(57)【要約】【課題】光ファイバーの所望とする箇所に、より容易にセンサ部が配置できるようにする。【解決手段】光源１０４からの光を光ファイバー１０１の一端より入射して光ファイバー１０１に導波する光を、光ファイバー１０１に設けた屈曲部１０２より漏れさせ、この漏れ光を検出部１０３に光結合させて導入し、検出部１０３に設けた感応物質に作用させる。検出部１０３に設けた感応物質に作用し、戻し構造である反射部１３１で反射して光ファイバー１０１に戻された光は、光ファイバー１０１の他端に設けられた測定部１０５で測定される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーと、
前記光ファイバーに設けられて前記光ファイバーの一端から入射した導波光の漏れ光が発生する屈曲部と、
前記漏れ光が透過する材料から構成され、前記漏れ光が漏れる方向である前記屈曲部の凸方向に設けられた検出部と、
前記屈曲部より漏れ出して前記検出部を伝搬する伝搬光に作用する状態に前記検出部に設けられ、検出対象の物質と反応する感応物質と、
前記検出部に設けられて前記伝搬光を前記光ファイバーに戻す戻し構造と
を備えることを特徴とする光ファイバーセンサ。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバーセンサにおいて、
前記戻し構造は、前記検出部に設けられた反射構造であることを特徴とする光ファイバーセンサ。
【請求項３】
請求項１記載の光ファイバーセンサにおいて、
前記戻し構造は、前記検出部に設けられた屈折率が変化する屈折率変化構造であることを特徴とする光ファイバーセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバーセンサにおいて、
前記感応物質は、前記検出部に添加されていることを特徴とする光ファイバーセンサ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバーセンサにおいて、
前記感応物質は、前記検出部の表面に形成されていることを特徴とする光ファイバーセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ファイバーセンサにおいて、
前記光ファイバーの他端より出射する光の光量を測定する測定部を備えることを特徴とする光ファイバーセンサ。
【請求項７】
導波光の漏れ光が発生する屈曲部を備える光ファイバーの一端から前記導波光を入射する第１工程と、
前記漏れ光が透過する材料から構成された検出部に、前記光ファイバーの一端から入射して前記屈曲部を漏れ出した光を伝搬させ、検出部を伝搬する伝搬光を前記検出部に設けられた検出対象の物質と反応する感応物質に作用させる第２工程と、
前記感応物質に作用した前記伝搬光を前記検出部に設けられた戻し構造により前記光ファイバーに戻す第３工程と、
前記光ファイバーの他端より出射する光の光量を測定する第４工程と
を備えることを特徴とする検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバーを用いて水素などの検出対象の物質を検出する光ファイバーセンサおよび検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
検出対象の物質を検出するセンサ部を光ファイバーで構成した光ファイバーセンサが用いられている。光ファイバーセンサは、遠距離の敷設が可能であり、センサ部の電源が不要である。このような特徴を備える光ファイバーセンサにおいて、センサ部の構成には、現在、３つの種類が提案されている。
【０００３】
第１に、センサ部を構成する光ファイバーのコアに生じた歪みにより発生する散乱光を検出する構成がある。この構成では、検出対象との反応や検出対象の吸着により形状変化する感応膜を用いる。このような感応膜を、センサ部を構成する光ファイバーの外周部に付与する。検出対象との作用により外周部に付与した感応膜が形状変化した際に生じる歪みを、光ファイバーを導波する光の変化として検出する。
【０００４】
第２に、センサ部を構成する光ファイバーのクラッドにしみ出したエバネッセント光を利用する構成がある。この構成では、検出対象との反応や検出対象の吸着により、光学的な特性が変化する感応物質を用いる。センサ部を構成する光ファイバーのクラッド層を一部除去し、クラッド層を除去した部分に、上記感応物質をクラッドとして設ける。この構成において、センサ部を通過する導波光のコアをしみ出すエバネッセント光における、強度変化や位相変化から、検出対象の物質を検出する。
【０００５】
第３に、センサ部を構成する光ファイバーの断面に感応膜を付与する構成がある。この構成では、感応膜を付与した光ファイバー端面を検出プローブとして用いる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０７０９２２号
【特許文献２】国際公開第２００９／１５４２１６号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】岡崎  慎司  他、「光ファイバを用いた水素センサの開発動向」、表面技術、vol.57, no.4、pp.250-256, ２００６年。
【非特許文献２】鈴木 勝晶  他、「R15心線に対応した光ファイバ心線対照技術」、 NTT技術ジャーナル、vol.19, no.4, pp.54-55, ２００７年。
