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WO2009107402A1 - 重量計測素子及び重量計 - Google Patents

重量計測素子及び重量計 Download PDF

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Publication number
WO2009107402A1
WO2009107402A1 PCT/JP2009/000941 JP2009000941W WO2009107402A1 WO 2009107402 A1 WO2009107402 A1 WO 2009107402A1 JP 2009000941 W JP2009000941 W JP 2009000941W WO 2009107402 A1 WO2009107402 A1 WO 2009107402A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
substrate
optical fiber
light
sensor
measuring element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2009/000941
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
仁 鎌田
重行 鈴木
一弘 渡辺
道子 西山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nihon Electric Wire & Cable Co Ltd
TAMA-TLO KK
Tama TLO Co Ltd
Soka University
Original Assignee
Nihon Electric Wire & Cable Co Ltd
TAMA-TLO KK
Tama TLO Co Ltd
Soka University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nihon Electric Wire & Cable Co Ltd, TAMA-TLO KK, Tama TLO Co Ltd, Soka University filed Critical Nihon Electric Wire & Cable Co Ltd
Publication of WO2009107402A1 publication Critical patent/WO2009107402A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/125—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing wherein the weighing element is an optical member

Definitions

  • the present invention relates to a weight measuring element for measuring weight using an optical fiber sensor, and a weight scale equipped with the same.
  • Conventional conventional weight scales place a measurement object on a pedestal or the like, and measure the weight based on the amount of deformation of a compression spring that deforms according to the load from the pedestal.
  • a normal weight scale is configured to mechanically rotate or move the indicator needle according to the amount of deformation of the compression spring, and the indicator needle indicates a weight value corresponding to the weight of the measurement object.
  • a weight measuring element for converting the deformation amount of the compression spring into an electric signal and measuring the weight electrically is widely used. In this case, the amount of change in the electrical signal is detected and the weight is measured.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a weighing scale used when measuring the total weight of a large vehicle or large facility using an optical fiber. These weighing scales have a sensing part that deforms by receiving the load of the measurement object on the top surface, a sensing fiber that is distorted according to the deformation of the sensing part, and a reference for obtaining the reference output light And fiber. The phase difference of the optical signal propagating through the sensing fiber and the reference fiber is precisely measured by an interference pattern meter, and the amount of expansion / contraction of the sensing fiber is obtained to obtain the weight of the measurement object.
  • the conventional weighing scale using an electric signal uses an electric sensor, there is a risk of electric leakage even if a small amount of water is applied, and it is necessary to take all possible waterproofing measures. Furthermore, since it sends and receives electrical signals, it could not be used in explosion-proof facilities.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an inexpensive weight measuring element capable of measuring a light weight object with high accuracy without using an electric signal, and a weight scale equipped with the weight measuring element.
  • the weight measuring element of the present invention includes a core and a clad provided on the outer periphery of the core, and has a light transmission member in the middle portion that enables interaction with a part of the transmitted light to the outside.
  • An optical fiber sensor that emits light that is incident on the light and emits light that has passed through the light transmission member from an output end, and the light transmission member of the optical fiber sensor and a portion near the optical fiber sensor are disposed below the optical fiber sensor.
  • a first substrate that is formed, an opening is formed, and a second substrate that is disposed above the optical fiber sensor so that the light transmitting member is positioned in the region of the opening, and is accommodated in the opening.
  • a pressing member made of a material having higher hardness than the first substrate and the second substrate, and a uniform load that is provided on the second substrate and the pressing member, and that uniformly applies the load applied to the upper surface and transmits the load downward.
  • a substrate, The bottom of the pressing member located above the light transmitting member is formed so as to protrude downward, and when a load is applied to the upper surface of the load uniformizing substrate, the pressing member is pressed by the bottom of the pressing member.
  • the optical fiber sensor is configured such that bending occurs in a range including the light transmitting member, and interaction with the outside world occurs with respect to light transmitted through the optical fiber according to the bending.
  • the weight measuring element of the present invention when a measurement object is placed on the upper surface of the load uniformizing substrate, the load corresponding to the weight of the measurement object is equalized and transmitted to the second substrate and the pressing member.
  • the pressing member is made of a material having higher hardness than the second substrate, the bottom portion of the pressing member sinks deeper than the bottom surface of the second substrate, and the light transmitting member of the optical fiber sensor and its vicinity (hereinafter referred to as “ The vicinity of the light transmitting member is pressed, and bending occurs in the vicinity of the light transmitting member. Interaction between light transmitted to the optical fiber sensor and the outside world occurs according to the bending that occurs in the vicinity of the light transmitting member.
  • the weight measuring element generates an interaction between the light transmitted to the optical fiber sensor and the outside world according to the weight of the measurement object placed on the upper surface of the load uniformizing substrate. Accordingly, the weight of the measurement object can be measured by detecting the generated interaction.
  • the weight measuring element can be manufactured at low cost. Further, since it is possible to measure the weight by generating a bend in the vicinity of the light transmitting member, the weight of the light weight object is measured with higher accuracy than the weighing scales disclosed in Patent Documents 1 and 2. be able to. Further, since the weight measuring element measures the weight without using an electric signal, it is not necessary to take a waterproof measure and can be suitably used in an explosion-proof facility.
  • a protective sheet for protecting the optical fiber sensor is provided between the second substrate and the pressing member and the optical fiber sensor. In this case, since the optical fiber sensor which is easily damaged by bending is protected by the protective sheet, durability can be improved.
  • a notch that opens above the optical fiber sensor is formed in communication with the opening in the vicinity of the light transmitting member.
  • the optical fiber sensor in the vicinity of the light transmitting member can be shaped so as to swell, so that variations in transmission loss near the lower limit of the measurable range are suppressed, and the weight is measured with good reproducibility. It becomes possible.
  • the height of the pressing member is substantially equal to the thickness of the second substrate. In this case, the measurable range is wide and the lower limit can be lowered.
  • the first substrate and the second substrate are made of silicone rubber, and the pressing member is made of metal. In this case, since the hardness difference becomes large, the weight can be measured with high accuracy.
  • the light transmitting member is a hetero core portion having a core diameter different from the core diameter of the optical fiber positioned before and after the light transmitting member.
  • the light transmission member is preferably made of a material having a refractive index equivalent to the refractive index of the core of the optical fiber or the refractive index of the clad positioned before and after the light transmission member. .
  • the weight can be measured by detecting the transmission loss of the light. Therefore, an inexpensive detection device can be used.
  • the light transmission loss uniquely depends on the bending in the vicinity of the light transmitting member, it is possible to measure the weight with high accuracy.
  • the light transmission member can be easily provided by fusion by discharge.
  • the weight scale of the present invention includes the weight measuring element of the present invention, a light source provided at the incident end of the optical fiber sensor, and a light receiving unit provided at the output end of the optical fiber sensor.
  • a weighing scale having the effects of the weight measuring element of the present invention can be obtained.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram of the weight scale which concerns on 1st Embodiment of this invention.
  • It is a perspective view of a weight measuring element. It is a disassembled perspective view which shows the structure of a weight measuring element.
  • (A) is a plan view of the weight measuring element
  • (b) is a sectional view taken along line XX ′ in (a)
  • (c) is a sectional view taken along line YY ′ in (a).
