JPH0358057B2 - - Google Patents

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JPH0358057B2
JPH0358057B2 JP57140919A JP14091982A JPH0358057B2 JP H0358057 B2 JPH0358057 B2 JP H0358057B2 JP 57140919 A JP57140919 A JP 57140919A JP 14091982 A JP14091982 A JP 14091982A JP H0358057 B2 JPH0358057 B2 JP H0358057B2
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Toomasu Maarei Robaato
Fuaagason Riido Robaato
Maaseru Mooteiaa Roi
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光学繊維およびそれに関連する技術を
用いて化学的または物理的パラメーターの変化を
検出するためのセンサーに関する。
本発明は、化学的または物理的パラメーターの
変化を検出するためのセンサーを光学繊維を用い
て製造し、かくして極めて小型のセンサーを提供
することを一目的としている。本発明の別の一目
的は、そのような小型センサーを容易かつ経済的
に製造しうるようにすることである。本発明のさ
らに別の一目的は、高精度かつ迅速応答性のセン
サーを提供することである。
このような目的及びその他の目的を達成するた
めに光学繊維自体をセンサーの主要構成部材とし
て採用することに伴なう、従来の光学繊維の一般
的な使用態様で経験されなかつた、感受性発色団
を繊維に如何に付着させるかが技術的課題であつ
た。
光学繊維は、薄い保護クラツド材で包囲された
透明なコアから本質的に構成されている。保護ク
ラツド材は、コアよりも低い屈折率の被覆の形態
であり、コア中に入れられた光がコア／クラツド
材界面で内部反射されながらコア内を繊維に沿つ
て透過される。コアは普通シリカ繊維であるが、
有機重合体のようなその他の材料も使用でき、コ
アにとつての必須の要件は使用される光の波長に
おいて透明であることである。
本発明によれば、化学的または物理的パラメー
ターの変化を検出するためのセンサーであつて、
パラメーターに感応する発色団をその表面に化学
的に結合した光繊維コアを含むセンサーが提供さ
れる。
本発明のセンサーは慣用光学繊維に対して両端
部で接合することにより公知センンサーのように
使用でき、その場合に一端部は光源に結ばれ、ま
た他端部は検出器に結ばれ、かくして本発明のセ
ンサーは光学繊維の中間部をなす。センサーは、
中間部分にクラツド材を付けずに、その裸のまま
の部分内のコア表面に発色団を結合することによ
り、あるいは中間部分からクラツド材を除去して
前のようにその個所のコア表面に発色団を結合す
ることにより、最初から繊維線分の一体部分とし
て構成することもできる。しかしこの方式での感
応性部分の製造は必ずしも容易ではなく、殊に以
下に述べるような多孔質表面を用いる場合には容
易ではなく、従つてより一般的には、センサーを
別個に作るのが好ましく、例えば長い線分として
製造し、これを切断して個々の（幾つかの）セン
サーのための短節片を作るようにするのが好まし
い。
このような短い線分（一単位のセンサー）の端
部には、慣用的なクラツド付き光学繊維を溶着ま
たは接続して、光源からの光がそのセンサーへ、
次いで検出器へ供給されるようにして、プローブ
を形成できる。
別法は、センサーの一端部を反射性とし（その
端部を平らにして銀メツキすることにより直接的
に、あるいはその端部を反射性デバイスに接続す
ることにより間接的に）、センサーに供給される
光が、その中で両方向に通つて、その供給繊維に
より、または隣接した別個の繊維によりピツクア
ツプされて検出器へ供給されるようにする。この
ようにすると、感受性の中間部分はそれらの繊維
の一端に隣接して配置され、従つてこの形態を用
いるのは、センサーを慣用繊維の一体部分として
その場で作る場合に好ましい。このような反射性
センサーは両方向での光の通過により単位長さ当
りの感度が一層良好になるが、検出器のためにそ
の共通キヤリヤーからの光のスリツト取出しは、
