JP6736042B2 - Ｆｂｇ温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）温度センサに関し、特に、高温の温度測定に好適なＦＢＧ温度センサに関する。

近年、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）が形成された光ファイバを使用した光ファイバセンサが温度センサとして使用されている。ＦＢＧのブラッグ波長は、光ファイバの屈折率と回折格子の格子間隔とによって定まる。そのため、温度が変化した場合の屈折率の変動や、光ファイバの熱伸縮（膨張・収縮）によってもブラッグ波長が変化する。このブラッグ波長の変化を検知することにより、温度の変化を検知することができる。

温度センサとしての機能を向上させるため、種々の構造が提案されている。例えば、後掲の特許文献１は、ＦＢＧ部を有する光ファイバと、当該光ファイバ上に塗布される、線膨張率の高い樹脂コーティング層と、当該樹脂コーティング層上に形成される金属材料のコーティング層を備える温度センサを開示している。この構造によれば、線膨張率の高い樹脂からなるコーティング層の作用によりＦＢＧ部の熱伸縮の感度を増大させることができるとともに、金属材料からなるコーティング層の作用により樹脂コーティング層への伝熱を確保することができる。その結果、極低温環境下での温度センサとしての機能を向上させることができるとされている。

また、特許文献２は、光ファイバの温度測定点に対応する位置の表面に、当該光ファイバよりも熱膨張率が大きい金属層を備える温度センサを開示している。この構造によれば、金属層の作用によりＦＢＧ部の熱伸縮の感度を増大させることができる。その結果、極低温環境下での温度センサとしての機能を向上させることができるとされている。

さらに、特許文献３は、ＦＢＧ部が形成された光ファイバの外表面を被覆する樹脂製被覆材がＦＢＧ温度センサの適用温度以上で火焼処理されるとともに、金属管内に非拘束かつ金属管の内周面とセンサケーブルの外周面との間に隙間が形成された状態で挿入された温度センサを開示している。この構造によれば、火焼処理の作用により高温環境下において被覆材である樹脂の熱分解に起因する光ファイバの特性変動を防止できるとともに、隙間の作用により金属管が膨張した場合でも、金属管よりも熱膨張率の低いセンサケーブルが引っ張られて切断することが防止できる。その結果、高温環境下での温度センサとしての機能を向上させることができるとされている。

また、特許文献４は、一端又は一端の付近にＦＢＧ部を有する光ファイバと、光ファイバの端部及びＦＢＧ部か設けられた範囲を、光ファイバ、光ファイバ端部、及びＦＢＧ部から間隔を開けて囲む開口キャップとを備える温度センサを開示している。この温度センサでは、キャップが、ＦＢＧ部から離れた側に位置する開口の位置で光ファイバにシールされている。そして、キャップがヤング率の低い材料で形成され、ＦＢＧ部を歪みから分離するよう機能する構成になっている。この構造によれば、温度検知に関し、ＦＢＧ部の歪みを分離できる。その結果、歪み計測用のＦＢＧ部を備える歪みセンサの温度補償のための温度センサとして好適に使用できるとされている。

特開２０１２−０２１９３９号公報 特開２０１４−１９０８７４号公報 特開２００９−２５８００７号公報 特開平１１−０７２３５３号公報

上述のようにＦＢＧ部のブラッグ波長は、回折格子の格子間隔によって定まる。そのため、１本の光ファイバにおいて、互いに異なる位置に、格子間隔が互いに異なる回折格子を形成して直列に配置することで、複数の測定位置における温度を同時に計測する多点計測を比較的容易に実現することができる。そのため、従来のＦＢＧ温度センサは、上述の特許文献１から特許文献４が開示する構成のように、光ファイバの側面を温度検知対象に接触させた状態で設置することを前提とした構造になっている。

