なぜひずみ測定には硬質ゴムを使用し、温度測定には軟質ゴムを使用するのですか？
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光ファイバーグレーティング（FBG）センサーおよび一般的な測定工学において、「ひずみ測定には硬質接着剤、温度測定には軟質接着剤（または懸垂による分離）」という原則は、連続体力学におけるひずみ伝達理論と異方性熱弾性力学における応力分離原則に基づいています。
1. ひずみ測定に硬質接着剤を使用する物理的・力学的メカニズム（ひずみ伝達効率）
ひずみ測定における物理的な核心は、測定対象構造物の表面で発生する微小な機械的変形（ひずみ \varepsilon ）を、光ファイバーコア上の光ファイバーグレーティングに完全かつ正確に伝達することです。
- せん断弾性率とひずみ伝達係数：接着剤は、測定対象基材と光ファイバー間のせん断伝力媒体として機能します。光ファイバーセンサーのひずみ伝達モデルによれば、接着層の弾性率 E とせん断弾性率 G がひずみ伝達係数 \alpha を決定します。
- 硬質接着剤の高い伝力特性：硬質接着剤（高弾性率エポキシ樹脂、ポリイミドなど）は、非常に高いせん断弾性率 G を持ちます。負荷がかかった状態では、硬質接着剤自体のせん断変形やクリープはごくわずかであり、\alpha \approx 1 の無損失な変形伝達を実現します。
- 軟質接着剤による変形吸収の弊害：軟質接着剤（低硬度シリコーンゴムなど）を使用した場合、接着層はせん断力に対して弾性吸収または塑性せん断クリープを起こし、深刻な「ひずみ伝達損失」（Strain Transmission Loss）とヒステリシス（Hysteresis）現象を引き起こします。これにより、計算されるひずみ波長シフト量が実際の変形量よりも著しく小さくなります。
大成永盛の構造設計では、OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge や OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter) などで、高硬度・高弾性率のポリマーや基材構造を採用しており、機械的ひずみの無損失伝達を保証しています。
2. 温度測定に軟質接着剤/分離設計を使用する物理的・熱的メカニズム（応力分離）
光ファイバーグレーティング温度測定の物理的基礎は、熱光学効果（Thermo-optic Effect）と光ファイバー材料自体の熱膨張効果（Thermo-expansion Effect）です。測定の前提は、光ファイバーが温度変化のみに応答し、いかなる外部機械応力の干渉も受けないことです。
- 応力分離の要求：理想的な状態では、温度測定用光ファイバーは「無応力状態」（Stress-free Condition）にある必要があります。
- 軟質接着剤の応力緩衝作用：軟質接着剤のせん断弾性率 G は非常に低く、優れた機械的柔軟性を持ちます。外殻や基材が熱膨張、収縮、または力による変形を起こした場合、軟質接着層はごくわずかな抵抗力で変形し、基材と光ファイバー間の熱膨張係数の不一致（例：二酸化ケイ素の熱膨張係数 \alpha_{\text{SiO2}} \approx 0.55 \times 10^{-6}/\text{K} と金属外殻との大きな差）を吸収し、「機械的応力分離層」（Decoupling Layer）として機能します。
- 温度測定における硬質接着剤の弊害：温度センサー内部で硬質接着剤を用いて光ファイバーとパッケージ外殻を固定した場合、外殻の異方性熱応力や構造変形が硬質接着剤を介してFBGコアに強制的に伝達され、深刻な温度と応力の交差感度（Cross-Sensitivity Error）を引き起こし、偽のシフトが生じます。
大成永盛の OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor などの公式温度センサーシリーズでは、内部に構造分離と自由懸垂/弾性緩衝保護メカニズムを採用しており、光ファイバーグレーティングが管内で自由に膨張することを保証し、外部応力の干渉を排除しています。
3. 物理メカニズムの比較まとめ
| 測定物理量 | 接着剤/パッケージの硬度要件 | 主要な物理的目的 | 誤用接着剤の結果 |
|---|---|---|---|
| ひずみ (Strain) | 硬質接着剤（高せん断弾性率 G ） | 応力伝達係数の最大化（ \alpha \approx 1 ） | 軟質接着剤の誤用：せん断吸収と変形ヒステリシスが発生し、測定値が偏小する |
| 温度 (Temperature) | 軟質接着剤 / 機械的分離（低せん断弾性率 G ） | 外部応力伝達の遮断、機械的分離の実現 | 硬質接着剤の誤用：熱応力と機械的応力の干渉が導入され、交差感度誤差が生じる |
より具体的なパッケージ構造と物理パラメータについては、OFSCN® FBG Strain Sensor Products Aggregation Link を参照してください。