(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部を有する光ファイバーと、該ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部に応力を負荷する負荷機構と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部からの特定の反射光を検出する解析器とを備えたファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサにおいて、負荷機構は、負荷受け部と、増幅機構と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部に圧縮または引っ張り方向の一次元方向のみの変位を作用させる変換機構とを備えるファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサにおいて、
変換機構は、レバー端部の滑動部がＨ型形状のセンサ部治具のコ字状凹部に収容されて滑動部が上下に移動する滑り機構部と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部およびその一側の光ファイバーを内挿するとともに該光ファイバーを固定する小径管と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部の他側の光ファイバーを内挿固定するとともに小径管を内嵌して小径管と相対移動可能な大径管とからなり、センサ部治具を小径管に固定することにより、レバー端部の滑動部の円弧運動を直線運動に変換するとともにファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部に一様な引張または圧縮を作用させるようにしたことを特徴とするファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ。
【請求項２】
増幅機構は、レバーの一端に備えられた負荷受け部とレバーを回動自在に支持する支点間の距離を、該支点とレバーの他端に設けられた変換機構間の距離に比べ長く取ることにより負荷を増幅させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ。
【請求項３】
負荷を検知するファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサの他に、温度を検知する別のファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサを備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載のファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバー・ブラッグ・グレーティング（以下「ＦＢＧ」という。）を用いて、風向、風速および温度等を計測するＦＢＧセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風向、風速を測る計測器としてはピトー管、熱線風速計、ＰＩＶやＬＤＶ等がある。また、温度を個別に測るのであれば熱電対、温度計等がある。
【０００３】
ピトー管は、構造が簡単かつ手軽に精度良く風速計測ができる反面、レスポンスが悪く小型化ができない等の問題点を有している。また、単管のピトー管では順流、逆流を区別できないため風向は分からない。
熱線風速計は、精度良く風速計測ができる反面、ゴミ、ほこりに弱く、細線を使用しているため衝撃等に弱い。また、電流を細線に流すためプローブの寿命が短い。また、ピトー管同様に単線では順流、逆流を区別できないため風向は分からない。
【０００４】
ＰＩＶ（粒子像）は非接触で計測ができる利点があるが、微粒子を気体中に飛散させる必要がある。その場合、風のないよどみ点では微粒子が入り込まず測定不能領域ができてしまう。微粒子の動きをベクトルで表すため風向を検知できるものの高速で検知しなければ同じ微粒子を計測している保証が無くなる。
ＬＤＶ（レーザードップラ）もＰＩＶ同様微粒子が必要であり、急激な速度勾配がある場合は測定が難しい等の問題点がある。
【０００５】
さらに、河川水流の方向を監視するためＦＢＧセンサを片持ちはり形式の歪み検出板に貼付し、歪み検出板の変形によりＦＢＧで回折による反射が起こるとともに、その反射光の出力波長の変化を流向計測装置で計測するようにした例もある（例えば、特許文献１参照。以下「従来技術１」という。）。
また、管路を流れる流体の流速を測定するため、流体の圧力により１対のＦＢＧセンサ取付部間に引っ張り力を作用させ、ＦＢＧセンサで反射された光の変化を測定することにより流速を測定するものも知られている（例えば、特許文献２参照。以下「従来技術２」という。）。
【特許文献１】特開２００３−１３９７９０号公報
