WO2015080222A1 - 歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法 - Google Patents

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WO2015080222A1
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optical fiber
strain sensor
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base member
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PCT/JP2014/081445
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Inventor
若原正人
Original Assignee
株式会社シミウス
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/165—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
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    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements

Definitions

  • the present invention relates to a strain sensor and a strain sensor manufacturing method, and more particularly, to a strain sensor that includes an optical fiber and optically detects a strain of a structure to be measured, and a strain sensor manufacturing method.
  • strain sensors have been widely used to detect distortions and displacements in buildings, bridges, tunnels and other structures, aircraft, ships, railways, and other mobile objects, and ground.
  • a configuration including a resistor is known. This type of strain sensor acquires a strain amount based on a change in electrical resistance of the resistor due to deformation.
  • strain is measured at a large number of points, such as when the measurement target region is wide, a large number of strain sensors are arranged on the surface of the measurement target, and changes in the electrical resistance of each sensor are measured.
  • each strain sensor is provided with wiring for measuring electric resistance, and it is necessary to supply electric power through the wiring.
  • the electric strain sensor as described above, it is necessary to detect a minute change in electric resistance, and an electric noise countermeasure is required to ensure measurement accuracy.
  • an electric noise countermeasure is required to ensure measurement accuracy.
  • the resistor, the wiring, and the connection portion thereof change with time, the life is short, and there is a risk that the resistor and the wiring are damaged by a lightning strike or the like.
  • strain sensors equipped with optical fibers have been used (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • This type of strain sensor acquires a strain amount based on a change in a reflection state or a scattering state of light transmitted through the optical fiber according to deformation of the optical fiber.
  • Such a strain sensor does not require power supply to the sensor, and the measurement result is less affected by electrical noise.
  • the possibility of damage due to lightning strikes is low. Therefore, it has the characteristic that it is excellent also in long-term reliability.
  • the optical fiber itself serves as a sensor and a signal transmission line, it is possible to transmit signals over a long distance, and a measuring instrument connected to one end of the optical fiber measures the distortion of the measurement object over several kilometers. Is also possible.
  • Patent Document 1 discloses a strain sensor (strain gauge) that measures the amount of strain in the axial direction of an optical fiber by linearly arranging optical fibers on a carrier.
  • Patent Document 2 discloses a rosette strain sensor that measures a strain amount and a strain direction.
  • the rosette strain sensor single-axis strain sensors as disclosed in Patent Document 1 are arranged in different directions within the same or parallel planes.
  • the rosette strain sensor acquires a state of two-dimensional strain (strain amount and strain direction) generated on the surface of the measurement target based on the strain amount acquired by each strain sensor.
  • Patent Document 2 realizes such a rosette strain sensor with an optical fiber in which fiber Bragg gratings (FBGs) having different Bragg wavelengths are connected in series. In this configuration, the FBG portions are arranged in different directions by bending the optical fiber. Then, by providing a constriction at the bent portion of the optical fiber, it is possible to reduce the reflection loss at the bent portion and reduce the size of the rosette strain sensor.
  • FBGs fiber Bragg gratings
  • the size can be reduced as compared with a sensor configuration in which single-axis strain sensors having different Bragg wavelengths are arranged in three directions.
  • the rosette strain sensor disclosed in Patent Document 2 is fixed to the measurement object as compared with a configuration in which the single-axis strain sensor is fixed to a position close to the surface of the measurement object by spot welding or the like in three directions. Easy.
  • the optical fiber is fixed in a state where a tension is applied.
  • the strain sensor can detect not only the stress in the tension direction but also the stress in the compression direction.
  • the tension applied to each optical fiber portion directed in different directions is preferably the same. Thereby, for example, in each optical fiber portion, the degree of deformation when the same magnitude of stress (particularly compressive stress) is applied in the axial direction of the optical fiber becomes the same, so that the measurement accuracy of the strain is improved. Can do.
  • the optical fiber is configured to be resin-sealed, it is assumed that the optical fiber and the resin partially peel (separate) due to a change with time. Therefore, it is difficult to ensure long-term reliability.
  • the resin-sealed structure when the surface of the measurement object is a metal, the metal and the resin are bonded. Even if a rigid material is used as the resin, the rigidity is lower than that of metal as long as it is a resin. Therefore, the distortion is absorbed by the resin, and there is a possibility that the distortion of the surface of the measurement object cannot be accurately transmitted to the optical fiber. In addition, since the thermal expansion coefficient differs between the resin and the metal, it may be assumed that distortion different from the distortion of the measurement object occurs in the sealing resin depending on the temperature.
  • Patent Document 2 As described above, the technique disclosed in Patent Document 2 is not a sufficiently satisfactory technique.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and is a strain sensor capable of more accurately measuring the strain amount and direction of the measurement target surface than in the past, and a method for manufacturing the strain sensor.
  • the purpose is to provide.
  • the strain sensor according to the present invention includes a base member, a plurality of support members, an optical fiber, and a fixing material.
  • the plurality of support members are provided on the base member in a protruding state, and the optical fiber is wound around the base member.
  • An optical fiber is provided in the state which has the part which faced the mutually different direction between support members seeing from the direction facing a base member.
  • the part which faced the mutually different direction between support members can be comprised by changing the direction of one optical fiber.
  • the part which faced the mutually different direction between support members can also be comprised with the several optical fiber which is each an independent optical fiber.
  • the fixing member fixes the optical fiber to the support member in a state where tension is applied to a portion between the support members.
  • another strain sensor includes a base member, a plurality of support members, an optical fiber, a fixing material, and a member to be wound.
  • the plurality of support members are provided on the base member in a protruding state.
  • An optical fiber is provided in the state which has the part which faced the mutually different direction between support members seeing from the direction facing a base member.
  • the part which faced the mutually different direction between support members can be comprised by changing the direction of one optical fiber.
  • the part which faced the mutually different direction between support members can also be comprised with the several optical fiber which is each an independent optical fiber.
  • the fixing member fixes the optical fiber to the support member in a state where tension is applied to a portion between the support members.
  • the wound member arrangement region is provided at a position adjacent to the support member, and a wound member around which the optical fiber is wound when the above-described tension is applied to the optical fiber is temporarily arranged.
  • a tension can be applied to the optical fiber by winding the optical fiber around the support member, and the optical fiber is fixed to the support member in this state. Therefore, tension can be applied to the optical fiber relatively easily.
  • tensile_strength can be provided to each part of an optical fiber very easily by winding an optical fiber around a supporting member.
  • the base member and the support member are not limited to resin, and any material such as metal can be used.
  • a base member made of a material having a similar or relatively close thermal expansion coefficient can be adopted according to the material of the surface of the measurement object. Thereby, the distortion of the surface of a measurement object can be detected more correctly.
  • the support member can be arranged in a rotationally symmetric state when viewed from the direction facing the base member.
  • an optical fiber can be arrange
  • the optical fiber can also be arranged in a state of enveloping the outer edge of the support member when viewed from the direction facing the base member.
  • the optical fiber may be configured to include an FBG (Fiber Bragg Grating) portion in a portion facing different directions between the distribution support members.
  • FBG Fiber Bragg Grating
  • the base member may employ a configuration including a plurality of island-like portions each provided with each support member and a connecting portion that detachably connects the island-like portions.
  • each support member (each island-shaped portion provided with each support member) is independent of each other. And no influence of other supporting members. Therefore, for example, when a large distortion occurs in the measurement object, stress is concentrated on a specific portion of the base member, or is different from the distortion of the measurement object due to a difference in expansion coefficient between the measurement object and the base member. It can suppress that distortion generate
  • connection part may be comprised as a member integral with an island-like part, and may be comprised as a separate member. In the latter case, it is possible to adopt a configuration in which the connecting portion includes a spacer portion that maintains the interval between the island-like portions at a predetermined interval.
  • the present invention can also provide a method for manufacturing a strain sensor. That is, in the method for manufacturing a strain sensor according to the present invention, first, the member to be wound is arranged in a state adjacent to each of the plurality of support members provided in a state protruding from the base member. Next, the optical fiber is wound around a portion constituted by the member to be wound and the support member, or the member to be wound. At this time, the optical fiber is arranged in a state having portions facing different directions between the support members when viewed from the direction facing the base member. Subsequently, the optical fiber is fixed to the support member in a state where tension is applied to the portion between the support members. Then, after the optical fiber is fixed to the support member, the member to be wound is detached.
  • the present invention it is possible to measure the distortion amount and direction of the measurement target surface more accurately than in the past.
  • FIG.1 (a) and FIG.1 (b) are schematic block diagrams which show an example of the distortion sensor in one Embodiment of this invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a strain sensor in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A to FIG. 3F are diagrams showing an example of the assembly procedure of the strain sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the separation of the strain sensor in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A and FIG. 5B are schematic views showing the operation of the strain sensor in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating another example of the strain sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A and 7B are schematic configuration diagrams illustrating another example of the strain sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A to FIG. 8D are diagrams showing a strain sensor separation procedure according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9A to 9D are diagrams showing another example of the assembly procedure of the strain sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram illustrating another example of the strain sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 11A to FIG. 11E are diagrams showing another example of the assembly procedure of the strain sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram illustrating another example of the strain sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 13A and 13B are schematic configuration diagrams illustrating another example of the strain sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing another example of a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic configuration diagram illustrating another example of the strain sensor according to the embodiment of the present invention.
  • the present invention is embodied as a rosette strain sensor having optical fiber portions oriented in three directions of 0 degrees, 60 degrees, and 120 degrees.
  • FIG. 1A and FIG. 1B are schematic configuration diagrams showing an example of the overall configuration of the strain sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 1A is a diagram showing a surface fixed to the surface of the measurement object
  • FIG. 1B is a diagram showing a surface on the opposite side of FIG.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG.
  • FIG. 2 is a schematic diagram and does not strictly represent the dimensions of each part.
  • FIG. 1A and FIG. 1B and FIG. 2 are different in scale.
  • the strain sensor 1 includes a base member 11, a support member 12, an optical fiber 13, and a fixing member 14.
  • the base member 11 has an equilateral triangular outer shape in which a vertex portion is curved in plan view.
  • the base member 11 includes a plurality of (three in this case) support members 12 (12a, 12b, 12c) with the center of gravity of the equilateral triangle as a symmetry point (rotation center). It is provided in the state. As shown in FIG. 2, the support member 12 is provided so as to protrude from the base member 11, and an optical fiber 13 is wound around each support member 12. As shown in FIG. 1A, in this example, each support member 12 is circular in plan view.
  • the support members located at the lower left, upper, and lower right in FIG. 1A are referred to as a support member 12a, a support member 12b, and a support member 12c, respectively.
  • each support member 12 is configured integrally with the base member 11.
  • the material of the base member 11 and the support member 12 is not particularly limited.
  • it may be a resin or a metal.
  • the base member 11 and each support member 12 are made of stainless steel.
  • the base member 11 and the support member 12 can also be configured separately. In this case, the material of the base member 11 and the material of the support member 12 may be the same or different.
  • the optical fiber 13 is provided in a state having portions that face different directions between the support members 12 when viewed from the direction facing the base member 11.
