JP4993753B2 - 板状光ファイバセンサ - Google Patents

Description

本発明は板状光ファイバセンサに関する。さらに詳しくは、本発明は光ファイバのループ部を通過した光の強度の変化によってループ部の振動を検出する板状光ファイバセンサに関するものである。

高温度環境下での使用にも耐え得るＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサとして、セラミック板に光ファイバのループ部を固着した板状光ファイバセンサがある。この板状光ファイバセンサを図６に示す。この板状光ファイバセンサは、セラミック板１０１に金ペースト１０５によって固着されたループ部１０２ａと、ループ部１０２ａの両側から引き出された２本のリード部１０２ｂより構成され、これらループ部１０２ａとリード部１０２ｂは１本の光ファイバ１０２によって形成されている。この光ファイバ１０２には可撓性を付与するための金メッキが施されている。２本のリード部１０２ｂはセラミック板１０１からはみ出て長く引き出され、セラミック板１０１に取り付けられた保護用の金属チューブ１０３内に挿入されている。保護用の金属チューブ１０３はその先端部分を針金１０４によってセラミック板１０１に縛り付けられている。各リード部１０２ｂの先端は金属チューブ１０３を通り抜けて図示しないフェルールに嵌め込まれている。２本のリード部１０２ｂの付け根部分はセラミック板１０１に対して固着されずにフリーの状態となっている。即ち、光ファイバ１０２は、図６中斜線で示す範囲で金ペースト１０５によってセラミック板１０１に固着されている。
電中研報告「光ファイバ型センサを用いたＡＥ法に基づく状態監視技術の開発」、報告書番号：Ｑ０４０１４、２００５年０４月１８日

しかしながら、上述の板状光ファイバセンサでは、運搬時等に保護用の金属チューブ１０３に外力が作用すると、図６中２点鎖線で示すように、金属チューブ１０３が針金１０４による締め付け部分を中心に揺動しやすい。金属チューブ１０３がこのように揺動すると、金属チューブ１０３の端面が光ファイバ１０２のリード部１０２ｂの付け根部分を引っ張って断線させることがある。

また、光ファイバ１０２のリード部１０２ｂが断線すると、断線していないループ部１０２ａを含めてセンサ全体が使用できなくなる。

本発明は、リード部の断線を防止することができる板状光ファイバセンサを提供することを目的とする。また、本発明は、１箇所の断線によってセンサ全体を交換する無駄を防止する板状光ファイバセンサを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光ファイバのループ部を基板に固着させて、当該ループ部の両側の光ファイバをリード部として引き出す板状光ファイバセンサにおいて、光ファイバをループ部とリード部とに分割し、ループ部を第１の基板に固着すると共に、リード部を第２の基板に固着し、ループ部の両端とリード部とを接続する接続手段と、第１の基板と第２の基板とを連結する連結手段と、第２の基板に固着され、リード部を保護する保護チューブを備えるものである。

したがって、光ファイバセンサが光ファイバのループ部側のモジュールとリード部側のモジュールより構成され、両モジュールを組み付けることで１つの板状光ファイバセンサとなる。即ち、光ファイバのループ部の両端とリード部とを接続手段によって接続すると共に、第１の基板と第２の基板とを連結手段によって連結すると、板状光ファイバセンサとして組み付けられる。例えば、運搬時には両モジュールを分離しておき、両モジュールの組み付けは板状光ファイバセンサの設置現場で行う。第２の基板からはみ出して長く延出する光ファイバのリード部は、第２の基板に固着された保護チューブによって保護されるので、断線しにくい。また、運搬時には両モジュールを分離しておくことで、取り扱いが容易になる。

また、請求項２記載の板状光ファイバセンサは、接続手段は、リード部の基端に設けられたスリーブと、ループ部の両端に設けられてスリーブに挿入されるフェルールとを有し、フェルールは第１の基板に固着されているものである。

したがって、リード部側モジュールのスリーブにループ部側モジュールのフェルールを挿入することで光ファイバのリード部とループ部とが接続される。ループ部側モジュールのフェルールは第１の基板に固着されているため、ループ部の両端が固定され、外力が作用しても断線しにくい。

