JP3519333B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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- G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
- G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
-
- G—PHYSICS
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- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
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- G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、変位、荷重、圧
力、加速度などの物理量検出を行う光ファイバセンサに
関する。
力、加速度などの物理量検出を行う光ファイバセンサに
関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、ファイバブラッググレーティング
（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ：以下ＦＢ
Ｇと略す）と称するファイバ型検出素子を用いた歪みセ
ンサや温度センサの開発が進められている。すなわち、
これらのセンサは、入力する光の進行方向にグレーティ
ング（回折格子）が作製され、光ファイバに書き込まれ
たグレーティングのピッチが歪みや温度によって変化す
ると、その変化に応じてグレーティングからブラッグ反
射する光のピーク波長が変化すること、あるいはグレー
ティングを透過する光のスペクトルが変化（ディップ光
の中心波長が変化）することを利用したものである。
（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ：以下ＦＢ
Ｇと略す）と称するファイバ型検出素子を用いた歪みセ
ンサや温度センサの開発が進められている。すなわち、
これらのセンサは、入力する光の進行方向にグレーティ
ング（回折格子）が作製され、光ファイバに書き込まれ
たグレーティングのピッチが歪みや温度によって変化す
ると、その変化に応じてグレーティングからブラッグ反
射する光のピーク波長が変化すること、あるいはグレー
ティングを透過する光のスペクトルが変化（ディップ光
の中心波長が変化）することを利用したものである。
【０００３】図１１は、従来の光ファイバセンサの構成
を示す部分断面図である。同図において、５１は、石英
系光ファイバ等の光ファイバ５２上に紫外線硬化樹脂な
どの被覆５３を施した光ファイバ心線であり、その被覆
５３の一部が１ｃｍ〜４ｃｍ程度の長さにわたって除去
され、内部の光ファイバ５２が露出されるとともに、こ
の露出された光ファイバ５２に、ファイバグレーティン
グ５４が書き込まれ、その表面に、紫外線硬化樹脂から
なる再被覆５５がされている。紫外線硬化樹脂からなる
再被覆５５を用いるのは、光ファイバ心線として紫外線
硬化樹脂を被覆したものが多く使用されていること、被
覆が容易であることなどの理由による。
を示す部分断面図である。同図において、５１は、石英
系光ファイバ等の光ファイバ５２上に紫外線硬化樹脂な
どの被覆５３を施した光ファイバ心線であり、その被覆
５３の一部が１ｃｍ〜４ｃｍ程度の長さにわたって除去
され、内部の光ファイバ５２が露出されるとともに、こ
の露出された光ファイバ５２に、ファイバグレーティン
グ５４が書き込まれ、その表面に、紫外線硬化樹脂から
なる再被覆５５がされている。紫外線硬化樹脂からなる
再被覆５５を用いるのは、光ファイバ心線として紫外線
硬化樹脂を被覆したものが多く使用されていること、被
覆が容易であることなどの理由による。
【０００４】このようなファイバグレーティング５４を
物理量検出のために光ファイバセンサとして応用するの
には、紫外線硬化樹を剥がさず、ファイバグレーティン
グ５４部分を被測定物の検出箇所にエポキシ等の樹脂に
より固定することが考えられる。しかしながら、ここで
使用されている一般的な紫外線硬化樹脂は、強度が低
く、クリープ性のある材料であるものがほとんどであ
る。そこで、紫外線硬化樹脂を被覆したまま検出箇所に
張り付けた場合、樹脂自体がクリープをひきおこし、変
位、荷重、圧力、加速度等の物理量がそのままファイバ
グレーティングの伸縮すなわち歪みへと変換されず、物
理量の検出確度を低下させるという問題があった。
物理量検出のために光ファイバセンサとして応用するの
には、紫外線硬化樹を剥がさず、ファイバグレーティン
グ５４部分を被測定物の検出箇所にエポキシ等の樹脂に
より固定することが考えられる。しかしながら、ここで
使用されている一般的な紫外線硬化樹脂は、強度が低
く、クリープ性のある材料であるものがほとんどであ
る。そこで、紫外線硬化樹脂を被覆したまま検出箇所に
張り付けた場合、樹脂自体がクリープをひきおこし、変
位、荷重、圧力、加速度等の物理量がそのままファイバ
グレーティングの伸縮すなわち歪みへと変換されず、物
理量の検出確度を低下させるという問題があった。
【０００５】これに変わる手段としては、ファイバグレ
ーティング５４の再被覆を行わず、あるいは再被覆した
ものを再除去し、光ファイバ５２をむき出しにして、フ
ァイバグレーティング５４部分を被測定物の検出箇所に
押し当て、エポキシ等の樹脂で接着固定することが行わ
れている。しかしながら、光ファイバ５２の紫外線硬化
樹脂を除去し、石英ガラスをむき出しにして検出箇所に
張り付けた場合、石英ガラスに傷やマイクロクラックを
生じさせ、光ファイバの破断確率を高くするいう問題が
あった。
ーティング５４の再被覆を行わず、あるいは再被覆した
ものを再除去し、光ファイバ５２をむき出しにして、フ
ァイバグレーティング５４部分を被測定物の検出箇所に
押し当て、エポキシ等の樹脂で接着固定することが行わ
れている。しかしながら、光ファイバ５２の紫外線硬化
樹脂を除去し、石英ガラスをむき出しにして検出箇所に
張り付けた場合、石英ガラスに傷やマイクロクラックを
生じさせ、光ファイバの破断確率を高くするいう問題が
あった。
【０００６】これに対し、発明者らは、特願平１１−１
８４３８７において、再被覆に熱硬化樹脂からなる被覆
５５を使用することを提案した。グレーティング５４を
書き込んだ光ファイバ５２表面の再被覆材料として、熱
硬化樹脂を使用することにより、耐熱性および耐摩耗性
等を向上させることができる。これにより、樹脂自体が
クリープをひきおこし、物理量の検出確度を低下させる
という問題、光ファイバの破断確率を高くするいう問題
を解決できる。
８４３８７において、再被覆に熱硬化樹脂からなる被覆
５５を使用することを提案した。グレーティング５４を
書き込んだ光ファイバ５２表面の再被覆材料として、熱
硬化樹脂を使用することにより、耐熱性および耐摩耗性
等を向上させることができる。これにより、樹脂自体が
クリープをひきおこし、物理量の検出確度を低下させる
という問題、光ファイバの破断確率を高くするいう問題
を解決できる。
【０００７】しかしながら、ファイバグレーティングを
光ファイバセンサとして取り扱うには、なお、次のよう
な問題があった。 （１）金属等の材料にそのままファイバグレーティング
部分を張り付けるとその弾性変形の範囲は ０.３％程
度の金属に支配され、光ファイバがもつ４％以上という
高弾性領域を利用できない。 （２）荷重、変位、圧力、加速度等の物理量の感度およ
び分解能を自由に選択できる機構が提案されていない。
光ファイバセンサとして取り扱うには、なお、次のよう
な問題があった。 （１）金属等の材料にそのままファイバグレーティング
部分を張り付けるとその弾性変形の範囲は ０.３％程
度の金属に支配され、光ファイバがもつ４％以上という
高弾性領域を利用できない。 （２）荷重、変位、圧力、加速度等の物理量の感度およ
び分解能を自由に選択できる機構が提案されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
課題に対処するためになされたもので、ファイバグレー
ティングを光ファイバセンサの検出部として適用するに
あたり、光ファイバがもつ高弾性を利用しつつ、変位、
荷重、圧力、加速度等の物理量を高精度かつ高感度に検
