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JP3785457B2 - Optical fiber sensor and stress measuring device - Google Patents
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JP3785457B2 - Optical fiber sensor and stress measuring device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサを駆動するための特別な電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることなく、圧力を遠隔から計測することに利用可能な光ファイバーセンサ、及び該光ファイバーセンサを利用した応力計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、圧力センサとしては、薄い弾性版をダイヤフラムとし、圧力によるその変形をダイヤフラムに貼り付けた歪ゲージやピエゾ抵抗素子によって電気信号に変換するセンサがよく用いられている。
【0003】
しかし、このような圧力センサは、電気信号を用いることから電磁的なノイズの影響を受けやすいこと、また、引火性の環境下では使用できないこと、といった問題がある。
【0004】
このとき、圧力センサの信号伝達系に光ファイバーを採用した場合、耐電磁ノイズ性を付与することができる。それでも、センサ素子自体への電源供給が必要であるため、引火性の問題は解決できない。
【0005】
そこで、上記の問題を解決するため、光ファイバーの先端に、一面を鏡面状にしたダイヤフラムを取付け、これに光ファイバーを通したレーザー光を反射させてダイヤフラムの変形を入射光と反射光との干渉に変換して圧力を計測する光ファイバーセンサが提案されている(参照:T. Katsumata, et al.: T. IEE Japan, 120-E, No.2, 58-63 (2000))。また、光ファイバー内にパルス状のレーザー光を入射し、光ファイバーが圧力を受けた際に観測されるブリルアンゲインスペクトルから圧力を検出する光ファイバーセンサが提案されている(参照:http://www.ntt.co.jp/news/news97/970529a.html)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の光ファイバーセンサでは、常時、光ファイバーにレーザー光を入射しなければ圧力の測定ができないという問題がある。即ち、従来の光ファイバーセンサでは、常時レーザー光の入射が必要であることから、例えば、小型化に際して限界があるだけでなく、コスト的にも問題がある。
【0007】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザー光の照射を必要とせず、応力を遠隔から計測可能な光ファイバーセンサ、及び、該光ファイバーセンサを利用した応力計測装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、後述するように、材料自体が応力により発光する応力発光材料と透明光学樹脂とを混合して作製したバルク体に、種々の荷重を印加したところ、応力の集中する部分では発光強度が高く、応力に比例して発光強度が増大することを見出した。さらに、この光をガラスファイバー等の光学通路を介して光検出器等で計測すると、前記バルク体に発生した応力を遠隔測定できることを独自に見出し、これらの知見に基づき本発明を完成させるに至った。
【0009】
即ち、本発明に係る光ファイバーセンサは、上記の課題を解決するために、光ファイバーの端部に、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光部が設けられているとともに、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面に、前記発光部の発光した光を反射する反射部が形成されており、上記発光部は、三次元形状であり、さらに、上記発光部は、光ファイバーのコア層の端面と接するように、かつ、クラッド層の端面とは接しないように、形成されていることを特徴としている。
【0010】
上記の構成によれば、光ファイバーの端部(端面を含む)に設けられた発光部に、外部から荷重が印加されて、その内部に応力が発生すると、発光部内の応力発光材料が応力の大きさに比例した発光強度の光を放出する。この光は、直接、あるいは、反射部によって反射された後に、光ファイバーを介して、送出される。そして、例えば、光ファイバーのもう一方の端部に設けられている光検出器等によって、この光は検出される。
【0011】
上記光ファイバーセンサは、例えば、計測点を定めて応力の測定を行う場合に利用できる。
【0012】
また、上記光ファイバーセンサの発光部には、表面に反射部が設けられていることから、発光部に対して荷重が印加されて発生した応力により発光した光を外部に漏らすことなく、確実に光ファイバーに送出することができ、正確に応力を計測するのに利用できる。
【0013】
従って、上記の光ファイバーセンサは、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定に利用することができる。このため、光ファイバーセンサをより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【0014】
さらに、上記光ファイバーセンサは、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面の形状が、放物面状であってもよい。
【0015】
上記の構成によれば、発光部に荷重が印加されたことにより生ずる応力によって発生する光を、より効率的に、光ファイバーを介して送出することができる。なお、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部の表面の形状は、平面が好ましいが、特に限定されるものではなく、放物面状等の任意の形状でよい。
【0016】
従って、例えば、光ファイバーのもう一方の端部に光検出器等が設けられている場合、より効率的に光の強度を検出できる。このため、上記光ファイバーセンサは、より効率的に応力計測に利用可能である。
【0017】
また、前記発光部は、応力発光材料と光学樹脂とを含んでなるものであってもよい。
【0018】
上記の構成によれば、光学樹脂を応力発光材料の一種のバインダとして用いることができる。これにより、光をより効率的に送出することが可能な形状に発光部を成形することが容易となる。例えば、上記したような、発光部の表面の形状が放物面状であるドーム形状の発光部を容易に成形することができる。
【0019】
また、本発明に係る応力計測装置は、上記光ファイバーセンサの光ファイバーにおける、発光部が設けられている端部以外の端部に、前記発光部から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、応力の大きさを計測するための応力計測部を備えていることを特徴としている。
【0020】
上記の構成によれば、上記光ファイバーの一方の端部に設けられた発光部に荷重が印加されて応力が発生すると、発光部内の応力発光材料が応力の大きさに比例した発光強度の光を放出する。この光は、直接、あるいは、反射部によって反射した後に、光ファイバーを介して送出される。
【0021】
そして、この光は、光ファイバーのもう一方の端部に設けられた光検出部によって検出される。次いで、この検出された光の情報(例えば、発光強度、発光スペクトル等)に基づいて、応力計測部により前記発光部の応力を計算することができるから、印加された荷重を計測できる。
【0022】
上記応力計測装置は、例えば、計測点を定めて応力の測定を行う場合に利用でき、前記発光部に発生する応力、すなわち前記発光部に印加された荷重を遠隔測定することができる。
【0023】
従って、上記応力計測装置は、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。このため、応力計測装置をより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【0024】
また、本発明に係る光ファイバーセンサは、上記の課題を解決するために、光ファイバーの内部に、その中心軸に沿って、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光層が設けられており、上記発光層は、光ファイバーの中心部に設けられていることを特徴としている。
【0025】
上記の構成によれば、光ファイバーの中心軸に沿って設けられた発光層に荷重が印加されて応力が発生すると、発光層内の応力発光材料が応力の強さに比例した強度の光を放出する。この光は、光ファイバーを介して送出される。そして、例えば、光ファイバーの端部に設けられている光検出器等によって、この光は検出される。
【0026】
即ち、上記光ファイバーセンサは、計測点を定めないで応力の計測を行う場合、例えば、直線、あるいは曲線に沿って応力計測を行いたい場合に利用できる。このため、点の計測でない、連続した印加応力(歪み等)を計測する際に利用することができる。
【0027】
また、上記の光ファイバーセンサは、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を照射することなく、応力の遠隔測定に利用することができる。このため、光ファイバーセンサの小型化に対応できるだけでなく、コストの低減を達成することもできる。
【0028】
また、上記光ファイバーセンサは、前記発光層が、光ファイバーの長手方向に複数設けられているとともに、前記各発光層がそれぞれ、発光スペクトルが異なる応力発光材料を有しているという構成であってもよい。
【0029】
上記の構成によれば、応力発光材料から放出された光の発光スペクトルの特徴を識別することにより、光ファイバーの長手方向に複数設けられている発光層のうち、応力が生じて光が放出された発光層を特定し、光ファイバーの長手方向のどの位置に荷重が印加されたのか特定することができる。さらに、光の発光強度から応力の大きさを測定して、各々の発光層に印加された荷重の大きさを計測することもできる。
【0030】
従って、光ファイバーセンサの複数の位置で同時に荷重が印加された場合であっても、検出した各発光スペクトルの特徴、発光強度から、光ファイバーセンサの光ファイバーのどの領域に、どのような大きさの荷重が印加されたのかを特定することができる。すなわち、検出した各発光スペクトルを、各荷重が印加された位置と大きさとを特定するために利用することができる。
【0031】
また、本発明に係る応力計測装置は、上記光ファイバーセンサにおける、光ファイバーの端部に、前記発光層から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、印加された荷重の大きさ、及び/又は、印加された荷重の位置を計測特定するための応力計測部を備えていることを特徴としている。
【0032】
上記の構成によれば、上記光ファイバーセンサの光ファイバーの中心軸に沿って設けられた発光層に荷重が印加されると、発光層内の応力発光材料が、荷重により発生した応力の強さに比例した発光強度の光を放出する。この光は光ファイバーを介して送出される。
【0033】
そして、光ファイバーの端部に設けられた光検出部によって、この光は検出される。この検出された光の情報(例えば、発光強度、発光スペクトル、波長、周波数等)に基づき、応力計測部により、前記発光層に発生した応力を計算することができ、印加された荷重を計測することができる。
【0034】
また、光ファイバーセンサが、発光スペクトルが異なる応力発光材料を有する複数の発光層を備えている場合は、前記光検出部により検出された光の情報(例えば、発光強度、発光スペクトル、波長、周波数等)に基づき、応力計測部は、光ファイバーセンサに印加された荷重の位置を特定することができる。
【0035】
なお、本発明に係る応力計測装置は、光ファイバーセンサに印加された荷重の大きさを計測する処理と、荷重が印加された位置を特定する処理とを、両方行うこともできるし、どちらか一方の処理のみを行うこともでき、特に限定されるものではない。
【0036】
また、本発明に係る応力計測装置は、計測点を定めないで応力の計測を行う場合、例えば、直線、あるいは曲線に沿って応力計測を行いたい場合に利用でき、前記発光層に荷重が印加されたことにより発生した応力を遠隔測定することができる。
【0037】
従って、光ファイバーセンサに対して、同時に複数の位置で、複数の荷重が印加された場合であっても、それらによって発生した応力を分離して、各応力の大きさや位置を特定することができる。
【0038】
また、上記応力計測装置は、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。このため、応力計測装置をより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
本発明は、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を照射することなく、応力の遠隔測定に利用可能な光ファイバーセンサ、及び該光ファイバーセンサを利用した応力計測装置を提供するものである。そこで以下では、本発明に係る光ファイバーセンサについて説明し、次いで該光ファイバーセンサを利用した応力計測装置の一例について説明することとする。
【0040】
〔実施の形態1〕
本発明の実施の一形態について説明すれば、以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【0041】
(1)光ファイバーセンサ1
(1−1)光ファイバーセンサ1の構成
図1は、本発明に係る光ファイバーセンサの一実施形態の特徴的な部分である発光部近傍を光ファイバーの軸方向(長手方向)に沿う平面で切断した断面図である。この図1に示すように、光ファイバーセンサ1は、光ファイバー10、発光部3、反射部6、保護層8を備えている。
【0042】
