(57)【要約】【課題】物体との接触面である被測定エリア全体に前記物体が接触して水平応力が付与される場合でも、該水平応力を検出することが可能となる。【解決手段】ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄにおいて、応力検出センサ部１６は、平面視で、応力方向変換部１８に内包されるように配置されると共に、応力方向変換部１８から伝達された水平応力ＦHによってグレーティング２６ｘ、２６ｙが伸縮し、一方で、グレーティング７２ｘ、７２ｙは、被測定エリア２２における応力方向変換部１８の外方に配置されている。【選択図】図１１
2011163941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる複数の応力検出センサ部と、外部応力を前記グレーティングを配列した方向の応力に変換して前記各グレーティングに伝達する応力方向変換部とを備え、
前記各応力検出センサ部及び前記応力方向変換部は、前記外部応力を受ける被測定エリア内に配置され、
前記複数の応力検出センサ部は、
平面視で前記応力方向変換部に内包されるように配置され、前記応力方向変換部から伝達された応力によって前記グレーティングが伸縮する第１の応力検出センサ部と、
前記被測定エリアにおける前記応力方向変換部の外方に配置された第２の応力検出センサ部と、
であることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のセンサにおいて、
前記光ファイバは、前記応力方向変換部を貫通するように前記被測定エリアに沿って配置され、
前記第１の応力検出センサ部は、前記光ファイバに配置された第１のグレーティングを有すると共に、前記第２の応力検出センサ部は、前記光ファイバに配置された第２のグレーティングを有することを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項３】
請求項２記載のセンサにおいて、
前記応力方向変換部は、前記被測定エリアに沿って延在する平坦部と、前記平坦部から前記光ファイバにおける前記第１のグレーティングの一端部側に橋架された第１の応力伝達部と、前記平坦部から前記光ファイバにおける前記第１のグレーティングの他端部側に橋架された第２の応力伝達部とを有することを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項４】
請求項３記載のセンサにおいて、
前記第２のグレーティングは、前記光ファイバにおける前記第１の応力伝達部の近傍又は前記第２の応力伝達部の近傍に配置されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
前記応力方向変換部を貫通するように前記被測定エリアに沿って第１の光ファイバが配置され、
前記応力方向変換部を貫通すると共に、平面視で前記第１の光ファイバと直交するように第２の光ファイバが前記被測定エリアに沿って配置され、
前記第１のグレーティングは、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバにそれぞれ配置され、
前記第２のグレーティングは、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバの少なくとも一方に配置されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバを有する光ファイバセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シート体の内部に埋設した光ファイバのコアに複数個のグレーティング（回折格子）を設けた、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）センサと呼称される光ファイバセンサでは、物体から応力を受けると前記グレーティングに歪みが発生して反射光の波長が変化する現象を利用し、該歪みの発生に伴う前記反射光の波長（反射波長）のシフト量を検出して、検出した該シフト量に基づき前記応力を検出する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−７１３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の光ファイバセンサにおいて、検出面である被測定エリアのうち、隣接する２つのグレーティング間に対応する箇所に物体が接触し、該物体から前記対応する箇所に水平応力が付与された場合に、一方のグレーティングは、前記水平応力によって伸張すると共に、他方のグレーティングは、前記水平応力によって圧縮される。これにより、２つのグレーティングの歪み量や反射波長のシフト量が互いに異なる大きさとなり、前記被測定エリアに付与された水平応力の位置、大きさ及び方向を検出することが可能となる。
【０００５】
しかしながら、平面視で前記被測定エリアよりも大きな物体が該被測定エリア全体に接触して水平応力が付与される場合には、前記２つのグレーティングを含む全てのグレーティングが同じような構造変化（歪み）を起こすので、該各グレーティングの歪み量の差分や反射波長のシフト量の差分が水平応力を検出できる程度の明確な差分とはならず、該水平応力の検出が困難になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、前記の問題に鑑みなされたものであり、物体との接触面である被測定エリア全体に前記物体が接触して水平応力が付与される場合でも、該水平応力を検出することができる光ファイバセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光ファイバセンサは、
