JPH0949776A - 光ケーブルおよび圧力測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力センサに用いることができ、設置箇所に
制約がなく、低損失であり、特殊な構造を必要としない
光ケーブルを提供する。 【解決手段】 樹脂をコーティングした光ファイバ心線
１に、繊維体２を縦添えまたは撚り合わせ、その周囲を
薄膜プラスチックの外被３で被覆した光ケーブルであ
る。その際、断面形状において、光ファイバ心線１の樹
脂被覆の少なくとも一部を外被３の内壁に接触させるこ
とにより、光ファイバ心線１が円形の外被３に対し断面
方向に偏心されて収納されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ケーブルおよび
圧力測定システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光ファイバまたは光ケーブル
を用いた圧力センサが知られている。この種の圧力セン
サは、光ファイバに圧力が加わると光損失が増加するこ
とに着目したものであり、弾性を有する光ファイバを用
いるもの、光ファイバの微小な曲がり、いわゆるマイク
ロベンドを利用するものなどがある。

【０００３】図５は、第１の従来技術の光ファイバの断
面図である。図中、２１はコア、２２はクラッドであ
る。この従来技術は、例えば、特開平６−２２９８４６
号公報等で知られている。

【０００４】この光ファイバは、コア２１にシリコーン
ゴムを用い、クラッド２２にコア２１よりも屈折率を低
くしたシリコーンゴムまたはエラストマーを用いたプラ
スチック光ファイバであり、この光ファイバ自体を圧力
センサとしたものである。こ光ファイバは弾性を有する
ため、変形を与えると光透過量が変化する。この光ファ
イバの一端に光源を設け他端に受光体を設け、受光量の
変化によりスイッチを作動させることができる。

【０００５】しかし、この実施例では、光ファイバ上に
保護被覆がないため、使用環境は外傷を受けにくい環境
に限定される。またコア２１にシリコーンゴムを用いる
ために光ファイバの伝送損失が比較的高く、例えば１ｋ
ｍ以上の長距離区間における圧力の測定には不向きであ
るという問題がある。

【０００６】図６は、第２の従来技術の光ケーブルの断
面図である。図中、３１は抗張力体、３２はスペーサ、
３３は光ファイバ心線、３４は押さえ巻き、３５は外被
である。この従来技術は、例えば、実開平６−１０８３
４号公報等で知られている。

【０００７】この光ケーブルは、断面円形の抗張力体３
１の外周面に、粗面を有する凹面状スペーサ３２を複数
個設け、それぞれの上に光ファイバ心線３３を収納し、
光ファイバ心線３３の上に粗面を有する押さえ巻き３４
を重ね巻きし、この上に外被３５を押し出し被覆するも
のである。光ファイバ心線３３に側圧を加えるとマイク
ロベンドが発生し伝送損失が増加する。この光ケーブル
を圧力検出板で挟み込み、光源からの光を光分波器を介
して複数の光ファイバ心線３３の一端に供給し、他端に
光パワーメータを接続することにより、圧力検出板に加
わる圧力の加圧方向および大きさを測定することができ
る。

【０００８】しかし、この実施例では、光ファイバ心線
３３に石英系光ファイバを適用すれば低損失化が可能で
あるが、複数本の光ファイバ心線３３を用いるために光
ケーブルの外径が大きくなり、さらに、光ファイバ心線
３３にマイクロベンドが容易に生じるように粗面を施し
た特殊なスペーサ３２および押さえ巻き３４が必要とな
る。また、抗張力体３１が鋼線であり、可燃環境や誘爆
環境での使用は困難であるという問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、圧力センサに用いることが
でき、設置箇所に制約がなく、低損失であり、特殊な構
造を必要としない光ケーブル、および、この光ケーブル
を用いた圧力測定システムを提供することを課題とする
ものである。

