JP2000221011A - 光ファイバ式ひずみゲージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造に係る調整が容易で且つ作業性も良好
で、各種供試体に対しても共通の簡単な構成で対応する
ことができ、温度補償が容易に行え高精度を得ることが
できる。 【解決手段】 光ファイバ１１および反射部材１２は、
共通軸線上に所定のギャップ長Ｇを存して対峙させてベ
ース材１３の厚肉部１３ｂおよび１３ｃに固着される。
該光ファイバ式ひずみゲージは、ベース材１３の薄肉部
の厚肉部１３ｂおよび１３ｃとの境界線近傍に沿う部分
において、複数点ｐにおけるスポット溶接により供試体
に溶接固着して用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ひずみ検出部に光
ファイバを用いた光ファイバ式ひずみゲージに係り、特
に供試体に対する光ファイバセンシング部の接合方式お
よび温度補償の改善を図った光ファイバ式ひずみゲージ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の変形等のひずみを計測するひずみ
ゲージとしては、従来、変形により電気的特性、例えば
電気抵抗が変化する金属箔を用いるものが一般的であっ
た。このような金属箔による抵抗体ひずみゲージは、金
属箔をベース材に添着し、ひずみゲージパターンを形成
してなるひずみゲージを供試体に添着して用いる。供試
体に生じるひずみに基づくひずみゲージの電気抵抗等の
特性の変化を、ブリッジ回路等の電気回路により検出し
て、ひずみの大きさを計測する。供試体に種々の方向の
ひずみが生じる場合には、向きを異ならせて複数個のひ
ずみゲージを添着し、これらの検出情報を適宜解析する
ことにより、供試体に生じたひずみの方向および大きさ
を計測することができる。

【０００３】金属箔を用いたひずみゲージは、箔の厚さ
が数μｍ以下であり、極めて剛性が低いため、ベース材
および接着層が受け持つせん断力が小さくても供試体の
ひずみがほぼ完全に伝達されるという利点がある。とこ
ろが、このような金属箔による抵抗体ひずみゲージで
は、計測値を微弱な電気信号により検出するため、ひず
みゲージから計測回路に至る回路部分において電磁誘導
等による影響を受けることがある。したがって、例えば
供試体が強い電磁場の存在する環境下にある場合や、供
試体と計測回路との間の距離が長い場合等には、電磁誘
導の影響を受けて計測値が不正確になるおそれがあり、
その影響を除去するのが困難であった。

【０００４】そこで、近年、電磁誘導による影響を受け
ることのないひずみゲージとして、光ファイバを用いて
光学的にひずみ検出を行う光ファイバ式ひずみゲージが
注目されつつある。この光ファイバ式ひずみゲージは、
例えば光ファイバの一端をギャップを存して、金属等か
らなるワイヤの一端に形成された反射面に対峙させたも
のである。このような構成においては、光ファイバの他
端から光を送出して、前記ワイヤの反射面により反射し
て戻る反射光の光量が、ひずみによる前記ギャップ部の
変位（間隔）に基づいて変動する。このギャップ部を介
して往復する光の光量を、前記光ファイバの他端におい
て検出することにより、前記ひずみの大きさを計測す
る。ここで、このひずみ計測の原理について説明する。
光ファイバ端面間に屈折率ｎの物質で満たされたギャッ
プＧ（ギャップ長＝Ｇ）があるとき、光の波長をλおよ
び光ファイバ射出端におけるスポットサイズ（モードフ
ィールド径）をｗとすると、光ファイバ間の結合効率η
は、数１であらわされる。

【０００５】

【数１】

【０００６】数１は、図８のような光ファイバから光フ
ァイバへ光を入射させるときの式であるが、図９のよう
にミラーを用いて同じ光ファイバに再入射させるとき
は、ミラーでの反射率を１００％と考えると、ギャップ
Ｇが２倍になるので、数２であらわされる。

【０００７】

【数２】 よって、光ファイバから射出された光の強度をＩ₀とす
ると、ミラーから戻り光ファイバへと再入射された光強
度Ｉ_Rの関係は、結合効率η＝Ｉ_R／Ｉ₀であるから数３
であらわされる。

