JP2002286563A - 光ファイバ式ひずみゲージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単且つ低コストな構成で温度補償の問題を
解決し得る上に、供試体に溶接・接着する等によりその
供試体に加わる引張力等を検出し得るコンパクトな構成
の光ファイバ式ひずみゲージを提供すること 【解決手段】 ゲージベースに空隙部を介して連続的に
形成した第１及び第２の溝に固定される光ファイバの前
記空隙部内に位置する部分にブラッグ回折格子（ＦＢ
Ｇ）を形成し、第１及び第２の溝内の光ファイバの軸方
向と直交する方向に沿った溶着部を有する光ファイバ式
ひずみゲージにおいて、ゲージベースの材料の線膨張係
数と測定対象物の線膨張係数との差を利用して温度補償
を行う。ＦＢＧに圧縮力が付与されると座屈してしまう
虞れを解消するため、プリテンション装置を用いて予め
ＦＢＧに引張力を付与した状態で溶着部を測定対象物に
溶接等して用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工業プロセス計
測、リニアモータカー・送電線・発電機等におけるひず
み測定等、強電磁界ノイズ環境下の計測、落雷環境下の
土木関連計測等に用いられる光ファイバ式ひずみゲージ
に関し、特に、ＦＢＧ［Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒ
ａｔｉｎｇ（光ファイバブラッグ回折格子）］法を用い
た光ファイバ式ひずみゲージに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＦＢＧ法を用いた光ファイバ式ひ
ずみゲージ等の光ファイバ式センサが種々提案されてい
る（特許第２９８３０１８号公報、特開２０００−９７
７８６号公報、特開２０００−１２１８４４号公報等参
照）。ＦＢＧ法は、通信用シングルモード型光ファイバ
のコア部の屈折率をファイバ軸方向に周期的に変化させ
た光ファイバブラッグ回折格子を検出素子として用い、
該回折格子への入射光のうち屈折率の周期に対応した特
定の波長（ブラッグ波長）のみが選択的に反射される現
象を利用したものである。即ち、検出素子に歪みが加え
られると、回折格子の周期が変化することから、反射光
の波長にシフトを生じるので、この波長のシフト量から
加えられた歪み量を測定できる。

【０００３】しかしながら、このＦＢＧ法を用いた光フ
ァイバ式センサでは、上述したブラッグ波長が温度によ
って変化する性質があるため、ＦＢＧ法を用いた光ファ
イバ式センサを歪みの検出に用いる場合には、検出する
歪みのレベル（例えば、数百マイクロストレイン）が周
辺の温度変化（例えば、−２０〜７０℃）に基づくファ
イバ自身の歪みのレベルと同程度であり、温度変化の影
響を除外する方法（温度補償）が必要である。

【０００４】従来のＦＢＧ法を用いた光ファイバ式セン
サのうち、上記特許第２９８３０１８号公報には、ＦＢ
Ｇを２個用い、一方のＦＢＧを用いて当該ＦＢＧ型光フ
ァイバと略等しい線膨張係数を有する基板に固着した歪
み検出用センサを構成し、他方のＦＢＧを用いて両側で
変位が拘束されないように基板に固着した温度補償用セ
ンサを構成し、これら２つのセンサを光ファイバで直列
或いは並列に接続した例（以下、第１の従来例と称す
る）が記載されている。

【０００５】また、上記特開２０００−９７７８６号公
報には、引張力或いは温度変化が加わるとＦＢＧの屈折
率及び格子間隔が変化する結果、ブラッグ波長も変化す
るが、格子の数は変化しないので、反射波の帯域幅は変
化しない性質を利用して上述した温度補償の問題を解決
する例（以下、第２の従来例と称する）が記載されてい
る。即ち、この第２の従来例は、長さ方向の一部に格子
間隔の均一なＦＢＧ部分を有する光ファイバと、引張力
が加わると不均一な歪みを発生する部分を有する引張部
材とから成り、光ファイバのＦＢＧ部分を引張部材の上
記不均一な歪みを発生する部分に接着固定した構成を備
え、引張力が加わるとＦＢＧ部分の格子間隔が不均一に
なり、反射波の帯域幅が広がるので、帯域幅の変化で引
張力を測定できる。

