(57)【要約】【課題】従来のセンサ用ファイバと同様に高感度でありながら、さらに容易に製造することが可能なセンサ用ファイバとその製造方法並びにそれを組み込んだセンサシステムを提供する。【解決手段】光伝送路として配設される光ファイバである本線体１０の中途部に、光ファイバであるセンサ部２０が接続されている。センサ部２０は、本線体１０のコア１１の径より小さなコアを有するセンサ中央部２３と、本線体１０とセンサ中央部２３の間において本線体１０からセンサ中央部２３にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部２４とを含み、本線体から入射する光をセンサ部２０においてリークさせる構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝送路として配設される光ファイバである本線体と、
前記本線体の中途部に接続された光ファイバであるセンサ部と
を有し、
前記センサ部は、前記本線体のコア径より小さなコア径を有するセンサ中央部と、前記本線体と前記センサ中央部の間において前記本線体から前記センサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含み、
前記本線体から入射する光を前記センサ部においてリークさせてなる
センサ用ファイバ。
【請求項２】
前記本線体の前記光ファイバと前記センサ部の前記光ファイバとの伝送モードが異なる
請求項１に記載のセンサ用ファイバ。
【請求項３】
前記センサ部が前記本線体の中途部に規則的または不規則的な間隔で多数個接続されている
請求項１または２に記載のセンサ用ファイバ。
【請求項４】
前記センサ部が前記本線体の中途部に１個接続されている
請求項１または２に記載のセンサ用ファイバ。
【請求項５】
センサ用ファイバの本線体である所定の径のコアを有する光ファイバの一部を加熱して軟化させる工程と、
前記軟化させた領域の前記光ファイバを前記光ファイバの延伸方向に引っ張ることにより、前記本線体のコアの径より小さなコアを有するセンサ中央部と、前記本線体と前記センサ中央部の間において前記本線体から前記センサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含むセンサ部を、前記本線体の中途部に接続して設ける工程と
を有するセンサ用ファイバの製造方法。
【請求項６】
センサ用光ファイバと、センサ用光ファイバの後方散乱光を利用してセンサ用光ファイバの配設ラインの周囲の情報を検出する測定機器とを備えてなるセンサシステムであって、
前記センサ用光ファイバは、光伝送路として配設される光ファイバである本線体と、前記本線体の中途部に接続された光ファイバであるセンサ部とを有し、前記センサ部は、前記本線体のコアの径より小さなコアを有するセンサ中央部と、前記本線体と前記センサ中央部の間において前記本線体から前記センサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含み、前記本線体から入射する光を前記センサ部においてリークさせてなる
センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサ用ファイバおよびその製造方法並びにセンサシステムに関し、特に、ヘテロコアセンサ部を有するセンサ用ファイバと、その製造方法、並びにこのセンサ用ファイバを備えたセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバの光伝送路情報の検出手段として、OTDR（Optical Time Domain Reflectometry）法がある。この手段は、光ファイバにレーザ光等の光パルスを入射させ、光伝送の途中から入射側（後方）に反射して戻ってくる後方散乱光を時間分解して測定するもので、光伝送路の任意の位置の情報を実時間で測定することができるものである。
【０００３】
この検出手段を利用するものとしては、測定機器であるOTDR装置に光ファイバを接続して光伝送路として配設するとともに線状センサとして機能させ、後方散乱光のうち温度依存性の高いラマン散乱光を利用して、光ファイバの配設ライン周囲の温度に係る情報を検出したり、後方散乱光のうち散乱強度の高いレーリ散乱光を利用して、光ファイバの配設ライン周囲の歪みに係る情報を検出する技術が知られている。
【０００４】
なお、ラマン散乱光については、散乱強度が微弱で入射光の波長と散乱光の波長とが異なるという特徴があり、測定機器であるOTDR装置や付属機器が複雑で高価になる傾向がある。このため、レーリ散乱光を利用する技術の汎用化が期待されている。
【０００５】
