JP3061407B2 - 温度変化検出用光ファイバケーブル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、温度変化検出用の光ファイバケーブル、即
ち、別々の屈折率を有するコアおよびクラッドを備えた
光ファイバと、その光ファイバの長さの少なくとも一部
に沿ってその光ファイバを取巻く温度応答装置と、を含
むファイバケーブルであって、このファイバケーブルが
影響を受けていない状態においては、ファイバの一端か
らファイバ内へ送り込まれた光パルスは、ファイバの長
さに沿って実質的に一様に減衰せしめられ、また、温度
応答装置によって光ファイバが微小屈曲を生ぜしめられ
ると、光パルスはさらに減衰せしめられるように構成さ
れる光ファイバケーブルに関する。

［従来の技術］ 外力を受けた光ファイバは微小屈曲を生じ、これはそ
の後の光減衰を伴う。これは信号伝送には不利となる
が、微小屈曲は、ファイバを検出器またはセンサ素子と
して用いうるようにするので、利用可能である。そのよ
うな力検出素子の１例が、欧州特許明細書第0188512号
に説明されている。コアとクラッドとを有する光ファイ
バが１次被覆によって包囲され、ねじれたテープがクラ
ッドとその１次被覆との間に配置される。このねじれた
テープは、力がファイバに作用した時、微小屈曲を与え
る機能をもつ。

温度検出用のファイバケーブルは、日本国特許明細書
第59ー50676号に説明されている。この光ファイバのク
ラッドの回りには、記憶金属から成る線が巻回され、こ
の記憶金属は一定の検出温度下におかれた時は収縮し、
それよってクラッドに圧力を及ぼしてファイバの微小屈
曲を生ぜしめる。ファイバコア内のそれぞれの分子はレ
ーリー散乱によって光を反射し、この反射光の強度は通
過する光パルスの強度に正比例する。反射光パルスの強
度は、ファイバの微小屈曲により減少せしめられる。反
射光パルスは検出可能であり、ファイバに沿っての微小
屈曲の発生位置は、いわゆるOTDR、すなわち光時間領域
反射測定法により確定されうる。この装置の欠点は、多
くの応用において、所望の温度で所望の大きさの微小屈
曲を生じる記憶金属を得ることが困難な点にある。この
装置はまた、製造工程が比較的に複雑である。

［発明の要約］ 本発明の装置においては、光ファイバは重合体材料で
作られたケーシングを有し、このケーシングの熱膨張係
数は限定された温度範囲内で所望の値を有する。この熱
膨張係数の値は、適切な重合体材料を選ぶことによって
選択される。正負いずれの係数も選択可能であり、温度
範囲の限界は重合体材料の選択によって選ぶことができ
る。これにより、ケーシング付きの光ファイバ、すなわ
ちファイバケーブルに、所望の減衰特性を与えうる。

本発明の特徴は、特許請求の範囲に示されている。

以下、添附図面を参照しつつ、本発明のファイバケー
ブルの実施例について詳述する。

［実施例］ 第１図には、温度監視が行なわれるべき建造物１、例
えば温室、が概略的に示されている。温室は、いくつか
の部屋2,3,4に分割され、それぞれの部屋を個々に監視
しうることが望まれる。また、１つの部屋の小領域５
が、部屋のこの部分にある植物に危険または傷害を及ぼ
すような上昇温度にあるか否かを検出しうることも望ま
れる。監視過程は、温度応答性光ファイバケーブル６お
よび７を用いて行なわれ、これらのファイバケーブルは
制御ユニット10を有するOTDR装置8,9に接続されてい
る。OTDRは光時間領域反射測定法（Optical Time Domai
n Reflectometry）の頭文字で作られた語であり、簡単
にいうと、ファイバの一端からファイバを通して短い持
続時間の光パルスを送信する機能をもつ。ファイバがあ
る領域内で外部の影響を受けると、ファイバが微小屈曲
を起こす結果、ファイバ内における減衰が増大する。前
述のレーリー散乱のために、光パルスはファイバの前記
一端へ反射し返され、反射された光パルスは影響を受け
た領域内において減衰せしめられる。反射されたパルス
は検出され、影響が作用した位置は、光パルスの走行時
間の測定によって決定されうる。OTDRのさらに十分な説
明は、例えば米国特許明細書第4,463,254号および第4,7
13,538号に記載されている。

