JP2005337845A

JP2005337845A - 歪みセンサ用光ファイバ

Info

Publication number: JP2005337845A
Application number: JP2004155849A
Authority: JP
Inventors: Shigehiro Endo; 重広遠藤; Hiroshi Naruse; 央成瀬; Hitoshi Kumagai; 仁志熊谷
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Hitachi Cable Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Hitachi Cable Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp; Shimizu Corp
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】伝送損失の増加を防ぎ、歪み測定ダイナミックレンジを拡大できる歪みセンサ用光ファイバを提供する。
【解決手段】被測定対象物に設置され、該被測定対象物の歪みを測定するために使用される歪みセンサ用光ファイバ１において、コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバ２の外周に、ポリイミドからなる被覆層３が形成されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造物に貼り付けたり、構造物や地中に埋め込んだりするなどして被測定対象物に設置され、構造物や地中等の被測定対象物の歪みを測定するために使用される歪みセンサ用光ファイバに関するものである。

従来の歪みセンサ用光ファイバとしては、図４（ａ）に示すような歪みセンサ用光ファイバ４１がある（例えば、特許文献１参照）。歪みセンサ用光ファイバ４１は、光ファイバ４２の外周に紫外線硬化樹脂４３を被覆し、紫外線硬化樹脂４３の外周に、光ファイバ４２の断線を防止するための繊維強化プラスチック４４を被覆したものである。繊維強化プラスチック４４には、構造物や土との固着をより確実にするために、図４（ｂ）に示すようなスパイラル状の突起４５ｂや、図４（ｃ）に示すような鍔状の突起４５ｃや、図４（ｄ）に示すようなメッシュ状の凹凸４５ｄが設けられる。

また、従来の歪みセンサ用光ファイバとしては、図４（ａ）の繊維強化プラスチック４４の外周にさらにポリエチレンを被覆し、そのポリエチレンに構造物や地中に埋め込んだ際のグリップ性（密着性）を向上させるための凹凸状のエンボス加工を施したものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−２２７３６８号公報特開２００２−２３０３０号公報

しかしながら、従来の歪みセンサ用光ファイバ４１は、光ファイバ４２として、一般に光通信用のシングルモード光ファイバ（ＩＴＵ−Ｔ．Ｒｅｃ．Ｇ．６５２．Ｂ準拠）を使用している。通常シングルモード光ファイバは、波長が１．５５μｍの光において、曲げ径φ２０ｍｍで曲げたときの曲げ損失が５ｄＢ／ｍ以上と非常に大きい。

したがって、この光ファイバ４２の外側に繊維強化プラスチック４４を被覆すると、繊維強化プラスチック４４が硬化収縮する製造時において、光ファイバ４２は側圧を受けて小曲がりするので、製造後の歪みセンサ用光ファイバ４１の伝送損失が増加してしまうという問題がある。

また、従来の歪みセンサ用光ファイバ４１は、光ファイバ４２の外周に紫外線硬化樹脂４３を被覆している。紫外線硬化樹脂４３は、光ファイバ４２のガラス部分（クラッド層）との密着度が小さい（密着性が低い）ので、歪みセンサ用光ファイバ４１に大きな歪みが加わったとき、紫外線硬化樹脂４３が光ファイバ４２から剥離する可能性がある。

この剥離が発生した場合、光ファイバ４２の中心部に歪みが伝わらずに、歪みセンサ用光ファイバ４１の歪み測定感度が劣化することになる。そのため、従来の歪みセンサ用光ファイバ４１は、歪み測定ダイナミックレンジをあまり大きくとることができないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、伝送損失の増加を防ぎ、歪み測定ダイナミックレンジを拡大できる歪みセンサ用光ファイバを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、被測定対象物に設置され、該被測定対象物の歪みを測定するために使用される歪みセンサ用光ファイバにおいて、コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバの外周に、ポリイミドからなる被覆層が形成されている歪みセンサ用光ファイバである。

請求項２の発明は、被測定対象物に設置され、該被測定対象物の歪みを測定するために使用される歪みセンサ用光ファイバにおいて、コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバの外周に、ポリイミドからなる第一の被覆層が形成され、第一の被覆層の外周に繊維強化プラスチックからなる第二の被覆層が形成され、第二の被覆層の外周にポリエチレンからなる第三の被覆層が形成され、第三の被覆層の外周にエンボス加工が施されている歪みセンサ用光ファイバである。

請求項３の発明は、上記光ファイバは、コアの周囲に設けられたクラッド内に、コアの中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように、３〜１０μｍの内径を有する空孔が４本以上で偶数本コアを取り囲むように形成されて構成され、波長が１．５５μｍの光において、曲げ径φ２０ｍｍでの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以下のホーリーファイバである請求項１または２記載の歪みセンサ用光ファイバである。