特定波長の光を反射するグレーティングを配列した光ファイバからなる複数の応力検出センサ部と、外部応力を前記グレーティングを配列した方向の応力に変換して前記各グレーティングに伝達する応力方向変換部とを備え、
前記各応力検出センサ部及び前記応力方向変換部は、前記外部応力を受ける被測定エリア内に配置され、
前記複数の応力検出センサ部は、平面視で前記応力方向変換部に内包されるように配置され、前記応力方向変換部から伝達された応力によって前記グレーティングが伸縮する第１の応力検出センサ部と、前記被測定エリアにおける前記応力方向変換部の外方に配置された第２の応力検出センサ部とであることを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、前記応力方向変換部に内包されるように前記第１の応力検出センサ部が配置されると共に、前記応力方向変換部の外方に前記第２の応力検出センサ部が配置されている。そのため、物体から前記被測定エリアに外部応力としての水平応力が付与された場合に、前記第１の応力検出センサ部のグレーティングは、前記水平応力に応じて伸縮し、一方で、前記第２の応力検出センサ部のグレーティングは、前記応力方向変換部の外方に配置されているので、前記第１の応力検出センサ部のグレーティングとは異なる伸縮を示す。
【０００９】
これにより、前記第１の応力検出センサ部のグレーティングと、前記第２の応力検出センサ部のグレーティングとの間では、グレーティングの歪み量や反射波長のシフト量が互いに異なる大きさとなるので、前記歪み量の差分や前記シフト量の差分が前記水平応力を検出できる程度の明確な差分となる。この結果、前記被測定エリア全体に前記水平応力が付与されても、付与された前記水平応力の位置、大きさ及び方向を検出することが可能となる。
【００１０】
このように、本発明によれば、前記被測定エリアにおいて、前記応力方向変換部に内包させるように前記第１の応力検出センサ部を配置すると共に、前記応力方向変換部の外方に前記第２の応力検出センサ部を配置することにより、前記物体との接触面である前記被測定エリア全体に該物体が接触して前記水平応力が付与された場合でも、該水平応力を検出することが可能となる。
【００１１】
ここで、前記光ファイバは、前記応力方向変換部を貫通するように前記被測定エリアに沿って配置され、前記第１の応力検出センサ部は、前記光ファイバに配置された第１のグレーティングを有すると共に、前記第２の応力検出センサ部は、前記光ファイバに配置された第２のグレーティングを有してもよい。
【００１２】
これにより、前記被測定エリアに前記水平応力が付与されたときに、前記水平応力に起因して前記第１のグレーティングが伸縮すると同時に、前記第２のグレーティングも伸縮するので、前記水平応力の検出を効率よく行うことができる。
【００１３】
また、前記応力方向変換部は、前記被測定エリアに沿って延在する平坦部と、前記平坦部から前記光ファイバにおける前記第１のグレーティングの一端部側に橋架された第１の応力伝達部と、前記平坦部から前記光ファイバにおける前記第１のグレーティングの他端部側に橋架された第２の応力伝達部とを有する。
【００１４】
これにより、前記水平応力を前記第１のグレーティングに効率よく伝達することができる。
【００１５】
さらに、前記第２のグレーティングを前記光ファイバにおける前記第１の応力伝達部の近傍又は前記第２の応力伝達部の近傍に配置すれば、前記第１のグレーティングの配列方向と、前記第２のグレーティングの配列方向とを略一致させることができるので、前記水平応力が前記被測定エリアに付与された際に、前記第１のグレーティング及び前記第２のグレーティングを同軸上でそれぞれ歪ませることが可能となる。従って、前記第１のグレーティング及び前記第２のグレーティングの歪み量及び反射波長のシフト量から前記水平応力を容易に算出することが可能となる。
【００１６】
また、前記応力方向変換部を貫通するように前記被測定エリアに沿って第１の光ファイバを配置し、前記応力方向変換部を貫通すると共に平面視で前記第１の光ファイバと直交するように第２の光ファイバを前記被測定エリアに沿って配置し、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバに前記第１のグレーティングをそれぞれ配置し、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバの少なくとも一方に前記第２のグレーティングを配置してもよい。
【００１７】
これにより、例えば、前記第１の光ファイバを前記被測定エリアに沿ったＸ方向に配置し、前記第２の光ファイバを前記被測定エリアに沿ったＹ方向に配置すれば、前記水平応力をＸ方向及びＹ方向の成分に分離して検出することも可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、被測定エリアにおいて、応力方向変換部に内包させるように第１の応力検出センサ部を配置すると共に、前記応力方向変換部の外方に第２の応力検出センサ部を配置することにより、物体との接触面である前記被測定エリア全体に前記物体が接触して水平応力が付与された場合でも、該水平応力を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態の前提となるＦＢＧセンサをシート体に配置した圧力センサの斜視図である。
