光学式ひずみゲージ
【課題】高い測定精度を有し、かつコンパクト化を図った、二軸方向のひずみを計測するための光学式ひずみゲージを提供すること。
【解決手段】光導波路７と、該光導波路から所定の角度をもって分岐されかつブラッグ回折格子５を備えた３つの光導波路分岐延長部２，３，４とから成り、該光導波路分岐延長部２，３，４が互いに所定の角度間隔１９でベースプレート６上に設けられ、前記光導波路７から光が導入される、複数軸方向のひずみを測定するための光学式ひずみゲージにおいて、前記光導波路７及び前記光導波路分岐延長部２，３，４を前記ベースプレート６上に直線状に配置するとともに、前記光導波路７と前記光導波路分岐延長部２，３，４の間に光配分要素８を設けた。
【解決手段】光導波路７と、該光導波路から所定の角度をもって分岐されかつブラッグ回折格子５を備えた３つの光導波路分岐延長部２，３，４とから成り、該光導波路分岐延長部２，３，４が互いに所定の角度間隔１９でベースプレート６上に設けられ、前記光導波路７から光が導入される、複数軸方向のひずみを測定するための光学式ひずみゲージにおいて、前記光導波路７及び前記光導波路分岐延長部２，３，４を前記ベースプレート６上に直線状に配置するとともに、前記光導波路７と前記光導波路分岐延長部２，３，４の間に光配分要素８を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路と、該光導波路から所定の角度をもって分岐されかつブラッグ回折格子を備えた少なくとも２つの光導波路分岐延長部とから成り、該光導波路分岐延長部が互いに所定の角度間隔でベースプレート上に設けられ、光導波路から光が導入される、複数軸方向のひずみを測定するための光学式ひずみゲージと、請求項１１の上位概念による光学式ひずみゲージの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
力の解析あるいは部材に作用する機械的な負荷の検出には、電気抵抗式のひずみゲージが多く用いられている。この電気抵抗式ひずみゲージは、被測定部材である、力が負荷される部材のひずみを検出する。このような電気抵抗式のひずみゲージは、多くがフォトリソグラフィによって形成された電気抵抗を有する蛇行した形状の測定格子で構成されている。また、この電気抵抗式ひずみゲージは、合成樹脂製のベースプレート上に配置されるとともに、機械的な損傷から保護するために多くは更に保護フィルムを備えている。
【０００３】
そして、この電気抵抗式ひずみゲージは、負荷に応じたひずみを検出するために被測定部材上に貼着され、ひずみを、測定格子の電気抵抗の変化によってひずみあるいは負荷に比例した電気信号に変換する。
【０００４】
ここで、二軸方向のひずみを計測する場合には、いわゆるロゼット状のひずみゲージが用いられ、通常、互いに４５°、６０°又は９０°の角度間隔で配置された２つ又は３つの計測格子がベースプレート上に形成される。このようなロゼット状のひずみゲージは、その多くが主軸方向及び主軸と直交する方向のひずみ若しくは力の大きさの計測又は主軸の調整のために用いられる。
【０００５】
従来、Ｔ字型のロゼット状のひずみゲージが知られており、これは、２つの計測格子が互いに９０°の角度をなすように配置されたものである。このロゼット状のひずみゲージは、特に、主軸方向が分かっている二軸応力状態で使用される。
【０００６】
一方、３つの計測格子を備えたロゼット状のひずみゲージは、主応力方向が不明である場合の二軸応力状態を特定するために用いられる。この際、同位置における同様なひずみも検出することができるよう、各計測格子を互いにできる限り近づけて配置する必要がある。これにより、正確な計測が達成される。なお、上記理由により、この３つの計測格子を備えたロゼット状のひずみゲージでそのサイズが１０ｍｍ×２０ｍｍを超えるものはほとんどない。
【０００７】
また、このような電気抵抗式ひずみゲージは、電磁場あるいは高圧電流の影響を強く受けてしまう。さらに、このような電気抵抗式ひずみゲージは、急膨張するような箇所には使用できない。
【０００８】
ところで、特許文献１には、二軸応力を高圧電流及び電磁場の影響を受けることなく検出し、ひずみを最適に測定可能なセンサが開示されている。このセンサは、更に光ファイバから成る光導波路を備えている。そして、この光ファイバには、ひずみに比例した反射波長を発生させるいわゆるブラッグ回折格子が形成されており、このブラッグ回折格子が形成された光ファイバは、エポキシ樹脂製のベースプレート内に埋設されるか、このベースプレート上に接着される。
【０００９】
このベースプレートは、被測定部材上に貼着されつつ当該ベースプレートに生じるひずみをブラッグ回折格子へと伝達する。そして、生じるひずみに応じてブラッグ波長が変化し、これにより、ひずみが検出される。
【００１０】
このような光学式ひずみゲージは、二軸応力を測定するためにロゼット状に形成されているとともに、互いに４５°、６０°又は９０°の角度をなす２つ又は３つのブラッグ回折格子を有する光導波路で構成されており、電気抵抗式のものと同様に被測定部材のひずみを検出することできる。ここで、光導波路におけるブラッグ回折格子との接続部はアーチ状となっているが、その曲率半径は、反射ロスを少なくするために所定の値を下回ってはならない。
【００１１】
一方、光導波路におけるブラッグ回折格子との接続部を極端な先細り状に形成することで反射ロスを低減し、上記曲率半径を小さくすることが提案されている。
【特許文献１】欧州特許第１１２９３２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、それでも光導波路におけるブラッグ回折格子との接続部には約１０ｍｍの長さが必要であり、２つ又は３つのブラッグ格子を備えた光学式ひずみゲージは、電気抵抗式のものと同等の精度を得ようとすると、その貼着面積を電気抵抗式のものに比して大きくなってしまうという問題があった。
【００１３】
本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、高い測定精度を有し、かつコンパクト化を図った、二軸方向のひずみを計測するための光学式ひずみゲージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的は、請求項１及び請求項１１に記載の発明によって達成される。また、その他の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ブラッグ回折格子が形成された光導波路をベースプレートにおける溝に固定することによって、光学式ひずみゲージを非常に平らに形成することが可能である。特に、光配分要素を長い長さを占めることなくコンパクトにベースプレートに埋設できるため、電気抵抗式のものと同等のコンパクト化を図ることができる。
【００１６】
また、光配分要素を用いることにより、すべての光導波路分岐延長部（ロゼット状部分）を直線状に形成することが可能である。すなわち、光配分要素は長い長さを占めないため、光導波路分岐延長部のサイズは主にブラッグ回折格子の長さのみによって決定される。その結果、貼着面積が非常に縮小された光学式ひずみゲージを得ることができる。
【００１７】
さらに、光配分要素の断面積が光導波路より大きくなく非常に小さいため、薄いベースプレートにこの光配分要素を組み込むことも可能である。
【００１８】
また、この光配分要素を用いることにより、光を導入する光導波路を各光導波路延長部に共通に１つのみ設ければ足り、特に、各測定位置と解析ユニットの間隔が離れている場合及び測定位置が多数ある場合には、かなりの接続用配線を省略することができる。
【００１９】
さらに、本発明によれば、上記溝をフォトリソグラフィによる化学エッチングによって、又は機械的に精度よく形成することも可能であり、そのため、本発明による光学式ひずみゲージを、容易に被測定部材に貼着できるよう生産精度を良好に保ちつつ安価に大量生産することが可能である。
