JPH04357427A - 温度測定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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバケーブルに関
するものであり，特に，高温度測定が可能であり，長期
間安定に機能し，強度を向上させた温度測定用光ファイ
バケーブルに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ中にレーザー光を導入し，発
生するラマン発光の一次ストークス線の強度温度依存性
を示すことを利用し，この温度依存性を光パルス試験装
置（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉ
ｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）で検出して温度変化
のある位置を特定し温度測定を行うことはすでに知られ
ており，特に，このような温度測定方法は空間的に広範
囲の温度測定に適している。このような目的で使用され
る光ファイバに傷がつくことを防止しあるいは破損など
に対する保護を目的として光ファイバに直接金属被覆を
施し，さらに金属管に挿入して温度測定を行うことが提
案されており，特に，このような金属被覆としては，測
定すべき温度を光ファイバに良好に伝達させるため熱伝
動の良好な金属被覆を用いることが好適であることが提
案されている（たとえば，特開昭６４−３２１３２号公
報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】温度測定用光ファイバ
に直接，金属被覆を形成する方法としては，デッピング
法，無電解（化学）メッキ法またはスパッタリング法な
どによることが一般的である。しかしながら，光ファイ
バに直接金属被覆を形成させた場合，以下に述べる問題
に遭遇する。デッピング法，無電解メッキ法による直接
金属被覆形成の場合，メッキ溶液中に石英ガラス製光フ
ァイバを浸漬することになり，光ファイバに水素または
水が入り込む。この水素などの光ファイバへの侵入は光
ファイバの伝送損失を増加させ，機械的強度を劣化させ
るという問題を惹起させる。スパッタリング法による金
属被覆形成の場合は上述した水素が光ファイバに侵入す
ることはないが，高いエネルギーのイオンが光ファイバ
の表面を叩き，光ファイバに傷をつけ光ファイバの機械
的強度を低下させるという問題を惹起させる。また，無
電解メッキ法またはスパッタリング法などに限らず光フ
ァイバに直接金属被覆を施したいずれの場合においても
，光ファイバと金属との間の線膨張係数の差が大きく（
光ファイバの線膨張係数が０．４ｘ１０−６／°Ｃに対
して，たとえば，アルミニュームの線膨張係数は約７０
倍の２９ｘ１０　−６　／°Ｃ），高温度測定環境に敷
設される金属被覆光ファイバが長時間の熱サイクルを受
け，経時的に金属被覆が光ファイバから剥離するという
問題がある。以上の問題に鑑みて，本発明は，光ファイ
バの伝送損失を劣化させず，機械的強度を低下させず，
さらに，光ファイバの経時的特性変化および強度低下が
生じない温度測定用光ファイバケーブルを提供すること
を目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
，本発明は，まず，コアおよびクラッドを有する光ファ
イバに，線膨張係数が光ファイバの線膨張係数に近いセ
ラミックス被覆（膜）を形成し，さらに少なくとも１層
の熱伝導の良好な金属被覆（膜）を形成して光ファイバ
ケーブルと成し，さらにこれを金属管内に収納して温度
測定用光ファイバケーブルを製造する。上記セラミック
ス被覆にはカーボン被覆を含むものとする。

【０００５】

【作用】カーボン被覆を含むセラミックス被覆はその線
膨張係数が石英ガラスの線膨張係数に近く，熱サイクル
を受けても光ファイバから剥離しない。また，カーボン
被覆を含むセラミック被覆は緻密な構造を有しており，
水素または水が光ファイバに侵入することを防止すると
ともに，光ファイバの機械的強度を高める。さらにセラ
ミックス被覆はその後に形成される金属被覆形成におけ
る耐水被覆および機械的保護被覆として機能する。この
ようなセラミックス被覆の上にさらに熱伝導の良好な金
属被覆を形成することにより，高温度測定用光ファイバ
ケーブルとして機能させ，またこれを金属管内に収納す
ることにより，機械的強度にも優れた温度測定用光ファ
イバケーブルとして機能せしめる。

