JP2004085483A - Optical fiber sensor, and stress measuring instrument - Google Patents

Optical fiber sensor, and stress measuring instrument Download PDF

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JP2004085483A JP2002249612A JP2002249612A JP2004085483A JP 2004085483 A JP2004085483 A JP 2004085483A JP 2002249612 A JP2002249612 A JP 2002249612A JP 2002249612 A JP2002249612 A JP 2002249612A JP 2004085483 A JP2004085483 A JP 2004085483A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical fiber sensor capable of measuring a stress from a remote site without requiring irradiation by a laser beam, and a stress measuring instrument using the optical fiber sensor. <P>SOLUTION: A light emitting part 3 formed using a stress-luminescent material increasing luminescent intensity in proportional to a level of the stress is provided in an end part 10a of an optical fiber 10. The optical fiber sensor 1 formed with a reflecting part 6 for reflecting light emitted from the light emitting part 3 on a surface of the light emitting part 3 other than a coupling part 3a between the light emitting part 3 and the optical fiber 10 measures the stress from the remote site without requiring the incident laser beam all the time. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサを駆動するための特別な電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることなく、圧力を遠隔から計測することに利用可能な光ファイバーセンサ、及び該光ファイバーセンサを利用した応力計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧力センサとしては、薄い弾性版をダイヤフラムとし、圧力によるその変形をダイヤフラムに貼り付けた歪ゲージやピエゾ抵抗素子によって電気信号に変換するセンサがよく用いられている。
【０００３】
しかし、このような圧力センサは、電気信号を用いることから電磁的なノイズの影響を受けやすいこと、また、引火性の環境下では使用できないこと、といった問題がある。
【０００４】
このとき、圧力センサの信号伝達系に光ファイバーを採用した場合、耐電磁ノイズ性を付与することができる。それでも、センサ素子自体への電源供給が必要であるため、引火性の問題は解決できない。
【０００５】
そこで、上記の問題を解決するため、光ファイバーの先端に、一面を鏡面状にしたダイヤフラムを取付け、これに光ファイバーを通したレーザー光を反射させてダイヤフラムの変形を入射光と反射光との干渉に変換して圧力を計測する光ファイバーセンサが提案されている（参照：Ｔ．　Ｋａｔｓｕｍａｔａ，　ｅｔ　ａｌ．：　Ｔ．　ＩＥＥ　Ｊａｐａｎ，　１２０−Ｅ，　Ｎｏ．２，　５８−６３　（２０００））。また、光ファイバー内にパルス状のレーザー光を入射し、光ファイバーが圧力を受けた際に観測されるブリルアンゲインスペクトルから圧力を検出する光ファイバーセンサが提案されている（参照：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｔｔ．ｃｏ．ｊｐ／ｎｅｗｓ／ｎｅｗｓ９７／９７０５２９ａ．ｈｔｍｌ）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の光ファイバーセンサでは、常時、光ファイバーにレーザー光を入射しなければ圧力の測定ができないという問題がある。即ち、従来の光ファイバーセンサでは、常時レーザー光の入射が必要であることから、例えば、小型化に際して限界があるだけでなく、コスト的にも問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザー光の照射を必要とせず、応力を遠隔から計測可能な光ファイバーセンサ、及び、該光ファイバーセンサを利用した応力計測装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、後述するように、材料自体が応力により発光する応力発光材料と透明光学樹脂とを混合して作製したバルク体に、種々の荷重を印加したところ、応力の集中する部分では発光強度が高く、応力に比例して発光強度が増大することを見出した。さらに、この光をガラスファイバー等の光学通路を介して光検出器等で計測すると、前記バルク体に発生した応力を遠隔測定できることを独自に見出し、これらの知見に基づき本発明を完成させるに至った。
【０００９】
即ち、本発明に係る光ファイバーセンサは、上記の課題を解決するために、光ファイバーの端部に、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光部が設けられているとともに、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面に、前記発光部の発光した光を反射する反射部が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、光ファイバーの端部（端面を含む）に設けられた発光部に、外部から荷重が印加されて、その内部に応力が発生すると、発光部内の応力発光材料が応力の大きさに比例した発光強度の光を放出する。この光は、直接、あるいは、反射部によって反射された後に、光ファイバーを介して、送出される。そして、例えば、光ファイバーのもう一方の端部に設けられている光検出器等によって、この光は検出される。
【００１１】
上記光ファイバーセンサは、例えば、計測点を定めて応力の測定を行う場合に利用できる。
【００１２】
また、上記光ファイバーセンサの発光部には、表面に反射部が設けられていることから、発光部に対して荷重が印加されて発生した応力により発光した光を外部に漏らすことなく、確実に光ファイバーに送出することができ、正確に応力を計測するのに利用できる。
【００１３】
従って、上記の光ファイバーセンサは、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定に利用することができる。このため、光ファイバーセンサをより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【００１４】
さらに、上記光ファイバーセンサは、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面の形状が、放物面状であってもよい。
【００１５】
上記の構成によれば、発光部に荷重が印加されたことにより生ずる応力によって発生する光を、より効率的に、光ファイバーを介して送出することができる。なお、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部の表面の形状は、平面が好ましいが、特に限定されるものではなく、放物面状等の任意の形状でよい。
【００１６】
従って、例えば、光ファイバーのもう一方の端部に光検出器等が設けられている場合、より効率的に光の強度を検出できる。このため、上記光ファイバーセンサは、より効率的に応力計測に利用可能である。
【００１７】
また、前記発光部は、応力発光材料と光学樹脂とを含んでなるものであってもよい。
【００１８】
上記の構成によれば、光学樹脂を応力発光材料の一種のバインダとして用いることができる。これにより、光をより効率的に送出することが可能な形状に発光部を成形することが容易となる。例えば、上記したような、発光部の表面の形状が放物面状であるドーム形状の発光部を容易に成形することができる。
【００１９】
また、本発明に係る応力計測装置は、上記光ファイバーセンサの光ファイバーにおける、発光部が設けられている端部以外の端部に、前記発光部から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、応力の大きさを計測するための応力計測部を備えていることを特徴としている。
【００２０】
上記の構成によれば、上記光ファイバーの一方の端部に設けられた発光部に荷重が印加されて応力が発生すると、発光部内の応力発光材料が応力の大きさに比例した発光強度の光を放出する。この光は、直接、あるいは、反射部によって反射した後に、光ファイバーを介して送出される。
【００２１】
そして、この光は、光ファイバーのもう一方の端部に設けられた光検出部によって検出される。次いで、この検出された光の情報（例えば、発光強度、発光スペクトル等）に基づいて、応力計測部により前記発光部の応力を計算することができるから、印加された荷重を計測できる。
【００２２】
上記応力計測装置は、例えば、計測点を定めて応力の測定を行う場合に利用でき、前記発光部に発生する応力、すなわち前記発光部に印加された荷重を遠隔測定することができる。
【００２３】
従って、上記応力計測装置は、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。このため、応力計測装置をより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【００２４】
また、本発明に係る光ファイバーセンサは、上記の課題を解決するために、光ファイバーの内部に、その中心軸に沿って、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光層が設けられていることを特徴としている。
【００２５】
上記の構成によれば、光ファイバーの中心軸に沿って設けられた発光層に荷重が印加されて応力が発生すると、発光層内の応力発光材料が応力の強さに比例した強度の光を放出する。この光は、光ファイバーを介して送出される。そして、例えば、光ファイバーの端部に設けられている光検出器等によって、この光は検出される。
【００２６】
即ち、上記光ファイバーセンサは、計測点を定めないで応力の計測を行う場合、例えば、直線、あるいは曲線に沿って応力計測を行いたい場合に利用できる。このため、点の計測でない、連続した印加応力（歪み等）を計測する際に利用することができる。
【００２７】
また、上記の光ファイバーセンサは、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を照射することなく、応力の遠隔測定に利用することができる。このため、光ファイバーセンサの小型化に対応できるだけでなく、コストの低減を達成することもできる。
【００２８】
また、上記光ファイバーセンサは、前記発光層が、光ファイバーの長手方向に複数設けられているとともに、前記各発光層がそれぞれ、発光スペクトルが異なる応力発光材料を有しているという構成であってもよい。
【００２９】
上記の構成によれば、応力発光材料から放出された光の発光スペクトルの特徴を識別することにより、光ファイバーの長手方向に複数設けられている発光層のうち、応力が生じて光が放出された発光層を特定し、光ファイバーの長手方向のどの位置に荷重が印加されたのか特定することができる。さらに、光の発光強度から応力の大きさを測定して、各々の発光層に印加された荷重の大きさを計測することもできる。
【００３０】
従って、光ファイバーセンサの複数の位置で同時に荷重が印加された場合であっても、検出した各発光スペクトルの特徴、発光強度から、光ファイバーセンサの光ファイバーのどの領域に、どのような大きさの荷重が印加されたのかを特定することができる。すなわち、検出した各発光スペクトルを、各荷重が印加された位置と大きさとを特定するために利用することができる。
【００３１】
また、本発明に係る応力計測装置は、上記光ファイバーセンサにおける、光ファイバーの端部に、前記発光層から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、印加された荷重の大きさ、及び／又は、印加された荷重の位置を計測特定するための応力計測部を備えていることを特徴としている。
【００３２】
上記の構成によれば、上記光ファイバーセンサの光ファイバーの中心軸に沿って設けられた発光層に荷重が印加されると、発光層内の応力発光材料が、荷重により発生した応力の強さに比例した発光強度の光を放出する。この光は光ファイバーを介して送出される。
【００３３】
そして、光ファイバーの端部に設けられた光検出部によって、この光は検出される。この検出された光の情報（例えば、発光強度、発光スペクトル、波長、周波数等）に基づき、応力計測部により、前記発光層に発生した応力を計算することができ、印加された荷重を計測することができる。
