JP2005010025A - 光ファイバセンサおよびこれを用いた測定方法 - Google Patents
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Abstract
【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
Description
【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
Claims (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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
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JP2003174673A JP2005010025A (ja) | 2003-06-19 | 2003-06-19 | 光ファイバセンサおよびこれを用いた測定方法 |
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2003
- 2003-06-19 JP JP2003174673A patent/JP2005010025A/ja active Pending
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