JP2011163941A - Optical fiber sensor - Google Patents

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Masaki Kunito
正樹 国頭
Nobuhiro Fueki
信宏 笛木
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect horizontal stresses, even when a body contacts the entire measurement area making up a contact surface with the body, and horizontal stresses are applied thereby. <P>SOLUTION: In FBG sensors 14A to 14D, a stress detection sensor part 16 is arranged so as to be internally included in a stress direction conversion part 18 in plan view. Gratings 26x, 26y are expanded and contracted by horizontal stress F<SB>H</SB>transmitted from the stress direction conversion part 18, whereas gratings 72x, 72y are arranged outside of the stress direction conversion part 18 in the measurement area 22. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバを有する光ファイバセンサに関する。   The present invention relates to an optical fiber sensor having an optical fiber in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arranged.

従来より、シート体の内部に埋設した光ファイバのコアに複数個のグレーティング(回折格子)を設けた、FBG(Fiber Bragg Grating)センサと呼称される光ファイバセンサでは、物体から応力を受けると前記グレーティングに歪みが発生して反射光の波長が変化する現象を利用し、該歪みの発生に伴う前記反射光の波長(反射波長)のシフト量を検出して、検出した該シフト量に基づき前記応力を検出する(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, in an optical fiber sensor called an FBG (Fiber Bragg Grating) sensor in which a plurality of gratings (diffraction gratings) are provided in an optical fiber core embedded in a sheet body, when the stress from an object is received, Utilizing the phenomenon that the wavelength of the reflected light changes due to distortion in the grating, the shift amount of the wavelength of the reflected light (reflection wavelength) accompanying the generation of the distortion is detected, and the shift amount is detected based on the detected shift amount. Stress is detected (for example, refer to Patent Document 1).

特開2002−71323号公報JP 2002-71323 A

特許文献1の光ファイバセンサにおいて、検出面である被測定エリアのうち、隣接する2つのグレーティング間に対応する箇所に物体が接触し、該物体から前記対応する箇所に水平応力が付与された場合に、一方のグレーティングは、前記水平応力によって伸張すると共に、他方のグレーティングは、前記水平応力によって圧縮される。これにより、2つのグレーティングの歪み量や反射波長のシフト量が互いに異なる大きさとなり、前記被測定エリアに付与された水平応力の位置、大きさ及び方向を検出することが可能となる。   In the optical fiber sensor of Patent Document 1, when an object comes into contact with a corresponding portion between two adjacent gratings in a measurement area that is a detection surface, and horizontal stress is applied from the object to the corresponding portion. In addition, one grating is stretched by the horizontal stress, and the other grating is compressed by the horizontal stress. As a result, the distortion amounts and the shift amounts of the reflected wavelengths of the two gratings have different sizes, and the position, size, and direction of the horizontal stress applied to the measurement area can be detected.

しかしながら、平面視で前記被測定エリアよりも大きな物体が該被測定エリア全体に接触して水平応力が付与される場合には、前記2つのグレーティングを含む全てのグレーティングが同じような構造変化(歪み)を起こすので、該各グレーティングの歪み量の差分や反射波長のシフト量の差分が水平応力を検出できる程度の明確な差分とはならず、該水平応力の検出が困難になるという問題があった。   However, when an object larger than the measurement area in plan view comes into contact with the entire measurement area and a horizontal stress is applied, all the gratings including the two gratings have the same structural change (distortion). Therefore, the difference in the distortion amount of each grating and the difference in the shift amount of the reflection wavelength are not clear differences enough to detect the horizontal stress, which makes it difficult to detect the horizontal stress. It was.

本発明は、前記の問題に鑑みなされたものであり、物体との接触面である被測定エリア全体に前記物体が接触して水平応力が付与される場合でも、該水平応力を検出す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する。   The present invention has been made in view of the above problems, and even when the object is in contact with the entire area to be measured which is a contact surface with the object and the horizontal stress is applied, the horizontal stress can be detected. An object of the present invention is to provide an optical fiber sensor that can be used.

本発明に係る光ファイバセンサは、
特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる複数の応力検出センサ部と、外部応力を前記グレーティングを配列した方向の応力に変換して前記各グレーティングに伝達する応力方向変換部とを備え、
前記各応力検出センサ部及び前記応力方向変換部は、前記外部応力を受ける被測定エリア内に配置され、
前記複数の応力検出センサ部は、平面視で前記応力方向変換部に内包されるように配置され、前記応力方向変換部から伝達された応力によって前記グレーティングが伸縮する第1の応力検出センサ部と、前記被測定エリアにおける前記応力方向変換部の外方に配置された第2の応力検出センサ部とであることを特徴としている。
The optical fiber sensor according to the present invention is
A plurality of stress detection sensor units composed of optical fibers in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arrayed, and a stress direction conversion unit that converts external stress into stress in the direction in which the gratings are arrayed and transmits the stress to each grating. Prepared,
Each of the stress detection sensor units and the stress direction conversion unit are disposed in a measurement area that receives the external stress,
The plurality of stress detection sensor units are arranged so as to be included in the stress direction conversion unit in a plan view, and a first stress detection sensor unit in which the grating expands and contracts by the stress transmitted from the stress direction conversion unit; And a second stress detection sensor unit disposed outside the stress direction conversion unit in the measurement area.

本発明によれば、前記応力方向変換部に内包されるように前記第1の応力検出センサ部が配置されると共に、前記応力方向変換部の外方に前記第2の応力検出センサ部が配置されている。そのため、物体から前記被測定エリアに外部応力としての水平応力が付与された場合に、前記第1の応力検出センサ部のグレーティングは、前記水平応力に応じて伸縮し、一方で、前記第2の応力検出センサ部のグレーティングは、前記応力方向変換部の外方に配置されているので、前記第1の応力検出センサ部のグレーティングとは異なる伸縮を示す。   According to the present invention, the first stress detection sensor unit is disposed so as to be included in the stress direction conversion unit, and the second stress detection sensor unit is disposed outside the stress direction conversion unit. Has been. Therefore, when a horizontal stress as an external stress is applied from the object to the area to be measured, the grating of the first stress detection sensor unit expands and contracts according to the horizontal stress, while the second stress Since the grating of the stress detection sensor unit is disposed outside the stress direction conversion unit, it exhibits expansion and contraction different from the grating of the first stress detection sensor unit.

これにより、前記第1の応力検出センサ部のグレーティングと、前記第2の応力検出センサ部のグレーティングとの間では、グレーティングの歪み量や反射波長のシフト量が互いに異なる大きさとなるので、前記歪み量の差分や前記シフト量の差分が前記水平応力を検出できる程度の明確な差分となる。この結果、前記被測定エリア全体に前記水平応力が付与されても、付与された前記水平応力の位置、大きさ及び方向を検出することが可能となる。   Accordingly, the amount of distortion of the grating and the amount of shift of the reflected wavelength are different between the grating of the first stress detection sensor unit and the grating of the second stress detection sensor unit. The difference in amount and the difference in shift amount are clear differences to the extent that the horizontal stress can be detected. As a result, even if the horizontal stress is applied to the entire area to be measured, the position, magnitude, and direction of the applied horizontal stress can be detected.

このように、本発明によれば、前記被測定エリアにおいて、前記応力方向変換部に内包させるように前記第1の応力検出センサ部を配置すると共に、前記応力方向変換部の外方に前記第2の応力検出センサ部を配置することにより、前記物体との接触面である前記被測定エリア全体に該物体が接触して前記水平応力が付与された場合でも、該水平応力を検出することが可能となる。   As described above, according to the present invention, in the area to be measured, the first stress detection sensor unit is disposed so as to be included in the stress direction conversion unit, and the first stress detection sensor unit is disposed outside the stress direction conversion unit. By disposing the stress detection sensor unit 2, the horizontal stress can be detected even when the horizontal stress is applied when the object is in contact with the entire area to be measured which is a contact surface with the object. It becomes possible.

ここで、前記光ファイバは、前記応力方向変換部を貫通するように前記被測定エリアに沿って配置され、前記第1の応力検出センサ部は、前記光ファイバに配置された第1のグレーティングを有すると共に、前記第2の応力検出センサ部は、前記光ファイバに配置された第2のグレーティングを有してもよい。   Here, the optical fiber is disposed along the area to be measured so as to penetrate the stress direction conversion section, and the first stress detection sensor section includes a first grating disposed in the optical fiber. The second stress detection sensor unit may include a second grating disposed on the optical fiber.

これにより、前記被測定エリアに前記水平応力が付与されたときに、前記水平応力に起因して前記第1のグレーティングが伸縮すると同時に、前記第2のグレーティングも伸縮するので、前記水平応力の検出を効率よく行うことができる。   Accordingly, when the horizontal stress is applied to the area to be measured, the first grating expands and contracts due to the horizontal stress, and at the same time, the second grating expands and contracts. Can be performed efficiently.

