JP2010519517A - 光学歪計 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで平らな構成を有し、検出すべき歪を予応力なしに正確に検出できる光学歪計を創作すること。
【解決手段】この発明は、薄い下層（１）に固定されている少なくとも一つの光波導体（５）を包含する光学歪計に関する。光波導体（５）が歪を検出するファイバ・ブラッグ・グレーテイング（６）を備える少なくとも一つの部分（１０）を有する。この発明は、ファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分（１０）の外部の光波導体（５）が両側でこの光波導体に対して二つの固定要素（３、４）によって被覆されている。固定要素により光波導体（５）が力一体的に下層（１）上に固定されている。二つの横固定要素（３、４）の間には、光波導体（５）が比較的軟質弾性固定要素（２）により包囲されていて、その固定要素が少なくともファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分（１０）を下層（１）に形状一体的に固定される。

Description

この発明は、特許請求項１の上位概念による光学歪計及び特許請求項１１に上位概念によるこの光学歪計を製造する方法に関する。

光学歪計は、異なった形状で知られ、ホイル状支持層から成る、或いはこの種の支持層に注入される。これら支持層はファイバ型ブラッググレーテイング（繊維−ブラッグ−回折格子）を備える部分を含有する光波導体に固定されている基板を有する。この種のファイバブラッググレーテイングによって光波導体に供給された一定の波長を備える干渉性光線が反射されて、反射ピークとして検出される。この種の光学歪計は変形物体に印加されるので、歪によって反射ピークの波長が歪に比例して変更される。それ故に、この種の光学歪計が抵抗格子を備える電気歪計と同様に使用できて、異なった物理量を検出するために利用される。

実際には、この種の反射ピークが繊維方向と直交する機械的応力によって或いは横に向いた歪領域によって複数の最高反射或いは普通の評価装置において一義的な波長を備えて正確に解像できない幅を著しく拡大した最高値を有する。

機械的応力を測定するこの種の光学歪計は欧州特許第１１２９３２７号明細書（特許文献１）から知られている。この場合に、光学繊維ロゼットとして形成されている光学歪計を扱っている。この場合に、光学歪計が剛性平板として形成されている支持材料から成り、この平板には光波導体がそれぞれの一つのファイバ・ブラッグ・グレーテイングを備える三つの部分を貼り付けられ、他の貼付けられた板によって覆われている。他の実施種類では、光波導体が硬化されたエポキシ樹脂から成る硬質支持材料に密封される。歪を測定するために、板状或いはエポキシ樹脂層から成る基板を備える光学歪計が変形物体或いは歪物体に貼り付けられ、その歪が検出される。貼り付けるために、光学歪計がその基板によりしっかりと変形物体或いは歪物体に押圧されなければならなく、それにより既に強力な横力が剛性エポキシ樹脂層或いは板に案内される。ファイバ・ブラッグ・グレーテイングとの剛性結合によって残る残存応力がしばしば反射ピークの強力な拡大を生じるファイバ・ブラッグ・グレーテイングに残留できる。しかし、エポキシ樹脂に密封されたファイバ・ブラッグ・グレーテイング或いは二つの硬質板間に貼り付けたファイバ・ブラッグ・グレーテイングを備えるこの種の光学歪計は、炭素繊維補強した結合材或いはセメント材に歪検出するようにしっかりと取付けられ得て、それにより硬化過程の際に部分的に残存横力がファイバ・ブラッグ・グレーテイングに案内されている。これは、しばしば、一つの或いは複数の最高値を備える反射ピークの拡大を生じるファイバ・ブラッグ・グレーテイングに干渉するよう導き、その反射波長が十分な精度により厳格に検出される。

無論、ドイツ特許第１９６４８４０３号明細書（特許文献２）から、一体化されたファイバ・ブラッグ・グレーテイングを備える検出測定する光学記録装置が知られていて、このファイバ・ブラッグ・グレーテイングには、横力が案内できなく、反射ピークの拡大を導き得る。この記録装置では、引張力並びに圧縮力が検出できる力記録装置が扱われている。それ故に、ファイバ・ブラッグ・グレーテイングを備える光波導体が二つの間隔を置いた固定要素間に配置されていて、固定要素が互いに圧縮ばねと歪物体によって引張方向に予め緊張されている。この場合に、ファイバ・ブラッグ・グレーテイングを備える光波導体が管状歪物体に配置されていて、単に固定要素に力一体的に固定されている。ファイバ・ブラッグ・グレーテイングの領域には、ファイバ・ブラッグ・グレーテイングを備える歪物体と波導体部分の間の中空空間には、明らかに柔らか充填材が設けられている。力測定するために、力が両固定要素に引張力或いは圧縮力を導入されていて、それによりファイバ・ブラッグ・グレーテイングを備える波導体部分が延伸されるか、或いは圧縮されて、それにより反射波長が両方向に力導入に比例して変形される。ファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分の保護された取付けによって反射ピークが比較的僅かなままであるので、波長変更が正確に検出できる。無論、この種の管状変換要素が力導入するように直角に変換要素に設けた固定要素を備えて非常に大きく、製造において費用のかかる。さらに、この種の変換要素を検出する歪可能な表面に固定することが面倒でしかない。通常には、予応力によって既に歪測定領域の一部が引張方向に諦められるので、それにより大きい歪作用がもはや検出できない。