【００１０】例えば、流体の圧力は計算により推算でき
るものの、細径の管路内の長距離にわたる圧力分布を実
測することは極めて困難である。しかし、本発明の光ケ
ーブルは、このような細径管路内などにも設置が容易
で、設置個所の圧力および圧力分布が測定でき、可燃性
の危険物中で使用することも可能である。また、本発明
の圧力測定システムは、長距離区間の圧力を遠隔地から
測定することも可能である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
おいては、樹脂被覆を有する光ファイバ心線に繊維体が
撚り合わせまたは縦添えされたものにプラスチックの外
被が施された光ケーブルにおいて、前記樹脂被覆の少な
くとも一部は、前記外被の内壁に接触することを特徴と
するものである。

【００１２】請求項２に記載の発明においては、樹脂被
覆を有する複数心の光ファイバ心線に繊維体が撚り合わ
せまたは縦添えされたものにプラスチックの外被が施さ
れた光ケーブルにおいて、前記複数心の光ファイバ心線
中の少なくとも１心の光ファイバ心線の樹脂被覆の少な
くとも一部は、前記外被の内壁に接触することを特徴と
するものである。

【００１３】請求項３に記載の発明においては、請求項
１または２に記載の光ケーブルにおいて、前記繊維体
は、撚り合わされたものであることを特徴とするもので
ある。

【００１４】請求項４に記載の発明においては、圧力測
定システムにおいて、請求項１ないし３のいずれか１項
に記載の光ケーブルと、該光ケーブルの光損失を測定す
る測定手段を有し、前記光損失に基づいて前記光ケーブ
ルが受ける圧力および圧力分布を測定することを特徴と
するものである。

【００１５】請求項５に記載の発明においては、請求項
４に記載の圧力測定システムにおいて、前記光ケーブル
を通過した光が前記測定手段の受光器まで伝送されるこ
とを特徴とするものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態を示す光ケーブルの説明図であり、図１（Ａ）は斜視
図であり、図１（Ｂ）は一断面を表わす説明図である。
図中、１は光ファイバ心線、２は繊維体、３は外被であ
る。

【００１７】第１の実施の形態は、樹脂をコーティング
した光ファイバ心線１に、繊維体２を縦添えまたは撚り
合わせ、その周囲を薄膜プラスチックの外被３で被覆し
た光ケーブルである。その際、図１（Ｂ）に示されるよ
うに、断面形状において、光ファイバ心線１の樹脂被覆
の少なくとも一部を外被３の内壁に接触させることによ
り、光ファイバ心線１が円形の外被３に対し断面方向に
偏心されて収納されている。なお、樹脂被覆と内壁は、
この光ケーブルの一部の断面において、図１（Ｂ）に示
されるような接触状態であればよく、光ケーブルの長手
方向に常に接触状態を保持する必要はない。

【００１８】光ファイバ心線１，繊維体２，外被３に
は、使用環境に応じて各種の部材あるいは材料を選定す
ることができる。光ファイバ心線１は、一例として、紫
外線硬化型樹脂で被覆された石英系ガラスファイバを用
いる。繊維体２は、高強度を必要とされない場合は廉価
なポリプロピレン繊維を用いることができるが、また、
長尺布設や張力が印加される環境で使用する場合には、
アラミド繊維などの高ヤング率の抗張力繊維を用いるこ
とができる。これらの繊維は、例えば束状にまとめら
れ、製造上の取扱いを考慮して繊維束は撚り合わされて
いてもよい。

【００１９】外被３は、薄肉のプラスチックとし、薄肉
での加工性が優れ、加工した後の可撓性や圧力に対して
の収縮性の面から、塩化ビニル、ポリアミド系樹脂、ポ
リエチレン等が適している。ただし、溶剤中で光ケーブ
ルを使用する場合は、例えばフッ素樹脂など化学変化に
極力強い樹脂を採用することが望ましい。

