JP3319591B2

JP3319591B2 - 光ファイバセンサ及び光ファイバセンサ多点計測システム

Info

Publication number: JP3319591B2
Application number: JP2000014145A
Authority: JP
Inventors: 勇根本; 久子角谷; 太郎上杉; 絵里子藤島
Original assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Current assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2002-09-03
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: JP2001201411A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバの曲げ
損失を利用した光ファイバ式ひずみゲージ等から成り、
力、応力、ひずみ、変位等の物理量の計測等を行う光フ
ァイバセンサ、及び前記光ファイバセンサを複数個用い
てひずみの多点計測を行うことによりトンネルの落盤・
崩落等の危険の検知等を行う光ファイバセンサ多点計測
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、機械・構造物のひずみ等の測
定には、電気抵抗式のひずみゲージが一般的に用いられ
ている。また、近年、光ファイバを利用した光ファイバ
式ひずみセンサも提案され、実用に供されている。

【０００３】即ち、知的材料／構造物に具備される機能
の一つであるセンサ機能には、長期間に亘るオンライン
計測が可能であることが求められる。無誘導性、防爆
性、耐腐食性等の特徴を持つ光ファイバは、その構成要
素として有望であり、光ファイバの種々の特性を利用し
てひずみを測定する光ファイバ式ひずみセンサとして実
用化されている。

【０００４】このような光ファイバを利用したひずみセ
ンサとして、例えば、いわゆるファブリペロー型の光フ
ァイバ式ひずみゲージ（第１の従来例）、日本機械学会
第３７期通常総会講演会講演論文集（・）Ｎｏ９６−１
掲載論文「屈曲型光ファイバひずみゲージ」江川幸一他
に記載されたもの（第２の従来例）、特開平９−１４９
２７号公報記載のもの（第３の従来例）、Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｏｆ１９ｔｈＭｅｅｔｉｎｇｏｎＬ
ｉｇｈｔｗａｖｅＳｅｎｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ，Ｍａｙ１９９７発表論文「光ファイバセンサ
を用いたコンクリート構造物の歪み分布測定」倉嶋利雄
他に記載されたもの（第４の従来例）等、種々のひずみ
センサが提案されている。

【０００５】これらのうち、第２の従来例等、いわゆる
屈曲型の光ファイバを利用したひずみセンサでは、光フ
ァイバに小さな曲げを与えておき、曲げに力を加えるこ
とによる透過光の減衰からひずみを検出する。即ち、光
ファイバは曲げる曲率半径によって、透過光量の損失が
異なり、曲率半径が大きい場含には、損失が発生しな
い。また、ある損失が発生する曲率半径に対して、曲率
半径が減少すると損失が大きくなり、曲率半径が増加す
ると、損失が小さくなる。屈曲型の光ファイバを用いた
ひずみゲージは、かかる原理を利用して、ゲージに加わ
る力により曲率半径を変化させ、透過光の光量変化から
ひずみを検出するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来からの電気抵抗式
のひずみゲージでは、電磁界の影響下では使用に適さな
いという問題がある。また、多点計測の場合は必然的に
ケーブルが太くならざるを得ず、取り扱いが不便であ
り、更に、絶縁が低下する等の問題も避けられない。
一方、上述した光ファイバを用いたひずみセンサでは、
例えば、第１の従来例に係るものでは、ゲージ構成部品
の加工及び組立に高い精度が要求されるが、そのような
高精度のものを製作するには、コストが高くなってしま
う。また、いわゆるＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍ
ｅ−ＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：光時
間領域反射測定法）を用いた多点計測には、利用できな
い。

【０００７】また、第２の従来例に係る屈曲型光ファイ
バ式ひずみゲージは、楕円状あるいは１／４円弧状の屈
曲形状の屈折率差の異なる光ファイバを組み合わせて使
用するものであるが、この形状出実際にゲージベース上
に精度良く成形することは大変困難であり、また、温度
補償については何等の考慮もなされていないので、実用
性の点で疑問がある。

【０００８】更に、第３の従来例に係る光ファイバ式ひ
ずみゲージは、ゲージの小型化が難しく局部的な応力や
ひずみを計測するには不適であり、またゲージ単体での
温度補償ができないという問題もある。

【０００９】更にまた、第４の従来例に係るものでは、
距離にして１ｍ程度の平均ひずみは光ファイバに沿って
計測できるが、局部的な応力やひずみを高感度に計測す
ることはできない。また、温度による影響は、電気抵抗
式のひずみゲージと比較して１０倍程度あるので、温度
の影響を無視できない。

【００１０】本発明の目的は、小型で安価に製造でき、
屈曲型の光ファイバを用いて、温度の影響を受けにくく
高精度なひずみ、力、応力、変位等の物理量の計測を行
うことができる光ファイバセンサ、及び該光ファイバセ
ンサを複数個用いてひずみ等の多点計測を行うことが可
能な光ファイバセンサ多点計測システムを提供すること
にあり、また、該光ファイバセンサ多点計測システムを
トンネルの落盤・崩落等の危険を検知するために用いる
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、いわゆる屈曲型の光ファイバを利用し
たひずみゲージ或いは力センサとして、新規且つ有用な
光ファイバセンサ及び該光ファイバセンサを複数個用い
て多点計測が可能な光ファイバセンサ多点計測システム
を発明した。

