(57)【要約】【課題】湿度に対してより感度を向上させることができる表面プラズモン湿度センサ、表面プラズモン湿度センサ及び光ファイバ型湿度センサと、湿度測定装置を提供する。【解決手段】光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材及びその外周表面における光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜を有するセンサ部ＳＰが設けられ、その外周表面に、外周表面における光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜５０が設けられ、金属膜５０の外周表面に、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０が設けられ、さらに、光源が設けられて光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射し、受光部が設けられて光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を検出する構成となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと、
前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材と、
前記光透過部材の外周表面に設けられ、前記外周表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、
前記金属膜の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜と
を有する光ファイバ型表面プラズモン湿度センサ。
【請求項２】
前記屈折率が変化する膜は、複数の積層されたポリイオン膜である
請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサ。
【請求項３】
前記屈折率が変化する膜は、ゼラチン膜である
請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサ。
【請求項４】
前記光透過部材は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である
請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサ。
【請求項５】
前記光透過部材は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である
請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサ。
【請求項６】
前記光ファイバがマルチモード光ファイバである
請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサ。
【請求項７】
前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して光の入射端及び出射端が設けられ、
前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている
請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサ。
【請求項８】
光透過性基板と、
前記光透過性基板の表面に設けられ、前記表面における前記光透過性基板中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、
前記金属膜の上層に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜と
を有する表面プラズモン湿度センサ。
【請求項９】
光ファイバと、
前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材と、
前記光透過部材の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜と
を有する光ファイバ型湿度センサ。
【請求項１０】
前記屈折率が変化する膜は、複数の積層されたポリイオン膜である
請求項９に記載の光ファイバ型湿度センサ。
【請求項１１】
前記屈折率が変化する膜は、ゼラチン膜である
請求項９に記載の光ファイバ型湿度センサ。
【請求項１２】
前記光透過部材は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である
請求項９に記載の光ファイバ型湿度センサ。
【請求項１３】
前記光透過部材は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である
請求項９に記載の光ファイバ型湿度センサ。
【請求項１４】
前記光ファイバがマルチモード光ファイバである
請求項９に記載の光ファイバ型湿度センサ。
【請求項１５】
前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して光の入射端及び出射端が設けられ、
前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている
請求項９に記載の光ファイバ型湿度センサ。
【請求項１６】
光ファイバと、
前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材と、
前記光透過部材の外周表面に設けられ、前記外周表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、
前記金属膜の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜と、
前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、
前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を検出する受光部と
を有する湿度測定装置。
【請求項１７】
前記屈折率が変化する膜は、複数の積層されたポリイオン膜である
請求項１６に記載の湿度測定装置。
【請求項１８】
前記屈折率が変化する膜は、ゼラチン膜である
請求項１６に記載の湿度測定装置。
【請求項１９】
前記光透過部材は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である
請求項１６に記載の湿度測定装置。
【請求項２０】
前記光透過部材は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である
請求項１６に記載の湿度測定装置。
【請求項２１】
前記光ファイバがマルチモード光ファイバである
請求項１６に記載の湿度測定装置。
【請求項２２】
