JP3638736B2 - 光ファイバ式ひずみゲージ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ひずみ検出部に光ファイバを用いた光ファイバ式ひずみゲージに係り、特に供試体に対する光ファイバセンシング部の接合方式および温度補償の改善を図った光ファイバ式ひずみゲージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の変形等のひずみを計測するひずみゲージとしては、従来、変形により電気的特性、例えば電気抵抗が変化する金属箔を用いるものが一般的であった。
このような金属箔による抵抗体ひずみゲージは、金属箔をベース材に添着し、ひずみゲージパターンを形成してなるひずみゲージを供試体に添着して用いる。
すなわち、図７に示すように、ベース１の一方の面に金属箔２が添着されて形成されるひずみゲージ３が、接着剤からなる接着層４によって供試体５に接着される。ひずみ応力が全く加わっていない状態を示す図７における金属箔２の蛇行部分の長さがゲージ長Ｌである。供試体５に生じるひずみに基づくひずみゲージ３の電気抵抗等の特性の変化を、金属箔２に接続したブリッジ回路等の電気回路により検出して、ひずみの大きさを計測する。
【０００３】
供試体５に種々の方向のひずみが生じる場合には、向きを異ならせて複数個のひずみゲージ３を添着し、これらの検出情報を適宜解析することにより、供試体５に生じたひずみの方向および大きさを計測することができる。
金属箔２を用いたひずみゲージ３は、箔の厚さが数μｍ以下であり、極めて剛性が低いため、ベース材１および接着層４が受け持つせん断力が小さくても供試体５のひずみがほぼ完全に伝達されるという利点がある。すなわち、図８に示すように、供試体５のゲージ長Ｌに対応する部分に伸びｄＬが生じると、伸びｄＬを含むゲージ長はＬ＋ｄＬとなる。このときのひずみゲージ３の金属箔２の伸びは、ほぼｄＬであり、ゲージ長は、ほぼＬ＋ｄＬである。このように金属箔２が非常に薄いため、供試体５のひずみがほぼ１００％金属箔２に伝達されて、供試体５の伸びにほぼ等しい伸びが金属箔２に生ずる。
【０００４】
ところが、このような金属箔２による抵抗体ひずみゲージ３では、計測値を微弱な電気信号により検出するため、ひずみゲージ３から計測回路に至る回路部分において電磁誘導等による影響を受けることがある。したがって、例えば供試体５が強い電磁場の存在する環境下にある場合や、供試体５と計測回路との間の距離が長い場合等には、電磁誘導の影響を受けて計測値が不正確になるおそれがあり、その影響を除去するのが困難であった。
そこで、近年、電磁誘導による影響を受けることのないひずみゲージとして、光ファイバを用いて光学的にひずみ検出を行う光ファイバ式ひずみゲージが注目されつつある。
【０００５】
この光ファイバ式ひずみゲージは、例えば光ファイバの一端をギャップを存して、金属等からなるワイヤの一端に形成された反射面に対峙させたものである。このような構成においては、光ファイバの他端から光を送出して、前記ワイヤの反射面により反射して戻る反射光の光量が、ひずみによる前記ギャップ部の変位（間隔）に基づいて変動する。このギャップ部を介して往復する光の光量を、前記光ファイバの他端において検出することにより、前記ひずみの大きさを計測する。
【０００６】
また、他のタイプの光ファイバ式ひずみゲージとしては、光ファイバのファイバコアにグレーティングすなわち回折格子を刻設したグレーティングタイプと称されるものがある。このタイプの光ファイバひずみゲージでは、該光ファイバの一端部から送出した光が前記グレーティングにより反射されて戻ってきた光の波長成分を計測することによりひずみを検出する。前記グレーティングによる反射光は、当該部分に生じたひずみおよび温度変化に基づいて波長がシフトする。
ここで、光ファイバ式ひずみゲージの構成および供試体への接合方式の従来の例を示す。
【０００７】
図９に示す例では、ひずみゲージを構成するワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂを供試体５に直接接着している。このときワイヤ６ａと光ファイバ６ｂとの各一端面を、所定間隔を存して対峙させ、ギャップＧを形成する。ワイヤ６ａの光ファイバ６ｂに対峙する端面に、反射面Ｒが形成される。
このような構成では、ワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂを供試体５に接着する際にギャップＧを保持するように位置合わせをしなければならず、位置設定が困難である。
【０００８】
図１０に示す例では、ワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂの対峙部分を、円筒状のスリーブ７の内部に収容し、所定のギャップＧを形成して予めスリーブ７に固着している。ワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂは、スリーブ７の両端開口部において、接着部８ａおよび８ｂによって接着され、これら接着部８ａおよび８ｂによって、スリーブ７の両端が封止されている。このように構成したスリーブ７を介してワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂを供試体５に接着して用いる。
この構成では、予めスリーブ７にワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂを位置合わせして接着しておくため、位置関係は適切に維持されるが、それらの接着およびスリーブ７を供試体５へ接着する際の作業性が悪いという難点がある。
【０００９】
この図１０に示すスリーブ型のものは、ギャップＧ部分がスリーブ７内に密封されるので、供試体５の内部にスリーブ７部分を埋め込んで使用する場合には好ましい構成であるが、それ以外の用途では、作業性の悪さが問題になる。
図１１に示す例では、図１０のスリーブ７をベース材９に予め接着しておき、該ベース材９を供試体５に接着することにより、センシング部を供試体５に添設するようにしている。
このような構成により、スリーブ７を直接供試体５に接着する場合よりも、供試体５に対する接着の作業性は改善される。しかしながら、スリーブ７に対するワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂの接着およびベース材９に対するスリーブ７の接着における作業性が悪いという問題は依然として残る。
【００１０】
ところで、この種の光ファイバ式ひずみゲージは、先に述べた金属箔を用いる抵抗体ひずみゲージに比して高い剛性を有しており、ひずみ伝達上のロスを生じるとともに、各構成要素間の接合面に高いせん断応力を発生する。この高いせん断応力により、ベース材および接着層に粘弾性挙動が顕著化し、次のような現象が生じ易い。
(a) 接合条件の不均一性に伴った感度のばらつきが生じる。
(b) 負荷時、出力のドリフトが生じ易い。
(c) 除荷して、ひずみ応力をなくしても計測系のゼロ戻りが悪い。
(d) 非直線性（ＮＬ）、ヒステリシス特性（ＨＹＳ）等の影響による精度の低下がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、光ファイバ式ひずみゲージは、金属箔を用いた抵抗体ひずみゲージに比して、電磁誘導による影響を受けないという大きな長所があるが、高い剛性を有しているため、ひずみ伝達上の損失が大きい。また、光ファイバ式ひずみゲージは、各構成要素間の接合部のせん断応力に起因して、ベース材および接着部に生ずる粘弾性挙動による問題もある。さらに、接合に際しての作業性にも問題があり、良好な特性を得ることが容易ではない。しかも、光ファイバ式ひずみゲージによる計測値は、ひずみのみならず温度によっても大きく変動するため、温度補償を適切に行わねばならない。
米国特許第5,345,519 号公報には、図１０に示したような構成の光ファイバ式ひずみゲージにおいて温度補償を行うことが示されているが、スリーブや接着部に起因するひずみ伝達のロスについては考慮されておらず、充分な精度を得ることはできない。
【００１２】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、簡単な構成で、ひずみ伝達のロスが少なく、接着に係る作業性も良好で、高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することにある。
本発明の第２の目的は、特に、接着に係る作業性に優れ、確実に高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することにある。
