(57)【要約】【課題】光ファイバゲージと、ゲージキャリアとを提供する。【解決手段】光ファイバゲージは、物理的な歪みを光ファイバに与えることにより、ファイバの軸方向の張力を変更して、ファイバを通り伝播される光学特性を変更する。ゲージキャリアは、ゲージの性能を低下させず、取扱いと取り付けとを容易にする金属キャリアの利益を備え、その少なくとも一部は、その長手方向軸に沿って、拡張、圧縮、又はこの両方に関連して弾性であることで、ゲージキャリアが試験片に取り付けられている２つの地点の間の距離が変化することが可能である。特定の実施形態では、ゲージキャリアは、可撓部材によって分離されている、２つの独立したファイバを堅固に固定する。また、周囲状況を監視し、物理特性及び機械的現象を測定するファイバブラッググレーティング歪みゲージを提供する。【選択図】      図１
2007212460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを備えた光ファイバ歪みゲージ用のゲージキャリアであって、
このキャリアの長手方向軸に沿って延びた支持バーと、
前記歪みゲージを試験片の表面に取り付けるために、各々、この支持バーの端部に位置し堅固に取り付けられている第１及び第２の取り付け面と、
前記光ファイバを前記キャリアの長手方向軸と平行に固定するための、互いに長手方向に離間した、第１及び第２の光ファイバ固定要素と、を具備し、
前記第１の固定要素は前記第１の取り付け面に堅固に取り付けられ、前記第２の固定要素は前記第２の取り付け面に堅固に取り付けられており、前記支持バーは、前記第１の固定要素と第２の固定要素との間で延びており、前記支持バーの少なくとも一部分は、前記キャリアの長手方向軸に沿って、拡張、圧縮、又はこれら両方に関連して弾性的である、ゲージキャリア。
【請求項２】
前記第１及び第２の取り付け面と、第１及び第２の光ファイバ固定要素と、支持バーとは、一体型本体を形成している、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項３】
前記一体型本体は連続した材料で製造されている、請求項２に記載のゲージキャリア。
【請求項４】
前記支持バーの弾性的な部分は、前記支持バーに形成されている複数の溝であり、これら溝は前記キャリアの長手方向軸に対して垂直に向いている、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項５】
前記複数の溝は離間した溝の対を備えており、これら溝の対は、前記支持バーの対向している側から、前記支持バーの幅の少なくとも一部にかけて延びている、請求項４に記載のゲージキャリア。
【請求項６】
前記溝の各々は、前記キャリアの長手方向軸にかけて延びている、請求項５に記載のゲージキャリア。
【請求項７】
前記複数の溝は、前記キャリアの前記長手方向軸に関して対称的なパターンを形成している、請求項５に記載のゲージキャリア。
【請求項８】
前記支持バーの弾性的な部分は、前記第１及び第２の光ファイバ固定要素の間に位置し、又は形成されている、１つ以上のばね構造体である、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項９】
前記支持バーの弾性的な部分は、１つのばね構造体である、請求項８に記載のゲージキャリア。
【請求項１０】
前記支持バーの弾性的な部分は、前記支持バーで離間している２つのばね構造体から形成されている、請求項８に記載のゲージキャリア。
【請求項１１】
前記ばね構造体は、前記支持バーの中の空洞によって形成されている、請求項８に記載のゲージキャリア。
【請求項１２】
前記空洞は、前記支持バーの中で弓形ばねを形成している、請求項１１に記載のゲージキャリア。
【請求項１３】
前記空洞は、前記キャリアの長手方向軸に関して対称的である、請求項８に記載のゲージキャリア。
【請求項１４】
前記空洞の長さは、前記キャリアの長手方向軸に対して垂直である、請求項８に記載のゲージキャリア。
【請求項１５】
前記支持バーは、前記支持バーの一端に隣接して位置している１つの弾性領域を有している、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項１６】
前記支持バーは、前記支持バーの各端部に隣接して位置している２つの弾性領域を有している、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項１７】
前記キャリアは、前記キャリアの長手方向軸に対して垂直で、このキャリアの幅と平行で、このキャリアを２等分する横軸を有し、前記２つの弾性領域はこの横軸に関して対称的である、請求項１６に記載のゲージキャリア。
【請求項１８】
前記弾性的な領域はエラストマ素材を備えているか、又はエラストマ素材で製造されている、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項１９】
前記キャリアは、２５０乃至７５０ミクロンの、前記長手方向軸に沿った、前記第１及び第２のファイバ取り付け要素の間の距離の変化を可能にするのに十分な弾性を有する、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項２０】
試験片を２つの地点で前記光ファイバに堅固に取り付け、一方、前記長手方向軸に沿ったこれら取り付け地点の間の距離の変化に対してほとんど抵抗しない、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項２１】
張力と圧縮歪みとの測定を可能にする、前記光ファイバを事前引張するばね力を提供する、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項２２】
前記キャリアの長手方向軸に沿った軸溝をさらに具備し、この軸溝は、前記光ファイバが前記キャリアの前記第１及び第２のファイバ固定要素に堅固に取り付けられている場合に、この光ファイバを受容する、請求項１に記載のゲージキャリア。
【請求項２３】
自身の長さに沿った２つの地点で固定され、請求項１に記載のゲージキャリアの長手方向軸に平行に向けられている光ファイバを具備し、この光ファイバは、１つ以上のファイバブラッググレーティングを有し、これらファイバブラッググレーティングの少なくとも１つは、前記キャリアへの固定地点の間のファイバの長さの中に在る、光ファイバ歪みゲージ。
【請求項２４】
前記光ファイバは、前記ゲージが圧縮及び引張りで機能できるように、前記キャリアに固定される前に事前引張されている、請求項２３に記載の歪みゲージ。
【請求項２５】
前記ファイバは、ガラス半田、金属半田、又は金属合金半田を使用して前記キャリアに固定されている、請求項２３に記載の歪みゲージ。
【請求項２６】
前記ファイバは、低温ガラス半田を使用して前記キャリアに固定されている、請求項２３に記載の歪みゲージ。
【請求項２７】
１つ以上の、請求項２３に記載の前記歪みゲージを具備する、光ファイバ感知システム。
【請求項２８】
請求項２３に記載の歪みゲージを具備する、変位を測定する装置。
【請求項２９】
前記歪みゲージは、測定される力に反応する負荷セルに取り付けられている、請求項２３に記載の歪みゲージを具備する力測定装置。
【請求項３０】
前記歪みゲージは、測定される圧力に反応するダイヤフラムに取り付けられている、請求項２３に記載の歪みゲージを具備する圧力測定装置。
【請求項３１】
請求項２３に記載の歪みゲージを具備する、加速度計。
【請求項３２】
請求項２３に記載の歪みゲージを具備する、温度測定装置。
【請求項３３】
