３．光ファイバセンサの研究動向

光ファイバセンサの研究動向を学術文献の発行件数から見てみよう。以後示すデータは、2020年11月末に文献データベースWeb of Scienceで筆者が検索したものである。まず、’fiber sensor’を検索語にして5年間毎の発行論文数を調べた結果が図5である。

検索語を’optical fiber sensor’としても、総数は減るが、傾向は変わらなかった。1990年代から増え始め、現在でも増加が止まらない様子がみてとれる。図中には、1971年から2020年までの総論文数のテーマ別内訳を円グラフで示した。FBGセンサが半数を占めることがわかる。ブリルアンセンサ、ラマンセンサ、DASが同数程度ずつある。ジャイロに関する論文も同じくらいの数である。これらのテーマ毎に5年間毎の論文数をみてみたのが図6である。

テーマの流行りすたりがあると予測したが、結果はどれもほぼ同様に伸びていることがわかった。よく見ると、ジャイロは1996～2000年に小さなピークがある。ジャイロとハイドロホンは1970年代後半から論文が出ているが、その他のものは1990年まではほぼ0である。続いて、被測定量毎の論文数を整理したものが図7である。縦軸の単語を含む1976～2020年の論文の総数として表している。温度が最も多く、次いでひずみである。圧力、化学量、ガスも一定数あることがわかる。
なお、以上の調査は、センシング手法の名称（FBG等）や被測定量の単語（Strainなど）を検索語として検索した結果なので、必ずしもそれが論文の主題になっていたかどうかは判別できていないことに注意して頂きたい。

国ごとの論文数を調べることはしなかったが、実感として、ここ10年間の中国からの論文が急増している。光ファイバセンサはいくつかの国際会議のテーマとなっているが、光ファイバセンサに特化された最も権威があって歴史も長いのが、International Conference on Optical Fiber Sensors（通称OFS）である。表１のとおり、1983年の第1回（ロンドンで開催）から今日まで続いており、規模が年々拡大している。2018年秋に第26回がスイス・ローザンヌで開催され、参加者数600名、論文数371であった。企業展示も30件程度と盛況であった。中国からの参加者や論文が多いが、英国、ドイツなど欧州勢も堅調であり、企業展示には欧州のベンチャー会社が多かった。風力発電、鉄道などへの応用があるようである。2020年6月に第27回が米国で開催予定であったがCOVID-19のために延期されている。現在のところ、2022年秋には日本で開催される予定である。

４．まとめと展望

光ファイバセンサはその特徴を生かして土木用途を中心に利用が広がりつつあるが、実応用のためには、目的に応じた光ファイバの敷設方法の開発、解析装置の低コスト化が課題である。土木応用に加えて、高層建物への応用も期待される。土木・建築インフラ、プラント、工場の管理目的では、センサから時々刻々吐き出される大量のセンシングデータの処理・管理方法も課題である。曲げ分布の正確な測定ができるようになると、配管メインテナンスや内視鏡への応用の道が開けると考えられる。10 m以下の長さの応用には、自動車、機械の開発現場での潜在的需要があるが、それぞれ個別に追加の技術開発が必要なことが多い。比較的ユーザーが増えている分野では標準規格化の動きが国内外である。多くの方に光ファイバセンサの特長を知っていただき、有意義な利用が広がることを期待している。

【著者紹介】
中村　健太郎（なかむら　けんたろう）
東京工業大学　科学技術創成研究院　教授

■略歴
1992年　東京工業大学大学院総合理工学研究科　博士課程修了　博士(工学)
同年　東京工業大学精密工業研究所　助手
同大学大学院総合理工学研究科・講師、精密工学研究所・助教授を経て2010年1月より同研究所・教授
2016年4月より現職
応用物理学会光波センシング技術研究会委員長 (2014～2016年)、日本音響学会会長(2015～2017年)、光ファイバセンシング振興協会理事長(2015年～)、 日本学術振興会フォトニクス情報システム第179委員会委員長 (2016年～)など