光の一部をむだにする傾向がる。それにも拘ら
ず、単一光学繊維の端部にある反射性センサーは
非常に細いセンサー・プローブを与える。センサ
ーそれ自体は、実質上わずかに光学繊維コアの太
さである。
好ましい発色団は、パラメーターに感受性の色
をもつ染料分子である。その例としては、PHセン
サーにおいて用いるためのPHで色が変化する染料
があり、また特定の化学物質、例えば金属イオン
に感受性のその他の染料および錯化剤も同様に使
用できる。温度のような物理的パラメーターは、
例えば螢光の強度が温度の関数として変化すると
きには、螢光染料で測定できる。その他の発色団
としては、特定の生物学的物質の存在下で色を変
える酸素もある。
好ましいコアはガラス繊維であり、それに対し
て染料分子は、ガラスコアに対する親和性を持つ
シラン官能基、および発色団と反応性の基、を有
する中間体シランカツプリング剤を用いて好適に
結合できる。例えば公知のシランカツプリング剤 NH2CH2CH2CH2Si（OC2H5）3 はガラス繊維に化学的に結合しそのアミノ基がガ
ラス表面から伸びて、それを染料分子の酸性基、
例えば酸クロライドとのカツプリングのために利
用できる。しかし特定の所望PHで変色するか否か
によつて、染料を選択する際に、シランと反応性
の基が、結合を形成して所望の発色効果を消滅さ
せるような部分でないことが当然重要である。
上述のシランカツプリング剤に結合するのに適
当な指示剤染料を作る好ましい一方法は、染料分
子に対してクロロ−Ｓ−トリアジン環を直接に結
合することである。そのトリアジン環の塩素結合
手は、染料をトリアジン環を介してシランカツプ
リング剤のアミノ基にカツプリングする。
この方法で通常のシリカコアの表面へ結合でき
る染料の量は、特に高感度の検出器または特に長
いセンサー繊維線分を用いないと、色変化を検出
するのに十分でない傾向があることが判明した。
この理由のために、発色団を結合するための表面
は、多孔質物質の表面であつて、その表面積の少
なくともいく分かをその細孔の内側に含むのが好
ましい。このようにしてセンサーの感度を大巾に
向上できた。しかしコア全体が多孔質であるとき
には散乱による光の損失が著しくなることがあ
る。好ましいセンサーはコアが多孔質層で包囲さ
れた非孔質部分からなり、その多孔性層に発色団
が結合されている。
包囲する多孔質物質はその非孔性部分と一体で
あつてもよく、実質的に非孔質の繊維をエツチン
グ処理することによつて作られる。ガラス繊維コ
アについては、この処理はコアを弗化水素ガスに
曝し、次いで酸で処理することにより行いうる。
しかしこの方法は制御が困難であることが判明
し、従つて光学繊維が非孔性物質を多孔性物質の
層で緊密に接して包囲した複合体であるようなセ
ンサーが好ましい。これは、例えばコアを多孔質
ガラスの外層、または多孔質にされうるガラスの
外層で被覆することにより達成できる。例えばガ
ラス繊維は酸に溶けるホウ酸ナトリウムの一定量
でドープしたシリカガラスの層で被覆できる。こ
のドープ化ガラスを熱処理すると、そのガラス中
にホウ酸ナトリウムに富む多数の領域が形成さ
れ、それを酸でエツチング処理するとウ酸ナトリ
ウムが除去されてコアの周囲に多孔質外層を残留
させることができる。このようにすると発色団分
子が、この多孔質層の隙孔内のシランカツプリン
グ剤によつて結合されうる。
外側多孔質層が、均質繊維の外層を多孔質化す
ることにより作られても、または異なる材質の付
着層を多孔質にすることにより作られても、外側
多孔質層で包囲された均質内側部分からなるセン
サーの一端部または両端部を、慣用のクラツド材
で被覆されたコアからなる光学繊維に接続する場
合には、センサーの内側部分の直径が光学繊維の
コアと実質的に同一であるのが好ましい。このよ
うな直径の調和は、繊維／センサー界面での損失
を少なくする。直径の不釣合いがある場合には、
レンズを繊維とセンサーとの間に公知の方式で挿
入できる。
上記の一般的事項に対して可能な一例外は、セ
ンサーが通常クラツド付きの光学繊維の端部に隣
接してその場で形成される場合であり、その端部
すなわち一体センサーを越えたところにある端部
は反射性にされる。このようにすると製造が単純
かつ便宜であり、多くの場合にクラツド材の終点
における多孔性の深さの余り急激でない変化や、
センサーと繊維との間での接続の回避により、コ
ア直径同志の避け難い不釣合いを一層許容できる
ようである。
本発明のセンサーは、例えば工業用や医療用の
