(57)【要約】【課題】温度変化を高精度で測定し得る光ファイバセンサケーブルの提供。【解決手段】光ファイバを、該光ファイバよりも大きい線膨張係数を持つ条材状の抗張力体に付設し、抗張力体の長手方向に沿って連続的に又は間欠的に、光ファイバと抗張力体とが直に接するように一体化した固定部を設けてなり、温度変化に伴うブリルアン散乱光の周波数シフト量から布設環境温度を計測することを特徴とする光ファイバセンサケーブル。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを、該光ファイバよりも大きい線膨張係数を持つ条材状の抗張力体に付設し、抗張力体の長手方向に沿って連続的に又は間欠的に、光ファイバと抗張力体とが直に接するように一体化した固定部を設けてなり、温度変化に伴うブリルアン散乱光の周波数シフト量から布設環境温度を計測することを特徴とする光ファイバセンサケーブル。
【請求項２】
抗張力体の長手方向に沿って少なくとも１本以上の光ファイバを螺旋状に横巻きし、固定剤によって間欠的あるいは全体的に、抗張力体と光ファイバとが直に接するように一体化した固定部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサケーブル。
【請求項３】
抗張力体の長手方向に沿って少なくとも１本以上の光ファイバを螺旋状に横巻きしたものを中コアとし、この中コアを緩衝材となる抗張力繊維で包括し、固定剤によって間欠的あるいは全体的に固定し、さらにケーブル外被を被覆して前記固定剤により中コアとケーブル外被とを抗張力繊維を介して一体化した固定部を有す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ケーブル。
【請求項４】
耐熱性プラスチックからなる樹脂被覆で抗張力体を被覆し、該樹脂被覆外面に光ファイバを螺旋状に横巻きし、光ファイバを抗張力体のみと一体化させた場合よりも温度変化１℃あたりの歪変化量を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサケーブル。
【請求項５】
光ファイバが、温度変化に対して２０με／℃〜１００με／℃の範囲の歪変化量を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバセンサケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分解能ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）を用い、温度変化に伴うブリルアン散乱光の周波数シフト量から布設環境温度を計測するための光ファイバセンサケーブルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象域に光ファイバを布設し、該光ファイバの後方散乱光やブリルアン散乱光の変化をモニターすることによって、光ファイバに加わる歪（圧力）や温度変化を測定する光ファイバセンサケーブルに関して、例えば、特許文献１〜５に開示された技術が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、熱収縮チューブなどの保護層を用いて、光ファイバを、中心部材の長手方向に連続的に固定してなる歪検知光ファイバセンサが開示されている。この歪検知光ファイバセンサには、曲がりに敏感なマルチモードファイバを使用し、圧縮歪を検出している。
特許文献２には、チューブの肉厚内に光ファイバセンサを埋設し、またはチューブの内壁、外壁に光ファイバを長手方向にわたって固定して、歪量を測定する光ファイバセンサが開示されている。
特許文献３には、チューブ状の樹脂条材の肉厚内に長尺光ファイバを埋設した光ファイバセンサを用いてＢＯＴＤＲにより歪を検出することが開示されている。
特許文献４には、光ファイバを、より大きな熱膨張係数を有するエラストマー製のチューブ肉厚内に埋設して、圧力、温度、伸び、曲げなどを測定する光ファイバセンサが開示されている。
特許文献５には、ＦＲＰロッドなどのコア外周上に、複数の光ファイバをホットメルト樹脂で固定した構造の光ファイバケーブルが開示されている。
【特許文献１】実開平２−１２０００８号公報
【特許文献２】特開２００２−４８５１８号公報
【特許文献３】特開２００４−１０１４１４号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／７１１５８号明細書
【特許文献５】米国特許第６１６７１７９号明細書
【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、前記特許文献１〜５には、次のような問題がある。
特許文献１では、曲がりによって生じる伝送損失増加量を歪へ換算するため、圧縮歪しか検知できない。また、曲がりに敏感なマルチモードファイバを使用しているため、マクロベンドが発生するほどの大きな圧縮歪を受けた場合、ロス増により測定不能に陥る可能性が高い。
【０００５】
特許文献２では、外被チューブを通じて光ファイバに加わった応力を歪として検出するが、温度変化によってチューブも伸縮するため、応力に起因する歪と温度変化に起因する歪とを切り分けることが困難である。
【０００６】
