JP2004361281A

JP2004361281A - 光ファイバセンサ

Info

Publication number: JP2004361281A
Application number: JP2003160955A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kawamura; 武司川村; Showa Miyauchi; 将和宮内; Tomohiro Kawamoto; 智宏川本; Masaharu Suetani; 正晴末谷; Etsuji Ishibashi; 悦治石橋
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】ＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバセンサは、破断強度が通常の光ファイバ素線に比べて低下し、衝撃に対しても弱くなっており、物理量の検知範囲を広くするのが難しいのでこの問題を解決する。
【解決手段】所定の張力を加えた添え線５をＦＢＧを形成した光ファイバに寄り添わせ、光ファイバのＦＢＧ形成領域、即ち検知部６を、光ファイバ素線４が露出した状態もしくは素線の一次、二次被覆２、３が除去されてガラスコア１が露出した状態にし、この検知部６を所定の張力を加えて添え線５に接着剤７で接着一体化して光ファイバセンサとなした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、引っ張り強度と耐衝撃性を高めて検知範囲を広げた光ファイバセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバセンサには、通信用の光ファイバをＢＯＴＤＲ（ブリルアン散乱光利用計測装置）と組み合わせてセンサとして機能させる方式のものと、光ファイバの一部にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成し、そのＦＢＧ形成部が歪みに応じた特定波長の光を反射するという特質を利用するもの（以下ではこれをＦＢＧセンサと言う）がある。
【０００３】
後者のＦＢＧセンサは、ポイントセンサであり、歪みに対して非常に感度が良いという長所を有し、地盤や構築物などの歪み、水位、水温、液体圧力などの検知に利用されている。このＦＢＧセンサは、特開２００３−０２８６９７号公報、特開２００３−０１４４９１号公報、特開２００２−３３３５３４号公報など数多くの特許文献に示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＦＢＧセンサは、回折格子を作り込む際に素線の被覆の一部を一旦剥ぎ取り、レーザ光線等を照射して回折格子を作成した後に再度被覆を施しているため、ＦＢＧを形成した検知部の強度が不連続になり、通常の光ファイバ素線の場合４％程度までの伸びに耐えるのに対し、検知部は破断強度が１％程度の伸びにまで低下する。
【０００５】
これに加え、光ファイバは石英ガラスであるため衝撃に対して脆い性質があり、衝撃による破断も生じやすく、このために、検知範囲が制限されると言う問題がある。
【０００６】
また、このＦＢＧセンサで振動を検出する場合には、光ファイバの検知部を板ばねに接着剤で貼り付け、板ばねの撓みによる光ファイバの伸縮（曲げ中心までの距離の差によって板ばねが凸形に撓むときに伸び、凹形に撓むときに縮む）を計測する方法が採られているが、この方法で微小振動を検知しようとすると、微小振動で撓む薄い板ばねを使用する必要があるので、光ファイバに大きな張力変化を与えることができず、センサの感度が悪くなる。
【０００７】
また、板ばねの固有の振動が長く継続し、このときに外部から別の新たな振動が加わると、先の振動の影響が残るため新たな振動を分離抽出して検知することが難しくなるなどの問題もある。
【０００８】
この発明は、ＦＢＧセンサの引っ張り強度と耐衝撃性を高めて検出範囲を広げ、感度向上等も図れるようにすることを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、所定の張力を加えた添え線をＦＢＧを形成した光ファイバに寄り添わせ、前記光ファイバのＦＢＧ形成領域、即ち検知部を、素線が露出した状態もしくは素線の被覆が除去されてガラスコアが露出した状態にし、この検知部を所定の張力を加えて前記添え線に接着一体化して光ファイバセンサとなす。
【００１０】
