技術紹介FBG センサによる高速動ひずみ計測技術について
中島 富男 *To m i o N a k a j i m a

荒 川 敬 弘 **Ta k a h i r o A r a k a w a
概要

光ファイバセンサの一つである FBG(Fiber Bragg Grating) センサはひずみゲージと同様に局所ひずみを計測できるセンサである。FBG センサによるひずみ計測技術を産総研より技術導入し、基本的な技術を確立できた。技術導入当初は、構造物監視への適用を考え準静的か 100Hz 程度までの動ひずみ計測であったが、現状では、FBG センサによる 2kHz 以上の高速動ひずみ計測が可能であることを確認し、より小さな構造体への適用も可能となった。

適用例の一つとして、回転体、特に回転中の特定の位相で荷重が負荷される回転体の過度的な高速動ひずみの計測に FBG センサが適していると考え、試作機による確認を行った。

キーワード：FBG センサ、動ひずみ計測、回転体、光ファイバセンサ

1.

AE や超音波の高い周波数帯域や微小動ひずみをはじめに計測することが難しい。

近年、耐久性や耐電磁ノイズ性及び信号線の長一方、光ファイバセンサによる AE 計測技術も距離性に優れる光ファイバセンサが、構造物監視実用化されている例があるが、同じセンサでひずに提案され実用に供されている。光ファイバセン

み計測ができないため、構造物監視のためには、

サは、様々な原理に基づくセンサがあるが、構造別のひずみ用センサを配置することが必要な場合物監視用としてはひずみセンサとしての適用例がが多い。

多い。ひずみ計測は数センチメートルから数メー

そのような背景の下、当社技術研究所では平トルの長さのひずみを計測する分布型センサか、

成 17 年度から 18 年度の 2 年間に亘り、独立行政

通常のひずみゲージのように数ミリメートルの長法人さをセンサ部とする局所型センサに分類できる。

究部門（以下、産総研）と局所ひずみ計測型に分実用化されている手法は分布型センサによるもの

類されるファイバー・ブラッグ・グレーティングが多いが、これらの分布型センサはその長さから（Fiber Bragg Grating 以下、FBG）センサを構造物＊＊＊

技術研究所 課長
技術研究所 所長

産業技術総合研究所

計測フロンティア研

工学博士

̶ 37

̶

IIC REVIEW/2007/10. No.38

監視に適用するための共同研究を行い、産総研

本 稿 に お い て は、FBG セ ン サ 及 び 導 入 し たの有する FBG センサによるひずみ計測技術と AE

FBG センサによるひずみ計測技術の概要と、そ計測技術を導入した。の適用例である回転体の動ひずみ計測例について

一般に、FBG センサは土木や建築構造物での示す。

静ひずみ計測または数ヘルツの低周波動ひずみへ2.の適用が進んでいるが、導入した産総研の計測技術は、FBG センサの高速な応答性と微小なひず（１）FBG の構造と特徴
FBG の構造の模式図を図 2-1 に示す。FBG は、みに対する感度を有することに着目した点が特徴である1), 2)。

FBG センサについて

光ファイバコアの軸線に沿って屈折率を周期的に当社では導入した計測技術を基に、FBG セン変化させ、一次元のブラッグ回折格子が形成したサを、構造物監視を含む具体的な事例に適用するものである。光ファイバの光の伝播方向は進行方研究を独自に進めている。FBG センサによる AE向か反射方向しかないため、FBG での回折光は計測技術は、まだ具体的な適用を検討できる段階反射方向にのみへ伝播する。

まで至っていないが、FBG センサによるひずみ

FBG からの反射光の波長はブラッグ波長と呼計測については、基本技術がほぼ確立でき、当初ばれる。このブラッグ波長は回折格子の理論に従は構造物監視を考え準静的から 100Hz 以下であっい、式 2-1 に従う 1)。

た周波数帯域は、現状では 2kHz 以上の高周波帯

lB = 2ne L域までひずみゲージと同等な計測結果が得られる

式１

lB はブラッグ波長、ne は格子部の有ここで、lことを確認した。このことから、FBG センサに0.010よるひずみ計測技術を、大きな構造物の監視技術0.008

ずみ計測も適用先として考えることが可能となった。その一例として、ひずみゲージでは計測ラインが複雑になり、かつ、周波数帯域も限られる回パワー(mW)に適用するだけでなく、より小さな構造体の動ひ0.006

