溶接型光ひずみゲージとその製造方法および溶接型光ひずみゲージユニット
【課題】 耐環境性に優れ、ひずみ伝達率が安定的に高く、外部要因である磁界、電界、温度の影響を受けない溶接型光ひずみゲージを提供する。
【解決手段】 この溶接型光ひずみゲージ１は、両端が開口された極小径の金属シースチューブ３と、この金属シースチューブ３にライン状に溶接６された薄板状のフランジ板２と、金属シースチューブ３の内空に挿通され且つ接着剤５によって固着されたファイバブラッググレーティング部（ＦＢＧ）４ａを含む光ファイバ４から構成されている。
この溶接型光ファイバ１は、被測定対象物７上において、フランジ部２ａ、２ｂをスポット溶接することにより、確実に固着される。ＦＢＧ４ａは、光ファイバに書き込まれたグレーティングのピッチがひずみや温度によって変化する。その変化に応じてグレーティングからブラッグ反射する光のピーク波長が変化することを利用してひずみ等を計測する。
【解決手段】 この溶接型光ひずみゲージ１は、両端が開口された極小径の金属シースチューブ３と、この金属シースチューブ３にライン状に溶接６された薄板状のフランジ板２と、金属シースチューブ３の内空に挿通され且つ接着剤５によって固着されたファイバブラッググレーティング部（ＦＢＧ）４ａを含む光ファイバ４から構成されている。
この溶接型光ファイバ１は、被測定対象物７上において、フランジ部２ａ、２ｂをスポット溶接することにより、確実に固着される。ＦＢＧ４ａは、光ファイバに書き込まれたグレーティングのピッチがひずみや温度によって変化する。その変化に応じてグレーティングからブラッグ反射する光のピーク波長が変化することを利用してひずみ等を計測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：以下「ＦＢＧ」と略す場合がある）を被測定対象物に溶接可能となして、当該ＦＢＧ部により被測定対象物のひずみを計測し得るように構成してなる溶接型光ひずみゲージ、溶接型光ひずみゲージの製造方法および溶接型光ひずみゲージユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ひずみを計測するセンサとしては、従来は、箔ゲージや半導体ゲージ等のひずみゲージが一般に広く使用されている。特に、小さいひずみしか発生しないような個所におけるひずみ計測には、半導体ゲージ等が使用されることが多かった。
しかしながら、このようなひずみゲージを利用した各種センサには、屋外設置等において対雷対策において難点があり、さらには長期安定性を阻害する要素として絶縁の劣化がある。
このような点に優位性があるものとして、ＦＢＧをファイバ型検出素子に用いたひずみセンサや温度センサの開発が進められている。
ＦＢＧは、光ファイバのコア内に所定周期（「グレーティング周期」という）で所定間隔おきに所定長（グレーティング長」という）の屈折率変化部分を形成するものである。上記屈折率変化部分は、例えば紫外レーザ光を光ファイバに照射することにより作製する。
光ファイバに書き込まれたグレーティングのピッチがひずみや温度によって変化すると、その変化に応じてグレーティングからブラッグ反射する光のピーク波長（「ブラッグ波長」という）が変化すること、あるいはグレーティングを透過する光のスペクトルが変化（ディップ光の中心波長が変化）することを利用したものである。
【０００３】
このようなＦＢＧを用いた貼り付け型光ファイバセンサとして、例えば、特開２００１−２９６１１０（特許文献１）にて提案されたものがある。
即ち、この特許文献１には、被検出個所に光ファイバを貼り付け易くするため、ＦＢＧを含む光ファイバを樹脂にてフィルムに固定したもの、光ファイバを２枚のフィルム間に挟んだ上で樹脂にて固定したもの、光ファイバをフィルム上にメッキにて固定したもの、光ファイバをフィルム上に蒸着にて固定したもの、などが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９６１１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１の貼り付け型光ファイバセンサは、発明の効果の記載によれば、光ファイバがフィルムに予め固定されているため、フィルムを検出個所との間の接着剤が薄く伸びるので、施工性が容易となり、また、接着時の押し付け圧を平均化し、被検出個所にひずみが発生したときのひずみを平均化して検出できるため真のひずみによるブラッグ波長シフト量を高精度に検出することができる、としている。
しかしながら、上記特許文献１の貼り付け型光ファイバセンサは、ＦＢＧ光ファイバを樹脂、メッキ、蒸着等でフィルム上に固定したものであるため、固定方法としては強固なものではなく、また外方からの不用意な力や衝撃が加えられた場合、簡単に損傷し、所期の機能を果たし得なくなる、という難点があるほか、防水防湿性においても問題がある。
さらにまた、上記特許文献１の貼り付け型光ファイバセンサは、ひずみ伝達系を構成する材料、特に接着剤の劣化や、温度変化に伴う物性変化の影響を受け易く、長期安定性や精度の低下を来たし易い、という難点がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的とするところは、耐環境性の向上を図り、もって長期安定性の改善を実現し得る溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第２の目的とするところは、ひずみの伝達系を構成する部材の物性が変化してもＦＢＧ部についてはその影響を受け難い溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第３の目的とするところは、ひずみ伝達系が極めて安定性に優れ、零点漂動および温度特性の改善を実現し得る溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第４の目的として、光ひずみゲージ間の感度のばらつきが極めて少ない溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第５の目的とするところは、従来の箔ゲージや半導体ゲージ等において大きな問題であった電磁ノイズ対策や対雷対策を施す必要がなく、構成が簡素で低価格を実現しつつ、上述した種々の目的を実現し得る溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第６の目的とするところは、被測定対象物のひずみを計測すると共に、その近傍の温度をも計測し得る溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第７の目的とするところは、上記した種々の目的を実現し得る溶接型光ひずみゲージを製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上述した第１および第５の目的を達成するために、両端が開口された極小径の金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿ってその外周面に溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され且つ固着手段によって固着されたファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、を有し、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することにより、ひずみを計測し得るように構成したことを特徴としている。
請求項２に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１および第５の目的を達成するために、前記固着手段は、前記金属シースチューブの内周面と前記光ファイバの外周面に充填され且つ固化されてなる接着剤であることを特徴としている。
請求項３に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１および第５の目的を達成するために、前記固着手段は、表面がメタライズされた前記光ファイバを前記金属シースチューブに挿入した状態で前記光ファイバと前記金属シースチューブとの間を超音波ハンダまたはろう付けで固着するものであることを特徴としている。
【０００８】
請求項４に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１〜第３の目的を達成するために、前記フランジ板の溶接長さを、ひずみが１００％伝わる長さが前記ファイバブラッググレーティング部の長さの約２倍以上になるように設定してなることを特徴としている。
請求項５に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１〜第５の目的を達成するために、前記シースチューブは、前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って、前記フランジ板の板面に向かう方向に、前記光ファイバへの変形を与えることなく、押し潰されて断面長円形状に形成されていることを特徴としている。
請求項６に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１〜第５の目的を達成するために、前記シースチューブと前記フランジ板および前記光ファイバの一部を覆い得る形状を呈し、自身の周辺近傍表面上に塗布されるコーティング材により前記被測定対象物に固着されるプロテクタを有することを特徴としている。
【０００９】
請求項７に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１〜第６の目的を達成するために、両端が開口された金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿って前記金属シースチューブの一定長に亘り溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され、前記フランジ板のほぼ中央部に配設され固着手段によって固着されたひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部およびこのひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部の近傍における前記金属シースチューブの内空であって、前記フランジ板には溶接されていない部位に、固着手段によって固着され前記ひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部とは波長の異なる温度計測用ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することによりひずみおよび温度を同時的に計測し得るように構成したことを特徴としている。
請求項８に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージの製造方法は、上記第１〜第５の目的および第７の目的を達成するために、極小径の金属シースチューブの外周面に平板状のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに固着させる光ファイバ固着ステップと、
を有することを特徴としている。
【００１０】
請求項９に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージの製造方法は、上記第１〜第５の目的および第７の目的を達成するために、極小径の金属シースチューブの外周面に平板上のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに接着させる光ファイバ接着ステップと、
前記接着ステップに引続き、前記接着剤が硬化する前に、前記金属シースチューブを前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って前記フランジ板の板面に向かう方向に押し潰して断面長円形状に成形する押し潰しステップと、
を有することを特徴としている。
