(57)【要約】  【解決手段】  蓄電装置の充電状態を光ファイバーによってオンラインで監視するシステムおよび方法。このシステムは、光源（１）と、偏光子（２）と、偏光制御器（３）、光ファイバー循環装置（４）と、光ファイバー検出プローブ（５）と、電気化学スーパーキャパシタ装置（６）と、光ファイバー分光計（７）と、電気化学ワークステーション（８）とを有する。前記光源（１）、前記偏光子（２）、前記偏光制御器（３）、前記光ファイバー循環装置（４）、および前記光ファイバー検出プローブ（５）は連続的に接続されている。前記光ファイバー分光計（７）は、前記光ファイバー循環装置（４）と接続されている。前記電気化学スーパーキャパシタ装置（６）は前記電気化学ワークステーション（８）に接続されている。前記光ファイバー検出プローブ（５）は、前記電気化学スーパーキャパシタ装置（６）内に配置されている。前記光ファイバー検出プローブ（５）は、光信号を伝送することができ、また、光波情報を取得する検出プローブとして機能することで、スーパーキャパシタの充電／放電過程におけるリアルタイムの電位の大きさについてその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）での監視を実行し、電気量に関する情報をリアルタイムで蓄積する。前記光ファイバー検出プローブ（５）は、その場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）測定を実行するために狭い空間に実装することができ、また、充電状態、電位、温度、およびその他の情報などの複数のパラメータを同時にリアルタイムで測定することができる。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視する光ファイバーシステムであって、
光源と、偏光子と、偏光制御器と、光ファイバー循環装置と、光ファイバー検出プローブと、スーパーキャパシタと、光ファイバー分光計と、電気化学ワークステーションとを有し、
前記光源、前記偏光子、前記偏光制御器、前記光ファイバー循環装置、および前記光ファイバー検出プローブは動作可能にかつ連続的に接続されており、
前記光ファイバー分光計は前記光ファイバー循環装置に動作可能に接続されており、
前記スーパーキャパシタは前記電気化学ワークステーションに動作可能に接続されており、
前記光ファイバー検出プローブは前記スーパーキャパシタ内に配置されているものである、
光ファイバーシステム。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバーシステムにおいて、前記光ファイバー検出プローブは光ファイバーを有し、
前記光ファイバーは傾斜型グレーティングが刻印されてなるものであり、前記光ファイバーのクラッドの外面は、ナノメートルスケールの均一の厚さを有する金属膜で被覆されているものであり、
前記光源から出射される光は、前記偏光子、前記偏光制御器、および前記光ファイバー循環装置を順次通過して前記光ファイバー検出プローブに入射するものであり、
前記光ファイバー検出プローブの前記光ファイバー内に生成されるクラッドモードは前記金属膜に結合されて、前記金属膜の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）をシミュレーションするものであり、表面プラズモン共鳴波は前記光ファイバー分光計の反射スペクトルにおいて吸収包絡線として示されるものであり、
前記金属膜の誘電率は、前記スーパーキャパシタの充電および／または放電に応じて変化するものであり、前記吸収包絡線の振幅はそれに応じて変化するものである、
光ファイバーシステム。
【請求項３】
請求項２記載の光ファイバーシステムにおいて、
前記光ファイバー検出プローブの前記光ファイバー上の前記傾斜型グレーティングは、エキシマレーザーおよび位相マスク、または二光束干渉法を用いて作製されるものであり、
前記傾斜型グレーティングは、約５〜２５度の傾斜角および全長約１０〜２０ｍｍの軸方向の長さを有するものである、
光ファイバーシステム。
【請求項４】
請求項２記載の光ファイバーシステムにおいて、前記光ファイバー検出プローブにおける前記光ファイバーの一端面は、厚さが約２００ｎｍより大きい金属反射膜で被覆されているものである、光ファイバーシステム。
【請求項５】
請求項２記載の光ファイバーシステムにおいて、
前記光ファイバー検出プローブにおける前記光ファイバーのクラッドの外面は第一にマグネトロンスパッタリングまたは蒸着法により生成された厚さ約２〜３ｎｍのクロム膜遷移層で被覆され、次にナノメートルスケールの均一の厚さを有する金属膜で被覆されるものであり、
前記金属膜で被覆された前記光ファイバーに対してアニール処理が施されるものである、
光ファイバーシステム。
【請求項６】
請求項１記載の光ファイバーシステムにおいて、
前記スーパーキャパシタは電解液で満たされ、２つの電極を備えるものであり、
各前記２つの電極の一部分は電解液内に配置されているものであり、
前記光ファイバー検出プローブは前記２つの電極のうちの一方に密接して配置されるものである、
光ファイバーシステム。
【請求項７】
請求項６記載の光ファイバーシステムにおいて、
前記電気化学ワークステーションは、計数電極と、参照電極と、作用電極とを有し、
前記計数電極および前記参照電極は前記スーパーキャパシタは前記２つの電極のうちの一方に電気接続され、
前記作用電極は前記スーパーキャパシタの前記２つの電極のうちのもう一方に電気接続されるものである、
光ファイバーシステム。
【請求項８】
蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）を監視するための光ファイバーに基づいた方法であって、
工程１：光ファイバー検出プローブをスーパーキャパシタの１の電極に密接して配置する工程であって、前記スーパーキャパシタは電解液で満たされているものであり、光源から出射される光は偏光子を通過した後偏光に変換されるものであり、前記偏光の偏光方向は、前記光ファイバー検出プローブにおける傾斜型グレーティングの刻印方向と実質的に同じになるように偏光制御器によって調整されるものである、前記配置する工程と、
工程２：光路および前記スーパーキャパシタを設定した後、前記スーパーキャパシタを動作可能に電気化学ワークステーションに接続し、さらに前記電気化学ワークステーションおよび光ファイバー分光計を通信可能にコンピュータに接続する工程と、前記光ファイバー検出プローブに入射する光が前記光ファイバー検出プローブ内の光ファイバーのクラッドの外面を被覆する金属膜上に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を励起する偏光状態となるように偏光制御器の関連パラメータを設定する工程と、
工程３：前記スーパーキャパシタを自然条件下に配置し、電気エネルギーを前記スーパーキャパシタに蓄電する充電過程および電気エネルギーを前記スーパーキャパシタから放出する放電過程における前記スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)の変化過程全体を光学的および電気化学的方法で監視する工程と、
工程４：前記スーパーキャパシタに蓄電された電荷の極性および電荷量を制御するために異なる電位をスーパーキャパシタに印可する工程であって、それにより前記光ファイバー検出プローブの表面上の電荷密度の変化が制御され、前記スーパーキャパシタにおける電荷の蓄電または放電が検出されるものである、前記印可する工程と、
を有する、光ファイバーに基づいた方法。
【請求項９】
請求項８記載の光ファイバーに基づいた方法において、
電気エネルギーを前記スーパーキャパシタに蓄電する充電過程および電気エネルギーを前記スーパーキャパシタから放出する放電過程における前記スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)の変化過程全体を光学的および電気化学的方法で監視する前記工程３において、
