专利名称：带状光缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于光纤传感器等的带状光缆，该光纤传感器被敷设于结构物中用于计测应变或温度等。
背景技术：
为了计测结构物的温度或应变等，有敷设在结构物中作为光纤传感器的带状光缆(例如，参考非专利文献1、2)。
如图10所示，带状光缆70是，使热塑性树脂72中含有单向玻璃纤维71而形成带状材料73，并在带状材料73内埋入了披覆光纤76。披覆光纤76是光纤74被聚酰亚胺等披覆材料75包覆而成。带状光缆70的尺寸例如可以是，宽13mm，厚0.2mm，光纤74的直径125μm，披覆光纤76的直径145μm。
带状光缆70是通过固定在结构物表面或埋入结构物内而敷设的，目的是计测施加于结构物本身的应变。为此，带状材料73所使用的是耐热性优良的热塑性树脂72和玻璃纤维71，以便可以计测工厂等高温环境下的应变。带状材料73是，将热塑性树脂加热到规定温度使其软化后，降低温度而成形的。通常，通信用光纤是用UV固化型丙烯酸系树脂的披覆材料涂覆，因此耐热性低，耐热温度为100℃以下。因此，对带状光缆70来说，作为传感器用耐热披覆材料，适宜使用耐热温度约300℃的聚酰亚胺披覆。
带状光缆70，被用作光纤传感器的感应部分，通过检测在光纤内传播的光的反射光(后方散射光)，可以对测定对象的变化进行测定。
图11是表示光纤的后方散射光的光谱的图。如图11所示，例如，产生中心波长λ0的瑞利(レ一リ一)散射光RL的话，在λ0的长波长侧和短波长侧产生布里渊(ブリルアン)散射光Bs、Ba，在短波长布里渊散射光Ba的更短波长侧和长波长布里渊散射光Bs的更长波长侧，分别产生拉曼(ラマン)散射光RMa、RMs。其中，在中心波长的长波长侧的拉曼散射光RMs称为斯托克斯(スト一クス)光，短波长侧的拉曼散射光RMa称为反斯托克斯(アンチスト一クス)光。
使用光纤作为应变计测用传感器时，测定布里渊散射光Bs的波长位移量，由该测定值求出应变。使用光纤作为温度计测用传感器时，由拉曼散射光的斯托克斯光RMs和反斯托克斯光RMa的比求出温度。
其中，作为本发明的带状光缆的在先技术文献信息如下。
特开2002-70015号公报[非专利文献1]B.Glisic，D.Inaudi，“Sensing tape for easy integration ofoptical fiber sensors in composite structures”SPIE，International Symposium onSmart Structures and Materials，2nd-6th，March，2003[非专利文献2]B.Glisic，D.Inaudi，“Integration of long-gage fiber-opticsensor into a fiber-reinforced composite sensing tape”16thInternationalConference on Optical Fiber Sensors，Nara，Japan，13th-17thOctober 200
发明内容发明要解决的问题但是，以往的带状光缆存在以下问题。
(1)带状光缆所要求的刚性(带刚性)根据作为敷设对象的结构物而有所不同。例如，根据可挠性敷设的情况或埋设于结构物内的情况等，根据设置带状光缆的环境来决定所需要的带刚性。
由带状材料73的厚度决定带刚性。进一步，由披覆光纤76的外径，玻璃纤维71的厚度及热塑性树脂72的厚度，决定带状材料73的厚度。
以往的带状光缆70，带厚度为0.2mm左右，披覆光纤外径为145μm，由于相对于带厚度的披覆光纤外径过大，因此很难使带状光缆70的厚度为0.2mm以下。因此，被敷设的带状光缆70的厚度受到敷设对象结构物的形状等的限制等，由于敷设环境，以往的带状光缆70可能存在敷设困难。
