(57)【要約】【課題】温度変化の影響を抑制して圧力を検出することができる光ファイバ圧力センサを提供する。【解決手段】光ファイバと、その光ファイバの一端面に対向して設けられ、光ファイバから出射された光の一部を反射させ、その反射光を光ファイバに入射する第１反射部材と、第１反射部材を透過した光の一部又は全部を第１反射部材に向けて反射させる第２反射部材と、第１反射部材と第２反射部材との間に介在され、かつ入射された光を多重干渉させるとともに外力によって弾性変形する導光体と、を備え、導光体が、屈折率温度係数が正である第１導光体と屈折率温度係数が負である第２導光体とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと、
該光ファイバの一端面に対向して設けられ、前記光ファイバから出射された光の一部を反射させ、該反射光を前記光ファイバに入射する第１反射部材と、
該第１反射部材を透過した光の一部又は全部を前記第１反射部材に向けて反射させる第２反射部材と、
前記第１反射部材と前記第２反射部材との間に介在され、かつ入射された光を多重干渉させるとともに外力によって弾性変形する導光体と、を備え、
前記導光体は、屈折率温度係数が正である第１導光体と屈折率温度係数が負である第２導光体とを含んでなることを特徴とする光ファイバ圧力センサ。
【請求項２】
前記導光体は、前記第１導光体と前記第２導光体とが交互に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ圧力センサ。
【請求項３】
前記第２導光体は、フッ素を含有するガラスで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ圧力センサ。
【請求項４】
前記光ファイバの一端面と前記第１反射部材の間に屈折率分布型ファイバを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバ圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバセンサは、感知部に加わる温度や外力を光学的な特性変化として検知してその検出された信号が光ファイバを介して伝達されるものである。
【０００３】
このように光ファイバセンサの感知方法は、光学特性の変化を利用するため、感知部に給電を必要とせず、また、経路に用いる光ファイバは伝送損失が小さいため、遠隔での計測に有利であるという特徴を有する。さらに、光ファイバ自体の性質から、細径、軽量、防爆、耐電磁ノイズ性に優れるといった利点も有している。
【０００４】
特許文献１には、エタロンと呼ばれる狭帯域波長フィルタを用いた光ファイバ温度センサが開示されている。エタロンとは、２つの反射部材の間で光を多重反射させて特定波長の光を取り出す光干渉型波長フィルタであり、特許文献１には、２つの反射部材の間に設けられる部材の厚さの変化をとらえて温度を測定することが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、対向する２つの反射膜を有する光干渉型ファイバセンサを圧力の検出に用いることが開示されている。
【特許文献１】特開平０５−５６８１３号公報
【特許文献２】特開平１０−３１９２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、２つの反射部材の間で光を多重反射させて特定波長の光を取り出すことにより圧力を検出しようとした場合、反射部材間の間隔が圧力と温度の両方に依存して変化するために、圧力のみを検出することが困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、温度変化の影響を抑制して圧力を検出することができる光ファイバ圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ圧力センサは、光ファイバと、該光ファイバの一端面に対向して設けられ、前記光ファイバから出射された光の一部を反射させ、該反射光を前記光ファイバに入射する第１反射部材と、該第１反射部材を透過した光の一部又は全部を前記第１反射部材に向けて反射させる第２反射部材と、前記第１反射部材と前記第２反射部材との間に介在され、かつ入射された光を多重干渉させるとともに外力によって弾性変形する導光体と、を備え、前記導光体は、屈折率温度係数が正である第１導光体と屈折率温度係数が負である第２導光体とを含んでなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように構成された本発明に係る光ファイバ圧力センサは、前記導光体が屈折率温度係数が正である第１導光体と屈折率温度係数が負である第２導光体とを含んでいるので、温度変化の影響を抑制して圧力を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の光ファイバ圧力センサについて説明する。
