JP4728705B2

JP4728705B2 - 衝撃検知光ファイバセンサ並びに荷重集中板

Info

Publication number: JP4728705B2
Application number: JP2005165398A
Authority: JP
Inventors: 盛久福士; 久佐藤; 明鈴木
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Denso Corp
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Denso Corp
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-06-06
Also published as: JP2006337318A

Description

本発明は、衝撃を検知するための衝撃検知光ファイバセンサ及びその製造方法並びに荷重集中板に関する。

衝撃検知センサは、自動車等の車両に備えられ、他の車両や障害物等との衝突時の衝撃を検知（センシング）するためのものである。

衝撃検知センサとしては、圧力センサ、加速度センサ或いはひずみゲージを備え、それらセンサにより測定された圧力、加速度或いはひずみの変化を観測することで衝撃を検知する電気式のものが一般に知られている。また、ガラス（石英等）やプラスチックからなる光ファイバを備え、その光ファイバを伝搬する光の透過光量の変化を観測することで衝撃を検知する光ファイバ式のものも一般に知られている。

光ファイバ式の衝撃検知センサとしては、軟質の円筒体の外周に対して螺旋状に光ファイバを巻付け、円筒体が衝撃により変形した際の光ファイバの曲げ半径小径化に伴う曲げ損失増加により衝撃を検知するものがある。また、光ファイバを波打ち板により挟み込み、光ファイバの曲げ損失或いは圧縮損失の変化により衝撃を検知するものがある。この種の光ファイバ式の衝撃検知センサは、特許文献１にも記載されている。

特表２００２−５３１８１２号公報

ところで、上述した従来の衝撃検知センサのうち電気式のものでは、衝撃を検出するセンサや、そのセンサにより検出した電気信号が電磁ノイズの影響を受け易く、検出したい電気信号と電磁ノイズとの識別が困難となることがあるという問題があった。また、電気信号は伝送損失が大きいといった問題があった。

そこで本出願人らは、これら課題を解決すべく、電磁ノイズの影響を受けにくく、且つ、伝送損失の小さい光ファイバを用いた衝撃検知光ファイバセンサを先に提案した（特願２００４−２６１２３２）。

図７に示すように、衝撃検知光ファイバセンサ７０は、衝撃を検知するための光ファイバ７１と、光ファイバ７１の一端に接続された光源（図示せず）と、光ファイバ７１の他端に接続された受光機（図示せず）と、光ファイバ７１の長手方向に沿って設けられた荷重集中板７２とを備えている。光ファイバ７１と荷重集中板７２とはモールド材７３により被覆されて一体化されており、これら光ファイバ７１、荷重集中板７２及びモールド材７３がセンサ部７４を構成している。

荷重集中板７２の片面（図７中の上側）には、光ファイバ７１の長手方向に沿って所定間隔を隔てて複数の突起７５が形成されている。各突起７５の高さは全て等しく、光ファイバ７１と各突起７５とが当接するようになっている。

他の車両や障害物等との衝突によってセンサ部７４に衝撃荷重が加わると、光ファイバ７１が荷重集中板７２の突起７５側に押しつけられて曲がったり圧縮される。そうなると、光ファイバ７１に衝撃に応じた曲げ損失及び圧縮損失が発生するので、それら損失量から衝撃の有無、大きさを検知することができる。光ファイバ７１の損失量は、光ファイバ７１を伝搬する光の透過光量の変化を観測することで測定できる。

しかしながら、図７で示した衝撃検知光ファイバセンサ７０では、衝撃の印加方向によって検出感度にバラツキが発生するという問題があった。即ち、衝撃がセンサ部７４の正面（図７中の上側）に対して傾斜して加わると、光ファイバ７１が荷重集中板７２の横方向（幅方向）にわずかにずれて、衝撃がセンサ部７４の正面から真直に加わった場合に比べて、光ファイバ７１を荷重集中板７２の突起７５側に押しつける力が小さくなってしまう。従って、衝撃印加方向によっては光ファイバ７１に作用する曲げや圧縮が不十分となり、衝撃が過小に評価されるおそれがあった。

