JP2006322721A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 テープ状の光ファイバセンサを構成する傷付きプラスチック光ファイバ（傷付きＰＯＦ）に加わる側圧を軽減する。
【解決手段】 複数本の傷付きＰＯＦ１〜４をテープ化してなる光ファイバセンサ５であって、前記複数本の傷付きＰＯＦ１〜４を補強用線条体１１、１２とともに並べて配置し一体化する。テープ心線である光ファイバセンサ５を並べた状態でラミネートを施して光ファイバシート化する場合、上下にシート７を添わせローラ８で上下から押圧して接着一体化する。この時、ローラ８は左右両側から内側に向く押し付け力も発生させるので、その押し付け力で左側部分５と右側部分（５）とが中央部で互いに押し合うが、補強用線条体１１、１２が存在するのでそれぞれの端部の傷付きＰＯＦどうしが直接押し合うことはなく、傷付きＰＯＦに作用する側圧は軽減される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、表面傷をファイバ長手方向に微少間隔をあけて多数形成した傷付きプラスチック光ファイバを用いた光ファイバセンサに関する。

プラスチック光ファイバ（場合によりＰＯＦと呼ぶ）は石英系光ファイバに比較して取り扱いが容易であり短距離伝送用途に用いられる場合が多い。そして、プラスチック光ファイバの表面に部分的な傷をファイバ長手方向に微少間隔をあけて多数形成した傷付きプラスチック光ファイバ（場合により傷付きＰＯＦと呼ぶ）が知られている。
この傷付きＰＯＦの用途として、その表面の傷の存在によって発生する伝送損失が、傷の存在する側から側圧（曲げ圧）を与えて曲げた時には低減される方向に変化し、それとは逆の側から側圧（曲げ圧）を加えて曲げた時には更に増大する方向に変化するという現象を応用した曲げセンサが知られている（ＵＳＰ５，３２１,２５７（特許文献３））。

そして、この曲げセンサは、その基本的な構成としては、ＵＳＰ５,３２１,２５７に示されるように、曲げセンサの複数本をテープ状に横に並べられたものが開示されている。すなわち、図８に示した光ファイバセンサ（テープ心線）５’のように、並列させた第１〜第４の４本の傷付きＰＯＦ１、２、３、４の表面の傷領域１ａ、２ａ、３ａ、４ａを順次ずらした構成である。

ところで、従来から、光ファイバのテープ心線は、ケーブル化時の側圧により伝送損失が発生することが知られている。
一般的な光スロットケーブルの場合は、テンションメンバの周囲に複数のスロットを配置し、各スロットに複数のテープ心線を積層収納した構造であるが、そのテープ心線がスロット内壁から受ける側圧による損失増大防止の必要性は周知であり、側圧が作用しないための種々の対策が提案されている。例えば特許文献１（特開平４−３５８１０６）の対策は、テープ心線両側の光ファイバ素線の外径を２２０〜２５０μｍ、内側の光ファイバ素線の外径を２００μｍ以下とするもの（すなわち両側素線における裸ファイバ上の被覆を厚くする）で、この構成によれば、テープ心線における両側の光ファイバ素線がスロット内壁に押し付けられても、側圧が厚い被覆に吸収されることにより、内側の光ファイバ（裸ファイバ）まで伝わらなくなるという効果が得られ、側圧による光ファイバの伝送損失の増大を防止できる。

また、特許文献２（特開平５−１９１５０）の対策は、特許文献１と同じく、光スロットケーブルにおけるテープ心線がスロット内壁から受ける側圧を軽減して両側の光ファイバの損失増大を防止するためのものであるが、並列させた複数本の光ファイバ素線上に形成する心線被覆について、テープ心線の両側部分のテープ幅方向被覆厚みを平坦部分厚み（テープ厚み方向の厚み）より厚くすることにより、側圧の影響を軽減させる構造である。
特開平４−３５８１０６ 特開平５−１９１５０ USP5,321,257

