JP6573405B2 - 応力センサ、応力センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、応力センサ及び応力センサシステムに関する。

応力センサシステムの１つとしての光ファイバ歪みセンシングシステムは、光ファイバケーブルを広い範囲にわたって神経のように敷設することにより、局所的な歪みを捉えることができるため、構造物のヘルスモニタリングに有効とされる。既に一部のトンネルでは、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry）やＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）などによる光ファイバ歪みセンシングシステムがヘルスモニタリングに使用されている。

このセンシングシステムは、多地点の歪みを示すセンサの情報を１本の線で収集する構成になっているため、受光部に近い箇所で光ファイバが断線してしまうと、それ以降の範囲の情報が全く入らなくなる。また、断線や停電などで送電が途切れてトンネル内の電力が確保できなくなった場合は機能が失われる。

さらに、仮にセンサの情報を、ネットワークを通じて遠方の監視室で挙動を感知した場合であっても、その情報が現場に伝えられるためにはトンネルラジオなどといった通信手段が機能していなければならない。これらの送電及びネットワークが１つでも途切れると、ＢＯＴＤＲやＦＢＧによる監視システムは機能を失う。

また、これらの従来の技術では、パルス光を用いた応力位置の特定や温度補償などといった複雑な技術が使用されており、取り扱うためには高い専門性が要求され機器自体も高価である。このような理由で、ＢＯＴＤＲやＦＢＧによる監視システムは、普及に至っていない。

特開２０１１−５３１４５号公報

上述した従来の光ファイバによるヘルスモニタリング技術は、歪みによる異常を光の変化で検知し、電気信号として処理するものであるが、取り扱いに高い専門性が要求され機器自体も高価である。

本発明の課題は、安価で、取り扱いが簡単な応力センサ及び応力センサシステムを提供することにある。

本応力センサは、発生した応力を光の波長変化に変換する応力センサであって、第１の色素を分散させたコアと、所定の励起光によって励起された前記第１の色素の発光波長を励起波長として発光する第２の色素を分散させたクラッドと、を有し、前記コアの入射端から入射した前記所定の励起光を含む照明光を、発生した応力の大きさに応じた波長の光に変換して前記コアの出射端で得ることを特徴とする。

本発明によれば、安価で、取り扱いが簡単な応力センサ及び応力センサシステムを提供できる。

本発明の実施例１に係る応力センサで使用される光導波路を示す図である。 本発明の実施例１に係る応力センサの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る応力センサの変形例の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る応力センサの光導波路に応力がかかった状態を説明するための図（その１）である。 本発明の実施例１に係る応力センサの光導波路に応力がかかった状態を説明するための図（その２）である。 本発明の実施例１に係る応力センサによって応力の発生が検知される様子を示す図である。 本発明の実施例１に係る応力センサにおける吸光分布と発光色の関係を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る応力センサにおいて、応力の変化に伴う光ファイバの端面の色調の変化を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る応力センサを用いた光ファイバ歪みセンシングシステムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る応力センサを構成する光導波路の他の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係る応力センサで使用される光導波路１の構造を示す図である。この光導波路１は、コア１１とクラッド１２とからなる。コア１１は、その内部に第１の色素であるドナー色素２１を分散させて構成され、クラッド１２は、その内部に第２の色素であるアクセプタ色素２２を分散させて構成される。ドナー色素２１及びアクセプタ色素２２としては、それぞれ光を吸収し発光する蛍光色素（発光材料）を用いることができる。ドナー色素２１は、所定の励起光によって発光し、アクセプタ色素２２は、ドナー色素２１の発光光を励起光として発光する関係（以下、ペアという）にある。これらの色素としては、量子発光効率が高く、熱耐性が高く、経年退色しにくく、母材への相溶性が高いものが望ましい。