  • the sensor part vicinity of an optical fiber sensor is shown notionally,
  • (a) is a perspective view,
  • (b) is longitudinal direction sectional drawing. It is sectional drawing of the weight measuring element which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
  • a weight scale according to the first embodiment includes an optical fiber sensor composed of optical fibers 20a and 20b and a weight measuring element WM provided in the middle of the optical fibers, and a light incident end of the optical fiber sensor.
  • a light source 11 provided at the end of the fiber 20a and a light receiving unit 12 provided at the end of the optical fiber 20b that is the light emitting end of the optical fiber sensor are provided.
  • the light source 11 has, for example, a light emitting element such as a semiconductor light emitting diode (LED) or a semiconductor laser, and emits sensor light.
  • the light receiving unit 12 is an optical multimeter having a light receiving element such as a photodiode (PD) or a charge coupled device (CCD), for example, and detects sensor light emitted from the light emitting end.
  • a light emitting element such as a semiconductor light emitting diode (LED) or a semiconductor laser
  • LED semiconductor light emitting diode
  • the light receiving unit 12 is an optical multimeter having a light receiving element such as a photodiode (PD) or a charge coupled device (CCD), for example, and detects sensor light emitted from the light emitting end.
  • PD photodiode
  • CCD charge coupled device
  • the weight measuring element WM includes a first substrate 1, a protective sheet 2, a second substrate 3, a pressing member 4, and a load equalizing substrate 5.
  • the first substrate 1 is a plate-like member made of a flexible material such as a resin rubber, and here, it is made of a square-shaped silicone rubber having a thickness of about 2 mm to 4 mm and a side of about 20 mm to 50 mm.
  • An optical fiber sensor is placed on the upper surface of the first substrate 1.
  • the optical fiber sensor has a sensor part SP that is a light transmission member that enables interaction with a part of the outside of the transmitted light in the middle of the optical fibers 20a and 20b.
  • the sensor unit SP leaks a part of the transmitted light.
  • the optical fiber sensor at least the sensor part SP and the vicinity thereof (hereinafter collectively referred to as “the vicinity of the sensor part SP”) are horizontally arranged on the first substrate 1.
  • the optical fiber sensor is in a straight line on the first substrate 1.
  • the optical fiber sensor may be stably arranged so as to draw a certain curve in the horizontal plane.
  • the protective sheet 2 is a thin film member made of a flexible material such as a resin, and here, the protective sheet 2 is made of a urethane sheet having a thickness of about 0.5 mm and substantially the same square shape as the first substrate 1. .
  • the protective sheet 2 is placed on the first substrate 1 so as to cover the optical fiber sensor.
  • the second substrate 3 is a plate-like member made of a flexible material such as a resin rubber, and here, the second substrate 3 is made of a silicone rubber having a thickness of 2 mm to 4 mm and a substantially identical square shape to the first substrate 1.
  • the second substrate 3 is placed on the upper surface of the protective sheet 2.
  • the second substrate 3 is provided with an opening 3a.
  • the opening 3a has a rectangular shape with a short side length a of about 2 mm to 4 mm and a long side length b of about 10 mm.
  • the second substrate 3 is formed so as to penetrate in the vertical direction at a substantially central portion.
  • the optical fiber sensor and the second substrate 3 are arranged so that the sensor part SP is located in the region of the opening 3a when viewed from above, and the longitudinal direction of the opening 3a is orthogonal to the extending direction of the optical fiber sensor.
  • a cut portion 3b communicating with the opening 3a is formed in the second substrate 3.
  • the cut portion 3b is formed in the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor so as to open the top of the optical fiber sensor. That is, the cut portion 3b is formed in a side wall portion of the opening 3a of the second substrate 3 in a direction orthogonal to the direction in which the optical fiber sensor is disposed.
  • the notch 3b has a length s of about 2 mm to 4 mm in the direction in which the optical fiber sensor is arranged, and a width t in the longitudinal direction of the opening 3a is about 2 mm to 4 mm. It is formed on both sides.
  • the pressing member 4 is accommodated in the opening 3 a so that the convex smooth curved surface at the bottom thereof is in contact with the protective sheet 2.
  • the pressing member 4 has a cylindrical shape with a diameter of about 2 mm to 4 mm and a height of about 10 mm.
  • the pressing member 4 is made of a material having a higher hardness than the first substrate 1 and the second substrate 3 (a material having a small Young's modulus), here, a metal such as iron or stainless steel.
  • the pressing member 4 is fitted into the opening 3 a so that the cylindrical outer peripheral surface is in contact with the protective sheet 2. That is, the opening 3a has a shape into which the cylindrical pressing member 4 can be fitted.
  • the bottom of the pressing member 4 is formed so as to have a shape suitable for causing appropriate bending at least in the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor when a load is applied to the pressing member 4 from above.
  • the cylindrical outer peripheral surface of the pressing member 4 is a bottom surface.
  • the pressing member 4 is formed to have the same cross-sectional shape along a direction (longitudinal direction of the pressing member 4) perpendicular to the extending direction of the optical fiber sensor. Thereby, even if the optical fiber sensor is displaced in the above direction, the same bending can be generated in the vicinity of the sensor portion SP.
  • the load equalizing substrate 5 is a plate-like member made of a flexible material or a hard material, and here, it is composed of an acrylic plate having a thickness of 2 mm to 4 mm and a substantially identical square shape to the first substrate 1.
  • the load uniformizing substrate 5 is placed on the upper surface of the second substrate 3 in which the pressing member 4 is accommodated in the opening 3a.
  • the load equalizing substrate 5 equalizes the load applied to the upper surface and transmits the load downward. Therefore, the material and thickness of the load uniformizing substrate 5 are selected according to the measurement object that applies the load applied to the upper surface thereof. For example, when the contact area between the measurement object and the load equalizing substrate 5 is small and a load is applied intensively only to a part of the upper surface of the load equalizing substrate 5, the load equalizing substrate 5 is made of iron or stainless steel. What consists of hard materials, such as metals, is preferable. However, it may be necessary to consider that a pedestal is provided on the load leveling substrate 5 and a measurement object is placed on the pedestal. On the other hand, when the bottom of the measurement object is planar and a uniform load is applied to the upper surface of the load equalizing substrate 5, the load equalizing substrate 5 may be a thin material made of a flexible material. Good.
  • the load equalizing substrate 5 may be made of the same material as that of the second substrate 3, and in this case, these can be integrated. Moreover, the load equalization board
  • substrate 5 may consist of the same raw material as the press member 5, and these can be integrated in this case.
  • the weight measuring element WM holds the configuration of the first substrate 1, the protective sheet 2, the second substrate 3, and the load uniformizing substrate 5 by using an adhesive, a heat shrinkable tube, or the like. However, it is preferable to arrange the optical fiber sensor so that the bending deformation is not hindered, and it is not necessary to fix the optical fiber sensor to the first substrate 1 or the like.
  • the optical fiber sensor has a configuration in which a sensor unit SP is provided between one optical fiber 20a and the other optical fiber 20b.
  • the optical fibers 20a and 20b are composed of a core 21 and a clad 22 provided on the outer periphery thereof.
  • the sensor unit SP includes a hetero core unit 30 that leaks a part of the transmitted light.
  • the hetero core portion 30 is composed of a core 31 having a core diameter bl different from the core diameter al of the optical fibers 20a and 20b, and a clad 32 provided on the outer periphery thereof.
  • the diameter bl of the core 31 of the hetero-core part 30 is smaller than the diameter al of the core 21 of the optical fibers 20a and 20b.