また、請求項３記載の板状光ファイバセンサは、接続手段は、リード部の基端に設けられたスリーブと、ループ部の両端に設けられてスリーブに挿入される金属補強被膜部を有し、金属補強被膜部の表面には金属補強被膜が形成され、金属補強被膜部は第１の基板に固着されるものである。

したがって、リード部側モジュールのスリーブにループ部側モジュールの金属補強被膜部を挿入することで光ファイバのリード部とループ部とが接続される。ループ部側モジュールの金属補強被膜部は第１の基板に固着されているため、ループ部の両端が固定され、外力が作用しても断線しにくい。金属補強被膜部に形成された金属補強被膜は被膜であり、チューブやスリーブに比べて非常に薄い。そのため、第１の基板の表面に光ファイバを固着させても、金属補強被膜の端の部分で光ファイバが大きく浮き上がるのを防止できる。

請求項１記載の板状光ファイバセンサによれば、リード部を断線しにくくすることができる。このため、板状光ファイバセンサの取り扱いや運搬等が容易になる。また、リード部の基板から長く引き出されている部分が保護チューブに挿入されているので、この点からも板状光ファイバセンサの取り扱いが容易になる。さらに、ループ部側モジュールとリード部側モジュールを分離した状態で運搬等することができるので、運搬時等の取り扱いが容易になる。また、たとえいずれか一方のモジュールの光ファイバが断線しても、もう一方のモジュールはそのまま使用することができ、センサ全体を交換するような無駄を防止することができる。

請求項２記載の板状光ファイバセンサによれば、リード部側モジュールのスリーブにループ部側モジュールのフェルールを嵌め込むだけで光ファイバのループ部とリード部を接続することができるので、両者の接続を簡単なものにすることができる。さらに、ループ部側モジュールのフェルールを第１の基板に固着しているので、ループ部の両端を固定することができ断線し難くすることができる。

請求項３記載の板状光ファイバセンサによれば、リード部側モジュールのスリーブにループ部側モジュールの金属補強被膜部を嵌め込むだけで光ファイバのループ部とリード部を接続することができるので、両者の接続を簡単なものにすることができる。さらに、ループ部側モジュールの金属補強被膜部を第１の基板に固着しているので、ループ部の両端を固定することができ断線し難くすることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３に本発明の板状光ファイバセンサの第１の実施形態を示す。板状光ファイバセンサは、光ファイバのループ部を基板に固着させて、当該ループ部の両側の光ファイバをリード部として引き出すものであり、ループ部側モジュール（センサモジュール）１０とリード部側モジュール（ベースモジュール）１１より構成されている。即ち、光ファイバ１がループ部１ａとリード部１ｂとに分割されており、ループ部１ａを第１の基板７Ａに固着してループ部側モジュール１０が構成され、リード部１ｂを第２の基板７Ｂに固着してリード部側モジュール１１が構成されている。リード部１ｂは２本設けられている。そして、ループ部１ａの両端とリード部１ｂとを接続する接続手段８と、第１の基板７Ａと第２の基板７Ｂとを連結する連結手段９と、第２の基板７Ｂに固着され、リード部１ｂを保護する保護チューブ４を備えている。ここで、ループ部側モジュール１０において、ループ部１ａの両端、即ちループから分かれて例えば直線的に延びる部分を特に延出部１ｄと称す。

第１及び第２の基板７Ａ，７Ｂは例えばアルミナ等のセラミック板である。セラミック板とすることで高温度環境下での使用に耐えることができる。ただし、セラミック板に限るものではなく、使用環境に耐え得るものであれば他の材料の板でも良い。

光ファイバ１のループ部１ａとリード部１ｂには全長にわたって金属コートが施されている。光ファイバ１に金属コートを施すことで可撓性を持たせている。金属コートは、例えば金コートである。ただし、金コートに限るものではなく、例えば銅コート、ニッケルコート等でも良い。

