JP3797880B2 - Ｆｂｇ歪みセンサー - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を用いて、引張力、圧縮力を測定する歪みセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
ＦＢＧは、ファイバーコアの紫外光の周期的な屈折率変化を有し、光ファイバーの光軸であって光ファイバーを貫く中心軸の方向に、屈折率の高い領域ＮHと低い領域ＮLが交互に形成された構造であるブラッグの回折格子を形成する。
【０００３】
その結果、ＦＢＧでは光ファイバー中を伝播してきた光のうち、ブラッグ波長を中心にしたある波長範囲の光が反射される。ブラッグ波長λBは、コアの実効屈折率ｎeと、格子間隔ｄで次のように表される。
【０００４】
λB＝２ｎeｄ・・・（１）
ＦＢＧの光の透過特性は、グレーティング層数、屈折率変調量に依存する。ＦＢＧの最大反射率は、ＦＢＧの形成領域内の最大屈折率と最小屈折率の差Δｎが大きいほど高くなる。また、ＦＢＧの最大反射率は、同一格子間隔をもつ格子の数が多いほど高くなる。
【０００５】
ＦＢＧの反射帯域は、ＦＢＧ形成領域の長さが一定である場合は、格子間隔ｄの光ファイバー中心軸方向の変化率が大きいほど広くなる。
【０００６】
（１）式において、ＦＢＧに温度変化や歪み変化が加えられると、屈折率ｎe及び格子間隔ｄが変化し、ブラッグ波長が変化する。このブラッグ波長を検知することで、ＦＢＧを歪みセンサーや温度センサーに使用できる。
【０００７】
歪みセンサーは、ビルや橋、トンネル等の土木、建築物に張り巡らせて、各ポイントでの歪みの時間変化を把握する技術（スマートストラクチャー）として有用である。しかし、ブラッグ波長は歪みと温度の両方に対して変動するので、ＦＢＧを歪みセンサーとして使う場合には、温度補償が必要である。
【０００８】
そこで、温度変化とは無関係に歪みを測定するために、チャープグレーティングと呼ばれる構造のＦＢＧを用いた、温度で変化しない反射帯域を検知する方法が検討されている。ここで、チャープグレーティングとは、格子間隔ｄを光ファイバーの中心軸方向に連続的、段階的に変化させたものをいい、格子間隔ｄが光ファイバー中心軸方向で一定のものは、ユニフォームグレーティングという。
【０００９】
このチャープグレーティング構造のＦＢＧを用いた温度補償方法については、特開２０００−９７７８６号公報（文献１）に記載されている。ここでは、その一例として、均一な格子間隔のＦＢＧをテーパー形状に取り付けた歪みセンサーを紹介する。
【００１０】
この歪みセンサーの構成を図４に示す。図４（Ａ）は、この歪みセンサーを上から見た平面図を示し、図４（Ｂ）は幅方向に向かって見た側面図を示している。
【００１１】
文献１によればこの歪みセンサーは、板状引張部材４４の長さ方向の中間部に、幅が除々に狭くなる部分（テーパー部分）４４ａを有している。光ファイバー１０のＦＢＧ１２の部分は、板状引張部材４４のテーパー部分４４ａに、その光ファイバー中心軸αの方向を板状引張部材４４の長さ方向に向けて、接着などの手段により固定されている。
【００１２】
以上のような構成なので、板状引張部材４４に引張力を加えた場合、テーパー部分４４ａは、幅が狭い方ほど伸び歪みが大きくなるため、ＦＢＧ１２も幅が狭い部分に近いほど、伸び歪みが大きくなる。その結果、ＦＢＧ１２の格子間隔は、幅の狭い方ほど大きくなり、ユニフォームグレーティングの状態からチャープグレーティングの状態に変化する。
【００１３】
図６はこのグレーティングの状態変化に伴い、ＦＢＧの反射フィルタとしての反射帯域を、波長を横軸にとり、相対的な反射光のパワーを縦軸にとって示す反射スペクトル図である。引張力印加前の反射スペクトルは６２、引張力印加後の反射スペクトルは６６のようになる。
【００１４】
そしてこの図に示すように、引張力を加える前の反射帯域６４より加えた後の反射帯域６８の方が広くなる。よって、反射光のパワーが一定値以上を示すλminからλmaxまでの波長範囲、即ち帯域幅を測定することにより、引張力の大きさを測定することができる。帯域幅の変化は温度変化とは無関係であるので、この歪みセンサーは、温度変化の影響をうけることなく引張力を測定することができる。
【００１５】
板状引張部材４４のテーパー部分４４ａにおいて、最小断面積部分の歪み量εmax（最大歪み量）と、最大断面積の部分の歪み量εmin（最小歪み量）は、引張力Ｆ、最小断面積ＡS、最大断面積ＡL、ヤング率Ｅで（２）式、（３）式のように表される。
【００１６】
εmax＝Ｆ／（Ｅ・ＡS）・・・（２）
εmin＝Ｆ／（Ｅ・ＡL）・・・（３）
図５（Ａ）は、引張力Ｆを横軸にとり、それに対して歪み量εを縦軸にとって示した引張力−歪み量特性図である。５２、５４はそれぞれ、Ｆの増大に伴うεmax、εminの変化を表すグラフである。この図によれば、引張力ＦがＦ1からＦ2まで増加すると、最大歪み量εmax、最小歪み量εminもこれに比例して増加することが分かる。
【００１７】
また、（２）、（３）式より、最小歪み量εminを表すグラフ５４に対し、最大歪み量εmaxを表すグラフ５２の傾きのほうが大きくなる。
【００１８】
ところで、板状引張部材４４のテーパー部分４４ａにおいて、最小断面積の部分の格子間隔ｄmax（最大格子間隔）と、最大断面積の部分の格子間隔ｄmin（最小格子間隔）は、これらの歪み量と、歪みのない場合の格子間隔ｄ0で、以下（４）式、（５）式で表される。
【００１９】
ｄmax＝（１＋εmax）ｄ0・・・・（４）
ｄmin＝（１＋εmin）ｄ0・・・・（５）
これらより、最小格子間隔ｄmin、最大格子間隔ｄmaxは、図５（Ｂ）のようになる。図５（Ｂ）は、引張力Ｆを加えたときの引張部材内長さ方向の座標を横軸にとり、これに対する格子間隔ｄを縦軸にとって示した特性図である。一点鎖線で表される５８は引張力印加前のグラフを、５６は引張力引加後のグラフを表す。
【００２０】
図５（Ｂ）において、このグラフの始点から終点に相当する横軸の座標ｘ1、ｘ2は、図４において、光ファイバー１０上の一区間に形成されたＦＢＧ１２の開始端から終端における位置に相当する。そして、上記始点の横軸の座標ｘ1は、テーパー部分４４ａの最大断面積となるところに位置するＦＢＧ１２の開始端を表し、上記終点の座標ｘ2は、テーパー部分４４ａの最小断面積に位置するＦＢＧ１２の終端を表す。すなわち、図５（Ｂ）のグラフでは、始点の横軸の座標ｘ1に対する、縦軸の座標は最小格子間隔ｄminを表し、グラフの終点の横軸の座標ｘ2に対する、縦軸の座標は最大格子間隔ｄmaxを表す。
【００２１】
光ファイバー１０上の一区間に、図４のように形成されたＦＢＧ１２に、引張力Ｆが加わると、テーパー部分４４ａの断面積の大きい方から小さい方にむかって、すなわちＦＢＧ１２の開始端から終端にかけて、伸び歪みは連続的に変化する。よって、その格子間隔も図５（Ｂ）に示すように、連続的に変化するようなグラフが得られる。
【００２２】
また、図５（Ａ）より、引張力ＦがＦ1からＦ2に増加すると、これに比例して、引張部材のテーパー部分４４ａにおける最大歪み量εmaxと最小歪み量εminは各々増大する。これに伴って、図５（Ｂ）又は（４）、（５）式における最大格子間隔ｄmax、最小格子間隔ｄminも増大する。このため、図５（Ｂ）のようにグラフは上方にシフトする。
【００２３】
なお、チャープグレーティングの状態になったＦＢＧとしての、長さ方向の格子間隔の変化率は、最大格子間隔ｄmaxと最小格子間隔ｄminの差で決まる。
【００２４】
ところで、反射帯域幅の変化分Δλは、最大歪み部分からのブラッグ波長をλmax、最小歪み部分からのブラッグ波長λminとして考えると理解しやすい。ブラッグ波長の式より、各々のブラッグ波長は、（６）式、（７）式で表される。
【００２５】
λmax＝２ｎe・（１＋εmax）ｄ0・・・・（６）
λmin＝２ｎe・（１＋εmin）ｄ0・・・・（７）
図５（Ａ）の５２は５４と比較して傾きが大きい。よって、（６）、（７）式において、最小格子間隔ｄminの変化に伴う、最小歪み部分からのブラッグ波長λminの変化よりも、最大格子間隔ｄmaxの変化による、最大歪み部分からのブラッグ波長λmaxの変化の方が与える影響が大きい。このため引張力Ｆの増大に伴って、λmaxとλminの差、すなわち反射帯域幅の変化分Δλも増大する。
【００２６】
以上の結果より、引張力Ｆを横軸に取り、反射帯域幅の変化分Δλを縦軸にとって表すと、図５（Ｃ）に示されるように、引張力ＦがＦ1からＦ2に増加すると、それに比例してΔλも増大し、この増加分が検知される。
【００２７】
引張力Ｆの変化に対する、反射帯域幅の変化分Δλの大きさが、引張力に対する感度となる。すなわちこの歪みセンサーの感度、Δλ／ΔＦは、図５（Ｃ）の傾きで表される。