  • the fiber portions facing different directions between the support members 12 are configured by changing the direction of one optical fiber.
  • the other optical fiber portions are oriented at 60 degrees and 120 degrees. That is, when the fiber portion 13c stretched between the support member 12a and the support member 12c is set to 0 degree, the fiber portion 13a and the support member 12b stretched between the support member 12a and the support member 12b are supported.
  • the fiber portions 13b stretched between the members 12c are oriented in directions of 60 degrees and 120 degrees, respectively.
  • the optical fiber 13 is disposed so that the fiber portions 13a, 13b, and 13c intersect on the above-described symmetry point (or in the vicinity of the symmetry point).
  • an FBG (Fiber Bragg Grating) portion 15 (15a, 15b, 15c) having a different Bragg wavelength is disposed in each of the fiber portions 13a, 13b, 13c.
  • the FBG portions 15 of the fiber portions 13a, 13b, and 13c are referred to as the FBG portion 15a, the FBG portion 15b, and the FBG portion 15c, respectively.
  • the FBG portion 15 is expressed in white.
  • the FBG portion reflects light having a wavelength defined by the Bragg wavelength.
  • the FBG portion is composed of a plurality of diffraction gratings arranged at a predetermined interval in the core of the optical fiber, and the Bragg wavelength is proportional to the product of the refractive index of the optical fiber and the arrangement interval of the diffraction gratings. Accordingly, when the FBG part is pulled by the distortion and the interval between the diffraction gratings constituting the FBG part is increased, the wavelength of light reflected by the FBG part increases.
  • the fiber portions 13a, 13b, and 13c face different directions. Therefore, the strain amount and the direction of the strain can be acquired by acquiring the strain amount of each of the fiber portions 13a, 13b, and 13c and performing the rosette analysis. Since such a distortion detection method is known, a detailed description thereof is omitted here.
  • the Bragg wavelength of each FBG part 15 differs, the reflective position of reflected light can be easily distinguished based on the wavelength of reflected light.
  • the optical fiber 13 is fixed to each support member 12 by the fixing member 14 in a state where tension is applied to the fiber portions 13a, 13b, and 13c between the support members 12.
  • the fixing material 14 is not particularly limited as long as it can fix the optical fiber 13 to the support member 12 in a state where tension is applied.
  • an adhesive is used as the fixing material 14.
  • the fixing member 14 is light that is drawn out to the support member 12 side ends of the fiber portions 13 a, 13 b, and 13 c and to the outside of the strain sensor 1.
  • the optical fiber 13 is fixed to the support member 12 at eight positions on the support member 12 side end portion of the fiber 13.
  • the strain sensor 1 is made of stainless steel. If the surface of the measurement object is a metal, the strain sensor 1 can be fixed by spot welding. Therefore, the strain sensor 1 according to the present embodiment includes a spot welding recess 21. As shown in FIGS. 1B and 2, the recess 21 is provided on the surface of the base member 11 on the side where the support member 12 is not provided. Moreover, the recessed part 21 is arrange
  • the strain sensor 1 When the strain sensor 1 is fixed to the measurement object 100 by spot welding, as shown in FIG. 2, the strain sensor 1 is in a state where the side where the optical fiber 13 exists (the support member 12 side) faces the measurement object 100. It is arranged with. And the thin part and the surface of the measuring object 100 are spot-welded in the state which made the thin part of the bottom part 22 of the recessed part 21 contact the measuring object 100.
  • FIG. 2 When the strain sensor 1 is fixed to the measurement object 100 by spot welding, as shown in FIG. 2, the strain sensor 1 is in a state where the side where the optical fiber 13 exists (the support member 12 side) faces the measurement object 100. It is arranged with. And the thin part and the surface of the measuring object 100 are spot-welded in the state which made the thin part of the bottom part 22 of the recessed part 21 contact the measuring object 100.
  • the base member 11 includes a through groove 25 between the support members 12. That is, the base member 11 has a structure in which a plurality of island-like portions provided with the respective support members 12 are connected by the connecting portions (connecting beams) 26. With such a configuration, after fixing the strain sensor 1 to the measurement object 100, the base member 11 can be separated into each island-shaped portion by cutting and removing each connecting portion 26. The separation of the base member 11 will be described in detail below.
  • FIGS. 3A to 3F are diagrams showing an example of the assembly procedure of the strain sensor in the present embodiment.
  • one end side of the optical fiber 13 is temporarily fixed by the clamp 31 or the like (FIG. 3A).
  • the optical fiber 13 is wound around the support member 12a (FIG. 3B).
  • the optical fiber 13 is wound around the entire circumference of the support member 12a.
  • the position of the optical fiber 13 is adjusted in a state where the fixing by the clamp 31 is released so that the FBG portion 15a of the fiber portion 13a is positioned on the above-described symmetry point.
  • one end side of the optical fiber 13 is fixed again by the clamp 31.
  • the optical fiber 13 is then wound around the support member 12b (FIG. 3C).
  • the optical fiber 13 is wound around the support member 12 b so that the fiber portion 13 a is parallel to the surface of the base member 11.
  • the optical fiber 13 is wound around about 2/3 of the support member 12b.
  • the FBG portions 15a, 15b, 15c are formed in the optical fiber 13 in advance at intervals located on the above-described symmetry points when the optical fiber 13 is wound around the support members 12a, 12b, 12c. ing. Therefore, the FBG portion 15b of the fiber portion 13b is positioned on the above-described symmetry point without particular adjustment.
  • interval of each FBG part 15a, 15b, 15c in the optical fiber 13 is computable by the geometric calculation based on the shape and arrangement
  • the optical fiber 13 is wound around the support member 12c and further wound around the support member 12a (FIG. 3D).
  • the optical fiber 13 is wound around the support members 12 c and 12 a so that the fiber portion 13 b and the fiber portion 13 c are parallel to the surface of the base member 11.
  • the optical fiber 13 is wound around about 2/3 of the support member 12b and around the support member 12a1 / 4.
  • the FBG portion 15c of the fiber portion 13c is positioned on the above-described symmetry point without particular adjustment.
  • tension is applied to each of the fiber portions 13a, 13b, and 13c.
  • tension pretension
  • the optical fiber 13 is fixed to the support member 12 by the fixing material 14 with a predetermined tension applied (FIG. 3E).
  • the fixing by the fixing member 14 is completed, the pulling of the other end of the optical fiber 13 is finished and the temporary fixing by the clamp 31 is released (FIG. 3 (f)).
  • the contact surface between the support member 12 and the optical fiber 13 is a flat surface, but a groove or the like for positioning the winding position of the optical fiber 13 may be formed.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining separation of the strain sensor 1.
  • FIG. 5A and FIG. 5B are schematic views showing the operation of the separated strain sensor.
  • the distortion sensor 1 seen from the measurement object side is illustrated.
  • the spot welding part 41 is illustrated as a shaded part.
  • the strain sensor 1 can separate the base member 11 into the island-shaped portions 11a, 11b, and 11c by cutting and removing the connecting portion 26.
  • the strain sensor 1 can separate the base member 11 into the island-shaped portions 11a, 11b, and 11c by cutting and removing the connecting portion 26.
  • the island portions 11a, 11b, and 11c are independent from each other and are not affected by the other island portions.
  • the base member 11 is not greatly deformed in the configuration in which the single-structure base member 11 is employed. Therefore, when a large strain exceeding the deformation limit of the base member 11 occurs, the stress concentrates on a part of the base member 11 and the strain cannot be accurately detected.
  • separated it can deform
  • each island-shaped part 11a, 11b, 11c is the same material, the amount of expansion
  • the length L1 of the fiber portion 13c when thermal expansion does not occur is substantially the same as the length L2 of the fiber portion 13c when thermal expansion occurs.
  • the spot welded portion 41 is caused by a difference in thermal expansion coefficient between the measurement object and the base member. There was a tendency for stress to concentrate. In this case, the distortion cannot be accurately detected as in the case where the large distortion described above occurs.
  • the stress is not concentrated on the spot welded portion 41, so that the distortion can be accurately detected. Further, it is possible to suppress a decrease in bonding force due to stress concentration on the spot welded portion 41.
  • the strain sensor 1 can apply tension to the optical fiber 13 relatively easily. Further, since it is not a resin-sealed configuration as in the conventional configuration, it is difficult for the fixing portion of the optical fiber 13 to be peeled off, and long-term reliability can be ensured relatively easily.
  • the base member 11 and the support member 12 are not limited to resin, and any material such as metal can be used.
  • the coefficient of thermal expansion is similar or compared with the material of the surface of the measurement object. A base member of a similar material can be used. Thereby, the distortion of the surface of a measurement object can be detected more correctly.
  • the base member 11 can be separated for each support member 12, the range of measurable strain amount can be expanded as compared with the conventional case. Further, temperature correction can be eliminated.
  • the support member 12 is disposed in a rotationally symmetric state as viewed from the direction facing the base member 11, and the fiber portions 13a, 13b, and 13c are disposed in a state of passing near the symmetry point.
  • the fiber portion may be arranged at a position away from the symmetry point.
  • the optical fiber 13 can be arranged in a state of enveloping the outer edges of the support members 12 d, 12 e, and 12 f when viewed from the direction facing the base member 16 that is generally equilateral triangular. is there.
  • the fiber portions 13 d, 13 e, 13 f facing the different directions between the support members 12 are in a positional relationship such that they do not overlap each other.
  • the cross-sectional structure of the base member 16 and the support members 12d, 12e, and 12f is the same as the cross-sectional structure of the base member 11 and the support members 12a, 12b, and 12c described above. According to this configuration, since the sensing point is large, the measurement accuracy is considered to be lower than that of the strain sensor 1, but the size can be reduced as compared with the strain sensor 1.
  • the base member 16 can be separated into island-shaped portions 16a, 16b, and 16c each including the support members 12d, 12e, and 12f.
  • the island portions 16 a, 16 b, and 16 c are connected by a U-shaped connecting portion (connecting beam) 27 in plan view, and the base member 16 is removed by cutting and removing the connecting portion 27. It can isolate
  • each fiber portion 13a, 13b, and 13c are configured by one optical fiber 13 has been described.
  • each fiber portion is composed of a plurality of optical fibers, each of which is an independent optical fiber. It can also be configured.
  • the pulling force of each optical fiber is adjusted at the time of assembly so that the tension of each fiber portion becomes equal.
  • each island-shaped part may be isolate
  • the optical fiber is wound in a state where each island-like portion is temporarily connected by a connecting member that functions as a connecting portion.
  • FIGS. 7A and 7B are schematic configuration diagrams showing an example of the entire configuration of a strain sensor including a base member temporarily connected by a connecting member.
  • FIG. 7A is a diagram showing a surface fixed to the surface of the measurement object
  • FIG. 7B is a diagram showing a surface on the opposite side of FIG. 7A.
  • components having the same functions and effects as those described in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals. .
  • the strain sensor 3 includes island-shaped portions 11a, 11b, and 11c, support members 12 (12a, 12b, and 12c), an optical fiber 13, a fixing material 14, and a connection.
  • Member 71 is provided.
  • the connecting member 71 has a structure in which spacer portions 72a, 72b, 72c are integrally connected by a triangular plate-like portion 73 in plan view.