しかしながら、ＦＢＧ部は、数ｍｍから十数ｍｍ程度の長さの範囲にわたって光ファイバに形成されるため、上述のような配置方法では、温度検知対象において、ＦＢＧ部の長さに対応する部分の温度の平均値を計測していることになる。すなわち、従来のＦＢＧ温度センサでは、例えば、公知の熱電対方式温度センサのように、極狭い領域の温度を正確に計測することは困難である。

一方、特許文献４が開示するＦＢＧ温度センサの構造によれば、例えば、温度検知対象に対して、光ファイバが垂直となる位置関係でＦＢＧ温度センサを配置することも可能かもしれない。しかしながら、この場合、ＦＢＧ部の周囲を囲むキャップが温度検知対象に接触することになる。特許文献４では、キャップは、石英ガラスやエポキシ樹脂により構成されているため、温度検知対象の急激な温度変化に対して追従できず、正確な温度を検知することができない。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、従来、検知が困難であった狭い領域の温度を、より正確に測定することができるＦＢＧ温度センサを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部が形成された光ファイバを用いて温度を検知するＦＢＧ温度センサを前提としている。そして、本発明に係るＦＢＧ温度センサは、本体部、受熱部、熱伝導部、及び結合部を備える。本体部は、光ファイバが挿入される貫通孔を有する。また、本体部は、ＦＢＧ部の一方側で、貫通孔に挿入された光ファイバを片持ち支持する。受熱部は、温度検知対象に接触する。熱伝導部は、ＦＢＧ部の周囲を囲む状態で光ファイバと間隔をおいて配置される。また、熱伝導部は、受熱部と熱的に接続される。結合部は本体部に設けられる。結合部は、受熱部の外周面又は熱伝導部の外周面を支持することで、受熱部を本体部に固定する。以上の構成において、結合部は、受熱部及び熱伝導部よりも低熱伝導率の材質で構成される。

本発明のＦＢＧ温度センサによれば、受熱部に与えられた熱（温熱又は冷熱）を、熱伝導部を介してＦＢＧ部に伝える構成であるため、温度検知対象に対して受熱部が接触する面を、光ファイバの軸方向と交差する方向に配置することができる。そのため、受熱部の面積を光ファイバにおけるＦＢＧ部の長さにより規定される領域の面積よりも小さくすることができる。また、受熱部及び熱伝導部は、結合部において熱的に分離されているため、本体部側から熱が伝わることも防止されている。したがって、従来、検知が困難であった狭い領域の温度を、より正確に測定することができる。

このＦＢＧ温度センサにおいて、例えば、受熱部は、ＦＢＧ部の他方側、すなわち、Ｆ
ＢＧ部を挟んで本体部と反対側に、光ファイバと間隔をおいて配置する構成を採用することができる。

また、例えば、結合部は光ファイバの軸方向に沿って凹入する凹部により構成することができる。この場合、受熱部の外周面又は熱伝導部の外周面が当該凹部の内周面に支持される構成を採用することができる。

さらに、熱伝導部は、一方端に開放端を有する筒状部材で構成することができる。この場合、受熱部は、筒状部材の他方端に設ける構成を採用することができる。筒状部材で構成された熱伝導部は、受熱部に近い位置と、受熱部から離れた位置とで異なる周囲長の外周面を有する構成を採用することができる。

以上の構成において、結合部は、焼嵌め、圧入、又は螺合により熱伝導部の外周面を圧接することで受熱部を本体部に固定する構成を採用することができる。また、本体部は、焼嵌めにより貫通孔に挿入された光ファイバの外周面を圧接することで、光ファイバを片持ち支持する構成を採用することもできる。

