(57)【要約】物体を、同物体によって画定される軸の周囲でひねることによって物体が受けるトルクを測定するためのシステム。このシステムは、物体に固定された１つ以上のファイバグラッググレーティングを含む。ファイバブラッググレーティングの各々は、ファイバブラッググレーティングが少なくとも部分的に物体の軸と非平行に配置されるように位置付けられる。システムはまた、ファイバブラッググレーティングへと透過可能な光を提供するための１つ以上の光源も含む。ファイバブラッググレーティングへと透過される光はそれによってフィルタ処理されて、１つ以上の特徴的スペクトルを有する変調光が提供される。システムはまた、前記少なくとも１つの特徴的スペクトルを分析して、物体が受けるトルクを判定するためのアナライザも含む。
2015529803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体が、前記物体よって画定される軸の周囲で同物体をひねることによって受けるトルクを測定するシステムにおいて、前記システムは、
前記物体に固定された少なくとも１つのファイバブラッググレーティングであって、前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングが少なくとも部分的に前記物体の前記軸と非平行に配置されるように位置付けられる少なくとも１つのファイバブラッググレーティングと、
前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングへと透過可能な光を提供するための少なくとも１つの光源と、
前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングへと透過された前記光はそれによってフィルタ処理されて、少なくとも１つの特徴的スペクトルを有する変調光が提供されることと、
前記少なくとも１つの特徴的スペクトルを分析して前記物体が受ける前記トルクを判定するためのアナライザと、
を含む測定システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングが、前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングと前記物体の前記軸との間に約４５°の角度を画定するように配置される、請求項１に記載の測定システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングが前記物体に、少なくとも部分的に曲線を画定するように位置付けられる、請求項１に記載の測定システム。
【請求項４】
前記曲線の接線方向にある実質的な直線が、前記直線と前記物体の前記軸との間に約４５°の角度を画定する、請求項３に記載の測定システム。
【請求項５】
前記光源が、発光ダイオード、波長可変レーザ、ファブリ・ペローレーザ、およびスーパールミネッセントダイオードからなる群から選択される、請求項１に記載の測定システム。
【請求項６】
前記物体が回転可能なシャフトである、請求項１に記載の測定システム。
【請求項７】
前記回転可能なシャフトが、前記回転可能なシャフトが取り付けられたモータによって駆動される、請求項６に記載の測定システム。
【請求項８】
前記光と前記変調光が少なくとも１本の光ファイバを介して透過される、請求項７に記載の測定システム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの光源からの前記光が回転光ジョイントを介して前記少なくとも１本の光ファイバへと透過される、請求項８に記載の測定システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングが１対の第一のファイバブラッググレーティングを含み、前記１対の第一のファイバブラッググレーティングは、前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの各々が前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの各々と前記軸との間にそれぞれ約４５°の角度を画定する位置付けとなるように前記シャフトに固定される、請求項９に記載の測定システム。
【請求項１１】
前記シャフトに固定され、かつ前記軸と実質的に整列される少なくとも１つの第二のファイバブラッググレーティングをさらに含む、請求項１０に記載の測定システム。
【請求項１２】
前記シャフトに固定された２つの第二のファイバブラッググレーティングをさらに含み、前記２つの第二のファイバブラッググレーティングの各々がそれぞれ前記軸と実質的に整列される、請求項１０に記載の測定システム。
【請求項１３】
前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの第一の選択された一つに、第一の回転方向へのプレトルクが付与され、
前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの第二の一つに、前記第一の回転方向と実質的に反対の第二の回転方向へのプレトルクが付与される、
請求項１２に記載の測定システム。
【請求項１４】
前記アナライザが、光スペクトルアナライザ、ＦＢＧインタロゲーションシステム、および光パワーに基づく分析システムからなる群から選択されるＦＢＧ復調システムを含む、請求項１に記載の測定システム。
【請求項１５】
前記アナライザが、
前記変調光をそれに対応する電気信号に変換するための少なくとも１つのフォトダイオードと、
前記変調光の前記少なくとも１つの特徴的スペクトルをその変換のために前記少なくとも１つのフォトダイオードに提供するための少なくとも１つの手段と、
前記少なくとも１つの特徴的スペクトルを分析して、前記少なくとも１つの特徴的スペクトルの原因となった前記トルクを判定するための少なくとも１つのプロセッサと、
を含む、請求項１に記載の測定システム。
【請求項１６】
前記変調光を前記アナライザに透過させるための光サーキュレータをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
物体が、前記物体によって画定される軸の周囲で同物体をひねることによって受けるトルクを測定する方法において、前記方法は、
（ａ）少なくとも１つのファイバブラッググレーティングを前記物体に、前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングが前記物体の前記軸に非平行となるように固定するステップと、
（ｂ）少なくとも１つの光源で光を生成するステップと、
（ｃ）前記光を前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングへと透過させて、それによって前記光をフィルタ処理し、少なくとも１つの特徴的スペクトルを有する変調光を提供するステップと、
（ｄ）前記少なくとも１つの特徴的スペクトルを分析して、前記物体が受ける前記トルクを判定するステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
物体が、前記物体によって画定される軸の周囲で同物体をひねることによって受けるトルクを測定する方法において、前記方法は、
（ａ）１対の第一のファイバブラッググレーティングを前記物体の所定の位置に、前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの各々が、前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの各々と前記物体の前記軸との間にそれぞれ約４５°の角度を画定する位置付けとなるように固定するステップと、
（ｂ）２つの第二のファイバブラッググレーティングを前記物体の所定の位置に、前記２つの第二のファイバブラッググレーティングの各々がそれぞれ前記物体の前記軸と実質的に整列されるように固定するステップと、
（ｃ）少なくとも１つの光源で光を生成するステップと、
（ｄ）前記光を前記第一と第二のファイバブラッググレーティングの各々へと透過させて、それによって前記光をフィルタ処理し、それぞれ前記第一と第二のファイバブラッググレーティングの各々からの変調光を提供するステップであって、前記変調光がそれぞれ特徴的スペクトルを有するようなステップと、