例如，在用碳纤维增强塑料层压板(1层的厚度约0.13mm)制造的燃料罐或飞机等的结构物中，埋入带状光缆时，由于埋入可能引起该结构物强度的恶化，因此，碳增强塑料层压板的1层厚度0.13mm以下的带厚度是适宜的。
(2)一般地，玻璃纤维的拉伸强度强，但剪切强度弱。以往的带状光缆70，由于使用单向玻璃纤维，因此光纤长度方向的强度强，但与光纤垂直方向的强度弱。敷设带状光缆70时，适于根据带刚性向单方向(直线状)敷设，但是将带状光缆70弯曲敷设时，带状光缆70的横端侧产生力，很难向要弯曲处敷设。
(3)以往的带状光缆70中，适用一般的通信用光纤。通信用光纤，在不发生宏观挠曲(弯曲)或微小挠曲的状态下的光传播的损失低，适于长距离传播。
但是，带状光缆70中，因为光纤74埋设在带状材料73内，即光纤74设置于玻璃纤维间，所以根据在光纤长度方向上分布的微小的弯曲或者热塑性树脂在低温收缩时施加于光纤上的压缩应变，而发生微小挠曲。因此，以往的带状光缆70，由于宏观挠曲或微小挠曲而发生的光传播的损失大，很难进行长距离的应变计测。
(4)使用带状光缆70的计测方法中，利用波长位移量随施加于光纤74上的应变而变化的布里渊散射光，对敷设了带状光缆70的敷设对象物的应变进行计测，计测敷设对象物的温度时，利用强度比随温度而变化的拉曼散射光。
但是，由于形成带状，光纤74中分布性地发生挠曲损失，因此难以区别温度引起的光量变化和挠曲损失引起的光量变化，很难分布性地计测温度。
因此，本发明的目的是，解决上述问题，提供可以敷设或埋设于多种结构物，并且对多个方向的强度都高的带状光缆。
另外，本发明的另一个目的是，可以减少弯曲或微小挠曲引起的损失，对应变或温度等进行高精度计测的带状光缆。
解决问题的方案为了达到上述目的，权利要求1的发明为带状光缆，其为，用固化树脂使纤维材料固化而形成带状材料的同时在该带状材料中埋入光纤而形成的带状光缆，其特征是，光纤被披覆材料覆盖，使用双向纤维材料作为纤维材料，将光纤埋设成，使该双向纤维材料的纤维方向的一方与光纤长度方向平行，另一方与光纤长度方向垂直。
权利要求2的发明为，根据权利要求1所述的带状光缆，其中，使带状光缆的厚度为46～225μm。
权利要求3的发明为，根据权利要求1或2所述的带状光缆，其中，光纤为包覆层中有多个空孔的多孔光纤或光子晶体光纤。
权利要求4的发明为，根据权利要求1或2所述的带状光缆，其中，光纤的相对折射率差为0.6～3.0％。
权利要求5的发明为，根据权利要求1至4的任一项所述的带状光缆，其中，披覆材料是由聚酰亚胺树脂形成的。
权利要求6的发明为，根据权利要求1至5的任一项所述的带状光缆，其中，纤维材料是使用玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、碳纤维或PBO(聚对亚苯基苯并二噁唑)纤维中的至少一种。
权利要求7的发明为，根据权利要求1至6的任一项所述的带状光缆，其中，固化树脂是不饱和聚乙烯树脂、乙烯酯树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂或聚丁烯树脂中的至少一种。
权利要求8的发明为，根据权利要求1至7的任一项所述的带状光缆，其中，带状材料的侧部形成有缺口。
权利要求9的发明为，根据权利要求1至8的任一项所述的带状光缆，其中，光纤中形成有光纤布拉格光栅。
权利要求10的发明为，根据权利要求1至9的任一项所述的带状光缆，其中，将光纤的前端从带状材料中剥出，在该前端部设置了保护光纤的保护材料。
发明效果本发明可以发挥以下效果。
(1)可以敷设或埋设于多种结构物。
(2)可以使对于多方向的强度增高。
(3)可以减少弯曲或微小挠曲引起的损失。