  • the spacer part 72a is disposed between the island-like part 11a and the island-like part 11b.
  • the spacer part 72b is disposed between the island part 11b and the island part 11c.
  • the spacer part 72c is disposed between the island part 11c and the island part 11a.
  • the spacer portions 72a, 72b, and 72c function as spacers that maintain the intervals between the island-shaped portions 11a, 11b, and 11c at predetermined intervals.
  • the interval maintained by the spacer portions 72a, 72b, 72c is the same as the interval in the base member 11 including the connecting portion 26 described above. Therefore, by interposing the spacer portions 72a, 72b, 72c between the island-like portions 11a, 11b, 11c, the island-like portions 11a, 11b, 11c are made to have the same outer shape as the base member 11 described above. Can be arranged.
  • the spacer portions 72a, 72b, and 72c are arranged at the outer edge portions of the island-like portions 11a, 11b, and 11c, and the island-like portions 11a, 11b, and 11c and the connecting member 71
  • the connecting member 71 is designed so that the outer shape in plan view is generally a regular triangle (the side surfaces are flush).
  • the connecting member 71 Leave easily. Therefore, when the optical fiber 13 is wound, the connecting member 71 and each of the island portions 11a, 11b, 11c are temporarily fixed with an adhesive tape or the like, or the island portions 11a, 11b are used with a dedicated jig or the like. 11c and the connecting member 71 are preferably maintained without being separated.
  • the strain sensor 3 of the present embodiment is provided with an adhesive tape or the like for temporarily fixing the strain sensor 3 to the measurement object.
  • Fig.8 (a) is a figure which shows the distortion sensor 3 provided with the adhesive tape.
  • the adhesive tape 81 has a base portion 82 having an outer shape slightly smaller than the outer shape of the plate-like portion 73 in plan view, and passes over the spacer portions 72a, 72b, 72c from the portion. And a temporary fixing portion 83 protruding outward from the strain sensor 3.
  • the base 82 is attached to the plate-like portion 73 of the connecting member 71.
  • the adhesive tape 81 is indicated by a broken line for explanation.
  • the strain sensor 3 When the strain sensor 3 is fixed to the measurement target, the operator temporarily fixes the strain sensor 3 to the surface of the measurement target by the temporary fixing portion 83, and the distortion sensor 3 is measured using the concave portion 21 in this state. Spot-weld to objects.
  • the connecting member 71 is removed after the spot welding is completed, the strain sensor 3 has the same structure as the strain sensor 1 shown in FIG. As described above, since the connecting member 71 is only sandwiched between the island portions 11a, 11b, and 11c, it can be easily detached with a relatively small external force.
  • FIG. 8B to FIG. 8D are schematic views showing a method of detaching the connecting member 71.
  • 8 (b) to 8 (d) show cross sections along the line BB shown in FIG. 8 (a).
  • FIG. 8B is a diagram showing the strain sensor 3 fixed to the measurement object 100.
  • the plate-like portion 73 includes a contact portion 74 that comes into contact with the island-like portions 11a, 11b, and 11c in the vicinity of the spacer portions 72a, 72b, and 72c. Is floating upward from the islands 11a, 11b, 11c.
  • connection member 71 is completely detached. be able to.
  • FIG. 9A to FIG. 9D are diagrams showing an assembling procedure of the strain sensor 4 having a structure in which the support member can rotate in the winding direction of the optical fiber.
  • 9 (a) to 9 (d) use a base member in which island-like portions 17a, 17b, and 17c are connected by a connecting member 71.
  • a base in which each island-like portion is integrally formed is used.
  • a member may be used.
  • the support members 12g, 12h, and 12i included in the island-shaped portions 17a, 17b, and 17c are in a state of protruding from the island-shaped portions 17a, 17b, and 17c.
  • the rotating shafts 91a, 91b, and 91c provided are configured to be rotatable.
  • the island-shaped portions 17a, 17b, and 17c and the supporting members 12g, 12h, and 12i can be made of, for example, a resin material.
  • the strain sensor 4 is fixed to the measurement object with, for example, an adhesive.
  • the support members 12g, 12h, and 12i only need to be rotatable around the rotation shafts 91a, 91b, and 91c, and the structure is not particularly limited.
  • the optical fiber 13 can be wound around each support member 12g, 12h, 12i in the same procedure as the assembly procedure described in FIG. In the case of this modification, when the optical fiber 13 is pulled to apply tension to the fiber portions 13a, 13b, and 13c, the support members 12g, 12h, and 12i rotate, so that each support member does not rotate. Thus, it is possible to easily apply the same level of tension to the fiber portions 13a, 13b, and 13c (FIG. 9B).
  • the support members 12g, 12h, and 12i when the optical fiber 13 is fixed to the support member 12 with the fixing member 14 in a state where a predetermined tension is applied, the support members 12g, 12h, and 12i also correspond to the rotation shafts 91a, 91b, It is fixed to 91c (FIG. 9 (c)).
  • the fixing with the fixing member 14 is completed, the pulling of the optical fiber 13 is completed, and the temporary fixing with the clamp 31 is released (FIG. 9D).
  • FIG. 10 is a diagram showing still another modification.
  • the support member is used for fixing the optical fiber, and the optical fiber is wound around a member to be wound that is temporarily arranged.
  • the support members 19 (19a, 19b, 19c) provided in each of the island-shaped portions 18a, 18b, 18c are planar views provided with wall surfaces on the fiber portions 13a, 13b, 13c side. Has a U-shape.
  • the support member 19 is provided in a state of projecting from the island-shaped portions 18a, 18b, and 18c, similarly to the support member 12 described above.
  • the to-be-wound member arrangement region 101 is provided in which the to-be-wound member around which the optical fiber 13 is wound is temporarily arranged.
  • the island-shaped portions 18a, 18b, 18c and the support members 19a, 19b, 19c can be made of, for example, a resin material.
  • the strain sensor 5 is fixed to the measurement object with, for example, an adhesive.
  • the strain sensor 5 uses a base member in which the island-like portions 18a, 18b, and 18c are connected by the connecting member 71. However, even if a base member in which each island-like portion is integrally formed is used. Good.
  • FIG. 11A is diagrams showing an example of the assembly procedure of the strain sensor 5.
  • FIG. 11A first, the member to be wound 102 is arranged in the member-to-be-wound arrangement area 101.
  • the member 102 to be wound is circular in a plan view, and the thickness in the direction perpendicular to the island portions 18 a, 18 b, 18 c is approximately the same as that of the support member 19. Further, the wound member 102 is rotatable around a rotation shaft 103 that is arranged perpendicular to each of the island portions 18a, 18b, 18c.
  • each member 102 to be wound is disposed in the member-to-be-wrapped region 101 by moving the rotation shaft 103, the member 102 to be wound supported at the tip of the rotation shaft 103. Can do. Note that the member to be wound 102 is disposed in a state where a gap is provided between each support member 19.
  • the optical fiber 13 can be wound around each support member 19 in the same procedure as the assembly procedure described in FIG. In the case of this modification, when the optical fiber 13 is pulled to apply tension to each of the fiber portions 13a, 13b, and 13c, each member to be wound 102 rotates, so that the fiber portions 13a, 13b, and 13c have the same degree. Can be more easily applied (FIG. 11B).
  • the optical fiber 13 may be wound around the entire portion constituted by the member to be wound 102 and the support member 19, or may be wound only on the member to be wound 102.
  • each wound member 102 is moved in the direction of the support member 19. As a result, a gap is formed between each wound member 102 and the optical fiber 13 wound around each wound member 102, and each wound member 102 is placed in a direction opposite to the island portions 18a to 18c. It can be made to move and to detach
  • the support member 19 may be any shape as long as both ends of the fiber portions 13a, 13b, and 13c can be fixed.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration in which the island-shaped portion is made of metal and the strain sensor can be fixed to the measurement object by spot welding.
  • each island-shaped part 20a, 20b, 20c is provided with the above-mentioned U-shaped support member 19 (19a, 19b, 19c).
  • a member to be wound is disposed in which a member to be wound around which the optical fiber 13 is wound is temporarily disposed when tension is applied to the fiber portions 13a, 13b, and 13c. 101 is provided.
  • the protrusion 111 is provided with a recess 21 that is recessed from the opposite surface of the islands 20a, 20b, 20c. In this configuration, by using the recess 21 as described above, the strain sensor 6 can be fixed to the measurement object by spot welding.
  • the thickness of the protruding portion 111 in the direction perpendicular to the island-shaped portions 20a, 20b, and 20c is larger than that of the support member 19, and the strain sensor 6 is fixed to the measurement object. When doing so, only the protrusion 111 contacts the measurement object.
  • the rotation shaft of the member to be wound 102 temporarily disposed in the member-to-be-wrapped region 101 is constituted by a hollow shaft that can accommodate the protruding portion 111.
  • FIG. 13 (a) and 13 (b) are schematic configuration diagrams showing another example of a strain sensor including a base member temporarily connected by a connecting member.
  • FIG. 13A is a diagram showing a surface fixed to the surface of the measurement object
  • FIG. 13B is a diagram showing a surface on the opposite side of FIG.
  • FIG. 14 is a schematic sectional view taken along the line CC shown in FIG. FIG. 13A, FIG. 13B, and FIG. 14 show a state where the connecting member is detached and the island portions are separated.
  • FIG. 14 is a schematic diagram, and does not strictly represent the dimensions of each part. 13A and 13B and FIG. 14 are different in scale.
  • FIG. 15 is a diagram showing a state in which the island-like portions are connected by a connecting member.
  • components having the same functions and effects as those already described are given the same reference numerals.
  • the strain sensor 7 includes island portions 121a, 121b, 121c, support members 122 (122a, 122b, 122c), and optical fiber 13.
  • the fixing member 14 and the connecting member 140 are provided.
  • the base member 121 is configured by the island-shaped portions 121 a, 121 b, 121 c and the connecting member 140 that connects the island-shaped portions 121 a, 121 b, 121 c by screwing.
  • each of the island-shaped portions 121a, 121b, 121c is generally a sector having a central angle of 120 degrees obtained by dividing a circle into three parts in plan view. It has the shape of In each island-shaped part 121a, 121b, 121c, a groove part 123 is provided from the central part of one radius to the central part of the other radius.
  • the groove portion 123 is a linear groove (hereinafter, referred to as a straight portion) provided from each sector-shaped radius to a sector-shaped arc, and an arc-shaped groove (hereinafter, a curved portion) that connects grooves extending from the respective radii.
  • the groove portion 123 constitutes an equilateral triangle whose vertex portions are curved when the island portions 121a, 121b, and 121c are arranged in a circular shape.
  • the center of gravity of this equilateral triangle is located at the center of a circle formed by the island-shaped portions 121a, 121b, and 121c.
  • the portions 122a, 122b, and 122c on the center side of the curved portion of the groove portion 123 constitute a support member that protrudes from the base member, and the support members 122a, 122b, and 122c
  • the optical fiber 13 is wound.
  • the optical fiber 13 is generally shaped like an equilateral triangle as in the strain sensor 2 shown in FIG. Can be arranged. As shown in FIG.
