JP2002090122A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明では、ブラッグ格子を備えた光ファ
イバーを利用した歪みなどの測定装置において、温度変
化に伴う光ファイバーケーブルの伸縮による測定誤差を
できるだけ減少させることを主たる目的とする。 【解決手段】 第二の固定部１３が支持体２に設けてあ
ると共に、この第二の固定部１３を第一の固定部１２と
の間に置いた第三の固定部１４をもって支持体２が固定
される構成としてあり、この第一の固定部１２と第三の
固定部１４との間の間隔の変化により第一の固定部１２
と第二の固定部１３との間の間隔が変化されるようにし
てあると共に、光ファイバーケーブル１０における第一
の固定部１２と第二の固定部１３との間の温度変化によ
る伸縮量と、第二の固定部１３と第三の固定部１４との
間の支持体２の温度変化による伸縮量とが等しく、か
つ、支持体２の伸縮方向が光ファイバーケーブル１０の
軸線方向に沿った向きとなるように構成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバーブラ
ッグ回折格子（ＦＢＧ）を備えた光ファイバーケーブル
を備え、この光ファイバーケーブルにおける当該ブラッ
グ格子を間に置いた二つの固定部の間の間隔の変化を当
該ブラッグ格子に反射される光の波長を検出することに
より測定する測定装置における温度補償機構に関するも
のである。

【０００２】

【従来技術】一般に使用されている通信用光ファイバー
ケーブルには、微細な格子が設けられている。かかる格
子をブラッグ格子といい、ブラッグ格子は、光ファイバ
ー中を光波が伝搬しているとき、ブラッグ波長と呼ばれ
るある特定の波長の光を反射する機能を持ったものであ
る。通常の光はこのブラッグ格子を通過するが、光は波
動の性質を持つため、格子間隔に関係した特定の色（波
長）の光のみが格子に反射されて元の方向に戻る性質が
ある。ここで、格子部分に力が働き、格子間隔が変化す
ると、反射される光の色（波長）が変化することにな
る。この反射される光の波長を測定することにより光フ
ァイバーの伸縮量（歪み）を検出することができる。

【０００３】具体的には、長さ方向の途中にブラッグ格
子部分１０１を有する光ファイバー１００に、その一端
から光Ｉｎを入射し、ブラッグ格子からの反射される光
Ｏｕｔの波長を観察すると、ブラッグ格子の間隔の変化
に応じて反射される光の波長が変化することが認められ
る。したがってブラッグ格子型光ファイバーセンサーを
歪み発生部材に固定して、ブラッグ格子からの反射され
る光の波長の変化を測定すれば、歪み発生部材の歪みを
検知することができる。（図４）この機能を利用してブ
ラッグ格子が形成された光ファイバーは、歪みセンサー
あるいは、振動計、変位計などの測定装置における検知
素子に応用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、ブラッ
グ格子により反射される光の波長は、光ファイバー自体
の長さの変化により変化することから、温度変化による
光ファイバーの伸縮によってもブラッグ格子により反射
される光の波長は変化する。したがって、ブラッグ格子
を備えた光ファイバーを前記歪みなどを測定する測定装
置の検知素子として用いる場合にあっては、光ファイバ
ーの伸縮が、測定しようとする歪みなど以外の温度変化
によってもたらされないようにする必要がある。

【０００５】しかし、通常の光ファイバーは、コア直径
数１０μｍ、クラッド直径１００μｍ前後の細いもので
あり、また、計測機器を小型に構成しようとする場合
は、計測機器の内部のスペースに限りが生じるため、大
がかりな温度補償機構を光ファイバーに伴わせることは
現実的でない。

