(57)【要約】　　　（修正有）【課題】湿度変化に対する透過光強度変化（感度）が向上し応答速度が速く、外気の湿度条件に影響されることなく呼気を検知できる光ファイバ呼気センサを得る。【解決手段】親水性ポリマー中に１〜５０μｍの粒径の非水溶性材料が分散しているクラッド層がプラスチック光ファイバのコア上に形成されている光ファイバ呼気センサとする。これによって、湿度変化に対する透過光強度変化（感度）が向上しおよび応答速度が速く、外気の湿度条件に影響されることなく呼気を検知できる。また、さらに感度を向上させるために、プラスチック光ファイバを半径２〜１０ｍｍに曲げる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
親水性ポリマー中に１〜５０μｍの粒径の非水溶性材料が分散しているクラッド層がプラスチック光ファイバのコア上に形成されていることを特徴とする光ファイバ呼気センサ。
【請求項２】
プラスチック光ファイバが曲げられた構造であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ呼気センサ。
【請求項３】
前記親水性ポリマーがセルロース系ポリマーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ呼気センサ。
【請求項４】
前記非水溶性材料がフッ素系ポリマーであることを特徴とする請求項１、２又は３のいずれか１項に記載の光ファイバ呼気センサ。
【請求項５】
プラスチック光ファイバが半径２〜１０ｍｍに曲げられたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ファイバ呼気センサ。
【請求項６】
センサ部位の長さが２０〜９０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバ呼気センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は呼気センサに関する。さらに詳しくはプラスチック光ファイバを利用した光ファイバ呼気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチック光ファイバを利用した湿度センサとして、クラッドの一部にポリビニルアルコールを主体として酢酸カリウム、塩化マグネシウム、硫酸ナトリウムを含んだ感湿層を形成させた透過光強度変化を検知できる湿度センサが示されている（特開平５−６０６８９）。さらに同公報（特開平５−６０６８９）では半円状（円半径１１ｍｍ）に曲げることにより透過光強度変化を促進することができることが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の湿度センサにおいては、透過光強度変化がＳ字形の曲線を示し、高湿度下での湿度変化に対する感度および応答速度が不十分で、外気の湿度条件に影響されることなく呼気を検知できるセンサとしての利用には不向きである。そこで、本発明は、湿度変化に対する透過光強度変化（感度）が向上し応答速度が速く、外気の湿度条件に影響されることなく呼気を検知できる光ファイバ呼気センサを提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、親水性ポリマー中に１〜５０μｍの粒径の非水溶性材料が分散してあるクラッド層がプラスチック光ファイバのコア上に形成されている光ファイバ呼気センサとする。これによって、湿度変化に対する透過光強度変化（感度）が向上しおよび応答速度が速く、外気の湿度条件に影響されることなく呼気を検知できる光ファイバ呼気センサを得ることができる。
【０００５】
また、プラスチック光ファイバを曲げた構造とすれば、透過光強度変化（感度）が向上し応答速度が速い（高感度、高応答性の）光ファイバ呼気センサとできる。
【０００６】
また、前記親水性ポリマーをセルロース系ポリマーとすれば、さらに、高感度、高応答性の光ファイバ呼気センサとできる。
【０００７】
また、前記非水溶性材料をフッ素系ポリマーとすれば、さらに、高感度、高応答性の光ファイバ呼気センサとできる。
【０００８】
また、プラスチック光ファイバを半径２〜１０ｍｍに曲げたものとすれば、さらに、高感度、高応答性の光ファイバ呼気センサとできる。
【０００９】
また、センサ部位の長さを２０〜９０ｍｍとすれば、さらに、高感度、高応答性の光ファイバ呼気センサとできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１１】
まず、光ファイバ呼気センサの原理を説明する。
【００１２】
光ファイバ呼気センサは、コアとなる物質をクラッドとなる物質で覆って構成される。低湿度においては、クラッドの屈折率はコアの屈折率よりも高く、コアは導波路として機能しないために一方の端から光ファイバ呼気センサに入射した光が損失してしまい、透過光強度は小さくなる。
【００１３】
クラッド材は吸湿によって膨潤する材料であり、膨潤によりクラッド材の密度が低下し屈折率が低下するものである。
