(57)【要約】【課題】光導波路コアを用いたセンサの感度向上。【解決手段】センサ２００は、光源１２、光ファイバ２０、プローブ３２０、光ファイバ４０、検出器５２でから成る。プローブ３２０は、ダウンテーパを有する光導波路コア３２１と、特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド３２２とから成る。光導波路コア３２１と、特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド３２２との界面で反射される光成分の光量は、特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド３２２の屈折率が低減すると増加する。光導波路コア３２１とクラッド３２２との界面で一度も反射されることなく光ファイバ４０に伝送される成分は極めて少ないため、センサ２００は、テーパを有しない光導波路コアを用いたセンサに比べてセンシング感度が向上する。【選択図】図２
2010223610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブを通過する検出光の光量の変化又はそのうちの特定波長の光量の変化、或いは光量が減少する波長を検出することにより、プローブ周囲の物質の濃度変化を検出するセンサにおいて、
前記プローブが、光硬化性樹脂を自己形成的に集光させて硬化させた光導波路コアを有することを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記光導波路コアの径が、光軸方向に対して均一でないことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記光導波路コアの径の変化が、１つのテーパであることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記検出光の経路に対し、前記光導波路コアの径がダウンテーパであることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記光導波路コアの径の変化が、アップテーパとダウンテーパを有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項６】
前記プローブが、前記光導波路コアとその表面に形成された誘電体から成る感応膜とを有し、
前記感応膜が特定の化学物質を吸着することで吸収する波長が変化するものであり、
前記検出光の特定波長の光量の変化を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記プローブが、前記光導波路コアとその表面に形成された誘電体から成る感応膜とを有し、
前記感応膜が特定の化学物質を吸着することで膨潤して屈折率が変化するものであり、
前記検出光の光量の変化を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記プローブが、前記光導波路コアとその表面に形成された金属膜とを有し、
表面プラズモン共鳴による前記検出光の光量の変化、或いは光量が減少する波長を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主として光導波路から成るプローブに検出光を導入し、その伝送光量等の変化により、プローブ周囲の物質濃度の変化等を検出するセンサに関する。
なお、本発明において自己形成光導波路とは、本願出願人らにより開発された技術であり、液状の光硬化性樹脂に光ファイバ等から硬化波長の光を照射し、硬化物により硬化波長光が集光されて、軸状のコアが形成される技術を言うものとする（以下に示す特許文献２等）。
【背景技術】
【０００２】
例えば非特許文献１には、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を用いた２種類のアミンセンサについて記載がある。
その第１は、ＰＯＦの一定長さ部分のクラッドを除去し、替わりに、検出対象であるアミン類との化学反応によって吸光度が変化する色素をドープしたポリマーをセンシング用のクラッドとして形成した吸光型センサである。
