特許 6332790 光ファイバセンサ装置及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6332790

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年5月30日

(54)【発明の名称】光ファイバセンサ装置及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/41 20060101AFI20180521BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20180521BHJP

   G01N 21/59 20060101ALI20180521BHJP

   G01N 21/64 20060101ALI20180521BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/41 A

   G01N21/27 D

   G01N21/59 C

   G01N21/64 F

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-43340(P2014-43340)

(22)【出願日】2014年3月5日

(65)【公開番号】特開2015-169486(P2015-169486A)

(43)【公開日】2015年9月28日

【審査請求日】2017年3月1日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （集会名） 平成２５年 電子情報通信学会 通信ソサイエティ大会 （開催日） 平成２５年９月１７日

(73)【特許権者】

【識別番号】598123138

【氏名又は名称】学校法人 創価大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 一弘

(72)【発明者】

【氏名】関 篤志

(72)【発明者】

【氏名】合谷 賢治

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 俊明

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２９２４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５９９５６８６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０２８０９５４８（ＣＮ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／１１１３２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００８０５０２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７−２１／６１

Ｇ０１Ｎ ２１／６４

Ｇ０２Ｂ ６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバと、該光ファイバの側面に一対の開口端を有し、該一対の開口端を該光ファイバのコアを通って連通させるように該光ファイバに形成された少なくとも１つの孔とを備えており、前記孔に測定対象の液体を進入させた状態で、該光ファイバの一端から該光ファイバに光を入射したときに、前記孔を経由して該光ファイバから出射される光を前記液体の特性の測定用の光として出力する光ファイバセンサ装置であって、
前記孔は、該孔を素材の光ファイバの側面のうち、該孔の一端側開口端の配置箇所と他端側開口端の配置箇所とのそれぞれから、該光ファイバのコアで互いに連通するように該コアに向かって非貫通に各々延在する一端側部分孔と他端側部分孔とにより構成されていることを特徴とする光ファイバセンサ装置。

【請求項2】

請求項１記載の光ファイバセンサ装置において、
前記一端側部分孔と他端側部分孔とは、それぞれの軸心が交差するように設けられていることを特徴とする光ファイバセンサ装置。

【請求項3】

光ファイバと、該光ファイバの側面に一対の開口端を有し、該一対の開口端を該光ファイバのコアを通って連通させるように該光ファイバに形成された少なくとも１つの孔とを備えており、前記孔に測定対象の液体を進入させた状態で、該光ファイバの一端から該光ファイバに光を入射したときに、前記孔を経由して該光ファイバから出射される光を前記液体の特性の測定用の光として出力する光ファイバセンサ装置であって、
前記光ファイバは、マルチモード光ファイバであり、前記光ファイバの軸心方向に間隔を存して複数の前記孔が配列されており、該複数の孔は、前記光ファイバの軸心方向で見たとき、互いに交差する方向に延在する２つ以上の孔を含むことを特徴とする光ファイバセンサ装置。

【請求項4】

光ファイバと、該光ファイバの側面に一対の開口端を有し、該一対の開口端を該光ファイバのコアを通って連通させるように該光ファイバに形成された少なくとも１つの孔とを備えており、前記孔に測定対象の液体を進入させた状態で、該光ファイバの一端から該光ファイバに光を入射したときに、前記孔を経由して該光ファイバから出射される光を前記液体の特性の測定用の光として出力する光ファイバセンサ装置の製造方法であって、
素材の光ファイバの側面のうち、前記孔の一端側開口端の配置箇所にフェムト秒レーザのレーザ光を照射することにより該一端側開口端の配置箇所から前記素材の光ファイバのコアまで連通する一端側部分孔を穿設する第１工程と、前記素材の光ファイバの側面のうち前記孔の他端側開口端の配置箇所にフェムト秒レーザのレーザ光を照射することにより該他端側開口端の配置箇所から前記素材の光ファイバのコアまで連通する他端側部分孔を穿設する第２工程とを備え、前記第１工程及び第２工程のうちの少なくともいずれか一方の工程は、前記一端側部分孔及び他端側部分孔を前記コアで連通させるように、前記レーザ光の照射を行うことを特徴とする光ファイバセンサ装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバを用いて構成されるセンサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

液体の屈折率、含有物質の種類等、該液体の特性を測定することは、化学薬品等の製造工程、医療検査、農産物の糖度等の品質検査、環境計測、あるいは、水もしくは油等の漏洩検出等、種々様々な分野で必要性が高い技術である。

【0003】

この種の測定技術として、例えば特許文献１に見られる如き分光光度計を使用する技術が従来より一般に知られている。

【0004】

上記特許文献１に見られる分光光度計では、光源からスリット、回折格子、分光器、反射鏡等を介して試料セル内の被測定試料と参照試料とに交互に照射される。そして、該分光光度計では、これらの試料を透過した光を検出器で検出することで、被測定試料における光の吸光度（種々の波長毎の吸光度）が測定される。

【0005】

また、例えば非特許文献１には、シングルモードの光ファイバの側面からコアに至る微小孔（microhole）をフェムト秒レーザにより穿設した構造のセンサにより液体の屈折率を計測する技術が提案されている。

