JP4214483B2 - Ｆｂｇ超音波センサの被検体への取り付け構造及び取り付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバセンサを用いたひずみ計測、および超音波・ＡＥ検出装置の技術分野に関するものであり、特に、ＦＢＧをセンサとする超音波計測装置を用いて超音波を検出する際に、高い感度で超音波を検出するためのＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造及び取り付け方法に関する。

近年、構造物の信頼性を向上させることを目的に健全性評価装置を構築することが期待されている。構造物の健全性を評価する際、ひずみ計測とき裂などの欠陥を検出することは非常に重要である。これまでひずみは金属の変形に伴う電気抵抗変化を利用した抵抗式ひずみゲージを用いて計測されることが多かった。またき裂などの欠陥を検出する手法としては欠陥発生に伴う弾性波放出（ＡＥ）の検出と超音波を利用した非破壊検査が行われている。

例えば、橋梁、輸送機、建築物などの構造物におけるひずみ評価、上記構造物の破壊発生に伴う弾性波放出（ＡＥ）検出、上記構造物への超音波を利用した非破壊検査、ひずみ、超音波・ＡＥ計測を組み合わせた構造物の健全性評価モニタリング装置に適用することができる。

超音波を利用した非破壊検査では、き裂の存在は超音波の伝搬特性に影響を与えることを利用して、被検査体に超音波を伝搬させ、その応答波形の特徴から欠陥の有無を検査するものである。構造体の欠陥検出に超音波が適用される。その際、超音波の検出感度が高いほど、欠陥検出能が高くなる。このため、超音波検出感度の高いセンサの開発が望まれている。

これまでＡＥの検出センサ、および超音波を用いた非破壊検査における超音波検出センサには圧電素子センサが利用されてきた。しかし圧電素子センサの場合、電気式センサであることから電磁波障害の影響を受けることや一個のセンサにつき、一本のケーブルを必要とすることから配線が複雑になるなど実用化において問題があった。

近年、圧電素子のこれらの欠点を改善することができる光ファイバセンサの一種であるＦＢＧセンサによる超音波検出が注目されている。ＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）を構造体の健全性評価におけるひずみ、および超音波・ＡＥ検出用センサとして利用することが期待されている。ＦＢＧセンサは電磁波障害を受けないことや、一本の光ファイバに複数のセンサと取り付けることが可能なことなどの特長があり、実用化において多くの利点を有する。

ＦＢＧセンサを利用した超音波・ＡＥ検出法は用いる光源の種類により二種類に大別することができる。ひとつは広帯域光源を利用するタイプ、もうひとつはレーザ光源、つまり単一波長光源を利用するタイプである。本発明者は、特願２００３−１７２３２１では広帯域光源を利用してひずみと超音波・ＡＥを検出する装置を提案し、特願２００４−１４５８８０ではレーザ光源を利用した超音波・ＡＥ検出装置を提案している。

レーザ光源を利用した超音波計測に関してはこれまでにいくつかの論文報告がされている（非特許文献１参照）。これらの研究においてはセンサとなるＦＢＧの反射率が半減する波長に波長可変レーザの発振波長を設定し、ＦＢＧセンサからの反射光強度がセンサのブラッグ波長に伴い変化することを利用して超音波を検出した実験が報告されている。

これまでにＦＢＧセンサを用いて超音波を計測した実験例が報告され（たとえば非特許文献１参照）、さらにＦＢＧセンサを用いた超音波計測から材料の損傷状態を評価することができることが報告されている（非特許文献２）。
D. C. Betz等, Smart Materials andStructures, 12(2003)122-128 H. Tsuda等, Smart Materials and Structures, 13(2004)719-724

超音波を利用した構造体の健全性評価においては、超音波検出感度を向上させることにより、その健全性評価の精度を高めることができる。そこで、発明者は、超音波検出感度を向上させるための研究開発を鋭意行ったが、この研究開発の過程で、ＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造及び方法に着目した。