  • the side walls on the support members 122a, 122b, and 122c side of the straight portion on the radial side of the curved portion are set back toward the center.
  • the optical fiber 13 is fixed to the support members 122a, 122b, and 122c by the fixing member 14 in a state where tension is applied to the fiber portion between the support members 122a, 122b, and 122c.
  • the island portions 121a, 121b, and 121c are connected to the connecting member 140 with a predetermined interval between them.
  • the FBG portion 15 of each fiber portion is disposed on the gap.
  • Screw holes 125 are respectively provided on the arc sides of the straight portions of the groove portions 123 of the island portions 121a, 121b, and 121c. Further, through holes are provided at positions corresponding to the respective screw holes 125 of the connecting member 140, and as shown in FIG. 15, the screw holes 125 of the island portions 121a, 121b, 121c are passed through the through holes.
  • the connecting member 140 is made of a plate material, but the island-like portions 122a, 122b, and 122c are aligned with the surface of the connecting member 140 with which the island-like portions 122a, 122b, and 122c abut. It is also possible to form a concave portion or a convex portion.
  • each island-shaped part 121a, 121b, 121c is made of stainless steel, and as shown in FIG. 13B, each island-shaped part 121a, 121b, 121c has recesses 126, 127 for spot welding. I have. As shown in FIGS. 13B and 14, in each of the island portions 121 a, 121 b, 121 c, the concave portions 126, 127 are provided on the surface where the groove portion 123 is not provided. In addition, the recesses 126 and 127 are arranged in a line along the fan-shaped radial direction in plan view, and the bottom parts 131 and 132 of the recesses 126 and 127 constitute a thin part for spot welding.
  • the strain sensor 7 When the strain sensor 7 is fixed to the measurement object 100 by spot welding, as shown in FIG. 14, the strain sensor 7 is arranged in a state where the side on which the optical fiber 13 is present faces the measurement object 100.
  • the thin portion and the surface of the measurement target 100 are spot-welded in a state where the thin portion of the bottom 131 of the concave portion 126 or the thin portion of the bottom portion 132 of the concave portion 127 is in contact with the measurement target 100.
  • the connecting member 140 has an opening through which the concave portions 126 and 127 are exposed, and the island-shaped portions 121 a, 121 b, and 121 c are connected to the connecting member 140 in the spot state. Welding can be performed.
  • the thin portion of the bottom 131 of the inner (center side) recess 126 and the surface of the measurement object 100 are spot-welded.
  • the thin portion of the bottom 132 of the outer (arc side) recess 127 and the surface of the measurement object 100 are spot welded.
  • each of the island portions 121 a, 121 b, and 121 c includes a recess 128 on the side surface of the sector-shaped radius that is closer to the center than the groove portion 123.
  • the recess 128 functions as a place for excess adhesive to prevent adjacent islands from being connected to each other by the adhesive.
  • the notch 141 provided on the outer periphery of the connecting member 140 is used for temporarily fixing the strain sensor 7 to the measurement object 100 before spot welding, fixing the strain sensor 7 being bonded with an adhesive, or the like. be able to.
  • the islands 121a, 121b, 121c can be separated by removing the screw 142 and detaching the connecting member 140.
  • the distortion sensor 7 which connected the connection member and the island-like part using coupling members, such as a screw, the same effect as the above-mentioned distortion sensors 1, 3 grade
  • the above-described embodiments do not limit the technical scope of the present invention, and various modifications and applications can be made within the scope of the present invention other than those already described.
  • a configuration has been described in which the distortion is detected by the wavelength variation of the reflected light in the FBG unit 15 as a particularly preferable form, but the distortion detection method is not particularly limited.
  • the size of the sensor becomes large, for example, it is also possible to adopt a distributed strain detection configuration such as detecting strain by measuring fluctuations in the backscattered light of the optical fiber.
  • the FBG unit 15 having different Bragg wavelengths is provided and the distortion is detected by the WDM (WavelengthaveDivision Multiplexing) method.
  • WDM WidelengthaveDivision Multiplexing
  • the present invention has the same Bragg wavelength.
  • the present invention is also applicable to a configuration in which an FBG unit 15 is provided and distortion is detected by a TDM (Time Division Division Multiplexing) method.
  • TDM Time Division Division Multiplexing
  • the number and arrangement positions of the support members, the number of fiber portions arranged in different directions between the support members, the arrangement positions and the arrangement directions can be arbitrarily set within a range where the rosette analysis is possible.
  • the configuration has been described in which the strain sensor is installed in a state where the surface on which the optical fiber is disposed faces the measurement object when fixed to the measurement object.
  • the strain sensor may be installed in a state where the surface on which the optical fiber is not disposed faces the measurement object.
  • the structure of the recesses 21 and the like may be changed as appropriate.
  • the distortion amount and direction of the measurement target surface can be measured more accurately than in the past, which is useful as a strain sensor and a method for manufacturing the strain sensor.
  • Strain sensor 11 16, 121 Base member 11a to 11c, 16a to 16c, 17a to 17c Insular part 18a to 18c, 20a to 20c, 121a to 121c Insular part 12, 12a to 12i, 18, 19a to 19c, 122a to 122c Support member 13 Optical fiber 14 Fixing material 13a to 13f Fiber portion 15, 15a to 15c FBG portion 26, 27 Connection portion (connection beam) 71 Connecting members 72a to 72c Spacer portion (connecting portion) 101 Wound member arrangement region 102 Wound member 140 Connecting member (connecting portion)

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Abstract

　本発明に係る歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法では、複数の支持部材は、突出する状態でベース部材に設けられる。各支持部材には、光ファイバが巻き付けられる。光ファイバは、ベース部材と対向する方向から見て、支持部材間で、互いに異なる方向を向いたファイバ部分を有する状態で設けられる。固定材は、支持部材間のファイバ部分に張力が付与された状態で、光ファイバを支持部材に固定する。

Description

歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法