【００２８】
ここで、この感度は、テーパー部分の最大断面積ＡLと最小断面積ＡSの比に左右される。よって従来の歪みセンサーの感度は、テーパー部分の形状によって決まることが分かる。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の歪みセンサーにおいては、引張部材に断面積が徐々に変化するテーパー部分が必要で、引張部材のテーパー部分の形状、という幾何学的な要因によって感度が決められていた。
【００３０】
よって、従来の歪みセンサーにおいては、幾何学的改良は困難であったため、さらなる感度の向上は望めなかった。また、このように歪みセンサーの感度が幾何学的な要因に束縛されることは、技術としてあまり魅力のあるものではなかった。
【００３１】
この発明は、以上のような従来技術の問題点に着目し、歪みセンサーの更なる感度向上を目指したものである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
この目的の達成を図るため、この発明のＦＢＧ歪みセンサーによれば、歪み測定領域を有する歪み測定部材と、歪み測定領域上に固定された光ファイバーと、光ファイバーの中心軸に沿った一区間に渡って形成された格子間隔の均一なＦＢＧとを具えている。そして、このＦＢＧは、その形成区間の一端及び他端、すなわちＦＢＧの開始端及び終端における中心軸方向が互いに直交する方向を向くように、歪み測定領域内に配置されており、この区間内は、１／４の円弧状に配置して固定されていることを特徴とする。
【００３３】
また、この出願の第１の発明によれば、歪み測定部材は、厚さが一定の板状体であり、この板状体は、歪み測定領域を構成する一定幅の中央部と、この中央部の両端にそれぞれ連続して設けられていて、この中央部より幅広の２つの外力作用部とを有していることを特徴とする。
【００３４】
この第１発明において、板状体は、中央部及び２つの外力作用部によって、Ｈ字状の形態として形成することがのぞましい。
【００３５】
次にこの出願の第２発明によれば、板状体は、歪み測定領域を構成する中央部を有している。そしてこの中央部の一端から対向する他端に向かい、その幅は連続的に変化している。さらにこの板状体は、その中央部の一端に連続して設けられていて、一端におけるこの中央部の幅以上の幅を有する第１外力作用部と、この中央部の他端に連続して設けられていて、この他端における中央部の幅以上の幅を有する第２外力作用部とを有していることを特徴とする。
【００３６】
この第２発明においては、この中央部の幅の連続的変化は、減少変化とすることが好適である。
【００３７】
この第１発明及び第２発明の構成によれば、歪み測定部材に引張力を加えた場合、歪み測定領域では、光ファイバーの中心軸方向が歪み測定領域の長さ方向に向いている方ほど伸び歪みが大きい。よって、光ファイバーの中心軸の方向が歪み測定領域の長さ方向に向いている方が、ＦＢＧの伸び歪み量が大きい。
【００３８】
一方、光ファイバーの中心軸の方向が歪み測定領域の幅方向に向いている方ほど、光ファイバーは縮み歪みが大きい。よって、光ファイバーの中心軸の方向が幅方向に向いている方ほど、ＦＢＧの縮み歪み量は大きい。
【００３９】
この結果、ＦＢＧの格子間隔は、光ファイバーの中心軸の方向が、歪み測定領域の長さ方向に向いている方ほど大きくなる。これに対して、光ファイバーの中心軸の方向が幅方向に向いている方ほど、ＦＢＧの格子間隔は小さくなる。このため、ＦＢＧはユニフォームグレーティングの状態から、チャープグレーティングの状態に変化する。
【００４０】
これに伴い、ＦＢＧの反射フィルタとしての反射帯域も引張力を加える前よりも、加えた後の方が広くなる。よって、反射光のパワーが一定値以上を示す波長範囲、すなわち帯域幅を測定することにより、引張力の大きさを測定することができる。帯域幅の変化は、温度変化とは無関係であるので、この歪みセンサーは、温度変化の影響をうけることなく引張力を測定することができる。
【００４１】
また幅方向に縮み歪みが加わることにより、この発明の歪みセンサーの感度は、歪み測定部材の材料力学的な値であるポアソン比によって左右されるようになる。
【００４２】
すなわち、従来の歪みセンサーは、テーパー部の形状という幾何学的な要因で決まる面積比に感度が制約されていたので、さらなる感度の向上が困難であったが、この発明は、ポアソン比によって感度が決まるため、従来の歪みセンサーでは不可能であった、さらなる感度の向上を実現することができる。
【００４３】
更に第２発明のＦＢＧ歪みセンサーにおいて、歪み測定部材は、幅が一端から対向する他端に向かって連続的に変化している歪み測定領域を構成する中央部を有する。このため、第１発明における光ファイバーの向きによる歪み量に対する伸縮の効果に加えて、この中央部による歪み量不均一の効果が加わる。この結果第２発明によれば、第１発明よりも更に大きな感度を得ることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、この発明のＦＢＧ歪みセンサーの各実施の形態について説明する。しかしながら、以下の説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に各構成成分の寸法、形状及び配置関係を概略的に示してある。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の符号を付して示してあり重複する説明は省略している。
【００４５】
１．第１の実施の形態
図１は、この発明の第１の実施の形態のＦＢＧ歪みセンサーの構造を説明するための図である。図１（Ａ）はこの発明を上面から見た平面図であり、図１（Ｂ）はこの発明を幅方向に向かって見た側面図である（以下の各実施の形態の構造説明図において同様である。）。
【００４６】
この第１の実施の形態のＦＢＧ歪みセンサーは、歪み測定領域１４ａを有する歪み測定部材１４と、歪み測定領域１４ａ上に、接着などの手段により固定された光ファイバー１０と、光ファイバー１０の中心軸αの方向の一区間に渡って形成された格子間隔の均一なＦＢＧ１２とを具えている。そして、このＦＢＧ１２は、その形成区間の一端及び他端、すなわちＦＢＧ１２の開始端及び終端における中心軸αの方向が互いに直交する方向を向くように歪み測定領域１４ａ内に配置されており、この区間内は、１／４の円弧状に配置して、接着などの手段により固定されている。この区間に該当しない光ファイバー１０の他の部分は、任意好適な手段により固定する。
【００４７】
更にこの歪み測定部材１４は、図１（Ｂ）に示すように、一定の厚さｚを有する板状体である。この板状体は、図１（Ａ）に示すように、歪み測定領域１４ａを構成する一定幅Ｗ0の中央部を有している。この中央部の両端には、それぞれ連続して２つの外力作用部１６が設けられている。図１（Ａ）に示した、この２つの外力作用部１６の幅Ｗ3、Ｗ4は、この中央部よりも幅広である（Ｗ0＜Ｗ3、Ｗ4）。
【００４８】
なお、この第１の実施の形態において板状体は、中央部１４ａ及び２つの外力作用部１６によって、Ｈ字状の形態として形成することがのぞましい。
【００４９】
この第１の実施の形態の構成によれば、歪み測定部材１４に、歪み測定領域１４ａの長さ方向（すなわち図１のＸ方向）に引張力Ｆを加えた場合、歪み測定領域１４ａでは、光ファイバー１０の中心軸αの方向が、Ｘ方向に向いている方ほど伸び歪みが大きい。よって、そちらに向かうにつれて、ＦＢＧ１２の伸び歪み量が大きくなる。
【００５０】
一方、光ファイバー１０の中心軸αの方向が、歪み測定領域１４ａの幅方向（すなわち図１のＹ方向）に向いている方が、縮み歪みが大きい。よって、Ｙ方向に向いている方ほど、ＦＢＧ１２の縮み歪み量は大きい。
【００５１】
この結果、ＦＢＧ１２の格子間隔は、光ファイバー１０の中心軸αの方向がＸ方向に向いている方が大きくなる。これに対して、光ファイバー１０の中心軸αの方向がＹ方向に向いている方ほど、ＦＢＧ１２の格子間隔は小さくなる。このため、ＦＢＧ１２はユニフォームグレーティングの状態から、チャープグレーティングの状態に変化する。
【００５２】
この際のＦＢＧ１２の反射スペクトルは、従来既知の方法によって測定する。図３は、このグレーティングの状態変化に伴い、ＦＢＧ１２の反射フィルタとしての反射帯域を、横軸に波長をとり、反射光のパワーを縦軸にとって示す反射スペクトルの図である。引張力印加前の反射スペクトルは３２、引張力印加後の反射スペクトルは３６のようになる。３４は引張力引加前の帯域幅を示し、３８は引張力引加後の帯域幅を示す。
【００５３】