そこで、本発明の目的は、衝撃印加方向のズレによる検出感度のバラツキを抑制することができる衝撃検知光ファイバセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、衝撃を検知するための光ファイバと、該光ファイバの一端に接続された光源と、上記光ファイバの他端に接続された受光機と、上記光ファイバの長手方向に沿って所定間隔を隔てて設けられ上記光ファイバに当接する複数の突起を有する荷重集中板とを備え、上記突起に、上記光ファイバの横ズレを防止するための溝を形成した衝撃検知光ファイバセンサにおいて、上記溝が、上記光ファイバの外周に対して面接触で当接する接触面を有することを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項２の発明は、上記光ファイバ及び荷重集中板を被覆するモールド材をさらに備えた請求項１記載の衝撃検知光ファイバセンサである。

請求項３の発明は、光ファイバの長手方向に沿って所定間隔を隔てて設けられ上記光ファイバに当接する複数の突起を有し、上記突起に、上記光ファイバの横ズレを防止するための溝を形成した荷重集中板において、上記溝が、上記光ファイバの外周に対して面接触で当接する接触面を有することを特徴とする荷重集中板である。

本発明によれば、衝撃印加方向のズレによる検出感度のバラツキを抑制することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の衝撃検知光ファイバセンサは、自動車等の車両に備えられ、他の車両や障害物等との衝突時の衝撃の有無、大きさを検知するためのものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る荷重集中板を備えた衝撃検知光ファイバセンサの概略図である。図２はセンサ部を示し、（ａ）は側面断面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線矢視断面図であり、（ｃ）は図２（ａ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線矢視断面図である。図３は荷重集中板を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は側面断面図である。

図１に示すように、本実施形態の衝撃検知光ファイバセンサ１は、衝撃を検知するためのプラスチック光ファイバ（以下ＰＯＦという）２を有するセンサ部３と、ＰＯＦ２の一端に接続された光源４と、ＰＯＦ２の他端に接続された受光機５とを備えて主に構成されている。本実施形態では、ＰＯＦ２はＵ字折返し状に配置されており、そのＰＯＦ２の直線部にセンサ部３がそれぞれ形成されている。光源４及び受光機５には、これら光源４及び受光機５とセンサ外部とを繋ぐ信号線６がそれぞれ接続されている。

本実施形態では、ＰＯＦ２として耐熱性を有する耐熱性プラスチック光ファイバ（以下ＨＰＯＦという）を用いた。また、光源４として半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子（以下ＬＥＤという）を用い、受光機５としてフォトダイオード等の受光素子（以下ＰＤという）を用いた。また、信号線６としてメタル信号線等の電気信号線を用いた。ここで、これらＬＥＤ４、ＰＤ５及び電気信号線６は、衝撃が加わらない場所に配置されるため、電磁ノイズを遮へいする構造とすることも可能である。

図２に示すように、本実施形態のＨＰＯＦ２は、光を伝搬するための断面略円形状のコア部７と、コア部７の外周に被覆させて設けられた断面略円形状のクラッド部８とから構成されている。クラッド部８は、コア部７に対して同心上に設けられる。

コア部７としては、耐熱性に優れた合成樹脂（例えば、アクリル樹脂、架橋アクリル樹脂（熱硬化アクリル樹脂）、或いは、シリコーン樹脂）を用いることができる。クラッド部８としては、コア部７よりも屈折率が低く、且つ、耐熱性、耐水性及び機械的特性に優れた合成樹脂（例えば、ふっ化エチレンプロピレン樹脂等のふっ素系樹脂）を用いることができる。