欧州特許第１１２９３２７号明細書 ドイツ特許第１９６４８４０３号明細書

それ故に、この発明の課題は、コンパクトで平らな構成を有し、検出すべき歪を予応力なしに正確に検出できる光学歪計を創作することである。

この課題は、特許請求項１と１１に挙げられてた発明によって解決される。この発明の再現と好ましい実施例は従属請求項に挙げられている。

この発明は、ファイバ・ブラッグ・グレーテイング部分の外部の両平らな固定要素によってこのファイバ・ブラッグ・グレーテイングには歪力が縦方向に均一に導入される利点を有する。この場合に、力一体的固定要素によってファイバ・ブラッグ・グレーテイングへの別の力導入が締め出されるので、反射波長が一義的な反射ピークを発生させ、その反射ピークが反射波長の正確な検出とそれにより正確な歪検出とを可能とする。

同時にこの発明は、ファイバ・ブラッグ・グレーテイング部分の比較的柔らか弾性被覆によってこのファイバ・ブラッグ・グレーテイングが縦方向に及び横方向に固定されているが、しかし残留する材料応力或いは横力が歪を測定するファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分により遠ざけられる利点を有する。これによって、同時に光波導体がその測定する領域に機械的損傷や残留変形から保護される。さらに、比較的柔らかな弾性合成樹脂を備えるファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分の被膜は、予応力のない固定によって、光波導体が硬質横ガイドに固定される必要なしに、圧縮も測定できる利点を有する。

この発明は、さらに、予応力のなく固定されたファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分を備えるこの種の光学歪計が歪測定用の全引張測定領域を利用でき、この測定領域が従来の電気歪計より著しく上回り、損失のない追加的測定領域が圧縮も検出できる利点を有する。

この発明の更なる利点は、光波導体が全体的に力一体的固定層を貼り付けられるか、或いは被覆されたとしても、大して費用のかからない二つの異なった合成樹脂材料を備える光波導体の圧縮による光学歪計の簡単な製造であることである。

光学歪計の側面図を概略的断面として示す。 光学歪計の正面図を概略的断面として示す。

この発明は図面に図示されている実施例に基づいて詳細に説明される。

図面の図１には、光学歪計が側面図で概略的に図示されていて、実質的に下層１と上層７から成り、それらの間に光波導体５がファイバ・ブラッグ・グレーテイング６を貼り付けられ、下層１と上層７が比較的硬質良好付着合成樹脂から成るファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分１０の傍の横に配置された二つの平らな固定要素３、４を含有し、それら下層１と上層７の間には比較的軟質弾性固定要素２が設けられている。

光学歪計では、変換要素が扱われていて、特に歪感応変形物体９に適用されて、その歪が検出される。この場合に、例えば力記録装置の変形物体９が扱われて、特にアルミニウムから成るか、或いは例えば歪が直接に検出される飛行物体の歪感応部分が扱われている。それ故に、ここで、アルミニウム製の変形物体９が設けられて、その変形物体上に光学歪計が適用される（貼付けられる）。しかし、変形物体９或いは他の材料から成る歪感応構成部材が考慮できるので、特にこの種の光学歪計を繊維結合工作材に一体化させるか、或いはこの繊維結合工作材を適用させることが設けられている。

アルミニウム製の変形物体９では、光学歪計が図示されていない合成樹脂接着剤によって直接に貼り付けられ、その接着剤が電気歪計にも使用される。光波導体５が直線状に形成されて、下層１上に配置されて、特殊な製造方法によってこの下層１におけるおよそ半分まで嵌め込まれる。この場合に、この下層１は、ファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分１０の傍の左右側に設けられている両横平下固定帯１１から成る。それらの間に下層１の一部として下固定層２が配置されていて、その下固定層が少なくとも下層１に対する光波導体５のファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分１０を充填する。固定帯１１には、電気歪計でも、通常である支持箔を扱われていて、この支持箔は、ここで特に、光波導体５用固定要素３、４を意味する例えば四つのフェノール樹脂吸入された個々のガラス繊維紙葉の堆積から成る。この固定要素３、４の場合には、比較的硬質硬化合成樹脂が扱われていて、フェノール樹脂吸入ガラス繊維紙葉が圧力下でおよそ１６５°に加熱されて、それにより互いに貼り付けられ、次の冷却にて硬化するならば、硬化合成樹脂が生じる。この場合に、加熱が圧力下で特に３時間の利用する適切な時間を維持され得る。

