技術紹介

ポリイミド被覆 FBG センサの高温適用
福本伸太郎 *1

西土隆幸 *2

Fukumoto Shintaro

Nishido Takayuki

吉川和夫 *3

Yoshikawa Kazuo

ポリイミド被覆素線シングルモード光ファイバ（SMF）の FBG センサを用いて、400℃までの耐熱性評価を実施した。従来技術の問題点を踏まえ、光ファイバに限りなく近い径の管に、FBG センサを挿入し、FBG 部の片側のみを固定することで温度計測を行った。その結果、300℃以下において、FBG センサによる温度測定が可能なことを確認した。
キーワード：FBG センサ、温度計測、光ファイバセンサ、高温サ径も小さいものである。

1. はじめに

2. FBG センサの特長

近年、光ファイバセンサの 1 つである FBG センサが、土木建築分野から航空宇宙分野まで幅広

ま ず、FBG セ ン サ の 原 理 に つ い て 説 明 す る。

く利用されている。本稿では、FBG センサの高図 1 に FBG センサの構造図を示す。FBG とはファ温領域における温度計測の可能性に着目した。中イ バ・ ブ ラ ッ グ・ グ レ ー テ ィ ン グ（Fiber Bragg

でも、ポリイミド被覆素線シングルモード光ファGrating）の略称であり、本センサは電気抵抗式ひイバ（SMF）に着目した。

ずみゲージと比較し、電気的影響を受けない、防当社ではポリイミド被覆素線 SMF を利用して爆性を有する、ひずみ感度が高い、1 本の光ファいる。一般の通信用光ファイバ素線の被覆材はアイバで複数点の計測ができる、といった特長を持クリルであり、使用温度範囲の上限は 80℃であつ。FBG センサは、光ファイバのコア内にブラッる。また、ポリイミド被覆素線の使用温度範囲のグ格子と呼ばれる回折格子を形成し、特定の波長（1）上限は 300℃である 。しかし当社では、ポリイのみを反射する機能を持たせた光ファイバ型デバ

ミド被覆素線 SMF の耐熱性についてのデータをイスである。FBG によって反射した波長 lB は式取得していないため、高温環境における FBG セ（1）で表せる。

ンサ適用の障害となっている。

lB = 2ne L（1）

本試験では、このような背景に基づき、400℃

ここで、ne は光ファイバの屈折率、L は回折格までのポリイミド被覆素線 SMF の耐熱性評価を子の周期である。式（1）を満たす波長で強い反行った。なお、本試験で使用した FBG センサは、射が生じ、それ以外の波長は透過する。この反射市販されているものよりも簡便に作製でき、センした波長はブラッグ波長と呼ばれる。

*1：研究開発センター*2：研究開発センター*3：計測事業部

研究開発グループセンター長 工学博士 技術士（建設部門） P. E.（Civil Eng.）
名古屋大学大学院非常勤講師 芝浦工業大学大学院非常勤講師
材料試験部

—48—

図 2 に ASE 光源（増幅自然光源）および FBGブラッグ波長変化を示す。それぞれ直線性を示し透過光のスペクトルを、図 3 に FBG 反射光スペクており、ひずみ、および温度の計測が可能となる。

トルを示す。図 2、図 3 より、透過光は 1550 nm

図 4 か ら 求 め た ひ ず み 感 度 は 1.24 × 10-3 nm/me、以外の波長スペクトルを、反射光は 1550 nm のみ

図 5 から求めた温度感度は約 10 × 10-3 nm/℃であの波長スペクトルを得ていることがわかる。

る。各図における直線の傾きが感度を表す。これ（2）

ブラッグ波長 lB は、ひずみ、および温度に応答らの値は文献 で示されているものと同等の結果して変化する。図 4 および図 5 に、FBG センサのである。

ひずみと温度をそれぞれ独立に変化させたときの

図1

図2

FBG センサの構造図

ASE 光源および FBG 透過光のスペクトル

図3

図4

ひずみとブラッグ波長の関係

図5

温度とブラッグ波長の関係

FBG 反射光のスペクトル—49—

IIC REVIEW/2016/10. No.56

3. 従来技術の問題点

4. 試験内容

3.1 市販されている光式温度センサ

前述した従来の FBG センサによる温度測定技

現在、市販されている光式温度センサ（os4210、術の問題点を解決するために、独自の方法による

MICRON OPTICS 社）は、FBG 部のハウジング材試験を実施し、測定精度を確認した。

を含め、小型なものでも f 1.07 mm である。これ
4.1 試験概要

で は 光 フ ァ イ バ の 径 が 小 さ い（SMF 外 径 0.15SUS 細管内に FBG センサを挿入した温度センmm）という利点を活かしきれていない。

サ（FBG 温度センサ）、および熱電対を SUS プレー（3）

3.2 光学温度センサ

トに貼り付け、400℃までの温度計測を実施した。

この発明は、温度の変化を伸び縮みの変化に変FBG 温度センサにより、各温度のブラッグ波長、換する感温部材に、張力をかけた状態で FBG セおよび反射率の変化を計測した。ここで反射率とンサを接着し、測定をするというものである。しは、入射光と反射光の光強度比である。

かし、FBG センサを感温部材に固定しなければ4.2 FBG 温度センサ

ひずみの計測ができないため、感温部材が必要で

図 6 に、本試験で作製した FBG 温度センサをあり、測定する箇所が限定されてしまう。また、示す。図 6 のように、光ファイバに限りなく近センサ自体の寸法も大きくなってしまう。

