(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
担持体に被着されたカバー層の膨張および温度とその変化を検知するための装置であって、担持体（１）上に位置決めされた光学センサを備え、光学センサが少なくとも１つの光ファイバー（２）によって実現され、
担持体表面上に載置されて位置決めされている光ファイバー（２）に、該光ファイバー（２）の所定ファイバー部分の内部に配置されセンサとして利用されるブラッグ格子が取り込まれ、またはファイバーにエッチングされ、
光ファイバー（２）内に、該光ファイバー（２）のファイバー側面およびファイバーコア内に発生してカバー層（３）から光ファイバー（２）へ伝動される非円形対称性の(nicht zirkular-symmetrisch)熱機械的膨張により複屈折状態を生成可能であり、その際光ファイバー（２）がカバー層（３）によって完全にまたは部分的に取り囲まれてカバー層（３）に埋設されており、カバー層（３）と光ファイバー（２）と担持体表面との間に摩擦結合が生じている前記装置において、
カバー層が塗料または塗料状の塗装材から成り、担持体とカバー層とが異なる材料から成っていることを特徴とする装置。
【請求項２】
光ファイバー（２）が、ガラスファイバーからなる光学的光誘導体であり、金属、プラスチック、またはセラミックスからなる担持体（１）の表面に接するように案内され、且つ少なくとも部分的に、担持体表面に付着し塗料または塗料状の塗装材からなっているカバー層（３）のなかで位置固定して案内されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
カバー層（３）の厚さ（L３）が光ファイバーの外径（L２）よりも大きく、光ファイバー外側面とカバー層表面との間隔（L１）で水平方向に担持体表面に配置される光ファイバー（２）が、カバー層（３）によって取り囲まれるように案内され、或いは、カバー層（３）の厚さ（L３）が光ファイバーの外径（L２）よりも小さく、光ファイバー外側面とカバー層表面との間隔（L１）で水平方向に担持体表面に配置される光ファイバー（２）が、カバー層（３）から自由な状態で案内され、或いは、カバー層（３）の厚さ（L３）が光ファイバーの外径（L２）に等しく、光ファイバー外側面とカバー層表面との間に間隔（L１）が生じないように水平方向に担持体表面に配置される光ファイバー（２）が、カバー層（３）によって大部分取り囲まれるように案内されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
複数の光ファイバー（２）から繊維光学的センサが形成され、少なくとも１つの主光ファイバーに、担持体表面に枝分かれまたは分岐して配置されて、面を覆う光ファイバー構造物を形成している副光ファイバーが結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
担持体（１）上に位置決めされている少なくとも１つの光学センサを用いて、担持体に被着されたカバー層の膨張および温度とその変化を検知するための方法において、担持体（１）の材料とは異なる塗料または塗料状の塗装材からなっているカバー層（３）に発生する温度変動により、カバー層（３）から、該カバー層（３）によって取り囲まれて担持体表面に載置されている光ファイバー（２）へ、温度に依存する機械的膨張が円形対称的に伝わらないようにすること、光ファイバー（２）のファイバー側面及びファイバーコアに発生する機械的膨張により、光ファイバー（２）の所定ファイバー部分の内部にあってセンサとして利用される、ファイバーに切り込まれた或いはファイバーをエッチングしたブラッグ格子内部に、光ファイバー（２）の複屈折を生じさせること、複屈折によりブラッグ格子のスペクトルの伝播を置換すること、次に、温度を表わすスペクトルの幅を測定技術的に検出することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１および５に記載の、担持体に被着されたカバー層の膨張および温度とその変化を検知するための装置及び方法に関するものである。
本発明によれば、ただ１つのセンサを用いて、測定対象である表面層の個々の部分の膨張及び温度とその変化を別個に確定でき、光学センサを表面層に組み込むことによって、周囲の影響から保護されるように被着部を構成することができる。
