JP7516970B2 - センサー用光導波路 - Google Patents

Description

本発明は、センサー用光導波路に関するものである。

特許文献１には、建築物のような構造物の健全性を評価するため、構造物の歪を計測するセンシングシステムが開示されている。このセンシングシステムは、光源と、受光部と、光分岐器と、光学フィルターと、センサーと、を備えている。このようなセンシングシステムでは、センサーを構造物に取り付け、センサーにおける透過光の損失量に基づいて、構造物の歪を計測する。

特開２００６－０１０４４９号公報

特許文献１に記載のセンシングシステムでは、部品同士が光ファイバーを介して結合されている。このため、部品点数が多くなり、製造時の作業工数が多いという課題がある。また、部品同士の結合構造を伴うため、センシングシステムの小型化に限界がある。

本発明の目的は、部品点数の少数化および小型化が図られたセンシングシステムを実現可能なセンサー用光導波路を提供することにある。

このような目的は、下記（１）～（８）の本発明により達成される。
（１） 被着体に取り付けられ、前記被着体の変形を検出するセンシングシステムに用いられるセンサー用光導波路であって、
入射端を有する入射コア部と、
出射端を有する出射コア部と、
終端を有するセンシングコア部と、
前記センシングコア部を前記入射コア部と前記出射コア部とに分岐させつつ接続する分岐部と、
が互いに一体になって構成されているシート体、
を備え、
前記センシングコア部の長さは、前記入射コア部の長さおよび前記出射コア部の長さの双方より長く、
前記シート体の一方の面の前記センシングコア部に対応する部分が前記被着体に接着されることを特徴とするセンサー用光導波路。

（２） 前記分岐部は、前記センシングコア部から伝搬してくる光について、前記出射コア部の分岐比が前記入射コア部の分岐比より大きくなるように構成されている上記（１）に記載のセンサー用光導波路。

（３） 前記出射コア部の径は、前記入射コア部の径より大きい上記（２）に記載のセンサー用光導波路。

（４） 前記終端は、前記センシングコア部を構成する材料と外部空間との界面を含む上記（１）ないし（３）のいずれかに記載のセンサー用光導波路。

（５） 前記終端は、前記センシングコア部よりも単位長さ当たりの伝搬損失が大きい終端コア部を含む上記（１）ないし（３）のいずれかに記載のセンサー用光導波路。

（６） 前記センシングコア部が第１軸に沿って延在しているとき、
前記分岐部を境にして前記第１軸の一端側に前記センシングコア部が位置し、
前記分岐部を境にして前記第１軸の他端側に前記入射コア部および前記出射コア部が位置している上記（１）ないし（５）のいずれかに記載のセンサー用光導波路。

（７） 前記シート体と、
前記シート体の一方の面の前記センシングコア部に対応する部分に設けられている接着層と、
を備える上記（６）に記載のセンサー用光導波路。

（８） 前記入射コア部に設けられ、前記分岐部から前記入射端に向かう光の光量を減少させる減衰部を有する上記（１）ないし（７）のいずれかに記載のセンサー用光導波路。

本発明によれば、部品点数の少数化および小型化が図られたセンシングシステムを実現可能なセンサー用光導波路が得られる。

第１実施形態に係るセンサー用光導波路を用いたセンシングシステム１００の概略を示す平面図である。 図１に示すセンシングシステムの断面図である。 図１に示すセンシングシステムの動作を説明する平面図である。 図１に示すセンサー用光導波路の部分拡大斜視図である。 図１に示すセンサー用光導波路の部分拡大図である。 図１に示す終端の具体的な構造を模式的に示す図である。 図１に示す終端の具体的な構造を模式的に示す図である。 図５に示すセンサー用光導波路の変形例である。 第２実施形態に係るセンサー用光導波路を示す平面図である。 第３実施形態に係るセンサー用光導波路を示す平面図（ａ）、前記平面図のＢ２－Ｂ３断面図（ｂ）、および前記平面図のＢ１－Ｂ３断面図（ｃ）である。 第４実施形態に係るセンサー用光導波路を示す平面図（ａ）、前記平面図のＣ２－Ｃ３断面図（ｂ）、および前記平面図のＣ１－Ｃ３断面図（ｃ）である。 第５実施形態に係るセンサー用光導波路を示す平面図（ａ）、前記平面図のＤ２－Ｄ３断面図（ｂ）、および前記平面図のＤ１－Ｄ３断面図（ｃ）である。 第６実施形態に係るセンサー用光導波路を示す平面図である。 第７実施形態に係るセンサー用光導波路を示す平面図である。

以下、本発明のセンサー用光導波路について添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．センシングシステム
まず、後述する第１実施形態に係るセンサー用光導波路１を用いたセンシングシステム１００について説明する。

図１は、第１実施形態に係るセンサー用光導波路１を用いたセンシングシステム１００の概略を示す平面図である。図２は、図１に示すセンシングシステム１００の断面図である。図３は、図１に示すセンシングシステム１００の動作を説明する平面図である。なお、各図では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定し、矢印で示している。また、Ｚ軸を表す矢印の先端側を「上」といい、基端側を「下」という。

図１に示すセンシングシステム１００は、センサー用光導波路１と、光を射出する発光素子１０２、光を受光する受光素子１０４、および、受光量に基づいて検出結果を出力する制御部１０６を備える。

センサー用光導波路１は、図２に示すように、被着体９に貼り付けられた状態で使用される。これにより、被着体９の機械的な変化を検出するセンシングシステム１００を実現する。具体的には、このセンシングシステム１００では、被着体９にセンサー用光導波路１を貼り付けた状態で、図１および図２に示すように、発光素子１０２からセンサー用光導波路１に入射光Ｌ１を連続的または断続的に入射する。

このように入射光Ｌ１を入射している状態で、被着体９の表面に機械的な変化、例えば図３に示す亀裂９１等が発生すると、センサー用光導波路１の一部が破断し、破断面８が生じる。そうすると、破断面８で入射光Ｌ１が反射し、反射光Ｌ２が発生する。この反射光Ｌ２を受光素子１０４で検出し、制御部１０６で必要な解析を行う。これにより、被着体９の機械的な変化を検出するセンシングシステム１００が実現される。