前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、
前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている
請求項１６に記載の湿度測定装置。
【請求項２３】
光透過性基板と、
前記光透過性基板の表面に設けられ、前記表面における前記光透過性基板中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、
前記金属膜の上層に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜と、
前記光透過性基板の内側から前記金属膜と前記光透過性基板の界面に向けてセンサ光を出射する光源と、
前記金属膜と前記光透過性基板の界面から反射した前記センサ光を検出する受光部と
を有する湿度測定装置。
【請求項２４】
光ファイバと、
前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材と、
前記光透過部材の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜と、
前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、
前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を検出する受光部と
を有する湿度測定装置。
【請求項２５】
前記屈折率が変化する膜は、複数の積層されたポリイオン膜である
請求項２４に記載の湿度測定装置。
【請求項２６】
前記屈折率が変化する膜は、ゼラチン膜である
請求項２４に記載の湿度測定装置。
【請求項２７】
前記光透過部材は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である
請求項２４に記載の湿度測定装置。
【請求項２８】
前記光透過部材は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である
請求項２４に記載の湿度測定装置。
【請求項２９】
前記光ファイバがマルチモード光ファイバである
請求項２４に記載の湿度測定装置。
【請求項３０】
前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、
前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている
請求項２４に記載の湿度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いた表面プラズモン湿度センサ、表面プラズモン湿度センサ、光ファイバ型湿度センサと、これらの湿度センサを用いた湿度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象の検出に表面プラズモン現象を利用した表面プラズモンセンサが知られている。
表面プラズモンセンサの一種として、クレッチマン型の表面プラズモンセンサが知られている。クレッチマン型表面プラズモンセンサは、ガラス製の平板に金属膜を設け、この金属膜を測定対象試料に接触させる構成になっている。そして、ガラスを介して金属膜に光を入射させると、金属膜に対する光の入射角と金属膜に接触している測定対象試料の屈折率とが所定の関係を満たすときに、表面プラズモン共鳴が発生して反射光の強度が低下する。したがって、反射光が減衰する入射角を検出することによって得られる測定対象試料の屈折率を、測定対象の測定に利用することができる。
【０００３】
ところが、上述のクレッチマン型表面プラズモンセンサは、ガラス板に光を入射させて、反射光が減衰するときの入射角を調べる必要があるため、たとえば遠隔地におけるｉｎ ｓｉｔｕ測定（その場測定）は困難であり、小型化も難しい。
【０００４】
一方で、特許文献１及び２に開示されているように、ヘテロコア型の光ファイバセンサが開発されており、上記のクレッチマン型表面プラズモンセンサの持つ問題に対応するため、光ファイバを用いた表面プラズモンセンサが開発され、例えば特許文献３及び４に開示されている。
特許文献３及び４においては、光ファイバの中途部または端部に、コア径が異なるヘテロコア部と呼ばれる部分を融着接合して設け、ヘテロコア部の表面に表面プラズモンを発生させるための金属膜を設けた構成が開示されている。
【特許文献１】国際公開９７／４８９９４号パンフレット
【特許文献２】特開２００３−２１４９０６号公報
【特許文献３】特開２００２−３５０３３５号公報
【特許文献４】特開２００６−０４７０１８号公報
【非特許文献１】笠井，「表面プラズモン共鳴（SPR）を利用したバイオセンサー」蛋白質 核酸 酵素，Vol.３７，No.１５（１９９２年）p2977-2984
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献３及び４に記載のヘテロコア部をセンサとして用いた表面プラズモンセンサにおいて、雰囲気中の湿度を高感度に感知することはできず、さらなる感度の向上が求められていた。
【０００６】
解決しようとする問題点は、光ファイバ型表面プラズモンセンサ、表面プラズモンセンサあるいは光ファイバ型センサにおいて、湿度に対する感度を向上させることが困難であるという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサは、光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材と、前記光透過部材の外周表面に設けられ、前記外周表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、前記金属膜の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜とを有する。
【０００８】
上記の本発明の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサは、光ファイバの中途部に、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材が設けられ、その外周表面に、外周表面における光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜が設けられ、金属膜の外周表面に、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられている。
【０００９】
上記の本発明の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサは、好適には、前記屈折率が変化する膜は、複数の積層されたポリイオン膜である。
あるいは好適には、前記屈折率が変化する膜は、ゼラチン膜である。
【００１０】