【０００６】

【実施例】本発明の温度測定用光ファイバケーブルの１
実施例について添付図面を参照して述べる。図１はプリ
フォームを線引して裸の光ファイバを形成させ，その上
にセラミックス被覆の一例としてのカーボン被覆を形成
させる製造装置の概略構成を示す。コア部にゲルマニア
（Ｇｅ　Ｏ２）をドープして石英ガラス製クラッド部と
の比屈折率差Δ＋　を１．０％としたグレーデッド・イ
ンデックス（ＧＩ）形マルチモード光ファイバ母材（プ
リフォーム）１が線引炉１０に導入され，３００ｍ／ｍ
ｉｎで裸の光ファイバ２Ａが線引される。本明細書にお
いて，裸の光ファイバ２Ａとは，後述するカーボン被覆
が形成されていない，コアとクラッドからなる（場合に
よっては，クラッドの上に形成されたジャケットをも含
む）光ファイバをいう。線引された裸の光ファイバ２Ａ
のコアの直径は５０μｍ，クラッドの外径は１２５μｍ
である。すなわち，裸の光ファイバ２Ａの外径は１２５
μｍである。この裸の光ファイバ２Ａの外径が外径測定
器１２で測定される。

【０００７】裸の光ファイバ２Ａは熱ＣＶＤ反応炉１４
に導入され，カーボン被覆層（膜）が形成される。熱Ｃ
ＶＤ反応炉１４は下部に原料ガス導入口１４Ａ，上部に
排気口１４Ｂを備え，好適には，その周囲にはヒータ１
５が設けられる。原料ガス導入口１４Ａからは，炭素化
合物，たとえば，アセチレン（Ｃ２　Ｈ２）と，不活性
ガス，たとえば，ヘリウム（Ｈｅ）を混合させた原料ガ
スを供給する。この原料ガスはヒータ１５の熱と裸の光
ファイバ２Ａ自体の熱によって熱分解され，アモルファ
ス・カーボン被覆層が裸の光ファイバ２Ａの外表面に形
成される。アモルファス・カーボン被覆層の厚さは約５
００Å，その抵抗値は約７ＫΩ／ｃｍである。カーボン
被覆層が形成された光ファイバをカーボン・ハーメチッ
ク被覆光ファイバ２Ｂと呼ぶ。

【０００８】該カーボン・ハーメチック被覆光ファイバ
２Ｂはローラー１６を介して図示しない巻取機に巻取ら
れる。しかる後，カーボン・ハーメチック被覆光ファイ
バ２Ｂは，例えばローラー等を介して，無電解メッキ浴
槽（図示せず）に導かれ，無電解メッキ法によりニッケ
ル（Ｎｉ）被覆層（膜）がカーボン・ハーメチック被覆
光ファイバ２Ｂの外表面に形成される。

【０００９】無電解メッキ法によるニッケル被覆層の形
成は下記のプロセスに基づく。 （１）クリーニング ワールドメタル社製，クリーニング剤Ｚ−２００を２０
０ｍｌ（ミリリットル）／ｌ（リットル）を含む５０°
Ｃの水溶液にカーボン・ハーメチック被覆光ファイバ２
Ｂを２分間浸漬し，カーボン・ハーメチック被覆光ファ
イバ２Ｂの外表面に付着した不純物を除去する。 （２）上記クリーニング剤を水洗する。 （３）エッチング ２００ｍｌ／ｌの３６％ＨＣＬにワールドメタル社製添
加剤ＭＣ−Ｅを２００ｍｌ／ｌを加えた水溶液に常温で
３０秒間，カーボン・ハーメチック被覆光ファイバ２Ｂ
を浸漬してエッチングを行う。 （４）エッチング剤を水洗する。 （５）活性化−１ ワールドメタル社製活性剤ＭＣ−Ｓを２００ｍｌ／ｌ含
む水溶液に５０°Ｃで２分間，カーボン・ハーメチック
被覆光ファイバ２Ｂを浸漬する。 （６）上記活性剤を水洗する。 （７）活性化−２ ワールドメタル社製活性化剤ＭＣ−Ａを２００ｍｌ／ｌ
を含む水溶液に５０°Ｃで２分間，カーボン・ハーメチ
ック被覆光ファイバ２Ｂを浸漬する。 （８）上記活性化剤を水洗する。 （９）ニッケル被覆層形成 ワールドメタル社製，ニッケル（Ｎｉ）−燐（Ｐ）メッ
キ濃厚液ＭＮ−Ｂを２００ｍｌ／ｌに希釈したＮｉ−Ｐ
無電解メッキ液に９０°Ｃで４５分間，カーボン・ハー
メチック被覆光ファイバ２Ｂを浸漬する。これにより，
カーボン・ハーメチック被覆光ファイバ２Ｂの外表面に
厚さ１５μｍのニッケル被覆層が形成される。このニッ
ケル被覆層が形成された光ファイバをニッケル被覆光フ
ァイバと呼ぶ。 （１０）上記無電解メッキ液を水洗する。 （１１）ニッケル被覆光ファイバを湯洗する。 （１２）ニッケル被覆光ファイバを乾燥させる。

