JP2003214906A - 光ファイバ型センサおよび光ファイバ型センサシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造の容易なヘテロ・コア型光ファイバを使
用して、この光ファイバに無理な屈曲や伸張を与えるこ
となく、測定対象の各種変化を、幅広い測定範囲で、か
つ、長期的、広範囲に測定可能な光ファイバ型センサお
よび光ファイバ型センサシステムを提供する。 【解決手段】 光ファイバ型センサは、ヘテロ・コア部
を有するヘテロ・コア型光ファイバと、応力を、ヘテロ
・コア部を中心とした前記へテロ・コア型光ファイバの
屈曲に変換する機構手段とを有し、ヘテロ・コア部の屈
曲に応じて、ヘテロ・コア型光ファイバに光伝送の損失
を生じさせる。光ファイバ型センサシステムは、一つ以
上の前記へテロ・コア型光ファイバを所定の間隔で直列
に接続したヘテロ・コア型のセンサ用光ファイバライン
と、前記機構手段と、センサ用光ファイバラインに検出
用の光を入射する光入射手段と、前記検出用の光を受光
する受光手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバを用い
て測定対象に関わる所定の物理量または現象の変化を測
定する光ファイバ型センサ、ならびにこの光ファイバ型
センサを用いた光ファイバ型センサシステムに関する。
詳細には、本発明は、光ファイバの曲げによる光の伝達
損失を効果的に検出して、測定対象のひずみ、曲げ、縮
み、伸び等の変化を測定する光ファイバ型センサ、なら
びにこの光ファイバ型センサを用いた光ファイバ型セン
サシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】安全確保、災害予知等の観点から、高架
道路、トンネル、高架橋、鉄道、各種プラント、大型航
空機、船舶等の構造物や、その近傍の自然環境の損傷や
変化の効果的なモニタリングの要求が高まっている。こ
れらのモニタリングは、長期かつ広範囲にわたり、検出
された情報を一元的に統括できることが望まれている。
従来から、機械や建築物等の構造物のひずみ測定器とし
ては、電気抵抗式のひずみゲージが知られている。ま
た、光ファイバの持つ軽量、低電力、耐電磁誘導性、耐
腐食性等の特徴を活かそうとする光ファイバ式ひずみセ
ンサも考案されている（例えば特開平１１−２８７６２
６号公報を参照）。

【０００３】光ファイバ式ひずみセンサには、屈曲型と
伸張型という２つの代表的な方式が存在する。屈曲型の
光ファイバ式ひずみセンサでは、光ファイバ自体にあら
かじめ曲率半径数mm程度の小さな曲げ（マイクロベンデ
ィング）を部分的に与えておき、測定したいひずみ量を
この曲げに伝え、光の伝達損失からひずみ量を検出す
る。この方式は、光ファイバは伝達損失が発生する曲率
半径の範囲において、曲率半径が小さくなると伝達損失
が増大し、曲率半径が大きくなると伝達損失が減少する
という原理に基づいている。

【０００４】一方、伸張型の光ファイバ式ひずみセンサ
では、測定したいひずみ量を、光ファイバを長手方向に
伸張させるような力に変換し、光ファイバを伸ばそうと
するときに光ファイバ内部に生じる屈折率の周期的な変
化を利用する。光ファイバが長手方向にひずみ状態にな
っている領域を光が通過するとき、散乱される光の波長
が少しだけシフトする。この波長のシフトと光ファイバ
の長手方向のひずみとの間には相関があり、波長のシフ
トを測定すれば、ひずみ量を測定することができる。こ
の伸張型のひずみ測定方式は、「ブリルアン散乱法」と
も呼ばれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電気抵
抗式のひずみゲージでは、電力消費、金属腐食による接
点不良・寿命短縮、電磁界の影響下でのノイズ等の不利
益があり、上記のような長期的、広範囲な使用には適さ
ない。

【０００６】屈曲型の光ファイバ式ひずみセンサにおい
ては、通常のシングルモード光ファイバは曲率半径が数
十mm程度の緩やかな曲げ（マクロベンディング）にはほ
とんど伝達損失を示さないということが問題になる。こ
のため、損失によってひずみを計測するためには、破断
限界に近い屈曲を光ファイバに与える必要がある。この
ようなマイクロベンディングによるセンサは、ひずみ量
の変化に対して非常に敏感なので、実用上は使いにく
く、また適用範囲も限られる。さらに、破断限界近傍で
光ファイバを用いると、検出時の測定対象の変化により
ファイバが容易に破断し、センシング機能がその時点で
損なわれてしまうという危険性も生じる。

【０００７】通常のシングルモード光ファイバではな
く、コアを光ファイバの中心軸からずらしたり、屈折率
の異なる光ファイバを組み合わせたりした特殊な光ファ
イバを用いて、マクロベンディングに対しても伝達損失
を検出可能な屈曲型センサも考えられている。しかし、
このような特殊な光ファイバは製造が困難であり、コス
ト面でも大きな不利が存在する。

【０００８】伸張型の光ファイバ式ひずみセンサにおい
ても、光ファイバに伸びを与える際に、光ファイバがガ
ラスにより製造されていることに起因する破断限界が存
在し、上記と同じセンシング機能の消失の可能性があ
る。また、ブリルアン散乱法は、ごくわずかな周波数シ
フトを測定するため、その測定のための装置が複雑かつ
高価になる。

【０００９】さらには、測定対象によりその変化は数μ
mから数cmまで多岐にわたるため、これらの変化を効果
的に光ファイバのマクロベンディングに変換する機構が
必要となる。これまでは、マイクロベンディング状態に
おいて微少な曲率半径の変化しか光ファイバに与えてい
なかったので、上記のような機構は考えられていなかっ
た。

