JP2001330415A

JP2001330415A - 光透過繊維強化複合材料の変形検出装置

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Publication number: JP2001330415A
Application number: JP2000191865A
Authority: JP
Inventors: Akira Todoroki; 章轟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】光透過繊維強化複合材料の構造変形検出を目的
として、耐電磁ノイズ性、成形性、安価、省スペース、
軽量性、優れた応答速度を有し、構造物の振動変形測定
にも使用可能な変形検出装置。【解決手段】光透過繊維強化複合材料の負荷方位と角度
をなす繊維間隔の負荷による変化により透過光散乱が変
化することを利用して、透過光強度変化測定すること
で、引張と圧縮の変形を測定可能とする変形検出装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光透過繊維強化複
合材料を用いた輸送機器構造や回転機器、土木建築構
造、製造用機器、電気絶縁用部品、スポーツ用品の静的
および動的変形を、これらの構造に常設することで使用
中あるいは保守期間中にモニタリングするためのセンサ
ーに必要な省スペース、軽量、安価、優れた成形性、優
れた応答速度、耐ノイズ性能の優れたセンサーを目的と
して、当該光透過繊維強化複合材料の少なくとも１部を
挟み、負荷方位と交点を有するように設置された光源と
光強度検出装置を用いて、光透過繊維強化複合材料の変
形によって光透過複合材料中を透過する光強度が変化す
ることを利用して、光透過繊維強化複合材料の変形を検
出するセンサー装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造物の変形を測定する市販装置として
は、ひずみゲージ、ひずみゲージまたはインダクタンス
変化を利用した伸び計、超音波距離計を利用した伸び
計、レーザー伸び計、光源と照度計を利用したフォトカ
プラ方式の変位計、光ファイバーひずみ計などがあげら
れる。

【０００３】一般に公知の市販品（ひずみゲージ、ひず
みゲージやインダクタンス変化利用伸び計、超音波距離
計を利用した伸び計、レーザー伸び計、光源と照度計を
利用したフォトカプラ方式の変位計）は文献を引用しな
いが、これらのセンサーに共通な問題点として、アナロ
グリード線でセンサーから情報を伝達しなければならな
いことがあげられる。このため、ノイズの影響を受けや
すい欠点が上げられる。またひずみゲージ以外の前述の
一般に公知の市販品センサーは、センサー自体の構造が
大きく、重量や大きさが無視できないため、省スペース
の観点から、輸送機器構造や回転機器、土木建築構造、
製造用機器、電気絶縁用部品、スポーツ用品の変形を使
用中あるいは保守期間中にモニタリングするためのセン
サーには適用できない。インダクタンス型では電磁コイ
ル内にインダクタンス変化を引き起こす材料を出し入れ
する構造であり、コイル径で寸法が決定され、さらに重
量も大きくなる。超音波やレーザー利用は比較的センサ
ーの大きさを小さくすることが可能であるが、現状では
１ｃｍ〜数ｃｍ程度の大きさを有し、さらに概形が直方
体であるため省スペースの観点から問題である。フォト
カプラ方式も数ｍｍ〜１ｃｍ程度であるが、やはり概形
が直方体形状であるため、省スペースという観点から構
造に埋め込かあるいは貼り付ける方式でセンサーを利用
する輸送機器構造や回転機器、土木建築構造、製造用機
器、電気絶縁用部品、スポーツ用品の変形を使用中ある
いは保守期間中にモニタリングするためのセンサーには
適用できない。

【０００４】ひずみを計測する既存の公知技術としては
光弾性手法が上記以外にあげられる。しかし、この方法
は大掛かりな光干渉装置を必要とするため、構造機器に
常設することは困難である。

【０００５】光ファイバーセンサーを構造に常設するこ
とで使用中あるいは保守期間中にモニタリングするシス
テムについては、ノイズに強いことから既に数多くの開
発がなされている。例えば新聞発表「１９９９／０７／
１６日本経済新聞朝刊；光ファイバーで損傷検出、Ｎ
ＴＴ・東大など−−船体用システム開発」においては、
国際的ヨットレースであるアメリカズカップ２０００に
参戦する「ニッポンチャレンジ艇」の船体変形と損傷を
検出する「光ファイバセンサ船体損傷検出システム」を
開発したことが報道されている。掲載されたシステム
は，ＮＴＴの光ファイバによるひずみ計測技術「ＢＯＴ
ＤＲ（ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅ
ＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）」，を
船体に埋め込み、船体の破壊につながる変形や損傷（剥
離）を早期に検出できるとされている。しかし、ＢＯＴ
ＤＲはパルス状のレーザーの反射光の中からブリリアン
散乱波を検出して光ファイバーに負荷されるひずみを検
出するため、測定可能周波数は非常に低く、静的なひず
みしか測定できない。

【０００６】光ファイバーセンサーには、ＢＯＴＤＲの
他にマイケルソン干渉計、ファブリーペロー干渉計、フ
ァイバグレーティングなどが市販品としてあげられる。
この中で、ファイバグレーティングは複雑なデータ処理
を行うためサンプリング周波数が５０Ｈｚ程度である。
マイケルソン干渉計、ファブリー・ペロー干渉計、は互
いに類似している干渉を利用したひずみ計である。例え
ば、市販製品としてＦ＆Ｓ社のＥＦＰＩ（Ｅｘｔｒｉｎ
ｓｉｃＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔｉｎｔｅｒｆｅｒｏ
ｍｅｔｅｒ）システムは。アナログ型で１００ＫＨｚ
（ＦＯＳＳＩ）、Ｆｉｂｅｒｓｃａｎ２０００では６６
Ｈｚの読み込みが可能である。いずれの方法も光源にレ
ーザーを使用するため高価であり、測定機器の重量も
２．４ｋｇから１．４ｋｇと重い。これらの理由から、
多数のセンサーを構造物に取り付ける場合には現実的で
ない。