【０００６】また、計測機器は、長期間使用することが
あるので、あまり複雑な機構は望ましくなく、前記温度
補償機構は、簡素で製作しやすいものが望ましい。こう
したことから、この発明では、ブラッグ格子を備えた光
ファイバーを利用した歪みなどの測定装置において、簡
素な構造をもって、温度変化に伴う光ファイバーケーブ
ルの伸縮による測定誤差をできるだけ減少させることを
主たる目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明にあっては、測定装置を、ブラ
ッグ格子を備えた光ファイバーケーブルを備え、この光
ファイバーケーブルにおける当該ブラッグ格子を間に置
いた第一の固定部と第二の固定部との間の間隔の変化を
当該ブラッグ格子に反射される光の波長を検出すること
により測定する測定装置であって、前記第二の固定部が
支持体に設けてあると共に、この第二の固定部を前記第
一の固定部との間に置いた第三の固定部をもって当該支
持体が固定される構成としてあり、この第一の固定部と
第三の固定部との間の間隔の変化により当該第一の固定
部と前記第二の固定部との間の間隔が変化されるように
してあると共に、前記光ファイバーケーブルにおける第
一の固定部と第二の固定部との間の温度変化による伸縮
量と、前記第二の固定部と第三の固定部との間の前記支
持体の温度変化による伸縮量とが等しく、かつ、当該支
持体の伸縮方向が光ファイバーケーブルの軸線方向に沿
った向きとなるように構成してあるものとした。

【０００８】かかる構成によれば、温度変化に応じて長
さ方向に伸縮するブラッグ格子を有する光ファイバーケ
ーブルの伸縮量と支持体の伸縮量とを等しくすることが
できる結果、第一に、光ファイバーケーブルが、第一の
固定部と第二の固定部との間で伸びたときには、第二の
固定部と第三の固定部との間で支持体も同じ量伸びるこ
とから、この第一の固定部と第二の固定部との間での光
ファイバーケーブルの温度変化による伸びを当該支持体
の伸びによって抑え込ませることができ、また、第二
に、光ファイバーケーブルが、第一の固定部と第二の固
定部との間で縮んだときには、第二の固定部と第三の固
定部との間で支持体も同じ量縮むことから、この第一の
固定部と第二の固定部との間での光ファイバーケーブル
の温度変化による縮みを当該支持体の縮みによって抑え
込ませることができ、こうした温度変化に伴う光ファイ
バーケーブルの伸縮を支持体の伸縮によって相殺させ
て、光ファイバーケーブルに加えられた純粋な機械的歪
み量のみを測定することができる。

【０００９】前記光ファイバーケーブルにおける第一の
固定部と第二の固定部との間の温度変化による伸縮量
と、前記第二の固定部と第三の固定部との間の前記支持
体の温度変化による伸縮量とを等しくすることは、光フ
ァイバーケーブルの単位温度あたりの線膨張係数と金属
製の支持体の単位温度あたりの線膨張係数とをもとに、
第一の固定部と第二の固定部との間での光ファイバーケ
ーブルの伸縮量と、第二の固定部と第三の固定部との間
での支持体の伸縮量とが等しくなるように、第一の固定
部と第二の固定部との間の光ファイバーケーブルの長さ
と、第二の固定部と第三の固定部との間の支持体の長さ
を調整することにより確保することができる。

【００１０】また、請求項２記載の発明にあっては、請
求項１記載の測定装置の支持体が、アルミニウム又はア
ルミニウム合金により構成されたものとした。アルミニ
ウム又はアルミニウム合金は、入手しやすく、比較的安
価であり、また、熱膨張率が大きいため、かかる構成に
より、前記支持体をできる限り短くしながら、前記光フ
ァイバーケーブルの第一の固定部と第二の固定部との間
の伸縮量と、支持体の第二の固定部と第三の固定部との
間の伸縮量とを等しくすることができると共に、製造コ
ストを抑えることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図１ないし図３に基づい
て、この発明の典型的な実施の形態について説明する。

【００１２】なお、ここで図１は、この実施の形態にか
かる測定装置の構成部品を分離して斜視の状態を図示し
たものであり、図２は、この実施の形態にかかる測定装
置を断面にして現したものであり、図３は、この装置に
用いられる光ファイバーケーブル１０の一例を断面にし
て現したものである。

