特許 7047366 光ファイバセンサ

(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】

(24)【登録日】2022-03-28

(45)【発行日】2022-04-05

(54)【発明の名称】光ファイバセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/16 20060101AFI20220329BHJP

   G01D 5/353 20060101ALI20220329BHJP

   G01D 21/02 20060101ALI20220329BHJP

   G01K 11/3206 20210101ALI20220329BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20220329BHJP

   G02B 6/44 20060101ALI20220329BHJP

【ＦＩ】

G01B11/16 Z

G01D5/353 C

G01D21/02

G01K11/3206

G02B6/02 A

G02B6/02 416

G02B6/44 301A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2017240250

(22)【出願日】2017-12-15

(65)【公開番号】P2019109057

(43)【公開日】2019-07-04

【審査請求日】2020-10-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】植田 忠伸

【審査官】櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０８５５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３２９６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２２１０８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０１４４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０９８６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２２４６７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１１１３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２２７３４９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／１０－１１／３０

Ｇ０１Ｄ ５／２６－ ５／３８

Ｇ０１Ｄ １８／００－２１／０２

Ｇ０１Ｋ １／００－９９／００

Ｇ０２Ｂ ６／００

Ｇ０２Ｂ ６／０２－ ６／１０

Ｇ０２Ｂ ６／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバに形成された第一ファイバブラッググレーティングと、
光ファイバに形成された第二ファイバブラッググレーティングと、を備え、
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性とが異なり、かつ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数とが異なり、
前記第一ファイバブラッググレーティングと前記第二ファイバブラッググレーティングとは、一本の光ファイバに形成されている光ファイバセンサ。

【請求項2】

光ファイバに形成された第一ファイバブラッググレーティングと、
光ファイバに形成された第二ファイバブラッググレーティングと、を備え、
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性とが異なり、かつ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数とが異なり、
前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられ、
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記異特性部材の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記異特性部材の縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された他の異特性部材が一体的に取り付けられている光ファイバセンサ。

【請求項3】

光ファイバに形成された第一ファイバブラッググレーティングと、
光ファイバに形成された第二ファイバブラッググレーティングと、を備え、
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性とが異なり、かつ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数とが異なり、
前記光ファイバに張力が付与されている状態で前記光ファイバを保持する保持部材を備える光ファイバセンサ。

【請求項4】

前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられている請求項１に記載の光ファイバセンサ。

【請求項5】

前記異特性部材は、金属材料で形成されている請求項４に記載の光ファイバセンサ。

【請求項6】

前記異特性部材は、非磁性材料で形成されている請求項４に記載の光ファイバセンサ。

【請求項7】

前記異特性部材、及び前記他の異特性部材は、非磁性材料で形成されている請求項２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、光ファイバセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載の光ファイバセンサでは、一対のファイバブラッググレーティングを用いて測定対象部材の歪み、及び温度を求めるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０００－１１１３１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の光ファイバセンサでは、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分と、他方のファイバブラッググレーティングが形成された部分とが同様の構成とされている。さらに、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分については、変位が拘束されないように測定対象部材に取り付けられている。また、他方のファイバブラッググレーティングが形成された部分については、変位が拘束されるように測定対象部材に取り付けられている。そして、変位が拘束されていない一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分による測定結果によって、変位が拘束されるように測定対象部材に取り付けられている他方のファイバブラッググレーティングが形成された部分による測定結果の温度を補償する。

【0005】

この構成においては、外部温度変化に伴う熱膨張だけを一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分に生じさせるため、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる必要がある。このため、変位が拘束されるように測定対象部材に取り付けられている他方のファイバブラッググレーティングが形成された部分による測定結果の温度を補償する精度が低下してしまう。

【0006】

本願発明の課題は、一対のファイバブラッググレーティングを用いる構成において、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１態様に係る光ファイバセンサは、光ファイバに形成された第一ファイバブラッググレーティングと、光ファイバに形成された第二ファイバブラッググレーティングと、を備え、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性とが異なり、かつ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数とが異なることを特徴とする。

【0008】

上記構成によれば、予め、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数と、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数とが夫々取得される。

