JP2007263682A - 光ファイバ温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】安価かつ高感度であり、安全性の高い光ファイバ温度センサを提供する。
【解決手段】温度に応じて形状が変化する形状変化部を有する温度変化変位変換部１４に、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えて伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部ＳＰを有する光ファイバ１１が、センサ部ＳＰと形状変化部とが接するようにして固定されており、光ファイバ１１の入射端に対してセンサ光を出射する光源１２が接続され、センサ部ＳＰを介して光ファイバ１１の出射端から出射されるセンサ光を検出する受光部１３が接続されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は光ファイバ温度センサに関し、特に、ヘテロコア型光ファイバセンサを用いた光ファイバ温度センサに関するものである。

従来の一般的な温度センサとしては、熱電対、赤外線センサあるいはバイメタルを用いたものや、液体温度計などの種々のタイプが知られている。
しかし、上記各種の温度計では、電気的センサを用いている場合には電気信号を授受することから、防爆施設などにおいては使用することができなかった。また、遠隔地での温度検知が困難であるという問題もあった。

一方、光ファイバを用いたセンサとして種々のタイプが開発され、建築物のセキュリティシステムなどの用途に利用がなされている。
例えば、特許文献１には、ＦＢＧ（fiber bragg grating）と呼ばれる光ファイバセンサが開示されている。ＦＢＧは、光ファイバの伝送路上で、ブラッグの原理に従って特定の波長の光を透過あるいは反射するように構成した可変光学フィルタである。
また、特許文献２及び３には、いわゆるヘテロコア部をセンサとして用いる光ファイバセンサが記載されている。
さらに、上記のＦＢＧタイプの光ファイバセンサを用いた温度センサとしては、例えば特許文献４に記載がある。
特公表２００３−５３２１４０号公報 国際公開９７／４８９９４号パンフレット 特開２００３−２１４９０６号公報 特表２００４−２６４１１４号公報

本願は上記の状況に鑑みてなされたものであり、安価かつ高感度であり、安全性の高い光ファイバを用いた温度センサを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバ温度センサは、温度に応じて形状が変化する形状変化部を有する温度変化変位変換部と、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバであって、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有し、少なくとも測定温度領域において前記センサ部が前記形状変化部に接するように固定された光ファイバと、前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、前記センサ部を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を検出する受光部とを有する。

上記の本発明の光ファイバ温度センサは、温度に応じて形状が変化する形状変化部を有する温度変化変位変換部を有し、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えて伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有する光ファイバが、少なくとも測定温度領域においてセンサ部と形状変化部とが接するようにして固定されている。
光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源が接続され、センサ部を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を検出する受光部が接続されている。

上記の本発明の光ファイバ温度センサは、好適には、前記光ファイバが前記温度変化変位変換部に固定されている。
あるいは好適には、上記測定温度領域以外の領域において前記センサ部が前記形状変化部に接しないように前記光ファイバが固定されている。

上記の本発明の光ファイバ温度センサは、好適には、前記センサ部は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であり、前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である。
あるいは好適には、前記センサ部は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材が前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である。
あるいは好適には、前記センサ部は、前記光ファイバの前記クラッド部が除去されてなる構成である。

上記の本発明の光ファイバ温度センサは、好適には、前記温度変化変位変換部がバイメタルである。

本発明の光ファイバ温度センサは、センサ部として光ファイバセンサを用いており、安価かつ高感度であり、安全性の高い温度センサである。

以下に、本発明の光ファイバ温度センサの実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１（ａ）は本実施形態に係る光ファイバ温度センサの模式構成図である。
例えば、センサヘッド１０から光ファイバ１１の両端が引き出されており、光ファイバ１１の入射端に対してセンサ光を出射する光源１２が光学的に接続されており、光ファイバ１１の出射端に対して、出射端から出射されるセンサ光を検出する受光部１３が光学的に接続されている。

また、図１（ｂ）は光ファイバ温度センサの要部の模式的平面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）中のＸ−Ｘ’における断面図である。
例えば、光ファイバ１１は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバであって、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部ＳＰを有している。
さらに、温度に応じて形状が変化する形状変化部を有する温度変化変位変換部１４に、上記の光ファイバ１１が、センサ部ＳＰと形状変化部とが接するようにして接着剤などで所定の位置に固定されている。
上記のようにセンサヘッド１０が構成されている。

上記の温度変化変位変換部１４は、例えば、線膨張係数の異なる２種類の金属層（１４ａ，１４ｂ）が積層して構成されたバイメタルから構成される。バイメタルは、その全体が、温度に応じて形状が変化する形状変化部となっており、温度変化を形状変化部の変位に変換する。