  • the diameter al of the core 21 is 9 ⁇ m
  • the core diameter bl of the core 31 is 5 ⁇ m.
  • the length cl of the hetero core part 30 is about 1 mm to 2 mm, for example.
  • the hetero-core part 30 and the optical fibers 20a and 20b constituting the sensor part SP are substantially coaxial so that the cores are joined to each other at the interface 40 orthogonal to the longitudinal direction, for example, by fusion using a generalized discharge. Are joined.
  • optical fibers 20a and 20b and the hetero-core portion 30 either a single mode optical fiber or a multimode optical fiber can be used, and these may be used in combination.
  • a multimode optical fiber having a core diameter of 50 ⁇ m may be used as the optical fibers 20a and 20b.
  • a hetero core type sensor part SP is joined to the middle part of the optical fibers 20a, 20b, and the diameter bl of the core 31 in the hetero core part 30 and the diameter al of the core 21 of the optical fibers 20a, 20b are different at the interface 40. . Due to the difference in the core diameter, as shown in FIG. 5A, a part of the transmitted light leaks to the clad 32 of the hetero-core portion 30, and leak light W is generated.
  • the leak light W is small, most of the light is incident on the core 21 again, and the transmission loss (loss) of the transmitted sensor light is small.
  • the difference between the core diameters of the core 21 and the core 31 is set to be large, the leak light W becomes large and the transmission loss of the sensor light to be transmitted becomes large.
  • the magnitude of the leaked light W, and hence the transmission loss of the sensor light changes sharply due to the change in the bending of the optical fiber sensor in the vicinity of the sensor unit SP, and increases as the bending increases.
  • the pressing member 4 is made of a material having higher hardness than the second substrate 3. Therefore, when the same load per unit area is applied to the second substrate 3 and the pressing member 4, the second substrate 3 is more crushed than the pressing member 4. In other words, the pressing member 4 is less crushed than the second substrate 3.
  • the second substrate 3 is made of silicone rubber and the pressing member 4 is made of metal, the thickness of the second substrate 3 is uniformly reduced according to the load, and the pressing member 4 is independent of the load. The height does not change.
  • the load equalization board 5 is comprised with the acrylic board, the upper surface of the 2nd board
  • the first substrate 1 made of silicone rubber having a hardness lower than that of the metal pressing member 4 is disposed below the second substrate 3 through the protective sheet 2 rich in flexibility.
  • the bottom portion of the pressing member 4 sinks deeper than the bottom surface of the second substrate 3, and near the sensor portion SP of the optical fiber sensor via the protective sheet 2. To cause bending in the vicinity of the sensor part SP.
  • the weight measuring element WM is configured to generate a loss with respect to the light transmitted through the optical fiber sensor when a load is applied to the load uniformizing substrate 5.
  • the weight measuring element WM is configured such that the curvature in the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor changes uniquely in a predetermined weight range (a measurable weight range) according to the weight of the measurement object.
  • the load and the transmission loss of the sensor light uniquely correspond to each other.
  • the weight of the measurement object is obtained from the loss loss of the sensor light generated when the measurement object is placed by checking the relationship between the load and the transmission loss of the sensor light in advance. be able to.
  • Data indicating the relationship between the load and the transmission loss of the sensor light and the conversion loss data of the sensor light at the time of measurement to the weight value of the measurement object include, for example, a predetermined program for converting the transmission loss data to the weight value. It can be realized with a computer.
  • the weight measuring element WM and the weighing scale including the weight measuring element WM are configured to generate a loss with respect to the light transmitted through the optical fiber sensor in accordance with the load applied to the load uniformizing substrate 5. .
  • the bending according to a load is produced with respect to the sensor part SP vicinity from which transmission loss changes sharply according to bending.
  • the hetero core part 30 which comprises sensor part SP can be simply provided by the fusion
  • the weight measuring element WM measures the weight without using an electric signal, it is not necessary to take waterproof measures, and can be suitably used in an explosion-proof facility.
  • the weight measuring element WM preferably includes the protective sheet 2 for protecting the optical fiber sensor between the second substrate 3 and the pressing member 4 and the optical fiber sensor. Thereby, damage to the optical fiber sensor pressed by the pressing member 4 can be prevented. In particular, since it is easy to be broken at the interface 40 of the sensor part SP, the durability is improved by protecting this part with the protective sheet 2.
  • the protective sheet 2 is not necessarily required.
  • a protective layer made of resin may be provided on the outer periphery of the optical fiber sensor.
  • the optical fiber sensor is deformed so that both outer portions of the bend are raised. And this swell is not hindered because the cut portion 3b is formed and the upper part is opened. Therefore, by forming the cut portion 3b, especially when the weight of the measurement object is light, variation in transmission loss is suppressed, and the weight can be measured with good reproducibility.
  • the notch 3b is not necessarily required.
  • the distance a + 2s from the end to the end of the cut portion 3b is, for example, about 10 mm when a is about 2 mm to 4 mm.
  • the size of the cut portion 3b is reduced, that is, when the length s is shortened, the effect of providing the cut portion 3b is reduced.
  • the shape of the cut portion 3b is not limited, and the cut portion 3b may not be formed over the entire thickness of the second substrate 3.
  • the height of the pressing member 4 is substantially equal to the thickness of the second substrate 3. Therefore, the transmission loss of the sensor light can be sensed even when the measurement object is light.
  • the pressing member 4 sinks, and the sensor light is within the range from the actual pressing of the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor to bending.
  • the transmission loss of does not change. Therefore, when the weight of the measurement object is light, there is a possibility that measurement cannot be performed.
  • the height of the pressing member 4 is higher than the thickness of the second substrate 3, the bending has already occurred in the vicinity of the sensor part SP of the optical fiber sensor when the weight is zero, that is, without placing the measurement object. A transmission loss of sensor light occurs. Therefore, the measurement range may be narrowed.
  • the pressing member 4 is made of metal, and the first substrate 1 and the second substrate 3 are made of silicone rubber.
  • the depression of the pressing member 4 when a load is applied is increased, and a stable bend is generated in the vicinity of the sensor portion SP of the optical fiber sensor. Is possible. Therefore, the weight can be measured with high reproducibility and high accuracy.
  • the first substrate 1 and the second substrate 3 do not necessarily have to be made of the same material, and either material may have a high hardness. Further, the measurable range of the weight measuring element WM is, for example, about 0 kg to 100 kg, but varies depending on the material and shape of the constituent members.
  • the shape of the pressing members 4a and 4b is different from the shape of the pressing member 4 according to the first embodiment.
  • the rest is the same as in the first embodiment.
  • the pressing member 4a has a substantially semi-elliptical cross section.
  • the shape of the bottom portion that presses the vicinity of the sensor portion SP of the pressing member 4a is a rounded shape, like the pressing member 4 of the first embodiment.
  • the curvature of the tip is smaller than the curvature in the first embodiment.
  • the pressing member 4 b has a cross-sectional shape formed in a home base shape.
  • the bottom of the pressing member 4b that presses the vicinity of the sensor part SP of the optical fiber sensor has a shape that is pointed downward, and the curvature of the tip is larger than the curvature in the first embodiment.
  • the curvature of bending that occurs in the vicinity of the sensor portion SP increases, so that sensitivity is improved, measurement accuracy is increased, and the lower limit of the measurable range is reduced.
  • the durability is inferior and the upper limit of the measurable range is reduced.
