JPS60141761A - ポリマー／光学検出装置及び方法 - 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】 発明の背景 本発明は光学的検出方法及びそのための装置に係り、特
に光フアイバーセンサーと環境の変化に応じて光学特性
が変化する環境応答性ポリマー材料とを備えた新規で改
良された光学的環境変化を検出する検出方法及び装置に
関する。この新規なポリマーと光センサーとの組合せは
、温度、湿度、圧力、位置、放射エネルギー、流れ、歪
／応力、光、色、電解およびその他の環境変化に関する
特性を精確に、かついつでも測定・検出することができ
る。

光学センサーと、特に光フアイバーセンサー装置は、用
途および需要において上昇の一途をたどっている。近年
、光フアイバー技術は、産業、医学および通信の様々な
面において異常な伸びを示している。事実、光ファイバ
ーの用途は、様々な理由によって日々出現している。例
えば、従来の有線伝達装置とは異なり、ガラス、プラス
チックまたは繊維類を用いる光を伝達する光フアイバー
伝達システムは、無線周波数干渉や電磁干渉に影響され
ない。さらに、かかる装置は危険な環境、すなわち極限
環境において、化学変化を起さず、低温から摂氏数百度
に至る温度に何ら影響されない。また、小型で柔軟性を
有する光フアイバーセンサーによって到着が困難で近づ
き難い領域にも容易に到達することができる。

この結果、光ファイバーは、プロセス制御やオートメー
ション分野で大好評を博している。光ファイバーは電気
を伝導しないために電気的干渉に影響されず、高価なシ
ールド線を必要としない上に、精度が高い。このように
精度が高いことによって、機械的および／または電気的
センサーの信頼性が向上する。

ゝ為 上述したように、光フアイバーセンサーは、多数の環境
特性および他の特性を検出するセンサー分野で非常に有
望視されている。がかる特性の一部は従来の光フアイバ
ー装置で検出することはできるが、ある環境現象の検出
には光ファイバーと他の二次的材料あるいは装置を組合
せることが必要となる。そこで、米国特許第４，２１５
，２８５号は光フアイバー技術と種々の螢光体化合物と
を組合せて、複数の環境特性を測定する装置を開示して
いる。例えば、温度を測定する際には、被測定物体、す
なわち環境に螢光性物質の層を設け、該螢光性物質が冷
光に励起された際、光学的に分離可能な２以上の興なる
波長域において、検出可能な放射エネルギーを放出させ
るように構成される。

このような波長域における放射エネルギーの相対強度は
、既に知られているように螢光体の温度の関数として変
化する。独特な波長の検出は複離であるため、かかる螢
光体検出装置は様々な欠点を有する。すなわち、波長検
出の複離さにより製造コストが高騰し、このため光ファ
イバーと螢光体を組合せてなる検出システムの実用性が
非常に制限される。

同様に、光学システムと他の二次的材料または装置を組
合せた他の検出装置は、例えば、反射光が温度変化機能
を有する帯板、密閉室内における気体まよは液体膨張に
よるピストン運動、圧力測定用のしなやかなダイヤフラ
ム運動などメタリックの帯板が既に用いられている。し
かしながら、かかる検出装置も種々の問題を有している
。主たる問題は構造および製造が複離なことにあり、こ
のため人件費がかさむだけでなく部品の故障率が増大す
ることになる。

光フアイバーセンサーと組合せ可能であって、環境（す
なわち、温度、湿度、圧力部）の変化を連続的に精度よ
く再現できるように監視し、かつ検出可能な物質が最も
有用であることは明白である。光学特性が温度、湿度そ
の他の関数として変化することのできる物質としては、
有機ポリマー、とりわけ半結晶質ポリマー、架橋ポリマ
ー、高力非結晶質ポリマーおよびかかるポリマーに添加
剤を加えたポリマーブレンドが知られている。例えば、
過熱や冷却をしている間に変態の光学的性質を繰り返す
良く知られた属性の結晶質ポリマーがある。同様に、溶
剤に曝された際に、光学特性に影響を与えるヒビ割れを
生ずるポリマーが存在する。このような好ましいポリマ
ー固有の特性にもかかわらず、光フアイバー装置の検出
媒体としてポリマー材料を用いたものはこれまで全く提
案されていない。