【0009】

そして、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバ、及び第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバを測定対象部材から隙間を空けて離間させることなく、光ファイバセンサが測定対象部材に取り付けられる。さらに、第一ファイバブラッググレーティングから反射される中心反射波長の変化、及び第二ファイバブラッググレーティングから反射される中心反射波長の変化を測定する。

【0010】

この測定結果と、予め取得した熱膨張特性及び縦弾性係数とによって、測定対象部材の歪みと温度とを導出する。このように、隙間を空けて離間させることなく光ファイバセンサが測定対象部材に取り付けられているため、一対のファイバブラッググレーティングを用いる構成において、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。

【0011】

本発明の第２態様に係る光ファイバセンサは、第１態様に記載の光ファイバセンサにおいて、前記第一ファイバブラッググレーティングと前記第二ファイバブラッググレーティングとは、一本の光ファイバに形成されていることを特徴とする。

【0012】

上記構成によれば、第一ファイバブラッググレーティングと第二ファイバブラッググレーティングとは、一本の光ファイバに形成されており、直列に配置されている。このため、第一ファイバブラッググレーティングと第二ファイバブラッググレーティングとが別個の光ファイバに形成されている場合と比して、部品点数を削減することができる。

【0013】

本発明の第３態様に係る光ファイバセンサは、第１又は第２態様に記載の光ファイバセンサにおいて、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられていることを特徴とする。

【0014】

上記構成によれば、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられている。これにより、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数と、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数とが異なっている。

【0015】

このように、光ファイバの外周面に異特性部材を一体的に取り付けることで、光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせる。このため、光ファイバの材質を部分的に変えることで光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせる場合と比して、簡易な構成で光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせることができる。

【0016】

本発明の第４態様に係る光ファイバセンサは、第１又は第２態様に記載の光ファイバセンサにおいて、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記異特性部材の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記異特性部材の縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された他の異特性部材が一体的に取り付けられていることを特徴とする。

【0017】

上記構成によれば、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられている。さらに、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、異特性部材の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、異特性部材の縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された他の異特性部材が一体的に取り付けられている。これにより、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数と、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数とが異なっている。

【0018】

このように、光ファイバの外周面に異特性部材、及び他の異特性部材を一体的に取り付けることで、光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせる。このため、光ファイバの材質を部分的に変えることで光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせる場合と比して、簡易な構成で光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせることができる。

【0019】

本発明の第５態様に係る光ファイバセンサは、第３態様に記載の光ファイバセンサにおいて、前記異特性部材は、金属材料で形成されていることを特徴とする。

【0020】

上記構成によれば、異特性部材は、金属材料で形成されている。このため、異特性部材が樹脂材料で形成される場合と比して、異特性部材が伸縮による光ファイバの伸縮量が増える。

【0021】

これにより、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性を、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性に対して大きく異ならせることができる。そうすると、予め取得する熱膨張特性の差違が明確になり、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。

【0022】

本発明の第６態様に係る光ファイバセンサは、第３態様に記載の光ファイバセンサにおいて、前記異特性部材は、非磁性材料で形成されていることを特徴とする。

【0023】

上記構成によれば、異特性部材は、非磁性部材で形成されている。このため、例えば、磁界による異特性部材の歪みが抑制されることで、異特性部材が磁性部材で形成されている場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。

【0024】

本発明の第７態様に係る光ファイバセンサは、第４態様に記載の光ファイバセンサにおいて、前記異特性部材、及び前記他の異特性部材は、非磁性材料で形成されていることを特徴とする。

【0025】

上記構成によれば、異特性部材及び他の異特性部材は、非磁性部材で形成されている。このため、例えば、磁界による異特性部材及び他の異特性部材の歪みが抑制されることで、異特性部材及び他の異特性部材が磁性部材で形成されている場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。

【0026】

本発明の第８態様に係る光ファイバセンサは、第１～第７態様の何れか１態様に記載の光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバに張力が付与されている状態で前記光ファイバを保持する保持部材を備えることを特徴とする。