【００３４】
また、光ファイバーセンサが、発光スペクトルが異なる応力発光材料を有する複数の発光層を備えている場合は、前記光検出部により検出された光の情報（例えば、発光強度、発光スペクトル、波長、周波数等）に基づき、応力計測部は、光ファイバーセンサに印加された荷重の位置を特定することができる。
【００３５】
なお、本発明に係る応力計測装置は、光ファイバーセンサに印加された荷重の大きさを計測する処理と、荷重が印加された位置を特定する処理とを、両方行うこともできるし、どちらか一方の処理のみを行うこともでき、特に限定されるものではない。
【００３６】
また、本発明に係る応力計測装置は、計測点を定めないで応力の計測を行う場合、例えば、直線、あるいは曲線に沿って応力計測を行いたい場合に利用でき、前記発光層に荷重が印加されたことにより発生した応力を遠隔測定することができる。
【００３７】
従って、光ファイバーセンサに対して、同時に複数の位置で、複数の荷重が印加された場合であっても、それらによって発生した応力を分離して、各応力の大きさや位置を特定することができる。
【００３８】
また、上記応力計測装置は、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。このため、応力計測装置をより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明は、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を照射することなく、応力の遠隔測定に利用可能な光ファイバーセンサ、及び該光ファイバーセンサを利用した応力計測装置を提供するものである。そこで以下では、本発明に係る光ファイバーセンサについて説明し、次いで該光ファイバーセンサを利用した応力計測装置の一例について説明することとする。
【００４０】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について説明すれば、以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４１】
（１）光ファイバーセンサ１
（１−１）光ファイバーセンサ１の構成
図１は、本発明に係る光ファイバーセンサの一実施形態の特徴的な部分である発光部近傍を光ファイバーの軸方向（長手方向）に沿う平面で切断した断面図である。この図１に示すように、光ファイバーセンサ１は、光ファイバー１０、発光部３、反射部６、保護層８を備えている。
【００４２】
光ファイバー１０は、高屈折率領域であるコア層４と、低屈折率領域であるクラッド層５とからなる二重構造を有しているものである。なお、ここでいう「光ファイバー」とは、ガラスファイバー等の光を通過させる光学通路であればよく、特に限定されるものではない。また、コア層４及びクラッド層５には、従来公知の材料を用いることができ、特に限定されるものではない。
【００４３】
発光部３は、光ファイバ１０の端部（端面を含む）１０ａに設けられているものである。なお、発光部３は光ファイバー１０の端面に形成されており、発光部３内で発生した光をより確実に光ファイバー１０のコア層４に送出できることが好ましい。即ち、発光部３は、光ファイバー１０のコア層４の端面と接するように、かつ、クラッド層５の端面とは接しないように、形成されることがより好ましい。これによって、より確実に発光部３にて発生した光を光ファイバー１０のコア層４に送出することができる。
【００４４】
また、発光部３は、例えば、特開平１１−１１６９４６号公報、特開２００１−０４９２５１号公報、特開２００１−０６４６３８号公報、特許第３２７３３１７号公報、及び特許第２９９２６３１号公報に記載されているような、外部から印加された荷重により発生する応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料（例えば、炭酸ストロンチウムとアルミナ、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ｃｕ、スピネル構造、ＭＡｌ２Ｏ４：Ｎ（但し、Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ；Ｎ＝Ｅｕ、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｃｕ、Ｍｎ）、Ｍ３Ａｌ２Ｏ６：Ｎ、ＭＡｌ１２Ｏ１９：Ｎ、メリライト系構造酸化物、Ｃａ２Ａｌ２ＳｉＯ７：Ｎ、ＭＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｎ、Ｍ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｎ（ここで、Ｍ＝Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ；Ｎ＝Ｅｕ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｃｕ、Ｍｎ）等）を有していればよく、特に限定されるものではない。即ち、発光部３には、前記応力発光材料を単独で用いることもできるし、前記応力発光材料とその他の物質等（アルミナ、シリカ等の無機物質、及びプラスチック、樹脂、ゴム等の有機物質）とを混合して用いることもできる。
【００４５】
なお、本発明の光ファイバーセンサ１に用いる応力発光材料は、酸化物系のセラミックスを微粒子状にしたものである。このため、例えば、応力発光材料のみを用いて発光部３を形成（製造）する場合は、焼結による成形が必要であり、また、一旦成形したものを精密に加工することは困難である。このため、発光部３を製造する場合には、例えば、光学樹脂を一種のバインダとして用いることがより好ましい。
【００４６】
そのため、本実施の形態では、粉末状にした前記応力発光材料を透明な光学樹脂に混入して、ドーム状に成形したものを発光部３として用いている。これにより、発光部３をより容易に成形することができる。
【００４７】
また、前記応力発光材料と透明な光学樹脂とを混合したバルク体に対して種々の荷重を印加した実験及びその結果は、特開２００１−２１５１５７号公報に詳細に記載されている。具体的には、同公報の図９及び図９の説明部分に記載されているように、応力発光材料と透明光学樹脂とを混合したバルク体を円柱状に成形したものに上下から圧縮力（荷重）を印加した際、発生した光の円柱断面内の発光強度分布を測定した。その結果、円柱内の応力分布の理論解析値と発光強度とは良い相関を示した。このことから、前記応力発光材料は、透明な光学樹脂等と混合した場合であっても、応力に比例して発光強度が増大することが実験的に示されている。
【００４８】
また、本実施の形態に係る発光部３における前記応力発光材料と透明な光学樹脂との混合比率は、１０〜９０％（重量比）であることが好ましく、さらには、７０〜９０％（重量比）であることがより好ましい。前記の混合比率で形成された発光部３であれば、発生した光から、応力を十分に計測することができる。
【００４９】
また、発光部３の形状は、球、半球、三角錐、円錐、立方体、長方体等の任意の三次元形状が可能であるが、印加応力によって発生する光を効率的に光ファイバー１０に送出するためには、その表面形状は放物面状であることが好ましい。
【００５０】
また、発光部３を形成する方法は、従来公知の方法を用いることができ、特に限られるものではない。具体的には、予め作製しておいた光ファイバー１０を固定した発光部３の型（ドーム状の型）に前記応力発光材料と光学樹脂とを混合したものを流し込み、熱処理等により硬化させて形成する方法が挙げられる。このとき、光ファイバー１０と光学樹脂との親和性が重要となる。そのため、用いる光学樹脂としては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、透明なシリコンゴム等を使用することが好ましい。
【００５１】
また、例えば、透明な樹脂を接着剤として用いて、発光部３を、光ファイバー１０の端部１０ａに取付けることも可能である。
【００５２】
反射部６は、発光部３と光ファイバー１０との結合部３ａ以外の発光部３の表面に設けられている。反射部６は、発光部３の発光を光ファイバーセンサ１の外部に漏らさないための光学的な反射膜であればよく、特に限定されるものではない。具体的には、反射部６には、例えば、アルミニウム、金、白金、ニッケル、チタン等の金属膜を用いることが好ましい。また、反射部６の形成方法は、従来公知の方法を利用でき、特に限られない。具体的には、反射部６は、例えば、発光部３を形成した後に、蒸着等により形成することができる。
【００５３】
保護層８は、光ファイバーセンサ１を物理的、または化学的に保護するものであればよく、特に限定されるものではない。例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の従来公知の材料を用いることができる。
【００５４】
なお、本発明に係る光ファイバーセンサ１は、材料自体が応力に比例して発光する応力発光材料をドーム状に成形した発光ドームを、その表面に光学的な反射膜を形成して光ファイバーの一端に取付けたものと換言することもできる。
【００５５】
（１−２）光ファイバーセンサ１の機能
光ファイバーセンサ１は、上記の構造を有しているため、以下の機能を有する。
【００５６】
計測点を定めて応力計測を行う場合、上記光ファイバーセンサ１を用いることが好ましい。即ち、光ファイバーセンサ１の端部１０ａに設けられている発光部３に外部から荷重が印加されると、発光部３内の応力発光材料が、応力の大きさに比例して光を放出する。この光は、直接あるいは反射部６に反射された後に光ファイバー１０のコア層４に送出される。
【００５７】
従って、例えば、光ファイバー１０の発光部３が設けられている端部１０ａと別の端部に光検出器等が設けられていれば、光の発光強度から発光部３の応力の大きさを計算して、印加された荷重の大きさを計算することができる。
【００５８】
また、本発明に係る光ファイバーセンサ１は、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、引火性環境下でも使用可能である。また、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定に利用することができる。
【００５９】
このため、本発明に係る光ファイバーセンサ１は、例えば、血管内治療に用いられるカテーテルに用いることにより、医療的な検査や治療等に利用することができる。また、災害救助や、複雑な機械や配管の中に入り込み分解せずに検査、メンテナンスを行う場合にも利用可能である。
【００６０】
〔実施の形態２〕
本発明に係る光ファイバーセンサに関する他の実施形態について、図２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００６１】
なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。本実施の形態では、前記実施形態１との相違点について説明するものとする。
【００６２】
（２）光ファイバーセンサ１１
（２−１）光ファイバーセンサ１１の構成
図２は、本発明に係る光ファイバーセンサの他の実施形態を光ファイバーの軸方向に垂直な面で切断した断面図である。この図２に示すように、光ファイバーセンサ１１は、光ファイバー１０、発光層７、保護層８を備えている。光ファイバー１０は、コア層４と、クラッド層５とを備えている。
【００６３】
発光層７は、光ファイバー１０の中心軸（長手方向の中心）に沿って設けられており、発光層７の外部はコア層４に囲まれている。発光層７は、上記発光部３と同様に、外部から荷重が印加されたことにより生じる応力の大きさに比例して発光強度が増加する応力発光材料を有していればよく、特に限定されるものではない。
【００６４】
即ち、発光層７としては、上記発光部３と同様に、応力発光材料単独でもよいし、応力発光材料とその他の樹脂等（アルミナ、シリカ等の無機物質、及びプラスチック、樹脂、ゴム等の有機物質）とを混合して用いることもできる。本実施の形態では、例えば、粉末状にした前記応力発光材料と透明な光学樹脂とを混合したものを用いている。なお、この場合、前記透明な光学樹脂には光ファイバー１０のコア層４の材質より屈折率が小さいものを選択することが好ましい。このため、用いる光学樹脂としては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、透明なシリコンゴム等を使用することが好ましい。
【００６５】
また、発光層７の製造方法としては、従来公知の方法が用いることができ、特に限定されない。例えば、図５に示すように、多重ノズルを用いて、押し出し、あるいは引き出しによって製造することができる。具体的には、中心ノズル３０から応力発光材料と光学樹脂とを混合したものを投入し、周辺ノズル３１から光ファイバー１０のコア層４となる樹脂を投入する方法を挙げることができる。
【００６６】
また、発光層７は、光ファイバー１０の中心軸に沿って設けられることが好ましいが、中心軸から多少ずれた位置に設けられてもかまわない。
【００６７】
なお、発光層７は、一本の連続した構造であってもよいし、複数個の発光層７が断続的に配置された構造であってもよい。
【００６８】
さらに、光ファイバー１０の長手方向（軸方向）に、発光スペクトルが異なる応力発光材料を用いた発光層７を複数設置することもできる。即ち、光ファイバー１０の長手方向に沿って、それぞれ発光スペクトルの異なる応力発光材料を有している複数の発光層７を、連続的に、または断続的に設けることができる。なお、この場合、発光層７には、（１−１）に上述したような、発光スペクトルの異なる種々の応力発光材料を用いることができる。さらに、それぞれ異なる発光スペクトルの光を発する応力発光材料を有する複数の発光層７は、任意の組み合わせ、順序で光ファイバー１０内に設けることができる。