（ｅ）前記特徴的スペクトルを分析して、前記物体が受ける前記トルクを判定するステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
ステップ（ｅ）が、
（ｅ．１）前記２つの第二のファイバブラッググレーティングによるフィルタ処理から得られる前記変調光の前記特徴的スペクトルを分析して、温度の影響について補正するステップと、
（ｅ．２）前記１対の第一のファイバブラッググレーティングによるフィルタ処理から得られる前記変調光の前記特徴的スペクトルを分析して、前記物体が受ける前記トルクを判定するステップと、
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
回転可能なシャフトであって、前記シャフトの第一の端部と第二の端部との間に延びる回転可能なシャフトと、
前記シャフトを回転させる手段と、
前記シャフトに固定された少なくとも１つのファイバブラッググレーティングであって、前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングが少なくとも部分的に前記物体の前記軸に非平行に配置されるように位置付けられる少なくとも１つのファイバブラッググレーティングと、
前記シャフトに固定され、光源からの光を前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングへと透過させて、そこで前記光がフィルタ処理され、変調光が提供される少なくとも１本の光ファイバと、
回転光ジョイントであって、前記回転光ジョイントを通じて前記光が前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングへと透過可能であり、また前記回転光ジョイントを通じて前記変調光をアナライザへと透過させて、前記変調光が分析され、前記シャフトが受けるトルクが判定される回転光ジョイントと、
を含む電気モータ。
【請求項２１】
回転可能なシャフトであって、その周囲で前記シャフトが回転可能である軸を画定する回転可能なシャフトと、
前記シャフトに固定された少なくとも１つのファイバブラッググレーティングであって、前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングと前記軸との間に約４５°の角度を画定するように配置される少なくとも１つのファイバブラッググレーティングと、
前記シャフトに固定された少なくとも１本の光ファイバであって、光源からの光を前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングへと透過させ、前記少なくとも１つのファイバブラッググレーティングによる前記光のフィルタ処理から得られる変調光を透過させるための少なくとも１本の光ファイバと、
を含むシャフトアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体が受けるトルクを測定するためのシステムおよび方法である。
【背景技術】
【０００２】
ひずみに基づく検出機器（例えば、ひずみゲージ）は、例えば自動車産業、航空宇宙、エネルギー生産プラントをはじめとする多くの分野における測定および試験機器の重要な構成要素である。特に、ひずみに基づく検出機器は回転システムで利用されることが多く、この場合、回転軸が受けるトルクを測定する必要がある。エンジンのクランクシャフト、ガスタービンシャフト、風力タービンギヤボックスは回転システムの例である。機械的システムの試験と測定について言えば、ねじれ（すなわち、トルク）の測定と制御がこのような回転構成要素の重要な点である。
【０００３】
しかしながら、一般的なひずみに基づく機器には多くの欠点がある。回転システム内のひずみゲージに基づく従来の商業化された測定方法は、電磁ノイズおよび電磁妨害に弱く、特にひずみ値が非常に小さい場合に信号対ノイズ比が高い。これらはまた、厳しい環境下で動作するため、動作寿命が短い。それに加えて、「分離された電力」を提供し、測定信号を読取機器に伝送するための追加の構成要素の存在によって、嵩高いものとなる。このような問題を克服するために、ＲＦデジタルテレメトリまたはデジタルエンコーダが提案されているが、これらのシステムには標準的なシステムの２〜３倍のコストがかかる。
【０００４】
高分解能の正確な測定に対する要求が高まり続けていることから、広範囲にわたる線形応答を有し、電磁ノイズと電磁妨害の影響を受けにくい新型のセンサの開発が必要とされている。新型センサの中には光ファイバセンサがある。そのよく知られた電気通信応用とは別に、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）等の光ファイバセンサを使って、例えば自動車、航空宇宙、民生、医療、エネルギー生産および持続可能性、石油およびガスを含む各種の分野における用途で、温度、ひずみ、圧力、変位等の物理的パラメータを検出することができる。溶融シリカから作られるＦＢＧの検出能力は、特に温度およびひずみ等の物理的パラメータによって影響を受けるファイバ内光伝搬から生じている。これは、温度および／またはひずみにより誘発される、ファイバ材料の光学特性とファイバ内光格子の幾何学的特徴の変化により実現できる。
【０００５】
ＦＢＧでは、入力光スペクトルがフィルタ処理され、入力光スペクトルの、その半値全幅（ＦＷＨＭ）によって決まる一定のバンド幅を有する、ブラッグ波長（λＢ）と呼ばれる特定の波長部分がＦＢＧから反射される。光の他の波長はすべて、ＦＢＧを通じて透過される。ブラッグ波長は光ファイバの実効モード屈折率（ｎｅｆｆ）とグレーティングピッチ（Λ）と、λＢ＝２ｎｅｆｆΛのように相関する。Λとｎｅｆｆはひずみと温度に線形に相関するため、これらのパラメータに変化があれば必ずブラッグ波長がシフトする。その結果、ブラッグ波長を温度（図１Ａ）とひずみ（図１Ｂ）に線形に相関させることができる。例えば、図１Ａに示されるように、反射スペクトル１０は温度の上昇によってシフトし、変化しており、その結果、変調反射スペクトル１０’が得られる。同様に、図１Ｂでは、反射スペクトル１２がひずみの増大によってシフトし、幅広くなっており、その結果、別の変調反射スペクトル１２’が得られる。（後述するように、その他の図面は本発明を示している。）
電磁方式によるものと比較して、光ファイバセンサには固有の特徴がある。すなわち、軽量、小型、電磁ノイズに対する堅牢性（光波がノイズによって影響されない）、広範囲の線形性、耐久性、耐食性（ファイバはほとんどの化学物質に対して耐性を有するガラス製である）、低損失の遠隔検出（光信号伝送が抵抗損により影響されない）である。
【０００６】
ＦＢＧの上記のような特異な特徴にかかわらず、光ファイバセンサの分野では、機械的構成要素に組み込まれたＦＢＧの温度補償が時々問題となってきた。ＦＧＢセンサを用いた温度補償型ひずみ測定のために様々な方法と技術が発明されている。先行技術の中に各種の温度補償方法がある。
【０００７】
他の既知の方法は、不均一なひずみを作り出すことによって、ＦＢＧの反射または透過スペクトルの形状を変化させる（特に、反射または透過スペクトルを拡幅する）関心対象のパラメータを測定することに係る。これは、ＦＢＧを組み込んだ部品の形状を、機械的負荷（例えば、引張または圧縮力、圧力等）によって不均一な、特にチャープグレーティングを作り出すように変化させることによって実現される。しかしながら、これらの方法のいずれにおいても、ＦＢＧに沿ってこのチャーププロファイルを作り出すために部品の形状を変更しなければならない。しかしながら、多くの状況において、これは実現不能でありうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の理由により、先行技術の欠点の１つ以上を克服または緩和するトルク測定のためのシステムおよび方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、その広い態様において、物体が、その物体によって画定される軸の周囲で同物体をひねることによって受けるトルクを測定するシステムを提供する。このシステムは、物体に固定された１つ以上のファイバブラッググレーティングを含み、各ファイバブラッググレーティングは、ファイバブラッググレーティングが少なくとも部分的に物体の軸と非平行に配置されるように位置付けられる。このシステムはまた、ファイバブラッググレーティングへと透過可能な光を提供するための１つ以上の光源も含む。ファイバブラッググレーティングへと透過された光はフィルタ処理されて、１つ以上の特徴的スペクトルを有する変調光が提供される。これに加えて、このシステムはこの特徴的スペクトルを分析して、物体が受けるトルクを判定するアナライザを含む。
