JP5767057B2 - ファイバーセンサー - Google Patents

Description

本発明は、ファイバーセンサーに関する。

曲がり量を検出するデバイスとしてファイバーセンサーが知られている。ファイバーセンサーは光ファイバーを利用しており、光ファイバーの曲がり量を検出するために、光ファイバーには導光損失部が設けられている。導光損失部は、光ファイバーによって導光される光を光ファイバーの曲がり量に応じて損失させる機能を有している。したがって、導光損失部の加工精度や安定性がファイバーセンサーの感度特性を左右する。このため、導光損失部の安定した加工精度が必要とされる。

特開昭５７−１４１６０４号公報

光ファイバーは、コアとクラッドから構成されたものが主に使用されている。また、その代表的なものとして、コアとクラッドがガラスで作られたガラス製の光ファイバーと、コアとクラッドがプラスティックで作られたプラスティック製の光ファイバーがよく知られている。ガラス製にしろプラスティック製にしろ、一般にコアとクラッドには加工特性に差が少ない材料が使用されている。

導光損失部は、クラッドを加工して形成される。たとえば、導光損失部は、クラッドの一部を除去してコアを露出させることによって形成される。前述したように、コアとクラッドの材料は加工特性に差が少ないため、コアにまったく傷つけることなく、クラッドだけを部分的に除去することは難しい。あるいは、そのためには、非常に高い加工精度を有する加工装置や加工方法を適用する必要がある。

クラッドを除去する際にコアの露出表面に生じた傷は、ファイバーセンサーの検出感度に影響を与える。このため、コアの露出表面の傷の発生は、複数のファイバーセンサー間に検出感度のばらつきを生じさせる原因になる。特にガラス製の光ファイバーでは、傷を起点に欠けがすすみ、しまいには光ファイバーが折れる原因にもなる。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、コアを傷つけることが少なくクラッドを容易に加工し得る光ファイバーを備えたファイバーセンサーを提供することである。

本発明によるファイバーセンサーは、光源と、前記光源から発生された光を導光する光ファイバーと、前記光ファイバーによって導光された光を受光する受光部を有している。前記光ファイバーは、光を導光し得るコアと、前記コアの周囲に前記コアに直接接して配置されたクラッドと、前記コアによって導光される光を前記光ファイバーの曲がり量に応じて損失させる導光損失部を有している。前記導光損失部は、前記クラッドに形成された開口内に位置している前記コアの表面で構成されている。前記コアは、前記クラッドに比べて、前記開口を形成する加工に対して高い耐性を有している。

本発明によれば、コアを傷つけることが少なくクラッドを容易に加工し得る光ファイバーを備えたファイバーセンサーが提供される。

第一実施形態のファイバーセンサーを概略的に示している。 図１に示された光ファイバーのＡ−Ａ線に沿った断面を示している。 ファイバーセンサーの動作を説明するための図である。 第二実施形態における光ファイバーの断面を示している。 第二実施形態の変形例におけるコーティング部材の断面を示している。 第三実施形態における光ファイバーの断面を示している。 第三実施形態の変形例における光ファイバーの断面を示している。 第三実施形態のさらなる変形例における光ファイバーの断面を示している。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
（ファイバーセンサーの構成）
第一実施形態によるファイバーセンサーは、図１に示されるように、検出光を発生する光源１０と、光源１０から発生される検出光を導光する光ファイバー３０と、光ファイバー３０を導光した光を受光する受光部２０を有している。

光源１０は、これに限らないが、たとえばＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）で構成され得る。

光ファイバー３０は、二分岐ファイバーで構成され、一方の側に二本のファイバー要素３２，３４を有し、反対側に一本のファイバー要素３６を有している。ファイバー要素３２は、光源１０と光学的に結合されている。ファイバー要素３４は、受光部２０と光学的に結合されている。ファイバー要素３６は、端部にたとえば反射面を有しており、ファイバー要素３２から導光されてくる検出光をファイバー要素３２，３４の方へ反射する。

