(57)【要約】【課題】ヘテロコア型光ファイバセンサ素子と表面プラズモン共鳴現象を組み合わせた屈折率測定の原理を応用した光ファイバセンサであって、サンプリングによらず、オンサイトでリアルタイムに遠隔計測できる光ファイバセンサを提供する。【解決手段】光ファイバからなる、光伝送路としての光ファイバ素線１１と、光ファイバ素線１１の中途に接続され、光ファイバ素線１１のコアと径の異なるコアを有する光ファイバからなるセンサ素子部１４と、センサ素子部１４の外周に設けられた金属薄膜と、光ファイバ素線１１の中途に固定され、センサ素子部１４を内蔵するセンサヘッド２とを有する。【選択図】図２
2005010025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバからなる、光伝送路としての本線体と、
前記本線体の中途に接続され、前記本線体のコアと径の異なるコアを有する光ファイバからなるセンサ素子と、
前記センサ素子の外周に設けられた金属薄膜と、
前記本線体の中途に固定され、前記センサ素子を内蔵するセンサヘッドと
を有する光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記センサヘッドは、前記本線体における前記センサ素子の両側部分の相対位置を拘束する
請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記センサヘッドは、前記センサ素子へ溶液を導入する導入路を備える
請求項１または２に記載の光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記センサヘッドは、前記センサ素子に向けて前記導入路へ流入する溶液をろ過するフィルターを備える
請求項３に記載の光ファイバセンサ。
【請求項５】
光ファイバからなる、光伝送路としての本線体と、前記本線体の中途に接続され、前記本線体のコアと径の異なるコアを有する比較的短い光ファイバからなるセンサ素子と、前記センサ素子の外周に設けられた金属薄膜と、前記センサ素子を内蔵し、当該センサ素子を保護するセンサヘッドとを有する光ファイバセンサを用いた測定方法であって、
前記センサヘッドを測定すべき溶液中に浸した状態として、前記溶液の濃度を測定する
光ファイバセンサを用いた測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバセンサおよびこれを用いた測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体の屈折率の測定は、食品、化学薬品等の製造工程、農業における糖度測定、環境計測、水や油等の漏洩検出等に必要不可欠である。
従来において、屈折率の測定方法としては、光の屈折現象を用いたアッベ方式を原理とするものが知られている。この方式では、プリズムの表面に被測定溶液が存在するときに溶液の屈折率とプリズムの屈折率との関係で屈折角が決定される。このため、屈折を受けた光は、角度に応じた直線的なスケール上に投影され、スケール上に明暗の境界が現れる。この境界のスケール上の位置から屈折率が計測される。
しかしながら、上記の測定方法は、被測定試料溶液を何らかの方法で、屈折率計プリズムの表面に滴下する必要があり、試料の一部をサンプリングするという人手による作業を経て計測することを前提としている。また、遠隔地からの計測のためには、スケール上の値を何らかの手段によって電気信号に変換し、電気信号としてケーブルで伝送しなければならず、電源供給、電磁障害対策、腐食対策等が必要となる。さらに、人手によるサンプリングであるため、リアルタイム性がない。
【０００３】
上記のような不利益を克服できる測定技術として、光ファイバを用いる技術が知られている（特許文献１参照）。
特許文献１は、光ファイバ線路の一部にヘテロコア構造を挿入し、表面プラズモン共鳴現象を利用して屈折率を測定する技術を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
国際公開番号ＷＯ９７／４８９９４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に開示された光ファイバセンサは、センサ部分へ測定する試料をサンプリングすることを前提としているため、使い勝手が非常に悪いという不利益が存在した。また、センサ部分は、機械的衝撃に非常に弱く、流れる溶液等の測定への適用が困難であった。
