光ファイバーセンサー入門

Fibermart
2018年10月24日(Wed)
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光ファイバーセンサーシステムは、リモートセンサーまたは増幅器に接続された光ファイバーケーブルで構成されます。

センサーは光エネルギーを放射し、受信し、電気信号に変換します。ケーブルは、スペースが狭すぎる、あるいは過酷な環境にある場所から光をセンサーまで送り出す機械部品です。

光ファイバーケーブルは、プラスチックまたはガラスのコアと、その周囲を被覆材で覆った構造になっています（図2参照）。この2つの構成要素の密度差により、ケーブルは全反射の原理に従って動作します。これについては後ほど詳しく説明します。

ガラス繊維

光ファイバーはガラス製またはプラスチック製です。ガラス光ファイバーは、通常直径0.051mm（0.002インチ）の非常に細いガラス素線の束で構成されています。通常、被覆された光ファイバーの束を保護するために、柔軟なステンレス鋼製の外装シースが付加されますが、用途によってはポリ塩化ビニル（PVC）製のジャケットが使用されます。

ガラスは本来、非常に優れた弾力性を備えており、高温や腐食性環境などの過酷な条件下でも信頼性の高い性能を発揮します。ガラス繊維束は標準製品で最高225℃（450°F）までの動作温度に耐えることができます。225℃を超える動作温度のアプリケーションをご利用のお客様は、最高600℃（1200°F）まで耐えられるケーブルを特注でご注文いただけます。

適切な半径のコーナーであれば、ガラス光ファイバーは無限の繰り返し曲げに耐えることができます。この前提を踏まえると、ガラス光ファイバーは鋭い曲げ、伸張、激しい振動、引っ張り、その他の過酷な扱いにも耐えられると思われるかもしれません。しかし、実際にはそうではありません。実際には、ガラス光ファイバーは破断する傾向があり、束の中の数本の光ファイバーが破断しても通常は目立ちませんが、多数の光ファイバーが切断されると、それに比例して信号強度が低下します。

高い光結合効率を実現するために、ファイバーメーカーはセンシング面の表面を光学的に研磨し、各ファイバーの端面が完全に平坦になるようにしています。そのため、お客様ご自身でサイズに合わせて切断するのではなく、標準外のケーブル長を特注でご注文いただくことをお勧めしています。

プラスチック繊維

プラスチック光ファイバーケーブルは通常、直径0.254～1.52mmの単芯線で構成されています。これらの光ファイバーは柔軟性に優れており、繰り返しの屈曲が必要な用途や、非常に狭い場所での使用に最適です。通常、お客様が必要な長さに切断できる切断装置が付属しています。

近年、オムロンをはじめとする複数のメーカーが、多芯高屈曲プラスチックファイバを発売しています。従来のプラスチックファイバとは異なり、複数の独立したコアを持つ構造により、最小1mmの曲げ半径を実現し、電線に近い柔軟性を実現しています。光透過率を低下させることなく90°曲げることができ、機械の輪郭にも容易に追従し、激しい振動や引っ張りによる問題も発生しません。また、関節動作や往復動作が必要な用途向けに、コイル状のプラスチックファイバも様々なメーカーから提供されています。

センサーが強力な化学薬品、溶剤、または高温にさらされる場合は、ガラスファイバーが適しています。ただし、プラスチックファイバーをテフロン、ナイロン、またはポリプロピレンで被覆することで、過酷な環境に対する耐性を高めることができます。

光ファイバーを伝わる光エネルギーの減衰度合いは、光ファイバーの材質、伝わる距離、そして光の波長という3つの要因によって左右されます。ガラス光ファイバーはどの波長でもほぼ安定した性能を示します。一方、プラスチック光ファイバーは赤外線LEDの光を吸収する傾向があります。赤色などの可視光LEDはプラスチック光ファイバーでは減衰が少ないため、広く使用されています。

全反射の原理

光ファイバーを通じた光の完全伝送は、全反射の原理に基づいています。これは、2つの媒体の境界に入射するすべての光が全反射されるという原理です。つまり、境界を越えて光エネルギーが失われることはありません。この原理は、以下の2つの条件が満たされた場合にのみ適用されます。

特定の材料の組み合わせでは、臨界角は入射角よりも小さくなります（図3参照）。この場合の材料とは、光ファイバーのコアとクラッドです。

光は密度の高い媒質の中にあり、密度の低い媒質に近づいています。クラッド材はコア材よりも密度が低いため、屈折率が低くなります。

これら 2 つの条件が満たされている限り、光ファイバーケーブルが曲げられているか直線であるかに関係なく (定義された最小曲げ半径内)、全反射の原理が適用されます。

センシングモードと光ファイバーアセンブリ

光ファイバーセンサーシステムは光電センシング技術の派生技術であるため、光ファイバーでも光電センシングモード（拡散反射、透過、再帰反射）が利用可能です。これらのセンシングモードに対応する光ファイバーアセンブリには、個別型と分岐型の2種類があります。

図1に示す光ファイバ透過ビームモードでは、2本のケーブルが必要です。1本はリモートセンサーのエミッターに接続され、光エネルギーを検知箇所へ導くために使用されます。もう1本はリモートセンサーのレシーバーに接続され、検知箇所からリモートセンサーへ光エネルギーを導くために使用されます。標準的な透過ビーム光電センシングと同様に、エミッターケーブルとレシーバーケーブルは互いに反対側に配置されます。センシングは、エミッターからレシーバーの光ファイバーケーブルへ伸びる光ビームが遮断されたときに行われます。

二股光ファイバアセンブリは、拡散反射型と逆反射型の両方のセンシングに使用されます。個別のケーブルとは異なり、二股ケーブルはエミッタケーブルアセンブリとレシーバケーブルアセンブリを1つのアセンブリに統合しています。エミッタとレシーバのストランドはケーブルの長さに沿って並んで配置され（図4参照）、センシングポイントでランダムに混合されます。これは、コンパクトなセンシングチップを必要とするアプリケーションに最適な構成です。物体が二股ケーブルのセンシングチップの前にある場合、エミッタケーブルからの光が物体で反射し、レシーバケーブルを経由してリモートセンサーのレシーバに戻り、検出が行われます。

光ファイバーの利点

光ファイバーは本質的に光ファイバーセンシングシステムの受動的な機械部品であるため、可動部品や電気回路を含まず、あらゆる形態の電気干渉に対して完全に耐性があります。この特性により、光ファイバーはセンシングシステムの電子機器（この場合は、接続先のリモートセンサー）を既知の電気干渉源から分離する理想的な手段となります。

さらに、火花が発生する可能性がないため、石油精製所、穀物貯蔵庫、採掘現場、医薬品製造、化学処理といった最も危険なセンシング環境でも安全に使用できます。また、断線したファイバーを修理する際に感電する危険もありません。