JP3549518B2 - Fbg式変換器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、FBG(光ファイバブラッグ回折格子)を取り付けた起歪体を備え、水圧等の測定すべき物理量の変化を起歪体のひずみに変換し、このひずみをFBGで検知するようにしたFBG式変換器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
FBGは、光ファイバ中を光波が伝搬しているとき、ブラッグ波長と呼ばれる或る特定の波長の光を反射する機能を持った光ファイバである。FBGのブラッグ波長は、FBGに作用する張力に応じて変化する性質がある。そのため、FBGは、例えばひずみ検知素子として利用できる。
【0003】
そして、このようなFBGを用いた変換器として図6に示すものが知られている(特開2000−28456号公報参照)。この変換器は、円環状の金属帯から成る起歪体aを備えており、この起歪体aにその所定の直径方向に延在する保護チューブbを取り付けて、中間にFBGを形成した光ファイバcを保護チューブbにFBGが中央に位置するように挿通し、保護チューブbの両端部に光ファイバcを接着固定している。そして、測定すべき物理量の変化に応じた外力を前記直径方向に直交する方向から起歪体aに作用させ、起歪体aに外力の作用方向に押し潰されるようなひずみ、即ち、FBGの張力が増すようなひずみを生じさせて、このひずみをFBGで検知するように構成されている。ここで、例えば水圧により起歪体aが上記の如くひずむようにしておけば、変換器をボーリング孔内の地下水中に沈めて、地下水位を計測することができる。
【0004】
尚、光ファイバcは、起歪体aを収納する変換器本体の一端から外部に導出されてブラッグ波長の測定器に接続されるが、破断防止のため変換器本体内で光ファイバcに或る程度の弛みを付けることが必要になる。そのため、光ファイバcを保護チューブbからの引き出し部分において輪を描くように取り回して、変換器本体の一端に導いている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光ファイバは、破断防止のためにきつく折り曲げることができず、所定値(約25mm)以上の曲率半径で湾曲させることが必要になる。そのため、上記従来例のものでは、光ファイバcの輪状の取り回し部分が起歪体aの側方に大きく張り出し、この張り出しによって変換器の横幅が大きくなる。その結果、地下水位を計測する場合、ボーリング孔の径を大きくせざるを得ず、経費が高くなる。
【0006】
本発明は、以上の点に鑑み、光ファイバの輪状の取り回し部分による寸法増加を抑制して小型化を図れるようにしたFBG式変換器を提供することをその課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、FBG(光ファイバブラッグ回折格子)を取り付けた起歪体を備え、測定すべき物理量の変化を前記起歪体のひずみに変換し、このひずみを前記FBGで検知するようにしたFBG式変換器において、前記起歪体を円弧形状の金属帯で構成し、該金属帯の両端間の切欠き部を通る前記円弧形状の直径方向をX軸方向、X軸方向に直交する前記円弧形状の直径方向をY軸方向として、前記金属帯のY軸方向両側部をY軸方向の自由度を持つように支持し、前記金属帯の前記切欠き部とは反対側のX軸方向部分に設けた入力部に測定すべき物理量の変化に応じた外力を作用させると共に、中間に前記FBGを形成した光ファイバを、前記FBGが前記切欠き部に張り渡されるように、前記FBGの両側の固定部において前記金属帯の両端に固定し、これら固定部に連続する前記光ファイバの部分を前記金属帯の側縁に沿って輪を描くように取り回すことを特徴とする。
【0008】
上記の構成によれば、入力部への外力の作用で金属帯がY軸方向を長径方向とする楕円状にひずみ、金属帯の両端間の幅、即ち、切欠き部の幅が広がってFBGに作用する張力が増加する。そのため、FBGを検知素子として金属帯のひずみ、従って、入力部に作用する外力(物理量)を計測できる。
【0009】
ここで、光ファイバは、従来例のように光ファイバを金属帯の直径方向(Y軸方向)に引き出すものと異なり、金属帯の両端に対する固定部から金属帯の円弧形状に合わせて無理なく湾曲させることができる。従って、金属帯に対するY軸方向への張り出しを生ずることなく光ファイバの輪状の取り回し部を配置でき、この取り回し部による寸法増加を抑制して、変換器の小型化を図れる。
【0010】
