JP6038139B2 - エバネッセント波光ファイバーセンサ用ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、赤外線光を少なくとも１つの赤外線波長で伝播させ外部媒体の赤外線シグネチャを検出するためにエバネッセント波を外部へ生成する光ファイバーを備えるセンサ用のヘッドに関する。本発明は、更に、その様なヘッドを有するセンサ及びその様なセンサを使用している分光測定システムに関する。

ここ何年かの間の光ファイバーの発展は、特殊な赤外線分光測定技法を実施するために使用されるセンサの開発を可能にしており、その独創性は、ファイバーが赤外線光の流れを通過させているときにファイバーの外表面の上を走るエバネッセント波の存在に関係がある。これらのセンサの原理は、光ファイバー中に赤外線波を放射することである。この波はファイバー内部をファイバーに沿って伝播するものであり、外部媒体がこのファイバーと接触すると、波の伝播は干渉され、その結果、波の特定の波長は外部媒体によって吸収される。そこで、吸収された波長が何であり、ひいては外部媒体内に含有されている物質が何であるかを推定するためには、放射された波の赤外線スペクトルを受け取られた波のそれと比較すれば十分である。

先行技術では、この技法は、ＦＥＷＳ（ファイバーエバネッセント波分光測定法）の用語で知られている。この技法は、分析部位への分光計の赤外線信号を逆ではなしにオフセットさせ、第１に現場でのリアルタイムの分析を可能にし、第２にサンプルを採取することによる結果の改ざんを回避する、という利点を有している。

ＦＥＷＳ技法は、医療又は食品の様な様々な分野で、ファイバーの外に在る、液体、固体、又は気体の媒体中の化学物質又は生体物質を分析するために使用することができる。

図１は、ＦＥＷＳ技法を実施するために従来使用されているエバネッセント波ファイバーセンサ１０の例を示している。

センサ１０は、１つの（或いは更にはそれより多い）エバネッセント波光ファイバーを備えている。以下では、センサが１つしか有していないものと考えることにするが、但し、本発明の範囲を限定するものではない。

センサ１０は、保護鞘２４、コネクタ２０、及びヘッド２２を有している。

保護鞘２４は、２つのファイバー区分であってその機能は赤外線波を放射点から受入点まで案内することである区分１１及び１２と、それらファイバー区分１１と１２を接続している曲がり部分１５と、を備える光ファイバーが中を通って走っている。

曲がり部分１５は、ヘッド２２に取り付けられており、様々な形態をしていよう。それは、例えば、くの字又は蛇行の形態をしていることもあれば、１又はそれ以上の巻き数を有する何らかの巻線の形態をしていることもある。図１は、曲がり部分１５が、数回の巻き数を備える巻線の形態をしていることを極めて概略的に示している。

この曲がり部分１５は、コネクタ２０のところで２つの区分１１及び１２から切り離すことができる。ヘッド２２は、コネクタ２０の一部分であってコネクタ２０の他の部分の上へ差し込んでセンサ１０の保護鞘２４の上に存在させるように適合されている部分を備えている。よって、センサ１０のヘッド２２は、例えばセンサ１０の使用中にこの部分が損傷した場合、簡単に交換することができる。

ファイバーの２つの区分１１及び１２はこうして保護鞘２４に収納されているのに対し、曲がり部分１５は少なくとも部分的に保護鞘２４を越えて突き出ている。この曲がり部分１５は、ひいては、ファイバーに沿って伝播するエバネッセント波の伝播に干渉する赤外線シグネチャを検出するために、外部媒体と接触させることを意図している。

エバネッセント波光ファイバーは、赤外線領域のスペクトルウインドウ、具体的には、大凡４０ｃｍ^-1から５０００ｃｍ^-1に広がる中赤外線又は大凡１０ｃｍ^-1から４００ｃｍ^-1に及ぶ遠赤外線の領域のスペクトルウインドウを提供する様々な材料、とりわけガラス、から製造することができる。このエバネッセント波光ファイバーは、数百マイクロメートルの直径を有していることもあれば、数十マイクロメートルの直径を有していることすらある。この直径はファイバーに沿って必ずしも一定というわけではなく、ファイバーの幾つかの部分が、具体的には曲がり部分１５では、より小さい直径を有していることがある。

