JP2001215112A - 担持体に被着されたカバー層の膨張および温度とその変化を検知するための装置および方法 - Google Patents

担持体に被着されたカバー層の膨張および温度とその変化を検知するための装置および方法

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JP2001215112A JP2001027322A JP2001027322A JP2001215112A JP 2001215112 A JP2001215112 A JP 2001215112A JP 2001027322 A JP2001027322 A JP 2001027322A JP 2001027322 A JP2001027322 A JP 2001027322A JP 2001215112 A JP2001215112 A JP 2001215112A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】担持体に被着されたカバー層の膨張および温度
とその変化を検知するための装置および方法において、
繊維光学的センサを確実に且つ周囲の影響から保護して
構造物に被着することができるようにする。 【解決手段】担持体（１）表面上に（直接）載置されて
位置決めされている光ファイバー（２）に、該光ファイ
バー（２）の所定ファイバー部分の内部に配置されセン
サとして利用されるブラッグ格子を取り込む。またはフ
ァイバーにエッチングする。光ファバー（２）は、該光
ファイバー（２）のファイバー側面およびファイバーコ
ア内に発生してカバー層（３）から光ファイバー（２）
へ伝動される非円形対称性の熱機械的膨張により複屈折
状態になる。その際光ファイバー（２）はカバー層
（３）によって完全にまたは部分的に取り囲まれてカバ
ー層（３）に埋設されており、カバー層（３）と光ファ
イバー（２）と担持体表面との間に摩擦結合が生じてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１,１１,１
９,２０に記載の、担持体に被着されたカバー層の膨張
および温度とその変化を検知するための装置及び方法に
関するものである。本発明によれば、ただ１つのセンサ
を用いて、測定対象である表面層の個々の部分の膨張及
び温度とその変化を別個に確定でき、光学センサを表面
層に組み込むことによって、周囲の影響から保護される
ように被着部を構成することができる。
【０００２】
【従来の技術】空中飛行、宇宙飛行、車両といった公知
の搬送システムにおいては、構造特性を監視、観察、制
御することがますます重要となってきている。その典型
的な例として、負荷実体検出システム、いわゆる負荷追
値測定システム(load monitoring)、構造損傷早期検知
システム(health monitoring)、さらに、たとえばアク
セス不能な個所または既知の構造問題個所の保守補助シ
ステム、一般的には「適応システム」と呼ばれるもの、
たとえば適応翼、適応ロータ、適応パンタグラフ、適応
シャーシ、適応エアバッグが知られている。これらのシ
ステムは種々の態様で顧客に利用される。負荷追値測定
システムの場合は、実際の負荷から導出される寿命消費
量が検出される。したがって、たとえば飛行機の経営者
にとっては特殊な大量保有経営が可能になり、飛行機の
作動コストを低下させることができる。飛行装置、一般
的には飛行機がその使用期間の最後に近づくと、その検
査コストが著しく高くなる。このような場合には、検査
作業を自動化させることによって作業を軽減させ、よっ
てコストを低減させることができる。本来故障がないよ
うに設計された部品は、安全性を損なうことなく故障許
容範囲で作動させることができるが、これにより使用期
間を延長させ、よってコストを低下させることができ
る。さらに適応システムは、まず第１に、それに固有の
適応能力により、飛行特性または走行特性の向上に貢献
する。したがって、具体的な使用例に応じては、燃料消
費量の低減、騒音の低減、安全性の向上またはスピード
アップを達成できる。
【０００３】これらのシステムすべてに共通なことは、
このために最小のハードウェフコストで最大のパフォー
マンスを保証する、非常に堅牢で信頼性のあるセンサ装
置を必要とすることである。容易に考えられる測定技術
的な量としては、特に膨張である。膨張は、最近では特
に電気的な膨張歪ゲージ（ＤＭＳ）で測定される。
【０００４】さらに、本技術分野においては多数のコン
セプトが知られており、たとえば（被着された）光ファ
イバーにより膨張及び温度を測定することができる。こ
の場合当業者は本技術分野においては周知の知識を活用
し、すなわち光ファイバー内での光波の伝播定数βに対
してはβ＝ｎＬの関係があることである。ここでｎは光
波の屈折率（いわゆるモードインデックス）で、Ｌはフ
ァイバーの長さ（測定長さ）である。なお、膨張測定及
び温度測定のためのほとんどすべてのコンセプトは、ｎ
とＬは膨張の変化及び温度の変化により変化するという
点に依拠している。これから、繊維光学的センサ（各種
構造センサ装置）を用いて行う膨張測定及び温度測定の
基本的な問題が浮かび上がる。すなわち膨張と温度と
は、基本的には、測定技術的にアクセス可能な量に影響
を及ぼすという問題である。
【０００５】欧州特許公告第０７５３１３０Ｂ１号公報
には、繊維強化した複合材に組み込まれた繊維光学的ブ
ラッグ格子センサ（ＦＢＧＳ）のケースに関連して、両
偏光ブラッグ共振を用いて膨張と温度を別個に測定する
ことが可能であることが記載されている。両偏光ブラッ
グ共振は、構造物に組み込まれたファイバーが複屈折す
ることにより発生し、複屈折自体は温度に依存してい
る。上記公報によれば、この作用は、１つのブラッグ格
子に対して２つの反射部位が得られるほどの強さで発展
するように見える。この公報に記載の解決法によれば、
ピークの間隔（偏光ブラッグ共振のブラッグ波長の差）
は温度を表わす量と見なされ、それぞれのピークのブラ
ッグ波長は膨張と温度を表わす量と見なされる。したが