出すること、さらには物理量の感度および分解能を自由
に選択できる機構を提供することを目的とする。
課題に対処するためになされたもので、ファイバグレー
ティングを光ファイバセンサの検出部として適用するに
あたり、光ファイバがもつ高弾性を利用しつつ、変位、
荷重、圧力、加速度等の物理量を高精度かつ高感度に検
出すること、さらには物理量の感度および分解能を自由
に選択できる機構を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明による光ファイバ
センサは、ファイバグレーティングが書き込まれた光フ
ァイバがファイバグレーティングの両側の光ファイバが
固定器具に固定された歪み検出部を有し、片側の固定器
具が被測定物に直接固定され、他側の固定器具がバネを
介して間接的に被測定物に固定され、被測定物にかかる
変位、荷重、圧力、加速度をファイバグレーティングの
伸縮すなわち歪みを介して反射光又は透過光の波長シフ
ト量として検出することを特徴とする。また、本発明に
よる光ファイバセンサは、ファイバグレーティングが書
き込まれた光ファイバがファイバグレーティングの両側
の光ファイバが固定器具に固定された歪み検出部を有
し、片側の固定器具が被測定物に直接固定され、他側の
固定器具が梃子を介して間接的に被測定物に固定され、
被測定物にかかる変位、荷重、圧力、加速度をファイバ
グレーティングの伸縮すなわち歪みを介して反射光又は
透過光の波長シフト量として検出することを特徴とす
る。 また、本発明による光ファイバセンサは、ファイバ
グレーティングが書き込まれた光ファイバがファイバグ
レーティングの両側の光ファイバが固定器具に固定され
た歪み検出部を有し、片側の固定器具が被測定物に直接
固定され、他側の固定器具がバネ及び梃子を介して間接
的に被測定物に固定され、被測定物にかかる変位、荷
重、圧力、加速度をファイバグレーティングの伸縮すな
わち歪みを介して反射光又は透過光の波長シフト量とし
て検出することを特徴とする。これにより、光ファイバ
の広い弾性領域を利用して被測定物の２点間にかかる変
位、荷重、圧力、加速度等の物理量を高精度に検出でき
る。
センサは、ファイバグレーティングが書き込まれた光フ
ァイバがファイバグレーティングの両側の光ファイバが
固定器具に固定された歪み検出部を有し、片側の固定器
具が被測定物に直接固定され、他側の固定器具がバネを
介して間接的に被測定物に固定され、被測定物にかかる
変位、荷重、圧力、加速度をファイバグレーティングの
伸縮すなわち歪みを介して反射光又は透過光の波長シフ
ト量として検出することを特徴とする。また、本発明に
よる光ファイバセンサは、ファイバグレーティングが書
き込まれた光ファイバがファイバグレーティングの両側
の光ファイバが固定器具に固定された歪み検出部を有
し、片側の固定器具が被測定物に直接固定され、他側の
固定器具が梃子を介して間接的に被測定物に固定され、
被測定物にかかる変位、荷重、圧力、加速度をファイバ
グレーティングの伸縮すなわち歪みを介して反射光又は
透過光の波長シフト量として検出することを特徴とす
る。 また、本発明による光ファイバセンサは、ファイバ
グレーティングが書き込まれた光ファイバがファイバグ
レーティングの両側の光ファイバが固定器具に固定され
た歪み検出部を有し、片側の固定器具が被測定物に直接
固定され、他側の固定器具がバネ及び梃子を介して間接
的に被測定物に固定され、被測定物にかかる変位、荷
重、圧力、加速度をファイバグレーティングの伸縮すな
わち歪みを介して反射光又は透過光の波長シフト量とし
て検出することを特徴とする。これにより、光ファイバ
の広い弾性領域を利用して被測定物の２点間にかかる変
位、荷重、圧力、加速度等の物理量を高精度に検出でき
る。
【００１０】すなわちファイバグレーティングには接触
するものはなく、被測定物にかかる変位、荷重、圧力
等、加速度の物理量の変化は、ファイバグレーティング
の両端における固定器具間の光ファイバにかかる伸縮変
化として変換され、中間部となるファイバグレーティン
グは均一に歪むしくみとなる。これにより光ファイバが
そのまま引き伸ばされ、その歪みは４％にまで及び、広
い弾性領域を利用することが可能となる。
するものはなく、被測定物にかかる変位、荷重、圧力
等、加速度の物理量の変化は、ファイバグレーティング
の両端における固定器具間の光ファイバにかかる伸縮変
化として変換され、中間部となるファイバグレーティン
グは均一に歪むしくみとなる。これにより光ファイバが
そのまま引き伸ばされ、その歪みは４％にまで及び、広
い弾性領域を利用することが可能となる。
【００１１】また、本発明の光ファイバセンサは、ファ
イバグレーティングの少なくともその両端、あるいは全
体にわたって樹脂であらかじめ被覆保護したものを固定
器具に取り付けることを特徴とする。これにより取り付
け以前あるいは取り付ける際の、傷やマイクロクラック
を防ぎ、破断確率を低くすることが可能となる。
イバグレーティングの少なくともその両端、あるいは全
体にわたって樹脂であらかじめ被覆保護したものを固定
器具に取り付けることを特徴とする。これにより取り付
け以前あるいは取り付ける際の、傷やマイクロクラック
を防ぎ、破断確率を低くすることが可能となる。
【００１２】樹脂は熱硬化型のポリイミド樹脂、フェノ
ール樹脂、フッ素樹脂もしくは２液混合で常温硬化型の
エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂がよく、これらは光フ
ァイバの耐熱性、耐摩耗性、耐薬品性、耐水性等を向上
させることができる。
ール樹脂、フッ素樹脂もしくは２液混合で常温硬化型の
エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂がよく、これらは光フ
ァイバの耐熱性、耐摩耗性、耐薬品性、耐水性等を向上
させることができる。
【００１３】さらに、ファイバグレーティングの両端が
固定器具に弾性接着剤で接着固定されるか、または樹脂
でそのまま固定器具に固着されるか、あるいは機械的に
クランプ固定されることを特徴とする。固定器具は平
板、あるいは円棒や角棒に溝を切った金具、センサを構
成するバネ、梃子等に挙げられる機構の一部など何でも
よい。また、被測定物の一部を固定器具と見なすことに
より、被測定物に直接固定する場合も本発明を適用でき
る。
固定器具に弾性接着剤で接着固定されるか、または樹脂
でそのまま固定器具に固着されるか、あるいは機械的に
クランプ固定されることを特徴とする。固定器具は平
板、あるいは円棒や角棒に溝を切った金具、センサを構
成するバネ、梃子等に挙げられる機構の一部など何でも
よい。また、被測定物の一部を固定器具と見なすことに
より、被測定物に直接固定する場合も本発明を適用でき
る。
【００１４】また本発明の光ファイバセンサは、ファイ
バグレーティングの少なくとも両端、あるいは全体にわ
たる保護に無電解メッキもしくは電解メッキするか、そ
の両方で保護することを特徴とする。これにより樹脂で
保護する場合と同様の効果を得ることができる。また固
定器具に固定する際も無電解メッキもしくは電解メッキ
で固定してもよい。
バグレーティングの少なくとも両端、あるいは全体にわ
たる保護に無電解メッキもしくは電解メッキするか、そ
の両方で保護することを特徴とする。これにより樹脂で
保護する場合と同様の効果を得ることができる。また固
定器具に固定する際も無電解メッキもしくは電解メッキ
で固定してもよい。
【００１５】次に本発明の光ファイバセンサは、被測定
物にかかる変位、荷重、圧力、加速度をファイバグレー
ティングの伸縮を介して反射光又は透過光の波長シフト
量として検出し、その検出分解能と検出幅（検出に要す
るパラメータのスキャン幅）を自由に選択できることを
特徴とする。その一つとしてファイバグレーティングの
両端にある２つの固定器具間の長さを調節し（すなわ
ち、片側の固定器具の位置を調整し）、被測定物に直接
固定すれば、変位量の分解能を選択することができる。
物にかかる変位、荷重、圧力、加速度をファイバグレー
ティングの伸縮を介して反射光又は透過光の波長シフト
量として検出し、その検出分解能と検出幅（検出に要す
るパラメータのスキャン幅）を自由に選択できることを
特徴とする。その一つとしてファイバグレーティングの
両端にある２つの固定器具間の長さを調節し（すなわ
ち、片側の固定器具の位置を調整し）、被測定物に直接
固定すれば、変位量の分解能を選択することができる。
