(57)【要約】【課題】  構造体の内部欠陥の診断に好適な高感度で取り扱い容易な振動検知センシング素子を提供する。【解決手段】  被測定物に振動を与えるピエゾ素子１２と、上記被測定物からの振動によって光ファイバ内を伝搬する光に変化を与える光ファイバ１４とを有し、上記ピエゾ素子１２と光ファイバ１４とを共通のシートに設けたものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に振動を与えるピエゾ素子と、上記被測定物からの振動によって光ファイバ内を伝搬する光に変化を与える光ファイバとを有し、上記ピエゾ素子と上記光ファイバとを共通のシートに設けたことを特徴とする振動検知センシング素子。
【請求項２】
上記光ファイバは、上記被測定物からの振動に応じて光の反射波長に変化を与えるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を設けた請求項１記載の振動検知センシング素子。
【請求項３】
上記光ファイバは、一部がコイル状に巻かれ、該コイル状の部分が上記被測定物からの振動に応じて光の伝搬波長に変化を与える請求項１記載の振動検知センシング素子。
【請求項４】
上記光ファイバは、クラッド直径が１２５μｍよりも細径である請求項１〜３いずれか記載の振動検知センシング素子。
【請求項５】
上記光ファイバは、ポリイミド被覆されている請求項１〜４いずれか記載の振動検知センシング素子。
【請求項６】
上記シートは、ポリイミドシート或いは強化繊維を含んだ複合材料からなる部材である請求項１〜５いずれか記載の振動検知センシング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバとピエゾ素子を用いて振動或いは音響を検知するセンシング素子に係り、特に構造物の健全性診断に於ける内部欠陥検知に有効なセンシング素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光ファイバを用いたセンサは、電磁誘導の障害を受けることがなく、小型、軽量で柔軟性に優れた設置が可能なことから、建築、土木、航空、宇宙などの様々な分野での積極的な適用が検討されている。特にファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating、以下、ＦＢＧと言う。）を用いた光センサは、ＦＢＧに加わる歪を反射戻り光の波長変化に変換して計測するもので、構造物に加わる歪や側圧、振動などを検知するセンサとして注目されている。
これらのセンサは、主に外部から加えられた外力によって生じた歪や振動を検知するものであり、センサが設置された付近の挙動や形状を検知することができる。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２１０７６４号公報
【特許文献２】特開平９−４７０４６号公報
【非特許文献１】日本機械学会２００２年度  年次大会  「新規光ファイバセンサの開発と構造ヘルスモニタリングへの応用」影山和郎他
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の歪計測を目的とした光ファイバセンサでは測定対象物である構造体の内部欠陥、例えば剥離や空隙などの状況を把握することができない。このような構造体内部の状態を把握するセンサとして、種々の音響センサが提案されているが、前述のような光ファイバセンサの特徴を生かしたより高感度なセンシング方式が求められている。
【０００６】
光ファイバを利用して振動などの波を検知するセンサとして、ＦＢＧを用いてその反射波長を検出する方式や湾曲した光ファイバが伸縮することにより生じるドップラ周波数シフトを検出する方式のセンサが提案されている。これらのセンサは、振動波を受信するセンサとして働く。構造体の内部欠陥を検出するためには、欠陥検知に必要な精度の良い振動波を発生させる発振源が必要である。すなわち、構造体内部の健全性診断には振動を発生させる発振源と受信器（振動検知センサ）が対として必要になる。これらの素子を分離して設ける従来の構成では、構造体への取り付けが複雑になり、充分なセンシング感度を得ることができないと言う問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、構造体の内部欠陥の診断に好適な高感度で取り扱い容易な振動検知センシング素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、被測定物に振動を与えるピエゾ素子と、上記被測定物からの振動によって光ファイバ内を伝搬する光に変化を与える光ファイバとを有し、上記ピエゾ素子と上記光ファイバとを共通のシートに設けたものである。
