ＦＢＧ温度センサ
【課題】８０℃以上の高温の温度測定にも十分耐えて、ＦＢＧシステム全体の適用距離の低下を防止する一方で、高い温度精度や適用可能点数を維持することができる耐久性の高いＦＢＧ温度センサを得る。
【解決手段】光ファイバ３のコア４にグレーティング部４ａ，４ａが形成されて外周面が被覆材６により被覆されたセンサケーブル２を金属管７内に挿通させた構成のＦＢＧ温度センサにおいて、上記被覆材６は、上記ＦＢＧ温度センサ１の適用温度以上で樹脂を火焼処理して形成されていると共に、上記センサケーブル２は、上記金属管７内に非拘束且つ該金属管７の内周壁とセンサケーブル２の外周面との間に隙間１４が形成された状態で挿入される。
【解決手段】光ファイバ３のコア４にグレーティング部４ａ，４ａが形成されて外周面が被覆材６により被覆されたセンサケーブル２を金属管７内に挿通させた構成のＦＢＧ温度センサにおいて、上記被覆材６は、上記ＦＢＧ温度センサ１の適用温度以上で樹脂を火焼処理して形成されていると共に、上記センサケーブル２は、上記金属管７内に非拘束且つ該金属管７の内周壁とセンサケーブル２の外周面との間に隙間１４が形成された状態で挿入される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いたＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）温度センサに関するものであり、さらに詳しくは、高温での温度測定に適したＦＢＧ温度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
８０℃を越える高温での温度測定は、ほとんどの工業的な分野において工程監視及び工程制御技術として適用されており、例えば、化学産業では反応炉等、鉄鋼産業では熱風炉等、石油産業では石油ピッチ導管等の工業的処理工程においては不可欠の技術となっている。最近はセキュリティ管理技術として、火災に対する防災としても適用されている。
高温での温度測定は、一般的には熱起電力を利用した熱電対を温度センサとして用いる電気的測定が行われているが、熱電対を温度センサとして用いる場合、通常の工業的処理工程での工程監視及び工程制御技術やセキュリティ管理技術としては適用できるものの、可燃性ガスへの防爆性、耐電磁ノイズ対策、適用距離、保護管工事、適用可能点数等の面で妥協せざるを得ない点が多いのが実情である。
【０００３】
この点に鑑み、最近、光ファイバ自体を温度センサとして利用する光ファイバ分布型測定技術の適用が始まっている。
この技術は、光ファイバへレ−ザのパルス光（最小パルス幅は１０ｎｓ程度）を入射させると生じるラマン後方散乱光を利用しており、（１）光ファイバ自体が温度センサであるので、格別の通信線を必要がなく、適用可能点数を多くすることができ、また（２）伝送損失が０．５ｄＢ／ｋｍ程度と小さいので、長距離適用が可能であり、（３）検出手段が光であるので、防爆性や耐電磁ノイズ対策は不要で、（４）耐環境性及び耐久性については、シ−ス型熱電対と同様に金属管でカバ−する事が可能であるという熱電対の温度センサの各種欠点を克服している。その一方で、光ファイバに入射されたレ−ザ光で生じる微弱なラマン後方散乱光を検出手段としているので、数千回から数万回の平均化処理が不可欠で、温度分解能が±０．５℃と温度精度が比較的低く、また、応答時間が数秒から数十秒と時間かかる。さらに、最小パルス幅は１０ｎｓ程度であるので、光ファイバ長さ１ｍの平均温度しか検出できないという欠点があった。
したがって、必要とする温度精度が低く、応答時間が長くてもよい工程監視技術やセキュリティ管理技術としては適用可能であるが、高い温度精度や距離分解能で短い応答時間が必要である工程制御技術としては適用出来ない場合があった。
【０００４】
上記光ファイバ分布型測定技術の欠点を克服する温度測定技術として、引用文献１及び引用文献２に示すように、一般の通信用光ファイバ通信に使用されている光ファイバ素線を使用して、図６に示すような光ファイバの一部にグレーティングを施したＦＢＧ温度センサによってブラッグ反射光を検出手段とする方式（以下、「ＦＢＧシステム」と称する。）が開発された。
上記ＦＢＧ温度センサは、樹脂により被覆されているシングルモ−ド用の光ファイバ素線２０を利用して、光ファイバを被覆する樹脂２１を除去してグレーティングを施し、該コア２２に縞状の屈折率の変化を付与している。屈折率が変化している縞部の間隔を変化させることにより、異なるグレーティング部（例えば、図６中の符合２３，２４）を得ることができ、コアに白色光を入射させるとブラッグ反射が生じて各グレーティング部で特定の波長の光のみが反射される。図７に示すように、縞間隔の異なるグレーティング部では、異なる波長λ１，λ２の光がそれぞれ反射されるが、温度が上昇すると、これらの反射光はより高い波長のλ３，λ４にそれぞれシフトする。この波長のシフト量は温度に比例するため、これを利用して温度の測定を行うことができる。
【０００５】
上記ＦＢＧシステムにおいては、測定器に白色光源と入射光と反射光を分ける分波器が内蔵されていることから通信用の光ファイバは１本で良く、また、上記ＦＢＧ温度センサのグレーティング部は、約５ｍｍ〜１０ｍｍの長さで、帯域が４０ｎｍの白色光源を使用する場合、０．４ｎｍの波長分解能で約１００点を設けることができるという利点がある。さらに、上記ブラッグ反射光は、微弱なラマン後方散乱光とは異なって強力な反射光であることから数千回から数万回の平均化処理が不要で、また、温度分解能が±０．１℃で、応答時間が１ｍｓから数ｍｓと短く、したがって、高い温度測定精度や距離分解能で短い応答時間が必要である工程制御技術としての適用が十分可能である。
【０００６】
しかしながら、引用文献１や引用文献２のような光ファイバが通常の樹脂で被覆されたＦＢＧ温度センサは、８０℃未満の比較的低い温度の測定は十分測定できるが、高温の測定を行うに際しては、光ファイバの被覆樹脂が熱分解を起こすため、発生するガス中の水素が光ファイバのコアに吸収されて光ファイバが劣化し、伝送損失が増加するという致命的な欠陥があった。また、短期間では高温での使用に耐えるものであっても、長期間に亘って使用するとやはり伝送損失が増加していた。
この伝送損失の増加については、図８に示すように、ＦＢＧ温度センサを８０℃及び３００℃の各温度域で適用した保持日数と損失値との関係から明らかである。８０℃で適用したＦＢＧ温度センサは、光ファイバ素線の被覆樹脂及びグレーティング部を再被覆（リコ−ト）した樹脂としてＵＶ硬化樹脂を使用したもので、被覆外径は０．２５ｍｍである。一方、３００℃で適用したＦＢＧ温度センサは、光ファイバ素線の被覆樹脂及びリコートした樹脂としてポリイミド樹脂を使用したもので、被覆外径が０．１５ｍｍである。なお、図８のグラフにおいて、縦軸が伝送損失値を、横軸が保持日数をそれぞれ示しており、「３００℃」は被覆樹脂としてポリイミド樹脂を使用したもの、「８０℃」はＵＶ硬化樹脂を使用したものである。
【０００７】