【００１４】
さらに前記クラッド材は、親水性ポリマー中に１〜５０μｍの粒径の非水溶性材料を混合してあるため、光を散乱させる効果もあると考えられ、低湿度時の透過光強度は極めて小さい。しかし、高湿度時には親水性ポリマーが膨潤してクラッドの密度が低下することにより屈折率が低下して、コアは導波路として機能するようになり、一方の端から光ファイバ呼気センサに入射した光が損失することなく透過光強度が大きくなる。
【００１５】
以上のように、低湿度時と高湿度時で透過光強度差が生じることを利用して、呼吸時の湿度変化を透過光強度変化として検知することが可能となる。
【００１６】
さらに本発明においては、前記の通り、クラッド材は親水性ポリマー中に１〜５０μｍの粒径の非水溶性材料を混合することによって、透過光強度変化を向上させ、また応答速度も向上させることができる。この時、非水溶性材料の粒径が１μｍ以下であると光の散乱効果が低下してしまい、５０μｍ以上であると親水性ポリマー中に均一に分散させることができずに、感度及び応答速度の向上が困難となる。
【００１７】
本発明における親水性ポリマーには特に制限はないが、例えばセルロース系ポリマーを用いれば良好である。セルロース系ポリマーに制限はないが、好ましくはヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム、ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルエチルセルロースなどが挙げられる。特に好ましくはヒドロキシエチルセルロースが挙げられる。
【００１８】
また、セルロース系ポリマー以外にも親水性ポリマーとして、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ヒドロキシアクリル酸等の単体またはそれらの共重合体のようなポリマーを用いても良い。更にはこれらの混合物を用いることも可能である。
【００１９】
本発明における非水溶性材料として、特に制限はないが、例えば疎水性ポリマー、特にフッ素系ポリマーを用いると良好である。フッ素系ポリマーに制限はないが、好ましくはポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化エチレンポリプロピレンポリマー、テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニルが挙げられる。特に好ましくはポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
【００２０】
また、フッ素系ポリマー以外の非水溶性材料としては、例えば無機物または金属を挙げることができる。酸化チタニウム、酸化シリコン、酸化亜鉛、硫化亜鉛、硫酸バリウム等が挙げられるが、１〜５０μｍの粒径である非水溶性材料であれば特に制限はない。
【００２１】
本発明において、クラッド部は、親水性ポリマー中に、非水溶性材料が分散している状態であれば良く、具体的な形成法としては、以下の不均一系及び均一系がある。
【００２２】
すなわち、親水性ポリマーを溶解した溶液に、非水性材料を分散した状態にして塗布する方法、または、親水性ポリマーと非水溶性材料を均一に溶解した溶液を用いて塗布する方法などがある。
【００２３】
均一系の場合、非水溶性材料の中に、親水性ポリマーが分散した状態とならないように、組成比を選定する必要がある。用いるものによって異なるが、一般的には親水性ポリマー：非水溶性材料＝９：１〜４：６が好ましい。
【００２４】
本発明の実施の形態によれば、プラスチック光ファイバが曲げられた構造である光ファイバ呼気センサとすることができる。前記光ファイバ呼気センサは半径２〜１０ｍｍに曲げられていることが好ましく、より好ましくは半径３〜９ｍｍに曲げられている構造が挙げられる。かかる構造にすることによって、クラッドの密度が変化して、低湿度時と高湿度時との透過光強度変化が直線状の構造時よりも向上し、また応答速度も向上させた高感度、高応答性の光ファイバ呼気センサとすることができる。
【００２５】
また、本発明のさらに別の形態によれば、センサ部位の長さが２０〜９０ｍｍとすることができ、より好ましくは３５〜７０ｍｍの長さを挙げることができる。かかる構造にすることによって、低湿度時と高湿度時との透過光強度変化を向上させ、また応答速度も向上させた高感度、高応答性の光ファイバ呼気センサとすることができる。センサ部位の長さが２０ｍｍ以下になることによって、特に低湿度での損失が極端に少なくなるため、透過光の変化量が減少し、呼気検知が困難となる。また９０ｍｍ以上であるとセンサの表面積に対し、呼気の当たる面積が少なくなるため、透過光の変化量が減少し、呼気検知が困難となる。
【００２６】
また、前述のプラスチック光ファイバが曲げた構造であることとセンサ部位の長さが２０〜９０ｍｍであることを組み合わせることもできる。かかる構造にすることによって、さらに高感度、高応答性である光ファイバ呼気センサとすることができる。
