物体に取り付けて歪み計測ができる光ファイバ触覚システム
大学院工学研究院
先端電気電子部門

准教授 田中 洋介

背景■Socisty 5.0 「超スマート社会」の幕開け―IoT、AI、ロボット、ドローンが生活に浸透―センサ情報をビッグデータに蓄積して活用
正確な一次情報を供給する計測技術の重要度が増大

https://www8.cao.go.jp/cstp/society5_0/index.html

内閣府ホームページよりTokyo University of Agriculture and Technology

2光ファイバセンサの特徴と課題■電気的センサ― 多種多様― 電磁雑音による制限― 給電の問題（メタル配線、電池寿命）
解決

医療■光ファイバセンサ―細径、軽量、柔軟、無給電の高機能な「触覚」―計測の高速化や高精度化と系の簡素化の両立が課題

生産現場

https://www8.cao.go.jp/cstp/society5_0/index.html
内閣府ホームページよりTokyo University of Agriculture and Technology

3光ファイバ型引っ張り歪みセンサ■歪み分布の一括計測― 構造物(ビル、橋、トンネル、航空機…)の監視― 製造・医療ロボットの触覚への活用■方法：Brillouin散乱光の利用― 通信用光ファイバがそのままセンサに！任意箇所の測定！
■原理：散乱光利得スペクトルの歪み依存性
利得スペクトル

入射光パルス（ポンプ光）

ポンプ光
歪みにより移動

散乱光

光周波数

光ファイバ

Tokyo University of Agriculture and Technology

4光ファイバ歪みセンサ：従来技術■従来技術①―「プローブ光」の周波数掃引

利得スペクトル
歪みにより
移動

光周波数
プローブ光
周波数スペクトル変化を測定→ 計測時間・光源制御に課題

時間■従来技術②―スペクトル移動に伴う散乱光パワー変化を特定周波数で観測―計測時間の短縮→出力の線形性に課題

利得スペクトル

歪みにより
移動
光周波数
プローブ光

光周波数

線形領域は狭いTokyo University of Agriculture and Technology

5複数スペクトル利用の発案■複数スペクトルのポンプ光、プローブ光を利用■時空間変換スペクトル整形技術でプローブ光整形■非常に広い線形領域がとれる■リアルタイム測定
複数の利得
スペクトル

線形領域（~100MHz → 2 mε歪み相当）

複数のポンプ光
スペクトル

#1

#4

#3

#2#5
ν

複数のプローブ光スペクトル
#1

#2

#3

#4#5ν

#1
#1
#1
#2
#2
#3
#4
#5
#5

・ Y. Tanaka and T. Hasegawa, Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2020, paper SF3P.7, 2020.
・ 遠藤 、長谷川 、田中 、第81回応用物理学会秋季学術講演会、8p-Z16-14、2020年.

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更なる新技術：利得＆損失スペクトル利用

利得スペクトル

ポンプ光歪みにより移動

損失スペクトル
光周波数Δνfm
プローブ光１

合成出力■利得＆損失スペクトルを利用■2つのプローブ光を利用■広い線形領域がとれる■リアルタイム測定
簡単な制御信号(正弦波)による線形領域制御

線形領域fm
プローブ光２

光周波数

利得スペクトル移動 / GHz

利得スペクトル移動に伴う合成出力の変化(~1 mεの歪み測定レンジ)

・D. Saito and Y. Tanaka, Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2021, ATh2S.4, May 13, 2021.

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新技術における制御の簡素化について■従来技術―プローブ光の周波数掃引が必要―ポンプ光よりも～11 GHz低い光の切り出し
周波数の線形掃引～
11 GHz付近で100 MHz<
光分岐
レーザ光源