本発明の第３の目的は、特に、温度変化の著しい環境下においても、高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、上述した目的を達成するために、
一端が投光および受光部に結合された光ファイバと、
前記光ファイバの外径よりも大なる内径を有し、一端開口部に前記光ファイバの他端部を挿入するとともに、当該開口端を前記光ファイバの他端部から所定の寸法の箇所において該光ファイバに封着し、他端開口部が前記光ファイバの他端部より所定寸法延出するスリーブと、
前記光ファイバとほぼ同一で且つ前記スリーブの内径よりも小さな外径を有する小径のワイヤ部が突設され、該ワイヤ部の先端に反射面を形成してなる反射部材と、
前記ワイヤ部の先端を前記スリーブ内に挿入し、前記反射面を前記光ファイバの他端面に所定のギャップを存して対峙させた状態で前記ファイバに封着された前記スリーブと前記反射部材とをそれぞれ一面側に固着支持するとともに、他面側が供試体に接着されるベース材と、
を具備することを特徴としている。
【００１４】
請求項２に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記ベース材は、前記スリーブおよび反射部材との固着部を含む周縁部分を残し、中央部が切欠された環状に形成されていることを特徴としている。
請求項３に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記反射部材が、前記供試体と前記ベース材との間の接着部におけるひずみ伝達率および前記光ファイバ他端面との相対位置の温度依存性を考慮して、材料および寸法の少なくとも一方を、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存する変動を相殺するように設定していることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
すなわち、本発明の請求項１による光ファイバ式ひずみゲージは、一端が投光および受光部に結合された光ファイバの外径よりも大なる内径を有するスリーブの一端開口部に前記光ファイバの他端部を挿入するとともに、当該スリーブの開口端を前記光ファイバの他端部から所定の寸法の箇所において該光ファイバに封着して、他端開口部が前記光ファイバの他端部より所定寸法延出するように設定し、反射部材に、前記光ファイバとほぼ同一で且つ前記スリーブの内径よりも小さな外径を有し且つ先端に反射面を形成して突設した小径のワイヤ部の先端を前記スリーブ内に挿入し、前記反射面を前記光ファイバの他端面に所定のギャップを存して対峙させた状態で、前記スリーブを固着支持し且つ前記反射部材をベース材に固着支持させ、該ベース材を供試体に接着して用いる。
【００１６】
このような構成により、スリーブおよびその接着部の剛性によるせん断応力が低く抑えられ、接合条件による感度のばらつきや負荷時における出力のドリフトが少なく、ゼロ戻り、直線形性等の精度も向上する。
請求項２に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記スリーブおよび反射部材との固着部を含む周縁部分を残し、前記ベース材の中央部が切欠された環状に形成されている。
このような構成により、前記ベース材に対する前記スリーブおよび反射部材と固着部との接合部寸法を容易に均一化することができると共に、ベース材への添着作業が容易化され、しかも前記ベース材に起因するせん断応力を一層低減することができる。
【００１７】
請求項３に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記反射部材の材料および寸法の少なくとも一方を、前記供試体と前記ベース材との間の接着部におけるひずみ伝達率および前記光ファイバ他端面の相対位置の温度依存を考慮して適宜設定することにより、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存する変動を相殺する。
このような構成により、温度依存性を低減し、種々の環境条件およびその変動に対して、常に高精度を維持させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づき、図面を参照して本発明の光ファイバ式ひずみゲージを詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみゲージの構成を示している。図１は、光ファイバ式ひずみゲージの原理的な構成を示す模式的な断面図、図２は、その上面および端面から見た場合の説明図である。
図１および図２に示す光ファイバ式ひずみゲージは、光ファイバ１１、スリーブ１２、反射部材１３およびベース材１４を具備している。
【００１９】
光ファイバ１１は、例えば、直径１５０μｍのシリカ（ＳｉＯ2 ）からなるファイバであり、図１における右方の一端に、投光部および受光部が（図１には示されていない）結合されている。光ファイバ１１の他端面、すなわち図示左端面は、例えば滑らかな平面に仕上げられ、内面において前記投光部から供給される光の一部の波長成分を選択的に反射して、一種のフィルタとして作用する準反射面を形成している。
スリーブ１２は、光ファイバ１１を挿入し得るサイズ、例えば直径３５０μｍの薄肉筒状の部材であり、シリカにより形成されている。
【００２０】
このスリーブ１２の一端の開口部から、光ファイバ１１の他端、すなわち図示左端近傍の部分を挿入し、光ファイバ１１の先端が該スリーブ１２の中間位置近傍に達するようにした状態で、スリーブ１２の前記一端の開口部を光ファイバに封着する。したがって、スリーブ１２の他端の開口部は、光ファイバ１１の先端よりも所定長さ突出した状態となる。このとき、光ファイバ１１は、スリーブ１２のほぼ中心軸上に位置するように固定される。
反射部材１３は、例えば金属からなり、光ファイバ１２とほぼ同径の所定長さのワイヤ部１３ａを突出させ、基端部を大径とした、段付き柱状の部材である。この反射部材１３のワイヤ部１３ａの先端面は、光を反射するように、例えば鏡面処理を施すなどして反射面を形成している。
【００２１】
ベース材１４は、例えば、ポリイミド樹脂のような低弾性率を有する材料からなり、図２に示すようにほぼ矩形板状の中央部に外形とほぼ相似形の開口部１４ａが形成されて、ほぼ矩形の枠または環状をなしている。このベース材１４の長手方向ｂについての中央部に短手方向ａに沿って、光ファイバ１１を収容したスリーブ１２および反射部材１３が予め接着固定される。このとき、光ファイバ１１およびワイヤ部１３ａは、共通の中心軸線上に配置され、反射部材１３のワイヤ部１３ａの先端部分が、スリーブ１２の開口部に挿入され、スリーブ１２の中空部内において、該ワイヤ部１３ａの先端の反射面が光ファイバ１１の先端面に所定間隙で対峙する。
【００２２】
望ましくは、図示のように、スリーブ１２の光ファイバ１１に接着された基端位置は、ベース材１４の一方の縁部（図２において右端縁部）に一致させ、反射部材１３の基端位置はベース材１４の他方の縁部に一致させる。これら、スリーブ１２および反射部材１３の長さは、ベース材１４の前記開口部１４ａによって規定される幅寸法よりも長い。したがって、ベース材１４に対するスリーブ１２および反射部材１３の各接着長さＬ1 およびＬ2 は、ベース材１４の幅寸法で規定される。そして、これら各接着部間の長さＬは、開口部１４ａの長さにほぼ対応する。
このように光ファイバ１１にスリーブ１２が接着され、スリーブ１２および反射部材１３がベース材１４に接着された状態で、ベース材１４を供試体１５上に接着する。
【００２３】
次にこのように構成した光ファイバ式ひずみゲージの原理およびその作用について、詳細に説明する。
まず、基本構成は、上述したように、反射部材１３とスリーブ１２とは分離されており、基本的には、相対的に自由に動作し得る構造とする。また、反射部材１３およびスリーブ１２は、ベース材１４に独立的に固定されて、一定のギャップ長Ｇを保持する。なお、スリーブ１２は、光ファイバ１１側に接合されるとともに、ベース材１４にも接合される。反射部材１３から突出するワイヤ部１３ａをスリーブ１２に挿入した構造とし、相互間の位置関係を保持しながらベース材１４に接合される。
【００２４】
次に、一定ひずみ状態（すなわち、ひずみε＝一定）のもとでの変形について考察する。
ベース材１４とスリーブ１２との間、ベース材１４と反射部材１３との間、該ベース材１４と供試体１５との間の接着層が、反射部材１３およびスリーブ１２と比べて、せん断剛性が低い場合は、模式的に変形状態を示すと図３のような変形状態となる。図３を参照して、供試体１５のひずみが一定の下でのギャップ長Ｇの変化量を検討する。
