(57)【要約】【課題】従来の密着型ファイバセンサは、基本的に上方から均等に押圧する機構がなく、ＦＢＧを完全に被測定部に密着させる構造ではない。センサが被測定部に充分かつ均等に密着固定されていればよいが、そうでない場合、被測定部の歪みがＦＢＧに伝わらずセンサとして機能しない。ＦＢＧが長さ方向に不均一な歪み、固定を行うと、反射波形のピークが歪み、歪みによる波長シフトが計測できない。センサ部が外部環境にさらされており、温度湿度等の環境変動によりセンサ部が容易に剥がれる場合がある。【解決手段】光ファイバのファイバブラッググレーテイング（ＦＢＧ）を有する部分を固定層の中に固定し、該固定層の両面を弾性材料からなるシートで挟持してＦＢＧセンサ部とし、前記該ＦＢＧセンサ部の一方面を接着層を介して被測定部に密着し、他面には緩衝層を介して押圧板を有することとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバのファイバブラッググレーテイング（ＦＢＧ）を有する部分を固定層の中に固定し、該固定層の両面を弾性材料からなるシートで挟持してＦＢＧセンサ部とし、前記該ＦＢＧセンサ部の一方面を接着層を介して被測定部に密着し、他面には緩衝層を介して押圧板を有することを特徴とするファイバ型センサ。
【請求項２】
光ファイバのファイバブラッググレーテイング（ＦＢＧ）を有する部分を固定層の中に固定し、該固定層の一方面を弾性材料からなるシートを介して接着層で被測定部に密着し、他方面には緩衝層を介してシートで覆い、該シートの縁部を押圧板で固定して上記緩衝層に引っ張り応力を与えたことを特徴とするファイバ型センサ。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載のファイバ型センサを複数個直列接続して上記センサ部を被測定部に密着し、ファイバカプラを介して広帯域光源及び波長計に接続してなることを特徴とするセンシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバブラッググレーテイング（Fiber Bragg Grating：略してＦＢＧ）を用いて、歪み、振動を測定するファイバ型センサ、及びそれを用いたセンシングシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＦＢＧは、ファイバのコアに一定の周期の屈折率変動を有する回折格子を記録することにより得られるもので、そのＦＢＧは、温度、歪み、振動を受けることにより、内部の回折格子の周期ｄ（図３のＦＢＧ部５参照）が変化し、回折格子からの反射光のピーク波長λが変化する。
【０００３】
ファイバ型センサ１５は、その変化量を換算することにより、温度、歪量を測定するものである。
【０００４】
ＦＢＧ部５が形成される光ファイバ１は、長距離伝送が可能であることや電磁的ノイズを受けないことが利点であり、１本の光ファイバ１に異なる周期の回折格子からなるＦＢＧ部５を複数設置することにより、１本の光ファイバ１に多数のＦＢＧセンサ部を設置することができる。
【０００５】
図９は、ＦＢＧを用いてセンシングシステムとした従来例であり、３ｄＢ分岐のファイバカプラ１２の一方のポートに広帯域光源１１と波長計１３を接続して、もう一方のポートに複数のＦＢＧセンサ部１０を直列に接続したものである。
【０００６】
広帯域光源１１から出射した光は、ファイバカプラ１２で２分岐し、ファイバ型センサ１５に入射する。
【０００７】
ＦＢＧ部５で反射した光は、ファイバカプラ１２に戻り２分岐され、反射光の半分が波長計１３に入射することで、ファイバ型センサ１５内のＦＢＧ部５での反射波長を計測することができる。
【０００８】
ＦＢＧの製法は、外径２５０μｍのファイバ素線の保護被覆を剥がし、外径１２５μｍの石英硝子のクラッド部を露出する。
【０００９】
そこに紫外線照射をしてファイバコア内に誘起屈折率変化による周期的な屈折率変動を生じさせ、ＦＢＧ部５を形成する。
【００１０】