【００２０】
また、上記のような非常に平らで小さな貼着面積を有する光学式ひずみゲージによれば、これを繊維複合材料の内部又は表面に固定することが可能であり、この際、この光学式ひずみゲージは繊維構造をほとんど損なうことがなく、この繊維構造は、繊維複合材料から成る被測定部材に通常生じることが予想される１０％のひずみまで損傷することなく耐えることが可能である。
【００２１】
しかして、本発明による光学式ひずみゲージによれば、電気抵抗式のひずみゲージに比して電磁場及び高圧電流の影響をほとんど受けないという効果が得られる。さらに、本発明による光学式ひずみゲージによれば、電流供給がなされないため、出力のその伝達過程における変動による影響を受けないという利点も得られ、更には急膨張するような箇所にも使用することが可能である。
【００２２】
また、ブラッグ回折格子が溝内に固着されるとともに包囲されるようにベースプレートと接続されているため、力がブラッグ回折格子に正確に伝達される。すなわち、測定精度の向上及び特にヒステリシス現象の低減が達成される。
【００２３】
ところで、本発明によれば、光導波路を完全に溝内に埋設しているため、光学式ひずみゲージを容易に製造することが可能である。また、このような光学式ひずみゲージをセラミックス又はガラス層並びにガラスから成る光導波路で構成することもできるため、この光学式ひずみゲージを高温下でも使用することが可能である。
【００２４】
さらに、本発明によれば、温度を補償するための更なるブラッグ回折格子が設けられているため、温度に依存しないひずみの測定が可能であるとともに、温度のみを別に検出することも可能である。したがって、光学式ひずみゲージ及びこれに接する部材の熱的な負荷を検出することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、光学式ひずみゲージ１を示している。この光学式ひずみゲージ１は、二軸方向のひずみを測定するためロゼット状に形成されており、ブラッグ格子５が刻設された光導波路分岐延長部２，３，４から成っている。これら光導波路分岐延長部２，３，４は光導波路７から分岐して形成されており、光導波路７からの光信号は、光配分要素８を通って各光導波路分岐延長部２，３，４へ送出される。
【００２７】
これら各光導波路分岐延長部２，３，４は、すべて直線状に形成されているとともに、支持層として形成されたベースプレート６に取り付けられている。また、光導波路７及び各光導波路分岐延長部２，３，４には、特にブラッグ回折格子５が刻設されている。
【００２８】
上記ベースプレート６は、光導波路分岐延長部２，３，４を支持するため、例えばポリアミド系の堅固で弾性を有する薄い合成樹脂で構成されている。なお、このベースプレート６を、他の堅固で弾性を有する合成樹脂、ガラス、セラミックス又は金属で構成することも可能である。
【００２９】
このベースプレート６は、あらかじめ製作された光学式ひずみゲージ１を被測定部材上に貼着するか、又は力が負荷されるこの被測定部材中の正確な位置に取り付けるために用いられる。また、このベースプレート６は、プラナーレンズとして形成されているとともに、０．５５ｍｍの厚さと正方形状又は長方形状の横断面を有して構成されている。ここで、このベースプレート６は、ブラッグ回折格子５を備えた光導波路分岐延長部２，３，４の長さ、配置角度及び個数に適合するよう設定されている。
【００３０】
図示の実施形態では、それぞれ角度を変えて配置した３つのブラッグ回折格子５によって二軸方向のひずみを測定する光学式ひずみゲージ１が、１８ｍｍ×２０ｍｍのベースプレート６上に設置されている。このようなサイズは、十分な信号対雑音比（ＳＮ比）における約１０ｍｍのブラッグ回折格子の長さから求められるものである。ここで、信号対雑音比を低減するか、又は解析ユニットを改良し光導波路分岐延長部２，３，４を短く設定することで、約９ｍｍ×１０ｍｍの更に小さな横断面を得ることが可能である。なお、この約９ｍｍ×１０ｍｍの横断面を有するものは、電気抵抗式ひずみゲージと同等の計測精度を有している。
【００３１】
また、このベースプレート６には光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４を固定するための溝１１が刻設されており、該溝１１の断面は、光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４の断面に適合するよう設定されている。すなわち、光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４は直径０．２５ｍｍのグラスファイバで形成されているので、溝１１は少なくとも０．２５ｍｍの深さ及び幅で形成される必要がある。
【００３２】
図２には図１の光導波路７におけるＡ−Ａ断面が図示されており、光導波路７は、溝１１に完全に埋設されているため、ベースプレート６内に完全に組み込まれている。なお、この溝１１はフォトリソグラフィによる化学エッチングによって形成されるが、ベースプレート６の一部を除去することによって溝１１を機械的又は熱的に精度よく形成することも可能である。
【００３３】
ところで、光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４は、ガラスファイバから成る、遠距離通信に用いられる特に波長（λ）が１５５０ｎｍのシングルモード光ファイバである。光ファイバであるこれら光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４は、コア１５、クラッド１６及び被覆層１７（場合によっては省略可能）で構成されている。
【００３４】
そして、光の導入は、光がベースプレート６のエッジ部１４から光導波路７へ導入されることによってのみ行われる。また、光導波路７は、ベースプレート６のほぼ中央部から４ｍｍ程度このベースプレート６内へ軸方向に挿入され、そこで固定されている。さらに、この光導波路７の端部には、光配分要素８としてグレイデッド・インデックス・レンズ（ＧＲＩＮレンズ）９（以下「ＧＲＩＮレンズ」という。）及び透過型正弦波格子１０が設けられている。このＧＲＩＮレンズ９は、光のビーム径を１５０μｍから５００μｍへ拡大する。
【００３５】
そして、上記透過型正弦波格子１０は、その屈折度が−１、０及び＋１となるよう光波を屈折させる。これらの屈折度は、それぞれ−４５°、０°及び＋４５°の角度１９に相当する。そして、直線状の溝１８は、それぞれ４５°の角度１９をなして光導波路分岐延長部２，３，４に向けてベースプレート６内へ延びている。この溝１８はそれぞれ例えば１０ｍｍの長さを有しており、その横断面は０．１２５ｍｍ×０．１２５ｍｍとなっている。なお、光導波路分岐延長部２，３，４は、コア１５及びクラッド１６から成る光ファイバのほか、合成樹脂製のフォトレジスト又はガラスで形成することも可能である。さらに、これら光導波路分岐延長部２，３，４の端部には、格子周期Λのいわゆるブラッグ回折格子５が刻設されている。
【００３６】
ところで、光配分要素８は、ＧＲＩＮレンズ９のみで構成することもでき、この場合、光導波路分岐延長部２，３，４はＧＲＩＮレンズ９と直接接続され、−４５°〜＋４５°の間で複数の角度間隔をもって分岐部が形成される。この際、光導波路分岐延長部２，３，４は溝１８内でベースプレート６に固定されている。この固定は、圧着又は接着、特に硬化性のエポキシ樹脂接着剤によりなされる。また、ベースプレート６における少なくとも溝１０，１８の範囲には、湿気の影響及び機械的な故障を防ぐ保護層としての保護フィルム１２が被覆してあり、この保護フィルム１２は、同一の素材によって０．０５ｍｍの厚さに形成されている。
【００３７】