【００２７】
本発明のさらに別の形態によれば、光ファイバ呼気センサは、高感度、高応答性であることから、被験者に直接的に接触させることなく呼吸を検知できる非接触型の呼気センサとしても利用することが可能であり、接触箇所に創傷がある被験者や意識的に接触保持し続けることが困難な新生児や乳幼児、小動物を対象とすることもできる。また、新生児や乳幼児、小動物などの微弱な呼吸変化も検知することが可能である。
【００２８】
以上のような光ファイバ呼気センサを用いることによって、被験者の呼気による湿度変化を透過光強度変化として簡便に検知することが可能である。さらに、本発明による光ファイバ呼気センサは、出力された透過光強度をフォトダイオード等を介して電気信号に変換できる呼吸検知システムに組み込むこともできる。
【００２９】
また、さらには記録回路を組み込むことによって、病院や検査施設だけでなく家庭においても使用することができる。
【００３０】
主な使用例としては、睡眠時無呼吸症の疑いがある患者を対象とした、睡眠時における患者の呼吸変化を家庭においても測定、記録できる簡易的な検査装置としての使用法が挙げられる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。本発明はこれらにより限定されるものではない。
【００３２】
［実施例１］
［１．光ファイバ呼気センサの作製］
市販プラスチック光ファイバのエスカメガ（登録商標、以下同じ）（三菱レイヨン製）を１０ｃｍの長さに切り出し、クラッドをジオキサンを用いて除去してポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）のコアのみとした。次いで、水：エタノール＝１：１（重量比）の混合溶媒１４０ｇにヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）２．５２ｇおよびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）１．６８ｇを混合し、攪拌しながら前記コアを浸漬した後に２２℃、１５時間乾燥させることによってＰＭＭＡのコア上にクラッド層を形成させた光ファイバ呼気センサを作製した。前記光ファイバ呼気センサはＦ０５コネクタ、例えばＲＦＡ４０１１Ｐ（三菱レイヨン製）に接続して、ファイバの両端面は研磨して鏡面とした。センサ部位の長さは４０ｍｍとした。
【００３３】
［２．光ファイバ呼気センサの湿度応答性評価］
前記光ファイバ呼気センサを光源装置Ｐｈｏｔｏｍ３７０Ｈ−Ｓ（Ｐｈｏｔｏｍは登録商標、以下同じ）（ハクトロニクス製）と受光装置Ｐｈｏｔｏｍ２２８（ハクトロニクス製）とに接続し、湿度３５％〜９５％の範囲における透過光強度変化を測定した。この時、直線構造の光ファイバ呼気センサおよび曲げ構造（円半径４ｍｍおよび９ｍｍ）の光ファイバ呼気センサでの測定をそれぞれ行った。
【００３４】
湿度と透過光強度変化の相関図を図１に示す。直線構造の光ファイバ呼気センサは湿度依存的な透過光強度の増加が認められている。そして、曲げ構造（円半径４ｍｍおよび９ｍｍ）の光ファイバ呼気センサも同様に湿度依存的な透過光強度の増加が認められているが、特に高湿度側において急激な透過光強度の増加が認められていることから、外気の湿度条件に影響することなく呼気を検出するセンサとしてさらに適していることが明瞭である。
【００３５】
［３．光ファイバ呼気センサの呼気応答性評価］
前記光ファイバ呼気センサを光源装置Ｐｈｏｔｏｍ３７０Ｈ−Ｓ（ハクトロニクス製）と受光装置Ｐｈｏｔｏｍ２２８（ハクトロニクス製）とに接続し、呼気をセンサ部位に吹きかけた時の透過光強度変化を測定した。この時、直線構造の光ファイバ呼気センサおよび曲げ構造（円半径９ｍｍ）の光ファイバ呼気センサでの測定をそれぞれ行った。
【００３６】
光ファイバ呼気センサの呼気に応答した透過光変化量を図２に示す。直線構造、曲げ構造のいずれも早い呼気応答性を示すが、曲げ構造においては急激に透過光が減少していることから、より応答性の高い光ファイバ呼気センサとして利用可能であることを示している。
【００３７】
［４．光ファイバ呼気センサの表面観察］
前記光ファイバ呼気センサのクラッド層表面を走査電子顕微鏡Ｓ−３０００Ｎ（日立製作所製）によって観察した結果を図３に示す。図中にはＰＶＤＦの粒子がクラッド層表面に形成されていることが認められる。これらの粒径はおよそ１０μｍ〜５０μｍであった。
【００３８】
［実施例２］
［１．光ファイバ呼気センサの作製］
市販プラスチック光ファイバのエスカメガ（三菱レイヨン製）を１０ｃｍの長さに切り出し、クラッドをジオキサンを用いて除去してＰＭＭＡのコアのみとした。次いで、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）１４０ｇにヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）２．５２ｇおよびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）１．６８ｇを混合し、攪拌しながら前記コアを浸漬した後に真空オーブン内にて５０℃、１５時間乾燥させることによってＰＭＭＡのコア上にクラッド層を形成させた光ファイバ呼気センサを作製した。前記光ファイバ呼気センサはＦ０５コネクタ（三菱レイヨン製）に接続して、ファイバの両端面は研磨して鏡面とした。センサ部位の長さは４０ｍｍとした。