前述の従来のレーリ散乱光を利用する技術では、レーリ散乱光が温度、歪み等に対する検出感度が低いという特徴から、光ファイバの配設ライン周囲の温度、歪み等に係る情報を検出する手段としての実用化が困難であるという問題点がある。
【０００６】
上記の問題点を解決して、レーリ散乱光によるOTDR法を利用した検出情報の検出感度を高めることのできるセンサ用ファイバとして、特許文献１に、光伝送路として配設される光ファイバである本線体と、本線体の中途部に融着により接続され本線体のコアと径の異なるコアを有した長さの短い光ファイバであるセンサ素子とを備え、本線体とセンサ素子との界面で光をリークさせてなるセンサ用光ファイバが開示されている。
しかし、上記の特許文献１に記載のセンサ用ファイバ同様に高感度でありながら、さらに容易に製造可能なセンサ用ファイバが求められている。
【特許文献１】特許掲載公報３１８０９５９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上記のセンサ用ファイバと同様に高感度でありながら、さらに容易に製造することが可能なセンサ用ファイバとその製造方法、並びにそのセンサ用ファイバを用いたセンサシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセンサ用ファイバは、光伝送路として配設される光ファイバである本線体と、前記本線体の中途部に接続された光ファイバであるセンサ部とを有し、前記センサ部は、前記本線体のコアの径より小さなコアを有するセンサ中央部と、前記本線体と前記センサ中央部の間において前記本線体から前記センサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含み、前記本線体から入射する光を前記センサ部においてリークさせてなる。
【０００９】
上記の本発明のセンサ用ファイバは、光伝送路として配設される光ファイバである本線体の中途部に、光ファイバであるセンサ部が接続されている。センサ部は、本線体のコアの径より小さなコアを有するセンサ中央部と、本線体とセンサ中央部の間において本線体からセンサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含み、本線体から入射する光をセンサ部においてリークさせる構成となっている。
【００１０】
上記の本発明のセンサ用ファイバは、好適には、前記本線体の前記光ファイバと前記センサ部の前記光ファイバとの伝送モードが異なる。
【００１１】
上記の本発明のセンサ用ファイバは、好適には、前記センサ部が前記本線体の中途部に規則的または不規則的な間隔で多数個接続されている。
あるいは、好適には、前記センサ部が前記本線体の中途部に１個接続されている。
【００１２】
また、本発明のセンサ用ファイバの製造方法は、センサ用ファイバの本線体である所定の径のコアを有する光ファイバの一部を加熱して軟化させる工程と、前記軟化させた領域の前記光ファイバを前記光ファイバの延伸方向に引っ張ることにより、前記本線体のコアの径より小さなコアを有するセンサ中央部と、前記本線体と前記センサ中央部の間において前記本線体から前記センサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含むセンサ部を、前記本線体の中途部に接続して設ける工程とを有する。
【００１３】
上記の本発明のセンサ用ファイバの製造方法は、まず、センサ用ファイバの本線体である所定の径のコアを有する光ファイバの一部を加熱して軟化させる。
次に、軟化させた領域の光ファイバを光ファイバの延伸方向に引っ張ることにより、本線体のコアの径より小さなコアを有するセンサ中央部と、本線体とセンサ中央部の間において本線体からセンサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含むセンサ部を、本線体の中途部に接続して設ける。
【００１４】
また、本発明のセンサシステムは、センサ用光ファイバと、センサ用光ファイバの後方散乱光を利用してセンサ用光ファイバの配設ラインの周囲の情報を検出する測定機器とを備えてなるセンサシステムであって、前記センサ用光ファイバは、光伝送路として配設される光ファイバである本線体と、前記本線体の中途部に接続された光ファイバであるセンサ部とを有し、前記センサ部は、前記本線体のコアの径より小さなコアを有するセンサ中央部と、前記本線体と前記センサ中央部の間において前記本線体から前記センサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含み、前記本線体から入射する光を前記センサ部においてリークさせてなる。
【００１５】