0.0040.002

転体の動ひずみ計測、特に回転中の特定の位相で荷重が負荷される回転体の過度現象の動ひずみを0.0001530計測する手法として、FBG センサが適している

1540

図21550波長(nm)

FBG反射光スペクトル例と考え、試作機による確認を行った。

入射光Λ光ファイバクラッド
透過光

反射光
光ファイバコア
ブラッグ格子図1

FBG構造模式図

̶ 38 ̶

1560

1570

効屈折率及び Λ は格子間隔である。図２に FBGに広帯域光を入射したときの FBG からの反射光

FBG センサ

光源

スペクトルの例を示す。

光サーキュレータ

FBG として一般的なシングルモード光ファイバ反射光を使って製作されたブラッグ波長 1550nm の場合には、光ファイバのコア屈折率を一般的な値であ計測器m であり、る 1.46 とすると、格子間隔は凡そ 0.53mm
FBG の全長が 10mm では格子数は 18,800 となる。
図5（２）FBG のセンサとしての原理

一般的なFBGセンサ計測系

ブラッグ波長を決定するパラメータである有効屈折率と格子間隔が変化すると、ブラッグ波長的である。即ち、光源には FBG センサのブラッも変化する。有効屈折率と格子間隔はそれぞれグ波長を含む広帯域光源を使用し、FBG センサ

FBG の長さ変化（ひずみ）及び温度に対して感と広帯域光源の間に光サーキュレータを配置す度を有するため、センサとして機能する。

る。光サーキュレータは、光源からの光を FBG実測したひずみ変化及び温度変化に対するブラッグ波長の変化特性を図３及び図４に示す。

センサへ入射させる導波路となり、かつ、FBGセンサからの反射光を光源と接続された導波路と使用した FBG はブラッグ波長と半値幅のノミは別の導波路へ分離・出力する光学受動素子であ

ナ ル 値 は そ れ ぞ れ、1550nm 及 び 0.2nm で あ る。

る。光サーキュレータの反射光出力ポートに光計

図３及び４から求めたひずみ感度は 1.24pm/me/ 、測器を設置し、ブラッグ波長変化を読み取る。

温度感度は約 10pm/℃である。これは文献3)で示されている値と同等の結果である。
3.

最近では、FBG センサ専用計測器も市販されているが、準静的なひずみ変化は、光スペクトルアナライザで十分に計測可能である。光スペクト

FBG センサによるひずみ計測

ルアナライザの例を図６に示す。一般的な光スペ（１）FBG センサの計測系

クトルアナライザの計測原理は、回転機構を有する回折格子と固定されたミラーを組合せて、波長使用するときの計測系は、図５に示す形態が一般を離散的に掃引し、波長毎の光強度を計測するも1552

155215511551

ブラッグ波長(nm)ブラッグ波長(nm)

FBG センサをひずみまたは温度センサとして

1550
15491548-2000-1000

01000
ひずみ（με)

2000

1550

15491548-20020406080100温度（℃)

図３ ひずみとブラッグ波長の関係

図４ 温度とブラッグ波長の関係

̶ 39 ̶

IIC REVIEW/2007/10. No.38

ように入射光、透過及び反射光の 3 ポートを有し、図８のような透過率と反射率特性を有する光ファイバ用光学フィルタを適用する手法がある 1)、
3)。この光ファイバ用光学フィルタは、光ファイバを伝播する光を短波長帯域 I と長波長帯域 IIIの二つの帯域に分割するためのフィルタであり、WDM（Wavelength Division Multiplexing 波長分割多重）フィルタと呼ばれる。WDM フィルタには
帯域 I 及び III の間に透過率と反射率が変化する
遷移帯域 II がある。この遷移帯域 II を利用し、図６ 光スペクトルアナライザの例

FBG センサのブラッグ波長変化を計測できる。

（横河 AQ6317C ）ブラッグ波長が WDM フィルタの遷移帯域 II の範 囲 に あ る FBG セ ン サ を 使 用 す る。 そ の 上 で、のである。光スペクトルアナライザの仕様値とし

図７のように WDM フィルタの入射光ポートと光ては、最小波長確度が 10pm 程度及び最小読取値

サーキュレータの反射光ポートを接続し、FBG 反は 1pm 程度が一般的である。FBG センサによる計射光を WDM フィルタに導波させる。WDM フィ測では最小波長確度による計測が必要である。

