(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023120097
(43)【公開日】2023-08-29
(54)【発明の名称】光ファイバセンサ
(51)【国際特許分類】
G01B 11/16 20060101AFI20230822BHJP
【ＦＩ】
G01B11/16 G
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022023310
(22)【出願日】2022-02-17
(71)【出願人】
【識別番号】513303898
【氏名又は名称】株式会社シミウス
(74)【代理人】
【識別番号】100167807
【弁理士】
【氏名又は名称】笠松 信夫
(72)【発明者】
【氏名】真下 健二
【テーマコード（参考）】
2F065
【Ｆターム（参考）】
2F065AA65
2F065CC14
2F065FF48
2F065LL02
2F065LL42
(57)【要約】
【課題】建造物等の比較的大きな被計測物へ比較的容易に固定できるとともに、比較的広い範囲の歪みを検出することができる光ファイバセンサを提供する。
【解決手段】連結部材３０により連結される、本体１０及び支持体２０を備える。本体１０において、第１及び第２ベース部材１１、１２に固定される光ファイバ１４は、第１ベース部材１１と第２ベース部材１２との距離に応じてブラッグ波長が変動するＦＢＧ部１８を備える。連結部材３０が連結される第３ベース部材１３は第１及び第２ベース部材１１、１２に対して移動可能に配置される。第１ベース部材１１と第２ベース部材１２とが第１弾性体１５により連結され、第２ベース部材１２と第３ベース部材１３とが第１弾性体１５の弾性定数と異なる弾性定数を有する第２弾性体１６により連結される。案内部材１７は第２及び第３ベース部材１２、１３の移動方向を特定方向に規制する。
【選択図】図２
【解決手段】連結部材３０により連結される、本体１０及び支持体２０を備える。本体１０において、第１及び第２ベース部材１１、１２に固定される光ファイバ１４は、第１ベース部材１１と第２ベース部材１２との距離に応じてブラッグ波長が変動するＦＢＧ部１８を備える。連結部材３０が連結される第３ベース部材１３は第１及び第２ベース部材１１、１２に対して移動可能に配置される。第１ベース部材１１と第２ベース部材１２とが第１弾性体１５により連結され、第２ベース部材１２と第３ベース部材１３とが第１弾性体１５の弾性定数と異なる弾性定数を有する第２弾性体１６により連結される。案内部材１７は第２及び第３ベース部材１２、１３の移動方向を特定方向に規制する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被計測物に固定される、本体及び前記本体と別体の支持体と、前記被計測物と接することなく前記本体と前記支持体とを連結する連結部材とを備え、
前記本体が、
第１ベース部材と、
前記第１ベース部材に対して移動可能に配置される第２ベース部材と、
前記第１ベース部材及び前記第２ベース部材に固定され、前記第１ベース部材と前記第２ベース部材との距離に応じてブラッグ波長が変動するＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部を備える光ファイバと、
前記第１ベース部材及び前記第２ベース部材に対して移動可能に配置されるとともに、前記連結部材が連結される、第３ベース部材と、
前記第１ベース部材と前記第２ベース部材とを連結する第１弾性体と、
前記第２ベース部材と前記第３ベース部材とを連結する第２弾性体と、
前記第２ベース部材及び前記第３ベース部材の移動方向を特定方向に規制する案内部材と、
を備える光ファイバセンサ。
前記本体が、
第１ベース部材と、
前記第１ベース部材に対して移動可能に配置される第２ベース部材と、
前記第１ベース部材及び前記第２ベース部材に固定され、前記第１ベース部材と前記第２ベース部材との距離に応じてブラッグ波長が変動するＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部を備える光ファイバと、
前記第１ベース部材及び前記第２ベース部材に対して移動可能に配置されるとともに、前記連結部材が連結される、第３ベース部材と、
前記第１ベース部材と前記第２ベース部材とを連結する第１弾性体と、
前記第２ベース部材と前記第３ベース部材とを連結する第２弾性体と、
前記第２ベース部材及び前記第３ベース部材の移動方向を特定方向に規制する案内部材と、
を備える光ファイバセンサ。
【請求項2】
前記光ファイバの前記ＦＢＧ部を含む部分が直線状に配置され、前記案内部材が前記第２ベース部材及び前記第３ベース部材の移動方向を当該直線状に配置された光ファイバの軸方向に規制する請求項１記載の光ファイバセンサ。
【請求項3】
前記第１ベース部材が前記案内部材に固定されるとともに、前記案内部材が前記被計測物に固定される、請求項１又は請求項２に記載の光ファイバセンサ。
【請求項4】
前記第１弾性体又は前記第２弾性体が着脱可能な状態で設けられる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ。
【請求項5】
前記第１ベース部材、前記第２ベース部材、前記第３ベース部材、及び前記案内部材が板状部材により構成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ。
【請求項6】
前記第１弾性体の弾性定数が前記第２弾性体の弾性定数よりも大きい、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ。
【請求項7】