【０００９】
第２の発明は、上記光ファイバは、上記被測定物からの振動に応じて光の反射波長に変化を与えるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を設けたものである。
【００１０】
第３の発明は、上記光ファイバは、一部がコイル状に巻かれ、該コイル状の部分が上記被測定物からの振動に応じて光の伝搬波長に変化を与えるものである。
【００１１】
第４の発明は、上記光ファイバは、クラッド直径が１２５μｍよりも細径であるものである。
【００１２】
第５の発明は、上記光ファイバは、ポリイミド被覆されているものである。
【００１３】
第６の発明は、上記シートは、ポリイミドシート或いは強化繊維を含んだ複合材料からなる部材である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、構造体の内部欠陥の診断に好適な高感度で取り扱い容易な振動検知センシング素子を実現できる優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１６】
図１は、本発明の好適実施の形態である振動検知センシング素子を示す。
【００１７】
振動検知センシング素子１は、上下２枚のポリイミドフィルムからなるシート１１、１１と、発振源であるピエゾ素子１２と、光ファイバ内を光が伝搬する光ファイバ１４と、光ファイバ１４に設けられたＦＢＧで形成されるＦＢＧセンサ１３と、図示しない電源からピエゾ素子１２に電力を供給するための電線１５とを備えて構成される。
【００１８】
振動検知センシング素子１は、図示しない被測定物（測定対象物）に密着して取り付けられており、被測定物（以下、構造体と言う。）は、振動検知センシング素子１に取り付けられたピエゾ素子１２から発する振動を伝搬する。
【００１９】
振動検知センシング素子１は、２枚のシート１１、１１にピエゾ素子１２及びＦＢＧセンサ１３を挟み込んで一体化させた構造となっている。また、２枚のシート１１、１１に挟み込む代わりに、１枚のシート１１にピエゾ素子１２及びＦＢＧセンサ１３を埋め込んで一体化させた構造としてもよいし、シート１１にはポリイミドフィルムの代わりにカーボンＦＲＰプリプレグなどからなる複合積層部材を用いてもよい。
【００２０】
ピエゾ素子１２は、電線１５からピエゾ素子１２に印加される電圧により特定の周波数で発振、振動する圧電振動部品である。
【００２１】
光ファイバ１４の一端には、図示しない波長計測器が接続されており、波長計測器は図示しない光源を内蔵している。波長計測器に内蔵された光源は、広波長帯域を有した光源光を発し、波長計測器は、ＦＢＧセンサ１３からの反射戻り光の波長を計測する。
【００２２】
ＦＢＧセンサ１３は、光ファイバ１４の長手方向に一定間隔で屈折率の異なる部分（ＦＢＧ）を設けたセンサ部品である。光ファイバ１４を光が伝搬する時に、ＦＢＧセンサ１３へ伝搬される入射光のうちＦＢＧ間隔の２倍の波長の光は、ＦＢＧセンサ１３で共振反射し、入射側へ戻される。その他の波長の光がＦＢＧセンサ１３に達した際には、光はＦＢＧをそのまま通過し反射しない性質をＦＢＧは有している。
【００２３】
この特定の波長の光を反射する性質のため、一本の光ファイバ１４に異なるＦＢＧ間隔を有する複数のＦＢＧセンサ１３を設けることができ、各々のＦＢＧセンサ１３は設けられたＦＢＧ間隔に応じた特定の波長の光を反射することになる。
【００２４】
光ファイバ１４が外部から歪や振動等により力を受けると、力を受けた部分でＦＢＧセンサ１３に歪が生じ、ＦＢＧに発生した歪に応じてＦＢＧセンサ１３で反射する光の波長が変化（シフト）する。
【００２５】
次に、振動検知センシング素子１の作用を説明する。
【００２６】
ピエゾ素子１２は、ピエゾ素子１２に印加される電圧により特定の周波数で発振する。ピエゾ素子１２が発振することにより生じた特定の周波数をもつ振動は、図示しない構造体を伝搬し、ＦＢＧセンサ１３に達する。
【００２７】
ここで、振動が伝搬する建築物等の構造体が均一な材質であり、構造物に歪や側圧が加わってなく、内部欠陥（例えば剥離や空隙）がない状態では、ピエゾ素子１２で発生した振動はそのままＦＢＧセンサ１３に到達し、ＦＢＧセンサ１３が振動を検知する。ＦＢＧセンサ１３で反射する光の波長の変化は、検知した振動に対応する。
