JPH07159255A - 張力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 爆発、火災等の危険のある環境下でも安全に
張力を測定することができるようにする。 【構成】 ２本のシングルモード光ファイバ２０、３０
を側面において密着させた上で熱を加えて融着・延伸
し、この融着延伸部において２本の光ファイバ２０、３
０間で光のカップリングが生じるようにして構成した光
ファイバカプラ１０をナイロン製の板４０に接着剤４１
で固定し、このナイロン板４０に対して、光ファイバカ
プラ１０の各光ファイバ２０、３０の長さ方向に張力Ｆ
を加えてこのナイロン板４０を変形させ、その変形に伴
ってナイロン板４０に固定された光ファイバカプラ１０
に張力がかかるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、張力を検出するため
の測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、張力を検出する測定器として
歪ゲージを用いたものが一般に使用されている。これ
は、荷重によって起歪体が歪むと、その表面に固定され
た歪ゲージがこれを検出し、張力を測定するというもの
である。歪ゲージはホイートストンブリッジの一辺をな
すように接続され、歪のない状態でこのブリッジが平衡
し、歪が加わったときにその平衡がくずれ、電圧が発生
するようにされ、その電圧の大きさで歪すなわち張力を
測定する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
歪ゲージを利用した張力センサでは、防爆性がなく、爆
発や火災等の危険のある環境においては使用できないと
いう問題がある。すなわち、歪ゲージには電流を流す必
要があるので、歪ゲージには導線が必ず接続されること
となり、その導線を伝わる電圧によって、その導線同士
の接触等により放電が発生するおそれがあるからであ
る。

【０００４】この発明は、上記に鑑み、爆発や火災等の
危険のある環境においても十分に使用できるような防爆
性を有する張力センサを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明による張力センサにおいては、結合度に波
長依存性のある光ファイバカプラを所定の部材に固定
し、この部材に張力を印加したときに生じるその部材の
変形に応じて光ファイバカプラも変形するようにしてお
くことが特徴となっている。

【０００６】

【作用】結合度に波長依存性のある光ファイバカプラで
は、それを引っ張って変形させると、その結合度の波長
特性がシフトする性質がある。しかし、光ファイバカプ
ラは脆弱なものであるから張力が加えられると破断する
おそれがある。そこで、張力が加えられたときに変形す
る部材を用い、これに光ファイバカプラを固定すること
によって、間接的に張力を測定する。

【０００７】

【実施例】以下、この発明の好ましい一実施例について
図面を参照しながら詳細に説明する。図１において、光
ファイバカプラ１０がナイロン製の板４０に接着剤４１
等で固定されている。この光ファイバカプラ１０は２本
のシングルモード光ファイバ２０、３０を側面において
密着させた上で熱を加えて融着・延伸したもので、この
融着延伸部において２本の光ファイバ２０、３０間で光
のカップリングが生じるようにしたものである。ここで
は、このようにして形成された、波長１．２８μｍと
１．３４μｍで分波または合波される（図２参照）分波
合波結合型シングルモード光ファイバカプラ（ＷＤＭ）
を用いている。

【０００８】このナイロン板４０に対して、光ファイバ
カプラ１０の各光ファイバ２０、３０の長さ方向に張力
Ｆを加える。すると、ナイロン板４０が引き伸ばされて
変形し、それに伴って光ファイバカプラ１０もまた引き
伸ばされる。そのため、カップリング部の長さが増加す
る、カップリング部の断面積が減少する、光弾性効果に
よりガラスの屈折率が変化する、といった影響が生じ、
結果的に光ファイバカプラ１０の結合度の波長特性が、
図２の実線と点線の間でシフトする。

【０００９】この図２は、光ファイバカプラ１０を構成
する２本の光ファイバ２０、３０のうちの一方の光ファ
イバ２０の一端２１から光（光量Ｐｉ）を入射し、その
他端２２からの出射光（光量Ｐｏ）を測定したときの、
その出射光量／入射光量の比（Ｐｉ／Ｐｏ）の波長特性
を求めたものである。このような光ファイバカプラにお
ける波長特性の張力依存性を利用することにより張力を
測定することが可能である。たとえば、光ファイバカプ
ラ１０の一端２１（または３１）から光を入射し、その
他端２２（または３２）からの出射光をモニターすれ
ば、光ファイバカプラ１０にかかる張力の変化を、出射
光量の変化として検出することができる。この実施例の
分波合波結合型シングルモード光ファイバカプラ１０の
ように結合度の波長依存性が顕著であるような光ファイ
バカプラを用いれば、感度高く張力を検出できる。つま
り、一端２１から波長１．３４μｍの光を入射して他端
２２からの出射光を検出すれば、張力によって波長特性
は図２の実線と点線の間で変化するため、出射光量Ｐｏ
は実線のときにはほとんど０となるが点線のときには増
加するというように、その出射光量が変化するので、そ
の変化量によって張力の大きさを知ることができる。

