JP3648454B2 - 光ファイバ・ブラッグ・グレーティングを備えたひずみセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明はひずみセンサに関し、特に光ファイバ・ブラッグ・グレーティングをひずみ検出素子として組み込んだ多素子ひずみセンサに関する。
【０００２】
ひずみローゼットは周知の多素子ひずみセンサであり、機械的試験に幅広く使用されている。ひずみローゼットは一般的に、共通基板上に装着された２つまたは３つの非共線ひずみ計を含む。ひずみ計は一般的に相互に４５°または６０°に配置され、それぞれ矩形またはデルタ・ローゼットを形成する。
【０００３】
ひずみローゼットは表面に装着するか、または構造物内に埋め込み、ひずみ場（strain field）に関する様々な情報を提供するために使用することができる。例えば、ひずみローゼットは、主軸に沿ったひずみ成分およびそれに直角なひずみ成分を測定するため、および主軸の方向が未知である場合にはそれを決定するために、使用することができる。
【０００４】
従来、ひずみローゼットは一般的に、それらのひずみ検出素子として３つの電気ひずみ計（例えば抵抗ひずみ計）を使用してきた。周知の矩形ひずみローゼットを図１に図式的に示す。これは、相互に４５°に配置された３つの抵抗ひずみ計Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を含む。ひずみ計は、取扱いを容易にするため、およびそれらの相互の方向付けを維持するために、実質的に平面の共通基板上に装着される。最適結果のために、個々のひずみ計は一箇所にできるだけ近接して配置される。各センサに別個の電気接続が必要である。
【０００５】
ファイバ・ブラッグ・グレーティングはよく知られており、電気センサの代替物として温度センサまたはひずみ計として使用することができ、多数の利点を提供する。ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）および検出素子としてのその使用は、Ｄｕｎｐｈｙらの「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｓ： Ａ Ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｆｏｒ Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」の１０章のＦｉｂｒｅ
Ｏｐｔｉｃ Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ（Ｅｒｉｃ Ｕｄｄ編集、１９９５年、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， Ｉｎｃ．出版、ＩＳＢＮ ０−４７１−５５４４８−０）に記載されている。
【０００６】
典型的なＦＢＧを図２（ａ）に図式的に示す。ＦＢＧは、コア２１がコアよる低い屈折率を有するクラッド材２２によって取り囲まれている、ある長さの光ファイバで形成される。光ファイバは一般的に単一モード・ファイバ（モノ・モード）であり、コアの直径は、選択された光源に対して、光がコアに沿って単一モードだけで伝搬できるように充分に小さい。単一モードは、実質的にコア／クラッド境界によって誘導される。グレーティングの「線」１１は、コアの屈折率Ｎcの一連の規則的な間隔の摂動である。グレーティングはファイバの長さＬに沿って伸長し、ここでＬは一般的に１ｍｍから２０ｍｍの範囲であり、ＦＢＧの長手軸Ｚに沿ったコアの屈折率の変動を、図２（ｂ）に示す。ＦＢＧを生成するために、様々な技術を使用することができる。これらの技術の１つでは、位相マスクでファイバをマスキングし、それを強い紫外光にさらすことによって、コアに屈折率の摂動を形成する。別の技術では、２つの交差する半値ＵＶレーザ・ビームによって生じる干渉パターンにファイバをさらすことによって、屈折率の摂動を形成する。屈折率の摂動の間隔Ｘは、２つの半値ビームが交差する角度によって決定される。これらの技術によって生成されるコア屈折率の摂動は一般的に、１０００分の１またはそれ以下という程度である。
【０００７】
ＦＢＧを生成するために使用される光ファイバは一般的に、クラッドの外側に保護被覆を有する。ファイバをＵＶ光にさらしてグレーティングを形成する前に、保護被覆を除去する。露光後、ファイバのむき出し部分を再被覆して、その耐久性を回復する。
【０００８】
ＦＢＧに入力信号として広いスペクトルの光が入力されると、大部分の波長はグレーティング領域を通過し、透過出力信号８２を形成する。しかし、周期的な屈折率の摂動は、入力信号のうち波長λbつまりブラッグ波長を有する成分の強いブラッグ反射を生じる。ここで、
λ_b＝２ＸＮ_c
である。したがって、回転可能な検出器を使用して、反射信号のピークまたは透過信号のトラフを見つけることができる。したがってピークまたはトラフを発生する波長は、グレーティングの線間隔Ｘの指標になる。
【０００９】
ＦＢＧは長手方向のひずみを加えられると、間隔Ｘが変化し、したがってブラッグ波長にずれが発生する。適正な概算で、ブラッグ波長は、長手軸に沿ったひずみに比例する。好都合なことに、グレーティング・センサは本質的に、長手軸に整列しないひずみ場の効果を拒絶する傾向がある。