強度変調器

プローブ光

切り出し
光周波数

光フィルタ

光周波数

ポンプ光

光周波数周波数一定■新技術~11 GHz~30 MHz ～～―プローブ光の掃引不要
周波数シフタ 強度変調器―2周波を有効利用
レーザ光源―制御系の簡素化

パルス変調
プローブ光

光周波数
ポンプ光
パルス
光周波数 変調Tokyo University of Agriculture and Technology

8新技術：光ファイバひずみ触覚■ ―光ファイバを天井からつるしおもりをつけて歪み分布を測定
プローブ光20
天井側

長さ / m1513
おもり
異なるおもりに対して、負荷に比例した歪みを観測

光ファイバ
0ポンプ光

■ 応用先の例

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9光ファイバ型曲げ歪みセンサ■曲げによる歪み計測― 構造物(ビル、橋、トンネル、航空機…)の監視― 製造・医療ロボットの触覚、カテーテルの曲げ計測■方法：マルチコア光ファイバとファイバ回折格子(FBG)利用― 曲げの大きさと向きが同時にわかる■原理：FBG反射光スペクトルの曲げ歪み依存性
反射スペクトル
曲げ歪みにより各コアで移動
光周波数

マルチコア
光ファイバ

光ファイバ
回折格子
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10光ファイバ型曲げセンサ：従来技術■課題：複数の反射光スペクトルの識別

反射スペクトル■従来技術①―反射中心波長の異なる回折格子の加工
単一コアファイバ
→加工コスト大レーザ光源→多点化に難光周波数
ファンイン/アウト

光ファイバ
回折格子

受光部

マルチコアファイバ

反射スペクトル■従来技術②―光路の切り替え→制御系の複雑化

光周波数レーザ光源

単一コアファイバ

受光部

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11新技術：受光素子の二光子吸収応答の利用■光信号の強度相関を複雑な回路なしに計測■光路長の違い→強度相関信号の違い→回折格子の識別■同一反射スペクトルの回折格子を利用可能
i∝hν

𝑃2Eg Phν

Si-APD

システム基本構成

単一コア
波長可変 ファイバ
レーザ

ファンイン/アウト
光路長差

マルチコアファイバ
Si-アヴァランシェフォトダイオード
二光子吸収応答レーザ

Si-APD
二光子吸収電流出力（＝強度相関信号）・Y. Tanaka, N. Sonoda, and T. Abe, Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2021, paper ATh1S.8, May 13, 2021.

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12新技術：光ファイバ曲げ触覚■ 波長軸上で重なるスペクトルの分離
反射光強度■多点曲げ情報を利用した形状計測への応用も確認（論文投稿中）■ 曲げ3ヶ所の向きを含めた計測に成功■ 応用例

・園田、高木、齋藤、阿部、趙、田中、光波センシング技術研究会LST65-9, pp.44-51、2021年7月.

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まとめ
• 新技術により、高速計測や測定系の簡素化と高精度計測との両立に成功。

• 制御系の簡素化によるコスト削減、安定化、小型化が期待できる。

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14実用化に向けた課題■光信号制御・処理システムの小型化
ー現在は汎用機器でシステムを構築。専用モジュールによる小型化や更なる高速化。
■設置方法の検討
ー応用にあわせたセンシング用ファイバの最適な設置手法の確立。
■データ処理の最適化
ーユーザインタフェースを含めたデータ処理の確立。

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企業への期待■構造物、医療機器、ロボット等へ本技術を導入し触覚機能を付与することに関心のある企業との共同研究を希望。
■光デバイスや高周波部品の開発を進めていて、センシングシステム開発への展開を考えている企業との共同研究による新たな展開も考えられる。

■構造ヘルスモニタリングにおいて、電磁雑音等により電気的センサでは困難な計測の問題を抱えている企業にとって、本技術は有効な解決手段になると思われる。

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本技術に関する知的財産権（１）• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：マルチコア光ファイバセンシングシステム：特願2019-46091：国立大学法人東京農工大学：田中 洋介• 発明の名称：ブリルアン周波数シフト測定装置及びブリルアン周波数シフト測定方法：特願2020-24536：国立大学法人東京農工大学：田中 洋介、長谷川 貴大• 出願番号• 出願人• 発明者

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本技術に関する知的財産権（２）• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：測定装置、測定装置の調整方法及び測定方法：出願済み、未公開：国立大学法人東京農工大学：田中 洋介、齋藤 大樹

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お問い合わせ先

東京農工大学先端産学連携研究推進センター
ＴＥＬＦＡＸe-mail042－388－7550
042－388－7553
suishin@ml.tuat.ac.jp

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