【００１０】なお、この光ファイバカプラ単体に対する
張力印加と、それによって生じる結合度の波長特性のシ
フトについては、宍倉伸一郎、畔蒜富夫、田中大一郎
「融着延伸型光ファイバカプラ光学特性の張力依存性」
（１９９３年電子情報通信学会春季大会講演論文集「分
冊４」通信・エレクトロニクス第２８２ページ、発表番
号Ｃ−２４６）により知られている。しかし、光ファイ
バカプラ１０に直接張力を加えるならば、その融着延伸
部分が細くなって破断してしまう確率が大きくなる。す
くなくとも、キログラム単位の張力を光ファイバカプラ
１０の融着延伸部分に直接加えることは、その融着延伸
部分の断面積とその材料である石英ガラスの強度との関
係から見て不可能である。そこで、この発明では、上記
のようにナイロン板４０等の他の部材に張力を加えて一
旦長さの変化に変換し、その長さの変化を光ファイバカ
プラ１０で測定することとして、上記の不都合を回避し
ている。

【００１１】このように、他の部材４０に印加された張
力によるその部材４０の弾性変形量を光ファイバカプラ
１０で測定してその張力を知ることとしているので、こ
の部材４０における張力と変形量との関係は知られてい
る必要がある。またその変形量がそのまま光ファイバカ
プラ１０の融着延伸部分の変形量となるため、この光フ
ァイバカプラ１０についても張力と変形量との関係が知
られている必要がある。しかし、通常は、部材４０に加
えた張力と、ある波長の光についての出射光量Ｐｏの変
化量をあらかじめ測定して、その出射光量Ｐｏの変化量
と張力との関係を表わすテーブル（または曲線）を求め
ておけば足りる。これにより、部材４０の材質や形状
（とくに光ファイバカプラ１０の融着延伸部分における
断面積）を種々に変えることにより、さまざまな大きさ
の張力を測定できる。部材４０としてヤング率の大きな
金属を用いることで、何トンといった大きな張力を測定
することも可能となる。

【００１２】この実施例では、ナイロン板４０は、光フ
ァイバカプラ１０の融着延伸部分における断面積を最も
小さくしてその値を約１００ｍｍ²としており、ナイロ
ンのヤング率は約０．２×１０¹⁰Ｎ／ｍ²であるから、
ナイロン板４０に５０ｋｇの張力が加わったときにこの
ナイロン板４０に約２．５×１０^-4ｍの歪が発生する。
この歪のため約２５ｇの張力が光ファイバカプラ１０の
融着延伸部分に加わる。そのため、この実施例において
波長１．３１μｍのレーザ光を光ファイバカプラ１０の
一端２１に入射し、結合側の端部２２からの出射光量を
モニターしたところ、約１．１ｄＢの減少が見られた。
光ファイバカプラ１０に入射する前にレーザ光の一部を
分岐し、この分岐光を基準にして上記の出射光量の変動
を捉えるようにして入射光量自体の変動に影響されない
ようにすることにより、出射光量の変動を０．０１ｄＢ
の精度で測定できた。そのため、この実施例の張力セン
サの分解能は約５０ｇであることになる。また、ナイロ
ン板４０に加えた張力を解放すると出射光量は完全に最
初の値に戻り、測定値の精度が分解能に近いものである
ことが確認できた。

【００１３】そしてこのように構成した張力センサを直
列に接続して多点検出型の張力センサとすることも可能
である。すなわち、図３に示すように、張力センサを一
方の（結合側の）光ファイバ２０側で直列に接続し、入
射端側に戻ってくる光をＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔ
ｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）
装置５０により計測することとする。この場合、高出力
のパルス光を一端２１から入射すると、その光は、直列
に接続された結合側の光ファイバ２０を順次通って伝搬
していくが、各光ファイバカプラ１０において分岐側の
光ファイバ３０に分岐される光量が多いとそれより先に
伝搬する光量が減り、レーリ散乱光も減少する。そこ
で、その入射端側に戻ってくる後方レーリ散乱光を計測
するようにすれば、入射端からの距離に応じて戻ってく
る時間が異なることから、各時間ごとの後方散乱光強度
により多数の点（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…）での張力を測定
することができる。