【０００２】
【従来の技術】
空中飛行、宇宙飛行、車両といった公知の搬送システムにおいては、構造特性を監視、観察、制御することがますます重要となってきている。その典型的な例として、負荷実体検出システム、いわゆる負荷追値測定システム(load monitoring)、構造損傷早期検知システム(health monitoring)、さらに、たとえばアクセス不能な個所または既知の構造問題個所の保守補助システム、一般的には「適応システム」と呼ばれるもの、たとえば適応翼、適応ロータ、適応パンタグラフ、適応シャーシ、適応エアバッグが知られている。これらのシステムは種々の態様で顧客に利用される。負荷追値測定システムの場合は、実際の負荷から導出される寿命消費量が検出される。したがって、たとえば飛行機の経営者にとっては特殊な大量保有経営が可能になり、飛行機の作動コストを低下させることができる。飛行装置、一般的には飛行機がその使用期間の最後に近づくと、その検査コストが著しく高くなる。このような場合には、検査作業を自動化させることによって作業を軽減させ、よってコストを低減させることができる。本来故障がないように設計された部品は、安全性を損なうことなく故障許容範囲で作動させることができるが、これにより使用期間を延長させ、よってコストを低下させることができる。さらに適応システムは、まず第１に、それに固有の適応能力により、飛行特性または走行特性の向上に貢献する。したがって、具体的な使用例に応じては、燃料消費量の低減、騒音の低減、安全性の向上またはスピードアップを達成できる。
【０００３】
これらのシステムすべてに共通なことは、このために最小のハードウェフコストで最大のパフォーマンスを保証する、非常に堅牢で信頼性のあるセンサ装置を必要とすることである。容易に考えられる測定技術的な量としては、特に膨張である。膨張は、最近では特に電気的な膨張歪ゲージ（ＤＭＳ）で測定される。
【０００４】
さらに、本技術分野においては多数のコンセプトが知られており、たとえば（被着された）光ファイバーにより膨張及び温度を測定することができる。この場合当業者は本技術分野においては周知の知識を活用し、すなわち光ファイバー内での光波の伝播定数βに対してはβ＝ｎＬの関係があることである。ここでｎは光波の屈折率（いわゆるモードインデックス）で、Ｌはファイバーの長さ（測定長さ）である。なお、膨張測定及び温度測定のためのほとんどすべてのコンセプトは、ｎとＬは膨張の変化及び温度の変化により変化するという点に依拠している。これから、繊維光学的センサ（各種構造センサ装置）を用いて行う膨張測定及び温度測定の基本的な問題が浮かび上がる。すなわち膨張と温度とは、基本的には、測定技術的にアクセス可能な量に影響を及ぼすという問題である。
【０００５】
欧州特許公告第０７５３１３０Ｂ１号公報には、繊維強化した複合材に組み込まれた繊維光学的ブラッグ格子センサ（ＦＢＧＳ）のケースに関連して、両偏光ブラッグ共振を用いて膨張と温度を別個に測定することが可能であることが記載されている。両偏光ブラッグ共振は、構造物に組み込まれたファイバーが複屈折することにより発生し、複屈折自体は温度に依存している。上記公報によれば、この作用は、１つのブラッグ格子に対して２つの反射部位が得られるほどの強さで発展するように見える。この公報に記載の解決法によれば、ピークの間隔（偏光ブラッグ共振のブラッグ波長の差）は温度を表わす量と見なされ、それぞれのピークのブラッグ波長は膨張と温度を表わす量と見なされる。したがって、温度と膨張を演算により決定することができる。
【０００６】
しかしながら、上記解決法の欠点は、光ファイバーが理想的には素材繊維に対し垂直方向に見た層のほうへ指向していなければならないような繊維複合構造物に組み込まれるＦＢＧＳの場合しか適用できないことである。この事実は、場合によっては、構造物の機械的特性値にたいし、当業者が受け入れ難いような著しい悪影響を及ぼす。
【０００７】
さらに、ドイツ連邦共和国特許第３１４２３９２号公報により、クラックセンサの配置構成と、これを実現するための実施例とが知られている。その配置構成に関して言えば、同様に光ファイバーが担持体表面上にて塗装材の内部に組み込まれている。この公報には、複屈折をしないファイバーを担持体の局所に載置することが記載され、この場合（発明の目的が異なっているために）、繊維光学的ブラッグ格子は示唆されていない。というのは、この配置構成は（ファイバーの不可逆的破損による）表面層のクラック（亀裂）の個所を確定することだけに向けられているからである。