【非特許文献３】http://www.agc.com/kagaku/shinsei/cytop/optical.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した技術では、光ファイバーを加工してセンサ部を形成している。このため、センサ部を予め形成しておくことになり、光ファイバーを敷設した後で、センサ部を決定することが容易ではない。光ファイバーセンサの特徴を生かし、敷設現場で適宜センシングすることが要求されているが、従来の技術では、このような要求に対応することが容易ではない。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光ファイバーの所望とする箇所に、より容易にセンサ部が配置できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光ファイバーセンサは、光ファイバーと、光ファイバーに設けられて光ファイバーの一端から入射した導波光の漏れ光が発生する屈曲部と、漏れ光が透過する材料から構成され、漏れ光が漏れる方向である屈曲部の凸方向に設けられた検出部と、屈曲部より漏れ出して検出部を伝搬する伝搬光に作用する状態に検出部に設けられ、検出対象の物質と反応する感応物質と、検出部に設けられて伝搬光を光ファイバーに戻す戻し構造とを備える。
【００１１】
上記光ファイバーセンサにおいて、戻し構造は、検出部に設けられた反射構造であればよい。また、戻し構造は、検出部に設けられた屈折率が変化する屈折率変化構造であってもよい。
【００１２】
上記光ファイバーセンサにおいて、感応物質は、検出部に添加されていればよい。また、感応物質は、検出部の表面に形成されていてもよい。
【００１３】
上記光ファイバーセンサにおいて、光ファイバーの他端より出射する光の光量を測定する測定部を備える。
【００１４】
また、本発明に係る検出方法は、導波光の漏れ光が発生する屈曲部を備える光ファイバーの一端から導波光を入射する第１工程と、漏れ光が透過する材料から構成された検出部に、光ファイバーの一端から入射して屈曲部を漏れ出した光を伝搬させ、検出部を伝搬する伝搬光を検出部に設けられた検出対象の物質と反応する感応物質に作用させる第２工程と、感応物質に作用した伝搬光を検出部に設けられた戻し構造により光ファイバーに戻す第３工程と、光ファイバーの他端より出射する光の光量を測定する第４工程とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したことにより、本発明によれば、光ファイバーの所望とする箇所に、より容易にセンサ部が配置できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における光ファイバーセンサの構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における光ファイバーセンサの構成を示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における光ファイバーセンサを用いた測定構造の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における光ファイバーセンサを用いた水素検出実験の測定結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図１，図２を参照して説明する。図１および図２は、本発明の実施の形態における光ファイバーセンサの構成を示す構成図である。この光ファイバーセンサは、光ファイバー１０１、屈曲部１０２、検出部１０３を備える。この光ファイバーセンサは、光源１０４から出射した光源光を、光ファイバー１０１の一端に入射させ、光ファイバー１０１の他端より出射する光の光量を測定部１０５で測定する。
【００１８】
屈曲部１０２は、光ファイバー１０１に設けられている。屈曲部１０２では、光源１０４より出射して光ファイバー１０１の一端から入射した導波光の漏れ光が発生する構成とされている。漏れ光は、屈曲部１０２の凸となる方向に漏れる光である。よく知られているように、光ファイバー１０１は、この最小曲げ半径以上に曲げることで、導波する光が漏れ出し、漏れ出した漏れ光を用いて測定が可能である（非特許文献２参照）。屈曲部１０２は、所定の曲率半径とした湾曲部とすればよい。
【００１９】
検出部１０３は、漏れ光が透過する材料から構成され、漏れ光が漏れる方向である屈曲部１０２の凸方向に設けられている。検出部１０３は、例えば、ガラスや透光性を有するプラスチックから構成できる。検出部１０３は、光ファイバー１０１と同質の母材から構成するとよい。このようにすることで、屈曲部１０２より漏れ出して検出部１０３を伝搬する伝搬光１２１の、フレネル反射・材料分散などによる伝送損失が抑制できるようになる。
【００２０】
また、検出部１０３は、屈曲部１０２の凸側で屈曲部１０２に接続している。例えば、円弧とした屈曲部１０２と同形状（屈曲部１０２に沿う形状）の凹部を検出部１０３における光ファイバー接続部とし、凹部とした光ファイバー接続部に屈曲部１０２を接続すればよい。
【００２１】
例えば、直方体に形成した検出部１０３の母体の１つの側面を、屈曲部１０２の凸形状に合わせて凹部に加工する。形成した凹部に屈曲部１０２の凸形状を嵌合させればよい。例えば、形成した凹部に、光ファイバー１０１の所定箇所を押し付けて沿わせるように密着させれば、屈曲部１０２が凹部に嵌合した状態となる。屈曲部１０２と検出部１０３との接続は、これらをこの箇所で接触（密着）させてもよく、また、光ファイバー１０１のクラッドと同値の屈折率を有する液体を介して接触させてもよい。
【００２２】
また、検出部１０３には、図示していないが、検出対象の物質と反応する感応物質が設けられている。感応物質は、屈曲部１０２より漏れ出して検出部１０３を伝搬する伝搬光１２１に作用する状態に、検出部１０３に設けられている。例えば、感応物質は、検出部１０３に添加されていればよい。例えば、水素を検出する場合、水素感応物質であるパラジウム、貴金属触媒担持タングステンなどが添加されていればよい（特許文献２参照）。また、感応物質は、検出部１０３の表面に形成されていてもよい。例えば、屈曲部１０２の凸側に向き合う検出部１０３の側面に、感応物質を接して設ければよい。また、屈曲部１０２が接している領域以外の検出部１０３の表面全域に、感応物質を接して設けるようにしてもよい。