【特許文献２】特開２００７−１７３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術１においては、ＦＢＧセンサに曲げモーメントが加わるため、回折格子間隔が微妙にずれ反射波長が広域化するという欠点がある。反射波長変化からピコメーターの測定が可能なＦＢＧセンサの反射波長を広域化することは、センサ最低分解能の悪化につながることを意味する。さらに、センサ部分を接着すると接着剤乾燥時に体積変化がおこり残留応力の発生、局所的な接着剛性の変化等がおこり反射波長の広域化、ノイズ増大等となり、精密測定が困難になる等の問題点を有している。
また、従来技術２では、１対のＦＢＧセンサ取付部間に位置するＦＢＧセンサはねじれ及び曲げ変形に関して自由状態にあるため、ＦＢＧセンサのねじれ及び曲げ変形を防止することはできない。したがって、この場合も従来技術１と同様の問題点を有することになる。
【０００７】
本発明は、ＦＢＧセンサ部に、ねじれ、曲げの力が作用しないようにするとともに、微弱な風圧等による力でも正確に計測できるようにしたＦＢＧ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】
【０００８】
〔ＦＢＧ歪み測定システムの概要〕
ＦＢＧ(Fiber Bragg Grating)とは光ファイバーのコア部の屈折率を周期的に変化させた回折格子を組み込んだもので、特定の波長の光だけを反射する光学的フィルターのことを指している。本来は光ファイバーの特定波長を除去するフィルターとして使用されていたが、光ファイバーが温度、歪みに影響される特性を生かして最近歪み計測器や温度計測器として使用されている。
その原理は、図１に示すように多数の光波長を含むブロードバンド光の中から回折格子間隔Λが反射する（１つの回折格子では反射が不十分なので多数の回折格子を入れ全反射するようにしている）特定の反射光を解析器が検出する。特定の反射光以外は透過光として直進する。そのためファイバー内に多数（反射波長の違うＦＢＧ）のＦＢＧを入れることができる。また、反射光の特徴としては、光ファイバーに外乱（歪み、温度、曲げ、ねじれ）が加わることで回折格子の間隔Λが微妙にひずむ。そのひずみは反射波長の長さに比例しているため反射波長を精度良く検出できれば非常に精度の高い歪み計、温度計となる。単位としては、ＦＢＧが１μstrainひずんだときに1.2pm（ピコメートル：波長1550nm時：カタログデータ）となっている。
本発明では、高精度なＦＢＧセンサの高精度を維持するための増幅機能、直動運動が発明の主眼となっている。
【０００９】
〔本発明の原理〕
光ファイバー内に回折格子を挿入したＦＢＧセンサは、外的な力を受けた場合、回折格子から反射される光の周波数変化（反射波長）と光ファイバーの歪み変化が比例し、圧縮方向、引っ張り方向ともに線形な出力を出す特徴がある。その歪みの引っ張り、圧縮を利用することにより１次元方向探索が可能となり、歪みの増減から風速等による力の検出ができるシステムとなる。
しかしながら、光ファイバーの歪み精度は、ねじれ、曲げの影響を強く受けることから、ねじれ、曲げの力が光ファイバーに作用しないような工夫が必要となる。さらに、温度による光ファイバーの伸び縮みもあり、温度影響を分離する必要がある。また、風速を測定する場合、数ミリの検出部が受ける風圧は１ｇ以下であり増幅機構を有しないとノイズに埋もれ正確な計測ができない等の問題点も有している。
【００１０】
本発明は、風向等の力の向きは第１ＦＢＧセンサの圧縮、引張り方向の波長変化に対応づけ計測し、風速等の力はテコの原理と滑りを採用した増幅機構を有する第１ＦＢＧセンサにより計測し、温度影響除去は温度変化だけを計測する第２ＦＢＧセンサ出力変化をリアルタイムで温度補正をすることを特徴とする一次元ＦＢＧセンサである。
また、ＦＢＧセンサを圧縮、引張り方向の直動型センサとして使用する理由は次のとおりである。
ＦＢＧセンサには回折格子が内装されており、格子間隔が反射波長を決定している。その反射波長の分解能は、格子間隔が平行移動すればピコメーターまでの分解能を有しているが、曲げが加わり平行移動しない状態では上下の格子間隔が微妙にずれ反射波長が複数の波長を有する幅のある波長となり、分解能が劣化する欠点を有している。
本発明では、曲げモーメント、ねじれの影響を滑り機構部および円形の細管の組み合わせ使用により除去している。
【００１１】
〔解決手段〕
（１）上記目的を達成するため本発明のファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサは、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部を有する光ファイバーと、該ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部に応力を負荷する負荷機構と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部からの特定の反射光を検出する解析器とを備えたファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサにおいて、負荷機構は、負荷受け部と、増幅機構と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部に圧縮または引っ張り方向の一次元方向のみの変位を作用させる変換機構とを備えることを特徴としている。