前記第１弾性体の弾性定数が前記第２弾性体の弾性定数よりも小さい、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を備える光ファイバセンサに関し、特に、建造物等の比較的大きな被計測物の歪み等の検出に好適な光ファイバセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、建築物、橋梁、トンネル等の建造物の歪み等の検出にＦＢＧを備える光ファイバを使用した光ファイバセンサが使用されている。この種の光ファイバセンサは、光ファイバの変形に応じて変化するＦＢＧのブラッグ波長に基づいて歪み量等を取得する。また、この種の光ファイバセンサは、例えば、光ファイバのＦＢＧ部分全体が接着剤等により被計測物に張り付けて固定される。あるいは、金属等のベース部材にＦＢＧ部分全体が固定され、当該ベース部材が接着剤等により被計測物に張り付けて固定される。このような固定方法により、被計測物の変形が直接的又は間接的にＦＢＧの変形に転嫁される。
【0003】
しかしながら、ＦＢＧを接着剤等で被計測物に直接貼り付ける固定方法では、ＦＢＧが数ｃｍ程度の長さであるため、被計測物の局所部分の変形しか計測できない。すなわち、建造物等の比較的大きな被計測物に適用する場合、比較的広い範囲（例えば、数十ｃｍから数ｍ程度の長さ）の歪み等を１つのＦＢＧで計測することは難しい。そのため、計測対象範囲と同程度の長さを有する長尺のベース部材の全体にわたってＦＢＧを含む光ファイバを固定し、当該長尺のベース部材の全体を被計測物に張り付ける固定方法が採用されている。この固定方法では、ベース部材が張り付けられた部分全体における被計測物の変形をＦＢＧの変形に転嫁することができる。
【0004】
一方、後掲の特許文献１は、例えば、長さ１ｍ程度の光ファイバにＦＢＧを形成し、当該光ファイバの両端を被計測物に固定する構成を開示している。この構成によれば、光ファイバが張られた１ｍ長部分の被計測物の平均的な変形が計測できる。
【0005】
なお、本発明に関連する技術として、特許文献２は、ＦＢＧが形成された光ファイバのＦＢＧの一方側の光ファイバが被計測物に直接固定され、反対側の光ファイバがバネを介して被計測物に間接的に固定される構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０００－０３９３０９号公報
【特許文献2】特開２００１－２２１６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ＦＢＧを接着剤等で直接貼り付ける固定方法であっても、例えば、多数のＦＢＧを比較的大きな計測対象領域に張り付けることで、当該領域の変形の分布を得ることは可能である。しかしながら、多数のＦＢＧを被計測物に直接貼り付ける作業には多大な工数が必要である。また、光ファイバに多数のＦＢＧを形成する必要があるため光ファイバセンサ自体がより高額になるという問題もある。
【0008】
また、ＦＢＧを含む光ファイバが張り付けられた長尺のベース部材を被計測物に張り付ける固定方法では、長尺のベース部材の形状が固定されているため運搬時にかさ張る上、長尺のベース部材を被計測物に貼り付ける作業自体も容易ではない。加えて、ベース部材の長手方向の長さは予め定められているため、作業現場で調整することができないという
課題もある。
課題もある。
【0009】
さらに、特許文献１や特許文献２が開示する固定方法では、一方側を被計測物に固定した後に反対側を被計測物に固定する必要があるため、固定作業が非常に煩雑である。特に、圧縮方向の歪み等の検出を可能とするためにＦＢＧにプリテンションを付与する場合、被計測物に固定するすべてのＦＢＧに均質にプリテンションを付与することは非常に困難である。
【0010】
また、特許文献２が開示するようにバネを介在して被計測物に固定される構成では、バネによりＦＢＧに伝達される変位量を小さくすることは可能である。しかしながら、ＦＢＧは低剛性であるためバネ性をほとんど有しておらず、ＦＢＧに伝達される変位量を極めて小さくしなければ容易に破損してしまう。すなわち、比較的大きな任意の計測対象領域に対して適用する場合、被計測物の変位量をＦＢＧに適切な変位量の範囲内に変換して伝達することは極めて困難である。
【0011】
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、建造物等の比較的大きな被計測物へ比較的容易に固定できるとともに、１つのＦＢＧで比較的広い範囲の変形を検出することができる光ファイバセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上述の目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。本発明に係る光ファイバセンサは、本体、本体と別体の支持体、及び連結部材を備える。本体及び支持体は被計測物に固定される。また、連結部材は、被計測物と接することなく本体と支持体とを連結する。本体は、第１ベース部材、第２ベース部材、光ファイバ、第３ベース部材、第１弾性体、第２弾性体、及び案内部材を備える。第２ベース部材は、第１ベース部材に対して移動可能に配置される。光ファイバは、第１ベース部材と第２ベース部材との距離に応じてブラッグ波長が変動するＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部を備えるとともに、第１ベース部材及び第２ベース部材に固定される。第３ベース部材は、第１ベース部材及び第２ベース部材に対して移動可能に配置されるとともに、連結部材が連結される。第１弾性体は、第１ベース部材と第２ベース部材とを連結する。第２弾性体は、第２ベース部材と第３ベース部材とを連結する。案内部材は、第２ベース部材及び第３ベース部材の移動方向を特定方向に規制する。
