極小ピッチ・マルチポイント型光ファイバひずみセンサの開発○布谷勝彦（(株)レーザック）

斉藤義弘（(株)レーザック）

町島祐一（(株)レーザック）

影山和郎（東京大学）

Development of Multiplexed FBG Sensors with High Spatial Resolution
Katsuhiko NUNOTANI,Yoshihiro SAITO,Yuichi MACHIJIMALAZOC Incorporated
Kazuro KAGEYAMA,The University of Tokyo
Optical Frequency Domain Reflectometry(OFDR) can measure the continuous strain distribution
with less than 1mm pitch by the long FBG( Fiber Bragg Grating)sensor. This technology can bealso applied to the multi-pointed strain measurement using hundreds of FBG sensors. We proposethe strain and the load monitoring to evaluate the various FRP structure during/aftermanufacturing.

Key Words : FBG(Fiber Bragg Grating),OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry),
Optical fiber, strain
1 はじめに
近年，航空宇宙機をはじめ，車両構造や風力発電ブレードなど，大型構造物への FRP の適用が盛んに行われている．これら大型の FRP 構造物は，長期間の使用を前提とされており，運用時の荷重状態や損傷時の荷重状態を明確に把握し，設計および製造管理に反映していくことが，FRP 構造物の信頼性と安全性の向上へとつながる．そうした課題に対して，設置の自由度が高く，耐環境性に優れ，長期間にわたり絶対ひすみを計測可能な光ファイバ型ひずみセンサを適用し，FRP 構造物のひずみや荷重状態のモニタが有用であると考える．本稿では，光ファイバの長手方向に発生したひずみを極めて高い空間分解能で測定することができる光周波数領域リフレクト
メ ト リ （ OFDR: Optical FrequencyDomainReflectometry）
を用いた，長ゲージ FBG（Fiber BraggGrating）
および多重化 FBG によるひずみ計測技術を提案する．

FBG（Fiber Bragg Grating）は，Fig.1 に示すよ
うに，被覆外径 150μm 程度の石英光ファイバのコア中に周期的な回折格子を有するもので，通信分野では光フィルタとしての機能を持たせた光ファイバ型デバイスとして用いられている．FBG は，回折格子を光ファイバ中に直接形成できるため，低損失，小型，高信頼性，転送用光ファイバとの整合性など，多くの利点を持つ．
Fig.1 に，FBG を用いたひずみ計測原理を示す．光が FBG に入射した場合，次の(1)式を満たす波長λB

2 計測原理2･1 FBG

Fig.1 FBG のひずみ計測原理（ブラッグ波長）で強い反射が生じ，その他の波長は透過する．λ B = 2 nΛ・・・ (1)FBG のグレーティングの周期：Λ
光ファイバの有効屈折率：nここで，グレーティングの存在する部分にひずみが与えられると，Λが変化し，ブラッグ波長λB がひずみに比例して変化する．よって，FBG をひずみセンサとして利用することができる．
FBG センサが持つ利点として，長期間にわたって絶対ひずみを測定することが可能である．ひずみ計
測には，ひずみゲージが利用されることが多いが，(b)OFDR

ひずみゲージを長時間用いると，ドリフトが生じる0.2

ため，オフセットを行う必要がある．また，ひずみ0.15

箔や半導体などの電気抵抗が，変化する原理を利用しているため，電磁ノイズの影響を受けやすい欠点がある．これに対して，FBG センサは，センサ部とPower [a.u.]

ゲージは，作用するひずみによって，金属抵抗線，0.1

0.05

伝送部ともに，光を利用しているため，電磁ノイズに影響されない．さらに，防爆性・耐久性を持ち，長距離伝送も可能である

01549.51549.7

1549.91550.51550.71550.9(a)従来手法
Fig.3 FBG センサ内でひずみ分布したLiR場合の波長スペクトルC(fig.2 参照)．そこで，得られた反射光を周波数

Detector
FBG

解析することで，ある距離における反射光成分を×k

RFBG特定できる．よって，OFDR を用いた手法では，FBG

DITF

DDTC

1550.3

Wavelength [nm]Tunable Laserk1550.1

センサのゲージ長内の歪み分布を計測することがk

Fig.2 OFDR 概念図可能になる（fig.4(a)参照）．
Fig.3 に，FBG センサのゲージ長内で歪み分布した場合の計測結果を示す．
(a)図は従来手法による出力結果であり，ここに距離情報は無い．(b)図は2･2 OFDR を用いた FBG ひずみ分布測定システム

