JPH0718792B2 - 光式塩分粒子付着量検出センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光学的手法で塩分粒子付着量を検出するセン
サに関するものである。

［従来の技術］ 従来、塩分量を検出する技術としては、以下のものがあ
る。

第１は、抵抗測定による分析であり、NaClの含有溶液の
抵抗を測定し、換算表により塩分量を求めるものであ
る。第２は、Ｘ線回折等の光学的分析であり、NaClを含
む固体試料にＸ線を照射し、この中の１成分の結晶のあ
る面からの回析線強度を測定し、定量的に検出する。第
３は、屈折計法によるもので、NaClとKClの混合溶液中
の各成分含有物を屈折計により、その屈折率を評価し定
量的に測定する。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記従来技術においては、以下のような問題が
ある。

（１）多種類の測定機器を用意しなければならない。

（２）塩分量の経時的変化が検出できない。

（３）リアルタイムでの検出ができない。

（４）測定に熟練を要し、手間がかかる。

（５）高電圧下、高磁界下等の悪環境、危険環境での測
定が難しい。

（６）測定系が大掛かりとなり、高価のものとなる。

（７）屈折率法では、含有溶液濃度によって屈折率が変
化する溶液でしか測定できない。

本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解決し、
装着性、応答性に優れる塩分粒子量を検出するセンサを
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光式塩分粒子付着量検出センサは、石英基板に
直線的に溝を形成し、この溝に沿って、石英よりも低屈
折率の接着層を介して、石英光導波路をその表面を露出
した状態で埋め込み一体化し、該光導波路の一端から入
射されて他端から出射する透過光を受光器で受光し、透
過光強度の変化から露出された石英光導波路表面に付着
する塩分粒子量を求めるものである。この場合、石英基
板上に埋め込み露出された光導波路の表面を研磨し、平
板形状とすることが好ましい。

他の形態として、光導波路の外周に、光導波路の屈折率
と同じ屈折率を持つ樹脂のみを被覆して露出させ、該露
出された樹脂表面に塩分粒子が付着したときの透過光強
度変化から塩分粒子量を求める構成とすることもでき
る。

［作用］ 石英光導波路の周囲（クラッド）は、表面が露出されて
いる部分は空気と、又他の部分は低屈折樹脂で覆われて
いるため、露出表面に塩分粒子の付着がない場合、伝搬
光はほぼ損失なく光導波路の他端に達する。しかし、光
導波路の露出表面に塩分粒子が付着した場合、その部分
では、伝搬光は大部分外部に放射され、コア・クラッド
界面での反射光は大部分フレネル反射となり、結果的に
出射端では放射損失として検出される。塩分粒子の付着
量が増えると、伝搬光の放射モードの数も増えることに
なり、これにより、透過光強度変化をモニタしていれ
ば、塩分粒子の付着量が検出できる。

石英基板上に露出して埋め込んだ光導波路の表面を研磨
し平板形状とすると、基板上に付着する塩分粒子付着状
況が、導波路を埋め込んだ前後で変わらなくなるので、
塩分粒子付着量の検出の精度が大幅に向上する。

光導波路の外周に光導波路と同一屈折率の樹脂のみを被
覆して露出させた構成の場合、露出された樹脂表面に塩
分粒子が付着すると、その界面で伝搬光は外部に漏洩
し、放射損失となる。塩分粒子の付着量が増すにつれて
放射損失も増加するので、透過光強度変化から塩分粒子
付着量が定量的に検出できる。また、光導波路は樹脂に
より保護されるため、その機械的強度が増大し、センサ
部の長期安定性が大幅に向上する。

［実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に従って説明する。

第１図は、第２図に示す塩分粒子付着量検出センサのセ
ンサ部６の断面図である。

第１図に示すセンサ部６は、石英光導波路1,石英基板2,
及び樹脂３からなる。これは、平板形状の石英基板２に
円弧状断面の溝を石英基板２の面方向に直線状に形成
し、この溝内に、溝径より小さな石英光導波路１を、石
英より屈折率の小さな値をもつ樹脂３を介して、埋め込
み表面を露出させた構造である。埋め込んだ光導波路１
は、石英基板２と同一高さまで表面を研磨され、全体と
して平板形状となっている。

このように平板状に形成することによって、基板２上に
付着する塩分粒子の付着量分布状況が、導波路１を埋め
込んだ前後で変わらなくなり、塩分粒子付着量の検出の
精度が大幅に向上する。また、使用基板２は小形である
ので、応用範囲が大幅に広がるものである。