カルコゲニドガラスは、その様な光ファイバーを製造するために用いられる材料の１つである。これらのガラス、とりわけ、硫黄、セレン、及び／又はテルルを主材とするガラスの利点の１つは、それらが光を赤外線の広い波長範囲に亘って通過させられるということであり、このことは例えば従来の酸化物ガラスには当てはまらない。加えて、材料のガラス質という性質が、光ファイバーを製造するために材料を形付けることを可能にしている。最後に、この材料の化学結合の性質が材料を疎水性にしており、生体サンプルの様な水分豊富な媒体でセンサとして使用される場合に有利である。

しかしながら、エバネッセント波光ファイバーセンサは、比較的小さい直径を有するガラス光ファイバーを使用しているという欠点を持つ。

センサの感知部分は、研究対象の媒体と直接接触させなくてはならないので、後者は従って剥き出しのまま放置され外部の要素に露出されるはめになる。かくして、曲がり部分１５は、使用されている材料が比較的脆弱であることとこれらのファイバーの直径が小さいことが理由で、破断を被る。そこで、目下の解決策は、損傷した場合に曲がり部分１５を交換することであるが、そこにはこれらのセンサの高額な長期保守費用が伴う。

本発明によって解決される問題は、エバネッセント波光ファイバーセンサの光ファイバーの曲がり部分１５の機械的強度を高めたヘッドを提案することである。

このために、本発明は、赤外線光を少なくとも１つの赤外線波長で伝播させ外部媒体の赤外線シグネチャを検出するためにエバネッセント波を外部へ向けて生成するための２つの光ファイバー区分を備えるセンサ用のヘッドにおいて、
−２つのファイバー区分を接続すること及びファイバーに沿って伝播するエバネッセント波の伝播に干渉する赤外線シグネチャを検出するために外部媒体と接触させることを意図した曲がり部分を形成している光ファイバーと、
−外部媒体と曲がり部分の間に接触区域を保証しつつも当該曲がり部分を外部の機械的応力に対し保護することを意図した手段と、を備えているヘッドを提案している。

第１の実施形態によれば、外部媒体が固体である場合、ヘッドは、更に、接触区域のところで当該曲がり部分から当該外部媒体へ力を加えることを意図した手段を備えている。

ファイバーの曲がり部分は巻き部を備えていて、力を加えるための手段はこの巻き部の中を滑動するスピンドルであるのが好都合である。

スピンドルの曲率半径は巻き部のそれより１０％小さく、スピンドルの曲率半径はファイバーの何らかの剪断を防ぐように設計されているのが好都合である。

曲がり部分を保護するための手段は、当該スピンドルが挿通されているクレビスから成るのが好都合である。

第２の実施形態によれば、外部媒体が液体である場合、曲がり部分を保護することを意図した手段は、当該曲がり部分を間に設置させる第１板と第２板から成り、当該第１板は、板間の液状外部媒体の流れを許容することを意図した流れ導管を備えている。

当該第２板はスタッドを備え、ファイバーの曲がり部分はスタッドの回りに巻かれた巻き部を備えているのが好都合である。

当該スタッドは、流れ導管の開口部に面して置かれているのが好都合である。

それぞれの板は２つの突起を有し、突起はそれぞれが他方の板の突起と対向するように設計されていて、各対の突起間に曲がり部分の端が収容されているのが好都合である。

変型によれば、少なくとも１つの板は、２つの異なった方向への支持面を形成するように機械加工され得るリブを備えている。

別の変型によれば、突起各対は、２つの異なった方向への支持面を形成するように機械加工され得るリブと平面を備えている。

本発明は、更に、センサにおいて、
−赤外線光を少なくとも１つの赤外線波長で伝播させ外部媒体の赤外線シグネチャを検出するためにエバネッセント波を外部へ向けて生成する２つの光ファイバー区分を封包している保護鞘と、
−上記実施形態のうちの１つの実施形態によるヘッドと、
−ヘッドを保護鞘へ固定しているコネクタと、を備えているセンサを提案している。