【0006】

この技術では、光ファイバに穿設した微小孔に液体を進入させた状態で、光ファイバの一端から該光ファイバに光が入射される。そして、微小孔を経て光ファイバの他端から出射する光を受光して、該光ファイバにおける光の伝送率を計測することで、微小孔内の屈折率が測定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１０−１０７４０２号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Refractive index sensor based on a microhole in single-mode fiber created by the use ob femtosecond laser micromachining；Ying Wang, 他３名 / OPTICS LETTEERS / Vol.34, No.21 / November 1, 2009

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

種々様々な液体の屈折率等の特性を測定する場合、その測定を種々様々な環境下で簡易に行うことができることが望まれる。

【0010】

しかるに、特許文献１に見られる如き分光光度計を使用する測定手法では、スリット、回折格子、分光器、反射鏡、試料セル等の多数の光学系要素が必要となる。さらに、安定な測定精度を実現するためには、光学系要素等を保持する高剛性の保持機構も必要となる。

【0011】

このため、分光光度計を使用する測定手法では、測定システムが大型で複雑なものとなり、あるいは、高価なものとなりやすい。さらに、測定システムにおける光路の安定性を確保するために、測定環境が限定され、種々様々な環境下で、精度のよい測定を行うことが困難である。

【0012】

一方、特許文献２に提案されている技術によれば、測定システム自体は、簡易な構成のもので済む。しかしながら、当該技術では、光ファイバに穿設される微小孔は、実質的にその一端だけが光ファイバの側面で開口している孔となっている。

【0013】

このため、測定対象の液体を微小孔内に進入させることが難しく、その作業に手間がかかったり、あるいは、その作業のための専用の治具が必要となるという不都合がある。あるいは、測定対象の液体が極めて低粘度の液体に限定されてしまうという不都合がある。

【0014】

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、種々様々な環境下で、液体の特性測定を簡易に行うことを可能とする光ファイバセンサ装置を提供することを目的とする。

【0015】

また、このような光ファイバセンサ装置を容易に製造することができる方法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】

【0016】

本発明の光ファイバセンサ装置は、上記目的を達成するために、光ファイバと、該光ファイバの側面に一対の開口端を有し、該一対の開口端を該光ファイバのコアを通って連通させるように該光ファイバに形成された少なくとも１つの孔とを備えており、前記孔に測定対象の液体を進入させた状態で、該光ファイバの一端から該光ファイバに光を入射したときに、前記孔を経由して該光ファイバから出射される光を前記液体の特性の測定用の光として出力することを基本構成とする。

【0017】

かかる基本構成によれば、光ファイバに形成された孔は、該光ファイバの側面に一対の開口端を有する。このため、該孔のいずれか一方の開口端から液体が進入しようとすると、他方の開口端から孔内のガスが流出できる。従って、光ファイバの孔の形成部分を測定対象の液体に浸漬させたり、あるいは、該孔のいずれかの開口端に測定対象の液体を滴下することで、孔内に液体を円滑に進入させることが可能である。

【0018】

そして、測定に際しては、孔内に測定対象の液体を進入させた状態で、光ファイバにその一端から光を入射する。このとき、孔を経由して光ファイバから出射する光は、その強度あるいはスペクトル分布（波長分布）等が、孔内の液体の特性（屈折率、光の吸収度等）に応じて変化する。このため、孔を経由して光ファイバから出射する光を利用して、孔内の液体の特性を測定することが可能となる。

【0019】

この場合、光の光路が光ファイバにより構成されるので、種々様々な環境下で、測定用の光路を容易に確保することができる。また、測定対象の液体を孔内に進入させることを上記の如く容易に行うことができる。

【0020】

従って、上記基本構成によれば、種々様々な環境下で、液体の特性測定を簡易に行うことが可能となる。

【0021】

上記基本構成では、前記孔の内周面は、粗面に形成されていることが好ましい。

【0022】

これによれば、孔の内周面等で液体の表面張力が生じ難くなるので、該孔内に測定対象の液体を進入させることをより容易に行うことができる。

【0023】

上記基本構成を有する本発明の第１の態様では、前記孔は、該孔を素材の光ファイバの側面のうち、該孔の一端側開口端の配置箇所と他端側開口端の配置箇所とのそれぞれから、該光ファイバのコアで互いに連通するように該コアに向かって非貫通に各々延在する一端側部分孔と他端側部分孔とにより構成されていることを特徴とする。

【0024】

これによれば、光ファイバセンサ装置の製造にあたって、前記孔を構成する一端側部分孔と他端側部分孔とを個別に形成することができる。そして、この場合、各部分孔の長さ（深さ）は、光ファイバの半径程度の長さで済む。

【0025】

このため、光ファイバにクラック等の損傷が生じるのを防止しつつ、レーザ等により孔を形成することを容易に行うことができる。

【0026】

この場合、前記一端側部分孔と他端側部分孔とは、それぞれの軸心が交差するように設けられていることが好ましい。

【0027】

これによれば、前記孔は、光ファイバのコアにて前記一端側部分孔と他端側部分孔とが連通する箇所で折れ曲がるように形成されることとなる。そして、測定に際して、前記孔の折れ曲がり箇所が該孔の一対の開口端よりも低い位置になるように光ファイバを配置するだけで、該孔に進入させた測定対象の液体が該孔から流出するのを防止できる。