第２は、ＰＯＦの一定長さ部分のクラッドを除去し、替わりに、検出対象であるアミン類を吸着することで膨潤するポリマーをセンシング用のクラッドとして形成したセンサである。この第２のセンサは、検知対象であるアミン類がセンシング用のクラッドに吸着されることでクラッドの屈折率が減少し、当該光導波路における全反射の光が増えることを利用したものである。即ち、アミン類が存在しない場合に光の漏れが多く、アミン類が存在し、更には濃度が高くなるほど光の漏れが少なくなる。これにより、最終的に伝送される光量の増加を検出することで、アミン類の濃度を検知できる。非特許文献１にはコアをテーパ形状にすることについても記載がある。
また、特許文献１には光ファイバの途中にコアを露出させたうえで金属膜を形成し、表面プラズモン共鳴型センサとする例が記載されている。また、非特許文献２には、光ファイバの先端のコアを露出させ、端面に反射膜としての銀膜を、側面に表面プラズモン共鳴のための金膜を形成したプロープを用いた表面プラズモン共鳴型センサとする例が記載されている。非特許文献２においては、表面プラズモン共鳴により検知される光量が減少する波長の変化により、プロープ周囲の物質濃度変化を見るものである。
特許文献２は、本願出願人による先行技術文献である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１７０９２８号公報
【特許文献２】特開２００８−０８３４４７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】森澤、他、「プラスチック光ファイバーアミンセンサの開発とそれを用いた魚肉の食品鮮度」、電気学会論文誌E, Vo.125, No.9, pp. 380-386, 2005
【非特許文献２】S. Sato, et al.,“Fabrication and fundamental characteristics of fiber optic surface plasmon sensor”, 電気学会論文誌E, Vo.117, No.12, pp. 627-632, 1999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１においては、センシング用のポリマーをクラッドとして用いるため、ＰＯＦのクラッドを有機溶剤などで除去する工程が必要である。クラッド材が付与されていないコアのみのＰＯＦ（又は透明プラスチックの棒状物）に対してセンシング用のクラッド層を形成する場合は、クラッドを除去する工程は必要ないが、センシング用の光を伝送する光ファイバとの接続が必要になるため、軸調整が必要になる。一方、テーパ型センサの作製にはＰＯＦを加熱、延伸する工程が必要であり、簡易に製作できるとは言い難い。
特許文献１では、コア露出部の製造方法として、クラッドを化学薬品を用いてエッチングしてコアを露出させるか、コア材を二酸化炭素レーザ等を用いて溶融加熱し、引き伸ばすこと等により行うことを記している。これは非特許文献１と同様の理由で、簡易に製作できるとは言い難い。
【０００６】
本発明者らは、本願出願人らによる自己形成光導波路を用いることで、上記の問題を解決し、且つ新たな利点を有することを見出して本願発明を完成させた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、プローブを通過する検出光の光量の変化又はそのうちの特定波長の光量の変化、或いは光量が減少する波長を検出することにより、プローブ周囲の物質の濃度変化を検出するセンサにおいて、プローブが、光硬化性樹脂を自己形成的に集光させて硬化させた光導波路コアを有することを特徴とするセンサである。
請求項２に係る発明は、光導波路コアの径が、光軸方向に対して均一でないことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、光導波路コアの径の変化が、１つのテーパであることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、検出光の経路に対し、光導波路コアの径がダウンテーパであることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、光導波路コアの径の変化が、アップテーパとダウンテーパを有することを特徴とする。
【０００８】
請求項６に係る発明は、プローブが、光導波路コアとその表面に形成された誘電体から成る感応膜とを有し、感応膜が特定の化学物質を吸着することで吸収する波長が変化するものであり、検出光の特定波長の光量の変化を検出することを特徴とする。
請求項７に係る発明は、プローブが、光導波路コアとその表面に形成された誘電体から成る感応膜とを有し、感応膜が特定の化学物質を吸着することで膨潤して屈折率が変化するものであり、検出光の光量の変化を検出することを特徴とする。