センサー・プローブの基本部分を形成するのに特
に適当である。そのようなプローブは、典型的に
はセンサーと、センサー中に光を射入しそしてそ
の光またはセンサーの少なくとも一部分を透過し
た後の変質（変性）光を捕集するための手段とを
含む。光をセンサーの一端で射入し、他端でそれ
を捕集することにより、光がセンサー内を一方向
に進行するようにできる。あるいはセンサーの一
端を反射性にし、他端から光を射入すると共に捕
集することにより、プローブが一個のターミナル
センサーをもつように構成できる。本発明のフア
イバーオプテイツク装置に用いることができる光
学繊維、および光学繊維をセンサーに結合する
種々の方法は、前述の通りである。
周囲環境との化学反応によつてパラメーターに
感受性の発色団は、その環境と直接に接触するこ
とが必然的に要求される。ほとんどの場合に、こ
のことはコアが均質であるかあるいは複合コアで
あるかに拘らず、コアの周囲での保護クラツド材
の使用を排除し、またこの場合にセンサーを形成
する繊維は、光を著しくは変化させずに（多少の
衰弱はある）、送るのに通常用いられる光学繊維
とは異なる。クラツド材が特定の環境を透過させ
うることが判明している場合であつても、下側層
に位置する発色団含有量への接近を限定すること
により応答時間を著しく長くすることがある（殊
に発色団含有層がそれ自体多孔質である場合にそ
うである）。
発色団を結合する光学繊維コアは、好ましくは
円形断面であり、これは一般的に製造するのが容
易かつ安価であり、またセンサーに光を入れセン
サーから光を受けるのに用いられる慣用光学繊維
の円形断面と釣合せが容易であり、かくして界面
での光の損失を少なくする。
その他の断面形状の繊維、例えば平らなテープ
も本発明のセンサーに使用できるが、一般的には
効率が低くなり、コストが上昇する。
本発明による三実施例を添付図により説明す
る。第１図において光学繊維１の一端端部は、コ
ア２およびクラツド材３からなつている。コアは
クラツド材の端部を越えて延在しており、延在部
の外側層４は既に多孔質とされている。その多孔
質外側層は、均質内側部分５を包囲している。繊
維のターミナル表面６は、光学平面であり、反射
性被覆を有している。多孔質層はシランカツプリ
ング剤で処理し、PH感受性染料と反応させて、多
孔質部分全体に感受性を与えてあり図面では太線
８で示されている。光学繊維は感受性端部から図
示の切断端部９を越えて伸びて、適当な光源およ
び検出器に接合されるようになつている。
第２図は、二つの慣用光学繊維１２，１３の端
部の間に（例えば接着剤で）接合された本発明に
よるセンサー１１を示している。二つの光学繊維
は両者ともにコア１４およびクラツド材１５から
なり、図示の切断端部を越えて延在しており、適
当な光源および検出器にそれぞれ接続される。こ
のセンサーは両側の光学繊維のコアと、組成およ
び直径が実質的に同一の均質内側部分１６を有し
ている。この内側部分の周囲には、多孔質ガラス
の外側層１７があり、このものはシランカツプリ
ング剤でガラスに結合された発色団で処理されて
いる。この感受板層は多孔質ガラス層１７の厚さ
全体にわたつて延在しているが、図面では太い波
線１８で示されている。
第３図は、センサーに光を入れ、センサーから
光を受けるのに用いられる光学繊維２３のコアに
固着されたターミナルセンサー２１をもつプロー
ブの端部を示す。光透過繊維はクラツド材２４を
有するが、センサーはクラツド材を有しない。セ
ンサーは全体的に多孔質であり、細孔の全体にわ
たつてガラス表面に結合した染料で含浸されてい
る多孔質繊維の線分から形成されている。センサ
ーのターミナル面２５は反射性にされていて、繊
維２３からセンサー中に発射された光はセンサー
内を進行し、そのターミナル面２５から反射され
て繊維２３へ戻る。センサー内を通過するときに
光は染料の状態に従つて変質（変性）され、また
散乱により部分的に衰減する。
光学繊維コアの表面に発色体を化学結合させて
なる極めて単純な構造である本発明のセンサー
は、製造が比較的簡単かつ安価である。光学繊維
の長手方向に透過する光を測定するため、測定に
係る光量が相対的に多く、従つて精度上好まし
い。発色団が繊維コアの表面に位置するために応
答が極めて迅速である。本発明のセンサーは、そ
の寸法（殊に直径）が小さいので、いずれの使用
場所でも、他の物事を妨害することなく、採用さ