【００１０】
他の態様において、本発明は、物体が、その物体によって画定される軸の周囲で同物体をひねることによって受けるトルクを測定する方法を提供する。この方法は、まず、１つ以上のファイバブラッググレーティングを物体に、ファイバブラッググレーティングが物体の軸と非平行に配置されるように固定するステップを含む。光は少なくとも１つの光源から生成される。光は光をフィルタ処理するためのファイバブラッググレーティングへと透過されて、１つ以上の特徴的スペクトルを有する変調光が提供される。この特徴的スペクトルが分析されて、物体が受けるトルクが判定される。
【００１１】
以下のような添付の図面を参照すると、本発明をよりよく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】温度上昇が反射スペクトルに与える影響を示すグラフである（上でも説明した）。
【図１Ｂ】温度の影響がない時の、ひずみ増大が反射スペクトルに与える影響を示すグラフである（上でも説明した）。
【図２Ａ】円筒上の異なる位置における軸方向のひずみを示す概略図である。
【図２Ｂ】円筒の回転軸に関する円筒上のＦＢＧの位置とＦＢＧが受ける最大ひずみの割合との関係を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明のシャフトアセンブリの一実施形態におけるＦＢＧの位置を示す、より大きい縮尺で描かれた二次元の図である。
【図３Ｂ】本発明のシステムの一実施形態のブロック図である。
【図４Ａ】本発明の光回路の一実施形態の同光回路上の位置を示す円筒の１つの面の、より小さい縮尺で描かれた概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａの光回路の同光回路上の別の位置を示す、図４Ｂの円筒の別の面の概略図である。
【図４Ｃ】本発明のシャフトアセンブリの一実施形態の、より小さい縮尺で描かれた概略図である。
【図４Ｄ】本発明のシャフトアセンブリの代替的実施形態の概略図である。
【図４Ｅ】図４Ｄのシャフトアセンブリの、より大きい縮尺で描かれた断面図である。
【図５】本発明の光電子回路の一実施形態の概略図である。
【図６】本発明のシャフトアセンブリの別の代替的実施形態の、より小さい縮尺で描かれた等角図である。
【図７Ａ】本発明のシャフトアセンブリの別の代替的実施形態である。
【図７Ｂ】図７Ａのシャフトアセンブリに含まれるシャフト要素の、より小さい縮尺で描かれた平面図である。
【図７Ｃ】図７Ｂのシャフトの断面図である。
【図８】図７Ａのシャフトアセンブリが取り付けられた本発明の電気モータの一実施形態の等角図である。
【図９】システムにより測定されたトルクの影響の例を示すグラフである。
【図１０】システムにより測定されたトルクの影響の別の例を示すグラフである。
【図１１】システムにより測定された温度の影響の例を示すグラフである。
【図１２】本発明の方法の一実施形態を概略的に示すフローチャートである。
【図１３】本発明の方法の別の実施形態を概略的に示すフローチャートである。
【図１４】本発明の方法の別の実施形態を概略的に示すフローチャートである。
【図１５】本発明の方法の別の実施形態を概略的に示すフローチャートである。
【図１６】本発明の方法の別の実施形態を概略的に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
添付の図面において、全体を通じて同様の符号は対応する要素を指す。まず、図２Ａ〜１３を参照して、番号２０（図３Ｂ）で概して示される本発明による測定システムの一実施形態について説明する。システム２０は、物体２２が、同物体によって画定される軸２４（図２Ａ）の周囲で同物体をひねることによって受けるトルクを測定するためのものである。１つの実施形態において、システム２０は好ましくは、物体２２に固定されたより多くのファイバブラッググレーティング２６のうちの１つを含む（図３Ａ）。後述するように、ファイバブラッググレーティング２６は好ましくは、それが少なくとも部分的に物体２２の軸２４と非平行に配置されるように位置付けられる（図３Ａ）。図３Ｂからわかるように、システム２０は好ましくは、ファイバブラッググレーティング２６へと透過可能な光を提供するための１つ以上の光源２８も含む。ファイバブラッググレーフィング２６へと透過された光はフィルタ処理されて、１つ以上の特徴的スペクトルを有する変調光が提供される。また、システム２０が、特徴的スペクトルを分析して物体２２が受けるトルクを判定するためのアナライザ３０（図３Ｂ）を含むことも好ましく、これについても後述する。
【００１４】
実践上の理由により（後述）、２つまたはそれ以上のＦＢＧ  ２６を利用してトルクを測定することが好ましい。しかしながら、本明細書の目的のために、以下の説明は当初、軸と非平行に位置付けられた１つのＦＢＧのみに限定する。１つの実施形態において、トルクは軸と非平行に位置付けられた１つのＦＢＧを使って判定されると理解されよう。
【００１５】
また、物体２２は必ずしも円筒形の回転可能なシャフトとは限らないと理解されよう。例えば、図２Ａにおいて、図を明瞭にするために、ＦＢＧは円筒形シャフトに位置付けられているように描かれている。
【００１６】
好ましくは、１つ以上のＦＢＧ  ２６がいずれかの適当な方法で円筒形シャフト２２の所定の位置に位置付けられてシャフトアセンブリ３２が提供される。円筒形シャフトの場合を考えると、あらゆる円筒物の軸方向のトルクによる垂直ひずみはゼロであり、これが増大して軸方向に関して４５°で絶対最大に到達する（図２Ａ、２Ｂ）。
【００１７】
したがって、本発明において、ＦＢＧの１つ以上がシャフトの、少なくとも部分的に軸２４と非平行となる位置に固定される。その結果、好ましくは、グレーティングピッチの変化が不均一になり、屈折率の変化が不均一となる。そのため、ＦＢＧは変調光（すなわち、ブラッグ波長の光）を提供し、これはシャフトが受けるトルクに起因するひずみ勾配に直接対応する。後述のように、変調光は特徴的スペクトルを有し、これを分析することによりトルクを判定できる。
【００１８】
図２Ｂは曲線「Ｙ」で（回転軸に関する）ＦＢＧの角度位置がトルク測定に、およびしたがってひずみ測定にも与える影響を示す。例えば、ＦＢＧをシャフトの曲面上の湾曲位置「Ｘ」（図２Ａ）に設置し、曲線「Ｙ」の全部または一部がシャフトからＦＢＧへのひずみの伝達を表すようにした場合、トルクがシャフトにかかると、特徴的スペクトルはそれに対応する当初のスペクトル、すなわちトルクがない場合より拡幅される。ＦＢＧがその長さに沿って実質的に均一なトルクを受けると、ＦＢＧが事前選択された位置「Ｘ」（図２Ａ）に、すなわち曲線に沿って位置付けられている場合、ＦＢＧに沿って不均一なひずみが発生し、今度はその結果、そこから１つ以上の特徴的（すなわち、拡幅された）スペクトルを有する変調光が発せられる。（特徴的スペクトルは、１つ以上の反射スペクトル、または１つ以上の透過スペクトルであってもよい。）
前述のように、最大ひずみは軸２４に関して４５°で生じる。したがって、１つの実施形態において、ＦＢＧの測定は、ＦＢＧをＦＢＧ  ２６と軸２４との間に約４５°の角度θを画定するように配置した時に行うことが好ましい。この構成が図２Ａおよび３Ａに示されている。
【００１９】
以上のことから、ＦＢＧ  ２６を、物体２２がトルクを受けた時に、ＦＢＧ  ２６上の軸方向のひずみがゼロから最大ひずみまで連続的に変化するようにシャフトに固定することが好ましいことがわかる。その結果、光弾性により、グレーティングピッチの変化が不均一になり、ＦＢＧの屈折率の変化が不均一となる。ＦＢＧの、場合に応じて反射または透過スペクトルのいずれかは、軸方向の不均一なひずみによって拡幅されうる。
【００２０】
