(57)【要約】【課題】  電磁環境に影響を与えないと同時に、電磁環境から影響を受けずに、加速度などの物理量を高応答かつ高精度に計測できる光学式センサを提供する。【解決手段】  加速度、力、圧力、変位、温度の何れかの物理量を検出する光学式センサ１であって、物理量に応じて変位を生じる起歪部２を有する変位受容部１０と、起歪部２に固着され、物理量に応じて変位を生じる変位検知用のレンズ６と、変位検知用のレンズに光を照射する光照射部２０と、変位検知用のレンズ６を通過した光を受光する光受光部３０とを含み、起歪部２が変位受容部の本体３に固着され、物理量が変位検知用のレンズ６の変位となり、この変位に応じた光路の変化が光受光部３０で検知される。【選択図】  図２
2005308463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度、力、圧力、変位、温度の何れかの物理量を検出する光学式センサであって、
上記物理量に応じて変位を生じる起歪部とを有する変位受容部と、
上記起歪部に固着され、上記物理量に応じて変位を生じる変位検知用のレンズと、
上記変位検知用のレンズに光を照射する光照射部と、
上記変位検知用のレンズを通過した光を受光する光受光部と、を含み、
上記起歪部が上記変位受容部の本体に固着され、上記物理量が上記変位検知用のレンズの変位となり、この変位に応じた光路の変化が上記光受光部で検知されることを特徴とする、光学式センサ。
【請求項２】
前記光照射部が、光ファイバにより前記起歪部に固着されている前記変位検知用のレンズ近傍まで接続されることを特徴とする、請求項１に記載の光学式センサ。
【請求項３】
前記光受光部が、光ファイバにより前記起歪部に固着されている前記変位検知用のレンズ近傍まで接続されることを特徴とする、請求項１に記載の光学式センサ。
【請求項４】
前記起歪部または前記起歪部と変位受容部本体が、非磁性体で形成されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の光学式センサ。
【請求項５】
前記起歪部に含まれる起歪体が、軸対称または面対称形状である弾性変形部分を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の光学式センサ。
【請求項６】
前記光受光部が、さらに、前記光検知による信号を処理する信号処理部を備えることを特徴とする、請求項１または３に記載の光学式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場の影響を受けずに加速度、力、圧力、変位及び温度の測定ができる光学式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴画像（ＭＲＩ）は、非侵襲かつ高精度に生体内部を可視化できるという優れた機能を有しており、医療から生体解析に至るまで幅広い分野で活用されている。しかし、ＭＲＩはその撮像原理である核磁気共鳴（ＮＭＲ）を発生させるために、均質な磁場と電磁波を必要とする。このため、強磁性体や電気回路から構成されている、一般的な機械・電子部品をＭＲＩの撮像領域近傍で使用することはできない。ＭＲＩに影響を与えない、そしてＭＲＩから影響を受けないメカトロデバイスを開発することは、ＭＲＩを用いた実験の質を向上させるための重要な技術課題の一つである。
なぜなら、ＭＲＩから影響を受けない、そしてＭＲＩに影響を与えないメカトロデバイスを使用することで、撮像したＭＲＩ画像を解釈するための付加情報を豊富に得ることができるからである。特に、人体の構造や、運動制御中の脳機能を調べる研究においては、人体に加える負荷、そして人の随意運動を定量化するためのメカトロデバイスである加速度、力、圧力、あるいは変位センサの開発が強く望まれている。
【０００３】
従来の加速度、力、圧力あるいは変位の印加を検知するセンサとしては、金属抵抗素子式、圧電素子式、静電容量式、光ファイバ式、光学式、流体圧式などのセンサが公知である。
金属抵抗素子式センサにおいては、上記の加速度などの物理量により起歪体の変形を生じさせ、起歪体表面に接着された金属抵抗素子の電気抵抗値の変化を検出することで物理量を検出する。このセンサは、磁性を有する金属材が使用されているため、これを電磁環境内に持ち込むと電磁環境を変化させる。同時に、電磁環境内に持ち込むことで引力を受けたり、雑音が混入する。このため、ＭＲＩ、高圧線近傍、磁気計測装置などの劣悪な電磁環境下で使用することは困難である。
【０００４】
また、圧電素子式センサは、上記の物理量により圧電素子に機械的な負荷を作用させ、それに応じ圧電素子が発生する電荷を検出することで物理量を検出するものである。このセンサは高価であり、また、静的負荷の検出が難しい。また、磁性を有する金属材が使用されているため、金属抵抗素子式センサと同様に、劣悪な電磁環境下で使用することは困難である。