【００１０】
好都合なことに、ひずみはブラッグ波長を測定することによって決定されるので、測定値は、入力光の強度のゆらぎによって影響されない。
【００１１】
ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、光ファイバ・センサに関連付けられるその他の利点を提供する。例えば、それは電磁干渉が起こりにくく、軽量かつ小型であり、高い温度耐性および放射耐性を示し、厳しい環境でも耐久性がある。
【００１２】
３つの分離したＦＢＧをひずみ検出素子として使用する光ファイバひずみローゼットは周知であり、そこでは各ＦＢＧが、他のＦＢＧのものとは別個の、それ自体の入力および出力ファイバを有する。検出領域は適切に小型であるかもしれないが（つまりＦＢＧは一箇所に近接して配置される）、３組の関連ファイバは不都合である。
【００１３】
各々のＦＢＧアレイを１つづつ個別に接続するのではなく、その代わりに、それらの公称ブラッグ波長が充分に異なることを前提として、それらを直列に接続することが知られている。１つのそのような構成を、図３に図式的に示す。ここでは、光源７０が信号を出力し、その一部分８０が、双方向カプラＣを介して、一列のファイバ・ブラッグ・フレ１Ａ、１Ｂ、１Ｃに入力される。３つのＦＢＧはそれぞれ異なる公称ブラッグ波長λBA、λBB、およびλBCを有し、カプラに戻る反射信号８１は基本的に、これらの３つの波長の光だけで構成される。反射信号８１の一部分は、カプラＣを介して光検出器７１に入力される。この例では、光源７０は広帯域光源であり、光検出器７１は回転可能な狭帯域検出器である。したがって、検出器が波長の範囲全体を走査すると、３つのブラッグ波長に対応する強度のピークが検出され、したがって各ＦＢＧが経験したひずみを決定することができる。こうして、図３では、ファイバ・ブラッグ・グレーティングは多重化される。
【００１４】
代替構成で、回転可能な狭帯域光源を広帯域光検出器と共同して使用して、ブラッグ波長を測定することができることは、理解されるであろう。
【００１５】
直列に接続されたファイバ・ブラッグ・グレーティングを組み込んだひずみローゼットは周知であり、一例を図４に図式的に示す。ここで、ひずみローゼットの光ファイバ構成要素は、第１ファイバ・ブラッグ・グレーティング１Ａに接続された入力部分５０を含む単一の連続ファイバから形成される。第１ファイバ・ブラッグ・グレーティングは接続ループ６によって第２ＦＢＧ１Ｂに接続され、これが今度は第２ループ６によって第３ＦＢＧ１Ｃに接続される。ＦＢＧは公称軸に対して０°、４５°、および９０°に配置され、ローゼットは薄膜の封止材９に封止される。光ファイバの厚さは、図では、分かりやすくするために誇張されている。
【００１６】
３つのＦＢＧは一箇所に近接して配置され、小型の検出部を形成するが、ローゼットの全体的なサイズは、ループ状に形成されたファイバ６のために、結果的にかなり大きくなる。ローゼットの全体的なサイズを最小限にするために、ループをできるだけ小さくすることが望ましいが、最小曲げ半径は、有意の曲げ損失を避けるのに充分な大きさでなければならない。最高２００μｍまでのクラッド径を有する典型的な光ファイバの場合、損失の無い最小曲げ半径は約１ｃｍである。こうして、この大きい最小曲げ半径のために、多重化ＦＢＧセンサを必要な形態に構成すると、結果的に大きく扱いにくい装置になる。
【００１７】
多重化ＦＢＧから形成されるデルタ・ローゼットもまた周知であり、例えばＡｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ誌１９９７年１２月２０日付第３６巻第３６号ＰＰ９４３７−９４４７のＳ．Ｍａｇｎｅらの「Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｓｔｒａｉｎ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｒｏｓｅｔｔｅｓ」に記載されている。これらのデルタ・ローゼットの１つの例を図５に図式的に示す。３つのＦＢＧつまり１Ａ、１Ｂ、１Ｃが、接続ファイバ６の長さに形成された２つのループＬによって直列に接続され、ＦＢＧは相互に６０°に配置される。再び、接続ループＬの最小サイズはファイバの最小曲げ半径によって決定され、結果的に約８ｃｍのサイズを有するローゼットになる。
【００１８】
こうして、ＦＢＧの相互配置はローゼットの設計および機能によって決定され、ファイバ６の接続部分は、大まかに１つのＦＢＧの端から別のＦＢＧの「入力」端につなげなければならない。光ファイバの接続部分は、かなりの損失を導入することなく１ｃｍ未満の半径に曲げることができないという事実は、従来、接続部分の構成に対する重大な制約であり、これは次に、数センチメートル平方より小さい実用的ＦＢＧひずみローゼットの製造が不可能であることを意味してきた。
【００１９】
明らかに、特にセンサが構造物内に埋め込まれる適用分野のために、ＦＢＧひずみローゼットを含む、より小型の多素子ひずみセンサを製造することが望ましい。例えば、より小型委の装置は、構造物の強度を犠牲にすることなく、組み込むことができる。
【００２０】
本発明の第一態様にしたがって、