光ファイバー10は、高屈折率領域であるコア層4と、低屈折率領域であるクラッド層5とからなる二重構造を有しているものである。なお、ここでいう「光ファイバー」とは、ガラスファイバー等の光を通過させる光学通路であればよく、特に限定されるものではない。また、コア層4及びクラッド層5には、従来公知の材料を用いることができ、特に限定されるものではない。
【0043】
発光部3は、光ファイバ10の端部(端面を含む)10aに設けられているものである。なお、発光部3は光ファイバー10の端面に形成されており、発光部3内で発生した光をより確実に光ファイバー10のコア層4に送出できることが好ましい。即ち、発光部3は、光ファイバー10のコア層4の端面と接するように、かつ、クラッド層5の端面とは接しないように、形成されることがより好ましい。これによって、より確実に発光部3にて発生した光を光ファイバー10のコア層4に送出することができる。
【0044】
また、発光部3は、例えば、特開平11−116946号公報、特開2001−049251号公報、特開2001−064638号公報、特許第3273317号公報、及び特許第2992631号公報に記載されているような、外部から印加された荷重により発生する応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料(例えば、炭酸ストロンチウムとアルミナ、ZnS:Mn、ZnS:Cu、スピネル構造、MAl24:N(但し、M=Mg、Ca、Sr、Ba;N=Eu、Ce、Tb、Sm、Cu、Mn)、M3Al26:N、MAl1219:N、メリライト系構造酸化物、Ca2Al2SiO7:N、MMgAl1017:N、M3MgSi28:N(ここで、M=Ba、Sr、Ca;N=Eu、Ce、Sm、Cu、Mn)等)を有していればよく、特に限定されるものではない。即ち、発光部3には、前記応力発光材料を単独で用いることもできるし、前記応力発光材料とその他の物質等(アルミナ、シリカ等の無機物質、及びプラスチック、樹脂、ゴム等の有機物質)とを混合して用いることもできる。
【0045】
なお、本発明の光ファイバーセンサ1に用いる応力発光材料は、酸化物系のセラミックスを微粒子状にしたものである。このため、例えば、応力発光材料のみを用いて発光部3を形成(製造)する場合は、焼結による成形が必要であり、また、一旦成形したものを精密に加工することは困難である。このため、発光部3を製造する場合には、例えば、光学樹脂を一種のバインダとして用いることがより好ましい。
【0046】
そのため、本実施の形態では、粉末状にした前記応力発光材料を透明な光学樹脂に混入して、ドーム状に成形したものを発光部3として用いている。これにより、発光部3をより容易に成形することができる。
【0047】
また、前記応力発光材料と透明な光学樹脂とを混合したバルク体に対して種々の荷重を印加した実験及びその結果は、特開2001−215157号公報に詳細に記載されている。具体的には、同公報の図9及び図9の説明部分に記載されているように、応力発光材料と透明光学樹脂とを混合したバルク体を円柱状に成形したものに上下から圧縮力(荷重)を印加した際、発生した光の円柱断面内の発光強度分布を測定した。その結果、円柱内の応力分布の理論解析値と発光強度とは良い相関を示した。このことから、前記応力発光材料は、透明な光学樹脂等と混合した場合であっても、応力に比例して発光強度が増大することが実験的に示されている。
【0048】
また、本実施の形態に係る発光部3における前記応力発光材料と透明な光学樹脂との混合比率は、10〜90%(重量比)であることが好ましく、さらには、70〜90%(重量比)であることがより好ましい。前記の混合比率で形成された発光部3であれば、発生した光から、応力を十分に計測することができる。
【0049】
また、発光部3の形状は、球、半球、三角錐、円錐、立方体、長方体等の任意の三次元形状が可能であるが、印加応力によって発生する光を効率的に光ファイバー10に送出するためには、その表面形状は放物面状であることが好ましい。
【0050】
また、発光部3を形成する方法は、従来公知の方法を用いることができ、特に限られるものではない。具体的には、予め作製しておいた光ファイバー10を固定した発光部3の型(ドーム状の型)に前記応力発光材料と光学樹脂とを混合したものを流し込み、熱処理等により硬化させて形成する方法が挙げられる。このとき、光ファイバー10と光学樹脂との親和性が重要となる。そのため、用いる光学樹脂としては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、透明なシリコンゴム等を使用することが好ましい。
【0051】
また、例えば、透明な樹脂を接着剤として用いて、発光部3を、光ファイバー10の端部10aに取付けることも可能である。
【0052】
反射部6は、発光部3と光ファイバー10との結合部3a以外の発光部3の表面に設けられている。反射部6は、発光部3の発光を光ファイバーセンサ1の外部に漏らさないための光学的な反射膜であればよく、特に限定されるものではない。具体的には、反射部6には、例えば、アルミニウム、金、白金、ニッケル、チタン等の金属膜を用いることが好ましい。また、反射部6の形成方法は、従来公知の方法を利用でき、特に限られない。具体的には、反射部6は、例えば、発光部3を形成した後に、蒸着等により形成することができる。
【0053】
保護層8は、光ファイバーセンサ1を物理的、または化学的に保護するものであればよく、特に限定されるものではない。例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)等の従来公知の材料を用いることができる。
【0054】
なお、本発明に係る光ファイバーセンサ1は、材料自体が応力に比例して発光する応力発光材料をドーム状に成形した発光ドームを、その表面に光学的な反射膜を形成して光ファイバーの一端に取付けたものと換言することもできる。
【0055】
(1−2)光ファイバーセンサ1の機能
光ファイバーセンサ1は、上記の構造を有しているため、以下の機能を有する。
【0056】
計測点を定めて応力計測を行う場合、上記光ファイバーセンサ1を用いることが好ましい。即ち、光ファイバーセンサ1の端部10aに設けられている発光部3に外部から荷重が印加されると、発光部3内の応力発光材料が、応力の大きさに比例して光を放出する。この光は、直接あるいは反射部6に反射された後に光ファイバー10のコア層4に送出される。
【0057】
従って、例えば、光ファイバー10の発光部3が設けられている端部10aと別の端部に光検出器等が設けられていれば、光の発光強度から発光部3の応力の大きさを計算して、印加された荷重の大きさを計算することができる。
【0058】
また、本発明に係る光ファイバーセンサ1は、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、引火性環境下でも使用可能である。また、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定に利用することができる。
【0059】
このため、本発明に係る光ファイバーセンサ1は、例えば、血管内治療に用いられるカテーテルに用いることにより、医療的な検査や治療等に利用することができる。また、災害救助や、複雑な機械や配管の中に入り込み分解せずに検査、メンテナンスを行う場合にも利用可能である。
【0060】
〔実施の形態2〕
本発明に係る光ファイバーセンサに関する他の実施形態について、図2に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【0061】
なお、説明の便宜上、前記実施の形態1にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。本実施の形態では、前記実施形態1との相違点について説明するものとする。
【0062】
(2)光ファイバーセンサ11
(2−1)光ファイバーセンサ11の構成
図2は、本発明に係る光ファイバーセンサの他の実施形態を光ファイバーの軸方向に垂直な面で切断した断面図である。この図2に示すように、光ファイバーセンサ11は、光ファイバー10、発光層7、保護層8を備えている。光ファイバー10は、コア層4と、クラッド層5とを備えている。
【0063】
発光層7は、光ファイバー10の中心軸(長手方向の中心)に沿って設けられており、発光層7の外部はコア層4に囲まれている。発光層7は、上記発光部3と同様に、外部から荷重が印加されたことにより生じる応力の大きさに比例して発光強度が増加する応力発光材料を有していればよく、特に限定されるものではない。
【0064】
即ち、発光層7としては、上記発光部3と同様に、応力発光材料単独でもよいし、応力発光材料とその他の樹脂等(アルミナ、シリカ等の無機物質、及びプラスチック、樹脂、ゴム等の有機物質)とを混合して用いることもできる。本実施の形態では、例えば、粉末状にした前記応力発光材料と透明な光学樹脂とを混合したものを用いている。なお、この場合、前記透明な光学樹脂には光ファイバー10のコア層4の材質より屈折率が小さいものを選択することが好ましい。このため、用いる光学樹脂としては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、透明なシリコンゴム等を使用することが好ましい。
【0065】
また、発光層7の製造方法としては、従来公知の方法が用いることができ、特に限定されない。例えば、図5に示すように、多重ノズルを用いて、押し出し、あるいは引き出しによって製造することができる。具体的には、中心ノズル30から応力発光材料と光学樹脂とを混合したものを投入し、周辺ノズル31から光ファイバー10のコア層4となる樹脂を投入する方法を挙げることができる。
【0066】
また、発光層7は、光ファイバー10の中心軸に沿って設けられることが好ましいが、中心軸から多少ずれた位置に設けられてもかまわない。
【0067】
なお、発光層7は、一本の連続した構造であってもよいし、複数個の発光層7が断続的に配置された構造であってもよい。
【0068】
さらに、光ファイバー10の長手方向(軸方向)に、発光スペクトルが異なる応力発光材料を用いた発光層7を複数設置することもできる。即ち、光ファイバー10の長手方向に沿って、それぞれ発光スペクトルの異なる応力発光材料を有している複数の発光層7を、連続的に、または断続的に設けることができる。なお、この場合、発光層7には、(1−1)に上述したような、発光スペクトルの異なる種々の応力発光材料を用いることができる。さらに、それぞれ異なる発光スペクトルの光を発する応力発光材料を有する複数の発光層7は、任意の組み合わせ、順序で光ファイバー10内に設けることができる。
【0069】
なお、本発明に係る光ファイバーセンサ11は、材料自体が応力に比例して発光する応力発光材料を透明な材料に混入して作製した発光層7を光ファイバー10の中心部に設けたものと換言することもできる。
【0070】
また、上記光ファイバーセンサ11の長手方向に、発光スペクトルが異なる応力発光材料を用いた発光層7を複数設けていることが好ましいと換言することもできる。
【0071】
(2−2)光ファイバーセンサ11の機能
光ファイバーセンサ11は、上記の構成を有していることから、以下の機能を有する。
【0072】
上記光ファイバーセンサ11は、計測点を定めないで応力測定を行う場合、例えば、一本の直線または曲線に沿って応力測定を行う場合等に利用されることが好ましい。
【0073】
即ち、光ファイバーセンサ11の任意の場所に対して荷重が印加されると、発光層7内の応力発光材料が応力の大きさに比例して光を放出する。この光は光ファイバー10のコア層4に送出される。そして、例えば、光ファイバーの端部に接続された光検出器等によってこの光を計測することにより、光ファイバーセンサ11に印加された荷重の大きさを計測することができる。
【0074】
さらに、上述したように、光ファイバー10の長手方向に沿って、それぞれ発光スペクトルの異なる光を発する応力発光材料を有する複数の発光層7を、連続的に、または断続的に設けることもできる。
【0075】
このため、例えば、光ファイバーセンサ11の端部に光検出器等を設けることにより、荷重が印加されて生じた応力により放出された光の情報(発光スペクトルの特徴、波長、周波数、発光強度等)を識別することできる。即ち、どの位置の発光層7から光が放出されたのかを調べることができ、光ファイバーセンサ11に対して荷重が印加された位置を特定することができる。また、光ファイバーセンサ11に対して、複数の位置で同時に荷重が印加された場合も、同様に発光スペクトル等の光の情報を解析することで、容易に応力および荷重の大きさや印加位置を分離して特定することが可能となる。
【0076】
また、上記光ファイバーセンサ11は、光ファイバーセンサ1と同様に、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、引火性の環境下でも使用可能である。また、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定に利用することができる。
【0077】
また、上記光ファイバーセンサ11は、連続的な形状変化の計測に利用することができる。このため、上記光ファイバーセンサ11の具体的な利用法としては、例えば、地盤や建造物の形状の変化(歪み等)の監視等に利用可能である。
【0078】
〔実施の形態3〕
上記光ファイバーセンサ1、または光ファイバーセンサ11を利用した応力計測装置について以下に説明する。
【0079】
(3)応力計測装置20
(3−1)応力計測装置20の構成
本発明で応力を計測する手段は、光ファイバーセンサと光検出手段と応力計測手段として機能するコンピューターとを用いてなる応力計測システムとなっていればよい。具体的には、例えば、図3に示す応力計測装置20を挙げることができる。
【0080】
上述した光ファイバーセンサ1、または光ファイバーセンサ11を利用した応力計測装置20について図3に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、これに限られるものではない。
【0081】
図3は、本発明に係る応力計測装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。この図3に示すように、応力計測装置20は、光ファイバーセンサ1(または光ファイバーセンサ11)、光検出部2、コンピューター21、モニター24、表示部25を備えている。