これに対して、これら固定要素３、４の間に設けられた下層１の平固定層２は、同様に接着力を加熱によって圧力作用の下で発展させる比較的軟質弾性合成樹脂から成る。特に、このために、デュポン社の商標「パイララックス（Pyralux)」の下で販売される箔状アクリレート接着帯が使用される。両固定要素３、４の間のこの接着帯によって硬化によりファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分１０を備える光波導体５の形状一体的固定が変形物体９上に生じ、変形物体によって無横力と機械的応力がファイバ・ブラッグ・グレーテイング６に導入できる。両横固定帯１１とその間に配置された固定層２とから成るこの下層１は全体でおよそ０．２ｍｍから０．２５ｍｍまでの同じ高さを有し、特におよそ３０〜４０ｍｍまでの長さである。この場合に、光波導体５が半分に対しておよそ９０μｍの高さに固定層２により包囲されて、この固定層によりしっかりと貼り付けられる。

下層１と上層７の間の光波導体５の配列が個々に図面の図２から明らかである。この場合に、光学歪計が特におよそ５ー１０ｍｍのおよそ全幅を有し、それは、およそ１８０μｍの厚さの光波導体５を良く包囲して、同時に変形物体９への固定的適用（貼付け）を保証させるのに十分である。

下層１の上部と光波導体５上には、追加的に上層７の平らな層が設けられて、同様に左右側に固定帯製の硬質良好付着層を有し、下固定帯１１と光波導体５とで力一体的結合を形成し、それぞれに一個の固定要素３、４を意味する。この場合に、両上固定帯１１が特にフェノール樹脂吸入ガラス繊維から構成されていて、固定帯が光波導体５をファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分１０なしに、半分に対して力一体的に包囲する。そのように構成された固定要素３、４によって専ら歪力が光波導体５に或いはそのファイバ・ブラッグ・グレーテイング６が繊維縦方法に導入される。光波導体５を固定するために、両フェノール樹脂吸入ガラス繊維帯１１が圧力下で短時間で１６５°に加熱されて、硬化するためにゆっくりと冷却される。それにより、非常に僅かな追従行動のみを有する光波導体５を備える硬質力一体的結合が生じる。

上層７上にも、両横上固定帯１１の間に軟質弾性合成樹脂接着剤、特にアクリレート材製の上固定層２が配置されていて、合成樹脂接着剤が同様に光波導体５、特にファイバ・ブラッグ・グレーテイング６を備える部分１０に半分に対して被覆し、それにより下固定層２により完全に包囲する。この場合に、同様に両固定層２が上層７及び下層１から加熱過程によって圧力作用の下で光波導体５により貼り付けられる。光学歪計のこの中間部材が両固定層から固定要素２として比較的軟質弾性に形成されているので、この中間部材が単にファイバ・ブラッグ・グレーテイング６を備える光波導体部分１０を縦横方向に固定し、この場合に、この平均部材が軟質弾性であるので、それにより横力或いは縦力は耐久的にファイバ・ブラッグ・グレーテイング６に導入できない。それにより特に横力の残留導入が組立ての際に或いは歪過程中に阻止され、それにより反射ピークの最高の幅が変更できた。

下層１の場合と同様に、上層７の平層が特に０．２−０．２５ｍｍの高さに設けられて、その層を通しておよそ１８０μｍφ厚さ光波導体５が平均領域にも形状一体的に埋め込まれている。補強帯１１と固定層２が縦方向に先の丸く互いに突き合わせるので、上層７上に全体的にカバー層８が塗布されて、カバー層は特にアクリレート材製の軟質弾性接着層から成る。

光学歪計を製造するために、固定要素３、４と固定要素２の個々の紙葉状帯１１がまず最初に下層１に縦方向に並んで且つ高さに上下に加熱可能な圧力板上に置かれている。その圧力板上には直線状光波導体５が対称的に配置されて、同じ形式にその上に紙葉状帯と上層７の紙葉状層が位置決めされている。縦結合するために、共通カバー層８が歪計の全面の上に置かれる。この全層構造が二つの加熱可能な圧力板の間に配置されて、およそ１６５°の温度に加熱され、一定圧力の下で全体をゆっくりと冷却させる。それにより光波導体５の端領域におけるしっかりな力一体的結合と、中間領域とファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分１０における軟質弾性結合とが生じる。この場合に、既に比較的軟質弾性固定要素２によって、既に製造の際に強力な横力が、ファイバ・ブラッグ・グレーテイング・構造の残留変形を生じ得たファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分１０に導入されることが阻止される。固定要素２の内部にファイバ・ブラッグ・グレーテイング６のこの種の配列によって、歪力が固定要素３、４により縦面にファイバ・ブラッグ・グレーテイング６に導入されるので、ファイバ・ブラッグ・グレーテイング６の予応力のおけるように、明白な最高値を備える一義的な狭い反射ピークが生じ、その波長が正確に検出できる。ファイバ・ブラッグ・グレーテイング・波長の変更の場合に正確な検出性によって初めて、変形物体の歪行動に対する正確な測定信号が手に入る。

