JP2016038345A - 光ファイバセンサ、及び光ファイバセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の二つの部位の、互いに異なる向きへの相対的な変位を好適に測定することができる光ファイバセンサ、及び光ファイバセンサシステムを提供する。
【解決手段】試験光が入力される光ファイバ２０と、測定対象物１０の一方の部位１１に固定され、光ファイバ２０を保持する光ファイバ保持部３０と、測定対象物１０の他方の部位１２に固定されるとともに、光ファイバ２０に応力を印加する応力印加部５０を有し、かつ、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の少なくとも２つの向きへの相対的な変位に応じて動く可動部４０と、を備え、応力印加部５０は、光ファイバ２０に対して少なくとも前記変位する向きとは反対側に配設されており、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２が相対的に変位したときに、応力印加部５０が光ファイバ２０に接触し、該光ファイバ２０が変形することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の二つの部位の相対的な変位を測定する光ファイバセンサ、及び光ファイバセンサシステムに関するものである。

近年、老朽化した橋梁、トンネル、建築物などの崩壊による事故の懸念が高まっており、老朽化インフラの整備が大きな課題となっている。前述のような構造物に対して行われる検査としては、目視による現状確認のみの場合が多いが、構造物の状況を定期的にモニタリングする技術として、光ファイバセンサを用いた技術がある。

例えば、構造物（測定対象物）の歪を測定する方法として、光ファイバを構造物に敷設し、光ファイバ中で発生するブリユアン散乱光を観測する方法が提案されている。この方法では光の入射方向とは反対方向（後方）に散乱するブリユアン散乱光の周波数変化を測定することにより、光ファイバの伸長を測定している。この周波数変化はブリユアンシフト量と呼ばれ、ブリユアンシフト量は光ファイバの歪量に比例して変化する。このため、後方散乱して送信側に戻ってくるブリユアン散乱光のブリユアンシフト量を観測すれば、敷設した光ファイバの長手方向の各地点での歪量を求めることが可能である（非特許文献１参照）。

また、構造物の歪を測定する他の方法として、光ファイバのコアに回折格子が形成された構成を有するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いた方法がある。ＦＢＧを測定対象とする構造物に敷設し、構造物の歪に起因する変位に応じてＦＢＧが引っ張られることにより、ＦＢＧの回折格子の周期が変化し、反射する波長が変化する。したがって、ある広帯域の波長を持つ光をＦＢＧに入射し、後方に反射してくる光の波長の変化を測定すれば構造物の変位量を把握できる（非特許文献２参照）。

また、特許文献１には、受圧部材に光ファイバを設けた光ファイバセンサが開示されている。特許文献１に開示された光ファイバセンサでは、崩壊の可能性のある地山斜面等にて生じる土石流等を監視対象物として、それら監視対象物からの押圧力を受圧部材で受けることにより、光ファイバに曲げ等の変形あるいは破断を生じさせるようになっている。ここで、光ファイバセンサが敷設された二つの受圧部材間の変位によって光ファイバに曲げや破断を生じるので、その際の伝搬光の強度を測定することで監視を行うことができる。

また、特許文献２には、測定対象物の二つの部材の間に光ファイバが設けられており、二つの部材間の間隔が広がることで押圧片によって光ファイバに曲げ変形が与えられるように構成した光ファイバセンサが開示されている。

特開２００１−９９６８６号公報 特開２００１−２６２５８３号公報

光波センシング技術、今日と将来 −安全・安心のためのファイバセンサフォトニクス−、第４０回光波センシング技術研究会予稿集ＬＳＴ４０−７ 光ファイバセンシング―ＦＢＧ歪センシングと応用 ＰＬＡＮＴ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ、Ｄｅｃ．２００９、ｐｐ．６６−７２

上述したように、構造物の変位を測定することが求められているが、上述の技術はある一定の向きの変位を測定することに適するものであった。たとえば、ブリユアン散乱光やＦＢＧを利用する方法では、光ファイバが初期状態から伸長する向きの変位を測定するのに適する構成である。また、特許文献１、２に開示される方法は、二つの部材間の間隔が初期状態から広がる向きの変位を測定するのに適する構成である。したがって、これらの方法は、たとえば２つの向き（たとえば、或る方向に沿った右向きと左向き等）への変位を測定する用途には適しないものであった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、測定対象物の二つの部位の、互いに異なる向きへの相対的な変位を好適に測定することができる光ファイバセンサ、及び光ファイバセンサシステムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の光ファイバセンサは、測定対象物の一方の部位及び他方の部位に跨って設けられ、これら一方の部位及び他方の部位の相対的な変位を測定する光ファイバセンサであって、試験光が入力される光ファイバと、前記測定対象物の一方の部位に固定され、前記光ファイバを保持する光ファイバ保持部と、前記測定対象物の他方の部位に固定されるとともに、前記光ファイバに応力を印加する応力印加部を有し、かつ、前記測定対象物の一方の部位及び他方の部位の相対的な変位に応じて動く可動部と、を備え、前記応力印加部は、前記光ファイバに対して少なくとも前記変位する向きとは反対側に配設されており、前記測定対象物の一方の部位及び他方の部位が相対的に変位したときに、前記応力印加部が前記光ファイバに接触し、該光ファイバが変形することを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様は、前記可動部の動きが前記光ファイバ保持部に直線状に保持された光ファイバの長手方向と交差する一軸上になるように、前記可動部の動きを規制する規制部を備えることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様は、前記可動部の動きが前記光ファイバ保持部に直線状に保持された光ファイバの長手方向と交差する面上になるように、前記可動部の動きを規制する規制部を備えることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様において、前記応力印加部は、前記可動部に着脱可能に設けられ、かつ、前記光ファイバとの初期の距離を変更可能とされていることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様において、前記光ファイバは、前記測定対象物の一方の部位及び他方の部位の相対的な変位に応じて変形するセンサ光ファイバ部を備え、前記センサ光ファイバ部の光学特性が、該光ファイバに接続される試験光伝送用光ファイバの光学特性と異なることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様は、前記センサ光ファイバ部と前記試験光伝送用光ファイバとのモードフィールド径が異なることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様は、前記センサ光ファイバ部と前記試験光伝送用光ファイバとのカットオフ波長が異なることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様は、前記センサ光ファイバ部と前記試験光伝送用光ファイバとの曲げ損失特性が異なることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様は、前記センサ光ファイバ部と前記試験光伝送用光ファイバとの伝送損失特性が異なることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様は、前記試験光がパルス光であって、前記光ファイバの余長分を収容する収納部を備え、前記光ファイバの余長分は、前記パルス光の時間幅に相当する時間に該パルス光が伝搬する長さ以上の長さを有することを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様は、前記試験光は、前記光ファイバの伝送損失が最も低い波長帯域よりも長い波長を有することを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサの一態様は、前記光ファイバにおいて、前記測定対象物の一方の部位及び他方の部位の相対的な変位に応じて変形するセンサ光ファイバ部にファイバブラッググレーティングを設けたことを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサシステムは、前述の光ファイバセンサと、前記試験光を出力する光源と、前記光ファイバセンサの前記光ファイバを透過した試験光を受光することができる受光器と、前記光源と前記光ファイバセンサとを接続する第１光ファイバ伝送路と、前記光ファイバセンサと前記受光器とを接続する第２光ファイバ伝送路とを有する光ファイバ伝送路と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサシステムは、前述の光ファイバセンサと、前記試験光を出力するとともに、該光ファイバセンサから発生する後方散乱光を受光するＯＴＤＲ装置と、前記ＯＴＤＲ装置と前記光ファイバセンサとを接続する光ファイバ伝送路と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサシステムは、前述の光ファイバセンサと、前記試験光を出力する光源と、前記光源と前記光ファイバセンサとを接続する光ファイバ伝送路と、前記試験光のうち光ファイバセンサのファイバブラッググレーティングにより反射された反射光が入力され、該反射光の波長を測定する光波長測定器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサシステムの一態様は、前述の光ファイバセンサシステムにおいて、前記光ファイバセンサを複数備え、前記複数の光ファイバセンサが、前記光ファイバ伝送路に直列に接続されていることを特徴とする。

