(57)【要約】【課題】光センサのためのファイバ引き留め方法【解決方法】本発明は、概して、光ファイバに軸方向に向かって付加される引張力を変更して、ファイバ内を伝播される光の光学性質に変化を生じさせることにより、光ファイバに物理的ひずみを付与する光センサに関する。光センサのための方法、装置、および装置構成が提供される。本発明は、高温および高湿環境においてさえも、クリープをほとんどまたは全く伴うことなく、ファイバを引張下にて保持することが可能なファイバホルダを提供する。本発明の例証的なファイバホルダは、オリジナルのファイバの引張強度を保持しながら、エポキシおよび他の接着剤を超える非常に優れた保持性質を提供する。本発明はさらに、環境条件の監視、物理性質および機械的現象の測定に特に有用なファイバホルダおよびセンサを提供する。【選択図】  図１Ａ
2007333717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ保持装置であって、
ボアまたはスロットを有するファイバホルダを備え、前記ボアまたはスロットは、前記ファイバホルダの縦軸に沿って延びており、
光ファイバをさらに備え、前記光ファイバは、前記ファイバホルダ内部の前記ボアまたはスロット内を通り、前記ファイバホルダの縦軸と平行に向いており、
前記光ファイバと前記ホルダの間に形成され、前記ファイバホルダの前記ボアまたはスロット内に少なくとも一部分が形成されるガラスまたは金属密封をさらに備える、光ファイバ保持装置。
【請求項２】
前記密封はガラス密封である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光ファイバは保護コーティングを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光ファイバと前記ファイバホルダの間の前記密封は、前記ファイバの前記保護コーティングの上に形成されている、請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項５】
前記光ファイバは、前記密封工程の最中に除去されない保護コーティングを有する、請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項６】
前記ガラス密封材料は、前記光ファイバの熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する、請求項２に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項７】
前記ファイバホルダ材料は、前記ガラス密封材料の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する、請求項２に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項８】
圧縮密封が形成される、請求項２に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項９】
前記ファイバホルダ材料は、前記ガラス密封材料の熱膨張係数と実質的に一致する熱膨張係数を有する、請求項２に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１０】
前記ファイバホルダは、ステンレス鋼、コバール（Ｋｏｖａｒ）、またはインバール（Ｉｎｖａｒ）で製造される、請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１１】
前記ファイバホルダは、少なくとも一部分が前記ホルダの前記ボアまたはスロット内に形成された密封保持空洞を有する、請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１２】
前記ファイバは、ポリイミド、カーボン／ポリイミド、またはカーボン／シリコン／ＰＦＡからなるポリイミド保護コーティングを有する、請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１３】
前記ファイバは、金、銅、またはアルミニウムからなる金属保護コーティングを有する、請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１４】
前記密封材料は金属合金である、請求項１３に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１５】
前記密封材料は、鉛、スズ、銀、インジウム、金、または銅を備える金属合金半田である、請求項１４に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１６】
ボアまたはスロットを有する第２ファイバホルダをさらに備え、前記ボアまたはスロットは、前記ファイバホルダの縦軸に沿って延びており、
保護コーティングを設けた前記光ファイバは、前記第２ファイバホルダ内の前記ボアまたはスロット内部を通り、前記第２ファイバホルダの前記縦軸と平行に向いており、
第２のガラスまたは金属密封をさらに備え、前記第２のガラスまたは金属密封は、前記光ファイバの周囲に形成され、また、少なくとも一部分が前記ファイバホルダの前記ボアまたはスロット内に形成され、前記コーティング被覆した光ファイバと前記第２ファイバホルダの間に密封を形成しており、
前記第１および第２ファイバホルダは、前記ファイバに沿って２つの引き留め点を形成しながら、前記光ファイバに沿って離間している、請求項１に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１７】
１つ以上の追加のファイバホルダをさらに備え、前記追加のファイバホルダの各々は、前記ファイバホルダの前記縦軸に沿って延びたボアまたはスロットを有し、
前記保護コーティングを設けた光ファイバは、前記追加のファイバホルダの各々の前記ボアまたはスロットを通り、前記追加のファイバホルダの各々の前記縦軸と平行に向いており、
前記追加のファイバホルダの各々について、前記追加のファイバホルダの各々のための追加のガラスまたは金属密封が前記光ファイバの周囲に、また、少なくとも一部分が、前記追加のファイバホルダの前記ボアまたはスロット内に形成され、前記コーティング被覆した光ファイバと前記追加のファイバホルダの各々との間に密封を形成しており、
前記ファイバホルダは、前記光ファイバに沿って複数の引き留め点を形成しながら、前記光ファイバに沿って離間している、請求項１６に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１８】
前記ファイバは、前記２つの引き留め点の間に配置されたブラッグ回折格子を含む、請求項１６に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項１９】
前記ファイバは、１つ以上の引き留め点の間にブラッグ回折格子を含む、請求項１７に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項２０】
前記ファイバは、前記２つの引き留め点の間に長期間格子を含む、請求項１６に記載の光ファイバ保持装置。
【請求項２１】
光センサであって、
請求項１６に記載の光ファイバ保持装置を備え、
さらに第１ファイバホルダと第２ファイバホルダを、整列したこれらの軸方向ボアと共に維持する固定具を備え、
前記固定具の少なくとも一部分は、前記縦軸に沿った膨張、圧縮、またはこれらの両方に関連して弾性であり、前記光ファイバの１つ以上の光性質は、軸ひずみに晒されると変化する、光センサ。
【請求項２２】
前記密封はガラス密封である、請求項２１に記載の光センサ。
【請求項２３】
前記密封は、金属合金半田で形成されている、請求項２１に記載の光センサ。
【請求項２４】
ひずみを測定するための装置である、請求項２１に記載の光センサ。
【請求項２５】
変位を測定するための装置である、請求項２１に記載の光センサ。
【請求項２６】
温度を測定するための装置である、請求項２１に記載の光センサ。
【請求項２７】
圧力を測定するための装置である、請求項２１に記載の光センサ。
【請求項２８】
加速を測定するための装置である、請求項２１に記載の光センサ。
【請求項２９】
請求項２１に記載の前記光センサを採用する、光ファイバにおけるひずみを測定するための方法。
【請求項３０】
保護コーティングを有する光ファイバをファイバホルダ内に取り付ける方法であり、前記ファイバホルダと前記コーティング被覆した光ファイバの間にガラスまたは金属密封を提供するステップを備える、方法。