【０００５】
また、静電容量式センサは、上記物理量の印加により、対向する電極の一方または両方に変位を生じさせ、電極間の静電容量の変化を検出することで物理量を検出するものである。このセンサも磁性を有する金属材が使用されているために、劣悪な電磁環境下で使用することは困難である。
【０００６】
また、光ファイバ式センサは、上記物理量の印加により起歪体に固定された光ファイバに歪みを加え、それに応じて変化する光量を検出することで、物理量を検出するセンサである。例えば、曲げ損失による光量の減少を検出する光量式、光ファイバに入射したパルス光の反射周波数分布を検出するＯＴＤＲ式、光ファイバのコア部屈折率を一定の周期で変化させ特定の波長光のシフト量を検出するＦＢＧ式（非特許文献１）などがある。これらのセンサも起歪部を非磁性体のみで構成することが可能である。しかし、光量式センサは、精度及び剛性が低く、多軸化が困難である。また、ＯＴＤＲ式、ＦＢＧ式センサは、その原理上高度な信号処理部を必要とするため、高価である。また、何れの方式の光ファイバ式センサも光ファイバ自身に歪みが加わるため、耐久性がない。
【０００７】
また、光学式センサは、上記物理量の印加により起歪体に固定された発光素子に変位を発生させ、その位置変化を受光素子で検出することで物理量を検出するセンサであり、発光素子と受光素子との間の光路を光ファイバで延長することで、光ファイバ式センサと同様に変位受容部を非磁性体のみで構成することが可能である（特許文献１、非特許文献２〜４参照）。また、光学式センサは構造上、低価格である。
図１３は、従来の光学式センサ１００を模式的に示す図である。この光学式センサ１００は力センサであり、光学素子及びアンプ１０１を電磁環境外に設置し、アクリル樹脂で作られた変位受容部１０２への光路を光ファイバ１０３で延長することで、電磁環境との相互影響が少なくなるようにしている。変位受容部１０２の拡大図に示すように、発光側の光ファイバ１０４がセンサの変位受容部１０２に直接固定されているため、光ファイバ１０３を伝わる機械的振動が力計測に影響を与える。
【０００８】
さらに、流体圧式センサは、上記物理量の印加により、密閉容器内の流体に圧力を加え、その圧力の変化を上記の金属抵抗素子式などの各センサを使用することで物理量を検出するセンサである。このセンサにおいては、密閉容器と検出装置との間を流体を満たしたチューブで延長することで、変位受容部を非磁性体のみで構成することが可能である。
この流体圧式センサとして、例えば、水圧式握力計が非特許文献５に報告されている。センサ本体はグリッパ状を成しており、ここに加えられた握力が、蒸留水を満たしたナイロンチューブを通して電磁環境外に設置された圧力計に伝達される。しかし、グリッパに内蔵されているピストン機構の摩擦のため、この握力計は０〜８０Ｎという広い範囲が不感帯となり、小さな力が測定できない。また、その重量が重く、応答性及び精度が低く、多軸化が困難である。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２８４６９９号公報
【非特許文献１】H. Iwaki et al, "Health Monitoring System Using FBG-Based  Sensors for a 12-Story Building with Column Dampers", 2001, Proc.of Int. Symp. of Smart Structures and Materials, pp.471-478
【非特許文献２】S. Hirose et al, "Development of Optical 6-Axial Force Sensor and Its Signal Calibration Considering Non-Linear Interference", 1990, Proc. of Int. Conf. on Advanced Robotics, pp.49-57
【非特許文献３】M. Tada et al,"Development of an Optical 2-axis Force Sensor Usable in MRI Environments", 2002, Proc. of int. conf. on sensors
【非特許文献４】N. Takahashi et al, "An Optical 6-axis Force Sensor for Brain Function Analysis using fMRI", 2003, Proc. of int. conf. on sensors, pp.253-258