　本発明は、歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法に関し、特に、光ファイバを備え光学的に計測対象の構造物の歪みを検知する歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法に関する。
　従来、建築物、橋梁、トンネル等の建造物、航空機、船舶、鉄道等の移動体、地盤等の歪みや変位の検出に歪みセンサが広く使用されている。歪みセンサとして、抵抗体を備える構成が知られている。この種の歪みセンサは、変形による抵抗体の電気抵抗の変化に基づいて歪み量を取得する。計測対象領域が広範囲である場合のように多数の地点で歪みを計測する場合、多数の歪みセンサが計測対象物の表面に配置され、各センサの電気抵抗の変化が計測される。この場合、各歪みセンサには電気抵抗を計測するための配線が設けられ、当該配線を通じて電力を供給する必要があった。
　また、以上のような電気式の歪みセンサでは、微小な電気抵抗の変化を検知する必要があり、計測精度を確保するために電気ノイズ対策が要求される。また、抵抗体や配線、及びこれらの接続部が経時変化してしまうため寿命が短く、落雷等により破損してしまうというリスクもあった。
　そこで、近年、光ファイバを備える歪みセンサが使用されている（例えば、特許文献１、２等）。この種の歪みセンサは、光ファイバの変形に応じて光ファイバ中を伝送される光の反射状態の変化や散乱状態の変化に基づいて歪み量を取得する。このような歪みセンサでは、センサへの電力供給が不要であり、計測結果が電気ノイズにより影響を受けることも少ない。また、経時変化が少なく、各センサに配線を設ける必要がないため落雷等により破損する可能性も低い。そのため、長期信頼性にも優れるという特徴を有している。加えて、光ファイバ自体がセンサ及び信号伝送線を兼ねるため信号の長距離伝送も可能であり、光ファイバの一端に接続された計測器により、数ｋｍにおよぶ計測対象物の歪みを計測することも可能である。
　例えば、後掲の特許文献１は、キャリア上に光ファイバを直線状に配置し、光ファイバの軸方向の歪み量を計測する歪みセンサ（歪みゲージ）を開示している。
　また、特許文献２は、歪み量と歪み方向とを計測するロゼット歪みセンサを開示している。ロゼット歪みセンサでは、特許文献１が開示するような単軸歪みセンサが、同一又は互いに平行な面内において異なる方向に配置される。ロゼット歪みセンサは、各歪みセンサにより取得された歪み量に基づいて、計測対象物の表面に生じる二次元歪みの状態（歪み量及び歪みの方向）を取得する。特許文献２は、このようなロゼット歪みセンサを、異なるブラッグ波長を有するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を直列に接続した光ファイバにより実現している。この構成では、光ファイバを折り曲げることで、各ＦＢＧ部を互いに異なる方向に向けて配置している。そして、光ファイバの折り曲げ部分にくびれを設けることにより折り曲げ部での反射ロスの低減、及びロゼット歪みセンサの小型化を実現できるとしている。
特開２００７－２１２４６０号公報 国際公開第００／２８２９４号
　特許文献２が開示する構成によれば、例えば、ブラッグ波長が異なる単軸歪みセンサを３方向に向けて配置したセンサ構成に比べて、小型化が可能である。また、特許文献２が開示するロゼット歪みセンサは、単軸歪みセンサを３方向に向けて計測対象物の表面の近接する位置にスポット溶接等で固定する構成に比べて計測対象物への固定も容易である。
　ところで、光ファイバを備える光学式の歪みセンサでは光ファイバは張力（テンション）が付与された状態で固定される。このように張力が付与されることで、歪みセンサは、引張り方向の応力だけでなく、圧縮方向の応力も検出することができる。ロゼット歪みセンサにおいて、異なる方向に向けられた各光ファイバ部分に付与される張力は同一であることが好ましい。これにより、例えば、各光ファイバ部分において、光ファイバの軸方向に同一の大きさの応力（特に、圧縮応力）が作用した場合の変形の程度が同様になるため、歪みの計測精度を高めることができる。
　しかしながら、特許文献２が開示する構成では、光ファイバのＦＧＢ部がエポキシ樹脂等からなる樹脂（剛性材料）により封止されている。このような構成では、各ＦＢＧ部に張力を付与した状態で封止することは可能であっても、各ＦＢＧ部に付与する張力を同一にすることは極めて困難である。そのため、歪みの計測精度を高めることができない。
　また、光ファイバを樹脂封止する構成であるため経時変化により光ファイバと樹脂との間が部分的に剥離（離脱）することも想定される。したがって、長期信頼性を確保することも困難である。
　加えて、樹脂封止する構成であるため、計測対象物の表面が金属である場合は、金属と樹脂とを接合させることになる。樹脂として剛性材料を使用しても樹脂である以上、金属に比較すれば剛性は低い。そのため、樹脂に歪みが吸収され、計測対象物の表面の歪みを光ファイバに正確に伝えることができない可能性がある。また、樹脂と金属とでは熱膨張率が異なるため、温度によっては、計測対象物の歪みと異なる歪みが封止樹脂に生じることも想定される。
　以上のように、特許文献２が開示する技術は十分に満足できる技術とはいえない。
　本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、計測対象面の歪み量と方向を従来に比べてより正確に計測することができる歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法を提供することを目的とする。
　上述の目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係る歪みセンサは、ベース部材、複数の支持部材、光ファイバ及び固定材を備える。複数の支持部材は、突出する状態でベース部材に設けられ、光ファイバが巻き付けられる。光ファイバは、ベース部材と対向する方向から見て、支持部材間で、互いに異なる方向を向いた部分を有する状態で設けられる。ここで、支持部材間の互いに異なる方向を向いた部分は、１本の光ファイバの方向を変えることで構成することができる。また、支持部材間の互いに異なる方向を向いた部分は、それぞれが独立した光ファイバである複数本の光ファイバで構成することもできる。固定材は、支持部材間の部分に張力が付与された状態で、光ファイバを支持部材に固定する。
　また、本発明に係る他の歪みセンサは、ベース部材、複数の支持部材、光ファイバ、固定材及び被巻付部材配置領域を備える。複数の支持部材は、突出する状態でベース部材に設けられる。光ファイバは、ベース部材と対向する方向から見て、支持部材間で、互いに異なる方向を向いた部分を有する状態で設けられる。ここで、支持部材間の互いに異なる方向を向いた部分は、１本の光ファイバの方向を変えることで構成することができる。また、支持部材間の互いに異なる方向を向いた部分は、それぞれが独立した光ファイバである複数本の光ファイバで構成することもできる。固定材は、支持部材間の部分に張力が付与された状態で光ファイバを支持部材に固定する。被巻付部材配置領域は、支持部材と隣り合う位置に設けられ、光ファイバに上述の張力を付与する際に光ファイバが巻き付けられる被巻付部材が一時的に配置される。
　本発明の歪みセンサによれば、支持部材に光ファイバを巻き付けることで光ファイバに張力（プリテンション）を付与することができ、当該状態で光ファイバが支持部材に固定される。そのため、比較的容易に光ファイバに張力を付与することができる。また、１本の光ファイバを採用する構成では、支持部材に光ファイバを巻き付けることで、光ファイバの各部に均質な張力を極めて容易に付与することができる。さらに、従来構成のように樹脂封止する構成ではないため、光ファイバの固定部分の剥離等が発生し難く、長期信頼性も確保することができる。加えて、ベース部材及び支持部材には樹脂に限らず、金属等の任意の材料を使用することが可能になる。例えば、計測対象物の表面の材質に合わせて、熱膨張率が同様又は比較的近い材質のベース部材を採用することができる。これにより、計測対象物の表面の歪みをより正確に検知することができる。
　以上の歪みセンサにおいて、支持部材は、ベース部材と対向する方向から見て回転対称となる状態に配置することができる。この場合、光ファイバは、支持部材の対称点（回転中心）の近傍を通過する状態で配置することができる。また、光ファイバは、ベース部材と対向する方向から見て支持部材の外縁を包絡する状態で配置することもできる。
　以上の構成において、歪みは、光ファイバの後方散乱光の変動を計測することで検知することも可能である。また、歪みは、光ファイバ中に設けられた反射部における反射光の変動を計測することでも検知することができる。例えば、上述の構成において、光ファイバは、分布支持部材間で互いに異なる方向を向いた部分にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部を備える構成を採用することができる。
　さらに、以上の構成において、ベース部材は、各支持部材がそれぞれ設けられた複数の島状部と、各島状部分を分離可能に連結する連結部とを備える構成を採用することもできる。この構成では、ベース部材が計測対象物に固定された後、ベース部材を各島状部分に分離すると、各支持部材（各支持部材が設けられたそれぞれの島状部）は、それぞれが独立し、他の支持部材の影響を受けなくなる。そのため、例えば、計測対象物に大きな歪みが発生した際にベース部材の特定部分に応力が集中したり、計測対象物とベース部材との膨張率の差異に起因して計測対象物の歪みと異なる歪みがベース部材に発生したりすることを抑制することができる。その結果、従来に比べて、計測可能な歪み量の範囲を広げることができる。なお、連結部は、島状部と一体の部材として構成されてもよく、別体の部材として構成されてもよい。後者の場合、連結部は、各島状部間の間隔を予め指定された間隔に維持するスペーサ部を備える構成を採用することができる。
　一方、他の観点では、本発明は歪みセンサの製造方法を提供することもできる。すなわち、本発明に係る歪みセンサの製造方法では、まず、ベース部材に突出する状態で設けられた複数の支持部材のそれぞれに隣り合う状態で、被巻付部材が配置される。次いで、光ファイバが、被巻付部材と支持部材とにより構成される部分、又は被巻付部材に巻き付けられる。このとき、光ファイバは、ベース部材と対向する方向から見て、支持部材間で互いに異なる方向を向いた部分を有する状態で配置される。続いて、支持部材間の部分に張力が付与された状態で光ファイバが支持部材に固定される。そして、光ファイバが支持部材に固定された後、被巻付部材が離脱される。
　本発明によれば、計測対象面の歪み量と方向を従来に比べてより正確に計測することができる。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一実施形態における歪みセンサの一例を示す概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態における歪みセンサの一例を示す概略断面図である。 図３（ａ）から図３（ｆ）は、本発明の一実施形態における歪みセンサの組み立て手順の一例を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態における歪みセンサの分離を示す図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の一実施形態における歪みセンサの作用を示す模式図である。 図６は、本発明の一実施形態における歪みセンサの他の例を示す概略構成図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本発明の一実施形態における歪みセンサの他の例を示す概略構成図である。 図８（ａ）から図８（ｄ）は、本発明の一実施形態における歪みセンサの分離手順を示す図である。 図９（ａ）から図９（ｄ）は、本発明の一実施形態における歪みセンサの組み立て手順の他の例を示す図である。 図１０は、本発明の一実施形態における歪みセンサの他の例を示す概略構成図である。 図１１（ａ）から図１１（ｅ）は、本発明の一実施形態における歪みセンサの組み立て手順の他の例を示す図である。 図１２は、本発明の一実施形態における歪みセンサの他の例を示す概略構成図である。 図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、本発明の一実施形態における歪みセンサの他の例を示す概略構成図である。 図１４は、本発明の一実施形態における歪みセンサの他の例を示す概略断面図である。 図１５は、本発明の一実施形態における歪みセンサの他の例を示す概略構成図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。以下では、０度、６０度、１２０度の３方向に向けられた光ファイバ部分を有するロゼット歪みセンサとして本発明を具体化する。
　図１（ａ）、図１（ｂ）は、本実施形態における歪みセンサの全体構成の一例を示す概略構成図である。図１（ａ）は計測対象物の表面に固定される側の面を示す図であり、図１（ｂ）が図１（ａ）の反対側の面を示す図である。また、図２は、図１（ｂ）に示すＡ－Ａ線に沿う概略断面図である。なお、図２は、模式図であり、各部の寸法を厳密に表現したものではない。また、図１（ａ）及び図１（ｂ）と図２とでは、縮尺が異なっている。
　図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２に示すように、歪みセンサ１は、ベース部材１１、支持部材１２、光ファイバ１３及び固定材１４を備える。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ベース部材１１は、平面視において、頂点部分が曲線化された正三角形状の外形を有する。
　ベース部材１１には、図１（ａ）に示すように、正三角形の重心を対称点（回転中心）として複数（ここでは３つ）の支持部材１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）が回転対象となる状態に設けられている。図２に示すように、支持部材１２はベース部材１１から突出する状態で設けられており、各支持部材１２に光ファイバ１３が巻き付けられる。図１（ａ）に示すように、この例では、各支持部材１２は平面視において円形である。なお、以下では、各支持部材１２を区別する必要がある場合、図１（ａ）において左下、上方、右下に位置する支持部材をそれぞれ支持部材１２ａ、支持部材１２ｂ、支持部材１２ｃという。
　特に限定されないが、本実施形態では、各支持部材１２は、ベース部材１１と一体に構成されている。ベース部材１１及び支持部材１２の材質は特に限定されない。例えば、樹脂であってもよく、金属であってもよい。ここでは、ベース部材１１と各支持部材１２はステンレスにより構成されている。なお、ベース部材１１と支持部材１２とは別体で構成することもできる。この場合、ベース部材１１の材質と支持部材１２の材質は同一であってもよく、異なっていてもよい。
