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光ファイバ型センサおよび光ファイバ型センサシステム 新技術説明会

国内特許コード P09A014988
整理番号 12
掲載日 2010年2月5日
出願番号 特願2002-013249
公開番号 特開2003-214906
登録番号 特許第4310606号
出願日 平成14年1月22日(2002.1.22)
公開日 平成15年7月30日(2003.7.30)
登録日 平成21年5月22日(2009.5.22)
発明者
  • 渡辺 一弘
出願人
  • 学校法人創価大学
発明の名称 光ファイバ型センサおよび光ファイバ型センサシステム 新技術説明会
発明の概要 (57)【要約】【課題】 製造の容易なヘテロ・コア型光ファイバを使用して、この光ファイバに無理な屈曲や伸張を与えることなく、測定対象の各種変化を、幅広い測定範囲で、かつ、長期的、広範囲に測定可能な光ファイバ型センサおよび光ファイバ型センサシステムを提供する。【解決手段】 光ファイバ型センサは、ヘテロ・コア部を有するヘテロ・コア型光ファイバと、応力を、ヘテロ・コア部を中心とした前記へテロ・コア型光ファイバの屈曲に変換する機構手段とを有し、ヘテロ・コア部の屈曲に応じて、ヘテロ・コア型光ファイバに光伝送の損失を生じさせる。光ファイバ型センサシステムは、一つ以上の前記へテロ・コア型光ファイバを所定の間隔で直列に接続したヘテロ・コア型のセンサ用光ファイバラインと、前記機構手段と、センサ用光ファイバラインに検出用の光を入射する光入射手段と、前記検出用の光を受光する受光手段とを有する。
従来技術、競合技術の概要
安全確保、災害予知等の観点から、高架道路、トンネル、高架橋、鉄道、各種プラント、大型航空機、船舶等の構造物や、その近傍の自然環境の損傷や変化の効果的なモニタリングの要求が高まっている。これらのモニタリングは、長期かつ広範囲にわたり、検出された情報を一元的に統括できることが望まれている。
従来から、機械や建築物等の構造物のひずみ測定器としては、電気抵抗式のひずみゲージが知られている。
また、光ファイバの持つ軽量、低電力、耐電磁誘導性、耐腐食性等の特徴を活かそうとする光ファイバ式ひずみセンサも考案されている(例えば特開平11-287626号公報を参照)。
【0003】
光ファイバ式ひずみセンサには、屈曲型と伸張型という2つの代表的な方式が存在する。
屈曲型の光ファイバ式ひずみセンサでは、光ファイバ自体にあらかじめ曲率半径数mm程度の小さな曲げ(マイクロベンディング)を部分的に与えておき、測定したいひずみ量をこの曲げに伝え、光の伝達損失からひずみ量を検出する。この方式は、光ファイバは伝達損失が発生する曲率半径の範囲において、曲率半径が小さくなると伝達損失が増大し、曲率半径が大きくなると伝達損失が減少するという原理に基づいている。
【0004】
一方、伸張型の光ファイバ式ひずみセンサでは、測定したいひずみ量を、光ファイバを長手方向に伸張させるような力に変換し、光ファイバを伸ばそうとするときに光ファイバ内部に生じる屈折率の周期的な変化を利用する。光ファイバが長手方向にひずみ状態になっている領域を光が通過するとき、散乱される光の波長が少しだけシフトする。この波長のシフトと光ファイバの長手方向のひずみとの間には相関があり、波長のシフトを測定すれば、ひずみ量を測定することができる。この伸張型のひずみ測定方式は、「ブリルアン散乱法」とも呼ばれる。
産業上の利用分野
本発明は、光ファイバを用いて測定対象に関わる所定の物理量または現象の変化を測定する光ファイバ型センサ、ならびにこの光ファイバ型センサを用いた光ファイバ型センサシステムに関する。詳細には、本発明は、光ファイバの曲げによる光の伝達損失を効果的に検出して、測定対象のひずみ、曲げ、縮み、伸び等の変化を測定する光ファイバ型センサ、ならびにこの光ファイバ型センサを用いた光ファイバ型センサシステムに関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 コアおよびクラッドを有する第1および第2の光ファイバと、前記第1および第2の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第1および第2の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能であり、前記第1および第2の光ファイバとコア径が異なるヘテロ・コア部である光透過部材または前記第1および第2の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバと、
前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第1の保持部材と、
前記第1の保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第2の保持部材と
中空構造を有して内部に前記センサ用光ファイバ、前記第1の保持部材及び前記第2の保持部材が収容されたロッドであり、前記中空の前記ロッドの内部に支持ロッドが挿入されており、前記第1の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第2の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されて前記ロッドにたわみが生じたとき、前記中空構造に対して同心に保持されていた前記支持ロッドにより所定の位置関係に保持されていた前記第1および第2の保持部材の距離が前記たわみにより縮まり、前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバが曲率半径8mm以上の範囲で屈曲するように、前記第1の保持部材が前記支持ロッドに接続され、前記第2の保持部材が前記中空構造の内壁に接している、ロッドと、
前記応力が解除されて前記ロッドの前記たわみが解消したときに前記光ファイバを前記屈曲状態から前記所定の位置関係に復帰させる圧縮バネと
を有し、
前記光透過部材の屈曲に応じて、前記センサ用光ファイバに光伝送の損失が生じる
ロッドセンサ
【請求項2】 コアおよびクラッドを有する第1および第2の光ファイバと、前記第1および第2の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第1および第2の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能であり、前記第1および第2の光ファイバとコア径が異なるヘテロ・コア部である光透過部材または前記第1および第2の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバと、
前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第1リンク用保持部材と、
前記第1リンク用保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第2リンク用保持部材と