【０００６】更に、上記特開２０００−１２１８４４号
公報には、菱形の枠部材と、この枠部材の一組の対角線
上に当該枠部材の内側に突出するように設けられた一対
の光ファイバ支持部材と、この一対の光ファイバ支持部
材にそれらの間にＦＢＧ部分が位置するように支持され
た光ファイバと、枠部材を弾性変形させて光ファイバに
張力を付与するねじ式張力調整部とを備え、上記一対の
光ファイバ支持部材を枠部材より熱膨張率の大きい材料
で構成したＦＢＧの温度補償装置（以下、第３の従来例
と称する）が記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１の従来例は、それぞれＦＢＧを用いた２つのセンサを
光ファイバで直列或いは並列に接続するため、ＦＢＧが
２個必要になり、コストが高くなる。また、２つのセン
サをそれぞれ接着する工程が必要となるため、組立工数
が増加し、この点からもコストが高くなる。また、２個
のＦＢＧについて予め較正が必要になるので繁雑である
等の問題がある。

【０００８】また、上記第２の従来例は、引張部材に不
均一な歪みを発生する部分を形成するので構成が複雑と
なり、また、力学的力センサとして引張力等の測定は可
能であるが、供試体に貼り付ける等によりその供試体に
加わる引張力等を検出し得るひずみゲージ等のようなコ
ンパクトな構成のものではない。

【０００９】更に、上記第３の従来例は、菱形の枠部材
と、一対の光ファイバ支持部材と、ねじ式張力調整部と
を備える等、装置の構成も比較的大型となり、上記第２
の従来例と同様に、供試体に貼り付ける等によりその供
試体に加わる引張力等を検出し得るひずみゲージ等のよ
うなコンパクトな構成のものではない。

【００１０】本発明の課題は、簡単且つ低コストな構成
で温度補償の問題を解決し得る上に、供試体に溶接・接
着する等によりその供試体に加わる引張力等を検出し得
るコンパクトな構成の光ファイバ式ひずみゲージを提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、空隙部が形成されたゲージベースと、
前記ゲージベースの一方面において前記空隙部を介して
連続的に形成された第１及び第２の溝と、前記第１及び
第２の溝に固定されて延びる光ファイバと、該光ファイ
バの前記空隙部内に位置する部分に形成されたブラッグ
回折格子から成るセンシング素子と、前記ゲージベース
と測定対象物とを固定する固定手段により前記光ファイ
バ及び前記センシング素子の軸方向と直交する方向に沿
って固着力を加えられる溶着部とを有する光ファイバ式
ひずみゲージを構成し、前記ゲージベースの材料の線膨
張係数と測定対象物の線膨張係数との差を利用して温度
補償を行うようにした。

【００１２】このような発明によれば、ＦＢＧを１個の
み用いる場合でも、温度補償が可能であるコンパクトな
構成の光ファイバ式ひずみゲージを低コストに得ること
ができる。

【００１３】また、前記センシング素子としてのＦＢＧ
に圧縮力が付与されると座屈してしまう虞れを解消する
ため、本発明の光ファイバ式ひずみゲージは、前記セン
シング素子に予め引張力を付与した状態で用いるように
した。

【００１４】これにより、測定レンジは狭まるが、座屈
の虞れなく、圧縮ひずみの測定も可能となる。更に、本
発明では、前記センシング素子に予め引張力を付与する
ために、前記光ファイバ式ひずみゲージに装着するため
の装着手段と、前記センシング素子に引張力を付与する
ためのテンション付与手段と、該テンション付与手段に
より付与される引張力を調整するための調整手段とを有
するプリテンション装置を用い、光ファイバ式ひずみゲ
ージのゲージベースに前記プリテンション装置を取り付
けるための取付部を設けるようにした。

【００１５】これにより、測定現場で大変作業性良く、
座屈防止のために予め引張力を付与した状態で、光ファ
イバ式ひずみゲージを測定対象物に取り付けて用いるこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しつつ具体的に説明する。ここで、添付図面に
おいて同一の部材には同一の符号を付しており、また、
重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形
態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのもの
であり、本発明がその実施の形態に限定されるものでは
ない。

【００１７】図１は、本発明の一実施の形態である光フ
ァイバ式ひずみゲージを示す平面図である。図１に示す
ように、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージは、
Ｈ型の空隙部１３が形成されて全体として矩形状を有す
るゲージベース１０と、ゲージベース１０の一方面にお
いて空隙部１３を介して連続的に形成された第１及び第
２の溝１４，１５と、例えば、接着剤によりこれらの溝
に固定されて延びる光ファイバ１１とを備えている。光
ファイバ１１は、空隙部１３内に浮いた状態でセンシン
グ素子としてのＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）
１１１を有している。

【００１８】また、ゲージベース１０には、第１及び第
２の溝１４，１５内における光ファイバ１１の軸方向と
直交する方向に延びて空隙部１３の両側に形成された段
差１６Ａ，１６Ｂにより、空隙部１３の周囲に位置する
薄肉部１７と、この薄肉部１７より厚さの厚い厚肉部１
８Ａ，１８Ｂとが区画形成されている。更に、ゲージベ
ース１０の薄肉部１７にはくびれ部２０が形成されてい
る。これにより、薄肉部１７の剛性が低下され、鋼材な
どの測定対象物（図示せず）のひずみに応じてゲージベ
ース１０が変形し易くなっている。