【0028】

このため、信頼性の高い測定を安定且つ容易に行うことができる。

【0029】

また、本発明の第２の態様では、前記光ファイバは、マルチモード光ファイバであり、前記光ファイバの軸心方向に間隔を存して複数の前記孔が配列されており、該複数の孔は、前記光ファイバの軸心方向で見たとき、互いに交差する方向に延在する２つ以上の孔を含むことを特徴とする。

【0030】

この発明によれば、前記光ファイバのコア中を伝播する多モードの光のうち、前記２つ以上の孔のそれぞれに作用する光のモードを互いに異ならせることができる。

【0031】

このため、孔の個数が１つである場合、あるいは、複数の孔の軸心方向を互いに同一にした場合に比べて、光ファイバに入射する光を効率よく利用することができる。ひいては、光ファイバから出射される光に基づく前記液体の特性の測定に関するＳ／Ｎ比、あるいは、感度を高めることができる。

【0032】

また、前記２つ以上の孔のそれぞれに各別の特性の液体を注入することで、各孔内の液体に互いに異なるモードの光を作用させることができるので、それぞれの液体に作用するモードの出射光に基づいて、それぞれの液体の特性を測定することもできる。

【0033】

また、本発明の光ファイバセンサ装置の製造方法は、前記基本構成の光ファイバセンサ装置の製造方法であって、素材の光ファイバの側面のうち、前記孔の一端側開口端の配置箇所にフェムト秒レーザのレーザ光を照射することにより該一端側開口端の配置箇所から前記素材の光ファイバのコアまで連通する一端側部分孔を穿設する第１工程と、前記素材の光ファイバの側面のうち前記孔の他端側開口端の配置箇所にフェムト秒レーザのレーザ光を照射することにより該他端側開口端の配置箇所から前記素材の光ファイバのコアまで連通する他端側部分孔を穿設する第２工程とを備え、前記第１工程及び第２工程のうちの少なくともいずれか一方の工程は、前記一端側部分孔及び他端側部分孔を前記コアで連通させるように、前記レーザ光の照射を行うことを特徴とする。

【0034】

この製造方法によれば、フェムト秒レーザを使用して前記孔を構成する一端側部分孔及び他端側部分孔を素材の光ファイバに穿設することで、該光ファイバにクラック等の損傷を発生させることなく、前記孔を容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】（ａ）は第１実施形態の光ファイバセンサ装置の要部の斜視図、（ｂ）は該光ファイバセンサ装置の孔の箇所の縦断面図。

【図2】（ａ）第１実施形態の光ファイバセンサ装置の孔の箇所の撮像画像の例を示す図、（ｂ）は該孔の一部の拡大撮像画像を示す図。

【図3】実施形態の光ファイバセンサ装置を用いて構成される測定システムの例を示す図。

【図4】（ａ），（ｂ）は、第１実施形態の光ファイバセンサ装置を使用した第１の測定例により得られた測定データを示すグラフ。

【図5】第１実施形態の光ファイバセンサ装置を使用した第２の測定例により得られた測定データを示すグラフ。

【図6】（ａ），（ｂ）は第１実施形態の光ファイバセンサ装置を使用した第３の測定例により得られた測定データを示すグラフ。

【図7】（ａ），（ｂ）は第１実施形態の光ファイバセンサ装置を使用した第３の測定例により得られた他の例の測定データを示すグラフ。

【図8】第２実施形態の光ファイバセンサ装置を示す断面図。

【図9】第３実施形態の光ファイバセンサ装置を示す斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0036】

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を以下に図１から図７を参照して説明する。

【0037】

図１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の光ファイバセンサ装置１は、その基体としての光ファイバ２を有する。この光ファイバ２は、本実施形態ではマルチモード光ファイバであり、その中心部の光導波路を形成するコア２ａと、該コア２ａの周囲のクラッド２ｂとを有する。

【0038】

光ファイバ２は、その全長のうちの一部（所定長部分）がセンサ本体部２ｘとなっている。このセンサ本体部２ｘの光ファイバ２に複数の孔３が形成されている。これらの孔３は、光ファイバ２の軸心方向に一定間隔で並ぶように配列されている。なお、孔３の個数は、１個であってもよい。

【0039】

各孔３は、光ファイバ２の側面（クラッド２ｂの外周面）で開口する一対の開口端４ａ，４ｂを有し、その一対の開口端４ａ，４ｂを、光ファイバ２のコア２ａを通って連通させるように形成されている。

【0040】

具体的には、各孔３は、その一端側開口端４ａの配置箇所と他端側開口端４ｂの配置箇所とのそれぞれから、光ファイバ２のコア２ａに向かって各々非貫通に穿設された一端側部分孔３ａと他端側部分孔３ｂとにより構成されている。これらの部分孔３ａ，３ｂは、光ファイバ２のコア２ａで互いに連通するように穿設されている。