【０００７】特開平１１−３７７１７「変位量測定装置
及び方法」および特開平１０−８２６２１「光ファイバ
変位センサ」においては、測定対象物の変位によって生
じる光ファイバーの曲げによる伝播損失の変化を監視
し、その光損失変化から測定対象物の変位量を測定する
変位量測定装置があげられている。伝播損失を利用した
装置は安価であり、前述の市販の光ファイバーセンサー
の欠点を有していない。しかし、規定の曲率で曲げた光
ファイバーを構造物に設置するには成形プロセスが困難
であること、ドラムに巻きつけた光ファイバーセンサー
を使用するには、ドラムが大きいいため、省スペースに
反するという問題点があげられる。

【０００８】ＵＳ５６０９９５２Ｓｅｎｓｏｒｅｄ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅでは、光ファ
イバー束が複合材料に結合され、その光伝播損失で複合
材料内部の情報を得る発明が公開されている。この方法
では多数の光ファイバーを正確に埋め込むという成形コ
ストの上昇が生じる。

【０００９】繊維強化複合材料の炭素繊維の導電性を利
用した方法もある。Ｄ．Ｄ．Ｌ．ＣｈｕｎｇらはＰｏｌ
ｙｍｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，（１９９７），ｖｏ
ｌ．１８，Ｎｏ．６ページ６９２において、４電極法に
よる中央２電極間の電気抵抗変化から炭素繊維複合材積
層板の層間剥離検出手法を提案している。ＵＳ特許５
８１７９４４Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ
ｓｔｒａｉｎ／ｓｔｒｅｓｓｓｅｎｓｏｒ（Ｄ．
Ｄ．Ｌｃｈｕｎｇ，１９９７）では、コンクリートに炭
素繊維を混入した複合材料で負荷による電気抵抗変化で
ひずみ測定が可能であることを示している。国内特許と
してはＪＰ１０２５３６１Ａにおいて炭素繊維シートを
コンクリートに貼り付けることでコンクリートの損傷を
炭素繊維の電気抵抗変化から検出する方法を提案してい
る。しかし、一般に光透過繊維強化複合材料は、ガラス
繊維や、セラミック、有機繊維などで構成されており、
導電性が障害になる部位に利用されている場合がある。
例えば、リニアモーターカーの超電導コイル支持体のア
ルミナ繊維強化エポキシは、コイルの超電導状態に影響
しないように絶縁材料で作成されている。航空機のレー
ダードームなども同様である。また電磁ノイズの影響を
受けるため、ノイズ環境ではこれらは使用できない。

【００１０】ＡｋｉｒａＴｏｄｏｒｏｋｉとＹｏｓｈ
ｉｎｏｂｕＳｈｉｍａｍｕｒａらは、「Ｄａｍａｇｅ
ＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒＳｅｍｉ−Ｔｒａｎ
ｓｐａｒｅｎｔＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｓｉｎｇ
ＬｕｍｉｎａｎｃｅｏｆＥＬＢａｃｋｌｉｇｈｔ，
ＪＳＭＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａ
ｌ，ｓｅｒｉｅｓＡ，４３，１（２０００）ｐｐ７６
−８２」において、ＥＬを光透過複合材料のバックライ
トとして使用し、透過光強度を光センサーで測定するこ
とで、光透過複合材料の損傷の測定が可能であることを
示している。ここで、静的負荷時には弾性変形範囲内で
もひずみ増加とともに透過光強度が引張時に増加、圧縮
時に減少するため、無負荷時の透過光強度を測定するこ
とで損傷評価が実施可能であることを示している。この
発表論文の中で弾性変形範囲内負荷に伴う透過光強度変
化は静的負荷時の損傷検出を困難にする有害情報として
現象が紹介されているが、この透過光強度変化の原因は
弾性変形による板厚の増減や繊維間隔の増減などの現象
の説明モデル案が提示されていただけであり、その原因
は解明されていない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、光透過繊維
強化複合材料を用いた輸送機器構造や回転機器、土木建
築構造、製造用機器、電気絶縁用部品、スポーツ用品の
静的および動的変形を、これらの構造に常設することで
使用中あるいは保守期間中にモニタリングするためのセ
ンサーに必要な省スペース、軽量、安価、優れた成形
性、優れた応答速度、耐ノイズ性能に優れ、構造物の振
動時変形を検出可能なセンサーを目的としている。前述
の従来技術を鑑み、本発明が解決すべき課題としては、
構造物に永久的に設置または埋め込むための省スペー
ス、軽量性があげられる。さらに、複数のセンサーを構
造に多数取り付ける必要性からシステム全体が安価であ
ること、製造コストと実用性を考慮して優れた成形性を
有すること、実際の機器の電磁ノイズ環境下において耐
ノイズ性能が優れていること、振動時変形を測定可能で
あるために少なくとも数百Ｈｚオーダーの振動が測定可
能であることがあげられる。これらの項目全てを同時に
満足する変形検出装置が望まれる。ここで、安価である
ことの定義とは、回路部品が市販量産品で構成されてい
る程度の意味である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、光源と当該光
源から放射される光を受光可能な位置と方位に設置した
光強度検出装置の間に、負荷方位と交点をなす角度に少
なくとも一部の繊維が配置された光透過繊維強化複合材
料を、当該光源から当該光強度検出装置に対して放射さ
れた光が当該光透過繊維強化複合材料の負荷方位と交点
を有する方位に設置し、当該光透過繊維強化複合材料の
負荷による変形時の透過光強度変化を用いて当該光透過
繊維強化複合材料の変形を検出する変形検出装置であ
る。ここで、交点をなす角度とは点状に交点を有する角
度であり、工業的には５°〜１７５°と１８５°〜３５
５°までの範囲をここでは意味する。なお、繊維の角度
とは繊維配置の平均角度ではなく、少なくとも繊維の一
部の角度を意味している。また、変形を検出するとは、
変形の絶対量の測定を行わずに変化だけを測定すること
を意味している。