また、本発明の光ファイバセンサシステムの一態様は、前述の光ファイバセンサシステムにおいて、前記光ファイバセンサを複数備え、前記光ファイバ伝送路は、主光ファイバ伝送路と、前記主光ファイバ伝送路から分岐した複数の分岐光ファイバ伝送路とを有し、前記ＯＴＤＲ装置または前記光源は、前記主光ファイバ伝送路に接続されており、前記複数の光ファイバセンサは、それぞれ、前記分岐光ファイバ伝送路を介して前記主光ファイバ伝送路に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、測定対象物の二つの部位の、互いに異なる向きへの相対的な変位を精度良く測定することができる光ファイバセンサ、及び光ファイバセンサシステムを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサの概略説明図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサの概略斜視図である。 図３は、図１に示すベアリング部を説明するための概略説明図である。 図４は、図３に示すベアリング部をＡ方向から見たときの概略図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサにおいて、測定対象物の一方の部位と他方の部位との距離が、左右方向に離れた場合を示す概略図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサにおいて、測定対象物の一方の部位と他方の部位との距離が、前後方向に離れた場合を示す概略図である。 図７は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサを用いた光ファイバセンサシステムの概略説明図である。 図８は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサシステムを用いて、測定対象物の一方の部位と他方の部位との相対的な変位に対する、光ファイバセンサを透過する光強度を測定した際の経時的な変化を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサを用いた光ファイバセンサシステムの概略説明図である。 図１０は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサシステムを用いて、応力印加部により光ファイバが変形していない初期状態において後方散乱光を測定した結果を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサシステムを用いて、応力印加部により光ファイバが変形した状態において後方散乱光を測定した結果を示す図である。 図１２は、本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサの概略説明図である。 図１３は、本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサにおいて、測定対象物の一方の部位と他方の部位との距離が、左右方向に離れた場合を示す概略図である。 図１４は、本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサの変形例１である光ファイバセンサの概略説明図である。 図１５は、図１４に示す光ファイバセンサにおいて、測定対象物の一方の部位と他方の部位との距離が、左右方向に離れた場合を示す概略図である。 図１６は、本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサの変形例２である光ファイバセンサの概略説明図である。 図１７は、図１６に示す光ファイバセンサにおいて、測定対象物の一方の部位と他方の部位との距離が、左右方向に離れた場合を示す概略図である。 図１８は、本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサに用いられる応力印加部の変形例を示す図である。 図１９は、本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサに用いられる応力印加部の変形例を示す図である。 図２０は、本発明の実施の形態に係る光ファイバセンサにおいて、応力印加部に接する光ファイバとして曲げ損失が大きい光ファイバを用いて、測定対象物の一方の部位と他方の部位との相対的な変位に対する出力光強度の経時的な変化を測定した結果を示す図である。 図２１は、本発明の実施形態に係る光ファイバセンサにおいて、応力印加部に接する光ファイバとして、通常の１．３μｍ帯にゼロ分散波長を持つシングルモード光ファイバを用いて、複数の光ファイバセンサを直列に接続した時のＯＴＤＲ波形である。 図２２は、本発明の実施の形態に係る光ファイバセンサにおいて、応力印加部に接する光ファイバとして、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５７に規定された光ファイバを使用した場合のＯＴＤＲ波形である。 図２３は、本発明の実施の形態に係る光ファイバセンサにおいて、応力印加部に接する光ファイバとして、光ファイバ伝送路のファイバとはＭＦＤが異なるファイバを用いた場合のＯＴＤＲ波形である。 図２４は、本発明の実施の形態に係る光ファイバセンサにおいて、応力印加部に接する光ファイバとして、光ファイバ伝送路のファイバよりも伝送損失が大きな光ファイバを用いた場合のＯＴＤＲ波形である。 図２５は、余長収納部を備えた光ファイバセンサの概略説明図である。 図２６は、光ファイバセンサにおいて、光ファイバの余長分を有しない状態で測定したＯＴＤＲ波形を示す図である。 図２７は、光ファイバセンサにおいて、光ファイバの余長分として、２０ｍの光ファイバを有する状態で測定したＯＴＤＲ波形である。 図２８は、本発明の実施の形態３に係る光ファイバセンサの概略説明図である。 図２９は、本発明の実施の形態３に係る光ファイバセンサを説明するための概略斜視図である。 図３０は、本発明の実施の形態３に係る光ファイバセンサを用いた光ファイバセンサシステムの概略説明図である。 図３１は、本発明の実施の形態３に係る光ファイバセンサを用いて、ファイバブラッググレーティングから反射された光の波長の変化を測定した結果を示す図である。 図３２は、光ファイバセンサを用いて橋脚上に設置された二つの床板間の変位を測定する場合を示す図である。 図３３は、本発明の実施の形態５に係る光ファイバセンサシステムの概略説明図である。 図３４は、本発明の実施の形態６に係る光ファイバセンサシステムの概略説明図である。 図３５は、本発明の実施の形態７に係る光ファイバセンサシステムの概略説明図である。 図３６は、本発明の実施の形態６に係る光ファイバセンサシステムを用いて測定したＯＴＤＲ波形を示す図である。 図３７は、本発明の実施の形態７に係る光ファイバセンサシステムを用いて測定したＯＴＤＲ波形を示す図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態である光ファイバセンサ、及び光ファイバセンサシステムについて説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、本明細書においては、カットオフ波長とは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１で定義する２２ｍ法によるカットオフ波長をいう。また、その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に適宜従うものとする。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサ１の概略説明図である。また、図２は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサ１の概略斜視図である。なお、図１においては、構造の説明のために一部の部材を切り欠いて描いており、図２においては、視認しやすいように一部の部材が破線で描かれている。光ファイバセンサ１は、図１及び図２に示すように、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２に跨って設けられている。この光ファイバセンサ１は、一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位を測定するためのものである。

光ファイバセンサ１は、試験光が入力される光ファイバ２０と、この光ファイバ２０を保持する光ファイバ保持部３０と、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に応じて動く可動部４０と、を備えている。なお、図中で光ファイバ２０に沿って描かれている矢印は、試験光の伝搬方向を示している。

光ファイバ２０は、例えば、光ファイバ２０の一端に、試験光を出力する光源などが接続され、光ファイバの他端に、受光器などが接続される。また、これら光源と光ファイバ２０、受光器と光ファイバ２０との間には、試験光伝送用の光ファイバ伝送路が設けられることもある。
光ファイバ保持部３０は、一方の部位１１に固定されたコの字状の第一固定部３１と、この第一固定部３１に固定され光ファイバ２０を保持する保持部３２とを有している。保持部３２は対向配置され、光ファイバ２０を直線状に保持している。

可動部４０は、他方の部位１２に固定されており、一方の部位１１側に向けて直線状に伸びている。本実施形態においては、可動部４０は、第二固定部４１を介して他方の部位１２に固定されている。
そして、可動部４０は、光ファイバ２０に応力を印加する応力印加部５０を有している。本実施形態において、応力印加部５０は、可動部４０の先端側に、着脱可能に設けられている。応力印加部５０には、貫通孔が形成されており、この貫通孔に光ファイバ２０が挿通されている。すなわち、光ファイバ２０の周囲に応力印加部５０が配設されているのである。

具体的には、応力印加部５０は、中心に向かうにしたがって内径が縮径する円柱状の貫通孔によって、光ファイバ２０に応力を印加する面が形成されている。そして、一方の部位１１及び他方の部位１２が相対的に変位したときに、応力印加部５０が、光ファイバ２０に接触して光ファイバ２０を変形するようになっている。応力印加部５０の材質は、例えばアルミニウム、プラスチック、ゴムなどである。

本実施形態において、第一固定部３１と可動部４０とが、図１に示すように、ベアリング機構６０（規制部）を介して連結されている。ベアリング機構６０は、ベアリング部６１と、ボール部６２とを有している。なお、図２においては、ベアリング機構の図示が省略されている。

ベアリング部６１は、図１、図３、及び図４に示すように、ボール部６２を受けるために外周に沿うように形成されたボール受け溝６３が形成され、ベアリング部６１の中心には、光ファイバ２０を挿通するための貫通孔６４が形成されている。また、可動部４０にも、ボール部６２を受けるためのボール受け溝４２が所定の位置に形成されている。第一固定部３１の内側にベアリング部６１，６１、可動部４０が順に配設されるとともに、ボール部６２がそれぞれのボール受け溝６３に配設されることにより、光ファイバ保持部３０と可動部４０とが連結されている。より具体的な連結方法として、例えば第一固定部３１を上下二つの部材に予め分離しておき、可動部４０とベアリング部６１との間の所定の位置にボール部６２を配設した状態で、ベアリング部６１を挟みこむように上下に分離した第一固定部３１を配設することにより固定することができる。