第１および第２ファイバ・ブラッグ・グレーティングと、前記グレーティングを直列に接続するある長さの接続長部を有する光ファイバとを含み、各グレーティングが実質的にまっすぐであり、前記２つのグレーティングが非平行であり、異なる公称ブラッグ波長を持ち、前記接続長部の光ファイバが曲げを有している、ひずみセンサにおいて、
前記接続長部の一部分にテーパが付けられ、前記テーパ付き部分が縮小断面積を有する細長いくびれ部分を含み、かつ
前記曲げが前記くびれ部分に形成されることを特徴とするひずみセンサを提供する。
【００２１】
こうして、ＦＢＧは多重化され、実質的にまっすぐであるので、それぞれの長手軸に沿ったひずみの成分のみに応答する。それらはひずみの様々な成分に応答するように非平行に配置され、ひずみローゼットの一部として、例えば実質的に共通平面内に相互に６０°、４５°、または９０°の角度で配置することができる。
【００２２】
従来のＦＢＧひずみセンサとは異なり、接続長部の光ファイバはテーパ付き部分を含む。光ファイバにテーパを付けるのは周知の工程であり、一般的にファイバの一部分を火炎で加熱し、次いでその部分を引き延ばすか引っ張って、縮小断面積のテーパくびれまたは頚部を形成することを含む。一般的に、テーパくびれは実質的に均等な断面積で細長く伸び、断面積の減少が発生するファイバの領域はテーパ遷移部分として知られる。つまり、テーパ付き部分は一般的に２つのテーパ遷移部分およびテーパくびれ部分を含み、テーパ遷移部分はテーパくびれをファイバの非テーパ付き部分に接続する。
【００２３】
本発明は、テーパくびれ部分が非テーパ付きファイバより小さい半径で損失なく曲げることができる、という事実を利用する。こうして、１つのグレーティングから他のグレーティングへの接続長部のファイバの経路選択を、実質的にテーパくびれ部分に形成された曲げによって達成することができ、最小曲げ半径の低下により、経路選択に対する制約が少くなる。
【００２４】
要するに、接続長部にテーパ付き部分を使用し、テーパくびれに１０ｍｍ未満の半径の曲げを形成することによって、１つのＦＢＧから次のＦＢＧへの接続長部の経路をより直接にすることができ、装置のサイズを縮小することが可能になる。
【００２５】
一般的に、テーパくびれ部分の断面積が小さければ小さいほど、最小許容曲率半径が小さくなり、したがって接続をより直接的にすることができる。しかし、希望する波長の光を装置に沿って伝搬することを可能にするためには、テーパくびれ部分の断面を充分に大きくしなければならない。
【００２６】
ひずみセンサを含む検出装置は、グレーティングから反射してファイバの入力長を戻る光を検出するように配置された光検出器を使用することができ、または代替的に、グレーティングを透過し、第２ＦＢＧの端に接続されたファイバの出力長に沿って出力される光を測定するように配置することができる。
【００２７】
ひずみセンサは、第１および第２ＦＢＧと直列に接続された追加ＦＢＧを含むことができ、各接続長部のファイバにテーパ付き部分を組み込むことができる。
【００２８】
くびれ部分の最小許容曲げ半径は曲げ部分の断面積によって異なり、例えば２０ミクロン以下のテーパくびれ直径の場合、最小曲げ半径はわずか１ｍｍにすることができる。
【００２９】
本発明は、小型であると共に最小限の数のファイバ・リードを有する光ファイバひずみローゼット（光ファイバ・センサの利点を兼ね備えた）の構造を可能にする。
【００３０】
好都合なことに、接続長部は単一モード光ファイバで形成することができ、くびれの縮小断面積は、非テーパ付き単一モード・ファイバの公称断面積の半分未満にすることができる。
【００３１】
接続長部の両端は、単一モードファイバの非テーパ付部分を含むことができ、上述の通り、単一モード（モノ・モードとしても知られる）ファイバは、コアより低い屈折率を有するクラッド材のシースによって包囲されたコアを含む。コアは一般的に、基本モードだけが非テーパ付きファイバを伝搬できるように充分に小さい直径の円形である。この基本モードは、コアとクラッドの境界によって非テーパ付きファイバ内を誘導される。コア径は一般的に１５ミクロンより小さいが、他のサイズも知られている。くびれ部分の断面積を少なくとも２分の１に縮小すると、基本モードは実際にはテーパくびれのコア材とクラッド材の界面によって閉じ込めて誘導することが、もうできなくなる。この状況では、基本モードは、テーパくびれを伝搬していくときに、クラッド材の外部境界（一般的に封止材もしくは注封材または空気との界面）によって誘導され、コアはもはや役割を果たさなくなる。最初、基本モードは、ファイバのコアによって誘導され、ファイバの非テーパ付き部分に沿って伝搬する。テーパ遷移領域に入ると、それは徐々に減少するコアの断面積に遭遇する。コアが小さすぎて基本モードを誘導できない地点に達し、次いで基本モードは「包囲突破（break out）」して、クラッドの外部境界によって誘導される。つまり伝搬する光の場が今やくびれの断面全体に及ぶ。
【００３２】