【００１９】厚肉部１８Ａ側には、ゲージベース１０と
測定対象物（図示せず）とを、例えば、スポット溶接に
より固定するための溶着部１２Ａ，１２Ａが、それぞれ
第１の溝１４の近傍からゲージベース１０の短手方向両
側まで形成されている。また、厚肉部１８Ｂ側には、同
様に、ゲージベース１０と測定対象物（図示せず）と
を、例えば、スポット溶接により固定するための溶着部
１２Ｂ，１２Ｂが、それぞれ第２の溝１５の近傍からゲ
ージベース１０の短手方向両側まで形成されている。
尚、ここで、溶着部１２Ａ，１２Ｂは、後述するよう
に、スポット溶接し易いように、薄肉状に形成されてい
る。なお、ゲージベース１０と測定対象物とを固定する
ための溶着には種々の形態を採用することができ、本実
施の形態のスポット溶接の他、接着剤による接着、更
に、ガス圧接のような圧接のみならず、種々の融接およ
びろう付け技術等で両者を固定することが可能である。

【００２０】厚肉部１８Ａのそれぞれ溶着部１２Ａ，１
２Ａよりも内側（薄肉部１７側）には、後述するよう
に、プリテンション治具のピン部を挿入して取り付ける
ための孔２２Ａ，２２Ａが形成されている。また、厚肉
部１８Ｂのそれぞれ溶着部１２Ｂ，１２Ｂよりも内側
（薄肉部１７側）には、同様に、プリテンション治具の
ピン部を挿入して取り付けるための孔２２Ｂ，２２Ｂが
形成されている。

【００２１】さて、本実施の形態の光ファイバ式ひずみ
ゲージを使用する場合、測定対象物のひずみを、検出部
として設けた光ファイバ１１のＦＢＧ１１１に伝えて検
出する。即ち、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲー
ジを用いるには、測定対象物（図示せず）にゲージベー
ス１０を固定し、光ファイバ１１の一端を光源側（図示
せず）に接続し、他端を光検出手段（図示せず）に接続
して用いる。測定対象物に応力が作用してひずみが生じ
ると、ゲージベース１０も同じように引っ張り又は圧縮
される。この結果、空隙部１３の間隔Ｇが、引っ張りの
場合には増加し、圧縮の場合には減少する。そして、空
隙部１３の間隔Ｇが増減することにより空隙部１３にお
けるＦＢＧ１１１に歪みが加えられる。これにより、Ｆ
ＢＧ１１１における回折格子の周期が変化することか
ら、反射光の波長にシフトを生じる。従って、この波長
のシフト量を光検出手段にて検出することにより、ひず
み量を計測することができる。

【００２２】このように、本実施の形態の光ファイバ式
ひずみゲージによれば、引っ張りひずみだけでなく圧縮
ひずみの測定も可能である。また、検出感度の比較的高
いＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）をセンシング
素子として用いているので、測定対象物がひずみの大き
い鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合
でも、高精度な検出が可能である。ここで、本実施の形
態の光ファイバ式ひずみゲージでは、図１に示すよう
に、第１及び第２の溝１４，１５内における光ファイバ
１１の軸方向と直交する方向に延びて形成された各溶着
部１２Ａ，１２Ｂ内に２列に亘ってスポット溶接を行う
ことによりゲージベース１０と測定対象物とが固定され
る。このように、光ファイバ１１の軸方向と直交する方
向に沿って働く固着力によって光ファイバ式ひずみゲー
ジと測定対象物とが固定されると、ゲージ長が光ファイ
バ１１の軸方向における固着部間距離となる。従って、
ゲージ長が光ファイバ１１の軸方向における固着部間距
離となるので、後述する線膨張を用いた温度補償におけ
るゲージ長の不確実さがなくなる。

【００２３】更に、薄肉状に形成された溶着部１２Ａ，
１２Ｂのそれぞれ厚肉部１８Ａ，１８Ｂとの段差１２
ａ，１２ｂに、例えば、スポット溶接機を沿わせて動か
すだけで第１及び第２の溝１４，１５内における光ファ
イバ１１の軸方向と直交する方向に沿った溶着部１２
Ａ，１２Ｂを測定対象物に溶着できるので、光ファイバ
式ひずみゲージ取り付け作業の容易化を図ることが可能
になる。