光ファイバー３０は、図２に示されるように、光を導光し得るコア４２と、コア４２の周囲にコア４２に接して配置されたクラッド４４を有している。

光ファイバー３０は、コア４２によって導光される光を光ファイバー３０の曲がり量に応じて損失させる導光損失部５０を有している。図１では、導光損失部５０は、ファイバー要素３６に設けられているが、他のファイバー要素３２，３４に設けられてもよい。また、光ファイバー３０にはただ一つの導光損失部５０が設けられているが、複数の導光損失部が設けられてもよい。導光損失部５０は、図２に示されるように、クラッド４４に形成された開口４４ａ内に位置しているコア４２の表面で構成され得る。

（ファイバーセンサーの動作）
光源１０で発せられた検出光は、ファイバー要素３２内に入射する。ファイバー要素３２内に入射した検出光は、ファイバー要素３２内を伝搬し、続いてファイバー要素３６内を伝搬し、ファイバー要素３６の端部で反射される。ファイバー要素３６の端部で反射された検出光は、ファイバー要素３６内を伝搬し、続いてファイバー要素３４内を伝搬して、受光部２０に到達する。受光部２０は、受光した検出光を光電変換し、光量を示す電気信号を出力する。

光ファイバー３０によって導光される検出光は導光損失部５０において損失される。その導光損失量は、図３に示されるように、光ファイバー３０の曲がりの方向と量に応じて変化する。たとえば、図３（Ａ）に示されるように光ファイバー３０の曲がりの外側に導光損失部５０がくるように光ファイバー３０が曲げられた場合、図３（Ｂ）に示されるように光ファイバー３０が曲げられていない場合と比較して導光損失量は大きくなる。また導光損失量は、光ファイバー３０の曲がり量に比例して大きくなる。これとは逆に、図３（Ｃ）に示されるように光ファイバー３０の曲がりの内側に導光損失部５０がくるように光ファイバー３０が曲げられた場合、図３（Ｂ）に示されるように光ファイバー３０が曲げられていない場合と比較して導光損失量は小さくなる。また導光損失量は、光ファイバー３０の曲がり量に比例して小さくなる。

この導光損失量の変化は、受光部２０によって受光される検出光の量に反映される。すなわち、受光部２０の出力信号に反映される。したがって、受光部２０の出力信号を監視することによって、光ファイバー３０の曲がりの方向と量を把握することができる。

（コア４２とクラッド４４の材料的特徴）
コア４２は、クラッド４４に比べて、クラッド４４の開口４４ａを形成する加工に対して高い耐性を有している。これにより、クラッド４４の一部を除去して開口４４ａを形成する加工の際にコア４２が除去されにくくなる。好ましくは、コア４２とクラッド４４の材料は、クラッド４４の選択的除去を可能にする組み合わせである。これにより、コア４２が除去されることなく、クラッド４４に開口４４ａが形成され得る。たとえば、コア４２は無機材料たとえばガラスで構成され、クラッド４４は樹脂で構成され得る。

開口４４ａを形成する加工には、さまざまな加工が適用可能である。

加工の例としては、機械加工があげられる。機械加工としては、さらに、機械研磨や切削などがあげられる。機械加工に対しては、コア４２とクラッド４４は、加工時に加えられる外力に対して、コア４２の方がクラッド４４よりも影響を受けにくい材料の組み合わせが選択される。

別の加工の例としては、エッチング加工があげられる。エッチング加工に対しては、コア４２とクラッド４４は、クラッド４４はエッチングされるが、コア４２はエッチングされない材料の組み合わせが選択される。

また別の加工の例としては、レーザ加工があげられる。レーザ加工に対しては、コア４２とクラッド４４は、コア４２の方がクラッド４４よりも耐熱性の高い材料の組み合わせが選択される。また、光を用いた加工にあたっては、選定された光のエネルギー量を受けたときに、クラッド４４は変形・変性するが、コア４２は影響を受けにくい材料の組み合わせが選択される。

また別の加工の例としては、加熱と加圧を組み合わせた加工があげられる。このような加工に対しては、コア４２とクラッド４４は、クラッド４４は加熱と加圧の影響を受けて変形・変性するが、コア４２は加熱と加圧の両方に対して耐性を有していて変形・変性しにくい材料の組み合わせが選択される。

