JP2009063356A - 光ファイバセンサケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート、モルタル構造物、土壌等の埋設対象物との間の密着性に優れ、かつ製造が容易な光ファイバセンサケーブルを提供する。
【解決手段】断面外形が略矩形状のシース１５と、シース１５内に充実押出しされた歪検知用光ファイバ１１と、シース１５内に形成された空隙１６内に抗張力繊維１３とともにルースに収納された温度補償用光ファイバ１２と、シース１５内に設けられたテンションメンバ１４とからなり、シース１５は、長辺側１５ａに、高さＨが一定で、幅Ｗ_１、Ｗ_２が長手方向にわたって変化する少なくとも一つの突出部１７Ａを有する光ファイバセンサケーブル１０Ａ。
【選択図】図２

Description

本発明は、建築物、橋梁、トンネル等のコンクリート構造物、モルタル構造物、河川の堤防、山岳の斜面等の土壌に埋め込んで、歪みセンシング用に使いられる光ファイバセンサケーブルに関する。

近年、建築物、橋梁、トンネル等のコンクリート構造物、モルタル構造物、河川の堤防、山岳の斜面等の土壌に、光ファイバケーブルを直線的に、あるいはループ状に埋設し、光ファイバに光を伝播させることにより、各構造物の歪みをオンラインで測定する方法が開発されている。従来、これらの光ファイバケーブルは、埋設対象物中で接着剤を塗布したり、間欠的にアンカー等で固定したりして使用されている。

特許文献１、４には、外皮の上下面に溝を設けることで、構造物との接着性を高めた歪センサ用複芯型光ファイバケーブルが記載されている。
特許文献２、３には、断面矩形のシースに溝を形成することで、光ファイバの許容曲げ半径の範囲内での曲げやすさを確保した光通信用光ファイバケーブルが記載されている。
特許文献５、６には、光ファイバとテンションメンバを撚り合わせ、その外周をポリマーチューブで被覆して、下撚り形状がチューブ上に反映されるようにした光ファイバケーブルが記載されている。
特開２００６−６４７６１号公報 特開２００６−５８７７１号公報 特開２００５−１２８３２６号公報 特開２００２−２３０３０号公報 米国特許第４６８７２９４号明細書 米国特許第６９１２３４７号明細書

しかし、この種の歪みセンシング用の光ファイバケーブルは、ケーブル外被が平滑であると（図７を参照）、コンクリート、モルタル構造物や土壌との密着度が低く、引っ張り荷重や振動を受けると内部のケーブルが移動し、正確な歪み測定ができなくなるという問題が生じた。

また、特許文献４のようにケーブルの製造時にシースの表面に回転物で凹凸を設け、引き止める構造とする場合、ケーブルを回転物で挟み込んで凹凸を形成するときに、
（１）歪検知用光ファイバに曲げによる損失増加を与え、測定不能になる。
（２）歪検知用光ファイバに異常な初期歪を与え、正確な歪測定ができなくなる（例えば歪測定機器の分解能より小さな大小の歪等を与え、それらを平均化したときに異常な結果となってしまう。）
（３）温度補償用光ファイバの配置された空隙部を変形させてしまい、温度補償用光ファイバのルース性が保たれず、伸び等による影響が加わり温度補償ができなくなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コンクリート、モルタル構造物、土壌等の埋設対象物との間の密着性に優れ、かつ製造が容易な光ファイバセンサケーブルを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、断面外形が略矩形状のシースと、前記シース内に充実押出しされた歪検知用光ファイバと、前記シース内に形成された空隙内に抗張力繊維とともにルースに収納された温度補償用光ファイバと、前記シース内に設けられたテンションメンバとからなり、前記シースは、長辺側に、高さが一定で、幅が長手方向にわたって変化する少なくとも一つの突出部を有することを特徴とする光ファイバセンサケーブルを提供する。

本発明の光ファイバセンサケーブルによれば、コンクリート、モルタル構造物、土壌等の埋設対象物との間の密着性に優れ、良好な伝送特性を有し、正確な歪センシングが可能になる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に示すように、本形態例の光ファイバセンサケーブル１０は、断面外形が略矩形状のシース１５と、シース１５内に充実押出しされた歪検知用光ファイバ１１と、シース１５内に形成された空隙１６内に抗張力繊維１３とともにルースに収納された温度補償用光ファイバ１２と、シース１５内に設けられたテンションメンバ１４とからなり、シース１５は、長辺側１５ａに、高さＨが一定で、幅Ｗが長手方向にわたって変化する少なくとも一つの突出部１７を有するものである。