【００１６】また片側の固定器具と被測定物の間にバネ
又は／及び梃子を介して間接的に被測定物に固定し、バ
ネ定数又は／及び梃子比を任意に選択すれば、検出する
変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の分解能と検出幅
を自由に選択することが可能となる。
又は／及び梃子を介して間接的に被測定物に固定し、バ
ネ定数又は／及び梃子比を任意に選択すれば、検出する
変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の分解能と検出幅
を自由に選択することが可能となる。
【００１７】本発明の次の特徴は、光ファイバに反射波
長が異なるファイバグレーティングが書き込まれた複数
の歪み検出部が光ファイバを介して縦列接続されている
ことである。これにより、複数地点からの計測を同時に
或いはまとめて行うことが可能となる。
長が異なるファイバグレーティングが書き込まれた複数
の歪み検出部が光ファイバを介して縦列接続されている
ことである。これにより、複数地点からの計測を同時に
或いはまとめて行うことが可能となる。
【００１８】また次に、歪み検出部とは反射波長が異な
るファイバグレーティングが書き込まれた光ファイバが
ファイバグレーティングの片側において固定器具に直接
固定され、他側において変位、荷重、圧力、加速度の変
化を全く受けないよう自由固定された温度検出部を有
し、温度検出部が光ファイバを介して歪み検出部と縦列
接続されることを特徴とする。歪み検出部で検出された
波長シフト量から温度検出部で検出された波長シフト量
を演算して差し引くことにより、温度補償が可能とな
る。
るファイバグレーティングが書き込まれた光ファイバが
ファイバグレーティングの片側において固定器具に直接
固定され、他側において変位、荷重、圧力、加速度の変
化を全く受けないよう自由固定された温度検出部を有
し、温度検出部が光ファイバを介して歪み検出部と縦列
接続されることを特徴とする。歪み検出部で検出された
波長シフト量から温度検出部で検出された波長シフト量
を演算して差し引くことにより、温度補償が可能とな
る。
【００１９】自由固定とは、物理的に固定器具に固定さ
れているが、変位、荷重、圧力、加速度の変化を全く受
けないような状態をいう。なお、このような温度検出部
については、発明者等により、特願平１０−２７８７５
４に提案されている。
れているが、変位、荷重、圧力、加速度の変化を全く受
けないような状態をいう。なお、このような温度検出部
については、発明者等により、特願平１０−２７８７５
４に提案されている。
【００２０】
【参考例】図１に本発明による光ファイバセンサの参考
例の構成を示す。ファイバグレーティング５が書き込ま
れている光ファイバ１を樹脂２で被覆し、光ファイバ１
を保護している。光ファイバ１はファイバグレーティン
グ５の両側において、樹脂２を介して弾性接着剤３でフ
ァイバ固定器具４および６に接着され、固定器具４，６
は被測定物に直接固定される。これにより、被測定物に
かかる変位、荷重、圧力、加速度等の物理量を、ファイ
バグレーティング５の伸縮量を通して、ファイバグレー
ティング５からのブラッグ反射光の波長シフト量あるい
はファイバグレーティング５を透過する光スペクトルの
ディップにおけるピークの変化、すなわち波長シフト量
を検出することにより測定できる。ファイバグレーティ
ング５の部分は固定器具４，６に接着されていないの
で、光ファイバ１がもつ４％以上という高弾性領域をそ
のまま利用でき、高感度、高分解能の検出が可能とな
る。
例の構成を示す。ファイバグレーティング５が書き込ま
れている光ファイバ１を樹脂２で被覆し、光ファイバ１
を保護している。光ファイバ１はファイバグレーティン
グ５の両側において、樹脂２を介して弾性接着剤３でフ
ァイバ固定器具４および６に接着され、固定器具４，６
は被測定物に直接固定される。これにより、被測定物に
かかる変位、荷重、圧力、加速度等の物理量を、ファイ
バグレーティング５の伸縮量を通して、ファイバグレー
ティング５からのブラッグ反射光の波長シフト量あるい
はファイバグレーティング５を透過する光スペクトルの
ディップにおけるピークの変化、すなわち波長シフト量
を検出することにより測定できる。ファイバグレーティ
ング５の部分は固定器具４，６に接着されていないの
で、光ファイバ１がもつ４％以上という高弾性領域をそ
のまま利用でき、高感度、高分解能の検出が可能とな
る。
【００２１】ファイバグレーティング５の歪みをδε、
ファイバグレーティング５からの反射光のピーク波長
（あるいはファイバグレーティング５を透過する光スペ
クトルのディップのピーク波長）のシフト量をδλとす
ると（式１）が成立する。ωはファイバグレーティング
５の構造等による定数で波長−歪み係数である。また、
ファイバグレーティング５が書き込まれた光ファイバの
弾性係数をｋ１、ファイバグレーティング５両側の固定
器具間距離（以下、固定間距離という）をｘ１、ｘ１の
伸縮量（実質的には光ファイバの伸縮量）をδｘ１、被
測定物にかかる荷重、圧力、加速度等の力Ｆ０の変化量
をδＦ０とすると、（式２）、（式３）が成立する。 δλ＝ω＊δε （式１） δｘ１＝ｘ１＊δε （式２） δＦ０＝ｋ１＊δｘ１ （式３）
ファイバグレーティング５からの反射光のピーク波長
（あるいはファイバグレーティング５を透過する光スペ
クトルのディップのピーク波長）のシフト量をδλとす
ると（式１）が成立する。ωはファイバグレーティング
５の構造等による定数で波長−歪み係数である。また、
ファイバグレーティング５が書き込まれた光ファイバの
弾性係数をｋ１、ファイバグレーティング５両側の固定
器具間距離（以下、固定間距離という）をｘ１、ｘ１の
伸縮量（実質的には光ファイバの伸縮量）をδｘ１、被
測定物にかかる荷重、圧力、加速度等の力Ｆ０の変化量
をδＦ０とすると、（式２）、（式３）が成立する。 δλ＝ω＊δε （式１） δｘ１＝ｘ１＊δε （式２） δＦ０＝ｋ１＊δｘ１ （式３）
【００２２】ω及びｋ１は既知であるから、ｘ１が選択
され、δλを検出すれば、（式１）よりδεがわかり、
（式２）からは被測定物との変位変化量δｘ１、（式
３）からは力の変化量δＦ０がわかる。
され、δλを検出すれば、（式１）よりδεがわかり、
（式２）からは被測定物との変位変化量δｘ１、（式
３）からは力の変化量δＦ０がわかる。
【００２３】なお、ここではｘ１の距離を調節すること
で、被測定物の変位量の分解能と検出幅を選択的に決定
することが可能となる。波長分解能をΔδλ、歪み分解
能をΔδε、δｘ１の変位分解能をΔδｘ１とすると、
次の式が成立する。 Δδλ＝ω＊Δδε （式４） Δδｘ１＝ｘ１＊Δδε＝ｘ１＊１／ω＊Δδλ （式５）
で、被測定物の変位量の分解能と検出幅を選択的に決定
することが可能となる。波長分解能をΔδλ、歪み分解
能をΔδε、δｘ１の変位分解能をΔδｘ１とすると、
次の式が成立する。 Δδλ＝ω＊Δδε （式４） Δδｘ１＝ｘ１＊Δδε＝ｘ１＊１／ω＊Δδλ （式５）
【００２４】波長分解能Δδλは測定器の性能で決ま
り、波長−歪み定数ω、光ファイバの弾性係数ｋ１は既
知であるから、ｘ１が小さいほど変位分解能Δδｘ１が
小さくなることがわかる
り、波長−歪み定数ω、光ファイバの弾性係数ｋ１は既
知であるから、ｘ１が小さいほど変位分解能Δδｘ１が
小さくなることがわかる
【００２５】また検出幅については、波長の検出幅をδ
MAXλ、歪み検出幅をδMAXε、δｘ１の変位検出幅をδ
MAXｘ１とすると、次の式が成立する。 δMAXλ＝ω＊δMAXε （式６） δMAXｘ１＝ｘ１＊δMAXε＝ｘ１＊１／ω＊δMAXλ （式７）
MAXλ、歪み検出幅をδMAXε、δｘ１の変位検出幅をδ
MAXｘ１とすると、次の式が成立する。 δMAXλ＝ω＊δMAXε （式６） δMAXｘ１＝ｘ１＊δMAXε＝ｘ１＊１／ω＊δMAXλ （式７）
【００２６】波長−歪み定数ωは既知であるから、固定
間距離ｘ１および波長検出幅δMAXλを大きくすれば変
位の検出幅δMAXｘ１が大きくなることがわかる。すな
わち固定間距離ｘ１を調節することで、被測定物の変位
量の分解能と検出幅を自由に選択できることがわかる。
間距離ｘ１および波長検出幅δMAXλを大きくすれば変
位の検出幅δMAXｘ１が大きくなることがわかる。すな
わち固定間距離ｘ１を調節することで、被測定物の変位
量の分解能と検出幅を自由に選択できることがわかる。
【００２７】樹脂は、例えば熱硬化型のポリイミド樹脂