このようにして製作したＦＢＧセンサ部１０として用いる場合、被測定部７に紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂で再被覆または未被覆の状態で、エポキシ系接着剤により被測定部と固定する。
【００１１】
又はＦＢＧ部５を保護する為、被測定部７上に薄いフィルム状のシート３を介し、その上にＦＢＧ部５を樹脂により固着して用いるものもある（特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００１−１３３３４
【特許文献２】特開２００１―２９６１１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、こうした特許文献１，２の従来技術では、被測定部７に対しＦＢＧ部５の固着が充分でないと、被測定部７の変動を正確に伝達することは難しく、正確な測定、信頼性のある固着をすることができない。
【００１３】
即ち、基本的に上方から均等に押圧する機構がなく、ＦＢＧを完全に被測定部に密着させる構造ではない。
【００１４】
また、センサが被測定部に充分かつ均等に密着固定されていればよいが、そうでない場合、被測定部の歪みがＦＢＧ部に十分に伝わらずセンサとして機能しない。
【００１５】
また、ＦＢＧが長さ方向に不均一な歪み、固定を行うと、反射波形のピークが歪み、歪みによる波長シフトが計測できない。
【００１６】
また、センサ部が外部環境にさらされており、温度湿度等の環境変動によりセンサ部が容易に剥がれる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記に鑑みて本発明は、光ファイバのファイバブラッググレーテイング（ＦＢＧ）を有する部分を固定層の中に固定し、該固定層の両面を弾性材料からなるシートで挟持してＦＢＧセンサ部とし、前記該ＦＢＧセンサ部の一方面を接着層を介して被測定部に密着し、他面には緩衝層を介して押圧板を有することを特徴とするものである。
【００１８】
また、光ファイバのファイバブラッググレーテイング（ＦＢＧ）を有する部分を固定層の中に固定し、該固定層の一方面を弾性材料からなるシートを介して接着層で被測定部に密着し、他方面には緩衝層を介してシートで覆い、該シートの縁部を押圧板で固定して上記緩衝層に引っ張り応力を与えたことを特徴とするものである。
【００１９】
さらに、上記ファイバ型センサを複数個直列接続して上記センサ部を被測定部に密着し、ファイバカプラを介して広帯域光源及び波長計に接続してなることを特徴とするものである。
【００２０】
これにより、簡素な構造でセンサ部全体を押圧、固定することができる。
【００２１】
またセンサ部全面を押圧、均等に密着固定させると同時に剥がれることのないファイバセンサを実現することができる。
【００２２】
さらに上記のファイバ型センサを複数個接続、被測定部に固着、ファイバカプラを介して、広帯域光源と波長計と接続し、正確な測定と環境変動に対し、信頼性のあるセンシングシステムが実現できる。
【発明の効果】
【００２３】
以上から、本発明によるファイバ型センサを用いることにより、以下のような優れた効果を実現することができる。
【００２４】
また、緩衝部を介した押圧手段により、ＦＢＧセンサ部全体に対し、均等に押圧し、その圧力を平均化、正確な測定をすることができる。
【００２５】
また、固定層上のシートにより、押圧力をセンサ部全体に平均化すると同時に内部のＦＢＧを保護することができる。
【００２６】
また、固定層上のシートの側面を伸ばしそれでセンサ部全体を押圧することにより、簡素な構造でセンサ部全体を押圧、固定することができ、センサ部全面を押圧、均等に密着固定させると同時に、温湿度が変化する厳しい外部環境においても剥がれることのなく、正確に測定可能なファイバセンサを実現することができる。
【００２７】
また、上記ファイバ型センサを複数個直列に接続、被測定部に設置、広帯域光源、波長計と接続することにより、高信頼なセンシングシステムが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明のファイバ型センサの一実施形態について説明する。
【００２９】