【００２５】
一定ひずみ状態、例えばベース材１４の短手方向ａ（図２参照）について一様の引張力が供試体１５に印加されて、εのひずみが生じた場合を考える。
この場合、ベース材１４の短手方向に沿う開口部１４ａの寸法Ｌに対してｄＬだけ変位し、ベース材１４と供試体１５との接着部寸法Ｌ1 およびＬ2 に対して、それぞれｄＬ1 およびｄＬ2 だけ変位すると考える。そうすると、ギャップ長Ｇの変化量ｄＧは、
ｄＧ＝ｄＬ＋（ｄＬ1 ＋ｄＬ2 ）／２＋Ｌ2 η2 ε
となる。
【００２６】
ここで、ｄＬ＝Ｌε、ｄＬ1 ＝Ｌ1 ε（１−η1 ）、ｄＬ2 ＝Ｌ2 ε（１−η2 ）（ただし、η1 、η2 は、ベース材１４と供試体１５との接着部寸法Ｌ1 およびＬ2 におけるひずみ伝達率である）より、上式をさらに書き換えれば、次の数１であらわすことができる。
【００２７】
【数１】
ｄＧ＝［Ｌ＋Ｌ1 ｛（１−η1 ）／２｝＋Ｌ2 ｛（１＋η2 ）／２｝］ε
または
ｄＧ＝Ｌe ε
ここで、Ｌe ＝Ｌ＋Ｌ1 ｛（１−η1 ）／２｝＋Ｌ2 ｛（１＋η2 ）／２｝
ひずみ伝達率η1 およびη2 は、寸法Ｌ1 およびＬ2 を小さく設定することにより、また、ベース材１４の剛性を低く設定することにより、近似的にη≒０とみなすことができる。なお、必要ならば、有限要素法等の数値計算により、正確な値を求めることができる。
η＝０とした場合、ひずみゲージの見かけ長さ、すなわち有効ゲージ長Ｌe は、Ｌe ＝Ｌ＋｛（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２｝となり、ギャップ長Ｇの変化量は（Ｌ＋（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２）εとなる。
【００２８】
次に、上述した光ファイバ式ひずみゲージを、主として、ひずみ伝達、応力、変位の面について、従来の、例えば図１１に示したような光ファイバ式ひずみゲージと比較して説明する。
図４において、（ａ）に図１および図２に示した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージ、そして（ｂ）に図１１に示されたタイプの従来の光ファイバ式ひずみゲージの一例における特性を示している。それぞれ、供試体１５に一様な応力を印加して一定のひずみを生じさせたときのベース材１４および９におけるせん断応力分布、光ファイバ中心におけるギャップ長Ｇの変位δ（δ′）と全体の変位分布（ひずみ伝達が１００％）、ならびに反射部材１３，６ａとスリーブ１２，７のひずみ分布を示している。
【００２９】
また、図４における破線は、一定ひずみを保持したまま、所定時間経過したときの状態を想定している。
図４によれば，ベース材１４，９のせん断応力が、図１および図２の構成の場合（ａ）では、ベース材１４と供試体１５との接着部寸法Ｌ1 およびＬ2 部分のみであるのに対し、図１１の構成の場合（ｂ）では、スリーブ７の全長にわたっている。図４（ａ）の場合の方が時間の経過による変動量も小さい。また、全体の変位に対するギャップＧの変位δは、図１および図２の構成に対応する（ａ）の方が、図１１の構成に対応する（ｂ）に比して大きく、しかも時間による変動は少ない。また、ひずみ分布は、図１および図２の構成の場合（ａ）には、図１１の構成の場合（ｂ）に比して小さく、時間による変動も少ない。
【００３０】
さらに、出力のドリフトについて考察する。図５においては、ひずみ負荷により強制変位δを与えたときの状況を説明している。強制変位δに対して、供試体による弾性Ｋ１に加えて、接着層およびベース材による粘弾性すなわち弾性Ｋ２と粘性μが作用し、変位出力はそれらに応じて変動する。すなわち、強制変位後、時間とともに応力緩和が生じ、出力変位が次第に減少し、強制変位を解いたときも、応力緩和による影響が逆方向に作用し、切換え時のオーバシュートとなり、再び、時間とともに応力緩和を呈する。そして、クリープ現象は、応力一定、すなわち荷重一定の場合には、応力が高いほど時間経過に伴う伸びによる変位が大きい。すなわち、伸びを一定にしたときは、応力が高いほど応力緩和が大きい。つまり図４では、ベース材のせん断応力が高いほど応力緩和が大きいことになる。
【００３１】
次に、本発明における温度補償について、従来の図１０に相当する構成を有する米国特許第5,345,519 号公報における温度補償の場合と比較して具体的に説明する。
米国特許第5,345,519 号公報の場合、図１２に示すように、ゲージ長Ｌ、反射部材となるワイヤ長Ｌw 、ギャップ長Ｄ、供試体５の線膨張係数Ｃhostおよびワイヤの線膨張係数Ｃwireにより、温度変化時のゲージ長Ｌの伸びＣhostＬを、次の数２であらわすことができる。
【００３２】
【数２】
ＣhostＬ＝ＣwireＬw ＋Ｃfiber （Ｌ−Ｌw −Ｄ）
または、
ＣhostＬ＝ＣwireＬw
数２が成立する前提となるのは、供試体のひずみが１００％伝達されることである。
【００３３】
実際には、シリカ製のスリーブ７の剛性が接着層に比較して大きい。そのため、供試体５に発生するひずみの１０％程度しかゲージに伝達されない場合もある。ひずみは、スリーブの剛性が高いほど、またゲージ長Ｌが短いほど、伝達されにくい。ちなみに、従来の金属箔を用いたひずみゲージは剛性が低く、供試体のひずみはほぼ１００％伝達される。
このように、供試体５からひずみゲージへのひずみの伝達が完全でない場合には、上述した数２では、ギャップ長Ｄを一定に保持することができず、次式のような修正が必要である。
【００３４】
【数３】
ＣhostＬη＝ＣwireＬw ＋Ｃfiber （Ｌ−Ｌw −Ｄ）
または
ＣhostＬη＝ＣwireＬw
なお、数３において、ηは、供試体５からセンシング部にひずみが伝達される際のひずみ伝達率である。
上述した考察を、本発明による光ファイバ式ひずみゲージに適用する場合について、図１を参照して説明する。
この場合、有効ゲージ長Ｌｅは、先に述べた数１に基づいて、下段の数４で表わすことができる。
【００３５】
【数４】
Ｌｅ＝Ｌ＋Ｌ1 ｛（１−η1 ）／２｝＋Ｌ2 ｛（１＋η2 ）／２｝
したがって、上記数４を適用し、光ファイバ１１およびスリーブ１２の線膨張係数をＣfiber とすると、温度補償が成立する条件を次の数５であらわすことができる。
【００３６】
【数５】
すなわち、数５が成立するときには、温度による各部の寸法の変動が相殺され、有効な温度補償が可能となる。
温度変化による各部の伸びを概念的につかむために、ここでは便宜的に、ベース材１４と供試体１５との接着部寸法Ｌ1 およびＬ2 におけるそれぞれのひずみ伝達率η1 およびη2 について、η1 ＝η2 ＝０とおくと、数６が得られる。
【００３７】
【数６】
さらに、数６において一般的に、
Ｃwire ，Ｃhost＞ Ｃfiber
であり、光ファイバ１１およびスリーブ１２の線膨張係数Ｃfiber ＝０とおくと、数７が得られ、この数７により、各部の線膨張係数に対する有効長さを明確に特定することができる。
【００３８】
【数７】
［Ｌ＋｛（Ｌ１＋Ｌ２）／２｝］Ｃhost＝｛Ｌ1w−（Ｌ1 ／２）｝Ｃwire
したがって、反射部材１３のワイヤ部１３ａの材質および寸法を適宜選定することにより、該ワイヤ部１３ａの温度変化を利用して温度補償を実現することができる。
上述した本発明による光ファイバ式ひずみゲージの利点をまとめると次のようになる。
【００３９】
先に図４にて模式的に示した応力、変位、およびひずみ分布に基づき次のような利点があげられる。
(a) 反射部材１３と切り離してスリーブ１２を設け、さらにベース材１４と反射部材１３およびスリーブ１２の接着長さを短くすることにより、せん断応力の発生を小さく抑えることができる。このことにより、ベース材１４および接着層における粘弾性挙動、つまりクリープおよび応力緩和を低減することができる。さらに、ベース材１４および接着層において、せん断応力の応力緩和が発生しても、ギャップ長Ｇの変位は、相補的に作用し、負荷時の出力ドリフトおよびゼロ戻り特性を改善することが可能となる。
【００４０】
(b) 従来の光ファイバ式ひずみゲージと比較し、小さいせん断応力で大きな変位をギャップ部に伝達することができるため、感度が大きく、接合条件の不均一性に伴う感度のばらつきが少なくて済む。
(c) これらの改善により、非直線性（ＮＬ）、ヒステリシス特性（ＨＹＳ）等の特性が改善され、ひずみゲージの精度が向上する。
(d) さらに、反射部材１３のワイヤ部１３ａの材質および寸法を、予め適切に設定しておくことにより、有効に温度補償を行わせることができるため、光ファイバ式ひずみゲージの欠点である温度変化による影響を低減することができる。