が使用される。ポリイミド樹脂を使用した場合には、特
願平１１−１８４３８７に記載のとおり耐熱性および耐
摩耗性を向上させることができ、また他の樹脂に比べ高
引張り強度と高弾性を示す。また、同じく熱硬化型のフ
ッ素樹脂、フェノール樹脂を使用した場合には、耐薬品
性および耐水性を向上させることができる。なお、２液
混合で常温硬化型のエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂使
用しても良い。それぞれ、長期安定性に優れている。
が使用される。ポリイミド樹脂を使用した場合には、特
願平１１−１８４３８７に記載のとおり耐熱性および耐
摩耗性を向上させることができ、また他の樹脂に比べ高
引張り強度と高弾性を示す。また、同じく熱硬化型のフ
ッ素樹脂、フェノール樹脂を使用した場合には、耐薬品
性および耐水性を向上させることができる。なお、２液
混合で常温硬化型のエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂使
用しても良い。それぞれ、長期安定性に優れている。
【００２８】
【第１の実施の形態】図２に本発明による光ファイバセ
ンサの第１の実施の形態の構成を示す。参考例と同じ部
位には同じ引用符号を用いて示す（以下、他の実施形態
においても同様）。参考例との差違は、固定器具６が被
測定物に直接固定されておらず、バネ７を介して被測定
物に間接的に固定されている点である。
ンサの第１の実施の形態の構成を示す。参考例と同じ部
位には同じ引用符号を用いて示す（以下、他の実施形態
においても同様）。参考例との差違は、固定器具６が被
測定物に直接固定されておらず、バネ７を介して被測定
物に間接的に固定されている点である。
【００２９】光ファイバすなわちファイバグレーティン
グ５の弾性係数をｋ１、バネ７のバネ係数をｋ２（選択
可能）、被測定物の変位量をδｘ０、光ファイバすなわ
ちファイバグレーティング５の伸縮量（詳しくは固定間
距離ｘ１の伸縮量）をδｘ１、バネの伸縮量をδｘ２、
被測定物にかかる荷重、圧力、加速度等の力Ｆ０の変化
量をδＦ０とすると次の式が成立する。 δλ＝ω＊δε （式１） δｘ１＝ｘ１＊δε （式２） δＦ０＝ｋ１＊δｘ１＝ｋ２＊δｘ２ （式８） δｘ０＝δｘ１＋δｘ２ （式９）
グ５の弾性係数をｋ１、バネ７のバネ係数をｋ２（選択
可能）、被測定物の変位量をδｘ０、光ファイバすなわ
ちファイバグレーティング５の伸縮量（詳しくは固定間
距離ｘ１の伸縮量）をδｘ１、バネの伸縮量をδｘ２、
被測定物にかかる荷重、圧力、加速度等の力Ｆ０の変化
量をδＦ０とすると次の式が成立する。 δλ＝ω＊δε （式１） δｘ１＝ｘ１＊δε （式２） δＦ０＝ｋ１＊δｘ１＝ｋ２＊δｘ２ （式８） δｘ０＝δｘ１＋δｘ２ （式９）
【００３０】弾性係数ｋ１は既知であり、ｘ１およびバ
ネ定数ｋ２が選択され、ファイバグレーティング５、す
なわちｘ１が伸縮すると、ファイバグレーティング５か
らのブラッグ波長（ファイバグレーティング５からの反
射光のピーク波長あるいはファイバグレーティング５を
透過する光のスペクトルのディップのピーク波長）のシ
フト量δλがシフトし、（式１）、（式２）により伸縮
量δｘ１が求められ、（式８）により力Ｆ０が求めら
れ、また伸縮量δｘ２が求められ、さらに（式９）によ
り変位量δｘ０が求められる。
ネ定数ｋ２が選択され、ファイバグレーティング５、す
なわちｘ１が伸縮すると、ファイバグレーティング５か
らのブラッグ波長（ファイバグレーティング５からの反
射光のピーク波長あるいはファイバグレーティング５を
透過する光のスペクトルのディップのピーク波長）のシ
フト量δλがシフトし、（式１）、（式２）により伸縮
量δｘ１が求められ、（式８）により力Ｆ０が求めら
れ、また伸縮量δｘ２が求められ、さらに（式９）によ
り変位量δｘ０が求められる。
【００３１】参考例ではｘ１が選択されると分解能Δδ
ｘ１と検出幅δMAXｘ１が決定されたが、ここではバネ
係数ｋ２を選択して、被測定物の変位の分解能Δδｘ０
と検出幅δMAXｘ０を選択的に決定することが可能とな
る。すなわち歪み分解能をΔδε、δｘ１、δｘ２の分
解能をΔδｘ１、Δδｘ２とすれば、被測定物の変位分
解能Δδｘ０は以下のとおりとなる。 Δδλ＝ω＊Δδε （式４） Δδｘ１＝ｘ１＊１／ω＊Δδλ （式５） Δδｘ０＝（１＋ｋ１／ｋ２）＊ｘ１＊１／ω＊Δδλ （式１０）
ｘ１と検出幅δMAXｘ１が決定されたが、ここではバネ
係数ｋ２を選択して、被測定物の変位の分解能Δδｘ０
と検出幅δMAXｘ０を選択的に決定することが可能とな
る。すなわち歪み分解能をΔδε、δｘ１、δｘ２の分
解能をΔδｘ１、Δδｘ２とすれば、被測定物の変位分
解能Δδｘ０は以下のとおりとなる。 Δδλ＝ω＊Δδε （式４） Δδｘ１＝ｘ１＊１／ω＊Δδλ （式５） Δδｘ０＝（１＋ｋ１／ｋ２）＊ｘ１＊１／ω＊Δδλ （式１０）
【００３２】波長分解能Δδλ、波長−歪み定数ω、光
ファイバの弾性係数ｋ１は既知であるので、（式１０）
から固定間距離ｘ１を変化させることなく、バネ定数ｋ
２を大きくすればΔδｘ０を小さくすることができる。
ファイバの弾性係数ｋ１は既知であるので、（式１０）
から固定間距離ｘ１を変化させることなく、バネ定数ｋ
２を大きくすればΔδｘ０を小さくすることができる。
【００３３】また検出幅については、波長の検出幅をδ
MAXλ、歪み検出幅をδMAXε、δｘ１、δｘ２の変位検
出幅をδMAXｘ１、δMAXｘ２とすると被測定物の変位検
出幅δMAXｘ０は以下のとおりとなる。 δMAXλ＝ω＊δMAXε （式６） δMAXｘ０＝（１＋ｋ１／ｋ２）＊ｘ１＊１／ω＊δMAXλ （式１１）
MAXλ、歪み検出幅をδMAXε、δｘ１、δｘ２の変位検
出幅をδMAXｘ１、δMAXｘ２とすると被測定物の変位検
出幅δMAXｘ０は以下のとおりとなる。 δMAXλ＝ω＊δMAXε （式６） δMAXｘ０＝（１＋ｋ１／ｋ２）＊ｘ１＊１／ω＊δMAXλ （式１１）
【００３４】波長−歪み定数ωは既知であるから、固定
間距離ｘ１を変化させることなく、波長検出幅δMAXλ
を大きく、又は／及びばね係数ｋ２を小さくすれば変位
の検出幅δMAXｘ０が大きくなることがわかる。よって
バネ定数ｋ２を選択することによって変位量の分解能お
よび検出幅を自由に選択することが可能となる。
間距離ｘ１を変化させることなく、波長検出幅δMAXλ
を大きく、又は／及びばね係数ｋ２を小さくすれば変位
の検出幅δMAXｘ０が大きくなることがわかる。よって
バネ定数ｋ２を選択することによって変位量の分解能お
よび検出幅を自由に選択することが可能となる。
【００３５】
【第２の実施の形態】図３に本発明による光ファイバセ
ンサの第２の実施の形態の構成を示す。参考例との差違
は、固定器具６が直接被測定物に固定されておらず、梃
子８を介して被測定物に間接的に固定されている点であ
る。９は梃子８と固定器具６とを接続するリンクであ
る。
ンサの第２の実施の形態の構成を示す。参考例との差違
は、固定器具６が直接被測定物に固定されておらず、梃
子８を介して被測定物に間接的に固定されている点であ
る。９は梃子８と固定器具６とを接続するリンクであ
る。
【００３６】ファイバグレーティング５にかかる力Ｆ１
の変化量をδＦ１、歪みをδε、波長−歪み係数をω、
梃子８の支点から固定器具６までの長さをｌ１、被測定
部すなわち作用点にかかる荷重、もしくは圧力、加速度
による力Ｆ０’の変化量をδＦ０’、梃子８の支点から
作用点までの長さをｌ２、ファイバグレーティング５の
伸縮量をδｘ１、被測定物の変位量をδｘ０’とする
と、次の関係が成立する。 δλ＝ω＊δε （式１） δｘ１＝ｘ１＊δε （式２） δＦ１＝ｋ１＊δｘ１ （式１２） δＦ０’＊ｌ２＝δＦ１＊ｌ１ （式１３） δｘ０’／ｌ２＝δｘ１／ｌ１ （式１４）
の変化量をδＦ１、歪みをδε、波長−歪み係数をω、
梃子８の支点から固定器具６までの長さをｌ１、被測定
部すなわち作用点にかかる荷重、もしくは圧力、加速度
による力Ｆ０’の変化量をδＦ０’、梃子８の支点から
作用点までの長さをｌ２、ファイバグレーティング５の
伸縮量をδｘ１、被測定物の変位量をδｘ０’とする
と、次の関係が成立する。 δλ＝ω＊δε （式１） δｘ１＝ｘ１＊δε （式２） δＦ１＝ｋ１＊δｘ１ （式１２） δＦ０’＊ｌ２＝δＦ１＊ｌ１ （式１３） δｘ０’／ｌ２＝δｘ１／ｌ１ （式１４）
【００３７】弾性係数ｋ１は既知であり、梃子比ｌ１／