上記の本発明のセンサシステムは、センサ用光ファイバと、センサ用光ファイバの後方散乱光を利用してセンサ用光ファイバの配設ラインの周囲の情報を検出する測定機器とを備えている。
ここで、上記のセンサ用ファイバは、光伝送路として配設される光ファイバである本線体の中途部に、光ファイバであるセンサ部が接続されている。センサ部は、本線体のコアの径より小さなコアを有するセンサ中央部と、本線体とセンサ中央部の間において本線体からセンサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含み、本線体から入射する光をセンサ部においてリークさせる構成となっている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のセンサ用ファイバは、上記の従来のセンサ用ファイバと同様に高感度でありながら、さらに容易に製造することが可能なセンサ用ファイバである。
【００１７】
本発明のセンサ用ファイバの製造方法によれば、上記の従来のセンサ用ファイバと同様に高感度なセンサ用ファイバを、さらに容易に製造することが可能である。
【００１８】
本発明のセンサシステムは、上記の従来のセンサ用ファイバと同様に高感度でありながら、さらに容易に製造することが可能なセンサ用ファイバを組み込んだセンサシステムである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本実施の形態に係るセンサ用ファイバセンサとその製造方法、並びにセンサシステムについて、図面を参照して説明する。
【００２０】
第１実施形態
図１（ａ）は本実施形態に係るセンサ用ファイバの構成を示す模式的斜視図であり、図１（ｂ）は断面図である。
センサ用ファイバは、光伝送路として配設される光ファイバである本線体１０と、本線体１０の中途部に接続された光ファイバであるセンサ部２０とを有する。
本線体１０はコア１１とその外周を被覆するクラッド１２からなり、一方センサ部２０も同様にコア２１とその外周を被覆するクラッド２２からなる。
センサ部２０は、本線体１０のコア径より小さなコア径を有するセンサ中央部２３と、本線体１０とセンサ中央部２１の間において本線体１０からセンサ中央部２３にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部２２とを含む構成となっている。
本線体１０のコア１１とセンサ部２０のコア２１は一体に構成されており、その外周部にコア（１１，２１）の形状に応じた表面を有するようにしてクラッド（１２，２２）が一体に構成されている。
【００２１】
例えば、本線体１０におけるコア１１径は５０μｍ程度であり、センサ中央部２１におけるコアの径は３μｍ程度である。センサ接続部２２とセンサ中央部２１を含めたセンサ部２０の長さは、数ｍｍ〜数ｃｍ程度である。
本線体１０とセンサ部２０の伝送モード（単一モード型、多モード型）は、同一、非同一の組み合わせを選択することが可能である。
【００２２】
上記の構成のセンサ用ファイバにおいて、配設された本線体１０の光入射側から入射光Ｌinを入射する。入射光Ｌinは本線体１０を伝送して、本線体１０の中途部に設けられたセンサ部２０に到達する。このとき、上述のようにコア径が狭められたセンサ部２０において、入射光Ｌinのうちの一部の光Ｌａはそのままコア２１を伝送し、残りの光Ｌｂはクラッド２２にリークし、クラッドとの境界においてエバネッセント波を発生させ、これを外界に作用させることができる。エバネッセント波は、第１媒質中の光が第２媒質との境界で全反射するときなどに第２媒質中に生じる光波のように、境界面からの距離とともに指数関数的に減衰するエバネッセント（Evanescent：次第に消える）な波であり、実質的にエネルギーは持たない光波のことである。エバネッセント波により外界と相互作用を受けた光は、再び光出射側の本線体１０のコア１１に入射し、伝送され、出射光Ｌoutとして出射される。
また、本線体１０とセンサ部２０の伝送モードが異なる場合には、モード変換に伴う伝送損失も生ずる。
【００２３】
上記のようにリークする光の量は、センサ部２０の屈曲の度合いに応じて変化するので、外界と相互作用した結果生じた変化を検知することで、外界からセンサ部に印加される圧力や、外界の温度、あるいはセンサ部が設置された立体構造物の形状の変化などを検知することができる。
【００２４】
また、上記のようにリークする光の外界との相互作用は、表面プラズモン共鳴の原理によりセンサ部２０を取り囲む環境の屈折率などによって変動するため、これを検知することで、センサ部２０近傍に存在する媒体の種類や媒体中に溶解している溶質の種類や濃度などの変化を検出することが可能である。
【００２５】