シース１５は、コンクリートやモルタルの強アルカリに対抗するために、耐アルカリ性を有することが望ましい。また、土砂やそれに含まれる水分の浸透を防ぐために、耐水特性を有することが望ましい。このようなシース（外被）として用いられる樹脂としては、ポリエチレン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）系樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）系樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）系樹脂、また、これらの材料を組み込んだエラストマー材料が挙げられる。シース用の樹脂は、シースの押出成形時に、凹凸の形成が実現しやすいように、樹脂の流動性が小さすぎず、かつ、ケーブル形状が維持しやすいように、樹脂の流動性が大きすぎないことが好ましく、メルトフローレート（ＭＦＲ）で０．２〜２０ｇ／１０ｍｉｎの範囲にあることが好ましい。

シース１５の断面外形は略矩形状であり、シース１５の外面は、長辺側１５ａの２面と短辺側１５ｂの２面とからなる。本実施形態において、歪検知用光ファイバ１１及び温度補償用光ファイバ１２は、その材質、コア径、クラッド径、被覆の構造などに関して、特に限定されず、適宜選択して使用することができる。特に、強度や安定性に優れ、且つ良好な伝送特性が得られることから、石英ガラス系光ファイバに１層以上の被覆を施した光ファイバ素線や光ファイバ心線などを用いることが好ましい。また、歪検知用光ファイバ１１及び温度補償用光ファイバ１２の本数は、１本に限定されることなく、それぞれ１本または複数本を設けた構成とすることができる。

歪検知用光ファイバ１１は、光ファイバに歪が加わった際のレイリー散乱光やブリルアン散乱光の変化をＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）やＢＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ）などを用いて測定することにより、コンクリート構造物、モルタル構造物、土壌などの検知対象物に生じた歪を検知するためのものであり、シース１５内に充実押出しされている。これにより、対象物に歪が生じたとき、その歪みがシース１５を通じて歪検知用光ファイバ１１へと確実に印加される。
本形態例の光ファイバセンサケーブルにおいては、シース１５の長辺側１５ａの両面のそれぞれに、ケーブルの長手方向に延在する溝１８、１８が設けられ、歪検知用光ファイバ１１は、これら一対の溝１８、１８の間に配置されている。

温度補償用光ファイバ１２は、シース１５内に形成された空隙１６内に、抗張力繊維１３とともにルースに収納されている。これにより、温度変化によらないケーブル（シース等）の伸縮やクラック等があっても、温度補償用光ファイバ１２に外力等の影響を受けにくく、より確実な温度補償が可能になる。歪検知用光ファイバ１１と温度補償用光ファイバ１２を同一の光ファイバセンサケーブルに設けることで、一括して歪み・温度のデータを得ることができ、温度補償された正確な歪検知を行うことができる。

本実施形態における抗張力繊維１３は、温度補償用光ファイバ１２をルースに支持して、温度補償用光ファイバ１２がシース１５に密着するのを防止する機能を有する。抗張力繊維１３としては、特に限定されるものではないが、例えば、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）等の高強度繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が挙げられる。温度補償用光ファイバ１２は、抗張力繊維１３とともに撚り合わせても良く、あるいは撚りを加えずに縦添えしても良い。

また、ケーブルの抗張力体として、テンションメンバ１４が設けられる。テンションメンバ１４としては、特に限定されるものではないが、例えば、鋼線などの金属線のほか、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）等の高強度繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いても良い。このテンションメンバ１４は、シース１５と密着して設けられる。

突出部１７は、シース１５の長辺側１５ａに、一定の高さＨで少なくとも一つ設けられる。また、突出部１７が形成される凸部によるケーブルの引き留め性能を向上するため、突出部１７の幅Ｗが長手方向にわたって変化する形状とされ、その具体例としては、図２〜図４に示す形状が挙げられる。

図２に示す光ファイバセンサケーブル１０Ａの場合、突出部１７Ａには、幅Ｗ_１の広い部分と、幅Ｗ_２の狭い部分とが長手方向に沿って交互に存在する。このような突出部１７Ａは、ローラー２０を突出部１７Ａの幅方向両側に当接させ、ローラー２０の成形用凸部２０ａで突出部１７Ａを潰して幅Ｗ_２の狭い部分を成形することにより、形成することができる。

図３に示す光ファイバセンサケーブル１０Ｂの場合、突出部１７Ｂは、その幅方向両側が周期的な波形の曲線部となっており、最大幅Ｗ_１の部分では突出部１７Ｂの幅方向両側とも膨らみ、最小幅Ｗ_２の部分とが突出部１７Ｂの幅方向両側とも凹んだ形状になっている。このような突出部１７Ｂは、断面楕円形のローラー２１を突出部１７Ｂの幅方向両側に当接させ、長径側の端部２１ａが幅方向両側で同期して当接するようにローラー２１を回転させ、突出部１７Ｂの幅方向両側の側面を成形することにより、形成することができる。