【０００８】

【数３】 すなわち、光ファイバへの入射光の光強度を一定に保つ
ようにすれば、戻り光の光強度を測定することにより、
ギャップＧを計測することができることになる。

【０００９】本出願人は、先に、特開平１０−１４１９
２３号公報に示すような光ファイバ式ひずみゲージを提
案した。その特開平１０−１４１９２３号公報による光
ファイバ式ひずみゲージは、図１０に示すように、光フ
ァイバ１は、一端に、投光部および受光部が結合され
る。スリーブ２は、一端の開口部から光ファイバ１の他
端を挿入し、該光ファイバ１の先端が該スリーブ２の中
間位置近傍に達するようにした状態で、スリーブ２の前
記一端の開口部に光ファイバ１を封着する。反射部材３
は、ワイヤ部３ａを突出させた段付き柱状の部材であ
る。この反射部材３のワイヤ部３ａの先端に反射面を形
成する。ベース材４は、矩形板状の中央部に外形とほぼ
相似形の開口部４ａが形成される。ベース材４に、光フ
ァイバ１を収容したスリーブ２および反射部材３が予め
接着固定される。スリーブ２の中空部内において、ワイ
ヤ部３ａの先端の反射面が光ファイバ１の先端面に所定
間隙で対峙する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】光ファイバ式ひずみゲ
ージは、上述したように、金属箔を用いた抵抗体ひずみ
ゲージに比して、電磁誘導による影響を受けないという
大きな長所があるが、高い剛性を有しているため、ひず
み伝達上の損失が大きい。また、光ファイバ式ひずみゲ
ージは、各構成要素間の接合部のせん断応力に起因し
て、ベース材および接着部に生ずる粘弾性挙動による問
題もある。さらに、接合に際しての作業性にも問題があ
り、良好な特性を得ることが容易ではない。しかも、光
ファイバ式ひずみゲージによる計測値は、ひずみのみな
らず温度によっても大きく変動するため、温度補償を適
切に行わねばならない。

【００１１】上述した特開平１０−１４１９２３号公報
に示した光ファイバ式ひずみゲージは、簡単な構成で、
ひずみ伝達のロスが少なく、接着に係る作業性も比較的
良好で、高精度を得ることができ、温度変化の著しい環
境下においても、高精度を得ることができる。しかしな
がら、上述の特開平１０−１４１９２３号公報の場合、
供試体５の材質が異なる場合、温度補償の調整に必要な
ワイヤ部３ａを含む反射部材３の長さ寸法または材質が
相違する。したがって、適切な温度補償を行うために
は、供試体５の材質に応じて、ワイヤ部３ａを含む反射
部材３の長さ寸法および材質の少なくとも一方を変化さ
せなければならず、供試体５の材質毎に特化した構成と
することが要求される。このため、種々の供試体材質
に、単なる調整のみで対応し得る汎用性を持った光ファ
イバ式ひずみゲージを構成することができない。

【００１２】また、上記特開平１０−１４１９２３号公
報では、小径のスリーブ２内に光ファイバ１を配置し、
該スリーブ２および反射部材３をベース材４に接着する
際の、光ファイバ１と反射部材３のワイヤ部３ａの軸合
わせが容易ではない。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の目的は、製造に係る調整が
容易で且つ作業性も良好で、各種供試体に対しても共通
の簡単な構成で対応することができ、高精度を得ること
ができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することにあ
る。本発明の第２の目的は、特に、製造時の組立および
調整における作業性がよく、耐高温化も容易な光ファイ
バ式ひずみゲージを提供することにある。

【００１３】本発明の第３の目的は、特に、製造時の組
立および調整における作業性が良好な光ファイバ式ひず
みゲージを提供することにある。本発明の第４の目的
は、特に、供試体への取付けにおける作業性がよく、取
付部において高いひずみ伝達率を得ることも可能な光フ
ァイバ式ひずみゲージを提供することにある。本発明の
第５の目的は、特に、製造時の温度補償に係る調整にお
ける作業性が極めて良好な光ファイバ式ひずみゲージを
提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した本発
明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、上述した目的を
達成するために、一端が投光および受光部に結合された
光ファイバと、前記光ファイバと先端に反射面を形成し
てなる細線状の反射部材と、ほぼ板状をなし、中央部を
欠除して開口部を形成し、且つ前記板状の板面に平行な
所定方向の中心軸線に沿う部分のみを、該板状の一方の
面側に膨出させて厚肉に形成し、該厚肉部を前記中心軸
線に沿って前記開口部内に相対向させて所定寸法突出さ
せるとともに、前記光ファイバおよび反射部材の各先端
を前記厚肉部の突出端面からさらに所定寸法突出させ、
前記反射部材の前記反射面を前記光ファイバの他端面に
所定寸法のギャップを存して対峙させた状態で、該光フ
ァイバおよび反射部材を前記厚肉部に埋設して固着支持
するとともに、前記板状の他方の面を供試体に当接し
て、前記厚肉部と薄肉の板状部分の境界部にて前記供試
体に溶接されるベース材と、を具備することを特徴とし
ている。

【００１５】請求項２に記載した本発明に係る光ファイ
バ式ひずみゲージは、前記反射部材が、金属からなる金
属細線を含むことを特徴としている。請求項３に記載し
た本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記ベー
ス材が、予め前記中心軸線に沿って前記他方の面側に溝
部を形成して構成され、該溝部内に前記光ファイバおよ
び反射部材を配置した状態で、該光ファイバおよび反射
部材を前記ベース材に固着したことを特徴としている。
請求項４に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲ
ージは、前記ベース材が、前記供試体にスポット溶接さ
れることを特徴としている。請求項５に記載した本発明
に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記反射部材を、
前記光ファイバ他端面との相対位置の温度依存性を考慮
して、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存
する変動が相殺されるように、前記ベース材の前記厚肉
部の突出端面に対する突出寸法が設定されることを特徴
としている。