【００１３】前記記載の変形検出装置において、光透過
繊維強化複合材料の負荷による変形時の透過光強度変化
から、変形ひずみと透過光強度変化の対応関係を求め、
当該対応関係を用いて透過光強度変化からひずみを測定
する変形検出装置である。ここで、対応関係とはひずみ
を負荷時の透過光強度変化を測定するか計算して、ひず
みと透過光出力の変化の関係式を求めるか、図式化する
か、計算モデル化するか、データベース化するか、を行
い、実際の透過光出力変化測定時にひずみに変換する操
作を可能にすることを意味している。

【００１４】前記の２つに記載の変形検出装置におい
て、光源として光透過繊維強化複合材料に当該光透過繊
維強化複合材料の負荷方位と交点をなす方位に光を放射
する方位に結合されたエレクトロルミネッセンス面発光
素子（ＥＬ素子）を用いた変形検出装置である。ここ
で、ＥＬ素子を結合するとは、構造表面や内部に取り付
けるかまたは貼り付けること、および埋め込むことを意
味している。

【００１５】前部２つに記載の変形検出装置において、
光伝導装置を用いて光源から光を引き回し、光透過繊維
強化複合材料に当該光伝導装置を結合させ、光伝導装置
から放射する光を当該光透過繊維強化複合材料中に透過
させる変形検出装置である。ここで、光伝導装置とは、
光ファイバー、光導波路、材料内を少ない光伝播損失で
伝播させるように材料表面近傍を光ファイバーと同様に
屈折率の差異のある材料で構成した光伝播用棒、板、フ
ィルム、テープを含む。

【００１６】前部２つに記載の変形検出装置において、
光透過繊維強化複合材料に半導体発光素子を結合させ、
当該半導体発光素子から放射する光を当該光透過繊維強
化複合材料中に透過させる変形検出装置である。ここ
で、半導体発光素子とは、ＬＥＤと半導体レーザーであ
る。また、結合とは取り付けること、貼り付けること、
埋め込むことを含む。

【００１７】前部２つに記載の変形検出装置において、
光透過繊維強化複合材料に光強度検出装置を結合させ、
当該光透過繊維強化複合材料中透過する光強度変化を測
定する変形検出装置。ここで、結合とは構造表面か内部
に取り付けること、貼り付けること、埋め込むことを意
味している。

【００１８】前部２つに記載の変形検出装置において、
光透過繊維強化複合材料に光伝導装置を結合させ、当該
光透過繊維強化複合材料中を透過する光を光伝導装置に
集光して、当該集光された光強度変化を光伝導装置に結
合された光強度検出装置で測定する変形検出装置であ
る。

【００１９】前部２つに記載の変形検出装置において、
光源が光透過繊維強化複合材料から離れて存在し、当該
光透過繊維強化複合材料の光源側表面から参照光を得
て、当該光透過繊維強化複合材料の少なくとも一部を透
過した光を得て、負荷時の参照光と透過光の差を測定す
ることにより変形を検出する変形検出装置である。ここ
で、参照光とは、光透過繊維強化複合材料に入射する光
強度を測定するためであり、透過光と光強度の差異を測
定することで、透過光強度変化の中での入射光の変化を
除去し、透過した光の負荷による変化だけを測定するこ
とができる。

【００２０】前部２つに記載の変形検出装置において、
光透過繊維強化複合材料の光源側から参照光を得て、当
該光透過繊維強化複合材料の厚さ方向の少なくとも一部
を透過した透過光を得て、負荷時の当該参照光と当該透
過光の光強度差を測定することにより変形を検出する変
形検出装置である。ここで，厚さ方向の少なくとも一部
を透過した透過光とは、当該光透過繊維強化複合材料の
厚さを全て透過した透過光ではなく、内部に光源か、透
過光集光光ファイバーか、光センサーか、のいずれかま
たは組み合わせを当該光透過繊維強化複合材料に結合さ
せて得られる、厚さ方向の一部材料だけを透過した光を
意味する。