3. ベルトコンベアローラ異常早期検知（設備保全）

電力、鉄鋼、紙パ、自家発、IPPプラント等におけるバイオマスペレット、石炭、ウッドチップ等の搬送ベルトコンベアでは火災事故が頻発しており、広大な監視対象において火災発生場所の特定がリアルタイムで可能というその特徴から、当社の分布型光ファイバ温度センサを用いた火災検知システムの導入が多く行なわれてきている。
さらに近年では、ベルトコンベア火災が主にローラ故障からの異常発熱に起因するということに着目し、ローラ異常発熱の早期検知により、火災発生自体を防止するという考え方も広がり、ベルトコンベア設備保全の革新が進んでいる。
特にこのアプリケーションへの要求度が高いのは海外のマイニング市場である。第6図にあるように、国内とは比較にならない広大な敷地に超長距離を無人で運転するベルトコンベアがある。

何らかの異常が確認され、現地に到着するまで長期間必要なエリアもあり、コンベアローラの異常により突発のラインストップは、数億円規模の売り上げや機会の損失につながる。また複数のマイニングエリアを所有する資源メジャーでは、DX化として設備状況を一括監視するだけではなく、どこからでも情報共有可能とすることで効率化が求められている。
これらの課題に当社DTSXシリーズは、コンベアローラの異常発熱を検知し、突発のラインストップを回避し売り上げ、機会損失を回避するだけでなく、あらかじめ修繕計画を立てられることで大幅なメンテナンスコスト削減が可能との評価を受けている。社内外で必要な情報を共有できるクラウド化にも対応するなど、当社の大型システムJOBの提案・遂行能力も高く評価されている。

仮にコンベアローラの発熱が100℃まで上昇した場合、これらローラへ非接触で得られる温度変化は5℃程度である。一般的な分布型光ファイバ温度センシングでは、測定器本体の周辺温度変化により測定結果が3～4℃程度ドリフトすることがあり、本事例のように5℃の温度変化の場合は、異常として捉えることができない。現実的には1℃程度の温度再現性が必要となるが、これを当社独自技術で実現をしている。例えば、DTSX本体の周囲温度に非常にセンシティブな光素子特性をハード、ソフトの両面で作りこみ補正を行い、またDTSX本体に内蔵された温度基準部のドリフト特性を補正している（特開2012-52952）。これによりDTSX本体の周辺温度が大きく変化しても、その影響が測定結果に出ないことから、膨大な数量のコンベアローラの設備保全に使用されている。第8図はDTSX本体の設置環境温度が-50～+70℃まで大きく変動（青破線）しているにもかかわらず、測定結果は1℃以内に収まっている（赤線）当社DTSXシリーズの実測データである。

これら独自技術を実現してきた背景は、製品の開発当初から石油・ガスの井戸内部温度測定のアプリケーションにおいて、1日の中でも温度変化の非常に大きい屋外の井戸付近にDTSXを設置し、井戸内部の温度測定を行ってきたことが挙げられる。顧客であるオイルメジャーからの著しく厳しい要求を満たすために、当社独自技術として上記技術を確立してきた。これら技術をベースに当社は数十～数万個/JOBのローラ異常発熱検知システムを当社客先に導入した実績を複数有している。

4. データセンタの設備保全

プラント以外にも、データセンタといった重要な施設への適用も広がっている。近年クラウドサービスの伸びに伴い、データセンタの建設が増加している。ITおよび通信分野に関する調査や分析を行っているIDC Japanが2020年7月に発表した、国内データセンタ事業者のデータセンタ投資予測によると、データセンタ建屋、電気設備、冷却システムなどの新増設の投資額調査によると、データセンタの新増設投資は2020年に急増し、それ以降も同程度の投資規模が継続する見込みとしている。
データセンタの要となるサーバには電源の安定的な供給が24時間365日必要とされており、その大容量の給電には、電源ケーブルではなく、バスバーと呼ばれる板状のアルミや銅を接続する手法で行われている。