この発明による光学歪計は、無論、層状に構成される必要ではなく、むしろ、下層領域と上層領域が統一的合成樹脂として製造され得て、合成樹脂により光波導体５が包囲されている。この場合に、固定要素３、４のみが良好な付着性の比較的硬質材料から成り、この材料が力一体的にファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分１０に隣接する両光波導体端部と接続されている。それらの間には、中間部分に固定要素２を配列していて、固定要素が一部材に成形され得て、ファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分１０の固定のみを奏するちがいない。このために、特に、弾性軟質合成樹脂材が設けられている。

１．．．．．下層
２．．．．．固定要素
３、４．．．固定要素
５．．．．．光波導体
６．．．．．ファイバ・ブラッグ・グレーテイング
７．．．．．上層
８．．．．．カバー層
９．．．．．基板
１０．．．．．ファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分
１１．．．．．固定帯

Claims (12)

1. 薄い下層（１）に固定されていて、歪を検出するファイバ・ブラッグ・グレーテイング（６）を備える部分（１０）を有する少なくとも一つの光波導体（５）を包含する光学歪計において、ファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分（１０）の外部の光波導体（５）が両側でこの光波導体に対して二つの固定要素（３、４）によって被覆されていて、固定要素により光波導体（５）が力一体的に下層（１）上に固定されていて、横固定要素（３、４）の間の光波導体（５）が比較的軟質弾性固定要素（２）により包囲されていて、その固定要素が少なくともファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分（１０）を基板（１）に形状一体的に固定されることを特徴とする光学歪計。
2. この光学歪計が下層（１）としての平らな薄い層と上層（７）としての平らな薄い層とを有する矩形箔状物体として形成されていて、それらの上層と下層の間には光波導体（５）が縦方向に直線状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学歪計。
3. 下層（１）がファイバ・ブラッグ・グレーテイング（６）の領域で平らな薄い固定層（２）から成り、固定層にはそれぞれ一つの下平薄固定帯（１１）が配置されていて、この補強帯上にファイバ・ブラッグ・グレーテイング（６）を備える光波導体（５）が貼付け結合によって固定されていることを特徴とする請求項１或いは２に記載の光学歪計。
4. 下層（１）に固定された光波導体（５）を備える下層（１）上には、上層（７）としての平らな薄い層が貼り付けられ、ファイバ・ブラッグ・グレーテイング（６）を備える光波導体（５）が下層（１）と上層（７）の間に貼付け結合によって形状一体的に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の光学歪計。
5. 固定要素（３、４）がそれぞれ少なくとも少なくとも二つの固定帯（１１）から包含し、この固定帯が互いに且つ光波導体（５）の端部でファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分（１０）の外部に形状一体的に且つ力一体的に貼り付けられ、固定要素（３、４）が比較的硬質の良好な付着性合成樹脂から成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学歪計。
6. 固定要素（３、４）がフェノール樹脂吸入ガラス繊維合成樹脂から成ることを特徴とする請求項５に記載の光学歪計。
7. 固定要素（２）が少なくとも二つの薄い固定層を包含し、それら固定層の間に光波導体（５）が少なくともそのファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分（１０）と形状一体的に固定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学歪計。
8. 固定要素（２）が比較的軟質弾性の良好な付着性合成樹脂材から成ることを特徴とする請求項７に記載の光学歪計。
9. 比較的軟質弾性合成樹脂材が一つの或いは複数の箔状アクリレート接着層から成ることを特徴とする請求項８に記載の光学歪計。
10. 上層（７）上には、平らな箔状カバー層（８）が固定されていて、このカバー層が少なくとも一つの良好な付着性アクリレート接着層から成ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学歪計。
11. 下層（１）と上層（７）の間にファイバ・ブラッグ・グレーテイング・部分（１０）を備える光波導体（５）が貼り付けられ、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学歪計を製造する方法において、二つの加熱可能な圧力板の間にまず最初に一つの平らな固定層（２）が縦方向に二つの当接する固定帯（１１）と設置されていて、固定帯上に光波導体（５）が縦に載置されて、下層（１）が全体として所定圧力の下で加熱されて硬化される同様な上層（７）により被覆されていることを特徴とする方法。
12. 上層（７）の上に箔状アクリレート接着材から成るカバー層（８）が置かれていて、下層（１）と上層（７）により所定圧力の下で加熱されて硬化されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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