前記電気化学ワークステーションが励起されることにより前記スーパーキャパシタが充電または放電されるように構成する工程を有し、
前記スーパーキャパシタの充電時においては、電解液中のイオンが前記スーパーキャパシタの前記電極の表面上に電気二重層を形成することにより電気エネルギーが蓄電されるものであり、前記スーパーキャパシタの電極材の酸化反応に伴って、前記スーパーキャパシタの前記電極上に電荷がさらに蓄積され、充電過程完了後に前記スーパーキャパシタに蓄電された電気エネルギーが最大に達するものであり、
前記スーパーキャパシタの放電時においては、前記スーパーキャパシタの前記電極材に還元反応が起こり、前記スーパーキャパシタの前記電極の表面上に蓄積され、前記充電過程と反対の過程において、前記電気二重層を形成していた電荷が拡散して電解液中に戻るものであり、
充電および放電過程全体において、前記光ファイバー検出プローブは、前記スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)の変化をリアルタイムで監視し、前記電気化学ワークステーションおよび前記光ファイバー分光計によって、充電時における前記スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)の増加、および放電時における充電状態（ＳＯＣ)の低減についての全過程が記録され、次に対応する曲線が記述されるものである、
光ファイバーに基づいた方法。
【請求項１０】
請求項８記載の光ファイバーに基づいた方法において、前記工程４では、
正電位が印可された場合、前記光ファイバー検出プローブに密接して配置された前記スーパーキャパシタの前記電極の端部における負イオンの密度が増加し、前記金属膜は電子分極状態にあり、
負電位が印可された場合、前記光ファイバー検出プローブ５に密接して配置された前記スーパーキャパシタの前記電極の端部における正イオンの密度が増加し、前記金属膜は電子分極状態と反対の状態にあるものである、
光ファイバーに基づいた方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）およびオペランドで（動作中に）監視することができるシステムおよび方法に関し、特に、蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）を監視するための光ファイバーに基づいたシステムおよび方法に関する。本開示は、光ファイバーに基づいた電気化学センサーの設計の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球エネルギー関連分野は様々かつ深刻な課題に直面している。石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料の消費、および大量の温室効果ガス排出に係る、エネルギー源の枯渇および海面上昇の問題を解決するためには、人間社会のエネルギー供給の構造を、再生不可能なエネルギー源から再生可能なエネルギー源に転換していく必要がある。このような課題を解決できるか否かは、主にエネルギー装置およびシステムの効果的な使用および管理に掛かっている。過去２０〜３０年の間に情報技術および電子技術の分野は急速に進歩した。現在一般に広く使用されている携帯電話においては、従来のリチウムイオン電池が電力供給装置として選択されている。従来のリチウムイオン電池は複雑なカプセル封入を必要とするため、体積と重量という点で携帯電話の小型化が制限されていた。従来のリチウムイオン電池を使用する他の応用分野においても上記の問題が存在する可能性がある。しがたって、新型かつ順応性のあるエネルギー供給装置の開発は、エネルギー装置の分野において緊急の研究課題および開発課題である。
【０００３】
一連の要請に応じて、スーパーキャパシタの技術が新たに出現してきている。電気化学キャパシタとしても知られるスーパーキャパシタは、近年急速に開発されてきた新型の蓄電装置である。その動作原理は、電極の表面に形成された電気二重層を利用して電気エネルギーを蓄電すること、または２次元若しくは疑似２次元のファラデー反応を利用して電気エネルギーを蓄電することにある。この研究分野は、エネルギー、材料、化学、電気装置に関連し、学際的研究のホットスポットの１つとなっている。
【０００４】
スーパーキャパシタは、その高速充電速度および放電速度、長期に亘る使用可能寿命、良好な温度特性、および低環境負荷の特性により、幅広い注目を集めている。現在、スーパーキャパシタの検出方法は実質的に全て「オフライン」である。換言すると、スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ）は、従来技術ではオペランドで（動作中、すなわち、スーパーキャパシタが充電／放電の動作モードにある間に）測定することは可能ではなく、スーパーキャパシタの動作が停止するまで待つ必要がある（この時点で、一般的に電気化学ワークステーションを利用してスーパーキャパシタ内の電極における電気化学的機能の減衰または損傷についての検査が行われる）。スーパーキャパシタは現在、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または低温電子顕微鏡によって動作モード中に試験することが可能であるが、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）および低温電子顕微鏡などの機器は非常に高価であり、その場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）測定には適していない。このようなその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）およびオペランドでの（動作中における）スーパーキャパシタを監視する技術については今だに顕著な進歩および幅広い適用が見られない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の１つの目的は、上述した既存技術に関連する問題を解決するために、蓄電装置（例えば、キャパシタ、スーパーキャパシタ）の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視する光ファイバーシステムを提供することにある。当該システムは、髪の毛と同様の細さの光ファイバー検出プローブを利用し、この光ファイバー検出プローブは、光信号を伝送しかつ光波に関する情報を取得することができ、これにより、蓄電装置の充電および放電過程中の電位のオペランド（動作中）およびその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）での監視を実現するとともに、電荷量に関する情報について、リアルタイムまたはオペランドでの（動作中における）記録が実現可能となる。
【０００６】
本開示の別の目的は、蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視するための光ファイバーに基づいた方法を提供することにある。この方法は、その場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）測定を実現するために比較的狭い空間においても実装することができる。また、この方法は、充電状態（ＳＯＣ）、電位、温度などの複数のパラメータを同時に測定するために、リアルタイムまたはオペランドで（動作中に）実装することができる。さらに、この方法は、光ファイバーにおける低損失伝送特性を兼ね備えている。同一の光ファイバーが検出プローブおよび光伝送路の機能を有するため、長距離のオペランド（動作中）およびリアルタイムの監視を実現することが可能となる。
【０００７】
上記第１の目的を達成するために、本開示では以下の技術的解決手段を採用する。
