JPH10111112A - 光ファイバセンサ及びその調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造物の引張変形や圧縮変形の変形量やひず
み量を容易に測定し得る光ファイバセンサ及びその調整
方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 光ファイバ５を捲回したソレノイド８
を、接着部１０で固定して２枚のフォーマ９で挟み略楕
円状とし、それぞれのフォーマ９の他端を測定対象物１
１に固定した光ファイバセンサであり、ソレノイド８の
巻数，内径，フォーマ９の間の距離を調整して検出特
性，検出範囲を調整し得る光ファイバセンサである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバセンサ
及びその調整方法に関し、詳しくは、光ファイバを使用
して構造物の変形量やひずみ量を容易に測定することが
できる光ファイバセンサとその特性が容易に調整できる
調整方法に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、構造物の変形量やひずみ量を測定
する光ファイバひずみセンサ（光ファイバセンサ）とし
て、以下に示すようなものがあった。これらの従来例
を、図面を参照しながら説明する。

【０００３】（１）特公平２−６１６９８号公報には、
次のような変形量測定手段が開示されている。この従来
例１について、図９を参照して説明する。図９の光ファ
イバセンサは、構造物１に固定される可撓性梁２と、こ
の梁２に間隔をあけて平行に固定された剛性梁３と、梁
２と梁３とに対向して固定され、対向面にそれぞれ凹凸
部４Ａ，４Ｂが形成されたブロック４と、ブロック４間
を通って可撓性梁２に取り付けられた光ファイバ５とか
ら構成されている。構造物１が変形すると、剛性梁３が
可撓性梁２に接近し、ブロック４間に挟まれた光ファイ
バ５に局部的曲げが発生する。光ファイバ５に局部的曲
げが発生すると、光ファイバ５に入射した光は光伝送損
失によって光量が変化し、この変化量を計測することに
より、構造物１の変形量が測定される。

【０００４】（２）特関昭６１−２８４６２７号公報に
は、次のような変形量測定手段が開示されている。この
従来例２について、図１０を参照して説明する。図１０
の光ファイバセンサは、プラスチック等で作られた弾性
パイプ６と、この弾性パイプ６内に挿入された光ファイ
バ５とで構成されている。弾性パイプ６を光ファイバ５
とともに、所定の曲率半径で１／２〜１ターンのループ
状に形成されている。弾性パイプ６の両端に変位を与え
ると、弾性パイプ６と内部の光ファイバ５の曲率半径は
共に小さくなり、曲率半径が変化する。曲率半径が変化
すると、光ファイバ５内を通過する光の量が変化し、こ
の変化量を計測することにより、構造物１の変形量が測
定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
１，２には、以下のような問題点を有している。 （従来例１） 構造物１に曲げ変形が生じない状態で、圧縮ひずみや
引張ひずみが生じている場合には、構造物１のひずみ量
を検出することができない。 ブロック４の凹凸部４Ａ，４Ｂの曲げによる光伝送損
失によって検出しており、大きな曲げ損失を得る為に
は、凹凸部４Ａ，４Ｂを数多く設置する必要があり、セ
ンサの出力を大きくしようとするとセンサ長が長くな
る。 ひずみが与えられた状態から、元の位置に復帰したと
き、ブロック４の凸部４Ｂと光ファイバ５の間にすべり
が生じるために、光ファイバが元の形状に戻ろうとする
弾性復元力に影響を受け、繰り返し荷重を受けた場合の
測定値の再現性に問題がある。

【０００６】（従来例２） 弾性パイプ６の両端に、言い換えればループ状の光フ
ァイバ５の両端に加えられた変位は、ループ状の光ファ
イバの全体で変化を吸収するために、結果として、光フ
ァイバの曲率半径の変化が小さくなる。このために、光
量変化も小さく、センサとしての感度が低い。 光ファイバセンサの感度を上げるために巻数を増やそ
うとすると、光ファイバが弾性パイプ内に挿入されてい
るために、ループ形状の保持が困難となるとともに、形
状も大きなものとなる。 光ファイバがプラスチックなどの復元力の高い材質に
よる弾性パイプに用いて被覆されており、ループ形状の
光ファイバの正確な寸法管理が困難である。 弾性パイプと、光ファイバの熱膨張率の差異によっ
て、センサに温度変化が加わった場合、両者の間にゆる
み、または引張り応力が生じて、適切な計測が行えない
恐れがある。