【００１３】この実施の形態にかかる測定装置は、ブラ
ッグ格子部分１１を備えた光ファイバーケーブル１０を
備え、この光ファイバーケーブル１０における当該ブラ
ッグ格子部分１１を間に置いた第一の固定部１２と第二
の固定部１３との間の間隔の変化を当該ブラッグ格子部
分１１に反射される光の波長を検出することにより測定
する測定装置であって、前記第二の固定部１３が支持体
２に設けてあると共に、この第二の固定部１３を前記第
一の固定部１２との間に置いた第三の固定部１４をもっ
て当該支持体２が固定される構成としてあり、この第一
の固定部１２と第三の固定部１４との間の間隔の変化に
より当該第一の固定部１２と前記第二の固定部１３との
間の間隔が変化されるようにしてあると共に、前記光フ
ァイバーケーブル１０における第一の固定部１２と第二
の固定部１３との間の温度変化による伸縮量と、前記第
二の固定部１３と第三の固定部１４との間の前記支持体
２の温度変化による伸縮量とが等しく、かつ、当該支持
体２の伸縮方向が光ファイバーケーブル１０の軸線方向
に沿った向きとなるように構成してあることを特徴とす
る測定装置である。

【００１４】前記光ファイバーケーブル１０としては、
例えば、図３に示されるように、光を通させる主要部で
ある石英ガラスからなるコア部１０ａと、コア部１０ａ
の周囲に設けられた石英ガラスからなるクラッド部１０
ｂと、クラッド部１０ｂの周囲に設けられた樹脂からな
るジャケット膜１０ｃからなり、塩化ビニルからなる一
次被覆により保護されているものを用いることができ
る。

【００１５】また、この実施の形態にかかる測定装置
は、前記支持体２と、光ファイバーケーブル１０と、大
径パイプ３と、二つのパイプ固定部４、４’と、二つの
取付ブラケット５，５とを備えた構成としてある。

【００１６】この実施の形態にあっては、前記支持体２
は、円筒パイプ状に構成されている。

【００１７】また、前記大径パイプ３は、この支持体２
の外径よりも内径を大きくした円筒パイプとして構成し
てある。

【００１８】また、前記二つのパイプ固定部４、４’は
それぞれ、その一端４ａ，４’ａ側から他端４ｂ，４’
ｂ側にわたって前記光ファイバーケーブル１０の挿通路
４０，４０’を備えた軸状に構成されている。

【００１９】そして、この実施の形態にあっては、かか
る二つのパイプ固定部４、４’の一方のパイプ固定部４
の一端を前記大径パイプ３の一端３ａ側より当該大径パ
イプ３内にはめ入れ固定し、この一方のパイプ固定部４
に大径パイプ３を取り付けているとともに、前記二つの
パイプ固定部４、４’の他方のパイプ固定部４’の一端
４’ａ側より、当該他方のパイプ固定部４’の挿通路４
０’内に前記支持体２の一端２ａ側を当該支持体２の内
部空間２０と当該他方のパイプ固定部４’の挿通路４
０’とが連通し合うようにはめ入れて、当該支持体２を
当該他方のパイプ固定部４’に取り付けている。

【００２０】また、このように前記二つのパイプ固定部
４，４’の一方のパイプ固定部４に取り付けられた前記
大径パイプ３の他端３ｂ側より、当該大径パイプ３内に
前記二つのパイプ固定部４，４’の他方のパイプ固定部
４’に取り付けられた前記支持体２をその他端２ｂ側か
ら、当該支持体２の外周面と当該大径パイプ３の内周面
との間に当該大径パイプ３内での当該支持体２の移動を
許容する間隔Ｓをあけた状態で差し込ませている。

