(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス材料中に埋め込まれてマトリックス材料に接合した光ファイバの少なくとも１か所が光軸にほぼ垂直にかつ平坦な断面を形成して破断されて光干渉型センサのセンサ部がその場形成されてなることを特徴とする光ファイバセンサを内蔵した材料。
【請求項２】
表面に切り込みにより予備亀裂を付与した光ファイバをマトリックス材料中に埋め込み、マトリックス材料に接合した後に、該マトリックス材料に応力を加えて光ファイバの予備亀裂の箇所を光軸にほぼ垂直にかつ平坦な断面を形成するように破断させて光干渉型センサのセンサ部を材料中にその場形成することを特徴とする光ファイバセンサを内蔵した材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造材料、特に複合材料等の材料特性やひずみ、摩耗等の経時変化等をモニタするための光ファイバセンサを埋め込んだ材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
センサ及び／又はアクチュエータを埋め込んだ材料のように高機能性材料が新しい材料機能、例えば、騒音低減、振動抑制、アクチュエーション、損傷検知、製造工程監視、等のために世界的に関心がもたれている。これらの機能はポリマー基の材料で相当に実現されているが、金属系材料では高導電性のためにこれらの機能を実現することは非常に困難である。
【０００３】
最近、複合材料等の高性能な構造材料中に特殊な光ファイバセンサを埋め込み、そのひずみ等を常時モニターしようという試みが多くなされるようになった。例えば、特開平４−３６１１２６号公報には、光ファイバ干渉計のセンサ部を繊維強化複合材積層板の層間に埋め込んでセンサ部による干渉光の強度変化を測定して繊維強化複合材積層板の内部ひずみを測定する方法が開示されている。また、特開平１１−１６５３２４号公報には、ファイバの中途または先端にグレーティング等のセンサ部を加工した光ファイバを高電圧機器絶縁モールド等のエポキシ樹脂注型品に埋め込む方法を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、より簡便な手段で材料中に光ファイバセンサを内蔵させることにより、マトリックス材料の種類を問わず、構造材料などのひずみ、摩耗等の物理量の変化や衝撃負荷、熱伝播等の材料特性等をモニタできるようにした材料およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、センサ部を予め形成していない光ファイバを材料中に埋め込んだ後に光干渉型のセンサのセンサ部を材料中にその場形成するものである。
【０００６】
すなわち、本発明は、マトリックス材料中に埋め込まれてマトリックス材料に接合した光ファイバの少なくとも１か所が光軸にほぼ垂直にかつ平坦な断面を形成して破断されて光干渉型センサのセンサ部がその場形成されてなることを特徴とする光ファイバセンサを内蔵した材料である。
【０００７】
また、本発明は、表面に切り込みにより予備亀裂を付与した光ファイバをマトリックス材料中に埋め込み、マトリックス材料に接合した後に、該マトリックス材料に応力を加えて光ファイバの予備亀裂の箇所を光軸にほぼ垂直にかつ平坦な断面を形成するように破断させて光干渉型センサのセンサ部を材料中にその場形成することを特徴とする光ファイバセンサを内蔵した材料の製造方法である。
【０００８】
本発明において、マトリックス材料は、プラスチック、金属、セラミックス、コンクリート等のいずれでも良く、またＳｉＣ等の無機繊維、ステンレス鋼繊維等の強化繊維で強化した複合材料、同種材料または異種材料の積層体等でもよい。また、光ファイバをマトリックスに導入する方法としては、注型法、ホットプレス法等通常繊維強化複合材の製造に使用されるような方法を採用できる。特に、亜鉛や銅を溶射層や箔からなるインサート材として接合界面に用いる界面層形成／接合法を使用することが好ましい。
【０００９】