【００１０】ニッケル被覆光ファイバは引き続いて，電
解メッキ工程に導かれ，上記ニッケル被覆層を負極とし
て青化浴金メッキ法により，ニッケル被覆層の外表面に
厚さ１７．５μｍの金（Ａｕ）被覆層（膜）を形成させ
る。この金被覆層が形成された光ファイバを光ファイバ
ケーブル２と呼ぶ。

【００１１】以上の製造過程によって製造された光ファ
イバケーブル２の断面を図２に示す。光ファイバケーブ
ル２の中心部に直径５０μｍのコア２１および外径１２
５μｍのクラッド２２からなる裸の光ファイバ２Ａがあ
り，この裸の光ファイバ２Ａの外表面に厚さ５００Åの
アモルファス・カーボン被覆層２３が形成され，さらに
その外表面に厚さ１５μｍのニッケル被覆層２４が形成
され，その外表面に厚さ１７．５μｍの金被覆層２５が
形成されている。従って，光ファイバケーブル２の外径
寸法は，ほぼ１９０μｍである。アモルファス・カーボ
ン被覆層２３は非常に緻密な構造を有しており，ニッケ
ル無電解メッキにおいて水素または水が裸の光ファイバ
２Ａに侵入することを防止する。また，カーボンの線膨
張係数は５ｘ１０−６／°Ｃであり，石英光ファイバの
線膨張係数０．４ｘ１０−６／°Ｃに近く，熱サイクル
を受けてもアモルファス・カーボン被覆層２３自体が裸
の光ファイバ２Ａから剥離したり，光ファイバの伝送損
失を引き起こすマイクロベントを生じさせない。さらに
，アモルファス・カーボン被覆層２３は裸の光ファイバ
２Ａとの密着性が良好であり，擦っても，あるいは，曲
げてもクラッド２２からアモルファス・カーボン被覆層
２３が裸の光ファイバ２Ａから剥離することがない。し
たがって，この密着性の良好さとアモルファス・カーボ
ン被覆層２３自体の緻密な構造により，アモルファス・
カーボン被覆層２３は裸の光ファイバ２Ａを機械的に保
護する役目を果たし，その後の光ファイバの取扱を非常
に容易にする。

【００１２】ニッケル被覆層２４は，アモルファス・カ
ーボン被覆層２３と密着性が良好でアモルファス・カー
ボン被覆層２３から剥離せず，また，その後の金電解メ
ッキを行う電極として機能する。このニッケル被覆層が
無電解メッキ法により形成される際裸のカーボン・ハー
メチック被覆光ファイバ２Ｂがメッキ水溶液に浸漬され
るが，上述したように，アモルファス・カーボン被覆層
２３が裸の光ファイバ２Ａを保護しているので水素また
は水が裸の光ファイバ２Ａに侵入することはない。

