【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバを用いた触
覚センサに関し、特に医療用カテーテルチューブやファ
イバスコープに組み込むのに好適な光ファイバ式触覚セ
ンサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a tactile sensor using an optical fiber, and more particularly to an optical fiber tactile sensor suitable for being incorporated in a medical catheter tube or a fiberscope.
【０００２】[0002]
【発明の背景】生体内に医療用カテーテルチューブやフ
ァイバスコープを挿入するにあたっては、これら器具の
先端部が血管内壁や臓器等に過大な力で接触してダメー
ジを与えることを防止するために、前記先端部が過大な
力で体内組織と接する前に察知できるよう、先端部の受
圧力を検知できるセンシング要素を付加することが望ま
しい。このようなセンシング要素としては触覚センサが
挙げられるが、従来提案されている触覚センサの中で、
先ず分布型のものはサイズ的に適用不可であり、さらに
体内に挿入する関係上電気式のものは感電の恐れが拭い
去れないため、上記の用途には基本的に不向きである。BACKGROUND OF THE INVENTION When inserting a medical catheter tube or fiberscope into a living body, in order to prevent the distal end portion of these instruments from contacting the inner wall of a blood vessel or an organ with an excessive force and damaging them, It is desirable to add a sensing element capable of detecting the pressure received at the tip so that the tip can be detected before it comes into contact with body tissue with excessive force. As such a sensing element, a tactile sensor can be mentioned. Among the tactile sensors proposed so far,
First of all, the distribution type is not applicable in size, and the electric type is basically unsuitable for the above-mentioned application because it is inserted into the body and the fear of electric shock cannot be eliminated.
【０００３】そこで光学式で集中型（ポイント型）の触
覚センサの利用が考えられる。従来このような触覚セン
サとしては、２本の光ファイバの先端部に受圧力により
機械的に変形するような素子を取り付けて光の投受光を
行い、その変形による反射光量の変化から受圧力を知見
するものなどがある。また、反射光量でなく受圧面の変
位を光の干渉を用いて計測する方法も提案されている。
しかしながら、このような触覚センサは、２本の光ファ
イバを用いたり、端面に検知用素子を被着する必要があ
ることから小形化には限界があり、またセンサのアセン
ブリが困難であるという欠点がある。なお、光の干渉を
利用する場合は使用する光ファイバは１本でよいが、逆
に測定用の光学系が非常に複雑化し且つ大型化するとい
う不都合がある。Therefore, it is conceivable to use an optical centralized (point type) tactile sensor. Conventionally, as such a tactile sensor, an element that is mechanically deformed by pressure receiving is attached to the tip of two optical fibers to emit and receive light, and the pressure is received from the change in the amount of reflected light due to the deformation. There are things to discover. Further, a method has also been proposed in which displacement of the pressure receiving surface is measured using light interference instead of the amount of reflected light.
However, such a tactile sensor is limited in downsizing because it is necessary to use two optical fibers or to attach a sensing element to the end face, and it is difficult to assemble the sensor. There is. It should be noted that when using the interference of light, only one optical fiber needs to be used, but on the contrary, there is a disadvantage that the optical system for measurement becomes very complicated and large.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従って本発明は、小型
で測定系も簡素なもので済み、医療用カテーテルチュー
ブやファイバスコープに組み込むのに好適な光ファイバ
式触覚センサを提供することを課題とする。SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, it is an object of the present invention to provide an optical fiber type tactile sensor suitable for being incorporated in a medical catheter tube or a fiberscope, which requires a small size and a simple measuring system. To do.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバ式触
覚センサは、ジャケット層を備える光ファイバの一端側
の端面に反射膜を被着し、該端面から所定長離れた部位
に、ジャケット層の部分的除去により形成され、光ファ
イバのクラッド層が露出した光ファイバの易湾曲部を設
けてなることを特徴とするものである。In the optical fiber type tactile sensor of the present invention, an optical fiber having a jacket layer is coated with a reflective film on the end surface on one end side, and the jacket layer is provided at a portion separated from the end surface by a predetermined length. Is formed by the partial removal of the optical fiber, and the easily bendable portion of the optical fiber is provided so that the cladding layer of the optical fiber is exposed.