その結果、コア４２を傷つけることが少なく、好ましくは、コア４２を傷つけることなく、クラッド４４に開口４４ａが形成され得る。これは、開口４４ａの形成によって形成される導光損失部５０の特性のばらつきを低減し、ファイバーセンサーの検出感度の向上、検出精度の向上、安定性の向上、信頼性の向上に寄与する。

＜第二実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態の光ファイバーに代替可能な別の光ファイバーに関する。図４に示されるように、本実施形態の光ファイバー３０Ａは、第一実施形態と同様にコア４２とクラッド４４と導光損失部５０を有しており、これに加えて、導光損失部５０の表面を覆うコーティング部材６０をさらに有している。コア４２とクラッド４４と導光損失部５０の構成や開口４４ａを形成する加工法などは第一実施形態と同様である。

図４では、コーティング部材６０は、導光損失部５０の表面の全体を覆っているが、これに限らず、導光損失部５０の表面の一部を覆っているだけでもよい。つまり、コーティング部材６０は、導光損失部５０の表面の少なくとも一部を覆っていればよい。また図４では、コーティング部材６０は、クラッド４４と同じ厚さを有しているが、必ずしもその必要はない。つまり、コーティング部材６０の厚さは、クラッド４４の厚さと異なっていてもよい。

コーティング部材６０は、導光損失部５０を形成するためにクラッド４４の一部を除去して開口４４ａを形成したことに起因する開口４４ａにおける曲がり耐性の低下を補う働きをする。

またコーティング部材６０は、導光損失部５０が外部から汚れや傷を受けることを防止する働きをする。これにより、導光損失量の変動が抑えられ、ファイバーセンサーの検出感度が安定して維持され得る。

さらにコーティング部材６０は、外乱光などのノイズ成分のコア４２内への混入を防ぐ働きをする。これにより、ファイバーセンサーの検出感度の安定化が図られ得る。

コーティング部材６０は、導光損失部５０における導光損失量を変化させる特性を有していてもよい。これにより、ファイバーセンサーの検出感度が調整され得る。たとえば、コーティング部材６０は、導光損失部５０における導光損失量を増大させる特性を有していてもよい。これにより、ファイバーセンサーの検出感度が向上され得る。

コーティング部材６０は、クラッド４４とほぼ等しい屈折率を有していてもよい。これにより、ファイバーセンサーの検出感度が調整され得る。

コーティング部材６０は、クラッド４４よりも高い屈折率を有していてもよい。これにより、導光損失部５０における導光損失量が増大され、ファイバーセンサーの検出感度が向上され得る。

コーティング部材６０は、クラッド４４と異なる光吸収率を有していてもよい。これにより、ファイバーセンサーの検出感度が調整され得る。たとえば、コーティング部材６０は、クラッド４４よりも高い光吸収率を有していてもよい。これにより、導光損失部５０における導光損失量が増大され、ファイバーセンサーの検出感度が向上され得る。

コーティング部材６０は、クラッド４４と異なる光散乱特性を有していてもよい。これにより、ファイバーセンサーの検出感度が調整され得る。たとえば、コーティング部材６０は、クラッド４４よりも高い光散乱特性を有していてもよい。これにより、導光損失部５０における導光損失量が増大され、ファイバーセンサーの検出感度が向上され得る。

コーティング部材６０は、クラッド４４と異なる光回折特性を有していてもよい。これにより、ファイバーセンサーの検出感度が調整され得る。たとえば、コーティング部材６０は、クラッド４４よりも高い光回折特性を有していてもよい。これにより、導光損失部５０における導光損失量が増大され、ファイバーセンサーの検出感度が向上され得る。

コーティング部材６０は、図５に示されるように、光学特性が異なる複数の層６２，６４から構成されていてもよい。図５には、コーティング部材６０が二つの層６２，６４で構成されている例が示されているが、コーティング部材６０は、さらに多くの層から構成されてもよい。

