(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアおよびクラッドを有する第１および第２の光ファイバと、前記第１および第２の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第１および第２の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能であり、前記第１および第２の光ファイバとコア径が異なるヘテロ・コア部である光透過部材または前記第１および第２の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバと、
前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第１の保持部材と、
前記第１の保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第２の保持部材と、
中空構造を有して内部に前記センサ用光ファイバ、前記第１の保持部材及び前記第２の保持部材が収容されたロッドであり、前記中空の前記ロッドの内部に支持ロッドが挿入されており、前記第１の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第２の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されて前記ロッドにたわみが生じたとき、前記中空構造に対して同心に保持されていた前記支持ロッドにより所定の位置関係に保持されていた前記第１および第２の保持部材の距離が前記たわみにより縮まり、前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバが曲率半径８ｍｍ以上の範囲で屈曲するように、前記第１の保持部材が前記支持ロッドに接続され、前記第２の保持部材が前記中空構造の内壁に接している、ロッドと、
前記応力が解除されて前記ロッドの前記たわみが解消したときに前記光ファイバを前記屈曲状態から前記所定の位置関係に復帰させる圧縮バネと
を有し、
前記光透過部材の屈曲に応じて、前記センサ用光ファイバに光伝送の損失が生じる
ロッドセンサ。
【請求項２】
コアおよびクラッドを有する第１および第２の光ファイバと、前記第１および第２の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第１および第２の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能であり、前記第１および第２の光ファイバとコア径が異なるヘテロ・コア部である光透過部材または前記第１および第２の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバと、
前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第１リンク用保持部材と、
前記第１リンク用保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第２リンク用保持部材と、
中空構造を有して内部に前記センサ用光ファイバ、前記第１リンク用保持部材及び前記第２リンク用保持部材が収容されたロッドであり、前記中空の前記ロッドの内部において前記第１リンク用保持部材及び前記第２リンク用保持部材を接続するリンク機構が設けられており、前記第１リンク用保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第２リンク用保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されて前記ロッドに縮みが生じたとき、所定の位置関係に保持されていた前記第１および第２リンク用保持部材の距離が前記縮みにより縮まり、前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバが曲率半径８ｍｍ以上の範囲で屈曲するように、前記第１リンク用保持部材及び前記第２リンク用保持部材が前記リンク機構に接続している、ロッドと
を有し、
前記応力が解除されて前記ロッドの前記縮みが解消したときに前記リンク機構が前記光ファイバを前記屈曲状態から前記所定の位置関係に復帰させ、
前記光透過部材の屈曲に応じて、前記センサ用光ファイバに光伝送の損失が生じる
ロッドセンサ。
【請求項３】
コアおよびクラッドを有する第１および第２の光ファイバと、前記第１および第２の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第１および第２の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能であり、前記第１および第２の光ファイバとコア径が異なるヘテロ・コア部である光透過部材または前記第１および第２の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバを複数直列に接続したセンサ用光ファイバラインと、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第１の保持部材と、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記第１の保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第２の保持部材と、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、中空構造を有して内部に前記センサ用光ファイバ、前記第１の保持部材及び前記第２の保持部材が収容されたロッドであり、前記中空の前記ロッドの内部に支持ロッドが挿入されており、前記第１の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第２の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されて前記ロッドにたわみが生じたとき、前記中空構造に対して同心に保持されていた前記支持ロッドにより所定の位置関係に保持されていた前記第１および第２の保持部材の距離が前記たわみにより縮まり、前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバが曲率半径８ｍｍ以上の範囲で屈曲するように、前記第１の保持部材が前記支持ロッドに接続され、前記第２の保持部材が前記中空構造の内壁に接している、ロッドと、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記応力が解除されて前記ロッドの前記たわみが解消したときに前記光ファイバを前記屈曲状態から前記所定の位置関係に復帰させる圧縮バネと、
