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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022164411
(43)【公開日】2022-10-27
(54)【発明の名称】光ファイバーおよびファイバーセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 21/59 20060101AFI20221020BHJP
G02B 6/02 20060101ALI20221020BHJP
G02B 6/42 20060101ALI20221020BHJP
G01N 21/35 20140101ALI20221020BHJP
【ＦＩ】
G01N21/59 Z
G02B6/02 A
G02B6/02 376B
G02B6/42
G01N21/35
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021069885
(22)【出願日】2021-04-16
(71)【出願人】
【識別番号】306024148
【氏名又は名称】公立大学法人秋田県立大学
(71)【出願人】
【識別番号】504261077
【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100132883
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 泰司
(74)【代理人】
【識別番号】100181593
【弁理士】
【氏名又は名称】庄野 寿晃
(74)【代理人】
【識別番号】100165489
【弁理士】
【氏名又は名称】榊原 靖
(72)【発明者】
【氏名】合谷 賢治
(72)【発明者】
【氏名】上原 日和
【テーマコード（参考）】
2G059
2H137
2H250
【Ｆターム（参考）】
2G059AA01
2G059AA05
2G059BB01
2G059BB04
2G059EE01
2G059EE04
2G059EE12
2G059GG02
2G059GG07
2G059HH01
2G059JJ17
2G059KK03
2G059LL01
2G059MM03
2G059NN07
2H137AA14
2H137AB05
2H137AB06
2H137BA02
2H137BA03
2H137BA04
2H137BB02
2H137BB09
2H137BB12
2H137BC02
2H137BC53
2H137BC73
2H137DB01
2H137EA02
2H137FA06
2H250AB02
2H250AB29
2H250AE71
2H250AH38
(57)【要約】
【課題】耐久性に優れる光ファイバーおよびファイバーセンサを提供する。
【解決手段】光ファイバー２０は、コア２２とコア２２を被覆するクラッド２３とを有し、検出部２１を備える。検出部２１は、光ファイバー２０の経路に設けられ、検出部２１が形成された部分以外のクラッド２３より薄く形成されたクラッドを有する。ファイバーセンサ１００は、光ファイバー２０と、光ファイバー２０に光を照射する光源１０と、光ファイバー２０から放射された光を検出する検出器３０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】光ファイバー２０は、コア２２とコア２２を被覆するクラッド２３とを有し、検出部２１を備える。検出部２１は、光ファイバー２０の経路に設けられ、検出部２１が形成された部分以外のクラッド２３より薄く形成されたクラッドを有する。ファイバーセンサ１００は、光ファイバー２０と、光ファイバー２０に光を照射する光源１０と、光ファイバー２０から放射された光を検出する検出器３０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コアと前記コアを被覆するクラッドとを有する光ファイバーであって、
前記光ファイバーの経路に形成された検出部を備え、
前記検出部は、前記検出部が形成された部分以外の前記クラッドより薄く形成された前記クラッドを有する、
ことを特徴とする光ファイバー。
前記光ファイバーの経路に形成された検出部を備え、
前記検出部は、前記検出部が形成された部分以外の前記クラッドより薄く形成された前記クラッドを有する、
ことを特徴とする光ファイバー。
【請求項2】
前記検出部における前記クラッドの最も薄い部分の厚みは、前記検出部以外のクラッドの厚みの０倍超３分の２以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー。
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項3】
前記検出部における前記クラッドの最も薄い部分の厚みは、０μｍ超２０μｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー。
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項4】
