(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に取り付けられ、前記構造物からの応力を受けて光ファイバに屈折率変化を生じさせることで前記構造物からの応力を検出する歪センサであって、
棒状又は板状のブロックと、
前記ブロックを貫通し、前記ブロックから延在した先端に他の光ファイバとの接続部を有する光ファイバと、を備え、
前記ブロックは、当該歪センサが前記構造物に取り付けられた状態において、前記光ファイバと前記構造物との距離が、当該歪センサにより前記構造物からの応力を検出する感度が所望の感度に調節される距離となるように構成された、
歪センサ。
【請求項２】
構造物に取り付けられ、前記構造物からの応力を受けて光ファイバに屈折率変化を生じさせることで前記構造物からの応力を検出する歪センサであって、
棒状又は板状の複数のブロックと、
前記複数のブロックのそれぞれをブロック間に間隔を空けて貫通する光ファイバと、を備え、
前記複数のブロックのうち少なくとも１つのブロックは、当該歪センサが前記構造物に取り付けられた状態において、前記光ファイバと前記構造物との距離が、当該歪センサにより前記構造物からの応力を検出する感度が所望の感度に調節される距離となるように構成された、
歪センサ。
【請求項３】
前記ブロックの材質はコンクリート又はモルタルであることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１の項に記載の歪センサ。
【請求項４】
前記構造物の機械的な特性と前記コンクリート又は前記モルタルの機械的な特性とが近いように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の歪センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリート構造物や橋梁等に、例えばひび割れなどの劣化が発生していないかをモニタする測定手法が提案されている。一例として、非特許文献１には、光ファイバ中のブリルアン散乱を利用した歪測定システムが開示されている。この歪測定システムの原理を簡単に説明すると、以下のとおりである。
【０００３】
構造物にひび割れ等が発生すると、ひび割れ近傍に設置された光ファイバに物理的応力がかかり、光ファイバのコアに屈折率変化が生じる。光ファイバ中では、伝搬光がブリルアン散乱を受けて周波数のシフトした反射光が発生するが、この周波数のシフト量は、上記応力により生じた屈折率変化に応じて変化する。したがって、ブリルアン散乱によって生成された反射光の周波数シフト量を計測することで、光ファイバにかかる応力、即ち構造物に発生したひび割れ等の程度を知ることができる。
【０００４】
このような歪測定システムでは、構造物に対して光ファイバを場所によらず均一な張力で貼り付けておく必要がある。もし不均一な張力で貼り付けられた箇所があるとすると、光ファイバの敷設直後において既に光ファイバ中に屈折率の変化した場所が存在することとなり、これによる反射光の周波数シフト分と、構造物が劣化したことによる反射光の周波数シフト分とを切り分けることが必要となってしまい、面倒だからである。
【０００５】
一方、特許文献１に開示されているように、光ファイバによる応力測定エリアを拡大するために、１本の光ファイバを縦横に複数回蛇行させてメッシュ状に敷設し、プレキャスト化した歪センサが知られている。このプレキャスト化された歪センサは、その平板状のセンサ面を測定対象の構造物に貼り付けて使用する、という使用形態が想定されるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３７４２３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Hotate et.al., IEICE Trans.Elec., Vol.E83-C, No.3 March 2000, pp405-412
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のようなメッシュ状の歪センサにおいては、センサ全体が弾性変形するので応力に対する感度が敏感すぎ、構造物に取り付ける際に局所的な弛みや引っ張りが生じやすいため、設置直後の応力状態をセンサ全体にわたって均一にしておくことが難しい。