請求項１０に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージユニットは、上記第１〜第５の目的を達成するために、請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接型光ひずみゲージを光コネクタまたは融着接続部を介して直列状に順次複数連接することにより、複数の被測定対象個所におけるひずみを計測し得るように構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、両端が開口された極小径の金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿ってその外周面に溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され且つ固着手段によって固着されたファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、を有し、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することにより、ひずみを計測し得るように構成したので、極小径の金属シースチューブの内空に固着されたファイバブラッググレーティング部は準気密構造とされ、外部からの水分や湿気の浸入が抑制され、耐環境性が向上し、長期安定性を確保し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
請求項２に記載の発明によれば、前記固着手段は、前記金属シースチューブの内周面と前記光ファイバの外周面に充填され且つ固化されてなる接着剤であるため、ファイバブラッググレーティング部が接着剤により極小径の金属シースチューブ内に準気密状態で固着され、外部からの水分や湿気の浸入が抑制され耐環境性が向上し、長期安定性を確保し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、前記固着手段は、表面がメタライズされた前記光ファイバを前記金属シースチューブに挿入した状態で前記光ファイバと前記金属シースチューブとの間を超音波ハンダまたはろう付けで固着するものでため、ひずみ伝達系による材料の長期使用に基づく劣化や物性変化が軽微であり、長期安定性を充分に確保し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
請求項４に記載の発明によれば、前記フランジ板の溶接長さを、ひずみが１００％伝わる長さが前記ファイバブラッググレーティング部の長さの約２倍以上になるように設定してなるので、ひずみ伝達系を構成する部材（例えば、接着剤）の物性が変化しても、ファイバブラッググレーティング部においてはその影響を受けず、例えば、クリープ特性、零点漂動および温度特性の改善を図り得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明によれば、前記シースチューブは、前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って、前記フランジ板の板面に向かう方向に、前記光ファイバへの変形を与えることなく、押し潰されて断面長円形状に形成されているので、金属シースチューブ内の容積を圧縮し接着剤等の固着手段の未充填部を無くし均一な充填層を形成することができ、延いては、光ひずみゲージの感度のばらつきが極めて少なくなり、併せて零点漂動および温度特性の大幅な改善を実現し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
請求項６に記載の発明によれば、前記シースチューブと前記フランジ板および前記光ファイバの一部を覆い得る形状を呈し、自身の周辺近傍表面上に塗布されるコーティング材により前記被測定対象物に固着されるプロテクタを有する構成としたので、光ひずみゲージは外部からの衝撃に充分に耐えると共に、被測定対象物にスポット溶接されたフランジ板の錆の発生を防止し、耐環境性をより一層改善し、耐久性を飛躍的に向上し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明によれば、両端が開口された金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿って前記金属シースチューブの一定長に亘り溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され、前記フランジ板のほぼ中央部に配設され固着手段によって固着されたひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部およびこのひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部の近傍における前記金属シースチューブの内空であって、前記フランジ板には溶接されていない部位に、固着手段によって固着され前記ひずみ計測用ファイバブラッグレーティング部とは波長の異なる温度計測用ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することによりひずみおよび温度を同時的に計測し得るように構成したので、他の方法に比べ、より正確な温度補償を行い得ると共に、温度ヒステリシスが生じない、という利点があり、ひずみ計測部に極く近い部分の温度を計測するため過渡現象の温度補償も行うことができ、しかも同一の金属シースチューブ内に同一の接着剤を用いて同一工程の中で製作されるので、構成が簡素なことと相俟って低価格で、安定した特性の溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明によれば、極小径の金属シースチューブの外周面に平板状のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに固着させる光ファイバ固着ステップと、
を有する構成としたので、耐環境性に優れ、長期安定性に優れる溶接型光ひずみゲージを安価に製作し得る溶接型光ひずみゲージの製造方法を提供することができる。
【００１６】
請求項９に記載の発明によれば、極小径の金属シースチューブの外周面に平板状のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに接着させる光ファイバ接着ステップと、
前記接着ステップに引続き、前記接着剤が硬化する前に、前記金属シースチューブを前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って前記フランジ板の板面に向かう方向に押し潰して断面長円形状に成形する押し潰しステップと、
を有する構成としたので、感度のばらつき、零点漂動、ヒステリシスおよび温度特性を大幅に改善し得る溶接型光ひずみゲージの製造方法を提供することができる。
請求項１０に記載の発明によれば、請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接型光ひずみゲージを光コネクタまたは融着接続部を介して直列状に順次複数連接することにより、複数の被測定対象個所におけるひずみを計測し得るように構成したので、広範囲に亘る被測定対象物を、多点において常時且つ同時的に十分な計測精度でひずみを計測し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態に基づき、図面を参照して本発明の溶接型光ひずみゲージを詳細に説明する。
図１（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージの正面横断面図、平面図および正面縦断面図である。
同図において、溶接型光ひずみゲージ１は、フランジ板２、金属シースチューブ３、ファイバ ブラッグ グレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｉｔｉｎｇ）部４ａを中間に含む光ファイバ４および光ファイバ４を金属シースチューブ３の内空に光ファイバ４を固着する固定手段としての接着剤５よりなる。
金属シースチューブ３は、極小径（例えば、約０．３ｍｍ）で断面が円形状をなす適宜長さのステンレス金属材料で形成される。
フランジ板２は、例えばインコネル等の金属材料からなる薄肉の長方形平板状を呈している。
金属シースチューブ３は、フランジ板２の長手方向の中心線に沿って当接した状態でその当接部をフランジ板２側から、例えば電子ビーム溶接（ＥＢＷ）６等により、１ラインのライン状の溶接部６により金属シースチューブ３にフランジ板２を固着している。
【００１８】
フランジ板２の金属シースチューブ３が固着されている部分の両側、即ち図１（ｂ）における上側と下側、図１（ｃ）における右側と左側、のフランジ部２ａと２ｂは、この部分を被測定対象面にスポット溶接２ｃ等により固定する部分であり、被測定対象物７のひずみをＦＢＧに伝える作用を有する。
ここで、上述における金属シースチューブ３の内壁へのＦＢＧ４ａを有する光ファイバ４の接着工程を含む溶接型光ひずみゲージ１の製造における作業手順の一例を、上述した図１および図２、図３を参照して説明する。
この場合、ＦＢＧ部４ａは、予めホログラフィック法やフェイズマスク法等にてコア内に周期的屈折率変化を生じさせておくものとする。
（１） 所定長に裁断された極小径の金属シースチューブ３の外周面を、平板上のフランジ板２の長手方向（図１（ｂ）における左右方向）に沿う仮想中心線２ｄに合わせて当接し、フランジ板２の下面側（図１（ｃ）における下面側）から電子ビーム溶接（ＥＷＢ）６等によって、ライン状に溶接して、フランジ板２に固着しておく（この工程を、以下「溶接ステップ」という）。
【００１９】
金属シースチューブ３は、この場合、具体的には、例えば、外径が０．５５ｍｍ、内径が０．３ｍｍのものを用いている。但し、この寸法に限られるものではなく、上記外径、内径ともこの前後の寸法のものを、光ファイバ４の外径に対応して適宜設定するものとする。
（２） このような状態で、ＦＢＧ部４ａを有する光ファイバ４の外周面に、接着剤５（例えば、エポキシ系接着剤）を塗布する。また、金属シースチューブ３の内空に予め、接着剤５を塗布しておいてもよいが、光ファイバ４の挿入側先端面に接着剤５が付着する虞れがあるので、接着剤５の付着を防止する部材を冠着しておく必要がある。
この後、光ファイバ４を、金属シースチューブ３の例えば、右端側から挿入し、左端側まで、挿通してＦＢＧ部４ａが所定の位置、例えば、金属シースチューブ３の中央部に至った段階まで、光ファイバ４を引き出した位置で、引き出しを停止する。この引き出した状態が図１（ａ）、図１（ｂ）に示す状態である。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態においては、この状態で接着剤５を硬化させることにより、溶接型ひずみゲージ１が完成する。（この工程を、「光ファイバ固着ステップ」という）。
尚、光ひずみゲージ１を、ホットプレート（図示せず）に載置して接着剤５を熱硬化させるようにしてもよい。
（３） 本発明の第２の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージの製造方法においては、上記、「光ファイバ固着ステップ」の段階において、接着剤５が硬化する前に、金属シースチューブ３を、図２および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、フランジ板２の長さにほぼ相当する長さ範囲に亘って、フランジ板２の板面に向かう方向（図２において、下方向）に押し潰して、長円状（偏平状）あるいは楕円状に成形する（この工程を「押し潰しステップ」という）。
この押し潰しステップにおいては、一気に板面に平行に押し潰すのではなく、金属シースチューブ３の中央から次第に端部に向かって押し潰すことが望ましい。
【００２１】
これは、金属シースチューブ３内に充填された接着剤５が、金属シースチューブ３が押し潰されることによって過剰となるため、その過剰分は、金属シースチューブ３の内周面と、光ファイバ４の外周面とによって挟まれる空間内を万遍なく充填された上で、金属シースチューブ３の両端から、溢れ出るからである。図２に示すように、金属シースチューブ３の両端から接着剤５が溢れて固化されるので、密閉性が良好となる。この押し潰し量は、金属シースチューブ３内の光ファイバ４（ＦＢＧ４ａ）を押し潰すことなく、換言すれば、光ファイバ４への変形を与えない程度に押し潰す適宜な量である。