光ファイバケーブル６および７は本発明によるもので
あり、次にこれらのケーブルの実施例について詳述す
る。第２図は、光ファイバのコア11、クラッド12、およ
び１次被覆13を含むファイバケーブル６の断面図であ
る。本発明においては、重合体材料から成るケーシング
14が、１次被覆13の外側に配置される。このケーシング
は、ファイバケーブル６の少なくとも一部に沿って延長
し、図示の実施例においては重合体はアミド樹脂であ
る。ケーシング14上に、さらに保護被覆を配置すること
もできる。アミド樹脂は、化学的には、第３図に記号Ｃ
で示された６個の炭素原子を含む炭素リング15から構成
される。この材料は、製造の際に、炭素リングが温度T0
での無影響状態において伸長され、前記方向に長さD1を
有するように処理されうる。この材料が上昇温度のもと
にある時は、炭素リングは長手方向においてD2の長さま
で収縮する。この変化は可逆的であるから、炭素リング
は低い温度T0になると、長い長さD1に復帰する。アミド
材料はこのようにして、第４図に示されているように、
Ｔで表わされた温度と共に変化する熱膨張係数αをもつ
ことになる。係数αは、温度T0から温度T1に至るまでの
第１範囲内においては小さい大きさの値を有する。ファ
イバケーブル６における温度検出範囲として意図された
温度T1と温度T2との間の範囲においては、熱膨張係数は
大きさα０の負の値を有する。温度T2と温度T3との間の
温度範囲においては、熱膨張係数は再び低い値をとり、
この値は値α０に比し無視できる。「熱膨張係数」とい
う表現は、膨張が温度の増大とともに負になりうるの
で、いくぶん不適切であることに注意すべきである。

アミドケーシング14は、第５図のグラフに示されてい
るように変化する力Ｆを１次被覆13に及ぼす。力Ｆは、
温度T1までの温度範囲においては、ほとんど一定であ
る。温度検出範囲T1−T2においては、力Ｆはしだいに力
F0まで増大し、温度T2を超えた範囲内では再びほとんど
一定になる。１次被覆13に加わる力Ｆは前述の微小屈曲
を生ぜしめ、それにより、第６図を参照しつつ説明され
るように、ファイバケーブル６内において、光が減衰せ
しめられ、また反射される。

この図は、第１図に示されたOTDRユニットから送信さ
れる光パルスＰの、ファイバケーブル６の長さＬに沿っ
ての、光強度Ｉを示すグラフである。この強度は、デシ
ベル、すなわちdBを単位とする減衰として与えられてお
り、長さＬはメートルを単位として与えられている。曲
線Ａは、部屋2,3,4内の温度がT1より低い時の、無影響
状態にあるファイバケーブル６における減衰を示す。曲
線Ｂは、領域５内の温度が温度T1を超えた時の、光パル
スＰの減衰を示す。ファイバケーブル６の重合体ケーシ
ング14は、ファイバケーブルの範囲B1およびB2に対応す
る領域５内において収縮し、光ファイバの微小屈曲を生
ぜしめ、それによって光パルスＰの減衰を増大せしめ
る。この増大した減衰の、dB/mを単位として測定した時
の値は、レーリー反射されたパルスを、確実に検出でき
るようにし、また、例えば光ファイバ内における減衰の
通常の変化によって起こる障害から分離できるようにす
るものであることが本質的に重要である。また、ファイ
バの１メートル毎の減衰があまりに大き過ぎないことも
本質的に重要である。そのわけは、ファイバに沿って、
例えば範囲B1およびB2のようないくつかの上昇温度範囲
を検出しうることが所望されるからである。曲線Ｅによ
って示されているように、単位長あたりの減衰が極めて
大きい時には、光波Ｐが極めて強力に減衰せしめられる
ので、第１範囲B1のみが検出可能となる。曲線Ｅによる
強い減衰は、重合体ケーシング14が、第４図に示されて
いるように、温度範囲T1−T2において大きさα１の大き
い熱膨張係数を有することによって起こされうる。この
熱膨張係数は、第５図に示されている、温度T2において
１次被覆13に作用する力F1に対応する。大きい減衰はま
た、重合体ケーシングの熱膨張係数が、大きい温度範
囲、例えば温度T1と温度T4との間、においてα０である
ことによっても起こされうる。このようなケーシング
は、第５図によると温度T4においてファイバの１次被覆
に力F2を作用せしめ、それによって光の減衰は本質的に
第６図の曲線Ｅに従うことになる。ファイバ内において
起こる光パルスＰのこの減衰は、しかし、熱膨張係数α
および温度範囲の大きさによるのみでなく、光ファイバ
のコア11、クラッド12、および１次被覆13の固有の性質
にもよる。最終的な減衰の性質はファイバケーブルの測
定によって確定され、多くの応用に適する減衰は、所望
の温度範囲T1−T2内において、0.01−0.1dB/mの範囲内
にある。