前記センサ用光ファイバラインに検出用の光を入射する光入射手段と、
前記検出用の光を受光する受光手段と、
を有し、
前記検出用の光により、前記光透過部材の屈曲に応じた前記センサ用光ファイバの光伝送の損失を検出し、前記ロッドのたわみを測定する
ロッドセンサシステム。
【請求項４】
コアおよびクラッドを有する第１および第２の光ファイバと、前記第１および第２の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第１および第２の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能であり、前記第１および第２の光ファイバとコア径が異なるヘテロ・コア部である光透過部材または前記第１および第２の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバを複数直列に接続したセンサ用光ファイバラインと、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第１リンク用保持部材と、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記第１リンク用保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第２リンク用保持部材と、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、中空構造を有して内部に前記センサ用光ファイバ、前記第１リンク用保持部材及び前記第２リンク用保持部材が収容されたロッドであり、前記中空の前記ロッドの内部において前記第１リンク用保持部材及び前記第２リンク用保持部材を接続するリンク機構が設けられており、前記第１リンク用保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第２リンク用保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されて前記ロッドに縮みが生じたとき、所定の位置関係に保持されていた前記第１および第２リンク用保持部材の距離が前記縮みにより縮まり、前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバが曲率半径８ｍｍ以上の範囲で屈曲するように、前記第１リンク用保持部材及び前記第２リンク用保持部材が前記リンク機構に接続している、ロッドと、
前記センサ用光ファイバラインに検出用の光を入射する光入射手段と、
前記検出用の光を受光する受光手段と、
を有し、
前記ロッドのそれぞれにおいて前記応力が解除されて前記ロッドの前記縮みが解消したときに前記リンク機構が前記光ファイバを前記屈曲状態から前記所定の位置関係に復帰させ、
前記検出用の光により、前記光透過部材の屈曲に応じた前記センサ用光ファイバの光伝送の損失を検出し、前記ロッドの縮みを測定する
ロッドセンサシステム。
【請求項５】
複数の前記センサ用光ファイバラインと、
前記複数のセンサ用光ファイバラインと前記光入射手段および受光手段とを接続し、測定に利用する前記センサ用光ファイバラインを適宜選択切換えする光スイッチと
をさらに有する
請求項３または４に記載のロッドセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いて測定対象に関わる所定の物理量または現象の変化を測定する光ファイバ型センサ、ならびにこの光ファイバ型センサを用いた光ファイバ型センサシステムに関する。詳細には、本発明は、光ファイバの曲げによる光の伝達損失を効果的に検出して、測定対象のひずみ、曲げ、縮み、伸び等の変化を測定する光ファイバ型センサ、ならびにこの光ファイバ型センサを用いた光ファイバ型センサシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
安全確保、災害予知等の観点から、高架道路、トンネル、高架橋、鉄道、各種プラント、大型航空機、船舶等の構造物や、その近傍の自然環境の損傷や変化の効果的なモニタリングの要求が高まっている。これらのモニタリングは、長期かつ広範囲にわたり、検出された情報を一元的に統括できることが望まれている。
従来から、機械や建築物等の構造物のひずみ測定器としては、電気抵抗式のひずみゲージが知られている。
また、光ファイバの持つ軽量、低電力、耐電磁誘導性、耐腐食性等の特徴を活かそうとする光ファイバ式ひずみセンサも考案されている（例えば特開平１１−２８７６２６号公報を参照）。
【０００３】
光ファイバ式ひずみセンサには、屈曲型と伸張型という２つの代表的な方式が存在する。
屈曲型の光ファイバ式ひずみセンサでは、光ファイバ自体にあらかじめ曲率半径数mm程度の小さな曲げ（マイクロベンディング）を部分的に与えておき、測定したいひずみ量をこの曲げに伝え、光の伝達損失からひずみ量を検出する。この方式は、光ファイバは伝達損失が発生する曲率半径の範囲において、曲率半径が小さくなると伝達損失が増大し、曲率半径が大きくなると伝達損失が減少するという原理に基づいている。
【０００４】