特許文献３では、外被センサに加わった応力を歪として検出するが、温度変化によってチューブも伸縮するため、応力に起因する歪と温度変化に起因する歪とを切り分けることが困難である。
【０００７】
特許文献４では、使用するエラストマー製のチューブの耐熱性は１００〜１２０℃であり、スチレン系エラストマーでは１４０℃、ポリエステルエラストマーでも１７５℃が限度である。特許文献４の光ファイバセンサケーブルは、２００℃以上の高温環境下に適用するものであり、光ファイバの支持体にエラストマーを使用した場合、融解してしまい、支持体としての機能を果たせない。
【０００８】
特許文献５に開示されたケーブルは、光ファイバを利用したセンサではない。センサケーブルとしての用途があったとしても、光ファイバが中心コアに接していないため、外部応力を光ファイバに十分に伝達することができない。従って、検出感度が低く、目的とする歪変化を検出できない可能性がある。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、温度変化を高精度で測定し得る光ファイバセンサケーブルの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明は、光ファイバを、該光ファイバよりも大きい線膨張係数を持つ条材状の抗張力体に付設し、抗張力体の長手方向に沿って連続的に又は間欠的に、光ファイバと抗張力体とが直に接するように一体化した固定部を設けてなり、温度変化に伴うブリルアン散乱光の周波数シフト量から布設環境温度を計測することを特徴とする光ファイバセンサケーブルを提供する。
【００１１】
本発明の光ファイバセンサケーブルにおいて、抗張力体の長手方向に沿って少なくとも１本以上の光ファイバを螺旋状に横巻きし、固定剤によって間欠的あるいは全体的に、抗張力体と光ファイバとが直に接するように一体化した固定部を設けたことが好ましい。
【００１２】
本発明の光ファイバセンサケーブルにおいて、抗張力体の長手方向に沿って少なくとも１本以上の光ファイバを螺旋状に横巻きしたものを中コアとし、この中コアを緩衝材となる抗張力繊維で包括し、固定剤によって間欠的あるいは全体的に固定し、さらにケーブル外被を被覆して前記固定剤により中コアとケーブル外被とを抗張力繊維を介して一体化した固定部を有する構成とすることもできる。
【００１３】
本発明の光ファイバセンサケーブルにおいて、耐熱性プラスチックからなる樹脂被覆で抗張力体を被覆し、該樹脂被覆外面に光ファイバを螺旋状に横巻きし、光ファイバを抗張力体のみと一体化させた場合よりも温度変化１℃あたりの歪変化量を大きくした構成とすることもできる。
【００１４】
本発明の光ファイバセンサケーブルにおいて、光ファイバが、温度変化に対して２０με／℃〜１００με／℃の範囲の歪変化量を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光ファイバセンサケーブルは、光ファイバよりも高い線膨張係数を持つ抗張力体に対し、光ファイバを間欠固定又は全体固定して一体化させることで、温度変化に対する歪変化量を高分解能ＢＯＴＤＡの測定精度に対して大きくすることが可能となり、その結果として温度検出誤差範囲を狭め、温度測定精度の向上が可能となった。さらに、抗張力体の存在により温度変化によるケーブル外被収縮に起因する測定再現性の低下を防ぐことが可能となった。
本発明の光ファイバセンサケーブルは、光ファイバと抗張力体が一体化された中コアとケーブル外被とが、固定剤を介して一体化されていることにより、温度変化によるケーブル外被収縮に起因する測定再現性の低下を防ぐことが可能となった。ケーブル外被と中コアを抗張力繊維で包括することにより、抗張力繊維は緩衝材の役目を果たし、ケーブル外被が光ファイバに直接密着することがないため、歪測定に影響を及ぼすロス増を抑制することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の光ファイバセンサケーブルの実施形態を説明する。
図１は、本発明の光ファイバセンサケーブルの第１実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部６の横断面図、（ｃ）は非固定部７の横断面図である。図１中、符号１Ａは光ファイバセンサケーブル、２は光ファイバ、３は抗張力体、４は固定剤、５はケーブル外被、６は固定部、７は非固定部である。
【００１７】
本実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ａは、２本の光ファイバ２を、該光ファイバ２よりも大きい線膨張係数を持つ条材状の抗張力体３に螺旋状に横巻きし、抗張力体３の長手方向に沿って間欠的に、光ファイバ２と抗張力体３とが直に接するように固定剤４によって一体化した固定部６を設けてなり、温度変化に伴うブリルアン散乱光の周波数シフト量から布設環境温度を計測することを特徴としている。
【００１８】
本実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ａにおいて、光ファイバ２としては、抗張力体３に巻き付けた状態で、温度変化に伴って抗張力体３の線膨張に起因する歪量が付加された場合に、高分解能ＢＯＴＤＡを用いてブリルアン散乱光の周波数シフト量から布設環境温度を計測することができればよく、特に限定されないが、常温〜３００℃程度の温度範囲を高精度で計測するためには、耐熱性樹脂被覆を有する石英ガラス系光ファイバを用いることが好ましい。光ファイバ２の本数は、１本以上であればよく、本例示の２本にのみ限定されるものではない。