光ファイバセンサが、傷付きＰＯＦを並べたテープ心線の場合、テープ心線を構成する傷付きＰＯＦが側圧の作用を受けて傷の開閉量に変化が生じることが判明した。
また、側圧の影響は、特にテープ心線の端部に位置する傷付きＰＯＦで大きく現れ、その結果、光ファイバセンサの伝送損失が想定値から変動して検知誤差が生じることが判明した。
上記特許文献１や特許文献２のような、テープ心線における両側の光ファイバへの側圧軽減対策は、伝送用光ファイバを収容する光スロットケーブルにおけるスロット内壁からの側圧軽減には有効である。
しかし、傷付きＰＯＦを用いた光ファイバセンサは、被覆厚がセンサ感度に影響を及ぼし、しかも側圧による伝送損失の影響が非常に大きいため、上記特許文献に開示されるような被覆厚みの調整手段を側圧対策に用いることはできない。
また、前述した複数本の傷付きＰＯＦをテープ化した光ファイバセンサでは、テープ化した傷付きＰＯＦに保護テープを熱圧着によりラミネートする。
ラミネート工程は、図９に示すように、ＰＥＴ等のシート基材に接着剤層を形成したシート７をテープ心線５’の２列テープ状態部９’の上下面に添わせ、周溝８ａが形成されたローラ８で上下から押圧して、接着一体化して光ファイバシート化する。なお、図示例は1本のテープ心線５’を途中で湾曲させて折り返し横並びの平面配置とした場合である。
この時、上下のローラ８は、テープ心線５’の２列テープ状態部９’を、単に上下から押圧するだけでなく、２列テープ状態部９’の両側から内側に向く力Ｆも発生させる。
すると、２列テープ状態部９’の左右部分（同一のテープ心線であるが、仮に左側テープ心線、右側テープ心線と呼ぶ）は、それぞれ中央側に押し付けられ、左側テープ心線と右側テープ心線とが互いに押し合い、それぞれの中央側の端の傷付きＰＯＦ（図示例では傷付きＰＯＦ１と４）どうしが直接押し合って互いに側圧を作用させる。
このように、光ファイバシート化の際に、残留側圧により傷付きＰＯＦの伝送損失が大きくなって不良品となる場合があるので、光ファイバセンサの歩留まりが低く、生産性が低下するという問題がある。
つまり、傷付きＰＯＦの場合、側圧が加わると曲げに対して傷の開閉角度が追随しなくなり、曲げ測定量に誤差が生じるので、単に一般的に光ファイバに側圧が加わった時の損失の問題より、影響が大きい。

本発明は上記従来の欠点を解消するためになされたもので、例えば、傷付きＰＯＦをテープ化してなる光ファイバセンサにおいて、傷付きプラスチック光ファイバに加わる側圧、ストレスを大幅に軽減できる光ファイバセンサを提供することを主たる目的とする。

上記課題を解決する請求項１の発明は、表面傷をファイバ長手方向に微少間隔をあけて多数形成した少なくとも１本の傷付きプラスチック光ファイバ（傷付きＰＯＦ）をテープ化してなる光ファイバセンサであって、
前記傷付きＰＯＦを、少なくとも１本の補強用線条体とともに並べて配置し一体化したことを特徴とする。

請求項２は、請求項１の光ファイバセンサにおいて、傷付きＰＯＦを補強用線条体とともに樹脂被覆して一体化したことを特徴とする。
請求項３は、請求項１〜２の光ファイバセンサにおいて、補強用線条体が、隣接して並ぶ傷付きＰＯＦの少なくとも片側の端部に配置されていることを特徴とする。
請求項４は、請求項１〜３の光ファイバセンサにおいて、前記傷付きＰＯＦが複数であり、前記補強用線条体が傷付きＰＯＦ間に配置されていることを特徴とする。
請求項５は、請求項１〜４の光ファイバセンサにおいて、補強用線条体の少なくとも一本の径が傷付きＰＯＦの径より大きいことを特徴とする。
請求項６は、請求項１〜５の光ファイバセンサにおいて、補強用線条体がプラスチック繊維又はガラス繊維又はＦＲＰ繊維であることを特徴とする。