隔離された単一モード・ファイバの充分にテーパを付けた領域は、以前にはコアとクラッドの境界によって弱く閉じ込められていた基本モードが、テーパ付き領域ではクラッドと空気の境界によって強く閉じ込められるので、非テーパ付きファイバより曲げ損失を受けにくいことが知られている。例えば、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌１９９１年１２月５日付第２７巻第２５号ＰＰ２３３４−２３３５のＯａｋｌｅｙらの論文「Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｏｏｐ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ」に、非テーパ付きファイバが１０ミクロンのコア径と、１２５ミクロンのクラッド径と、１２５０ナノメートルの遮断波長とを有しており、当初３０ミクロンと報告されたテーパくびれのクラッド径で、単一モード・ファイバのテーパ付きくびれ領域に、測定可能な損失（つまり、この例の場合には０．０５ｄＢ未満）を導入することなく、直径１．５ｍｍの曲げを形成することができることが報告されている。テーパくびれの真のクラッド径は、後日発表された訂正で報告された通り、実際は１５ミクロンであった。対照的に、低損失と両立する非テーパ付きファイバの最小曲げ直径は、約４ｃｍであった。
【００３３】
本発明の実施形態で、テーパ遷移領域で入力ファイバ・コアからの入力基本モード場の分離を充分に保証するように光ファイバを引き伸ばすことによって、テーパくびれ部分に、無視できる追加損失で、急な曲げを組み込むことができることが突き止められた。一般的に、テーパくびれの直径が小さければ小さいほど、許容できない損失を導入することなく、きつい曲げを達成することができる。好都合なことに、テーパくびれ部分は５０ミクロン未満の直径を持つことができる。
【００３４】
好ましくは、テーパくびれ部分は３０ミクロンまたはそれ以下の「直径」を持つことができる。一般的に、テーパくびれの直径が小さければ小さいほど、許容できない損失を導入することなく、よりきつい曲げを達成することができる。しかし、最小直径は、くびれで誘導しようと意図する光の波長によって決定される。
【００３５】
単一モード・ファイバのテーパ付き領域を接続長部として使用して、接続長部はＦＢＧの間を、２ｍｍまたはそれ以下の半径のくびれの曲げによってつなぐことができ、したがって、装置の全体的サイズを、従来の構成に比較して著しく縮小することができる。
【００３６】
好都合なことに、接続長部は、クラッド材によって包囲されたコアを有する光ファイバから形成することができ、クラッド材はある屈折率を有し、テーパ部分はクラッド材の屈折率より低い屈折率を有する第１媒体の第１本体（body）内に収容することができ、この第１本体はテーパ付部分の表面に直接接触する。
【００３７】
そのような媒体にテーパ付き部分を収容することにより、くびれにおける光の強い誘導が維持され、相当の損失を生じることなく、急な曲げを形成することが可能になる。収容はくびれ部分を妨害や汚染からも保護し、また第１本体を収容する第２ボディへの適正な接着を達成することができる。
【００３８】
第１本体は、テーパ付き部分の表面を覆うコーティングとすることができる。
【００３９】
第１本体は、くびれ部分全体に沿って伸長することができ、テーパ遷移部分を完全または部分的に覆うか、被覆するか、または封止することができる。
【００４０】
第１本体は、透明なシリコーン・ゴムの本体であることが好ましい。この材料はくびれに強い光誘導を維持するのに充分低い屈折率を持ち、結果的に、曲げたくびれに余分な損失を生じない。シリコーン・ゴムはくびれ部分を保護し、曲げたくびれに著しいひずみを伝達させない。したがって可撓性シリコーン・ゴムは、センサが監視しているひずみのために、曲げたテーパくびれ部分の損失が受け入れられないほど増加するのを防止する。
【００４１】
ひずみセンサはさらに、第１媒体と同一または異なる第２媒体の第２本体に収容（封止）することができる。第２媒体は、ブラッグ・グレーティングにひずみを伝達することができる、エポキシ樹脂などの実質的に剛性材料の本体であることが好ましい。
【００４２】
接続長部のくびれ部分で光のいっそう強い誘導を達成するため、本発明の特定の実施形態では、ファイバ・ブラッグ・グレーティングおよび接続長部を収容する封止体内に、テーパくびれ部分を包囲するガス層またはガス・ポケットを捕獲する。ポケットは、テーパ付き部分を完全に包囲するように伸長することができる。光はくびれ部分のクラッド材とガスとの界面によって強く誘導され、無損失曲げを形成することができる。ガスは例えば空気とすることができ、かつ／またはポケットが本質的に真空を内包するように低圧とすることができる。
【００４３】
テーパ部分の周囲にガス・ポケットを捕獲し易くするために、センサは、テーパ付き部分を包囲しそれに沿って伸長する管状スリーブを含むことができる。スリーブは、ＦＢＧおよび／または接続長部の非テーパ付き部分まで伸長し、それと緩い封着を形成することができ、装置が封止（注封）される構成で、スリーブは封止材がテーパくびれ部分に接触するのを防止することができる。
【００４４】
代替実施形態では、テーパ付き部分の周囲の注封材に気泡が形成される。
【００４５】
損失を最小にするために、第１および第２ＦＢＧならびに接続長部は、連続した単一の光ファイバで形成することができ、これは単一モード・ファイバとすることができる。
【００４６】