試験片上に請求項２８乃至４０のいずれか１に記載の歪みゲージを取り付ける工程と、適当な波長の光を前記歪みゲージの光ファイバ内に結合する工程と、前記光ファイバのファイバブラッググレーティングによって反射された光を検出し、又は、前記ファイバブラッググレーティングを介して伝達された光を検出する行程と、を具備し、前記ゲージ内及び前記試験片内の歪みを検出するために、このファイバブラッググレーティングによって反射された波長の変化を検出する、試験片の歪みを測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験片の表面の歪みを測定するように設計された光学ゲージに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は２００６年２月６日に出願された米国特許仮出願第６０／７６５，５４７号明細書の利益を主張する。本出願は全体が参照してここに組み込まれる。
【０００３】
この数年の間に、光ファイバベースの歪みゲージは、例えば電気抵抗、インダクタンス又はキャパシタンスの変化に基づく従来の電子ゲージの代替品として市場に受け入れられた。官庁建築物監視用途や、ダウンホール石油及び天然ガス用途、さらには海洋、航空宇宙用途といった多くの用途において、光ファイバゲージは、従来のゲージにはない利点をいくつか提供する。電子ゲージと異なり、ファイバベースのゲージは電磁干渉に敏感でなく、電気ノイズが大きい環境にも適応できる。またファイバベースのゲージは多重化が容易であるため、長距離にわたって敷設したシングルファイバ上で多数のゲージを動作させることが可能である。ファイバベースのゲージは超小型化及び軽量化が可能であるため、限られた空間内でも使用できる。さらに、ファイバベースのゲージは高温及び腐食環境にも耐えられる。
【０００４】
様々な光学特徴を利用した幅広い光学ゲージを利用して、懸案の物理性質を測定することができる。これらのゲージは、ファイバ上で伝播される光の振幅、位相、偏光状態、又はこれ以外の光学特性の変化によって、被測定物理性質に反応するように設計されている。ゲージの設計によっては、これら光学特性の１つ又は複数を、取調べユニットによって監視し、懸案の物理性質に変換することができるものもある。
【０００５】
本発明のゲージは、従来の電子ホイル歪みゲージと類似の方法で設置及び使用できるように設計されているが、この他に全光学ゲージの利点を有する。本発明のゲージは、試験片上の表面歪みを、ブラッググレーティングを包含している光ファイバの長さにかけて伝達するように構成されている。ファイバに歪みが付加されると、ブラッググレーティングによって反射された光スペクトル中心波長が波長内でシフトする。この波長内のシフトを、歪みの単位に直接変換することができる。
【０００６】
このタイプのゲージでは、試験片への取り付けと取り扱いを容易にする目的で、ファイバがキャリアに取り付けられている場合が多い。一般に、ゲージキャリアはプラスチック膜又は薄い金属片で作成されている。プラスチック膜は、ゲージをエポキシ又は他の接着剤で試験片に付加した用途において上手く機能する。一般に、金属キャリアは、ゲージをスポット溶接にて試験片に取り付けた場合に使用される。金属キャリアに取り付けられた歪みゲージは、様々な試験片上に迅速に設置できるため万能である。キャリアを試験片に取り付ける方法には、例えばエポキシやスポット溶接を採用するものがある。このようなゲージにキャリアを使用することにより、これの取り扱いと取り付けとは大幅に容易になるが、しかし、同時にゲージ性能の劣化も生じる。ゲージキャリアを試験片と感知要素との間に配置して、試験片からの歪みをキャリアを介してファイバに伝達させる必要がある。これは感度の低下を招く。さらに、歪みが、仲介するキャリアを変形することなく全て一様に伝達されるようにするために、ゲージキャリアの取り付けには注意を要する。純粋な直線歪み以外が原因でキャリアのゆがみが生じた場合には、感知要素が試験片内の正の歪みに晒されないため、測定精密度が低下する可能性がある。さらに、試験片の堅さを強化することで、キャリア材料自体の堅さが歪み測定に影響を及ぼす可能性が生じる。これは、電子ホイル歪みゲージ、及びファイバベースの光学ゲージにおいて生じる。
【０００７】
特許文献１は、試験片から伝達された歪みが２つのファイバ端部の間の距離を変化させた結果、２つのファイバ端部間の光の伝達が変化する光ファイバ歪みゲージに関する。光ファイバ端部はキャリア内に整列して保持される。このキャリア構造は、光ファイバの軸方向に対してほぼ垂直な方向への光ファイバ端部の、歪みに依存する相対移動を提供するため、ファイバ端部間の光の伝達の変化は、試験片からキャリアに付加された歪みの尺度であると説明されている。キャリアは、２つのファイバ保持要素と、試験片に取り付けるための２つの固定ゾーンと、２つのダブルヒンジゾーンとを有しており、上記ファイバ保持要素内には、２つのファイバ端部が間に隙間を挟んで整列した状態で保持されており、また、上記ダブルヒンジゾーンは、固定ゾーンの軸相対移動を、これと反対方向に向かう、保持要素と保持要素内に保持されたファイバ端部との垂直動作に変換すると説明されている。さらに、２つのダブルヒンジゾーンが固定ゾーンの軸相対動作を正反対の保持要素の水平動作に変換するキャリアが説明されている。
【０００８】
特許文献２は、キャリア又はファイバブラッググレーティングのパッケージがゲージの温度感度を相殺するように構成された、パッシブアサーマルファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）歪みゲージに関する。この歪みゲージは、ファイバ／フレーム係合手段と、ファイバ／ポインタ係合手段と、フレームを監視される構造に取り付ける手段とを設けた、フレーム及びポインタを有すると説明されている。ポインタは、フレームの孔内部にねじ山を有する要素であるため、フレーム内に延びるポインタの長さを調整することができ、これによりフレーム上の取り付け地点間のファイバ区画の長さの調整が可能になる。フレームは「湾曲」を有するため、「最小応力でＦＢＧに歪みを付加することが可能になる」と説明されている。
【０００９】
特許文献３は、ファブリーペロ干渉計（ＦＰＩ）歪みセンサを採用した光ファイバ隙間ゲージに関する。このゲージは、細長い引張バーを設けた基部と、引張バーの両端部付近に配置された１対のエンドコネクタと、引張バーの各端部を対応する端部コネクタと接続するための少なくとも１つのばねとを有すると説明されている。引張バーには中空の空洞と、刻み目付きの溝とが設けられているため、基部内と、特に基部の中空空洞内の歪みを測定するために、歪みセンサを内部に導入することができる。弓形ばねの中間区間が基部から湾曲して、弓形ばねの中間と基部の間に隙間を画定した状態で、１対の端部を有する弓形ばねの端部が、これに対応する基部のエンドコネクタと接続していると説明されている。弓形ばねの中間に力を付加することで隙間が狭まり、軸方向に向かう張力が基部に発せられる。（ＦＰＩ）歪みセンサを用いて歪みが測定され、この歪みは隙間の変化を表す。歪みセンサはファイバブラッググレーティングを含まず、また、歪みセンサと外部ファブリーペロ空洞の間で光を伝達する光ファイバが変調される。
【特許文献１】米国特許第６，８３４，５５２号公報。
【特許文献２】米国特許第７，０６８，８６９号公報。
【特許文献３】米国特許第７，１３４，２１９号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、ゲージ性能を劣化させることなく事前に取り付けられた歪みゲージの恩恵を提供する光ファイバ歪みゲージを提供する。本発明は、ゲージ性能を劣化させることなく取り扱い及び取り付けを容易化するというキャリアの利益を提供する１つ又は複数のＦＢＧを備える光ファイバ歪みセンサと共に使用するための、ゲージキャリア設計を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このゲージは、試験片に迅速かつ容易に取り付けられる。このゲージは、試験片への取り付け手段と、連続した光ファイバを保持する手段とを有するキャリアを含んでいる。キャリアは、金属、セラミック、プラスチックを含む任意の適切な材料で作成されている。特定の実施形態では、キャリアは金属キャリアである。別の実施形態では、キャリアは、試験片に溶着できる金属、特に、従来の金属で裏打ちされた電子ホイル歪みゲージを試験片に溶着するために現在使用されている装置を用いて、試験片に溶着できる金属で作成されている。代替的な実施形態では、キャリアは、エポキシ又は他の適切な接着剤を使用して試験片に取り付けることができる。ゲージキャリアは、歪み測定の軸に沿って選択的に適合する。キャリアは、測定軸に沿った歪みへの抵抗をほとんど提供しないため、試験片は金属ゲージキャリアの堅さに対して作用する必要がない。