【0041】

より詳しくは、本実施形態では、各孔３を構成する一端側部分孔３ａと他端側部分孔３ｂとは、光ファイバ２の直径方向に互いに同軸心に形成されている。従って、各孔３は、光ファイバ２の直径方向に１直線状に延在するように形成されている。また、各孔３の一対の開口端４ａ，４ｂは、光ファイバ２の周方向に１８０°の位相をずらして該光ファイバ２の側面に配置されている。

【0042】

さらに、各孔３を構成する一端側部分孔３ａと他端側部分孔３ｂとは、それぞれの開口端４ａ，４ｂ側からコア２ａに向かって概略縮径するように形成されている。さらに、図２（ｂ）に例示するように、各孔３の内周面は粗面に形成されている。この粗面は、その凹凸の深さが数十から数百ｎｍ程度となるナノ構造の粗面に形成される。一例として、該粗面を粒状隆起構造の粗面とみなした場合、隆起部の平均半径が１００ｎｍ程度となる粗面が形成される。

【0043】

上記の如き各孔３は、例えばフェムト秒レーザを使用して次のように作成される。すなわち、光ファイバ２（孔３の穿設前の素材の光ファイバ）の側面のうち、孔３の一端側開口端４ａの配置箇所に、フェムト秒レーザによるレーザ光を光ファイバ２の直径方向に照射することで、一端側部分孔３ａを穿設する。このように一端側部分孔３ａを穿設する工程が第１工程である。

【0044】

次いで、孔３の他端側開口端４ｂの配置箇所（すなわち、一端側開口端４ａから光ファイバ２の周方向に１８０°の位相をずらした箇所）に、フェムト秒レーザによるレーザ光を光ファイバ２の直径方向に照射することで、他端側部分孔３ｂを穿設する。このとき、レーザ光は、他端側部分孔３ｂを一端側部分孔３ａに連通させるように光ファイバ２に照射される。このように他端側部分孔３ｂを穿設する工程が第２工程である。

【0045】

これにより、各孔３が形成される。この場合、一実施例として、各孔３の一端側部分孔３ａ及び他端側部分孔３ｂを穿設するときのフェムト秒レーザの動作条件は、例えば次のような動作条件が採用される。

【0046】

照射エネルギー：１７μＪ／パルス、繰り返し周波数：１０００Ｈｚ、総パルス数：８００、レーザ波長：４００ｎｍ、パルス幅：２１０ｆｓ。

【0047】

実施例では、例えばコア２ａ及びクラッド２ｂの直径がそれぞれ６２．５μｍ、１２５μｍの光ファイバ２（マルチモード光ファイバ）に、上記動作条件にて、各孔３を形成することによって、開口端４ａ，４ｂでの径が１６．２μｍ、コア２ａの中心部での径が８．５μｍの孔３を作成できた。なお、複数の孔３を形成する場合、例えば、０．５μｍの間隔で複数の孔３を形成することができる。

【0048】

上記の如く各孔３を形成する場合に、一端側部分孔３ａと他端側部分孔３ｂとの位置合わせ正確に行うために、レーザ光の照射軸方向とこれに直交する横方向との２方向からレーザ光を照射箇所をカメラにより観測することが望ましい。

【0049】

また、孔３を穿設する光ファイバ２を固定した可動テーブルが、３軸方向に動き得ることに加えて、該可動テーブルを光ファイバの軸心方向周りに精度よく所望の角度に回転させ得る機構を採用することが望ましい。

【0050】

図２（ａ）はこのようにして作成された１つの孔３の全体の縦断面の撮像画像を示し、図２（ｂ）は該孔３の一部の詳細撮像画像を示している。図２（ｂ）に示すように、孔３の内周面は粗面に形成されている。

【0051】

なお、各孔３の作成にあたって、例えば２台のフェムト秒レーザを使用して、一端側部分孔３ａ及び他端側部分孔３ｂを同時に穿設するようにしてもよい。

【0052】

次に、本実施形態の光ファイバセンサ装置１を使用した測定システムの例を図３を参照して説明する。

【0053】

図３に示す測定システム１０は、上記センサ本体部２ｘを備える光ファイバ２に入射する光を出力する光源１１と、光ファイバ２から出射する光を受光する光検出器１２とを備える。

【0054】

光源１１は、光ファイバ２の一端から該光ファイバ２に光を入射すべく、光ファイバ２の一端に接続される。この光源１１としては、例えば多波長光としての白色光を出力する白色光源もしくは多波長光源、あるいは、所定波長のレーザ光を出力するレーザ光源が使用される。

【0055】

光検出器１２は、光ファイバ２の他端から出射する光を受光すべく、光ファイバ２の他端に接続される。この光検出器１２としては、例えばスペクトルアナライザ（分光器）等が使用される。

【0056】

なお、図示の測定システム１０では、光検出器１２は、パーソナルコンピュータ１３（以降、単にＰＣ１３という）に接続されている。そして、該光検出器１２の計測データをＰＣ１３に取り込んで、データ解析等をすることが可能となっている。

【0057】

また、光ファイバ２の中間部のセンサ本体部２ｘの両端部分（光ファイバ２の軸心方向の両端部分）は治具１４に装着される。この治具１４により、センサ本体部２ｘは、直線状に張設された状態で保持される。そして、この治具１４を動かすことで、センサ本体部２ｘを移動させたり、センサ本体部２ｘを測定対象の液体Ａに浸漬させたりすることが可能となっている。