【0013】
本発明の光ファイバセンサは、例えば、被計測物に本体と支持体とを固定した後、連結部材により本体と支持体とを連結することで被計測物に設置できるため、比較的容易に被計測物に設置することができる。また、運搬時にかさ張ることもなく、連結部材の長さを変更することで、作業現場で計測対象範囲を調整することも可能である。さらに、第１弾性体と第２弾性体の弾性定数の比を調節することで、本体と支持体との間における被計測物の変位量とＦＢＧ部に伝達される変位量との比を極めて容易に設定することができるため、比較的広い計測対象範囲であっても、本体と支持体との間の被計測物の歪みとして適切に検出することができる。
【0014】
この光ファイバセンサにおいて、例えば、光ファイバのＦＢＧ部を含む部分が直線状に配置され、案内部材が第２ベース部材及び第３ベース部材の移動方向を当該直線状に配置された光ファイバの軸方向に規制する構成を採用することができる。また、第１ベース部材が案内部材に固定されるとともに、案内部材が被計測物に固定される構成を採用することもできる。さらに、第１弾性体又は第２弾性体が着脱可能な状態で設けられる構成を採用することもできる。加えて、第１ベース部材、第２ベース部材、第３ベース部材、及び案内部材は、板状部材により構成される構成を採用することもできる。
【0015】
以上の構成において、第１弾性体の弾性定数が第２弾性体の弾性定数よりも大きい構成を採用することもできる。あるいは、第１弾性体の弾性定数が第２弾性体の弾性定数よりも小さい構成を採用することもできる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、建造物等の比較的大きな被計測物へ比較的容易に設置できるとともに、比較的広い範囲の変形を適切に検出することができる。また、運搬時にかさ張ることもなく、計測対象範囲を作業現場で調整することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の一実施形態における光ファイバセンサの構造の一例を示す斜視図である。
【図4】本発明の一実施形態における光ファイバセンサの本体の光ファイバ配置の一例を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態における光ファイバセンサの動作を説明する図である。
【図6】本発明の一実施形態における光ファイバセンサの反射光スペクトルの一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。図１は、本実施形態における光ファイバセンサの構造の一例を示す斜視図である。本発明に係る光ファイバセンサ１は、本体１０、本体１０と別体の支持体２０、及び本体１０と支持体２０とを連結する連結部材３０を備える。本体１０及び支持体２０は被計測物に固定される。被計測物上における本体１０と支持体２０との距離は、被計測物において歪みを計測する領域の大きさに応じて、例えば、数十ｃｍから数ｍの範囲内で設定される。被計測物への本体１０及び支持体２０の固定には、ボルトやスポット溶接等、被計測物の材質に応じた公知の任意の手法を用いることができる。特に限定されないが、本実施形態では、本体１０及び支持体２０は、固定用の貫通孔に挿入されるボルトにより被計測物に固定される。なお、この場合、被計測物における本体１０及び支持体２０の固定位置にはボルトが螺合するネジ穴が設けられる。
【0019】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、図１における支持体２０及び本体１０の近傍をそれぞれ拡大して示す斜視図である。また、図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本実施形態における光ファイバセンサ１の本体１０の構造の一例を示す図である。図３（ａ）が底面図（被計測物に固定される側から見た図）に対応し、図３（ｂ）が平面図に対応する。
【0020】
図２（ａ）に示すように、本実施形態では、支持体１０は概ね正方形状の板状部材２１により構成される。板状部材２１の四隅には上述の固定用のボルト２９が挿通される貫通孔２３が設けられている。また、板状部材２１の一端（本体１０側の端部）には、板状部材２１の表面と直交する方向に立設された壁部２２が設けられている。当該壁部２２にはターンバックル２４が連結されており、ターンバックル２４の本体１０側の端部に設けられた環状部２４ａに連結部材３０が連結される。なお、連結部材３０は被計測物と接することのない状態で本体１０と支持体２０とを連結する。
【0021】
特に限定されないが、本実施形態では、支持体２０と本体１０とを連結する連結部材３０として、ステンレス製の帯状体を採用している。このように、ステンレス製の帯状体を
採用することで、例えば、連結部材３０を巻いた状態で運搬することでかさ張りをなくすことができるとともに、光ファイバセンサ１を設置する作業現場において支持体２０と本体１０の間隔を任意に設定することが可能になる。なお、連結部材３０は、被計測物に発生した歪みに応じて生じる支持体２０と本体１０との間の相対的な変位を本体１０のＦＢＧ部に伝達可能であれば任意の材質及び形状を採用することができる。
採用することで、例えば、連結部材３０を巻いた状態で運搬することでかさ張りをなくすことができるとともに、光ファイバセンサ１を設置する作業現場において支持体２０と本体１０の間隔を任意に設定することが可能になる。なお、連結部材３０は、被計測物に発生した歪みに応じて生じる支持体２０と本体１０との間の相対的な変位を本体１０のＦＢＧ部に伝達可能であれば任意の材質及び形状を採用することができる。