前述の例においては、OTDR装置を用いて、本発明のフ
ァイバケーブル６内における反射光パルスを検出した。
このファイバケーブルはまた、第１図のファイバケーブ
ル６の末端6aにおいて減衰した光パルスＰを検出するの
にも使用されうる。図示の場合には、そのテーブルの末
端は、その図に破線で示されているように、光ファイバ
6bによってユニット８に接続される。図示の例において
は、減衰した光パルスＰは、第６図の曲線ＢによりＩ＝
−3.8dBの強度を有する。しかし、減衰した光パルスを
検出した時は、温度上昇がファイバに沿ったどこかで起
こったことを確定しうるのみであり、この温度上昇の実
際の場所は知りえない。この位置を知ることは関心の対
象であり、第１図に示されているように、検出の目的で
２つのファイバケーブル６および７を使用する時は特
に、その位置を比較的正確に確定することができる。

本発明のファイバケーブルを用いて、多くの試験が行
なわれた。これらの試験の１つにおいては、アミド樹脂
のケーシング14を備えた標準的光ファイバが使用され
た。ファイバコア11の直径は62.5ミクロン、クラッド12
の直径は125ミクロン、１次被覆13の直径は250ミクロン
であった。この試験の結果、標準的ファイバと共に、前
述の0.01−0.1dB/mの範囲内の所望の減衰を与える別個
のアミド樹脂材料を選択しうることがわかった。この試
験における温度範囲T1−T2は、８℃の幅を有した。ケー
シング14が、例えば炭素繊維材料のような、他の重合体
材料で作られている場合の試験も行なわれた。前述のア
ミド材料と同様に、これらの炭素繊維材料も、延長また
は伸長された炭素リングを含み、限定された温度範囲内
において負の熱膨張係数を有する。

上述の実施例においては、光ファイバケーブル６は温
度上昇を検出するための使用に適することが説明された
が、その上昇は一定の値より小さく保つことが所望され
る。本発明の別の実施例においては、ケーシング14に相
当する光ファイバを取巻く重合体ケーシングは、第７図
に示されているように正の熱膨張係数を有する。T5−T6
の温度範囲内におけるこの熱膨張係数はα２である。こ
の温度範囲のそれぞれの側の温度範囲T0−T5およびT6−
T7における熱膨張係数の値は、値α２と比較すると小さ
い。温度が下降すると、この重合体ケーシングは温度範
囲T5−T6内において収縮し、ファイバケーブル６に関連
して前述したように、光ファイバの微小屈曲を起こす。
ポリ塩化ビニル、PVCプラスチックは、正の熱膨張係数
を有する材料の例である。この別の実施例の光ファイバ
ケーブルは、一定値より高く維持されるべき温度の監視
に利用される。このような温度監視過程は、食品の凍結
が起こってはならない食品冷蔵室内において用いられう
る。

次に、第８図を参照しつつ、上述したファイバケーブ
ルの別の実施例について説明する。この図は、コア11、
クラッド12、および１次被覆13を含む前述の標準的ファ
イバを示す。１次被覆は重合体材料のケーシング16によ
って包囲され、ケーシング16はさらに２次保護被覆17に
よって包囲されている。重合体ケーシング16の熱膨張係
数は第９図に示されている。第１温度範囲T0−T1、およ
び第２温度範囲T2−T3においては、熱膨張係数の値はゼ
ロに近い。温度検出範囲T1−T2においては、縦方向膨張
係数は、大きさα３の正の値になる。２次保護被覆17
は、大きさα４の正の熱膨張率を有し、この値はα３に
比し比較的小さい。温度が上昇すると、重合体ケーシン
グ16は、温度検出範囲T1−T2内において顕著に膨張する
が、第２保護被覆17の大きさは比較的に不変に保たれ
る。重合体ケーシング16の外径の変化はわずかであり、
温度T1より高い温度においては、ケーシング16は１次保
護被覆13上に圧力を及ぼす。このため、第５図および第
６図に関連して前述したように、ファイバの微小屈曲が
起こる。本発明のファイバのさらに別の実施例について
述べておく。前述の諸例においては、光ファイバのコア
11は重合体ケーシングと同心的になっている。しかし、
ファイバは非同心的にも配置することができ、その場合
は、第８図の実施例の１次保護被覆は、２次保護被覆17
の内表面上に置かれる。この１次被覆13と２次被覆17と
の間に画定された空間は重合体材料によって満たされ、
この重合体材料は温度変化を受けると、１次被覆13を２
次被覆17の内表面に対して押しつけ、それによってファ
イバの微小屈曲を生ぜしめる。２次被覆の内表面には突
起部を設けて微小屈曲を増幅することもできる。発砲ポ
リウレタンは、この実施例に用いるに適する重合体材料
の１例である。

