JP2010203838A - 光導波路型センサ - Google Patents

Abstract

【課題】レスポンスタイムが短く、反応性の高い光導波路型センサを提供する。
【解決手段】管体２の内面に、検知材４を備える導波層３を形成し、管体２の一端側開口２ａから被検知ガスを導入するとともに、他端側開口２ｂから被検知ガスを排出する一方、光源５からのレーザ−光を、入射用プリズム６によって導波層３に入射させ、導波層３からの導波光を、出射用プリズム８によって光検出器７に出射させ、被検知ガスを検知材４と反応させる反応空間を構成するチャンバと、光導波路とを一体化している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路上に被検知物質と反応する検知材を有する光導波路型センサに関する。

この種のセンサとして、例えば、特許文献１に開示されたガスセンサがある。

図６は、特許文献１のガスセンサの概略構成を示す図である。同図において、基体３０上に光導波路３１、更にその上に、被検知ガスと反応して変色する検知材３２を設けている。レーザー等の光源３３からモニター光３４を光導波路３１に平行に入射させ、光導波路３１を出た出射光３５の出口光量を光検出器３６により測定し、光導波路３１に導光される光の減衰により、被検知ガスの濃度を検知するものである。

特開平７−２４３９７３号公報

かかるガスセンサを、実際の機器に組み込むには、検知材上に、被検知ガスを導入する手段が必要となる。

一般的には、検知材を囲む空間を、被検知ガスの入口および出口を有するチャンバで密閉し、ポンプによって該チャンバ内に前記入口から被検知ガスを導入して、検知材に反応させた後に、前記出口から排出するようにしている。

被検知ガスを導入して検知材と反応するまでのレスポンスタイムを短くするとともに、反応性を高めるには、チャンバ内の体積が小さく、空気が滞留しないようにデッドスペースがない形状とするのが望ましい。

図７は、チャンバを小型にした構成例を示すものである。

同図において、ガラス基板４０上には、光導波路を構成する導波層４１が設けられるとともに、この導波層４１上の中央部には、被検知ガスを検知する検知材４２が形成されている。

被検知ガスの入口４３ａおよび出口４３ｂを有するチャンバ４３は、下面が開口した直方体状であり、検知材４２の形成領域を囲むように、下面の開口が密着される。

このセンサでは、入口４３ａから被検知ガスをチャンバ４３内に導入して、検知材４２に反応させた後に、出口４３ｂから排出する一方、図示しない光源からの光は、プリズム４４を介して導波層４１に入射し、反対側のプリズム４５を介して図示しない光検出器に導かれる。

このセンサでは、検知材４２上に被検知ガスを導入するチャンバ４３は、検知材４２の形成領域のみを密閉する小型のチャンバであるので、チャンバ４３内の体積が小さく、被検知ガスを導入して反応するまでのレスポンスタイムを短くできる。

しかしながら、チャンバ４３内を密閉するために、該チャンバ４３を、導波層４１に密着させて設けなければならず、光導波路に不所望な押圧力が加わることになる。このため、導波光にゆらぎが生じて不安定になるといった課題がある。

このため、例えば、図８に示すように、検知材４２の形成領域のみではなく、光導波路を含んだ全体を密閉するようにしたチャンバ４６もある。

かかるチャンバ４６では、光導波路に、不所望な押圧力が加わることはないけれども、チャンバ４６内の体積が大きいために、レスポンスタイムが長くなるとともに、空気が滞留するデッドスペースが生じ易いといった課題がある。

本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、レスポンスタイムが短く、反応性の高い光導波路型センサを提供することを目的とする。

本発明の光導波路型センサは、被検知物質を検出する光導波路型センサであって、一端側開口が前記被検知物質の導入口となるとともに、他端側開口が前記被検知物質の排出口となる管体を備え、前記管体の内面に、光導波路が形成されるとともに、該光導波路上に、前記被検知物質と反応する検知材が形成されている。

