特許 6159095 変位計測装置及び変位計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6159095

(24)【登録日】2017年6月16日

(45)【発行日】2017年7月5日

(54)【発明の名称】変位計測装置及び変位計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 17/00 20060101AFI20170626BHJP

   G01N 29/14 20060101ALI20170626BHJP

【ＦＩ】

   G01B17/00 B

   G01N29/14

【請求項の数】8

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2013-20928(P2013-20928)

(22)【出願日】2013年2月5日

(65)【公開番号】特開2014-153094(P2014-153094A)

(43)【公開日】2014年8月25日

【審査請求日】2015年12月3日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 発行所：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、刊行物名：Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、掲載該当箇所：Ｖｏｌ．３７、Ｎｏ．１６、第３３３６頁〜第３３３８頁、発行年月日：２０１２年８月６日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 発行所：Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ２０１２、刊行物名：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＨＭＣＳ ２０１２ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、掲載該当箇所：Ｖｏｌ．Ｉ、第Ｐ０９−１頁〜第Ｐ０９−４頁、頒布年月日：２０１２年８月２９日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 集会名：Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ２０１２（ＡＳＨＭＣＳ ２０１２）、発表日：２０１２年８月３０日、タイトル：ＮＯＶＥＬ ＲＥＡＬ−ＴＩＭＥ ＡＣＯＵＳＴＯ−ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＳＥＮＳＯＲ ＳＹＳＴＥＭ ＵＳＩＮＧ ＴＷＯ ＰＨＡＳＥ−ＳＨＩＦＴＥＤ ＦＢＧＳ

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 発行所：ＳＰＩＥ（ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）、刊行物名：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、掲載該当箇所：Ｖｏｌ．８４２１、第８４２１４Ｈ−１頁〜第８４２１４Ｈ−４頁、頒布年月日：２０１２年１０月１４日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 集会名：２２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ（ＯＦＳ−２２）、発表日：２０１２年１０月１６日、タイトル：Ｎｏｖｅｌ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｗｏ ｃａｓｃａｄｅｄ ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 発行所：日本複合材料学会、刊行物名：第３７回複合材料シンポジウム講演要旨集（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３７ｔｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、掲載該当箇所：第１０５頁〜第１０６頁、頒布年月日：２０１２年１０月１８日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 集会名：第３７回複合材料シンポジウム、発表日：２０１２年１０月１８日、タイトル：位相シフトＦＢＧを用いた高感度光ファイバセンサシステムによるＣＦＲＰ積層板のＡＥ信号および衝撃挙動の検出

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度、経済産業省、研究題目「次世代構造部材創製・加工技術開発（複合材構造健全性診断技術開発）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100136504

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 毅彦

(72)【発明者】

【氏名】副島 英樹

(72)【発明者】

【氏名】岡部 洋二

(72)【発明者】

【氏名】呉 奇

(72)【発明者】

【氏名】大道 浩児

(72)【発明者】

【氏名】野村 隆次郎

【審査官】 梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０２９９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２６０４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１２８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２３２３７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３１５６３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２１６６１５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 D.Gatti, G.Galzerano, D.Janner, S.Longhi, and P.Laporta，Fiber strain sensor based on a π-phase-shifted Bragg grating and the Pound-Drever-Hall technique，Optics Express，２００８年，Vol.16, Issue 3，pp.1945-1950

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００ − １１／３０

Ｇ０１Ｂ １７／００ − １７／０８

Ｇ０１Ｎ ２１／８４ − ２１／９５８

Ｇ０１Ｎ ２９／００ − ２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

照射光を照射する照射系と、
屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したファイバ・ブラッグ・グレーティングである第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングであって、透過光又は反射光の波長に対する第１の透過率分布又は第１の反射率分布を有する第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングと、
屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したファイバ・ブラッグ・グレーティングである第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングであって、透過光又は反射光の波長に対する第２の透過率分布又は第２の反射率分布を有する第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングと、
被検物体の変位量に応じて前記第１の透過率分布及び前記第２の透過率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを経由した前記照射光の振幅、或いは前記被検物体の変位量に応じて前記第１の反射率分布及び前記第２の反射率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを経由した前記照射光の振幅を検出し、前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第１の透過率分布のピークと前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第２の透過率分布のピークとのオーバーラップ領域の変化量又は前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第１の反射率分布のピークと前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第２の反射率分布のピークとのオーバーラップ領域の変化量に応じて変化する前記振幅に基づいて前記変位量を示す指標を取得する検出系と、
を備える変位計測装置。

【請求項2】

前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、前記被検物体の変位量に関わらず前記第１の透過率分布又は前記第１の反射率分布が一定のフィルタを構成する一方、前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、前記被検物体の変位量に応じて前記第２の透過率分布又は前記第２の反射率分布が波長方向に変化するセンサを構成する請求項１記載の変位計測装置。

【請求項3】

前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、前記被検物体の変位量に応じて前記第１の透過率分布又は前記第１の反射率分布が波長方向に変化する第１のセンサを構成する一方、前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、前記被検物体の変位量に応じて前記第１の透過率分布又は前記第１の反射率分布と異なる変化量で前記第２の透過率分布又は前記第２の反射率分布が波長方向に変化する第２のセンサを構成する請求項１記載の変位計測装置。

【請求項4】

前記被検物体に超音波による振動を付加する超音波送信系を更に備え、
前記検出系は、前記被検物体の構造に応じた前記超音波による振動に対応する変位量を示す指標を取得するように構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変位計測装置。

【請求項5】

前記検出系は、前記被検物体において生じるアコースティック・エミッションに対応する変位量を示す指標を取得するように構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変位計測装置。

【請求項6】

前記検出系は、炭素繊維強化プラスチックで構成される被検物体内の欠陥を前記指標として検出するように構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変位計測装置。

【請求項7】

前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングに入射させる前記照射光の波長帯域を調整するための光学素子を設けた請求項１乃至６のいずれか１項に記載の変位計測装置。