【００２１】そして、このように前記二つのパイプ固定
部４、４’の間に配された前記大径パイプ３内に入れ込
まれた前記支持体２内に、当該大径パイプ３が取り付け
られたパイプ固定部４の一方の挿通路４０を通じて通さ
れた光ファイバーケーブル１０が当該支持体２の他端２
ｂ側から一端２ａ側へと通し抜けさせられ、かつ、この
通し抜けさせられた光ファイバーケーブル１０を、当該
支持体２が取り付けられたパイプ固定部４’の挿通路４
０’を通じて、外方に引き出させた構成としてある。

【００２２】また、このように大径パイプ３内に入れ込
ませた支持体２の他端２ｂ側と、大径パイプ３の取り付
けられたパイプ固定部４への差込端との間には、間隔
Ｓ’が設けられており、この間隔Ｓ’内にある光ファイ
バーケーブル１０の一部分に前記ブラッグ格子部分１１
が形成されている。

【００２３】そして、この実施の形態にあっては、大径
パイプ３内に一端部をはめ入れたパイプ固定部４におけ
る前記挿通路４０内において、パイプ固定部４と当該挿
通路４０に通された光ファイバーケーブル１０とが接着
により固定されており、この固定部分が前記第一の固定
部１２となっている。

【００２４】また、大径パイプ３内に入れ込ませた支持
体２における他端２ｂ側において、当該支持体２の内部
空間２０に通された光ファイバーケーブル１０が当該内
部空間２０内において当該支持体２に接着により固定さ
れており、この固定部分が前記第二の固定部１３となっ
ている。

【００２５】また、前記二つのパイプ固定部４，４’の
他方のパイプ固定部４’の一端４’ａ側より、当該他方
のパイプ固定部４’の挿通路４０’内に前記支持体２の
一端２ａ側を当該支持体２の内部空間２０と当該他方の
パイプ固定部４’の挿通路４０’とが連通し合うように
はめ入れた状態で、このはめ合わせた位置において、前
記支持体２とパイプ固定部４’とが接着により固定され
ており、この固定部分が前記第三の固定部１４となって
いる。

【００２６】なお、この実施の形態にあっては、二つの
パイプ固定部４、４’の他端４ｂ，４’ｂ側にはそれぞ
れ、この他端４ｂ，４’ｂ側を覆う保護ラバー８，８が
設けられており、かかる保護ラバー８，８に設けられて
いる貫通孔８ａに光ファイバーケーブル１０が通されて
いる。

【００２７】また、この実施の形態にあっては、前記取
付ブラケット５は、ほぼ長方形の板状をなすように構成
されており、その長さ方向のほぼ中程の位置に設けられ
たねじ穴５ａを通じてパイプ固定部４，４’にねじ付け
られるねじ５ｃによって、当該パイプ固定部４，４’に
取り付けられている。

【００２８】また、前記取付ブラケット５の両端部側に
は、測定対象物に測定装置を固定するための穴５ｂが設
けられており、この穴５ｂにビスやねじを挿入して測定
対象物にねじ付けることにより、測定装置を当該測定対
象物に固定するようにしてある。

【００２９】前述のように、前記光ファイバーケーブル
１０は、前記第一の固定部１２において前記二つのパイ
プ固定部４，４’の一方のパイプ固定部４に固定されて
いると共に、前記第二の固定部１３において前記支持体
２に固定され、さらに、この支持体２は、前記パイプ固
定部４，４’の他方のパイプ固定部４’に固定されてい
る。

【００３０】この結果、前記のように二つのパイプ固定
部４，４’を前記取付ブラケット５，５を介した測定対
象物に固定された測定装置のセッティング状態におい
て、当該測定対象物に歪みが生じ、この二つのパイプ固
定部４，４’間の間隔が変化した場合にその変化量と同
じ寸法分だけ前記光ファイバーケーブル１０は、前記第
一の固定部１２と第二の固定部１３との間において伸縮
されることとなる。

【００３１】これにより、前記光ファイバーケーブル１
０における前記ブラッグ格子部分１１にあるブラッグ格
子の格子間隔も変化されることとなるので、前記光ファ
イバーケーブル１０から出力されてくる光の波長を観察
することで、前記測定対象物の微細な歪み量を正確に測
定することが可能となる。