【０００８】
蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）およびその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）で監視することができる光ファイバーシステムを提供し、当該システムは、光源と、偏光子と、偏光制御器と、光ファイバー循環装置と、光ファイバー検出プローブと、光ファイバー分光計とを含む。光源、偏光子、偏光制御器、光ファイバー循環装置、および光ファイバー検出プローブは、動作可能にかつ連続的に接続されている。光ファイバー分光計は、光ファイバー循環装置と動作可能に接続されている。光ファイバー検出プローブ５は、蓄電装置（例えば、スーパーキャパシタ、特に電気化学スーパーキャパシタ）内に配置されており、また、蓄電装置に密接して配置／取り付けられており、これにより、蓄電装置の１の電極に動作可能に結合されている。蓄電装置は選択的に電気化学ワークステーション８に接続することができる。
【０００９】
光ファイバー検出プローブは、光ファイバーを含む。この光ファイバーは、コアに傾斜型グレーティングが刻印されており、光ファイバーのクラッドの外面はナノメートルスケールの均一の厚さを有する金属膜１４で被覆されている。光源から出射された光は、偏光子、偏光制御器、光ファイバー循環装置を順次通過し、次に光ファイバー検出プローブに入射する。光ファイバー検出プローブの光ファイバー内で生成されるクラッドモードを、当該光ファイバーのクラッドの外面を被覆する金属膜に結合することで、金属膜における表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）をシミュレーションまたは励起することができる。プラズマ共鳴波は、光ファイバー分光計の反射スペクトルにおける吸収包絡線として示される。金属膜の誘電率がスーパーキャパシタの充電および／または放電作用によって変化すると、それに応じて吸収包絡線の振幅／強度が変化する。
【００１０】
ここで、光ファイバー検出プローブ内の傾斜型グレーティングは、例えば、エキシマレーザーおよび位相マスク、または二光束干渉法によって作製することができる。この傾斜型グレーティングは、約５〜２５度の傾斜角および全長約１０〜２０ｍｍの軸方向の長さを有することができる。
【００１１】
光ファイバー検出プローブにおいて、光ファイバーの一端面は選択的に、厚さが約２００ｎｍより大きい金属反射膜で被覆することができる。
【００１２】
光ファイバー検出プローブにおいて、光ファイバーのクラッドの外面は選択的に、第一にマグネトロンスパッタリングまたは蒸着法により生成した厚さ約２〜３ｎｍのクロム膜遷移層で被覆し、次にナノメートルスケールの均一の厚さを有する金属膜で被覆することができる。次に、金属膜で被覆された光ファイバーに選択的にアニール処理を施してもよい。
【００１３】
スーパーキャパシタは電解液で満たされており、２つのスーパーキャパシタ電極を備える。各スーパーキャパシタ電極の一部分は電解液内に配置されている。光ファイバー検出プローブは、スーパーキャパシタ電極のうちの一方に密接して配置、取り付け、パッケージ化、または結束されて、当該電極のうちの一方に電気化学的に結合している。
【００１４】
光ファイバーシステムが電気化学ワークステーションを含む実施形態において、電気化学ワークステーションは、計数電極と、参照電極と、作用電極とを備えることができる。計数電極および参照電極の双方はスーパーキャパシタの２つの電極のうちの一方に電気接続され、作用電極はスーパーキャパシタ電極のうちのもう一方に電気接続される。
【００１５】
上記第２の目的を達成するために、本開示ではさらに、以下の技術的解決手段を提供する。
【００１６】
蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視するための光ファイバに基づいた方法を提供する。この方法は、実質的に上述した光ファイバーシステムを利用する。またこの方法は、蓄電装置の例示的な態様としてスーパーキャパシタを利用し、以下の工程を含む。
【００１７】
工程１：前記光ファイバー検出プローブを前記スーパーキャパシタの前記２つの電極のうちの一方に密接して配置または取り付け、前記スーパーキャパシタを電解液で満たす工程。
【００１８】
工程２：前記スーパーキャパシタを動作可能に電気化学ワークステーションに接続し、さらに前記電気化学ワークステーションおよび前記光ファイバー分光計を通信可能にコンピュータに接続する工程。この工程により、光源から出射される光が前記偏光子を通過することによって偏光に変換され、偏光制御器３によって偏光の偏光方向がさらに調整されて、当該調整された偏光がさらに前記光ファイバー循環装置を通過して前記光ファイバー検出プローブに入射するように構成された光路を設定することができる。関連パラメータは偏光制御器を調整するために設定することができ、それにより、前記光ファイバー検出プローブに入射する光が前記金属膜上に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を励起することが可能な偏光状態となる。
【００１９】
工程３：前記スーパーキャパシタを自然条件下に配置し、電気エネルギーを前記スーパーキャパシタに蓄電する充電過程および電気エネルギーを前記スーパーキャパシタから放出する放電過程における前記スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)を光学的および電気化学的方法で監視する工程。
【００２０】
工程４：スーパーキャパシタにおける電荷の極性および電荷量を制御するために異なる電位をスーパーキャパシタに印可する工程。その結果、光ファイバー検出プローブの表面上の電荷密度の変化が制御され、それにより、スーパーキャパシタにおける電荷の蓄電および／または放電を監視することが可能となる。
【００２１】
上記工程２において、前記偏光は、前記光ファイバーの傾斜型グレーティングの刻印方向と実質的に平行である偏光方向を有するように構成することができる。ここで、前記偏光の偏光方向は、表面プラズモン共鳴のピークでの振幅／強度によって決定することができる。具体的には、前記偏光の偏光方向が傾斜型グレーティングの刻印方向と平行であるとき、表面プラズモン共鳴のピークは最大振幅／強度を有する。
【００２２】
工程３：前記スーパーキャパシタを自然条件下に配置し、電気エネルギーを前記スーパーキャパシタに蓄電する充電過程および電気エネルギーを前記スーパーキャパシタから放出する放電過程における前記スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)を光学的および電気化学的方法で監視する工程においては、以下の工程を含むことができる。
【００２３】
スーパーキャパシタは電気化学ワークステーションを励起させることによって充電および放電される。スーパーキャパシタの充電時においては、電解液中のイオンがスーパーキャパシタ電極の表面上に電気二重層を形成することにより電気エネルギーが蓄電される。スーパーキャパシタ電極材の酸化反応に伴って、スーパーキャパシタ電極上に電荷がさらに蓄積され、充電過程完了後にスーパーキャパシタに蓄電された電気エネルギーが最大に達する。スーパーキャパシタの放電時においては、スーパーキャパシタ電極材に還元反応が起こり、スーパーキャパシタ電極の表面上に蓄積され、充電過程と反対の過程において、電気二重層を形成していた電荷が拡散して電解液中に戻る。
【００２４】
充電および放電過程全体において、光ファイバー検出プローブは、スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)の変化をリアルタイムで監視することができる。さらに、前記電気化学ワークステーションおよび前記光ファイバー分光計によって、充電時におけるスーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)の増加、および放電時における充電状態（ＳＯＣ)の低減についての全過程が記録され、次に対応する曲線が記述される。