【００２１】前部２つに記載の変形検出装置において、
光透過繊維強化複合材料に光源を結合し、当該光源から
参照光を得て、当該光透過繊維強化複合材料の内部に当
該光源を当該光透過繊維強化複合材料表面反射する方位
に光反射材を結合し、当該反射材を反射した透過光を得
て、負荷時の当該参照光と当該透過光の光強度差を測定
することにより変形を検出する変形検出装置である。こ
こで、反射材とは光源の光を透過光集光光ファイバーか
光センサー方位に反射する方位に当該光透過繊維強化複
合材料内部に結合された光を反射する材料である。

【００２２】本発明の課題を解決するための手段は光利
用であるため、耐電磁ノイズ性は従来のアナログセンサ
ーよりもはるかに頑健であり、後付け可能であることか
ら成形上の問題も生じない上、電気回路は量産品であ
り、特別なレーザーなどの光源を必要とせず、安価なＬ
ＥＤやＥＬで十分でありシステムは安価である。構造に
は光ファイバー、光導波路、光ロッドなどと組み合わせ
によってはＥＬなどの薄い発光素子を取り付けるだけで
あり、省スペース、軽量性を優れている。さらにアナロ
グ的に透過光強度変化を照度計で測定するだけであり、
優れた応答速度を有し、データをデジタル化して転送す
る際においてもＡ／Ｄ変換速度だけに依存しており、構
造物の振動変形測定には十分である。

【００２３】本発明の課題を解決するための手段は、先
の従来の技術で既に記載された、ＡｋｉｒａＴｏｄｏ
ｒｏｋｉとＹｏｓｈｉｎｏｂｕＳｈｉｍａｍｕｒａ
の、「ＤａｍａｇｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒ
Ｓｅｍｉ−ＴｒａｎｓｐａｒｅｎｔＣｏｍｐｏｓｉｔ
ｅｓｕｓｉｎｇＬｕｍｉｎａｎｃｅｏｆＥＬＢ
ａｃｋｌｉｇｈｔ，ＪＳＭＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌＪｏｕｒｎａｌ，ｓｅｒｉｅｓＡ，４３，１
（２０００）ｐｐ７６−８２」と同じ電気回路、透過光
強度利用方法を用いている。しかし、前記論文では、損
傷評価が目的であり、負荷時の透過光強度変化は原因不
明の有害情報として、無負荷時の透過光強度変化を損傷
評価に利用するように提案し、この有害情報を切り捨て
ることを提案していた。本発明では、詳細は実施例で述
べる原因解明によって、この有害情報が工業上利用可能
であることを初めて発見し、技術的に大きな発想の転換
をしてこの有害情報を逆に積極的に利用した光透過繊維
強化複合材料の変形検出装置とした。さらに、損傷検出
と変形検出を同じシステムで、負荷時に変形検出、無負
荷時に損傷検出とする省スペース低コストが可能とな
り、従来に無い発想により２つの目的に使用可能である
システムとなる点に技術的な大きな進歩性がある。

【００２４】さらに、光透過繊維強化複合材料におい
て、本発明を利用することは、基本システムが従来の技
術の透過光強度変化による損傷検出と同じであることか
ら、損傷検出と変形検出が一つのシステムで実施できる
ことを意味しており、省スペースと軽量、低コストであ
り、大きな利点を有している。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明の実施の
形態を詳細に説明する。

【００２６】［システム構成］本発明のシステム構成を
図１に示す。例として、長手方向（図１中の矢印１方
位）に引張と圧縮の負荷を受ける平板を考える。図１は
平板を断面（図１中は平板の断面で矢印２方位が平板板
厚方位）から見た図になっている。平板はガラス／エポ
キシなどの光透過性繊維強化複合材料（図１中の３が断
面図）とする。繊維は通常、負荷方位に多く（図１の矢
印１で示される０°方位）、それ以外の方位にも少量配
置されるか、または全方位均等に配置される。本発明の
システムでは、負荷方位と交点をなす角度の方位に配置
された繊維の繊維間隔が負荷時に負荷方位に負荷によっ
て延伸や圧縮をさせられるために、材料中の光の散乱が
引張時に減少、圧縮時に増加するため、透過する光の強
度が引張時に増加、圧縮時に減少することを利用して、
材料の変形を検知する装置である。

【００２７】図１

【００２８】平板の両面の対面する位置に、光源からの
光を光透過繊維強化複合材料（図１中の１）に入射させ
る光源用光ファイバー（図１中の４）と透過した光を光
強度センサーに伝導させる透過光集光光ファイバー（図
１中の５）の一端を結合させる。光源用光ファイバーと
透過光集光光ファイバーは市販の外径０．５ｍｍ〜１．
５ｍｍ程度の大コア口径プラスチック光ファイバーを用
いる。この光ファイバーの一端において１ｃｍ程度の長
さで表面のクラッドの役割を果たすコーティング材を研
磨してはがし、光が光ファイバー側面から入射や放射が
可能にしておく。透過光集光光ファイバー他端面では透
過光用光センサー（図１の中で１０）に集光した光を端
面から放射するように固定する。

【００２９】光源用光ファイバーの他端面は光源用ＬＥ
Ｄ（図１の中で７）からの光が入射しやすい接触する程
度に接近した位置にＬＥＤからの光の放射方位に固定し
ておく。ＬＥＤの発光回路（図１の中で８）は既に公知
の回路であるのでここでは回路を図示しない。