上記の本発明の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサは、好適には、前記光透過部材は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である。
あるいは好適には、前記光透過部材は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である。
【００１１】
上記の本発明の光ファイバ型表面プラズモンセンサは、好適には、前記光ファイバがマルチモード光ファイバである。
また、好適には、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して光の入射端及び出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている。
【００１２】
また、本発明の表面プラズモン湿度センサは、光透過性基板と、前記光透過性基板の表面に設けられ、前記表面における前記光透過性基板中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、前記金属膜の上層に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜とを有する。
【００１３】
上記の表面プラズモン湿度センサは、光透過性基板の表面に、表面における光透過性基板中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜が設けられ、金属膜の上層に、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられている。
【００１４】
本発明の光ファイバ型湿度センサは、光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材と、前記光透過部材の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜とを有する。
【００１５】
上記の本発明の光ファイバ型湿度センサは、光ファイバの中途部に、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材が設けられ、その外周表面に、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられている。
【００１６】
上記の本発明の光ファイバ型湿度センサは、好適には、前記屈折率が変化する膜は、複数の積層されたポリイオン膜である。
あるいは好適には、前記屈折率が変化する膜は、ゼラチン膜である。
【００１７】
上記の本発明の光ファイバ型湿度センサは、好適には、前記光透過部材は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である。
あるいは好適には、前記光透過部材は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である。
【００１８】
上記の本発明の光ファイバ型センサは、好適には、前記光ファイバがマルチモード光ファイバである。
また、好適には、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して光の入射端及び出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている。
【００１９】
また、本発明の湿度測定装置は、光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材と、前記光透過部材の外周表面に設けられ、前記外周表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、前記金属膜の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜と、前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を検出する受光部とを有する。
【００２０】
上記の本発明の湿度測定装置は、光ファイバの中途部に、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材が設けられ、その外周表面に、外周表面における光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜が設けられ、金属膜の外周表面に、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられている。さらに、光源が設けられて光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射し、受光部が設けられて光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を検出する構成となっている。
【００２１】
上記の本発明の湿度測定装置は、好適には、前記屈折率が変化する膜は、複数の積層されたポリイオン膜である。
あるいは好適には、前記屈折率が変化する膜は、ゼラチン膜である。
【００２２】
上記の本発明の湿度測定装置は、好適には、前記光透過部材は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である。
あるいは好適には、前記光透過部材は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である。
【００２３】
上記の本発明の湿度測定装置は、好適には、前記光ファイバがマルチモード光ファイバである。
また、好適には、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている。
【００２４】
また、本発明の湿度測定装置は、光透過性基板と、前記光透過性基板の表面に設けられ、前記表面における前記光透過性基板中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、前記金属膜の上層に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜と、前記光透過性基板の内側から前記金属膜と前記光透過性基板の界面に向けてセンサ光を出射する光源と、前記金属膜と前記光透過性基板の界面から反射した前記センサ光を検出する受光部とを有する。
【００２５】
上記の湿度測定装置は、光透過性基板の表面に、表面における光透過性基板中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜が設けられ、金属膜の上層に、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられている。さらに、光源が設けられて光透過性基板の内側から金属膜と光透過性基板の界面に向けてセンサ光を出射し、受光部が設けられて金属膜と光透過性基板の界面から反射したセンサ光を検出する構成となっている。