【0027】

上記構成によれば、保持部材は、光ファイバに張力が付与されている状態で光ファイバを保持している。これにより、測定対象部材の負の歪みについても導出することができる。

【発明の効果】

【0028】

本発明では、一対のファイバブラッググレーティングを用いる構成において、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサを示した斜視図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサを示し、光ファイバセンサが測定対象部材に取り付けられた状態を示した斜視図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサを用いて、測定対象部材の中心反射波長を測定する構成を示した概略構成図である。

【図4】本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサを用いて、予め測定された測定値をグラフで示した図面である。

【図5】本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサを用いて、予め測定された測定値をグラフで示した図面である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る光ファイバセンサを示した斜視図である。

【図7】本発明の第３実施形態に係る光ファイバセンサを示した斜視図である。

【図8】本発明の第４実施形態に係る光ファイバセンサを示した斜視図である。

【図9】本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサの変形例を示した斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図１～図５を用いて説明する。
（全体構成）
第１実施形態に係る光ファイバセンサ１０は、図１に示されるように、光ファイバ１２と、光ファイバ１２に形成された第一ファイバブラッググレーティング１４と、光ファイバ１２に形成された第二ファイバブラッググレーティング１６とを有している。さらに、光ファイバセンサ１０は、第二ファイバブラッググレーティング１６が形成された部分の光ファイバ１２の外周面に一体的に取り付けられた異特性部材２０を備えている。

【0031】

光ファイバセンサ１０は、第一ファイバブラッググレーティング１４、又は第二ファイバブラッググレーティング１６によって反射される中心反射波長の変化を測定して、測定対象部材の歪み、温度等を導出するためのセンサである。

【0032】

光ファイバ１２は、石英ガラスによって形成されており、外径が１００〔μｍ〕とされている。そして、光ファイバ１２は、光伝播用のコア１２Ａと、このコア１２Ａを覆い、コア１２Ａの屈折率よりも小さな屈折率を有するクラッド１２Ｂと、図示せぬバッファコーティングとを有している。本実施形態では、クラッド１２Ｂの熱膨張係数は、０．５５×１０^－６〔／Ｋ〕（〔／℃〕）とされている。

【0033】

また、第一ファイバブラッググレーティング１４（以下「第一ＦＢＧ１４」）は、光ファイバ１２のコア１２Ａに屈折率変調（回折格子）が生じるようにコア１２Ａに形成されている。本実施形態では、第一ＦＢＧ１４は、光ファイバ１２の長手方向において５〔ｍｍ〕に亘って形成されている。

【0034】

さらに、第二ファイバブラッググレーティング１６（以下「第二ＦＢＧ１６」）は、光ファイバ１２のコア１２Ａに屈折率変調（回折格子）が生じるようにコア１２Ａに形成されており、第一ＦＢＧ１４と直列に配置されている。本実施形態では、第二ＦＢＧ１６は、光ファイバ１２の長手方向において５〔ｍｍ〕に亘って形成されている。

【0035】

異特性部材２０は、金属材料であるニッケルで形成されており、厚さ４〔μｍ〕とされている（図に示す厚さについては誇張して記載している）。本実施形態では、メッキ工法を用いて、異特性部材２０が、光ファイバ１２の長手方向において第二ＦＢＧ１６が形成された部分を含む光ファイバ１２の外周面に一体的に取り付けられている。これにより、異特性部材２０は、光ファイバ１２が光ファイバ１２の長手方向に伸縮すると、光ファイバ１２と一体となって光ファイバ１２の長手方向に伸縮するようになっている。つまり、「一体的に取り付けられる」とは、光ファイバ１２が長手方向に伸縮すると、光ファイバ１２と一体となって同じ量だけ、光ファイバ１２の長手方向に伸縮するように取り付けられることである。

【0036】

そして、本実施形態では、異特性部材２０の熱膨張係数は、クラッド１２Ｂの熱膨張係数と異なり、１３．４×１０^－６〔／Ｋ〕（〔／℃〕）とされている。さらに、異特性部材２０の縦弾性係数（ヤング率）は、クラッド１２Ｂの縦弾性係数と異なっている。これにより、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性とが異なり、かつ、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数が異なっている。ここで、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数とは、この部分の光ファイバ１２の軸方向の歪みと応力の比例定数である。