【００１２】
１つ又は複数のファイバブラッググレーティングを包含した光ファイバは、ここではゲージ内の有効歪み感知トンラスデューサである。ゲージキャリアは、光ファイバブラッググレーティングの歪みゲージとしての使用を促進する上で、いくつかの重要な目的を果たす。ゲージキャリアは、取り扱いが容易なパッケージ化された装置を提供する、ファイバ保持固定具として機能する。このゲージキャリアは、設置及び使用中にファイバに保護を提供する。さらにゲージキャリアは、試験片への迅速で信頼性の高い取り付けを可能にする特徴を提供する。
【００１３】
本発明の追加の態様は、キャリアに事前に取り付けられていないゲージの精密性と感度を呈しながら、事前に取り付けられたゲージの便利性も提供するファイバブラッググレーティング歪みゲージである。好ましい実施形態では、ゲージキャリアの少なくとも一部は、これの長手方向軸に沿って、拡張、圧縮、又はこの両方に関して弾性であり、そのため、ゲージキャリアが試験片に取り付けられている２つの地点の間の距離の変化が可能になる。この実施形態では、ゲージキャリアは、キャリアの１つ又は複数の特定範囲のみにおいて弾性を有することができる一方で、キャリアの残りの部分は実質的に堅固な状態を維持するように設計されている。特定の実施形態では、本発明のゲージキャリアは、適合又は可撓な部材によって分離された２つの独立した堅固なファイバ固定要素として機能する。この構造によって、ファイバを試験片の２つの地点に堅固に取り付けることが可能になり、この場合、これらの取り付け地点間の歪みが生じた相対距離の変化を規制することはない。
【００１４】
本発明の例示的なキャリア及び歪みゲージでは、ゲージキャリアの弾性は、一体型本体内に作成した溝のシステム、好ましくは、長手方向軸に対して垂直に向いた溝のシステムによって提供される。一体型本体の溝システムは、一体型本体内に１つ又は複数のばねを作成することができる。例示的なばね構成には折り畳みビームばねが含まれるが、これに限定されるものではない。
【００１５】
本発明による別の例示的なキャリアと歪みゲージでは、ゲージキャリアの弾性は、ファイバ取り付け地点間における支持バーのキャリア本体内に１つ又は複数の空洞を導入することによって提供される。１つ又は複数の空洞は、支持バー又は一体型本体内に１つ又は複数のばねを作成することができ、特定の実施形態では、１つ又は２つの弓形ばねがキャリアの支持バー内に形成されている。
【００１６】
本発明の歪みゲージキャリアは、一般的なスポット溶接技術を用いて容易に試験片に取り付けられる。さらに、これらを、エポキシ又は別の接着剤を使用して試験片に取り付けることもできる。適切な表面準備手順、洗浄手順、接着剤硬化手順に従えば、接着剤で取り付けた光ファイバ歪みゲージは多くの用途において上手く機能する。
【００１７】
別の実施形態では、ゲージキャリアは、金属以外の材料で製造されている。歪みゲージキャリアを試験片にスポット溶接するためには金属キャリアが必要である。接着剤、クランプ、ねじを用いてゲージを取り付ける場合には、単金属キャリア（例えばセラミックやプラスチック）を使用することができる。
【００１８】
本発明は、適切な波長範囲の光をゲージの光ファイバ内に結合させる光源と共に、また、ファイバ内のファイバブラッググレーティングから反射された光を監視し、及び／又は、ファイバブラッググレーティングを通過する光（例えば、ノッチスペクトル）を監視する検出器との組み合わせにて、本発明の１つ又は複数のゲージを備える歪み測定システムを提供する。感知システムでは、本発明のゲージは、光源から光を適切に提供し、ファイバブラッググレーティングによって反射又は伝達された光を適切に監視することにより、直列又は並列に光学結合することができる。
【００１９】
本発明はまた、本発明による１つ又は複数の光ファイバ歪みゲージを組み込んだ様々な測定装置を提供する。これらの装置はとりわけ、温度及び圧力測定ゲージ、加速計、変位センサを含む。
【００２０】
本発明はさらに、本発明の１つ又は複数の歪みゲージを採用して、試験片内の歪みを測定する方法を提供する。この方法では、歪みゲージは試験片上の所望の場所に取り付けられる。特定の実施形態では、ゲージは、ゲージの長手方向軸が、測定する歪みを含んだ試験片の軸と整列する形で試験片上に取り付けられる。適切な波長の光が歪みゲージの光ファイバ内に結合されて、この光ファイバのファイバブラッググレーティングにより反射された光が検出される。検出は、反射された光を検出することで実施されるか、あるいは、ファイバブラッググレーティングを介して伝達された光を検出する（ファイバブラッググレーティングによる反射から生じたノッチを検出する）ことで間接的に実施される。ファイバブラッググレーティングによって反射された波長の変化は、ゲージ及び試験片内の歪みに関連している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図面を参照すると、同様の要素には同一の参照符号を付しており、また、２枚以上の図面に表示されている同一の参照符号は同じ要素を表す。これに加え、以下の定義があてはまる。
【００２２】
「弾性の」という用語は、材料、物体、装置、又は装置構成部品の、１つ又は複数の物理的寸法に関連してサイズを増減できることに言及する。弾性材料は、伸縮可能であってよい。弾性とは、弾性を有する材料、物体、装置、装置構成部品の特徴を示すものである。
【００２３】
「堅い」という用語は、弾性の不十分な、又は弾性のない材料に言及する。
【００２４】
「一体型本体」という用語は、連続した、あるいは切れ目のない材料から形成され、もしくは、相互に動作可能に取り付けた別個の構成部品から形成される本体又は物体を示す。一体型本体は、物理的に分離した、又は非連続の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たものである。しかし、一体型本体は、複数の構成部品を、溶接結合、接着、エポキシ、ねじ、ボルト、クランプ、クラスプ、又はこれらの任意の同等品のような固定具によって相互接続したものであってもよい。
【００２５】
「長手方向軸と平行」は、長手方向軸と同じ方向に延び、長手方向軸と完全に等距離である軸によって定義された方向に言及する。
【００２６】
「長手方向軸に対して垂直」は、長手方向軸に対して９０°の角度に配置された軸によって定義される方向に言及する。
【００２７】
ここで示す説明では、例えば装置要素の方向、整列、相対位置、及び装置要素の形状に関連して、記述した整列、方向、位置、又は形状からのある程度の逸脱が、装置又は装置要素の機能を損失することなく許容されることが理解される。例えば、特定の実施形態では、キャリアは１つ又は複数のキャリア軸に対して対称的であることが好ましい。装置要素形状の非対称性の程度は、機能を損失することなく許容されることが理解されるだろう。
【００２８】
「ばね」は、ゆがませた後に解放すると元の形状を復元する弾性体又は装置を示す。本発明のばねは、ステンレス鋼合金ばねに関連した係数のような様々な弾性係数を有することができる。また本発明のばねは、これよりも小さい空間内に押入され、解放されると元の形状に戻ることができる、湾曲又は屈曲した本体を備えていてよい。「弓形ばね」という用語は、力を加えると圧縮又は拡張することができる、好ましくは矩形又はＵ字型をした１つ又は複数の空洞を有する材料又は本体を意味する。「折り畳んだ担ばね(beam spring)」は、少なくとも１つの溝を有しているために１つ又は複数の折り畳み部が形成されたビームを作成する、力が加わると圧縮又は拡張できる材料又は本体を示す。本発明によるキャリアのばねは、キャリアがこれの長手方向軸に沿って圧縮又は拡張できるように形成されていることが好ましい。