中空構造を有して内部に前記センサ用光ファイバ、前記第1リンク用保持部材及び前記第2リンク用保持部材が収容されたロッドであり、前記中空の前記ロッドの内部において前記第1リンク用保持部材及び前記第2リンク用保持部材を接続するリンク機構が設けられており、前記第1リンク用保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第2リンク用保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されて前記ロッドに縮みが生じたとき、所定の位置関係に保持されていた前記第1および第2リンク用保持部材の距離が前記縮みにより縮まり、前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバが曲率半径8mm以上の範囲で屈曲するように、前記第1リンク用保持部材及び前記第2リンク用保持部材が前記リンク機構に接続している、ロッドと
を有し、
前記応力が解除されて前記ロッドの前記縮みが解消したときに前記リンク機構が前記光ファイバを前記屈曲状態から前記所定の位置関係に復帰させ、
前記光透過部材の屈曲に応じて、前記センサ用光ファイバに光伝送の損失が生じる
ロッドセンサ
【請求項3】 コアおよびクラッドを有する第1および第2の光ファイバと、前記第1および第2の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第1および第2の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能であり、前記第1および第2の光ファイバとコア径が異なるヘテロ・コア部である光透過部材または前記第1および第2の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバを複数直列に接続したセンサ用光ファイバラインと、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第1の保持部材と、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記第1の保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第2の保持部材と
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、中空構造を有して内部に前記センサ用光ファイバ、前記第1の保持部材及び前記第2の保持部材が収容されたロッドであり、前記中空の前記ロッドの内部に支持ロッドが挿入されており、前記第1の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第2の保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されて前記ロッドにたわみが生じたとき、前記中空構造に対して同心に保持されていた前記支持ロッドにより所定の位置関係に保持されていた前記第1および第2の保持部材の距離が前記たわみにより縮まり、前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバが曲率半径8mm以上の範囲で屈曲するように、前記第1の保持部材が前記支持ロッドに接続され、前記第2の保持部材が前記中空構造の内壁に接している、ロッドと、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記応力が解除されて前記ロッドの前記たわみが解消したときに前記光ファイバを前記屈曲状態から前記所定の位置関係に復帰させる圧縮バネと、
前記センサ用光ファイバラインに検出用の光を入射する光入射手段と、
前記検出用の光を受光する受光手段と、
を有し、
前記検出用の光により、前記光透過部材の屈曲に応じた前記センサ用光ファイバの光伝送の損失を検出し、前記ロッドのたわみを測定する
ロッドセンサシステム。
【請求項4】 コアおよびクラッドを有する第1および第2の光ファイバと、前記第1および第2の光ファイバの間に位置し、その両端部が前記第1および第2の光ファイバと融着接合されており、長手方向と直交する方向の応力印加に応じて屈曲可能であり、前記第1および第2の光ファイバとコア径が異なるヘテロ・コア部である光透過部材または前記第1および第2の光ファイバのコアの屈折率またはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材とを有するセンサ用光ファイバを複数直列に接続したセンサ用光ファイバラインと、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記光透過部材を有するセンサ用光ファイバの一端部を保持する第1リンク用保持部材と、
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、前記第1リンク用保持部材と所定の距離をおいて配置され、前記光透過部材を挟んで前記センサ用光ファイバの他端部を保持する第2リンク用保持部材と
前記センサ用光ファイバに対してそれぞれ設けられた、中空構造を有して内部に前記センサ用光ファイバ、前記第1リンク用保持部材及び前記第2リンク用保持部材が収容されたロッドであり、前記中空の前記ロッドの内部において前記第1リンク用保持部材及び前記第2リンク用保持部材を接続するリンク機構が設けられており、前記第1リンク用保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点と前記第2リンク用保持部材が前記センサ用光ファイバを保持する点とを結ぶ方向と同一の方向に応力が印加されて前記ロッドに縮みが生じたとき、所定の位置関係に保持されていた前記第1および第2リンク用保持部材の距離が前記縮みにより縮まり、前記光透過部材を中心として前記センサ用光ファイバが曲率半径8mm以上の範囲で屈曲するように、前記第1リンク用保持部材及び前記第2リンク用保持部材が前記リンク機構に接続している、ロッドと、
前記センサ用光ファイバラインに検出用の光を入射する光入射手段と、
前記検出用の光を受光する受光手段と、
を有し、
前記ロッドのそれぞれにおいて前記応力が解除されて前記ロッドの前記縮みが解消したときに前記リンク機構が前記光ファイバを前記屈曲状態から前記所定の位置関係に復帰させ、
前記検出用の光により、前記光透過部材の屈曲に応じた前記センサ用光ファイバの光伝送の損失を検出し、前記ロッドの縮みを測定する
ロッドセンサシステム。
【請求項5】 複数の前記センサ用光ファイバラインと、
前記複数のセンサ用光ファイバラインと前記光入射手段および受光手段とを接続し、測定に利用する前記センサ用光ファイバラインを適宜選択切換えする光スイッチと
をさらに有する
請求項3または4に記載のロッドセンサシステム。
産業区分
  • 測定
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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