ところで、本発明の一実施例として、光導波路分岐延長部２，３，４を溝１８内に埋め込まれたプラナー導波路とすることも可能である。この場合、溝１８内には、通常のベースプレート６よりも屈折率の大きい例えば合成樹脂製のベースプレート６、光伝導性の良好なポリマー基層又は他のいわゆるフォトレジストが収容される。これにより屈折率の急激な変化が生じ、光伝導性が良好な合成樹脂としてのポリマー基層は光導波路のように機能する。このとき、結局のところ、ポリマー基層はコアとして機能し、ベースプレート６は低い屈折率を有するクラッドとして機能する。特に、正方形状又は長方形状の溝１８は、光伝導性の良好なポリマー基層を収容することにより、グラスファイバのような所定の波長の光の導波に適したマイクロストリップを容易に形成することが可能である。
【００３８】
このような実施例においては、光伝導性が良好な基層を溝１８に収容する前に、ブラッグ回折格子５として機能する帯状の凹部が間隔Λをもって刻設される。すなわち、くし状に凹凸が形成され、このくし状の凹凸が、所定の波長λBで入射してくる光を反射する３ｍｍ〜１０ｍｍの長さＬのブラッグ回折格子５を形成する。また、光導波路分岐延長部２，３，４がベースプレート６の溝１８内に埋設されつつ固定されているため、ベースプレート６に生じるすべてのひずみを正確に検出することが可能である。
【００３９】
さらに、光導波路分岐延長部２，３，４として溝１８内に取り付けられた光導電性が良好な基層を用いる上記のような実施例において、ベースプレート６として耐熱性のガラス層又はセラミックス層を用いることができ、これに設けられた溝１８内には、クォーツガラスコーティング層を備えたフォトニック結晶が取り付けられている。そして、このフォトニック結晶によってブラッグ回折格子が形成され、ひずみの検出が可能となる。なお、溝は電場（磁場）の下でのイオン交換により形成することも可能であり、ブラッグ回折格子は外部から化学エッチングによって溝内に形成される。このような実施例におけるひずみゲージは、９００℃までの温度下で使用することが可能である。
【００４０】
ところで、光導波路７におけるベースプレート６の外方部分には、温度を補償するための４つ目のブラッグ回折格子１３が刻設されており、その格子周期はΛTに設定されている。また、光の進入及びブラッグ回折格子５で反射する光信号の検出のために、光導波路７は不図示の解析ユニットに接続されており、この解析ユニットは、スペクトロメータ及び同調可能で高分解能のファブリペローフィルタを含んで構成されている。
【００４１】
しかして、上記光学式ひずみゲージ１は、従来の電気抵抗式ひずみゲージと同様に金属製の被測定部材上に貼着されるか、繊維複合材料中に設置されるか、繊維複合材料上に貼着されるかのうち少なくともいずれかで使用される。このような上記光学式ひずみゲージ１によれば、温度変化によるひずみも検出することができるため、ひずみから力だけでなく温度も計測することが可能である。
【００４２】
このような光学式ひずみゲージ１を力が負荷される被測定部材に貼着すれば、後述するように力及びひずみを計測することが可能である。すなわち、被測定部材に作用する力による該被測定部材の表面のひずみが、この表面に貼着されたベースプレート６を介して光導波路分岐延長部２，３，４へ伝達される。このため、ブラッグ回折格子５が光導波路分岐延長部２，３，４のコア１５で形成されていることにより、ブラッグ回折格子５の長さ変化が生じる。なお、コア１５は、該コア１５よりも屈折率が小さいクラッド１６で包囲されている。
【００４３】
これら光導波路分岐延長部２，３，４はシングルモード光ファイバで形成されている。そして、そのコア１５の直径は、特に赤外線源からの光を単一モードでコア１５に沿って導入できるよう、十分小さく９μｍに設定されている。この単一モードの光は、コア１５とクラッド１６の境界で伝導される。ブラッグ回折格子５におけるライン２０は、コア１５の有効屈折率ｎを変化させる等間隔に配置された変化部である。また、ブラッグ回折格子５は、光導波路分岐延長部２，３，４の長さＬ＝１０ｍｍに沿って延設されている。なお、この長さＬは１ｍｍ〜２０ｍｍに設定可能である。
【００４４】
ところで、ブラッグ回折格子５の製造方法には様々なものがあり、これらのうちの１つによれば、光導波路分岐延長部２，３，４を位相マスクでマスキングするとともに、この光導波路分岐延長部２，３，４に強力な紫外線を照射することでコア１５における屈折率ｎの変化部が形成される。
【００４５】
また、他の方法によれば、屈折率ｎの変化部は、光導波路分岐延長部２，３，４を、紫外線レーザを二分する位置で生じる干渉縞にさらすことで形成される。屈折率ｎの変化部の互いの間隔Λは、紫外線レーザを二分する角度によって決定される。なお、この方法により生じる屈折率ｎの変化は、通常、１／１０００オーダー以下のレベルである。
【００４６】
ブラッグ回折格子５が加工される光導波路分岐延長部２，３，４は、通常、クラッド１６の外側に被覆層１７を備えている。この被覆層１７は、特にポリマーから成り、光の導波には何ら影響を与えない。さらに、この被覆層１７は、光導波路分岐延長部２，３，４が紫外線にさらされてブラッグ回折格子５の形成がなされる前に取り除かれる。そして、光を導入させた後、光導波路７における取り除かれた部分は、耐久性を再び持たせるために、４つ目のブラッグ回折格子１３のように新たにコーティングされる。
【００４７】
しかして、ブラッグ回折格子５に入力信号として幅の広いスペクトルが入力されると、ほとんどの波長のものは回折格子範囲を透過し、透過出力信号が生成される。屈折率ｎの周期的な変化は、入力信号の要素に、いわゆるブラッグ波長λBでの強いブラッグ反射を引き起こす。このブラッグ波長λBは、有効屈折率をｎ、格子周期をΛとして、
λB＝２ｎΛ
と表される。
【００４８】
ブラッグ回折格子５によって反射した光波信号は、スペクトロメータ又はいわゆるファブリペローフィルタによって検出される。このとき、最高の反射率を生じさせる波長λは、格子周期Λに依存した所定の値をとる。仮に、ブラッグ回折格子５にひずみが生じると、格子周期Λが変化し、ブラッグ波長λBも変化する。この際、ブラッグ波長λBはひずみにほぼ比例する。
【００４９】
そして、波長の変化量ΔλBは被測定部材に作用する力に対する尺度であるので、このような光学式ひずみゲージ１を、電気抵抗式ひずみゲージと同様、特にロードセル、トルク軸、力が作用する他の部材等の被測定部材に使用することが可能である。もちろん、このような光学式ひずみゲージ１は例えば航空宇宙工学などにおける力負荷実験にも応用することが可能であり、この場合、光学式ひずみゲージ１を、被測定部材に直接貼着し、未知の方向への力によるひずみが測定できるよう、特に本発明のようにロゼット状に配置するのが望ましい。
【００５０】
一方、被測定部材の状態を把握するために光学式ひずみゲージ１を応用することも可能であり、この場合、所定の限界値の超過によって、疲労あるいは亀裂を検出することができる。
【００５１】
ところで、ひずみに応じた負荷を検出するには、例えばファブリペローフィルタを備えた特別なスペクトル解析ユニットを用いる。このスペクトル解析ユニットは光導波路分岐延長部２，３，４のための受信ユニット及び送信ユニットであり、その内部では、解析ユニットによって、ブラッグ回折格子５で反射したブラッグ波長λBが検出される。
【００５２】
ここで、まず、被測定部材が負荷を受けていない状態で、送信ユニットとしての赤外線源によって、１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの波長λが光導波路分岐延長部２，３，４へ送出される。そして、ブラッグ回折格子５によって、上記式
λB＝２ｎΛ
に基づき所定の波長λB0が反射される。この波長λB0は、連結器内で、放射された光波信号から分離される。
【００５３】
また、反射した光波信号は、下記の公知のファブリペローフィルタにより受信ユニット内又はその他のスペクトロメータユニット内で１ｐｍの解像度で検出され、基準値λB0としてメモリされるか、又は表示装置に表示される。
【００５４】