【0037】

（歪み及び温度の導出）
次に、光ファイバセンサ１０を用いて、測定対象部材の歪み、及び温度を導出する方法について説明する。
予め、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２との熱膨張特性及び縦弾性係数について取得する。具体的には、縦弾性係数として、光ファイバ１２の歪みと中心反射波長との関係を取得する。また、熱膨張特性として、光ファイバ１２の温度と中心反射波長との関係を取得する。なお、熱膨張特性及び縦弾性係数については、例えば、解析又は実測等によって取得することができる。

【0038】

－歪みと中心反射波長との関係－
温度を一定にした状態（例えば、２０〔℃〕一定にした状態）で、第一ＦＢＧ１４が形成された部分に荷重を負荷したときのこの部分の光ファイバ１２の歪みと、中心反射波長との関係を取得する。同様に、第二ＦＢＧ１６が形成された部分に荷重を負荷したときのこの部分の光ファイバ１２の歪みと、中心反射波長との関係を取得する。これにより、図４に示されるように、横軸が歪み〔με〕で、縦軸が中心反射波長〔ｎｍ〕のグラフが、作成される。本実施形態では、図４に示すグラフ中の線Ｌ１が、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の特性であって、線Ｌ２が、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の特性である。

【0039】

そして、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２における単位歪み当たりの中心反射波長の変化を、「∂λ_ＦＢＧ１／∂ε」とする。さらに、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２における単位歪み当たりの中心反射波長の変化を、「∂λ_ＦＢＧ２／∂ε」とする。

【0040】

－温度と中心反射波長との関係－
温度変化の影響による歪みだけが生じるように、初期歪みを０〔με〕とした状態で、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の温度と、中心反射波長との関係を取得する。同様に、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の温度と、中心反射波長との関係を取得する。これにより、図５に示されるように、横軸が温度〔℃〕で、縦軸が中心反射波長〔ｎｍ〕のグラフが、作成される。本実施形態では、図５に示すグラフ中の線Ｌ１１が、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の特性であって、線Ｌ１２が、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバの特性である。

【0041】

そして、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２における単位温度当たりの中心反射波長の変化を、「∂λ_ＦＢＧ１／∂Ｔ」とする。さらに、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２における単位温度当たりの中心反射波長の変化を、「∂λ_ＦＢＧ２／∂Ｔ」とする。

【0042】

－光ファイバセンサ１０の取付け－
図２に示されるように、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊの平面Ｊ１に接触させて、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付ける。

【0043】

具体的には、光ファイバ１２の長手方向において、一対の取付部材３０で第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟むように、一対の取付部材３０を配置する。一対の取付部材３０で挟まれた部分の光ファイバ１２に予め決められた張力が付与されるように、かつ、一対の取付部材３０で挟まれた部分の光ファイバ１２が、測定対象部材Ｊと一体となって伸縮するように、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付ける。そして、第一ＦＢＧ１４が形成された光ファイバ１２の部分の少なくとも一部、及び異特性部材２０の少なくとも一部が、平面Ｊ１と接触するようにする。本実施形態では、第一ＦＢＧ１４が形成された光ファイバ１２の部分、及び異特性部材２０が、平面Ｊ１と接触している。

【0044】

－測定ユニット－
光ファイバセンサ１０における第一ＦＢＧ１４の中心反射波長、及び第二ＦＢＧ１６の中心反射波長を測定するための測定ユニット５０は、図３に示されるように、広帯域光源５２と、波長計５４と、ファイバカプラ５６とを備えている。

【0045】

広帯域光源５２は、所定間隔毎に波長の異なる赤外線を、ファイバカプラ５６を通して、光ファイバセンサ１０の一端へ出射するようになっている。本実施形態では、広帯域光源５２は、一例として、１０００〔ｎｍ〕から１８００〔ｎｍ〕の波長の赤外線を光ファイバセンサ１０の一端へ出射するようになっている。