  • the shape of the bottom portion of the pressing member 4 may be any shape that protrudes downward and is suitable for generating an appropriate bend in the vicinity of the sensor portion SP when a load is applied to the pressing member 4. Is not to be done. What is necessary is just to set it as the suitable shape according to the measurement object from viewpoints, such as measurement accuracy, a measurable range, and durability.
  • the space of the opening 3a above the pressing member 4 is embedded with the sealant 6, for example, when the pressing member 4 has a cylindrical shape, the load transmitted to the pressing member 4 is made more uniform. Therefore, the depression operation of the pressing member 4 can be further stabilized, and the weight can be measured with high reproducibility and high accuracy.
  • the diameter bl of the core 31 is greater than the diameter al of the core 21 of the optical fibers 20a and 20b. Is configured to be larger.
  • transformation of 4th Embodiment has a refractive index equivalent to the refractive index of the core 21 of the optical fibers 20a and 20b, or the refractive index of the clad 22. It is made up of materials.
  • the sensor part SP is a light transmitting member 30a that does not have a hetero-core structure, and is joined to the middle part of the optical fibers 20a and 20b.
  • a weight measuring element WM is provided in the middle of the optical fibers 20a and 20b.
  • the optical fiber 20c is branched.
  • the reflection part 15 is provided in the edge part of the optical fiber 20b.
  • the reflecting portion 15 is a mirror formed by vapor-depositing silver.
  • the end of the optical fiber 20a is a light incident end, and the end of the optical fiber 20c is a light emitting end.
  • a light source 11 such as a semiconductor light emitting diode or a semiconductor laser that emits sensor light is provided at the light incident end of the optical fiber 20a, and light that detects sensor light emitted from the light exit end at the light emitting end of the optical fiber 20c.
  • a light receiving unit 12 such as a multimeter is provided.
  • the sensor light emitted from the light source 11 and passing through the sensor unit SP is reflected by the reflecting unit 15, passes through the sensor unit SP again, and is detected by the light receiving unit 12. Therefore, since the transmission loss becomes larger compared to the sensor light that has just passed through the sensor part SP in one direction, the weight can be measured with higher accuracy.
  • an optical time-domain reflectometer (OTDR) device 70 is connected to the end of the optical fiber 20a.
  • the OTDR device 70 itself detects Rayleigh scattered light behind the sensor light incident from the OTDR device 70.
  • the weight of the measurement object can be measured from the amount of light detected by the OTDR device 70. However, real-time measurement is not possible.
  • a plurality of weight measuring elements WM are connected in series on one optical fiber, and an OTDR device 70 is connected to the end of the optical fiber 20a. Has been.
  • the first weight measuring element WM1 is provided in the middle of the optical fibers 20a and 20b
  • the second weight measuring element WM2 is provided in the middle of the optical fibers 20b and 20c
  • the middle parts of the optical fibers 20c and 20d are further provided. Is provided with a third weight measuring element WM3.
  • a white light source that emits white light as sensor light is provided as a light source 11a at a light incident end of an optical fiber 20a.
  • a white light source can also be used as the light source 11a instead of the semiconductor light emitting diode or the semiconductor laser that emits light of a single wavelength or a narrow wavelength region.
  • the light receiving unit 12 it is preferable to use light having a single wavelength as sensor light.
  • Example ⁇ A weight scale according to the first embodiment was created, and the relationship between the load applied to the load uniformizing substrate 5 and the transmission loss of the sensor light was measured, and the measurement result shown in FIG. 14 was obtained.