コアと前記コアを被覆するクラッドとを有する光ファイバーであって、
前記クラッドが露出した部分を有する検出部を備える、
ことを特徴とする光ファイバー。
前記クラッドが露出した部分を有する検出部を備える、
ことを特徴とする光ファイバー。
【請求項5】
前記コアは、中赤外線領域の光を透過する、
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光ファイバー。
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光ファイバー。
【請求項6】
前記コアおよび前記クラッドは、フッ化物を含む、
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光ファイバー。
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光ファイバー。
【請求項7】
請求項１から６の何れか１項に記載の光ファイバーと、
前記光ファイバーに光を照射する光源と、
前記光ファイバーから放射された光を検出する検出器と、
を備えることを特徴とするファイバーセンサ。
前記光ファイバーに光を照射する光源と、
前記光ファイバーから放射された光を検出する検出器と、
を備えることを特徴とするファイバーセンサ。
【請求項8】
前記光源は、中赤外線領域の光を前記光ファイバーに照射し、
前記検出器は、前記光ファイバーを透過した中赤外線領域の光のスペクトを検出する、
ことを特徴とする請求項７に記載のファイバーセンサ。
前記検出器は、前記光ファイバーを透過した中赤外線領域の光のスペクトを検出する、
ことを特徴とする請求項７に記載のファイバーセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光ファイバーおよびファイバーセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
気体または液体に含まれる成分またはその濃度を検出するため、光ファイバーを用いたファイバーセンサが用いられている。具体的には、ファイバーセンサは、ガスの漏洩検知またはモニタリング等に用いられている。
【0003】
特許文献１は、光ファイバーコアと、当該光ファイバーコアの表面を被覆し、疎水性物質と親水性物質とを含む湿度応答層とを有し、少なくとも疎水性物質は網目状のマトリクス層を形成し、湿度応答層は、気体中の水分量に応じて、光ファイバーコアの一端から入射した光の他端への到達量を変化させることを特徴とする呼気センサ用光ファイバーを開示する。
【0004】
特許文献２は、第１の光ファイバーと、当該第１の光ファイバーの両端に第１の光ファイバーの外周に光が漏洩するように接続された第２の光ファイバーと、第１の光ファイバーの外周に形成された、表面プラズモン共鳴または局在表面プラズモン共鳴を励起することが可能な金属の膜と、当該金属の膜の外周に形成された誘電体の膜と、当該誘電体の膜の外周に形成された水素吸蔵金属の膜とを具備し、誘電体の膜は、水素吸蔵金属の膜の誘電関数を調整する役割を果たす、水素センサを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００５－１４３９０６号公報
【特許文献2】特開２０１４－０５９３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、引用文献１に開示された呼気センサ用光ファイバーは、湿度応答層を有する。湿度応答層は、経時劣化するため、呼気センサ用光ファイバーの使用可能期間は湿度応答層の寿命に依存する。同様に、引用文献２に開示された水素センサは、第１の光ファイバーの外周に形成された、金属の膜、誘電体の膜等を有する。金属の膜、誘電体の膜等は、経時劣化するため、水素センサの使用可能期間は、金属の膜、誘電体の膜等の寿命に依存する。このため、センサに用いられる光ファイバーには、耐久性が求められている。
【0007】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、耐久性に優れる光ファイバーおよびファイバーセンサ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】
【0008】
本発明の目的を達成するため、本発明の第１の側面に係る光ファイバーの一様態は、
コアと前記コアを被覆するクラッドとを有する光ファイバーであって、
前記光ファイバーの経路に形成された検出部を備え、
前記検出部は、前記検出部が形成された部分以外の前記クラッドより薄く形成された前記クラッドを有する、
ことを特徴とする。
コアと前記コアを被覆するクラッドとを有する光ファイバーであって、
前記光ファイバーの経路に形成された検出部を備え、
前記検出部は、前記検出部が形成された部分以外の前記クラッドより薄く形成された前記クラッドを有する、
ことを特徴とする。
【0009】
本発明の目的を達成するため、本発明の第２の側面に係る光ファイバーの一様態は、