【００６９】
なお、本発明に係る光ファイバーセンサ１１は、材料自体が応力に比例して発光する応力発光材料を透明な材料に混入して作製した発光層７を光ファイバー１０の中心部に設けたものと換言することもできる。
【００７０】
また、上記光ファイバーセンサ１１の長手方向に、発光スペクトルが異なる応力発光材料を用いた発光層７を複数設けていることが好ましいと換言することもできる。
【００７１】
（２−２）光ファイバーセンサ１１の機能
光ファイバーセンサ１１は、上記の構成を有していることから、以下の機能を有する。
【００７２】
上記光ファイバーセンサ１１は、計測点を定めないで応力測定を行う場合、例えば、一本の直線または曲線に沿って応力測定を行う場合等に利用されることが好ましい。
【００７３】
即ち、光ファイバーセンサ１１の任意の場所に対して荷重が印加されると、発光層７内の応力発光材料が応力の大きさに比例して光を放出する。この光は光ファイバー１０のコア層４に送出される。そして、例えば、光ファイバーの端部に接続された光検出器等によってこの光を計測することにより、光ファイバーセンサ１１に印加された荷重の大きさを計測することができる。
【００７４】
さらに、上述したように、光ファイバー１０の長手方向に沿って、それぞれ発光スペクトルの異なる光を発する応力発光材料を有する複数の発光層７を、連続的に、または断続的に設けることもできる。
【００７５】
このため、例えば、光ファイバーセンサ１１の端部に光検出器等を設けることにより、荷重が印加されて生じた応力により放出された光の情報（発光スペクトルの特徴、波長、周波数、発光強度等）を識別することできる。即ち、どの位置の発光層７から光が放出されたのかを調べることができ、光ファイバーセンサ１１に対して荷重が印加された位置を特定することができる。また、光ファイバーセンサ１１に対して、複数の位置で同時に荷重が印加された場合も、同様に発光スペクトル等の光の情報を解析することで、容易に応力および荷重の大きさや印加位置を分離して特定することが可能となる。
【００７６】
また、上記光ファイバーセンサ１１は、光ファイバーセンサ１と同様に、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、引火性の環境下でも使用可能である。また、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定に利用することができる。
【００７７】
また、上記光ファイバーセンサ１１は、連続的な形状変化の計測に利用することができる。このため、上記光ファイバーセンサ１１の具体的な利用法としては、例えば、地盤や建造物の形状の変化（歪み等）の監視等に利用可能である。
【００７８】
〔実施の形態３〕
上記光ファイバーセンサ１、または光ファイバーセンサ１１を利用した応力計測装置について以下に説明する。
【００７９】
（３）応力計測装置２０
（３−１）応力計測装置２０の構成
本発明で応力を計測する手段は、光ファイバーセンサと光検出手段と応力計測手段として機能するコンピューターとを用いてなる応力計測システムとなっていればよい。具体的には、例えば、図３に示す応力計測装置２０を挙げることができる。
【００８０】
上述した光ファイバーセンサ１、または光ファイバーセンサ１１を利用した応力計測装置２０について図３に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、これに限られるものではない。
【００８１】
図３は、本発明に係る応力計測装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。この図３に示すように、応力計測装置２０は、光ファイバーセンサ１（または光ファイバーセンサ１１）、光検出部２、コンピューター２１、モニター２４、表示部２５を備えている。
【００８２】
光ファイバーセンサ１、または光ファイバーセンサ１１は、外部からの印加応力を光信号に変換するものである。
【００８３】
光検出部２は、光ファイバー１０から送出されてくる光を検出するための光検出手段である。具体的には、光検出部２としては、従来公知のフォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）、光電子倍増管等の光検出デバイスを備えており、前記光検出デバイスによって検出された光の強度や発光スペクトル等の検出結果を、電気信号やペンの動き等の機械的な動作として出力するものであればよく、特に限定されるものではない。
【００８４】
また、光検出部２は、上述した光ファイバーセンサ１１から放出される光を、その発光スペクトルの特徴ごとに分離検出することもできる。具体的には、光検出部２は、光の波長、周波数等を認識でき、光を発光スペクトルの特徴ごとに分類し、電気信号等として外部に出力できる。
【００８５】
なお、光ファイバーセンサ１１における光ファイバー１０の端部のうち、光検出部２を設けていない端部に反射部を設けることもできるし、光ファイバーセンサ１１における光ファイバー１０の端部の両方に光検出部２を設けることもできる。この場合、印加応力により生じた光を外部に放出することはなくなり、より正確に光ファイバーセンサ１１に印加された荷重の大きさを計測できるとともに、より正確に荷重が印加された位置を特定することができる。
【００８６】
コンピューター２１は、応力計測部として機能し、少なくとも演算部２２と、メモリ（記憶部）２３とを備えているものであればよい。即ち、印加された荷重の値は、光検出部２の信号を演算部２２とメモリ２３とを備えるコンピューター２１によって処理され、表示部２５を介して表示される。
【００８７】
より詳細には、演算部２２は、光検出部２から送出された電気信号に基づいて光ファイバーセンサ１（または光ファイバーセンサ１１）に印加された荷重を計算するものである。また、演算部２２は、応力計測装置２０の動作を制御するものである。具体的には、光検出部２、モニター２４、メモリ２３、表示部２５の各手段に対して、演算部２２から制御情報が出力される。この制御情報に基づいて上記各手段が連携して動作することで、応力計測装置２０全体が動作する。
【００８８】
また、演算部２２の具体的な構成は特に限定されるものではなく、従来公知の演算手段が好適に用いられる。具体的には、コンピューターの中央処理装置（ＣＰＵ）として機能し、その動作はコンピュータープログラムにしたがって実行される構成であれば好ましい。即ち、演算部２２は、コンピュータープログラムにしたがってＣＰＵが光検出部２から送出される信号に基づいて光ファイバーセンサ１（または光ファイバーセンサ１１）に印加された荷重の大きさ、位置等を計測する演算を実行するようになっていればよい。
【００８９】
具体的には、例えば、コンピューター２１に、光ファイバーセンサ１１に設けられた発光層７の材質、荷重が印加された際に放出する光の発光スペクトル、位置等の情報を予め入力し、メモリ２３に記憶させておくことにより、演算部２２は光検出部２からの電気信号に基づき、どの位置の発光層７から光が放出されたのかを解析でき、光ファイバーセンサ１１対して荷重が印加されたことによる応力が発生した位置を容易に特定することができる。
【００９０】
上記コンピューター２１への情報の入力には、不図示の入力部を介して行うことができる。入力部は、応力計測装置２０の動作に関わる情報を入力可能とするものであれば特に限定されるものではなく、キーボードやタブレット、あるいはスキャナー等従来公知の入力手段を好適に用いることができる。さらに、例えば、入力部からの入力によって上記の応力の計測結果や、位置の特定結果等の情報を加工することもできる。
【００９１】
上記メモリ２３は、上記応力計測装置２０で利用される各種情報（制御情報、発光強度、発光スペクトルの特徴、その他情報等）を記憶するものである。具体的には、例えば、ＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリ、フロッピーディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ等の光ディスクのディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系等、従来公知の各種記憶手段を好適に用いることができる。
【００９２】
また、上記メモリ２３は、上記応力計測装置２０と一体化されていて一つの装置になっていてもよいが、別体となっている外部記憶装置となっていてもよく、さらには、一体化されたメモリ２３と外部記憶装置とが両方とも備えられている構成であってもよい。例えば、一体化したメモリ２３としては、内蔵型のハードディスクや装置に組み込まれたフロッピーディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ等が挙げられ、外部記憶装置としては、外付けハードディスクや外付け型の上記各種ディスクドライブ等が挙げられる。
【００９３】
モニター２４は、光検出部２の信号に基づき、光ファイバーセンサ１における発光部３、または光ファイバーセンサ１１における発光層７から放出された光の発光強度を表示するものである。表示部２５は、コンピューター２１によって処理された情報（例えば、応力の値（応力値）、印加された荷重の値、荷重が印加された位置等）を表示するものである。
【００９４】
モニター２４、表示部２５は、具体的には、公知のＣＲＴディスプレイや、液晶ディスプレイ等といった各種表示装置が好適に用いられるが特に限定されるものではない。
【００９５】
また、応力計測装置２０は、図示しない印刷部を備えていてもよい。印刷部は、モニター２４、表示部２５で表示可能な各種情報をＰＰＣ用紙等の記録材に記録（印刷・画像形成）するものである。具体的には、公知のインクジェットプリンタやレーザープリンタ等の画像形成装置が好適に用いられるが特に限定されるものではない。
【００９６】
なお、モニター２４、表示部２５、印刷部は、まとめて出力手段と表現することもできる。即ち、モニター２４、表示部２５は、各種情報をソフトコピーで出力する手段であり、印刷部は、各種情報をハードコピーで出力する手段である。従って、本発明で用いられる出力手段としては、モニター２４、表示部２５、印刷部に限定されるものではなく、その他の出力手段を備えていてもよい。
【００９７】
さらに、図４に、応力計測装置２０の他の実施形態の構成を示すブロック図を示す。即ち、応力計測装置２０は、例えば、図４に示すように、通信部２６を備えることにより、インターネットを含む通信ネットワークを介して各種情報を入出力できるようになっていてもよい。
【００９８】
この通信部２６は、通信ネットワークと接続して各種情報の送受信が可能になっている。図４では、同一構内にある応力計測装置２０、パーソナルコンピューター（ＰＣ）６１、並びにサーバー６２が通信回線６０に接続されてバス型のＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）を構成しており、さらにこのＬＡＮがインターネットを介して、他地域にあるＰＣ６１とも接続されている。
【００９９】
上記通信部２６の具体的な構成については、特に限定されるものではなく、公知のＬＡＮカード、ＬＡＮボード、ＬＡＮアダプタや、モデム等を好適に用いることができる。
【０１００】
上記ＰＣ６１については、モデム等の通信手段を備えた公知のパーソナルコンピューターを好適に用いることができ、デスクトップ型やノート型等に限定されるものではない。なお、ＰＣ６１は、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ等の表示部とキーボードやマウス等の入力部を備えた基本構成となっているものとする。なお、説明の便宜上、ＰＣ６１に備えられている図示しない表示部や入力部をＰＣ表示部・ＰＣ入力部と表現する。
【０１０１】
上記ＰＣ６１には、一般的なパーソナルコンピューターに外付けできるハードウェア（例えば、スキャナー等の各種入力手段やプリンタ等の各種出力手段）が備えられていてもよい。
【０１０２】
上記サーバー６２の具体的構成も特に限定されるものではなく、ＬＡＮを構成するクライアントであるＰＣ６１、応力計測装置２０に対してサービスを提供できるコンピューターであればよい。さらには、このサーバー６２は、データベースサーバーやファイルサーバーを兼ねていてもよい。
【０１０３】
上記通信回線６０の具体的構成も特に限定されるものではなく、従来公知の一般的な通信回線を用いることができる。また、この通信回線６０を用いて構築されるＬＡＮの型式もバス型に限定されるものではなく、スター型やリング型等、従来公知の型式であればよい。
【０１０４】
さらに図示しないが、上記ＬＡＮには、共用のプリンタ等、他の端末が含まれていてもよい。加えて図示しないが、上記ＬＡＮを含む通信ネットワークには、通信可能な携帯型の各種情報端末等が含まれていてもよい。
【０１０５】
上記構成のネットワークでは、例えば、応力計測装置２０で、光ファイバーセンサ１（または光ファイバーセンサ１１）に荷重が印加されて発生した応力の計測を行った後、その計測結果を単に応力計測装置２０内（即ち、モニター２４、表示部２５等）で出力するだけでなく、ＬＡＮを介してＰＣ６１に送信することもできる。そして、ＰＣ６１では、応力計測装置２０から得られた結果を、ＰＣ表示部で表示したりプリンタで印刷したりすることができ、さらにはＰＣ入力部からの入力によって上記の応力の計測結果や、位置の特定結果等の情報を加工することもできる。
【０１０６】
つまり、上記通信部２６は、通信手段としてだけでなく、応力計測装置２０の入力手段としても機能することになる。また、特に、ＰＣ６１を用いて、インターネットを介して、応力計測装置２０の所在する場所から離れた遠隔地で、光ファイバーセンサ１（または光ファイバーセンサ１１）に印加された荷重の計測の実施に関わる情報（例えば、発光強度、発光スペクトル等）を送信したり、計測結果を受信したりする場合には、任意の顧客に対して応力計測を提供するサービスを行うことが可能となる。