【請求項8】

屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したファイバ・ブラッグ・グレーティングである第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングであって、透過光の波長に対する第１の透過率分布又は第１の反射率分布を有する第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したファイバ・ブラッグ・グレーティングである第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングであって、透過光の波長に対する第２の透過率分布又は第２の反射率分布を有する第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングに照射光を照射するステップと、
被検物体の変位量に応じて前記第１の透過率分布及び前記第２の透過率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを経由した前記照射光の振幅、或いは前記被検物体の変位量に応じて前記第１の反射率分布及び前記第２の反射率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを経由した前記照射光の振幅を検出し、前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第１の透過率分布のピークと前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第２の透過率分布のピークとのオーバーラップ領域の変化量又は前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第１の反射率分布のピークと前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第２の反射率分布のピークとのオーバーラップ領域の変化量に応じて変化する前記振幅に基づいて前記変位量を示す指標を取得するステップと、
を有する変位計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、変位計測装置及び変位計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG: Fiber Bragg Grating)を用いて物理量を計測する技術が知られている。例えば、FBG及びアレイ導波路格子(AWG: Arrayed Waveguide Grating)を用いて航空機等の材料として用いられる複合材の損傷を探知するシステムが提案されている（例えば特許文献１参照）。また、FBGを用いて振動又は弾性波を検出する装置が提案されている（例えば特許文献２、特許文献３、特許文献４及び非特許文献１参照）。特に、航空機における材料の開発分野では、歪みの計測へのFBGの応用が期待されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−２３２３７１号公報

【特許文献2】特開２０１０−１１２８６７号公報

【特許文献2】特開２００８−０４６０３６号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Y. Okabe, J. Kuwahara, K. Natori, N. Takeda, T. Ogisu, S. Kojima, and S. Komatsuzaki, "Evaluation of Debonding Progress in Composite Bonded Structures Using Ultrasonic Waves Received in Fiber Bragg Grating Sensors", Smart Mater. Struct., Vol. 16, No. 4, pp. 1370-1378, (2007)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のFBGを利用した微小変位計測装置では、SNR (Signal to Noise Ratio)を確保するために、検出信号の平均化やフィルタ処理による電気的ノイズの除去が必要となる。しかしながら、検出信号の平均化を行うためには、平均化に必要な回数だけ計測を行う必要がある。このため、計測時間が長くなるという問題がある。また、ノイズを除去するために、LPF (Low Pass Filter)やHPF (High Pass Filter)を用いてフィルタリングを行うと、有用なデータまで除去されてしまう恐れがある。

【0006】

更に、微小変位計測装置における計測原理によっては、ファブリペローフィルタ等の高価なデバイスが必要となる。特に、ファブリペローフィルタ等の波長可変型フィルタには、光学素子を機械的に駆動させる機構を設ける必要がある。このため、一層、製造コストの増加に繋がる。更に、波長可変型フィルタには、光学素子の駆動部が存在するため、航空機、風車、橋梁等の振動を伴う物体を計測対象とすることが困難である。

【0007】

そこで、本発明は、簡易な構成で物体の変位を計測することが可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供することを目的とする。

【0008】

また、本発明の他の目的は、より高感度に物体の変位を計測することが可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の実施形態に係る変位計測装置は、照射系、第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング、第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び検出系を備える。照射系は、照射光を照射する。前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したファイバ・ブラッグ・グレーティングである。前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、透過光又は反射光の波長に対する第１の透過率分布又は第１の反射率分布を有する。前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したファイバ・ブラッグ・グレーティングである。前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、透過光又は反射光の波長に対する第２の透過率分布又は第２の反射率分布を有する。検出系は、被検物体の変位量に応じて前記第１の透過率分布及び前記第２の透過率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを経由した前記照射光の振幅、或いは前記被検物体の変位量に応じて前記第１の反射率分布及び前記第２の反射率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを経由した前記照射光の振幅を検出し、前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第１の透過率分布のピークと前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第２の透過率分布のピークとのオーバーラップ領域の変化量又は前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第１の反射率分布のピークと前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第２の反射率分布のピークとのオーバーラップ領域の変化量に応じて変化する前記振幅に基づいて前記変位量を示す指標を取得する。
また、本発明の実施形態に係る変位計測方法は、屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したファイバ・ブラッグ・グレーティングである第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングであって、透過光の波長に対する第１の透過率分布又は第１の反射率分布を有する第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したファイバ・ブラッグ・グレーティングである第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングであって、透過光の波長に対する第２の透過率分布又は第２の反射率分布を有する第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングに照射光を照射するステップと、被検物体の変位量に応じて前記第１の透過率分布及び前記第２の透過率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを経由した前記照射光の振幅、或いは前記被検物体の変位量に応じて前記第１の反射率分布及び前記第２の反射率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する前記第１の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティング及び前記第２の位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを経由した前記照射光の振幅を検出し、前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第１の透過率分布のピークと前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第２の透過率分布のピークとのオーバーラップ領域の変化量又は前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第１の反射率分布のピークと前記局所的な位相シフトに起因して生じる前記第２の反射率分布のピークとのオーバーラップ領域の変化量に応じて変化する前記振幅に基づいて前記変位量を示す指標を取得するステップとを有する。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態に係る変位計測装置及び変位計測方法によれば、簡易な構成で物体の変位を計測することができる。

【0011】

また、本発明の実施形態に係る変位計測装置及び変位計測方法によれば、より高感度に物体の変位を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の構成図。

【図2】FBG及びPS-FBGの周辺構造を示す図。

【図3】FBG及びPS-FBGの長手方向における屈折率分布を示す図。

【図4】FBG及びPS-FBGのスペクトルの模式図。

【図5】図１に示すAFBGの反射光のスペクトル、第１のFBGとしてのPS-FBGフィルタの透過光のスペクトル及び第２のFBGとしてのPS-FBGセンサの透過光のスペクトルの一例を示す図。

【図6】図１に示す第１のFBGとしてのPS-FBGフィルタ及び第２のFBGとしてのPS-FBGセンサを透過する透過光の、被検物体の変位量に応じた振幅の変化を示す図。

【図7】本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置の構成図。

【図8】本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の構成図。

【図9】本発明の第４の実施形態に係る変位計測装置の構成図。

【図10】図９に示す第１のFBGとしての第１のPS-FBGセンサ及び第２のFBGとしての第２のPS-FBGセンサを透過する透過光の、被検物体の変位量に応じた振幅の変化を示す図。

【図11】本発明の第５の実施形態に係る変位計測装置の構成図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施形態に係る変位計測装置及び変位計測方法について添付図面を参照して説明する。

【0014】

（第１の実施形態）
（構成および機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の構成図である。

【0015】

変位計測装置１は、アルミニウム等の金属や炭素繊維強化プラスチック(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)等の複合材など、所望の材料で構成された被検物体Ｏの変位量を計測する装置である。特に、変位計測装置１では、超音波によって生じる振動やアコースティック・エミッション(AE: Acoustic Emission)によって被検物体Ｏに生じる微小な変位を計測することができる。

