光ファイバセンシング技術:その概要と仕組み

2017年11月1日

この記事では、光ファイバとは何なのか、産業分野の光電センシングでどのように機能するのかについて説明します。 重要な用語や光ファイバシステムおよびアセンブリの基礎についても続けてお読みください。 

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光ファイバとは?

光ファイバは光エネルギーを離れた場所に伝送するために使用されます。光 ファイバ は細くて透明なストランドで、光学特性を持つガラスまたはプラスチックでできており、1本の髪の毛と同じぐらい細い場合もあります。光電センシングでは、 センサの LED からの光を伝送したり受け取るために光ファイバが使用されます。 

光ファイバは、ガラス製またはプラスチック製のコアとその周囲を覆うクラッド材料の層、(プラスチックファイバの場合) ジャケットから構成されます。  ガラスファイバが 繊維の束であるのに対し、プラスチックファイバは通常、 モノフィラメントとして使用されます。 

ガラスファイバにはジャケットはありません。その代わりに、ガラス繊維の束は通常はステンレス鋼フレキシブルコンジットのシースに覆われます。それがPVCなどのプラスチック製フレキシブルチューブであることもあります。繊維束を守るためにシースの下に保護スチールコイルが使用されることもあります。

参照記事:光電センシングに光ファイバを使用する理由 

光ファイバ用語

コア

中心にあるガラス製またはプラスチック製の細い繊維の芯。これを通って光が伝播します。

クラッド

コアの周囲を覆う外側の光学材料で、コアに光を反射し返します。 

ジャケット

光ファイバを損傷や湿気から守る保護層。

ファイバの種類

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ガラスファイバは困難な環境でのセンシングに対応
 

ガラス光ファイバ

ガラス光ファイバは、非常に小さい (通常は約0.002インチまたは50ミクロン径) ガラス繊維ストランドの束から形成されます。

典型的なガラス光ファイバアセンブリは数百の繊維から成り、シース材、通常は柔軟な外装ケーブルによって保護されています。 

ガラスファイバは多くの場合、高温、腐食性物質、湿度にさらされる困難な環境で使用されます。

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Vantageライン:バナー製の高性能プラスチック光ファイバ 

プラスチック光ファイバ

プラスチック光ファイバには通常、これより大きめのモノフィラメントコアがあります。常に束状というわけではなく、光ファイバ材料から形成される1本のストランド (通常は0.01~0.06インチまたは0.25~1.5 mm径) としても使われます。  

プラスチック光ファイバは一般的な用途に使われることが多いですが、極端な曲げにも強く、限られた取り付けスペースに合った長さに切断することができます。  

光ファイバシステムの仕組み

光ファイバでどのように光線が伝播するのかは、全反射という光学的な現象によって説明できます。この現象では、光線の入射角が所定の臨界値より小さければ、コアとクラッド (密度が異なる) の境界面に当たった光がすべて反射されます。光はファイバ内に進入したときと同じ角度を保ちながら、反射によって小さいファイバを伝播されていきます。

信号は距離が離れるにつれて劣化する傾向があります。信号の 減衰 は、 コア 材料の純粋性に応じて生じます。 

右図は、光ファイバアセンブリを光ファイバセンシングシステムの増幅器に接続する仕方を示しています。

Fiber Optic Sensing System

光ファイバアセンブリ

光ファイバアセンブリによって検知モードが決まります。そのため、どの種類のファイバを使用するのかを決めた後、自分の用途に合ったアセンブリを選択することになります。

個別の光ファイバアセンブリ

個別の光ファイバアセンブリは、投光器から検出位置まで光を送るか、あるいは検出位置から受光器まで光を戻すために使用されます。光ファイバアセンブリの構成によって検知モードが決まります。通常、個別のアセンブリは透過モードの検知で対で使用します。

二股光ファイバアセンブリ

二股光ファイバは、1個の光ファイバアセンブリ内で反射された光と受け取られた光を一緒に (2つに分岐した別のファイバによって) 伝播します。それにより、単一のセンサが1個の光ファイバアセンブリで対象物の照明および観察の両方を行えます。

もし二股光ファイバの検出端部の正面に対象物が現れると、一方の分岐線からの光が対象物に反射し、別の分岐線を通って光が受光器に戻ります。 二股アセンブリは一般に反射モードの検出に使用されますが、回帰反射モードにも使用できます。

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