本発明によれば、従来、検知が困難であった狭い領域の温度を、より正確に測定することができる。

本発明の一実施形態におけるＦＢＧ温度センサの構造の一例を示す図 本発明の一実施形態におけるＦＢＧ温度センサの構造の一例を示す断面図 本発明の一実施形態におけるＦＢＧ温度センサを使用した温度検知システムの一例を示す概略構成図 本発明の一実施形態におけるＦＢＧ温度センサの構造の他の例を示す断面図 本発明の一実施形態におけるＦＢＧ温度センサの構造の他の例を示す断面図 本発明の一実施形態におけるＦＢＧ温度センサの構造の他の例を示す断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。図１は、本実施形態におけるＦＢＧ温度センサの構造の一例を示す図である。図１（ａ）は、本実施形態におけるＦＢＧ温度センサを示す平面図である。図１（ｂ）は、本実施形態におけるＦＢＧ温度センサを示す側面図である。図１（ｃ）は、本実施形態におけるＦＢＧ温度センサを示す底面図である。また、図２は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図１（ａ）から図１（ｃ）及び図２に示すように、ＦＢＧ温度センサ１は、光ファイバ２、本体部３、受熱部４、熱伝導部５、及び結合部３５を備える。光ファイバ２は、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部２１を備える。後述のように、光ファイバ２は本体部３により片持ち支持される。ＦＢＧ部２１は、光ファイバ２の、支持されていない端部（以下、先端ともいう。）の近傍に形成されている。なお、光ファイバ２は、光を伝搬するコア、コアの周囲を取り囲みコア中を伝搬する光をコア側に反射させるクラッドが中心から順に配置された構造を有する。また、光ファイバ２の先端は、先端で反射された反射光が光ファイバ２内を逆進することがないように公知の端末処理がなされている。

公知のように、ＦＢＧ部はブラッグ波長により規定される波長の光を反射する。ＦＢＧ部は光ファイバのコアに所定の間隔で配置された複数の回折格子により構成され、ブラッグ波長は光ファイバの屈折率と回折格子の配置間隔との積に比例する。したがって、温度
上昇に起因する屈折率の増大や、光ファイバの伸長による回折格子間隔の拡大により、ＦＢＧ部により反射される光の波長は大きくなる。また、温度低下に起因する屈折率の低下や、光ファイバの収縮による回折格子の間隔の縮小により、ＦＢＧ部により反射される光の波長は小さくなる。

光ファイバにＦＢＧ部を形成する加工方法としては、マスクを通じて光ファイバに紫外光を照射する方法が広く使用されている。当該マスクの光ファイバと対向する面には一定周期で複数条の溝が形成されており、当該マスクを通過した紫外光は、光ファイバに、溝の周期によって定まる周期の干渉縞（紫外光の強弱）を形成する。本加工方法では、この干渉縞を利用して光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を生じさせることができる。

しかしながら、このような加工方法により形成したＦＢＧ部は、数百度程度の温度雰囲気に設置されるとコアに生じた屈折率変化が小さくなり、ＦＢＧ部が消失してしまう。本実施形態では、光ファイバ２のコアにフェムト秒レーザを照射することにより屈折率変化を生じさせている。フェムト秒レーザはピーク出力が高いため、比較的高温であっても消失することのないＦＢＧ部２１を光ファイバ２に形成することができる。

なお、図中では、便宜上、光ファイバ２においてコアとクラッドとの境界を省略するとともに、光ファイバ２に等間隔で直線を付すことでＦＢＧ部２１を表現している。

図１（ａ）から図１（ｃ）及び図２に示すように、本実施形態では、光ファイバ２を片持ち支持する本体部３は、円柱状の部材により構成される。本体部３は低熱伝導材料（断熱材料）により構成されている。特に限定されないが、本体部３は、例えば、ジルコニア系セラミックスにより構成することができる。本体部３の熱伝導率（常温）は、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることがより好ましい。

