JP2008008802A - 光ファイバ埋め込み樹脂製構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂のひずみを測定する手段として光ファイバを用いる際に、光ファイバが樹脂から抜け出ることを防止する。
【解決手段】まず熱可塑性樹脂で構造体を成形する。そして、機械加工等により製品形状を製作する。次に、コアとクラッドからなる光ファイバにおいて、コアにスリットを２個以上加工しておき、これらのスリットの軸方向両側にクラッドの周囲に部材を固定した光ファイバを樹脂製構造体表面に配置する。光ファイバに固定した部材を配置するくぼみはあらかじめ前記構造体に機械加工等により設けておく。その後、構造体と同種類の熱可塑性樹脂で光ファイバを覆う。そして、加熱，加圧を行って、製品形状の熱可塑性樹脂と光ファイバを覆った熱可塑性樹脂を溶融させて一体化させる。このような構成にすることにより、光ファイバが熱可塑性樹脂から抜け出ることがなくなり、構造体に負荷されるひずみを安定して計測することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は構造体に設置されて、当該構造体のひずみを測定するのに好適な光ファイバ埋め込み樹脂製構造体に関するものである。

軽量化等を目的に樹脂材料を用いた産業機器が開発されている。この樹脂材料のひずみを測定する方法として、光ファイバを用いる方法がある。光ファイバを複合材料の中に埋め込む方法としては熱硬化性または紫外線硬化性を有する積層板製作時に光ファイバを埋め込む方法がある。積層板成形段階で粘性を有する樹脂表面に光ファイバを仮止めし、その後加熱することで光ファイバが熱硬化性樹脂または紫外線硬化性樹脂中に埋め込まれる。

特開２００１−４４４０号公報

上記発明は、光ファイバを複合材料中に埋め込むことにより荷重を受けたときの複合材料のひずみを測定することができるという効果がある。しかし、複合材料と光ファイバではヤング率や線膨張係数等の機械的性質が異なるので、光ファイバを埋め込んだ複合材料構造体が繰返し荷重や温度変化を受ける間に埋め込んだ光ファイバと複合材料の界面に欠陥が発生し、光ファイバが複合材料から抜け出てしまう可能性については言及されていない。

本発明の目的は、長期間荷重を受けても光ファイバが構造体から抜け出ない光ファイバ埋め込み樹脂製構造体を提供することにある。

上記目的は、コアの周囲がクラッドで覆われた光ファイバと、この光ファイバの前記コアの軸方向と直角に２個以上加工されたスリットとを備え、このスリットを境に軸方向両側の前記クラッドの周囲に部材を固定した前記光ファイバを前記樹脂製構造体の表面に配置してなり、前記樹脂製構造体と同種類あるいは別種類の熱可塑性樹脂で光ファイバを覆って前記樹脂製構造体と一体化したことにより達成される。

また上記目的は、前記部材をテーパ形状にしたことにより達成される。

また上記目的は、前記両側の部材を一体にしたことにより達成される。

本発明によれば、軸方向に作用するせん断力に対する抵抗を増大させることが可能な光ファイバ埋め込み樹脂製構造体を抵抗できる。

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

図２は本発明の一実施例を備えたファイバ・ブラッグ・グレーティングセンサの斜視図である。
図２において、光ファイバ式ひずみゲージであるファイバ・ブラッグ・グレーティングセンサ（以下ＦＢＧセンサと略称する）の構成を説明すると、ＦＢＧセンサはコア１とクラッド２からなっている。コア１の直径は５０μｍ程度でありクラッドの直径は１２５
μｍ程度が一般的である。コア１はクラッド２に包まれている。コア１には軸方向に間隔ｄでスリット３が加工されている。光ファイバが荷重を受け伸ばされるとスリット３の間隔がΔｄ長くなる。このときのひずみはΔｄ／ｄで与えられる。

図３は本発明の光ファイバ埋め込み樹脂製構造体の適用対象の一例である縦軸斜流ポンプの構成を示す図である。
図３において、縦軸斜流ポンプはディスチャージケーシング４，パイプ５，ケーシング６，インペラ７，ベルマウス８等からなっている。水は流路９を通る。これらの部品の締結端部では高い応力の発生が予想される。そこで、ひずみを測定する。ひずみと応力の間にはフックの法則があり、換算可能である。そこで、応力ではなく、ひずみを強度評価基準とすることができる。

