JP2007178232A - 締結具の剪断荷重測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】締結具の表面の近傍箇所に設置した光ファイバセンサによって検出される光学的特性に基づいて直接的に締結具にかかる剪断荷重を測定し、測定精度を飛躍的に向上することができる締結具に作用する剪断荷重の測定方法を提供する。
【解決手段】測定対象である締結具１０の長手方向の表面に沿って表面の近傍箇所に光ファイバセンサ１７を設けるセンサ設置ステップＳ１と、締結具１０に剪断荷重を加えたとき、締結具１０の変形に対して直接的に対応する光ファイバセンサ１７の光学特性の変化に基づいて、締結具１０に作用する剪断荷重を測定する測定ステップＳ２と、から成る。
【選択図】図２

Description

本発明は締結具の剪断荷重測定方法に関し、特に、光ファイバセンサを用いた締結具の剪断荷重測定方法に関するものである。

航空機において、大荷重の伝達をするボルト継手部は、部材間の面圧を下げ冗長性をあげるために通常複数のボルトを用いて締結するようにしている。このボルト継手部に用いられるボルトは、精密公差の孔を介して荷重が伝えられる剪断ボルトである。この場合、ボルト継手部での各ボルトに実際にかかる荷重（荷重分配）は、各ボルトや各孔の変形により変化する。そのため、通常の応力解析に用いられる手法である有限要素法（ＦＥＭ）解析を用いるだけでは、ボルト継手部での各ボルトに実際にかかる荷重を厳密に予測することは難しい。その上、その有限要素法による解析結果が正しいことの検証をすることも困難である。そのため、一般には、ボルト１本の許容耐力よりかなり低い荷重が各ボルトにかかる程度に非常に安全側の設計を行うようにしている。また、ボルト継手部の各ボルトにかかる荷重を調べるために、実際のボルト継手部の機械要素の破壊試験を行うなどする必要があった。

このように、航空機などにおける大荷重の伝達をするボルト継手部の解析的な最適設計は難しいものであった。もし、実際のボルトの荷重分配が分かれば、ボルト継手部における実際にかかる荷重の解析をすることが容易となり、また、ボルト継手部の設計の精度が向上し、従来の設計より軽量で高信頼性のある最適な設計が可能となる。しかしながら、これまで、ボルトの荷重分配を直接精度良く計測する方法はなく、ただ、ボルト孔周りに歪みゲージを貼ってその部分での歪みを測定し、間接的にボルトの荷重分配を測定するといった方法しかなかった。

このような問題を解決するため、光ファイバセンサを、ボルトの中実軸部の内部に埋め込んで、ボルトの剪断荷重を計測する技術が考えられている（例えば、特許文献１参照）。これは、光ファイバセンサによって中実軸部の軸方向の歪み量を検知し、検知した軸方向歪み量とポアソン効果とに基づいて中実軸部に作用する剪断応力を測定する方法である。

また、光ファイバセンサによる精密計測技術の解説が非特許文献１に記載されている。
特開２００４−２１２２１０号公報 石川真二著、「光ファイバーグレーティングによる精密計測技術」応用物理、第６９巻、第６号（２０００）、６４８頁−６５４頁、２０００年６月１０日発行

上記特許文献１の方法の場合、ボルトにかかる剪断荷重を調べるためには光ファイバセンサで観測された軸方向の歪み量をポアソン効果に基づいて剪断応力に換算する必要があった。そのため、ボルトの中実軸方向の歪み量を正確に測るために、光ファイバセンサをボルトの内部にボルトの歪みが正確に光ファイバセンサの歪みに対応するようにボルト内に固定しなければならず、この固定は、非常に難しいものであった。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、締結具の表面の近傍箇所に設けた光ファイバセンサによって検出される光学的特性に基づいて直接的に締結具にかかる剪断荷重を測定し、測定精度を飛躍的に向上することができる締結具の剪断荷重測定方法を提供することにある。

本発明に係る締結具の剪断荷重測定方法は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１の締結具の剪断荷重測定方法（請求項１に対応）は、測定対象である締結具の長手方向の表面に沿って表面の近傍箇所に光ファイバセンサを設けるセンサ設置ステップと、締結具に剪断荷重を加えたとき、締結具の変形に対して直接的に対応する光ファイバセンサの光学特性の変化に基づいて、締結具に作用する剪断荷重を測定する測定ステップと、を含むことで特徴づけられる。

