JPH0511780B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は油等の液体の存否を光学的に感知する
液体検知器に関する。

［従来の技術］ 最近、石油備蓄基地や石油化学プラント等で油
洩れ事故が多発しており、このような事故を早期
に発見するための法的規制等によつて信頼度及び
安全性の高い油検知器が必要とされている。

上記のように本質的に防爆性が要求される用途
では全光学式の液体検知器が最も有利であり、こ
の種の光学式液体検知器として第４図に示すよう
な光導波路型のものが知られる。検知器１は透光
性基板２内に光導波路３を設けて構成され、導波
路３はその両端が基板２の両側面に臨んでおり、
この端面に入力用及び出力用の光フアイバがそれ
ぞれ接続される。

導波路３は基板の他部分よりも大な屈折率を有
しており、大部分が基板中に埋め込み形成されて
いるが、入出射端の中間で屈曲していてこの屈曲
部で基板表面に導波路３が露出している。

上記導波路３の両端に光フアイバを接続し、こ
れら光フアイバの他端をそれぞれ光源及び光検出
器に接続し、検知器１を例えば油洩れを検出した
い箇所に配置しておくと、油洩れが発生していな
い状態、つまり検知器１に油が付着していない状
態では導波路３中を伝搬する光は露出部４で全反
射し外部へ洩光することなくそのまま出射端に向
う。すなわち、露出部４において基板面と導波路
軸線との成す角αが全反射臨界角と同一ないしは
若干小さくなるように導波路３を傾斜させて形成
してある。ところが屈折率の大きな油が検知器の
導波路露出部４に付着すると、境界部における全
反射臨界角が相対的に小さくなり、その結果導波
路伝搬光が上記露出部４で全反射されることなく
外部へ洩れ出て、導波路から出射する光量が油付
着前に比べて減少する。

従つて、この出射光量の変化を光検出器で監視
すれば油洩れを感知することができる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来の光導波路型液体検知器では、導波路
３の断面形状が入射端から出射端まで全長にわた
り同一であるため次のような問題があつた。すな
わち、導波路の端部に光フアイバを接続する場合
接続損失を最小限に抑えるために、導波路断面の
大きさは接続光フアイバのコアと略同一の約50μ
ｍ前後とされ、このため液体検知部としての導波
路露出面の面積は0.01cm²にもならず、このように
検知部面積が極めて小さいことにより検知器への
被検出液体の付着を見落し易く、信頼性が低いと
いう問題がある。また、導波路に検知露出部を設
ける方法として、予め全長にわたり閉じ込められ
た導波路を形成しておき、導波路屈曲部近くの基
板面を切断ないしは研磨して導波路を基板面に露
出させる方法が一般にとられるが、この場合導波
路が極めて細いため、基板の加工量の制御が難し
く削り過ぎにより導波路の分断を生じたり、逆に
不足のため所定の露出部が形成されないといつた
問題が生じ、生産性、再現性が低いという欠点が
あつた。

また第４図に示すように、導波路内を伝搬する
光線の放射角（開口数）が広い範囲に分布してお
り、このため大きい角度の光線（高次モード）か
ら少しづつ連続的に検知されていき、検知の瞬間
が他のノイズとの関連で明瞭に判別しにくいとい
う問題もあつた。

［問題点を解決するための手段］ 基板に形成する光導波路の幅を、露出部を含む
近傍で入射端よりも大とし、且つ両部分間に幅が
徐々に拡大するテーパ導波路領域を設けた。ここ
で上記テーパ領域での最大幅と最小幅との比は、
あまり小さいと導波路拡大効果が得られず、また
比があまり大きくなると後述するテーパ部による
光線放射角の均一化効果が減削されるので一般に
は1.5〜８倍とするのが望ましい。

また一般に使用されているコア径60μｍの光フ
アイバを接続する場合は、導波路の入射端部径を
約60μｍとし、テーパ領域の最大幅を200〜400μ
ｍ程度とするのが好適である。さらに、テーパ領
域における導波路の拡がり角を2θとしたとき、θ
は0.5〜４度好ましくは１〜２度の範囲内とする
のが望ましい。

［発明の作用］ 本発明によれば、光導波路の液体検知露出部の
面積が従来に比べて大きくなり、それだけ検出の
信頼性が向上するとともに、基板に対する切断・
研磨等の機械加工で上記露出部を形成する際に、
切削深さの許容量の範囲が従来に比べて広がるた
め加工の生産性及び品質の再現性が向上する。一
方、導波路の入射端は従来通り接続光フアイバに
合せておけばよいので接続損失が増大することも
ない。さらに、入射端から露出部に至る間に幅が
徐々に拡大するテーパ領域を設けているため、こ
のテーパ領域導波路を伝搬する間にモード変換を
生じ、このテーパ領域の出口では拡大導波路の大
きさとほぼ等しい大きなビームに変換されてお
り、この状態で検出露出部に至る。

このようにして露出部では伝搬光に従来のよう
な高次モード成分がないため、検知による変化が
明瞭にあらわれ、従来に比べて検出感度が向上
し、しかも他のノイズとも区別が容易になる。

［実施例］ 以下本発明を図面に示した実施例に基づいて詳
細に説明する。

第１図は本発明の検知器の断面図であり、検知
器１０はガラス、プラスチツク等の透光性基板１
１内に光導波路１２を設け、この導波路の一部を
基板の１つの表面１１Ａに露出させて検出用露出
部１３と成し、且つこの露出部１３を、被検知液
体が自由に浸潤し得る材料から成る被覆層１４で
被覆して構成されている。