ループ部１ａのループのターン数は、例えばセンサ感度等に応じて適宜決定され、複数ターンのループでも良く、１ターンのループでも良く、あるいは例えば２．５ターンのように１ターンに満たない端数のターン数を有するものでも良い。本実施形態では、２本のリード部１ｂを基板２の同一辺の左右に離れた位置から引き出しており、２．５ターンのターン数となっている。

接続手段８は、リード部１ｂの基端に設けられたスリーブ１２と、ループ部１ａの延出部１ｄの先端に設けられ、スリーブ１２に挿入されるフェルール１３を有している。スリーブ１２は、例えば汎用セラミックスリーブで、リード部１ｂの基端が嵌め込まれている。ただし、スリーブ１２は汎用セラミックスリーブに限るものではなく、フェルール１３を挿入することでループ部１ａの端とリード部１ｂの端とを正確に突き合わせて光ファイバの接続を行うことができるものであれば他のものの使用も可能である。

フェルール１３は、例えば汎用セラミックフェルールで、延出部１ｄの先端が嵌め込まれている。ただし、フェルール１３は汎用セラミックフェルールに限るものではなく、スリーブ１２に挿入することでループ部１ａの端とリード部１ｂの端とを正確に突き合わせて光ファイバの接続を行うことができるものであれば他のものの使用も可能である。フェルール１３は第１の基板７Ａの端面から突出した状態で当該第１の基板７Ａに固着されている。

光ファイバ１のループ部１ａ及びフェルール１３は、固着手段５によって第１の基板７Ａに固着されている。なお、図１，図２において、固着手段５によって固着する範囲を斜線で示す（図４も同様）。固着手段５は、例えば金属ペーストである。本実施形態では、例えば金コートが施された光ファイバ１を使用しているので、金コートと相性が良く且つ腐食に強い例えば金ペーストを金属ペーストとして使用している。ただし、金ペーストに限るものではなく、例えば銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペースト、その他の金属ペーストを使用しても良い。また、固着手段５としては必ずしも金属ペーストに限るものではなく、板状光ファイバセンサの使用環境に耐えるものであれば例えば硬ろう等のろう材や、セラミックス接着剤等の接着剤等を使用しても良い。また、本実施形態では、ループしている部分とフェルール１３との間の延出部１ｄも固着手段５によって連続的に固着している。ただし、ループしている部分とフェルール１３との間の延出部１ｄを固着手段５によって固着しなくても良い。この場合は、ループしている部分とフェルール１３との間に金コートされた光ファイバ１が露出することになるが、この露出部分は基板２に固着された部分に挟まれているので、この露出部分への張力の作用を防止することができ、光ファイバの断線を防止することができる。

保護チューブ４は、光ファイバ１のリード部１ｂを保護するもので、例えばガラス繊維チューブである。ガラス繊維チューブは柔軟性があり、リード部１ｂの保護に適している。ただし、ガラス繊維チューブに限るものではなく、保護が可能な部材、例えばアルミナ管、金属細管等の使用も可能である。保護チューブ４はスリーブ１２に一部重ねて配置されている。本実施形態では、保護チューブ４の基端を接着手段によってスリーブ１２と一緒に第２の基板７Ｂに接着している。接着手段としては、例えば金ペースト、セラミックス接着剤等の使用が可能である。ここで、第２の基板７Ｂには溝７ｃ及び溝７ｅが設けられており、溝７ｃにスリーブ１２を、溝７ｅに保護チューブ４を入れることで、スリーブ１２がフェルール１３に対向するようにしている。スリーブ１２よりも大径の保護チューブ４を入れる溝７ｅは、スリーブ１２を入れる溝７ｃよりも深く且つ幅広に形成され、リード部１ｂを真っ直ぐに保つようにしている。ただし、溝７ｃ，７ｅは必ずしも必要ではなく、スリーブ１２をフェルール１３に対向させることができれば溝７ｃ，７ｅを省略しても良い。