【００３０】光源用ＬＥＤの発光強度は電源の安定性や
温度などに起因して変動する場合があるため、ＬＥＤか
ら参照光（図１の中の６）を光源用光ファイバーや透過
光集光光ファイバーと同じプラスチック光ファイバーで
集光し、参照光用光センサー（図１の中で１０）に集光
した参照光の光を端面から放射するように固定する。

【００３１】透過光と参照光とは、それぞれ透過光用増
幅回路（図１の中で１１）、参照光用増幅回路（図１の
中で１２）に電気回路で接続され、これらの出力が回路
図を図示しない差動増幅回路（図１の１３）に入力さ
れ、差異が増幅されて出力される（図１の１４）。ここ
で、差動増幅はアナログＯＰアンプを用いた単純な差動
増幅であり、アナログ増幅回路の教科書に必須の回路で
あるのでここでは図示しない。

【００３２】［電気回路］本発明で用いている電気回路
は全て公知の回路技術の組み合わせであるため、図示す
る必要が無いが、光センサーとその増幅回路（図１の
９、１０、１１、１２）だけを便利のため図２に示す。
図２において、ＢＳ５００Ｂはシャープ社製フォトダイ
オードであり、光センサーとして使用している。フォト
ダイオードＢＳ５００Ｂに入射した光をＬＦ４１１ＣＮ
で増幅して電圧に変換している。この回路は照度計とし
て一般に知られている回路であるので、詳細な接続につ
いては説明を省略する。

【００３３】図２

【００３４】［光ファイバーの設置と固定］本発明はコ
アの大きいプラスチック光ファイバーを用いているた
め、光ファイバーの芯だしなどの作業は不要である。し
かし、光透過複合材料平板表面への結合と、フォトダイ
オードへの固定に関しては、特別な作業を有する。

【００３５】（１）光ファイバーの光透過複合材料平板
表面への結合端面の処理光ファイバーとしてプラスチック光ファイバーを使用す
る。先にも述べたように、外径０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ
程度の大コア口径光ファイバーを光源伝播用と透過光伝
播用で少なくとも２本使用する。光透過繊維強化複合材
料側端面は端部から１ｃｍ程度の半分を研磨し、光ファ
イバー方位に小さい角度で斜めの断面を作成する。この
断面を図３に示す。図３の断面１５の斜め研磨面１６の
研磨は、カッターなどの道具で表面を削除するだけでも
よいが、Ｖ溝をつけた金属などの治具に光ファイバーを
両面テープで接着し、サンドペーパー（６００番〜１０
００番）で研磨してもよい。斜めに研磨した断面を光透
過繊維強化複合材料に結合させる。

【００３６】図３

【００３７】（２）光ファイバーの光透過複合材料平板
表面への結合端面の固定断面を斜めに研磨した光ファイバーを光透過繊維強化複
合材料に固定するには、複数の方法がある。もっとも簡
便な方法は、無色透明の接着剤で研磨面を光透過繊維強
化複合材料表面に接着することである。施工は簡単であ
るので実験室レベルでの使用に適しているが、信頼性が
ない。信頼性の高い方法としては、光透過繊維強化複合
材料取り付け面をサンドペーパー（４００番〜１５００
番）とアルミナ砥粒やダイヤモンドペースト（１ミクロ
ン）で研磨後、アセトンで洗浄し、その面に光ファイバ
ー方位を、光ファイバー方位と繊維方位をそろえたガラ
ス繊維一方向または織物プリプレグ（繊維とＢステージ
エポキシ樹脂が薄いシート状になったもの）で固定し、
そのプリプレグの成形温度で硬化させる。図４に織物複
合材料プリプレグ１７と１８で接着する方法を示す。織
物複合材料で光ファイバー１９の斜め研磨面を光透過繊
維強化複合材料２０の表面に向け、織物の組目に光ファ
イバーを織り込む。こうして硬化温度で硬化成形するこ
とで、信頼性の高い接着が可能となる。なお、光源用光
ファイバーを先に接着し、後から現物あわせで透過光集
光光ファイバー接着することで正確な接着が可能とな
る。この手間を省くには、光源用光ファイバーの外径を
１．５ｍｍから２ｍｍ程度に大きくし、さらに複数本を
並列させて接着させる。透過光集光光ファイバーも複数
本並列させることで正確な位置合わせは不要となる。

【００３８】図４

【００３９】（３）光ファイバーのフォトダイオード側
端面の固定光ファイバーのフォトダイオード側では、フォトダイオ
ードにノイズとなる光が入射しないように光を遮断した
ケース内で光ファイバーとフォトダイオードを固定して
おく必要がある。固定治具例を図５、６に示す。図５は
光ファイバーをＬ字型固定台２３とＶ溝付き光ファイバ
ー固定台２４と光ファイバー固定具２７でフォトダイオ
ード２２に光ファイバー端面から放射される光が到達す
る方位に密着して接続する装置である。Ｌ字型固定台２
３のＬ字曲がり部分を原点におき、一方の辺を１８０°
方位に、一方の辺を９０°方位にする。このＬ字型固定
台２３の１８０°方位の辺の上部にＶ溝付き光ファイバ
ー固定台２４をおき、Ｖ溝に光ファイバー２１を溝に沿
って設置する。フォトダイオード２２はもう一方の９０
°方位の辺の１８０°側面に接着剤で設置する。Ｌ字型
固定台２３に設置したフォトダイオード２２のセンサー
部分の高さに合うようにＶ溝付き光ファイバー固定台２
４のＶ溝の高さを加工する。光ファイバー固定具２７で
光ファイバーの上部から六角ボルト２５と六角ナット２
６で固定する。

