歪検出用光ファイバコード
【課題】歪みの測定対象物の種類を大幅に拡大することができる歪検出用光ファイバコードを提供する。
【解決手段】測定対象物２の歪み２Ａを検出する歪検出センサとして用いられる歪検出用光ファイバコード１であって、光ファイバ１０と、この光ファイバ１０を有する光ファイバ素線１３の周囲を被覆し、この光ファイバ１０の引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部１１とを有する。
【解決手段】測定対象物２の歪み２Ａを検出する歪検出センサとして用いられる歪検出用光ファイバコード１であって、光ファイバ１０と、この光ファイバ１０を有する光ファイバ素線１３の周囲を被覆し、この光ファイバ１０の引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部１１とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の歪みを測定の際に歪検出センサとして用いる歪検出用光ファイバコードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンクリート、地盤等の頑強な測定対象物の歪みを測定する際に、測定対象物に埋め込まれる歪検出センサとして光ファイバを用いる場合、光ファイバの周囲にＦＲＰ（繊維強化プラスチック：Fiber Reinforced Plastics）等による強化被覆層を形成し、測定対象物による圧力や圧力変動から光ファイバを保護する構成にされることが一般的である（特許文献１）。また、非特許文献１には、金属製の板状部材の両面に光ファイバをそれぞれ固定し、これら光ファイバと板状部材とを歪検出センサとして測定対象物に埋め込んで、歪みを測定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９５４７７７号公報
【非特許文献１】坪川将丈、「光ファイバを用いた空港アスファルト舗装のひずみ計測手法の検討」、平成２２年度港湾空港技術講演会講演集、国土交通省国土技術政策総合研究所及び独立行政法人港湾空港技術研究所、平成２２年年１０月８日、ｐ．６１−７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成において、コンクリートのような頑強な測定対象物である場合は、高い精度で歪みを測定することができるが、軟弱地盤やアスファルト等の測定対象物である場合は、測定対象物の環境温度によって歪みの測定精度が低下するという問題が判明した。即ち、従来の構成では、光ファイバを歪検出部として用いることが可能な測定対象物の種類が相当に限定されているという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題を鑑みてされたものであり、歪みの測定対象物の種類を大幅に拡大することができる歪検出用光ファイバコード及び歪検出装置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】
【０００６】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、歪検出用光ファイバコードに用いられる強化被覆層は、歪検出用光ファイバを保護する必要があるため、光ファイバよりも大きな引張弾性係数により変形し難いようにすることが必須であるとの一般的な認識が、上記の問題を引き起こしていることに気付いた。
【０００７】
即ち、本発明者は、測定対象物が、この測定対象物の歪みに追従して強化被覆層を歪ませることができる程度の引張弾性係数を有するコンクリート等である場合は、光ファイバが強化被覆層の歪みに追従するために高い精度での測定が可能であるというメカニズムの存在を見出した。また、本発明者は、測定対象物がコンクリートよりも引張弾性係数が小さい軟弱地盤や温度によって引張弾性係数が変動するアスファルト等である場合は、測定対象物の歪みに追従して強化被覆層を歪ませることができない可能性があり、その結果として光ファイバの歪みが阻害され、測定の精度を低下させるというメカニズムの存在を見出した。
【０００８】
上記知見に基づいて、本発明者は、埋め込み等の外力がある環境下に置かれる光ファイバコードに対して当業者が慣用するＦＲＰ等の強化被覆層を用いず、光ファイバを保護する被覆部を、光ファイバの引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数とすることで、従来よりも測定対象物の種類を大幅に拡大することができることを見出した。
【０００９】
即ち、本発明は、測定対象物の歪みを検出する歪検出センサとして用いられる歪検出用光ファイバコードであって、光ファイバと、前記光ファイバを有する光ファイバ素線または光ファイバ心線の周囲を被覆し、前記光ファイバの引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部とを有している。
【００１０】
上記構成によれば、光ファイバコードは、光ファイバの引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部により周囲が被覆されている。これにより、光ファイバを保護する被覆部が、この光ファイバよりも歪み易くなっている。従って、測定対象物が光ファイバを歪ませることができる程度の引張弾性係数を有していれば、被覆部を測定対象物に追従させて歪ませることができる。一般的に、光ファイバは断面積が被覆部に対して相当に小さいため、光ファイバを歪ませるための力は小さい。従って、被覆部の引張弾性係数が光ファイバよりも小さくても光ファイバに対して被覆部に追従する歪みを生じさせることができる。この結果、歪検出用光ファイバコードは測定対象物の歪みに正確に追従することができる。従って、従来よりも歪みの測定対象物の種類を大幅に拡大することができる。
【００１１】
また、本発明の歪検出用光ファイバコードは、前記光ファイバの断面積Ｓ１と引張弾性係数Ｅ１とを乗算した第１乗算値Ｆ１と、少なくとも前記被覆部を含む光ファイバの被覆の断面積Ｓ２と引張弾性係数Ｅ２とを乗算した第２乗算値Ｆ２との関係について、Ｆ１／Ｆ２＝０．０５〜１８．０の条件を満たすことが好ましい。
【００１２】
また、本発明の前記被覆部は、異なる引張弾性係数を有した複数の被覆部材により形成されている構成であってもよい。
【００１３】
上記構成によれば、被覆部は、引張弾性係数が異なる多層構造で形成されている。これにより、被覆部材毎に引張弾性係数の異なる被覆を適材適所で使用すれば、光ファイバに対して測定対象物に追従する正確な歪みを付与するための力を充分に確保することができ、センシング精度を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の前記複数の被覆部材は、前記光ファイバ側から外周側にかけて、前記引張弾性係数が小さくなる材料によりそれぞれ形成されている構成であってもよい。
【００１５】
一般的に、樹脂等は引張弾性係数が小さいほど、比較的低い温度（例えば６０℃）であっても軟化し易い傾向にあるため、被覆部を引張弾性係数の小さい単一の材料のみから形成すると、そのような軟化温度を超える使用環境下では、光ファイバを歪ませる力が不足する。そこで、被覆部を複層構造とし、外周側の被覆部材には引張弾性係数の小さい材料を使用した上で、光ファイバ側の被覆部材を比較的引張弾性係数の大きい材料で形成すれば、被覆部の引張弾性係数を測定対象物に応じた小さな値としつつ、光ファイバを歪ませるための力を確保できるため、歪検出用光ファイバコードを適用する測定対象物の上限温度をより高めることができる。
【００１６】
また、本発明の前記被覆部は、前記歪検出用光ファイバが１８０度で曲折されたときに、前記光ファイバが折れない厚みに設定されていることが好ましい。
【００１７】
上記構成によれば、歪検出用光ファイバの取り扱いを容易にすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、従来よりも歪の測定対象物の種類を大幅に拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る歪検出用光ファイバコードの説明図である。
【図２】歪検出用光ファイバコードの曲折状態を示す説明図である。
【図３】歪検出用光ファイバコードの歪状態を示す説明図である。
【図４】本実施形態の変形例に係る歪検出用光ファイバコードの説明図である。
