(57)【要約】【課題】遠隔から異常な発熱とその発熱区間を、簡易かつ安価な構成により検知することができる発熱検知方法及び発熱検知装置を提供する。【解決手段】クラッドの屈折率の異なる２種類以上の光ファイバ１２−１〜１２−Ｎを縦列又は並列に接続した光ファイバ群と、光源１０と、偏光子１３と、受光部１４とにより遠隔から異常な発熱とその発熱区間を検知した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッドの屈折率の異なる２種類以上の光ファイバを縦列又は並列に接続した光ファイバ群と、光源と、偏光子と、受光部とにより構成する
ことを特徴とする発熱検知方法。
【請求項２】
コア、クラッド及び３以上の複数の空孔を有する空孔つき光ファイバを有し、前記空孔の形成位置が異なる２種類以上の前記空孔つき光ファイバを縦列又は並列に接続し、該縦列又は並列に接続された光ファイバ群と、光源と、偏光子と、受光部とにより構成する
ことを特徴とする発熱検知方法。
【請求項３】
前記光ファイバは、温度上昇時に体積膨張する棒に巻きつけられる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発熱検知方法。
【請求項４】
帯域通過フィルタ又はローパスフィルタを用い、任意の周波数帯における拡散光の強度変動を観測することにより発熱を検知する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかひとつに記載の発熱検知方法。
【請求項５】
前方ブリルアン散乱光の周波数の変化の度合を観測する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかひとつに記載の発熱検知方法。
【請求項６】
光源と、偏光子と、受光部と、受光信号を解析し発熱を判定する解析部とを備える
ことを特徴とする発熱検知装置。
【請求項７】
任意の周波数帯における拡散光の強度変動を観測する帯域通過フィルタ又はローパスフィルタを備える
ことを特徴とする請求項５に記載の発熱検知装置。
【請求項８】
前方ブリルアン散乱光の周波数の変化の度合を観測する
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の発熱検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱検知方法及び発熱検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
以前より、火災などによる異常な温度上昇を検知するものとして様々な装置が考案されているが、中でも光ファイバを利用したシステムは遠隔監視が可能であり、電磁干渉の影響を受けないことから高い関心を集めている。光ファイバを用いた温度監視システムには、ブルリアン拡散による散乱光の周波数シフトを監視することによるブルリアンＯＴＤＲ（Ｂ−ＯＴＤＲ）が広く用いられている。この従来のＢ−ＯＴＤＲは、光ファイバに光を伝播させる際に生じる散乱光の特性をモニタリングすることで、温度変化を知ることができる。このような技術の一例が下記非特許文献１，２に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】Ｙｏｓｕｋｅ  Ｔａｎａｋａ、Ｋａｚｕｈｉｋｏ  Ｏｇｕｓｕ、”Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｓｉｄｅｂａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ  Ｐｒｏｄｕｃｅｄ  ｂｙ  Ｄｅｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ−Ｗａｖｅ  ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ”、ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ、ＤＥＣＥＭＢＥＲ  １９９８、ＶＯＬ．１０、ＮＯ．１２、ｐ．１７６９−１７７１
【非特許文献２】Ｙｏｓｕｋｅ  Ｔａｎａｋａ、Ｋａｚｕｈｉｋｏ  Ｏｇｕｓｕ、”Ｔｅｎｓｉｌｅ−Ｓｔｒａｉｎ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｆ  Ｄｅｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ−Ｗａｖｅ  Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ”、ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ、ＪＵＬＹ  １９９９、ＶＯＬ．１１、ＮＯ．７、ｐ．８６５−８６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のＢ−ＯＴＤＲでは、ブルリアン周波数シフトが１０〜１１ＧＨｚとなることから、広帯域な受光素子が必要となり、非常に高価なシステムとなってしまうという課題がある。