【００１６】

【作用】すなわち、本発明に係る請求項１による光ファ
イバ式ひずみゲージは、一端が投光および受光部に結合
された光ファイバおよびほぼ同一の外径を有し且つ先端
に反射面を形成してなる細線状の反射部材を有し、ほぼ
板状をなし、中央部を欠除して開口部を形成し、且つ前
記板状の板面に平行な所定方向の中心軸線に沿う部分の
みを、該板状の一方の面側に膨出させて厚肉に形成し、
該厚肉部を前記中心軸線に沿って前記開口部内に相対向
させて所定寸法突出させたベース材の前記厚肉部に、前
記光ファイバおよび反射部材の各先端を前記厚肉部の突
出端面からさらに所定寸法突出させ、前記反射部材の前
記反射面を前記光ファイバの他端面に所定寸法のギャッ
プを存して対峙させた状態で、該光ファイバおよび反射
部材を埋設し固着支持して構成され、前記板状の他方の
面を供試体に当接して、前記厚肉部と薄肉の板状部分の
境界部にて該ベース材を前記供試体に溶接して使用す
る。

【００１７】このような構成により、光ファイバと反射
部材との位置合わせなどのような製造に係る調整が容易
で且つ作業性も良好で、溶接可能な金属でさえあれば、
各種の供試体に対しても共通の簡単な構成で対応するこ
とができ、高精度を得ることができる。本発明に係る請
求項２による光ファイバ式ひずみゲージは、前記反射部
材が、金属からなる金属細線を含む。このような構成に
より、特に、製造時の組立および調整における作業性が
よく、反射部材を接着以外の、いわゆるホットプレスや
メッキによる埋め込みにより固着することが可能で、耐
高温化も容易である。

【００１８】本発明に係る請求項３による光ファイバ式
ひずみゲージは、前記ベース材が、予め前記中心軸線に
沿って前記他方の面側に溝部を形成して構成され、該溝
部内に前記光ファイバおよび反射部材を配置した状態
で、該光ファイバおよび反射部材を前記ベース材に固着
する。このような構成により、特に、製造時の組立およ
び調整における作業性が良好となる。本発明に係る請求
項４による光ファイバ式ひずみゲージは、前記ベース材
が、前記供試体にスポット溶接される。このような構成
により、特に、供試体への取付けにおける作業性がよ
く、取付部において高いひずみ伝達率を得ることも可能
である。

【００１９】本発明に係る請求項５による光ファイバ式
ひずみゲージは、前記反射部材を、前記光ファイバ他端
面との相対位置の温度依存性を考慮して、前記供試体の
有効ゲージ長に関しての温度に依存する変動が相殺され
るように、前記ベース材の前記厚肉部の突出端面に対す
る突出寸法が設定される。このような構成により、特
に、製造時の温度補償に係る設計、機械加工、組立てお
よび調整における作業性を良好とすることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に基づき、図面
を参照して本発明の光ファイバ式ひずみゲージを詳細に
説明する。図１〜図５は、本発明の一つの実施の形態に
係る光ファイバ式ひずみゲージの構成を示している。図
１は、光ファイバ式ひずみゲージの原理的な構成を示す
模式的な斜視図、図２は、その上面図、図３は、その正
面図、図４はその左側面図および図５は、その中心軸上
での縦断面図である。図１〜図５に示す光ファイバ式ひ
ずみゲージは、光ファイバ１１、反射部材１２およびベ
ース材１３を具備している。

【００２１】光ファイバ１１は、例えば、外径１３０μ
ｍ程度のシリカ（ＳｉＯ₂ ）等からなるファイバであ
り、図１における右方の一端に、投光部および受光部が
（図１には示されていない）結合されている。光ファイ
バ１１の他端面、すなわち図示左端面は、強度変化型の
場合、滑らかな鏡面研磨仕上げとされ、また干渉型の場
合、例えばインコネルによって半透過鏡面がコーティン
グされる。反射部材１２は、光ファイバ１１とほぼ同一
外径、例えば、外径１３０μｍ程度で適宜長さの、例え
ば、金属からなる細線状の部材、すなわち金属細線、で
構成され、この反射部材１２の一方の先端面は、例えば
鏡面処理を施し、さらに金スパッタを施すなどして光を
反射する反射面を形成している。

【００２２】なお、光ファイバ１１の前記他端面および
反射部材１２の前記一方の先端反射面を保護するため、
覆いまたはコーティング材等で、中心部を覆うようにし
てもよい。ベース材１３は、例えば、金属からなり、ほ
ぼ矩形板状をなして、中央部を欠除してほぼ矩形の開口
部１３ａを形成し、前記板状の板面に平行な所定方向の
中心軸線に沿う部分のみを、該板状の一方の面側に膨出
させて厚肉部１３ｂおよび１３ｃを形成して、該厚肉部
１３ｂおよび１３ｃを前記中心軸線に沿って前記開口部
１３ａの内方に向けて相対向させて所定寸法突出させて
いる。このベース材１３を作成するには、例えば、厚肉
部１３ｂおよび１３ｃの厚みの矩形板体を用意し、エッ
チング加工により、開口部１３ａおよび薄肉部分（厚肉
部１３ｂおよび１３ｃ以外の部分）を形成すればよい。