【００２６】
また、本発明の湿度測定装置は、光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材と、前記光透過部材の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜と、前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を検出する受光部とを有する。
【００２７】
上記の本発明の湿度測定装置は、光ファイバの中途部に、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材が設けられ、その外周表面に、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられている。さらに、光源が設けられて光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射し、受光部が設けられて光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を検出する構成となっている。
【００２８】
上記の本発明の湿度測定装置は、好適には、前記屈折率が変化する膜は、複数の積層されたポリイオン膜である。
あるいは好適には、前記屈折率が変化する膜は、ゼラチン膜である。
【００２９】
上記の本発明の湿度測定装置は、好適には、前記光透過部材は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である。
あるいは好適には、前記光透過部材は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である。
【００３０】
上記の本発明の湿度測定装置は、好適には、前記光ファイバがマルチモード光ファイバである。
また、好適には、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の表面プラズモン湿度センサは、光ファイバの中途部にヘテロコア部などの光透過部材が設けられた光ファイバ型などの表面プラズモンセンサにおいて、金属膜の外周表面あるいは上層に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【００３２】
本発明の光ファイバ型湿度センサは、光ファイバの中途部に設けられたヘテロコア部などの光透過部材の外周表面に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【００３３】
本発明の湿度測定装置は、本発明の表面プラズモン湿度センサあるいは光ファイバ型湿度センサにおいて、表面プラズモンセンサの金属膜の外周表面または上層、あるいは、光ファイバ型センサの光透過部材の外周表面に、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に、本発明の表面プラズモン湿度センサ及びそれを用いた湿度測定装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３５】
第１実施形態
図１は本実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の模式構成図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
また、例えば、光ファイバ２０ａの光入射端に、白色光源などのセンサ光を出射する光源１１が設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出するフォトダイオードやパワーメータなどの受光部を備えたスペクトラムアナライザ１２が設けられている。
センサ部ＳＰは測定対象雰囲気下に置かれ、このときのセンサ光の測定によって測定対象雰囲気の湿度が測定される。
【００３６】
図２（ａ）は、本実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサのセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
例えば、本実施形態の測定装置に用いられる光ファイバ型表面プラズモンセンサは、コア径５０μｍのマルチモードファイバである一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂの間に、センサ部ＳＰが設けられた構成である。
センサ部ＳＰは、例えば、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材であるヘテロコア部３と、ヘテロコア部３の外周表面に設けられ、ヘテロコア部３の外周表面における光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜５０と、金属膜５０の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０とを有する。
【００３７】
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有し、ヘテロコア部３は、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア径と異なるコア径を有するコア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する。
また、例えば、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌより小さく、例えばａｌ＝５０μｍ、ｂｌ＝３μｍである。また、ヘテロコア部３の長さｃｌは、１ｍｍ〜数ｃｍである。
センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３と光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、例えば、長手方向に直交する界面４でコア同士が接合するようにほぼ同軸に、例えば汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。
【００３８】
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）およびヘテロコア部３としては、例えば、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバのいずれをも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。
【００３９】
本実施形態に係るセンサ部ＳＰのヘテロコア部３は、表面側を被覆するように金属膜５０が形成されている。