【0016】

尚、AEは、材料が変形する際、或いは材料に亀裂が発生する際に、材料に蓄えられていた歪エネルギが弾性波として放出される現象である。また、超音波によって生じる振動は、材料内における欠陥の有無によって変化する。従って、変位計測装置１を被検物体Ｏの損傷検査装置として用いることもできる。

【0017】

変位計測装置１は、照射系２、第１のFBG３、第２のFBG４及び検出系５で構成することができる。具体的には、照射系２と検出系５との間に第１のFBG３及び第２のFBG４が直列に設けられる。そして、被検物体Ｏに生じる振動が第２のFBG４に伝播するように、第２のFBG４が被検物体Ｏに取り付けられる。振動を良好に伝播させる観点からは、接着剤や粘着剤で第２のFBG４を被検物体Ｏに固定することが望ましい。

【0018】

照射系２は、第１のFBG３及び第２のFBG４に照射光を照射するためのシステムである。従って、図１に示すように自然放射増幅(ASE: amplified spontaneous emission)光源６等の広帯域光源を用いて照射系２を構成することができる。

【0019】

但し、適切なスペクトルを有する照射光が照射系２から照射されるように波長帯域を制限することが望ましい。そこで、照射系２に、光サーキュレータ７を介してAFBG (apodized FBG)８を設けることが好適である。具体的には、光サーキュレータ７のポート１をASE光源６に、光サーキュレータ７のポート２をAFBG８に、光サーキュレータ７のポート３を第１のFBG３に、それぞれ接続することによって照射系２を構成することができる。

【0020】

そうすると、AFBG８は、第１のFBG３及び第２のFBG４に入射させる照射光の波長帯域を調整するための光学素子として機能する。すなわち、ASE光源６から出射した照射光が光サーキュレータ７のポート１に入射してポート２からAFBG８に入射する。この結果、予め適切な特性が付与されたAFBG８から適切なスペクトルを有する光が反射される。そして、AFBG８からの適切なスペクトルを有する反射光を、光サーキュレータ７のポート２に入射させてポート３から照射光として第１のFBG３に出力させることができる。

【0021】

第１のFBG３は、光フィルタとして機能する。一方、第２のFBG４は光センサとして機能する。第１のFBG３及び第２のFBG４の少なくとも一方は、位相シフトFBG (PS-FBG: Phase-shifted FBG)で構成することが好適である。尚、図１は、第１のFBG３及び第２のFBG４をいずれもPS-FBGで構成した例を示している。すなわち、図１に示す変位計測装置１には、第１のFBG３としてPS-FBGフィルタが、第２のFBG４としてPS-FBGセンサが、それぞれ設けられている。

【0022】

図２は、FBG及びPS-FBGの周辺構造を示す図である。図２に示すようにFBG及びPS-FBGは、コーティング及び被覆材(cladding)で保護されたファイバのコア上に設けられる。

【0023】

図３は、FBG及びPS-FBGの長手方向における屈折率分布を示す図であり、図４は、FBG及びPS-FBGのスペクトルの模式図である。

【0024】

図３(A), (B)において各横軸は、FBG及びPS-FBGを設けた光ファイバの基準位置からの長さ、つまり長手方向の位置を示し、各縦軸は、FBG及びPS-FBGを設けた光ファイバの実効屈折率分布Δeffを示す。また、図３(A)は、FBGの実効屈折率分布Δeffを示しており、図３(B)はPS-FBGの実効屈折率分布Δeffを示している。一方、図４において横軸はPS-FBGの透過光の波長[nm]を示し、縦軸はPS-FBGの透過光の強度[a.u.: arbitrary unit]を示す。また、図４中の実線は、PS-FBGの透過光のスペクトルを示し、点線は、通常のFBGの透過光のスペクトルを示す。

【0025】

FBGは、図３(A)に示すように屈折率が周期的に変動する回折格子である。このような屈折率分布を有するFBGのスペクトルは、図４の点線で示すように波長方向に所定の分布を有する。一方、PS-FBGは、図３(B)に示すように屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したFBGである。このような屈折率分布を有するPS-FBGのスペクトルには、図４の実線で示すようにFBGの所定の分布に加えて不連続なピークが出現する。、

【0026】

つまり、図４に示すように、PS-FBGの透過光のスペクトルには、通常のFBGの透過光のスペクトルに存在しない、局所的な鋭いピークが出現する。図４に示す例では、帯域幅が0.2 nm以下のピークが生じている。また、図４の実線は、屈折率の位相シフト量を180度とした場合の例を示している。

【0027】

図５は、図１に示すAFBG８の反射光のスペクトル、第１のFBG３としてのPS-FBGフィルタの透過光のスペクトル及び第２のFBG４としてのPS-FBGセンサの透過光のスペクトルの一例を示す図である。

【0028】

図５において横軸は、反射光又は透過光の波長[nm]を示し、縦軸は反射光又は透過光の強度[a.u.]を示す。また、図５中の実線はAFBG８の反射光のスペクトルを、二点鎖線はPS-FBGフィルタの透過光のスペクトルを、一点鎖線はPS-FBGセンサのスペクトルを、それぞれ示す。

【0029】

AFBG８は、実線で例示されるような反射光の波長に対する反射率分布が得られるように特性が決定される。また、PS-FBGフィルタは、二点鎖線で例示されるような透過光の波長に対する第１の透過率分布が得られるように特性が決定される。更に、PS-FBGセンサは、一点鎖線で例示されるような透過光の波長に対する第２の透過率分布が得られるように特性が決定される。

【0030】

具体的には、PS-FBGフィルタの第１の透過率分布と、PS-FBGセンサの第２の透過率分布とが、互いにオーバーラップするようにPS-FBGフィルタ及びPS-FBGセンサの光透過特性が決定される。更に、AFBG８の反射率分布が、PS-FBGフィルタの第１の透過率分布及びPS-FBGセンサの第２の透過率分布をカバーするようにAFBG８の光反射特性が決定される。

【0031】

そうすると、第１のFBG３としてのPS-FBGフィルタは、被検物体Ｏに生じる振動が伝搬しない位置に配置されているため、被検物体Ｏの変位量に関わらず第１のFBG３の第１の透過率分布は一定である。このため、第１のFBG３としてのPS-FBGは、照射系２から入射する照射光のうち、第１の透過率分布に対応する波長の照射光のみを選択的に第２のFBG４としてのPS-FBGに出力する光学フィルタを構成する。