【0082】
光ファイバーセンサ1、または光ファイバーセンサ11は、外部からの印加応力を光信号に変換するものである。
【0083】
光検出部2は、光ファイバー10から送出されてくる光を検出するための光検出手段である。具体的には、光検出部2としては、従来公知のフォトダイオード、フォトトランジスタ、CCD(charge coupled device:電荷結合素子)、光電子倍増管等の光検出デバイスを備えており、前記光検出デバイスによって検出された光の強度や発光スペクトル等の検出結果を、電気信号やペンの動き等の機械的な動作として出力するものであればよく、特に限定されるものではない。
【0084】
また、光検出部2は、上述した光ファイバーセンサ11から放出される光を、その発光スペクトルの特徴ごとに分離検出することもできる。具体的には、光検出部2は、光の波長、周波数等を認識でき、光を発光スペクトルの特徴ごとに分類し、電気信号等として外部に出力できる。
【0085】
なお、光ファイバーセンサ11における光ファイバー10の端部のうち、光検出部2を設けていない端部に反射部を設けることもできるし、光ファイバーセンサ11における光ファイバー10の端部の両方に光検出部2を設けることもできる。この場合、印加応力により生じた光を外部に放出することはなくなり、より正確に光ファイバーセンサ11に印加された荷重の大きさを計測できるとともに、より正確に荷重が印加された位置を特定することができる。
【0086】
コンピューター21は、応力計測部として機能し、少なくとも演算部22と、メモリ(記憶部)23とを備えているものであればよい。即ち、印加された荷重の値は、光検出部2の信号を演算部22とメモリ23とを備えるコンピューター21によって処理され、表示部25を介して表示される。
【0087】
より詳細には、演算部22は、光検出部2から送出された電気信号に基づいて光ファイバーセンサ1(または光ファイバーセンサ11)に印加された荷重を計算するものである。また、演算部22は、応力計測装置20の動作を制御するものである。具体的には、光検出部2、モニター24、メモリ23、表示部25の各手段に対して、演算部22から制御情報が出力される。この制御情報に基づいて上記各手段が連携して動作することで、応力計測装置20全体が動作する。
【0088】
また、演算部22の具体的な構成は特に限定されるものではなく、従来公知の演算手段が好適に用いられる。具体的には、コンピューターの中央処理装置(CPU)として機能し、その動作はコンピュータープログラムにしたがって実行される構成であれば好ましい。即ち、演算部22は、コンピュータープログラムにしたがってCPUが光検出部2から送出される信号に基づいて光ファイバーセンサ1(または光ファイバーセンサ11)に印加された荷重の大きさ、位置等を計測する演算を実行するようになっていればよい。
【0089】
具体的には、例えば、コンピューター21に、光ファイバーセンサ11に設けられた発光層7の材質、荷重が印加された際に放出する光の発光スペクトル、位置等の情報を予め入力し、メモリ23に記憶させておくことにより、演算部22は光検出部2からの電気信号に基づき、どの位置の発光層7から光が放出されたのかを解析でき、光ファイバーセンサ11対して荷重が印加されたことによる応力が発生した位置を容易に特定することができる。
【0090】
上記コンピューター21への情報の入力には、不図示の入力部を介して行うことができる。入力部は、応力計測装置20の動作に関わる情報を入力可能とするものであれば特に限定されるものではなく、キーボードやタブレット、あるいはスキャナー等従来公知の入力手段を好適に用いることができる。さらに、例えば、入力部からの入力によって上記の応力の計測結果や、位置の特定結果等の情報を加工することもできる。
【0091】
上記メモリ23は、上記応力計測装置20で利用される各種情報(制御情報、発光強度、発光スペクトルの特徴、その他情報等)を記憶するものである。具体的には、例えば、RAMやROM等の半導体メモリ、フロッピーディスクやハードディスク等の磁気ディスク、CD−ROM/MO/MD/DVD等の光ディスクのディスク系、ICカード(メモリカードを含む)/光カード等のカード系等、従来公知の各種記憶手段を好適に用いることができる。
【0092】
また、上記メモリ23は、上記応力計測装置20と一体化されていて一つの装置になっていてもよいが、別体となっている外部記憶装置となっていてもよく、さらには、一体化されたメモリ23と外部記憶装置とが両方とも備えられている構成であってもよい。例えば、一体化したメモリ23としては、内蔵型のハードディスクや装置に組み込まれたフロッピーディスクドライブ、CD−ROMドライブ、DVD−ROMドライブ等が挙げられ、外部記憶装置としては、外付けハードディスクや外付け型の上記各種ディスクドライブ等が挙げられる。
【0093】
モニター24は、光検出部2の信号に基づき、光ファイバーセンサ1における発光部3、または光ファイバーセンサ11における発光層7から放出された光の発光強度を表示するものである。表示部25は、コンピューター21によって処理された情報(例えば、応力の値(応力値)、印加された荷重の値、荷重が印加された位置等)を表示するものである。
【0094】
モニター24、表示部25は、具体的には、公知のCRTディスプレイや、液晶ディスプレイ等といった各種表示装置が好適に用いられるが特に限定されるものではない。
【0095】
また、応力計測装置20は、図示しない印刷部を備えていてもよい。印刷部は、モニター24、表示部25で表示可能な各種情報をPPC用紙等の記録材に記録(印刷・画像形成)するものである。具体的には、公知のインクジェットプリンタやレーザープリンタ等の画像形成装置が好適に用いられるが特に限定されるものではない。
【0096】
なお、モニター24、表示部25、印刷部は、まとめて出力手段と表現することもできる。即ち、モニター24、表示部25は、各種情報をソフトコピーで出力する手段であり、印刷部は、各種情報をハードコピーで出力する手段である。従って、本発明で用いられる出力手段としては、モニター24、表示部25、印刷部に限定されるものではなく、その他の出力手段を備えていてもよい。
【0097】
さらに、図4に、応力計測装置20の他の実施形態の構成を示すブロック図を示す。即ち、応力計測装置20は、例えば、図4に示すように、通信部26を備えることにより、インターネットを含む通信ネットワークを介して各種情報を入出力できるようになっていてもよい。
【0098】
この通信部26は、通信ネットワークと接続して各種情報の送受信が可能になっている。図4では、同一構内にある応力計測装置20、パーソナルコンピューター(PC)61、並びにサーバー62が通信回線60に接続されてバス型のLAN(ローカルエリアネットワーク)を構成しており、さらにこのLANがインターネットを介して、他地域にあるPC61とも接続されている。
【0099】
上記通信部26の具体的な構成については、特に限定されるものではなく、公知のLANカード、LANボード、LANアダプタや、モデム等を好適に用いることができる。
【0100】
上記PC61については、モデム等の通信手段を備えた公知のパーソナルコンピューターを好適に用いることができ、デスクトップ型やノート型等に限定されるものではない。なお、PC61は、CRTディスプレイや液晶ディスプレイ等の表示部とキーボードやマウス等の入力部を備えた基本構成となっているものとする。なお、説明の便宜上、PC61に備えられている図示しない表示部や入力部をPC表示部・PC入力部と表現する。
【0101】
上記PC61には、一般的なパーソナルコンピューターに外付けできるハードウェア(例えば、スキャナー等の各種入力手段やプリンタ等の各種出力手段)が備えられていてもよい。
【0102】
上記サーバー62の具体的構成も特に限定されるものではなく、LANを構成するクライアントであるPC61、応力計測装置20に対してサービスを提供できるコンピューターであればよい。さらには、このサーバー62は、データベースサーバーやファイルサーバーを兼ねていてもよい。
【0103】
上記通信回線60の具体的構成も特に限定されるものではなく、従来公知の一般的な通信回線を用いることができる。また、この通信回線60を用いて構築されるLANの型式もバス型に限定されるものではなく、スター型やリング型等、従来公知の型式であればよい。
【0104】
さらに図示しないが、上記LANには、共用のプリンタ等、他の端末が含まれていてもよい。加えて図示しないが、上記LANを含む通信ネットワークには、通信可能な携帯型の各種情報端末等が含まれていてもよい。
【0105】
上記構成のネットワークでは、例えば、応力計測装置20で、光ファイバーセンサ1(または光ファイバーセンサ11)に荷重が印加されて発生した応力の計測を行った後、その計測結果を単に応力計測装置20内(即ち、モニター24、表示部25等)で出力するだけでなく、LANを介してPC61に送信することもできる。そして、PC61では、応力計測装置20から得られた結果を、PC表示部で表示したりプリンタで印刷したりすることができ、さらにはPC入力部からの入力によって上記の応力の計測結果や、位置の特定結果等の情報を加工することもできる。
【0106】
つまり、上記通信部26は、通信手段としてだけでなく、応力計測装置20の入力手段としても機能することになる。また、特に、PC61を用いて、インターネットを介して、応力計測装置20の所在する場所から離れた遠隔地で、光ファイバーセンサ1(または光ファイバーセンサ11)に印加された荷重の計測の実施に関わる情報(例えば、発光強度、発光スペクトル等)を送信したり、計測結果を受信したりする場合には、任意の顧客に対して応力計測を提供するサービスを行うことが可能となる。
【0107】
また、上記PC61が、LANを介して応力計測装置20とつながっている場合には、例えば研究施設等に一つ応力計測装置20があれば、他の研究者はPC61等の情報端末を介して応力計測装置20を共用することができる。それゆえ、本発明をより効率的に実施することができる。
【0108】
さらに、上記サーバー62がデータベースサーバーやファイルサーバーを兼ねている場合には、通信ネットワークを介して行われた応力計測の結果を、通信ネットワークを介してサーバー62に蓄積していくことができる。その結果、応力の計測結果等をより一層有効利用することが可能となる。
【0109】
加えて、本発明には、本発明における応力計測等を、コンピューター上でプログラムにより実施することが可能となっているが、このプログラムを記録する記録媒体には、通信ネットワークからダウンロードするように流動的にプログラムを担持する媒体も含まれる。例えば、サーバー62の記録手段に応力計測のプログラムが記録されていれば、応力計測装置20は、サーバー62から適宜、応力計測のプログラムをダウンロードして使用するようになっていてもよい。ただし、応力計測装置20が通信ネットワークからプログラムをダウンロードする場合には、そのダウンロード用のプログラムは、予め応力計測装置20本体に格納されているか、別の記録媒体からインストールされるようになっている。
【0110】
さらに、PC61のように、通信ネットワークを介してサーバー62に接続されている場合には、サーバー62から応力計測のためのプログラムをダウンロードすることで、PC61そのものを応力計測装置20として用いることができる。
【0111】
(3−2)応力計測装置20の機能
本発明に係る応力計測装置20は、上記の構成を有していることから、以下の機能を有する。
【0112】
上述した光ファイバーセンサ1を有する応力計測装置20では、光ファイバーセンサ1の先端部に外部から荷重が印加されて応力が発生すると、発光部3の応力発光材料が応力の大きさに比例して光を放出する。この光は直接及び/又は反射部6に反射された後に光ファイバー10のコア層4に送出される。
【0113】
そして、光ファイバーセンサ1の端部に取付けられている光検出部2により、この光は検出され、コンピューター21に対して電気信号(発光強度等の光の情報)として送出される。次いで、コンピューター21は、演算部22、メモリ23を用いて、光検出部2からの電気信号の情報に基づき、応力の大きさを計測する。
【0114】
また、同様に、光ファイバーセンサ11を有する応力計測装置20では、光ファイバーセンサ11に外部から荷重が印加されると、発光層7の応力発光材料が応力の大きさに比例して光を放出する。この光は光ファイバー10のコア層4に送出される。
【0115】
そして、光ファイバーセンサ11の端部に取付けられている光検出部2により、この光は検出され、コンピューター21に対して電気信号(発光強度等の光の情報)として送出される。次いで、コンピューター21は、演算部22、メモリ23を用いて、光検出部2からの電気信号の情報に基づき、応力の大きさを計測する。
【0116】
また、このとき、光ファイバーセンサ11に、それぞれ異なる発光スペクトルを発する応力発光材料を用いて形成された発光層7が複数個設けられている場合、光ファイバーセンサ11に荷重が印加されると、荷重が印加された位置に設けられている発光層7に応力が生じ、当該発光層7中の応力発光材料から光が放出される。
【0117】
この光は、光ファイバー10のコア層4に送出され、光検出部2で検出される。このとき、光検出部2は、この光を、光の特徴(発光スペクトル、周波数、波長等)に応じて分類し、コンピューター21に電気信号として送出する。
【0118】
コンピューター21は、演算部22、メモリ23を用いて、この電気信号に基づき、光がどの位置の発光層7から放出されたのかを解析し、荷重が印加された位置を特定することができる。
【0119】
また、上記応力計測装置20は、同時に複数の位置に荷重が印加された場合であっても、同様に発光スペクトル等の解析により、各荷重の大きさ、及び印加位置を分離特定することができる。
【0120】
従って、上記応力計測装置20は、センサを駆動するために特別な電源装置を必要とせず、引火性環境下でも使用可能である。また、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。
【0121】