　光ファイバ１３は、ベース部材１１と対向する方向から見て、支持部材１２間で、互いに異なる方向を向いた部分を有する状態で設けられる。この例では、支持部材１２間の互いに異なる方向を向いたファイバ部分は、１本の光ファイバの方向を変えることで構成されている。上述のように、この例では、１の光ファイバ部分を０度とした場合、他の光ファイバ部分が６０度及び１２０度の方向になっている。すなわち、支持部材１２ａと支持部材１２ｃとの間に張り渡されたファイバ部分１３ｃを０度とすると、支持部材１２ａと支持部材１２ｂとの間に張り渡されたファイバ部分１３ａ及び支持部材１２ｂと支持部材１２ｃとの間に張り渡されたファイバ部分１３ｂは、それぞれ６０度、１２０度の方向を向いている。また、この例では、センシングポイントを小さくするために、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃが上述の対称点上（あるいは、対称点の近傍）において交差するように光ファイバ１３が配置されている。なお、計測精度を高める観点では、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、計測対象物の表面に対して平行となる状態に配置されることが好ましい。すなわち、光ファイバ１３は、各支持部材１２間では同一高さ（ここでは、ベース部材１との距離）とされ、各支持部材１２と接触している部分において高さが変更されることが好ましい。
　本実施形態では、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃのそれぞれに、異なるブラッグ波長を有するＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）が配置されている。なお、以下では、各ＦＢＧ部１５を区別する必要がある場合、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃのＦＢＧ部１５をそれぞれＦＢＧ部１５ａ、ＦＢＧ部１５ｂ、ＦＢＧ部１５ｃという。また、図中では、便宜上、ＦＢＧ部１５を白抜きにより表現している。
　公知のように、ＦＢＧ部はブラッグ波長により規定される波長の光を反射する。ＦＢＧ部は光ファイバのコアに所定の間隔で配置された複数の回折格子により構成され、ブラッグ波長は光ファイバの屈折率と回折格子の配置間隔との積に比例する。したがって、歪みによりＦＢＧ部が引っ張られＦＢＧ部を構成する回折格子の間隔が拡がると、ＦＢＧ部により反射される光の波長は大きくなる。また、歪みによりＦＢＧ部が圧縮されＦＢＧ部を構成する回折格子の間隔が狭まると、ＦＢＧ部により反射される光の波長は小さくなる。また、上述のように、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃ（各ＦＢＧ部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）は互いに異なる方向を向いている。そのため、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃの歪み量を取得しロゼット解析を行うことで、歪み量と歪みの方向とを取得することができる。このような、歪みの検出方法は公知であるので、ここでの詳細な説明は省略する。なお、各ＦＢＧ部１５のブラッグ波長が異なるため、反射光の反射位置は反射光の波長に基づいて容易に区別可能である。
　光ファイバ１３は各支持部材１２間のファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃに張力が付与された状態で固定材１４により各支持部材１２に固定される。固定材１４は光ファイバ１３を張力が付与された状態で支持部材１２に固定できればよく、その材質は特に限定されない。ここでは、固定材１４として接着剤を使用している。特に限定されないが、本実施形態では、図１（ａ）に示すように、固定材１４は、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃの支持部材１２側端部及び歪みセンサ１の外部に引き出される光ファイバ１３の支持部材１２側端部の８箇所で光ファイバ１３を支持部材１２に固定している。
　計測対象物への歪みセンサ１の固定には、接着剤やスポット溶接等、公知の任意の手法を採用することができる。上述のように、歪みセンサ１はステンレスで構成されている。計測対象物の表面が金属であればスポット溶接により歪みセンサ１を固定することができる。そのため、本実施形態の歪みセンサ１は、スポット溶接用の凹部２１を備えている。図１（ｂ）、図２に示すように、凹部２１は支持部材１２が設けられていない側のベース部材１１の面に設けられている。また、凹部２１は、平面視において各支持部材１２の中心に配置されており、凹部２１の底部２２がスポット溶接用の肉薄部を構成している。なお、図１（ａ）では、凹部２１の外形を破線で示している。
　スポット溶接により歪みセンサ１を計測対象物１００に固定する場合、図２に示すように、歪みセンサ１は、光ファイバ１３が存在する側（支持部材１２側）が計測対象物１００と対向する状態で配置される。そして、凹部２１の底部２２の肉薄部を計測対象物１００に接触させた状態で、当該肉薄部と計測対象物１００の表面とがスポット溶接される。
　なお、本実施形態では、ベース部材１１は、各支持部材１２の間に貫通溝２５を備える。すなわち、ベース部材１１は、各支持部材１２がそれぞれ設けられた複数の島状部が、連結部（連結梁）２６により接続された構造になっている。このような構成により、計測対象物１００に歪みセンサ１を固定した後、各連結部２６を切断除去することで、ベース部材１１を各島状部に分離することができる。ベース部材１１の分離については、以下で詳述する。
　続いて、歪みセンサ１の組み立て手順について説明する。図３（ａ）～図３（ｆ）は、本実施形態における歪みセンサの組み立て手順の一例を示す図である。まず、光ファイバ１３の一端側がクランプ３１等により一時的に固定される（図３（ａ））。次いで、光ファイバ１３が支持部材１２ａに巻き付けられる（図３（ｂ））。この例では、光ファイバ１３は支持部材１２ａの全周に巻き付けられている。また、このとき、ファイバ部分１３ａのＦＢＧ部１５ａが上述の対称点上に位置するように、クランプ３１による固定を解除した状態で光ファイバ１３の位置が調整される。調整後、光ファイバ１３の一端側がクランプ３１により再度固定される。
　光ファイバ１３は、続いて、支持部材１２ｂに巻き付けられる（図３（ｃ））。ここでは、ファイバ部分１３ａがベース部材１１の表面と平行になるように、光ファイバ１３が支持部材１２ｂに巻き付けられる。この例では、光ファイバ１３は支持部材１２ｂの２／３周程度に巻き付けられている。本実施形態では、各ＦＢＧ部１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、光ファイバ１３を各支持部材１２ａ、１２ｂ、１２ｃに巻き付けた際に、上述の対称点上に位置する間隔で予め光ファイバ１３に形成されている。そのため、ファイバ部分１３ｂのＦＢＧ部１５ｂは、特に調整することなく、上述の対称点上に位置することになる。なお、光ファイバ１３における各ＦＢＧ部１５ａ、１５ｂ、１５ｃの間隔は、支持部材１２ａ、１２ｂ、１２ｃの形状及び配置に基づく幾何学的な計算により算出可能である。
　次いで、光ファイバ１３は、支持部材１２ｃに巻き付けられ、さらに、支持部材１２ａに巻き付けられる（図３（ｄ））。ここでは、ファイバ部分１３ｂ及びファイバ部分１３ｃがベース部材１１の表面と平行になるように、光ファイバ１３が支持部材１２ｃ、１２ａに巻き付けられる。この例では、光ファイバ１３は支持部材１２ｂの２／３周程度に巻き付けられるとともに、支持部材１２ａ１／４周程度に巻き付けられている。このとき、ファイバ部分１３ｃのＦＢＧ部１５ｃは、特に調整することなく、上述の対称点上に位置することになる。
　この状態で、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃに張力（プリテンション）が付与される。本実施形態の構成によれば、光ファイバ１３の他端を引っ張ることで、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃに同程度の張力を容易に付与することができる。そして、所定の張力を付与した状態で、固定材１４により光ファイバ１３は支持部材１２に固定される（図３（ｅ））。固定材１４による固定が完了すると、光ファイバ１３の他端の引っ張りが終了されるとともに、クランプ３１による一時固定が開放される（図３（ｆ））。
　このように、本実施形態の構成によれば、光ファイバ１３の各部に均質な張力を極めて容易に付与することができる。その結果、圧縮方向の歪みも精度よく検出することができる。なお、上述の例では、支持部材１２と光ファイバ１３との当接面を平坦な面で構成しているが、光ファイバ１３の巻き付け位置を位置決めする溝等が形成されていてもよい。
　次に、図４、図５（ａ）、図５（ｂ）に基づいてベース部材１１の分離について説明する。図４は、歪みセンサ１の分離を説明する図である。また、図５（ａ）、図５（ｂ）は、分離した歪みセンサの作用を示す模式図である。なお、図４、図５（ａ）、図５（ｂ）では、計測対象物側から見た歪みセンサ１を図示している。また、図４、図５（ａ）、図５（ｂ）では、スポット溶接部４１を網掛け部として図示している。
　上述のように、歪みセンサ１は、連結部２６を切断除去することで、ベース部材１１を各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃに分離することができる。このように、計測対象物に固定された歪みセンサ１においてベース部材１１を支持部材１２ａごとに分離することで計測可能な歪み量の範囲を広げることが可能になる。
　図５（ａ）に示すように、連結部２６を切断除去した場合、各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃはそれぞれが独立しており、他の島状部の影響を受けない状態になる。例えば、計測対象物に大きな歪みが発生した場合、単一構造のベース部材１１を採用する構成では、ベース部材１１が大きく変形することがない。そのため、ベース部材１１の変形限度を超えるような大きな歪みが発生した場合、ベース部材１１の一部に応力が集中してしまい歪みを正確に検出することができない。これに対し、各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃが分離した構成では、単一構造のベース部材１１に比べて大きく変形することができる。したがって、従来に比べて、計測可能な歪み量の範囲を広げることができる。
　また、周囲温度が変化し、ベース部材１１に熱膨張（あるいは、熱収縮）が発生する状況下では、単一構造のベース部材１１を採用する構成では、ベース部材１１の熱膨張（あるいは、熱収縮）に伴って、ＦＢＧ部１５のブラッグ波長が変動してしまう。そのため、従来、温度補正用のＦＢＧ部を設け、温度補正用ＦＢＧ部による反射光の波長変動に基づいて、歪み検知用のＦＢＧ部１５の温度補正を実施する必要があった。これに対し、各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃが分離した構成では、熱膨張が発生した場合、島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、図５（ｂ）中に矢印で示すように、スポット溶接部４１を中心として膨張する。また、各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃは同一の材質であるため、膨張量も同程度になる。この場合、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃでは、光ファイバ１３の軸方向に応力が作用せず、軸方向の変形が発生しない。例えば、熱膨張が発生していない場合のファイバ部分１３ｃの長さＬ１と、熱膨張が発生した場合のファイバ部分１３ｃの長さＬ２はほぼ同一になる。その結果、温度補正をすることなく、精度の高い歪み測定を実施することができる。
　加えて、熱膨張（あるいは熱収縮）が発生した場合、単一構造のベース部材１１を採用する構成では、計測対象物とベース部材との熱膨張率の差異に起因してスポット溶接部４１に応力が集中する傾向があった。この場合、上述の大きな歪みが発生した場合と同様に歪みを正確に検出することができない。これに対し、各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃが分離した構成では、スポット溶接部４１に応力が集中しないため、歪みを正確に検出することができる。また、スポット溶接部４１への応力集中に起因する接合力の低下も抑制することができる。
　以上説明したように、歪みセンサ１では、比較的容易に光ファイバ１３に張力を付与することができる。また、従来構成のように樹脂封止する構成ではないため、光ファイバ１３の固定部分の剥離等が発生し難く、長期信頼性も比較低容易に確保することができる。さらに、ベース部材１１及び支持部材１２には樹脂に限らず、金属等の任意の材料を使用することができるため、例えば、計測対象物の表面の材質に合わせて、熱膨張率が同様又は比較的近い材質のベース部材を採用することができる。これにより、計測対象物の表面の歪みをより正確に検知することができる。
　また、ベース部材１１を支持部材１２ごとに分離することができるため、従来に比べて、計測可能な歪み量の範囲を広げることができる。また、温度補正も不要にすることができる。
　なお、以上では、支持部材１２が、ベース部材１１と対向する方向から見て回転対称となる状態に配置され、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃがその対称点の近傍を通過する状態で配置された構成について説明した。しかしながら、ファイバ部分は、対称点から離れた位置に配置されてもよい。例えば、図６に示すように、光ファイバ１３は、おおむね正三角形状のベース部材１６と対向する方向から見て、支持部材１２ｄ、１２ｅ、１２ｆの外縁を包絡する状態で配置することも可能である。このような歪みセンサ２では、支持部材１２間の互いに異なる方向を向いたファイバ部分１３ｄ、１３ｅ、１３ｆはそれぞれが重なることがない位置関係になる。なお、ベース部材１６及び支持部材１２ｄ、１２ｅ、１２ｆの断面構造は、上述のベース部材１１及び支持部材１２ａ、１２ｂ、１２ｃの断面構造と同様である。この構成によれば、センシングポイントが大きくなるため、歪みセンサ１に比べると計測精度が低くなると考えられるが、歪みセンサ１よりも小型化が可能である。
　このような構成であっても、ベース部材１６は、各支持部材１２ｄ、１２ｅ、１２ｆをそれぞれ備える島状部１６ａ、１６ｂ、１６ｃに分離できることが好ましい。歪みセンサ２では、各島状部１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、平面視Ｕ字状の連結部（連結梁）２７により連結されおり、当該連結部２７を切断除去することで、ベース部材１６を各島状部１６ａ、１６ｂ、１６ｃに分離することができる。
　なお、上述の例では、ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃが１本の光ファイバ１３により構成された事例について説明したが、各ファイバ部分は、それぞれが独立した光ファイバである複数本の光ファイバで構成することもできる。この場合、各ファイバ部分の張力が同等となるように、組み立て時に各光ファイバを引っ張る力が調整される。
　ところで、上述の例では、各島状部を梁状の連結部により一体に構成したベース部材について説明したが、各島状部は当初から分離されていてもよい。この場合、各島状部は、連結部として機能する連結用部材により一時的に連結された状態で光ファイバが巻き付けられることになる。