【００２９】
図１は、本発明によるキャリア実装型のファイバブラッググレーティング歪みゲージの例示的な実施形態を示す。図２は、ファイバを支持するゲージのキャリア部分を示す。図３は、例示的な、ゲージキャリアの弾性領域の接近図を示す。図４は、概して本発明によるキャリア実装型の歪みゲージにおいて使用できる例示的な光ファイバ固定要素の詳細を示す。
【００３０】
具体的には、図１は、適所に光ファイバを配置して組み立てたゲージ（１００）の斜視図である。このゲージは、ゲージキャリア（２００）と、光ファイバ（１０２）と、光ファイバ内のブラッググレーティング（１０３）と、さらに光ファイバを保護する任意のファイババッファ管（１０４）と、を備えている。図１は、参照の目的で、ゲージ及びこれのキャリアの長さ、幅、厚さ寸法を示している。図１は、ゲージとこれのキャリアの長手方向軸２０７を示す。キャリアはさらに、長手方向軸に対して垂直であり、キャリアの幅と平行な横軸（図示せず）と、長手方向軸及び横軸に対して垂直で、キャリアの厚さと平行な垂直軸（図示せず）とを有することが理解されるであろう。この３本の軸はキャリアの中心点で交差する。例示的な実施形態では、キャリアは、１本又は複数本のこれらの軸に対して実質的に対称的である。特定の実施形態では、キャリアは長手方向軸に対して実質的に対称的である。図示にあるように、光ファイバはキャリア内に保持されており、２つのファイバ固定要素（２０２ａ、２０２ｂ）にてキャリアに取り付けられている。以下で詳細に説明しているように、光ファイバは、キャリアに固定する前に予めに引張しておくことが好ましい。光ファイバは、ゲージ及びこれのキャリアの長手方向軸に沿って配置される。光ファイバは、キャリアへのファイバ固定地点どうしの間のファイバの長さにかけて、少なくとも１つのファイバブラッググレーティングを設けている。
【００３１】
歪みの測定動作では、試験片にゲージを取り付け、適切な光源からの光を光ファイバ内に結合させ、ブラッググレーティングによって反射された光、又はブラッググレーティングを通って伝播した光を適切な検出器によって監視する。ブラッググレーティングによって反射された光の波長が、ブラッググレーティングを包含した光ファイバに付加した歪みに反応する。
【００３２】
図２は、性能の点で妥協することなく、ゲージの取り扱いと取り付けを便宜的に行うことができる、本発明によるゲージキャリアの例示的な実施形態を示す。図示のキャリア（２００）は、支持バー（２０１）と、第１のファイバ固定要素（２０２ａ）と、第２のファイバ固定要素（２０２ｂ）と、第１の取り付け面（２０３ａ）と、第２の取り付け面（２０３ｂ）と、弾性領域（２０４）と、を備えている。キャリアは、入口、出口、又はこれら両方において光ファイバをゲージキャリアから保護するために、歪み解放要素（２０５ａ）及び／又は（２０５ｂ）を任意で有する。取り付け面は、ゲージを試験片に取り付けるための場所を提供する。この取り付け面は、支持バーの両端に取り付けられた取り付け要素２１５ａ、２１５ｂ上に提供されている。ファイバ固定要素は、各取り付け要素に図示のとおりに提供するか、又は支持バーの各端部に配置することができる。ファイバ固定要素は、例えば取り付け面を設けた取り付け要素内に形成するか、又は取り付け面を設けた取り付け要素に堅固に取り付けることで、取り付け面に堅固に取り付けられているため、試験片にゲージを堅固に取り付けるとファイバ固定要素の各々が試験片に堅固に取り付けられる。支持バーは、キャリア内の、光ファイバの堅固な取り付け点どうしの間にあたる部分にわたって延びており、支持バーは少なくとも１つの弾性の領域を有する。
【００３３】
実際に、ゲージ（１００）は、堅固な取り付けを達成する任意の手段によって試験片に取り付けられている。この手段には、例えば、試験片と各取り付け面の少なくとも一部との間に接着ボンドを形成する手段や、取り付け面を試験片にスポット溶接する手段がある。図５Ｂに示す溶接ポケットを任意で提供することで、溶接が促進される。
【００３４】
ファイバは、２つの別個のファイバ固定要素（２０２ａ）、（２０２ｂ）によってゲージキャリアに堅固に取り付けられる。第１のファイバ固定要素と第１の取り付け面は、ゲージキャリアの弾性領域（２０４）によって、第２のファイバ固定要素及び第２の取り付け面から分離されている。
【００３５】
弾性領域はばねとして効果的に働き、また、少なくとも２つの目的を果たすことができる。この弾性領域は、少しの力を加えるだけでゲージキャリアが長手方向軸に沿って拡張及び収縮することを可能にするコンプライアンスを提供する。これにより、２つのファイバ固定要素（２０２ａ）、（２０２ｂ）が、歪みに晒された試験片の動作を追うことができるようになる。ファイバ固定要素（２０２ａ）とファイバ固定要素（２０２ｂ）との間の相対距離が変化すると、これに比例して光ファイバに付加される張力も変化し、また、ブラッググレーティング（１０３）の光帯域の中心波長はファイバ張力に比例して変化する。中心波長は、試験片に現れる歪みに直接関係している。弾性領域（２０４）の第２の機能は、光ファイバ（１０２）を事前に引張するためのばね力を提供することである。好ましい実施形態では、張力は、ファイバをファイバ固定要素（２０２ａ）、（２０２ｂ）に取り付ける工程の最中に、ファイバ（１０２）に付加される。光ファイバをこのようにして事前引張することで、ゲージは、ファイバ内に残った残余引張により引張と収縮の両方で動作することが可能になる。
【００３６】
各取り付け面（２０３ａ、２０３ｂ）は、相互に隣接して、それぞれ対応するファイバ固定要素（２０２ａ、２０２ｂ）に堅固に固定されている。ゲージキャリアが取り付け面（２０３）を介して試験片に堅固に固定されることで、ファイバが試験片に密接な機械接触した状態で堅固に取り付けられことになる。この構成では、歪みが試験片から光ファイバに直接伝達される。ゲージ感度を最大にするために、試験片から光ファイバ取り付け地点までの機械的経路を最短に設けることが好ましい。
【００３７】
特定の実施形態では、支持バーと、取り付け面と、取り付け要素と、ファイバ固定要素とが一体型本体を形成している。キャリアの機能要素は、選択された機械工作可能な１種類の切れ目のない材料で、適切な機械加工方法によって形成されることが好ましい。上記の材料は、例えば切れ目のない１種類のステンレス鋼や他の機械加工可能な金属であってよい。ここでは「切れ目のない」という用語を、装置を形成する材料が断絶されることなく、装置の機能要素どうしが接続していることを示すために使用している。
【００３８】
図２、図３に示す好ましい実施形態では、圧縮、拡張、あるいはこの両方に関連して弾性を長手方向軸（２０７）に沿って提供する複数の溝（３０１）が支持バー内に作成されている。図のような溝の導入は、支持バーの一部内にばね構造体を形成するために用いることができる。図２、図３に示すように、溝（３０１）は、バーの両側から内部に、バーの幅に渡って延びており、また、長手方向軸（２０７）に対して垂直に向いている。溝は選択された長さ（Ｌ）と、溝幅（Ｗ）を有し、バーの厚さにわたって延びている。溝どうしは、選択された距離Ｓで離間している。特定の実施形態では、隣接した溝どうしは、図３に示すようにバーの両側からバー内部に延び、距離Ｓによって離間している。特定の実施形態では、バーの両側からバー内に延び、選択された距離Ｓで離間している１対又は複数対の隣接した溝が、バーの弾性領域を形成している。バーの両側からバー内に延びた溝（３０１）の対のシステムによって、キャリアが、ファイバ固定地点どうしの間でキャリアの長手方向軸とほぼ平行な方向に移動することを可能にするように、支持バー内の折り畳み担ばねとして機能する折り畳み構造を生成する。溝どうしの間の長さ、幅、距離を変更して、キャリア内に望ましい程度の弾性を達成することができる。特定の実施形態では、溝はバーの幅の半分以上にわたって延び、キャリアの長手方向軸と交差している。特定の実施形態では、全ての溝は同一の長さと幅を有する。特定の実施形態では、弾性領域は２対、３対、又は４対の溝を含んでいる。
