JP2009133693A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】プリテンションを減少させることなく、センサ用光ファイバのグレーティング部に被測定物の伸縮に比例した伸縮を与えるようにする。
【解決手段】ファイバ支持体２１は、被測定物２に固定されるベース２２の一面側に、弾性変形自在なヒンジ２３、２４を介して互いに対向する一対の腕部２５、２６が立設され、その腕部２５、２６の中間位置を弾性変形自在なヒンジ２７、２８を介して連結部２９で連結する構造を有し、センサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａを、腕部２５、２６の、連結部２９と重ならない一端側の位置の間に挟まれる状態で張力をもって固定するとともに、腕部２５、２６の、連結部２９と重ならない他端側の位置の間に固定した光ファイバ３０にセンサ用光ファイバ１の張力とバランスさせるための引張力を付与して、センサ用光ファイバ１に付与された張力による腕部２５、２６の傾動を規制している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバのコアにグレーティング部が形成されたセンサ用光ファイバを、そのグレーティング部に張力をかけた状態でファイバ支持体で支持し、そのファイバ支持体で被測定物の力を受けてグレーティング部に伸縮による歪みを加え、反射波長を変化させる光ファイバセンサにおいて、センサ用光ファイバのグレーティング部に負荷された張力自体により光ファイバ支持体自身が変形し、グレーティング部にかかる張力が低下することを抑制するための技術に関する。

従来から変位、速度、加速度、温度などの検出器としての種々の電気式センサが用いられているが、これらの電気式センサは、落雷や電磁ノイズに弱いため、その使用環境が限定される。そこで、近年では落雷や電磁ノイズの影響を受けない光ファイバセンサに関心が集まっており、特に、光ファイバのコアにファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部を有するセンサ用光ファイバは、感度が高い等の理由から注目されている。

センサ用光ファイバに形成されたグレーティング部は、特定波長の光を反射し、他の波長の光を通過させる。この反射波長はブラッグ波長と呼ばれ、グレーティング部に加えられた歪みや温度により変化する。このため歪みセンサや温度センサとして利用することができる。

例えば、次の特許文献１、２には、センサ用光ファイバのグレーティング部を挟んだ２つの位置を接着剤等で支持体に固定し、温度や歪みによるブラッグ波長の変化を測定する方法が開示されている。

特開２００３−０１４４９１号公報 特開２００３−３０２２５６号公報

なお、グレーティング部を有する光ファイバを歪みセンサとして用いる場合、そのグレーティング部に張力がかからなくなると、そのブラッグ波長は変化しなくなり、そのグレーティング部はセンサとして正常に動作しなくなる。

したがって、センサ用光ファイバのグレーティング部には通常、予め所定の張力を与えた状態（プリテンションという）で支持体に固定し、たとえ、圧縮方向の張力が加わったとしても、プリテンションが消費されるまではその変位に対応したブラッグ波長の変化を得ることができるようにしている。

上記のようなセンサ構造では、ファイバを支持する支持体の構造としてプリテンションを保持するだけの剛性が必要である。

しかし、支持体の剛性が被測定物の剛性に比べて無視できなくなると、被測定物に生じる変位が支持体の影響を受けてしまうため、被測定物の変位を正確に測定することが困難になる。

また、支持体の剛性にかかわらず、その構造が撓むような外力が加わった場合、必ずしも外力に比例してセンサ用光ファイバがその長手方向（伸縮方向）に変形するものではないという問題があった。

例えば図１２（ａ）のように、被測定物２にネジ１９、１９で固定されてその変位を受けるベース１２の上に一対の腕部１３、１４が平行に立設された構造のファイバ支持体１１を考え、その腕部１３、１４の中間の位置にセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａが挟まれ状態で且つ、所定のプリテンションＴをかけてセンサ用光ファイバ１を接着剤１５で固定し、被測定物２からベース１２を両端から押す方向に大きな外力Ｆが加わった場合、図１２（ｂ）のように、ベース１２が上に凸に湾曲し、その結果腕部１３、１４の間隔がひろがってしまい、本来は被測定物２の変位に合わせて収縮しなければならないグレーティング部１ａが逆に伸張してしまう場合がある。