また、光ファイバーセンサ1を有する応力計測装置20は、計測点を定めて応力計測を行う場合に用いることが好ましい。このため、例えば、血管内治療等に用いられるカテーテルを有する装置に用いることにより、医療的な検査や治療に利用することができる。また、災害救助や、複雑な機械や配管の中に入り込み分解せずに検査、メンテナンスを行う場合にも利用可能である。
【0122】
また、光ファイバーセンサ11を有する応力計測装置20は、計測点を定めないで応力測定を行う場合、例えば、一本の直線または曲線に沿って応力測定を行う場合に用いることが好ましい。即ち、光ファイバーセンサ11を有する応力計測装置20は、連続的な形状変化の計測に利用することができる。このため、例えば、地盤や建造物の形状の変化(歪み等)の監視等に利用可能である。
【0123】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【0124】
【発明の効果】
本発明の光ファイバーセンサは、以上のように、光ファイバーの端部に、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光部が設けられているとともに、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面に、前記発光部の発光した光を反射する反射部が形成されており、上記発光部は、三次元形状であり、さらに、上記発光部は、光ファイバーのコア層の端面と接するように、かつ、クラッド層の端面とは接しないように、形成されているという構成である。
【0125】
それゆえ、レーザー光を常時入射する必要はなく、耐電磁ノイズ性・防爆性に優れており、印加された荷重を遠隔から検出可能な光ファイバーセンサを構成することができるという効果を奏する。また、光ファイバーセンサをより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【0126】
また、前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面の形状が、放物面状であることがより好ましい。
【0127】
上記の構成によれば、発光部に生じる応力によって発生する光をより効率的に、光ファイバーを介して送出することができるという効果を奏する。
【0128】
また、前記発光部は、応力発光材料と光学樹脂とを含んでなるものであることがより好ましい。
【0129】
上記の構成によれば、光学樹脂を応力発光材料の一種のバインダとして用いることができる。このため、発光部を任意の形状に成形して、光の送出効率を向上させることができるという効果を奏する。
【0130】
また、本発明に係る応力計測装置は、上記光ファイバーセンサの光ファイバーにおける、発光部が設けられている端部以外の端部に、前記発光部から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、応力の大きさを計測するための応力計測部を備えているという構成である。
【0131】
上記の構成によれば、上記応力計測装置は、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。このため、応力計測装置をより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができるという効果を奏する。
【0132】
また、本発明に係る光ファイバーセンサは、上記の課題を解決するために、光ファイバーの内部に、その中心軸に沿って、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光層が設けられており、上記発光層は、光ファイバーの中心部に設けられているという構成である。
【0133】
上記の構成によれば、上記光ファイバーセンサは、計測点を定めないで応力の計測を行う場合、例えば、直線、あるいは曲線に沿って応力計測を行いたい場合に利用できる。このため、点の計測でない、連続した印加応力(歪み等)を計測するのに利用できるという効果を奏する。
【0134】
また、レーザー光を常時入射する必要はなく、耐電磁ノイズ性・防爆性に優れており、印加された荷重を遠隔から検出可能な光ファイバーセンサを構成することができるという効果を奏する。また、光ファイバーセンサをより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができる。
【0135】
また、上記光ファイバーセンサは、前記発光層が、光ファイバーの長手方向に複数設けられているとともに、前記各発光層がそれぞれ、発光スペクトルが異なる応力発光材料を有しているという構成であってもよい。
【0136】
上記の構成によれば、応力発光材料から放出された光の発光スペクトルの特徴を識別することにより、荷重が印加された位置と大きさとを特定することができるという効果を奏する。
【0137】
また、本発明に係る応力計測装置は、上記光ファイバーセンサにおける、光ファイバーの端部に、前記発光層から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、印加された荷重の大きさ、及び/又は、印加された荷重の位置を計測特定するための応力計測部を備えているという構成である。
【0138】
上記の構成によれば、前記発光層の応力を計算することができ、印加された荷重を計測することができる。
【0139】
また、光検出部により検出された光の情報(発光スペクトル、波長、周波数等)に基づき、応力計測部は、光ファイバーセンサに印加された荷重の位置を特定することができる。
【0140】
上記の構成によれば、上記応力計測装置は、センサを駆動するために特別の電源装置を必要とせず、電磁的なノイズの影響を受けることがないだけでなく、さらに、レーザー光を常時入射することなく、応力の遠隔測定を行うことができる。このため、応力計測装置をより小型化することが可能であるとともに、コストも低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係る光ファイバーセンサの一実施形態の特徴的な部分である発光部3近傍を光ファイバーの軸方向に沿う平面で切断した断面図である。
【図2】図2は、本発明に係る光ファイバーセンサの他の一実施形態の光ファイバーを軸方向に垂直な平面で切断した断面図である。
【図3】図3は、本発明に係る応力計測装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。
【図4】図4は、本発明に係る応力計測装置の実施の他の一形態の構成を示すブロック図である。
【図5】図5は、本発明に係る光ファイバーセンサの発光層の製造方法の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
1 光ファイバーセンサ
2 光検出部
3 発光部
3a 結合部
4 コア層
5 クラッド層
6 反射部
7 発光層
8 保護層
10 光ファイバー
10a 端部
11 光ファイバーセンサ
20 応力計測装置
21 コンピューター
22 演算部
23 メモリ
24 モニター
25 表示部
26 通信部
60 通信回線
61 PC
62 サーバー
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention does not require a special power supply device for driving the sensor, and is not affected by electromagnetic noise, and uses an optical fiber sensor that can be used for remotely measuring pressure, and the optical fiber sensor. The present invention relates to a stress measuring apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a pressure sensor, a thin elastic plate is used as a diaphragm, and a sensor that converts the deformation due to pressure into an electric signal by a strain gauge or a piezoresistive element attached to the diaphragm is often used.
[0003]
However, since such a pressure sensor uses an electrical signal, it is susceptible to electromagnetic noise and cannot be used in a flammable environment.
[0004]
At this time, when an optical fiber is employed for the signal transmission system of the pressure sensor, electromagnetic noise resistance can be imparted. Nevertheless, since the power supply to the sensor element itself is necessary, the problem of flammability cannot be solved.
[0005]
Therefore, in order to solve the above problems, a diaphragm having a mirror surface on one side is attached to the tip of the optical fiber, and the laser beam passing through the optical fiber is reflected on the diaphragm so that the deformation of the diaphragm becomes an interference between incident light and reflected light. An optical fiber sensor that converts pressure and measures pressure has been proposed (see T. Katsumata, et al .: T. IEE Japan, 120-E, No. 2, 58-63 (2000)). There has also been proposed an optical fiber sensor that detects a pressure from a Brillouin gain spectrum observed when a pulsed laser beam is incident on an optical fiber and the optical fiber is subjected to pressure (see http://www.ntt). .co.jp / news / news97 / 970529a.html).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional optical fiber sensor as described above has a problem that pressure cannot be measured unless laser light is always incident on the optical fiber. That is, in the conventional optical fiber sensor, since it is necessary to always inject laser light, for example, there is a limit in downsizing, and there is a problem in cost.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical fiber sensor capable of measuring stress remotely without requiring laser light irradiation, and stress measurement using the optical fiber sensor. To provide an apparatus.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As will be described later, the present inventors applied various loads to a bulk body prepared by mixing a stress-stimulated luminescent material that emits light due to stress and a transparent optical resin. It has been found that the emission intensity is high and the emission intensity increases in proportion to the stress. Furthermore, when this light is measured by a photodetector or the like through an optical path such as glass fiber, it has been uniquely found that the stress generated in the bulk body can be remotely measured, and the present invention has been completed based on these findings. It was.