ルタの透過光及び反射光ポートそれぞれを光電変また、光スペクトルアナライザでは、回折格子換器に接続し、透過光及び反射光の光強度信号をの回転のための掃引時間が数秒から数十秒の時間

電圧信号 VT と VR に変換する。電圧信号 VT と VRを要する。よって、光スペクトルアナライザ及から式２に示す無次元量 R 値を定義する。

び同様な原理による FBG センサ専用計測器では、R=ブラッグ波長変化を連続量として計測することがVR − Vr
Vr + VR

式２

WDM フィルタの遷移域帯域 II の特性から、R難しい。

値は図９に示すようなブラッグ波長に対する一価（２）光学フィルタを用いたブラッグ波長推定にの関数として得られる。

よる計測システム
FBG センサによるひずみ計測には様々手法がよって、使用する FBG センサに対して、R 値−提案されている。その一つとして、図７に示すブラッグ波長特性を取得しておくことにより、電圧信号 VT と VR からブラッグ波長を推定することがFBGセンサFBG 反射光を入射WDM フィルタ

WDM
透過光可能となる。また、電圧信号 VT と VR は連続信号な
電圧
光電変換器

光電変換器
WDM
反射光VT
電圧VR

ので、ブラッグ波長変化も連続信号として取得することが可能であり、高速なブラッグ波長変化（つまり高速なひずみ変化）の計測も可能となる。
ここで示した手法が、産総研より導入したひず広帯域
光源

図7

み計測技術の概要であり、以下に示す計測例も全WDMフィルタを使った
FBGセンサ計測システム構成図て本手法によるものである。

̶ 40 ̶

なお、本手法によるブラッグ波長の計測範囲は

100%

透過率(%)
反射率(%)

が同等であることが分かる。一方、図 12 より、帯域II(遷移帯域)

FBG セ ン サ を 用 い て、 ひ ず み ゲ ー ジ と 同 様 に、透過率、反射率80%

約 2100Hz にあるハリの曲げ３次共振が明瞭に観60%察できていることが分かる。

帯域I(短波長帯域)

帯域III(長波長帯域)40%上記の結果より、FBG センサを用いてひずみゲージと同等の高速動ひずみ計測が可能であるこ20%とが分かる。
（２）特定の位相でのみ荷重を受ける回転体の動0%153015351540

図815451550波長(nm)

1555

1560

1565

ひずみ計測

WDMフィルタ特性の例

地上輸送機の車輪のような回転体は、回転しながら接地している部分のみが垂直荷重や横荷重を1552ブラッグ波長(nm)受ける。このような回転体の一部に着目すると、ひずみ波形はパルス状となり、更にひずみ波形の1551

スペクトルは回転一次だけなく、高次成分を有し、1550且つ回転体の自由振動も励起される。よって、このような回転体のひずみ計測では、過度的現象を1549把握できるようにするために、高速な計測系が必
1548-1.0-0.5

0.0

0.5

1.0

可能であることは、前記の片持ちハリの動ひずみR値（無次元)

図9要である。そのような目的に FBG センサが使用無次元量R値とブラッグ波長の関係計測結果より明らかである。
ところで、FBG センサの特徴の一つは、一本WDM フィルタの遷移波長帯域幅に依存する。の光ファイバ上に複数の FBG センサを配置することが可能なことである（図 13）。よって、回転４．FBG センサによる動ひずみ計測適用例

体での多点ひずみ計測を行う場合であっても、回（１）片持ちハリの振動転部にブラッグ波長が異なる複数の FBG 部を有FBG センサによる高速動ひずみ計測が可能でする光ファイバ 1 本と光源や計測器に接続されたあることを、図 10 に示すような片持ちハリに衝固定部にある光ファイバ 1 本の間で信号の伝達部撃荷重を負荷したときの共振・減衰振動を FBGを構築できれば、ひずみゲージのように電気信号センサによる観察結果より示す。なお、比較のた接点による接続よりもシンプルな信号ラインとなめひずみゲージ ( ゲージ率２、ゲージ長さ 10mm)ると考えられる。

による計測も行った。使用した FBG センサのブ光ファイバを用いた回転部と固定部間の信号伝ラッグ波長、半値幅のノミナル値は、それぞれ達手段は様々な方式が考えられる。今回、図 141550nm と 0.2nm である。に示す光ファイバ・ロータリジョイント（Fiber取 得 し た 波 形 の 例を 図 11 に、 及 び、 その 波