【０００６】
本発明は、上記した従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ヘテロコア型光ファイバセンサ素子と表面プラズモン共鳴現象を組み合わせた屈折率測定の原理を応用した光ファイバセンサであって、サンプリングによらず、オンサイトでリアルタイムに遠隔計測できる光ファイバセンサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ファイバセンサは、光ファイバからなる、光伝送路としての本線体と、前記本線体の中途に接続され、前記本線体のコアと径の異なるコアを有する光ファイバからなるセンサ素子と、前記センサ素子の外周に設けられた金属薄膜と、前記本線体の中途に固定され、前記センサ素子を内蔵するセンサヘッドとを有する。
【０００８】
前記センサヘッドは、前記本線体における前記センサ素子の両側部分の相対位置を拘束する。
【０００９】
好適には、前記センサヘッドは、前記センサ素子へ溶液を導入する導入路を備える。
【００１０】
さらに好適には、前記センサヘッドは、前記センサ素子に向けて前記導入路へ流入する溶液をろ過するフィルターを備える。
【００１１】
本発明の光ファイバセンサを用いた測定方法は、光ファイバからなる、光伝送路としての本線体と、前記本線体の中途に接続され、前記本線体のコアと径の異なるコアを有する比較的短い光ファイバからなるセンサ素子と、前記センサ素子の外周に設けられた金属薄膜と、前記本線体の中途に固定され、前記センサ素子を内蔵するセンサヘッドとを有する光ファイバセンサを用いた測定方法であって、前記センサヘッドを測定すべき溶液中に浸した状態として、前記溶液の濃度を測定する。
【００１２】
本発明では、本線体の中途にセンサヘッドを固定し、このセンサヘッドにセンサ素子を内蔵する。これにより、センサ素子は保護される。センサヘッドは本線体の中途に部分的に設けられているので、このセンサヘッドを測定すべき場所に設置することにより、測定が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサの構成を示す斜視図である。
光ファイバセンサ１は、センサヘッド２と、センサヘッド２の両側に延びる光ファイバ線路１０と、光ファイバ線路１０の各端部に接続された光ファイバコネクタ１５Ａ，１５Ｂとを有する。
【００１４】
光ファイバコネクタ１５Ａは、光源２０に接続されており、光ファイバコネクタ１５Ｂは、測定装置３０に接続されている。
【００１５】
光源２０は、所望の光を発光し、これを光ファイバ線路１０に出力する。この光源２０は、たとえば、全ての波長の光を含む白色の光を発光する。
【００１６】
測定装置３０は、光ファイバ線路１０を通じて入射された光のスペクトル分布を、各波長の光強度を観察可能に解析する。これにより測定者は、減衰している光の波長を観察することができ、予め得られている屈折率との相関を参照することにより、後述するセンサヘッド２が検出する被測定溶液の屈折率を知ることができる。
【００１７】
図２は、センサヘッド２の構造を示す断面図である。
図２に示すように、光ファイバ線路１０は、光ファイバ素線１１と、光ファイバ素線１１を被覆しているカバー部材１２と、カバー部材１２を被覆しているカバー部材１３からなる。
光ファイバ素線１１の中途には、センサ素子部１４が接続されている。
なお、光ファイバ素線１１は本発明の本線体の一実施態様であり、センサ素子部１４は本発明のセンサ素子の一実施態様である。
【００１８】
図３は、センサ素子部１４の構造を示す断面図である。
図３に示すように、光ファイバ素線１１は、コア５１と、クラッド５２とを有する。光ファイバ素線１１は、たとえば、コア５１の直径が５０μｍ、クラッド５２の直径が１２５μｍである。なお、光ファイバ素線１１は、多くの光量を伝送可能なものであればよく、マルチモード光ファイバ、シングルモード光ファイバのいずれも採用可能である。
【００１９】
センサ素子部１４は、コア４１と、クラッド４２とを有している。センサ素子部１４のコア４１の直径は、光ファイバ素線１１のコア５１の直径とは異なる。
センサ素子部１４のコア４１の直径は、たとえば、３μｍであり、長さは数ｍｍ〜数ｃｍである。このセンサ素子部１４と光ファイバ素線１１とは、融着によって容易に接続することができる。