本発明の好ましい実施形態では、前記管体が真直である。

本発明の一つの実施形態では、前記管体外の光源からの光を、前記光導波路に入射させる入射手段と、前記光導波路からの導波光を、前記管体外の光検出器側へ出射させる出射手段とを備えている。

入射手段および出射手段として、プリズムや回折格子を用いることができる。

前記管体を矩形断面の管体とし、管体の内面には、前記入射手段として入射用プリズムと前記出射手段として出射用プリズムを設けてもよい。

矩形断面の管体は、例えば、管軸方向に延びる４枚の基板を、上下左右に組み合わせることによって構成することができ、４枚の基板の内、１枚の基板上に、予め光導波路および検知材を形成するとともに、入射用および出射用のプリズムを設けておけばよい。

また、入射用プリズムは、管体の外面から導入される光を、光導波路に入射させ、出射用プリズムは、光導波路からの導波光を、管体の外面から出射させるようにしてもよい。入射用および出射用のプリズムの高さを、１ｍｍ以上５ｍｍ以下とするのが好ましい。

本発明の光導波路型センサによると、管体の内面に、検知材を備える光導波路を形成し、管体の一端側開口から被検知物質を導入するとともに、他端側開口から被検知物質を排出するので、管体は、チャンバおよび光導波路を兼用する、すなわち、チャンバ一体型の光導波路型センサとなる。

これによって、チャンバと、光導波路が形成された基板とを個別に形成して一体化する従来例のチャンバの体積に比べて、小型化を図ることが可能となり、レスポンスタイムを短くすることができる。しかも、管体の一端側開口から被検知物質を導入し、他端側開口から排出するので、被検知物質が、一端側開口から他端側開口へと円滑に流れることになり、空気等が滞留するデッドスペースが生じにくく、反応性が向上する。

また、従来のようにチャンバと光導波路が形成された基板とを一体化する工程が不要となり、機器に組み込む際の作業性が向上する。

本発明によれば、管体の内面に、検知材を備える光導波路を形成し、管体の一端側開口から被検知物質を導入するとともに、他端側開口から被検知物質を排出するので、チャンバ一体型の光導波路型センサとなる。

これによって、チャンバと、光導波路が形成された基板とを個別に形成して一体化する従来例のチャンバの体積に比べて、小型化を図ることが可能となり、レスポンスタイムを短くして測定時間を短縮することができる。しかも、管体の一端側開口から被検知物質を導入し、他端側開口から排出するので、被検知物質が、一端側開口から他端側開口へと円滑に流れることになり、空気等が滞留するデッドスペースが生じにくく、反応性が向上する。

また、従来のようにチャンバと光導波路が形成された基板とを一体化する工程が不要となり、機器に組み込む際の作業性が向上する。

本発明の実施の形態の光導波路型センサの概略構成図である。 図１の管体の斜視図である。 図１のプリズムの高さを説明する図である。 ５００ｐｐｂのアンモニアガスの測定結果を示す図である。 ２５０ｐｐｂのアンモニアガスの測定結果を示す図である。 従来例の概略構成図である。 従来例のチャンバの構成を示す図である。 他の従来例のチャンバの構成を示す図である。

以下、図面によって本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る光導波路型センサの概略構成図であり、この図１では、管体２は縦断側面図を示している。

この実施形態の光導波路型センサ１は、被検知物質として、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを検出するガスセンサである。

この光導波路型センサ１は、一端側開口２ａがアンモニアガスの導入口となるとともに、他端側開口２ｂがアンモニアガスの排出口となる真直な管体２を備えている。すなわち、管体２の両端開口２ａ，２ｂには、図示しないチューブ等がそれぞれ連結され、ポンプによって、一端側開口２ａからアンモニアガスが導入されて、他端開口２ｂから排出される。

この管体２は、図２の斜視図に示すように、管軸方向（図２の左右方向）に延びる４枚の透明なガラス基板２−１〜２−４を、上下左右に組み合わせて構成された矩形断面の管体である。各ガラス基板２−１〜２−４は、例えば、ＵＶ樹脂などの接着剤や図示しない接着テープを用いて一体化されて管体２を構成している。