【図２】図１の圧力センサの平面図である。
【図３】図１のＦＢＧセンサの斜視図である。
【図４】図１のＦＢＧセンサの概略説明図である。
【図５】図１〜図４のＦＢＧセンサによる垂直応力の検出原理の説明図である。
【図６】水平応力が付与される前の図１〜図４のＦＢＧセンサの説明図である。
【図７】図６のＦＢＧセンサによる水平応力の検出原理の説明図である。
【図８】検出面である被測定エリアよりも大きな物体が図１及び図２の圧力センサに接触している状態を示す平面図である。
【図９】水平応力が付与される前の図８のＦＢＧセンサの説明図である。
【図１０】図８及び図９の状態で水平応力を被測定エリアに付与したときに、前記水平応力を検出することができないことを図示した説明図である。
【図１１】本実施形態に係るＦＢＧセンサをシート体に配置した圧力センサの斜視図である。
【図１２】図１１の圧力センサの平面図である。
【図１３】被測定エリアよりも大きな物体が図１１及び図１２の圧力センサに接触している状態を示す平面図である。
【図１４】水平応力が付与される前の図１３のＦＢＧセンサの説明図である。
【図１５】図１４のＦＢＧセンサによる水平応力の検出原理の説明図である。
【図１６】図１１〜図１５の応力方向変換部の外方に配置されたグレーティングの出力を示すグラフである。
【図１７】図１１〜図１６の圧力センサの変形例を示す平面図である。
【図１８】図１１〜図１６の圧力センサの変形例を示す平面図である。
【図１９】図１１〜図１６の圧力センサの変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る光ファイバセンサの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
先ず、本実施形態の説明に先立ち、本実施形態の前提となる光ファイバセンサとしてのＦＢＧセンサ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒ）を利用した応力検出の概要について、図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態の前提となる複数のＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄが組み込まれた圧力センサ１０の斜視図である。
【００２３】
圧力センサ１０は、可撓性を有するシート体１２の内部に、１本の光ファイバケーブル２０がシート体１２の表面方向（Ｘ−Ｙ方向）に沿って埋設され、この光ファイバケーブル２０に沿って複数のＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄを配置することにより構成される。
【００２４】
すなわち、光ファイバケーブル２０は、Ｙ方向に向かって蛇行することにより長手方向がＸ方向とされた光ファイバ（第１の光ファイバ）２０ｘと、Ｘ方向に向かって蛇行することにより長手方向がＹ方向とされた光ファイバ（第２の光ファイバ）２０ｙとから構成されている。この場合、光ファイバ２０ｘと光ファイバ２０ｙとは、互いに異なる高さに配置されているが（図３及び図４参照）、平面視では、光ファイバ２０ｘと光ファイバ２０ｙとが直交し（図２参照）、直交した箇所にＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄが設けられている。
【００２５】
そして、光ファイバケーブル２０とＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄとを、プラスチックや樹脂等の可撓性を有する材料でモールドすることによりシート体１２が形成される。なお、シート体１２は、ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄを該シート体１２の内部に固定すると共に、外部から付与される過度の応力や熱等からＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄを保護するために形成される。
【００２６】
また、図１及び図２では、２×２のマトリックス状に４個のＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄが配置されてアドレス化された場合を図示しているが、シート体１２に埋設されるＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄの個数は、４個に限定されることはなく、増やしてもよいし、あるいは、少なくしてもよい。
【００２７】
さらに、図１〜図４では、光ファイバ２０ｙの下方に光ファイバ２０ｘを配置した場合を図示しているが、光ファイバ２０ｙの上方に光ファイバ２０ｘを配置してもよいことは勿論である。さらにまた、図１及び図２に示すように、シート体１２において、Ｘ方向に直交する１つの側面に光ファイバ２０ｘの端部が外部に露呈すると共に、Ｙ方向に直交する他の１つの側面に光ファイバ２０ｙの端部が外部に露呈している。これらの端部は、外部から光を入射し、あるいは、光ファイバ２０ｘ、２０ｙから光を出射することが可能である。
【００２８】
また、圧力センサ１０では、図１におけるシート体１２の上面が外部からの応力を検出するための被測定エリア（検出面）２２とされている。