【図５】本実施形態の変形例に係る歪検出用光ファイバコードの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
（歪検出用光ファイバコードの概要）
図１に示すように、本実施形態に係る歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物の歪みを検出する歪検出センサとして用いられるものである。例えば、飛行場や道路の舗装状態、堤体や斜面等を測定する歪検出装置の歪検出センサとして用いられる。
【００２２】
歪検出用光ファイバコード１は、光ファイバ１０と、この光ファイバ１０を有する光ファイバ素線１３（または光ファイバ心線）の周囲を被覆し、光ファイバ１０の引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部１１とを有している。換言すれば、歪検出用光ファイバコード１は、光ファイバ１０の引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部１１により周囲が被覆されている。光ファイバ１０を保護する被覆部１１は、この光ファイバ１０よりも歪み易い状態に形成されている。
【００２３】
従って、歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物２が光ファイバ１０を歪ませることができる程度の引張弾性係数を有していれば、被覆部１１を測定対象物に追従させて歪ませることができる。一般的に、光ファイバ１０は断面積が被覆部１１に対して相当に小さいため、光ファイバ１０を歪ませるための力は小さい。従って、被覆部１１の引張弾性係数が光ファイバ１０よりも小さくても光ファイバ１０に対して被覆部１１に追従する歪みを生じさせることができる。この結果、歪検出用光ファイバコード１は測定対象物２の歪みに正確に追従することができる。従って、従来よりも歪みの測定対象物の種類を大幅に拡大することができる。
【００２４】
ここで、光ファイバとは、石英ガラスで形成される光導波部のみを示す。一般的に、光ファイバは、外径が０．１２５ｍｍに形成される。
また、光ファイバ素線とは、上記のような光ファイバに単層もしくは２層の保護膜を被覆したものである。一般的に、光ファイバ素線は、保護膜にＵＶ（紫外線）硬化型ウレタンアクリレートが用いられる。また、光ファイバ素線は、外径が０．２５ｍｍに形成される。
また、光ファイバ心線とは、上記のような光ファイバ素線にさらに被覆層を形成したものである。即ち、光ファイバ心線の被覆層は、被覆部１１の一部（後述の第１被覆部材１１ａ）となる。一般的に、光ファイバ心線は、この被覆層にナイロンや東レ・デュポン社製「ハイトレル（登録商標）」が用いられる。また、光ファイバ心線は、外径が０．９ｍｍに形成される。
【００２５】
光ファイバ１０を保護膜１２で被覆した光ファイバ素線１３は、さらに被覆部１１で被覆される。換言すれば、歪検出用光ファイバコード１は、光ファイバ１０に対して、保護膜１２および被覆部１１を有した光ファイバの被覆１４を被覆して形成されたものである。
【００２６】
（測定対象物）
測定対象物２としては、コンクリートや軟弱地盤、アスファルト等を用いることができる。
【００２７】
ここで、軟弱地盤とは、ＪＩＳ Ａ １２１９の標準貫入試験によるＮ値が４以下の粘性土であるものを示す。本実施形態では、このような軟弱地盤の引張弾性係数を１００ＭＰａ以下のものとするがこれに限定されるものではない。
【００２８】
また、アスファルトは、アスファルトと骨材とを混合して生成したアスファルト混合物であり、表１のように、例えば、４０℃で０．９ＭＰａの引張弾性係数を示すものとするが、これに限定されるものではない。
【００２９】
【表１】
【００３０】
次に、このような測定対象物２に埋め込まれる歪検出用光ファイバコード１の各構成について具体的に説明する。
【００３１】
（光ファイバ）
本実施形態の光ファイバ１０は、ガラス導波路である光ファイバであり、約７０ＧＰａの引張弾性係数を有している。尚、光ファイバはガラスに限定されずプラスチック製を用いるものであってもよい。また、光ファイバ１０は、外径が０．１２５ｍｍに形成された一般的な光ファイバであるがこれに限定されない。
【００３２】
（光ファイバ素線）
光ファイバ素線１３は、光ファイバ１０と、この光ファイバ１０を保護する保護膜１２とを有している。保護膜１２は、光ファイバ１０の周囲を被覆するように形成されている。これにより、歪検出用光ファイバコードの製造時等に光ファイバが傷付くことを防止することができる。尚、製品としての光ファイバは、ガラス導波路である光ファイバの周囲に、樹脂等による保護膜を形成した光ファイバ素線や、この光ファイバ素線に被覆部の一部となる被覆層を形成した光ファイバ心線として光ファイバメーカから提供されることが一般的である。従って、光ファイバメーカから提供される光ファイバ素線や光ファイバ心線に対し、被覆部１１を形成して、歪検出用光ファイバコード１を製造すればよいため効率的である。
【００３３】
（被覆部）
上述のとおり、被覆部１１は、光ファイバ素線１３の周囲を被覆し、引張弾性係数が光ファイバ１０よりも小さくされている。これにより、被覆部１１は、光ファイバ１０を保護するとともに、測定対象物２に追従して光ファイバ１０に正確に歪みを伝え、精度の高いセンシングが可能になるようにされている。
【００３４】
先ず、光ファイバ１０の保護材としての被覆部１１の機能について説明する。
被覆部１１は、光ファイバ１０の保護のために、外径が３ｍｍ以上となるように形成されることが好ましい。これにより、被覆部１１が緩衝材となり、外力から光ファイバ１０を保護することができる。
【００３５】
被覆部１１は、歪検出用光ファイバコード１が１８０度で曲折されたときに、光ファイバ１０が折れない厚みに設定されていることが好ましい。即ち、図２に示すように、歪検出用光ファイバコード１が、被覆部１１同士が接触するように１８０度で曲折された際に、被覆部１１及び保護膜１２に被覆される光ファイバ１０が折れないことが好ましい。例えば、歪検出用光ファイバコード１（被覆部１１）の外径を３ｍｍで形成すれば、歪検出用光ファイバコード１の曲率半径を１．５ｍｍ以上に確保することができ、光ファイバ１０が折れることを防止することができる。
【００３６】
換言すれば、被覆部１１（歪検出用光ファイバコード１）は、光ファイバの外径（０．１２５ｍｍ）に対して２４倍程度の外径（３ｍｍ）となるように設定されている。また、被覆部１１は引張弾性係数の小さい材料からなるので、歪検出用光ファイバコード１の可とう性を確保しつつ、その取り扱いを容易にすることができる。
その一方で、ＦＲＰ等の引張弾性係数の大きい材料を強化被覆層として用いた場合、歪検出用光ファイバコード１は非常に曲がりにくくなり、取扱性は悪化する。
【００３７】
次に、センシングの精度を向上させる被覆部１１の機能について説明する。
上述のとおり、被覆部１１は、引張弾性係数が１０ＭＰａ〜８７０ＭＰａの樹脂で形成され、光ファイバ１０よりも小さい。
【００３８】
被覆部１１の引張弾性係数を光ファイバ１０の引張弾性係数より小さくすることで、被覆部１１は、歪検出用光ファイバコード１を測定対象物２に埋設した際に、測定対象物２の有する凹凸が被覆部１１に食い込み、歪検出用光ファイバコード１と測定対象物２との密着度を高めることができる。従って、測定対象物２に歪みが生じた際に、歪検出用光ファイバコード１が測定対象物２に追従して歪みが生じ易くなり、センシングの精度を向上させることができる。
【００３９】
即ち、図３に示すように、測定対象物２が被覆部１１に食い込む凸部２１を有し、測定対象物２に歪検出用光ファイバコード１の長手方向へ歪み２Ａが発生した場合、測定対象物２に接触する被覆部１１は歪み２Ａの歪方向へ引っ張られて歪み１１Ａを生じる。このとき、凸部２１が被覆部１１に食い込んだ状態となっているため、被覆部１１の歪み１１Ａは歪み２Ａにより正確に追従したものとなる。
【００４０】
また、被覆部１１の引張弾性係数を１０ＭＰａ以上とすることで、光ファイバ１０を有する光ファイバ素線１３の歪み１３Ａは、被覆部１１の歪み１１Ａに正確に追従したものとなる。具体的に、図３に示すように、光ファイバ素線１３は、歪み１１Ａに追従した歪み１３Ａを生じる。ここで、被覆部１１の引張弾性係数を１０ＭＰａ以上とすることで、被覆部１１が光ファイバ素線１３に与える力（光ファイバ素線１３を歪ませる力）を充分に確保することができるため、光ファイバ素線１３の歪み１３Ａは、被覆部１１の歪み１１Ａに正確に追従したものとなる。