【００１２】即ち、本発明の第１の様相による光ファイ
バセンサは、請求項１に記載されているように、構造体
の一方向に沿って所定の間隔をおいて偏芯せずに略直線
的に形成された第１及び第２の溝と、該第１及び第２の
溝に配置され前記間隔内に屈曲部を有する少なくとも１
本の光ファイバとを有し、前記第１及び第２の溝の幅寸
法は、前記光ファイバの外径寸法の少なくとも２倍の大
きさに形成されており、前記光ファイバは、前記屈曲部
が屈曲する方向と反対側の溝壁面に接触するように前記
第１及び第２の溝内に配置された状態で、接着剤により
該第１及び第２の溝内に固定されていることを特徴とす
る。

【００１３】略直線的に形成された第１及び第２の溝内
に屈曲部を有するように光ファイバを配置すれば良いの
で、光ファイバの屈曲部を簡単に形成することができ、
同一の屈曲形状をひずみゲージのゲージベース上に設け
る場合も、力センサの弾性体における起歪部上に直接設
ける場合も、安価に成型することができる。

【００１４】また、第１及び第２の溝の幅寸法は、光フ
ァイバの外径寸法の少なくとも２倍の大きさに形成され
ている、かかる幅広の溝内に光ファイバを配置するの
で、接着層及び溝形状のエッジ近傍の局部的な性状の違
いが特性に出にくい。

【００１５】更に、前記構造体は、前記第１及び第２の
溝と直交し前記間隔を形成する段差を備え、該段差内で
は、前記光ファイバは固定されず、自由移動可能に構成
されていても良い。

【００１６】尚、該光ファイバセンサは、前記構造体が
ゲージベースから成る光ファイバ式ひずみゲージにより
構成され、或いはひずみゲージを貼り付けることなく前
記構造体を構成する弾性体の起歪部に直接前記光ファイ
バの屈曲部を成形した力センサ等により構成され得る。

【００１７】一方、本発明の第２の様相による光ファイ
バセンサ多点計測システムは、請求項５に記載されてい
るように、上記の光ファイバセンサを複数個それぞれ所
定の間隔をおいて配置し、該複数個の光ファイバセンサ
に挿通されて全体として１つの光伝送路を形成する少な
くとも１本の光ファイバを用い、前記複数個の光ファイ
バセンサによりひずみの多点計測を行うことを特徴とす
る。

【００１８】また、請求項６記載の光ファイバセンサ多
点計測システムにおいては、更に、光スイッチを用いて
前記光ファイバを複数本接続したことを特徴とする。

【００１９】これにより、ＯＴＤＲを用いた多点計測が
可能である。また、着目すべき物理量をセンサで計測す
るが、センサを挟んで前後に配置された伝送用光ファイ
バにおいて、大きな変形、切断等の異常を検出できる。
更に、例えば、トンネル等の、センサによる計測範囲が
数十ｋｍに及ぶような対象の計測も可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。本発明の第１の実
施形態に係る光ファイバセンサは、光ファイバ式ひずみ
ゲージにより構成される。即ち、図１に示すように、本
実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ１は、Ｈ型の空隙
部１３が形成されて全体として矩形状を有するゲージベ
ース１０と、ゲージベース１０の長手方向に沿ってＨ型
の空隙部１３内に所定の間隔Ｇをおきつつ、偏芯せずに
略直線的に形成された第１の溝１２及び第２の溝１４
と、第１及び第２の溝１２及び１４内に配置され間隔Ｇ
内に屈曲部１６Ａを有する光ファイバ１６とを有してい
る。第１及び第２の溝１２及び１４の幅寸法は、前記光
ファイバの外径（直径）寸法ｄの３．２倍（３．２ｄ）
の大きさに形成されている。尚、第１及び第２の溝１２
及び１４の幅寸法は、光ファイバの外径（直径）寸法ｄ
の少なくとも２倍（２．０ｄ）、好ましくは２．５倍
（２．５ｄ）以上の大きさであるのが望ましい。そし
て、同図に示すように、光ファイバ１６は、屈曲部１６
Ａが屈曲する方向と反対側の溝壁面（図１では、同図の
下側に位置する溝壁面）に接触するように第１及び第２
の溝１２及び１４内に配置された状態で、接着剤により
該第１及び第２の溝内に固定されている。

【００２１】図２は図１の光ファイバ式ひずみゲージ１
を測定対象物とともに示す側面図である。ゲージベース
１０には、第１及び第２の溝１２，１４内における光フ
ァイバ１６の軸方向と直交する方向に延びて空隙部１３
の両側に形成された段差部１５により、空隙部１３の周
囲に位置する薄肉部１７とこの薄肉部１７より厚さの厚
い厚肉部１８とが区画形成されている。そして、薄肉部
１７側には、ゲージベース１０と鋼材などの測定対象物
１９とを、例えば、スポット溶接により固定するための
溶接部２０が段差部１５に沿って形成されている。

【００２２】さらに、ゲージベース１０の薄肉部１７に
はくびれ部２１が形成されている。これにより、薄肉部
１７の剛性が低下され、測定対象物１９のひずみに応じ
てゲージベース１０が変形しやすくなっている。

【００２３】ここで、本実施の形態では、ゲージベース
１０の長手方向の寸法は２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度、厚肉
部１８の肉厚は０．６ｍｍ、薄肉部１７の肉厚は０．２
ｍｍとなっている。また、第１の溝１２と第２の溝１４
との間隔Ｇは３ｍｍとなっている。

【００２４】次に、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲ
ージ１の使用方法について説明する。

【００２５】本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ１
は、測定対象物１９のひずみを、検出部として設けた光
ファイバ１６の屈曲部１６Ａに伝えて検出する。即ち、
本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ１を用いるに
は、図１及び図２に示すように、測定対象物１９にゲー
ジベース１０を固定し、光ファイバ１６の一端をＬＥＤ
等の光源側（図示せず）に接続し、他端をＰＤ等の光検
出側（図示せず）に接続して用いる。