実施形態１．
図１は、本発明に係る実施形態１の光ファイバ圧力センサの構成を示す模式図である。この光ファイバ圧力センサは、光ファイバ１１と、その光ファイバ１１の一端側に、レンズ１４を介して光学的に結合された感知部１０とを含んでなる。感知部１０は、それぞれ入射された光の一部を反射するように構成され、かつ互いに対向する２つの反射ミラー１２ａ、１２ｂと、２つの反射ミラー１２ａ、１２ｂの間に設けられた導光体１３とからなる。この感知部１０は、例えば、反射ミラー１２ａを介して入射される光を導光体１３中で多重干渉させて、２つの反射ミラー１２ａ、１２ｂの間隔に対応する波長の光を、選択的に、反射ミラー１２ａ又は、反射ミラー１２ｂを介して出射する狭帯域波長フィルタである。
この反射ミラー１２ａ、１２ｂ及び導光体１３により構成される感知部１０は、一般的にエタロンと呼ばれ、このような干渉計は一般的にファブリ・ペロー干渉計と呼ばれる。
【００１１】
ここで、特に、本実施形態の光ファイバ圧力センサは、導光体１３を屈折率温度係数が正である第１導光体１３ａと屈折率温度係数が負である第２導光体１３ｂを含んでなることを特徴とし、これにより、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの厚さＬａ，Ｌｂを適切な値に設定することにより外力による変化分のみを感知することが可能になる。
以下、本実施形態の光ファイバ圧力センサについて、詳細に説明する。
【００１２】
反射ミラー１２ａ、１２ｂは、誘電体多層膜や金属膜などにより構成することができ、一部の光を反射し、残りの光を透過する部材である。反射ミラー１２ａは、例えば、光ファイバ１１や導光体１３に直接成膜されていてもよいし、ガラス板に誘電体多層膜や金属膜を成膜したものを光ファイバ１１と導光体１３の間に配置するようにしてもよい。反射ミラー１２ａは、例えば、反射率が０．９、透過率が０．１に設定され、一方で、反射ミラー１２ｂは、例えば、反射率が０．９９、透過率が０．０１に設定される。このように、反射ミラーの反射率を反射ミラー１２ａに比し、反射ミラー１２ｂを高く設定すれば、反射ミラー１２ｂの反射光を光ファイバ１１に再入射させる調心工程が容易になる。より具体的には、反射ミラー１２ａおよび反射ミラー１２ｂとして、例えば、Ａｌ（アルミニウム）やＡｕ（金）などの金属膜や比較的高屈折率な材料であるＺｎＳなどの膜、該高屈折材料に比し、比較的屈折率が小さい低屈折率なＮａ３Ａ１Ｆ６などを交互に成膜した多層誘電体膜が用いられる。このような多層誘電体膜を用いた場合、その厚みは反射率やその積層構造にも関係するが、例えば、５μｍ程度に設定される。また、反射ミラー１２ａおよび反射ミラー１２ｂは、例えば、蒸着やイオンプレーティング、スパッタリングやスピンコートすることによって形成される。
また、反射ミラー１２ａ、１２ｂは、導光体１３に直接成膜されて形成されてもよく、また、透明なガラス板に誘電体多層膜や金属膜を成膜したものを導光体１３に被着するように形成されてもよい。
尚、反射ミラー１２ｂは、入射される光の全てを反射するようにしてもよい。
レンズ１４は、光ファイバ１１から出射した光を反射ミラー１２ｂに向かって集光させ、反射ミラー１２ｂで反射した光を効率よく光ファイバ１１に再入射させる機能を有する。このようなレンズ１４が配置されないと、光ファイバ１１を出射した光は、光ファイバ１１の開口数に応じた角度で拡がり、反射ミラー１２ｂで反射した光を光ファイバ１１に再入射させるときに損失が大きくなる可能性が高くなる。このレンズ１４は、例えば、凸レンズ、ボールレンズ、非球面レンズから適宜選択して使用することができ、その材質には、ＢＫ７、ＴａＦ３、合成石英、シリコン樹脂等が挙げられる。
【００１３】