本発明の主たる目的は、上記先行技術の欠点を解消し、
光フアイバーセンサーと一緒に使用される検出媒体を提
供することにある。

本発明の他の目的は、環境の変化に応じて光学特性が変
化する環境応答性ポリマー材料およびこのポリマー材料
と組合せて環境特性の変化を感知および／または検出す
る光フアイバー装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、光学センサー、好ましくは光
フアイバーセンサーにおいて温度変化の　“表示に用い
られるために融点で光エネルギーまたは波エネルギーの
伝導率が変化する半結晶質の架橋ポリマー材料を提供す
ることにある。

本発明のさらに他の目的は、雰囲気中の相対湿度の変化
を測定し、かつ検出するための、好ましい環境応答性ポ
リマー材料と光学センサー、好ましくは光フアイバーセ
ンサーとの組合せからなる検出方法及び装置を提供する
ことにある。

本発明のさらに他の目的は、圧力、圧力／歪、溶解度、
放射エネルギー、方向、位置、流れ、音、加速度、光、
色、電解を含む多数の環境特性の変化を測定しかつ検出
するための、好ましくは半結晶質ポリマーからなるポリ
マー材料と好ましくは光フアイバーセンサーからなる光
学センサーとの組合せを提供することにある。

本発明によると、複数の環境特性を検出できる新規な検
出装置は、添加剤を含みあるいは含まない半結晶質また
は非結晶質ポリマーのいずれかを含む環境応答性ポリマ
ー材料を含み、そして光学センサー装置好ましくは光フ
アイバーセンサー装置との組合せからなる。環境応答性
ポリマー材料の利用は、光学特性の変化が予想可能であ
って待時可逆性を有し、従来の光フアイバーセンサーを
用いた監視に簡単に適用できることである。

ポリマーの不透明度が多数の環境条件に対して予想可能
で、かつ時として可逆的に変化する属性のあることは当
業者にとって周知である。事実、この現象はポリマーと
その混和物に固有なものであり、かかる現象を有するが
ゆえに、この種の材料は家庭用および産業用に広く用い
られている一つの理由でもある。本発明は、光フアイバ
ーシステムに好ましい環境応答性ポリマー材料を組合せ
ることによって上記知識を利用している。ポリマー材料
における不透明度の変化は、光ファイバー等の光学セン
サーで容易に検出することが可能であって、これによっ
て本発明の要旨である従前知られていない有用なハイブ
リットセンサーまたはモニターが提供される。

上述のように、本発明のポリマー／オプチカルセンサー
は種々の環境特性の測定に利用することができる。本発
明において用いられるポリマーの必須要件は、紫外線、
可視光線および赤外線を含む電磁波長域で光学的変換性
を有することである。

このように、本発明の光学センサーシステムは１００オ
ンダスト四−ムから１３．０００オングストロームに至
る光波長域で機能する。本発明が適用可能な環境特性を
すべて含むものではないが、その一部を検出する態様を
以下に説明する。本発明はポリマー材料と光フアイバー
センサーのような光学センサーとの新規かつ協働的な組
合せを利用した環境特性の測定を包含するものであるこ
とを理解されるであろう。

温度 本発明の光学／ポリマーセンサーは温度センサーとして
の用途にとりわけ好適である。第１図における符号１０
は、ある特定の架橋半結晶質ポリマーの強度と温度との
関係を示すグラフである。

この種のポリマーは、温度が上昇するにつれてその結晶
融解点における「融点Ｊ（Ｔｍ）を変化させずに通過す
る。この転移温度域において、波エネ１ ルギ伝導性の変化により不透明度が変化する（すなわち
、ポリマーは温度上昇とともに不透明から透明になる）
。特定ポリマーやポリマーブレンドを調整することによ
って、融点を任意に変更することが可能となる。例えば
、ポリマーブレンドあるいはポリマー混合物からなる光
学／ポリマーセンサーは、成分の混和性によって広範囲
の融点を有する。この混和性は、温度と共に変化し、そ
の結果として温度の上昇および下降を表示する。また、
ポリマーマトリックスにおける添加剤の可溶化によって
光エネルギまたは波エネルギの伝達レベルが温度の関数
として変化する。従って、環境変化に応じて不透明度が
変化する添加剤は、ポリマーと混合可能であって、この
ようにして得た混合物も本発明の環境応答性ポリマー材
料の一部に属する。例えば、８０重量％のパラフィンワ
ックス、ろう類または油は可逆的温度測定用のエチレン
ビニルアセテート等のポリマーマトリックスと融和性を
有することが分った。