発光素子１０２は、センサー用光導波路１の入射端１４１０に入射光Ｌ１を入射する。発光素子１０２としては、例えば、半導体レーザー、ガスレーザー、発光ダイオード等が挙げられる。

受光素子１０４は、センサー用光導波路１の出射端１４２０から出射した反射光Ｌ２を受光し、制御部１０６に受光信号を出力する。受光素子１０４としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスター等が挙げられる。

制御部１０６は、受光量に基づいて検出結果を出力する。このような制御部１０６は、例えば、内部バスで互いに接続されたプロセッサー、メモリーおよび外部インターフェース等を備えるデバイスで構成される。制御部１０６は、メモリーに記憶されているプログラムをプロセッサーで実行することにより動作する。動作内容としては、例えば、受光量を定量的または定性的に報知する動作の他、メモリーに記憶させておいた、受光量と被着体９に過去に発生した変化との関係に基づき、被着体９の異常の有無または異常内容を推定して報知する動作等が挙げられる。

２．センサー用光導波路
２．１．第１実施形態
次に、第１実施形態に係るセンサー用光導波路について説明する。

図４は、図１に示すセンサー用光導波路１の部分拡大斜視図である。
本実施形態に係るセンサー用光導波路１は、図２および図４に示すように、下方から、第１カバー層１８、クラッド層１１、コア層１３、クラッド層１２、および第２カバー層１９がこの順で積層されてなるシート体１０を備える。各層は、Ｘ－Ｙ面と平行に広がっている。コア層１３中には、図１に示すように、長尺状のコア部１４と、コア部１４の側面に隣接する側面クラッド部１５と、が形成されている。

図１に示すセンサー用光導波路１の外縁の形状は長方形であるが、この形状は特に限定されず、正方形、六角形のような多角形、真円、楕円、長円のような円形、その他の形状であってもよい。そして、センサー用光導波路１のうち、Ｙ軸と直交する２つの端面に、コア部１４の両端が露出している。

センサー用光導波路１は、図２に示すように、第１カバー層１８の下面を接着面１０１として、被着体９に接着するように用いられる。接着面１０１と被着体９との間には、必要に応じて図２に示す接着層２を介在させてもよい。接着層２の接着性を利用して、センサー用光導波路１を被着体９に固定することができる。
以下、センサー用光導波路１の各部についてさらに詳述する。

２．１．１．コア層
コア部１４は、図４に示すように、その側面が、側面クラッド部１５およびクラッド層１１、１２で囲まれている。そして、コア部１４の屈折率は、側面クラッド部１５やクラッド層１１、１２の屈折率よりも高くなっている。これにより、コア部１４に光を閉じ込めて伝搬させることができる。

コア層１３において、コア部１４の光路に直交する面内における屈折率分布は、いかなる分布であってもよく、例えば屈折率が不連続的に変化した、いわゆるステップインデックス（ＳＩ）型の分布であってもよく、屈折率が連続的に変化した、いわゆるグレーデッドインデックス（ＧＩ）型の分布であってもよい。

Ｙ－Ｚ面によるコア部１４の断面形状、つまりコア部１４の横断面形状は、特に限定されないが、例えば、真円、楕円形、長円形等の円形、三角形、四角形、五角形、六角形等の多角形、その他の異形状が挙げられる。

コア層１３の平均厚さは、特に限定されないが、１～２００μｍ程度であるのが好ましく、５～１００μｍ程度であるのがより好ましく、１０～７０μｍ程度であるのがさらに好ましい。これにより、コア部１４に必要とされる光学的特性および機械的強度が確保される。

コア層１３の構成材料（主材料）としては、例えば、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、エポキシ系樹脂やオキセタン系樹脂のような環状エーテル系樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリシラン、ポリシラザン、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリウレタン、ポリオレフィン系樹脂、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、ＰＥＴやＰＢＴのようなポリエステル、ポリエチレンサクシネート、ポリサルフォン、ポリエーテル、また、ベンゾシクロブテン系樹脂やノルボルネン系樹脂等の環状オレフィン系樹脂のような各種樹脂材料等が挙げられる。なお、樹脂材料には、異なる組成のものを組み合わせた複合材料も用いられる。また、本明細書において「主材料」とは、構成材料の５０質量％以上を占める材料のことをいい、好ましくは７０質量％以上を占める材料のことをいう。

２．１．２．クラッド層
クラッド層１１、１２の平均厚さは、それぞれ１～２００μｍ程度であるのが好ましく、３～１００μｍ程度であるのがより好ましく、５～６０μｍ程度であるのがさらに好ましい。これにより、クラッド層１１、１２に必要とされる光学的特性および機械的強度が確保される。

また、クラッド層１１、１２の主材料は、例えば、前述したコア層１３の構成材料として挙げた材料から適宜選択して用いられる。

なお、クラッド層１１、１２は、必要に応じて設けられればよく、省略されてもよい。このとき、例えばコア層１３が外気（空気）に曝されていれば、その外気がクラッド層１１、１２として機能する。

本実施形態に係るセンサー用光導波路１は、コア層１３と第１カバー層１８との間に設けられているクラッド層１１と、コア層１３と第２カバー層１９との間に設けられているクラッド層１２と、を有しているので、コア部１４とその外部との間で、安定した屈折率差を形成し、維持することができる。このため、コア部１４の伝送効率をより高めることができる。

クラッド層１１、１２のいずれか一方または双方は、側面クラッド部１５と一体になっていてもよい。

２．１．３．カバー層
第１カバー層１８は、クラッド層１１の下面に設けられている。第２カバー層１９は、クラッド層１２の上面に設けられている。このような第１カバー層１８および第２カバー層１９を設けることにより、コア層１３やクラッド層１１、１２を保護し、外部環境等に起因したコア部１４の伝送効率の低下を抑制することができる。

第１カバー層１８および第２カバー層１９の平均厚さは、特に限定されないが、１～２００μｍ程度であるのが好ましく、３～１００μｍ程度であるのがより好ましく、５～５０μｍ程度であるのがさらに好ましい。