[0009]
That is, in order to solve the above-described problems, the optical fiber sensor according to the present invention is provided with a light-emitting portion having a stress-stimulated luminescent material whose light emission intensity increases in proportion to the magnitude of stress at the end of the optical fiber. And a reflection part for reflecting the light emitted from the light emitting part is formed on the surface of the light emitting part other than the coupling part between the light emitting part and the optical fiber. The light emitting portion has a three-dimensional shape, and the light emitting portion is formed so as to be in contact with the end face of the core layer of the optical fiber and not in contact with the end face of the cladding layer. It is characterized by being.
[0010]
According to the above configuration, when a load is applied from the outside to the light emitting portion provided at the end portion (including the end face) of the optical fiber and stress is generated therein, the stress light emitting material in the light emitting portion has a large stress. It emits light with an emission intensity proportional to the depth. This light is transmitted directly or after being reflected by the reflecting portion, via an optical fiber. For example, this light is detected by a photodetector provided at the other end of the optical fiber.
[0011]
The optical fiber sensor can be used, for example, when measuring a stress at a measurement point.
[0012]
Further, since the light emitting part of the optical fiber sensor has a reflection part on the surface, the light emitted by the stress generated by applying a load to the light emitting part is reliably leaked without leaking to the outside. Can be used to accurately measure stress.
[0013]
Therefore, the above optical fiber sensor does not require a special power supply device to drive the sensor, and is not affected by electromagnetic noise. Can be used for telemetry. For this reason, it is possible to reduce the size of the optical fiber sensor and to reduce the cost.
[0014]
Furthermore, in the optical fiber sensor, the shape of the surface of the light emitting part other than the coupling part between the light emitting part and the optical fiber may be parabolic.
[0015]
According to said structure, the light which generate | occur | produces with the stress which arises when a load is applied to the light emission part can be more efficiently sent out via an optical fiber. In addition, although the shape of the surface of the coupling | bond part of the said light emission part and the said optical fiber is preferable in a plane, it is not specifically limited, Arbitrary shapes, such as paraboloid shape, may be sufficient.
[0016]
Therefore, for example, when a photodetector or the like is provided at the other end of the optical fiber, the light intensity can be detected more efficiently. For this reason, the said optical fiber sensor can be utilized for stress measurement more efficiently.
[0017]
The light emitting unit may include a stress light emitting material and an optical resin.
[0018]
According to said structure, optical resin can be used as a kind of binder of stress luminescent material. Thereby, it becomes easy to shape | mold a light emission part in the shape which can send out light more efficiently. For example, as described above, a dome-shaped light-emitting portion having a parabolic surface shape can be easily formed.
[0019]
Further, the stress measuring device according to the present invention includes a light detection unit for detecting light emitted from the light emitting unit at an end of the optical fiber of the optical fiber sensor other than the end provided with the light emitting unit. And a stress measuring unit for measuring the magnitude of stress based on the light information detected by the light detecting unit.
[0020]
According to the above configuration, when a load is applied to the light emitting part provided at one end of the optical fiber and stress is generated, the stress light emitting material in the light emitting part emits light having a light emission intensity proportional to the magnitude of the stress. discharge. This light is transmitted through an optical fiber directly or after being reflected by a reflecting portion.
[0021]
This light is detected by a light detection unit provided at the other end of the optical fiber. Next, since the stress of the light emitting unit can be calculated by the stress measuring unit based on the detected light information (for example, emission intensity, emission spectrum, etc.), the applied load can be measured.
[0022]
The stress measuring device can be used, for example, when measuring a stress at a measurement point, and can remotely measure the stress generated in the light emitting unit, that is, the load applied to the light emitting unit.
[0023]
Therefore, the stress measuring device does not require a special power supply device to drive the sensor, and is not affected by electromagnetic noise. Telemetry can be performed. For this reason, it is possible to further reduce the size of the stress measuring device and to reduce the cost.
[0024]
In order to solve the above problems, an optical fiber sensor according to the present invention emits light having a stress-stimulated luminescent material whose light emission intensity increases in proportion to the stress along the central axis of the optical fiber. Layer is provided The light emitting layer is provided at the center of the optical fiber. It is characterized by being.
[0025]
According to the above configuration, when a load is applied to the light emitting layer provided along the central axis of the optical fiber to generate a stress, the stress light emitting material in the light emitting layer emits light having an intensity proportional to the strength of the stress. To do. This light is transmitted through an optical fiber. For example, this light is detected by a photodetector or the like provided at the end of the optical fiber.
[0026]
In other words, the optical fiber sensor can be used when measuring stress without determining measurement points, for example, when measuring stress along a straight line or a curve. For this reason, it can utilize when measuring the continuous applied stress (distortion etc.) which is not measurement of a point.
[0027]
In addition, the above optical fiber sensor does not require a special power supply device to drive the sensor, and is not affected by electromagnetic noise. Can be used for telemetry. For this reason, not only can the optical fiber sensor be reduced in size, but also cost reduction can be achieved.
[0028]
The optical fiber sensor may be configured such that a plurality of the light emitting layers are provided in the longitudinal direction of the optical fiber, and each of the light emitting layers has a stress light emitting material having a different emission spectrum. .
[0029]
According to the above configuration, by identifying the characteristics of the emission spectrum of the light emitted from the stress-stimulated luminescent material, stress is generated and light is emitted from a plurality of light emitting layers provided in the longitudinal direction of the optical fiber. The light emitting layer can be specified, and the position where the load is applied in the longitudinal direction of the optical fiber can be specified. Furthermore, the magnitude of the stress applied to each light emitting layer can also be measured by measuring the magnitude of the stress from the light emission intensity.
[0030]
Therefore, even if a load is applied simultaneously at a plurality of positions of the optical fiber sensor, the load and the magnitude of the load in which region of the optical fiber of the optical fiber sensor is determined from the characteristics and emission intensity of each detected emission spectrum. It can be specified whether it is applied. That is, each detected emission spectrum can be used to specify the position and size at which each load is applied.
[0031]
In addition, the stress measurement device according to the present invention includes a light detection unit for detecting light emitted from the light emitting layer at the end of the optical fiber in the optical fiber sensor. A stress measuring unit for measuring and specifying the magnitude of the applied load and / or the position of the applied load based on the detected light information is provided.
[0032]
According to the above configuration, when a load is applied to the light emitting layer provided along the central axis of the optical fiber of the optical fiber sensor, the stress light emitting material in the light emitting layer is proportional to the strength of the stress generated by the load. Emits light of the emission intensity. This light is transmitted through an optical fiber.
[0033]
And this light is detected by the light detection part provided in the edge part of the optical fiber. Based on the detected light information (for example, light emission intensity, light emission spectrum, wavelength, frequency, etc.), the stress measurement unit can calculate the stress generated in the light emitting layer and measure the applied load. be able to.
[0034]
In addition, when the optical fiber sensor includes a plurality of light emitting layers having stress light emitting materials having different emission spectra, information on the light detected by the light detection unit (for example, emission intensity, emission spectrum, wavelength, frequency, etc.) ), The stress measurement unit can specify the position of the load applied to the optical fiber sensor.
[0035]
The stress measuring device according to the present invention can perform both the process of measuring the magnitude of the load applied to the optical fiber sensor and the process of specifying the position where the load is applied, or either one of them. It is also possible to perform only the above process, and there is no particular limitation.
[0036]
In addition, the stress measuring device according to the present invention can be used when measuring stress without determining measurement points, for example, when measuring stress along a straight line or curve, and applying a load to the light emitting layer. The generated stress can be remotely measured.
[0037]
Therefore, even when a plurality of loads are applied to the optical fiber sensor at a plurality of positions at the same time, the stresses generated by them can be separated and the magnitude and position of each stress can be specified.
[0038]
In addition, the stress measuring device does not require a special power supply device to drive the sensor, and is not affected by electromagnetic noise. Telemetry can be performed. For this reason, it is possible to further reduce the size of the stress measuring device and to reduce the cost.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention does not require a special power supply to drive the sensor, is not affected by electromagnetic noise, and is also used for remote measurement of stress without irradiating laser light. The present invention provides a possible optical fiber sensor and a stress measuring device using the optical fiber sensor. Therefore, hereinafter, an optical fiber sensor according to the present invention will be described, and then an example of a stress measuring apparatus using the optical fiber sensor will be described.
[0040]
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described as follows. Note that the present invention is not limited to this.
[0041]
(1) Optical fiber sensor 1
(1-1) Configuration of the optical fiber sensor 1
FIG. 1 is a cross-sectional view of the vicinity of a light emitting part, which is a characteristic part of an embodiment of an optical fiber sensor according to the present invention, cut along a plane along the axial direction (longitudinal direction) of an optical fiber. As shown in FIG. 1, the optical fiber sensor 1 includes an optical fiber 10, a light emitting unit 3, a reflecting unit 6, and a protective layer 8.
[0042]
The optical fiber 10 has a double structure including a core layer 4 that is a high refractive index region and a cladding layer 5 that is a low refractive index region. The “optical fiber” here is not particularly limited as long as it is an optical path through which light such as glass fiber passes. For the core layer 4 and the clad layer 5, conventionally known materials can be used and are not particularly limited.
[0043]
The light emitting unit 3 is provided at the end (including the end face) 10 a of the optical fiber 10. The light emitting unit 3 is formed on the end face of the optical fiber 10, and it is preferable that the light generated in the light emitting unit 3 can be more reliably sent to the core layer 4 of the optical fiber 10. That is, the light emitting unit 3 is more preferably formed so as to be in contact with the end surface of the core layer 4 of the optical fiber 10 and not in contact with the end surface of the cladding layer 5. Thereby, the light generated in the light emitting unit 3 can be transmitted to the core layer 4 of the optical fiber 10 more reliably.
[0044]
The light emitting unit 3 is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-116946, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-049251, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-064638, Japanese Patent No. 3273317, and Japanese Patent No. 2999631. Such a stress-stimulated luminescent material whose luminescence intensity increases in proportion to the magnitude of the stress generated by an externally applied load (for example, strontium carbonate and alumina, ZnS: Mn, ZnS: Cu, spinel structure, MAl 2 O Four : N (where M = Mg, Ca, Sr, Ba; N = Eu, Ce, Tb, Sm, Cu, Mn), M Three Al 2 O 6 : N, MAl 12 O 19 : N, melilite structure oxide, Ca 2 Al 2 SiO 7 : N, MMgAl Ten O 17 : N, M Three MgSi 2 O 8 : N (where M = Ba, Sr, Ca; N = Eu, Ce, Sm, Cu, Mn), etc.), and is not particularly limited. That is, the stress-stimulated luminescent material can be used alone for the light-emitting portion 3, or the stress-stimulated luminescent material and other substances (inorganic substances such as alumina and silica, and organic substances such as plastic, resin, and rubber). Can also be used as a mixture.