第１の締結具の剪断荷重測定方法によれば、測定対象である締結具の長手方向の表面に沿って表面の近傍箇所に光ファイバセンサを設けるセンサ設置ステップと、締結具に剪断荷重を加えたとき、締結具の変形に対して直接的に対応する光ファイバセンサの光学特性の変化に基づいて、締結具に作用する剪断荷重を測定する測定ステップと、から成るため、締結具にかかる剪断荷重を直接的に精度良く測定することができる。

第２の締結具の剪断荷重測定方法（請求項２に対応）は、上記の方法において、好ましくは変形は曲げ変形であることで特徴づけられる。

第３の締結具の剪断荷重測定方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、好ましくは測定ステップは、光学特性・剪断荷重対応関係データベースに基づいて剪断荷重を求めるステップを含むことで特徴づけられる。

第４の締結具の剪断荷重測定方法（請求項４に対応）は、上記の方法において、好ましくは光ファイバセンサは、締結具の軸に平行にして設けられることで特徴づけられる。

第５の締結具の剪断荷重測定方法（請求項５に対応）は、上記の方法において、好ましくは光ファイバセンサは、締結具に対して螺旋的位置関係で設けられることで特徴づけられる。

第６の締結具の剪断荷重測定方法（請求項６に対応）は、上記の方法において、好ましくは光ファイバセンサは、締結具の表面の軸方向に形成される溝に接着剤を介して埋設することで特徴づけられる。

第７の締結具の剪断荷重測定方法（請求項７に対応）は、上記の方法において、好ましくは光ファイバセンサのセンサ部の長さは、少なくとも、締結される２つの部材の重ねた板厚の厚みと同等の長さであることで特徴づけられる。

第８の締結具の剪断荷重測定方法（請求項８に対応）は、上記の方法において、好ましくは光ファイバセンサのセンサ部の長さは、締結部の軸部の全長であることで特徴づけられる。

第９の締結具の剪断荷重測定方法（請求項９に対応）は、上記の方法において、好ましくは光ファイバセンサは光ファイバグレーティングセンサであることで特徴づけられる。

第１０の締結具の剪断荷重測定方法（請求項１０に対応）は、上記の方法において、好ましくは光学特性は反射光特性であることで特徴づけられる。

第１１の締結具の剪断荷重測定方法（請求項１１に対応）は、上記の方法において、好ましくは光学特性は透過光特性であることで特徴づけられる。

本発明によれば、冗長性の観点から複数の部材を多数の締結具で締結してなる構造物においても、個々の締結具に作用される剪断荷重を正確に測定することが可能となり、構造設計上、大きく優位となり、例えば構造物の重量や信頼性に大きく付与する。
また、本発明によれば、締結具の外表面近傍に光ファイバセンサを配置することで、曲げ変形による引っ張りまたは圧縮の歪量を最大にして測定感度を高め、より高精度の剪断荷重測定が期待できる。光ファイバセンサを締結具の内部中央に配置すると、曲げ変形量が最小になり測定感度は低下する。
さらに、本発明によれば、光ファイバセンサを締結具外表面の浅い溝（０．３ｍｍ）に配置しているので、高精度の期待以外に、配設作業が簡単で再現性に優れ、測定感度アップも容易となる。併せて、浅い溝故に、締結具の軸径に影響がほとんどなく、溝に関わる補正が不要で、高精度の剪断荷重が得られる。
また、本発明によれば、部材の板厚が異なる場合でも、剪断面が締結具のどの位置にくる場合でも、測定感度は維持できる。 さらに、本発明によれば、どのような板厚でも、１つの計測具にて剪断荷重結果が得られるため、汎用性に優れ、計測具のコスト削減が期待できる。

以下、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る締結具の剪断荷重測定方法を示すフローチャートである。締結具の剪断荷重測定方法は、測定対象である締結具の長手方向の表面に沿って表面の近傍箇所に光ファイバセンサを設けるセンサ設置ステップＳ１と、締結具に剪断荷重が加わるとき、締結具の変形に対して直接的に対応する光ファイバセンサの光学特性の変化に基づいて、締結具に作用する剪断荷重を測定する測定ステップＳ２とから成る。測定ステップＳ２は、締結具の組み込み締め付け作業を行うステップＳ２１と、組み込み締め付けた締結具での光ファイバセンサの光学特性を測定するステップＳ２２と、光学特性・剪断荷重対応関係データベースからデータを取り出すステップＳ２３と、測定された光ファイバセンサからの光学特性と光学特性・剪断荷重対応関係データベースに基づいて締結具の剪断荷重を評価するステップＳ２４から成る。以下では、締結具の剪断荷重測定方法を各ステップで用いる部材、装置、およびデータを記述し、詳細に説明する。