【００２３】
また、検出部１０３には、屈曲部１０２で漏れて検出部１０３を伝搬する伝搬光１２１を、光ファイバー１０１に戻す戻し構造が設けられている。戻し構造は、図１に示すように、検出部１０３に設けられた反射部１０３ａである。
【００２４】
また、戻し構造は、検出部１０３に設けられた屈折率が変化する屈折率変化構造であってもよい。例えば、図２に示すように、屈曲部１０２より離れる方向に屈折率（屈折率分布）が徐々に小さくなる屈折率変化構造を検出部１０３に設ければよい。なお、屈折率分布は、直線的に低下する構成としてもよい。
【００２５】
例えば、図２に示す屈折率の変化と同様に濃度分布が変化するように、高屈折率材料を検出部１０３に添加することで、屈折率変化構造とすればよい。例えば、ガラスを母材として検出部１０３を構成する場合、ガラス製の光ファイバーと同様に、高屈折率のゲルマニウムやリンを用い、屈曲部１０２に近づくほど添加する濃度を高くすればよい。また、ガラスを母材として検出部１０３を構成し、低屈折率のホウ素やフッ素を添加するようにしてもよい。この場合、上述した濃度分布とは逆に、屈曲部１０２より離れほど添加する濃度を高くすればよい。材料分散を小さくするためには、光ファイバー１０１の母材と同物質を用いた方が好ましい。
【００２６】
また、２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレートとメチルメタクリレートを含むモノマーの共重合体より検出部１０３を構成し、２，２，２−トリフルオロエチルメタクリレートの含有割合を変化させることで、屈折率変化構造としてもよい（特許文献１参照）。また、プラスチックから検出部を構成し、低屈折率のサイトップ（登録商標）（非特許文献３参照）を、分布を付けて添加することにより屈折率変化構造としてもよい。
【００２７】
上述した実施の形態における光ファイバーセンサを用いることで、次に示すように検出対象の物質を検出する。
【００２８】
まず、第１工程で、光源１０４からの光源光を光ファイバー１０１の一端から導波光を入射する。
【００２９】
次に、第２工程で、検出部１０３に、光ファイバー１０１の一端から入射した導波光の漏れ光を伝搬させ、これにより検出部１０３を伝搬する伝搬光１２１を検出部１０３に設けられた感応物質に作用させる。光ファイバー１０１に導波する光を、光ファイバー１０１に設けた屈曲部１０２より漏れさせ、この漏れ光を検出部１０３に光結合させて導入して伝搬させて伝搬光１２１とし、伝搬光１２１を検出部１０３に設けた感応物質に作用させる。
【００３０】
次に、第３工程で、感応物質に作用した伝搬光１２１を、検出部１０３に設けられた戻し構造により光ファイバー１０１に戻す。例えば、検出部１０３に設けた感応物質に作用た伝搬光１２１を、戻し構造である反射部１０３ａで反射させて光ファイバー１０１に戻戻す。
【００３１】
次に、第４工程で、光ファイバー１０１の他端より出射する光の光量を、測定部１０５で測定する。上述したように、検出部１０３を伝搬（透過）して感応物質に作用し、この後で光ファイバー１０１に戻された光が、光ファイバー１０１の他端に設けられた測定部１０５で測定される。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態における光ファイバーセンサを用いた水素検出について、図３を用いて説明する。この測定では、実施の形態における光ファイバーセンサの屈曲部１０２および検出部１０３よりなるセンサ部を、容器３０１に収容する。容器３０１には検出対象の水素ガスが導入される導入口３０２が設けられている。また、容器３０１には、排出口３０３が設けられている。また、検出部１０３には、感応物質としてＰｔ／ＷＯ3を添加している。また、光源１０４は、波長１．３μｍの光を出射する。また、測定部１０５は、よく知られた光パワーメータである。
【００３３】
測定実験においては、１ｖｏｌ.％の水素ガスを導入口３０２から容器３０１の内部に導入した。測定結果を図４に示す。図４に示すように、測定開始より、水素を導入しはじめた５００秒後から、測定部１０５で測定される光量（伝搬光量）が減衰するという結果が得られた。この結果より、実施の形態の光ファイバーセンサによる、漏れ光を用いた水素検出が実現されたことが確認された。
【００３４】
以上に説明したように、本発明によれば、光ファイバーに設けた屈曲部より漏れる漏れ光を、検出部に光結合させて伝搬させ、この伝搬光を検出部に設けた感応物質に作用させるようにしたので、光ファイバーの所望とする箇所に、より容易にセンサ部が配置できるようになる。本発明によれば、光ファイバー自体に加工を施すことなく、検出が可能となる。検出部に、例えば、対象物質に応じた感応物質を添加すれば、水素をはじめ様々なガスの検出に応用できる。また、本発明によれば、光ファイバー自体に事前加工をする必要が無いので、敷設現場にて検出地点を決定することができる。また、光ファイバーを用いてより長い領域をセンサ部として利用することが容易である。
【００３５】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、反射部と屈折率変化構造とを組み合わせて戻し構造としてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０１…光ファイバー、１０２…屈曲部、１０３…検出部、１０４…光源、１０５…測定部、１０３ａ…反射部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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