４枚のガラス基板２−１〜２−４の内、上板を構成するガラス基板２−１には、図１に示すように、その表層に、ガラス基板２−１よりも屈折率がやや高い導波層３を、例えば、イオン交換法によって形成して光導波路を構成している。更に、導波層３上に、アンモニアガスと反応する検知材としての反応膜４が成膜されている。

このように管体２の内面には、光導波路を構成する導波層３およびアンモニアガスと反応する反応膜４が形成されており、この管体２は、アンモニアガスと反応膜４とを反応させる反応空間を構成するチャンバおよび光導波路としての機能を併有している。

反応膜４は、アンモニアガスと反応し、吸収スペクトルがシフトする材料、例えば、ｐＨ指示薬であるＢＴＢ（ブロモチモールブルー）などで構成され、アンモニアガスの濃度に依存して、導波された光が減衰する。

この反応膜４は、可逆性があり、窒素ガス、または、アンモニアガスを含まない空気によって再生可能であり、アンモニアガスの濃度の繰り返し測定が可能である。

また、ガラス基板２−１上には、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等のレーザー光源５からのレーザー光を、管体２の外面から導入して光導波路の導波層３へ入射させる直角プリズムからなる入射用プリズム６が設けられる一方、導波層３からの導波光を、管体２の外面から光検出器７へ出射させる直角プリズムからなる出射用プリズム８が設けられている。各プリズム６，８は、ＵＶ樹脂などを用いてガラス基板２−１に接着されている。

レーザー光源５から入射用プリズム６を介して導波層３に入射されたレーザー光は、全反射を繰り返しながら伝搬するが、その間導波層３の表面にエバネッセント波が染み出す。

エバネッセント波とは、屈折率の異なる界面で光が全反射する際に、界面からしみ出す光であり、このエバネッセント波が、導波層３上の反応膜４の着色によって吸収されて光強度が減少する。

アンモニアガスの濃度に応じて、反応膜４の着色変化の程度が異なるため、エバネッセント波の吸収率が変化し、導波層３を導波する光の出力が弱くなる。したがって、導波光の出力強度を測定することによって、アンモニアガス濃度を検出することができる。

この実施形態では、上述のように、アンモニアガスが一端側開口２ａから導入されて他端側開口２ｂから排出される管体２の内面に、光導波路の導波層３および反応膜４を形成しているので、管体２は、従来の光導波路が形成されたガラス基板とチャンバとを兼用した構成、すなわち、チャンバ一体型の光導波路となっている。

これによって、チャンバと、光導波路が形成された基板とを個別に形成して一体化する従来例のチャンバの体積に比べて、小型化を図ることが可能となり、レスポンスタイムを短くして測定時間を短縮することができる。

また、真直な管体２の一端側開口２ａからアンモニアガスを導入し、他端側開口２ｂから排出するので、アンモニアガスが、一端側開口２ａから他端側開口２ｂへと円滑に流れることになり、空気が滞留するデッドスペースが生じにくく、反応性が向上し、検出精度を高めることができる。

更に、光導波路が形成された基板に、チャンバを取り付ける工程が不要となり、機器に組み込む際の作業性が向上する。

この実施形態では、上述のように、レーザ−光源５からのレーザー光を、管体２の外面から入射用プリズム６を介して光導波路の導波層３内に入射させる一方、導波層３からの導波光を、出射用プリズム８を介して管体２の外面から出射させている。すなわち、従来例のように、表層に光導波路が形成されているガラス基板の表面側から入射させて、表面側から出射させるのではなく、裏面側から入射させて、裏面側から出射させるようにしている。