即ち、従来の技術では、ＦＢＧセンサに超音波を伝搬させるため、センサ部であるグレーティングは被検体への取り付けのために、被検体へ完全に接着されている。そこで、この接着による超音波検出感度に対する影響に着目し、本発明では、ＦＢＧを超音波センサとして用いた場合、センサ部であるグレーティングの被検体への取り付け構造及び取り付け（貼り付け）方法を工夫することにより、超音波検出感度を向上させ、健全性評価の精度を高めることを課題とするものである。

本発明は上記課題を解決するために、光ファイバに形成されたＦＢＧセンサのグレーティングは被検体に接着されておらず、該グレーティングの両端から両側方に離れた箇所のみが被検体に接着されて成ることを特徴とするＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造を提供する。

前記ＦＢＧセンサのグレーティングの両端から両側方に離れた箇所は、離型シートを介して前記被検体に接着されていることを特徴とする。

本発明は上記課題を解決するために、光ファイバに形成されたＦＢＧセンサのグレーティングは中空チューブで覆われており、該中空チューブの両端は接着剤などでシールドされており、該中空チューブが、被検体に接着されて成ることを特徴とするＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、光ファイバに形成されたＦＢＧセンサのグレーティングは中空チューブで覆われており、該中空チューブの両端は接着剤などでシールドされており、該中空チューブが、被検体内に埋め込まれて成ることを特徴とするＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、ＦＢＧセンサのグレーティングの両端から両側方に離れた箇所のみを被検体に接着することを特徴とするＦＢＧセンサの被検体への取り付け方法を提供する。

本発明に係るＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造及び取り付け方法は、ＦＢＧセンサのグレーティングは接着せずに、その両端から両側方に離れた箇所のみを被検体に接着したことで、ＦＢＧセンサの超音波検出感度を向上させ、健全性評価の精度を高めることができる。

本発明に係るＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造及び取り付け方法を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて図面等を参照として、以下に説明する。

（超音波検出装置１の全体構成）
図２は、本発明に係るＦＢＧセンサ５の被検体９への取り付け構造及び取り付け方法を適用する超音波検出装置１の全体構成を示す図である。超音波検出装置１は、波長可変レーザ光源２と、波長可変レーザ光源２に光ファイバ３で接続された光サーキュレータ４と、光サーキュレータ４に接続されたＦＢＧセンサ５と、光サーキュレータ４に光ファイバ３で接続された光電変換器６とから成る。

波長可変レーザ光源２の出力波長は、ＦＢＧセンサ５の反射率が半減する波長付近に設定している。ＦＢＧセンサ５は光ファイバ７にグレーティング８（ブラッグ格子）が形成されて成る構成である。

検査の際には、ＦＢＧセンサ５は被検体９の表面にひずみゲージ用接着剤などを用いてブリッジ接着（この接着の詳細は後述する。）、または完全接着（この接着の詳細は後述する。）のいずれかの方法で貼り付けられる。

そして、ＦＢＧセンサ５に、波長可変レーザ光源２からレーザ光が光サーキュレータ４を介して入射され、ＦＢＧセンサ５からの反射光は光サーキュレータ４を介して光電変換器６に送られ、そこで光強度が電圧信号に変換される。

（取り付け構造及び方法）
以上の構成から成る超音波検出装置１において、本発明は、ＦＢＧセンサ５の被検体９への取り付け構造及び取り付け方法を特徴とするものである。これを、従来技術と対比しながら説明する。図１（ａ）は、従来のＦＢＧセンサ５の被検体９への取り付け構造及び方法を図示するものである。

従来、ＦＢＧセンサ５の被検体９への貼り付けは、図１（ａ）で示すように、ＦＢＧセンサ５のセンサ部を構成するグレーティング８の全体が、被検体９へ完全に接着剤１０で接着する（これを「完全接着」と名付けた。）方法が取られてきた。

