JP6388990B2 - 湾曲した表面のためのｆｂｇ延びセンサ - Google Patents

Description

本発明は、以下「ＦＢＧ延びセンサ」という、ファイバブラッググレーティングを備えた光ファイバを有する延びセンサに関するものである。本発明は、湾曲した表面においても延びを精確に測定するのに適したものである。

異なる材料表面に固定される、延びを感受する複数のセンサがいわゆる金属フィルムＤＭＳ又はＦＢＧファイバセンサとして知られている。金属フィルムＤＭＳは本質的に合成樹脂支持フィルムから成り、この合成樹脂支持フィルム上では、少なくとも１つの薄い蛇行状の金属フィルムストリップが全面にわたって、すなわちその全面において固定されている。延びの検出のために、合成樹脂支持フィルムは、検査されるべき材料表面へ接着される。センサ支持部材としての合成樹脂フィルムの使用が必要である。なぜなら、このような配置によってのみＤＭＳが規定どおりに貼着され得るためである。比較的安定的な合成樹脂フィルムを有さない非常に薄い材料フィルムの電気的に絶縁された貼着は、実験室条件以外では実行可能ではない。

この金属フィルム−ＤＭＳと同様にＦＢＧセンサが開発され、このＦＢＧセンサは、本質的に構成要素として、ファイバブラッググレーティング（以下「ＦＢＧ」という）を有するガラスファイバを備えている。このガラスファイバは、同様に、検査されるべき材料表面上に固定される必要がある。ここで、同様に、操作時に問題が生じる。なぜなら、ガラスファイバは薄く、破れやすいためである。そのため、ＦＢＧセンサが粗い現場条件に対して感受性をより高めるために、同様にセンサ支持部材も開発する必要があった。特許文献１及び特許文献２には、このようなセンサが説明されている。感受性の高いＦＢＧを有するファイバのソフトな合成樹脂物質への埋入により、センサは、操作性が向上し、したがって、現場で使用できるものとなった。特許文献２に記載されたＦＢＧセンサは、２点式力作用を有しており、これにより、本質的に全面にわたって貼着可能なＦＢＧセンサより大きな測定精度を有している。このセンサタイプにより、平坦な表面における延びが精確に測定可能である。しかしながら、金属フィルム−ＤＭＳとは反対に、湾曲した表面におけるＦＢＧセンサでの測定時には問題が生じる。これについて、図１ａ〜図１ｇに基づき説明する。

図１ａ〜図１ｃには湾曲した材料表面に接着された従来の金属フィルム−ＤＭＳが示されており、図１ａには、ＤＭＳ貼着を有する湾曲した材料表面の斜視図が示されている。図１ｂには図１ａの側面図が示されており、図１ｃには図１ｂの一部の拡大図が示されている。

図１ｃにおいて双方向矢印Ａ１によって示唆されているように、材料が力の作用により延ばされるか、又は温度の影響により延びると、材料上での接着による全面にわたる支持フィルムの固定により、延びは、全面にわたって支持フィルムに結合された金属フィルムへ均等に伝達され、そのため、金属フィルムもこの大きさだけ延ばされる。この点では、材料の延びは、図１ｃにおいて双方向矢印Ａ２で示すように、ほぼ完全に金属フィルム−ＤＭＳへ伝達される。

しかしながら、２点式力作用を有するＦＢＧセンサにおいては、他の種の延び伝達が存在するが、これについては後述する。図１ｄ及び図１ｅには、長手断面及び横断面において材料に固定された特許文献２に基づくＦＢＧセンサが示されており、このＦＢＧセンサは、以下のように構成されている：ＦＢＧを有するガラスファイバが、固定された２つの固定要素の間で保持されているとともに、ソフトな合成樹脂、例えばシリコンゴムへ埋入されている。固定された２つの固定要素は、検査すべき材料表面２上に接着されている。ソフトなシリコンゴムは、好ましくは、光ファイバの一部をＦＢＧによって阻害力、すなわち例えば側方からの力から保護するとともに、貼着時のＦＢＧセンサの操作性を全体的に向上させる役割を担うものである。しかしながら、このような構成を備えたＦＢＧセンサが湾曲した表面において使用されると、測定誤差が過剰に大きくなるという効果が生じてしまう。この原因については、以下に図１ｆ〜図１ｇに基づいて説明する。