センサ部６の製造方法は、先ず、石英基板２上に石英光
導波路１の一部を埋め込むための溝を形成し、そこに石
英光導波路１を据え置き、基板２と導波路１の間に樹脂
３を注入し、接着する。接着した後に、石英光導波路１
を或いは石英基板２と石英光導波路１の両方を機械的に
研磨し、その断面を、基板面と光導波路面が一致するよ
うにする。

次に、上記センサの塩分検出原理について述べる。

光導波路（コア）１の一端から光を入射すると、光導波
路１の周囲（クラッド）は、露出されている表面部分は
空気と、一方他の部分は低屈折樹脂３に覆われており、
伝搬光はコア・クラッド界面で全反射し、ほぼ損失な
く、光導波路１の他端に達する。

しかし、光導波路１の露出表面に塩分粒子が付着した場
合、その部分では、伝搬光は大部分外部に放射され、コ
ア・クラッド界面での反射光は大部分フレネル反射とな
り、結果的に出射端では放射損失として検出される。塩
分粒子の付着量が増えると、伝搬光の放射モードの数も
増えることになり、これにより、透過光強度変化をモニ
タしていれば、塩分粒子の付着量が検出できることにな
る。

第２図は、上記構成のセンサ６を用いて構成した塩分粒
子付着量検出センサを示す。

光源４からの出射光は、分岐路５で分岐され、一部は、
参照光として第１の受光器７に光ファイバ９で導かれ、
その出力信号は演算器８の一方の入力端子に導かれる。
他の一部は、センサ部６へ光ファイバ９で導かれ、塩分
粒子付着効果による損失変化を受けた後、測定光として
第２の受光器11へ導かれ、その出力信号は演算器８の他
方の入力端子へ導入される。

第１の受光器７より得られる透過光強度は、センサ部６
とは無関係でほぼ一定であるが、第２の受光器7,11より
得られる透過光強度は、センサ部６を通ることにより受
ける光損失の程度、つまり塩分粒子の付着の有無及びそ
の塩分粒子付着量に対応したものとなる。従って、両者
の差及びその程度から、塩分粒子の付着の有無及び塩分
粒子付着量を知ることができる。

そこで演算器８は、第２の受光器11より得られる透過光
強度の信号を、第１の受光器７より得られる透過光強度
の信号で割り算し、その演算結果を、予め設定しておい
た演算式に乗せ、実際の塩分粒子付着量を算定する。

上記のように、センサ部６に石英光導波路１及び石英基
板２を用いることにより、高電圧，高磁界下の環境下で
の検出が可能である。この観点からは、光導波路1,基板
２の材質は非金属であれば良く、光導波路１については
光ファイバを用いることができる。また、塩分粒子付着
量の検出には、光源，センサ部，受光器，演算器，分岐
器と言う簡素な装置で足り、センサを安価且つ簡単に構
成できる。

上記実施例では、センサ部６を平板状に形成したが、平
らでない場所にセンサ部６を設置する際には、その設置
場所に合わせた形状，基板，光導波路を用いることがで
きる。また、光導波路１の本数を増やし、例えば平行に
面的に並べることにより、より広範囲の面積をセンサ領
域とすることができる。

次に、第３図及び第４図に示す実施例について説明す
る。

この実施例のセンサ部26は、第３図に示すように、円形
断面の光導波路21を、該光導波路21と同一屈折率を持つ
樹脂22でのみ覆って露出された構成を有する。この構成
により、光導波路21の部分を伝播する光は樹脂22の部分
に全て透過し、樹脂22と外気の界面で反射を繰り返す。
このため、樹脂22の表面に塩分粒子が付着すると、光が
漏洩し光損失変化が起きる。

光導波路21の外周を覆う樹脂22は、光導波路21の機械的
強度を増大させ、センサ部26の長期安定性を大幅に向上
させる。この樹脂22は、光導波路21の屈折率（石英棒で
はｎ＝1.458）と同じである必要があり、例えばアクリ
レート系シリコーン樹脂を用いる。

被覆する樹脂22の厚さは、以下の理由のために限定され
る。本実施例の場合、直径1mmφの石英棒を用いたと
き、樹脂22の厚さ（光導波路界面と樹脂界面の厚さ）は
約200μｍ以下とする。この理由は、樹脂22の厚さが、2
00μｍ以上になると、樹脂22と光導波路21,樹脂22と空
気での界面反射や、樹脂22中での吸収などにより、伝搬
光の損失が生じ、これにより、塩分粒子量の検出が困難
になることがあるからである。