請求項８に係る発明は、プローブが、光導波路コアとその表面に形成された金属膜とを有し、表面プラズモン共鳴による検出光の光量の変化、或いは光量が減少する波長を検出することを特徴とする。ここで光量の変化として特定波長の光量の変化が含まれるものとする。
【発明の効果】
【０００９】
従来のＰＯＦを加工してプローブとしたセンサでは、当該加工が必ずしも容易ではない。また、別途プローブを作成してその両端に光ファイバ等を接続する場合は光軸の調整が困難であった。
本発明によれば、光硬化性樹脂にレーザ光を照射するだけでセンシング用の導波路が簡単に製作できる。また、レーザ光を照射するための光ファイバの光軸に沿って導波路が成長するため、光軸調整が不要である（請求項１）。
プローブの光導波路コアを伝播する光のうち、周囲の物質と相互作用する成分が多いほど感度が良くなるが、一般的には伝播角が小さく、光導波路コアの周囲と相互作用しない成分が多い。そこで、光導波路コアをテーパ形状や腹と節のある波打ち形状などとすることによって、伝播角（又は光導波路コアとその外周との界面への入射角）を光導波路コアの周囲と相互作用しやすい成分に変換させることができる（請求項２乃至５）。
【００１０】
本発明の光導波路コアは、そのままプローブとして用いても良いが、周囲を感応膜又は金属膜で覆うことで様々な物理現象を利用したセンサプローブとすることが可能である（請求項６乃至８）。
以下に説明する通り、表面プラズモン共鳴を利用する場合は腹と節のある波打ち形状を繰り返すものが好ましく、その他の場合は、検出光が伝搬する方向にコアの径が小さくなるダウンテーパが特に好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の具体的な一実施例に係るセンサ１００の構成図（断面図）。
【図２】本発明の具体的な一実施例に係るセンサ２００の構成図（断面図）。
【図３】本発明の具体的な一実施例に係るセンサ３００の構成図（断面図）。
【図４】本発明の効果を説明するための４つの図。
【図５】本発明の効果を説明するための４つのグラフ図。
【図６】本発明の実施例４における光導波路コア８１を形成する際の実験構成図。
【図７】実施例４における３種類の光導波路コア８１の写真図。
【図８】実施例４におけるセンサ４００の構成図（断面図）。
【図９】実施例４における３種類の光導波路コア８１の、周囲の油脂の屈折率と透過率の測定結果を示すグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明が適用されるセンサ構造は、公知の任意の技術を組み合わせることを排除するものではない。よって、検出対象となる化学物質等も、当該公知の技術に対応して公知の任意の検出対象が本発明の適用範囲となる。
クラッドを用いる場合、その材料も、公知の任意の技術を適用可能である。例えば極性分子を吸着する感応膜として、高分子多層膜（累積膜）を用いても良い。この作製に用いる典型的な高分子材料としては、例えばＰｏｌｙ（ｄｉａｌｌｙｌｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｃｈｌｏｒｉｄｅ），Ｐｏｌｙ（ａｃｒｙｌｉｃ  ａｃｉｄ），Ｐｏｌｙ（ｓｏｄｉｕｍ  ４−ｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ），Ｐｏｌｙ（ａｌｌｙｌａｍｉｎｅ  ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｄｅ），Ｐｏｌｙ［１−［４−（３−ｃａｒｂｏｘｙ−４−ｈｙｄｒｏｘｙｐｈｅｎｙｌａｚｏ）ｂｅｎｚｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｍｉｄｏ］−１，２−ｅｔｈａｎｅｄｉｙｌ，  Ｐｏｌｙ（ｐ−ｘｙｌｅｎｅ  ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｔｈｉｏｐｈｅｎｉｕｍ  ｃｈｌｏｒｉｄｅ），Ｃｈｉｔｏｓａｎ，Ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ），Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ  ｓｕｌｆａｔｅ），Ｐｏｌｙ（４−ｖｉｎｙｌｐｈｅｎｏｌ），Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｉｍｉｎｅ，Ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ  ａｃｉｄ，Ｄｅｘｔｒａｎなどが挙げられる。その他クラッド材料は、検出対象である化学物質等を選択的に吸着、吸収、或いは反応する公知の任意の材料を適用できる。