  • the horizontal axis represents load (unit kg) and the vertical axis represents loss (unit dB).
  • the weight value of the measurement target can be calculated with reference to FIG.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be a form in which the embodiments are appropriately combined, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
  • a plurality of weight measuring elements WM may be arranged in a two-dimensional array, for example, and a distributed weight or a moving load may be measured using a planar weight scale as a configuration.
  • the weight measuring element of the present invention and the weight scale equipped with the weight measuring element can be suitably used for, for example, a weight scale used in an explosion-proof facility.

Landscapes

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Abstract

重量計測素子ＷＭは、ヘテロコア構造のセンサ部ＳＰを有する光ファイバセンサと、光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ及びその近傍部分を載せる第１基板２と、開口部３ａの領域内にセンサ部ＳＰを位置させ光ファイバセンサの上方に配置される第２基板３と、開口部３ａ内に収容された硬度の高い押圧部材４と、第２基板３上に設けられる荷重均一化基板５とを備える。押圧部材４の下方に突出する底部に押圧されてセンサ部ＳＰ近傍に曲げが発生し、曲げに応じたセンサ光の伝送損失が発生する。電気信号を用いずに軽重量物を高精度で計測可能となる。

Description

重量計測素子及び重量計
　本発明は、光ファイバセンサを用いて重量を計測するための重量計測素子、及びこれを備えた重量計に関する。
　従来の一般的な重量計は、計測対象物を台座などに載せ、台座からの荷重に応じて変形する圧縮バネの変形量に基づいて、重量を計測している。通常の重量計は、圧縮バネの変形量に応じて指示針を機械的に回動又は移動させ、指示針が計測対象物の重量に対応する重量値を指し示すように構成されている。
　また、従来の重量計には、圧縮バネの変形量を電気信号に変換し、重量を電気的に計測する重量計測素子も広く用いられている。この場合、電気信号の変化量を検出して、重量を計測している。
　また、特許文献１及び２には、光ファイバを用いて大型車両や大型設備などの総重量を計測する際に使用される重量計が開示されている。これらの重量計は、計測対象物の荷重を上面に受けて変形する受感部と、受感部の変形に応じて歪みを付加されるセンシングファイバと、基準となる出力光を得るためのリファレンスファイバとを備えている。センシングファイバとリファレンスファイバとを伝播する光信号の位相差を干渉パターン計により精密に計測し、センシングファイバの伸縮量を求めることによって、計測対象物の重量を求めている。
　なお、特許文献３及び４に開示されるように、ヘテロコア構造のセンサ部の曲率によりセンサ光の伝送損失が大きく変化するヘテロコア型の光ファイバセンサが開発されている。
特開２００２－１８８９５２号公報 特開２００２－１６８６７７号公報 国際公開９７／４８９９４号パンフレット 特開２００３－２１４９０６号公報
　しかしながら、従来の重量計においては重量計測の精度を高めることが難しく、高精度を実現しようとすると構造が複雑となり、製造コストが高価となっていた。さらに、電気信号を用いない機械的な重量計においては、遠隔計測や計測データ処理などが困難であった。
　さらに、従来の電気信号を用いた重量計においては、電気的センサを用いているので、少量の水がかかっただけで容易に漏電するおそれがあり、防水対策を万全に講じる必要があった。さらに、電気信号を授受するので、防爆施設などでは使用することができなかった。
　さらに、特許文献１及び２に開示された重量計においては、センシングファイバの伸縮量が検出可能な程度に受感部が変形する必要があるので、大型車両や大型設備などの重量が非常に重いものでなければ計測することができなかった。
　本発明は、以上の点に鑑み、電気信号を用いずに軽重量物を高精度で計測可能であり安価な重量計測素子及びこれを備えた重量計を提供することを目的としている。
　本発明の重量計測素子は、コア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にする光透過部材を中途部に有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバセンサと、該光ファイバセンサの前記光透過部材及びその近傍部分を載せるように前記光ファイバセンサの下方に配置される第１基板と、開口部が形成され、該開口部の領域内に前記光透過部材が位置するように前記光ファイバセンサの上方に配置される第２基板と、前記開口部内に収容され、前記第１基板及び前記第２基板より硬度の高い材料からなる押圧部材と、前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられ、上面に印加された荷重を均一化して下方に伝達する荷重均一化基板とを備え、前記光透過部材の上方に位置する前記押圧部材の底部が下方に突出するように形成されており、前記荷重均一化基板の上面に荷重が印加されたとき、前記押圧部材の底部により押圧されて前記光ファイバセンサの前記光透過部材を含む範囲に曲げが発生し、前記外界との相互作用が前記曲げに応じて前記光ファイバを伝送する光に対して生じるように構成されている。
　本発明の重量計測素子によれば、荷重均一化基板の上面に計測対象物を載せたとき、計測対象物の重量に応じた荷重が均一化されて、第２基板と押圧部材とに伝達される。そして、押圧部材が第２基板より硬度の高い材料からなるので、押圧部材の底部が第２基板の底面より深く沈み込み、光ファイバセンサの光透過部材及びその近傍部分（以下、合わせて、「光透過部材近傍」という）を押圧し、当該光透過部材近傍に曲げが生じる。光透過部材近傍に生じる曲げに応じて、光ファイバセンサに伝送される光と外界との相互作用が発生する。このように、重量計測素子は、荷重均一化基板の上面に載せた計測対象物の重量に応じて、光ファイバセンサに伝送される光と外界との相互作用を発生させる。従って、発生した相互作用を検出することにより、計測対象物の重量を計測することができる。
　そして、光透過部材は簡易に設けることができるので、重量計測素子を安価に製造することができる。また、光透過部材近傍に曲げを発生させることにより重量を計測することが可能であるので、特許文献１及び２に開示された重量計に比べて、軽重量物の重量を高精度に計測することができる。また、重量計測素子は、電気信号を用いることなく重量を計測するので、防水対策を講じる必要はなく、防爆施設などでも好適に使用できる。
　また、本発明の重量計測素子において、前記第２基板及び前記押圧部材と前記光ファイバセンサとの間に該光ファイバセンサを保護する保護シートが設けられていることが好ましい。この場合、曲げにより破損しやすい光ファイバセンサを保護シートによって保護するので、耐久性を向上させることが可能となる。
　また、本発明の重量計測素子において、前記光透過部材の近傍において、前記光ファイバセンサの上方を開放する切り込みが前記開口部と連通して形成されていることが好ましい。この場合、光透過部材近傍における光ファイバセンサが盛り上がるような曲線を描く形状になることが可能となるので、計測可能範囲の下限付近における伝送損失のばらつきが抑制され、再現性良く重量を計測することが可能となる。
　また、本発明の重量計測素子において、前記押圧部材の高さが前記第２基板の厚さと実質的に同等であることが好ましい。この場合、計測可能範囲が広く、且つその下限を低くすることが可能となる。
　また、本発明の重量計測素子において、前記第１基板及び前記第２基板がシリコーンゴムからなり、前記押圧部材が金属からなることが好ましい。この場合、硬度差が大きくなるので、高精度に重量を計測することが可能となる。
　また、本発明の重量計測素子において、前記光透過部材は、該光透過部材の前後に位置する光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であることが好ましい。
　また、本発明の重量計測素子において、前記光透過部材は、該光透過部材の前後に位置する光ファイバのコアの屈折率又はクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ材料からなることが好ましい。