ここで、負荷に応じたひずみが被計測部材に生じると、このひずみによって、貼着されたベースプレート６を介して光導波路分岐延長部２，３，４の長さ変化が引き起こされ、それぞれ反射したブラッグ回折格子５の波長λB1が格子周期Λにより変化する。なお、この波長λB1もファブリペローフィルタによって検出される。
【００５５】
そして、上記λB0とλB1との差（λB0−λB1）が生じると、ひずみあるいは力に比例する値が得られ、この値をひずみあるいは力として表示装置に表示することが可能である。ここで、本発明のようなそれぞれ４５°の角度でロゼット状に配置された３つの光導波路分岐延長部２，３，４においては、それぞれの分岐延長部におけるひずみあるいは力が解析され、前記角度に基づき電気抵抗式ひずみゲージと同様に各方向の力成分又はその合成が算出される。
【００５６】
なお、ブラッグ回折格子５の波長は周辺温度に比例して変化するため、周辺温度が一定であれば、上記のようにして測定されたひずみあるいは力は十分に正確である。一方、ブラッグ回折格子５が周辺温度に比例して変化することにより、ひずみだけではなく温度も光学式ひずみゲージ１によって測定することが可能である。したがって、ブラッグ波長λBの変化量はひずみと温度の関数であり
ΔλB＝ＫE×ε＋ＫT×ΔＴ
と表現される。ここで、ＫEはひずみの感度因子、εはひずみ、ＫTは温度の感度因子、ΔＴは温度変化量である。
【００５７】
ここで、この式は、温度によるブラッグ波長λBの変化量とひずみによるブラッグ波長λBの変化量を分離して示すものではなく、また、温度が常に一定であるとは限らないので、温度を補償（相殺）するために第４のブラッグ回折格子１３が設けられている。この第４のブラッグ回折格子１３が設けられているため、温度のみによるブラッグ波長の変化量ΔλBT（ΔλBT＝ＫT×ΔＴ）が受信ユニットによって検出される。そして、解析ユニット内において、温度及びひずみによるブラッグ波長の変化量ΔλBからこの温度のみによるブラッグ波長の変化量ΔλBTが減算される。
【００５８】
以上の結果、光学式ひずみゲージ１によって、温度に依存せずに非常に高い精度でひずみあるいは力を測定することが可能である。
【００５９】
さらに、本発明による光学式ひずみゲージ１を、大きな面積を有するベースプレート上に更なるロゼット状の光導波路分岐延長部を設けて構成することで、例えば複雑な部材における応力変化を解析できるようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】ロゼット状に形成された光学式ひずみゲージの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面における光学式ひずみゲージの断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 光学式ひずみゲージ
２，３，４ 光導波路枝部（分岐延長部）
５，１３ ブラッグ回折格子
６ ベースプレート
７ 光ファイバ（光導波路）
８ 光配分要素
９ ＧＲＩＮレンズ
１０ 透過型正弦波格子
１１，１８ 溝
１２ 保護フィルム
１４ ベースプレートのエッジ部
１５ コア
１６ クラッド
１７ 被覆層
１９ 角度
２０ ライン
Λ，ΛT 格子周期
λB ブラッグ波長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路と、該光導波路から所定の角度をもって分岐されかつブラッグ回折格子を備えた少なくとも２つの光導波路分岐延長部とから成り、該光導波路分岐延長部が互いに所定の角度間隔でベースプレート上に設けられ、光導波路から光が導入される、複数軸方向のひずみを測定するための光学式ひずみゲージと、請求項１１の上位概念による光学式ひずみゲージの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
力の解析あるいは部材に作用する機械的な負荷の検出には、電気抵抗式のひずみゲージが多く用いられている。この電気抵抗式ひずみゲージは、被測定部材である、力が負荷される部材のひずみを検出する。このような電気抵抗式のひずみゲージは、多くがフォトリソグラフィによって形成された電気抵抗を有する蛇行した形状の測定格子で構成されている。また、この電気抵抗式ひずみゲージは、合成樹脂製のベースプレート上に配置されるとともに、機械的な損傷から保護するために多くは更に保護フィルムを備えている。
【０００３】
そして、この電気抵抗式ひずみゲージは、負荷に応じたひずみを検出するために被測定部材上に貼着され、ひずみを、測定格子の電気抵抗の変化によってひずみあるいは負荷に比例した電気信号に変換する。
【０００４】
ここで、二軸方向のひずみを計測する場合には、いわゆるロゼット状のひずみゲージが用いられ、通常、互いに４５°、６０°又は９０°の角度間隔で配置された２つ又は３つの計測格子がベースプレート上に形成される。このようなロゼット状のひずみゲージは、その多くが主軸方向及び主軸と直交する方向のひずみ若しくは力の大きさの計測又は主軸の調整のために用いられる。
【０００５】
従来、Ｔ字型のロゼット状のひずみゲージが知られており、これは、２つの計測格子が互いに９０°の角度をなすように配置されたものである。このロゼット状のひずみゲージは、特に、主軸方向が分かっている二軸応力状態で使用される。
【０００６】
一方、３つの計測格子を備えたロゼット状のひずみゲージは、主応力方向が不明である場合の二軸応力状態を特定するために用いられる。この際、同位置における同様なひずみも検出することができるよう、各計測格子を互いにできる限り近づけて配置する必要がある。これにより、正確な計測が達成される。なお、上記理由により、この３つの計測格子を備えたロゼット状のひずみゲージでそのサイズが１０ｍｍ×２０ｍｍを超えるものはほとんどない。
【０００７】
また、このような電気抵抗式ひずみゲージは、電磁場あるいは高圧電流の影響を強く受けてしまう。さらに、このような電気抵抗式ひずみゲージは、急膨張するような箇所には使用できない。
【０００８】
ところで、特許文献１には、二軸応力を高圧電流及び電磁場の影響を受けることなく検出し、ひずみを最適に測定可能なセンサが開示されている。このセンサは、更に光ファイバから成る光導波路を備えている。そして、この光ファイバには、ひずみに比例した反射波長を発生させるいわゆるブラッグ回折格子が形成されており、このブラッグ回折格子が形成された光ファイバは、エポキシ樹脂製のベースプレート内に埋設されるか、このベースプレート上に接着される。
【０００９】
このベースプレートは、被測定部材上に貼着されつつ当該ベースプレートに生じるひずみをブラッグ回折格子へと伝達する。そして、生じるひずみに応じてブラッグ波長が変化し、これにより、ひずみが検出される。
【００１０】
このような光学式ひずみゲージは、二軸応力を測定するためにロゼット状に形成されているとともに、互いに４５°、６０°又は９０°の角度をなす２つ又は３つのブラッグ回折格子を有する光導波路で構成されており、電気抵抗式のものと同様に被測定部材のひずみを検出することできる。ここで、光導波路におけるブラッグ回折格子との接続部はアーチ状となっているが、その曲率半径は、反射ロスを少なくするために所定の値を下回ってはならない。
【００１１】
一方、光導波路におけるブラッグ回折格子との接続部を極端な先細り状に形成することで反射ロスを低減し、上記曲率半径を小さくすることが提案されている。
【特許文献１】欧州特許第１１２９３２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、それでも光導波路におけるブラッグ回折格子との接続部には約１０ｍｍの長さが必要であり、２つ又は３つのブラッグ格子を備えた光学式ひずみゲージは、電気抵抗式のものと同等の精度を得ようとすると、その貼着面積を電気抵抗式のものに比して大きくなってしまうという問題があった。
【００１３】