【００４０】図５

【００４１】図６

【００４２】Ｖ溝付き光ファイバー固定台２４と光ファ
イバー固定具２７の断面図を図６に示す。Ｖ溝深さは光
ファイバーが埋もれない程度に浅めに加工し、光ファイ
バー固定具２７で上から固定する。

【００４３】［透過光出力−ひずみ校正実験と運用］シ
ステム構成を設置終了後、透過光出力とひずみの校正実
験を実施する。ひずみゲージを貼り付け、負荷ひずみ
（ε）と透過光出力変化の電圧変換値（Ｖｏｕｔ）を実
測する。弾性変形範囲内であれば、この関係はほぼ線形
となる。このため、これを誤差最小２乗法を用いて直線
ε＝β×Ｖｏｕｔで近似する。この直線を用いて測定さ
れたＶｏｕｔからひずみεを求める。

【００４４】［ＥＬ利用の実施の形態］前述の実施の形
態では、光源も光ファイバーで光透過繊維強化複合材料
に入射させていた。前述の方法は超電導コイル周囲など
特に電磁波ノイズが激しいかまたは電気配線を望まない
場所に最適である。しかし、一般にはある程度の電磁ノ
イズに耐性があれば十分である場合がほとんどである。
このような場合には、光源用光ファイバーと透過光集光
光ファイバーとの軸あわせの全く不要な面発光素子のＥ
Ｌ素子を利用する方が加工上の面倒がない。ＥＬは市販
の柔軟なタイプを用いれば、曲線のある製品の表面にも
容易に貼り付けることが可能である。埋め込むことも可
能であるし、ＥＬの発光部分だけを材料内に埋め込ん
で、透明電極を内部に埋め込み、内部でＥＬを発光させ
ることも可能である。ＥＬを利用し、貼り付ける場合を
図７に示す。図１の光源用光ファイバー４と７の代わり
にＥＬ素子２９が光源用光ファイバーと同じ面に発光面
を光透過繊維強化複合材料側にして貼り付けられ、光源
用電気回路の代わりにＥＬ発光用回路３０が使用される
だけの差異である。参照光用光ファイバー６は貼り付け
たＥＬの発光面側から参照光を受光し、直接引き回され
る。

【００４５】図７

【００４６】［光源設置の実施の形態］光源として、Ｅ
Ｌなどの特別な光源でなく、通常の蛍光灯や太陽光など
を利用することも可能である。これを図８に示す。図８
で光源３１は蛍光灯や太陽光や白熱電球などの特に指定
されない光源である。この場合には、入射光強度変化を
知る必要があるため、図１の参照光用光ファイバー６の
ＬＥＤ光源７側受光口を、図１の光透過繊維強化複合材
料３の光源用光ファイバー４設置面側に、光源方位に設
置する必要がある。この参照光と透過光との差動増幅に
より正確な透過光強度が測定される。この場合には特別
な光源を必要としないという利点がある。屋外や大型光
源が設置可能な構造に適している。

【００４７】図８

【００４８】［一部透過光利用の実施の形態］光源とし
てＥＬ素子を光透過繊維強化複合材料表面に貼り付け、
当該ＥＬ素子光放射面から参照光を得て、当該光透過繊
維強化複合材料内部に、プリプレグシート（繊維と半硬
化樹脂からなるシート）積層時にアルミフォイルをプリ
プレグ間に挟むことで積層して成形し、内部に光反射材
を設置し、当該反射材を反射した光を、光源ＥＬ素子を
設置した同じ表面で透過光集光光ファイバーで集光して
光強度を測定することで、一部の厚さを透過した透過光
強度変化を測定できる。あるいは、ＥＬ素子を内部に光
透過繊維強化複合材料内部に埋設し、そのＥＬ素子光放
射面から参照光を得て、光透過繊維強化複合材料表面で
厚さの一部を透過した透過光を得て、透過光強度変化を
測定することも可能である。

【００４９】

【実施例】以下に実施例を示す。実施例では、一方向ガ
ラス繊維積層板を用いた光透過繊維強化複合材料の弾性
変形範囲内の透過光強度変化のメカニズムの検討と、ひ
ずみ測定例を示す。

【００５０】［材料と試験片］供試材は一方向ガラス／
エポキシプリプレグ（プライ厚さ０．０６２５ｍｍ）を
使用した．このプリプレグを、０°層だけ３種類（０°
８層積層、０°１２層積層、０°１６層積層）および９
０°層だけ３種類（９０°８層積層、９０°１２層積
層、９０°１６層積層）に積層し、ホットプレス成形し
た積層板から矩形板を作成した。試験片形状は、長さ２
００ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍである。この試
験片の上下端部にＧＦＲＰ製タブを接着した。なお、こ
こで、０°方位とは試験片長手方向に繊維方位が配置さ
れていることを意味し、９０°方位とは長手方位と直角
方位（幅方位）に繊維が配置されていることを意味して
いる。

【００５１】［試験方法］ＥＬとフォトダイオードセン
サーを直接試験片表面に対面する位置にそれぞれの逆面
に接着剤で取り付けた。ただし、参照光は同一形状試験
片の無負荷平板にＥＬを取り付け、その逆面にセンサー
を取り付けた。試験は油圧サーボ型試験機を用い、変位
制御でクロスヘッド変位速度を０．１５ｍｍ／ｍｉｎと
して引張試験を実施した。