ペアとなるドナー色素２１とアクセプタ色素２２としては、下記の物質の組み合わせを用いるのが好ましい。候補の物質例を以下に挙げる。
［色素（蛍光体）として使える材料］
・ シアニン誘導体
・ フタロシアニン誘導体
・ ローダミン誘導体
・ ペリレン誘導体
・ クマリン誘導体
・ フルオレセイン誘導体
・ ピラン誘導体
・ 半導体量子ドット蛍光体（GaAs, CdSe, InP, CuInS/ZnSなどを原料とする数nm〜数十nmの直径の粒子）
・ 希土類蛍光体（一般的に白色ＬＥＤに使われているEu²⁺, Ce³⁺, Mg⁴⁺などの発光イオンを持つ蛍光体である。主に青色を吸収するためドナー色素としての使用が現実的である。）
［ペアの例］
ペアの例を表１に示す。

光導波路１は、導波路構造であれば形状は問わないが、例えば、１メートル以上の長距離の検知を行う応力センサを構成する場合は、光ファイバ構造が望ましい。以下においては、光導波路１は光ファイバ構造を有するものとして説明する。

光導波路１の材料としては、屈折率の調整が可能であって、かつ、色素の添加に適した透明材料、例えば、石英、高分子またはシリコーンゴムなどを用いることができる。光導波路１を構成するためには、コア１１の屈折率をクラッド１２の屈折率よりも高くする必要がある。そのため、コア１１には比較的屈折率が大きい材料が用いられ、クラッド１２には比較的屈折率が小さい材料が用いられる。また、同一の材料に対して添加剤を加えることで屈折率を調整しても良い。

これにより、光導波路１の一方の端面（以下、「入射端」という）から入った光が、コア１１からクラッド１２へ漏れ出ることなく、コア１１内で反射しながら進行し、他方の端面（以下、「出射端」という）から放出される。

光導波路１として用いられる光ファイバは、視認性の点で、その直径は１ミリメートル前後またはそれ以上が望ましい。

図２は、本発明の実施例１に係る応力センサの構成を示す図である。この応力センサは、光導波路１の一端側に、その入射端を照明する光源３１が配設され、同軸にクラッド用の遮光マスク４１が付けられて構成されている。

光源３１は、コア１１に添加されたドナー色素２１の吸収波長（励起波長）範囲を含む波長領域の光を照射する。光源３１としては、レーザー、ＬＥＤまたはハロゲンランプなどの人工光源、または、蛍光灯や太陽光などの環境光（光が物体などによって散乱された間接光）を用いることができる。

遮光マスク４１は、光源３１からの光をコア１１へ透過させつつ、クラッド１２に入射するのを防ぐためのものである。本構成は遮光マスク４１に限定させず、クラッド１２への光の入射を防ぐことができ、コア１１へのみ光を入射させることができればどのような構成であってもよい。例えば、遮光マスク４１の代わりに図３に示すように、集光レンズ４３を用いてコア１１のみに光を入射させてもよい。

図４は、実施例１に係る応力センサの光導波路１に応力がかかった状態を説明するための図である。図４Ｂは、光導波路１の一部に外力Ｆが加えられた場合に、その内部に応力Ｓが生じることを示し、図４Ａは、色素が添加された光導波路１に応力Ｓがかかると、コア１１からクラッド１２ヘと顕著に光Ｌが漏れ出すことを示している。この実施例１に係る応力センサは、この漏れ出した光Ｌの色調によって、応力Ｓの有無や大きさの検知を行う。

図５は、ユーザが応力センサによって応力の発生を検知する様子を示す図である。照明光が光導波路１の入射端に照射されると、照明光は遮光マスク４１によってその一部が遮られてコア１１にのみ照射される。ユーザは、出射端に現れる色調を視認することで応力の発生の有無や大きさを検知する。すなわち、光導波路１の一部に応力が発生すると、コア１１から光Ｌが漏れ出してクラッド１２へ入り、光導波路１の出射端（ユーザが観測する側の端面）の色調が変化する。ユーザは、この出射端の色調を見て応力の発生の有無や大きさを検知する。