金属膜５０としては、例えば、ヘテロコア部３の外側表面に蒸着によりクロム（Ｃｒ）膜を形成し、このクロム膜上に蒸着により金（Ａｕ）の膜を形成した、クロム膜と金膜の積層膜として金属膜５０を形成する。クロム膜の膜厚は例えば数ｎｍ程度であり、金膜の膜厚は例えば数１０ｎｍ程度である。
【００４０】
詳細には後述するように、ヘテロコア部３の内部における光がヘテロコア部３と金属膜５０との境界において反射することにより、表面プラズモンが発生する。
例えば、銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）等の他の金属を用いて金属膜５０を形成してもよい。
【００４１】
さらに、上記の金属膜５０の外周表面を被覆して、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０が形成されている。
雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０は、例えば、複数の積層されたポリイオン膜あるいはゼラチン膜などである。
ポリイオン膜は、例えば、電離したカルボン酸基（−ＣＯＯ−）やプロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）などの、正または負に帯電した官能基が多数結合されたポリマーの膜である。例えば、正の官能基のポリイオン膜と負の官能基のポリイオン膜などが交互に複数積層した構成とすることができる、また、ゼラチン膜も用いることが可能であり、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化するものであれば用いることが可能である。
ポリイオン膜などの雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の膜厚は、特に限定されないが、例えば、１ｎｍ〜数μｍ程度である。
【００４２】
上記の光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にヘテロコア型のセンサ部ＳＰが接合されてなる構成において、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌとが界面４で異なっており、このコア径の差に起因して、図２（ａ）に示すように、光の一部のヘテロコア部３のクラッド３２へのリークＷが発生する。
【００４３】
ここで、光ファイバ２０ａのコア２１内においては、センサ光は光ファイバの通常の性質から複数のモードが形成された光として伝わる。光ファイバ２０ａによって伝送される光のモードは、コア２１とクラッド２２との境界における光の反射角として模式的にとらえることも可能である。光のモードを反射角ととらえた場合には、光ファイバ２０ａにおける光の反射角は、非常に多くの離散的な角度であると考えることができる。
【００４４】
多様なモードである光は、上記のようなリークＷによって界面４を通過してヘテロコア部３のクラッド３２に入射するときに、モードの規定が解除されてモードが崩される。
言い換えれば、ヘテロコア部３内においては、クラッド３２と金属膜５０との境界において光が様々な反射角度で伝わるようになる。これは、光がヘテロコア部３へ入射するときに、モード形態を決定付ける様々な条件（コア径・屈折率・屈折率分布）が変化することと、モード形成の一つの要因であるファイバ長がヘテロコア部３の長さでは不十分であること、に起因すると考えられる。
従って、あるモードに規定されていた光がヘテロコア部３に入射すると、そのモードの規定が解除されてモードが崩され、様々な反射角度で反射する、モードが崩された光となってクラッド３２内にリークする。
【００４５】
このとき、リークした光はヘテロコア部３のクラッド３２と金属膜５０との境界において反射する。このとき、エバネッセント相互作用と呼ばれる現象により、クラッド３２内の光と金属膜５０との間において相互作用が発生し、光損失としてスペクトル上に変化が現れ、反射率が変化し、大部分の場合には、光の反射率が低下して反射光の強度が減少する。
【００４６】
上記の反射率の変化は、金属膜５０が存在することによって、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance：SPR）と呼ばれる現象により光のエネルギーが表面プラズモン共鳴波を作り出すために奪われ、失われるので、反射率の変化をより大きくすることができ、光の強度変化の測定を容易化することができる。表面プラズモン共鳴現象については、例えば、非特許文献１等の文献を参照されたい。
【００４７】
ここで、金属膜５０に接している物質である湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の屈折率に応じて、クラッド３２内の光の反射スペクトルが変化する。例えば、湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の屈折率が変化すると、表面プラズモン共鳴を起こす波長が変化し、これにより、クラッド３２内の反射光のスペクトルの減衰ピーク波長に変化が現れる。
従って、ヘテロコア部３内の反射光のスペクトルを測定することによって、湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の屈折率を測定することができ、ここで、湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の屈折率と雰囲気湿度を予め関係付けておくことで、屈折率が変化する膜６０の屈折率から、雰囲気中の湿度の値を得ることができる。
【００４８】
上記のセンサ部ＳＰにおいて、コア２１とコア３１の径の組み合わせによっては、リークＷが大きくなり、伝送するセンサ光のロスも大きくなり、一方、リークＷが小さくなれば、ロスも小さくなる。
例えば、ヘテロコア型のセンサ部において、リークＷの大きさ、即ちセンサ光のロス量は、センサ部近傍の光ファイバの屈曲の変化により鋭敏に変化することから、センサ部を挟む位置である程度の曲率半径となるように光ファイバを屈曲して保持することなどによりリーク量を増やす方向に調整することができ、これによって表面プラズモン現象による測定感度が高められ、湿度測定の感度を向上できる。
【００４９】
本実施形態の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサと、それを用いた湿度測定装置では、光ファイバの中途部にヘテロコア部などの光透過部材が設けられた表面プラズモンセンサにおいて、金属膜の外周表面に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【００５０】
上記の複数の積層されたポリイオン膜は、例えば、イオンカップリング剤で処理して金属膜５０の表面にプロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）を導入し、その後、電離したカルボン酸基（−ＣＯＯ−）を有するポリマーの溶液と、プロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）を有するポリマーの溶液とに交互に浸漬することにより、製造することができる。各ポリイオン層の膜厚などは、ポリマー溶液の濃度や浸漬時間などによって調整できる。