OFDR による出力結果である．(b)図の横軸は波長，FBG によるひずみ計測では，一般的に光スペクト縦軸は距離，色調および濃淡は強度である．10 mm

ルアナライザが用いられる．光スペクトルアナライ

長 FBG センサ内の各位置の波長スペクトルが得られ，ザは波長領域でのスペクトル分析を行い，そのスペ4000〜4005 mm までは 1550.1 nm，4005〜4010 mm まクトルからピーク波長または中心波長を求めるもの

では 1550.3 nm のブラッグ波長を持つことが分かるである．しかし，光スペクトルアナライザを用いた（ひずみに換算して約 200 με）．なお，現行 OFDR

従来法では，FBG センサのゲージ長内の歪み分布をシステムでは，約 1mm の空間分解能を実現すること計測することは出来ない．これに対して，が可能である．

OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)は，また，OFDR を用いた手法の距離情報を得られる利

波長可変光源から光ファイバに光を入射させたとき点を応用すると，fig.4(b)のように 1 本の光ファイに，FBG センサからの反射光と，別経路(R)から来るバに多数の FBG センサを配置させ，それぞれのひず反射光を干渉させることで，FBG センサからの反射みを測定することができる．特に，低反射率の FBG光の距離差に比例した周波数成分を生じさせるセンサを用いると，広帯域光源を用いた従来の波長分割多重（WDM）に比べて，より多くのセンサを多重FEMいると，800 点程度の FBG センサを多重化できるこ

1000とが実証されている．また，OFDR 方式の利用は，同

800

じブラッグ波長の FBG センサの使用が可能となり，大量生産によるコストダウンも期待できる．

Strain , µε化できる．WDM では約 30 点なのに対して，OFDR を用

1200

Simulation

Experiment

600400200001020304050

Position , mm(a)ひずみ分布計測

Fig.6 FEM と FBG 計測ひずみの比較

Table.1 OFDR 方式ひずみ計測 仕様(b)多重ひずみ計測
Fig.4 OFDR 方式 ひずみ計測
3 ひずみ分布計測
3･1 計測方法
Fig.5 に示すように，厚さ5mm のアルミ試験片に，直径φ4mm の円孔 1 箇所と，直径φ2mm の円孔 2 箇所

外径ひずみ分解能
ゲージ長空間分解能
計測点数
耐熱温度

分布計測
多重計測
φ150μm1με
約100mm10〜30mm
約1mm
−−
800点
200℃を空け，応力集中部を設け，ゲージ長 100mm の FBG
センサを円孔に隣接する箇所に接着固定した．
3.0kNの静的引張を与えた．また，Fig.5 に，有限要素法より算出された直径φ2mm 孔近傍の応力集中の様子を示す．

4 FRP 構造物への FBG センサの適用
FBG ひずみセンサは，上述のように，石英光ファイバ型のセンサであるため，設置の自由度が高く，耐環境性，長期安定性に優れている．主要特性をTable.1 に示す．
FBG センサは，電気抵抗式のひずみゲージと同様に，被計測物表面に容易に接着することが可能である．また，FBG センサの外観は，外径φ150μm 程度の柔軟な光ファイバであるため，プリプレグ成型やFig.5 ひずみ分布 試験片VaRTM 成型等の成型過程において，繊維の層間に埋FBG sensor
0.5 mm設することも可能であり，硬化過程の加熱，多くの溶剤にも耐えることが可能である．繊維の積層過程で FBG センサを埋設すれば，成型後の残留ひずみのFig.5 応力集中部
3･1 計測結果
Fig.6 に，OFDR システムを用いて，計測したひずみ値と有限要素法により算出したひずみ値を示す．
精度よく整合性があるデータが計測されており，すなわち 1mm 以下でひずみ分布を計測していることがわかる．よって，OFDR 方式を用いた長ゲージ FBGを適用することにより，FBG に沿ったひずみを空間的に連続かつ高い分解能で計測が可能である．

計測や成型中のモニタリングへの応用も期待できる．
謝辞
JAXA 井川氏，東京大学 村山助教授からは、ご指導と適切なご助言を頂き，感謝いたします。