【０１０７】
また、上記ＰＣ６１が、ＬＡＮを介して応力計測装置２０とつながっている場合には、例えば研究施設等に一つ応力計測装置２０があれば、他の研究者はＰＣ６１等の情報端末を介して応力計測装置２０を共用することができる。それゆえ、本発明をより効率的に実施することができる。
【０１０８】
さらに、上記サーバー６２がデータベースサーバーやファイルサーバーを兼ねている場合には、通信ネットワークを介して行われた応力計測の結果を、通信ネットワークを介してサーバー６２に蓄積していくことができる。その結果、応力の計測結果等をより一層有効利用することが可能となる。
【０１０９】
加えて、本発明には、本発明における応力計測等を、コンピューター上でプログラムにより実施することが可能となっているが、このプログラムを記録する記録媒体には、通信ネットワークからダウンロードするように流動的にプログラムを担持する媒体も含まれる。例えば、サーバー６２の記録手段に応力計測のプログラムが記録されていれば、応力計測装置２０は、サーバー６２から適宜、応力計測のプログラムをダウンロードして使用するようになっていてもよい。ただし、応力計測装置２０が通信ネットワークからプログラムをダウンロードする場合には、そのダウンロード用のプログラムは、予め応力計測装置２０本体に格納されているか、別の記録媒体からインストールされるようになっている。
【０１１０】
さらに、ＰＣ６１のように、通信ネットワークを介してサーバー６２に接続されている場合には、サーバー６２から応力計測のためのプログラムをダウンロードすることで、ＰＣ６１そのものを応力計測装置２０として用いることができる。
【０１１１】
（３−２）応力計測装置２０の機能
本発明に係る応力計測装置２０は、上記の構成を有していることから、以下の機能を有する。
【０１１２】
上述した光ファイバーセンサ１を有する応力計測装置２０では、光ファイバーセンサ１の先端部に外部から荷重が印加されて応力が発生すると、発光部３の応力発光材料が応力の大きさに比例して光を放出する。この光は直接及び／又は反射部６に反射された後に光ファイバー１０のコア層４に送出される。
【０１１３】
そして、光ファイバーセンサ１の端部に取付けられている光検出部２により、この光は検出され、コンピューター２１に対して電気信号（発光強度等の光の情報）として送出される。次いで、コンピューター２１は、演算部２２、メモリ２３を用いて、光検出部２からの電気信号の情報に基づき、応力の大きさを計測する。
【０１１４】
また、同様に、光ファイバーセンサ１１を有する応力計測装置２０では、光ファイバーセンサ１１に外部から荷重が印加されると、発光層７の応力発光材料が応力の大きさに比例して光を放出する。この光は光ファイバー１０のコア層４に送出される。
【０１１５】
そして、光ファイバーセンサ１１の端部に取付けられている光検出部２により、この光は検出され、コンピューター２１に対して電気信号（発光強度等の光の情報）として送出される。次いで、コンピューター２１は、演算部２２、メモリ２３を用いて、光検出部２からの電気信号の情報に基づき、応力の大きさを計測する。
【０１１６】
また、このとき、光ファイバーセンサ１１に、それぞれ異なる発光スペクトルを発する応力発光材料を用いて形成された発光層７が複数個設けられている場合、光ファイバーセンサ１１に荷重が印加されると、荷重が印加された位置に設けられている発光層７に応力が生じ、当該発光層７中の応力発光材料から光が放出される。
【０１１７】
この光は、光ファイバー１０のコア層４に送出され、光検出部２で検出される。このとき、光検出部２は、この光を、光の特徴（発光スペクトル、周波数、波長等）に応じて分類し、コンピューター２１に電気信号として送出する。
【０１１８】
コンピューター２１は、演算部２２、メモリ２３を用いて、この電気信号に基づき、光がどの位置の発光層７から放出されたのかを解析し、荷重が印加された位置を特定することができる。
【０１１９】
また、上記応力計測装置２０は、同時に複数の位置に荷重が印加された場合であっても、同様に発光スペクトル等の解析により、各荷重の大きさ、及び印加位置を分離特定することができる。
【０１２０】
従って、上記応力計測装置２０は、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、引火性環境下でも使用可能である。また、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。
【０１２１】
また、光ファイバーセンサ１を有する応力計測装置２０は、計測点を定めて応力計測を行う場合に用いることが好ましい。このため、例えば、血管内治療等に用いられるカテーテルを有する装置に用いることにより、医療的な検査や治療に利用することができる。また、災害救助や、複雑な機械や配管の中に入り込み分解せずに検査、メンテナンスを行う場合にも利用可能である。
【０１２２】
また、光ファイバーセンサ１１を有する応力計測装置２０は、計測点を定めないで応力測定を行う場合、例えば、一本の直線または曲線に沿って応力測定を行う場合に用いることが好ましい。即ち、光ファイバーセンサ１１を有する応力計測装置２０は、連続的な形状変化の計測に利用することができる。このため、例えば、地盤や建造物の形状の変化（歪み等）の監視等に利用可能である。
【０１２３】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１２４】
【発明の効果】
本発明の光ファイバーセンサは、以上のように、光ファイバーの端部に、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光部が設けられているとともに、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面に、前記発光部の発光した光を反射する反射部が形成されているという構成である。
【０１２５】
それゆえ、レーザー光を常時入射する必要はなく、耐電磁ノイズ性・防爆性に優れており、印加された荷重を遠隔から検出可能な光ファイバーセンサを構成することができるという効果を奏する。また、光ファイバーセンサをより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【０１２６】
また、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面の形状が、放物面状であることがより好ましい。
【０１２７】
上記の構成によれば、発光部に生じる応力によって発生する光をより効率的に、光ファイバーを介して送出することができるという効果を奏する。
【０１２８】
また、前記発光部は、応力発光材料と光学樹脂とを含んでなるものであることがより好ましい。
【０１２９】
上記の構成によれば、光学樹脂を応力発光材料の一種のバインダとして用いることができる。このため、発光部を任意の形状に成形して、光の送出効率を向上させることができるという効果を奏する。
【０１３０】
また、本発明に係る応力計測装置は、上記光ファイバーセンサの光ファイバーにおける、発光部が設けられている端部以外の端部に、前記発光部から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、応力の大きさを計測するための応力計測部を備えているという構成である。
【０１３１】
上記の構成によれば、上記応力計測装置は、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。このため、応力計測装置をより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができるという効果を奏する。
【０１３２】
また、本発明に係る光ファイバーセンサは、上記の課題を解決するために、光ファイバーの内部に、その中心軸に沿って、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光層が設けられているという構成である。
【０１３３】
上記の構成によれば、上記光ファイバーセンサは、計測点を定めないで応力の計測を行う場合、例えば、直線、あるいは曲線に沿って応力計測を行いたい場合に利用できる。このため、点の計測でない、連続した印加応力（歪み等）を計測するのに利用できるという効果を奏する。
【０１３４】
また、レーザー光を常時入射する必要はなく、耐電磁ノイズ性・防爆性に優れており、印加された荷重を遠隔から検出可能な光ファイバーセンサを構成することができるという効果を奏する。また、光ファイバーセンサをより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【０１３５】
また、上記光ファイバーセンサは、前記発光層が、光ファイバーの長手方向に複数設けられているとともに、前記各発光層がそれぞれ、発光スペクトルが異なる応力発光材料を有しているという構成であってもよい。
【０１３６】
上記の構成によれば、応力発光材料から放出された光の発光スペクトルの特徴を識別することにより、荷重が印加された位置と大きさとを特定することができるという効果を奏する。
【０１３７】
また、本発明に係る応力計測装置は、上記光ファイバーセンサにおける、光ファイバーの端部に、前記発光層から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、印加された荷重の大きさ、及び／又は、印加された荷重の位置を計測特定するための応力計測部を備えているという構成である。
【０１３８】
上記の構成によれば、前記発光層の応力を計算することができ、印加された荷重を計測することができる。
【０１３９】
また、光検出部により検出された光の情報（発光スペクトル、波長、周波数等）に基づき、応力計測部は、光ファイバーセンサに印加された荷重の位置を特定することができる。
【０１４０】
上記の構成によれば、上記応力計測装置は、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。このため、応力計測装置をより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る光ファイバーセンサの一実施形態の特徴的な部分である発光部３近傍を光ファイバーの軸方向に沿う平面で切断した断面図である。
【図２】図２は、本発明に係る光ファイバーセンサの他の一実施形態の光ファイバーを軸方向に垂直な平面で切断した断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る応力計測装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明に係る応力計測装置の実施の他の一形態の構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明に係る光ファイバーセンサの発光層の製造方法の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１　　光ファイバーセンサ
２　　光検出部
３　　発光部
３ａ　　結合部
４　　コア層
５　　クラッド層
６　　反射部
７　　発光層
８　　保護層
１０　　光ファイバー
１０ａ　　端部
１１　　光ファイバーセンサ
２０　　応力計測装置
２１　　コンピューター
２２　　演算部
２３　　メモリ
２４　　モニター
２５　　表示部
２６　　通信部
６０　　通信回線
６１　　ＰＣ
６２　　サーバー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention does not require a special power supply device for driving the sensor, and is capable of remotely measuring pressure without being affected by electromagnetic noise, and uses the fiber optic sensor. Related to a stress measurement device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a pressure sensor, a thin elastic plate is used as a diaphragm, and a sensor that converts the deformation due to pressure into an electric signal by a strain gauge or a piezoresistive element attached to the diaphragm is often used.
[0003]
However, such a pressure sensor has a problem that it is susceptible to electromagnetic noise due to the use of an electric signal, and cannot be used in a flammable environment.
[0004]
At this time, when an optical fiber is used for the signal transmission system of the pressure sensor, it is possible to impart resistance to electromagnetic noise. Even so, the power supply to the sensor element itself is necessary, so that the problem of flammability cannot be solved.