【００１９】
本実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ａにおいて、抗張力体３としては、光ファイバ２の線膨張係数よりも高い線膨張係数を持つ高強度材料が用いられ、例えば、炭素鋼線、アルミ線、黄銅などの銅合金線、亜鉛合金線、ＳＵＳ４０３などのステンレス鋼線などが挙げられる。
【００２０】
本実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ａにおいて、固定剤４としては、紫外線硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、ホットメルトなどの接着剤が挙げられる。固定剤は、未硬化状態で所定の固定部６の抗張力体３と光ファイバ２とに塗布し、それを硬化させることで固定部６を形成する。
【００２１】
図２は、本発明の光ファイバセンサケーブルの第２実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部６の横断面図である。本実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ｂは、前述した第１実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ａとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、抗張力体３の長手方向に連続的に固定部６を形成したことを特徴としている。
【００２２】
図３は、本発明の光ファイバセンサケーブルの第３実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部６の横断面図、（ｃ）は非固定部７の横断面図である。本実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ｃは、前述した第１実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ａとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、抗張力体３の長手方向に沿って２本の光ファイバ２を螺旋状に横巻きしたものを中コアとし、この中コアを緩衝材となる抗張力繊維８で包括し、固定剤４によって間欠的に固定し、さらにケーブル外被５を被覆して前記固定剤４により中コアとケーブル外被５とを抗張力繊維８を介して一体化した固定部６を有する構成になっている。
【００２３】
図４は、本発明の光ファイバセンサケーブルの第４実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部６の横断面図である。本実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ｄは、前述した第３実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ｃとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、中コアとケーブル外被５とを抗張力繊維８を介して一体化した固定部６を、抗張力体３の長手方向に連続的に形成したことを特徴としている。
【００２４】
図５は、本発明の光ファイバセンサケーブルの第５実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部６の横断面図、（ｃ）は非固定部７の横断面図である。本実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ｅは、前述した第１実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ａとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、線膨張係数が高い耐熱性プラスチックからなる樹脂被覆９で抗張力体３を被覆し、該樹脂被覆９外面に光ファイバ２を螺旋状に横巻きしたことを特徴としている。
【００２５】
前述した本発明に係る各実施形態の光ファイバセンサケーブル１Ａ〜１Ｅは、温度計測用の光ファイバ２を抗張力体３に対して直に接するように、長手方向にわたって少なくとも１本以上の光ファイバ２を螺旋状に横巻きし、接着剤等の固定剤４を塗布して間欠的あるいは全体的に抗張力体３と光ファイバ２を一体化させることで、抗張力体３の線膨張に起因する歪量を光ファイバ２に付加し、温度変化に対する光ファイバ歪変化量を大きくすることを可能としている。
【００２６】