【0032】

一方、第２のFBG４としてのPS-FBGは、被検物体Ｏに生じる振動が伝搬するように設けられている。従って、被検物体Ｏに振動が付与されて歪による変位が生じると、第２のFBG４としてのPS-FBGは、被検物体Ｏとともに伸縮する。この結果、第２のFBG４としてのPS-FBGは、被検物体Ｏ及び第２のFBG４の伸縮量に応じて透過特性が変化する。すなわち、第２のFBG４としてのPS-FBGは、被検物体Ｏの変位量に応じて第２の透過率分布が波長方向に変化する。従って、第２のFBG４としてのPS-FBGは、被検物体Ｏの変位量に応じて変化する第２の透過率分布に対応する波長の光のみを選択的に検出系５に出力する光学センサを構成する。

【0033】

このように、PS-FBGフィルタ及びPS-FBGセンサで構成される光学系を照射光の光路上に設けると、被検物体Ｏに生じる変位量に応じた振幅を有する光がPS-FBGセンサから出力されることになる。

【0034】

図６は、図１に示す第１のFBG３としてのPS-FBGフィルタ及び第２のFBG４としてのPS-FBGセンサを透過する透過光の、被検物体Ｏの変位量に応じた振幅の変化を示す図である。

【0035】

図６において二点鎖線はPS-FBGフィルタの透過光のスペクトルを、一点鎖線はPS-FBGセンサの透過光のスペクトルを、実線はPS-FBGフィルタ及びPS-FBGセンサを透過した透過光のスペクトルを、それぞれ示す。尚、説明簡易化のため、PS-FBGセンサに対応するスペクトルのピークと、PS-FBGフィルタに対応するスペクトルのピークが同じ高さとして表示されている。

【0036】

図６(A)に示すように、被検物体Ｏに生じる変位量Dがゼロである場合に、PS-FBGフィルタのスペクトルとPS-FBGセンサのスペクトルとが波長シフト量λ₀だけ互いにシフトした状態でオーバーラップするようにPS-FBGフィルタ及びPS-FBGセンサの透過光特性が決定されているものとする。尚、波長シフト量λ₀をゼロとして、被検物体Ｏに生じる変位量Dがゼロである場合における初期条件を、PS-FBGフィルタのスペクトルとPS-FBGセンサのスペクトルとがシフトしないようにしてもよい。また、波長シフト量λ₀を負値としてもよい。

【0037】

この場合、PS-FBGフィルタ及びPS-FBGセンサを透過する透過光のスペクトルは、原理的にはPS-FBGフィルタのスペクトルとPS-FBGセンサのスペクトルのオーバーラップ領域に対応するスペクトルとなる。従って、PS-FBGフィルタ及びPS-FBGセンサを透過する透過光を光信号として検出すると、振幅I₀の信号が検出される。

【0038】

一方、被検物体Ｏに変位量D₁の変位が生じている場合には、PS-FBGセンサにも変位量D₁の変位が生じる。従って、図６(B)に示すように、PS-FBGセンサのスペクトルが波長方向に遷移する。これに対して、PS-FBGフィルタには変位が生じないため、PS-FBGフィルタのスペクトルは一定である。この結果、PS-FBGフィルタのスペクトルとPS-FBGフィルタのスペクトルとの間における波長シフト量がλ₁に変化する。従って、PS-FBGフィルタのスペクトルとPS-FBGセンサのスペクトルのオーバーラップ領域が変化し、PS-FBGフィルタ及びPS-FBGセンサを透過する透過光の振幅は、被検物体Ｏ及びPS-FBGセンサの変位量D₁に対応する振幅I₁となる。

【0039】

同様に、被検物体Ｏに変位量D₂の変位が生じている場合には、PS-FBGフィルタ及びPS-FBGセンサを透過する透過光の振幅が、被検物体Ｏ及びPS-FBGセンサの変位量D₂に対応する振幅I₂となる。

【0040】

従って、PS-FBGセンサからは、被検物体Ｏの変位量Dに応じた振幅Iを有する光が測定光として出力されることになる。尚、PS-FBGセンサが圧縮するか伸長するかによってPS-FBGフィルタのスペクトルの遷移方向が変わることになる。従って、被検物体Ｏが振動すると、PS-FBGセンサが伸縮し、PS-FBGセンサからは、正値の振幅と負値の振幅との間で時間的に振動する強度を有する測定光が出力される。

【0041】

尚、AFBG８によって、PS-FBGフィルタに入射する照射光の光量及び波長を制限することにより、被検物体Ｏの変位量D₂の測定に無用な照射光の成分を除去することができる。つまり、AFBG８は、ASE光源６からの照射光を絞るためのフィルタとして機能している。このため、強すぎる照射光に起因する悪影響を抑制することができる。

【0042】

検出系５は、第１のFBG３としてのPS-FBGフィルタ及び第２のFBG４としてのPS-FBGセンサを透過した照射光の振幅（強度）を検出することによって被検物体Ｏの変位量を示す指標を取得するシステムである。より具体的には、被検物体Ｏの変位量に応じて第２の透過率分布が波長方向に変化する第２のFBG４及び被検物体Ｏの変位量に依らず第１の透過率分布が一定の第１のFBG４を経由した照射光の振幅を検出し、第２の透過率分布の変化量に応じて変化する照射光の振幅に基づいて被検物体Ｏの変位量を示す指標を取得することができる。そのために、検出系５は、光検出器(PD: Photo Detector)９、オシロスコープ１０、データ処理装置１１及び表示装置１２を用いて構成することができる。

【0043】

PD９は、第１のFBG３としてのPS-FBGフィルタ及び第２のFBG４としてのPS-FBGセンサを透過した照射光の振幅を検出し、照射光の振幅に応じた振幅を有する電気信号に変換する装置である。

【0044】

オシロスコープ１０は、PD９において検出された電気信号の時間変化をモニタリングする装置である。デジタル式のオシロスコープなど、近年のオシロスコープには、通常、電気信号の時間変化を記録する機能が備えられている。