当業者にとっては当然のことながら、光源２８はどのような適当な光源であってもよい。シャフトの温度がトルクの判定に影響を与えるか否かは、ひとつに、使用される光に依存する。例えば、光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）、波長可変レーザ、ファブリ・ペローレーザ、またはスーパールミネッセントダイオード（すなわち、ＡＳＥ（自然放射増幅光））であってもよい。１つの実施形態において、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、波長可変レーザ、ファブリ・ペローレーザ、またはスーパールミネッセントダイオードからなる群から選択される。当業者にとっては当然のことながら、上で挙げた光源は選択肢を羅列したものであり、すなわち、一度に１種類の光源のみを使用することが好ましい。
【００２１】
図１１からわかるように、ＡＳＥによって生成される光の強度はすべての波長にわたって一定ではなく、そのために、温度変化により出力が変化する。１つの実施形態において（例えば、ＡＳＥ光が使用される場合）、トルク判定時に温度を考慮することが好ましい。ＦＢＧはシャフト２２に固定されるため、センサの温度感度は無指向性であり、すなわち温度変化によってＦＢＧ上の不均一なひずみが誘発されない。その結果、温度は反射（または場合に応じて透過）スペクトルをシフトさせるだけであり、信号拡幅やバンド幅増大には影響を与えない。
【００２２】
図３Ａからわかるように、光と変調光は好ましくは、１本以上の光ファイバ３４を介して透過される。ＦＢＧ  ２６は好ましくは、光ファイバ３４と実質的に整列される。（図を明瞭にするために、光源２８とこれに関係する要素は図３Ａから省かれている。）図３Ａに示される例においては、光ファイバ３４とＦＢＧ  ２６は概ね同じ直径を有するように示されている。ＦＢＧ  ２６はシャフト上に、軸２４に対して約４５°の角度で位置付けられている。図３Ａからわかるように、ＦＢＧ  ２６は好ましくは、少なくとも部分的に曲線「Ｃ」を画定するように物体２２に位置付けられる。曲線「Ｃ」の接線方向である（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ  ｔｏ）実質的な直線「Ｌ」は好ましくは、線「Ｃ」と軸２４との間に約４５°の角度θを画定する（図３Ａ）。
【００２３】
当業者にとっては当然のことながら、光ファイバ３４は好ましくは、本体２２に（すなわちその中に、またはその表面に）固定されて、それを通じて光をＦＢＧ  ２６へと（およびそこから）透過させる。図３Ａからわかるように、シャフトアセンブリ３２はシャフト２２と、ＦＢＧ  ２６と、ＦＢＧ  ２６に光学的に接続された光ファイバ３４と、を含むことが好ましい。（当業者にとってはこれも当然のことながら、光ファイバとＦＢＧは図において正確な縮尺で描かれておらず、図を明瞭にするために強調されている。）光回路３５は好ましくは、シャフトアセンブリ３２に含まれる光ファイバ３４とＦＢＧ  ２６を含む。当業者であれば、光ファイバとＦＢＧを物体に固定できる様々な方法にも気付くであろう。
【００２４】
１つの実施形態において、光は好ましくは、ＡＳＥ（自然放射増幅光）によって生成される。当業者にとっては当然のことながら、光源の選択には数多くの要素が影響を与える可能性があり、これには例えば、システム２０を利用する予定の具体的な用途が含まれる。１つの実施形態においてはＡＳＥ光源が好ましく、これは、それが比較的低コストであり、また、使用可能なアナライザ３０の構成要素もまた、光がＡＳＥによって生成されるため、比較的低コストとなるからである。当業者にとっては当然のことながら、１つの実施形態で好ましい光源（すなわち、ＡＳＥ）は広帯域の光を生成するが、他の実施形態では他の光源が好ましいかもしれない。
【００２５】
１つの実施形態において、光源２８からの光は好ましくは、矢印３６によって概略的に示されるように（図３Ａ）光ファイバ３４に沿って透過される。ＦＢＧ  ２６から反射された変調光は、図３Ａにおいて矢印３８により概略的に示されるように光ファイバ３４に沿って透過される。後述のように、変調光は最終的にアナライザ３０へと透過されて、トルクが判定される。
【００２６】
当業者にとっては当然のことながら、光の中の他の波長はすべて、図３Ａにおいて矢印４０により概略的に示されるようにＦＢＧ  ２６を通じて透過される。
１つの実施形態において、物体２２は好ましくは回転可能なシャフトである。別の実施形態において、回転可能なシャフト２２は好ましくは、回転可能なシャフトが取り付けられているモータ４２（図８）によって駆動される。当然のことながら、本明細書における回転可能シャフトは必ずしも円筒形であるとはかぎらない。例えば、本発明は、断面が円形でない（例えば、正方形、十字形、不規則）回転可能なシャフトに使用してもよい。
【００２７】
物体２２が回転可能なシャフトである場合、光源２８からの光は回転光ジョイント４４によって光ファイバ３４へと透過される（図８）。後述するように、光ファイバ３４は好ましくは、部分的にシャフトの内部に同シャフトと同軸に位置付けられて、回転光ジョイント４４に接続される。当業者であれば、回転光ジョイント４４は好ましくは光ファイバ回転ジョイント（ＦＯＲＪ）であることがわかり、また、適当な回転光ジョイントに気付くであろう。
【００２８】
好ましくは、光回路３５は、あらゆる適当な構成でシャフトに固定される。図７Ａ〜７Ｃからわかるように、１つの実施形態において、シャフトアセンブリ３２は好ましくは、その周囲でシャフトが回転可能な軸２４を画定する回転可能シャフト２２と、シャフト２２に固定された１つ以上のファイバブラッググレーティング２６と、を含み、ファイバブラッググレーティング２６がファイバブラッググレーティング２６と軸２４との間で約４５°の角度θを画定するように配置される。好ましくは、シャフトアセンブリ３２はまた、シャフトに固定された１本以上の光ファイバ３４を含み、これは光を光源２８（図３Ｂ）からファイバブラッググレーティング２６へと透過させ、またファイバブラッググレーティング２６による光のフィルタ処理から得られる変調光をそこから透過させる。当業者にとっては当然のことながら、図７Ａ〜７Ｃに示される実施形態は、光回路３５がシャフトに固定される１つの構成にすぎず、他の多くの構成もまた適当でありうる。
【００２９】
上記のことから、図７Ａ〜８に基づき、図７Ａに示されるシャフトアセンブリ３２は好ましくは、図８に示されるモータ４２に回転可能に取り付けられることが理解できるであろう。１つの実施形態において、電気モータ４２は、その第一および第二の端部「Ｆ」および「Ｇ」の間に延びる回転可能なシャフト２２と、シャフトを回転させるための手段「Ｈ」と、シャフト２２に固定された１つ以上のファイバブラッググレーティング２６と、を含む。ファイバブラッググレーティング２６は、同ファイバブラッググレーティング２６が少なくとも部分的に物体２２の軸２４と非平行に配置されるように位置付けられる。モータ４２はまた、シャフト２２に固定された１本以上の光ファイバ３４を含み、これは光源２８からの光をファイバブラッググレーティング２６に透過させ、そこで光はフィルタ処理されて変調光が提供される。また、モータ４２が回転光ジョイント４４を含むことも好ましく、これを通じて光をファイバブラッググレーティング２６へと透過させることができ、これを通じて変調光をアナライザ３０へと透過させることができ、それによってシャフトが受けるトルクが判定される。
【００３０】
これもまた当然のことながら、本発明は一般に、それを回転させるために取り付けられ、または位置付けられた（例えば、モータまたはその他の機械の中にある、またはこれに取り付けられた）回転可能なシャフトが受けるトルクを判定するために使用されるものとして説明されているが、本発明は他の用途に使用してもよい。詳しくは、本発明はいずれの部材（またはシャフト）が受けるトルクを判定するためにも使用してよい。シャフト２２は必ずしも回転可能なシャフトであるとはかぎらない。すなわち、問題の部材またはシャフトは必ずしも回転するように取り付けられ、または位置付けられるとはかぎらず、使用時にトルクを受け得るいずれの要素であってもよい。例えば、本発明はトルクを受ける、回転しない（すなわち、一般に実質的に静止した）構造部材（例えば橋の構造部材）に使用してもよい。例えば、図６において、物体２２は回転するように取り付けられず、すなわち、物体２２は実質的に、その端部において他の回転しない要素（図６には示されていない）に固定される。光ファイバ３４およびＦＢＧ  ２６は、同ＦＢＧ  ２６が少なくとも部分的に物体２２の軸２４に非平行に配置されるように物体に固定される。（当然のことながら、図を明瞭にするために多くの要素が図６から省かれている。）