図２は、それぞれ締結具の長手方向の表面に沿って表面の近傍箇所に光ファイバセンサを設けるセンサ設置ステップＳ１を行った締結具と光ファイバセンサを示す正面図である。また、図３、図４は、それぞれ図２でのとＡ−Ａ線断面図とＢ−Ｂ線断面図である。ボルト１０は、ねじ部１１と胴部１２と頭部１３とからなり、胴部１２の表面の近傍箇所に軸方向に平行に溝１４を掘り、ねじ部１１，頭部１３を貫通する孔１５，１６を掘ってある。また、孔１５，１６に光ファイバセンサ１７を通し、溝１４に光ファイバセンサ１７のセンサ部１７ｓを埋め込み、光ファイバセンサ１７をボルト１０に接着剤１８で接着する。光ファイバセンサ１７は、例えば、光ファイバグレーティングセンサを用い、特にファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いるとよい。以下では、光ファイバグレーティングセンサを用いた例で説明する。光ファイバセンサ１７のセンサ部１７ｓと胴部１２の溝１４の長さは、ほぼ同じ長さになるようにしている。好ましくは、このセンサ部１７ｓの長さは、少なくとも締結される２つの部材の重ねた板厚の厚みと同等の長さであり、また、好ましくは、締結部の軸部全長である。例えば、後述の実施例では、ボルトの大きさは、φ＝４．８ｍｍであり、全長３６ｍｍであり、胴部１２の長さが３０ｍｍであり、光ファイバセンサ１７のセンサ部１７ｓの長さは２５ｍｍのものを用いた。

図５と図６は、それぞれボルト継手での各ボルトに加わる荷重を測定するときの構成を示す正面図と側面図である。図５と図６では、ステップＳ２１により締結具の組み込み締め付け作業を行った後の板２０と板２１をボルト１０と同様の複数のボルト２２〜３３とナットで組み込んだ様子を示す。図５の裏面側には、ナットが設けてあるが、図６でその一部２２ｎ〜２５ｎを示している。各ボルトには、図２と図３で示したものと同様の光ファイバセンサ３４〜４５が組み込まれている。また、光ファイバセンサのボルトの軸との位置関係とボルトの締め力を記録しておく。

ステップＳ２２では、組み込み締め付けた締結具での光ファイバセンサの光学特性を測定する。このとき用いる測定系を以下に図７と図８を用いて説明する。

測定系５０は、図８で示すような光源５１と光検出部５２を備えた光スペクトルアナライザ計測装置５３と、測定データの記憶を行うパーソナルコンピュータ５４から構成される。また、図５と図６で示した複数のボルト２２〜３３に設けられた光ファイバセンサ３４〜４５のうちの、剪断荷重を測定しようとするボルトに設けられた光ファイバセンサを光スペクトルアナライザ計測装置５３の光源側先端５５と光検出部側先端５６で接続する。ここでは、例として、ボルト２２の剪断荷重を測定することを説明する。

光源５１は、広帯域の光を光ファイバセンサ３４の入射側の端面に照射する装置であり、光ファイバセンサ３４で検出できる波長の光を含んだ領域の波長の光を発光する光源である。光源５１は、例えば、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）、ハロゲンランプあるいはタングステンランプなどの広帯域の連続スペクトルを持つ光源である。

光ファイバセンサ３４は、センサ部３４ｓとカップラ３４ａを有し、光源５１からの光をセンサ部３４ｓに導入し、そのセンサ部３４ｓからの反射光をカップラ３４ａを介して検出する。光ファイバの先端５５は光スペクトルアナライザ計測装置５３に備えられた光源５１に接続される。また、先端５６は光スペクトルアナライザ計測装置５３の光検出部５２に接続される。

図８に示す光検出部５２は、センサ部３４ｓからの反射光の反射スペクトルを得るためのものであり、光スペクトルアナライザ計測装置５３に備えられている。

次に、本発明の締結具の剪断荷重測定方法の測定系５０による測定の原理を図９を用いて説明する。

図９は、ファイバグレーティングの模式図である。光ファイバセンサ３４として用いられるセンサ部３４ｓのファイバグレーティング３４ｇはファイバコア部３４ｃに光の波長オーダーの周期を書き込んだもので、コア３４ｃを伝搬する前進と後退モード間の結合を用いることで、所定の波長の光を反射させる機能をもつ。結合する波長λ_Ｂは、伝搬モードの実効屈折率ｎ_ｃｏｒｅと屈折率周期Λを用いて（１）式で示される。