【0022】
図２（ｂ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、本体１０は、第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、第３ベース部材１３、第１弾性体１５、第２弾性体１６、及び案内部材１７を備える。第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び第３ベース部材１３は案内部材１７の第１面に配置されている。本体１０は案内部材１７の第２面が被計測物に接する状態で被計測物に固定される。また、後述のように、本体１０は、第１ベース部材１１及び第２ベース部材１２の案内部材１７側にＦＢＧ部１８が形成された光ファイバ１４を備える。
【0023】
図２（ｂ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、本実施形態では案内部材１７は板状部材６０と第２ベース部材１２及び第３ベース部材１３に対応して板状部材６０に形成されたネジ穴６７、６８に螺合するネジ６５、６６とを備える。後述のとおり、案内部材１７は第２ベース部材１２及び第３ベース部材１３の移動方向を一軸方向に規制する機能を有する。
【0024】
板状部材６０は概ね正方形状の基部６１と当該基部６１から一方向に延出された概ね長方形状の延出部６２を備える。基部６１の四隅には上述の固定用のボルト６９が挿通される長穴状の貫通溝６３が設けられている。この例では、貫通溝６３は延出部６２の延出方向に沿って設けられており、本体１０を被計測物に固定する際に、当該延出方向に沿う位置の調整が可能になっている。また、基部６１において延出部６２の反対側の端部には、光ファイバ１４を本体１０の外部に引き出すための管状体６４が設けられている。ここでは、３つの管状体６４が配置されているが、中央部の管状体６４と他のいずれか一方の管状体６４を通じて光ファイバ１４が外部に引き出される構成になっている。
【0025】
第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び第３ベース部材１３は延出部６２の延出方向に沿って案内部材１７の基部６１側から第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、第３ベース部材１３の順で配置されている。この例では、第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び第３ベース部材１３は、延出部６２の短手方向の幅と同一の幅を有する板状部材により構成されている。第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び第３ベース部材１３の材質は特に限定されない。ここでは、第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び第３ベース部材１３はステンレスにより構成されている。
【0026】
第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び第３ベース部材１３は、その一部に延出部６２の短手方向の幅よりも幅の広い幅広部３１、４１、５１を備える。当該幅広部３１、４１、５１は、第１ベース部材１１と第２ベース部材１２とを連結する第１弾性体１５が連結される連結部、及び第２ベース部材１２と第３ベース部材１３とを連結する第２弾性体１６が連結される連結部として機能する。
【0027】
後述のように、ＦＢＧ部１８を備える光ファイバ１４は、ＦＢＧ部１８が第１ベース部材１１と第２ベース部材１２とにわたって配置された状態で第１ベース部材１１と第２ベース部材１２とのそれぞれに固定される。そのため、本実施形態では、光ファイバ１４の固定を容易にする観点から、幅方向の両端で第１ベース部材１１と第２ベース部材１２を連結するメアンダ状の２つの弾性部により第１弾性体１５を構成し、第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び第１弾性体１５が単一の部材として実現されている。なお、第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び第１弾性体１５が、単一の部材で構成さ
れることは必須ではなく、それぞれ別体の部材として構成してもよい。なお、第１ベース部材１１と第２ベース部材１２との間の間隔は数ミリメートル程度であるが、図面中では、説明のために比較的大きな隙間を描いている。
れることは必須ではなく、それぞれ別体の部材として構成してもよい。なお、第１ベース部材１１と第２ベース部材１２との間の間隔は数ミリメートル程度であるが、図面中では、説明のために比較的大きな隙間を描いている。
【0028】
第１ベース部材１１は案内部材１７に対して固定されている。固定には公知の任意の手法を使用することができる。ここでは、第１ベース部材１１に設けられた貫通孔に挿通されるネジ３２と当該貫通孔に対応して板状部材６０に設けられたネジ穴７０により第１ベース部材１１が案内部材１７に固定されている。
【0029】
第２ベース部材１２は、第１ベース部材１１に対して移動可能に配置される。移動可能とする構成は特に限定されない。ここでは、延出部６２の延出方向に沿って貫通溝４２が第２ベース部材１２に設けられている。そして、案内部材１７が当該貫通溝４２と対応する位置に形成されたネジ穴６７、及び当該ネジ穴６７に螺合するネジ６５を備えている。ネジ６５の軸径は対応する貫通溝４２の幅よりもわずかに狭くなっている。ネジ６５及びネジ穴６７は、光ファイバセンサ１が動作状態にあるときに、第２ベース部材１２を締め付けない状態になっている。すなわち、第２ベース部材１２は、延出部６２の延出方向に沿ってスライド可能であり、かつ案内部材１７からの離脱が防止された状態で案内部材１７に保持されている。なお、この例では、貫通溝４２は、第１ベース部材１１側の端部に２箇所と、第３ベース部材１３側の幅方向の中央部に１箇所設けられている。また、第１ベース部材１１側の端部の貫通溝４２は半円状、第３ベース部材１３側の幅方向の中央部の貫通溝４２は長孔状になっている。