請求項７の光ファイバセンサは、請求項１〜６のテープ状の光ファイバセンサを少なくとも２本、幅方向に並べて配置し、その上下からラミネートを施して光ファイバシート化したことを特徴とする。
請求項８の光ファイバセンサは、請求項１〜６のテープ状の1本の光ファイバセンサを途中で湾曲状に折り返して平面状の横並び配置とし、その横並び配置部の上下からラミネートを施して光ファイバシート化したことを特徴とする。

本発明の光ファイバセンサによれば、補強用線条体を傷付きＰＯＦとともに並べて配置しているので、傷付きＰＯＦに作用する側圧が軽減される。
したがって、曲げセンサとしての曲がり量と伝送光量変化が設計通りの関係になり、曲げ検出の精度が向上する。
請求項２によれば、補強用線条体が少なくとも片側の端部に配置されているので、端部から作用する側圧を軽減できる。
請求項７又は請求項８によれば、光ファイバシート化するためのラミネート工程時に作用する側圧、ストレスが、検知用の傷付きＰＯＦに及ばないため、曲げセンサとしての曲がり量と光量変化が設計通りの関係になり、曲げ検出の精度が向上する。
また、ラミネート工程において検知用の傷付きＰＯＦへの影響が少なくなるので、ラミネートの接着条件（温度、圧力）を厳しくすることができ、したがって、ラミネートシートとテープ心線との接着強度をより向上させることができる。その結果、剥離や皺の発生をなくし、耐環境性を向上させることができ、特に自動車用の光ファイバセンサとして優れた特性を持たせることができる。
請求項８によれば、一本の光ファイバを途中で折り返して平面状に横並び配置し、その上からラミネートしているので、積み重ねる場合と比較して、光ファイバセンサの厚みが減少して曲げ剛性が小さくなるから微妙な曲がりに追随することが可能となり、センサ感度が向上する。また、皺や剥離などの発生を少なくすることができる。

本発明の好ましい実施例は、前記傷付きＰＯＦを、検知作用に関与しない補強用線条体とともに並べて配置し一体化し、さらに好ましい実施例では、並べられた傷付きＰＯＦと補強用線条体を樹脂被覆して一体化する。
以下、本発明を実施した光ファイバセンサについて、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施例の光ファイバセンサ５を示すもので、（イ）は平面図、（ロ）は断面図である。
この光ファイバセンサ５の構造は、プラスチック光ファイバ（場合によりＰＯＦと呼ぶ）の表面クラッドの所々に、コアが露出する程度の表面傷を付けた傷付きプラスチック光ファイバ（場合により傷付きＰＯＦと呼ぶ）を用い、複数本の傷付きＰＯＦを並べてテープ状に配置したものである。
本図にて、光ファイバセンサ５は、４心の傷付きＰＯＦで構成される。隣接して並べた第１〜第４の４本の傷付きＰＯＦ１、２、３、４の両側の端部には、それぞれ補強用線条体１１、１２を配置している。なお、４本の傷付きＰＯＦ１〜４と２本の補強用線条体１１、１２とを並べてテープ化する被覆を符号６で示す。
図６はこの光ファイバセンサ５を折り返した図であり、本図に示すように、テープ心線である一本の光ファイバセンサ５は途中で湾曲状に折り返されている。ここで、テープ心線である光ファイバセンサ（場合によりテープ心線と呼ぶ）５を、上下に積層するのではなく、折り返し部分で並行にずらして横並びにし、端部を添わせるようにして平面配置とすることが重要である。
センサ（テープ心線）端部を同じ側とすることにより、発光素子が配置される入光側と、受光素子が配置される出力側が同じ側に配置される。
入力側と出力側とを同じ側に配置することにより、発光素子、受光素子の配置スペースの低減と、各素子の取付作業が効率化する。
テープ心線５は、折り返されることにより表裏が反転して２列のテープ心線５となり、寄り添うように端部を密接させて横並びとなり水平面が形成されている。
この横並びの２列のテープ心線５（２列テープ状態部９と呼ぶ）の上下からラミネートを施して光ファイバシート化される。

