JP5073215B2 - 光ファイバケーブルおよびこれを用いた光ファイバ物理量変動検知センサ、物理量の変動検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを用いて環境に生じた物理量の変動を検知するために用いられる光ファイバケーブルおよびこれを用いた光ファイバ物理量変動検知センサ、物理量の変動検出方法に関する。

光ファイバは、光通信用の光媒体として用いられている他に、物理量の変動を検知する各種のセンサとしても用いられている。こうしたセンサにおいては、光ファイバが設置された環境の変化に応じた光ファイバの伝搬特性の変動を検出する。このセンサとして、光ファイバ歪みセンサがある。光ファイバ歪みセンサは、検知部となる光ファイバケーブルを土地、建築物等に固定して設置し、その環境において地震や土砂崩落等によって発生した場合に生じた光ファイバケーブルの歪みを検知する。特に、光ファイバケーブルは、１００ｋｍ以上にもわたって敷設することが可能であるため、広い範囲でこうした物理量の変動を即時に検出することができるという利点を有している。

この光ファイバ歪みセンサにおいて歪みを検知するためには、設置された光ファイバケーブル内の光ファイバの一端から光パルスを入射させ、光ファイバ中での散乱によって戻ってくる後方散乱光における光損失の変動を調べる。特に、この後方散乱光の時間変化を検出するＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry：ブリルアン光時間領域後方散乱測定）法によって、この光ファイバに歪みが生じたときに、その箇所および歪みの大きさを検出することができる。こうした光ファイバ歪みセンサの例として、例えば特許文献１に記載されているものがある。ここで検出する後方散乱光は光ファイバ内でのブリルアン散乱によるものであり、ＢＯＴＤＲ法によってこの後方散乱光のスペクトル等を解析して、光ファイバに加わった微弱な歪みを広い範囲で即時に検出することができた。

光ファイバ歪みセンサにおいては、検知部となる光ファイバケーブルの構造によって、その特性が決定される。一般に、光ファイバ自身は可撓性を有しているため、容易に歪み、曲がりを生ずる。このため、こうした光ファイバケーブルにおいては、光ファイバの表面をプラスチック等で被覆して保護した光ファイバ心線を金属管や樹脂で保護し、外力がこれに加わった場合に光ファイバに応力がかからないような形態としている。一方、微細な歪みを検出するために意図的に光ファイバに張力をかけた状態でケーブルに固定しているものがある。例えば、特許文献１の図１に記載されるように、金属管中に光ファイバ心線を挿通し、光ファイバ心線に張力をかけた状態で保持し、金属管をかしめることにより光ファイバ心線が金属管に固定されていた。この光ファイバケーブルが敷設された場合には、地震等による外力によって金属管に歪が生じた場合に、この歪みを光ファイバの一端からＢＯＴＤＲ法によって検知することができた。これにより、地震等によって発生した建築物や土地の物理量の変動を広い範囲にわたって即時に検出することができた。

特開２００５−２７４２００号公報

しかしながら、こうした光ファイバケーブルを製造するにあたって、光ファイバ心線に応力をかけずに金属管にかしめて固定することは非常に難しく、また、手間のかかる工程であった。さらに、この光ファイバには張力も加わった状態となっているので、この光ファイバケーブルが製造された後には、地震等の外力が働かなくとも常にこの光ファイバには機械的負荷が加わっている。このため、この光ファイバがこの長期的な負荷により経時的に強度が劣化することがあった。こうした光ファイバ物理量変動センサは、主に地震等の天変地異の検出を目的とするものであるため、その長期信頼性は重要であるが、このためにこの光ファイバ歪みセンサの長期信頼性は低かった。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、物理量の変動を検知するに際して、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、金属管中に可撓性の光ファイバ心線を挿通した構造の光ファイバケーブルにおいて、長手方向にわたる複数の箇所に、外力が加わった場合に前記金属管が選択的に変形する低強度部が設けられ、前記光ファイバ心線は前記金属管に固定されていないことを特徴とする光ファイバケーブルに存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記低強度部は、前記金属管に、カシメ、熱印加、屈曲付与のいずれかを施すことによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバケーブルに存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記金属管表面には被覆層が形成され、前記低強度部は、前記被覆層の肉厚を部分的に薄くすることによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバケーブルに存する。
請求項４記載の発明の要旨は、物理量の変動を測定する箇所に敷設された請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイバケーブルと、該光ファイバケーブルの一端において、前記光ファイバ心線に光を入射させる光源と、前記光の後方散乱光を検出する測定手段とを設けたことを特徴とする光ファイバ物理量変動検知センサに存する。
請求項５記載の発明の要旨は、前記低強度部に錘が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ物理量変動検知センサに存する。
請求項６記載の発明の要旨は、前記光源と前記後方散乱光を検出する測定手段とを有したＯＴＤＲ測定器が前記光ファイバケーブルの一端に接続されていることを特徴とする請求項４または５に記載の光ファイバ物理量変動検知センサに存する。
請求項７記載の発明の要旨は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイバケーブルを物理量の変動を測定する箇所に敷設し、前記光ファイバケーブルの一端において、前記光ファイバ心線に光を入射させ、その後方散乱光を測定することによって、前記光ファイバケーブルに発生した物理量の変動の箇所を特定することを特徴とする物理量の変動検出方法に存する。