第２図に示された実施例については、この構造の重合
体ケーシングに対する材料および材料の組合せのもう１
つの例として、ゴムをあげることができる。この実施例
においては、１次被覆13と重合体ケーシング14とは、相
異なる硬度のアクリル酸塩プラスチックから作り、１次
被覆13がケーシング14より軟質であるようにする。これ
は、製造上の観点から有利な実施例である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ファイバケーブルおよび監視装置を備えた建
造物の概略図、第２図は、ファイバケーブルの断面図、
第３図は、重合体材料の構造の概略図、第４図は、重合
体材料の熱膨張係数を示す図、第５図は、さまざまな温
度において生じる力効果を示す図、第６図は、光パルス
のファイバケーブルに沿っての減衰を示す図、第７図
は、別の重合体材料の熱膨張係数を示す図、第８図は、
ファイバケーブルの別の実施例の断面図、第９図は、第
８図に示された別のファイバケーブル内の材料の熱膨張
係数を示す図、である。 符号の説明 6,7……光ファイバケーブル、11……コア、12……クラ
ツド、13……１次被覆、14,16……重合体ケーシング、1
5……炭素原子リング、17……２次保護被覆、T0,T1,T2,
T3,T4,T5,T6,T7……温度、α，−α0,−α1,α2,α3,α
４……熱膨張係数、Ｃ……炭素原子、D1,D2……炭素原
子リングの長さ、Ｐ……光パルス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グンナー ステファン フォルスベルグ スウェーデン国ストックホルム，ルユス トーパルバッケン 28シー (56)参考文献 特開 昭60−195429（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−217205（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−255905（ＪＰ，Ａ) 実公 平１−27071（ＪＰ，Ｙ２) 実公 平１−29547（ＪＰ，Ｙ２) 特表 昭61−502785（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/00 - 6/54 G01K 11/12

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】温度変化検出用光ファイバケーブルであっ
   て、該ファイバケーブルが別々の屈折率を有するコアお
   よびクラッドを備えた光ファイバと、該光ファイバの長
   さの少なくとも一部に沿って該光ファイバを取巻く重合
   体材料の被覆を有する温度応答装置とを含み、前記ファ
   イバケーブルが影響を受けていない状態においては前記
   ファイバの一端から該ファイバ内へ送り込まれた光パル
   スが該ファイバの長さに沿って実質的に一様に減衰せし
   められ、前記温度応答装置によって前記光ファイバが微
   小屈曲を生ぜしめられると前記光パルスがさらに減衰せ
   しめられるようになっていて、 限定された温度検出範囲（T1−T2;T5−T6）内において
   前記重合体材料が有する熱膨張係数（−α0;α2;α３）
   が隣接する温度範囲（T0−T1、T2−T3;T0−T5、T6−T
   7）内における同じ材料の熱膨張係数とは異なってお
   り、該隣接する温度範囲内における熱膨張係数（α）の
   大きさが前記温度検出範囲内における前記熱膨張係数に
   比し小であり、 前記クラッド（12）が重合体被覆（14;16）から影響を
   受けた時、光パルス（Ｐ）が前記重合体材料の組成にし
   たがって前記ファイバケーブルの1mごとに0.01デシベル
   から0.1デシベルまでの範囲内の減衰を受けるようにな
   っている、ことを特徴とする、温度変化検出用光ファイ
   バケーブル。
2. 【請求項２】請求項１において、前記重合体材料が前記
   温度検出範囲（T1−T2）内において負の熱膨張係数（−
   α０）を有することを特徴とする、温度変化検出用光フ
   ァイバケーブル。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、前記被
   覆の重合体材料が、化学的に炭素原子（Ｃ）のリング
   （15）、好ましくは６個の炭素原子のリング、から構成
   されており、該リングが、前記温度検出範囲（T1）また
   は伸長され（D1）、前記温度検出範囲（T1−T2）内にお
   いては該リングの長手方向における収縮（D2）によって
   変形するようになっていることを特徴とする、温度変化
   検出用光ファイバケーブル。
4. 【請求項４】請求項３において、前記重合体材料が、ア
   ミドプラスチックまたは炭素繊維材料であることを特徴
   とする、温度変化検出用光ファイバケーブル。
5. 【請求項５】請求項１において、前記重合体材料が、前
   記温度検出範囲（T5−T6）内において正の熱膨張係数
   （α２）を有することを特徴とする、温度変化検出用光
   ファイバケーブル。
6. 【請求項６】請求項１において、前記温度応答装置が、
   前記重合体材料の被覆（16）を包囲する２次保護被覆
   （17）をさらに含み、該２次保護被覆（17）が前記温度
   検出範囲（T1−T2）および前記隣接する温度範囲（T0−
   T1、T2−T3）内において有する熱膨張係数（α４）の大
   きさが、前記重合体被覆の前記温度検出範囲（T1−T2）
   内における熱膨張係数（α３）の大きさよりも小である
   ことを特徴とする、温度変化検出用光ファイバケーブ
   ル。