本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。

（１）伝送損失の増加を防止できる。

（２）歪み測定ダイナミックレンジを拡大できる。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適実施の形態を示す歪みセンサ用光ファイバの構造図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る歪みセンサ用光ファイバ１は、コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバ２の外周に、ポリイミドからなる第一の被覆層３を形成し、第一の被覆層３の外周に、光ファイバ２の断線を防止するための繊維強化プラスチック（例えば、ガラスＦＲＰ）からなる第二の被覆層４を形成し、第二の被覆層４の外周にポリエチレンからなる第三の被覆層５を形成し、第三の被覆層５の外周に、構造物や地中に埋め込んだ際のグリップ性（密着性）を向上させるための凹凸状（図１では凹状）のエンボス加工を施し、横断面が略Ｕ字状の凹部６を形成したものである。

ここで、「コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバ」について説明する。

近年、従来のコアとクラッドからなる光ファイバでは実現し得ない特長をもった光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ（ＰＣＦ：ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒ）が注目を集めている。ＰＣＦとは、フォトニック結晶構造がクラッド内に設けてある光ファイバである。フォトニック結晶構造とは屈折率の周期構造のことである。具体的には、クラッド部に蜂の巣のようなハニカム構造の空間を設けることで、光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：ＰｈｏｔｏｎｉｃＢａｎｄＧａｐ）を発生させている。

例えば、ＫｎｉｇｈｔらはＳｃｉｅｎｃｅ２８２，１４７６，（１９９８）において、ＰＢＧを導波原理とするＰＣＦを報告しており、また、ＣｒｅｇａｎらはＳｃｉｅｎｃｅ，２８５，１５３７，（１９９９）において、ＰＢＧ構造を導波原理とする中空コアのＰＣＦの報告を行っている。

また最近、完全なＰＢＧ構造を有している光ファイバではないが、コアとクラッドのガラス組成の違いにより、比屈折率差を持たせた従来の光ファイバのコア近傍のクラッド内に複数の空孔を形成し、クラッドの実効的な屈折率を下げて、コア／クラッド間の比屈折率差を拡大することで、従来得られなかった特長を有するホーリーファイバが報告されている。

このホーリーファイバの特長は、空孔の屈折率が約１であり、実効的な比屈折率差がコアとクラッドからなる通常のシングルモード光ファイバよりはるかに大きいことから、コアへの光の閉じ込め効果が高い点である。このため、ホーリーファイバは、ホーリーファイバを曲げた時に発生する曲げ損失が極めて小さいという特長を有する。

例えば、姚らは（姚兵等「ホーリーファイバの実用化に関する一検討」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、２００３年１月１６日、第１０２巻、第５８１号、ｐ．４７−５０）において、通常のシングルモード光ファイバの構造を有する光ファイバのコア近傍のクラッド内に４〜６本の空孔を形成したホーリーファイバにより、コア／クラッド間の実効的な比屈折率差を拡大することで、曲げ損失が通常のシングルモード光ファイバに比べて１／１００になるホーリーファイバを実現したことを報告している。

図２は、本実施の形態で使用するホーリーファイバを示す横断面図である。図２に示すように、図１の光ファイバ２として使用するホーリーファイバ２０は、純粋石英にゲルマニウムが添加されたコア２１の周囲に設けられた純粋石英からなるクラッド２２内に、コア２１の中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように、コア２１を取り囲んで軸方向に延びる内径ｄが３〜１０μｍ、好ましくは５〜８μｍ、さらに好ましくは６〜７μｍの空孔２３が４本以上、好ましくは４〜８本で偶数本（図２では６本）形成されて構成される。

また、ホーリーファイバ２０は、波長が１．５５μｍの光において、曲げ径φ２０ｍｍでの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以下、好ましくは０．１ｄＢ／ｍ以下、さらに好ましくは０．０５ｄＢ／ｍ以下としたものである。

空孔２３の内径ｄを３〜１０μｍとしたのは、空孔２３の内径ｄが３μｍ未満だとホーリーファイバ２０の曲げ損失があまり小さくならないからであり、空孔２３の内径ｄが１０μｍを超えると、ホーリーファイバ２０の曲げ損失をさらに小さくする効果が得られないからである。

空孔２３の本数を４本以上で偶数本としたのは、空孔２３が２本だとホーリーファイバ２０の曲げ損失があまり小さくならないからであり、空孔２３が奇数本だとホーリーファイバ２０に応力が加わったときに、局所的に応力集中する部分が発生する場合があるからである。

波長が１．５５μｍの光において、曲げ径φ２０ｍｍでの曲げ損失を１ｄＢ／ｍ以下としたのは、一般にホーリーファイバ２０に伝送させる光の波長が１．５５μｍであり、曲げ径φ２０ｍｍでの曲げ損失が１ｄＢ／ｍを超えると、製造後の歪みセンサ用光ファイバ１の伝送損失が増加するからである。

図３は、ホーリーファイバの曲げ特性の一例を示す図である。

図３では、４本の空孔を有するホーリーファイバにおいて、波長が１．５５μｍの光を伝送したときの曲げ特性を、各空孔の空孔径ｄ（μｍ）を横軸にとり、縦軸を曲げ径φ２０ｍｍのときの曲げ損失（ｄＢ／ｍ）にとって示した。