この図３より、引張力を加えたとき、ＦＢＧ１２がチャープグレーティングの状態になるのに伴って、帯域幅は３４から３８へ変化することから、ＦＢＧ１２の反射フィルタとしての反射帯域は、広くなることが分かる。よって、反射光のパワーが一定値以上を示すλminからλmaxまでの波長範囲、すなわち帯域幅を測定することにより、引張力Ｆの大きさを測定することができる。帯域幅の変化は、温度変化とは無関係であるので、この歪みセンサーは、温度変化の影響をうけることなく引張力を測定することができる。
【００５４】
ところで、歪み測定領域１４ａにおいて、その長さ方向（すなわちＸ方向）の歪み量εnは、引張力Ｆ、断面積Ａ、ヤング率Ｅ、で（８）式のように表される。
【００５５】
εn＝Ｆ／（Ｅ・Ａ)・・・（８）
歪み測定領域１４ａにおいて、その幅方向（すなわちＹ方向）の歪み量εSは、ポアソン比νで（９）式のように表される。
【００５６】
εS＝−εn・ν・・・（９）
ここで図２（Ａ）は、引張力Ｆを横軸にとり、それに対し縦軸に歪み量εをとって示した引張力−歪み量特性図である。このグラフの縦軸は、歪み量εが０より大となるにつれて、伸び歪みが大きくなり、歪み量εが０より小となるにつれて、縮み歪みが大きくなることを示す。すなわち（９）式は、Ｙ方向の縮みを表す。
【００５７】
Ｙ方向の歪み量εS を表すグラフ２２より、εS は引張力Ｆに比例して縮みが大きくなり、一方Ｘ方向の歪み量εnを表すグラフ２４より、εnは引張力Ｆに比例して伸びが大きくなることが分かる。
【００５８】
歪み測定領域１４ａにおいて、最大伸び歪みをした部分の格子間隔ｄmax（最大格子間隔）と、最大縮み歪みをした部分の格子間隔ｄmin（最小格子間隔）は、これらの歪み量と、歪みのない場合の格子間隔ｄ0で、以下の（１０）式、（１１）式で表される。
【００５９】
ｄmax＝（１＋εn）ｄ0・・・（１０）
ｄmin＝（１−εn・ν）ｄ0・・・（１１）
これらより、ｄmaxとｄminは、図２（Ｂ）のようになる。図２（Ｂ）は、引張力Ｆを加えたときの歪み測定領域１４ａ内長さ方向の座標を横軸にとり、これに対する格子間隔ｄを縦軸にとって示した特性図である。図２（Ｂ）における一点鎖線で表されるグラフ２８は、引張力印加前のグラフを表し、２６のグラフは、引張力印加後のグラフを表している。
【００６０】
図２（Ｂ）において、このグラフの始点から終点に相当する横軸の座標ｘ1、ｘ2は、図１において、光ファイバー１０上の一区間に渡って形成されたＦＢＧ１２の開始端から終端における位置に相当する。そして、上記始点の横軸の座標ｘ1は、歪み測定領域１４ａを構成する中央部の一端において、光ファイバー１０の中心軸αの方向を、中央部のＹ方向に向けて位置するＦＢＧ１２の開始端を表し、上記終点の座標ｘ2は、歪み測定領域１４ａを構成する中央部の他端において、光ファイバー１０の中心軸αの方向を、中央部のＸ方向に向けて位置するＦＢＧ１２の終端を表す。すなわち、図２（Ｂ）のグラフでは、始点の横軸の座標ｘ1に対する、縦軸の座標は最小格子間隔ｄminを表し、グラフの終点の横軸の座標ｘ2に対する、縦軸の座標は最大格子間隔ｄmaxを表す。
【００６１】
図１のように光ファイバー１０上の一区間に渡って形成されたＦＢＧ１２に、引張力Ｆが加わると、光ファイバー１０の中心軸αの方向がＹ方向に向いている方から、Ｘ方向に向いている方へ、すなわちＦＢＧ１２の開始端から終端にかけて、歪み量は連続的に変化する。よって、その格子間隔も図２（Ｂ）に示すように、連続的に変化するようなグラフが得られる。チャープグレーティングの状態における、ＦＢＧ１２の長さ方向の格子間隔の変化率は、ｄmaxとｄminの差で決まる。
【００６２】
反射帯域幅の変化分Δλは、最大歪み部分からのブラッグ波長をλmax、最小歪み部分からのブラッグ波長をλminとして考えると理解しやすい。ブラッグ波長の式より、各々のブラッグ波長は、以下（１２）式、（１３）式で表される。
【００６３】
λmax＝２ｎe・（１＋εn）ｄ0・・・（１２）
λmin＝２ｎe・（１−εn・ν）ｄ0・・・（１３）
図２（Ａ）より、引張力Ｆの増大に比例して、歪み測定領域１４ａにおける、Ｘ方向伸び歪み量εnとＹ方向の縮み歪み量εSはそれぞれ増大する。これに伴って（１０）、（１１）式より、図２（Ｂ）のようにｄmaxは増大し、ｄminは減少する。
【００６４】
すなわち引張力Ｆの増加に対し、（１２）、（１３）式を考慮すると、λmax、λminの差、すなわち反射帯域幅の変化分Δλも増大することがわかる。
【００６５】
よって、引張力Ｆを横軸にとり、反射帯域幅の変化分Δλを縦軸にとって示した特性図は、図２（Ｃ）に示されるように、引張力Ｆが増大すると、それに比例してΔλも増大し、この増加分が検知される。
【００６６】
ここで、引張力Ｆの変化に対する、反射帯域幅の変化量の大きさが、引張力に対する感度となる。すなわち感度Δλ／ΔＦは、図２（Ｃ）のグラフの傾きで表される。この感度は、材料力学的な値であるポアソン比によって左右される。
【００６７】
この第１の実施の形態において、板厚ｚ＝１００μｍ、幅Ｗ0＝３０ｍｍ、材質がステンレススチールでポアソン比νが０．２９３の歪み測定部材１４を用い、ＦＢＧ１２はブラッグ波長：１．５５μｍ、反射帯域幅は、半値全幅として０．２μｍのものを用いて、引張力Ｆが１〜２０ｋｇにおいて歪みを測定する例を紹介する。
【００６８】
この測定例においては、この発明の第１の実施の形態における感度と従来技術における感度との比較を行った。比較対照とした従来技術は、図４に示した構成と同様のものであり、具体的には、板状引張部材４４が、板厚＝１００μｍ、幅が除々に狭くなる部分４４ａの最大幅＝１０ｍｍ、幅が除々に狭くなる部分４４ａの最小幅＝５ｍｍ、材質がステンレススチールのものを用い、それ以外は上記のこの発明の第１の実施の形態を用いた場合と同様の条件で測定を行っている。
【００６９】
なお、歪み測定領域を構成する中央部１４ａの一端から対向する他端にかけての長さは、具体的には１０ｍｍ以内のものを用いる（従来例について、これに対応するテーパー部分４４ａの長さ、についても同様の条件で行う。）。
【００７０】
この結果、この発明の第１の実施の形態の構成においては、従来例の約２．５倍の感度が得られた。
【００７１】
すなわち、既に説明したとおり、従来のＦＢＧ歪みセンサーでは、感度は幅が徐々に狭くなる部分、すなわちテーパー部４４ａの形状に左右される。このため、面積比に感度が制約されていた。
【００７２】
これに対して、この発明においてはＦＢＧを円弧状に配置することにより、縮み方向の力を加え、ポアソン比によって感度が決まる構造をもつ。このため、従来の歪みセンサーでは不可能であった、さらなる感度の向上を実現することができる。
【００７３】
２．第２の実施の形態
次に、第２の実施の形態の構成例を図７に示す。この第２の実施の形態によれば、図７（Ｂ）のように厚さｚが一定である板状体７４は、図７（Ａ）に示すように、歪み測定領域を構成する中央部７４ａの幅が、一端から対向する他端に向かって、（すなわち、図７に示したＸ方向に向かって）連続的に変化している。そして、この中央部の一端には、その幅ＷL以上の幅Ｗ1を有する第１外力作用部７６ａが連続して設けられている。同様に、中央部の他端にも、中央部の幅ＷSより大きい幅Ｗ2を有する第２外力作用部７６ｂが連続して設けられている。
【００７４】
そして、この第２の実施の形態においては、中央部７４ａの幅の連続的変化は、一端における最大幅ＷLから他端における最小幅ＷSに向かって、減少変化とすることが好適である。
【００７５】
以上のような第２の実施の形態の構成例においては、歪み測定部材すなわち板状体７４が、中央部７４ａの長さ方向（すなわち図７のＸ方向）に引張力Ｆを受けたとき、中央部７４ａは、不均一な伸び歪みを発生する。つまり、幅が広い部分より幅が狭い部分の方が大きい伸び歪みを発生する。この結果、第２の実施の形態では、第１の実施の形態で示した、ＦＢＧ１２の中心軸αの方向の向きによる歪み量に対する伸縮の効果に加えて、中央部７４ａによる歪み量不均一の効果が加わる。
【００７６】
このときチャープグレーティングの状態になったＦＢＧ１２の反射フィルタとしての反射帯域を示す反射スペクトル図を図９に示す。引張力印加前の反射スペクトルは９２、引張力印加後のスペクトルは９６、引張力印加前の帯域幅、引張力印加後の帯域幅は、それぞれ９４、９８に相当する。
【００７７】
この反射スペクトル図より、この第２の実施の形態における構成についても、引張力Ｆを加えると、ＦＢＧ１２がチャープグレーティングの状態になるのに伴って、帯域幅は９４から９８へ変化することから、ＦＢＧ１２の反射フィルタとしての反射帯域が広くなることが分かる。よって、第１の実施の形態と同様、第２の実施の形態についても、温度変化の影響をうけることなく、引張力を測定することができる。
