JP2016075505A - 光ファイバひずみゲージ、光ファイバひずみセンサ、および光ファイバひずみセンシングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも感度の高い光ファイバひずみゲージ、該ひずみゲージを用いた光ファイバひずみセンサ、および該ひずみセンサを用いた光ファイバひずみセンシングシステムを提供する。
【解決手段】本発明に係る光ファイバひずみゲージは、光ファイバを用いたひずみゲージであって、前記光ファイバは、樹脂製コアと前記コアを覆う樹脂製クラッドとを有するポリマ光ファイバであり、前記コアに所定の色素が分散配合されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバを用いてひずみを検知する技術に関し、特に、ポリマ光ファイバを用いたひずみゲージ、該ひずみゲージを用いたひずみセンサ、および該ひずみセンサを用いたひずみセンシングシステムに関するものである。

ひずみゲージは、物体のひずみを測定するための力学的センサとして広く利用されており、測定したひずみ量から応力センサとしても利用されている。従来から様々な種類のひずみゲージが提案・使用されているが、光ファイバを用いたひずみゲージは、光ファイバが電磁界の影響を受けないため電磁ノイズに強いという特長や、光ファイバであるが故に長い領域のセンシングに有利という特長ある。

例えば、特許文献１（特開2005−140752）には、衝撃による光ファイバの透過光量の変化から衝撃を検出する衝撃センサにおいて、上記光ファイバがフッ素系クラッドの内部にシリコン系樹脂コアを配して構成されていることを特徴とする衝撃センサが、開示されている。特許文献１によると、衝撃によって光ファイバが断線しにくく、衝撃が小さくても光ファイバが変形しやすいため微量の衝撃も検知できる衝撃センサを提供できる、とされている。

また、特許文献２（特開2005−241417）には、衝撃を検知するためのプラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの外周部に所定の厚さで被覆するゴム層と、該ゴム層によって被覆されたプラスチック光ファイバの外周部をその長手方向に沿って露出させて収容する樋状に形成されたラック部材と、該ラック部材の内側に形成され、収容される上記プラスチック光ファイバに衝撃に応じた変形を与える凸状部材とを備えたことを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサが、開示されている。特許文献２によると、電磁ノイズに強く、衝撃による機械的劣化の少ない高精度の衝撃検知光ファイバセンサを提供できる、とされている。

上述したような従来の光ファイバセンサは、外部応力による光ファイバの変形に起因した光の伝送損失の変化を検出するにあたって、検知感度を高めるために（すなわち、光ファイバの伝送損失を増大させるために）、光ファイバに軟質のコア材料を用いたり、外部応力に応じて光ファイバにマイクロベンドを生じさせるような変形補助部材を用いたりしている。

特開２００５−１４０７５２号公報 特開２００５−２４１４１７号公報

前述したように、光ファイバを用いたひずみゲージの特長（例えば、電磁界の影響を受けない、長い領域のセンシングに有利）は大変魅力的であり、利用分野の拡大が強く期待されている。

しかしながら、現状の光ファイバひずみゲージは、他のひずみゲージ（例えば、金属箔ひずみゲージ、半導体ひずみゲージ）に比して感度が低いという弱点があり、本来有するポテンシャルを上手く活用できていない。そのため、光ファイバひずみゲージの感度向上が強く望まれている。

したがって、本発明の目的は、従来よりも感度の高い光ファイバひずみゲージ、該ひずみゲージを用いた光ファイバひずみセンサ、および該ひずみセンサを用いた光ファイバひずみセンシングシステムを提供することにある。

（I）本発明の一つの態様は、光ファイバを用いたひずみゲージであって、前記光ファイバは、樹脂製コアと前記コアを覆う樹脂製クラッドとを有するポリマ光ファイバであり、前記コアに所定の色素が分散配合されていることを特徴とする光ファイバひずみゲージを、提供する。

本発明は、上記の光ファイバひずみゲージ（I）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記所定の色素が、シアニン誘導体、フタロシアニン誘導体、ローダミン誘導体、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、フルオレセイン誘導体、およびピラン誘導体のいずれかである。
（ii）前記所定の色素は、前記コアの樹脂に対して0.01質量％以上1質量％以下で配合されている。
（iii）前記ポリマ光ファイバは、偏波保持のマルチモード光ファイバである。