具体的にその一例を挙げれば、外径が０．５５ｍｍ、その内径が０．３ｍｍの金属シースチューブ３内に、外径が０．１３ｍｍの光ファイバ４を挿通して接着剤５を充填させた場合において、押し潰し量は、０．１ｍｍとした。
このとき、光ファイバ４の外径と、０．１ｍｍ押し潰された金属シースチューブ３の上下方向寸法との差は、０．３ｍｍ−０．１ｍｍ＝０．２ｍｍであるので、光ファイバ４の外周と金属シースチューブ３の変形後の内壁との寸法差は、０．２ｍｍ−０．１３ｍｍ＝０．０７ｍｍであり、従って、接着剤５は、光ファイバ４の上下に均一に充填されているものとすると、押し潰された方向（上下方向）の接着剤５の層の厚みは僅か０．０３５ｍｍとなり、ＦＢＧ部４ａは、金属シースチューブ３内に安定的に支持される。
【００２２】
（４） 本発明に係る第１の実施の形態および第２の実施の形態の溶接型光ひずみゲージは、上述のステップによって製造されるが、次に使用上の工程を説明する。
先ず、被測定対象物７のひずみを計測すべき部位に溶接型光ひずみゲージのフランジ板２を裁置し、フランジ部２ａ、２ｂの上にスポット溶接機の電極棒（図示せず）を位置させ、通電させてスポット溶接６を行う（この工程を「スポット溶接ステップ」という）。スポット溶接は、フランジ部２ａ、２ｂのほぼ全域に亘って所定間隔で複数回繰り返す。
通常の環境下における使用であれば、上述した状態で、ひずみ計測を実施する。（ひずみ計測方法については後述する）。
（５） 屋外や金属の腐食を生じさせる環境下で使用するものにあっては、さらに、次のような第３の実施の形態に示す次の工程を加えるものとする。
即ち、第３の実施の形態は、図４において、被測定対象物７に溶接型光ひずみゲージのフランジ部２ａ、２ｂをスポット溶接した後に、フランジ板２の全部と少なくとも金属シースチューブ３の一部（場合によっては、光ファイバ４の一部）を覆い得る形状を呈するプロテクタ８をフランジ板２、金属チューブ３を覆うように被せる。（この工程を、「プロテクタ冠着ステップ」という）。
【００２３】
次いで、このように冠着されたプロテクタ８の周辺近傍から被測定対象物７にかけて、コーティング剤を塗布しコーティング膜９を形成する。
これによって、フランジ部２ａ、２ｂと共にスポット溶接をした部分を、確実に覆って外気と遮断するので、スポット溶接２ｃされたフランジ部２ａ、２ｂや被測定対象物７の溶接部の腐食を防止することができる。
次に、本発明の第４の実施の形態について詳細に説明する。
図５は、ひずみ計測用ＦＢＧ部４ａの他に、温度計測用ＦＢＧ部４ｂを別途設けてなる溶接型光ひずみゲージの第４の実施の形態を示す平面図である。
（１）´ 図５において、所定長に裁断された極小径の金属シースチューブ３の外周面を薄肉の平板上のフランジ板２の長手方向のほぼ仮想中心線２ｄに合せて当接し、フランジ板２の下面側から電子ビーム溶接６等によってライン状に溶接する溶接ステップは、第１の実施の形態と同じでる。
（２）´ 上記溶接ステップの前後を問わず、図５に示すように、１本の光ファイバ４に直列状に所定の間隔を隔てて２個所にＦＢＧ部４ａと４ｂを作製する（以下「ＦＢＧ作製ステップ」という）。この２個所のＦＢＧ部４ａ、４ｂの寸法的関係は、次の通りである。
【００２４】
先ず、第１のＦＢＧ部４ａの長さは、ひずみが１００％伝わる長さの半分程度になるように設定し、第２のＦＢＧ部４ｂの長さは、第１のＦＢＧ部４ａと同等の長さかそれ以下でもよく、温度を計測できれば足りるので、あまり厳密な寸法は要求されないが、配置位置としては、金属シースチューブ３の内空に固着された状態で、フランジ板２のなるべく近傍が望ましい。
このような状態で、互いには長の異なる２つのＦＢＧ部４ａ、４ｂを有する光ファイバ４の外周面に、接着剤５を塗布する。この後、光ファイバ４を金属シースチューブ３の、例えば、右端側から挿入し、第１のＦＢＧ部４ａがフランジ板２の中央部の所定位置に至るまで光ファイバ４を引き出した位置で引き出しを停止する。このとき、第２のＦＢＧ４ｂがフランジ板２の近傍、即ち、溶接型光ひずみゲージの近傍に配設される。この状態で接着剤５を硬化させることにより、温度計測機能光ファイバ付きの溶接型光ひずみゲージ１が完成する（この工程は、「光ファイバ固着ステップ」という）。
【００２５】
また、この場合においても、本発明の第２の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージと同様に、上記「光ファイバ固着ステップ」の段階において、接着剤５が硬化する前に、金属シースチューブ３を、図２および図３（ｂ）に示すように、フランジ板２の長さにほぼ相当する長さ範囲に亘って、フランジ板２の板面に向かう方向に押し潰して断面が長円形状（偏平状）、あるいは略楕円形状に形成する（この工程を、「押し潰しステップ」という）。この押し潰しステップの作業要領は、上述した第２の実施の形態における「押し潰しステップ」と同様であるので、重複した説明は省略する。
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
上述した各実施の形態においては、光ファイバ４を金属シースチューブ３の内空に固着する手段として、接着剤５を用いた例を示したが、接着剤を用いる代りに、表面がメタライズされた光ファイバ４を金属シースチューブ３に挿入した状態で、光ファイバ４と金属シースチューブ３との間を超音波ハンダまたはろう付けで固着する（図示せず）。
【００２６】
次に、本発明第６の実施の形態について説明する。
図６は、本発明の第６の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージユニットと、その溶接型光ひずみゲージユニットを用いた多点ひずみ計測システムの回路構成を示す。
多点ひずみ計測システムは、光源１１と、光サーキュレータ１２と、光スイッチ１３と、溶接型光ひずみゲージ１１１〜１１６、１２１〜１２６、１３１〜１３６、１４１〜１４６と、光ファイバ４と、光コネクタ１０と、波長計１７と、制御装置１８とから構成されている。溶接型光ひずみゲージ１１１〜１１６は第１系統の計測系、溶接型光ひずみゲージ１２１〜１２６は第２系統の計測系、溶接型光ひずみゲージ１３１〜１３６は第３系統の計測系、溶接型光ひずみゲージ１４１〜１４６は第４系統の計測系をそれぞれ構成している。尚、溶接型光ひずみゲージ１１１〜１１６、１２１〜１２６、１３１〜１３６、１４１〜１４６を総称するときは、単に、溶接型光ひずみゲージ１と表す。この総称に関しては、他の構成要素でも同様である。
【００２７】
光源１１は、例えば、希土類元素添加光ファイバを、半導体レーザ等の励起用光源で励起することにより生じた自然放出光（Spontaneous Emission）が、光ファイバ内を導波するにしたがい、増幅（Amplified）される現象を利用したＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源から広帯域且つ高輝度の光出力を連続で出射する。光サーキュレータ１２は、光源１１から供給される光信号を光スイッチ１３に供給すると共に、光スイッチ１３から供給される光信号を波長計１７に供給する。光スイッチ１３は、制御装置１８から供給される切替信号に基づいて、光サーキュレータ１２から供給され、共通入出力端Ｔｃから入射された光信号を第１〜第４の入出力端Ｔ１〜Ｔ４のいずれかから出射すると共に、第１〜第４の入出力端Ｔ１〜Ｔ４のいずれかから入射された光信号を共通入出力端Ｔｃから出射して光サーキュレータ１２に供給する。
溶接型光ひずみゲージ１は、その内部に有するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）部を有する光ファイバを用いて軸方向のひずみを計測する。
【００２８】
ここで、ＦＢＧ付き光ファイバ４とは、図７に示すように、光ファイバ４のコア４ｃ内に所定周期（以下、「グレーティング周期」という。）Λで所定間隔おきに所定長（以下、「グレーティング長」という。）の屈折率変化部分を形成したものをいう。上記屈折率変化部分は、例えば、紫外レーザ光を光ファイバ４ｂに照射することにより作製する。
以下、ＦＢＧ付き光ファイバ４の動作原理について説明する。ＦＢＧ付き光ファイバ４に、図８に示すように、広帯域の波長領域を有する入射光ＩＩＮを入射すると、コア４ｃの屈折率ｎおよびグレーティング周期Λに応じた波長（以下、「ブラッグ波長」という。）を有する反射光ＩＲが反射され、残りの波長領域の光が透過光ＩＴとして透過する。ブラッグ波長のピーク波長λＢは、コア４ｃの屈折率ｎおよびグレーティング周期Λを用いて、式（１）で表される。
λＢ＝２ｎΛ ・・・（１）
図７および図８に示すＦＢＧ付き光ファイバ４の構造から、ＦＢＧ付き光ファイバ４に光軸方向にひずみを負荷した場合、コア４ｃの屈折率ｎまたはグレーティング周期Λが変化し、式（１）で表されるピーク波長λＢが変化することが予想される。その変化量ΔλＢは、式（２）で表される。
ΔλＢ＝λＢ（１−ρα）ε ・・・（２）
ここで、εはＦＢＧ付き光ファイバ４の光軸方向に負荷したときのひずみ、ραは負荷したひずみによる光ファイバ４ｂの光弾性係数（例えば、約０．２２）を意味している。
ピーク波長λＢが１５５０ｎｍである場合、ピーク波長λＢの変化量ΔλＢは、〜１．２ｐｍ／με程度である。即ち、ブラッグ波長のピーク波長λＢの変化を分解能１ｐｍ（１×１０−１２ｍ）程度で計測することができれば、１με（１×１０−６）の分解能で、ＦＢＧ付き光ファイバ４の軸方向のひずみを計測可能であることが分かる。図９にブラッグ波長のピーク波長λＢのスペクトル変化の一例を示す。
【００２９】
図９において、スペクトルａは、引張ひずみに比例してピーク波長λＢが増加したことを示し、スペクトルｂは、圧縮ひずみに比例してピーク波長λＢが減少したことを示している。
この実施の形態１では、１つの系統の計測系に６個の溶接型光ひずみゲージ１を用いているので、溶接型光ひずみゲージ１を構成するＦＢＧ付き光ファイバ４が同一または重なり合うピーク波長λＢを有していると、反射光を分離できずに多点計測が不可能となる。そこで、この実施の形態では、溶接型光ひずみゲージ１を構成するＦＢＧ付き光ファイバ４の作製時に式（１）に示すグレーティング周期Λを互いに異ならせることにより、図１０に示すように、異なったピーク波長λ１、λ２、・・・、λ５、λ６を有するＦＢＧ付き光ファイバ４を作製すると共に、光源１１には、図１１に示すように、ピーク波長λ１、λ２、・・・、λ５、λ６を含む広帯域の波長帯域幅を有する光信号を出射可能なものを用いる。これにより、波長計１７では、図１２に示すように、各溶接型光ひずみゲージ１に対応した反射光ＩＲのピーク波長λ１、λ２、・・・、λ５、λ６が分離でき、多点計測が可能となる。尚、１つの系統の計測系に用いられる６個の溶接型光ひずみゲージ１において各ＦＢＧ付き光ファイバのピーク波長λＢが異なっていれば良く、溶接型光ひずみゲージ１を構成するＦＢＧ付き光ファイバのピーク波長λＢの値は任意であるが、この実施の形態では、例えば、溶接型光ひずみゲージ１１１のピーク波長λＢがピーク波長λ１、溶接型光ひずみゲージ１１２のピーク波長λＢがピーク波長λ２というように、溶接型光ひずみゲージ１の符号の下１桁目の添え字とピーク波長λＢの添え字とが対応しているものとする。
【００３０】
図６に示す光ファイバ４は、例えば、石英ガラスからなり、光スイッチ１３と対応する溶接型光ひずみゲージ１との間、各溶接型光ひずみゲージ１と対応する光コネクタ１６との間に介挿され、これらの間において光信号を伝送する。また、光スイッチ１３の第１、第２、第３および第４の入出力端Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３およびＴ４と、対応する溶接型光ひずみゲージ１１１、１２１、１３１および１４１との間に敷設される光ファイバ４の長さは、数ｋｍであっても良い。これは、光源１１から照射される光信号が広帯域で光強度が大きいからである。波長計１７は、光サーキュレータ１２から供給された光信号における複数のブラッグ波長のピーク波長を検出して制御装置１８に供給する。