また、前記応力方向変換部は、前記被測定エリアに沿って延在する平坦部と、前記平坦部から前記光ファイバにおける前記第1のグレーティングの一端部側に橋架された第1の応力伝達部と、前記平坦部から前記光ファイバにおける前記第1のグレーティングの他端部側に橋架された第2の応力伝達部とを有する。   The stress direction conversion section includes a flat section extending along the measurement area, and a first stress transmission section bridged from the flat section to one end of the first grating in the optical fiber. And a second stress transmission portion bridged from the flat portion to the other end portion side of the first grating in the optical fiber.

これにより、前記水平応力を前記第1のグレーティングに効率よく伝達することができる。   Thereby, the horizontal stress can be efficiently transmitted to the first grating.

さらに、前記第2のグレーティングを前記光ファイバにおける前記第1の応力伝達部の近傍又は前記第2の応力伝達部の近傍に配置すれば、前記第1のグレーティングの配列方向と、前記第2のグレーティングの配列方向とを略一致させることができるので、前記水平応力が前記被測定エリアに付与された際に、前記第1のグレーティング及び前記第2のグレーティングを同軸上でそれぞれ歪ませることが可能となる。従って、前記第1のグレーティング及び前記第2のグレーティングの歪み量及び反射波長のシフト量から前記水平応力を容易に算出することが可能となる。   Further, if the second grating is disposed in the vicinity of the first stress transmission portion or in the vicinity of the second stress transmission portion in the optical fiber, the arrangement direction of the first grating, and the second Since the grating arrangement direction can be made substantially coincident, it is possible to distort the first grating and the second grating on the same axis when the horizontal stress is applied to the measurement area. It becomes. Therefore, it is possible to easily calculate the horizontal stress from the distortion amount and the reflection wavelength shift amount of the first grating and the second grating.

また、前記応力方向変換部を貫通するように前記被測定エリアに沿って第1の光ファイバを配置し、前記応力方向変換部を貫通すると共に平面視で前記第1の光ファイバと直交するように第2の光ファイバを前記被測定エリアに沿って配置し、前記第1の光ファイバ及び前記第2の光ファイバに前記第1のグレーティングをそれぞれ配置し、前記第1の光ファイバ及び前記第2の光ファイバの少なくとも一方に前記第2のグレーティングを配置してもよい。   In addition, a first optical fiber is disposed along the measurement area so as to penetrate the stress direction conversion portion, and penetrates the stress direction conversion portion and is orthogonal to the first optical fiber in plan view. The second optical fiber is disposed along the area to be measured, the first grating is disposed on the first optical fiber and the second optical fiber, and the first optical fiber and the second optical fiber are disposed on the first optical fiber and the second optical fiber, respectively. The second grating may be disposed on at least one of the two optical fibers.

これにより、例えば、前記第1の光ファイバを前記被測定エリアに沿ったX方向に配置し、前記第2の光ファイバを前記被測定エリアに沿ったY方向に配置すれば、前記水平応力をX方向及びY方向の成分に分離して検出することも可能となる。   Thereby, for example, if the first optical fiber is arranged in the X direction along the measured area and the second optical fiber is arranged in the Y direction along the measured area, the horizontal stress is reduced. It is also possible to detect the components separately in the X direction and the Y direction.

本発明によれば、被測定エリアにおいて、応力方向変換部に内包させるように第1の応力検出センサ部を配置すると共に、前記応力方向変換部の外方に第2の応力検出センサ部を配置することにより、物体との接触面である前記被測定エリア全体に前記物体が接触して水平応力が付与された場合でも、該水平応力を検出することが可能となる。   According to the present invention, in the area to be measured, the first stress detection sensor unit is disposed so as to be included in the stress direction conversion unit, and the second stress detection sensor unit is disposed outside the stress direction conversion unit. As a result, even when the object comes into contact with the entire area to be measured, which is a contact surface with the object, and a horizontal stress is applied, the horizontal stress can be detected.

本実施形態の前提となるFBGセンサをシート体に配置した圧力センサの斜視図である。It is a perspective view of the pressure sensor which has arrange | positioned the FBG sensor used as the premise of this embodiment in the sheet | seat body. 図1の圧力センサの平面図である。It is a top view of the pressure sensor of FIG. 図1のFBGセンサの斜視図である。It is a perspective view of the FBG sensor of FIG. 図1のFBGセンサの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the FBG sensor of FIG. 図1〜図4のFBGセンサによる垂直応力の検出原理の説明図である。It is explanatory drawing of the detection principle of the normal stress by the FBG sensor of FIGS. 水平応力が付与される前の図1〜図4のFBGセンサの説明図である。It is explanatory drawing of the FBG sensor of FIGS. 1-4 before horizontal stress is provided. 図6のFBGセンサによる水平応力の検出原理の説明図である。It is explanatory drawing of the detection principle of the horizontal stress by the FBG sensor of FIG. 検出面である被測定エリアよりも大きな物体が図1及び図2の圧力センサに接触している状態を示す平面図である。It is a top view which shows the state which the object larger than the to-be-measured area which is a detection surface is contacting the pressure sensor of FIG.1 and FIG.2. 水平応力が付与される前の図8のFBGセンサの説明図である。It is explanatory drawing of the FBG sensor of FIG. 8 before a horizontal stress is provided. 図8及び図9の状態で水平応力を被測定エリアに付与したときに、前記水平応力を検出することができないことを図示した説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating that the horizontal stress cannot be detected when the horizontal stress is applied to the measurement area in the state of FIGS. 8 and 9. 本実施形態に係るFBGセンサをシート体に配置した圧力センサの斜視図である。It is a perspective view of the pressure sensor which has arrange | positioned the FBG sensor which concerns on this embodiment to the sheet | seat body. 図11の圧力センサの平面図である。It is a top view of the pressure sensor of FIG. 被測定エリアよりも大きな物体が図11及び図12の圧力センサに接触している状態を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing a state in which an object larger than the measurement area is in contact with the pressure sensor of FIGS. 11 and 12. 水平応力が付与される前の図13のFBGセンサの説明図である。It is explanatory drawing of the FBG sensor of FIG. 13 before a horizontal stress is provided. 図14のFBGセンサによる水平応力の検出原理の説明図である。It is explanatory drawing of the detection principle of the horizontal stress by the FBG sensor of FIG. 図11〜図15の応力方向変換部の外方に配置されたグレーティングの出力を示すグラフである。It is a graph which shows the output of the grating arrange | positioned outside the stress direction conversion part of FIGS. 図11〜図16の圧力センサの変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of the pressure sensor of FIGS. 図11〜図16の圧力センサの変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of the pressure sensor of FIGS. 図11〜図16の圧力センサの変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of the pressure sensor of FIGS.

本発明に係る光ファイバセンサの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。   A preferred embodiment of an optical fiber sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.

先ず、本実施形態の説明に先立ち、本実施形態の前提となる光ファイバセンサとしてのFBGセンサ(Fiber Bragg Grating Sensor)を利用した応力検出の概要について、図1〜図10を参照しながら説明する。   First, prior to the description of the present embodiment, an outline of stress detection using an FBG sensor (Fiber Bragg Grating Sensor) as an optical fiber sensor which is a premise of the present embodiment will be described with reference to FIGS. .

図1は、本実施形態の前提となる複数のFBGセンサ14A〜14Dが組み込まれた圧力センサ10の斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view of a pressure sensor 10 in which a plurality of FBG sensors 14 </ b> A to 14 </ b> D as a premise of the present embodiment are incorporated.

圧力センサ10は、可撓性を有するシート体12の内部に、1本の光ファイバケーブル20がシート体12の表面方向(X−Y方向)に沿って埋設され、この光ファイバケーブル20に沿って複数のFBGセンサ14A〜14Dを配置することにより構成される。   In the pressure sensor 10, one optical fiber cable 20 is embedded along the surface direction (XY direction) of the sheet body 12 inside the flexible sheet body 12, and along the optical fiber cable 20. The plurality of FBG sensors 14A to 14D are arranged.