反射率Ｒは屈折率変化量Δｎ、グレーティング長Ｌ、伝搬光のコア部への閉じ込め率ηｃを用いて、（２）式で求められる。

例えば、１．５５μｍ帯波長多重伝送の波長分離に用いられるファイバグレーティングの場合、周期Λ約０．５μｍ、長さＬ＝１０ｍｍ、と約２０，０００層の屈折率周期が書き込まれたものとなり、非常に急峻な反射特性が図１０に示すように形成される。図１０で、横軸は波長を表し、縦軸は光強度を示す。反射特性は曲線Ｃ１０で示している。

このようなグレーティングに圧縮ひずみが加わると屈折率周期Λが図１１で示すようにΛｃとなり短くなり、（１）式にしたがって結合するλ_Ｂは短くなり、すなわち反射光の波長は短くなる。一方、引っ張りひずみが加わると、屈折率周期Λは、ひずみのない状態の周期より長くなり、その部分からの反射光の波長は、長くなり、図１２に示すように、長波長側にも反射ピークＰ２が生じる。図１２では、横軸が波長を表し、縦軸は光強度を示す。反射特性はＣ１１で示している。ボルト２２に剪断荷重が加わると、ボルト２２が曲げ変形を起こし、それに伴い、ボルト２２の溝に埋め込まれたセンサ部３４ｓに歪みが生じ、後述の図１５〜図１８で示すような長波長側にも反射ピークが生じた反射スペクトルになる。

上記の測定系５０を用い、また上記の測定原理に従って、図５と図６で示した各ボルト２２〜３３に組み込んだ光ファイバセンサ３４〜４５からの反射スペクトルを測定する。

図１で示したステップＳ２３では、予め作成された光学特性・剪断荷重対応関係データベースからデータを取り出す。

ここで、光学特性・剪断荷重対応関係データベースの作成方法について説明する。
図１３は、光学特性・剪断荷重対応関係データベースの作成方法を説明するフローチャートである。光学特性・剪断荷重対応関係データベースの作成方法は、締結具の長手方向の表面に沿って表面の近傍箇所に光ファイバセンサを設けるセンサ設置ステップＳ３１と、種々の剪断荷重を加えて締結具での光ファイバセンサの光学特性を測定するステップＳ３２と、光学特性・剪断荷重対応関係データベースを作成するステップＳ３３から成る。

ステップＳ３１は、締結具の長手方向の表面に沿って表面の近傍箇所に光ファイバセンサを設ける。これは、前述のステップＳ１と同様に行い、また図２〜図４で示したものと同様であるので説明を省略する。

ステップＳ３２では、種々の剪断荷重を加えて締結具での光ファイバセンサの光学特性を測定する。図１４は、締結具に種々の荷重をかけるときの治具を示す側面図である。

剪断荷重をかけるときに用いる治具６０は、図１４に示すように、一方が剪断荷重をかけるための端部６１を有するピン６２を備えた部材６３と、ピン６２を通す孔６４とボルト１０を通す孔６５を設けたプレート６６と、一方が剪断荷重をかけるための端部６７を有するピン６８を備えた部材６９と、ピン６８を通す孔７０とボルト１０を通す孔７１を設けたプレート７２を備えている。

ボルト１０に剪断荷重をかける試験は、次のようにして行われる。プレート６６の孔６５とプレート７２の孔７１にワッシャ７３を介して光ファイバセンサ１７を備えたボルト１０を通し組み込み、ボルト１０のねじ部１１をナット７４で締め付ける。プレート６６の孔６５はピン６２に通し、プレート７２の孔７０はピン６８に通す。部材６３の端部６１と部材６９の端部６７を図示しない加重装置に取り付け、加重装置により矢印７５，７６で示す方向に所定の荷重をかける。

上述した治具６０を用いて、また、図７と図８で示した測定系５０に光ファイバセンサ１７を接続して、ボルト１０に種々の剪断荷重を加えたときの光ファイバセンサ１７からの反射スペクトルを測定する。そして、ステップＳ３３で、パーソナルコンピュータ２４により種々の剪断荷重に対して測定された反射スペクトルを記憶させることにより、光学特性・剪断荷重対応関係データベースを作成することができる。