【００７８】
またこの第２の実施の形態について、その引張力−歪み量特性図は、図８（Ａ）に示すようになる。すなわち、この第２の実施の形態の歪みセンサーに引張力Ｆを加えると、ＦＢＧ１２は、上述したように、不均一な伸び歪みを発生する。この結果、Ｘ方向の伸び歪み量εnを表すグラフ８４は、第１の実施の形態における特性図、図２（Ａ）の２４のグラフと比較し、その傾きが大きくなる。
【００７９】
ここで、図８（Ｂ）は図２（Ｂ）と同様、第２の実施の形態の構成に引張力Ｆを加えたときの、ＦＢＧ１２の格子間隔の変化を示す特性図である。（１０）式を参考にすれば、εnの増大にともなって、ｄmaxも増大し、図８（Ｂ）のグラフも８８から８６のグラフへシフトする。このとき、図２（Ｂ）と比較すると、引張力印加後のｄmaxはより大きい値となる。
【００８０】
以上の結果、この第２の実施の形態においては、図８（Ａ）において、Ｘ方向の伸び歪み量εnをより大きくし、Ｙ方向の縮み歪み量εSとの差を大きくする。これに伴って、図８（Ｂ）のように、光ファイバーの長さ方向の格子間隔の変化率（ｄmaxとｄminの差で決まる）を大きくできる。
【００８１】
よって、（１２）、（１３）式を考慮すると、λmaxは第１の実施の形態と比較して大きくなるため、λminとの差Δλも第１の実施の形態と比較して大きくなる。
【００８２】
このため、図８（Ｃ）における傾き、すなわち、第２の実施の形態による歪みセンサーの感度Δλ／ΔＦの値も、第１の実施の形態で得られる値より大きくなる。すなわち、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と比較して、より大きな感度を得ることができる。
【００８３】
ここで、この第２の実施の形態において、板厚ｚ＝１００μｍ、幅が徐々に狭くなる部分の最大幅ＷL＝６０ｍｍ、幅が徐々に狭くなる部分の最小幅ＷS＝５ｍｍ、材質がステンレススチールでポアソン比νが０．２９３の歪み測定部材７４を用い、ＦＢＧ１２はブラッグ波長：１．５５μｍ、反射帯域幅は、半値全幅として０．２μｍのものを用いて、引張力Ｆが１〜２０ｋｇにおいて歪みを測定する例を紹介する。なお、この測定例においても第１の実施の形態における測定例と同様、歪み測定領域を構成する中央部７４ａの一端から対向する他端にかけての長さは、具体的には１０ｍｍ以内のものを用いる。
【００８４】
ここでは、この発明の第１の実施の形態における感度との比較を行った。この第１の実施の形態は、具体的に歪み測定部材１４の各部の寸法は、板厚ｚ＝１００μｍ、幅Ｗ0＝３０ｍｍであり、材質はステンレススチールでポアソン比νが０．２９３のものである。また、そのＦＢＧ１２のブラッグ波長は１．５５μｍで、反射帯域幅は、半値全幅として０．２μｍのものを用いている。
【００８５】
この結果、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態における感度に比べて、約５倍大きい感度が得られた。
【００８６】
すなわち、第２の実施の形態のＦＢＧ歪みセンサーにおいては、歪み測定部材７４上の歪み測定領域を構成する中央部７４ａの幅が連続的に変化する構成となっている。このため、第１の実施の形態における光ファイバーの向きによる歪み量に対する伸縮の効果に加えて、この中央部７４ａによる歪み量不均一の効果が加わる。この結果第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態よりも更に大きな感度を得ることができる。
【００８７】
尚、この発明においては、歪み測定部材は、測定する引張力Ｆに応じた寸法とすることができる。
【００８８】
またこの発明は、あらかじめ歪み測定部材に引張力を印加させた状態の構成にしておくことで、圧縮力に応じて半値全幅が減少するため、圧縮センサーとして用いることができる。
【００８９】
【発明の効果】
上述した説明からも明らかなように、この発明によれば、格子間隔が均一なＦＢＧを円弧状に配置することにより、歪みをうけたとき、従来の伸び歪みに加えて、縮み歪みが発生する。この結果、従来の歪みセンサーは歪み測定部材の形状によって感度が左右されていたが、この発明においてはポアソン比によって感度が左右されるようになる。このため、この発明においては、従来の歪みセンサーでは不可能であった更なる感度の向上を実現することができる。
【００９０】
また、この出願の第２発明のような、歪み測定部材がテーパー形状の中央部を有する構造においては、第１発明と比較して更に高い感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る歪みセンサーの第１の実施の形態の構成例を説明するための図であって、（Ａ）はこのＦＢＧ歪みセンサーを上面から見た平面図、及び（Ｂ）はこのＦＢＧ歪みセンサーを幅方向に向かって見た側面図である。
【図２】第１の実施の形態の歪みセンサーに引張力を加えたとき、（Ａ）は、引張力と歪み量との関係を表す特性図、（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態における、ＦＢＧがチャープグレーティングの状態になったときの、歪み測定領域内の位置と格子間隔との関係を表す特性図、及び（Ｃ）は、この発明の第１の実施の形態におけるＦＢＧの反射帯域幅変化分と引張力Ｆとの関係を表す特性図である。
【図３】第１の実施の形態における歪みセンサーのＦＢＧの反射スペクトルを表す図である。
【図４】従来のＦＢＧを用いた歪みセンサーを表す、（Ａ）はこの従来例を上面から見た平面図、及び（Ｂ）はこの従来例を幅方向から見た側面図である。
【図５】従来の歪みセンサーに引張力を加えたとき、（Ａ）は、引張力と歪み量との関係を表す特性図、（Ｂ）は、従来例におけるＦＢＧがチャープグレーティングの状態になったときの、歪み測定領域内の位置と格子間隔との関係を表す特性図、及び（Ｃ）は、従来例におけるＦＢＧの反射帯域幅変化分と引張力Ｆとの関係を表す特性図である。
【図６】従来の歪みセンサーのＦＢＧの反射スペクトルを表す図である。
【図７】この発明に係る歪みセンサーの第２の実施の形態の構成例を説明するための図であって、（Ａ）はこのＦＢＧ歪みセンサーを上面から見た平面図、及び（Ｂ）はこのＦＢＧ歪みセンサーを幅方向に向かって見た側面図である。
【図８】第２の実施の形態の歪みセンサーに引張力を加えたとき、（Ａ）は、引張力と歪み量との関係を表す特性図、（Ｂ）は、この発明の第２の実施の形態におけるＦＢＧがチャープグレーティングの状態になったときの、歪み測定領域内の位置と格子間隔との関係を表す特性図、及び（Ｃ）は、この発明の第２の実施の形態におけるＦＢＧの反射帯域変化分と引張力Ｆとの関係を表す特性図である。
【図９】第２の実施の形態の歪みセンサーのＦＢＧの反射スペクトルを表す図である。
【符号の説明】
１０：光ファイバー
１２：ＦＢＧ（光ファイバーブラッグ回折格子）
１４，７４：歪み測定部材（板状体）
１４ａ，７４ａ：歪み測定領域（中央部）
１６：外力作用部
２２，８２：幅方向（Ｙ方向）歪み量εSを表すグラフ
２４，８４：長さ方向（Ｘ方向）歪み量εnを表すグラフ
２６，５６，８６：引張力印加後のＦＢＧの格子間隔を表すグラフ
２８，５８，８８：引張力印加前のＦＢＧの格子間隔を表すグラフ
３２，６２，９２：引張力印加前の歪みセンサ−におけるＦＢＧの反射スペクトル
３４，６４，９４：引張力印加前の帯域幅
３６，６６，９６：引張力Ｆ印加後の歪みセンサ−におけるＦＢＧの反射スペクトル
３８，６８，９８：引張力印加後の帯域幅
４４：板状引張部材
４４ａ：テーパー部分
５２：最大歪み量εmaxを表すグラフ
５４：最小歪み量εminを表すグラフ
７６ａ：第１外力作用部
７６ｂ：第２外力作用部
【産業上の利用分野】
この発明は、ＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を用いて、引張力、圧縮力を測定する歪みセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
ＦＢＧは、ファイバーコアの紫外光の周期的な屈折率変化を有し、光ファイバーの光軸であって光ファイバーを貫く中心軸の方向に、屈折率の高い領域ＮHと低い領域ＮLが交互に形成された構造であるブラッグの回折格子を形成する。
【０００３】
その結果、ＦＢＧでは光ファイバー中を伝播してきた光のうち、ブラッグ波長を中心にしたある波長範囲の光が反射される。ブラッグ波長λBは、コアの実効屈折率ｎeと、格子間隔ｄで次のように表される。
【０００４】
λB＝２ｎeｄ・・・（１）
ＦＢＧの光の透過特性は、グレーティング層数、屈折率変調量に依存する。ＦＢＧの最大反射率は、ＦＢＧの形成領域内の最大屈折率と最小屈折率の差Δｎが大きいほど高くなる。また、ＦＢＧの最大反射率は、同一格子間隔をもつ格子の数が多いほど高くなる。