第１カバー層１８および第２カバー層１９は、互いに同じ構成であっても互いに異なる構成であってもよい。例えば、第１カバー層１８および第２カバー層１９は、平均厚さが互いに同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。第１カバー層１８および第２カバー層１９の少なくとも一方は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。

第１カバー層１８および第２カバー層１９の主材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレン、ポリプロピレンのようなポリオレフィン、ポリイミド、ポリアミド等の各種樹脂を含む材料が挙げられる。

このうち、第１カバー層１８および第２カバー層１９の主材料は、それぞれポリイミド系樹脂であるのが好ましい。ポリイミド系樹脂は、弾性率が比較的大きく、熱分解温度も高いことから、外力や外部環境に対する十分な耐久性を有している。

なお、第１カバー層１８および第２カバー層１９の構成材料には、必要に応じて、フィラー、酸化防止剤、紫外線吸収剤、着色剤、保存安定剤、可塑剤、滑剤、劣化防止剤、帯電防止剤等が添加されていてもよい。このうち、フィラーを添加することにより、第１カバー層１８および第２カバー層１９の熱膨張係数を調整することができる。

２．１．４．接着層
図２に示す接着層２は、センサー用光導波路１を被着体９に貼り付けるとき、双方の間を接着する。接着層２は、被着体９に設けられていてもよいが、図２に示すように、あらかじめセンサー用光導波路１側に設けておくようにしてもよい。すなわち、センサー用光導波路１は、第１カバー層１８の下面に設けられた、未硬化の接着層２を備えていてもよい。これにより、センサー用光導波路１を被着体９に貼り付ける作業を効率よく行うことができる。

接着層２を構成する接着剤としては、例えば、アクリル系接着剤、ウレタン系接着剤、シリコーン系接着剤、エポキシ系接着剤の他、ポリエステル系、変性オレフィン系の各種ホットメルト接着剤等が挙げられる。

未硬化の接着層２は、未硬化の状態が液状であっても、固形または半固形であってもよく、硬化反応が一部進行している状態であってもよい。また、接着層２を構成する接着剤が硬化性材料を含む場合の硬化原理は、熱硬化性であっても、光硬化性であってもよい。さらに、未硬化の接着層２は、第１カバー層１８の下面全体に設けられていてもよいし、一部のみに設けられていてもよい。硬化後の接着層２の厚さは、特に限定されないが、１～１００μｍであるのが好ましく、５～６０μｍであるのがより好ましい。

２．１．５．分岐パターン
図２に示すコア層１３は、途中で２つに分岐するパターンを有するコア部１４を備えている。具体的には、コア部１４は、図１に示すように、入射端１４１０を有する入射コア部１４１と、出射端１４２０を有する出射コア部１４２と、終端１４３０を有するセンシングコア部１４３と、これらを接続する分岐部１６１と、を有している。

このうち、センシングコア部１４３は、Ｙ軸に沿って延在している。センシングコア部１４３の平面視形状は、直線であっても、曲線であっても、双方を組み合わせた形状であってもよい。図１では、センシングコア部１４３が、Ｙ軸と平行な直線状に延びている。なお、センシングコア部１４３の平面視形状が曲線を含む場合、センシングコア部１４３のうち、分岐部１６１に隣接する部位の延在方向がＹ軸と平行であるものとする。

入射端１４１０および出射端１４２０は、シート体１０の互いに同一の端面に露出している。これにより、発光素子１０２と受光素子１０４とを互いに近づけることができ、素子の実装作業が容易になる。なお、発光素子１０２とセンサー用光導波路１との接続、および、受光素子１０４とセンサー用光導波路１との接続には、各種コネクターを介するようにしてもよい。また、接続部には、必要に応じて、光を集束するレンズが設けられていてもよい。

発光素子１０２から射出された入射光Ｌ１が入射端１４１０から入射すると、入射光Ｌ１は、分岐部１６１を介して、センシングコア部１４３に伝搬する。そして、終端１４３０で終端処理される。終端処理とは、終端１４３０で入射光Ｌ１を減衰、吸収、散乱等を生じさせ、終端１４３０への入射光Ｌ１よりも戻り光の光量を少なくする処理のことをいう。図１では、一例として、外部に放射される放射光Ｌ３を図示している。このような終端処理により、入射端１４１０から入射した入射光Ｌ１は、平常時、終端１４３０で反射することなく、センシングコア部１４３を一方向に伝搬する。この状態が、平常時における光の伝搬状態である。

被着体９に貼り付けられることにより、センサー用光導波路１は、被着体９の表面から機械的な影響を敏感に受けることになる。被着体９の表面に例えば亀裂等の機械的な変化が発生すると、それに伴ってセンサー用光導波路１には破断が発生する。以下、被着体９の表面の機械的な変化を「変形」という。図３では、一例として、被着体９に発生した変形である亀裂９１がセンサー用光導波路１に進展し、センシングコア部１４３を途切れさせる破断面８が生じている状態を示している。この破断面８は、空隙との界面であるため、センシングコア部１４３に入射した入射光Ｌ１は、破断面８で反射し、反射光Ｌ２を発生させる。このような状態は、被着体９の変形が被着体９の異常であると仮定した場合、異常時における光の伝搬状態ということができる。

破断面８で発生した反射光Ｌ２は、センシングコア部１４３を入射光Ｌ１とは逆方向に伝搬する。そして、分岐部１６１を介して、出射コア部１４２に伝搬する。そして、出射端１４２０から出射する反射光Ｌ２を受光素子１０４で受光する。受光素子１０４は、反射光Ｌ２の光量に応じた受光信号を出力する。この受光信号をモニターすることにより、反射光Ｌ２の光量を測定し、破断面８の発生の有無や破断面の大きさを特定することができる。これにより、被着体９の表面に変形が発生したことを間接的に検出することができる。

分岐部１６１は、入射コア部１４１と、出射コア部１４２と、センシングコア部１４３と、を接続する部位である。この分岐部１６１は、入射コア部１４１から分岐部１６１に向かう入射光Ｌ１を少なくともセンシングコア部１４３側に入射させ、センシングコア部１４３から分岐部１６１に向かう反射光Ｌ２を、少なくとも出射コア部１４２側に入射させる機能を有している。