【0058】

かかる測定システム１０による測定は次のように行われる。すなわち、光ファイバセンサ装置１のセンサ本体部２ｘを治具１４により保持した状態で、該センサ本体部２１ｘが、測定対象の液体Ａに浸漬される。これにより、液体Ａが、センサ本体部２１ｘの各孔３に進入し、該孔３に充填される。

【0059】

この場合、各孔３は、前記した如く、その両端が開口端４ａ，４ｂとなっている。このため、開口端４ａ，４ｂの一方の開口端４ａ又は４ｂから液体Ａが進入するときに、他方の開口端４ｂ又は４ａから孔３内のガス（空気）が流出できる。

【0060】

しかも、各孔３の内周面が粗面に形成されている。このため、各孔３の内周面での液体Ａの表面張力が生じ難くなる。

【0061】

その結果、センサ本体部２１ｘを液体Ａに浸漬させるだけで、各孔３に測定対象の液体Ａを円滑に進入させることができる。

【0062】

また、各孔３の体積は十分に微小（実施例では、２０ピコ・リットル程度）であるので、測定対象の液体Ａの量が少なくても、１つ又は複数の孔３に、液体Ａを充填させることができる。

【0063】

上記の如くセンサ本体部２１ｘの孔３に測定対象の液体Ａを充填した状態で、光源１１により光ファイバ２の一端から光を入射する。

【0064】

光ファイバ２に光源１１から入射した光は、光ファイバ２のコア２ａ内を他端側に向かって進行し、光ファイバ２の他端から出射する。このとき、該光は、センサ本体部２ｘにて各孔３を経由（透過）して進行する。

【0065】

そして、光ファイバ２の他端から出射した光が光検出器１２で受光され、該光検出器１２により、出射光の強度、スペクトル分布（波長分布）等が測定される。

【0066】

ここで、液体Ａが充填された各孔３での光の屈折率、あるいは、光の吸収度等が液体Ａの成分、種類等の該液体Ａの特性に依存して変化する。このため、光検出器１２で受光される光の強度、スペクトル分布等も液体Ａの特性に依存して変化する。

【0067】

従って、光検出器１２の測定データ（受光強度、スペクトル分布等）に基づいて、液体Ａの特性を測定することができる。

【0068】

以下により具体的な測定例を説明する。

【0069】

［測定例１］
前記実施例の光ファイバ２のセンサ本体部２ｘを、屈折率が互いに相違する複数種類の液体のそれぞれに浸漬させることで、各種類の液体毎に、該液体をセンサ本体部２ｘの各孔３に充填した。

【0070】

上記複数種類の液体は、水（屈折率１．３３）、エタノール（屈折率１．３６）、パラフィンオイル（屈折率１．４８）の３種類である。

【0071】

そして、前記光源１１、光検出器１２として、それぞれ白色光源、スペクトルアナライザを使用した測定システム１０によって、各種類の液体毎に、光ファイバ２の一端から白色光を入射し、該光ファイバ２の他端から出射する光のスペクトル分布を測定した。

【0072】

その測定結果を示すグラフが図４（ａ），（ｂ）に示されている。図４（ａ）は、各種類の液体毎に測定された、光の波長λと、光ファイバ２を透過した光の強度である透過光強度（光検出器１２で受光される出射光の強度）との関係を示すグラフ、図４（ｂ）は、特定波長（例えば８５０ｎｍ）における、液体の屈折率と透過光強度との関係を示すグラフである。

【0073】

なお、図４（ａ），（ｂ）の縦軸の透過光強度は、光ファイバ２の各孔３が空洞となっている状態（各孔３に空気が充填されている状態）での透過光強度を基準とする相対強度（比率）をデシベル単位で示すものである。また、この測定例では、センサ本体部２ｘに形成されている孔３の個数は、１０個である。

【0074】

図４（ａ）に示すように、幅広い波長範囲で、液体の屈折率の相違に応じて透過光強度が顕著に変化することが判る。そして、１つの特定波長、例えば８５０ｎｍに着目したとき、図４（ｂ）に示すように、透過光強度は、液体の屈折率に対してほぼリニアに変化することが判る。

【0075】

このように、センサ本体部２ｘの各孔３に充填する液体の屈折率に依存して、透過光強度が変化する。

【0076】

従って、測定システム１０により測定される透過光強度に基づいて、各孔３に充填された液体の屈折率、あるいは、該液体の種類を同定することができることとなる。

【0077】

なお、各孔３に充填された液体の屈折率、あるいは、該液体の種類を特定する場合、光ファイバ２に入射する光は、白色光である必要はなく、単一の波長（例えば８５０ｎｍ）のレーザ光を使用してもよい。その場合には、光ファイバ２の出射光のスペクトル分布を測定せずとも、透過光強度に基づいて、液体の屈折率、あるいは種類を同定できる。

【0078】

補足すると、測定対象の液体の屈折率の相違に対する透過光強度の変化の感度は、センサ本体部２ｘに形成された孔３の個数に応じて変化し、基本的には、該個数が多いほど、当該感度が高まる。