【００１４】この多点検出型として構成した張力センサ
では、分岐側の光ファイバ３０の終端３２で全反射が生
じるように加工を施し、高出力のパルス光を一端２１か
ら入射し、その一端に戻ってくる反射光の強度を測定す
ることによって高精度の張力測定が可能である。すなわ
ち、端部３２から入射端に戻ってくる反射光強度が光フ
ァイバカプラ１０の結合度によって変化するため、その
反射光強度により光ファイバカプラ１０に加わる張力を
知ることができる。そこで、各張力センサ（の端部３
２）から入射端側に戻ってくる反射光を、その戻ってく
る時間ごとに分けて測定すれば、多数の点（Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、…）での張力を測定できる。

【００１５】なお、光ファイバカプラ１０を固定する部
材としてはナイロン以外に種々の材質のものを使用でき
ることは先に述べたが、鉄製の角材を用い、これに光フ
ァイバカプラ１０として上記と同じ波長１．２８μｍと
１．３４μｍで分波または合波される分波合波結合型シ
ングルモード光ファイバカプラを接着剤で固定して張力
センサを構成してみた。ここでは、この角材の断面積が
光ファイバカプラの融着延伸部分で最も小さくなりその
値が２０ｍｍ²となるようにした。また、この光ファイ
バカプラ１０の分岐側端部３２が完全反射となるように
加工を施している。こうして構成した２つの独立の張力
センサを長さ５００ｍのシングルモード光ファイバで直
列に接続して多点検出型張力センサとした。この場合、
波長１．３１μｍのレーザ光をパルス状に入射して、そ
の反射光を調べて２つの張力センサにかかる張力を測定
したところ、鉄製の角材に約１０００ｋｇの張力が加わ
ったときに約１．０ｄＢの反射光強度変化が認められ
た。

【００１６】上記の実施例では、光ファイバカプラ１０
として波長１．２８μｍと１．３４μｍで分波または合
波される分波合波結合型シングルモード光ファイバカプ
ラを用いているが、結合度の波長特性が張力によって影
響を受けるものであれば、波長特性が異なるものや他の
タイプの光ファイバカプラも使用可能である。また、張
力に応じて変化する光ファイバカプラの結合度の波長特
性を測定する方法としては、上記のように出射光を測定
することもできるし、反射光を測定してもよく、出射光
を測定する場合結合側あるいは分岐側で測定でき、反射
光を測定する場合も分岐側での反射をとらえても、ある
いは結合側での反射をとらえてもよい。

【００１７】

【発明の効果】以上実施例について説明したように、こ
の発明の張力センサによれば、光ファイバカプラを部材
に固定し、光ファイバカプラの結合度がその部材にかか
る張力によって変化することを利用して、その張力を測
定しているため、電気的な信号は一切用いず、そのため
爆発、火災等の危険のある環境下でも安全に使用するこ
とが可能となった。また、光ファイバカプラの結合度の
変化は結合側の端部からの出射光によっても、あるいは
入射側端部に戻ってくる反射光や後方レーリ散乱光によ
っても、容易に測定可能である。とくに光ファイバカプ
ラの分岐側端部で反射が生じるように構成して、その反
射光が入射側端部に戻ってくるようにし、その戻ってく
る反射光を測定すれば、精度の高い測定ができる。さら
に、上記のように部材に固定された光ファイバカプラを
直列に接続して光を直列に伝播させ、入射側端部に戻っ
てくる反射光や後方レーリ散乱光の変化を捉えるように
すれば、多数の場所での張力を測定する多点検出型張力
センサを構成することも容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の模式的な斜視図。

【図２】光ファイバカプラの結合度の波長特性を示すグ
ラフ。

【図３】第２の実施例の模式図。

【符号の説明】

１０ 光ファイバカプラ ２０、３０ 光ファイバカプラを構成する光ファイバ ４０ ナイロン板 ４１ 接着剤 ５０ ＯＴＤＲ装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 張力が印加されて変形する部材と、該部
   材の変形に応じて変形するよう該部材に固定された、結
   合度に波長依存性のある光ファイバカプラとからなるこ
   とを特徴とする張力センサ。