【００４１】
これらの結果、光ファイバ素線１３における光ファイバ１０の歪みは、測定対象物２の歪み２Ａに正確に追従したものとなり、センシングの精度が向上される。
【００４２】
また、歪検出用光ファイバコード１と測定対象物２との密着度を高めてセンシングの精度を向上させるために、被覆部１１に熱可塑性の樹脂を用いることが好ましい。熱可塑性の樹脂としては、ポリエチレン、ポリエチレン系熱可塑性エラストマー、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー（東レ・デュポン社 Hytrelシリーズ等）、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリプロピレン系熱可塑性エラストマー、ポリスチレン系熱可塑性エラストマー、エチレン・エチルアクリレート共重合体（日本ユニカー社 EEA NUC-6940等）、エチレン・メチルアクリレート共重合体（DuPont社 Elvaloy 12024EACS等）、エチレン・ビニルアセテート共重合体を例示することができる。これにより、歪検出用光ファイバコード１を施工時に高温（例：１８０℃）となる測定対象物２（アスファルト等）に埋設する際に、被覆部１１が接着剤の働きをするため、測定対象物２との密着度をより高めることができる。
【００４３】
図１に示すように、被覆部１１は、第１被覆部材１１ａと、第２被覆部材１１ｂとを有している。光ファイバ素線１３の周囲には、第１被覆部材１１ａが被覆されている。第１被覆部材１１ａの周囲には、第２被覆部材１１ｂが被覆されている。第１被覆部材１１ａと第２被覆部材１１ｂとは、異なる引張弾性係数を有している。
【００４４】
このように、被覆部１１は、異なる引張弾性係数を有した複数の被覆部材１１ａ・１１ｂにより形成されている。換言すれば、被覆部１１は、引張弾性係数の異なる多層構造で形成されている。一般的に、樹脂等は引張弾性係数が小さいほど、比較的低い温度（例えば６０℃）であっても軟化し易い傾向にあるため、被覆部１１を引張弾性係数の小さい単一の材料のみから形成すると、そのような軟化温度を超える使用環境下では、光ファイバ１０を歪ませる力が不足する。そこで、上記のように被覆部１１を２層構造とし、第２被覆部材１１ｂには引張弾性係数の小さい材料を使用した上で、第１被覆部材１１ａを比較的引張弾性係数の大きい材料で形成すれば、被覆部１１の引張弾性係数を測定対象物に応じた小さな値としつつ、光ファイバ１０を歪ませるための力を確保できるため、歪検出用光ファイバコードを適用する測定対象物の上限温度をより高めることができる。
【００４５】
例えば、本実施形態では、第１被覆部材１１ａよりも第２被覆部材１１ｂが、引張弾性係数が小さくなるように形成されている。即ち、被覆部１１が有する複数の被覆部材が、光ファイバ１０側から外周側にかけて、引張弾性係数が小さくなる材料によりそれぞれ形成されている。
【００４６】
一般的に、樹脂等の素材は比較的低い温度であっても引張弾性係数が小さいほど軟化し易い傾向にある。上記のような構成にすることにより、高い温度により引張弾性係数が低下するようなアスファルト等の測定対象物２であっても、被覆部１１の保護材としての機能を確保しつつ、被覆部１１を測定対象物２に応じた引張弾性係数とすることができる。尚、被覆部１１は２層構造に限定されるものではなく、単層であってもよいし、３層以上であってよい。
【００４７】
（光ファイバと被覆部との関係）
このような被覆部１１と光ファイバ１０との関係について説明する。
上述のとおり、被覆部１１は、光ファイバ１０よりも引張弾性係数が小さくされている。光ファイバ１０の引張弾性係数は７０ＧＰａ程度であり、被覆部１１の引張弾性係数は少なくともこれよりも小さい必要がある。
【００４８】
具体的に、被覆部１１と光ファイバ１０との関係を、被覆部１１と光ファイバ１０に単位歪み（１００％の歪み）を与えるために必要な力の関係で示す。光ファイバ１０の第１乗算値Ｆ１は、下記の式（１）に示すように、光ファイバ１０の引張弾性係数Ｅ１と、光ファイバ１０の縦断面積Ｓ１との積となる。
【００４９】
【数１】
【００５０】
また、少なくとも被覆部１１を含む光ファイバの被覆１４の第２乗算値Ｆ２は、下記の式（２）に示すように、光ファイバの被覆１４の被覆層（本実施形態では、保護膜１２、被覆部材１１ａ・１１ｂ）毎の単位歪みを与えるための力（被覆層の引張弾性係数Ｅ２と被覆部材の縦断面積Ｓ２との積）の和となる。尚、Ｅ２及びＳ２の添え字は、光ファイバの被覆１４の光ファイバ側からｘ番目の被覆層を示す。第２乗算値Ｆ２は、少なくとも被覆部１１の単位歪みを与えるための力が含まれていればよく、例えば被覆部１１のみの単位歪みを与えるための力を示すものであってもよい。
【００５１】
【数２】
【００５２】
このような、光ファイバ１０の単位歪みを与えるための力Ｆ１を、光ファイバの被覆１４の単位歪みに必要な力Ｆ２で割った値が、下記式（３）に示すように、０．０５〜１８．０であることが好ましい。具体的には、Ｆ１／Ｆ２の下限値は、０．０５が好ましく、０．１がより好ましく、１．０がさらに好ましい。また、Ｆ１／Ｆ２の上限値は、１８．０が好ましく、１０．０がより好ましく、３．０がさらに好ましい。
【００５３】
【数３】
【００５４】
（変形例）
以上のように、本実施形態の歪検出用光ファイバコード１について、図１に示すように、光ファイバ素線１３の周囲を被覆部１１が被覆され、被覆部１１が第１被覆部材１１ａ及び第２被覆部材１１ｂを有する構成として説明したが、これに限定されるものではない。
【００５５】
例えば、図４に示すように、被覆部１１が単一の被覆部材で構成される歪検出用光ファイバコード２０１であってもよい。
また、例えば、図５に示すように、光ファイバ素線１３の周囲を被覆するように被覆層１５が形成された光ファイバ心線１６に、第２被覆部材１１ｂを被覆した歪検出用光ファイバコード３０１であってもよい。この場合、光ファイバ心線１６の被覆層１５は、第１被覆部材１１ａとなる。換言すれば、被覆部１１は、第１被覆部材１１ａとしての被覆層１５と、第２被覆部材１１ｂとで構成される。
【００５６】
また、本実施形態において、歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物２に埋め込まれて測定されるものであるがこれに限定されない。例えば、歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物２に貼り付けて設置されるものであってもよい。
【００５７】
（歪検出装置）
図１に示すように、上記のように構成された歪検出用光ファイバコード１は、歪検出装置３に用いられる。歪検出装置３としては、例えば、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry）方式のものを挙げることができる。本実施形態では、このＢＯＴＤＲ方式を用いて、歪検出装置３から歪検出用光ファイバコード１に光パルスを入射し、歪検出用光ファイバコード１から戻る散乱光のうちブルリアン散乱光を検出し、ブルリアン散乱光の周波数により歪みの大きさを特定すると共に、ブルリアン散乱光が戻る時間に基づいて歪みの生じている場所を特定する。尚、歪検出としてＢＯＴＤＲ方式に限定されるものではなく、歪検出装置３に歪検出用光ファイバコード１の両端を接続してポンプ光とプローブ光とを夫々入射し、両光の干渉を利用して歪みを検出するＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation-Domain Analysis）方式等であってもよい。
【００５８】
尚、検出にＢＯＣＤＡ方式を用いる場合、上記のとおりポンプ光とプローブ光との干渉を利用するため、互いの偏波状態がセンシング精度に影響を及ぼす。従って、歪検出用光ファイバコード１には、偏波保持型の光ファイバを用いることが好ましい。
【００５９】
（歪検出装置の使用方法）
また、歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物２に埋め込まれて設置される。これにより、測定対象物２に歪み２Ａが生じた場合に、この歪み２Ａに追従して歪検出用光ファイバコード１に歪み１Ａが発生する。歪検出用光ファイバコード１にパルス波を入射し、歪検出用光ファイバコード１から戻ってくるブルリアン散乱光の周波数分布を解析することで歪み１Ａを特定し、歪み１Ａを特定することで、測定対象物２の歪み２Ａを測定することができる。