すなわち、光ファイバケーブル20は、Y方向に向かって蛇行することにより長手方向がX方向とされた光ファイバ(第1の光ファイバ)20xと、X方向に向かって蛇行することにより長手方向がY方向とされた光ファイバ(第2の光ファイバ)20yとから構成されている。この場合、光ファイバ20xと光ファイバ20yとは、互いに異なる高さに配置されているが(図3及び図4参照)、平面視では、光ファイバ20xと光ファイバ20yとが直交し(図2参照)、直交した箇所にFBGセンサ14A〜14Dが設けられている。   That is, the optical fiber cable 20 has an optical fiber (first optical fiber) 20x whose longitudinal direction is set to the X direction by meandering in the Y direction, and a longitudinal direction of the optical fiber cable 20 that is meandered to the Y direction. It is comprised from the optical fiber (2nd optical fiber) 20y made into the direction. In this case, the optical fiber 20x and the optical fiber 20y are arranged at different heights (see FIGS. 3 and 4), but the optical fiber 20x and the optical fiber 20y are orthogonal to each other in plan view (FIG. 2). FBG sensors 14A to 14D are provided at positions orthogonal to each other.

そして、光ファイバケーブル20とFBGセンサ14A〜14Dとを、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する材料でモールドすることによりシート体12が形成される。なお、シート体12は、FBGセンサ14A〜14Dを該シート体12の内部に固定すると共に、外部から付与される過度の応力や熱等からFBGセンサ14A〜14Dを保護するために形成される。   Then, the sheet body 12 is formed by molding the optical fiber cable 20 and the FBG sensors 14A to 14D with a flexible material such as plastic or resin. The sheet body 12 is formed in order to fix the FBG sensors 14A to 14D inside the sheet body 12 and to protect the FBG sensors 14A to 14D from excessive stress or heat applied from the outside.

また、図1及び図2では、2×2のマトリックス状に4個のFBGセンサ14A〜14Dが配置されてアドレス化された場合を図示しているが、シート体12に埋設されるFBGセンサ14A〜14Dの個数は、4個に限定されることはなく、増やしてもよいし、あるいは、少なくしてもよい。   1 and 2 show a case where four FBG sensors 14A to 14D are arranged and addressed in a 2 × 2 matrix, but the FBG sensor 14A embedded in the sheet body 12 is illustrated. The number of ~ 14D is not limited to four, and may be increased or decreased.

さらに、図1〜図4では、光ファイバ20yの下方に光ファイバ20xを配置した場合を図示しているが、光ファイバ20yの上方に光ファイバ20xを配置してもよいことは勿論である。さらにまた、図1及び図2に示すように、シート体12において、X方向に直交する1つの側面に光ファイバ20xの端部が外部に露呈すると共に、Y方向に直交する他の1つの側面に光ファイバ20yの端部が外部に露呈している。これらの端部は、外部から光を入射し、あるいは、光ファイバ20x、20yから光を出射することが可能である。   1 to 4 illustrate the case where the optical fiber 20x is disposed below the optical fiber 20y, it is needless to say that the optical fiber 20x may be disposed above the optical fiber 20y. Furthermore, as shown in FIGS. 1 and 2, in the sheet body 12, the end of the optical fiber 20x is exposed to one side surface orthogonal to the X direction and the other one side surface orthogonal to the Y direction. Further, the end of the optical fiber 20y is exposed to the outside. These ends can receive light from the outside or can emit light from the optical fibers 20x and 20y.

また、圧力センサ10では、図1におけるシート体12の上面が外部からの応力を検出するための被測定エリア(検出面)22とされている。   In the pressure sensor 10, the upper surface of the sheet body 12 in FIG. 1 is a measurement area (detection surface) 22 for detecting external stress.

ここで、FBGセンサ14A〜14Dについて、図2〜図4を参照しながら詳細に説明する。   Here, the FBG sensors 14A to 14D will be described in detail with reference to FIGS.

光ファイバ20xと光ファイバ20yとが直交する箇所には、応力方向変換部18が配置されている。また、該直交する箇所において、光ファイバ20xのコア24xには、グレーティング26xが形成されると共に、光ファイバ20yのコア24yには、グレーティング26yが形成され、これらのグレーティング26x、26yにより1つの応力検出センサ部(第1の応力検出センサ部)16が構成される。   The stress direction conversion part 18 is arrange | positioned in the location where the optical fiber 20x and the optical fiber 20y orthogonally cross. In addition, in the orthogonal portion, a grating 26x is formed on the core 24x of the optical fiber 20x, and a grating 26y is formed on the core 24y of the optical fiber 20y, and one stress is generated by these gratings 26x and 26y. A detection sensor unit (first stress detection sensor unit) 16 is configured.

つまり、圧力センサ10の各FBGセンサ14A〜14Dは、1つの応力検出センサ部16と、1つの応力方向変換部18とをそれぞれ備えている。また、図2に示すように、各FBGセンサ14A〜14Dの応力検出センサ部16は、平面視で応力方向変換部18に内包されるようにそれぞれ配置されている。従って、シート体12の内部において、光ファイバ20x、20yは、各応力方向変換部18を貫通するように被測定エリア22に沿って配置されている。なお、全てのグレーティング26x、26yは、互いに異なる格子間隔と反射波長とを有する。   That is, each of the FBG sensors 14A to 14D of the pressure sensor 10 includes one stress detection sensor unit 16 and one stress direction conversion unit 18. Further, as shown in FIG. 2, the stress detection sensor units 16 of the FBG sensors 14 </ b> A to 14 </ b> D are arranged so as to be included in the stress direction conversion unit 18 in plan view. Accordingly, the optical fibers 20x and 20y are arranged along the measurement area 22 so as to penetrate the respective stress direction changing portions 18 inside the sheet body 12. Note that all the gratings 26x and 26y have different grating intervals and reflection wavelengths.

外部からの応力に対する受感部材としての応力方向変換部18は、ゴムや樹脂等の弾性体からなる。この場合、応力方向変換部18は、X−Y方向に沿ってシート体12と平行に延在する矩形状の平坦部28と、該平坦部28の対向する二辺から光ファイバ20xにおけるグレーティング26xの両端部側にそれぞれ橋架された2つの応力伝達部30x(第1の応力伝達部、第2の応力伝達部)と、平坦部28の対向する他の二辺から光ファイバ20yにおけるグレーティング26yの両端部側にそれぞれ橋架された2つの応力伝達部30y(第1の応力伝達部、第2の応力伝達部)とを有する。   The stress direction conversion part 18 as a sensitive member with respect to the stress from the outside consists of elastic bodies, such as rubber | gum and resin. In this case, the stress direction conversion unit 18 includes a rectangular flat portion 28 extending in parallel with the sheet body 12 along the XY direction, and a grating 26x in the optical fiber 20x from two opposite sides of the flat portion 28. Of the grating 26y in the optical fiber 20y from two opposite sides of the flat portion 28 and two stress transmission portions 30x (first stress transmission portion and second stress transmission portion) bridged on both ends of the optical fiber It has two stress transmission parts 30y (the 1st stress transmission part and the 2nd stress transmission part) each bridged by the both ends.

また、互いに対向するように形成された2つの応力伝達部30xは、平坦部28に連なると共に光ファイバ20xに向かって傾斜した傾斜部32xと、該傾斜部32xに連なると共に光ファイバ20xの外周面の一部を囲繞する接合部34xとをそれぞれ有する。この場合、図4及び図5に示すように、2つの応力伝達部30xの間では、平坦部28と傾斜部32xとのなす角度は互いに等しく設定されると共に、傾斜部32xと接合部34xとのなす角度も互いに等しく設定されている。   The two stress transmission portions 30x formed so as to face each other are connected to the flat portion 28 and inclined to the optical fiber 20x, and to the inclined portion 32x and to the outer peripheral surface of the optical fiber 20x. And a joint portion 34x surrounding a part of each. In this case, as shown in FIGS. 4 and 5, the angle formed between the flat portion 28 and the inclined portion 32x is set equal between the two stress transmission portions 30x, and the inclined portion 32x and the joint portion 34x Are also set equal to each other.

一方、互いに対向するように形成された2つの応力伝達部30yも、応力伝達部30xと同様に、平坦部28に連なると共に光ファイバ20yに向かって傾斜した傾斜部32yと、該傾斜部32yに連なると共に光ファイバ20yの外周面の一部を囲繞する接合部34yとをそれぞれ有する。また、2つの応力伝達部30yの間でも、平坦部28と傾斜部32yとのなす角度は互いに等しく設定されると共に、傾斜部32yと接合部34yとのなす角度も互いに等しく設定されている。   On the other hand, the two stress transmission portions 30y formed so as to face each other are also connected to the flat portion 28 and inclined toward the optical fiber 20y, and the inclined portions 32y are connected to the flat portion 28, similarly to the stress transmission portion 30x. And a joining portion 34y that surrounds a part of the outer peripheral surface of the optical fiber 20y. Also, between the two stress transmission portions 30y, the angle formed by the flat portion 28 and the inclined portion 32y is set to be equal to each other, and the angle formed between the inclined portion 32y and the joint portion 34y is also set to be equal to each other.