図１、図２、図３は、本発明のファイバ型センサの第１の実施形態の構成を示したものである。
【００３０】
図１（ａ）は、上面からみた概観図、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図、図２は、第１図（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、図３は、図１（ｂ）のＣ部を示した詳細図である。
【００３１】
本発明のファイバ型センサ１５は、図１に示したようにＦＢＧ部５を有するファイバ１を１本乃至複数本をフィルム状のシート３上の固定層４により固定したものである。
【００３２】
ＦＢＧ部５は光ファイバ１の保護被覆を剥がし、外径１２５μｍのクラッドを露出させ、その部分に一定の周期ｄの屈折率変動を有する回折格子を、紫外線照射プロセスを用いることにより設けたものであり、その長さは１０〜１５ｍｍ程度である。
【００３３】
回折格子の周期ｄは、使用する露光用マスクのパターンを変えること等で対応可能であり、それにより反射する光のピーク波長λを設定することができる。
【００３４】
図２の温度検出用のファイバ型センサとしては、温度検出部６は、ファイバ１のＦＢＧ部５を固定層４内の一部設けた空間にたるませた状態で両端を固定層４にて固定したものである。
【００３５】
そうすることによりＦＢＧ部５は温度変化による石英の線膨張で回折格子の周期ｄに影響し、反射光のピーク波長λが変化するため、温度変化を算出することができる。
【００３６】
温度検出部６のＦＢＧ部５は光ファイバ１に保護被覆を付けた状態で設置した方が信頼性上好ましい。
【００３７】
又、歪検出用のファイバ型センサとしては、ＦＢＧ部５の保護被覆も剥がさず付けた状態で設置してもよいが、その場合、シート３、固定層４との線膨張係数など材料特性を合わせた方が、異なる材質の境界でのクリープの発生がなく好ましい。
【００３８】
シート３の材質は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ガラス繊維強化プラスチック、ガラスがよく、高弾性材で滑りがないため歪み応力の伝達に優れ、光ファイバを線形的に歪ませることができる。
【００３９】
これらの材料は、ＦＢＧセンサ部１０の耐熱性、耐薬品性、耐水性を向上させることができる。
【００４０】
又、ＦＢＧ部５をシート３に固定する固定層４の材質は、シート３と同様にポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂がよく、ＦＢＧセンサ部１０の耐熱性、耐薬品性、耐水性、耐久性を向上させることができる。
【００４１】
押圧板２は、緩衝層８を介してＦＢＧセンサ部１０全体を上面から押して被測定部７の面上に均一に密着させるためのもので、押圧板２の両側を被測定部７の両側面に固定する。
【００４２】
押圧板２は、アルミニウム、ステンレス、銅などの金属材料の他、樹脂材料を用いてもよい。
【００４３】
特に押圧板２を金属材料とした場合、固定に溶接を使用することができ、あるいは接着、半田付けによる方法など使い分けすることがきる。
【００４４】
緩衝層８は、押圧板２からの加重を固定層４の全体に均一化するためのもので、緩衝層８が加重により歪むことで、ＦＢＧセンサ部１０の全面に数百グラム程度の加重がかかるようにする。
【００４５】
ＦＢＧセンサ部１０に掛かる加重は、緩衝層８の面積、材質、歪量、その弾性係数により決まる。
【００４６】
材料としては、ゴム系材料、ウレタン系材料、シリコン系材料、ポリエチレン系材料の高弾性材を使用することができ、各材料の弾性係数と緩衝層材の面積と歪みによりＦＢＧセンサ部１０への適切な付加荷重を設定することができる。
【００４７】
図３は、図１（ｂ）Ｃ部詳細を示したもので、センサ部のＦＢＧ部の詳細を示したものであり、反射光のピーク波長λは、以下の式で示される。
【００４８】
λ＝２×ｎ×ｄ（ｎ：ファイバコアの等価屈折率、ｄ：ＦＢＧの格子間隔）
光ファイバ１が伸びるとそれに合わせ周期ｄが長くなるため、反射光のピーク波長λは長くなり長波長側にシフトし、逆に光ファイバ１が縮むと短波長側にシフトする。