上記の本実施形態に係るセンサ用ファイバは、以下に説明するように、従来のセンサ用ファイバと同様に高感度でありながら、さらに容易に製造することが可能なセンサ用ファイバである。
【００２６】
図２（ａ）〜（ｃ）は本実施形態に係るセンサ用ファイバの製造方法の製造工程を示す断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、必要な長さの本体線１０となる光ファイバを用意する。光ファイバのコアは、例えば５０μｍ程度である。
次に、図２（ｂ）に示すように、本線体１０の中途部における所望の領域Ｒにおいて、光ファイバ（本線体１０）が軟化する温度となるまで、ヒータなどにより加熱する。
【００２７】
次に、図２（ｃ）に示すように、上記のように軟化させた領域Ｒの光ファイバを光ファイバの延伸方向に引っ張ることで、例えば３μｍにまで径を細められたコア２１とする。コア２１の外周を被覆するクラッド２２もまた薄肉化し、コア１１の形状に応じた表面を有する構成となる。このようにコア径を細められた領域は、全体で数ｍｍ〜数ｃｍ程度とする。
これにより、本線体１０のコアの径より小さなコアを有するセンサ中央部と、本線体とセンサ中央部の間において本線体からセンサ中央部にかけて異なるコア径をなめらかに接続するコア形状を有するセンサ接続部とを含むセンサ部を、本線体の中途部に接続して設けることができる。
上記の工程において、加熱したときの光ファイバの温度、即ち、光ファイバの柔らかさと、光ファイバをその延伸方向に引っ張るときの力を制御することで、コア２１の径や長さなどを含めたセンサ部の形状が所望の形状となるようにして、センサ部を設けることができる。
以上で、本実施形態に係るセンサ用ファイバを形成することができる。
【００２８】
上記の従来のセンサ用ファイバと同様に高感度なセンサ用ファイバを、従来のように融着などの工程を行うことなく、さらに容易に製造することが可能である。
【００２９】
第２実施形態
図３は本実施形態に係るセンサシステムであるＯＴＤＲ装置の模式構成図であり、第１実施形態に係るセンサ用ファイバを組み込んだセンサシステムである。
ＯＴＤＲ装置３０は、波形表示が可能な表示部３１や光パルスの発振を制御可能な操作部３２等を備えており、ＯＴＤＲ装置３０に接続するようにして、本線体１０とセンサ部２０からなるセンサ用ファイバが被検出対象Ｓに沿って配設される。
例えば、１本の本線体１０に対して４個のセンサ部２０が設けられている。１本の本線体１０に対して１個のセンサ部２０が設けられている構成でもよい。
【００３０】
図４は上記の表示部３１に表示された波形であり、本線体の距離に対する光の損失（ｄＢ）を示す。
このＯＴＤＲ装置において、本線体１０を伝送する光に対してセンサ部２０でリークあるいはモード変換による伝送損失が生じ、上記のように４個のセンサ部を設けた場合にはレーリ散乱光の変化として４つの段差Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが表示されることになる。
【００３１】
この結果、被検出対象Ｓに温度、歪み等に係る変化が生じると、前述のリークによる伝送損失が増加したり、モード変換効率が変化するため、前記段差Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが増減してＯＴＤＲ装置３０の表示部３１に表示されることになる。即ち、段差Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄがない場合に比して、被検出対象Ｓの温度、歪み等に係る変化の検出感度が高くなる。また、段差Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの増減の対比から、被検出対象Ｓの温度、歪み等に係る変化の位置を確実に検出することができる。
【００３２】
本実施形態のセンサシステムは、従来のセンサ用ファイバと同様に高感度でありながら、さらに容易に製造することが可能なセンサ用ファイバを組み込んだセンサシステムである。
【００３３】
第３実施形態
図５は本実施形態に係るセンサシステムであるＯＴＤＲ装置の模式構成図であり、第１実施形態に係るセンサ用ファイバを組み込んだセンサシステムである。
実質的に第２実施形態のセンサシステムと同様であるが、被検出対象Ｓに対して、センサ部２０を配した本線体１０であるセンサ用ファイバを２ライン配設していることが異なる。各ラインは、スプリッタ等の接続器３３を介して分岐されている。
【００３４】
本実施形態では、被検出対象Ｓの温度、歪み等に係る変化を多面的に検出することが可能になる。なお、この構成では、２ラインを個別に検出動作させることも可能であり、比較、演算手段を備えて２ラインを同時に検出動作させて総合表示させることも可能である。
【００３５】