【００２９】
ここで、ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄについて、図２〜図４を参照しながら詳細に説明する。
【００３０】
光ファイバ２０ｘと光ファイバ２０ｙとが直交する箇所には、応力方向変換部１８が配置されている。また、該直交する箇所において、光ファイバ２０ｘのコア２４ｘには、グレーティング２６ｘが形成されると共に、光ファイバ２０ｙのコア２４ｙには、グレーティング２６ｙが形成され、これらのグレーティング２６ｘ、２６ｙにより１つの応力検出センサ部（第１の応力検出センサ部）１６が構成される。
【００３１】
つまり、圧力センサ１０の各ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄは、１つの応力検出センサ部１６と、１つの応力方向変換部１８とをそれぞれ備えている。また、図２に示すように、各ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄの応力検出センサ部１６は、平面視で応力方向変換部１８に内包されるようにそれぞれ配置されている。従って、シート体１２の内部において、光ファイバ２０ｘ、２０ｙは、各応力方向変換部１８を貫通するように被測定エリア２２に沿って配置されている。なお、全てのグレーティング２６ｘ、２６ｙは、互いに異なる格子間隔と反射波長とを有する。
【００３２】
外部からの応力に対する受感部材としての応力方向変換部１８は、ゴムや樹脂等の弾性体からなる。この場合、応力方向変換部１８は、Ｘ−Ｙ方向に沿ってシート体１２と平行に延在する矩形状の平坦部２８と、該平坦部２８の対向する二辺から光ファイバ２０ｘにおけるグレーティング２６ｘの両端部側にそれぞれ橋架された２つの応力伝達部３０ｘ（第１の応力伝達部、第２の応力伝達部）と、平坦部２８の対向する他の二辺から光ファイバ２０ｙにおけるグレーティング２６ｙの両端部側にそれぞれ橋架された２つの応力伝達部３０ｙ（第１の応力伝達部、第２の応力伝達部）とを有する。
【００３３】
また、互いに対向するように形成された２つの応力伝達部３０ｘは、平坦部２８に連なると共に光ファイバ２０ｘに向かって傾斜した傾斜部３２ｘと、該傾斜部３２ｘに連なると共に光ファイバ２０ｘの外周面の一部を囲繞する接合部３４ｘとをそれぞれ有する。この場合、図４及び図５に示すように、２つの応力伝達部３０ｘの間では、平坦部２８と傾斜部３２ｘとのなす角度は互いに等しく設定されると共に、傾斜部３２ｘと接合部３４ｘとのなす角度も互いに等しく設定されている。
【００３４】
一方、互いに対向するように形成された２つの応力伝達部３０ｙも、応力伝達部３０ｘと同様に、平坦部２８に連なると共に光ファイバ２０ｙに向かって傾斜した傾斜部３２ｙと、該傾斜部３２ｙに連なると共に光ファイバ２０ｙの外周面の一部を囲繞する接合部３４ｙとをそれぞれ有する。また、２つの応力伝達部３０ｙの間でも、平坦部２８と傾斜部３２ｙとのなす角度は互いに等しく設定されると共に、傾斜部３２ｙと接合部３４ｙとのなす角度も互いに等しく設定されている。
【００３５】
なお、前述したように、シート体１２の内部において、光ファイバ２０ｘは、光ファイバ２０ｙよりも低い位置に埋設されているので（図１〜図４参照）、接合部３４ｘの上面は、接合部３４ｙの上面よりも低い位置に設定されている。
【００３６】
次に、シート体１２の被測定エリア２２に物体４０が接触して、該物体４０から被測定エリア２２に垂直応力ＦP（Ｚ方向に沿った応力）が付与されたときの該垂直応力ＦPの検出について、図５を参照しながら説明する。
【００３７】
ここでは、被測定エリア２２における物体４０との接触面積がＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄに応じた面積（ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄを被測定エリア２２に投影したときの投影像の面積）程度である場合について説明する。なお、図５では、説明の容易化のために、Ｙ方向に沿って配置された光ファイバ２０ｙ及び応力伝達部３０ｙの図示を省略する。
【００３８】
応力付与前の応力方向変換部１８の形状は、図１〜図３に示すように、平坦部２８を中心として略回転対称の構造（図５では平坦部２８を中心とした左右対称の構造）であるため、物体４０から被測定エリア２２にＺ方向に沿った垂直応力ＦPが付与されて、平坦部２８が該垂直応力ＦPを受けたときに、各応力伝達部３０ｘには、理想的に、Ｚ方向に沿った応力Ｆ´（Ｆ´＝ＦP／４）がそれぞれ付与される。
【００３９】
すなわち、平坦部２８の各辺から４つの傾斜部３２ｘ、３２ｙがそれぞれ延在しているので、１つの応力伝達部３０ｘに付与される応力Ｆ´は、理想的に、垂直応力ＦPの１／４の大きさのＦP／４となる。
【００４０】
応力Ｆ´の傾斜部３２ｘに沿った方向の成分（力）Ｆ´´は、Ｚ方向（応力Ｆ´）と傾斜部３２ｘとの成す角度をφとすれば、Ｆ´´＝Ｆ´ｃｏｓφ＝（ＦP／４）×ｃｏｓφとなる。
【００４１】
また、力Ｆ´´と光ファイバ２０ｘの長手方向（Ｘ方向）との成す角度は、（９０°−φ）であるので、光ファイバ２０ｘ及び接合部３４ｘに付与される力Ｆ´´´は、Ｆ´´´＝Ｆ´´ｃｏｓ（９０°−φ）＝Ｆ´ｓｉｎφ＝（ＦP／４）×ｃｏｓφ×ｓｉｎφとなる。
【００４２】