【００６０】
以上の詳細な説明では、本発明をより容易に理解できるように、特徴的部分を中心に説明したが、本発明は、以上の詳細な説明に記載する実施形態に限定されず、その他の実施形態にも適用することができ、その適用範囲は可能な限り広く解釈されるべきである。また、本明細書において用いた用語及び語法は、本発明を的確に説明するために用いたものであり、本発明の解釈を制限するために用いたものではない。また、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念から、本発明の概念に含まれる他の構成、システム、方法等を推考することは容易であると思われる。従って、請求の範囲の記載は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で均等な構成を含むものであるとみなされるべきである。また、本発明の目的及び本発明の効果を充分に理解するために、すでに開示されている文献等を充分に参酌することが望まれる。
【実施例１】
【００６１】
歪検出用光ファイバコードの耐曲げ性について、歪検出用光ファイバコードの外径を表２に示すように複数変更して、図２に示すように歪検出用光ファイバコードを１８０度曲折して光ファイバの破断の有無を調べた。尚、外径が０．１２５ｍｍの光ファイバを有する歪検出用光ファイバコードを用いた。
【００６２】
【表２】
【００６３】
上記測定結果によれば、歪検出用光ファイバコードの外径が２．９ｍｍ以上である場合は、歪検出用光ファイバコードを１８０度曲折しても光ファイバは破断しないことが判明した。
【実施例２】
【００６４】
光ファイバ素線１３の周囲に光ファイバ１０よりも小さい引張弾性係数を有する被覆部１１を備えた歪検出用光ファイバコード１の歪センシング感度について、実施例１〜９、比較例１・２として測定すると共に、光ファイバ１０よりも大きい引張弾性係数を有する強化被覆層を備えた歪検出用光ファイバコードを比較例３として測定した。
【００６５】
尚、比較例１・２は、光ファイバ１０よりも小さい引張弾性係数を有する被覆部１１を備えるものであるが、引張弾性係数として好ましい１０ＭＰａ〜８７０ＭＰａの範囲外であるため比較例とした。
【００６６】
実施例１〜９、及び、比較例１〜３に共通する事項として、引張弾性係数が７０ＧＰａ、外径が０．１２５ｍｍ（断面積が約０．０１２３ｍｍ２）の光ファイバを用いた。即ち、この光ファイバのＦ１の理論値は、約８５９Ｎとなる。尚、実施例５の光ファイバのみシングルモード型を用いて、他は偏波保持型の光ファイバを用いた。
【００６７】
この光ファイバには、周囲を被覆する保護膜が形成されている。保護膜は、材質がＵＶ硬化型ウレタンアクリレートからなっている。保護膜は、引張弾性係数が１ＭＰａ、外径が０．２５ｍｍ（断面積が約０．０３６８ｍｍ２）であり、Ｆ２のうちこの保護膜が分担する割合は約０．０３６８Ｎとなる。
【００６８】
歪センシング感度は、表１に記載のアスファルト混合物に図１に示すように歪検出用光ファイバコードを埋設し、アスファルト混合物に所定の歪みを加え、温度を変化（０℃、２０℃、４０℃）させ、印加した歪みと比較して精度を調べた。また、耐曲げ性について、実施例１と同様に、歪検出用光ファイバコードを１８０度曲折して光ファイバの折れの有無を調べた。
【００６９】
実施例１〜７及び比較例１・２では、保護膜の周囲に単一の被覆部材で構成される被覆部（第１被覆部材）を設けた。また、実施例８・９は、保護膜の周囲に第１被覆部材及び第２被覆部材で構成される被覆部を設けた。また、比較例３は、保護膜の周囲に、第１被覆部材と、第２被覆部材と、第１被覆部材及び第２被覆部材に挟まれる強化被覆層とを設けた。
【００７０】
第１被覆部材、第２被覆部材、及び、強化被覆層については、表３に示す条件とした。尚、光ファイバの被覆の単位歪みに必要な力Ｆ２の理論値は、保護膜、第１被覆部材、第２被覆部材、及び、強化被覆層の夫々の単位歪みに必要な力の和から算出される値となる。
【００７１】
【表３】
【００７２】
（実施例１〜９と比較例１〜３の測定結果）
上記のようにして、歪センシング感度及び耐曲げ性について測定した結果を表４に示す。尚、歪センシング感度欄の“○”は、ノギスにより実測した測定対象物２（アスファルト混合物供試体）の歪みと、歪検出用光ファイバコード１を用いた歪検出システムによる計測歪みが、ほぼ比例定数１の比例関係にあり良好であることを示す。“×”は歪検出用光ファイバコード１を用いた歪検出システムによって歪みを計測できない、または、これら２種類の歪計測値間に比例関係がない、等の問題があることを示している。また、耐曲げ性欄の“○”は歪検出用光ファイバを１８０度曲折しても５秒以内に光ファイバが折れなかったことを示し、“×”は歪検出用光ファイバを１８０度曲折した結果、５秒以内に光ファイバが折れたことを示している。
【００７３】
また、総合評価欄の“◎”は全ての温度において歪センシング感度（ノギスにより実測したアスファルト混合物供試体２の歪みと、歪検出用光ファイバコード１を用いた歪検出システムによる計測歪み間の比例定数）が一定で、かつ、耐曲げ性が良いことを示し、“○”は全ての温度において歪センシング感度が一定だが、耐曲げ性が劣っていたことを示し、“×”は一部の温度において歪みを計測できなかった、もしくは歪センシング感度が低下したことを示している。
【００７４】
【表４】
【００７５】
上記の測定結果によれば、Ｆ１／Ｆ２が０．０５〜１８．０の範囲外である比較例１〜３は、アスファルトが４０℃での歪センシング感度が悪いことが判明した。即ち、アスファルトは高温になる程軟化して４０℃ではコンクリート等に比較して相当に小さい０．９ＭＰａとなるが、Ｆ１／Ｆ２が０．０５〜１８．０の範囲内となるように被覆部１１を設定した場合は安定した歪センシング感度を得られることが明らかになった。なお、最も好ましいＦ１／Ｆ２の範囲（１．０≦Ｆ１／Ｆ２≦３．０）内に構成された実施例８について、アスファルトが６０℃である条件で同様の測定を行ったところ、アスファルトが４０℃の時と同様の良好な歪センシング感度が得られた。
【００７６】
また、比較例１及び実施例４では、歪検出用光ファイバコードの外径が３ｍｍより小さい２．５ｍｍであり、歪検出用光ファイバコードを１８０度曲折することで光ファイバが破断した。即ち、光ファイバが一般的な外径０．１２５ｍｍのものを使用する場合、歪検出用光ファイバコードの外径が少なくとも３ｍｍ以上となるように被覆部を設定することが好ましいことが明らかになった。
【符号の説明】
【００７７】
１・２０１・３０１ 歪検出用光ファイバコード
２ 測定対象物
３ 歪検出装置
１０ 光ファイバ
１１ 被覆部
１１ａ 第１被覆部材
１１ｂ 第２被覆部材
１２ 保護膜
１３ 光ファイバ素線
１４ 光ファイバの被覆
１５ 被覆層
１６ 光ファイバ心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の歪みを測定の際に歪検出センサとして用いる歪検出用光ファイバコードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンクリート、地盤等の頑強な測定対象物の歪みを測定する際に、測定対象物に埋め込まれる歪検出センサとして光ファイバを用いる場合、光ファイバの周囲にＦＲＰ（繊維強化プラスチック：Fiber Reinforced Plastics）等による強化被覆層を形成し、測定対象物による圧力や圧力変動から光ファイバを保護する構成にされることが一般的である（特許文献１）。また、非特許文献１には、金属製の板状部材の両面に光ファイバをそれぞれ固定し、これら光ファイバと板状部材とを歪検出センサとして測定対象物に埋め込んで、歪みを測定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９５４７７７号公報