【００１０】本発明は上述した問題点を鑑みてなされた
ものであって、その目的は、製造が容易で、測定対象の
ひずみ、曲げ、縮み等の変化を測定可能なセンサ用光フ
ァイバを用いて、このセンサ用光ファイバに無理な屈曲
や伸張を与えることなく、測定対象の上記変化を幅広い
測定範囲で効果的に測定可能な光ファイバ型センサを提
供することにある。また、本発明の別の目的は、この光
ファイバ型センサを利用して、測定対象の各種変化を、
幅広い測定範囲で、かつ、長期的、広範囲に測定可能で
あり、検出情報を一元管理することができる光ファイバ
型センサシステムを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光ファイバ型センサは、コアおよびクラッ
ドを有する第１および第２の光ファイバと、前記第１お
よび第２の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記
第１および第２の光ファイバと融着接合されており、長
手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能で前
記第１および第２の光ファイバのコアの屈折率またはク
ラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有
するセンサ用光ファイバと、応力が印加されたとき、そ
の応力に応じて前記光透過部材を中心として前記センサ
用光ファイバを屈曲させ、前記応力が解除されたとき、
前記屈曲状態から復帰させる機構手段とを有し、前記光
透過部材の屈曲に応じて、前記センサ用光ファイバに光
伝送の損失を生じさせる。

【００１２】好適には、前記機構手段は、前記光透過部
材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第１
の保持部材と、前記第１の保持部材と所定の距離をおい
て配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光フ
ァイバの他端部を保持する第２の保持部材と、応力が印
加されないとき、弾性力により前記第１および第２の保
持部材を所定の位置関係に保持する弾性体とを有し、前
記第１および第２の保持部材は、応力が印加されたと
き、その応力に応じて保持している前記センサ用光ファ
イバの長手方向に沿ってそれぞれ相対的に移動し、前記
応力が解除されたとき、前記弾性体の弾性力により前記
所定の位置関係に復帰させられる。

【００１３】前記機構手段は、応力印加により、前記弾
性体の弾性力に抗して前記第１および第２の保持部材の
距離が縮まり前記センサ用光ファイバを屈曲させる構成
であってもよいし、前記弾性体の弾性力に抗して、前記
第１の保持部材と、前記第２の保持部材に装着される外
部連結部材とを引張り前記第１および第２の保持部材の
距離を縮めて前記センサ用光ファイバを屈曲させる構成
であってもよい。

【００１４】本発明の光ファイバ型センサシステムは、
コアおよびクラッドを有する第１および第２の光ファイ
バと、前記第１および第２の光ファイバの間に位置し、
その両端部が前記第１および第２の光ファイバと融着接
合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応
じて屈曲可能で前記第１および第２の光ファイバのコア
の屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ
光透過部材とを有するセンサ用光ファイバを複数直列に
接続したセンサ用光ファイバラインと、応力が印加され
たとき、その応力に応じて前記光透過部材を中心として
前記センサ用光ファイバを屈曲させ、前記応力が解除さ
れたとき、前記屈曲状態から復帰させる機構手段と、前
記センサ用光ファイバラインに検出用の光を入射する光
入射手段と、前記検出用の光を受光する受光手段と、を
有し、前記検出用の光により、前記光透過部材の屈曲に
応じた前記センサ用光ファイバの光伝送の損失を検出
し、前記センサ用光ファイバラインの周囲の情報を測定
する。

【００１５】また、前記センサ用光ファイバラインは複
数であってもよく、その場合には当該複数のセンサ用光
ファイバラインと前記光入射手段および受光手段との間
に、測定に利用する前記センサ用光ファイバラインを適
宜選択切換えする光スイッチが接続される。

【００１６】本発明では、２本の光ファイバの間に、こ
れらの光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折
率と同等の屈折率を持つ光透過部材が挟み込まれ、光透
過部材と光ファイバの長手方向に直交する断面が互いに
融着接合される。これによりセンサ用光ファイバが形成
され、融着接合された光透過部材がセンサとして機能す
る。測定対象の変化は、機構手段により、その変化に応
じたセンサ用光ファイバの曲げに変換される。センサ用
光ファイバを、光透過部材を中心としてある曲率半径の
範囲内で曲げると、曲率半径の変化に応じて光透過部材
を透過する光の伝達損失が変化する。この伝達損失の変
化を検出することで、測定対象の変化を測定することが
できる。

【００１７】本発明においては、光透過部材とその両側
の光ファイバは、その両端側を、２つの保持部材により
それぞれ保持される。これらの保持部材が光ファイバの
長手方向に相対的に動くことで、測定対象の変化が光透
過部材とその両側の光ファイバの曲げに変換される。保
持部材は、測定対象に応力が印加されないときには、弾
性体の弾性力により所定の位置に復帰される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら述べてゆく。

【００１９】曲げロッドセンサ 図１（a）は、本発明の一実施形態に係る曲げロッドセ
ンサの構成を示す図である。図１（a）に示す曲げロッ
ドセンサ１００は、光ファイバ型センサ１０と、支持ロ
ッド１１０と、ボールジョイント１２０と、ロッド１３
０と、ブーツ１４０を有する。図１（b）は、支持ロッ
ド１１０の端部の拡大図である。