パイプ５を例として光ファイバを埋め込む手順図１で説明する。
図１は光ファイバをパイプに埋め込んだ断面図である。
図４はクラッドの周囲に固定する部材の形状を示した斜視図である。
図５は部材を取り付けた光ファイバを示した斜視図である。
まず、熱可塑性樹脂をパイプ形状に成形する。熱可塑性樹脂は常温では固体であるが温度が高くなると溶融する特性をもっている。熱可塑性樹脂を高温で溶融後、室温に下げて硬化させて製品形状を成形する。この後、各寸法が製作公差内でなければ機械加工等が行われ、所定寸法に仕上げられることになる。パイプ５には他の部材と締結するためのフランジ１０が端部に設けられている。ボルト締結を用いる場合、このフランジ１０にはボルトを通すための穴１１が設けられる。フランジ１０を他の部材と締結するとパイプ５が荷重を受けたとき、フランジのＲ部１２近傍では応力集中が発生する。このＲ部１２近傍のひずみを測定するために光ファイバ１３を配置する。

光ファイバ１３には部材１４が取り付けられている。クラッドの周囲に固定する部材
１４は図４に示すように、中心に光ファイバ１３を通す穴１５が開いている。部材１４の形状は円形だけではなく、三角形状や四角形状等でもよい。また、部材１４の材質は金属でもよいし、プラスチック等でもよい。部材１４に開ける穴１５は光ファイバ１３の外径よりも少し大きくし、部材１４の穴１５に光ファイバ１３が入るようにしておき、接着剤１６により締結する。このとき部材１４の穴１５の光ファイバ１３と接着する面は溝などの凹凸をつけておくほうがよい。凹凸をつけておくことで、部材１４と光ファイバ１３が強く接着される。この部材１４は２個のスリット３をはさんで軸方向両側にクラッドの周囲に２個以上取り付けられる。

次に、このように図１における部材１４を取り付けた光ファイバ１３を熱可塑性樹脂で製作したパイプ５へ埋め込む。それに先立ち光ファイバ１３に取り付けた部材１４が入るくぼみ１７をパイプ５にあらかじめ設けておく。部材１４がくぼみ１７に入るようにして光ファイバ１３の位置決めを行った後、部材１４が入るようにくぼみ１８を設けた熱可塑性樹脂ブロック１９を光ファイバ１３の上から覆う。

この熱可塑性樹脂ブロック１９の厚さは、直径１２５μｍの光ファイバを用いる場合、数mm程度あればよい。この後、加熱と加圧を行うことで熱可塑性樹脂で製作したパイプ５と熱可塑性樹脂ブロック１９が一体となるので、光ファイバ１３が熱可塑性樹脂中に強固に埋め込まれる。光ファイバ１３に部材１４を付けることにより、光ファイバ１３に軸方向の荷重が負荷されても、部材１４がせん断力に対する抵抗になるので、光ファイバ１３が熱可塑性樹脂から抜け出ることはない。

光ファイバ１３の光を入力する端部は光ファイバ１３を上部から覆う熱可塑性樹脂ブロック１９の端部より外側に出るようにしておく。この光ファイバ１３の端部にはひずみを計測するときに光を入力するためのコネクタ２０をつけておく。このようにコネクタ２０をつけておくことで、メインテナンスなどのひずみを計測したいときに計測システムを接続し、任意の時刻にひずみを測定することができる。

上記実施例中では部材と光ファイバの締結方法として接着剤を用いたが、光ファイバと部材を締結する方法として焼きばめを用いる方法もある。このときは部材１４に開ける穴１５は光ファイバ１３の外径より少し小さくしておく。焼きばめによる光ファイバの破損を防止するために、部材の穴径は光ファイバの外径より数μｍから数十μｍ小さくしておくことが望ましい。焼きばめは部材１４の穴径が光ファイバ１３の外径より大きくなるように温度を上げた状態で、部材の穴１５に光ファイバ１３を通す。部材１４の温度が常温に戻ると、部材の穴１５径は元の大きさに戻ろうとするので、光ファイバ１３と部材１４は強固に締結される。