【００１３】最外層の金被覆層２５は，温度測定を行う
数１００°Ｃ，たとえば，８００°Ｃ以上もの高温度環
境において，大気中の酸素によるニッケル被覆層２４の
酸化を防止するためのものである。

【００１４】ニッケル被覆層２４と金被覆層２５はまた
，熱伝導率が大きく（熱伝導が良好で）高い温度測定と
いう目的に合致しており，さらに，アモルファス・カー
ボン被覆層２３と相まって裸の光ファイバ２Ａを強度的
に補強している。光ファイバケーブル２の引っ張り強度
は１芯あたり４ｋｇ以上と大きい。

【００１５】以上の如く製造された光ファイバケーブル
２は，図３に示すように，ステンレス（ＳＵＳ）等の金
属管５に挿入され，温度測定用光ファイバケーブル３０
となる。該温度測定用光ファイバケーブル３０はＯＴＤ
Ｒ６に接続されて温度測定に使用される。この実験にお
いては，金属管５は，内径５ｍｍ，外径７ｍｍ，長さ５
００ｍｍである。金属管５は熱電対の保護管としてに用
いられる場合と同様にサーモウェルとしての機能および
光ファイバケーブル２の機械的保護管としての機能を果
たす。なお，金属管５のＯＴＤＲ６に接続される一端５
Ａと対向する測定端部５Ｂは密閉せず，エポキシ樹脂で
封止している。

【００１６】光ファイバケーブル２を収納した金属管５
を電気炉に挿入し，約８００°Ｃに加熱したところ，ラ
マン発光に基づく温度依存性が確認できた。換言すれば
，この温度測定用光ファイバケーブル３０は約８００°
Ｃまでの温度測定が可能であることが実験によって確か
められた。なお，酸素が存在しない条件におけるカーボ
ンの昇華温度はほぼ２５００°Ｃ，ニッケルの融点は１
４５５°Ｃ，金の融点は１０６３°Ｃである。

【００１７】本発明の実施に際しては，上述した実施例
の他，種々の変形形態をとることができる。たとえば，
カーボン被覆層２３の代わりに金属を含むカーボン，シ
リコンオキシナイトライド，チタンカバーライト，シリ
コンカバーライト等から成るセラミックス被覆層を少な
くとも一層設けたもの，さらに最外層の金被覆層２５に
代えて，高温環境における大気中の酸素と反応しにくく
，熱伝導率の高い他の金属，たとえば，銀（Ａｇ）を用
いることができる。銀の融点は９６０°Ｃであり，銀被
覆層を施した温度測定用光ファイバケーブルは８００°
Ｃ程度の充分高い温度測定に適用できる。この銀メッキ
被覆層は，たとえば，青化浴メッキ法で１０μｍの厚さ
に形成させる。また，ニッケル被覆層２４に代えて，銅
（Ｃｕ），アルミニューム（Ａｌ）などの熱伝導の良好
で電解メッキにおいて電極となる金属を用いることがで
きる。銅の融点は１０８３°Ｃ，アルミニュームの融点
は６６０°Ｃである。

【００１８】Ｃｕ被覆層は次のようにして形成する。た
とえば，ワールドメタル社製ＭＣＵ−Ｈ浴（銅無電解メ
ッキ浴で，銅イオン補給剤，ワールドメタル社製ＭＣＵ
−ＡＨを１２５ｍｌ／ｌ，還元剤＋錯化剤（ワールドメ
タル社製ＭＣＵ−ＢＨを１２５ｍｌ／ｌを含む水溶液）
に７０°Ｃで２０分，カーボン・ハーメチック被覆光フ
ァイバ２Ｂを浸漬して，厚さ１０μｍのＣｕ被覆層を形
成する。

【００１９】Ａｌ被覆層はスパッタリング法または蒸着
法によって形成する。スパッタリング法においては高い
イオンが放射されるが，アモルファス・カーボン被覆層
２３が裸の光ファイバ２Ａを保護しており，裸の光ファ
イバ２Ａが高いエネルギーのイオンによって傷付けられ
ることを防止する。蒸着法の場合も同様である。このＡ
ｌ被覆層の厚さは，たとえば，０．５μｍである。