【００２４】次に、本実施の形態の光ファイバ式ひずみ
ゲージにおける温度変化の影響を除外する方法（温度補
償）について説明する。

【００２５】再び図１を参照して、本実施の形態の光フ
ァイバ式ひずみゲージについて、温度補償方法を説明す
る。図１に示す光ファイバ式ひずみゲージにおいては、
上述したように、第１及び第２の溝１４，１５内におけ
る光ファイバ１１の軸方向と直交する方向に延びて形成
された溶着部１２Ａ，１２Ｂ内にスポット溶接等により
ゲージベース１０と測定対象物とが固定される結果、光
ファイバ１１の軸方向と直交する方向に沿って働く固着
力によって光ファイバ式ひずみゲージと測定対象物とが
固定され、ゲージ長が光ファイバ１１の軸方向における
固着部間距離Ｌとなっている。

【００２６】図示の光ファイバ式ひずみゲージにおい
て、例えば、温度の上昇により測定対象物に固定された
ゲージベース１０全体が伸長した場合には、厚肉部１８
Ａと厚肉部１８Ｂもそれに伴って伸長する分、間隔Ｇが
増加してＦＢＧ１１１における回折格子の周期が長くな
ることから、反射光の波長にシフトを生じるが、厚肉部
１８Ａと厚肉部１８Ｂそれぞれの自由端側も間隔Ｇ内で
伸長する結果、その分だけ間隔Ｇを減少させる方向に作
用する。このため間隔Ｇの増加がその分だけ相殺される
ので、温度変化による影響を減少させ得る構造となって
いる。

【００２７】ここで、上記光ファイバ式ひずみゲージに
おいて、かかる温度変化による影響を可及的に小さくす
るための条件等につき、図１を参照しつつ、説明する。
ここでは、説明を簡単にするために、測定対象物のひず
みが接合部（図示せず）上の図１に示すゲ−ジべ−ス１
０に１００％伝達し、ゲ−ジべ−ス１０のひずみは光フ
ァイバ１１に１００％伝達するものとして説明する。 ［前提条件］ αｆ（＝αｇ）：ファイバ及びＦＢＧの線膨張係数＜＜
αａ，ｂ ここで、αａ：測定対象物の線膨張係数、αｂ：ゲ−ジ
べ−ス１０の線膨張係数とする。即ち、ファイバの線膨
張係数αｆ（＝ＦＢＧの線膨張係数αｇ）は、測定対象
物の線膨張係数αａやゲ−ジべ−ス１０の線膨張係数α
ｂよりも十分小さいものとする。また、厚肉部１８Ａ，
１８Ｂに比して薄肉部１７及びＦＢＧ１１１の引張り・
圧縮剛性が十分低いものとする。

【００２８】従って、測定対象物に歪みを付加した場
合、厚肉部１８Ａ，１８Ｂの歪みは略０、また、ゲ−ジ
べ−ス１０のＰ部（厚肉部１８Ａ，１８Ｂと薄肉部１７
の境界線付近）は、温度を加えた場合、Ｑ部を始点に自
由膨張し、伸びを中央の薄肉部１７が吸収するものとす
る。各部の寸法を図１に示すものとすると、

【００２９】

【数１】

【００３０】

【数２】 （Ｌ−Ｇ）／２−→（Ｌ−Ｇ）／２・（１＋αｂ・ΔＴ）−−−−（２） （１）式及び（２）式より、

【００３１】

【数３】 Ｇ→Ｇ´＝（１）式−２×（２）式＝（１＋ε）Ｌ（１＋αａΔＴ）−（Ｌ−Ｇ ）（１＋αｂ・ΔＴ）−−−−（３）

【００３２】

【数４】 （Ｇ´−Ｇ）／Ｇ＝｛Ｌ（αａ−αｂ）ΔＴ＋Ｇ・αｂΔＴ＋Ｌε｝／Ｇ−−（ ４） 例えば、図１において、αａ：測定対象物の線膨張係数
（図示の例では、１１ｅ−６）、αｂ：ゲ−ジべ−ス１
０´の線膨張係数（図示の例では、１６ｅ−６）、間隔
Ｇ＝１１ｍｍとすると、ＦＢＧ１１１´においては、λ
Ｂ＝２ｎ０Λが成り立つ。ここで、λＢ：ブラッグ波
長、ｎ０：ＦＢＧ１１１´のコアの実効平均屈折率、
Λ：屈折率の変化を与えた周期である。１／λＢ・δλ
Ｂ／δε＝７．８０ｅ−７（με^-1） ∴δλＢ＝１．
２１ｅ−３／１με １／λＢ・δλＢ／δＴ＝０．０００００６６７
（℃^-1） ∴δλＢ＝１．０３ｅ−２／１℃となり、１
℃あたりの相当ひずみは、１．０３ｅ−２／１．２１ｅ
−３＝８．５５（με／℃）となる。