【００４９】
接着層９、シート３、固定層４には、高い弾性を有するポリイミド系、エポキシ系の材料などを使用することにより、被測定部７で発生する歪みを、広範囲に滑りなくＦＢＧ部５に伝達することができる。
【００５０】
接着層９はＦＢＧセンサ部１０のシート３に薄くのばし被測定部７に接着されるが、接着時に生じる不均一な歪みを平均化する為には、押圧板２から荷重を付加して被測定部７とＦＢＧセンサ部１０の密着性を強化するとよい。
【００５１】
それにより、貼り付け型ファイバセンサの歪み出力Δεは、
Δε＝α×Δλ（α：波長歪係数、Δλ：ＦＢＧの波長シフト量）となる。
【００５２】
図７（ｂ）は、波長シフト量と歪の関係を示したもので、本発明のファイバ型センサ１５を使用した場合、押圧板２によりＦＢＧセンサ部１０の下面での滑りもなく正確に機能しており、設計値通りの特性を示しているが、従来例の場合は、歪みが大きくなると途中で滑りが生じ、波長が短波長側にシフトし、正確な歪量の測定ができない。
【００５３】
図４は、本発明による３軸型センサの実施形態で、ＦＢＧ部５を有する光ファイバ１を３本４５°間隔で回転した状態で固定したものであり、各光ファイバ１同士の交差部分は、歪みによる干渉をなくす為、各光ファイバ１のＦＢＧ部５が重ならないようにしているが、基本的な構造は図１の実施形態の場合と同じものである。
【００５４】
図５は、本発明によるファイバ型センサ１５の他の実施形態で、上面のシート３を押圧板２として使用した場合の実施形態である。
【００５５】
その場合、緩衝層８はシート３の下に設置され、それを介してファイバ１を固定している固定層４を押圧する。
【００５６】
その時の押圧力は、上面のシート３を両側からＰの加重が掛かった場合、２×Ｐｓｉｎθで示される。
【００５７】
図６は、図５のファイバ型センサ１５を円筒状の被測定部７に密着した場合の実施形態で、弾力性のある固定層４と押圧板２により、円筒形状に対してもＦＢＧセンサ部１０の下面を被測定部７の面に密着して固定して歪み測定することができる。
【実施例】
【００５８】
本発明の実施例として、図１に示したファイバ型センサを製作して評価した。
【００５９】
フィルム状のシート３には、長さ４５ｍｍ幅２０ｍｍ厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを用い、固定層４はシート３と同じサイズの厚さ０．５ｍｍのエポキシ系樹脂の接着剤を用い、光ファイバ１のＦＢＧ部５は、長さ１５ｍｍで中心波長が１５５３ｎｍに設定されたものを用い、１０００マイクロストレインの引っ張り歪みを与えて固定した。
【００６０】
ここでマイクロストレインとは、歪みεのことであり、Ｌをもとの長さ、ΔＬを伸びた長さとしたときε＝ΔＬ／Ｌで表される無次元数であり、例えば、Ｌ＝１０００（ｍｍ）、ΔＬ＝０．０１（ｍｍ）とすると歪みεは、
ε＝０．０１／１０００＝０．０００１＝１００×１０−６＝１００マイクロストレイン
という言い方をする。
【００６１】
歪検出用としてのＦＢＧ部５は保護被服を剥がし、温度検出用としてのＦＢＧ部５は、固定層４がない空間を設け、保護被覆を再コートした状態でたるませて設置した。
【００６２】
その上に長さ５０ｍｍ幅２０ｍｍ厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを固定して、上面に厚さ１ｍｍのウレタン製の緩衝層８を設け、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板からなる押圧板２により０．５Ｎで押圧して全体を密着して固定した。
【００６３】
次に、比較例として図１０（ａ）で示したファイバ型センサ１５も製作した。
【００６４】
シート３にはサイズは長さ４５ｍｍ幅２０ｍｍ厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを使用し、ＦＢＧ部５は、中心波長１５５７ｎｍのもので、１０００マイクロストレインの引っ張り歪みを与え、厚さ０．５ｍｍ程度のエポキシ系接着剤からなる固定層４に固定した。
【００６５】