【０００８】
この配置構成を変形するにあたっては、個々のファイバーをフォイル状の担持体要素の上に、穴の近くに位置するように固定すれば十分である。担持体要素は、付着固定されたファイバーとともに（後で塗装で付着せしめられる）担持体表面に固定され、担持体表面には、ファイバーがまず（クラック作用が観察される）塗装材被着部に埋設する前に位置決めされるが、付着工程の際に塗料で担持体上に点状に正確に固定されるファイバーの精度が疑わしいために、フォイルを付着させなければ個々のファイバーを担持体上に固定させることができない。したがって、担持体上に付着片を残さずにフォイルを引き出すことはほとんど不可能である。また、補助装置として使用される、ファイバーを穿設したフォイルに固定するための装置はコスト高であり、故障も多い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、担持体に被着されたカバー層の膨張および温度とその変化を検知するための装置および方法において、繊維光学的センサを確実に且つ周囲の影響から保護して構造物に被着することのできる前記装置及び方法を提供することである。また、特別にコストを要せずに、被着されたカバー層の構造膨張及び構造温度（表面温度）を測定できるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、請求項１または５に記載された構成により解決される。他の請求項には、この処置の合目的な構成が記載されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１によれば、本発明による装置は、担持体１（金属、プラスチック、またはセラミックスからなり、たとえばアルミニウム、炭素強化プラスチック（ＣＦＫ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）、ケブラー(Kevlar 商品名)或いはケブラーをベースにした材料等からなっている）と、後述する方法に従って担持体１上に被着される１つまたは複数個の光誘導ファイバー２（一般には「光ファイバー」または特に「光導波路」とも呼ばれる）と、担持体１に表面保護部としてコーティングされるカバー層３（たとえば塗料が使用される）とを有している。カバー層３は光ファイバー１を完全にまたは部分的に取り囲んでいる。完全に取り囲む構成にするため、カバー層の厚さＬ３が光ファイバーの外径Ｌ２よりも大きい（Ｌ３＞Ｌ２）ような関係を維持し、担持体表面に対し垂直な方向でのカバー層表面と光ファイバー２との距離差Ｌ１を保つ。部分的に取り囲む構成にするには、カバー層の厚さＬ３が光ファイバーの外径Ｌ２よりも小さい（Ｌ３＜Ｌ２）ような関係を維持する。両ケースとも、光ファイバー２はカバー層３に埋設される。図１は、光ファイバー２がカバー層３により完全に取り囲まれた構成を示している。光ファイバー２としては通常のガラスファイバーが使用され、たとえば「テレコム」社の通信分野で使用されるものであるが、たとえば種々の偏光性ファイバー（パンダタイプ、楕円コアなど）のような特殊形状のもの、或いは、二重コアファイバー及び多重コアファイバーまたはいわゆるサイドホールファイバーのような特殊形状のものでもよい。これらの特殊形状のものは、方法の目的である測定効果を増すために有益な場合がある。図１の配置構成は標準的な通信ファイバーを使用したものであり、ファイバーコアと、ファイバーシェルと、ファイバーコーティング部（省略してもよい）から構成されている。担持体１上に位置決めされるセンサは、担持体表面に位置決めされた光ファイバー２全体によって形成され（厳密に言えば、塗料に埋設されている光ファイバーの長さに相当する部分によって形成される）、或いは、塗料に埋設されているこの光ファイバー２の特定の部分から形成される。光ファイバー２のこの特定の部分を適宜増感させて、すでに述べたように、所望の測定量（膨張および温度）に関しより高感度の測定を得るか、或いは、測定技術を容易化してもよい。増感は、たとえばファイバーの一部分に反射部を設けることによって行なうことができる。反射部を設けるための特に有利な方法は、繊維光学的なブラッグ格子を公知のように切り込むかエッチングすることである。
