(57)【要約】【課題】ひずみ量の測定範囲を広くとることができ、ひずみの測定精度の向上を実現できる片持ち梁状の変位変換機構を提供する。【解決手段】変位変換機構は、一端が固定端、他端が変位又は荷重を受ける作用点Ｐ２を持つ自由端となる弾性体による板であって、固定端側から作用点に向けて幅が漸減する略三角形状の部分１１ができるように２つの開口１０ａを設けた板１０を備え、前記略三角形状の部分の表面に沿ってファイバブラッググレーティング１５を接着してなる片持ち梁状の構造体から成る。ファイバブラッググレーティングにより反射される光の中心波長の変化から、前記作用点にかかる荷重又は変位を検出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が固定端、他端が変位又は荷重を受ける作用点を持つ自由端となる弾性体による板であって、固定端側から作用点側に向けて幅が漸減する略三角形状の部分ができるように２つの開口または切り欠きを設けた板を備え、前記略三角形状の部分の表面に沿ってファイバブラッググレーティングを接着してなる片持ち梁状の構造体からなり、
前記ファイバブラッググレーティングにより反射される光の中心波長の変化から、前記作用点にかかる荷重又は変位を検出することを特徴とする片持ち梁状の変位変換機構。
【請求項２】
請求項１記載の片持ち梁状の変位変換機構において、
前記略三角形状の部分の片面に該略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿って前記ファイバブラッググレーティングを接着したことを特徴とする片持ち梁状の変位変換機構。
【請求項３】
請求項１記載の片持ち梁状の変位変換機構において、
前記略三角形状の部分の両面にそれぞれ、該略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿って前記ファイバブラッググレーティングを接着したことを特徴とする片持ち梁状の変位変換機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検査体の変位、傾斜角又はひずみ量を検出するファイバブラッググレーティングセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のファイバブラッググレーティングを使用した片持ち梁状の変位変換機構の一例を図４を参照して説明する。図４において、この変位変換機構は、一端を固定端とし、他端の作用点Ｐ１に変位を受ける片持ち梁状の四角形の弾性体の板４０の片面４１に、ファイバブラッググレーティング４２を接着して成る。作用点Ｐ１に片面４１を押すような変位が発生すると、板４０が曲がり、接着したファイバブラッググレーティング４２には伸び方向のひずみが発生する。
【０００３】
図５は、ファイバブラッググレーティングを使用した測定装置の一例を示す図である。ＡＳＥ光源５０からカプラ５１を介してファイバブラッググレーティング４２に光を入射させ、ファイバブラッググレーティング４２の反射光をカプラ５１を介して波長計５３に取り込み、ファイバブラッググレーティング４２の反射光の測定を行う。
【０００４】
図６は、従来のファイバブラッググレーティングを使用した片持ち梁状の変位変換機構の作用点Ｐ１に集中荷重又は変位が発生する前及び発生した後のファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムを示す図である。ファイバブラッググレーティング４２にひずみが発生すると、ファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムのピークがシフトすることにより、反射光の中心波長が変化する。このことにより、反射光の中心波長の変化量を検出することでひずみ量を測定することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３４６７２２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでの片持ち梁状の変位変換機構では、発生するひずみ量が大きくなると板のひずみ分布の不均一によってファイバブラッググレーティング反射光の半値全幅が大きくなり、ひずみの測定精度が劣化する。これにより、ひずみ量の測定範囲を広くとれない、又は精度を維持するために梁長を長くしなければならず小型化が困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、ひずみ量の測定範囲を広くとることができ、ひずみの測定精度の向上を実現できる片持ち梁状の変位変換機構を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、一端が固定端、他端が変位又は荷重を受ける作用点を持つ自由端となる弾性体による板であって、固定端側から作用点側に向けて幅が漸減する略三角形状の部分ができるように２つの開口または切り欠きを設けた板を備え、前記略三角形状の部分の表面に沿ってファイバブラッググレーティングを接着してなる片持ち梁状の構造体からなり、前記ファイバブラッググレーティングにより反射される光の中心波長の変化から、前記作用点にかかる荷重又は変位を検出することを特徴とする片持ち梁状の変位変換機構が提供される。