添え線は、金属線、超弾性合金線、繊維強化プラスチック線、各種の繊維、例えば、炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維などの抗張力繊維、絹糸、木綿糸などの天然繊維などを用いる。これ等の添え線を使い分けて特性の異なるセンサにすることが可能である。なお、繊維は、取り扱い性の点で撚りを入れて糸にしたものが好ましい。
【００１１】
また、添え線に対する光ファイバの検知部の接着はエポキシ系接着剤によって行うのが好ましい。
【００１２】
さらに、光ファイバの検知部を、素線の被覆が除去されてガラスコアが露出した状態にして添え線に接着する場合には特に、検知部だけでなく、検知部の両側のＦＢＧ非形成領域の一部も一括して接着するのが好ましい。
【００１３】
【作用】
ＦＢＧが形成された光ファイバの検知部を添え線に接着一体化すると、添え線と接着剤層による補強効果によって検知部の強度がＦＢＧ単体（ＦＢＧ形成後に再被覆を施した素線）よりも高まり、検知部の破断限界が上昇する。これにより、従来よりも大きな張力に耐えることができ、物理量の検知範囲を広げることが可能になる。
【００１４】
また、上記の補強効果により、強度と合わせて耐衝撃性も高まるため、ハンドリングが容易になり、センサ施工時の作業性も向上する。
【００１５】
その他の作用、効果については次項で説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１及び図２に、この発明の光ファイバセンサの実施形態を示す。図１は、一旦被覆を剥がしてガラスコア１にＦＢＧを形成し、その後、再度一次被覆２と二次被覆３を施した光ファイバ素線４を添え線５に接着一体化した光ファイバセンサを表している。また、図２は、光ファイバ素線のＦＢＧを形成した部分の被覆を剥がしてガラスコア１を露出させ、そのガラスコア１を添え線５に接着一体化した光ファイバセンサを表している。
【００１７】
これ等の光ファイバセンサは、添え線５を所定の張力を加えて架線しておき、それに所定の張力を加えた光ファイバのＦＢＧ形成部（検知部６）を添わせ、両者を接着剤７で接着一体化して作成する。
【００１８】
添え線５には、センサ使用時の熱膨張による弛みを無くすために事前に張力を加える。添え線５の荷重による伸び量が検知部６の伸び量よりも大きいと添え線による補強効果が得られないので、添え線５の荷重による伸び量を検知部６の伸び量よりも小さくするためにも事前に張力を加える。
【００１９】
また、検知部６も初期張力を与えておかないと感度が鈍くなるのでセンサ作成時に所定の張力を加えて添え線５と一体化する。
【００２０】
検知部６を添え線５に一体化する方法として、所定の張力を加えて直線状にした検知部６を把持具で把持し、それと平行して添え線５を保持するベース金具を用意し、このベース金具に添え線５を横移動させる機構を設け、この機構で添え線５を平行移動させて検知部６に接近させ、検知部６に添え線５が密着したらその密着状態を維持し、この状態で密着した添え線５と検知部６を接着剤で接着する方法を採ると、張力を加えた光ファイバの検知部６に無理な荷重をかけずに一体化を図ることができる。
【００２１】
添え線５は、金属線、超弾性合金線、繊維強化プラスチック線、繊維の中から選ばれるものがよい。繊維としては、例えば、炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維などの抗張力繊維、絹糸、木綿糸などの天然繊維などを用いる。
【００２２】
この添え線５として熱伝導性の良い金属線を使用すると、金属線を介した熱伝導によって温度に敏感なＦＢＧをより早く周囲の温度や、センサを保護する筐体の温度に近づけることができ、温度による計測誤差を小さくすることができる。
【００２３】
また、添え線５として超弾性合金線を使用すると、通常の金属線の比例伸び限界が０．７％程度であるのに対し、超弾性合金線の比例伸び限界は約１０倍の７％程度であるので、センサを光ファイバの伸びの限界である４％程度までの伸び範囲で使用することができ、センサによる検知範囲を拡大することができる。
【００２４】
さらに、添え線５として繊維強化プラスチック線、より好ましくは炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）線を使用すると、その線は弾性率が金属と同程度で引っ張り強さは金属線の約１０倍もあり、破断し難く伸びが大きい特性があるため、バネ材的な使い方をするセンサに適したものになる。