【００２０】光ファイバ型センサ１０は、図１（a）に
示すように、一端部に支持ロッド１１０を挿通させて、
この支持ロッド１１０ごと中空のロッド１３０の内部に
挿入されている。支持ロッド１１０の両端部には、図１
（b）に示すように、ボールジョイント１２０が螺合し
ている。それぞれのボールジョイント１２０は、例えば
２分割されたブーツ１４０に挟み込まれることで保持さ
れる。ブーツ１４０は、ロッド１３０の両端部において
ロッド１３０の内壁面に嵌合しており、例えば、外部か
らロッド１３０を貫通して螺合するボルト１５０によっ
て、ロッド１３０に固定される。以上の構成により、支
持ロッド１１０は、中空のロッド１３０の内部において
ロッド１３０と同心で支持される。また、光ファイバ型
センサ１０は、例えばロッド１３０の長手方向の中央部
に、支持ロッド１１０が貫通している端部の反対側の端
部がロッド１３０の内壁に面接触するように配置され
る。

【００２１】図２（a）は図１（a）における光ファイバ
型センサ１０近傍の拡大図であり、図２（b）はその断
面I−Iから見た側面図である。光ファイバ型センサ１０
は、センサヘッド１と、ヘテロ・コア型光ファイバ２を
有する。光ファイバ型センサ１０は、後述する光入射手
段および受光手段に接続されている。センサヘッド１
は、第１の保持部材１１と、第２の保持部材１２と、圧
縮コイルばね１３を有する。ヘテロ・コア型光ファイバ
２が本発明におけるセンサ用光ファイバの一実施態様で
ある。また、センサヘッド１が本発明における機構手段
の一実施態様であり、圧縮コイルばね１３が本発明にお
ける弾性体の一実施態様である。

【００２２】第１保持部材１１には、支持ロッド１１０
の外径に嵌合する大きさの直径を有する貫通孔１１aが
備えられている。この貫通孔１１aに、支持ロッド１１
０が挿入される。また、第１保持部材１１には、貫通孔
１１aに嵌合した支持ロッド１１０の長手方向と直交す
る方向に突出したピン１１bが備えられており、第１保
持部材１１と一体化している。このピン１１bは、圧縮
コイルばね１３に差し込まれてから、第２保持部材１２
に設けられている挿入孔１２aに挿入される。このと
き、挿入孔１２aにはピン１１bのみが挿入され、圧縮コ
イルばね１３は第１保持部材１１と第２保持部材１２の
間に挟み込まれる。

【００２３】これにより、第１保持部材１１と第２保持
部材１２は、図２（a）に示されるように、支持ロッド
１１０と第１、第２保持部材１１，１２とがなす姿勢が
T字型になるように配置される。第１保持部材１１と第
２保持部材１２は、ピン１１ｂの軸方向に沿って、その
軸上で互いに移動可能である。第１保持部材１１と第２
保持部材１２の大きさは、移動の際に十分なストローク
が得られるように規定される。なお、第２保持部材１２
のロッド１３０の内周面に接する側の端部は、前述のよ
うに、ロッド１３０の内周面と面接触するように、ロッ
ド１３０の内径の曲率半径と同じ曲率半径となるように
形成されている。

【００２４】このセンサヘッド１には、図３に示すヘテ
ロ・コア型光ファイバ２が取り付けられる。図３は、ヘ
テロ・コア型光ファイバ２の要部の長手方向の断面図で
ある。ヘテロ・コア型光ファイバ２は、光ファイバによ
り構成される光の伝送体の中途部に、同じく光伝送体で
構成される数mmから数cmの微小なヘテロ・コア部３を挟
装したものである。ヘテロ・コア部３は、本発明におけ
る光透過部材の一実施態様である。本実施形態において
は、ヘテロ・コア部３の長さcは５mmとした。以下で
は、ヘテロ・コア部３に融着接合される一方の光伝送体
を第１の光ファイバ部２０a、もう一方の光伝送体を第
２の光ファイバ部２０bと呼ぶこととする。本実施形態
において用いられるヘテロ・コア型光ファイバ２におい
ては、第１の光ファイバ部２０aと第２の光ファイバ部
２０bは、どちらも同じ光ファイバ２０である。

【００２５】第１および第２の光ファイバ部２０a，２
０b（光ファイバ２０）、ならびにヘテロ・コア部３に
は、例えば、シングル・モード光ファイバを用いる。光
ファイバ２０は、コア２１およびクラッド２２を有す
る。ヘテロ・コア部３は、コア３１およびクラッド３２
を有する。本実施形態においては、ヘテロ・コア部３の
コア３１の径bは、光ファイバ２０のコア２１の径aより
も十分に小さく、a＝９μm、b＝5μmとする。光ファイ
バ２０とヘテロ・コア部３は、長手方向に直交する界面
４でコア同士が接触するように同軸に接続されている。
この接続には、好適には、汎用化されている放電による
融着手法が採用される。従って、安価、容易な製造が可
能である。

【００２６】この接続されたヘテロ・コア部３およびそ
の近傍の光ファイバ２０により、センサ部が構成され
る。ヘテロ・コア型光ファイバ２には、通常、図３に示
すコア・クラッド構造の上から、ファイバ保護のため例
えばプラスチックによる図示しない薄いコーティングが
施される。センサ部は、センサ部の保護および曲げ方向
を一定とするため、その上からさらにテープ５により挟
み込まれる。テープ５は、例えば適度な弾性力を有する
薄いプラスチックテープである。

【００２７】このセンサ部の一端側を、座金６でテープ
５を第１保持部材１１に押さえ付けて、その上から六角
穴付きボルト７で締結することにより、第１保持部材１
１に固定する。センサ部の他端側は、同様に座金６と六
角穴付きボルト７により第２保持部材１２に固定され
る。座金６により固定されている第１保持部材１１と第
２保持部材１２の間の部分が、本実施形態において曲げ
センサとして機能するセンサ部SPとなる。なお、ヘテロ
・コア型光ファイバ２は、ヘテロ・コア部３がセンサ部
SPの中央に位置するように配置される。