って、温度と膨張を演算により決定することができる。
【０００６】しかしながら、上記解決法の欠点は、光フ
ァイバーが理想的には素材繊維に対し垂直方向に見た層
のほうへ指向していなければならないような繊維複合構
造物に組み込まれるＦＢＧＳの場合しか適用できないこ
とである。この事実は、場合によっては、構造物の機械
的特性値にたいし、当業者が受け入れ難いような著しい
悪影響を及ぼす。
【０００７】さらに、ドイツ連邦共和国特許第３１４２
３９２号公報により、クラックセンサの配置構成と、こ
れを実現するための実施例とが知られている。その配置
構成に関して言えば、同様に光ファイバーが担持体表面
上にて塗装材の内部に組み込まれている。この公報に
は、複屈折をしないファイバーを担持体の局所に載置す
ることが記載され、この場合（発明の目的が異なってい
るために）、繊維光学的ブラッグ格子は示唆されていな
い。というのは、この配置構成は（ファイバーの不可逆
的破損による）表面層のクラック（亀裂）の個所を確定
することだけに向けられているからである。
【０００８】この配置構成を変形するにあたっては、個
々のファイバーをフォイル状の担持体要素の上に、穴の
近くに位置するように固定すれば十分である。担持体要
素は、付着固定されたファイバーとともに（後で塗装で
付着せしめられる）担持体表面に固定され、担持体表面
には、ファイバーがまず（クラック作用が観察される）
塗装材被着部に埋設する前に位置決めされるが、付着工
程の際に塗料で担持体上に点状に正確に固定されるファ
イバーの精度が疑わしいために、フォイルを付着させな
ければ個々のファイバーを担持体上に固定させることが
できない。したがって、担持体上に付着片を残さずにフ
ォイルを引き出すことはほとんど不可能である。また、
補助装置として使用される、ファイバーを穿設したフォ
イルに固定するための装置はコスト高であり、故障も多
い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、担持体に被着されたカバー層の膨張および温度と
その変化を検知するための装置および方法において、繊
維光学的センサを確実に且つ周囲の影響から保護して構
造物に被着することのできる前記装置及び方法を提供す
ることである。また、特別にコストを要せずに、被着さ
れたカバー層の構造膨張及び構造温度（表面温度）を測
定できるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば、請求項１,１１,１９,２０に記載された構成によ
り解決される。他の請求項には、この処置の合目的な構
成が記載されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１によれば、本発明による装置
は、担持体１（金属、プラスチック、またはセラミック
スからなり、たとえばアルミニウム、炭素強化プラスチ
ック（ＣＦＫ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦ
Ｋ）、ケブラー(Kevlar 商品名)或いはケブラーをベー
スにした材料等からなっている）と、後述する方法に従
って担持体１上に被着される１つまたは複数個の光誘導
ファイバー２（一般には「光ファイバー」または特に「光
導波路」とも呼ばれる）と、担持体１に表面保護部とし
てコーティングされるカバー層３（たとえば塗料が使用
される）とを有している。カバー層３は光ファイバー１
を完全にまたは部分的に取り囲んでいる。完全に取り囲
む構成にするため、カバー層の厚さＬ３が光ファイバー
の外径Ｌ２よりも大きい（Ｌ３＞Ｌ２）ような関係を維
持し、担持体表面に対し垂直な方向でのカバー層表面と
光ファイバー２との距離差Ｌ１を保つ。部分的に取り囲
む構成にするには、カバー層の厚さＬ３が光ファイバー
の外径Ｌ２よりも小さい（Ｌ３＜Ｌ２）ような関係を維
持する。両ケースとも、光ファイバー３はカバー層２に
埋設される。図１は、光ファイバー２がカバー層３によ
り完全に取り囲まれた構成を示している。光ファイバー
２としては通常のガラスファイバーが使用され、たとえ
ば「テレコム」社の通信分野で使用されるものである
が、たとえば種々の偏光性ファイバー（パンダタイプ、
楕円コアなど）のような特殊形状のもの、或いは、二重
コアファイバー及び多重コアファイバーまたはいわゆる
サイドホールファイバーのような特殊形状のものでもよ
い。これらの特殊形状のものは、方法の目的である測定
効果を増すために有益な場合がある。図１の配置構成は
標準的な通信ファイバーを使用したものであり、ファイ
バーコアと、ファイバーシェルと、ファイバーコーティ
ング部（省略してもよい）から構成されている。担持体
１上に位置決めされるセンサは、担持体表面に位置決め
された光ファイバー２全体によって形成され（厳密に言
えば、塗料に埋設されている光ファイバーの長さに相当
する部分によって形成される）、或いは、塗料に埋設さ
れているこの光ファイバー２の特定の部分から形成され
る。光ファイバー２のこの特定の部分を適宜増感させ
て、すでに述べたように、所望の測定量（膨張および温
度）に関しより高感度の測定を得るか、或いは、測定技
術を容易化してもよい。増感は、たとえばファイバーの
一部分に反射部を設けることによって行なうことができ
る。反射部を設けるための特に有利な方法は、繊維光学
的なブラッグ格子を公知のように切り込むかエッチング
することである。
【００１２】図１の配置構成に戻ると、センサは少なく
とも１つの光ファイバー２によって実現されている。光
ファバー２は上記担持体１の表面に載置するようにして
位置決めされ、前記カバー層３の中に埋設され、その際
完全にまたは部分的にカバー層によって取り囲まれる。
【００１３】このように改良された処置の他の構成によ
れば、光ファイバー２は、（すでに示唆したように）ガ
ラスフィバーから構成される光学的な光導（波）体によ
って実現される。光導（波）体は、たとえばアルミニウ
ムまたはＣＦＫからなっている担持体１の表面に当接す
るように案内され、或いは間隔を持って案内され、少な