本発明は、更に、上記実施形態によるセンサを備える分光測定システムを提案している。

以上に述べられている本発明の特徴その他は、添付図面と関係付けて提示されている次に続く一例としての実施形態の説明が精読されればより明確になろう。

エバネッセント波光ファイバーセンサの一例を示している。 エバネッセント波光ファイバーを使用しているオフセット分光測定システムを概略的に示している。 外部媒体と接触させることを意図しているファイバーの曲がり部分を保護するための、本発明の第１の実施形態によるヘッドを示している。 外部媒体と接触させることを意図しているファイバーの曲がり部分を保護するための、本発明の当該第１の実施形態によるヘッドを示している。 本発明の別の実施形態によるヘッドを示している。 本発明の当該別の実施形態によるヘッドを示している。 本発明による、センサ用のヘッドのレイアウトの詳細を示している。 本発明による、センサ用の当該ヘッドのレイアウトの詳細を示している。 本発明による、センサ用の別のヘッドのレイアウトの詳細を示している。 本発明による、センサ用の当該別のヘッドのレイアウトの詳細を示している。

図２のシステムは、導入部分に説明されているＦＥＷＳ技法を実施することを意図している。このシステムは、図１に関係付けて説明されているエバネッセント波光ファイバーを備えるセンサ１０を備えている。具体的には、このセンサ１０は、赤外線光を少なくとも１つの赤外線波長で伝播させ外部媒体の赤外線シグネチャを検出するためにエバネッセント波を外部へ生成するための少なくとも１つの光ファイバーを備えている。ファイバーは、その長さに亘って、赤外線波を誘導するための２つのファイバー区分１１及び１２と、２つのファイバー区分を接続している曲がり部分１５と、を備えている。この曲がり部分１５は、ファイバーに沿って伝播するエバネッセント波の伝播に干渉する赤外線シグネチャを検出するために外部媒体と接触させることを意図している。このために、曲がり部分１５は、例えば、分析しようとする液体のサンプルを含有する試験片に浸される。

本システムは、更に、赤外線波長信号を発するために、センサ１０の光ファイバーの第１端２６へコンセントレータを介して接続されている分光計ＳＰＥＣを備えている。

センサ１０の光ファイバーの第２端２８は、第１端２６から発せられた赤外線信号を第２端２８へ区分１１及び１２と曲がり部分１５を介して受信するために、赤外線検出器ＤＥＴへコンセントレータを介して接続されている。検出器ＤＥＴは、検出器ＤＥＴによって受信された信号のための増幅器ＡＭＰへ接続されている。増幅された信号は、次いで、分光計ＳＰＥＣへ送られており、分光計は第２端２８で受信された赤外線信号のスペクトルを第１端２６で発せられた赤外線信号のスペクトルと比較するための信号処理ユニットＵＴを備えている（又は信号処理ユニットと関係付けられている）。この比較は、サンプルが原因の干渉、或いはより広くいうとセンサ１０の曲がり部分１５への外部媒体が原因の干渉、を評価することを可能にする。

本発明の文脈では、分光測定システムは、以下に説明されている本発明によるセンサ１００、即ち、特別なヘッドを有しているセンサと共に実施されている。

図３は、ヘッド３００の斜視図、並びに、正面図、側面図、及び平面図を示している。ヘッド３００は、ファイバーの曲がり部分１５を担持していて、接触区域３０のところで曲がり部分１５から外部媒体Ｓひいては例えばヒト組織の様な固体へ力を加えるための手段と、外部媒体とファイバーの曲がり部分１５の間に接触区域（図４の３０）を保証しつつもファイバーの曲がり部分１５を外部の機械的応力に対し保護するための手段と、を備えている。

図３の事例では、力を加えるための手段はスピンドル３０２から成っている。図４は、力印加の原理を示している。オペレータが保護鞘２４でセンサ１００を保持し、僅かな押圧力を働かせることによってファイバーの曲がり部分１５を外部媒体へ接触させるとき、スピンドル３０２は、この力をここでは垂直矢印で表わされている様にファイバーの曲がり部分１５へ伝える。するとファイバーのこの曲がり部分１５はスピンドル３０２と媒体Ｓの間で圧力を受け、その結果、ファイバー中を循環する流れの特定の波長のこの媒体Ｓの物質による吸収が増え、ファイバーの外数ミクロンの周囲にエバネッセント波区域が定まる。