上記の光ファイバ温度センサにおいては、光源１２から光ファイバ１１に入射されたセンサ光がセンサ部ＳＰを介して受光部１３で受光される。
上記のセンサ部ＳＰは、伝送する光の一部の外界との相互作用が可能な構造となっており、上記のようにセンサ部ＳＰが温度変化変位変換部１４の形状変化部に接して固定されているので、受光部１３での光量を測定することで、形状変化部の変位を測定することが可能となっている。
ここで、予め温度と形状変化部の変位との関係を調べて対応付けておくことで、測定された結果である形状変化部の変位を測定時の温度に変換することが可能となっている。

上記の光ファイバセンサラインを構成する光ファイバとセンサ部について説明する。
図２（ａ）は、センサ部ＳＰの構成の一例を示すための、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のセンサ部ＳＰ近傍での斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍での長手方向の断面図である。
例えば、光ファイバセンサラインを構成する各光ファイバは、光ファイバ通信ラインの光ファイバと同じ構成、即ち、例えばコア径９μｍのシングルモードファイバであり、一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂの間にセンサ部ＳＰが設けられているものとする。
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有する。光源より伝送された光は、光入射端側からコア２１に入射され、センサ部ＳＰを介して光出射端側のコア２１から受光部へと出射される。

図２（ａ）および（ｂ）に示すセンサ部ＳＰは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部３であり、コア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する。
ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌより小さく、例えばａｌ＝９μｍ、ｂｌ＝５μｍである。また、ヘテロコア部３の長さｃｌは数ｍｍ〜数ｃｍであり、例えば１ｍｍ程度である。
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）とセンサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３は、長手方向に直交する界面４でコア同士が接合するようにほぼ同軸に、例えば汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが接合されてなる構成において、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌとが界面４で異なっており、このコア径の差に起因して光の一部がヘテロコア部３のクラッド３２にリークＷする。リークＷを小さくするように、コア２１とコア３１の径の組み合わせをすると大部分の光は再び光ファイバ２１に入射し、伝送される。このとき、センサの挿入損失は小さく、また、リークＷの程度は屈曲などの外界の変化により、鋭敏に変化する。また、コア２１とコア３１の径の組み合わせによっては、リークＷを極度に大きくすることもできる。この場合、多くのリークＷの光がクラッド３２と外界との境界面においてエバネッセント波を発生させ、外界に作用させ変化を感受することができる。

上記のようにリークした光は、センサ部ＳＰにおける光ファイバの屈曲の度合いや光ファイバが置かれている環境に応じて変化するので、外界と相互作用した結果生じた変化を検知することで、センサ部ＳＰで測定しようとして情報を得ることができる。
即ち、本実施形態において、センサ部ＳＰが温度変化変位変換部１４の形状変化部に接して固定されており、形状変化部の形状が温度に応じて変化するのでセンサ部ＳＰの歪が温度に応じて変化し、これによりリークＷの大きさが変化する。
従って、受光部で検出されるセンサ光量により温度変化変位変換部１４の形状変化部の変位を測定でき、予め温度と形状変化部の変位との関係を調べて対応付けておくことで、測定された結果である形状変化部の変位を測定時の温度に変換することが可能となっている。

センサ部ＳＰとしては、他の構成を採用することも可能である。
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、センサ部ＳＰの構成の一例を示すための、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のセンサ部ＳＰ近傍での長手方向の断面図である。
図３（ａ）では、センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３のコア３１の径ｂｌが、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌよりも大きな構成となっている。
図３（ｂ）に示すように、ヘテロコア部の代わりに、センサ部ＳＰは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の屈折率あるいはクラッド２２の屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材３０が光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に接合されてなる構成とすることもできる。
図３（ｃ）に示すように、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有する光ファイバのセンサ部ＳＰにおいて、クラッド２２が除去されている構成とすることもできる。

図４（ａ）及び（ｂ）は本実施形態に係る光ファイバ温度センサの温度変化変位変換部１４の形状変化を示す模式図である。
例えば、温度変化変位変換部１４が、線膨張係数の異なる２種類の金属層（１４ａ，１４ｂ）が積層して構成されたバイメタルからなる。
例えば、温度が変化することにより、図４（ａ）に示すように温度変化変位変換部１４がセンサ部ＳＰに対して凹状に形状変化する、あるいは、図４（ｂ）に示すように温度変化変位変換部１４がセンサ部ＳＰに対して凸状に形状変化することにより、センサ部ＳＰにそれぞれの歪が発生し、受光部で感知される光量に変化をもたらすものである。

本実施形態の光ファイバ温度センサは、センサ部として光ファイバセンサを用いており、安価かつ高感度であり、安全性の高い温度センサである。

本実施形態の光ファイバ温度センサによると、上記のような伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にする光ファイバセンサが高感度であるので、温度センサとしても非常に高感度となり、温度をデジタルで読み出すことができる。
また、電磁波の影響を受けず、与えることもない。
さらに光ファイバを用いているので金属腐食による接点不良などの不具合が起こらない。
温度センサとしては電気的センサを用いておらず、光源、センサヘッドから受光部まで光で信号の授受を行っており、被測定物の周囲（数十メートル）で電気を使用しないで測定可能であり、漏電の心配がなく、電気的スパークによる引火、火災、誘爆のなく、安全防爆性を有しており、防爆施設に適用することができる。
光ファイバを延伸することで、遠隔地でリアルタイムに検知することができ、例えば複数のセンサを集中管理センター一箇所で管理することができ、例えば８０ｋｍ程度の遠隔地でも無電源による温度測定が可能となる。