くとも部分的ごとに、表面に付着して塗料から成ってい
るカバー層の中に固定して案内される。前述の理由か
ら、たとえばパンダタイプの偏光性ファイバーまたは楕
円コアを備えた偏光性ファイバーの光ファイバー２が使
用される。使用する光ファバー２は、二重コアファイバ
ーまたは多重コアファイバーまたはいわゆるサイドホー
ルファイバーである。配置構成を改良する場合注意すべ
きことは、カバー層３の厚さが光ファイバーの外径Ｌ２
よりも大きく、その際水平方向に担持体表面に配置され
る光ファイバー２は、光ファイバー外面とカバー層表面
とが間隔Ｌ１になるように案内されることである。担持
体に位置決めされるセンサは、光ファバー２の全長また
はその少なくとも一部分によって決定され、その際光フ
ァバー２はファイバー部分に設けられた反射部によって
増感されている。これらの反射部は繊維光学的なブラッ
グ格子によって実現されているのが有利である。光ファ
バー２は通常の標準テレコムファイバーによって実現さ
れ、ファイバーコア、ファイバーシェル、ファバーコー
ティング部を有している。この場合、ファイバーコーテ
ィング部を使用しない光ファイバーであっても、担持体
１に被着されたカバー層３の膨張および温度並びにその
変化を検知するうえで制限を受けない。
【００１４】最後に、他の構成によれば、繊維光学的セ
ンサは、すでに示唆したように、被着された複数の光フ
ァイバー２によって実現される。この場合、主光ファイ
バーには他の光ファイバーが接続される。これら他の光
ファイバーは、担持体表面に枝分かれして、或いは分岐
して配置されたものであり、表面を覆う光ファイバー構
成物を形成する。このような改良形によれば、担持体表
面を覆っているので、該担持体１上に被着されたカバー
層３の膨張及び表面温度の局所的な測定技術的検知を実
現できる。
【００１５】以下では、集積化方法、すなわち図１の配
置構成を実現するための方法上の改良について説明す
る。光誘導ファイバー（光ファイバー）２を構造表面
（担持体１の表面）上の構造物である被着カバー層（表
面保護部として使用される塗料）３に集積する場合、特
に注意すべきことは、光ファイバー２と担持体表面の間
に、集積化領域全体にわたって再現可能であるように摩
擦結合が保証されることである。このような摩擦結合に
よってのみ、構造膨張（カバー層３の膨張）を一義的に
センサファイバー（光ファイバー２）に伝えることがで
きる。他方、これに必要な作業コストを可能限り少なく
して、機械的に十分補助できるようにすべきである。こ
のような要求は、以下に説明する被着技術により満たさ
れる。
【００１６】集積化方法の準備処置は、いわゆる「線形
被着」およびいわゆる「面被着」である。これに続くの
がいわゆる「表面被着」で、集積化方法を完了させるも
のである。線形被着では以下のステップが行なわれる。
一般に呼ばれるところの繊維の操作は、その径が小さく
可撓性が大きいために付加的な処置なくしてはきわめて
困難であるので、接着テープとして構成される接着担持
体を使用する。接着担持体には、まずその長手方向に周
期的に穴あけを行う。複数個の穿設穴を備えたこの接着
テープは（予め製造された納品部品として使用する）、
両側に接着面を有している。光誘導ファイバー（光ファ
イバー）２を、まず、穴列上方の中心に固定されるよう
に接着面に取り付ける。この準備ステップにおいては、
光ファイバー固定装置を使用する。この光ファイバー固
定装置においては、光ファイバーコイルおよび接着テー
プコイルを出発点として、光ファイバー固定装置に組み
込まれた案内装置を介して、コイルから巻き戻した光フ
ァイバーと、コイルから巻き戻した接着テープとを広げ
た状態で所定どおりに一緒に案内し、次に収容コイル装
置に巻きつける。次にそこから、後述する表面被着処置
により、接着テープに付着した光ファイバーを担持体１
の表面上に位置決めする。
【００１７】なお、基本的には、複数の平行な穴列を備
えた接着テープを使用してもよく、この接着テープは光
ファイバー案内装置の接着テープコイルによって受容さ
れる。別個の光ファイバーコイルに個別に巻きつけられ
ている光ファイバーは、個々の光ファイバー２として該
当する平行な穴列の個々の穿設穴の穴径の中心で案内さ
れて、接着テープの接着面に固定することができるが、
このような複数個の光ファイバーを所定どおりに一緒に
案内することは、前記処置のモデルに従って行なわれ
る。この場合、複数の光ファイバー２が同時に接着面に
接着固定され、その後（この接着テープのテープ幅に適
合している）受容コイルによって巻き取られる。
【００１８】接着固定される平行な光ファイバーの担持
体表面上への位置決めは、（後述する）表面被着処置に
より前記モデルに従って均一に行なわれる。なお、接着
テープの接着面は所定の接着力を有しているが、光ファ
イバーの接着テープをその都度担持体１の表面から除去
する際に（表面被着に関しては後述する）接着剤が担持
体表面上に残ってはならない。
【００１９】面被着の場合には、接着フォイルとして構
成された接着担持体（線形被着の場合の接着テープの代
わりのもの）を使用する。この接着担持体は片面が接着
面になっている。後の、光ファイバー２の延在態様は、
周期的に穿設した穴の連鎖によって予め与えられ、穴の
幾何学的な直線案内はほぼ任意である。この場合、使用
される光ファイバー２の最小曲率半径に注意すべきであ
る。穴は手で穿設するか、或いは穴の種々の位置に接近
できるコンピュータ方式の自動穿設機を用いて穿設す
る。フォイルの接着面への光ファイバー２の取付けは、
手で行うか、或いは同様にコンピュータ方式の自動装置
を用いて行う。この種の自動装置は、光ファイバーコイ
ルから、制御可能な案内装置を用いて（個々の）光ファ
イバー２及び接着フォイルを穴連鎖方向に所定どおりに
案内する。個々の接着フォイルの接着面の接着力特性
は、（線形被着の場合に使用する）接着テープのそれに
対応している。
【００２０】集積方法の準備処置が終了すると、これに
続いて集積方法の表面被着工程を行なう。表面被着工程
においては以下のステップを実施する。すでに示唆した