【0045】

データ処理装置１１は、オシロスコープ１０において観測された電気信号の時間変化に基づいて、被検物体Ｏの変位量を示す指標を取得する装置である。データ処理装置１１は、コンピュータに必要なデータ処理機能を有するデータ処理プログラムを読込ませて構築することができる。また、データ処理装置１１を構成するために回路を用いてもよい。オシロスコープ１０がアナログ式であり、データ処理装置１１がコンピュータである場合には、A/D(analog to digital)変換器を介してコンピュータがオシロスコープ１０と接続される。

【0046】

被検物体Ｏの変位量を示す指標としては、変位量自体の他、変位量に対応する光又は電気信号の振幅値としてもよい。従って、被検物体Ｏの変位量の時間変化を、電気信号の時間変化を示す波形として表示させるのみである場合には、データ処理装置１１を省略してもよい。

【0047】

一方、被検物体Ｏの変位量を数値として表示させる場合や電気信号の時間変化を被検物体Ｏの変位量に換算して表示させる場合には、被検物体Ｏの変位量と電気信号の振幅値とを対応付けた換算テーブルや電気信号の振幅値に基づいて被検物体Ｏの変位量を算出するための関数が予めデータ処理装置１１に保存される。そして、データ処理装置１１には、換算テーブル又は換算用の関数を参照し、オシロスコープ１０から取得した電気信号に基づいて被検物体Ｏの変位量を求める機能が備えられる。

【0048】

被検物体Ｏの変位量を示す指標としては、変位量や信号の時間変化に限らず、欠陥の有無や検出結果等の情報とすることもできる。例えば、上述したように変位計測装置１を被検物体Ｏの損傷検査装置として用いる場合には、AEの有無を被検物体Ｏの変位量を示す指標として検出することもできる。その場合には、データ処理装置１１において被検物体Ｏにおいて生じるAEに対応する変位量を示す指標が取得される。すなわち、データ処理装置１１に少なくともAEの発生による変位量と、電気信号の振幅との換算テーブル又は換算関数等の換算情報が保存される。そして、AEに起因する変位量に対応する電気信号の振幅が検出された場合には、AEが生じたという検出情報を生成することができる。

【0049】

別の例として、超音波探傷検査における受信系として変位計測装置１を用いることもできる。その場合には、被検物体Ｏに欠陥が存在する場合に生じる超音波反射波による振動に対応する電気信号の振幅又は振幅パターンを検出する機能をデータ処理装置１１に設ければよい。すなわち、データ処理装置１１では、被検物体Ｏの構造に応じた超音波による振動に対応する変位量を示す指標が取得される。そのために、被検物体Ｏの欠陥等の構造に応じた超音波振動と電気信号との換算情報をデータ処理装置１１に保存するようにしてもよい。

【0050】

更に、別の側面として、被検物体Ｏの材質に応じた欠陥の検出機能をデータ処理装置１１に設けることもできる。特にCFRPの探傷検査は航空機の製造現場において重要な作業である。そこで、データ処理装置１１において、CFRPで構成される被検物体Ｏ内の欠陥を指標として検出するようにしてもよい。その場合には、CFRP内における欠陥の発生に伴って生じるAEに対応する電気信号の振幅や振幅パターンを参照データとしてデータ処理装置１１に保存し、参照データと実際に測定された電気信号に基づいてCFRPにおけるAEの発生を検出することができる。或いは、CFRPの超音波探傷検査を行う場合には、CFRP内の欠陥の有無に応じた超音波振動に対応する電気信号の振幅や振幅パターンを参照データとしてデータ処理装置１１に保存し、参照データと実際に測定された電気信号に基づいてCFRPにおける欠陥の有無を検出することができる。

【0051】

もちろん、CFRP以外の材料についても同様な欠陥の検出を行うことができる。また、欠陥の検出に限らず、被検物体Ｏの厚さ測定等の超音波検査における受信系として変位計測装置１を用いることもできる。従って、変位計測装置１の用途に応じた電気信号の変換情報や参照データをデータ処理装置１１に準備することによって、多種多様な被検物体Ｏに対する様々な検査を行うことができる。或いは、逆に、特定の被検物体Ｏの特定の検査に最適な変位計測装置１を構成することができる。

【0052】

そして、データ処理装置１１において得られた情報は、測定情報として表示装置１２に表示させることができる。

【0053】

尚、データ処理装置１１には、オシロスコープ１０において取得される電気信号の時間変化によって、十分な精度で被検物体Ｏの変位量を示す指標が得られない場合に備えて、アベレージングを実行する機能を設けることもできる。すなわち、超音波振動を連続的に被検物体Ｏに付与する場合など、同一の条件下で繰返しデータの取得が可能である場合には、取得されたデータを加算することによってSNRを確保することができる。

【0054】

（動作および作用）
次に変位計測装置１の動作および作用について説明する。

【0055】

変位計測装置１を用いて被検物体Ｏの変位を計測する場合には、被検物体Ｏに第２のFBG４としてのPS-FBGセンサが取り付けられる。そして、ASE光源６から照射光が光サーキュレータ７のポート１に出力される。このため、光サーキュレータ７のポート２からAFBG８に照射光が入射する。この結果、AFBG８からは、図５の実線で示すようなスペクトルを有する反射光が生じる。

【0056】

AFBG８において生じた反射光は、光サーキュレータ７のポート２に入射する。そして、AFBG８の反射光は、照射光として光サーキュレータ７のポート３から第１のFBG３としてのPS-FBGフィルタに出力される。

【0057】

PS-FBGフィルタは、図５の二点鎖線で示すような透過特性を有している。従って、鋭いピークを有するスペクトルを有する光がPS-FBGフィルタを透過する。PS-FBGフィルタの透過光は、第２のFBG４としてのPS-FBGセンサに入射する。PS-FBGセンサも、図５の一点鎖線で示すような鋭いピークを有する透過特性を有している。

【0058】

この時、被検物体Ｏに振動等によって変位が生じると、被検物体ＯとともにPS-FBGセンサが伸縮する。その結果、PS-FBGセンサの透過率分布がPS-FBGセンサの伸縮量に応じた波長分だけシフトする。これにより、PS-FBGフィルタの第１の透過率分布と、PS-FBGセンサの第２の透過率分布とのオーバーラップ領域が、PS-FBGセンサの伸縮量に応じて変化する。

【0059】

そして、PS-FBGセンサからは、PS-FBGフィルタの第１の透過率分布と、PS-FBGセンサの第２の透過率分布とのオーバーラップ領域に対応するスペクトルを有する照射光が測定光として出力される。すなわち、図６に示すように被検物体Ｏ及びPS-FBGセンサの変位量に応じた振幅を有する測定光がPS-FBGセンサから出力される。