コアと前記コアを被覆するクラッドとを有する光ファイバーであって、
前記クラッドが露出した部分を有する検出部を備える、
ことを特徴とする。
コアと前記コアを被覆するクラッドとを有する光ファイバーであって、
前記クラッドが露出した部分を有する検出部を備える、
ことを特徴とする。
【0010】
本発明の目的を達成するため、本発明の第３の側面に係るファイバーセンサの一様態は、
前記光ファイバーと、
前記光ファイバーに光を照射する光源と、
前記光ファイバーから放射された光を検出する検出器と、
を備えることを特徴とする。
前記光ファイバーと、
前記光ファイバーに光を照射する光源と、
前記光ファイバーから放射された光を検出する検出器と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、耐久性に優れる光ファイバーおよびファイバーセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】実施の形態１に係るファイバーセンサを示す図である。
【図4】実施の形態１に係るファイバーセンサの製造方法を説明する図である。
【図5】実施の形態１に係るファイバーセンサの製造方法を説明する図である。
【図6】実施の形態１に係るファイバーセンサの原理を説明する図である。
【図7】実施の形態２に係るファイバーセンサを示す図である。
【図8】実施の形態３に係るファイバーセンサを示す図である。
【図9】実施の形態４に係る光ファイバーを示す光軸に垂直な面で切断した断面図である。
【図10】実施の形態５に係る光ファイバーを示す光軸に垂直な面で切断した断面図である。
【図12】実施の形態６に係る光ファイバーを示す光軸に垂直な面で切断した断面図である。
【図14】実施の形態７に係る光ファイバーを示す光軸に垂直な面で切断した断面図である。
【図16】実施例に係るファイバーセンサが検出したグリセリンのスペクトルである。
【図17】実施例に係るファイバーセンサが検出したグリセリンの補正後のスペクトルである。
【図18】実施例に係るファイバーセンサが検出したグリセリンの濃度と水由来の吸収との関係を示す図である。
【図19】実施例に係るファイバーセンサが検出したグリセリンの濃度とグリセリン由来の吸収との関係を示す図である。
【図20】実施例に係るファイバーセンサが検出したメタンガスのスペクトルである。
【図21】実施例に係るファイバーセンサが検出した空気と純水のスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明を実施するための形態に係る光ファイバーおよびファイバーセンサについて図面を参照しながら説明する。
【0014】
（実施の形態１）
実施の形態１に係るファイバーセンサ１００は、図１に示すように、光源１０と、光ファイバー２０と、検出器３０と、レンズ４１、４２と、を備える。光ファイバー２０は、検出部２１を有する。これにより、光源１０から放射された光Ｌは、光ファイバー２０を透過する際に、検出対象Ｒにより光Ｌが検出部２１で吸収される。ファイバーセンサ１００は、光ファイバー２０を透過した光Ｌのスペクトルを検出器３０により検出して、検出部２１に接触した検出対象Ｒの成分または濃度を検出するものである。検出対象Ｒとしては、特に限定されないが、気体または液体を含む流体であり、例えば、中赤外線領域に共鳴線を有する炭化水素系の各種分子、炭酸ガス、アンモニア、水蒸気等を含む。
実施の形態１に係るファイバーセンサ１００は、図１に示すように、光源１０と、光ファイバー２０と、検出器３０と、レンズ４１、４２と、を備える。光ファイバー２０は、検出部２１を有する。これにより、光源１０から放射された光Ｌは、光ファイバー２０を透過する際に、検出対象Ｒにより光Ｌが検出部２１で吸収される。ファイバーセンサ１００は、光ファイバー２０を透過した光Ｌのスペクトルを検出器３０により検出して、検出部２１に接触した検出対象Ｒの成分または濃度を検出するものである。検出対象Ｒとしては、特に限定されないが、気体または液体を含む流体であり、例えば、中赤外線領域に共鳴線を有する炭化水素系の各種分子、炭酸ガス、アンモニア、水蒸気等を含む。
【0015】
光源１０は、２．５μｍ～３．８μｍの中赤外線領域の波長領域の光Ｌを光ファイバー２０の一端部２０ａに照射するものであり、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源を用いることが好ましい。ＡＳＥ光源は、励起用光源から照射された励起光を吸収した希土類金属イオンなどの広帯域な自然放出光が誘導放出によって増幅するものであり、光共振器による波長選択機構がない点において、レーザーと異なるものである。
【0016】
光ファイバー２０は、検出部２１とコア２２とコア２２を被覆するクラッド２３とを有し、２．５μｍ～３．８μｍの中赤外線領域の波長領域の光Ｌを透過するフッ化物系光ファイバーまたはカルコゲナイド系光ファイバーである。光ファイバー２０の長さは、特に限定されず、検出部２１が配置される場所に応じて選択される。