【０００７】本発明は、上述のような課題に鑑みなされ
たものであり、構造物の引張変形や圧縮変形の変形量や
ひずみ量が容易に測定し得る光ファイバセンサ及びその
調整方法を提供することを目的とする。

【０００８】また、本発明は、構造物の引張変形や圧縮
変形の変形量やひずみ量が容易に測定し得るとともに、
検出感度が高い光ファイバセンサ及びその調整方法を提
供することを目的とする。

【０００９】また、本発明は、構造物の引張変形や圧縮
変形の変形量やひずみ量が容易に測定し得るとともに、
光ファイバ自体が弾性復元力を有し、繰り返し荷重に対
しても測定値の再現性に優れた光ファイバセンサを提供
することを目的とする。

【００１０】また、本発明は、構造物の引張変形や圧縮
変形の変形量やひずみ量が容易に測定し得るとともに、
光ファイバにあらかじめ与える初期曲率の制御と、設置
後のソレノイド形状の管理が容易であり、かつ測定対象
とする変形の範囲に対して所望の特性を持つセンサを構
成できる光ファイバセンサ及びその調整方法を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するためになされたものであり、請求項１の発明は、
光ファイバをソレノイド状に少なくとも１ターン以上巻
き、円周方向の一部もしくは全周を軸方向全域にわたっ
て接着したソレノイドと、前記ソレノイドの外周に接し
て平行に配置して前記ソレノイドを楕円状とし、それぞ
れの一端を測定対象物に固定する２枚のフォーマとから
なることを特徴とする光ファイバセンサであり、光ファ
イバを１ターン以上巻くことによって出力を増大させ、
２枚のフォーマ間に設けられたソレノイドを、２枚のフ
ォーマ間の距離を調整することで、ソレノイドの曲率半
径を調整することができる光ファイバセンサである。

【００１２】また、請求項２の発明は、光ファイバをソ
レノイド状に少なくとも１ターン以上巻き、円周方向の
一部もしくは全周を軸方向全域にわたって接着したソレ
ノイドと、前記ソレノイドの外周に接する部分を平行に
配置して前記ソレノイドを楕円状とし、それぞれの一端
を測定対象物に固定する２枚のフォーマとからなる光フ
ァイバセンサであって、前記フォーマが前記ソレノイド
に接する部分の距離と、前記測定対象物に固定される部
分の前記フォーマ間の距離が異なることを特徴とする光
ファイバセンサであり、前記測定対象物に応じて測定距
離の調整ができる光ファイバセンサである。

【００１３】また、請求項３の発明は、光ファイバをソ
レノイド状に少なくとも１ターン以上巻き、円周方向の
一部もしくは全周を軸方向全域にわたって接着したソレ
ノイドと、前記ソレノイドの外周に接して平行に配置し
て前記ソレノイドを楕円状とし、それぞれの一端を測定
対象物に固定する２枚のフォーマとからなる光ファイバ
センサであって、前記ソレノイドの径、巻数を調整して
所望の特性とすることを特徴とする光ファイバセンサの
調整方法であり、検出対象に対応して特性の調整ができ
る。

【００１４】また、請求項４の発明は、請求項３に記載
の光ファイバセンサの調整方法に於いて、前記ソレノイ
ドを外側から挟む２枚のフォーマの間隔を調節すること
によって、光ファイバに予め与える初期曲率を制御し
て、測定対象物の変形の範囲に対応する特性とすること
を特徴とする光ファイバセンサの調整方法であり、検出
対象に対応して特性の調整ができる。

【００１５】また、請求項５の発明は、光ファイバをソ
レノイド状に少なくとも１ターン以上巻き、円周方向の
一部もしくは全周を軸方向全域にわたって接着したソレ
ノイドと、前記ソレノイドの外周に接する部分を平行に
配置して前記ソレノイドを楕円状とし、それぞれの一端
を測定対象物に固定する２枚のフォーマとからなる光フ
ァイバセンサであって、前記２枚のフォーマの距離を調
節することによって、前記光ファイバセンサに予め与え
る初期曲率を制御するとともに、前記測定対象物の変形
の範囲に対して所望の検出特性とすることを特徴とする
光ファイバセンサの調整方法である。