光導波路１２は、基板の他部分よりも大な屈折
率を有しており、入出射路１２Ａ及び１２Ｂ、テ
ーパ路１２Ｃ、拡大路１２Ｄの各部分で構成され
る。入出射路１２Ａ，１２Ｂの端面には光フアイ
バ１５Ａ，１５Ｂがそれぞれ接続され、入射側の
光フアイバ１５Ａの他端は光源に接続され、また
出射側の光フアイバ１５Ｂの他端は光検出器に接
続される。入出射路１２Ａ，１２Ｂの断面径は接
続フアイバ１５Ａ，１５Ｂのコア径に略等しく、
一例として50μｍ前後とする。この入出射路１２
Ａ，１２Ｂの先端からテーパ路１２Ｃが続き、こ
のテーパ路１２Ｃはその断面径が軸線方向に直線
的に拡大しており、一例として入口端と出口端と
の径比を約３倍にしてある。そしてテーパ路１２
Ｃの拡大された出口端から、同出口径と同一断面
径の拡大導波路１２Ｄが連続して形成されてい
る。この拡大路１２Ｄはその中央部で左右対象に
屈曲しており、導波路軸線が基板面１１Ａに対し
一定の角度θ₂を成しているとともに、屈曲角部に
おいて導波路１２Ｄが基板面１１Ａに露出してい
る。被覆層１４は、導波路露出部１３への水、ゴ
ミ、ホコリ等の付着による誤検出を防ぐためのも
ので、一般には油等の被検知液体が浸潤し得る材
質のもので形成され、例えば油検知器ではシリコ
ン樹脂、連続気孔の多孔膜等を使用することがで
きる。

上記構造の検知器において、光源からの光を光
フアイバ１５Ａを通して導波路１２の入射路１２
Ａに入射させると、第２図に示すように入射路１
２Ａ内で広い放射角を有していた光線１６は、テ
ーパ路１２Ｃを伝搬する間に次第に放射角が小さ
くなり、、検出露出部１３で各光線成分はほぼ平
行に揃つた状態で境界面に対し一定の入射角で入
射する。そして被覆層１４に液体が付着していな
い平常時は、上記境界面で伝搬光のほぼ全量が全
反射され、屈曲部以降の拡大路１２Ｄ部分を伝搬
し、他方のテーパ路１２Ｃを経て出射路１２Ｂに
入り、出射路１２Ｂ端から光フアイバ１５Ｂに入
射して光検出器で検出される。

今、被覆層１４に油等の被検知液体が付着して
被覆層１４と基板面１１Ａとの境界まで浸潤する
と、導波路露出部１３での外側屈折率が大となる
ため露出部１３に入射する光線は全反射せずに外
部に洩出する。そして上記の露出部１３への伝搬
光入射角は従来構造のように角光線成分間で大き
なバラツキがなく狭い放射角範囲に集中している
ので、露出部１３での外界屈折率変化に伴なう洩
光量が多く、出射光量変化が大きくなるため従来
構造に比べ検出感度が向上する。

また露出部１３に向う導波路１２Ｄが基板面と
θ₂の角度をなしているので、導波路を基板面に平
行に設けた場合に比べて露出部に入射する光の入
射角がθ₂だけ小さくなり、基板の屈折率よりも小
さな屈折率を有する液体の付着も検出できる。

本発明の検知器導波路を製造するに当つては、
第３図に示すように、透光性基板１１内に、拡大
路１２Ｄが屈曲部で基板面に露出することなく連
続している導波路をイオン交換法等で形成し、し
かる後拡大路１２Ｄの屈曲角部を含む基板の余剰
部分１７を切断あるいは研削によつて除去し、該
面を鏡面研磨仕上げすることによつて拡大導波路
１２Ｄに検出露出部１３を形成する方法が好適で
ある。この余剰部分１７の除去の際、導波路１２
Ｄの幅が充分大きいので、切り込み深さに多少の
誤差があつても従来のように導波路を分断してし
まう虞れがなく、加工作業が容易である。

以上に述べた実施例では導波路の検出露出部表
面に保護被覆層１４を設けたが、場合によつては
この被覆層１４を省略することもできる。

［発明の効果］ 本発明による液体検知器は、テーパ路により導
波路内を伝播する光線のNAを小さくすることが
できそのため検出感度を向上させることができ
る。液体検出部の導波路露出部における導波路の
幅を、接続光フアイバのコア径よりも充分大きく
とることができるので、従来構造に比べ付着液体
の検出面積が大幅に広がり、信頼性の高い液体検
出を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２
図は同要部拡大図、第３図は本発明の検知器の製
作方法の一例を示す断面図、第４図は従来の光導
波路型液体検知器の要部を示す断面図である。 １０……液体検知器、１１……透光性基板、１
２……光導波路、１２Ａ……入力路、１２Ｂ……
出力路、１２Ｃ……テーパ路、１２Ｄ……拡大
路、１３……検出用露出部、１４……保護被覆
層、１５Ａ，１５Ｂ……光フアイバ、１６……光
線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 透光性基板内に周囲よりも屈折率の大な領域
   からなる光導波路を埋め込み形成し、この導波路
   途中に基板側面に露出する露出部を形成して該露
   出部への液体付着によつて生じる導波路の出射光
   量変化を測定して液体を検知する液体検知器にお
   いて、前記光導波路は、その幅が入射端に比べ前
   記露出部近傍の方がより大となつており、両部分
   間に幅が徐々に拡大するテーパ領域が設けられて
   いて、基板側面に露出する光導波路の入出射端は
   その径が接続される光フアイバのコア径にほぼ等
   しくしてあることを特徴とするテーパ導波路型液
   体検知器。 ２ 前記テーパ領域での導波路の最大幅と最小幅
   との比が1.5ないし８倍である特許請求の範囲第
   １項記載のテーパ導波路型液体検知器。