次に、図１５〜図１８により光学特性・剪断荷重対応関係データベースの一例としての剪断荷重に対する反射スペクトルのデータベース作成について説明する。

図１５は、ボルト１０に種々の剪断荷重を加えたときの光ファイバセンサ１７からの反射スペクトルのデータである。この測定は、センサ部１７ｓの位置とボルト１０の中心軸を結んだ線分が剪断荷重の方向に平行である場合で、また、ボルト１０の締め付け力が比較的弱くしてある場合に対するデータである。これらのデータによりデータベースが作成されている。横軸は、波長であり、縦軸は、光強度である。剪断荷重を加えないとき、すなわち荷重０Ｋｇｆのとき、光ファイバセンサ１７からの反射スペクトルＣ２０は、波長λ０にピークが見られる。図１４で示した部材６３，６９を用いてボルト１０に種々の大きさの荷重を加えていく。図１５（ｂ）は、４０Ｋｇｆの剪断荷重を加えたときの反射スペクトルＣ２１である。反射スペクトルは変化し、いくつかのピークが生じ、最大強度のピークは波長λ０より長い波長の波長λ１に生じる。これは、剪断荷重をボルト１０に加えることにより、ボルト１０が曲げ変形を起こし、それに伴い光ファイバセンサ１７のセンサ部１７ｓに歪みが生じ、センサ部１７ｓの屈折率周期が荷重をかける前より長くなった部分がセンサ部１７ｓに生じたことに起因するものと考えられる。

さらに、ボルト１０に剪断荷重を加え、８０Ｋｇｆの荷重を加えたときは、図１５（ｃ）で示す反射スペクトルＣ２２となり、最大強度のピークはより長波長側の波長λ２に生じる。図１５（ｄ）は、ボルトに１２０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ２３を示し、図１５（ｅ）は、ボルトに１６０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ２４を示し、図１５（ｆ）は、ボルトに２００Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ２５を示す。ボルト１０に加える荷重を増加させると、反射スペクトルは、最大強度のピークの位置が長波長側にシフトする。これは、荷重の増加によりボルト１０の曲げ変形が増加し、ボルト１０の溝に埋め込まれた光ファイバセンサ１７のセンサ部１７ｓの屈折率周期がより長くなった部分が生じるためと考えられる。

図１６は、ボルト１０に種々の荷重を加えたときの光ファイバセンサからの反射スペクトルの別のデータである。この測定は、センサ部１７ｓの位置とボルト１０の中心軸を結んだ線分が剪断荷重の方向に平行である場合で、また、ボルト１０の締め付け力が比較的強くしてある場合に対するデータである。これらのデータによりデータベースが作成されている。横軸は、波長であり、縦軸は、光強度である。荷重を加えないとき、すなわち荷重０Ｋｇｆのとき、光ファイバセンサ１７からの反射スペクトルＣ３０は、波長λ０にピークが見られる。図１４で示した部材６３，６９を用いてボルトに種々の大きさの荷重を加えていく。図１６（ｂ）は、４０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ３１である。反射スペクトルは変化し、いくつかのピークが生じ、最大強度のピークは波長λ３に生じる。これは、荷重をボルトに加えることにより、ボルトが曲げ変形を起こし、それに伴い光ファイバセンサのセンサ部に歪みが生じ、センサ部の屈折率周期が荷重をかける前より長くなった部分がセンサ部１４に生じたことに起因するものと考えられる。

さらに、ボルトに荷重を加え、８０Ｋｇｆの荷重を加えたときは、図１６（ｃ）で示す反射スペクトルＣ３２となり、最大強度のピークはより長波長側の波長λ４に生じる。図１６（ｄ）は、ボルトに１２０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ３３を示し、図１６（ｅ）は、ボルトに１６０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ３４を示し、図１６（ｆ）は、ボルトに２００Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ３５を示す。ボルトに加える荷重を増加させると、反射スペクトルは、最大強度のピークの位置が長波長側にシフトする。これは、荷重の増加によりボルトの曲げ変形が増加し、ボルトの溝に埋め込まれた光ファイバセンサのセンサ部の屈折率周期がより長くなった部分が生じるためと考えられる。

図１７は、ボルトに種々の荷重を加えたときの光ファイバセンサからの反射スペクトルの別のデータである。この測定は、センサ部１７ｓの位置とボルト１０の中心軸を結んだ線分が剪断荷重の方向に垂直である場合で、また、ボルト１０の締め付け力が比較的弱くしてある場合に対するデータである。これらのデータによりデータベースが作成されている。横軸は、波長であり、縦軸は、光強度である。荷重を加えないとき、すなわち荷重０Ｋｇｆのとき、光ファイバセンサ１７からの反射スペクトルＣ４０は、波長λ０にピークが見られる。図１４で示した部材６３，６９を用いてボルトに種々の大きさの荷重を加えていく。図１７（ｂ）は、４０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ４１である。反射スペクトルは変化し、いくつかのピークが生じ、最大強度のピークは波長λ５に生じる。これは、荷重をボルトに加えることにより、ボルトが曲げ変形を起こし、それに伴い光ファイバセンサのセンサ部に歪みが生じ、センサ部の屈折率周期が荷重をかける前より長くなった部分がセンサ部１４に生じたことに起因するものと考えられる。