スピンドル３０２以外の機械的組立体についても、これらの手段が操作者によって働かせる力をファイバーの曲がり部分１５へ伝え次いで外部媒体Ｓと接触させることを可能にする限りにおいては存在し得る。

具体的な実施形態によれば、ファイバーの曲がり部分１５は巻き部を備え、スピンドル３０２はこの巻き部内部を滑動する。ファイバーの曲がり部分１５の巻き部が巻いていることで、ファイバーの外部媒体と接触する表面積が増える。

スピンドル３０２の曲率半径Ｒ１は巻き部の半径Ｒ２より１０％小さくされていて、スピンドル３０２のこの曲率半径Ｒ１はファイバーの何らかの剪断を防ぐように設計されているのが好ましい。

この実施形態は、伸び差の問題が無いので好都合である。

図３によれば、ファイバーの曲がり部分１５を保護するための手段は、貫通スピンドル３０２を備えたクレビス３０４である。スピンドル３０２は、クレビス３０４を通って延びていて、巻き部内部を滑動する。当然ながら貫通スピンドルを備えるクレビスの他の形態が使用されていてもよい。更に、クレビス３０４は、コネクタ２０の一部分を備えていよう。このコネクタ２０の他の部分は、例えば、ファイバー区分１１及び１２が収納されている鞘２４へ固定されている。

クレビス３０４は、而して、センサ１００用のヘッド２２を形成しており、センサ１００のこのヘッド２２が故障した場合には交換されるように脱着可能に鞘２４へ接続できる。

図５は、本発明によるヘッド５００の正面図、平面図、及び側面図を示しており、図６は、外部媒体ひいては液体の流れの中でのヘッド５００の使用原理を示している。

この実施形態は、ファイバーの曲がり部分１５の上へ注ぐ外部媒体の流れが、ファイバーへのこの媒体の物質の含浸を、ファイバーがこの媒体に浸された場合に通常得られるものに比べて向上させることができるので、特に好都合である。

センサ１００のヘッド５００は、ファイバーの曲がり部分１５の、外部媒体の流れとの接触を提供するための手段を備えている。

ファイバーの曲がり部分１５は、液体の流れに対して固定位置に保持されるヘッド５００のスタッド５０２の回りに巻かれた巻き部を備えている。ファイバーの曲がり部分１５の巻き部が巻いていることで、ファイバーの外部媒体と接触する表面積が増える。

スタッド５０２の曲率半径Ｒ１は巻き部の半径Ｒ２より１０％小さくされていて、スタッド５０２のこの曲率半径Ｒ１はファイバーの何らかの剪断を防ぐように設計されているのが好ましい。

この実施形態は、伸び差の問題が無いので好都合である。

ヘッド５００は、外部媒体とファイバーの曲がり部分１５の間に接触区域３０を保証しつつもファイバーの当該曲がり部分を外部の機械的応力に対し保護するための手段を備えている。

ファイバーの曲がり部分１５を保護するための手段は、ここでは、２つの板５０４及び５０６によって示されている。板５０４は液体が２つの板５０４と５０６の間を流れることを可能にする流れ導管５０８を備えており（二つの曲がった矢印がこの流れを表現）、他方の板５０６はスタッド５０２を備えている。２つの板５０４及び５０６は、スタッド５０２が流れ導管５０８の開口部に面して置かれるように互いに対して所定位置に保持されている。

板５０４及び５０６は、ここに示されているもの以外の形態を有していてもよい。

更に、板５０４及び５０６はコネクタ２０の一部分を備えていてもよい。その場合、このコネクタの他の部分は保護鞘２４に固定されている。而して、これらの板５０４及び５０６は脱着可能となるセンサ１００のヘッド５００を形成している。