本発明は以上のように構成されているので、長期信頼性に優れた光ファイバ物理量変動検知センサを得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバケーブルは、特に光ファイバ物理量変動検知センサにおける物理量の変動の検知部として、物理量の変動を計測する場所に敷設されて使用される。図１は、本発明の第１の実施の形態である光ファイバケーブルの光の進行方向に垂直な方向の断面図（ａ）およびそのＩ−Ｉ方向の長手方向の断面図（ｂ）である。この光ファイバケーブル１は、金属管２と、その中を挿通する光ファイバ心線３とから構成されている。光ファイバ心線３は、金属管２に対して固定されていない。すなわち、光ファイバ心線３の外径は金属管２の内径よりも小さくなっており、光ファイバ心線３は金属管２の内部で自由に動くことができる。このため、光ファイバ心線３には、張力がかかっていない状態となっており、機械的負荷は加わっていない。また、機械的強度の小さな低強度部４が光ファイバケーブル１の長手方向の複数箇所にわたり形成されている。

金属管２は、例えばステンレスや銅からなり、その外径は１．５〜２．０ｍｍ、内径は１．０〜１．５ｍｍ程度のものを使用することができる。この金属管２は、光ファイバ心線３を内部に有した状態で、特に大きな外力が加わらない限り変形することがない機械的強度を有している。また、その金属管２の表面に被覆層を設けてその表面を保護することもできる。この被覆層としては、例えばポリエチレンが用いられる。

光ファイバ心線３はコアおよびクラッドからなる通常の光ファイバの表面をプラスチック等で被覆して保護したものであり、その一端から光を入射させ、この中を伝搬させることができる。光ファイバとしては、例えば１．５５μｍの波長の光をこれに伝搬させるならピュアシリカ光ファイバが用いられる。光ファイバ心線３は金属管２の内部を挿通するために、その外径は金属管２の内径よりも充分に小さく、例えば０．２５ｍｍ程度である。その長さは金属管２と同程度である。光ファイバ心線３は可撓性を有しているため、その形状はその外側の金属管２の形状によって決まる。すなわち、この光ファイバケーブル１の形状は金属管２の形状によって決まる。

低強度部４は光ファイバケーブル１の長手方向にわたって複数の箇所に設けられている。例えば１ｍおきの間隔で、３〜５ｍｍ程度の長さの低強度部４を設けることができる。低強度部４は、光ファイバケーブル１において、その周囲よりも機械的強度が小さな部分で、この光ファイバケーブル１に外力が加わった場合に、この部分が選択的に変形しやすくなっている。従って、地震等によって外力が加わると、この光ファイバケーブル１は、この部分を頂点とした形で変形しやすい。これに応じて金属管２の内部の光ファイバ心線３においても局所的に曲がりが生じる。この際、光ファイバ心線３は金属管２の変形に応じて自在に変形するが、光ファイバ心線３は金属管２に固定されておらず、張力もかかっていない状態なので、この変形に対しては大きな負荷はかからない。