【0017】
検出部２１は、図２および図３に示すように、光ファイバー２０の経路に形成され、検出部２１が形成された部分以外のクラッド２３より薄く形成されたクラッド２３を有する。言い換えると、検出部２１は、クラッド２３に凹部が形成された部分である。検出部２１におけるクラッド２３の厚みＴ１は、検出部２１におけるクラッド２３の最も薄い部分であり、好ましくは、検出部２１以外のクラッド２３の厚みＴ２の３分の２以下、より好ましくは、厚みＴ２の５分の３以下、さらに好ましくは、厚みＴ２の２分の１以下である。具体的には、検出部２１におけるクラッド２３の厚みＴ１は、好ましくは、２０μｍ以下、より好ましくは、１５μｍ以下である。また、検出部２１におけるクラッド２３の厚みＴ１は、好ましくは、０倍超であり、より好ましくは、厚みＴ２の３分の１以上であり、さらに好ましくは、厚みＴ２の５分の２以上である。具体的には、検出部２１におけるクラッド２３の厚みＴ１は、好ましくは、０μｍ超であり、より好ましくは、５μｍ以上である。検出部２１におけるクラッド２３の厚みＴ１が上記値であることで、検出対象Ｒの成分または濃度を感度よく測定することが可能である。また、光ファイバー２０の光軸方向における検出部２１の長さＬ１の下限値は、特に限定されないが、好ましくは、０．５ｍｍ、より好ましくは、１ｍｍである。また、検出部２１の長さＬ１の上限値は、特に限定されないが、好ましくは、５ｍｍ、より好ましくは、３ｍｍである。
【0018】
コア２２は、光源１０から放出された光Ｌが通過する部分であり、２．５μｍ～３．８μｍの波長領域の光を透過するものであればよい。例えば、コア２２は、ＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ４－ＢａＦ２－ＬａＦ３－ＡｌＦ３－ＮａＦ）ガラス、ＺＢＹＡ（ＺｒＦ４－ＢａＦ２－ＹＦ３－ＡｌＦ３）ガラス、ＡｌＦ３系ガラス、ＩｎＦ３系ガラスなどのフッ化物ガラス、Ｇｅ－Ｓｅ系、Ａｓ－Ｓｅ系、Ａｓ－Ｓ系、Ｇｅ－Ａｓ系などのカルコゲナイドガラスであってもよく、これらの混合物であってもよい。これらの中で、母材は、ＺＢＬＡＮガラスであることが好ましい。また、コア２２の直径Ｄ１は、例えば、１５０μｍである。この場合、光ファイバー２０は、中赤外波長の光Ｌが複数のモードで伝送されるマルチモードファイバーである。なお、光ファイバー２０として、シングルモードファイバーを用いてもよい。
【0019】
クラッド２３は、コア２２より低い屈折率を有する。クラッド２３は、コア２２と同様の材料から作成される。また、クラッド２３の直径Ｄ２は、例えば、２００μｍである。また、検出部２１以外のクラッド２３の厚みＴ２は、例えば、２５μｍである。
【0020】
検出器３０は、図１に示すように、光ファイバー２０の他端部２０ｂから照射された光Ｌを検出する位置に配置され、光ファイバー２０を透過した、２．５μｍ～３．８μｍの中赤外線領域の光Ｌのスペクトを検出するものである。検出したスペクトルを分析することで、検出部２１に接触した検出対象Ｒの成分の種類または検出対象Ｒの濃度を検出することができる。
【0021】
レンズ４１は、光源１０から照射された光Ｌを光ファイバー２０の一端部２０ａのコア２２に集光するものである。レンズ４２は、光ファイバー２０の他端部２０ｂから照射された光Ｌを検出器３０のセンサ部にコリメートもしくは集光するものである。
【0022】
つぎに、上記構成を有する光ファイバー２０の製造方法について説明する。
【0023】
まず、光ファイバー２０を準備する。光ファイバー２０としては、上述したように、好ましくは、フッ化物系光ファイバーを用いる。つぎに、図４に示すように、光ファイバー２０のクラッド２３を削る研磨棒２００を準備する。研磨棒２００は、好ましくは、円筒径の形状を有し、表面に研磨材が塗布されているものである。つぎに、光ファイバー２０の経路における検出部２１を形成する場所に、研磨棒２００の軸を光ファイバー２０の光軸方向と垂直にして研磨棒２００を配置する。
【0024】
つぎに、研磨棒２００を回転させながら、光ファイバー２０の経路における検出部２１を形成する場所に押し当てる。そのとき、研磨棒２００により、光ファイバー２０のクラッド２３が削られる。図５に示すように、研磨棒２００を光ファイバー２０の光軸方向に移動しながら、予め決められた厚みＴ１にクラッド２３を削ると、クラッド２３に凹部が形成され、検出部２１が形成された光ファイバー２０が得られる。
【0025】
つぎに、以上の構成を有するファイバーセンサ１００が、検出部２１に接触した検出対象Ｒを検出する原理について説明する。
【0026】
光源１０から光ファイバー２０のコア２２に光Ｌを照射すると、図６に示すように、コア２２の屈折率がクラッド２３の屈折率より高いため、入射角θが臨界角以上であると、光は全反射して、光軸方向に導かれる。このとき、光Ｌの一部は、エバネッセント光ＥＬとして、クラッド２３に浸透すると考えられる。
【0027】
検出部２１に検出対象Ｒが接触している場合、検出対象Ｒの共鳴線に対応する波長の光Ｌが、エバネッセント光ＥＬを介して、検出部２１で吸収されると考えられる。