【請求項３１】
前記ガラスまたは金属密封は、少なくとも一部分が前記ファイバホルダのボアまたはスロット内に形成された密封保持空洞内に形成されている、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記光ファイバ全体は、前記ファイバホルダの前記ボアまたはスロットの全長にかけて延びている、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００５年６月１０日付けで提出された米国特許仮出願第６０／６８９、２４６号の利益を請求するものである。この出願は、全体が参照してここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
過去数年間で、光ファイバベースのセンサは、従来の電気センサの代替品として市場に受け入れられるようになった。土木構造物監視、石油およびガスのダウンホール、海洋、宇宙といった多くの用途において、光ファイバセンサは従来のセンサにはない利点をいくつか提供する。電子センサと違い、ファイバベースのセンサは、電磁干渉の影響を受けず、電気的に乱れのある環境に適している。さらに、ファイバベースのセンサは、容易に多重化することができるので、長距離に亘り、１本のファイバ上で多数のセンサを動作することを可能にする。ファイバベースのセンサは、限られた空間内で使用するために、超小型化および超軽量化することができる。ファイバベースのセンサは、高温および腐食性の環境に耐えるよう製造することができる。
【０００３】
関心の物理的性質を測定するために、様々な光学性質を利用した幅広い光センサが利用可能である。このセンサは、ファイバ内を伝播する光の振幅、位相、偏光、またはこれ以外の光学性質を変更することで、測定する物理的性質に反応するように設計されている。センサ設計に応じて、これらの光学性質の１つ以上を、信号応答機によって監視し、関心の物理的性質に変換することができる。
【０００４】
既知の発明は、ファイバに軸方向に付加される引張を変更して、ファイバを通って伝播する光の光学性質を変化させることにより、ファイバに物理的ひずみを付与するセンサタイプに注目している。このタイプのセンサでは、多くの場合、ファイバは機械的固定具内に取り付けられており、このファイバは、測定する物理的性質を、ファイバ内のひずみの量を変更する機械的変位量に変換する。センサを長時間に亘って精密に維持する必要がある場合には、ファイバを機械的固定具に取り付ける方法は非常に重要である。機械的固定具に対するファイバの任意の滑りまたはクリープにより、測定にドリフトが生じてしまう。
【０００５】
ファイバベースのセンサでは、ファイバを機械的固定具に取り付けるために、様々なエポキシおよびその他の接着剤を使用する。これらの接着剤は、適温および低湿度において使用する分には適切に機能するが、しかし、環境条件が悪化するに従って、接着剤が上手く広がらないクリープが生じる傾向にある。適度な条件下であっても、長期間に亘る耐久性を要する用途ではクリープは問題である。
【０００６】
米国特許第６，３１７，５５５号は、耐クリープ性の光ファイバ取り付け機構に関し、この場合、光ファイバのクラディングが「外部寸法の変化領域（拡張または後退する）」を有する。光ファイバのクラディングの直径が変化することで、フェルールの一部分と係合する変化領域が提供され、これにより、光ファイバがフェルール内に取り付けられる。ファイバは、相対動作またはクリープが最小の状態で、フェルールに対抗する引張下にて維持されると考えられている。フェルールは、例えばハウジングのような、より大きな構造またはその一部に取り付けることができる。バッファ層を、クラディングとフェルールの間に配置することで、ファイバを保護し、フェルール内へのファイバの固定を補助することができる。
【０００７】
米国特許第６，７６８，８２５号は、米国特許第６，３１７，５５５号の耐クリープ性の光ファイバ取り付け機構を採用した光センサについて記述している。この光センサは、特徴的な波長にて光信号を少なくとも部分的に反射させるためのブラッグ回折格子をファイバのコア内に設けた光ファイバを含む。このセンサ装置は、光ファイバのクラディング内の、ブラッグ回折格子の両側に配置された、光ファイバの取り付けを可能にするための２つの変化領域を有する。このファイバ取り付け部は、特徴的波長が圧力環境に従って変化できるよう、感圧構造に取り付けられている。
【０００８】
米国特許第６，７２６，３７１号は、コーティング被覆した光ファイバを光ファイバ固定具に固定するための機器に関する。この固定構造は、光ファイバが挿入される１つの穴を設けたフェルールを備えている。このフェルールはさらに、フェルールの側から光ファイバ挿入穴内へ貫通した開口部を備えている。
【０００９】
光ファイバクランプ留め部分を有する、側溝状の光ファイバ固定構成要素がこの開口部内に挿入され、光ファイバ上にクランプ留めされることで、フェルール内に保持される。
【００１０】
米国特許第６，６６８，１０５号は、非常に高感度のひずみ測定が可能と報告された光ファイバセンサ・フラットパックに関する。この特許は、苛酷な環境条件に耐性を有する気密パッケージを提供するために、プラスチック材料とラミネート製造技術を採用したパッケージングおよびパッケージング方法を提供する。
【００１１】
米国特許第５，３３７，３８７号は、金属構成要素に気密光ファイバを作成する方法に関する。金属シェルと金属被覆した光ファイバとの間にガラス気密密封が形成される。この方法は、耐久性に優れた高気密密封を形成するものとして便利であると記述されているが、光ファイバが引張下に置かれる感知用途にて使用するための、金属取り付け具への機械的耐久性に優れたファイバを形成するために、この方法を採用できるとの教示または示唆はない。
【００１２】
米国特許第４，３５７，０７２号は、光ファイバを発光ダイオードパッケージ内に密封する装置に関する。金属カラーの仲介を有する金属化したファイバが、ファイバ周囲に設けた半田のような低溶融点物質を溶融することにより、ホルダ内に固定される。仲介の金属カラーは、ファイバを発光ダイオードに関連して位置決め上で便利であると記述されている。この特許は、「比較的短い非金属化ファイバを使用でき、この場合には、低溶融点ガラスを環帯の材料として使用する」と記述している。しかしながら、非金属化ファイバの採用時にどのようにしてカラーを提供するかについての記述はない。ファイバの位置決めを迅速化し、曲げ力に対する強度を提供するために、ファイバをより硬質化かつ重量化するために、カラーは特に利益が多いと記述されている。この発明の密封方法および装置は、光ファイバを発光ダイオードに関連して取り付けし、整列させるために便利であると述べられている。しかし、採用するこの方法および装置が、光ファイバが引張下に置かれる感知用途に使用する金属取り付け具への機械的耐久性に優れたファイバを形成するために採用できるという教示または示唆はない。
【特許文献１】米国特許第６，３１７，５５５号
【特許文献２】米国特許第６，７６８，８２５号
【特許文献３】米国特許第６，７２６，３７１号
【特許文献４】米国特許第６，６６８，１０５号
【特許文献５】米国特許第５，３３７，３８７号
【特許文献６】米国特許第４，３５７，０７２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
光ファイバに密封を提供するいくつかの装置および方法が当技術分野において知られているが、光ファイバを、特にセンサ用途で使用する固定具内に取り付けるための、クリープを排除または最小化する代替的な方法および装置への必要性が当技術分野において依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、光ファイバ保持装置であり、ボアまたはスロットを有するファイバホルダを備え、ボアまたはスロットは、ファイバホルダの縦軸に沿って延びており、光ファイバをさらに備え、光ファイバは、ファイバホルダ内部のボアまたはスロット内を通り、ファイバホルダの縦軸と平行に向いており、光ファイバとホルダの間に形成され、ファイバホルダのボアまたはスロット内に少なくとも一部分が形成されるガラスまたは金属密封をさらに備える。密封はガラスで形成することができる。特定の実施形態では、光ファイバは保護コーティングを有する。
【００１５】