これを解決する方法として、例えば図１３（ａ）のように、ベース１２と腕部１３、１４との間に弾性変形可能なヒンジ１６、１７を設けて、ベース１２に対して腕部１３、１４が傾くことができる構造とし、点線で示すようなベース１２の湾曲をヒンジ１６、１７で吸収することが考えられる。

ところが、このようにベース１２の湾曲を吸収するヒンジ１６、１７を設けた構造では、センサ用光ファイバ１に与えたプリテンションによりヒンジ１６、１７が弾性変形して、図１３（ｂ）のように腕部１３、１４が互いに近づく方向に傾いてその間隔が狭くなり張力がＴ−γに減少し、測定できる圧縮方向の変位幅が張力γに相当する分だけ減少してしまう。

例えば、ヒンジ１６、１７が十分に柔らかくＴ≒γの場合、前記プリテンションの全てが消費されてしまい、圧縮方向の変位は、測定できなくなるという問題が発生する。

本発明は、上記問題を解決して、プリテンションを減少させることなく、被測定物の伸縮に伴いファイバ支持体のベースに加わる外力をグレーティング部が長手方向に変形する力に変換して、被測定物の伸縮に比例したセンサの伸縮を得ることができる光ファイバセンサを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光ファイバセンサは、
被測定物に固定されるベース（２２）と、前記ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ（２３、２４）を介して互いに対向するように立設された一対の腕部（２５、２６）と、前記一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ（２７、２８）を介して連結する連結部（２９）とを有し、前記被測定物から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体（２１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の一対の腕部の、前記連結部と重ならない一端側の位置の間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって前記腕部に固定されたセンサ用光ファイバ（１）と、
前記ファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部と重ならない他端側の位置の間に、前記センサ用光ファイバの張力による前記一対の腕部の傾動を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で、前記腕部に固定されたバランス力付与手段（３０、１′）とを備えている。

また、本発明の請求項２の光ファイバセンサは、請求項１記載の光ファイバセンサにおいて、
前記バランス力付与手段は、前記一対の腕部の、前記連結部と重ならない他端側の位置の間に固定された光ファイバ（３０）であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３の光ファイバセンサは、請求項２記載の光ファイバセンサにおいて、
前記前記バランス力付与手段としての光ファイバが、ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ′）を有する光ファイバ（１′）であって、該グレーティング部が前記一対の腕部の間に挟まれた状態で固定されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項４の光ファイバセンサは、請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバセンサにおいて、
前記ファイバ支持体のベースは、前記ヒンジの一方を介して前記腕部の一方が立設された第１ベース部（４２）と、該第１ベースと分離され、前記ヒンジの他方を介して前記腕部の他方が立設された第２ベース部（４３）とにより分割形成されていることを特徴とする。

このように、本発明の光ファイバセンサは、被測定物に固定されるベースと、ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジを介して互いに対向するように立設された一対の腕部と、その一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジを介して連結する連結部とを有する構造とし、センサ用光ファイバのグレーティング部を、ファイバ支持体の一対の腕部の、連結部と重ならない一端側の位置の間に挟まれる状態で張力をもって固定するとともに、ファイバ支持体の一対の腕部の、連結部と重ならない他端側の位置の間にセンサ用光ファイバの張力とバランスさせるための引張力を付与して、一対の腕部が張力により傾動することを規制するバランス力付与手段を備えている。

このため、ヒンジを介してベースに立設された一対の腕部でセンサ用光ファイバを支持し、ベースの撓み等の伸縮以外の変形の影響を取り除くことができる構造でありながら、センサ用光ファイバに付与された張力による腕部の傾動を規制して、センサ用光ファイバに所望の張力を付与することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した光ファイバセンサ２０の構造を示している。