（２）また、本発明のファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサは、上記（１）において、増幅機構は、レバーの一端に備えられた負荷受け部とレバーを回動自在に支持する支点間の距離を、該支点とレバーの他端に設けられた変換機構間の距離に比べ長く取ることにより負荷を増幅させるようにしたことを特徴としている。
（３）また、本発明のファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサは、上記（１）または（２）において、変換機構は、レバー端部の滑動部がＨ型形状のセンサ部治具のコ字状凹部に収容されて滑動部が上下に移動する滑り機構部と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部およびその一側の光ファイバーを内挿するとともに該光ファイバーを固定する小径管と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部の他側の光ファイバーを内挿固定するとともに小径管を内嵌して小径管と相対移動可能な大径管とからなり、センサ部治具を小径管に固定することにより、レバー端部の滑動部の円弧運動を直線運動に変換するとともにファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部に一様な引張または圧縮を作用させるようにしたことを特徴としている。
（４）また、本発明のファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサは、上記（１）ないし（３）のいずれかにおいて、負荷を検知するファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサの他に、温度を検知する別のファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）本発明のＦＢＧセンサは、テコの原理を応用した増幅機構を備えることにより、微弱な風圧等による力でも正確に計測できる。また、一次元方向のみの変位を作用させる変換機構を備えることにより、高精度な計測が可能になる。
（２）ＦＢＧセンサは、レバー端部の滑動部とセンサ部治具のコ字状凹部からなる滑り機構部と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部およびその一側の光ファイバーを内挿するとともに該光ファイバーを固定する小径管と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部の他側の光ファイバーを内挿固定するとともに小径管を内嵌して小径管と相対移動可能な大径管とからなり、センサ部治具を小径管に固定してなる変換機構を備えることにより、レバー端部の滑動部の円弧運動を直線運動に変換するとともにファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部に一様な引張または圧縮を作用させることができる。
すなわち、上記変換機構は、ファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサ部にねじれおよび曲げモーメントが作用することのない構造を有するため、高精度なＦＢＧセンサを提供することができる。
（３）本発明のＦＢＧセンサは、負荷を検知するファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサの他に、温度を検知する別のファイバー・ブラッグ・グレーティングセンサを備えることにより、リアルタイムで温度補正をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、この発明のＦＢＧセンサの態様を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図２及び図３は本発明の実施の形態に係るＦＢＧセンサの全体図を示したものであって、図２は正面図、図３は側面図である。
光ファイバ１は、上部が開口した箱状のケーシング２の側壁３、３によって２点が支持され、略水平状に保持されている。ＦＢＧセンサ部４は、ケーシング２の両側壁３、３の間に位置するように配置され、図２におけるケーシング２の左側の側壁３には、後記する大径管５を介してＦＢＧセンサ部４を有する光ファイバー１の一側が固定され、ケーシング２の右側の側壁３には、ＦＢＧセンサ部４を有する光ファイバー１の他側が後記する小径管６を介して延長され、固定されている。光ファイバー１の延長された先には、図示しないが、ＦＢＧセンサ部４へ光を入射する光入射装置およびＦＢＧセンサ部４で反射された特定の反射光を検出する解析器が設けられている。