ように、まず（線形被着または面被着の後で付着固定さ
れている）接着テープまたは接着フォイルでさせた光フ
ァイバー２を、該当する受容コイルから（緊張状態で）
巻き戻し、次に担持体１の表面に位置決めする。その
際、接着テープまたは接着フォイル（一般に接着担持
体）の接着面に付着している光ファイバー２を、監視の
対象となる図１のような配置構成になるように担持体１
の表面に固定し、カバー層３（たとえば、接着担持体で
ある接着テープまたは接着フォイルに浸透する特殊なプ
ライマー塗料を含んでいる）で担持体表面に点状に付着
させる。塗料が硬化した後、接着担持体を引き抜くこと
によって光ファイバー２から除去する。次に、担持体表
面にこのようにして位置決めされた光ファイバーを、担
持体表面に平面的に被着されている他の１つのカバー層
３（第２の塗料被着部）とともに、或いは、（必要な場
合には）それに続く他の複数のカバー層３（塗料被着
部）とともに、担持体１の表面に最終的に固定させる。
【００２１】この処置を実現する場合、特に接着担持体
の接着力に注意すべきである。接着面に分布している接
着担持体の付着力は、光ファイバー２が穴に対して相対
的に確実に固定される程度の大きさでなければならず、
且つ接着担持体（接着テープまたは接着フォイル）を引
き抜く際には、塗装剤（プライマー塗料）で点状に固定
される光ファイバー２を一緒に引き抜かない程度に小さ
くなければならない。この場合、担持体表面は必ずしも
平坦である必要はない。しかしながら、担持体表面が湾
曲していても、センサファイバーの最小曲率半径を阻害
するほど小さな曲率半径であってはならない。
【００２２】図１の配置構成を実現するための上記方法
のステップを概して総括すると以下のようになる。ま
ず、片面に接着面を備えた接着担持体に複数個の穴を穿
設する。次に少なくとも１つの光ファイバー２（１本の
光ファイバー２または複数本の光ファイバー２）を接着
担持体の接着面に付着固定させ（すなわち接着固定さ
せ）、その際光ファイバー２を次のように接着担持体上
に固定し、すなわち個々の光ファイバー２がその許容曲
率半径を上回ることなく個々の穴位置の間隔で接着担持
体表面上に位置決めされ、しかも個々の穴の穴径にわた
って穴中心で案内されるように固定する。次に、接着担
持体に付着している光ファイバー２を担持体表面に位置
決めし、表面結合する塗料剤（プライマー塗料であり、
穴を貫通して担持体表面まで浸透している）で（図１
の）担持体の担持体表面に点状に付着させる。次に、塗装
剤（塗料）が硬化した後、接着担持体の接着面を光ファ
イバー２から引き抜く。次に、付着している光ファイバ
ー２を、担持体１の表面に面状に被着されている別の塗
装剤被着部（塗料被着部）、すなわち光ファイバーが埋
設されている別の塗装剤被着部によって完全または部分
的に覆い、これが硬化した後、光ファイバー２を担持体
表面に最終的に固定する。
【００２３】担持体１に被着されたカバー層３の膨張及
び温度並びにその変化を検知する他の方法（担持体１上
に位置決めされた少なくとも１つの光学センサが利用さ
れる）を開示するため、前置きとして以下のような思想
を（わかりやすくするために）説明しておく。
【００２４】公知の方法によれば、光ファイバーを用い
て、（多くのコンセプトにしたがって）膨張及び温度を
測定することは知られており、その際ファイバー（面）
内での光波の伝播定数βに対しては公知の関係「β＝ｎ
・Ｌ」が顧慮される。膨張及び温度を測定するためのほ
とんどすべての測定コンセプトはこの関係をベースとし
たものであり、これをベースにして、膨張及び温度が変
化することによってｎとＬが変化するという考えに発展
する。簡単のため、単一モードファイバーにおいては電
磁波は平らな波（誘導性の弱いファイバーに対する近
似）で表わされ、この波は図１によればｚ方向へ伝播す
るものとすれば、ファイバー内で複屈折がない限り、各
振動方向に対する屈折率は（図１において）波のｘ−ｙ
方向において等しくなる。
【００２５】いま、上記の認識に対し、担持体１上に被
着されたカバー層３の膨張及び温度変化を検知するため
の方法に対する以下のような解決法を関連付ける。（繊
維光学的）センサとして構成された光学的ファイバー
（以下では光ファイバー２と記す）を用いて、カバー層
３（たとえば塗料または塗料状の塗布物または塗装物）
内部の膨張及び温度を測定し、分別するため（この場
合、カバー層３は図１によれば担持体１の表面上に位置
決めされ、光ファイバーは担持体１上に被着されたカバ
ー層３に完全に埋設されている）、材料を適当に選定す
ることにより（担持体１に対しても、また光ファイバー
２及びカバー層３に対しても）、温度に依存する複屈折
が光ファイバー２内に生じるものとする。前記測定及び
分別を達成するため、（特定の影響を受けている）カバ
ー層３のカバー材が光ファイバー２のファイバーコア及
びファイバー側面に機械的な応力を生じさせ、この応力
が一方で温度に依存し、他方で周期的且つ対称に光ファ
イバー２に作用しないことを顧慮する。このような認識
を、図１に基づいて説明した被着方法に置換する。とい
うのは、光ファイバーはほとんど直接に担持体１上に載
置され、担持体１は光ファイバーの材料とは明らかに異
なる材料からなっており、しかもカバー材もファイバー
及び担持体の材料とは異なっているからである。さら
に、光ファイバー２を、接着担持体の穴を貫通する塗装
材で（前述したように）点状に固定することにより、最
悪の場合塗装材が（本来担持体１の表面上に直接）固定
されるべき光ファイバー２の下に侵入し、これを担持体
表面から（いくぶん）持ち上げることがあるからであ
る。
【００２６】このことは、電磁波（ファイバーにカップ
リングされる光）の振動方向（ｘ−ｙ方向）によっては
電磁波が別の屈折率を持つように「見える」ことを意味
している。これは基本的には、公知の干渉方法または偏
光方法によって測定可能である。
【００２７】特に簡単なのは、センサ要素としてブラッ
グ格子が光ファイバー２の適当なファイバー部分に挿入
される場合である。この場合ブラッグ格子は、複屈折を