【０００５】
ＦＢＧの反射帯域は、ＦＢＧ形成領域の長さが一定である場合は、格子間隔ｄの光ファイバー中心軸方向の変化率が大きいほど広くなる。
【０００６】
（１）式において、ＦＢＧに温度変化や歪み変化が加えられると、屈折率ｎe及び格子間隔ｄが変化し、ブラッグ波長が変化する。このブラッグ波長を検知することで、ＦＢＧを歪みセンサーや温度センサーに使用できる。
【０００７】
歪みセンサーは、ビルや橋、トンネル等の土木、建築物に張り巡らせて、各ポイントでの歪みの時間変化を把握する技術（スマートストラクチャー）として有用である。しかし、ブラッグ波長は歪みと温度の両方に対して変動するので、ＦＢＧを歪みセンサーとして使う場合には、温度補償が必要である。
【０００８】
そこで、温度変化とは無関係に歪みを測定するために、チャープグレーティングと呼ばれる構造のＦＢＧを用いた、温度で変化しない反射帯域を検知する方法が検討されている。ここで、チャープグレーティングとは、格子間隔ｄを光ファイバーの中心軸方向に連続的、段階的に変化させたものをいい、格子間隔ｄが光ファイバー中心軸方向で一定のものは、ユニフォームグレーティングという。
【０００９】
このチャープグレーティング構造のＦＢＧを用いた温度補償方法については、特開２０００−９７７８６号公報（文献１）に記載されている。ここでは、その一例として、均一な格子間隔のＦＢＧをテーパー形状に取り付けた歪みセンサーを紹介する。
【００１０】
この歪みセンサーの構成を図４に示す。図４（Ａ）は、この歪みセンサーを上から見た平面図を示し、図４（Ｂ）は幅方向に向かって見た側面図を示している。
【００１１】
文献１によればこの歪みセンサーは、板状引張部材４４の長さ方向の中間部に、幅が除々に狭くなる部分（テーパー部分）４４ａを有している。光ファイバー１０のＦＢＧ１２の部分は、板状引張部材４４のテーパー部分４４ａに、その光ファイバー中心軸αの方向を板状引張部材４４の長さ方向に向けて、接着などの手段により固定されている。
【００１２】
以上のような構成なので、板状引張部材４４に引張力を加えた場合、テーパー部分４４ａは、幅が狭い方ほど伸び歪みが大きくなるため、ＦＢＧ１２も幅が狭い部分に近いほど、伸び歪みが大きくなる。その結果、ＦＢＧ１２の格子間隔は、幅の狭い方ほど大きくなり、ユニフォームグレーティングの状態からチャープグレーティングの状態に変化する。
【００１３】
図６はこのグレーティングの状態変化に伴い、ＦＢＧの反射フィルタとしての反射帯域を、波長を横軸にとり、相対的な反射光のパワーを縦軸にとって示す反射スペクトル図である。引張力印加前の反射スペクトルは６２、引張力印加後の反射スペクトルは６６のようになる。
【００１４】
そしてこの図に示すように、引張力を加える前の反射帯域６４より加えた後の反射帯域６８の方が広くなる。よって、反射光のパワーが一定値以上を示すλminからλmaxまでの波長範囲、即ち帯域幅を測定することにより、引張力の大きさを測定することができる。帯域幅の変化は温度変化とは無関係であるので、この歪みセンサーは、温度変化の影響をうけることなく引張力を測定することができる。
【００１５】
板状引張部材４４のテーパー部分４４ａにおいて、最小断面積部分の歪み量εmax（最大歪み量）と、最大断面積の部分の歪み量εmin（最小歪み量）は、引張力Ｆ、最小断面積ＡS、最大断面積ＡL、ヤング率Ｅで（２）式、（３）式のように表される。
【００１６】
εmax＝Ｆ／（Ｅ・ＡS）・・・（２）
εmin＝Ｆ／（Ｅ・ＡL）・・・（３）
図５（Ａ）は、引張力Ｆを横軸にとり、それに対して歪み量εを縦軸にとって示した引張力−歪み量特性図である。５２、５４はそれぞれ、Ｆの増大に伴うεmax、εminの変化を表すグラフである。この図によれば、引張力ＦがＦ1からＦ2まで増加すると、最大歪み量εmax、最小歪み量εminもこれに比例して増加することが分かる。
【００１７】
また、（２）、（３）式より、最小歪み量εminを表すグラフ５４に対し、最大歪み量εmaxを表すグラフ５２の傾きのほうが大きくなる。
【００１８】
ところで、板状引張部材４４のテーパー部分４４ａにおいて、最小断面積の部分の格子間隔ｄmax（最大格子間隔）と、最大断面積の部分の格子間隔ｄmin（最小格子間隔）は、これらの歪み量と、歪みのない場合の格子間隔ｄ0で、以下（４）式、（５）式で表される。
【００１９】
ｄmax＝（１＋εmax）ｄ0・・・・（４）
ｄmin＝（１＋εmin）ｄ0・・・・（５）
これらより、最小格子間隔ｄmin、最大格子間隔ｄmaxは、図５（Ｂ）のようになる。図５（Ｂ）は、引張力Ｆを加えたときの引張部材内長さ方向の座標を横軸にとり、これに対する格子間隔ｄを縦軸にとって示した特性図である。一点鎖線で表される５８は引張力印加前のグラフを、５６は引張力引加後のグラフを表す。
【００２０】
図５（Ｂ）において、このグラフの始点から終点に相当する横軸の座標ｘ1、ｘ2は、図４において、光ファイバー１０上の一区間に形成されたＦＢＧ１２の開始端から終端における位置に相当する。そして、上記始点の横軸の座標ｘ1は、テーパー部分４４ａの最大断面積となるところに位置するＦＢＧ１２の開始端を表し、上記終点の座標ｘ2は、テーパー部分４４ａの最小断面積に位置するＦＢＧ１２の終端を表す。すなわち、図５（Ｂ）のグラフでは、始点の横軸の座標ｘ1に対する、縦軸の座標は最小格子間隔ｄminを表し、グラフの終点の横軸の座標ｘ2に対する、縦軸の座標は最大格子間隔ｄmaxを表す。
【００２１】
光ファイバー１０上の一区間に、図４のように形成されたＦＢＧ１２に、引張力Ｆが加わると、テーパー部分４４ａの断面積の大きい方から小さい方にむかって、すなわちＦＢＧ１２の開始端から終端にかけて、伸び歪みは連続的に変化する。よって、その格子間隔も図５（Ｂ）に示すように、連続的に変化するようなグラフが得られる。
【００２２】
また、図５（Ａ）より、引張力ＦがＦ1からＦ2に増加すると、これに比例して、引張部材のテーパー部分４４ａにおける最大歪み量εmaxと最小歪み量εminは各々増大する。これに伴って、図５（Ｂ）又は（４）、（５）式における最大格子間隔ｄmax、最小格子間隔ｄminも増大する。このため、図５（Ｂ）のようにグラフは上方にシフトする。
【００２３】
なお、チャープグレーティングの状態になったＦＢＧとしての、長さ方向の格子間隔の変化率は、最大格子間隔ｄmaxと最小格子間隔ｄminの差で決まる。
【００２４】
ところで、反射帯域幅の変化分Δλは、最大歪み部分からのブラッグ波長をλmax、最小歪み部分からのブラッグ波長λminとして考えると理解しやすい。ブラッグ波長の式より、各々のブラッグ波長は、（６）式、（７）式で表される。
【００２５】
λmax＝２ｎe・（１＋εmax）ｄ0・・・・（６）
λmin＝２ｎe・（１＋εmin）ｄ0・・・・（７）
図５（Ａ）の５２は５４と比較して傾きが大きい。よって、（６）、（７）式において、最小格子間隔ｄminの変化に伴う、最小歪み部分からのブラッグ波長λminの変化よりも、最大格子間隔ｄmaxの変化による、最大歪み部分からのブラッグ波長λmaxの変化の方が与える影響が大きい。このため引張力Ｆの増大に伴って、λmaxとλminの差、すなわち反射帯域幅の変化分Δλも増大する。
【００２６】
以上の結果より、引張力Ｆを横軸に取り、反射帯域幅の変化分Δλを縦軸にとって表すと、図５（Ｃ）に示されるように、引張力ＦがＦ1からＦ2に増加すると、それに比例してΔλも増大し、この増加分が検知される。
【００２７】
引張力Ｆの変化に対する、反射帯域幅の変化分Δλの大きさが、引張力に対する感度となる。すなわちこの歪みセンサーの感度、Δλ／ΔＦは、図５（Ｃ）の傾きで表される。
【００２８】
ここで、この感度は、テーパー部分の最大断面積ＡLと最小断面積ＡSの比に左右される。よって従来の歪みセンサーの感度は、テーパー部分の形状によって決まることが分かる。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の歪みセンサーにおいては、引張部材に断面積が徐々に変化するテーパー部分が必要で、引張部材のテーパー部分の形状、という幾何学的な要因によって感度が決められていた。
【００３０】
よって、従来の歪みセンサーにおいては、幾何学的改良は困難であったため、さらなる感度の向上は望めなかった。また、このように歪みセンサーの感度が幾何学的な要因に束縛されることは、技術としてあまり魅力のあるものではなかった。
【００３１】
この発明は、以上のような従来技術の問題点に着目し、歪みセンサーの更なる感度向上を目指したものである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