センサは、くびれ部分を被覆または封止し、したがってくびれ部分の表面と接触するシリコーン・ゴム（透明）の本体を含み、剛性材料の本体がシリコーン・ゴムの本体およびフバグレーティングの両方を封止することが好ましい。したがって、剛性材料はブラッグ・グレーティングの表面と接触するが、テーパくびれ部分の表面からはシリコーン・ゴムによって分離される。
【００４７】
センサ（つまり剛性封止体）に加えられたひずみは、こうしてファイバ・ブラッグ・グレーティングに伝達することができるが、シリコーン・ゴムの可撓性封止／被覆体のため、曲げくびれ部分には伝達されない。
【００４８】
センサは２つの剛板を含み、その間にＦＢＧおよび接続長部をサンドイッチ状に挟み込むことが好ましい。ＦＢＧだけを板に接着し、テーパくびれ部分は支承しないことが望ましい。こうして、板に加えられたひずみはＦＢＧに伝達することができるが、曲げられたテーパ付接続長部には伝達できない。こうして、ひずみがセンサに加えられたときに、曲げまたは各曲げにおける損失の増加を防止するか、または少なくとも微小にすることができる。
【００４９】
板はＦＢＧと密着し、つまり、板の間隔は基本的にちょうどＦＢＧの直径であることが好ましい。次いで、少量の接着剤を使用してＦＢＧを板に接着することができる。板が最小可能な距離（ＦＢＧの直径によって設定される）だけ分離される場合でも、縮小された直径を有するテーパくびれ部分は板によって捕獲されず、空中で支承されずに残され、光誘導を向上することができる。こうして、センサは積層構造を持つことができる。
【００５０】
以下、本発明の実施形態を添付の図面に基づいて説明する。
【００５１】
今、図６を参照すると、この例では３つのＦＢＧ１Ａ、１Ｂ、１Ｃが、光ファイバの接続長部６ａ，６ｂによって直列に接続される。接続長部は、テーパ部分のくびれ部分に形成された１０ｍｍ未満の半径の曲げＢを組み込む。ＦＢＧは公称軸に対し０°、４５°および９０°に配置されるが、接続長部の急な曲げにより、ＦＢＧ間の経路を先行技術の構成より直接的にすることが可能になる。大径のループが不要である。
【００５２】
図７は、図６の実施形態をさらに詳しく図式的に示す。ＦＢＧおよび接続長部は、損失を最小限にするために、連続した単一長の単一モード・ファイバで構成される（つまり、継手や継ぎ目が無い）。各接続長部は、テーパ遷移部分６１およびくびれ部分６２から成るテーパ付き部分を含む。くびれ部分の断面積は、単一モードの光がくびれの残留コアによって事実上誘導できないように、充分に縮小されている。コアは、テーパ遷移部分全体にわたって断面積６１１を縮小する。
【００５３】
今、図８を参照すると、この図は本発明の様々な実施形態を図式的に示す。各々の事例で、ＦＢＧ１Ａ、１Ｂ、１Ｃを接続する光ファイバの接続長部６はテーパ付き部分を含み、テーパ付き部分のくびれには曲げＢが形成され、曲げは１０ｍｍ未満の最小曲率半径を有する。
【００５４】
図８ａは、矩形のひずみローゼットを示し、３つのＦＢＧは３つの曲げによって接続される。
【００５５】
図８ｂは、３つのＦＢＧが２つの曲げによって接続された、いわゆるデルタ・ローゼットを示す。
【００５６】
図８ｃは、単一の曲げＢによって接続され、相互に実質的に９０°に配置された２つのＦＢＧを組み込んだひずみセンサの一部分を示す。
【００５７】
図８ｄは、薄いＦＢＧが相互の上に９０°に交差して配置され、２つの曲げＢを組み込んだ接続長部６によって接続された、名目上平面的なひずみセンサを示す。ＦＢＧをこのように重ね合わせることによって、センサのサイズはさらに縮小される。ＦＢＧを含むファイバの直径は小さいので、交差したＦＢＧを薄膜内に注封して、扱いやすい、事実上二次元のひずみセンサを形成することができる。
【００５８】
図８ｅは、接続長部のくびれに形成された曲げＢが、実質的に１０ｍｍ未満の曲率半径を有する事実上小さいループである実施形態を示す。
【００５９】
図８ｆ、ｇ、およびｈは、本発明を具体化する３素子ひずみローゼットの代替的構成を示す。
【００６０】
図９は、本発明を具体化するセンサの一部分を詳細に示す。この概略図では、ファイバの直径は解説のために誇張されている。この例では、２つのＦＢＧ１Ａ、Ｂおよび接続長部が、クラッド２２によって包囲されたコア２１を有する、単一連続長の光ファイバで形成される。第１ＦＢＧ１Ａの一端で、ファイバはテーパ遷移部分６１、６１１全体にわたって、ほぼ一定の断面積のテーパくびれ部分６２まで漸減する。くびれ部分の第２端で、ファイバは第２ＦＢＧ１Ｂの一端に接続する第２テーパ遷移部分全体にわたってテーパが付けられる。
【００６１】
こうして、この例では、接続長部は完全にテーパ付き部分６１、６１１、６２で構成される。接続長部の境界は、破線Ｄ１によって示される。テーパ遷移部分内で、コア２１は、それがくびれ部分で光の誘導に有意の役割を果たさなくなる程度まで漸減する。
【００６２】
可撓性管状スリーブ７は、テーパ部分の全長にわたって取り囲み、伸長する。空気のポケットまたは層が管７の内側に捕獲され、したがってその全長にわたって、テーパ付き部分が、低屈折率を有するガスによって被覆される。１つのＦＢＧから次のＦＢＧまでテーパ付き部分に沿って伝搬する光は、クラッド材と空気の界面によって強く閉じ込められて誘導され、テーパ付き部分をガスによって包囲するように構成するので、テーパくびれ部分のきつい曲げさえも、損失無く形成することができる。