以下、本実施形態の光ファイバ圧力センサの原理及び動作について説明する。
まず、実施形態の光ファイバ圧力センサにおいて、反射ミラー１２ａから光が入射したとすると、その光は、厚さＬの導光体１３の内部で多重反射され、感知部１０を透過または反射する。このとき、感知部１０を透過する光のピーク波長λ（反射における減衰ピーク）は、次の関係式で与えられる。
ｍλ＝２ｎＬ・・・（１）
ここで、ｍは干渉次数（整数）、ｎはガラス板の屈折率、Ｌは導光体１３の厚みである。また、入射角は、９０度としている。
【００１４】
次に、感知部１０から戻って来て、光ファイバ１１に再入射される光の強度を考える。
まず、図１の光ファイバ圧力センサにおいて、光ファイバ１１から感知部１０に入射された光は、一部が、反射ミラー１２ａで反射して光ファイバ１１に再入射される。ここで、反射ミラー１２ａにおける反射率をＲ１とする。一方、反射ミラー１２ａを透過した透過光は、屈折率ｎの導光体１３を透過し、反射ミラー１２ｂで反射し、再び導光体１３を透過して、反射ミラー１２ａに到達する。ここで反射ミラー１２ｂでの反射率をＲ２とする。反射ミラー１２ａに達した光はさらに、一部が反射し、残りの一部が透過する。反射光は再び導光体１３を透過し、反射ミラー１２ｂで反射し、再び導光体１３を透過し、反射ミラー１２ａに到達する。ここでも反射ミラー１２ａに到達した光は一部が反射し一部が透過する。このようにして、光の反射と透過が繰り返し無限回行われる。この間、反射ミラー１２ａを透過して、光ファイバ１１に再入射する光も無限に存在する。これら全ての光が干渉し合い、全体としての反射光強度Ｉｒと入射光強度Ｉｉの比Ｉｒ／Ｉｉは、以下の（２）式で表される。
【００１５】
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【００１６】
ここで、φ＝４ｎＬπ／λであり、Ｌは導光体１３の厚みである。
この（２）式のように、Ｉｒ／Ｉｉは波長λ、導光体１３の屈折率ｎや厚みＬの関数で表される。尚、（２）式は、反射ミラー１２ａの反射率Ｒ１および反射ミラー１２ｂの反射率Ｒ２が、１より小さいとして（Ｒ１＜１、Ｒ２＜１）導いた式である。
【００１７】
例えば、導光体１３の厚みＬを２０μｍとし、波長１５８０ｎｍ近傍（１５５０ｎｍ〜１６１０ｎｍ）のＩｒ／Ｉｉを式（２）を用いて計算すると、図２に示すようになる。この図２において、実線は、反射ミラー１２ａ，１２ｂの反射率をそれぞれ０．９としたとき（Ｒ１＝Ｒ２＝０．９）、破線は、反射ミラー１２ａ，１２ｂの反射率をそれぞれ０．５としたとき（Ｒ１＝Ｒ２＝０．５）、一点鎖線は、反射ミラー１２ａ，１２ｂの反射率をそれぞれ０．２としたとき（Ｒ１＝Ｒ２＝０．２）としたときの計算値である。
【００１８】
図２に示すように、反射光強度Ｉｒと入射光強度Ｉｉの比Ｉｒ／Ｉｉは、複数の減衰ピークを有しており、その減衰ピーク波長は、φ＝π／２＋ｍλ（ｍは、１以上の整数）のときの値となる。一方、φ＝４ｎＬπ／λであるから、減衰ピークの波長も、導光体１３の屈折率ｎと厚みＬの関数で表される。
【００１９】
従って、感知部１０に圧力が印加されたとき、光弾性効果により導光体１３の屈折率ｎと厚みＬが変化して、減衰ピーク波長が変化するので、ピーク波長の変化を検出することにより、その変化量に基づいて印加された圧力の大きさが検出することが可能となる。
【００２０】
しかしながら、導光体１３の屈折率ｎ及び長さＬは、温度によっても変化し、圧力（応力）による変化分のみを感知したい場合、温度による影響を除く必要がある。そこで、本発明では、温度による影響を相殺するために、互いに屈折率温度係数が逆の特性をもつ導光体１３を第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂを用いて構成している。
【００２１】
次に、導光体１３を第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂを用いて構成した本実施の形態の光ファイバ圧力センサにおける感知部１０の動作について説明する。
【００２２】
まず、本実施の形態の光ファイバ圧力センサについても、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの境界における反射がないとすれば、全体としての反射光強度Ｉｒと入射光強度Ｉｉの比Ｉｒ／Ｉｉは、上述の式（２）で表される。このとき、導光体１３全体の光路長Ｓ（＝ｎＬ）は、第１導光体１３ａの光路長Ｓａ（＝ｎａＬａ）と第２導光体１３ｂの光路長Ｓｂ（＝ｎｂＬｂ）の和で表すことができる。すなわち、Ｓ＝ｎａＬａ＋ｎｂＬｂである。