【非特許文献５】J. Z. Liu et al., "Simultaneous measurement of human joint force, surface electromyograms, and functional MRI-measured brain activation", 2000, J. of Neurosciece Method, vol.101, pp.49-57
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
劣悪な電磁環境の影響を受けないセンサとして、光ファイバ式センサ、光学式センサ、流体圧式センサが知られている。これらのセンサにおいて、光学式センサは、軽量かつ安価であり、高速動作するので、その実用化が望まれている。
しかしながら、従来の光学式センサは、光発光側の光ファイバがセンサの起歪部に直接固定されているため、ファイバを伝わる機械的振動が加速度、力、圧力または変位計測に影響を与えるという課題がある。
また、発光側光ファイバから照射される光線の一部しか受光側光ファイバに入射しないために精度が低下するという課題がある。
【００１１】
上記課題に鑑み、本発明は、電磁環境に影響を与えないと同時に、電磁環境から影響を受けずに、加速度、力、圧力、変位を、高応答かつ高精度に計測できる光学式センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の光学式センサは、加速度、力、圧力、変位、温度の何れかの物理量を検出する光学式センサであって、物理量に応じて変位を生じる起歪部を有する変位受容部と、起歪部に固着され、物理量に応じて変位を生じる変位検知用のレンズと、変位検知用のレンズに光を照射する光照射部と、変位検知用のレンズを通過した光を受光する光受光部と、を含み、起歪部が変位受容部の本体に固着され、物理量が変位検知用のレンズの変位となり、この変位に応じた光路の変化が光受光部で検知されることを特徴とする。
上記構成によれば、変位検知用のレンズだけが起歪部に固着されるので、光ファイバなどの配線を伝達する機械的振動が、加速度などの物理量の検出に与える影響がなくなる。また、変位検知用のレンズを備えることにより、光の損失が減少すると同時に、変位検知用のレンズの変位を光学的に増幅できるため精度が向上する。さらに、光を検出原理としているため応答性が高く、多軸方向の変位を、独立性を保ちながら検出することが可能であるため、多軸化も容易である。
【００１３】
上記構成において、光照射部は、好ましくは、光ファイバにより起歪部に固着されている変位検知用のレンズ近傍まで接続される。また、光受光部は、好ましくは、光ファイバにより起歪部に固着されている変位検知用のレンズ近傍まで接続される。
上記構成によれば、加速度、力、圧力、変位または温度受容部を光照射部及び光受光部から遠ざけることができ、検出部に電源が不要になると同時に、電磁環境下でも誤動作しなくなる。このため、高圧線近傍等の劣悪な電磁環境下で加速度、力、圧力、変位、温度の検出が可能になる。
【００１４】
上記構成において、起歪部に含まれる起歪体は、好ましくは、非磁性体で形成されている。この構成によれば、加速度などの変位受容部を非磁性体のみで構成することができ、電磁環境に影響を与えないと同時に、電磁環境下でも誤動作しない。このため、ＭＲＩ内、高圧線近傍、磁気計測装置近傍などの劣悪な電磁環境化で加速度、力、圧力、変位、温度の検出が可能になる。
【００１５】
上記起歪部に接続する起歪体は、好ましくは、軸対称または面対称形状である弾性変形部分を備える。上記構成によれば、単軸または多軸方向の加速度などの物理量に応じて起歪体が変形するため、単軸または多軸方向の加速度、力、圧力、変位、温度を正確に検出することが可能となる。
【００１６】
上記光受光部は、さらに、好ましくは、光検知による信号を処理する信号処理部を備える。この構成によれば、加速度などの物理量を高速かつ高精度で検知検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光学式センサによれば、電磁環境に影響を与えず、かつ、電磁環境下でも誤動作がないセンサを提供できる。このセンサは、センサ本体に電源が不要であり、精度が高く、かつ応答性が高いので、ＭＲＩ内、高圧線近傍、磁気計測装置近傍などの劣悪な電磁環境化で加速度、力、圧力、変位、温度の検出が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
最初に、本発明による第１の実施形態に係る光学式センサについて説明する。
図１及び図２は、本発明に係る第１の実施の形態による光学式センサの構成を模式的に示す図である。図１は、本発明に係る第１の実施の形態による光学式センサの構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、光学式センサ１は、変位受容部１０と、変位受容部へ光を入射する光照射部２０と、変位受容部１０からの光を受光する光受光部３０から構成されている。