【００２５】
さらに、前記光ファイバー分光計によって記録された監視結果は、光ファイバーのコアモードの波長ドリフト、および振幅／強度の変化によりさらに修正することができる。
【００２６】
さらに、上記工程４においては、具体的に以下の工程を含むことができる。
【００２７】
正電位が印可された場合、前記光ファイバー検出プローブに密接して配置／取り付けられた前記スーパーキャパシタ電極の端部における負イオンの密度が増加し、前記金属膜は電子分極状態にある。負電位が印可された場合、前記光ファイバー検出プローブに密接して配置／取り付けられた前記スーパーキャパシタ電極の端部における正イオンの密度が増加し、前記金属膜は電子分極状態と反対の状態にある。
【００２８】
前記光ファイバー検出プローブの表面上の電荷密度の変化は、プラズマ共鳴波の吸収包絡線の波長シフトによって変調されたプラズマ共鳴波１５の吸収包絡線の波長に対応する、前記傾斜型グレーティングのクラッドモードの振幅／強度変化に基づいて検出することができる。それにより、前記スーパーキャパシタによって蓄電および／または放電された電荷に関する情報は、測定のために電気化学的、光学的情報に変換される。
【００２９】
従来技術と比べると、本明細書に開示された発明は以下の有益な効果を有する。
【００３０】
１．本開示において開示された発明は、髪の毛と同様の細さの光ファイバー検出プローブを利用するものであり、この光ファイバー検出プローブは、光信号を伝送しかつ光波に関する情報を取得することができ、これにより、スーパーキャパシタの充電および放電過程中の電位のその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）での監視を実現するとともに、電荷量に関する情報についてオペランドでの（動作中における）記録が実現可能となる。本発明は、その場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）測定を実現するために比較的狭い空間においても実装することができ、また、充電状態（ＳＯＣ）、電位、温度などの複数のパラメータを同時に測定するために、リアルタイムまたはオペランドで（動作中に）実装することができる。
【００３１】
２．光ファイバー検出プローブの外面は金属膜で被覆される。光ファイバー検出プローブは、金属膜上に生成された表面プラズモン共鳴波のエネルギーを金属膜の外部環境に結合する。プラズマ共鳴波と金属膜の表面に近接して設けられた電極材との間の相互作用によって生じるエネルギー損失および共鳴の中心における波長シフトは、光ファイバー分光計によって検出され、吸収包絡線として示される。このように、上述した多分野に亘る技術（例えば、電気化学的技術、および表面プラズモン共鳴技術）を組み合わせることにより、スーパーキャパシタによる充電および／または放電のオペランド（動作中）およびその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）での監視を実現することが可能となるため、様々な蓄電装置の動作状態の監視に対する新規応用の展望を提供することができる。
【００３２】
３．高感度の表面プラズモン共鳴技術では、従来の数十ミリメートルの大きさを有する三角柱状プリズムに代わって僅か百ミクロンの大きさを有する小型光ファイバー検出プローブを用いるため、検出プローブの小型化が可能となる。このような検出プローブは、その場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）検出のために、従来の検出器では到達、またはアクセスすることが困難な空間に挿入することが可能である。
【００３３】
４．本開示においては、単一の光ファイバーによって検出プローブおよび信号伝送用光ファイバーが兼用されている。光ファイバーの低損失特性により、長距離伝送の後でも殆ど減衰が見られないため、センサーの検出精度が著しく向上する。このように、本明細書に開示されたシステムおよび方法は、長距離かつオペランドでの（動作中における）およびリアルタイムの監視を実現するために利用することができ、その結果オフライン試験を必要とする従来技術に関連する欠点を克服することが可能となる。
【００３４】
５．本開示においては、光ファイバーのクラッドの外面上の金属膜はナノメートルスケールの均一の厚さを有し、これによって、プラズマ共鳴の最も効率的な励起が確実となる。金属膜は、プラズマ共鳴のキャリアであるのみでなく、良好な伝導性を有するため、微少電流の伝送用キャリアとして利用することができる。
【００３５】
６．本開示においては、光ファイバー検出プローブの光ファイバーの一端面は、厚さが約２００ｎｍより大きい金属反射膜で被覆されているため、光信号が金属反射膜によって反射されてプローブ型の測定が実現できる。
【００３６】
７．本開示においては、光ファイバーのクラッドの外面は、ナノメートルスケールの金属膜で被覆する前に、グネトロンスパッタリングより生成した厚さ約２〜３ｎｍのクロム膜遷移層で被覆することができ、これにより金属膜と光ファイバーのクラッドの表面との間の付着性が向上する。金属膜で被覆後、金属膜を有する光ファイバーに対してアニール処理を施すことができ、これにより、金属膜の付着性が向上するとともに、被覆工程中に生じた残留応力が除去される。
【００３７】
８．本開示においては、光ファイバー検出プローブにおける光ファイバーのコアモードは、温度のみに感受性を示し、環境に依存する屈折率に対しては感受性を示さない。しがたって、光ファイバーのコアモードを検出することにより、リアルタイムの温度情報の検出が実現可能となり、その結果、検出結果における温度変化の影響を除外することが可能となる。それと同時に、光ファイバーのコアモードの振幅の変化を利用して光路の干渉を較正することにより、自己較正機能をもたらすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本開示の特定の実施形態による、蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視する光ファイバーシステムの概略図である。
【図２】図２は、本開示の特定の実施形態による、蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視する光ファイバーシステムにおける光ファイバー検出プローブの動作原理を示す。
【図３ａ】図３ａは、１０ｍＶ／ｓの走査速度で試験されたスーパーキャパシタのサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）応答プロファイルを示す。
【図３ｂ】図３ｂは、光ファイバー検出プローブのプラズマ共鳴強度／振幅とスーパーキャパシタの電位との関係を示す。
【図４】図４は、スーパーキャパシタのサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）応答プロファイルにおける充電および放電の周期に対応する、光ファイバー検出プローブによって検出されたコアモードでの共鳴および表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の光応答曲線を示す。