【００２０】以上，好適実施例として熱伝導が良好で電
解メッキの電極となりうる第１の金属膜，たとえば，ニ
ッケル被覆層２４と，熱伝導が良好で高温においても酸
化されにくい第２の金属膜，たとえば，金被覆層２５を
２層形成させた場合について述べたが，本発明では前述
の光ファイバケーブルがＳＵＳ管などの金属管５に挿入
されて使用されることを考慮すると，温度測定という観
点から熱伝導率の高い少なくとも１層の金属膜が形成さ
れればよい。

【００２１】以上の実施例はＧＩ形光ファイバについて
例示したが，コアに稀土類元素，たとえば，ネオジウム
（Ｎｄ），　エルビウム（Ｅｒ），ホルシウム（Ｈｏ）
などをドープした光ファイバについても上記同様にアモ
ルファス・カーボン被覆層２３，ニッケル被覆層２４，
金被覆層２５などを形成させて光ファイバケーブル２を
形成することができる。稀土類元素がドープされた光フ
ァイバは，温度変化に対応して光の吸収スぺクトルが変
化し，一般に温度が高くなると光の吸収が増加し光損失
が増加するという性質を有するので，温度測定性能が向
上する。

【００２２】以上に述べたように，本発明の温度測定用
光ファイバケーブルは，コアおよびクラッドからなる石
英ガラス系光ファイバ，該光ファイバに被覆されたカー
ボンを含むセラミックス膜，該セラミックス膜に被覆さ
れた少なくとも１層の熱伝導の良好な金属膜から構成さ
れる光ファイバケーブルを金属管に収納することにより
得られる。この金属膜としては，金，銀，銅，ニッケル
など，それらの融点が９００°Ｃ以上の金属であること
が８００°Ｃ以上の高温測定の観点から望ましい。好適
には，上記金属膜は２層であることが望ましく，最外層
の金属膜は高温環境において大気中の酸素と反応しにく
い金，銀などが望ましい。また光ファイバケーブルを収
納する金属管としては，耐熱性，耐食性及び機械的強度
の観点からステンレス管が好適である。

【００２３】

【発明の効果】以上に述べたように，本発明においては
，裸の光ファイバにセラミックス被覆層を形成させ，熱
伝導率のよい少なくとも１層の金属被覆層を形成させ，
これを金属管内に収納することにより，水素または水の
侵入を防止して温度測定用光ファイバケーブル自体の伝
送損失を増加させず，また機械的強度を低下させず，過
酷な熱サイクルが課せられる高温環境においても長期間
上記被覆が剥離することがなく，また機械的強度にも優
れ，かつ高い温度測定が可能な温度測定用光ファイバケ
ーブルが製造される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の温度測定用光ファイバケーブル
を製造する一過程としてカーボン・ハーメチック被覆光
ファイバを製造する装置の概略構成図である。

【図２】図２は本発明の温度測定用光ファイバケーブル
に使用する光ファイバケーブルの１実施例の断面図であ
る。

【図３】図３は図２の光ファイバケーブルに金属管を被
ぶせた本発明の１実施例である温度測定用光ファイバケ
ーブルを温度測定に適用した実験装置構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

２・・・光ファイバケーブル， ２Ａ・・裸の光ファイバ， ２Ｂ・・カーボン被覆光ファイバ， ５・・・金属管， ６・・・ＯＴＤＲ， ２１・・・コア， ２２・・・クラッド， ２３・・・アモルファス・カーボン被覆層，２４・・・
ニッケル被覆層， ２５・・・金被覆層，

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　コアおよびクラッドを有する石英ガラ
   ス系光ファイバ，該光ファイバに被覆されたセラミック
   ス膜，該セラミックス膜に被覆された少なくとも１層の
   熱伝導率の大きい金属膜を具備する光ファイバケーブル
   を金属管内に収納してなる温度測定用光ファイバケーブ
   ル。