例えば、アルミニウムまたはＳｉＣ等の連続繊維で強化したアルミニウム複合材に光ファイバを中間層形成／接合法により連続繊維と平行に埋め込むことができる。図７は、光ファイバ埋め込みＳｉＣ／Ａｌ複合材をホットプレスで一体化するために積み重ねた材料のファイバに直交する方向の断面を示す。まず、アルミニウム板１の上に厚さ９μｍの銅インサート箔２を置くことにより界面層形成／接合により銅を被覆し、次いで、光ファイバ３よりやや大きい直径１８０μｍのＵ型溝４を銅を被覆した厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板１上に形成する。次に、光ファイバ３と直径１４０μｍのＳｉＣからなる補強繊維５をＵ型溝４にそれぞれ配置し、厚さ０．３ｍｍのアルミニウム板６を重ね、Ａｌ−Ｃｕ合金の共晶温度（８２１Ｋ）以上の８７３Ｋ、０．３ｋｓ、５．４ＭＰａでホットプレスする。銅インサート箔に代えて、純亜鉛ワイヤのアーク溶射を界面層形成／接合を容易にするために選択してもよい。この場合は、例えば、Ｚｎ−Ａｌ合金の共晶温度（６５５Ｋ）と亜鉛の融点（６９２Ｋ）の間の約６７３Ｋで、空気中で圧力８．２ＭＰａ、時間０．６ｋｓでホットプレスする。
【００１０】
光ファイバには、光ファイバカッター等で予め少なくとも１か所に切り込みを入れて予備亀裂を与える。マトリックス材料中に埋め込み、マトリックス材料と接合させた光ファイバの予備亀裂の箇所を光軸にほぼ垂直にかつ平坦な断面を形成するように破断させるには、マトリックス材料に引張応力または曲げ応力を加える。本発明の製造方法によれば、光ファイバの必要な部位に１ｍｍピッチ、５ｍｍピッチなどの間隔で複数のセンサ部をその場形成することも可能であり、光軸合わせも全く不要で、安価に簡便に製造できる。光透過損失の測定は、埋め込んだファイバの端部を露出させ、露出したファイバの端部をガラス管で被覆し、外部ファイバに接続し、外部ファイバを光透過損ＬＤ光源とパワーメータに接続して行う。
【００１１】
図１は、本発明の光ファイバセンサを内蔵した材料を製造する工程を概念的に示す。まず、光ファイバ１の表面に光ファイバカッターでファイバの長さ方向と直交方向に切り込みＮを付ける。この光ファイバ１を破断しないようにしてマトリックス材料２中に埋め込む。次いで、光透過損失をモニタしながらマトリックス材料に引張応力を加え、切り込みＮの箇所に光軸にほぼ垂直にかつ平坦な断面からなる亀裂を形成する。これによりセンサ部がその場形成される。
【００１２】
本発明の光ファイバセンサを内蔵した材料によれば、例えば、（１）ＳｉＣ繊維強化複合材の引張試験の間に生じるＳｉＣ繊維の破断を、埋め込んだ光ファイバの光透過損失をモニターすることによって検知できる、（２）本発明の材料と相手材との間の滑り摩擦における摩耗状態を、表面粗さの増大により滑り面からの反射光の損失が増えるので、透過される光のレベルを測定することによって埋め込んだ光ファイバによってモニタできる、（３）埋め込んだ光ファイバは、機械的衝撃および熱拡散それぞれによって引き起こされる材料を横切る波の伝播を検知できる。
【００１３】
本発明の材料がセンサとして機能することを下記の試験により確認した。図２に示すように、引張試験片を作製するために、石英系シングルモード光ファイバ１をエポキシ樹脂からなるマトリックス２中に埋め込んだ。光ファイバ１は、光ファイバカッターを用いて表面に切り込みを与えて予め亀裂を導入した。予備亀裂が２か所以上のものについては、それらの間隔を１ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍとした。タブ３にはアルミニウムを用い、マトリックス２の材料と同じ樹脂で接着した。エポキシ樹脂は透明であるため、可視光の導入により破断箇所を肉眼で確認することができる。
【００１４】
この引張試験片をインストロン型の引張試験機により室温にて引張速度１．７μｍ／ｓで最大約１％のひずみを繰り返し与えた。光ファイバを予備亀裂を導入した箇所において最初の引張によって破断させた。ひずみの測定は試験片に接着した抵抗線ひずみゲージにより行った。また、光源には波長０．６７μｍの半導体レーザ（ＬＤ）光源を用い、その透過光量を光パワーメータで測定し、その出力電圧をＡ／Ｄ変換ポートを介して計算機に取り込み数値化した。