この光ファイバセンサ２０のファイバ支持体２１は、被測定物の上に固定されてその変位による力を受けて伸縮するベース２２と、ベース２２の上面側に、弾性変形可能なヒンジ２３、２４を介して互いに対向するようにほぼ平行に立設された一対の腕部２５、２６と、腕部２５、２６の中間位置の間を、弾性変形可能なヒンジ２７、２８を介して連結する連結部２９とを有している。なお、このファイバ支持体２１は、例えば金属、合成樹脂等により一体的に形成され、ベース２２、腕部２５、２６および連結部２９は、ファイバの張力では変形しない程度の剛性を有し、各ヒンジ２３、２４、２７、２８は、一対の腕部２５、２６および連結部２９が含まれる平面に沿った面内で弾性変形可能となり、その面と直交する方向（ファイバ支持体２１の厚さ方向）への変形が規制される形状となっている。

腕部２５、２６の一端側（図１で下端）で連結部２９と重ならない位置の間には、ファイバブラッググレーティングが形成されたセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａが、そのグレーティング部１ａを挟む２点において、張力（プリテンション）Ｔを持って固定されており、腕部２５、２６の他端側（図１で上端）で連結部２９と重ならない位置の間には、センサ用光ファイバ１に付与されたプリテンションＴとほぼ等しい張力Ｔ′を付与して、センサ用光ファイバ１に付与されたプリテンションＴによる腕部２５、２６の傾動を規制するバランス力付与手段としての光ファイバ３０が固定されている。なお、ここでは、腕部２５、２６に対するセンサ用光ファイバ１および光ファイバ３０の固定を接着剤３１によって行っているが、各ファイバ表面がメタライズ加工されている場合には、腕部２５、２６に半田付けして固定することもできる。

このように腕部２５、２６の中間位置をヒンジ２７、２８を介して連結部２９で連結したリンク構造では、図２のように、腕部２５のヒンジ２７を中心とする右回りのモーメントと左回りのモーメントは、
Ｌ１・Ｔ＝Ｌ２・Ｔ′
の条件で平衡状態となる。

説明が容易となるように、Ｌ１＝Ｌ２、Ｔ＝Ｔ′とし、ベース２２に外力がかかっていない状態で、且つ腕部２５、２６がベース２２に対して垂直に立ち、連結部２９がベース２２と平行な状態を基準状態として、その動作を説明する。

なお、図示しないが、この光ファイバセンサ２０を用いた測定系としては、例えば広帯域光源から光サーキュレータを介してセンサ用光ファイバ１の一端側に入射し、そのセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａで反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータを介して波長計測器に入射する構成や、可変波長光源で波長掃引した光を光サーキュレータを介してセンサ用光ファイバ１の一端側に入射し、そのセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａで反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータを介して受光器に入射し、受光器への入射光強度がピークになるタイミングにおける可変波長光源の掃引波長を検出する構成等が考えられる。

ここで、図３（ａ）のように基準状態の光ファイバセンサ２０に対して被測定物２による外力Ｆがベース２２を伸ばす方向に加わった場合、腕部２５、２６は、図３（ｂ）のように、ハの字状に傾き、腕部２５、２６に支持されているセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａに対する張力がＴ＋αに増し、その増分αに応じてブラッグ波長が長くなる。

また、図４（ａ）のように、基準状態の光ファイバセンサ２０に対して被測定物２による外力Ｆがベース２２を縮める方向に加わった場合、腕部２５、２６は図４（ｂ）のように、逆ハ字状に傾き、センサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａに対する張力がＴ−αに減少して、その縮小分αに応じてブラッグ波長が短くなる。

そして、図５（ａ）のようにベース２２の両端を例えばネジ１９、１９で被測定物２に固定された基準状態の光ファイバセンサ２０に対して被測定物２による外力Ｆがベース２２をさらに縮める方向にさらに強く加わって、ベース２２が図５（ｂ）のように湾曲した場合であっても、その湾曲による腕部２５、２６の逆ハ字状の傾きの増加はヒンジ２３、２４が吸収して、腕部２５、２６の動きに悪影響を与えない。