（II）本発明の他の一態様は、光ファイバひずみゲージと、光源と、前記光ファイバひずみゲージを伝搬した光を検出する光検出器とを有する光ファイバひずみセンサであって、前記光ファイバひずみゲージが、上記の本発明に係る光ファイバひずみゲージであり、前記光源は、前記所定の色素の吸収波長を含む波長領域の光を出力する光源であることを特徴とする光ファイバひずみセンサを、提供する。

本発明は、上記の光ファイバひずみセンサ（II）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（iv）前記光源は、直線偏光を出力する光源である。
（v）前記光ファイバひずみゲージが、光コネクタを介して複数接続されている。

（III）本発明の更に他の一態様は、光ファイバひずみセンサと制御・信号処理装置とを有する光ファイバひずみセンシングシステムであって、前記光ファイバひずみセンサが、上記の本発明に係る光ファイバひずみセンサであり、前記制御・信号処理装置は、前記光源および前記光検出器と接続されていることを特徴とする光ファイバひずみセンシングシステムを、提供する。

本発明によれば、従来よりも感度の高い光ファイバひずみゲージ、該ひずみゲージを用いた光ファイバひずみセンサ、および該ひずみセンサを用いた光ファイバひずみセンシングシステムを提供することができる。本発明のより具体的な作用効果については、追って詳述する。

本発明に係る光ファイバひずみゲージの一例を示す斜視透視模式図である。 図１の光ファイバひずみゲージに外部応力が負荷されたときの挙動例を示す斜視透視模式図である。 本発明に係る光ファイバひずみセンサの一例を示す平面模式図である。 本発明に係る光ファイバひずみセンシングシステムの一例を示す平面模式図である。 本発明の光ファイバひずみセンシングシステムを建築物に敷設した例を示す模式図である。 実施例１および比較例１における負荷した荷重と透過した光強度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同義の部材や部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することがある。また、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

（光ファイバひずみゲージ）
図１は、本発明に係る光ファイバひずみゲージの一例を示す斜視透視模式図である。図１に示したように、光ファイバひずみゲージ101は、樹脂製コア102と該コア102を覆う樹脂製クラッド103とを有するポリマ光ファイバであり、コア102の屈折率はクラッド103の屈折率よりも高い。また、コア102中には色素104が沈殿物の無いように分散配合されている。なお、図１においては、色素104が分散配合されていることをイメージし易いように、色素104を誇張して描いている。

光ファイバのモード種類に特段の限定はなく、シングルモードであってもよいし、マルチモードであってもよい。光源および光検出器との光軸調整容易性や、光ファイバ同士の接続容易性の観点からは、マルチモード光ファイバがより好ましい。

また、本発明の光ファイバひずみゲージは、ひずみゲージとしての基本性能（例えば、ひずみ量検知）に加えて、ひずみ位置を検知することができる。さらに、偏波保持光ファイバを用いることによって、ひずみ方向を検知することができる。ひずみ位置検知やひずみ方向検知は、本発明の光ファイバひずみゲージにおける特異的な作用効果である。ひずみ位置検知・ひずみ方向検知の基本原理は、後述する。

本発明の光ファイバひずみゲージのベースとなるポリマ光ファイバの素材に特段の限定はなく、従前のポリマ光ファイバの素材（例えば、ポリメチルメタクリレート（PMMA）、ポリカーボネート（PC）、フッ素系樹脂）を好適に用いることができる。また、偏波保持光ファイバを利用する場合にも素材に特段の限定はなく、従前の素材（例えば、メチルメタクリレート（MMA）とベンジルメタクリレート（BzMA）との共重合体、MMAとBzMAと2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレートとの三元共重合体、アモルファスフッ素樹脂）を好適に用いることができる。

コア102中に分散配合する色素104は、コア102中を伝搬させる光の波長帯に吸収域を有する物質を用いる。例えば、コア102中を伝搬させる光として可視光帯の光を用いる場合、可視光帯に吸収域を有する色素を用いる。色素104は、照射されたエネルギーを吸収して発光する物質（例えば、蛍光物質）を用いてもよい。

また、色素104は、光ファイバひずみゲージ101における検知感度を上げるため（光ファイバの変形による光伝送損失の変化量を大きくするため）、異方性の高い結晶形状（例えば、板形状、鱗形状、棒形状）を有する物質であることが好ましい。さらに、色素104をコア102中に沈殿物の無いように分散させるため、コア102を作製する際に使用する溶媒に可溶であることが望ましい。

上記のような観点から、色素104としては、例えば、シアニン誘導体、フタロシアニン誘導体、ローダミン誘導体、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、フルオレセイン誘導体、ピラン誘導体を好ましく用いることができる。