リード部１ｂの先端は保護チューブ４を通過してフェルール６に嵌め込まれている。フェルール６は、例えば光強度の測定器に接続された光ファイバに接続されている。

連結手段９は、例えば第２の基板７Ｂに設けられ、第１の基板７Ａをガイドする一対のアーム１４と、止め板１５より構成されている。各アーム１４は第２の基板７Ｂの両側に設けられ、前側、即ちループ部側モジュール１０を連結する側に向けて延出している。各アーム１４の長さは第１の基板７Ａの長さとほぼ等しくなっている。また、各アーム１４の間隔は第１の基板７Ａの幅よりも若干狭くなっている。各アーム１４の内側には、ガイド溝１４ａが裏側の角を四角く削り取るようにして設けられており、第１の基板７Ａの両側面及び上面の両側部分をガイドする。なお、ガイド溝１４ａは第１の基板７Ａの裏面（底面）をガイドしておらずそのままでは裏面側からの外れを防止することができないが、モジュール１０，１１を組み付けた状態ではフェルール１３がスリーブ１２内に挿入されており、止め板１５によって第１の基板７Ａが第２の基板７Ｂから離れるのを防止されるので、第１の基板７Ａが第２の基板７Ｂの裏面側から外れてしまうことはない。各アーム１４の先端面にはねじ穴１４ｂが設けられている。

止め板１５は、第２の基板７Ｂの幅と同じ長さの板材で、ねじ穴１４ｂに対向する位置にはねじ用貫通孔１５ａが設けられている。止め板１５は２本のねじ１６によって各アーム１４の先端面に取り付けられる。

この板状光ファイバセンサは、例えば発電所や化学プラントの蒸気管（図示省略）に取り付けられ、例えば約６００℃の高温度下で使用される。ただし、板状光ファイバセンサの使用場所は発電所や化学プラントの蒸気管に限るものではなく、他の場所に使用しても良い。また、板状光ファイバセンサを使用する環境の温度も、上記温度に限るものではなく、他の温度の環境下での使用も可能である。

光ファイバ１を伝わる光の強度はループ部１ａの振動によって変化する。したがって、光ファイバ１を伝わる光の強度変化に基づいてループ部１ａの振動を測定することができる。

次に、板状光ファイバセンサの製造方法について説明する。

まず、金コートが施された光ファイバ１を用意する。従来の板状光ファイバセンサでは１本の光ファイバによってループ部１ａとリード部１ｂを形成していたが、本発明の板状光ファイバセンサでは、光ファイバ１はループ部１ａとリード部１ｂとに分割されている。同じ１本の光ファイバからループ部１ａになる光ファイバ１とリード部１ｂになる光ファイバ１を切断して用意しても良いし、別々の光ファイバからループ部１ａになる光ファイバ１とリード部１ｂになる光ファイバ１をそれぞれ切断して用意しても良い。

ループ部１ａになる光ファイバ１の両端にフェルール１３を嵌め込む。次に、両端のフェルール１３の間にループを形成しフェルール１３と一緒に固着手段５によって第１の基板７Ａに固着する。このとき、本実施形態では、ループ部１ａとフェルール１３の間の延出部１ｄも一緒に固着する。ただし、必ずしも延出部１ｄを固着しなくても良い点は、上述の通りである。これにより、ループ部側モジュール１０が完成する。

一方、リード部１ｂとなる光ファイバ１の基端にスリーブ１２を嵌め込む。リード部１ｂは２本あるので、２本ともスリーブ１２を嵌め込む。次に、当該光ファイバ１の反対側の端（先端）を保護チューブ４に挿入し、保護チューブ４を通り抜けた先端にフェルール６を嵌め込む。なお、リード部１ｂの先端にフェルール６を嵌め込んでから保護チューブ４にリード部１ｂを通してスリーブ１２を嵌め込んでも良く、あるいはリード部１ｂを保護チューブ４に通してからフェルール６とスリーブ１２を嵌め込んでも良い。そして、スリーブ１２と保護チューブ４の先端を第２の基板７Ｂに固着する。このとき、スリーブ１２を溝７ｃに、保護チューブ４の先端を溝７ｅにそれぞれ入れて接着手段によって第２の基板７Ｂに接着する。これにより、リード部側モジュール１１が完成する。