【００２０】大気圧下では、外被３内の繊維体２中に空
隙が維持され、光ファイバ心線１には外力が加わらない
が、外圧を印加すると、外被３は、薄肉プラスチックで
あるため容易に収縮し、繊維体２が光ファイバ心線１に
押し付けられる。このようにして、外圧は、繊維体２を
介し収縮力として光ファイバ心線１に伝わる。ここで、
断面形状において光ファイバ心線１を円形の外被３に対
し偏心させて収納していることから、図３を参照して後
述するような、外被と同心円上に光ファイバ心線が収納
されている通信用の光ファイバコード等に比べ、圧力印
加による収縮力が光ファイバ心線１に不均一に加わる。

【００２１】この不均一な収縮力が、繊維体２によって
作り出された粗面を光ファイバ心線１に押し付けること
から、微小な曲がり、いわゆるマイクロベンディングが
容易に発生する。マイクロベンディングが発生した部分
では、光ファイバ心線１の伝送損失が増加し、この伝送
損失の増加を測定することにより圧力が増加したことを
検知できる。なお、光ファイバ心線１の曲げが大きくな
ると一様な曲げにおいても生じるような曲げ損失も生じ
る。

【００２２】光損失の測定方法としては、２つの方法が
ある。第１の方法は、光ファイバ心線１の一端から光を
入射し、他端で光ファイバ心線１を通過してきた光を受
光し、その光パワーの変動を測定する方法である。

【００２３】第２の方法は、光ファイバ心線１の一端か
ら光を入射し、光ファイバ心線１の途中で反射して戻っ
てきた反射光を測定する方法である。反射光を測定する
手段は、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍ
ａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）として知られて
いる。このＯＴＤＲは、光ファイバのコアの屈折率に微
小な揺らぎがあるときに発生するレイリー散乱光のうち
入射端側へ戻って来る後方散乱光を検出するものであ
る。

【００２４】光ファイバの途中に伝送損失があると、反
射光の傾きに変化を生じる。マイクロベンディングが発
生した部分では、光ファイバ心線１の伝送損失が増加す
るから、反射光の傾きの変化を測定することにより圧力
が増加したことを検知できる。さらに、光損失が増加し
た位置を特定することができるため、この光ケーブルが
設置されている環境の圧力分布を測定することが可能で
ある。

【００２５】このような光ケーブルでは、圧力の印加に
対してマイクロベンドが容易に発生するため、敏感に光
ファイバ心線１の伝送損失が増加し、圧力の変動を敏感
に測定することができる。

【００２６】また、薄肉のプラスチック外被中に通常４
００μｍ以下の外径の紫外線硬化型樹脂被覆された光フ
ァイバ心線１と繊維体２を収納しただけの構造のため、
外径が１ｍｍ弱の細径構造にすることができ、かつ、可
撓性に富んでいるため、通常は測定が困難な細管内への
設置が可能である。繊維体２および外被３は光ファイバ
心線１の外傷保護層として有効に機能する。

【００２７】溶剤中で使用する場合、たとえ外被３が溶
解したとしても、流体に悪影響を与えなければ、感知能
力に支障を生じた時点でこの光ケーブルを張り替えて使
用することができる。張り替える場合も、この光ケーブ
ルが従来品に比べ低コストのため費用負担が軽減され
る。既設の光ケーブルが管内に設置されていて、新しい
光ケーブルを管内に引き込んで布設する場合、既設の光
ケーブルを新しい光ケーブルに結び付け、先導用の線と
して使用できるため、張り替えが容易で張り替えコスト
も最小に押さえることができる。

【００２８】この光ケーブルを単にセンサとしてだけで
はなく、光ケーブルを長くし、測定機器の受光器に直接
接続し、光ケーブルを通過した光がこの受光器で電気信
号に変換されるようにすることにより、この光ケーブル
をそのまま、測定機器と測定個所のセンサ部間を結ぶリ
ードワイヤとして用いることができる。また、リードワ
イヤを別に用いてセンサに接続する場合でも、このリー
ドワイヤに通信用の光ファイバを用い、圧力センサとし
ての光ケーブルに融着や光コネクタで直接に接続するこ
とができ、接続用の変換機器などは不要である。