【００１２】
図１の配置構成に戻ると、センサは少なくとも１つの光ファイバー２によって実現されている。光ファイバー２は上記担持体１の表面に載置するようにして位置決めされ、前記カバー層３の中に埋設され、その際完全にまたは部分的にカバー層によって取り囲まれる。
【００１３】
このように改良された処置の他の構成によれば、光ファイバー２は、（すでに示唆したように）ガラスフィバーから構成される光学的な光導（波）体によって実現される。光導（波）体は、たとえばアルミニウムまたはＣＦＫからなっている担持体１の表面に当接するように案内され、或いは間隔を持って案内され、少なくとも部分的に、表面に付着して塗料から成っているカバー層の中に固定して案内される。前述の理由から、たとえばパンダタイプの偏光性ファイバーまたは楕円コアを備えた偏光性ファイバーの光ファイバー２が使用される。使用する光ファイバー２は、二重コアファイバーまたは多重コアファイバーまたはいわゆるサイドホールファイバーである。配置構成を改良する場合注意すべきことは、カバー層３の厚さが光ファイバーの外径Ｌ２よりも大きく、その際水平方向に担持体表面に配置される光ファイバー２は、光ファイバー外面とカバー層表面とが間隔Ｌ１になるように案内されることである。担持体に位置決めされるセンサは、光ファバー２の全長またはその少なくとも一部分によって決定され、その際光ファバー２はファイバー部分に設けられた反射部によって増感されている。これらの反射部は繊維光学的なブラッグ格子によって実現されているのが有利である。光ファイバー２は通常の標準テレコムファイバーによって実現され、ファイバーコア、ファイバーシェル、ファイバーコーティング部を有している。この場合、ファイバーコーティング部を使用しない光ファイバーであっても、担持体１に被着されたカバー層３の膨張および温度並びにその変化を検知するうえで制限を受けない。
【００１４】
最後に、他の構成によれば、繊維光学的センサは、すでに示唆したように、被着された複数の光ファイバー２によって実現される。この場合、主光ファイバーには副光ファイバーが接続される。これら副光ファイバーは、担持体表面に枝分かれして、或いは分岐して配置されたものであり、表面を覆う光ファイバー構成物を形成する。このような改良形によれば、担持体表面を覆っているので、該担持体１上に被着されたカバー層３の膨張及び表面温度の局所的な測定技術的検知を実現できる。
【００１５】
以下では、集積化方法、すなわち図１の配置構成を実現するための方法上の改良について説明する。
光誘導ファイバー（光ファイバー）２を構造表面（担持体１の表面）上の構造物である被着カバー層（表面保護部として使用される塗料）３に集積する場合、特に注意すべきことは、光ファイバー２と担持体表面の間に、集積化領域全体にわたって再現可能であるように摩擦結合が保証されることである。このような摩擦結合によってのみ、構造膨張（カバー層３の膨張）を一義的にセンサファイバー（光ファイバー２）に伝えることができる。他方、これに必要な作業コストを可能限り少なくして、機械的に十分補助できるようにすべきである。このような要求は、以下に説明する被着技術により満たされる。
【００１６】
集積化方法の準備処置は、いわゆる「線形被着」およびいわゆる「面被着」である。これに続くのがいわゆる「表面被着」で、集積化方法を完了させるものである。
線形被着では以下のステップが行なわれる。一般に呼ばれるところの繊維の操作は、その径が小さく可撓性が大きいために付加的な処置なくしてはきわめて困難であるので、接着テープとして構成される接着担持体を使用する。接着担持体には、まずその長手方向に周期的に穴あけを行う。複数個の穿設穴を備えたこの接着テープは（予め製造された納品部品として使用する）、両側に接着面を有している。光誘導ファイバー（光ファイバー）２を、まず、穴列上方の中心に固定されるように接着面に取り付ける。この準備ステップにおいては、光ファイバー固定装置を使用する。この光ファイバー固定装置においては、光ファイバーコイルおよび接着テープコイルを出発点として、光ファイバー固定装置に組み込まれた案内装置を介して、コイルから巻き戻した光ファイバーと、コイルから巻き戻した接着テープとを広げた状態で所定どおりに一緒に案内し、次に収容コイル装置に巻きつける。次にそこから、後述する表面被着処置により、接着テープに付着した光ファイバーを担持体１の表面上に位置決めする。