【００２８】テープ５により保護されている部分以外の
ヘテロ・コア型光ファイバ２は、コーティングの上から
図示しない２次被覆を施されている。本実施形態におい
ては、ヘテロ・コア型光ファイバ２の第２保持部材１２
側の端部は、ファイバを切断したままの状態になってい
る。一方、第１保持部材１１側からは、ヘテロ・コア型
光ファイバ２がそのまま延びて、例えばブーツ１４０に
設けられた引き出し穴からロッド１３０の外部に出て、
後述するOTDR（Optical Time-Domain Reflectometer）
に接続される。なお、後述するように、ヘテロ・コア型
光ファイバ２の第２保持部材１２側の端部を、光ファイ
バ２０を接続することにより延長し、別の光ファイバ型
センサ１０のヘテロ・コア型光ファイバ２に接続するこ
とも可能である。

【００２９】次に、各構成要素の作用について説明す
る。図１（a）において、例えば曲げロッドセンサ１０
０の両端部を固定しておき、矢印の方向に力Fが作用し
たとする。力Fは曲げロッドセンサ１００を矢印方向に
曲げようとする力として作用し、曲げロッドセンサ１０
０の曲げは、ロッド１３０の中央部のたわみとしてあら
われる。前述のように、センサヘッド１の第２保持部１
２はロッド１３０の内周面に接触しており、第１保持部
１１は支持ロッド１１０により支持されている。支持ロ
ッド１１０の中心軸は、ロッド１３０の中心軸と一致し
ており、かつ、ボールジョイント１２０によって支持さ
れている。従って、ロッド１３０のたわみが支持ロッド
１１０に影響を与えることはない。支持ロッド１１０が
十分な剛性を有していれば、ロッド１３０がたわんだ時
の光ファイバ型センサ１０の動きを表す図４に示される
ように、第１保持部材１１は動かず、第２保持部材１２
のみが、ピン１１ｂに沿って、第１保持部材１１の方向
へ動くことになる。第２保持部材１２のストロークST
は、ロッド１３０のたわみ量と同じである。

【００３０】第２保持部材１２が動くと、センサ部SP
も、図４に示すように円弧状に曲がる。図４に示すよう
に、光ファイバ型センサ１０は、OTDR６０に接続されて
いる。この状態でセンサ部SPに光パルスが入力される
と、ヘテロ・コア部３の入口、出口である界面４におい
て、光パルスの一部がコア２１からクラッド３２へリー
クして、伝達損失が発生することになる。本実施形態に
おいては、光ファイバ２０のコア径aとヘテロ・コア部
３のコア径bが異なる、ヘテロ・コア型光ファイバ２を
用いている。従って、曲率半径の比較的大きいマクロベ
ンディングにおいても、コア２１からクラッド３２への
リークを効果的に発生させることができる。この、セン
サ部SPの曲げによる光の伝達損失（曲げ損失）を、例え
ばOTDRにより検出することで、曲げロッドセンサ１００
の曲がり具合を検出することができる。

【００３１】OTDRは、光ファイバにレーザー光等の光パ
ルスを入射させ、光伝送の途中から入射側（後方）に反
射して戻ってくる後方散乱光を時間分解して測定するも
ので、光伝送路の任意の位置の反射情報を実時間で測定
することができる装置である。このOTDRが、本発明にお
ける光入射手段と受光手段を兼ねている。曲げによって
センサ部SPにおけるリークが増加すると、界面４からの
後方散乱光の強さも変化するので、この後方散乱光をOT
DRで測定することで、実質的に曲げ損失を測定すること
ができる。

【００３２】図５は、センサ部SPの曲率半径と曲げ損失
との関係を示す図である。図５（a）に示すように、ヘ
テロ・コア部３を有するセンサ部SPの曲率半径をR０と
する。第１、第２光ファイバ部２０a，２０bのコア径a
が９μmで、ヘテロ・コア部３のコア径bが５μmの９−
５−９型のヘテロ・コア型光ファイバ２において、ファ
イバ長を１６０m、伝送光の波長を１．３μmとして、曲
げ損失をOTDR（ADVANTEST製、Q８４６０A／Q８４６０
１）によって測定した結果の一例を図５（b）に示す。
図５（b）において、曲率半径が１５〜２０mmの範囲で
曲げ損失は約１．５〜３dBの範囲でほぼ単調に変化して
いることがわかる。ヘテロ・コア型光ファイバでない従
来の光ファイバにおいては、曲率半径１５〜２０mmでは
測定に利用できる程の損失変化は生じないが、本実施形
態におけるヘテロ・コア型光ファイバ２では、観測しや
すい損失変化を生じているといえる。

【００３３】以下、これまで述べてきた光ファイバ型セ
ンサ１０および曲げロッドセンサ１００を用いた光ファ
イバ型センサシステムと、この光ファイバ型センサシス
テムを利用して測定対象の変化を測定する場合の動作の
一例について述べる。例えばロッド１３０の長さを１m
として、材料や肉厚等の設計パラメータを適切に設定す
ると、約３４００Nの力が中央部に加わったとき、ロッ
ド１３０が５mmたわむ曲げロッドセンサ１００を作成す
ることができる。ロッド１３０および支持ロッド１１０
の材料としては、例えばスチールが用いられる。この曲
げロッドセンサ１００は、例えば土砂崩れの予知のよう
な、比較的大きな力が加わった際に生じる微小な変位を
測定する必要がある場合などに利用することができる。

【００３４】図６は、本実施形態に係る光ファイバ型セ
ンサシステムを利用して、土地のひずみを測定する場合
の構造概念図である。図６において示されている光ファ
イバ型センサシステムは、OTDR６０と、光ファイバ２０
と、ヘテロ・コア型センサライン５０を有する。