制御装置１８は、制御部と、記憶部と、操作部と、表示部と、通信部等とを有するパーソナルコンピュータ等の情報処理装置によって構成されている。制御部は、中央処理装置（ＣＰＵ）等からなり、記憶部に記憶されている多点変位計測プログラム等に基づいて、多点変位計測処理等を実行し、制御装置１８の各部を制御する。即ち、例えば、トンネル内空変位計測プログラムが記憶部から読み出されると、制御部に読み込まれ、制御部の動作を制御する。
【００３１】
制御部は、多点変位計測プログラムが起動されると、多点変位計測プログラムの制御により、多点変位計測処理を実行するのである。多点変位計測処理は、波長計１７から供給される複数のブラッグ波長のピーク波長を物理量（例えば、ひずみ、変位等）に変換し、得られた物理量または上記物理量に統計的処理を施した結果を記憶部に順次記憶したり、自発的にまたは外部からの要求に基づいて、通信部を介して外部に通知する処理である。
記憶部は、ＲＡＭやＲＯＭ、あるいはフラッシュメモリ等の半導体メモリ、ＦＤ（フロッピー（登録商標）・ディスク）が装着されるＦＤドライブ、ＨＤ（ハード・ディスク）が装着されるＨＤドライブ、ＭＯ（光磁気）ディスクが装着されるＭＯディスクドライブ、あるいはＣＤ（コンパクト・ディスク）−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ（Recordable）、ＣＤ−ＲＷ（Rewritable）やＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ等が装着されるＣＤ／ＤＶＤドライブ等からなる。記憶部には、制御部が実行する各種プログラムの他、各種のデータが記憶される。操作部は、テンキー、エンターキー、あるいはファンクションキー等からなるキーボードや、マウス、タッチパッド、あるいはペンデバイス等のポインティングデバイスなどを有する。表示部は、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等からなる。通信部は、図示せぬ回線やネットワーク等を介して外部とデータ通信を行う。
【００３２】
次に、図１３を用いて、本発明のフランジ板２の溶接の溶接長さ（溶接範囲の長さ）とひずみ伝達率との関係を説明する。
図１３は、フランジ板２の溶接長さを、ＦＢＧの長さよりも長く、例えばＬ１としたときのひずみ伝達率と、さらに長くＬ２とした場合のひずみ伝達率を示すグラフであるが、フランジ板２の溶接長さをＬ２とした場合、ひずみが１００％伝わる長さＬがＦＢＧの長さの２倍以上になることが分かる。
これに対し、フランジ板２の溶接長さをＬ２より短いＬ１とすると、ひずみが１００％伝わる長さが、僅かしかないことが分かる。
従って、ひずみが１００％伝わる長さがＦＢＧの長さの２倍以上になるようにフランジ板２の溶接長さを設定することが望ましい。
このように設定したとき、例えば、固着手段としての接着剤が、経年変化により、その弾性率が低下した場合のひずみ分布を、図１３において破線にて示す。
【００３３】
この図１３から分かるように、フランジ板２の接着長さがＬ２の場合には、ひずみ伝達率が１００％の長さがＬ３で示すように長く存在する。これはＦＢＧ部に被測定対象物のひずみが１００％伝達する範囲をＦＢＧ部の長さの２倍以上となるフランジの溶接長さを持たせることにより、ひずみ伝達系を構成する部材の物性が変化してもＦＢＧ部についてはその影響を受けないことを意味する。
具体的には、クリープ特性、零点漂動および経年変化の改善を実現することができる。
次に、本発明の第１の実施の形態と第２の実施の形態における作用効果上の違いを、図１４を用いて説明する。
図１４は、金属シースチューブ３を「潰さない」場合（第１の実施の形態）と、金属シースチューブ３を「潰す」場合（第２の実施の形態）における「感度のばらつき」の比較図である。
【００３４】
この図１４から分かるように、金属シースチューブ３を潰さず、断面円筒形状の状態のまま、ＦＢＧ部４ａを有する光ファイバ４が接着剤５を介して金属シースチューブ３に固着した場合には、１．１７〜１．３（ｐｍ／μｓ）の範囲に亘り、感度のばらつきが生じるが、図２および図３（ｂ）に示すように、金属シースチューブ３を楕円形状または、断面長円形状に潰した場合（第２の実施の形態）には、１．１６〜１．２（ｐｍ／μｓ）と極めて感度のばらつきが少ない。
また、図１５と図１６を参照して、第１の実施の形態と、第２の実施の形態における零点漂動を対比してみると、金属シースチューブ３を「潰さない」場合には、図１５に示すように、換算ひずみの差（με）は大きく現れるが、金属シースチューブ３を「潰す」場合には、図１６に示すように、換算ひずみの差は、極めて小さいことが明瞭に現れている。
このような結果によれば、ＦＢＧ部４ａを含む光ファイバ４を金属シースチューブ３に挿通し、接着剤５を充填した後、硬化前に金属シースチューブ３を、潰すことによって、金属シースチューブ３内の容積を減らし未装填部をなくすことができる。このことが均一な接着剤５の充填層を形成することになり、零点漂動およびヒステリシス、温度特性等の飛躍的な改善を図ることができる。
【００３５】
そして、ＦＢＧ部４ａの金属シースチューブ３内の位置が限定されるため、光ひずみゲージ同士間の感度のばらつきを極めて少なくできる。
なお、本発明は、上述し且つ図面に示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージの正面横断面図、平面図および正面縦断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージの正面図である。
【図３】（ａ）は、金属シースチューブに変形を加えない状態の溶接型光ひずみゲージの正面縦断面図、（ｂ）は、金属シースチューブを断面が長円形状となるまで矢印方向に押し潰した状態の溶接型光ひずみゲージの正面縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージにプロテクタを被せ、その周辺近傍をコーティングした状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る温度計測機能付の溶接型光ひずみゲージの構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージユニットの構成を示す回路ブロック図である。
【図７】ＦＢＧ付き光ファイバの構成を模式的に示す概念図である。
【図８】ＦＢＧ付き光ファイバの動作原理を模式的に示す概念図である。
【図９】ＦＢＧ付き光ファイバの動作原理を模式的に示す概念図である。
【図１０】ＦＢＧ付き光ファイバの多点計測原理を模式的に示す概念図である。
【図１１】ＦＢＧ付き光ファイバの多点計測原理を模式的に示す概念図である。
【図１２】ＦＢＧ付き光ファイバの多点計測原理を模式的に示す概念図である。
【図１３】ＦＢＧ部の長さと、フランジ板の溶接長さとひずみ伝達率との関係を示すひずみ分布の模式図である。
【図１４】金属シースチューブを「潰さない」場合と「潰す」場合の、それぞれの感度のばらつきの程度を表わす比較図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態のように、金属シースチューブを潰さない場合のひずみゲージ出力に対する換算ひずみの差を表わす特性図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態のように、金属シースチューブを潰した場合のひずみゲージ出力に対する換算ひずみの差を表わす特性図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 溶接型光ひずみゲージ
２ フランジ板
２ａ、２ｂ フランジ部
２ｃ スポット溶接
２ｄ 仮想中心線
３ 金属シースチューブ
４ 光ファイバ
４ａ ＦＢＧ部
４ｂ 温度計測用ＦＢＧ部
４ｃ コア
５ 接着剤
６ 電子ビーム溶接
７ 被測定対象物
８ プロテクタ
９ コーティング膜
１０ 光コネクタ
１１ 光源
１２ 光サーキュレータ
１３ 光スイッチ
１７ 波長計
１８ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：以下「ＦＢＧ」と略す場合がある）を被測定対象物に溶接可能となして、当該ＦＢＧ部により被測定対象物のひずみを計測し得るように構成してなる溶接型光ひずみゲージ、溶接型光ひずみゲージの製造方法および溶接型光ひずみゲージユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ひずみを計測するセンサとしては、従来は、箔ゲージや半導体ゲージ等のひずみゲージが一般に広く使用されている。特に、小さいひずみしか発生しないような個所におけるひずみ計測には、半導体ゲージ等が使用されることが多かった。
しかしながら、このようなひずみゲージを利用した各種センサには、屋外設置等において対雷対策において難点があり、さらには長期安定性を阻害する要素として絶縁の劣化がある。
このような点に優位性があるものとして、ＦＢＧをファイバ型検出素子に用いたひずみセンサや温度センサの開発が進められている。
ＦＢＧは、光ファイバのコア内に所定周期（「グレーティング周期」という）で所定間隔おきに所定長（グレーティング長」という）の屈折率変化部分を形成するものである。上記屈折率変化部分は、例えば紫外レーザ光を光ファイバに照射することにより作製する。
光ファイバに書き込まれたグレーティングのピッチがひずみや温度によって変化すると、その変化に応じてグレーティングからブラッグ反射する光のピーク波長（「ブラッグ波長」という）が変化すること、あるいはグレーティングを透過する光のスペクトルが変化（ディップ光の中心波長が変化）することを利用したものである。
【０００３】
このようなＦＢＧを用いた貼り付け型光ファイバセンサとして、例えば、特開２００１−２９６１１０（特許文献１）にて提案されたものがある。
即ち、この特許文献１には、被検出個所に光ファイバを貼り付け易くするため、ＦＢＧを含む光ファイバを樹脂にてフィルムに固定したもの、光ファイバを２枚のフィルム間に挟んだ上で樹脂にて固定したもの、光ファイバをフィルム上にメッキにて固定したもの、光ファイバをフィルム上に蒸着にて固定したもの、などが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９６１１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１の貼り付け型光ファイバセンサは、発明の効果の記載によれば、光ファイバがフィルムに予め固定されているため、フィルムを検出個所との間の接着剤が薄く伸びるので、施工性が容易となり、また、接着時の押し付け圧を平均化し、被検出個所にひずみが発生したときのひずみを平均化して検出できるため真のひずみによるブラッグ波長シフト量を高精度に検出することができる、としている。
しかしながら、上記特許文献１の貼り付け型光ファイバセンサは、ＦＢＧ光ファイバを樹脂、メッキ、蒸着等でフィルム上に固定したものであるため、固定方法としては強固なものではなく、また外方からの不用意な力や衝撃が加えられた場合、簡単に損傷し、所期の機能を果たし得なくなる、という難点があるほか、防水防湿性においても問題がある。
さらにまた、上記特許文献１の貼り付け型光ファイバセンサは、ひずみ伝達系を構成する材料、特に接着剤の劣化や、温度変化に伴う物性変化の影響を受け易く、長期安定性や精度の低下を来たし易い、という難点がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的とするところは、耐環境性の向上を図り、もって長期安定性の改善を実現し得る溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第２の目的とするところは、ひずみの伝達系を構成する部材の物性が変化してもＦＢＧ部についてはその影響を受け難い溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第３の目的とするところは、ひずみ伝達系が極めて安定性に優れ、零点漂動および温度特性の改善を実現し得る溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第４の目的として、光ひずみゲージ間の感度のばらつきが極めて少ない溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第５の目的とするところは、従来の箔ゲージや半導体ゲージ等において大きな問題であった電磁ノイズ対策や対雷対策を施す必要がなく、構成が簡素で低価格を実現しつつ、上述した種々の目的を実現し得る溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第６の目的とするところは、被測定対象物のひずみを計測すると共に、その近傍の温度をも計測し得る溶接型光ひずみゲージを提供することにあり、