【００３２】また、大径パイプ３の他端３ｂ側と支持体
２の固定されているパイプ固定部４’との間には、測定
装置を測定対象物から取り外した場合であっても、光フ
ァイバーケーブル１０におけるブラッグ格子部分１１に
常に一定の張力を加えて、ブラッグ格子の格子間隔を所
期の間隔に保つことができるように、一端をパイプ固定
部４’の一端４’ａ側に押さえ付け、かつ、大径パイプ
３の他端３ｂ側に嵌め付けられたＥリング７に他端を押
し付けるようにした圧縮コイルバネ６が、支持体２の一
端２ａ側を内部に収め入れた状態で備えられている。

【００３３】また、光ファイバーケーブル１０の単位温
度あたりの線膨張係数と支持体２の単位温度あたりの線
膨張係数とをもとに、前記第一の固定部１２と第二の固
定部１３との間での光ファイバーケーブル１０の伸縮量
と、前記第二の固定部１３と第三の固定部１４との間で
の支持体２の伸縮量とが等しくなるように、第一の固定
部１２と第二の固定部１３との間の光ファイバーケーブ
ル１０の長さと、第二の固定部１３と第三の固定部１４
との間の支持体２の長さとが調整されている。

【００３４】この結果、温度変化に応じて長さ方向に伸
縮するブラッグ格子部分１１を有する光ファイバーケー
ブル１０の伸縮量と支持体２の伸縮量とを等しくするこ
とができ、第一に、光ファイバーケーブル１０が、第一
の固定部１２と第二の固定部１３との間で伸びたときに
は、第二の固定部１３と第三の固定部１４との間で支持
体２も同じ量分伸びることから、この第一の固定部１２
と第二の固定部１３との間での光ファイバーケーブル１
０の温度変化による伸びを当該支持体２の伸びによって
抑え込ませることができ、また、第二に、光ファイバー
ケーブル１０が、第一の固定部１２と第二の固定部１３
との間で縮んだときには、第二の固定部１３と第三の固
定部１４との間で支持体２も同じ量分縮むことから、こ
の第一の固定部１２と第二の固定部１３との間での光フ
ァイバーケーブル１０の温度変化による縮みを当該支持
体２の縮みによって抑え込ませることができ、光ファイ
バーケーブル１０の伸縮量を支持体２の伸縮量によって
相殺させて、光ファイバーケーブル１０に加えられた純
粋な機械的歪み量のみの測定が可能となる。

【００３５】ブラッグ格子を備えた光ファイバーケーブ
ルそのもの（以下、「比較例」という。）と、この比較
例と同一の光ファイバーケーブルであって、以上に説明
した測定装置に光ファイバーケーブル１０として組み込
まれた光ファイバーケーブル（以下、「実験例」とい
う。）とを、以下の条件で温度変化にさらした場合のそ
れぞれの出力を以下のグラフに示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】具体的には、比較例の場合は、温度槽内の
光ファイバーケーブルを受光機に接続して、パソコンの
モニターで出力を確認した。なお、温度条件は、−４０
℃から８０℃までの温度範囲で、１０℃ごとに温度槽内
の温度を変化させた。

【００３８】実験例は、測定装置の光ファイバーケーブ
ルを受光機に接続した状態で、温度槽内の温度を変化さ
せ、パソコンのモニターで出力を確認した。まず、測定
装置を−２０℃に冷却して、出力波形が安定してから、
リセットを行って伸縮量を０に設定した後、２０℃ずつ
昇温させて、各温度での歪みによる出力を測定した。な
お、この実験例の場合では、温度変化の範囲は、測定装
置が使用されるであろう外部の環境から、−２０℃から
６０℃に設定した。