【００１９】
図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図示するように、変位受容部１０は、起歪部２と変位受容部本体３とから構成されており、変位受容部本体３の溝部３ａに起歪部２の下部２ｂが配設されている。起歪部２は、上部２ａと下部２ｂとが円柱形状を有していて、上部２ａが起歪体４を介して支持体５に接続されている。この支持体５は、変位受容部本体３に固着されている。また、起歪部２の下部２ｂには、変位検知用のレンズ６が挿入し、固着されている。
この起歪部２に含まれる起歪体４は、好ましくは、軸対称または面対称形状である弾性変形部分となっている。このため、単軸または多軸方向の加速度などの物理量に応じて起歪体が変形するため、単軸または多軸方向の加速度、力、圧力、変位、温度を正確に検出することが可能になる。
このように構成されている変位受容部１０は、起歪部の上部２ａに力が印加されると、起歪体４が撓み、変位検知用のレンズ６が微小変位する。この際、起歪部の下部２ｂの底部と上記溝部３ａとの間には、変位の妨げにならないように隙間が設けられている。
ここで、変位受容部１０は、磁場の影響を受けないように、プラスチック樹脂、セラミックまたはガラス等のような非磁性材料で形成されている。
【００２０】
光照射部２０は光源２１及びレンズ２２などから成り、変位受容部１０に挿入し、固着される光照射用の光線路２３を介して、起歪部下部２ｂの変位検知用のレンズ６に光を照射する。したがって、光照射部２０の光源２１が、光ファイバなどから成る光線路２３により起歪部２に固着されている変位検知用のレンズ６近傍まで接続される。
ここで、光源２１としては、可視光や赤外光の発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザダイオードを用いることができ、点光源であることが好ましい。また、光線路２３としては、光ファイバを用いることができる。後述するように、変位検知用のレンズ６の変位に対応するために、光ファイバ２３は、多芯線光ファイバを用いることが好ましい。さらに、レンズ２２としては、点光源２１の光を光線路２３に効率良く結合させるために、光学レンズや屈折率分布型レンズを用いることができる。
【００２１】
光受光部３０は光検知器３１及びレンズ３２などから成り、変位受容部１０に挿入し、固着される光受光用の光線路３３を介して、変位検知用のレンズ６からの出射光が入射し、光検知器３１により検知される。したがって、光受光部３０が、光ファイバなどから成る光線路３３により起歪部２に固着されている変位検知用のレンズ６の近傍まで接続される。
ここで、光検知器３１は、後述するが、２分割や４分割フォトダイオード、または一次元や二次元ＰＳＤを使用することができる。また、レンズ３２及び光線路３３は、光照射部２０と同じ部品を使用することができる。
【００２２】
図３は図２に点線で示す変位検知用のレンズ６の拡大図であり、（ａ）が変位のない場合であり、（ｂ）が変位のある場合を模式的に示す図である。図３（ａ）に示すように、変位検知用のレンズ６に変位のない場合には、変位検知用のレンズ６を通過する光７は、光軸上に結像する。光照射部の光線路、起歪部の変位検知用のレンズ、及び光受光部の光線路は、図２の水平方向（ｘ軸方向）が光軸となっている。
【００２３】
一方、図３（ｂ）に示すように、変位検知用のレンズ６に変位（図３（ｂ）の矢印Ｃ（↓）参照）が生じた場合には、変位検知用のレンズ６を通過する光８は、光軸の中心からずれるようになる（図３（ｂ）の矢印Ｄ（↓）参照）。
【００２４】
次に、本発明の光学式センサの光路について説明する。
図４及び図５は、本発明に係る第１の実施の形態による光学式センサ１の光路を模式的に示す図であり、それぞれ、変位検知用のレンズ６に変位がない場合と、変位検知用のレンズ６に変位が生じた場合を示している。図おいては、起歪部２は変位検知用のレンズ６のみを示し、また、光線路２３，３３は、変位受容部１０に対して十分に長いものとして図示している。
図４に示すように、光照射部のレンズ２２の焦点距離をｆ1 とすると、レンズ２２の主面と点光源２１との間隔と、レンズ２１の主面と光線路２３との入射側端面の間隔とを、それぞれ、２ｆ1 とすれば、点光源像が、光線路２３の入射側端面に結像する。この像が、光照射部の光線路２３の中心軸上を伝播し、光線路２３から出射する。このときの光線路２３内の光路は、光路３６ａである。