【００４１】
図６は、上述した本発明の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみゲージを用いた光強度型のひずみ測定系の構成例を模式的に示しているが、干渉型のひずみ測定系にも上述とほぼ同様にして適用することができる。
図６に示す測定系は、図１に示したのと同様な光ファイバ式ひずみゲージ２１、マッチングオイル２２、光ファイバカプラ２３、発光ダイオード（ＬＥＤ）２４、フィルタ２５、光検出器（ＰＤ）２６，２７およびシグナルプロセッサ２８を具備している。
【００４２】
光ファイバ式ひずみゲージ２１は、図１に示した光ファイバ式ひずみゲージと同様の構成を有しており、反射部材のワイヤ部先端面により形成される反射部２１ａおよび該反射部２１ａとの間に所定間隙を存して対峙する光ファイバの先端面の準反射面により形成されるフィルタ部２１ｂを有する。すなわち、光ファイバ式ひずみゲージ２１は、光ファイバケーブルＦＣ１を介して光ファイバカプラ２３に接続されている。光ファイバ先端の準反射面に基づくフィルタ部２１ｂによって一部の波長成分λU が反射され、その他の波長成分、例えばλL 、は前記準反射面を通過して、反射部２１ａにより反射され、光ファイバに再入射する。光ファイバ式ひずみゲージ２１は、供試体に接着され、供試体のひずみを検出し、その変形に応じた信号を光ファイバに戻す。
【００４３】
マッチングオイル２２は、光ファイバケーブルＦＣ２を介して光ファイバカプラ２３に接続されており、光ファイバ端の反射を防ぐために用いる。
光ファイバカプラ２３は、いわゆる２×２のカプラであり、光ファイバケーブルＦＣ１およびＦＣ２をそれぞれ介して、光ファイバ式ひずみゲージ２１およびマッチングオイル２２に接続されている。光ファイバカプラ２３は、光ファイバ式ひずみゲージ２１が磁場または電磁場の影響を受ける場所に設置されている場合には、光ファイバケーブルＦＣ１によって距離が確保され、該磁場および電磁場の影響を受けない箇所に配置される。
【００４４】
また、光ファイバカプラ２３は、光ファイバケーブルＦＣ３およびＦＣ４をそれぞれ介して、発光ダイオード２４およびフィルタ２５に接続されている。この光ファイバカプラ２３は、発光ダイオード２４からの光を、光ファイバケーブルＦＣ１およびＦＣ２をそれぞれ介して、光ファイバ式ひずみゲージ２１に送り、この光ファイバ式ひずみゲージ２１から戻った光を、光ファイバケーブルＦＣ４を介してフィルタ２５に返す。
発光ダイオード２４は、投光部を構成し、光ファイバケーブルＦＣ３を介して光ファイバカプラ２３に送出する。発光ダイオード２４から送信された光は、光ファイバカプラ２３より、光ファイバケーブルＦＣ１およびＦＣ２をそれぞれ介して、光ファイバ式ひずみゲージ２１に送られる。
【００４５】
フィルタ２５は、光ファイバカプラ２３から光ファイバケーブルＦＣ４を介して光ファイバ先端の準反射面に基づくフィルタ部２１ｂによって反射された波長成分λU（参照光）を第１の光検出器２６に与え、反射部２１ａにより反射された波長成分λL（信号光）を第２の光検出器２７に与える。
光検出器２６および２７は、それぞれ波長成分λU およびλL を検出してシグナルプロセッサ２８に与える。シグナルプロセッサ２８は、光検出器２６および２７の出力を解析して、光ファイバ式ひずみゲージ２１により検出されたひずみであるギャップＧの変化を算出する。
【００４６】
このような構成において、先に述べたように、光ファイバ式ひずみゲージ２１は、ベース材、スリーブ等の剛性による粘弾性特性の影響の少ない正確なひずみ計測値を得ることができ、さらに、それ自体で適切な温度補償も施こされる。したがって、従来の光ファイバ式ひずみゲージでは得られないような高精度のひずみ計測が可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１の光ファイバ式ひずみゲージによれば、一端が投光および受光部に結合された光ファイバの外径よりも大なる内径を有するスリーブの一端開口部に前記光ファイバの他端部を挿入するとともに、当該スリーブの開口端を前記光ファイバの他端部から所定の寸法の箇所において該光ファイバに封止して、他端開口部が前記光ファイバの他端部より所定寸法延出するように設定し、反射部材に、前記光ファイバとほぼ同一で且つ前記スリーブの内径よりも小さな外径を有し且つ先端に反射面を形成して突設した小径のワイヤ部の先端を前記スリーブ内に挿入し、前記反射面を前記光ファイバの他端面に所定のギャップを存して対峙させて、前記スリーブと前記反射部材とをベース材に固着支持させ、該ベース材を供試体に接着して用いることにより、スリーブおよびその接着部の剛性によるせん断応力が低く抑えられ、接合条件による感度のばらつきや負荷時における出力のドリフトが少なく、ゼロ戻り、直線性等の精度も向上すると共に、ひずみ伝達のロスが少なく、接着に係る作業性も良好で、高精度を得ることができ、しかも構成も簡単な光ファイバ式ひずみゲージを提供することができる。
【００４８】
本発明の請求項２による光ファイバ式ひずみゲージによれば、前記スリーブおよび反射部材との固着部を含む周縁部分を残し、前記ベース材の中央部が切欠された環状に形成され、前記ベース材に対する前記スリーブおよび反射部材と固着部との接合部寸法を容易に統一化することができ、しかも前記ベース材に起因するせん断応力を一層低減することができるので、特に、接着に係る作業性に優れ、確実に高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することができる。
【００４９】
本発明の請求項３による光ファイバ式ひずみゲージによれば、前記反射部材の材料および寸法の少なくとも一方を、前記供試体と前記ベース材との間の接着部におけるひずみ伝達率および前記光ファイバ他端面の相対位置の温度依存性を考慮して適宜設定することにより、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存する変動を相殺して、温度依存性を低減し、種々の環境条件およびその変動に対して、常に高精度を維持させることができるので、特に、温度変化の著しい環境下においても、高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の光ファイバ式ひずみゲージの上面および側面から見た構成を模式的に示す説明図である。
【図３】図１の光ファイバ式ひずみゲージの動作を説明するための模式図である。
【図４】図１の光ファイバ式ひずみゲージ(a) を従来の光ファイバ式ひずみゲージ(b) と比較して説明するための特性図である。
【図５】図１の光ファイバ式ひずみゲージにおける応力緩和によるドリフト特性を説明するための特性とクリープ特性図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみゲージを用いた測定系の構成を模式的に示すブロック図である。
【図７】従来の抵抗体ひずみゲージの構成を模式的に示す断面図である。
【図８】従来の抵抗体ひずみゲージの作用を説明するための模式図である。
【図９】従来の光ファイバ式ひずみゲージの構成の一例を模式的に示す図である。
【図１０】従来の光ファイバ式ひずみゲージの構成の他の一例を模式的に示す図である。
【図１１】従来の光ファイバ式ひずみゲージの構成のその他の一例を模式的に示す図である。
【図１２】従来の光ファイバ式ひずみゲージにおける温度補償を説明するための図である。
【符号の説明】
１１ 光ファイバ
１２ スリーブ
１３ 反射部材
１３ａ ワイヤ部
１４ ベース材
１４ａ 開口部
１５ 供試体
２１ 光ファイバ式ひずみゲージ
２２ マッチングオイル
２３ 光ファイバカプラ
２４ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
２５ フィルタ
２６，２７ 光検出器
２８ シグナルプロセッサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ひずみ検出部に光ファイバを用いた光ファイバ式ひずみゲージに係り、特に供試体に対する光ファイバセンシング部の接合方式および温度補償の改善を図った光ファイバ式ひずみゲージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の変形等のひずみを計測するひずみゲージとしては、従来、変形により電気的特性、例えば電気抵抗が変化する金属箔を用いるものが一般的であった。
このような金属箔による抵抗体ひずみゲージは、金属箔をベース材に添着し、ひずみゲージパターンを形成してなるひずみゲージを供試体に添着して用いる。