しないファイバーのなかに、いわゆるブラッグ波長λＢ
程度の共振を生じさせる。この共振はλＢ＝２ｎΛで表
わされる。ここでｎは平均有効屈折率、Λは格子周期で
ある。
【００２８】ファイバーが複屈折状態になると、波の振
動方向に応じて別のブラッグ波長が得られる。この作用
は、冒頭で述べたように、繊維強化複合材に集積化され
た繊維強化ブラッグ格子センサ（ＦＢＧＳ）のケースに
対し評価されている欧州特許第０７５３１３０Ｂ１号公
報のなかに詳細に述べられている。
【００２９】さらに、冒頭で述べた方法（担持体に被着
されたカバー層の膨張及び温度変化を検知する方法）に
関連して、ブラッグ格子センサによる膨張及び温度変化
に関する他の一般的な説明を行う。これはさらに（必要
な）理解を深めるために有益である。
【００３０】繊維光学的ブラッグ格子センサを特徴づけ
るものは、その周期、永続的、周期的、またはほぼ周期
的な屈折率変調の振幅、及び屈折率変調の長さ（格子長
さ）である。センサを製造する際に設定される格子周期
によりスペクトル範囲が確定され、このスペクトル範囲
においてセンサは光ファイバーのなかで案内される光を
反射させる。屈折率変調の振幅と格子長さは、格子スペ
クトルの具体的な個々の特性を決定するが、これらの特
性の中でスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）と最大反射率
について説明する。最大波長はブラッグ波長λＢと呼ば
れ、格子周期Λ ０と格子領域での平均有効屈折率ｎ０と
の積から得られる。 ２つの量は偏光に依存することがあり、したがってブラ
ッグ変調も偏光に依存するようになる。これを以下では
λＢｐ／ｑと記す。添え字０は温度が一定でセンサが膨
張していない状態を表わしている。
【００３１】繊維光学的ブラッグ格子（ＦＢＧ）は膨張
センサ及び（または）温度センサとして使用できる。屈
折率ｎ０も格子周期Λ０も膨張テンソル及び温度の関数
だからであり、よって外力がブラッグ格子に作用する限
り、前記式（１）によりブラッグ波長λＢも変化するか
らである。第１近似において次の関係から出発する。 記号εｉは６つの膨張成分（機械的膨張と熱的膨張）を
表わしており、記号ΔＴは温度変化を表わしている。膨
張成分及び温度の関数としてのセンサの幾何学的特性及
び光学的特性の変化は、Kimその他による（本技術分野
で公知の）モデルから導出される。この場合、ファイバ
ー軸線は直交座標系のｘ１方向に設定される。光学的に
等方性のセンサに対しては、以下のような変化が生じ
る。 記号ｐ１１＋ｐ１２は光ファイバーの光弾性定数で、α
は光ファイバーの線形熱膨張係数、γｍａｘはファイバ
ー軸線に垂直な面内での最大剪断膨張であり、ここで の関係がある。ファイバー軸線の方向における単軸の熱
機械的応力のケースに対しては、 が適用される。ここでυは光ファイバーのポアソン比で
ある（υ＝０．１７）。これに従えば、式（２）、
（３）、（４）から、軸線方向の膨張及び温度変化の関
数として、ブラッグ波長のシフトが得られる。 ここでｐｅｆｆはいわゆる有効光弾性定数である。式
（５）は通常ＦＢＧＳの校正に使用される。ブラッグ波
長の相対シフトと軸線方向の膨張の間には線形的関係が
あることがわかる。有効光弾性定数の値は、異なるＦＢ
ＧＳの列における温度が一定であれば、具体的なファイ
バードーピングに依存して、ｐｅｆｆ＝０．１９ないし
０．２３に決定される。導入した測定精度の範囲内で
は、−５０℃ないし１０0℃の温度範囲でこの量の温度
依存性は見出されない。
【００３２】センサの熱感度も具体的なファイバードー
ピングに依存しており、さらにファイバー層によって影
響を受ける。近似的には、ブラッグ波長がほぼ１．５３
μｍであれば、ブラッグ波長のシフトは膨張によって
１．２ｐｍ／（μｍ／ｍ）であり、温度によってほぼ１
０ｐｍ／Ｋである。
【００３３】式（５）から、ＦＢＧＳを用いて膨張測定
の基本的問題が明らかになる。初期測定量、すなわちブ
ラッグ波長は、膨張および温度の関数としてシフトす
る。したがって、両作用を区別することはできない。
【００３４】式（５）を次の式、 で表わし、ここでＫεを膨張感度ファクタ、ＫＴを温度
感度ファクタとすると、他の感度ファクタを持った第２
のブラッグ波長が存在すれば、上記問題を解決すること
ができる。
【００３５】両ブラッグ波長の測定は、次の関係 にしたがって（感度マトリックスの逆変換により）求め
る量を提供する。
【００３６】ここで、スペクトルの形状をこれら２つの
量の一方、すなわち軸線方向の膨張または温度に依存さ
せることにより、この量の作用をブラッグ波長シフトか
ら導き出すことは容易に考えられる。この場合ＦＷＨＭ
は、測定技術的に簡単に検出される、「スペクトルの形
状」に対する量を表わす。
【００３７】（たとえばここでは）塗料からなっている
カバー層３の膨張および温度並びにその変化を検知する
ための方法に話を戻すと、カバー層３は（図１によれ
ば）担持体１上に被着され、担持体１上に位置決めされ
ているセンサ（光ファイバー２に介入しているブラッグ
格子によって実現されている）を備え、その際光ファイ
バー２は担持体表面に載置されて位置決めされており、
且つ光ファイバー２はカバー層３のなかに埋設され、完
全にまたは部分的にカバー層３によって取り囲まれてい
るが、このような前提のもとに、（当該）光ファイバー
２にカップリングされる光の複屈折が光ファイバー２内
に誘導される。複屈折は温度に依存している。誘導され
た複屈折はあまり強いものではない。したがってスペク
トルは分裂せずに、重畳される。というのも、ブラッグ
反射が分裂しても、２つの独立なピークに達しないから
である。
【００３８】２つの偏光ブラッグ共振が重畳すると（以
下ではスペクトルと記す）、センサの制御に利用される
光が、それぞれのスペクトルで反射を生じさせるような
共振成分をも含む場合にだけ、前記２つの偏光ブラッグ
共振を同時に測定することができる。これは、有利には
「擬似偏光解消光」を使用して達成でき、その発生方法
は本技術分野において公知のものである。正確にいえ
ば、２つの別個の重畳スペクトルから１つのスペクトル