【0046】

波長計５４は、第一ＦＢＧ１４又は第二ＦＢＧ１６によって反射され、光ファイバセンサ１０の一端から出射した光を、ファイバカプラ５６を通して受光するようになっている。

【0047】

ファイバカプラ５６は、広帯域光源５２から出射した光を光ファイバセンサ１０の一端へ導き、光ファイバセンサ１０の一端から出射した光を波長計５４へ導くようになっている。

【0048】

この構成において、波長計５４によって、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付けた初期状態に対する、第一ＦＢＧ１４によって反射された中心反射波長のずれ量〔ｎｍ〕と、第二ＦＢＧ１６によって反射された中心反射波長のずれ量〔ｎｍ〕とが測定される。

【0049】

－歪み、温度の導出方法－
光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付けた初期状態に対する、第一ＦＢＧ１４によって反射された中心反射波長のずれ量〔ｎｍ〕を「Δλ_ＦＢＧ１」とし、第二ＦＢＧ１６によって反射された中心反射波長のずれ量〔ｎｍ〕を「Δλ_ＦＢＧ２」とする。さらに、初期状態も対する、測定対象部材Ｊの歪みの変化量を、「Δε」とし、測定対象部材Ｊの温度の変化量を、「ΔＴ」とする。さらに、予め取得した第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性、及び予め取得した第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性から下記式（１）が成り立つ。

【0050】

【数1】

【0051】

そして、この式（１）を、下記に示すように、式（２）、式（３）と変形し、式（４）を導き出す。

【0052】

【数2】

【0053】

【数3】

【0054】

【数4】

【0055】

そして、予め取得している∂λ_ＦＢＧ１／∂ε、∂λ_ＦＢＧ２／∂ε、∂λ_ＦＢＧ１／∂Ｔ、及び∂λ_ＦＢＧ２／∂Ｔの値、並びに、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付けることで測定されたΔλ_ＦＢＧ１、及びΔλ_ＦＢＧ２を、式（４）に代入する。これにより、例えば、波長計５４が、Δε、ΔＴを導出（算出）し、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付けた初期状態での測定対象部材Ｊの予め取得された歪み、及び予め取得された温度を考慮して、測定対象部材Ｊの歪み、及び温度を導出する。

【0056】

（まとめ）
以上説明したように、光ファイバセンサ１０において、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２、及び第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２に取り付けられている異特性部材２０を、測定対象部材Ｊを構成する平面Ｊ１に接触させることができる。このため、測定対象部材Ｊの温度の変化、及び歪みの変化に起因して生じる中心反射波長のずれ量を測定する測定精度が向上する。そして、前述した式（４）を用いることで、測定対象部材Ｊの歪、及び温度が導出される。このため、一対のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いる構成において、一方のＦＢＧが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。

【0057】

また、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とは、一本の光ファイバ１２に形成されており、直列に配置されている。このため、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とが別個の光ファイバに形成される場合と比して、部品点数を削減することができる。

【0058】

また、光ファイバ１２の外周面に異特性部材２０を一体的に取り付けることで、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性とが異なっている。このため、例えば、光ファイバの材質を部分的に変えることで光ファイバの熱膨張特性を異ならせる場合と比して、簡易な構成で光ファイバ１２の熱膨張特性を異ならせることができる。
また、光ファイバ１２の外周面に異特性部材２０を一体的に取り付けることで、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数が異なっている。このため、例えば、光ファイバの材質を部分的に変えることで縦弾性係数を異ならせる場合と比して、簡易な構成で、縦弾性係数を異ならせることができる。

【0059】

また、異特性部材２０は、金属材料であるニッケルで形成されている。このため、異特性部材２０が樹脂材料で形成される場合と比して、剛性が高くなる。これにより、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数を、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数に対して大きく異ならせることができる。このため、前述した∂λ_ＦＢＧ１／∂εと、∂λ_ＦＢＧ２／∂εとの相違、及び∂λ_ＦＢＧ１／∂Ｔと∂λ_ＦＢＧ２／∂Ｔとの相違が明確になり、測定対象部材Ｊの歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。