この力Ｆ´´´が光ファイバ２０ｘに付与されることで、グレーティング２６ｘがＸ方向に歪んで（伸張して）、該グレーティング２６ｘの格子間隔が変化（増加）する。すなわち、ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄが左右対称の構造であるため、グレーティング２６ｘの左右両側には同じ力Ｆ´´´が互いに逆向きに作用し、この結果、応力方向変換部１８を設けない場合よりも、グレーティング２６ｘの歪み量や反射波長のシフト量を大きくすることができる。従って、圧力センサ１０及びＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄでは、前記歪み量及び前記シフト量に基づいて垂直応力ＦPを容易に検出（算出）することができる。
【００４３】
なお、図５では、説明の容易化のために、垂直応力ＦPに対して、Ｆ´、Ｆ´´及びＦ´´´を誇張して図示している。また、図５では、グレーティング２６ｘに力Ｆ´´´が付与された場合について説明したが、グレーティング２６ｙに力Ｆ´´´が作用する場合でも、同様にして、グレーティング２６ｙに大きな歪みが発生し、反射波長のシフト量を大きくすることができるので、垂直応力ＦPを容易に検出（算出）することが可能である。
【００４４】
次に、シート体１２の被測定エリア２２に物体５０が接触して、該物体５０から被測定エリア２２に水平応力ＦH（Ｘ方向に沿った応力）が付与されたときの該水平応力ＦHの検出について、図６及び図７を参照しながら説明する。
【００４５】
ここでは、被測定エリア２２における物体５０との接触面積がＦＢＧセンサ１４Ａ（１４Ｂ）の左端部からＦＢＧセンサ１４Ｃ（１４Ｄ）の右端部までの距離よりも短い長さに応じた面積である場合について説明する。
【００４６】
図６に示すように、物体５０が被測定エリア２２におけるＦＢＧセンサ１４Ａ（１４Ｂ）とＦＢＧセンサ１４Ｃ（１４Ｄ）との間の箇所に接触し、図７に示す水平応力ＦHが物体５０から被測定エリア２２に付与されたときに、圧力センサ１０は、応力付与前（図６及び図７の二点鎖線）と比較して、全体的に、水平応力ＦHによって左右非対称に変形した形状（図７の実線に示す形状）となる。
【００４７】
すなわち、ＦＢＧセンサ１４Ａ（１４Ｂ）の右側の応力伝達部３０ｘは、水平応力ＦHにより図７の右側に移動すると共に、ＦＢＧセンサ１４Ｃ（１４Ｄ）の左側の応力伝達部３０ｘは、水平応力ＦHにより図７の右側に移動する。
【００４８】
この場合、前記右側の応力伝達部３０ｘの接合部３４ｘと光ファイバ２０ｘとの接合部分、及び、前記左側の応力伝達部３０ｘの接合部３４ｘと光ファイバ２０ｘとの接合部分には、水平応力ＦHがそれぞれ伝達されるので、ＦＢＧセンサ１４Ａ（１４Ｂ）のグレーティング２６ｘにかかる水平応力ＦHは、該グレーティング２６ｘの格子間隔を伸張させるための力となり、一方で、ＦＢＧセンサ１４Ｃ（１４Ｄ）のグレーティング２６ｘにかかる水平応力ＦHは、該グレーティング２６ｘの格子間隔を圧縮させるための力となる。
【００４９】
そのため、各グレーティング２６ｘに水平応力ＦHがかかることにより、各グレーティング２６ｘは、Ｘ方向に沿って互いに異なる量だけ歪むので、格子間隔も互いに異なる量だけ変化し、この結果、各グレーティング２６ｘの反射波長のシフト量は、互いに異なる値となる。これにより、水平応力ＦHの付与の前後での各グレーティング２６ｘにおける反射波長のシフト量の差分に基づいて水平応力ＦHを算出することが可能となる。
【００５０】
なお、図６及び図７は、Ｘ方向に沿って水平応力ＦHが付与される場合について説明したが、Ｙ方向に沿って水平応力ＦHが付与される場合においても、同様にして、水平応力ＦHを検出できることは勿論である。
【００５１】
また、上述のような、グレーティング２６ｘ、２６ｙの配列方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に沿った力が付与されたときのグレーティング２６ｘ、２６ｙの歪み量と、反射波長のシフト量と、垂直応力及び水平応力の検出とについては、例えば、特開２００９−２７６１２７号公報に開示されているので、その詳細な説明については省略する。
【００５２】
次に、図８に示すように、平面視で被測定エリア２２よりも大きな物体６０が該被測定エリア２２に接触して、物体６０から被測定エリア２２に水平応力ＦHが付与された場合について、図８〜図１０を参照しながら説明する。
【００５３】
この場合、物体６０は、被測定エリア２２全体を覆うように接触するので（図８及び図９参照）、図１０に示すように、物体６０から被測定エリア２２に水平応力ＦHが付与されたときに、圧力センサ１０は、応力付与前（図９及び図１０の二点鎖線）と比較して、全体的に、水平応力ＦHの付与方向に変形した形状（図１０の実線に示す形状）となる。
【００５４】
すなわち、ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄの各応力伝達部３０ｘは、水平応力ＦHにより図１０の右側に移動する。この場合、各応力伝達部３０ｘの接合部３４ｘと光ファイバ２０ｘとの接合部分には、水平応力ＦHがそれぞれ伝達される。この結果、ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄのグレーティング２６ｘには、水平応力ＦHがそれぞれかかって、同じ構造変化を起こして伸縮する。
【００５５】