ＦＢＧ温度センサに上述のような伝送損失の増加が生じると、ＦＢＧシステム全体の適用距離が短くなるだけでなく、ＦＢＧ温度センサの適用可能点数や温度測定精度、耐久性が低下するという大きな問題があった。さらに、センサケーブルは通常金属管内に挿通されて、測定対象部位にガイドされた状態で保護されているが、ＦＢＧ温度センサの適用温度が高くなると、センサケーブルを保護する金属管が熱膨張し、この熱膨張により該金属管とセンサケーブルとの接触面が大きくなって該センサケーブルを実質的に位置不動に拘束する上、熱膨張率がセンサケーブルの光ファイバのよりも大きい金属管が軸方向に延び、拘束したセンサケーブルを引っ張って光ファイバを切断する可能性もあった。
【０００８】
【特許文献１】特表２００８−５０４５３５号公報
【特許文献２】特開２０００−１６２４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の技術的課題は、低温の温度測定は勿論のこと、８０℃以上の高温の温度測定にも十分耐えて、ＦＢＧシステムの適用距離の低下を防止する一方で、高い測定精度や適用可能点数を長期に亘って安定して維持することができる耐久性の高いＦＢＧ温度センサを提供することにある。また、本発明の他の技術的課題は、ＦＢＧ温度センサの高温での測定時において光ファイバの切断を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明のＦＢＧ温度センサは、光ファイバのコアにグレーティング部が形成されて外周面が被覆材により被覆されたセンサケーブルを金属管内に挿通させた構成のＦＢＧ温度センサにおいて、上記被覆材は、上記ＦＢＧ温度センサの適用温度以上で樹脂を火焼処理して形成されていると共に、上記センサケーブルは、上記金属管内に非拘束且つ該金属管の内周壁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ていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光ファイバの外周面を被覆する被覆材を、ＦＢＧ温度センサの適用温度以上で樹脂を火焼処理して形成したことにより、従来のような光ファイバを被覆した樹脂の熱分解に伴う水素の発生が抑止されるため、光ファイバのコアに水素が吸収されたことによるＦＢＧ温度センサの伝送損失が可及的に防がれ、したがって、低温の温度測定はもちろんのこと、８０℃以上の高温の温度測定にも十分に耐えて、ＦＢＧシステム全体の適用距離の低下を防止することができ、またＦＢＧ温度センサの測定精度や適用可能点数、耐久性を高いレベルで安定的に維持することができる。しかも、上記被覆材は光ファイバを保護し、高温においてもクッションとして光ファイバを振動や衝撃から守ることできため、より高い耐久性を保つことができる。
さらに、上記センサケーブルは、上記金属管内に非拘束且つ該金属管の内周壁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ているため、熱により金属管が膨張したとしても、該金属管よりも熱膨張率が低いセンサケーブルが金属管の膨張によって引っ張られることがなく、これにより、センサケーブルの切断を確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明のＦＢＧ温度センサの一実施の形態を示すもので、この実施の形態のＦＢＧ温度センサ１は、グレーティング部が設けられたコア４及び該コア４の外周を取巻くクラッド５を有する光ファイバ３と、該光ファイバ３の外周面を被覆する被覆材６とを有するセンサケーブル２、並びに該センサケーブル２を管内に収容する金属管７を備えている。
【００１３】
上記光ファイバ３のコア４及びクラッド５は、それぞれ白色光に対して透過率の高い石英ガラスにより形成されていて、コア４には縞間隔が異なるグレーティングが施された複数の上記グレーティング部が設けられている。この実施の形態においては、縞間隔が相互に異なる第１及び第２グレーティング部４ａ，４ｂの２つが設けられていて、各グレーティング部４ａ，４ｂは、縞状の屈折率変化部の間隔（縞間隔）が異なっている。なお、このグレーティング部は、測定点の数に応じて、光ファイバ３に１つ又は３つ以上設けてもよいことは勿論である。
【００１４】
上記被覆材６は、ＦＢＧ温度センサ１の適用温度（測定対象部位の温度）以上で樹脂を火焼処理して形成されたものである。
ここで「火焼」とは、樹脂の燃焼させることなく熱分解し、その熱分解により発生した熱分解ガス、特に水素ガスをパージしながら熱処理を施し、その熱処理した樹脂を低分子化された物質あるいは変質した物質として残存させることである。
【００１５】
この「火焼」についてより具体的に説明すると、まず光ファイバを被覆する樹脂の熱特性として、「燃焼現象」「熱分解現象」との２つの現象に着目する必要がある。
（１）「燃焼現象」について
空気中の酸素によって生じる連鎖的な酸化反応であり、通常は発熱現象として反応が進行し、酸素が不足する状態にならない限りは継続する。この燃焼現象により発生する物質としては、二酸化炭素、窒素系ガスや水等があるが、燃焼現象が終了すると、基本的に燃焼した樹脂そのものは残存しない。
（２）「熱分解現象」について
物質を熱したときに起こる分解反応であり、炭素、酸素、水素や窒素等の高分子材である樹脂は、無酸素の雰囲気中で熱を受けることにより、熱分解ガスを発生しながら低分子化や変質が生じる。この熱分解現象自体は吸熱現象であり、加熱を続けなければ現象は停止する。熱分解現象によって発生する物質としては、一酸化炭素、メタン等の有機系ガス、窒素系ガスや水素等があり、加熱温度や加熱時間等の条件によって低分子化や変質内容は異なるが、熱分解を伴った樹脂は何らかの態様で残存させることができる。なお、加熱温度が高い場合は、炭素となって残存する。
樹脂被覆された光ファイバをＦＢＧ温度センサに使用する場合、上記燃焼現象が生じると、樹脂の燃焼中において該樹脂の熱膨張が不均一に生じてしまうため、熱膨張率が樹脂に比べて低い光ファイバが引っ張られ、該光ファイバに断線が発生してしまう可能性が極めて高い。また、燃焼現象によって樹脂が消失するため、光ファイバを保護するものが存在しなくなり、振動や衝撃によって光ファイバが破損するおそれがある。
一方で、ＦＢＧセンサの使用中に、光ファイバを被覆する樹脂に上記熱分解現象が生じると、熱分解ガス中の水素が光ファイバのコア４に吸収されてしまうため、伝送損失が増加し、実用上の問題を生じる。
そこで、ＦＢＧ温度センサの適用温度以上で光ファイバを被覆する樹脂を燃焼させることなく熱分解することにより、光ファイバを被覆して保護するものを被覆材として残存させてクッションとして該光ファイバを振動等から守る一方、少なくともＦＢＧ温度センサの適用温度範囲内で発生する可能性がある熱分解ガスを予め除去し、該ＦＢＧ温度センサの使用中に熱分解ガスが発生することを抑えることが肝要であり、この目的を実現するための熱処理を上記「火焼」としている。
【００１６】