あるいは、例えば、イオンカップリング剤で処理して金属膜５０の表面に電離したカルボン酸基（−ＣＯＯ−）を導入し、その後、プロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）を有するポリマーの溶液と、電離したカルボン酸基（−ＣＯＯ−）を有するポリマーの溶液とに交互に浸漬するようにしてもよい。
また、ゼラチン膜は、例えば、金属膜５０にゼラチン水溶液を塗布して乾燥させて形成することができる。
【００５１】
第２実施形態
センサ部ＳＰとしては、第１実施形態に記載の構成以外の構成を採用することも可能である。
図３（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサのセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
図３（ａ）では、センサ部ＳＰを構成する光透過部材であるヘテロコア部３のコア３１の径ｂｌが、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌよりも大きな構成となっている。上記のヘテロコア部３の外周表面に、金属膜５０が形成されている。
図３（ｂ）では、センサ部ＳＰとして、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の屈折率あるいはクラッド２２の屈折率と同等の屈折率を持つ材料からなる、ヘテロコア部ではない光透過部材３０が光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に接合されてなる構成となっている。上記の光透過部材３０の外周表面に金属膜５０が形成されており、その外周表面に、ポリイオン膜やゼラチン膜などの雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０が設けられている。
【００５２】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。
本実施形態の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサと、それを用いた湿度測定装置では、光ファイバの中途部にヘテロコア部などの光透過部材が設けられた表面プラズモンセンサにおいて、金属膜の外周表面に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【００５３】
第３実施形態
図４は、本実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた湿度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａには、光カプラ１６において光ファイバ２０ｃを分岐する構成であり、光ファイバ２０ｂの端部には銀を蒸着して形成された反射部（鏡）１５が設けられ、光ファイバ２０ａ端部が光入射端、光ファイバ２０ｃ端部が光出射端となる。
光ファイバ２０ａの光入射端に光源１１が設けられ、光ファイバ２０ｃの光出射端にスペクトラムアナライザ１２が設けられている。
【００５４】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサと、それを用いた湿度測定装置では、光ファイバの中途部にヘテロコア部などの光透過部材が設けられた表面プラズモンセンサにおいて、金属膜の外周表面に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【００５５】
特に、反射部で反射した光は、再びセンサ部ＳＰを通過するため、一方向に通過させただけの光と比較してより多くの相互干渉の情報を含んだ光が測定されることとなる。
【００５６】
第４実施形態
図５は、本実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた湿度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａの光入射端に、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどのセンサ光を出射する光源１１ａが設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータ１２ａが設けられている。
レーザダイオードまたは発光ダイオードは単一波長の光を発光するので、受光部には分光しないで光強度をモニタできる光マルチメータを用いることができる。
例えば、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどの発光波長は、表面プラズモン共鳴が生じる波長を選択し、光マルチメータでモニタする光強度の減衰から、湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の屈折率変化を感知することができる。
【００５７】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサと、それを用いた湿度測定装置では、光ファイバの中途部にヘテロコア部などの光透過部材が設けられた表面プラズモンセンサにおいて、金属膜の外周表面に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【００５８】
第５実施形態
図６は、本実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた湿度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａには、光カプラ１６において光ファイバ２０ｃを分岐する構成であり、光ファイバ２０ｂの端部には銀を蒸着して形成された反射部（鏡）１５が設けられ、光ファイバ２０ａ端部が光入射端、光ファイバ２０ｃ端部が光出射端となる。
光ファイバ２０ａの光入射端に、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどのセンサ光を出射する光源１１ａが設けられ、光ファイバ２０ｃの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータ１２ａが設けられている。
レーザダイオードまたは発光ダイオードは単一波長の光を発光するので、受光部には分光しないで光強度をモニタできる光マルチメータを用いることができる。
例えば、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどの発光波長は、表面プラズモン共鳴が生じる波長を選択し、光マルチメータでモニタする光強度の減衰から、湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の屈折率変化を感知することができる。