概して静止している部材がそこから半径方向に突出するロッドを有する他の例において、ロッドにかかる線形の力はその部材へのトルクに変換され、このような構成では、実質的に静止している部材が受けるトルクを本発明によって測定できる。したがって、本明細書において「回転可能な」シャフトに言及されていても、当然のことながら、本発明は、必ずしも回転するように設計され、または取り付けられているとはかぎらない部材にかかるトルクの判定に使用してもよい。
【００３１】
前述のように、１つの実施形態において、シャフトアセンブリ３２は軸２４に対して非平行に位置付けられた１対の（またはそれ以上の）ＦＢＧ  ２６を含むことが好ましい。（明瞭にするために、本明細書ではＦＢＧ  ２６を「第一の」ＦＢＧと呼ぶことがある。）１つの実施形態において、図４Ｃからわかるように、システム２０は好ましくは、１対の第一のファイバブラッググレーティングを含み、これは図４Ｃにおいて便宜上、符号２６Ａおよび２６Ｂとして特定されている。好ましくは、１対の第一のＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂはシャフト２２に、対のうちの各々がその対の一方と軸２４との間にそれぞれ約４５°の角度を画定する位置付けとなるように固定される。前述のように、変調光の反射波長はひずみによって広がり、最大ひずみは軸２４に関して４５°で測定される。図４Ｃからわかるように、ＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂの対は軸２４に関して対称に位置付けられる。光ファイバ３４とＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂは曲線「Ｂ」を画定する。実質的な直線「ＬＡ」、「ＬＢ」は第一のＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂの中心で曲線「Ｂ」と接するように位置付けられ、線「ＬＡ」および線「ＬＢ」と軸２４との間にそれぞれ角度θＡ、θＢが画定される。
【００３２】
図４Ｃからわかるように、光回路３５のうちの破線で示される部分は、シャフト２２の背面に配置されており、すなわちその反対の正面が図４Ｃにおいて見ている人に面している。図４Ａおよび４Ｂの円筒形物体２２上の曲線「Ｂ」は、ＦＢＧが軸２４に関して対称に位置付けられていてもよい円筒２２の光回路３５の位置を示している。
【００３３】
ＦＢＧの対がこのように使用されることは、１対のＦＢＧからのデータによって光出力の変動に対する補償が行われうるという実践上の理由から好ましい。特徴的スペクトルの分析が光出力の測定に基づく場合、これらの変動によって分析が不正確になり、これは、それらが特徴的スペクトルに予測不能な方法で影響を与えるからである。光出力測定に基づく分析を行う際に実際に光出力の変動を補償する必要があるため、１つの実施形態において、第二の（参照）ＦＢＧを使用することによって、そのような補償をしやすくすることが好ましい。（図４Ｃおよび４Ｄに示される例において、第二の（参照）ＦＢＧは符号２６Ｂで示されている。）ＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂの対の各々が相互および軸に関して対称に位置付けられることが好ましいことがわかっており、それは、これが過渡的効果（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｅｆｆｅｃｔｓ）を低減させる傾向があるからである。
【００３４】
１つの実施形態において、光源２８（図３Ｂ）からの光は好ましくは、矢印４６により示される（図４Ｃ）ように、光ファイバ３４を介してＦＢＧ  ２６Ａへと透過される。（図を明瞭にするために、光源２８とこれに関連する要素は図４Ｃから省かれている。）ＦＢＧ  ２６Ａにより生成された変調光は、光ファイバ３４に沿って反射され（矢印４８により示される）、最終的にアナライザ３０へと透過されて、分析される。ＦＢＧ  ２６Ａにより反射されなかった光は、図４Ｃにおいて矢印５０により示されるように、第二のＦＢＧ  ２６Ｂへと透過される。第二のＦＢＧ  ２６Ｂにより反射された光は、矢印５２により示されるように、光ファイバ３４に沿って透過され、最終的にアナライザ３０へと透過されて、分析される。第二のＦＢＧ  ２６Ｂにより反射されなかった光はこれを通じて透過される。
【００３５】
当業者にとっては当然のことながら、図４Ｃに示される光回路３５の中の特定の要素は図を明瞭にするために誇張されている。
図４Ｄに示される別の実施形態において、システム２０は好ましくは、１つ以上の追加の第二のＦＢＧ  ５４Ａ、５４Ｂも含み、これらはシャフト２２に固定され、実質的に軸２４と整列される。（当然のことながら、実質的に軸と整列されるＦＢＧ  ５４Ａ、５４Ｂは、前述のように、第一のＦＢＧとこれらを区別するために「第二の」ＦＢＧと呼ばれることもある。）好ましくは、システムは２つの第二のＦＢＧ  ５４Ａ、５４Ｂを含み、これらは軸２４に関して対称に位置付けられる。後述のように、ＦＢＧ  ５４Ａ、５４Ｂは、変調光の分析時に温度に関する補正を可能にするためのデータを提供する。当然のことながら、前述のように、これらの補正は光源２８からの光の強度が波長に応じて変化する場合のみ行われる。
【００３６】
光源２８からの光は、図４Ｄにおいて矢印５６により示されるように、光ファイバ３４に沿ってＦＢＧ  ５４Ａへと透過される。（図を明瞭にするために、光源２８とこれに関連する要素は図４Ｄから省かれている。）ＦＢＧ  ５４Ａによって反射された光は、以下、「第一の変調光」と呼ぶが、矢印５８により示されるように光ファイバ３４に沿ってアナライザ３０へと透過される。ＦＢＧ  ５４Ａにより反射されなかった光は、図４Ｄにおいて矢印６０により示されるように、ＦＢＧ  ２６Ａへと透過される。ＦＢＧ  ２６Ａにより反射された光は、以下、「第二の変調光」と呼ぶが、矢印６２により示されるように、光ファイバ３４に沿ってアナライザ３０（図４Ｄでは示されていない）へと透過される。
【００３７】
ＦＢＧ  ２６Ａによって反射されなかった光は、図４Ｄにおいて矢印６４により示されるように、ＦＢＧ  ２６Ｂへと透過される。ＦＢＧ  ２６Ｂによって反射された光は、以下、「第三の変調光」と呼ぶが、矢印６６により示されるように、光ファイバ３４に沿ってアナライザ３０へと透過される。
【００３８】
ＦＢＧ  ２６Ｂによって反射されなかった光は、矢印６８により示されるように、ＦＢＧ  ５４Ｂへと透過される。ＦＢＧ  ５４Ｂによって反射された光は、以下、「第四の変調光」と呼ぶが、矢印７０によって示されるように、光ファイバ３４に沿ってアナライザ３０へと透過される。
【００３９】
１つの実施形態において、ＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂには好ましくは、「プレトルク」が付与される。これは、以下の利点を提供することがわかっている。ＦＢＧにプレトルクを付与すると、これらはプレトルクを付与しなかった場合に得られるものより広い範囲の応答を提供する傾向がある。このために、プレトルクを付与したＦＢＧからのデータを使って、より正確なトルク判定を行うことができる。
【００４０】
図４Ｅは、図４Ｄの線Ａ−Ａに沿った断面図である。図４Ｅからわかるように、第一のＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂの対のうちの第一の選択された一つに第一の回転方向「Ｄ１」へのプレトルクが付与され、第一のＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂの対のうちの第二の選択された一つに第二の回転方向「Ｄ２」へのプレトルクが付与され、第二の回転方向は第一の回転方向の実質的に反対である。例えば、図４Ｅにおいて、シャフト２２はその静止位置から矢印「Ｅ１」により示される方向にひねられる。シャフト２２がこのひねられた状態に保持されている間に、ＦＢＧ  ２６Ａがシャフト２２に固定される。ＦＢＧ  ２６Ａがシャフト２２に固定された後、シャフト２２がその静止位置に戻るようにされる。それが静止位置にある時、ＦＢＧ  ２６Ａは図４Ｅにおいて矢印「Ｄ１」により示されるようにひねられる。