【０００６】前記易湾曲部において露出しているクラッ
ド層の厚さを、他の部分のクラッド層よりも薄くするこ
とや、前記光ファイバの先端部分を弾性体で被覆するこ
とも、本発明の光ファイバ式触覚センサを構成する上で
好ましい態様である。It is also possible to make the thickness of the clad layer exposed in the easily bendable portion thinner than that of the clad layer in other portions, or to cover the tip portion of the optical fiber with an elastic body. This is a preferable mode for constructing an optical fiber type tactile sensor.
【０００７】[0007]
【作用】上記した構成の光ファイバ式触覚センサによれ
ば、当該光ファイバの先端部に受圧力が加わった場合、
他の部分よりも優先的に易湾曲部がその力により湾曲変
形することになる。この結果、易湾曲部において光ファ
イバの曲げに基づく光伝送損失が生じることとなり、ま
たこの伝送損失は光ファイバの曲がり度合いに応じて増
加する。従って、光ファイバの他端側から光を入射させ
たとき、非湾曲時において反射膜で反射されて戻って来
る反射光量と、湾曲時において曲げ損失が生じた場合の
反射光量に差が生じることとなり、これにより光ファイ
バの先端部に受圧力が加わっているか否かを検知するこ
とができる。本発明のように易湾曲部を設けないと、光
ファイバの先端部に受圧力が加わったとしても曲げ損失
の増加が緩慢であり、高感度な触覚機能を達成し得な
い。According to the optical fiber type tactile sensor having the above-mentioned structure, when a pressure is applied to the tip of the optical fiber,
The easily bendable portion is bent and deformed by the force preferentially over the other portions. As a result, optical transmission loss due to bending of the optical fiber occurs in the easily bendable portion, and this transmission loss increases in accordance with the degree of bending of the optical fiber. Therefore, when light is incident from the other end of the optical fiber, there is a difference between the amount of reflected light that is reflected back by the reflective film when it is not curved and the amount of reflected light when bending loss occurs when it is curved. Accordingly, it is possible to detect whether or not the pressure receiving force is applied to the tip of the optical fiber. If the easily bendable portion is not provided as in the present invention, even if pressure is applied to the tip of the optical fiber, the increase in bending loss is slow and a highly sensitive tactile function cannot be achieved.
【０００８】より高感度な触覚機能を得るために、前記
易湾曲部において露出しているクラッド層の厚さを、他
の部分のクラッド層よりも薄くすることが望ましい。か
かる構成とすると、光ファイバの先端部に僅かな受圧力
が加わった場合でも、クラッド層が薄いゆえに光ファイ
バが湾曲し易くなる。結果として僅かな受圧力でも伝送
光が漏洩し易くなって伝送損失が大きく増加し、従って
触覚機能の高感度化を図ることができる。In order to obtain a tactile function with higher sensitivity, it is desirable that the thickness of the clad layer exposed in the easily curved portion be thinner than that of the clad layer in other portions. With such a configuration, even if a slight pressure is applied to the tip of the optical fiber, the optical fiber is likely to bend because the cladding layer is thin. As a result, even if a slight pressure is applied, the transmitted light easily leaks, and the transmission loss greatly increases, so that the tactile function can be highly sensitive.