本体部３は、軸方向に沿う貫通孔３１を有する。貫通孔３１には光ファイバ２が挿入される。本体部３の一方端には、本体部３（光ファイバ２）の軸方向に沿って凹入する凹部が形成されている。当該凹部は、後述のように、結合部３５として機能する。図２に示すように、光ファイバ２は、ＦＢＧ部２１が当該凹部内に配置された状態で固定される。本体部３に対する光ファイバ２の固定は、例えば、焼嵌め等により実施することができる。また、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図２に示すように、本体部３の他方端において、本体部３の他方端と光ファイバ２とを接着する接着剤６により固定することもできる。接着剤６には、耐熱性を有するアクリル系接着剤、シリコーン系接着剤、オレフィン系接着剤、ポリイミド系接着剤等を使用することができる。なお、図１（ｂ）、図２に示すように、本実施形態では、接着剤６よりも計測器に接続される側の光ファイバ２は、コア及びクラッドを保護する外皮樹脂２２により被覆されている。

光ファイバ２の先端側には、光ファイバ２と間隔をおいて、温度検知対象に接触する受熱部４が配置される。図１（ａ）に示すように、受熱部４は、平面視において円形の外形を有している。受熱部４の直径は、例えば、１ｍｍから３ｍｍ程度とすることができる。

また、ＦＢＧ部２１の周囲には、光ファイバ２と間隔をおいて熱伝導部５が配置されている。本実施形態では、熱伝導部５は、一方端に開放端を有する筒状部材（ここでは、円柱状部材）により構成されており、筒状部材の他方端に受熱部４が配置されている。特に限定されないが、本実施形態では、光ファイバ２（ＦＢＧ部２１）と熱伝導部５の内周面との間の間隔は、０．１ｍｍから０．３ｍｍ程度である。

受熱部４と熱伝導部５とは熱的に接続されていればよいが、本実施形態では、受熱部４
と熱伝導部５とは、高熱伝導材料により一体に構成されている。特に限定されないが、受熱部４と熱伝導部５には、熱伝導率の高い、銅等の金属の他、窒化アルミニウム系セラミックス等を使用することができる。受熱部４、熱伝導部５の熱伝導率（常温）は、２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。なお、本実施形態では、図２に示すように、熱伝導部５の内部にＦＢＧ部２１の全体が収容される構成を採用しているが、例えば、光ファイバ２の軸方向に沿うＦＢＧ部２１の長さが比較的長い場合、熱伝導部５の内部にＦＢＧ部２１の一部が収容される構成を採用することも可能である。

また、本実施形態では、熱伝導部５は、受熱部４に近い位置と、受熱部４から離れた位置とで異なる周囲長の外周面を有している。すなわち、図２に示すように、受熱部４に近い位置の熱伝導部５の外径が、受熱部４から離れた位置の熱伝導部５の外径よりも大きくなっている（以下では、熱伝導部５において外径の大きい部分を大径部５１、外径の小さい部分を小径部５２ともいう。）。

熱伝導部５は、結合部３５を構成する本体部３の凹部に挿入される。当該凹部の内周面が熱伝導部５の外周面（ここでは、大径部５１の外周面）を支持することで、受熱部４は本体部３に固定される。この場合、結合部３５は、接着剤を用いることなく、熱伝導部５の外周面を固定する構成であることが特に好ましい。例えば、結合部３５は、焼嵌め、又は圧入により熱伝導部５の外周面を圧接することで受熱部４を本体部３に固定する構成を採用することができる。また、熱伝導部５の外周面、及び結合部３５の内周面に、ねじ山を形成し、螺合により受熱部４を本体部３に固定する構成を採用することもできる。なお、本実施形態では、熱伝導部５（受熱部４）と本体部３とは、連結部３５のみで接触している。熱伝導部５（受熱部４）と本体部３との間の熱の移動をより抑制する観点では、熱伝導部５（受熱部４）と本体部３との接触面積はより小さいことが好ましい。本実施形態では、熱伝導部５の外周面に小径部５２を設けることで、熱伝導部５と本体部３との接触面積をより小さくしている。