一方、伸張型の光ファイバ式ひずみセンサでは、測定したいひずみ量を、光ファイバを長手方向に伸張させるような力に変換し、光ファイバを伸ばそうとするときに光ファイバ内部に生じる屈折率の周期的な変化を利用する。光ファイバが長手方向にひずみ状態になっている領域を光が通過するとき、散乱される光の波長が少しだけシフトする。この波長のシフトと光ファイバの長手方向のひずみとの間には相関があり、波長のシフトを測定すれば、ひずみ量を測定することができる。この伸張型のひずみ測定方式は、「ブリルアン散乱法」とも呼ばれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気抵抗式のひずみゲージでは、電力消費、金属腐食による接点不良・寿命短縮、電磁界の影響下でのノイズ等の不利益があり、上記のような長期的、広範囲な使用には適さない。
【０００６】
屈曲型の光ファイバ式ひずみセンサにおいては、通常のシングルモード光ファイバは曲率半径が数十mm程度の緩やかな曲げ（マクロベンディング）にはほとんど伝達損失を示さないということが問題になる。このため、損失によってひずみを計測するためには、破断限界に近い屈曲を光ファイバに与える必要がある。このようなマイクロベンディングによるセンサは、ひずみ量の変化に対して非常に敏感なので、実用上は使いにくく、また適用範囲も限られる。さらに、破断限界近傍で光ファイバを用いると、検出時の測定対象の変化によりファイバが容易に破断し、センシング機能がその時点で損なわれてしまうという危険性も生じる。
【０００７】
通常のシングルモード光ファイバではなく、コアを光ファイバの中心軸からずらしたり、屈折率の異なる光ファイバを組み合わせたりした特殊な光ファイバを用いて、マクロベンディングに対しても伝達損失を検出可能な屈曲型センサも考えられている。しかし、このような特殊な光ファイバは製造が困難であり、コスト面でも大きな不利が存在する。
【０００８】
伸張型の光ファイバ式ひずみセンサにおいても、光ファイバに伸びを与える際に、光ファイバがガラスにより製造されていることに起因する破断限界が存在し、上記と同じセンシング機能の消失の可能性がある。
また、ブリルアン散乱法は、ごくわずかな周波数シフトを測定するため、その測定のための装置が複雑かつ高価になる。
【０００９】
さらには、測定対象によりその変化は数μmから数cmまで多岐にわたるため、これらの変化を効果的に光ファイバのマクロベンディングに変換する機構が必要となる。
これまでは、マイクロベンディング状態において微少な曲率半径の変化しか光ファイバに与えていなかったので、上記のような機構は考えられていなかった。
【００１０】
本発明は上述した問題点を鑑みてなされたものであって、その目的は、製造が容易で、測定対象のひずみ、曲げ、縮み等の変化を測定可能なセンサ用光ファイバを用いて、このセンサ用光ファイバに無理な屈曲や伸張を与えることなく、測定対象の上記変化を幅広い測定範囲で効果的に測定可能な光ファイバ型センサを提供することにある。
また、本発明の別の目的は、この光ファイバ型センサを利用して、測定対象の各種変化を、幅広い測定範囲で、かつ、長期的、広範囲に測定可能であり、検出情報を一元管理することができる光ファイバ型センサシステムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光ファイバ型センサは、コアおよびクラッドを有する第１および第２の光ファイバと、前記第１および第２の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第１および第２の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能で前記第１および第２の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバと、前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第１の保持部材と、前記第１の保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第２の保持部材とを有し、前記第１の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第２の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されたとき、その応力に応じて前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバを曲率半径８ｍｍ以上の範囲で屈曲させ、前記応力が解除されたとき、前記屈曲状態から復帰させる機構手段とを有し、前記光透過部材の屈曲に応じて、前記センサ用光ファイバに光伝送の損失を生じさせる。
【００１２】
好適には、前記機構手段は、応力が印加されないとき、弾性力により前記第１および第２の保持部材を所定の位置関係に保持する弾性体をさらに有し、前記第１および第２の保持部材は、応力が印加されたとき、その応力に応じて保持している前記センサ用光ファイバの長手方向に沿ってそれぞれ相対的に移動し、前記応力が解除されたとき、前記弾性体の弾性力により前記所定の位置関係に復帰させられる。
【００１３】
前記機構手段は、応力印加により、前記弾性体の弾性力に抗して前記第１および第２の保持部材の距離が縮まり前記センサ用光ファイバを屈曲させる構成であってもよいし、前記弾性体の弾性力に抗して、前記第１の保持部材と、前記第２の保持部材に装着される外部連結部材とを引張り前記第１および第２の保持部材の距離を縮めて前記センサ用光ファイバを屈曲させる構成であってもよい。
【００１４】