色素104の配合量がコア102の樹脂に対して0.01質量％未満では、色素量が少な過ぎて本発明の作用効果が得られない。また、配合量の上限はひずみ検知感度と光伝送損失から最適値が存在する。ひずみ検知感度は色素104がより多く添加されている方が良好な影響を与える。光伝送損失には、色素104の吸収に由来するもの、色素104そのものによって引き起こされるレイリー散乱に由来するもの、色素104の沈殿物によって起こされるミー散乱に由来するものが存在する。これらのうち、ミー散乱が引き起こされる程の大きさの粒子は配合量が増加することで発生数が増加するが、濾過等で除去可能であり、光ファイバの作製の段階で濾過による除去を行うことが好ましい。一方で、色素による吸収は配合量の増加に伴い増加し、色素104の配合量が1質量％超になると、色素による吸収が光伝送損失の主な要因となり、その結果、入射光の長距離伝搬が難しくなる。したがって、配合量の上限は1重量％が好ましく、より好ましくは0.5重量％である。したがって、色素104の配合量は、0.01質量％以上1質量％以下が好ましく、0.01質量％以上0.5質量％以下がより好ましい。

（光ファイバひずみゲージの製造方法）
本発明に係る光ファイバひずみゲージの製造方法は、上述の光ファイバひずみゲージ101の構成を有するポリマ光ファイバが結果として得られる限り特段の限定はないが、例えば、次のような製造方法を利用できる。
（１）クラッドとなる樹脂チューブ（クラッド用樹脂チューブ）を用意する。
（２）コアとなる樹脂溶液に所定の色素を溶解させたコア用樹脂溶液を用意する。コア用樹脂溶液はあらかじめ濾過し、沈殿物を除去しておく。
（３）コア用樹脂溶液をクラッド用樹脂チューブに充填し、該コア用樹脂溶液を重合してプリフォームを作製する。
（４）プリフォームに対し、従前のポリマ熱成形法（例えば、熱延伸）を施してポリマ光ファイバを製造する。

（ひずみ検出原理）
つぎに、本発明の光ファイバひずみゲージにおけるひずみ検出原理を説明する。

図２は、図１の光ファイバひずみゲージに外部応力が負荷されたときの挙動例を示す斜視透視模式図である。図２に示したように、外部応力が負荷されて光ファイバひずみゲージ101が変形すると、コア102中に分散配合されている色素104の配向状態（分散状態）が、応力方向に対応して変化する。その結果、入射光の吸収量や、コア102からクラッド103への光の染み出し量などが変化する。これらの光量の変化を検出することによって、外部応力を検知・計測することができる。

上述したように、本発明の光ファイバひずみゲージにおけるひずみ検出は、外部応力に対応した色素配向状態（色素分散状態）の変化に基づいている。言い換えると、外部応力の種類と色素配向状態（色素分散状態）の変化との対応関係を予め把握しておけば、圧縮応力のみならず、曲げ応力、引張応力、捻り応力などの複数種の外部応力を１つの光ファイバひずみゲージで検知・計測することができる。

色素104として、照射されたエネルギーを吸収して発光する物質（例えば、蛍光物質）を用いた場合、透過光の光量変化という現象以外に、発光および発光量を検出・計測することで、光ファイバひずみゲージ101の検知感度を更に向上させることができる。また、入射光としてパルス光を用い、光ファイバひずみゲージ101の両端で検出される発光信号の時間差を計測することにより、光ファイバひずみゲージ101への応力負荷位置を判定することができる。前述したように、応力負荷位置の検知は、本発明の光ファイバひずみゲージにおける特異的な作用効果の一つである。

また、外部応力に対応して色素配向状態（色素分散状態）が変化すると、入射光に対する偏光吸収の強度比が変化する。そこで、ベースとなる光ファイバとして偏波保持光ファイバを用い、偏光吸収の強度比を計測すると、逆算的に光ファイバの変形状態を推定することができ、光ファイバひずみゲージ101への応力負荷方向を判定することができる。応力負荷方向の検知も、本発明の光ファイバひずみゲージにおける特異的な作用効果の一つである。

（光ファイバひずみセンサ）
図３は、本発明に係る光ファイバひずみセンサの一例を示す平面模式図である。図３に示したように、光ファイバひずみセンサ201は、上述の光ファイバひずみゲージ101と、光ファイバひずみゲージ101の端部に配設され色素104の吸収波長を含む波長領域の光を出力する光源202と、光ファイバひずみゲージ101を伝搬した光を検出する光検出器203とを有する。