【００１３】
本発明は、本願出願人が自己形成光導波路に関して出願した先行出願に記載された、任意の光硬化性樹脂を用いることができる。また、自己形成光導波路の作製方法は、公知の如何なる技術をも排除するものではない。
例えば特開２００４−１４９５７９号に記載の光硬化性樹脂は次のものである。
構造単位中にフェニル基等の芳香族環を一つ以上含んだものが高屈折率、脂肪族系のみからなる場合は低屈折率となる。屈折率を下げるために構造単位中の水素の一部をフッ素に置換したものであっても良い。
脂肪族系としてはエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール等の多価アルコールが挙げられる。
芳香族系としてはビスフェノールＡ、ビスフェノールＳ、ビスフェノールＺ、ビスフェノールＦ、ノボラック、o-クレゾールノボラック、p-クレゾールノボラック、p-アルキルフェノールノボラック等の各種フェノール化合物等が挙げられる。
これら、あるいはこれらから任意に１種乃至複数種選択された多価アルコールのオリゴマー（ポリエーテル）の構造を有する比較的低分子（分子量３０００程度以下）骨格に、反応基として次の官能基等を導入したものを使用できる。
〔ラジカル重合性材料〕
ラジカル重合性材料としては、ラジカル重合可能なアクリロイル基等のエチレン性不飽和反応性基を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する光重合性モノマー及び／又はオリゴマーを使用できる。エチレン性不飽和反応性基を有するものの例としては、（メタ）アクリル酸エステル、イタコン酸エステル、マレイン酸エステル等の共役酸エステルを挙げることができる。
〔カチオン重合性材料〕
カチオン重合性材料としては、カチオン重合可能なオキシラン環（エポキシド）、オキセタン環等の反応性エーテル構造を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する、光重合性のモノマー及び／又はオリゴマーを使用できる。オキシラン環（エポキシド）としては、オキシラニル基の他、3,4-エポキシシクロヘキシル基なども含まれる。またオキセタン環とは、４員環構造のエーテルである。
【００１４】
〔ラジカル重合開始剤〕
ラジカル重合開始剤は、光によって活性化し、ラジカル重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るラジカル重合性材料の重合反応を開始させる化合物である。具体例としては、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル及びベンゾインプロピルエーテル等のベンゾイン類、アセトフェノン、2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン、2,2-ジエトキシ-2-フェニルアセトフェノン、1,1-ジクロロアセトフェノン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2-メチル-1-(4-(メチルチオ)フェニル)-2-モルホリノプロパン-1-オン及びN,N-ジメチルアミノアセトフェノン等のアセトフェノン類、2-メチルアントラキノン、1-クロロアントラキノン及び2-アミルアントラキノン等のアントラキノン類、2,4-ジメチルチオキサントン、2,4-ジエチルチオキサントン、2-クロロチオキサントン及び2,4-ジイソプロピルチオキサントン等のチオキサントン類、アセトフェノンジメチルケタール及びベンジルジメチルケタール等のケタール類、ベンゾフェノン、メチルベンゾフェノン、4,4'-ジクロロベンゾフェノン、4,4'-ビスジエチルアミノベンゾフェノン、ミヒラーズケトン及び4-ベンゾイル-4'-メチルジフェニルサルファイド等のベンゾフェノン類、並びに2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド等が挙げられる。尚、ラジカル重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。
〔カチオン重合開始剤〕
