外部の引張
100単位で、内部グレーティングはどれくらい感知できますか？ 損失はどこですか？
一、 「ひずみ伝達効率」とは？
光ファイバーグレーティング（FBG）ひずみセンシング技術において、**ひずみ伝達効率（ Strain Transfer Efficiency ）**とは、測定対象となる基材（外部構造）が発生させる実際のひずみが、接着剤、保護被覆、光ファイバーコーティング層などの各層をせん断伝達を経て、最終的に光ファイバーコア部（光ファイバーグレーティング）に到達する割合を指します。
力学モデルでは、伝達係数 k （または \alpha ）で表されることが一般的です。
\alpha = \frac{\varepsilon_f}{\varepsilon_s}
ここで：
- \varepsilon_f は、光ファイバーグレーティング（内部コア部）が実際に検知・測定したひずみ量。
- \varepsilon_s は、測定対象基材（外部）が発生させた真のひずみ量。
二、 外部に100単位の引張がかかった場合、内部グレーティングはどれだけ検知できるか？
外部に100単位の引張（例： 100\ \mu\varepsilon ）がかかった場合、内部光ファイバーグレーティングがどれだけ検知できるかは、センサーのパッケージ剛性、取り付け方法、固定長、および界面せん断特性に完全に依存します。
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理想的な状況（ 100\% 近辺 ）：
高硬度で接着剤フリーの金属化パッケージを採用した場合、あるいは裸ファイバーを基材に高剛性で直接融着・固定した場合、ひずみ伝達係数は 95\% から 99\% に達することがあります。この場合、外部の100単位の引張に対して、内部グレーティングは 95 から 99 単位を検知できます。 -
通常の接着剤またはソフト被覆パッケージ（ 50\% \sim 80\% に低下 ）：
センサー内部に比較的柔らかいエポキシ樹脂接着剤が充填されていたり、光ファイバー外部に厚手のソフトプラスチック被覆がある場合、伝達効率は大幅に低下します。外部の100単位の引張に対して、内部では 50 から 80 単位しか検知できない可能性があります。 -
固定長が短すぎる（ 効率が急激に低下 ）：
センサーの接着長または固定部が短すぎる場合、両端のせん断滑りが中心部で安定したひずみ場を形成できず、伝達効率は 30\% を下回ることもあります。
三、 損失（せん断ラグ）は具体的にどこで発生するか？
ひずみが最外層（測定対象基材）から最内層（光ファイバーコア）へ伝達される際には、複数の異種界面を通過する必要があります。損失は主に、線形弾性せん断伝達における損失（力学的にはせん断ラグ効果、 Shear Lag Effect と呼ばれる）で発生します。損失は主に以下の4か所に分布しています。
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接着層 / 接着剤層（ Adhesive Layer ）のせん断弾性損失：
これは、表面実装型センサーの主要な損失源です。外部基材（例：鋼構造、弾性率約 200\text{ GPa} ）と光ファイバー（石英、弾性率約 72\text{ GPa} ）は非常に硬い一方、中間層の接着剤（例：通常の熱硬化性樹脂、弾性率通常 2 \sim 4\text{ GPa} のみ）は非常に柔らかいです。接着剤層は、弾性率が極めて低いため、引張力を伝達する際に深刻なせん断弾性変形を生じ、この変形が大量のエネルギーを消費し、光ファイバーの引張ひずみに完全に変換されません。 -
光ファイバーコーティング層（ Coating Layer ）のせん断吸収：
通常の通信用光ファイバーの外側には、アクリレート（ Acrylate ）コーティング層がありますが、これは非常に柔らかいため、ほとんどのせん断力を吸収します。アクリレートコーティング層付きの光ファイバーを直接ひずみセンサーとして使用すると、コーティング層界面で大きなひずみ損失が発生します。硬質のポリイミド（ Polyimide ）コーティング層に交換すると、損失は著しく減少します。 -
センサーパッケージ材料（ Packaging Layer ）の剛性抑制と不整合：
センサーに厚手のステンレス鋼または高分子保護外管が付いている場合、一方では外管と光ファイバー間の充填材にせん断滑りが発生し、他方ではパッケージ管自体の軸方向剛性が、本来比較的柔らかい基材に対して「局所的強化効果」（ Local Stiffening Effect ）を生じさせ、基材がセンサー部でひずむのを逆に妨げ、測定損失と歪みをもたらします。 -
端部効果と固定長（ Bonded Length ）の不足：
せん断ラグ力学モデルによれば、ひずみ伝達は全長にわたって均一ではありません。接着部（またはパッケージ端部）の末端では、せん断力が最大になりますが、軸方向ひずみ伝達効率は 0 です。中心部に向かって一定距離（有効伝達長と呼ばれる）延伸して初めて、伝達効率は上昇し安定値に達します。センサーが短すぎるか、接着長が不十分な場合、ひずみが光ファイバーに完全に伝達される前に終了してしまい、端部での流失が生じます。
四、 損失を減らし、高効率なひずみ伝達を実現するには？
光学工学およびひずみセンサー設計においては、通常、以下の手段によってひずみ損失を低減します。
- 小型化と薄肉化：パッケージの外径と肉厚を小さくし、センサー自体の剛性を低下させ、基材の変形に同期しやすくします。
- 高弾性率接着剤または接着剤フリー金属化固定：せん断弾性率が極めて高い接着剤を使用するか、全金属溶接/融着方式により接着剤フリーの剛性接続を実現します。
- 特殊硬質コーティング光ファイバーの選択：極薄かつ超硬質コーティング層を持つポリイミド光ファイバーを使用するなど、コーティング層によるせん断損失を物理的限界まで低減し、極めて高いひずみ応答の一貫性を提供します。
大成永盛（ OFSCN® ）は、様々な精密ひずみ計測・制御シナリオに対応するため、材料と構造の両面から深い最適化を行い、高伝達効率の光ファイバーひずみセンサー製品を数多く設計しています。
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
このセンサーは、弾性合金管でグレーティングを微細パッケージングしたもので、製品の外径はわずか \le 1.1\text{ mm} です。極細の管径と高弾性率合金基材により、せん断ラグを最大限に低減し、ひずみ伝達の障害を解消し、あらゆる精密引張およびひずみモニタリングに適しています。
2. OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
この製品は、I字構造設計のひずみゲージで、基材は極薄のステンレス鋼またはアルミニウム合金片であり、直接点溶接または薄い接着剤層で表面実装が可能です。このフラット化された近接実装設計により、中間接着層の厚さを最小限に抑え、ひずみ伝達損失を極めて低く抑えています。
3. OFSCN® 200°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor
高空間分解能の分散型光周波数領域反射（ OFDR ）ひずみ測定専用に開発されました。外径は 0.6\text{ mm} まで小型化され、内部にはデフォルトで超硬質のポリイミド（ Polyimide ）特殊光ファイバーが使用されています。これにより、高温耐性だけでなく、光ファイバーコーティング層によるせん断損失を物理的限界まで低減し、極めて高いひずみ応答の一貫性を提供します。