【0030】
同様に第３ベース部材１３は、第１ベース部材１１及び第２ベース部材１２に対して移動可能に配置される。移動可能とする構成は特に限定されない。ここでは、延出部６２の延出方向に沿って長孔状の貫通溝５２が第３ベース部材１３に設けられている。そして、案内部材１７が当該貫通溝５２と対応する位置に形成されたネジ穴６８、及び当該ネジ穴６８に螺合するネジ６６（ネジ６６ａ及びネジ６６ｂ）を備えている。ネジ６６の軸径は対応する貫通溝５２の幅よりもわずかに狭くなっている。ネジ６６及びネジ穴６８は、光ファイバセンサ１が動作状態にあるときに、第３ベース部材１３を締め付けない状態になっている。すなわち、第３ベース部材１３は、延出部６２の延出方向に沿ってスライド可能であり、かつ案内部材１７からの離脱が防止された状態で案内部材１７に保持されている。なお、この例では、貫通溝５２は、第３ベース部材１３の延出部６２の延出方向の中央部より第１ベース部材１１側に幅方向に２箇所と、連結部材３０側の幅方向の中央部に１箇所設けられている。なお、本実施形態では、連結部材３０側の幅方向の中央部の貫通溝５２に対応するネジ６６ａ及びネジ穴６８は、ネジ６６ａが完全に締め付けられた状態において、第３ベース部材１３を板状部材６０に固定できるように設計されている。これにより、運搬時等、光ファイバセンサ１が被計測物に固定されるまでの間に第３ベース部材１３が移動すること、及び第３ベース部材１３の移動に伴って第２ベース部材１２が移動することを防止している。第２ベース部材１２の移動を防止する観点では、例えば、第３ベース部材１３側の幅方向の中央部の貫通溝４２に対応するネジ６５及びネジ穴６７が、当該ネジ６５が完全に締め付けられた状態において、第２ベース部材１２を板状部材６０に固定できる構成を採用してもよい。
【0031】
また、第３ベース部材１３は、延出部６２の先端側の端部が延出部６２よりも外方に突出している。当該突出部分に幅方向に沿う貫通溝５３が形成されており、当該貫通溝５３に上述の連結部材３０が連結される。
【0032】
第１ベース部材１１と第２ベース部材１２は第１弾性体１５により連結されており、第２ベース部材１２と第３ベース部材１３は第２弾性体１６により連結されている。本実施形態では、第１弾性体１５が第２弾性体１６の弾性定数よりも大きな弾性定数を有してい
る。上述のとおり、本実施形態では、第１弾性体１５は、第１ベース部材１１及び第２ベース部材１２と一体に形成されたメアンダ状の板状部材により構成されている。また、第２弾性体１６は着脱可能に設けられた、つる巻きバネにより構成されている。着脱可能とする構成には公知の任意の構成を採用することができる。本実施形態では、第２弾性体１６はボルト及びナットにより第２ベース部材１２と第３ベース部材１３に対して着脱可能に装着されている。本構成により、第２弾性体１６の弾性定数（バネ定数）を任意に選択することが可能となる結果、第１弾性体１５と第２弾性体１６との弾性定数の比を任意に調整することが可能となる。なお、第１弾性体１５は第１ベース部材１１と第２ベース部材１２との間の間隔が広がった際に両者を近づける方向の付勢力を発生する。同様に、第２弾性体１６は第２ベース部材１２と第３ベース部材１３との間の間隔が広がった際に両者を近づける方向の付勢力を発生する。
る。上述のとおり、本実施形態では、第１弾性体１５は、第１ベース部材１１及び第２ベース部材１２と一体に形成されたメアンダ状の板状部材により構成されている。また、第２弾性体１６は着脱可能に設けられた、つる巻きバネにより構成されている。着脱可能とする構成には公知の任意の構成を採用することができる。本実施形態では、第２弾性体１６はボルト及びナットにより第２ベース部材１２と第３ベース部材１３に対して着脱可能に装着されている。本構成により、第２弾性体１６の弾性定数（バネ定数）を任意に選択することが可能となる結果、第１弾性体１５と第２弾性体１６との弾性定数の比を任意に調整することが可能となる。なお、第１弾性体１５は第１ベース部材１１と第２ベース部材１２との間の間隔が広がった際に両者を近づける方向の付勢力を発生する。同様に、第２弾性体１６は第２ベース部材１２と第３ベース部材１３との間の間隔が広がった際に両者を近づける方向の付勢力を発生する。
【0033】
続いて、ＦＢＧ部１８を備える光ファイバ１４について説明する。図４は、第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び第１弾性体１５を示す底面図（案内部材１７側からみた図）である。光ファイバ１４は、第１ベース部材１１と第２ベース部材１２との距離に応じてブラッグ波長が変動するＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部１８を備える。
【0034】