图1是表示本发明的带状光缆的适宜的实施方式的立体图。
图2是表示图1的带状光缆的制造方法的截面图。
图3是表示将图1的带状光缆的一部分带状材料除去的例子的图。
图4是表示图1的带状光缆的敷设例子的立体图。
图5(a)是表示多孔光纤的截面图，(b)是表示多孔光纤的其他例子的截面图。
图6是表示对于HF和SMF的侧压的各自损失增加的关系的图。
图7是表示具有高相对折射率差的光纤的截面和光纤截面的折射率分布的图。
图8是表示具有多个披覆光纤的带状光缆的立体图。
图9是表示图8的要部扩大的截面图。
图10是表示以往的带状光缆的立体图。
图11是表示后方散射光的光谱的图。
符号说明10 带状光缆11 纤维材料12 固化树脂13 带状材料14 光纤15 披覆材料16 披覆光纤具体实施方式
以下，基于附图对本发明的一个适宜的实施方式进行详细描述。
图1是表示本发明的带状光缆的适宜的实施方式的立体图。
如图1所示，带状光缆10为，用固化树脂12使纤维材料11固化，形成长条的带状材料13，在该带状材料13中埋设光纤14而成的。
本实施方式的带状光缆10的特征是，用披覆材料15覆盖光纤14，作为纤维材料11使用双向纤维材料，将光纤14埋设成为，使该双向纤维材料的纤维方向的一方11a与光纤长度方向平行，另一方11b与光纤长度方向垂直，所形成的厚度为46～225μm。只是，光纤14为其外周被披覆材料15覆盖，构成了披覆光纤16。
本实施方式中，使用多孔光纤作为光纤14，使用聚酰亚胺树脂作为披覆材料15。双向纤维材料11是由玻璃纤维形成的双向交叉纤维，固化树脂12是热固化性树脂，具体使用乙烯酯树脂。
关于带状光缆10的制造方法进行说明。
如图2所示，为了使乙烯酯等热固性树脂热固化，使用加热板17。在加热到45℃左右的加热板17上，为了防止热固性树脂附着，载置剥离带18，在剥离带18上，按照热固性树脂12、玻璃纤维11、披覆光纤16、玻璃纤维11、热固性树脂12、剥离带18的顺序层叠。层叠后，从最上层的剥离带18上方使用滚筒等(未图示)对于层叠的各电缆材料(披覆光纤16、玻璃纤维11、热固性树脂12)上施加荷重。施加荷重时，各电缆材料被压接，披覆光纤16被埋入玻璃纤维11和热固性树脂12中，同时热固性树脂12被固化而得到带状光缆10。其中，在向各电缆材料施加荷重时，通过调整荷重的大小而调整带状光缆10的厚度。
另外，图中，只表示了一个方向的截面图，但实际上利用输送带状材料用的滚筒等，输送各电缆材料，制造出长条的带状光缆10。
以46～225μm的厚度形成带状光缆10时，披覆光纤16使用外径40～125μm的细径光纤14，带状材料13在披覆光纤16的上端和下端各形成3～50μm的厚度。
按照敷设或埋设带状光缆10的结构物的形状调整带厚度(带刚性)，但是由本实施方式形成的带状光缆10的厚度很薄为0.225mm以下，因此可以敷设于需要敷设(埋设)薄带状光缆的结构物中。例如，本实施方式中，带状光缆10的带刚性降低且形成了作为敷设对象结构物的碳纤维增强塑料的1层以下的厚度(0.13mm)，因此可以进行不引起结构物强度恶化的敷设。另外，因为形成很薄的带状光缆10，所以可以可挠性地敷设于结构物中。
本实施方式中，通过使用双向交叉纤维作为纤维材料11，可以增强与纤维长度方向平行的方向以及垂直的方向上的剪切强度增强。另外，将披覆光纤16埋入双向交叉纤维内时，通过使一方的纤维方向与光纤长度方向平行，另一方的纤维方向与光纤长度方向垂直，可以使带状光缆10沿光纤长度方向容易开裂，沿垂直方向容易切断。
如图3所示，带状光缆10因为形成了强度弱于披覆光纤16的带状材料13，所以可以不切断(损伤)光纤14而只除去带状材料13。因此，可以很容易地使光纤14的前端与连接器连接。另外，对于制造的1m以上的长条带状光缆10，可以很容易地切割成所需的长度，可以降低制造成本。