なお、前述したように、シート体12の内部において、光ファイバ20xは、光ファイバ20yよりも低い位置に埋設されているので(図1〜図4参照)、接合部34xの上面は、接合部34yの上面よりも低い位置に設定されている。   As described above, since the optical fiber 20x is embedded at a position lower than the optical fiber 20y in the sheet body 12 (see FIGS. 1 to 4), the upper surface of the bonding portion 34x is the bonding portion. It is set at a position lower than the upper surface of 34y.

次に、シート体12の被測定エリア22に物体40が接触して、該物体40から被測定エリア22に垂直応力FP(Z方向に沿った応力)が付与されたときの該垂直応力FPの検出について、図5を参照しながら説明する。 Next, the vertical stress F P when the object 40 comes into contact with the measured area 22 of the sheet 12 and the vertical stress F P (stress along the Z direction) is applied from the object 40 to the measured area 22. The detection of P will be described with reference to FIG.

ここでは、被測定エリア22における物体40との接触面積がFBGセンサ14A〜14Dに応じた面積(FBGセンサ14A〜14Dを被測定エリア22に投影したときの投影像の面積)程度である場合について説明する。なお、図5では、説明の容易化のために、Y方向に沿って配置された光ファイバ20y及び応力伝達部30yの図示を省略する。   Here, the contact area with the object 40 in the measurement area 22 is about the area corresponding to the FBG sensors 14A to 14D (the area of the projected image when the FBG sensors 14A to 14D are projected onto the measurement area 22). explain. In FIG. 5, illustration of the optical fiber 20y and the stress transmission unit 30y arranged along the Y direction is omitted for ease of explanation.

応力付与前の応力方向変換部18の形状は、図1〜図3に示すように、平坦部28を中心として略回転対称の構造(図5では平坦部28を中心とした左右対称の構造)であるため、物体40から被測定エリア22にZ方向に沿った垂直応力FPが付与されて、平坦部28が該垂直応力FPを受けたときに、各応力伝達部30xには、理想的に、Z方向に沿った応力F´(F´=FP/4)がそれぞれ付与される。 As shown in FIGS. 1 to 3, the shape of the stress direction changing portion 18 before the stress is applied is a substantially rotationally symmetric structure around the flat portion 28 (in FIG. 5, a symmetrical structure around the flat portion 28). because it is, the normal stress F P along the Z direction to be measured area 22 is applied from the object 40, when the flat portion 28 is subjected to the vertical stress F P, each stress transmission portion 30x, an ideal In particular, a stress F ′ (F ′ = F P / 4) along the Z direction is applied.

すなわち、平坦部28の各辺から4つの傾斜部32x、32yがそれぞれ延在しているので、1つの応力伝達部30xに付与される応力F´は、理想的に、垂直応力FPの1/4の大きさのFP/4となる。 That is, the four inclined portions from the sides of the flat portion 28 32x, since 32y extends respectively assigned the stress F'to one stress transmission portion 30x are ideally suited for use in normal stress F P 1 / 4 the size of the F P / 4.

応力F´の傾斜部32xに沿った方向の成分(力)F´´は、Z方向(応力F´)と傾斜部32xとの成す角度をφとすれば、F´´=F´cosφ=(FP/4)×cosφとなる。 The component (force) F ″ in the direction along the inclined portion 32x of the stress F ′ is F ″ = F′cos φ = if the angle between the Z direction (stress F ′) and the inclined portion 32x is φ. (F P / 4) × cos φ.

また、力F´´と光ファイバ20xの長手方向(X方向)との成す角度は、(90°−φ)であるので、光ファイバ20x及び接合部34xに付与される力F´´´は、F´´´=F´´cos(90°−φ)=F´sinφ=(FP/4)×cosφ×sinφとなる。 In addition, since the angle formed between the force F ″ and the longitudinal direction (X direction) of the optical fiber 20x is (90 ° −φ), the force F ″ applied to the optical fiber 20x and the joint 34x is F ″ ″ = F ″ cos (90 ° −φ) = F′sinφ = (F P / 4) × cosφ × sinφ.

この力F´´´が光ファイバ20xに付与されることで、グレーティング26xがX方向に歪んで(伸張して)、該グレーティング26xの格子間隔が変化(増加)する。すなわち、FBGセンサ14A〜14Dが左右対称の構造であるため、グレーティング26xの左右両側には同じ力F´´´が互いに逆向きに作用し、この結果、応力方向変換部18を設けない場合よりも、グレーティング26xの歪み量や反射波長のシフト量を大きくすることができる。従って、圧力センサ10及びFBGセンサ14A〜14Dでは、前記歪み量及び前記シフト量に基づいて垂直応力FPを容易に検出(算出)することができる。 By applying this force F ″ ″ to the optical fiber 20x, the grating 26x is distorted (expanded) in the X direction, and the lattice spacing of the grating 26x changes (increases). That is, since the FBG sensors 14A to 14D have a bilaterally symmetric structure, the same forces F '''' act on the left and right sides of the grating 26x in opposite directions, and as a result, the stress direction conversion unit 18 is not provided. However, the distortion amount of the grating 26x and the shift amount of the reflection wavelength can be increased. Therefore, the pressure sensor 10 and the FBG sensors 14A-14D, it can be easily detected (calculated) normal stress F P based on the strain amount and the shift amount.

なお、図5では、説明の容易化のために、垂直応力FPに対して、F´、F´´及びF´´´を誇張して図示している。また、図5では、グレーティング26xに力F´´´が付与された場合について説明したが、グレーティング26yに力F´´´が作用する場合でも、同様にして、グレーティング26yに大きな歪みが発生し、反射波長のシフト量を大きくすることができるので、垂直応力FPを容易に検出(算出)することが可能である。 In FIG. 5, for ease of explanation, with respect to the vertical stress F P, F', it is exaggerated for F'' and F'''. In FIG. 5, the case where the force F ″ ″ is applied to the grating 26x has been described. However, even when the force F ″ ″ is applied to the grating 26y, a large distortion is generated in the grating 26y in the same manner. , it is possible to increase the shift amount of the reflection wavelength, it is possible to normal stress F P detected easily (calculated).

次に、シート体12の被測定エリア22に物体50が接触して、該物体50から被測定エリア22に水平応力FH(X方向に沿った応力)が付与されたときの該水平応力FHの検出について、図6及び図7を参照しながら説明する。 Next, the horizontal stress F H when the object 50 comes into contact with the area to be measured 22 of the sheet body 12 and the horizontal stress F H (stress along the X direction) is applied from the object 50 to the area to be measured 22. The detection of H will be described with reference to FIGS.

ここでは、被測定エリア22における物体50との接触面積がFBGセンサ14A(14B)の左端部からFBGセンサ14C(14D)の右端部までの距離よりも短い長さに応じた面積である場合について説明する。   Here, the contact area with the object 50 in the area to be measured 22 is an area corresponding to a length shorter than the distance from the left end of the FBG sensor 14A (14B) to the right end of the FBG sensor 14C (14D). explain.

図6に示すように、物体50が被測定エリア22におけるFBGセンサ14A(14B)とFBGセンサ14C(14D)との間の箇所に接触し、図7に示す水平応力FHが物体50から被測定エリア22に付与されたときに、圧力センサ10は、応力付与前(図6及び図7の二点鎖線)と比較して、全体的に、水平応力FHによって左右非対称に変形した形状(図7の実線に示す形状)となる。 As shown in FIG. 6, the object 50 comes into contact with the portion between the FBG sensor 14A (14B) and the FBG sensor 14C (14D) in the measured area 22, and the horizontal stress F H shown in FIG. When applied to the measurement area 22, the pressure sensor 10 has a shape deformed asymmetrically left and right by the horizontal stress F H as a whole as compared to before stress application (the two-dot chain line in FIGS. 6 and 7). The shape shown by the solid line in FIG.

すなわち、FBGセンサ14A(14B)の右側の応力伝達部30xは、水平応力FHにより図7の右側に移動すると共に、FBGセンサ14C(14D)の左側の応力伝達部30xは、水平応力FHにより図7の右側に移動する。 That is, the right stress transmission portion 30x of the FBG sensor 14A (14B) moves to the right in FIG. 7 due to the horizontal stress F H , and the left stress transmission portion 30x of the FBG sensor 14C (14D) has the horizontal stress F H. Moves to the right side of FIG.