ラミネート工程は、図２に示すように、ＰＥＴ等のシート基材に感熱性の接着剤層を形成したシート７をテープ心線５の２列テープ状態部９の上下面に添わせ、周溝８ａが形成されたローラ８で上下から加熱押圧する。
加熱押圧により、接接着層は溶融し、シート基材とテープ心線が接着一体化して光ファイバシート化する。この時、上下のローラ８は、テープ心線５の２列テープ状態部９を、単に上下から押圧するだけでなく、２列テープ状態部９の両側から内側に向く力Ｆ（側圧）も発生させる。
２列テープ状態部９の左右部分（同一のテープ心線であるが、仮に左側テープ心線、右側テープ心線と呼ぶ）は、それぞれ中央側に押し付けられ、左側テープ心線と右側テープ心線とが互いに押し合う。その結果、テープ心線の端部、特に内側の端部には非常に大きなストレスが加わる。
しかし、このテープ心線５では、２列テープ状態部９の中央部において左側テープ心線と右側テープ心線とが互いに押し合っても、その力は補強用線条体１２、（１１）に直接加わるようになる。したがって、検知に関与する中央部の傷付きＰＯＦどうし（図示例では傷付きＰＯＦ４と（１））が直接押し合うことはない。つまり、補強用線条体１２、（１１）の緩衝作用により各傷付きＰＯＦに作用する側圧は軽減される。
また、ラミネート工程のストレスは、２列テープ状態部９の外側の両端部（図示例では傷付きＰＯＦ１と（４））にも加わる。しかし、補強用線条体１１又は（１２）が存在するので、その補強用線条体１１又は（１２）の緩衝作用により、両端部の傷付きＰＯＦへの側圧が軽減される。したがって、光ファイバシート化の際に側圧が内部歪みとして残留し、傷付きＰＯＦの伝送損失と曲がり量の変化が設計通りの関係でなくなり不良品となるという問題は発生せず、歩留まりが向上し、生産性が向上する。
また、ラミネート工程において検知用の傷付きＰＯＦ１〜４への影響が少なくなるので、ラミネートの接着条件（温度、圧力）を厳しくすることができ、ラミネートシート７とテープ心線５との接着強度をより向上させることができる。
その結果、剥離や皺の発生をなくし、耐環境性を向上させることができ、特に自動車用の光ファイバセンサとして優れた特性を持たせることができる。
また、補強用線条体１１、１２は、傷付きＰＯＦ１〜４の収縮抑制という作用も奏するので、曲げを検出する本発明の光ファイバセンサにとって、曲げに直接には関係しない余分な出力変動がなく、精度の向上に有益である。
そのうえ、テープ心線を上下に積層するのではなく、折り返し部分で並行にずらして配列することにより、光ファイバセンサの厚みを低減できる。
その結果、光ファイバセンサの厚みが過大になり、曲げ剛性が高くなり微少な曲げ変形に追随しにくくなるという問題と、光ファイバセンサの断面の各位置における、曲げ半径（曲がり量、剪断応力）の多少の違いにより、ラミネートシートに皺や剥離等が生じるという問題を抑制できる。

因みに、折り返し部分には、図７のように、テープ心線並び方向（図６のＡ方向）から見て紡錘型の折り返し部材６１を用いる。この折り返し部材６１は、テープ心線を巻き付けるようにして折り返す折り返し面６３に添って、テープ心線の横幅程度なる一本の溝６４が形成されている。この溝６４は、折り返し部材の先端部（紡錘型の頂点付近）に、２箇所の開口部６４ａ、６４ｂを有する。これら開口部部６４ａ、６４ｂの位置は、テープ並び方向にテープ心線の巾程度だけ異なり、溝６４の長手方向は、折り返し面６３の表面方向に対して斜めになるように形成されている。
テープ心線５を折り返し部材６１にて折り返すには、溝６４内にテープ心線５を落とし込むことにより、テープ心線５は折り返し面６３上で位置決めされ斜めにガイドされてゆく。溝６４の開口部６４ａ、６４ｂの位置はずれているので、折り返されたテープ心線５は、折り返し部材６１の導入部近傍で横並びに水平配列されるようになる。
傷付きＰＯＦの場合、側圧が加わると曲げに対して傷の開閉角度が追随しにくくなり、曲げ測定量に誤差が生じるので、単に一般的に光ファイバに側圧が加わった時の損失の問題より影響が大きいが、その側圧が軽減されるので、複数本の傷付きＰＯＦをテープ化した構造である本発明の光ファイバセンサにとって、その効果は顕著である。