第２実施形態
図５（ａ）は本実施形態に係る光ファイバ温度センサの要部の模式的断面図であり、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は本実施形態に係る光ファイバ温度センサの温度変化変位変換部の形状変化を示す模式的断面図である。
光ファイバ温度センサの要部以外の部分の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。

例えば、温度に応じて形状が変化する形状変化部を有する温度変化変位変換部１４の固定端部Ｆにおいて固定されている。温度変化変位変換部１４は、例えば線膨張係数の異なる２種類の金属層（１４ａ，１４ｂ）が積層して構成されたバイメタルからなる。
温度変化変位変換部１４の近傍において、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部ＳＰを有している光ファイバ１１が配置され、固定されている。

ここで、図５（ａ）に示すように、測定温度領域以外の領域においてはセンサ部ＳＰが形状変化部に接しないが、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、測定温度領域においてはセンサ部ＳＰが形状変化部に接するように、光ファイバ１１が固定されている。
上記のようにセンサヘッドが構成されている。

上記の光ファイバ温度センサにおいて、センサ部ＳＰは伝送する光の一部の外界との相互作用が可能な構造となっており、測定温度領域においてセンサ部ＳＰが温度変化変位変換部１４の形状変化部に接するように固定されている。形状変化部の形状が温度に応じて変化するのでセンサ部ＳＰの歪が温度に応じて変化し、これによりリークの大きさが変化する。

従って、受光部で検出されるセンサ光量により温度変化変位変換部１４の形状変化部の変位を測定でき、予め温度と形状変化部の変位との関係を調べて対応付けておくことで、測定された結果である形状変化部の変位を測定時の温度に変換することが可能となっている。

特に、上記のように温度変化変位変換部１４の固定端部Ｆの反対側の端部においてセンサ部ＳＰが形状変化部に接する構成とすることで、温度変化変位変換部がセンサ部に伝達できる変位がより大きくなり、光ファイバ温度センサの感度を高めることができる。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、光ファイバを固着する温度変化変位変換部１４は、バイメタルに限らず、温度変化を変位に変換するような部材であればよい。例えば、形状記憶合金などを用いてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明の光ファイバ温度センサは、高感度であり、遠隔地で測定可能な温度センサとして適用できる。

図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る光ファイバ温度センサの模式構成図であり、図１（ｂ）は光ファイバ温度センサの模式的平面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）中のＸ−Ｘ’における断面図である。 図２（ａ）は、センサ部の構成の一例を示すための、光ファイバのセンサ部ＳＰ近傍での斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部近傍での長手方向の断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、センサ部の構成の一例を示すための、光ファイバのセンサ部近傍での長手方向の断面図である。 図４は本発明の第１実施形態に係る光ファイバ温度センサの温度変化変位変換部の形状変化を示す模式図である。 図５（ａ）は本発明の第２実施形態に係る光ファイバ温度センサの要部の模式的断面図であり、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は本実施形態に係る光ファイバ温度センサの温度変化変位変換部の形状変化を示す模式的断面図である。

符号の説明

３…ヘテロコア部
４…界面
１０…センサヘッド
１１…光ファイバ
１２…光源
１３…受光部
１４…温度変化変位変換部
１４ａ，１４ｂ…金属層
２０ａ，２０ｂ…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…光透過部材
ＳＰ…センサ部
Ｗ…リーク光
Ｆ…固定端部

Claims (7)

1. 温度に応じて形状が変化する形状変化部を有する温度変化変位変換部と、
   コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバであって、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有し、少なくとも測定温度領域において前記センサ部が前記形状変化部に接するように固定された光ファイバと、
   前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、
   前記センサ部を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を検出する受光部と
   を有する
   光ファイバ温度センサ。
2. 前記光ファイバが前記温度変化変位変換部に固定されている
   請求項１に記載の光ファイバ温度センサ。
3. 上記測定温度領域以外の領域において前記センサ部が前記形状変化部に接しないように前記光ファイバが固定されている
   請求項１に記載の光ファイバ温度センサ。
4. 前記センサ部は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であり、前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である
   請求項１に記載の光ファイバ温度センサ。
5. 前記センサ部は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材が前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である
   請求項１に記載の光ファイバ温度センサ。
6. 前記センサ部は、前記光ファイバの前記クラッド部が除去されてなる構成である
   請求項１に記載の光ファイバ温度センサ。
7. 前記温度変化変位変換部がバイメタルである
   請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ温度センサ。
   

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