【0079】

［測定例２］
前記実施例の光ファイバ２のセンサ本体部２ｘを、蛍光物質であるローダミン（詳しくは、ローダミン６Ｇ）を含有するエタノール溶液（以降、単にローダミンエタノール溶液という）に浸漬させることで、該ローダミンエタノール溶液をセンサ本体部２ｘの各孔３に充填した。なお、この測定例では、ローダミンエタノール溶液の組成は、ローダミン６Ｇ：０．２ｇ、水：１０ｇ、エタノール：１０ｇである（ローダミンの濃度は、重量％で１％）。

【0080】

そして、前記光源１１、光検出器１２として、それぞれ白色光源、スペクトルアナライザを使用した測定システム１０によって、光ファイバ２の一端から白色光を入射し、該光ファイバ２における光の吸収度（入射光の強度に対する出射光の強度の相対値）のスペクトル分布を測定した。

【0081】

その測定結果を示すグラフが図５に示されている。図５は、測定された、光の波長と吸収度との関係を示すグラフである。なお、図５の縦軸の吸収度は、各波長における光の入射強度と出射強度との差を対数値で示したものである。また、この測定例では、センサ本体部２ｘに形成した孔３の個数は、１０個である。

【0082】

図５に示す如く、光の吸収度は、ローダミン６Ｇの固有の蛍光励起波長（吸収波長）である５３０ｎｍでピーク値となっている。従って、測定システム１０により、光の吸収度のピーク値の波長を測定することで、該波長の測定値から、センサ本体部２ｘの孔３に充填した液体中の蛍光物質の蛍光励起波長、ひいては、該蛍光物質の種別（ここでは、ローダミン６Ｇ）を同定できることが判る。

【0083】

［測定例３］
前記実施例の光ファイバ２のセンサ本体部２ｘを、ローダミン（詳しくは、ローダミン６Ｇ）の濃度が互いに相違する複数種類のローダミンエタノール溶液のそれぞれに浸漬させることで、各種類のローダミンエタノール溶液毎に、該ローダミンエタノール溶液をセンサ本体部２ｘの各孔３に充填した。なお、このローダミンエタノール溶液は、エタノールにローダミンを含有させた溶液である。

【0084】

上記複数種類のローダミンエタノール溶液のそれぞれのローダミン濃度は、１６．５Ｍ，８．２４Ｍ，１．６５Ｍ，０．８２Ｍ，０．１７Ｍの５種類である。なお、Ｍは、［モル／リットル／１０^-3］という単位を表している。

【0085】

そして、前記測定例２と同様に、前記光源１１、光検出器１２として、それぞれ白色光源、スペクトルアナライザを使用した測定システム１０によって、各種類のローダミンエタノール溶液毎に、光ファイバ２の一端から白色光を入射し、該光ファイバ２における光の吸収度のスペクトル分布を測定した。

【0086】

その測定結果を示すグラフが図６（ａ），（ｂ）に示されている。図６（ａ）は、各種類のローダミンエタノール溶液毎に測定された、光の波長λと吸収度との関係を示すグラフ、図６（ｂ）は、ローダミンの濃度と、吸収度のピーク値との関係を示すグラフである。

【0087】

なお、図６（ａ），（ｂ）の縦軸の吸収度は、図５と同様に対数値で示したものである。また、この測定例では、センサ本体部２ｘに形成した孔３の個数は、１個である。

【0088】

また、センサ本体部２ｘに形成した孔３の個数を、図６の測定例の場合と異ならせた光ファイバセンサ装置１を使用して、上記複数種類（５種類）のローダミンエタノール溶液について、上記と同様に測定を行った。その測定結果を示すグラフが図７（ａ），（ｂ）に示されている。

【0089】

なお、この場合の測定例では、センサ本体部２ｘに形成した孔３の個数は、図６の測定例の場合よりも多く、例えば１０個である。

【0090】

図６（ａ）又は図７（ａ）に示すように、光の吸収度は、いずれの濃度のローダミンエタノール溶液でも、ローダミン６Ｇの固有の蛍光励起波長である５３０ｎｍでピーク値となっている。さらに、図６（ａ）又は図７（ａ）に示すように、あるいは、図６（ｂ）又は図７（ｂ）に示すように、ローダミン濃度が高いほど、光の吸収度のピーク値が増加している。

【0091】

従って、測定システム１０により、ローダミン６Ｇに固有の蛍光励起波長での吸収度（ピーク値）を測定することで、該吸収度から、ローダミンエタノール溶液中のローダミン６Ｇの濃度を同定したり、あるいは、該濃度の大小の程度を把握することもできる。

【0092】

このように、光ファイバセンサ装置１を使用して、固有の蛍光励起波長を有する蛍光物質の濃度の測定を行うこともできる。なお、蛍光物質の種類が事前に判っている場合には、光ファイバ２に入射する光は、該蛍光物質の蛍光励起波長と同一もしくはほぼ同一の単一波長のレーザ光であってもよい。

【0093】

また、図６（ｂ）及び図７（ｂ）を比較して判るように、センサ本体部２ｘに備える孔３の個数が多いほど、各孔３に充填する液体中の蛍光物質（ここではローダミン６Ｇ）の濃度の変化に対する光の吸収度の変化の感度が高くなる。従って、孔３の個数が多いほど、の光の吸収度の測定感度、ひいては、蛍光物質の濃度の測定感度を高めることができることが判る。