また、変位検知用のレンズ６の焦点距離をｆ2 とすると、光線路２３の出射側端面と変位検知用のレンズ６との間隔と、変位検知用のレンズ６の主面と光受光部の光線路３３の入射側端面との間隔を、それぞれ、２ｆ2 とすると、上記点光源像が光受光部の光線路３３の入射側端面に結像する。そして、この像が光受光部の光線路３３の中を、光路３６ｂとしてその中心軸上を伝播し、光線路３３から出射する。ここで、光照射部のレンズ３２の焦点距離をｆ3 とすると、光線路３３の出射側端面とレンズ３２の主面との間隔と、レンズ３２の主面と光検知器３１との間隔とを、それぞれ、２ｆ3 とすれば、上記点光源像が、光検知器の中心３１ａに結像する。なお、上記各レンズ６，２２，３２の焦点距離ｆが同じであれば、上記の間隔は２ｆでよい。
【００２５】
次に、変位検知用のレンズ６に変位（図５の矢印Ｅ（↑参照））が生じた場合には、図５に示すように、変位検知用のレンズ６の変位に応じて、像の位置が変化して（図５の矢印Ｆ（↑参照））、光受光部側の光線路３３に入射する。この像は、光線路の端部である光路３７ｂとして、中心軸からずれて伝播する。そして、レンズ３２を介してその像が検知器の上部３１ｂに結像する。これにより、変位検知用のレンズ６に生じる変位が、光検知器３１により結像位置の変化として検知される。
【００２６】
次に、本発明の光学式センサの変位検出原理についてさらに詳しく説明する。
図６は、本発明に係る第１の実施の形態による変位検知用のレンズによる変位を模式的に説明する示す図である。図においては、光線路を省略している。変位検知用のレンズ６として、焦点距離がｆである光学レンズが原点に位置している。そして、これを挟むように点光源２１と光検知器３１の受光面を、それぞれ（−２ｆ，０）と（２ｆ，０）とに固定する。ｆが変位検知用のレンズ６の焦点距離であるため、この状態では点光源２１の像は光検知器３１の中心に結像する。
【００２７】
ここで、変位検知用のレンズ６に微小変位（ｄｘ，ｄｙ）を与える。結像方程式を用いると、変位検知用のレンズ６の変位に伴う結像位置の変化（ｄＸ，ｄＹ）は下記式（１）で表すことができる。
【数１】
2005308463.tif 000003
式（１）において高次項を無視すると、最終的に点光源２１の結像位置（ｆx ，ｆy ）は下記式（２）で表される。
【数２】
2005308463.tif 000004
この式から明らかなように、ｙ軸方向の変位検知用のレンズ６の変位が２倍に拡大されるのに対し、ｘ軸方向の変位は結像位置の変化に寄与しない。
このように、点光源２１及び光検知器３１は共に固定し、可動部となる変位検知用のレンズ６を起歪部２に固定するだけで、変位に伴い結像位置が変化する。このため、光ファイバなどの配線を通し伝わる機械的振動が変位計測に与える影響を排除できる。これらの特徴は、計測精度の向上に直接寄与するものである。
【００２８】
この結像位置の変化は、後述するように、２分割フォトダイオードなどの光検知器３１と差動アンプなどの増幅器を用いれば極めて高い精度で計測することができる。このように、変位に応じた光路の変化が光受光部３０で検知される。つまり、最終的に変位検知用のレンズ６の微小変位を計測することができる。
【００２９】
以上で説明した１次元の変位計測原理は、一般性を損なうことなく２次元へと拡張することができる。つまり、変位検知用のレンズ６の紙面に垂直方向の変位ｄｚに伴う結像位置の変化ｄＺも計測することができる。この場合、２分割フォトダイオードの代わりに、４分割フォトダイオード等の光検知器３１が必要となる。
また、核磁気共鳴装置などの電磁環境において、本発明の光学式センサ１を併用する場合には、上記受発光素子や増幅器などの電子回路や電気配線は核磁気共鳴装置の撮像領域などの電磁環境からは十分に遠ざけることが望ましい。これは、光線路２３，３３を用い、光学素子間の光路を延長することで容易に実現できる。ただし、結像位置の変化を伝達する必要があるため、光線路２３，３３としては、多芯線の光ファイバを用いることが望ましい。
【００３０】
これにより、本発明の光学式センサ１によれば、軸の独立性が高い。つまり、変位検知用のレンズ６の光軸方向の動きは、位置計測にほとんど影響を与えない。また、変位検知用のレンズ６の変位が光学的に２倍に増幅される。したがって、変位の計測精度を向上させることができる。
さらに、可動する起歪部２に固定される素子は変位検知用のレンズ６だけであるので、配線や光ファイバを介して外乱が混入することはなく、光ファイバ自身にも歪みが加わることもない。
【００３１】
次に、本発明の光学式センサの変位の信号処理について説明する。
上記変位の計測を行うためには、４分割フォトダイオードなどの光検知器３１の出力を差動アンプを用いて増幅する必要がある。このアンプは、４分割フォトダイオードなどの光検知器３１の出力の各軸方向の差分を計算する。つまり、第ｉ象限に位置するフォトダイオードセグメントからの出力電流をＳi とすると、式（３）で定義されるＳy ，Ｓz がアンプからの出力電圧となる。
【数３】
2005308463.tif 000005