本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、高い測定精度を有し、かつコンパクト化を図った、二軸方向のひずみを計測するための光学式ひずみゲージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的は、請求項１及び請求項１１に記載の発明によって達成される。また、その他の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ブラッグ回折格子が形成された光導波路をベースプレートにおける溝に固定することによって、光学式ひずみゲージを非常に平らに形成することが可能である。特に、光配分要素を長い長さを占めることなくコンパクトにベースプレートに埋設できるため、電気抵抗式のものと同等のコンパクト化を図ることができる。
【００１６】
また、光配分要素を用いることにより、すべての光導波路分岐延長部（ロゼット状部分）を直線状に形成することが可能である。すなわち、光配分要素は長い長さを占めないため、光導波路分岐延長部のサイズは主にブラッグ回折格子の長さのみによって決定される。その結果、貼着面積が非常に縮小された光学式ひずみゲージを得ることができる。
【００１７】
さらに、光配分要素の断面積が光導波路より大きくなく非常に小さいため、薄いベースプレートにこの光配分要素を組み込むことも可能である。
【００１８】
また、この光配分要素を用いることにより、光を導入する光導波路を各光導波路延長部に共通に１つのみ設ければ足り、特に、各測定位置と解析ユニットの間隔が離れている場合及び測定位置が多数ある場合には、かなりの接続用配線を省略することができる。
【００１９】
さらに、本発明によれば、上記溝をフォトリソグラフィによる化学エッチングによって、又は機械的に精度よく形成することも可能であり、そのため、本発明による光学式ひずみゲージを、容易に被測定部材に貼着できるよう生産精度を良好に保ちつつ安価に大量生産することが可能である。
【００２０】
また、上記のような非常に平らで小さな貼着面積を有する光学式ひずみゲージによれば、これを繊維複合材料の内部又は表面に固定することが可能であり、この際、この光学式ひずみゲージは繊維構造をほとんど損なうことがなく、この繊維構造は、繊維複合材料から成る被測定部材に通常生じることが予想される１０％のひずみまで損傷することなく耐えることが可能である。
【００２１】
しかして、本発明による光学式ひずみゲージによれば、電気抵抗式のひずみゲージに比して電磁場及び高圧電流の影響をほとんど受けないという効果が得られる。さらに、本発明による光学式ひずみゲージによれば、電流供給がなされないため、出力のその伝達過程における変動による影響を受けないという利点も得られ、更には急膨張するような箇所にも使用することが可能である。
【００２２】
また、ブラッグ回折格子が溝内に固着されるとともに包囲されるようにベースプレートと接続されているため、力がブラッグ回折格子に正確に伝達される。すなわち、測定精度の向上及び特にヒステリシス現象の低減が達成される。
【００２３】
ところで、本発明によれば、光導波路を完全に溝内に埋設しているため、光学式ひずみゲージを容易に製造することが可能である。また、このような光学式ひずみゲージをセラミックス又はガラス層並びにガラスから成る光導波路で構成することもできるため、この光学式ひずみゲージを高温下でも使用することが可能である。
【００２４】
さらに、本発明によれば、温度を補償するための更なるブラッグ回折格子が設けられているため、温度に依存しないひずみの測定が可能であるとともに、温度のみを別に検出することも可能である。したがって、光学式ひずみゲージ及びこれに接する部材の熱的な負荷を検出することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、光学式ひずみゲージ１を示している。この光学式ひずみゲージ１は、二軸方向のひずみを測定するためロゼット状に形成されており、ブラッグ格子５が刻設された光導波路分岐延長部２，３，４から成っている。これら光導波路分岐延長部２，３，４は光導波路７から分岐して形成されており、光導波路７からの光信号は、光配分要素８を通って各光導波路分岐延長部２，３，４へ送出される。
【００２７】
これら各光導波路分岐延長部２，３，４は、すべて直線状に形成されているとともに、支持層として形成されたベースプレート６に取り付けられている。また、光導波路７及び各光導波路分岐延長部２，３，４には、特にブラッグ回折格子５が刻設されている。
【００２８】
上記ベースプレート６は、光導波路分岐延長部２，３，４を支持するため、例えばポリアミド系の堅固で弾性を有する薄い合成樹脂で構成されている。なお、このベースプレート６を、他の堅固で弾性を有する合成樹脂、ガラス、セラミックス又は金属で構成することも可能である。
【００２９】
このベースプレート６は、あらかじめ製作された光学式ひずみゲージ１を被測定部材上に貼着するか、又は力が負荷されるこの被測定部材中の正確な位置に取り付けるために用いられる。また、このベースプレート６は、プラナーレンズとして形成されているとともに、０．５５ｍｍの厚さと正方形状又は長方形状の横断面を有して構成されている。ここで、このベースプレート６は、ブラッグ回折格子５を備えた光導波路分岐延長部２，３，４の長さ、配置角度及び個数に適合するよう設定されている。
【００３０】
図示の実施形態では、それぞれ角度を変えて配置した３つのブラッグ回折格子５によって二軸方向のひずみを測定する光学式ひずみゲージ１が、１８ｍｍ×２０ｍｍのベースプレート６上に設置されている。このようなサイズは、十分な信号対雑音比（ＳＮ比）における約１０ｍｍのブラッグ回折格子の長さから求められるものである。ここで、信号対雑音比を低減するか、又は解析ユニットを改良し光導波路分岐延長部２，３，４を短く設定することで、約９ｍｍ×１０ｍｍの更に小さな横断面を得ることが可能である。なお、この約９ｍｍ×１０ｍｍの横断面を有するものは、電気抵抗式ひずみゲージと同等の計測精度を有している。
【００３１】
また、このベースプレート６には光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４を固定するための溝１１が刻設されており、該溝１１の断面は、光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４の断面に適合するよう設定されている。すなわち、光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４は直径０．２５ｍｍのグラスファイバで形成されているので、溝１１は少なくとも０．２５ｍｍの深さ及び幅で形成される必要がある。
【００３２】
図２には図１の光導波路７におけるＡ−Ａ断面が図示されており、光導波路７は、溝１１に完全に埋設されているため、ベースプレート６内に完全に組み込まれている。なお、この溝１１はフォトリソグラフィによる化学エッチングによって形成されるが、ベースプレート６の一部を除去することによって溝１１を機械的又は熱的に精度よく形成することも可能である。
【００３３】
ところで、光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４は、ガラスファイバから成る、遠距離通信に用いられる特に波長（λ）が１５５０ｎｍのシングルモード光ファイバである。光ファイバであるこれら光導波路７及び光導波路分岐延長部２，３，４は、コア１５、クラッド１６及び被覆層１７（場合によっては省略可能）で構成されている。
【００３４】
そして、光の導入は、光がベースプレート６のエッジ部１４から光導波路７へ導入されることによってのみ行われる。また、光導波路７は、ベースプレート６のほぼ中央部から４ｍｍ程度このベースプレート６内へ軸方向に挿入され、そこで固定されている。さらに、この光導波路７の端部には、光配分要素８としてグレイデッド・インデックス・レンズ（ＧＲＩＮレンズ）９（以下「ＧＲＩＮレンズ」という。）及び透過型正弦波格子１０が設けられている。このＧＲＩＮレンズ９は、光のビーム径を１５０μｍから５００μｍへ拡大する。