本実施形態のセンサシステムは、従来のセンサ用ファイバと同様に高感度でありながら、さらに容易に製造することが可能なセンサ用ファイバを組み込んだセンサシステムである。
【００３６】
第４実施形態
図６は、本実施形態に係るセンサシステムの模式構成図である。
本実施形態では、上述のセンサ用ファイバに設けたセンサ部２０の個数、接続間隔、コアの径等を異ならせて複数本配設され、異なる検出情報を同時に伝送するように構成されている。
各センサ用光ファイバの検出情報は、センサ用光ファイバが集束された光スイッチ３４により選択切換えされて、測定機器であるＯＴＤＲ装置３０に入力されるようになっている。光スイッチ３４は、コントローラ３５で選択切換制御される。コントローラ３５は、演算装置を内蔵してＯＴＤＲ装置３０から送信された検出情報を総合、解析してモニタ３６に表示する。
【００３７】
本実施形態のセンサシステムによると、各センサ用光ファイバからそれぞれ異なる検出情報が同時に伝送され、光スイッチ３４で選択切換えされた検出情報がＯＴＤＲ装置３０で測定されるため、多種類の同時的に得られる検出情報の検出感度を高めることができる。また、これ等の検出情報は、コントローラ３５で解析されてモニタ３６に波形よりも高度の表現手段（グラフ、動画等）で表示される。なお、コントローラ３５は、複数の検出情報を総合して解析することも可能である。
【００３８】
本実施形態のセンサシステムは、従来のセンサ用ファイバと同様に高感度でありながら、さらに容易に製造することが可能なセンサ用ファイバを組み込んだセンサシステムである。
【００３９】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、センサ部としては、エバネッセント波による外界との相互作用を測定することで、測定対象である液体の有無、種類および／あるいはその濃度を検知することも可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のセンサ用ファイバは、以下の用途に用いることができる。
（１）一般ビル、高層ビル、高速道路、高架橋、トンネル、ダム、飛行場、港湾設備、工場設備等の建築構造物の歪み、疲労、破断等の検出。
（２）航空機の機体、船舶の船体、自動車の車体、鉄道車両の車体、宇宙船の船体、宇宙ステーションの船体等の移動構造体の歪み、疲労、破断等の検出。
（３）鉄骨、壁材、床材、天井材、接続用ボルト等の一般建築材料の歪み、疲労、破断等の検出。
（４）オイルパイプライン、ガスライン、水道ライン、電力ケーブル、通信ケーブル（地上、海底）等のライフラインの歪み、疲労、破断等の検出。
（５）建造物、公園、屋外施設の侵入、環境保全の監視。
（６）地殻変動、地盤沈下の監視（地震予知）。
（７）生体の監視、観察。
（８）液体付着の検知。
【００４１】
また、本発明のセンサ用ファイバの製造方法は、上記のセンサ用ファイバを製造する方法に用いることができる。
また、本発明のセンサシステムは、本発明のセンサ用ファイバを組み込んで、上記の各用途に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１（ａ）は第１実施形態に係るセンサ用ファイバの構成を示す模式的斜視図であり、図１（ｂ）は断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は第１実施形態に係るセンサ用ファイバの製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図３】図３は第２実施形態に係るセンサシステムであるＯＴＤＲ装置の模式構成図である。
【図４】図４は第２実施形態に係るＯＴＤＲ装置の表示部に表示された波形であり、本線体の距離に対する光の損失（ｄＢ）を示す。
【図５】図５は第３実施形態に係るセンサシステムであるＯＴＤＲ装置の模式構成図である。
【図６】図６は第４実施形態に係るセンサシステムの模式構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…本線体
１１…コア
１２…クラッド
２０…センサ部
２１…コア
２２…クラッド
２３…センサ中央部
２４…センサ接続部
３０…ＯＴＤＲ装置
３１…表示部
３２…操作部
３３…接続器
３４…光スイッチ
３５…コントローラ
３６…モニタ
Ｓ…被検出対象
【図１】
2006145459.tif 000003
【図２】
2006145459.tif 000004
【図３】
2006145459.tif 000005
【図４】
2006145459.tif 000006
【図５】
2006145459.tif 000007
【図６】
2006145459.tif 000008