ただし、Ｒは後述する演算増幅器の帰還抵抗値である。ここで、結像位置の変化（ｄＹ，ｄＺ）が十分に微小であれば、アンプ出力（Ｓy ，Ｓz ）は、（ｄＹ，ｄＺ）に比例する。これにより、アンプ出力アンプ出力（Ｓy ，Ｓz ）から変位検知用のレンズ６の微小変位（ｄＹ，ｄＺ）を計測することができる。
【００３２】
図７は、本発明の光学式センサの変位の信号処理回路を示す図であり、（ａ）は４分割フォトダイオードの受光面を示す図、（ｂ）は信号処理回路図である。図７（ａ）に示すように、４分割フォトダイオードの受光面（セグメント）は、ｙｚ平面に４分割されていて、それぞれ、第１〜第４象限に対応するＳ1 〜Ｓ4 の信号を検知する。
また、図７（ｂ）に示すように信号処理回路４０において、４分割フォトダイオード３１の各セグメントからの出力電流は、初段の演算増幅器４１により電圧変換されて増幅される。また、演算増幅器４１からの出力は電圧増幅率が１の差動増幅器、所謂、計測増幅器４２により２段階の差分が計算される。
演算増幅器４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄの出力は反転増幅され、それぞれ−ＲＳ1 ，−ＲＳ2 ，−ＲＳ3 ，−ＲＳ4 である。計測増幅器４２ａ及び４２ｂの出力は、それぞれ、ＲＳ3 −ＲＳ1 ，ＲＳ4 −ＲＳ2 である。ここで、Ｒは演算増幅器４２の帰還抵抗である。
したがって、計測増幅器４２ｃの−側に計測増幅器４２ｂの出力であるＲＳ4 −ＲＳ2 が入力され、＋側に計測増幅器４２ａの出力であるＲＳ3 −ＲＳ1 が入力されると、その差であるＳy ＝−Ｒ（（Ｓ1 ＋Ｓ4 ）−（Ｓ2 ＋Ｓ3 ））が出力される。
同様に、計測増幅器４２ｄの＋側に計測増幅器４２ａ及び４２ｂの出力であるＲＳ3 −ＲＳ1 とＲＳ4 −ＲＳ2 とが入力され、−側はゼロ電位であるので、出力として、Ｓz ＝−Ｒ（（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）−（Ｓ3 ＋Ｓ4 ））が出力される。
これにより、式（３）に相当する出力Ｓy ，Ｓz を得ることができる。
なお、光検知による信号を処理する信号処理回路と、この信号処理回路からの出力から変位や後述する力、圧力、加速度などの計算や測定データの校正などをする信号処理部を、さらに備えてもよい。この信号処理部は、パーソナルコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）、メモリ、ディスプレイ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、各種増幅器などにより構成することができる。
【００３３】
これにより、本発明に係る第１の実施の形態による光学式センサ１によれば、変位受容部本体３に固定された２本の光ファイバ２３，３３と、起歪部２に固定された変位検知用のレンズ６とから構成され、変位検知用のレンズ６だけが起歪部２に固着される。このため、光ファイバ２２，３３などの配線を伝達する機械的振動が、加速度などの物理量の検出に与える影響がなくなる。
また、変位検知用のレンズ６を備えることにより、光の損失が減少する。そして、変位検知用のレンズ６の光軸方向の動きが変位計測に影響しないと同時に、光軸に垂直な面内の変位検知用のレンズ６によるレンズ変位が光学的に２倍に拡大されるという特徴を有し、変位検知用のレンズ６の変位を光学的に増幅できるために精度が向上する。
さらに、光を検出原理としているため応答性が高く、多軸方向の変位を独立性を保ちながら検出することが可能であるため、多軸化も容易である。このため、このセンサの計測誤差は１．０％以下と高精度である。
【００３４】
次に、本発明による第２の実施形態に係る光学式センサについて説明する。
本発明に係る光学式センサ１は、専ら変位センサの場合について説明したが、さらに、上記起歪部２に印加される力と変位の関係により力センサとしても使用できる。これにより、本発明の光学式センサにおいて、外部圧力による起歪部２の変形により発生する変位に基づいて、変位からさらに力を検出することができる。
【００３５】
次に、本発明による第３の実施形態に係る光学式センサについて説明する。
本発明に係る光学式センサ１は、上記起歪部２において、力の印加される面積から、その印加圧を検出することができる。これにより、光学式センサ１において、外部圧力による起歪部２の変形により発生する変位に基づいて、変位から力を測定し、さらに圧力を検出することができる。
【００３６】
次に、本発明による第４の実施形態に係る光学式センサについて説明する。
本発明に係る光学式センサ１は、上記起歪部２に物体から力が印加されたときには、その物体の加速度を検出することができる。ここで、加速度ａは、力Ｆを物体の質量ｍで除した値、すなわち、ａ＝Ｆ／ｍである。これにより、光学式センサ１において、外部圧力による起歪部２の変形により発生する変位に基づいて、力を測定し、さらにその加速度を検出することができる。