[0005]
Therefore, in order to solve the above problem, a mirror with a mirror-like surface is attached to the tip of the optical fiber, and the laser light passing through the optical fiber is reflected on this, and the deformation of the diaphragm is changed to the interference between the incident light and the reflected light. An optical fiber sensor that measures pressure by conversion has been proposed (see: T. Katsumata, et al .: T. IEEE Japan, 120-E, No. 2, 58-63 (2000)). Further, an optical fiber sensor has been proposed in which a pulsed laser beam is incident on an optical fiber and the pressure is detected from a Brillouin gain spectrum observed when the optical fiber is subjected to pressure (see: http://www.ntt). .Co.jp / news / news97 / 970529a.html).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional optical fiber sensor as described above has a problem that the pressure cannot be measured unless laser light is always incident on the optical fiber. That is, in the conventional optical fiber sensor, since laser light is always required to be incident, not only is there a limit in downsizing, for example, but also there is a problem in cost.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an optical fiber sensor capable of remotely measuring stress without the need for laser light irradiation, and a stress measurement using the optical fiber sensor. It is to provide a device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors applied a variety of loads to a bulk body manufactured by mixing a stress-luminescent material that emits light due to stress and a transparent optical resin, as described below, and as a result, a portion where the stress was concentrated was observed. It has been found that the luminescence intensity is high and the luminescence intensity increases in proportion to the stress. Furthermore, when this light is measured by a photodetector or the like through an optical path such as a glass fiber, it has been uniquely found that the stress generated in the bulk body can be remotely measured, and based on these findings, the present invention has been completed. Was.
[0009]
That is, in the optical fiber sensor according to the present invention, in order to solve the above-described problem, a light emitting portion having a stress light emitting material whose light emission intensity increases in proportion to the magnitude of the stress is provided at an end of the optical fiber. In addition, a reflection portion that reflects light emitted by the light emitting portion is formed on a surface of the light emitting portion other than a coupling portion between the light emitting portion and the optical fiber.
[0010]
According to the above configuration, when a load is externally applied to the light emitting portion provided at the end portion (including the end surface) of the optical fiber and a stress is generated inside the light emitting portion, the stress light emitting material in the light emitting portion increases the stress. It emits light with an emission intensity proportional to the intensity. This light is transmitted through an optical fiber directly or after being reflected by the reflector. This light is detected by, for example, a photodetector provided at the other end of the optical fiber.
[0011]
The optical fiber sensor can be used, for example, when a measurement point is determined and a stress is measured.
[0012]
In addition, since the light emitting portion of the optical fiber sensor has a reflecting portion on the surface, the light emitted by the stress generated when a load is applied to the light emitting portion does not leak out to the outside, and the optical fiber sensor can be reliably connected to the light emitting portion. And can be used to accurately measure stress.
[0013]
Therefore, the above-mentioned optical fiber sensor does not require a special power supply device to drive the sensor, is not affected by electromagnetic noise, and further, does not always receive laser light, Can be used for telemetry. Therefore, the size of the optical fiber sensor can be further reduced, and the cost can be reduced.
[0014]
Further, in the optical fiber sensor, the shape of the surface of the light emitting unit other than the joint between the light emitting unit and the optical fiber may be parabolic.
[0015]
According to the above configuration, it is possible to more efficiently transmit the light generated by the stress generated by applying a load to the light emitting unit via the optical fiber. The shape of the surface of the coupling portion between the light emitting portion and the optical fiber is preferably flat, but is not particularly limited, and may be any shape such as a paraboloid.
[0016]
Therefore, for example, when a photodetector or the like is provided at the other end of the optical fiber, the light intensity can be detected more efficiently. For this reason, the optical fiber sensor can be used for stress measurement more efficiently.
[0017]
Further, the light emitting section may include a stress light emitting material and an optical resin.
[0018]
According to the above configuration, the optical resin can be used as a kind of binder of the stress-stimulated luminescent material. Thereby, it becomes easy to shape the light emitting portion into a shape that can more efficiently transmit light. For example, it is possible to easily form a dome-shaped light-emitting unit having a parabolic surface as described above.
[0019]
Further, the stress measurement device according to the present invention, in the optical fiber of the optical fiber sensor, at an end other than the end provided with the light emitting unit, a light detecting unit for detecting light emitted from the light emitting unit. And a stress measuring unit for measuring the magnitude of the stress based on the information of the light detected by the light detecting unit.
[0020]
According to the above configuration, when a load is applied to the light emitting portion provided at one end of the optical fiber to generate a stress, the stress light emitting material in the light emitting portion emits light having an emission intensity proportional to the magnitude of the stress. discharge. This light is transmitted through an optical fiber directly or after being reflected by a reflector.
[0021]
This light is detected by a light detection unit provided at the other end of the optical fiber. Next, since the stress of the light emitting unit can be calculated by the stress measuring unit based on the information of the detected light (for example, light emission intensity, light emission spectrum, etc.), the applied load can be measured.
[0022]
The above-described stress measurement device can be used, for example, when measuring a stress by setting a measurement point, and can remotely measure a stress generated in the light emitting unit, that is, a load applied to the light emitting unit.
[0023]
Therefore, the above-mentioned stress measuring device does not require a special power supply device to drive the sensor, and is not affected by electromagnetic noise. Can be measured remotely. For this reason, it is possible to further reduce the size of the stress measurement device and reduce the cost.
[0024]
Further, in order to solve the above-mentioned problem, the optical fiber sensor according to the present invention has a luminescent material having a stress-stimulated luminescent material in which the luminous intensity increases in proportion to the magnitude of the stress inside the optical fiber. It is characterized in that a layer is provided.
[0025]
According to the above configuration, when a load is applied to the light emitting layer provided along the central axis of the optical fiber and a stress is generated, the stress light emitting material in the light emitting layer emits light having an intensity proportional to the intensity of the stress. I do. This light is sent out via an optical fiber. This light is detected by, for example, a photodetector provided at the end of the optical fiber.
[0026]
That is, the optical fiber sensor can be used when measuring stress without defining a measurement point, for example, when measuring stress along a straight line or a curve. Therefore, the present invention can be used for measuring continuous applied stress (strain or the like), not for measuring points.
[0027]
In addition, the above-mentioned optical fiber sensor does not require a special power supply to drive the sensor, and is not affected by electromagnetic noise. Can be used for telemetry. Therefore, not only can the size of the optical fiber sensor be reduced, but also the cost can be reduced.
[0028]
Further, the optical fiber sensor may have a configuration in which a plurality of the light emitting layers are provided in the longitudinal direction of the optical fiber, and each of the light emitting layers has a stress light emitting material having a different emission spectrum. .
[0029]
According to the above configuration, by identifying the characteristics of the emission spectrum of light emitted from the stress-stimulated luminescent material, of the plurality of light-emitting layers provided in the longitudinal direction of the optical fiber, stress was generated and light was emitted. By specifying the light emitting layer, it is possible to specify where in the longitudinal direction of the optical fiber the load is applied. Further, the magnitude of the stress can be measured from the light emission intensity of light, and the magnitude of the load applied to each light emitting layer can be measured.
[0030]
Therefore, even when a load is applied simultaneously at a plurality of positions of the optical fiber sensor, the load of any magnitude is determined in which region of the optical fiber of the optical fiber sensor based on the characteristics of each detected emission spectrum and emission intensity. It can be specified whether or not it has been applied. That is, each detected emission spectrum can be used to specify the position and size where each load is applied.
[0031]
Further, the stress measurement device according to the present invention, in the optical fiber sensor, at the end of the optical fiber, provided with a light detection unit for detecting light emitted from the light emitting layer, the light detection unit It is characterized by including a stress measurement unit for measuring and specifying the magnitude of the applied load and / or the position of the applied load based on information of the detected light.
[0032]
According to the above configuration, when a load is applied to the light emitting layer provided along the central axis of the optical fiber of the optical fiber sensor, the stress light emitting material in the light emitting layer is proportional to the strength of the stress generated by the load. And emit light having the luminescent intensity. This light is transmitted via an optical fiber.
[0033]
Then, this light is detected by a light detection unit provided at the end of the optical fiber. Based on the information of the detected light (e.g., light emission intensity, light emission spectrum, wavelength, frequency, etc.), the stress measuring unit can calculate the stress generated in the light emitting layer, and measure the applied load. be able to.
[0034]
In the case where the optical fiber sensor includes a plurality of light emitting layers having stress light emitting materials having different emission spectra, information on light detected by the light detection unit (for example, emission intensity, emission spectrum, wavelength, frequency, etc.). ), The stress measurement unit can specify the position of the load applied to the optical fiber sensor.
[0035]
Note that the stress measurement device according to the present invention can perform both the process of measuring the magnitude of the load applied to the optical fiber sensor and the process of specifying the position where the load is applied, or either one of them. Can be performed alone, and there is no particular limitation.
[0036]
Further, the stress measurement device according to the present invention can be used when measuring stress without defining a measurement point, for example, when it is desired to perform stress measurement along a straight line or a curve, and a load is applied to the light emitting layer. The generated stress can be remotely measured.
[0037]
Therefore, even when a plurality of loads are applied to the optical fiber sensor at a plurality of positions at the same time, the stresses generated by the loads can be separated, and the magnitude and position of each stress can be specified.
[0038]
In addition, the above-mentioned stress measuring device does not require a special power supply device to drive the sensor, and is not affected by electromagnetic noise. Can be measured remotely. For this reason, it is possible to further reduce the size of the stress measurement device and reduce the cost.
[0039]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention does not require a special power supply to drive the sensor, is not affected by electromagnetic noise, and is used for remote measurement of stress without irradiating laser light. An object of the present invention is to provide a possible optical fiber sensor and a stress measuring device using the optical fiber sensor. Therefore, hereinafter, an optical fiber sensor according to the present invention will be described, and then an example of a stress measurement device using the optical fiber sensor will be described.
[0040]
[Embodiment 1]
The following will describe one embodiment of the present invention. Note that the present invention is not limited to this.
[0041]
(1) Optical fiber sensor 1
(1-1) Configuration of optical fiber sensor 1
FIG. 1 is a cross-sectional view of the vicinity of a light emitting portion, which is a characteristic part of one embodiment of the optical fiber sensor according to the present invention, cut along a plane along the axial direction (longitudinal direction) of the optical fiber. As shown in FIG. 1, the optical fiber sensor 1 includes an optical fiber 10, a light emitting unit 3, a reflecting unit 6, and a protective layer 8.
[0042]
The optical fiber 10 has a double structure including a core layer 4 that is a high refractive index region and a clad layer 5 that is a low refractive index region. Note that the “optical fiber” here is not particularly limited as long as it is an optical path such as a glass fiber through which light passes. The core layer 4 and the cladding layer 5 can be made of conventionally known materials, and are not particularly limited.
[0043]
The light emitting section 3 is provided at an end (including an end face) 10 a of the optical fiber 10. The light emitting section 3 is formed on the end face of the optical fiber 10, and it is preferable that the light generated in the light emitting section 3 can be more reliably sent to the core layer 4 of the optical fiber 10. That is, it is more preferable that the light emitting section 3 is formed so as to be in contact with the end face of the core layer 4 of the optical fiber 10 and not to be in contact with the end face of the clad layer 5. Thereby, the light generated in the light emitting section 3 can be more reliably transmitted to the core layer 4 of the optical fiber 10.