【００１６】上記請求項５の発明は、ソレノイド形状に
少なくとも１ターン以上巻かれた光ファイバと、ソレノ
イドの外側でソレノイドの軸方向に平行に、ソレノイド
の当初の真円の直径よりも若干狭い間隔で配置された板
状の２枚のフォーマで構成され、２枚のフォーマはそれ
ぞれの一端が測定対象物に固定されている。ソレノイド
形状に巻かれた光ファイバは、その形状を保持すべく、
円周方向の一部もしくは全周が接着されている。

【００１７】本発明によれば、測定対象物に加わる変形
によって、一端を測定対象物に固定された２枚のフォー
マ間の距離が変化する。ソレノイド状に巻かれた光ファ
イバの外側とフォーマは接しており、フォーマ間の距離
の変化によって、ソレノイド断面形状が変化する。それ
ゆえに、フォーマ間の距離が短くなると、ソレノイドは
フォーマに潰されて楕円状に偏平し、ソレノイドに局部
的に与えられる曲率半径が小さくなることから、光伝送
損失量が増大する。逆に、フォーマ間の距離が長くなる
と、光フアイバ自体の曲げ剛性によってソレノイド形状
が真円に近づき、曲率半径が大きくなることから、光損
失が減少する。従って、この光伝送損失量の変化を測定
することによって、２枚のフォーマ間の距離の変化、す
なわち測定対象物に生じているひずみが正確に測定され
る。なお、ここでいう楕円状とは略楕円形の意味であ
り、数学的に厳密な楕円を意味しているわけではない。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明に係る光ファイバセンサの
実施の形態について、図面を参照して説明する。図１
は、本発明の一実施形態を示す図であり、同図（ａ）は
斜視図、同図（ｂ）は平面図である。図２（ａ），
（ｂ），（ｃ）は、本発明の測定原理を説明するための
図である。

【００１９】図１に於いて、光ファイバセンサ７は、光
ファイバ５をソレノイド状に少なくとも１ターン以上巻
かれたソレノイド８と、ソレノイド８の外周に接して軸
方向に平行に配置された板状の２枚のフォーマ９とで構
成され、２枚のフォーマ９のそれぞれの他端は測定対象
物１１に固定されている。図１（ｂ）に示すように、２
枚のフォーマ９は、光ファイバ５がソレノイド状に捲回
された当初の真円Ａの直径よりも短い間隔となるように
配置されている。ソレノイド８は２枚のフォーマ９によ
って挟まれ、楕円状となっている。なお、ソレノイド８
は楕円状であるが、２枚のフォーマ９の距離が限りなく
真円Ａの直径に近い場合は、ソレノイド８は略真円に近
くなる。なお、ソレノイド８の形状は、長孔状である場
合もあり、上記楕円状とは略楕円の意味である。

【００２０】光ファイバセンサ７は、図２に示すよう
に、フォーマ９が測定対象物１１に固定され、測定対象
物１１のひずみが計測されている。光ファイバセンサ７
では、フォーマ９のそれぞれの他端が測定対象物１１に
固定されている。図２（ａ）は初期状態を示し、図２
（ｂ）は測定対象物１１に圧縮変形が発生した状態を示
し、図２（ｃ）は測定対象物１１が引張変形が発生した
状態を示している。初期状態ではソレノイド８が楕円状
であり、フォーマ９の間の距離はＬである。しかし、測
定対象物１１に圧縮変形が発生すると、フォーマ９の間
の距離は（Ｌ−λｃ）となり、光伝送損失量は増加す
る。一方、測定対象物１１に引張変形が発生すると、フ
ォーマ９の間の距離は（Ｌ＋λｔ）となり、光伝送損失
量は減少する。この圧縮・引張変形に応じた光伝送損失
量を計測することにより、測定対象物１１のひずみ量を
計測することができる。