【００４１】
同様にして、他方のＦＢＧ  ２６Ｂには好ましくは反対方向へのプレトルクが付与される。シャフト２２はその静止位置から矢印「Ｅ２」により示される方向にひねられる。シャフト２２がこのひねられた状態に保持されている間に、ＦＢＧ  ２６Ｂがシャフト２２に固定される。ＦＢＧ  ２６Ｂがシャフト２２に固定された後、シャフト２２がその静止位置に戻るようにされる。それが静止位置にある時、ＦＢＧ  ２６Ｂは図４Ｅにおいて矢印「Ｄ２」により示されるようにひねられる。
【００４２】
上記のことから、図４Ｄおよび４Ｅに示される実施形態において、第一、第二、第三、第四の変調光の各々がその特徴的スペクトルを有することがわかる。好ましくは、特徴的スペクトルの各々が分析されて、シャフト２２が受けるトルクが判定される。
【００４３】
当業者にとっては当然のことながら、任意の数のＦＢＧを利用することができ、ＦＢＧが光源に関して位置付けられる順序は、ＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂが互いに対して対称に位置付けられるかぎり、重要ではない。図４Ｄに示されるようなＦＢＧの配置は適当な配置の一例にすぎない。
【００４４】
本発明のシャフトアセンブリ３２の一実施形態を図７Ａ〜７Ｃに示す。シャフト２２は第一および第二の端部「Ｆ」、「Ｇ」の間に延びる（図７Ｂ）。図７Ｃは図７Ｂの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。図７Ｃからわかるように、孔３３が好ましくはシャフト２２と同軸にて、端部「Ｆ」からもう一方の端部「Ｇ」へと開けられる。穴３７が、シャフト２２の外面３９から孔３３と交差するように開けられる。１つの実施形態において、光ファイバ３４（図７Ｃにおいて破線で示される）が穴３７通じて表面から供給され、光ファイバ３４をシャフト２２の端部「Ｆ」において回転光ジョイント４４（図７Ｃでは示されていない）に動作的に接続できる。当然のことながら、光ファイバ３４は（上述のように）表面内に、またはその上に位置付けられ、ＦＢＧと光学的に接続される。回転光ジョイントは当技術分野で知られているため、それに関するこれ以上の説明は不要である。
【００４５】
シャフトアセンブリ３２は、（図７Ａに示されるように）組み立てられた後、モータ４２（図８）の中に取り付けられる。当業者にとっては当然のことながら、モータ４２によって動かされることになる負荷は好ましくは、シャフト２２の端部「Ｇ」に接続される。
【００４６】
当業者であればわかるように、特徴的スペクトルは様々な方法で分析してよく、アナライザ３０は、選択された光源や分析方法に応じて異なる構成要素を含んでいてよい。前述のように、いずれの具体的な用途においても、光源と分析方法は多数の要素に基づいて選択できる。ＦＢＧ反射（または場合に応じて透過）スペクトルの拡幅は、例えば光スペクトルアナライザ、ＦＢＧインタロゲーションシステム、または光パワー検出システム等、任意の適当な手段を使っても測定でき、これについては後述する。したがって、１つの実施形態において、アナライザ３０は好ましくは、光スペクトルアナライザ、ＦＢＧインタロゲーションシステムおよび光パワーに基づく分析システムからなる群から選択されたＦＢＧ復調システムを含む。当業者にとっては当然のことながら、上記は使用可能な代替的システムを羅列したものである。
【００４７】
以下の説明は、アナライザ３０の１つの実施形態に関するものであり、ＡＳＥ光源から光が発せられる。この実施形態において、アナライザは光パワー検出システムである。したがって、当然のことながら、以下の説明は例にすぎない。信号調整は好ましくは、アナライザ３０によって行われる作業の１つである（図５）。１つの実施形態において、図５に概略的に示されているように、アナライザ３０は好ましくは１つ以上のフォトダイオード（その中の４つが図５において符号７２Ａ〜７２Ｄで示されている）を含み、これらは変調光をそれに対応する電気信号に変換する。好ましくは、アナライザはまた、１つ以上の波長分波器（ＷＤＭ）（そのうちの４つが図５において符号７４Ａ〜７４Ｄで示されている）を含み、これらは変調光の特徴的スペクトルをフォトダイオード７２Ａ〜７２Ｄに提供する。アナライザ３０が１つ以上のプロセッサ７６を含むことも好ましく、これは特徴的スペクトルを分析して、その特徴的スペクトルの原因となったトルクを判定する。
【００４８】
当業者にとっては当然のことながら、図５に概略的に示されているように、システム２０は好ましくは、変調光をアナライザ３０へと透過させるための光サーキュレータ７８も含む。
【００４９】
要約すると、図５および９〜１２に示される実施形態において、ＡＳＥによって生成される広帯域光が利用され、ＷＤＭとフォトダイオードがセンサの復調に使用される。この実施形態の中で使用される要素と採用される技術は、例えばその比較的低いコストによって選択されてもよい。当業者にとっては当然のことながら、代替的な技術と要素の中には以下の例が含まれる。
【００５０】
スペクトルアナライザを使用すること（すなわち、ＷＤＭとフォトダイオードに代わる）、
ＦＢＧインタロゲーションシステム（ＦＢＧインタロゲータとも呼ばれる）を使用すること、
スペクトルアナライザを使って、波長可変レーザにより生成された光を分析すること、
フォトダイオードを使って、波長可変レーザにより生成された光を分析すること、及び
波長可変フィルタとフォトダイオードを使って、広帯域光により生成された光を分析すること。
【００５１】
上記の理由により、当然のことながら、図５および９〜１２に描かれ、または示されている特徴と要素の以下の説明は例にすぎない。
産業での利用
使用時に、光源２８によって発生された光は、図５において矢印「Ｊ」または「Ｋ」により示されるように、光サーキュレータ７８を介して光回路３５へと透過される。図４Ｄに示されるシャフトアセンブリ３２の実施形態を参照すると、ＦＢＧ  ５４Ａ、２６Ａ、２６Ｂ、５４Ｂの各々からのそれぞれ第一、第二、第三、第四の変調光は、矢印８０により示されるように、シャフトアセンブリ３２の光ファイバ３４を介して、また回転光ジョイント４４も介して光サーキュレータ７８へと透過される。（図５に示される）１つの実施形態において、第一、第二、第三、第四の変調光は好ましくは、矢印８２により示されるように、光サーキュレータ７８によってＷＤＭ  ７４Ａへと透過される。ＷＤＭ  ７４Ａは好ましくは、第一の変調光を第二、第三、第四の変調光から分離し、これを、矢印８４により示されるように、第一のフォトダイオード７２Ａへと透過させる。第一の変調光に関する特徴的スペクトルの特徴的な信号は好ましくは、次にフォトダイオード７２Ａからプロセッサ７６へと伝送されて、処理され、これについては後述する。
【００５２】
図５を参照すると、第二、第三、第四の変調光は好ましくは、矢印８６により示されるように、ＷＤＭ  ７４ＡからＷＤＭ  ７４Ｂへと透過される。ＷＤＭ  ７４Ｂは好ましくは、第二の変調光を第三、第四の変調光から分離し、これを矢印８８により示されるように、第二のフォトダイオード７２Ｂへと透過させる。第二の変調光に関する特徴的スペクトルの特徴的な信号は好ましくは、次にフォトダイオード７２Ｂからプロセッサ７６へと伝送される。
【００５３】
第三および第四の変調光は好ましくは、図５において矢印９０により示されるように、ＷＤＭ  ７４ＢからＷＤＭ  ７４Ｃへと透過される。ＷＤＭ  ７４Ｃは好ましくは、第三の変調光を第四の変調光から分離し、これを矢印９２により示されるように、第三のフォトダイオード７２Ｃへと透過させる。第三の変調光に関する特徴的スペクトルの特徴的な信号は好ましくは、次にフォトダイオード７２Ｃからプロセッサ７６へと伝送される。
【００５４】
第四の変調光は好ましくは、図５において矢印９４により示されるように、ＷＤＭ  ７４ＣからＷＤＭ  ７４Ｄへと透過される。ＷＤＭ  ７４Ｄは好ましくは、第四の変調光を分離して、これを矢印９６により示されるように、第四のフォトダイオード７２Ｄへと透過させる。第四の変調光に関する特徴的スペクトルの特徴的な信号は好ましくは、次にフォトダイオード７２Ｄからプロセッサ７６へと伝送される。
【００５５】
１つの実施形態において、プロセッサ７６が信号を処理することによって特徴的スペクトルを生成するようにプログラムされていることが好ましい。特徴的スペクトルの例が図９〜１１において提供されている。