が生じ、この１つのスペクトルは２つの別個の重畳スペ
クトルの平均値と見なすことができる。２つの偏光ブラ
ッグ共振が同一の形状をもち、しかしわずかに異なるブ
ラッグ波長λＢｐを持っているとすると、センサを「擬
似偏光解消光」を使用して制御する場合に測定されるス
ペクトルのブラッグ波長λＢｄｅｐｏｌは、２つの別個
の偏光ブラッグ共振λＢｐとλＢｑの算術的平均値か
ら、 にもとづいて求められる。これは、両偏光ブラッグ共振
λＢｐとλＢｑの差が個々のスペクトルの完全半値幅
（ＦＷＨＭ）よりも小さい場合に可能である。すなわち ｜λＢｐ−λＢｑ｜＜ＦＷＨＭ重畳スペクトル である。したがってこの関係は、「複屈折がそれほど強
くない」ことを表わす量とも見なすことができる。
【００３９】この解決法によれば、ＦＢＧセンサの被着
の方法により、「擬似偏光解消光」で測定されるスペク
トルは（すでに述べたように両偏光ブラッグ共振λＢｐ
とλ Ｂｑのスペクトルから得られる）、有利には完全半
値幅（ＦＷＨＭｄｅｐｏｌ）を用いて測定すると、その
形状を変える。より厳密には、温度の関数としてのみ表
わされ、すなわちブラッグ波長がこのスペクトルλ
Ｂｄｅｐｏｌからシフトしても、依然（センサの）軸線
方向の膨張および温度の関数として表わされる（式５お
よび式６）。しかし、温度はＦＷＨＭｄｅｐｏｌを用い
て測定できるので、純粋な軸線方向の膨張を算術的に決
定することが可能である。これは特にただ１つのセンサ
だけを用いることによって達成される。
【００４０】上述した方法の利点は、どのような構造物
表面にも適用できることである。ただし、カバー材（こ
こでは表面保護塗料）によってファイバー内に誘導され
る膨張が十分大きいことに留意する必要がある。これ
は、使用する個々の材料の熱膨張係数が互いに十分に異
なっていること、および（または）Eモジュールの温度
依存性が十分異なっていることによって達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】担持体に被着されたカバー層の膨張および温度
とその変化を検知するための装置を示す図である。
【図２】塗料で取り囲まれるように担持体表面に組み込
まれた繊維光学的ブラッグ格子センサ（ＦＢＧセンサ）
の、−４０℃と＋２５℃におけるスペクトルを示す図で
ある。
【符号の説明】
１ 担持体 ２ 光ファイバー ３ 塗料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 6/16 Ｇ０２Ｂ 6/16 6/17 6/22 6/22 6/16 ３１１ (72)発明者 ミヒャエル トルツェル ドイツ連邦共和国 デー・89134 ブラウ シュタイン／ウルム ブルクシュタイゲ 18

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】担持体に被着されたカバー層の膨張および
    温度とその変化を検知するための装置であって、担持体
    （１）上に位置決めされた光学センサを備え、光学セン
    サが少なくとも１つの光ファイバー（２）によって実現
    されている前記装置において、 担持体表面上に（直接）載置されて位置決めされている
    光ファイバー（２）に、該光ファイバー（２）の所定フ
    ァイバー部分の内部に配置されセンサとして利用される
    ブラッグ格子が取り込まれ、またはファイバーにエッチ
    ングされていること、 光ファバー（２）が、該光ファイバー（２）のファイバ
    ー側面およびファイバーコア内に発生してカバー層
    （３）から光ファイバー（２）へ伝動される非円形対称
    性の(nicht zirkular-symmetrisch)熱機械的膨張により
    複屈折状態になり、その際光ファイバー（２）がカバー
    層（３）によって完全にまたは部分的に取り囲まれてカ
    バー層（３）に埋設されており、カバー層（３）と光フ
    ァイバー（２）と担持体表面との間に摩擦結合が生じて
    いること、を特徴とする装置。
  2. 【請求項２】光ファイバー（２）が、ガラスファイバー
    からなる光学的光誘導体であり、金属、プラスチック、
    またはセラミックスからなる担持体（１）の表面に接す
    るように案内され、且つ少なくとも部分的に、担持体表
    面に付着し塗料または塗料状の塗装材からなっているカ
    バー層（３）のなかで位置固定して案内されていること
    を特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】光ファイバー（２）が偏光性のファイバ
    ー、有利にはパンダタイプのファイバー、または楕円コ
    アを持ったファイバーであることを特徴とする、請求項
    １に記載の装置。
  4. 【請求項４】光ファイバー（２）が二重コアファイバー
    または多重コアファイバー或いはいわゆるサイドホール
    ファイバーであることを特徴とする、請求項１に記載の
    装置。
  5. 【請求項５】光ファイバー（２）が、光の１つのモード
    または複数のモードを補助する単一モードファイバーま
    たは多重モードファイバーであることを特徴とする、請
    求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】カバー層（３）の厚さが光ファイバーの外
    径（L２）よりも大きく、光ファイバー外側面とカバー
    層表面との間隔（L１）で水平方向に担持体表面に配置
    される光ファイバー（２）が、カバー層（３）によって
    取り囲まれるように案内され、或いは、カバー層（３）
    の厚さ（L３）が光ファイバーの外径（L２）よりも小さ
    く、光ファイバー外側面とカバー層表面との間隔（L
    １）で水平方向に担持体表面に配置される光ファイバー
    （２）が、カバー層（３）から自由な状態で案内され、
    或いは、カバー層（３）の厚さ（L３）が光ファイバー