特定の実施形態では、光ファイバとファイバホルダの間に形成された密封は、ファイバの保護コーティングの上に形成される。特定の実施形態では、ガラス密封材料は、光ファイバの熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する。さらなる実施形態では、ファイバホルダ材料の熱膨張係数は、ガラス密封材料の熱膨張係数よりも大きい。特定の実施形態では、圧縮密封が形成される。別の実施形態では、ファイバホルダ材料の熱膨張係数は、ガラス密封材料の熱膨張係数とほぼ一致する。ファイバホルダは、ステンレス鋼、コバール（Ｋｏｖａｒ）、またはインバール（Ｉｎｖａｒ）で製造することができる。特定の実施形態では、ファイバホルダは、少なくとも一部分がホルダのボアまたはスロット内に形成された密封保持空洞を有する。ファイバは、ポリイミド、カーボン／ポリイミド、またはカーボン／シリコン／ＰＦＡの保護コーティングを有することができる。ファイバは、金、銅、またはアルミニウムからなる金属保護コーティングを有することができる。特に保護コーティングが金属である場合には、密封材料を金属合金であってよい。密封材料は、鉛、スズ、銀、インジウム、金、銅を備える金属合金半田であってよい。
【００１６】
光ファイバ保持装置は、ボアまたはスロットを有する第２ファイバホルダをさらに備え、ボアまたはスロットは、ファイバホルダの縦軸に沿って延びており、保護コーティングを設けた光ファイバは、第２ファイバホルダ内のボアまたはスロット内部を通り、第２ファイバホルダの縦軸と平行に向いており、第２のガラスまたは金属密封が光ファイバの周囲に形成され、また、少なくとも一部分がファイバホルダのボアまたはスロット内に形成され、コーティング被覆した光ファイバと第２ファイバホルダの間に密封を形成しており、第１および第２ファイバホルダは、ファイバに沿って２つの引き留め点を形成しながら、光ファイバに沿って離間している。
【００１７】
光ファイバ保持装置は、さらに、１つ以上の追加のファイバホルダを備え、追加のファイバホルダの各々は、ファイバホルダの縦軸に沿って延びたボアまたはスロットを有し、保護コーティングを設けた光ファイバは、追加のファイバホルダの各々のボアまたはスロットを通り、追加のファイバホルダの各々の縦軸と平行に向いており、追加のファイバホルダの各々について、追加のファイバホルダの各々のための追加のガラスまたは金属密封が光ファイバの周囲に、また、少なくとも一部分が、追加のファイバホルダのボアまたはスロット内に形成され、コーティング被覆した光ファイバと追加のファイバホルダの各々との間に密封を形成しており、ファイバホルダは、光ファイバに沿って複数の引き留め点を形成しながら、光ファイバに沿って離間している。
【００１８】
光ファイバ保持装置の光ファイバは、２つの引き留め点の間にファイバ格子、特にファイバブラッグ回折格子を設けることができる。保持装置の光ファイバは、１つ以上の引き留め点の間にファイバ格子を設けることができる。ファイバ格子は、ファイバブラッグ回折格子、またはより詳細には長期間格子であってよい。
【００１９】
本発明は、本発明の光ファイバ保持装置、および第１ファイバホルダと第２ファイバホルダを、整列したこれらの軸方向ボアと共に維持する固定具を備え、固定具の少なくとも一部分は、縦軸に沿った膨張、圧縮、またはこれらの両方に関連して弾性であり、光ファイバの１つ以上の光性質は、軸ひずみに晒されると変化する、光センサを提供する。本発明の光センサは、ひずみを測定する、変位を測定する、温度を測定する、圧力を測定する、加速を測定する装置であってよい。
【００２０】
本発明はさらに、本発明の光センサを採用する、光ファイバ内のひずみを測定する方法を提供する。
【００２１】
本発明はさらに、保護コーティングを有する光ファイバをファイバホルダ内に取り付ける方法を提供し、この方法は、ファイバホルダとコーティング被覆した光ファイバの間にガラスまたは金属密封を提供するステップを備える。ガラスまたは金属密封は、少なくとも一部分がファイバホルダのボアまたはスロット内に形成された密封保持空洞内に形成されている。特定の実施形態では、光ファイバは、光ファイバのボアまたはスロットの全長にかけて延びている。
【００２２】
本発明のこれ以外の態様は、以下の詳細な説明および図面を考慮することで明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、ファイバに引張力が付加され、センサが温度および湿度に晒された場合に、ファイバの滑りを最小化または防止する形で、光ファイバを光センサの機械取り付け部内に保持する方法を提供する。本発明はさらに、光ファイバ保持装置と、この本発明による光ファイバ保持装置を採用した１本以上の光ファイバを装置内に取り付けた光センサとを提供する。本発明はまたさらに、光ファイバ、特に、本発明のファイバホルダ内に取り付けられ、カラスまたは金属半田で形成した密封部を採用してホルダと機械的に結合された保護コーティングを保持する光ファイバを提供する。一般に、ガラス密封技術は、金属パッケージに設けた穴を貫通するファイバの周囲に気密密封を形成するために使用されている。これらの応用において、ファイバはそのポリマーコーティングが剥離され、ガラス密封がファイバと金属パッケージの間に形成される。多くの場合、剥離および密封工程によってファイバ表面を損傷した結果、ファイバが脆くなってしまう。
【００２４】
本発明で使用するアプローチは、ファイバを表面損傷から保護するために、ファイバの保護コーティングを好ましく適所に残すものである。或る実施形態では、この工程は低温ガラスを使用してファイバコーティングの直ぐ上に密封を形成し、ファイバを金属ハウジングに引き留めている。ファイバコーティングは、ファイバ表面の表面損傷を防止するだけでなく、ファイバがガラス密封から出る範囲においていくらかのひずみ解放を提供する。コーティングを無傷のまま残すことにより、ファイバがこれの引張力のほとんどを保持することができる。ファイバコーティングがポリイミドのようなポリマーである場合には、密封は完全に気密にはならないが、しかし、多くの用途では完全な気密を必要としていない。
【００２５】
ファイバを金属ハウジングに引き留めるには、整合密封および圧縮密封の２タイプのガラス／金属密封を採用することができる。整合密封は、実質的に整合した熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するシーリングガラスと金属ホルダとを使用する。「実質的に整合した」という用語は、この説明においては、異なる材料のＣＴＥがそれぞれ最大約＋／−１５％異なることを意味する。７ｐｐｍ／Ｃ（μｍ／ｍＫまたは１０−６／Ｋ）のＣＴＥを有する材料は、７＋／−１．０５ｐｐｍ／ＣのＣＴＥを有する材料に実質的に整合されている。特定の実施形態では、ＣＴＥの差異が１０％またはこれ未満、あるいは５％またはこれ未満の材料を採用している。整合密封は、シーリングガラスと金属の表面上に存在する酸化物との間の化学結合の組成に依存している。ＣＴＥが１５％以上異なる２つの材料は実質的に整合しない。
【００２６】
一方、圧縮密封は、密封材料（例えばガラス）とホルダ材料（例えば金属）の間のＣＴＥの差異を利用して圧縮密封を形成するというものである。圧縮密封は、互い違いのＣＴＥで設計される。低ＣＴＥファイバの周囲を高ＣＴＥファイバシーリングガラスで包囲し、次にこれをより高いＣＴＥ金属で包囲する。例えば、ＣＴＥが１ｐｐｍ／℃のファイバ、ＣＴＥが７ｐｐｍ／℃のガラス密封材料、および、ＣＴＥが１６ｐｐｍ／℃のステンレス鋼ファイバ取り付けディスクは、互い違いのＣＴＥを有する密封を提供する。組み立て品が密封温度から冷却するに従い、金属がシーリングガラスの周囲で収縮し、次に、ファイバ周囲で収縮することにより、ファイバ周囲に圧縮応力が生じる。圧縮密封では、いくつかの化学結合も発生する。本発明に採用する密封は、圧縮力によって提供される追加の保持力を利用する圧縮タイプの密封で或ることが好ましい。ＣＥＴ値の差異に適用している、よりも大きい（または、よりも高い）、あるいは、よりも小さい（または、よりも低い）という用語は、好ましくは実質的な整合範囲外の差異を意味し、すなわち、ＣＥＴにおける差異が＋／−１５％よりも大きい場合を示す。
【００２７】
２５０Ｃ〜１００Ｃの軟化点を設けたシーリングガラスが一般に市販されている。好ましいシーリングガラスは、光ファイバの保護コーティングに使用される材料の溶融温度よりも低い軟化点を有するものある。特定の実施形態では、低温シーリングガラス（つまり、３００Ｃまたはこれ未満の軟化点を有するもの）を、樹脂で被覆した光ファイバ（例えば、典型的に、継続的には３００Ｃ、短期間では４００Ｃの値を有する、ポリイミド被覆したファイバ）と共に採用している。典型的な樹脂ファイバコーティングには、ポリイミド、カーボン／ポリイミドが含まれる。ファイバ保護コーティングはさらに、銅、アルミニウム、金のコーティングを含む金属コーティングであってもよい。本発明は、これらのコーティングと適合する。