この光ファイバセンサケーブル１Ａ〜１Ｅは、光ファイバ２が抗張力体３に螺旋状に巻き付けられ、且つ固定部６において直に接することで、温度変化に対する抗張力体３の膨張および収縮をフープストレス（周方向の応力）として光ファイバ２全長にわたって均一に且つ確実に伝達することが可能となる。その結果、光ファイバ２は温度変化によるブリルアン周波数シフトのみならず、抗張力体３の線膨張に起因する歪量を併せて測定することができ、１℃あたりの歪変化量を大きくすることが可能となる。つまり、本センサの歪計測に使用する高分解能ＢＯＴＤＡの測定精度±２５μεに対して、センサ自身の歪測定量が大きくなればなるほど、温度検知誤差を小さくすることが可能となるのである。例えば、従来構造と同程度の歪変化量２５με／℃である場合、高分解能ＢＯＴＤＡの測定精度±２５μεから考えると、温度検出誤差は±１℃と見積もれる。これに対し、本発明のセンサ構造を採用することで歪変化量が５０με／℃となった場合、温度検出誤差は±０．５℃になり、１００μεとなった場合では温度検出誤差は±０．２５℃まで向上する。
以下、実施例により更に具体的に説明する。
【実施例】
【００２７】
本実施例で試作した光ファイバセンサケーブルは、光ファイバに十分な耐熱性を有するポリイミド被覆ファイバ、固定剤にポリイミド、ケーブル外被にＰＦＡを使用し、抗張力体に炭素鋼線とアルミ線を用いた２種類の構造とした。抗張力体に炭素鋼線を用いた場合の歪変化量は４０με／℃、アルミを用いた場合は５０με／℃であった。抗張力体には炭素鋼やアルミの他に、線膨張係数の大きな黄銅、亜鉛やＳＵＳ４０３などを用いても構わない。
【００２８】
本センサを適用しようとしている布設環境温度範囲は常温〜３００℃を想定している。固定剤に関しては、ポリイミドであるならば、ガラス転移点は３１０℃、３００℃では重量減少もほとんど見られないため、適用した。もちろん、布設環境温度範囲で使用可能な材料であるならば、ポリイミドに限る必要はない。固定用接着剤なら熱硬化型の耐熱エポキシ、セラミック系統の耐熱接着剤が挙げられる。
【００２９】
本実施例にあっては、下記（１）、（２）の構造の光ファイバセンサケーブルを作製した。
（１）図３に示すように、抗張力体３に対して直に接するように、長手方向にわたって２本の光ファイバ２を螺旋状に横巻きしたものを中コアとし、この中コアを緩衝材となる抗張力繊維８で包括し、接着剤を塗布して間欠的に一体化させ、さらにケーブル外被５を被覆して光ファイバセンサケーブル１Ｃとした。
（２）図４に示すように、抗張力体３に対して、長手方向にわたって２本の光ファイバ２を螺旋状に横巻きしたものを中コアとし、この中コアを緩衝材となる抗張力繊維８で包括し、接着剤を塗布して全体的に一体化させ、ケーブル外被５を被覆して光ファイバセンサケーブル１Ｄとした。
【００３０】
前記（１），（２）の光ファイバセンサケーブルと、従来のルース収納型の温度検出ファイバとについて、環境温度変化による歪変化量を調べて比較した。
従来のルース収納型の温度検出ファイバでは、温度変化による歪変化量が２０με／℃であったのに対し、本実施例で作製した光ファイバセンサケーブルを用いることで、温度変化に対する歪変化量４０〜１００με／℃にすることが可能となった。
従って、計測器の測定精度±１５〜２５μεから考えると、従来構造の温度検出精度±０．７５〜１．２５℃に対し、本発明の構造採用により温度検出精度が±０．１５〜０．６℃、すなわち２倍〜５倍の測定精度向上を実現した。また、温度変化によるケーブル外被収縮を抑制可能となり、外被収縮に起因する歪波形の乱れや測定再現性の低下を防ぐことが可能となった。
【００３１】
さらに、図５のように、抗張力体３をＰＦＡやＰＴＦＥ、ポリイミド、ポリイミドアミドなどのプラスチック樹脂で被覆することにより、光ファイバ２を抗張力体３のみと一体化させた場合よりも温度変化１℃あたりの歪変化量を大きくすることが可能である。もちろん、目的とする温度範囲での耐熱性があれば、ポリアミドやポリオレフィンなどの樹脂でも構わない。構成材料の外径、線膨張係数、弾性率、被覆圧等を最適化することで、温度変化に対する歪変化量４０〜１００με／℃にすることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の光ファイバセンサケーブルの第１実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部の横断面図、（ｃ）は非固定部の横断面図である。
【図２】本発明の光ファイバセンサケーブルの第２実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部の横断面図である。
【図３】本発明の光ファイバセンサケーブルの第３実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部の横断面図、（ｃ）は非固定部の横断面図である。
【図４】本発明の光ファイバセンサケーブルの第４実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部の横断面図である。
【図５】本発明の光ファイバセンサケーブルの第５実施形態を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は固定部の横断面図、（ｃ）は非固定部の横断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１Ａ〜１Ｅ…光ファイバセンサケーブル、２…光ファイバ、３…抗張力体、４…固定剤、５…ケーブル外被、６…固定部、７…非固定部、８…抗張力繊維、９…樹脂被覆。
【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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