【００６３】
この例では、くびれ部分６２は管７の内側に接触しないが、他の実施形態では、多少の接触が受け入れられる。
【００６４】
図９の実施形態は、管７をテーパ付き部分全体に滑動させ、次いで薄膜の封止材であってクラッド２２より低い屈折率を持つように選択された封止材内に装置を封止（注封または収容としても知られる）することによって形成されている。封止材９はＦＢＧに直接接触するが、テーパ付き部分への接触は管７および捕獲された空気によって防止される。明らかに、硬化前の封止材の粘度が充分に高い場合には、管７は、ＦＢＧに対して適正な封着を形成する必要なく、テーパ部分を包囲する領域から材料を排除することができる。
【００６５】
今、図１０を参照すると、この実施形態では、接続長部およびＦＢＧはある長さの単一モード光ファイバで形成される。接続長部は、くびれ部分６２によって接続される２つのテーパ遷移部分６１、６１１から成るテーパ付き部分の両側の、その両端にあるファイバの２つの非テーパ付き部分６３から成る。接続長部をＦＢＧの間に経路選択するために、くびれ部分６２に単一の曲げＢが形成され、この曲げは２ｍｍ未満の最小半径を有する。
【００６６】
くびれ部分６２およびテーパ遷移部分の一部は、クラッド材２２より低い屈折率を持つ材料３０で被覆される。この例では、被覆はテーパ付き部分を完全には覆わず、その表面６５の一部分は被覆されない。
【００６７】
被覆はテーパくびれを保護し、強い光誘導を維持し、曲げ損失を最小にする。
【００６８】
センサはまた、適切な材料の層または膜内に注封して、ＦＢＧの相対位置を固定し、取り扱いを容易にすることもできる。
【００６９】
図１１は、本発明を具体化し、デルタ構成で相互に対して６０°に配置された３つのＦＢＧを備えたひずみローゼットを示す。単一長のファイバ５０は、直列に接続されたセンサへの入力リードおよびそこからの出力リードとして作用する。ＦＢＧ間の経路選択は、接続長部のテーパ付きくびれ部分６２における２つの曲げＢによって達成され、接続長部の全長は、クラッド２２より低い屈折率を有する材料３０で封止される。この例では、接続長部の封止は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング自体の一部分を覆うように伸長する。
【００７０】
第３ファイバ・ブラッグ・グレーティング１Ｃの一端に、非反射吸収面が設けられている。この終端面は、入力／出力ファイバ５０内を戻る唯一の光が、グレーティングによって反射されるその特性ブラッグ波長の光であることを確実にする。ファイバ・ブラッグ・グレーティング列の一端に非反射終端手段を組み込むことによって、装置のファイバ・リードの数が最小化される。
【００７１】
センサの光ファイバ構成要素はさらに、適切な材料の薄膜９内に収容される。薄膜材は硬化したときに実質的に剛性であり、ひずみをＦＢＧに伝達し、クラッド材２２のそれより低い屈折率を持つ。
【００７２】
図１２の実施形態では、材料９の単一の本体が、ＦＢＧおよび接続長部のテーパ付き部分を封止し、それらの表面と直接接触する。
【００７３】
今、図１３を見ると、この実施形態には、その幅全体にわたって均等な連続長の光ファイバに沿って２つのＦＢＧ１ａ、１ｂが直列に形成されている。つまり、それは別個のクラッドを持たない。破線Ｄ１によって境界づけられることが示される接続長部は、テーパ遷移部６１およびくびれ部６２から成るテーパ付き部分を含む。くびれ部分は半径１ｍｍの曲げＢを含み、ループとして形成される。テーパ付き部分全体は、注封材９の内側に補足されたガスのポケット内に封止される。ガス・ポケットは、注封工程中に封止材９がテーパ部分と接触するのを防止する閉囲構造７１によって閉囲される。
【００７４】
図１４は、光ファイバの入力部分５０および出力部分５２を含む、本発明によるひずみローゼットを示す。光ファイバは単一モード・ファイバであり、ファイバのテーパ付部分のくびれ部分６２にＦＢＧ１ａ、１ｂ、１ｃが形成される。さらに、くびれ部分はＦＢＧを接続し、半径１ｍｍ未満の曲げを組み込んでいる。ＦＢＧをくびれ部分に形成することにより、ローゼットのサイズを、従来の構成に比較して、劇的に縮小することができる。ローゼットは、適切な材料９で封止される。
【００７５】
図１５は、実質的にまっすぐなファイバ・ブラッグ・グレーティング１ａ、１ｂが相互に対して角度θで配置され、材料９の薄膜内に収容された、さらなる実施形態を示す。ＦＢＧは連続長の光ファイバに形成され、破線Ｄ１によって境界づけられる接続長部は、１ｃｍもの最小半径を有する曲線状に配置された非テーパ付き部分６３を含む。Ｄ２によって境界づけられる接続長部のテーパ付き部分は、くびれ部６２に２つの急な曲げＢを組み込み、ＦＢＧ間の接続長部の経路選択は、実質的に曲げＢによって達成される。接続長部のテーパ付き部分６１、６２全体が、封止材９に形成された気泡内に閉囲される。
【００７６】