次に、板状光ファイバセンサの組み付けについて説明する。ループ部側モジュール１０を各アーム１４の間に挿入する。各基板７Ａ，７Ｂの端面同士が当たるまでループ部側ユニット１０を各アーム１４間に挿入すると、スリーブ１２にフェルール１３が挿入され、ループ部１ａの両端とリード部１ｂの先端とが正確に突き合わされて接続される。スリーブ１２は第２の基板７Ｂの端面から引っ込んでおり、フェルール１３は第１の基板７Ａの端面から突出しているので、第２の基板７Ｂ上で両者が接続される。そして、止め板１５を当ててねじ１６によって固定すると、両モジュール１０，１１が組み付けられる。運搬時には両モジュール１０，１１を分割しておき、センサ設置現場で両モジュール１０，１１を組み付ける。したがって、運搬時の取り扱いが容易で、光ファイバ１が断線し難い。また、リード部１ｂを保護チューブ４で保護しているので、この点からも光ファイバ１が断線しにくい。

本発明の板状光ファイバセンサは、各基板７Ａ，７Ｂをセラミック板とし、光ファイバ１のコートを金コートとし、固着手段５を金ペーストとしているので、高温度且つ腐食性の強い環境下で使用することができる。

また、たとえいずれか一方のモジュール１０，１１の光ファイバ１が断線しても、もう一方のモジュールはそのまま使用することができ、センサ全体を交換するような無駄を防止することができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

例えば、上述の説明では、スリーブ１２を第２の基板７Ｂの端面から引っ込ませると共に、フェルール１３を第１の基板７Ａの端面から突出させて両者を第２の基板７Ｂ上で接続するようにしていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、引っ込みと突出の関係を逆にして第１の基板７Ａ上で両者を接続するようにしても良い。あるいはスリーブ１２を第２の基板７Ｂの端面から突出させると共に、フェルール１３を第１の基板７Ａの端面から突出させるようにし、各基板７Ａ，７Ｂの端面同士を突き合わせると当該突き合わせ部分上で両者が接続されるようにしても良い。

また、上述の説明では接続手段８をスリーブ１２とフェルール１３とによって構成しているが、例えばフェルール１３に代えて金属補強被膜部１７を設けても良い。この構成の板状光ファイバセンサの一例を図４に示す。金属補強被膜部１７は、両側の延出部１ｄの先端に金属補強被膜３を形成することで設けられる。

金属補強被膜３は、光ファイバ１を部分的に補強するために形成された被膜である。本実施形態では、例えば金コートが施された光ファイバ１を使用しているので、金コートとの相性が良い例えばニッケル被膜を形成している。ただし、ニッケル被膜に限るものではなく、例えば銅被膜、金被膜、銀被膜、その他の金属被膜、これらの合金の被膜等でも良い。金属補強被膜３は、延出部１ｄのスリーブ１２に挿入される部分と延出部１ｄの第１の基板７Ａへの固着位置１ｃとにわたって形成されている。ここで、金属補強被膜３は、固着位置１ｃについて、その長さ方向の全てにわたって金属補強被膜３を形成しても良いが、部分的に形成しても良い。本実施形態では、延出部１ｄの固着位置１ｃの全てにわたって金属補強被膜３を形成するのではなく、ループ部１ａの近傍を除いて金属補強被膜３を形成している。金属補強被膜３は、例えば全周にわたりほぼ同じ厚さの膜を形成するのが容易な電鋳法によって形成される。ただし、電鋳法に限るものではなく、その他の手段によって金属補強被膜３を形成するようにしても良い。本実施形態では、例えば外径１２５μｍの金コート光ファイバ１に対して、例えば外径３００μｍになるように金属補強被膜３を形成している。

金属補強被膜部１７は、例えば固着手段５によって、ループ部１ａと一緒に第１の基板７Ａに固着されている。金属補強被膜部１７は第１の基板７Ａの端面から突出しており、ループ部側モジュール１０とリード部側モジュール１１とを連結する際、第２の基板７Ｂの端面から引っ込んでいるスリーブ１２に挿入される。これにより、ループ部１ａの両端とリード部１ｂの先端とが正確に突き合わされて接続される。ただし、フェルール１３の場合と同様に、金属補強被膜部１７を引っ込ませると共にスリーブ１２を突出させても良く、あるいは両者を突出させるようにしても良い。