【００１７】
なお、基本的には、複数の平行な穴列を備えた接着テープを使用してもよく、この接着テープは光ファイバー案内装置の接着テープコイルによって受容される。別個の光ファイバーコイルに個別に巻きつけられている光ファイバーは、個々の光ファイバー２として該当する平行な穴列の個々の穿設穴の穴径の中心で案内されて、接着テープの接着面に固定することができるが、このような複数個の光ファイバーを所定どおりに一緒に案内することは、前記処置のモデルに従って行なわれる。この場合、複数の光ファイバー２が同時に接着面に接着固定され、その後（この接着テープのテープ幅に適合している）受容コイルによって巻き取られる。
【００１８】
接着固定される平行な光ファイバーの担持体表面上への位置決めは、（後述する）表面被着処置により前記モデルに従って均一に行なわれる。
なお、接着テープの接着面は所定の接着力を有しているが、光ファイバーの接着テープをその都度担持体１の表面から除去する際に（表面被着に関しては後述する）接着剤が担持体表面上に残ってはならない。
【００１９】
面被着の場合には、接着フォイルとして構成された接着担持体（線形被着の場合の接着テープの代わりのもの）を使用する。この接着担持体は片面が接着面になっている。後の、光ファイバー２の延在態様は、周期的に穿設した穴の連鎖によって予め与えられ、穴の幾何学的な直線案内はほぼ任意である。この場合、使用される光ファイバー２の最小曲率半径に注意すべきである。穴は手で穿設するか、或いは穴の種々の位置に接近できるコンピュータ方式の自動穿設機を用いて穿設する。フォイルの接着面への光ファイバー２の取付けは、手で行うか、或いは同様にコンピュータ方式の自動装置を用いて行う。この種の自動装置は、光ファイバーコイルから、制御可能な案内装置を用いて（個々の）光ファイバー２及び接着フォイルを穴連鎖方向に所定どおりに案内する。個々の接着フォイルの接着面の接着力特性は、（線形被着の場合に使用する）接着テープのそれに対応している。
【００２０】
集積方法の準備処置が終了すると、これに続いて集積方法の表面被着工程を行なう。表面被着工程においては以下のステップを実施する。すでに示唆したように、まず（線形被着または面被着の後で付着固定されている）接着テープまたは接着フォイルでさせた光ファイバー２を、該当する受容コイルから（緊張状態で）巻き戻し、次に担持体１の表面に位置決めする。その際、接着テープまたは接着フォイル（一般に接着担持体）の接着面に付着している光ファイバー２を、監視の対象となる図１のような配置構成になるように担持体１の表面に固定し、カバー層３（たとえば、接着担持体である接着テープまたは接着フォイルに浸透する特殊なプライマー塗料を含んでいる）で担持体表面に点状に付着させる。塗料が硬化した後、接着担持体を引き抜くことによって光ファイバー２から除去する。次に、担持体表面にこのようにして位置決めされた光ファイバーを、担持体表面に平面的に被着されている他の１つのカバー層３（第２の塗料被着部）とともに、或いは、（必要な場合には）それに続く他の複数のカバー層３（塗料被着部）とともに、担持体１の表面に最終的に固定させる。
【００２１】
この処置を実現する場合、特に接着担持体の接着力に注意すべきである。接着面に分布している接着担持体の付着力は、光ファイバー２が穴に対して相対的に確実に固定される程度の大きさでなければならず、且つ接着担持体（接着テープまたは接着フォイル）を引き抜く際には、塗装剤（プライマー塗料）で点状に固定される光ファイバー２を一緒に引き抜かない程度に小さくなければならない。この場合、担持体表面は必ずしも平坦である必要はない。しかしながら、担持体表面が湾曲していても、センサファイバーの最小曲率半径を阻害するほど小さな曲率半径であってはならない。
【００２２】
図１の配置構成を実現するための上記方法のステップを概して総括すると以下のようになる。