【００５９】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサと、それを用いた湿度測定装置では、光ファイバの中途部にヘテロコア部などの光透過部材が設けられた表面プラズモンセンサにおいて、金属膜の外周表面に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【００６０】
特に、反射部で反射した光は、再びセンサ部ＳＰを通過するため、一方向に通過させただけの光と比較してより多くの相互干渉の情報を含んだ光が測定されることとなる。
【００６１】
第６実施形態
図７は、本実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた湿度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａには、ＯＴＤＲ（Optical time-domain reflectometer）装置７０が接続されている。ＯＴＤＲ装置７０から入射されたセンサ光の後方へのレイリー散乱光をＯＴＤＲ装置７０自身が検出する。
【００６２】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサと、それを用いた湿度測定装置では、光ファイバの中途部にヘテロコア部などの光透過部材が設けられた表面プラズモンセンサにおいて、金属膜の外周表面に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【００６３】
第７実施形態
図８は、本実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた湿度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰ１が設けられ、光ファイバ（２０ｂ，２０ｃ）の中途部にセンサ部ＳＰ２が設けられ、さらに光ファイバ（２０ｃ，２０ｄ）の中途部にセンサ部ＳＰ３が設けられている。即ち、複数個のセンサ部（ＳＰ１〜ＳＰ３）が１本の光ファイバ上に直列に接続された構成となっている。
光ファイバ２０ａには、ＯＴＤＲ装置７０が接続されている。ＯＴＤＲ装置７０からセンサ光が入射されると、複数個のセンサ部（ＳＰ１〜ＳＰ３）のそれぞれにおいて後方へのレイリー散乱光が発生し、これをＯＴＤＲ装置７０が検出する。
【００６４】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサと、それを用いた湿度測定装置では、光ファイバの中途部にヘテロコア部などの光透過部材が設けられた表面プラズモンセンサにおいて、金属膜の外周表面に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
特に、複数個のセンサ部（ＳＰ１〜ＳＰ３）で同時に湿度を測定することが可能であり、より精密な計測が可能である。
【００６５】
第８実施形態
図９は、本実施形態に係るクレッチマン型表面プラズモン湿度センサの構成を示す模式図である。
例えば、ガラス基板などからなる光透過性基板８０の表面に、この表面における光透過性基板中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜５０が設けられ、金属膜５０の上層に、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０が設けられている。
ここで、金属膜５０及び雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０は第１実施形態に記載のものと同様である。
【００６６】
光透過性基板８０の側から、光透過性基板８０と金属膜５０の界面に光Ｌｉｎを入射させると、金属膜５０に対する光の入射角と金属膜５０に接触している、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の屈折率とが所定の関係を満たすときに、表面プラズモン共鳴が発生して反射光の強度が低下する。したがって、反射光Ｌｏｕｔを観測することで、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の屈折率を測定することができる。
【００６７】
本実施形態のクレッチマン型表面プラズモン湿度センサでは、光透過性基板の表面に、金属膜が設けられたクレッチマン型の表面プラズモンセンサにおいて、金属膜の上層に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
第１実施形態や第３〜５実施形態と同様に、光源と受光部を組み合わせて湿度測定装置を構成することができる。
【００６８】
第９実施形態
本実施形態に係る光ファイバ型センサを用いた測定装置の構成は、第１実施形態と同様である。
図１０（ａ）は、本実施形態に係る光ファイバ型湿度センサのセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図１０（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
例えば、本実施形態の測定装置に用いられる光ファイバ型表面プラズモンセンサは、コア径５０μｍのマルチモードファイバである一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂの間に、センサ部ＳＰが設けられた構成である。
センサ部ＳＰは、例えば、伝送する光の一部の外界との相互作用させる光透過部材であるヘテロコア部３と、ヘテロコア部３の外周表面に設けられ、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０とを有する。
実質的に、図２（ａ）及び（ｂ）において金属膜５０が省略された構成である。
【００６９】
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有し、ヘテロコア部３は、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア径と異なるコア径を有するコア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する。
また、例えば、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌより小さく、例えばａｌ＝５０μｍ、ｂｌ＝３μｍである。また、ヘテロコア部３の長さｃｌは、１ｍｍ〜数ｃｍである。
センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３と光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、例えば、長手方向に直交する界面４でコア同士が接合するようにほぼ同軸に、例えば汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。