【００３５】ヘテロ・コア型センサライン５０は、一つ
以上の曲げロッドセンサ１００を所定間隔で並べ、曲げ
ロッドセンサ１００内の光ファイバ型センサ１０同士
を、光ファイバ２０により接続することで構成される。
図６においては、４本の曲げロッドセンサ１００が、長
手方向を鉛直にして観測エリアARの土中に埋められてい
る。光ファイバ２０は、光ファイバ型センサ１０のヘテ
ロ・コア型光ファイバ２の、第１の光ファイバ部２０a
および／または第２の光ファイバ部２０bに、例えば放
電による融着手法を用いて融着される。光ファイバ２０
の接続は、通常の光コネクタ等の接続手段によって行っ
てもよい。以上の構成により、光伝送路としての光ファ
イバ２０の中途部に、所定間隔でヘテロ・コア部３が存
在するヘテロ・コア型の光ファイバラインが形成され
る。この光ファイバの一端は長く延ばされて、観測場所
に設置されているOTDR６０に接続される。

【００３６】雨などにより地盤がゆるむと、地中では土
砂などの流動が生じることがある。土砂が流動すると、
地表に固定されている曲げロッドセンサ１００を曲げよ
うとする応力が発生する。例えば３４００N程度の力Fが
中央部にかかり、曲げロッドセンサ１００が曲がったと
すると、前述のようにロッド１３０は約５mmたわむ。セ
ンサヘッド１の圧縮コイルばね１３は、このたわみを減
らさず、また、応力が解除されたときに、センサ部SPが
曲げのない状態となるように第２保持部材１２を復帰さ
せる強さのものが選ばれる。応力が解除された時（無負
荷状態）のセンサ部SPの長さdを２０mmとしておくと、
ロッド１３０のたわみにより第２保持部１２が５mm、第
１保持部材１１方向へ移動した場合には、センサ部SPの
曲率半径R０は約８mmとなる。これは、曲率半径８mmに
至るまでの、曲げ損失を観測しやすい曲率半径１５〜２
０mmの範囲の曲げが、ロッド１３０の約５mmのたわみの
範囲内で生じているということであり、小さな変位を敏
感に計測可能であるということを意味している。また、
曲率半径８mmならばファイバの破断・破損も生じず、セ
ンシング機能に影響を与えることもない。

【００３７】上記本発明の一実施形態においては、セン
サ部に光ファイバを用いているため、電力供給ラインな
どでセンサ部に電力を直接供給する必要がない。従って
経済的で、絶縁の必要もなく広範囲にセンサを配置する
ことができる。また、電磁波によるノイズ等の不利益も
ない。さらには、金属ではないため、腐食・接点不良等
の不利益がなく、長寿命である。従って、長期にわたる
モニタリングに適している。

【００３８】また、本一実施形態にかかるヘテロ・コア
型光ファイバ２は、好適には、通常普及している光ファ
イバを用いて、汎用化されている放電融着手法により製
造されるので、安価で容易に供給することができる。ま
た、本実施形態において用いた９−５−９型のヘテロ・
コア型光ファイバ２は、ヘテロ・コア部３を挿入したこ
とによる挿入損失が比較的小さいため、前述のように、
一本の光伝送路中に複数個直列に設置することができ
る。これにより、低コストで効率的なセンシングが可能
になる。直列に設置できるヘテロ・コア部３の数はOTDR
のダイナミックレンジによって異なる。ダイナミックレ
ンジを１５dB程度と考えると、ヘテロ・コア部３の一つ
当たりの挿入損失を０．３〜０．４dB、曲げ損失を１dB
とすれば、１０個程度の直列接続を見込むことができ
る。このヘテロ・コア型光ファイバによる曲げ損失の計
測は、ブリルアン散乱方式に比べれば、波長のずれの変
化を計測せずに、光の増減のみを計測しているので計測
システムは簡便で廉価にできるという利点もある。

【００３９】これまで述べてきたように、本実施形態に
おいては、マクロベンディングにおいて曲げ損失を検出
可能なので、ファイバの破断・破損がない。また、セン
サヘッド１のような簡単な構成で、測定対象の変位をセ
ンサ部SPの円弧状の曲げに変換することができる。さら
に、マクロベンディングであれば、マイクロベンディン
グとは異なり、図５（b）に示すように、例えば１０〜
２５mmの範囲の比較的大きな曲率半径の変化をファイバ
に与えることができる。これにより、数μm〜数cmの広
い範囲で測定対象の変位を測定することが可能になり、
また、様々な測定対象に光ファイバ型センサを適用する
ことが可能になる。

【００４０】また、本発明においては、前述のヘテロ・
コア型センサライン５０を複数用いることも可能であ
る。図７は、複数のヘテロ・コア型センサライン５０を
用いて土地のひずみを測定する場合の構造概念図であ
る。図７においては、観測エリアAR内の別々の場所に、
２つのヘテロ・コア型センサライン５０が設置されてい
る。各ヘテロ・コア型センサラインのヘテロ・コア型光
ファイバラインは、光スイッチ７０を介してOTDR６０に
接続される。光スイッチ７０は、検出に利用するヘテロ
・コア型ファイバラインならびにセンサラインを、必要
に応じて適宜切換える。

【００４１】各ヘテロ・コア型センサライン５０から
は、それぞれ異なる検出情報が同時に伝送され、そのう
ち、光スイッチ７０によって選択されたヘテロ・コア型
センサライン５０からの検出情報がOTDR６０で測定され
る。光スイッチ７０によるヘテロ・コア型センサライン
５０の選択切換えは、所定時間間隔で自動的に行っても
よいし、手動で任意に行ってもよい。なお、光スイッチ
７０の接続ポート数により、接続可能なヘテロ・コア型
センサライン５０の数は規定される。