ｌ２が選択されれば、（式１）、（式２）により波長シ
フト量δλから伸縮量δｘ１が求められ、（式１２）に
より力の変化量δＦ１が求められ、さらに（式１３）に
より力の変化量δＦ０’が求められ、（式１４）により
変位量δｘ０’が求められる。
ｌ２が選択されれば、（式１）、（式２）により波長シ
フト量δλから伸縮量δｘ１が求められ、（式１２）に
より力の変化量δＦ１が求められ、さらに（式１３）に
より力の変化量δＦ０’が求められ、（式１４）により
変位量δｘ０’が求められる。
【００３８】すなわち、
δＦ１＝ｋ１＊ｘ１／ω＊δλ （式１５）
δＦ０’＝ｌ１／ｌ２＊δＦ１ （式１６）
δｘ０’＝１／（（ｌ１／ｌ２）＊ｋ１）＊δＦ１ （式１７）
となり、ここでブラッグ波長の変化量δλの分解能をΔ
δλ、力の変化量δＦ１の分解能をΔδＦ１とすると、
変位量δｘ０’の分解能Δδｘ０’、力δＦ０’の分解
能ΔδＦ０’の間に次の関係が成立する。
δλ、力の変化量δＦ１の分解能をΔδＦ１とすると、
変位量δｘ０’の分解能Δδｘ０’、力δＦ０’の分解
能ΔδＦ０’の間に次の関係が成立する。
【００３９】
ΔδＦ１＝ｋ１＊ｘ１／ω＊Δδλ （式１８）
ΔδＦ０’＝ｌ１／ｌ２＊ΔδＦ１ （式１９）
Δδｘ０’＝１／（（ｌ１／ｌ２）＊ｋ１）＊ΔδＦ１ （式２０）
（式１８）〜（式２０）より、梃子比ｌ１／ｌ２が大き
いほど分解能Δδｘ０’が向上すること、梃子比ｌ１／
ｌ２が小さいほど分解能δΔＦ０’が向上することが解
る。
いほど分解能Δδｘ０’が向上すること、梃子比ｌ１／
ｌ２が小さいほど分解能δΔＦ０’が向上することが解
る。
【００４０】また検出幅について、波長の検出幅をδ
MAXλ、力δＦ１の荷重検出幅’をδM AXＦ１とすると、
変位量δｘ０’の検出幅δMAXｘ０’、力δＦ０’の検
出幅δM AXＦ０’の間に次の関係が成立する。 δMAXＦ１＝ｋ１＊ｘ１／ω＊δMAXλ （式２１） δMAXＦ０’＝ｌ１／ｌ２＊δMAXＦ１ （式２２） δMAXｘ０’＝１／（（ｌ１／ｌ２）＊ｋ１）＊δMAXＦ１ （式２３）
MAXλ、力δＦ１の荷重検出幅’をδM AXＦ１とすると、
変位量δｘ０’の検出幅δMAXｘ０’、力δＦ０’の検
出幅δM AXＦ０’の間に次の関係が成立する。 δMAXＦ１＝ｋ１＊ｘ１／ω＊δMAXλ （式２１） δMAXＦ０’＝ｌ１／ｌ２＊δMAXＦ１ （式２２） δMAXｘ０’＝１／（（ｌ１／ｌ２）＊ｋ１）＊δMAXＦ１ （式２３）
【００４１】（式２１）〜（式２３）より、梃子比ｌ１
／ｌ２およびδMAXλが大きいほど検出幅がδMAXｘ０’
が大きくなること、梃子比ｌ１／ｌ２を小さく、又は／
及びδMAXλが大きいほど検出幅δMAXＦ０’が大きくな
ることが解る。よって梃子比ｌ１／ｌ２を選択すること
によって変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の分解能
と検出幅を自由に選択することが可能となる。また、
（式１４）より、変位δｘ０’が非常に大きくてもある
いは非常に小さくても、梃子比ｌ１／ｌ２を選択するこ
とによって伸縮量δｘ１を拡大縮小できるので、伸縮量
δｘ１を測定することを介して、変位δｘ０’の測定範
囲を拡大できる。すなわち、梃子比ｌ１／ｌ２を選択す
ることによって感度を調整できる。
／ｌ２およびδMAXλが大きいほど検出幅がδMAXｘ０’
が大きくなること、梃子比ｌ１／ｌ２を小さく、又は／
及びδMAXλが大きいほど検出幅δMAXＦ０’が大きくな
ることが解る。よって梃子比ｌ１／ｌ２を選択すること
によって変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の分解能
と検出幅を自由に選択することが可能となる。また、
（式１４）より、変位δｘ０’が非常に大きくてもある
いは非常に小さくても、梃子比ｌ１／ｌ２を選択するこ
とによって伸縮量δｘ１を拡大縮小できるので、伸縮量
δｘ１を測定することを介して、変位δｘ０’の測定範
囲を拡大できる。すなわち、梃子比ｌ１／ｌ２を選択す
ることによって感度を調整できる。
【００４２】
【第３の実施の形態】図４に本発明による光ファイバセ
ンサの第３の実施の形態の構成を示す。第１の実施の形
態に梃子８を追加したもの、すなわち、第２の実施の形
態にバネを追加したものである。９は梃子８と固定器具
６とを接続するリンクである。ファイバグレーティング
５にかかる力をＦ１、梃子の支点から固定器具６までの
長さをｌ１、梃子の支点から力Ｆ０'の作用点（バネ７
との接続点）までの長さをｌ２、ファイバグレーティン
グ５の伸縮量をδｘ１、被測定物の変位をδｘ０"とす
ると、次の関係が成立する。 δλ＝ω＊δε （式１） δｘ１＝ｘ１＊δε （式２） δＦ１＝ｋ１＊δｘ１ （式１２） δＦ０'＊ｌ２＝δＦ１＊ｌ１ （式１３） δＦ０'＝ｋ２＊δｘ０" （式２４）
ンサの第３の実施の形態の構成を示す。第１の実施の形
態に梃子８を追加したもの、すなわち、第２の実施の形
態にバネを追加したものである。９は梃子８と固定器具
６とを接続するリンクである。ファイバグレーティング
５にかかる力をＦ１、梃子の支点から固定器具６までの
長さをｌ１、梃子の支点から力Ｆ０'の作用点（バネ７
との接続点）までの長さをｌ２、ファイバグレーティン
グ５の伸縮量をδｘ１、被測定物の変位をδｘ０"とす
ると、次の関係が成立する。 δλ＝ω＊δε （式１） δｘ１＝ｘ１＊δε （式２） δＦ１＝ｋ１＊δｘ１ （式１２） δＦ０'＊ｌ２＝δＦ１＊ｌ１ （式１３） δＦ０'＝ｋ２＊δｘ０" （式２４）
【００４３】弾性係数ｋ１は既知であり、バネ定数ｋ
２、梃子比ｌ１／ｌ２が選択されれば、（式１）、（式
２）により波長シフト量δλから伸縮量δｘ１が求めら
れ、（式１２）により力の変化量δＦ１が求められ、さ
らに（式１３）により力の変化量δＦ０’が求められ、
（式２４）により変位δｘ０”が求められる。また、伸
縮量δｘ１の分解能Δδｘ１、変位δｘ０”の分解能Δ
δｘ０”、波長シフト量δλの分解能Δδλ、力の変化
量δＦ１、δＦ０’の分解能ΔδＦ１、ΔδＦ０’の間
に次の関係が成立する。 Δδλ＝ω＊Δδε （式４） Δδｘ１＝ｘ１＊Δδε＝ｘ１＊１／ω＊Δδλ （式５） ΔδＦ１＝ｋ１＊ｘ１／ω＊Δδλ （式１８） ΔδＦ０’＝ｌ１／ｌ２＊ΔδＦ１ （式１９） Δδｘ０”＝１／ｋ２＊ΔδＦ０’ （式２５）
２、梃子比ｌ１／ｌ２が選択されれば、（式１）、（式
２）により波長シフト量δλから伸縮量δｘ１が求めら
れ、（式１２）により力の変化量δＦ１が求められ、さ
らに（式１３）により力の変化量δＦ０’が求められ、
（式２４）により変位δｘ０”が求められる。また、伸
縮量δｘ１の分解能Δδｘ１、変位δｘ０”の分解能Δ
δｘ０”、波長シフト量δλの分解能Δδλ、力の変化
量δＦ１、δＦ０’の分解能ΔδＦ１、ΔδＦ０’の間
に次の関係が成立する。 Δδλ＝ω＊Δδε （式４） Δδｘ１＝ｘ１＊Δδε＝ｘ１＊１／ω＊Δδλ （式５） ΔδＦ１＝ｋ１＊ｘ１／ω＊Δδλ （式１８） ΔδＦ０’＝ｌ１／ｌ２＊ΔδＦ１ （式１９） Δδｘ０”＝１／ｋ２＊ΔδＦ０’ （式２５）
【００４４】（式１９）より梃子比ｌ１／ｌ２が小さい
ほど分解能ΔδＦ０’が向上すること、（式２５）より
バネ定数ｋ２が大きいほど分解能Δδｘ０”が向上する
ことがわかる。
ほど分解能ΔδＦ０’が向上すること、（式２５）より
バネ定数ｋ２が大きいほど分解能Δδｘ０”が向上する
ことがわかる。
【００４５】また検出幅について、波長の検出幅をδ
MAXλ、δＦ１の荷重検出幅’をδMAXＦ１とすると、変
位量δｘ０”の検出幅δMAXｘ０”、力δＦ０’の検出
幅δMAXＦ０’の間に次の関係が成立する。 δMAXＦ１＝ｋ１＊ｘ１／ω＊δMAXλ （式２６） δMAXＦ０’＝ｌ１／ｌ２＊δMAXＦ１ （式２７） δMAXｘ０”＝１／ｋ２＊δMAXＦ０’ （式２８）
MAXλ、δＦ１の荷重検出幅’をδMAXＦ１とすると、変
位量δｘ０”の検出幅δMAXｘ０”、力δＦ０’の検出
幅δMAXＦ０’の間に次の関係が成立する。 δMAXＦ１＝ｋ１＊ｘ１／ω＊δMAXλ （式２６） δMAXＦ０’＝ｌ１／ｌ２＊δMAXＦ１ （式２７） δMAXｘ０”＝１／ｋ２＊δMAXＦ０’ （式２８）
【００４６】（式２６）〜（式２８）より、梃子比ｌ１
／ｌ２又は／及びδMAXλが大きいほど検出幅がδMAXＦ
０’が大きくなること、またバネ定数ｋ２が小さいほど
検出幅δMAXＦ０’が大きくなることが解る。よってバ
ネ定数ｋ２及び梃子比ｌ１／ｌ２を選択することによっ