【００２６】測定対象物１９に応力が作用してひずみが
生じると、ゲージベース１０も同じように引っ張り又は
圧縮される。この結果、空隙部１３の間隔Ｇが、引っ張
りの場合には増加し、圧縮の場合には減少する。そし
て、空隙部１３の間隔Ｇが増減することにより空隙部１
３における光ファイバ１６の曲げ量が変化し、光の透過
光量に変化をもたらす。即ち、引っ張りの場合には屈曲
部１６Ａの曲率半径が増加するため損失が小さくなる結
果、透過光量が増加するのに対し、圧縮の場合には屈曲
部１６Ａの曲率半径が減少するため損失が大きくなる結
果、透過光量が減少する。従って、この光量変化をＰＤ
等を含む検出手段にて検出することにより、ひずみ量を
計測することができる。

【００２７】このように、本実施形態の光ファイバ式ひ
ずみゲージ１によれば、引っ張りひずみだけでなく圧縮
ひずみの測定も可能であり、更に、クラックの変位測定
も可能である。なお、空隙部１３の間隔Ｇ内の光ファイ
バ１６の曲率半径を変え、測定対象物１９の種類に応じ
て検出感度を変化させることもできる。例えば、測定対
象物１９がひずみの小さいコンクリートの場合には曲率
半径を小さくとり、ひずみの大きい鉄の場合には曲率半
径を大きくとれば良い。

【００２８】ここで、本実施形態の光ファイバ式ひずみ
ゲージ１では、図１及び図２に示すように、第１及び第
２の溝１２，１４内における光ファイバ１６の軸方向と
直交する方向に延びて形成された段差部１５に沿って薄
肉部１７側に形成された溶接部２０にスポット溶接を行
うことによりゲージベース１０と測定対象物１９とが固
定される。このように光ファイバ１６の軸方向と直交す
る方向に沿って働く固着力によってひずみゲージ１と測
定対象物１９とが固定されると、ゲージ長が光ファイバ
１６の軸方向における固着部間距離となる。これによ
り、引っ張り剛性が低下して内力が小さくなるので、測
定対象物１９との固着部におけるせん断応力が抑制され
てゲージ特性のばらつきが低減される。

【００２９】また、ゲージ長が光ファイバ１６の軸方向
における固着部間距離となるので、線膨張を用いた温度
補償におけるゲージ長の不確実さがなくなる。

【００３０】さらに、段差部１５に、例えば、スポット
溶接機を沿わせて動かすだけで第１及び第２の溝１２，
１４内における光ファイバ１６の軸方向と直交する方向
に沿った溶接部２０を測定対象物１９に溶着できるの
で、ひずみゲージ取り付け作業の容易化を図ることが可
能になる。

【００３１】次に、上記実施形態の変形例に係る光ファ
イバセンサについて、図３を参照して説明する。本変形
例の光ファイバセンサ３は、上述した第１の実施形態の
光ファイバ式ひずみゲージ１を、図３に示すように、弾
性体３０の起歪部３２にスポット溶接により取り付け、
弾性体３０をその固定穴３０Ａ，３０Ｂを用いて測定対
象物（図示せず）に固定することによりセンサとして機
能する。図３に示すように、同図の左方向から光ファイ
バ１６に入射した入射光は、同図の右方向に透過光とし
て検出される。今、起歪部３２に、矢印３２Ｌ、３２Ｒ
で示すように、引張荷重が加わり又は引張り方向の変位
を生じると、光ファイバ式ひずみゲージ１の屈曲部１６
Ａ（図１参照）の曲率半径が増加するため損失が小さく
なる結果、透過光量が増加する。従って、この光量変化
をＰＤ等を含む検出手段にて検出することにより、ひず
み量を計測することができる。

【００３２】続いて、本発明の第２の実施形態に係る光
ファイバセンサについて図４を参照して説明する。この
第２の実施形態に係る光ファイバセンサは、ひずみゲー
ジを貼り付けることなく弾性体の起歪部に直接光ファイ
バの屈曲部を成形した力センサにより構成される。即
ち、図４に示すように、本実施形態の力センサは、弾性
体から成るビーム型ロードセル４０と、このビーム型ロ
ードセル４０に貼り付けられる光ファイバ４１とを有す
る。ビーム型ロードセル４０は、図示しないが、固定用
ボルトにより任意の固定箇所に固定されて片持ち梁を構
成し、その自由端側には、被測定荷重が印加される荷重
作用点を有している。従って、その荷重作用点に上方向
から荷重が印加されると、ビーム型ロードセル４０は、
上面側が引っ張られ、下面側が圧縮される。ビーム型ロ
ードセル４０には、図４に示すように、ビーム型ロード
セル４０の上下両面から幅方向に沿って段差部４０Ａ、
４０Ｂが形成されている。また、段差部４０Ａと４０Ｂ
の間には、センシング部４２が設けられている。このセ
ンシング部４２の上面側には、図４に示すように、ビー
ム型ロードセル４０の幅方向に沿って凹部４４が設けら
れている。一方、センシング部４２の下面側にも、同様
にビーム型ロードセル４０の幅方向に沿って凹部４６が
設けられている。また、センシング部４２の内部には、
図４に示すように、中空部分４３が設けられ、この中空
部分４３は、凹部４４及び４６が薄肉状に構成されるよ
うに形成されている。即ち、ここに、凹部４４及び４６
は、ビーム型ロードセル４０の上下両面の幅方向に沿っ
たそれぞれの凹みと中空部分４３により画成される薄肉
状の部分により構成されている。凹部４４及び４６は、
ビーム型ロードセル４０の上下それぞれの面に対称に形
成されており、従って、上述した荷重作用点に上方向か
ら荷重が印加されると、凹部４４には引張応力が集中す
るのに対し、凹部４６には圧縮応力が集中する。