まず、片面に接着面を備えた接着担持体に複数個の穴を穿設する。次に少なくとも１つの光ファイバー２（１本の光ファイバー２または複数本の光ファイバー２）を接着担持体の接着面に付着固定させ（すなわち接着固定させ）、その際光ファイバー２を次のように接着担持体上に固定し、すなわち個々の光ファイバー２がその許容曲率半径を上回ることなく個々の穴位置の間隔で接着担持体表面上に位置決めされ、しかも個々の穴の穴径にわたって穴中心で案内されるように固定する。次に、接着担持体に付着している光ファイバー２を担持体表面に位置決めし、表面結合する塗料剤（プライマー塗料であり、穴を貫通して担持体表面まで浸透している）で（図１の）担持体の担持体表面に点状に付着させる。次に、塗装剤（塗料）が硬化した後、接着担持体の接着面を光ファイバー２から引き抜く。次に、付着している光ファイバー２を、担持体１の表面に面状に被着されている別の塗装剤被着部（塗料被着部）、すなわち光ファイバーが埋設されている別の塗装剤被着部によって完全または部分的に覆い、これが硬化した後、光ファイバー２を担持体表面に最終的に固定する。
【００２３】
担持体１に被着されたカバー層３の膨張及び温度並びにその変化を検知する他の方法（担持体１上に位置決めされた少なくとも１つの光学センサが利用される）を開示するため、前置きとして以下のような思想を（わかりやすくするために）説明しておく。
【００２４】
公知の方法によれば、光ファイバーを用いて、（多くのコンセプトにしたがって）膨張及び温度を測定することは知られており、その際ファイバー（面）内での光波の伝播定数βに対しては公知の関係「β＝ｎ・Ｌ」が顧慮される。膨張及び温度を測定するためのほとんどすべての測定コンセプトはこの関係をベースとしたものであり、これをベースにして、膨張及び温度が変化することによってｎとＬが変化するという考えに発展する。簡単のため、単一モードファイバーにおいては電磁波は平らな波（誘導性の弱いファイバーに対する近似）で表わされ、この波は図１によればｚ方向へ伝播するものとすれば、ファイバー内で複屈折がない限り、各振動方向に対する屈折率は（図１において）波のｘ−ｙ方向において等しくなる。
【００２５】
いま、上記の認識に対し、担持体１上に被着されたカバー層３の膨張及び温度変化を検知するための方法に対する以下のような解決法を関連付ける。（繊維光学的）センサとして構成された光学的ファイバー（以下では光ファイバー２と記す）を用いて、カバー層３（たとえば塗料または塗料状の塗布物または塗装物）内部の膨張及び温度を測定し、分別するため（この場合、カバー層３は図１によれば担持体１の表面上に位置決めされ、光ファイバーは担持体１上に被着されたカバー層３に完全に埋設されている）、材料を適当に選定することにより（担持体１に対しても、また光ファイバー２及びカバー層３に対しても）、温度に依存する複屈折が光ファイバー２内に生じるものとする。前記測定及び分別を達成するため、（特定の影響を受けている）カバー層３のカバー材が光ファイバー２のファイバーコア及びファイバー側面に機械的な応力を生じさせ、この応力が一方で温度に依存し、他方で周期的且つ対称に光ファイバー２に作用しないことを顧慮する。このような認識を、図１に基づいて説明した被着方法に置換する。というのは、光ファイバーはほとんど直接に担持体１上に載置され、担持体１は光ファイバーの材料とは明らかに異なる材料からなっており、しかもカバー材もファイバー及び担持体の材料とは異なっているからである。さらに、光ファイバー２を、接着担持体の穴を貫通する塗装材で（前述したように）点状に固定することにより、最悪の場合塗装材が（本来担持体１の表面上に直接）固定されるべき光ファイバー２の下に侵入し、これを担持体表面から（いくぶん）持ち上げることがあるからである。
【００２６】
このことは、電磁波（ファイバーにカップリングされる光）の振動方向（ｘ−ｙ方向）によっては電磁波が別の屈折率を持つように「見える」ことを意味している。これは基本的には、公知の干渉方法または偏光方法によって測定可能である。
【００２７】
特に簡単なのは、センサ要素としてブラッグ格子が光ファイバー２の適当なファイバー部分に挿入される場合である。この場合ブラッグ格子は、複屈折をしないファイバーのなかに、いわゆるブラッグ波長λＢ程度の共振を生じさせる。この共振はλＢ＝２ｎΛで表わされる。ここでｎは平均有効屈折率、Λは格子周期である。
【００２８】