Optical Rotary Joint=FORJ）と呼ばれる部品を採用

形の周波数解析結果を図 12 に示す。図 11 によした概念確認機を試作し、回転体に発生するひずり、FBG センサとひずみゲージのひずみ指示値みの観察を行った。使用した FORJ は 2000rpm が̶ 41 ̶

IIC REVIEW/2007/10. No.38

許容最大回転数である。
概念確認機の全体図を図 15 に示す。
ひずみを発生させる試験片は図 15 に示すような、アルミ製の二枚羽状で、片側が片持ちハリとなる。FBG センサは羽の片方の回転軸近傍に貼り付けた。回転部の光ファイバは中空な回転軸内に配置され、FORJ により回転部と固定部間の光ファイバが接続されている。図 16 に固定部側光図 10

ハリと治具外観

図 11

曲げ２次片持ちハリの衝撃負荷時ひずみ波形の例

曲げ３次103103102102

101101

ひずみのPSD(με2/Hz)

ひずみのPSD(με2/Hz)

曲げ１次ファイバの接続状態を示す。今回の概念確認機で10010-110-210-31010-110-210-310

1001000
Frequency(Hz)FBG センサ
図121001001000
Frequency(Hz)ひずみゲージ

片持ちハリ衝撃負荷時波形の周波数解析結果（Δｆ=5Hz）
̶ 42 ̶

光サーキュレータ
λB1

光源

固定部側光ファイバケーブル

FBGセンサ列λB2

λB3λB4計測器

図13

多点計測のためのFBGセンサ列概念図

図16

固定部光ファイバの配置状態

回転部側
固定部側

試験片は、試験片先端が最低部にあるときのみ、試験片変形治具が試験片先端部を回転軸方向に強制的に押すことによる曲げ変形を受ける。
図 17 に取得した試験片のひずみ波形と周波数解析結果を示す。ひずみ波形からは、パルス状の強制ひずみと自由振動を含んだ波形が取得できて図14いる。また、周波数解析結果からは、ひずみ波形

FORJ外観図の回転一次周波数だけでなく、回転高次成分周波数及び試験片の曲げ共振周波数が計測できている

光ファイバことが分かる。

試験片

本結果より、FBG センサを用いた回転体のひFBG センサ

ずみ計測において過度応答を含んだ計測が行えることが確認できた。

試験片
変形用治具モータ5. まとめFBG センサによるひずみ計測において、光学フィルタを用いた計測システムを採用することに

図15

FBGセンサによる回転体ひずみ計測概念確認機外観より、高速な動ひずみ計測が可能であることを確認した。また、採用した計測ステムにより、特定の位相で荷重を受ける回転体構造物のひずみ計測は、FBG センサ点数は 1 点であるが、ブラッグに FBG センサが有効な手段であることも確認し波長の異なる FBG センサの多点計測を行う場合た。
FBG センサは計測系の選択により、更に高速であっても、回転部と固定部の光ファイバの接続状態は同様となる。

且つより微小なひずみである AE への適用が可能̶ 43 ̶

IIC REVIEW/2007/10. No.38

であることが共同研究を行った産総研より示され
2）

合研究所

計測フロンティア研究部門

秋宗淑雄ており 、例えば、従来の圧電センサの使用が制部門長と津田浩博士から共同研究終了後にも多く限される場合での AE センサとして活用できるものご指導と助言を頂いた。ここに深く感謝します。のと考えている。一方、1 本の光ファイバ上に複数の FBG センサ部を配置できる特徴を利用した参考文献

適用技術も様々考えられる。また、基礎技術としては、ひずみ計測時の温度補償技術を、適用例に

1）津田浩、｢FBG センサを用いた高速ひずみ計測｣，材料システム対応して確立していくことも必要であり、今後もFBG センサの具体的な適用例の拡大と基礎技術

第 24 巻、2006 年2）Jung-Ryul Lee・Hiroshi Tsuda,「A novel fiberBragg grating acoustic emission sensor head forの向上に努めて行く考えである。

mechanical tests」,Scripta Materilia,53,2005

謝 辞3）Andreas Othonos・Kyriacos Kalli,「Fiber Bragg

本研究については、独立行政法人

図 17

産業技術総Gratings」,Artech House,1999

回転体のひずみ波形と周波数解析結果

技術研究所
課長

技術研究所
所長 工学博士

中島 富男

荒川 敬弘

TEL. 045-759-2927
FAX. 045-759-2155

TEL. 045-759-2927
FAX. 045-759-2155

̶ 44̶