[0044]
Further, the light emitting unit 3 is described in, for example, JP-A-11-116946, JP-A-2001-049251, JP-A-2001-064638, JP-A-3273317, and JP-A-2992631. Such a stress-stimulated luminescent material (for example, strontium carbonate and alumina, ZnS: Mn, ZnS: Cu, spinel structure, MAl) whose luminous intensity increases in proportion to the magnitude of stress generated by an externally applied load 2 O 4 : N (however, M = Mg, Ca, Sr, Ba; N = Eu, Ce, Tb, Sm, Cu, Mn), M 3 Al 2 O 6 : N, MAl 12 O 19 : N, melilite-based structural oxide, Ca 2 Al 2 SiO 7 : N, MMgAl 10 O 17 : N, M 3 MgSi 2 O 8 : N (here, M = Ba, Sr, Ca; N = Eu, Ce, Sm, Cu, Mn) and the like, and are not particularly limited. In other words, the stress-stimulated luminescent material can be used alone for the light-emitting section 3, or the stress-stimulated luminescent material and other substances (inorganic substances such as alumina and silica, and organic substances such as plastic, resin, and rubber) can be used. Can also be used as a mixture.
[0045]
The stress-stimulated luminescent material used for the optical fiber sensor 1 according to the present invention is an oxide-based ceramic in the form of fine particles. Therefore, for example, when the light emitting portion 3 is formed (manufactured) using only the stress light emitting material, molding by sintering is necessary, and it is difficult to precisely process the molded product once. For this reason, when manufacturing the light emitting part 3, for example, it is more preferable to use an optical resin as a kind of binder.
[0046]
Therefore, in the present embodiment, the light emitting section 3 is formed by mixing the powdered stress-stimulated luminescent material into a transparent optical resin and molding it into a dome shape. Thereby, the light emitting unit 3 can be more easily formed.
[0047]
Further, an experiment in which various loads are applied to a bulk body in which the stress-stimulated luminescent material and a transparent optical resin are mixed and the results thereof are described in detail in JP-A-2001-215157. Specifically, as described in FIG. 9 and the description of FIG. 9 of the publication, a bulk body in which a stress-stimulated luminescent material and a transparent optical resin are mixed is molded into a columnar shape, and a compressive force ( When a load was applied, the emission intensity distribution of the generated light in the cross section of the cylinder was measured. As a result, the theoretical analysis value of the stress distribution in the cylinder and the luminescence intensity showed a good correlation. From this, it has been experimentally shown that, even when the stress-stimulated luminescent material is mixed with a transparent optical resin or the like, the luminescence intensity increases in proportion to the stress.
[0048]
Further, the mixing ratio of the stress-stimulated luminescent material and the transparent optical resin in the light emitting section 3 according to the present embodiment is preferably 10 to 90% (weight ratio), and more preferably 70 to 90% (weight). Ratio) is more preferable. With the light emitting section 3 formed at the above mixing ratio, the stress can be sufficiently measured from the generated light.
[0049]
The shape of the light emitting unit 3 can be any three-dimensional shape such as a sphere, a hemisphere, a triangular pyramid, a cone, a cube, and a rectangle, but the light generated by the applied stress is efficiently transmitted to the optical fiber 10. In order to achieve this, the surface shape is preferably parabolic.
[0050]
In addition, a method for forming the light emitting unit 3 can be a conventionally known method, and is not particularly limited. Specifically, a mixture of the stress-luminescent material and the optical resin is poured into a mold (dome-shaped mold) of the light emitting unit 3 to which the optical fiber 10 is fixed in advance, and is formed by curing by heat treatment or the like. Method. At this time, the affinity between the optical fiber 10 and the optical resin becomes important. Therefore, it is preferable to use polyimide, polyethylene terephthalate, polycarbonate, transparent silicon rubber, or the like as the optical resin to be used.
[0051]
Further, for example, the light emitting unit 3 can be attached to the end 10a of the optical fiber 10 using a transparent resin as an adhesive.
[0052]
The reflection section 6 is provided on the surface of the light emitting section 3 other than the coupling section 3 a between the light emitting section 3 and the optical fiber 10. The reflecting section 6 is not particularly limited as long as it is an optical reflecting film for preventing light emitted from the light emitting section 3 from leaking out of the optical fiber sensor 1. Specifically, it is preferable to use a metal film of, for example, aluminum, gold, platinum, nickel, titanium, or the like, for the reflection unit 6. In addition, a method for forming the reflecting portion 6 can use a conventionally known method, and is not particularly limited. Specifically, the reflection section 6 can be formed by, for example, vapor deposition after forming the light emitting section 3.
[0053]
The protective layer 8 is not particularly limited as long as it protects the optical fiber sensor 1 physically or chemically. For example, a conventionally known material such as polyvinyl chloride (PVC) can be used.
[0054]
The optical fiber sensor 1 according to the present invention has a light emitting dome in which a material itself is formed in the shape of a dome from a stress light emitting material that emits light in proportion to the stress, and an optical reflection film is formed on the surface thereof to form an optical fiber at one end of the optical fiber. It can also be said that it is attached.
[0055]
(1-2) Function of optical fiber sensor 1
Since the optical fiber sensor 1 has the above structure, it has the following functions.
[0056]
When stress measurement is performed with a measurement point determined, it is preferable to use the optical fiber sensor 1 described above. That is, when a load is externally applied to the light emitting unit 3 provided at the end 10a of the optical fiber sensor 1, the stress light emitting material in the light emitting unit 3 emits light in proportion to the magnitude of the stress. This light is transmitted to the core layer 4 of the optical fiber 10 directly or after being reflected by the reflection section 6.
[0057]
Therefore, for example, if a photodetector or the like is provided at an end different from the end 10a where the light emitting section 3 of the optical fiber 10 is provided, the magnitude of the stress of the light emitting section 3 is calculated from the light emission intensity of light. Thus, the magnitude of the applied load can be calculated.
[0058]
Further, the optical fiber sensor 1 according to the present invention does not require a special power supply device to drive the sensor, and can be used in a flammable environment. In addition to being not affected by electromagnetic noise, the laser light can be used for remote measurement of stress without constantly entering a laser beam.
[0059]
For this reason, the optical fiber sensor 1 according to the present invention can be used for medical examinations and treatments, for example, by using it for a catheter used for endovascular treatment. It can also be used for disaster rescue and inspection and maintenance without disassembling and disassembling complicated machines and pipes.
[0060]
[Embodiment 2]
Another embodiment of the optical fiber sensor according to the present invention will be described below with reference to FIG.
[0061]
For convenience of explanation, members having the same functions as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the first embodiment will be described.
[0062]
(2) Optical fiber sensor 11
(2-1) Configuration of Optical Fiber Sensor 11
FIG. 2 is a cross-sectional view of another embodiment of the optical fiber sensor according to the present invention, which is cut along a plane perpendicular to the axial direction of the optical fiber. As shown in FIG. 2, the optical fiber sensor 11 includes an optical fiber 10, a light emitting layer 7, and a protective layer 8. The optical fiber 10 includes a core layer 4 and a clad layer 5.
[0063]
The light emitting layer 7 is provided along the central axis (the center in the longitudinal direction) of the optical fiber 10, and the outside of the light emitting layer 7 is surrounded by the core layer 4. The light-emitting layer 7 may be made of a stress-luminescent material whose light-emitting intensity increases in proportion to the magnitude of the stress generated by the application of an external load, similarly to the light-emitting section 3, and is not particularly limited. Not something.
[0064]
That is, the light emitting layer 7 may be made of a stress light emitting material alone or a resin such as a stress light emitting material (an inorganic material such as alumina and silica, and an organic material such as plastic, resin and rubber), similarly to the light emitting unit 3. ) Can be used as a mixture. In the present embodiment, for example, a mixture of the powdered stress-stimulated luminescent material and a transparent optical resin is used. In this case, it is preferable to select a transparent optical resin having a lower refractive index than the material of the core layer 4 of the optical fiber 10. Therefore, it is preferable to use polyimide, polyethylene terephthalate, polycarbonate, transparent silicon rubber, or the like as the optical resin to be used.
[0065]
In addition, as a method for manufacturing the light emitting layer 7, a conventionally known method can be used and is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 5, it can be manufactured by extrusion or drawing using multiple nozzles. Specifically, a method in which a mixture of a stress-stimulated luminescent material and an optical resin is injected from the central nozzle 30 and a resin to be the core layer 4 of the optical fiber 10 is injected from the peripheral nozzle 31 can be mentioned.
[0066]
The light emitting layer 7 is preferably provided along the central axis of the optical fiber 10, but may be provided at a position slightly deviated from the central axis.
[0067]
The light emitting layer 7 may have a single continuous structure or a structure in which a plurality of light emitting layers 7 are intermittently arranged.
[0068]
Further, in the longitudinal direction (axial direction) of the optical fiber 10, a plurality of light emitting layers 7 using stress light emitting materials having different emission spectra can be provided. That is, a plurality of light emitting layers 7 each having a stress light emitting material having a different emission spectrum can be provided continuously or intermittently along the longitudinal direction of the optical fiber 10. In this case, various stress-stimulated luminescent materials having different emission spectra as described in (1-1) can be used for the light-emitting layer 7. Furthermore, the plurality of light emitting layers 7 each having a stress light emitting material that emits light having a different emission spectrum can be provided in the optical fiber 10 in any combination and order.
[0069]
In addition, the optical fiber sensor 11 according to the present invention is, in other words, a light emitting layer 7 formed by mixing a stress light emitting material whose material itself emits light in proportion to the stress into a transparent material, provided at the center of the optical fiber 10. You can also.
[0070]
It can also be said that it is preferable to provide a plurality of light emitting layers 7 using stress light emitting materials having different emission spectra in the longitudinal direction of the optical fiber sensor 11.
[0071]
(2-2) Function of optical fiber sensor 11
Since the optical fiber sensor 11 has the above configuration, it has the following functions.
[0072]
The optical fiber sensor 11 is preferably used when performing stress measurement without defining a measurement point, for example, when performing stress measurement along a single straight line or curve.
[0073]
That is, when a load is applied to an arbitrary position of the optical fiber sensor 11, the stress-stimulated luminescent material in the light-emitting layer 7 emits light in proportion to the magnitude of the stress. This light is sent to the core layer 4 of the optical fiber 10. Then, for example, by measuring this light with a light detector or the like connected to the end of the optical fiber, the magnitude of the load applied to the optical fiber sensor 11 can be measured.
[0074]
Further, as described above, a plurality of light emitting layers 7 each having a stress light emitting material that emits light having a different emission spectrum can be provided continuously or intermittently along the longitudinal direction of the optical fiber 10.