【００２３】ベース材１３の前記他方の面には、前記厚
肉部１３ｂおよび１３ｃの背面側に、前記中心軸線に沿
い、光ファイバ１１および反射部材１２の各先端を厚肉
部１３ｂおよび１３ｃの突出端面からさらに互いに近づ
くように所定寸法突出させ、反射部材１２の前記反射面
を前記光ファイバの滑らかな他端面に所定寸法のギャッ
プを存して対峙させた状態で、該光ファイバ１１および
反射部材１２を厚肉部１３ｂおよび１３ｃにそれぞれ埋
設して固着支持する。

【００２４】該ベース材１３は、使用に際して、前記板
状の他方の面を、この場合金属からなる供試体に当接
し、図２に示すように、薄肉の板状部分の前記厚肉部１
３ｂおよび１３ｃとの境界部に沿う溶接部位１３ｗに
て、例えば、該境界部に沿う複数点１３ｐ（図６参照）
のスポット溶接にて前記供試体に溶接して、該供試体に
取着する。

【００２５】光ファイバ１１および反射部材１２を埋設
するにあたっては、予めエッチング加工等により、ベー
ス材１３の前述した中心軸線に沿って、断面ほぼＶ字型
またはＵ字型の溝部を形成し、該溝部に光ファイバ１１
および反射部材１２を、前述したような所定の向きで、
所定位置に配置し、接着剤により接着して埋設する。前
記ベース材１３の溝部に対する光ファイバ１１および反
射部材１２の埋設にあたっては、接着に代えて、ホット
プレス、メッキまたは銀ろう付けを行うようにしてもよ
い。さらに、光ファイバ１１がベース材１３から引き出
される部分（図２における両端部分）には、接着剤、ま
たは合成樹脂系のコーティング材等の補強材１３ｒによ
り補強する（図２および図３参照）。

【００２６】次に、このように構成した光ファイバ式ひ
ずみゲージの原理およびその作用について、詳細に説明
する。基本構成は、上述したように、光ファイバ１１お
よび反射部材１２がベース材１３に固着されてなる光フ
ァイバ式ひずみゲージを使用するにあたっては、図６に
示すように、ベース材１３の薄肉部の厚肉部１３ｂおよ
び１３ｃとの境界線近傍に沿う部分において、例えば複
数点１３ｐにおけるスポット溶接により供試体（図１０
において示したような供試体５）に溶接固着する。この
ため、ひずみが発生する供試体から当該光ファイバ式ひ
ずみゲージへのひずみ伝達率は、充分に高いはずであ
り、ここでは１００％として扱い、ひずみ伝達のロスは
考慮していない。なお、このような構成の光ファイバ式
ひずみゲージは、予め光ファイバ１１および反射部材１
２をベース材１３に固着する際に充分に高い精度にて位
置合わせしておけば、供試体への取付時には、単に供試
体に当接して溶接するだけで済み、溶接時における特別
な位置調整等も不要であり、頗る作業性がよい。

【００２７】次に、このような光ファイバ式ひずみゲー
ジを供試体に取着した状態で、供試体にひずみが負荷さ
れた状態のもとでの変形について考察する。この場合、
図６に示すように、ゲージ長Ｌは、開口部１３ａの前記
中心軸線に沿う方向の寸法である。ベース材１３の厚肉
部１３ｂおよび１３ｃの薄肉部から開口部１３ａ内への
突出寸法をＬ_B（厚肉部１３ｂについても、厚肉部１３
ｃについても同寸法とする）、厚肉部１３ｂから反射部
材１２側への光ファイバ１１の突出寸法をＬ_F、厚肉部
１３ｃから光ファイバ１１側への反射部材１２の突出寸
法をＬ_M、そして、光ファイバ１１と反射部材１２との
間の対峙する端面間のギャップ長をＧとする。また、光
ファイバ１１の線膨張係数をα_F、反射部材１２の線膨
張係数をα_M、ベース材の線膨張係数をα_B、そして供試
体の線膨張係数をαとして説明する。当該光ファイバ式
ひずみゲージを溶接固着した供試体が、負荷によりひず
みε分だけ延びたとすると、該ひずみによるギャップ長
Ｇの変化ΔＧは、数４であらわされる。

【００２８】

【数４】ΔＧ＝（Ｌ_M＋Ｌ_F＋２Ｌ_B＋Ｇ）ε したがって、このときのＬは、数５であらわされる。

【００２９】

【数５】Ｌ＝（Ｌ_M＋Ｌ_F＋２Ｌ_B＋Ｇ）（１＋ε） さらに、環境温度の変化によるギャップ長Ｇへの影響に
ついて、考察する。すなわち、ゲージ添着部の近傍の供
試体周りの雰囲気がΔＴ℃だけ変化し、それが上述した
構造の光ファイバ式ひずみゲージに完全に伝達されたと
すると、次の数６が成り立つ。