れうる。発色団が化学的に結合されているのでセ
ンサー寿命が長い。
【図面の簡単な説明】
第１図はターミナルセンサーの断面図。第２図
は光学繊維に接続されたセンサーの断面図。第３
図は別態様のターミナルセンサーの断面図。 光学繊維……１，１２，１３、コア……２，１
４，２２、クラツド材……３，１５，２４、感応
性層……８，１８。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 化学的または物理的パラメーターの変化を検
    出するためのセンサーであつて、パラメーターに
    対して感応性である発色団を化学的に結合した表
    面をもつ化学繊維コアを有する上記センサー。 ２ 発色団を結合した表面は、多孔質物質の表面
    でありかつそれらの細孔にその表面積の少なくと
    もいく分かを内包している特許請求の範囲第１項
    に記載のセンサー。 ３ コアは、発色団が結合した多孔質層で包囲さ
    れた非孔質部分よりなる特許請求の範囲第２項に
    記載のセンサー。 ４ 多孔質層は非孔質部分と一体であり、実質上
    非孔質の繊維をエツチング処理することにより形
    成されたものである特許請求の範囲第３項に記載
    のセンサー。 ５ 光学繊維のコアは、多孔質物質の層で包囲さ
    れかつその層と緊密に接触している非孔質物質か
    らなる複合体である特許請求の範囲第３項に記載
    のセンサー。 ６ 発色団は、その色がパラメーターに感応する
    染料分子である特許請求の範囲第１〜５項のいず
    れかに記載のセンサー。 ７ パラメーターはPHである特許請求の範囲第６
    項に記載のセンサー。 ８ 発色団を結合する表面をなす物質は、ケイ酸
    塩ガラスであり、発色団はガラスに対して反応性
    の基および発色団と反応性である基を有する中間
    体シランカツプリング剤を用いてガラスに結合さ
    れている特許請求の範囲第１〜７項のいずれかに
    記載のセンサー。 ９ 発色団はトリアジン環を介してシランカツプ
    リング剤に結合された染料分子である特許請求の
    範囲第８項に記載のセンサー。 １０ 化学的または物理的パラメーターの変化を
    検出するためのセンサーであつて、パラメーター
    に対して感応性である発色団を化学的に結合した
    表面をもつ光学繊維コアを有する上記センサー
    と； 上記センサー中へ光を入射し、その光またはセ
    ンサーの少なくとも一部分内を透過した後の変質
    光を捕集するためのフアイバーオプテイツク手段
    と；を有する感受性フアイバーオプテイツク・プ
    ローブ。
JP57140919A 1981-08-14 1982-08-13 光学繊維センサ− Granted JPS5877641A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB8124939 1981-08-14
GB08124939A GB2103786A (en) 1981-08-14 1981-08-14 Fibre optic sensor

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Publication Number Publication Date
JPS5877641A JPS5877641A (ja) 1983-05-11
JPH0358057B2 true JPH0358057B2 (ja) 1991-09-04

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ID=10523960

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JP57140919A Granted JPS5877641A (ja) 1981-08-14 1982-08-13 光学繊維センサ−

Country Status (5)

Country Link
US (1) US4560248A (ja)
EP (1) EP0072627B1 (ja)
JP (1) JPS5877641A (ja)
DE (1) DE3279159D1 (ja)
GB (1) GB2103786A (ja)

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