【００２８】
銅または金のような金属、あるいは金属合金を光ファイバ上の保護コーティングとして使用する場合、合金半田は、鉛、スズ、銀、インジウム、金を備え、もしくは、ファイバをファイバホルダに固定するために、銅を密封材料として使用してもよい。本発明では、当技術分野において知られている様々な合金半田を使用することができる。
【００２９】
本発明の光ファイバ、光ファイバ保持装置、光センサを取り付けたファイバホルダは、様々な装置内に直接または間接的に組み込むことができ、これら様々な装置には、ひずみ計、伸縮計、温度トランスデューサ、圧力トランスデューサ、加速計が含まれるが、これに限定しない。光ファイバと、１本以上の光ファイバを光ファイバセンサ内またはこれの上に取り付けるための光ファイバ保持装置とが取り付けられたファイバホルダと共に採用することが可能な多数の光ファイバセンサ形状が当技術分野において知られている。当業者は、ここにおける記述と、当技術分野において知られている事実を斟酌して、この説明において光センサ形状として既知の装置を採用するか、またはこの説明における装置をこのようなセンサ形状に容易に適合することができる。図３Ａは、光ファイバセンサ形状内への、ファイバブラッグ回折格子を設ける光ファイバの例証的な取り付けを提供する。
【００３０】
或る光ファイバ感知システムは、光源、光ファイバ、感知要素またはトランスデューサ、および検出器を備える。ファイバセンサの動作原理は、トランスデューサが、光学システムのいくつかのパラメータ（強度、波長、偏光、位相、その他）を変調することで、検出器で受信された光信号の特徴に検出可能な変化が生じる。光ファイバセンサは、（ファイバ自体がトランスデューサである）ファイバ内にて変調が直接生じる固有センサ、または、ファイバに作用するいくつかの外部トランスデューサによって変調が実行される付帯センサのいずれかであってよい。光ファイバ内に導入されたファイバブラッグ回折格子は、例証的なトランスデューサである。ひずみまたは温度によって生じるファイバのモード指数または格子ピッチにおけるあらゆる変化により、特徴的ブラッグ波長がシフトする。ファイバブラッグ回折格子は、ひずみまたは温度感知において、特に、過酷な環境（例えば、高ＥＭＩ、高温、または高度に腐食している環境）において多く使用される。ファイバブラッグ回折格子に作用するトランスデューサをさらに使用することで、その他の、圧力化学反応のような環境パラメータを感知するために、ファイバブラッグ回折格子を使用することも可能になる。
【００３１】
圧力用途では、ファイバブラッグ回折格子を設けた光ファイバを、例えば圧力変化によって影響を受ける形状のダイアフラムに取り付けることができる。あるいは、ファイバ自体を、ファイバ内のファイバ格子に圧力が作用すると３次元ひずみモードを生じる圧力トランスデューサとして使用することもできる。
【００３２】
ファイバブラッグ回折格子を設けた光ファイバを感知する磁気および電気領域を、強磁性コーティングで被覆することができる。被覆されたファイバが強磁領域にある場合、この領域が被覆されたファイバ内の格子を拡張または収縮させる。化学感知では、ファイバブラッグ回折格子を設けた光ファイバを、特定の化学物質（化学的に敏感なコーティング）の存在によって影響を受ける材料で被覆することにより、コーティングが、存在する化学物質の量に、または化学物質を生成する反応に比例するファイバブラッグ回折格子内のひずみを生じさせることができる。例えば、パラジウムを伴うファイバブラッグ回折格子を設けるパラジウム被覆したファイバを使用して、水素生成を監視することができる。パラジウムは水素を吸収してファイバ格子内にひずみを引き起こす。
【００３３】
光ファイバセンサ形状、動作、使用、およびこのようなセンサの用途は当技術分野において既知である。本発明によるファイバホルダとファイバ保持装置を採用できるセンサ形状の詳細を、センサの動作、使用、用途の詳細と共に提供するべく、以下の参考文献を引用する。Ｆａｒｈａｄ  Ａｎｓａｒｉ（Ｅｄ．）（１９９３）「エンジニアリング技法における光ファイバセンサの適用（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｉｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）」，米国土木学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｃｉｖｉｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）。
【００３４】
Ｅｒｉｃ  Ｕｄｄ（Ｅｄ．）（１９９５）「光ファイバのスマート構造（Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｓｍａｒｔ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」，ジョン・ウィレー・アンド・サンズ・インク（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ  Ｉｎｃ．），Ｒｅｇｉｓ  Ｊ．Ｖａｎ  Ｓｔｅｅｎｋｉｓｔｅ  ａｎｄ  Ｇｅｏｒｇｅ  Ｓ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ（１９９７）「光ファイバセンサを用いたひずみ及び温度の測定（Ｓｔｒａｉｎ  ａｎｄ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｗｉｔｈ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒｓ）」，テクノミックパブリッシング社（Ｔｅｃｈｎｏｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏ）；Ｆａｒｈａｄ  Ａｎｓａｒｉ（Ｅｄ．）（１９９８）「構成材料及びブリッジのための光ファイバセンサ（Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｂｒｉｄｇｅｓ）」テクノミックパブリッシング社（Ｔｅｃｈｎｏｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏ）；Ｒａｙｍｏｎｄ  Ｍ．Ｍｅａｓｕｒｅｓ（２００１）「光ファイバ技術を用いた構造モニタリング（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」，アカデミックプレス（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ）；Ｊｏｓｅ  Ｍｉｇｕｅｌ  Ｌｏｐｅｚ−Ｈｉｇｕｅｒａ（Ｅｄ．）（２００２）「光ファイバ検出技術のハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」，ジョン・ウィレー・アンド・サンズ・インク（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆Ｓｏｎｓ  Ｉｎｃ．）；「光ファイバセンサのガイド原理と応用（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｇｕｉｄｅ  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」（２００５），マイクロン  オプティクス社（Ｍｉｃｒｏｎ  Ｏｐｔｉｃｓ）のｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｎｏｐｔｉｃｓ．ｃｏｍ／ｐｄｆｓ／より購入可能；Ｍｏｒｅｙ  Ｗ．ｅｔ  ａｌ．，「ユーティリティ産業応用のためのファイバ回折格子センサにおける近年の発展（Ｒｅｃｅｎｔ  Ａｄｖａｎｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｕｔｉｌｉｔｙ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」，国際光工学会議事録（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ）  ｖｏｌ．２５９４，１９９５；Ｋａｓｈｙａｐ，Ｒ．，「感光性の光ファイバ；装置及び応用（Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ；Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」，Ｏｐ．