【００２９】したがって、遠隔地からの測定が容易にな
る。また、被測定物と測定系との間に電気的装置や導電
体を介することなく圧力を測定することができるため、
誘導電流等による被測定物および測定データへの悪影響
を最小にとどめることができる。

【００３０】特に、光ファイバ心線１に石英系ガラスフ
ァイバを用いると、石英系ガラスファイバは通信用とし
て一般的に用いられているように、低損失性に優れるた
め、数ｋｍ以上といった長距離の区間にわたる圧力を遠
隔地から測定する測定系の構築が可能である。

【００３１】図２は、本発明の第２の実施の形態を示す
光ケーブルの説明図であり、図２（Ａ）は斜視図であ
り、図２（Ｂ）は一断面を表わす説明図である。図中、
図１と同様な部分には同じ符号を用いて説明を省略す
る。

【００３２】この実施の形態の光ケーブルは、光ファイ
バ心線１を複数心収納した点で、図１を参照して説明し
た第１の実施の形態の光ケーブルと相違するが、他の点
では同様である。樹脂をコーティングした６心の光ファ
イバ心線１に、繊維体２を縦添えまたは撚り合わせ、そ
の周囲を薄膜プラスチックの外被３で被覆した光ケーブ
ルであり、断面形状において少なくとも１心の光ファイ
バ心線１の樹脂被覆の少なくとも一部が外被３の内壁に
接触する配置にすることにより、光ファイバ心線１が円
形の外被３に対し断面方向に偏心されて収納されてい
る。

【００３３】図２に例示したものでは、光ファイバ心線
１を６心用い、図２（Ｂ）の断面図上では、点対称的に
配置され、６心の光ファイバ心線１に囲まれた中心部に
は繊維体２が配置されている。光ファイバ心線１は、６
心である必要はなく、また、この中心部は、空洞にして
おいても、７心目の光ファイバ心線１を配置したり、光
ファイバ心線１と同径の非金属系の抗張力体を配置して
もよい。

【００３４】なお、樹脂被覆と内壁は、この光ケーブル
の一部の断面において、図２（Ｂ）に示されるような接
触状態であればよく、光ケーブルの長手方向に常に接触
状態を保持する必要はないし、常に特定の光ファイバ心
線の樹脂被覆が内壁に接触している必要もない。

【００３５】この実施の形態の光ケーブルを用いて圧力
測定をするには、１心の光ファイバ心線１のみ使用し、
残りの光ファイバ心線１を予備用の心線とする。また、
１心の第１の光ファイバ心線の先端に他の１心の第２の
光ファイバ心線１の先端を接続すれば、光がこの第２の
光ファイバ心線を通して光の挿入端側に戻って来る。し
たがって、光ファイバ心線の一方端から光を挿入し出射
端から出てくる光を受光して損失測定する場合でも、挿
入端側の位置で測定できる。その結果、測定器を光ケー
ブルの両端に設置したり、光ケーブルの出射端を新たに
被測定物から取り出す必要がない。

【００３６】さらに、第２の光ファイバ心線を通して挿
入端側に戻って来た光を、第３の光ファイバ心線を通し
て先端側に戻し、さらにここで第４の光ファイバ心線の
先端に接続すれば、光がこの第４の光ファイバ心線を通
して再び挿入端側に戻って来る。このように、先端およ
び挿入端の両端部で接続することにより、直列接続する
光ファイバ心線の心数を増やし、センサとして使用する
心数を増やせば、圧力に対する損失増加が接続された光
ファイバの心数に比例するため、センサとしての感知能
力を増強させることができる。

【００３７】

【実施例】図１を参照して説明した第１の実施の形態の
光ケーブルにおいて、光ファイバ心線１に紫外線硬化型
樹脂を用いた外径２５０μｍの石英系シングルモード光
ファイバ心線を、繊維体２に数百デニールの抗張力繊維
体を用い、数百μｍ厚のプラスチック被覆の外被３を施
し、外径を約０．９ｍｍに仕上げた。