[0045]
The stress-stimulated luminescent material used for the optical fiber sensor 1 of the present invention is an oxide-based ceramic made into fine particles. For this reason, for example, when forming (manufacturing) the light emitting part 3 using only the stress luminescent material, it is necessary to form by sintering, and it is difficult to precisely process the once formed. For this reason, when manufacturing the light emission part 3, it is more preferable to use an optical resin as a kind of binder, for example.
[0046]
For this reason, in the present embodiment, the light-emitting portion 3 is formed by mixing the stress-stimulated luminescent material in powder form into a transparent optical resin and molding it into a dome shape. Thereby, the light emission part 3 can be shape | molded more easily.
[0047]
In addition, experiments and results of applying various loads to a bulk body in which the stress-stimulated luminescent material and a transparent optical resin are mixed are described in detail in JP-A-2001-215157. Specifically, as described in FIG. 9 and FIG. 9 of the same publication, a bulk body in which a stress-stimulated luminescent material and a transparent optical resin are mixed is formed into a cylindrical shape, and a compression force (from above and below) When a load was applied, the emission intensity distribution in the cylindrical cross section of the generated light was measured. As a result, the theoretical analysis value of the stress distribution in the cylinder and the emission intensity showed a good correlation. From this, it has been experimentally shown that even when the stress-stimulated luminescent material is mixed with a transparent optical resin or the like, the luminescence intensity increases in proportion to the stress.
[0048]
The mixing ratio of the stress-stimulated luminescent material and the transparent optical resin in the light emitting unit 3 according to the present embodiment is preferably 10 to 90% (weight ratio), and more preferably 70 to 90% (weight). Ratio). If it is the light emission part 3 formed with the said mixing ratio, stress can fully be measured from the generated light.
[0049]
The light emitting unit 3 can have any three-dimensional shape such as a sphere, a hemisphere, a triangular pyramid, a cone, a cube, and a rectangular parallelepiped, but efficiently transmits light generated by applied stress to the optical fiber 10. In order to do so, the surface shape is preferably a parabolic shape.
[0050]
Moreover, the method of forming the light emission part 3 can use a conventionally well-known method, and is not specifically limited. Specifically, a mixture of the stress-stimulated luminescent material and the optical resin is poured into a mold (dome-shaped mold) of the light emitting section 3 to which the optical fiber 10 is fixed in advance, and is cured by heat treatment or the like. The method of doing is mentioned. At this time, the affinity between the optical fiber 10 and the optical resin is important. Therefore, it is preferable to use polyimide, polyethylene terephthalate, polycarbonate, transparent silicon rubber, or the like as the optical resin to be used.
[0051]
Further, for example, it is possible to attach the light emitting unit 3 to the end 10 a of the optical fiber 10 using a transparent resin as an adhesive.
[0052]
The reflection unit 6 is provided on the surface of the light emitting unit 3 other than the coupling unit 3 a between the light emitting unit 3 and the optical fiber 10. The reflection unit 6 is not particularly limited as long as it is an optical reflection film for preventing light emitted from the light emitting unit 3 from leaking outside the optical fiber sensor 1. Specifically, it is preferable to use, for example, a metal film such as aluminum, gold, platinum, nickel, and titanium for the reflecting portion 6. Moreover, the formation method of the reflection part 6 can utilize a conventionally well-known method, and is not restricted in particular. Specifically, the reflection part 6 can be formed, for example, by vapor deposition after the light emitting part 3 is formed.
[0053]
The protective layer 8 is not particularly limited as long as it protects the optical fiber sensor 1 physically or chemically. For example, a conventionally known material such as polyvinyl chloride (PVC) can be used.
[0054]
The optical fiber sensor 1 according to the present invention has a light-emitting dome formed from a stress-luminescent material that emits light in proportion to stress in a dome shape, and an optical reflective film is formed on the surface of the light-emitting dome. It can be paraphrased as an attached one.
[0055]
(1-2) Functions of the optical fiber sensor 1
Since the optical fiber sensor 1 has the above structure, it has the following functions.
[0056]
When the stress measurement is performed with the measurement points set, it is preferable to use the optical fiber sensor 1 described above. That is, when a load is applied from the outside to the light emitting unit 3 provided at the end 10 a of the optical fiber sensor 1, the stress light emitting material in the light emitting unit 3 emits light in proportion to the magnitude of the stress. This light is transmitted to the core layer 4 of the optical fiber 10 directly or after being reflected by the reflecting portion 6.
[0057]
Therefore, for example, if a photodetector or the like is provided at an end different from the end 10a where the light emitting unit 3 of the optical fiber 10 is provided, the magnitude of the stress of the light emitting unit 3 is calculated from the light emission intensity. Thus, the magnitude of the applied load can be calculated.
[0058]
Further, the optical fiber sensor 1 according to the present invention does not require a special power supply device for driving the sensor, and can be used even in a flammable environment. In addition to being not affected by electromagnetic noise, the laser light can be used for remote measurement of stress without being always incident.
[0059]
For this reason, the optical fiber sensor 1 according to the present invention can be used for medical examinations and treatments, for example, by using it for a catheter used for endovascular treatment. It can also be used for disaster relief, inspection and maintenance without entering and disassembling complex machines and piping.
[0060]
[Embodiment 2]
Another embodiment of the optical fiber sensor according to the present invention will be described below with reference to FIG.
[0061]
For convenience of explanation, members having the same functions as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the first embodiment will be described.
[0062]
(2) Optical fiber sensor 11
(2-1) Configuration of the optical fiber sensor 11
FIG. 2 is a cross-sectional view of another embodiment of the optical fiber sensor according to the present invention cut along a plane perpendicular to the axial direction of the optical fiber. As shown in FIG. 2, the optical fiber sensor 11 includes an optical fiber 10, a light emitting layer 7, and a protective layer 8. The optical fiber 10 includes a core layer 4 and a cladding layer 5.
[0063]
The light emitting layer 7 is provided along the central axis (the center in the longitudinal direction) of the optical fiber 10, and the outside of the light emitting layer 7 is surrounded by the core layer 4. The light emitting layer 7 is not particularly limited as long as it has a stress light emitting material whose light emission intensity increases in proportion to the magnitude of stress generated by applying a load from the outside, like the light emitting portion 3. It is not something.
[0064]
That is, the light emitting layer 7 may be a stress light emitting material alone, or the stress light emitting material and other resins (inorganic substances such as alumina and silica, and organic materials such as plastics, resins and rubbers) as in the light emitting part 3. (Material) can also be used as a mixture. In the present embodiment, for example, a powdered mixture of the stress-stimulated luminescent material and a transparent optical resin is used. In this case, it is preferable to select the transparent optical resin having a smaller refractive index than the material of the core layer 4 of the optical fiber 10. For this reason, it is preferable to use polyimide, polyethylene terephthalate, polycarbonate, transparent silicon rubber or the like as the optical resin to be used.
[0065]
Moreover, as a manufacturing method of the light emitting layer 7, a conventionally well-known method can be used and it does not specifically limit. For example, as shown in FIG. 5, it can be manufactured by extrusion or drawing using multiple nozzles. Specifically, a method in which a mixture of a stress luminescent material and an optical resin is introduced from the central nozzle 30 and a resin that becomes the core layer 4 of the optical fiber 10 is introduced from the peripheral nozzle 31 can be mentioned.
[0066]
The light emitting layer 7 is preferably provided along the central axis of the optical fiber 10, but may be provided at a position slightly deviated from the central axis.
[0067]
The light emitting layer 7 may have a single continuous structure or a structure in which a plurality of light emitting layers 7 are intermittently arranged.
[0068]
Furthermore, in the longitudinal direction (axial direction) of the optical fiber 10, a plurality of light emitting layers 7 using stress light emitting materials having different emission spectra can be installed. That is, along the longitudinal direction of the optical fiber 10, a plurality of light emitting layers 7 each having a stress light emitting material having a different emission spectrum can be provided continuously or intermittently. In this case, various light emitting materials having different emission spectra as described in (1-1) can be used for the light emitting layer 7. Furthermore, the plurality of light emitting layers 7 each having a stress light emitting material that emits light having a different emission spectrum can be provided in the optical fiber 10 in any combination and order.
[0069]
In other words, the optical fiber sensor 11 according to the present invention is the one in which the light emitting layer 7 produced by mixing a stress light emitting material that emits light in proportion to the stress in a transparent material is provided at the center of the optical fiber 10. You can also.
[0070]
In other words, it is preferable to provide a plurality of light emitting layers 7 using stress light emitting materials having different emission spectra in the longitudinal direction of the optical fiber sensor 11.
[0071]
(2-2) Function of the optical fiber sensor 11
Since the optical fiber sensor 11 has the above configuration, it has the following functions.
[0072]
The optical fiber sensor 11 is preferably used when performing stress measurement without determining measurement points, for example, when performing stress measurement along a single straight line or curve.
[0073]
That is, when a load is applied to an arbitrary place of the optical fiber sensor 11, the stress-stimulated luminescent material in the light emitting layer 7 emits light in proportion to the magnitude of the stress. This light is transmitted to the core layer 4 of the optical fiber 10. And the magnitude | size of the load applied to the optical fiber sensor 11 is measurable by measuring this light with the photodetector etc. which were connected to the edge part of an optical fiber, for example.
[0074]
Furthermore, as described above, a plurality of light emitting layers 7 each having a stress light emitting material that emits light having different emission spectra can be provided continuously or intermittently along the longitudinal direction of the optical fiber 10.
[0075]
For this reason, for example, by providing a photodetector or the like at the end of the optical fiber sensor 11, information on the light emitted by the stress generated by applying a load (characteristics of emission spectrum, wavelength, frequency, emission intensity, etc.) Can be identified. In other words, it is possible to check at which position the light emitting layer 7 emits light, and to specify the position where the load is applied to the optical fiber sensor 11. In addition, even when a load is applied to the optical fiber sensor 11 at a plurality of positions at the same time, by similarly analyzing light information such as an emission spectrum, the magnitude and application position of stress and load can be easily separated. Can be specified.
[0076]
Further, like the optical fiber sensor 1, the optical fiber sensor 11 does not require a special power supply device to drive the sensor, and can be used in a flammable environment. In addition to being not affected by electromagnetic noise, the laser light can be used for remote measurement of stress without being always incident.
[0077]
The optical fiber sensor 11 can be used for continuous shape change measurement. For this reason, as a concrete usage method of the optical fiber sensor 11, for example, it can be used for monitoring a change (distortion or the like) of the shape of the ground or a building.