[0075]
Therefore, for example, by providing a photodetector or the like at the end of the optical fiber sensor 11, information on light emitted by the stress generated by the application of a load (emission spectrum characteristics, wavelength, frequency, emission intensity, etc.) Can be identified. That is, it is possible to check at which position the light emitting layer 7 emitted light, and to identify the position where the load is applied to the optical fiber sensor 11. Also, when a load is simultaneously applied to the optical fiber sensor 11 at a plurality of positions, the magnitude of the stress and the load and the applied position can be easily separated by analyzing the light information such as the emission spectrum. Can be specified.
[0076]
The optical fiber sensor 11 does not require a special power supply to drive the sensor, and can be used in a flammable environment, like the optical fiber sensor 1. In addition to being not affected by electromagnetic noise, the laser light can be used for remote measurement of stress without constantly entering a laser beam.
[0077]
Further, the optical fiber sensor 11 can be used for measuring a continuous shape change. For this reason, as a specific usage of the optical fiber sensor 11, for example, it can be used for monitoring a change in the shape (distortion or the like) of the ground or a building.
[0078]
[Embodiment 3]
The stress measuring device using the optical fiber sensor 1 or the optical fiber sensor 11 will be described below.
[0079]
(3) Stress measuring device 20
(3-1) Configuration of stress measurement device 20
The means for measuring the stress in the present invention may be a stress measurement system using an optical fiber sensor, a light detection means, and a computer functioning as the stress measurement means. Specifically, for example, a stress measuring device 20 shown in FIG. 3 can be mentioned.
[0080]
The stress measuring device 20 using the above-described optical fiber sensor 1 or 11 will be described below with reference to FIG. However, the present invention is not limited to this.
[0081]
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the stress measuring device according to the present invention. As shown in FIG. 3, the stress measuring device 20 includes an optical fiber sensor 1 (or an optical fiber sensor 11), a light detecting unit 2, a computer 21, a monitor 24, and a display unit 25.
[0082]
The optical fiber sensor 1 or the optical fiber sensor 11 converts an externally applied stress into an optical signal.
[0083]
The light detection unit 2 is a light detection unit for detecting light transmitted from the optical fiber 10. Specifically, the light detection unit 2 includes a conventionally known light detection device such as a photodiode, a phototransistor, a charge coupled device (CCD), or a photomultiplier tube. There is no particular limitation as long as the detection result such as the detected light intensity and emission spectrum is output as a mechanical operation such as an electric signal or a pen movement.
[0084]
Further, the light detection unit 2 can also separately detect the light emitted from the above-described optical fiber sensor 11 for each feature of the emission spectrum. Specifically, the light detection unit 2 can recognize the wavelength, frequency, and the like of the light, classify the light according to characteristics of the emission spectrum, and output the light to the outside as an electric signal or the like.
[0085]
Note that, of the ends of the optical fiber 10 in the optical fiber sensor 11, the reflection unit can be provided at the end where the light detection unit 2 is not provided, or the light detection unit 2 can be provided at both ends of the optical fiber 10 in the optical fiber sensor 11. Can also be provided. In this case, the light generated by the applied stress is not emitted to the outside, and the magnitude of the load applied to the optical fiber sensor 11 can be measured more accurately, and the position where the load is applied can be specified more accurately. Can be.
[0086]
The computer 21 has only to function as a stress measurement unit and include at least an operation unit 22 and a memory (storage unit) 23. That is, the value of the applied load is processed by the computer 21 including the calculation unit 22 and the memory 23 on the signal of the light detection unit 2, and is displayed via the display unit 25.
[0087]
More specifically, the calculation unit 22 calculates the load applied to the optical fiber sensor 1 (or the optical fiber sensor 11) based on the electric signal sent from the light detection unit 2. The operation unit 22 controls the operation of the stress measurement device 20. Specifically, the control unit 22 outputs control information to each unit of the light detection unit 2, the monitor 24, the memory 23, and the display unit 25. The above-described units operate in cooperation based on this control information, whereby the entire stress measuring device 20 operates.
[0088]
The specific configuration of the arithmetic unit 22 is not particularly limited, and a conventionally known arithmetic unit is suitably used. Specifically, it is preferable that the computer function as a central processing unit (CPU) of a computer and that the operation be executed according to a computer program. That is, the calculation unit 22 performs a calculation in which the CPU measures the magnitude, position, and the like of the load applied to the optical fiber sensor 1 (or the optical fiber sensor 11) based on a signal sent from the light detection unit 2 according to a computer program. It just needs to be executed.
[0089]
Specifically, for example, information such as the material of the light emitting layer 7 provided on the optical fiber sensor 11, the light emission spectrum of light emitted when a load is applied, the position, and the like are input to the computer 21 in advance, and the information is stored in the memory 23. By storing the information, the arithmetic unit 22 can analyze the position of the light emitting layer 7 from which the light is emitted based on the electric signal from the light detecting unit 2, and the load is applied to the optical fiber sensor 11. The position at which the stress due to is generated can be easily specified.
[0090]
Information can be input to the computer 21 via an input unit (not shown). The input unit is not particularly limited as long as it can input information related to the operation of the stress measuring device 20, and a conventionally known input unit such as a keyboard, a tablet, or a scanner can be suitably used. Further, for example, information such as the above-described stress measurement results and position identification results can be processed by input from an input unit.
[0091]
The memory 23 stores various information (control information, light emission intensity, characteristics of light emission spectrum, other information, etc.) used in the stress measurement device 20. Specifically, for example, semiconductor memory such as RAM and ROM, magnetic disk such as floppy disk and hard disk, disk system of optical disk such as CD-ROM / MO / MD / DVD, IC card (including memory card) / optical disk Various conventionally known storage means such as a card system such as a card can be suitably used.
[0092]
In addition, the memory 23 may be integrated with the stress measuring device 20 to be one device, or may be a separate external storage device. The configuration may be such that both the memory 23 and the external storage device are provided. For example, examples of the integrated memory 23 include a built-in hard disk and a floppy disk drive, a CD-ROM drive, and a DVD-ROM drive incorporated in the device, and examples of the external storage device include an external hard disk and an external hard disk. And the various types of disk drives described above.
[0093]
The monitor 24 displays the light emission intensity of the light emitted from the light emitting unit 3 in the optical fiber sensor 1 or the light emitting layer 7 in the optical fiber sensor 11 based on the signal of the light detecting unit 2. The display unit 25 displays information processed by the computer 21 (for example, a stress value (stress value), an applied load value, a position where the load is applied, and the like).
[0094]
As the monitor 24 and the display unit 25, various display devices such as a well-known CRT display and a liquid crystal display are preferably used, but are not particularly limited.
[0095]
Further, the stress measurement device 20 may include a printing unit (not shown). The printing unit records (prints and forms images) various types of information that can be displayed on the monitor 24 and the display unit 25 on a recording material such as PPC paper. Specifically, a known image forming apparatus such as an ink jet printer or a laser printer is preferably used, but is not particularly limited.
[0096]
The monitor 24, the display unit 25, and the printing unit can be collectively expressed as an output unit. That is, the monitor 24 and the display unit 25 are means for outputting various information by soft copy, and the printing unit is means for outputting various information by hard copy. Therefore, the output unit used in the present invention is not limited to the monitor 24, the display unit 25, and the printing unit, and may include other output units.
[0097]
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of another embodiment of the stress measuring device 20. That is, for example, as illustrated in FIG. 4, the stress measurement device 20 may include a communication unit 26 so that various types of information can be input and output via a communication network including the Internet.
[0098]
The communication unit 26 is capable of transmitting and receiving various information by connecting to a communication network. In FIG. 4, a stress measuring device 20, a personal computer (PC) 61, and a server 62 in the same premises are connected to a communication line 60 to form a bus-type LAN (local area network). It is also connected to a PC 61 located in another area via the Internet.
[0099]
The specific configuration of the communication unit 26 is not particularly limited, and a known LAN card, LAN board, LAN adapter, modem, or the like can be suitably used.
[0100]
As the PC 61, a known personal computer having a communication means such as a modem can be suitably used, and is not limited to a desktop type or a notebook type. It is assumed that the PC 61 has a basic configuration including a display unit such as a CRT display or a liquid crystal display and an input unit such as a keyboard and a mouse. For convenience of explanation, a display unit and an input unit (not shown) provided in the PC 61 are referred to as a PC display unit and a PC input unit.
[0101]
The PC 61 may be provided with hardware (for example, various input units such as a scanner and various output units such as a printer) that can be externally attached to a general personal computer.
[0102]
The specific configuration of the server 62 is not particularly limited either, and may be any computer that can provide a service to the PC 61 and the stress measurement device 20 that are clients constituting the LAN. Further, the server 62 may also serve as a database server or a file server.
[0103]
The specific configuration of the communication line 60 is not particularly limited, and a conventionally known general communication line can be used. Further, the type of the LAN constructed using the communication line 60 is not limited to the bus type, but may be any conventionally known type such as a star type or a ring type.
[0104]
Although not shown, the LAN may include other terminals such as a shared printer. In addition, although not shown, the communication network including the LAN may include various types of communicable portable information terminals.
[0105]
In the network having the above configuration, for example, after the stress measurement device 20 measures the stress generated by applying a load to the optical fiber sensor 1 (or the optical fiber sensor 11), the measurement result is simply stored in the stress measurement device 20 ( That is, it can be output not only on the monitor 24 and the display unit 25) but also on the PC 61 via the LAN. In the PC 61, the result obtained from the stress measuring device 20 can be displayed on the PC display unit or printed by a printer. Further, the measurement result of the stress described above can be obtained by input from the PC input unit, Information such as the result of specifying the position can also be processed.
[0106]
That is, the communication unit 26 functions not only as a communication unit but also as an input unit of the stress measurement device 20. Further, in particular, information relating to the measurement of the load applied to the optical fiber sensor 1 (or the optical fiber sensor 11) at a remote place away from the place where the stress measuring device 20 is located using the PC 61 via the Internet. When transmitting (e.g., light emission intensity, light emission spectrum, etc.) or receiving a measurement result, it is possible to provide a service for providing stress measurement to any customer.
[0107]
When the PC 61 is connected to the stress measuring device 20 via the LAN, for example, if there is one stress measuring device 20 in a research facility or the like, another researcher can use an information terminal such as the PC 61. The stress measurement device 20 can be shared. Therefore, the present invention can be implemented more efficiently.
[0108]
Further, when the server 62 also serves as a database server or a file server, the result of the stress measurement performed via the communication network can be accumulated in the server 62 via the communication network. As a result, it is possible to more effectively use the stress measurement results and the like.
[0109]
In addition, according to the present invention, the stress measurement and the like according to the present invention can be performed by a program on a computer. However, a recording medium for recording the program can be downloaded from a communication network. Also, a medium that carries a program is also included. For example, if a stress measurement program is recorded in the recording unit of the server 62, the stress measurement device 20 may appropriately download the stress measurement program from the server 62 and use it. However, when the stress measurement device 20 downloads the program from the communication network, the download program is stored in advance in the stress measurement device 20 main body or is installed from another recording medium. .
[0110]
Further, when connected to the server 62 via a communication network like the PC 61, the PC 61 itself can be used as the stress measurement device 20 by downloading a program for stress measurement from the server 62. .