センサ素子部１４の外周には、金属薄膜６０が設けられている。この金属薄膜６０は、センサ素子部１４を被覆するように設けられており、蒸着等の任意の方法でコーティングされている。金属薄膜６０は、具体的には、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）の薄膜である。また、クローム（Ｃｒ）の薄膜（たとえば、５ｎｍの膜厚）の下地に、金あるいは銀の薄膜（たとえば、５０ｎｍの膜厚）を形成したものでもよい。
【００２０】
カバー部材１２は、光ファイバ素線１１を被覆している。このカバー部材１２は、たとえば、樹脂で形成されており、カバー部材１２の直径は、たとえば、２５０μｍである。
カバー部材１３は、カバー部材１２を被覆している。このカバー部材１３は、たとえば、樹脂で形成されており、カバー部材１３の直径は、たとえば、１ｍｍ程度である。
【００２１】
センサヘッド２は、上下２つのベース部材３と、上下２つの押え板５と、上下２つのフィルタ部材８とを有する。
２つのベース部材３は、光ファイバ線路１０のカバー部材１３を挟むことによって、センサ素子部１４の両側を固定している。
【００２２】
図４の（ａ）はベース部材３のフィルタ部材８が設けられる側の構造を示しており、（ｂ）はベース部材３のカバー部材１３が設けられる側の構造を示している。
図４に示すように、ベース部材３の中央部には、開口部３ｈが形成されており、この開口部３ｈの周囲には、フィルタ部材８を収めるためのザグリ部３ｇが形成されている。
また、ベース部材３の開口部３ｈの両側には、断面形状がＶ字状の溝３ｔが長手方向に沿って形成されている。このＶ字状の溝３ｔの間に、光ファイバ素線１１，カバー部材１２，１３が挟まれ、固定される。これにより、光ファイバ素線１１のセンサ素子部１４の両側部分の相対位置が拘束される。
なお、２つのベース部材３は、図示しない、ボルト等の締結手段により互いに締結される。
また、ベース部材３は、たとえば、金属材料や樹脂材料で形成されている。
【００２３】
図５は、押え板５の構造を示す平面図である。
押え板５は、ベース部材３の外形と同様の平板状の部材で形成され、ベース部材３の開口部３ｈに対応する位置に開口部５ｈが形成されている。
押え板５は、たとえば、金属材料や樹脂材料で形成されている。
押え板５は、ボルト等の締結手段によってベース部材３に固定される。このとき、ベース部材３の開口部３ｈおよび押え板５の開口部５ｈによって、測定すべき溶液が導入される導入路４が構成される。この導入路４内にセンサ素子部１４が存在している。
【００２４】
また、押え板５は、ベース部材３のザグリ部３ｇに収められたフィルタ部材８を押さえつけることによって固定する。
フィルタ部材８は、たとえば、金属製あるいは樹脂製のメッシュ部材で形成されている。フィルタ部材８は、外部から導入路４に流入しようとする測定すべき溶液をろ過し、溶液中に含まれるゴミ等の異物が導入路４内に侵入するのを阻止する。
【００２５】
次に、上記構成の光ファイバセンサ１の動作の一例について説明する。
センサヘッド２の導入路４へ、被測定溶液を供給すれば、被測定溶液は導入路４の一方側から他方側に流れ、導入路４内にあるセンサ素子部１４はこの溶液に曝される。
【００２６】
一方、光源２０で発せられた光は、光ファイバ線路１０内を伝送され、センサヘッド２内のセンサ素子部１４に入射する。
センサ素子部１４に光が入射すると、光ファイバ素線１１のコア５１を伝送されてきた光は、相当の量がセンサ素子部１４のクラッド４２に広がる。
クラッド４２では、クラッディングモードとして、図３に示したクラッド４２の外側境界面４３で光の反射が行われるようになる。
【００２７】
クラッド４２の外側境界面４３には、金属薄膜６０が形成されている。このため、表面プラズモン現象が励起される。その結果、金属薄膜６０の表面の雰囲気に影響された、すなわち、金属薄膜６０上の被測定溶液の特性に依存した所定の入射角の光が表面プラズモン現象の励起に使われ、光の強度が減少する。
センサ素子部１４に入射した光は、特定の光の強度が減少されながらも、再び光ファイバ素線１１に入射される。すなわち、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）によるスペクトルは、測定装置３０側に接続された光ファイバ素線１１中の光強度に反映される。
【００２８】
測定装置３０は、入射された光の中で波長に対する損失の度合いを求め、これにより屈折率を求める。