　これらの場合、光透過部材は伝送する光の一部を漏洩するので、光の伝送損失を検出することによって、重量を計測することができる。そのため、安価な検出装置を用いることが可能となる。また、光の伝送損失は、光透過部材近傍の曲げに一意的に依存するので、高精度に重量を計測することが可能となる。また、放電による融着などにより簡易に光透過部材を設けることが可能となる。
　本発明の重量計は、前記本発明の重量計測素子と、前記光ファイバセンサの入射端に設けられた光源と、前記光ファイバセンサの出射端に設けられた受光部とを備える。
　本発明の重量計によれば、前記本発明の重量計測素子が有する効果を備えた重量計を得ることができる。
本発明の第１実施形態に係る重量計の模式構成図である。 重量計測素子の斜視図である。 重量計測素子の構成を示す分解斜視図である。 （ａ）は重量計測素子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＸ－Ｘ’における断面図であり、（ｃ）は（ａ）中のＹ－Ｙ’における断面図である。 光ファイバセンサのセンサ部近傍を概念的に示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は長手方向断面図である。 本発明の第２実施形態に係る重量計測素子の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る他の重量計測素子の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る重量計測素子の断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る重量計測素子のセンサ部近傍の長手方向断面図である。 本発明の第５実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。 本発明の第６実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。 本発明の第７実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。 本発明の第８実施形態に係る重量計の構成を示す模式構成図である。 本発明の実施例に係る荷重均一化基板に印加される荷重とセンサ光に生じる伝送損失の関係を示すグラフである。
　以下に、本発明に係る重量計測素子及びこれを備えた重量計の実施形態について、図面を参照して説明する。
　〔第１実施形態〕
　図１を参照して、第１実施形態に係る重量計は、光ファイバ２０ａ，２０ｂ及びその中途部に設けられた重量計測素子ＷＭからなる光ファイバセンサ、光ファイバセンサの光入射端である光ファイバ２０ａ端部に設けられた光源１１、及び光ファイバセンサの光出射端である光ファイバ２０ｂ端部に設けられた受光部１２を備えている。
　光源１１は、例えば、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を有しており、センサ光を出射する。受光部１２は、例えば、フォトダイドード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの受光素子を有する光マルチメータであり、光出射端から出射されるセンサ光を検出する。
　図２及び図３を参照して、重量計測素子ＷＭは、第１基板１、保護シート２、第２基板３、押圧部材４及び荷重均一化基板５を備えている。
　第１基板１は、樹脂製ゴムなどの柔軟素材からなる板状部材であり、ここでは、厚みが２ｍｍから４ｍｍ程度で１辺が２０ｍｍから５０ｍｍ程度の正方形状のシリコーンゴムから構成されている。第１基板１の上面に光ファイバセンサが戴置されている。
　光ファイバセンサは、光ファイバ２０ａ，２０ｂの中途部に、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にする光透過部材であるセンサ部ＳＰを有する。ここでは、センサ部ＳＰは、伝送する光の一部を漏洩する。光ファイバセンサは、少なくともセンサ部ＳＰ及びその近傍部分（以下、合わせて、「センサ部ＳＰ近傍」という）が第１基板１上に水平に配置されている。なお、ここでは、光ファイバセンサは、第１基板１上で一直線状となっている。しかし、光ファイバセンサは、水平面内にて一定の曲線を描くよう安定的に配置されていてもよい。
　保護シート２は、樹脂などの可撓性に富む柔軟素材からなる薄膜状部材であり、ここでは、厚みが０．５ｍｍ程度で第１基板１と略同一正方形状のウレタンシートから構成されている。保護シート２は、光ファイバセンサ上を覆うようにして、第１基板１上に戴置されている。
　第２基板３は、樹脂製ゴムなどの柔軟素材からなる板状部材であり、ここでは、厚みが２ｍｍから４ｍｍで第１基板１と外形が略同一正方形状のシリコーンゴムから構成されている。第２基板３は、保護シート２の上面に載置されている。
　第２基板３には、開口部３ａが設けられている。図４（ａ）乃至図４（ｃ）を参照して、開口部３ａは、ここでは、短辺の長さａが２ｍｍから４ｍｍ程度、長辺の長さｂが１０ｍｍ程度の長方形状であり、第２基板３の略中央部に上下方向に貫通して形成されている。上面視で開口部３ａの領域内にセンサ部ＳＰが位置し、且つ開口部３ａの長手方向と光ファイバセンサの延在方向とが直交するように、光ファイバセンサ及び第２基板３が配置される。
　第２基板３には、開口部３ａに連通する切り込み部３ｂが形成されている。切り込み部３ｂは、光ファイバセンサのセンサ部ＳＰの近傍において、光ファイバセンサの上方を開放するように形成されている。即ち、切り込み部３ｂは、第２基板３の開口部３ａの光ファイバセンサが配置されている方向と直交する方向の側壁部分に形成されている。切り込み部３ｂは、ここでは、光ファイバセンサが配置されている方向の長さｓが２ｍｍから４ｍｍ程度、開口部３ａの長手方向に亘る幅ｔが２ｍｍから４ｍｍ程度の大きさに開口部３ａの両側に形成されている。
　押圧部材４は、その底部の凸状の滑らかな曲面が保護シート２に接するようにして、開口部３ａ内に収容されている。押圧部材４は、ここでは、直径２ｍｍから４ｍｍ程度、高さが１０ｍｍ程度の円柱形状である。押圧部材４は、第１基板１及び第２基板３より硬度の高い材料（ヤング率の小さな材料）、ここでは、鉄やステンレス等の金属から構成されている。押圧部材４は、ここでは、円柱形状の外周面が保護シート２に接するように、開口部３ａに嵌入されている。即ち、開口部３ａは、円柱形状の押圧部材４が嵌入可能な形状となっている。
　押圧部材４は、押圧部材４に上方から荷重が付加されたとき、光ファイバセンサの少なくともセンサ部ＳＰ近傍に適切な曲げを生じさせるに適した形状となるように、その底部が形成されている。ここでは、押圧部材４の円柱形状の外周面が底面となっている。
　また、押圧部材４は、光ファイバセンサの延在方向に対して直交する方向（押圧部材４の長手方向）に沿って同じ断面形状となるように形成されている。これにより、光ファイバセンサが前記方向にずれても、同じ曲げをセンサ部ＳＰ近傍に生じさせることが可能となる。
　荷重均一化基板５は、柔軟素材又は硬質素材からなる板状部材であり、ここでは、厚みが２ｍｍから４ｍｍで第１基板１と外形が略同一正方形状のアクリル板から構成されている。荷重均一化基板５は、開口部３ａに押圧部材４を収容した第２基板３の上面に載置されている。
　荷重均一化基板５は、その上面に印加された荷重を均一化して下方に伝達する。そのため、荷重均一化基板５は、その上面に印加される荷重を与える計測対象物に応じて、その材質や厚みが選択される。例えば、計測対象物と荷重均一化基板５との接触面積が小さく、荷重均一化基板５の一部の上面にのみ荷重が集中的に印加される場合、荷重均一化基板５は、鉄やステンレス等の金属などの硬質素材からなるものが好ましい。ただし、荷重均一化基板５の上に台座を設けて、この台座の上に計測対象物を載せることも考慮することが必要な場合もある。一方、計測対象物の底部が平面状であり、荷重均一化基板５の上面に一様な荷重が印加される場合、荷重均一化基板５は、柔軟素材からなる厚みの薄いものであってもよい。
　なお、荷重均一化基板５は、第２基板３と同じ素材からなるものであってもよく、この場合、これらを一体化することができる。また、荷重均一化基板５は、押圧部材５と同じ素材からなるものであってもよく、この場合、これらを一体化することができる。
　重量計測素子ＷＭは、接着剤や熱収縮チューブ等を用いることにより、第１基板１、保護シート２、第２基板３及び荷重均一化基板５の構成が保持されている。ただし、光ファイバセンサは、その曲げ変形が妨げられないように配置することが好ましく、第１基板１等に固定化する必要はない。
　図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して、光ファイバセンサは、一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂとの間に、センサ部ＳＰを設けた構成である。光ファイバ２０ａ，２０ｂは、コア２１と、その外周に設けられたクラッド２２とからなっている。
　センサ部ＳＰは、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部３０からなっている。ヘテロコア部３０は、光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア径ａｌと異なるコア径ｂｌを有するコア３１と、その外周に設けられたクラッド３２とからなっている。ヘテロコア部３０のコア３１の径ｂｌは、光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア２１の径ａｌより小さい。ここでは、コア２１の径ａｌは９μｍであり、コア３１のコア径ｂｌは５μｍである。また、ヘテロコア部３０の長さｃｌは、例えば、１ｍｍから２ｍｍ程度である。
　センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３０と光ファイバ２０ａ，２０ｂとは、長手方向に直交する界面４０でコア同士が接合するように略同軸に、例えば、汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。
　光ファイバ２０ａ，２０ｂ及びヘテロコア部３０として、シングルモード光ファイバとマルチモード光ファイバとのいずれも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。例えば、光ファイバ２０ａ，２０ｂとして、コア径５０μｍのマルチモード光ファイバを使用してもよい。
　光ファイバ２０ａ，２０ｂの中途部にヘテロコア型のセンサ部ＳＰが接合されており、ヘテロコア部３０におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア２１の径ａｌとが界面４０で異なっている。このコア径の差に起因して、図５（ａ）に示すように、伝送される光の一部がヘテロコア部３０のクラッド３２へ漏洩し、リーク光Ｗが発生する。
　コア２１とコア３１のコア径の相違が小さくなるように設定すると、リーク光Ｗが小さくなり、大部分の光は再びコア２１に入射し、伝送するセンサ光の伝送損失（ロス）が小さくなる。一方、コア２１とコア３１のコア径の相違が大きくなるように設定すると、リーク光Ｗが大きくなり、伝送するセンサ光の伝送損失が大きくなる。
　ヘテロコア型のセンサ部ＳＰにおいて、リーク光Ｗの大きさ、ひいてはセンサ光の伝送損失は、センサ部ＳＰ近傍の光ファイバセンサの曲げの変化により鋭敏に変化し、曲げが大きいほど大きくなる。
　次に、重量計測素子ＷＭの動作について説明する。
　荷重均一化基板５の上面に計測対象物を載せると、計測対象物の重量に応じた荷重が荷重均一化基板５に印加される。これにより、荷重が荷重均一化基板５の下方に配置された押圧部材４と第２基板３へと伝達される。このとき、荷重均一化基板５の上面に印加される荷重が不均一であったとしても、下部へ伝達される荷重はより均一化されて、押圧部材４と第２基板３へ荷重がより均等に伝達される。
　押圧部材４は、第２基板３より硬度の高い材料から構成されている。そのため、第２基板３と押圧部材４とに単位面積当り同一の荷重が印加されると、第２基板３は押圧部材４より押しつぶされる程度が大きい。換言すれば、押圧部材４は第２基板３より押しつぶされる程度が小さい。特に、第２基板３がシリコーンゴムから構成され、押圧部材４が金属から構成されているので、第２基板３は荷重に応じて厚さが一律に薄くなり、押圧部材４は荷重に拘らず高さが変化しない。そして、荷重均一化板５がアクリル板で構成されているので、第２基板３の上面と押圧部材４との上面は面一になる。
　また、第２基板３の下層には、可撓性に富む保護シート２を介して、金属製の押圧部材４より低硬度なシリコーンゴムから構成された第１基板１が配置されている。
　従って、荷重均一化基板５の上面に荷重が印加されると、押圧部材４の底部が第２基板３の底面より深く沈み込んで、保護シート２を介して、光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍を押圧し、当該センサ部ＳＰ近傍に曲げを発生させる。
　光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍に発生する曲げに起因して、光ファイバセンサに伝送されるセンサ光に損失が発生する。このように、重量計測素子ＷＭは、荷重均一化基板５に荷重が印加されたときに、光ファイバセンサを伝送する光に対して損失を発生させる構成となっている。
　重量計測素子ＷＭは、所定の重量範囲（計測可能な重量範囲）において、計測対象物の重量に応じて、光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍の曲率が一意的に変化するように構成されており、荷重とセンサ光の伝送損失とが一意的に対応する。
　従って、重量計測素子ＷＭにおいて、荷重とセンサ光の伝送損失の関係を予め調べておくことで、計測対象物を戴置したときに発生するセンサ光の損失損失から、計測対象物の重量を得ることができる。
　荷重とセンサ光の伝送損失の関係を示すデータと計測時のセンサ光の伝送損失データから計測対象物の重量値への変換は、例えば、伝送損失データを重量値に換算する所定のプログラムを組み込んだコンピュータなどにより実現できる。
　以上のように、重量計測素子ＷＭとこれを備えた重量計は、荷重均一化基板５に印加される荷重に応じて光ファイバセンサを伝送する光に対して損失を発生させる構成となっている。そして、曲げに応じて鋭敏に伝送損失が変化するセンサ部ＳＰ近傍に対して、荷重に応じた曲げを生じさせている。また、センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３０は、汎用化されている放電による融着などにより簡易に設けることが可能である。そのため、安価で軽重量物を高精度で計測可能な重量計を実現することができる。
　重量計測素子ＷＭは、電気信号を用いることなく重量を計測するので、防水対策を講じる必要はなく、防爆施設などでも好適に使用できる。
　重量計測素子ＷＭは、上記のように、第２基板３及び押圧部材４と光ファイバセンサの間に光ファイバセンサを保護する保護シート２を備えることが好ましい。これにより、押圧部材４に押圧された光ファイバセンサの破損を防止することができる。特に、センサ部ＳＰの界面４０で折れやすいので、この部分を保護シート２で保護することにより、耐久性が向上する。
　なお、保護シート２は必ずしも必要なものではない。例えば、光ファイバセンサの外周に樹脂製の保護層を設けてもよい。ただし、均一な保護層を設けることは困難であるとともに、保護層によって曲げが発生し難くなるので、精度に劣ることがある。
　計測対象物の重量が軽いとき、押圧部材４の沈み込みが少ないので、大きな曲げが生じない。この場合、曲げの両外側部分が盛り上がるように光ファイバセンサは変形する。そして、この盛り上がりは、切り込む部３ｂが形成され、上方が開放されているため、妨げられない。従って、切り込む部３ｂを形成することによって、特に計測対象物の重量が軽いとき、伝送損失のばらつきが抑制され、再現性良く重量を計測することができる。ただし、切り込み部３ｂは必ずしも必要なものではない。
　図４を参照して、切り込み部３ｂの端部から端部までの距離ａ＋２ｓは、例えばａが２ｍｍから４ｍｍ程度のとき、１０ｍｍ程度としている。切り込み部３ｂの大きさを小さくする、即ち、長さｓを短くすると、切り込み部３ｂを設けた効果が薄れる。例えばａ＋２ｓを６ｍｍ以上にすることにより、計測対象物の重量が軽いときの伝送損失のばらつきを抑制する効果を十分に得ることができる。なお、切り込み部３ｂは、その形状は限定されず、第２基板３の厚さ全体に亘って形成しなくともよい。
　押圧部材４の高さは、第２基板３の厚さと実質的に同等であることが好ましい。これにより、計測対象物の重量が軽いときでもセンサ光の伝送損失を感知することができる。
　押圧部材４の高さが第２基板３の厚さより低いと、押圧部材４が沈み込み、実際に光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍を押圧して曲げを生じさせるまでの範囲内では、センサ光の伝送損失が変化しない。よって、計測対象物の重量が軽い場合、計測することができないおそれがある。
　また、押圧部材４の高さが第２基板３の厚さより高いと、重量が０の時点で、即ち、計測対象物を載せない状態で、既に光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍に曲げが生じ、センサ光の伝送損失が発生する。よって、計測範囲が狭くなるおそれがある。
　押圧部材４が金属からなり、第１基板１及び第２基板３がシリコーンゴムからなることが好ましい。このように、硬度に大きな差を有する材料から構成することにより、荷重が印加されたときの押圧部材４の沈み込みが大きくなり、光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍に安定な曲げを生じさせることが可能となる。よって、再現性良く高精度に重量を計測することができる。
　なお、第１基板１と第２基板３とは必ずしも同じ素材から構成する必要はなく、どちらの素材の硬度が高いものであってもよい。また、重量計測素子ＷＭの計測可能範囲は、例えば、０ｋｇから１００ｋｇ程度であるが、構成部材の材質や形状等によって変化する。
　〔第２実施形態〕
　第２実施形態に係る重量計測素子は、押圧部材４ａ，４ｂの形状が第１実施形態に係る押圧部材４の形状と異なる。これ以外は、第１実施形態と同様である。
　図６を参照して、押圧部材４ａは、その断面形状が略半楕円状に形成されている。押圧部材４ａのセンサ部ＳＰ近傍を押圧する底部の形状は、第１実施形態の押圧部材４と同様に、丸められた形状となっている。ただし、その先端部の曲率が第１実施形態における曲率よりも小さなっている。これにより、センサ部ＳＰ近傍に生じる曲げの曲率が小さくなるので、耐久性が向上するとともに計測可能範囲の上限が大きくなる。ただし、感度が劣る。