本実施形態の板状光ファイバセンサでは、延出部１ｄの固着位置１ｃを金属補強被膜３によって補強すると共に、リード部１ｂの第２の基板７Ｂから引き出された部分を保護チューブ４によって保護しているので、光ファイバ１を断線し難くすることができる。また、保護チューブ４を第２の基板７Ｂに接着しているので、保護チューブ４を第２の基板７Ｂに対して傾けるように外力が作用しても、リード部１ｂを断線させ難くすることができる。これらのため、板状光ファイバセンサの取り扱いや運搬等が容易になる。また、リード部１ｂを保護チューブ４に挿入しているのでリード部１ｂの取り扱いが容易になり、この点からも板状光ファイバセンサの取り扱いを容易にすることができる。

また、金属補強被膜３は被膜であり、チューブやスリーブ（以下、チューブ等という）に比べて厚さが非常に薄い。そのため、第１の基板７Ａの表面に光ファイバ１の延出部１ｄを固着させても、図５（Ａ）に示すように金属補強被膜３の端の部分で延出部１ｄが第１の基板７Ａから大きく浮き上がるのを防止することができ、この点からも光ファイバ１の断線を防止することができる。即ち、図５（Ｂ）に示すように、延出部１ｄをチューブ等１８に入れて保護する場合のように延出部１ｄの浮き上がり１９の発生を防止することができる。

また、上述の説明では、連結手段９の各アーム１４を第２の基板７Ｂに設け、各アーム１４の間に第１の基板７Ａを配置するようにしていたが、この構成に限るものではなく、各アーム１４を第１の基板７Ａに設け、各アーム１４の間に第２の基板７Ｂを配置するようにしても良い。

また、上述の説明では、連結手段９を一対のアーム１４と止め板１５とによって構成していたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、第１の基板７Ａと第２の基板７Ｂとを連結することができるものであれば特に制限されるものではない。

また、各モジュール１０，１１の表面をカバーで覆うようにしても良い。

本発明の板状光ファイバセンサの第１の実施形態を示す平面図である。 同板状光ファイバセンサの各モジュールを組み付ける様子を示す平面図である。 第２の基板を第１の基板を組み付ける側からみた図である。 本発明の板状光ファイバセンサの第２の実施形態を示す平面図である。 （Ａ）は図１の円IVで示す部位の断面図、（Ｂ）は比較のために金属補強被膜に代えてチューブ等を用いた場合の断面図である。 従来の板状光ファイバセンサの平面図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
１ａ ループ部
１ｂ リード部
３ 金属補強被膜
４ 保護チューブ
７Ａ 第１の基板
７Ｂ 第２の基板
８ 接続手段
９ 連結手段
１２ スリーブ
１３ フェルール
１７ 金属補強被膜部

Claims (3)

1. 光ファイバのループ部を基板に固着させて、当該ループ部の両側の光ファイバをリード部として引き出す板状光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバをループ部とリード部とに分割し、前記ループ部を第１の基板に固着すると共に、前記リード部を第２の基板に固着し、前記ループ部の両端と前記リード部とを接続する接続手段と、前記第１の基板と前記第２の基板とを連結する連結手段と、前記第２の基板に固着され、前記リード部を保護する保護チューブを備えることを特徴とする板状光ファイバセンサ。
2. 前記接続手段は、前記リード部の基端に設けられたスリーブと、前記ループ部の両端に設けられて前記スリーブに挿入されるフェルールとを有し、前記フェルールは前記第１の基板に固着されていることを特徴とする請求項１記載の板状光ファイバセンサ。
3. 前記接続手段は、前記リード部の基端に設けられたスリーブと、前記ループ部の両端に設けられて前記スリーブに挿入される金属補強被膜部とを有し、前記金属補強被膜部の表面には金属補強被膜が形成され、前記金属補強被膜部は前記第１の基板に固着されることを特徴とする請求項１記載の板状光ファイバセンサ。

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