これに対して、本発明に係るＦＢＧセンサ５の被検体９への取り付け構造及び取り付け方法は、図１（ｂ）に示すように、ＦＢＧセンサ５のグレーティング８の両端から両側方に離れた箇所のみを被検体９に接着剤１０で接着する構造及び方法（これを「ブリッジ接着」と名づけた。）を採用するものである。このように、本発明では、ブリッジ接着を採用することで、後述する実験データで示すように、ＦＢＧセンサ５の超音波検出感度を向上させることができる。

図３は、本発明の取り付け方法の一例を説明する図である。この取り付け方法は、離型シート１５を用いて上記のブリッジ接着をする方法であり、その詳細は次のとおりである。図３（ａ）に示すように、被検体９上に離型シート１５を載置（当接）する。この離型シート１５は、接着剤の作用が効かない離型シート１５であればどのようなシートであってもよいが、例えば、テフロンシート（「テフロン」は登録商標名である。）等が好ましい。この離型シート１５の横幅ｗは、ＦＢＧセンサ５のグレーティング８の長さｇより大きい。

そして図３（ａ）に示すように、グレーティング８の両端から両側方に離れた位置に離型シート１５の両側縁１５’が位置するように、離型シート１５を介して被検体９にＦＢＧセンサ５の光ファイバ７を当接させる。その後で、離型シート１５の両側縁１５’および該両側縁１５’の被検体９を含む領域１６に接着剤１０を塗布する。

するとグレーティング８の両端から両側方に離れた位置であって、離型シート１５の両側縁１５’の外側の接着剤１０の塗布された領域１６において、光ファイバ７は被検体９に接着される。離型シート１５は、接着剤１０の作用が効かない（接着しない）シートであるから、光ファイバ７と被検体９との間から簡単に抜き取って取り除くことができる。

以上の取り付け方法により、図３（ｂ）に示すように、ＦＢＧセンサ５のグレーティング８の両端から両側方に離れたＦＢＧセンサ５の光ファイバ７の箇所のみを被検体９に接着して、ＦＢＧセンサ５を被検体９へ取り付けることができる。

ところで、ブリッジ接着におけるブリッジ間隔ｓは超音波検出において重要なパラメータになる。このため、ブリッジ接着の間隔ｓ（「ブリッジ間隔」という。）ブリッジ間隔ｓを簡単に制御できるような取り付け方法が必要である。上記離型シートを利用したブリッジ接着は、適宜の横幅ｗを有する離型シート１５を選択することにより、ブリッジ間隔ｓを簡単に調整することができ、グレーティング８に接着剤１０を塗布することなく、ＦＢＧセンサ５を被検体９へ簡単に取り付けることができる。

（検出感度の評価実験）
ＦＢＧセンサの被検体９への取り付け構造及び方法が、超音波検出感度に及ぼす影響について確認するために、次のような評価実験を行った。即ち、図１（ａ）に示す従来の「完全接着」と、図１（ｂ）に示す本発明の「ブリッジ接着」との二つの接着構造及び方法それぞれについて、ＦＢＧセンサ５を被検体９表面に貼り付け、超音波発振子１８から発生させた超音波を検出する実験を行った。

なお、本実験では被検体９としてアルミニウム板を採用した。そして、ＦＢＧセンサ５のグレーティング８を挟むようにブリッジ接着するが、接着間距離であるブリッジ間隔ｓ（図１参照）はグレーティング長１０mmに対して１２ｍｍとした。

また超音波発振子１８はＦＢＧセンサ５の光ファイバ７の軸芯上に置いた。パルス発生器１４からスパイク波を超音波発振子１８に入力して超音波を発生させた。

図４は、この評価実験の結果を示すグラフであり、このグラフでは、従来例の「完全接着」の場合と、本発明の「ブリッジ接着」の場合のそれぞれの超音波応答波形を示している。この図４で明らかなとおり、本発明の「ブリッジ接着」の場合は、従来の「完全接着」の場合に較べて、応答波が大きく現れるので、より超音波検出感度は向上したことが分かる。

このように、本発明の「ブリッジ接着」が従来の「完全接着」に比べて超音波検出感度が向上することは、実験によって確認されているところであるが、その理論的な根拠は、次のとおりと考えられる。