したがって、分岐部１６１では、入射光Ｌ１を出射コア部１４２にも入射させることがあってもよいが、入射光Ｌ１について、出射コア部１４２に比べてセンシングコア部１４３の分岐比が大きいことが好ましい。これにより、センシングシステムにおいて被着体９の異常を検出するために必要な、センシングコア部１４３を伝搬する光量を、より多く確保することができる。その結果、反射光Ｌ２の光量も多くすることができるので、センシングシステムにおけるＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を高めることができる。

分岐部１６１における入射光Ｌ１の分岐比は、センシングコア部１４３側に分配される強度と出射コア部１４２側に分配される強度との比で表されるが、一例として、センシングコア部１４３側の分岐比が６０／１００以上であるのが好ましく、７０／１００以上であるのがより好ましい。

図５は、図１に示すセンサー用光導波路１の部分拡大図である。
上記のような分岐特性を実現するためには、一例として、図５に示すセンシングコア部１４３の延長線ＥＬと入射コア部１４１とのなす角度θ１、および、延長線ＥＬと出射コア部１４２とのなす角度θ２を、それぞれ好ましくは０°以上３０°以下、より好ましくは０°超１５°以下に設定すればよい。なお、角度θ１および角度θ２のいずれか一方が０°超であれば、他方を０°以上とすることができる。

また、角度θ１および角度θ２は、互いに同じであっても異なっていてもよい。なお、特に限定されるものではないが、一例として、角度θ１／角度θ２の比は、０．５～１．５程度であるのが好ましく、０．８～１．２程度であるのがより好ましい。これにより、分岐部１６１における入射光Ｌ１および反射光Ｌ２双方の分岐損失が抑えられる。

終端１４３０は、前述したように、入射光Ｌ１に対して終端処理を行い得る構造であれば、いかなる構造を有していてもよい。一例として、終端１４３０の構造としては、コア部１４の伝送損失を大きくして損失分を外部に放射する構造、入射光Ｌ１を外方に反射または散乱させる構造、入射光Ｌ１をコア層１３の端面から外部に放射する構造等が挙げられる。

図６および図７は、それぞれ、図１に示す終端１４３０の具体的な構造を模式的に示す図である。なお、図６（ａ）～（ｃ）および図７（ｄ）～（ｆ）のうち、図６（ａ）～（ｃ）および図７（ｄ）は平面図であり、図７（ｅ）、（ｆ）は断面図である。

図６（ａ）～（ｃ）は、いずれも、入射光Ｌ１の伝送損失を大きくする構造を有する終端１４３０の例である。

図６（ａ）に示す終端１４３０ａは、コア部１４がコア層１３の端面まで到達せず、途中で途切れているとともに、平面視したときに蛇行した形状を有している。このような形状には、コア部１４の延伸方向が急に変化する曲がり部１４３１が１つまたは複数形成されている。このような曲がり部１４３１では、一部の入射光Ｌ１がコア部１４の外部に向かって放射光Ｌ３として放射される。これにより、曲がり部１４３１では、コア部１４の単位長さ当たりの伝送損失が、センシングコア部１４３におけるコア部１４の単位長さ当たりの伝送損失よりも大きくなる。その結果、終端１４３０ａでは終端処理が実現される。

図６（ｂ）に示す終端１４３０ｂは、平面視したときの蛇行した形状が、終端１４３０ａとは異なる例である。終端１４３０ｂでは、コア部１４の延伸方向が鋭角状に変化する屈曲部１４３２が１つまたは複数形成されている。このような屈曲部１４３２では、一部の入射光Ｌ１がコア部１４の外部に向かって放射光Ｌ３として放射される。これにより、終端１４３０ｂでは、終端１４３０ａと同様、コア部１４の伝送損失が大きくなり、終端処理が実現される。

図６（ｃ）に示す終端１４３０ｃは、コア部１４がコア層１３の端面まで到達せず、途中で途切れているとともに、平面視したときにＵターンした形状を有している。つまり、終端１４３０ｃは、Ｕターン部１４３３を有している。このようなＵターン部１４３３においても、終端１４３０ａ、１４３０ｂと同様、コア部１４の伝送損失が大きくなり、終端処理が実現される。

以上のような終端１４３０ａ、１４３０ｂ、１４３０ｃは、曲がり部１４３１、屈曲部１４３２およびＵターン部１４３３のような終端コア部を含んでいる。これらの終端コア部は、センシングコア部１４３よりも単位長さ当たりの伝搬損失が大きい。このため、面積が小さくても良好な終端処理を行うことができる。また、コア部１４の形状を特定の形状にするだけで、終端処理が可能になる。これにより、終端１４３０ａ、１４３０ｂ、１４３０ｃの構造の簡素化を図りつつ、終端処理を行うことができ、かつ、センサー用光導波路１の小型化も図られる。

図７（ｄ）～（ｆ）は、いずれも、入射光Ｌ１を外方に反射または散乱させる構造を有する終端１４３０の例である。

図７（ｄ）に示す終端１４３０ｄは、平面視したときに、コア部１４の軸線ＡＬに対して斜めに交わる傾斜面１４３４を有している。このような傾斜面１４３４に入射光Ｌ１が入射すると、傾斜面１４３４で反射し、コア部１４の外方へと導かれる。これにより、戻り光の発生を抑制し、終端処理が実現される。なお、傾斜面１４３４とコア部１４の軸線ＡＬとのなす角度αは、特に限定されないが、１０°以上８０°以下であるのが好ましく、３０°以上６０°以下であるのがより好ましい。

図７（ｅ）に示す終端１４３０ｅは、断面において、コア部１４の軸線ＡＬに対して斜めに交わる傾斜面１４３５を有している。このような傾斜面１４３５に入射光Ｌ１が入射すると、傾斜面１４３５で反射し、コア部１４の外方へと導かれる。これにより、戻り光の発生を抑制し、終端処理が実現される。なお、傾斜面１４３５とコア部１４の軸線ＡＬとのなす角度βは、特に限定されないが、１０°以上８０°以下であるのが好ましく、３０°以上６０°以下であるのがより好ましい。