【００３９】
上述したように、支持バー領域内にばね要素を形成している溝を、適切な機械加工形式により切れ目のない材料でできた一体型本体内に導入することができる。別の実施形態では、このような一体型本体は、鋳造技術によって達成できる。
【００４０】
キャリア要素、そして特にキャリアの支持バー部分は、いくらかの弾性を呈するが、ファイバ固定あるいは取り付け点（２０２ａ、２０２ｂ）に堅固な支持を提供できる、任意の材料を備えていてよい。好ましい実施形態では、この一体型本体（２２０）は、切れ目のない１片の材料で製造される。切れ目のない材料の使用は、キャリア製造を単純化し、組み立てコストを低減するために好ましい。しかし本発明は、キャリアの一体型本体が、適切な固定手段によって機能的に接続された複数の構成部品によって製造される実施形態を含んでいる。上記固定手段には、キャリアの一体型本体が、溶接結合、接着剤、エポキシ、ねじ、クランプ、ボルト、クラスプ、及びこれ以外の等価物が含まれるが、これらに限定されることはない。
【００４１】
図３により詳細に示す弾性の折り畳み担ばね構造体（２０４）は、単純に、本発明のゲージキャリアに弾性を提供する１つの手段である。本発明では、キャリアの長手方向軸に沿って圧縮又は拡張に関連して弾性を提供し、その後、他の全ての寸法に沿った動作を制約する任意のばね構成を採用できる。本発明のばねは、光ファイバに有効なプレロード範囲を付加することを可能にするばね定数範囲を有することができる。さらに、本発明のゲージキャリアは任意の数のばねを有することができる。本発明の代替的な実施形態は、複数の折り畳みと、これらの折り畳みに様々なビーム交差部分とを有する、折り畳み担ばねを備えている。さらに代替的な実施形態は、支持バー上で離間する、２つの折り畳み担ばねを備えており、さらに詳細には、これらは支持バーの両側の長手端部付近に位置している。さらなる実施形態では、望ましい弾性を提供するために、電気測定（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｔｒｉｃ）又は重合体材料が支持バー内に組み込まれている。
【００４２】
好ましい実施形態では、図２に示すゲージキャリア（２００）は、光ファイバを固着する手段を提供する。支持バーは、光ファイバを受容し、任意でファイバ保護用の管を収容するための、長手方向軸（２０７）に沿って延びた軸スロット（２０６）を有する。ファイバがキャリア全体に延びることができるように、このスロットは第１、第２の取り付け要素を通って延びている。
【００４３】
シリカファイバ（１０２ａ）と保護コーティング（１０２ｂ）からなる光ファイバ（１０２）が軸スロット（２０６）内に配置され、長手方向軸（２０７）に沿って延びている。一体型本体（２０１）の２つのファイバ固定要素（２０２ａ）、（２０２ｂ）のそれぞれは、穴（４０３）を有する。穴（４０３）は長手方向軸（２０７）に対して垂直である。穴（４０３）は、内部にエポキシ、合金半田、ガラス半田を配置できるポケット（４０６）を形成している。特定の実施形態では、鉛、すず、金、銀、インジウムのような金属半田又は合金半田を使用できる。また穴（４０３）は、接着剤あるいは半田材料を、これが固体化するまで包含することができる。接着剤又は半田は穴（４０３）内部にとらえられ、ファイバコーティング（４０６）と穴（４０３）との間の空隙を充填する。穴の軸はファイバ軸に対して垂直であるため、ファイバの軸に沿って付加された張力によって接着剤が滑ってしまうことを防止する。公表された米国特許出願第２００６／０２８５８１３号明細書には、本発明のキャリアとゲージに便利な、図４と同様の部品を含んだファイバ保持要素が詳細に説明されており、上記の出願全体は、本発明に役立つファイバホルダを説明するために、参照して本明細書に組み込まれる。好ましい実施形態では、キャリアは、公表された米国特許出願第２００６／０２８５８１３号明細書で説明され、本明細書で参照している耐クリープ性の光ファイバ取り付け機構を含む。本発明の例示的なゲージキャリアには、任意のファイバ固定要素を有し、光ファイバを一体型本体に固定するための、接着剤、半田、クランプ、クリンプを含む任意の手段を提供するものが含まれるが、しかしこれらに限定されるものではない。
【００４４】
図５Ａと図５Ｂとは、本発明による歪みゲージ及びキャリアの別の例示的な実施形態を示す。図５Ａは、切れ目のない材料片（例えばステンレス鋼や他の金属）から一体型本体（２２０）として形成されたゲージ１００とキャリア（２００）の下面を示す。ゲージの下面は、ゲージが試験片と接触する面である。この光ファイバは、試験片の面と接触はしないが可能な限り接近していることが好ましい。ゲージは、光ファイバ（１０２）がゲージキャリアの適所、即ち長手方向軸２０７に沿って延びたスロット２０６内に固定された状態で示されている。取り付け要素（２１５ａ、２１５ｂ）と、取り付け面（２０３ａ、２０３ｂ）と、ファイバ固定要素（２０２ａ、２０２ｂ）と、支持バー２０１とは、一体型本体２２０の切れ目のない材料内部に形成されている。
【００４５】
キャリアの支持バー領域は、ファイバ取り付け地点（２０２ａ、２０２ｂ）間における支持バー内に弾性を導入するための、１つ、好ましくは２つの離間した空洞５０３ａ、５０３ｂを含んでいる。この空洞の形状及び寸法は支持バーとゲージの弾性に影響するため、これらのパラメータは弾性を調整するべく選択することができる。空洞は支持バーの厚さ全体にわたって延びている。また空洞は、支持バーに弾性を提供するものであれば、どのような形状であってもよい。空洞壁は、鋭い角のない湾曲及びアーチ型の面であることが好ましい。また、図５Ａに示すように、空洞は円形、楕円形、角を丸めた矩形であってよい。空洞は「Ｄ字型」形状で、Ｄの湾曲の頂点がゲージ／キャリアの長手方向軸と交差するものであってよい。特定の実施形態では、空洞の長手方向軸はゲージの長手方向軸（２０７）に対して垂直である。好ましい実施形態では、支持バー内の１つ又は複数の空洞は、ゲージ／キャリアの長手方向軸に対して対称的である。特定の実施形態では、空洞の長軸は支持バーの幅の５０％長い。他の実施形態では、空洞の長軸は支持バーの幅の７５％長い。キャリアの支持バー内の１つ又は複数の空洞は、キャリア／ゲージの長手方向軸に沿って弾性を呈する１つ又は複数の弓形ばねを支持バー内に形成することができる。
【００４６】
図５Ｂは、図５Ａのゲージの頂側部を示す。この図は、ゲージの試験片へのスポット溶接を促進するべく機能する、一体型本体上に設けられた任意の溶接ポケット５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃ、５１０ｄを示す。この溶接ポケットは、１つ又は複数のスポット溶接用の場所を提供する。それぞれの溶接ポケットは、スポット溶接を作成するための２つ以上の場所、例えば５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃを含んでいることが好ましい。図５Ｂはキャリアの横軸を示す。好ましい実施形態では、ゲージキャリアは、これの長手方向軸及び横軸に対して対称的な形状である。
【００４７】
図５Ａ、図５Ｂは、支持バー領域（２０１）と、表面取り付け要素２１５ａ、２１５ｂと、ファイバ固定要素（２０２ａ、２０２ｂ）とを含んだ、一体型本体（２２０）を有する本発明のキャリアを示す。このキャリアは均一な長さ、幅、厚さを有していてよいが、しかし、キャリアの長さに合わせて幅を変えることが好ましい。キャリアの幅と長さの変化量は、キャリアの長手方向軸に対して、あるいはキャリアの長手方向軸と横軸の両方に対して対称的であることが好ましい。図２、図５Ａ、図５Ｂに示したように、キャリアの中心領域（例えば、支持バー領域）の幅は取り付け要素の領域よりも狭く、また、やはり同図に示すように、支持バーの１つ又は複数の弾性領域を取り付け領域よりも広く設けてもよい。