【図５】図５ａは、一連の異なる走査速度でのスーパーキャパシタのサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）応答プロファイルを示す。図５ｂは、スーパーキャパシタが図５ａに示す一連の異なる走査速度でサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）試験下にあるときの、スーパーキャパシタに蓄電された電荷の電気化学応答曲線を示す。図５ｃは、スーパーキャパシタが図５ａに示す一連の異なる走査速度でサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）試験下にあるときに、光ファイバー検出プローブによって検出された表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の強度／振幅の変化曲線を示す。図５ｄは、異なる電流で定電流充電・放電（ＧＣＤ）試験下にあるときの、本明細書で開示されたスーパーキャパシタの定電流充電・放電（ＧＣＤ）曲線を示す。図５ｅは、スーパーキャパシタが図５ｄに示す異なる電流で定電流充電・放電（ＧＣＤ）試験下にあるときの、スーパーキャパシタに蓄電された電荷量の変化曲線を示す。図５ｆは、スーパーキャパシタが図５ｄに示す異なる電流で定電流充電・放電（ＧＣＤ）試験下にあるときの、光ファイバー検出プローブによって検出された表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の強度／振幅の変化曲線を示す。図５ｇは、異なる高電位で定電流充電および電圧保持（ＧＣＶＨ）試験下にあるときの、本明細書で開示されたスーパーキャパシタの定電流充電および電圧保持（ＧＣＶＨ）曲線を示す。図５ｈは、スーパーキャパシタが図５ｇに示す高電位で定電流充電および電圧保持（ＧＣＶＨ）試験下にあるときの、スーパーキャパシタによって蓄電または放電された電荷量の変化曲線を示す。図５ｉは、スーパーキャパシタが図５ｇに示す高電位で定電流充電および電圧保持（ＧＣＶＨ）試験下にあるときの、光ファイバー検出プローブによって検出された表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の強度／振幅の変化曲線を示す。
【００３９】
上記の図面において、以下は、参照番号と参照番号によって言及される対象物の対応関係を示す。１−光源；２−偏光子；３−偏光制御器；４−光ファイバー循環装置；５−光ファイバー検出プローブ；６−スーパーキャパシタ；７−光ファイバー分光計；８−電気化学ワークステーション；９−スーパーキャパシタ電極；１０−作用電極；１１−計数電極；１２−参照電極；１３−傾斜型グレーティング；１４−金属膜；１５−プラズモン共鳴波；１６−スーパーキャパシタ電極材；１７−イオン；１８−金属反射膜。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明について、実施形態および本明細書に添付された図面に基づいて詳細に説明するが、当該実施形態は限定を意味するものではない。
【００４１】
実施形態１
傾斜型ファイバーブラッググレーティング（ＴＦＢＧ）等の傾斜型グレーティングを有する光ファイバーセンサーにおいて、ＴＦＢＧは周囲環境に対して異なる感度を有する何百ものモードを励起することができる。金、銀等の組成物を含む金属膜で光ファイバーの表面を被覆することにより、位相整合条件を満たす、傾斜型ファイバーブラッググレーティングのクラッドモードを金属膜に結合することが可能となり、それによりプラズマ共鳴波が生成される。プラズマ共鳴波は、誘電率の変化、電極電位の変化、および金属膜の電荷密度の変化に対して非常に高い感度を有する。エバネッセント場の効果を利用した従来の光ファイバーによる感知法と比べると、プラズマ共鳴波はより高い検出感度を有する。
【００４２】
図１に示すように、本開示の本実施形態は、スーパーキャパシタなどの蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視することができる光ファイバーシステムを提供し、当該システムは、光源１と、偏光子２と、偏光制御器３と、光ファイバー循環装置４と、光ファイバー検出プローブ５と、光ファイバー分光計７とを含む。光源１、偏光子２、偏光制御器３、光ファイバー循環装置４、および光ファイバー検出プローブ５は、動作可能にかつ連続的に接続されている。光ファイバー分光計７は、光ファイバー循環装置４と動作可能に接続されている。光ファイバー検出プローブ５は、監視対象であるスーパーキャパシタ６内に配置されており、スーパーキャパシタ６は、電気化学ワークステーション８に動作可能に接続されている。
【００４３】
本実施形態においては、スーパーキャパシタ６は電解液で満たされており、２つのスーパーキャパシタ電極９を備える。各スーパーキャパシタ電極９の一部分は電解液内に配置されている。光ファイバー検出プローブ５は、スーパーキャパシタ電極９のうちの一方に密接して配置または密接してパッケージ化される。電気化学ワークステーション８は、作用電極１０と、計数電極１１と、参照電極１２とを含む。配線により、計数電極１１および参照電極１２はスーパーキャパシタ電極９のうちの一方に電気接続され、作用電極１０はスーパーキャパシタ電極９のうちのもう一方に電気接続される。
【００４４】
図１、２においてさらに示すように、光ファイバー検出プローブ５は、コアに傾斜型グレーティング１３が刻印された光ファイバーを含む。光ファイバーのクラッドの外面はナノメートルスケールの均一の厚さを有する金属膜１４で被覆されている。金属膜１４はプラズマ共鳴の光信号のキャリアであるのみでなく、微少電流の伝送キャリアである。光源１から出射された光は、偏光子２、偏光制御器３、光ファイバー循環装置４を順次通過し、次に光ファイバー検出プローブ５に入射する。光ファイバー検出プローブ５の光ファイバー内で生成されるクラッドモードを、当該光ファイバーのクラッドの外面を被覆する金属膜１４に結合することで、金属膜１４における表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）をシミュレーションすることができる。光ファイバー検出プローブ５によりプラズマ共鳴波１５を含む光は金属膜１４の外部環境に消散され、この光は、スーパーキャパシタ電極９の表面上のスーパーキャパシタ電極材１６と相互作用する。それと同時に、電解液中のイオン１７がスーパーキャパシタ電極材１６の２次元または３次元空間に入り込むことで酸化還元反応が起こり、これによりスーパーキャパシタ電極９近傍における電荷密度が変化し、プラズマ共鳴波１５のエネルギー損失およびプラズマ共鳴波１５の中心部における波長シフトが起こる。この現象は、プラズマ共鳴波１５を光ファイバー分光計７の反射スペクトルにおける吸収包絡線として示すことで光ファイバー分光計において捕獲および表示される。スーパーキャパシタが充電および放電される際、スーパーキャパシタ電極９の近傍領域の電荷密度およびイオンはその充電および放電に応じて変化し、また、プラズマ共鳴波１５の吸収包絡線の振幅もそれに応じて変化する。そしてこの振幅の変化は、スーパーキャパシタに蓄えられた電荷量と対応関係を有するため、本システムを利用して、電気化学信号および光信号に関する定量的情報を同時に取得することができ、またこの情報は電気化学信号および光信号間の関係を決定するために利用することができる。
【００４５】
本実施形態においては、光源１は、約１５００〜２０００ｎｍの出力スペクトルを有し、光源１の出力スペクトルの範囲は選択的に、光ファイバー検出プローブ５内の傾斜型グレーティングにおける反射スペクトルの包絡線の範囲に整合するように構成することができる。
【００４６】
本実施形態においては、光ファイバー検出プローブ５の傾斜型グレーティング１３は、エキシマレーザーおよび位相マスクにより作製することができる。また、傾斜型グレーティング１３は二光束干渉法によっても得ることができることを理解されたい。この傾斜型グレーティングは、約５〜２５度の傾斜角および全長約１０〜２０ｍｍの軸方向の長さを有することができる。
【００４７】
本実施形態においては、光ファイバー検出プローブ５の光ファイバーの一端面を、厚さが約２００ｎｍより大きい金属反射膜１８で被覆することができる。この態様により、金属反射膜１８によって光信号が反射され、プローブ型測定が実現可能となる。
【００４８】