センサ部３は、ＨＰＯＦ２の長手方向に沿って延出させて設けられる荷重集中板１０と、ＨＰＯＦ２と荷重集中板１０とを被覆して、これらを一体化するモールド材１１とを有している。荷重集中板１０には、ＨＰＯＦ２に付与される衝撃荷重を支持すべく、ＨＰＯＦ２の長手方向に沿って所定間隔を隔てて、ＨＰＯＦ２に当接する複数の突起１２が形成されている。荷重集中板１０としては、鉄（例えば、冷間圧延鋼板）、硬質性のプラスチック、真ちゅう或いはステンレス鋼等のＨＰＯＦ２よりも硬い材料を用いることができる。また、モールド材１１としては、ＨＰＯＦ２よりも軟らかく、可撓性を有する合成樹脂（例えば、シリコーンゴム等）を用いることができる。

図３に示すように、本実施形態の荷重集中板１０は、長手方向に所定間隔を隔てて形成された複数の略Ｉ字状の孔１３と、それら隣接する孔１３間に形成される接続部１４と、その接続部１４の両端に形成され、長手方向に延出する突出部１５とを有している。これら接続部１４及び突出部１５が突起１２を構成している。

突起１２には、荷重集中板１０の長手方向に沿って、ＨＰＯＦ２の横ズレ（荷重集中板１０の幅方向へのズレ）を防止するための溝１６が形成されている。溝１６は、ＨＰＯＦ２の外周に対して面接触で当接する接触面１７を有している（図３（ｂ）参照）。本実施形態では、接触面１７をＨＰＯＦ２の半径と略等しい曲率半径で湾曲する断面Ｒ形状に形成することで、接触面１７がＨＰＯＦ２の外周に対して面接触で当接するようになっている。なお、接触面１７がＨＰＯＦ２の半径よりも（わずかに）大きい曲率半径で湾曲する断面Ｒ形状に形成されていても良い。

溝１６の長手方向中央の底部には、ＨＰＯＦ２を保持すべく側面視平面状の平面部１６ａが形成されている（図３（ｃ）参照）。また、溝１６の長手方向両端の底部には、ＨＰＯＦ２が曲げられた際にそのＨＰＯＦ２が切断されるのを防止すべく、側面視Ｒ形状のＲ部１６ｂが形成されている（図３（ｃ）参照）。

ここで、本実施形態では、ＨＰＯＦ２は、コア部７の直径ｄ１が１．５ｍｍ、クラッド部８の直径ｄ２（つまりＨＰＯＦ２の直径）が２．２ｍｍのものを使用した。その場合、荷重集中板１０の形状は、厚さ（板厚）Ｔ１を０．６〜２ｍｍの範囲内（本実施形態では１．５ｍｍ）とし、幅（板幅）Ｗを５〜１４ｍｍの範囲内（本実施形態では１０ｍｍ）とし、平面部１６ａの長さＬを３〜５ｍｍの範囲内（本実施形態では５ｍｍ）とし、平面部１６ａのピッチＰを１２．５〜２０ｍｍの範囲内（本実施形態では２０ｍｍ）とし、Ｒ部１６ｂの曲率半径Ｒ１を１〜２ｍｍの範囲内（本実施形態では１．８ｍｍ）とし、接触面１７の曲率半径Ｒ２をクラッド部８の半径（ｄ２／２）と略等しい値（つまり本実施形態では１．１ｍｍ）とし、溝１６の深さＤを０．１〜１．１ｍｍの範囲内（本実施形態では０．７ｍｍ）とするのが望ましい。

また、モールド材１１は、厚さＴ２を５ｍｍ以下（本実施形態では５ｍｍ）とし、硬度を３５°〜７５°の範囲内（本実施形態では５３°前後）とすることが望ましい。その際、衝撃が加わるＨＰＯＦ２上方のモールド材１１の肉厚ａを、荷重集中板１０下方のモールド材１１の肉厚ｂよりも厚く形成することが望ましい。本実施形態では、ＨＰＯＦ２上方のモールド材１１の肉厚ａを、荷重集中板１０下方のモールド材１１の肉厚ｂの約二倍に設定している。