【0060】

また、異特性部材２０は、金属材料であるニッケルで形成されている。異特性部材２０を樹脂材料で形成せて、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数を、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数に対して異ならせる場合と比して、異特性部材２０を薄くすることができる。これにより、第二ＦＢＧ１６と測定対象部材Ｊが近づくことで、さらに、測定対象部材Ｊの歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。

【0061】

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図６を用いて説明する。なお、第２実施形態に係る光ファイバセンサについては、第１実施形態に係る光ファイバセンサ１０と異なる部分を主に説明する。

【0062】

図６に示す光ファイバセンサ１１０の異特性部材１２０は、非磁性部材であるポリイミド樹脂で形成されている。そして、異特性部材１２０は、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の外周面に、図示せぬ接着剤を用いて一体的に取り付けられている。

【0063】

このように、異特性部材１２０が非磁性部材であるポリイミド樹脂で形成されていることで、測定対象部材Ｊの周りに磁界が生じる場合に、磁界による異特性部材１２０の歪みが抑制される。これにより、異特性部材が磁性部材で形成されている場合と比して、測定対象部材Ｊの歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。

【0064】

なお、第２実施形態の光ファイバセンサ１１０の他の作用については、異特性部材が金属材料で形成されることで生じる第１実施形態の光ファイバセンサ１０の作用以外の作用と同様である。

【0065】

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図７を用いて説明する。なお、第３実施形態に係る光ファイバセンサについては、第１実施形態に係る光ファイバセンサ１０と異なる部分を主に説明する。

【0066】

第３実施形態に係る光ファイバセンサ２１０は、図７に示されるように、光ファイバ１２と、第一ＦＢＧ１４と、第二ＦＢＧ１６と、異特性部材２０と、光ファイバ１２に張力が付与されている状態で光ファイバ１２を保持する保持部材２２０とを備えている。そして、本実施形態では、一例として、金属材料で形成された測定対象部材Ｊの歪み、及び温度を測定するために、光ファイバセンサ２１０が用いられる。

【0067】

保持部材２２０は、光ファイバ１２の長手方向（以下「ファイバ長手方向」、図中矢印Ｄ１）から第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟むように配置された一対の固定部材２３０を備えている。さらに、保持部材２２０は、ファイバ長手方向に対して交差する方向（以下「ファイバ交差方向」、図中矢印Ｄ２）から第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟み、かつ、一対の固定部材２３０の間に配置された一対の支持部材２４０を備えている。

【0068】

一対の固定部材２３０は、測定対象部材Ｊと同様の金属材料で形成されており、ファイバ交差方向に延びており、長手方向に直交する断面は、ファイバ長手方向に延びた矩形状とされている。そして、固定部材２３０は、光ファイバ１２を挟み込む一方部材２３０Ａ及び他方部材２３０Ｂを備えている。

【0069】

一対の支持部材２４０は、測定対象部材Ｊと同様の金属材料で形成されており、前述したように、ファイバ交差方向から第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟むように配置されている。また、支持部材２４０は、ファイバ長手方向に延びており、断面矩形状とされている。そして、一方の支持部材２４０の一端は、一方の固定部材２３０の長手方向の一端に固定され、一方の支持部材２４０の他端は、他方の固定部材２３０の長手方向の一端に固定されている。さらに、他方の支持部材２４０の一端は、一方の固定部材２３０の長手方向の他端に固定され、他方の支持部材２４０の他端は、他方の固定部材２３０の長手方向の他端に固定されている。

【0070】

この構成において、保持部材２２０は、光ファイバ１２に張力が付与されている状態で光ファイバ１２を保持している。そして、光ファイバセンサ２１０は、一対の固定部材２３０を測定対象部材Ｊと接触させ、測定対象部材Ｊに取り付けられる。これにより、光ファイバセンサ２１０は、測定対象部材Ｊの負の歪みについても検出することができる。

【0071】

なお、第３実施形態の光ファイバセンサ２１０の他の作用については、第１実施形態の光ファイバセンサ１０の作用と同様である。

【0072】

＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図８を用いて説明する。なお、第４実施形態に係る光ファイバセンサについては、第２実施形態に係る光ファイバセンサ１１０と異なる部分を主に説明する。