Ｆｉｂｅｒ  Ｔｅｃｈ．，Ｖｏｌ．１，ｐｐ  １７−３４，１９９４；Ｍｏｒｅｙ，Ｗ．Ｗ．，Ｍｅｌｔｚ，Ｇ．，ａｎｄ  Ｇｌｅｎ，Ｗ．Ｈ．，「光ファイバブラッグ回折格子センサ（Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒｓ）」，国際光工学会議事録（ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃ．），Ｖｏｌ．１１６９，ｐｐ  ９８−１０７，１９８９；Ｇ．Ｍｅｌｔｚ，「ファイバ回折格子ベースのセンサの概説（Ｏｖｅｒｖｉｅｗ  ｏｆ  ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇ−ｂａｓｅｄ  ｓｅｎｓｏｒｓ）」，国際光工学会議事録（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ），「分散化及び多重化された光ファイバセンサＶＩ（Ｄｉｓｔｒ��ｂｕｔｅｄ  ａｎｄ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｖｌ）」コロラド州デンバー（Ｄｅｎｖｅｒ，ＣＯ），ｖｏｌ．２８３８，ｐｐ．１−２１，１９９６；Ｐａｔｒｉｃ，Ｈ．Ｊ．；Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｇ．Ｍ．；Ｋｅｒｓｅｙ，Ａ．Ｄ．，Ｐｅｄｒａｚａａｎｉ，Ｊ．Ｒ．，Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒ，Ａ．Ｍ．「ハイブリッドファイバブラッグ回折格子／ひずみのための長期ファイバ回折格子センサ／温度識別（Ｈｙｂｒｉｄ  ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇ／ｌｏｎｇ  ｐｅｒｉｏｄ  ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｓｔｒａｉｎ／ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ）」，米国電気電子学会フォトニクステクノロジーレターズ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＩＥＥＥ），Ｖｏｌｕｍｅ  ８，Ｉｓｓｕｅ  ９，Ｓｅｐｔ．１９９６  ｐａｇｅ（ｓ）：１２２３−１２２５およびＭｏｒｅ，Ｗ．Ｗ．，「ユーティリティ用途のためのファイバブラッグ回折格子センサの開発（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｕｔｉｌｉｔｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」，米国電力研究所レポート（ＥＰＲＩ，Ｒｅｐｏｒｔ）ＴＲ−１０５１９０，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９９５。
【００３５】
本願明細書では次の定義が適用される。
【００３６】
「クリープ」とは、圧力、温度上昇、または高湿度に晒した際の、２つの物体の相対位置における穏やかな変化、または材料のゆっくりとした穏やかな変形を意味する。
【００３７】
「弾性」とは、装置または装置構成要素のような材料または物体が、１つ以上の物理的寸法に関連してこれのサイズを増減する機能を意味する。弾性材料は、拡張可能、圧縮可能、またはこれら両方であってよい。弾性とは、弾性を有する材料、物体、装置または装置構成要素の特徴を意味する。
【００３８】
「ガラス密封」、「シーリングガラス」、および「ガラス密封材料」は、金属気密電気パッケージを貫通したピンの周囲に絶縁密封を形成するために一般に使用される低温溶融ガラス材料を意味する。多くの場合、密封ガラスは、密封工程中の流れおよび湿性質を向上させるために、様々な結合剤および粘性変化剤と共に使用される。本発明の密封形成への使用に適したシーリングガラスは、市販されている、望ましい様々な形状のプレフォームの形態であってよい。特定の実施形態では、以下の性質を有するガラスプレフォームを採用することができる。ガラス遷移温度２２５℃、軟化点２７６℃、ＣＴＥ７．５ｐｐｍ／℃。例えば、ＯＤ＝０．０４４インチ、ＩＤ＝０．０１６インチ、長さ＝０．０３インチのガラスプレフォームを、図１Ａにて例証したフェルールホルダに使用することができる。
【００３９】
「光ファイバ」は、最も一般的には、当技術分野において周知のコアおよびクラディングを有する光ファイバの任意の形態を意味する。本発明の方法および装置は、ガラス（シリカ）からなるファイバを金属ファイバホルダに引き留めする際に有効である。感知用途において有効な光ファイバには、シングルモードおよび複数モードのファイバが含まれる。本発明において有効な光ファイバには、クラディング直径が均一な光ファイバ、多様なクラディング直径を有する光ファイバが含まれる。多様なクラディング直径を有する光ファイバを本発明の装置に採用した場合、これらの多様性は、光ファイバをファイバホルダまたはこれらの内部に引き留めする、あるいは取り付けるための唯一の機構ではない。
【００４０】
本発明の光ファイバは、ファイバの外面に沿って、ファイバを損傷から保護する保護コーティングを有する、コーティング被覆した光ファイバであることが好ましい。保護コーティングの存在により、光ファイバの動作寿命が拡大する。典型的な非金属性ファイバコーティングには、樹脂、ポリマ、またはこのような材料を、カーボン、とりわけポリイミド、カーボン／ポリイミド、カーボン／シリコン／ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシエチレン）と混合したものが含まれる。保護コーティングはさらに、銅、アルミニウム、金のような金属コーティングも含まれる。センサ用途では、光ファイバは、トランスデューサとして機能するファイバブラッグ回折格子のような、１つ以上のファイバ格子を含むことができる。
【００４１】
ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）は、光ファイバのコア内に周期屈折率構造を導入して形成された波長依存型のフィルタ／反射装置である。ブロードスペクトル光ビームが格子と衝突すると、これのエネルギーの一部がファイバを介して伝播され、エネルギーの別の部分が反射される。反射された光信号は、非常に狭帯域であり、周期ユニット空間の２倍である特徴的なブラッグ波長に集中する。従来のＦＢＧは、約数百ナノメートルの格子周期を有する。さらに、約数百ミクロン、つまり数センチメールの長期間ブラッグ回折格子（ＬＰＧ、Ａ．Ｍ．Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒら、「帯域阻止フィルタとしての長期ファイバブラッグ回折格子（Ｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄ  ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇｓ  ａｓ  ｂａｎｄ−ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ  ｆｉｌｔｅｒｓ）」，光波テクノロジージャーナル（Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．）１４，５８（１９９６））を、センサ用途、および本発明の装置に採用することができる。
【００４２】
ひずみまたは温度によって生じたファイバのモード指数または格子ピッチにおいて任意の変化が生じた結果、ブラッグ波長がシフトする。ひずみは、光ファイバを関心の基板上に正確に取り付ける、またはこれの内部に組み込むことにより、ＦＢＧを有する光ファイバを有するセンサを用いて測定することができる。この技術の利点の１つは、検出された信号はスペクトル的に暗号化されているため、ファイバ内の送信損失を心配する必要がないという事実である。ひずみは、ひずみ光学効果による機械的なひずみおよび屈折率の変化によって、格子空間を物理的に拡大または縮小することで、特徴的なブラッグ波長をシフトさせる。軸負荷では、波長変化は、典型的には約１．２ｐｍ／マイクロひずみ、または１％のひずみにつき１２ｎｍである。
【００４３】