通常、ＦＢＧ温度センサに使用される光ファイバは、各種樹脂によって被覆されていて、グレーティング部を形成する際には、対象位置の被覆を除去してグレーティングを施した後、再度樹脂で被覆（リコート）されるが、上記火焼処理は、このリコート部分を含めて高温にさらされるすべての被覆樹脂に対して行われている。
上記火焼処理の対象となる樹脂としては、ＵＶ硬化樹脂、ナイロン樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、あるいはこれらの樹脂にガラス粉末などのセラミック粉末を添加したものが好適に使用され、ＦＢＧ温度センサ１の適用温度に適合し、且つ該ＦＢＧ温度センサ１の適用温度以上での火焼処理に耐え得る樹脂を選定することができる。また、リコートした部分については、除去した樹脂と同じ材質である事が好ましいが、強化を目的として異なる材質であってもよい。
【００１７】
上記火焼処理は例えば次のような工程によって行われる。
即ち、図２に示すように、グレーティング及び樹脂のリコ−トが終了した火焼処理前の樹脂被覆付きの光ファイバ８をコイル状に巻装したボビンを供給機９に取付けて、該樹脂被覆付きの光ファイバ８を引張状態で該供給機９から巻取機１０へ通し、この巻取機１０により巻き取っていく。
このとき、巻き取られる樹脂被覆付きの光ファイバ８は、供給機９と巻取機１０との間に配設された加熱炉１１内を通過するが、被覆された樹脂は、該加熱炉１１内にガス供給口１１ａから供給される所定のガス、例えば窒素ガス等の不活性ガスによって無酸素下で順次ムラなく加熱されて熱分解される一方で、樹脂の加熱によって生じた熱分解ガスが加熱炉１１外にパージされることにより火焼処理される。その際、上記供給機９、巻取機１０、加熱炉１１に電線１２で電気的に接続された制御盤１３によって巻取速度や炉内温度等が調整されることにより、火焼温度や火焼処理時間等がＦＢＧ温度センサの適用温度や火焼処理の状況に応じて適宜調整される。そして、最終的には、上記巻取機１０には、火焼処理が完了した樹脂である被覆材６が被覆された光ファイバ３、即ち上記センサケーブル２が巻き付けられることになる。
上記火焼処理においては、ＦＢＧ温度センサ１の適用温度以上で加熱して光ファイバの被覆樹脂を熱分解させて、火焼処理した被覆材が確実に残存するように行うことが肝要であり、処理時間やガスの種類、処理速度は、火焼する樹脂の材質を考慮して適宜設定される。例えば、上記光ファイバ８の被覆樹脂としてポリイミド樹脂を使用した場合において、ＦＢＧ温度センサ１の適用温度が６５０℃である場合、この被覆樹脂を６５０℃以上で加熱し、被覆材として残存する程度に熱分解させるように火焼処理する。
なお、上記図２に係る火焼処理の工程の場合は、通常使用されるＦＢＧ温度センサ用の光ファイバに既に被覆されている樹脂（リコート部分を含む）をそのまま利用しているので、長尺なものであってもスムーズに火焼処理を行うことができ、製造が比較的容易であるという利点がある。
【００１８】
一方、上記金属管７は、上記センサケーブル２の保護及びガイドとしての機能を有するもので、ＦＢＧ温度センサ１の適用環境での耐食性や熱伝導性を考慮して材質が選定される。例えば、通常の大気中であればステンレス、海浜地区での塩素を考慮する必要がある場合はチタンやインコロイ、熱伝導性を優先し応答時間を短くする場合は銅が好適に用いられる。また、上記金属管の外径及び肉厚は、センサケーブル２の外径や必要とされる機械的強度と取扱い性を考慮して選定されるが、実用的には外径０．５ｍｍから５ｍｍ、肉厚０．０５ｍｍから１ｍｍである。
なお、上記金属管７内にセンサケーブル２を挿通させるに際しては、例えば特開昭６３−１８０９２２号公報に記載されているような振動挿通方法等、適当な方法が採用される。
【００１９】
ところで、上記金属管７内には、上記センサケーブル２が、該金属管７に非拘束状態で且つ該金属管７の内周壁とセンサケーブル２の外周面との間に隙間１４が形成された状態で挿入されている（図１参照）。
上記隙間１４は、金属管７の熱膨張により、該金属管の管内壁が管内のセンサケーブル２を圧迫したりあるいは金属管７と被覆材とが固着したりするなどして実質的に該センサケーブル２が金属管７に位置不動に拘束されることを防止するものであり、これにより、金属管７が熱膨張によって軸方向に延びた場合等に、該金属管よりも熱膨張率が低いセンサケーブル２が引っ張られるのを抑止し、金属管の熱膨張に伴う応力がセンサケーブル２に作用しないようにしている。
この隙間１４は、実用的には最大で４ｍｍ程度が望ましく、センサケーブル２の太さに合わせて上記金属管７の内径を適宜設定することができる。また、上記隙間１４内は、雰囲気を窒素やアルゴンなどの無酸素とすることが望ましいが、隙間１４内に新しい空気が流入することを避けることができれば、例えば金属管の端部を気密にシールするなど、ＦＢＧ温度センサの適用条件と製造コストとのバランスを考えて隙間１４内の雰囲気の在り方を選択することができる。
【００２０】
また、ＦＢＧ温度センサを長尺で使用する際には、金属管７とセンサケーブル２との接触部分での摩擦を無視することできないこと考えられ、その場合には、センサケーブル２には金属管の熱膨張に伴う応力が作用し、金属管７の熱膨張によりセンサケーブル２が引っ張られることになる。
そのための対策として、金属管７に比べて熱膨張率が小さいセンサケーブル２には、所定の余長率による余長を付与し、金属管７の熱膨張に伴う応力がセンサケーブル２に作用しないようにしている。
ここで、「余長」とは、ＦＢＧ温度センサ１の一定の長さにおいて、センサケーブル２の金属管７の軸方向長さよりも長い部分のことである。
また「余長率」とは、金属管７の軸方向長さに対するセンサケーブル２の余長の割合を示すもので、「余長率（％）＝（センサケーブル全体の長さ−金属管の軸方向長さ）／金属管の軸方向長さ×１００」の式で表わされるものである。この余長率は、適用温度範囲、金属管７の熱膨張係数、隙間１４の大きさ等を考慮して選定され、実用的には０．０５％から１．３％で適当であり、センサケーブル２にはこの余長率に応じた余長を設けることが望ましい。
【００２１】
上記構成を有するＦＢＧ温度センサ１は、光ファイバ３の外周面を被覆する樹脂をＦＢＧ温度センサの適用温度以上で火焼処理して被覆材６とし、高温によって樹脂が熱分解して発生するガスが予め除去したため、光ファイバ３のコアに水素が吸収されたことによるＦＢＧ温度センサ１の伝送損失が可及的に防がれ、したがって、低温の温度測定は勿論のこと、８０℃以上の高温の温度測定にも十分耐えて長期間安定して使用することができ、ＦＢＧシステム全体の適用距離の低下を防止することができる一方で、ＦＢＧ温度センサ１の温度精度や適用可能点数を長期間に亘って高いレベルで安定して維持することができる。
しかも、上記被覆材６が残存して光ファイバ３を保護し、クッションとして光ファイバを振動や衝撃を和らげるため、高い耐久性を保つことができる。