ここで、ｎａは、第１導光体１３ａの屈折率、ｎｂは、第２導光体１３ｂの屈折率、Ｌａは、第１導光体１３ａの厚み、Ｌｂは、第２導光体１３ｂの厚みである。
【００２３】
したがって、上記式（２）中、φは、φ＝４π（ｎａＬａ＋ｎｂＬｂ）／λとなり、感知部１０に圧力（外力）が印加されたとき、第１導光体１３ａの屈折率ｎａと厚みＬａ及び第２導光体１３ｂの屈折率ｎｂと厚みＬｂが変化して、減衰ピーク波長が変化するので、ピーク波長の変化を検出することにより、その変化量に基づいて印加された圧力の大きさを検出することが可能となる。
【００２４】
次に、温度変化によるピーク波長の変化を考える。
まず、単一の導光体における光路長Ｓは、上述したように、Ｓ＝ｎＬで定義される。
従って、温度がΔＴ℃変化したときの光路長は、
Ｓ＋（ｄＳ／ｄＴ）ＬΔＴ
＝（ｎ＋（ｄｎ／ｄＴ）ΔＴ）（Ｌ＋αＬΔＴ）−１・αＬΔＴ  
＝ｎＬ＋（ｄｎ／ｄＴ）ΔＴＬ＋ｎαＬΔＴ＋（ｄｎ／ｄＴ）ΔＴαＬΔＴ）−１・αＬΔＴ
となる。
この式中、ｄｎ／ｄＴは屈折率温度係数であり、以下の説明では、δｎとする。さらに、αは線膨張係数である。また、この式中の第４項「（ｄｎ／ｄＴ）ΔＴαＬΔＴ」は、屈折率温度係数と線膨張係数の積を含んだ式となり、その値は非常に小さいため、無視することができる。また、第５項「１・αＬΔＴ」は媒質が膨張した際に減じた外部空間の光路長を表す補正項である。
【００２５】
これをｄＳ／ｄＴについて解くと、
（ｄＳ／ｄＴ）ＬΔＴ＝（δｎ）ΔＴＬ＋ｎαＬΔＴ−１・αＬΔＴ
となる。
従って、
ｄＳ／ｄＴ＝（ｎ−１）α＋δｎ
となる。
【００２６】
導光体１３を、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂとを接合して構成したとき、導光体１３全体の光路長Ｓが第１導光体１３ａの光路長Ｓａと第２導光体１３ｂの光路長Ｓｂの和になるので、導光体１３の光路長Ｓの温度による変化は、第１導光体１３ａの光路長Ｓａ温度による変化と第２導光体１３ｂの光路長Ｓｂの温度による変化の和になる。
【００２７】
従って、導光体１３を、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂとを接合して構成したときの温度変化による光路長Ｓの変化は、
Ｌａ{(ｎａ−１)αa+（δｎａ）｝＋Ｌｂ｛（ｎｂ−１）αｂ＋（δｎｂ）｝
となる。
ここで、δｎａは、第１導光体１３ａの屈折率温度係数、δｎｂは、第２導光体１３ｂの屈折率温度係数、Ｌａは、第１導光体１３ａの厚み、Ｌｂは、第２導光体１３ｂの厚み、αａは、第１導光体１３ａの線膨張係数、αｂは、第２導光体１３ｂの線膨張係数である。
【００２８】
すなわち、本実施の形態では、次の（３）式を満足するように、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂを構成する材料の選択及び第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの厚さＬａ，Ｌｂを設定することにより外力による変化分のみを感知することが可能である。
Ｌａ{(ｎａ−１)αa+（δｎａ）｝＋Ｌｂ｛（ｎｂ−１）αｂ＋（δｎｂ）｝＝０・・（３）
【００２９】
（３）式によくあらわれているように、線膨張係数の影響度合いは、屈折率温度係数よりも小さい。
そこで、（３）式を満足させるための具体的なステップとしては、例えば、最初に、第１導光体１３ａ及び第２導光体１３ｂを構成する導光体材料として、屈折率温度係数が正の材料と負の材料を選択し、（３）式を満足するように、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの厚さＬａ，Ｌｂを設定することが好ましい。
すなわち、選択した導光体材料の屈折率温度係数δｎａ、δｎｂと線膨張係数αａ、αｂに基づいて上記式中のＬａの係数（{(ｎａ−１)αa+（δｎａ）｝）とＬｂの係数（｛（ｎｂ−１）αｂ＋（δｎｂ）｝を求め、（３）式を満足するように、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの厚さＬａ，Ｌｂを設定する。