測定系は、図９に示した測定系を用い、広帯域光源１１として出力１３ｄＢｍのＣバンドＡＳＥ光源、波長計１３としては確度±１．５ｐｍ、測定時間０．５秒のものを使用し、ファイバカプラ１２の２分岐側に各ファイバ型センサ１５を並列接続したものである。
【００６６】
上記各ファイバ型センサ１５を長さ３０ｃｍ幅２０ｃｍの厚さ１ｍｍの鋼板の中心部に平行に設置固定し、各光ファイバ１の端をファイバカプラ１２と接続し、鋼板をたわませることにより歪みを与え、その反射波長を波長計１３で測定をした。
【００６７】
図７はその測定結果で、（ａ）は１０００マイクロストレインの歪量を一定に固定した状態での波長シフト量と時間との関係である。
【００６８】
本発明のファイバ型センサ１５による計測結果は、波長シフトが殆どなく、非常に安定した状態を維持している。
【００６９】
これに対し比較例では、ＦＢＧセンサ部５の下面と被測定部７との面での滑りの影響で、波長シフト量が時間経過と共に変化しており、正確な測定を維持することができない。
【００７０】
図７（ｂ）は、歪量（１００〜１２００マイクロストレイン）と波長シフト量の関係であるが、本発明のファイバ型センサ１５は、設計値に近い値で波長がシフトしている。
【００７１】
これに対して比較例では、歪量が大きくなると、被測定部７の面または、固定層４内でクリープが生じて歪みが大きくなる。
【００７２】
そのため不連続に波長がシフトして波長シフト量が線形で推移しない為、その分歪誤差が生じる。
【００７３】
図８は、上記本発明の実施例と比較例のファイバ型センサ１５に温度補償を施し、歪量を測定した場合のグラフである。
【００７４】
本発明の実施例の場合、温度補償に再現性があり、温度変動により生じる歪量の影響を殆ど除去できる。
【００７５】
比較例の場合は、十分な密着ができない為に温度補償に再現性がなく、温度変動により生じる歪量の影響によりばらつきが発生する。
【００７６】
以上の結果から、本発明によるファイバ型センサ１５を用いることにより、被測定部７への密着性が向上、温度変化などの環境変動に対し強く、正確な測定を維持することができることを示した。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明によるファイバ型センサの外観図であり、（ａ）は本発明によるファイバ型センサの上面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】図１（ｂ）のＣ部詳細を示す断面図である。
【図４】本発明によるファイバ型センサの３軸センサであり（ａ）は図４（ｂ）のＤ−Ｄ断面図、（ｂ）は本発明のファイバ型３軸センサの断面図である。
【図５】本発明の他のファイバ型センサの断面図である。
【図６】図５に示したファイバ型センサを被測定部に取付けた断面図である。
【図７】本発明と従来のファイバ型センサの特性を比較したグラフであり、（ａ）は波長シフト量と時間の関係、（ｂ）は、波長シフト量と歪みの関係を示したグラフである。
【図８】本発明と従来のファイバ型センサの温度特性を示したグラフである。
【図９】ファイバ型センサを用いたシステム構成の模式図である。
【図１０】従来のファイバ型センサを示した図であり、（ａ）（ｂ）は従来例の上面図及び断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１．光ファイバ
２．押圧板
３．シート
４．固定層
５．ＦＢＧ部
６．温度検出部
７．被測定部
８．緩衝層
９．接着層
１０．ＦＢＧセンサ部
１１．広帯域光源
１２．ファイバカプラ
１３．波長計
１４．測定部
１５．ファイバ型センサ
【図１】
2005134199.tif 000003
【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】
2005134199.tif 000009
【図８】
2005134199.tif 000010
【図９】
2005134199.tif 000011
【図１０】
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