すなわち、図７に示すように、ベース１の一方の面に金属箔２が添着されて形成されるひずみゲージ３が、接着剤からなる接着層４によって供試体５に接着される。ひずみ応力が全く加わっていない状態を示す図７における金属箔２の蛇行部分の長さがゲージ長Ｌである。供試体５に生じるひずみに基づくひずみゲージ３の電気抵抗等の特性の変化を、金属箔２に接続したブリッジ回路等の電気回路により検出して、ひずみの大きさを計測する。
【０００３】
供試体５に種々の方向のひずみが生じる場合には、向きを異ならせて複数個のひずみゲージ３を添着し、これらの検出情報を適宜解析することにより、供試体５に生じたひずみの方向および大きさを計測することができる。
金属箔２を用いたひずみゲージ３は、箔の厚さが数μｍ以下であり、極めて剛性が低いため、ベース材１および接着層４が受け持つせん断力が小さくても供試体５のひずみがほぼ完全に伝達されるという利点がある。すなわち、図８に示すように、供試体５のゲージ長Ｌに対応する部分に伸びｄＬが生じると、伸びｄＬを含むゲージ長はＬ＋ｄＬとなる。このときのひずみゲージ３の金属箔２の伸びは、ほぼｄＬであり、ゲージ長は、ほぼＬ＋ｄＬである。このように金属箔２が非常に薄いため、供試体５のひずみがほぼ１００％金属箔２に伝達されて、供試体５の伸びにほぼ等しい伸びが金属箔２に生ずる。
【０００４】
ところが、このような金属箔２による抵抗体ひずみゲージ３では、計測値を微弱な電気信号により検出するため、ひずみゲージ３から計測回路に至る回路部分において電磁誘導等による影響を受けることがある。したがって、例えば供試体５が強い電磁場の存在する環境下にある場合や、供試体５と計測回路との間の距離が長い場合等には、電磁誘導の影響を受けて計測値が不正確になるおそれがあり、その影響を除去するのが困難であった。
そこで、近年、電磁誘導による影響を受けることのないひずみゲージとして、光ファイバを用いて光学的にひずみ検出を行う光ファイバ式ひずみゲージが注目されつつある。
【０００５】
この光ファイバ式ひずみゲージは、例えば光ファイバの一端をギャップを存して、金属等からなるワイヤの一端に形成された反射面に対峙させたものである。このような構成においては、光ファイバの他端から光を送出して、前記ワイヤの反射面により反射して戻る反射光の光量が、ひずみによる前記ギャップ部の変位（間隔）に基づいて変動する。このギャップ部を介して往復する光の光量を、前記光ファイバの他端において検出することにより、前記ひずみの大きさを計測する。
【０００６】
また、他のタイプの光ファイバ式ひずみゲージとしては、光ファイバのファイバコアにグレーティングすなわち回折格子を刻設したグレーティングタイプと称されるものがある。このタイプの光ファイバひずみゲージでは、該光ファイバの一端部から送出した光が前記グレーティングにより反射されて戻ってきた光の波長成分を計測することによりひずみを検出する。前記グレーティングによる反射光は、当該部分に生じたひずみおよび温度変化に基づいて波長がシフトする。
ここで、光ファイバ式ひずみゲージの構成および供試体への接合方式の従来の例を示す。
【０００７】
図９に示す例では、ひずみゲージを構成するワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂを供試体５に直接接着している。このときワイヤ６ａと光ファイバ６ｂとの各一端面を、所定間隔を存して対峙させ、ギャップＧを形成する。ワイヤ６ａの光ファイバ６ｂに対峙する端面に、反射面Ｒが形成される。
このような構成では、ワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂを供試体５に接着する際にギャップＧを保持するように位置合わせをしなければならず、位置設定が困難である。
【０００８】
図１０に示す例では、ワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂの対峙部分を、円筒状のスリーブ７の内部に収容し、所定のギャップＧを形成して予めスリーブ７に固着している。ワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂは、スリーブ７の両端開口部において、接着部８ａおよび８ｂによって接着され、これら接着部８ａおよび８ｂによって、スリーブ７の両端が封止されている。このように構成したスリーブ７を介してワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂを供試体５に接着して用いる。
この構成では、予めスリーブ７にワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂを位置合わせして接着しておくため、位置関係は適切に維持されるが、それらの接着およびスリーブ７を供試体５へ接着する際の作業性が悪いという難点がある。
【０００９】
この図１０に示すスリーブ型のものは、ギャップＧ部分がスリーブ７内に密封されるので、供試体５の内部にスリーブ７部分を埋め込んで使用する場合には好ましい構成であるが、それ以外の用途では、作業性の悪さが問題になる。
図１１に示す例では、図１０のスリーブ７をベース材９に予め接着しておき、該ベース材９を供試体５に接着することにより、センシング部を供試体５に添設するようにしている。
このような構成により、スリーブ７を直接供試体５に接着する場合よりも、供試体５に対する接着の作業性は改善される。しかしながら、スリーブ７に対するワイヤ６ａおよび光ファイバ６ｂの接着およびベース材９に対するスリーブ７の接着における作業性が悪いという問題は依然として残る。
【００１０】
ところで、この種の光ファイバ式ひずみゲージは、先に述べた金属箔を用いる抵抗体ひずみゲージに比して高い剛性を有しており、ひずみ伝達上のロスを生じるとともに、各構成要素間の接合面に高いせん断応力を発生する。この高いせん断応力により、ベース材および接着層に粘弾性挙動が顕著化し、次のような現象が生じ易い。
(a) 接合条件の不均一性に伴った感度のばらつきが生じる。
(b) 負荷時、出力のドリフトが生じ易い。
(c) 除荷して、ひずみ応力をなくしても計測系のゼロ戻りが悪い。
(d) 非直線性（ＮＬ）、ヒステリシス特性（ＨＹＳ）等の影響による精度の低下がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、光ファイバ式ひずみゲージは、金属箔を用いた抵抗体ひずみゲージに比して、電磁誘導による影響を受けないという大きな長所があるが、高い剛性を有しているため、ひずみ伝達上の損失が大きい。また、光ファイバ式ひずみゲージは、各構成要素間の接合部のせん断応力に起因して、ベース材および接着部に生ずる粘弾性挙動による問題もある。さらに、接合に際しての作業性にも問題があり、良好な特性を得ることが容易ではない。しかも、光ファイバ式ひずみゲージによる計測値は、ひずみのみならず温度によっても大きく変動するため、温度補償を適切に行わねばならない。
米国特許第5,345,519 号公報には、図１０に示したような構成の光ファイバ式ひずみゲージにおいて温度補償を行うことが示されているが、スリーブや接着部に起因するひずみ伝達のロスについては考慮されておらず、充分な精度を得ることはできない。
【００１２】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、簡単な構成で、ひずみ伝達のロスが少なく、接着に係る作業性も良好で、高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することにある。
本発明の第２の目的は、特に、接着に係る作業性に優れ、確実に高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することにある。
本発明の第３の目的は、特に、温度変化の著しい環境下においても、高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、上述した目的を達成するために、
一端が投光および受光部に結合された光ファイバと、
前記光ファイバの外径よりも大なる内径を有し、一端開口部に前記光ファイバの他端部を挿入するとともに、当該開口端を前記光ファイバの他端部から所定の寸法の箇所において該光ファイバに封着し、他端開口部が前記光ファイバの他端部より所定寸法延出するスリーブと、
前記光ファイバとほぼ同一で且つ前記スリーブの内径よりも小さな外径を有する小径のワイヤ部が突設され、該ワイヤ部の先端に反射面を形成してなる反射部材と、