本発明の光ファイバ型センサシステムは、コアおよびクラッドを有する第１および第２の光ファイバと、前記第１および第２の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第１および第２の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能で前記第１および第２の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバを複数直列に接続したセンサ用光ファイバラインと、前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第１の保持部材と、前記第１の保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第２の保持部材とを有し、前記第１の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第２の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されたとき、その応力に応じて前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバを曲率半径８ｍｍ以上の範囲で屈曲させ、前記応力が解除されたとき、前記屈曲状態から復帰させる機構手段と、前記センサ用光ファイバラインに検出用の光を入射する光入射手段と、前記検出用の光を受光する受光手段と、を有し、前記検出用の光により、前記光透過部材の屈曲に応じた前記センサ用光ファイバの光伝送の損失を検出し、前記センサ用光ファイバラインの周囲の情報を測定する。
【００１５】
また、前記センサ用光ファイバラインは複数であってもよく、その場合には当該複数のセンサ用光ファイバラインと前記光入射手段および受光手段との間に、測定に利用する前記センサ用光ファイバラインを適宜選択切換えする光スイッチが接続される。
【００１６】
本発明では、２本の光ファイバの間に、これらの光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材が挟み込まれ、光透過部材と光ファイバの長手方向に直交する断面が互いに融着接合される。これによりセンサ用光ファイバが形成され、融着接合された光透過部材がセンサとして機能する。
測定対象の変化は、機構手段により、その変化に応じたセンサ用光ファイバの曲げに変換される。センサ用光ファイバを、光透過部材を中心としてある曲率半径の範囲内で曲げると、曲率半径の変化に応じて光透過部材を透過する光の伝達損失が変化する。この伝達損失の変化を検出することで、測定対象の変化を測定することができる。
【００１７】
本発明においては、光透過部材とその両側の光ファイバは、その両端側を、２つの保持部材によりそれぞれ保持される。これらの保持部材が光ファイバの長手方向に相対的に動くことで、測定対象の変化が光透過部材とその両側の光ファイバの曲げに変換される。保持部材は、測定対象に応力が印加されないときには、弾性体の弾性力により所定の位置に復帰される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら述べてゆく。
【００１９】
曲げロッドセンサ
図１（a）は、本発明の一実施形態に係る曲げロッドセンサの構成を示す図である。図１（a）に示す曲げロッドセンサ１００は、光ファイバ型センサ１０と、支持ロッド１１０と、ボールジョイント１２０と、ロッド１３０と、ブーツ１４０を有する。図１（b）は、支持ロッド１１０の端部の拡大図である。
【００２０】
光ファイバ型センサ１０は、図１（a）に示すように、一端部に支持ロッド１１０を挿通させて、この支持ロッド１１０ごと中空のロッド１３０の内部に挿入されている。
支持ロッド１１０の両端部には、図１（b）に示すように、ボールジョイント１２０が螺合している。それぞれのボールジョイント１２０は、例えば２分割されたブーツ１４０に挟み込まれることで保持される。
ブーツ１４０は、ロッド１３０の両端部においてロッド１３０の内壁面に嵌合しており、例えば、外部からロッド１３０を貫通して螺合するボルト１５０によって、ロッド１３０に固定される。
以上の構成により、支持ロッド１１０は、中空のロッド１３０の内部においてロッド１３０と同心で支持される。また、光ファイバ型センサ１０は、例えばロッド１３０の長手方向の中央部に、支持ロッド１１０が貫通している端部の反対側の端部がロッド１３０の内壁に面接触するように配置される。
【００２１】
図２（a）は図１（a）における光ファイバ型センサ１０近傍の拡大図であり、図２（b）はその断面I−Iから見た側面図である。
光ファイバ型センサ１０は、センサヘッド１と、ヘテロ・コア型光ファイバ２を有する。
光ファイバ型センサ１０は、後述する光入射手段および受光手段に接続されている。
センサヘッド１は、第１の保持部材１１と、第２の保持部材１２と、圧縮コイルばね１３を有する。
ヘテロ・コア型光ファイバ２が本発明におけるセンサ用光ファイバの一実施態様である。また、センサヘッド１が本発明における機構手段の一実施態様であり、圧縮コイルばね１３が本発明における弾性体の一実施態様である。
【００２２】
第１保持部材１１には、支持ロッド１１０の外径に嵌合する大きさの直径を有する貫通孔１１aが備えられている。この貫通孔１１aに、支持ロッド１１０が挿入される。
また、第１保持部材１１には、貫通孔１１aに嵌合した支持ロッド１１０の長手方向と直交する方向に突出したピン１１bが備えられており、第１保持部材１１と一体化している。
このピン１１bは、圧縮コイルばね１３に差し込まれてから、第２保持部材１２に設けられている挿入孔１２aに挿入される。このとき、挿入孔１２aにはピン１１bのみが挿入され、圧縮コイルばね１３は第１保持部材１１と第２保持部材１２の間に挟み込まれる。
【００２３】
これにより、第１保持部材１１と第２保持部材１２は、図２（a）に示されるように、支持ロッド１１０と第１、第２保持部材１１，１２とがなす姿勢がT字型になるように配置される。
第１保持部材１１と第２保持部材１２は、ピン１１ｂの軸方向に沿って、その軸上で互いに移動可能である。
第１保持部材１１と第２保持部材１２の大きさは、移動の際に十分なストロークが得られるように規定される。
なお、第２保持部材１２のロッド１３０の内周面に接する側の端部は、前述のように、ロッド１３０の内周面と面接触するように、ロッド１３０の内径の曲率半径と同じ曲率半径となるように形成されている。
【００２４】
このセンサヘッド１には、図３に示すヘテロ・コア型光ファイバ２が取り付けられる。
図３は、ヘテロ・コア型光ファイバ２の要部の長手方向の断面図である。
ヘテロ・コア型光ファイバ２は、光ファイバにより構成される光の伝送体の中途部に、同じく光伝送体で構成される数mmから数cmの微小なヘテロ・コア部３を挟装したものである。ヘテロ・コア部３は、本発明における光透過部材の一実施態様である。本実施形態においては、ヘテロ・コア部３の長さcは５mmとした。