かかる構成によって、両プリズム６，８の高さを、次のように設定することができる。

図３は、プリズム６の高さの算出例を示す図である。

光導波路の導波層３に導波光が全反射で進行する条件は、θs（臨界角）＜θ（全反射角）＜90°であり、ガラス基板２−１の屈折率ｎ_ｓ=1.51、導波層３の屈折率ｎ_ｆ=1.518とすると、臨界角は以下のように求められる。
θ_s＝sin^-1(n_s/n_f＝84.1
したがって、後述の実施例では、84.1°＜θ＜90°のうち最も反射回数が多く、感度のよい0次導波光の全反射条件である85°近傍を使用した。

このガラス基板２−１にプリズムカップリングを用いて85°で光を入射させるにはプリズム６の屈折率をn_p、入射角度をθ_pとしたとき、
n_s＜n_psinθ_p＜n_f 且つ、n_p>n_f
となるように、適当なn_pを選択しなければならない。

今回使用したプリズムでは、n_p=1.67なので、64.8＜θ_ｐ＜65.3となる。

さらに背面から、すなわち、管体の外面からレーザー光９を入射させ、プリズム６内で全反射させてから導波層３に対して65°で入射する必要があるので、図３の角度β＞36.8度となる。プリズム６の角度αを適当に選ぶことで、角度βと高さh1を調節することができ、後述の実施例に使用したプリズムではα＝25°、β＝40°、ｈ2＝5mmであった。しかし、図３から明らかなようにプリズムの高さｈ2は、レーザー光９がプリズム６内で全反射する高さｈ1分だけあればよく、プリズム６の山をカットして高さを低くすれば、計算では2.5mmまで小さくすることが出来る。5mmでも十分にその効果は確認できたので、2.5mmになるとより効果が高いことはいうまでも無い。また、角度αを小さくすることでその高さｈ1はより小さくすることが出来るが、n_p=1.67の条件下ではα≦28°でなければならない。

プリズムの屈折率n_pを調整することでもｈ1を小さくすることが出来る。例えば、n_p=1.60、α＝25°の場合θ_p＝71°、β＝46°となり、h1＝2.13mmとなり、また、n_p=1.55、α＝25°の場合、θ_p＝78°、β＝53°となり、ｈ1＝1.57mmとなる。ただ、レーザー光９のスポット径がφ1mm程度なので、ｈ1＝1mm以下のハンドリングは現実的ではなく、ｈ1＞1mmが望ましい。

このように、プリズムの屈折率n_pと角度αとを適当に調節することで、1mm＜ｈ1＜5mmでｈ1を選択することが可能になる。また、プリズムそのものを小さくして高さｈ2を変えることもできるので、その場合も、1mm＜ｈ2＜5mmのように選択することができる。

以上のように、入射用プリズム６および出射用プリズム８の高さを、５ｍｍ以下と従来例のプリズムに比べて低くできるので、管体２の一端側開口２ａから導入されて他端側開口２ｂから排出されるアンモニアガスの流れが、両プリズム６，８によって殆ど妨げられることがない。

以下、実施例に基づいて、本発明について更に詳細に説明する。

（実施例）
断面矩形の管体の内面に、光導波路を構成する導波層および反応層を形成するとともに、プリズムを配置した実施例のセンサを製作した。また、ガラス基板上に、光導波路を構成する導波層および反応層を実施例と同じ条件で形成し、プリズムを配置して図８に示すようにチャンバを取り付けた従来例のセンサを製作した。なお、図８では、ガスの入口４３ａおよび出口４６ｂは、チャンバの４６の上方に設けたけれども、製作した従来例のセンサでは、ガスの入口および出口を、図８の紙面に垂直方向に設けた。

また、実施例のセンサの管体の開口のサイズは、１辺１ｃｍの正方形とし、従来例の直方体状のチャンバのサイズは、５ｃｍ×４ｃｍ×３ｃｍとした。

実施例のセンサの管体内および従来例のセンサのチャンバ内に、それぞれ、窒素ガスとアンモニア標準ガスを、ポンプによって流量１Ｌ/ｍｉｎで交互に切り替えて流し、測定を行った。アンモニア標準ガスは、５００ｐｐｂおよび２５０ｐｐｂの２種類の濃度について測定した。