　図７（ａ）、図７（ｂ）は、連結用部材により一時的に連結されたベース部材を備える歪みセンサの全体構成の一例を示す概略構成図である。図７（ａ）は計測対象物の表面に固定される側の面を示す図であり、図７（ｂ）が図７（ａ）の反対側の面を示す図である。なお、図７（ａ）、図７（ｂ）では、図１（ａ）、図１（ｂ）において説明した構成要素と同様の作用効果を有する構成要素には同一の符号を付している。
　図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、歪みセンサ３は、島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、支持部材１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）、光ファイバ１３、固定材１４及び連結用部材７１を備える。連結用部材７１は、スペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃが平面視において三角形状の板状部７３により一体に連結された構造を有している。ここで、スペーサ部７２ａは島状部１１ａと島状部１１ｂとの間に配置される。スペーサ部７２ｂは島状部１１ｂと島状部１１ｃとの間に配置される。スペーサ部７２ｃは島状部１１ｃと島状部１１ａとの間に配置される。スペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃは、各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの間の間隔を予め指定された間隔に維持するスペーサとして機能する。
　この例では、スペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃにより維持される間隔は、上述の連結部２６を備えるベース部材１１における間隔と同一になっている。したがって、各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの間にスペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃを介在させることで、上述のベース部材１１と同様の外形を有する状態で各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃを配置することができる。なお、特に限定されないが、この例では、スペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃは各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの外縁部分に配置され、各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び連結用部材７１の平面視における外形がおおむね正三角形状になる（側面が面一になる）ように連結用部材７１が設計されている。
　当該状態で、上述の組み立て手順にしたがって光ファイバ１３を各支持部材１２ａ、１２ｂ、１２ｃに巻き付けると連結用部材７１のスペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃは各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの間に挟持される。その結果、連結用部材７１は外力が付与されない限り離脱しなくなる。
　なお、光ファイバ１３が各支持部材１２ａ、１２ｂ、１２ｃに巻き付けられるまでは、スペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃは各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの間に挟持されていないため、連結用部材７１は容易に離脱する。そのため、光ファイバ１３を巻き付ける際には、粘着テープ等により連結用部材７１と各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃとを仮止めする、あるいは、専用の治具等により、島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃと連結用部材７１とが分離しない状態で維持されることが好ましい。
　以上の構造を有する歪みセンサ３を計測対象物に固定する場合、作業中に連結用部材７１に外力が加わると連結用部材７１が離脱する可能性がある。そのため、本実施形態の歪みセンサ３には、計測対象物に歪みセンサ３を仮止めするための粘着テープ等が設けられる。図８（ａ）は、粘着テープが設けられた歪みセンサ３を示す図である。図８（ａ）に示すように、粘着テープ８１は、平面視において、板状部７３の外形よりもわずかに小さい外形を有する基部８２と、当該部分からスペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃ上を通って歪みセンサ３の外方に突出する仮止め部８３とを備える。基部８２は、連結用部材７１の板状部７３に張り付けられる。なお、図８（ａ）では、説明のため、粘着テープ８１を破線で示している。
　歪みセンサ３を計測対象物に固定する場合、作業者は仮止め部８３により歪みセンサ３を計測対象物の表面に仮止めし、当該状態で、凹部２１を使用して歪みセンサ３を計測対象物にスポット溶接する。スポット溶接完了後に、連結用部材７１を離脱すると、歪みセンサ３は、図５（ａ）に示す歪みセンサ１と同一の構造になる。上述のように、連結用部材７１は、各島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃに挟持されているだけであるため、比較的小さな外力により容易に離脱することができる。
　特に限定されないが、本実施形態では、連結用部材７１の板状部７３が板バネになっており、板状部７３を計測対象物の方向へ押圧することで連結用部材７１を離脱できる構成を採用している。図８（ｂ）～図８（ｄ）は、連結用部材７１の離脱方法を示す模式図である。なお、図８（ｂ）～図８（ｄ）は、図８（ａ）に示すＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。
　図８（ｂ）は、計測対象物１００に固定された歪みセンサ３を示す図である。図８（ｂ）に示すように、板状部７３はスペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃの近傍で島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃに当接する当接部７４を備え、板状部７３の中央部は島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃから上方へ浮いた状態になっている。
　当該状態で、板状部７３の中央部を計測対象物１００の方向へ押圧すると、当該押圧に伴って、スペーサ部７２ａ、７２ｂ、７２ｃが計測対象物１００から離れる方向に持ち上がる（図８（ｃ））。これにより、連結用部材７１は島状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃから離脱する。
　その後、図８（ｄ）に示すように、連結用部材７１を計測対象物１００から離れる方向に持ち上げることで粘着テープ８１を計測対象物１００から引きはがすと、連結用部材７１を完全に離脱させることができる。
　以上説明したように、連結用部材により島状部を連結した歪みセンサ３であっても、上述の歪みセンサ１と同様の効果を得ることができる。
　以下、その他の変形例について説明する。図９（ａ）～図９（ｄ）は、支持部材が光ファイバの巻き付け方向に回転可能な構造を有する歪みセンサ４の組み立て手順を示す図である。図９（ａ）～図９（ｄ）では、連結用部材７１により島状部１７ａ、１７ｂ、１７ｃが連結されたベース部材を使用しているが、各島状部が一体に形成されたベース部材を使用してもよい。
　図９（ａ）に示すように、この変形例では、島状部１７ａ、１７ｂ、１７ｃのそれぞれが備える支持部材１２ｇ、１２ｈ、１２ｉは、各島状部１７ａ、１７ｂ、１７ｃから突出する状態で設けられた回転軸９１ａ、９１ｂ、９１ｃ周りに回転可能に構成されている。特に限定されないが、島状部１７ａ、１７ｂ、１７ｃ及び支持部材１２ｇ、１２ｈ、１２ｉは、例えば、樹脂材料により構成することができる。この場合、歪みセンサ４は計測対象物に対して、例えば、接着剤により固定される。なお、支持部材１２ｇ、１２ｈ、１２ｉは回転軸９１ａ、９１ｂ、９１ｃ周りに回転可能であればよく、その構造は特に限定されない。
　光ファイバ１３は図３において説明した組み立て手順と同一の手順で各支持部材１２ｇ、１２ｈ、１２ｉに巻き付けることができる。本変形例の場合、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃに張力を付与するために光ファイバ１３の引っ張ると、各支持部材１２ｇ、１２ｈ、１２ｉが回転するため、各支持部材が回転しない構成に比べて、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃに同程度の張力をより容易に付与することができる（図９（ｂ））。
　なお、この変形例では、所定の張力を付与した状態で、固定材１４により光ファイバ１３を支持部材１２に固定する際に、各支持部材１２ｇ、１２ｈ、１２ｉも対応する回転軸９１ａ、９１ｂ、９１ｃに固定される（図９（ｃ））。固定材１４による固定が完了すると、光ファイバ１３の引っ張りが終了されるとともに、クランプ３１による一時固定が開放される点は同様である（図９（ｄ））。
　また、図１０は、さらに他の変形例を示す図である。図１０に示す歪みセンサ５では、支持部材は光ファイバの固定に使用され、光ファイバは一時的に配置される被巻付部材に巻き付けられる。
　図１０に示すように、この変形例では、島状部１８ａ、１８ｂ、１８ｃのそれぞれが備える支持部材１９（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ）は、ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃ側に壁面を備える平面視においてＵ字状の形状を有している。支持部材１９は、上述の支持部材１２と同様に、島状部１８ａ、１８ｂ、１８ｃから突出する状態で設けられる。
　また、各支持部材１９と隣り合う位置（ここでは、各支持部材１９とファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃを構成しない部分の光ファイバ１３との間）には、ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃに張力を付与する際に光ファイバ１３が巻き付けられる被巻付部材が一時的に配置される被巻付部材配置領域１０１が設けられている。
　特に限定されないが、島状部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ及び支持部材１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、例えば、樹脂材料により構成することができる。この場合、歪みセンサ５は計測対象物に対して、例えば、接着剤により固定される。なお、歪みセンサ５では、連結用部材７１により島状部１８ａ、１８ｂ、１８ｃが連結されたベース部材を使用しているが、各島状部が一体に形成されたベース部材を使用してもよい。
　図１１（ａ）～図１１（ｅ）は、歪みセンサ５の組み立て手順の一例を示す図である。図１１（ａ）に示すように、まず、被巻付部材配置領域１０１に被巻付部材１０２が配置される。被巻付部材１０２は、平面視において円形であり、各島状部１８ａ、１８ｂ、１８ｃに対して垂直な方向の厚みは支持部材１９と同程度になっている。また、被巻付部材１０２は、各島状部１８ａ、１８ｂ、１８ｃに対して垂直に配置される回転軸１０３周りに回転可能になっている。特に限定されないが、各被巻付部材１０２は、例えば、回転軸１０３の先端に支持された被巻付部材１０２を、回転軸１０３を移動させることで被巻付部材配置領域１０１に配置することができる。なお、被巻付部材１０２は、各支持部材１９との間に隙間を設けた状態で配置される。
　光ファイバ１３は図３において説明した組み立て手順と同一の手順で各支持部材１９に巻き付けることができる。本変形例の場合、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃに張力を付与するために光ファイバ１３を引っ張ると、各被巻付部材１０２が回転するため、各ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃに同程度の張力をより容易に付与することができる（図１１（ｂ））。なお、光ファイバ１３は、被巻付部材１０２と支持部材１９とにより構成される部分の全体巻き付けられてもよく、被巻付部材１０２のみに巻き付けられてもよい。
　所定の張力を付与した状態で、固定材１４により光ファイバ１３は支持部材１９に固定される（図１１（ｃ））。固定材１４による固定が完了すると、光ファイバ１３の引っ張りが終了されるとともに、クランプ３１による一時固定が開放される（図１１（ｄ））。またこのとき、各被巻付部材１０２が支持部材１９の方向に移動される。これにより、各被巻付部材１０２と、各被巻付部材１０２に巻き付けられた光ファイバ１３との間に隙間が形成され、各被巻付部材１０２を島状部１８ａ～１８ｃと反対の方向へ移動させて離脱させることができる（図１１（ｅ））。これにより、歪みセンサ５が完成する。
　この歪みセンサ５であっても、上述の歪みセンサ１や歪みセンサ３と同様の効果を得ることができる。なお、支持部材１９は、ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃの両端を固定可能であればよく、Ｕ字状に限らず、任意の形状を採用することができる。
　また、歪みセンサ５のように、光ファイバ１３を巻き付ける被巻付部材を一時的に配置する構成は、島状部の材質が金属である場合にも実現可能である。図１２は、島状部の材質が金属であり、スポット溶接により歪みセンサを計測対象物に固定可能な構成を示す図である。
　図１２に示すように、この歪みセンサ６では、各島状部２０ａ、２０ｂ、２０ｃが上述のＵ字状の支持部材１９（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ）を備える。また、各支持部材１９と隣り合う位置には、ファイバ部分１３ａ、１３ｂ、１３ｃに張力を付与する際に光ファイバ１３が巻き付けられる被巻付部材が一時的に配置される被巻付部材配置領域１０１が設けられている。
　そして、この例では、被巻付部材配置領域１０１に、図１において説明した、凹部２１に対応する円柱状の突出部１１１が設けられている。突出部１１１は、支持部材１９と同様に、島状部２０ａ、２０ｂ、２０ｃから突出する状態で設けられる。当該突出部１１１には、島状部２０ａ、２０ｂ、２０ｃの反対側の面から凹入する凹部２１が設けられている。この構成では、凹部２１を上述のようにして使用することで、スポット溶接により歪みセンサ６を計測対象物に固定することが可能になる。特に限定されないが、この例では、各島状部２０ａ、２０ｂ、２０ｃに対して垂直な方向の突出部１１１の厚みは支持部材１９よりも大きくなっており、計測対象物に歪みセンサ６を固定する際に、突出部１１１のみが計測対象物に接触するようになっている。