【０００５】
以上のことから、本発明は、遠隔から異常な発熱とその発熱区間を、簡易かつ安価な構成により検知することができる発熱検知方法及び発熱検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するための第１の発明（請求項１に対応）に係る発熱検知方法は、クラッドの屈折率の異なる２種類以上の光ファイバを縦列又は並列に接続した光ファイバと、光源と、偏光子と、受光部とにより構成することを特徴とする。
【０００７】
上記の課題を解決するための第２の発明（請求項２に対応）に係る発熱検知方法は、コア、クラッド及び３以上の複数の空孔を有する空孔つき光ファイバを有し、前記空孔の形成位置が異なる２種類以上の前記空孔つき光ファイバを縦列又は並列に接続し、該縦列又は並列に接続された空孔つき光ファイバと、光源と、偏光子と、受光部とにより構成することを特徴とする。
【０００８】
上記の課題を解決するための第３の発明（請求項３に対応）に係る発熱検知方法は、第１の発明又は第２の発明に係る発熱検知方法において、前記光ファイバは、温度上昇時に体積膨張する棒に巻きつけられることを特徴とする。
【０００９】
上記の課題を解決するための第４の発明（請求項４に対応）に係る発熱検知方法は、第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係る発熱検知方法において、帯域通過フィルタ又はローパスフィルタを用い、任意の周波数帯における拡散光の強度変動を観測することにより発熱を検知することを特徴とする。
【００１０】
上記の課題を解決するための第５の発明（請求項５に対応）に係る発熱検知方法は、第１の発明から第４の発明のいずれかひとつに係る発熱検知方法において、前方ブリルアン散乱光の周波数の変化の度合を観測することを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するための第６の発明（請求項６に対応）に係る発熱検知装置は、光源と、偏光子と、受光部と、受光信号を解析し発熱を判定する解析部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決するための第７の発明（請求項７に対応）に係る発熱検知装置は、第６の発明に係る発熱検知装置において、任意の周波数帯における拡散光の強度変動を観測する帯域通過フィルタ又はローパスフィルタを備えることを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するための第８の発明（請求項８に対応）に係る発熱検知装置は、第６の発明から第７の発明のいずれかひとつに係る発熱検知装置において、前方ブリルアン散乱光の周波数の変化の度合を観測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易かつ安価な構成による発熱検知方法及び発熱検知装置によって、遠隔より異常な発熱の検知及び発熱区間の特定が可能となる。より詳細には、空孔構造の異なる空孔アシストファイバ又は不純物の添加量が異なる光ファイバを複数用いることで、簡易かつ安価な構成の発熱検知方法及び発熱検知装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る発熱検知方法及び発熱検知装置の種々の実施形態について、図１から図１０を用いて説明する。
【００１６】
〔第１の実施形態〕
図１０は、空孔を有さない光ファイバ（例えば１．３μｍ帯零分散単一モードファイバ）の前方ブリルアン散乱及び後方ブリルアン散乱の周波数スペクトルの例を示した特性図である。図１０（ｂ）に示すように、従来のＢ−ＯＴＤＲ等で用いられる後方ブリルアン散乱の周波数シフトは１０〜１２ＧＨｚであり、周波数シフトと同等の帯域を有する受光系が必要なため非常に高価となる。
【００１７】
一方、図１０（ａ）本実施形態で用いる前方ブリルアン散乱の周波数シフトは数百ＭＨｚ以下であり、後方ブリルアン散乱の場合と比べ狭帯域な受光系で観測できるため、経済的な測定系を構成することができる。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法の構成を示した図である。光源１０から出射された光が縦列又は並列に接続されたクラッドの屈折率の異なる複数の光ファイバ１２−１〜１２−Ｎを通った後、偏光子１３を経て受光部１４において受光される。複数の光ファイバ区間では、各光ファイバ１２−１〜１２−Ｎにおける前方ブリルアン散乱特性に対応した散乱光が生じる。