ＦＢＧセンサの光ファイバに応力が不均一にかかると、複屈折と呼ばれる屈折率に異方性が現れる現象が生じる。従来のＦＢＧセンサ５の被検体９への取り付けにおいては、グレーティング全体に接着剤１０を塗る、または被検体９の内部にグレーティング８を含む光ファイバ７を埋め込むなどの取り付け構造が採用されていた。

このような構造で被検体９に取り付けられると、グレーティング８は、残留応力の影響を受けて大きな複屈折が生じる。この複屈折は、ＦＢＧセンサの反射波長域を拡げる効果をもたらす。図５は、ＦＢＧセンサの貼り付け方が反射率特性に及ぼす影響を示す実験データであり、具体的には、完全接着した場合とブリッジ接着した場合のＦＢＧセンサの反射特性を、それぞれ、横軸に波長、縦軸に反射率をとって、示している。

図５によると、完全接着した場合は、ブリッジ接着と比較して反射波長域が拡がる。このため反射率−波長関係の勾配が低下する。レーザ光源を利用した超音波計測においてはこの反射率−波長関係の勾配が高いほど、超音波に対する感度が高くなる。

ブリッジ接着の場合は、グレーティングは接着されていないことから複屈折の影響はない。このため反射率−波長関係の勾配は複屈折による低下を受けないことになる。このためブリッジ接着を行ったＦＢＧセンサは、完全接着の場合よりも超音波に対する感度が高いことになる。

つまりブリッジ接着は、グレーティングへ複屈折の影響をもたらさない被検体への取り付け構造であり、接着によりグレーティングに生じる複屈折をなくすことにより超音波検出感度を高めることができるものと考えられる。

図６及び図７は、本発明の実施例２を説明する図である。この実施例２は、実施例１と同様にＦＢＧセンサ５のグレーティング８を除いてその両端から両側方に離れた箇所において、ブリッジ接着がされる構成である。

しかし、この実施例２のＦＢＧセンサの取り付け構造及び方法は、図６に示すように、ガラスや金属などの中空チューブ１１を用いてＦＢＧセンサ１３のグレーティング８を覆い、チューブ１１の両端をシールド剤１２などでシールドした構造のＦＢＧセンサ１３を、図７に示すように、被検体９の表面に接着剤１０でブリッジ接着する構成および方法である。

実施例２に示すＦＢＧセンサ１３は、グレーティング８を中空チューブ１１で覆って保護した状態でシールド剤１２でシールドしてブリッジ接着するので、中空チューブ１１の長さを適宜選択すれば、ブリッジ間隔が容易に設定でき、しかも、中空チューブ１１でグレーティング８を取り囲むことによりＦＢＧセンサ１３を、破損や環境から保護する機能を有することとなる。

なお、実施例２に示すＦＢＧセンサ１３では、被検体９の表面に貼り付けられる構成でも埋め込まれる構成でも、中空チューブ１１両端のシールド剤１２は、センサ１３が使用される環境においてその機能を保持できるものでなければならない。

例えば、高温環境において使用される場合は、特に、被検体９内に埋め込まれる構造では、中空チューブ１１は、埋め込み成形時の高温においても溶けずに、中空チューブ１１と光ファイバ７を固定し、超音波をグレーティング８に伝達するような材料でなければならない。もちろん、被検体９の表面に、図１と同様の接着剤で接着される構成おいても、接着剤は使用される環境において接着を保ち続ける必要はある。

図８は、本発明の実施例３を従来の構成と対比して説明する図である。この実施例３は、図６で示した中空チューブ１１でグレーティング８を覆った構造のＦＢＧセンサ１３を、被検体９内に埋め込んで取り付ける構成及び取り付け方法である。