【００４８】
特定の実施形態では、図５Ａ、図５Ｂに示すステンレス鋼（ゲージ長さ２４ｍｍ、重量１．１ｇ、寸法：３６ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍ）から形成される歪みゲージは、２１℃にて±１．０％のゲージ成分の許容値を呈し、−４０〜１２０℃（短時間の露出の場合には最大１５０℃）の温度範囲にわたって動作することができ、±２５００のマイクロストレインの歪み測定限度を有し、さらに、＞２０×１０６サイクル、±１０００マイクロストレインの疲労寿命を呈した。
【００４９】
キャリアの支持バー内に弾性を導入することで、ファイバ固定地点の相対横方向動作が最小化される。好ましい実施形態では、試験片から取り付けられたゲージに歪みが伝播する際に生じるこのような横方向動作を最小化するために、支持バーはキャリアの長手方向軸に対して対称的になっている。
【００５０】
好ましい実施形態では、キャリアの厚さは幅よりも遥かに薄いため、試験片に取り付けした際にも低い姿勢を呈する。特定の実施形態では、この幅はキャリアの厚さの１０倍以上であり、追加の実施形態では、この幅はキャリアの厚さの２０倍以上である。
【００５１】
図５Ａ、図５Ｂに示すように、支持バーの幅は、これの長さを超える幅にまで変更できる。バー領域の縁、さらにバーの内部領域から材料を（空洞を導入することにより）除去することができる。バーの縁からの材料の除去は、ファイバ固定地点どうしの間におけるバーの弾性を調整するために用いることができる。特定の実施形態では、支持バーとキャリアの弾性の調整は、キャリアによってファイバに所望の事前引張を付加できるが、ゲージの取り付けによって試験片に過度の負荷がかからないようにする形で行う。ステンレス鋼製のキャリアを使用する特定の実施形態では、キャリアのばね定数は１２００  ｌｂｆ（重量ポンド）／インチ（約５３３７Ｎ／インチ）である。所与のキャリアの場合、所望のばね定数を経験から確立することができる。この所望のばね定数は、キャリアが、ファイバの所望の事前引張を維持するのに十分堅く、ゲージを表面に取り付けるために使用されるスポット溶接又はエポキシに過剰な応力をかけることなく撓むのに十分に適合するものである。
【００５２】
本発明のゲージキャリアは、当技術分野においてよく知られている放電加工（ＥＤＭ）技術を用いて効果的に製造できる。例えば、図２に示すような一体型本体の構成部品は、一体型本体から材料を取り除くためにＥＤＭ技術を用いて、所望の機能要素を生成し、支持バーの弾性ばね領域を作成することにより、１つの切れ目のない材料で製造することができる。また本発明のゲージキャリアは、レーザ技術、水噴射技術、あるいは化学エッチング技術を用いても製造できる。
【００５３】
本発明のゲージは、しっかりした結合を形成するために接着剤、特にエポキシ、さらに詳細には１００％固体エポキシを使用して、様々な面（試験片）に結合できる。当技術分野において理解されているように、表面の準備と洗浄は、しっかりした結合を形成する能力に大きく影響する。当技術分野において周知の、結合した抵抗歪みゲージと共に使用するように設計された接着システムを、本発明のゲージとして使用することができる。これらの接着剤は、一般に、脱脂剤、軟化剤、中和剤、エポキシ、及び使用説明書を含むキット形式で市販されている。典型的な準備では、ゲージ取り付け面を脱脂し、軟化させ、中和して洗浄し、結合に影響する汚れや残留物を表面から取り除く。さらに、試験片の表面も準備する。試験片の取り付け面は、適当に平坦で、表面の欠陥、さび、酸化物膜、酸化物、剥げたペンキ、他のコーティングの無いものであることが好ましい。試験片の表面にも脱脂、軟化、中和を施しておく。次に、製造業者の指示に従って接着剤を付加する。例えば、エポキシを硬化剤と混合し、ゲージ取り付け面に薄膜を付加し、試験片上にゲージを所望のとおりに配置し、好ましくは接着する範囲にかけて均等なクランプ圧をかけてクランプ留めする。エポキシは室温で硬化できることが好ましく、また、予測される最高作業温度を超える華氏２５度（１５℃）での硬化後処置を実施して、クリープが生じない結果を達成することが好ましい。
【００５４】
本発明のゲージを、スポット溶接を用いて適切な試験片に取り付けることができる。例えば、直径約０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）の球状先端を有する小型溶接電極を装備した、最小エネルギー定格が５０ワット／秒のスポット溶接機を使用することで、優れた結果が得られる。高品質の溶接を得るために、試験片の表面にはさび、酸化物膜、油脂、潤滑油が無い状態にする必要がある。溶接は、図５Ｂに示すゲージの溶接ポケット内に形成することができる。好ましい溶接手順では、最初の溶接はゲージの４つの溶接ポケットのそれぞれの中心に形成される。この後に、さらなる溶接を各ポケット内に追加することができる（好ましくは、１つのポケットに３つの溶接）。
【００５５】
当技術分野において周知であり、理解されているように、ファイバブラッググレーティングに基づいたゲージは、温度に誘発された歪みと、機械的に誘発された歪みと、に反応する。温度に誘発された歪みは、ゲージと、これが取りつけられている基板との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の差によって生じる。温度が変化し、グレーティングの中心波長を生じさせるブラッググレーティングの屈折率の温度依存性がシフトすると、上記差によってゲージ内に歪みが誘発される。ゲージの熱出力を決定し、このようなゲージの温度を修正するための方法がいくつか知られている。ゲージの熱出力が分かっている場合は、当技術分野において周知の方法を用い、有効なゲージで測定した歪みから熱出力を引くことで、機械的に誘発された歪みを簡単に計算することができる。ゲージの熱出力は、当技術分野において周知の方法を用いて推測でき、また、ゲージの熱出力は、当技術分野において周知の方法を用いて経験から決定することができる。
【００５６】
また、当技術分野において周知の温度補正方法は本発明のゲージにも適用できる。一般に、これらの方法には、有効な測定ゲージと同一の「第２の補正ダミーゲージ」を使用する。このダミーゲージは、有効ゲージが取りつけられている材料と同一の１つの無応力材料に取り付けられており、さらに、有効ゲージに可能な限り接近して配置することで、両方のゲージが同じ温度を経験できるようになっている。この構成では、ダミーゲージは、熱出力を直接測定する有効ゲージと類似の方法で温度に反応する。いくつかの用途では、ダミーゲージの補正が、歪み測定において有効な機能を果たすことができる。例えば、屈曲ビームの用途では、１つのゲージをビームの頂面上に取り付け、第２のゲージをビームの底面上に取り付けている。ビームに屈曲負荷が印加されると、一方のゲージが引張し、他方のゲージが同量であるが反対方向に向かう圧縮に晒される。２つのゲージ間の波長の差は、歪みの２倍の表示度数である。熱により誘発された歪みが、両ゲージを、相互に効率的に相殺しながら同じ方向に移動させる。
【００５７】
本発明の光ファイバ歪みゲージは、様々な装置の装置構成部品として採用することができる。これには例えば、温度トランスデューサ、圧力トランスデューサ、力測定機器、加速装置、変位トランデューサが含まれるが、しかしこれらに限定されるものではない。
【００５８】
より詳細には、本発明は、本発明の任意の歪みゲージを備える力測定装置を提供し、この場合、歪みゲージは、測定する力に応答する負荷セルに取り付けられている。さらに、本発明の任意の歪みゲージを備える圧力測定装置も提供されており、この場合、歪みゲージは、測定する圧力に反応するダイヤフラムに取り付けられている。さらに、本発明の歪みゲージを備える加速度計、特に、測定する加速に反応する集合体に歪みゲージが取り付けられた加速度計が提供される。
