(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーグレーティングを用いた歪センサーであって、弾性板の表面及び裏面にそれぞれ別々の光ファイバーグレーティングが固定されてなり、光源から一方の光ファイバーグレーティングに入射させて反射された光成分を他方の光ファイバーグレーティングに入射させ、その他方の光ファイバーグレーティングを透過した光強度を検出することにより弾性板の歪みを検出するとき、一方の光ファイバーグレーティングと他方の光ファイバーグレーティングの中心反射波長が伸縮のない状態で相互にわずかにずれ、かつ、反射スペクトル相互が一部重なるように構成されているとき、一方のＦＢＧの反射光を、他方のＦＢＧを透過させることで、その反射スペクトルのずれの増減を光パワーの増減として検知することを特徴とする光ファイバー歪みセンサー。
【請求項２】
請求項１記載の２つの光ファイバグレーティングを用いる光ファイバー歪みセンサーであって、これら２つの光ファイバグレーティングが固定されている場所の温度などの物理量は２つの光ファイバグレーティングに共通に作用して両者の反射スペクトルが同時に同じ量だけずれるため、スペクトルのずれの増減とはならないことから、検出される信号には現れず、歪量だけを検知できることを特長とする差動型光ファイバ歪センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバー歪みセンサーとそれを用いた測定機器に関し、特に、光ファイバーグレーティングを用いた歪みセンサーとそれを用いた水圧、水位、水深、流速、流向等を測定する測定機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバーグレーティングは、図７（非特許文献１）に示したように、光ファイバーのコア中の屈折率をその軸方向に一定周期で変化させてブラッグ回折格子を形成してなるもので、入射光の中その周期に対応する波長の光を高効率でブラッグ反射して反射光として入射側へ戻し、ブラッグ反射されなかった成分を透過光として透過させるものである。以下、光ファイバーグレーティングを“ＦＢＧ”と称する。
【０００３】
ＦＢＧは、高感度で信頼性が高く、さらに長期間安定に動作する歪みセンサーとして、崖崩れや建造物の崩落防止等の防災監視用センサーとして注目されているが、光の波長の変化を計測するため、波長計若しくはスペクトラムアナライザーのような高価な装置を必要とするため、システム価格が割高となり、実用化の上での障害となっている。
【０００４】
しかし、歪みセンサーは崖崩れ、トンネル壁の崩落、橋の振動、建物の揺れ振動等の計測に必要な素子であり、高度な安全を求める現代社会において災害を未然に防ぎ、社会不安を解消するには、このような素子が安価で、しかも、簡便に測定が実施できることが必須である。
【非特許文献１】辻内順平他編「最新光学技術ハンドブック」（２００２年９月２０日、（株）朝倉書店発行）ｐ．２７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバーグレーティング以外の波長計等を用いることなく、高感度、高信頼性で長期間安定に動作する光ファイバー歪みセンサーとそれを用いた測定機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光ファイバー歪みセンサーは、光ファイバーグレーティングを用いた歪センサーであって、弾性板の表面及び裏面にそれぞれ別々の光ファイバーグレーティングが固定されてなり、光源から一方の光ファイバーグレーティングに入射させて反射された光成分を他方の光ファイバーグレーティングに入射させ、その他方の光ファイバーグレーティングを透過した光強度又は反射した光強度を検出することにより弾性板の歪みを検出することを特徴とするものである。
【０００７】
この場合に、一方の光ファイバーグレーティングと他方の光ファイバーグレーティングの中心反射波長が相互にわずかにずれ、かつ、反射スペクトル相互が一部重なるように構成されていることが望ましい。
【０００８】
また、以上の光ファイバー歪みセンサーの弾性板の一面に被測定圧力が加わるように構成することにより、その圧力を検出するように構成して本発明の光ファイバー歪みセンサーを用いた測定機器を構成することができる。
【０００９】