図４に示すように、ＦＢＧ部１８を備える光ファイバ１４は、ＦＢＧ部１８が第１ベース部材１１と第２ベース部材１２とにわたって配置された状態で、ＦＢＧ部１８の両側の光ファイバ１４が第１ベース部材１１と第２ベース部材１２とのそれぞれに接着剤等の固定材７１により固定される。本実施形態では、第１ベース部材１１と第２ベース部材１２の光ファイバ１４の配置位置に光ファイバ１４の外径よりもわずかに大きい深さの溝部３３、４３が形成されている。本実施形態では、溝部３３は平行な二本の溝により構成され、溝部４３は、溝部３３に対応する平行な二本の溝が円弧によって連結されたヘアピン状の溝により構成されている。光ファイバ１４は溝部３３、４３に収容される状態で第１ベース部材１１と第２ベース部材１２のそれぞれに配置される。固定材７１が配置される位置の溝部３３、４３は幅広に形成されており、固定材７１も溝部３３、４３に収容される構成になっている。なお、上述のとおり、光ファイバ１４は、案内部材１７の基部６１に設けられた３つの管状体６４の、中央部の管状体６４と他のいずれか一方の管状体６４を通じて外部に引き出されている。
【0035】
また、本実施形態では、図４に示すように、光ファイバ１４のＦＢＧ部１８を含む部分が直線状に配置されている。そして、案内部材１７により規制される第２ベース部材１２の移動方向が当該直線状に配置された光ファイバ１４の軸方向になっている。したがって、案内部材１７により規制される第３ベース部材１３の移動方向も当該直線状に配置された光ファイバ１４（ＦＢＧ部１８）の軸方向になっている。
【0036】
以上の構成では、第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、及び光ファイバ１４は歪みゲージを構成しており、第２ベース部材１２が第１ベース部材１１に対して移動した場合に、その移動がブラッグ波長の変動として出力される。なお、ブラッグ波長の変動は、光ファイバ１４の端部に接続された計測器を使用して従来の手法により取得することができる。
【0037】
ＦＢＧ部１８はブラッグ波長により規定される波長の光を反射する。ＦＢＧ部１８は光ファイバ１４のコアに所定の間隔で配置された複数の回折格子により構成され、ブラッグ波長は光ファイバの屈折率と回折格子の配置間隔との積に比例する。したがって、ＦＢＧ部１８が引っ張られ回折格子の間隔が拡がると、ＦＢＧ部１８により反射される光の波長は大きくなる。すなわち、第２ベース部材１２と第１ベース部材１１との間隔に応じて変動し、第２ベース部材１２が第１ベース部材と近接している状態よりも、第２ベース部材１２が第１ベース部材１１とより離れている状態の方が、ＦＢＧ部１８により反射される
光の波長は大きくなる。なお、図中では、ＦＢＧ部１８（及び後述のＦＢＧ部１９）を、便宜上、白黒の縞模様で表現している。
光の波長は大きくなる。なお、図中では、ＦＢＧ部１８（及び後述のＦＢＧ部１９）を、便宜上、白黒の縞模様で表現している。
【0038】
特に限定されないが、本実施形態では、光ファイバ１４は温度補償用のＦＢＧ部１９を備えている。上述のとおり、ブラッグ波長は、光ファイバの屈折率と回折格子の格子間隔とによって定まる。そのため、温度が変化した場合の屈折率の変動や、光ファイバの膨張・収縮によってもブラッグ波長が変動することになる。図４に示すように、温度補償用のＦＢＧ部１９は第１ベース部材１１に固定されている。光ファイバ１４において、ＦＢＧ部１９とＦＢＧ部１８は隣接して形成されている。ここでは、ＦＢＧ部１９のブラッグ波長とＦＢＧ部１８のブラッグ波長を異ならせている。このような構成は、例えば、同一の光ファイバ１４上に、同一のブラッグ波長を有するＦＢＧ部を隣接して形成し、光ファイバ１４を第１ベース部材１１に固定材７１で固定する際に、ＦＢＧ部１９に付与されるプリテンションと、ＦＢＧ部１８に付与されるプリテンションとを異ならせることで実現可能である。
【0039】
なお、特に限定されないが、本実施形態では、ＦＢＧ部１８及びＦＢＧ部１９に対するプリテンションは、以下のようにして付与される。まず、第１ベース部材１１及び第２ベース部材１２に光ファイバ１４が固定材７１により固定される。このとき、ＦＢＧ部１９には所望のプリテンションが付与され、当該状態でＦＢＧ部１９の両側の光ファイバ１４が第１ベース部材１１に固定される。また、ＦＢＧ部１８はプリテンションが付与されることなくＦＢＧ部１９の両側の光ファイバ１４が第１ベース部材１１及び第２ベース部材１２に固定される。次いで、光ファイバ１４が固定された第１ベース部材１１及び第２ベース部材１２、並びに、第３ベース部材１３が案内部材１７に装着される。また、第２弾性体１６も第２ベース部材１２と第３ベース部材１３とに接続される。このとき、第２ベース部材１２及び第３ベース部材１３は、上述したスライド可能な状態になっている。当該状態で第３ベース部材１３を第２ベース部材１２から離れる方向に移動させ、ＦＢＧ部１８に所望のプリテンションが付与される。当該状態でネジ６６ａを締め付けることで第３ベース部材１３を案内部材１７に対して固定すると、ＦＢＧ部１８に所望のプリテンションが付与された状態が維持される。
【0040】
本構成では、温度変化により光ファイバ１４の屈折率変動及び膨張が生じた場合、第２ベース部材１２と第１ベース部材１１との間の距離変動を検知するためのＦＢＧ部１８のブラッグ波長と温度補償用のＦＢＧ部１９のブラッグ波長は、いずれも大きくなる方向にシフトする。一方、第２ベース部材１２と第１ベース部材１１との間の距離のみが変動した場合、ＦＢＧ部１８のブラッグ波長のみシフトし、温度補償用のＦＢＧ部１９には何ら変化が生じないため、ＦＢＧ部１９のブラッグ波長は変動しない。すなわち、ＦＢＧ部１８のブラッグ波長には温度変化に応じた波長シフトと第２ベース部材１２と第１ベース部材１１との間の距離変動に応じた波長シフトとが重畳して発生し、ＦＧＢ部１９のブラッグ波長には温度変化に応じた波長シフトのみが発生することになる。したがって、ＦＢＧ部１８のブラッグ波長のシフト量と、ＦＢＧ部１９のブラッグ波長のシフト量とを計測することで、温度補償を実現することが可能になる。
【0041】