【００３３】従って、温度による影響を消すには、

【００３４】

【数５】｛Ｌ（αａ−αｂ）＋Ｇ・αｂ｝ΔＴ／Ｇ＋
８．５５ｅ−６・ΔＴ＝０より、

【００３５】

【数６】｛Ｌ（αａ−αｂ）＋Ｇ・αｂ｝＝−８．５５
ｅ−６Ｇ＝０

【００３６】

【数７】Ｌ＝−（８．５５ｅ−６＋αｂ）Ｇ／（αａ−
αｂ）−−（５）より、（５）式が導かれる。

【００３７】

【数８】基本式｛Ｌ・αａ・ΔＴ−（Ｌ−Ｇ）・αｂ・
ΔＴ｝／Ｇ＋８．５５ｅ−６・ΔＴ＝０が成り立つか
ら、 Ｌ・αａ−Ｌ・αｂ＋Ｇ・αｂ＝−８．５５ｅ−６×Ｇ

【００３８】

【数９】 Ｌ＝−（８．５５ｅ−６＋αｂ）Ｇ／（αａ−αｂ）−−−−−−−−−（５） Ｌ＝５４．０１ｍｍとなる。

【００３９】すなわち、上記条件下において、間隔Ｇ＝
１１ｍｍに対しＬ＝５４．０１ｍｍとすれば、温度変化
による影響を可及的に小さくし得ることが判明した。Ｌ
／Ｇ＝５４．０１／１１となり、従って、Ｇ＝１１ｍｍ
とすれば、Ｌ＝５４．０１ｍｍ、一方、Ｇ＝３ｍｍとす
れば、Ｌ＝１４．７３ｍｍ、Ｇ＝５ｍｍとすれば、Ｌ＝
２４．５５ｍｍとなる。かかる寸法に形成することによ
り、温度影響が少ない光ファイバ式ひずみゲージを実現
できる。

【００４０】実際の設計にあたっては、上記で前提とし
たひずみの伝達は１００％でないため、各部材間での伝
達効率を実測またはＦＥＭ（有限要素法）等で求め、そ
れらのひずみ伝達効率を考え合わせることにより最適形
状を求めれば良い。

【００４１】ところで、約１０ｍｍのＦＢＧを用いた光
ファイバ式ひずみゲージの場合、圧縮力が加わると、Ｆ
ＢＧ部分が座屈してしまう虞れがある。このようにＦＢ
Ｇ部分が座屈してしまうと、正確な歪み検出が困難とな
るばかりか、以後、その光ファイバ式ひずみゲージは使
用できなくなる。そこで、かかる座屈を防止する手段と
して、本発明者は、以下のような実施例につき検討し
た。 ［実施例］本実施例では、プリテンション治具を用いて
所定のプリテンションを与えることにより圧縮（実際は
引張り状態）及び引張り状態で、座屈を有効に防止しつ
つ温度補償が可能となる。尚、この場合、ＦＢＧの力計
測に使用し得る範囲は狭まるが、温度補償は可能とな
る。

【００４２】尚、ここでの温度補償は、本実施形態の光
ファイバ式ひずみゲージをスポット溶接等により歪み測
定対象物に取り付けた場合、例えば、ゲージを取り付け
るセンサ（変位計等）の起歪部鋼材又は歪み計測を行う
橋梁等構造物の鋼材に取り付けた場合に、鋼材の外気温
等による温度変化に伴う見かけ歪みを無くするための補
償法であり、ゲージを取り付ける前のゲージ単体での温
度補償ではない。

【００４３】温度補償のための所定のプリテンションを
与えるプリテンション治具の使い方を含め、本実施の形
態の光ファイバ式ひずみゲージの使用方法について、図
２および図３を用いて説明する。