【００３７】
次に、本発明による第５の実施形態に係る光学式センサについて説明する。
本発明に係る光学式センサ１は、上記起歪部２に物体から変位が印加されたときには、その変位の温度変化から温度を検出することができる。これにより、光学式センサ１において、外部温度変化による起歪部２の変位に基づいて、温度を検出することができる。
【実施例１】
【００３８】
次に、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
実施例１として、本発明の光学式センサ１を製作した。光源２１としては、点光源赤色ＬＥＤ（アルワン電子製、ＶＳ６７９ＴＭ）を、光検知器３１には４分割ｐｉｎフォトダイオード（モリリカ製、ＭＩ−１５１５Ｈ−４Ｄ）を用いた。また、レンズ６，２１，３１は、直径１．８ｍｍで長さ約５．４ｍｍの屈折率分布レンズ（日本板硝子製、Ｗ１８−Ｓ０２９０−０６３−ＡＢＣ）を使用した。このレンズの焦点距離は、約１．８３ｍｍである。光ファイバ２３，３３には切断面を研摩した直径１．１３ｍｍ、長さ１０ｍの２１７芯線ファイバ（キーエンス製、ＦＵ−７７）を用いた。
変位用の計測においては、変位検知用のレンズ６を高精度３軸ステージ（シグマ光機製、ＴＳＤ−４０５Ｃ）に固定し、これを手動操作することで、任意の方向の微小変位を与えた。また、上記の演算増幅器４１の帰還抵抗Ｒは１．０×１０6 Ω（Ω）とした。
【００３９】
変位の測定は、以下の手順で行った。測定用増幅器出力（Ｓy ，Ｓz ）が、共に０Ｖとなる点を原点とし、次に、原点を中心とする４０μｍの正方形に沿いレンズを１０μｍ刻みで動かした。
図８は、実施例１の光学式センサで測定したＳy 及びＳz の関係を示す図である。図において、横軸はＳy （Ｖ）を、縦軸はＳz （Ｖ）を示している。この図は１００回分の計測データを重ねてプロットしている。また、図中のグラフが回転しているのは、点光源による像が光ファイバ３３を伝播する過程で、３軸ステージとフォトダイオード３１の軸方向が相対的に回転するためである。
【００４０】
次に、測定用増幅器出力の校正を下記式（４）により行った。
【数４】
2005308463.tif 000006
ここで、校正行列Ｃは実際に与えた変位と、その時に計測された計測増幅器出力とにより、最小二乗法を用いて決定した。
図９は、実施例２の光学式センサ１に与えた変位と、図８のデータを校正行列Ｃにより校正したセンサ出力との比較結果を示す図である。図において、横軸はｙ軸変位（μｍ）を、縦軸はｚ軸変位（μｍ）を示している。図中の白四角（□）は与えた変位であり、＋印が校正したセンサ出力を示している。
図から明らかなように、変位が最大となる左上の点では多少の歪みが見られるものの、それ以外の点では１．０％程度の精度で変位の計測が実現できている。これにより、本発明の光学式センサが高い線形性と、軸の独立性及び再現性を有することが確認された。
【実施例２】
【００４１】
次に、本発明の光学式センサ１を力センサとして用いた実施例２について説明する。
変位受容部本体３の外形は、直径３８ｍｍ、高さ１９ｍｍと小型であり、ＭＲＩに影響を及ぼさないように、ポリオキシメチレン樹脂の切削加工で製作した。また、本発明の光学式センサ１の感度は、起歪体４の厚さを変更することで調整することができる。実施例１においては、起歪体４の厚さを０．４ｍｍとした。また、光学式センサ１は、光源２１及び光検知器３１を、小型２軸ブロックステージ（シグマ光機製、ＴＡＢＳ−１５２）上に固定し、力の印加されない、すなわち無負荷状態で光源像が光検知器３１の中心に結像するように光軸の微調整ができるようにした。
図１０は、実施例２の光学式センサ１に印加した力と計測増幅器出力Ｓy 及びＳz との関係を示す図である。図において、横軸は印加した力（Ｎ）を示している。縦軸は計測増幅器出力（Ｖ）であり、Ｓy を＋印で、Ｓz を×印で示している。
実施例１と同様に、変位検知用のレンズ６の変位方向と光検知器３１の軸方向と、が相対的に回転しているため、単軸方向の力を加えただけにも関わらずＳy とＳz が共に減少する。
【００４２】
しかし、双方とも加えた力と線形関係にあるため、下記式（５）に従い、センサ出力を校正することができる。
【数５】
2005308463.tif 000007
ここで、Ｆは加えた力であり、校正係数ａ，ｂ，ｃは実際に加えた力と、その時に計測されるアンプ出力より、最小二乗法を用いて決定した。
【００４３】