以上説明したように、このＦＢＧ温度センサ１では、受熱部４に与えられた熱（温熱又は冷熱）を、熱伝導部５を介してＦＢＧ部２１に伝える構成であるため、温度検知対象に対して受熱部４が接触する面を光ファイバ２の軸方向と交差する方向に配置することができる。そのため、受熱部４の面積を光ファイバ２におけるＦＢＧ部２１の長さにより規定される領域の面積よりも小さくすることができる。また、結合部３５が受熱部４及び熱伝導部５よりも低熱伝導率の材質で構成されているため、受熱部４及び熱伝導部５は、結合部３５において本体部３と熱的に分離されている。そのため、本体部３側から熱が伝わることも防止されている。したがって、従来、検知が困難であった狭い領域の温度を、より正確に測定することができる。

また、ＦＢＧ部２１が形成された光ファイバ２はＦＢＧ部２１の一方側で片持ち支持される構成であるため、例えば、本体部３の熱伸縮に起因する歪みがＦＢＧ部２１に作用することもない。すなわち、ＦＢＧ部２１の格子間隔の変動や屈折率の変動は、ＦＢＧ部２１の周囲の温度変化のみに起因するものであるため、ＦＢＧ温度センサ１の設置位置に応じた特別な補正等の必要がなく、極めて簡単に正確な温度を検知することができる。

さらに、受熱部４に与えられた熱が本体部３に伝わることもないため、温度検知対象が比較的高温である場合でも、受熱部４に与えられた熱が伝わって接着剤６や外皮樹脂２２が劣化・破損することも防止できる。

以上のＦＢＧ温度センサ１は、エンジンのシリンダ内の温度計測等、高温の温度測定に特に好適である。例えば、エンジンのシリンダ内の温度を計測する場合、ＦＢＧ温度セン
サ１は、シリンダブロックのシリンダ壁面の温度検知位置に設けられた貫通孔に、受熱部４の先端がシリンダの内壁面と面一となる状態で設置することができる。

なお、ＦＢＧ温度センサ１の反射波長の変化は、従来と同様に、光ファイバ２の端部に接続された計測器により取得される。計測器は、ＦＢＧ温度センサ１のＦＢＧ部２１における反射波長を含むブロードバンド光源及び反射波長を計測する受光器を備える。

図３に示すように、複数のＦＢＧ温度センサ１を使用した温度検知システムを構成することもできる。この温度検知システム１０は、計測器１１、光スプリッタ１２、及び複数のＦＢＧ温度センサ１を備える。計測器１１は上述の光源及び受光器を備える。光スプリッタ１２は、光ファイバ１３を介して計測器１１と接続される。また、光スプリッタ１２には、各ＦＢＧ温度センサ１の光ファイバ２が接続されている。光スプリッタ１２は、計測器１１から入射した光を、各ＦＢＧ温度センサ１の光ファイバ２に分割して入射する機能を有するとともに、各ＦＢＧ温度センサ１の光ファイバ２から入射した光を１つにまとめて計測器１１に入射する機能を有する。なお、この場合、各ＦＢＧセンサ１のＦＢＧ部２１のブラッグ波長は互いに異なる波長に設定される。これにより、反射光の波長に基づいて反射光の反射位置を容易に区別することができる。

以下、ＦＢＧ温度センサの変形例について説明する。図４から図６は、本実施形態におけるＦＢＧ温度センサの構造の他の例を示す図である。図４から図６において、ＦＢＧ温度センサ１と同様の作用効果を奏する構成要素には同一の符号を付している。

上述の例では、受熱部４の温度検知対象に接触する面と光ファイバ２の軸方向とが直交する構成としたが、図４に示すように、受熱部４の温度検知対象に接触する面と光ファイバ２の軸方向とが他の角度で交差する構成であってもよい。図４に示すＦＢＧ温度センサ７では、受熱部４の温度検知対象に接触する面と光ファイバ２の軸方向とのなす角が４５度程度になっている。本構成によれば、本体部３を温度検知対象に対して斜めに配置することができるため、ＦＢＧ温度センサの設置自由度を高めることが可能になる。