後記する略Ｈ型形状のセンサ部治具７が小径管６の外側に嵌入して固定され、センサ部治具７に外力が作用すると小径管６も同時に力を受け、一緒に移動するようになっている。センサ部治具７は、平面視で、光ファイバー１の中心とその中心が一致し、コ字状凹部が光ファイバー１の両側に対称的に配置される。
【００１５】
負荷受け部であるところの受風部８を一端に備え、滑動部９を他端に備えたレバー１０が、光ファイバー１と直交する鉛直方向に延び、且つケーシング２に回動自在に支持された支点部材１１を支持点として回動自在に設けられている。
受風部８は、例えば、お椀状の凹部形状をした凹部１２（ディンプル）を１８０゜対称位置に２つ備えている。このため、左右のいずれからの風に対しても受風部８が力を受け、レバー１０を支点部材１１を支持点として傾動させる。
図３に示すように、レバー１０の滑動部９はセンサ部治具７の両側のコ字状凹部に係合するよう対称的に配置され、それぞれの滑動部９は、コ字状凹部に係合できる大きさで略球形状をなしている。これらレバー１０の滑動部９およびセンサ部治具７のコ字状凹部とで滑り機構部を形成している。
このため、光ファイバー１は直線運動する小径管６の動きだけの影響を受け、センサ全体には一様な力が加わるようになっている。なお、図２、３で示している受風部８は、ディンプル付きのものとなっているが、これは抗力を大きく（受風部において増幅している）するためにディンプル付きのものとしているものである。
【００１６】
図４は、てこの原理を応用して受風部８で受けた力を増幅する増幅機構、及び、円弧運動を直線運動に変換する変換機構の一部を説明する模式図である。
物体に作用する抗力は風速の２乗に比例するので，低風速では出力が小さくなる。そこで、「てこの原理」を使うことで力を増幅する。力点、支点、作用点がそれぞれ受風部８（抵抗物）、支点部材１１、滑り機構部に相当する。力点〜支点間の距離を支点〜作用点間の距離に比べ長く取ることで力を増幅させることが出来る。
ＦＢＧセンサの波長変化は回折格子が平行に移動しなければ精度良い計測ができない。しかしながら、作用点での運動は円弧運動である。そのため、円弧運動を直線運動に変換する必要がある。その方法は、センサ部治具７のコ字状凹部に略球形状の滑動部９を挟み込み、滑動部９が上下に移動する滑り機構を採用することで解決できる。本方式を採用することで円弧運動は図に示すような直線運動に変換される。ただし、滑動部９とセンサ部治具７のコ字状凹部との隙間は無いように設計する必要がある。原理検証のために試作した増幅機構を有する一次元ＦＢＧ風向・風速センサ試作機の滑動部とセンサ部治具間の隙間は滑動部の球体の直径１．９７ｍｍに対してセンサ部治具は２．００ｍｍとしている。両者を等しい寸法とすると球体とセンサ部治具の動きが悪くなり、０．０３ｍｍより大きくすると遊びが生じ壁面に衝突するようになる。
ここで注意しなくてはならない点は略Ｈ型形状のセンサ部治具７と滑動部９は摩擦抵抗が少なく堅い材質（変形量が少ないもの）のものがよく、試作品では球体としてセラミックス、Ｈ型治具は硬質プラスチックを用いている。また、支点を固定することでねじりの影響を除去することができる。
【００１７】
図５は、反射波長の分解能の劣化を防ぐため、ＦＢＧセンサが曲げモーメント、ねじれの影響を受けないように直動する方法を実現するためのＦＢＧセンサの変換機構を説明する図である。
光ファイバー１の外径よりわずかに大きい内径を持つ小径管６と、該小径管６の外径よりわずかに大きい内径を持つ大径管５を用意する。大径管５と小径管６の端部には、それぞれ、光ファイバー用固定リング１３を数ミリ離して固定する。光ファイバー用固定リング１３の内径および外径は小径管６と同じに設定する。大径管５の一端には、光ファイバー用固定リング１３を固定するための固定部１４が延長して設けられる。一方、小径管６の端面に光ファイバー用固定リング１３を固定するため固定カバー１５が小径管６の一端に固定される。
【００１８】
小径管６をセンサ部治具７、大径管５の順に差し込み、センサ部治具７と小径管６を固定する。また、大径管５はケーシング２の側壁３に固定されている。  大径管５および小径管６に光ファイバー１を通し、両側の固定用リング１３、１３に光ファイバー１を接着し固定する。この際、ＦＢＧセンサ部４は小径管６の長手方向内に収まるように配置し、ＦＢＧセンサ部４に不要な外力が作用しないように保護することが望ましい。
今、受風部８に風による力が作用すると、レバー１０、滑動部９を介してセンサ部治具７に左右方向の力が作用し、小径管６、小径管６に固定された光ファイバー用固定リング１３を経由して光ファイバー１に力が伝達され、大径管５と小径管６とが摺動し、一方向の直線運動を行う。この際、レバー１０は支点部材１１を支点として回動することからセンサ部治具７に作用する力は左右方向（一次元方向）のみであり、センサ部治具７をねじるような力は作用しない。万一、センサ部治具７をねじるような力が作用した場合でも滑動部９とセンサ部治具７のコ字状凹部との滑りにより、ねじり成分はキャンセルされ、ＦＢＧセンサ部４には左右方向の一次元方向のみの力が作用する。