このベアリング機構６０は、第一固定部３１と可動部４０とを、ベアリング機構６０のボール部６２の可動範囲内に規制する機能を有している。すなわち、可動部４０の動きがベアリング機構６０によって規制されているのである。本実施形態において、具体的には、可動部４０の動きは、ベアリング機構６０によって、直線状に保持された光ファイバ２０の長手方向と直交する面内に規制されている。

この光ファイバセンサ１を測定対象物１０に配設する際には、その初期位置として、光ファイバ２０が、応力印加部５０が形成する貫通孔の中心軸と一致するように固定することが好ましい。これにより、光ファイバ２０と応力印加部５０との距離が、ベアリング機構６０による規制面内のあらゆる向きにおいて等しくなる。ただし、配設の仕方はこれに限られず、配設時の光ファイバ２０と応力印加部５０との距離（初期の距離）が既知の値であればよく、規制面内の向きに応じて異なっていてもよい。光ファイバ２０の配設方法として、例えば、光ファイバ保持部３０、ベアリング機構６０、及び応力印加部５０を有する可動部４０を配設する際に、光ファイバ２０が応力印加部５０の所定の位置になるように、各部材をピンなどで仮固定（例えば、光ファイバ保持部３０と応力印加部５０との相対位置を固定する）しておき、各部材を配設完了後にピンを取りはずす構成としても良い。

次に、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１の作用について説明する。図５は、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１において、測定対象物１０の一方の部位１１と他方の部位１２との距離が、紙面左右方向に離れた場合を示す概略図である。測定対象物１０の一方の部位１１と他方の部位１２とが移動して左右方向の距離が離れた場合、一方の部位１１に対して可動部４０が相対的に右向きに移動（変位）する。このとき、光ファイバ保持部３０に保持された光ファイバ２０は、応力印加部５０のうち光ファイバ２０に対して変位の向きとは反対側（左側）に位置する箇所によって右向きに応力を印加され、応力印加部５０の面に沿って曲げられた形状となる。この状態において、光ファイバ２０に試験光を入力すると、前述の変形によって光ファイバ２０を伝搬する光には損失が発生し、出力される試験光の光強度が減少する。また、試験光により光ファイバ２０中で発生するレーリー散乱による後方散乱光も前述の光ファイバ２０の変形によって減少する。

図５では、一方の部位１１及び他方の部位１２との左右方向の距離が離れた状態を示しているが、光ファイバ２０に曲げ変形が起こっていない初期の状態から、一方の部位１１及び他方の部位１２との左右方向の距離が近づいた場合は、一方の部位１１に対して可動部４０が相対的に左向きに移動する。そして、光ファイバ２０は、応力印加部５０のうち光ファイバ２０に対して右側に位置する箇所によって左向きに応力を印加され、応力印加部５０の面に沿って変形する。これにより、光ファイバ２０中を伝搬する試験光及び後方散乱光に損失が発生する。
このように、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１は、一方の部位１１及び他方の部位１２が左右どちらの向きに動いても、その変位を検出することができる。

図６は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサ１において、測定対象物１０の一方の部位１１と他方の部位１２との距離が、紙面前後方向に離れた場合を示す概略図である。なお、本実施形態においては、紙面に対して、手前側を前方、奥側を後方と称している。この場合、一方の部位１１に対して可動部４０が相対的に前側に移動する。このとき、光ファイバ保持部３０に保持された光ファイバ２０は、応力印加部５０のうち光ファイバ２０に対して後側に位置する箇所によって前向きに応力を印加され、応力印加部５０の面に沿って曲げられた形状となる。これにより、光ファイバ２０中を伝搬する試験光及び後方散乱光に損失が発生する。

図６では、一方の部位１１及び他方の部位１２との前後方向の距離が離れた状態を示しているが、光ファイバ２０に曲げ変形が起こっていない初期の状態から、一方の部位１１及び他方の部位１２との前後方向の距離が近づいた場合は、一方の部位１１に対して可動部４０が相対的に後側に移動し、光ファイバ２０が、応力印加部５０のうち光ファイバ２０に対して前側に位置する箇所によって後側に向けて応力を印加されて応力印加部５０の面に沿って変形する。これにより、光ファイバ２０中を伝搬する試験光及び後方散乱光に損失が発生する。
このように、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１は、一方の部位１１及び他方の部位１２が前後どちらの向きに動いても、その相対的な変位を検出することができる。同様に、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１は、一方の部位１１及び他方の部位１２が、規制面内において前後左右に対して傾斜した向きに動いても、その相対的な変位を検出することができる。

以上のような構成とされた本実施形態に係る光ファイバセンサ１においては、一方の部位１１及び他方の部位１２が規制面内のあらゆる向きに相対的に変位すると、可動部４０が有する応力印加部５０により、光ファイバ保持部３０によって保持された光ファイバ２０に応力が印加されて光ファイバ２０が変形する。これにより、光ファイバ２０に試験光（伝搬光）が入力された際に光損失が発生する。したがって、光ファイバセンサ１を透過する光あるいは後方散乱する光の強度を観測することにより、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の規制面内のあらゆる向きの変位を好適に測定することができる。

また、実施の形態１においては、ベアリング機構６０（規制部）によって、直線状に保持された光ファイバ２０と直交する面内に可動部４０の移動が規制されているので、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２が相対的に変位した際に、確実に応力印加部５０によって光ファイバ２０に応力を印加することができる。また、可動部４０の移動が光ファイバ２０の長手方向と直交する面内に規制されていることにより、精度よく一方の部位１１及び他方の部位１２の面内における相対的な変位を測定することが可能である。
なお、実施の形態１においては、直線状に保持された光ファイバ２０の長手方向と直交する面内に可動部２０の動きが規制される場合について説明したが、必ずしも直交に限らず直線状に保持された光ファイバ２０の長手方向と交差する面内に動きが規制されていても良い。

また、実施の形態１においては、応力印加部５０は、着脱可能に設けられているため、可動部に取り付ける応力印加部を必要に応じて選択することができる。また、応力印加部５０と光ファイバ２０との距離を調整するために、応力印加部を選択することもできる。応力印加部５０と光ファイバ２０との初期の距離を調整することにより、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位の許容範囲を設定することができる。

図７は本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサ１を用いた光ファイバセンサシステム２の概略説明図である。この光ファイバセンサシステム２は、光ファイバセンサ１と、試験光を出力する光源７１と、試験光を受光する受光器７２と、前述の光源７１、光ファイバセンサ１、及び受光器７２を接続する第１光ファイバ伝送路、第２光ファイバ伝送路としての光ファイバ伝送路７３とを備えている。光源７１はたとえば試験光として連続光としてのレーザ光を出力する半導体レーザ素子を備えたものである。試験光の波長はたとえば１．５５μｍ帯の光である。受光器７２はたとえばフォトダイオードを備えたものである。
この光ファイバセンサシステム２では、光源７１から出力された試験光は、光ファイバ伝送路７３を伝搬し、光ファイバセンサ１に入力する。光ファイバセンサ１からの出力光は、受光器７２に受光され、光強度が測定される。

図８は、図７に示した光ファイバセンサシステム２を用いて、測定対象物１０の一方の部位１１と他方の部位１２との相対的な変位に対する、光ファイバセンサ１を透過する光強度を測定した際の経時的な変化を示す図である。ここでは、光ファイバセンサ１に用いられる光ファイバ２０として、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２に準拠する、通常の１．３μｍ帯にゼロ分散波長を持つシングルモード光ファイバを用いている。図８に示すように、光ファイバ２０が変形していない初期状態を一方の部位１１と他方の部位１２との相対的な変位が０の状態と設定し、変位に対して光強度が減少することが確認される。なお、図８に示す矢印の位置が、応力印加部５０によって応力を印加され光ファイバ２０が変形を開始した時点である。

図９は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサ１を用いた光ファイバセンサシステム１０２の概略説明図である。光ファイバセンサシステム１０２は、光ファイバセンサ１と、波長１．５５μｍ帯のパルス光である試験光を出力するとともに光ファイバセンサ１から発生する後方散乱光を受光するＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）装置７４と、ＯＴＤＲ装置７４及び光ファイバセンサ１を接続する光ファイバ伝送路７３と、を備えている。なお、光ファイバセンサ１のＯＴＤＲ装置７４とは反対側は終端器に接続されている。
ＯＴＤＲ装置７４に内蔵された光源から出力されたパルス光は、光ファイバ伝送路７３を伝搬し、光ファイバセンサ１に入力する。光ファイバ伝送路７３及び光ファイバセンサ１において、光ファイバ２０中ではパルス光からのレーリー散乱による後方散乱光が発生し、ＯＴＤＲ装置７４の方向に伝搬していく。ＯＴＤＲ装置７４には後方散乱光を受光する受光機器が備えられており、パルス光の出力された時間に対する遅延時間（後方散乱光の到達時間）が測定される。これにより、光ファイバセンサ１及び光ファイバ伝送路７３を構成する光ファイバ上でのＯＴＤＲ装置７４からの距離とその距離における光強度の関係を得ることができる。したがって、光ファイバセンサ１において光ファイバ２０が変形して損失が発生した場合は、光ファイバセンサ１に該当する位置（距離）において光強度が減少する。

