JPH01282449A - 光フアイバーセンサーおよび液位センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、医療・工業分析等の分野で濃度等の定量に
利用される光ファイバーセンサー、および引火爆発性の
タンクあるいは風呂等の液位を検出する等の液位検出手
段として用いられる液位センサーに関する。

（従来技術） 近年提供されている光ファイバーを利用し°たセンサー
（光ファイバーセンサー）には、濃度センサー（同じ原
理で液位も計測でき、これを液位センサーという。以下
、液位センサーを含む場合は濃度センサー等という）が
ある。

この光ファイバーを利用した濃度センサー等は、光フア
イバー機能型センサーと呼ばれ、単に光伝搬路として使
用されるだけの一般の光ファイバーとは異なり、光フア
イバー自体の伝搬特性（光フアイバー中の伝搬光の属性
が被計測媒質（被測定流体）によって変化を受け、光の
強度あるいは位相等が変調されること）を利用している
。

そして、この種の光ファイバーを利用した’ｌ）？Ａ　
Ｊｆセンサー等は、光ファイバーの一方の端部に光源が
、他方の端部には光検出器が設けられ（同じ側の端部に
光源と光検出器とが配設されたものもある）、この光検
出器が増幅手段を介して演算器に接続され、伝搬光（透
過光）の光看および位相の変調を計測して、その計測値
から、濃度あるいは液位を算出するよう構成されている
。

ところで、上述した従来の光フアイバー機能型センサー
の一つである特開昭５６−１０７１４９号等に開示され
る如き従来の濃度センサーは、第９図若しくは第１０図
に示すように、屈曲部でクラッド層１０を所定長さだけ
剥ぎ取ってコア部１１を露出させてセンサー部Ｓ°を形
成している。このように露出したコア部を被計測媒質の
中に浸漬させると、この露出したコア部に被計測媒質が
接触し、該被計測媒質がクラッド層として働くため、そ
の境界での屈折率変化が光の臨界角条件を変え、伝搬光
の伝搬（置火（放射損失）を変化させることとなる。（
一般に、上記放射損失は被計測媒質の濃度が高いほど大
きくなる。）この種の濃度センサーは、上述のように、
コア部の露出した部分に接触する被計測媒質の濃度（屈
折率）の違いに起因して該露出したコア部から放射する
伝搬光の損失（放射損失）の変化の割合を計測して流体
の濃度を定量するものであった。

また、その−態様である液位センサーとして使用されて
いるものも同様の原理を利用したもので、上記濃度セン
サーのような構成のものを、あるいは第１１図に図示す
るように、先端をプリズム状に加工してコア部を露出さ
せた光ファイバーＨを、第１２図に示すように、液位方
向（液体の高さ方向）に沿って所定ピッチで複数本配設
し、その露出したいずれのコア部１１（センサー部）が
液体に接触しているか否かを、該露出したコア部から放
射する伝搬光の損失の変化（被計測媒質に接触した場合
には放射損失量は大きい）によって判定し段階的（連続
的でない）に液位を定量していた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成からなる濃度センサー等の場合
には、センサー部となるクラッド層を剥離しなければな
らないが、この剥離に際しコア部に損傷を与えることな
く剥離することが要求され、このため極めて高い精度の
作業が要求される。従って、熟練した作業者と多くの作
業時間が必要となっていた。

また、光ファイバーのコア部の径が非常に細い（例えば
、０．０５ｍｍ）ため、所望どおりクラッド層が剥離で
きたとしても、コア部が露出した屈曲部で強度的に低下
して折れ易くなり余り小さな屈曲率で屈曲させて用いる
ことができないという問題があった。従って、上記折損
の限界より、センサーの小型化に限界があった。

さらに、上述のように、液位センサーとして、所定範囲
内の液位を計測する場合には、複数の上記構成の光ファ
イバーをその先端の位置が上記所定範囲内で所定間隔に
なるように配設しなければならず、この結果液位計とし
て使用する場合には計測ポイントの数だけ光ファイバー
および上述の光源、光検出器等が必要となり、かなり高
価なものとなる。従って、価格的制約よりどこにでも使
用することができなかった。また、段階的にしか液位を
計測することができないという不都合がある。