如图4(a)所示，在将带状光缆10弯曲敷设于结构物时，优选在弯曲处形成缺口部21。图中，缺口部21是将披覆光纤16两侧的带状材料(带状材料侧部)切取规定长度而形成的。如图4(b)所示，通过使带状光缆10的缺口部21所形成处成为弯曲部22，可以对敷设处为平面的结构物，平面地(沿着结构物的面C)弯曲带状光缆10来敷设。另外，图4(b)中是使带状光缆10弯曲而敷设在结构物的平面上，但也可以进行各种方向的弯曲来敷设带状光缆10。
作为披覆材料15(参照图1)使用了聚酰亚胺树脂，因此可以形成耐热性和光纤-披覆材料间密合度优良的披覆光纤16。披覆材料15，除聚酰亚胺树脂外，使用二氧化硅、金属膜等也是适宜的。
作为纤维材料11(参照图1)，除玻璃纤维外，也可以使用芳族聚酰胺纤维、碳纤维或PBO(聚对亚苯基苯并二噁唑)纤维。
作为固化树脂12(参照图1)，除乙烯酯树脂外，也可以使用不饱和聚乙烯树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂或聚丁烯树脂。
关于本实施方式的埋设于带状光缆10中的光纤14进行说明。
如图5(a)所示，本实施方式中，作为光纤14使用了多孔光纤(HF)30。多孔光纤30为，包覆部32上沿光纤长度方向形成长条的多个孔33，使多个孔33包围的中心部成为与孔33相比折射率相对高的芯部31。
另外，如图5(b)所示，也可以使用在包覆部32上以微小间隔形成了晶格状(蜂窝结构)的多个孔35的多孔光纤(光子晶体光纤)。
此外，也可以使图5(a)和图5(b)所示的多孔光纤30、34的芯部31象通常的光纤一样，使用折射率比包覆部32高的材料形成。
图6表示的是，通常的(中实)单模光纤(SMF，相对折射率差0.3％)的侧压引起的损失增加，和多孔光纤30的侧压引起的损失增加的比较结果。图6的曲线图为，将光纤对折的同时，对长50mm(来回100mm)的光纤施加压力，测定其传输损失而得的。
如图6所示，SMF的侧压-损失增加特性为，400(N/100mm)时为0.4dB以上，600(N/100mm)时为0.6dB以上。另一方面，多孔光纤30的侧压-损失增加特性为，400(N/100mm)时为0.1dB左右，600(N/100mm)时为0.2dB左右。
由此关系可知，多孔光纤30与通常的SMF相比，弯曲损失和侧压引起的损失大幅减小。本实施方式中，通过使用多孔光纤30作为光纤14，可以减少将光纤14埋入带状材料13时发生的微小挠曲、或将带状光缆10弯曲敷设时发生的宏观挠曲引起的损失增加。
另外，即使将光纤14埋入带状材料13中，与埋设了通常光纤的带状光缆70相比，因为减少了传送损失(抑制在与通信用的光纤相同程度)，所以可以在长距离的范围内，计测应变分布或温度分布。
进一步，使用多孔光纤30可以减少微小挠曲引起的损失，因此，通过拉曼散射光的检测进行温度计测时，相对于温度引起的光量变化，弯曲引起的光量变化减少而可以进行区别，可以进行高精度的温度计测。
另外，如图7所示，光纤15也可以由芯38和涂覆层39的相对折射率差Δ为0.6～3.0％的高折射率光纤37代替多孔光纤30。
高折射率光纤37，与多孔光纤30相同，与通常的光纤相比减少了弯曲损失。所以，使用了高折射率光纤37的带状光缆，可以减少由微小挠曲和宏观挠曲引起的损失增加。
光纤14中也可以形成FBG(光纤布拉格光栅)。FBG是光纤14中形成的周期性的折射率变化，借助该周期(晶格间隔)和折射率，可以只反射特定波长光。因为可以测知该反射光的波长变化给予FBG的物理性影响，所以形成了FBG的光纤可以用作计测应变或温度用的传感器。进一步，将形成了FBG的带状光缆敷设于晶格间隔变化量与加速度成比例的夹具上，则可以用于加速度传感器。
接着，基于图8、图9对其他的实施方式进行说明。