さらに、上記センサケーブル２は、上記金属管７内に非拘束且つ該金属管７の内周壁とセンサケーブル２の外周面との間に隙間１４が形成された状態で挿入されているため、熱により金属管が膨張したとしても、該金属管７よりも熱膨張率が低いセンサケーブル２が金属管７の膨張によって引っ張られることがなく、したがって、金属管７の熱膨張に起因するセンサケーブル２の切断が確実に防止される。
【００２２】
これにより、高い温度精度や距離分解能で短い応答時間が必要である工程制御技術としてＦＢＧ温度センサの適用が始まりつつある、防爆性が必要である化学プラントにおける可燃性ガスの温度制御、原子力プラントにおける冷却システムの温度制御及びセキュリティ管理、油井に使用されるポンプの温度管理や半導体製造における加熱装置の温度制御等が可能となる。
【実施例１】
【００２３】
上記実施の形態（図１）の構成を有するＦＢＧ温度センサについて、温度と各グレーティング部の波長シフトとの関係を調べるため、次のような条件下で０℃から６５０℃までの温度特性試験を行った。
金属管 ： 外径１．２ｍｍ、肉厚０．２ｍｍ、ステンレス製。
光ファイバを被覆した樹脂 ： 外径１５５μｍ、ポリイミド樹脂製。
リコートした部分 ： 外径約１６０μｍ、ポリイミド樹脂製。
被覆材 ： 元の樹脂層及びリコ−ト部を６５０℃で火焼処理した。
隙間 ： 約０．６ｍｍ
余長率 ： １．１％
隙間内雰囲気 ： 窒素
結果を図３にグラフに示す。なお、光ファイバには２つのグレーティング部が設けられているが、各グレーティングの波長のシフト量はほぼ同一であるので、図３のグラフには各温度における２つのグレーティング部の波長のシフト量を平均してプロットした。また、図３のグラフにおいて、縦軸は波長シフト量を、横軸はセンサの適用温度をそれぞれ示す。
【００２４】
上記試験の結果、温度と各グレーティング部の波長シフトとの関係は、約１１．６６ｐｍ／℃と一定に維持されており、このＦＢＧ温度センサを最高６５０℃までの温度測定に十分適用可能であることがわかった。
なお、上記実施例１では、６５０℃で火焼処理した被覆材を使用しているが、樹脂の材質等を検討すればより高温の測定にも適用できる。一般の通信用光ファイバ通信に使用されている光ファイバ素線を使用している限りにおいては、上限としては、光ファイバの構成材料であるアモルファス状態にある石英系ガラスの結晶化温度８５０℃前後であるが、石英系ガラスと異なる材質のガラスで結晶化温度がより高い物が開発されれば、より高い温度測定に適用可能になる。
【実施例２】
【００２５】
上述した図８に示した従来の２つのＦＢＧ温度センサに対して、各光ファイバの被覆樹脂にそれぞれのＦＢＧ温度センサの適用温度（ＵＶ硬化樹脂の場合８０℃、ポリイミド樹脂の場合３００℃）で火焼処理を施し、各ＦＢＧ温度センサのそれぞれの適用温度における保持日数と伝送損失値との関係を調べた。
なお、この実施例２においては、各ＦＢＧ温度センサの光ファイバの被覆樹脂にそれぞれ火焼処理を施した以外の条件については図８に示した従来のＦＢＧ温度センサとほぼ同じである。
結果を図４に示す。なお、図４のグラフは、縦軸が伝送損失値を、横軸が保持日数をそれぞれ示しているが、縦軸の数値は、図８の縦軸の数値と異なっている。また、グラフ中の「３００℃処理」は被覆樹脂がポリイミド樹脂のものを３００℃で火焼処理したもの、「８０℃処理」は被覆樹脂がＵＶ硬化樹脂のものを８０℃で火焼処理したものである。
【００２６】
上記図４から分かるように、図８に示す従来のＦＢＧ温度センサとは異なり、火焼処理を施した各ＦＢＧ温度センサの伝送損失値は、保持日数が大きくなっても０．２６ｄＢ／ｋｍ以下であって、測定誤差範囲内での変化しかなく、長期間に亘ってきわめて損失が低い状態が安定して維持されていることがわかった。
【実施例３】
【００２７】
ＦＢＧ温度センサを使用する際に振動が生じた場合において、この振動が与える影響を確認するため、光コネクタの耐震動性を確認するのと同じ条件、即ち振動数３０Ｈｚ、片振幅０．７５ｍｍの振動試験を行った（ＪＩＳ Ｃ５９６１，７．１項に準拠）。供試材としては、リコートしたセンサケーブルとリコ−トをしなかったセンサケーブル（いずれも火焼処理済）を用い、金属管等その他の構成は上記実施の形態と同じ構成とした。そして、これらの各センサケーブルを金属管に挿入した状態のそれぞれのＦＢＧ温度センサについて、経時的な伝送損失を調べた。
結果を図５のグラフに示す。なお、このグラフにおいては、縦軸は伝送損失値を、横軸は保持時間を示し、「実施例」はリコートをしたセンサケーブルを指す。
【００２８】
上記図５のグラフに示すように、リコートしたものについては、ほとんど伝送損失の増加は認められなかったが、リコ−トをしなかったものの損失が増加傾向にある原因としては、クッションとして作用する被覆材がないことにより、元々クラッドにマイクロクラックが存在する光ファイバが直接的に振動を受け、そのマイクロクラックが成長してコアに達し、これにより伝送損失を増加させたものと推測される。したがって、被覆材のクッション性が認められ、火焼処理によって形成された被覆材を有するセンサケーブルの高い耐久性が得られている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るＦＢＧ温度センサの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】同実施の形態に係るＦＢＧ温度センサ（センサケーブル）を製造工程を概略的に示す図である。
【図３】本発明における温度と各グレーティング部の波長シフトとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係るＦＢＧ温度センサの保持日数と伝送損失との関係を適用温度別に示すグラフである。
【図５】リコートしたセンサケーブルとリコ−トをしなかったセンサケーブルに関する振動試験の結果を示すグラフである。
【図６】従来のＦＢＧ温度センサを示す断面図である。
【図７】ＦＢＧ温度センサの原理を概略的に示すグラフである。ただし、縦軸は光強度を、横軸は波長をそれぞれ示す。
【図８】従来のＦＢＧ温度センサの保持日数と伝送損失との関係を適用温度別に示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１ ＦＢＧ温度センサ
２ センサケーブル
３ 光ファイバ
４ コア
４ａ，４ｂ グレーティング部
５ クラッド
６ 被覆材
７ 金属管
８ 火焼処理前の樹脂被覆付きの光ファイバ
９ 供給機
１０ 巻取機
１１ 加熱炉
１２ 電線
１３ 制御盤
１４ 隙間
２０ 光ファイバ素線
２１ 樹脂
２２ コア
２３，２４ グレーティング部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いたＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）温度センサに関するものであり、さらに詳しくは、高温での温度測定に適したＦＢＧ温度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