【0060】

PS-FBGセンサから出力された測定光は、PD９によって検出される。すなわち、測定光は、PD９において測定光の振幅に応じた振幅を有する電気信号に変換される。PD９において生成された電気信号は、オシロスコープ１０に出力される。この結果、オシロスコープ１０には、被検物体Ｏ及びPS-FBGセンサの変位量に応じた振幅を有する電気信号の波形が表示される。

【0061】

このため、ユーザは、電気信号の波形として、被検物体Ｏに生じた変位の時間変化を視認することが可能となる。例えば、被検物体Ｏに超音波振動が付与された場合には、超音波振動による微小な変位の時間変化を観察することができる。或いは、被検物体ＯからAE等の振動が生じた場合には、振動による微小な変位の発生とともに発生した変位の時間変化を観察することができる。

【0062】

オシロスコープ１０において取得された電気信号の時間変化は、データ処理装置１１に出力される。データ処理装置１１では、電気信号の時間変化に基づいて所望の信号処理が実行される。例えば、予め準備された電気信号の振幅と、被検物体Ｏの変位量との換算情報を参照することによって実際の被検物体Ｏの変位量を算出することができる。

【0063】

また、電気信号の時間変化のパターンと、経験的或いはシミュレーション等によって準備した参照パターンとの比較によって、被検物体Ｏにおいて生じたAEや被検物体Ｏ内における欠陥の有無を検出することができる。或いは、AEや欠陥が存在する場合に観測される電気信号の振幅の絶対値を予め参照データとして準備しておけば、オシロスコープ１０において取得された電気信号の振幅の絶対値を参照データと比較することによって、AEや欠陥を検出することができる。

【0064】

データ処理装置１１において取得された情報は、測定情報として表示装置１２に表示される。このため、ユーザは、オシロスコープ１０に表示される電気信号の波形情報に加え、波形情報に基づく被検物体Ｏの情報を確認することができる。

【0065】

つまり以上のような変位計測装置１は、FBGで構成されるフィルタとセンサを設け、被検物体Ｏの変位量に応じて透過特性が変化する光センサ及び被検物体Ｏの変位量に応じて透過特性が変化しない光フィルタの双方を透過した測定光の振幅を計測することによって、被検物体Ｏの変位量を求めるようにしたものである。更に、変位計測装置１は、被検物体Ｏの変位量に応じた測定光の振幅の変化量が大きくなるように、フィルタ及びセンサを構成する各FBGの一方又は双方としてPS-FBGを用いるようにしたものである。

【0066】

尚、フィルタを構成する第１のFBG３を、センサを構成する第２のFBG４の出力側に接続するようにしてもよい。すなわち、フィルタ及びセンサである第１のFBG３及び第２のFBG４の接続順序は任意である。

【0067】

（効果）
このため、変位計測装置１によれば、従来のAWG等の複雑な光学素子を構成要素とする計測装置と比較して、構成を簡易にすることができる。また、波長可変型レーザ等の高価なデバイスが不要であるため、製造コストを低減させることができる。更に、変位計測装置１の軽量化を図ることができる。この結果、複数のセンサを異なる位置に配置することによって、計測点の多点化を容易にすることができる。

【0068】

加えて、フィルタ及びセンサの少なくとも一方をPS-FBGで構成することにより、フィルタ及びセンサの少なくとも一方を透過する透過光のスペクトルの形状を極めて鋭利にすることができる。しかも、変位計測装置１において測定される光は、フィルタ及びセンサの双方を透過した測定光である。このため、被検物体Ｏに生じる変位量が微小であっても、測定光の振幅変化として高感度に検出することができる。すなわち、フィルタ及びセンサの少なくとも一方としてPS-FBGを用いることにより、被検物体Ｏに生じる微小な変位の検出感度を向上させることができる。

【0069】

被検物体Ｏの変位量の検出感度が向上すると、SNRが改善する。従って、アベレージング等のSNRを向上させるための技術が不要となる。或いは、アベレージングのための観測回数を低減させることができる。その結果、被検物体Ｏの変位量の計測時間を短縮することができる。

【0070】

実際に、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT: lead zirconate titanate)を圧電素子として被検物体Ｏに微小な振動を付与し、PS-FBGセンサ及びPS-FBGフィルタを備えた変位計測装置１で測定された信号と、PZTで測定された信号とを比較した。その結果、変位計測装置１では、PZTと同等な精度で振動を検出できることが確認できた。

【0071】

更に、圧電アクチュエータであるMFC (Macro Fiber Composite)アクチュエータでCFRPに振動を付与した結果、PS-FBGセンサ及びPS-FBGフィルタを備えた変位計測装置１でCFRPを伝播するラム（Lamb）波をアベレージングを実行することなく検出できることが確認できた。尚、従来のAWGを構成要素とする計測装置を用いて同等なラム波を検出するためには、約4000回のデータ収集を伴うアベレージングが必要となる。従って、変位計測装置１における感度の向上によって従来よりも計測時間を低減できることが確認できた。

【0072】

（第２の実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置の構成図である。

【0073】

図７に示された第２の実施形態における変位計測装置１Ａは、照射系２の構成が図１に示す第１の実施形態における変位計測装置１と相違する。他の構成および作用については第１の実施形態における変位計測装置１と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。

【0074】

変位計測装置１Ａの照射系２では、ASE光源６の出力先に、NチャンネルのAWG２０が設けられる。そして、AWG２０の出力側が第１のFBG３と接続される。AWG２０の特性は、AFBG８の特性と同等である。従って、変位計測装置１Ａの照射系２からは、AFBG８を備えた第１の実施形態における照射系２から出力される照射光のスペクトルと実質的に同等なスペクトルを有する照射光を出力することができる。

【0075】

つまり、第２の実施形態における変位計測装置１Ａは、第１のFBG３及び第２のFBG４に入射させる照射光の波長帯域を調整するための光学素子として、AWG２０を用いるようにしたものである。このため、第２の実施形態における変位計測装置１Ａによれば、第１の実施形態における変位計測装置１と同様な効果を得ることができる。

【0076】

（第３の実施形態）
図８は本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の構成図である。

【0077】

図８に示された第３の実施形態における変位計測装置１Ｂは、超音波送信系３０及び超音波受信系３１を設けた点並びに検出系５の詳細機能が図１に示す第１の実施形態における変位計測装置１と相違する。他の構成および作用については第１の実施形態における変位計測装置１と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。