ファイバーが複屈折状態になると、波の振動方向に応じて別のブラッグ波長が得られる。この作用は、冒頭で述べたように、繊維強化複合材に集積化された繊維強化ブラッグ格子センサ（ＦＢＧＳ）のケースに対し評価されている欧州特許第０７５３１３０Ｂ１号公報のなかに詳細に述べられている。
【００２９】
さらに、冒頭で述べた方法（担持体に被着されたカバー層の膨張及び温度変化を検知する方法）に関連して、ブラッグ格子センサによる膨張及び温度変化に関する他の一般的な説明を行う。これはさらに（必要な）理解を深めるために有益である。
【００３０】
繊維光学的ブラッグ格子センサを特徴づけるものは、その周期、永続的、周期的、またはほぼ周期的な屈折率変調の振幅、及び屈折率変調の長さ（格子長さ）である。センサを製造する際に設定される格子周期によりスペクトル範囲が確定され、このスペクトル範囲においてセンサは光ファイバーのなかで案内される光を反射させる。屈折率変調の振幅と格子長さは、格子スペクトルの具体的な個々の特性を決定するが、これらの特性の中でスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）と最大反射率について説明する。最大波長はブラッグ波長λＢと呼ばれ、格子周期Λ０と格子領域での平均有効屈折率ｎ０との積から得られる。
0004610096.tif 000002
２つの量は偏光に依存することがあり、したがってブラッグ変調も偏光に依存するようになる。これを以下ではλＢｐ／ｑと記す。添え字０は温度が一定でセンサが膨張していない状態を表わしている。
【００３１】
繊維光学的ブラッグ格子（ＦＢＧ）は膨張センサ及び（または）温度センサとして使用できる。屈折率ｎ０も格子周期Λ０も膨張テンソル及び温度の関数だからであり、よって外力がブラッグ格子に作用する限り、前記式（１）によりブラッグ波長λＢも変化するからである。第１近似において次の関係から出発する。
0004610096.tif 000003
記号εｉは６つの膨張成分（機械的膨張と熱的膨張）を表わしており、記号ΔＴは温度変化を表わしている。膨張成分及び温度の関数としてのセンサの幾何学的特性及び光学的特性の変化は、Kimその他による（本技術分野で公知の）モデルから導出される。この場合、ファイバー軸線は直交座標系のｘ１方向に設定される。光学的に等方性のセンサに対しては、以下のような変化が生じる。
0004610096.tif 000004
記号ｐ１１＋ｐ１２は光ファイバーの光弾性定数で、αは光ファイバーの線形熱膨張係数、γｍａｘはファイバー軸線に垂直な面内での最大剪断膨張であり、ここで
0004610096.tif 000005
の関係がある。ファイバー軸線の方向における単軸の熱機械的応力のケースに対しては、
0004610096.tif 000006
が適用される。ここでυは光ファイバーのポアソン比である（υ＝０．１７）。これに従えば、式（２）、（３）、（４）から、軸線方向の膨張及び温度変化の関数として、ブラッグ波長のシフトが得られる。
0004610096.tif 000007
ここでｐｅｆｆはいわゆる有効光弾性定数である。式（５）は通常ＦＢＧＳの校正に使用される。ブラッグ波長の相対シフトと軸線方向の膨張の間には線形的関係があることがわかる。有効光弾性定数の値は、異なるＦＢＧＳの列における温度が一定であれば、具体的なファイバードーピングに依存して、ｐｅｆｆ＝０．１９ないし０．２３に決定される。導入した測定精度の範囲内では、−５０℃ないし１０0℃の温度範囲でこの量の温度依存性は見出されない。
【００３２】
センサの熱感度も具体的なファイバードーピングに依存しており、さらにファイバー層によって影響を受ける。近似的には、ブラッグ波長がほぼ１．５３μｍであれば、ブラッグ波長のシフトは膨張によって１．２ｐｍ／（μｍ／ｍ）であり、温度によってほぼ１０ｐｍ／Ｋである。
【００３３】
式（５）から、ＦＢＧＳを用いて膨張測定の基本的問題が明らかになる。初期測定量、すなわちブラッグ波長は、膨張および温度の関数としてシフトする。したがって、両作用を区別することはできない。
【００３４】
式（５）を次の式、
0004610096.tif 000008
で表わし、ここでＫεを膨張感度ファクタ、ＫＴを温度感度ファクタとすると、他の感度ファクタを持った第２のブラッグ波長が存在すれば、上記問題を解決することができる。
【００３５】
両ブラッグ波長の測定は、次の関係
0004610096.tif 000009