以下では、ヘテロ・コア部３に融着接合される一方の光伝送体を第１の光ファイバ部２０a、もう一方の光伝送体を第２の光ファイバ部２０bと呼ぶこととする。本実施形態において用いられるヘテロ・コア型光ファイバ２においては、第１の光ファイバ部２０aと第２の光ファイバ部２０bは、どちらも同じ光ファイバ２０である。
【００２５】
第１および第２の光ファイバ部２０a，２０b（光ファイバ２０）、ならびにヘテロ・コア部３には、例えば、シングル・モード光ファイバを用いる。
光ファイバ２０は、コア２１およびクラッド２２を有する。
ヘテロ・コア部３は、コア３１およびクラッド３２を有する。
本実施形態においては、ヘテロ・コア部３のコア３１の径bは、光ファイバ２０のコア２１の径aよりも十分に小さく、a＝９μm、b＝5μmとする。
光ファイバ２０とヘテロ・コア部３は、長手方向に直交する界面４でコア同士が接触するように同軸に接続されている。この接続には、好適には、汎用化されている放電による融着手法が採用される。従って、安価、容易な製造が可能である。
【００２６】
この接続されたヘテロ・コア部３およびその近傍の光ファイバ２０により、センサ部が構成される。
ヘテロ・コア型光ファイバ２には、通常、図３に示すコア・クラッド構造の上から、ファイバ保護のため例えばプラスチックによる図示しない薄いコーティングが施される。
センサ部は、センサ部の保護および曲げ方向を一定とするため、その上からさらにテープ５により挟み込まれる。テープ５は、例えば適度な弾性力を有する薄いプラスチックテープである。
【００２７】
このセンサ部の一端側を、座金６でテープ５を第１保持部材１１に押さえ付けて、その上から六角穴付きボルト７で締結することにより、第１保持部材１１に固定する。
センサ部の他端側は、同様に座金６と六角穴付きボルト７により第２保持部材１２に固定される。
座金６により固定されている第１保持部材１１と第２保持部材１２の間の部分が、本実施形態において曲げセンサとして機能するセンサ部SPとなる。
なお、ヘテロ・コア型光ファイバ２は、ヘテロ・コア部３がセンサ部SPの中央に位置するように配置される。
【００２８】
テープ５により保護されている部分以外のヘテロ・コア型光ファイバ２は、コーティングの上から図示しない２次被覆を施されている。
本実施形態においては、ヘテロ・コア型光ファイバ２の第２保持部材１２側の端部は、ファイバを切断したままの状態になっている。一方、第１保持部材１１側からは、ヘテロ・コア型光ファイバ２がそのまま延びて、例えばブーツ１４０に設けられた引き出し穴からロッド１３０の外部に出て、後述するOTDR（Optical Time-Domain Reflectometer）に接続される。なお、後述するように、ヘテロ・コア型光ファイバ２の第２保持部材１２側の端部を、光ファイバ２０を接続することにより延長し、別の光ファイバ型センサ１０のヘテロ・コア型光ファイバ２に接続することも可能である。
【００２９】
次に、各構成要素の作用について説明する。
図１（a）において、例えば曲げロッドセンサ１００の両端部を固定しておき、矢印の方向に力Fが作用したとする。
力Fは曲げロッドセンサ１００を矢印方向に曲げようとする力として作用し、曲げロッドセンサ１００の曲げは、ロッド１３０の中央部のたわみとしてあらわれる。
前述のように、センサヘッド１の第２保持部１２はロッド１３０の内周面に接触しており、第１保持部１１は支持ロッド１１０により支持されている。支持ロッド１１０の中心軸は、ロッド１３０の中心軸と一致しており、かつ、ボールジョイント１２０によって支持されている。従って、ロッド１３０のたわみが支持ロッド１１０に影響を与えることはない。支持ロッド１１０が十分な剛性を有していれば、ロッド１３０がたわんだ時の光ファイバ型センサ１０の動きを表す図４に示されるように、第１保持部材１１は動かず、第２保持部材１２のみが、ピン１１ｂに沿って、第１保持部材１１の方向へ動くことになる。第２保持部材１２のストロークSTは、ロッド１３０のたわみ量と同じである。
【００３０】
第２保持部材１２が動くと、センサ部SPも、図４に示すように円弧状に曲がる。
図４に示すように、光ファイバ型センサ１０は、OTDR６０に接続されている。
この状態でセンサ部SPに光パルスが入力されると、ヘテロ・コア部３の入口、出口である界面４において、光パルスの一部がコア２１からクラッド３２へリークして、伝達損失が発生することになる。
本実施形態においては、光ファイバ２０のコア径aとヘテロ・コア部３のコア径bが異なる、ヘテロ・コア型光ファイバ２を用いている。従って、曲率半径の比較的大きいマクロベンディングにおいても、コア２１からクラッド３２へのリークを効果的に発生させることができる。
この、センサ部SPの曲げによる光の伝達損失（曲げ損失）を、例えばOTDRにより検出することで、曲げロッドセンサ１００の曲がり具合を検出することができる。
【００３１】
OTDRは、光ファイバにレーザー光等の光パルスを入射させ、光伝送の途中から入射側（後方）に反射して戻ってくる後方散乱光を時間分解して測定するもので、光伝送路の任意の位置の反射情報を実時間で測定することができる装置である。このOTDRが、本発明における光入射手段と受光手段を兼ねている。曲げによってセンサ部SPにおけるリークが増加すると、界面４からの後方散乱光の強さも変化するので、この後方散乱光をOTDRで測定することで、実質的に曲げ損失を測定することができる。
【００３２】
図５は、センサ部SPの曲率半径と曲げ損失との関係を示す図である。図５（a）に示すように、ヘテロ・コア部３を有するセンサ部SPの曲率半径をR０とする。
第１、第２光ファイバ部２０a，２０bのコア径aが９μmで、ヘテロ・コア部３のコア径bが５μmの９−５−９型のヘテロ・コア型光ファイバ２において、ファイバ長を１６０m、伝送光の波長を１．３μmとして、曲げ損失をOTDR（ADVANTEST製、Q８４６０A／Q８４６０１）によって測定した結果の一例を図５（b）に示す。