【0078】

超音波送信系３０は、被検物体Ｏに超音波による振動を付加するシステムである。超音波送信系３０は、関数発生器３２の出力側に、増幅器（アンプ）３３を介してPZT等の圧電素子３４を接続することによって構成することができる。

【0079】

一方、超音波受信系３１は、被検物体Ｏを伝播する超音波を受信するシステムである。超音波受信系３１は、PZT等の圧電素子３５を用いて構成することができる。更に、圧電素子３５からの出力を検出するためにオシロスコープ等の検出装置を用いることができる。図８に示す例では、PD９の出力をモニタリングするためのオシロスコープ１０が超音波受信系３１における検出装置としても用いられている。

【0080】

つまり、変位計測装置１Ｂは、超音波送信系３０及び超音波受信系３１を構成要素として付加したものである。従って、検出系５では、被検物体Ｏの構造に応じた超音波による振動に対応する変位量を示す指標を取得することができる。

【0081】

また、変位計測装置１Ｂには、超音波受信系３１が備えられている。従って、超音波受信系３１の圧電素子３５で受信された超音波信号と、PD９で受信された光信号とを比較することが可能となる。つまり、検出系５では、光信号及び超音波信号の双方に基づくデータ処理が可能である。

【0082】

このため、第３の実施形態における変位計測装置１Ｂによれば、第１の実施形態における変位計測装置１と同様な効果を得ることができる。加えて、被検物体Ｏに生じる振動を光信号及び超音波信号の双方として検出することができる。従って、光信号及び超音波信号の各利点を有効に活用することができる。例えば、圧電素子３５及びFBGセンサの一方の精度確認や校正のために他方で取得された信号を利用することができる。また、光信号と超音波信号の重み付け加算等の後処理を実行することもできる。

【0083】

（第４の実施形態）
図９は本発明の第４の実施形態に係る変位計測装置の構成図である。

【0084】

図９に示された第４の実施形態における変位計測装置１Ｃは、第１のFBG３及び第２のFBG４をいずれもセンサとして設けた点が図１に示す第１の実施形態における変位計測装置１と相違する。他の構成および作用については第１の実施形態における変位計測装置１と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。

【0085】

変位計測装置１Ｃでは、第１のFBG３もセンサとして被検物体Ｏに取り付けられる。図９に示す例では、第１のFBG３及び第２のFBG４として第１のPS-FBGセンサ及び第２のPS-FBGセンサが被検物体Ｏに取り付けられている。つまり、第１のFBG３は、被検物体Ｏの変位量に応じて第１の反射率分布が波長方向に変化する第１のセンサを構成する。同様に、第２のFBG４も被検物体Ｏの変位量に応じて第２の透過率分布が波長方向に変化する第２のセンサを構成する。

【0086】

但し、第２のFBG４の第２の透過率分布が、被検物体Ｏの変位量に応じて第１のFBG３の第１の透過率分布と異なる変化量で波長方向に変化するように、第１のFBG３及び第２のFBG４の各透過特性が決定される。そうすると、第１のFBG３及び第２のFBG４の双方を透過する透過光の振幅は、被検物体Ｏの変位量に応じて変化することとなる。

【0087】

図１０は、図９に示す第１のFBG３としての第１のPS-FBGセンサ及び第２のFBG４としての第２のPS-FBGセンサを透過する透過光の、被検物体Ｏの変位量に応じた振幅の変化を示す図である。

【0088】

図１０において二点鎖線は第１のPS-FBGセンサの透過光のスペクトルを、一点鎖線は第２のPS-FBGセンサの透過光のスペクトルを、実線は第１のPS-FBGセンサ及び第２のPS-FBGセンサを透過した透過光のスペクトルを、それぞれ示す。尚、説明簡易化のため、第１のPS-FBGセンサに対応するスペクトルのピークと、第２のPS-FBGセンサに対応するスペクトルのピークが同じ高さとして表示されている。

【0089】

図１０(A)に示すように、被検物体Ｏに生じる変位量Dがゼロである場合に、第１のPS-FBGセンサのスペクトルと第２のPS-FBGセンサのスペクトルとがオーバーラップするように第１のPS-FBGセンサ及び第２のPS-FBGセンサの透過光特性が決定されているものとする。この時の第１のPS-FBGセンサのスペクトルのピークに対応する波長をλ₀₁とし、第２のPS-FBGセンサのスペクトルのピークに対応する波長をλ₀₂とする。

【0090】

この場合、第１のPS-FBGセンサ及び第２のPS-FBGセンサを透過する透過光を光信号として検出すると、オーバーラップ領域に対応する振幅I₀の信号が検出される。

【0091】

一方、被検物体Ｏに変位量D₁の変位が生じている場合には、第１のPS-FBGセンサのスペクトルのピークに対応する波長がλ₁₁に、第２のPS-FBGセンサのスペクトルのピークに対応する波長がλ₁₂に、それぞれシフトする。但し、第１のPS-FBGセンサのスペクトルと第２のPS-FBGセンサのスペクトルの各シフト量は互いに異なる。このため、第１のPS-FBGセンサのスペクトルと第２のPS-FBGセンサのスペクトルのオーバーラップ領域が変化し、第１のPS-FBGセンサ及び第２のPS-FBGセンサを透過する透過光の振幅は、被検物体Ｏの変位量D₁に対応する振幅I₁となる。

【0092】

同様に、被検物体Ｏに変位量D₂の変位が生じている場合には、第１のPS-FBGセンサのスペクトルのピークに対応する波長がλ₂₁に、第２のPS-FBGセンサのスペクトルのピークに対応する波長がλ₂₂に、それぞれシフトする。このため、第１のPS-FBGセンサ及び第２のPS-FBGセンサを透過する透過光の振幅が、被検物体Ｏの変位量D₂に対応する振幅I₂となる。

【0093】

従って、後段の第２のPS-FBGセンサからは、被検物体Ｏの変位量Dに応じた振幅Iを有する光が測定光として出力されることになる。このため、第１の実施形態における変位計測装置１と同様な原理で被検物体Ｏの変位量を計測することができる。尚、第１のFBG３及び第２のFBG４は、いずれもセンサとしての役割と、フィルタとしての役割を兼ねていると言うこともできる。