補強用線条体の外径は傷付きＰＯＦの外径と概ね等しくするか、あるいは傷付きＰＯＦよりも太くするが、補強線条体の少なくとも一本が傷付きＰＯＦよりも太ければ側圧緩衝作用を向上させることができる。

図３に示した光ファイバセンサ５Ａのように、傷付きＰＯＦの間に補強用線条体１３を配置してもよい。
図示例は、両側の補強用線条体１１、１２とともに、４本の傷付きＰＯＦの中央位置に補強用線条体１３を配置した場合である。両側の補強用線条体１１、１２が無く、そのかわりに、単独で中間部の補強用線条体１３を配置することも考えられる。この場合でも補強用線条体が存在しない場合と比べれば緩衝作用がある。

図４に示した光ファイバセンサ５Ｂのように、隣接して並べた傷付きＰＯＦ１、２、３、４の片側の端部のみに補強用線条体１４を配置する構成とすることもできる。
この場合、ラミネート工程では図５の状態となるが、２列テープ状態部９の中央部では１本の補強用線条体１４の緩衝作用により、傷付きＰＯＦに作用する側圧は軽減される。
一方の端部では１本の補強用線条体１４の緩衝作用で、傷付きＰＯＦに作用する側圧は軽減されるが、この実施例では他方の端部には緩衝作用はない。
なお、図５は別体の２本の光ファイバを添わせた場合であり、一本の光ファイバセンサ５Ｂを折り返している場合には、補強用線条体１４の位置は必ず内側となる。

本発明で用いる補強用線条体として、プラスチック繊維あるいはガラス繊維あるいはＦＲＰ繊維など、種々の線条体を用いることができる。
プラスチック繊維の場合、プラスチック光ファイバを用いることができ、さらに検知には関与しない傷付きプラスチック光ファイバ（傷付きＰＯＦ）を補強用線条体として用いることができる。
その太さは、好ましくは、検知用の傷付きＰＯＦと同径以上とする。補強用線条体が傷付きＰＯＦと同径以上であれば、傷付きＰＯＦに加わるストレスを緩和する効果がより向上する。例えば、２５０ミクロン径の傷付きＰＯＦと、５００ミクロン径のＦＲＰ繊維を用いることができる。

上述の実施例では、テープ状の光ファイバセンサ５の２列テープ状態部（折り返し２列に横並びされた部分）９にラミネートを施して光ファイバシート化する場合について、側圧を軽減させる作用を説明した。
しかし、一本のテープ状の光ファイバセンサ５折り返し、２列テープ状態部９としてラミネートする場合に限らず、別個の独立した二本のテープ状の光ファイバセンサ５を横並びさせてラミネートする場合にも適用できる。この場合の側圧軽減の作用効果は上述の場合と概ね同一である。
また、単にテープ状の光ファイバセンサ５にラミネートを施す場合（テープ心線が１列の状態でラミネートする場合）でも、ローラ７からの側圧を軽減する効果があるので、本発明を適用できる。
また、実施例では４本の傷付きＰＯＦをテープ化した光ファイバセンサ５について述べたが、傷付きＰＯＦの本数は少なくとも一本以上有れば良く、補強用線条体の本数も少なくとも一本以上有れば良い。
すなわち、傷付きＰＯＦの本数と補強用線条体の本数選択との組み合わせは、設計仕様に応じて良好なセンシング特性を実現するために任意に変更することができる。
さらに、傷付きＰＯＦの本数と補強用線条体の配列順序も、設計仕様に応じて良好なセンシング特性を実現するために任意に変更することができる。
また、必ずしもラミネートする場合に限らず、テープ状の光ファイバセンサに側圧が作用する場合であれば、傷付きＰＯＦに対するストレスを緩和するために本発明を適用することができる。
さらにまた、本発明で、傷付きＰＯＦを補強用線条体とともに並べて配置し一体化するという意味は、傷付きＰＯＦが補強体と一体化することにより外圧（側圧、ストレス等）から保護されるすべての構造を含むということに解釈される。
したがって、本発明にて開示された実施例以外の一体化構造であっても、本発明の範疇に含まれるものである。