さらに、ボルトに荷重を加え、８０Ｋｇｆの荷重を加えたときは、図１７（ｃ）で示す反射スペクトルＣ４２となり、最大強度のピークはより長波長側の波長λ６に生じる。図１７（ｄ）は、ボルトに１２０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ４３を示し、図１７（ｅ）は、ボルトに１６０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ４４を示し、図１７（ｆ）は、ボルトに２００Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ４５を示す。ボルトに加える荷重を増加させると、反射スペクトルは、最大強度のピークの位置が長波長側にシフトする。これは、荷重の増加によりボルトの曲げ変形が増加し、ボルトの溝に埋め込まれた光ファイバセンサのセンサ部の屈折率周期がより長くなった部分が生じるためと考えられる。

図１８は、ボルトに種々の荷重を加えたときの光ファイバセンサからの反射スペクトルの別のデータである。この測定は、センサ部１７ｓの位置とボルト１０の中心軸を結んだ線分が剪断荷重の方向に垂直である場合で、また、ボルト１０の締め付け力が比較的強くしてある場合に対するデータである。これらのデータによりデータベースが作成されている。横軸は、波長であり、縦軸は、光強度である。荷重を加えないとき、すなわち荷重０Ｋｇｆのとき、光ファイバセンサ１７からの反射スペクトルＣ５０は、波長λ０にピークが見られる。図１４で示した部材６３，６９を用いてボルトに種々の大きさの荷重を加えていく。図１８（ｂ）は、４０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ５１である。反射スペクトルは変化し、いくつかのピークが生じ、最大強度のピークは波長λ７に生じる。これは、荷重をボルトに加えることにより、ボルトが曲げ変形を起こし、それに伴い光ファイバセンサのセンサ部に歪みが生じ、センサ部の屈折率周期が荷重をかける前より長くなった部分がセンサ部１４に生じたことに起因するものと考えられる。

さらに、ボルトに荷重を加え、８０Ｋｇｆの荷重を加えたときは、図１８（ｃ）で示す反射スペクトルＣ５２となり、最大強度のピークはより長波長側の波長λ８に生じる。図１８（ｄ）は、ボルトに１２０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ５３を示し、図１８（ｅ）は、ボルトに１６０Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ５４を示し、図１８（ｆ）は、ボルトに２００Ｋｇｆの荷重を加えたときの反射スペクトルＣ５５を示す。ボルトに加える荷重を増加させると、反射スペクトルは、最大強度のピークの位置が長波長側にシフトする。これは、荷重の増加によりボルトの曲げ変形が増加し、ボルトの溝に埋め込まれた光ファイバセンサのセンサ部の屈折率周期がより長くなった部分が生じるためと考えられる。

以上の測定により得られたボルトに加えた剪断荷重に対する反射スペクトルのデータをデータベースにすることにより、逆に、ボルトに埋め込まれた光ファイバセンサからの反射スペクトルを測定し、その反射スペクトルをデータベースと参照することにより、ボルトに加わっている剪断荷重を測定することができる。

図１のステップＳ２３では、上述のようにして得られた光学特性・剪断荷重対応関係データベースを用いる。図１のステップＳ２４では、測定された光ファイバセンサからの光学特性と光学特性・剪断荷重対応関係データベースに基づいて締結具の剪断荷重を評価する。これらのステップにより、それぞれのボルトの光ファイバセンサのボルトの軸との位置関係とボルトの締め力に対応させて図１５〜図１８で示すデータベースでの反射スペクトルと照合することにより各ボルトに加わる剪断荷重を測定することができる。例えば、ボルト２２に取り付けられた光ファイバセンサ３４のボルトの軸との位置関係が、センサ部の位置とボルト２２の中心軸を結んだ線分が剪断荷重の方向に平行であり、また、ボルト５２の締め付け力が比較的強くしてある場合であるとする。そのとき、光ファイバセンサ３４からの光学特性が図１５（ｃ）で示した反射スペクトルとほぼ等しい反射スペクトルが得られたとする。その得られた反射スペクトルとコンピュータ５４のメモリのデータベースと照合することにより、ボルト２２に加わっている剪断荷重は８０Ｋｇｆであると測定することができる。他のボルトに対しても同様にして求めることができる。