図３に示すように、空孔が存在しないホーリーファイバ、すなわちシングルモード光ファイバは、曲げ損失が５ｄＢ／ｍを超えており非常に大きい。空孔を有するホーリーファイバは、空孔径ｄが大きくなるにつれて曲げ損失が低下することがわかる。特に、空孔径ｄが３μｍの空孔を有するホーリーファイバは曲げ損失が１ｄＢ／ｍであり、空孔径ｄが７μｍの空孔を有するホーリーファイバは曲げ損失が０．３ｄＢ／ｍであり、空孔径ｄが１０μｍの空孔を有するホーリーファイバは曲げ損失が０．０４ｄＢ／ｍである。

次に、歪みセンサ用光ファイバ１の使用方法を説明する。

歪みセンサ用光ファイバ１は、ビルディング、橋梁、トンネル等のコンクリート構造物に貼り付けたり、その構造物や地中に埋め込んだりして設置され、これら構造物や地中等の被測定対象物の歪みを測定するために使用される。

具体的には、設置された歪みセンサ用光ファイバ１の一端あるいは両端に光を入射し、その反射光、散乱光（例えば、後方散乱光）、光損失を測定することにより、歪みセンサ用光ファイバ１が設置された範囲の長さ方向に亘って、構造物や地中の歪みだけでなく、温度分布などの種々の物理量を測定できる。

本実施の形態の作用を説明する。

歪みセンサ用光ファイバ１は、光通信用の光ファイバとして一般に使用される通常のシングルモード光ファイバに比べて、曲げ損失が極めて小さく、曲げに強いホーリーファイバ２０を図１の光ファイバ２として使用している。ホーリーファイバ２０の外側に繊維強化プラスチックからなる第二の被覆層４を形成すると、第二の被覆層４が硬化収縮する製造時において、ホーリーファイバ２０は側圧を受けて小曲がりするが、ホーリーファイバ２０は曲げに強いので、製造後の歪みセンサ用光ファイバ１を伝送する光の伝送損失の増加を防止できる。

また、歪みセンサ用光ファイバ１は、ホーリーファイバ２０の外周にポリイミドからなる第一の被覆層３を形成している。ポリイミドは、光通信用の光ファイバで一般に使用される紫外線硬化型樹脂に比べて、ホーリーファイバ２０のクラッド（ガラス部分）２２との密着度が大きい（密着性が高い）ので、歪みセンサ用光ファイバ１に外力によって大きな歪みが加わっても、第一の被覆層３がホーリーファイバ２０から剥離することはなく、ずれを生じることもない。

したがって、ホーリーファイバ２０の中心部であるコア２１に歪みが常に確実に伝わり、歪みセンサ用光ファイバ１の歪み測定感度が劣化することはない。すなわち、歪みセンサ用光ファイバ１は、図４（ａ）で説明した従来の歪みセンサ用光ファイバ４１などに比べて、歪み測定ダイナミックレンジを拡大できることとなる。

上記実施の形態では、光ファイバ２として、クラッド２２よりコア２１の屈折率が高いホーリーファイバ２０を使用した例で説明したが、ホーリーファイバ２０の代わりに、コアとクラッドの屈折率が互いに等しいホーリーファイバを用いてもよい。また、光ファイバ２としてＰＣＦを用いてもよい。これらの場合にも、上述と同様の作用効果が得られる。

本発明の好適実施の形態を示す構造図である。ホーリーファイバの横断面図である。ホーリーファイバの曲げ特性の一例を示す図である。図４（ａ）は従来の歪みセンサ用光ファイバの構造図、図４（ｂ）〜（ｄ）はその被覆層の一例を示す側面図である。

符号の説明

１歪みセンサ用光ファイバ
２複数の空孔を有する光ファイバ
３第一の被覆層（被覆層）
４第二の被覆層
５第三の被覆層
６凹部

Claims

被測定対象物に設置され、該被測定対象物の歪みを測定するために使用される歪みセンサ用光ファイバにおいて、コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバの外周に、ポリイミドからなる被覆層が形成されていることを特徴とする歪みセンサ用光ファイバ。
被測定対象物に設置され、該被測定対象物の歪みを測定するために使用される歪みセンサ用光ファイバにおいて、コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバの外周に、ポリイミドからなる第一の被覆層が形成され、第一の被覆層の外周に繊維強化プラスチックからなる第二の被覆層が形成され、第二の被覆層の外周にポリエチレンからなる第三の被覆層が形成され、第三の被覆層の外周にエンボス加工が施されていることを特徴とする歪みセンサ用光ファイバ。
上記光ファイバは、コアの周囲に設けられたクラッド内に、コアの中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように、３〜１０μｍの内径を有する空孔が４本以上で偶数本コアを取り囲むように形成されて構成され、波長が１．５５μｍの光において、曲げ径φ２０ｍｍでの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以下のホーリーファイバである請求項１または２記載の歪みセンサ用光ファイバ。