【００２５】
また、添え線５として繊維を使用すると、繊維は引っ張り強度の割に軽いと言う特徴があり、光ファイバの引っ張り強度を高めながらセンサの軽量化を図ることができる。添え線５として繊維を使用したセンサは、引っ張り−伸び特性がリニアでないが、軽くて初期張力に対する剛性も低いため、固定部間に架線して架線部に錘を吊り下げ、振動センサとして利用するのに適している。
【００２６】
なお、添え線５と検知部６を固定する接着剤７は、２液混合常温硬化型のエポキシ系接着剤が好ましい。このエポキシ系接着剤は硬化時の収縮が少なく、ＦＢＧの反射光の波長を所定波長近傍に維持することができる。
【００２７】
また、光ファイバ素線４と添え線５を接着一体化するセンサは、▲１▼光ファイバ素線４の強度低下が少ない、▲２▼センサ施工時の被覆除去作業が不要、▲３▼光ファイバを取り扱い易く、センサ施工時の作業性が向上する等の利点を有するが、使用時に想定される検知部６の伸びが０．５％を越える場合には検知精度に問題が生じるので、被覆を除去してガラスコア１を直接添え線５に接着一体化するのがよい。
【００２８】
金属線の添え線５と組み合わせる場合に検知部６の被覆を無くすと、添え線５からガラスコア１に温度が直接伝わるので温度特性をより向上させることができる。また、被覆を無くせば、内部での滑り、即ち、シリコンゴムの一次被覆２とガラスコア１との間および一次被覆２と二次被覆３との間での滑りがなくなるためセンサの荷重−歪み特性が安定する。さらに、被覆が伸びに及ぼす影響がなくなるためセンサの荷重−歪み特性が添え線５の荷重−歪み特性に近づいてセンサの特性把握も容易になる。
【００２９】
このほか、ガラスコア１を添え線５に接着一体化する場合には特に、被覆による保護効果が得られず、ガラスコア１が折れやすいので、図２（ｂ）に示すように、検知部６の両側の一次、二次被覆２、３が残されているＦＢＧ非形成領域の一部も一括して接着するのがよい。こうすれば、折れやすい部分を両側の被覆と一体になった接着剤７で補強して検知部６を衝撃や張力から確実に保護することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明の光ファイバセンサは、光ファイバのＦＢＧ形成領域（検知部）の素線やガラスコアを露出させ、この部分を所定の張力を加えてこれも所定の張力を加えた添え線に接着一体化したので、検知部の破断強度と耐衝撃性が向上し、従来の同種のセンサよりも検知範囲を広げることができる。
【００３１】
また、強度及び耐衝撃性の向上によりハンドリングが容易になって、センサ施工時の作業性も向上する。
【００３２】
さらに、添え線として用いる金属線、超弾性合金線、繊維強化プラスチック線、あるいは繊維などを使い分けることによって、温度特性の向上、検知範囲の更なる拡大、バネ性の付与、振動センサとしての適性向上等を図ることもでき、ＦＢＧの特徴を生かして、歪み、水位、圧力、振動などの物理量を高感度に検知することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）この発明の光ファイバセンサの一例を示す図
（ｂ）図１（ａ）の鎖線枠部の拡大断面図
【図２】（ａ）この発明の光ファイバセンサの一例を示す図
（ｂ）図２（ａ）の鎖線枠部の拡大断面図
【符号の説明】
１ガラスコア
２一次被覆
３二次被覆
４光ファイバ素線
５添え線
６検知部
７接着剤

Claims

所定の張力を加えた添え線をＦＢＧを形成した光ファイバに寄り添わせ、前記光ファイバのＦＢＧ形成領域である検知部を、素線が露出した状態もしくは素線の被覆が除去されてガラスコアが露出した状態にし、この検知部を所定の張力を加えて前記添え線に接着一体化して構成される光ファイバセンサ。
前記添え線として、金属線を用いた請求項１に記載の光ファイバセンサ。
前記添え線として、超弾性合金線を用いた請求項１に記載の光ファイバセンサ。
前記添え線として、繊維強化プラスチック線を用いた請求項１に記載の光ファイバセンサ。
前記添え線として、抗張力繊維や絹糸、木綿糸等の天然繊維を用いた請求項１に記載の光ファイバセンサ。
添え線に対する光ファイバの検知部の接着をエポキシ系接着剤によって行った請求項１乃至５のいずれかに記載の光ファイバセンサ。
添え線に対する光ファイバの検知部の接着を、エポキシ系接着剤によって行うと共に、検知部の両側のＦＢＧ非形成領域の一部も一括して接着した請求項１乃至５のいずれかに記載の光ファイバセンサ。