この場合、前記右側の応力伝達部30xの接合部34xと光ファイバ20xとの接合部分、及び、前記左側の応力伝達部30xの接合部34xと光ファイバ20xとの接合部分には、水平応力FHがそれぞれ伝達されるので、FBGセンサ14A(14B)のグレーティング26xにかかる水平応力FHは、該グレーティング26xの格子間隔を伸張させるための力となり、一方で、FBGセンサ14C(14D)のグレーティング26xにかかる水平応力FHは、該グレーティング26xの格子間隔を圧縮させるための力となる。 In this case, the horizontal stress F is applied to the joint portion between the joint portion 34x of the right stress transmission portion 30x and the optical fiber 20x, and the joint portion between the joint portion 34x of the left stress transmission portion 30x and the optical fiber 20x. Since H is transmitted, the horizontal stress F H applied to the grating 26x of the FBG sensor 14A (14B) becomes a force for extending the lattice interval of the grating 26x, while the grating of the FBG sensor 14C (14D). The horizontal stress F H applied to 26x becomes a force for compressing the lattice spacing of the grating 26x.

そのため、各グレーティング26xに水平応力FHがかかることにより、各グレーティング26xは、X方向に沿って互いに異なる量だけ歪むので、格子間隔も互いに異なる量だけ変化し、この結果、各グレーティング26xの反射波長のシフト量は、互いに異なる値となる。これにより、水平応力FHの付与の前後での各グレーティング26xにおける反射波長のシフト量の差分に基づいて水平応力FHを算出することが可能となる。 Therefore, when the horizontal stress F H is applied to each grating 26x, each grating 26x is distorted by an amount different from each other along the X direction, so that the lattice spacing is also changed by an amount different from each other. As a result, the reflection of each grating 26x The shift amounts of the wavelengths are different from each other. Accordingly, the horizontal stress F H can be calculated based on the difference in the shift amount of the reflection wavelength in each grating 26x before and after the application of the horizontal stress F H.

なお、図6及び図7は、X方向に沿って水平応力FHが付与される場合について説明したが、Y方向に沿って水平応力FHが付与される場合においても、同様にして、水平応力FHを検出できることは勿論である。 6 and 7 have been described with respect to the case where the horizontal stress F H is applied along the X direction, but the horizontal stress F H is applied similarly when the horizontal stress F H is applied along the Y direction. Of course, the stress F H can be detected.

また、上述のような、グレーティング26x、26yの配列方向(X方向、Y方向)に沿った力が付与されたときのグレーティング26x、26yの歪み量と、反射波長のシフト量と、垂直応力及び水平応力の検出とについては、例えば、特開2009−276127号公報に開示されているので、その詳細な説明については省略する。   In addition, as described above, the strain amount of the gratings 26x and 26y when the force along the arrangement direction (X direction and Y direction) of the gratings 26x and 26y is applied, the shift amount of the reflected wavelength, the normal stress and Since the detection of the horizontal stress is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-276127, detailed description thereof is omitted.

次に、図8に示すように、平面視で被測定エリア22よりも大きな物体60が該被測定エリア22に接触して、物体60から被測定エリア22に水平応力FHが付与された場合について、図8〜図10を参照しながら説明する。 Next, as shown in FIG. 8, when an object 60 larger than the area to be measured 22 is in contact with the area to be measured 22 in plan view and a horizontal stress F H is applied from the object 60 to the area to be measured 22. Will be described with reference to FIGS.

この場合、物体60は、被測定エリア22全体を覆うように接触するので(図8及び図9参照)、図10に示すように、物体60から被測定エリア22に水平応力FHが付与されたときに、圧力センサ10は、応力付与前(図9及び図10の二点鎖線)と比較して、全体的に、水平応力FHの付与方向に変形した形状(図10の実線に示す形状)となる。 In this case, since the object 60 is in contact with the entire area to be measured 22 (see FIGS. 8 and 9), a horizontal stress F H is applied from the object 60 to the area to be measured 22 as shown in FIG. The pressure sensor 10 is generally deformed in the direction in which the horizontal stress F H is applied (shown by the solid line in FIG. 10) as compared with that before the stress application (the two-dot chain line in FIGS. 9 and 10). Shape).

すなわち、FBGセンサ14A〜14Dの各応力伝達部30xは、水平応力FHにより図10の右側に移動する。この場合、各応力伝達部30xの接合部34xと光ファイバ20xとの接合部分には、水平応力FHがそれぞれ伝達される。この結果、FBGセンサ14A〜14Dのグレーティング26xには、水平応力FHがそれぞれかかって、同じ構造変化を起こして伸縮する。 That is, each stress transmission portion 30x of the FBG sensor 14A~14D moves to the right in FIG. 10 by the horizontal stress F H. In this case, the horizontal stress F H is transmitted to the joint portion between the joint portion 34x of each stress transmission portion 30x and the optical fiber 20x. As a result, the horizontal stress F H is applied to the gratings 26x of the FBG sensors 14A to 14D, respectively, causing the same structural change to expand and contract.

ここで、水平応力FHの付与による各グレーティング26xの格子間隔の変化分、すなわち、各接合部34xの変化分をa、b、c、dとする。また、水平応力FHの付与前におけるFBGセンサ14A(14B)のグレーティング26xの格子間隔をΔ0とし、FBGセンサ14C(14D)のグレーティング26xの格子間隔をΔ0´とする。さらに、各グレーティング26xの格子数をNとし、コア24xの有効屈折率をneffとする。 Here, changes in the lattice spacing of each grating 26x due to the application of the horizontal stress F H , that is, changes in each joint 34x are a, b, c, and d. Further, the lattice spacing of the grating 26x of the FBG sensor 14A (14B) before application of the horizontal stress F H is Δ 0, and the lattice spacing of the grating 26x of the FBG sensor 14C (14D) is Δ 0 ′. Furthermore, the number of grids each grating 26x is N, the effective refractive index of the core 24x and n eff.

この場合、水平応力FHの付与の前後において、FBGセンサ14A(14B)のグレーティング26xにおける反射波長のシフト量Δλは、下記の(1)式で表わされ、一方で、FBGセンサ14C(14D)のグレーティング26xにおける反射波長のシフト量Δλは、下記の(2)式で表わされる。
Δλ=2×neff×{Δ0+(b−a)/N} (1)
Δλ=2×neff×{Δ0´+(d−c)/N} (2)
In this case, before and after the application of the horizontal stress F H , the reflection wavelength shift amount Δλ in the grating 26x of the FBG sensor 14A (14B) is expressed by the following equation (1), while the FBG sensor 14C (14D) ) Of the reflection wavelength in the grating 26x is expressed by the following equation (2).
Δλ = 2 × n eff × {Δ 0 + ( ba ) / N} (1)
Δλ = 2 × n eff × {Δ 0 ′ + (dc) / N} (2)

前述したように、各グレーティング26xは、水平応力FHの付与によって同じ構造変化を起こすので、格子間隔の変化分(各接合部34xの変化分)a、b、c、dは、下記の(3)式のように、互いに同じ量となる。
a=b=c=d (3)
As described above, since each grating 26x undergoes the same structural change due to the application of the horizontal stress F H , changes in the lattice spacing (changes in each joint 34x) a, b, c, and d are as follows: 3) The amounts are the same as each other.
a = b = c = d (3)

従って、(3)式を(1)式及び(2)式に代入すると、(1)式は、(4)式のように変形され、(2)式は、(5)式のように変形される。
Δλ=2×neff×{Δ0+(b−a)/N}
=2×neff×Δ0 (4)
Δλ=2×neff×{Δ0´+(d−c)/N}
=2×neff×Δ0´ (5)
Therefore, when the expression (3) is substituted into the expressions (1) and (2), the expression (1) is transformed into the expression (4), and the expression (2) is transformed into the expression (5). Is done.
Δλ = 2 × n eff × {Δ 0 + ( ba ) / N}
= 2 × n eff × Δ 0 (4)
Δλ = 2 × n eff × {Δ 0 ′ + (dc) / N}
= 2 × n eff × Δ 0 ′ (5)

eff、Δ0及びΔ0´は、予め設定された値であり、各格子間隔Δ0、Δ0´が互いに近い値に設定されていれば、シフト量の差分を大きくすることができない。 n eff , Δ 0, and Δ 0 ′ are preset values. If the lattice intervals Δ 0 , Δ 0 ′ are set to values close to each other, the difference in shift amount cannot be increased.

従って、本実施形態の前提となるFBGセンサ14A〜14D及びこれらを組み込んだ圧力センサ10では、被測定エリア22全面にかかった水平応力FHを、隣接する2つのFBGセンサ14A(14B)、14C(14D)で検出することが困難である。 Therefore, in the FBG sensors 14A to 14D and the pressure sensor 10 incorporating these, which are the premise of the present embodiment, the horizontal stress F H applied to the entire area to be measured 22 is converted into two adjacent FBG sensors 14A (14B) and 14C. It is difficult to detect at (14D).