【００５６】
図９〜１１に提供される例において、光はＡＳＥ（自然放射増幅光）を使って生成される。図９〜１１の各々において符号１０１で示される線は、シャフト２２が室温であり、シャフト２２が受けるトルクがセロである時のＡＳＥ光源のスペクトルを示す。当業者にとっては当然のことながら、他の光源からの光（すなわち、必ずしも広帯域光とはかぎらない）を利用してもよい。このような他の光のスペクトルは相応に異なるであろう。図９〜１１に示されるスペクトルは例にすぎず、これは当業者にとっては当然のことである。
【００５７】
ＦＢＧ  ２６Ａ、５４Ａ、５４Ｂ、２６Ｂのそれぞれに関連する特徴的スペクトルは図９〜１１において、参照文字「Ｍ」、「Ｎ」、「Ｐ」、「Ｑ」で示されている。図１１からわかるように、温度によってスペクトルのすべてが同じようにシフトする。
【００５８】
図９においては、正のトルクの影響が見られる。（本明細書の解釈において、「正のトルク」とは、選択された方向にシャフトをひねることを意味する。）特徴的スペクトル「Ｍ」（ＦＢＧ  ２６Ａに関連する）は拡幅されて、若干広くなった形状（破線で示される）を画定し、これは「Ｍ１」で示され、部分的に右側にシフトしている。特徴的スペクトル「Ｑ」（ＦＢＧ  ２６Ｂに関連する）は若干狭められ、より狭い形状（これも破線で示される）が「Ｑ１」で示され、部分的に左側にシフトしている。
【００５９】
当業者にとっては当然のことながら、上記の結果はＦＢＧ  ２６Ａ、２６Ｂに反対方向のプレトルクが付与されたことによる。シャフトが１つの方向にひねられると、プレトルクが付与されたＦＢＧの対のうちの一方が拡幅され、それと同時にもう一方のＦＢＧは狭められる。
【００６０】
図１０に、負のトルクの影響が示されている。（本明細書の解釈において、「負のトルク」とは、上述の選択された方向の反対方向にシャフトをひねることを意味する。）この状況において、特徴的スペクトル「Ｍ」（ＦＢＧ  ２６Ａに関連する）は拡幅されて、若干狭い形状（破線で示される）を画定し、これは「Ｍ２」で示され、部分的に左側にシフトしている。しかしながら、特徴的スペクトル「Ｑ」（ＦＢＧ  ２６Ｂに関連する）は拡幅され、より広い形状（これも破線で示される）が「Ｑ２」で示され、部分的に右側にシフトしている。
【００６１】
図１１に、温度の影響が示されている。シャフトの温度上昇によって、特徴的スペクトル「Ｍ」、「Ｎ」、「Ｐ」、「Ｑ」の各々は、破線で示され、それぞれ「Ｍ３」、「Ｎ３」、「Ｐ３」、「Ｑ３」で特定される特徴的スペクトルにより示されるように、右側にシフトしている。スペクトルは、温度の影響によっては拡幅されず、また狭められない。
【００６２】
前述のように、温度によるシフトは、ＡＳＥの光の強度が波長に応じて変化する様子を示す図１１の曲線１０１が平坦でない性質であるため、増大する。
アナライザ３０によって実行される信号調整と処理が、ＡＳＥ光源と、上述のような４つのＦＢＧと、また、図５に示されるアナライザの実施形態と、を含む実施形態のシステムに関して図１２に概略的に示されている。この実施形態において、特徴的スペクトル（「Ｒ」で示される）がＷＤＭ  ７４Ａ〜７４Ｄへと透過されて、ＷＤＭによるフィルタ処理（図１２において「Ｓ」で示される）が行われ、その結果、チャネル１〜４のパワー（それぞれ、「Ｔ１」〜「Ｔ４」とする）が得られる。そこからの信号がプロセッサ７６によって処理され（「Ｕ」）、トルクが判定される（「Ｖ」）。
【００６３】
当業者にとっては当然のことながら、プロセッサ７６による処理は、１つの実施形態において、好ましくは多くのステップを含む（図１３）。システム２０の校正を行ってからトルクを判定でき、これは当業者により知られているとおりである。例えば、トルク校正のために、トルク試験データ１０２について分析１０４が行われ、選択されたシステムに関するトルク定数１０６が提供される。前述の理由により、当然のことながら、選択されたシステムは必ずしも図５に示されるアナライザの実施形態を含んでいなくてもよい。
【００６４】
前述のように、１つの実施形態において（すなわち、ＡＳＥ光が使用される場合）、温度に関する調整を行うことが好ましい。温度校正のために、温度試験データ１０８について分析１１０が行われ、選択されたシステム２０に関する温度定数１１１が提供される。
【００６５】
これに加えて、光回転ジョイントの校正１１３が行われる。
好ましくは、トルクおよび温度定数と光回転ジョイント校正データとが校正方程式１１６を介して使用されて、選択されたシステム２０に使用するためのトルク／温度方程式１１８が提供される。それゆえ、完成したトルク／温度方程式が好ましくは、上述の信号調整から得られた信号を処理して、シャフトが受けるトルクを判定するために使用される。当業者であれば関係する技術がわかるため、これらについてより詳しく説明する必要はない。
【００６６】
本発明はまた、物体２２を、同物体によって画定される軸２４の周囲でひねることによって物体２２が受けるトルクを測定する本発明の方法２２３の実施形態も含む。図１４からわかるように、方法２２３は好ましくは、まず、１つ以上のファイバブラッググレーティング２６を物体２２に、ファイバブラッググレーティングが物体の軸に非平行となるように固定するステップを含む（図１４のステップ２２５）。光が１つ以上の光源２８から生成される（ステップ２２７）。光はファイバブラッググレーティング２６へと透過され、光がフィルタ処理されて、１つ以上の特徴的スペクトルを有する変調光が提供される（ステップ２２９）。特徴的スペクトルが分析されて、物体が受けるトルクが判定される（ステップ２３１）。
【００６７】
本発明の別の実施形態による方法３２３が図１５に示されている。方法３２３は好ましくは、まず、第一のファイバブラッググレーティング２６Ａ、２６Ｂの対を物体２２の所定の位置に、第一のファイバブラッググレーティングの対の各々が、それぞれ第一のファイバブラッググレーティングの対の各々と物体の軸との間に約４５°の角度が画定される位置付けとなるように固定するステップ（図１５のステップ３４１）を含む。また、２つの第二のファイバブラッググレーティング５４Ａ、５４Ｂが物体の所定の位置に、２つの第二のファイバブラッググレーティングの各々がそれぞれ実質的に物体の軸と整列されるように固定される（ステップ３４３）。光が１つ以上の光源から生成される（ステップ３４５）。光が第一および第二のファイバブラッググレーティングの各々へと透過され、光がフィルタ処理されて、それぞれ第一および第二のファイバブラッググレーティングの各々から変調光が提供され、この変調光はそれぞれの特徴的スペクトルを有する（ステップ３４７）。特徴的スペクトルが分析されて、物体が受けるトルクが判定される（ステップ３４９）。
【００６８】
１つの実施形態において、方法３２３は好ましくは、２つの第二のフィルタブラッググレーティング５４Ａ、５４Ｂによるフィルタ処理から得られる変調光の特徴的スペクトルを分析して、温度の影響を補正するステップを含む（図１６、ステップ３５１）。また、物体が受けるトルクを判定するための、第一のファイバブラッググレーティング２６Ａ、２６Ｂの対によるフィルタ処理から得られた変調光の特徴的スペクトル（ステップ３５３）。
【００６９】
当業者にとっては当然のことながら、図１５においてステップ３４１および３４３は特定の順序で示されているが、これらのステップの順序は機能的に重要ではなく、すなわちステップ３４３がステップ３４１より前であってもよい。また、図１６においてステップ３５１はステップ３５３より前に示されているが、ステップ３５３をステップ３５１より前にすることもできる。
【００７０】
当業者にとっては当然のことながら、本発明は多くの形態をとることができ、このような形態は特許請求されている本発明の範囲の中に含まれる。特許請求の範囲は例中に記載された好ましい実施形態によって限定されるべきではなく、これには説明全体と矛盾しない最も広い解釈が与えられる。
【図２Ａ】
2015529803.tif 000003
【図３Ａ】
2015529803.tif 000004
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2015529803.tif 000006
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
2015529803.tif 000010
【図６】