【００３０】

【数６】 このため、ギャップ長Ｇの変化ΔＧは、数７であらわさ
れる。

【００３１】

【数７】 ΔＧ＝ΔＬ−２ΔＬ_B−ΔＬ_M−ΔＬ_F ＝｛Ｌα−（２Ｌ_Bα_B＋Ｌ_Mα_M＋Ｌ_Fα_F）｝ΔＴ 次に、ひずみおよび温度変化によるギャップ長Ｇの変化
について考察する。数４〜数７の各式の結果に基づい
て、ひずみおよび温度の両方による変化が供試体に加わ
ったときのギャップ長Ｇの変化ΔＧは、数８であらわさ
れる。

【００３２】

【数８】ΔＧ＝（Ｌ_M＋Ｌ_F＋２Ｌ_B＋Ｇ）ε＋｛（Ｌ_M＋
Ｌ_F＋２Ｌ_B＋Ｇ）（１＋ε）α−（Ｌ_Mα_M＋Ｌ_Fα_F＋２
Ｌ_Bα_B）｝ΔＴ このとき、温度による影響を“０”とするための条件
は、数９の通りである。

【００３３】

【数９】０＝｛（Ｌ_M＋Ｌ_F＋２Ｌ_B＋Ｇ）(１＋ε）α−
（Ｌ_Mα_M＋Ｌ_Fα_F＋２Ｌ_Bα_B）｝ΔＴ ここで、発生しているひずみεが充分に小さい場合に
は、εα≒０として数１０であらわされる。

【００３４】

【数１０】０＝Ｌ_M（α_M−α）＋Ｌ_F（α_F−α）＋２Ｌ
_B（α_B−α）−Ｇα この数１０に基づき供試体の材質に合わせて各部の寸法
および反射部材１２の材質を決定すればよい。すなわ
ち、寸法の決定にあたっては、例えば、線膨張係数αの
供試体用のひずみゲージを製作するものとすれば、光フ
ァイバの線膨張係数α_Fは既に決定されており、光強度
変化の特性上、ギャップ長Ｇは、一定とする。また、設
計上、ベース材１３を共通化するためベース材１３に係
る寸法、つまりゲージ長Ｌおよび肉厚部１３ｂおよび１
３ｃの開口部１３ａ内への突出寸法Ｌ_Bは一定とするこ
とが望ましい。よって、数１１が得られる。なお、この
時点では、ベース材１３の線膨張係数α_B、反射部材１
２の突出寸法Ｌ_M、および反射部材１２の線膨張係数α_M
（並びに光ファイバ１１の突出寸法Ｌ_F）は、まだ決定
されていない。

【００３５】

【数１１】

【００３６】この後、供試体との間の溶接性を考慮して
ベース材１３の材質を決定することにより、ベース材１
３の線膨張係数α_Bを決定し、さらに、数１１に従って
反射部材１２の突出寸法Ｌ_Mおよび線膨張係数α_Mを決定
する。次に、上述した光ファイバ式ひずみゲージを供試
体の材質に応じて構成する場合の具体的な計算例を示
す。 （１）普通鋼材用ひずみゲージ 供試体として普通鋼材を用いる場合に上述した光ファイ
バ式ひずみゲージを構成するためには、光ファイバ１１
の線膨張係数α_F、ベース材１３の厚肉部１３ｂおよび
１３ｃの開口部１３ａ内への突出寸法Ｌ_B、ゲージ長
Ｌ、ギャップ長Ｇ、および供試体の線膨張係数αを、そ
れぞれ次のように設定する。

【００３７】α_F＝０．５×１０^-6／℃、 Ｌ_B＝１mm、 Ｌ＝５mm、 Ｇ＝０．０５mm、 α＝１１．７×１０^-6／℃、 そして、ベース材１３の材質を線膨張係数α_B＝１６．
２×１０^-6／℃のＳＵＳ３０４のステンレス鋼として、
上述した数１１により反射部材１２の突出寸法Ｌ_Mを求
めると、数１２から数１３が得られる。

【００３８】

【数１２】

【００３９】

【数１３】 よって、反射部材１２として普通鋼等の線膨張係数α_M
＝１１．７×１０^-6／℃の材質を使用すると、数１４お
よび数１５として、反射部材１２の突出寸法Ｌ _Mおよび
光ファイバ１１の突出寸法Ｌ_Fが求められる。