ここで、水平応力ＦHの付与による各グレーティング２６ｘの格子間隔の変化分、すなわち、各接合部３４ｘの変化分をａ、ｂ、ｃ、ｄとする。また、水平応力ＦHの付与前におけるＦＢＧセンサ１４Ａ（１４Ｂ）のグレーティング２６ｘの格子間隔をΔ0とし、ＦＢＧセンサ１４Ｃ（１４Ｄ）のグレーティング２６ｘの格子間隔をΔ0´とする。さらに、各グレーティング２６ｘの格子数をＮとし、コア２４ｘの有効屈折率をｎeffとする。
【００５６】
この場合、水平応力ＦHの付与の前後において、ＦＢＧセンサ１４Ａ（１４Ｂ）のグレーティング２６ｘにおける反射波長のシフト量Δλは、下記の（１）式で表わされ、一方で、ＦＢＧセンサ１４Ｃ（１４Ｄ）のグレーティング２６ｘにおける反射波長のシフト量Δλは、下記の（２）式で表わされる。
Δλ＝２×ｎeff×｛Δ0＋（ｂ−ａ）／Ｎ｝                  （１）
Δλ＝２×ｎeff×｛Δ0´＋（ｄ−ｃ）／Ｎ｝                （２）
【００５７】
前述したように、各グレーティング２６ｘは、水平応力ＦHの付与によって同じ構造変化を起こすので、格子間隔の変化分（各接合部３４ｘの変化分）ａ、ｂ、ｃ、ｄは、下記の（３）式のように、互いに同じ量となる。
ａ＝ｂ＝ｃ＝ｄ                                              （３）
【００５８】
従って、（３）式を（１）式及び（２）式に代入すると、（１）式は、（４）式のように変形され、（２）式は、（５）式のように変形される。
Δλ＝２×ｎeff×｛Δ0＋（ｂ−ａ）／Ｎ｝
＝２×ｎeff×Δ0                                      （４）
Δλ＝２×ｎeff×｛Δ0´＋（ｄ−ｃ）／Ｎ｝
＝２×ｎeff×Δ0´                                    （５）
【００５９】
ｎeff、Δ0及びΔ0´は、予め設定された値であり、各格子間隔Δ0、Δ0´が互いに近い値に設定されていれば、シフト量の差分を大きくすることができない。
【００６０】
従って、本実施形態の前提となるＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄ及びこれらを組み込んだ圧力センサ１０では、被測定エリア２２全面にかかった水平応力ＦHを、隣接する２つのＦＢＧセンサ１４Ａ（１４Ｂ）、１４Ｃ（１４Ｄ）で検出することが困難である。
【００６１】
次に、このような問題を解決するための本実施形態に係る圧力センサ７０（のＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄ）について、図１１〜図１９を参照しながら説明する。
【００６２】
なお、圧力センサ７０の説明では、図１〜図１０で説明した圧力センサ１０と同じ構成要素については、同じ参照符号を付けて、その詳細な説明を省略する。
【００６３】
本実施形態に係る圧力センサ７０は、各ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄにおいて、応力方向変換部１８外方の光ファイバ２０ｘ、２０ｙに、第２の応力検出センサ部及び第２のグレーティングとしてのグレーティング７２ｘ、７２ｙが配置されている点で、本実施形態の前提となる圧力センサ１０とは異なる。
【００６４】
すなわち、図１１及び図１２の圧力センサ７０において、ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄは、１つの応力検出センサ部１６と、１つの応力方向変換部１８と、２つのグレーティング７２ｘ、７２ｙとをそれぞれ有する。
【００６５】
各グレーティング７２ｘ、７２ｙは、シート体１２内において、該シート体１２の側面に対向する各接合部３４ｘ、３４ｙの近傍に配置されている。また、平面視で、応力方向変換部１８の外方に配置されたグレーティング７２ｘと、応力方向変換部１８に内包されるように配置されたグレーティング２６ｘとは、略同軸に配置され、一方で、応力方向変換部１８の外方に配置されたグレーティング７２ｙと、応力方向変換部１８に内包されるように配置されたグレーティング２６ｙとについても、略同軸に配置されている。
【００６６】
なお、本実施形態に係る圧力センサ７０において、垂直応力ＦPの検出原理や、平面視で被測定エリア２２よりも小さな物体５０から付与される水平応力ＦHの検出原理は、圧力センサ１０の場合と同様である。
【００６７】
従って、ここでは、平面視で被測定エリア２２よりも大きな物体６０から該被測定エリア２２に付与される水平応力ＦHの検出について、図１３〜図１６を参照しながら説明する。
【００６８】
物体６０から被測定エリア２２に水平応力ＦHがＸ方向に沿って付与されたときに、圧力センサ１０の場合と同様に（図８〜図１０参照）、圧力センサ７０は、全体的に、水平応力ＦHの付与方向（Ｘ方向）に変形した形状となる（図１５の二点鎖線で示す状態から図１５の実線に示す形状への変形）。
【００６９】
すなわち、各応力伝達部３０ｘは、水平応力ＦHにより図１５の右側に移動する。この場合、各応力伝達部３０ｘの接合部３４ｘと光ファイバ２０ｘとの接合部分には、水平応力ＦHがそれぞれ伝達されるので、ＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｄのグレーティング２６ｘには、水平応力ＦHがそれぞれかかって、同じ構造変化を起こして伸縮する。
【００７０】