第７の目的とするところは、上記した種々の目的を実現し得る溶接型光ひずみゲージを製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上述した第１および第５の目的を達成するために、両端が開口された極小径の金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿ってその外周面に溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され且つ固着手段によって固着されたファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、を有し、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することにより、ひずみを計測し得るように構成したことを特徴としている。
請求項２に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１および第５の目的を達成するために、前記固着手段は、前記金属シースチューブの内周面と前記光ファイバの外周面に充填され且つ固化されてなる接着剤であることを特徴としている。
請求項３に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１および第５の目的を達成するために、前記固着手段は、表面がメタライズされた前記光ファイバを前記金属シースチューブに挿入した状態で前記光ファイバと前記金属シースチューブとの間を超音波ハンダまたはろう付けで固着するものであることを特徴としている。
【０００８】
請求項４に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１〜第３の目的を達成するために、前記フランジ板の溶接長さを、ひずみが１００％伝わる長さが前記ファイバブラッググレーティング部の長さの約２倍以上になるように設定してなることを特徴としている。
請求項５に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１〜第５の目的を達成するために、前記シースチューブは、前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って、前記フランジ板の板面に向かう方向に、前記光ファイバへの変形を与えることなく、押し潰されて断面長円形状に形成されていることを特徴としている。
請求項６に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１〜第５の目的を達成するために、前記シースチューブと前記フランジ板および前記光ファイバの一部を覆い得る形状を呈し、自身の周辺近傍表面上に塗布されるコーティング材により前記被測定対象物に固着されるプロテクタを有することを特徴としている。
【０００９】
請求項７に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージは、上記第１〜第６の目的を達成するために、両端が開口された金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿って前記金属シースチューブの一定長に亘り溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され、前記フランジ板のほぼ中央部に配設され固着手段によって固着されたひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部およびこのひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部の近傍における前記金属シースチューブの内空であって、前記フランジ板には溶接されていない部位に、固着手段によって固着され前記ひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部とは波長の異なる温度計測用ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することによりひずみおよび温度を同時的に計測し得るように構成したことを特徴としている。
請求項８に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージの製造方法は、上記第１〜第５の目的および第７の目的を達成するために、極小径の金属シースチューブの外周面に平板状のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに固着させる光ファイバ固着ステップと、
を有することを特徴としている。
【００１０】
請求項９に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージの製造方法は、上記第１〜第５の目的および第７の目的を達成するために、極小径の金属シースチューブの外周面に平板上のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに接着させる光ファイバ接着ステップと、
前記接着ステップに引続き、前記接着剤が硬化する前に、前記金属シースチューブを前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って前記フランジ板の板面に向かう方向に押し潰して断面長円形状に成形する押し潰しステップと、
を有することを特徴としている。
請求項１０に記載した発明に係る溶接型光ひずみゲージユニットは、上記第１〜第５の目的を達成するために、請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接型光ひずみゲージを光コネクタまたは融着接続部を介して直列状に順次複数連接することにより、複数の被測定対象個所におけるひずみを計測し得るように構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、両端が開口された極小径の金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿ってその外周面に溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され且つ固着手段によって固着されたファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、を有し、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することにより、ひずみを計測し得るように構成したので、極小径の金属シースチューブの内空に固着されたファイバブラッググレーティング部は準気密構造とされ、外部からの水分や湿気の浸入が抑制され、耐環境性が向上し、長期安定性を確保し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
請求項２に記載の発明によれば、前記固着手段は、前記金属シースチューブの内周面と前記光ファイバの外周面に充填され且つ固化されてなる接着剤であるため、ファイバブラッググレーティング部が接着剤により極小径の金属シースチューブ内に準気密状態で固着され、外部からの水分や湿気の浸入が抑制され耐環境性が向上し、長期安定性を確保し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、前記固着手段は、表面がメタライズされた前記光ファイバを前記金属シースチューブに挿入した状態で前記光ファイバと前記金属シースチューブとの間を超音波ハンダまたはろう付けで固着するものでため、ひずみ伝達系による材料の長期使用に基づく劣化や物性変化が軽微であり、長期安定性を充分に確保し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
請求項４に記載の発明によれば、前記フランジ板の溶接長さを、ひずみが１００％伝わる長さが前記ファイバブラッググレーティング部の長さの約２倍以上になるように設定してなるので、ひずみ伝達系を構成する部材（例えば、接着剤）の物性が変化しても、ファイバブラッググレーティング部においてはその影響を受けず、例えば、クリープ特性、零点漂動および温度特性の改善を図り得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明によれば、前記シースチューブは、前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って、前記フランジ板の板面に向かう方向に、前記光ファイバへの変形を与えることなく、押し潰されて断面長円形状に形成されているので、金属シースチューブ内の容積を圧縮し接着剤等の固着手段の未充填部を無くし均一な充填層を形成することができ、延いては、光ひずみゲージの感度のばらつきが極めて少なくなり、併せて零点漂動および温度特性の大幅な改善を実現し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
請求項６に記載の発明によれば、前記シースチューブと前記フランジ板および前記光ファイバの一部を覆い得る形状を呈し、自身の周辺近傍表面上に塗布されるコーティング材により前記被測定対象物に固着されるプロテクタを有する構成としたので、光ひずみゲージは外部からの衝撃に充分に耐えると共に、被測定対象物にスポット溶接されたフランジ板の錆の発生を防止し、耐環境性をより一層改善し、耐久性を飛躍的に向上し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明によれば、両端が開口された金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿って前記金属シースチューブの一定長に亘り溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され、前記フランジ板のほぼ中央部に配設され固着手段によって固着されたひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部およびこのひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部の近傍における前記金属シースチューブの内空であって、前記フランジ板には溶接されていない部位に、固着手段によって固着され前記ひずみ計測用ファイバブラッグレーティング部とは波長の異なる温度計測用ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することによりひずみおよび温度を同時的に計測し得るように構成したので、他の方法に比べ、より正確な温度補償を行い得ると共に、温度ヒステリシスが生じない、という利点があり、ひずみ計測部に極く近い部分の温度を計測するため過渡現象の温度補償も行うことができ、しかも同一の金属シースチューブ内に同一の接着剤を用いて同一工程の中で製作されるので、構成が簡素なことと相俟って低価格で、安定した特性の溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明によれば、極小径の金属シースチューブの外周面に平板状のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに固着させる光ファイバ固着ステップと、