本発明の一実施例の光ファイバセンサを示すもので、（イ）は平面図、（ロ）は断面図である。 図１の1本の光ファイバセンサを途中で湾曲状に折り返しかつラミネートを施して光ファイバシート化する要領を説明する図である。 補強用線条体を中間部にも配置した実施例の光ファイバセンサの断面図である。 補強用線条体を片側の端部のみに配置した実施例の光ファイバセンサの断面図である。 図４の1本の光ファイバセンサを途中で湾曲状に折り返しかつラミネートを施して光ファイバシート化する要領を説明する図である。 図１のテープ状の光ファイバセンサを途中で湾曲状に折り返し２列に横並びされた状態を説明する図であり、光ファイバセンサを光ファイバシート化するためのラミネート工程の前の状態を示す図である。 図６のようにテープ心線である光ファイバセンサを途中で折り返す際の折り返し部に用いる折り返し部材の斜視図である（光ファイバ心線を併せて２点鎖線で示す） 従来の光ファイバセンサを示すもので、（イ）は平面図、（ロ）は断面図である。 図８の1本の光ファイバセンサを途中で湾曲状に折り返しかつラミネートを施して光ファイバシート化する要領を説明する図である。

符号の説明

１、２、３、４ 傷付きプラスチック光ファイバ（傷付きＰＯＦ）
１ａ、２ａ、３ａ、４ａ 傷領域
５、５Ａ、５Ｂ 光ファイバセンサ
６ 被覆
７ シート
８ ローラ
８ａ 周溝
９ ２列テープ状態部（テープ心線の２列に横並びされた部分）
１１、１２、１３、１４ 補強用線条体
６１ 折り返し部材

Claims (8)

1. 表面傷をファイバ長手方向に微少間隔をあけて多数形成した、少なくとも１本の傷付きプラスチック光ファイバ（傷付きＰＯＦ）を用いた光ファイバセンサであって、
   前記傷付きＰＯＦを、少なくとも１本の補強用線条体とともに配置し一体化したことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 前記傷付きＰＯＦを、補強用線条体とともに樹脂被覆して一体化したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサ。
3. 前記傷付きＰＯＦが複数であり、前記補強用線条体が隣接して並ぶ傷付きＰＯＦの、少なくとも片側の端部に配置されていることを特徴とする請求項１〜２記載の光ファイバセンサ。
4. 前記傷付きＰＯＦが複数であり、前記補強用線条体が傷付きＰＯＦ間に配置されていることを特徴とする請求項１〜３記載の光ファイバセンサ。
5. 前記補強用線条体の少なくとも１本の径が、傷付きＰＯＦの径より大きいことを特徴とする請求項１〜４記載の光ファイバセンサ。
6. 前記補強用線条体がプラスチック繊維又はガラス繊維又はＦＲＰ繊維であることを特徴とする請求項１〜５記載の光ファイバセンサ。
7. 請求項１〜６のテープ状の光ファイバセンサを少なくとも２本、幅方向に並べて配置し、その上下からラミネートを施して光ファイバシート化したことを特徴とする光ファイバセンサ。
8. 請求項１〜６のテープ状の1本の光ファイバセンサを途中で湾曲状に折り返して平面状の横並び配置とし、その横並び配置部の上下からラミネートを施して光ファイバシート化したことを特徴とする光ファイバセンサ。
   

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