【００２８】
構造体に歪や側圧が加わったり、クラック（亀裂）が生じ剥離や空隙ができたような状態では、歪やクラックの部分で伝搬してきた振動に乱れを生じる。この振動の乱れは、ＦＢＧセンサ１３に於いてＦＢＧで反射する光の波長の変化として現れる。
【００２９】
このＦＢＧセンサ１３の反射波長の変化を波長計測器で計測することで、振動検知センシング素子１は構造体に歪やクラック等が生じたことを検知することが出来る。
【００３０】
以上説明したように、ＦＢＧに加わる歪を反射戻り光の波長変化に変換して計測することで、構造物に加わる歪や側圧、振動などを検知する振動検知センシング素子を実現できる。
【００３１】
また、発振源となるピエゾ素子１２と受信器となるＦＢＧセンサ１３とが場所によらず均一な構造を有する均一な材料のシート１１に一体化された構造となるので、不要な波形変動の要因を除くこともできる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００３３】
図２は、コイル状に巻かれた光ファイバをセンサとする振動検知センシング素子を示す。
【００３４】
振動検知センシング素子２は、上下２枚のポリイミドフィルムからなるシート１１、１１と、発振源であるピエゾ素子１２と、光ファイバ内を光が伝搬する光ファイバ１４と、光ファイバ１４に設けられたコイル状のループセンサ２３と、図示しない電源からピエゾ素子１２に電力を供給するための電線１５とを備えて構成される。
【００３５】
振動検知センシング素子２は、２枚のシート１１、１１にピエゾ素子１２及びループセンサ２３を挟み込んで一体化させた構造となっている。
【００３６】
光ファイバ１４の一端には、図示しない光源が接続されており、光ファイバ１４の他端には図示しない波長計測器が接続されている。
【００３７】
ループセンサ２３は、光ファイバ１４をコイル状に巻いて形成され、図示しない構造体を介して伝搬したピエゾ素子１２からの振動を検知するために設けられたセンサである。ループセンサ２３は、コイル状に巻かれた部分に振動や音響が作用した場合には、光源からの入力された光は、ループセンサ２３を通過する時に光の波長が変化する。すなわち、ループセンサ２３は、コイル状に巻いた光ファイバ１４の伸縮により生じるドップラ周波数シフトを検出するセンサとして働く。
【００３８】
次に、振動検知センシング素子２の作用を説明する。
【００３９】
ピエゾ素子１２は、ピエゾ素子１２に印加される電圧により特定の周波数で発振する。ピエゾ素子１２が発振することにより生じた特定の周波数をもつ振動は、図示しない構造体を伝搬し、ループセンサ２３に達する。
【００４０】
ここで、振動が伝搬する建築物等の構造体が均一な材質であり、構造物に歪や側圧が加わってなく、内部欠陥（例えば剥離や空隙）がない状態では、ピエゾ素子１２で発生した振動はそのままループセンサ２３に到達し、ループセンサ２３が振動を検知する。ループセンサ２３を伝搬、通過する光の波長の変化は、検知した振動に対応する。
【００４１】
構造体に歪や側圧が加わったり、クラック（亀裂）が生じ剥離や空隙ができたような状態では、歪やクラックの部分で伝搬してきた振動に乱れを生じる。この振動の乱れは、ループセンサ２３に於いて伝搬、通過する光の波長の変化として現れる。
【００４２】
このループセンサ２３の通過波長の変化を接続された波長計測器で計測することで、振動検知センシング素子２は構造体に歪やクラック等が生じたことを検知することが出来る。
【００４３】
ここで、ループセンサ２３は、曲げ半径が小さいほど或いは、巻き数が多いほど高感度になることが分かっている。しかし、曲げ半径が小さくなるほど、光ファイバ１４自体の破断確率は高くなる。これを、避けるためにループセンサ２３部分を含め、シート１１或いは積層部材内の光ファイバ１４は細径にし、より小さい曲げ半径で曲げるとよい。
【００４４】
通常のクラッド径１２５μｍの光ファイバでは曲げ半径３０ｍｍ程度であるが、クラッド径４０μｍの細径光ファイバでは曲げ半径１０ｍｍ程度まで曲げても長期に亘り破断することはない。
【００４５】
細径のループセンサ２３は、伝送用の通常径（例えばクラッド径１２５μｍ）の光ファイバ１４とはシート１１の端部付近で突き合わせ接続を行うとよい。
【００４６】