次に、衝撃検知光ファイバセンサ１の製造方法を説明する。

本実施形態では、衝撃検知光ファイバセンサ１を製造すべくＨＰＯＦ２及び荷重集中板１０をモールド材１１により被覆する際に、押出し工法を用いた。この押出し工法は、ＨＰＯＦ２及び荷重集中板１０を押出し機（図示せず）の挿入口から差し込んで、生ゴム（モールド材１１）で覆われたＨＰＯＦ２及び荷重集中板１０を押出し機の排出口側へと押し出すようにするものである。この押出し工法を行う際、押出し機の排出口側には、モールド材１１の形状を制御（成形）するための心口金（図示せず）が設けられる。よって、押出し工法を行う際には、荷重集中板１０と心口金との寸法誤差（位置ズレ）を小さくしておく必要がある。

そこで、本実施形態では、ＨＰＯＦ２及び荷重集中板１０を生ゴムにより被覆する際に、ＨＰＯＦ２を荷重集中板１０の溝１６に係合させて、それらＨＰＯＦ２及び荷重集中板１０を押出し機の挿入口側から差し込んで排出口側へと押し出すと共に、マンドレル等の案内部材（図示せず）を押出し方向上流側の荷重集中板１０の溝１６に係合させて、荷重集中板１０を案内部材によりガイドさせるようにした。そして、全長にわたって荷重集中板１０を生ゴムにより被覆したら、それらを高温放置して、生ゴムを硬化させる。このようにすることで、荷重集中板１０と心口金との寸法誤差を小さくしておくことができると共に、荷重集中板１０に対するＨＰＯＦ２の位置精度を確保することができ、製造バラツキが小さく（つまり個体差が小さく）、且つ、寸法精度が良い衝撃検知光ファイバセンサ１を製造することができる。

次に、本実施形態の作用を説明する。

ＬＥＤ４より出力された光は、ＨＰＯＦ２を介してＰＤ５に入射される。ＰＤ５により検出された透過光量（光強度）は、電気信号線６により電気信号としてセンサ外部へ送信される。

他の車両や障害物等との衝突によってセンサ部３に衝撃荷重が加わると、ＨＰＯＦ２が、図４に示すように荷重集中板１０の突起１２間で曲げられたり、図５に示すように突起１２に押しつけられて圧縮される。そうなると、ＨＰＯＦ２に衝撃に応じた曲げ損失（マイクロベンド損失）或いは圧縮損失が発生し、図６に示すようにそれら曲げ損失或いは圧縮損失に応じてＨＰＯＦ２を伝搬する光の透過光量に変化が生じる。

ここで、本実施形態では、荷重集中板１０の突起１２に溝１６を設け、その溝１６にＨＰＯＦ２を係合させている。そのため、衝撃がセンサ部３の正面（図２中の上側）に対して図５中の矢印で示すように傾斜して加わったとしても、ＨＰＯＦ２が溝１６の内周に押しつけられることとなり、衝撃印加方向のズレによる検出感度のバラツキを抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、溝１６がＨＰＯＦ２の外周に対して面接触で当接する接触面１７を有するため、ＨＰＯＦ２を溝１６に対して面接触で保持することができ、衝撃荷重が加わった際のＨＰＯＦ２の応力集中発生を防止して、ＨＰＯＦ２が破断することを防止することが可能となる。

一方、衝撃印加から時間が経過すると、図６に示すように、モールド材１１の弾性力によりＨＰＯＦ２の形状が復元されるため、衝撃検知光ファイバセンサ１を繰返し使用することが可能である。