図８（ａ）は、従来の埋め込みによる取り付けを説明する図である。従来は、被検体である複合材料などの積層材料１７の層間に直接ＦＢＧセンサのグレーティング８を埋め込む構成を採用していた。しかし、この従来の構成であると、ＦＢＧセンサ５が破損したり、材料製造中に生じる残留応力がグレーティング８に作用し、大きな複屈折が生じて、ＦＢＧセンサ５の反射波長域が拡がってしまい、反射率−波長関係の勾配が低下し超音波検出感度が低下してしまう。

そこで、この実施例３は、図６に示す実施例２と同様に、ガラスや金属などの中空チューブ１１を用いてＦＢＧのグレーティング８を覆い、チューブ１１の両端をシールド剤１２などでシールドした構造のＦＢＧセンサ１３を、図８（ｂ）に示すように、積層材料１７の層間に埋め込むようにした構成を特徴とするものである。

この実施例３によると、図８（ａ）に示した従来のＦＢＧセンサの埋め込み時に生じる残留応力の影響によるＦＢＧセンサの反射特性への悪影響をなくすことができ、超音波検出感度を向上させ、さらに、実施例２と同様に、ブリッジ間隔が容易に設定でき、しかも、中空チューブ１１でグレーティング８を取り囲むことによりＦＢＧセンサ１３を、破損や環境から保護する機能を有することとなる。

以上、本発明の実施例を、超音波検出のみを例に挙げて説明したが、弾性波放出（アコースティック・エミッション、ＡＥ）も超音波と同じ周波数帯域を有することから、本発明はＡＥ検出にも適用できることは言うまでもない。

本発明に係るセンサの被検体への取り付け構造及び方法は、以上の構成であるから、各種の構造物の健全性評価に適用され、老朽化した構造物や航空宇宙構造物などへ健全性評価する際におけるＦＢＧを超音波検出センサの取り付け方法などに適用できる。

実施例１のＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造及び方法を従来技術と比較して説明する図である。 本発明の前提をなすＦＢＧセンサを被検体へ取り付けて測定する超音波検出装置の全体構成を示す図である。 実施例１のＦＢＧセンサの被検体への接着による取り付け方法の一例を説明する図である。 従来例と実施例１を比較して、ＦＢＧセンサの貼り付け方が超音波検出感度に及ぼす影響の実験結果を示す図である。 従来例と実施例１を比較して、ＦＢＧセンサの貼り付け方が反射率特性に及ぼす影響の実験結果を示す図である。 実施例２及び実施例３の取り付け構造及び方法におけるブリッジ接着のための中空チューブを利用した構成を示す図である。 実施例２の取り付け構造及び方法を説明する図である。 実施例３の取り付け構造及び方法を説明する図である。

符号の説明

１ 超音波検出装置
２ 波長可変レーザ光源
３ 光ファイバ
４ 光サーキュレータ
５ ＦＢＧセンサ
６ 光電変換器
７ ＦＢＧセンサの光ファイバ
８ グレーティング
９ 被検体
１０ 接着剤
１１ 中空チューブ
１２ シールド剤
１３ ＦＢＧセンサ
１４ パルス発生器
１５ 離型シート
１６ 接着剤を塗布する領域
１７ 積層材料
１８ 超音波発振子

Claims (5)