光ファイバー検出プローブ５内の光ファイバーのクラッドの外面は選択的に、第一にマグネトロンスパッタリングまたは蒸着法により生成した厚さ約２〜３ｎｍのクロム膜遷移層で被覆し、次にナノメートルスケールの均一の厚さを有する金属膜で被覆することができる。金属膜１４は、プラズマ共鳴波を効果的に励起することができるのみでなく、良好な伝導性とともに安定した物理的、化学的特性を有する金膜が好ましい。金属膜１４は約４０〜５０ｎｍの厚さを有することができ、これによりプラズマ共鳴波を最も効果的に励起することが確実となる。金属膜１４で被覆後、金属膜１４を有する光ファイバーに対して、約３００°Ｃで３時間以上アニール処理を施すことが好ましく、これにより、金属膜１４の付着性が向上するとともに、被覆工程中に生じた残留応力が除去される。
【００４９】
本開示の本実施形態は、蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視するための光ファイバに基づいた方法を提供する。当該方法の特定の実施形態は、蓄電装置の例示的な態様としてスーパーキャパシタを有し、また以下の工程を含む。
【００５０】
工程１：光ファイバー検出プローブ５は、スーパーキャパシタ電極９のうちの一方に密接して配置または密接してパッケージ化され、スーパーキャパシタ６は電解液で満たされている。
【００５１】
工程２：光路およびスーパーキャパシタ６を設定した後、スーパーキャパシタ６を動作可能に電気化学ワークステーション８に接続し、さらに電気化学ワークステーション８および光ファイバー分光計７を動作可能にコンピュータに接続する。関連パラメータを設定した後、光ファイバー検出プローブ５に入射する光が金属膜１４上に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を励起することが可能な偏光状態となるように偏光制御器３を調整する。
【００５２】
ここで、光源１から出射される光は偏光子２を通過した後、偏光に変換される。偏光の偏光方向は、光ファイバー検出プローブ５の傾斜型グレーティング１３の刻印方向と実質的に同じ（すなわち、平行）になるように偏光制御器３によって調整される。偏光は、傾斜型グレーティング１３の刻印方向と平行である偏光方向を有するように構成される。偏光の偏光方向は、表面プラズモン共鳴のピークでの振幅によって決定することができる。具体的には、偏光の偏光方向が傾斜型グレーティング１３の刻印方向と平行であるとき、表面プラズモン共鳴のピークは最大振幅を有する。
【００５３】
工程３：スーパーキャパシタは自然条件下で配置され、電気エネルギーをスーパーキャパシタに蓄電する充電過程および電気エネルギーをスーパーキャパシタから放出する放電過程におけるスーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)の変化過程全体を光学的および電気化学的方法で監視する。この工程は具体的には以下の工程を含む。
【００５４】
スーパーキャパシタ６は電気化学ワークステーション８を励起させることによって充電および放電される。スーパーキャパシタの充電時においては、電解液中のイオン１７がスーパーキャパシタ電極９の表面上に電気二重層を形成することにより電気エネルギーが蓄電される。スーパーキャパシタ電極材１６の酸化反応に伴って、スーパーキャパシタ電極９上に電荷がさらに蓄積され、充電過程完了後にスーパーキャパシタに蓄電された電気エネルギーが最大に達する。スーパーキャパシタの放電時においては、スーパーキャパシタ電極材１６に還元反応が起こり、スーパーキャパシタ電極９の表面上に蓄積され、充電過程と反対の過程において、電気二重層を形成していた電荷が拡散して電解液中に戻る。
【００５５】
充電および放電過程全体において、光ファイバー検出プローブ５は、スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)の変化をリアルタイムで監視する。さらに、電気化学ワークステーション８および光ファイバー分光計７によって、充電時におけるスーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ)の増加、および放電時における充電状態（ＳＯＣ)の低減についての全過程が記録され、次に対応する曲線が記述される。光源によって生成された光路系におけるエネルギーの僅かな攪乱、および／または環境温度によって電気化学ワークステーション８および光ファイバー分光計７による検出結果に誤差が生じる可能性がある。光ファイバーのコアモードは、温度のみに感受性を示し、環境に依存する屈折率の変化、および／または金属膜１４の誘電率の変化に対しては感受性を示さない。したがって、光ファイバーのコアモードの波長および振幅を検出することにより、温度情報および光源エネルギーのリアルタイムでの検出が実現可能となる。また、光ファイバーのコアモードの波長および振幅の変化のリアルタイムでの測定によって誤差の修正が可能となり、その結果、温度変化による影響および検出結果における外部干渉を除外して自己較正機能を実現することが可能となる。
【００５６】
工程４：手動条件下において、電荷の極性および電荷量を制御するために異なる電位がスーパーキャパシタ６に印可され、その結果、光ファイバー検出プローブ５の表面上の電荷密度の変化が制御される。また、この密度変化は、プラズマ共鳴波１５の吸収包絡線の波長シフトによって変調されたプラズマ共鳴波１５の吸収包絡線の波長に対応する、傾斜型グレーティング１３のクラッドモードの強度変化に基づいて検出することができる。このように、スーパーキャパシタによって蓄電および／または放電された電荷に関する情報は電気化学的、光学的情報に変換することができ、それにより、スーパーキャパシタにおける電荷の蓄電または放電を監視することが可能となる。
【００５７】
正電位が印可された場合、光ファイバー検出プローブ５に密接して配置されたスーパーキャパシタ電極９における負イオンの密度が増加し、金属膜１４は電子分極状態にある。負電位が印可された場合、光ファイバー検出プローブ５に密接して配置されたスーパーキャパシタ電極９における正イオンの密度が増加し、金属膜１４は電子分極状態と反対の状態にある。スーパーキャパシタの充電時においては、電解液中のイオンが電気化学反応を通して、スーパーキャパシタ電極表面上の活性酸化錯体の２次元または３次元空間に入り込むことによって多量の電荷がスーパーキャパシタ電極に蓄電される。スーパーキャパシタの放電時においては、イオンが電解液中に再び戻るとともに、蓄電された電荷が放出される。光ファイバー検出プローブ５は電荷密度の変化を検出することができ、それによりスーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ）が決定される。
【００５８】
光ファイバー検出プローブ５によりプラズマ共鳴波１５を含む光は金属膜１４の外部環境に消散され、この光は、スーパーキャパシタ電極９の表面上に形成されたスーパーキャパシタ電極材１６と相互作用する。それと同時に、電解液中のイオン１７がスーパーキャパシタ電極材１６の２次元または３次元空間に入り込むことで酸化還元反応が起こり、これによりスーパーキャパシタ電極９近傍における電荷密度が変化し、プラズマ共鳴波１５のエネルギー損失およびプラズマ共鳴波１５の共鳴の中心における波長シフトが起こる。この現象は、光ファイバー分光計７によって検出することができ、その特定の変化については図３（ａ）、（ｂ）に示す。
【００５９】
