JP2007139698A - 歪センシング用光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】大型構造物の歪センシングに適した歪センシング用光ファイバを提供すること。
【解決手段】ＰＣファイバ５を歪センシング用光ファイバとして用いると、歪検出対象である複合材料等４の形状（曲率半径５ｍｍの曲線があってもよい）に沿ってＰＣファイバ５を敷設したときに発生する機械的な外乱、たとえば曲げや非軸対称応力に対しても強くなり、感度を落とすことなく光ファイバ本来の歪検出性能が維持される。また、この性質により、ＰＣファイバ５を長く敷設しても、透過損失が僅かであり、適切に歪を検出できる。さらに、光ファイバ自体が上記の如く曲げ等の変形に対して強いので、被覆材料６の選択自由度が向上する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、航空機やプラント等の構造体に用いられる材料へ敷設する歪センシング用光ファイバに関する。

図６は、従来の歪センシング用光ファイバを複合材料に埋設したときの構造を示す断面図である。コアとクラッドを含む歪センシング用光ファイバ２０（以下、単に光ファイバという。）は、航空機等の大型構造物を構成する複合材料２２に埋設される場合がある。この場合、曲げ変形や、非軸対称応力に対して損失などの光学特性変化の大きい従来の光ファイバは、弾性係数の小さな材料、たとえばゲル状材料を選択して、保護用の被覆２１としていた。

図７は、亀裂２３が開口したときの歪検出対象に対して光ファイバ２０を敷設したときの様子を示す説明図である。図８は、図７の亀裂２３を検出しようとしたときの結果を示すグラフであり、横軸は位置、縦軸は歪である。一般に、光ファイバ２０は、歪検出対象の伸びによる歪を主な検出対象とする。図７のように歪検出対象に亀裂２３が生じて歪が生じたとき、その位置に応じて光ファイバ２０内を透過する光の散乱光や反射光等を分析することにより、歪を検出することができる。従来の光ファイバ２０は、曲げ等の変形を受けると透過損失が著しく増大するので、大型構造物の歪を検出するためには、短い光ファイバをマトリクス状に張り巡らせていた（たとえば、特許文献１）。

特開平９−２７３９０６号公報

しかしながら、図８を見るとわかるように、従来の光ファイバでは、検出されるべき歪の理論値２４に対して、実際に検出される歪の計測値２５（感度）は、大きく鈍ってしまう。これは、従来用いていた光ファイバが、曲げや、非軸対称応力に対してデリケートであり、これを保護するために、弾性係数が小さな被覆２１を用いらざるを得ず、検出対象の応力（伸び）が光ファイバ自体に伝達しにくくなるからである。また、弾性係数の大きな被覆２１を用いると、光ファイバ内の光伝達ロスもしくは偏光状態の不安定が生じ、長距離にわたる歪計測は困難であった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、曲げ変形や非軸対称応力に対して強く、長距離にわたる歪検出が可能となる歪センシング用光ファイバを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る歪センシング用光ファイバは、歪を検出したい箇所に敷設し、ファイバを透過する光を分析することによって当該歪を検出する歪センシング用光ファイバにおいて、光ファイバとしてフォトニック結晶ファイバを用いるようにしたものである。

光ファイバとしてフォトニック結晶ファイバを用いると、歪検出対象である複合材料等の形状に沿って光ファイバを敷設したときに発生する機械的な外乱に対しても、光学特性が安定しており、光ファイバ本来の検出性能が維持される。また、この性質により、光ファイバを長く敷設しても、透過光強度を維持でき、適切に歪を検出できる。さらに、光ファイバ自体が上記の如く曲げ等の変形に対して安定した光学特性を維持できるので、被覆材料の選択自由度が向上する。

また、本発明に係る歪センシング用光ファイバは、前記歪センシング用光ファイバにおいて、被覆材としてポリイミドを用いるようにしたものである。

歪検出対象が熱硬化樹脂で構成されるものであって、その内部に光ファイバを埋設する場合、ポリイミドは高い耐熱性を有し、かつ、弾性係数も高いので、歪センシング光ファイバの被覆に用いれば、当該熱硬化樹脂の内部において、フォトニック結晶を用いた歪センシング用光ファイバの特性を最大限に引き出すことができる。

本発明にかかる歪センシング用光ファイバによれば、曲げ変形や非軸対称応力に対して耐力があり、１本の光ファイバで、長距離にわたる歪検出が可能となる。また、被覆材料の選択自由度が向上し、必要とされる耐熱性能、弾性に応じて適切な被覆を選択可能となる。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、歪センシング用光ファイバの構造を示す断面図である。この発明では、光ファイバにフォトニック結晶ファイバ（以下、ＰＣファイバと略する。）を用いる。ＰＣファイバは、コア１の周りのクラッド２にエアホール３があるのが特徴である。当該エアホール３の大きさや、配列を適当に設計することにより、光を閉じこめる性能が向上し、光ファイバとしての光学特性を変化させることができる。

ＰＣファイバを歪センシング用光ファイバとして用いると、歪検出対象である複合材料等の形状（曲率半径５ｍｍの曲線があってもよい）に沿って光ファイバを敷設したときに発生する機械的な外乱（曲げ変形や非軸対称応力）に対しても強くなり、感度を落とすことなく光ファイバ本来の歪検出性能が維持される。また、この性質により、光ファイバを長く敷設しても、透過光強度を十分に保つことができ、適切に歪を検出できる。さらに、光ファイバ自体が上記の如く曲げ等の変形に対して強いので、被覆材料の選択自由度が向上する。