【００４２】ヘテロ・コア型センサライン５０から伝送
された検出情報を、OTDR６０に接続される図示しないコ
ントローラによって解析し、グラフ、動画等の高度な表
現によりモニタに表示することも可能である。その際
に、複数のヘテロ・コア型センサライン５０からの検出
情報を総合して解析することも可能である。

【００４３】図７に示す形態によれば、さらに広範囲で
多種類の同時的に得られる検出情報を、一元的に測定す
ることができる。また、そのときに必要となるOTDRの数
も少なくてすむ。なお、本発明の一実施形態に係る曲げ
ロッドセンサ１００は、土地のひずみの測定だけでな
く、様々な分野で使用することができる。例えば、曲げ
ロッドセンサ１００を梁等の構成要素として用いれば、
建物等の構造物を構築することができるだけでなく、そ
の構成要素が用いられている部分の曲げやたわみを容易
に恒常的に観測することができる。

【００４４】縮みロッドセンサ 本発明は、曲げロッドセンサ１００とは異なる実施形態
をとることも可能である。図８は、異なる実施形態とし
ての縮みロッドセンサ２００の構成を示す図であり、図
８（ａ）はその側面図、図８（ｂ）はその矢印G方向か
ら見た背面図である。縮みロッドセンサ２００は、光フ
ァイバ型センサ４０と、リンク８０と、ロッド１３０
と、第１キャップ８５と、第２キャップ８６と、第３キ
ャップ８７を有する。

【００４５】光ファイバ型センサ４０は、曲げロッドセ
ンサ１００に用いられた光ファイバ型センサ１０の第
１、第２保持部材１１，１２の代わりに、第１保持部材
１１からピン１１bを取り除いたリンク用保持部材１４
を２個用いたものである。従って、光ファイバ型センサ
４０においては、圧縮コイルばね１３も用いられていな
い。リンク用保持部材１４には、第１保持部材１１とそ
の貫通孔１１ａと同じ位置関係で、貫通孔１４ａが設け
られている。それ以外の光ファイバ型センサ４０の構成
は光ファイバ型センサ１０と同じであるので、詳細な説
明は省略する。

【００４６】リンク８０は、４つの長いアーム８１と、
４つの短いアーム８２を有する。図８（b）に示すよう
に、アーム８１同士で１つの大きな平行四辺形型のリン
ク８３が形成され、アーム８２同士で１つの小さな平行
四辺形型のリンク８４が形成されている。小リンク８４
の長い対角線をなす頂点部が、大リンク８３の短い対角
線をなす頂点部に、それぞれピン８５により回転自在に
軸支されることで、小リンク８４が大リンク８３に連結
される。大リンク８３の残りの頂点部は、ピン９１によ
ってそれぞれリンクベース９０に回転自在に連結され
る。

【００４７】一方のリンクベース９０はボルトによって
第１キャップ８５に固定され、他方のリンクベース９０
は第２キャップ８６に固定される。第１キャップ８５に
は、例えば光ファイバ２０の連通のために用いられる連
通孔８５aが設けられている。

【００４８】光ファイバ型センサ４０は、その２つのリ
ンク用保持部材１４が、貫通孔１４ａにピン８５を連通
させて、小リンク８４の短い対角線をなす頂点部にそれ
ぞれ軸支されることで小リンク８４に連結される。光フ
ァイバ型センサ４０を連結されたリンク８０は、ロッド
１３０の内部に挿入される。ロッド１３０の一端の内周
面は第１キャップ８５により閉塞され、他端の内周面
は、第２キャップ８６の上からさらに第３キャップ８７
を嵌合することで閉塞される。

【００４９】縮みロッドセンサ２００の両端部から図８
（b）中の矢印H方向に力が加わると、ロッド１３０が矢
印H方向に縮み、大リンク８３が矢印J方向にひらく。こ
の大リンク８３の動きに連動して、小リンク８４は矢印
K方向に縮む。これにより、小リンク８４に連結してい
る光ファイバ型センサ４０も、リンク用保持部材１４間
の相対距離が縮まるように動く。光ファイバ型センサ４
０が矢印K方向に縮むと、光ファイバ型センサ４０のリ
ンク用保持部材１４に保持されているセンサ部SPが円弧
状に曲がる。このセンサ部SPの曲げも、リンク用保持部
材１４の間隔を適切に規定すると、光ファイバ型センサ
１０の場合と同じくマクロな曲げとすることができる。

【００５０】以上のように、縮みロッドセンサ２００に
よると、ロッド１３０の矢印H方向へのわずかな縮み
を、センサ部SPのマクロベンディングに変換して、敏感
に検出することができる。縮みロッドセンサ２００の場
合にも、曲げロッドセンサ１００の場合と同じく、複数
の縮みロッドセンサ２００を用いて光ファイバ型センサ
システムを構成することができる。

【００５１】引張りセンサ 図９は、本発明のさらに異なる実施形態に係る光ファイ
バ型センサ１２０の構成図であり、図９（a）はその上
面図、図９（b）は図９（a）における断面II−IIから見
た断面図である。光ファイバ型センサ１２０は、引張り
センサとして用いられる。

【００５２】光ファイバ型センサ１２０は、センサヘッ
ド１５と、ヘテロ・コア型光ファイバ２を有する。セン
サヘッド１５は、箱型の第１保持部材１２１と、第２保
持部材１２２と、スライド軸１２３と、連結部材１２
４、圧縮コイルばね１３を有する。第２保持部材１２２
は、箱型の第１保持部材１２１の内部に形成されている
空間MS内に、第１保持部材１２１と同軸で互いに移動可
能なように配置される。