図５（b）において、曲率半径が１５〜２０mmの範囲で曲げ損失は約１．５〜３dBの範囲でほぼ単調に変化していることがわかる。ヘテロ・コア型光ファイバでない従来の光ファイバにおいては、曲率半径１５〜２０mmでは測定に利用できる程の損失変化は生じないが、本実施形態におけるヘテロ・コア型光ファイバ２では、観測しやすい損失変化を生じているといえる。
【００３３】
以下、これまで述べてきた光ファイバ型センサ１０および曲げロッドセンサ１００を用いた光ファイバ型センサシステムと、この光ファイバ型センサシステムを利用して測定対象の変化を測定する場合の動作の一例について述べる。
例えばロッド１３０の長さを１mとして、材料や肉厚等の設計パラメータを適切に設定すると、約３４００Nの力が中央部に加わったとき、ロッド１３０が５mmたわむ曲げロッドセンサ１００を作成することができる。ロッド１３０および支持ロッド１１０の材料としては、例えばスチールが用いられる。
この曲げロッドセンサ１００は、例えば土砂崩れの予知のような、比較的大きな力が加わった際に生じる微小な変位を測定する必要がある場合などに利用することができる。
【００３４】
図６は、本実施形態に係る光ファイバ型センサシステムを利用して、土地のひずみを測定する場合の構造概念図である。
図６において示されている光ファイバ型センサシステムは、OTDR６０と、光ファイバ２０と、ヘテロ・コア型センサライン５０を有する。
【００３５】
ヘテロ・コア型センサライン５０は、一つ以上の曲げロッドセンサ１００を所定間隔で並べ、曲げロッドセンサ１００内の光ファイバ型センサ１０同士を、光ファイバ２０により接続することで構成される。図６においては、４本の曲げロッドセンサ１００が、長手方向を鉛直にして観測エリアARの土中に埋められている。
光ファイバ２０は、光ファイバ型センサ１０のヘテロ・コア型光ファイバ２の、第１の光ファイバ部２０aおよび／または第２の光ファイバ部２０bに、例えば放電による融着手法を用いて融着される。光ファイバ２０の接続は、通常の光コネクタ等の接続手段によって行ってもよい。
以上の構成により、光伝送路としての光ファイバ２０の中途部に、所定間隔でヘテロ・コア部３が存在するヘテロ・コア型の光ファイバラインが形成される。この光ファイバの一端は長く延ばされて、観測場所に設置されているOTDR６０に接続される。
【００３６】
雨などにより地盤がゆるむと、地中では土砂などの流動が生じることがある。土砂が流動すると、地表に固定されている曲げロッドセンサ１００を曲げようとする応力が発生する。
例えば３４００N程度の力Fが中央部にかかり、曲げロッドセンサ１００が曲がったとすると、前述のようにロッド１３０は約５mmたわむ。
センサヘッド１の圧縮コイルばね１３は、このたわみを減らさず、また、応力が解除されたときに、センサ部SPが曲げのない状態となるように第２保持部材１２を復帰させる強さのものが選ばれる。
応力が解除された時（無負荷状態）のセンサ部SPの長さdを２０mmとしておくと、ロッド１３０のたわみにより第２保持部１２が５mm、第１保持部材１１方向へ移動した場合には、センサ部SPの曲率半径R０は約８mmとなる。これは、曲率半径８mmに至るまでの、曲げ損失を観測しやすい曲率半径１５〜２０mmの範囲の曲げが、ロッド１３０の約５mmのたわみの範囲内で生じているということであり、小さな変位を敏感に計測可能であるということを意味している。
また、曲率半径８mmならばファイバの破断・破損も生じず、センシング機能に影響を与えることもない。
【００３７】
上記本発明の一実施形態においては、センサ部に光ファイバを用いているため、電力供給ラインなどでセンサ部に電力を直接供給する必要がない。従って経済的で、絶縁の必要もなく広範囲にセンサを配置することができる。また、電磁波によるノイズ等の不利益もない。さらには、金属ではないため、腐食・接点不良等の不利益がなく、長寿命である。従って、長期にわたるモニタリングに適している。
【００３８】
また、本一実施形態にかかるヘテロ・コア型光ファイバ２は、好適には、通常普及している光ファイバを用いて、汎用化されている放電融着手法により製造されるので、安価で容易に供給することができる。
また、本実施形態において用いた９−５−９型のヘテロ・コア型光ファイバ２は、ヘテロ・コア部３を挿入したことによる挿入損失が比較的小さいため、前述のように、一本の光伝送路中に複数個直列に設置することができる。これにより、低コストで効率的なセンシングが可能になる。直列に設置できるヘテロ・コア部３の数はOTDRのダイナミックレンジによって異なる。ダイナミックレンジを１５dB程度と考えると、ヘテロ・コア部３の一つ当たりの挿入損失を０．３〜０．４dB、曲げ損失を１dBとすれば、１０個程度の直列接続を見込むことができる。
このヘテロ・コア型光ファイバによる曲げ損失の計測は、ブリルアン散乱方式に比べれば、波長のずれの変化を計測せずに、光の増減のみを計測しているので計測システムは簡便で廉価にできるという利点もある。
【００３９】
これまで述べてきたように、本実施形態においては、マクロベンディングにおいて曲げ損失を検出可能なので、ファイバの破断・破損がない。また、センサヘッド１のような簡単な構成で、測定対象の変位をセンサ部SPの円弧状の曲げに変換することができる。
さらに、マクロベンディングであれば、マイクロベンディングとは異なり、図５（b）に示すように、例えば１０〜２５mmの範囲の比較的大きな曲率半径の変化をファイバに与えることができる。これにより、数μm〜数cmの広い範囲で測定対象の変位を測定することが可能になり、また、様々な測定対象に光ファイバ型センサを適用することが可能になる。
【００４０】
また、本発明においては、前述のヘテロ・コア型センサライン５０を複数用いることも可能である。
図７は、複数のヘテロ・コア型センサライン５０を用いて土地のひずみを測定する場合の構造概念図である。図７においては、観測エリアAR内の別々の場所に、２つのヘテロ・コア型センサライン５０が設置されている。
各ヘテロ・コア型センサラインのヘテロ・コア型光ファイバラインは、光スイッチ７０を介してOTDR６０に接続される。光スイッチ７０は、検出に利用するヘテロ・コア型ファイバラインならびにセンサラインを、必要に応じて適宜切換える。