図１ｆには湾曲された材料表面に貼着された、特許文献２に基づくＦＢＧセンサが示されており、図１ｇにはこの材料表面が延びた場合のグラスファイバが示されている。材料表面の延びが監視すべき材料における双方向矢印で示されている。材料表面の延びにより、両固定要素の間の間隔が長さａ＋ａだけ拡張される。すなわち、ファイバが長さ２ａだけ延びる。ファイバが２つの固定要素においてのみ引っ張られているため、このファイバは、材料表面の方向へ引っ張られる。すなわち、合成樹脂がＦＢＧへ規定なしに押圧する。そのほか、ファイバのこの運動により、材料表面の実際の延びが誤ってＦＢＧへ伝達される。その結果、これにより、材料表面の曲率半径に依存した測定誤差が生じてしまう。

そのため、特許文献１によるセンサによっても、また特許文献２によるセンサによっても、湾曲した表面での正確な延び測定が不可能であることが分かった。

特開２００３−２７９７６０号公報 国際公開第２００８／１０１６５７号

したがって、本発明の課題は、湾曲した表面における測定においても、高い測定精度を有し、良好に操作可能であり、安価に製造可能な、支持体を備えたＦＢＧセンサを得ることにある。

上記課題は、請求項１又は２記載のＦＢＧセンサによって解決される。請求項１によれば、ＦＢＧセンサがＦＢＧを備えた光ファイバを有しており、前記光ファイバが２つの固定要素の間に固定されている。前記固定要素の下側は、検査すべき材料表面に接着された接着面として形成されている。さらに、前記光ファイバ及び前記固定要素が、ソフトなシリコンゴム又はこれに相当するような機械的な特性を有する合成樹脂から成る保護物質に埋入されている。前記光ファイバは、上側と下側の、テフロン（登録商標）又はこのテフロン（登録商標）とこれに相当するようなわずかな摩擦係数を有する合成樹脂から成るすべりフィルムの間に埋入されており、下側の前記すべりフィルムの下側が前記固定要素の、材料表面と接触する接着面を有する平面に位置している。

請求項２によれば、ＦＢＧセンサがＦＢＧを備えた光ファイバを有しており、前記光ファイバが２つの固定要素の間に固定されている。前記固定要素の下側は、検査すべき材料表面に接着された接着面として形成されている。さらに、前記光ファイバ及び前記固定要素がソフトなシリコンゴム又はこれに相当するような機械的な特性を有する合成樹脂から成る保護物質に埋入されている。前記光ファイバは、テフロン（登録商標）又はこのテフロン（登録商標）とこれに相当するようなわずかな摩擦係数を有する合成樹脂から成る薄いすべりチューブで包囲されており、該すべりチューブの下側の外部の外周線が前記固定要素の、材料表面と接触する接着面を有する平面に位置している。

請求項１又は２による構造を有するＦＢＧセンサは、湾曲した表面においても本質的に特許文献１又は特許文献２に基づくセンサ装置よりもわずかな測定誤差を有している。これは、２つの効果に起因するものである。

ファイバが延びても、このファイバは材料表面の方向には移動することができない。なぜなら、このファイバがワークピース表面の近傍において最も深いラインにすでに置かれ、単に薄いすべりフィルムによってのみこのすべりフィルムから分離されるためである。このすべり層が非常にわずかな摩擦係数を有しているため、スリップスティック現象がほぼ生じない。さらに、保護物質の影響によってもスリップスティック現象が生じない。なぜなら、この保護物質がＦＢＧに接触せず、上側のすべりフィルムによって保護物質から分離されているためである。

請求項１に係る発明によれば、前記すべりフィルムがその縁部において溶接されているか又は接着されており、上側の前記すべりフィルムが前記保護物質に接着されている。

請求項２に係る発明によれば、前記すべりチューブが前記保護物質に接着されている。

フィルムの互いの溶接又は接着並びにフィルム及びすべりチューブの保護物質との接着により、フィルム及びすべりチューブが微小運動によって移動し得ることが防止される。このような移動により、保護物質の内部で引張が生じることがあり、この引張は、ＦＢＧの測定精度を悪化させることになる。このような微小運動は、周期的に生じる機械的な力においても、また温度変化においても生じるものである。

請求項３に係る発明の発展形成により、複数の隣接したＦＢＧのカスケード式の配置が良好に貼着され得る非常にコンパクトな唯一の構成要素において可能となる。多重の配置は、ＦＢＧセンサの故障時に別の機能的な測定チャンネルを用いることができるように、測定技術ではしばしば用いられる。