架橋はセンサーシステムの再生能、予期能およ２ び可逆性について最も重要である。架橋によってポリマ
ーの形状が安定し、融解サイクルを繰り返す間の、たと
えばマイグレーション（移行）あるいは流れを防止する
。はとんどの非架橋ポリマーは光ファイバーの光通路か
ら流出するため、新規な可逆性を起させない。非架橋ポ
リマーの流れの特性は第１図の符号１２と１３で示され
ている。

すなわち、非架橋ポリマー１２は強度が小さく、分子の
流れおよび変形なぢ１き起すことになる。これに対し、
架橋ポリマー１３は高温においても形状が安定している
。

第２図には温度測定に適する本発明の一例である光学／
ポリマーセンサーまたはヒユーズが略示されている。ヒ
ユーズ１４は二又光ファイバープローゾ１６を含む光フ
アイバーセンサー装置からなり、二又光ファイバーブ四
−プ１６はハウジングまたはスリーブ１８に挿入された
保護カバー１７に収容されている。スリーブ１８はポリ
マー２０と反射面２２を収容している。通常ハウジング
１８は、温度を測定する物体（試料）と接触する。反射
面２２、ポリマー２０と光ファイバー１６との間は隙間
２４によって区別されている。

この隙間２４は加熱のときにおけるポリマー２０の熱膨
張を許容する役目を果たす。光フアイバーセンサー装置
は、さらに赤外線光源２８と検出手段３４を有する。光
源２８からの光は光伝達ファイバー束３０を通過してポ
リマー材料２０に達し、さらに該ポリマーを通過して反
射面２２に到達する。反射光は、続いてポリマー２０を
逆方向に通過し受光ファイバー束３２を通り検出手段３
４に入り、そこで光エネルギが電気出力３５に変換され
る。

非接触温度測定も第６図ないし第５図に示す方式および
装置を用いることにより遂行可能である。

第６図に示すように、感温ポリマー材料はコーティング
またはフィルム３６の形で回転体３８（例えばシャフト
、ロール等）に取付けられる。次に温度変化は二叉光フ
ァイバーケーブル４０によって上述と同様の方法で記録
される。同様に、例えばベルトに沿って熱処理される移
動体の温度監視も、また本発明の光学／ポリマーセンサ
ーによって行うことができる。第４図に示すように、感
温ポリマーコーティングまたはフィルム４２は、移動す
るベルト４６に載置された熱処理後の物体４４に設けら
れる。そして、光フアイバーケーブル４８は、上述のよ
うに温度変化を記録する。

第５図に示すように、例えばパイプのような広い範囲の
物体５０は、感温ポリマーフィルム５２で被覆される。

感温ポリマーフィルム５２の表面温度が（Ｔ１）から（
Ｔ２）に上昇するにつれてポリマーの不透明度が変化し
、かかる不透明度の変化を光フアイバーセンサー５４が
検出スる。

現在、産業または他の用途に対して二つの形式の温度検
出装置が最も高い情在性を有している。

第１の形式は、特定のポリマーまたはポリマーブレンド
の融点（Ｔｍ）あるいは応答温度（’［’ｒ）において
、所望温度を精確に検出する温度センサーまたはスイッ
チである。実際において、光ファイバーはポリマー固有
の融点での不透明度の変化を「監視」するために使用さ
れる。このように測５ 定する環境の温度が上昇するにつれて、ポリマーの構造
は予想可能でかつ可逆的に移行し、これに応じて不透明
度が変化する。この不透明度の変化は光ファイバーの光
源によ１つて監視され、人間または自動機器によって簡
単に読取ることができる電気出力に変換される。本発明
の実施例に用いるため、多数の異なったポリマー材料に
ついて適性実験を行った。特定のポリマーを選択する重
要な要素は、融解現象（例えば第１図の曲線１０の傾斜
）、架橋度および結晶度である。代表的な実験例を以下
に示す。