８０℃を越える高温での温度測定は、ほとんどの工業的な分野において工程監視及び工程制御技術として適用されており、例えば、化学産業では反応炉等、鉄鋼産業では熱風炉等、石油産業では石油ピッチ導管等の工業的処理工程においては不可欠の技術となっている。最近はセキュリティ管理技術として、火災に対する防災としても適用されている。
高温での温度測定は、一般的には熱起電力を利用した熱電対を温度センサとして用いる電気的測定が行われているが、熱電対を温度センサとして用いる場合、通常の工業的処理工程での工程監視及び工程制御技術やセキュリティ管理技術としては適用できるものの、可燃性ガスへの防爆性、耐電磁ノイズ対策、適用距離、保護管工事、適用可能点数等の面で妥協せざるを得ない点が多いのが実情である。
【０００３】
この点に鑑み、最近、光ファイバ自体を温度センサとして利用する光ファイバ分布型測定技術の適用が始まっている。
この技術は、光ファイバへレ−ザのパルス光（最小パルス幅は１０ｎｓ程度）を入射させると生じるラマン後方散乱光を利用しており、（１）光ファイバ自体が温度センサであるので、格別の通信線を必要がなく、適用可能点数を多くすることができ、また（２）伝送損失が０．５ｄＢ／ｋｍ程度と小さいので、長距離適用が可能であり、（３）検出手段が光であるので、防爆性や耐電磁ノイズ対策は不要で、（４）耐環境性及び耐久性については、シ−ス型熱電対と同様に金属管でカバ−する事が可能であるという熱電対の温度センサの各種欠点を克服している。その一方で、光ファイバに入射されたレ−ザ光で生じる微弱なラマン後方散乱光を検出手段としているので、数千回から数万回の平均化処理が不可欠で、温度分解能が±０．５℃と温度精度が比較的低く、また、応答時間が数秒から数十秒と時間かかる。さらに、最小パルス幅は１０ｎｓ程度であるので、光ファイバ長さ１ｍの平均温度しか検出できないという欠点があった。
したがって、必要とする温度精度が低く、応答時間が長くてもよい工程監視技術やセキュリティ管理技術としては適用可能であるが、高い温度精度や距離分解能で短い応答時間が必要である工程制御技術としては適用出来ない場合があった。
【０００４】
上記光ファイバ分布型測定技術の欠点を克服する温度測定技術として、引用文献１及び引用文献２に示すように、一般の通信用光ファイバ通信に使用されている光ファイバ素線を使用して、図６に示すような光ファイバの一部にグレーティングを施したＦＢＧ温度センサによってブラッグ反射光を検出手段とする方式（以下、「ＦＢＧシステム」と称する。）が開発された。
上記ＦＢＧ温度センサは、樹脂により被覆されているシングルモ−ド用の光ファイバ素線２０を利用して、光ファイバを被覆する樹脂２１を除去してグレーティングを施し、該コア２２に縞状の屈折率の変化を付与している。屈折率が変化している縞部の間隔を変化させることにより、異なるグレーティング部（例えば、図６中の符合２３，２４）を得ることができ、コアに白色光を入射させるとブラッグ反射が生じて各グレーティング部で特定の波長の光のみが反射される。図７に示すように、縞間隔の異なるグレーティング部では、異なる波長λ１，λ２の光がそれぞれ反射されるが、温度が上昇すると、これらの反射光はより高い波長のλ３，λ４にそれぞれシフトする。この波長のシフト量は温度に比例するため、これを利用して温度の測定を行うことができる。
【０００５】
上記ＦＢＧシステムにおいては、測定器に白色光源と入射光と反射光を分ける分波器が内蔵されていることから通信用の光ファイバは１本で良く、また、上記ＦＢＧ温度センサのグレーティング部は、約５ｍｍ〜１０ｍｍの長さで、帯域が４０ｎｍの白色光源を使用する場合、０．４ｎｍの波長分解能で約１００点を設けることができるという利点がある。さらに、上記ブラッグ反射光は、微弱なラマン後方散乱光とは異なって強力な反射光であることから数千回から数万回の平均化処理が不要で、また、温度分解能が±０．１℃で、応答時間が１ｍｓから数ｍｓと短く、したがって、高い温度測定精度や距離分解能で短い応答時間が必要である工程制御技術としての適用が十分可能である。
【０００６】
しかしながら、引用文献１や引用文献２のような光ファイバが通常の樹脂で被覆されたＦＢＧ温度センサは、８０℃未満の比較的低い温度の測定は十分測定できるが、高温の測定を行うに際しては、光ファイバの被覆樹脂が熱分解を起こすため、発生するガス中の水素が光ファイバのコアに吸収されて光ファイバが劣化し、伝送損失が増加するという致命的な欠陥があった。また、短期間では高温での使用に耐えるものであっても、長期間に亘って使用するとやはり伝送損失が増加していた。
この伝送損失の増加については、図８に示すように、ＦＢＧ温度センサを８０℃及び３００℃の各温度域で適用した保持日数と損失値との関係から明らかである。８０℃で適用したＦＢＧ温度センサは、光ファイバ素線の被覆樹脂及びグレーティング部を再被覆（リコ−ト）した樹脂としてＵＶ硬化樹脂を使用したもので、被覆外径は０．２５ｍｍである。一方、３００℃で適用したＦＢＧ温度センサは、光ファイバ素線の被覆樹脂及びリコートした樹脂としてポリイミド樹脂を使用したもので、被覆外径が０．１５ｍｍである。なお、図８のグラフにおいて、縦軸が伝送損失値を、横軸が保持日数をそれぞれ示しており、「３００℃」は被覆樹脂としてポリイミド樹脂を使用したもの、「８０℃」はＵＶ硬化樹脂を使用したものである。
【０００７】
ＦＢＧ温度センサに上述のような伝送損失の増加が生じると、ＦＢＧシステム全体の適用距離が短くなるだけでなく、ＦＢＧ温度センサの適用可能点数や温度測定精度、耐久性が低下するという大きな問題があった。さらに、センサケーブルは通常金属管内に挿通されて、測定対象部位にガイドされた状態で保護されているが、ＦＢＧ温度センサの適用温度が高くなると、センサケーブルを保護する金属管が熱膨張し、この熱膨張により該金属管とセンサケーブルとの接触面が大きくなって該センサケーブルを実質的に位置不動に拘束する上、熱膨張率がセンサケーブルの光ファイバのよりも大きい金属管が軸方向に延び、拘束したセンサケーブルを引っ張って光ファイバを切断する可能性もあった。
【０００８】
【特許文献１】特表２００８−５０４５３５号公報