次に、このような問題を解決するための本実施形態に係る圧力センサ70(のFBGセンサ14A〜14D)について、図11〜図19を参照しながら説明する。   Next, the pressure sensor 70 (the FBG sensors 14A to 14D) according to the present embodiment for solving such a problem will be described with reference to FIGS.

なお、圧力センサ70の説明では、図1〜図10で説明した圧力センサ10と同じ構成要素については、同じ参照符号を付けて、その詳細な説明を省略する。   In the description of the pressure sensor 70, the same components as those of the pressure sensor 10 described in FIGS. 1 to 10 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態に係る圧力センサ70は、各FBGセンサ14A〜14Dにおいて、応力方向変換部18外方の光ファイバ20x、20yに、第2の応力検出センサ部及び第2のグレーティングとしてのグレーティング72x、72yが配置されている点で、本実施形態の前提となる圧力センサ10とは異なる。   In each of the FBG sensors 14A to 14D, the pressure sensor 70 according to the present embodiment includes a second stress detection sensor unit and a grating 72x as a second grating on the optical fibers 20x and 20y outside the stress direction conversion unit 18. It differs from the pressure sensor 10 which is the premise of the present embodiment in that 72y is arranged.

すなわち、図11及び図12の圧力センサ70において、FBGセンサ14A〜14Dは、1つの応力検出センサ部16と、1つの応力方向変換部18と、2つのグレーティング72x、72yとをそれぞれ有する。   That is, in the pressure sensor 70 of FIGS. 11 and 12, the FBG sensors 14A to 14D each have one stress detection sensor unit 16, one stress direction conversion unit 18, and two gratings 72x and 72y.

各グレーティング72x、72yは、シート体12内において、該シート体12の側面に対向する各接合部34x、34yの近傍に配置されている。また、平面視で、応力方向変換部18の外方に配置されたグレーティング72xと、応力方向変換部18に内包されるように配置されたグレーティング26xとは、略同軸に配置され、一方で、応力方向変換部18の外方に配置されたグレーティング72yと、応力方向変換部18に内包されるように配置されたグレーティング26yとについても、略同軸に配置されている。   The gratings 72x and 72y are arranged in the vicinity of the joint portions 34x and 34y facing the side surface of the sheet body 12 in the sheet body 12. Further, in plan view, the grating 72x arranged outside the stress direction conversion unit 18 and the grating 26x arranged so as to be included in the stress direction conversion unit 18 are arranged substantially coaxially, The grating 72y arranged outside the stress direction conversion unit 18 and the grating 26y arranged so as to be included in the stress direction conversion unit 18 are also arranged substantially coaxially.

なお、本実施形態に係る圧力センサ70において、垂直応力FPの検出原理や、平面視で被測定エリア22よりも小さな物体50から付与される水平応力FHの検出原理は、圧力センサ10の場合と同様である。 Incidentally, in the pressure sensor 70 according to this embodiment, the detection principle and the normal stress F P, the detection principle of the horizontal stress F H applied from the small object 50 than the measurement area 22 in a plan view, the pressure sensor 10 Same as the case.

従って、ここでは、平面視で被測定エリア22よりも大きな物体60から該被測定エリア22に付与される水平応力FHの検出について、図13〜図16を参照しながら説明する。 Therefore, here, the detection of the horizontal stress F H applied to the measurement area 22 from the object 60 larger than the measurement area 22 in plan view will be described with reference to FIGS.

物体60から被測定エリア22に水平応力FHがX方向に沿って付与されたときに、圧力センサ10の場合と同様に(図8〜図10参照)、圧力センサ70は、全体的に、水平応力FHの付与方向(X方向)に変形した形状となる(図15の二点鎖線で示す状態から図15の実線に示す形状への変形)。 When the horizontal stress F H is applied from the object 60 to the measurement area 22 along the X direction, as in the case of the pressure sensor 10 (see FIGS. 8 to 10), the pressure sensor 70 The shape is deformed in the application direction (X direction) of the horizontal stress F H (deformation from the state shown by the two-dot chain line in FIG. 15 to the shape shown by the solid line in FIG. 15).

すなわち、各応力伝達部30xは、水平応力FHにより図15の右側に移動する。この場合、各応力伝達部30xの接合部34xと光ファイバ20xとの接合部分には、水平応力FHがそれぞれ伝達されるので、FBGセンサ14A〜14Dのグレーティング26xには、水平応力FHがそれぞれかかって、同じ構造変化を起こして伸縮する。 That is, each stress transmission part 30x moves to the right side of FIG. 15 by the horizontal stress F H. This case, the joint portion between the joint portion 34x and the optical fiber 20x of each stress transmission portion 30x, since horizontal stress F H are transmitted respectively, the grating 26x of the FBG sensor 14A-14D, the horizontal stress F H Each takes the same structural change and expands and contracts.

これに対して、FBGセンサ14A、14Bの左側に配置されたグレーティング72xは、FBGセンサ14A、14Bの左側の接合部34xと光ファイバ20xとの接合部分の右側への移動によって、水平応力FHが引張力として作用する。この結果、グレーティング72xは、水平応力FHがかかることにより、格子間隔が伸張するように歪む。 On the other hand, the grating 72x disposed on the left side of the FBG sensors 14A and 14B causes the horizontal stress F H due to the rightward movement of the joint portion between the left joint portion 34x and the optical fiber 20x of the FBG sensors 14A and 14B. Acts as a tensile force. As a result, the grating 72x, by such horizontal stress F H, distorted as the lattice spacing is expanded.

ここで、水平応力FHがかかる前の該グレーティング72xの格子間隔をΔ0´´とすれば、水平応力FHの付与の前後におけるグレーティング72xでの反射波長のシフト量Δλは、下記の(6)式で表わされる。
Δλ=2×neff×(Δ0´´+a) (6)
Here, if the lattice spacing of the grating 72x before the horizontal stress F H is applied is Δ 0 ″ , the reflection wavelength shift amount Δλ at the grating 72x before and after the application of the horizontal stress F H is as follows: 6) It is represented by the formula.
Δλ = 2 × n eff × (Δ 0 ″ + a) (6)

このように、(6)式には、グレーティング72xの格子間隔の変化分aが含まれているので、グレーティング72xでの反射波長のシフト量Δλと、(4)式又は(5)式で示されるグレーティング26xでの反射波長のシフト量Δλとの差分を求めることにより、圧力センサ10の場合と比較して、シフト量Δλの差分が水平応力FHを検出できる程度の差分にまで十分に大きくなり、この結果、該差分に基づいて水平応力FHを容易に検出することが可能となる。 As described above, since the change (a) in the grating spacing of the grating 72x is included in the expression (6), the reflection wavelength shift amount Δλ at the grating 72x is expressed by the expression (4) or (5). By calculating the difference from the reflected wavelength shift amount Δλ at the grating 26x, the difference in the shift amount Δλ is sufficiently larger than the pressure sensor 10 so that the horizontal stress F H can be detected. As a result, the horizontal stress F H can be easily detected based on the difference.

なお、上述の説明では、図15に示すように、+X方向に沿って水平応力FHが被測定エリア22に付与されたときに、左側のグレーティング72xの反射波長のシフト量Δλを用いて水平応力FHを検出する場合について説明した。 In the above description, as shown in FIG. 15, when the horizontal stress F H is applied to the area to be measured 22 along the + X direction, the reflection wavelength shift amount Δλ of the left grating 72x is used to The case where the stress F H is detected has been described.

これに対して、−X方向(図15の右側から左側への方向)に水平応力FHが付与された場合には、右側のグレーティング72xの反射波長のシフト量Δλを用いて水平応力FHを検出すればよい。この場合、(6)式中の格子間隔の変化分を「a」から「d」に置き換えればよい。 On the contrary, when the horizontal stress F H is applied to the -X direction (the direction from the right side of FIG. 15 to the left), the right side of the grating 72x horizontal stress F H using a shift amount Δλ of the reflected wavelength of May be detected. In this case, the change in the lattice spacing in equation (6) may be replaced from “a” to “d”.

図16は、水平応力FHと、図15の右側及び左側の各グレーティング72xでの反射波長のシフト量Δλとの関係を示すグラフである。+X方向に沿った水平応力FH(正方向の水平応力)が付与されると、左側のグレーティング72xでの反射波長のシフト量Δλが増加し、一方で、−X方向に沿った水平応力FH(負方向の水平応力)が付与されると、右側のグレーティング72xでの反射波長のシフト量Δλが増加することが容易に理解できる。 FIG. 16 is a graph showing the relationship between the horizontal stress F H and the reflection wavelength shift amount Δλ of each of the right and left gratings 72x in FIG. When a horizontal stress F H (positive horizontal stress) along the + X direction is applied, the reflection wavelength shift amount Δλ at the left grating 72x increases, while the horizontal stress F along the −X direction increases. When H (horizontal stress in the negative direction) is applied, it can be easily understood that the reflection wavelength shift amount Δλ at the right grating 72x increases.