て変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の分解能及び検
出幅を自由に選択することが可能となる。
／ｌ２又は／及びδMAXλが大きいほど検出幅がδMAXＦ
０’が大きくなること、またバネ定数ｋ２が小さいほど
検出幅δMAXＦ０’が大きくなることが解る。よってバ
ネ定数ｋ２及び梃子比ｌ１／ｌ２を選択することによっ
て変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の分解能及び検
出幅を自由に選択することが可能となる。
【００４７】また、（式１２）、（式１３）、（式２
４）より、 δｘ０”＝（ｋ１／ｋ２）＊（ｌ１／ｌ２）＊δｘ１ （式２９） なので、変位δｘ０”が非常に大きくても或は非常に小
さくても、バネ定数ｋ２及び梃子比ｌ１／ｌ２を選択す
ることによって伸縮量δｘ１を拡大縮小できるので、伸
縮量δｘ１を測定することを介して、変位δｘ０”の測
定範囲を拡大できる。すなわち、バネ定数ｋ２及び梃子
比ｌ１／ｌ２を選択することによって感度を調整でき
る。
４）より、 δｘ０”＝（ｋ１／ｋ２）＊（ｌ１／ｌ２）＊δｘ１ （式２９） なので、変位δｘ０”が非常に大きくても或は非常に小
さくても、バネ定数ｋ２及び梃子比ｌ１／ｌ２を選択す
ることによって伸縮量δｘ１を拡大縮小できるので、伸
縮量δｘ１を測定することを介して、変位δｘ０”の測
定範囲を拡大できる。すなわち、バネ定数ｋ２及び梃子
比ｌ１／ｌ２を選択することによって感度を調整でき
る。
【００４８】
【第４の実施の形態】図５に本発明による第４の実施の
形態の構成を示す。本発明による光ファイバセンサを広
帯域光源と波長検出器を用いたＦＢＧ波長シフト検出機
構に適用した例である。第１の実施の形態の光ファイバ
センサ（実質的には歪み検出部、図５ではＦＢＧ検出部
と表示）１０が光ファイバ１１に接続され、さらに、光
カプラ１２を介して発光ダイオード等からなる広帯域光
源１３及び波長検出器（光スペクトルアナライザ）１４
に接続されている。
形態の構成を示す。本発明による光ファイバセンサを広
帯域光源と波長検出器を用いたＦＢＧ波長シフト検出機
構に適用した例である。第１の実施の形態の光ファイバ
センサ（実質的には歪み検出部、図５ではＦＢＧ検出部
と表示）１０が光ファイバ１１に接続され、さらに、光
カプラ１２を介して発光ダイオード等からなる広帯域光
源１３及び波長検出器（光スペクトルアナライザ）１４
に接続されている。
【００４９】広帯域光源１３から出射された光は、光カ
プラ１２、光ファイバ１１を通してＦＢＧ検出部１０に
導かれる。広帯域光源１３から出射された光は、広帯域
に亘る波長の光を含んでいるが、ＦＢＧ検出部１０にお
けるファイバグレーティング５はグレーティング周期、
屈折率等で決まる特定の波長λＢの光のみをブラッグ反
射するので、通常は、波長λＢの反射光が光カプラ１２
を通して波長検出器１４で検出されている。他方、ＦＢ
Ｇ検出部１０後方の光ファイバに入射される光は波長λ
Ｂの位置にディップが生じている。ＦＢＧ検出部１０は
被測定物に固定されており、被測定物にかかる変位、荷
重、圧力、加速度等の物理量が変化すると、ファイバグ
レーティング５に変位δｘ１が生じ、反射光の波長がλ
ＢからλＢ’に変化する。後方の光ファイバケーブルに
入射される光のディップの位置もλＢ’に変化する。こ
の波長のシフト量δλ＝λＢ’−λＢを測定することに
より、変位δｘ１を計測でき、被測定物にかかる変位δ
ｘ０、荷重、圧力、加速度等の力の変化量δＦ０を計測
できる。
プラ１２、光ファイバ１１を通してＦＢＧ検出部１０に
導かれる。広帯域光源１３から出射された光は、広帯域
に亘る波長の光を含んでいるが、ＦＢＧ検出部１０にお
けるファイバグレーティング５はグレーティング周期、
屈折率等で決まる特定の波長λＢの光のみをブラッグ反
射するので、通常は、波長λＢの反射光が光カプラ１２
を通して波長検出器１４で検出されている。他方、ＦＢ
Ｇ検出部１０後方の光ファイバに入射される光は波長λ
Ｂの位置にディップが生じている。ＦＢＧ検出部１０は
被測定物に固定されており、被測定物にかかる変位、荷
重、圧力、加速度等の物理量が変化すると、ファイバグ
レーティング５に変位δｘ１が生じ、反射光の波長がλ
ＢからλＢ’に変化する。後方の光ファイバケーブルに
入射される光のディップの位置もλＢ’に変化する。こ
の波長のシフト量δλ＝λＢ’−λＢを測定することに
より、変位δｘ１を計測でき、被測定物にかかる変位δ
ｘ０、荷重、圧力、加速度等の力の変化量δＦ０を計測
できる。
【００５０】また、バネ定数ｋ２又は／及び梃子比ｌ１
／ｌ２を適宜選択することによって変位、荷重、圧力、
加速度等の物理量の分解能及び検出幅を自由に選択する
ことが可能となる。また、変位δｘ０が大きくても、バ
ネ定数ｋ２選択することによって実測する伸縮量δｘ１
を小さくできるので、変位δｘ０の測定範囲を拡大でき
る。なお、光カプラ１２の代わりに光サーキュレータを
用いてもよい。
／ｌ２を適宜選択することによって変位、荷重、圧力、
加速度等の物理量の分解能及び検出幅を自由に選択する
ことが可能となる。また、変位δｘ０が大きくても、バ
ネ定数ｋ２選択することによって実測する伸縮量δｘ１
を小さくできるので、変位δｘ０の測定範囲を拡大でき
る。なお、光カプラ１２の代わりに光サーキュレータを
用いてもよい。
【００５１】
【第５の実施の形態】図６に本発明による第５の実施の
形態の構成を示す。本発明による光ファイバセンサを波
長追跡システム１８（ＦＢＧ−ＩＳ）（ＦＢＧ−ＩＳは
ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｒ
ｒｏｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍの略）に適用した例で
ある。第４の実施の形態との差違は、光源系と光検出系
がシステム化されている点である。光源は広帯域光源１
３から出射された光は、図５と同様にＦＢＧ検出部（第
１の実施の形態の光ファイバセンサ）１０に入射され、
ここから反射光が得られ、光検出系の波長フィルタ１６
を介し受光器１７で波長が検出される。ここで基準光源
１５はＦＢＧ検出部１０から反射された光スペクトルの
ピーク、つまりブラック波長の値を校正するために使用
され、基準光源１５からは１ｐｍ程度の精度で波長校正
された複数の波長の光が出射している。光検出系ではこ
の基準光源１５からの光と物理量変化を検出するＦＢＧ
検出部１０からの反射光を切り替えて、光を検出して精
度の高い波長を検出する。そもそも検出系の波長フィル
タ１６は、検出波長のドリフトや温度等の外乱により、
通常では検出される光の波長にズレを生じるが、この基
準光によって波長校正が可能となり第４の実施の形態に
比して安定で、精度の高い測定が可能となるのである。
形態の構成を示す。本発明による光ファイバセンサを波
長追跡システム１８（ＦＢＧ−ＩＳ）（ＦＢＧ−ＩＳは
ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｒ
ｒｏｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍの略）に適用した例で
ある。第４の実施の形態との差違は、光源系と光検出系
がシステム化されている点である。光源は広帯域光源１
３から出射された光は、図５と同様にＦＢＧ検出部（第
１の実施の形態の光ファイバセンサ）１０に入射され、
ここから反射光が得られ、光検出系の波長フィルタ１６
を介し受光器１７で波長が検出される。ここで基準光源
１５はＦＢＧ検出部１０から反射された光スペクトルの
ピーク、つまりブラック波長の値を校正するために使用
され、基準光源１５からは１ｐｍ程度の精度で波長校正
された複数の波長の光が出射している。光検出系ではこ
の基準光源１５からの光と物理量変化を検出するＦＢＧ
検出部１０からの反射光を切り替えて、光を検出して精
度の高い波長を検出する。そもそも検出系の波長フィル
タ１６は、検出波長のドリフトや温度等の外乱により、
通常では検出される光の波長にズレを生じるが、この基
準光によって波長校正が可能となり第４の実施の形態に
比して安定で、精度の高い測定が可能となるのである。
【００５２】図９に第５の実施の形態により測定された
変位量δｘ０と反射波長シフト量δλの関係を示す。反
射波長シフト量δλは変位量δｘ０に対してリニアに変
化していることがわかる。また、変位量δｘ０について