このため、ＦＢＧセンサ部４は一様な引張（または圧縮）を受けることになる。
【００１９】
また、大径管５および小径管６よりそれぞれ数ミリ離した固定リング１３に光ファイバー１を接着したのは、接着剤がこの段差部分でせき止められ、大径管５および小径管６の内部に染込まないようにするためである。もし、この段差がないと、毛細管現象により接着剤がＦＢＧセンサ部４にまで達してしまい、接着剤の乾燥時に歪みが生じてしまう可能性がある。このような歪みはノイズ増大の原因となり、精密測定の妨げとなる。
【００２０】
次に、温度計測と温度補正について説明する。
図６は、試作したＦＢＧセンサの外観を示す斜視図である。
図では、風向および風力を検知するためのＦＢＧセンサ４を備えた光ファイバー１の他に、温度を検知する別のＦＢＧセンサを備えた光ファイバー２０が設けられている。
風向および風力を検知するためのＦＢＧセンサ４と温度を検知する別のＦＢＧとの間で異なる波長、例えば、１５４０ｎｍ、１５３７ｎｍを使用することによって、温度による波長変化分を特定することができ、負荷される風力から温度による成分を除去することができ、温度補正を容易に行うことができる。
【００２１】
温度計測と温度補正については、図７に示すようにＦＢＧセンサ（同ロッドで作成されたセンサ）はＫ熱伝対と同等の反応速度を有している。同センサの０℃時反射波長は1550.117nmとなっており、0.103nm/10℃の性能となっている。
また、最低分解能は0.1℃（１μstrain＝1/1000nm：解析器の分解能）となっている。
つぎに、分銅による重量変化に対するＦＢＧ出力を図８に示す。ＦＢＧセンサは10gの重量を加えることで0.15nmの波長変化となっている。図７および図８からも分かるように数グラム単位の風速測定を行う場合、波長変化量が等しいことから温度補正を行わなければ精度良く計測が行えないことが分かる。
そこで本発明では、ＦＢＧセンサを近接位置に２個用意し、１個を風向・風力計測用、もう１個を温度計測およびリアルタイム温度補正用センサとして用いている。近接位置リアルタイム補正することで計測点における温度誤差を最小とすることができ、精度が向上する。
【００２２】
図９は、本発明の応用例を示した説明図である。本件発明の応用としては、上述の増幅機構を有する一次元FBG風向・風速・温度センサとしてだけではなく図９に示すような様々なセンサとして応用できる。
ＦＢＧ解析器のサンプリングスピードは年々高速化されており、当研究室で使用しているマルチタイプ（1chで多数のFBG反射波長を解析できるタイプ）の解析器は、250Hzのサンプリングまで可能となっており、シングルタイプ（1chで１FBG反射波長を解析するタイプ）の解析器では100kHzのサンプリング周波数まで解析できる。マルチタイプで解析しなければ音響の挙動（マイクロホン）まで計測することができる。
図９（ａ）は、壁面が受ける圧力センサ（分解能を高くすれば低周波数用マイクロホン）としての応用例を示したものであり、また、図９（ｂ）は、流れ場等の平面抵抗センサとしての応用例を示したものであり、さらに、図９（ｃ）は、エッジにおける流体挙動観測センサとしての応用例を示したである。また、たとえば、図９（ｄ）のように、翼や構造物の後縁流れの挙動用センサとしての応用等が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＦＢＧ歪み測定システムの原理を説明する模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＦＢＧセンサの全体図を示した正面図である。
【図３】図２の側面図である。
【図４】てこの原理を応用して力を増幅する増幅機構、及び、円弧運動を直線運動に変換する変換機構の一部を説明する模式図である。
【図５】ＦＢＧセンサが曲げモーメント、ねじれの影響を受けないように直動する方法を実現するためのＦＢＧセンサの変換機構を説明する図である。
【図６】温度補正用のＦＢＧセンサを備えたＦＢＧセンサの外観を示す斜視図である。
【図７】ＦＢＧセンサの反応速度を説明する図である。
【図８】分銅による重量変化に対するＦＢＧ出力を説明する図である。
【図９】本発明の応用例を示した説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    光ファイバー
２    ケーシング
３    側壁
４    ＦＢＧセンサ部
５    大径管
６    小径管
７    センサ部治具
８    受風部
９    滑動部
１０  レバー
１１  支点部材
１２  凹部
１３  光ファイバー用固定リング
１４  固定部
１５  固定カバー
２０  温度を検知する別のＦＢＧセンサを備えた光ファイバー
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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