このようにコーティング部材６０を複数の層６２，６４で構成することにより、導光損失部５０における導光損失量の調整が容易になる。たとえば、内側の層から外側の層へ発光・吸収が連鎖的に起きるような蛍光・光吸収材料などの複数の層を導光損失部５０に設けることにより、効率良い光の損失を達成することも可能である。

このように、コーティング部材６０の特性を選別することにより、所望の感度のファイバーセンサーを容易に、再現性よく作製することが可能である。

さらには、光ファイバーに複数の導光損失部５０を設け、複数の導光損失部５０に対して、それぞれ、屈折率・光吸収率・光散乱特性・回折特性が異なるコーティング部材６０を適用することにより、光ファイバーの複数個所において曲がり検出を互いに識別して同時におこなうことも可能である。これにより、ファイバーセンサーの高機能化が実現され得る。

＜第三実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態の光ファイバーに代替可能なまた別の光ファイバーに関する。図６に示されるように、本実施形態の光ファイバー３０Ｂは、第一実施形態と同様にコア４２とクラッド４４と導光損失部５０を有しており、さらに第二実施形態と同様にコーティング部材６０を有しており、これに加えて、クラッド４４とコーティング部材６０の周囲を被覆する被覆部７０をさらに有している。コア４２とクラッド４４と導光損失部５０の構成や開口４４ａを形成する加工法などは第一実施形態と同様であり、コーティング部材６０の構成は第二実施形態と同様である。

被覆部７０は、特殊な加工方法や機材を必要とすることなく、光ファイバーの周知の被覆技術によって形成され得る。

被覆部７０は、コア４２とクラッド４４とコーティング部材６０の変質・変性・変形を防ぐ働きをする。被覆部７０はまた、コア４２とクラッド４４とコーティング部材６０への外力の付加や外乱光などのノイズ成分のコア４２内への混入を防ぐ働きをする。これにより、ファイバーセンサーの検出感度の安定化が図られ得る。

フィアバーセンサーの用途のひとつに医療器具への適用がある。医療器具への適用を考慮したフィアバーセンサーにおいては、光ファイバー３０Ｂは消毒や滅菌の処理に対する耐性を有しているとよい。

このため、被覆部７０は、１５０℃以上の耐熱性を有しているとよい。ガラス製やプラスティック製の光ファイバー単体の耐熱性はせいぜい１２０℃程度であり、一般的な熱消毒・滅菌に耐え得ないが、被覆部７０が１５０℃以上の耐熱性を有していれば、光ファイバー３０Ｂは一般的な熱消毒・滅菌に耐え得る。

また被覆部７０は、消毒・滅菌薬たとえばＥｔＯガスや化学殺菌剤に対する耐性を有しているとよい。通常のプラスティック製の光ファイバーは化学薬剤と反応して変形・変性してしまう可能性があるが、被覆部７０が耐薬液性を有していれば、光ファイバー３０Ｂが化学薬剤と反応するおそれがない。

また、光ファイバー３０Ｂは、医療機器への組み込み時や使用時における摩耗に対する耐性を有しているとよい。このため、被覆部７０は耐摩耗性を有しているとよい。被覆部を持たない光ファイバーは、医療機器への組み込み時や使用時に受けた擦り傷から亀裂などが発生する可能性があるが、被覆部７０が耐摩耗性を有している光ファイバー３０Ｂであれば、コア４２はもちろんクラッド４４やコーティング部材６０が機械的な損傷を受けることが良好に防止される。

このような要望を満たす被覆部７０の材料としては、これに限らないが、たとえば、テフロン（登録商標）系の樹脂や、ポリイミド、シリコーン、ナイロン、ゴアテックスなどがあげられる。

ここでは、開口４４ａを形成しコーティング部材６０を設けた後に被覆部７０が設けられた構成を示したが、図７に示されるように、被覆部７０があらかじめ設けられた光ファイバーに開口を形成してコーティング部材６０を設けた構成であってもよい。光ファイバー３０Ｃは、コア４２とクラッド４４に加えて、クラッド４４の周囲を被覆する被覆部７０を有し、導光損失部５０は、クラッド４４と被覆部７０の両方を貫通する開口内に位置しているコア４２の表面で構成されている。コーティング部材６０は、クラッド４４と被覆部７０の両方を貫通する開口内に設けられている。