図３（ａ）は、電気化学ワークステーションにより１０ｍＶ／ｓの走査速度で励起された、サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）充電および放電試験下にある、本実施形態で提供されたスーパーキャパシタのサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）応答プロファイルを示す。これに対応して図３（ｂ）では、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の振幅／強度（表面プラズモン共鳴の吸収包絡線に対応するアスタリスク記号「＊」で表示）は、スーパーキャパシタの電位変化に伴って変化している。図３（ｂ）にさらに示すように、スーパーキャパシタの充電時または放電時においては、光ファイバーのコアモードに変化はなく、安定した光学系および温度環境条件の下で検出工程が実施されていることが分かる。
【００６０】
図４は、スーパーキャパシタの充電時または放電時におけるプラズマ共鳴強度の変化に関する比較的完全な記録である。当該変化は、スーパーキャパシタに蓄電される電荷またはスーパーキャパシタから放電される電荷の変化と実質的に同様の傾向を示す。この過程において、コアモードによって修正された強度変化（図４の赤色の曲線で示す）も記録されているが、監視工程時全体において環境温度は殆ど変化していないことが分かる。換言すれば、コアモードを利用して、温度に起因する試験結果の偏差、および光源および光路などの不安定要因を修正することができる。
【００６１】
図５（ａ）に示すように、スーパーキャパシタが一連の走査速度でサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ：Ｃｙｃｌｉｃ  Ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）による充電・放電試験下にあるとき、スーパーキャパシタによって蓄電または放電された電荷量のリアルタイムでの変化は、（図５（ｂ）に示す）サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）曲線の計算によって得られる。図５（ｃ）に示すように、光ファイバー分光計は、対応する表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）モードのリアルタイムの振幅変化曲線を記録する。同様に、図５（ｄ）は、異なる電流で定電流充電・放電（ＧＣＤ：Ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔｉｃ  ｃｈａｒｇｅ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）試験下にあることを示し、この際、スーパーキャパシタによって蓄電または放電された電荷量のリアルタイムの変化は、（図５（ｅ）に示す）定電流充電・放電（ＧＣＤ）曲線の計算によって得られる。図５（ｆ）に示すように、光ファイバー分光計は、スーパーキャパシタが定電流充電・放電（ＧＣＤ）試験下にあるとき、試験対象となる対応する表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）モードのリアルタイムの振幅変化曲線を記録する。図５（ｇ）にさらに示すように、スーパーキャパシタは、異なる高電圧で定電流充電および電圧保持（ＧＣＶＨ：Ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔｉｃ  ｃｈａｒｇｅ  ａｎｄ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｈｏｌｄｉｎｇ）試験下にあり、この際、スーパーキャパシタによって蓄電または放電された電荷量のリアルタイムの変化は、（図５（ｈ）に示す）定電流充電および電圧保持（ＧＣＶＨ）曲線の計算によって得られる。図５（ｉ）に示すように、光ファイバー分光計は、スーパーキャパシタが異なる高電圧で定電流充電および電圧保持（ＧＣＶＨ）試験下にあるとき、試験対象となる対応する表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）モードのリアルタイムの振幅変化曲線を記録する。ＣＶ、ＧＣＤ、ＧＣＶＨの３つの充電・放電試験の各々において、光ファイバー検出プローブにおけるプラズマ共鳴強度は、スーパーキャパシタに蓄電される電荷またはスーパーキャパシタから放電される電荷の変化と実質的に同様の傾向を示す。当該傾向は、スーパーキャパシタのリアルタイムの蓄電および放電、ならびにスーパーキャパシタのリアルタイムの充電状態（ＳＯＣ）は光ファイバー検出プローブ光信号よって監視することができることを示している。
【００６２】
要約すると、本開示において提供する発明は光ファイバー検出プローブを利用するものであり、当該光ファイバー検出プローブは、髪の毛と同様の細さを有し、光信号を伝送しかつ光波に関する情報を取得することができ、これにより、スーパーキャパシタの充電および放電過程中の電位のリアルタイムまたはオペランド（動作中）での監視を実現するとともに、電荷量に関する情報のリアルタイムの記録が実現可能となる。光ファイバー検出プローブは、その場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）測定を実現するために比較的狭い空間に実装することができる。また、充電状態（ＳＯＣ）、電位、温度などの複数のパラメータの変化を同時に測定するために、リアルタイムで実装することができる。さらに、光ファイバー検出プローブ内の光ファイバーのクラッドの外面は金属膜で被覆される。光ファイバー検出プローブは、金属膜上に生成された表面プラズモン共鳴波のエネルギーを金属膜の外部環境に結合する。プラズマ共鳴波と金属膜の表面に近接して設けられた電極材との間の相互作用によって生じるエネルギー損失および共鳴の中心における波長シフトは、光ファイバー分光計によって検出され、吸収包絡線として示される。このように、上述した多分野に亘る技術（例えば、電気化学的技術、および表面プラズモン共鳴技術）を組み合わせることにより、スーパーキャパシタによる充電および／または放電のオペランド（動作中）およびその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）での監視を実現することが可能となるため、様々な蓄電装置の動作状態の監視に対する新規応用の展望を提供することができる。
【００６３】
上記で説明した実施形態は本明細書に開示された発明の比較的好適な実施形態を表すものであり、本開示の保護範囲は上記の実施形態に限定されるものでないことに注意されたい。本開示に提供された範囲内で、本開示の技術的構想および進歩的思想に基づいて均等的な交換、代替、変更を行う当業者は、本開示の保護範囲に属する。
【図１】
2021532335.tif 000003
【図２】
2021532335.tif 000004
【図３ａ】
2021532335.tif 000005
【図３ｂ】
2021532335.tif 000006
【図４】
2021532335.tif 000007
【図５】
2021532335.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和3年5月29日(2021.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視するように動作可能な光ファイバー検出プローブであって、
コアと、前記コアの周囲に配置されたクラッドとを有する光ファイバーであって、前記コアは傾斜型グレーティングを備えてなるものである、前記光ファイバーと、
前記クラッドの外面を被覆する金属膜と
有し、
当該光ファイバー検出プローブが前記蓄電装置に近接して配置されることで、前記光ファイバーが偏光を受光した際に前記金属膜上に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）が励起され、前記表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）からの信号は前記蓄電装置の前記充電状態（ＳＯＣ）に関する情報を含むことを特徴とする、