【００５３】第１保持部材１２１と第２保持部材１２２
の間には、圧縮コイルばね１３が配置される。また、第
１保持部材１２１と第２保持部材１２２の間には、これ
まで述べてきた光ファイバ型センサ１０，４０と同じ
く、ヘテロ・コア型光ファイバ２が設置される。第２保
持部材１２２は、連結部材１２４、第１保持部材１２
１、圧縮コイルばね１３を貫通して第２保持部材１２２
に螺合するスライド軸１２３によって、連結部材１２４
に接続される。このスライド軸１２３および連結部材１
２４が、本発明における外部連結部材の一実施態様であ
る。

【００５４】以上の構成により、第１保持部材１２１
の、連結部材１２４側とは反対側の端部に形成されてい
る連結穴１２１aと、連結部材１２４に形成されている
連結穴１２４aに、例えば棒などを差し込んで、図９に
示す矢印L方向に引張ると、第２保持部材１２２が矢印M
方向に動くことになる。この第２保持部材１２２の動き
により、これまでと同じく、ヘテロ・コア型光ファイバ
２のセンサ部SPが、円弧状に曲げられる。引張り力が解
除されると、圧縮コイルばね１３の付勢力により、第２
保持部材１２２はセンサ部SPの曲げが存在しない初期位
置に戻る。なお、ねじ１５０は第２保持部材１２２の初
期位置を変化させるためのものである。ねじ１５０の出
現部分を長くすると、第２保持部材１２２の初期位置が
矢印M方向へずれ、センサ部SPも引張り力が存在しない
時にある程度曲がった状態となる。これにより、センサ
部SPの感度を変えることができる。また、図９（a）に
示されているゴム管１２５は、ヘテロ・コア型光ファイ
バ２の光ファイバ２０をセンサヘッド１５の外部へ導く
ためのものである。

【００５５】光ファイバ型センサ１２０によれば、引張
り力をセンサ部SPのマクロベンディングに変換して、例
えば部材の伸びなどを測定することができる。光ファイ
バ型センサ１２０を用いても、これまでと同じく光ファ
イバ型センサシステムを構成することができる。

【００５６】なお、本発明は、上述した実施形態に限定
されない。例えば、上記実施形態においては、第１、第
２の光ファイバ部２０a，２０bおよびヘテロ・コア部３
にシングル・モード光ファイバを用いたが、マルチ・モ
ード光ファイバを用いてもよい。また、これら２種の光
ファイバを組み合わせてヘテロ・コア型光ファイバを作
成してもよい。これにより、センサヘッドの設計を変更
することなく、センサ部の感度を変えることができる。

【００５７】また、ヘテロ・コア部３のコア径bは、図
１０（a）に示すように、光ファイバ２０のコア径aより
大きくてもよい。また、コア・クラッドの内外積層構造
にこだわらず、図１０（b）に示すように、例えば光フ
ァイバ２０のクラッド２２と同等の屈折率を持つ光伝送
部材３０を、ヘテロ・コア部３の代わりの光透過部材と
して用いることも可能である。要は、マクロベンディン
グ状態において界面４で効果的な光のリークが生じる構
造であればよい。

【００５８】さらに、圧縮コイルばねに限らず、付勢ば
ね等の他の弾性体を用いてもよい。光ファイバ型センサ
システムを構成する場合にも、曲げロッドセンサ１０
０、縮みロッドセンサ２００、光ファイバ型センサ１２
０を組み合わせて用いることができる。これにより、一
本のセンサ用光ファイバラインで、多種の情報を検出す
ることが可能になる。光の伝達損失の計測には、OTDRだ
けでなく、１つのセンサ部の光の入出力関係を損失とし
て計測する手法を用いることも可能である。さらにま
た、前述の実施形態においてはセンサ部SPに曲げが生じ
ていない状態を初期状態としているが、第１、第２保持
部材間の距離を変化させることにより、センサ部SPがあ
る程度曲がった状態を初期状態とすることもできる。こ
れにより、例えば部材の伸び・縮みの両方を一つの光フ
ァイバ型センサで測定することが可能になる。

【００５９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、製造が
容易で、測定対象のひずみ、曲げ、縮み等の変化を測定
可能なセンサ用光ファイバを使用して、この光ファイバ
に無理な屈曲や伸張を与えることなく、測定対象の上記
変化を、幅広い測定範囲において測定可能で、検出情報
を一元管理することのできる光ファイバ型センサおよび
光ファイバ型センサシステムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（a）は本発明の一実施形態に係る曲げロ
ッドセンサの構成図であり、図１（b）はその支持ロッ
ドの端部の拡大図である。

【図２】図２（a）は図１（a）の要部の拡大図であり、
図２（b）は図２（a）の断面I−Iから見た側面図であ
る。

【図３】本発明の一実施形態に係るヘテロ・コア型光フ
ァイバの要部の長手方向の断面図である。

【図４】図２に示す光ファイバ型センサの動きを説明す
るための図である。

【図５】図５（a）はセンサ部の曲率半径を規定するた
めの図であり、図５（b）はその曲率半径と曲げ損失の
関係を示したグラフである。

【図６】本発明の一実施形態に係る光ファイバ型センサ
システムの構造概念図である。

【図７】図６の光ファイバ型センサシステムの別の実施
態様を示す構造概念図である。

【図８】図８（a）は、本発明の異なる実施形態に係る
縮みロッドセンサの構成を示す側面図であり、図８
（b）はその矢印G方向から見た背面図である。

【図９】図９（a）は、本発明のさらに異なる実施形態
に係る光ファイバ型センサの構成を示す上面図であり、
図９（b）は図９（a）の断面II−IIから見た断面図であ
る。