外部媒体と接触させることを意図しているファイバーの曲がり部分を保護するための手段の実施形態は、ここでは、単に一例として提示されており、本発明の範囲を何ら限定するものではない。これらの手段のその他種々の実施形態が企図されるのみならず、他の機械的組立体も、これら組立体が外部媒体とファイバーの曲がり部分の間に接触区域を保証しつつもファイバーの当該曲がり部分を外部の機械的応力に対し保護する限りにおいて企図され得る。具体的には、外部媒体が気体である場合、これらの手段は、この曲がっているファイバー部分の上に出現する孔の開けられた管に代表されるであろう。

図７及び図８は、本発明によるセンサ１００を形成するために、コネクタ２０及び保護鞘２４と一列に配置させたときのヘッド５００を示している。ヘッド５００を固定するための手段は示されていないが、何れの適した形態を取っていてもよい。この実施形態では、曲がり部分１５の両端は、ヘッド５００の同じ面に配置されている。

図９及び図１０は、本発明によるセンサ１００を形成するために、コネクタ２０及び保護鞘２４と一列に配置させたときの別の実施形態によるヘッド９００を示している。ヘッド９００を固定するための手段は示されていないが、何れの適した形態を取っていてもよい。ヘッド９００は、更に、流れ導管５０８とスタッド５０２を有しているが、曲がり部分１５の両端は直径方向に互いに反対側にある。

曲がり部分１５のそれぞれの端は、板５０４と５０６の一方からそれぞれ出ている２つの突起から成るシュー７０２、９０２に収納されている。曲がり部分１５の端は、従って、板５０４と５０６の一方からそれぞれ出ている２つの突起の間に設置されている。それぞれの板５０４、５０６が２つの突起を有しており、突起それぞれは、他方の板５０６、５０４の突起と対向するように設計されており、各対の突起の間に曲がり部分１５の一端が収納されている。

曲がり部分１５の端にアクセスできるようにしているそれぞれのシュー７０２、９０２の面は、対応する区分１１、１２との接合部に良好な接触面と良好な赤外線光伝播を生み出すように機械加工されることが可能である。

図７及び図８の事例では、曲がり部分１５の端を区分１１及び１２の端に対して正しく位置決めすることは、板５０４及び５０６の外面に作製されている２つのリブ７０４によって確約される。リブ７０４は、コネクタ２０の壁に当接させるものであって、位置決めの精度を上げるべく機械加工されよう。従って、それぞれの板５０４、５０６の面全体を機械加工する必要はなく、関連のリブ７０４のみを加工すればよい。

図７及び図８に提示されている本発明の実施形態では、板５０４、５０６当たり２つのリブ７０４があるが、コネクタ２０に対する位置決めの実行にとって一方の板ここでは板５０６のみが責任を負っているなら、この板５０６のみがリブ７０４を担持するものとなろう。

曲がり部分１５の端の区分１１及び１２の端に対する正しい位置決めは、ここでは２つの板５０４及び５０６の接合部によって作製されている横リブ７０６によってももたらされており、横リブはコネクタ２０の別の壁と接触するように機械加工されよう。

概して言うと、曲がり部分１５の端を区分１１及び１２の端に対して適切に位置決めするために、少なくとも１つの板５０４、５０６は２つの異なった方向への支持面を形成するように機械加工できるリブ７０４及び７０６を備えている。

リブ７０４及び７０６は、それらが出ている板５０４、５０６の表面と比べて小さい支持面を有している。

図９及び図１０の事例では、曲がり部分１５の端の区分１１及び１２の端に対する正しい位置決めは、２つのリブ９０４によって提供されている。それぞれのリブ９０４は、それぞれのシュー９０２の面に作製されており、２つの面はここでは同一面上にある。リブ９０４は、コネクタ２０の壁に当接させるものであって、位置決めの精度を上げるべく機械加工されよう。

曲がり部分１５の端の区分１１及び１２の端に対する正しい位置決めは、２つの平面９０６によってももたらされている。それぞれの平面９０６は、それぞれのシュー９０２の面に作製されており、２つの面は、ここでは同一面上にあり、リブ９０４を担持する面に垂直である。それぞれの平面９０６もまた、コネクタ２０の別の壁に接触するように機械加工されよう。