を有する構成としたので、耐環境性に優れ、長期安定性に優れる溶接型光ひずみゲージを安価に製作し得る溶接型光ひずみゲージの製造方法を提供することができる。
【００１６】
請求項９に記載の発明によれば、極小径の金属シースチューブの外周面に平板状のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに接着させる光ファイバ接着ステップと、
前記接着ステップに引続き、前記接着剤が硬化する前に、前記金属シースチューブを前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って前記フランジ板の板面に向かう方向に押し潰して断面長円形状に成形する押し潰しステップと、
を有する構成としたので、感度のばらつき、零点漂動、ヒステリシスおよび温度特性を大幅に改善し得る溶接型光ひずみゲージの製造方法を提供することができる。
請求項１０に記載の発明によれば、請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接型光ひずみゲージを光コネクタまたは融着接続部を介して直列状に順次複数連接することにより、複数の被測定対象個所におけるひずみを計測し得るように構成したので、広範囲に亘る被測定対象物を、多点において常時且つ同時的に十分な計測精度でひずみを計測し得る溶接型光ひずみゲージを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態に基づき、図面を参照して本発明の溶接型光ひずみゲージを詳細に説明する。
図１（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージの正面横断面図、平面図および正面縦断面図である。
同図において、溶接型光ひずみゲージ１は、フランジ板２、金属シースチューブ３、ファイバ ブラッグ グレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｉｔｉｎｇ）部４ａを中間に含む光ファイバ４および光ファイバ４を金属シースチューブ３の内空に光ファイバ４を固着する固定手段としての接着剤５よりなる。
金属シースチューブ３は、極小径（例えば、約０．３ｍｍ）で断面が円形状をなす適宜長さのステンレス金属材料で形成される。
フランジ板２は、例えばインコネル等の金属材料からなる薄肉の長方形平板状を呈している。
金属シースチューブ３は、フランジ板２の長手方向の中心線に沿って当接した状態でその当接部をフランジ板２側から、例えば電子ビーム溶接（ＥＢＷ）６等により、１ラインのライン状の溶接部６により金属シースチューブ３にフランジ板２を固着している。
【００１８】
フランジ板２の金属シースチューブ３が固着されている部分の両側、即ち図１（ｂ）における上側と下側、図１（ｃ）における右側と左側、のフランジ部２ａと２ｂは、この部分を被測定対象面にスポット溶接２ｃ等により固定する部分であり、被測定対象物７のひずみをＦＢＧに伝える作用を有する。
ここで、上述における金属シースチューブ３の内壁へのＦＢＧ４ａを有する光ファイバ４の接着工程を含む溶接型光ひずみゲージ１の製造における作業手順の一例を、上述した図１および図２、図３を参照して説明する。
この場合、ＦＢＧ部４ａは、予めホログラフィック法やフェイズマスク法等にてコア内に周期的屈折率変化を生じさせておくものとする。
（１） 所定長に裁断された極小径の金属シースチューブ３の外周面を、平板上のフランジ板２の長手方向（図１（ｂ）における左右方向）に沿う仮想中心線２ｄに合わせて当接し、フランジ板２の下面側（図１（ｃ）における下面側）から電子ビーム溶接（ＥＷＢ）６等によって、ライン状に溶接して、フランジ板２に固着しておく（この工程を、以下「溶接ステップ」という）。
【００１９】
金属シースチューブ３は、この場合、具体的には、例えば、外径が０．５５ｍｍ、内径が０．３ｍｍのものを用いている。但し、この寸法に限られるものではなく、上記外径、内径ともこの前後の寸法のものを、光ファイバ４の外径に対応して適宜設定するものとする。
（２） このような状態で、ＦＢＧ部４ａを有する光ファイバ４の外周面に、接着剤５（例えば、エポキシ系接着剤）を塗布する。また、金属シースチューブ３の内空に予め、接着剤５を塗布しておいてもよいが、光ファイバ４の挿入側先端面に接着剤５が付着する虞れがあるので、接着剤５の付着を防止する部材を冠着しておく必要がある。
この後、光ファイバ４を、金属シースチューブ３の例えば、右端側から挿入し、左端側まで、挿通してＦＢＧ部４ａが所定の位置、例えば、金属シースチューブ３の中央部に至った段階まで、光ファイバ４を引き出した位置で、引き出しを停止する。この引き出した状態が図１（ａ）、図１（ｂ）に示す状態である。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態においては、この状態で接着剤５を硬化させることにより、溶接型ひずみゲージ１が完成する。（この工程を、「光ファイバ固着ステップ」という）。
尚、光ひずみゲージ１を、ホットプレート（図示せず）に載置して接着剤５を熱硬化させるようにしてもよい。
（３） 本発明の第２の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージの製造方法においては、上記、「光ファイバ固着ステップ」の段階において、接着剤５が硬化する前に、金属シースチューブ３を、図２および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、フランジ板２の長さにほぼ相当する長さ範囲に亘って、フランジ板２の板面に向かう方向（図２において、下方向）に押し潰して、長円状（偏平状）あるいは楕円状に成形する（この工程を「押し潰しステップ」という）。
この押し潰しステップにおいては、一気に板面に平行に押し潰すのではなく、金属シースチューブ３の中央から次第に端部に向かって押し潰すことが望ましい。
【００２１】
これは、金属シースチューブ３内に充填された接着剤５が、金属シースチューブ３が押し潰されることによって過剰となるため、その過剰分は、金属シースチューブ３の内周面と、光ファイバ４の外周面とによって挟まれる空間内を万遍なく充填された上で、金属シースチューブ３の両端から、溢れ出るからである。図２に示すように、金属シースチューブ３の両端から接着剤５が溢れて固化されるので、密閉性が良好となる。この押し潰し量は、金属シースチューブ３内の光ファイバ４（ＦＢＧ４ａ）を押し潰すことなく、換言すれば、光ファイバ４への変形を与えない程度に押し潰す適宜な量である。
具体的にその一例を挙げれば、外径が０．５５ｍｍ、その内径が０．３ｍｍの金属シースチューブ３内に、外径が０．１３ｍｍの光ファイバ４を挿通して接着剤５を充填させた場合において、押し潰し量は、０．１ｍｍとした。
このとき、光ファイバ４の外径と、０．１ｍｍ押し潰された金属シースチューブ３の上下方向寸法との差は、０．３ｍｍ−０．１ｍｍ＝０．２ｍｍであるので、光ファイバ４の外周と金属シースチューブ３の変形後の内壁との寸法差は、０．２ｍｍ−０．１３ｍｍ＝０．０７ｍｍであり、従って、接着剤５は、光ファイバ４の上下に均一に充填されているものとすると、押し潰された方向（上下方向）の接着剤５の層の厚みは僅か０．０３５ｍｍとなり、ＦＢＧ部４ａは、金属シースチューブ３内に安定的に支持される。
【００２２】
（４） 本発明に係る第１の実施の形態および第２の実施の形態の溶接型光ひずみゲージは、上述のステップによって製造されるが、次に使用上の工程を説明する。
先ず、被測定対象物７のひずみを計測すべき部位に溶接型光ひずみゲージのフランジ板２を裁置し、フランジ部２ａ、２ｂの上にスポット溶接機の電極棒（図示せず）を位置させ、通電させてスポット溶接６を行う（この工程を「スポット溶接ステップ」という）。スポット溶接は、フランジ部２ａ、２ｂのほぼ全域に亘って所定間隔で複数回繰り返す。
通常の環境下における使用であれば、上述した状態で、ひずみ計測を実施する。（ひずみ計測方法については後述する）。
（５） 屋外や金属の腐食を生じさせる環境下で使用するものにあっては、さらに、次のような第３の実施の形態に示す次の工程を加えるものとする。
即ち、第３の実施の形態は、図４において、被測定対象物７に溶接型光ひずみゲージのフランジ部２ａ、２ｂをスポット溶接した後に、フランジ板２の全部と少なくとも金属シースチューブ３の一部（場合によっては、光ファイバ４の一部）を覆い得る形状を呈するプロテクタ８をフランジ板２、金属チューブ３を覆うように被せる。（この工程を、「プロテクタ冠着ステップ」という）。
【００２３】
次いで、このように冠着されたプロテクタ８の周辺近傍から被測定対象物７にかけて、コーティング剤を塗布しコーティング膜９を形成する。
これによって、フランジ部２ａ、２ｂと共にスポット溶接をした部分を、確実に覆って外気と遮断するので、スポット溶接２ｃされたフランジ部２ａ、２ｂや被測定対象物７の溶接部の腐食を防止することができる。
次に、本発明の第４の実施の形態について詳細に説明する。
図５は、ひずみ計測用ＦＢＧ部４ａの他に、温度計測用ＦＢＧ部４ｂを別途設けてなる溶接型光ひずみゲージの第４の実施の形態を示す平面図である。
（１）´ 図５において、所定長に裁断された極小径の金属シースチューブ３の外周面を薄肉の平板上のフランジ板２の長手方向のほぼ仮想中心線２ｄに合せて当接し、フランジ板２の下面側から電子ビーム溶接６等によってライン状に溶接する溶接ステップは、第１の実施の形態と同じでる。
（２）´ 上記溶接ステップの前後を問わず、図５に示すように、１本の光ファイバ４に直列状に所定の間隔を隔てて２個所にＦＢＧ部４ａと４ｂを作製する（以下「ＦＢＧ作製ステップ」という）。この２個所のＦＢＧ部４ａ、４ｂの寸法的関係は、次の通りである。
【００２４】
先ず、第１のＦＢＧ部４ａの長さは、ひずみが１００％伝わる長さの半分程度になるように設定し、第２のＦＢＧ部４ｂの長さは、第１のＦＢＧ部４ａと同等の長さかそれ以下でもよく、温度を計測できれば足りるので、あまり厳密な寸法は要求されないが、配置位置としては、金属シースチューブ３の内空に固着された状態で、フランジ板２のなるべく近傍が望ましい。
このような状態で、互いには長の異なる２つのＦＢＧ部４ａ、４ｂを有する光ファイバ４の外周面に、接着剤５を塗布する。この後、光ファイバ４を金属シースチューブ３の、例えば、右端側から挿入し、第１のＦＢＧ部４ａがフランジ板２の中央部の所定位置に至るまで光ファイバ４を引き出した位置で引き出しを停止する。このとき、第２のＦＢＧ４ｂがフランジ板２の近傍、即ち、溶接型光ひずみゲージの近傍に配設される。この状態で接着剤５を硬化させることにより、温度計測機能光ファイバ付きの溶接型光ひずみゲージ１が完成する（この工程は、「光ファイバ固着ステップ」という）。
【００２５】
また、この場合においても、本発明の第２の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージと同様に、上記「光ファイバ固着ステップ」の段階において、接着剤５が硬化する前に、金属シースチューブ３を、図２および図３（ｂ）に示すように、フランジ板２の長さにほぼ相当する長さ範囲に亘って、フランジ板２の板面に向かう方向に押し潰して断面が長円形状（偏平状）、あるいは略楕円形状に形成する（この工程を、「押し潰しステップ」という）。この押し潰しステップの作業要領は、上述した第２の実施の形態における「押し潰しステップ」と同様であるので、重複した説明は省略する。
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。
上述した各実施の形態においては、光ファイバ４を金属シースチューブ３の内空に固着する手段として、接着剤５を用いた例を示したが、接着剤を用いる代りに、表面がメタライズされた光ファイバ４を金属シースチューブ３に挿入した状態で、光ファイバ４と金属シースチューブ３との間を超音波ハンダまたはろう付けで固着する（図示せず）。
【００２６】
次に、本発明第６の実施の形態について説明する。
図６は、本発明の第６の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージユニットと、その溶接型光ひずみゲージユニットを用いた多点ひずみ計測システムの回路構成を示す。