以下に、概略的な図面に関連した複数の例に基づき本発明を説明する。

湾曲した表面における従来の金属フィルム−ＤＭＳを示す図である。 図１ａの側面図である。 図１ｂの一部の拡大図である。 ＦＢＧセンサの長手断面図である。 ＦＢＧセンサの横断面図である。 湾曲した表面における図１ｄによるＦＢＧセンサを示す図である。 延びた材料表面での図１ｆによるＦＢＧセンサを示す図である。 本発明によるＦＢＧセンサの長手断面図である。 本発明によるＦＢＧセンサの第１の実施形態を断面で示す図である。 本発明によるＦＢＧセンサの第２の実施形態を断面で示す図である。 本発明によるＦＢＧセンサの第３の実施形態を断面で示す図である。 本発明によるＦＢＧセンサの第４の実施形態を断面で示す図である。

図１には、湾曲された材料表面２、例えばパイプ又は圧力タンクにおける従来の金属フィルムＤＭＳ１が斜視図において示されている。金属フィルムＤＭＳ１は本質的に合成樹脂支持フィルム１ａから成り、この合成樹脂支持フィルム上には少なくとも１つの薄い蛇行状の金属フィルムストリップ１ｂが全面にわたって固定されている。延びの検出のために、合成樹脂支持フィルム１ａが材料表面２上へ貼着される。

図１ｂには図１ａの側面図が示されており、図１ｃには図１ｂの図示の拡大図が示されている。図１ｃにおいて延び矢印Ａ１で示されているように、材料が延びる場合には、この延びが、全面にわたる貼着により均等に支持フィルム１ａへ伝達され、金属フィルム１ｂの全面にわたる支持フィルム１ａとの結合により、金属フィルム１ｂが延ばされる。この点では、材料表面２の材料の延びは、ほぼ完璧に材料フィルムストリップ１ｂへ伝達される。なお、このことが同じ大きさの延び矢印Ａ２で示されている。このほぼ完璧な延び伝達は、湾曲された表面と同様、平坦な表面についても当てはまる。

これに対して、ＦＢＧセンサにおいては、延びが貼着面全体に伝達されない。これについて以下に説明する。

図１ｄ及び図１ｅには特許文献２に基づくＦＢＧセンサ３が長手断面及び横断面において示されており、このＦＢＧセンサは、以下のように構成されている：ＦＢＧ４ａを有するガラスファイバ４が、固定された２つの固定要素５ａ，５ｂの間で保持されているとともに、ソフトな合成樹脂６、例えばシリコンゴムへ埋入されている。固定された２つの固定要素５ａ，５ｂは、検査すべき材料表面２上に接着されているとともに、互いに結合されたフェノール樹脂が含浸されたガラスファイバ片で構成することが可能である。ソフトなシリコンゴム６は、光ファイバ４の一部をＦＢＧ４ａによって阻害力、すなわち例えば側方からの力から保護するとともに、貼着時のＦＢＧセンサ３の操作性を向上させる役割を担うものである。検査すべき材料に力Ｆが加わり、材料及びこれに伴い材料表面２がａ＋ａだけ延びると、この延びは、材料フィルム−延び測定ストリップと同様にほぼ完璧にＦＢＧセンサ３へ伝達される。

しかしながら、ＦＢＧセンサ３がこの構造をもって延び測定のために湾曲された表面へ使用されると、過剰に大きな測定誤差が生じるという効果が発生する。これについて、図１ｆ及び図１ｇに基づき説明する。

図１ｆには、湾曲された材料表面２に貼着されたＦＢＧセンサ３が示されている。光ファイバ４は、非常に薄く、したがって良好にたわむことが可能であり、シリコンゴム６が同様に良好に材料表面２の曲率半径に適合するため、ＦＢＧセンサ３は、この構造により原理的にやはり良好に強く湾曲された表面に貼着され得る。

図１ｇにはこの材料表面２が延びた場合の状況が示されており、これは、湾曲された材料壁部の下方の複数の矢印によって象徴化されている。

材料表面の延びが双方向矢印で示されている。しかしながら、ファイバ４が２つの固定要素５ａ，５ｂにおいてのみ引っ張られているため、このファイバは、材料表面へ向かって移動するとともに、シリコンゴムへ押し込まれる。この動きは、複数の小さな矢印によって象徴化されている。このとき、ＦＢＧ４ａへ作用する横方向の力により、測定結果に誤差が生じる。そのほか、この動きにより材料表面の実際の延びが不完全にのみＦＢＧ４ａへ伝達されるため、これにより、材料表面の曲率半径に依存した更なる測定誤差が生じる。そのため、特許文献１によるセンサによっても、また特許文献２によるセンサによっても湾曲された表面での延び測定が不可能であることが明らかである。