なお、光検出器203は、図２において光ファイバひずみゲージ101の一方の端部（光源202と反対側）のみに配設されているが、光ファイバひずみゲージ101の両端部に配設されてもよい。また、光ファイバひずみセンサ201は、光源202から光ファイバひずみゲージ101へ光を導入するためのレンズや位置合わせ冶具などを有していてもよい。

光源202に特段の限定はなく、光ファイバを用いた通信（光通信）に通常用いられる光源（例えば、波長400〜1200 nmのレーザ光源）を用いることができ、色素104の吸収または励起スペクトルのピークに近い波長を照射することが望ましい。照射する光は、連続光であってもよいしパルス光であってもよい。偏波保持光ファイバを用いた光ファイバひずみゲージ101に光を導入する場合、直線偏光を入射することが好ましいため、光源202に偏光方向制御機構が付与されていることが好ましい。

光検出器203にも特段の限定はなく、光通信に通常用いられる光検出器（例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、マルチチャンネル分光器）を用いることができるが、光源202からの入射光と色素104からの発光との両方の光を同時検出できることが好ましい。入射光としてパルス光を用いる場合には、光源202と同期して測定できるように、時間分解能が高い光検出器203を用いることが好ましい。

（光ファイバひずみセンシングシステム）
本発明に係る光ファイバひずみセンシングシステムは、上述の光ファイバひずみセンサと制御・信号処理装置とを有し、該制御・信号処理装置が、光源および光検出器と接続されている。図４は、本発明に係る光ファイバひずみセンシングシステムの一例を示す平面模式図である。

図４に示したように、光ファイバひずみセンシングシステム301は、光ファイバひずみゲージ101と、光ファイバひずみゲージ101の端部に配設され色素104の吸収波長を含む波長領域の光を出力する光源202と、光ファイバひずみゲージ101を伝搬した光を検出する光検出器203と、光源および光検出器を制御しかつ光検出器の信号処理を行う制御・信号処理装置302とを有している。制御・信号処理装置302は、光源202および光検出器203と接続されている。

図４においては、複数の光ファイバひずみゲージ101が光コネクタ303を介して連結されている例を示した。これにより、１つの光ファイバひずみゲージ101よりも広範囲（より長い領域）でのセンシングを行うことができる。

また、光コネクタ303として光分波器を用い、該光分波器を介して光検出器203と制御・信号処理装置302とを追加接続してもよい。これにより、複数箇所で同時に外部応力が負荷された場合でも、応力負荷位置を正しく検知することができる。なお、正確な信号処理を行うため、制御・信号処理装置302が複数存在する場合は、それらは互いに接続されていることが好ましい。

図５は、本発明の光ファイバひずみセンシングシステムを建築物に敷設した例を示す模式図である。図５に示したように、建築物400の表面や構造体内部に光ファイバひずみセンサ201を敷設し、建築物400内にある制御・信号処理装置302と接続することにより、建築物400のひずみ状態をモニタリングすることができる。これは、大型構造物のヘルスモニタリングを非破壊で行えることにつながる。

以下、実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１の作製）
まず、クラッド用樹脂チューブとしてPMMAチューブを用意し、コア用樹脂溶液としてMMAとBzMAとの共重合体（質量比82：12）に対してローダミン誘導体（ローダミン6G、発光化合物、0.05質量％）を添加混合した樹脂溶液を用意した。つぎに、コア用樹脂溶液をクラッド用樹脂チューブに充填し、該コア用樹脂溶液を重合してプリフォームを作製した。得られたプリフォームに対して熱延伸を施して、実施例１のポリマ光ファイバ（色素分散配合ポリマ光ファイバ）を作製した。得られたポリマ光ファイバのコア径／クラッド外径は、667μm／1000μmであった。

（比較例１の作製）
従来技術の基準となる比較例１として、コアに色素を配合していないポリマ光ファイバ（色素非配合ポリマ光ファイバ）を作製した。製造方法は、コア用樹脂溶液に色素を添加しないこと以外は上記実施例１と同様にした。

（外部応力感度試験）
実施例１および比較例１のポリマ光ファイバを長さ1 mで切り出し、試験用の光ファイバひずみゲージを用意した。光源としてレーザ光源（波長530 nm）を用い、光検出器として光パワーメータを用いて光ファイバひずみセンサを組み上げた。光ファイバひずみゲージの中央部（長さ0.4 m）に対して平板を用いて均等に荷重を負荷して、透過した光強度を測定した。結果を図６に示す。