その際、光ファイバー歪みセンサーの弾性板の被測定圧力が加わる一面に対向した他の面に弾性部材を配置するようにしてもよい。
【００１０】
このような本発明の光ファイバー歪みセンサーを用いた測定機器は、例えば、水圧計、水位計、水深計、流速計、流向計の何れかに用いることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光ファイバー歪みセンサーにおいては、弾性板の表面及び裏面にそれぞれ別々の光ファイバーグレーティングが固定されてなり、光源から一方の光ファイバーグレーティングに入射させて反射された光成分を他方の光ファイバーグレーティングに入射させ、その他方の光ファイバーグレーティングを透過した光強度又は反射した光強度を検出することにより弾性板の歪みを検出するようにしたので、光ファイバーグレーティング以外の波長計等を用いることなく、高感度、高信頼性で長期間安定に動作する光ファイバー歪みセンサーを極めて安価に提供でき、このような光ファイバー歪みセンサーを用いて水圧、水位、水深、流速、流向等を測定する測定機器を安価に構築することができ、これまで高価であったため普及しなかった光ファイバーグレーティングを用いた歪みセンサー等を普及させることができる。
【００１２】
また、本発明の光ファイバー歪みセンサーにおいては、歪み表す波長情報は光強度信号へと変換され、しかも、差動型となるため、２つの光ファイバーグレーティングが全く同じ環境になるようにすることで、温度の影響が自動的に補償される利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の光ファイバー歪みセンサーとそれを用いた測定機器の原理と実施例を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の光ファイバー歪みセンサーの基本構造を説明するための図であり、金属やプラスチック等の弾性体からなるダイアフラム１の表面に第１ＦＢＧ２が裏面に第２ＦＢＧ３が相互に略平行にそれぞれ固定されて構成されている。
【００１５】
このような構成であるので、ダイアフラム１が図で右に曲がると、第１ＦＢＧ２が伸び、第２ＦＢＧ３が縮む。逆に、図の左に曲がる場合は、この逆となる。
【００１６】
いま、光源５から３ｄＢカプラー４を介して第１ＦＢＧ２に光を入射させ、第１ＦＢＧ２からの反射光を３ｄＢカプラー４を経由して光源５方向とは別の方向へ取り出し、第２ＦＢＧ３へ入射させる。第１ＦＢＧ２からの反射光の一部は第２ＦＢＧ３を透過する。この透過光を光検出器６で信号出力７として取り出す。
【００１７】
このような構成において、光検出器６で検出される波長成分は、第１ＦＢＧ２の反射波長成分と第２ＦＢＧ３の透過光波長成分とが一致している部分である。
【００１８】
図２にＦＢＧの反射スペクトルの１例を示す。図２に示すように、ＦＢＧからの反射波長は、ピーク波長を中心に狭い波長範囲で両側に急激に減衰する反射特性を持つ。
【００１９】
図１の構成において、伸縮のない状態で、第１ＦＢＧ２と第２ＦＢＧ３の中心反射波長が一致するようにしてもよいが、図３に示すように、例えば第１ＦＢＧ２が相対的に若干長波長側へずれ、かつ、反射スペクトル相互が一部重なるように設定されているとき、信号出力７は図４のようになる。ここで、歪み率が正の方向はダイアフラム１が右に曲がるときに対応する。
【００２０】
このように、本発明の光ファイバー歪みセンサーは、１つの金属やプラスチック等の弾性板１の表裏に２つのＦＢＧ２、３を固定し、光源５からの光を一方のＦＢＧ２に入射させた後、その一方のＦＢＧ２からの反射光をカプラー４を介して取り出し、さらにこの反射光を他方のＦＢＧ３に入射させる。このとき、２つのＦＢＧ２、３の中心反射波長にわずかの差異があり、反射スペクトルに重なりがあるとき、他方のＦＢＧ３からの反射光はこのスペクトルの重なり部分の成分となる。弾性板１が歪んでＦＢＧ２、３の一方が伸び、他方は縮むとき、反射スペクトルの重なり部分が大きい方向に動くと、一方のＦＢＧ２で反射され、他方のＦＢＧ３を透過する光強度は小さくなり、重なり部分が小さい方向に動くと、一方のＦＢＧ２で反射され、他方のＦＢＧ３を透過する光強度は大きくなる。
【００２１】
したがって、一方のＦＢＧ２で反射され、他方のＦＢＧ３を透過する光強度を観測することにより、ＦＢＧ２、３が固定されている弾性板１の歪みを検知できることとなる。
【００２２】