【００４０】

【数１４】Ｌ_M＝２．２mm

【００４１】

【数１５】Ｌ_F＝０．７５０mm （２）ステンレス鋼ＳＵＳ６３０材用ひずみゲージ 供試体としてステンレス鋼ＳＵＳ６３０材を用いる場合
に上述した光ファイバ式ひずみゲージを構成するために
は、光ファイバ１１の線膨張係数α_F、ベース材１３の
厚肉部１３ｂおよび１３ｃの開口部１３ａ内への突出寸
法Ｌ_B、ゲージ長Ｌ、ギャップ長Ｇ、および供試体の線
膨張係数αを、それぞれ次のように設定する。

【００４２】α_F＝０．５×１０^-6／℃、 Ｌ_B＝１mm、 Ｌ＝５mm、 Ｇ＝０．０５mm、 α＝１０．３×１０^-6／℃、 そして、ベース材１３の材質を線膨張係数α_B＝１６．
２×１０^-6／℃のＳＵＳ３０４のステンレス鋼として、
上述した数１１により反射部材１２の突出寸法Ｌ_Mを求
めると、数１６から数１７が得られ．る。

【００４３】

【数１６】

【００４４】

【数１７】

【００４５】よって、反射部材１２として普通鋼等の線
膨張係数α_M＝１１．７×１０^-6／℃の材質を使用する
と、数１８および数１９として、反射部材１２の突出寸
法Ｌ _Mおよび光ファイバ１１の突出寸法Ｌ_Fが求められ
る。

【００４６】

【数１８】Ｌ_M＝１．５７mm

【００４７】

【数１９】Ｌ_F＝１．３８mm 上述したように、本発明による光ファイバ式ひずみゲー
ジは、供試体が異なる場合にも製造時におけるベース材
１３の厚肉部１３ｂおよび１３ｃから開口部１２ａ内へ
の光ファイバ１１および反射部材１２の突出長さのみを
変更するだけで、適切な温度補償を施すことができる。
ちなみに、上述した特開平１０−１４１９２３号公報に
開示した光ファイバ式ひずみゲージにおける温度補償式
は、図１０に示すように、ベース材４の開口部寸法をＬ
₀、反射部材３のベース材４への接着寸法をＬ₁、キャピ
ラリーチューブ部、すなわちスリーブ２のベース材４へ
の接着寸法をＬ₂、反射部材３の長さをＬ_1w、供試体の
線膨張係数Ｃ_host、および反射部材３の線膨張係数Ｃ
_wireとして、光ファイバ1の線膨張係数を無視できる
（＝０）ものとすれば、数２０であらわされる。

【００４８】

【数２０】 すなわち、反射部材３の長さＬ_1wは、数２１であらわさ
れる。

【００４９】

【数２１】 したがって、上述した普通鋼材用ひずみゲージを構成す
る場合、供試体の線膨張係数Ｃ_host＝１１．７×１０^-6
／℃、反射部材３のベース材４への接着寸法Ｌ ₁＝４m
m、スリーブ２のベース材４への接着寸法Ｌ₂＝４mm、お
よびベース材４の開口部寸法Ｌ₀＝５mmを、数２１の温
度補償式に代入すると数２２が得られる。

【００５０】

【数２２】 よって、反射部材３として普通鋼等の線膨張係数α_M＝
１１．７×１０^-6／℃の材質を使用すると、数２３とし
て、反射部材３の長さＬ_1wが求められる。

【００５１】

【数２３】Ｌ_1w＝１１mm また、上述したステンレス鋼ＳＵＳ６３０材用ひずみゲ
ージを構成する場合、供試体の線膨張係数Ｃ_host＝１
０．３×１０^-6／℃、反射部材３のベース材４への接着
寸法Ｌ₁＝４mm、スリーブ２のベース材４への接着寸法
Ｌ₂＝４mm、およびベース材４の開口部寸法Ｌ₀＝５mm
を、数２１の温度補償式に代入すると数２４が得られ
る。

【００５２】

【数２４】 よって、反射部材３として普通鋼等の線膨張係数α_M＝
１１．７×１０^-6／℃の材質を使用すると、数２５とし
て、反射部材３の長さＬ_1wが求められる。

【００５３】

【数２５】Ｌ_1w＝９．９２mm 上述した本発明の実施の形態による光ファイバ式ひずみ
ゲージの利点をまとめると次のようになる。 (a) 供試体の材質が変わっても反射部材１２および光フ
ァイバ１１の突出寸法を調整するだけで、温度補償のた
めの調整を行うことができ、部品の共通化を図ることが
でき、製造が容易で作業性もよい。 (b) 供試体に対して溶接により固着するので、通常の接
着等に比して高い安定性を実現することができると共
に、ひずみ伝達率は１００と考えられるため開口部１３
ａの長さに相当する正確なゲージ長Ｌのものが得られ、
したがって、先に述べた本発明による光ファイバ式ひず
みゲージによれば、製造に係る調整が容易で且つ作業性
も良好で、各種供試体に対しても共通の簡単な構成で対
応することができ、高精度を得ることができる。