また、上述の例では、結合部３５を構成する本体部３の凹部の内周面が熱伝導部５の外周面を支持することで受熱部４が本体部３に固定される構成としたが、図５に示すＦＢＧ温度センサ８のように、結合部３５を構成する本体部３の凹部の内周面が受熱部４の外周面を支持することで、受熱部４は本体部３に固定される構成を採用することもできる。

さらに、図６に示すＦＢＧ温度センサ９のように、受熱部４に、熱伝導部５の内側と連通する貫通孔４１を設けてもよい。本構成は、例えば、温度検知対象が気体である場合に好適である。

以上で説明したように、本発明によれば、従来、検知が困難であった狭い領域の温度を、より正確に測定することができる。

なお、上述した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、特に好ましい形態として、本体部３の外形を円柱状としたが、四角柱状、多角柱状、円錐台状、角錐台状等、任意の形状を採用することができる。また、上記実施形態では、熱伝導部５の外周面の周囲長が受熱部４側で大きくなる構成としたが、熱伝導部５の外周面の周囲長が受熱部４側で小さくなる構成としてもよい。熱伝導部５の外周面周囲長も２段階のステップ状に変化することは必須でなく、３段階以上の多段階でステップ状に変化してもよく、連続的に変化してもよい。さらに、図５に示すＦＢＧ温度センサ８のように、熱伝導部５の外周面の周囲長が変化しない構成を採用することも可能である。

本発明によれば、従来、検知が困難であった狭い領域の温度を、より正確に測定することができ、ＦＢＧ温度センサとして有用である。

１、７、８、９ ＦＢＧ温度センサ
２ 光ファイバ
３ 本体部
４ 受熱部
５ 熱伝導部
６ 接着剤
２１ ＦＢＧ部
２２ 外皮樹脂
３１ 貫通孔
３５ 結合部
５１ 大径部
５２ 小径部

Claims (7)

1. ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）部が形成された光ファイバを用いて温度を検知するＦＢＧ温度センサであって、
   前記光ファイバが挿入される貫通孔を有し、前記ＦＢＧ部の一方側で、前記貫通孔に挿入された前記光ファイバを片持ち支持する本体部と、
   温度検知対象に接触する受熱部と、
   前記ＦＢＧ部の周囲を囲む状態で前記光ファイバと間隔をおいて配置されるとともに、前記受熱部と熱的に接続された熱伝導部と、
   前記本体部に設けられ、前記受熱部の外周面又は前記熱伝導部の外周面を支持することで、前記受熱部を前記本体部に固定する結合部と、
   を備え、
   前記結合部が、前記受熱部及び前記熱伝導部よりも低熱伝導率の材質で構成されるＦＢＧ温度センサ。
2. 前記受熱部は、前記ＦＢＧ部の他方側に、前記光ファイバと間隔をおいて配置される、請求項１記載のＦＢＧ温度センサ。
3. 前記結合部は前記光ファイバの軸方向に沿って凹入する凹部により構成され、前記受熱部の外周面又は前記熱伝導部の外周面が前記凹部の内周面に支持される、請求項１又は請求項２記載のＦＢＧ温度センサ。
4. 前記熱伝導部は、一方端に開放端を有する筒状部材であり、当該筒状部材の他方端に前記受熱部が設けられる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＦＢＧ温度センサ。
5. 前記熱伝導部は、前記受熱部に近い位置と、前記受熱部から離れた位置とで異なる周囲長の外周面を有する、請求項４記載のＦＢＧ温度センサ。
6. 前記結合部は、焼嵌め、圧入、又は螺合により前記熱伝導部の外周面を圧接することで前記受熱部を前記本体部に固定する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＦＢＧ温度センサ。
7. 前記本体部は、焼嵌めにより前記貫通孔に挿入された光ファイバの外周面を圧接することで、前記光ファイバを片持ち支持する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＦＢＧ温度センサ。

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