【０００９】上記の触覚センサは体内挿入用カテーテル
チューブ等に組み込むのが好ましい用途の一つである
が、かかる用途等においては前記光ファイバの先端部分
を弾性体で被覆することが望ましい。すなわち、光ファ
イバの先端はニードル状を呈しており、そのまま体内に
挿入すると体内組織に損傷を与える恐れがあり、前記の
被覆層の形成によりこれを防止することができる。The tactile sensor described above is one of the applications in which it is preferably incorporated into a catheter tube for insertion into the body. In such applications, it is desirable to cover the tip portion of the optical fiber with an elastic body. That is, the tip of the optical fiber has a needle shape, and if it is inserted into the body as it is, it may damage the internal tissue, and the formation of the coating layer can prevent this.
【００１０】[0010]
【実施例】以下図面に基づいて本発明の一実施例を詳細
に説明する。図１は本発明の光ファイバ式触覚センサの
要部を示す斜視図である。図において、１はコア１１と
その外周に位置するクラッド１２からなる光ファイバで
あり、その上には樹脂からなるジャケット層３が被覆さ
れている。前記の光ファイバ１としては、例えば直径５
０〜２００μｍ程度の石英ガラスからなるシングルモー
ドファイバやマルチモードファイバ、ポリマークラッド
ファイバ、プラスチックファイバ等を用いることができ
る。またジャケット層３用の樹脂としては、ポリウレタ
ン樹脂や紫外線硬化樹脂等が使用できる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a main part of an optical fiber type tactile sensor of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes an optical fiber composed of a core 11 and a clad 12 located on the outer periphery thereof, and a jacket layer 3 made of resin is coated on the optical fiber. The optical fiber 1 has, for example, a diameter of 5
It is possible to use a single mode fiber, a multimode fiber, a polymer clad fiber, a plastic fiber or the like made of silica glass having a size of 0 to 200 μm. Further, as the resin for the jacket layer 3, a polyurethane resin, an ultraviolet curable resin or the like can be used.
【００１１】前記光ファイバの端面１０には、少なくと
もコア１１を完全に覆うように反射膜３が被着される。
この反射膜３は、例えば金属や無機物質原料を、スパッ
タリングやプラズマＣＶＤ法、若しくは真空蒸着法など
の手段で光ファイバ端面１０に成膜することにより形成
することができる。とりわけ、原料としてＡｕ，Ａｌ，
Ｃｒ等を用い、スパッタリング法により形成された厚さ
０．１μｍ〜０．２μｍ程度の反射膜３が、高い反射率
の反射膜とでき、かつ形成が容易であるという利点があ
るため好ましい。A reflection film 3 is applied to the end face 10 of the optical fiber so as to completely cover at least the core 11.
The reflective film 3 can be formed by depositing a metal or inorganic material material on the end face 10 of the optical fiber by means such as sputtering, plasma CVD, or vacuum evaporation. Above all, as raw materials, Au, Al,
The reflection film 3 having a thickness of about 0.1 μm to 0.2 μm formed by sputtering using Cr or the like is preferable because it has an advantage that it can be a reflection film having a high reflectance and is easy to form.
【００１２】そして、光ファイバの端面１０から所定長
離れた部位に、ジャケット層４を部分的に除去すること
により形成される易湾曲部４が設けられている。この易
湾曲部４において光ファイバ１のクラッド１２が表出し
たクラッド露出部１２０が形成されている。この易湾曲
部４の形成は、例えばレーザー光を照射してジャケット
層４材料のみを部分的に溶融除去するレーザー加工方法
などで行うことができる。An easily bendable portion 4 formed by partially removing the jacket layer 4 is provided at a portion separated from the end face 10 of the optical fiber by a predetermined length. In the easily bendable portion 4, a clad exposed portion 120 where the clad 12 of the optical fiber 1 is exposed is formed. The easily bendable portion 4 can be formed by, for example, a laser processing method of irradiating a laser beam to partially melt and remove only the material of the jacket layer 4.