    の外径（L２）に等しく、光ファイバー外側面とカバー
    層表面との間に間隔（L１）が生じないように水平方向
    に担持体表面に配置される光ファイバー（２）が、カバ
    ー層（３）によって大部分取り囲まれるように案内され
    ていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】センサが、光ファイバー（２）の全長また
    はその少なくとも一部分によって決定されていることを
    特徴とする、請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】光ファイバー（２）が、ファイバー部分に
    挿入される反射部位によって増感され、反射部位が有利
    にはブラッグ格子によって実現されていることを特徴と
    する、請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】光ファイバー（２）が、ファイバーコアと
    ファイバー側面とファイバーコーティング部とを有する
    通常の標準テレコムファイバーによって実現され、ファ
    イバーコーティング部なしで使用される光ファイバー
    （２）が、担持体（１）上に被着されているカバー層
    （３）の膨張及び温度変化の検知の際に制限とならない
    ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  10. 【請求項１０】繊維光学的センサが、被着された複数の
    光ファイバー（２）によって実現され、少なくとも１つ
    の主光ファイバーに、担持体表面に枝分かれまたは分岐
    して配置されて、面を覆う光ファイバー構造物を形成し
    ていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  11. 【請求項１１】請求項１に記載の装置を用いて担持体に
    被着されたカバー層の膨張および温度とその変化を検知
    するための方法であって、片側に接着面を備えた、複数
    の穴を有する接着担持体を使用し、接着担持体上に、接
    着担持体の接着面に付着固定される少なくとも１つの光
    ファイバー（２）を設けるようにした前記方法におい
    て、 ａ）光ファイバー（２）を、その許容曲率半径を越える
    ことがないように、個々の穴位置の間隔で接着担持体表
    面に接着させ、その際個々の穴の穴径にわたって穴の中
    心に位置するように接着担持体上に固定するステップ
    と、 ｂ）このようにして固定した光ファイバー（２）を担持
    体（１）の表面に位置決めし、次に穴を貫通して担持体
    表面まで浸透し表面結合させている塗装材を、担持体表
    面に点状に付着させ、次に塗装材が硬化した後に接着担
    持体を光ファイバー（２）から引き抜くステップと、 ｃ）付着している光ファイバー（２）を、担持体表面上
    に平面被着させた少なくとも１つの他の塗装材被着部に
    よって完全にまたは部分的に取り囲ませてこの他の塗装
    材のなかに埋設し、他の塗装材被着部が硬化した後に光
    ファイバー（２）を担持体（１）の表面に最終的に固定
    するステップと、を含んでいることを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】前記ステップａ）の前の段階の作業工程
    で、接着テープとして構成された接着担持体に、テープ
    幅の中心に位置するように且つテープ長手方向に延びる
    ように、所定の穴幅を持った穴を所定の間隔で周期的に
    穿設させることを特徴とする、請求項１１に記載の方
    法。
  13. 【請求項１３】接着担持体の接着面への光ファイバー
    （２）の付着固定を光ファイバー固定装置を用いて行
    い、該光ファイバー固定装置において、光ファイバー
    （２）を受容している光ファイバーコイルと、接着テー
    プを受容している接着テープコイルとから、光ファイバ
    ー固定装置に組み込まれている案内装置を介して光ファ
    イバー（２）と接着テープとを広げた状態で一緒に案内
    し、次に受容コイルに巻きつけ、該受容コイルから、接
    着テープで付着している光ファイバー（２）を、穴径に
    わたって穴中心で案内することにより担持体表面に位置
    決めすることを特徴とする、請求項１１または１２に記
    載の方法。
  14. 【請求項１４】接着テープとして構成された接着担持体
    に、穴の所定の穴間隔で且つ所定の穴幅を持った複数の
    平行な穴列をテープ長手方向に周期的に穿設することを
    特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  15. 【請求項１５】接着フォイルとして構成した接着担持体
    に、所定の穴幅を持った穴連鎖部を周期的に穿設するこ
    とを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  16. 【請求項１６】接着テープまたは接着フォイルを付着さ
    せた複数の光ファイバー（２）を、接着担持体の接着面
    に付着固定させ、その際個々の光ファイバー（２）を、
    個々の平行な穴列の穴径にわたって穴中心に位置決め
    し、或いは、ほぼ任意の幾何学的形状の光ファイバーの
    場合には、所定の穴連鎖部を直線案内して穴中心に位置
    決めすることを特徴とする、請求項１１から１５までの
    いずれか一つに記載の方法。
  17. 【請求項１７】光ファイバー（２）の付着固定を手動
    で、有利には光ファイバー固定装置を用いて、或いはコ
    ンピュータ処理方式の光ファイバー自動敷設装置を用い
    て行い、制御可能な光ファイバーガイドユニットを用い
    て光ファイバーコイルユニットから個々の光ファイバー
    （２）と接着担持体とを個々の平行な穴列または穴連鎖