【0028】
つぎに、図１に示す検出器３０は、光ファイバー２０から照射された光Ｌのスペクトルを検出する。スペクトルは、検出対象Ｒが有する共鳴線に対応する波長において、吸収されると考えられるので、吸収された波長および吸収強度に基づいて、検出対象Ｒの種類および濃度を検出することができる。
【0029】
以上のように、本実施の形態の光ファイバー２０およびファイバーセンサ１００は、クラッド２３の一部に薄い部分が形成された検出部２１を備えることで、耐久性に優れる。これは、検出部２１が、クラッド２３の一部を薄く成型されているのみであり、従来のファイバーセンサに設けられた感応層を有していないため、感応層が劣化することによる耐久性が劣るという欠点を改善できるためである。また、光ファイバー２０およびファイバーセンサ１００は、経路上にて、既存の赤外分光計測と同様に中赤外線領域に吸収を有する検出対象Ｒの分光計測が可能であり、リアルタイムに安定して計測が可能である。また、検出部２１は、検出対象Ｒに依存した感応層を必要としないため、カスタマイズを要せず、気体、液体を問わず複数の種類の検出対象Ｒを計測することが可能である。また、本実施の形態の本実施の形態の光ファイバー２０およびファイバーセンサ１００は、分子の指紋領域と呼ばれている中赤外線領域の光を用いることで、検出対象Ｒとして中赤外線領域に共鳴線を有する炭化水素系の各種分子、炭酸ガス、アンモニア、水蒸気など多くの分子を検出することが可能である。また、検出部２１は、クラッド２３の一部を薄く削るのみで作成することが可能であり、特殊なファイバー加工を必要としないため、再現性良く、低コストのセンサーシステムの構築が容易である。
【0030】
（実施の形態２）
実施の形態２に係るファイバーセンサ１００は、実施の形態１に係るファイバーセンサ１００が備える光ファイバー２０に１つの検出部２１が形成されているのに対して、図７に示すように、光ファイバー２０に複数の検出部２１ａ、２１ｂ、２１ｃが形成されている点で異なる。実施の形態２の光源１０、光ファイバー２０、検出器３０およびレンズ４１、４２は、実施の形態１と同様のものを用いる。
実施の形態２に係るファイバーセンサ１００は、実施の形態１に係るファイバーセンサ１００が備える光ファイバー２０に１つの検出部２１が形成されているのに対して、図７に示すように、光ファイバー２０に複数の検出部２１ａ、２１ｂ、２１ｃが形成されている点で異なる。実施の形態２の光源１０、光ファイバー２０、検出器３０およびレンズ４１、４２は、実施の形態１と同様のものを用いる。
【0031】
このファイバーセンサ１００では、光源１０が連続発光する光を放射する場合、検出部２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれに接触している検出対象Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の成分またはその平均濃度を検出することが可能である。この場合、チャンバー内等に存在する複数箇所の検出対象Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の成分またはその平均濃度を知ることができ、１箇所で測定する場合に比べて、高い精度で、検出対象Ｒを検出することができる。
【0032】
また、光源１０がパルス発光する光を放射する場合、検出部２１ａ、２１ｂ、２１ｃと光ファイバーの他端部２０ｂとの距離に応じて、検出部２１ａ、２１ｂ、２１ｃで吸収された光Ｌが検出器３０に到達する時間が異なることを利用して、それぞれの検出部２１ａ、２１ｂ、２１ｃに接触する検出対象Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の成分またはその濃度をそれぞれ独立して検出することができる。これにより、このファイバーセンサ１００では、容易に多点計測が可能となる。
【0033】
（実施の形態３）
実施の形態３に係るファイバーセンサ１００は、実施の形態１および２に係るファイバーセンサ１００に加えて、図８に示すように、光源１０から放射された光の強度を測定するリファレンス検出器３１と、ハーフミラー４３と、を備える。実施の形態３の光源１０、光ファイバー２０、検出器３０およびレンズ４１、４２は、実施の形態１および２と同様のものを用いる。
実施の形態３に係るファイバーセンサ１００は、実施の形態１および２に係るファイバーセンサ１００に加えて、図８に示すように、光源１０から放射された光の強度を測定するリファレンス検出器３１と、ハーフミラー４３と、を備える。実施の形態３の光源１０、光ファイバー２０、検出器３０およびレンズ４１、４２は、実施の形態１および２と同様のものを用いる。
【0034】
ハーフミラー４３は、光源１０と光ファイバー２０の一端部２０ａとの間に配置され、光源１０から放射された光Ｌの一部をリファレンス検出器３１に反射し、光源１０から放射された残りの光Ｌを透過するものである。
【0035】