【００３０】
負の屈折率温度係数を有する導光体用材料としては、例えば、フッ化クラウン系やリン酸クラウン系のガラス、三酸化ホウ素を添加したガラス、またはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の有機ポリマー高分子材料を用いることができる。なお、第２導光体を構成する負の屈折率温度係数を有する導光体用材料としては、フッ素を含有するガラスを用いることが好ましい。このようなフッ素を含有したガラスは、他の材料に比べて負の屈折率温度係数を大きくすることができるために、第１導光体の材料における負の線膨張係数を小さくすることができる。その結果、このような構成によれば、線膨張係数の不整合による反射膜のクラックや剥がれを防止することができる。  また、これと組み合わせて用いる正の屈折率温度係数を有した導光体材料としては、結晶化ガラス、酸化ニオブを含有する透光性セラミックスなどがある。酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）は負の線膨張係数を有しており、本材料を３０ｎｍ以下の微粒子にして添加すると、添加率により高い透明性を維持したまま母材の線膨張係数や屈折率温度係数も調整することが可能である。セラミックは焼成により結晶粒子の集合体である多結晶体となるが、光学的に不均一なミクロ組織を持つため、一般には異相界面や粒界での光散乱によりその透明性が低下している。これに対し、透光性セラミックスは、粒界の交わる部分の空孔を減らすため、製造工程において緻密・均質に加工されたものであり、例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３−ＴｈＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４などの酸化物系のほか、窒化物、炭化物及び硫化物系セラミックスを用いることで構成される。
【００３１】
尚、最初に、第１導光体１３ａ及び第２導光体１３ｂを構成する導光体材料として、線膨張係数が負である材料と線膨張係数が正である材料とを選択し、選択した材料の屈折率温度係数δｎａ、δｎｂと線膨張係数αａ、αｂに基づいて上記式中のＬａの係数（{(ｎａ−１)αa+（δｎａ）｝）とＬｂの係数（｛（ｎｂ−１）αｂ＋（δｎｂ）｝を求め、（３）式を満足するように、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの厚さＬａ，Ｌｂを設定するようにしてもよい。
尚、線膨張係数が負（屈折率温度係数は正）である材料としては、ＴｉＯ２−ＳｉＯ２（ＴｉＯ２をドープした石英ガラス）や、Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２等の、ガラスを熱処理して結晶化させた結晶化ガラス（ガラスセラミックス）など様々なものがあり、それらは一般的に、その材料組成比や生成法を変えることによって、線膨張係数を連続的に変えることが可能である。
例えば、Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−２ＳｉＯ２の線膨張係数は、−８．６×１０−６（１／℃）であり、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２の線膨張係数は、−１．９×１０−６（１／℃）であり、いずれも負の線膨張係数を示す。
【００３２】
以上説明したことからわかるように、本実施の形態の光ファイバ圧力センサでは、第１導光体１３ａ及び第２導光体１３ｂを構成するために選択した導光体材料の特性に基づいて、（３）式を満足するように、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの厚さＬａ，Ｌｂを設定することにより、温度変化の影響を受けることなく圧力を検出することが可能になる。
【００３３】
＜第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの接合部における反射軽減＞
上述したように、本発明の光ファイバ圧力センサにおいては、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの接合部における反射は小さいことが望ましい。