【特許文献２】特開２０００−１６２４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の技術的課題は、低温の温度測定は勿論のこと、８０℃以上の高温の温度測定にも十分耐えて、ＦＢＧシステムの適用距離の低下を防止する一方で、高い測定精度や適用可能点数を長期に亘って安定して維持することができる耐久性の高いＦＢＧ温度センサを提供することにある。また、本発明の他の技術的課題は、ＦＢＧ温度センサの高温での測定時において光ファイバの切断を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明のＦＢＧ温度センサは、光ファイバのコアにグレーティング部が形成されて外周面が被覆材により被覆されたセンサケーブルを金属管内に挿通させた構成のＦＢＧ温度センサにおいて、上記被覆材は、上記ＦＢＧ温度センサの適用温度以上で樹脂を火焼処理して形成されていると共に、上記センサケーブルは、上記金属管内に非拘束且つ該金属管の内周壁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ていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光ファイバの外周面を被覆する被覆材を、ＦＢＧ温度センサの適用温度以上で樹脂を火焼処理して形成したことにより、従来のような光ファイバを被覆した樹脂の熱分解に伴う水素の発生が抑止されるため、光ファイバのコアに水素が吸収されたことによるＦＢＧ温度センサの伝送損失が可及的に防がれ、したがって、低温の温度測定はもちろんのこと、８０℃以上の高温の温度測定にも十分に耐えて、ＦＢＧシステム全体の適用距離の低下を防止することができ、またＦＢＧ温度センサの測定精度や適用可能点数、耐久性を高いレベルで安定的に維持することができる。しかも、上記被覆材は光ファイバを保護し、高温においてもクッションとして光ファイバを振動や衝撃から守ることできため、より高い耐久性を保つことができる。
さらに、上記センサケーブルは、上記金属管内に非拘束且つ該金属管の内周壁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ているため、熱により金属管が膨張したとしても、該金属管よりも熱膨張率が低いセンサケーブルが金属管の膨張によって引っ張られることがなく、これにより、センサケーブルの切断を確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明のＦＢＧ温度センサの一実施の形態を示すもので、この実施の形態のＦＢＧ温度センサ１は、グレーティング部が設けられたコア４及び該コア４の外周を取巻くクラッド５を有する光ファイバ３と、該光ファイバ３の外周面を被覆する被覆材６とを有するセンサケーブル２、並びに該センサケーブル２を管内に収容する金属管７を備えている。
【００１３】
上記光ファイバ３のコア４及びクラッド５は、それぞれ白色光に対して透過率の高い石英ガラスにより形成されていて、コア４には縞間隔が異なるグレーティングが施された複数の上記グレーティング部が設けられている。この実施の形態においては、縞間隔が相互に異なる第１及び第２グレーティング部４ａ，４ｂの２つが設けられていて、各グレーティング部４ａ，４ｂは、縞状の屈折率変化部の間隔（縞間隔）が異なっている。なお、このグレーティング部は、測定点の数に応じて、光ファイバ３に１つ又は３つ以上設けてもよいことは勿論である。
【００１４】
上記被覆材６は、ＦＢＧ温度センサ１の適用温度（測定対象部位の温度）以上で樹脂を火焼処理して形成されたものである。
ここで「火焼」とは、樹脂の燃焼させることなく熱分解し、その熱分解により発生した熱分解ガス、特に水素ガスをパージしながら熱処理を施し、その熱処理した樹脂を低分子化された物質あるいは変質した物質として残存させることである。
【００１５】
この「火焼」についてより具体的に説明すると、まず光ファイバを被覆する樹脂の熱特性として、「燃焼現象」「熱分解現象」との２つの現象に着目する必要がある。
（１）「燃焼現象」について
空気中の酸素によって生じる連鎖的な酸化反応であり、通常は発熱現象として反応が進行し、酸素が不足する状態にならない限りは継続する。この燃焼現象により発生する物質としては、二酸化炭素、窒素系ガスや水等があるが、燃焼現象が終了すると、基本的に燃焼した樹脂そのものは残存しない。
（２）「熱分解現象」について
物質を熱したときに起こる分解反応であり、炭素、酸素、水素や窒素等の高分子材である樹脂は、無酸素の雰囲気中で熱を受けることにより、熱分解ガスを発生しながら低分子化や変質が生じる。この熱分解現象自体は吸熱現象であり、加熱を続けなければ現象は停止する。熱分解現象によって発生する物質としては、一酸化炭素、メタン等の有機系ガス、窒素系ガスや水素等があり、加熱温度や加熱時間等の条件によって低分子化や変質内容は異なるが、熱分解を伴った樹脂は何らかの態様で残存させることができる。なお、加熱温度が高い場合は、炭素となって残存する。
樹脂被覆された光ファイバをＦＢＧ温度センサに使用する場合、上記燃焼現象が生じると、樹脂の燃焼中において該樹脂の熱膨張が不均一に生じてしまうため、熱膨張率が樹脂に比べて低い光ファイバが引っ張られ、該光ファイバに断線が発生してしまう可能性が極めて高い。また、燃焼現象によって樹脂が消失するため、光ファイバを保護するものが存在しなくなり、振動や衝撃によって光ファイバが破損するおそれがある。
一方で、ＦＢＧセンサの使用中に、光ファイバを被覆する樹脂に上記熱分解現象が生じると、熱分解ガス中の水素が光ファイバのコア４に吸収されてしまうため、伝送損失が増加し、実用上の問題を生じる。
そこで、ＦＢＧ温度センサの適用温度以上で光ファイバを被覆する樹脂を燃焼させることなく熱分解することにより、光ファイバを被覆して保護するものを被覆材として残存させてクッションとして該光ファイバを振動等から守る一方、少なくともＦＢＧ温度センサの適用温度範囲内で発生する可能性がある熱分解ガスを予め除去し、該ＦＢＧ温度センサの使用中に熱分解ガスが発生することを抑えることが肝要であり、この目的を実現するための熱処理を上記「火焼」としている。
【００１６】
通常、ＦＢＧ温度センサに使用される光ファイバは、各種樹脂によって被覆されていて、グレーティング部を形成する際には、対象位置の被覆を除去してグレーティングを施した後、再度樹脂で被覆（リコート）されるが、上記火焼処理は、このリコート部分を含めて高温にさらされるすべての被覆樹脂に対して行われている。
上記火焼処理の対象となる樹脂としては、ＵＶ硬化樹脂、ナイロン樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、あるいはこれらの樹脂にガラス粉末などのセラミック粉末を添加したものが好適に使用され、ＦＢＧ温度センサ１の適用温度に適合し、且つ該ＦＢＧ温度センサ１の適用温度以上での火焼処理に耐え得る樹脂を選定することができる。また、リコートした部分については、除去した樹脂と同じ材質である事が好ましいが、強化を目的として異なる材質であってもよい。
【００１７】
上記火焼処理は例えば次のような工程によって行われる。
即ち、図２に示すように、グレーティング及び樹脂のリコ−トが終了した火焼処理前の樹脂被覆付きの光ファイバ８をコイル状に巻装したボビンを供給機９に取付けて、該樹脂被覆付きの光ファイバ８を引張状態で該供給機９から巻取機１０へ通し、この巻取機１０により巻き取っていく。