この目的の達成を図るため、この発明のＦＢＧ歪みセンサーによれば、歪み測定領域を有する歪み測定部材と、歪み測定領域上に固定された光ファイバーと、光ファイバーの中心軸に沿った一区間に渡って形成された格子間隔の均一なＦＢＧとを具えている。そして、このＦＢＧは、その形成区間の一端及び他端、すなわちＦＢＧの開始端及び終端における中心軸方向が互いに直交する方向を向くように、歪み測定領域内に配置されており、この区間内は、１／４の円弧状に配置して固定されていることを特徴とする。
【００３３】
また、この出願の第１の発明によれば、歪み測定部材は、厚さが一定の板状体であり、この板状体は、歪み測定領域を構成する一定幅の中央部と、この中央部の両端にそれぞれ連続して設けられていて、この中央部より幅広の２つの外力作用部とを有していることを特徴とする。
【００３４】
この第１発明において、板状体は、中央部及び２つの外力作用部によって、Ｈ字状の形態として形成することがのぞましい。
【００３５】
次にこの出願の第２発明によれば、板状体は、歪み測定領域を構成する中央部を有している。そしてこの中央部の一端から対向する他端に向かい、その幅は連続的に変化している。さらにこの板状体は、その中央部の一端に連続して設けられていて、一端におけるこの中央部の幅以上の幅を有する第１外力作用部と、この中央部の他端に連続して設けられていて、この他端における中央部の幅以上の幅を有する第２外力作用部とを有していることを特徴とする。
【００３６】
この第２発明においては、この中央部の幅の連続的変化は、減少変化とすることが好適である。
【００３７】
この第１発明及び第２発明の構成によれば、歪み測定部材に引張力を加えた場合、歪み測定領域では、光ファイバーの中心軸方向が歪み測定領域の長さ方向に向いている方ほど伸び歪みが大きい。よって、光ファイバーの中心軸の方向が歪み測定領域の長さ方向に向いている方が、ＦＢＧの伸び歪み量が大きい。
【００３８】
一方、光ファイバーの中心軸の方向が歪み測定領域の幅方向に向いている方ほど、光ファイバーは縮み歪みが大きい。よって、光ファイバーの中心軸の方向が幅方向に向いている方ほど、ＦＢＧの縮み歪み量は大きい。
【００３９】
この結果、ＦＢＧの格子間隔は、光ファイバーの中心軸の方向が、歪み測定領域の長さ方向に向いている方ほど大きくなる。これに対して、光ファイバーの中心軸の方向が幅方向に向いている方ほど、ＦＢＧの格子間隔は小さくなる。このため、ＦＢＧはユニフォームグレーティングの状態から、チャープグレーティングの状態に変化する。
【００４０】
これに伴い、ＦＢＧの反射フィルタとしての反射帯域も引張力を加える前よりも、加えた後の方が広くなる。よって、反射光のパワーが一定値以上を示す波長範囲、すなわち帯域幅を測定することにより、引張力の大きさを測定することができる。帯域幅の変化は、温度変化とは無関係であるので、この歪みセンサーは、温度変化の影響をうけることなく引張力を測定することができる。
【００４１】
また幅方向に縮み歪みが加わることにより、この発明の歪みセンサーの感度は、歪み測定部材の材料力学的な値であるポアソン比によって左右されるようになる。
【００４２】
すなわち、従来の歪みセンサーは、テーパー部の形状という幾何学的な要因で決まる面積比に感度が制約されていたので、さらなる感度の向上が困難であったが、この発明は、ポアソン比によって感度が決まるため、従来の歪みセンサーでは不可能であった、さらなる感度の向上を実現することができる。
【００４３】
更に第２発明のＦＢＧ歪みセンサーにおいて、歪み測定部材は、幅が一端から対向する他端に向かって連続的に変化している歪み測定領域を構成する中央部を有する。このため、第１発明における光ファイバーの向きによる歪み量に対する伸縮の効果に加えて、この中央部による歪み量不均一の効果が加わる。この結果第２発明によれば、第１発明よりも更に大きな感度を得ることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、この発明のＦＢＧ歪みセンサーの各実施の形態について説明する。しかしながら、以下の説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に各構成成分の寸法、形状及び配置関係を概略的に示してある。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の符号を付して示してあり重複する説明は省略している。
【００４５】
１．第１の実施の形態
図１は、この発明の第１の実施の形態のＦＢＧ歪みセンサーの構造を説明するための図である。図１（Ａ）はこの発明を上面から見た平面図であり、図１（Ｂ）はこの発明を幅方向に向かって見た側面図である（以下の各実施の形態の構造説明図において同様である。）。
【００４６】
この第１の実施の形態のＦＢＧ歪みセンサーは、歪み測定領域１４ａを有する歪み測定部材１４と、歪み測定領域１４ａ上に、接着などの手段により固定された光ファイバー１０と、光ファイバー１０の中心軸αの方向の一区間に渡って形成された格子間隔の均一なＦＢＧ１２とを具えている。そして、このＦＢＧ１２は、その形成区間の一端及び他端、すなわちＦＢＧ１２の開始端及び終端における中心軸αの方向が互いに直交する方向を向くように歪み測定領域１４ａ内に配置されており、この区間内は、１／４の円弧状に配置して、接着などの手段により固定されている。この区間に該当しない光ファイバー１０の他の部分は、任意好適な手段により固定する。
【００４７】
更にこの歪み測定部材１４は、図１（Ｂ）に示すように、一定の厚さｚを有する板状体である。この板状体は、図１（Ａ）に示すように、歪み測定領域１４ａを構成する一定幅Ｗ0の中央部を有している。この中央部の両端には、それぞれ連続して２つの外力作用部１６が設けられている。図１（Ａ）に示した、この２つの外力作用部１６の幅Ｗ3、Ｗ4は、この中央部よりも幅広である（Ｗ0＜Ｗ3、Ｗ4）。
【００４８】
なお、この第１の実施の形態において板状体は、中央部１４ａ及び２つの外力作用部１６によって、Ｈ字状の形態として形成することがのぞましい。
【００４９】
この第１の実施の形態の構成によれば、歪み測定部材１４に、歪み測定領域１４ａの長さ方向（すなわち図１のＸ方向）に引張力Ｆを加えた場合、歪み測定領域１４ａでは、光ファイバー１０の中心軸αの方向が、Ｘ方向に向いている方ほど伸び歪みが大きい。よって、そちらに向かうにつれて、ＦＢＧ１２の伸び歪み量が大きくなる。
【００５０】
一方、光ファイバー１０の中心軸αの方向が、歪み測定領域１４ａの幅方向（すなわち図１のＹ方向）に向いている方が、縮み歪みが大きい。よって、Ｙ方向に向いている方ほど、ＦＢＧ１２の縮み歪み量は大きい。
【００５１】
この結果、ＦＢＧ１２の格子間隔は、光ファイバー１０の中心軸αの方向がＸ方向に向いている方が大きくなる。これに対して、光ファイバー１０の中心軸αの方向がＹ方向に向いている方ほど、ＦＢＧ１２の格子間隔は小さくなる。このため、ＦＢＧ１２はユニフォームグレーティングの状態から、チャープグレーティングの状態に変化する。
【００５２】
この際のＦＢＧ１２の反射スペクトルは、従来既知の方法によって測定する。図３は、このグレーティングの状態変化に伴い、ＦＢＧ１２の反射フィルタとしての反射帯域を、横軸に波長をとり、反射光のパワーを縦軸にとって示す反射スペクトルの図である。引張力印加前の反射スペクトルは３２、引張力印加後の反射スペクトルは３６のようになる。３４は引張力引加前の帯域幅を示し、３８は引張力引加後の帯域幅を示す。
【００５３】
この図３より、引張力を加えたとき、ＦＢＧ１２がチャープグレーティングの状態になるのに伴って、帯域幅は３４から３８へ変化することから、ＦＢＧ１２の反射フィルタとしての反射帯域は、広くなることが分かる。よって、反射光のパワーが一定値以上を示すλminからλmaxまでの波長範囲、すなわち帯域幅を測定することにより、引張力Ｆの大きさを測定することができる。帯域幅の変化は、温度変化とは無関係であるので、この歪みセンサーは、温度変化の影響をうけることなく引張力を測定することができる。
【００５４】
ところで、歪み測定領域１４ａにおいて、その長さ方向（すなわちＸ方向）の歪み量εnは、引張力Ｆ、断面積Ａ、ヤング率Ｅ、で（８）式のように表される。
【００５５】
εn＝Ｆ／（Ｅ・Ａ)・・・（８）
歪み測定領域１４ａにおいて、その幅方向（すなわちＹ方向）の歪み量εSは、ポアソン比νで（９）式のように表される。
【００５６】
εS＝−εn・ν・・・（９）