如图8、图9所示，本实施方式的带状光缆50，在将多根(图中为4根)披覆光纤51、52、53、54埋入带状材料13而形成的方面，与图1的带状光缆10是不同的。
4根披覆光纤51～54，使其各自外径为100μm(其中，光纤外径80μm)，并列埋设于带状材料13中，构成薄0.14mm的带状光缆50。其中，电缆长度为100m以上。
通过在1条带状光缆50中埋设多根光纤51～54，可以用1条带状光缆50计测应变或温度等不同种类的物理量，或计测结构物的多处的物理量。本实施方式中，4根披覆光纤51～54中，2根为应变计测用光纤51、52，另外2根为温度计测用光纤53、54。其中，应变计测用光纤52、温度计测用光纤54被设计成为备用。
以上，本发明的实施方式并不限定于上述的实施方式，也可以设想为其他的各种方式。
权利要求
1.带状光缆，其为在用固化树脂对纤维材料进行固化而形成带状材料的同时在该带状材料中埋入光纤而形成的带状光缆，其特征在于，所述光纤被披覆材料所覆盖，作为所述纤维材料使用双向纤维材料，将光纤埋设成为使双向纤维材料的纤维方向的一方与光纤长度方向平行，另一方与光纤长度方向垂直。
2.根据权利要求1所述的带状光缆，其中，所述带状光缆的厚度形成为46～225μm。
3.根据权利要求1或2所述的带状光缆，其中，所述光纤为包覆层中有多个空孔的多孔光纤或光子晶体光纤。
4.根据权利要求1或2所述的带状光缆，其中，所述光纤的相对折射率差为0.6～3.0％。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的带状光缆，其中，所述披覆材料是由聚酰亚胺树脂形成的。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的带状光缆，其中，所述纤维材料是使用了玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、碳纤维、或聚对亚苯基苯并二噁唑纤维中的至少一种。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的带状光缆，其中，所述固化树脂是使用了不饱和聚乙烯树脂、乙烯酯树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂或聚丁烯树脂中的至少一种。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的带状光缆，其中，所述带状材料的侧部形成有缺口。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的带状光缆，其中，所述光纤中形成有光纤布拉格光栅。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的带状光缆，其中，所述光纤的前端从带状材料中被剥出，在其前端部上设置有用于保护光纤的保护材料。
全文摘要
本发明提供了可以敷设或埋设于多种结构物，并且对多个方向强度都高的带状光缆。该带状光缆为，用固化树脂(12)使纤维材料(11)固化而形成带状材料(13)，同时在该带状材料(13)中埋入光纤(14)而形成的带状光缆(10)，其中，光纤(14)被披覆材料(15)覆盖，使用双向纤维材料作为纤维材料(11)，将光纤(14)埋设成为，使该双向纤维材料的纤维方向的一方(11a)与光纤长度方向平行，另一方(11b)与光纤长度方向垂直。
文档编号G02B6/02GK101025462SQ20071000552
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月9日 优先权日2006年2月22日
发明者小岛正嗣 申请人:日立电线株式会社