【００１９】
ここで、各光ファイバ１２−１〜１２−Ｎは、図１（ａ）のように縦列に接続されていても、図１（ｂ）のように分波器１５及び合波器１６を用いて並列に接続されていても、上述した前方ブリルアン散乱による散乱光が得られる。受光部１４では各区間で発生した散乱光と伝搬光とのビート信号が観測される。図１のように、前方ブリルアン散乱を観測するための測定系は非常に簡便であり簡易な測定系となる。また、効率を上げるために、光ファイバの前段に偏波コントローラ１１を挿入することが好ましい。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法の動作原理を示した図である。図１における光ファイバ１２−１〜１２−Ｎの前方ブリルアン散乱周波数スペクトルがそれぞれ異なるものとする。例えば、図２（ａ）のように、光ファイバ１２−１〜１２−Ｎにおける前方ブリルアン散乱が、それぞれ周波数ｆ１〜ｆＮにおいて特に強い散乱光成分を有するものとする。
【００２１】
このとき、受光部１４で観測される周波数スペクトルは、図２（ｂ）のようになっている。ここで、ｍ番目の光ファイバ１２−ｍ（ｍは１〜Ｎの間の自然数）の周波数をｆｍとしたとき、図２（ｂ）に示すように、ｍ番目の光ファイバを配置している部分で異常な温度変化が発生していることが分かる。また、通常時と発熱発生時とのｆｍの変動量から温度変化量を得ることもできる。
【００２２】
したがって、ｆ１〜ｆＮが互いに重ならなければ、それぞれの周波数成分と各光ファイバ１２−１〜１２−Ｎが対応し、受光部１４側で識別することが可能となる。すなわち、前方ブリルアン散乱の周波数シフト量（変化の度合）により、異常な温度変化が発生しているファイバ区間を特定することが可能となる。ここで、一般的な受光器１４を用いて前方ブリルアン散乱周波数スペクトルを検出するためには、ファイバ長が１００ｍ以上必要となる。そのため、各区間の光ファイバ１２−１〜１２−Ｎは１００ｍ以上のファイバ長であることが好ましい。
【００２３】
上記非特許文献１，２によれば、前方ブリルアン散乱による周波数シフト量は温度及び歪の変化量に比例して変化する。すなわち、周波数シフト量Δｆmは、
【数１】
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である。
【００２４】
ここで、ΔＴ、Δεはそれぞれ温度、歪の変化量を表し、ｋTm及びｋSmはそれぞれｍ番目の光ファイバにおける温度及び歪に対する比例係数を表す。光ファイバ１２−ｍの区間において温度又は歪の変化があった場合、受光部１４におけるｆｍの成分が温度又は歪の変化量に応じて周波数の変動を生じる。したがって、受光部１４において周波数スペクトルを監視することで、異常な温度変化があった場合に温度変化が生じた区間及び変化量を知ることができる。
【００２５】
〔第２の実施形態〕
図３は、本実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱方法に係る空孔アシストファイバの前方ブリルアン散乱周波数スペクトルを示した特性図である。図３（ａ）は、空孔アシストファイバの前方ブリルアン散乱周波数スペクトルの例を示した特性図である。空孔アシストファイバ２０では、空孔構造によって異なる周波数帯で散乱光を得られることがわかる。なお、空孔アシストファイバ２０はコア、クラッド及び３以上の複数の空孔を有しており、図３（ａ）中、Ｄは空孔アシストファイバ２０の直径、ｄは空孔２１の直径、ｃは空孔アシストファイバ２０の中心を介して対向する空孔２１同士の間の距離を意味している。
【００２６】
図３（ｂ）は、空孔アシストファイバ２０の前方ブリルアン散乱において、散乱光強度のピークが最も大きくなる周波数の空孔構造依存性を示した図である。図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）に示した空孔構造で得られたような大きな散乱光強度を有する周波数の逆数は最も遠い空孔中心間距離ｃ＋ｄに比例していることが分かる。
【００２７】
図３（ａ），（ｂ）から、空孔構造を適切に制御することで、任意の周波数帯のみで散乱光スペクトルが得られる。したがって、空孔２１の位置の異なる空孔アシストファイバ２０を複数接続することで、第１の実施形態に係る発熱検知方法の構成を実現することができる。
【００２８】
〔第３の実施形態〕
図４は、本実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法に係るフッ素添加された光ファイバの前方ブリルアン散乱周波数スペクトルを示した特性図である。図４（ａ）は、フッ素添加クラッドの光ファイバの前方ブリルアン散乱周波数スペクトルの例を示した図である。図４（ａ）に示すように、クラッドにフッ素を添加することで、前方ブリルアン散乱による周波数シフトを低周波数側に変化させることができる。