【００５９】
特定の実施形態では、ゲージキャリアは、キャリアの長手方向軸に沿って延びた支持バーと、歪みゲージを試験片の表面に取り付けるために、支持バーの端部にそれぞれ配置され、堅固に取り付けられた第１及び第２の取り付け面と、第１及び第２の光ファイバ固定要素とを備えている。ファイバ固定要素は、光ファイバをキャリアの長手方向軸と平行に固定するために、キャリアの長さに沿って相互に離間している。第１、第２の固定要素は、第１、第２の取り付け面のそれぞれに堅固に取り付けられている。第１の固定要素と第２の固定要素との間に支持バーが延びており、支持バーの少なくとも一部は、キャリアの長手方向軸に沿って、拡張、圧縮、又はこの両方に関連して弾性を有する。
【００６０】
支持バーの材料を除去することで、支持バー内に１つ又は複数のばね要素を形成することができる。好ましい実施形態では、支持バーは一体型本体であり、より好ましくは、切れ目のない１つの材料で形成されている。バーから材料を除去した後に１つ又は複数の弾性領域を支持バー内に導入することで、バー内に溝又は空洞が形成される。別の好ましい実施形態では、取り付け面と、光ファイバ固定要素と、支持バーとが一体型本体を形成しており、より詳細には、これらの要素は１つの切れ目のない材料片で形成されている。
【００６１】
キャリアは、キャリアの長手方向軸に沿った光ファイバを受容するためのスロットを任意で備えている。キャリアはまた、キャリアの入口と出口とで光ファイバをサポートするために配置された歪み解放要素を任意で備えている。
【００６２】
例示的なキャリアにおいて、支持バーの弾性部分は、支持バー内の複数の溝で形成されており、この場合、これらの溝はキャリアの長手方向軸に対して垂直に向いている。例えば、複数の溝は、支持バーの両側から、支持バーの幅の少なくとも一部にかけて延びている、複数の離間した溝の対を備えることができる。特定の実施形態では、各溝は、キャリアの長手方向軸と交差して延びるのに十分な長さを有する。形成された複数の溝は、キャリアの長手方向軸に対して対称的なパターンを形成することができる。支持バー内に形成されたこれらの溝は、キャリアの長手方向軸と横軸の両方に対して対称的なパターンを形成していてよい。
【００６３】
キャリア支持バーは、ファイバ固定地点どうしの間に形成された１つ又は複数のばね構造体を有する。ばね構造体は、１つ又は複数の折り畳み担ばねであってよい。特定の実施形態では、支持バーは１つ又は２つのばね構造体を有する。特定の実施形態では、支持バーは２つの離間したばね構造体を有する。例えば、支持バーは、バーの各長手端部の付近にばね構造体を有することができる。ばね構造体は、支持バー内に空洞を作成することで形成できる。ばね構造体は弓形ばねであってよい。支持バー内にばね構造体を形成している空洞は、キャリアの長手方向軸に対して対称的であってよい。
【００６４】
１つ又は複数の空洞を使用して、支持バー内にばね構造体が形成されている場合には、共に形成された空洞はキャリアの長手方向軸に対して対称的であるか、又は、キャリアの長手方向軸と横軸の両方に対して対称的であってよい。特定の実施形態では、キャリア内部に導入され、支持バーの弾性を増加させる空洞は、長軸を呈する形状であってよく、また好ましい実施形態では、空洞は、長軸がキャリアの長手方向軸に対して垂直となるように支持バー内に作成されている。例示的な実施形態では、支持バーは、支持バーの一端の付近に配置された１つの弾性領域（例えば、ばね構造体）を有する。別の例示的な実施形態では、支持バーは、支持バーの各端部の付近に配置された２つの弾性領域（例えば、ばね構造体）を有する。さらなる実施形態では、支持バーの弾性領域はエラストマ材料を使用して形成することができる。
【００６５】
ゲージキャリアは一体型本体で形成することができ、この場合、ゲージの機能構成部品どうしは、１つ又は複数の固定具によって動作的に相互接続している。上記固定具は、溶接結合、接着剤、エポキシ、又は別の接着剤、ねじ、クランプ、ボルト、クラスプからなるグループより選択することができる。
【００６６】
特定の実施形態では、キャリアは、２５０乃至７５０ミクロンの間、好ましくは少なくとも５００ミクロンの長手方向軸に沿って変化する、第１のファイバ取り付け要素と第２のファイバ取り付け要素との間を様々な距離で設けられるように、十分な弾性を有する。本発明のゲージキャリアは、長手方向軸に沿った取り付け地点どうしの間の距離の変化に対する耐性をほとんど有することなく、光ファイバを、例えばファイバ固定要素及び取り付け面を介して、試験片の２つの地点に堅固に取り付ける。この構成により、向上したゲージ感度が提供される。
【００６７】
特定の実施形態では、ゲージ内のファイバが事前引張されることで引張と圧縮の歪みの測定が可能になる。このケースでは、キャリアは、光ファイバを事前引張するのに十分なばね力を提供する。好ましい実施形態では、光ファイバは、ゲージ内に固定する前に、選択した重量（力）をファイバに付加することで事前引張される。ファイバ内部に５０００マイクロストレインを提供できる形でファイバを事前引張することが好ましい。好ましいゲージは、±２５００マイクロストレインの測定範囲を呈する。
【００６８】
本発明のゲージは、１つ又は複数のファイバブラッググレーティングを含み、この内の少なくとも１つは、ファイバのキャリアへの固定地点どうしの間の長さ上に配置されている。ゲージ内のファイバブラッググレーティングに、保護用ポリイミドコーティング又は保護用金属あるいは金属合金コーティングを提供することができる。
【００６９】
ファイバは、様々な形で、様々な固定具設計を採用してキャリア内に固定できる。特定の実施形態では、ファイバは、例えばエポキシのような接着剤を使ってキャリアに固定される。別の実施形態では、ファイバは、クランプ留め又はクリンピングによるもののような機械的手段を使用してキャリアに固定される。さらに、例えば金属又は金属合金半田や、低温ガラス半田のような半田を用いて、キャリアに堅固に取り付けられたファイバホルダ内にファイバを固定することも可能である。
【００７０】
本発明の歪みゲージに、ゲージから延びたシングルファイバ接続か、ゲージから生じたダブルエンドファイバ接続を設けることもできる。
【００７１】
本発明のキャリアは、ここで述べた望ましい弾性特性を提供する様々な材料で製造でき、また特に、キャリアあるいはキャリアの機能要素は、例えば、ステンレス鋼、拡張係数の低い金属合金、セラミック、複合材料、プラスチック又は重合体材料から形成されてよい。
【００７２】
本発明はさらに、ここで述べた本発明の１つ又は複数の歪みゲージを備える光ファイバベースの感知システムを提供する。このようなシステムは、複数のファイバブラッググレーティングを含んだ切れ目のない、又は接合された光ファイバが複数のゲージ間に延びた、直列構成に構成された複数の歪みゲージを備えることができる（構成内の各歪みゲージにつき、少なくとも１つのファイバブラッググレーティングが設けられている場合）。このシステムでは、ゲージの光ファイバが相互に光学接続していない並列構成にある複数のゲージを代わりに含むか、又は組み合わせとして含むことができる。任意のこのようなシステムでは、１つ又は複数の適切な光源と、１つ又は複数の適切な光検出器を設ける。様々な光源及び光検出システムが当技術分野において知られており、これらを本発明のゲージの用途に適用できる。一般に、ここで述べた光ファイバ歪みゲージは、ファイバブラッググレーティングを採用している、当技術分野において周知の光ファイバ歪みゲージシステムのいずれにも採用できる。特定の実施形態では、本発明の複数の歪みゲージを、歪みを測定するための各試験片軸につき少なくとも１つのゲージを含んでいる多軸歪みゲージ内の構成部品として採用することができる。これらのシステムでは、ゲージの長手方向軸は、歪みを測定するための試験片の軸と整列している。
【００７３】