続いて、本実施形態に係る光ファイバセンサ１の動作について説明する。図５は光ファイバセンサ１の動作を示す説明図である。なお、図５では、説明のため、第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、第３ベース部材１３、第１弾性体１５及び第２弾性体１６のみを示している。光ファイバセンサ１では、用途に応じて第１弾性体１５の弾性定数と第２弾性体１６の弾性定数との比を適宜変更することができる。
【0042】
上述のとおり、本実施形態では、第１弾性体１５の弾性定数が第２弾性体１６の弾性定数よりも大きくなっている。ここでは説明のため、第１弾性体１５の弾性定数が第２弾性
体１６の弾性定数の１０倍であるとする。連結部材３０による引張り力が付与された場合、この例では、第２弾性体１６の伸び量Ｙが第１弾性体１５の伸び量Ｘの１０倍になる。例えば、連結部材３０による引張り力が付与されたときに第２弾性体１６の伸び量Ｙが１００マイクロメートルであるとすると、第１弾性体１５の伸び量Ｘは１０マイクロメートルになる。したがって、本構成によれば、連結部材３０に付与された引張り力に起因する第３ベース部材１３の変位量を、第１弾性体１５の弾性定数と第２弾性体１６の弾性定数の比に応じてＦＢＧ部１８における計測に適切な範囲内に減少させることができる。その結果、ＦＢＧ部１８で計測することができる第３ベース部材１３の変位量の範囲（ダイナミックレンジ）を大きくすることができる。
体１６の弾性定数の１０倍であるとする。連結部材３０による引張り力が付与された場合、この例では、第２弾性体１６の伸び量Ｙが第１弾性体１５の伸び量Ｘの１０倍になる。例えば、連結部材３０による引張り力が付与されたときに第２弾性体１６の伸び量Ｙが１００マイクロメートルであるとすると、第１弾性体１５の伸び量Ｘは１０マイクロメートルになる。したがって、本構成によれば、連結部材３０に付与された引張り力に起因する第３ベース部材１３の変位量を、第１弾性体１５の弾性定数と第２弾性体１６の弾性定数の比に応じてＦＢＧ部１８における計測に適切な範囲内に減少させることができる。その結果、ＦＢＧ部１８で計測することができる第３ベース部材１３の変位量の範囲（ダイナミックレンジ）を大きくすることができる。
【0043】
また、この構成では、圧縮方向の歪み等を検出するためにＦＢＧ部１８に付与されるプリテンションの大きさを第３ベース部材１３の位置により調整することもできる。上述のとおり、光ファイバセンサ１では、第３ベース部材１３を連結部材３０側に移動させることでＦＢＧ部１８にプリテンションが付与される。すなわち、第２弾性体１６に連結部材３０側への方向の引張り力が作用していない状態における第３ベース部材１３の位置から連結部材３０側への第３ベース部材１３の変位量により、ＦＢＧ部１８に付与されたプリテンションの大きさ（ＦＢＧ部１８の伸長量）を確認することができる。例えば、第１弾性体１５の弾性定数が第２弾性体１６の弾性定数の１００倍である場合、第３ベース部材１３の連結部材３０側への変位量の１００分の１の変位量がＦＢＧ部１８に付与されることになる。このように、第１弾性体１５の弾性定数が第２弾性体１６の弾性定数に比べて比較的大きい場合には、ＦＢＧ部１８に付与されたプリテンションの大きさを目視等により確認することも可能である。したがって、ＦＢＧ部１８に対して極めて容易に所望のプリテンションを付与することができる。なお、第３ベース部材１３は、プリテンションを付与した状態でネジ６６ａにより固定された状態で光ファイバセンサ１が被計測物に固定され、連結部材３０の連結後にネジ６６ａによる第３ベース部材１３の固定を解除することで、当該プリテンションがＦＢＧ部１８に付与された状態での歪みの計測が可能になる。
【0044】
図６は、光ファイバセンサ１においてＦＢＧ部１８及びＦＢＧ部１９のブラッグ波長を含む広帯域幅の光を光ファイバ１４に入射した場合の反射光のスペクトル（以下、反射光スペクトルという。）の一例を示す模式図である。図６は、温度が一定の状態で、本体１０と支持体２０との間の被計測物に歪みが生じた場合の反射光スペクトルにおけるピーク波長の変動を示す模式図である。図６において、横軸は反射光の波長に対応し、縦軸は反射光の強度に対応する。なお、図６では、変動前の反射光スペクトルを破線で示している。
【0045】
図６に示すように、変動前の光ファイバセンサ１の反射光スペクトルは、ＦＢＧ部１８のブラッグ波長λ１とＦＢＧ部１９のブラッグ波長λ２とのそれぞれにピークを有することになる。温度が一定の状態で本体１０と支持体２０との間の被計測物に本体１０と支持体２０との間隔が広がる方向の歪みが生じた場合、上述のとおり、第１弾性体１５の弾性定数と第２弾性体１６の弾性定数との比に応じた変位量がＦＢＧ部１８に伝達される。その結果、ＦＢＧ部１８のブラッグ波長は大きくなる方向にシフトする。なお、温度補償用のＦＢＧ部１９のブラッグ波長が変動していないことから、温度補償が不要である（温度は変動していない）ことが理解できる。本実施形態では、被計測物の歪みに起因する変位量をＦＢＧ部１８に適切な変位量の範囲内に変換して伝達することができるため、このように本体１０と支持体２０との間の被計測物の歪みに起因する変位を適切に計測することができる。なお、公知のとおり、ＦＢＧ部１８のブラッグ波長λ１の変動量によりＦＢＧ部１８に付与された変位量を算出することができる。したがって、本体１０と支持体２０との間の被計測物の歪みに起因する変位量は、当該ＦＢＧ部１８の変位量と、第１弾性体１５の弾性定数及び第２弾性体１６の弾性定数の比とに基づいて算出することができる。
【0046】