【００４１】
各ヘテロ・コア型センサライン５０からは、それぞれ異なる検出情報が同時に伝送され、そのうち、光スイッチ７０によって選択されたヘテロ・コア型センサライン５０からの検出情報がOTDR６０で測定される。
光スイッチ７０によるヘテロ・コア型センサライン５０の選択切換えは、所定時間間隔で自動的に行ってもよいし、手動で任意に行ってもよい。
なお、光スイッチ７０の接続ポート数により、接続可能なヘテロ・コア型センサライン５０の数は規定される。
【００４２】
ヘテロ・コア型センサライン５０から伝送された検出情報を、OTDR６０に接続される図示しないコントローラによって解析し、グラフ、動画等の高度な表現によりモニタに表示することも可能である。その際に、複数のヘテロ・コア型センサライン５０からの検出情報を総合して解析することも可能である。
【００４３】
図７に示す形態によれば、さらに広範囲で多種類の同時的に得られる検出情報を、一元的に測定することができる。また、そのときに必要となるOTDRの数も少なくてすむ。
なお、本発明の一実施形態に係る曲げロッドセンサ１００は、土地のひずみの測定だけでなく、様々な分野で使用することができる。例えば、曲げロッドセンサ１００を梁等の構成要素として用いれば、建物等の構造物を構築することができるだけでなく、その構成要素が用いられている部分の曲げやたわみを容易に恒常的に観測することができる。
【００４４】
縮みロッドセンサ
本発明は、曲げロッドセンサ１００とは異なる実施形態をとることも可能である。
図８は、異なる実施形態としての縮みロッドセンサ２００の構成を示す図であり、図８（ａ）はその側面図、図８（ｂ）はその矢印G方向から見た背面図である。
縮みロッドセンサ２００は、光ファイバ型センサ４０と、リンク８０と、ロッド１３０と、第１キャップ８５と、第２キャップ８６と、第３キャップ８７を有する。
【００４５】
光ファイバ型センサ４０は、曲げロッドセンサ１００に用いられた光ファイバ型センサ１０の第１、第２保持部材１１，１２の代わりに、第１保持部材１１からピン１１bを取り除いたリンク用保持部材１４を２個用いたものである。従って、光ファイバ型センサ４０においては、圧縮コイルばね１３も用いられていない。
リンク用保持部材１４には、第１保持部材１１とその貫通孔１１ａと同じ位置関係で、貫通孔１４ａが設けられている。
それ以外の光ファイバ型センサ４０の構成は光ファイバ型センサ１０と同じであるので、詳細な説明は省略する。
【００４６】
リンク８０は、４つの長いアーム８１と、４つの短いアーム８２を有する。
図８（b）に示すように、アーム８１同士で１つの大きな平行四辺形型のリンク８３が形成され、アーム８２同士で１つの小さな平行四辺形型のリンク８４が形成されている。
小リンク８４の長い対角線をなす頂点部が、大リンク８３の短い対角線をなす頂点部に、それぞれピン８５により回転自在に軸支されることで、小リンク８４が大リンク８３に連結される。
大リンク８３の残りの頂点部は、ピン９１によってそれぞれリンクベース９０に回転自在に連結される。
【００４７】
一方のリンクベース９０はボルトによって第１キャップ８５に固定され、他方のリンクベース９０は第２キャップ８６に固定される。
第１キャップ８５には、例えば光ファイバ２０の連通のために用いられる連通孔８５aが設けられている。
【００４８】
光ファイバ型センサ４０は、その２つのリンク用保持部材１４が、貫通孔１４ａにピン８５を連通させて、小リンク８４の短い対角線をなす頂点部にそれぞれ軸支されることで小リンク８４に連結される。
光ファイバ型センサ４０を連結されたリンク８０は、ロッド１３０の内部に挿入される。
ロッド１３０の一端の内周面は第１キャップ８５により閉塞され、他端の内周面は、第２キャップ８６の上からさらに第３キャップ８７を嵌合することで閉塞される。
【００４９】
縮みロッドセンサ２００の両端部から図８（b）中の矢印H方向に力が加わると、ロッド１３０が矢印H方向に縮み、大リンク８３が矢印J方向にひらく。この大リンク８３の動きに連動して、小リンク８４は矢印K方向に縮む。これにより、小リンク８４に連結している光ファイバ型センサ４０も、リンク用保持部材１４間の相対距離が縮まるように動く。
光ファイバ型センサ４０が矢印K方向に縮むと、光ファイバ型センサ４０のリンク用保持部材１４に保持されているセンサ部SPが円弧状に曲がる。
このセンサ部SPの曲げも、リンク用保持部材１４の間隔を適切に規定すると、光ファイバ型センサ１０の場合と同じくマクロな曲げとすることができる。
【００５０】
以上のように、縮みロッドセンサ２００によると、ロッド１３０の矢印H方向へのわずかな縮みを、センサ部SPのマクロベンディングに変換して、敏感に検出することができる。
縮みロッドセンサ２００の場合にも、曲げロッドセンサ１００の場合と同じく、複数の縮みロッドセンサ２００を用いて光ファイバ型センサシステムを構成することができる。
【００５１】
引張りセンサ
図９は、本発明のさらに異なる実施形態に係る光ファイバ型センサ１２０の構成図であり、図９（a）はその上面図、図９（b）は図９（a）における断面II−IIから見た断面図である。
光ファイバ型センサ１２０は、引張りセンサとして用いられる。
【００５２】
光ファイバ型センサ１２０は、センサヘッド１５と、ヘテロ・コア型光ファイバ２を有する。
センサヘッド１５は、箱型の第１保持部材１２１と、第２保持部材１２２と、スライド軸１２３と、連結部材１２４、圧縮コイルばね１３を有する。
第２保持部材１２２は、箱型の第１保持部材１２１の内部に形成されている空間MS内に、第１保持部材１２１と同軸で互いに移動可能なように配置される。
【００５３】
第１保持部材１２１と第２保持部材１２２の間には、圧縮コイルばね１３が配置される。
また、第１保持部材１２１と第２保持部材１２２の間には、これまで述べてきた光ファイバ型センサ１０，４０と同じく、ヘテロ・コア型光ファイバ２が設置される。
第２保持部材１２２は、連結部材１２４、第１保持部材１２１、圧縮コイルばね１３を貫通して第２保持部材１２２に螺合するスライド軸１２３によって、連結部材１２４に接続される。このスライド軸１２３および連結部材１２４が、本発明における外部連結部材の一実施態様である。