リファレンス検出器３１は、ハーフミラー４３で反射された光の強度を測定するものである。リファレンス検出器３１で光Ｌの強度を測定することで、光源１０から放射される光Ｌの強度に変化があったとしても、ハーフミラー４３に反射された光の強度で補正することが可能となる。このため、光源１０から放射される光の強度に変化が生じる場合であっても、精度を向上させることが可能となる。その他の効果は、実施の形態１および２と同様である。
【0036】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る光ファイバー２０は、実施の形態１から３に係る光ファイバー２０に加えて、図９に示すように、クラッド２３を保護する保護層２４をさらに備える。保護層２４は、合成樹脂または光硬化樹脂を含む樹脂により作成される。検出部２１に設けられた保護層２４の厚みＴ３は、好ましくは、５μｍ未満、より好ましくは１μｍ未満である。また、厚みＴ３は、好ましくは、０μｍ超であり、より好ましくは、０．１μｍ以上である。厚みＴ３が上記値であることで、検出部２１で検出対象Ｒを検出する感度を小さくすることなく、検出部２１を保護できる。実施の形態４の検出部２１、コア２２およびクラッド２３は、光ファイバー２０、検出器３０およびレンズ４１、４２は、実施の形態１から３と同様のものを用いる。クラッド２３を保護する保護層２４をさらに備えることで、光ファイバー２０に外部から力が加えられても、光ファイバー２０および検出部２１に傷がつくことを防止できる。
実施の形態４に係る光ファイバー２０は、実施の形態１から３に係る光ファイバー２０に加えて、図９に示すように、クラッド２３を保護する保護層２４をさらに備える。保護層２４は、合成樹脂または光硬化樹脂を含む樹脂により作成される。検出部２１に設けられた保護層２４の厚みＴ３は、好ましくは、５μｍ未満、より好ましくは１μｍ未満である。また、厚みＴ３は、好ましくは、０μｍ超であり、より好ましくは、０．１μｍ以上である。厚みＴ３が上記値であることで、検出部２１で検出対象Ｒを検出する感度を小さくすることなく、検出部２１を保護できる。実施の形態４の検出部２１、コア２２およびクラッド２３は、光ファイバー２０、検出器３０およびレンズ４１、４２は、実施の形態１から３と同様のものを用いる。クラッド２３を保護する保護層２４をさらに備えることで、光ファイバー２０に外部から力が加えられても、光ファイバー２０および検出部２１に傷がつくことを防止できる。
【0037】
（実施の形態５）
実施の形態５に係る光ファイバー２０は、実施の形態１から４に係る光ファイバー２０がクラッド２３の一部に他の部分より薄い部分を有する検出部２１を備えているのに対して、図１０および図１１に示すように、コア２２が露出した検出部２５を備える。このようにすることで、コア２２が検出対象Ｒに直接接触するため、検出対象Ｒの種類によっては、高い感度で検出対象Ｒを検出することが可能である。
実施の形態５に係る光ファイバー２０は、実施の形態１から４に係る光ファイバー２０がクラッド２３の一部に他の部分より薄い部分を有する検出部２１を備えているのに対して、図１０および図１１に示すように、コア２２が露出した検出部２５を備える。このようにすることで、コア２２が検出対象Ｒに直接接触するため、検出対象Ｒの種類によっては、高い感度で検出対象Ｒを検出することが可能である。
【0038】
（実施の形態６）
実施の形態６に係る光ファイバー２０は、実施の形態５に係る光ファイバー２０がコア２２が露出した検出部２５を備えるのに対して、図１２および図１３に示すように、コア２２が露出し、さらに、コア２２の一部に凹み部を有する検出部２６を備える。このようにすることで、より広い範囲でコア２２に検出対象Ｒに接触するため、検出対象Ｒの種類によっては、より高い感度で検出対象Ｒを検出することが可能である。
実施の形態６に係る光ファイバー２０は、実施の形態５に係る光ファイバー２０がコア２２が露出した検出部２５を備えるのに対して、図１２および図１３に示すように、コア２２が露出し、さらに、コア２２の一部に凹み部を有する検出部２６を備える。このようにすることで、より広い範囲でコア２２に検出対象Ｒに接触するため、検出対象Ｒの種類によっては、より高い感度で検出対象Ｒを検出することが可能である。
【0039】
（実施の形態７）
実施の形態７に係る光ファイバー２０は、実施の形態５および６に係る光ファイバー２０がコア２２が露出した検出部２５、２６を備えるのに対して、図１４および図１５に示すように、コア２２の全周が露出した検出部２７を備える。このようにすることで、さらに広い範囲でコア２２に検出対象Ｒに接触するため、検出対象Ｒの種類によっては、より高い感度で検出対象Ｒを検出することが可能である。実施の形態７に係る光ファイバー２０は、クラッドの全周を研磨して除去することにより作成されてもよく、コアレスファイバーの両端にコアとクラッドを有する伝送用光ファイバーを溶融接続して作成されてもよい。