は、０〜５０ｍｍという広範囲の測定が可能になってい
る。なお、これらの測定値は温度補償がされたものであ
る。
変位量δｘ０と反射波長シフト量δλの関係を示す。反
射波長シフト量δλは変位量δｘ０に対してリニアに変
化していることがわかる。また、変位量δｘ０について
は、０〜５０ｍｍという広範囲の測定が可能になってい
る。なお、これらの測定値は温度補償がされたものであ
る。
【００５３】
【第６の実施の形態】図７に本発明による第６の実施の
形態の構成を示す。それぞれ反射波長が異なるファイバ
グレーティング５が書き込まれた複数個の歪み検出部
（図のＦＢＧ検出部）１０を光ファイバ１１を介して融
着接続、光コネクタ接続、またはメカニカルスプライス
接続により縦列接続を可能としたものである。図７で
は、光源および光検出系に第５の実施の形態で説明した
波長追跡システム１８を使用したが、それぞれの光ファ
イバセンサ（ＦＢＧ検出部）１０からの反射波長が異な
るので、１つの光源、１つの波長検出器からなる光測定
系で検出が可能である。また、縦列接続された光ファイ
バセンサを使用することにより、複数地点からの計測を
まとめて行うことが可能となる。
形態の構成を示す。それぞれ反射波長が異なるファイバ
グレーティング５が書き込まれた複数個の歪み検出部
（図のＦＢＧ検出部）１０を光ファイバ１１を介して融
着接続、光コネクタ接続、またはメカニカルスプライス
接続により縦列接続を可能としたものである。図７で
は、光源および光検出系に第５の実施の形態で説明した
波長追跡システム１８を使用したが、それぞれの光ファ
イバセンサ（ＦＢＧ検出部）１０からの反射波長が異な
るので、１つの光源、１つの波長検出器からなる光測定
系で検出が可能である。また、縦列接続された光ファイ
バセンサを使用することにより、複数地点からの計測を
まとめて行うことが可能となる。
【００５４】なお、一本の光ファイバの複数の位置に反
射波長が異なるファイバグレーティング５を書き込んで
も本実施の形態と同様の縦列接続された光ファイバセン
サを作成できる。
射波長が異なるファイバグレーティング５を書き込んで
も本実施の形態と同様の縦列接続された光ファイバセン
サを作成できる。
【００５５】
【第７の実施の形態】図８に本発明による第７の実施の
形態の構成を示す。第４の実施の形態に温度補償用の光
ファイバセンサ（実質的には温度検出部）１９を追加
し、温度補償を可能にしたものである。温度補償用の光
ファイバセンサはファイバグレーティング５が歪み検出
用と異なる反射波長λＴで書き込まれたものを用い、歪
み検出用の光ファイバセンサ（実質的には歪み検出部）
１０に光ファイバにより縦列接続されている。反射波長
が異なるので、波長検出器１４は、独立に、歪み検出部
１０の波長シフト量δλ、温度検出部１９の波長シフト
量δλＴ＊δＴ（δλＴは単位温度当たりの波長シフト
量、δＴは温度変化）を検出できる。また、温度検出部
１９は一端を変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の変
化を全く受けないよう、かつ熱線膨張係数が明らかであ
る材料に張り付けて固定してあり、温度による伸縮のみ
を検出できるようにしてある。波長検出器１４において
検出された歪み検出部１０の波長シフト量δλより温度
検出部１９の波長シフト量δλＴ＊δＴを理論的に差し
引くことにより、温度によらない真の反射波長変化量δ
Λを求めることが可能となる。温度検出部における材料
の線膨張係数αＢ、ファイバグレーティングの温度によ
る屈折率変化に相当する単位温度あたりの波長変化量を
λｎとすると、δλ、δλＴ、δΛの関係は（式３
０）、（式３１）で表わされる。 δλＴ／δＴ＝αＢ＊ω＋λｎ （式３０） δΛ＝δλ−δλＴ＊δＴ （式３１）
形態の構成を示す。第４の実施の形態に温度補償用の光
ファイバセンサ（実質的には温度検出部）１９を追加
し、温度補償を可能にしたものである。温度補償用の光
ファイバセンサはファイバグレーティング５が歪み検出
用と異なる反射波長λＴで書き込まれたものを用い、歪
み検出用の光ファイバセンサ（実質的には歪み検出部）
１０に光ファイバにより縦列接続されている。反射波長
が異なるので、波長検出器１４は、独立に、歪み検出部
１０の波長シフト量δλ、温度検出部１９の波長シフト
量δλＴ＊δＴ（δλＴは単位温度当たりの波長シフト
量、δＴは温度変化）を検出できる。また、温度検出部
１９は一端を変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の変
化を全く受けないよう、かつ熱線膨張係数が明らかであ
る材料に張り付けて固定してあり、温度による伸縮のみ
を検出できるようにしてある。波長検出器１４において
検出された歪み検出部１０の波長シフト量δλより温度
検出部１９の波長シフト量δλＴ＊δＴを理論的に差し
引くことにより、温度によらない真の反射波長変化量δ
Λを求めることが可能となる。温度検出部における材料
の線膨張係数αＢ、ファイバグレーティングの温度によ
る屈折率変化に相当する単位温度あたりの波長変化量を
λｎとすると、δλ、δλＴ、δΛの関係は（式３
０）、（式３１）で表わされる。 δλＴ／δＴ＝αＢ＊ω＋λｎ （式３０） δΛ＝δλ−δλＴ＊δＴ （式３１）
【００５６】なお、ここでは、第４の実施の形態への適
用例を説明したが、他の実施の形態にも温度補償が適用
可能である。複数の歪み検出部１０が縦列接続されてい
る系においても、それぞれ反射波長が異なるファイバグ
レーティング５を用いれば、温度検出部１９は１つでも
十分である。
用例を説明したが、他の実施の形態にも温度補償が適用
可能である。複数の歪み検出部１０が縦列接続されてい
る系においても、それぞれ反射波長が異なるファイバグ
レーティング５を用いれば、温度検出部１９は１つでも
十分である。
【００５７】図１０に本実施形態を用いて測定した変位
量δｘ０の温度補償効果を示す。図において、黒丸は温
度補償をしない場合の変位量を示し、白抜きの四角形は
温度補償を行った場合の変位量を示す。２０℃を基準と
して、−２０℃、６０℃では約３ｍｍの大きな変位が
０．３ｍｍ程度に補償されていることがわかる。
量δｘ０の温度補償効果を示す。図において、黒丸は温
度補償をしない場合の変位量を示し、白抜きの四角形は
温度補償を行った場合の変位量を示す。２０℃を基準と
して、−２０℃、６０℃では約３ｍｍの大きな変位が
０．３ｍｍ程度に補償されていることがわかる。
【００５８】
【発明の効果】本発明の光ファイバセンサによれば、フ
ァイバグレーティングがもつ４％以上という高弾性領域
を利用し、変位、荷重、圧力、加速度等の物理量をファ
イバグレーティングの伸縮量に変えて高感度、高分解能
で検出できる。さらに変位、荷重、圧力、加速度等の物
理量について、感度および分解能を自由に選択して検出
できる。
ァイバグレーティングがもつ４％以上という高弾性領域
を利用し、変位、荷重、圧力、加速度等の物理量をファ
イバグレーティングの伸縮量に変えて高感度、高分解能
で検出できる。さらに変位、荷重、圧力、加速度等の物
理量について、感度および分解能を自由に選択して検出
できる。
【００５９】また、縦列接続された光ファイバセンサを
使用することにより、複数地点からの計測を同時に或い
はまとめて行うことが可能となる。また、温度補償を可
能とした光ファイバセンサを使用することにより、温度
に依存しない真の物理量を計測可能となる。
使用することにより、複数地点からの計測を同時に或い
はまとめて行うことが可能となる。また、温度補償を可
能とした光ファイバセンサを使用することにより、温度
に依存しない真の物理量を計測可能となる。
【図１】本発明による参考例の構成を示す図である。
【図２】本発明による第１の実施の形態の構成を示す図
である。
である。
【図３】本発明による第２の実施の形態の構成を示す図
である。
である。
【図４】本発明による第３の実施の形態の構成を示す図
である。
である。
【図５】本発明による第４の実施の形態の構成を示す図
である。
である。
【図６】本発明による第５の実施の形態の構成を示す図
である。
である。
【図７】本発明による第６の実施の形態の構成を示す図
である。
である。
【図８】本発明による第７の実施の形態の構成を示す図
である。
である。
【図９】本発明による変位量と反射波長シフト量の関係
を示す図である。
を示す図である。
【図１０】本発明による変位量の温度補償効果を示す図
である。
である。