図１６は、本発明の実施形態による矩形の３素子ひずみローゼットを示す。第１および第２ＦＢＧ１ａ、１ｂは、２つのテーパ付き部分６１と６２の間の非テーパ付き部分６３を含む接続長部によって接続される。非テーパ付き部分６３は実質的にまっすぐであり、曲げはテーパくびれ部分６２に形成され、テーパ遷移部分は、硬化したときに実質的に可撓性であって構成光ファイバより低い屈折率を持つ材料９１で封止される。第２接続長部は第２および第３ＦＢＧを接続し、これも可撓性材料９１で封止される。装置の周囲に実質的に剛性の薄膜９が形成され、ＦＢＧおよび可撓性の封止部分９１の外部表面と直接接触する。実質的に剛性の材料９はひずみをＦＢＧに伝達することができ、可撓性部分９１はテーパ付き部分にある程度のひずみの軽減をもたらす。また可撓性材料９１は、剛性封止材から得られるより低い屈折率を持つことができる。
【００７７】
この例では、可撓性材料は透明なシリコーン・ゴムである。この材料で曲げを封止すると、結果的に追加損失が生じない。
【００７８】
図１７は、３つのＦＢＧが材料の薄膜９に収容され、接続長部のくびれ部分が、薄膜に形成されたアパーチャまたは空隙１０１内に配置された、さらなる実施形態を示す。これらの空隙は、封止工程中にテーパくびれ部分から薄膜材料を排除することによって形成することができ、あるいは代替的に、封止材が硬化した後でそれをエッチングで除去することによって形成することができる。適切な材料のさらなる薄膜を薄膜９の両側に接着することができ、こうして空隙１０１内にガスを捕獲することができる。これは、くびれ部分の表面がガスに接触するように配置することによって、テーパくびれ部分の曲げに光の強い誘導が維持される装置を製造する便利な方法である。
【００７９】
図１７の装置はほぼ方形であり、２ｃｍの側辺を有する。
【００８０】
図１８は、さらなる実施形態の略側面図を示す。この例では、２つのファイバ・ブラッグ・グレーティング１ａ、１ｂ、１ｃが２つの平行な剛板ＰT、ＰBの間にサンドイッチ状に挟み込まれる。頂板ＰTと底板ＰBの間隔は、それらがＦＢＧと密に接触するような状態である（間隔は非テーパ付ファイバの直径に等しい）。ＦＢＧは各々板に接着され、板のひずみはＦＢＧに伝達することができる。テーパくぼみ部分６２は縮小直径を有し、したがって板と接触しない。テーパくびれ部分はシリコーン・ゴムやエポキシ樹脂で封止されないが、板の間の空間の空気によって包囲される。板のひずみをテーパくびれ部分に直接伝達することはできない。テーパくびれ部分は９０°の曲げを組み込み、第１および第３ＦＢＧ１ａ、１ｃのこのテーパ遷移部分の「正面」を向いた表面６１ｆを図で見ることができる。
【００８１】
本発明によるセンサは、表面取付けセンサとして、または例えば炭素繊維強化複合材またはセメント・ベースの材料などの複合材料で形成される構造物または構成部品に埋め込むセンサとして、使用することができる。
【００８２】
後者の適用例では、完成したセンサまたはローゼットを、埋込み工程中の保護および強化のために封止する必要がある。特に、保護被膜を除去して本質的に脆弱であり、テーパ付けまたは引張り工程によって直径が著しく縮小された曲げテーパくびれ部分については、これは不可欠である。テーパくびれ部分の曲げもまた、制御されない歪みにさらされると損失が非常に高くなり、テーパ遷移領域の歪みには特に敏感である。さらに、包囲材料が充分に低い屈折率を持たない場合、曲げられたくびれ部の導波能力の部分的または完全な低下により、光は失われる。
【００８３】
表面取付けの場合でさえも、ローゼットを簡便かつ安全に取り扱い、試験表面に当てることができるようにするために、封止が必要である。
【００８４】
こうして、本発明の実施形態では、ローゼットは、光ファイバのクラッドを形成する材料より実質的に低い屈折率を有するエポキシ等の成形材で封止することができる。
【００８５】
ローゼットはエポキシ等の成形材料で封止することができ、曲げられるくびれ領域は、光ファイバのクラッドを形成する材料より実質的に低い屈折率を有するエポキシによって包囲され、包囲するエポキシは成形中に塗布するか、または代替的に、封止前に被覆することができる。
【００８６】
代替的に、ローゼットはエポキシ等の成形材料で封止することができ、曲げられるテーパ付き部分は、曲げられたくびれ部が管壁に多少接触することは受け入れられるが実質的に接触しないように、薄い可撓管内に収容される。
【００８７】
エポキシの代替例として、シリコーン・ゴムを例えば注封材、成形材、または封止材として、あるいは被覆材として使用することができる。
【００８８】
その他の適切な材料も当然使用することができ、特定の実施形態では、例えば曲げられたテーパ付き部分には第１材料を被覆し、センサは第２材料で封止するなど、多数の異なる材料を使用することができる。
【００８９】
この明細書（この用語は請求の範囲を含む）で開示し、かつ／または図面に示した各特徴は、開示および／または図示したその他の特徴とは独立して本発明に組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 周知の電気ひずみローゼットの概略図である。
【図２ａ】 周知のファイバ・ブラッグ・グレーティングの概略図である。
【図２ｂ】 図２ａのＦＢＧに沿ったコア屈折率の変動を示すグラフである。
【図３】 多重化ＦＢＧを含む検出装置の概略図である。
【図４】 ＦＢＧを組み込んだ周知のひずみローゼットの概略図である。
【図５】 ＦＢＧを使用した別の周知のひずみローゼットの概略図である。
【図６】 本発明の一実施形態の概略図である。