　一方、図７を参照して、押圧部材４ｂは、その断面形状がホームベース状に形成されている。押圧部材４ｂの光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍を押圧する底部が下方に尖った形状となっており、その先端部の曲率が第１実施形態における曲率よりが大きくなっている。これにより、センサ部ＳＰ近傍に生じる曲げの曲率が大きくなるので、感度が向上し、計測精度が増し、計測可能範囲の下限が小さくなる。ただし、耐久性が劣り、計測可能範囲の上限が小さくなる。
　押圧部材４の底部の形状は、上記のほか、押圧部材４に荷重が印加されたときにセンサ部ＳＰ近傍に適切な曲げを発生させるに適した下方に突出した形状であればよく、特に限定されるものではない。計測精度、計測可能範囲や耐久性などの観点から計測対象物に応じた好適な形状とすればよい。
　〔第３実施形態〕
　図８を参照して、第３実施形態に係る重量計測素子は、第１実施形態とは異なり、押圧部材４の上方における開口部３ａの空間が、シリコーン樹脂などからなるシーラント６により埋め込まれている。これ以外は、第１実施形態と同様である。
　押圧部材４の上方における開口部３ａの空間がシーラント６で埋め込まれていることにより、例えば押圧部材４が円柱形状である場合などにおいて、押圧部材４に伝達される荷重がより均一化される。よって、押圧部材４の沈み込み動作をより安定化させることが可能となり、より再現性良く高精度に重量を計測することができる。
　〔第４実施形態〕
　センサ部ＳＰとして、前記実施形態における構成以外の構成を採用することも可能である。
　図９（ａ）を参照して、第４実施形態に係る重量計測素子のセンサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３０は、コア３１の径ｂｌが、光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア２１の径ａｌよりも大きくなるように構成されている。
　図９（ｂ）を参照して、第４実施形態の変形に係る重量計測素子のセンサ部ＳＰは、光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア２１の屈折率又はクラッド２２の屈折率と同等の屈折率を持つ材料から構成されている。このセンサ部ＳＰは、ヘテロコア構造ではない光透過部材３０ａであり、光ファイバ２０ａ，２０ｂの中途部に接合されている。
　センサ部ＳＰを上記のように構成しても、伝送する光の一部がセンサ部ＳＰで漏洩するので、前記実施形態と同様に、高精度に重量を計測することができる。
　〔第５実施形態〕
　図１０を参照して、第５実施形態に係る重量計においては、光ファイバ２０ａ，２０ｂの中途部に重量計測素子ＷＭが設けられ、光カプラ（分波器）又はサーキュレータ１６において光ファイバ２０ａから光ファイバ２０ｃが分岐している。そして、光ファイバ２０ｂの端部に、反射部１５が設けられている。反射部１５は、ここでは、銀を蒸着して形成された鏡である。光ファイバ２０ａ端部が光入射端、光ファイバ２０ｃ端部が光出射端となっている。
　光ファイバ２０ａの光入射端に、センサ光を出射する半導体発光ダイオードや半導体レーザなどの光源１１が設けられ、光ファイバ２０ｃの光出射端に、光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータなどの受光部１２が設けられている。
　光源１１から出射されセンサ部ＳＰを通過したセンサ光は、反射部１５で反射て再びセンサ部ＳＰを通過して、受光部１２で検出される。そのため、一方向にセンサ部ＳＰを通過させただけのセンサ光と比較して、伝送損失がより大きくなるので、より高精度に重量を計測することができる。
　〔第６実施形態〕
　図１１を参照して、第６実施形態に係る重量計においては、光ファイバ２０ａ端部に、ＯＴＤＲ（Optical time-domain reflectometer）装置７０が接続されている。ＯＴＤＲ装置７０から入射されたセンサ光の後方へのレイリー散乱光をＯＴＤＲ装置７０自身が検出する。
　後方へのレイリー散乱光は、センサ部ＳＰ近傍の曲げに応じて発生するため、ＯＴＤＲ装置７０が検出した光量から、計測対象物の重量を計測することができる。ただし、リアルタイム計測はできない。
　〔第７実施形態〕
　図１２を参照して、第７実施形態に係る重量計においては、１本の光ファイバ上に複数個の重量計測素子ＷＭが直列に接続され、光ファイバ２０ａ端部に、ＯＴＤＲ装置７０が接続されている。
　ここでは、光ファイバ２０ａ，２０ｂの中途部に第１重量計測素子ＷＭ１が設けられ、光ファイバ２０ｂ，２０ｃの中途部に第２重量計測素子ＷＭ２が設けられ、さらに光ファイバ２０ｃ，２０ｄの中途部に第３重量計測素子ＷＭ３が設けられている。
　ＯＴＤＲ装置７０からセンサ光が入射されると、３個の重量計測素子ＷＭ１～ＷＭ３のそれぞれにおいて後方へのレイリー散乱光が発生し、これらの光量をＯＴＤＲ装置７０が検出する。これにより、複数個の重量計測素子ＷＭ１～ＷＭ３で同時に重量を計測することができる。
　〔第８実施形態〕
　図１３を参照して、第８実施形態に係る重量計においては、光ファイバ２０ａの光入射端に、センサ光して白色光を発光する白色光源が光源１１ａとして設けられている。
　このように、単一波長又は狭い波長領域の光を発光する半導体発光ダイオードや半導体レーザの代わりに、光源１１ａとして白色光源も用いることができる。ただし、受光部１２として光マルチメータを用いる場合、単一波長の光をセンサ光として用いることが好ましい。
　〔実施例〕
　第１実施形態に係る重量計を作成し、荷重均一化基板５に印加される荷重とセンサ光の伝送損失の関係を計測し、図１４に示す計測結果が得られた。図中、横軸は荷重（単位ｋｇ）、縦軸は損失（単位ｄＢ）である。
　図１４に示すように、荷重が大きくなるにつれて伝送損失が大きくなるように一意的に変化していることが理解される。
　従って、荷重均一化基板５に計測対象物を載せたときに、センサ光の伝送損失のデータを得ることができれば、図１４を参照して計測対象物の重量値を算出することができる。
　本発明は、上記の各実施形態に限定されず、各実施形態を適宜組み合わせた形態などであってもよく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
　また、複数の重量計測素子ＷＭを例えば２次元アレイ状に配置して、面状の重量計を構成として、分布荷重や移動荷重を計測してもよい。
　本発明の重量計測素子及びこれを備えた重量計は、例えば防爆施設などで用いられる重量計などに好適に利用可能である。

Claims (8)

  1. 　コア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にする光透過部材を中途部に有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバセンサと、
    　前記光透過部材及び該光透過部材の近傍部分を載せるように前記光ファイバセンサの下方に配置される第１基板と、
    　開口部が形成され、該開口部の領域内に前記光透過部材が位置するように前記光ファイバセンサの上方に配置される第２基板と、
    　前記開口部内に収容され、前記第１基板及び前記第２基板より硬度の高い材料からなる押圧部材と、
    　前記第２基板及び前記押圧部材上に設けられ、上面に印加された荷重を均一化して下方に伝達する荷重均一化基板とを備え、
    　前記光透過部材の上方に位置する前記押圧部材の底部が下方に突出するように形成されており、前記荷重均一化基板の上面に荷重が印加されたとき、前記押圧部材の底部により押圧されて前記光ファイバセンサの前記光透過部材を含む範囲に曲げが発生し、前記外界との相互作用が前記曲げに応じて前記光ファイバを伝送する光に対して生じるように構成されている重量計測素子。
  2. 　前記第２基板及び前記押圧部材と前記光ファイバセンサとの間に該光ファイバセンサを保護する保護シートが設けられている請求項１に記載の重量計測素子。
  3. 　前記光透過部材の近傍において、前記光ファイバセンサの上方を開放する切り込みが前記開口部と連通して形成されている請求項１又は２に記載の重量計測素子。
  4. 　前記押圧部材の高さが前記第２基板の厚さと実質的に同等である請求項１から３のいずれか１項に記載の重量計測素子。
  5. 　前記第１基板及び前記第２基板がシリコーンゴムからなり、前記押圧部材が金属からなる請求項１から４のいずれか１項に記載の重量計測素子。
  6. 　前記光透過部材は、該光透過部材の前後に位置する光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である請求項１から５のいずれか１項に記載の重量計測素子。
  7. 　前記光透過部材は、該光透過部材の前後に位置する光ファイバのコアの屈折率又はクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ材料からなる請求項１から５のいずれか１項に記載の重量計測素子。
  8. 　請求項１から７のいずれか１項に記載の重量計測素子と、
    　前記光ファイバセンサの入射端に設けられた光源と、
    　前記光ファイバセンサの出射端に設けられた受光部とを備える重量計。
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