多点ひずみ計測システムは、光源１１と、光サーキュレータ１２と、光スイッチ１３と、溶接型光ひずみゲージ１１１〜１１６、１２１〜１２６、１３１〜１３６、１４１〜１４６と、光ファイバ４と、光コネクタ１０と、波長計１７と、制御装置１８とから構成されている。溶接型光ひずみゲージ１１１〜１１６は第１系統の計測系、溶接型光ひずみゲージ１２１〜１２６は第２系統の計測系、溶接型光ひずみゲージ１３１〜１３６は第３系統の計測系、溶接型光ひずみゲージ１４１〜１４６は第４系統の計測系をそれぞれ構成している。尚、溶接型光ひずみゲージ１１１〜１１６、１２１〜１２６、１３１〜１３６、１４１〜１４６を総称するときは、単に、溶接型光ひずみゲージ１と表す。この総称に関しては、他の構成要素でも同様である。
【００２７】
光源１１は、例えば、希土類元素添加光ファイバを、半導体レーザ等の励起用光源で励起することにより生じた自然放出光（Spontaneous Emission）が、光ファイバ内を導波するにしたがい、増幅（Amplified）される現象を利用したＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源から広帯域且つ高輝度の光出力を連続で出射する。光サーキュレータ１２は、光源１１から供給される光信号を光スイッチ１３に供給すると共に、光スイッチ１３から供給される光信号を波長計１７に供給する。光スイッチ１３は、制御装置１８から供給される切替信号に基づいて、光サーキュレータ１２から供給され、共通入出力端Ｔｃから入射された光信号を第１〜第４の入出力端Ｔ１〜Ｔ４のいずれかから出射すると共に、第１〜第４の入出力端Ｔ１〜Ｔ４のいずれかから入射された光信号を共通入出力端Ｔｃから出射して光サーキュレータ１２に供給する。
溶接型光ひずみゲージ１は、その内部に有するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）部を有する光ファイバを用いて軸方向のひずみを計測する。
【００２８】
ここで、ＦＢＧ付き光ファイバ４とは、図７に示すように、光ファイバ４のコア４ｃ内に所定周期（以下、「グレーティング周期」という。）Λで所定間隔おきに所定長（以下、「グレーティング長」という。）の屈折率変化部分を形成したものをいう。上記屈折率変化部分は、例えば、紫外レーザ光を光ファイバ４ｂに照射することにより作製する。
以下、ＦＢＧ付き光ファイバ４の動作原理について説明する。ＦＢＧ付き光ファイバ４に、図８に示すように、広帯域の波長領域を有する入射光ＩＩＮを入射すると、コア４ｃの屈折率ｎおよびグレーティング周期Λに応じた波長（以下、「ブラッグ波長」という。）を有する反射光ＩＲが反射され、残りの波長領域の光が透過光ＩＴとして透過する。ブラッグ波長のピーク波長λＢは、コア４ｃの屈折率ｎおよびグレーティング周期Λを用いて、式（１）で表される。
λＢ＝２ｎΛ ・・・（１）
図７および図８に示すＦＢＧ付き光ファイバ４の構造から、ＦＢＧ付き光ファイバ４に光軸方向にひずみを負荷した場合、コア４ｃの屈折率ｎまたはグレーティング周期Λが変化し、式（１）で表されるピーク波長λＢが変化することが予想される。その変化量ΔλＢは、式（２）で表される。
ΔλＢ＝λＢ（１−ρα）ε ・・・（２）
ここで、εはＦＢＧ付き光ファイバ４の光軸方向に負荷したときのひずみ、ραは負荷したひずみによる光ファイバ４ｂの光弾性係数（例えば、約０．２２）を意味している。
ピーク波長λＢが１５５０ｎｍである場合、ピーク波長λＢの変化量ΔλＢは、〜１．２ｐｍ／με程度である。即ち、ブラッグ波長のピーク波長λＢの変化を分解能１ｐｍ（１×１０−１２ｍ）程度で計測することができれば、１με（１×１０−６）の分解能で、ＦＢＧ付き光ファイバ４の軸方向のひずみを計測可能であることが分かる。図９にブラッグ波長のピーク波長λＢのスペクトル変化の一例を示す。
【００２９】
図９において、スペクトルａは、引張ひずみに比例してピーク波長λＢが増加したことを示し、スペクトルｂは、圧縮ひずみに比例してピーク波長λＢが減少したことを示している。
この実施の形態１では、１つの系統の計測系に６個の溶接型光ひずみゲージ１を用いているので、溶接型光ひずみゲージ１を構成するＦＢＧ付き光ファイバ４が同一または重なり合うピーク波長λＢを有していると、反射光を分離できずに多点計測が不可能となる。そこで、この実施の形態では、溶接型光ひずみゲージ１を構成するＦＢＧ付き光ファイバ４の作製時に式（１）に示すグレーティング周期Λを互いに異ならせることにより、図１０に示すように、異なったピーク波長λ１、λ２、・・・、λ５、λ６を有するＦＢＧ付き光ファイバ４を作製すると共に、光源１１には、図１１に示すように、ピーク波長λ１、λ２、・・・、λ５、λ６を含む広帯域の波長帯域幅を有する光信号を出射可能なものを用いる。これにより、波長計１７では、図１２に示すように、各溶接型光ひずみゲージ１に対応した反射光ＩＲのピーク波長λ１、λ２、・・・、λ５、λ６が分離でき、多点計測が可能となる。尚、１つの系統の計測系に用いられる６個の溶接型光ひずみゲージ１において各ＦＢＧ付き光ファイバのピーク波長λＢが異なっていれば良く、溶接型光ひずみゲージ１を構成するＦＢＧ付き光ファイバのピーク波長λＢの値は任意であるが、この実施の形態では、例えば、溶接型光ひずみゲージ１１１のピーク波長λＢがピーク波長λ１、溶接型光ひずみゲージ１１２のピーク波長λＢがピーク波長λ２というように、溶接型光ひずみゲージ１の符号の下１桁目の添え字とピーク波長λＢの添え字とが対応しているものとする。
【００３０】
図６に示す光ファイバ４は、例えば、石英ガラスからなり、光スイッチ１３と対応する溶接型光ひずみゲージ１との間、各溶接型光ひずみゲージ１と対応する光コネクタ１６との間に介挿され、これらの間において光信号を伝送する。また、光スイッチ１３の第１、第２、第３および第４の入出力端Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３およびＴ４と、対応する溶接型光ひずみゲージ１１１、１２１、１３１および１４１との間に敷設される光ファイバ４の長さは、数ｋｍであっても良い。これは、光源１１から照射される光信号が広帯域で光強度が大きいからである。波長計１７は、光サーキュレータ１２から供給された光信号における複数のブラッグ波長のピーク波長を検出して制御装置１８に供給する。
制御装置１８は、制御部と、記憶部と、操作部と、表示部と、通信部等とを有するパーソナルコンピュータ等の情報処理装置によって構成されている。制御部は、中央処理装置（ＣＰＵ）等からなり、記憶部に記憶されている多点変位計測プログラム等に基づいて、多点変位計測処理等を実行し、制御装置１８の各部を制御する。即ち、例えば、トンネル内空変位計測プログラムが記憶部から読み出されると、制御部に読み込まれ、制御部の動作を制御する。
【００３１】
制御部は、多点変位計測プログラムが起動されると、多点変位計測プログラムの制御により、多点変位計測処理を実行するのである。多点変位計測処理は、波長計１７から供給される複数のブラッグ波長のピーク波長を物理量（例えば、ひずみ、変位等）に変換し、得られた物理量または上記物理量に統計的処理を施した結果を記憶部に順次記憶したり、自発的にまたは外部からの要求に基づいて、通信部を介して外部に通知する処理である。
記憶部は、ＲＡＭやＲＯＭ、あるいはフラッシュメモリ等の半導体メモリ、ＦＤ（フロッピー（登録商標）・ディスク）が装着されるＦＤドライブ、ＨＤ（ハード・ディスク）が装着されるＨＤドライブ、ＭＯ（光磁気）ディスクが装着されるＭＯディスクドライブ、あるいはＣＤ（コンパクト・ディスク）−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ（Recordable）、ＣＤ−ＲＷ（Rewritable）やＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ等が装着されるＣＤ／ＤＶＤドライブ等からなる。記憶部には、制御部が実行する各種プログラムの他、各種のデータが記憶される。操作部は、テンキー、エンターキー、あるいはファンクションキー等からなるキーボードや、マウス、タッチパッド、あるいはペンデバイス等のポインティングデバイスなどを有する。表示部は、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等からなる。通信部は、図示せぬ回線やネットワーク等を介して外部とデータ通信を行う。
【００３２】
次に、図１３を用いて、本発明のフランジ板２の溶接の溶接長さ（溶接範囲の長さ）とひずみ伝達率との関係を説明する。
図１３は、フランジ板２の溶接長さを、ＦＢＧの長さよりも長く、例えばＬ１としたときのひずみ伝達率と、さらに長くＬ２とした場合のひずみ伝達率を示すグラフであるが、フランジ板２の溶接長さをＬ２とした場合、ひずみが１００％伝わる長さＬがＦＢＧの長さの２倍以上になることが分かる。
これに対し、フランジ板２の溶接長さをＬ２より短いＬ１とすると、ひずみが１００％伝わる長さが、僅かしかないことが分かる。
従って、ひずみが１００％伝わる長さがＦＢＧの長さの２倍以上になるようにフランジ板２の溶接長さを設定することが望ましい。
このように設定したとき、例えば、固着手段としての接着剤が、経年変化により、その弾性率が低下した場合のひずみ分布を、図１３において破線にて示す。
【００３３】
この図１３から分かるように、フランジ板２の接着長さがＬ２の場合には、ひずみ伝達率が１００％の長さがＬ３で示すように長く存在する。これはＦＢＧ部に被測定対象物のひずみが１００％伝達する範囲をＦＢＧ部の長さの２倍以上となるフランジの溶接長さを持たせることにより、ひずみ伝達系を構成する部材の物性が変化してもＦＢＧ部についてはその影響を受けないことを意味する。
具体的には、クリープ特性、零点漂動および経年変化の改善を実現することができる。
次に、本発明の第１の実施の形態と第２の実施の形態における作用効果上の違いを、図１４を用いて説明する。
図１４は、金属シースチューブ３を「潰さない」場合（第１の実施の形態）と、金属シースチューブ３を「潰す」場合（第２の実施の形態）における「感度のばらつき」の比較図である。
【００３４】
この図１４から分かるように、金属シースチューブ３を潰さず、断面円筒形状の状態のまま、ＦＢＧ部４ａを有する光ファイバ４が接着剤５を介して金属シースチューブ３に固着した場合には、１．１７〜１．３（ｐｍ／μｓ）の範囲に亘り、感度のばらつきが生じるが、図２および図３（ｂ）に示すように、金属シースチューブ３を楕円形状または、断面長円形状に潰した場合（第２の実施の形態）には、１．１６〜１．２（ｐｍ／μｓ）と極めて感度のばらつきが少ない。
また、図１５と図１６を参照して、第１の実施の形態と、第２の実施の形態における零点漂動を対比してみると、金属シースチューブ３を「潰さない」場合には、図１５に示すように、換算ひずみの差（με）は大きく現れるが、金属シースチューブ３を「潰す」場合には、図１６に示すように、換算ひずみの差は、極めて小さいことが明瞭に現れている。
このような結果によれば、ＦＢＧ部４ａを含む光ファイバ４を金属シースチューブ３に挿通し、接着剤５を充填した後、硬化前に金属シースチューブ３を、潰すことによって、金属シースチューブ３内の容積を減らし未装填部をなくすことができる。このことが均一な接着剤５の充填層を形成することになり、零点漂動およびヒステリシス、温度特性等の飛躍的な改善を図ることができる。
【００３５】
そして、ＦＢＧ部４ａの金属シースチューブ３内の位置が限定されるため、光ひずみゲージ同士間の感度のばらつきを極めて少なくできる。
なお、本発明は、上述し且つ図面に示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージの正面横断面図、平面図および正面縦断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージの正面図である。