　この場合、被巻付部材配置領域１０１に一時的に配置される被巻付部材１０２の回転軸は、突出部１１１を収容可能な中空シャフトにより構成されることになる。
　図１３（ａ）、図１３（ｂ）は、連結用部材により一時的に連結されたベース部材を備える歪みセンサの他の例を示す概略構成図である。図１３（ａ）は計測対象物の表面に固定される側の面を示す図であり、図１３（ｂ）が図１３（ａ）の反対側の面を示す図である。また、図１４は、図１３（ｂ）に示すＣ－Ｃ線に沿う概略断面図である。図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図１４では、連結用部材が離脱され、各島状部が分離された状態を示している。なお、図１４は、模式図であり、各部の寸法を厳密に表現したものではない。また、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）と図１４とでは、縮尺が異なっている。さらに、図１５は、各島状部が連結用部材により連結された状態を示す図である。なお、図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１４では、既に説明した構成要素と同様の作用効果を有する構成要素には同一の符号を付している。
　図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図１４及び図１５に示すように、歪みセンサ７は、島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、支持部材１２２（１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ）、光ファイバ１３、固定材１４及び連結用部材１４０を備える。この歪みセンサ７では、ベース部材１２１は、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃと、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃをネジ止めにより連結する連結用部材１４０とにより構成されている。
　図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、歪みセンサ７では、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃは、平面視において、おおむね、円形を３分割した中心角が１２０度の扇形の形状を有している。各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃには、一方の半径の中央部から、他方の半径の中央部にわたって溝部１２３が設けられている。溝部１２３は、扇形の各半径から扇形の弧にわたってそれぞれ設けられた直線状の溝（以下、直線部分という。）と、各半径から延びる溝を連結する円弧状の溝（以下、曲線部分という。）を含む溝部１２３を備える。溝部１２３は、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃが円形状に配置されたときに、頂点部分が曲線化された正三角形を構成する。この正三角形の重心は、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃにより構成される円形の中心に位置する。
　各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃにおいて、溝部１２３の曲線部分の中心側の部分１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃが、ベース部材から突出する支持部材を構成しており、当該支持部材１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃに光ファイバ１３が巻き付けられる。この構成では、支持部材１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃに当接する状態で、溝部１２３に光ファイバ１３を配置することで、図６に示す歪みセンサ２と同様に、光ファイバ１３を、おおむね、正三角形状に配置することができる。なお、図１３（ａ）に示すように、溝部１２３において、曲線部分よりも半径側の直線部分は、支持部材１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ側の側壁が中心側に後退されている。これにより、支持部材１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃに巻き付けられた光ファイバ１３が、ＦＢＧ部１５の近傍において、支持部材１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ側の側壁と干渉することを防止することができる。なお、光ファイバ１３は各支持部材１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃの間のファイバ部分に張力が付与された状態で固定材１４により各支持部材１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃに固定される。
　各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃは、それぞれの間に、予め指定された間隔を設けた状態で連結用部材１４０と連結される。各ファイバ部分のＦＢＧ部１５は、当該隙間上に配置されている。各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃの溝部１２３の直線部分の弧側には、それぞれネジ穴１２５が設けられている。また、連結用部材１４０の各ネジ穴１２５と対応する位置には貫通孔が設けられており、図１５に示すように、当該貫通孔を通じて各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃのネジ穴１２５にネジ１４２を螺合させることで、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃと連結用部材１４０とが連結される。なお、この例では、連結用部材１４０は板材により構成されているが、島状部１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃが当接する連結用部材１４０の面には、島状部１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを位置合わせするための凹部又は凸部を形成することもできる。
　この例では、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃはステンレスで構成されており、図１３（ｂ）に示すように、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃはスポット溶接用の凹部１２６、１２７を備えている。図１３（ｂ）、図１４に示すように、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃにおいて、凹部１２６、１２７は、溝部１２３が設けられていない側の面に設けられている。また、凹部１２６、１２７は、平面視において扇形の半径方向に沿って一列に並んで配置されており、凹部１２６、１２７の底部１３１、１３２がスポット溶接用の肉薄部を構成している。
　スポット溶接により歪みセンサ７を計測対象物１００に固定する場合、図１４に示すように、歪みセンサ７は、光ファイバ１３が存在する側が計測対象物１００と対向する状態で配置される。そして、凹部１２６の底部１３１又は凹部１２７の底部１３２の肉薄部を計測対象物１００に接触させた状態で、当該肉薄部と計測対象物１００の表面とがスポット溶接される。なお、図１５に示すように、連結用部材１４０は、凹部１２６、１２７が露出する開口部を備えており、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃが連結用部材１４０に連結された状態でスポット溶接を実施することができる。
　この構成では、計測精度を高めて局所的な歪みを測定したい場合は、内側（中心側）の凹部１２６の底部１３１の肉薄部と計測対象物１００の表面とがスポット溶接される。また、平均化した歪みを測定したい場合は、外側（弧側）の凹部１２７の底部１３２の肉薄部と計測対象物１００の表面とがスポット溶接される。
　また、図１３（ｂ）、図１４に示すように、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃは、溝部１２３よりも中心側の扇形の半径の側面に凹部１２８を備える。凹部１２８は、接着剤により歪みセンサ７を計測対象物１００に固定する場合に、過剰な接着剤の逃げ場として機能し、隣接する島状部が接着剤により互いに連結することを抑制する。
　なお、連結用部材１４０が、外周部に備える切欠き１４１は、スポット溶接前の計測対象物１００への歪みセンサ７の仮止めや、接着剤により接着中の歪みセンサ７の固定等に使用することができる。
　計測対象物１００への歪みセンサ７の固定が完了すると、ネジ１４２を取り外して連結用部材１４０を離脱することで、各島状部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃを分離することができる。このように、ネジ等の結合部材を使用して連結用部材と島状部とを連結した歪みセンサ７であっても、上述の歪みセンサ１、３等と同様の効果を得ることができる。
　なお、上述した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、特に好ましい形態としてＦＢＧ部１５における反射光の波長変動により歪みを検知する構成について説明したが、歪みの検知方法は、特に限定されない。センサのサイズが大きくなる可能性があるが、例えば、光ファイバの後方散乱光の変動を計測することで歪みを検知する等、分布型の歪み検知構成を採用することも可能である。
　また、上記実施形態では、特に好ましい形態として、ブラッグ波長が互いに異なるＦＢＧ部１５を設け、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）方式により歪みを検知する構成について説明したが、本発明は、ブラッグ波長が同一のＦＢＧ部１５を設け、ＴＤＭ（Time Division Multiplexing）方式により歪みを検知する構成にも適用可能である。ＴＤＭ方式の場合、隣接するＦＢＧ部の間隔を数メートル以上にする必要があるが、支持部材への巻き付け回数を増大させることで対応可能である。
　また、支持部材の数及び配置位置、支持部材間で互いに異なる方向に向けて配置されるファイバ部分の数、配置位置及び配置方向は、ロゼット解析が可能な範囲で任意に設定することができる。
　さらに、上記実施形態では、計測対象物への固定時に光ファイバを配置した面が計測対象物と対向する状態で歪みセンサを設置する構成について説明した。しかしながら、歪みセンサは、光ファイバを配置していない面が計測対象物と対向する状態で設置されてもよい。この場合、凹部２１等の構造は適宜変更すればよい。
　本発明によれば、計測対象面の歪み量と方向を従来に比べてより正確に計測することができ、歪みセンサ及び歪みセンサの製造方法として有用である。
　１～７　歪みセンサ
　１１、１６、１２１　ベース部材
　１１ａ～１１ｃ、１６ａ～１６ｃ、１７ａ～１７ｃ　島状部
　１８ａ～１８ｃ、２０ａ～２０ｃ、１２１ａ～１２１ｃ　島状部
　１２、１２ａ～１２ｉ、１８、１９ａ～１９ｃ、１２２ａ～１２２ｃ　支持部材
　１３　光ファイバ
　１４　固定材
　１３ａ～１３ｆ　ファイバ部分
　１５、１５ａ～１５ｃ　ＦＢＧ部
　２６、２７　連結部（連結梁）
　７１　連結用部材
　７２ａ～７２ｃ　スペーサ部（連結部）
　１０１　被巻付部材配置領域
　１０２　被巻付部材
　１４０　連結用部材（連結部）

Claims (8)

  1. 　ベース部材と、
    　前記ベース部材から突出する状態で設けられ、光ファイバが巻き付けられる複数の支持部材と、
    　前記ベース部材と対向する方向から見て、前記支持部材間で、互いに異なる方向を向いた部分を有する状態で設けられた１又は複数本の前記光ファイバと、
    　前記支持部材間の部分に張力が付与された状態で前記光ファイバを前記支持部材に固定する固定材と、
    を備える歪みセンサ。
  2. 　ベース部材と、
    　前記ベース部材から突出する状態で設けられた複数の支持部材と、
    　前記ベース部材と対向する方向から見て、前記支持部材間で、互いに異なる方向を向いた部分を有する状態で設けられた１又は複数本の光ファイバと、
    　前記支持部材間の部分に張力が付与された状態で前記光ファイバを前記支持部材に固定する固定材と、
    　前記支持部材と隣り合う位置に設けられ、前記張力を付与する際に前記光ファイバが巻き付けられる被巻付部材が一時的に配置される被巻付部材配置領域と、
    を備える歪みセンサ。
  3. 　前記ベース部材と対向する方向から見て、前記支持部材は回転対称となる状態に配置されるとともに、前記光ファイバが前記支持部材の対称点の近傍を通過する状態で配置される請求項１又は請求項２記載の歪みセンサ。
  4. 　前記ベース部材と対向する方向から見て、前記光ファイバが前記支持部材の外縁を包絡する状態で配置される請求項１又は請求項２記載の歪みセンサ。
  5. 　前記光ファイバにおいて、前記支持部材間で互いに異なる方向を向いた部分にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部が設けられる請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の歪みセンサ。
  6. 　前記ベース部材は、前記各支持部材がそれぞれ設けられた複数の島状部と、
    　前記各島状部分を分離可能に連結する連結部と、
    を備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の歪みセンサ。
  7. 　前記連結部は、前記島状部とは別体の部材として構成されるとともに、前記各島状部間の間隔を予め指定された間隔に維持するスペーサ部を備える、請求項６に記載の歪みセンサ。
  8. 　ベース部材に突出する状態で設けられた複数の支持部材のそれぞれに隣り合う状態で、被巻付部材を配置するステップと、
    　光ファイバを、前記被巻付部材と前記支持部材とにより構成される部分、又は前記被巻付部材に巻き付けるとともに、前記ベース部材と対向する方向から見て、前記支持部材間で互いに異なる方向を向いた部分を有する状態で配置するステップと、
    　前記支持部材間の部分に張力が付与された状態で前記光ファイバを前記支持部材に固定するステップと、
    　前記光ファイバが前記支持部材に固定された後、前記被巻付部材を離脱するステップと、
    を有する歪みセンサの製造方法。
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