ここで図２（Ａ）は、引張力Ｆを横軸にとり、それに対し縦軸に歪み量εをとって示した引張力−歪み量特性図である。このグラフの縦軸は、歪み量εが０より大となるにつれて、伸び歪みが大きくなり、歪み量εが０より小となるにつれて、縮み歪みが大きくなることを示す。すなわち（９）式は、Ｙ方向の縮みを表す。
【００５７】
Ｙ方向の歪み量εS を表すグラフ２２より、εS は引張力Ｆに比例して縮みが大きくなり、一方Ｘ方向の歪み量εnを表すグラフ２４より、εnは引張力Ｆに比例して伸びが大きくなることが分かる。
【００５８】
歪み測定領域１４ａにおいて、最大伸び歪みをした部分の格子間隔ｄmax（最大格子間隔）と、最大縮み歪みをした部分の格子間隔ｄmin（最小格子間隔）は、これらの歪み量と、歪みのない場合の格子間隔ｄ0で、以下の（１０）式、（１１）式で表される。
【００５９】
ｄmax＝（１＋εn）ｄ0・・・（１０）
ｄmin＝（１−εn・ν）ｄ0・・・（１１）
これらより、ｄmaxとｄminは、図２（Ｂ）のようになる。図２（Ｂ）は、引張力Ｆを加えたときの歪み測定領域１４ａ内長さ方向の座標を横軸にとり、これに対する格子間隔ｄを縦軸にとって示した特性図である。図２（Ｂ）における一点鎖線で表されるグラフ２８は、引張力印加前のグラフを表し、２６のグラフは、引張力印加後のグラフを表している。
【００６０】
図２（Ｂ）において、このグラフの始点から終点に相当する横軸の座標ｘ1、ｘ2は、図１において、光ファイバー１０上の一区間に渡って形成されたＦＢＧ１２の開始端から終端における位置に相当する。そして、上記始点の横軸の座標ｘ1は、歪み測定領域１４ａを構成する中央部の一端において、光ファイバー１０の中心軸αの方向を、中央部のＹ方向に向けて位置するＦＢＧ１２の開始端を表し、上記終点の座標ｘ2は、歪み測定領域１４ａを構成する中央部の他端において、光ファイバー１０の中心軸αの方向を、中央部のＸ方向に向けて位置するＦＢＧ１２の終端を表す。すなわち、図２（Ｂ）のグラフでは、始点の横軸の座標ｘ1に対する、縦軸の座標は最小格子間隔ｄminを表し、グラフの終点の横軸の座標ｘ2に対する、縦軸の座標は最大格子間隔ｄmaxを表す。
【００６１】
図１のように光ファイバー１０上の一区間に渡って形成されたＦＢＧ１２に、引張力Ｆが加わると、光ファイバー１０の中心軸αの方向がＹ方向に向いている方から、Ｘ方向に向いている方へ、すなわちＦＢＧ１２の開始端から終端にかけて、歪み量は連続的に変化する。よって、その格子間隔も図２（Ｂ）に示すように、連続的に変化するようなグラフが得られる。チャープグレーティングの状態における、ＦＢＧ１２の長さ方向の格子間隔の変化率は、ｄmaxとｄminの差で決まる。
【００６２】
反射帯域幅の変化分Δλは、最大歪み部分からのブラッグ波長をλmax、最小歪み部分からのブラッグ波長をλminとして考えると理解しやすい。ブラッグ波長の式より、各々のブラッグ波長は、以下（１２）式、（１３）式で表される。
【００６３】
λmax＝２ｎe・（１＋εn）ｄ0・・・（１２）
λmin＝２ｎe・（１−εn・ν）ｄ0・・・（１３）
図２（Ａ）より、引張力Ｆの増大に比例して、歪み測定領域１４ａにおける、Ｘ方向伸び歪み量εnとＹ方向の縮み歪み量εSはそれぞれ増大する。これに伴って（１０）、（１１）式より、図２（Ｂ）のようにｄmaxは増大し、ｄminは減少する。
【００６４】
すなわち引張力Ｆの増加に対し、（１２）、（１３）式を考慮すると、λmax、λminの差、すなわち反射帯域幅の変化分Δλも増大することがわかる。
【００６５】
よって、引張力Ｆを横軸にとり、反射帯域幅の変化分Δλを縦軸にとって示した特性図は、図２（Ｃ）に示されるように、引張力Ｆが増大すると、それに比例してΔλも増大し、この増加分が検知される。
【００６６】
ここで、引張力Ｆの変化に対する、反射帯域幅の変化量の大きさが、引張力に対する感度となる。すなわち感度Δλ／ΔＦは、図２（Ｃ）のグラフの傾きで表される。この感度は、材料力学的な値であるポアソン比によって左右される。
【００６７】
この第１の実施の形態において、板厚ｚ＝１００μｍ、幅Ｗ0＝３０ｍｍ、材質がステンレススチールでポアソン比νが０．２９３の歪み測定部材１４を用い、ＦＢＧ１２はブラッグ波長：１．５５μｍ、反射帯域幅は、半値全幅として０．２μｍのものを用いて、引張力Ｆが１〜２０ｋｇにおいて歪みを測定する例を紹介する。
【００６８】
この測定例においては、この発明の第１の実施の形態における感度と従来技術における感度との比較を行った。比較対照とした従来技術は、図４に示した構成と同様のものであり、具体的には、板状引張部材４４が、板厚＝１００μｍ、幅が除々に狭くなる部分４４ａの最大幅＝１０ｍｍ、幅が除々に狭くなる部分４４ａの最小幅＝５ｍｍ、材質がステンレススチールのものを用い、それ以外は上記のこの発明の第１の実施の形態を用いた場合と同様の条件で測定を行っている。
【００６９】
なお、歪み測定領域を構成する中央部１４ａの一端から対向する他端にかけての長さは、具体的には１０ｍｍ以内のものを用いる（従来例について、これに対応するテーパー部分４４ａの長さ、についても同様の条件で行う。）。
【００７０】
この結果、この発明の第１の実施の形態の構成においては、従来例の約２．５倍の感度が得られた。
【００７１】
すなわち、既に説明したとおり、従来のＦＢＧ歪みセンサーでは、感度は幅が徐々に狭くなる部分、すなわちテーパー部４４ａの形状に左右される。このため、面積比に感度が制約されていた。
【００７２】
これに対して、この発明においてはＦＢＧを円弧状に配置することにより、縮み方向の力を加え、ポアソン比によって感度が決まる構造をもつ。このため、従来の歪みセンサーでは不可能であった、さらなる感度の向上を実現することができる。
【００７３】
２．第２の実施の形態
次に、第２の実施の形態の構成例を図７に示す。この第２の実施の形態によれば、図７（Ｂ）のように厚さｚが一定である板状体７４は、図７（Ａ）に示すように、歪み測定領域を構成する中央部７４ａの幅が、一端から対向する他端に向かって、（すなわち、図７に示したＸ方向に向かって）連続的に変化している。そして、この中央部の一端には、その幅ＷL以上の幅Ｗ1を有する第１外力作用部７６ａが連続して設けられている。同様に、中央部の他端にも、中央部の幅ＷSより大きい幅Ｗ2を有する第２外力作用部７６ｂが連続して設けられている。
【００７４】
そして、この第２の実施の形態においては、中央部７４ａの幅の連続的変化は、一端における最大幅ＷLから他端における最小幅ＷSに向かって、減少変化とすることが好適である。
【００７５】
以上のような第２の実施の形態の構成例においては、歪み測定部材すなわち板状体７４が、中央部７４ａの長さ方向（すなわち図７のＸ方向）に引張力Ｆを受けたとき、中央部７４ａは、不均一な伸び歪みを発生する。つまり、幅が広い部分より幅が狭い部分の方が大きい伸び歪みを発生する。この結果、第２の実施の形態では、第１の実施の形態で示した、ＦＢＧ１２の中心軸αの方向の向きによる歪み量に対する伸縮の効果に加えて、中央部７４ａによる歪み量不均一の効果が加わる。
【００７６】
このときチャープグレーティングの状態になったＦＢＧ１２の反射フィルタとしての反射帯域を示す反射スペクトル図を図９に示す。引張力印加前の反射スペクトルは９２、引張力印加後のスペクトルは９６、引張力印加前の帯域幅、引張力印加後の帯域幅は、それぞれ９４、９８に相当する。
【００７７】
この反射スペクトル図より、この第２の実施の形態における構成についても、引張力Ｆを加えると、ＦＢＧ１２がチャープグレーティングの状態になるのに伴って、帯域幅は９４から９８へ変化することから、ＦＢＧ１２の反射フィルタとしての反射帯域が広くなることが分かる。よって、第１の実施の形態と同様、第２の実施の形態についても、温度変化の影響をうけることなく、引張力を測定することができる。
【００７８】
またこの第２の実施の形態について、その引張力−歪み量特性図は、図８（Ａ）に示すようになる。すなわち、この第２の実施の形態の歪みセンサーに引張力Ｆを加えると、ＦＢＧ１２は、上述したように、不均一な伸び歪みを発生する。この結果、Ｘ方向の伸び歪み量εnを表すグラフ８４は、第１の実施の形態における特性図、図２（Ａ）の２４のグラフと比較し、その傾きが大きくなる。
【００７９】
ここで、図８（Ｂ）は図２（Ｂ）と同様、第２の実施の形態の構成に引張力Ｆを加えたときの、ＦＢＧ１２の格子間隔の変化を示す特性図である。（１０）式を参考にすれば、εnの増大にともなって、ｄmaxも増大し、図８（Ｂ）のグラフも８８から８６のグラフへシフトする。このとき、図２（Ｂ）と比較すると、引張力印加後のｄmaxはより大きい値となる。
【００８０】
以上の結果、この第２の実施の形態においては、図８（Ａ）において、Ｘ方向の伸び歪み量εnをより大きくし、Ｙ方向の縮み歪み量εSとの差を大きくする。これに伴って、図８（Ｂ）のように、光ファイバーの長さ方向の格子間隔の変化率（ｄmaxとｄminの差で決まる）を大きくできる。