大電流の流れるバスバーを露出しての運用は危険なため、バスダクトと呼ばれるダクトに収納することで安全に運用が行われている。

バスバーの接合部分が緩むことにより接触抵抗が増加し、事故に発展するケースもあり、その損失は非常に大きい。そのための接合部分の点検を実施しているケースが殆どである。しかし接合部分は例えば3～5mごとに存在するため、規模によるが一つの建屋内に1km程度のバスダクトが設置される場合、接合部分は単純計算で200～300か所となる。この膨大な接合部分の主な点検手法は、接合部分に温度で変化するシールを貼り付けておき、1年に1回の点検時に、シールの変色を目視確認し、その後に手書きで記録を残す方法や、点検者がハンディタイプのサーモカメラや放射温度計を手に持ちながら巡回する方法もある。前者の場合は点検者による見落としや記録の記載ミスの可能性や、後者の非接触方式は人により結果が異なることもある。両者に共通の点検の課題としては以下が挙げられる。①点検サイクルは1年に１回程度と長く、リアルタイムに定量的な監視データが取得できない。②天井裏などの環境も多く、点検作業そのものが危険で過酷である。つまり事故発生の代償は大きいが、その点検にも非常に多くの課題がある。
分布型光ファイバ温度センシングでは、バスダクトに光ファイバケーブルを敷設することで、バスダクト全長の温度分布をリアルタイムで監視することが可能となる。また電気を使用していないため、電磁ノイズの影響を受けず正確な温度監視が可能となる。それに加え上述の当社独自技術により、早期に細かな温度変化を捉えることで、万が一温度異常が発生した場合、発生場所を特定できるため、計画的な修繕、迅速な初動、点検負荷軽減といったメリットがある。
また、収集したデータは当社のデータロギングソフトウェア「GA10」を使用することで、工場内や敷地内に分散設置されているDTSXも含めたさまざまな機器とEthernetネットワークを介して接続し、監視・記録が可能となり、第11図のようにPCへの一元化により、今後益々増えるデータの監視・記録業務の効率化によりユーザの負担軽減に寄与している。

また、GA10では大量のデータをロギングしている運用中に、異常発生個所の位置や温度の情報がポップアップで表示される機能も搭載され、更には第12図のように、Eメールによりアラーム発生を通知できるので、仮に新型コロナ対策でオペレータを最小人数で運用し、オペレータが別件で席を外している場合でも、タイムリーな通知により迅速かつ確実な初動に貢献できる。

5. おわりに

本稿では、従来の防災対策に加え、生産性・品質向上、設備保全の革新に最適な分布型光ファイバ温度センシングDTSXシリーズとその適用事例を紹介した。市場から求められる技術的要求は、今後益々高くなると想定しており、今回その一部を紹介した当社独自技術を軸にさらなる高度化を図り、顧客価値を提供してゆく所存である。

【著者紹介】
平井　剛（ひらい　つよし）
横河電機株式会社
IAプロダクト＆サービス事業本部　インフォメーションテクノロジーセンター
ITC営業統括部　マネージャ

■略歴
2000年　横河電機株式会社　入社。主に光半導体事業に従事。
2012年　分布型光ファイバ温度センサ事業に異動、現在に至る。

４．IoT化に求められる分布型光ファイバセンサ

冒頭でも述べたように、持続可能な「長く使える社会インフラ」を実現するために、IoT×光ファイバセンサがその一助となることが期待されている。社会インフラに適用するセンサには、（1）長距離区間の連続的な計測、（2）大空間の3次元計測、（3）長期間のメンテナンスフリー、（4）過酷な条件下での耐環境性が求められる。これらの要件を全て満たすセンサとして、以前より光ファイバが有用であると考えられているが、より高度な管理体制を実現するためには、リアルタイム性と高分解能化の両方が求められていると言える。
しかしながら、前節で述べたようにブリルアン散乱光の計測方式には一長一短があり、リアルタイム性と高分解能を両立することは難しい。特に、測定時間はブリルアン散乱光を用いた測定では共通の課題だと言える。その理由は、ブリルアン散乱光が非常に微弱であるために平均化処理が必須であることと、BGSを測定するために周波数掃引の時間を要することが挙げられる。もちろん、複雑な計測方式を組み合わせ実現することは可能であるが、装置コストが増加するため、社会インフラを管理する立場からすると当然ながら好ましくない。
我々は、このリアルタイム性と高分解能を両立するために、自己遅延ヘテロダイン（ホモダイン）検波を採用した新方式のBOTDR装置を開発した^4,5)。図4(a)に我々が開発したSDH-BOTDR(Self-delayed Heterodyne(Homodyne) BOTDR)の基本構成を示す。本方式の特長は、FUTからのブリルアン散乱光自身を自己遅延検波するという受信方法である。通常のBOTDRでは、BGSを測定する必要があるため、その測定時間は光パルスの繰り返し周波数、平均化回数、および周波数掃引回数によって決定される。これに対して本方式では、FUTからのブリルアン散乱光自身を自己遅延検波することよって周波数掃引時間を省略することに成功した。図5にSDH-BOTDRの測定イメージを示す。SDH-BOTDRでは、ブリルアン散乱光自身を2分岐して遅延検波することにより、ブリルアン散乱光の周波数変化がビート信号中の位相変化として観測される。この位相変化は位相比較により直接抽出できるため、周波数掃引を必要とせずにBFSを直接算出することが可能である。また、検波方法にはヘテロダイン型(図4(b))と、ホモダイン型(図4(c))の両方が適用可能である。
さらに、本方式は送信光パルスを狭窄化することで高分解能化にも寄与する。一般に、BOTDRでは空間分解能がパルス幅に依存しており、高分解能化にはパルス幅の狭窄化が最もシンプルな手法となる。しかし、通常のBOTDRではパルス幅の狭窄化に伴いBGSのスペクトル線幅が増大するため、ピーク値の判別が困難になり、測定精度の著しい劣化につながる。これに対して、本方式ではブリルアン散乱光自身を2分岐して干渉させることにより、パルス幅に依存しない位相情報の取得ができる。つまり、本方式では自己遅延検波を用いて高速化と高分解能化の両方を実現することが可能となる。