【図１１】従来のファイバ型検出素子の構成を示す部分
断面図である。
断面図である。
１ 光ファイバ
２ 樹脂
３ 弾性接着剤
４ 固定器具
５ ファイバグレーティング
６ 固定器具
７ バネ
８ 梃子
９ リンク
１０ ＦＢＧ検出部
１１ 光ファイバ
１２ 光カプラ
１３ 広帯域光源
１４ 波長検出器
１５ 基準光源
１６ フィルタ
１７ 受光器
１８ 波長追跡システム
１９ 温度検出部
５１ 光ファイバ心線
５２ 光ファイバ
５３ 被覆
５４ ファイバグレーティング
５５ 再被覆
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 渡部 清昭
東京都品川区南大井六丁目８番２号 株
式会社東京測器研究所内
(56)参考文献 特開2000−39309（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−108605（ＪＰ，Ａ)
実公 平４−46175（ＪＰ，Ｙ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01B 11/00 - 11/30
G01D 5/26
G01L 1/24
G02B 6/00
Claims (10)
- 【請求項１】 ファイバグレーティングが書き込まれた
光ファイバが該ファイバグレーティングの両側において
固定器具に固定された歪み検出部を有し、片側の前記固
定器具が被測定物に直接固定され、他側の前記固定器具
がバネを介して間接的に被測定物に固定され、該被測定
物にかかる変位、荷重、圧力、加速度を該ファイバグレ
ーティングの伸縮を介して反射光又は透過光の波長シフ
ト量として検出することを特徴とする光ファイバセン
サ。 - 【請求項２】 ファイバグレーティングが書き込まれた
光ファイバが該ファイバグレーティングの両側において
固定器具に固定された歪み検出部を有し、片側の前記固
定器具が被測定物に直接固定され、他側の前記固定器具
が梃子を介して間接的に被測定物に固定され、該被測定
物にかかる変位、荷重、圧力、加速度を該ファイバグレ
ーティングの伸縮を介して反射光又は透過光の波長シフ
ト量として検出することを特徴とする光ファイバセン
サ。 - 【請求項３】 ファイバグレーティングが書き込まれた
光ファイバが該ファイバグレーティングの両側において
固定器具に固定された歪み検出部を有し、片側の前記固
定器具が被測定物に直接固定され、他側の前記固定器具
がバネ及び梃子を介して間接的に被測定物に固定され、
該被測定物にかかる変位、荷重、圧力、加速度を該ファ
イバグレーティングの伸縮を介して反射光又は透過光の
波長シフト量として検出することを特徴とする光ファイ
バセンサ。 - 【請求項４】 光ファイバに反射波長が異なるファイバ
グレーティングが書き込まれた複数の前記歪み検出部が
光ファイバを介して縦列接続されていることを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイバセ
ンサ。 - 【請求項５】 前記歪み検出部とは反射波長が異なるフ
ァイバグレーティングが書き込まれた光ファイバが該フ
ァイバグレーティングの片側において固定器具に直接固
定され、他側において変位、荷重、圧力、加速度の変化
を全く受けないよう自由固定された温度検出部を有し、
該温度検出部が光ファイバを介して前記歪み検出部と縦
列接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のい
ずれか１項に記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項６】 光ファイバが少なくともファイバグレー
ティングの両側 において樹脂で被覆されていることを特
徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファ
イバセンサ。 - 【請求項７】 樹脂が熱硬化型であるポリイミド樹脂、
フェノール樹脂、フッ素樹脂、もしくは２液混合で常温
硬化型であるエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂であるこ
とを特徴とする請求項６記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項８】 光ファイバが樹脂を介して固定器具に弾
性接着剤で接着固定され、又は樹脂で固定器具に固着さ
れ、又は機械的にクランプ固定されていることを特徴と
する請求項７記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項９】 光ファイバが少なくともファイバグレー
ティングの両端において無電解メッキ又は／及び電解メ
ッキで被覆されていることを特徴とする請求項１乃至５
のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項１０】 光ファイバが無電解メッキ又は電解メ
ッキにより固定器具に固定されていることを特徴とする
請求項９記載の光ファイバセンサ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000033045A JP3519333B2 (ja) | 2000-02-10 | 2000-02-10 | 光ファイバセンサ |
| CA002334333A CA2334333A1 (en) | 2000-02-10 | 2001-02-06 | Optical fiber sensor |
| US09/779,005 US20010019103A1 (en) | 2000-02-10 | 2001-02-07 | Optical fiber sensor |
| EP01103233A EP1124112A3 (en) | 2000-02-10 | 2001-02-12 | Optical fiber sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000033045A JP3519333B2 (ja) | 2000-02-10 | 2000-02-10 | 光ファイバセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001221615A JP2001221615A (ja) | 2001-08-17 |
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Family
ID=18557578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000033045A Expired - Fee Related JP3519333B2 (ja) | 2000-02-10 | 2000-02-10 | 光ファイバセンサ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20010019103A1 (ja) |
| EP (1) | EP1124112A3 (ja) |
| JP (1) | JP3519333B2 (ja) |
| CA (1) | CA2334333A1 (ja) |
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| KR100495416B1 (ko) | 2003-07-24 | 2005-06-16 | 이금석 | 광섬유격자센서용 고정구 |
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| KR100609633B1 (ko) * | 2004-04-08 | 2006-08-09 | 박현수 | 무선 광섬유격자 센서 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 시스템 |
| KR100845181B1 (ko) * | 2004-05-14 | 2008-07-10 | 한국과학기술연구원 | 회전체의 이상감지장치 |
| US20090097222A1 (en) * | 2004-06-25 | 2009-04-16 | Wilfried Babutzka | Electrical Subassembly Comprising a Protective Sheathing |
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