なお、第１弾性体１５の弾性定数が第２弾性体１６の弾性定数よりも小さい構成を採用することも可能である。ここでは説明のため、第１弾性体１５の弾性定数が第２弾性体１６の弾性定数の半分であるとする。連結部材３０による引張り力が付与された場合、この例では、第２弾性体１６の伸び量Ｙが第１弾性体１５の伸び量Ｘの半分になる。例えば、連結部材３０による引張り力が付与されたときに第２弾性体１６の伸び量Ｙが５マイクロメートルであるとすると、第１弾性体１５の伸び量Ｘは１０マイクロメートルになる。したがって、本構成によれば、連結部材３０に付与された引張り力に起因する第３ベース部材１３の変位量を第１弾性体１５の弾性定数と第２弾性体１６の弾性定数の比に応じてＦＢＧ部１８における計測に適切な範囲内で増大させることができる。その結果、第３ベース部材１３の変位量を高感度で検出することが可能となる。
【0047】
以上説明した光ファイバセンサ１を被計測物に固定する場合、例えば、以下の手順を採用することができる。まず、本体１０及び支持体２０が被計測物に固定される。このとき、上述のとおり、第３ベース部材１３の移動はネジ６６ａにより禁止されている。当該状態で本体１０の貫通溝５３と、支持体２０のターンバックル２４の環状部２４ａとが第３ベース部材１３の移動方向に沿って対向する状態に設定される。
【0048】
次いで、本体１０の貫通溝５３に連結部材３０が取り付けられるとともに、支持体２０のターンバックル２４の環状部２４ａに連結部材３０が取り付けられる。その後、ターンバックル２４を締めることで、連結部材３０の弛みが除去される。連結部材３０の弛み除去が完了されると、ネジ６６ａによる第３ベース部材１３の固定が解除される。これにより、光ファイバセンサ１は本体１０と支持体２０との間の歪みを計測できる状態になる。なお、被計測物が屋外に設置された建造物である場合には、本体１０へのホコリ等の侵入を防止するために、本体１０を被覆するカバー等を設置することが好ましい。
【0049】
以上で説明したように、本発明によれば、本体１０と支持体２０とを被計測物に固定した後、本体１０と支持体２０とを連結部材３０で連結する構成であるため、建造物等の比較的大きな被計測物であっても比較的容易に設置することができる。また、運搬時にかさ張ることもなく、計測対象範囲である本体１０と支持体２０との間の距離を作業現場で調整することも可能である。さらに、第１弾性体１５と第２弾性体１６の弾性定数の比を調節することで本体１０と支持体２０との間における被計測物の変位量とＦＢＧ部１８に伝達される変位量との比を極めて容易に設定することができるため、被計測物の材質や計測対象領域の大きさに応じてＦＢＧ部１８に伝達される変位量を適切に設定することができる。
【0050】
なお、上述した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、特に好ましい形態として、光ファイバ１４のＦＢＧ部１８を直線状に配置し、当該ＦＢＧ部１８の軸方向に沿って第２ベース部材１２及び第３ベース部材１３が移動する構成としたが、第２ベース部材１２及び第３ベース部材１３の移動方向が特定方向であれば、ＦＢＧ部１８の軸方向と第２ベース部材１２及び第３ベース部材１３の移動方向とが一致していることは必須ではない。
【0051】
また、上述の実施形態では、第２弾性体１６のみが着脱可能である構成としたが、第１弾性体１５も着脱可能である構成を採用してもよく、また、第１弾性体１５及び第２弾性体１６のいずれもが着脱できない構成であってもよい。第１弾性体１５が着脱可能である構成では、第１ベース部材１１と案内部材１７とが別部材である必要はなく、案内部材１７が第１ベース部材１１を兼ねる構成を採用することもできる。さらに、上述の実施形態では、光ファイバ１４が温度補償用のＦＢＧ部１９を備える構成としたが、光ファイバ１
４が温度補償用のＦＢＧ部１９を備えることは必須ではない。
４が温度補償用のＦＢＧ部１９を備えることは必須ではない。
【0052】
また、上述の実施形態では、ＦＢＧ部１８に対するプリテンションが第３ベース部材１３の移動により付与される構成について説明したが、所望のプリテンションが付与されたＦＢＧ部１８を案内部材１７に装着する構成を採用することも可能である。具体的には、例えば、以下の手順を採用することができる。第１ベース部材１１と第２ベース部材１２との間隔を所定の間隔に固定する治具等を使用した状態で、ＦＢＧ部１８に所望のプリテンションが付与される。当該状態でＦＢＧ部１８の両側の光ファイバ１４が第１ベース部材１１と第２ベース部材１２とに固定される。そして、当該治具により第１ベース部材１１と第２ベース部材１２との間隔が固定された状態で第１ベース部材１１及び第２ベース部材１２が案内部材１７に装着される。
【0053】
加えて、第１ベース部材１１、第２ベース部材１２、第３ベース部材１３、第１弾性体１５、第２弾性体１６、案内部材１７等、上述した各要素の物理的な形状や材質も、本発明の効果を奏する範囲内で任意に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【0054】
本発明によれば、建造物等の比較的大きな被計測物へ比較的容易に固定できるとともに、１つのＦＢＧで比較的広い範囲の変形を検出することができ、光ファイバセンサとして有用である。
【符号の説明】
【0055】
１ 光ファイバセンサ
１０ 本体
１１ 第１ベース部材
１２ 第２ベース部材
１３ 第３ベース部材
１４ 光ファイバ
１５ 第１弾性体
１６ 第２弾性体
１７ 案内部材
１８ ＦＢＧ部
１９ ＦＢＧ部（温度補償用）
２０ 支持体
３０ 連結部材
１０ 本体
１１ 第１ベース部材
１２ 第２ベース部材
１３ 第３ベース部材
１４ 光ファイバ
１５ 第１弾性体
１６ 第２弾性体
１７ 案内部材
１８ ＦＢＧ部
１９ ＦＢＧ部（温度補償用）
２０ 支持体
３０ 連結部材
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】