【0073】

第４実施形態に係る光ファイバセンサ３１０は、図８に示されるように、光ファイバ１２と、第一ＦＢＧ１４と、第二ＦＢＧ１６と、異特性部材１２０と、光ファイバ１２に張力が付与されている状態で光ファイバ１２を保持する保持部材３２０とを備えている。そして、本実施形態では、一例として、非磁性部材である樹脂材料で形成された測定対象部材Ｊの歪み、及び温度を測定するために、光ファイバセンサ３１０が用いられる。

【0074】

保持部材３２０は、ファイバ長手方向から第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟むように配置された一対の固定部材３３０を備えている。さらに、保持部材３２０は、第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６が形成されている部分の光ファイバ１２を支持される支持プレート３４０を備えている。

【0075】

一対の固定部材３３０及び支持プレート３４０は、測定対象部材Ｊと同様の樹脂材料で形成されている。そして、一対の固定部材３３０が、第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６が形成されている部分の光ファイバ１２を、光ファイバ１２に張力が付与された状態で支持プレート３４０に固定するようになっている。

【0076】

この構成において、光ファイバセンサ３１０は、支持プレート３４を測定対象部材Ｊに接触させ、測定対象部材Ｊに取り付けられる。これにより、光ファイバセンサ３１０は、測定対象部材Ｊの負の歪みについても検出することができる。

【0077】

なお、第４実施形態の光ファイバセンサ３１０の他の作用については、第２実施形態の光ファイバセンサ１０の作用と同様である。

【0078】

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の外周面に異特性部材２０が一体的に取り付けられたが、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の外周面に他の異特性部材を一体的に取り付けてもよい。この場合には、他の異特性部材の熱膨張係数及び縦弾性係数を、異特性部材２０の熱膨張係数及び縦弾性係数と異ならせる。これにより、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数とを容易に異ならせることができる。この場合に、例えば、異特性部材、及び他の異特性部材を、非磁性材料で形成させることで、磁界による異特性部材及び他の異特性部材の歪みが抑制することができる。

【0079】

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、光ファイバセンサ１０、１１０、２１０、３１０を測定対象部材Ｊに取り付けた状態で、第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６が形成されている部分の光ファイバ１２が測定対象部材Ｊから離間する場合は、測定対象部材Ｊの熱を光ファイバセンサ１０、１１０、２１０、３１０に伝達する熱伝達ペーストを、光ファイバセンサ１０、１１０、２１０、３１０と測定対象部材Ｊとの間に配置してもよい。本実施形態の光ファイバセンサ１０、１１０、２１０、３１０では、測定対象部材Ｊとの間に隙間を設ける必要はないからである。

【0080】

また、上記実施形態では、異特性部材を用いることで、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性とを異ならせたが、光ファイバの断面を部分的に変えたり、光ファイバの部材を部分的に変えること等で熱膨張特性を異ならせてもよい。

【0081】

また、上記第１実施形態では、一本の光ファイバ１２に、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とが形成されたが、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とが夫々別個の光ファイバに形成されてもよい（図９参照）。しかし、この場合には、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とが一本の光ファイバ１２に形成されることで奏する作用は奏しない。

【0082】

また、上記第３、４実施形態では、保持部材２２０、３２０は、測定対象部材Ｊが形成される部材と同様の部材で形成されたが、保持部材２２０、３２０が、測定対象部材Ｊとは異なる部材で形成されてよい。この場合には、第１実施形態で説明した、「歪みと中心反射波長との関係」及び「温度と中心反射波長との関係」を改めて取得する必要がある。

【符号の説明】

【0083】

１０ 光ファイバセンサ
１２ 光ファイバ
１２Ｂ クラッド
１４ 第一ファイバブラッググレーティング（第一ＦＢＧ）
１６ 第二ファイバブラッググレーティング（第二ＦＢＧ）
２０ 異特性部材
１１０ 光ファイバセンサ
１２０ 異特性部材
２１０ 光ファイバセンサ
２２０ 保持部材
３１０ 光ファイバセンサ
３２０ 保持部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】