【００５４】図７は、上述した本発明の実施の形態に係
る光ファイバ式ひずみゲージを用いた光強度型のひずみ
測定系の構成例を模式的に示しているが、干渉型のひず
み測定系にも上述とほぼ同様にして適用することができ
る。図７に示す測定系は、図１に示したのと同様な光フ
ァイバ式ひずみゲージ１０１、２×２カプラ１０２、発
光素子１０３、第１の受光素子１０４および第２の受光
素子１０５を具備している。

【００５５】光ファイバ式ひずみゲージ１０１は、図１
に示した光ファイバ式ひずみゲージと同様の構成を有し
ている。２×２カプラ１０２は、第１〜第４のポートＰ
１〜Ｐ４を有しており、第１のポートＰ１から入力した
光を、５０％／５０％の強度比で、第２および第３のポ
ートＰ２およびＰ３に分岐出力する。また、２×２カプ
ラ１０２は、第３のポートＰ３から入力した光を、第４
のポートＰ４に出力する。

【００５６】発光素子１０３は、光ファイバ１１１を介
して２×２カプラ１０２の第１のポートＰ１に結合され
ている。なお、２×２カプラ１０２の第２のポートＰ２
は、光ファイバ１１２を介して光ファイバ式ひずみゲー
ジ１０１に結合されている。第１の受光素子１０４は、
光ファイバ１１４を介して２×２カプラ１０２の第４の
ポートＰ４に結合されている。第２の受光素子１０４
は、光ファイバ１１３を介して２×２カプラ１０２の第
３のポートＰ３に結合されている。このような構成にお
いて、発光素子１０３より射出した光は、光ファイバ１
１１を介して、２×２カプラ１０２の第１のポートＰ１
に導かれる。２×２カプラ１０２では、第１のポートＰ
１に入射した光を５０％／５０％の強度比で分岐し、そ
れぞれ第２のポートＰ２へ向かう光および第３のポート
Ｐ３に向かう光とする。

【００５７】第２のポートＰ２から光ファイバ１１２を
介してセンサ部である光ファイバ式ひずみゲージ１０１
に導かれた光は、光ファイバ式ひずみゲージ１０１の光
ファイバ１１の先端から射出され、反射部材１２の先端
反射面により反射され、再び同一の光ファイバ１１２へ
戻る。この光ファイバ１１２へ戻った光は、２×２カプ
ラ１０２を通って、第４のポートＰ４から光ファイバ１
１４を介して第１の受光素子１０４に導かれる。２×２
カプラ１０２の第３のポートＰ３からでた光は、光ファ
イバ１１３を通って第２の受光素子１０５へ戻る。２×
２カプラ１０２は、光ファイバ式ひずみゲージ１０１が
磁場または電磁場の影響を受ける場所に設置されている
場合には、光ファイバケーブル１１２によって距離が確
保され、該磁場および電磁場の影響を受けない箇所に配
置される。

【００５８】発光素子１０３から射出して２×２カプラ
１０２によって分岐された光の一方は、第２のポートＰ
２を介して光ファイバ式ひずみゲージ１０１に導かれ、
反射部材１２により反射して、２×２カプラ１０２に戻
る。光ファイバ式ひずみゲージ１０１から２×２カプラ
１０２の第２のポートＰ２に戻った反射光は、第４のポ
ートＰ４を介して第１の受光素子１０４に導かれて信号
光として用いられる。発光素子１０３から射出して２×
２カプラ１０２によって分岐された光の他方は、第３の
ポートＰ３を介して第２の受光素子１０５に導かれて参
照光として用いられる。これら第１および第２の受光素
子１０４および１０５で検出される光信号は、所定の信
号解析処理が施されて光ファイバ式ひずみゲージ１０１
により検出されたひずみであるギャップＧの変化を算出
する。

【００５９】このような構成において、先に述べたよう
に、光ファイバ式ひずみゲージ１０１は、正確なひずみ
計測値を得ることができ、さらに、それ自体で適切な温
度補償も施こされる。したがって、従来の光ファイバ式
ひずみゲージでは得られないような高精度のひずみ計測
が可能となる。なお、本発明は、上述した実施の形態に
のみ限定されるものではなく、その要旨に含まれる範囲
内において、種々変形して実施することができる。

【００６０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項１に
よれば、一端が投光および受光部に結合された光ファイ
バおよび先端に反射面を形成してなる細線状の反射部材
を有し、ほぼ板状をなし、中央部を欠除して開口部を形
成し、且つ前記板状の板面に平行な所定方向の中心軸線
に沿う部分のみを、該板状の一方の面側に膨出させて厚
肉に形成し、該厚肉部を前記中心軸線に沿って前記開口
部内に相対向させて所定寸法突出させたベース材の前記
厚肉部に、前記光ファイバおよび反射部材の各先端を前
記厚肉部の突出端面からさらに所定寸法突出させ、前記
反射部材の前記反射面を前記光ファイバの他端面に所定
寸法のギャップを存して対峙させた状態で、該光ファイ
バおよび反射部材を埋設し固着支持して構成され、前記
板状の他方の面を供試体に当接して、前記厚肉部と薄肉
の板状部分の境界部にて該ベース材を前記供試体に溶接
して使用する構成により、光ファイバと反射部材との位
置合わせなどのような製造に係る調整が容易で且つ作業
性も良好で、溶接可能な金属でさえあれば、各種の供試
体に対しても共通の簡単な構成で対応することができ、
高精度を得ることが可能な光ファイバ式ひずみゲージを
提供することができる。