窒素ガスを、管体内あるいはチャンバ内に流すことで測定される光量を初期値とし、１．５分間アンモニア標準ガスを、管体内あるいはチャンバ内に流して反応膜４と反応させた後に、測定される光量を反応値とした。反応が起こることで、反応膜４の色が変化し、入射された光を吸収するようになるので、出力光量が減衰する。したがって、初期値から何％減衰したかを示す減衰率を、（初期値−反応値）／初期値の式で算出した。反応後は、再び窒素ガスを流し、初期状態に戻した。

５００ｐｐｂのアンモニア標準ガスの測定結果を図４に、２５０ｐｐｂのアンモニア標準ガスの測定結果を図５にそれぞれ示す。なお、各図において、実線は実施例を、破線は従来例をそれぞれ示す。

各図において、窒素ガスを、管体内あるいはチャンバ内に流している初期状態は、減衰率が０％であり、窒素ガスに代えてアンモニア標準ガスを、管体内あるいはチャンバ内に流すと、アンモニアと反応膜４とが反応し、減衰率が大きくなり、更に、アンモニア標準ガスに代えて窒素ガスを、管体内あるいはチャンバ内に流すと、反応膜４が再生されて初期状態に復帰する。

５００ｐｐｂ、２５０ｐｐｂのいずれの濃度において、実線で示す実施例の方が、破線で示される従来例に比べて、レスポンスタイムが短く、反応前の光出力からの減衰率、すなわち、反応性も高いことが分かる。

なお、上記減衰率とアンモニア濃度とは、比例関係があるので、この比例定数を予め求めておくことにより、測定される減衰率からの未知のアンモニアの濃度を算出することができる。

上述の実施形態では、プリズム６，８を用いて、レーザー光を入射あるいは出射させたけれども、本発明の他の実施形態として、プリズムに代えて、回折格子グレーティングを用いてもよい。回折格子の高さ厚さは、例えば、特開平８−２８５８５１号公報や特開２００６−２０８３５９号公報に開示されているように、サブμｍ〜μｍオーダーであるので、プリズムと同等以上の効果を奏することができる。

上述の実施形態では、アンモニアガスの濃度の測定に適用して説明したけれども、本発明は、検知材を被検知物質に対応するものに換えれば、アンモニアガス以外の他の被検知物質の測定にも適用できるのは勿論である。

１ 光導波路型センサ
２ 管体
３ 導波層
４ 反応膜（検知材）
５ レーザー光源
６ 入射用プリズム
７ 光検出器
８ 出射用プリズム

Claims (7)

1. 被検知物質を検出する光導波路型センサであって、
   一端側開口が前記被検知物質の導入口となるとともに、他端側開口が前記被検知物質の排出口となる管体を備え、
   前記管体の内面に、光導波路が形成されるとともに、該光導波路上に、前記被検知物質と反応する検知材が形成されることを特徴とする光導波路型センサ。
2. 前記管体が、真直である請求項１に記載の光導波路型センサ。
3. 前記管体外の光源からの光を、前記光導波路に入射させる入射手段と、前記光導波路からの導波光を、前記管体外の光検出器側へ出射させる出射手段とを備える請求項１または２に記載の光導波路型センサ。
4. 前記管体は、矩形断面であって、前記管体の内面には、前記入射手段として入射用プリズムと、前記出射手段として出射用プリズムが設けられる請求項３に記載の光導波路型センサ。
5. 前記入射用プリズムは、前記管体の外面から導入される光を、前記光導波路に入射させるものであり、前記出射用プリズムは、前記光導波路からの導波光を、前記管体の外面から出射させる請求項４に記載の光導波路型センサ。
6. 前記入射用プリズムおよび出射用プリズムの高さが、１ｍｍ以上５ｍｍ以下である請求項５記載の光導波路型センサ。
7. 前記検知材が、前記被検知物質としてのガスと反応する請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光導波路型センサ。
   

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