【００１３】また、ジャケット層４の除去形態は図例の
ものに限定されず種々の形態を採用できる。但し、ジャ
ケット層４の除去度合いをあまり大きくしすぎると易湾
曲部４の強度が極度に低下し簡単に折損する恐れがあ
り、また除去度合いが小さすぎると易湾曲性が得られな
くなると共に光の漏洩が少なくなり感度が低下するた
め、除去度合いは、易湾曲部４におけるジャケット層４
の３０％〜９０％程度を除去するようにすることが適当
である。The form of removing the jacket layer 4 is not limited to that shown in the drawing, and various forms can be adopted. However, if the removal degree of the jacket layer 4 is made too large, the strength of the easily bendable portion 4 may be extremely reduced and may be easily broken. If the removal degree is too small, the easy bendability may not be obtained and light may not be easily emitted. Since the leakage is reduced and the sensitivity is reduced, the degree of removal depends on the jacket layer 4 in the easily bendable portion 4.
It is suitable to remove about 30% to 90% of the above.
【００１４】上記の易湾曲部４の具体例を例示すると、
例えば光ファイバ１の外径が１２５μｍ、ジャケット層
４の厚さが１５０μｍ（外径４２５μｍ）である場合、
光ファイバの端面１０から５〜２０ｍｍ離れた部位に、
周方向の長さが１０〜５０μｍ、長手方向の長さが２０
〜１００μｍ程度の方形状の窓を、周方向に一定間隔を
置いて設けるようにすれば良い。As a specific example of the easily bendable portion 4, the following is given.
For example, when the outer diameter of the optical fiber 1 is 125 μm and the thickness of the jacket layer 4 is 150 μm (outer diameter 425 μm),
At a site 5 to 20 mm away from the end face 10 of the optical fiber,
The length in the circumferential direction is 10 to 50 μm, and the length in the longitudinal direction is 20.
Square windows of about 100 μm may be provided at regular intervals in the circumferential direction.
【００１５】しかして、前記の易湾曲部４はジャケット
層４が部分的に除去されているので、当該先端部に外力
Ｆが加わった場合に機械的弱点部となり他の部位よりも
優先的に湾曲することになる。そして外力Ｆの付加によ
り光ファイバ１に曲げ損失がその曲り度合い、すなわち
外力Ｆの先端部への加わり度合いに応じて発生するもの
である。However, since the jacket layer 4 is partially removed from the easily bendable portion 4, when the external force F is applied to the tip portion, it becomes a mechanical weak point portion and is given priority over other portions. It will be curved. When the external force F is applied, bending loss is generated in the optical fiber 1 in accordance with the degree of bending, that is, the degree of application of the external force F to the tip portion.
【００１６】また、前述した通り、易湾曲部４のクラッ
ド露出部１２０を薄層化することが好ましい。この露出
クラッド層の薄層化は、レーザー加工でジャケット層４
を部分的に除去した後、例えばクラッド材の除去能があ
るエッチャントに、当該光ファイバの先端部を浸漬する
等の方法で行うことができる。なお薄層化の度合いは、
クラッド１２の全厚さの１０〜７０％、好ましくは２０
〜５０％程度の厚さにクラッド露出部１２０におけるク
ラッド層厚さを設定するのが適当である。Further, as described above, it is preferable to thin the exposed cladding portion 120 of the easily bendable portion 4. This exposed clad layer is thinned by laser processing the jacket layer 4
Can be performed by, for example, immersing the tip of the optical fiber in an etchant capable of removing the clad material after partially removing. The degree of thinning is
10 to 70% of the total thickness of the cladding 12, preferably 20
It is appropriate to set the thickness of the cladding layer in the exposed cladding portion 120 to about 50%.
【００１７】このように形成された光ファイバの先端部
分には、当該触覚センサの体内挿入時における体内組織
へのダメージ防止等のために、弾性体からなる被覆層５
が設けられている。この被覆層５の材料としては、例え
ばシリコーンゴム、ポリ塩化ビニル、セグメント化ポリ
ウレタン、ポリエチレン、エチレンビニルアセテート等
が例示でき、特にシリコーンゴム、ポリ塩化ビニル、セ
グメント化ポリウレタンが生体適合性の観点から好まし
く、これらの中でとりわけセグメント化ポリウレタンが
どの体内組織と接触しても生体に悪影響を与えないとい
う利点があるので好ましい。A coating layer 5 made of an elastic material is formed on the tip portion of the optical fiber thus formed to prevent damage to internal tissues when the tactile sensor is inserted into the body.