【図１０】図１０（a），（b）は、本発明に係るセンサ
用光ファイバの異なる実施形態の要部の長手方向の断面
図である。

【符号の説明】

１，１５…センサヘッド、２…ヘテロ・コア型光ファイ
バ、３…ヘテロ・コア部、１０，４０，１２０…光ファ
イバ型センサ、１１，１２１…第１保持部材、１２，１
２２…第２保持部材、１３…圧縮コイルばね、１４…リ
ンク用保持部材、２０…光ファイバ、５０…ヘテロ・コ
ア型センサライン、８０…リンク、９０…リンクベー
ス、１００…曲げロッドセンサ、１１０…支持ロッド、
１２３…スライド軸、１２４…連結部材、１３０…ロッ
ド、２００…縮みロッドセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 一弘 東京都八王子市丹木町１−236 創価大学 工学部内 Ｆターム(参考） 2F065 AA65 BB05 CC14 CC40 DD02 DD03 FF46 FF49 FF58 GG04 JJ00 LL02 LL67 UU04 2F103 BA04 BA17 BA37 CA07 EB02 EC09 EC10 GA15

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コアおよびクラッドを有する第１および第
   ２の光ファイバと、 前記第１および第２の光ファイバの間に位置し、その両
   端部が前記第１および第２の光ファイバと融着接合され
   ており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈
   曲可能で前記第１および第２の光ファイバのコアの屈折
   率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過
   部材とを有するセンサ用光ファイバと、 応力が印加されたとき、その応力に応じて前記光透過部
   材を中心として前記センサ用光ファイバを屈曲させ、前
   記応力が解除されたとき、前記屈曲状態から復帰させる
   機構手段とを有し、 前記光透過部材の屈曲に応じて、前記センサ用光ファイ
   バに光伝送の損失が生じる光ファイバ型センサ。
2. 【請求項２】前記機構手段は、 前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を
   保持する第１の保持部材と、 前記第１の保持部材と所定の距離をおいて配置され、前
   記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部
   を保持する第２の保持部材と、 応力が印加されないとき、弾性力により前記第１および
   第２の保持部材を所定の位置関係に保持する弾性体とを
   有し、 前記第１および第２の保持部材は、応力が印加されたと
   き、その応力に応じて保持している前記センサ用光ファ
   イバの長手方向に沿ってそれぞれ相対的に移動し、前記
   応力が解除されたとき、前記弾性体の弾性力により前記
   所定の位置関係に復帰させられる請求項１に記載の光フ
   ァイバ型センサ。
3. 【請求項３】応力印加により、前記弾性体の弾性力に抗
   して前記第１および第２の保持部材の距離が縮まり前記
   センサ用光ファイバを屈曲させる請求項２に記載の光フ
   ァイバ型センサ。
4. 【請求項４】前記弾性体の弾性力に抗して、前記第１の
   保持部材と、前記第２の保持部材に装着される外部連結
   部材とを引張り前記第１および第２の保持部材の距離を
   縮めて前記センサ用光ファイバを屈曲させる請求項２に
   記載の光ファイバ型センサ。
5. 【請求項５】コアおよびクラッドを有する第１および第
   ２の光ファイバと、 前記第１および第２の光ファイバの間に位置し、その両
   端部が前記第１および第２の光ファイバと融着接合され
   ており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈
   曲可能で前記第１および第２の光ファイバのコアの屈折
   率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過
   部材とを有するセンサ用光ファイバを複数直列に接続し
   たセンサ用光ファイバラインと、 応力が印加されたとき、その応力に応じて前記光透過部
   材を中心として前記センサ用光ファイバを屈曲させ、前
   記応力が解除されたとき、前記屈曲状態から復帰させる
   機構手段と、 前記センサ用光ファイバラインに検出用の光を入射する
   光入射手段と、 前記検出用の光を受光する受光手段と、 を有し、 前記検出用の光により、前記光透過部材の屈曲に応じた
   前記センサ用光ファイバの光伝送の損失を検出し、前記
   センサ用光ファイバラインの周囲の情報を測定する光フ
   ァイバ型センサシステム。
6. 【請求項６】複数の前記センサ用光ファイバラインと、 前記複数のセンサ用光ファイバラインと前記光入射手段
   および受光手段とを接続し、測定に利用する前記センサ
   用光ファイバラインを適宜選択切換えする光スイッチと
   をさらに有する請求項５に記載の光ファイバ型センサシ
   ステム。
7. 【請求項７】前記機構手段は、 前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を
   保持する第１の保持部材と、 前記第１の保持部材と所定の距離をおいて配置され、前
   記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部
   を保持する第２の保持部材と、 応力が印加されないとき、弾性力により前記第１および
   第２の保持部材を所定の位置関係に保持する弾性体とを
   有し、 前記第１および第２の保持部材は、応力が印加されたと
   き、その応力に応じて保持している前記センサ用光ファ
   イバの長手方向に沿ってそれぞれ相対的に移動し、前記
   応力が解除されたとき、前記弾性体の弾性力により前記
   所定の位置関係に復帰させられる請求項５または６に記
   載の光ファイバ型センサシステム。
8. 【請求項８】応力印加により、前記弾性体の弾性力に抗
   して前記第１および第２の保持部材の距離が縮まり前記
   センサ用光ファイバを屈曲させる請求項７に記載の光フ
   ァイバ型センサシステム。
9. 【請求項９】前記弾性体の弾性力に抗して、前記第１の
   保持部材と、前記第２の保持部材に装着される外部連結
   部材とを引張り前記第１および第２の保持部材の距離を
   縮めて前記センサ用光ファイバを屈曲させる請求項７に
   記載の光ファイバ型センサシステム。