【００４４】まず、本実施の形態の光ファイバ式ひずみ
ゲージと共に使用するプリテンション治具の構成につい
て説明する。

【００４５】このプリテンション治具５０は、図２およ
び図３に示すように、治具本体５２と、テンション調整
棒５４とを有している。治具本体５２は、弾性材から成
り、長手方向断面がコ字状の押圧力調整部５６と、長手
方向両端側に形成された押圧部５８Ａ，５８Ｂとを含ん
でいる。押圧力調整部５６は、図３に示すように、くび
れ部２０，２０のくびれ部分に達する程度の幅に形成さ
れ、押圧部５８Ａ，５８Ｂは、ゲージベース１０の幅と
略等しい幅に形成されている。押圧部５８Ａ，５８Ｂの
長手方向両端側下面には、それぞれ仮固定部５８ａ，５
８ｂが設けられており、これら仮固定部５８ａ，５８ｂ
には、それぞれ仮固定用ピン５８ａ１及び５８ａ２，５
８ｂ１及び５８ｂ２が圧入されている。テンション調整
棒５４は、中央につまみ部５４Ａが圧入され、両端側は
ボールねじ状に切られている。治具本体５２の押圧力調
整部５６におけるテンション調整棒５４が挿通する対応
位置はボールナット状に形成されている。これにより、
このプリテンション治具５０は、テンション調整棒５４
のつまみ部５４Ａを、例えば、図示矢印Ｍ方向に回せ
ば、押圧力調整部５６の面５６Ａと５６Ｂが相互に離反
する方向（図示矢印Ｍ´方向）に移動し、反対に、図示
矢印Ｎ方向に回せば、押圧力調整部５６の面５６Ａと５
６Ｂが相互に接近する方向（図示矢印Ｎ´方向）に移動
するようになっている。従って、仮固定部５８ａ，５８
ｂの仮固定用ピン５８ａ１及び５８ａ２，５８ｂ１及び
５８ｂ２を前述したゲージベース１０の孔２２Ａ，２２
Ａと２２Ｂ，２２Ｂにそれぞれ挿入した状態で、テンシ
ョン調整棒５４のつまみ部５４Ａを図示矢印Ｍ方向に回
せば、押圧部５８Ａ，５８Ｂそれぞれの仮固定部５８
ａ，５８ｂ及び仮固定用のピン５８ａ１及び５８ａ２，
５８ｂ１及び５８ｂ２を介してゲージベース１０（光フ
ァイバ１１）に長手方向の引張力を与えることができ
る。反対に、同様の状態で、テンション調整棒５４のつ
まみ部５４Ａを図示矢印Ｎ方向に回せば、ゲージベース
１０（光ファイバ１１）に長手方向の圧縮力を与えるこ
とが可能である。

【００４６】本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージ
の温度補償を可能とする使用方法について詳説する。ま
ず、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージを測定対
象物１９（図２参照）に取り付け、溶着部１２Ａ，１２
Ａのそれぞれ厚肉部１８Ａとの段差に、例えば、スポッ
ト溶接機を沿わせて動かすことにより、溶着部１２Ａ，
１２Ａを測定対象物１９に溶着する（ステップ１）。次
に、仮固定部５８ａ，５８ｂの仮固定用ピン５８ａ１及
び５８ａ２，５８ｂ１及び５８ｂ２をゲージベース１０
の孔２２Ａ，２２Ａと２２Ｂ，２２Ｂにそれぞれ挿入す
ることにより、プリテンション治具５０を光ファイバ式
ひずみゲージに装着する（ステップ２）。この状態で、
所定のプリテンション（引張力）になるように、テンシ
ョン調整棒５４のつまみ部５４Ａを図示矢印Ｍ方向に回
して調整する。この場合、つまみ部５４Ａを図示矢印Ｎ
方向に戻す等して調整することが可能である（ステップ
３）。所定のプリテンション（引張力）への調整が完了
したら、今度は、溶着部１２Ｂ，１２Ｂのそれぞれ厚肉
部１８Ｂとの段差に、例えば、スポット溶接機を沿わせ
て動かすことにより、溶着部１２Ｂ，１２Ｂを測定対象
物１９に溶着する（ステップ４）。これにより、ゲージ
ベース１０（光ファイバ１１）に長手方向の引張力を印
加した状態で、光ファイバ式ひずみゲージを測定対象物
１９に取り付けることができる。尚、光ファイバ式ひず
みゲージを測定対象物１９に取り付けた後は、テンショ
ン調整棒５４のつまみ部５４Ａを図示矢印Ｎ方向に回し
て、押圧部５８Ａ，５８Ｂの押圧力を緩めた上で、プリ
テンション治具５０を光ファイバ式ひずみゲージから取
り外す（ステップ５）のは勿論である。このように、本
実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージを測定対象物１
９に固定したら、光ファイバ１１の一端を光源側（図示
せず）に接続し、他端を光検出手段（図示せず）に接続
して計測する。測定対象物１９に応力が作用してひずみ
が生じると、ゲージベース１０も同じように引っ張り又
は圧縮される。この結果、空隙部１３の間隔Ｇが、引っ
張りの場合には増加し、圧縮の場合には減少する。そし
て、空隙部１３の間隔Ｇが増減することにより空隙部１
３におけるＦＢＧ１１１に歪みが加えられる。これによ
り、ＦＢＧ１１１における回折格子の周期が変化するこ
とから、反射光の波長にシフトを生じる。従って、この
波長のシフト量を光検出手段にて検出することにより、
ひずみ量を計測し得る（ステップ６）。