Is provided. Examples of the material of the coating layer 5 include silicone rubber, polyvinyl chloride, segmented polyurethane, polyethylene, ethylene vinyl acetate, etc., and particularly silicone rubber, polyvinyl chloride, segmented polyurethane are preferable from the viewpoint of biocompatibility. Of these, segmented polyurethane is preferable because it has the advantage that it does not adversely affect the living body when it comes into contact with any body tissue.
【００１８】被覆層５は、基本的に端面１０の端縁部分
を少なくとも覆うように設ければ良いが、図例のように
易湾曲部４までも覆うように設けても良い。この場合、
ジャケット層４の除去部への異物等の侵入を防止できる
利点がある。なお、易湾曲部４上も被覆層５で覆う場合
は、被覆層材料よりも軟質な樹脂等を選択し、且つ易湾
曲性を損なわないよう図示する通り易湾曲部４上は薄い
被覆層とするという工夫が必要である。The covering layer 5 may basically be provided so as to cover at least the edge portion of the end face 10, but it may be provided so as to also cover the easily bendable portion 4 as shown in the figure. in this case,
There is an advantage that foreign matter and the like can be prevented from entering the removed portion of the jacket layer 4. When covering the easily bendable portion 4 with the coating layer 5, a resin softer than the material of the coating layer is selected, and a thin coating layer is formed on the easily bendable portion 4 as shown so as not to impair the easy bendability. It is necessary to devise to do so.
【００１９】以上のようにして、本発明の触覚センサの
センサ部Ｓを構成することができる。図２はこのセンサ
の使用例を示している。すなわち、投光器７１及び受光
器７２を準備し、これらに夫々投光用光ファイバ６１及
び受光用光ファイバ６２を接続し、Ｙ分岐型光導波路８
を介して上記の光ファイバ１と光結合させる。そして投
光器７１からの入射光量と、受光器７２が受ける反射光
量とをモニターしておく。The sensor unit S of the tactile sensor of the present invention can be constructed as described above. FIG. 2 shows an example of use of this sensor. That is, a light projector 71 and a light receiver 72 are prepared, and a light projecting optical fiber 61 and a light receiving optical fiber 62 are connected to them, respectively, and the Y branch type optical waveguide 8 is formed.
The optical fiber 1 is optically coupled via the above. Then, the amount of incident light from the projector 71 and the amount of reflected light received by the light receiver 72 are monitored.
【００２０】そして、センサ部Ｓに外力Ｆが加わると光
ファイバ１に曲げによる伝送損失が生じるので受光器７
２が受ける反射光量が減少することとなる。この反射光
量の減少は、図３に示すように、ほぼセンサ部Ｓが受け
る外力Ｆに比例するので、これにより外力Ｆの加わり度
合いが知見できるものである。When an external force F is applied to the sensor section S, a transmission loss due to bending occurs in the optical fiber 1.
The amount of reflected light that 2 receives will be reduced. As shown in FIG. 3, the decrease in the amount of reflected light is approximately proportional to the external force F received by the sensor unit S, and thus the degree of addition of the external force F can be found.
【００２１】本発明の光ファイバ式触覚センサは、医療
用カテーテルチューブやファイバスコープなどに好適に
組み込むことができる。この場合、前記センサをカテー
テルのルーメン中に挿入したり、或いは多数本をその先
端部に環状に配置する等の組み込み方法が例示できる。
また応用例として、マイクロマシンのロボットハンド等
表面に本発明の触覚センサの多数本をヒゲ状に延出させ
ることにより、該ロボットハンドにいわゆる触覚機能を
具備させ、状況に応じて極めて高精度に動作させるよう
にすることも可能である。The optical fiber type tactile sensor of the present invention can be suitably incorporated in a medical catheter tube, a fiberscope or the like. In this case, an assembling method such as inserting the sensor into the lumen of the catheter, or arranging a plurality of the sensors annularly at the tip thereof can be exemplified.
