JP2005156831A - 光ファイバセンサの製造方法及び光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバの被覆層、あるいはＦＢＧ形成後にリコートする再被覆層のセンシング特性に及ぼす影響を最小限に留め、高精度の光ファイバセンサの製造方法を提供する。
【解決手段】 光ファイバ８にファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５を形成する光ファイバセンサ１の製造方法において、光ファイバ８のＦＢＧ５を形成する部分を覆う被覆層３を溶液で溶解除去する製造方法である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ファイバにファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を形成する光ファイバセンサの製造方法及び光ファイバセンサに関するものである。

光ファイバセンサは、ＦＢＧが形成された光ファイバを備え、例えば、センサに外部から印加された応力などをひずみ量として高精度に検出できるため、様々な用途で用いられている。

この光ファイバセンサは、光ファイバに光を入射した際、測定対象物の変位（例えば、ひずみ、ずれ）や周囲環境の変化（例えば、温度）に応じてＦＢＧにひずみが発生することから、入射光の反射波長の変化量（波長シフト）を測定することで、波長シフトを測定対象物の変位や周囲環境の変化として検出するセンサに使用される。

ＦＢＧは、光ファイバのコアの一部に、屈折率の高い部分と低い部分とが長手方向に一定間隔で交互に繰り返されるグレーティング（回折格子）を形成して（書き込んで）構成される。ＦＢＧの反射波長はＦＢＧのグレーティング間隔とコア屈折率によって決定される。したがって、ＦＢＧの波長シフトは、グレーティング間隔やコアの屈折率を変化させる物理量によって変化することになる。

一般に、光ファイバセンサの製造方法としては、コア（例えば、純粋石英にＧｅを添加）とクラッド（例えば、純粋石英）からなる光ファイバ素線の外周に、通常の通信用の紫外線（ＵＶ）硬化樹脂からなる被覆層を被覆した光ファイバを使用して、その被覆層の一部を機械的に除去（リムーブ）して光ファイバ素線を露出させ、露出した光ファイバ素線のコアにＦＢＧを書き込んだ後、光ファイバ素線が露出した部分をＵＶ硬化樹脂からなる被覆層で再被覆（リコート）した方法が多く使用されている（第１の方法）。

また、被覆層の機械的なリムーブによる光ファイバの強度劣化を抑制するために、光ファイバ素線の外周に、ＦＢＧを書き込む紫外レーザ光を比較的透過する樹脂からなる被覆層を被覆した光ファイバを用いて、その被覆層をリムーブすることなく、被覆層の外側から紫外レーザ光を照射し、コアにＦＢＧを形成する製造方法もある（第２の方法）。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開２０００−２５８１９０号公報 特開２００１−２２１６１５号公報

しかしながら、第１の方法では、ＵＶ硬化樹脂からなる被覆層と光ファイバ素線との間の密着力が弱いので、作製したセンサを、ひずみを検出するセンサとして用いる場合、ガラス部と被覆層界面で滑り（ずれ）が生じ、センサに外部から印加された応力をひずみ量としてＦＢＧに正確に伝達できず、ひずみを高精度に測定できないという問題がある。

また、被覆層の一部を機械的にリムーブしていることから、当初の被覆層と再被覆層との境界部には大きな不連続段差が形成され、ＦＢＧに複雑な力が加わったり、ＦＢＧに応力などが均等に伝わらなかったりするので、ＦＢＧの感度を低下させるという問題もある。

第２の方法では、ある程度紫外レーザ光を透過する被覆材料を用いたとしても、ＦＢＧを形成する際、被覆層内で紫外レーザ光がかなり減衰するので、形成したＦＢＧの反射率はたかだか１０％程度であり、高反射率のＦＢＧを形成できないという問題がある。

しかも、紫外レーザ光が被覆層を透過するため、被覆層の化学的安定性を損ない、被覆層の劣化や剥離など長期的な信頼性を損なう場合がある。したがって、やはりセンサに外部から印加された応力をひずみ量としてＦＢＧに正確に伝達できない。

さらに、ＦＢＧ近傍の光ファイバの被覆層が、湿度や温度、特定ガスなどの影響によって物理特性が変化すると、目的とするセンシング対象（例えば、測定対象物の変位、周囲環境の変化）をＦＢＧは捉えることができなくなる。このように、光ファイバセンサにおいては、高精度センシングを実現するために、被覆層の材質、厚さ、形状などを十分考慮しなければならない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光ファイバの被覆層、あるいはＦＢＧ形成後にリコートする再被覆層のセンシング特性に及ぼす影響を最小限に留め、高精度の光ファイバセンサが得られる製造方法及び光ファイバセンサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、光ファイバにファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を形成する光ファイバセンサの製造方法において、上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分を覆う被覆層を溶液で溶解除去する光ファイバセンサの製造方法である。