また、この実施形態の光ファイバセンサ２０では、光ファイバ３０により腕部２５、２６の上端間に引っ張り力を与えているため、腕部２５、２６、センサ用光ファイバ１および光ファイバ３０で形成される四辺形の中に連結部２９が横架された変形しにくい略日の字構造となり、センサ用光ファイバ１のプリテンションによる腕部２５、２６の傾きを防ぐことができ、その所望のプリテンションを与えることができる。

即ち、仮に図６（ａ）のように光ファイバ３０が無い場合で、センサ用光ファイバ１にプリテンションＴを与えた場合、そのプリテンションＴによる回転モーメントがヒンジ２３、２４にかかって図６（ｂ）のようにヒンジ２３、２４を変形させ、その結果腕部２５、２６が逆ハの字に傾きプリテンションがＴ−γに減少してしまう。

これに対し、上記実施形態のように光ファイバ３０によりバランス用の張力を与えることで、腕部２５、２６の回転モーメントを極めて小さくしてヒンジ２３、２４の変形を抑制することができ、プリテンションの消費を抑制できる。

また、バランス力付与手段として光ファイバ３０を用いて、周囲の温度、湿度などに対してセンサ用光ファイバ１と同等の伸縮特性をもたせることで、環境変化の影響をより受けないものにすることかできる。

また、図７のように、バランス力付与手段として光ファイバ３０の代わりにセンサ用光ファイバ１と同様にグレーティング部１ａ′を有する光ファイバ１′を用いてもよい。この場合、例えばセンサ用光ファイバ１と同一伸縮特性のものを用いることで、環境変化の影響をより受けにくくすることかできる。また、同一伸縮特性、同一反射特性の光ファイバ１′であればセンサ用としても用いることができ、例えば、測定用の光をスイッチで切り替えて光ファイバ１、１′に対して選択的に入射できるようにし、一方の光ファイバに異常が発生した場合に他方を使う等の利用が可能である。

また、図８に示す光ファイバセンサ２０′のように、ベース２２′を、一方のヒンジ２３を介して一方の腕部２５が立設された第１ベース部４２と、第１ベース４２と分離され、他方のヒンジ２４を介して他方の腕部２６が立設された第２ベース部４３とで分割形成することもできる。

この場合でも、被測定物２の伸縮に応じて第１ベース部４２と第２ベース部４３の間隔が変化し、腕部２５、２６が互いに反対方向に傾いて、センサ用光ファイバ１のブラッグ波長が変化する。

また、上記説明では、ベース２２の下面全体が被測定物２に接触固定されているものとしたが、上記のようにベース２２を分割構造にした場合、被測定物２に対する各ベース４２、４３の固定位置を選択できるように構成しておくことで、ファイバ支持体２１に与える変位量を可変できる。

例えば、図９（ａ）のように、各ベース４２、４３の内側を被測定物２に固定（この例ではネジ４４による固定）した場合にはその固定位置間の間隔Ｌａにおいて生じた被測定物２の伸び分（あるいは縮み分）だけベース４２、４３の間隔を変化させるが、図９（ｂ）のように、各ベース４２、４３の外側を被測定物２に固定した場合には、その固定位置間の間隔Ｌｂにおいて生じた被測定物２の伸び分（あるいは縮み分）だけベース４２、４３の間隔を変化させることになり、感度がＬｂ／Ｌａ倍になる。ただし、ファイバの伸びにも限界があるので、感度を優先したい場合にはベースの固定位置間隔を大きくとり、測定範囲を広くとりたい場合にはベースの固定位置間隔を小さくするという選択が可能となる。

また、前記実施形態では、センサ用光ファイバ１とバランス力付与手段としての光ファイバ３０（または光ファイバ１′）を腕部２５、２６の表面に固定していたが、これは本発明を限定するものではなく、図１０のように、腕部２５、２６の上部側と下部側の中央を貫通する穴４５、４６、４７、４８にファイバを通した状態で固定してもよい。