【００５４】
以上の構成により、第１保持部材１２１の、連結部材１２４側とは反対側の端部に形成されている連結穴１２１aと、連結部材１２４に形成されている連結穴１２４aに、例えば棒などを差し込んで、図９に示す矢印L方向に引張ると、第２保持部材１２２が矢印M方向に動くことになる。
この第２保持部材１２２の動きにより、これまでと同じく、ヘテロ・コア型光ファイバ２のセンサ部SPが、円弧状に曲げられる。
引張り力が解除されると、圧縮コイルばね１３の付勢力により、第２保持部材１２２はセンサ部SPの曲げが存在しない初期位置に戻る。
なお、ねじ１５０は第２保持部材１２２の初期位置を変化させるためのものである。ねじ１５０の出現部分を長くすると、第２保持部材１２２の初期位置が矢印M方向へずれ、センサ部SPも引張り力が存在しない時にある程度曲がった状態となる。これにより、センサ部SPの感度を変えることができる。
また、図９（a）に示されているゴム管１２５は、ヘテロ・コア型光ファイバ２の光ファイバ２０をセンサヘッド１５の外部へ導くためのものである。
【００５５】
光ファイバ型センサ１２０によれば、引張り力をセンサ部SPのマクロベンディングに変換して、例えば部材の伸びなどを測定することができる。
光ファイバ型センサ１２０を用いても、これまでと同じく光ファイバ型センサシステムを構成することができる。
【００５６】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。
例えば、上記実施形態においては、第１、第２の光ファイバ部２０a，２０bおよびヘテロ・コア部３にシングル・モード光ファイバを用いたが、マルチ・モード光ファイバを用いてもよい。また、これら２種の光ファイバを組み合わせてヘテロ・コア型光ファイバを作成してもよい。これにより、センサヘッドの設計を変更することなく、センサ部の感度を変えることができる。
【００５７】
また、ヘテロ・コア部３のコア径bは、図１０（a）に示すように、光ファイバ２０のコア径aより大きくてもよい。
また、コア・クラッドの内外積層構造にこだわらず、図１０（b）に示すように、例えば光ファイバ２０のクラッド２２と同等の屈折率を持つ光伝送部材３０を、ヘテロ・コア部３の代わりの光透過部材として用いることも可能である。
要は、マクロベンディング状態において界面４で効果的な光のリークが生じる構造であればよい。
【００５８】
さらに、圧縮コイルばねに限らず、付勢ばね等の他の弾性体を用いてもよい。
光ファイバ型センサシステムを構成する場合にも、曲げロッドセンサ１００、縮みロッドセンサ２００、光ファイバ型センサ１２０を組み合わせて用いることができる。これにより、一本のセンサ用光ファイバラインで、多種の情報を検出することが可能になる。
光の伝達損失の計測には、OTDRだけでなく、１つのセンサ部の光の入出力関係を損失として計測する手法を用いることも可能である。
さらにまた、前述の実施形態においてはセンサ部SPに曲げが生じていない状態を初期状態としているが、第１、第２保持部材間の距離を変化させることにより、センサ部SPがある程度曲がった状態を初期状態とすることもできる。これにより、例えば部材の伸び・縮みの両方を一つの光ファイバ型センサで測定することが可能になる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、製造が容易で、測定対象のひずみ、曲げ、縮み等の変化を測定可能なセンサ用光ファイバを使用して、この光ファイバに無理な屈曲や伸張を与えることなく、測定対象の上記変化を、幅広い測定範囲において測定可能で、検出情報を一元管理することのできる光ファイバ型センサおよび光ファイバ型センサシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（a）は本発明の一実施形態に係る曲げロッドセンサの構成図であり、図１（b）はその支持ロッドの端部の拡大図である。
【図２】図２（a）は図１（a）の要部の拡大図であり、図２（b）は図２（a）の断面I−Iから見た側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るヘテロ・コア型光ファイバの要部の長手方向の断面図である。
【図４】図２に示す光ファイバ型センサの動きを説明するための図である。
【図５】図５（a）はセンサ部の曲率半径を規定するための図であり、図５（b）はその曲率半径と曲げ損失の関係を示したグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る光ファイバ型センサシステムの構造概念図である。
【図７】図６の光ファイバ型センサシステムの別の実施態様を示す構造概念図である。
【図８】図８（a）は、本発明の異なる実施形態に係る縮みロッドセンサの構成を示す側面図であり、図８（b）はその矢印G方向から見た背面図である。
【図９】図９（a）は、本発明のさらに異なる実施形態に係る光ファイバ型センサの構成を示す上面図であり、図９（b）は図９（a）の断面II−IIから見た断面図である。
【図１０】図１０（a），（b）は、本発明に係るセンサ用光ファイバの異なる実施形態の要部の長手方向の断面図である。
【符号の説明】
１，１５…センサヘッド、２…ヘテロ・コア型光ファイバ、３…ヘテロ・コア部、１０，４０，１２０…光ファイバ型センサ、１１，１２１…第１保持部材、１２，１２２…第２保持部材、１３…圧縮コイルばね、１４…リンク用保持部材、２０…光ファイバ、５０…ヘテロ・コア型センサライン、８０…リンク、９０…リンクベース、１００…曲げロッドセンサ、１１０…支持ロッド、１２３…スライド軸、１２４…連結部材、１３０…ロッド、２００…縮みロッドセンサ
【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】
0004310606.tif 000008
【図８】
0004310606.tif 000009
【図９】
0004310606.tif 000010
【図１０】
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