【００３９】上記の実験結果をグラフに表す（一点鎖線
で表されたのが実施例であり、破線で表されたのが比較
例である。）と、実験例の場合は、比較例と異なり、プ
ロットがグラフのほぼ横軸に沿った状態で並んでいるた
め、極めて精度高く温度補償が行われ、温度変化が出力
変化にほとんど影響を与えないことがわかった。

【００４０】なお、以上に説明した測定装置の支持体２
はアルミニウム又はアルミニウム合金製とすることが好
ましい。

【００４１】かかるアルミニウム又はアルミニウム合金
は、入手しやすく、比較的安価であり、また、熱膨張率
が大きいため、支持体２をできる限り短くしながら、光
ファイバーケーブル１０との伸縮量を等しくすることが
でき、製造コストを抑えることができる。

【００４２】なお、温度補償機構となる支持体２は、以
上に説明した実施の形態にあっては、円筒パイプ状に構
成したものとしたが、前記第一の固定部１２と第二の固
定部１３との間の光ファイバーケーブルの温度変化によ
る伸縮を相殺するように伸縮するものであればその具体
的な形状は問われるものではなく、例えば、板状のもの
等であっても構わない。

【００４３】

【発明の効果】かかる構成によれば、温度変化に応じて
長さ方向に伸縮するブラッグ格子部分を有する光ファイ
バーケーブルの伸縮量と支持体の伸縮量とを等しくする
ことができる結果、第一に、光ファイバーケーブルが、
第一の固定部と第二の固定部との間で伸びたときには、
第二の固定部と第三の固定部との間で支持体も同じ量伸
びることから、この第一の固定部と第二の固定部との間
での光ファイバーケーブルの温度変化による伸びを当該
支持体の伸びによって抑え込ませることができ、また、
第二に、光ファイバーケーブルが、第一の固定部と第二
の固定部との間で縮んだときには、第二の固定部と第三
の固定部との間で支持体も同じ量縮むことから、この第
一の固定部と第二の固定部との間での光ファイバーケー
ブルの温度変化による縮みを当該支持体の縮みによって
抑え込ませることができ、光ファイバーケーブルの伸縮
量を支持体の伸縮量によって相殺させて、簡素な構造を
もって、光ファイバーケーブルに加えられた純粋な機械
的歪み量のみを測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】測定装置の斜視構成図

【図２】測定装置の縦断面構成図

【図３】光ファイバーケーブル１０の断面構成図

【図４】ブラッグ格子型光ファイバーセンサーの原理図

【符号の説明】

２ 支持体 １０ 光ファイバーケーブル １１ ブラッグ格子部分 １２ 第一の固定部 １３ 第二の固定部 １４ 第三の固定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA65 BB11 CC23 DD11 EE01 FF51 LL41 2G086 AA04 DD05 2H038 BA25

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ブラッグ格子を備えた光ファイバーケー
   ブルを備え、この光ファイバーケーブルにおける当該ブ
   ラッグ格子を間に置いた第一の固定部と第二の固定部と
   の間の間隔の変化を当該ブラッグ格子に反射される光の
   波長を検出することにより測定する測定装置であって、 前記第二の固定部が支持体に設けてあると共に、この第
   二の固定部を前記第一の固定部との間に置いた第三の固
   定部をもって当該支持体が固定される構成としてあり、 この第一の固定部と第三の固定部との間の間隔の変化に
   より当該第一の固定部と前記第二の固定部との間の間隔
   が変化されるようにしてあると共に、 前記光ファイバーケーブルにおける第一の固定部と第二
   の固定部との間の温度変化による伸縮量と、前記第二の
   固定部と第三の固定部との間の前記支持体の温度変化に
   よる伸縮量とが等しく、かつ、当該支持体の伸縮方向が
   光ファイバーケーブルの軸線方向に沿った向きとなるよ
   うに構成してあることを特徴とする測定装置。
2. 【請求項２】 支持体が、アルミニウム又はアルミニウ
   ム合金製であることを特徴とする請求項１記載の測定装
   置。