【００４７】本実施の形態では、ゲージベース１０にお
ける薄肉部１７とくびれ部２０とによって厚肉部１８
Ａ，１８Ｂに比べてよりフレキシブルな部分が形成され
ている。このため、第１に、引っ張り剛性が低下して内
力が小さくなるので、測定対象物に取り付けられた場合
に、測定対象物との固着部におけるせん断応力が抑制さ
れる結果、ゲージ特性のばらつきが低減されるので、信
頼性の高いひずみ量の計測が可能になる。第２に、測定
対象物に取り付ける場合に、プリテンション治具５０の
押圧部５８Ａ，５８Ｂによる引張又は圧縮力が作用して
も、この引張又は圧縮力は、このフレキシブルな部分に
吸収されるので、取り付けの際に溶着部１２Ａ，１２Ｂ
に作用する剪断応力を低下させることが可能となる。

【００４８】一方、上述した如き構成のプリテンション
治具５０によれば、微小ではない、略１ｋｇｆ前後のプ
リテンション力を付加できるので、テンション調整棒５
４等によりプリテンション力を手動で調整することがで
きる。尚、ゲージベース１０の薄肉部１７にはくびれ部
２０を予め設けず、ゲージベース１０の長手方向両側の
溶着部１２Ａ，１２Ｂを両方とも測定対象物１９に溶接
等した後に、当該薄肉部を一部切断分離することによ
り、くびれ部を形成してもよい。或いは、ゲージベース
１０の長手方向両側の溶着部１２Ａ，１２Ｂを両方とも
測定対象物１９に溶接等した後に、図１及び図３に示す
ようなくびれ部２０を予め有する薄肉部１７を、更に、
一部切断分離するようにしても良い。これにより、溶着
部１２Ａ，１２Ｂに対する剪断応力を更に低下させ、薄
肉部１７やくびれ部２０等によるフレキシビリティをよ
り完全にすることも可能である。

【００４９】本発明者等は、座屈防止手段としての他の
様々な可能性につき検討してみた。例えば、図４（ａ）
に示すように、ＦＢＧ１１１部分を管状の座屈防止スリ
ーブ７０で覆うことも考えてみた。そして、ある程度の
座屈防止効果は得られたが、上記実施例のように、機械
的にプリテンションを与える方がより有効に座屈を防止
することができると認められた。また、機械的にプリテ
ンションを与える手段として、例えば、図４（ｂ）に示
すように、光ファイバ式ひずみゲージを作製後、ゲージ
ベース１０を測定対象物１９に接着・固定した上で、光
ファイバ１１の一端をプーリ４２を介して台４４に固定
し、一方、光ファイバ１１の他端をプーリ４６を介して
おもり４８に固定し、おもり４８に作用する重力を利用
して、光ファイバ１１（ＦＢＧ１１１）にプリテンショ
ンを与えることも考えてみた。プリテンションを与える
という目的では、上記実施例と同様の効果は得られた
が、実験室等では別論、現場での作業性という点では、
上記実施例の方がはるかに優れていることが容易に判明
した。

【００５０】以上、本発明について実施の形態をもとに
説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更するこ
とができる。例えば、上記実施形態では、プリテンショ
ン治具の取付部を（貫通）孔２２Ａ，２２Ｂとして形成
したが、プリテンション治具のピン部を挿入して取り付
けられるものであれば非貫通孔でも良く、更に、プリテ
ンション治具側に貫通又は非貫通孔を設け、ゲージベー
ス１０には、プリテンション治具の取付部をピン或いは
突起として形成しても良い。

【００５１】また、例えば、くびれ部２０や段差部１６
Ａ，１６Ｂに区画された薄肉部１７及び厚肉部１８Ａ，
１８Ｂは形成されていなくてもよい。但し、これらが形
成されていれば、測定対象物１９のひずみに伴ってゲー
ジベース１０が変形しやすくなるので、より精度の高い
ひずみ量の計測を行うことができる。

【００５２】また、本明細書において光ファイバ１１の
軸方向と直交する方向とは、光ファイバ１１の軸方向と
厳密な意味で直角に交わる方向のみを指すのではない。
すなわち、測定対象物１９で発生したひずみに伴う内力
がゲージベース１０に発生しない角度内であれば、光フ
ァイバ１１の軸方向と直角に近い角度で交わる方向も含
まれる。

【００５３】更に、本実施の形態においては、ゲージベ
ース１０には連続的な第１及び第２の溝１４，１５を形
成しているが、本発明において溝数は本実施の形態に限
定されるものではない。すなわち、空隙部１３を介して
他の連続的に形成された溝を更に設け、光ファイバ１１
を複数本配置するようにしてもよい。