【００３３】一方、ビーム型ロードセル４０の上面側に
は、その長さ方向に沿って第１及び第２のファイバ挿通
溝４８Ａ及び４８Ｂが形成されており、第１のファイバ
挿通溝４８Ａは、ビーム型ロードセル４０の固定端側端
面に設けられた入出力端子（図示せず）から、ビーム型
ロードセル４０の上面側の段差部４０Ａまで、第２のフ
ァイバ挿通溝４８Ｂは、段差部４０Ａから図示しない出
力端までビーム型ロードセル４０の上面に設けられてい
る。反対に、ビーム型ロードセル４０の下面側には、そ
の長さ方向に沿って第１及び第２のファイバ挿通溝（図
示せず）が形成されており、第１のファイバ挿通溝は、
ビーム型ロードセル４０の固定端側端面に設けられた入
出力端子（図示せず）から、ビーム型ロードセル４０の
下面側の段差部４１Ａまで、第２のファイバ挿通溝は、
段差部４１Ｂから図示しない出力端までビーム型ロード
セル４０の下面に設けられている。ビーム型ロードセル
４０の上面側の第１及び第２のファイバ挿通溝４８Ａ及
び４８Ｂには、光ファイバ４１が挿通され、この光ファ
イバ４１は、段差部４０Ａ内に屈曲部４１ａを有してい
る。また、ビーム型ロードセル４０の下面側の第１及び
第２のファイバ挿通溝には、光ファイバ４１と同一の外
径（直径）寸法を持つ他の１本の光ファイバが挿通さ
れ、この光ファイバは、段差部４０Ｂ内に屈曲部（図示
せず）を有している。

【００３４】ここで、本発明の第２の実施形態において
は、上面側の第１及び第２のファイバ挿通溝４８Ａ及び
４８Ｂ、更に、下面側の第１及び第２のファイバ挿通溝
の幅寸法は、光ファイバ４１及び他の１本の光ファイバ
（図示せず）の外径（直径）寸法ｄの３．２倍（３．２
ｄ）の大きさに形成されている。尚、この幅寸法は、光
ファイバ５０等の外径（直径）寸法ｄの少なくとも２倍
（２．０ｄ）、好ましくは２．５倍（２．５ｄ）以上の
大きさであるのが望ましい。

【００３５】図５及び図６は、本発明の第２の実施形態
に係る光ファイバ力センサにおける光ファイバの屈曲部
の成形方法を説明するための図であり、図５は図４に示
した光ファイバセンサを上方から見た概念図である。

【００３６】さて、この第２の実施形態において、光フ
ァイバ力センサにおける光ファイバの屈曲部を成形する
には、まず、図５に示すように、光ファイバを溝（Ｗ）
の底辺にセットする。次に、屈曲を付与するための丸棒
（丸棒固定治具（図示せず）を起歪部に乗せ）をセット
する。続いて、光ファイバの透過光をＰＤにより検出す
る（光ファイバが直線上にある状態で）。更に、設定の
感度に応じ、丸棒を固定治具のスライド溝に沿って移動
し屈曲を成形する（ＰＤによりモニターをしながら上記
作業を行う、尚、設定の感度は、丸棒除去後の光ファイ
バのスプリングバックによる設定感度の変化を前もって
考慮しておく）。次に、丸棒の位置を固定し、溝（Ｗ）
に接着剤を充填し光ファイバを固定する。接着剤硬化
後、丸棒及び固定治具を取り外す（ＰＤにより透過光量
を確認）。この手順により、設定した直線溝の溝幅を用
いてセンサ内に、所定の曲率を有する光ファイバの弾性
曲線が得られ、屈曲型光ファイバセンサの屈曲部が実現
できる。このようにすれば、溝加工時ワークの付け替え
無しに両溝の加工ができ、特性面でも試作した光ファイ
バ式ひずみケージおよび光ファイバ力センサにおいて良
好な結果が得られている。本発明の屈曲部を用いること
により安価な光ファイバ式ひずみケージ及び光ファイバ
力センサが実現できる。尚、この第２の実施形態におい
ても、図６に示すように、光ファイバ４１は、屈曲部４
１ａが屈曲する方向と反対側の溝壁面（図６では、同図
の左側に位置する溝壁面）に接触するように第１及び第
２のファイバ挿通溝４８Ａ及び４８Ｂ内に配置された状
態で、接着剤により該第１及び第２のファイバ挿通溝４
８Ａ及び４８Ｂ内に固定されている。また、ビーム型ロ
ードセル４０の下面側の他の１本の光ファイバ（図示せ
ず）も、その屈曲部が屈曲する方向と反対側の溝壁面に
接触するように該下面側の第１及び第２のファイバ挿通
溝（図示せず）内に配置された状態で、接着剤により該
第１及び第２のファイバ挿通溝内に固定されている。

【００３７】以上に述べた第１及び第２の実施形態にお
いて、（ファイバ挿通）溝の幅寸法は、光ファイバの外
径（直径）寸法ｄの３．２倍（３．２ｄ）の大きさに形
成されている。尚、この溝の幅寸法は、光ファイバの外
径（直径）寸法ｄの少なくとも２倍（２．０ｄ）、好ま
しくは２．５倍（２．５ｄ）以上の大きさであるのが望
ましい。このような溝幅を採用する意義を明らかにする
ため、第１及び第２の溝を傾斜させることにより、高感
度の屈曲部を安価に製作し得るようにした例との比較に
より説明する。