【０００９】
本変位変換機構においては、前記略三角形状の部分の片面に該略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿って前記ファイバブラッググレーティングを接着することが好ましい。
【００１０】
本変位変換機構においては、前記略三角形状の部分の両面にそれぞれ、該略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿って前記ファイバブラッググレーティングを接着するようにしても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、ファイバブラッググレーティングを使用した本発明による片持ち梁状の変位変換機構について実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、ファイバブラッググレーティングを使用した片持ち梁状の変位変換機構の形状を示す図である。
【００１２】
本形態では、片持ち梁状の構造体を構成するための板として、一端がベース２０に固定され、他端が変位又は荷重を受ける作用点Ｐ２を持つ自由端となる弾性体による板であって、固定端側から作用点Ｐ２に向けて幅が漸減する略三角形状の板部分１１ができるように両側に２つの直角三角形状の開口１０ａを設けた板１０を備えている。そして、ファイバブラッググレーティング１５を板１０の中央部の略三角形状部分の片面１２に接着する。作用点Ｐ２は、略三角形状の板部分１１の頂点に近い位置にあるように設定する。なお、直角三角形状の開口１０ａに代えて直角三角形状の切り欠きを設けるようにしても良い。
【００１３】
作用点Ｐ２に片面１２を押すような集中荷重又は変位が発生すると板１０が曲がり、接着したファイバブラッググレーティング１５には伸び方向のひずみが発生する。
【００１４】
この構造体には、光学系として図５で説明したようなＡＳＥ光源、カプラ、波長計等が接続されるが、光学系の構成は図５に示されるものに限らない。
【００１５】
図２は、図１の片持ち梁状の変位変換機構において作用点Ｐ２に変位が発生する前と発生した後のファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムを示す図である。ファイバブラッググレーティング１５にひずみが発生し、スペクトラムのピークが移動してもスペクトラムの形状及び半値全幅の変化が少ない。
【００１６】
図３は本発明による片持ち梁状の変位変換機構を使用した伸縮計の一例を示す図である。この例では、板１０における略三角形状の板部分の両面にそれぞれ、略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿ってファイバブラッググレーティング１５Ａ、１５Ｂを接着している。
【００１７】
外部からの変位は第一プーリ３１に回転として伝えられる。第一プーリ３１には同心軸で第二プーリ３２が連結されており、両者は連動する。第二プーリ３２には、線材３３（又はリボン材）で板１０の作用点Ｐ２（図１参照）の部分が接続されている。一方、板１０における作用点Ｐ２の反対側と固定部との間にバネ３４を配置し、常に線材３３に引張力を与える構造にしている。このような構造により、第一プーリ３１に生じた変位は、回転軸、第二プーリ３２、線材３３を経て板１０に伝達され、板１０に曲げを発生させる。
【００１８】
第一プーリ３１が正回転の場合バネ３４が伸び、ファイバブラッググレーティング１５Ｂには伸び方向のひずみが発生し、ファイバブラッググレーティング１５Ａには縮方向のひずみが発生する。逆回転の場合バネ３４が縮み、ファイバブラッググレーティング１５Ｂには縮方向のひずみが発生し、ファイバブラッググレーティング１５Ａには伸び方向のひずみが発生する。これは、いわゆる差動検出型の伸縮計である。
【００１９】
上記説明で明らかなように、本発明による片持ち梁状の変位変換機構においては、略三角形状の板部分１１が受ける曲げモーメントに対し、板部分１１表面の応力が一様になるように断面積を変化させているので、略三角形状の板部分１１の表面のひずみは一様となる。その結果、略三角形状の板部分１１の表面に接着しているファイバブラッググレーティング１５も一様にひずむ。ファイバブラッググレーティング１５のひずみが一様であるので、図２で説明したように半値全幅の狭いファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムが得られる。
【００２０】