実施の形態７に係る光ファイバー２０は、実施の形態５および６に係る光ファイバー２０がコア２２が露出した検出部２５、２６を備えるのに対して、図１４および図１５に示すように、コア２２の全周が露出した検出部２７を備える。このようにすることで、さらに広い範囲でコア２２に検出対象Ｒに接触するため、検出対象Ｒの種類によっては、より高い感度で検出対象Ｒを検出することが可能である。実施の形態７に係る光ファイバー２０は、クラッドの全周を研磨して除去することにより作成されてもよく、コアレスファイバーの両端にコアとクラッドを有する伝送用光ファイバーを溶融接続して作成されてもよい。
【0040】
（変形例）
また、上述の実施の形態では、光源１０が、２．５μｍ～３．８μｍの中赤外線領域の波長領域の光Ｌを照射する例について説明した。光源１０は、光ファイバー２０を透過できる波長域であればよく、紫外線、可視光線または近赤外線であってもよい。この場合、光ファイバー２０は、光源１０が照射する光の波長域の光を透過するものを用いる。また、上述の実施の形態では、光源１０は、ＡＳＥ光源を用いる例について説明したが、光源１０は、光Ｌを照射できるものであればよく、発光ダイオード、ハロゲンランプ、量子カスケードレーザー、固体レーザー、ファイバーレーザー、またはスーパーコンティニウム光源等の光源であってもよい。光源１０から照射される光Ｌの波長に対応する共鳴線を有する検出対象Ｒを検出することが可能である。
また、上述の実施の形態では、光源１０が、２．５μｍ～３．８μｍの中赤外線領域の波長領域の光Ｌを照射する例について説明した。光源１０は、光ファイバー２０を透過できる波長域であればよく、紫外線、可視光線または近赤外線であってもよい。この場合、光ファイバー２０は、光源１０が照射する光の波長域の光を透過するものを用いる。また、上述の実施の形態では、光源１０は、ＡＳＥ光源を用いる例について説明したが、光源１０は、光Ｌを照射できるものであればよく、発光ダイオード、ハロゲンランプ、量子カスケードレーザー、固体レーザー、ファイバーレーザー、またはスーパーコンティニウム光源等の光源であってもよい。光源１０から照射される光Ｌの波長に対応する共鳴線を有する検出対象Ｒを検出することが可能である。
【実施例0041】
以下、ファイバーセンサ１００の効果を実施例により実証した。この実施例は、本開示の一実施態様を示すものであり、本開示は何らこれらに限定されるものではない。
【0042】
（実施例１）
実施例１において、図１に示す、光源１０と、光ファイバー２０と、検出器３０と、を備えるファイバーセンサ１００を用いた。光源１０として、２．５μｍ～３．８μｍの中赤外線領域の波長領域の光Ｌを照射するものを用いた。光ファイバー２０として、ＺＢＬＡＮで作成され、クラッド２３の一部に他の部分より薄い部分を有する検出部２１を備えるものを用いた。詳細には、図３に示す検出部２１におけるクラッド２３の厚みＴ１が１０μｍ、検出部２１の長さＬ１が２ｍｍである光ファイバー２０を用いた。
実施例１において、図１に示す、光源１０と、光ファイバー２０と、検出器３０と、を備えるファイバーセンサ１００を用いた。光源１０として、２．５μｍ～３．８μｍの中赤外線領域の波長領域の光Ｌを照射するものを用いた。光ファイバー２０として、ＺＢＬＡＮで作成され、クラッド２３の一部に他の部分より薄い部分を有する検出部２１を備えるものを用いた。詳細には、図３に示す検出部２１におけるクラッド２３の厚みＴ１が１０μｍ、検出部２１の長さＬ１が２ｍｍである光ファイバー２０を用いた。
【0043】
上記ファイバーセンサ１００を用いて、液体である、グリセリンと水の混合液と、ジエチレングリコールと、をそれぞれ光ファイバー２０の検出部２１に接触させて、検出器３０でスペクトルを測定した。グリセリンと水の混合液は、グリセリンが０．０ｗｔ％、２０．３ｗｔ％、４１．６ｗｔ％、５９．３ｗｔ％、８０．８ｗｔ％、９９．５ｗｔ％のものを測定した。測定したスペクトルを図１６に示す。このスペクトルは、空気による吸収が含まれるので、空気による吸収の影響を除去したスペクトルを図１７に示す。このスペクトルは、水由来の吸収波長である２８９９ｎｍにおいて、グリセリンの濃度が大きくなるにつれて吸収量が小さくなっていることがわかった。また、グリセリンと水の混合液は、３０００ｎｍ付近の吸収では、ジエチレングリコールより大きくなっていた。また、ジエチレングリコール由来の吸収波長である、２９９７ｎｍ、３４２１ｎｍ、３４８４ｎｍでは、ジエチレングリコールの吸収がグリセリンと水の混合液に対して大きくなっていた。この結果から、ファイバーセンサ１００は、スペクトルを分析することにより、検出対象Ｒの成分の種類を特定できることがわかった。
【0044】
つぎに、上記スペクトルをさらに定量的に検証した。水由来の吸収波長である２８９９ｎｍにおいて、グリセリンの濃度と、透過率との関係を図１８に示す。グリセリンの含有率が大きくなると、水の含有率が小さくなるため、水由来の吸収波長である２８９９ｎｍでは、グリセリンの含有率が大きくなるにつれて、２８９９ｎｍでの光Ｌの透過率が大きくなることがわかった。
【0045】