また、センサ面が平板状でありその面積が大きいため、センサ面を構造物に貼り付けるに当たって構造物の貼り付け面に存在する反りや窪み等の凹凸の影響を大きく受け、センサ面が構造物の取り付け面の形状に追随しにくくなる。その結果、上記凹凸から歪センサのセンサ面に対し局所的に力が及ぼされて、歪センサ内の光ファイバにその設置時においても応力がかかってしまい、構造物の劣化による応力を正確に測定することができなくなってしまう。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ面が構造物の取り付け面の形状に追随しやすく、設置の際にセンサと構造物との均一な接着が容易であり、もって設置時において光ファイバにかかる不要な応力を低減することが可能な歪センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の歪センサは、構造物に取り付けられ、前記構造物からの応力を受けて光ファイバに屈折率変化を生じさせることで前記構造物からの応力を検出する歪センサであって、棒状又は板状のブロックと、前記ブロックを貫通し、前記ブロックから延在した先端に他の光ファイバとの接続部を有する光ファイバと、を備え、前記ブロックは、当該歪センサが前記構造物に取り付けられた状態において、前記光ファイバと前記構造物との距離が、当該歪センサにより前記構造物からの応力を検出する感度が所望の感度に調節される距離となるように構成された、歪センサである。
【００１１】
このような構成によれば、光ファイバのうちブロックで覆われた部分は、光ファイバが弛んだり引っ張られたりせず、また測定対象の構造物に取り付ける際に固定治具から力が加わったりしないので、過度な応力を受けることなく上記構造物の取り付け面に固定することができる。また、光ファイバが棒状のブロックで覆われておりセンサ面の面積が小さいので、構造物の取り付け面の形状に追随しやすい。そのため、設置の際に歪センサへ加わる力の影響が緩和され、光ファイバにかかる不要な応力を低減することができる。
【００１２】
また、本発明の歪センサは、構造物に取り付けられ、前記構造物からの応力を受けて光ファイバに屈折率変化を生じさせることで前記構造物からの応力を検出する歪センサであって、棒状又は板状の複数のブロックと、前記複数のブロックのそれぞれをブロック間に間隔を空けて貫通する光ファイバと、を備え、前記複数のブロックのうち少なくとも１つのブロックは、当該歪センサが前記構造物に取り付けられた状態において、前記光ファイバと前記構造物との距離が、当該歪センサにより前記構造物からの応力を検出する感度が所望の感度に調節される距離となるように構成された、歪センサである。
【００１３】
このような構成によれば、光ファイバのうちブロックで覆われた部分は、光ファイバが弛んだり引っ張られたりせず、また測定対象の構造物に取り付ける際に固定治具から力が加わったりしないので、過度な応力を受けることなく上記構造物の取り付け面に固定することができる。また、光ファイバが棒状のブロックで覆われておりセンサ面の面積が小さいので、構造物の取り付け面の形状に追随しやすい。更に、複数のブロックがそれぞれの間に間隔を有した状態で光ファイバにより繋がっているので、設置する際にこの間隔部分で構造物の凹凸を吸収することができる。したがって、構造物への取り付けによって歪センサへ加わる力の影響が緩和され、光ファイバにかかる不要な応力を低減することができる。
【００１４】
また、本発明は、上記の歪センサにおいて、前記ブロックの材質はコンクリート又はモルタルであることを特徴とする。
このような構成によれば、測定対象の構造物の強度を損なうことなく歪センサを設置することができる。
また、本発明は、上記の歪センサにおいて、前記構造物の機械的な特性と前記コンクリート又は前記モルタルの機械的な特性とが近いように構成されたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の一態様は、上記の歪センサにおいて、前記光ファイバは、前記棒状のブロックを長手方向に貫通していることを特徴とする。
このような構成によれば、光ファイバがブロックで覆われている部分を長くとることができる。
【００１６】
また、本発明の一態様は、上記の歪センサを前記ブロックが複数個互いに略平行になるように並列に配置して測定対象の構造物に取り付ける歪センサの取り付け方法である。
このような構成によれば、光ファイバにかかる応力を低減したまま、応力測定範囲を拡大することができる。
【００１７】
また、本発明の一態様は、上記の歪センサの取り付け方法において、測定対象の構造物表面に溝を設け、この溝に前記ブロックを挿入して固定する歪センサの取り付け方法である。