しかしながら、測定誤差についてのこれら２つの原因は、図２ａ〜図２ｅによる、本発明に基づくＦＢＧセンサにより除去される。

図２ａには、本発明によるＦＢＧセンサ３の長手断面が示されている。ＦＢＧセンサ３の基本的な構造及び機能については、図２ｂの横断面の図示に関連して説明する。

光ファイバ４は固定要素５ａ，５ｂの間で貼着されているとともに、各固定要素５ａ，５ｂは、その下側で材料表面２に貼着されている。さらに、光ファイバ４は、２つのすべりフィルム７，８間に埋入されている。これら２つのフィルムは、例えばテフロン（登録商標）から成り、その縁部において互いに溶接されているとともに、ファイバ４のためのすべり軸受を形成している。ここでは、０．１５ｍｍの薄さのすべりフィルム７が材料表面において直接載置されており、すなわち、すべりフィルム７の下側が固定要素５ａ，５ｂの貼着面と同一の平面に位置している。すべりフィルム７がその性質及びわずかな厚さに基づき、ファイバ４の引張時に無視できる程度にのみ押圧されるため、図１ｇにおいて説明した測定誤差が生じないか、あるいはこの測定誤差が無視できる程度にわずかなものである。さらに、ファイバ４が上方からすべりフィルムで覆われているため、ソフトな合成樹脂６の影響によるスリップスティック現象が生じない。

図２ｃ及び図２ｄによる実施形態も同様の機能を有している。図２ｃによる実施形態は、ソフトな合成樹脂６がすべりフィルム７，８の縁部を超えて突出し、そのため、毛細管現象によりセンサの下に侵入する可能性のある湿気に対する非常に良好なシールが生じることを示している。なお、この湿気の浸入は、寒冷時に測定誤差を招きかねないものである。図２ｄによる実施形態は、フィルム７，８の代わりにチューブ９が用いられている。これは、本発明の好ましい実施形態である。なぜなら、この実施形態は非常に容易に、かつ、信頼性をもって作り上げられるためである。

フィルム材料及びチューブ材料として、柔軟弾力性として記載し得るとともに非常に滑らかな表面を有する全ての合成樹脂、例えばテフロン（登録商標）又はシリコンが考慮の対象となる。

図２ｅによる実施形態においては、固定要素５ａ，５ｂの間で２つの光ファイバ４が貼着されているとともに合成樹脂６へ埋入されている。この種の多数のセンサは、例えば測鎖の故障可能性を低減するために用いられる。

Claims (3)

1. ＦＢＧ（４ａ）を備えた光ファイバ（４）を有するＦＢＧセンサであって、
   −前記光ファイバ（４）が２つの固定要素（５ａ，５ｂ）の間でこれら固定要素（５ａ，５ｂ）に貼着されており、前記固定要素の下側が接着面として形成されているとともに、前記光ファイバ（４）が
   −ソフトなシリコンゴム又はこれに相当するような機械的な特性を有する合成樹脂から成る保護物質（６）に埋入されており、
   −前記光ファイバ（４）が、上側と下側の、テフロン（登録商標）又はこのテフロン（登録商標）とこれに相当するようなわずかな摩擦係数を有する合成樹脂から成るすべりフィルム（７，８）の間に埋入されており、
   −下側の前記すべりフィルム（７）の下側が前記固定要素（５ａ，５ｂ）の、材料表面（２）と接触する接着面と同じ平面に位置していること、及び前記すべりフィルム（７，８）がその縁部において溶接されているか又は接着されており、上側の前記すべりフィルム（８）が前記保護物質（６）に接着されていることを特徴とするＦＢＧセンサ。
2. ＦＢＧ（４ａ）を備えた光ファイバ（４）を有するＦＢＧセンサであって、
   −前記光ファイバ（４）が２つの固定要素（５ａ，５ｂ）の間でこれら固定要素（５ａ，５ｂ）に貼着されており、前記固定要素の下側が接着面として形成されているとともに、前記光ファイバ（４）が
   −ソフトなシリコンゴム又はこれに相当するような機械的な特性を有する合成樹脂から成る保護物質（６）に埋入されており、
   −前記光ファイバ（４）が、テフロン（登録商標）又はこのテフロン（登録商標）とこれに相当するようなわずかな摩擦係数を有する合成樹脂から成る薄いすべりチューブ（９）で包囲されており、
   −該すべりチューブ（９）の下側の外部の外周線が前記固定要素（５ａ，５ｂ）の、材料表面（２）と接触する接着面と同じ平面に位置していること、及び前記すべりチューブ（９）が前記保護物質（６）に接着されていることを特徴とするＦＢＧセンサ。
3. 複数の前記光ファイバ（４）が前記固定要素（５ａ，５ｂ）の間でこれら固定要素（５ａ，５ｂ）に貼着されていることを特徴とする請求項１又は２記載のＦＢＧセンサ。

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