図１０及び図１１は、図９に示した光ファイバセンサシステム１を用いて、光ファイバセンサ１近傍での後方散乱光を測定した結果である。図１０は、応力印加部５０により光ファイバ２０が変形していない初期状態において後方散乱光を測定した結果を示す図である。図１１は光ファイバセンサ１の光ファイバ２０が応力印加部５０により変形した状態において後方散乱光を測定した結果を示す図である。図１０と図１１とを比較すると、図１１では光ファイバセンサ１に該当する位置での光強度が減少しており、光ファイバ２０が変形していることがわかる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。なお、実施の形態１と同様の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図１２は本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサ１０１の概略説明図である。この光ファイバセンサ１０１は、試験光が入力される光ファイバ２０と、この光ファイバ２０を保持する光ファイバ保持部１３０と、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に応じて動く可動部１４０と、を備えている。

光ファイバ保持部１３０は、一方の部位１１に固定された第一固定部１３１と、この第一固定部１３１に固定され光ファイバ２０を保持する保持部１３２とを有している。保持部１３２は対向配置されており、光ファイバ２０を直線状に保持している。

可動部１４０は、他方の部位１２に固定されており、一方の部位１１側に向けて直線状に伸びている。本実施形態においては、可動部１４０は、第二固定部４１を介して他方の部位１２に固定されている。また、可動部１４０は、光ファイバ２０に応力を印加する応力印加部１５０を有している。

実施の形態２において、応力印加部１５０は、可動部１４０の先端側に、ネジなどで取り外し可能に設けられている。応力印加部１５０は、対向するように間隔をあけて二つ配置されており、これら二つの応力印加部１５０の間に光ファイバ２０が挿通されている。すなわち、応力印加部１５０は、光ファイバ２０に対して少なくとも右向きおよび左向きの２つの向きに配設されていることとなる。本実施形態において、応力印加部１５０は、対向する面が、図１２に示すように、面の中心に向かうにしたがって外方に膨らむように形成されている。そして、一方の部位１１及び他方の部位１２が相対的に変位したときに、応力印加部１５０が、光ファイバ２０に接触して光ファイバ２０を変形するようになっている。

実施の形態２の光ファイバセンサ１０１においては、第一固定部１３１に設けられたレール１３３（規制部）上に可動部１４０が、配設されている。このレール１３３は、第一固定部１３１と可動部１４０とをレール１３３上に規制する機能を有している。すなわち、このレール１３３により可動部１４０がレール１３３上を動くように規制されているのである。本実施形態において、具体的には、可動部１４０の動きは、レール１３３によって、直線状に保持された光ファイバ２０の長手方向と直交する一軸上に規制されている。

この光ファイバセンサ１０１を測定対象物１０に配設する際には、その初期位置として、光ファイバ２０が、対向配置された応力印加部１５０の間の中心位置に固定することが好ましい。

次に、この光ファイバセンサ１０１の作用について説明する。図１３は、実施の形態２に係る光ファイバセンサ１０１において、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２との距離が紙面左右方向に離れた状態を示す概略図である。測定対象物１０の一方の部位１１と他方の部位１２とが移動して左右方向の距離が離れた場合、一方の部位１１に対して可動部１４０が相対的に右向きに移動（変位）する。このとき、光ファイバ保持部１３０に保持された光ファイバ２０は、応力印加部１５０のうち光ファイバ２０に対して変位の向きとは反対側（左側）に位置する箇所によって右向きに応力を印加され、応力印加部１５０の面に沿って曲げられた形状となる。この状態において、光ファイバ２０に試験光を入力すると、前述の変形によって光ファイバ２０を伝搬する試験光は損失を発生し、出力される試験光の光強度が減少する。また、試験光により光ファイバ２０中で発生するレーリー散乱による後方散乱光も前述の光ファイバ２０の変形によって試験光の強度が減少する。

図１３では、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２との距離が左右方向に離れた状態を示しているが、光ファイバセンサ１０１中の光ファイバ２０に変形が起こっていない初期の状態から、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２との距離が左右方向に近づいた場合は、一方の部位１１に対して可動部１４０が相対的に左向きに移動し、光ファイバ２０は応力印加部１５０の側面に押し出される形で変形を起こす。これにより、光ファイバ２０中を伝搬する光に損失が発生する。
以上のように、光ファイバセンサ１０１は、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２が規制軸に沿った左右どちらの向き（すなわち２つの向き）に動いてもその相対的な変位を検出することができる。

また、実施の形態２においては、レール１３３（規制部）によって、直線状に保持された光ファイバ２０と直交する一軸上に可動部１４０の移動が規制されているので、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２が相対的に変位した際に、確実に応力印加部１５０によって光ファイバ２０に応力を印加することができる。また、可動部１４０の移動が光ファイバ２０の長手方向と直交する一軸上に規制されていることにより、精度よく一方の部位１１及び他方の部位１２が相対的な変位を測定することが可能である。
なお、実施の形態２においては、直線状に保持された光ファイバ２０の長手方向と直交する一軸上に可動部１４０の動きが規制される場合について説明したが、必ずしも直交に限らず、直線状に保持された光ファイバ２０の長手方向と交差する方向に動きが規制されていても良い。

また、光ファイバセンサは、光ファイバ２０に張力を付与する張力付与機構を有していても良い。図１４は、実施の形態２に係る光ファイバセンサ１０１の変形例１である光ファイバセンサ１０１Ａの概略説明図である。光ファイバセンサ１０１Ａは、試験光が入力される光ファイバ２０と、この光ファイバ２０を保持する光ファイバ保持部１３０Ａと、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に応じて動く可動部１４０と、光ファイバ２０に所定の張力を付与する張力付与機構８０Ａとを備えている。

光ファイバ保持部１３０Ａは、一方の部位１１に固定された第一固定部１３１Ａと、この第一固定部１３１Ａに固定され光ファイバ２０を保持する保持部１３２Ａとを有しており、保持部１３２Ａは対向配置されている。第一固定部１３１Ａは、一方の部位１１上に配置される底面部１３４と、この底面部１３４上にコの字状に形成された側面部１３５と、底面部１３４上に設けられたレール１３３（規制部）とを有している。可動部１４０は、前述のレール１３３（規制部）上に、配設されている。また、底面部１３４上には、光ファイバ２０を固定する固定部１３６が２か所設けられている。これらの固定部１３６の間に、張力付与機構８０Ａが配設されている。

張力付与機構８０Ａは、図１４に示すように、ばね部８１と、滑車部８２と、レール部８３とを備えている。
ばね部８１の一端は、第一固定部１３１の側面部１３５に接続され、ばね部８１の他端は、滑車部８２に接続されている。滑車部８２はレール部８３上を進退可能に配置されるとともに、この滑車部８３には光ファイバ２０がかけられている。レール部８３は、底面部１３４上に配設されており、一方向（図１４において左右方向）に延在している。

以上のような構成とされた光ファイバセンサ１０１Ａにおいて、初期状態のとき、光ファイバ２０は、固定部１３６によって固定されるとともに、張力付与機構８０Ａによって張力が付与された状態に維持されており、応力印加部１５０の周囲に配設された光ファイバ２０が直線状となっている。
図１５は、光ファイバセンサ１０１Ａにおいて、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２との距離が紙面左右方向に離れた状態を示す概略図である。測定対象物１０の一方の部位１１と他方の部位１２とが移動して左右方向の距離が離れた場合、一方の部位１１に対して可動部１４０が相対的に右向きに移動（変位）する。この例においては、上述した光ファイバセンサ１０１の場合よりも、可動部１４０が比較的大きく相対的に右に移動している。そして、光ファイバ２０が、応力印加部１５０により応力を印加されると、その応力に応じて滑車部８２がレール部８３上を進退する。このとき、滑車部８２は、ばね部８１に接続されているため、ばね部８２の付勢力によって、光ファイバ２０には、所定の範囲の大きさの張力が付与されるようになっている。このように、可動部１４０が比較的大きく移動して応力印加部１５０により光ファイバが比較的大きく変形しても、張力付与機構８０Ａによって光ファイバ２０に付与される張力は所定の範囲とされ、光ファイバ２０に過剰な張力が付与されることなく、光ファイバ２０を変形させることができる。