このとき、巻き取られる樹脂被覆付きの光ファイバ８は、供給機９と巻取機１０との間に配設された加熱炉１１内を通過するが、被覆された樹脂は、該加熱炉１１内にガス供給口１１ａから供給される所定のガス、例えば窒素ガス等の不活性ガスによって無酸素下で順次ムラなく加熱されて熱分解される一方で、樹脂の加熱によって生じた熱分解ガスが加熱炉１１外にパージされることにより火焼処理される。その際、上記供給機９、巻取機１０、加熱炉１１に電線１２で電気的に接続された制御盤１３によって巻取速度や炉内温度等が調整されることにより、火焼温度や火焼処理時間等がＦＢＧ温度センサの適用温度や火焼処理の状況に応じて適宜調整される。そして、最終的には、上記巻取機１０には、火焼処理が完了した樹脂である被覆材６が被覆された光ファイバ３、即ち上記センサケーブル２が巻き付けられることになる。
上記火焼処理においては、ＦＢＧ温度センサ１の適用温度以上で加熱して光ファイバの被覆樹脂を熱分解させて、火焼処理した被覆材が確実に残存するように行うことが肝要であり、処理時間やガスの種類、処理速度は、火焼する樹脂の材質を考慮して適宜設定される。例えば、上記光ファイバ８の被覆樹脂としてポリイミド樹脂を使用した場合において、ＦＢＧ温度センサ１の適用温度が６５０℃である場合、この被覆樹脂を６５０℃以上で加熱し、被覆材として残存する程度に熱分解させるように火焼処理する。
なお、上記図２に係る火焼処理の工程の場合は、通常使用されるＦＢＧ温度センサ用の光ファイバに既に被覆されている樹脂（リコート部分を含む）をそのまま利用しているので、長尺なものであってもスムーズに火焼処理を行うことができ、製造が比較的容易であるという利点がある。
【００１８】
一方、上記金属管７は、上記センサケーブル２の保護及びガイドとしての機能を有するもので、ＦＢＧ温度センサ１の適用環境での耐食性や熱伝導性を考慮して材質が選定される。例えば、通常の大気中であればステンレス、海浜地区での塩素を考慮する必要がある場合はチタンやインコロイ、熱伝導性を優先し応答時間を短くする場合は銅が好適に用いられる。また、上記金属管の外径及び肉厚は、センサケーブル２の外径や必要とされる機械的強度と取扱い性を考慮して選定されるが、実用的には外径０．５ｍｍから５ｍｍ、肉厚０．０５ｍｍから１ｍｍである。
なお、上記金属管７内にセンサケーブル２を挿通させるに際しては、例えば特開昭６３−１８０９２２号公報に記載されているような振動挿通方法等、適当な方法が採用される。
【００１９】
ところで、上記金属管７内には、上記センサケーブル２が、該金属管７に非拘束状態で且つ該金属管７の内周壁とセンサケーブル２の外周面との間に隙間１４が形成された状態で挿入されている（図１参照）。
上記隙間１４は、金属管７の熱膨張により、該金属管の管内壁が管内のセンサケーブル２を圧迫したりあるいは金属管７と被覆材とが固着したりするなどして実質的に該センサケーブル２が金属管７に位置不動に拘束されることを防止するものであり、これにより、金属管７が熱膨張によって軸方向に延びた場合等に、該金属管よりも熱膨張率が低いセンサケーブル２が引っ張られるのを抑止し、金属管の熱膨張に伴う応力がセンサケーブル２に作用しないようにしている。
この隙間１４は、実用的には最大で４ｍｍ程度が望ましく、センサケーブル２の太さに合わせて上記金属管７の内径を適宜設定することができる。また、上記隙間１４内は、雰囲気を窒素やアルゴンなどの無酸素とすることが望ましいが、隙間１４内に新しい空気が流入することを避けることができれば、例えば金属管の端部を気密にシールするなど、ＦＢＧ温度センサの適用条件と製造コストとのバランスを考えて隙間１４内の雰囲気の在り方を選択することができる。
【００２０】
また、ＦＢＧ温度センサを長尺で使用する際には、金属管７とセンサケーブル２との接触部分での摩擦を無視することできないこと考えられ、その場合には、センサケーブル２には金属管の熱膨張に伴う応力が作用し、金属管７の熱膨張によりセンサケーブル２が引っ張られることになる。
そのための対策として、金属管７に比べて熱膨張率が小さいセンサケーブル２には、所定の余長率による余長を付与し、金属管７の熱膨張に伴う応力がセンサケーブル２に作用しないようにしている。
ここで、「余長」とは、ＦＢＧ温度センサ１の一定の長さにおいて、センサケーブル２の金属管７の軸方向長さよりも長い部分のことである。
また「余長率」とは、金属管７の軸方向長さに対するセンサケーブル２の余長の割合を示すもので、「余長率（％）＝（センサケーブル全体の長さ−金属管の軸方向長さ）／金属管の軸方向長さ×１００」の式で表わされるものである。この余長率は、適用温度範囲、金属管７の熱膨張係数、隙間１４の大きさ等を考慮して選定され、実用的には０．０５％から１．３％で適当であり、センサケーブル２にはこの余長率に応じた余長を設けることが望ましい。
【００２１】
上記構成を有するＦＢＧ温度センサ１は、光ファイバ３の外周面を被覆する樹脂をＦＢＧ温度センサの適用温度以上で火焼処理して被覆材６とし、高温によって樹脂が熱分解して発生するガスが予め除去したため、光ファイバ３のコアに水素が吸収されたことによるＦＢＧ温度センサ１の伝送損失が可及的に防がれ、したがって、低温の温度測定は勿論のこと、８０℃以上の高温の温度測定にも十分耐えて長期間安定して使用することができ、ＦＢＧシステム全体の適用距離の低下を防止することができる一方で、ＦＢＧ温度センサ１の温度精度や適用可能点数を長期間に亘って高いレベルで安定して維持することができる。
しかも、上記被覆材６が残存して光ファイバ３を保護し、クッションとして光ファイバを振動や衝撃を和らげるため、高い耐久性を保つことができる。
さらに、上記センサケーブル２は、上記金属管７内に非拘束且つ該金属管７の内周壁とセンサケーブル２の外周面との間に隙間１４が形成された状態で挿入されているため、熱により金属管が膨張したとしても、該金属管７よりも熱膨張率が低いセンサケーブル２が金属管７の膨張によって引っ張られることがなく、したがって、金属管７の熱膨張に起因するセンサケーブル２の切断が確実に防止される。
【００２２】
これにより、高い温度精度や距離分解能で短い応答時間が必要である工程制御技術としてＦＢＧ温度センサの適用が始まりつつある、防爆性が必要である化学プラントにおける可燃性ガスの温度制御、原子力プラントにおける冷却システムの温度制御及びセキュリティ管理、油井に使用されるポンプの温度管理や半導体製造における加熱装置の温度制御等が可能となる。
【実施例１】
【００２３】
上記実施の形態（図１）の構成を有するＦＢＧ温度センサについて、温度と各グレーティング部の波長シフトとの関係を調べるため、次のような条件下で０℃から６５０℃までの温度特性試験を行った。
金属管 ： 外径１．２ｍｍ、肉厚０．２ｍｍ、ステンレス製。
光ファイバを被覆した樹脂 ： 外径１５５μｍ、ポリイミド樹脂製。
リコートした部分 ： 外径約１６０μｍ、ポリイミド樹脂製。
被覆材 ： 元の樹脂層及びリコ−ト部を６５０℃で火焼処理した。
隙間 ： 約０．６ｍｍ
余長率 ： １．１％
隙間内雰囲気 ： 窒素
結果を図３にグラフに示す。なお、光ファイバには２つのグレーティング部が設けられているが、各グレーティングの波長のシフト量はほぼ同一であるので、図３のグラフには各温度における２つのグレーティング部の波長のシフト量を平均してプロットした。また、図３のグラフにおいて、縦軸は波長シフト量を、横軸はセンサの適用温度をそれぞれ示す。