また、本発明の歪みゲージとキャリアを、変位、力、圧力、温度、又は加速を測定する装置内の構成部品として採用することも可能である。このような測定システム内への歪みゲージの使用は当技術分野において知られており、このようなシステムに本発明のゲージを、当技術分野において周知であり理解されたものとして適用することができる。このような測定装置では、歪みゲージを、被測定性質に反応して歪む材料又は物体に取り付けられる。この被測定性質は、反応する材料又は物体内の歪みを誘発し、次にこの歪みが歪みゲージによって測定される。好ましい状況では、反応する材料又は物体は、被測定性質に晒されると予測可能かつ繰り返し可能な方法で反応し、また、この反応は直線的であることが理想的である。特定の実施形態では、反応する材料又は物体は、変位トランスデューサ（距離の変位又は変化を測定する）、加速可能な集合体（加速を測定する）、力を付加される負荷セル（力を測定する）、圧力に反応するダイヤフラム（圧力を測定する）、温度に従って拡張又は収縮する材料又は物体（温度を測定する）である。
【００７４】
ここではマルクーシュグループ又は別のグループを使用しているが、グループの各メンバーと、グループにおける全ての組み合わせ、可能な次位の組み合わせとは、それぞれ本開示に含まれる物とする。ここで説明又は例証した構成部品の各組み合わせは、特に記載がない限り、本発明を実施するために使用できる。当業者は、本発明を実施する際に、詳細に例証したもの以外の方法、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であろう。このような方法、装置要素、材料の、当技術分野において知られている全ての等価物は、本発明に含まれるものとする。本明細書中で、例えば温度範囲、周波数範囲、時間範囲、組成範囲のような範囲が与えられている場合には、常に、全ての中間範囲、全ての副範囲、並びに範囲に含まれている全ての個々の値は、本開示に含まれるものとする。本明細書に開示された範囲又はグループの個々のメンバーのうち１つ又は複数を、本発明の特許請求の範囲から除外することができる。ここで例示的に説明した本発明は、ここでは詳細に開示していない１つ又は複数の任意の要素、１つ又は複数の制限を設けなくても、適切に実施することができる。
【００７５】
ここで用いている「備えている」という用語は、「含んでいる」「包含している」、又は「によって特徴付けられている」という用語と同義語であり、包括的かつ無制限的であり、列挙されていないさらなる要素又は方法ステップを除外しない。ここで使用しているように、用語「からなる」は、請求項の要素に指定されていない要素、ステップ、成分を除外する。またここで用いているように、用語「本質的に〜からなる」は、請求項の基本的及び新規の特徴に大きく影響しない材料又はステップを除外しない。ここで行った用語「備えている」の任意の詳述は、特に、１つの構成の構成部品の説明、又は装置の要素の説明においては、「本質的に〜からなる」、「からなる」と置き換えることが可能である。
【００７６】
本明細書に記述した説明には多くの詳細が含まれるが、これらは本発明の範囲を制限するものとしてではなく、単純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なければならない。したがって、ここで参照した各事項の全体は、本明細書に組み込まれる。しかし、参照した事項と本開示との間に何らかの矛盾が生じた場合には、本開示が先例となるものとする。ここで提供したいくつかの参照は、本出願に先行する従来技術についての詳細を提供するために参照してここに組み込まれており、これ以外の参照事項は、本発明の分析又は適用を行うための追加又は代替の装置要素、追加又は代替の材料、追加又は代替の方法を提供するために参照することができる。本明細書中に記載された全ての特許及び出版物は、本発明が関連している当業者の技術レベルを示すものである。ここで参照した事項は、これらの発行又は出願日付以降の従来技術を示すために全体が参照してここに組み込まれたものであり、また、必要であれば、従来技術として既に存在する特定の実施形態を除外する目的で、この情報を本明細書に採用することもできる。
【００７７】
当業者は、装置要素、及び装置要素の材料、形状、寸法、さらに、詳細に例証したもの以外の方法を、本発明を実施するために、過度な実験に頼ることなく採用できることを理解するであろう。任意のこのような材料及び方法の、当技術分野において既に知られている全ての機能等価物は本発明に含まれるものとする。採用された用語及び表現は、制限ではなく説明するための用語として使用されており、このような用語及び表現を使用する上で、図示及び説明した特徴の同等物又はこれらの一部を除外するのではなく、請求された本発明の範囲内での様々な変更が可能であると理解される。そのため、本発明を好ましい実施形態及び任意の特徴によって詳細に開示したが、しかし、当業者はここで開示した概念の変更、応用を用いることができ、さらに、このような変更と応用は本発明の範囲内に含まれるものと考慮されることが理解されるべきである。
【００７８】
本明細書中での「好ましい実施形態」、「代替的な実施形態」、又は「例示的な実施形態」の参照とは、これの実施形態に関連して述べた、又は説明した特定の特質、構造、特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書中の多くの箇所で行っている「好ましい実施形態」、「代替的な実施形態」、又は「例示的な実施形態」の参照は、同一の実施形態を指す必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】例示的なファイバブラッググレーティング歪みゲージを示す概略図である。
【図２】図１の歪みゲージの例示的なゲージキャリアを示す概略図である。
【図３】ゲージキャリアの例示的な弾性領域をより詳細に示す図である。この場合、支持バー内に溝を導入することで、支持バーの一部に折り畳み担ばねが形成される。
【図４】ゲージキャリア用の例示的なファイバ固定要素のより詳細な図である。
【図５Ａ】ゲージ内の適所にブラッググレーティングを備えた光ファイバが固定された状態の、本発明の別の例示的なゲージキャリアを示す概略図である。また、ゲージ及びこれのキャリアの下面を示す斜視図である。試験片上に取り付けられると、キャリアの下面が試験片と接触する。この場合、２つの離間した空洞がキャリアの支持バー内に導入されて、支持バー内に弓形ばねのようなばねを形成している。
【図５Ｂ】ゲージ内の適所にブラッググレーティングを備えた光ファイバが固定された状態の、本発明の別の例示的なゲージキャリアを示す概略図である。また、ゲージとこれのキャリアの頂側部を示す斜視図である。キャリアのこの側部を、試験片へのゲージの溶接を促進するための任意の溶接ポケットと共に示している。この場合、２つの離間した空洞がキャリアの支持バー内に導入されて、支持バー内に弓形ばねのようなばねを形成している。
【符号の説明】
【００８０】
１００…ゲージ、  １０２…光ファイバ、  １０２ａ…シリカファイバ、  １０２ｂ…保護コーティング、  １０３…ブラッググレーティング、  ２００…ゲージキャリア、  ２０１…支持バー、  ２０２ａ…ファイバ固定要素、  ２０２ｂ…ファイバ固定要素、  ２０３ａ…第１の取り付け面、  ２０３ｂ…第２の取り付け面、  ２０４…弾性領域、  ２０５ａ…歪み解放要素、  ２０５ｂ…歪み解放要素、  ２０６…軸スロット、  ２０７…キャリアの長手方向軸、  ２１５ａ…取り付け要素、  ２１５ｂ…取り付け要素、  ２２０…一体型本体、  ３０１…溝、  ４０３…穴、  ４０６…ポケット、  ５０３ａ…空洞、  ５０３ｂ…空洞、  ５１０ａ…溶接ポケット、  ５１０ｂ…溶接ポケット、  ５１０ｃ…溶接ポケット、  ５１０ｄ…溶接ポケット。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【外国語明細書】
2007212460000001.pdf