図７（ｆ）に示す終端１４３０ｆは、コア部１４と外部空間との界面がランダムな形状になっている散乱面１４３６を有している。このような散乱面１４３６に入射光Ｌ１が入射すると、様々な方向に散乱される。これにより、戻り光の発生を抑制し、終端処理が実現される。

以上のような終端１４３０ｄ、１４３０ｅ、１４３０ｆは、傾斜面１４３４、１４３５および散乱面１４３６のような、センシングコア部１４３を構成する材料（コア部１４）と外部空間との界面を含んでいる。これらの界面は、反射面または散乱面として機能し、戻り光の発生を抑制するため、面積が小さくても良好な終端処理を行うことができる。また、傾斜面１４３４、１４３５または散乱面１４３６を設けるだけで、終端処理が可能になる。これにより、終端１４３０ｄ、１４３０ｅ、１４３０ｆの構造の簡素化を図りつつ、終端処理を行うことができ、かつ、センサー用光導波路１の小型化も図られる。

なお、終端１４３０は、上記の他に、入射光Ｌ１を吸収する吸収部材を設けた構造を有していてもよい。

また、センシングコア部１４３の平面視形状は、前述したように、直線であっても、曲線であってもよい。また、途中で分岐していてもよい。つまり、入射コア部１４１および出射コア部１４２が分岐部１６１でセンシングコア部１４３に合流した後、このセンシングコア部１４３自体が、再び複数に分岐していてもよい。これにより、より広い範囲にセンシングコア部１４３を配置することができる。

本実施形態に係るセンサー用光導波路１は、前述したように、入射コア部１４１、出射コア部１４２、センシングコア部１４３、および分岐部１６１を有しているが、図１に示すセンシングコア部１４３の長さＬ１４３は、入射コア部１４１の長さＬ１４１および出射コア部１４２の長さＬ１４２の双方より長くなっている。これらの長さＬ１４１、Ｌ１４２、Ｌ１４３とは、Ｙ軸方向と平行な成分の長さのことをいう。

このようにセンシングコア部１４３の長さＬ１４３を長くすることにより、被着体９にセンサー用光導波路１を貼り付けるとき、センシングコア部１４３を広範囲にわたって配置することができる。その結果、被着体９のより広範囲において、被着体９の変形を検出可能なセンシングシステム１００を実現することができる。

そして、センサー用光導波路１では、このような広範囲に適用可能なセンシングシステム１００を実現可能であるにもかかわらず、センシングシステム１００の部品点数の少数化に寄与する。センサー用光導波路１では、入射コア部１４１、出射コア部１４２、センシングコア部１４３および分岐部１６１が、１つの構造物中に設けられているため、センシングシステム１００の構築にあたって、これらの接続作業が不要である。このため、センサー用光導波路１は、センシングシステム１００の製造を容易にし、低コスト化を図ることができる。

また、部品点数を少数化することによって、接続に必要な追加部品も不要になる。このため、センサー用光導波路１の小型化が図られ、センシングシステム１００の小型化を図ることができる。

センシングコア部１４３の長さＬ１４３は、特に限定されないが、長さＬ１４１および長さＬ１４２の双方の５倍以上であるのが好ましく、１０倍以上であるのがより好ましい。長さＬ１４３は、具体的には、被着体９に応じて適宜設定されるが、一例として１０ｃｍ以上とされ、必要に応じて１ｍ以上１０００ｍ以下としてもよい。これにより、センシングコア部１４３が十分に長くなるので、被着体９の広範囲にセンシングエリアを広げることができ、かつ、発光素子１０２や受光素子１０４とセンシングエリアとの距離を十分にとることができる。

また、入射コア部１４１の長さＬ１４１と出射コア部１４２の長さＬ１４２との差は、特に限定されないが、２０ｃｍ以下であるのが好ましく、１０ｃｍ以下であるのがより好ましい。これにより、入射端１４１０と出射端１４２０との距離を十分に短くすることができるので、発光素子１０２と受光素子１０４を１つの基板上にまとめて配置することができる。これにより、センシングシステムの小型化を容易に図ることができる。

センシングコア部１４３の幅Ｗ１４３は、特に限定されないが、５～２００μｍ程度であるのが好ましく、１０～１５０μｍ程度であるのがより好ましい。

また、図１に示すセンサー用光導波路１では、前述したように、Ｙ軸（第１軸）に沿ってセンシングコア部１４３が延在している。図１に示すセンサー用光導波路１では、分岐部１６１を境にして、コア部１４をＹ軸（第１軸）の一端側と他端側とに分けたとき、入射コア部１４１および出射コア部１４２の双方はＹ軸の一端側（図１の－Ｙ軸側）に位置し、センシングコア部１４３はＹ軸の他端側（図１の＋Ｙ軸側）に位置している。

このような配置をとることで、発光素子１０２や受光素子１０４等の外部要素と光学的に接続する必要がある部位、具体的には、入射端１４１０と出射端１４２０とを、互いに近接させて配置することができる。また、センシングコア部１４３については、これらの外部要素と接続される部位から十分に距離をとることができる。

その結果、被着体９においてセンシングコア部１４３を貼り付ける箇所の自由度が高くなる。つまり、発光素子１０２や受光素子１０４等の受発光素子を厳しい環境から保護しなければならない場合、その影響を受けてセンシングコア部１４３を貼り付ける箇所に制約が生じるが、センシングコア部１４３の長さＬ１４３が十分に長ければ、センシングコア部１４３と入射端１４１０や出射端１４２０との距離を、十分に長くすることができる。これにより、センシングコア部１４３については制約を受けることなく厳しい環境下に置くことができる。このため、本実施形態に係るセンサー用光導波路１を用いることにより、使い勝手の良いセンシングシステム１００を実現することができる。

また、分岐部１６１では、反射光Ｌ２を入射コア部１４１にも入射させる機能があってもよいが、反射光Ｌ２、すなわち、センシングコア部１４３から分岐部１６１に伝搬してくる光について、入射コア部１４１の分岐比に比べて出射コア部１４２の分岐比が大きいことが好ましい。