【００２４】
上記試験の結果、温度と各グレーティング部の波長シフトとの関係は、約１１．６６ｐｍ／℃と一定に維持されており、このＦＢＧ温度センサを最高６５０℃までの温度測定に十分適用可能であることがわかった。
なお、上記実施例１では、６５０℃で火焼処理した被覆材を使用しているが、樹脂の材質等を検討すればより高温の測定にも適用できる。一般の通信用光ファイバ通信に使用されている光ファイバ素線を使用している限りにおいては、上限としては、光ファイバの構成材料であるアモルファス状態にある石英系ガラスの結晶化温度８５０℃前後であるが、石英系ガラスと異なる材質のガラスで結晶化温度がより高い物が開発されれば、より高い温度測定に適用可能になる。
【実施例２】
【００２５】
上述した図８に示した従来の２つのＦＢＧ温度センサに対して、各光ファイバの被覆樹脂にそれぞれのＦＢＧ温度センサの適用温度（ＵＶ硬化樹脂の場合８０℃、ポリイミド樹脂の場合３００℃）で火焼処理を施し、各ＦＢＧ温度センサのそれぞれの適用温度における保持日数と伝送損失値との関係を調べた。
なお、この実施例２においては、各ＦＢＧ温度センサの光ファイバの被覆樹脂にそれぞれ火焼処理を施した以外の条件については図８に示した従来のＦＢＧ温度センサとほぼ同じである。
結果を図４に示す。なお、図４のグラフは、縦軸が伝送損失値を、横軸が保持日数をそれぞれ示しているが、縦軸の数値は、図８の縦軸の数値と異なっている。また、グラフ中の「３００℃処理」は被覆樹脂がポリイミド樹脂のものを３００℃で火焼処理したもの、「８０℃処理」は被覆樹脂がＵＶ硬化樹脂のものを８０℃で火焼処理したものである。
【００２６】
上記図４から分かるように、図８に示す従来のＦＢＧ温度センサとは異なり、火焼処理を施した各ＦＢＧ温度センサの伝送損失値は、保持日数が大きくなっても０．２６ｄＢ／ｋｍ以下であって、測定誤差範囲内での変化しかなく、長期間に亘ってきわめて損失が低い状態が安定して維持されていることがわかった。
【実施例３】
【００２７】
ＦＢＧ温度センサを使用する際に振動が生じた場合において、この振動が与える影響を確認するため、光コネクタの耐震動性を確認するのと同じ条件、即ち振動数３０Ｈｚ、片振幅０．７５ｍｍの振動試験を行った（ＪＩＳ Ｃ５９６１，７．１項に準拠）。供試材としては、リコートしたセンサケーブルとリコ−トをしなかったセンサケーブル（いずれも火焼処理済）を用い、金属管等その他の構成は上記実施の形態と同じ構成とした。そして、これらの各センサケーブルを金属管に挿入した状態のそれぞれのＦＢＧ温度センサについて、経時的な伝送損失を調べた。
結果を図５のグラフに示す。なお、このグラフにおいては、縦軸は伝送損失値を、横軸は保持時間を示し、「実施例」はリコートをしたセンサケーブルを指す。
【００２８】
上記図５のグラフに示すように、リコートしたものについては、ほとんど伝送損失の増加は認められなかったが、リコ−トをしなかったものの損失が増加傾向にある原因としては、クッションとして作用する被覆材がないことにより、元々クラッドにマイクロクラックが存在する光ファイバが直接的に振動を受け、そのマイクロクラックが成長してコアに達し、これにより伝送損失を増加させたものと推測される。したがって、被覆材のクッション性が認められ、火焼処理によって形成された被覆材を有するセンサケーブルの高い耐久性が得られている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るＦＢＧ温度センサの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】同実施の形態に係るＦＢＧ温度センサ（センサケーブル）を製造工程を概略的に示す図である。
【図３】本発明における温度と各グレーティング部の波長シフトとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係るＦＢＧ温度センサの保持日数と伝送損失との関係を適用温度別に示すグラフである。
【図５】リコートしたセンサケーブルとリコ−トをしなかったセンサケーブルに関する振動試験の結果を示すグラフである。
【図６】従来のＦＢＧ温度センサを示す断面図である。
【図７】ＦＢＧ温度センサの原理を概略的に示すグラフである。ただし、縦軸は光強度を、横軸は波長をそれぞれ示す。
【図８】従来のＦＢＧ温度センサの保持日数と伝送損失との関係を適用温度別に示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１ ＦＢＧ温度センサ
２ センサケーブル
３ 光ファイバ
４ コア
４ａ，４ｂ グレーティング部
５ クラッド
６ 被覆材
７ 金属管
８ 火焼処理前の樹脂被覆付きの光ファイバ
９ 供給機
１０ 巻取機
１１ 加熱炉
１２ 電線
１３ 制御盤
１４ 隙間
２０ 光ファイバ素線
２１ 樹脂
２２ コア
２３，２４ グレーティング部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバのコアにグレーティング部が形成されて外周面が被覆材により被覆されたセンサケーブルを金属管内に挿通させた構成のＦＢＧ温度センサにおいて、
上記被覆材は、上記ＦＢＧ温度センサの適用温度以上で樹脂を火焼処理して形成されていると共に、上記センサケーブルは、上記金属管内に非拘束且つ該金属管の内周壁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ていることを特徴とするＦＢＧ温度センサ。
【請求項１】
光ファイバのコアにグレーティング部が形成されて外周面が被覆材により被覆されたセンサケーブルを金属管内に挿通させた構成のＦＢＧ温度センサにおいて、
上記被覆材は、上記ＦＢＧ温度センサの適用温度以上で樹脂を火焼処理して形成されていると共に、上記センサケーブルは、上記金属管内に非拘束且つ該金属管の内周壁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ていることを特徴とするＦＢＧ温度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２５８００７（Ｐ２００９−２５８００７Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０９１５０（Ｐ２００８−１０９１５０）
【出願日】平成２０年４月１８日（２００８．４．１８）
【出願人】（３０２０４０１３５）日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１８日（２００８．４．１８）
【出願人】（３０２０４０１３５）日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
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