この低強度部４は、例えば、金属管２において、様々な方法によって形成することができる。例えば、金属管２を部分的にかしめること（カシメ導入）、部分的に熱を印加すること（熱印加）、部分的に機械的に曲げること（屈曲付与）のいずれかを施すことによって形成できる。この際に金属管２に導入されたカシメ、加熱、屈曲等によって光ファイバ心線３が金属管２に固定されないことが必要である。特にカシメに関しては、内部の光ファイバ心線を固定する必要がないため作業は容易である。また、金属管２の肉厚を部分的に薄くすることによっても低強度部４を形成することができる。このためには、例えば、一様な肉厚で作られた金属管２に対して、外側から部分的に押圧を加えて変形させたり、外側から部分的に機械的研磨を施したり、化学的エッチングを施してもよい。この場合には、光ファイバ心線３にほとんど影響を与えずに低強度部４を形成することが可能である。図２にカシメによって金属管２中に低強度部４を形成した光ファイバケーブル１１、図３に金属管２の肉厚を薄くすることによって低強度部４を形成した光ファイバケーブル１２の長手方向の断面をそれぞれ示す。これらの図における符号は図１と同様である。以上の方法以外でも、金属管２の機械的強度を部分的に低下させることができる方法は同様に用いることが可能である。

また、金属管２の表面に被覆層を設けた構造においては、この低強度部４を、被覆層の厚さを一定間隔毎に薄くすることによっても形成することができる。図４（ａ）（ｂ）は、この光ファイバケーブル１３の光の進行方向に垂直な方向の断面図（ａ）およびそのＩ−Ｉ方向の長手方向の断面図（ｂ）である。この光ファイバケーブル１３においては、金属管２の表面は被覆層５で覆われており、低強度部４はこの被覆層５中に形成されている。被覆層５はポリエチレンであり、その厚さは低強度部４においては０．５ｍｍ、それ以外の部分では１ｍｍとすることができる。この場合の低強度部４を形成するに際しても、金属管２中にこれを形成する場合と同様に、押圧印加、熱印加、研磨、エッチング等の方法を用いることができる。被覆層５と光ファイバ心線３とは直接接することはないので、この場合は低強度部の形成によって光ファイバ心線３が受ける影響を特に小さくすることができる。

上記の光ファイバケーブル１、１１、１２、１３においては、地震等の外力が働いていない状態では、光ファイバ心線３およびその中の光ファイバには機械的負荷が全くかかっていない。そのため、長期間にわたる高い信頼性を有する。従って、この光ファイバケーブル１を用いれば、高い長期信頼性をもつ光ファイバ物理量変動検知センサを得ることができる。

また、光ファイバ心線を金属管をかしめることによって固定した従来の光ファイバケーブルを製造するに際しては、光ファイバ心線が固定され、かつその中の光ファイバに破損が生じない程度にカシメ量を調整する必要があった。これに対して、この光ファイバケーブル１を製造するに際して、低強度部４を形成する工程は、前記の方法で容易に行うことができ、これによって光ファイバが破損する可能性も小さい。従って、この光ファイバケーブル１は、容易に製造することができるため、低コストとなる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態となる光ファイバ物理量変動検知センサは、歪み等の物理量の変動を測定する箇所に敷設された前記の光ファイバケーブル１によって地震や土砂崩落等によって発生した大きな外力の発生を検知する。図５（ａ）（ｂ）は、第２の実施の形態に係る光ファイバ物理量変動検知センサの構成図であり、（ａ）は外力が加わっていない状態、（ｂ）は矢印で示す外力が部分的に加わった状態を表す。この光ファイバ物理量変動検知センサにおいては、光ファイバケーブル１の一端にＯＴＤＲ測定器６が接続されている。

光ファイバケーブル１は、図１と同様であるため、その構成についての説明は省略する。ここでは、この光ファイバケーブル１は、物理量の変動を検知すべき場所に固定して設置され、この場所に大きな曲がりが発生した場合には前記の通り、低強度部４を頂点とした形状に変形する。そのため、低強度部４は、例えば１ｍ間隔で金属管２に形成する。なお、物理量の変動を計測する場所がこの光ファイバケーブル１の全長ではなくその一部である場合、低強度部４を光ファイバケーブル１の全長にわたって一様に設けず、物理量の変動を検知すべき場所においてのみ形成してもよい。この場合、この光ファイバケーブル１全体の機械的強度が高くなるために、敷設時にその取り扱いが容易になり、物理量の変動を検知すべき場所においてのみ金属管２が変形しやすくなる。

ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry：光時間領域後方散乱測定）測定器６は、光ファイバ心線３中の光ファイバの一端にパルス光を入射する光源としての機能と、このパルス光が光ファイバ内で散乱されその一端に戻ってきた後方散乱光を検出する測定手段としての機能を有する。このため、パルス光を発振する半導体レーザと、後方散乱光を検出する光検出器とを有している。このパルス光は例えば１．５５μｍの波長の光であり、光ファイバ中を他端に向かって伝搬する。なお、この際に検出する後方散乱光はレイリー散乱によるものであるため、光検出器が検出するのは、入射したパルス光と同じ波長の光である。

この光ファイバ物理量変動検知センサにおいては、図５（ａ）のように、外力が加わっていない状態から、（ｂ）のように矢印で示す部分的な外力が加わった場合に、低強度部４を頂点とした形状で光ファイバケーブル１（金属管２）が変形する。これに応じて、その内部の光ファイバ心線３も同じ形状に変形し、曲がり（物理量の変動）が部分的に発生する。この曲がりによって生じた後方散乱光の変化をＯＴＤＲ測定器６が検出する。

この光ファイバ物理量変動検知センサおよび物理量の変動検出方法においては、第１の実施の形態に係る光ファイバケーブル１の一端（入射点）から、光ファイバ心線３中の光ファイバに光を入射させ、この光が光ファイバの中を他端に向かって伝搬する。この際に、光ファイバ内の各部において、光が入射した一端に向かって光の後方散乱が発生する。この後方散乱は、主にレイリー散乱とブリルアン散乱の２種類の機構によって発生する。前者は光の波長の変化を伴わず、後者は波長の変化を伴うことが特徴であり、どちらの散乱光を検出してもよい。ただし、レイリー散乱による散乱光の方が一般に強度が大きく、かつこれを検出する際には、入射光と同じ波長の光だけを検出すればよいため、これを用いる方法がより簡便である。このため、ここではＯＴＤＲ測定器６を接続した。この場合、この後方散乱光をＯＴＤＲ測定器６が検出し、これを時系列的に解析する。

大きな曲がりが光ファイバに発生した場合、その箇所では大きな光損失が生ずる。また、一端から入射したパルス光によって発生した後方散乱光がこの一端に戻ってくるまでの時間は、図６に示すように、この一端からこの後方散乱が発生した箇所までの距離に比例する。従って、光ファイバに曲がりが生じた位置を特定することができる。

この光ファイバ物理量変動検知センサにおいては、光ファイバケーブル１において、光ファイバ心線３は金属管２に固定されていない。従って、地震等の大きな外力が加わらなくとも、微弱な振動によっても金属管２の内部で光ファイバ心線３が小さく変形し、曲がりを生ずることがある。この光ファイバ物理量変動検知センサにおいては、地震等によって発生する大きな外力のみを検知することを目的とするため、こうした小さな曲がりによる後方散乱光の微小な変動は、無視することが好ましい。特にこうした微小な変動を検出する必要がないため、ＯＴＤＲ測定器６における後方散乱光を検出する光検出器の感度は低くともよい。

ＯＴＤＲ測定器６の代わりにＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry：ブリルアン光時間領域後方散乱測定）測定器を用いれば、ブリルアン散乱による後方散乱によって、同様に、どの程度の大きさの曲がりがどの場所で発生したかを検出することができる。この際は、前記のレイリー散乱の場合と異なり、後方散乱光の波長の変化も検出するため、広い範囲の波長の光を検出する必要がある。

以上のように、この光ファイバケーブル１を、物理量の変動を計測する区間に固定して設置しておけば、地震や土砂の崩落等によって大きな外力が部分的に加わった場合に、金属管２がこれに応じて変形し、これによって光ファイバ心線３にも曲がりが生じ、その大きさと場所を即時に検出することができる。

この光ファイバ物理量変動検知センサにおいては、高感度の光検出器を必要としないため、安価なＯＴＤＲ測定器６を用いることができる。また、前記の通り、この光ファイバケーブル１は高い長期信頼性と低コスト性を兼ね備えている。従って、この光ファイバ物理量変動検知センサおよび物理量の変動検出方法も、高い長期信頼性と低コスト性とを兼ね備える。

（第３の実施の形態）
図７（ａ）（ｂ）は、第３の実施の形態に係る光ファイバ物理量変動検知センサの構成図であり、（ａ）は外力が加わっていない状態、（ｂ）は矢印で示す外力が部分的に加わった状態を表す。この光ファイバ物理量変動検知センサの機能は、第２の実施の形態に係る光ファイバ物理量変動検知センサと同様であり、低強度部４に錘７が接続されていることが異なる。