ところで、車両等のレイアウト上の都合により、搭載可能なセンサ部３の厚さ（モールド材１１の厚さＴ２（図３（ｂ）参照））に制限がある場合がある。その場合従来、センサ部３の耐荷重性（耐衝撃性）が低下するもののモールド材１１の厚さＴ２を薄くせざるを得なかった。しかしながら、本実施形態によれば、ＨＰＯＦ２の下部が溝１６に没入されるため、センサ部３全体の厚さ（モールド材１１全体の厚さＤ）を厚くすることなく、ＨＰＯＦ２上方のモールド材１１の肉厚ａ、或いは、荷重集中板１０下方のモールド材１１の肉厚ｂ（図３（ｂ）参照）のみを肉厚化することができ、センサ部３の耐荷重性（耐衝撃性）を向上させることが可能となる。

本発明は以上説明した実施形態には限定はされない。

例えば、上述の実施形態では、光ファイバ２がＵ字折返し状に配置されるとしたが、これには限定はされない。例えば、光ファイバ２が直線状に配置されていても良い。

また、コア部７、クラッド部８及び溝１６の断面形状は上述の実施形態には限定はされない。例えば、コア部７、クラッド部８及び溝１６が断面矩形状や断面楕円形状等の他の形状に形成されていても良い。

また、突起１２の形状は、上述の実施形態には限定はされない。つまり複数の突起１２が光ファイバ２の長手方向に沿って形成されていれば良く、例えば、各突起１２が荷重集中板１０の上部に突出する山形状に形成されていても良い（図７参照）。

また、上述の実施形態では光ファイバ２としてプラスチック光ファイバを用いたが、光ファイバ２としてガラス光ファイバを用いることも可能である。しかしながら、ガラスの特性上、ガラス光ファイバは曲げや圧縮により機械的強度劣化を起こし易く、衝撃印加時にガラス光ファイバが切断されるおそれがある。そのため、光ファイバ２としては、本実施形態のように機械的強度低下が起こりにくいプラスチック光ファイバをを用いることが望ましい。

さらに、上述の実施形態では、信号線６として電気信号線を用いるとしたが、これには限定はされない。例えば、信号線６として光ファイバ等の光信号線を用いても良い。

本発明の一実施形態に係る荷重集中板を備えた衝撃検知光ファイバセンサの概略図である。センサ部を示し、（ａ）は側面断面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線矢視断面図であり、（ｃ）は図２（ａ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線矢視断面図である。荷重集中板を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は側面断面図である。光ファイバが衝撃印加により曲げられた状態を示す、センサ部の側面断面図である。光ファイバが衝撃印加により圧縮された状態を示す、センサ部の正面断面図である。衝撃印加時の透過光量の時間変化を示すグラフである。本出願人らが先に提案した衝撃検知光ファイバセンサを示し、（ａ）は側面断面図であり、（ｂ）は図７（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線矢視断面図であり、（ｃ）は図７（ａ）のＶＩＩｃ−ＶＩＩｃ線矢視断面図である。

符号の説明

１衝撃検知光ファイバセンサ
２光ファイバ（ＰＯＦ、ＨＰＯＦ）
４光源（ＬＥＤ）
５受光機（ＰＤ）
１０荷重集中板
１１モールド材
１２突起
１６溝
１７接触面

Claims

衝撃を検知するための光ファイバと、該光ファイバの一端に接続された光源と、上記光ファイバの他端に接続された受光機と、上記光ファイバの長手方向に沿って所定間隔を隔てて設けられ上記光ファイバに当接する複数の突起を有する荷重集中板とを備え、上記突起に、上記光ファイバの横ズレを防止するための溝を形成した衝撃検知光ファイバセンサにおいて、
上記溝が、上記光ファイバの外周に対して面接触で当接する接触面を有することを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサ。
上記光ファイバ及び荷重集中板を被覆するモールド材をさらに備えた請求項１記載の衝撃検知光ファイバセンサ。
光ファイバの長手方向に沿って所定間隔を隔てて設けられ上記光ファイバに当接する複数の突起を有し、上記突起に、上記光ファイバの横ズレを防止するための溝を形成した荷重集中板において、
上記溝が、上記光ファイバの外周に対して面接触で当接する接触面を有することを特徴とする荷重集中板。