【００２９】
図４（ｂ）は、フッ素添加に伴う周波数シフトの変動率を示した図である。周波数シフトはフッ素の添加量に比例して低周波数側に移動する。したがって、フッ素の添加量の異なる複数の光ファイバを用いることで、第１の実施形態に係る発熱検知方法の構成を実現することができる。
【００３０】
〔第４の実施形態〕
図５は、本実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法の構成例を示した図である。図５（ａ）では、図１に示した光ファイバ１２−１〜１２−Ｎが棒３０−１〜３０−Ｎに巻きつけられている。発熱が生じると棒３０−１〜３０−Ｎはその材料の線膨張係数に応じて膨張する。このとき、図５（ｂ）に示すように、Ａで示すような捧３０−１〜３０−Ｎの膨張により、巻きつけられた光ファイバ１２−１〜１２−ＮはＢで示すような歪を受ける。
【００３１】
ここで、棒３０−１〜３０−Ｎの半径をｒ、線膨張係数をαとすると捧が膨張したとき光ファイバ１２−１〜１２−Ｎが受ける伸び歪Δεは、
【数２】
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となる。
【００３２】
したがって、上記式（１），（２）より、光ファイバｍの温度変化ΔＴにおける周波数シフト量Δｆmは、
【数３】
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となる。よって、光ファイバ１２−１〜１２−Ｎに対応する周波数スペクトルの変動を観測することで、発熱が生じている区間及びその温度変化を知ることができる。
【００３３】
〔第５の実施形態〕
図６は、本実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法における空孔アシストファイバの曲げ損失を示した特性図である。一般的な単一モード光ファイバでは、曲げを加えると大きな損失を生じるため、通常半径３０ｍｍ以下の曲げは加えられない。しかしながら、図６で示すように空孔アシストファイバ２０（図３参照）は一般的な単一モードファイバに比べて曲げ損失特性に優れ、空孔構造を適切に設計すれば半径１０ｍｍ以下のような急峻な曲げでもほとんど損失を生じない。
【００３４】
したがって、第４の実施形態に係る発熱検知方法の構成において、空孔アシストファイバ２０を用いることにより、単一モードの光ファイバを用いるよりも小径の細い棒に巻きつけることが可能となり、省スペース化を図ることができる。ここで、半径２ｍｍ未満では光ファイバが折れる可能性があるため、半径２ｍｍ以上で曲げられていることが好ましい。
【００３５】
〔第６の実施形態〕
図７は、本実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた第２の発熱検知方法の構成例及びその動作原理を示した図である。図７（ａ）に示した本実施形態に係る第２の発熱検知方法の構成では、第１の実施形態に係る発熱検知方法の構成に加え、受光部１４の後段に帯域通過フィルタ又はローパスフィルタ（以下、周波数フィルタ４０−１〜４０−Ｎという）を有し、その後段に受光強度を測定する強度計４１−１〜４１−Ｎを有する。受光部１４側では、光ファイバ１２−１〜１２−Ｎに対応した周波数シフトｆ１〜ｆＮの前方ブリルアン周波数スペクトルが受光される。
【００３６】
図７（ｂ）は受光部における周波数スペクトルと周波数フィルタの通過域を示した図である。周波数フィルタ４０−１〜４０−Ｎは周波数シフトｆ１〜ｆＮに対応して配置し、図７（ｂ）に示すように、その通過域の上限はｍ番目の周波数フィルタ４０−ｍ（ｍは１〜Ｎの間の自然数）においてｆmΔＴth近傍とする。また、ΔＴthは異常な温度変化であることを判定する閾値とする。
【００３７】
図７（ｃ）は強度計における受光強度の変化の様子を示した図である。図７（ｃ）に示すように、温度変化がΔＴth以下では散乱光の周波数成分が周波数フィルタ４０−ｍの通過域内にあるためほぼ一定となるが、温度変化がΔＴthを超えると周波数成分が周波数フィルタ４０−ｍの通過域を外れるため受光強度が減少する。したがって、受光部１４側で受光強度を観測することで、発熱が生じた場合にその時間及び区間を特定することができる。この構成では高価なスペクトラムアナライザが不要となり好ましい。
【００３８】
〔第７の実施形態〕
図８は、本実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知装置の構成例を示したブロック図である。本実施形態に係る発熱検知装置は、光源５０、光ファイバ５１−１〜５１−Ｎ、偏光子５２、光／電気変換器５３、スペクトラムアナライザ５４、受光信号を解析して発熱を判定する解析部５５、測定結果表示部５６から構成される。ここで、光ファイバ５１−１〜５１−Ｎは図５に示したように棒３０−１〜３０−Ｎに巻きつけられてもよい。なお、光／電気変換器５３及びスペクトラムアナライザ５４は受光部１４に相当する。