【００１５】
試験片の供試材の機械的性質を表１に示す。光ファイバを埋め込んだものは、マトリックス単体のものに比べ引張強さおよび破断伸びが小さくなっている。光ファイバの引張強さの測定値は１．５２ＧＰａであるが、予備亀裂導入後には１．２５ＭＰａにまで著しく低下する。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
予備亀裂を導入した光ファイバは引張応力を加えることにより、予備亀裂の箇所で光軸にほぼ垂直にかつ平坦な断面を形成して破断する。光ファイバをマトリックス材料中で引張破断させて、このような破断面を形成することにより光干渉型のセンサとして機能させることができる。
【００１８】
光ファイバの破断箇所における光の損失の主な要因は、破断面による端面反射とその間隔が広がることによる光の散乱である。図３にはそれらの要因による光透過損失の理論式による計算結果を示す。
【００１９】
光ファイバーを埋め込んだエポキシ樹脂について引張試験を行ったところ、光ファイバにおける１か所目の破断が起きた引張ひずみはほとんどの試験片において０．７％前後であり、比較的良い再現性が見られた。複数導入した予備亀裂の位置で順次破断させるためには亀裂間隔が１ｍｍでは小さく、５および１０ｍｍの時に破断が実現した。これは光ファイバの引張強さおよびそれとマトリックスとの接合強さから決まる臨界長さが両者の間に存在したためであると考えられる。光ファイバをより短く破断させるためには、接合強さをより高めるかあるいは予備亀裂の寸法をより大きくする必要がある。亀裂を複数個導入するためには予備亀裂の間隔を光ファイバの臨界長さ以上に大きくする必要があり、間隔を５ｍｍ以上とした時に２か所以上の破断が見られるようになった。
【００２０】
図４に、亀裂数を１としたときの試料の引張ひずみと光透過損失とを時間の関数として示す。１サイクル目に予備的に破断させた時に形成された光ファイバの端面の面間隔増大に伴う光の干渉現象が明りょうに観察され、干渉型のセンサとして機能していることが分かる。この結果から、予備亀裂を導入した光ファイバをマトリックス中で破断させることは、簡便な干渉型センサの形成法として有効であることが明らかである。
【００２１】
図５は、予備亀裂を導入した石英系光ファイバをアルミニウムマトリックス中に埋め込み、その中で破断させる場合の曲げ試験片を示す。アルミニウムマトリックス材の場合には、銅インサートを用いた界面層形成／接合法により作製した。光ファイバが引張破断するようにアルミニウムマトリックスにアルミニウム板４を接着した曲げ試験片とした。ひずみの測定は試験片に接着した抵抗線ひずみゲージ５により行った。曲げ過程における試験片の引っ張りひずみと光透過損失とを図６に示す。マトリックスがアルミニウムの場合でもエポキシの場合と同様の干渉波形が得られることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法の工程を示す概念図。
【図２】樹脂マトリックス材料からなる試験片の形状および寸法を示す側面図（ａ）および平面図（ｂ）。
【図３】シングルモード光ファイバの破断による光透過損失の理論値を示すグラフ。
【図４】図２に示す試験片について、光ファイバの亀裂数が１の場合の引張ひずみと光透過損失とを時間の関数として示すグラフ。
【図５】アルミニウムマトリックス材料からなる試験片の形状および寸法を示す側面図（ａ）および平面図（ｂ）。
【図６】図５に示す試験片について、引張ひずみと光透過損失とを時間の関数として示すグラフ。
【図７】光ファイバを埋め込んだＳｉＣ／Ａｌ複合材をホットプレスで一体化するために積み重ねた材料の断面図。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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