錘７は、光ファイバケーブル１における低強度部４にぶら下げた形態で接続されている。この重さは、地震等による大きな外力が加わらない状態においては低強度部４を変形させない程度の重さである。従って、この重さは、金属管２の材質および強度、低強度部４の強度および間隔等によって適宜決定される。

この光ファイバ物理量変動検知センサにおいては、地震等が発生した際に、これによる外力が働くのに加えて、錘７が大きく動くことによる負荷が低強度部４に加わる。このため、錘７によって、光ファイバケーブル１が特に変形しやすくなっている。前記の通り、この光ファイバ物理量変動検知センサにおいては、微小な光ファイバの曲がりは無視することが好ましいが、この錘７によって、同じ外力が加わった場合でも光ファイバケーブル１の変形を大きくすることができる。従って、小さな外力で大きく光ファイバを曲げることができ、地震等の外力に対して、より高感度の光ファイバ物理量変動検知センサとなる。

この錘７は、光ファイバケーブル１におけるすべての低強度部４に接続してもよいし、特に敏感に外力を検知したい部分にのみ接続してもよい。後者の場合は前者と比べて特にその製造コストを安くすることができる。

錘７によって光ファイバケーブル１には常に負荷がかかっているが、この負荷がかかるのは低強度部４および金属管２である。内部の光ファイバ心線３はこれらに固定されていないため、負荷はかからない。従って、これによって長期信頼性を損なうこともない。従って、高感度でかつ長期信頼性が高く、低コストの光ファイバ物理量変動検知センサが得られる。

なお、以上に述べた光ファイバ物理量変動検知センサにおいては、光ファイバに発生した物理量の変動を、光損失をＯＴＤＲ法またはＢＯＴＤＲ法によって測定することによって検出していたが、これらに代わり、同様に光損失を測定できる手段であれば、同様に用いることができる。

本発明の第１の実施の形態となる光ファイバケーブルの構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第１の変形例となる光ファイバケーブルの構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第２の変形例となる光ファイバケーブルの構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第３の変形例となる光ファイバケーブルの構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態となる光ファイバ物理量変動検知センサの構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態となる光ファイバ物理量変動検知センサにおいて測定される、後方散乱光の強度と入射点からの距離との関係を示す図である。 本発明の第３の実施の形態となる光ファイバ物理量変動検知センサの構成を示す図である。

符号の説明

１、１１、１２、１３ 光ファイバケーブル
２ 金属管
３ 光ファイバ心線
４ 低強度部
５ 被覆層
６ ＯＴＤＲ測定器
７ 錘

Claims (7)

1. 金属管中に可撓性の光ファイバ心線を挿通した構造の光ファイバケーブルにおいて、
   長手方向にわたる複数の箇所に、外力が加わった場合に前記金属管が選択的に変形する低強度部が設けられ、
   前記光ファイバ心線は前記金属管に固定されていないことを特徴とする光ファイバケーブル。
2. 前記低強度部は、前記金属管に、カシメ、熱印加、屈曲付与のいずれかを施すことによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバケーブル。
3. 前記金属管表面には被覆層が形成され、前記低強度部は、前記被覆層の肉厚を部分的に薄くすることによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバケーブル。
4. 物理量の変動を測定する箇所に敷設された請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイバケーブルと、
   該光ファイバケーブルの一端において、前記光ファイバ心線に光を入射させる光源と、
   前記光の後方散乱光を検出する測定手段とを設けたことを特徴とする光ファイバ物理量変動検知センサ。
5. 前記低強度部に錘が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ物理量変動検知センサ。
6. 前記光源と前記後方散乱光を検出する測定手段とを有したＯＴＤＲ測定器が前記光ファイバケーブルの一端に接続されていることを特徴とする請求項４または５に記載の光ファイバ物理量変動検知センサ。
7. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイバケーブルを物理量の変動を測定する箇所に敷設し、前記光ファイバケーブルの一端において、前記光ファイバ心線に光を入射させ、その後方散乱光を測定することによって、前記光ファイバケーブルに発生した物理量の変動の箇所を特定することを特徴とする物理量の変動検出方法。

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