【００５２】［試験結果］弾性変形領域での透過光強度
出力差の増加について検討することを目的として、３種
類の厚さの０°および９０°単層板の弾性変形範囲内の
引張試験を実施した。弾性変形領域での透過光強度の変
化の原因としては、引張試験時に板厚方向のポアソン比
相当に起因する変形で板厚が減少することにより透過光
強度が増加するポアソン効果モデルと、引張負荷により
負荷と直角方位（９０°層）繊維間隔が拡大され、透過
光強度が増加する繊維間隔モデルの２つが考えられる。

【００５３】実験結果を，図９，１０に示す。図中、縦
軸は図２のフォトダイオード光強度センサー回路出力を
増幅５００倍に差動増幅した出力電圧であり、横軸は試
験片長手方位（０°方位）に負荷した負荷ひずみであ
る。図を比較すると，９０°層だけの単層板試験片の場
合（図９）は積層数に関わらず，線形に透過光強度が増
加しているが、０°層だけの単層板試験片の場合（図１
０）はどの結果も変化がほとんど存在しない。積層数の
差異に起因する変化も認められない。

【００５４】図９

【００５５】図１０

【００５６】厚さ方位のポアソン比は実測が困難である
ので、ホアソン比を０．３と仮定し、負荷に対する厚さ
方位の寸法変化率（厚さ方位ひずみ）を概算した結果を
図１１に示す。図１１から、０°層だけの結果は厚さ方
位のひずみに無関係に負荷に対して変動していない。織
物ガラス／エポキシ複合材料ではどの方位でも弾性変形
の範囲内の弾性的な透過光強度変化が認められた。引張
負荷時と圧縮負荷時には透過光強度変化は増加と減少の
逆転となるため、エポキシ樹脂の光弾性に起因する変化
ではない。このことから，弾性変形領域での透過光強度
の増加は板厚の減少よりも、むしろ繊維方向と角度をな
す負荷に起因する繊維間隔の増加に伴う光散乱の変化が
原因ということが明らかになった．

【００５７】図１１

【００５８】［曲げひずみ測定装置例］曲げひずみの測
定は、平板では板厚方位に引張と圧縮の等しい大きさの
ひずみが負荷されるため、前述の方法では互いに透過光
強度の増減が打ち消し合うため、板厚全部を透過する光
強度測定では測定できない。この場合には、曲げの引張
成分あるいは圧縮成分だけの部分的に透過する光の透過
光強度変化を測定する必要がある。適用例としては、図
１の光源用光ファイバーを板の中央か中央よりも透過光
集光光ファイバー側の表面近傍で少なくとも繊維の一部
が曲げひずみ方と交点をなす角度にあるような位置に発
光部分を透過光集光光ファイバー側に向けて埋め込むこ
とで、曲げひずみの測定が可能となる。図７のＥＬ素子
利用では、ＥＬ素子を同じように板の中央か中央よりも
透過光集光光ファイバー側に発光部分を透過光集光光フ
ァイバー側に向けて埋め込むことで解決する。ＥＬ素子
ではなく、ＥＬ粉末や有機ＥＬと電極を埋め込むことで
も同様の効果が得られる。

【００５９】ＥＬ素子を板厚の上部側に埋め込んだ例を
図１２に示す。図１２において、光強度検出装置は図１
と同じであり、ＥＬ素子およびその発光回路は図７と同
じである。図１２では、ガラス／エポキシ複合材料の９
０°層（図中３２）と０°層（図中３３）と９０°層
（図中３２）を順に積層した積層板を片持ち梁として曲
げる場合を示している。上部９０°層と０°層の間にＥ
Ｌ素子を挿入し、埋め込んだＥＬ素子表面から端部を斜
め研磨した光ファイバーを斜め面をＥＬ素子側にして配
置し、参照光用光ファイバーとして参照光用光センサー
に接続する。梁上面では、端面を斜め研磨した光ファイ
バーを斜め面を下にして設置し、透過光集光光ファイバ
ーとして透過光用光センサーに接続する。梁の端面を片
持ち梁支持治具上３４と片持ち梁支持治具下３５で挟む
ことで、梁を片持ち梁とする。なお、片持ち梁支持治具
上と下は図示されていないボルトで結合されている。

【００６０】図１２

【００６１】例として、先の一方向ガラス／エポキシの
９０°層８層、０°層８層、９０°層８層からなる積層
板の９０°層と０°層の界面にＥＬ素子を、光放射が９
０°層だけを光が透過するように埋設した、矩形長さ２
００ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの曲げ試験片を
作成した。ＥＬは長さ方位で端部に長さ５０ｍｍのＥＬ
素子を埋設した。この試験片のＥＬ埋設側端部２０ｍｍ
をクランプして片持梁試験片とした。ＥＬ素子の放射光
側表面に前述の光センサー（ＢＳ５００Ｂ）とひずみゲ
ージをクランプ端部から２５ｍｍの位置に設置し、曲げ
ひずみと厚さ方位の一部を透過した光の透過光強度変化
とひずみの対応関係を実測した。得られた結果を図１３
に示す。図中横軸はひずみゲージで測定されたひずみで
あり、縦軸は透過光強度の反転増幅されたセンサー出力
である。ここでは、回路的に反転増幅されているため、
減少は透過光強度の増加を表す。図から明らかに、ひず
み増加に伴い透過光強度がほぼ線形に増加（図では減
少）している。ここでは実験の簡単のため、参照光を用
いていないので、ＥＬ素子の放射光強度変化に対応して
いないが、透過光強度変化でひずみ測定が可能であるこ
とがわかる。