【非特許文献１】坪川将丈、「光ファイバを用いた空港アスファルト舗装のひずみ計測手法の検討」、平成２２年度港湾空港技術講演会講演集、国土交通省国土技術政策総合研究所及び独立行政法人港湾空港技術研究所、平成２２年年１０月８日、ｐ．６１−７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成において、コンクリートのような頑強な測定対象物である場合は、高い精度で歪みを測定することができるが、軟弱地盤やアスファルト等の測定対象物である場合は、測定対象物の環境温度によって歪みの測定精度が低下するという問題が判明した。即ち、従来の構成では、光ファイバを歪検出部として用いることが可能な測定対象物の種類が相当に限定されているという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題を鑑みてされたものであり、歪みの測定対象物の種類を大幅に拡大することができる歪検出用光ファイバコード及び歪検出装置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】
【０００６】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、歪検出用光ファイバコードに用いられる強化被覆層は、歪検出用光ファイバを保護する必要があるため、光ファイバよりも大きな引張弾性係数により変形し難いようにすることが必須であるとの一般的な認識が、上記の問題を引き起こしていることに気付いた。
【０００７】
即ち、本発明者は、測定対象物が、この測定対象物の歪みに追従して強化被覆層を歪ませることができる程度の引張弾性係数を有するコンクリート等である場合は、光ファイバが強化被覆層の歪みに追従するために高い精度での測定が可能であるというメカニズムの存在を見出した。また、本発明者は、測定対象物がコンクリートよりも引張弾性係数が小さい軟弱地盤や温度によって引張弾性係数が変動するアスファルト等である場合は、測定対象物の歪みに追従して強化被覆層を歪ませることができない可能性があり、その結果として光ファイバの歪みが阻害され、測定の精度を低下させるというメカニズムの存在を見出した。
【０００８】
上記知見に基づいて、本発明者は、埋め込み等の外力がある環境下に置かれる光ファイバコードに対して当業者が慣用するＦＲＰ等の強化被覆層を用いず、光ファイバを保護する被覆部を、光ファイバの引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数とすることで、従来よりも測定対象物の種類を大幅に拡大することができることを見出した。
【０００９】
即ち、本発明は、測定対象物の歪みを検出する歪検出センサとして用いられる歪検出用光ファイバコードであって、光ファイバと、前記光ファイバを有する光ファイバ素線または光ファイバ心線の周囲を被覆し、前記光ファイバの引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部とを有している。
【００１０】
上記構成によれば、光ファイバコードは、光ファイバの引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部により周囲が被覆されている。これにより、光ファイバを保護する被覆部が、この光ファイバよりも歪み易くなっている。従って、測定対象物が光ファイバを歪ませることができる程度の引張弾性係数を有していれば、被覆部を測定対象物に追従させて歪ませることができる。一般的に、光ファイバは断面積が被覆部に対して相当に小さいため、光ファイバを歪ませるための力は小さい。従って、被覆部の引張弾性係数が光ファイバよりも小さくても光ファイバに対して被覆部に追従する歪みを生じさせることができる。この結果、歪検出用光ファイバコードは測定対象物の歪みに正確に追従することができる。従って、従来よりも歪みの測定対象物の種類を大幅に拡大することができる。
【００１１】
また、本発明の歪検出用光ファイバコードは、前記光ファイバの断面積Ｓ１と引張弾性係数Ｅ１とを乗算した第１乗算値Ｆ１と、少なくとも前記被覆部を含む光ファイバの被覆の断面積Ｓ２と引張弾性係数Ｅ２とを乗算した第２乗算値Ｆ２との関係について、Ｆ１／Ｆ２＝０．０５〜１８．０の条件を満たすことが好ましい。
【００１２】
また、本発明の前記被覆部は、異なる引張弾性係数を有した複数の被覆部材により形成されている構成であってもよい。
【００１３】
上記構成によれば、被覆部は、引張弾性係数が異なる多層構造で形成されている。これにより、被覆部材毎に引張弾性係数の異なる被覆を適材適所で使用すれば、光ファイバに対して測定対象物に追従する正確な歪みを付与するための力を充分に確保することができ、センシング精度を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の前記複数の被覆部材は、前記光ファイバ側から外周側にかけて、前記引張弾性係数が小さくなる材料によりそれぞれ形成されている構成であってもよい。
【００１５】
一般的に、樹脂等は引張弾性係数が小さいほど、比較的低い温度（例えば６０℃）であっても軟化し易い傾向にあるため、被覆部を引張弾性係数の小さい単一の材料のみから形成すると、そのような軟化温度を超える使用環境下では、光ファイバを歪ませる力が不足する。そこで、被覆部を複層構造とし、外周側の被覆部材には引張弾性係数の小さい材料を使用した上で、光ファイバ側の被覆部材を比較的引張弾性係数の大きい材料で形成すれば、被覆部の引張弾性係数を測定対象物に応じた小さな値としつつ、光ファイバを歪ませるための力を確保できるため、歪検出用光ファイバコードを適用する測定対象物の上限温度をより高めることができる。
【００１６】
また、本発明の前記被覆部は、前記歪検出用光ファイバが１８０度で曲折されたときに、前記光ファイバが折れない厚みに設定されていることが好ましい。
【００１７】
上記構成によれば、歪検出用光ファイバの取り扱いを容易にすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、従来よりも歪の測定対象物の種類を大幅に拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る歪検出用光ファイバコードの説明図である。
【図２】歪検出用光ファイバコードの曲折状態を示す説明図である。
【図３】歪検出用光ファイバコードの歪状態を示す説明図である。
【図４】本実施形態の変形例に係る歪検出用光ファイバコードの説明図である。
【図５】本実施形態の変形例に係る歪検出用光ファイバコードの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
（歪検出用光ファイバコードの概要）
図１に示すように、本実施形態に係る歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物の歪みを検出する歪検出センサとして用いられるものである。例えば、飛行場や道路の舗装状態、堤体や斜面等を測定する歪検出装置の歪検出センサとして用いられる。
【００２２】
歪検出用光ファイバコード１は、光ファイバ１０と、この光ファイバ１０を有する光ファイバ素線１３（または光ファイバ心線）の周囲を被覆し、光ファイバ１０の引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部１１とを有している。換言すれば、歪検出用光ファイバコード１は、光ファイバ１０の引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部１１により周囲が被覆されている。光ファイバ１０を保護する被覆部１１は、この光ファイバ１０よりも歪み易い状態に形成されている。
【００２３】
従って、歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物２が光ファイバ１０を歪ませることができる程度の引張弾性係数を有していれば、被覆部１１を測定対象物に追従させて歪ませることができる。一般的に、光ファイバ１０は断面積が被覆部１１に対して相当に小さいため、光ファイバ１０を歪ませるための力は小さい。従って、被覆部１１の引張弾性係数が光ファイバ１０よりも小さくても光ファイバ１０に対して被覆部１１に追従する歪みを生じさせることができる。この結果、歪検出用光ファイバコード１は測定対象物２の歪みに正確に追従することができる。従って、従来よりも歪みの測定対象物の種類を大幅に拡大することができる。
【００２４】
ここで、光ファイバとは、石英ガラスで形成される光導波部のみを示す。一般的に、光ファイバは、外径が０．１２５ｍｍに形成される。
また、光ファイバ素線とは、上記のような光ファイバに単層もしくは２層の保護膜を被覆したものである。一般的に、光ファイバ素線は、保護膜にＵＶ（紫外線）硬化型ウレタンアクリレートが用いられる。また、光ファイバ素線は、外径が０．２５ｍｍに形成される。