前記ワイヤ部の先端を前記スリーブ内に挿入し、前記反射面を前記光ファイバの他端面に所定のギャップを存して対峙させた状態で前記ファイバに封着された前記スリーブと前記反射部材とをそれぞれ一面側に固着支持するとともに、他面側が供試体に接着されるベース材と、
を具備することを特徴としている。
【００１４】
請求項２に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記ベース材は、前記スリーブおよび反射部材との固着部を含む周縁部分を残し、中央部が切欠された環状に形成されていることを特徴としている。
請求項３に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記反射部材が、前記供試体と前記ベース材との間の接着部におけるひずみ伝達率および前記光ファイバ他端面との相対位置の温度依存性を考慮して、材料および寸法の少なくとも一方を、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存する変動を相殺するように設定していることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
すなわち、本発明の請求項１による光ファイバ式ひずみゲージは、一端が投光および受光部に結合された光ファイバの外径よりも大なる内径を有するスリーブの一端開口部に前記光ファイバの他端部を挿入するとともに、当該スリーブの開口端を前記光ファイバの他端部から所定の寸法の箇所において該光ファイバに封着して、他端開口部が前記光ファイバの他端部より所定寸法延出するように設定し、反射部材に、前記光ファイバとほぼ同一で且つ前記スリーブの内径よりも小さな外径を有し且つ先端に反射面を形成して突設した小径のワイヤ部の先端を前記スリーブ内に挿入し、前記反射面を前記光ファイバの他端面に所定のギャップを存して対峙させた状態で、前記スリーブを固着支持し且つ前記反射部材をベース材に固着支持させ、該ベース材を供試体に接着して用いる。
【００１６】
このような構成により、スリーブおよびその接着部の剛性によるせん断応力が低く抑えられ、接合条件による感度のばらつきや負荷時における出力のドリフトが少なく、ゼロ戻り、直線形性等の精度も向上する。
請求項２に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記スリーブおよび反射部材との固着部を含む周縁部分を残し、前記ベース材の中央部が切欠された環状に形成されている。
このような構成により、前記ベース材に対する前記スリーブおよび反射部材と固着部との接合部寸法を容易に均一化することができると共に、ベース材への添着作業が容易化され、しかも前記ベース材に起因するせん断応力を一層低減することができる。
【００１７】
請求項３に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記反射部材の材料および寸法の少なくとも一方を、前記供試体と前記ベース材との間の接着部におけるひずみ伝達率および前記光ファイバ他端面の相対位置の温度依存を考慮して適宜設定することにより、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存する変動を相殺する。
このような構成により、温度依存性を低減し、種々の環境条件およびその変動に対して、常に高精度を維持させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づき、図面を参照して本発明の光ファイバ式ひずみゲージを詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみゲージの構成を示している。図１は、光ファイバ式ひずみゲージの原理的な構成を示す模式的な断面図、図２は、その上面および端面から見た場合の説明図である。
図１および図２に示す光ファイバ式ひずみゲージは、光ファイバ１１、スリーブ１２、反射部材１３およびベース材１４を具備している。
【００１９】
光ファイバ１１は、例えば、直径１５０μｍのシリカ（ＳｉＯ2 ）からなるファイバであり、図１における右方の一端に、投光部および受光部が（図１には示されていない）結合されている。光ファイバ１１の他端面、すなわち図示左端面は、例えば滑らかな平面に仕上げられ、内面において前記投光部から供給される光の一部の波長成分を選択的に反射して、一種のフィルタとして作用する準反射面を形成している。
スリーブ１２は、光ファイバ１１を挿入し得るサイズ、例えば直径３５０μｍの薄肉筒状の部材であり、シリカにより形成されている。
【００２０】
このスリーブ１２の一端の開口部から、光ファイバ１１の他端、すなわち図示左端近傍の部分を挿入し、光ファイバ１１の先端が該スリーブ１２の中間位置近傍に達するようにした状態で、スリーブ１２の前記一端の開口部を光ファイバに封着する。したがって、スリーブ１２の他端の開口部は、光ファイバ１１の先端よりも所定長さ突出した状態となる。このとき、光ファイバ１１は、スリーブ１２のほぼ中心軸上に位置するように固定される。
反射部材１３は、例えば金属からなり、光ファイバ１２とほぼ同径の所定長さのワイヤ部１３ａを突出させ、基端部を大径とした、段付き柱状の部材である。この反射部材１３のワイヤ部１３ａの先端面は、光を反射するように、例えば鏡面処理を施すなどして反射面を形成している。
【００２１】
ベース材１４は、例えば、ポリイミド樹脂のような低弾性率を有する材料からなり、図２に示すようにほぼ矩形板状の中央部に外形とほぼ相似形の開口部１４ａが形成されて、ほぼ矩形の枠または環状をなしている。このベース材１４の長手方向ｂについての中央部に短手方向ａに沿って、光ファイバ１１を収容したスリーブ１２および反射部材１３が予め接着固定される。このとき、光ファイバ１１およびワイヤ部１３ａは、共通の中心軸線上に配置され、反射部材１３のワイヤ部１３ａの先端部分が、スリーブ１２の開口部に挿入され、スリーブ１２の中空部内において、該ワイヤ部１３ａの先端の反射面が光ファイバ１１の先端面に所定間隙で対峙する。
【００２２】
望ましくは、図示のように、スリーブ１２の光ファイバ１１に接着された基端位置は、ベース材１４の一方の縁部（図２において右端縁部）に一致させ、反射部材１３の基端位置はベース材１４の他方の縁部に一致させる。これら、スリーブ１２および反射部材１３の長さは、ベース材１４の前記開口部１４ａによって規定される幅寸法よりも長い。したがって、ベース材１４に対するスリーブ１２および反射部材１３の各接着長さＬ1 およびＬ2 は、ベース材１４の幅寸法で規定される。そして、これら各接着部間の長さＬは、開口部１４ａの長さにほぼ対応する。
このように光ファイバ１１にスリーブ１２が接着され、スリーブ１２および反射部材１３がベース材１４に接着された状態で、ベース材１４を供試体１５上に接着する。
【００２３】
次にこのように構成した光ファイバ式ひずみゲージの原理およびその作用について、詳細に説明する。
まず、基本構成は、上述したように、反射部材１３とスリーブ１２とは分離されており、基本的には、相対的に自由に動作し得る構造とする。また、反射部材１３およびスリーブ１２は、ベース材１４に独立的に固定されて、一定のギャップ長Ｇを保持する。なお、スリーブ１２は、光ファイバ１１側に接合されるとともに、ベース材１４にも接合される。反射部材１３から突出するワイヤ部１３ａをスリーブ１２に挿入した構造とし、相互間の位置関係を保持しながらベース材１４に接合される。
【００２４】
次に、一定ひずみ状態（すなわち、ひずみε＝一定）のもとでの変形について考察する。
ベース材１４とスリーブ１２との間、ベース材１４と反射部材１３との間、該ベース材１４と供試体１５との間の接着層が、反射部材１３およびスリーブ１２と比べて、せん断剛性が低い場合は、模式的に変形状態を示すと図３のような変形状態となる。図３を参照して、供試体１５のひずみが一定の下でのギャップ長Ｇの変化量を検討する。
【００２５】
一定ひずみ状態、例えばベース材１４の短手方向ａ（図２参照）について一様の引張力が供試体１５に印加されて、εのひずみが生じた場合を考える。
この場合、ベース材１４の短手方向に沿う開口部１４ａの寸法Ｌに対してｄＬだけ変位し、ベース材１４と供試体１５との接着部寸法Ｌ1 およびＬ2 に対して、それぞれｄＬ1 およびｄＬ2 だけ変位すると考える。そうすると、ギャップ長Ｇの変化量ｄＧは、
ｄＧ＝ｄＬ＋（ｄＬ1 ＋ｄＬ2 ）／２＋Ｌ2 η2 ε
となる。
【００２６】
ここで、ｄＬ＝Ｌε、ｄＬ1 ＝Ｌ1 ε（１−η1 ）、ｄＬ2 ＝Ｌ2 ε（１−η2 ）（ただし、η1 、η2 は、ベース材１４と供試体１５との接着部寸法Ｌ1 およびＬ2 におけるひずみ伝達率である）より、上式をさらに書き換えれば、次の数１であらわすことができる。