【0094】

以上の如く、本実施形態の光ファイバセンサ装置１を使用して、各種液体の屈折率、液体の種別、液体中の物質による光の吸収度がピークとなる波長、液体中の特定の物質の濃度等、液体の種々様々な特性を測定できる。

【0095】

この場合、光ファイバセンサ装置１のセンサ本体部２ｘを測定対象の液体に浸漬させるだけで、該センサ本体部２ｘの各孔３に測定対象の液体を円滑に進入させることができる。

【0096】

また、測定に際しての光の伝送は、光ファイバ２内で行われるので、種々様々な環境下での光路の確保が容易である。また、光ファイバ２内での光の伝送によって、外乱の影響を受け難いと共に、精密な光学系を必要としない。そして、光ファイバ２の一端に光源１１を接続し、他端に光検出器１２を接続するだけで、測定を行うことができる。

【0097】

さらに、各孔３の体積が微小であることから、測定対象の液体の量は、微量なものであってもよい。

【0098】

従って、種々様々の測定環境において、液体の特性を簡易且つ安価な測定システムで容易に測定することができる。ひいては、利便性あるいは汎用性が極めて高い光ファイバセンサ装置１を実現できる。

【0099】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を図８を参照して説明する。なお、本実施形態は、センサ本体部に形成する孔の形状だけが第１実施形態と相違するので、その相違点を中心に説明する。そして、第１実施形態と同一の事項については説明を省略する。

【0100】

図８を参照して、本実施形態の光ファイバセンサ装置２１のセンサ本体部２ｘに形成される各孔２３は、それぞれの軸心が光ファイバ２のコア２ａにて互いに交差するように形成された一端側部分孔２３ａと他端側部分孔２３ｂとにより構成されている。

【0101】

さらに詳細には、各孔２３の一対の開口端２４ａ，２４ｂは光ファイバ２の周方向で、１８０°よりも小さい角度間隔（例えば約９０°）を有するように配置されている。そして、開口端２４ａ，２４ｂのそれぞれの配置箇所から、一端側部分孔２３ａと他端側部分孔２３ｂとが、各々光ファイバ２の直径方向でコア２ａの中心部に向かって穿設され、該コア２ａの中心部で連通されている。

【0102】

これにより、各孔２３を構成する一端側部分孔２３ａと他端側部分孔２３ｂとは、光ファイバ２の軸心方向で見たとき、それぞれの軸心がコア２ａの中心部で交差する（図示例では、ほぼ直交する）ように設けられている。換言すれば、各孔２３は、コア２ａの中心部で折れ曲がるように形成されている。

【0103】

なお、一端側部分孔２３ａと他端側部分孔２３ｂとは、第１実施形態と同様に、フェムト秒レーザを使用して穿設される。

【0104】

本実施形態の光ファイバセンサ装置２１の構成は、以上説明した事項以外は、第１実施形態と同じである。

【0105】

この光ファイバセンサ装置２１を使用して液体の特性を測定する場合、測定対象の液体を各孔２３に充填させた状態で、各孔２３の中央部（一端側部分孔２３ａと他端側部分孔２３ｂと交差部）が、図８に示す如く該孔２３の開口端２４ａ，２４ｂの両方よりも低い位置となるように、センサ本体部２ｘを保持する。

【0106】

このようにすることで、測定対象の液体の粘性が低い場合であっても、測定中に、各孔２３から液体が流出してしまうのを容易に防止できる。ひいては、信頼性の高い測定を、安定且つ容易に行うことができる。

【0107】

なお、本実施形態は、各孔２３の一対の開口端２４ａ，２４ｂを、光ファイバ２の周方向で約９０°の角度間隔を有するように配置している。ただし、各孔２３の一対の開口端２４ａ，２４ｂを、例えば光ファイバ２の周方向でより小さい角度間隔を有するように配置してもよい。

【0108】

さらには、各孔２３の一対の開口端２４ａ，２４ｂを、光ファイバ２の側面で光ファイバ２の軸心方向に間隔を有して並ぶように配置してもよい。この場合には、各孔２３の一端側部分孔２３ａと他端側部分孔２３ｂとは、光ファイバ２の径方向で見て（側面視で見て）、それぞれの軸心がコア２ａの中心部で互いに交差するように穿設すればよい。

【0109】

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態を図９を参照して説明する。なお、本実施形態は、センサ本体部に形成する孔の配列パターンだけが第１実施形態と相違するので、その相違点を中心に説明する。そして、第１実施形態と同一の事項については説明を省略する。

【0110】

図９を参照して、本実施形態の光ファイバセンサ装置４１のセンサ本体部２ｘには、互いに軸心が直交するように形成された一対（２個）の孔４３，４３が光ファイバ２の軸心方向に間隔を存して設けられている。

【0111】

各孔４３は、第１実施形態の各孔３と同様に、光ファイバ２の周方向に１８０°の角度間隔を存して配置される一対の開口端４４ａ，４４ｂのそれぞれの配置箇所からコア２ａの中心部に向かって同軸心に各々穿設された一端側部分孔４３ａと他端側部分孔４３ｂとにより構成されている。