【００３８】図７は、上記のような傾斜溝を有する場合
（例えば、特開平１１−２８７６２６号参照）の例であ
る。かかる傾斜溝を有することにより屈曲部１６Ａ以外
に、屈曲部１６Ｂと１６Ｃが形成され感度を高める効果
がある。反面、間隔Ｇ（段差部）のエッジ部が感度に寄
与するため、エッジ部に近傍した接着層の応力緩和等の
不安定さに伴う出力の変化が懸念される。従って、特
に、長期の安定性を要求される土木計測の分野において
は、接着剤の経年変化を低く押さえる必要があり、接着
剤の選定が重要な課題となる。また、接着剤硬化後のエ
ッジ形状を均一にコントロールすることは困難である。

【００３９】これに対し、本発明の第１及び第２の実施
形態においては、エッジ部近傍の接着層の不安定さによ
る影響が比較的少なくなる屈曲部を形成した。即ち、溝
の幅寸法を光ファイバの外径（直径）寸法ｄの、少なく
とも２．０倍（２．０ｄ）、好ましくは２．５倍（２．
５ｄ）以上の大きさにすることで、屈曲部１６Ｂ、１６
Ｃの曲率半径を大きくとることになり、感度をほとんど
持たない形状にした。尚、上記した傾斜溝を有する場合
も同様な効果は得られる。しかしながら、本発明では、
加工の作業性（ワークの付け替えなしに、両溝加工がで
きる）から直線溝を採用した。また、これらの形状を取
ることにより、エッジ部近傍の接着状態の不均一性に伴
うセンサ間の特性のバラツキも低減できる。

【００４０】以上に述べた本発明の優位性を立証するた
めに、以下のような解析方法を採用した。

【００４１】即ち、日本機械学会論文集６３巻６１５号
（１９９７−１１）「屈曲型光ファイバシステムによる
ひずみ計測」轟等の文献中に、以下のように記述されて
いる。一様曲げ曲率を有する光ファイバの単位長さ当
たりの光伝搬損失α⁺（ｄＢ／ｍ）は、Ｍａｒｃｕｓｅ
によって以下のように解析されている。

【００４２】

【数１】

【００４３】ここで、

【００４４】

【数２】

【００４５】Ｒ：曲率半径ａ：コア半径 Δ＝（（ｎ１−ｎ２）／ｎ１）ｎ１：コア屈折率ｎ２：クラッド屈折率 λ ：光の波長ｕ：コアの横方法規格化伝搬定数ｗ：クラッドの横方法規格化伝搬定数ｕ，ｗ間には、光ファイバの次の特性方程式が与えられ
る。

【００４６】

【数３】

【００４７】

【数４】

【００４８】ｊ，ｋはそれぞれベッセル関数、第２種変
成ベッセル関数光ファイバの場所によって曲率の異なる場合の全光伝搬
損失α（ｄＢ）は、（１）式のα^*を光ファイバの経路
に沿って積分することにより与えられる。

【００４９】

【数５】

【００５０】一方、光ファイバの曲率半径（Ｒ）は、フ
ァイバの変位（ｙ）から（６）式より求まる。

【００５１】

【数６】

【００５２】ここでは、シングルモードファイバで波長
１３１０ｎｍを用いた場合の光伝搬損失を、上記（１）
〜（５）式を用いて求めた。

【００５３】尚、ファイバの曲率半径は、間隔Ｇ＝３ｍ
ｍとし、屈曲部形状を有限要素法を用い、溝幅をパラメ
ータとして、解析的に求めた。

【００５４】図８は、本発明の第１及び第２の実施形態
に係る光ファイバセンサにおける透過損失に対する屈曲
部位の影響を示すグラフであり、屈曲部全体の損失に対
し、溝端部から中央部までの距離に応じて光伝搬損失の
比率がどのように変化するかを光ファイバ径に対する各
溝幅比ごとに示す。同図において、横軸はエッジから屈
曲部中央までを図示したものである。

【００５５】ここでは、ひずみ１０００×１０-6相当の
変位を間隔部Ｇに対して与え、屈曲部全体の損失に対
し、溝端部から中央部までの距離に応じた光伝搬損失の
比率を光ファイバ径に対する各溝幅比ごとに求めてみ
た。

【００５６】同図から明らかなように、光ファイバ径ｄ
に対する溝幅比が１．１７（ｄ）、１．３３（ｄ）、
１．６７（ｄ）のものでは、溝端（エッジ）部の影響が
大きいのに対し、２（ｄ）、２．３３（ｄ）、２．６７
（ｄ）、３．２（ｄ）のものでは、溝端（エッジ）部の
影響は小さく抑えられている。従って、光ファイバ径ｄ
に対する溝幅比が少なくとも２倍あるのが望ましいこと
が分った。

【００５７】図９は、本発明の第１及び第２の実施形態
に係る光ファイバセンサにおける透過損失に対する屈曲
部位の影響を示すグラフであり、屈曲部全体の損失に対
し、光ファイバ径に対する溝幅比に応じて溝端部の光伝
搬損失の比率がどのように変化するかを示す。ここで
は、エッジ部の影響を見るために横軸を光ファイバ径に
対する溝幅比をとって、プロットしたものである。