光ファイバ１３と部材１４との締結方法として、冷やしばめを用いる方法を説明する。このときも焼きばめと同様に部材の穴１５径を光ファイバ１３の外径より小さくしておく。焼きばめと同じように部材の穴１５径は光ファイバ１３の外径より数μｍから数十μｍ小さくしておくことが望ましい。今度は光ファイバ１３の外径が部材１４の内径より小さくなる温度まで光ファイバ１３を冷却する。そして、光ファイバ１３を部材１４に通す。光ファイバ１３の温度が常温に戻ると、光ファイバ１３の外径は元の大きさに戻ろうとするので、光ファイバ１３と部材１４は強固に締結される。

本発明の他の実施例を図６を用いて説明する。
図６は光ファイバの構造を説明する断面図である。
図６において、本実施例は光ファイバに付ける部材２１をテーパ形状にする方法である。図６に示すようにリング状の部材２１は最外周側に向かって、板厚が薄くなっていくテーパ状になっている。このテーパ形状にあわせて熱可塑性樹脂のパイプ５と光ファイバを上から覆うブロック１９にそれぞれくぼみ２２とくぼみ２３を設けておく。このように光ファイバ固定部材をテーパ形状にすることで、光ファイバの位置決めが容易となる。

本発明の他の実施例を図７を用いて説明する。
図７は光ファイバの構造を説明する斜視図である。
図７において、本実施例は光ファイバに取り付ける２個の部材を一体にしたものである。このときの部材２４は円筒形状の両端に突起２５を設ける。この２つの突起２５は加工しやすい円周形状になっていることが望ましい。光ファイバのコア１に設けられたひずみを計測する２つのスリット３はこの部材両端に設けられた突起の間に入るようにスリット３と部材両端の突起２５の関係が調整される。光ファイバ１３と部材２４の締結方法としては、接着，焼きばめあるいは冷しばめ等が用いられる。このように部材２４と光ファイバ１３の締結面積を大きくすることにより、光ファイバ１３と部材２４は強固に締結される。

以下のごとく本発明によれば、光ファイバが熱可塑性樹脂から抜け出ることがなくなり、構造体に負荷されるひずみを安定して計測することができる。

第１の実施例を備えた部分断面図である。 光ファイバの構造を示した斜視図である。 ポンプの一例の縦軸斜流ポンプを示した断面図である。 光ファイバに取り付ける部材の構造を示した斜視図である。 光ファイバに部材を取り付けた斜視図である。 第２の実施例を示した光ファイバの構造を示した断面図である。 第３の実施例を備えた斜視図である。

符号の説明

１…コア、２…クラッド、３…スリット、４…ディスチャージケーシング、５…パイプ、６…ケーシング、７…インペラ、８…ベルマウス、９…流路、１０…フランジ、１１，１５…穴、１２…Ｒ部、１３…光ファイバ、１４，２１，２４…部材、１６…接着剤、
１７，１８，２２，２３…くぼみ、１９…熱可塑性樹脂ブロック、２０…コネクタ、２５…突起。

Claims (3)

1. コアの周囲がクラッドで覆われた光ファイバと、この光ファイバの前記コアの軸方向と直角に２個以上加工されたスリットとを備え、このスリットを境に軸方向両側の前記クラッドの周囲に部材を固定した前記光ファイバを前記樹脂製構造体の表面に配置してなり、
   前記樹脂製構造体と同種類あるいは別種類の熱可塑性樹脂で光ファイバを覆って前記樹脂製構造体と一体化したことを特徴とする光ファイバ埋め込み樹脂製構造体。
2. 請求項１記載の光ファイバ埋め込み樹脂製構造体において、
   前記部材をテーパ形状にしたことを特徴とする光ファイバ埋め込み樹脂製構造体。
3. 請求項１記載の光ファイバ埋め込み樹脂製構造体において、
   前記両側の部材を一体にしたことを特徴とする光ファイバ埋め込み樹脂製構造体。
   

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