また、図１および図２に示した光ファイバ１４は、シート１１或いは積層部材内に挟み込んだり、埋め込んだりする過程に於いて約１８０℃の温度に曝される。そのため、通常の紫外線硬化樹脂被覆では、樹脂の硬度が増し常温に戻った状態での被覆層と光ファイバ１４のガラス部分との間で滑りが発生して、この滑りのため伝搬する振動波の検知の精度が低下する。これを避けるために、ポリイミド被覆の光ファイバを使用することは極めて有効である。
【００４７】
また、更に好適にはシート或いは積層部材は、ポリイミドシート或いは強化繊維を含んだ複合材料からなる部材とするとよい。このような複合部材を用いることにより、耐熱性に優れた、或いは被検知体構造と一体化された振動検知センシング素子が得られる。
【００４８】
以上説明したように、ループセンサ２３に加わる歪を通過する光の波長変化に変換して計測することで、構造物に加わる歪や側圧、振動などを検知する振動検知センシング素子を実現できる。
【００４９】
また、発振源となるピエゾ素子１２と受信器となるループセンサ２３とが同じ構造、材料のシート１１に一体化された構造となるので、不要な波形変動の要因を除くこともできる。
【００５０】
更により好適には、シート或いは積層部材内に挟み込まれた或いは埋め込まれた光ファイバは、シート或いは積層部材外に接続された（取り出された）光ファイバよりも、そのクラッド径が細径になるようにした。
【００５１】
光ファイバのクラッド径が小さいほど、光ファイバセンサをシートに挟み込んだり、埋め込んでもセンサ周辺には大きな構造変化をもたらさないので、より高感度で振動の検知ができる。
【００５２】
また、ポリイミド被覆の光ファイバ１４を使用するので、精度の高い振動検知センシング素子１、２が得られる。
【００５３】
また、シート１１或いは積層部材は、ポリイミドシート或いは強化繊維を含んだ複合材料を用いることにより、耐熱性に優れた、或いは被検知体構造と一体化された振動検知センシング素子１、２が得られる。
【００５４】
次に、振動検知センシング素子１、２の実施例を示す。
【実施例１】
【００５５】
図３に、振動検知センシング素子１、２を用いた実施例１を示す。
【００５６】
実施例１は、ピエゾ素子１２とＦＢＧセンサ１３（または、ループセンサ２３）が一体となっている振動検知センシング素子１、２のシート１１を折り返し、測定対象物である構造体３１を挟み込み使用した例である。
【００５７】
これにより、ピエゾ素子１２で生じた振動は、構造体３１の厚さ方向に伝搬し、この振動をＦＢＧセンサ１３（または、ループセンサ２３）で検知する事により、構造体３１の内部欠陥を検知することが出来る。
【実施例２】
【００５８】
図４に、実施例２を示す。
【００５９】
実施例２は、ピエゾ素子１２とＦＢＧセンサ１３（または、ループセンサ２３）とが一体となっている振動検知センシング素子１、２のシート１１を対向して２枚使用し、測定対象物である構造体３１を挟み込んだ例である。
【００６０】
一方のシート１１に設けられたピエゾ素子１２と、他のシート１１に設けられたＦＢＧセンサ１３（または、ループセンサ２３）とは、構造物３１を挟んで対向するように配置されている。
【００６１】
ピエゾ素子１２で生じた振動は、構造体３１の厚さ方向に伝搬し、この振動をＦＢＧセンサ１３（または、ループセンサ２３）で検知する事により、構造体３１の内部欠陥を検知することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
振動検知センシング素子は、建築、土木、航空、宇宙などの様々な分野で利用でき、構造体の内部欠陥、例えば剥離や空隙などの状況を把握するのに有効な感度の高いセンサである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】ＦＢＧセンサを用いた振動検知センシング素子の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】コイル状のループセンサを用いた振動検知センシング素子の実施の形態を示す斜視図である。
【図３】振動検知センシング素子の実施例１を示す適用図である。
【図４】振動検知センシング素子の実施例２を示す適用図である。
【符号の説明】
【００６４】
１１  シート（ポリイミドフィルム）
１２  ピエゾ素子
１３  ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧセンサ）
１４  光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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