図７に示された光ファイバー３０Ｃの変形例を図８に示す。この光ファイバー３０Ｄは、クラッド４４と被覆部７０の両方を貫通する開口内に設けられたコーティング部材６０が、クラッド４４と被覆部７０の合計の厚さよりも薄く、たとえばクラッド４４と同じ程度の厚さを有しており、コーティング部材６０を覆う被覆部材７２をさらに有している。被覆部材７２は、コーティング部材６０と同様に、クラッド４４と被覆部７０の両方を貫通する開口内に設けられている。被覆部材７２は、被覆部７０と同じ材料または同様の材料で構成されている。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。

たとえば、上述した実施形態の説明では、光ファイバー３０は二分岐ファイバーで構成されている例を示したが、光ファイバー３０を分岐のない光ファイバーに変更し、その両端に光源と受光部をそれぞれ配置した構成としてもよい。

１０…光源、２０…受光部、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ…光ファイバー、３２，３４，３６…ファイバー要素、４２…コア、４４…クラッド、４４ａ…開口、５０…導光損失部、６０…コーティング部材、６２，６４…層、７０…被覆部、７２…被覆部材。

Claims (16)

1. 光源と、
   前記光源から発生された光を導光する光ファイバーと、
   前記光ファイバーによって導光された光を受光する受光部を有し、
   前記光ファイバーは、
   光を導光し得るコアと、
   前記コアの周囲に前記コアに直接接して配置されたクラッドと、
   前記コアによって導光される光を前記光ファイバーの曲がり量に応じて損失させる導光損失部を有し、
   前記導光損失部は、前記クラッドに形成された開口内に位置している前記コアの表面で構成され、前記コアは、前記クラッドに比べて、前記開口を形成する加工に対して高い耐性を有している、ファイバーセンサー。
2. 前記コアと前記クラッドの材料は、前記クラッドの選択的除去を可能にする組み合わせである、請求項１に記載のファイバーセンサー。
3. 前記クラッドが樹脂で構成され、前記コアが無機材料で構成されている、請求項２に記載のファイバーセンサー。
4. 前記無機材料がガラスである、請求項３に記載のファイバーセンサー。
5. 前記導光損失部の少なくとも一部を覆うコーティング部材をさらに有している、請求項１〜４のいずれかひとつに記載のファイバーセンサー。
6. 前記コーティング部材は、前記導光損失部における導光損失量を変化させる特性を有している、請求項５に記載のファイバーセンサー。
7. 前記コーティング部材は、前記導光損失部における導光損失量を増大させる特性を有している、請求項６に記載のファイバーセンサー。
8. 前記コーティング部材は、光学特性が異なる複数の層から構成されている、請求項５に記載のファイバーセンサー。
9. 前記コーティング部材は、前記クラッドとほぼ等しい屈折率を有している、請求項５に記載のファイバーセンサー。
10. 前記コーティング部材は、前記クラッドよりも高い屈折率を有している、請求項５に記載のファイバーセンサー。
11. 前記コーティング部材は、前記クラッドと異なる光吸収率を有している、請求項５に記載のファイバーセンサー。
12. 前記コーティング部材は、前記クラッドと異なる光散乱特性を有している、請求項５に記載のファイバーセンサー。
13. 前記コーティング部材は、前記クラッドと異なる光回折特性を有している、請求項５に記載のファイバーセンサー。
14. 前記クラッドと前記コーティング部材の周囲を被覆する被覆部をさらに有している、請求項５に記載のファイバーセンサー。
15. 前記光ファイバーは、前記クラッドの周囲を被覆する被覆部をさらに有し、前記導光損失部は、前記クラッドと前記被覆部の両方を貫通する開口内に位置している前記コアの表面で構成されている、請求項５に記載のファイバーセンサー。
16. 前記光ファイバーは、前記コーティング部材を覆う被覆部材をさらに有している、請求項１５に記載のファイバーセンサー。

Images