【００８１】
よって、（１２）、（１３）式を考慮すると、λmaxは第１の実施の形態と比較して大きくなるため、λminとの差Δλも第１の実施の形態と比較して大きくなる。
【００８２】
このため、図８（Ｃ）における傾き、すなわち、第２の実施の形態による歪みセンサーの感度Δλ／ΔＦの値も、第１の実施の形態で得られる値より大きくなる。すなわち、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と比較して、より大きな感度を得ることができる。
【００８３】
ここで、この第２の実施の形態において、板厚ｚ＝１００μｍ、幅が徐々に狭くなる部分の最大幅ＷL＝６０ｍｍ、幅が徐々に狭くなる部分の最小幅ＷS＝５ｍｍ、材質がステンレススチールでポアソン比νが０．２９３の歪み測定部材７４を用い、ＦＢＧ１２はブラッグ波長：１．５５μｍ、反射帯域幅は、半値全幅として０．２μｍのものを用いて、引張力Ｆが１〜２０ｋｇにおいて歪みを測定する例を紹介する。なお、この測定例においても第１の実施の形態における測定例と同様、歪み測定領域を構成する中央部７４ａの一端から対向する他端にかけての長さは、具体的には１０ｍｍ以内のものを用いる。
【００８４】
ここでは、この発明の第１の実施の形態における感度との比較を行った。この第１の実施の形態は、具体的に歪み測定部材１４の各部の寸法は、板厚ｚ＝１００μｍ、幅Ｗ0＝３０ｍｍであり、材質はステンレススチールでポアソン比νが０．２９３のものである。また、そのＦＢＧ１２のブラッグ波長は１．５５μｍで、反射帯域幅は、半値全幅として０．２μｍのものを用いている。
【００８５】
この結果、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態における感度に比べて、約５倍大きい感度が得られた。
【００８６】
すなわち、第２の実施の形態のＦＢＧ歪みセンサーにおいては、歪み測定部材７４上の歪み測定領域を構成する中央部７４ａの幅が連続的に変化する構成となっている。このため、第１の実施の形態における光ファイバーの向きによる歪み量に対する伸縮の効果に加えて、この中央部７４ａによる歪み量不均一の効果が加わる。この結果第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態よりも更に大きな感度を得ることができる。
【００８７】
尚、この発明においては、歪み測定部材は、測定する引張力Ｆに応じた寸法とすることができる。
【００８８】
またこの発明は、あらかじめ歪み測定部材に引張力を印加させた状態の構成にしておくことで、圧縮力に応じて半値全幅が減少するため、圧縮センサーとして用いることができる。
【００８９】
【発明の効果】
上述した説明からも明らかなように、この発明によれば、格子間隔が均一なＦＢＧを円弧状に配置することにより、歪みをうけたとき、従来の伸び歪みに加えて、縮み歪みが発生する。この結果、従来の歪みセンサーは歪み測定部材の形状によって感度が左右されていたが、この発明においてはポアソン比によって感度が左右されるようになる。このため、この発明においては、従来の歪みセンサーでは不可能であった更なる感度の向上を実現することができる。
【００９０】
また、この出願の第２発明のような、歪み測定部材がテーパー形状の中央部を有する構造においては、第１発明と比較して更に高い感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る歪みセンサーの第１の実施の形態の構成例を説明するための図であって、（Ａ）はこのＦＢＧ歪みセンサーを上面から見た平面図、及び（Ｂ）はこのＦＢＧ歪みセンサーを幅方向に向かって見た側面図である。
【図２】第１の実施の形態の歪みセンサーに引張力を加えたとき、（Ａ）は、引張力と歪み量との関係を表す特性図、（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態における、ＦＢＧがチャープグレーティングの状態になったときの、歪み測定領域内の位置と格子間隔との関係を表す特性図、及び（Ｃ）は、この発明の第１の実施の形態におけるＦＢＧの反射帯域幅変化分と引張力Ｆとの関係を表す特性図である。
【図３】第１の実施の形態における歪みセンサーのＦＢＧの反射スペクトルを表す図である。
【図４】従来のＦＢＧを用いた歪みセンサーを表す、（Ａ）はこの従来例を上面から見た平面図、及び（Ｂ）はこの従来例を幅方向から見た側面図である。
【図５】従来の歪みセンサーに引張力を加えたとき、（Ａ）は、引張力と歪み量との関係を表す特性図、（Ｂ）は、従来例におけるＦＢＧがチャープグレーティングの状態になったときの、歪み測定領域内の位置と格子間隔との関係を表す特性図、及び（Ｃ）は、従来例におけるＦＢＧの反射帯域幅変化分と引張力Ｆとの関係を表す特性図である。
【図６】従来の歪みセンサーのＦＢＧの反射スペクトルを表す図である。
【図７】この発明に係る歪みセンサーの第２の実施の形態の構成例を説明するための図であって、（Ａ）はこのＦＢＧ歪みセンサーを上面から見た平面図、及び（Ｂ）はこのＦＢＧ歪みセンサーを幅方向に向かって見た側面図である。
【図８】第２の実施の形態の歪みセンサーに引張力を加えたとき、（Ａ）は、引張力と歪み量との関係を表す特性図、（Ｂ）は、この発明の第２の実施の形態におけるＦＢＧがチャープグレーティングの状態になったときの、歪み測定領域内の位置と格子間隔との関係を表す特性図、及び（Ｃ）は、この発明の第２の実施の形態におけるＦＢＧの反射帯域変化分と引張力Ｆとの関係を表す特性図である。
【図９】第２の実施の形態の歪みセンサーのＦＢＧの反射スペクトルを表す図である。
【符号の説明】
１０：光ファイバー
１２：ＦＢＧ（光ファイバーブラッグ回折格子）
１４，７４：歪み測定部材（板状体）
１４ａ，７４ａ：歪み測定領域（中央部）
１６：外力作用部
２２，８２：幅方向（Ｙ方向）歪み量εSを表すグラフ
２４，８４：長さ方向（Ｘ方向）歪み量εnを表すグラフ
２６，５６，８６：引張力印加後のＦＢＧの格子間隔を表すグラフ
２８，５８，８８：引張力印加前のＦＢＧの格子間隔を表すグラフ
３２，６２，９２：引張力印加前の歪みセンサ−におけるＦＢＧの反射スペクトル
３４，６４，９４：引張力印加前の帯域幅
３６，６６，９６：引張力Ｆ印加後の歪みセンサ−におけるＦＢＧの反射スペクトル
３８，６８，９８：引張力印加後の帯域幅
４４：板状引張部材
４４ａ：テーパー部分
５２：最大歪み量εmaxを表すグラフ
５４：最小歪み量εminを表すグラフ
７６ａ：第１外力作用部
７６ｂ：第２外力作用部
Claims (5)
- ＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を用いて、歪みを測定するＦＢＧ歪みセンサーにおいて、
歪み測定領域を有する歪み測定部材と、前記歪み測定領域上に固定された光ファイバーと、前記光ファイバーの中心軸に沿った一区間に渡って形成された格子間隔の均一なＦＢＧとを具え、
前記ＦＢＧは前記歪み測定領域内に、前記区間の一端及び他端における前記中心軸の方向が互いに直交する方向を向くように配置されており、前記区間内は、１／４の円弧状に配置して固定されている
ことを特徴とするＦＢＧ歪みセンサー。 - 請求項１に記載のＦＢＧ歪みセンサーにおいて、前記歪み測定部材は、厚さが一定の板状体であり、
該板状体は、前記歪み測定領域を構成する一定幅の中央部と、
該中央部の両端にそれぞれ連続して設けられていて、前記中央部より幅広の２つの外力作用部と
を有していることを特徴とするＦＢＧ歪みセンサー。 - 請求項２に記載のＦＢＧ歪みセンサーにおいて、前記板状体は、前記中央部及び前記２つの外力作用部によって、Ｈ字状の形態として形成されていることを特徴とするＦＢＧ歪みセンサー。
- 請求項１に記載のＦＢＧ歪みセンサーにおいて、前記歪み測定部材は、厚さが一定の板状体であり、
該板状体は、
前記歪み測定領域を構成する中央部であって、該中央部の一端から対向する他端に向かって、幅が連続的に変化している当該中央部と、
該中央部の前記一端に連続して設けられていて、該一端における前記中央部の幅以上の幅を有する第１外力作用部と、
前記中央部の前記他端に連続して設けられていて、該他端における前記中央部の幅以上の幅を有する第２外力作用部と
を有していることを特徴とするＦＢＧ歪みセンサー。 - 請求項４に記載のＦＢＧ歪みセンサーにおいて、前記中央部の幅の連続的変化を、減少変化とすることを特徴とするＦＢＧ歪みセンサー。
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