図６（ａ）は、光源３１として、疑似白色光を発する白色ＬＥＤが使用される場合の照明光の強度（arbitrary unit、以下ａ．ｕ．）と波長（ｎｍ）の関係を示す図である。この光源３１で発生された疑似白色の照明光に含まれる青色成分によってコア１１に分散されたドナー色素２１が励起される。

図６（ｂ）は、ドナー色素２１によって発生される光の強度（ａ．ｕ．）と波長（ｎｍ）の関係を示す図である。図中の破線は、ドナー色素２１の吸光分布を示しており、ドナー色素２１が、破線によって示される波長の範囲の光を吸収することを示している。また、図中の実線は、ドナー色素２１の発光分布（蛍光分布）を示しており、ドナー色素２１が、実線によって示される波長の範囲の光を発光することを示している。よって、応力がなければ、コア１１からクラッド１２ヘ光が漏れ出すことがなく、図中に実線で示すようなドナー色素２１による発光色（緑色）が見られる。

図６（ｃ）は、アクセプタ色素２２によって発生される光の強度（ａ．ｕ．）と波長（ｎｍ）の関係を示す図である。図中に示す破線は、アクセプタ色素２２の吸光分布を示している。応力があるとコア１１においてドナー色素２１によって発生される光（発光光がクラッド１２へ漏れ出して、破線によって示される波長の範囲において、クラッド１２のアクセプタ色素２２に渡る。これにより、実線で示すようなアクセプタ色素２２による発光色（黄色）が見られる。

図７は、応力の変化に伴って光導波路１を構成する光ファイバの出射端の色調の変化を説明するための図である。応力がない場合は、図７のａに示すように、出射端のコア１１の部分のみが「緑色」になり、クラッド１２の部分は変化しない。応力が大きくなると、図７のｃに示すように、出射端のコア１１の部分が「暗色」になり、クラッド１２の部分は「黄色」に変化する。応力が上記の中間である場合は、図７のｂに示すように、出射端のコア１１の部分が応力の大きさに応じた「淡緑色」になり、クラッド１２の部分は応力の大きさに応じた「淡黄色」になる。

上記のように構成される実施例１に係る応力センサの動作を説明する。色素が添加された光導波路１に応力が発生すると、コア１１からクラッド１２ヘ顕著に光が漏れ出す。その漏光は、励起光によって励起されたドナー色素２１の発光光である。ドナー色素２１の発光光の発光波長はアクセプタ色素２２の吸収波長に合致しているため、アクセプタ色素２２が励起されて発光し、その結果、アクセプタ色素２２の発光光がクラッド１２を伝搬する。そして、出射端において、この変化がドナー色素２１による発光光の発光波長からアクセプタ色素２２による発光光の発光波長への変換という形で視覚によって捉えられる。

すなわち、上述した応力センサは、応力によってコア１１内の伝搬光が漏洩してクラッド１２内の伝搬光となることに伴い、光導波路１の出射端の色がコア１１内に分散されたドナー色素２１の発光色からクラッド１２に分散されたアクセプタ色素２２の発光色へと変化する現象を目視により検知する。

次に、上述した応力センサを複数用いて構成された応力センサシステムについて説明する。図８は、構造物の１つとしてのトンネルに、応力センサシステムを適用して光ファイバ歪みセンシングシステムを構成した例を示す図である。この光ファイバ歪みセンシングシステムは、トンネルの内表面または内部の周方向に、各々が光ファイバから成る複数の光導波路１が配置（接着または埋め込み）され、長距離の測定が可能になっている。

また、各光導波路１の入射端には光源３１が設けられ、他方の端部は１箇所に集められて出射端が見えるように結束されて観測部５１が形成されている。この観測部５１に色調を検出する光検出器を配置すれば、応力の発生の有無及び大きさを自動的に検出するように構成できる。この場合、光検出器は、撮影手段であるカメラと画像処理装置（画像処理手段）で構成し、カメラによって得られた画像を画像処理装置で処理して色調を認識することにより、応力の発生の有無及び大きさを自動的に検出するように構成できる。