[0111]
(3-2) Function of stress measuring device 20
Since the stress measuring device 20 according to the present invention has the above configuration, it has the following functions.
[0112]
In the stress measuring device 20 having the optical fiber sensor 1 described above, when a load is applied from the outside to the tip of the optical fiber sensor 1 to generate a stress, the stress-emitting material of the light emitting section 3 emits light in proportion to the magnitude of the stress. discharge. This light is sent to the core layer 4 of the optical fiber 10 directly and / or after being reflected by the reflection unit 6.
[0113]
Then, the light is detected by the light detection unit 2 attached to the end of the optical fiber sensor 1 and transmitted to the computer 21 as an electric signal (light information such as light emission intensity). Next, the computer 21 measures the magnitude of the stress based on the information of the electric signal from the light detection unit 2 using the calculation unit 22 and the memory 23.
[0114]
Similarly, in the stress measuring device 20 having the optical fiber sensor 11, when a load is applied to the optical fiber sensor 11 from outside, the stress-emitting material of the light emitting layer 7 emits light in proportion to the magnitude of the stress. This light is sent to the core layer 4 of the optical fiber 10.
[0115]
Then, the light is detected by the light detection unit 2 attached to the end of the optical fiber sensor 11 and transmitted to the computer 21 as an electric signal (information of light such as emission intensity). Next, the computer 21 measures the magnitude of the stress based on the information of the electric signal from the light detection unit 2 using the calculation unit 22 and the memory 23.
[0116]
Further, at this time, when the optical fiber sensor 11 is provided with a plurality of light emitting layers 7 formed using stress light emitting materials that emit different emission spectra, when a load is applied to the optical fiber sensor 11, the load is reduced. Stress is generated in the light emitting layer 7 provided at the position where the light is applied, and light is emitted from the stress light emitting material in the light emitting layer 7.
[0117]
This light is sent to the core layer 4 of the optical fiber 10 and detected by the light detection unit 2. At this time, the light detection unit 2 classifies the light according to the characteristics of the light (emission spectrum, frequency, wavelength, etc.) and sends the light to the computer 21 as an electric signal.
[0118]
The computer 21 can use the arithmetic unit 22 and the memory 23 to analyze the position of the light emitting layer 7 where the light is emitted based on the electric signal, and specify the position where the load is applied.
[0119]
Further, even when a load is applied to a plurality of positions at the same time, the stress measuring device 20 can separate and specify the magnitude of each load and the position to which the load is applied similarly by analyzing the emission spectrum and the like. .
[0120]
Therefore, the stress measuring device 20 does not require a special power supply to drive the sensor, and can be used even in a flammable environment. Further, not only is it not affected by electromagnetic noise, but also it is possible to perform remote measurement of stress without constantly inputting laser light.
[0121]
Further, it is preferable that the stress measurement device 20 having the optical fiber sensor 1 is used when a measurement point is determined and stress is measured. For this reason, for example, by using the device having a catheter used for endovascular treatment or the like, it can be used for medical examination or treatment. It can also be used for disaster rescue and inspection and maintenance without disassembling and disassembling complicated machines and pipes.
[0122]
Further, the stress measurement device 20 having the optical fiber sensor 11 is preferably used when performing stress measurement without setting a measurement point, for example, when performing stress measurement along one straight line or curve. That is, the stress measuring device 20 having the optical fiber sensor 11 can be used for continuous shape change measurement. For this reason, for example, it can be used for monitoring changes in the shape (distortion or the like) of the ground or a building.
[0123]
It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and various changes can be made within the scope shown in the claims, and are obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
[0124]
【The invention's effect】
As described above, the optical fiber sensor of the present invention includes, at the end of the optical fiber, a light emitting unit having a stress light emitting material whose light emission intensity increases in proportion to the magnitude of the stress, and the light emitting unit and the light emitting unit. The light emitting unit has a configuration in which a reflecting unit that reflects light emitted by the light emitting unit is formed on the surface of the light emitting unit other than the coupling unit with the optical fiber.
[0125]
Therefore, it is not necessary to always apply a laser beam, and an optical fiber sensor having excellent electromagnetic noise resistance and explosion proof property and capable of remotely detecting an applied load can be provided. Further, the size of the optical fiber sensor can be further reduced, and the cost can be reduced.
[0126]
Further, it is more preferable that the shape of the surface of the light emitting portion other than the coupling portion between the light emitting portion and the optical fiber is parabolic.
[0127]
According to the above configuration, there is an effect that light generated by the stress generated in the light emitting unit can be more efficiently transmitted through the optical fiber.
[0128]
Further, it is more preferable that the light emitting section includes a stress light emitting material and an optical resin.
[0129]
According to the above configuration, the optical resin can be used as a kind of binder of the stress-stimulated luminescent material. For this reason, there is an effect that the light emitting unit can be formed into an arbitrary shape to improve the light transmission efficiency.
[0130]
Further, the stress measurement device according to the present invention, in the optical fiber of the optical fiber sensor, at an end other than the end provided with the light emitting unit, a light detecting unit for detecting light emitted from the light emitting unit. And a stress measuring unit for measuring the magnitude of the stress based on the information of the light detected by the light detecting unit.
[0131]
According to the above configuration, the stress measurement device does not require a special power supply device to drive the sensor, is not affected by electromagnetic noise, and further, always receives laser light. Telemetry of the stress can be performed without having to do so. For this reason, it is possible to further reduce the size of the stress measurement device and to reduce the cost.
[0132]
Further, in order to solve the above-mentioned problem, the optical fiber sensor according to the present invention has a luminescent material having a stress-stimulated luminescent material in which the luminous intensity increases in proportion to the magnitude of the stress inside the optical fiber. This is a configuration in which a layer is provided.
[0133]
According to the above configuration, the optical fiber sensor can be used when measuring stress without defining a measurement point, for example, when performing stress measurement along a straight line or a curve. For this reason, there is an effect that the present invention can be used to measure continuous applied stress (strain or the like) instead of measuring a point.
[0134]
In addition, there is no need to constantly enter a laser beam, and the optical fiber sensor is excellent in electromagnetic noise resistance and explosion proof property, and has an effect that an optical fiber sensor capable of remotely detecting an applied load can be formed. Further, the size of the optical fiber sensor can be further reduced, and the cost can be reduced.
[0135]
Further, the optical fiber sensor may have a configuration in which a plurality of the light emitting layers are provided in the longitudinal direction of the optical fiber, and each of the light emitting layers has a stress light emitting material having a different emission spectrum. .
[0136]
According to the above configuration, it is possible to identify the position and magnitude of the applied load by identifying the characteristics of the emission spectrum of the light emitted from the stress-stimulated luminescent material.
[0137]
Further, the stress measurement device according to the present invention, in the optical fiber sensor, at the end of the optical fiber, provided with a light detection unit for detecting light emitted from the light emitting layer, the light detection unit It is configured to include a stress measurement unit for measuring and specifying the magnitude of the applied load and / or the position of the applied load based on information of the detected light.
[0138]
According to the above configuration, the stress of the light emitting layer can be calculated, and the applied load can be measured.
[0139]
Further, the stress measurement unit can specify the position of the load applied to the optical fiber sensor based on information (emission spectrum, wavelength, frequency, etc.) of the light detected by the light detection unit.
[0140]
According to the above configuration, the stress measurement device does not require a special power supply device to drive the sensor, is not affected by electromagnetic noise, and further, always receives laser light. Telemetry of the stress can be performed without having to do so. For this reason, it is possible to further reduce the size of the stress measurement device and to reduce the cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of the vicinity of a light emitting unit 3, which is a characteristic part of one embodiment of an optical fiber sensor according to the present invention, cut along a plane along the axial direction of an optical fiber.
FIG. 2 is a sectional view of an optical fiber of another embodiment of the optical fiber sensor according to the present invention, cut along a plane perpendicular to an axial direction.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a stress measuring device according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of another embodiment of the stress measuring device according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view showing an example of a method for manufacturing a light emitting layer of the optical fiber sensor according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Optical fiber sensor
2 Light detector
3 Light emitting unit
3a Joint
4 Core layer
5 Cladding layer
6 Reflector
7 Light-emitting layer
8 Protective layer
10 Optical fiber
10a end
11 Optical fiber sensor
20 Stress measuring device
21 Computer
22 Operation part
23 memory
24 monitors
25 Display
26 Communication unit
60 communication line
61 PC
62 Server

Claims (7)

光ファイバーの端部に、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光部が設けられているとともに、
前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面に、前記発光部の発光した光を反射する反射部が形成されていることを特徴とする光ファイバーセンサ。At the end of the optical fiber, a light emitting portion having a stress light emitting material whose light emission intensity increases in proportion to the magnitude of the stress is provided,
An optical fiber sensor, characterized in that a reflection part for reflecting light emitted from the light emitting part is formed on a surface of the light emitting part other than a coupling part between the light emitting part and the optical fiber. 前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面の形状が、放物面状であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーセンサ。The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the shape of the surface of the light emitting unit other than the joint between the light emitting unit and the optical fiber is parabolic. 前記発光部は、応力発光材料と光学樹脂とを含んでなるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバーセンサ。The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the light emitting unit includes a stress light emitting material and an optical resin. 請求項１、２または３に記載の光ファイバーセンサの光ファイバーにおける、発光部が設けられている端部以外の端部に、前記発光部から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、
前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、応力の大きさを計測するための応力計測部を備えていることを特徴とする応力計測装置。4. An optical fiber of the optical fiber sensor according to claim 1, further comprising a light detection unit for detecting light emitted from the light emitting unit at an end other than the end provided with the light emitting unit. Along with
A stress measurement device, comprising: a stress measurement unit for measuring a magnitude of stress based on information of light detected by the light detection unit. 光ファイバーの内部に、その中心軸に沿って、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光層が設けられていることを特徴とする光ファイバーセンサ。An optical fiber sensor, wherein a light emitting layer having a stress light emitting material whose light emission intensity increases in proportion to the magnitude of a stress is provided inside an optical fiber along a central axis thereof. 前記発光層が、光ファイバーの長手方向に複数設けられているとともに、前記各発光層がそれぞれ、発光スペクトルが異なる応力発光材料を有していることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバーセンサ。The optical fiber sensor according to claim 5, wherein a plurality of the light emitting layers are provided in a longitudinal direction of the optical fiber, and each of the light emitting layers includes a stress light emitting material having a different emission spectrum. 請求項５または６に記載の光ファイバーセンサにおける、光ファイバーの端部に、前記発光層から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、
前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、印加された荷重の大きさ、及び／又は、印加された荷重の位置を計測特定するための応力計測部を備えていることを特徴とする応力計測装置。The optical fiber sensor according to claim 5, further comprising a light detecting unit for detecting light emitted from the light emitting layer at an end of the optical fiber,
A stress measuring unit for measuring and specifying the magnitude of the applied load and / or the position of the applied load based on information of the light detected by the light detecting unit. Stress measurement device.
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