本発明は、このような現況に鑑みおこなわれたもので、
濃度センサーあるいはその一態様としての液位センサー
として使用した場合にも、上述のような欠点のない光フ
ァイバーセンサーを提供することを目的とし、またその
光ファイバーセンサーを利用して一本の光ファイバーで
所定範囲の液位を計測することができる液位センサーを
提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明にかかる光ファイバーセンサーは、クラッド層で
被覆されたコア部からなる光ファイバーを急激に屈曲し
てセンサー部を形成したことを特徴とする。

また、上記光ファイバーセンサーを利用した液位センサ
ーは、複数の屈曲部が液位方向に連続的あるいは断続的
に形成されそれらの各屈曲部が急激に屈曲されているこ
とを特徴とする。

（作用） （ａ）、上述のように構成された光ファイバーセンサー
は、光ファイバーを急、激に屈曲（屈曲許容限度点傍ま
で屈曲）させているため、コア部とクラッド層の境界面
での伝搬光（透過光）の臨界角条件を満足しない（突き
抜ける）光の成分があられれ、さらにこの光の成分（ク
ラッド層に入射した光）のうちクラッド層と被計測媒質
での伝搬光（透過光）の臨界角条件を満足しない（突き
抜ける）光の成分があられれるため、いずれの境界面を
も通過した光の成分は被計測媒質に入射（放射）し、こ
の屈曲部で放射ｔｉｔ失が生ずる。この結果、従来の光
ファイバーセンサーと同様、被計測媒質の屈折＄（ａ度
）の変化によって該被計測媒質内へ放射する光ν（放射
損失ｆｆ１）が変化する。この放射損失量は、後述する
ように、被計測媒質の屈折率ｎｍ　、コア部の屈折率ｎ
ｃＱ、クラッド層の屈折率ｎｅｌ、コア部の径２ａ、セ
ンサー部の屈曲半径Ｒに依存し、ｎｃＱｓ　　ｎｃｌ、
Ｒ／２ａを一定にすれば、被計測媒質の屈折率ｎｍ即ち
濃度ｐのみに依存することとなる。

従って、放射を員失Ｖを定量すれば、被計測媒質の濃度
（あるいは濃度の変化）を計測（定量）することができ
る。

即ら、上記作用を数式を用いてさらに詳しく説明すると
、一般に、温度の一定な吸収のない希薄液体である液体
媒質の濃度ｐはその屈折率ｎいと下記の（１）、弐のよ
うな関係にある。

Ｐ＝Ｃ＋（ｎｓ　　ｎ、。）　　　　・・・　　（１）
このような関係にある液体媒質（被計測媒質）中に２、
激に屈曲（屈曲許容限度近傍まで屈曲）させた光ファイ
バーを浸漬すると、該屈曲によりコア部とクラッド層と
の境界を通り抜ける光の成分が生じ、液体媒質の濃度Ｐ
（屈折率ｎ＋＋＋）によって上記通り抜ける光の成分の
伝搬特性が変化し光ファイバーの伝搬光（透過光）と放
射損失にの割合が変わる。これを利用して被計測媒質の
濃度を定量することができる。いま、この現象を光フア
イバー断面の平面近（以による光線追跡法を使って第１
図を参照しながら説明すると、 図において、光ファイバーのコア径を２ａ、クラッド厚
をｂ、屈曲半径（曲率半径）をＲ１屈曲直前の光線の出
発位置（始点）をｈ、入射角をαとすれば、コア部から
クラッド層への境界での入射角をＯｌ、クラッド層から
被計測媒質への境界での入射角をθ２とすると、これら
のθ１、θ２は、各々下記の（２）、（３）式で表され
る。

但し、上記（３）弐のｎｃｏ、ｎｃｌ　　は光ファイバ
ーのコア部１１及びクランド層１０の屈折率を表す。

上記θ５、θ７とそれらの屈折角α２、α、より下記の
（４）、（５）及び（４）　’　、（５）“式の如き周
知の３１算弐によりエネルギー反射率ｒ、□、ｒ２４エ
ネルギー透過率ｔ１□、Ｌ２４が求められる。