例　１ 第２図で示したのと同様の実験装置を用いた。

ハウジングまたはスリーブ１８は黄銅筒で、内径０．３
１８〜０．３２７ｔａｎ　（０，１２５〜０．１２９イ
ンチ）、壁厚０．０２５■（０，０１０インチ）、長さ
約１．２２ｍ　（０，４８０インチ）に構成した。この
ハウジング１８に直径０．３１８叫（０，１２５イン　
１゜チ）の光フアイバープローブ１６を止りパメで取付
けた。ポリマーサンプル２０は１０メガラッド６ の電子ビームで所望に架橋処理された純（１００％）ポ
リカシロラクトンで厚みは０．０７６　ｔｔｍ（０，０
３０インチ）に構成した。反射面として０．０１３■（
０，００５インチ）のアルミ反射シート２２を用いた。

最後にポリマーサンプルとプローブ１６の端部間の隙間
２４は０．０５８■（０，０２５インチ）とした。プロ
ーブ１６の端部な温度調節式のヒータブロックに挿入し
た。温度の監視は同じくヒータブロックに挿入した温度
計と熱伝対によって行った。赤外線光源（発光ダイオー
ド）からの光は伝達ファイバー束３０を通ってポリカプ
ロラクトンに達し、これを通過した後に反射面に到達し
た。反射光はポリマーを逆方向に通過してフォトダイオ
ード検出器に入り電気信号（電圧）に変換された。記録
装置が熱伝対から得た温度上昇に対する検出器から得た
電圧を同時に記録した。

第６図は１００％ポリカプロラドンサンプルの温度応答
曲線を示すもので、平均応答温度は約６８℃である。第
６図は電圧出力と温度との相関関係を示したもので、曲
線５５の略垂直部分がサンプルの融点（約６８°Ｃ）に
対応する。このポリカプロラドンサンプルが示す狭い温
度領域と垂直線は、精確な温度検出が可能な半結晶質架
橋ポリマーを示すものである。架橋していないサンプル
は流れて使用不可能であった。他のポリマーの「溶融温
度」すなわち応答温度（Ｔｒ）における応答を、ポリカ
プロラクトンサンプルと同様に記録しながら曲線をめた
。他のポリマーサンプルの応答温度（Ｔｒ）は次の通り
である。

ポリマー材料　融点（Ｔｍ　） ポリプロピレン　１６３°Ｃ アジピン酸ポリ１．４ゾチレン　５８°Ｃポリエチレン
キシド　６３．５°Ｃ アシヒン酸ポリエチレン　４９°Ｃ パラフィンワックス（融点５５°Ｃ）とエチレンビニル
アセテートポリマーとを７０：３０の割合で混合したポ
リマーブレンドの応答温度（Ｔｒ）は５６°Ｃであった
。

第２の形式の温度検出装置は、上述の「スイッチ」ある
いは「ヒユーズ」の型とは異なり、例えばポリ塩化ビニ
ル（ｐｖｏ）で変性したゴムにおいて見い出される、温
度に対する光伝達率のアナログ的な応答を利用するもの
である。

アナログ的温度応答の代表例は、第７図で示されており
、これはＰ■０変性ゴムについて電気信号（電圧）に変
換した光伝達率と温度（摂氏）の関係を示したものであ
る。ＰＶＯ変性ゴムの不透明度は、２つの成分の屈折率
の差が増大するにつれて増大することが理論的に判明し
ている。換言すると、屈折率はその’ｆｇ以上であるた
めにゴムに対して急速に変化する。ｐｖａに対して屈折
率も変化すると同時に、この変化はガラス状態（Ｔｇよ
り小）のポリマーである故に低速で変化する。温度上昇
とともに屈折率の差が増大する結果、ポリマーセンサー
の不透明度は増大し、そのため光の出力は第７図に示す
ように低下する。