【0112】

ただし、本実施形態では、上記一対の孔４３，４３は、光ファイバ２の軸心方向で見たとき、互いに交差する方向に延在している。より詳しくは、本実施形態では、上記一対の孔４３，４３のうちの一方の孔４３の開口端４４ａ，４４ｂの配置箇所と、他方の孔４３の開口端４４ａ，４４ｂの配置箇所とは、光ファイバ２の周方向で９０°の位相だけずらされている。このため、当該一対の孔４３，４３は、光ファイバ２の軸心方向で見たとき、それぞれの軸心が互いに直交している。

【0113】

なお、各孔４３の一端側部分孔４３ａと他端側部分孔４３ｂとは、第１実施形態と同様に、フェムト秒レーザを使用して穿設される。

【0114】

本実施形態の光ファイバセンサ装置４１の構成は、以上説明した事項以外は、第１実施形態と同じである。

【0115】

本実施形態の光ファイバセンサ装置４１によれば、一対の孔４３，４３のそれぞれの軸心方向の位相が、光ファイバ２の周方向にずらされている。このため、光ファイバ２のコア２ａ中を伝播する多モードの光のうち、一方の孔４３内の物質に作用する光のモードと、他方の孔４３内の物質に作用する光のモードとを異ならせることができる。

【0116】

このため、孔４３の個数が１つである場合、あるいは、複数の孔４３の軸心方向を互いに同一にした場合に比べて、光ファイバ２に入射する光を効率よく利用することができる。例えば、光ファイバ２の入射端側の孔４３での光の吸収あるいは散乱が比較的大きくても、出射端側の孔４３内の物質には、入射端側の孔４３に作用するモードとは別のモードの光を作用させることができる。ひいては、Ｓ／Ｎ比、あるいは、感度を高めることができる。

【0117】

なお、本実施形態では、一対の（２つの）孔４３，４３の軸心方向を直交させたものを示したが、これらの孔４３，４３の軸心方向を、光ファイバ２の軸心方向で見たときに、９０°と異なる角度で交差させるようにしてもよい。

【0118】

さらに、３つ以上の孔を、光ファイバ２に形成すると共に、それらの孔の軸心方向（延在方向）が、光ファイバ２の軸心方向で見たときに互いに交差するように、当該３つ以上の孔を形成してもよい。

【0119】

また、本実施形態の光ファイバセンサ装置４１では、各孔４３毎に、各別の特性の液体を注入するようにしてもよい。

【0120】

このようにした場合には、各孔４３の液体に、各孔４３毎に各別のモードの光が作用することとなるため、各孔４３に対応するモードの光の出射光に基づいて、各孔４３内の液体の特性を測定することもできる。このことは、３つ以上の孔を、光ファイバ２に形成すると共に、それらの孔の軸心方向（延在方向）が、光ファイバ２の軸心方向で見たときに互いに交差するように、当該３つ以上の孔を形成した場合についても同様である。

【0121】

［変形態様について］
次に、以上説明した実施形態以外の変形態様をいくつか説明する。

【0122】

前記各実施形態では、光ファイバ２の一端から入射した光を該光ファイバ２の他端から出射させるようにした。ただし、例えば、該光ファイバ２の他端で光を反射させると共に、センサ本体部２ｘの手前で光を半反射させるように光路を構成してもよい。そして、センサ本体部２ｘの手前での反射光と、センサ本体部２ｘを経由した反射孔とを用いて孔内の液体の特性を測定するようにしてもよい。

【0123】

また、前記各実施形態では、センサ本体部２ｘに備える孔の個数を調整することで、測定感度を変化させることができるだけでなく、孔の径を調整することで、測定感度を変化させることもできる。この場合、孔の径がより大きいほど、測定感度を高めることができる。

【0124】

また、センサ本体部２ｘの各孔に充填する測定対象の液体が蛍光物質を含む場合、その蛍光物質を励起する所定波長の励起光を光ファイバ２に入射することで、孔内の蛍光物質が発生する蛍光のスペクトルを測定することもできる。

【0125】

さらに、孔内の蛍光物質の蛍光強度が、ある物質（酸素等）により変化する場合には、光ファイバ２の出射光に基づき測定される蛍光強度を指標として、当該物質の定量測定が可能である。

【0126】

例えば、上記蛍光物質が、ｐＨ（酸塩基）指示薬としてのフェノールフタレインである場合には、ｐＨ値に依存して、蛍光強度が変化する。従って、該蛍光強度に基づいて、ｐＨ測定を行うこともできる。

【0127】

また、前記各実施形態では、光ファイバ２としてマルチモード光ファイバを使用したが、光ファイバ２は、シングルモード光ファイバであってもよい。

【符号の説明】

【0128】

１，２１，３１，４１…光ファイバセンサ装置、２…光ファイバ、３，２３，４３…孔、３ａ，２３ａ，４３ａ…一端側部分孔、３ｂ，２３ｂ，４３ｂ…他端側部分孔、４ａ，２４ａ，４４ａ…一端側開口端、４ｂ，２４ｂ，４４ｂ…他端側開口端。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】