・・・　（４） ｔ＋２　−１　　　ｒ＋ｚ　　　　　　　＋＋　　（５
）・・・　（４）゛ ｔｚ４＝１　　ｒｚａ　　　　　　　・＋・（５）’そ
して、光ファイバーの第１図に示すような屈曲部７を伝
搬する光は、第４図（ａ）に図示するように、クラッド
層あるいは被計測媒質への入射角によってそれぞれ反射
あるいは透過して、結果として光検出器側の端部まで反
射を繰り返して到達する光の成分と途中で被計測媒質へ
入射（放射）する光の成分に分かれ、その放射量の合計
から、センサー部の放射損失量が得られる。例えば、第
１図の屈曲部を第４１２１１［有］）に図示するように
第１層ｄ、第２層す、第３層Ｃ９第４層ｄ、第５層ｅの
ように各部位にＦ画すると、第４［ｄ（ａ）の破線で囲
み矢符Ａを付した経過をたどった光の成分（放射光Ａ）
は結果的に第４図（′ｂ）の第４層ｄ（被計測媒質）内
に放射し、その放射ｉＡは、下記の（６）式で表される
。

Ａ＝　Ｉ　ｏ　　−ｔ＋ｚ　　−ｔｚａ　　　　・・・
　　（６）このように、各光の成分（放射光Ａ、Ｂ、Ｃ
。

・・・）毎に被計測媒質内に放射する放射量を算出する
ことができる。そして、このように被計測媒質内に放射
する各光の成分（第４図（ａ）におけるｔ２４が最終と
なるもの）Ａ、Ｂ、Ｃ，・・を合計すれば、伝搬光の放
射損失量となる。

尚、第４図（ａ）において、各境界でのエネルギー透過
率む、エネルギー反射率ｒに付されたサフィックスの１
桁目の数字はその光の成分が入射する側の層（部位）を
示し、２桁目の数字は同じく入射する側の層に対面する
層（部位）を示す。

従って、上記（２）〜（６）式から、流体の濃度が変わ
ると、クラッド層と被計測媒質との境界での伝搬光の臨
界角条件が変わることに起因して、光の放射損失量が変
化することが判る。この変化を被計測媒質の濃度１つの
低いものから順番に、縦軸に光の始点ｈ、横軸に光の入
射角αをとって反射と入射（放射）の領域状態を図示す
ると、第２図（ａ）〜（Ｃ）のようになる。これらの図
において、領域Ｉはコア部とクラッド層の境界で全反射
する領域を示し、領域■はクラッド層と流体媒質境界で
全反射する領域を示し、領域■は放射損失のある領域で
、領域■が増えれば放射損失量が増えることを示してい
る。

従って、上述のように、定量すべき流体の複数の異なる
既知の濃度と放射損失の割合の変化を、予め測定してこ
れを表（テーブル）にしておけば、この表と測定値を対
照することにより、流体の未知の濃度の伝搬光（透過光
）の放射損失量を測定してその流体の濃度（場合によっ
ては変化する濃度を含む）を定量することができる。

（ｂ）、また、被計測媒質に浸漬するかしないかは、被
計測媒質と空気の屈折率の変化（これらの濃度の変化）
に置き換えることができ、従って、上記濃度の定量と同
様に、浸漬している場合には高い濃度の値が得られ、浸
漬していない場合にはそれより低い（通常は極端に低い
）４度の値が得られるので、このことを利用すれば液位
センサーとしても使用できる。特に、上述のように（課
題を解決するための手段の２番目（請求項２）に記載の
ように）、複数の屈曲部が液位方向に連続的あるいは断
続的、例えば、連続した螺旋状になるよう屈曲させてセ
ンサー部を形成した場合には、液位によって放射損失量
が変化するため、液位と放射損失量が下記の（７）式の
ような関係（指数関数的な関係）になることより、その
長さに応じ、だ液位を定量することが可能で、また螺旋
状が連続した屈曲部からなる場合には液位を連続して定
量することが可能となる。

１　＝　Ｉｏ　　・ｅ−”　　　　　・”　　（７）（
実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は光ファイバーを急激に屈曲させて構成した濃度
センサー１の屈曲部の一部を表す側面図で、この実施例
では、光ファイバーとしてプラスティックファイバーを
使用している。そして、このプラスティックファイバー
の各寸法及び屈折率は、２ａ　（コア部の径）−０，９
ｍｍ、ｂ（クラッド厚）　＝０．０５ｍｍ、、ｎ（ｏ　
（コア部の屈折率）＝１．４９５、ｎｃｌ　（クラッド
層の屈折率）＝１．４０２で、このプラスティックファ
イバーを中間部で２、激に（このファイバーの概ねの屈
曲許容限度である屈曲半径１　、５ｍｍに）屈曲してセ
ンサー部Ｓを形成している。