ところで、入力部への外力の作用で金属帯がY軸方向を長径方向とする楕円状にひずむのは、金属帯のY軸方向両側部をY軸方向の自由度を持つように支持するためである。金属帯をこのように支持するには、Y軸方向に弾性的に開閉自在な二股形状の支持部材を設けて、該支持部材に金属帯のY軸方向両側部を連結し、或いは、Y軸方向に弾性変形自在な一対の支持部材をY軸方向に対向させて設け、該両支持部材に金属帯のY軸方向両側部を連結すれば良い。
【0011】
また、本発明の変換器は種々の物理量の計測に利用できる。例えば、水圧等の圧力の変化に応じてX軸方向に変位する受圧部材を設け、この受圧部材を金属帯の入力部に連結することにより、圧力を計測することができる。そして、このような変換器をボーリング孔内の地下水中に沈めて、地下水位を計測することもできる。この場合、上記の如く変換器を小型化できるため、ボーリング孔の径は小さくて済み、経費の削減を図れる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の第1実施形態を図1〜図3を参照して説明する。図1はボーリング孔内の地下水中に沈めて地下水位を計測するFBG式変換器を示している。
【0013】
図1中、1は上端が閉塞された筒状の変換器本体であり、該本体1の下部には筒部材4が内挿され、この筒部材4の上端に該筒部材4の軸心側に張り出すように形成された仕切板部4aにより、本体1の内部の空間が仕切板部4aの上側の主室2と下側の副室3(筒部材4の内部の空間)とに画成されている。主室2に後記詳述する起歪体を収納すると共に、副室3に受圧部材たるベローズ5を仕切板部4aの下面に密着させた状態で収納している。そして、変換器本体1の下端に螺着されたキャップ6に形成した複数の透孔6aを介して副室3に導入される水圧によりベローズ5が押し上げられるようにしている。尚、水圧を受ける受圧部材はベローズ5に限られるものではなく、例えば、ダイアフラムであっても良い。また、筒部材4の外周面にOリング7を装着して、主室2に水が侵入しないようにしている。
【0014】
起歪体は、図3の分解斜視図で明示するように、円弧形状の金属帯8で構成されている。ここで、金属帯8の両端間の切欠き部8aを通る円弧形状の直径方向をX軸方向、これに直交する円弧形状の直径方向をY軸方向とする。このとき、金属帯8は、X軸方向が上下方向になり、且つ、切欠き部8aが上方を向く姿勢で主室2に収納されている。主室2には、仕切板部4aの上面に立設したブラケット9が配置されており、このブラケット9の上端に、金属製の帯材から成るY軸方向に弾性的に開閉自在な二股形状の支持部材10をボルト11を介して垂設している。そして、この支持部材10に金属帯8のY軸方向両側部をそれぞれボルト12,12により連結している。これにより、金属帯8のY軸方向両側部は、変換器本体1に対しY軸方向の自由度を持って支持され、金属帯8がY軸方向を長径方向とする楕円形状にひずみ得るようになる。
【0015】
金属帯8の切欠き部8aとは反対側のX軸方向部分、即ち、金属帯8の下端部は、該金属帯8に外力を作用させる入力部8bとなっており、この入力部8bを、ベローズ5の下端から立設したロッド5aの上部のねじ部にナット13を介して連結している。この構成によって、水圧によりベローズ5が押し上げられると、入力部8bにロッド5aを介して上方への外力が作用し、金属帯8はY軸方向を長径方向とする楕円形状にひずむ。
【0016】
そして、金属帯8の上記ひずみを検知するため、図2(図1のA部の拡大図)に示す如く、中間にFBG(光ファイバブラッグ回折格子)14を形成した光ファイバ15を、FBG14がY軸方向に延在して切欠き部8aに張り渡されるように、FBG14の両側の固定部15a,15aにおいて金属帯8の両端に接着剤16で固定している。金属帯8がY軸方向を長径方向とする楕円形状にひずむと、切欠き部8aの幅が広がってFBG14に作用する張力が増し、FBG14のブラッグ波長が変化する。従って、このブラッグ波長を測定することで金属帯8のひずみを検知でき、金属帯8の外力―ひずみ特性から入力部8bに作用する外力、即ち、水圧(地下水位)を計測できる。尚、金属帯8の熱膨張に起因するひずみによる変換器の零点の温度影響を小さくするため、金属帯8は線膨張係数の小さな材料、例えば、合金中で線膨張係数が最小(1×10−6/℃未満)のスーパーインバで形成することが望ましい。
【0017】
変換器本体1の上端には、上方にのびる一対の保護チューブ17が液密に取り付けられており、光ファイバ15を保護チューブ17に挿通して、ボーリング孔の外部に配置する図外の波長測定器に接続する。尚、主室2は、大気圧変動を補償するため、保護チューブ17を介して大気側に開放されている。また、保護チューブ17の先端には、大気中の湿度侵入を防止するため除湿剤室(図示せず)が設けられている。