そこで、以下に第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの接合部における反射を軽減する具体的な手段について説明する。
【００３４】
本発明において、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの接合面は、各表面の原子同士が常温下で直接接合され、接着剤等の異種材料が存在しないことが望ましい。このような接合を実現する方法として、例えば、表面を研磨により平滑化した上で、スパッタにより清浄化して、表面を活性化して接合する方法がある。
【００３５】
このときの研磨工程としては、例えば、化学的な腐食作用のある液体に、セラミックスやダイヤモンドの研磨砥粒を混ぜて研磨するＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれる方法等を用い、平坦度１０μｍ以下、面粗さ１０ｎｍ以下の超平滑面にすることが望ましく、より良好な接合を実現するために、表面の加工変質層を除去するよう研磨加工する。このＣＭＰ研磨は、数ｎｍ単位で研磨が可能で研磨層の下部にほとんどダメージを与えない。
【００３６】
なお、ＣＭＰ研磨は、研磨工程と洗浄工程からなる。研磨工程は、第１及び第２導光体を超純水中でポリッシングパッドを用いて研磨した後、平均粒径３０ｎｍのＳｉＯ２粒子をＮａＯＨ溶液に懸濁させたコロイダルシリカ中でさらに研磨する。洗浄工程は、（イ）アルコールによる超音波バス洗浄、（ロ）超純水による超音波バス洗浄、（ハ）スピンドライヤーにて乾燥する工程を含む。なお各工程間は超純水でリンスされる。
【００３７】
研磨工程の後、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂを真空槽内に対向しておき、イオンビームまたは中性の原子を各接合面に照射することにより清浄化および表面活性化を行う。これは大気中で接合表面に付着した気体分子の層や汚染物や酸化膜を除去して、きれいな面を出すためである。また、表面活性化は通常、アルゴン高速原子ビームなどの不活性ガス（Ｆａｓｔ  Ａｔｏｍ  Ｂｅａｍ）を照射し、スパッタすることにより、物質表面をエッチングする。これにより、不活性な表面層を除去することができ、この処理により接合面は他の原子と強い結合力をもつ活性な状態になる。
【００３８】
この工程において、真空槽内の真空度は、接合面の洗浄度に影響を与えるため、できるだけ高い方が望ましく、例えば、１０―２Ｐａ以上、好ましくは、１０−４Ｐａ程度までの真空度にする。また、イオンビームまたは中性原子の照射強度、照射時間は表層の約１０ｎｍ程度が除去されるように適宜設定する。
【００３９】
そして、上記工程を経た後、真空中、室温下において第１導光体１３ａの活性化された表面と第２導光体１３ｂの活性化された表面とを密着させるとファンデルワールス力により自然に吸着する。すなわち、清浄化された第１導光体１３ａの表面と第２導光体１３ｂの表面は、非結合状態になっている軌道、つまりダングリングボンドが多く存在するので、密着させることにより自然に吸着する。しかしながら、これらのダングリングボンドは極めて活性であることから、密着前に真空雰囲気中にさらされる時間が長いと、たとえ真空槽を高真空に維持していても、真空槽内に残留している窒素や炭素、炭化水素等の不純物が表面に化学吸着して表面を不活性化してしまう。そこで、光学素子の清浄工程の後、それぞれを密着させるまでは極めて短時間で終了させる必要がある。
【００４０】
この接合の際、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂ間の接合を強固にするために、面を密着させる時に加圧することが望ましい。ここで、加圧力は、接合面の面粗さに大きく関係し、例えば接合面の面粗さＲａが１０ｎｍ程度の場合は、１ｋｇｆ程小さな加圧でも表面間の良好な密着は達成される。
【００４１】
第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂは、例えば、無機材料の多層膜からなる反射防止膜を介して接合するようにしてもよい。このように境界部分に反射防止膜を施すことにより接合面の反射を効果的に防止することができる。