【００２１】更に、光ファイバセンサ７の形状等につい
て説明を加えると、光ファイバ５は被覆がなされてお
り、被覆材としては、光ファイバ５のソレノイド８に局
部的に曲げを与えた後に解放しても、傷が付きにくい材
質が望ましい。例えば、ＵＶ（紫外線硬化樹脂）被覆、
テフロン被覆などが適当である。ナイロン被覆も使用で
きるが、曲げ後に比較的傷が付きやすいために、繰り返
し変形を測定する用途には適さないので、その測定対象
に応じた被覆材とする。ソレノイド８の径は、ソレノイ
ド８に与える初期曲率やフォーマ９の間の変位量を考慮
して定めるが、光ファイバセンサを小型化する観点から
は、あまり大きな径は望ましくなく、実用的には５〜５
０ｍｍ程度が適当である。一方、巻数が少ない場合は２
枚のフォーマ９での安定性が悪く、弾け飛ぶおそれもあ
るので、２枚のフォーマでの固定性の点から、巻数は十
数ターン以上が望ましい。また、巻数は多くした方が、
曲率半径の変化に対して、ソレノイド８の光ファイバ中
を通過する光の伝送損失量の変化が大きくなり検出精度
がよくなる。しかし、通常光伝送損失量は３０〜５０タ
ーン程度で飽和に達するために、それ以上巻数を増やし
ても、光ファイバセンサのサイズが大きくなるだけであ
り、好ましくない。

【００２２】ソレノイド８は、ソレノイド形状を保持す
る目的で、円周方向の一部もしくは全周が軸方向に接着
されている。接着剤は光ファイバ５の被覆を接着可能な
材質が選択される。このとき、固まった後の硬さが被膜
の硬さと同じか、もしくはより柔らかい材質の方が、変
形を受けるソレノイド８の形状に悪影響を与えないので
望ましい。一例として、ＵＶ被覆の光ファイバ５を用い
る場合、被覆に使用されているのと同質の紫外線硬化樹
脂を用いれば、光ファイバ５の被覆と接着部が一体化さ
れて接着部１０にかかる応力を緩和させることができ、
ソレノイド８の形状変化に悪影響を与えない。また、光
ファイバ５の被覆よりも固い接着剤を用いる場合は、な
るべく細い接着幅で接着するのが望ましい。

【００２３】また、ソレノイド８の形状を変形させる板
状の２枚のフォーマ９は、それぞれの一端が、例えば接
着や溶接などの手段によって、測定対象物１１に固定さ
れる。フォーマ９の断面は、例えば矩形状のものが用い
られる。２枚のフォーマ９の間隔を調整することによ
り、ソレノイド８は楕円状であるので、その長軸と接す
る部分（長軸部）の曲率半径が変化して、光ファイバセ
ンサの検出特性を所望の範囲、所望の感度に調整するこ
とが可能である。また、フォーマ９は、測定対象物の変
形量を忠実にソレノイド８に伝達するために、ソレノイ
ド８から受ける反力で、たわまない程度の剛性が必要で
あり、例えば金属性の板状鋼材からなるフォーマ９が使
用される。

【００２４】フォーマ９は、図３，図４に示すように、
種々の形状に構成される。図３では、フォーマ９がソレ
ノイド８の径内方向に曲がった屈曲部９ａを介して測定
対象物１１に固定されている。また、図４では、屈曲部
９ｂがソレノイド８の径外方向に曲がったものが用いら
れている。測定対象物１１の想定されるひずみ量に応じ
て計測距離を調整することができる。

【００２５】次に、本発明の光ファイバセンサの測定系
について、図５，図６を参照して説明する。図５の測定
系は、測定光が安定化光源１２から射出され、図示しな
い保護被覆で保護された光ファイバケーブル１３ａ内を
進み、光ファイバセンサ７のソレノイド８の部分を通過
した後、光ファイバケーブル１３ｂを通って、光パワー
メー夕１４に到達する。測定対象物１１にひずみが発生
すると、ソレノイド８の曲率半径が変化して光伝送損失
量が変化し、引張変形，圧縮変形に応じたひずみ量が計
測される。