そして、図示しないが、この光ファイバーの一方の端部
に光源（ＬＥＤ）と、他端に光検出器を配設し、この光
検出器を増幅手段を介して濃度演算器（単に、光量と濃
度との関係を並記した光度演算器内には、予め定量して
得た第３図に図示するような光量保持率（光検出器にお
いて濃度ゼロのものを基準にしてその濃度での光量を表
したもの；放射損失量に置き換えられるＨ［／１０）と
食塩水の濃度ｐとの関係を示すテーブル（対照表）がデ
ータとして与えられている。

いま、この濃度センサーｌを用いて、食塩水の濃度を定
量するものとすると、濃度センサー１の光量保持率が６
０％であるとすると、濃度演算器はテーブルから例えば
１１．５％の濃度であることを出力する。

このように、光ファイバーを屈曲許容限度近傍まで屈曲
すると、上記「（作用）」の欄で述べたように、従来の
クラッド層を剥離した濃度センサーと同じく浸漬された
液体濃度によって放射損失量（換言すれば光量保持率（
１／１０））が変化し、液体の濃度を定量することがで
きる。

向、上記急激に屈曲する程度（屈曲許容限度）は、光フ
ァイバーの材質、コア部あるいはクランド層の寸法によ
って異なる。また、上述の１（作用）Ｊの欄に記載した
（２）〜（６）式から判るように、Ｒ（曲率半径）／２
ａ（コア径）によってセンシング感度が変わり、高濃度
のものを定量する場合には、上記値（Ｒ／２ａ）を大き
くして感度を低くし、低濃度のものを定量する場合には
上記値を小さくして感度を高くすればよい。

また、この上記Ｒ／２ａの値の違うものを複数用いると
、精度の高い且つ定量範囲（レンジ）の広い定量ができ
ることとなる。

さらに、上記実施例の説明においては、特に言及してい
ないが、上記光源の発光中心波長を長いものを用いれば
、感度を向上させることができ、これを利用して濃度定
量範囲（定量レンジ）を変えることができる。

また、本実施例のように、放射損失量でなく光計保持率
を媒介させて濃度を測定すれば、光ファイバーの形状損
失等の補正が不要となる。

第５図は本発明の一つである液位センサー２を用いた液
位計の構成を示す全体側面図で、本実施例にかかる液位
センサー２は、第６図に示すように、光ファイバーＨを
液位方向に全体が断続的な螺旋状（異常螺旋）で各屈曲
部７が急激に（略屈曲許容眼度である屈曲半径１゜５ｎ
ｕ＋＋に）屈曲されることにより形成されている。この
光ファイバーは上記実施例と同じプラスティックファイ
バーが使用されている。また、上記断続的な螺旋状の屈
曲は、１５〜２０ｍｍピッチでおこなわれている。

そして、この液位センサー２を用いた液位計は、第５図
に図示するように、中間部で液位センサー２を形成する
光ファイバーの一端２ａに対物レンズ６を介して光源（
Ｈｅ−Ｎｅ　レザー発光器）３が、他端２ｂに光検出器
（フォトダイオード）４が配設されている。この光検出
器４は、図示しない増幅手段を介して出力光量計５に接
続されている。

上記出力光量計５は、出力光量Ｘを表示するようにして
も、あるいは出力光ＭＸの目盛に直接像を表示する場合
には、第７図に図示するような、出力光量Ｘと液位を換
算する表図に基づいて液位りを表示するようにすればよ
い。

即ち、液位方向に断続的に形成されたセンサー部が、ど
の屈曲部まで液体中に浸漬しているか否かであるいは液
面が位置する屈曲部の接触している程度（長さ）により
、上記「（作用）」の（７）式に示すように、屈曲部分
の放射損失量が変わり、その結果上記他端から出力する
光１ｘが変化する。

上記実施例では、被計測媒質を断続的な螺旋状（′ｔ４
常螺旋；第８図（ａ）参照）に形成しているが、これを
連続した螺旋状（定常螺旋；第８図（ｂ）参照）にする
と、連続した液位を測定できる。

また、全体の形状は、上記螺旋状の他のもの、例えばサ
イン波形、連続した８の字形等であってもよい。また、
屈曲部分の配設のピッチも、液位の変動範囲が広い場合
にはピッチを大きく、狭い場合にはピッチを小さくして
もよい。