い径の管に FBG センサを挿入した。FBG 部の片3.3 FBG センサ温度計測装置と FBG センサ組み側のみを固定し、もう一方の軸方向・径方向を自（4）	 込み発電機

由境界とした。この方法により、FBG 部と管とこの発明は、FBG センサに張力がかからないの間に摩擦の影響がない状態で測定することがでようにして被測定物に貼り付けた状態で温度を測き、管および被測定物のひずみ変化を無視し、温定するものであるが、張力がかからないように貼度に限定した測定ができる。

り付けする手法が具体的に明記されていない。

図6

FBG 温度センサの構造—50—

4.3 温度計測試験方法

5. 試験結果と考察

図 7 に試験方法を、
図 8 に試験装置の設置状況を、そして図 9 に試験片の設置状況を示す。SUS プレー

5.1 温度ステップ

ト（長さ 50 mm、幅 50 mm、厚さ 4 mm）に FBG

試験片に溶接した熱電対の温度ステップを図

温度センサ、および熱電対をスポット溶接した。

10 に示す。なお、試験開始温度は 20.3℃であった。

図7

試験方法
図 10

試験中の温度ステップ

5.2 試験片の外観目視とポリイミド被覆の劣化	  状況図 11 に、自然冷却後の試験片の外観を示す。
図 11 より、外観は特に変化は見られなかったが、SUS 管内の FBG センサを取り出してみたところ、FBG 部付近のポリイミドは黒くなっていた。これはポリイミドが高温により劣化したと考えられる。
図8

試験装置の設置状況

図9

試験片の設置状況

図 11—

51—

自然冷却後の試験片
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5.3 ブラッグ波長変化と近い感度を得た（加熱時 13.0 × 10-3 nm/℃、自図 12 に、試験開始から終了までにおける、時然冷却時 12.8 × 10-3 nm/℃）。

間に対するブラッグ波長変化を示す。図 12 より、
5.5 反射率の変化

FBG センサでは温度上昇とともにブラッグ波長

図 14 に、経過時間における FBG 温度センサのも変化しているが、温度を保持したときには、波反射率の変化を示す。反射率は左縦軸であり、ブ長の変化はなかった。

ラッグ波長は右縦軸である。図 14 より、FBG 温度センサは温度上昇に伴い反射率が低下している。300℃より高温において、反射率は 0.5 以下となった。また、自然冷却時は反射率の低下があまりなかったが、試験開始前の反射率には戻らなかった。
反射率（入射光と反射光の光強度比）の低下によって、ブラッグ波長の光強度が低下する。一般的に、この現象は長距離の配線、接続コネクタの図 12使用、ケーブルやセンサの曲げなどによって起き時間に対するブラッグ波長変化る。多少の反射率の低下は測定精度に影響はしない。しかし、大幅な反射率の低下によって、ブラッ5.4 温度変化における可逆性

グ波長とノイズとの光強度の差が小さくなり、測図 13 に、温度変化とブラッグ波長変化の関係定自体が不能となってしまう。本試験のように研を示す。図 13 より、FBG 温度センサは、室温から究室レベルの簡潔な試験状況では、反射率が 0.5400℃まで温度を上げたときの波長変化（Heating）以下となっても温度測定ができていたが、現場をと、室温に戻したときの波長変化（Natural Cooling）想定すると、反射率が 0.5 以上あることが望ましに可逆性が見られた。また、FBG 温度センサは一いと考える。

般的な FBG センサの温度感度（約 10 × 10 nm/℃）
-3

図 13

温度変化と FBG 温度センサのブラッグ波長の変化—

図 1452—

経過時間における FBG 温度センサの反射  率の変化

6. まとめ

参考文献

本試験の結果を以下にまとめた。

（1） 株 式 会 社 ロ ゴ ス ホ ー ム ペ ー ジ：http://www.

① SUS 管内に挿入した FBG センサは、400℃まlogosgp.com/fbg_sensor.html

での温度上昇とともにブラッグ波長も変化（2） Othonos A. and Kalli K. : Fiber Bragg Grating,

するが、温度を保持したときは、波長の変化

Artech House Publishers, pp.98-99, 1999はなかった。なお、自然冷却に伴い、ブラッ（3） 出雲正樹：特開 2003-254838、光学温度センサー、特許庁グ波長は初期値まで戻った。

（4） 池田悠紀：特開 2014-206422、FBG センサを② FBG 温度センサは一般的な FBG センサの温用いた温度計測方法及びその装置並びに度感度と近い値を得た。

FBG センサを組込んだ発電機、特許庁③ FBG 温度センサは温度上昇に伴い反射率が低下した。300℃より高温において、反射率は 0.5 以下となった。
本試験では、反射率が 0.5 以下となった 400℃においても温度測定ができていることが確認できたが、反射率の不可逆性、および試験後のポリイミド被覆の劣化状況から、300℃より高温の計測が困難であると考えた。よって、SUS 細管内にFBG センサを挿入した FBG 温度センサは、300℃以下の温度測定が可能であるとした。

研究開発センター
研究開発グループ研究開発センター センター長
工学博士 技術士（建設部門）
P. E.（Civil Eng.）
名古屋大学大学院非常勤講師
芝浦工業大学大学院非常勤講師

福本伸太郎
TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

西土 隆幸

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

計測技術部
材料試験部

吉川 和夫
TEL. 045-791-3519
FAX. 045-791-3542—53—

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