【００３８】図３は本発明の比較例としての従来の技術
による光ケーブルの断面図である。図中、１１は光ファ
イバ心線、１２は抗張力繊維体、１３は外被である。こ
の光ケーブルは、従来から用いられているもので、最外
被にナイロンを用いた外径９００μｍの光ファイバ心線
１１に、これを中心として数千デニールの抗張力繊維体
１２を添え、数百μｍ厚のプラスチック被覆の外被１３
を施し、外径を約２ｍｍとした本発明と相似の構造であ
る光ケーブルである。

【００３９】本発明の実施例の光ケーブルおよび比較例
の光ケーブルの各４０ｍの長さのものを百気圧の水圧下
に供した。その結果、比較例では全く損失の変動は観察
されなかったのに対し、本発明の実施例では、損失変動
が約６ｄＢを示し、十分圧力を感知していることがわか
った。

【００４０】図４は、本発明の実施例をＯＴＤＲ法によ
り測定したチャートの図である。図中、横軸は光ケーブ
ルの挿入端からの距離、縦軸は光ファイバ心線の伝送損
失である。４０ｍにわたる圧力印加部において、圧力印
加後に６ｄＢの損失増加があり、この伝送損失特性線の
傾きが光ファイバ心線の損失を表している。この傾きが
直線であることから、圧力を受けている部分が均一に損
失増加を示していることがわかる。このチャートの横軸
は距離を示していることから、損失増加と距離との関係
を測定することにより、被測定環境の圧力分布を特定す
ることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載の発明によれば、光ケーブルにおいて、光ファ
イバ心線の樹脂被覆の少なくとも一部が前記外被の内壁
に接触する。そのため、光ケーブルが圧力を受けた場
合、外被が収縮し、繊維体が光ファイバ心線に押し付け
られる。このとき、光ファイバ心線は、不均一に断面方
向に偏心させて収納されているため、繊維体が不均一に
光ファイバ心線に押し付けられ、また、繊維体は粗面と
して機能する。したがって、光ファイバ心線に容易にマ
イクロベンディングを発生させ、光ファイバ心線の伝送
損失を増加させることができ、圧力の変動を敏感に測定
できる圧力センサが実現できるという効果がある。

【００４２】しかも、構造が単純で使用材料も少なく、
製造も簡便なため、製造コストを低減できる。細径化が
可能で可撓性に富み、十分な強度を実現できるため、通
常は測定が困難な細管内等への設置が可能である。しか
も、構成部材がすべて非金属材料のノンメタリック構造
であり、測定に際し電気を使用しないため石油類などの
危険な可燃流体の圧力を測定する場合も安全であり、パ
イプラインの監視、異常点の特定などにも活用できる。
また、たとえ外被が溶解したとしても、流体に悪影響を
与えなければ、感知能力に支障を生じた時点で張り替え
ながら使用することができる。

【００４３】請求項２に記載の発明によれば、複数心の
光ファイバ心線中の少なくとも１心の光ファイバ心線の
樹脂被覆の少なくとも一部が外被の内壁に接触する。そ
のため、上述した請求項１に記載の効果があるととも
に、光ファイバ心線が複数心収納されていることによる
効果も奏する。

【００４４】例えば、圧力測定には１心光ファイバ心線
のみを適用し、残りの光ファイバ心線を予備心として使
用することができる。また、１心の光ファイバ心線の先
端で他の１心の光ファイバ心線と接続すれば、損失測定
に出力端からの光が必要な場合でも、挿入端側のみで測
定でき、測定器を両端に設置したり、光ファイバ心線の
出射端を被測定物から取り出す必要がなくなる。さらに
光ファイバ心線の両端で接続する心数を増やし、圧力セ
ンサとして使用する心数を増やせば、圧力に対する損失
増加が心数倍されるため、圧力センサとしての感知能力
を増強させることも可能である。