ヤらに、上記実施例では、光ファイバーのうち、ル°ラ
スティックファイバーについて説明したが、他の材質（
種類）の光ファイバー（グラスフアイバー等）であって
も同様の効果を得ることができる。

尚、公知事項であるが、上述の光ファイバーのコア部の
屈折率は、被計測媒質の屈折率より高いものを使用する
必要がある。

（効果） 本発明にかかる光ファイバーセンサーは、上述したよう
に、光ファイバーのクラッド層を剥離することなくその
ままの状態で単に屈曲するだけで、センサー部を形成す
ることができるので、簡単にセンサー部をつくることが
できる。

しかも、センサー部と伝送部が一本の光ファイバーで構
成することができるので測定精度の向上が図れ、また価
格的にも安価に製造することができる。また、熟練した
作業者でなくとも容易に製造することができ、構成が簡
単であることより大量生産に適する。

また、上述のようにセンサー部と伝送部が一本の光ファ
イバーで構成されているので、これまで測定困難な場所
の濃度、例えば、海水の深さ方向に対する塩分濃度、河
川での深さ方向の水の密度流の濃度、体液の濃度等従来
直接測定が困難であったものの測定ができる。

また、クラッド層を剥離しないため、屈曲部の強度が保
て、従来の光ファイバーセンサーのように屈曲部での折
損を危惧することなく小型化できる。従って、従来困難
であった狭い部分でも液体濃度あるいは気体濃度の測定
ができる。

さらに、コア部に被計測媒質に溶けるような材質のもの
を使用しても、従来のようにコア部が被計測媒質に露出
しないため、クラッド層を耐質性のものを用いれば、そ
のような危惧はない。

また、液位センサーとしては、光を利用しているため危
険な爆発性のある液体の液位測定もでき、また計測時間
が瞬時に行えるため波高計として使用できる。

また、身近な家庭用としても、気体の濃度を検出できる
ことよりガス感知器として、また濃度諦ち密度と液位を
同時に検出できることより風呂の温度および水位が検出
でき自動風呂沸かし器の警報器（濃度センサー）として
も利用できる。

上述のように、本発明は、従来の光ファイバーセンサー
では不可能であった特定の医療分野、工業分析分野等に
おける光ファイバーセンサーの利用を可能にし、安全性
・正確性・迅速性の点で優れた光ファイバーセンサーの
利用分野を拡げるものとして意義を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は光ファイバーを急激に屈曲させて構成した濃度
センサーの部分側面図、第２図（ａ）〜（Ｃ）は放射損
失量の変化を被計測媒質の濃度の高いものから順番に、
縦軸に光ファイバーのコア部の径２ａの範囲内での光の
始点ｈ１横軸に臨界角Ω。の範囲内での光の入射角αを
とって反射と入射（放射）の領域状態を示す図、第３図
は縦軸に光量保持率と横軸に被計測媒質の濃度をイバー
の屈曲部での反射と入射の状態を示す表図、第４（ｂ）
は第４図（ａ）の状態を呈する屈曲部の各境界の構成を
示す図、第５図は本発明にかかる液位センサーを用いた
液位計の構成を示す全体構成図、第６図は第５図に使用
される液位センサーの螺旋状態をスケールとともに図示
した詳細図、第７図は液位計における出力光量と液位（
水位）との関係を示す表図、第８図（ａ）、　（ｂ）は
螺旋の種類を示す略図、第９図、第１０図は従来の光フ
ァイバーセンサーの構成を示す側面図、第１１図従来の
液位センサーの伝搬光の反射と放射の状態を示す図１、
第１２図は従来の液位計の液位センサーの配設状態を示
す側面図であるＳ・・・センサー部、Ｈ・・・光ファイ
バー、１・・・濃度センサー、２・・・液位センサー、
７・・・液位センサーの屈曲部、１０・・・クランド層
、１１・・・コア部。 に５図 品６２　　　　　　　　芥７図 係８図 第９２ 誌１０　＋ス ”−２，７

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、コア部の周囲がクラッド層で被覆されてなる光
   ファイバーを急激に屈曲してセンサー部を形成したこと
   を特徴とする光ファイバーセンサー。
2. （２）、複数の屈曲部が液位方向に連続的あるいは断続
   的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光
   ファイバーセンサーを利用した液位センサー。