これに対して、ＦＢＧセンサ１４Ａ、１４Ｂの左側に配置されたグレーティング７２ｘは、ＦＢＧセンサ１４Ａ、１４Ｂの左側の接合部３４ｘと光ファイバ２０ｘとの接合部分の右側への移動によって、水平応力ＦHが引張力として作用する。この結果、グレーティング７２ｘは、水平応力ＦHがかかることにより、格子間隔が伸張するように歪む。
【００７１】
ここで、水平応力ＦHがかかる前の該グレーティング７２ｘの格子間隔をΔ0´´とすれば、水平応力ＦHの付与の前後におけるグレーティング７２ｘでの反射波長のシフト量Δλは、下記の（６）式で表わされる。
Δλ＝２×ｎeff×（Δ0´´＋ａ）                          （６）
【００７２】
このように、（６）式には、グレーティング７２ｘの格子間隔の変化分ａが含まれているので、グレーティング７２ｘでの反射波長のシフト量Δλと、（４）式又は（５）式で示されるグレーティング２６ｘでの反射波長のシフト量Δλとの差分を求めることにより、圧力センサ１０の場合と比較して、シフト量Δλの差分が水平応力ＦHを検出できる程度の差分にまで十分に大きくなり、この結果、該差分に基づいて水平応力ＦHを容易に検出することが可能となる。
【００７３】
なお、上述の説明では、図１５に示すように、＋Ｘ方向に沿って水平応力ＦHが被測定エリア２２に付与されたときに、左側のグレーティング７２ｘの反射波長のシフト量Δλを用いて水平応力ＦHを検出する場合について説明した。
【００７４】
これに対して、−Ｘ方向（図１５の右側から左側への方向）に水平応力ＦHが付与された場合には、右側のグレーティング７２ｘの反射波長のシフト量Δλを用いて水平応力ＦHを検出すればよい。この場合、（６）式中の格子間隔の変化分を「ａ」から「ｄ」に置き換えればよい。
【００７５】
図１６は、水平応力ＦHと、図１５の右側及び左側の各グレーティング７２ｘでの反射波長のシフト量Δλとの関係を示すグラフである。＋Ｘ方向に沿った水平応力ＦH（正方向の水平応力）が付与されると、左側のグレーティング７２ｘでの反射波長のシフト量Δλが増加し、一方で、−Ｘ方向に沿った水平応力ＦH（負方向の水平応力）が付与されると、右側のグレーティング７２ｘでの反射波長のシフト量Δλが増加することが容易に理解できる。
【００７６】
なお、図５で説明したように、垂直応力ＦPが被測定エリア２２に付与された場合、応力方向変換部１８では、平坦部２８に対して左右の応力伝達部３０ｘが異なる構造変化を起こすことにより、グレーティング２６ｘの格子間隔が変化するが、この構造変化の影響は、応力方向変換部１８の外方に配置された各グレーティング７２ｘには及ばない。従って、圧力センサ７０においては、被測定エリア２２に垂直応力ＦPが付与されても、各グレーティング７２ｘの格子間隔は変化しない（反応しない）。
【００７７】
また、上記の説明では、Ｘ方向に沿って配置されたグレーティング７２ｘを用いて水平応力ＦHを検出する場合について説明したが、Ｙ方向に沿って水平応力ＦHが付与された場合であっても、グレーティング７２ｘと同様に、各グレーティング７２ｙにも（６）式に示す反射波長のシフト量Δλが発生し、水平応力ＦHの検出が容易になることは勿論である。
【００７８】
さらに、被測定エリア２２に沿った任意の方向に水平応力ＦHが付与された場合でも、上述したグレーティング７２ｘ、７２ｙを用いて、Ｘ方向の成分と、Ｙ方向の成分とをそれぞれ検出することにより、該水平応力ＦHを成分毎に分離して検出することができる。
【００７９】
また、本実施形態は、図１１〜図１６の構成に限定されるものではなく、図１７〜図１９の構成を採用することも可能である。
【００８０】
図１７では、シート体１２の内部に４つのグレーティング７２ｘ、７２ｙが配置されている。具体的に、２つのグレーティング７２ｘ、７２ｙは、シート体１２の側面と接合部３４ｘ、３４ｙとの間にそれぞれ配置されている。また、残り２つのグレーティング７２ｘ、７２ｙに関し、１つのグレーティング７２ｘは、２つの接合部３４ｘ間の光ファイバケーブル２０の湾曲部分中、シート体１２の側面に近接する箇所にＸ方向に沿って配置され、他の１つのグレーティング７２ｙは、２つの接合部３４ｙ間の光ファイバケーブル２０の湾曲部分中、シート体１２の側面に近接する箇所にＹ方向に沿って配置されている。
【００８１】
これにより、Ｘ方向に沿って水平応力ＦHが付与された場合には、２つのグレーティング７２ｘのうち、少なくとも１つのグレーティング７２ｘの反射波長のシフト量Δλを用いて水平応力ＦHを検出し、一方で、Ｙ方向に沿って水平応力ＦHが付与された場合には、２つのグレーティング７２ｙのうち、少なくとも１つのグレーティング７２ｙの反射波長のシフト量Δλを用いて水平応力ＦHを検出すればよい。従って、より少ない数のグレーティング７２ｘ、７２ｙを用いて水平応力ＦHを効率よく検出することができる。
【００８２】
また、図１８では、シート体１２の内部に９個のＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｉがマトリックス状に配置され、該シート体１２の各側面に対向する全ての接合部３４ｘ、３４ｙと、前記各側面との間にグレーティング７２ｘ、７２ｙが配置されている。これにより、被測定エリア２２にかかる水平応力ＦHの分布を精度良く検出することが可能となる。
【００８３】