【００２６】図５は、測定光として透過光を用いた場合
であるが、反射光を用いることもできる。図６の測定系
は、反射光を用いた場合の構成図である。この場合は、
ソレノイド８の局部的な曲げによって生じる後方散乱光
の量を光ファイバケーブル１３を通して時間領域反射計
（ＯＴＤＲ）１５で測定対象物１１に発生するひずみを
測定することができる。

【００２７】なお、本発明による測定系は、図５及び図
６に示した構成に限定するものではなく、他の公知の構
成及び測定装置による測定系でも使用できることは明ら
かである。

【００２８】（実施例１）図７（ａ）は本発明の一実施
例の概要を示す平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−
Ａ線に沿った断面図である。図７に於いて、ソレノイド
８は２枚のフォーマ９によって、予め楕円状に偏平させ
て構成され、引張及び圧縮変形の両方に対応できるよう
に構成されており、フォーマ９はゴム製のべース１７に
挿通されて固定され、フォーマ９の下側端面はべース１
７の底面と同一面に露出し、測定対象物に直接接着可能
な接着部９ｃである。更に、ソレノイド８及びフォーマ
９は保護の為にゴム製カバー１６で覆われている。フォ
ーマ９は、ソレノイド８が設けられる部分は細く、測定
対象物に接着される部分は測定対象物に十分に固定され
るように太く形成されている。

【００２９】また、光ファイバ５には、繰り返し変形を
与えても傷の付きにくいＵＶ被覆が形成されている。ソ
レノイド８は、フォーマ９の間にその形状を保持するた
めにに、１８０°ずれた２箇所の位置に接着部１０が形
成され、ソレノイド８がフォーマ９に接着されて固定さ
れている。接着部１０は接着剤を塗布して形成されてい
る。楕円状のソレノイド８の長軸部は、光伝送損失が最
も多く発生する部分であり、この部分には接着部を形成
しないのが望ましく、接着部による不均一性などによっ
て、ソレノイド８の曲率半径に悪影響を与えないように
する必要がある。また、光ファイバセンサの光伝送損失
量に悪影響を与えない限り、ソレノイド形状を保持する
接着部は何箇所設けてもよく、ソレノイド８に弾力性を
与えてもよい。

【００３０】本実施例の光ファイバセンサによる測定結
果について、図８を参照して説明する。図８に於いて、
横軸は測定対象物の変位を示し、縦軸は光伝送損失量を
示している。この測定に用いられた光ファイバセンサ
は、ソレノイド８の内径を１４ｍｍ、巻数を１５ター
ン、フォーマ９の間の初期の距離を１２ｍｍとした光フ
ァイバセンサであり、光ファイバセンサの測定対象物の
変位に対する光伝送損失量の変化を示している。この測
定結果によれば、極めて良好な検出特性を示している。

【００３１】上記のように、本発明は測定対象物に固定
された２枚のフォーマ間に光ファイバのソレノイドが挟
まれた形状であり、測定対象物の引張変形及び圧縮変形
の両方に適用できるとともに、光伝送損失量の変化の大
きい光ファイバセンサが提供できる。即ち、感度の良い
光ファイバセンサが構成できる。

【００３２】また、光ファイバ自体の剛性によって、ソ
レノイドが楕円状に変形を受けた場合、常に真円に戻ろ
うとする力、即ち、復元力が働くために、繰り返しの変
形に対しても、応答性良くかつ再現性の高い計測を行う
ことができる。

【００３３】更に、測定対象物の変形の範囲に対応し
て、ソレノイド８の内径、巻数、フォーマ９の間の距離
を調整することにより、ソレノイド８の曲率半径を任意
に設定できる。即ち、２枚のフォーマ９の間の初期の間
隔を調整することによって、初期の曲率半径が設定でき
るので、測定対象物に応じて、光ファイバセンサの出力
特性及び感度を所望の特性に容易に調整することができ
る。