５．分布型光ファイバセンサのインフラモニタリング適用事例について

現在、我々はモニタリングシステム技術研究組合(RAIMS: Research Association for Infrastructure Monitoring System)に参画しており、最先端のモニタリングシステムの早期実用化を目指している。本研究は、内閣府のＳＩＰ/インフラ維持管理・更新・マネジメント技術」の一環として国土交通省が実施する「社会インフラへのモニタリング技術の活用推進に関する技術研究開発」委託事業研究の成果である。RAIMSでは、インフラ管理の現状とモニタンリグ技術とを融合させるために、要求性能把握、システム化、劣化機構との対応検証、現場実証、基準化・標準化の提案などを行っている。本節では、RAIMSの実施している現場実証実験の一つである橋梁モニタリングについて紹介する⁶⁾。
橋梁における分布計測では、歪み分布からひび割れの進行や橋梁全体のたわみを診ることができる。これらは橋梁の健全度を表す重要な指標であり、定期的にモニタリングを実施することで橋梁の健全度を定量的に評価することが可能となる。現在実施している橋梁モニタリングの計測対象は、既設の連続鋼鈑桁橋のプレキャストPC 床版の継目部である。このPC床版と継目部に対して図6に示すように光ファイバを敷設して、定期的に歪み量を測定しデータベース化するとともに、高速測定による動的評価も行っている。図7(a)は2019年11月から2020年8月までに測定した分布歪み波形を示している。グラフ中の矢印が継目部の位置であり、この位置での変化が重要となる。このような計測結果を収集し、データベース化することで、橋梁の劣化具合を把握し、診断への判断材料としている。また、図7(b)は歪み空間分布の変動履歴を表している。カラーバーは歪み量に対応しており、大型車両通過時に大きな歪みが生じた場合、継目部の歪み量が変化する。これにより動的な継目部の挙動を把握することができる。

６．おわりに

近年では、光ファイバセンサから取得される大量のデータを使ったAIの活用事例も増えてきており、社会インフラのIoT化が徐々に現実化してきている。しかしながら、社会インフラの状態を診断するために必要となるデータはまだまだ不足している。そのため、分布型光ファイバ歪みセンサによる大量のデータを蓄積し評価指標として精緻化していくことにより、劣化の原因や過程のより詳細な解析、さらには寿命予測の精度向上等、高度な管理体制に資するものと期待する。

【著者紹介】
小泉　健吾（こいずみ　けんご）
沖電気工業株式会社　イノベーション推進センター　センシング技術研究開発部

■略歴
2013年　東北大学大学院工学研究通信工学専攻　博士課程修了
2014年　沖電気工業㈱　入社

3.　 材料への埋め込み性…積層材料と光ファイバを一体化させたスマート材料

石英ガラス製光ファイバは直径0.2mm程度であり、強化プラスチック等の積層材への埋め込みによって構造材料とセンサを一体化させたスマート材料の成形が可能である。図8はコンポジット（CFRP；炭素繊維強化プラスチック）に光ファイバ歪みセンサを固着し、4点曲げ試験を行った様子である。対比的に配した歪みゲージとの相関性も確認されている。