湿度 本発明のポリマー／光学センサーは、湿度監視に用いる
ときにも有用である。ある種のポリマー９ （例えばポリビニルブチラール、ナイロン等）は吸水率
が著しく高い（２％より大きい）。吸水された水沫ポリ
マー／水システムの光伝達特性を変化させることがよく
知られている。同様に、吸湿性塩またはポリマーの添加
剤が吸水力を増大させ、そして光伝達率を変化させるこ
とが知られている。吸水率は、周囲の雰囲気の相対湿度
に直接関係している。

湿度の測定は、第８図および第８Ａ図に示す方法および
装置によって行なわれる。プラスチックセンサー５８は
、平衡吸水率に迅速に達することのできる薄いフィルム
または成形部材から成る。

第８図において、ハウジング６０は第８Ａ図に示すよう
なケース状のホルダーからなり、湿気を含む空気が通過
して、ポリマーセンサー５８に到達し易いように構成さ
れている。湿度センサーと同様に二叉光ファイバーセン
サー６２には、ハウジング６０が取付けられている。こ
のように、赤外線光源（図示せず）からの光は、ポリマ
ーセンサーサンプル５８を通過して、反射面６４で反射
さ０ れて光ファイバーを逆行し、最終的に電気信号に変換さ
れて分析される。ポリマー／光学センサーで湿度測定を
するための装置の一例は第８図および第８Ａ図で説明し
たが、他の装置も利用可能である。

上記説明でみたように、環境変化に応答して不透明度あ
るいは光学特性が変化するポリマー／光学センサーは、
従来の光フアイバー装置と組合されることによって、様
々な監視および検出作業に好適であることが明白である
。

応力 ポリマーは応力を受けた際に複屈折パターンを呈するこ
とが知られている。適切なポリマーで構成された二次的
環境応答装置を備えた光フアイバーケーブルは、偏光光
線を光源として使用することが企図される。このよ）に
応力または圧力の変化は、複屈折パターンの変化として
与えられ、そしてこの結果電気信号に変換される。

同様に、太陽放射熱およびイオン化放射線用の線量計ま
たはセンサーもまたポリマー／光学センサーの組合せで
構成することができる。すなわち、ある種のポリマーは
放射エネルギに曝されると崩壊反応を起す（劣化する）
ことが知られている。

かかる崩壊現象は表面の変化あるいは塊状ポリマーの色
変化として認められる。これらの崩壊現象は、光センサ
−システムにおける光伝達率の変化としてとらえること
ができる。

溶剤 ある種のポリマーは溶剤と接触するとヒビ割れ現象を起
こすことが知られている。このヒビ割れによって、光は
散乱し、光伝達率は著しく低下する。先の実験において
、厚さ０．２５４　ｗｎ　（０−１００インチ）の射出
成形によるポリスチレンセンサーを反射面を有する二叉
ファイバープローブの下に置いて、電圧の記録０．４６
を得た（最大電圧出力１．０）。その後、アセトンをポ
リマーサンプルに落したところ光伝達率は０（零）にな
った。ポリマーサンプルを収容スるハウジングは湿度セ
ンサーで用いたハウジング６０と同一であるこトカ好ま
しい。かかる溶剤センサーは、もれ、リークの検出やガ
ス濃度検出その他に極めて有用である。

本発明のポリマー／光学センサーは、方向、位本発明は
温度および湿度を可逆的に検出する先行技術において、
いままでにない新しい利点を有する。しかしながら、あ
る種の環境特性は新しいポリマーサンプルを調整しなけ
れば可逆的とはならない。例えば、放射エネルギ（太陽
光）や溶剤によるヒビ割れは、ポリマーを非可逆的に崩
壊（劣化）させる。

上記説明において、光学検出装置として光フアイバーシ
ステムという用語を用いたが、これに限定されるもので
はなく、検出装置として目視可能な感光フィルムとレザ
ー光源、太陽光源あるいは他の光源を組合せてなる他の
光学装置を用いることもできる。