なお、図5で説明したように、垂直応力FPが被測定エリア22に付与された場合、応力方向変換部18では、平坦部28に対して左右の応力伝達部30xが異なる構造変化を起こすことにより、グレーティング26xの格子間隔が変化するが、この構造変化の影響は、応力方向変換部18の外方に配置された各グレーティング72xには及ばない。従って、圧力センサ70においては、被測定エリア22に垂直応力FPが付与されても、各グレーティング72xの格子間隔は変化しない(反応しない)。 As described with reference to FIG. 5, when the normal stress FP is applied to the measurement area 22, in the stress direction conversion unit 18, the left and right stress transmission units 30 x cause different structural changes with respect to the flat portion 28. As a result, the lattice spacing of the grating 26x changes, but the influence of this structural change does not reach the gratings 72x arranged outside the stress direction changing portion 18. Accordingly, the pressure sensor 70, even normal stress F P is applied to the measurement area 22, the lattice spacing of the gratings 72x does not change (no reaction).

また、上記の説明では、X方向に沿って配置されたグレーティング72xを用いて水平応力FHを検出する場合について説明したが、Y方向に沿って水平応力FHが付与された場合であっても、グレーティング72xと同様に、各グレーティング72yにも(6)式に示す反射波長のシフト量Δλが発生し、水平応力FHの検出が容易になることは勿論である。 In the above description, the case where the horizontal stress F H is detected using the grating 72x arranged along the X direction has been described, but the case where the horizontal stress F H is applied along the Y direction is described. However, like the grating 72x, the reflection wavelength shift amount Δλ shown in the equation (6) also occurs in each grating 72y, so that the horizontal stress F H can be easily detected.

さらに、被測定エリア22に沿った任意の方向に水平応力FHが付与された場合でも、上述したグレーティング72x、72yを用いて、X方向の成分と、Y方向の成分とをそれぞれ検出することにより、該水平応力FHを成分毎に分離して検出することができる。 Furthermore, even when a horizontal stress F H is applied in an arbitrary direction along the measured area 22, the components in the X direction and the component in the Y direction are detected using the gratings 72 x and 72 y described above. Thus, the horizontal stress F H can be detected separately for each component.

また、本実施形態は、図11〜図16の構成に限定されるものではなく、図17〜図19の構成を採用することも可能である。   Further, the present embodiment is not limited to the configurations of FIGS. 11 to 16, and the configurations of FIGS. 17 to 19 can also be adopted.

図17では、シート体12の内部に4つのグレーティング72x、72yが配置されている。具体的に、2つのグレーティング72x、72yは、シート体12の側面と接合部34x、34yとの間にそれぞれ配置されている。また、残り2つのグレーティング72x、72yに関し、1つのグレーティング72xは、2つの接合部34x間の光ファイバケーブル20の湾曲部分中、シート体12の側面に近接する箇所にX方向に沿って配置され、他の1つのグレーティング72yは、2つの接合部34y間の光ファイバケーブル20の湾曲部分中、シート体12の側面に近接する箇所にY方向に沿って配置されている。   In FIG. 17, four gratings 72 x and 72 y are arranged inside the sheet body 12. Specifically, the two gratings 72x and 72y are respectively disposed between the side surface of the sheet body 12 and the joint portions 34x and 34y. Further, with respect to the remaining two gratings 72x and 72y, one grating 72x is disposed along the X direction in the curved portion of the optical fiber cable 20 between the two joint portions 34x and in the vicinity of the side surface of the sheet body 12. The other grating 72y is arranged along the Y direction at a location close to the side surface of the sheet body 12 in the curved portion of the optical fiber cable 20 between the two joining portions 34y.

これにより、X方向に沿って水平応力FHが付与された場合には、2つのグレーティング72xのうち、少なくとも1つのグレーティング72xの反射波長のシフト量Δλを用いて水平応力FHを検出し、一方で、Y方向に沿って水平応力FHが付与された場合には、2つのグレーティング72yのうち、少なくとも1つのグレーティング72yの反射波長のシフト量Δλを用いて水平応力FHを検出すればよい。従って、より少ない数のグレーティング72x、72yを用いて水平応力FHを効率よく検出することができる。 Thereby, when the horizontal stress F H is applied along the X direction, the horizontal stress F H is detected using the reflection wavelength shift amount Δλ of at least one of the two gratings 72x, On the other hand, when the horizontal stress F H is applied along the Y direction, if the horizontal stress F H is detected using the shift amount Δλ of the reflection wavelength of at least one grating 72 y out of the two gratings 72 y. Good. Accordingly, the horizontal stress F H can be efficiently detected using a smaller number of gratings 72x and 72y.

また、図18では、シート体12の内部に9個のFBGセンサ14A〜14Iがマトリックス状に配置され、該シート体12の各側面に対向する全ての接合部34x、34yと、前記各側面との間にグレーティング72x、72yが配置されている。これにより、被測定エリア22にかかる水平応力FHの分布を精度良く検出することが可能となる。 Further, in FIG. 18, nine FBG sensors 14 </ b> A to 14 </ b> I are arranged in a matrix shape inside the sheet body 12, and all the joint portions 34 x and 34 y facing each side surface of the sheet body 12, Gratings 72x and 72y are arranged between the two. As a result, the distribution of the horizontal stress F H applied to the area to be measured 22 can be accurately detected.

さらに、図19では、シート体12の内部に9個のFBGセンサ14A〜14Iがマトリックス状に配置され、2つのグレーティング72xが同軸に配置されると共に、2つのグレーティング72yも同軸に配置されている。この場合でも、より少ない数のグレーティング72x、72yを用いて水平応力FHを効率よく検出することができる。 Further, in FIG. 19, nine FBG sensors 14 </ b> A to 14 </ b> I are arranged in a matrix shape inside the sheet body 12, two gratings 72 x are arranged coaxially, and two gratings 72 y are also arranged coaxially. . Even in this case, the horizontal stress F H can be efficiently detected using a smaller number of gratings 72x and 72y.

以上説明したように、本実施形態に係る圧力センサ70及び該圧力センサ70を構成するFBGセンサ14A〜14Iによれば、応力方向変換部18に内包されるように応力検出センサ部(第1の応力検出センサ部)16が配置されると共に、応力方向変換部18の外方に第2の応力検出センサ部及び第2のグレーティングとしてのグレーティング72x、72yが配置されている。そのため、物体60から被測定エリア22に外部応力としての水平応力FHが付与された場合に、応力検出センサ部16のグレーティング26x、26yは、応力方向変換部18で水平応力FHに応じて伸縮し、一方で、グレーティング72x、72yは、応力方向変換部18の外方に配置されているので、グレーティング26x、26yとは異なる伸縮を示す。 As described above, according to the pressure sensor 70 according to the present embodiment and the FBG sensors 14A to 14I that constitute the pressure sensor 70, the stress detection sensor unit (first (Stress detection sensor section) 16 is disposed, and second stress detection sensor sections and gratings 72x and 72y as second gratings are disposed outside the stress direction conversion section 18. Therefore, when a horizontal stress F H as an external stress is applied from the object 60 to the area to be measured 22, the gratings 26 x and 26 y of the stress detection sensor unit 16 correspond to the horizontal stress F H at the stress direction conversion unit 18. On the other hand, since the gratings 72x and 72y are disposed outside the stress direction changing portion 18, they show different expansion and contraction from the gratings 26x and 26y.

これにより、グレーティング26x、26yと、グレーティング72x、72yとの間では、グレーティング26x、26y、72x、72yの歪み量や反射波長のシフト量Δλが互いに異なる大きさとなるので、前記歪み量の差分やシフト量Δλの差分が水平応力FHを検出できる程度の明確な差分となる。この結果、被測定エリア22全体に水平応力FHが付与されても、付与された水平応力FHの位置、大きさ及び方向を検出することが可能となる。 Thereby, between the gratings 26x, 26y and the gratings 72x, 72y, the distortion amounts of the gratings 26x, 26y, 72x, 72y and the reflection wavelength shift amount Δλ are different from each other. The difference of the shift amount Δλ is a clear difference that can detect the horizontal stress F H. As a result, even if the horizontal stress F H is applied to the entire area to be measured 22, the position, size and direction of the applied horizontal stress F H can be detected.