【００７０】
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）およびヘテロコア部３としては、例えば、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバのいずれをも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。
【００７１】
本実施形態に係るセンサ部ＳＰのヘテロコア部３は、表面側を被覆するように、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０が形成されている。
雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０は、第１実施形態と同様であり、例えば、複数の積層されたポリイオン膜あるいはゼラチン膜などである。
【００７２】
上記の光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にヘテロコア型のセンサ部ＳＰが接合されてなる構成において、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌとが界面４で異なっており、このコア径の差に起因して、図２（ａ）に示すように、光の一部のヘテロコア部３のクラッド３２へのリークＷが発生する。
【００７３】
ここで、雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜６０の屈折率に応じて、クラッド３２へリークした光の外部への漏れ、即ち、損失が変化する。例えば、雰囲気中の湿度が低くなると、屈折率が変化する膜６０の屈折率が大きくなり、損失は大きくなる。逆に、湿度が高くなると、屈折率が変化する膜６０の屈折率が小さくなり、損失は小さくなる。
従って、伝送損失と雰囲気湿度を予め関係付けておくことで、伝送損失から雰囲気中の湿度の値を得ることができる。
【００７４】
本実施形態の光ファイバ型湿度センサと、それを用いた湿度測定装置では、光ファイバの中途部にヘテロコア部などの光透過部材が設けられた光ファイバ型センサにおいて、光透過部材の外周表面に雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜が設けられており、雰囲気中の湿度に対する感度を向上させることができる。
【００７５】
センサ部としては、上記のほか、第２実施形態に示す構成において金属膜が形成されておらず、光透過部材の外周表面に直接湿度に応じて屈折率が変化する膜が形成された構成とすることもできる。
また、湿度測定装置としては、第３〜第７実施形態の構成に適用することも可能である。
【００７６】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、用いる光源や受光部などは、上述のものに限らず、種々のものを使用できる。
光ファイバはマルチモードファイバでもシングルモードファイバでも使用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の光ファイバ型表面プラズモン湿度センサ、表面プラズモン湿度センサ、及び光ファイバ型湿度センサは、湿度測定装置のヘッドとして適用できる。
本発明の湿度測定装置は簡単に湿度を測定する装置として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた測定装置の模式構成図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の第１実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサのセンサ部近傍の斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部近傍の長手方向の断面図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサのセンサ部近傍の長手方向の断面図である。
【図４】図４は本発明の第３実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた測定装置の構成を示す模式図である。
【図５】図５は本発明の第４実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた測定装置の構成を示す模式図である。
【図６】図６は本発明の第５実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた測定装置の構成を示す模式図である。
【図７】図７は本発明の第６実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた測定装置の構成を示す模式図である。
【図８】図８は本発明の第７実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモン湿度センサを用いた測定装置の構成を示す模式図である。
【図９】図９は本発明の第８実施形態に係るクレッチマン型表面プラズモン湿度センサを用いた測定装置の構成を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）は本発明の第９実施形態に係る光ファイバ型湿度センサのセンサ部近傍の斜視図であり、図１０（ｂ）はセンサ部近傍の長手方向の断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
３…ヘテロコア部
４…界面
１０…光ファイバ
１１，１１ａ…光源
１２…受光部
１２ａ…光マルチメータ
１５…反射部
１６…光カプラ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…光透過部材
５０…金属膜
６０…雰囲気中の湿度に応じて屈折率が変化する膜
７０…ＯＴＤＲ装置
８０…光透過性基板
ＳＰ，ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３…センサ部
Ｗ…リーク
Ｌｉｎ…光
Ｌｏｕｔ…反射光
【図１】
2009025199.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009025199.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009025199.tif 000008
【図７】
2009025199.tif 000009
【図８】
2009025199.tif 000010
【図９】
2009025199.tif 000011
【図１０】
2009025199.tif 000012