【００４５】請求項３に記載の発明によれば、繊維体が
撚り合わされたものであるから、繊維体が製造中におい
てばらける心配がなく、製造性が向上する。

【００４６】請求項４に記載の発明によれば、請求項１
ないし３のいずれか１項に記載の光ケーブルと、光ケー
ブルの光損失を測定する測定手段を有し、光損失に基づ
いて光ケーブルが受ける圧力および圧力分布を測定する
から、光ファイバ心線に容易にマイクロベンディングを
発生させ、光ファイバ心線の伝送損失を増加させること
ができ、圧力の変動を敏感に測定できるという効果があ
る。

【００４７】特に、光損失を測定する測定手段として、
光ファイバの一端から光を入射しファイバ内での反射に
より戻ってきた光を測定する手段を用いるときには、損
失増加の位置を特定することができるため、センサの設
置されている環境の圧力分布を測定することができる。

【００４８】請求項５に記載の発明によれば、光ケーブ
ルを通過した光が測定手段の受光器まで伝送されるか
ら、接続用の変換機器などは不要であり、遠隔地からの
測定が容易になるという効果がある。また、被測定物と
測定系との間に電気的装置や導電体を介することなく圧
力を測定することができるため、誘導電流等による被測
定物および測定データへの悪影響を最小にとどめること
ができる。

【００４９】光ケーブルを単にセンサとしてだけではな
く、光ケーブルを長くし、測定機器の受光器に直接接続
する場合には、この光ケーブルをそのまま、測定機器と
測定個所のセンサ部間を結ぶリードワイヤとして用いる
ことができる。特に、光ファイバとして石英系ファイバ
を用いた場合には、低損失性と測定系の汎用性の面で優
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す光ケーブルの
説明図であり、図１（Ａ）は斜視図であり、図１（Ｂ）
は一断面を表わす説明図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示す光ケーブルの
説明図であり、図２（Ａ）は斜視図であり、図２（Ｂ）
は一断面を表わす説明図である。

【図３】発明の比較例としての光ケーブルの断面図であ
る。

【図４】本発明の実施例をＯＴＤＲ法により測定したチ
ャートの図である。

【図５】第１の従来技術の光ファイバの断面図である。

【図６】第２の従来技術の光ケーブルの断面図である。

【符号の説明】 １…光ファイバ心線、２…繊維体、３…外被、２１…コ
ア、２２…クラッド、３１…抗張力体、３２…スペー
サ、３３…光ファイバ心線、３４…押さえ巻き、３５…
外被。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 樹脂被覆を有する光ファイバ心線に繊維
   体が撚り合わせまたは縦添えされたものにプラスチック
   の外被が施された光ケーブルにおいて、前記樹脂被覆の
   少なくとも一部は、前記外被の内壁に接触することを特
   徴とする光ケーブル。
2. 【請求項２】 樹脂被覆を有する複数心の光ファイバ心
   線に繊維体が撚り合わせまたは縦添えされたものにプラ
   スチックの外被が施された光ケーブルにおいて、前記複
   数心の光ファイバ心線中の少なくとも１心の光ファイバ
   心線の樹脂被覆の少なくとも一部は、前記外被の内壁に
   接触することを特徴とする光ケーブル。
3. 【請求項３】 前記繊維体は、撚り合わされたものであ
   ることを特徴とする請求項１または２に記載の光ケーブ
   ル。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１項に記載
   の光ケーブルと、該光ケーブルの光損失を測定する測定
   手段を有し、前記光損失に基づいて前記光ケーブルが受
   ける圧力および圧力分布を測定することを特徴とする圧
   力測定システム。
5. 【請求項５】 前記光ケーブルを通過した光が前記測定
   手段の受光器まで伝送されることを特徴とする請求項４
   に記載の圧力測定システム。