上記の測定系を航空機胴体部のボルト継手のボルトにかかる荷重を測定するために用いることにより、反射スペクトルを測定することによって、設計をこれまで以上に正確に行うことができる。

なお、上記の測定系において、データベースとして、各荷重に対する反射スペクトルのデータを用いたが、データベースとして、各荷重に対する反射スペクトルの最大強度のピークの波長との関係を用いることもできる。そのときには、測定された反射スペクトルの最大強度のピークの波長を測定し、データベースからそのピーク波長に対応する荷重を推定すれば良い。

図１９は、本発明の第２の実施形態に係る締結具の剪断荷重測定方法で用いる測定系の基本構成図である。この測定系８０では、図５と図６で示したボルト２２〜３３に設けられた光ファイバセンサ３４〜４５のうち、剪断荷重を測定しようとするボルトに設けられた光ファイバセンサの一端を光源５１に接続し、他端を光検出部５２に接続する。この例では、ボルト２２の剪断荷重を測定することを説明する。

光源５１と光検出器５２は、第１の実施形態と同様であるので同じ符号を付し説明も省略する。

光ファイバセンサ３４は、センサ部３４ｓを有し、光源５１からの光をセンサ部３４ｓに導入し、そのセンサ部３４ｓからの透過光を検出する。

図１９に示す光検出部５２は、センサ部３４ｓからの透過光の透過スペクトルを得るための光スペクトルアナライザが用いられる。

次に、本発明の締結具の剪断荷重測定方法の測定系８０による測定の原理を説明する。

ファイバグレーティング３４ｇは光ファイバセンサ３４の中間に形成された以外は第１の実施形態と同様であり、ファイバコア部に光の波長オーダーの周期を書き込んだもので、コアを伝搬する前進と後退モード間の結合を用いることで、所定の波長の光を反射させる機能をもつ。結合する波長λ_Ｂは、伝搬モードの実効屈折率ｎ_ｃｏｒｅと屈折率周期Λを用いて（１）式で示される。

反射率Ｒは屈折率変化量Δｎ、グレーティング長Ｌ、伝搬光のコア部への閉じ込め率ηｃを用いて、（２）式で求められる。

例えば、１．５５μｍ帯波長多重伝送の波長分離に用いられる光ファイバグレーティングセンサの場合、周期Λ＝約０．５μｍ、長さＬ＝１０ｍｍ、と約２０，０００層の屈折率周期が書き込まれたものとなり、非常に急峻な透過特性Ｃ６０が図２０に示すように形成される。

このようなグレーティングに圧縮ひずみが加わると屈折率周期Λが図１１で示すようにΛｃとなり短くなり、（１）式にしたがって反射光の波長は短くなる。一方、引っ張りひずみが加わると、屈折率周期Λは、長くなり、グレーティングからの反射光の波長は、長くなり、図２１の透過特性Ｃ６１に示すように、長波長側にも透過ディップＤ２が生じる。ボルト２２に剪断荷重が加わり、ボルト２２に曲げ変形が生じると、長波長側にも透過ディップが生じる。

以上の原理に基づいて、上記の測定系により予めボルト２２〜３３と同様のボルト１０に光ファイバセンサ３４〜４５と同様にして設けた光ファイバセンサ１７の透過スペクトルを測定し、各剪断荷重に対する透過スペクトルのデータベース（別の例としての光学特性・剪断荷重対応関係データベース）を作成しておく。次に、図５と図６で示したように実際にボルト２２〜３３を２枚の板に組み込み、その組み込んだボルト２２〜３３に設けられた光ファイバセンサ３４〜４５の透過スペクトルあるいは透過スペクトルの最大の透過ディップの波長を測定する。そして、それらの測定データと剪断荷重に対する透過スペクトルのデータベースと照合することにより各ボルト２２〜３３にかかっている剪断荷重を測定することができる。

上記の測定系を航空機胴体部のボルト継手のボルトに加わる剪断荷重を測定するために用いることにより、各ボルトに設けられた光ファイバセンサの透過スペクトルを測定し、予め測定された剪断荷重に対する透過スペクトルのデータベースと照合することによって、各ボルトに加わっている剪断荷重を正確に測定できる。

なお、本実施形態では、光ファイバセンサは、締結具の表面の近傍箇所に、締結具の軸方向に平行に埋め込まれているが、光ファイバセンサは、締結具の表面の近傍箇所に、締結具の軸の周囲に螺旋状に埋め込まれているようにしてもよい。また、本実施形態では、締結具としてボルトを用いて説明したが、その他の締結具、例えば、リベット、ピン等も用いることができる。