請求項２の発明は、上記溶液に上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分をＵ字状に曲げて浸漬し、上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分を覆う被覆層を溶解除去して光ファイバ素線を露出させると共に、残留被覆層の端部を滑らかにし、露出した上記光ファイバ素線に上記ＦＢＧを形成した後、露出した上記光ファイバ素線と上記残留被覆層の端部とを再被覆層で覆う請求項１記載の光ファイバセンサの製造方法である。

請求項３の発明は、上記溶液に上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分をＵ字状に曲げて浸漬すると共に、上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分を上下に移動させる請求項２記載の光ファイバセンサの製造方法である。

請求項４の発明は、上記溶液で溶解除去する被覆層の長さを上記ＦＢＧの長さの３倍以上にし、かつ上記ＦＢＧと上記残留被覆層の端部とを１０ｍｍ以上離す請求項２または３記載の光ファイバセンサの製造方法である。

請求項５の発明は、上記再被覆層の厚さを上記被覆層の厚さの２倍以下にする請求項２〜４いずれかに記載の光ファイバセンサの製造方法である。

請求項６の発明は、上記被覆層をポリイミド樹脂で形成し、上記再被覆層をポリイミド樹脂あるいは紫外線硬化樹脂で形成する請求項２〜５いずれかに記載の光ファイバセンサの製造方法である。

請求項７の発明は、上記再被覆層を周囲環境に応じて膨張・収縮する第２被覆層で覆う請求項２〜６いずれかに記載の光ファイバセンサの製造方法である。

請求項８の発明は、上記第２被覆層を湿度に応じて膨張・収縮するシリコーン樹脂で形成する請求項７記載の光ファイバセンサの製造方法である。

請求項９の発明は、上記第２被覆層を水素ガスに応じて膨張・収縮するパラジウムで構成する請求項７記載の光ファイバセンサの製造方法である。

請求項１０の発明は、請求項１〜９いずれかに記載された製造方法を用いて作製した光ファイバセンサである。

本発明によれば、周囲環境変化による誤差要因を大幅に排除し、所望のセンシング対象のみを高精度に計測できる光ファイバセンサが得られるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適実施の形態である光ファイバセンサの製造方法を用いて作製した光ファイバセンサの縦断面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る光ファイバセンサ１は、光ファイバ素線２と、光ファイバ素線２の外周を覆う被覆層３と、被覆層３の除去部４に形成される（書き込まれる）ＦＢＧ５と、被覆が除去されずに残留した被覆層（残留被覆層）３の除去部４側の端部に形成され、除去部４（ＦＢＧ５）側が小径となる滑らかなテーパ状のテーパ部６，６と、これらテーパ部６，６と除去部４とを覆う再被覆層７とを備えたものである。

光ファイバ（光ファイバ心線）８は、コア（例えば、純粋石英にＧｅを添加）とクラッド（例えば、純粋石英）からなる光ファイバ素線２の外周を被覆層３で覆ったものである。つまり除去部４は、光ファイバ素線２の露出した部分である。この光ファイバ素線２の露出した部分のコアにＦＢＧ５が形成される。

被覆層３は、例えば、ポリイミド樹脂で形成する。再被覆層７は、例えば、ポリイミド樹脂で形成する。再被覆層７としては、紫外線（ＵＶ）硬化樹脂で形成したものを使用してもよい。

ポリイミド樹脂で形成した被覆層３（あるいは再被覆層７）は、光ファイバ素線との密着力が高いので、ガラス部と被覆層３（あるいは再被覆層７）界面でのすべりを発生させず、光ファイバセンサ１に外部から印加された応力をひずみ量として正確にＦＢＧ５に伝達するのに有効である。また、ＵＶ硬化樹脂で形成した再被覆層７は、測定対象物に被覆層３を貼り付けて光ファイバセンサ１を固定する場合に使用できる。

次に、光ファイバセンサ１の製造方法を説明する。

図２に示すように、光ファイバ８と、光ファイバ８の被覆層３（図１参照）を溶解除去（リムーブ）するエッチング溶液ｅが入った容器２１と、光ファイバ８が挿通される２本並列の互いに離間された挿通穴２２を有するファイバ保持部材２３とを用意する。ファイバ保持部材２３としては、ガラスなどの透明な材質であり、かつ耐薬品性に優れた材質を有するものを使用する。詳細は図示していないが、挿通穴２２には目盛りが形成される。