【００３５】
そして、上記透過型正弦波格子１０は、その屈折度が−１、０及び＋１となるよう光波を屈折させる。これらの屈折度は、それぞれ−４５°、０°及び＋４５°の角度１９に相当する。そして、直線状の溝１８は、それぞれ４５°の角度１９をなして光導波路分岐延長部２，３，４に向けてベースプレート６内へ延びている。この溝１８はそれぞれ例えば１０ｍｍの長さを有しており、その横断面は０．１２５ｍｍ×０．１２５ｍｍとなっている。なお、光導波路分岐延長部２，３，４は、コア１５及びクラッド１６から成る光ファイバのほか、合成樹脂製のフォトレジスト又はガラスで形成することも可能である。さらに、これら光導波路分岐延長部２，３，４の端部には、格子周期Λのいわゆるブラッグ回折格子５が刻設されている。
【００３６】
ところで、光配分要素８は、ＧＲＩＮレンズ９のみで構成することもでき、この場合、光導波路分岐延長部２，３，４はＧＲＩＮレンズ９と直接接続され、−４５°〜＋４５°の間で複数の角度間隔をもって分岐部が形成される。この際、光導波路分岐延長部２，３，４は溝１８内でベースプレート６に固定されている。この固定は、圧着又は接着、特に硬化性のエポキシ樹脂接着剤によりなされる。また、ベースプレート６における少なくとも溝１０，１８の範囲には、湿気の影響及び機械的な故障を防ぐ保護層としての保護フィルム１２が被覆してあり、この保護フィルム１２は、同一の素材によって０．０５ｍｍの厚さに形成されている。
【００３７】
ところで、本発明の一実施例として、光導波路分岐延長部２，３，４を溝１８内に埋め込まれたプラナー導波路とすることも可能である。この場合、溝１８内には、通常のベースプレート６よりも屈折率の大きい例えば合成樹脂製のベースプレート６、光伝導性の良好なポリマー基層又は他のいわゆるフォトレジストが収容される。これにより屈折率の急激な変化が生じ、光伝導性が良好な合成樹脂としてのポリマー基層は光導波路のように機能する。このとき、結局のところ、ポリマー基層はコアとして機能し、ベースプレート６は低い屈折率を有するクラッドとして機能する。特に、正方形状又は長方形状の溝１８は、光伝導性の良好なポリマー基層を収容することにより、グラスファイバのような所定の波長の光の導波に適したマイクロストリップを容易に形成することが可能である。
【００３８】
このような実施例においては、光伝導性が良好な基層を溝１８に収容する前に、ブラッグ回折格子５として機能する帯状の凹部が間隔Λをもって刻設される。すなわち、くし状に凹凸が形成され、このくし状の凹凸が、所定の波長λBで入射してくる光を反射する３ｍｍ〜１０ｍｍの長さＬのブラッグ回折格子５を形成する。また、光導波路分岐延長部２，３，４がベースプレート６の溝１８内に埋設されつつ固定されているため、ベースプレート６に生じるすべてのひずみを正確に検出することが可能である。
【００３９】
さらに、光導波路分岐延長部２，３，４として溝１８内に取り付けられた光導電性が良好な基層を用いる上記のような実施例において、ベースプレート６として耐熱性のガラス層又はセラミックス層を用いることができ、これに設けられた溝１８内には、クォーツガラスコーティング層を備えたフォトニック結晶が取り付けられている。そして、このフォトニック結晶によってブラッグ回折格子が形成され、ひずみの検出が可能となる。なお、溝は電場（磁場）の下でのイオン交換により形成することも可能であり、ブラッグ回折格子は外部から化学エッチングによって溝内に形成される。このような実施例におけるひずみゲージは、９００℃までの温度下で使用することが可能である。
【００４０】
ところで、光導波路７におけるベースプレート６の外方部分には、温度を補償するための４つ目のブラッグ回折格子１３が刻設されており、その格子周期はΛTに設定されている。また、光の進入及びブラッグ回折格子５で反射する光信号の検出のために、光導波路７は不図示の解析ユニットに接続されており、この解析ユニットは、スペクトロメータ及び同調可能で高分解能のファブリペローフィルタを含んで構成されている。
【００４１】
しかして、上記光学式ひずみゲージ１は、従来の電気抵抗式ひずみゲージと同様に金属製の被測定部材上に貼着されるか、繊維複合材料中に設置されるか、繊維複合材料上に貼着されるかのうち少なくともいずれかで使用される。このような上記光学式ひずみゲージ１によれば、温度変化によるひずみも検出することができるため、ひずみから力だけでなく温度も計測することが可能である。
【００４２】
このような光学式ひずみゲージ１を力が負荷される被測定部材に貼着すれば、後述するように力及びひずみを計測することが可能である。すなわち、被測定部材に作用する力による該被測定部材の表面のひずみが、この表面に貼着されたベースプレート６を介して光導波路分岐延長部２，３，４へ伝達される。このため、ブラッグ回折格子５が光導波路分岐延長部２，３，４のコア１５で形成されていることにより、ブラッグ回折格子５の長さ変化が生じる。なお、コア１５は、該コア１５よりも屈折率が小さいクラッド１６で包囲されている。
【００４３】
これら光導波路分岐延長部２，３，４はシングルモード光ファイバで形成されている。そして、そのコア１５の直径は、特に赤外線源からの光を単一モードでコア１５に沿って導入できるよう、十分小さく９μｍに設定されている。この単一モードの光は、コア１５とクラッド１６の境界で伝導される。ブラッグ回折格子５におけるライン２０は、コア１５の有効屈折率ｎを変化させる等間隔に配置された変化部である。また、ブラッグ回折格子５は、光導波路分岐延長部２，３，４の長さＬ＝１０ｍｍに沿って延設されている。なお、この長さＬは１ｍｍ〜２０ｍｍに設定可能である。
【００４４】
ところで、ブラッグ回折格子５の製造方法には様々なものがあり、これらのうちの１つによれば、光導波路分岐延長部２，３，４を位相マスクでマスキングするとともに、この光導波路分岐延長部２，３，４に強力な紫外線を照射することでコア１５における屈折率ｎの変化部が形成される。
【００４５】
また、他の方法によれば、屈折率ｎの変化部は、光導波路分岐延長部２，３，４を、紫外線レーザを二分する位置で生じる干渉縞にさらすことで形成される。屈折率ｎの変化部の互いの間隔Λは、紫外線レーザを二分する角度によって決定される。なお、この方法により生じる屈折率ｎの変化は、通常、１／１０００オーダー以下のレベルである。
【００４６】
ブラッグ回折格子５が加工される光導波路分岐延長部２，３，４は、通常、クラッド１６の外側に被覆層１７を備えている。この被覆層１７は、特にポリマーから成り、光の導波には何ら影響を与えない。さらに、この被覆層１７は、光導波路分岐延長部２，３，４が紫外線にさらされてブラッグ回折格子５の形成がなされる前に取り除かれる。そして、光を導入させた後、光導波路７における取り除かれた部分は、耐久性を再び持たせるために、４つ目のブラッグ回折格子１３のように新たにコーティングされる。
【００４７】
しかして、ブラッグ回折格子５に入力信号として幅の広いスペクトルが入力されると、ほとんどの波長のものは回折格子範囲を透過し、透過出力信号が生成される。屈折率ｎの周期的な変化は、入力信号の要素に、いわゆるブラッグ波長λBでの強いブラッグ反射を引き起こす。このブラッグ波長λBは、有効屈折率をｎ、格子周期をΛとして、
λB＝２ｎΛ
と表される。
【００４８】
ブラッグ回折格子５によって反射した光波信号は、スペクトロメータ又はいわゆるファブリペローフィルタによって検出される。このとき、最高の反射率を生じさせる波長λは、格子周期Λに依存した所定の値をとる。仮に、ブラッグ回折格子５にひずみが生じると、格子周期Λが変化し、ブラッグ波長λBも変化する。この際、ブラッグ波長λBはひずみにほぼ比例する。
【００４９】