In addition, as an application example, by extending a large number of tactile sensors of the present invention in a whisker-like shape on the surface of a robot hand of a micromachine, the robot hand is provided with a so-called tactile function, and operates with extremely high accuracy depending on the situation. It is also possible to allow it.
【００２２】なお、上述の実施例では光ファイバの曲げ
損失による反射光量の減少に基づき受圧力を検知する例
につき説明したが、これ以外の光ファイバの曲りによる
反射光特性の変位を利用する方法も適用可能である。例
えば、光ファイバに曲りが生じたことによる反射光の位
相ズレを検知する方法も好適な例として挙げることがで
きる。In the above embodiment, an example in which the pressure received is detected based on the decrease in the amount of reflected light due to the bending loss of the optical fiber has been described, but other methods of utilizing the displacement of the reflected light characteristic due to the bending of the optical fiber. Is also applicable. For example, a method of detecting the phase shift of the reflected light due to the bending of the optical fiber can be cited as a preferable example.
【００２３】[0023]
【発明の効果】以上説明した通りの本発明の光ファイバ
式触覚センサによれば、センシングのために何等付属素
子を追加することなく、光ファイバ自身のジャケット層
の一部を除去することによりセンシングが可能とでき
る。従って、医療用カテーテルチューブやファイバスコ
ープなどに組み込む場合におけるセンサの小型化の要請
に簡易に対応することができる。この結果、カテーテル
等の先端部の受圧力が検知できるようになり、その体内
挿入時に体内組織に損傷を与えることを防止することが
できる。As described above, according to the optical fiber type tactile sensor of the present invention, the sensing is performed by removing a part of the jacket layer of the optical fiber itself without adding any additional element for sensing. Can be possible. Therefore, it is possible to easily meet the demand for miniaturization of the sensor when incorporated in a medical catheter tube, a fiberscope, or the like. As a result, it becomes possible to detect the pressure received by the distal end portion of the catheter or the like, and it is possible to prevent damage to body tissues when the body is inserted into the body.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】本発明の光ファイバ式触覚センサの要部を示す
斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a main part of an optical fiber type tactile sensor of the present invention.
【図２】本発明の触覚センサの使用例を示す説明図であ
る。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a usage example of the tactile sensor of the present invention.
【図３】図２の使用例における反射光強度と先端部へ加
わる荷重（外力）との関係を示すグラフ図である。3 is a graph showing the relationship between the reflected light intensity and the load (external force) applied to the tip portion in the use example of FIG.
１ 光ファイバ １０ 光ファイバの端面 １１ コア １２ クラッド １２０ クラッド露出部 ２ ジャケット層 ３ 反射膜 ４ 易湾曲部 ５ 被覆層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber 10 End face of optical fiber 11 Core 12 Clad 120 Clad exposed part 2 Jacket layer 3 Reflective film 4 Easily curved part 5 Covering layer
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6150344AJPH07328128A (en) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Optical fiber type tactile sensor |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6150344AJPH07328128A (en) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Optical fiber type tactile sensor |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07328128Atrue JPH07328128A (en) | 1995-12-19 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6150344APendingJPH07328128A (en) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Optical fiber type tactile sensor |
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07328128A (en) |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO1997041413A1 (en)* | 1996-04-27 | 1997-11-06 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Tactile section of a pressure sensor |
| DE19751875A1 (en)* | 1997-11-22 | 1999-09-09 | Karlsruhe Forschzent | Cardiac catheter with measurement of the contact pressure |
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