本実施の形態では、被覆層３がポリイミド樹脂で形成された光ファイバ８を使用したので、エッチング溶液ｅとしては、例えば、ヒドラジンヒドラートとエチレンジアミンとの混合溶液を使用した。

まず、ファイバ保持部材２３の一方の挿通穴２２の一端（図２中では上端）から他端（図２中では他端）まで光ファイバ８を挿通し、光ファイバ８をＵ字状に曲げた後、他方の挿通穴２２の他端から一端まで光ファイバ８を挿通する。光ファイバ８のＦＢＧ５（図１参照）を形成する部分がファイバ保持部材２３からＵ字状に露出するように、挿通穴２２の目盛りを読んで光ファイバ８の位置を調節し、光ファイバ８をファイバ保持部材２３に保持する。

Ｕ字状に露出した光ファイバ８（Ｕ字状部８ｕ）が下側となるようにファイバ保持部材２３の向きを変え、Ｕ字状部８ｕをエッチング溶液ｅに所定時間浸漬し、Ｕ字状部８ｕの被覆層３をリムーブして光ファイバ素線２（図１参照）を露出させる。

具体的には、ファイバ保持部材２３を挿通穴２２の他端近傍で、すなわちＵ字状部８ｕの両端近傍で微小ストロークｓだけ上下に移動させながら、Ｕ字状部８ｕのほぼ全体をエッチング溶液ｅに所定時間浸漬する。

エッチング溶液ｅに常に浸された部分のＵ字状部８ｕは、被覆層３が完全に溶解除去されて光ファイバ素線２が露出する。また、上下移動させながら浸漬した部分のＵ字状部８ｕは、被覆層３が滑らかなテーパ状に溶解除去され、被覆が溶解除去されずに残留した被覆層（残留被覆層）３の除去部４（図１参照）側の端部に、除去部４側が小径となる滑らかなテーパ状のテーパ部６，６（図１参照）が形成される。

ただし、エッチング溶液ｅで溶解除去する被覆層３（除去部４、あるいは光ファイバ素線２の露出した部分）の長さ（リムーブ長）Ｌ４は、ＦＢＧ５の長さＬ５の３倍以上にし（Ｌ４／Ｌ５≧３）、かつＦＢＧ５の一端とテーパ部６，６の他端との距離Ｌ５６は１０ｍｍ以上離すようにする。これは、リムーブ長Ｌ４が短く（Ｌ４／Ｌ５＜３）、かつ距離Ｌ５６が短い（＜１０ｍｍ）と、再被覆層７の被覆形状の違いによる影響をＦＢＧ５が強く受けるからである。本実施の形態では、リムーブ長Ｌ４を３５ｍｍ、ＦＢＧ５の長さＬ５を１０ｍｍ、距離Ｌ５６を１２．５ｍｍにした。

次に、光ファイバ８をファイバ保持部材２３から取り外し、図１に示すように、露出した光ファイバ素線２のほぼ中央付近の外側にマスクを介して紫外レーザ光を照射し、光ファイバ素線２のコアにＦＢＧ５を書き込む。

ＦＢＧ５を書き込んだ後、被覆層３に若干重なる（オーバーラップする）ように、除去部４とテーパ部６，６とに再被覆用の樹脂（ポリイミド樹脂あるいはＵＶ硬化樹脂）を塗布し、塗布した樹脂を硬化させ、除去部４とテーパ部６，６とを再被覆層７で覆うと、図１に示した光ファイバセンサ１が得られる。

ただし、再被覆層７の厚さ（膜厚）ｄ７は、被覆層３の厚さｄ３の２倍以下（ｄ７／ｄ３≦２）にする。これは、厚さｄ７が厚すぎると、空気中の水分による膨張や温度変化による被覆層３、あるいは再被覆層７の膨張・収縮の影響をＦＢＧ５が強く受けるからである。特に、再被覆層７の厚さｄ７が被覆層３の厚さｄ３の２倍を超える（ｄ７／ｄ３＞２）と、周囲環境に依存する被覆層３、あるいは再被覆層７の物性変化の影響をＦＢＧ５が強く受けるので、高精度なセンシングができなくなる。本実施の形態では、被覆層３の厚さｄ３を１０μｍとし、再被覆層７の厚さｄ７を２０μｍ以下にした。