図１６は、実施の形態２に係る光ファイバセンサ１０１の変形例２である光ファイバセンサ１０１Ｂの概略説明図である。光ファイバセンサ１０１Ｂは、試験光が入力される光ファイバ２０と、この光ファイバ２０を保持する光ファイバ保持部１３０Ｂと、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に応じて動く可動部１４０と、光ファイバ２０に所定の張力を付与する張力付与機構８０Ｂと、を備えている。

光ファイバ保持部１３０Ｂは、一方の部位１１に固定された第一固定部１３１Ｂと、この第一固定部１３１Ｂに固定され光ファイバ２０を保持する保持部１３２Ｂとを有している。保持部１３２Ｂは、二つ配置されており、光ファイバ２０を保持している。光ファイバセンサ１０１Ｂにおいては、一方の光ファイバ保持部１３０Ｂから延びる光ファイバ２０は、底面部１３４上に設けられた支持点１３７を介して曲げられ、他方の光ファイバ保持部１３０Ｂへと延在している。第一固定部１３１Ｂは、一方の部位１１上に配置される底面部１３４と、この底面部１３４上にコの字状に形成された側面部１３５と、底面部１３４上に設けられたレール１３３（規制部）とを有している。可動部１４０は、前述のレール１３３（規制部）上に、配設されている。また、底面部１３４上には、光ファイバ２０を固定する固定部１３６が３か所設けられている。

張力付与機構８０Ｂは、図１６に示すように、光ファイバ２０に所定の張力を付与して光ファイバ２０を収容部に巻き取る巻き取り部８４（リール部）を備えている。
巻き取り部８４は、第一固定部１３１Ｂの底面部１３４上に配設されている。この巻き取り部８４は、光ファイバ２０を巻き取ると巻き取り径が変化する。なお、巻き取り部８４は、例えば渦巻きばね（ぜんまいばね）などである。

以上のような構成とされた光ファイバセンサ１０１Ｂにおいて、初期状態のとき、光ファイバは、固定部１３６によって光ファイバが固定されるとともに、張力付与機構８０Ｂによって張力が付与された状態に維持されており、応力印加部１５０の周囲に配設された光ファイバ２０が直線状となっている。
図１７は、光ファイバセンサ１０１において、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２との距離が紙面左右方向に離れた状態を示す概略図である。測定対象物１０の一方の部位１１と他方の部位１２とが移動して左右方向の距離が離れた場合、一方の部位１１に対して可動部１４０が相対的に右向きに移動（変位）する。そして、光ファイバ２０が、応力印加部１５０により応力を印加されると、その応力に応じてうずまきばねが収縮することにより、光ファイバ２０に付与される張力を所定の範囲に維持する。このように、可動部１４０が移動して応力印加部１５０により光ファイバ２０が比較的大きく変形しても、光ファイバ２０に付与される張力は所定の範囲とされ、光ファイバ２０に過剰な張力が付与されることなく、光ファイバ２０を変形させることができる。
なお、実施の形態１で説明した光ファイバセンサ１が、上述の張力付与機構を備える構成とすることも可能である。

なお、光ファイバ２０が接する応力印加部１５０は、種々の形状にすることができる。例えば、光ファイバセンサ１０１の応力印加部を、図１８に示すように、任意の曲率半径を持つ断面円弧状の形状を有する応力印加部１５１にすることにより、曲率半径に応じた曲げ損失を発生させることが可能となる。

また、光ファイバセンサ１０１の応力印加部を、図１９に示すように、鋭角部を有する三角形状の応力印加部１５２としても良い。この場合、一方の部位１１及び他方の部位１２が相対的に変位して光ファイバ２０が応力印加部１５２に接すると、三角形状の凸部により光ファイバ２０が強く曲げられるので、光強度の損失量をより大きくできる。さらには、一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に応じて、光ファイバ２０を断線させることもできる。断線が発生する際の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位量を、予め定めた限界変位量に合わせることにより、一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位の限界を警告する光ファイバセンサとすることも可能である。また、光ファイバ２０が接触した際に光ファイバ２０を切断する刃を有する刃部を応力印加部としても良い。

また、光ファイバセンサ１、１０１の内部に使用する光ファイバ２０としては、様々な特性の光ファイバを用いることができる。
測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位を測定するために、光ファイバセンサ中の光ファイバの変形による損失変化を検出する場合、光ファイバの変形に対してより敏感に損失が変化する光ファイバの方が、その変化を捉えやすい。図２０は、光ファイバセンサ１中の光ファイバとして、光ファイバセンサ１と光源の間の光ファイバ伝送路の光ファイバよりも曲げ損失が大きい光ファイバ（例えば、光ファイバ伝送路で使用されている光ファイバがＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２に規定された光ファイバである場合は、曲げ損失特性として波長１５５０ｎｍにおいて曲げ半径３０ｍｍ、巻き数１００での最大損失が０．１ｄＢより大きい特性を有する光ファイバ）を用い、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に対する、光ファイバセンサの出力光強度の経時的な変化を測定した結果を示す図である。通常の１．３μｍ帯にゼロ分散波長を持つシングルモード光ファイバを用いた場合（図８参照）に比べ、損失量が大きく測定対象物の変位をより高感度に測定できることがわかる。

また、光ファイバセンサ１、１０１中の光ファイバ２０の破断を検出することを目的とした場合は、曲げ損失の少ない光ファイバを用いることが有効である。その理由を以下に説明する。まず、曲げ損失の少ない光ファイバを用いる場合、光ファイバ２０が応力印加部５０に接することによって変形した際、損失の発生が少ない。曲げ損失の少ない光ファイバの一例として、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５７に規定された光ファイバが挙げられる。

ここで、複数の光ファイバセンサを直列に接続した光ファイバセンサシステムを構成し、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の変位がある限界点に達した場合に、警告を検出することを目的とした場合、一方の部位１１及び他方の部位１２の変位が限界点まで達する過程での光ファイバの変形による損失は少ない方が望ましい。その理由は、複数の光ファイバセンサを直列に接続した場合は、或る場所に設けられた光ファイバセンサで上記光ファイバの変形による試験光の損失が発生すると、当該光ファイバセンサよりも光源から離れた位置にある光ファイバセンサに到達する試験光の強度がその損失分だけ低くなるので、当該光源から離れた位置にある光ファイバセンサでは強度変化を検出しづらくなるためである。

図２１は通常の１．３μｍ帯にゼロ分散波長を持つシングルモード光ファイバを光ファイバ２０として用いた複数の光ファイバセンサ１を直列に接続したときのＯＴＤＲ波形である。ここでは、光ファイバセンサ１は距離１７００ｍ、３０００ｍ、４０００ｍの位置に配設されている。ここで、距離１７００ｍ、３０００ｍの位置の各光ファイバセンサ１で損失が発生しているため光強度が大きく減少している。そのため、距離４０００ｍの位置に配設された遠端での光ファイバセンサ１に到達した光強度は微弱となり光ファイバセンサ中での損失変化を高感度に観測できず、ある限界変位に達してファイバ破断が発生してもそれによる損失変化を検出することが難しい。

図２２はＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５７に規定された曲げ損失の少ない光ファイバを光ファイバ２０として用いた複数の光ファイバセンサ１を直列に接続したときのＯＴＤＲ波形である。ここでも、光ファイバセンサ１は距離１７００ｍ、３０００ｍ、４０００ｍの位置に配設されている。距離１７００ｍ、３０００ｍの位置に配設された各光ファイバセンサ１中において、上述の通常のシングルモード光ファイバを用いた時と同様の変形が光ファイバ２０に生じているが、損失はほとんど発生していない。そのため遠端の光ファイバセンサ１においても測定に必要な光強度で試験光が伝搬しており、破断が発生した場合には顕著な損失変化を検出することができる。なお、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５７に規定された光ファイバを用いた場合、破断寸前まで損失が発生しないことがあるので好ましい。

また、ＯＴＤＲ装置により光ファイバセンサ中の光ファイバの損失変化を測定する際には、ＯＴＤＲ波形上で光ファイバセンサ中の光ファイバの位置を特定することは重要である。そのため、光ファイバセンサ中に使用される光ファイバ２０として、光源から光ファイバセンサ間、及び光ファイバセンサ同士の間を接続している光ファイバ伝送路とは異なる光学特性を持つ光ファイバを用いることで、ＯＴＤＲ波形上での光ファイバセンサの位置を容易に特定することができる。