そして、波長の変化量ΔλBは被測定部材に作用する力に対する尺度であるので、このような光学式ひずみゲージ１を、電気抵抗式ひずみゲージと同様、特にロードセル、トルク軸、力が作用する他の部材等の被測定部材に使用することが可能である。もちろん、このような光学式ひずみゲージ１は例えば航空宇宙工学などにおける力負荷実験にも応用することが可能であり、この場合、光学式ひずみゲージ１を、被測定部材に直接貼着し、未知の方向への力によるひずみが測定できるよう、特に本発明のようにロゼット状に配置するのが望ましい。
【００５０】
一方、被測定部材の状態を把握するために光学式ひずみゲージ１を応用することも可能であり、この場合、所定の限界値の超過によって、疲労あるいは亀裂を検出することができる。
【００５１】
ところで、ひずみに応じた負荷を検出するには、例えばファブリペローフィルタを備えた特別なスペクトル解析ユニットを用いる。このスペクトル解析ユニットは光導波路分岐延長部２，３，４のための受信ユニット及び送信ユニットであり、その内部では、解析ユニットによって、ブラッグ回折格子５で反射したブラッグ波長λBが検出される。
【００５２】
ここで、まず、被測定部材が負荷を受けていない状態で、送信ユニットとしての赤外線源によって、１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍの波長λが光導波路分岐延長部２，３，４へ送出される。そして、ブラッグ回折格子５によって、上記式
λB＝２ｎΛ
に基づき所定の波長λB0が反射される。この波長λB0は、連結器内で、放射された光波信号から分離される。
【００５３】
また、反射した光波信号は、下記の公知のファブリペローフィルタにより受信ユニット内又はその他のスペクトロメータユニット内で１ｐｍの解像度で検出され、基準値λB0としてメモリされるか、又は表示装置に表示される。
【００５４】
ここで、負荷に応じたひずみが被計測部材に生じると、このひずみによって、貼着されたベースプレート６を介して光導波路分岐延長部２，３，４の長さ変化が引き起こされ、それぞれ反射したブラッグ回折格子５の波長λB1が格子周期Λにより変化する。なお、この波長λB1もファブリペローフィルタによって検出される。
【００５５】
そして、上記λB0とλB1との差（λB0−λB1）が生じると、ひずみあるいは力に比例する値が得られ、この値をひずみあるいは力として表示装置に表示することが可能である。ここで、本発明のようなそれぞれ４５°の角度でロゼット状に配置された３つの光導波路分岐延長部２，３，４においては、それぞれの分岐延長部におけるひずみあるいは力が解析され、前記角度に基づき電気抵抗式ひずみゲージと同様に各方向の力成分又はその合成が算出される。
【００５６】
なお、ブラッグ回折格子５の波長は周辺温度に比例して変化するため、周辺温度が一定であれば、上記のようにして測定されたひずみあるいは力は十分に正確である。一方、ブラッグ回折格子５が周辺温度に比例して変化することにより、ひずみだけではなく温度も光学式ひずみゲージ１によって測定することが可能である。したがって、ブラッグ波長λBの変化量はひずみと温度の関数であり
ΔλB＝ＫE×ε＋ＫT×ΔＴ
と表現される。ここで、ＫEはひずみの感度因子、εはひずみ、ＫTは温度の感度因子、ΔＴは温度変化量である。
【００５７】
ここで、この式は、温度によるブラッグ波長λBの変化量とひずみによるブラッグ波長λBの変化量を分離して示すものではなく、また、温度が常に一定であるとは限らないので、温度を補償（相殺）するために第４のブラッグ回折格子１３が設けられている。この第４のブラッグ回折格子１３が設けられているため、温度のみによるブラッグ波長の変化量ΔλBT（ΔλBT＝ＫT×ΔＴ）が受信ユニットによって検出される。そして、解析ユニット内において、温度及びひずみによるブラッグ波長の変化量ΔλBからこの温度のみによるブラッグ波長の変化量ΔλBTが減算される。
【００５８】
以上の結果、光学式ひずみゲージ１によって、温度に依存せずに非常に高い精度でひずみあるいは力を測定することが可能である。
【００５９】
さらに、本発明による光学式ひずみゲージ１を、大きな面積を有するベースプレート上に更なるロゼット状の光導波路分岐延長部を設けて構成することで、例えば複雑な部材における応力変化を解析できるようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】ロゼット状に形成された光学式ひずみゲージの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面における光学式ひずみゲージの断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 光学式ひずみゲージ
２，３，４ 光導波路枝部（分岐延長部）
５，１３ ブラッグ回折格子
６ ベースプレート
７ 光ファイバ（光導波路）
８ 光配分要素
９ ＧＲＩＮレンズ
１０ 透過型正弦波格子
１１，１８ 溝
１２ 保護フィルム
１４ ベースプレートのエッジ部
１５ コア
１６ クラッド
１７ 被覆層
１９ 角度
２０ ライン
Λ，ΛT 格子周期
λB ブラッグ波長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路（７）と、
該光導波路から所定の角度をもって分岐されかつブラッグ回折格子（５）を備えた少なくとも２つの光導波路分岐延長部（２，３，４）と
から成り、
該光導波路分岐延長部（２，３，４）が互いに所定の角度間隔（１９）でベースプレート（６）上に設けられ、
前記光導波路（７）から光が導入される、
複数軸方向のひずみを測定するための光学式ひずみゲージにおいて、
前記光導波路（７）及び前記光導波路分岐延長部（２，３，４）を前記ベースプレート（６）上に直線状に配置するとともに、前記光導波路（７）と前記光導波路分岐延長部（２，３，４）の間に光配分要素（８）を設けたことを特徴とする光学式ひずみゲージ。
【請求項２】
前記光導波路分岐延長部（２，３，４）を２つ又は３つ設けるとともに、これらそれぞれに互いに異なる格子周期（Λ）のブラッグ回折格子（８）を形成したことを特徴とする請求項１記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項３】
前記光導波路分岐延長部を２つ（２，４）設けてこれらのなす角度を９０°に設定するか、又は前記光導波路分岐延長部を３つ（２，３，４）設けて互いに隣接するものどうしがなす角度を４５°に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項４】
前記光導波路（７）から前記光導波路分岐延長部（２，３，４）に光を導入し、これら光導波路（７）と光導波路分岐延長部（２，３，４）の境界部に前記光配分要素（８）としてＧＲＩＮレンズ（９）及び透過型正弦波格子（１０）若しくは透過型正弦波格子（１０）のみを配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項５】
前記光導波路（７）、前記光導波路分岐延長部（２，３，４）及び前記光配分要素（８）を前記ベースプレート（６）内に組み込んだことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項６】
前記ベースプレート（６）を金属、ガラス、セラミックス又は堅固で弾性を有する合成樹脂で構成し、
該ベースプレート（６）に、前記光導波路（７）、前記光導波路分岐延長部（２，３，４）及び前記光配分要素（８）を収容するための溝（１１，１８）を刻設し、
該溝（１１，１８）の断面形状を半円状、四角形状又はＶ字状に形成するとともに、この断面の寸法を前記光導波路分岐延長部（２，３，４）に適合させた
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項７】