また、光ファイバ心線とは、上記のような光ファイバ素線にさらに被覆層を形成したものである。即ち、光ファイバ心線の被覆層は、被覆部１１の一部（後述の第１被覆部材１１ａ）となる。一般的に、光ファイバ心線は、この被覆層にナイロンや東レ・デュポン社製「ハイトレル（登録商標）」が用いられる。また、光ファイバ心線は、外径が０．９ｍｍに形成される。
【００２５】
光ファイバ１０を保護膜１２で被覆した光ファイバ素線１３は、さらに被覆部１１で被覆される。換言すれば、歪検出用光ファイバコード１は、光ファイバ１０に対して、保護膜１２および被覆部１１を有した光ファイバの被覆１４を被覆して形成されたものである。
【００２６】
（測定対象物）
測定対象物２としては、コンクリートや軟弱地盤、アスファルト等を用いることができる。
【００２７】
ここで、軟弱地盤とは、ＪＩＳ Ａ １２１９の標準貫入試験によるＮ値が４以下の粘性土であるものを示す。本実施形態では、このような軟弱地盤の引張弾性係数を１００ＭＰａ以下のものとするがこれに限定されるものではない。
【００２８】
また、アスファルトは、アスファルトと骨材とを混合して生成したアスファルト混合物であり、表１のように、例えば、４０℃で０．９ＭＰａの引張弾性係数を示すものとするが、これに限定されるものではない。
【００２９】
【表１】
【００３０】
次に、このような測定対象物２に埋め込まれる歪検出用光ファイバコード１の各構成について具体的に説明する。
【００３１】
（光ファイバ）
本実施形態の光ファイバ１０は、ガラス導波路である光ファイバであり、約７０ＧＰａの引張弾性係数を有している。尚、光ファイバはガラスに限定されずプラスチック製を用いるものであってもよい。また、光ファイバ１０は、外径が０．１２５ｍｍに形成された一般的な光ファイバであるがこれに限定されない。
【００３２】
（光ファイバ素線）
光ファイバ素線１３は、光ファイバ１０と、この光ファイバ１０を保護する保護膜１２とを有している。保護膜１２は、光ファイバ１０の周囲を被覆するように形成されている。これにより、歪検出用光ファイバコードの製造時等に光ファイバが傷付くことを防止することができる。尚、製品としての光ファイバは、ガラス導波路である光ファイバの周囲に、樹脂等による保護膜を形成した光ファイバ素線や、この光ファイバ素線に被覆部の一部となる被覆層を形成した光ファイバ心線として光ファイバメーカから提供されることが一般的である。従って、光ファイバメーカから提供される光ファイバ素線や光ファイバ心線に対し、被覆部１１を形成して、歪検出用光ファイバコード１を製造すればよいため効率的である。
【００３３】
（被覆部）
上述のとおり、被覆部１１は、光ファイバ素線１３の周囲を被覆し、引張弾性係数が光ファイバ１０よりも小さくされている。これにより、被覆部１１は、光ファイバ１０を保護するとともに、測定対象物２に追従して光ファイバ１０に正確に歪みを伝え、精度の高いセンシングが可能になるようにされている。
【００３４】
先ず、光ファイバ１０の保護材としての被覆部１１の機能について説明する。
被覆部１１は、光ファイバ１０の保護のために、外径が３ｍｍ以上となるように形成されることが好ましい。これにより、被覆部１１が緩衝材となり、外力から光ファイバ１０を保護することができる。
【００３５】
被覆部１１は、歪検出用光ファイバコード１が１８０度で曲折されたときに、光ファイバ１０が折れない厚みに設定されていることが好ましい。即ち、図２に示すように、歪検出用光ファイバコード１が、被覆部１１同士が接触するように１８０度で曲折された際に、被覆部１１及び保護膜１２に被覆される光ファイバ１０が折れないことが好ましい。例えば、歪検出用光ファイバコード１（被覆部１１）の外径を３ｍｍで形成すれば、歪検出用光ファイバコード１の曲率半径を１．５ｍｍ以上に確保することができ、光ファイバ１０が折れることを防止することができる。
【００３６】
換言すれば、被覆部１１（歪検出用光ファイバコード１）は、光ファイバの外径（０．１２５ｍｍ）に対して２４倍程度の外径（３ｍｍ）となるように設定されている。また、被覆部１１は引張弾性係数の小さい材料からなるので、歪検出用光ファイバコード１の可とう性を確保しつつ、その取り扱いを容易にすることができる。
その一方で、ＦＲＰ等の引張弾性係数の大きい材料を強化被覆層として用いた場合、歪検出用光ファイバコード１は非常に曲がりにくくなり、取扱性は悪化する。
【００３７】
次に、センシングの精度を向上させる被覆部１１の機能について説明する。
上述のとおり、被覆部１１は、引張弾性係数が１０ＭＰａ〜８７０ＭＰａの樹脂で形成され、光ファイバ１０よりも小さい。
【００３８】
被覆部１１の引張弾性係数を光ファイバ１０の引張弾性係数より小さくすることで、被覆部１１は、歪検出用光ファイバコード１を測定対象物２に埋設した際に、測定対象物２の有する凹凸が被覆部１１に食い込み、歪検出用光ファイバコード１と測定対象物２との密着度を高めることができる。従って、測定対象物２に歪みが生じた際に、歪検出用光ファイバコード１が測定対象物２に追従して歪みが生じ易くなり、センシングの精度を向上させることができる。
【００３９】
即ち、図３に示すように、測定対象物２が被覆部１１に食い込む凸部２１を有し、測定対象物２に歪検出用光ファイバコード１の長手方向へ歪み２Ａが発生した場合、測定対象物２に接触する被覆部１１は歪み２Ａの歪方向へ引っ張られて歪み１１Ａを生じる。このとき、凸部２１が被覆部１１に食い込んだ状態となっているため、被覆部１１の歪み１１Ａは歪み２Ａにより正確に追従したものとなる。
【００４０】
また、被覆部１１の引張弾性係数を１０ＭＰａ以上とすることで、光ファイバ１０を有する光ファイバ素線１３の歪み１３Ａは、被覆部１１の歪み１１Ａに正確に追従したものとなる。具体的に、図３に示すように、光ファイバ素線１３は、歪み１１Ａに追従した歪み１３Ａを生じる。ここで、被覆部１１の引張弾性係数を１０ＭＰａ以上とすることで、被覆部１１が光ファイバ素線１３に与える力（光ファイバ素線１３を歪ませる力）を充分に確保することができるため、光ファイバ素線１３の歪み１３Ａは、被覆部１１の歪み１１Ａに正確に追従したものとなる。
【００４１】
これらの結果、光ファイバ素線１３における光ファイバ１０の歪みは、測定対象物２の歪み２Ａに正確に追従したものとなり、センシングの精度が向上される。
【００４２】
また、歪検出用光ファイバコード１と測定対象物２との密着度を高めてセンシングの精度を向上させるために、被覆部１１に熱可塑性の樹脂を用いることが好ましい。熱可塑性の樹脂としては、ポリエチレン、ポリエチレン系熱可塑性エラストマー、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー（東レ・デュポン社 Hytrelシリーズ等）、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリプロピレン系熱可塑性エラストマー、ポリスチレン系熱可塑性エラストマー、エチレン・エチルアクリレート共重合体（日本ユニカー社 EEA NUC-6940等）、エチレン・メチルアクリレート共重合体（DuPont社 Elvaloy 12024EACS等）、エチレン・ビニルアセテート共重合体を例示することができる。これにより、歪検出用光ファイバコード１を施工時に高温（例：１８０℃）となる測定対象物２（アスファルト等）に埋設する際に、被覆部１１が接着剤の働きをするため、測定対象物２との密着度をより高めることができる。
【００４３】
図１に示すように、被覆部１１は、第１被覆部材１１ａと、第２被覆部材１１ｂとを有している。光ファイバ素線１３の周囲には、第１被覆部材１１ａが被覆されている。第１被覆部材１１ａの周囲には、第２被覆部材１１ｂが被覆されている。第１被覆部材１１ａと第２被覆部材１１ｂとは、異なる引張弾性係数を有している。
【００４４】
このように、被覆部１１は、異なる引張弾性係数を有した複数の被覆部材１１ａ・１１ｂにより形成されている。換言すれば、被覆部１１は、引張弾性係数の異なる多層構造で形成されている。一般的に、樹脂等は引張弾性係数が小さいほど、比較的低い温度（例えば６０℃）であっても軟化し易い傾向にあるため、被覆部１１を引張弾性係数の小さい単一の材料のみから形成すると、そのような軟化温度を超える使用環境下では、光ファイバ１０を歪ませる力が不足する。そこで、上記のように被覆部１１を２層構造とし、第２被覆部材１１ｂには引張弾性係数の小さい材料を使用した上で、第１被覆部材１１ａを比較的引張弾性係数の大きい材料で形成すれば、被覆部１１の引張弾性係数を測定対象物に応じた小さな値としつつ、光ファイバ１０を歪ませるための力を確保できるため、歪検出用光ファイバコードを適用する測定対象物の上限温度をより高めることができる。