にしたがって（感度マトリックスの逆変換により）求める量を提供する。
【００３６】
ここで、スペクトルの形状をこれら２つの量の一方、すなわち軸線方向の膨張または温度に依存させることにより、この量の作用をブラッグ波長シフトから導き出すことは容易に考えられる。この場合ＦＷＨＭは、測定技術的に簡単に検出される、「スペクトルの形状」に対する量を表わす。
【００３７】
（たとえばここでは）塗料からなっているカバー層３の膨張および温度並びにその変化を検知するための方法に話を戻すと、カバー層３は（図１によれば）担持体１上に被着され、担持体１上に位置決めされているセンサ（光ファイバー２に介入しているブラッグ格子によって実現されている）を備え、その際光ファイバー２は担持体表面に載置されて位置決めされており、且つ光ファイバー２はカバー層３のなかに埋設され、完全にまたは部分的にカバー層３によって取り囲まれているが、このような前提のもとに、（当該）光ファイバー２にカップリングされる光の複屈折が光ファイバー２内に誘導される。複屈折は温度に依存している。誘導された複屈折はあまり強いものではない。したがってスペクトルは分裂せずに、重畳される。というのも、ブラッグ反射が分裂しても、２つの独立なピークに達しないからである。
【００３８】
２つの偏光ブラッグ共振が重畳すると（以下ではスペクトルと記す）、センサの制御に利用される光が、それぞれのスペクトルで反射を生じさせるような共振成分をも含む場合にだけ、前記２つの偏光ブラッグ共振を同時に測定することができる。これは、有利には「擬似偏光解消光」を使用して達成でき、その発生方法は本技術分野において公知のものである。正確にいえば、２つの別個の重畳スペクトルから１つのスペクトルが生じ、この１つのスペクトルは２つの別個の重畳スペクトルの平均値と見なすことができる。２つの偏光ブラッグ共振が同一の形状をもち、しかしわずかに異なるブラッグ波長λＢｐを持っているとすると、センサを「擬似偏光解消光」を使用して制御する場合に測定されるスペクトルのブラッグ波長λＢｄｅｐｏｌは、２つの別個の偏光ブラッグ共振λＢｐとλＢｑの算術的平均値から、
0004610096.tif 000010
にもとづいて求められる。これは、両偏光ブラッグ共振λＢｐとλＢｑの差が個々のスペクトルの完全半値幅（ＦＷＨＭ）よりも小さい場合に可能である。すなわち
｜λＢｐ−λＢｑ｜＜ＦＷＨＭ重畳スペクトル
である。したがってこの関係は、「複屈折がそれほど強くない」ことを表わす量とも見なすことができる。
【００３９】
この解決法によれば、ＦＢＧセンサの被着の方法により、「擬似偏光解消光」で測定されるスペクトルは（すでに述べたように両偏光ブラッグ共振λＢｐとλＢｑのスペクトルから得られる）、有利には完全半値幅（ＦＷＨＭｄｅｐｏｌ）を用いて測定すると、その形状を変える。より厳密には、温度の関数としてのみ表わされ、すなわちブラッグ波長がこのスペクトルλＢｄｅｐｏｌからシフトしても、依然（センサの）軸線方向の膨張および温度の関数として表わされる（式５および式６）。しかし、温度はＦＷＨＭｄｅｐｏｌを用いて測定できるので、純粋な軸線方向の膨張を算術的に決定することが可能である。これは特にただ１つのセンサだけを用いることによって達成される。
【００４０】
上述した方法の利点は、どのような構造物表面にも適用できることである。ただし、カバー材（ここでは表面保護塗料）によってファイバー内に誘導される膨張が十分大きいことに留意する必要がある。これは、使用する個々の材料の熱膨張係数が互いに十分に異なっていること、および（または）Eモジュールの温度依存性が十分異なっていることによって達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】担持体に被着されたカバー層の膨張および温度とその変化を検知するための装置を示す図である。
【図２】塗料で取り囲まれるように担持体表面に組み込まれた繊維光学的ブラッグ格子センサ（ＦＢＧセンサ）の、−４０℃と＋２５℃におけるスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１    担持体
２    光ファイバー
３    塗料
【図１】
0004610096.tif 000011
【図２】
0004610096.tif 000012