【図７】 図６の実施形態のより詳細な概略図である。
【図８】 本発明の様々な実施形態の概略図である。
【図９】 本発明を具体化するひずみセンサの一部分の概略図である。
【図１０】 さらなる実施形態の一部分の概略図である。
【図１１】 本発明を具体化するひずみローゼットの概略図である。
【図１２】 本発明を具体化する別のひずみローゼットの概略図である。
【図１３】 さらなる実施形態の概略図である。
【図１４】 別の実施形態の概略図である。
【図１５】 本発明を具体化するひずみセンサの概略図である。
【図１６】 本発明を具体化するひずみローゼットの概略図である。
【図１７】 本発明のさらなる実施形態によるひずみローゼットの概略図である。
【図１８】 さらなる実施形態によるひずみセンサの略側面図である。

Claims (15)

1. 第１および第２ファイバ・ブラッグ・グレーティングと、前記グレーティングを直列に接続するある長さの接続長部を有する光ファイバとを備え、各グレーティングが実質的にまっすぐであり、前記２つのグレーティングが非平行であり、かつ異なる公称ブラッグ波長を持ち、光ファイバの前記接続長部に曲げを有している、ひずみセンサにおいて、
   前記接続長部の一部分にテーパが付けられ、前記テーパ付き部分が縮小断面積を有する細長いくびれ部分を含み、かつ
   前記曲げが前記くびれ部分に形成されることを特徴とするひずみセンサ。
2. 前記接続長部が単一モード光ファイバで形成され、前記縮小断面積が前記単一モード・ファイバの非テーパ付き部分の公称断面積の半分未満である、請求項１に記載のひずみセンサ。
3. 前記接続長部がクラッド材で包囲されたコアを有する光ファイバで形成され、前記クラッド材がある屈折率を有し、前記センサがさらに前記クラッド材の屈折率より低い屈折率を有する第１媒体の第１本体をさらに含み、前記第１本体が前記テーパ付き部分の表面を収容しかつそれと接触する、請求項１または２に記載のひずみセンサ。
4. 前記第１本体が前記テーパ付き部分の表面を覆う被覆を含む、請求項３に記載のひずみセンサ。
5. 前記テーパ付き部分および前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングを封止する第２媒体の第２本体を含み、前記第２媒体が前記第１本体によって前記テーパ付き部分の表面から分離される、請求項３または４に記載のひずみセンサ。
6. 前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングおよび接続長部を収容する封止本体と、前記封止本体内に捕獲され前記テーパ付き部分を包囲するガスのポケットとを含む、請求項１または２に記載のひずみセンサ。
7. 前記テーパ付き部分を包囲し、それに沿って伸長し、ガス・ポケットを含む管状スリーブを含む、請求項６に記載のひずみセンサ。
8. 前記第１および第２ファイバ・ブラッグ・グレーティングならびに前記接続長部が連続光ファイバで形成される、請求項１ないし７のいずれか１つに記載のひずみセンサ。
9. 前記連続光ファイバが単一モード・ファイバである、請求項８に記載のひずみセンサ。
10. 前記２つのファイバ・ブラッグ・グレーティングが実質的に共平面であり、ひずみローゼットの少なくとも一部分を形成するように構成される、請求項１ないし９のいずれか１つに記載のひずみセンサ。
11. シリコーン・ゴムがくびれ部分の表面と接触するように、前記くびれ部分を被覆または封止するシリコーン・ゴムの本体と、シリコーン・ゴムの前記本体および前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングを封止する実質的に剛性材料の本体とを含む、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のひずみセンサ。
12. 実質的に平行に配置された２つの実質的に剛性の板を含み、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングおよび接続長部が前記板の間に板と平行に配置され、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングが各々板に堅固に接着される、請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のひずみセンサ。
13. 前記板が、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの公称直径に実質的に等しい距離だけ分離される、請求項１２に記載のひずみセンサ。
14. 前記くびれ部分が前記板に堅固に接着されない、請求項１２または１３に記載のひずみセンサ。
15. 請求項１ないし１４項のいずれか１つに記載のひずみセンサと、
    グレーティングに光を入力するために配置された光源と、
    前記グレーティングによって反射された光または前記グレーティングを透過した光を検出するように配置された光検出器と、を含み、
    前記光源および光検出器が、ブラッグ波長の指標を提供するように作動可能である、検出装置。

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