このような構成によれば、測定対象の構造物に歪センサを一体化することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、歪センサの設置の際に光ファイバにかかる応力を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態による歪センサの構成図である。
【図２】歪センサを測定対象のコンクリート構造物に取り付けた様子及び歪センサを用いた歪測定システムの構成を示す図である。
【図３】歪センサをコンクリート構造物に取り付ける方法の具体例を説明する図である。
【図４】歪センサの構成の変形例を示す図であり、ブロックの長手方向に垂直な断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による歪センサの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による歪センサの構成図である。
図１（Ａ）において、歪センサ１は、複数のブロック１０−１，１０−２，…，１０−ｎと、１本の光ファイバ２０とから構成されている。
【００２１】
各ブロック１０は、以下に例示する材料から構成された固形の部材であり、その形状は、一方向に細長い四角柱（棒状）の形状とされている。
【００２２】
各ブロック１０を構成する材料としては、コンクリート、モルタル、ポリマーセメント組成物、石膏などの水硬性組成物、プラスチック、フィラー・樹脂複合材料など公知の材料であって、歪センサ１を測定対象となる構造物に取り付ける際に光ファイバ２０に過度な応力がかからないよう保持し、且つ、歪センサ１を取り付けた後にセンサ感度が適切な範囲となるよう構造物にかかる応力を光ファイバ２０へ伝達することが可能な材料が選定される。特に、構造物の機械的な特性（弾性率等）と近い特性を持つ材料として、コンクリートやモルタルが好適である。これにより、構造物自体の強度に悪影響を与えることがなく、ひび割れ等の原因となるような構造物に生じた応力を光ファイバ２０へ的確に伝達することができる。なお、センサの感度は、ブロック１０の材質以外にブロック１０の厚さ（光ファイバ２０と構造物との距離）で調節することも可能である。
【００２３】
ブロック１０の長手方向の長さは、歪センサ１を取り付ける構造物の取り付け面の状態（例えば凹凸の程度）を勘案して適宜設定すればよい。例えば、ブロック１０を構造物の取り付け面に接触させた時に、取り付け面の凹凸によってブロック１０が取り付け面から浮いてガタつかない程度の長さとすることが好ましい（特別な状況として、ブロック１０がサイコロのような短い四角柱となってもよい）。こうすることで、構造物の凹凸からブロック１０へ不要な力が加わってしまうことを防止可能である。
【００２４】
これらブロック１０−１，１０−２，…，１０−ｎは、光ファイバ２０により長手方向に順に貫通されて、全体として鎖状に連結されている。各ブロック１０の間には、適宜の離間距離が設けられて、ブロック１０同士がくっ付き合わないようにされている。これにより、各ブロック１０−１，１０−２，…，１０−ｎを上記離間距離の範囲内で自由に移動させることが可能となっている。
なお、図１（Ｂ）のように１つのブロック１０と１本の光ファイバ２０とにより歪センサ２を構成し、光ファイバ２０の先端に光コネクタ２１を設け、この光コネクタ２１により多数の同様の歪センサ２を図１（Ａ）のように鎖状に連結してもよい。
【００２５】
図２は、歪センサ１を測定対象のコンクリート構造物１００に取り付けた様子及び歪センサ１を用いた歪測定システムの構成を示す図である。
図２に示されるように、各ブロック１０は、それぞれの長手方向が互いに平行となるようにして並列に配置されて、コンクリート構造物１００の表面（壁面）に取り付けられる。このような配置とすることで、ブロック１０の長手方向と直角な方向の広い範囲を歪測定可能なエリアとすることができる。
【００２６】
各ブロック１０を貫通している光ファイバ２０の一方の端部には、歪測定器２００から測定用の光が入射される。光ファイバ２０の他方の端部からは、光ファイバ２０を伝搬した光が歪測定器２００へと出射される。
【００２７】
ここで、歪測定器２００は、ブリルアン散乱を利用した歪測定を行うための公知の測定器であるが、本発明の本質と関係がないので説明を省略する。なお、歪測定の方法としては、例えば、ブリルアン光相関領域解析法:BOCDA (Brillouin optical correlation-domain analysis)や、ブリルアン光相関領域リフレクトメトリ:BOCDR (Brillouin optical correlation-domain reflectometry)や、ブリルアン光時間領域リフレクトメトリ:BOTDR (Brillouin optical time-domain reflectometry)などの方法を適用することができる（非特許文献１等を参照）。