【0018】
ところで、光ファイバ15は、破断防止のため主室2内で或る程度の弛みを付けてから保護チューブ17に挿通する必要がある。そこで、本実施形態では、FBG14の両側の固定部15a,15aに連続する光ファイバ15の部分を、金属帯8の側縁に沿って少なくとも一重の輪を描くように取り回し、光ファイバ15に弛みを付けている。ここで、FBG14の両側の固定部15a,15aは金属帯8の両端に固定されるため、光ファイバ15を固定部15aから金属帯8の円弧形状に合わせて無理なく湾曲させることができる。従って、金属帯8に対するY軸方向への張り出しを生ずることなく光ファイバ15の輪状の取り回し部15b(図3参照)を配置でき、変換器の小型化を図れる。そのため、ボーリング孔の径は小さくて済み、経費を削減できる。尚、金属帯8は、光ファイバの湾曲可能な最小曲率半径(約25mm)に合わせた半径の円弧形状に形成されている。
【0019】
以上、水圧(地下水位)を計測する変換器に本発明を適用した実施形態について説明したが、水圧以外の圧力を計測する変換器にも同様に本発明を適用でき、更に、金属帯8の入力部8bに被測定物に接触する測定子を連結して、被測定物の変位を計測することもできる。
【0020】
また、上記実施形態では、金属帯8のY軸方向両側部をY軸方向の自由度を持って支持するために二股形状の支持部材10を用いたが、図4に示す第2実施形態のように、Y軸方向に弾性変形自在な金属製の帯材から成る一対の支持部材18,18をY軸方向に対向させて設け、両支持部材18,18に金属帯8のY軸方向両側部を連結しても良い。尚、図4に示す第2実施形態では、各支持部材18をX軸方向に延在するものとしたが、各支持部材18を図5に示す第3実施形態のようにX軸およびY軸の両軸に直交する方向に延在させても良い。
【0021】
また、図4、図5に示すものでは、各支持部材18の一端を拘束して、自由端たる各支持部材18の他端に金属帯8のY軸方向の各側部を連結したが、各支持部材の両端を拘束して、各支持部材の中間に金属帯のY軸方向の各側部を連結することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の変換器の第1実施形態を示す縦断面図。
【図2】図1のA部の拡大図。
【図3】第1実施形態の要部の分解斜視図。
【図4】第2実施形態の要部の斜視図。
【図5】第3実施形態の要部の斜視図。
【図6】従来例の要部を示す切断正面図。
【符号の説明】
5…ベローズ(受圧部材)、8…金属帯(起歪体)、8a…切欠き部、8b…入力部、10…二股状の支持部材、14…FBG、15…光ファイバ、15a…固定部、15b…輪状の取り回し部、18…一対の支持部材。
Claims (4)
- FBG(光ファイバブラッグ回折格子)を取り付けた起歪体を備え、測定すべき物理量の変化を前記起歪体のひずみに変換し、このひずみを前記FBGで検知するようにしたFBG式変換器において、
前記起歪体を円弧形状の金属帯で構成し、該金属帯の両端間の切欠き部を通る前記円弧形状の直径方向をX軸方向、X軸方向に直交する前記円弧形状の直径方向をY軸方向として、前記金属帯のY軸方向両側部をY軸方向の自由度を持つように支持し、前記金属帯の前記切欠き部とは反対側のX軸方向部分に設けた入力部に測定すべき物理量の変化に応じた外力を作用させると共に、
中間に前記FBGを形成した光ファイバを、前記FBGが前記切欠き部に張り渡されるように、前記FBGの両側の固定部において前記金属帯の両端に固定し、これら固定部に連続する前記光ファイバの部分を前記金属帯の側縁に沿って輪を描くように取り回すことを特徴とするFBG式変換器。 - Y軸方向に弾性的に開閉自在な二股形状の支持部材を設け、該支持部材に前記金属帯のY軸方向両側部を連結することを特徴とする請求項1記載のFBG式変換器。
- Y軸方向に弾性変形自在な一対の支持部材をY軸方向に対向させて設け、該両支持部材に前記金属帯のY軸方向両側部を連結することを特徴とする請求項1記載のFBG式変換器。
- 測定すべき物理量は圧力であり、この圧力の変化に応じてX軸方向に変位する受圧部材を設け、該受圧部材を前記入力部に連結することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のFBG式変換器。
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