図１１は、実施例２の光学式センサに印加された力と、校正係数を用い校正したセンサ出力との関係を示す図である。図において、横軸は印加した力（Ｎ）を示し、縦軸は校正した力（Ｎ）を示している。図から明らかなように、力が０〜６Ｎまで、正確に測定でき、このときの測定精度が１．０％以下であることが分かった。また、この際の変位検知用のレンズ６の最大変位は１０μｍ程度であり、剛性も十分に高かった。これにより、本発明の光学式センサの精度と剛性は、一般的な力センサとほぼ同等の性能を有することが確認された。
【００４４】
実施例２の本発明の光学式センサがＭＲＩの撮像に与える影響を検証するために、円筒形ファントムを撮像した。
図１２はファントムの像を示す図であり、（ａ）はＭＲＩ内で実施例２のセンサを使用している時のファントム撮像結果を、（ｂ）は実施例２のセンサがない時のファントム画像を、（ｃ）は、（ａ）と（ｂ）との差画像を示す図である。
図から明らかなように、図１２（ａ）及び（ｂ）のＭＲＩ像にはほとんど差異が見られなく、その差画像である（ｃ）には像が生じない。つまり、実施例２の光学式センサ１は、ＭＲＩの撮像にほとんど影響を与えないことが分かった。
このように、変位受容部本体３にはポリアセタール樹脂を使用し、光ファイバ長２３，３３を１０ｍとすることにより、ＭＲＩに持ち込む本発明の光学式センサ１からは、電子素子や強磁性体を完全に排除することができた。
【００４５】
上記結果から、本発明の光学式センサは、高い精度と剛性を有することと、ＭＲＩ内で使用できることが分かる。
【００４６】
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態においては、主として変位センサ及び力センサについて説明したが、加速度、圧力、温度などの測定も行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態による光学式センサの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図２に点線で示す変位検知用のレンズの拡大図であり、（ａ）は変位のない場合を、（ｂ）は変位のある場合を模式的に示す図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態による光学式センサの変位検知用レンズに変位がない場合を模式的に示す図である。
【図５】本発明に係る第１の実施の形態による光学式センサの変位検知用レンズに変位がある場合を模式的に示す図である。
【図６】本発明に係る第１の実施の形態による光学式センサの変位検知用レンズの変位を模式的に説明する示す図である。
【図７】本発明の光学式センサの変位の信号処理回路を示すもので、（ａ）は４分割フォトダイオードの受光面を示す図、（ｂ）は信号処理回路図である。
【図８】実施例１の光学式センサで測定したＳy 及びＳz の関係を示す図である。
【図９】実施例２の光学式センサに与えた変位と、図８のデータを校正行列Ｃにより校正したセンサ出力との比較結果を示す図である。
【図１０】実施例２の光学式センサに印加した力と計測増幅器出力Ｓy 及びＳz との関係を示す図である。
【図１１】実施例２の光学式センサに印加された力と、校正係数を用い校正したセンサ出力との関係を示す図である。
【図１２】ファントムの像を示す図であり、（ａ）はＭＲＩ内で実施例２のセンサを使用している時のファントム撮像結果であり、（ｂ）は実施例２のセンサがない時のファントム画像であり、（ｃ）は、（ａ）と（ｂ）との差画像である。
【図１３】従来の光学式センサを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：光学式センサ
２：起歪部
２ａ：上部
２ｂ：下部
３：変位受容部本体
３ａ：溝部
４：起歪体
５：支持体
６：変位検知用のレンズ
７：変位がないときの光
８：変位があるときの光
１０：変位受容部
２０：光照射部
２１：光源（点光源）
２２：レンズ
２３：光照射部の光線路（光ファイバ）
３０：光受光部
３１：光検知器（４分割フォトダイオード）
３２：レンズ
３３：光受光部の光線路（光ファイバ）
３６，３７：光路
４０：信号処理回路
４１：演算増幅器
４２：計測増幅器
【図１】
2005308463.tif 000008
【図２】
2005308463.tif 000009
【図３】
2005308463.tif 000010
【図４】
2005308463.tif 000011
【図５】
2005308463.tif 000012
【図６】
2005308463.tif 000013
【図７】
2005308463.tif 000014
【図８】
2005308463.tif 000015
【図９】
2005308463.tif 000016
【図１０】
2005308463.tif 000017
【図１１】
2005308463.tif 000018
【図１３】
2005308463.tif 000019
【図１２】
2005308463.tif 000020