【００２８】
図３は、歪センサ１をコンクリート構造物１００に取り付ける方法の具体例を説明する図である。
【００２９】
図３（Ａ）は、ブロック１０をコンクリート構造物１００の表面上に取り付けた（貼り付けた）例を示している。貼り付けには、適宜、接着剤やセメント材料や固定具を使用すればよい。
【００３０】
図３（Ｂ）は、コンクリート構造物１００の表面に溝を形成し、その溝にブロック１０を挿入して、図３（Ａ）と同様に接着剤やセメント材料や固定具で固定することにより、取り付けを行った例を示している。このような取り付け方法をとることで、歪センサ１と測定対象のコンクリート構造物１００との景観上の一体感を醸成することができる。
【００３１】
図４は、歪センサ１の構成の変形例を示す図であり、ブロックの長手方向に垂直な断面図を表している。
【００３２】
ブロック１１〜１３は、いずれも断面形状が長方形であり、長辺が応力の方向（ブロックが取り付けられる構造物の表面に垂直な方向）に対して直角となるように配置されている。そして、各ブロック１１〜１３の厚さ（短辺（応力方向）の長さ）は、ブロック１１が最も薄く、ブロック１２、ブロック１３の順に厚くなっている。これらブロック厚の異なる歪センサにおいて、構造物から受ける応力の検出感度を比較すると、ブロック厚が最も薄いブロック１１の歪センサが一番検出感度が高く、ブロック厚が厚くなるにつれて、検出感度は低くなる。
【００３３】
このように、ブロックの断面形状を変えることで、構造物からの応力を検出する感度を調整することが可能である。
【００３４】
図５は、本発明の第２の実施形態による歪センサの構成図（上面図）である。
図５（Ａ）において、歪センサ３は、１つのブロック１５と、４本の光ファイバ２０とから構成されている。
【００３５】
ブロック１５は、上述した実施形態と同様の材料で構成された固形の部材であり、その形状は、上面視においてほぼ正方形である板状の形状とされている。
【００３６】
この正方形の寸法は、上述した実施形態と同様に、歪センサ３を取り付ける構造物の取り付け面の状態（例えば凹凸の程度）を勘案して適宜設定すればよい。即ち、例えば、ブロック１５を構造物の取り付け面に接触させた時に、取り付け面の凹凸によってブロック１５が取り付け面から浮いてガタつかない程度の長さとすることが好ましい。こうすることで、構造物の凹凸からブロック１５へ不要な力が加わってしまうことを防止可能である。
【００３７】
４本の光ファイバ２０は、それぞれブロック１５の各辺に沿ってブロック１５を貫通して設けられている。各光ファイバ２０の長さは、ブロック１５の一辺の長さよりも長く、各光ファイバ２０の両端は、ブロック１５の端面から外方へ向けて適宜の距離だけ延在している。各光ファイバ２０の両端（先端）には光コネクタ２１が設けられており、同じ構成の他の歪センサ３の光コネクタ２１と連結することが可能である。なお、光コネクタ２１を設けずに、歪センサ３の光ファイバ２０同士を融着することにより接続してもよい。
【００３８】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の複数の歪センサ３を適宜の離間距離を空けて格子状に配置して、それぞれを光コネクタ２１で連結することによって、全体として１つの大きな歪センサを構成した様子を表している（なお、図中において光コネクタ２１は図示を省略した）。このような大きな歪センサの構成とすることにより、１つの歪センサ３ではカバーできない広い範囲を歪測定可能エリアとすることができる。更に、各歪センサ３が光ファイバ２０により網目状に繋がれているため、個々の歪センサ３は、光ファイバ２０の長さで規制された範囲内で図５の紙面垂直方向に動くことができるようになっている。この動きにより、この大きな歪センサ（歪センサ３の集合）を構造物に取り付けた際に、構造物の取り付け面の凹凸の影響を吸収することができる。したがって、歪センサ３へ加わる力の影響が緩和され、光ファイバ２０にかかる不要な応力を低減することが可能である。
【００３９】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１，２，３…歪センサ  １０〜１５…ブロック  ２０…光ファイバ  ２１…光コネクタ  １００…コンクリート構造物  ２００…歪測定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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