光ファイバー検出プローブ。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバー検出プローブにおいて、前記傾斜型グレーティングは約５〜２５度の傾斜角を有するものである、光ファイバー検出プローブ。
【請求項３】
請求項１または２記載の光ファイバー検出プローブにおいて、前記金属膜は、金はたは銀を含む組成物を有するものである、光ファイバー検出プローブ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の光ファイバー検出プローブにおいて、さらに、
前記クラッドの外面と前記金属膜との間に設けられた遷移層を有するものである、光ファイバー検出プローブ。
【請求項５】
請求項４記載の光ファイバー検出プローブにおいて、前記遷移層は、約２ｎｍ〜約３ｎｍの厚さを有するクロム膜を有するものである、光ファイバー検出プローブ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の光ファイバー検出プローブにおいて、前記光ファイバーの一端面は、金属反射膜で被覆されているものである、光ファイバー検出プローブ。
【請求項７】
請求項６記載の光ファイバー検出プローブにおいて、前記金属反射膜は、２００ｎｍより大きい厚さを有するものである、光ファイバー検出プローブ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の光ファイバー検出プローブにおいて、前記偏光は、前記傾斜型グレーティングの刻印方向と実質的に平行な偏光方向を有するものである、光ファイバー検出プローブ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の光ファイバー検出プローブにおいて、前記蓄電装置はスーパーキャパシタである、光ファイバー検出プローブ。
【請求項１０】
蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視する光ファイバーシステムであって、
請求項１〜９のいずれか１つに記載の光ファイバー検出プローブを有する、光ファイバーシステム。
【請求項１１】
請求項１０記載の光ファイバーシステムにおいて、さらに、
光源と、偏光子と、偏光制御器と、光ファイバー循環装置と、光ファイバー分光計とを有し、
前記光源、前記偏光子、前記偏光制御器、前記光ファイバー循環装置、および前記光ファイバー検出プローブは動作可能にかつ連続的に接続されており、
前記光ファイバー分光計は前記光ファイバー循環装置に動作可能に接続されているものである、
光ファイバーシステム。
【請求項１２】
請求項１１記載の光ファイバーシステムにおいて、前記偏光制御器は、前記偏光子から出射される偏光の偏光方向を前記光ファイバー検出プローブの前記光ファイバーにおける前記傾斜型グレーティングの刻印方向と実質的に平行になるように調整するものである、光ファイバーシステム。
【請求項１３】
請求項１１記載の光ファイバーシステムにおいて、前記蓄電装置は２つの電極を有するスーパーキャパシタであり、当該光ファイバーシステムは、さらに、
計数電極と、参照電極と、作用電極とを有する電気化学ワークステーションを有し、
前記計数電極および前記参照電極は前記スーパーキャパシタの前記２つの電極のうちの一方に電気接続され、
前記作用電極は前記スーパーキャパシタの前記２つの電極のうちのもう一方に電気接続されるものである、
光ファイバーシステム。
【請求項１４】
蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）をオペランドで（動作中に）監視する方法であって、
請求項１０〜１３のいずれか１つに記載の光ファイバーシステムを提供する工程と、
前記光ファイバーシステムの前記光ファイバー検出プローブを前記蓄電装置の電極の１つに近接させて配置する工程と、
前記光ファイバー分光計により、前記光ファイバー検出プローブからの表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）信号を取得する工程と、
前記蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）に関する情報を導出するために前記表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）信号を分析する工程と
を有する方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、前記光ファイバー分光計により、前記光ファイバー検出プローブからの表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）信号を取得する工程は、
前記光ファイバー分光計により、前記光ファイバー検出プローブからの表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）信号およびコアモード信号を取得する工程を有し、
前記蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）に関する情報を導出するために前記表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）信号を分析する工程において、前記蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）に関する情報は前記コアモード信号により修正されるものである、
方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
スーパーキャパシタは、その高速充電速度および放電速度、長期に亘る使用可能寿命、良好な温度特性、および低環境負荷の特性により、幅広い注目を集めている。現在、スーパーキャパシタの検出方法は実質的に全て「オフライン」である。換言すると、スーパーキャパシタの充電状態（ＳＯＣ）は、従来技術ではオペランドで（動作中、すなわち、スーパーキャパシタが充電／放電の動作モードにある間に）測定することは可能ではなく、スーパーキャパシタの動作が停止するまで待つ必要がある（この時点で、一般的に電気化学ワークステーションを利用してスーパーキャパシタ内の電極における電気化学的機能の減衰または損傷についての検査が行われる）。スーパーキャパシタは現在、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または低温電子顕微鏡によって動作モード中に試験することが可能であるが、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）および低温電子顕微鏡などの機器は非常に高価であり、その場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）測定には適していない。このようなその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）およびオペランドでの（動作中における）スーパーキャパシタを監視する技術については今だに顕著な進歩および幅広い適用が見られない。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１）  中国特許出願公開第１０５７８４８１１号明細書
（特許文献２）  中国実用新案公告第２００９９３６７２号明細書
（特許文献３）  中国特許出願公開第１０５８４１８４３号明細書
（特許文献４）  中国実用新案公告第２０４２１５０２６号明細書
（特許文献５）  中国特許出願公開第１０７８１７０１２号明細書
（特許文献６）  中国特許出願公開第１０３７１３２０８号明細書
（特許文献７）  中国特許出願公開第１０１８７１８８６号明細書
【国際調査報告】
2021532335.tif 000009
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