図４に示す光ファイバセンサケーブル１０Ｃの場合、突出部１７Ｃは、その幅方向両側が周期的な波形の曲線部となっており、かつ、その膨らむ部分と凹んだ部分が互いに対向した形状になっている。このような突出部１７Ｃは、断面楕円形のローラー２２を突出部１７Ｃの幅方向両側に当接させ、長径側の端部２２ａが幅方向の片側ずつ交互に当接するようにローラー２２を回転させ、突出部１７Ｃの幅方向両側の側面を成形することにより、形成することができる。

本形態例の光ファイバセンサケーブルの製造方法の一例を説明する。歪検知用光ファイバ１１と、温度補償用光ファイバ１２を抗張力繊維１３中に実装したものと、テンションメンバ１４とをケーブルの長手方向に沿わせて互いに位置合わせし、これらの周囲に樹脂を押し出し成形して、図１に示すように、高さＨが一定の突出部１７を少なくとも一つ有する断面形状のシース１５を成形する。ダイで成形する時点における突出部１７は、高さＨおよび幅Ｗがともに、長手方向にわたって一定である。

次いで、押出成形用ダイの出口において、一対または複数対の凹凸成形用ローラーを突出部１７の幅方向（図１の左右方向）両側に当接させ、突出部１７の幅方向の両側または片側の側面に凹凸を形成することにより、幅Ｗが長手方向にわたって周期的に変化するように成形することができる。凹凸成形用ローラーは、対の少なくとも一方が円形でないものであれば良く、図２に示すように外周面に凹凸を有するもの、図３，図４に示すように断面が楕円状のものなどが挙げられる。また、図２〜図４に示すように、対の両方が非円形のローラーを用いることにより、各突出部の幅方向両側に両側の側面に凹凸を形成し、幅が長手方向にわたって変化する突出部を設けることができる。

このようにして、突出部に凹凸を形成すると、凹凸成形用ローラーが突出部１７のみを挟み込むことになり、ケーブル本体への悪影響を回避することができる。このため、ローラーによる側圧が歪検知用光ファイバ１１に曲げや異常な初期歪を与えたり、温度補償用光ファイバ１２がルースに収納された空隙部１６を変形させたりすることがない。

テンションメンバ１４の数は、特に限定されるものではなく、図１や図６に示すようにシース長径方向（図１、図６の左右方向）両側に一対で、あるいは図５に示すようにシース１５の中央部に一本を配置する例が挙げられる他、様々な位置にテンションメンバ１４を配置しても本発明の効果を奏する。

図１では、突出部の位置として、シース長径方向両側に設けられたテンションメンバ１４の位置に対応して、テンションメンバ部のシース短径方向（図１の上下方向）両側に計４箇所設けたものを例示しているが、本発明は特にこれに限定されるものではない。

図５（ａ）に示す例では、テンションメンバ１４がシースの中央部に一本配置され、突出部１７は、温度補償用光ファイバ１２が実装された空隙部１６のシース短径方向（図５の上下方向）両側に設けられている。
図５（ｂ）に示す例では、テンションメンバ１４がシースの中央部に一本配置され、突出部１７は、テンションメンバ１４のシース短径方向両側に設けられている。
図５（ｃ）に示す例では、テンションメンバ１４がシースの中央部に一本配置され、突出部１７は、シース１５の長辺側１５ａの２面のうち、片面ではテンションメンバ１４に対応する位置に、もう片面では温度補償用光ファイバ１２が実装された空隙部１６に対応する位置に、それぞれ設けられている。

図６（ａ）に示す例では、テンションメンバ１４がシース長径方向両側に計２本配置され、突出部１７は、シース１５の長辺側１５ａの２面のうち、片面ではテンションメンバ１４に対応する位置に、もう片面ではそれとは異なる位置に、それぞれ設けられている。
図６（ｂ）に示す例では、テンションメンバ１４がシース長径方向両側に計２本配置され、突出部１７は、テンションメンバ１４のシース短径方向両側および温度補償用光ファイバ１２が実装された空隙部１６のシース短径方向両側の計４箇所に設けられ、かつテンションメンバ１４のシース短径方向両側の突出部のうち片方の位置は若干ずらされている。