前記光導波路分岐延長部（２，３，４）を、ガラス製の光ファイバで形成するとともに、前記溝（１８）に圧着又は接着したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項８】
前記光導波路分岐延長部（２，３，４）を、光伝導性の合成樹脂又はガラスで形成するとともにその屈折率を前記ベースプレート（６）よりも大きく設定して前記溝（１８）内に埋設したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項９】
前記ベースプレート（６）を保護フィルム（１２）で被覆し、該保護フィルム（１２）で、少なくとも、前記光導波路（７）、前記光導波路分岐延長部（２，３，４）及び前記光配分要素（８）を収容する前記溝（１１，１８）を被覆したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項１０】
前記光導波路（７）に温度を補償するために１つのブラッグ回折格子（１３）を設け、該ブラッグ回折格子（１３）を、前記ベースプレート（６）のひずみの影響を受けないよう該ベースプレート（６）の領域外に設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の光学式ひずみゲージ（１）の製造方法において、
前記ベースプレート（６）上に直線状の３つの溝（１１，１８）をエッチングによって、又は機械的に形成し、
該溝（１１，１８）内に前記光導波路（７）、前記光導波路分岐延長部（２，３，４）及び前記光配分要素（８）を固着し、
前記溝（１１，１８）のうち少なくとも１つを前記保護フィルム（１２）で被覆する
ことを特徴とする光学式ひずみゲージの製造方法。
【請求項１】
光導波路（７）と、
該光導波路から所定の角度をもって分岐されかつブラッグ回折格子（５）を備えた少なくとも２つの光導波路分岐延長部（２，３，４）と
から成り、
該光導波路分岐延長部（２，３，４）が互いに所定の角度間隔（１９）でベースプレート（６）上に設けられ、
前記光導波路（７）から光が導入される、
複数軸方向のひずみを測定するための光学式ひずみゲージにおいて、
前記光導波路（７）及び前記光導波路分岐延長部（２，３，４）を前記ベースプレート（６）上に直線状に配置するとともに、前記光導波路（７）と前記光導波路分岐延長部（２，３，４）の間に光配分要素（８）を設けたことを特徴とする光学式ひずみゲージ。
【請求項２】
前記光導波路分岐延長部（２，３，４）を２つ又は３つ設けるとともに、これらそれぞれに互いに異なる格子周期（Λ）のブラッグ回折格子（８）を形成したことを特徴とする請求項１記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項３】
前記光導波路分岐延長部を２つ（２，４）設けてこれらのなす角度を９０°に設定するか、又は前記光導波路分岐延長部を３つ（２，３，４）設けて互いに隣接するものどうしがなす角度を４５°に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項４】
前記光導波路（７）から前記光導波路分岐延長部（２，３，４）に光を導入し、これら光導波路（７）と光導波路分岐延長部（２，３，４）の境界部に前記光配分要素（８）としてＧＲＩＮレンズ（９）及び透過型正弦波格子（１０）若しくは透過型正弦波格子（１０）のみを配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項５】
前記光導波路（７）、前記光導波路分岐延長部（２，３，４）及び前記光配分要素（８）を前記ベースプレート（６）内に組み込んだことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項６】
前記ベースプレート（６）を金属、ガラス、セラミックス又は堅固で弾性を有する合成樹脂で構成し、
該ベースプレート（６）に、前記光導波路（７）、前記光導波路分岐延長部（２，３，４）及び前記光配分要素（８）を収容するための溝（１１，１８）を刻設し、
該溝（１１，１８）の断面形状を半円状、四角形状又はＶ字状に形成するとともに、この断面の寸法を前記光導波路分岐延長部（２，３，４）に適合させた
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項７】
前記光導波路分岐延長部（２，３，４）を、ガラス製の光ファイバで形成するとともに、前記溝（１８）に圧着又は接着したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項８】
前記光導波路分岐延長部（２，３，４）を、光伝導性の合成樹脂又はガラスで形成するとともにその屈折率を前記ベースプレート（６）よりも大きく設定して前記溝（１８）内に埋設したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項９】
前記ベースプレート（６）を保護フィルム（１２）で被覆し、該保護フィルム（１２）で、少なくとも、前記光導波路（７）、前記光導波路分岐延長部（２，３，４）及び前記光配分要素（８）を収容する前記溝（１１，１８）を被覆したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項１０】
前記光導波路（７）に温度を補償するために１つのブラッグ回折格子（１３）を設け、該ブラッグ回折格子（１３）を、前記ベースプレート（６）のひずみの影響を受けないよう該ベースプレート（６）の領域外に設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学式ひずみゲージ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の光学式ひずみゲージ（１）の製造方法において、
前記ベースプレート（６）上に直線状の３つの溝（１１，１８）をエッチングによって、又は機械的に形成し、
該溝（１１，１８）内に前記光導波路（７）、前記光導波路分岐延長部（２，３，４）及び前記光配分要素（８）を固着し、
前記溝（１１，１８）のうち少なくとも１つを前記保護フィルム（１２）で被覆する
ことを特徴とする光学式ひずみゲージの製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２００８−５４５１２４（Ｐ２００８−５４５１２４Ａ）
【公表日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５１８７０４（Ｐ２００８−５１８７０４）
【出願日】平成１８年６月２７日（２００６．６．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００６２１３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０００３２３
【国際公開日】平成１９年１月４日（２００７．１．４）
【出願人】（３０１０５１２６４）ホッティンゲル・バルドヴィン・メステクニーク・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング (7)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２７日（２００６．６．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００６２１３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０００３２３
【国際公開日】平成１９年１月４日（２００７．１．４）
【出願人】（３０１０５１２６４）ホッティンゲル・バルドヴィン・メステクニーク・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング (7)
【Ｆターム（参考）】
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