カチオン重合開始剤は光によって活性化し、カチオン重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るカチオン重合性材料の重合反応を開始させる化合物である。具体例としては、ジアゾニウム塩、ヨードニウム塩、スルホニウム塩、セレニウム塩、ピリジニウム塩、フェロセニウム塩、ホスホニウム塩、チオピリニウム塩が挙げられるが、熱的に比較的安定であるジフェニルヨードニウム、ジトリルヨードニウム、フェニル(p-アニシル)ヨードニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)ヨードニウム、ビス(p-クロロフェニル)ヨードニウムなどの芳香族ヨードニウム塩、ジフェニルスルホニウム、ジトリルスルホニウム、フェニル(p-アニシル)スルホニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)スルホニウム、ビス(p-クロロフェニル)スルホニウムなどの芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤が好ましい。芳香族ヨードニウム塩および芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤を使用する場合、アニオンとしてはBF4-、AsF6-、SbF6-、PF6-、B(C6F5)4-などが挙げられる。尚、カチオン重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。
【実施例１】
【００１５】
図１は実施例１に係るセンサ１００の構成をプローブの拡大図（断面図）と共に示す構成図である。センサ１００の構成は、光源１１、光源１１の光を導入するための光ファイバ２０、プローブ３１０、プローブで漏れなかった光を伝送するための光ファイバ４０、光量、或いは波長毎の光量の変化を検出する検出器５１である。なお、光源１１の光を参照光として検出器５１に導入するものを排除するものではないが、図１及び以下の図面では省略して記載した。
光ファイバ２０はコア２１とクラッド２２とから成り、光ファイバ４０はコア４１とクラッド４２とから成る。
プローブ３１０は、テーパを有する光導波路コア３１１と、色素を混入した誘電体から成るクラッド３１２とから成る。テーパを有する光導波路コア３１１は、光ファイバ２０と接続される端部が最も径が太く、光ファイバ４０と接続される端部が最も径が細い。こうして、光ファイバ２０から導入された光はその進行方向に対してダウンテーパである光導波路コア３１１を伝送し、光ファイバ４０に導かれる。この際、光導波路コア３１１と、色素を混入したクラッド３１２との界面に入射する光成分は、その一部がクラッド３１２に混入した色素に吸収される。本実施例のセンサ１００は、例えば非特許文献１に記載されたアミン類と選択的に結合した際に特定波長の光吸収が生じる色素をプローブ３１０のクラッド３１２に混入することで、例えば空気中のアミン類のセンサとして使用できる。
【００１６】
ここで、プローブ３１０は、ダウンテーパを有する光導波路コア３１１と、色素を混入したクラッド３１２とから成るので、光ファイバ２０から導入された光は光導波路コア３１１と色素を混入したクラッド３１２との界面に入射する成分が多い。即ち、光導波路コア３１１と色素を混入したクラッド３１２との界面で一度も反射されることなく光ファイバ４０に伝送される成分は極めて少ない。このため、本実施例のセンサ１００は、非特許文献１に記載されたテーパを有しない光導波路コアを用いたセンサに比べてセンシング感度が向上する。
この効果については、実施例２のセンサ２００の構成と実施例３のセンサ３００の構成を述べた後に説明する。
【実施例２】
【００１７】
図２は実施例２に係るセンサ２００の構成をプローブの拡大図（断面図）と共に示す構成図である。センサ２００の構成は、光源１２、光源１２の光を導入するための光ファイバ２０、プローブ３２０、プローブで漏れなかった光を伝送するための光ファイバ４０、光量、或いは波長毎の光量の変化を検出する検出器５２である。なお、光源１２の光を参照光として検出器５２に導入するものを排除するものでないことは実施例１と同様である。また、光ファイバ２０と光ファイバ４０の構成も実施例１と同様である。