【００５８】同図から明らかなように、光ファイバ径ｄ
に対する溝幅比が１．６７（ｄ）のものでは、溝端（エ
ッジ）部の影響が２％近くあるのに対し、２（ｄ）、
２．３３（ｄ）、２．６７（ｄ）、３．２（ｄ）のもの
では、溝端（エッジ）部の影響は、略１％以下に小さく
抑えられている。従って、図９から、光ファイバ径ｄに
対する溝幅比が少なくとも２倍あるのが望ましいことが
更に明確になった。

【００５９】図１０は、光ファイバ径ｄに対する溝幅比
が３．２（ｄ）のものにつき、センサ感度を調べ、グラ
フにプロットしたものであり、中央部の曲率半径が増加
すると透過光量も増加し、曲率半径が減少すると透過光
量も減少するが、実用上用いる範囲内で良好な特性が得
られることが分った。光ファイバ径ｄに対する溝幅比が
２（ｄ）、２．３３（ｄ）、２．６７（ｄ）のものにつ
いても、それぞれ３．２（ｄ）のものと略同様の特性が
得られることが推察される。

【００６０】更に、本発明の第１の実施形態に係る光フ
ァイバセンサにつき、センサとしての感度特性を調べて
みた。図１１は、本発明の第１の実施形態に係る光ファ
イバセンサを構成する光ファイバ式ひずみゲージを試験
片（片持ち梁）に取り付けた場合の負荷特性を示すグラ
フである。ここでは、図１に示した、光ファイバ径ｄに
対する溝幅比が３．２（ｄ）の光ファイバ式ひずみゲー
ジを試験片（片持ち梁）に取り付けた場合に、荷重の変
化に対し出力がどのように変化していくかを調べてみ
た。

【００６１】図１１に示すように、引っ張り及び圧縮の
双方とも、荷重の変化に対し出力は単調に変化してお
り、センサとして充分な感度が得られることが分った。

【００６２】次に、本発明の第３の実施形態に係る光フ
ァイバセンサ多点計測システムについて説明する。

【００６３】本実施形態の光ファイバセンサ多点計測シ
ステムは、上述した第１の実施形態の光ファイバ式ひず
みゲージ１（光ファイバ径に対する溝幅比が３．２倍の
もの）を複数個それぞれ所定の間隔をおいて配置し、こ
れら複数個の光ファイバ式ひずみゲージ１に１本の光フ
ァイバを挿通し、この光ファイバをＯＴＤＲの測定装置
に接続して複数個の光ファイバ式ひずみゲージ１により
ひずみの多点計測を行うものである。

【００６４】さて、本実施形態の多点計測システムは、
光ファイバ式ひずみゲージ１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・，
１ｎをそれぞれ所定の間隔をおいて配置し、これら複数
個の光ファイバ式ひずみゲージに光ファイバ６０を挿通
し、この光ファイバ６０を、図１２に示すように、ＯＴ
ＤＲ測定器に接続して複数個の光ファイバ式ひずみゲー
ジによりひずみの多点計測を行うものである。

【００６５】即ち、本実施形態の多点計測システムで
は、図１２に示すように、パルス発振器６１により駆動
されたレーザダイオード（ＬＤ）６２は、光パルスを出
力し、光パルスは方向性結合器６３を経て光ファイバ６
０に入射する。光ファイバ６０内の各光ファイバ式ひず
みゲージ１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・，１ｎで生じた後方
レーリ散乱光、あるいはフレネル反射光は入射端に戻っ
てくる。入射端に戻ってきた光は、方向性結合器６３を
通して受光素子（ＰＤ）６４に入射し、電気信号に変換
される。変換された電気信号は、増幅器６５により所要
のレベルまで増幅された後、解析処理部／表示部６６に
より時間領域で解析され、解析結果が表示される。例え
ば、埋設配管等に１ｍごとに検出部として光ファイバ式
ひずみゲージ１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・，１ｎを固着
し、かかるＯＴＤＲ測定器に接続することによりひずみ
の多点計測システムを構成すれば、損傷等の存在する位
置とひずみ量を同時に計測することが可能である。

【００６６】更に、上記第３の実施形態に係る光ファイ
バセンサ多点計測システムの拡張例について説明する。

【００６７】この拡張例に係る多点計測システムは、図
１３に示すように、光ファイバ式ひずみゲージ１ａ，１
ｂ，１ｃ，・・・，１ｎ（いずれも光ファイバ径に対す
る溝幅比が３．２倍のもの）を１本の光ファイバ６０に
１，２，３，・・・ｎの複数個直列に配置し、更に光ス
イッチ１３０を用い光ファイバ１，２，３，・・・ｍの
複数本接続したものである。光スイッチ１３０は、ＯＴ
ＤＲ測定装置１３２に接続され、ＯＴＤＲ測定装置１３
２は、コントローラ及び表示器１３４に接続されてい
る。尚、センサ間距離がＯＴＤＲ測定装置１３２の分解
能より小さい場合は、センサ間に光ファイバのループ１
３５を設ければよい。

【００６８】次に、本発明の第４の実施形態に係る光フ
ァイバセンサ多点計測システムについて説明する。

【００６９】本実施形態の光ファイバセンサ多点計測シ
ステムは、図１３に示した多点計測システムをトンネル
の落盤・崩落等の危険の事前検知（という用途）に用い
たものである。

【００７０】さて、本実施形態の光ファイバセンサ多点
計測システムは、図１４に示すように、１本の光ファイ
バ１４２（ＦＩＢＥＲ：１，ＦＩＢＥＲ：２，・・・・
ＦＩＢＥＲ：１６）に屈曲型光ファイバセンサ１を最大
５箇所設け、光スイッチモジュール（光チャネルセレク
タ）１４３Ａにより最大１６本の光フアイバを切り替え
ることにより、最大８０箇所のひずみ（変位）を、図示
しない専用回線、公衆回線、ＬＡＮ等によりモニタリン
グし、異常の検知，警報、異常発生箇所の特定を自動的
に行う。