これにより、出射端１４２０から出射して受光素子１０４に受光される光量を、より多く確保することができる。その結果、センシングシステム１００におけるＳ／Ｎ比を高めることができる。これにより、例えば、被着体９の変形が微小であって、それに伴うセンサー用光導波路１の破断面８も微小である場合でも、破断面８を検出し得るセンシングシステム１００を実現することができる。また、上記構成によれば、受光素子１０４の最小受光感度制限が低い場合でも、その制限を上回る光量を確保することができるので、受光素子１０４の低コスト化、ひいては、センシングシステム１００の低コスト化を図ることができる。

上記のような分岐特性を実現するためには、分岐部１６１における出射コア部１４２の径を、入射コア部１４１の径より大きくすればよい。

図８は、図５に示すセンサー用光導波路１の変形例である。
図８に示す変形例では、出射コア部１４２の幅Ｗ１４２を、入射コア部１４１の幅Ｗ１４１より大きくしている。これにより、反射光Ｌ２について、入射コア部１４１の分岐比に比べて出射コア部１４２の分岐比を大きくするという構成を、簡単な構造で実現することができる。

分岐部１６１における反射光Ｌ２の分岐比は、出射コア部１４２側に分配される強度と入射コア部１４１側に分配される強度の比で表されるが、一例として、出射コア部１４２側の分岐比が６０／１００以上であるのが好ましく、７０／１００以上であるのがより好ましい。

上記のような分岐特性を実現するためには、一例として、出射コア部１４２の幅Ｗ１４２と入射コア部１４１の幅Ｗ１４１との比を、好ましくは６０：４０以上９９：１以下にすればよく、より好ましくは７０：３０以上９５：５以下にすればよい。

入射コア部１４１の幅Ｗ１４１および出射コア部１４２の幅Ｗ１４２は、それぞれ、特に限定されないが、５～２００μｍ程度であるのが好ましく、１０～１５０μｍ程度であるのがより好ましい。

また、センサー用光導波路１では、入射コア部１４１、出射コア部１４２、センシングコア部１４３および分岐部１６１が、互いに分離していてもよいが、本実施形態では、互いに一体になっている。つまり、センサー用光導波路１は、それぞれコア層１３中に形成されることで互いに一体になった、入射コア部１４１、出射コア部１４２、センシングコア部１４３および分岐部１６１を有するシート体１０を備えている。すなわち、このシート体１０は、図４に示す第１カバー層１８、クラッド層１１、コア層１３、クラッド層１２および第２カバー層１９の積層体である。

このような構成によれば、センサー用光導波路１を１つの構造体として取り扱うことができるので、光学部品同士の接続作業等が不要になり、取り扱い性が高くなるとともに、センサー用光導波路１のさらなる小型化を図ることができる。また、センサー用光導波路１もシート状になるので、被着体９への貼り付け作業が容易になり、貼り付け後にも剥がれにくいセンサー用光導波路１が得られる。

また、図２に示すセンサー用光導波路１は、シート体１０と、シート体１０の一方の面に設けられている前述の接着層２と、を有している。これにより、前述したように、センサー用光導波路１を被着体９に貼り付ける作業を効率よく行うことができる。

２．２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係るセンサー用光導波路について説明する。

図９は、第２実施形態に係るセンサー用光導波路１Ａを示す平面図である。
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図９において、第１実施形態と同様の構成については、先に説明したのと同じ符号を付している。

図９に示すセンサー用光導波路１Ａは、入射コア部１４１から分岐した反射光減衰部１４１１を備えていること以外、図３に示すセンサー用光導波路１と同様である。

図９に示す反射光減衰部１４１１は、入射コア部１４１から分岐し、センサー用光導波路１Ａの端面まで至ることなく、途中で途切れている。なお、反射光減衰部１４１１は、センサー用光導波路１Ａの端面まで延在していてもよい。

入射光Ｌ１が破断面８で反射し、反射光Ｌ２が生じると、反射光Ｌ２は、分岐部１６１から出射コア部１４２を経て、受光素子１０４に入射する。一方、分岐部１６１の分岐比によっては、一部の反射光Ｌ２が入射コア部１４１にも入射、発光素子１０２に到達する。このような反射光Ｌ２は、発光素子１０２における入射光Ｌ１の射出を不安定にするといった不具合をもたらすことがある。

そこで、図９では、入射コア部１４１から分岐する反射光減衰部１４１１が設けられている。反射光減衰部１４１１は、入射光Ｌ１の分岐比を小さく抑え、かつ、反射光Ｌ２の分岐比が大きくなるように、入射コア部１４１から分岐している。これにより、反射光減衰部１４１１が入射光Ｌ１の伝搬に影響を及ぼしにくくなり、かつ、反射光Ｌ２を反射光減衰部１４１１に導きやすくなる。その結果、発光素子１０２まで到達する反射光Ｌ２の光量を少なく抑えることができる。

反射光減衰部１４１１に入射した反射光Ｌ２は、側面クラッド部１５内に放射され、減衰する。なお、必要に応じて、反射光減衰部１４１１には、反射光Ｌ２をより減衰させる構造が設けられていてもよい。

入射コア部１４１に設けられる反射光減衰部１４１１の数は、１つであっても、複数であってもよい。

以上のように、本実施形態に係るセンサー用光導波路１Ａは、入射コア部１４１に設けられ、分岐部１６１から入射端１４１０に向かう反射光Ｌ２の光量を減少させる反射光減衰部１４１１を有する。

このような構成によれば、発光素子１０２に入射する反射光Ｌ２の光量を少なく抑え、発光素子１０２の発光安定性をより十分に担保することができる。これにより、センシングシステム１００の信頼性を高めることができる。
以上のような第２実施形態においても、前記実施形態と同様の効果が得られる。

２．３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係るセンサー用光導波路について説明する。

図１０は、第３実施形態に係るセンサー用光導波路１Ｂを示す平面図（ａ）、前記平面図のＢ２－Ｂ３断面図（ｂ）、および前記平面図のＢ１－Ｂ３断面図（ｃ）である。

以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１０において、第１実施形態と同様の構成については、先に説明したのと同じ符号を付している。