2015529803.tif 000011
【図７Ａ】
2015529803.tif 000012
【図７Ｂ】
2015529803.tif 000013
【図７Ｃ】
2015529803.tif 000014
【図８】
2015529803.tif 000015
【図１Ａ】
2015529803.tif 000016
【図１Ｂ】
2015529803.tif 000017
【図２Ｂ】
2015529803.tif 000018
【図３Ｂ】
2015529803.tif 000019
【図９】
2015529803.tif 000020
【図１０】
2015529803.tif 000021
【図１１】
2015529803.tif 000022
【図１２】
2015529803.tif 000023
【図１３】
2015529803.tif 000024
【図１４】
2015529803.tif 000025
【図１５】
2015529803.tif 000026
【図１６】
2015529803.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月23日(2015.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体が、前記物体よって画定される軸の周囲で同物体をひねることによって受けるトルクを測定する測定システムにおいて、前記測定システムは、
前記物体に固定された１対の第一のファイバブラッググレーティングであって、前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの各々が少なくとも部分的に曲線を画定するために前記物体上にそれぞれ位置付けられる１対の第一のファイバブラッググレーティングと、
前記ファイバブラッググレーティングの各々へと透過可能な光を提供するための少なくとも１つの光源と、
前記ファイバブラッググレーティングの各々へと透過された前記光はそれによってフィルタ処理されて、少なくとも１つの特徴的スペクトルを有する変調光が提供されることと、
前記第一のファイバブラッググレーティングの各々からの前記少なくとも１つの特徴的スペクトルを分析して前記物体が受ける前記トルクを判定するためのアナライザと、
を含む測定システム。
【請求項２】
前記１対の第一のファイバブラッググレーティングが、前記軸に関して対称に位置付けられる、請求項１に記載の測定システム。
【請求項３】
前記第一のファイバブラッググレーティングの各々によってそれぞれ画定される曲線の接線方向にある実質的な直線が、前記直線と前記物体の前記軸との間に４５°の角度を画定する、請求項１に記載の測定システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光源が、発光ダイオード、波長可変レーザ、ファブリ・ペローレーザ、およびスーパールミネッセントダイオードからなる群から選択される、請求項１に記載の測定システム。
【請求項５】
前記物体が回転可能なシャフトである、請求項１に記載の測定システム。
【請求項６】
前記回転可能なシャフトが、前記回転可能なシャフトが取り付けられたモータによって駆動される、請求項５に記載の測定システム。
【請求項７】
前記光と前記変調光が少なくとも１本の光ファイバを介して透過される、請求項６に記載の測定システム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの光源からの前記光が回転光ジョイントを介して前記少なくとも１本の光ファイバへと透過される、請求項７に記載の測定システム。
【請求項９】
前記シャフトに固定され、かつ前記軸と実質的に整列される少なくとも１つの第二のファイバブラッググレーティングをさらに含む、請求項５に記載の測定システム。
【請求項１０】
前記シャフトに固定された２つの第二のファイバブラッググレーティングをさらに含み、前記２つの第二のファイバブラッググレーティングの各々がそれぞれ前記軸と実質的に整列され、かつ前記２つの第二のファイバブラッググレーティングが前記軸に関して対称に位置付けられる、請求項５に記載の測定システム。
【請求項１１】
前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの第一の選択された一つに、第一の回転方向へのプレトルクが付与され、
前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの第二の一つに、前記第一の回転方向と実質的に反対の第二の回転方向へのプレトルクが付与される、
請求項１０に記載の測定システム。
【請求項１２】
前記アナライザが、光スペクトルアナライザ、ＦＢＧインタロゲーションシステム、および光パワーに基づく分析システムからなる群から選択されるＦＢＧ復調システムを含む、請求項１に記載の測定システム。
【請求項１３】
前記アナライザが、
前記変調光をそれに対応する電気信号に変換するための少なくとも１つのフォトダイオードと、
前記変調光の前記少なくとも１つの特徴的スペクトルをその変換のために前記少なくとも１つのフォトダイオードに提供するための少なくとも１つの手段と、
前記少なくとも１つの特徴的スペクトルを分析して、前記少なくとも１つの特徴的スペクトルの原因となった前記トルクを判定するための少なくとも１つのプロセッサと、
を含む、請求項１に記載の測定システム。
【請求項１４】
前記変調光を前記アナライザに透過させるための光サーキュレータをさらに含む、請求項１に記載の測定システム。
【請求項１５】
物体が、前記物体によって画定される軸の周囲で同物体をひねることによって受けるトルクを測定する方法において、前記方法は、
（ａ）１対の第一のファイバブラッググレーティングを前記物体に固定するステップであって、同１対の第一のファイバブラッググレーティングの各々を少なくとも部分的に曲線を画定するべくそれぞれ配置するためのステップと、
（ｂ）少なくとも１つの光源で光を生成するステップと、
（ｃ）前記光を前記ファイバブラッググレーティングの各々へと透過させて、それによって前記光をフィルタ処理し、少なくとも１つの特徴的スペクトルを有する変調光を提供するステップと、
（ｄ）前記第一のファイバブラッググレーティングの各々からの前記少なくとも１つの特徴的スペクトルをそれぞれ分析して、前記物体が受ける前記トルクを判定するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
物体が、前記物体によって画定される軸の周囲で同物体をひねることによって受けるトルクを測定する方法において、前記方法は、
（ａ）１対の第一のファイバブラッググレーティングを前記物体の所定の位置に固定するステップであって、前記１対の第一のファイバブラッググレーティングの各々が、曲線を画定するためにそれぞれ位置付けられるように固定するステップと、
（ｂ）２つの第二のファイバブラッググレーティングを前記物体の所定の位置に固定するステップであって、前記２つの第二のファイバブラッググレーティングの各々がそれぞれ前記物体の前記軸と実質的に整列されるように固定するステップと、
（ｃ）少なくとも１つの光源で光を生成するステップと、
（ｄ）前記光を前記第一及び第二のファイバブラッググレーティングの各々へと透過させて、それによって前記光をフィルタ処理し、それぞれ前記第一及び第二のファイバブラッググレーティングの各々からの変調光を提供するステップであって、前記変調光がそれぞれ特徴的スペクトルを有するようなステップと、
（ｅ）前記特徴的スペクトルを分析して、前記物体が受ける前記トルクを判定するステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
ステップ（ｅ）が、
（ｅ．１）前記２つの第二のファイバブラッググレーティングによるフィルタ処理から得られる前記変調光の前記特徴的スペクトルを分析して、温度の影響について補正するステップと、
（ｅ．２）前記１対の第一のファイバブラッググレーティングによるフィルタ処理から得られる前記変調光の前記特徴的スペクトルを分析して、前記物体が受ける前記トルクを判定するステップと、
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【国際調査報告】
2015529803.tif 000028
2015529803.tif 000029