【図３】（ａ）は、金属シースチューブに変形を加えない状態の溶接型光ひずみゲージの正面縦断面図、（ｂ）は、金属シースチューブを断面が長円形状となるまで矢印方向に押し潰した状態の溶接型光ひずみゲージの正面縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージにプロテクタを被せ、その周辺近傍をコーティングした状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る温度計測機能付の溶接型光ひずみゲージの構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る溶接型光ひずみゲージユニットの構成を示す回路ブロック図である。
【図７】ＦＢＧ付き光ファイバの構成を模式的に示す概念図である。
【図８】ＦＢＧ付き光ファイバの動作原理を模式的に示す概念図である。
【図９】ＦＢＧ付き光ファイバの動作原理を模式的に示す概念図である。
【図１０】ＦＢＧ付き光ファイバの多点計測原理を模式的に示す概念図である。
【図１１】ＦＢＧ付き光ファイバの多点計測原理を模式的に示す概念図である。
【図１２】ＦＢＧ付き光ファイバの多点計測原理を模式的に示す概念図である。
【図１３】ＦＢＧ部の長さと、フランジ板の溶接長さとひずみ伝達率との関係を示すひずみ分布の模式図である。
【図１４】金属シースチューブを「潰さない」場合と「潰す」場合の、それぞれの感度のばらつきの程度を表わす比較図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態のように、金属シースチューブを潰さない場合のひずみゲージ出力に対する換算ひずみの差を表わす特性図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態のように、金属シースチューブを潰した場合のひずみゲージ出力に対する換算ひずみの差を表わす特性図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 溶接型光ひずみゲージ
２ フランジ板
２ａ、２ｂ フランジ部
２ｃ スポット溶接
２ｄ 仮想中心線
３ 金属シースチューブ
４ 光ファイバ
４ａ ＦＢＧ部
４ｂ 温度計測用ＦＢＧ部
４ｃ コア
５ 接着剤
６ 電子ビーム溶接
７ 被測定対象物
８ プロテクタ
９ コーティング膜
１０ 光コネクタ
１１ 光源
１２ 光サーキュレータ
１３ 光スイッチ
１７ 波長計
１８ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が開口された極小径の金属シースチューブと、
前記金属シースチューブの中心軸に沿ってその外周面に溶接された薄板状のフランジ板と、
前記金属シースチューブの内空に挿通され且つ固着手段によって固着されたファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、
を有し、
金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することにより、ひずみを計測し得るように構成された溶接型光ひずみゲージ。
【請求項２】
前記固着手段は、前記金属シースチューブの内周面と前記光ファイバの外周面に充填され且つ固化されてなる接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項３】
前記固着手段は、表面がメタライズされた前記光ファイバを前記金属シースチューブに挿入した状態で前記光ファイバと前記金属シースチューブとの間を超音波ハンダまたはろう付けで固着するものであることを特徴とする請求項１に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項４】
前記フランジ板の溶接長さを、ひずみが１００％伝わる長さが前記ファイバブラッググレーティング部の長さの約２倍以上になるように設定してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項５】
前記シースチューブは、前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って、前記フランジ板の板面に向かう方向に、前記光ファイバへの変形を与えることなく、押し潰されて断面長円形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項６】
前記シースチューブと前記フランジ板および前記光ファイバの一部を覆い得る形状を呈し、自身の周辺近傍表面上に塗布されるコーティング材により前記被測定対象物に固着されるプロテクタを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項７】
両端が開口された金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿って前記金属シースチューブの一定長に亘り溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され、前記フランジ板のほぼ中央部に配設され固着手段によって固着されたひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部およびこのひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部の近傍における前記金属シースチューブの内空であって、前記フランジ板には溶接されていない部位に、固着手段によって固着された前記ひずみ計測用ファイバブラッグレーティング部とは波長の異なる温度計測用ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することによりひずみおよび温度を同時的に計測し得るように構成したことを特徴とする溶接型光ひずみゲージ。
【請求項８】
極小径の金属シースチューブの外周面に平板状のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに固着させる光ファイバ固着ステップと、
を有することを特徴とする溶接型光ひずみゲージの製造方法。
【請求項９】
極小径の金属シースチューブの外周面に平板上のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに接着させる光ファイバ接着ステップと、
前記接着ステップに引続き、前記接着剤が硬化する前に、前記金属シースチューブを前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って前記フランジ板の板面に向かう方向に押し潰して断面長円形状に成形する押し潰しステップと、
を有することを特徴とする溶接型光ひずみゲージの製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接型光ひずみゲージを光コネクタまたは融着接続部を介して直列状に順次複数連接することにより、複数の被測定対象個所におけるひずみを計測し得るように構成したことを特徴とする溶接型光ひずみゲージユニット。
【請求項１】
両端が開口された極小径の金属シースチューブと、
前記金属シースチューブの中心軸に沿ってその外周面に溶接された薄板状のフランジ板と、
前記金属シースチューブの内空に挿通され且つ固着手段によって固着されたファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、
を有し、
金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することにより、ひずみを計測し得るように構成された溶接型光ひずみゲージ。
【請求項２】
前記固着手段は、前記金属シースチューブの内周面と前記光ファイバの外周面に充填され且つ固化されてなる接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項３】
前記固着手段は、表面がメタライズされた前記光ファイバを前記金属シースチューブに挿入した状態で前記光ファイバと前記金属シースチューブとの間を超音波ハンダまたはろう付けで固着するものであることを特徴とする請求項１に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項４】
前記フランジ板の溶接長さを、ひずみが１００％伝わる長さが前記ファイバブラッググレーティング部の長さの約２倍以上になるように設定してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項５】
前記シースチューブは、前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って、前記フランジ板の板面に向かう方向に、前記光ファイバへの変形を与えることなく、押し潰されて断面長円形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項６】
前記シースチューブと前記フランジ板および前記光ファイバの一部を覆い得る形状を呈し、自身の周辺近傍表面上に塗布されるコーティング材により前記被測定対象物に固着されるプロテクタを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の溶接型光ひずみゲージ。
【請求項７】
両端が開口された金属シースチューブと、前記金属シースチューブの中心軸に沿って前記金属シースチューブの一定長に亘り溶接された薄板状のフランジ板と、前記金属シースチューブの内空に挿通され、前記フランジ板のほぼ中央部に配設され固着手段によって固着されたひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部およびこのひずみ計測用ファイバブラッググレーティング部の近傍における前記金属シースチューブの内空であって、前記フランジ板には溶接されていない部位に、固着手段によって固着された前記ひずみ計測用ファイバブラッグレーティング部とは波長の異なる温度計測用ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバと、金属面よりなる被測定対象物に前記フランジ板をスポット溶接により固着することによりひずみおよび温度を同時的に計測し得るように構成したことを特徴とする溶接型光ひずみゲージ。
【請求項８】
極小径の金属シースチューブの外周面に平板状のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに固着させる光ファイバ固着ステップと、
を有することを特徴とする溶接型光ひずみゲージの製造方法。
【請求項９】
極小径の金属シースチューブの外周面に平板上のフランジ板を当接し、前記フランジ板側から前記フランジ板の長手方向にほぼ中心軸に沿ってライン状に溶接する溶接ステップと、
ファイバブラッググレーティング部を含む光ファイバをその外周面に接着剤を塗布し前記金属シースチューブの内空に挿入した状態で前記光ファイバを前記金属シースチューブに接着させる光ファイバ接着ステップと、
前記接着ステップに引続き、前記接着剤が硬化する前に、前記金属シースチューブを前記フランジ板の長さにほぼ相当する範囲に亘って前記フランジ板の板面に向かう方向に押し潰して断面長円形状に成形する押し潰しステップと、
を有することを特徴とする溶接型光ひずみゲージの製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接型光ひずみゲージを光コネクタまたは融着接続部を介して直列状に順次複数連接することにより、複数の被測定対象個所におけるひずみを計測し得るように構成したことを特徴とする溶接型光ひずみゲージユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−１９４７０４（Ｐ２００６−１９４７０４Ａ）
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５７９３（Ｐ２００５−５７９３）
【出願日】平成１７年１月１２日（２００５．１．１２）
【出願人】（０００１４２０６７）株式会社共和電業 (52)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１２日（２００５．１．１２）
【出願人】（０００１４２０６７）株式会社共和電業 (52)
【Ｆターム（参考）】
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