ファイバケーブル１４０は、トルク支持シャフト１３０の周りに螺旋状に固定する。上述したように、中実の円柱シャフトに４５度で螺旋状に巻付けると、トルクの印加により主要な捩り応力（圧縮性または引張性）が生じる。
【００４４】
実施例では、光ファイバケーブル１４０をトルク支持シャフト１３０に固定する二液性エポキシを用いる。二液性エポキシは光ファイバケーブル１４０を腐蝕させず、ポリマーカプタン、アミン、ノニルフェノール系剤でよい。光ファイバケーブル１４０のトルク支持シャフト１３０への取付けは、エポキシによる方法に限定されない。材料接着技術の当業者は、一段接着剤の使用または光ケーブル１４０をシャフト１３０上で直接溶融させるシャフト１３０の加熱を含む別の接着方法を利用してもよい。この取付け方法は、応力支持部材１２０と光導波管１１０との間の相対的位置を変化させてはならない。当業者は、図２及び図８ａ−８ｃに示すような、機械式締結具、部品埋め込みまたは成型もしくはスタンドオフを用いる接合技術により応力支持部材１２０を光導波管１１０に固着することができる。好ましい実施例では、光ファイバケーブル１４０をトルク支持シャフト１３０の周りに螺旋状に固着するための接合技術を使用してもよい。
【００４５】
変調信号２００を集めるフォトダイオードを備えた受信機３００及び伝送信号１７０を発生させるＬＥＤ光送信機３１０は、個々の光ファイバケーブル１４０と同じ波長で動作させる必要がある。光ファイバケーブル１４０は一般的に、赤色可視スペクトルまたは波長が６５０ナノメートルの光に対して最適化されている。受信機３００は、一体的な信号コンディショニング（即ち、出力波形の成形）を行わない方が好ましい。コンパレータ、シュミットトリガーゲート、クリッパー及びフィルターのような信号コンディショニング装置は所望の変調を破壊するであろう。従って、受信機３００は線形であるのが好ましい。当業者は、対応する他の処理手段を備えたデジタル受信機を用いることも可能である。
【００４６】
光ファイバケーブル１４０は、標準型ＬＥＤ光送信機３１０によりデジタル駆動される。電流源及びアナログ発振器はＬＥＤ光源３１０を駆動する。当業者はＬＥＤ光源３１０の代わりにレーザー光源を用いてもよい。
【００４７】
図８は、トルク支持シャフトの周りに４５度で多数の光ファイバケーブル３２０が螺旋状に巻回された別の実施例を示す。多数の螺旋状光ファイバケーブル３２０は連続しており、リボンケーブルのように見えて、事実上、自由に回転するトルク支持シャフト１３０を有し非接触型励起及び出力信号の発生が可能な応力測定装置１００のバージョンを可能にする連続するスリーブを形成する。この実施例は、連続する多数の光ファイバケーブル３２０の間での移行時に信号が減衰するため、ＲＰＭまたは回転速度の測定及び角加速度の測定を可能にする。トルク支持シャフト１３０が回転すると、出力信号または変調信号２００の振幅は、多数の螺旋状光ファイバケーブル１３０がそれぞれ静止状態の受信機３００を通過した後に瞬間的に減少する。
【００４８】
信号のコンディショニングにより入力信号と出力信号とを比較する。通信システムでは、出力は入力を再生する必要があり、従って、入力信号（光波キャリア１７０）と出力信号（変調信号２００）とは同一でなければならない。出力信号から入力信号を減算することにより差を求めることが可能であり、その差はＬＥＤ光送信機３１０、受信機３００または光ファイバケーブル１４０により生じるひずみに原因を求める必要がある。トルク支持シャフト１３０に応力が加えられて差信号が変化すると、その変化の原因は光ファイバケーブル１４０の変化によるものであろう。従って、光ファイバケーブル１４０はトルク支持シャフト１３０に加わる応力またはトルクを感知する。位相ロックループ方式またはスペクトル分析のような別の信号検知方法を当業者なら使用できるであろう。
【００４９】
本発明を特定の実施例に関連して説明したが、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく図示説明した実施例の多数の変形例及び設計変更が可能である。従って、本発明は上述した実施例及びその均等物に限定されないものと意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】曲げモーメント力の作用下にある応力支持部材に装着された光ファイバセンサーを示す斜視図である。
【図１ａ】引張力または圧縮力の作用下にある応力支持部材に装着された導波管の側面図である。
【図２】応力支持部材に接合された光ファイバセンサーの端面図である。
【図３】トルク支持シャフトに装着された光ファイバケーブルの斜視図である。
【図４】トルク支持シャフトに装着された光ファイバスリーブの斜視図である。
【図５】屈折率が異なる２つの材料間の界面の光波面を示すグラフである。
【図６】曲がった光ファイバケーブルの断面図である。
【図７】光ファイバケーブルの被覆材料及びコア材料を示す斜視図である。
【図８ａ】機械式締結手段により応力支持部材に固定された導波管の側面図である。
【図８ｂ】埋め込み法により応力支持部材に固定された導波管の側面図である。
【図８ｃ】スタンドオフにより応力支持部材に固定された導波管の側面図である。
【図９】トルク支持シャフトに固定された多数の螺旋状光ファイバケーブルの斜視図である。
【図１】
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【図１ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
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【外国語明細書】
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