JPS62184332A - テ−パ導波路型液体検知器 - 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］ 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
の法的規制等によっ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ァイバ
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の両端に光ファイバを接続し、これら光フ
ァ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で全反射し外部へ波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である。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ｇ４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。

従って、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
形杖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った。すなわち、導波路の端部に
光ファ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ァイバのコアと略
同−の約５０μｍ前後とされ、このため液体検知部とし
ての導波路露出部の面積は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った
問題が生じ、生産性、再現性が低いという欠点があった
。

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（いという問題もあった。

［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、且う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域側されるので
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６０μ閣の光ファイバ
を接続する場合は、導波路の入射端部径を約６０μ醜と
じ、テーパ領域の最大幅を２００〜４００μ腸程度とす
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２０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
来に比べて太き（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ァ
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れれ
、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　例コ 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、プラスチック等の透光性基板１１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１１
Ａ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１２Ｂ１テーパ路１２Ｃ２
拡大路１２Ｄの各部分で構成される。入出射路１２Ａ、
１２Ｂの端面には光ファイバ１５Ａ、１５Ｂがそれぞれ
接続され、入射側の光ファイバ１５Ａの他端は光源に接
続され、−また出射側の光ファイバ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
接続ファイバ１５Ａ、１５Ｂのコア径に略等しく、−例
として５０μｍ前後とする。この入出射路１２Ａ、１２
Ｂの先端からテーパ路１２Ｃが続き、このテーパ路１２
Ｃはその断面径が軸線方向に直線的に拡大しており、−
例として入口端と出口端との径比を約３倍にしである。

そしてテーパ路１２Ｃ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θよ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ァイバ
１５Ａを通して導波路１２の入射路１２Ａに入射させる
と、第２図に示すように入射路１２Ａ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
分はほぼ平行に揃っ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
から光ファイバ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１
４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波
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０２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０１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っては、第３図に
示すように、透明性基板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っ
て除去し、該面を鏡面研磨仕上げすることによって拡大
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１２Ｄの幅
が充分大きいので、切り込み深さに多少の誤差があって
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、場合によってはこの被覆層１４
を省略することもできる。

［発明の効果コ 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。

また液体検出部の導波路露出部における導波路の幅を、
接続光ファ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１２・・・・・・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・・・・・・光ファイバ　１６・・・・
・・光線特許出願人　工業技術院長　等々力　達第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）透光性基板に光導波路を設け、この導波路途中に露
   出部を形成して該露出部への液体付着によって生じる導
   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っており、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。