図２３は、光ファイバセンサ１中の光ファイバ２０として、光ファイバ伝送路の光ファイバとはモードフィールド径（ＭＦＤ）が異なる光ファイバを用いた場合のＯＴＤＲ波形を示す図である。ここで、光ファイバ伝送路の光ファイバは通常の１．３μｍ帯にゼロ分散波長を持つシングルモード光ファイバであり、波長１５５０ｎｍにおいてＭＦＤは１０μｍ程度である。光ファイバセンサ中に用いた光ファイバのＭＦＤは４μｍである。上述のようにＭＦＤが異なる光ファイバが接続された構成でＯＴＤＲ波形を観測すると、接続部分で強度の段差が観測される。
一般にＭＦＤが小さな光ファイバよりも大きな光ファイバの方が、後方散乱光の発生する割合である後方散乱係数が小さく、ＭＦＤが小さなファイバから大きなファイバに入射した場合は、接続部での損失が大きく観測され、逆にＭＦＤが大きな光ファイバから小さな光ファイバに入射した場合、接続部で光強度は増幅されたように大きくなる。このようにＭＦＤの異なる光ファイバを接続することにより、ＯＴＤＲ波形上において接続点をより明確に確認することができ、光ファイバセンサシステムにおける光ファイバセンサの特定が容易になる。

また、伝送損失が異なる光ファイバを用いることでも、光ファイバセンサシステムにおける光ファイバセンサの位置の特定が容易となる。
図２４は、光ファイバセンサ１中の光ファイバ２０として光ファイバ伝送路の光ファイバよりも伝送損失が大きなファイバを用いた場合のＯＴＤＲ波形を示す図である。ここで、光ファイバ伝送路の光ファイバは通常の１．３μｍ帯にゼロ分散波長を持つシングルモード光ファイバであり、伝送損失は約０．２ｄＢ／ｋｍである。また、光ファイバセンサ１中に用いた光ファイバ２０（距離１６９５ｍ〜１７００ｍの位置に相当）の伝送損失は約２．０ｄＢ／ｋｍであり、ＯＴＤＲ波形上では距離に対する光強度変化の傾きの違いから光ファイバセンサの位置を特定することが容易になる。

また、曲げ損失やカットオフ波長が異なる光ファイバを用いてもよい。この場合、例えば光ファイバセンサ中の光ファイバとして、光ファイバ伝送路のファイバよりも曲げ損失が大きい光ファイバを用いることで、光ファイバセンサでは変位に対する測定の感度を高めつつ、光ファイバ伝送路では敷設の際等に発生する曲げによる試験光の減衰を抑制することができる。なお、カットオフ波長が異なる光ファイバを用いることで、曲げ損失を異ならせることができる。たとえば、或る波長での光ファイバの曲げ損失を決定するパラメータとしては、（ＭＦＤ／λｃ）がある。ここで、ＭＦＤはその波長での光ファイバのモードフィールド径であり、λｃはカットオフ周波数である。（ＭＦＤ／λｃ）が小さい方が曲げ損失が小さくなる。

なお、上述のように、光センサファイバに用いられる光ファイバ２０を光学特性の異なる光ファイバとする場合に、光ファイバ２０のうち、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に応じて変形する部分をセンサ光ファイバ部とすると、このセンサ光ファイバ部の光学特性が、光ファイバ２０に接続される光ファイバ伝送路７３（試験光伝送用光ファイバ）の光学特性と異なるようにしても良い。

また、光ファイバセンサは光ファイバの余長分を収容する収納部を備えていても良い。光源からの光を伝搬させる光ファイバ伝送路との入力接続部分から応力印加部に接する光ファイバとの間に試験光としてのパルス光の時間幅（パルス幅）に相当する時間に該パルス光が伝搬する長さ以上の距離の光ファイバを備えることができる。

図２５に、第一固定部３１と応力印加部５０との間に光ファイバ２０の余長を収容する収納部８５を持ち、この収納部８５に光ファイバ２０が収納されている光ファイバセンサ２０１を示す。

光ファイバセンサ２０１を直列に二つ接続し、これら二つの光ファイバセンサ２０１において応力印加部５０により光ファイバ２０が変形した状態において、ＯＴＤＲ装置により光ファイバセンサ近傍での後方散乱光を測定した結果を図２６、図２７に示す。ＯＴＤＲ装置はパルス幅に相当する距離（パルス幅に相当する時間の間にパルス光が光ファイバ中を進む距離）が波形上での距離分解能（距離方向で識別できる最小距離）の目安とされている。ＯＴＤＲ装置におけるパルス幅Δｔと距離分解能Δｚの関係は、一般にΔｚ＝Δｔ×ｃ/ｎ（ｃ：光速、ｎ：光ファイバの実効屈折率）で表される。そのため、ＯＴＤＲ装置が出力するパルス光のパルス幅に相当する距離以上の長さの光ファイバ２０を、応力印加部５０と第一固定部３１との間に配設することにより、ＯＴＤＲ波形上で光ファイバセンサの位置の特定が容易になる。

図２６は、光ファイバセンサが第一固定部３１と応力印加部５０の間に余分な光ファイバ条長を持たない状態でのＯＴＤＲ波形であり、図２７は、光ファイバセンサ２０１が第一固定部３１と応力印加部５０の間に余長分として２０ｍの光ファイバ２０を有する状態で測定したＯＴＤＲ波形である。ＯＴＤＲ波形を測定した際の光パルスの時間幅は５０ｎｓであり、距離分解能として５ｍに相当する。図２６と図２７とを比較すると、図２６では二つの光ファイバセンサでの損失変化の位置を分別することが困難であるのに対し、図２７では二つの光ファイバセンサそれぞれで発生している損失発生位置を明確に特定することができている。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る光ファイバセンサについて説明する。図２８は、本発明の実施の形態３に係る光ファイバセンサ３０１の概略説明図である。なお、上述の実施の形態と同様の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。この光ファイバセンサ３０１は、試験光が入力される光ファイバ２０と、この光ファイバ２０を保持する光ファイバ保持部３０と、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に応じて動く可動部４０と、を備えている。
光ファイバ保持部３０は、一方の部位１１に固定されたコの字状の第一固定部３１と、この第一固定部３１に固定され光ファイバを保持する保持部３１とを有している。この保持部３２は対向配置され、光ファイバ２０を直線状に保持するようになっている。

可動部４０は、他方の部位１２に固定されており、一方の部位１１側に向けて直線状に伸びている。可動部４０は、第二固定部４１を介して他方の部位１２に固定されている。可動部４０は、光ファイバ２０に応力を印加する応力印加部５０を有している。

そして、光ファイバ２０は、応力印加部５０によって変形する部分（センサ光ファイバ部）にファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）９０を有している。また、本実施形態において、第一固定部３１と可動部４０とが、ベアリング機構６０を介して連結されている。

次に、実施の形態３に係る光ファイバセンサ３０１の作用について説明する。図２９は、光ファイバセンサ３０１において、測定対象物１０の一方の部位１１と他方の部位１２との距離が、紙面左右方向に離れた場合を示す概略図である。測定対象物１０の一方の部位１１と他方の部位１２とが移動して左右方向の距離が離れた場合、一方の部位１１に対して可動部４０が相対的に右向きに移動する。このとき、光ファイバ保持部３０に保持された光ファイバ２０は、応力印加部５０によって右向きに応力を印加され、応力印加部５０の面に沿って曲げられた形状となる。このとき、光ファイバ２０が有するファイバブラッググレーティング９０に張力が付与される。ファイバブラッググレーティング９０は、光ファイバ中のコアの屈折率が周期的に変化をしている格子構造を有しており、周期に対応した特定の波長の光を反射する特性を有している。光ファイバの変形によってファイバブラッググレーティング９０に張力がかかり、周期的格子間隔が変化すると反射する光の波長も変化する。このため、後方に反射される光の波長の変化量を観測すれば光ファイバ２０の歪量を求めることができる。この歪量は測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位量に対応している。

