JPH03132604A - 温度変化検出用光ファイバケーブル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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Ｓするコアおよびクラッドを備えた光
ファイバと、その光ファイバの良さの少なくとも一部に
沿ってその光ファイバを取巻（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
響を受りてぃ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セ゛シめられるように構成さ
れる光ファイバケーブルに１３！？　７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
用いつるようにするので、利用可能である。そのような
力検出ｓｆ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、日本国特許明細書用
５９−５０６７６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士にお
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登反射し、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
少拷しめられる。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０ＴＤ
Ｒ１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
で所望の大きざ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、光ファイバは小合体材料で作
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右する。この熱膨
張係数の値は、適切な重合体制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、４度範
囲の限界（よ１Ｒ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、所望の減衰特性を向えつる。

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３Ｍ２，３．４に分割され、それぞれの部屋を個々に
監視しうろことが望まれる。

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、湿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１ｉｌ
Ｊ　ｔＩｌユニット１０を有するＯ丁ＤＲ装背８゜９に
接続されている。０ＴＤＲは光時間領域反射測定法（Ｏ
ｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃ
ｔｏｍｅｔｒｙ　）の頭文字で作られた詔であり、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。０ＴＤＲのさらに十分
な説明は、例えば米Ｂ１特許明ｌｌｌ書第４．４６３，
２５４号および第４，７１３．５３８号に記載されてい
る。

光ファイバケーブル６１３よび７は本発明にＪ：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１
５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Ｔｏでの無影響状態において伸長され、前記方
向に長さＤｌ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Ｔｏになると、良い長さＤ
ｌに復９＠スる。アミド材料はこのようにして、７Ｊ８
４図に示されているように、「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「Ｏ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αＯの負の
値を有する。温度Ｔ２と混成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α
Ｏ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つるので、いくぶん不
適切であることに注意すべきである。

７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
、温度丁１までの温度範囲においては、はとんど一定で
ある。温度検出範囲Ｔ　１　’−Ｔ２においては、力Ｆ
はしだいに力ＦＯ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１’Ｎ１３に加わ
る力Ｆ　１．ｔ　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０ＴＤＲユニツトから送信
される光パルスＰの、ファイバケーブル６の長さしに沿
っての、光強度１を示すグラフである。この強度は、デ
シベル、すなわちｄ３を中位とする減衰として与えられ
ており、長さしはメートルを単位として与えられている
。曲線Ａは、部１１２，３．４内の温度が丁１より低い
時の、無影響状！ぶにあるファイバケーブル６にお（ブ
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
光フア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ろことが所
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１ｗ。

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−ｒ１−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、においでαＯ
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Ｊ：って先の減衰
は木質的に第６図の曲線Ｆ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ぎざによるのみでなく、
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’ｒ　１−　Ｔ　２内にお
いて、０．０１−０．１　ｄＢ／ｍの範囲内にある。

前述の例においては、０ＴＤＲ装置を用いて、本発明の
ファイバケーブル６内にお各ノ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、そのケーブ
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１ｉ１
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
うろことがわかった。この試験における温１夏範囲Ｔｌ
−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Ｕ＆雑材料も
、延長または伸長された炭素リングをＳ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Ｔｏ−Ｔ５およ
びＴ６−Ｔ７にお各プ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Ｔ５−７６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
つる。

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１
６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１
６の熱膨張係数は第９図に示されている。第１温度範囲
ＴＣ）−Ｔｌ、および第２温度範囲７２−７３において
は、熱膨張係数の値はゼロに近い。温度検出範囲Ｔｌ−
７２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Ｔ
ｌ−Ｔ２内において顕著に膨張するが、第２保護１１覆
１７の大ぎ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
ｋ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。前述の路傍においては、光ファイバのコア１１（よ
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１１３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【プると、１次被覆１
３を２次被覆１７の内表面に対して押しつ【プ、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。発泡ポリウレタンは、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１’ｉ１３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面えた建
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ず図、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、１
２・・・クラッド、１３・・・１次被覆、１４．１６・
・・重合体ケーシング、１５・・・炭素原子リング、１
７・・・２次保護被覆、Ｔｏ、Ｔ１．Ｔ２．Ｔ３．、Ｔ
４゜Ｔ５．Ｔ６．Ｔ７・・・温度、α、−αＯ２−α１
゜α２．α３．α４・・・熱膨張係数、Ｃ・・・炭素原
子、Ｄｌ、Ｄ２・・・炭素原子リングの長さ、Ｐ・・・
光パルス。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）温度変化検出用光ファイバケーブルであつて、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つて該光ファイバを取巻く重合体材
   料のケーシング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、前記濃度応答装置によつ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つていて、限定された温度検出範
   囲（Ｔｉ−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、Ｔ
   ６−Ｔ７）内における同じ材料の熱膨張係数とは異なつ
   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）が重合体ケーシング（１４；１６
   ）から影響を受けた時、光パルス（Ｐ）が前記重合体材
   料の組成に従つて前記ファイバケーブルの１ｍ毎に０．
   ０１デシベルから０．１デシベルまでの範囲内の減衰を
   受けるようになつている、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. （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（−α
   ０）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. （３）請求項１または請求項２において、前記ケーシン
   グの重合体材料が、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
   では伸長され（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. （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. （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（α
   ２）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. （６）請求項１において、前記温度応答装置が、前記重
   合体材料のケーシング（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、前記重合体ケーシングの前記
   温度検出範囲（Ｔ１−Ｔ２）内における熱膨張係数（α
   ３）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。