本実施の形態の作用を説明する。

光ファイバセンサ１は、非常に高感度なセンサとして広く使用されているが、その精度はＦＢＧ５が形成された光ファイバ素線２を再被覆する材料の影響を受ける。例えば、空気中の水分や温度変化によって再被覆層７が変形すれば、所望のセンシング対象のみを的確に捉えることができない。そのため、（残留）被覆層３と再被覆層７の境界段差、被覆層３や再被覆層７の材料、再被覆層７の長さや厚さを厳密に設定することは重要である。

また、再被覆層７は、光ファイバ８の外傷防止として重要であるが、周囲環境変化による膨張・収縮などの変化量を最小限に留める必要がある。

本実施の形態に係る製造方法によれば、背景技術のように被覆層３を機械的に一括して除去するのではなく、光ファイバ８のＦＢＧ５を形成する部分を覆う被覆層３をエッチング溶液ｅで溶解除去することで、被覆層３が少しずつ除去されるため、残留被覆層３の除去部４（光ファイバ素線２の露出した部分）側の端部を滑らかに形成できる。

例えば、エッチング液ｅに光ファイバ８をＵ字状に曲げたＵ字状部８ｕのほぼ全体を所定時間浸漬すると共に、Ｕ字状部８ｕの端部を上下移動させれば、残留被覆層３の除去部４側の端部に、除去部４側が小径となる滑らかなテーパ状のテーパ部６，６を簡単に形成できる。

これらテーパ部６，６と除去部４とを再被覆層７で覆えば、背景技術のように被覆層３と再被覆層７との境界に大きな不連続段差が形成されることはなく、被覆層３と再被覆層７との境界部が滑らかになる。すなわち、除去部４の両端近傍において、被覆層３や再被覆層７の膜厚ｄ３，ｄ７は滑らかに変化する。

これにより、ＦＢＧ５に複雑な力が加わることはなく、ＦＢＧ５に応力などが均等に伝わることから、測定対象物の変位（例えば、ひずみ、ずれ）や周囲環境の変化（例えば、温度）がひずみ量としてＦＢＧ５に正確に伝達されるので、背景技術に比べ、ＦＢＧ５の感度が大幅に向上した光ファイバセンサ１が容易に得られる。

また、除去部４の長さ（リムーブ長）Ｌ４をＦＢＧ５の長さＬ５の３倍以上にし（Ｌ４／Ｌ５≧３）、かつＦＢＧ５の一端とテーパ部６，６の他端との距離Ｌ５６を１０ｍｍ以上離しているので、再被覆層７の被覆形状の違いによるＦＢＧ５に与える影響を大幅に低くできる。

Ｌ４をＦＢＧ５の長さＬ５の３倍以上にすると、光ファイバ８をＵ字状に曲げて被覆層３をエッチング液ｅで溶解除去する際、光ファイバ８の曲げ半径が必要以上に小さくならないので、光ファイバ８に曲げ損失が発生することもない。

さらに、再被覆層７の厚さ（膜厚）ｄ７を被覆層３の厚さｄ３の２倍以下（ｄ７／ｄ３≦２）にすることで、空気中の水分による膨張や温度変化などの周囲環境に依存する被覆層３、あるいは再被覆層７の物性変化のＦＢＧ５に与える影響を大幅に低くでき、除去部４の両端近傍において、被覆層３や再被覆層７が湿度による影響を受けにくい。したがって、得られた光ファイバセンサ１によって高精度なセンシングができる。

被覆層３をポリイミド樹脂で形成すると共に、再被覆層７をポリイミド樹脂で形成すれば、被覆層３（あるいは再被覆層７）と光ファイバ素線２との密着力が強くなるので、作製した光ファイバセンサ１をひずみを検出するセンサとして用いる場合、ガラス部と被覆層３（あるいは再被覆層７）界面で滑り（ずれ）が生じないので、光ファイバセンサ１に外部から印加された応力をひずみ量としてＦＢＧ５に正確に伝達でき、ひずみを高精度に測定できる。

このように、本実施の形態に係る製造方法は、被覆層３あるいは再被覆層７の最適化を図ることで、被覆層３あるいは再被覆層７のセンシング特性に及ぼす影響を最小限に留め、温度や湿度などの周囲環境変化の影響を大幅に抑制し、あるいは周囲環境変化による誤差要因を大幅に排除し、所望のセンシング対象（例えば、測定対象物の変位、周囲環境の変化）のみを高精度に計測できる光ファイバセンサ１が容易に得られる。