図１０に示すセンサー用光導波路１Ｂは、出射コア部１４２と光学的に接続されたミラー１７２を備えていること以外、センサー用光導波路１と同様である。ミラー１７２は、シート体１０の下面に開口する凹部の内面に設けられており、出射コア部１４２を伝搬する、図３に示す反射光Ｌ２の伝搬方向を変換する。図１０では、一例として、上方に向けて変換する。これにより、出射端１４２０は、シート体１０の上面に位置することなる。このため、シート体１０の上面に受光素子１０４を設けることにより、反射光Ｌ２を受光素子１０４に受光させることができる。

このような実装構造では、受光素子１０４の実装方法として表面実装方式を適用することができる。このため、センサー用光導波路１Ｂを用いることにより、受光素子１０４の素子タイプの選択自由度を高められる。

以上のような第３実施形態においても、前記実施形態と同様の効果が得られる。

なお、図１０では、受光素子１０４の実装方法に表面実装方式を適用しているが、受光素子１０４に代えて、発光素子１０２の実装方法に表面実装方式を適用するようにしてもよい。

２．４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係るセンサー用光導波路について説明する。

図１１は、第４実施形態に係るセンサー用光導波路１Ｃを示す平面図（ａ）、前記平面図のＣ２－Ｃ３断面図（ｂ）、および前記平面図のＣ１－Ｃ３断面図（ｃ）である。

以下、第４実施形態について説明するが、以下の説明では、第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１１において、第３実施形態と同様の構成については、先に説明したのと同じ符号を付している。

図１１に示すセンサー用光導波路１Ｃは、入射コア部１４１と光学的に接続されたミラー１７１を備えていること以外、センサー用光導波路１Ｂと同様である。つまり、図１１に示すセンサー用光導波路１Ｃは、入射端１４１０および出射端１４２０の双方が、シート体１０の上面に位置し、発光素子１０２および受光素子１０４の双方の実装方法として表面実装方式が適用される。

ミラー１７１は、シート体１０の下面に開口する凹部の内面に設けられており、入射コア部１４１に入射する、図１に示す入射光Ｌ１の伝搬方向を変換する。図１１では、一例として、入射端１４１０をシート体１０の上面に設け、下方に向けて入射した入射光Ｌ１の伝搬方向を、右方に向けて変換する。このため、シート体１０の上面に発光素子１０２を設けることにより、入射光Ｌ１を入射コア部１４１に入射させることができる。

このような実装構造では、受光素子１０４だけでなく、発光素子１０２の実装方法としても表面実装方式を適用することができる。このため、センサー用光導波路１Ｃを用いることにより、発光素子１０２および受光素子１０４の素子タイプの選択自由度を高められる。
以上のような第４実施形態においても、前記実施形態と同様の効果が得られる。

２．５．第５実施形態
次に、第５実施形態に係るセンサー用光導波路について説明する。

図１２は、第５実施形態に係るセンサー用光導波路１Ｄを示す平面図（ａ）、前記平面図のＤ２－Ｄ３断面図（ｂ）、および前記平面図のＤ１－Ｄ３断面図（ｃ）である。

以下、第５実施形態について説明するが、以下の説明では、第３、第４実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１２において、第３、第４実施形態と同様の構成については、先に説明したのと同じ符号を付している。

図１２に示すセンサー用光導波路１Ｄは、図１１に示すコア部１４と同様のコア部１４を２つ備えている。そして、各コア部１４では、入射コア部１４１の長さが出射コア部１４２より長くなっている。このため、各コア部１４では、Ｙ軸方向における入射端１４１０の位置と、出射端１４２０の位置と、をずらすことができる。その結果、図１２では、入射コア部１４１をまたぐようにして、２つの受光部を備えるアレイタイプの受光素子１０４を配置することが可能になる。また、同様に、２つの発光部を備えるアレイタイプの発光素子１０２を配置することが可能になる。このため、センサー用光導波路１Ｄが複数のチャンネルを備えている場合でも、発光素子１０２や受光素子１０４の実装作業の効率を高めることができる。
以上のような第５実施形態においても、前記実施形態と同様の効果が得られる。

なお、図１２では、受光素子１０４が発光素子１０２よりも＋Ｙ軸側に配置されているが、これと逆の配置になっていてもよい。

２．６．第６実施形態
次に、第６実施形態に係るセンサー用光導波路について説明する。

図１３は、第６実施形態に係るセンサー用光導波路１Ｅを示す平面図である。
以下、第６実施形態について説明するが、以下の説明では、第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１３において、第３実施形態と同様の構成については、先に説明したのと同じ符号を付している。

図１３に示すセンサー用光導波路１Ｅは、図１０に示すコア部１４と同様のコア部１４を２つ備えている。そして、２つの入射コア部１４１同士が、分岐部１６２により、１つの入射コア部１４４に接続されている。そして、入射コア部１４４の端面が入射端１４１０になっている。

このような構成によれば、入射端１４１０から入射した入射光Ｌ１が、分岐部１６２で２つに分配され、２つの入射コア部１４１に入射する。このため、１つの発光素子１０２で、２つのセンシングコア部１４３に入射光Ｌ１を入射することができる。これにより、チャンネル数よりも発光素子１０２の数、またはアレイタイプの発光素子１０２の場合には発光部の数を減らすことができる。その結果、センシングシステム１００のチャンネル数を増やしつつ、組立工数の削減を図るとともに、低コスト化を図ることができる。
以上のような第６実施形態においても、前記実施形態と同様の効果が得られる。

２．７．第７実施形態
次に、第７実施形態に係るセンサー用光導波路について説明する。

図１４は、第７実施形態に係るセンサー用光導波路１Ｆを示す平面図である。
以下、第７実施形態について説明するが、以下の説明では、第６実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１４において、第６実施形態と同様の構成については、先に説明したのと同じ符号を付している。

前述した図１３に示すセンサー用光導波路１Ｅでは、２つの入射コア部１４１同士が、分岐部１６２により、１つの入射コア部１４４に接続されている。これに対し、図１４に示すセンサー用光導波路１Ｆでは、２つの出射コア部１４２同士が、分岐部１６３により、１つの出射コア部１４５に接続されている。そして、出射コア部１４５の端面が出射端１４２０になっている。この点以外、センサー用光導波路１Ｆは、センサー用光導波路１Ｅは同様である。