プローブ３２０は、テーパを有する光導波路コア３２１と、特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド３２２とから成る。テーパを有する光導波路コア３２１は、光ファイバ２０と接続される端部が最も径が太く、光ファイバ４０と接続される端部が最も径が細い。こうして、光ファイバ２０から導入された光はその進行方向に対してダウンテーパである光導波路コア３２１を伝送し、光ファイバ４０に導かれる。この際、光導波路コア３２１と、特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド３２２との界面で反射される光成分の光量は、特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド３２２の屈折率が低減すると増加する。本実施例のセンサ２００は、例えば非特許文献１に記載されたアミン類を選択的に吸着して屈折率が低下する高分子（誘電体）をプローブ３２０のクラッド３２２として用いることで、例えば空気中のアミン類のセンサとして使用できる。
【００１８】
ここで、プローブ３２０は、ダウンテーパを有する光導波路コア３２１と、クラッド３２２とから成るので、光ファイバ２０から導入された光は光導波路コア３２１とクラッド３２２との界面に入射する成分が多い。即ち、光導波路コア３２１とクラッド３２２との界面で一度も反射されることなく光ファイバ４０に伝送される成分は極めて少ない。このため、本実施例のセンサ２００は、非特許文献１に記載されたテーパを有しない光導波路コアを用いたセンサに比べてセンシング感度が向上する。
この効果については、実施例３のセンサ３００の構成を述べた後に説明する。
【実施例３】
【００１９】
図３は実施例３に係るセンサ３００の構成をプローブの拡大図（断面図）と共に示す構成図である。センサ３００の構成は、光源１３、光源１３の光を導入するための光ファイバ２０、プローブ３３０、プローブで漏れなかった光を伝送するための光ファイバ４０、波長毎の光量の変化を検出する検出器５３である。なお、光源１３の光を参照光として検出器５３に導入するものを排除するものでないことは実施例１及び２と同様である。また、光ファイバ２０と光ファイバ４０の構成も実施例１及び２と同様である。
プローブ３３０は、その径が増減する光導波路コア３３１と、金属膜３３５とから成る。その径が増減する光導波路コア３３１は、光ファイバ２０と接続される端部から光ファイバ４０と接続される端部までの間にアップテーパとダウンテーパを繰り返す。こうして、光ファイバ２０から導入された光はその進行方向に対してアップテーパとダウンテーパを繰り返す光導波路コア３３１を伝送し、光ファイバ４０に導かれる。この際、光導波路コア３３１と金属膜３３５との界面で反射される光は、金属膜３３５の外周の物質が異なると、表面プラズモン共鳴により吸収されて伝送量が減る光の波長が異なる。本実施例のセンサ３００は、例えば非特許文献２及び特許文献１に記載されたセンサとして使用できる。
【００２０】
ここで、プローブ３３０は、アップテーパとダウンテーパを繰り返す光導波路コア３３１と、金属膜３３５とから成るので、光ファイバ２０から導入された光はアップテーパとダウンテーパを繰り返す光導波路コア３３１と金属膜３３５との界面で表面プラズモン共鳴を起こす成分成分が多くなる。このため、本実施例のセンサ３００は、非特許文献２や特許文献１に記載されたテーパを有しない光導波路コアを用いたセンサに比べてセンシング感度が向上する。
この効果については、以下に説明する。
【００２１】
〔テーパを有しない場合の感度への寄与について〕
まず、プローブがテーパを有しない場合に伝送される光の、光軸方向に対する角度に対してセンサ感度に寄与する成分について考察する。伝搬角Φの大きさを、プローブの長手方向である光軸に対する角度として説明する。
図４．Ａは非特許文献１のような、誘電体から成るクラッドの反射強度が問題となる場合についての説明図である。
図４．Ａのように、伝搬角Φが０付近の光成分は、プローブを伝搬する際にコア／クラッド界面への入射がほとんど期待できない。このため、伝搬角Φが０付近の光成分は、センサの感度に寄与しないと考えられる。
【００２２】
図４．Ｂは非特許文献２は特許文献１のような、金属膜での表面プラズモン共鳴が問題となる場合の説明図である。良く知られているように、金属膜での表面プラズモン共鳴においては、金属膜での反射における入射角が所定の場合に生ずるとされている。このため、センサの感度に寄与するのは、図４．Ｂのように極めて限られた成分であって、他の角度成分は、センサの感度に寄与しない。
【００２３】
ここでプローブがテーパを有する場合、プローブへの入射光の伝搬角の分布が図４．Ｃの実線のようであったとしても、プローブからの出射光の伝搬角の分布は図４．Ｃの破線のようになる。これは図４．Ｄに示す通り、テーパが光軸とτの角を成すとき、光軸とφの角を成す光がテーパで反射される場合、テーパと成す角がφ＋τとなり（テーパへの入射角θがθ＝π／２−φ−τ）、その反射光が光軸と成す角はφ＋２τとなって増加するからである。これは図４．Ｄに示す通り、ダウンテーパで反射されるたびに２τずつ伝搬角が増加する。