【００６２】図１３

【００６３】

【発明の効果】本発明は光利用であるため、耐電磁ノイ
ズ性は従来のアナログセンサーよりもはるかに頑健であ
り、さらに構造物に成形後に後付け可能であることから
成形上の問題も生じない上、電気回路は全て量産品が部
品であり、特別なレーザーなどの光源を必要とせず、安
価なＬＥＤやＥＬで十分でありシステムは非常に安価で
ある。構造には光ファイバー、光導波路、光ロッドなど
と組み合わせによってはＥＬなどの薄い発光素子を取り
付けるだけであり、省スペース、軽量性に優れている。
さらにアナログ的に透過光強度変化を照度計で測定する
だけであり、優れた応答速度を有し、データをデジタル
化して転送する際においてもＡ／Ｄ変換速度だけに依存
しており、構造物の振動変形測定には十分である。

【００６４】本発明の課題を解決するための手段は、先
の従来の技術で既に記載された、ＡｋｉｒａＴｏｄｏ
ｒｏｋｉとＹｏｓｈｉｎｏｂｕＳｈｉｍａｍｕｒａ
の、「ＤａｍａｇｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒ
Ｓｅｍｉ−ＴｒａｎｓｐａｒｅｎｔＣｏｍｐｏｓｉｔ
ｅｓｕｓｉｎｇＬｕｍｉｎａｎｃｅｏｆＥＬＢ
ａｃｋｌｉｇｈｔ，ＪＳＭＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌＪｏｕｒｎａｌ，ｓｅｒｉｅｓＡ，４３，１
（２０００）ｐｐ７６−８２」と同じ電気回路、透過光
強度利用方法を用いている。しかし、前記論文では、損
傷評価が目的であり、負荷時の透過光強度変化は原因不
明の有害情報として、無負荷時の透過光強度変化を損傷
評価に利用するように提案し、この有害情報を切り捨て
ることを提案していた。本発明では、この透過光強度変
化が負荷時の負荷方位と角度を有する繊維の繊維間隔の
変化に伴い、繊維で散乱させられる透過光の増減によっ
て透過光強度が変化するという世界で初の原因解明によ
って、損傷検出では有害情報であった透過光強度変化が
工業上利用可能であることを発見し、技術的に大きな発
想の転換をしてこの有害情報を逆に積極的に利用した光
透過繊維強化複合材料の変形検出装置とした。さらに、
損傷検出と変形検出を同じシステムで、負荷時に変形検
出、無負荷時に損傷検出とすることが可能となり、従来
に無い発想により２つの状態で別の目的に使用可能であ
るシステムとなる点に技術的な大きな進歩性がある。

【００６５】さらに、光透過繊維強化複合材料におい
て、本発明を利用することは、基本システムが従来の技
術の透過光強度変化による損傷検出と同じであることか
ら、損傷検出と変形検出が一つのシステムで実施できる
ことを意味しており、省スペースと軽量、低コストであ
り、大きな利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変形検知構成システム

【図２】フォトダイオード利用光強度センサー回路図

【図３】光ファイバー端部斜め研磨

【図３】織物複合材料による光ファイバー接合方法

【図５】光ファイバーとフォトダイオード固定治具

【図６】光ファイバー固定治具断面

【図７】ＥＬ利用変形検知構成システム

【図８】遠隔光源利用変形検知構成システム

【図９】９０°層単層試験片の透過光強度変化

【図１０】０°層単層試験片の透過光強度変化

【図１１】透過光強度変化と厚さ方向ひずみの関係

【図１２】ＥＬ素子を用いた曲げひずみ検出装置

【図１３】曲げひずみ−透過光強度変化関係測定結果

【符号の説明】

１：負荷方位と繊維０°方位２：板厚方位３：光透過繊維強化複合材料４：光源用光ファイバー５：透過光集光光ファイバー６：参照光用光ファイバー７：ＬＥＤ８：ＬＥＤ差動回路９：透過光用光センサー１０：参照光用光センサー１１：透過光用増幅回路１２：参照光用増幅回路１３：差動増幅回路１４：出力１５：斜め研磨光ファイバー端部断面図１６：斜め研磨部１７：光ファイバー方位強化繊維１８：光ファイバー直角方位強化繊維１９：斜め研磨光ファイバー端部断面図２０：光透過繊維強化複合材料２１：光ファイバー２２：フォトダイオード２３：Ｌ字型固定台２４：Ｖ溝付き光ファイバー固定台２５：六角ボルト２６：六角ナット２７：光ファイバー固定具２８：固定ボルト用穴２９：ＥＬ素子３０：ＥＬ発光用回路３１：光源３２：ガラス／エポキシ複合材料９０°層３３：ガラス／エポキシ複合材料０°層３４：片持ち梁支持治具上３５：片持ち梁支持治具下

【手続補正書】

【提出日】平成１２年７月２１日（２０００．７．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】