【００４５】
例えば、本実施形態では、第１被覆部材１１ａよりも第２被覆部材１１ｂが、引張弾性係数が小さくなるように形成されている。即ち、被覆部１１が有する複数の被覆部材が、光ファイバ１０側から外周側にかけて、引張弾性係数が小さくなる材料によりそれぞれ形成されている。
【００４６】
一般的に、樹脂等の素材は比較的低い温度であっても引張弾性係数が小さいほど軟化し易い傾向にある。上記のような構成にすることにより、高い温度により引張弾性係数が低下するようなアスファルト等の測定対象物２であっても、被覆部１１の保護材としての機能を確保しつつ、被覆部１１を測定対象物２に応じた引張弾性係数とすることができる。尚、被覆部１１は２層構造に限定されるものではなく、単層であってもよいし、３層以上であってよい。
【００４７】
（光ファイバと被覆部との関係）
このような被覆部１１と光ファイバ１０との関係について説明する。
上述のとおり、被覆部１１は、光ファイバ１０よりも引張弾性係数が小さくされている。光ファイバ１０の引張弾性係数は７０ＧＰａ程度であり、被覆部１１の引張弾性係数は少なくともこれよりも小さい必要がある。
【００４８】
具体的に、被覆部１１と光ファイバ１０との関係を、被覆部１１と光ファイバ１０に単位歪み（１００％の歪み）を与えるために必要な力の関係で示す。光ファイバ１０の第１乗算値Ｆ１は、下記の式（１）に示すように、光ファイバ１０の引張弾性係数Ｅ１と、光ファイバ１０の縦断面積Ｓ１との積となる。
【００４９】
【数１】
【００５０】
また、少なくとも被覆部１１を含む光ファイバの被覆１４の第２乗算値Ｆ２は、下記の式（２）に示すように、光ファイバの被覆１４の被覆層（本実施形態では、保護膜１２、被覆部材１１ａ・１１ｂ）毎の単位歪みを与えるための力（被覆層の引張弾性係数Ｅ２と被覆部材の縦断面積Ｓ２との積）の和となる。尚、Ｅ２及びＳ２の添え字は、光ファイバの被覆１４の光ファイバ側からｘ番目の被覆層を示す。第２乗算値Ｆ２は、少なくとも被覆部１１の単位歪みを与えるための力が含まれていればよく、例えば被覆部１１のみの単位歪みを与えるための力を示すものであってもよい。
【００５１】
【数２】
【００５２】
このような、光ファイバ１０の単位歪みを与えるための力Ｆ１を、光ファイバの被覆１４の単位歪みに必要な力Ｆ２で割った値が、下記式（３）に示すように、０．０５〜１８．０であることが好ましい。具体的には、Ｆ１／Ｆ２の下限値は、０．０５が好ましく、０．１がより好ましく、１．０がさらに好ましい。また、Ｆ１／Ｆ２の上限値は、１８．０が好ましく、１０．０がより好ましく、３．０がさらに好ましい。
【００５３】
【数３】
【００５４】
（変形例）
以上のように、本実施形態の歪検出用光ファイバコード１について、図１に示すように、光ファイバ素線１３の周囲を被覆部１１が被覆され、被覆部１１が第１被覆部材１１ａ及び第２被覆部材１１ｂを有する構成として説明したが、これに限定されるものではない。
【００５５】
例えば、図４に示すように、被覆部１１が単一の被覆部材で構成される歪検出用光ファイバコード２０１であってもよい。
また、例えば、図５に示すように、光ファイバ素線１３の周囲を被覆するように被覆層１５が形成された光ファイバ心線１６に、第２被覆部材１１ｂを被覆した歪検出用光ファイバコード３０１であってもよい。この場合、光ファイバ心線１６の被覆層１５は、第１被覆部材１１ａとなる。換言すれば、被覆部１１は、第１被覆部材１１ａとしての被覆層１５と、第２被覆部材１１ｂとで構成される。
【００５６】
また、本実施形態において、歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物２に埋め込まれて測定されるものであるがこれに限定されない。例えば、歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物２に貼り付けて設置されるものであってもよい。
【００５７】
（歪検出装置）
図１に示すように、上記のように構成された歪検出用光ファイバコード１は、歪検出装置３に用いられる。歪検出装置３としては、例えば、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry）方式のものを挙げることができる。本実施形態では、このＢＯＴＤＲ方式を用いて、歪検出装置３から歪検出用光ファイバコード１に光パルスを入射し、歪検出用光ファイバコード１から戻る散乱光のうちブルリアン散乱光を検出し、ブルリアン散乱光の周波数により歪みの大きさを特定すると共に、ブルリアン散乱光が戻る時間に基づいて歪みの生じている場所を特定する。尚、歪検出としてＢＯＴＤＲ方式に限定されるものではなく、歪検出装置３に歪検出用光ファイバコード１の両端を接続してポンプ光とプローブ光とを夫々入射し、両光の干渉を利用して歪みを検出するＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation-Domain Analysis）方式等であってもよい。
【００５８】
尚、検出にＢＯＣＤＡ方式を用いる場合、上記のとおりポンプ光とプローブ光との干渉を利用するため、互いの偏波状態がセンシング精度に影響を及ぼす。従って、歪検出用光ファイバコード１には、偏波保持型の光ファイバを用いることが好ましい。
【００５９】
（歪検出装置の使用方法）
また、歪検出用光ファイバコード１は、測定対象物２に埋め込まれて設置される。これにより、測定対象物２に歪み２Ａが生じた場合に、この歪み２Ａに追従して歪検出用光ファイバコード１に歪み１Ａが発生する。歪検出用光ファイバコード１にパルス波を入射し、歪検出用光ファイバコード１から戻ってくるブルリアン散乱光の周波数分布を解析することで歪み１Ａを特定し、歪み１Ａを特定することで、測定対象物２の歪み２Ａを測定することができる。
【００６０】
以上の詳細な説明では、本発明をより容易に理解できるように、特徴的部分を中心に説明したが、本発明は、以上の詳細な説明に記載する実施形態に限定されず、その他の実施形態にも適用することができ、その適用範囲は可能な限り広く解釈されるべきである。また、本明細書において用いた用語及び語法は、本発明を的確に説明するために用いたものであり、本発明の解釈を制限するために用いたものではない。また、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念から、本発明の概念に含まれる他の構成、システム、方法等を推考することは容易であると思われる。従って、請求の範囲の記載は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で均等な構成を含むものであるとみなされるべきである。また、本発明の目的及び本発明の効果を充分に理解するために、すでに開示されている文献等を充分に参酌することが望まれる。
【実施例１】
【００６１】
歪検出用光ファイバコードの耐曲げ性について、歪検出用光ファイバコードの外径を表２に示すように複数変更して、図２に示すように歪検出用光ファイバコードを１８０度曲折して光ファイバの破断の有無を調べた。尚、外径が０．１２５ｍｍの光ファイバを有する歪検出用光ファイバコードを用いた。
【００６２】
【表２】
【００６３】
上記測定結果によれば、歪検出用光ファイバコードの外径が２．９ｍｍ以上である場合は、歪検出用光ファイバコードを１８０度曲折しても光ファイバは破断しないことが判明した。
【実施例２】
【００６４】
光ファイバ素線１３の周囲に光ファイバ１０よりも小さい引張弾性係数を有する被覆部１１を備えた歪検出用光ファイバコード１の歪センシング感度について、実施例１〜９、比較例１・２として測定すると共に、光ファイバ１０よりも大きい引張弾性係数を有する強化被覆層を備えた歪検出用光ファイバコードを比較例３として測定した。
【００６５】
尚、比較例１・２は、光ファイバ１０よりも小さい引張弾性係数を有する被覆部１１を備えるものであるが、引張弾性係数として好ましい１０ＭＰａ〜８７０ＭＰａの範囲外であるため比較例とした。
【００６６】
実施例１〜９、及び、比較例１〜３に共通する事項として、引張弾性係数が７０ＧＰａ、外径が０．１２５ｍｍ（断面積が約０．０１２３ｍｍ２）の光ファイバを用いた。即ち、この光ファイバのＦ１の理論値は、約８５９Ｎとなる。尚、実施例５の光ファイバのみシングルモード型を用いて、他は偏波保持型の光ファイバを用いた。