【００３９】
［２．光ファイバ呼気センサの湿度応答性評価］
前記光ファイバ呼気センサを光源装置Ｐｈｏｔｏｍ３７０Ｈ−Ｓ（ハクトロニクス製）と受光装置Ｐｈｏｔｏｍ２２８（ハクトロニクス製）とに接続し、湿度３５％〜９５％の範囲における透過光強度変化を測定した。この時、直線構造の光ファイバ呼気センサおよび曲げ構造（円半径４ｍｍおよび９ｍｍ）の光ファイバ呼気センサでの測定をそれぞれ行った。
【００４０】
湿度と透過光強度変化の相関図を図４に示す。直線構造の光ファイバ呼気センサは湿度依存的な透過光強度の増加が認められている。そして、曲げ構造（円半径４ｍｍおよび９ｍｍ）の光ファイバ呼気センサも同様に湿度依存的な透過光強度の増加が認められているが、特に高湿度側において急激な透過光強度の増加が認められていることから、外気の湿度条件に影響することなく呼気を検出するセンサとしてさらに適していることが明瞭である。
【００４１】
［３．光ファイバ呼気センサの呼気応答性評価］
前記光ファイバ呼気センサを光源装置Ｐｈｏｔｏｍ３７０Ｈ−Ｓ（ハクトロニクス製）と受光装置Ｐｈｏｔｏｍ２２８（ハクトロニクス製）とに接続し、呼気をセンサ部位に吹きかけた時の透過光強度変化を測定した。この時、直線構造の光ファイバ呼気センサおよび曲げ構造（円半径９ｍｍ）の光ファイバ呼気センサでの測定をそれぞれ行った。
【００４２】
光ファイバ呼気センサの呼気に応答した透過光変化量を図５に示す。直線構造、曲げ構造のいずれも早い呼気応答性を示すが、実施例１の図２と同様に曲げ構造においては急激に透過光が減少していることから、より応答性の高い光ファイバ呼気センサとして利用可能であることを示している。
【００４３】
［４．光ファイバ呼気センサの表面観察］
前記光ファイバ呼気センサのクラッド層表面を走査電子顕微鏡Ｓ−３０００Ｎ（日立製作所製）によって観察した結果を図６に示す。図中にはＰＶＤＦの粒子がクラッド層表面に形成されていることが認められる。これらの粒径はおよそ１μｍ〜１０μｍであった。
【００４４】
［比較例］
［１．従来技術による光ファイバ呼気センサの作製］
市販プラスチック光ファイバのエスカメガ（三菱レイヨン製）を１０ｃｍの長さに切り出し、クラッドを２０００番の紙やすりで削り取った。次いで、曲げ構造（円半径１１ｍｍ）とした後に、１０ｇ／ｌのポリビニルアルコール水溶液に濃度が４０ｇ／ｌとなるように酢酸ナトリウムを溶解したクラッド材を用いてクラッド層を形成させた光ファイバ呼気センサを作製した。前記光ファイバ呼気センサはＦ０５コネクタ（三菱レイヨン製）に接続して、ファイバの両端面は研磨して鏡面とした。
【００４５】
［２．光ファイバ呼気センサの湿度応答性評価］
前記光ファイバ呼気センサを光源装置Ｐｈｏｔｏｍ３７０Ｈ−Ｓ（ハクトロニクス製）と受光装置Ｐｈｏｔｏｍ２２８（ハクトロニクス製）とに接続し、湿度３５％〜９５％の範囲における透過光強度変化を測定した。
【００４６】
この湿度と透過光強度変化の相関図を図７に示す。図中では光ファイバ呼気センサが湿度依存的な透過光強度変化を示しているが、高湿度付近での透過光強度変化率が極めて小さく、高湿度下においては呼気の検出に適していないことが示されている。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、親水性ポリマー中に１〜５０μｍの粒径の非水溶性材料が分散しているクラッド層がＰＯＦのコア上に形成されている光ファイバ呼気センサとすることによって高感度、高応答性で、外気の湿度条件に影響されることなく呼気を検知できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施形態としての実施例１における光ファイバ呼気センサの湿度依存的な透過光強度変化を示すグラフである。
【図２】上記実施例１における光ファイバ呼気センサの呼気応答性を示すグラフである。
【図３】上記実施例１において作製した光ファイバ呼気センサのクラッド層表面写真である。
【図４】本発明による一実施形態としての実施例２における光ファイバ呼気センサの湿度依存的な透過光強度変化を示すグラフである。
【図５】上記実施例２における光ファイバ呼気センサの呼気応答性を示すグラフである。
【図６】上記実施例２において作製した光ファイバ呼気センサのクラッド層表面写真である。
【図７】比較例における光ファイバ呼気センサの湿度依存的な透過光強度変化を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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