さらに、非周期的屈折率構造のファイバ格子を、本発明の光ファイバおよび光センサに採用することもできる。例えば、チャープファイバグレーティングを使用することができる。チャープファイバグレーティングは、内部格子感知において特に関心が高い。
【００４４】
「一体型本体」とは、連続した１つの材料からなる、動作的に相互に取り付けられた別個の構成要素からなる本体または物体を意味する。一体型本体は、物理的に分離した、断続的な要素を備えていない。好ましい一体型本体は１つの材料から製造される。しかし、一体型本体は、溶接継手、接着材、エポキシ、ねじ、ボルト、クランプ、クラスプ、またはこれらの任意の周知の同等物のような１つ以上の固定具によって接続した複数の構成要素を備えていてよい。
【００４５】
「熱膨張係数」（ＣＥＴ）とは、所与の温度変化によって生じた、材料の長さまたは容量における僅かな変更を意味する。通常は、長さ／長さ／ユニット温度（ｍ／ｍ／’Ｃ）に関連して表現される。
【００４６】
「縦軸に対して垂直」とは、縦軸に対して９０度の角度で位置決めされた軸によって定義された方向を意味する。同様に、「縦軸と平行」とは、縦軸に対して０度または１８０度の角度で位置決めされた軸によって定義される方向を意味する。当業者にとっては、ここで示す装置および装置構成要素において、垂直または平行からのいくらかの逸脱が、これの逸脱によって装置または装置要素の動作が著しく悪影響を受けない限り、許容されることが明白であろう。
【００４７】
本願明細書中における「好ましい実施形態」、「代替的な実施形態」、または「例証的な実施形態」の表現は、実施形態に関連して記述された特定の特徴、構造、または特徴が、本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。本願明細書中の様々な箇所において見られる「好ましい実施形態」、「代替的な実施形態」、または「例証的な実施形態」の表現は、必ずしも同一の実施形態を参照するとは限らない。
【００４８】
次に、図面を参照して本発明をさらに説明するが、図面中、同様の要素には同一の符号を付しており、２つ以上の図面に同一の符号が付されていれば、同一の要素を参照していることになる。
【００４９】
図１は、ファイバとファイバホルダの間にクリープをほとんどまたは全く有することなく、光ファイバを引張下にて保持することが可能な、本発明の装置を保持する光ファイバの例証的な実施形態を示す。例証したこのファイバホルダ（１００）は、一体型本体（１０１）を備える。一体型本体（１０１）は、ファイバホルダの円筒形内壁（１０６）によって形成された、縦軸（１０３）に沿って延びた軸方向ボアを有する。シリカファイバ（コアおよびクラディング）（１０４ａ）と保護コーティング（１０４ｂ）とからなる光ファイバ（１０４）が、ファイバホルダ（１００）内の軸方向ボア内部を通って、縦軸（１０３）に沿って延びている。光ファイバ（１０４）は、ファイバホルダ（１００）内に、ガラス（または、金属半田）で形成された密封（１０５）と共に保持されている。密封工程中に、例えばガラスプレフォーム形態のガラス密封材料をこれの溶融温度にまで加熱し、これを固体化することで、ファイバコーティング（１０４ｂ）周囲に付着した密封を形成する。密封（１０５）は、挿入した光ファイバと軸方向ボア（１０２）との間に形成された空洞内部に捕獲され、ファイバコーティングとファイバホルダの間に密封を形成しながら、ファイバコーティング（１０４ｂ）とファイバホルダの内壁（１０６）の間の間隙を充填することで、ファイバがファイバホルダに機械的に結合され、引き留めされ、取り付けられる。
【００５０】
空洞１０２は、密封形成材料を維持および保持し、ファイバとホルダの間に形成される密封の形状を少なくとも部分的に画定する空洞である。或る例証的な実施形態では、ファイバホルダ（１０１）の熱膨張係数は、密封（１０５）を形成するために使用される密封材料の熱膨張係数よりも大きく、したがって、ファイバ（１０４）の熱膨張係数よりも大きい。組み立て品が上昇した密封温度から冷却されるに従い、密封材料（１０５）がファイバ（１０４）よりも速い速度で収縮し、シーリングガラスとファイバの間に圧縮応力が発生する。これと同時に、ファイバホルダ（１００）内の軸方向ボア（１０２）が、シーリングガラス（１０５）よりも速い速度で収縮することにより、ファイバホルダ（１００）とガラス密封（１０５）の間に圧縮応力が発生する。一般に、ファイバ上の保護コーティングは、ファイバ（ベアファイバの直径〜１２５μｍ）と比べて非常に薄いため（１０〜２０μｍ）、保護コーティングのＣＥＴが密封の圧縮に著しく影響することはない。
【００５１】
図１Ｂに示す特定の実施形態では、ホルダ（１０１）の軸方向ボアの壁（１０６）は、ボアの直径の変化によって形成された水平出張りを含んでいる。この水平出張りの存在により、これと関連したリップ部が密封１０５内に作成される。ボア内の水平出張りと対抗して形成された密封内のリップ構造は、密封にさらなる機械強度を提供し、また、軸と平行に、リップ部／水平出張り係合から下方向（図１Ｂに示す）に付加された力への抵抗性を増加させる。この構造により、ファイバが下方向に移動するとき、ボアおよびファイバの相対動作の可能性が低くなる（図１Ａ参照）。
【００５２】
図１Ｃ、図１Ｄに、ファイバホルダの密封とボア構造のさらなる形状を示す。図１Ｃは、直径が均一なボアを示している（実線１０６）。代替的な、先細りしたボアを破線１０６ａで示す。先細りしたボアは、ファイバのホルダ（１０１）に対する（図１Ｂに示す）下方向の動作への抵抗性を増加させる。図１Ｄに、ボアの壁に窪みを付けたさらなる代替的なボア構造を示す。破線１１０ａは、湾曲状に窪みをつけたボアを示し、破線１００ｂは、Ｖ字型の窪みを示す。ホルダ１０１の軸方向ボアを形成する壁は、窪みをつけた１つ以上の領域を有する形で窪ませるか、あるいは、１つ以上の突起を設けることができる。本願明細書中で使われる「ボア」という用語は、ボアを形成するホルダ内壁の任意の構造を示唆するものではない。ホルダの内壁は、縦軸１０３に対して対称なボア構造を形成するか、あるいは、壁は、軸に対して非対称な窪みまたは突起を含むことができる。特定の実施形態では、ホルダの壁は、軸１０３に対して対称な突起の窪みを１つ含んでいる。別の実施形態では、ホルダの壁は、軸１０３に対して対称的に配置できる、あるいは非対称的に配置できる複数の窪みまたは突起を含んでいる。
【００５３】
図２Ａは、ファイバホルダ（１００）の代替的な実施形態を示す。図示のファイバホルダ（２００）は、一体型本体（２０１）を備える。一体型本体（２０１）は、縦軸（１０３）と平行に延び、光ファイバを受容する寸法および形状を有する縦スロット（２０２）を有する。スロット（２０２）は、ホルダの３つの内壁（つまり、２つの側壁２０６、１つの底部壁２０７）によって形成された状態で図示されている。スロット（２０２）は矩形形状にて図示されているが、例えば円筒形のような様々な形状であってよい。シリカファイバ（１０４ａ）と保護コーティング（１０４ｂ）からなる光ファイバ（１０４）はスロット（２０２）内に位置決めされ、縦軸（１０３）に沿って延びている。一体型本体（２０１）は空洞（２０３）を有し、この空洞は、縦軸（１０３）に対して垂直であり、スロットの側壁の一部を窪ませる、または拡張することで形成されている。空洞（２０３）は、ファイバとファイバホルダの間に密封１０５を形成するために、密封材料を配置することができるポケットを形成する。空洞（２０３）は密封材料を含んでおり、この密封材料は、溶融し、冷却時に、空洞２０３を形成している壁がファイバ（１０４）に対抗する圧縮応力を付加する形で空洞を好ましく封鎖する。空洞２０３は、密封形成材料を維持および保持し、ファイバとホルダの間の密封の形状を少なくとも部分的に画定する空洞である。密封材料は、空洞（２０３）内部に捕獲されて、ファイバコーティング（１０４ｂ）と、空洞（２０３）を形成する壁との間の間隙を充填する。
【００５４】
例証的な実施形態では、ファイバホルダ（２００）の熱膨張係数は、例えば密封（１０５）を形成するシーリングガラスのような密封材料の熱膨張係数よりも大きく、したがって、ファイバ（１０４）の熱膨張係数よりも大きい。組み立て品が上昇した密封温度から冷却するに従い、空洞２０３内の密封材料がファイバ（１０４）よりも速い速度で収縮するため、密封１０５を形成する密封材料間に圧縮応力が発生する。これと同時に、ファイバホルダ（２００）の穴（２０３）の壁が密封材料よりも速い速度で収縮することで、ファイバホルダ（２００）と密封（１０５）の間に圧縮応力が生じる。図２Ｂは、密封１０５をより詳細に図示している。
【００５５】