このように、本実施形態によれば、被測定エリア22において、応力方向変換部18に内包させるように応力検出センサ部16を配置すると共に、応力方向変換部18の外方にグレーティング72x、72yを配置することにより、物体60との接触面である被測定エリア22全体に該物体60が接触して水平応力FHが付与された場合でも、該水平応力FHを検出することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the stress detection sensor unit 16 is arranged in the area to be measured 22 so as to be included in the stress direction conversion unit 18, and the gratings 72 x and 72 y are disposed outside the stress direction conversion unit 18. by placing the, even if the horizontal stresses F H in contact with said object 60 across the measurement area 22 which is a contact surface with the object 60 has been applied, it is possible to detect the horizontal stress F H Become.

また、光ファイバ20x、20yは、応力方向変換部18を貫通するように被測定エリア22に沿って配置されているので、被測定エリア22に水平応力FHが付与されたときに、水平応力FHに起因してグレーティング26x、26yが伸縮すると同時に、グレーティング72x、72yも伸縮するので、水平応力FHの検出を効率よく行うことができる。 Further, since the optical fibers 20x and 20y are arranged along the measured area 22 so as to penetrate the stress direction changing portion 18, the horizontal stress F H is applied to the measured area 22 when the horizontal stress F H is applied. Since the gratings 26x and 26y expand and contract due to F H , and the gratings 72x and 72y expand and contract, the horizontal stress F H can be detected efficiently.

また、応力方向変換部18は、被測定エリア22に沿って延在する平坦部28と、平坦部28から光ファイバ20x、20yにおけるグレーティング26x、26yの両端部側に橋架された応力伝達部30x、30yとを有するので、水平応力FHをグレーティング26x、26yに効率よく伝達することができる。 The stress direction conversion unit 18 includes a flat portion 28 extending along the measurement area 22 and a stress transmission portion 30x bridged from the flat portion 28 to both ends of the gratings 26x and 26y in the optical fibers 20x and 20y. , 30y, the horizontal stress F H can be efficiently transmitted to the gratings 26x, 26y.

さらに、グレーティング72x、72yを光ファイバケーブル20における応力伝達部30x、30yの接合部34x、34yの近傍に配置すれば、グレーティング26x、26yの配列方向と、グレーティング72x、72yの配列方向とを略一致させることができるので、水平応力FHが被測定エリア22に付与された際に、グレーティング26x、26y及びグレーティング72x、72yを同軸上でそれぞれ歪ませることが可能となる。従って、各グレーティング26x、26y、72x、72yの歪み量及び反射波長のシフト量Δλから水平応力FHを容易に算出することが可能となる。 Furthermore, if the gratings 72x and 72y are arranged in the vicinity of the joints 34x and 34y of the stress transmission parts 30x and 30y in the optical fiber cable 20, the arrangement direction of the gratings 26x and 26y and the arrangement direction of the gratings 72x and 72y are substantially omitted. Therefore, when the horizontal stress F H is applied to the measurement area 22, the gratings 26x and 26y and the gratings 72x and 72y can be distorted on the same axis. Accordingly, it is possible to easily calculate the horizontal stress F H from the distortion amount of each grating 26x, 26y, 72x, 72y and the reflection wavelength shift amount Δλ.

また、応力方向変換部18において、光ファイバ20x、20yが平面視で直交し、直交する箇所にグレーティング26x、26yが配置されると共に、グレーティング72x、72yが応力方向変換部18外方で光ファイバ20x、20yにそれぞれ配置されているので、水平応力FHをX方向及びY方向の成分に分離して検出することも可能となる。 Further, in the stress direction conversion unit 18, the optical fibers 20 x and 20 y are orthogonal to each other in plan view, and the gratings 26 x and 26 y are disposed at the orthogonal positions, and the gratings 72 x and 72 y are optical fibers outside the stress direction conversion unit 18. Since they are arranged at 20x and 20y, respectively, it becomes possible to detect the horizontal stress F H by separating it into components in the X direction and the Y direction.

なお、本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

10、70…圧力センサ 12…シート体
14A〜14I…FBGセンサ 16…応力検出センサ部
18…応力方向変換部 20x、20y…光ファイバ
22…被測定エリア
26x、26y、72x、72y…グレーティング
28…平坦部 30x、30y…応力伝達部
32x、32y…傾斜部 34x、34y…接合部
40、50、60…物体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 70 ... Pressure sensor 12 ... Sheet | seat body 14A-14I ... FBG sensor 16 ... Stress detection sensor part 18 ... Stress direction conversion part 20x, 20y ... Optical fiber 22 ... Area to be measured 26x, 26y, 72x, 72y ... Grating 28 ... Flat part 30x, 30y ... Stress transmission part 32x, 32y ... Inclined part 34x, 34y ... Joint part 40, 50, 60 ... Object

Claims (5)

特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる複数の応力検出センサ部と、外部応力を前記グレーティングを配列した方向の応力に変換して前記各グレーティングに伝達する応力方向変換部とを備え、
前記各応力検出センサ部及び前記応力方向変換部は、前記外部応力を受ける被測定エリア内に配置され、
前記複数の応力検出センサ部は、
平面視で前記応力方向変換部に内包されるように配置され、前記応力方向変換部から伝達された応力によって前記グレーティングが伸縮する第1の応力検出センサ部と、
前記被測定エリアにおける前記応力方向変換部の外方に配置された第2の応力検出センサ部と、
であることを特徴とする光ファイバセンサ。
A plurality of stress detection sensor units composed of optical fibers in which gratings that reflect light of a specific wavelength are arrayed, and a stress direction conversion unit that converts external stress into stress in the direction in which the gratings are arrayed and transmits the stress to each grating. Prepared,
Each of the stress detection sensor units and the stress direction conversion unit are disposed in a measurement area that receives the external stress,
The plurality of stress detection sensor units are:
A first stress detection sensor unit which is arranged so as to be included in the stress direction conversion unit in plan view and in which the grating expands and contracts due to the stress transmitted from the stress direction conversion unit;
A second stress detection sensor unit disposed outside the stress direction conversion unit in the measurement area;
An optical fiber sensor.
請求項1記載のセンサにおいて、
前記光ファイバは、前記応力方向変換部を貫通するように前記被測定エリアに沿って配置され、
前記第1の応力検出センサ部は、前記光ファイバに配置された第1のグレーティングを有すると共に、前記第2の応力検出センサ部は、前記光ファイバに配置された第2のグレーティングを有することを特徴とする光ファイバセンサ。
The sensor according to claim 1, wherein
The optical fiber is disposed along the area to be measured so as to penetrate the stress direction changing portion,
The first stress detection sensor unit includes a first grating disposed in the optical fiber, and the second stress detection sensor unit includes a second grating disposed in the optical fiber. An optical fiber sensor.
請求項2記載のセンサにおいて、
前記応力方向変換部は、前記被測定エリアに沿って延在する平坦部と、前記平坦部から前記光ファイバにおける前記第1のグレーティングの一端部側に橋架された第1の応力伝達部と、前記平坦部から前記光ファイバにおける前記第1のグレーティングの他端部側に橋架された第2の応力伝達部とを有することを特徴とする光ファイバセンサ。
The sensor according to claim 2, wherein
The stress direction conversion portion includes a flat portion extending along the measurement area, a first stress transmission portion bridged from the flat portion to one end portion side of the first grating in the optical fiber, An optical fiber sensor comprising: a second stress transmission portion bridged from the flat portion to the other end portion side of the first grating in the optical fiber.
請求項3記載のセンサにおいて、
前記第2のグレーティングは、前記光ファイバにおける前記第1の応力伝達部の近傍又は前記第2の応力伝達部の近傍に配置されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
The sensor according to claim 3, wherein
The optical fiber sensor, wherein the second grating is disposed in the vicinity of the first stress transmission part or in the vicinity of the second stress transmission part in the optical fiber.
請求項2〜4のいずれか1項に記載のセンサにおいて、
前記応力方向変換部を貫通するように前記被測定エリアに沿って第1の光ファイバが配置され、
前記応力方向変換部を貫通すると共に、平面視で前記第1の光ファイバと直交するように第2の光ファイバが前記被測定エリアに沿って配置され、
前記第1のグレーティングは、前記第1の光ファイバ及び前記第2の光ファイバにそれぞれ配置され、
前記第2のグレーティングは、前記第1の光ファイバ及び前記第2の光ファイバの少なくとも一方に配置されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
The sensor according to any one of claims 2 to 4,
A first optical fiber is disposed along the area to be measured so as to penetrate the stress direction changing portion;
A second optical fiber is disposed along the measured area so as to pass through the stress direction converter and to be orthogonal to the first optical fiber in plan view.
The first grating is disposed in each of the first optical fiber and the second optical fiber,
The optical fiber sensor, wherein the second grating is disposed in at least one of the first optical fiber and the second optical fiber.
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