このような構成によれば、センサー用光導波路１Ｆの一部が破断し、破断面８が生じたとき、入射光Ｌ１が反射し、各コア部１４で反射光Ｌ２が発生する。反射光Ｌ２は、分岐部１６３で合流し、出射端１４２０から出射して受光素子１０４に受光される。図１に示す制御部１０６では、受光信号を解析し、破断の有無等を検出する。これにより、１つの受光素子１０４で、２つのセンシングコア部１４３からの反射光Ｌ２を受光することができる。その結果、チャンネル数よりも受光素子１０４の数、またはアレイタイプの受光素子１０４の場合には受光部の数を減らすことができる。これにより、センシングシステム１００のチャンネル数を増やしつつ、組立工数の削減を図るとともに、低コスト化を図ることができる。

なお、本実施形態では、２つの発光素子１０２と１つの受光素子１０４が用いられるが、２つのセンシングコア部１４３のいずれに破断面８が生じたかを特定するためには、制御部１０６において、時分割での解析を行うようにすればよい。

具体的には、第１期間では、２つの発光素子１０２のうちの一方のみから入射光Ｌ１を射出させる。このとき、他方の発光素子１０２では発光動作を停止させる。そして、仮に、第１期間で反射光Ｌ２が生じた場合には、受光素子１０４で受光する。これにより、第１期間に受光素子１０４から制御部１０６が受信した受光信号は、２つのセンシングコア部１４３のうちの一方で発生した反射光Ｌ２に由来する信号であることがわかる。

また、第１期間とは異なる第２期間では、２つの発光素子１０２のうちの他方のみから入射光Ｌ１を射出させる。このとき、一方の発光素子１０２では発光動作を停止させる。これにより、第２期間で受光素子１０４から制御部１０６が受信した受光信号は、２つのセンシングコア部１４３のうちの他方で発生した反射光Ｌ２に由来する信号であることがわかる。

このような時分割での制御により、２つのセンシングコア部１４３のいずれに破断面８が生じたかを特定することができる。
以上のような第７実施形態においても、前記実施形態と同様の効果が得られる。

以上、本発明のセンサー用光導波路を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、センサー用光導波路は、接着層を覆う保護層をさらに有していてもよい。この保護層は、センサー用光導波路を被着体に接着する作業の直前に接着層から剥がされることにより、清浄な接着面を容易に準備することを可能にする。これにより、異物の巻き込みを抑えることができ、より密着性の高い接着を行うことができる。その結果、被着体に発生する異常をより感度よく検出可能なセンサー用光導波路を実現することができる。

１ センサー用光導波路
１Ａ センサー用光導波路
１Ｂ センサー用光導波路
１Ｃ センサー用光導波路
１Ｄ センサー用光導波路
１Ｅ センサー用光導波路
１Ｆ センサー用光導波路
２ 接着層
８ 破断面
９ 被着体
１０ シート体
１１ クラッド層
１２ クラッド層
１３ コア層
１４ コア部
１５ 側面クラッド部
１８ 第１カバー層
１９ 第２カバー層
９１ 亀裂
１００ センシングシステム
１０１ 接着面
１０２ 発光素子
１０４ 受光素子
１０６ 制御部
１４１ 入射コア部
１４２ 出射コア部
１４３ センシングコア部
１４４ 入射コア部
１４５ 出射コア部
１６１ 分岐部
１６２ 分岐部
１６３ 分岐部
１７１ ミラー
１７２ ミラー
１４１０ 入射端
１４１１ 反射光減衰部
１４２０ 出射端
１４３０ 終端
１４３０ａ 終端
１４３０ｂ 終端
１４３０ｃ 終端
１４３０ｄ 終端
１４３０ｅ 終端
１４３０ｆ 終端
１４３１ 曲がり部
１４３２ 屈曲部
１４３３ Ｕターン部
１４３４ 傾斜面
１４３５ 傾斜面
１４３６ 散乱面
ＡＬ 軸線
ＥＬ 延長線
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 反射光
Ｌ３ 放射光
Ｌ１４１ 長さ
Ｌ１４２ 長さ
Ｌ１４３ 長さ
Ｗ１４１ 幅
Ｗ１４２ 幅
α 角度
β 角度
θ１ 角度
θ２ 角度

Claims (8)

1. 被着体に取り付けられ、前記被着体の変形を検出するセンシングシステムに用いられるセンサー用光導波路であって、
   入射端を有する入射コア部と、
   出射端を有する出射コア部と、
   終端を有するセンシングコア部と、
   前記センシングコア部を前記入射コア部と前記出射コア部とに分岐させつつ接続する分岐部と、
   が互いに一体になって構成されているシート体、
   を備え、
   前記センシングコア部の長さは、前記入射コア部の長さおよび前記出射コア部の長さの双方より長く、
   前記シート体の一方の面の前記センシングコア部に対応する部分が前記被着体に接着されることを特徴とするセンサー用光導波路。
2. 前記分岐部は、前記センシングコア部から伝搬してくる光について、前記出射コア部の分岐比が前記入射コア部の分岐比より大きくなるように構成されている請求項１に記載のセンサー用光導波路。
3. 前記出射コア部の径は、前記入射コア部の径より大きい請求項２に記載のセンサー用光導波路。
4. 前記終端は、前記センシングコア部を構成する材料と外部空間との界面を含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセンサー用光導波路。
5. 前記終端は、前記センシングコア部よりも単位長さ当たりの伝搬損失が大きい終端コア部を含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセンサー用光導波路。
6. 前記センシングコア部が第１軸に沿って延在しているとき、
   前記分岐部を境にして前記第１軸の一端側に前記センシングコア部が位置し、
   前記分岐部を境にして前記第１軸の他端側に前記入射コア部および前記出射コア部が位置している請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサー用光導波路。
7. 前記シート体と、
   前記シート体の一方の面の前記センシングコア部に対応する部分に設けられている接着層と、
   を備える請求項６に記載のセンサー用光導波路。
8. 前記入射コア部に設けられ、前記分岐部から前記入射端に向かう光の光量を減少させる減衰部を有する請求項１ないし７のいずれか１項に記載のセンサー用光導波路。

Images