図２Ｂは、図２Ａのホルダの、空洞２０３を形成する窪み部分における断面図である。この図は、空洞２０３を作成するスロットの１つ以上の壁の形状を示す。スロットの壁（２０７、２０６）は、１つの窪み（図２Ｂに示す）、１つの突起（図示せず）、または複数の窪みまたは突起を含むことができ、これらの窪みと突起は空洞２０３の形状を形成するものであり、したがって、密封１０５の形状の少なくとも部分的に決定する。
【００５６】
図２Ｂに示すように、密封１０５は、ホルダスロット２０２内のファイバとスロットの壁との間に形成されているため、ファイバとホルダが機械的に結合される。
【００５７】
本発明のホルダ内に形成された密封は、ファイバとホルダの耐久性に優れた機械結合を提供し、これによりクリープ（つまり、ファイバとホルダの相対動作）が最小化または排除されるため、センサ用途において特に有利である。
【００５８】
図１Ａ、図２Ａに示す好ましい実施形態では、一体型本体は、ガラス密封材料の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する材料で製造されることが好ましい。例えば、一体型本体の製造時に約９．９ｐｐｍ／℃の直線的な熱膨張係数を好ましく有するステンレス鋼合金を、７．１ｐｐｍ／℃の直線的な熱膨張係数を有するガラスシーリング材料と共に使用することが望ましい。あるいは、鉄／ニッケル合金であるインバール（Ｉｎｖａｒ）（商標）（アンフィ社（Ｉｍｐｈｙ  Ｓ．Ａ．Ｃｏｒｐ．）、フランス、パリ）や、鉄／ニッケル／コバルト合金であるコバール（Ｋｏｖａｒ）（商標）（ＣＲＳホールディングス（ＣＲＳ  Ｈｏｌｄｉｎｇｓ，Ｉｎｃ．）、デラウェア州ウイルミントン）のような低膨張電子合金を一体型本体の製造に使用することは、低い熱膨張係数を有するより高温のシーリングガラスと共に使用する上で望ましい。
【００５９】
図１Ａ、図２Ａに示す光ファイバ（１００、２００）を取り付けたファイバホルダは、本発明によるファイバ引き留め手段の例である。当業者には、様々なファイバホルダ構造によって、光ファイバを受容し、シーリングガラスを受容するための穴または空洞が提供されることを理解するだろう。本発明では、ファイバが内部を通過でき、液化した密封材料を内容できる空洞を提供する、任意のファイバホルダ形状を採用することが可能である。密封材料を封鎖する空洞は、冷却中に膨張する際に密封材料を封鎖し、また、密封を作り出すために好ましくは圧縮応力を生じる任意の形状のものであってよい。
【００６０】
図３Ａは、図１Ａに図示したタイプのファイバホルダ（１０１）を利用するひずみセンサ（３００）の例証的な実施形態を示す。或る好ましい実施形態では、２つのファイバホルダ（１０１）が、単体の光ファイバに、或る距離で離間して取り付けられている。２つのファイバホルダ（１０１）の間に配置されたファイバ（３０５）の長さの１つ以上の光学特性は、ファイバに軸方向へのひずみが付加されると変化する。好ましい実施形態では、ファイバホルダ間に配置されたファイバ（３０５）の長さには、１つ以上のファイバ格子、特に、反射された光スペクトルの中心波長をシフトすることで軸方向へのひずみに反応するファイバブラッグ回折格子が含まれている。図３Ｂは、図３Ａのセンサのファイバにおける１つ以上のブラッグ回折格子を概略的に示す。
【００６１】
取り扱いおよび取り付けを容易にするために、フェルール（３０２）内部にファイバホルダ（１０１）が取り付けられている。保護カバー管（３０３）がフェルール（３０２）の上を滑動することで、光ファイバを保護する。フェルール（３０２）は、保護管（３０３）内を、縦軸（１０３）に沿って自由に滑動することができる。特定の実施形態では、取り付けブラケット（３０１）がフェルール（３０２）に固定されているが、これをボルトで留めることもできる。特定の実施形態では、取り付けブラケット（３０１）をフェルール（３０２）に固定し、ボルト留め、溶接、接着するか、または、これ以外の任意の適切な手段によって被検物（３０４）に固定ことができる。ブラケット間でフェルールを取り付けまたは固定するために、例えば、各々のフェルール（３０２）に、取り付けブラケット３０１の対応するスロット（３０７）と係合する溝（３０６）を設けることができる（溝（３０６）の取り付けブラケット溝（３０７）との係合については、図４中でも図示している）。被検物３０４はブラケット３０１に機械的に結合し、次にこれがフェルール３０２に機械的に結合し、さらにホルダ１０１に機械的に結合し、これが光ファイバ１０４上の２つの場所において機械的に結合している。被検物３０４に生じるひずみは、取り付けた光ファイバにひずみが発生する際に検出可能となる。
【００６２】
図３Ａのセンサの保護管（３０３）は、センサにひずみが付加されると伸張して、保護管（３０３）をフェルール（３０２）に直接結合することを可能にする従順な材料から製造してもよい。この形状では、保護管（３０３）がフェルール（３０２）の上を滑動する必要はない。
【００６３】
当業者は、当技術分野において知られているように、動作時において、図３Ａのセンサを光学的に光源および検出器と結合させられることを理解するだろう。
【００６４】
図４は、図３Ａのセンサの例証的なフェルール形状の断面を示す略図である。図４は、コーティング被覆した光ファイバ（１０４）に密封（１０５）を介して引き留めされたファイバホルダ（１００）をひずみセンサ内部に取り付けた、１つの例証的な方法を示す。フェルール３０２は軸方向ボア（４０２）を有し、このフェルールの軸方向ボア（４０２）は直径の異なる内部（４０２ａ）と外部（４０２ｂ）を備え、これにより、フェルールのボア内に肩部（４０４）が形成されている。軸方向ボアの小さな内径部分（４０２ａ）は、コーティング被覆した光ファイバを受容するように寸法されている。軸方向ボアの大きな外径（４０２ｂ）は、ファイバホルダ（１００）（例えば、図１の円形のファイバホルダ）を受容する寸法および形状に作られている。ファイバホルダ（１００）を取り付けたファイバがフェルールの軸方向ボア内を通ることで、ファイバホルダが肩部４０４と係合できる。図３Ａに示すように、第２ファイバホルダ（１００）が、コーティング被覆した光ファイバに取り付けられ、ガラス密封を使用して密封され、選択されたファイバ長さで第１ファイバホルダから離間している。第２ファイバホルダは、ひずみセンサの第２フェルール内に形成された肩部（４０４）と係合するように、ファイバ上に位置決めされている（図３Ａに示すとおり）。ファイバホルダどうしは、センサの２つのフェルールの軸方向ボア内における肩部間の引張力によって、２つのファイバホルダ間の光ファイバがセンサ内の適所に保持される形で離間している。光ファイバに密封された、離間したファイバホルダを、適切な接着剤を使用して、２つのフェルールに各々交互に結合し、２つのファイバホルダ間のファイバが２つのフェルールの間に位置するようにすることができる。あるいは、ファイバホルダをフェルールに溶接または半田付けするか、もしくは、ねじ、ボルト、クランプ、その他のような様々な固定装置を用いてフェルールに機械的に固定してもよい。センサ組み立て品内部に機械的な停止部（図示せず）を設置し、ファイバの破損を防止することができる。取り付けブラケット３０１の空間を調整することで、ファイバ内の実引張が設定される。
【００６５】
或る例証的な実施形態では、ステンレス鋼ファイバホルダ、ポリイミドで被覆したシリカファイバ、低温密封ガラスを有するひずみセンサは、高温、高湿に晒された場合の波長ドリフトが、従来のファイバ取り付け方法を用いた比較可能なセンサと比べて著しく低い。図５のグラフに示すように、本発明のひずみ計の或る例証的な実施形態の性能が、製造方法の異なる３つのひずみ計と比較される。３つのひずみ計（Ｖ１からＶ３）の全てにおいて、ファイバの取り付けまたは引き留めは、エポキシのような接着剤を採用して行われている。Ｖ１、Ｖ３では、ベアファイバを接着剤で取り付けている。Ｖ２では、保護コーティングを装備したファイバを接着剤で取り付けている。全てのひずみ計が、プレテンションを施され、一定のひずみにて維持された状態で、７５℃および７５％の相対湿度に晒される。波長は一定に維持されることが理想的である。本発明のひずみ計は、他の製造による３つのひずみ計と比較して、遥かに改善された波長耐久性を呈した。
【００６６】