具体的には、第１導光体１３ａ及び／または第２導光体１３ｂの接合面に、例えばＳｉＯ２とＴｉＯ２あるいはＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５からなる膜を交互に例えば３〜５層形成し、接合する多層膜の表面を、上述したような方法で活性化させた後接合させる。
【００４２】
この場合、第１導光体１３ａ又は第２導光体１３ｂの一方の接合面に反射防止膜を成膜し、その表面にさらに、他方の導光体と同様の屈折率を持つ材料をあらかじめ数百ｎｍから数μｍ成膜しておいて、清浄化工程で表層の数十ｎｍを除去して接合すると、反射防止膜の膜厚を極力変化させることなく接合できるため、反射防止膜は正常に動作する。
【００４３】
また、表面の原子同士を直接接合させる方法に代えて、接着剤と反射防止膜を利用して第１導光体１３ａ又は第２導光体１３ｂを接合するようにしてもよい。
具体的には、第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂのそれぞれの接合面に、接着剤との界面における反射を抑える反射防止コートを施した上で、接着剤を用いて第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂを接合する。このようにすると、接着剤を用いて接合することが可能になる。
【００４４】
ここで、接着剤としては、エポキシ系もしくはアクリル系の紫外線硬化型透光性接着剤が適している。
【００４５】
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２の光ファイバ圧力センサは、実施の形態１で説明した基本的な形態をより具体化した光ファイバ圧力センサである。
すなわち、実施の形態２の光ファイバ圧力センサ２０は、ファイバ保持具（フェルール）１７とホルダ１６とを備え、フェルール１７の先端に感知部１０が接合され、フェルール１７の貫通孔に光ファイバ１１が挿入されることにより構成されている。
【００４６】
実施の形態２の光ファイバ圧力センサにおいて、フェルール１７の貫通孔には、レンズ機能を有する屈折率分布型ファイバ（以下、グレーデッドインデックスファイバとする）１５とコアレスファイバ１８が設けられている。これにより、光ファイバ１１から出射される光がグレーデッドインデックスファイバ１５とコアレスファイバ１８を介して感知部１０に入射され、感知部１０で反射された光がコアレスファイバ１８とグレーデッドインデックスファイバ１５とを介して光ファイバ１１に入射されるようになっている。
グレーデッドインデックスファイバ１５は、中心軸から外周に向かって徐々に小さくなるような軸対称の屈折率分布を有する光ファイバであり、一般にはマルチモード伝送用に用いられている。グレーデッドインデックスファイバの屈折率分布は、光ファイバの中心軸から距離のほぼ２乗に比例して屈折率が小さくなるような分布であり、ＧＲＩＮレンズと同様にレンズ機能を持っている。従って、適当な長さのグレーデッドインデックスファイバを用いれば、集光レンズとして機能させることができ、結合効率の良い光学系を構成することができる。
コアレスファイバ１８は、略均一な屈折率分布を有するファイバであり、その材質はたとえば石英ガラスからなり、その屈折率は１．４５程度、透過損失は０．３５×１０−６ｄＢ／ｍｍ以下であり、透過損失が比較的低いものが好ましい。このコアレスファイバ１８は、外径が光ファイバ１１（たとえば、シングルモードファイバ）およびグレーデッドインデックスファイバ１５と等しく約１２５μｍであり、グレーデッドインデックスファイバ１５と、たとえば熱による融着によって接合される。
このようにすると、グレーデッドインデックスファイバ１５のレンズ機能により、反射ミラー１２ｂの第１反射光を効率よく光ファイバ１１に再入射することができる。
【００４７】
すなわち、光ファイバ１１から出射された光は拡がって、反射ミラー１２ａを透過して導光体１３を通過するので、反射ミラー１２ｂで反射した光は光ファイバ１１に再結合する時、ロスが発生する。そこで、実施の形態２では、グレーデッドインデックスファイバ１５を用いて、光ファイバ１１から出射された光の広がりを抑えて集光するように反射ミラー１２ａを介して、導光体１３に入射することで、反射ミラー１２ｂで反射された光を効率よく光ファイバ１１に再入射することができるようになっている。これにより、光ファイバ１１と感知部１０の間の光結合効率を高くできる。