【００２７】
【数１】
ｄＧ＝［Ｌ＋Ｌ1 ｛（１−η1 ）／２｝＋Ｌ2 ｛（１＋η2 ）／２｝］ε
または
ｄＧ＝Ｌe ε
ここで、Ｌe ＝Ｌ＋Ｌ1 ｛（１−η1 ）／２｝＋Ｌ2 ｛（１＋η2 ）／２｝
ひずみ伝達率η1 およびη2 は、寸法Ｌ1 およびＬ2 を小さく設定することにより、また、ベース材１４の剛性を低く設定することにより、近似的にη≒０とみなすことができる。なお、必要ならば、有限要素法等の数値計算により、正確な値を求めることができる。
η＝０とした場合、ひずみゲージの見かけ長さ、すなわち有効ゲージ長Ｌe は、Ｌe ＝Ｌ＋｛（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２｝となり、ギャップ長Ｇの変化量は（Ｌ＋（Ｌ1 ＋Ｌ2 ）／２）εとなる。
【００２８】
次に、上述した光ファイバ式ひずみゲージを、主として、ひずみ伝達、応力、変位の面について、従来の、例えば図１１に示したような光ファイバ式ひずみゲージと比較して説明する。
図４において、（ａ）に図１および図２に示した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージ、そして（ｂ）に図１１に示されたタイプの従来の光ファイバ式ひずみゲージの一例における特性を示している。それぞれ、供試体１５に一様な応力を印加して一定のひずみを生じさせたときのベース材１４および９におけるせん断応力分布、光ファイバ中心におけるギャップ長Ｇの変位δ（δ′）と全体の変位分布（ひずみ伝達が１００％）、ならびに反射部材１３，６ａとスリーブ１２，７のひずみ分布を示している。
【００２９】
また、図４における破線は、一定ひずみを保持したまま、所定時間経過したときの状態を想定している。
図４によれば，ベース材１４，９のせん断応力が、図１および図２の構成の場合（ａ）では、ベース材１４と供試体１５との接着部寸法Ｌ1 およびＬ2 部分のみであるのに対し、図１１の構成の場合（ｂ）では、スリーブ７の全長にわたっている。図４（ａ）の場合の方が時間の経過による変動量も小さい。また、全体の変位に対するギャップＧの変位δは、図１および図２の構成に対応する（ａ）の方が、図１１の構成に対応する（ｂ）に比して大きく、しかも時間による変動は少ない。また、ひずみ分布は、図１および図２の構成の場合（ａ）には、図１１の構成の場合（ｂ）に比して小さく、時間による変動も少ない。
【００３０】
さらに、出力のドリフトについて考察する。図５においては、ひずみ負荷により強制変位δを与えたときの状況を説明している。強制変位δに対して、供試体による弾性Ｋ１に加えて、接着層およびベース材による粘弾性すなわち弾性Ｋ２と粘性μが作用し、変位出力はそれらに応じて変動する。すなわち、強制変位後、時間とともに応力緩和が生じ、出力変位が次第に減少し、強制変位を解いたときも、応力緩和による影響が逆方向に作用し、切換え時のオーバシュートとなり、再び、時間とともに応力緩和を呈する。そして、クリープ現象は、応力一定、すなわち荷重一定の場合には、応力が高いほど時間経過に伴う伸びによる変位が大きい。すなわち、伸びを一定にしたときは、応力が高いほど応力緩和が大きい。つまり図４では、ベース材のせん断応力が高いほど応力緩和が大きいことになる。
【００３１】
次に、本発明における温度補償について、従来の図１０に相当する構成を有する米国特許第5,345,519 号公報における温度補償の場合と比較して具体的に説明する。
米国特許第5,345,519 号公報の場合、図１２に示すように、ゲージ長Ｌ、反射部材となるワイヤ長Ｌw 、ギャップ長Ｄ、供試体５の線膨張係数Ｃhostおよびワイヤの線膨張係数Ｃwireにより、温度変化時のゲージ長Ｌの伸びＣhostＬを、次の数２であらわすことができる。
【００３２】
【数２】
ＣhostＬ＝ＣwireＬw ＋Ｃfiber （Ｌ−Ｌw −Ｄ）
または、
ＣhostＬ＝ＣwireＬw
数２が成立する前提となるのは、供試体のひずみが１００％伝達されることである。
【００３３】
実際には、シリカ製のスリーブ７の剛性が接着層に比較して大きい。そのため、供試体５に発生するひずみの１０％程度しかゲージに伝達されない場合もある。ひずみは、スリーブの剛性が高いほど、またゲージ長Ｌが短いほど、伝達されにくい。ちなみに、従来の金属箔を用いたひずみゲージは剛性が低く、供試体のひずみはほぼ１００％伝達される。
このように、供試体５からひずみゲージへのひずみの伝達が完全でない場合には、上述した数２では、ギャップ長Ｄを一定に保持することができず、次式のような修正が必要である。
【００３４】
【数３】
ＣhostＬη＝ＣwireＬw ＋Ｃfiber （Ｌ−Ｌw −Ｄ）
または
ＣhostＬη＝ＣwireＬw
なお、数３において、ηは、供試体５からセンシング部にひずみが伝達される際のひずみ伝達率である。
上述した考察を、本発明による光ファイバ式ひずみゲージに適用する場合について、図１を参照して説明する。
この場合、有効ゲージ長Ｌｅは、先に述べた数１に基づいて、下段の数４で表わすことができる。
【００３５】
【数４】
Ｌｅ＝Ｌ＋Ｌ1 ｛（１−η1 ）／２｝＋Ｌ2 ｛（１＋η2 ）／２｝
したがって、上記数４を適用し、光ファイバ１１およびスリーブ１２の線膨張係数をＣfiber とすると、温度補償が成立する条件を次の数５であらわすことができる。
【００３６】
【数５】
温度変化による各部の伸びを概念的につかむために、ここでは便宜的に、ベース材１４と供試体１５との接着部寸法Ｌ1 およびＬ2 におけるそれぞれのひずみ伝達率η1 およびη2 について、η1 ＝η2 ＝０とおくと、数６が得られる。
【００３７】
【数６】
Ｃwire ，Ｃhost＞ Ｃfiber
であり、光ファイバ１１およびスリーブ１２の線膨張係数Ｃfiber ＝０とおくと、数７が得られ、この数７により、各部の線膨張係数に対する有効長さを明確に特定することができる。
【００３８】
【数７】
［Ｌ＋｛（Ｌ１＋Ｌ２）／２｝］Ｃhost＝｛Ｌ1w−（Ｌ1 ／２）｝Ｃwire
したがって、反射部材１３のワイヤ部１３ａの材質および寸法を適宜選定することにより、該ワイヤ部１３ａの温度変化を利用して温度補償を実現することができる。
上述した本発明による光ファイバ式ひずみゲージの利点をまとめると次のようになる。
【００３９】
先に図４にて模式的に示した応力、変位、およびひずみ分布に基づき次のような利点があげられる。
(a) 反射部材１３と切り離してスリーブ１２を設け、さらにベース材１４と反射部材１３およびスリーブ１２の接着長さを短くすることにより、せん断応力の発生を小さく抑えることができる。このことにより、ベース材１４および接着層における粘弾性挙動、つまりクリープおよび応力緩和を低減することができる。さらに、ベース材１４および接着層において、せん断応力の応力緩和が発生しても、ギャップ長Ｇの変位は、相補的に作用し、負荷時の出力ドリフトおよびゼロ戻り特性を改善することが可能となる。
【００４０】
(b) 従来の光ファイバ式ひずみゲージと比較し、小さいせん断応力で大きな変位をギャップ部に伝達することができるため、感度が大きく、接合条件の不均一性に伴う感度のばらつきが少なくて済む。
(c) これらの改善により、非直線性（ＮＬ）、ヒステリシス特性（ＨＹＳ）等の特性が改善され、ひずみゲージの精度が向上する。
(d) さらに、反射部材１３のワイヤ部１３ａの材質および寸法を、予め適切に設定しておくことにより、有効に温度補償を行わせることができるため、光ファイバ式ひずみゲージの欠点である温度変化による影響を低減することができる。
【００４１】
図６は、上述した本発明の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみゲージを用いた光強度型のひずみ測定系の構成例を模式的に示しているが、干渉型のひずみ測定系にも上述とほぼ同様にして適用することができる。
図６に示す測定系は、図１に示したのと同様な光ファイバ式ひずみゲージ２１、マッチングオイル２２、光ファイバカプラ２３、発光ダイオード（ＬＥＤ）２４、フィルタ２５、光検出器（ＰＤ）２６，２７およびシグナルプロセッサ２８を具備している。
【００４２】
光ファイバ式ひずみゲージ２１は、図１に示した光ファイバ式ひずみゲージと同様の構成を有しており、反射部材のワイヤ部先端面により形成される反射部２１ａおよび該反射部２１ａとの間に所定間隙を存して対峙する光ファイバの先端面の準反射面により形成されるフィルタ部２１ｂを有する。すなわち、光ファイバ式ひずみゲージ２１は、光ファイバケーブルＦＣ１を介して光ファイバカプラ２３に接続されている。光ファイバ先端の準反射面に基づくフィルタ部２１ｂによって一部の波長成分λU が反射され、その他の波長成分、例えばλL 、は前記準反射面を通過して、反射部２１ａにより反射され、光ファイバに再入射する。光ファイバ式ひずみゲージ２１は、供試体に接着され、供試体のひずみを検出し、その変形に応じた信号を光ファイバに戻す。