【００６７】
この光ファイバには、周囲を被覆する保護膜が形成されている。保護膜は、材質がＵＶ硬化型ウレタンアクリレートからなっている。保護膜は、引張弾性係数が１ＭＰａ、外径が０．２５ｍｍ（断面積が約０．０３６８ｍｍ２）であり、Ｆ２のうちこの保護膜が分担する割合は約０．０３６８Ｎとなる。
【００６８】
歪センシング感度は、表１に記載のアスファルト混合物に図１に示すように歪検出用光ファイバコードを埋設し、アスファルト混合物に所定の歪みを加え、温度を変化（０℃、２０℃、４０℃）させ、印加した歪みと比較して精度を調べた。また、耐曲げ性について、実施例１と同様に、歪検出用光ファイバコードを１８０度曲折して光ファイバの折れの有無を調べた。
【００６９】
実施例１〜７及び比較例１・２では、保護膜の周囲に単一の被覆部材で構成される被覆部（第１被覆部材）を設けた。また、実施例８・９は、保護膜の周囲に第１被覆部材及び第２被覆部材で構成される被覆部を設けた。また、比較例３は、保護膜の周囲に、第１被覆部材と、第２被覆部材と、第１被覆部材及び第２被覆部材に挟まれる強化被覆層とを設けた。
【００７０】
第１被覆部材、第２被覆部材、及び、強化被覆層については、表３に示す条件とした。尚、光ファイバの被覆の単位歪みに必要な力Ｆ２の理論値は、保護膜、第１被覆部材、第２被覆部材、及び、強化被覆層の夫々の単位歪みに必要な力の和から算出される値となる。
【００７１】
【表３】
【００７２】
（実施例１〜９と比較例１〜３の測定結果）
上記のようにして、歪センシング感度及び耐曲げ性について測定した結果を表４に示す。尚、歪センシング感度欄の“○”は、ノギスにより実測した測定対象物２（アスファルト混合物供試体）の歪みと、歪検出用光ファイバコード１を用いた歪検出システムによる計測歪みが、ほぼ比例定数１の比例関係にあり良好であることを示す。“×”は歪検出用光ファイバコード１を用いた歪検出システムによって歪みを計測できない、または、これら２種類の歪計測値間に比例関係がない、等の問題があることを示している。また、耐曲げ性欄の“○”は歪検出用光ファイバを１８０度曲折しても５秒以内に光ファイバが折れなかったことを示し、“×”は歪検出用光ファイバを１８０度曲折した結果、５秒以内に光ファイバが折れたことを示している。
【００７３】
また、総合評価欄の“◎”は全ての温度において歪センシング感度（ノギスにより実測したアスファルト混合物供試体２の歪みと、歪検出用光ファイバコード１を用いた歪検出システムによる計測歪み間の比例定数）が一定で、かつ、耐曲げ性が良いことを示し、“○”は全ての温度において歪センシング感度が一定だが、耐曲げ性が劣っていたことを示し、“×”は一部の温度において歪みを計測できなかった、もしくは歪センシング感度が低下したことを示している。
【００７４】
【表４】
【００７５】
上記の測定結果によれば、Ｆ１／Ｆ２が０．０５〜１８．０の範囲外である比較例１〜３は、アスファルトが４０℃での歪センシング感度が悪いことが判明した。即ち、アスファルトは高温になる程軟化して４０℃ではコンクリート等に比較して相当に小さい０．９ＭＰａとなるが、Ｆ１／Ｆ２が０．０５〜１８．０の範囲内となるように被覆部１１を設定した場合は安定した歪センシング感度を得られることが明らかになった。なお、最も好ましいＦ１／Ｆ２の範囲（１．０≦Ｆ１／Ｆ２≦３．０）内に構成された実施例８について、アスファルトが６０℃である条件で同様の測定を行ったところ、アスファルトが４０℃の時と同様の良好な歪センシング感度が得られた。
【００７６】
また、比較例１及び実施例４では、歪検出用光ファイバコードの外径が３ｍｍより小さい２．５ｍｍであり、歪検出用光ファイバコードを１８０度曲折することで光ファイバが破断した。即ち、光ファイバが一般的な外径０．１２５ｍｍのものを使用する場合、歪検出用光ファイバコードの外径が少なくとも３ｍｍ以上となるように被覆部を設定することが好ましいことが明らかになった。
【符号の説明】
【００７７】
１・２０１・３０１ 歪検出用光ファイバコード
２ 測定対象物
３ 歪検出装置
１０ 光ファイバ
１１ 被覆部
１１ａ 第１被覆部材
１１ｂ 第２被覆部材
１２ 保護膜
１３ 光ファイバ素線
１４ 光ファイバの被覆
１５ 被覆層
１６ 光ファイバ心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の歪みを検出する歪検出センサとして用いられる歪検出用光ファイバコードであって、
光ファイバと、
前記光ファイバを有する光ファイバ素線または光ファイバ心線の周囲を被覆し、前記光ファイバの引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部と
を有することを特徴とする歪検出用光ファイバコード。
【請求項２】
前記光ファイバの縦断面積Ｓ１と引張弾性係数Ｅ１とを乗算した第１乗算値Ｆ１と、少なくとも前記被覆部を含む光ファイバの被覆の縦断面積Ｓ２と引張弾性係数Ｅ２とを乗算した第２乗算値Ｆ２との関係について、Ｆ１／Ｆ２＝０．０５〜１８．０の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の歪検出用光ファイバ。
【請求項３】
前記被覆部は、異なる引張弾性係数を有した複数の被覆部材により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の歪検出用光ファイバ。
【請求項４】
前記複数の被覆部材は、前記光ファイバ側から外周側にかけて、前記引張弾性係数が小さくなる材料によりそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項３に記載の歪検出用光ファイバ。
【請求項５】
前記被覆部は、前記歪検出用光ファイバが１８０度で曲折されたときに、前記光ファイバが折れない厚みに設定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の歪検出用光ファイバ。
【請求項１】
測定対象物の歪みを検出する歪検出センサとして用いられる歪検出用光ファイバコードであって、
光ファイバと、
前記光ファイバを有する光ファイバ素線または光ファイバ心線の周囲を被覆し、前記光ファイバの引張弾性係数よりも小さな引張弾性係数の被覆部と
を有することを特徴とする歪検出用光ファイバコード。
【請求項２】
前記光ファイバの縦断面積Ｓ１と引張弾性係数Ｅ１とを乗算した第１乗算値Ｆ１と、少なくとも前記被覆部を含む光ファイバの被覆の縦断面積Ｓ２と引張弾性係数Ｅ２とを乗算した第２乗算値Ｆ２との関係について、Ｆ１／Ｆ２＝０．０５〜１８．０の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の歪検出用光ファイバ。
【請求項３】
前記被覆部は、異なる引張弾性係数を有した複数の被覆部材により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の歪検出用光ファイバ。
【請求項４】
前記複数の被覆部材は、前記光ファイバ側から外周側にかけて、前記引張弾性係数が小さくなる材料によりそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項３に記載の歪検出用光ファイバ。
【請求項５】
前記被覆部は、前記歪検出用光ファイバが１８０度で曲折されたときに、前記光ファイバが折れない厚みに設定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の歪検出用光ファイバ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２２９９９２（Ｐ２０１２−２２９９９２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９８４７９（Ｐ２０１１−９８４７９）
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（０００１０８７４２）タツタ電線株式会社 (76)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（０００１０８７４２）タツタ電線株式会社 (76)
【Ｆターム（参考）】
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