1. 波長可変レーザ光源と、該波長可変レーザ光源に光ファイバで接続された光サーキュレータと、該光サーキュレータに接続されたＦＢＧセンサと、該光サーキュレータに光ファイバで接続された光電変換器とを備え、超音波を被検体に伝搬させて、該超音波はレーザ発振波長におけるＦＢＧの反射率を変化させることから、ＦＢＧセンサからの反射光強度の変化として超音波を検出する超音波検出装置における前記ＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造であって、
   前記ＦＢＧセンサは、光ファイバにグレーティングが形成されて成り、該グレーティングは、被検体に接着されておらず、被検体へ接着した場合に生じる複屈折が生じることなく、該複屈折に起因する反射率−波長関係の勾配が低下しない構成とし、該グレーティングの両端から両側方に離れた箇所のみが被検体に接着されて成る構成であることを特徴とするＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造。
2. 波長可変レーザ光源と、該波長可変レーザ光源に光ファイバで接続された光サーキュレータと、該光サーキュレータに接続されたＦＢＧセンサと、該光サーキュレータに光ファイバで接続された光電変換器とを備え、超音波を被検体に伝搬させて、該超音波はレーザ発振波長におけるＦＢＧの反射率を変化させることから、ＦＢＧセンサからの反射光強度の変化として超音波を検出する超音波検出装置における前記ＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造であって、
   前記ＦＢＧセンサは、光ファイバにグレーティングが形成されて成り、該グレーティングは中空チューブで覆われており、該中空チューブの両端は接着剤などでシールドされており、該中空チューブが、被検体に接着されて成り、該グレーティングが、被検体へ接着した場合に生じる複屈折が生じることなく、該複屈折に起因する反射率−波長関係の勾配が低下しない構成とすることを特徴とするＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造。
3. 波長可変レーザ光源と、該波長可変レーザ光源に光ファイバで接続された光サーキュレータと、該光サーキュレータに接続されたＦＢＧセンサと、該光サーキュレータに光ファイバで接続された光電変換器とを備え、超音波を被検体に伝搬させて、該超音波はレーザ発振波長におけるＦＢＧの反射率を変化させることから、ＦＢＧセンサからの反射光強度の変化として超音波を検出する超音波検出装置における前記ＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造であって、
   前記ＦＢＧセンサは、光ファイバにグレーティングが形成されて成り、該グレーティングは中空チューブで覆われており、該中空チューブの両端は接着剤などでシールドされており、該中空チューブが、被検体内に埋め込まれて成り、該グレーティングが、被検体へ接着した場合に生じる複屈折が生じることなく、該複屈折に起因する反射率−波長関係の勾配が低下しない構成とすることを特徴とするＦＢＧセンサの被検体への取り付け構造。
4. 波長可変レーザ光源と、該波長可変レーザ光源に光ファイバで接続された光サーキュレータと、該光サーキュレータに接続されたＦＢＧセンサと、該光サーキュレータに光ファイバで接続された光電変換器とを備えた超音波検出装置を利用し、超音波を被検体に伝搬させて、該超音波はレーザ発振波長におけるＦＢＧの反射率を変化させることから、ＦＢＧセンサからの反射光強度の変化として超音波を検出する超音波検出方法における前記ＦＢＧセンサの被検体への取り付け方法であって、
   前記ＦＢＧセンサにおける光ファイバに形成されたグレーティングを、被検体に接着せず、被検体へ接着した場合に生じる複屈折が生じることなく、該複屈折に起因する反射率−波長関係の勾配が低下しないようにし、該グレーティングの両端から両側方に離れた箇所のみが被検体に接着することを特徴とするＦＢＧセンサの被検体への取り付け方法。
5. 波長可変レーザ光源と、該波長可変レーザ光源に光ファイバで接続された光サーキュレータと、該光サーキュレータに接続されたＦＢＧセンサと、該光サーキュレータに光ファイバで接続された光電変換器とを備えた超音波検出装置を利用し、超音波を被検体に伝搬させて、該超音波はレーザ発振波長におけるＦＢＧの反射率を変化させることから、ＦＢＧセンサからの反射光強度の変化として超音波を検出する超音波検出方法における前記ＦＢＧセンサの被検体への取り付け方法であって、
   前記ＦＢＧセンサにおける光ファイバに形成されたグレーティングを、被検体に接着せず、被検体へ接着した場合に生じる複屈折が生じることなく、該複屈折に起因する反射率−波長関係の勾配が低下しないようにし、該グレーティングより幅広の離型シートを介して被検体に当接させ、ＦＢＧセンサのうちグレーティングの両端から両側方に離れた箇所を前記離型シートの両側縁に沿って前記被検体に接着し、その後、前記離型シートを取り除くことにより、前記グレーティングの両端から両側方に離れた箇所のみを被検体に接着することを特徴とするＦＢＧセンサの被検体への取り付け方法。
   

Images