この光ファイバ歪みセンシングシステムにおいて、トンネルの特定箇所に応力が発生した場合、その特定箇所を経由するように配置された応力センサの光導波路１の出射端の色調変化が観測部にて検知される。これにより、ユーザは、トンネル内の応力が発生している箇所を把握できるので、不具合の発生を事前に防止することができる。

なお、図８に示した例では、トンネルの内表面または内部の周方向に複数の光導波路１を配置した例を示したが、トンネルの内表面または内部の軸方向に複数の光導波路１を配置するように構成できる。また、トンネルの内表面または内部の周方向および軸方向の双方に複数の光導波路１を配置するように構成することもできる。この構成によれば、不具合の発生箇所を細かい精度で確認することができる。

上述した実施例１に係る応力センサでは、光導波路１として光ファイバを用いたが、光ファイバのようなファイバ型光導波路に代えて、図９に示すような、フィルム状の薄膜からなるスラブ型光導波路を使用することもできる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る応力センサによれば、
（１）環境光を利用して応力を検知できる。
（２）従来は必要であったスペクトラムアナライザを省くことができる。
（３）従来は必要であった温度補償の必要がなくなる。
（４）人の色覚で応力の検知を行うことができる。
（５）現場で時間差なく応力の検知を行うことができる。

以上、好ましい実施の形態及について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

本国際出願は２０１５年３月２７日に出願した日本国特許出願２０１５−０６５７９０号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１５−０６５７９０号の全内容を本国際出願に援用する。

本発明は、人の侵入を検知する侵入検知システム、航空機のひずみをモニタリングする航空機モニタリングシステムまたは盛土の中の状態を監視する盛土計測システムなどとして利用できる。

１ 光導波路
１１ コア
１２ クラッド
２１ ドナー色素
２２ アクセプタ色素
３１ 光源
４１ 遮光マスク（照明光入射補助部材）
４２ 観測部（光検出器）
４３ 集光レンズ
５１ 観測部

Claims (9)

1. 発生した応力を光の波長変化に変換する応力センサであって、
   第１の色素を分散させたコアと、
   所定の励起光によって励起された前記第１の色素の発光波長を励起波長として発光する第２の色素を分散させたクラッドと、を有し、
   前記コアの入射端から入射した前記所定の励起光を含む照明光を、発生した応力の大きさに応じた波長の光に変換して前記コアの出射端で得ることを特徴とする応力センサ。
2. 前記第２の色素の発光波長は可視光域にあることを特徴とする請求項１に記載の応力センサ。
3. 前記第１の色素の発光波長は可視光域にあることを特徴とする請求項２に記載の応力センサ。
4. 前記コア及び前記クラッドは、一体としてファイバ型光導波路またはスラブ型光導波路を形成することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の応力センサ。
5. 前記照明光を、前記クラッドへ入射させず前記コアの入射端から入射させる照明光入射補助部材を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の応力センサ。
6. 前記照明光入射補助部材は、
   前記クラッドへの前記照明光の入射を防ぐ遮光マスク、または前記コアへ前記照明光が入射するように集光する集光レンズであることを特徴とする請求項５に記載の応力センサ。
7. 発生した応力に応じた光の波長変化に基づいて前記応力を検知する応力センサシステムであって、
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の応力センサと、
   前記照明光を前記コアの入射端に入射させる光源と、
   前記コアの出射端で得られる光の波長を検出する光検出器と、を有することを特徴とする応力センサシステム。
8. 前記光検出器は、
   前記コアの出射端で得られる光を画像として取得する撮影手段と、
   前記画像に基づいて前記コアの出射端で得られる光の波長を認識する画像処理手段と、を備えていることを特徴とする請求項７に記載の応力センサシステム。
9. 前記応力センサを複数個備え、
   前記光源は、複数個の前記応力センサのそれぞれの前記コアの入射端に前記照明光を入射させ、
   それぞれの前記コアの出射端は１箇所に集められて観測部を形成し、
   前記撮影手段は、前記観測部を形成するそれぞれの前記コアの出射端の画像を取得することを特徴とする請求項８に記載の応力センサシステム。

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