なお、一方のＦＢＧ２で反射され、かつ、他方のＦＢＧ３で反射された光の強度を利用するようにしてもよいが、他方のＦＢＧ３で反射された光を取り出すのに３ｄＢカプラー４と同様のもう１つのカブラーの追加が必要となる。図５は、ＦＢＧ２からの反射光を信号出力７とする場合の出力である。図４の透過光を利用する場合と極性が異なるが、どちらでも歪み率に比例した出力を得ることができることが分かる。
【００２３】
本発明の光ファイバー歪みセンサーにおいては、温度が変化したときに両方のＦＢＧ２、３が同時に同じ方向に同じ量だけ変動することから、その変動が相互に相殺されて差動出力には現れない。
【００２４】
ここで、３ｄＢカプラー４は、光源５からの光を第１ＦＢＧ２側へ透過し、第１ＦＢＧ２からの反射光を光源５方向とは別の方向へ導くもので、ハーフミラー、偏光ビームスプリッター等の光学素子が使用できるが、全体を光導波路型に構成するには、Ｙ字状の分岐導波路、方向性結合器等を用いることができる。また、光源５と３ｄＢカプラー４、３ｄＢカプラー４と第１ＦＢＧ２、３ｄＢカプラー４と第２ＦＢＧ３、第２ＦＢＧ３と光検出器６を結ぶ光路は、光ファイバー等の光導波路を用いて一体型の構成することが望ましい。
【００２５】
以上のような本発明の光ファイバー歪みセンサーは、弾性板１の歪みの程度によって圧力を検出する各種測定機器、例えば水圧計、水位計、水深計、流速計、流向計等の各種測定機器に用いることができる。水圧計の応用例を図６に示す。図６（ａ）は水圧計の断面図、（ｂ）は正面図である。表裏に２つのＦＢＧを取り付けたダイアフラム１０が保護ジャケットの金属管１１内に取り付けられており、ダイアフラム１０の一方の面は窓１２からの水圧１５を受け、他方の面はエアバッグ１３に接している。エアバッグ１３の空気圧を１ａｔｍとしてあるとすると、水圧１５がこれ以上の圧力のときは、エアバッグ１３が収縮してダイアフラム１０を曲げることになる。この曲げ量はダイアフラム１０の歪み率として上記のように検知され、その歪み率から圧力が算出される。さらに、この水圧計を水深に換算すれば、水位計となる。なお、図６の符号１４は、ダイアフラム１０に固定された一方のＦＢＧへ光源からの光を送り、他方のＦＢＧからの透過光又は反射光を取り出す光ファイバーケーブルの取り入れ口を示す。
【００２６】
なお、圧力を検出するのに、ダイアフラム１０の裏面に被測定圧力に対抗する圧力として１ａｔｍのエアバッグ１３を用いているが、ダイアフラム１０自体をブルトン管のように、圧力によって変形する物体を用いてもよい。
【００２７】
以上、本発明の光ファイバー歪みセンサーとそれを用いた測定機器をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。なお、本発明の光ファイバー歪みセンサーにおいて、ダイアフラムの表裏の面にＦＢＧを固定するには、ダイアフラムの伸び縮みを正確にＦＢＧに伝達させるために、接着材を用いるよりもダイアフラムの面に溝を切ってその中にＦＢＧを埋め込むようにすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の光ファイバー歪みセンサーの基本構造を説明するための図である。
【図２】ＦＢＧの反射スペクトルの１例を示す図である。
【図３】第１ＦＢＧと第２ＦＢＧの中心反射波長をずらしたときの反射スペクトルの例を示す図である。
【図４】第２ＦＢＧからの透過光を利用する場合の１例の歪み率と出力との関係を示す図である。
【図５】第２ＦＢＧからの反射光を利用する場合の１例の歪み率と出力との関係を示す図である。
【図６】水圧計の応用例を示す断面図と正面図である。
【図７】光ファイバーグレーティングの構成と作用を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…ダイアフラム
２…第１ＦＢＧ
３…第２ＦＢＧ
４…３ｄＢカプラー
５…光源
６…光検出器
７…信号出力
１０…表裏に２つのＦＢＧを取り付けたダイアフラム（本発明）
１１…保護ジャケット（金属管）
１２…窓
１３…エアバッグ
１４…光ファイバーケーブルの取り入れ口
１５…水圧
【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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