【００７１】検出は、屈曲型光ファイバセンサにかかる
ひずみ（応力）による光損失をＯＴＤＲ法（Ｏｐｔｉｃ
ａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｒｅｃｔｏｍｅ
ｔｒｙ：光時間領域反射測定法）により測定し、その光
損失からひずみを求める。測定、解析処理時間は、１ヶ
所当たり最小４秒程度［１本の光ファイバ当たりの計測
／解析時間は１５秒、チャネル切替１秒程度とした場
合］とする。

【００７２】ここで、１本の光ファイバ上のセンサの最
小設置間隔は最小１２ｍ程度とした。測定は、所定の時
間間隔で行い、各センサ位置でのひずみ量を時系列信号
（横軸は日付、時間）として表示する。ひずみ量が前も
って設定したレベル（しきい値）を越えた時に警報を表
示し、異常発生箇所を知らせる。測定データは順次保存
してゆく。必要ならば、ひずみに換算する前のＯＴＤＲ
測定データのモニタ、保存も行う。また、光センサ設置
箇所以外でも光ファイバケーブルが大きく変形した場
合、および破断したときには、本システムでひずみに換
算する前のＯＴＤＲ測定データより場所の特定が可能で
ある。光ファイバの両端に光コネクタをつけ、光スイッ
チで切り替えて両端からのＯＴＤＲ測定をそれぞれ行う
と、光ファイバケーブルが破断しても、破断箇所までは
両端からのモニタにより測定が可能となる。

【００７３】センサ部１４１には、図１に示した第１の
実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ１を使用する。光
ファイバに曲げ（屈曲）を与えると光ファイバ中の光波
の光伝播モードが変化し、導波モ−ドが一部放射モード
になり、光波が光ファイバ中から外へ放射され、曲げに
よる光損失が生じる。本センサ部１４１は、この光ファ
イバの曲がり具合による光損失変化を利用してひずみを
測定する。

【００７４】光ファイバケーブル１４２には、シングル
モード光ファイバを使用する。

【００７５】光ファイバセンサ多点計測装置１４３は、
光スイッチモジュール１４３ＡおよびＯＴＤＲモジュー
ル１４３Ｂにより構成されている。光スイッチモジュー
ル１４３Ａは、ＯＴＤＲモジュール１４３Ｂからの光パ
ルスの光ファイバ１４２への入射、および光ファイバセ
ンサ１４１からの反射戻り光のＯＴＤＲモジュール１４
３Ｂへの接続を切り替えるための光スイッチモジュール
であり、切換チャネル数が最大１６のものを採用してい
る。すなわち、コモンチャネル（１チャネル）に接続さ
れた光ファイバを１６チャネル（１６本のセンサを取り
付けた光ファイバ）のうちの１つに接続する。切替時間
は約１秒である。ＯＴＤＲモジュール１４３Ｂは、ＯＴ
ＤＲ法によりセンサ部１４１での光損失を測定する部分
である。ＯＴＤＲモジュール１４３Ｂは、接続された光
ファイバに光パルスを繰り返し入射させ、その光パルス
が光ファイバ中を伝播してゆく際に、光ファイバの長手
方向の各点で散乱あるいは反射しＯＴＤＲモジュール１
４３Ｂに戻ってくる後方散乱光の光強度およびその位置
を測定する。光ファイバに曲がりがあると光放射損失が
起こり伝播光の光強度が急激に低下し、それに比例して
後方散乱光も急激に低下する。本屈曲型光ファイバセン
サは、この光ファイバの曲がり（屈曲）による光損失効
果に注目し、それを多点計測に応用したものである。

【００７６】１本の光ファイバで最大５個のセンサが設
置可能で、センサ間の最小光ファイバ長さは１２ｍ程
度、測定長さは数十ｋｍである。１本の光ファイバに対
するＯＴＤＲ測定時間は最小１０秒であり、光スイッチ
の切替時間、コンピュータによる解析処理を考慮する
と、センサ１箇所当たりの最小測定インターバルは４秒
程度である。

【００７７】計測システムコントロール用コンピュータ
１４４には、ＦＡ用コンピュータを使用し、本体、キー
ボード、ディスプレイ、無停電電源より構成される。

【００７８】尚、光ファイバセンサ多点計測装置１４３
の測定条件の設定、ＯＴＤＲ測定データからひずみへの
換算、測定データの保存（測定条件データ、測定日付時
刻に対するＯＴＤＲ測定データ，ひずみ換算データ）等
は計測ソフトの機能として実現される。また、計測ソフ
トの機能として、コンピュータのディスプレイにはＯＴ
ＤＲ測定データ、各センサの測定日付時間に対するひず
み、ひずみが前もって設定したレベル（しきい値）を越
えた時の警報の表示、測定条件の表示を行う。測定デー
タグラフの拡大、縮小は計測中にも可能とする。

【００７９】

【発明の効果】以上により、力、応力、ひずみ、変位等
の物理量計測を行う場合、トンネルの落盤・崩落等及び
地滑り等の公共土木の防災に用いる場合、橋梁、プラン
ト機器、ライフライン（埋設ガス導管等）等の大型構造
物の寿命予測や設備診断を行う場合、長距離の計測シス
テムに用いる場合等に用いるのに好適な光ファイバセン
サ及び光ファイバセンサ多点計測システムを提供し得
る。