これらの例からも分かるように、本形態例の光ファイバセンサケーブルによれば、突出部は、ケーブルシース１５の長辺側１５ａ（図１、図５、図６の上下面）であれば、位置や数は問わない。また、図では、上下面の両面に突出部を設けた例を示しているが、上下面のうち片面のみに突出部を設けるのでも、同様の効果を奏する。

以下に具体的な数値を挙げて実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１の断面形状を有する光ファイバセンサケーブルは、対象物の歪検知を行うφ０．２５ｍｍの歪検知用光ファイバと、歪測定時の温度補償を行う温度補償用光ファイバ（抗張力繊維としてのアラミド繊維中により、実装したもの）と、テンションメンバとして実装されるφ０．４ｍｍの鋼線と、これらの外周に被覆されたケーブルシースで構成されている。ケーブルシースのテンションメンバ部のシース短径方向両側に突出部（高さ０．５ｍｍ、幅０．７ｍｍ）を設け、押し出し成形時、ダイ出口において、外周面に凹凸を有するローラーで突出部を連続的につぶし、図２に示すような「引留め部」を形成した。その長さＬおよび間隔Ｐを変えて、シースに引留め部を有する光ファイバセンサケーブルを製造し、それぞれのケーブルについてモルタル密着度を測定した。なお、つぶした突出部の形状は、高さＨが０．５ｍｍ、幅Ｗ_２が０．３ｍｍであった。

これらの結果を表１に示す。なお、モルタル密着度は、得られた光ファイバセンサケーブルを埋設長が１００ｍｍとなるようにモルタル（林工業セメント株式会社製：「デザインワークス」）に十分脱泡しながら埋め込み、２３±５℃で７日間放置養生したサンプルを使用し、引張試験機を用いて、埋め込んだケーブルの片端に荷重３０ｋｇｆの引抜荷重を１分間印加した際のケーブル移動量を（ケーブルのモルタル埋設部際に印を付け、上記荷重印加後の印の移動量として）測定した。

表１の結果より、Ｌを０．５〜３０ｍｍの範囲で、Ｐ−Ｌを１０ｍｍ、５０ｍｍから選択して、種々評価した結果では、いずれの例においてもモルタル中におけるケーブルの移動はみられなかった。また、このようにして得られた光ファイバセンサケーブルをコンクリートやモルタル、土砂に埋設した際の伝送性能は、いずれの例においても、１．０ｄＢ／ｋｍ以下であり、十分に歪検出が可能な値であることを確認した。

さらに、歪検出試験を実施したところ、環境温度が−３０〜＋７０℃の範囲で、初期歪印加量が１００〜５０００μＳｔｒａｉｎの条件で、表２に示すように、良好な歪測定結果が得られることを確認した。

ここで、歪検出試験は、ケーブルに初期歪を印加した状態でＢＯＴＤＡを用い、歪検知用光ファイバのみでの歪値、および温度補償光ファイバによる補償を行った後の歪値を測定した。なお、比較として歪ゲージによる測定結果を併記した。

本発明の光ファイバセンサケーブルは、建築物、橋梁、トンネル等のコンクリート構造物、モルタル構造物、河川の堤防、山岳の斜面等の土壌における歪みセンシング用として、好適に利用することができる。

本発明の光ファイバセンサケーブルの一例を示す断面図である。 （ａ）は本発明の光ファイバセンサケーブルの第１形態例を示す斜視図、（ｂ）はその突出部の成形工程を説明する正面図である。 （ａ）は本発明の光ファイバセンサケーブルの第２形態例を示す斜視図、（ｂ）はその突出部の成形工程を説明する正面図である。 （ａ）は本発明の光ファイバセンサケーブルの第３形態例を示す斜視図、（ｂ）はその突出部の成形工程を説明する正面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、本発明の光ファイバセンサケーブルの一例を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の光ファイバセンサケーブルの一例を示す断面図である。 突出部をもたない光ファイバセンサケーブルの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…光ファイバセンサケーブル、１１…歪検知用光ファイバ、１２…温度補償用光ファイバ、１３…抗張力繊維、１４…テンションメンバ、１５…シース、１５ａ…シースの長辺側、１５ｂ…シースの短辺側、１６…空隙、１７，１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ…突出部。

Claims (1)

1. 断面外形が略矩形状のシースと、前記シース内に充実押出しされた歪検知用光ファイバと、前記シース内に形成された空隙内に抗張力繊維とともにルースに収納された温度補償用光ファイバと、前記シース内に設けられたテンションメンバとからなり、前記シースは、長辺側に、高さが一定で、幅が長手方向にわたって変化する少なくとも一つの突出部を有することを特徴とする光ファイバセンサケーブル。

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