ファイバブラッググレーティング反射光の測定は、図５で説明したような光学系によりファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムの重心を検出するか、スペクトラムの強度ピークを検出するので、ファイバブラッググレーティング反射光の半値全幅に変化が少なくなり、ひずみ量の測定範囲を広く取ることができると共に精度の高いひずみの測定が可能となる。
【００２１】
さらに、略三角形状の板部分１１を形成するために開口１０ａを設けた場合には、略三角形状の板部分１１を包囲する四角形の外枠１３（図１参照）があるので、作用点Ｐ２で受ける変位に対して、ねじれにくいという効果が得られる。
【００２２】
一方、図３に示すように、片持ち梁状の変位変換機構の両面にファイバブラッググレーティング１５Ａ、１５Ｂを接着したものにおいては、差動検出することで温度補正が行え、さらに精度の高いひずみの測定が可能となる。温度補正というのは以下の通りである。ファイバブラッググレーティングには、ひずみ量に依存する波長変化と、温度変化に依存する波長変化の両方を加算した波長変化とが発生する。片持ち梁状の変位変換機構の両面に同じ温度特性を持つファイバブラッググレーティング１５Ａ、１５Ｂを接着した場合、減算を行うことで温度に依存する波長変化分が相殺され、ひずみに依存する波長変化分だけを取り出すことができる。
【００２３】
次に、荷重または圧力を検出する場合には以下の通りとなる。図７を参照して、梁の幅ｂがｂ＝（ｂ０  ／Ｌ）ｘで表される三角梁１０における頂点に作用する荷重Ｐについて言えば、平等強さの三角梁に定義されている以下の公式が適用され得る。
【００２４】
ｂ＝６Ｐｘ／σｔ２  
但し、σは応力、ｔは三角梁１０の板厚であり、応力σ＝Ｅε（Ｅはヤング率、εはひずみ率）で表されるので、上記の式は以下のようになる。
【００２５】
Ｐ＝Ｅεｂ０  ｔ２  ／６Ｌ
三角梁１０のたわみ量からひずみ率εを算出することで、上記式から荷重Ｐまたは圧力を検出することができる。
【００２６】
本発明による変位変換機構は、被検査体の変位のみならず、傾斜角又はひずみ量を検出するファイバブラッググレーティングセンサとして適用可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によるファイバブラッググレーティングを使用した片持ち梁状の変位変換機構においては、略三角形状の板部分が受ける曲げモーメントに対し、板表面の応力が一様となるため、ファイバブラッググレーティングを一様にひずませせることが可能となる。これにより、ファイバブラッググレーティングの反射光の半値全幅の変化が少なくなり、ひずみ量の測定範囲を広く取ることができると共にひずみの測定精度の向上を図ることができる。
【００２８】
また、略三角形状の板部分が均一にひずむため、両面にファイバブラッググレーティングを接着した場合に、それらの位置ずれによるひずみ検出感度のばらつきが少なくなる。
【００２９】
さらに、ファイバブラッググレーティングと同等の長さの片持ち梁状の変位変換機構で良いので、センサとしての小型化が可能となり、得られる経済的効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ファイバブラッググレーティングを使用した本発明による片持ち梁状の変位変換機構の実施の形態を示す図である。
【図２】ファイバブラッググレーティングを使用した本発明による片持ち梁状の変位変換機構における作用点Ｐ２に変位が発生する前及び発生した後のファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムを示す図である。
【図３】本発明による片持ち梁状の変位変換機構を使用した伸縮計の一例を示す図である。
【図４】ファイバブラッググレーティングを使用した従来の片持ち梁状の変位変換機構の一例を示す図である。
【図５】ファイバブラッググレーティングを使用した従来の測定装置の一例を示す図である。
【図６】ファイバブラッググレーティングを使用した従来の片持ち梁状の変位変換機構における作用点Ｐ１に変位が発生する前及び発生した後のファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムを示す図である。
【図７】本発明による変位変換機構により荷重または圧力を検出する場合の原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１０、４０    弾性体による板
１１    略三角形状の板部分
１３    外枠
１５、１５Ａ、１５Ｂ    ファイバブラッググレーティング
２０    ベース
【図１】
2005003609.tif 000003
【図２】
2005003609.tif 000004
【図３】
2005003609.tif 000005
【図４】
2005003609.tif 000006
【図５】
2005003609.tif 000007
【図６】
2005003609.tif 000008
【図７】
2005003609.tif 000009