第２の実施の形態を説明する。

図３に示すように、光ファイバセンサ３１は、上述した製造方法を用いて作製した図１の光ファイバセンサ１の構成に加え、さらに再被覆層７を周囲環境に応じて膨張・収縮する第２被覆層９で覆ったものである。

第２被覆層９としては、例えば、湿度に応じて膨張・収縮するシリコーン樹脂で形成したものを使用する。この場合、周囲環境の湿度に応じて第２被覆層９が大きく体積変化し、その変化量がＦＢＧ５に正確に伝達されるので、光ファイバセンサ３１を高精度な湿度センサとして使用できる。

また、第２被覆層９としては、例えば、水素ガスに応じて膨張・収縮するパラジウムで構成されるものを使用してもよい。この第２被覆層９は、例えば、再被覆層７の外周にパラジウムを蒸着、メッキ、あるいはパラジウム粉末を含む金属塗料を塗布して形成される。この場合、周囲環境の水素ガス量に応じて第２被覆層９が大きく体積変化し、その変化量がＦＢＧ５に正確に伝達されるので、光ファイバセンサ３１を高精度な水素ガスセンサとして使用できる。

上記実施の形態では、光ファイバ８をＵ字状に曲げて被覆層３をエッチング液ｅで溶解除去する例で説明したが、例えば、光ファイバ８を直線状にし、直線状にした光ファイバ８のＦＢＧ５を形成する部分を覆う被覆層３の外周に、マスクを介してエッチング溶液ｅを吹きつけることで、被覆層３を溶解除去してもよい。

また、テーパ部６，６を形成する他の方法としては、Ｕ字状部８ｕの全体をエッチング溶液ｅに浸漬し、Ｕ字状部８ｕの端部を徐々に引き上げた後に停止し、Ｕ字状部８ｕの端部以外の被覆層３がすべて除去されてからＵ字状部８ｕの全体を引き上げる方法、あるいはこれとは逆の方法がある。

本発明の好適実施の形態である光ファイバセンサの製造方法を用いて作製した光ファイバセンサの縦断面図である。 本実施の形態に係る光ファイバセンサの製造方法の一工程を示す概略図である。 第２の実施の形態の縦断面図である。

符号の説明

１ 光ファイバセンサ
２ 光ファイバ素線
３ 被覆層
４ 除去部
５ ＦＢＧ
６，６ テーパ部
７ 再被覆層
８ 光ファイバ

Claims (10)

1. 光ファイバにファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を形成する光ファイバセンサの製造方法において、上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分を覆う被覆層を溶液で溶解除去することを特徴とする光ファイバセンサの製造方法。
2. 上記溶液に上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分をＵ字状に曲げて浸漬し、上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分を覆う被覆層を溶解除去して光ファイバ素線を露出させると共に、残留被覆層の端部を滑らかにし、露出した上記光ファイバ素線に上記ＦＢＧを形成した後、露出した上記光ファイバ素線と上記残留被覆層の端部とを再被覆層で覆う請求項１記載の光ファイバセンサの製造方法。
3. 上記溶液に上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分をＵ字状に曲げて浸漬すると共に、上記光ファイバの上記ＦＢＧを形成する部分を上下に移動させる請求項２記載の光ファイバセンサの製造方法。
4. 上記溶液で溶解除去する上記被覆層の長さを上記ＦＢＧの長さの３倍以上にし、かつ上記ＦＢＧと上記残留被覆層の端部とを１０ｍｍ以上離す請求項２または３記載の光ファイバセンサの製造方法。
5. 上記再被覆層の厚さを上記被覆層の厚さの２倍以下にする請求項２〜４いずれかに記載の光ファイバセンサの製造方法。
6. 上記被覆層をポリイミド樹脂で形成し、上記再被覆層をポリイミド樹脂あるいは紫外線硬化樹脂で形成する請求項２〜５いずれかに記載の光ファイバセンサの製造方法。
7. 上記再被覆層を周囲環境に応じて膨張・収縮する第２被覆層で覆う請求項２〜６いずれかに記載の光ファイバセンサの製造方法。
8. 上記第２被覆層を湿度に応じて膨張・収縮するシリコーン樹脂で形成する請求項７記載の光ファイバセンサの製造方法。
9. 上記第２被覆層を水素ガスに応じて膨張・収縮するパラジウムで構成する請求項７記載の光ファイバセンサの製造方法。
10. 請求項１〜９いずれかに記載された製造方法を用いて作製したことを特徴とする光ファイバセンサ。
    

Images