【００３９】
光源５０から出射した光波は複数の光ファイバ５１−１〜５１−Ｎに入射され、偏光子５２を通って光／電気変換器５３へ入射され、スペクトラムアナライザ５４で各光ファイバ５１−１〜５１−Ｎで前方ブリルアン散乱により周波数シフトをうけた散乱光が観測される。解析部５５では観測した散乱光の周波数変動又は周波数の変化の度合を監視し、周波数変動が生じたときには、測定結果表示部５６に変動を生じた周波数に対応する光ファイバ区間及び発熱を知らせる表示を行う。
【００４０】
〔第８の実施形態〕
図９は、本実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた第２の発熱検知装置の構成例を示したブロック図である。本実施形態に係る第２の発熱検知装置では、第７の実施形態に係る発熱検知装置の構成に加え、周波数フィルタ６０−１〜６０−Ｎ及び強度計６１−１〜６１−Ｎを有する。解析部５５において各強度計６１−１〜６１−Ｎにおける強度を観測し、強度の変化があった場合に対応する区間及び発熱を知らせる表示を行う。
【００４１】
以上に述べた第１〜第８の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法及び発熱検知装置を用いることで、遠隔から発熱の判定及びその区間を知ることができる。例えば、ビル等において各フロアごとに前方ブリルアン散乱周波数スペクトルの異なる光ファイバを配置することによって、火災等によって発熱が生じた場合に、遠隔より発熱を知ると同時にそのフロアを特定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、例えば、火災等により発熱が生じた際の遠隔からの発熱検知に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法の構成を示した図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法の動作原理を示した図
【図３】本発明の第２の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱方法に係る空孔アシストファイバの前方ブリルアン散乱周波数スペクトルを示した特性図
【図４】本発明の第３の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法に係るフッ素添加された光ファイバの前方ブリルアン散乱周波数スペクトルを示した特性図
【図５】本発明の第４の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法の構成例を示した図
【図６】本発明の第５の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知方法における空孔アシストファイバの曲げ損失を示した特性図
【図７】本発明の第６の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた第２の発熱検知方法の構成例及びその動作原理を示した図
【図８】本発明の第７の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた発熱検知装置の構成例を示したブロック図
【図９】本発明の第８の実施形態に係る前方ブリルアン散乱を用いた第２の発熱検知装置の構成例を示したブロック図
【図１０】空孔を有さない光ファイバの前方ブリルアン散乱及び後方ブリルアン散乱の周波数スペクトルの例を示した特性図
【符号の説明】
【００４４】
１０  光源
１１  偏波コントローラ
１２−１〜１２−Ｎ  光ファイバ
１３  偏光子
１４  受光部
１５  分波器
１６  合波器
２０  空孔アシストファイバ
２１  空孔
３０−１〜３０−Ｎ  棒
４０−１〜４０−Ｎ  周波数フィルタ
４１−１〜４１−Ｎ  強度計
５０  光源
５１−１〜５１−Ｎ  光ファイバ
５２  偏光子
５３  光／電気変換器
５４  スペクトラムアナライザ
５５  解析部
５６  測定結果表示部
６０−１〜６０−Ｎ  周波数フィルタ
６１−１〜６１−Ｎ  強度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008305052.tif 000012
【図８】
2008305052.tif 000013
【図９】
2008305052.tif 000014
【図１０】
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