【００８０】特に、請求項１〜４記載の光ファイバセン
サによれば、同一の屈曲形状を光ファイバ式ひずみゲー
ジのゲージベース上にも、弾性体等の起歪部上にも直
接、安価に成形できる。また、接着層及び溝形状のエッ
ジ近傍の局部的な性状の違いが特性に出にくい。

【００８１】一方、請求項５〜６記載の光ファイバセン
サ多点計測システムによれば、ＯＴＤＲを用いた多点計
測が可能である。また、着目すべき物理量をセンサで計
測するが、センサを挟んで前後に配置された伝送用光フ
ァイバにおいて、大きな変形、切断等の異常を検出でき
る。更に、例えば、トンネル等の、センサによる計測範
囲が数十ｋｍに及ぶような対象の計測も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る光ファイバセン
サを構成する光ファイバ式ひずみゲージを表す平面図で
ある。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る光ファイバセン
サを構成する光ファイバ式ひずみゲージを表す断面図で
ある。

【図３】図１に示した光ファイバ式ひずみゲージを起歪
部に取り付けた本発明の第１の実施形態の変形例に係る
光ファイバセンサを表す平面図である。

【図４】光ファイバを弾性体の起歪部に直接貼り付けた
本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ力センサを表
す図である。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ力セ
ンサにおける光ファイバの屈曲部の成形方法を説明する
ための斜視図である。

【図６】本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ力セ
ンサにおける光ファイバの屈曲部の成形方法を説明する
ための図である。

【図７】本発明の第１及び第２の実施形態に係る光ファ
イバセンサにおける透過損失に対する屈曲部位の影響を
説明するために、比較例として、傾斜溝を形成した場合
の屈曲部位の形成状態等を示す図である。

【図８】本発明の第１及び第２の実施形態に係る光ファ
イバセンサにおける透過損失に対する屈曲部位の影響を
示すグラフであり、屈曲部全体の損失に対し、溝端部か
ら中央部までの距離に応じて光伝搬損失の比率がどのよ
うに変化するかを光ファイバ径に対する各溝幅比ごとに
示す。

【図９】本発明の第１及び第２の実施形態に係る光ファ
イバセンサにおける透過損失に対する屈曲部位の影響を
示すグラフであり、屈曲部全体の損失に対し、光ファイ
バ径に対する溝幅比に応じて溝端部の光伝搬損失の比率
がどのように変化するかを示す。

【図１０】本発明の第１及び第２の実施形態に係る光フ
ァイバセンサにおける透過光量と屈曲部中央の曲率半径
との関係を示すグラフである。

【図１１】本発明の第１の実施形態に係る光ファイバセ
ンサを構成する光ファイバ式ひずみゲージを試験片（片
持ち梁）に取り付けた場合の負荷特性を示すグラフであ
る。

【図１２】本発明の第３の実施形態に係る光ファイバセ
ンサ多点計測システムを示す図である。

【図１３】本発明の第３の実施形態の変形例に係る光フ
ァイバセンサ多点計測システムを示す図である。

【図１４】図１３に示した本発明の第３の実施形態の変
形例に係る光ファイバセンサ多点計測システムをトンネ
ルの落盤・崩落等の危険の検知を行う場合に適用したシ
ステム構成を示す図である。

【符号の説明】

１光ファイバ式ひずみゲージ１０ゲージベース１３Ｈ型の空隙部１２第１の溝１４第２の溝Ｇ間隔１６Ａ屈曲部１６光ファイバｄ光ファイバの外径（直径）寸法

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤島絵里子東京都調布市調布ケ丘３丁目５番地１号株式会社共和電業内 (56)参考文献特開平10−148586（ＪＰ，Ａ) 特開平８−219825（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 1/24 G01B 11/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】構造体の一方向に沿って所定の間隔をお
いて偏芯せずに略直線的に形成された第１及び第２の溝
と、該第１及び第２の溝に配置され前記間隔内に屈曲部
を有する少なくとも１本の光ファイバとを有し、前記第
１及び第２の溝の幅寸法は、前記光ファイバの外径寸法
の少なくとも２倍の大きさに形成されており、前記光フ
ァイバは、前記屈曲部が屈曲する方向と反対側の溝壁面
に接触するように前記第１及び第２の溝内に配置された
状態で、接着剤により該第１及び第２の溝内に固定され
ていることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項２】請求項１記載の光ファイバセンサにおい
て、更に、前記構造体は、前記第１及び第２の溝と直交
し前記間隔を形成する段差を備え、該段差内では、前記
光ファイバは固定されず、自由移動可能に構成されてい
ることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項３】請求項１又は２記載の光ファイバセンサ
において、該光ファイバセンサは、前記構造体がゲージ
ベースから成る光ファイバ式ひずみゲージにより構成さ
れることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項４】請求項１又は２記載の光ファイバセンサ
において、該光ファイバセンサは、ひずみゲージを貼り
付けることなく前記構造体を構成する弾性体の起歪部に
直接前記光ファイバの屈曲部を成形したことを特徴とす
る光ファイバセンサ。
【請求項５】請求項１〜４記載の光ファイバセンサを
複数個それぞれ所定の間隔をおいて配置し、該複数個の
光ファイバセンサに挿通されて全体として１つの光伝送
路を形成する少なくとも１本の光ファイバを用い、前記
複数個の光ファイバセンサによりひずみの多点計測を行
うことを特徴とする光ファイバセンサ多点計測システ
ム。
【請求項６】請求項５記載の光ファイバセンサ多点計
測システムにおいて、更に、光スイッチを用いて前記光
ファイバを複数本接続したことを特徴とする光ファイバ
センサ多点計測システム。