本発明のひずみセンサの耐久性を実証するために、ライフサイクル検査を実施した。この検査を実施するために、図３Ａ、３Ｂ中のセンサを、１つの固定された支持部と、１つの移動する支持部を有する検査用の固定具にボルト留めした。移動支持部はモータ駆動式であり、センサの軸と平行な方向に６Ｈｚの速度で遷移する。移動支持部を、０〜２００のマイクロひずみで変化するセンサ上にひずみを発するように調整する。図６に、このライフサイクル検査を示すが、この場合、時間は周期化されている。センサを、合計で２５、４７６，３００サイクルにかけて引張した結果、失敗、および疲労によるドリフトの徴候は見られなかった。図６のグラフは、０〜２０００マイクロひずみで上方境界と下方境界の間で発振するセンサの波長を示す。検査中の温度変化によって、上方境界と下方境界に若干の変化が生じる。ファイバ取り付け点における任意の滑りまたはクリープにより、データ中に下方トレンドとして表示されたゼロシフトが生じる。図６では、このようなゼロシフトは観察されなかったが、これはつまり、検査期間中、このひずみセンサ内には測定可能なクリープが存在しなかったことを意味する。
【００６７】
マルクーシュ（Ｍａｒｋｕｓｈ）グループまたはこれ以外のグループを使用する場合には、グループ中の全ての独立部材と、グループの全ての組み合わせおよび可能である準組み合わせが、独立的に本開示に含まれるものとする。ここで記述または説明する構成要素の全ての組み合わせは、特に指示の記述がない限りは、本発明を実施するために使用できる。当業者は、本発明を実施する上で、特別に例証されたもの以外の方法、装置要素、材料を、過度な実験に頼ることなく採用できることを理解するだろう。あらゆるこのような方法、装置要素、材料の、当技術分野において周知である全ての機能的同等物は、本発明に包括されるものとする。本願明細書中で、例えば温度範囲、周波数範囲、時間範囲、組成範囲のように範囲が付与されている場合には、常に、付与された範囲内に含まれる全ての中間範囲、全ての準範囲、さらに全ての独立値は、本開示に包括されるものとする。ここで開示されている範囲またはグループの任意の、１つ以上の独立部材は、本発明の請求項から除外することができる。ここで例証的に説明した本発明は、ここで特に開示していない任意の１つの要素または複数の要素、１つまたは複数の制限を用いなくても、適切に実施することができる。
【００６８】
ここで使用しているように、「備えている」は、「含んでいる」、「含有している」、または「によって特徴付けられる」と同義語であり、追加の、引用されていない要素または方法ステップを包括し、制約せず、また、これらを除外することはない。ここで使用しているように「からなる」は、請求要素に指定されていない任意の要素、ステップ、または成分を除外するものである。ここで使用するように、「から本質的になる」は、請求項の基本および新規的特徴に著しく影響しない材料またはステップを除外しない。特に組成の構成要素の記述、あるいは装置の要素の記述における、「備えている」という用語の列挙を、「から本質的になる」または「からなる」に交換することができる。
【００６９】
ここでの記述には多くの詳細が含まれているが、これらは、本発明の範囲を規制するものとして解釈されるべきでなく、単に、本発明のいくつかの実施形態の例証を提供するものとして解釈されるべきである。ここで引用している各々の参考文献は、全体が参照してここに組み込まれる。しかし、引用した参考文献と本開示の間に何らかの矛盾が生じた場合には、本開示が優先するものとする。ここに提供されているいくつかの参考文献は、本出願の出願以前における従来技術に関する詳細を提供するために、参照してここに組み込まれたものであり、他の参考文献は、本発明の分析または使用の追加的または代替的な装置要素、追加的または代替的な材料、追加的または代替的な方法を提供するために引用されたものである。本願明細書中で述べている全ての特許および刊行物は、本発明が関連する当業者の技術レベルを示すものである。ここで引用している参考文献は、本出願の出願以前における従来技術を示すために、本願明細書中においてこれらの全体が参照してここに組み込まれたものであり、また、従来技術における特定の実施形態を除外するために、この情報を、必要に応じて本発明に採用することができるものとする。当業者は、特別に例証されたもの以外の装置要素、および装置要素の材料、形状、寸法、さらに方法を、過度な実験に頼ることなく、本発明を実施するために採用できることを理解するだろう。任意のこのような材料および方法の、当技術分野において周知である全ての機能同等物は、本発明に包括されるものとする。採用された用語および表現は、規制の用語としてではなく、説明の用語として使用されており、このような用語および表現を用いたからといって、図示および説明した特徴のあらゆる同等物またはその一部を除外するものではなく、しかし、請求する本発明の範囲内での様々な改良が可能であると認識される。したがって、本発明を好ましい実施形態およびオプションの特徴によって特定的に開示しているが、当業者は、ここで開示されている概念の改良および応用を用いることが可能であり、また、このような改良および応用は本発明の範囲内に包括される旨が理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１Ａ】ファイバホルダを示す平面略図である。
【図１Ｂ】図１Ａの光ファイバの或る実施形態の断面図であり、ホルダの軸方向ボアは、水平出張りが形成されたために直径が異なる２つの部分を有する。
【図１Ｃ】図１Ａのファイバホルダのさらなる実施形態の断面図である。或る実施形態では、ホルダの軸方向ボアは均等なシリンダであり、別の実施形態では、ホルダの軸方向ボアは先細りしている。
【図１Ｄ】図１Ａのファイバホルダのさらなる実施形態の断面図である。この図は、ホルダの軸方向ボアの２つの異なる形状を示す。
【図２Ａ】ファイバホルダの代替的な設計を示す平面略図である。この場合、光ファイバは軸方向スロットまたはチャネル内に位置決めされ、スロットまたはチャネルの壁は、密封材料を受容するための空洞を形成するべく成形されている。
【図２Ｂ】図２Ａのファイバホルダの或る実施形態の断面図である。
【図３Ａ】図１Ａのファイバホルダを採用したひずみセンサを示す平面略図である。装置の内部要素を見るために、外部要素の各部分は取り除かれている。
【図３Ｂ】図３Ａのひずみセンサの光ファイバの拡大図であり、ファイバ内の１つ以上のブラッグ回折格子ファイバを概略的に示している。
【図４】図３Ａのひずみセンサの一部分の略断面図であり、金属フェルール内におけるファイバホルダの位置を示している。
【図５】本発明のひずみセンサの時間の関数としての波長ドリフト（ＭＯＩ、ステンレス鋼ファイバホルダ内にポリイミド被覆したシリカファイバと低温密封ガラスを有する）を、３つの異なる製造による光ファイバベースのひずみ計（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）と比較するグラフである。３つのひずみ計（Ｖ１からＶ３）の全てにおいて、エポキシのような接着剤を採用して、ファイバ取り付けまたは引き留めが作成されている。Ｖ１およびＶ３では、ベアファイバに対して接着剤取り付けを行っている。Ｖ２では、保護コーティングを設けたファイバに対して接着剤取り付けを行っている。
【図６】図３Ａのひずみセンサに関連して以降で説明するライフサイクル検査の結果を示すグラフである。時間は時間サイクルの単位である。このセンサを、２５，４７６、３００サイクルにかけて検査した結果、失敗、および疲労によるドリフトの徴候は見られなかった。
【符号の説明】
【００７１】
１００、２００  ファイバホルダ
１００ｂ、１１０ａ、２１０  破線
１０１、２０１  一体型本体
１０２  軸方向ボア
１０３  縦軸
１０４  光ファイバ
１０４ａ  シリカファイバ
１０４ｂ  保護コーティング
１０５  密封
１０６  ファイバホルダの内壁
２０２  縦スロット
２０３  空洞
２０６  側壁
２０７  壁
２０９  窪んだ壁
３００  ひずみセンサ
３０２  フェルール
３０３  保護カバー管
３０４  被検物
３０５  ファイバの長さ
３０６  溝
３０７  スロット
４０２  軸方向ボア
４０２ａ  内部
４０２ｂ  外部
４０４  肩部
【図１Ａ】
2007333717.tif 000003
【図１Ｂ】
2007333717.tif 000004
【図１Ｃ】
2007333717.tif 000005
【図１Ｄ】
2007333717.tif 000006
【図２Ａ】
2007333717.tif 000007
【図２Ｂ】
2007333717.tif 000008
【図３Ａ】
2007333717.tif 000009
【図３Ｂ】
2007333717.tif 000010
【図４】
2007333717.tif 000011
【図５】
2007333717.tif 000012
【図６】
2007333717.tif 000013
【外国語明細書】
2007333717000001.pdf