【００４３】
マッチングオイル２２は、光ファイバケーブルＦＣ２を介して光ファイバカプラ２３に接続されており、光ファイバ端の反射を防ぐために用いる。
光ファイバカプラ２３は、いわゆる２×２のカプラであり、光ファイバケーブルＦＣ１およびＦＣ２をそれぞれ介して、光ファイバ式ひずみゲージ２１およびマッチングオイル２２に接続されている。光ファイバカプラ２３は、光ファイバ式ひずみゲージ２１が磁場または電磁場の影響を受ける場所に設置されている場合には、光ファイバケーブルＦＣ１によって距離が確保され、該磁場および電磁場の影響を受けない箇所に配置される。
【００４４】
また、光ファイバカプラ２３は、光ファイバケーブルＦＣ３およびＦＣ４をそれぞれ介して、発光ダイオード２４およびフィルタ２５に接続されている。この光ファイバカプラ２３は、発光ダイオード２４からの光を、光ファイバケーブルＦＣ１およびＦＣ２をそれぞれ介して、光ファイバ式ひずみゲージ２１に送り、この光ファイバ式ひずみゲージ２１から戻った光を、光ファイバケーブルＦＣ４を介してフィルタ２５に返す。
発光ダイオード２４は、投光部を構成し、光ファイバケーブルＦＣ３を介して光ファイバカプラ２３に送出する。発光ダイオード２４から送信された光は、光ファイバカプラ２３より、光ファイバケーブルＦＣ１およびＦＣ２をそれぞれ介して、光ファイバ式ひずみゲージ２１に送られる。
【００４５】
フィルタ２５は、光ファイバカプラ２３から光ファイバケーブルＦＣ４を介して光ファイバ先端の準反射面に基づくフィルタ部２１ｂによって反射された波長成分λU（参照光）を第１の光検出器２６に与え、反射部２１ａにより反射された波長成分λL（信号光）を第２の光検出器２７に与える。
光検出器２６および２７は、それぞれ波長成分λU およびλL を検出してシグナルプロセッサ２８に与える。シグナルプロセッサ２８は、光検出器２６および２７の出力を解析して、光ファイバ式ひずみゲージ２１により検出されたひずみであるギャップＧの変化を算出する。
【００４６】
このような構成において、先に述べたように、光ファイバ式ひずみゲージ２１は、ベース材、スリーブ等の剛性による粘弾性特性の影響の少ない正確なひずみ計測値を得ることができ、さらに、それ自体で適切な温度補償も施こされる。したがって、従来の光ファイバ式ひずみゲージでは得られないような高精度のひずみ計測が可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１の光ファイバ式ひずみゲージによれば、一端が投光および受光部に結合された光ファイバの外径よりも大なる内径を有するスリーブの一端開口部に前記光ファイバの他端部を挿入するとともに、当該スリーブの開口端を前記光ファイバの他端部から所定の寸法の箇所において該光ファイバに封止して、他端開口部が前記光ファイバの他端部より所定寸法延出するように設定し、反射部材に、前記光ファイバとほぼ同一で且つ前記スリーブの内径よりも小さな外径を有し且つ先端に反射面を形成して突設した小径のワイヤ部の先端を前記スリーブ内に挿入し、前記反射面を前記光ファイバの他端面に所定のギャップを存して対峙させて、前記スリーブと前記反射部材とをベース材に固着支持させ、該ベース材を供試体に接着して用いることにより、スリーブおよびその接着部の剛性によるせん断応力が低く抑えられ、接合条件による感度のばらつきや負荷時における出力のドリフトが少なく、ゼロ戻り、直線性等の精度も向上すると共に、ひずみ伝達のロスが少なく、接着に係る作業性も良好で、高精度を得ることができ、しかも構成も簡単な光ファイバ式ひずみゲージを提供することができる。
【００４８】
本発明の請求項２による光ファイバ式ひずみゲージによれば、前記スリーブおよび反射部材との固着部を含む周縁部分を残し、前記ベース材の中央部が切欠された環状に形成され、前記ベース材に対する前記スリーブおよび反射部材と固着部との接合部寸法を容易に統一化することができ、しかも前記ベース材に起因するせん断応力を一層低減することができるので、特に、接着に係る作業性に優れ、確実に高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することができる。
【００４９】
本発明の請求項３による光ファイバ式ひずみゲージによれば、前記反射部材の材料および寸法の少なくとも一方を、前記供試体と前記ベース材との間の接着部におけるひずみ伝達率および前記光ファイバ他端面の相対位置の温度依存性を考慮して適宜設定することにより、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存する変動を相殺して、温度依存性を低減し、種々の環境条件およびその変動に対して、常に高精度を維持させることができるので、特に、温度変化の著しい環境下においても、高精度を得ることができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の光ファイバ式ひずみゲージの上面および側面から見た構成を模式的に示す説明図である。
【図３】図１の光ファイバ式ひずみゲージの動作を説明するための模式図である。
【図４】図１の光ファイバ式ひずみゲージ(a) を従来の光ファイバ式ひずみゲージ(b) と比較して説明するための特性図である。
【図５】図１の光ファイバ式ひずみゲージにおける応力緩和によるドリフト特性を説明するための特性とクリープ特性図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみゲージを用いた測定系の構成を模式的に示すブロック図である。
【図７】従来の抵抗体ひずみゲージの構成を模式的に示す断面図である。
【図８】従来の抵抗体ひずみゲージの作用を説明するための模式図である。
【図９】従来の光ファイバ式ひずみゲージの構成の一例を模式的に示す図である。
【図１０】従来の光ファイバ式ひずみゲージの構成の他の一例を模式的に示す図である。
【図１１】従来の光ファイバ式ひずみゲージの構成のその他の一例を模式的に示す図である。
【図１２】従来の光ファイバ式ひずみゲージにおける温度補償を説明するための図である。
【符号の説明】
１１ 光ファイバ
１２ スリーブ
１３ 反射部材
１３ａ ワイヤ部
１４ ベース材
１４ａ 開口部
１５ 供試体
２１ 光ファイバ式ひずみゲージ
２２ マッチングオイル
２３ 光ファイバカプラ
２４ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
２５ フィルタ
２６，２７ 光検出器
２８ シグナルプロセッサ
Claims (3)
- 一端が投光および受光部に結合された光ファイバと、
前記光ファイバの外径よりも大なる内径を有し、一端開口部に前記光ファイバの他端部を挿入するとともに、当該開口端を前記光ファイバの他端部から所定の寸法の箇所において該光ファイバに封着し、他端開口部が前記光ファイバの他端部より所定寸法延出するスリーブと、
前記光ファイバとほぼ同一で且つ前記スリーブの内径よりも小さな外径を有する小径のワイヤ部が突設され、該ワイヤ部の先端に反射面を形成してなる反射部材と、
前記ワイヤ部の先端を前記スリーブ内に挿入し、前記反射面を前記光ファイバの他端面に所定のギャップを存して対峙させた状態で前記ファイバに封着された前記スリーブと前記反射部材とをそれぞれ一面側に固着支持するとともに、他面側が供試体に接着されるベース材と、
を具備することを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。 - 前記ベース材は、前記スリーブおよび反射部材との固着部を含む周縁部分を残し、中央部が切欠された環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ式ひずみゲージ。
- 前記反射部材は、前記供試体と前記ベース材との間の接着部におけるひずみ伝達率および前記光ファイバ他端面との相対位置の温度依存性を考慮して、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存する変動が相殺されるように、材料および寸法の少なくとも一方を設定してなることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ式ひずみゲージ。
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