概して言うと、曲がり部分１５の端を区分１１及び１２の端に対して適切に位置決めするために、それぞれのシュー９０２、つまり突起各対は、２つの異なった方向への支持面を形成するように機械加工され得るリブ９０４と平面９０６を備えている。

リブ９０４と平面９０６は、板５０４、５０６の表面と比べて小さい支持面を有している。

１０ センサ
１１、１２ 光ファイバー区分
１５ 曲がり部分
２０ コネクタ
２２ ヘッド
２４ 保護鞘
２６、２８ 光ファイバーの端
３０ 接触区域
１００ センサ
３００ ヘッド
３０２ スピンドル
３０４ クレビス
５００ ヘッド
５０２ スタッド
５０４、５０６ 板
５０８ 流れ導管
７０２ シュー
７０４、７０６ リブ
９００ ヘッド
９０２ シュー
９０４ リブ
９０６ 平面
Ｓ 外部媒体
Ｒ１ スピンドルの曲率半径
Ｒ２ 巻き部の半径
ＡＰＭ 増幅器
ＤＥＴ 検出器
ＳＰＥＣ 分光計
ＵＴ 信号処理ユニット

Claims (6)

1. 赤外線光を少なくとも１つの赤外線波長で伝播させ外部媒体の赤外線シグネチャを検出するためにエバネッセント波を外部へ生成するための２つの光ファイバー区分（１１、１２）を備えるセンサ（１００）用のヘッド（５００、９００）において、前記ヘッド（５００、９００）は、
   −前記２つのファイバー区分（１１、１２）を接続すること及び前記ファイバーに沿って伝播する前記エバネッセント波の伝播に干渉する前記赤外線シグネチャを検出するために前記外部媒体と接触させることを意図した曲がり部分（１５）を形成している光ファイバーと、
   −前記外部媒体と前記曲がり部分（１５）の間に接触区域（３０）を保証しつつも当該曲がり部分（１５）を外部の機械的応力に対し保護することを意図した手段（５０４、５０６）と、を備えており、
   −前記曲がり部分（１５）を保護することを意図した前記手段（５０４、５０６）は、当該曲がり部分（１５）を間に設置させる第１板（５０４）と第２板（５０６）から成り、前記第１板（５０４）は、それら板（５０４、５０６）間の液状外部媒体の流れを許容することを意図した流れ導管（５０８）を備えており、前記第２板は、前記第１板（５０４）と平行であり、前記第２板は、該第２板と垂直な軸を有するスタッド（５０２）を備えており、
   −前記ファイバーの前記曲がり部分（１５）は前記スタッド（５０２）の回りに巻かれた巻き部を備えており、
   −前記ヘッド（５００、９００）は、それぞれの板（５０４、５０６）が２つの突起を有し、前記突起はそれぞれが他方の板（５０６、５０４）の突起と対向するように設計されていること、及び前記第１板及び第２板のそれぞれが有する各対の突起間に前記曲がり部分（１５）の一端が収容されていること、を特徴とする、ヘッド（５００、９００）。
2. 突起各対は２つの異なった方向への支持面を形成するように機械加工され得るリブ（９０４）と平面（９０６）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のヘッド（９００）。
3. 少なくとも１つの板（５０４、５０６）は２つの異なった方向への支持面を形成するように機械加工され得るリブ（７０４、７０６）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のヘッド（５００）。
4. 前記スタッド（５０２）は前記流れ導管（５０８）の開口部に面して置かれていることを特徴とする、請求項１に記載のヘッド（５００、９００）。
5. −赤外線光を少なくとも１つの赤外線波長で伝播させ外部媒体の赤外線シグネチャを検出するためにエバネッセント波を外部へ生成するための２つの光ファイバー区分（１１、１２）を封包している保護鞘（２４）と、
   −請求項１に記載のヘッド（５００、９００）と、
   −前記ヘッド（５００、９００）を前記保護鞘（２４）へ固定しているコネクタ（２０）と、を備えているセンサ（１００）。
6. 請求項５に記載のセンサ（１００）を備えていることを特徴とする分光測定システム。

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