【００４８】
このように、グレーデッドインデックスファイバ１５を用いて、光ファイバ１１に再入射する効率を高くすると、実質的には、実施形態１で図２を参照しながら説明した反射率を高めたことになり、波長選択性の高い測定が可能となる。従って、グレーデッドインデックスファイバ１５を用いることにより、より高精度な測定が可能となる。
【００４９】
以上の実施の形態１及び２の光ファイバ圧力センサでは、導光体１３を第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂとによって構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、屈折率温度係数が正である第１導光体と屈折率温度係数が負である第２導光体を交互に繰り返し積層して導光体１３を構成するようにしてもよい。このような構成によれば、たとえば蒸着装置やスパッタ装置を用いた薄膜形成工程で薄膜の厚みを精密に制御して積層することが可能となる。その結果、この構成によれば、導光体１３の厚みをナノメータのオーダで正確に設定可能となる。さらに、第１導光体と第２導光体を交互に積層されてなることにより、第１導光体１３ａおよび第２導光体１３ｂに対して外力が均一に作用するため、測定安定性や信頼性が向上する。
【実施例】
【００５０】
本発明の実施例として図３に示した圧力センサを試作し、評価する。
光ファイバ１１はモードフィールド径１０．５μｍのシングルモードファイバ、ファイバ保持具１７はジルコニアフェルールを用いる。導光体１３は、結晶化ガラスからなる第１導光体１３ａとフッ化クラウン系のガラスからなる第２導光体１３ｂの各接合面に反射防止膜を成膜したのち、常温接合により密着させた。部分反射ミラー１２ａは反射率９０％、透過率１０％の誘電体多層膜とし、部分反射ミラー１２ｂは反射率９９．９％の誘電体多層膜とする。
第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの接合界面にはそれぞれ２３０ｎｍの厚みで反射防止膜を成膜し、約２２０ｎｍの厚みになるまで表層が除去された後、常温接合で接着する。
【００５１】
尚、第１導光体の材料である結晶化ガラスは、線膨張係数が−１．１×１０−６（１／℃）、屈折率温度係数が１３×１０−６（１／℃）、屈折率１．５１６である。
従って、第１導光体のｄＳ／ｄＴは１２．４×１０−６（１／℃）である。
また、第１導光体の材料であるフッ化クラウン系のガラスは、線膨張係数が１６．５×１０−６（１／℃）、屈折率温度係数が−７．４×１０−６（１／℃）、屈折率１．４４６である。従って、第２導光体のｄＳ／ｄＴは−０．０４１×１０−６（１／℃）である。
【００５２】
以上の第１導光体１３ａと第２導光体１３ｂの光学特性に基づいて、（３）式を満足するように第１導光体１３ａの厚さＬａを９０９０μｍ、第２導光体１３ｂの厚さＬｂを３０μｍとする。
【００５３】
こうして作製された導光体１３のｄＳ／ｄＴは、±０．０２×１０−６（１／℃）以下とでき、温度の変化の影響を受けることなく、圧力を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る実施の形態１の光ファイバ圧力センサの構成を示す模式図である。
【図２】実施の形態１の光ファイバ圧力センサの波長１５８０ｎｍ近傍における、入力光強度に対する反射光強度（Ｉｒ／Ｉｉ）を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態２の光ファイバ圧力センサの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  感知部、１１  光ファイバ、１２ａ、１２ｂ  反射ミラー、１３  導光体、１３ａ  第１導光体、１３ｂ  第２導光体、１５  グレーデッドインデックスファイバ（屈折率分布型ファイバ）、１６  ホルダ、１７  ファイバ保持具、１８  コアレスファイバ、２０  光ファイバ圧力センサ。
【図１】
2007298368.tif 000004
【図２】
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【図３】
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