また、グリセリン由来の吸収波長である３４０９ｎｍにおいて、グリセリン濃度と、透過率と、の関係を図１９に示す。グリセリン由来の吸収である３４０９ｎｍでは、グリセリンの含有率が大きくなるにつれて、３４０９ｎｍでの透過率が小さくなることがわかった。以上のように、ファイバーセンサ１００は、定量分析に用いることが可能であることがわかった。
【0046】
（実施例２）
実施例２では、実施例１で用いたファイバーセンサ１００を用いて、気体であるメタンガスを検出できるか検証した。
実施例２では、実施例１で用いたファイバーセンサ１００を用いて、気体であるメタンガスを検出できるか検証した。
【0047】
この例では、１％のメタンガスと、５％のメタンガスと、を光ファイバー２０の検出部２１に接触させ、ファイバーセンサ１００を用いて、図２０に示すスペクトルを得た。このスペクトルでは、メタンの吸収線に応じた波長の光Ｌが吸収されており、気体においても検出対象Ｒの種類を特定できることがわかった。また、１％のメタンガスより５％のメタンガスの方が透過率が小さくなっており、気体である検出対象Ｒであっても濃度の検出できることがわかった。
【0048】
（実施例３）
実施例３では、図１２および図１３に示す検出部２６を有する光ファイバー２０を備えるファイバーセンサ１００を用いた。実施例１および２では、クラッド２３の一部に他の部分より薄い部分を有する検出部２１により測定したが、実施例３では、コア２２が露出し、さらに、コア２２の一部に凹み部を有する検出部２６により測定した。実施例３で用いた光源１０および検出器３０は、実施例１および２で用いたものと同じものを用いた。光ファイバー２０は、ＺＢＬＡＮで作成されたものを用いた。検出部２６の軸方向の長さは２ｍｍであった。
実施例３では、図１２および図１３に示す検出部２６を有する光ファイバー２０を備えるファイバーセンサ１００を用いた。実施例１および２では、クラッド２３の一部に他の部分より薄い部分を有する検出部２１により測定したが、実施例３では、コア２２が露出し、さらに、コア２２の一部に凹み部を有する検出部２６により測定した。実施例３で用いた光源１０および検出器３０は、実施例１および２で用いたものと同じものを用いた。光ファイバー２０は、ＺＢＬＡＮで作成されたものを用いた。検出部２６の軸方向の長さは２ｍｍであった。
【0049】
この例では、空気と、純粋と、を光ファイバー２０の検出部２６に接触させ、ファイバーセンサ１００を用いて、図２１に示すスペクトルを得た。クラッド２３の一部に他の部分より薄い部分を有する検出部２１との違いは、コア２２が露出した検出部２６では、外界の屈折率変化に対して感応するため、空気と水との屈折率差によって、伝搬光の光強度変化が発生すると考えられる。この効果は３２００ｎｍ付近でスペクトルが交差していることから確認できたと解される。これは、全反射が発生する条件である臨界角で説明できると考えられる。詳細には、外界が空気の場合の臨界角は４０°以下であるのに対して、純水の場合には臨界角が５０°程度になるためである。光ファイバー２０の伝搬光のうち、大きな入射角で伝搬する光は屈折率の低い空気（屈折率１．０００２９２）の場合には漏洩するが、外界が水（屈折率１．３３３４）であると、臨界角が大きいため、漏洩していた光がコアを伝搬するようになると考えられる。以上のように、コア２２が露出した検出部２６を有するファイバーセンサ１００であっても、空気と、純粋と、の違いを検出できることがわかった。
【0050】
以上のように、本実施例のファイバーセンサ１００は、液体および気体を含む流体の検出対象Ｒの成分または濃度を検出できることがわかった。また、検出部２１は、検出対象Ｒに依存した感応層を必要としないため、カスタマイズを要せず、気体、液体を問わず複数の検出対象Ｒを計測することが可能であることもわかった。また、本実施の形態の光ファイバー２０およびファイバーセンサ１００は、中赤外線領域の光Ｌを用いることで、検出対象Ｒとして中赤外線領域に共鳴線を有する水、グリセリン、ジエチレングリコール、メタンガスを検出することが可能であることがわかった。検出対象Ｒとしては、上記以外に中赤外線領域に共鳴線を有する分子等であれば、検出することが可能であると考えられる。また、検出部２６は、検出対象Ｒとして空気および純水を検出できることがわかった。
【0051】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【符号の説明】
【0052】
１０…光源、２０…光ファイバー、２０ａ…一端部、２０ｂ…他端部、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２５、２６、２７…検出部、２２…コア、２３…クラッド、２４…保護層、３０…検出器、３１…リファレンス検出器、４１、４２…レンズ、４３…ハーフミラー、１００…ファイバーセンサ、２００…研磨棒、Ｄ１、Ｄ２…直径、Ｔ１、Ｔ２…厚み、Ｌ１…長さ、Ｌ…光、ＥＬ…エバネッセント光、Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…検出対象
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】