実施形態で説明される構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、例えば、実施例では、１本のボルトに対して１本の光ファイバセンサを埋設しているが、２本、あるいは複数本、埋め込むことも可能で、また、数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、ボルトなどの締結具による継手での締結具に加わる荷重を測定するための方法として利用される。

本発明の第１の実施形態に係る締結具の剪断荷重測定方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る締結具の剪断荷重測定方法において用いる締結具と光ファイバセンサを示す正面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 ボルト継手での各ボルトに加わる荷重を測定するときの構成を示す正面図である。 ボルト継手での各ボルトに加わる荷重を測定するときの構成を示す側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る締結具の剪断荷重測定方法で用いる測定系の基本構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る締結具の剪断荷重測定方法で用いる測定系の模式図である。 ファイバグレーティングの模式図である。 ファイバグレーティングからの反射特性を示すグラフである。 圧縮ひずみが加わったときのグレーティングの模式図である。 引っ張りひずみが生じたときのファイバグレーティングからの反射特性を示すグラフである。 光学特性・剪断荷重対応関係データベースの作成方法を説明するフローチャートである。 締結具に剪断荷重をかけるときに使用する治具の側面図である。 ボルトに種々の剪断荷重を加えたときの光ファイバセンサからの反射スペクトルのデータである。 ボルトに種々の剪断荷重を加えたときの光ファイバセンサからの反射スペクトルのデータである。 ボルトに種々の剪断荷重を加えたときの光ファイバセンサからの反射スペクトルのデータである。 ボルトに種々の剪断荷重を加えたときの光ファイバセンサからの反射スペクトルのデータである。 本発明の第２の実施形態に係る締結具に作用する剪断荷重の測定方法で用いる測定系の模式図である。 ファイバグレーティングからの透過特性を示すグラフである。 引っ張りひずみが生じたときのファイバグレーティングからの透過特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ ボルト
１１ ねじ部
１２ 胴部
１３ 頭部
１４ 溝
１５ 孔
１６ 孔
１７ 光ファイバセンサ
１７ｓ センサ部
２０，２１ 板
２２〜３３ ボルト
３４〜４５ 光ファイバセンサ
５０ 測定系
５１ 光源
５２ 光検出部
５３ 光スペクトルアナライザ計測装置
５４ パーソナルコンピュータ

Claims (11)

1. 測定対象である締結具の長手方向の表面に沿って前記表面の近傍箇所に光ファイバセンサを設けるセンサ設置ステップと、
   前記締結具に剪断荷重を加えたとき、前記締結具の変形に対して直接的に対応する前記光ファイバセンサの光学特性の変化に基づいて、前記締結具に作用する前記剪断荷重を測定する測定ステップと、
   を含むことを特徴とする締結具の剪断荷重測定方法。
2. 前記変形は曲げ変形であることを特徴とする請求項１記載の締結具の剪断荷重測定方法。
3. 前記測定ステップは、光学特性・剪断荷重対応関係データベースに基づいて前記剪断荷重を求めるステップ
   を含むことを特徴とする請求項１記載の締結具の剪断荷重測定方法。
4. 前記光ファイバセンサは、前記締結具の軸に平行にして設けられることを特徴とする請求項１記載の締結具の剪断荷重測定方法。
5. 前記光ファイバセンサは、前記締結具に対して螺旋的位置関係で設けられることを特徴とする請求項１記載の締結具の剪断荷重測定方法。
6. 前記光ファイバセンサは、前記締結具の表面の軸方向に形成される溝に接着剤を介して埋設することを特徴とする請求項４記載の締結具の剪断荷重測定方法。
7. 前記光ファイバセンサのセンサ部の長さは、少なくとも、締結される２つの部材の重ねた板厚の厚みと同等の長さであることを特徴とする請求項１記載の締結具の剪断荷重測定方法。
8. 前記光ファイバセンサのセンサ部の長さは、前記締結部の軸部の全長であることを特徴とする請求項１記載の締結具の剪断荷重測定方法。
9. 前記光ファイバセンサは光ファイバグレーティングセンサであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の締結具の剪断荷重測定方法。
10. 前記光学特性は反射光特性であることを特徴とする請求項１記載の締結具の剪断荷重測定方法。
11. 前記光学特性は透過光特性であることを特徴とする請求項１記載の締結具の剪断荷重測定方法。

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