[0078]
[Embodiment 3]
A stress measuring device using the optical fiber sensor 1 or the optical fiber sensor 11 will be described below.
[0079]
(3) Stress measuring device 20
(3-1) Configuration of the stress measurement device 20
The means for measuring stress in the present invention may be a stress measurement system that uses an optical fiber sensor, light detection means, and a computer that functions as stress measurement means. Specifically, for example, the stress measuring device 20 shown in FIG. 3 can be mentioned.
[0080]
The stress measuring device 20 using the optical fiber sensor 1 or the optical fiber sensor 11 described above will be described below with reference to FIG. However, the present invention is not limited to this.
[0081]
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the stress measuring apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 3, the stress measuring device 20 includes an optical fiber sensor 1 (or optical fiber sensor 11), a light detection unit 2, a computer 21, a monitor 24, and a display unit 25.
[0082]
The optical fiber sensor 1 or the optical fiber sensor 11 converts an externally applied stress into an optical signal.
[0083]
The light detection unit 2 is a light detection unit for detecting light transmitted from the optical fiber 10. Specifically, the photodetection unit 2 includes a photodetection device such as a conventionally known photodiode, phototransistor, CCD (charge coupled device), photomultiplier tube, and the like. The detection result is not particularly limited as long as the detection result such as the detected light intensity and the emission spectrum is output as a mechanical operation such as an electric signal or a pen movement.
[0084]
The light detection unit 2 can also separate and detect the light emitted from the optical fiber sensor 11 described above for each feature of the emission spectrum. Specifically, the light detection unit 2 can recognize the wavelength, frequency, and the like of light, classify the light according to the characteristics of the emission spectrum, and output the light as an electric signal or the like.
[0085]
In addition, a reflection part can also be provided in the edge part which does not provide the light detection part 2 among the edge parts of the optical fiber 10 in the optical fiber sensor 11, or the light detection part 2 in both the edge parts of the optical fiber 10 in the optical fiber sensor 11. Can also be provided. In this case, the light generated by the applied stress is not emitted to the outside, and the magnitude of the load applied to the optical fiber sensor 11 can be measured more accurately and the position where the load is applied can be specified more accurately. Can do.
[0086]
The computer 21 may function as a stress measurement unit and includes at least a calculation unit 22 and a memory (storage unit) 23. That is, the value of the applied load is processed by the computer 21 including the calculation unit 22 and the memory 23 and is displayed via the display unit 25.
[0087]
More specifically, the calculation unit 22 calculates the load applied to the optical fiber sensor 1 (or the optical fiber sensor 11) based on the electrical signal sent from the light detection unit 2. Further, the calculation unit 22 controls the operation of the stress measurement device 20. Specifically, control information is output from the calculation unit 22 to each means of the light detection unit 2, the monitor 24, the memory 23, and the display unit 25. Based on this control information, the above-described units operate in cooperation, whereby the entire stress measuring device 20 operates.
[0088]
Moreover, the specific structure of the calculating part 22 is not specifically limited, A conventionally well-known calculating means is used suitably. Specifically, any configuration that functions as a central processing unit (CPU) of a computer and that operates according to a computer program is preferable. That is, the calculation unit 22 performs a calculation for measuring the magnitude, position, etc. of the load applied to the optical fiber sensor 1 (or the optical fiber sensor 11) based on a signal sent from the light detection unit 2 by the CPU according to the computer program. It only needs to be executed.
[0089]
Specifically, for example, information such as the material of the light emitting layer 7 provided in the optical fiber sensor 11, the emission spectrum of the light emitted when a load is applied, the position, and the like are previously input to the computer 21, and stored in the memory 23. By storing the data, the calculation unit 22 can analyze which position the light emitting layer 7 emits light based on the electrical signal from the light detection unit 2, and a load is applied to the optical fiber sensor 11. It is possible to easily specify the position where the stress due to.
[0090]
Information can be input to the computer 21 via an input unit (not shown). The input unit is not particularly limited as long as information related to the operation of the stress measuring device 20 can be input, and conventionally known input means such as a keyboard, a tablet, or a scanner can be suitably used. Further, for example, information such as the above-described stress measurement result and position specifying result can be processed by an input from the input unit.
[0091]
The memory 23 stores various information (control information, light emission intensity, light emission spectrum characteristics, other information, etc.) used in the stress measuring device 20. Specifically, for example, semiconductor memories such as RAM and ROM, magnetic disks such as floppy disks and hard disks, disk systems of optical disks such as CD-ROM / MO / MD / DVD, IC cards (including memory cards) / light Various conventionally known storage means such as a card system such as a card can be suitably used.
[0092]
In addition, the memory 23 may be integrated with the stress measuring device 20 to be a single device, but may be a separate external storage device, and further integrated. The memory 23 and the external storage device may be both provided. For example, the integrated memory 23 may be a built-in hard disk or a floppy disk drive, a CD-ROM drive, a DVD-ROM drive, etc. incorporated in the device, and the external storage device may be an external hard disk or an external drive. Examples of the above-mentioned various disk drives.
[0093]
The monitor 24 displays the light emission intensity of light emitted from the light emitting unit 3 in the optical fiber sensor 1 or the light emitting layer 7 in the optical fiber sensor 11 based on the signal from the light detection unit 2. The display unit 25 displays information processed by the computer 21 (for example, a stress value (stress value), an applied load value, a position where a load is applied, etc.).
[0094]
Specifically, the monitor 24 and the display unit 25 are not particularly limited, although various display devices such as a known CRT display and a liquid crystal display are preferably used.
[0095]
Moreover, the stress measuring device 20 may include a printing unit (not shown). The printing section records (prints and forms images) various information that can be displayed on the monitor 24 and the display section 25 on a recording material such as PPC paper. Specifically, known image forming apparatuses such as an ink jet printer and a laser printer are preferably used, but are not particularly limited.
[0096]
Note that the monitor 24, the display unit 25, and the printing unit can be collectively expressed as output means. That is, the monitor 24 and the display unit 25 are means for outputting various types of information by soft copy, and the printing unit is a unit for outputting various types of information by hard copy. Therefore, the output means used in the present invention is not limited to the monitor 24, the display unit 25, and the printing unit, and may include other output means.
[0097]
Furthermore, in FIG. 4, the block diagram which shows the structure of other embodiment of the stress measuring device 20 is shown. That is, for example, as shown in FIG. 4, the stress measuring device 20 may include a communication unit 26 so that various types of information can be input / output via a communication network including the Internet.
[0098]
The communication unit 26 is connected to a communication network and can transmit and receive various types of information. In FIG. 4, a stress measuring device 20, a personal computer (PC) 61, and a server 62 on the same premises are connected to a communication line 60 to form a bus-type LAN (local area network). It is also connected to a PC 61 in another area via the Internet.
[0099]
The specific configuration of the communication unit 26 is not particularly limited, and a known LAN card, LAN board, LAN adapter, modem, or the like can be suitably used.
[0100]
As the PC 61, a known personal computer equipped with a communication means such as a modem can be suitably used, and the PC 61 is not limited to a desktop type or a notebook type. The PC 61 has a basic configuration including a display unit such as a CRT display or a liquid crystal display and an input unit such as a keyboard or a mouse. For convenience of explanation, a display unit and an input unit (not shown) provided in the PC 61 are expressed as a PC display unit / PC input unit.
[0101]
The PC 61 may be provided with hardware (for example, various input means such as a scanner and various output means such as a printer) that can be externally attached to a general personal computer.
[0102]
The specific configuration of the server 62 is not particularly limited as long as it is a computer that can provide services to the PC 61 and the stress measurement device 20 that are clients constituting the LAN. Further, the server 62 may also serve as a database server or a file server.
[0103]
The specific configuration of the communication line 60 is not particularly limited, and a conventionally known general communication line can be used. Also, the type of LAN constructed using this communication line 60 is not limited to the bus type, and may be a conventionally known type such as a star type or a ring type.
[0104]
Although not shown, the LAN may include other terminals such as a shared printer. In addition, although not shown, the communication network including the LAN may include various portable information terminals that can communicate.
[0105]
In the network configured as described above, for example, after the stress measurement device 20 measures the stress generated by applying a load to the optical fiber sensor 1 (or the optical fiber sensor 11), the measurement result is simply stored in the stress measurement device 20 ( In other words, it can be transmitted not only on the monitor 24, the display unit 25, etc.) but also to the PC 61 via the LAN. In the PC 61, the result obtained from the stress measuring device 20 can be displayed on the PC display unit or printed by the printer, and further, the measurement result of the stress described above by the input from the PC input unit, Information such as the position identification result can also be processed.
[0106]
That is, the communication unit 26 functions not only as a communication unit but also as an input unit of the stress measurement device 20. In particular, information related to the measurement of the load applied to the optical fiber sensor 1 (or the optical fiber sensor 11) at a remote location away from the location where the stress measuring device 20 is located using the PC 61 via the Internet. When transmitting (for example, emission intensity, emission spectrum, etc.) or receiving a measurement result, it is possible to provide a service for providing stress measurement to an arbitrary customer.
[0107]
Further, when the PC 61 is connected to the stress measuring device 20 via the LAN, for example, if there is one stress measuring device 20 in a research facility or the like, other researchers can connect via the information terminal such as the PC 61. The stress measuring device 20 can be shared. Therefore, the present invention can be implemented more efficiently.
[0108]
Further, when the server 62 also serves as a database server or a file server, the result of stress measurement performed via the communication network can be accumulated in the server 62 via the communication network. As a result, it becomes possible to make more effective use of stress measurement results and the like.
[0109]
In addition, in the present invention, the stress measurement and the like in the present invention can be implemented by a program on a computer. However, the recording medium for recording the program can be downloaded from a communication network. In particular, a medium carrying a program is also included. For example, if a stress measurement program is recorded in the recording unit of the server 62, the stress measurement device 20 may download and use the stress measurement program from the server 62 as appropriate. However, when the stress measurement device 20 downloads a program from the communication network, the download program is stored in the stress measurement device 20 main body in advance or installed from another recording medium. .
[0110]
Furthermore, when connected to the server 62 via a communication network like the PC 61, the PC 61 itself can be used as the stress measuring device 20 by downloading a stress measurement program from the server 62. .
[0111]
(3-2) Functions of the stress measuring device 20
Since the stress measuring device 20 according to the present invention has the above configuration, it has the following functions.
[0112]
In the stress measuring device 20 having the optical fiber sensor 1 described above, when a load is applied from the outside to the distal end portion of the optical fiber sensor 1, the stress luminescent material of the light emitting portion 3 emits light in proportion to the magnitude of the stress. discharge. This light is transmitted directly and / or after being reflected by the reflector 6 to the core layer 4 of the optical fiber 10.
[0113]
Then, this light is detected by the light detection unit 2 attached to the end of the optical fiber sensor 1 and sent to the computer 21 as an electrical signal (light information such as light emission intensity). Next, the computer 21 uses the arithmetic unit 22 and the memory 23 to measure the magnitude of the stress based on the electrical signal information from the light detection unit 2.