【００６１】本発明の請求項２による光ファイバ式ひず
みゲージによれば、前記反射部材が、金属からなる金属
細線を含むことにより、特に、製造時の組立および調整
における作業性がよく、反射部材を接着以外のいわゆる
ホットプレスやメッキによる埋め込みにより固着するこ
とが可能で、耐高温化も容易である。本発明の請求項３
による光ファイバ式ひずみゲージによれば、前記ベース
材が、予め前記中心軸線に沿って前記他方の面側に溝部
を形成して構成され、該溝部内に前記光ファイバおよび
反射部材を配置した状態で、該光ファイバおよび反射部
材を前記ベース材に固着することにより、特に、製造時
の組立および調整における作業性が良好である。

【００６２】本発明の請求項４による光ファイバ式ひず
みゲージによれば、前記ベース材が、前記供試体にスポ
ット溶接されることにより、特に、供試体への取付けに
おける作業性がよく、取付部において高いひずみ伝達率
を得ることも可能である。本発明の請求項５による光フ
ァイバ式ひずみゲージによれば、前記反射部材を、前記
光ファイバ他端面との相対位置の温度依存性を考慮し
て、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存す
る変動が相殺されるように、前記ベース材の前記厚肉部
の突出端面に対する突出寸法が設定されることにより、
特に、製造時の温度補償に係る調整における作業性を良
好とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみ
ゲージの構成を模式的に示す斜視図である。

【図２】図１の光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式
的に示す上面図である。

【図３】図１の光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式
的に示す正面図である。

【図４】図１の光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式
的に示す左側面図である。

【図５】図１の光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式
的に示す縦断面図である。

【図６】図１の光ファイバ式ひずみゲージの作用を説明
するための模式図である。

【図７】本発明の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみ
ゲージを用いた測定系の構成を模式的に示すブロック図
である。

【図８】光ファイバ式ひずみゲージの原理を説明するた
めの模式図である。

【図９】光ファイバ式ひずみゲージの原理を説明するた
めの模式図である。

【図１０】従来の光ファイバ式ひずみゲージの構成の他
の一例を模式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１１ 光ファイバ １２ 反射部材 １３ ベース材 １３ａ 開口部 １３ｂ 厚肉部 １３ｃ 厚肉部 １３ｗ 溶接部 １３ｒ 補強材 １３ｐ スポット溶接 １０１ 光ファイバ式ひずみゲージ １０２ ２×２カプラ １０３ 発光素子 １０４ 第１の受光素子 １０５ 第２の受光素子 １１１、１１２、１１３、１１４ 光ファイバ Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ ポート

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が投光および受光部に結合された光
   ファイバと、 前記光ファイバと先端に反射面を形成してなる細線状の
   反射部材と、 ほぼ板状をなし、中央部を欠除して開口部を形成し、且
   つ前記板状の板面に平行な所定方向の中心軸線に沿う部
   分のみを、該板状の一方の面側に膨出させて厚肉に形成
   し、該厚肉部を前記中心軸線に沿って前記開口部内に相
   対向させて所定寸法突出させるとともに、前記光ファイ
   バおよび反射部材の各先端を前記厚肉部の突出端面から
   さらに所定寸法突出させ、前記反射部材の前記反射面を
   前記光ファイバの他端面に所定寸法のギャップを存して
   対峙させた状態で、該光ファイバおよび反射部材を前記
   厚肉部に埋設して固着支持するとともに、前記板状の他
   方の面を供試体に当接して、前記厚肉部と薄肉の板状部
   分の境界部にて前記供試体に溶接されるベース材と、を
   具備することを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。
2. 【請求項２】 前記反射部材は、金属からなる金属細線
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ式
   ひずみゲージ。
3. 【請求項３】 前記ベース材は、予め前記中心軸線に沿
   って前記他方の面側に溝部を形成しておき、該溝部内に
   前記光ファイバおよび反射部材を配置した状態で、該光
   ファイバおよび反射部材を前記ベース材に固着したこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ式ひ
   ずみゲージ。
4. 【請求項４】 前記ベース材は、前記供試体にスポット
   溶接されることを特徴とする請求項１〜３のうちのいず
   れか１項に記載の光ファイバ式ひずみゲージ。
5. 【請求項５】 前記反射部材は、前記光ファイバ他端面
   との相対位置の温度依存性を考慮して、前記供試体の有
   効ゲージ長に関しての温度に依存する変動が相殺される
   ように、前記ベース材の前記厚肉部の突出端面に対する
   突出寸法を設定してなることを特徴とする請求項１〜４
   のうちのいずれか１項に記載の光ファイバ式ひずみゲー
   ジ。