好ましい実施例について説明したが、本発明の精神およ
び範囲を逸脱することなく様々な変形が可能である。従
って、本発明は図示の実施例に限定されるものではない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的な手詰晶質ポリマーの温度と強度の関係
を示す曲線グラフ・図； 第２図は本発明のポリマー／光学センサーを示す概略図
； 第６図は本発明による回転物体用ポリマー／光学センサ
ーを示す概略図： 第４図は本発明による移動物体用ポリマー／光学センサ
ーを示す概略図； 第５図は本発明による広範囲検出用ポリマー／光学セン
サーを示す概略図； 第６図は本発明による代表的なポリカシロラクトンの出
力と温度の関係を示す曲線グラフ図；第７図は本発明に
よる変性ポリ塩化ビニルのアナログ的温度応答曲線を示
すグラフ図；第８図は本発明に１″湿度用ポリ゛−／光
学″１ンサーの概略図； 第８Ａ図は第８図のセンサーの部分拡大図；そ３ して 第９図は本発明による温度用ポリマー／光学センサーの
他の実施例を示す概略図である。 １４・・・ポリマー／光学センサー、 １６・・・光ファイバージロープ、 １８・・・ハウジング、 ２０・・・ポリマー、 ２２・・・反射面、 ２８・・・光源、 ３４・・・検出手段、 ３５・・・電気出力。 代理人　浅　村　皓 ４ ゛植１　図 繁３図 １廣（約り イ６図 １友ａｃ ′ｖ１７１￥１

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ファイバー°センサー手段、および環境の変化
   に応じて光学特性が変化する環境応答性ポリマー材料を
   備え、前記環境応答性ポリマー材料が前記光フアイバー
   センサ一手段に連結されて゛おり、前記環境応答性ポリ
   マー材料の光学特性の変化を引き起す環境の変化を前記
   光ファイバーセ：／サ一手段によって検出し表示するこ
   とを特徴とする環境変化を検出するための装置。
2. （２）前記環境応答性ポリマー材料の光学特性が環境の
   変化に応じて可逆的に変化することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の装置。
3. （３）前記環境応答性ポリマー材料が半結晶質ポリマー
   からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   装置。
4. （４）前記環境応答性ポリマー材料が架橋ポリマーから
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置
   。
5. （５）前記環境応答性ポリマー材料が高力非結晶質ポリ
   マーからなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の装置。
6. （６）前記環境応答性ポリマー材料が有機ポリマーとワ
   ックス、ろう類および油のいずれか一つからなる添加剤
   との融合体からなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の装置。
7. （７）前記添加剤がワックスからなることを特徴とする
   特許請求の範囲第６項記載の装置。
8. （８）　前記環境応答性ポリマー材料がポリカプロラク
   トン、ポリプロピレン、アジピン酸ポリ１．４ブチレン
   、ポリエチレンオキサイド、アジぎン酸ポリエチレン、
   ゴム改質ポリ塩化ビニルおよびワックス添加エチレンビ
   ニルアセテートのうちいずれか一つからなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
9. （９）前記光フアイバーセンサーが、少なくとも一本の
   第１光伝達フアイバー及び少なくとも一本の第２光伝達
   フアイバーと、前記環境応答性ポリマ−材料を収容し、
   かつ前記第１および第２光伝達フアイバーの一端を収受
   するハウジングと、前記第１光伝達フアイバーに連結さ
   れた光源および前記第２光伝達フアイバーに連結された
   光検知手段とを備え、前記第１光伝達フアイバーによっ
   て伝達された光源からの光が前記環境応答性ポリマー材
   料を通過して前記第２光伝達フアイバーに伝達されるよ
   うに前記環境応答性ポリマー材料をハウジング内に配設
   してなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 ００）前記第１および第２光伝達フアイバーの一端部と
   前記環境応答性ポリマー材料との間に隙間が設けられて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の装置
   。 ０１）前記光検知手段に連結されて光源からの光を電気
   出力に変換する変換器を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第１０項記載の装置。 α渇　前記ハウジングが反射器を含み、該反射器と前記
   ファイバーの一端部は前記環境応答性ポリマー材料の反
   対側に配置され、しがして前記第１光伝達フアイバーか
   らの光は前記環境応答性ポリマー材料を通過し、前記ポ
   リマー材料を経て前記第２光伝達フアイバーに反射され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の装置。