【0094】

以上のような第４の実施形態における変位計測装置１Ｃによれば、第１の実施形態における変位計測装置１と同様な効果を得ることができる。加えて、各FBGセンサの特性を適切に決定することにより、被検物体Ｏの変位量の測定レンジを広げることが可能となる。すなわち、変位量の測定感度と測定レンジを、被検物体Ｏの材質や想定される変位量の範囲等の条件に合わせて調整することができる。

【0095】

（第５の実施形態）
図１１は本発明の第５の実施形態に係る変位計測装置の構成図である。

【0096】

図１１に示された第５の実施形態における変位計測装置１Ｄは、第１のFBG３及び第２のFBG４を透過する各透過光の少なくとも一方に代えて反射光を利用するようにした点が図１に示す第１の実施形態における変位計測装置１と相違する。他の構成および作用については第１の実施形態における変位計測装置１と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。

【0097】

被検物体Ｏの変位量に応じた振幅を有する測定光をPD９に入射させるためには、第１のFBG３及び第２のFBG４の各透過光に代えて反射光を利用することもできる。反射光を利用する場合には、反射光を生じさせる第１のFBG３及び／又は第２のFBG４の反射光の波長に対する反射率分布が調整される。

【0098】

図１１に例示されている変位計測装置１Ｄは、フィルタとして機能するる第１のFBG３の反射光が光サーキュレータ７を介してセンサとして機能する第２のFBG４に入射するように構成されている。そのため、第１のFBG３の反射光のスペクトルが、第２のFBG４の透過光のスペクトルとオーバーラップするように、第１のFBG３の反射特性が決定される。

【0099】

また、AFBG８は、ASE光源６と光サーキュレータ７との間に配置されている。すなわち、光サーキュレータ７のポート１にASE光源６が、ポート２に第１のFBG３が、ポート３に第２のFBG４が、それぞれ接続されている。従って、ASE光源６から出力された広帯域の照射光が光サーキュレータ７のポート１に入射し、ポート２から出力される。光サーキュレータ７のポート２から出力された照射光は、第１のFBG３としてのPS-FBGフィルタに入射する。そして、第１のFBG３において反射した反射光が光サーキュレータ７のポート２に入射する。

【0100】

光サーキュレータ７のポート２に入射した第１のFBG３からの反射光は、ポート３から第２のFBG４に照射光として出力される。このため、第２のFBG４に入射する照射光のスペクトルは、第１のFBG３の反射特性に対応するスペクトルとなる。従って、第１のFBG３で反射し、かつ第２のFBG４を透過する透過光のスペクトルは、第１のFBG３の反射率分布と第２のFBG４の透過率分布のオーバーラップ領域に対応するスペクトルとなる。

【0101】

このため、被検物体Ｏに変位が生じると、変位量に応じて第２のFBG４の透過率分布がシフトし、第１のFBG３の反射率分布と第２のFBG４の透過率分布のオーバーラップ領域が変化する。その結果、第１のFBG３で反射し、かつ第２のFBG４を透過する透過光の振幅は、被検物体Ｏの変位量に対応する振幅となる。

【0102】

従って、第１の実施形態における変位計測装置１と同様な原理で、被検物体Ｏの変位量を計測することができる。このため、第５の実施形態における変位計測装置１Ｄによれば、第１の実施形態における変位計測装置１と同様な効果を得ることができる。

【0103】

尚、第１の実施形態において述べたように、フィルタとセンサの順序は任意である。従って、図１１において、第１のFBG３をPS-FBGセンサ等のFBGセンサとし、第２のFBG４をPS-FBGフィルタ等のFBGフィルタとしてもよい。また、透過光に代えて反射光を利用することができるため、第１のFBG３を透過し、かつ第２のFBG４で反射した光がPD９に入射するように第１のFBG３及び第２のFBG４を配置してもよい。更に、第１のFBG３で反射し、かつ第２のFBG４でも反射した光がPD９に入射するように第１のFBG３及び第２のFBG４を配置してもよい。

【0104】

但し、第１のFBG３及び第２のFBG４の配置方法によっては、被検物体Ｏの変位量とPD９に入射する測定光の振幅とが非線形の関係になる場合もあり得る。その場合には、非線形の関係にある被検物体Ｏの変位量と測定光の振幅との間における換算テーブルを予め試験等によって準備したり、任意の関数を用いてフィッティングを行うことにより、測定光の振幅を被検物体Ｏの変位量に換算することができる。

【0105】

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

【0106】

例えば、上述した各実施形態を互いに組合わせることもできる。従って、透過光又は反射光の波長に対する第１の透過率分布又は第１の反射率分布を有する第１のFBG３と、透過光又は反射光の波長に対する第２の透過率分布又は第２の反射率分布を有する第２のFBG４とを用いて、スペクトルのオーバーラップ領域が被検物体Ｏの変位量に応じて変化する光学系を構成することができる。この場合、透過光又は反射光の波長に対する透過率分布又は反射率分布が被検物体Ｏの変位量に応じて変化するPS-FBGを少なくとも含む光学系とすることが感度向上の観点から好適である。

【0107】

そして、検出系５では、被検物体Ｏの変位量に応じて第１の透過率分布及び第２の透過率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する第１のFBG３及び第２のFBG４を経由した照射光の振幅を検出し、第１の透過率分布及び第２の透過率分布の少なくとも一方の変化量に応じて変化する振幅に基づいて被検物体Ｏの変位量を示す指標を取得することができる。或いは、被検物体Ｏの変位量に応じて第１の反射率分布及び第２の反射率分布の少なくとも一方が他方に対して異なる変化量で波長方向に変化する第１のFBG３及び第２のFBG４を経由した照射光の振幅を検出し、第１の反射率分布及び第２の反射率分布の少なくとも一方の変化量に応じて変化する振幅に基づいて被検物体Ｏの変位量を示す指標を取得することができる。

【符号の説明】

【0108】

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 変位計測装置
２ 照射系
３ 第１のFBG(PS-FBGフィルタ)
４ 第２のFBG(PS-FBGセンサ)
５ 検出系
６ ASE光源
７ 光サーキュレータ
８ AFBG
９ 光検出器(PD)
１０ オシロスコープ
１１ データ処理装置
１２ 表示装置
２０ アレイ導波路格子(AWG)
３０ 超音波送信系
３１ 超音波受信系
３２ 関数発生器
３３ 増幅器（アンプ）
３４、３５ 圧電素子
Ｏ 被検物体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】