図３０は、実施の形態３に係る光ファイバセンサ３０１を用いた光ファイバセンサシステム２０２の概略説明図である。第三の実施形態に係る光ファイバセンサシステム２０２は、光ファイバセンサ３０１と、試験光を出力する光源７１と、光源７１及び光ファイバセンサ３０１を接続する光ファイバ伝送路７３と、光源７１と光ファイバセンサ３０１との間における光ファイバ伝送路７３に設けられた光サーキュレータ７６と、光サーキュレータ７６から光分岐される光の波長を測定する光波長測定器７５と、を備えている。
この光ファイバセンサシステム２０２においては、光源７１は、試験光として、少なくともファイバブラッググレーティング９０が反射する特定の波長の成分を含む光を出力する。光ファイバセンサ３０１中のファイバブラッググレーティング９０は、試験光が入力されると、試験光に含まれる特定の波長の成分の光を反射する。そして、ファイバブラッググレーティング９０からの反射光を、サーキュレータ７６を介して光ファイバ伝送路７３から出力し、光波長測定器７５で受光し波長を測定する。光波長測定器７５としては、一般に、波長計や光スペクトラムアナライザが使用される。

図３１は、実施の形態３に係る光ファイバセンサシステム２０２を用いて、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に対する、光ファイバセンサ３０１中のファイバブラッググレーティング９０から反射された光の波長の変化を測定した結果を示す図である。ここで、光源７１として波長１．５５μｍ帯の比較的スペクトル幅の広い光を出力するＬＥＤ光源を用いている。また、測定する際に、光ファイバ２０が変形していない初期状態を、測定対象物１０の一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位が０の状態と設定している。図３１に示すように、一方の部位１１及び他方の部位１２の相対的な変位に対して反射光の波長がシフトしていることが確認される。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。
上述した光ファイバセンサ、及び光ファイバセンサシステムの具体的な使用例として、例えば橋梁に対する歪検知が挙げられる。例えば、図３２に示すように、橋脚１５上に設置された第一の床板１６及び第二の床板１７の相対的な変位を測定する光ファイバセンサ１及び光ファイバセンサシステム２として用いることができる。図３２の上の図は第一の床板１６及び第二の床板１７が相対的に変位する前の状態を示し、図３２の下の図は第一の床板１６及び第二の床板１７が相対的に変位した後の状態を示している。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５に係る光ファイバセンサシステムについて説明する。図３３は、本発明の実施の形態５に係る光ファイバセンサシステム３０２の概略説明図である。この光ファイバセンサシステム３０２は、試験光を出力する光源７１と、複数の試験光を受光する受光器７２と、複数の光ファイバセンサ１と、これらを接続する光ファイバ伝送路７３とを備えている。複数の光ファイバセンサ１は、光ファイバ伝送路７３に直列に接続されている。また、それぞれの光ファイバセンサ１は、橋梁などのそれぞれの測定対象物１０に取り付けられている。なお、光源７１の出力側には試験光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する光分岐器７８が接続されている。図３３では、光分岐器７８に接続された１系統の複数の光ファイバセンサ１およびこれらを接続する光ファイバ伝送路７３を図示しているが、光分岐器７８には他に最大で（Ｎ−１）系統の不図示の複数の光ファイバセンサ１およびこれらを接続する光ファイバ伝送路７３が接続されており、これらの系統には図示する受光器７２がそれぞれ接続されている。
光ファイバセンサシステム３０２においては、光源７１から出力された光は各系統の光ファイバ伝送路７３を伝搬し、各系統の複数の光ファイバセンサ１を透過し、受光器７２で光強度が観測される。各系統の測定対象物１０において何らかの変位が発生すると、各系統の受光器７２で検出される光強度に変化が現れる。その変化を観測することによって各系統の測定対象物１０に発生した変位を検知することができる。

（実施の形態６）
次に、実施の形態６に係る光ファイバセンサシステムについて説明する。図３４は、本発明の実施の形態６に係る光ファイバセンサシステム４０２の概略説明図である。実施の形態６に係る光ファイバセンサシステム４０２は、複数の光ファイバセンサ１と、試験光を出力するとともに光ファイバセンサ１から発生する後方散乱光を受光するＯＴＤＲ装置７４と、ＯＴＤＲ装置７４及び複数の光ファイバセンサ１を接続する光ファイバ伝送路７３とを備えている。複数の光ファイバセンサ１は、光ファイバ伝送路７３に直列に接続され、各光ファイバセンサ１は、各測定対象物１０に取り付けられている。なお、ＯＴＤＲ装置７４の出力側には試験光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する光分岐器７８が接続されている。図３４では、光分岐器に接続された１系統の複数の光ファイバセンサ１およびこれらを接続する光ファイバ伝送路７３を図示しているが、光分岐器には他に最大で（Ｎ−１）系統の不図示の複数の光ファイバセンサ１およびこれらを接続する光ファイバ伝送路７３が接続されている。

光ファイバセンサシステム４０２においては、ＯＴＤＲ装置７４から出力されたパルス光は、各系統の光ファイバ伝送路７３を伝搬し、各系統の複数の光ファイバセンサ１を透過し、終端まで達する。ＯＴＤＲ装置７４から終端までの光ファイバ伝送路７３及びそれらの間に配置された光ファイバセンサ１中からのレーリー散乱による後方散乱光は、ＯＴＤＲ装置７４側に進んでいく。ＯＴＤＲ装置７４では戻り光を受光し、遅延時間の違いから距離に対する各系統の光強度の変化を算出する。これにより、各光ファイバセンサ１の位置における光強度の変化を観測することにより、各系統の測定対象物１０に発生した変位を同時に観測することができる。

（実施の形態７）
次に、実施の形態７に係る光ファイバセンサシステムについて説明する。図３５は、本発明の実施の形態７に係る光ファイバセンサシステム５０２を示す図である。光ファイバセンサシステム５０２は、複数の光ファイバセンサ１と、試験光を出力するとともに光ファイバセンサ１から発生する後方散乱光を受光するＯＴＤＲ装置７４と、ＯＴＤＲ装置７４及び複数の光ファイバセンサ１を接続する光ファイバ伝送路７３とを備えている。光ファイバ伝送路７３は、光分岐器７８を介してＯＴＤＲ装置７４に接続された主光ファイバ伝送路７３ａと、主光ファイバ伝送路７３ａから分岐した複数の分岐光ファイバ伝送路７３ｂとを有し、主光ファイバ伝送路７３ａから光分岐器７７を介して分岐光ファイバ伝送路７３ｂが分岐されている。各光ファイバセンサ１は、分岐光ファイバ伝送路７３ｂを介して主光ファイバ伝送路７３ａに接続されているとともに、各測定対象物１０に取り付けられている。なお、ＯＴＤＲ装置７４の出力側には試験光をＮ分岐（Ｎは２以上の整数）する光分岐器７８が接続されている。図３５では、光分岐器に接続された１系統の複数の光ファイバセンサ１およびこれらを接続する光ファイバ伝送路７３を図示しているが、光分岐器には他に最大で（Ｎ−１）系統の不図示の複数の光ファイバセンサ１およびこれらを接続する光ファイバ伝送路７３が接続されている。

以上のような構成とされた光ファイバセンサシステム５０２においては、ＯＴＤＲ装置７４から出力されたパルス光は、各系統の主光ファイバ伝送路７３ａを伝播し、光分岐器７７により分割されて分岐光ファイバ伝送路７３ｂを通って各系統の各光ファイバセンサ１に入射される。このとき各光ファイバセンサ１の出力側には何も接続されず終端となっている。各光ファイバセンサ１からの後方散乱光は、分岐光ファイバ伝送路７３ｂ、光分岐器７７、主光ファイバ伝送路７３ａを通りＯＴＤＲ装置７４に戻っていく。ＯＴＤＲ装置７４では、戻り光を受光し遅延時間の違いから距離に対する各系統の光強度の変化を算出する。この場合、観測されるＯＴＤＲ波形では光分岐器７７から光ファイバセンサ１の終端の間で後方散乱される光は、光分岐器７７間を接続する主光ファイバ伝送路７３ａのうち、ＯＴＤＲ装置７４からの距離が、当該光分岐器７７から光ファイバセンサ１の終端の間のＯＴＤＲ装置７４からの距離と等しい部分からの後方散乱光と合波された強度として観測されている。

しかしながら、光ファイバセンサ１の部分と、ＯＴＤＲ装置７４からの距離の上で重なった主光ファイバ伝送路７３ａでの後方散乱光の強度変動は、光ファイバセンサ１における測定対象物１０の変位による光強度変動よりも微小であるため、合波された強度として示されるＯＴＤＲ波形上でも光ファイバセンサ１の位置における強度変動が生じた場合は、測定対象物１０の変位が要因であることは明確に識別可能である。また、光ファイバセンサシステム５０２おいては、光ファイバセンサシステム４０２と比較して、各光ファイバセンサ１に入射される光強度は一定であり各光ファイバセンサ１で発生する光強度変動の影響を受けない。そのため、ＯＴＤＲ波形上では光ファイバセンサ１間を伝搬する光ファイバ伝送路７３上での強度は、その伝送損失に応じて距離に対してほぼ一定であり、各光ファイバセンサ１の位置における強度変動は、その光ファイバセンサ１自身での強度変動すなわち測定対象物１０の変位のみを反映していることになる。

