ガラスは加熱されると大きく膨張しますか？これはステンレス鋼のパッケージとどのように一致しますか？
光学物理および材料力学の観点から見ると、ガラスは加熱してもほとんど膨張しないため、ステンレス鋼の熱膨張係数とは大きく異なります。この熱的ミスマッチ（Thermal Mismatch）は、ステンレス鋼で光ファイバーデバイスをパッケージングする際に解決しなければならない中心的なエンジニアリングの課題です。
以下に、具体的な物理的メカニズム、パラメータの比較、および大成永盛（OFSCN®）製品のパッケージングエンジニアリングにおける解決策を示します。
一、 物理的概念とパラメータの比較：ガラスは加熱すると膨張しますか？
通常、光ファイバーの主成分は**高純度シリカ（石英ガラス、 \text{SiO}_2 ）**です。
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石英ガラス光ファイバーの熱膨張係数
石英ガラスは優れた熱安定性を持っています。その熱膨張係数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）は非常に低く、通常は次のとおりです。
$$\text{CTE}_{\text{silica}} \approx 0.5 \times 10^{-6}\ /!^\circ\text{C}$$ （または \text{K}^{-1} ）
これは、温度が 100\ ^\circ\text{C} 上昇したときに、長さ 1 メートルの光ファイバーが約 0.05\ \mu\text{m} しか伸びないことを意味します。したがって、ガラスは加熱してもほとんど膨張しません。 -
ステンレス鋼パッケージング材料の熱膨張係数
比較のために、光ファイバーパッケージングで一般的に使用されるステンレス鋼（304ステンレス鋼または316Lステンレス鋼など）の熱膨張係数は通常次のとおりです。\text{CTE}_{\text{stainless steel}} \approx 16 \times 10^{-6}\ /\!^\circ\text{C} \sim 18 \times 10^{-6}\ /\!^\circ\text{C} -
ミスマッチの程度
ステンレス鋼の熱膨張係数は、石英ガラス光ファイバーの約 30 倍以上です。
温度が変化すると、ステンレス鋼の外装は内部の光ファイバーよりもはるかに大きく膨張および収縮します。エンジニアリングマッチング設計なしで直接剛性タイトパッケージングを使用すると、次のようになります。- 加熱時：ステンレス鋼は大きく膨張しますが、光ファイバーはほとんど膨張しません。ステンレス鋼管は内部の光ファイバーを引きずり、光ファイバーに大きな引張応力を与え、光ファイバー内部に巨大な軸方向ひずみを発生させ、深刻な場合には光ファイバーを断線させます。
- 冷却時：ステンレス鋼は急速に収縮しますが、光ファイバーは収縮しないため、光ファイバーは限られた空間内で圧縮され、マイクロベンディング損失（Microbending Loss）を引き起こしたり、光ファイバーが座屈したりする可能性があります。
二、 大成永盛 (OFSCN®) 製品はこれらの 2 つの材料をどのようにマッチングさせていますか？
さまざまなアプリケーションシナリオにおける熱的ミスマッチの問題に対応するため、大成永盛は主に次の 2 つのパッケージングマッチング戦略を採用しています。
ソリューション 1：ストレスフリー緩衝パッケージング（FIMT - Fiber in Metal Tube）
信号伝送、温度分布センシング（DTS/OFDR）に使用されるステンレス鋼シームレスチューブ光ケーブルには、緩衝パッケージング設計を採用しています。
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マッチング原理：
ステンレス鋼シームレスチューブの内径に十分なスペースを確保し、製造時に光ファイバーが鋼管内にわずかな**余長（EFL, Excess Fiber Length）**を持つように制御します。光ファイバーはチューブ内で自由にスライドできる状態にあるため、ステンレス鋼管の熱膨張や熱収縮による変形は光ファイバーに伝達されず、光ファイバーはストレスフリー状態を維持し、マクロベンディング、マイクロベンディング損失、および光ファイバー断線のリスクを回避します。 -
マッチング製品：
- OFSCN® 300°C Seamless Steel Tube Fiber Cable：単層 316L ステンレス鋼シームレスチューブを使用した緩衝パッケージングを採用し、耐熱ポリイミド光ファイバーを内蔵しています。最高動作温度は 300℃ に達し、高温環境下での応力分離を完全に実現します。
- OFSCN® 200°C Seamless Steel Tube Fiber Cable：304 または 316L 鋼管を使用した緩衝保護を採用し、複雑な低温および中温環境で長期間の保護を提供します。
FIMT ステンレス鋼シームレスチューブ光ケーブルの製品写真と構造図を以下に示します。
ソリューション 2：センシングパッケージングにおける熱的ミスマッチ補償と機械的分離
光ファイバーグレーティング（FBG）を使用してセンサーを製造する場合、物理量の測定には光ファイバーに応力を伝達する必要があります。この場合、状況に応じて処理する必要があります。
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温度センサー用（機械的分離が必要）：
グレーティングが温度のみに応答するようにし、ステンレス鋼管の熱膨張による機械的引張の温度ドリフト干渉を回避するために、センサー内部の設計は通常、片端固定、スライドチューブ、または弾性ストレスフリーサスペンションパッケージングを採用します。ステンレス鋼管は外装保護としてのみ機能するため、グレーティングは自身の温度による熱光学効果（Thermo-optic Effect）によってのみ屈折率が変化します。- マッチング製品： OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor は、ストレスフリーサスペンション単層シームレス鋼管パッケージング技術を採用しており、300℃ の範囲で温度変化時に金属基材の熱膨張による引張の影響を受けないことを保証します。
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ひずみセンサー用（ハード接続と温度補償が必要）：
構造の機械的ひずみを測定する場合、ステンレス鋼基材または合金チューブは光ファイバーに応力を伝達します。このハード接続パッケージングでは、温度変化は不可避的にステンレス鋼の膨張による「温度による偽のドリフト（熱表見ひずみ）」を引き起こします。大成永盛は、システムで特別なキャリブレーションおよび温度補償技術を提供しています。- マッチング原理：一次または二次多項式温度補償式を導入するか、センサーに余分な「温度補償グレーティング」（温度のみに影響され、機械的力には影響されない）を組み込むことで、アルゴリズムを使用して、デモジュレーション端でステンレス鋼の熱膨張による追加の波長ドリフトを直接差し引き、実際のひずみデータを分離します。
- マッチング製品：
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor：弾性合金チューブでパッケージングされており、カスタマイズされた温度補償を提供できます。
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge：I型ステンレス鋼片またはアルミニウム合金片でパッケージングされており、表面実装ひずみ計の高精度測定に特化しており、耐熱クラスのカスタマイズが可能で、詳細なひずみ波長キャリブレーションが含まれています。