図６は、実施例１および比較例１における負荷した荷重と透過した光強度との関係を示すグラフである。図６に示したように、比較例１では、測定した荷重範囲で光強度にほとんど変化が見られなかった。これに対し、実施例１では、荷重の負荷を増加させると光強度が明確に低下し、負荷した荷重を除去すると光強度が回復することが確認された。

また、光検出器の検出波長を分散配合した色素（ローダミン6G）の発光波長として同様の測定を行ったところ、荷重の負荷を増加させると発光強度が増大し、負荷した荷重を除去すると発光強度が元に戻ることが確認された。

上記の実験結果から、本発明に係る光ファイバひずみゲージ、および該ひずみゲージを用いた光ファイバひずみセンサは、従来の光ファイバを用いたそれらよりも非常に高い感度を有することが実証された。

（実施例２）
コア用樹脂溶液に添加混合する色素として、ピラン誘導体（4-(ジシアノメチレン)-2-メチル-6-(4-ジメチルアミノスチリル)-4H-ピラン：DCM2、発光化合物、0.1質量％）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてポリマ光ファイバ（色素分散配合ポリマ光ファイバ）を作製した。

つぎに、光源としてレーザ光源（波長490 nm）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、光ファイバひずみセンサを組み上げ、その後、外部応力感度試験を行った。その結果、実施例１と同様に、荷重の負荷を増加させると透過光強度が低下して発光強度が増大し、負荷した荷重を除去すると透過光強度および発光強度が元に戻ることが確認された。

（実施例３）
コア用樹脂溶液に添加混合する色素として、フタロシアニン誘導体（2,9,16,23-テトラ-ターシャリブチル銅フタロシアニン、非発光化合物、0.01質量％）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてポリマ光ファイバ（色素分散配合ポリマ光ファイバ）を作製した。

つぎに、光源としてレーザ光源（波長670 nm）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、光ファイバひずみセンサを組み上げ、その後、外部応力感度試験を行った。その結果、実施例１と同様に、荷重の負荷を増加させると透過光強度が低下し、負荷した荷重を除去すると透過光強度が元に戻ることが確認された。

上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

101…光ファイバひずみゲージ、102…コア、103…クラッド、104…色素、
201…光ファイバひずみセンサ、202…光源、203…光検出器、
301…光ファイバひずみセンシングシステム、302…制御・信号処理装置、
303…光コネクタ、400…建築物。

Claims (8)

1. 光ファイバを用いたひずみゲージであって、
   前記光ファイバは、樹脂製コアと前記コアを覆う樹脂製クラッドとを有するポリマ光ファイバであり、
   前記コアに所定の色素が分散配合されていることを特徴とする光ファイバひずみゲージ。
2. 請求項１に記載の光ファイバひずみゲージにおいて、
   前記所定の色素が、シアニン誘導体、フタロシアニン誘導体、ローダミン誘導体、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、フルオレセイン誘導体、およびピラン誘導体のいずれかであることを特徴とする光ファイバひずみゲージ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光ファイバひずみゲージにおいて、
   前記所定の色素は、前記コアの樹脂に対して0.01質量％以上1質量％以下で配合されていることを特徴とする光ファイバひずみゲージ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光ファイバひずみゲージにおいて、
   前記ポリマ光ファイバは、偏波保持のマルチモード光ファイバであることを特徴とする光ファイバひずみゲージ。
5. 光ファイバひずみゲージと、光源と、前記光ファイバひずみゲージを伝搬した光を検出する光検出器とを有する光ファイバひずみセンサであって、
   前記光ファイバひずみゲージが、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光ファイバひずみゲージであり、
   前記光源は、前記所定の色素の吸収波長を含む波長領域の光を出力する光源であることを特徴とする光ファイバひずみセンサ。
6. 請求項５に記載の光ファイバひずみセンサにおいて、
   前記光源は、直線偏光を出力する光源であることを特徴とする光ファイバひずみセンサ。
7. 請求項５又は請求項６に記載の光ファイバひずみセンサにおいて、
   前記光ファイバひずみゲージが、光コネクタを介して複数接続されていることを特徴とする光ファイバひずみセンサ。
8. 光ファイバひずみセンサと制御・信号処理装置とを有する光ファイバひずみセンシングシステムであって、
   前記光ファイバひずみセンサが、請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の光ファイバひずみセンサであり、
   前記制御・信号処理装置は、前記光源および前記光検出器と接続されていることを特徴とする光ファイバひずみセンシングシステム。

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