図２は、亀裂７が開口したときの歪検出対象に対して光ファイバ５を敷設したときの様子を示す説明図である。図３は、図２の亀裂７を検出する場合の検出性能を示すグラフであり、横軸は位置、縦軸は、歪である。図２のように歪検出対象４に亀裂７が生じて歪が生じたとき、その位置に応じて光ファイバ５内を透過する光の散乱光や反射光等を分析することにより、歪を検出することができる。

従来の性能である図８と図３とを比較するとわかるように、従来の光ファイバでは、検出されるべき歪の理論値２４に対して、実際に検出される歪の計測値２５（感度）が、大きく鈍ってしまっていた。それに対し、ＰＣファイバ５を用いたときの計測結果９は、理論値８に十分近づいた。これは、ＰＣファイバ５自体が曲げ変形や非軸対称応力に対して光学特性が安定しており、被覆６には、応力伝達性の良いものを選択できるからである。

図４は、光ファイバの被覆の有無による歪感度の差を示すグラフであり、横軸は位置、縦軸は光ファイバ軸方向歪である。これを見ると、一点鎖線で示す負荷歪み場（歪が生じる箇所）に対して、弾性率の低い被覆が有る場合、点線で示すように（符号１２）どうしても感度が鈍ってしまう。それに対して、被覆が無い場合、実線で示すように（符号１１）感度よく歪み場によく追従している。つまり、光ファイバの性能と同様に被覆の選択も、光ファイバを用いた歪センシングには重要となる。

図５は、光ファイバを計測対象に埋設したときの被覆の有無が光ファイバ内透過光強度に及ぼす影響を示すグラフであり、横軸は光ファイバの距離、縦軸は透過光強度である。これを見ると、埋設前の初期状態である一点鎖線１３に対して、被覆がある場合１４は、光ファイバを長く敷設しても、透過光強度があまり低下しない。一方、被覆が無い場合１５は、点線で示したように光ファイバを長く敷設していくに従って、透過光強度が著しく低下する。

上記のように、光ファイバを歪センシング用として用いる場合、被覆が完全に無ければよいという単純なものではなく、接着性の良い被覆を選択することが重要となる。この点でも、この発明にかかるＰＣファイバは、それ自体、曲げ等の機械的外乱に対して十分な光学特性を保持できるので、被膜には、応力伝達力の良いもの、たとえば、弾性率が高いもの、薄いもの、耐熱特性が良いもの等、選択の幅を大きくとれ、歪検出対象の材料に応じて適当なものを選択できるという利点がある。

また、歪検出対象が熱硬化性樹脂（不飽和ポリエステル、エポキシ、フェノール樹脂等）のうち、たとえば、エポキシ系の複合材料であり、ＰＣファイバを当該材料に埋設する場合、被覆にポリイミド樹脂被覆または、ポリイミド蒸着被覆を用いると、エポキシと繊維を焼き固める際の熱にも耐えることが可能である。たとえば、航空機の主翼のような大型構造物のエポキシ系複合材料は、１８０℃で２時間焼き固める場合もある。ＰＣファイバにポリイミド被覆の組み合わせを用いれば、この熱にも耐えることができ、当該構造物の歪検出に利用できる。

また、ＰＣファイバにポリイミド被覆の組み合わせは、光ファイバ内の光伝達ロス、偏光状態の不安定も生じず、歪センシングとしては最適となる。なお、一般的な光ファイバにポリイミド被覆、またはポリイミド蒸着皮膜を用いても光の透過性が劣化してしまい、歪センシング用光ファイバとして長い距離を計測することができない。

このように、この発明にかかるＰＣファイバは、機械的外乱に強く、ファイバ内の透過光強度も高く維持できる。このため、長い距離を１本のＰＣファイバで歪検出することができる。換言すれば、ＰＣファイバは、大型構造物の歪分布を高い空間分解能で検出可能な歪計測システムに適した光ファイバといえる。

本発明にかかる歪センシング用光ファイバは、航空機、船舶等、比較的大型の構造物の歪検出に用いられる歪センシング用光ファイバの生産、使用に適している。

歪センシング用光ファイバの構造を示す断面図である。 亀裂が開口したときの歪検出対象に対して光ファイバを敷設したときの様子を示す説明図である。 図２の亀裂を検出する場合の検出性能を示すグラフであり、横軸は位置、縦軸は歪である。 光ファイバの被覆の有無による歪感度の差を示すグラフであり、横軸は位置、縦軸は光ファイバ軸方向歪である。 光ファイバを計測対象に埋設したときの被覆の有無が光ファイバ内透過光強度に及ぼす影響を示すグラフであり、横軸は光ファイバの距離、縦軸は透過光強度である。 従来の歪センシング用光ファイバを複合材料に埋設したときの構造を示す断面図である。 亀裂が開口したときの歪検出対象に対して光ファイバを敷設したときの様子を示す説明図である。 図７の亀裂を検出しようとしたときの結果を示すグラフであり、横軸は位置、縦軸は歪である。

符号の説明

１ コア
２ クラッド
３ エアホール
４ 歪検出対象
５、２０ 光ファイバ
６、２１ 被覆
７、２３ 亀裂
８、２４ 理論値
９、２５ 計測結果
２２ 複合材料
２４ 理論値
２５ 計測値

Claims (2)

1. 歪を検出したい箇所に敷設し、ファイバを透過する光を分析することによって当該歪を検出する歪センシング用光ファイバにおいて、
   光ファイバとしてフォトニック結晶ファイバを用いることを特徴とする歪センシング用光ファイバ。
2. 被覆材としてポリイミドを用いることを特徴とする請求項１に記載の歪センシング用光ファイバ。

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