【００３４】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、以下の
ような効果が得られる。 測定対象物の引張変形と圧縮変形の両方のひずみ量の
測定ができる。 光ファイバセンサがソレノイド状であり、引張・圧縮
方向の変位に対して、光ファイバに与えられる曲げの曲
率変化が大きいために、センサとして感度が高く、セン
サの小型化が可能である。 光ファイバ自体に充分な弾性復元力を有し、繰り返し
荷重に対しても測定値の再現性に優れている。 ２枚のフォーマにソレノイドが保持された構造であ
り、２枚のフォーマ間の距離を調整することにより、光
ファイバに予め与える初期曲率の制御が容易であり、測
定対象物の変形の範囲に対応して所望の特性を有するセ
ンサに調整できるとともに、ソレノイドの形状の管理が
容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光ファイバセンサの一実施形態で
示す図である。

【図２】本発明の測定原理を説明する為の図である。

【図３】本発明の光ファイバセンサのフォーマの一形状
を示す図である。

【図４】本発明の光ファイバセンサのフォーマの他の形
状を示す図である。

【図５】測定系の一構成図である。

【図６】測定系の他の構成図である。

【図７】本発明に係る光ファイバセンサの一実施例を示
す図である。

【図８】本発明に係る光ファイバセンサにおける測定対
象物の変位に対する光伝送損失量を示す図である。

【図９】従来の光ファイバセンサの一例を示す図であ
る。

【図１０】従来の光ファイバセンサの他の例を示す図で
ある。

【符号の説明】 ５ 光ファイバ ７ 光ファイバセンサ ８ ソレノイド ９ フォーマ ９ａ 屈曲部 ９ｂ 屈曲部 １０ 接着部 １１ 測定対象物 １２ 安定化光源 １３，１３ａ，１３ｂ 光ファイバケーブル １４ 光パワーメータ １５ ＯＴＤＲ １６ カバー １７ ベース

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバをソレノイド状に少なくとも
   １ターン以上巻き、円周方向の一部もしくは全周を軸方
   向全域にわたって接着したソレノイドと、 前記ソレノイドの外周に接して平行に配置して前記ソレ
   ノイドを楕円状とし、それぞれの一端を測定対象物に固
   定する２枚のフォーマとからなることを特徴とする光フ
   ァイバセンサ。
2. 【請求項２】 光ファイバをソレノイド状に少なくとも
   １ターン以上巻き、円周方向の一部もしくは全周を軸方
   向全域にわたって接着したソレノイドと、前記ソレノイ
   ドの外周に接する部分を平行に配置して前記ソレノイド
   を楕円状とし、それぞれの一端を測定対象物に固定する
   ２枚のフォーマとからなる光ファイバセンサであって、
   前記フォーマが前記ソレノイドに接する部分の距離と、
   前記測定対象物に固定される部分の前記フォーマ間の距
   離が異なることを特徴とする光ファイバセンサ。
3. 【請求項３】 光ファイバをソレノイド状に少なくとも
   １ターン以上巻き、円周方向の一部もしくは全周を軸方
   向全域にわたって接着したソレノイドと、前記ソレノイ
   ドの外周に接して平行に配置して前記ソレノイドを楕円
   状とし、それぞれの一端を測定対象物に固定する２枚の
   フォーマとからなる光ファイバセンサであって、前記ソ
   レノイドの径、巻数を調整して所望の特性とすることを
   特徴とする光ファイバセンサの調整方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の光ファイバセンサの調
   整方法に於いて、 前記ソレノイドを外側から挟む２枚のフォーマの間隔を
   調節することによって、光ファイバに予め与える初期曲
   率を制御して、測定対象物の変形の範囲に対応する特性
   とすることを特徴とする光ファイバセンサの調整方法。
5. 【請求項５】 光ファイバをソレノイド状に少なくとも
   １ターン以上巻き、円周方向の一部もしくは全周を軸方
   向全域にわたって接着したソレノイドと、前記ソレノイ
   ドの外周に接する部分を平行に配置して前記ソレノイド
   を楕円状とし、それぞれの一端を測定対象物に固定する
   ２枚のフォーマとからなる光ファイバセンサであって、
   前記２枚のフォーマの距離を調節することによって、前
   記光ファイバセンサに予め与える初期曲率を制御すると
   ともに、前記測定対象物の変形の範囲に対して所望の検
   出特性とすることを特徴とする光ファイバセンサの調整
   方法。