【００２４】
伝搬角がダウンテーパで増加して伝搬角Φが０付近の成分が減った場合に、どのような効果があるかを説明する。
図５．Ａは図４．Ａ、図４．Ｂと同様に伝搬角Φと光強度の関係を示した分布図である。今、伝搬角φ0を越すと、伝送の際にコア界面で全反射しないものとする。
図５．Ｂは図４．Ｃと同様にダウンテーパにより伝搬角Φが０付近の成分が減った場合の、伝搬角Φと光強度の関係を示した分布図である。伝送の際にコア界面で全反射しない伝搬角を図５．Ａと合わせてφ0とした。即ち、伝搬角Φがφ0を超えた成分は、プローブを通過できない。
【００２５】
〔考察のポイント〕
ここで、プローブを伝送可能な伝搬角が、φ0からφ1、φ2と減る場合を考える。図５．Ｃと図５．Ｄを比較すると分かるように、プローブを伝送可能な伝搬角が小さくなると、伝搬角Φが０付近の成分が少ない、図５．Ｄのほうが、伝送される光強度が大きく減少することとなる。実際、図５．Ｃにおける、伝搬角φ0からφ1（及び−φ0から−φ1）の光量である分布図の面積よりも、図５．Ｄにおける、伝搬角φ0からφ1（及び−φ0から−φ1）の光量である分布図の面積の方が大きく、伝搬角がφ0からφ1に減少することで、図５．Ｃの分布図での伝送光量の減少割合よりも図５．Ｄの分布図での伝送光量の減少割合が大きい。更に伝搬角がφ1からφ2に減少した場合も同様である。
プローブを伝送可能な伝搬角が、φ0からφ1、φ2と減る場合には、例えばコアの屈折率が一定でクラッドの屈折率が増加する場合が該当する。逆に、コアの屈折率が一定でクラッドの屈折率が減少する場合はプローブを伝送可能な伝搬角が増える。
実施例２で示した、例えば非特許文献１と同様にクラッドの屈折率変化（減少）を検出するセンサの場合には図５．Ｂの分布となっているので、非特許文献１のテーパの無い図５．Ａの分布であるセンサに比較して感度が向上すると考えられる。
【実施例４】
【００２６】
上記の考察の妥当性を確認するため、次のような実験を行った。
図６に示す構成で、プローブとなる露出型のコア８１を形成した。
光源６１は波長４５７ｎｍのＤＰＳＳ（半導体励起固体）レーザ（Ｍｅｌｌｅｓ  Ｇｒｉｏｔ  ５８−ＢＳＤ−３０５）であり、ここから出射したビームの径をビームエキスパンダ６２で拡大し、後段の集光用対物レンズ６３の有効径より大きくして対物レンズ６３に入射させる。集光用対物レンズ６３の出射光を光ファイバ４０の入射端に入射させた。光ファイバ４０としてはコア径２００μｍのＰＣＳ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｃｌａｄ  Ｓｉｌｉｃａ）を用いた。光ファイバ４０の出射端は導波路作製用のプラスチックセル７０（材質：ＰＭＭＡ）にＬＣ型コネクタ７４を介して接続され、プラスチックセル７０にはアクリル系の光硬化性樹脂８０が充填されている。なお、光ファイバ４０の出射端と光硬化性樹脂８０の間には厚さ約０．５ｍｍのプラスチックセル７０の壁があり直接接していないため、光ファイバ４０とプラスチックセル７０の切り離しは簡単に行える。光ファイバから出射した光は光硬化性樹脂８０中に照射され、樹脂が硬化した後、未硬化の樹脂を有機溶剤を用いて除去し、センシング用の光導波路８１とした。この時、光ファイバ４０照射光の遠視野像（ＦＦＰ：  Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）によって導波路のテーパ角が変化することは特許文献２に記載されている。今回はＦＦＰの半値全幅が３３°となるように対物レンズ６３と光ファイバ４０の入射端の位置を調整し、光ファイバ４０の出射端からの光強度を１ｍＷ〜５ｍＷで導波路を作製した。
【００２７】
図７に、プラスチックセル７０内に作製した光導波路８１の写真を示す。Ｎｏ．１、Ｎｏ．２は導波路長が１５ｍｍであり、Ｎｏ．１は若干のテーパがあるものの比較的均一な径、Ｎｏ．２は波打ち形状となっている。Ｎｏ．３は導波路長が９ｍｍで明確にテーパが形成されている。３つの光導波路８１を用い、その周囲に屈折率を調整したマッチングオイルを充填してクラッドとし、屈折率変化に対する透過率の測定を行った。
【００２８】
図８は本発明の具体的な一実施例に係るセンサ４００の構成をプローブの拡大図（断面図）と共に示す構成図である。