    部の方向へ一緒に案内し、次に個々の平行な穴列または
    穴連鎖部の、接着テープを付着させた光ファイバー
    （２）を、接着担持体の接着面に付着固定させることを
    特徴とする、請求項１１から１６までのいずれか一つに
    記載の方法。
  18. 【請求項１８】接着担持体を引き抜く際に、表面結合し
    ている塗料材で固定した光ファイバー（２）を担持体表
    面から引き抜かないようにすることを特徴とする、請求
    項１１に記載の方法。
  19. 【請求項１９】担持体（１）上に位置決めされている少
    なくとも１つの光学センサを用いて、担持体に被着され
    たカバー層の膨張および温度とその変化を検知するため
    の方法において、有利には塗料または塗料状の塗装材か
    らなっているカバー層（３）に発生する温度変動によ
    り、カバー層（３）から、該カバー層（３）によって取
    り囲まれて担持体表面に載置されている光ファイバー
    （２）へ、温度に依存する機械的膨張（応力）が円形対
    称的に伝わらないようにすること、光ファイバー（２）
    のファイバー側面及びファイバーコアに発生する機械的
    膨張（応力）により、光ファイバー（２）の所定ファイ
    バー部分の内部にあってセンサとして利用される、ファ
    イバーに切り込まれた或いはファイバーをエッチングし
    たブラッグ格子内部に、光ファイバー（２）の複屈折を
    生じさせること、複屈折によりブラッグ格子のスペクト
    ルの伝播を置換すること、次に、有利には、温度を表わ
    すスペクトルの幅を測定技術的に検出することを特徴と
    する方法。
  20. 【請求項２０】担持体（１）上に位置決めされている少
    なくとも１つの光学センサを用いて、担持体に被着され
    たカバー層の膨張および温度とその変化を検知するため
    の方法において、有利には塗料または塗料状の塗装材か
    らなっているカバー層（３）に発生する温度変動によ
    り、カバー層（３）から、該カバー層（３）によって取
    り囲まれて担持体表面に載置されている光ファイバー
    （２）へ、温度に依存する機械的膨張（応力）が円形対
    称的に伝わらないようにすること、光ファイバー（２）
    のファイバー側面及びファイバーコアに発生する機械的
    膨張（応力）により、光ファイバー（２）の所定ファイ
    バー部分の内部にあってセンサとして利用される、ファ
    イバーに切り込まれた或いはファイバーをエッチングし
    たブラッグ格子内部に、光ファイバー（２）の（あまり
    強くない）複屈折を生じさせること、複屈折により、擬
    似偏光解消光で制御されるセンサが、両偏光ブラッグ共
    振（λＢｐ，λＢｑ）のスペクトルから生じ、その形状
    が有利には温度の関数としてのみ変化するスペクトルを
    発生させ、次にこのスペクトルを完全半値幅（ＦＷＨＭ
    ｄｅｐｏｌ）で測定し、その際両偏光ブラッグ共振（λ
    Ｂｐ，λ Ｂｑ）の算術的平均値からλＢｄｅｐｏｌ＝１
    ／２λＢｐ＋λＢｑ）なる関係にしたがって求められる
    前記スペクトルのブラッグ波長（λＢｄｅｐｏｌ）を、
    （センサの）軸線方向膨張及び温度の関数として にしたがってシフトさせ、ここでｐｅｆｆは光弾性定数
    であり、Ｋεは膨張に対する感度ファクタであり、ＫＴ
    は温度に対する感度ファクタであり、次に、これに従っ
    て軸線方向の膨張を演算的に求めることを特徴とする方
    法。
  21. 【請求項２１】制御に利用する光が該当するスペクトル
    での反射に導くような偏光成分をも含んでいる場合にの
    み、両偏光ブラッグ共振（λＢｐ，λＢｑ）の重畳を同
    時に測定し、これを擬似偏光解消光を用いた制御によっ
    て達成することを特徴とする、請求項１９に記載の方
    法。
  22. 【請求項２２】両偏光ブラッグ共振（λＢｐ，λＢｑ）
    が同一の形状を有し、他方異なる（わずかに異なる）ブ
    ラッグ波長（λＢｐ，λＢｑ）を有し、擬似偏光解消光
    によるセンサの制御の際に、ブラッグ波長が両偏光ブラ
    ッグ共振（λ Ｂｐ，λＢｑ）の算術的平均値から得られ
    るようなスペクトルを測定することを特徴とする、請求
    項１９または２０に記載の方法。
  23. 【請求項２３】両偏光ブラッグ共振（λＢｐ，λＢｑ）
    の差が単一のスペクトル｜λＢｐ＋λＢｑ｜＜ＦＷＨＭ
    重畳スペクトルの半値幅よりも小さい場合に、擬似偏光
    解消光によるスペクトルの測定を行うことを特徴とす
    る、請求項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】カバー層（３）から伝えられる機械的な
    膨張が非円形対称的に光ファイバー（２）へ伝えられる
    ことを特徴とする、請求項１９または２０に記載の方
    法。
  25. 【請求項２５】非円形対称的な膨張の伝達により光ファ
    イバー（２）を複屈折させ、これにより光ファイバー
    （２）内に２つの偏光軸線を生じさせ、これによって光
    ファイバー（２）内の光波がその偏光振動方向に応じて
    別の屈折率を有するに至ることを特徴とする、請求項２
    ４に記載の方法。
  26. 【請求項２６】複屈折により、光ファイバー（２）に取
    り込まれ、またはエッチングされたブラッグ格子が、２
    つの偏光ブラッグ共振を有することを特徴とする、請求
    項２５に記載の方法。
  27. 【請求項２７】膨張及び温度の決定を、有利には温度を
    あらわす量としての偏光ブラッグ共振の両ブラッグ波長
    の間隔を検出し、膨張及び温度を表わす量としての偏光
    ブラッグ共振のブラッグ波長によって行うことを特徴と
    する、請求項２６に記載の方法。
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