光ファイバの中で伝送される光は、クラッド内側から外側に向けて複数の角度で入射することが考えられる。これは、クラッド内でのクラッディングモードが複数存在するためであるが、モードによる角度の違いは、ある角度を中心に分布をもつので、角度の広がりはそれほど大きくない。そこで、光ファイバの曲率等の設置条件を一定にして、波長に対する損失の度合と屈折率の相関とを明らかにしておけば、屈折率はその波長に対する損失から測定される。
【００２９】
本実施形態では、光ファイバ素線１１は、センサ素子部１４を間に挟んで、ベース部材３によって固定されている。このため、光ファイバの曲率等の設置条件を常に一定にすることができる。
また、本実施形態では、センサヘッド２に溶液を導入する導入路４を形成し、この導入路４内にセンサ素子部１４を内蔵している。このため、センサ素子部１４に物体が衝突しにくくなり、センサ素子部１４が損傷するのを防ぐことができる。
さらに、本実施形態では、導入路４の入り口にフィルタ部材８を設けることにより、センサ素子部１４に物体が衝突するのを確実に防ぐことが可能となる。
また、導入路４の入り口にフィルタ部材８を設けることにより、被測定溶液中の異物が取り除かれ、センサ素子部１４が汚染されず、正確な検出を維持することができる。
【００３０】
次に、光ファイバセンサ１を用いた測定方法の一例について図６を参照して説明する。
図６において、容器１００には、供給口１０１から被測定溶液１０５が供給される。容器１００に供給され、蓄えられた被測定溶液１０５は、排出口１０２から排出される。
このような容器１００の中に、光ファイバセンサ１のセンサヘッド２を予め設置し、センサヘッド２を被測定溶液１０５中に浸漬する。
【００３１】
容器１００の中に供給される被測定溶液１０５の濃度が変化すると、センサヘッド２はこれをリアルタイムに検出する。
すなわち、容器１００の中に供給され、排出される被測定溶液１０５の一部は、センサヘッド２の導入路４を通過するため、被測定溶液１０５の濃度が変化すると、この変化をリアルタイムに検出する。
【００３２】
このように、センサヘッド２を被測定溶液１０５中に浸けることにより、被測定溶液１０５をサンプリングしてセンサヘッド２へ供給する必要がなくなる。
また、容器１００の中に置かれたセンサヘッド２へ電力を供給する必要がなく、加えて、光源２０および測定装置３０を容器１００から十分に離れた場所に設置することも可能である。
さらに、センサヘッド２の設置場所を適切に設定すれば、計測したい位置で計測を行うことができる。
【００３３】
本発明は上述した実施形態に限定されない。
上述した実施形態では、導入路４はセンサヘッド２を貫通する構成としたが、２つのベース部材３のうち一方を閉塞し、導入路４を凹状に形成することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、被測定溶液の濃度の変化をリアルタイムに検出することができる。
また、本発明によれば、センサヘッドを被測定溶液中に浸けることにより、被測定溶液をサンプリングする必要がなくなる。
また、本発明によれば、センサヘッドの設置場所を適切設定すれば、計測したい位置で計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサの構成を示す斜視図である。
【図２】センサヘッドの構造を示す断面図である。
【図３】センサヘッドの一部を構成するベース部材の構造を示す図である。
【図４】センサヘッドの一部を構成する押え板の構造を示す図である。
【図５】センサ素子部１４の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサを用いた測定方法の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…光ファイバセンサ
２…センサヘッド
３…ベース部材
４…導入路
５…押え板
８…フィルタ部材
１０…光ファイバ線路
１１…光ファイバ素線
１２，１３…カバー部材
１４…センサ素子部
２０…光源
３０…測定装置
【図１】
2005010025.tif 000003
【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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