センサ４００の構成は、光源１４、光源１４の光を導入するための光ファイバ２０、露出した光導波路コアから成るプローブ８１、プローブで漏れなかった光を伝送するための光ファイバ４０、光量の変化を検出する検出器５４である。
光源１４には白色ランプ光源（ＡＮＤＯ  ＡＱ−４３０３Ｂ）を用いた。光ファイバ２０としては、導波路への入射角度分布を安定させるため、ＰＯＦ（三菱レイヨン、エスカプレミア、ＮＡ＝０．５）を支柱に巻きつけて作製したモードスクランブラを介して、プローブである露出型の光導波路コア８１に入射させた。光ファイバ４０は光導波路コア８１を作成したときのＰＣＳ光ファイバをそのまま使用した。検出器５４としては光スペクトルアナライザ（ＡＮＤＯ  ＡＱ−６３１５Ｂ）を用いた。
【００２９】
光強度は波長５９０ｎｍで測定した。３種類の露出した光導波路コア８１毎に、周囲が空気の場合（屈折率１）の伝送光量を基準として、周囲に屈折率１．５０、１．５３、１．５４の３種類のマッチングオイルを満たした場合の伝送光量の比を透過率として求めた。３種類の露出した光導波路コア８１の屈折率は全て１．５５である。なお、これらの屈折率の値は全て波長５８８ｎｍにおける値である。
【００３０】
図９に結果を示す。３種類の光導波路コア８１のいずれも、マッチングオイルの屈折率が大きくなることで透過率が低下していることが分かる。また、比較的導波路径が均一なＮｏ．１のサンプルに対して、テーパが大きいＮｏ．２や、波打ち（アップテーパとダウンテーパの繰り返し）のあるＮｏ．３のサンプルは、いずれも透過率の変化が大きいことがわかる。従って、導波路の形状によって、伝播光の分布に変化が生じ感度が向上していると考えられる。即ち、上記考察が妥当であることが示された。
【００３１】
〔考察について〕
実施例４のデータから、図５を用いて示した考察の妥当性が示されたが、この考察は、実施例１乃至３の、テーパを有するコアが露出していないプローブを用いたセンサについてもほぼ同様に当てはまる。即ち、図４で示した通り、実施例１、２のセンサをテーパを有しないコアに変えた場合、プローブのコアとクラッド界面との成す角が小さい（界面への入射角が大きい）光成分がセンサ感度に寄与していなかったが、本発明のテーパを有するコア（実施例１、２）においては、プローブのコアとクラッド界面との成す角が小さい（界面への入射角が大きい）光成分の割合が減少するので、センサ感度に寄与する光成分の割合が増加する。即ち、本発明のテーパを有するコアを有するプローブは、テーパを有しないコアを有するプローブに比較してセンサ感度が向上する。
実施例３については、直接的には論理付けられないが、アップテーパとダウンテーパを繰り返すコアにより、プローブに入射した段階では表面プラズモン共鳴を生じない伝搬角であった光成分が表面プラズモン共鳴を生じうる伝搬角に変換されるので、アップテーパとダウンテーパを繰り返すコアを用いないセンサに比較して、センサ感度が向上すると結論付けられる。
【００３２】
実施例４においては、屈折率１．５以上のマッチングオイルを用いて評価したが、光導波路コア８１の材料に屈折率の低いものを用いることで、水、エタノール、ヘキサン、トルエン、ベンゼンなど、屈折率が１．３程度の物質も検出することが可能である。また、実施例１乃至３の構成を用いると、プローブ周囲のガスも検出可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、呼気中のエタノールセンサその他のガスセンサ、液体中の不純物センサとして用いることが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
３１０、３２０、３３０：プローブ
３１１、３２１：テーパを有する光導波路コア
３３１：アップテーパとダウンテーパを繰り返す光導波路コア
３１２：特定の化学物質を吸着して、吸収光の波長が変化する色素を混入したクラッド
３２２：特定の化学物質を吸着して膨潤するクラッド
３３５：金属膜
８１：露出型のコア（を用いたプローブ）
【図１】
2010223610.tif 000003
【図２】
2010223610.tif 000004
【図３】
2010223610.tif 000005
【図４】
2010223610.tif 000006
【図５】
2010223610.tif 000007
【図６】
2010223610.tif 000008
【図８】
2010223610.tif 000009
【図９】
2010223610.tif 000010
【図７】
2010223610.tif 000011