図３６、図３７に、光ファイバセンサシステム４０２及び光ファイバセンサシステム５０２で観測されたＯＴＤＲ波形の例を示す。図３６は光ファイバセンサシステム４０２を用いた測定結果であり、図３７は光ファイバセンサシステム５０２を用いた測定結果である。図３６に示すように、光ファイバセンサシステム４０２では、ある光ファイバセンサ１で損失が発生すると、その光ファイバセンサ１の試験光の出力側では光強度が低下して伝播していくので、それよりもＯＴＤＲ装置７４から離れた光ファイバセンサ１に到達する試験光および当該光ファイバセンサ１から戻ってくる後方散乱光の強度が低下することになる。さらには、複数の光ファイバセンサ１で損失が発生しているとその損失は累積して試験光及び後方散乱光の強度低下を発生させる。なお、図３６において、破線で囲まれた領域が光ファイバセンサ１での光損失を示している。

一方、図３７に示すように、光ファイバセンサシステム５０２では、ある光ファイバセンサ１で損失が発生しても、それより離れた光ファイバセンサ１に到達する試験光は、当該損失が発生した光ファイバセンサ１を通ったものではなく、主光ファイバ伝送路７３ａを伝搬して到達したものなので、図３６のような試験光および後方散乱光の強度の低下や損失の累積の影響などが発生しないこととなる。
そして、光ファイバセンサ１中の光ファイバ２０の応力印加部５０との接触でファイバが切断された場合には、光ファイバセンサシステム４０２の構成では光ファイバ２０が切断された光ファイバセンサ１の後方からの戻り光は観測できなくなるが、光ファイバセンサシステム５０２の場合は光ファイバ２０が切断された光ファイバセンサ１からの光強度が低下するのみで、それより後方での光ファイバセンサ１には影響を及ぼさない。

なお、上記実施の形態では、試験光の波長を１．５５μｍ帯としている。その理由は、１．５５μｍ帯は、通常の１．３μｍ帯にゼロ分散波長を持つシングルモード光ファイバの伝送損失が最も低い波長帯域であるからある。ただし、試験光の波長はこれに限られない。たとえば、試験光の波長を１．６μｍ帯のように、１．５５μｍ帯よりも長い波長としてもよい。この場合、光ファイバの曲げ損失は試験光の波長が１．５５μｍ帯の場合よりも大きくなるので、より高感度の測定を行うことができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１、１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ、２０１、３０１ 光ファイバセンサ
２、１０２、２０２、３０２、４０２ 光ファイバセンサシステム
１０ 測定対象物
１１ 一方の部位
１２ 他方の部位
１５ 橋脚
１６ 第一の床板
１７ 第二の床板
２０ 光ファイバ
３０、１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ 光ファイバ保持部
３１、１３１、１３１Ａ、１３１Ｂ 第一固定部
３２、１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ 保持部
４０、１４０ 可動部
４１ 第二固定部
４２ ボール受け溝
５０、１５０、１５１、１５２ 応力印加部
６０ ベアリング機構（規制部）
６１ ベアリング部
６２ ボール部
６３ ボール受け溝
６４ 貫通孔
７１ 光源
７２ 受光器
７３ 光ファイバ伝送路
７３ａ 主光ファイバ伝送路
７３ｂ 分岐光ファイバ伝送路
７４ ＯＴＤＲ装置
７５ 光波長測定器
７６ サーキュレータ
７７、７８ 光分岐器
８０Ａ、８０Ｂ 張力付与機構
８１ ばね部
８２ 滑車部
８３ レール部
８４ 巻き取り部（リール部）
８５ 余長収納部
９０ ファイバブラッググレーティング
１３３ レール（規制部）
１３４ 底面部
１３５ 側面部
１３６ 固定部
１３７ 支持点

Claims (17)

1. 測定対象物の一方の部位及び他方の部位に跨って設けられ、これら一方の部位及び他方の部位の相対的な変位を測定する光ファイバセンサであって、
   試験光が入力される光ファイバと、
   前記測定対象物の一方の部位に固定され、前記光ファイバを保持する光ファイバ保持部と、
   前記測定対象物の他方の部位に固定されるとともに、前記光ファイバに応力を印加する応力印加部を有し、かつ、前記測定対象物の一方の部位及び他方の部位の相対的な変位に応じて動く可動部と、を備え、
   前記応力印加部は、前記光ファイバに対して少なくとも前記変位する向きとは反対側に配設されており、
   前記測定対象物の一方の部位及び他方の部位が相対的に変位したときに、前記応力印加部が前記光ファイバに接触し、該光ファイバが変形することを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 前記可動部の動きが前記光ファイバ保持部に直線状に保持された光ファイバの長手方向と交差する一軸上になるように、前記可動部の動きを規制する規制部を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 前記可動部の動きが前記光ファイバ保持部に直線状に保持された光ファイバの長手方向と交差する面上になるように、前記可動部の動きを規制する規制部を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
4. 前記応力印加部は、前記可動部に着脱可能に設けられ、かつ、前記光ファイバとの初期の距離を変更可能とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
5. 前記光ファイバは、前記測定対象物の一方の部位及び他方の部位の相対的な変位に応じて変形するセンサ光ファイバ部を備え、前記センサ光ファイバ部の光学特性が、該光ファイバに接続される試験光伝送用光ファイバの光学特性と異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
6. 前記センサ光ファイバ部と前記試験光伝送用光ファイバとのモードフィールド径が異なることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバセンサ。
7. 前記センサ光ファイバ部と前記試験光伝送用光ファイバとのカットオフ波長が異なることを特徴とする請求項５または６に記載の光ファイバセンサ。
8. 前記センサ光ファイバ部と前記試験光伝送用光ファイバとの曲げ損失特性が異なることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
9. 前記センサ光ファイバ部と前記試験光伝送用光ファイバとの伝送損失特性が異なることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
10. 前記試験光がパルス光であって、
    前記光ファイバの余長分を収容する収納部を備え、
    前記光ファイバの余長分は、前記パルス光の時間幅に相当する時間に該パルス光が伝搬する長さ以上の長さを有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
11. 前記試験光は、前記光ファイバの伝送損失が最も低い波長帯域よりも長い波長を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
12. 前記光ファイバにおいて、前記測定対象物の一方の部位及び他方の部位の相対的な変位に応じて変形するセンサ光ファイバ部にファイバブラッググレーティングを設けたことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
13. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の光ファイバセンサと、
    前記試験光を出力する光源と、
    前記光ファイバセンサの前記光ファイバを透過した試験光を受光することができる受光器と、
    前記光源と前記光ファイバセンサとを接続する第１光ファイバ伝送路と、前記光ファイバセンサと前記受光器とを接続する第２光ファイバ伝送路とを有する光ファイバ伝送路と、
    を備えることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
14. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の光ファイバセンサと、
    前記試験光を出力するとともに、該光ファイバセンサから発生する後方散乱光を受光するＯＴＤＲ装置と、
    前記ＯＴＤＲ装置と前記光ファイバセンサとを接続する光ファイバ伝送路と、
    を備えることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
15. 請求項１２に記載の光ファイバセンサと、
    前記試験光を出力する光源と、
    前記光源と前記光ファイバセンサとを接続する光ファイバ伝送路と、
    前記試験光のうち光ファイバセンサのファイバブラッググレーティングにより反射された反射光が入力され、該反射光の波長を測定する光波長測定器と、
    を備えることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
16. 請求項１３から１５のいずれか一項に記載の光ファイバセンサシステムにおいて、前記光ファイバセンサを複数備え、
    前記複数の光ファイバセンサが、前記光ファイバ伝送路に直列に接続されていることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
17. 請求項１４または１５に記載の光ファイバセンサシステムにおいて、
    前記光ファイバセンサを複数備え、
    前記光ファイバ伝送路は、主光ファイバ伝送路と、前記主光ファイバ伝送路から分岐した複数の分岐光ファイバ伝送路とを有し、
    前記ＯＴＤＲ装置または前記光源は、前記主光ファイバ伝送路に接続されており、
    前記複数の光ファイバセンサは、それぞれ、前記分岐光ファイバ伝送路を介して前記主光ファイバ伝送路に接続されていることを特徴とする光ファイバセンサシステム。

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