【００５４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば以下の効果を奏することができる。すなわち、
本発明によれば、ＦＢＧを用いた光ファイバ式ひずみゲ
ージでありながら、温度補償用のＦＢＧを設けることな
く、１つのＦＢＧで温度補償をした歪み計測が可能であ
る。

【００５５】また、歪み拡大機能により、微小歪みを検
出可能である（換言すれば、見かけ上のゲージ率を増加
し得る）。更に、起歪部の応力を低く押さえられ、剛性
の高いセンサを実現できるだけでなく、起歪部構造の単
純化を図れるので、コスト低減にも結び付く。

【００５６】一方また、本発明によれば、温度補償用の
ＦＢＧが不要となるので、温度補償用のＦＢＧを別個に
製作する必要が無くなり、高価であるＦＢＧ費用を削減
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である光ファイバ式ひず
みゲージを示す平面図である。

【図２】図１の光ファイバ式ひずみゲージをプリテンシ
ョン治具とともに示す断面図である。

【図３】図１の光ファイバ式ひずみゲージをプリテンシ
ョン治具とともに示す平面図である。

【図４】 座屈防止手段の他の例を示す図であり、
（ａ）は、座屈防止スリーブを用いる例、（ｂ）は、お
もりを利用してプリテンションを与える例をそれぞれ示
す。

【符号の説明】

１０ ゲージベース １１ 光ファイバ １２Ａ，１２Ｂ 溶着部 １３ 空隙部 １４ 第１の溝 １５ 第２の溝 １６Ａ，１６Ｂ 段差部 １７ 薄肉部 １８Ａ，１８Ｂ 厚肉部 １９ 測定対象物 ２０ くびれ部 Ｇ 間隔 Ｌ 固着部間距離 １１１ ＦＢＧ ２２Ａ，２２Ｂ 孔 ５０ プリテンション治具 ５２ 治具本体 ５４ テンション調整棒 ５４Ａ つまみ部 ５６ 押圧力調整部 ５８Ａ，５８Ｂ 押圧部 ５８ａ，５８ｂ 仮固定部 ５８ａ１，５８ａ２ 仮固定用ピン ５８ｂ１，５８ｂ２ 仮固定用ピン

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空隙部が形成されたゲージベースと、前
   記ゲージベースの一方面において前記空隙部を介して連
   続的に形成された第１及び第２の溝と、前記第１及び第
   ２の溝に固定されて延びる光ファイバと、該光ファイバ
   の前記空隙部内に位置する部分に形成されたブラッグ回
   折格子から成るセンシング素子と、前記ゲージベースと
   測定対象物とを固定する固定手段により前記光ファイバ
   及び前記センシング素子の軸方向と直交する方向に沿っ
   て固着力を加えられる溶着部とを有することを特徴とす
   る光ファイバ式ひずみゲージ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光ファイバ式ひずみゲー
   ジにおいて、更に、前記光ファイバ及び前記センシング
   素子の軸方向と直交する方向に延びて前記空隙部の両側
   に形成された段差部により前記ゲージベースに区画形成
   され、前記空隙部の周囲に位置する薄肉部と、該薄肉部
   より厚さの厚い厚肉部とを有することを特徴とする光フ
   ァイバ式ひずみゲージ。
3. 【請求項３】 請求項２記載の光ファイバ式ひずみゲー
   ジにおいて、更に、前記ゲージベースの前記薄肉部に形
   成されたくびれ部を有することを特徴とする光ファイバ
   式ひずみゲージ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載の光ファイバ式ひず
   みゲージにおいて、前記ゲージベースは、第１の線膨張
   係数を有する材料から成り、該光ファイバ式ひずみゲー
   ジは、第２の線膨張係数を有する材料から成る前記測定
   対象物に固定され、前記第１の線膨張係数と前記第２の
   線膨張係数の差を利用して温度補償を行うものであるこ
   とを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４記載の光ファイバ式ひず
   みゲージは、前記センシング素子に予め引張力を付与し
   た状態で用いられることを特徴とする光ファイバ式ひず
   みゲージ。
6. 【請求項６】 請求項５記載の前記センシング素子に予
   め引張力を付与するためのプリテンション装置であっ
   て、前記光ファイバ式ひずみゲージに装着するための装
   着手段と、前記センシング素子に引張力を付与するため
   のテンション付与手段と、該テンション付与手段により
   付与される引張力を調整するための調整手段とを有する
   ことを特徴とするプリテンション装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載のプリテンション装置を用
   いて前記センシング素子に予め引張力を付与した状態で
   用いられる光ファイバ式ひずみゲージであって、前記ゲ
   ージベースの一方面に前記プリテンション装置を取り付
   けるための取付部を有していることを特徴とする光ファ
   イバ式ひずみゲージ。