上記センサ26を用いた塩分粒子付着量検出センサの構成
は、第４図に示す通りであり、第１図と本質的に変わら
ない。

光源４から出射した光は、光ファイバ９を経て、光分岐
路５で分岐され、一方は直接受光器７へ光ファイバ９で
伝送され、温度変動による光源光強度の参照信号として
演算器８に入力される。光分岐路５で分岐された他方の
光は、センサ部５へ光ファイバ９により伝送され、そこ
で塩分粒子付着量による光強度変化を受けて、受光器11
へ光ファイバ９で伝送され、その信号が演算器８へセン
サ部信号として入力される。

センサ部26（コア；屈折率1.458）の樹脂表面に、屈折
率1.54の塩化ナトリウム（クラッド）粒子が付着する
と、その界面で伝搬光は外部に漏洩し、放射損失とな
る。コアに塩化ナトリウム粒子が付着するにつれて、放
射損失も増加するので、透過光強度変化をモニタすれ
ば、コアに付着した塩分粒子量を定量的に検出できるこ
とになる。

演算器８において受光器７と受光器11の信号を割算する
ことにより、温度による光源４の出力光の変動の影響を
なくすことができる。

上記センサ部16,26の形状は、これを配設すべき検出場
所の形状に応じた形状とすることが好ましい。これは、
センサ部の形状の違いにより、センサ部に付着する塩分
粒子の分布状態が異なり、これが検出誤差の原因になる
可能性があるからである。また、センサ部を装着すべき
相手側部材の形状によっては、センサ部の装着容易性を
考慮すべきである。

第５図は、検出場所が平面形状である場合に、塩分粒子
付着状態がこの検出場所（平面）と同じ状況になるよう
に、樹脂22の表面を平坦に加工した例を示す。このよう
に、検出場所と同一の平面形状とすると、塩分粒子付着
状態が同状況になると共に、センサ部の装置も容易にな
る。

［発明の効果］ 本発明は、上記のように構成されているため、以下の効
果を奏する。

石英基板上に石英光導波路を表面が露出した状態で埋め
込んだ構成であるため、検出部がコンパクトであり、幅
広い範囲での測定が可能である。センサ部は絶縁体で構
成されるため、高電界下，高磁界下での測定、例えば送
電線設備の碍子への塩分粒子付着の検出が可能である。
また、リアルタイムでの検出，塩分粒子量の経時変化の
検出もできる。

石英基板上に埋め込んだ光導波路の表面を研磨し平板形
状とすると、塩分粒子が均一に付着するため、塩分粒子
付着状況の違いによる測定誤差が最少となり、塩分粒子
付着量の検出の精度が大幅に向上する。

石英光導波路の外周に石英光導波路と同一屈折率の樹脂
のみを被覆して露出させた構成の場合、石英光導波路は
樹脂により保護されるため、その機械的強度が増大し、
センサ部の長期安定性が大幅に向上する。光導波路を被
覆する樹脂は、その形状を容易に変化することができる
ため、被測定物形状に合わせたセンサ部とすることがで
き、装着容易性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるセンサ部の断面図、第
２図は第１図のセンサ部を用いた光式塩分粒子付着量検
出センサ全体の構成図、第３図は本発明の他の実施例に
おけるセンサ部の断面図、第４図は第３図のセンサ部を
用いた塩分粒子付着量検出センサの構成図、第５図は第
３図の変形例を示す図である。 図中、１は石英光導波路、２は石英基板、３は樹脂、４
は光源、５は光分岐器、６はセンサ部、７は受光器、８
は演算器、９は光ファイバ、10は接続ケーブル、11は受
光器、21は光導波路、22は樹脂、26はセンサ部を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−186836（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−28641（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−206746（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−235546（ＪＰ，Ａ) 特公 昭50−17147（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】石英基板に直線的に溝を形成し、この溝に
   沿って、石英よりも低屈折率の接着層を介して、石英光
   導波路をその表面を露出した状態で埋め込み一体化し、
   該光導波路の一端から入射されて他端から出射する透過
   光を受光器で受光し、透過光強度の変化から露出された
   石英光導波路表面に付着する塩分粒子量を求めることを
   特徴とする光式塩分粒子付着量検出センサ。
2. 【請求項２】石英基板上に埋め込み露出された光導波路
   の表面を研磨し、平板形状としたことを特徴とする請求
   項１記載の光式塩分粒子付着量検出センサ。
3. 【請求項３】光導波路の外周に、光導波路の屈折率と同
   じ屈折率を持つ樹脂のみを被覆して露出させ、該露出さ
   れた樹脂表面に塩分粒子が付着したときの透過光強度変
   化から塩分粒子量を求めることを特徴とする光式塩分粒
   子付着量検出センサ。