さらに、図１９では、シート体１２の内部に９個のＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｉがマトリックス状に配置され、２つのグレーティング７２ｘが同軸に配置されると共に、２つのグレーティング７２ｙも同軸に配置されている。この場合でも、より少ない数のグレーティング７２ｘ、７２ｙを用いて水平応力ＦHを効率よく検出することができる。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態に係る圧力センサ７０及び該圧力センサ７０を構成するＦＢＧセンサ１４Ａ〜１４Ｉによれば、応力方向変換部１８に内包されるように応力検出センサ部（第１の応力検出センサ部）１６が配置されると共に、応力方向変換部１８の外方に第２の応力検出センサ部及び第２のグレーティングとしてのグレーティング７２ｘ、７２ｙが配置されている。そのため、物体６０から被測定エリア２２に外部応力としての水平応力ＦHが付与された場合に、応力検出センサ部１６のグレーティング２６ｘ、２６ｙは、応力方向変換部１８で水平応力ＦHに応じて伸縮し、一方で、グレーティング７２ｘ、７２ｙは、応力方向変換部１８の外方に配置されているので、グレーティング２６ｘ、２６ｙとは異なる伸縮を示す。
【００８５】
これにより、グレーティング２６ｘ、２６ｙと、グレーティング７２ｘ、７２ｙとの間では、グレーティング２６ｘ、２６ｙ、７２ｘ、７２ｙの歪み量や反射波長のシフト量Δλが互いに異なる大きさとなるので、前記歪み量の差分やシフト量Δλの差分が水平応力ＦHを検出できる程度の明確な差分となる。この結果、被測定エリア２２全体に水平応力ＦHが付与されても、付与された水平応力ＦHの位置、大きさ及び方向を検出することが可能となる。
【００８６】
このように、本実施形態によれば、被測定エリア２２において、応力方向変換部１８に内包させるように応力検出センサ部１６を配置すると共に、応力方向変換部１８の外方にグレーティング７２ｘ、７２ｙを配置することにより、物体６０との接触面である被測定エリア２２全体に該物体６０が接触して水平応力ＦHが付与された場合でも、該水平応力ＦHを検出することが可能となる。
【００８７】
また、光ファイバ２０ｘ、２０ｙは、応力方向変換部１８を貫通するように被測定エリア２２に沿って配置されているので、被測定エリア２２に水平応力ＦHが付与されたときに、水平応力ＦHに起因してグレーティング２６ｘ、２６ｙが伸縮すると同時に、グレーティング７２ｘ、７２ｙも伸縮するので、水平応力ＦHの検出を効率よく行うことができる。
【００８８】
また、応力方向変換部１８は、被測定エリア２２に沿って延在する平坦部２８と、平坦部２８から光ファイバ２０ｘ、２０ｙにおけるグレーティング２６ｘ、２６ｙの両端部側に橋架された応力伝達部３０ｘ、３０ｙとを有するので、水平応力ＦHをグレーティング２６ｘ、２６ｙに効率よく伝達することができる。
【００８９】
さらに、グレーティング７２ｘ、７２ｙを光ファイバケーブル２０における応力伝達部３０ｘ、３０ｙの接合部３４ｘ、３４ｙの近傍に配置すれば、グレーティング２６ｘ、２６ｙの配列方向と、グレーティング７２ｘ、７２ｙの配列方向とを略一致させることができるので、水平応力ＦHが被測定エリア２２に付与された際に、グレーティング２６ｘ、２６ｙ及びグレーティング７２ｘ、７２ｙを同軸上でそれぞれ歪ませることが可能となる。従って、各グレーティング２６ｘ、２６ｙ、７２ｘ、７２ｙの歪み量及び反射波長のシフト量Δλから水平応力ＦHを容易に算出することが可能となる。
【００９０】
また、応力方向変換部１８において、光ファイバ２０ｘ、２０ｙが平面視で直交し、直交する箇所にグレーティング２６ｘ、２６ｙが配置されると共に、グレーティング７２ｘ、７２ｙが応力方向変換部１８外方で光ファイバ２０ｘ、２０ｙにそれぞれ配置されているので、水平応力ＦHをＸ方向及びＹ方向の成分に分離して検出することも可能となる。
【００９１】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００９２】
１０、７０…圧力センサ              １２…シート体
１４Ａ〜１４Ｉ…ＦＢＧセンサ        １６…応力検出センサ部
１８…応力方向変換部                ２０ｘ、２０ｙ…光ファイバ
２２…被測定エリア
２６ｘ、２６ｙ、７２ｘ、７２ｙ…グレーティング
２８…平坦部                        ３０ｘ、３０ｙ…応力伝達部
３２ｘ、３２ｙ…傾斜部              ３４ｘ、３４ｙ…接合部
４０、５０、６０…物体
【図１】
2011163941.tif 000003
【図２】
2011163941.tif 000004
【図３】
2011163941.tif 000005
【図４】
2011163941.tif 000006
【図５】
2011163941.tif 000007
【図６】
2011163941.tif 000008
【図７】
2011163941.tif 000009
【図８】
2011163941.tif 000010
【図９】
2011163941.tif 000011
【図１０】
2011163941.tif 000012
【図１１】
2011163941.tif 000013
【図１２】
2011163941.tif 000014
【図１３】
2011163941.tif 000015
【図１４】
2011163941.tif 000016
【図１５】
2011163941.tif 000017
【図１６】
2011163941.tif 000018
【図１７】
2011163941.tif 000019
【図１８】
2011163941.tif 000020
【図１９】
2011163941.tif 000021