また、図１１のように、ベース２２側からヒンジ２３、２４を通過して腕部２５、２６の下部中央まで連続するスリット５０にセンサ用光ファイバ１を通して固定し、腕部２５の上面から上部中央まで連続するスリット５１と、腕部２６の上面から上部中央まで連続するスリット５２とに光ファイバ３０（あるいは光ファイバ１′）を通して固定してもよい。

上記の各実施形態で、センサ用光ファイバ１を腕部２５、２６の下部側（ベース２２に近い位置）に固定し、バランス力付与手段（光ファイバ３０、光ファイバ１′）を腕部２５、２６の上部側（ベース２２から遠い位置）に固定していたが、逆に、センサ用光ファイバ１を腕部２５、２６の上部側（ベース２２から遠い位置）に固定し、バランス力付与手段（光ファイバ３０、光ファイバ１′）を腕部２５、２６の下部側（ベース２２に近い位置）に固定してもよい。

このようにセンサ用光ファイバ１を腕部２５、２６の上部側（ベース２２から遠い位置）に固定した場合、例えば腕部２５、２６を長くしたり、連結部２９をベース２２に近い位置に設けることで、ベース２２の僅かな伸縮変化に対して、腕部２５、２６の上端間の距離をより大きく変化させることができ、高感度化ができる。

また、上記実施形態では、ファイバ支持体２１を一体構造としたが、ベース２２、腕部２５、２６、連結部２９をそれぞれ別体とし、板バネなどからなるヒンジ２３、２４、２７、２８を介して接続して構成してもよい。また、バランス力付与手段としてはファイバでなく、巻きバネ等であってもよい。

本発明の実施形態の構成図 実施形態の平衡条件を説明するための図 実施形態の動作説明図 実施形態の動作説明図 実施形態の動作説明図 バランス力付与手段が無い場合の動作説明図 本発明の他の実施形態を示す図 本発明の他の実施形態を示す図 ベース分割型の場合の被測定物への取付位置と感度との関係を説明するための図 本発明の他の実施形態を示す図 本発明の他の実施形態を示す図 ベースの変形の影響を説明するための図 ヒンジを用いてベースの変形の影響をなくす例を示す図

符号の説明

１……センサ用光ファイバ、１ａ……グレーティング部、１′……光ファイバ、１ａ′……グレーティング部、２０……光ファイバセンサ、２１……ファイバ支持体、２２、２２′……ベース、２３、２４……ヒンジ、２５、２６……腕部、２７、２８……ヒンジ、２９……連結部、３０……光ファイバ、４２……第１ベース部、４３……第２ベース部、４４……ネジ、４５〜４８……穴、５０〜５２……スリット

Claims (4)

1. 被測定物に固定されるベース（２２）と、前記ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ（２３、２４）を介して互いに対向するように立設された一対の腕部（２５、２６）と、前記一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ（２７、２８）を介して連結する連結部（２９）とを有し、前記被測定物から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体（２１）と、
   ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の一対の腕部の、前記連結部と重ならない一端側の位置の間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって前記腕部に固定されたセンサ用光ファイバ（１）と、
   前記ファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部と重ならない他端側の位置の間に、前記センサ用光ファイバの張力による前記一対の腕部の傾動を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で、前記腕部に固定されたバランス力付与手段（３０、１′）とを備えた光ファイバセンサ。
2. 前記バランス力付与手段は、前記一対の腕部の、前記連結部と重ならない他端側の位置の間に固定された光ファイバ（３０）であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサ。
3. 前記前記バランス力付与手段としての光ファイバが、ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ′）を有する光ファイバ（１′）であって、該グレーティング部が前記一対の腕部の間に挟まれた状態で固定されていることを特徴とする請求項２記載の光ファイバセンサ。
4. 前記ファイバ支持体のベースは、前記ヒンジの一方を介して前記腕部の一方が立設された第１ベース部（４２）と、該第１ベースと分離され、前記ヒンジの他方を介して前記腕部の他方が立設された第２ベース部（４３）とにより分割形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバセンサ。

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