[0114]
Similarly, in the stress measuring device 20 having the optical fiber sensor 11, when a load is applied to the optical fiber sensor 11 from the outside, the stress light emitting material of the light emitting layer 7 emits light in proportion to the magnitude of the stress. This light is transmitted to the core layer 4 of the optical fiber 10.
[0115]
Then, this light is detected by the light detection unit 2 attached to the end of the optical fiber sensor 11 and sent to the computer 21 as an electrical signal (light information such as light emission intensity). Next, the computer 21 uses the arithmetic unit 22 and the memory 23 to measure the magnitude of the stress based on the electrical signal information from the light detection unit 2.
[0116]
At this time, when the optical fiber sensor 11 is provided with a plurality of light emitting layers 7 formed using stress luminescent materials that emit different emission spectra, when the load is applied to the optical fiber sensor 11, the load is reduced. Stress is generated in the light emitting layer 7 provided at the applied position, and light is emitted from the stress light emitting material in the light emitting layer 7.
[0117]
This light is sent to the core layer 4 of the optical fiber 10 and detected by the light detection unit 2. At this time, the light detection unit 2 classifies the light according to the characteristics of the light (emission spectrum, frequency, wavelength, etc.) and sends the light to the computer 21 as an electrical signal.
[0118]
The computer 21 can analyze the position where the light is emitted from the light emitting layer 7 based on the electric signal using the calculation unit 22 and the memory 23, and can specify the position where the load is applied.
[0119]
In addition, the stress measuring apparatus 20 can separately identify the magnitude and application position of each load by analyzing the emission spectrum or the like, even when loads are simultaneously applied to a plurality of positions. .
[0120]
Therefore, the stress measuring device 20 does not require a special power supply device for driving the sensor, and can be used in a flammable environment. In addition to being not affected by electromagnetic noise, it is possible to remotely measure stress without constantly injecting laser light.
[0121]
Moreover, it is preferable to use the stress measuring device 20 having the optical fiber sensor 1 when measuring stress by determining measurement points. For this reason, it can utilize for a medical test | inspection and treatment, for example by using for the apparatus which has a catheter used for endovascular treatment etc. It can also be used for disaster relief, inspection and maintenance without entering and disassembling complex machines and piping.
[0122]
Moreover, it is preferable to use the stress measuring device 20 having the optical fiber sensor 11 when performing stress measurement without defining measurement points, for example, when performing stress measurement along a single straight line or curve. That is, the stress measurement device 20 having the optical fiber sensor 11 can be used for continuous shape change measurement. For this reason, for example, it can be used for monitoring changes in the shape (such as distortion) of the ground and buildings.
[0123]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
[0124]
【The invention's effect】
As described above, the optical fiber sensor of the present invention is provided with the light emitting part having the stress light emitting material whose light emission intensity increases in proportion to the magnitude of the stress at the end of the optical fiber, and the light emitting part and the light emitting part. A reflection part for reflecting the light emitted from the light emitting part is formed on the surface of the light emitting part other than the coupling part with the optical fiber. The light emitting portion has a three-dimensional shape, and the light emitting portion is formed so as to be in contact with the end face of the core layer of the optical fiber and not in contact with the end face of the cladding layer. It is the composition that there is.
[0125]
Therefore, it is not necessary to always enter the laser beam, and the optical noise sensor is excellent in electromagnetic noise resistance and explosion resistance, and an optical fiber sensor capable of remotely detecting the applied load can be configured. In addition, the optical fiber sensor can be further downsized, and the cost can be reduced.
[0126]
Moreover, it is more preferable that the surface shape of the light emitting part other than the coupling part between the light emitting part and the optical fiber is a parabolic shape.
[0127]
According to said structure, there exists an effect that the light generate | occur | produced by the stress which arises in a light emission part can be sent out via an optical fiber more efficiently.
[0128]
Moreover, it is more preferable that the light emitting portion includes a stress light emitting material and an optical resin.
[0129]
According to said structure, optical resin can be used as a kind of binder of stress luminescent material. For this reason, there exists an effect that a light emission part can be shape | molded in arbitrary shapes and the sending efficiency of light can be improved.
[0130]
Further, the stress measuring device according to the present invention includes a light detection unit for detecting light emitted from the light emitting unit at an end of the optical fiber of the optical fiber sensor other than the end provided with the light emitting unit. And a stress measurement unit for measuring the magnitude of stress based on the information on the light detected by the light detection unit.
[0131]
According to the above configuration, the stress measuring device does not need a special power supply device to drive the sensor, is not affected by electromagnetic noise, and is also constantly irradiated with laser light. The stress can be measured remotely without doing so. For this reason, it is possible to reduce the size of the stress measuring device and to reduce the cost.
[0132]
In order to solve the above problems, an optical fiber sensor according to the present invention emits light having a stress-stimulated luminescent material whose light emission intensity increases in proportion to the stress along the central axis of the optical fiber. Layer is provided The light emitting layer is provided at the center of the optical fiber. It is the composition that there is.
[0133]
According to said structure, the said optical fiber sensor can be utilized when performing stress measurement without defining a measurement point, for example, when performing stress measurement along a straight line or a curve. For this reason, there exists an effect that it can utilize for measuring the continuous applied stress (distortion etc.) which is not measurement of a point.
[0134]
In addition, it is not necessary to always enter the laser beam, and it is excellent in electromagnetic noise resistance and explosion-proof properties, and it is possible to configure an optical fiber sensor that can remotely detect the applied load. In addition, the optical fiber sensor can be further downsized, and the cost can be reduced.
[0135]
The optical fiber sensor may be configured such that a plurality of the light emitting layers are provided in the longitudinal direction of the optical fiber, and each of the light emitting layers has a stress light emitting material having a different emission spectrum. .
[0136]
According to said structure, there exists an effect that the position and magnitude | size to which the load was applied can be specified by identifying the characteristic of the emission spectrum of the light discharge | released from stress luminescent material.
[0137]
In addition, the stress measurement device according to the present invention includes a light detection unit for detecting light emitted from the light emitting layer at the end of the optical fiber in the optical fiber sensor. A stress measuring unit is provided for measuring and specifying the magnitude of the applied load and / or the position of the applied load based on the detected light information.
[0138]
According to said structure, the stress of the said light emitting layer can be calculated and the applied load can be measured.
[0139]
Moreover, based on the information (light emission spectrum, wavelength, frequency, etc.) of the light detected by the light detection part, the stress measurement part can specify the position of the load applied to the optical fiber sensor.
[0140]
According to the above configuration, the stress measuring device does not need a special power supply device to drive the sensor, is not affected by electromagnetic noise, and is also constantly irradiated with laser light. The stress can be measured remotely without doing so. For this reason, it is possible to reduce the size of the stress measuring device and to reduce the cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of the vicinity of a light emitting unit 3 that is a characteristic part of an embodiment of an optical fiber sensor according to the present invention, cut along a plane along the axial direction of an optical fiber.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an optical fiber of another embodiment of the optical fiber sensor according to the present invention cut along a plane perpendicular to the axial direction.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a stress measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of another embodiment of the stress measurement device according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view showing an example of a method for producing a light emitting layer of an optical fiber sensor according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Optical fiber sensor
2 Photodetector
3 Light emitting part
3a joint
4 Core layer
5 Clad layer
6 Reflector
7 Light emitting layer
8 Protective layer
10 Optical fiber
10a end
11 Optical fiber sensor
20 Stress measuring device
21 computer
22 Calculation unit
23 memory
24 Monitor
25 Display section
26 Communication Department
60 Communication line
61 PC
62 servers

Claims (7)

光ファイバーの端部に、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光部が設けられているとともに、
前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面に、前記発光部の発光した光を反射する反射部が形成されており、
上記発光部は、三次元形状であり、
さらに、上記発光部は、光ファイバーのコア層の端面と接するように、かつ、クラッド層の端面とは接しないように、形成されていることを特徴とする光ファイバーセンサ。
At the end of the optical fiber is provided with a light emitting part having a stress light emitting material whose light emission intensity increases in proportion to the magnitude of the stress,
On the surface of the light emitting part other than the coupling part between the light emitting part and the optical fiber, a reflecting part for reflecting the light emitted from the light emitting part is formed ,
The light emitting part has a three-dimensional shape,
Furthermore, the light emitting section is formed so as to be in contact with the end face of the core layer of the optical fiber and not in contact with the end face of the clad layer .
前記発光部と前記光ファイバーとの結合部以外の発光部の表面の形状が、放物面状であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバーセンサ。  2. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein a shape of a surface of the light emitting portion other than a coupling portion between the light emitting portion and the optical fiber is a parabolic shape. 前記発光部は、応力発光材料と光学樹脂とを含んでなるものである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ーセンサ。  The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the light emitting unit includes a stress light emitting material and an optical resin. 請求項1、2または3に記載の光ファイバーセンサの光ファイバーにおける、発光部が設けられている端部以外の端部に、前記発光部から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、
前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、応力の大きさを計測するための応力計測部を備えていることを特徴とする応力計測装置。
The optical fiber of the optical fiber sensor according to claim 1, 2, or 3, further comprising a light detection unit for detecting light emitted from the light emitting unit at an end other than the end provided with the light emitting unit. And
A stress measurement device comprising a stress measurement unit for measuring the magnitude of stress based on light information detected by the light detection unit.
光ファイバーの内部に、その中心軸に沿って、応力の大きさに比例して発光強度が増大する応力発光材料を有する発光層が設けられており、
上記発光層は、光ファイバーの中心部に設けられていることを特徴とする光ファイバーセンサ。
Inside the optical fiber, a light emitting layer having a stress light emitting material whose light emission intensity increases in proportion to the magnitude of stress is provided along its central axis ,
An optical fiber sensor, wherein the light emitting layer is provided at the center of an optical fiber.
前記発光層が、光ファイバーの長手方向に複数設けられているとともに、前記各発光層がそれぞれ、発光スペクトルが異なる応力発光材料を有していることを特徴とする請求項5に記載の光ファイバーセンサ。  6. The optical fiber sensor according to claim 5, wherein a plurality of the light emitting layers are provided in a longitudinal direction of the optical fiber, and each of the light emitting layers has a stress light emitting material having a different emission spectrum. 請求項5または6に記載の光ファイバーセンサにおける、光ファイバーの端部に、前記発光層から放出された光を検出するための光検出部を備えているとともに、
前記光検出部にて検出した光の情報に基づき、印加された荷重の大きさ、及び/又は、印加された荷重の位置を計測特定するための応力計測部を備えていることを特徴とする応力計測装置。
The optical fiber sensor according to claim 5 or 6, further comprising a light detection unit for detecting light emitted from the light emitting layer at an end of the optical fiber.
A stress measurement unit is provided for measuring and specifying the magnitude of the applied load and / or the position of the applied load based on the information on the light detected by the light detection unit. Stress measuring device.
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