JPH1123366A

JPH1123366A - 光ファイバ型センサヘッド

Info

Publication number: JPH1123366A
Application number: JP19495197A
Authority: JP
Inventors: Soichi Otsuki; 荘一大槻; Koyo Adachi; 公洋足立
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】測定対象物質自身の分光的性質を利用できな
い測定対象物質をも検出することができるとともに、Ｓ
／Ｎ比および感度に優れ、小型化の容易な光ファイバ型
センサヘッドを提供する。【解決手段】センシング用光ファイバ２ａの一端にセ
ンシング膜３が形成され、伝送用光ファイバ１ａ、１ｂ
及びセンシング用光ファイバ２ａ、２ｂがそれぞれジャ
ケット４ａ、４ｂにより接合される。ケースのオス部５
ａおよびメス部５ｂが組み立てられることにより、セン
シング用光ファイバ２ａ、２ｂ間に空隙が形成され、伝
送用光ファイバ１ａから伝送用光ファイバ１ｂに光を伝
送すると、空隙に流通する測定対象物質に応じてセンシ
ング膜３の光学特性が変化し、センシング用光ファイバ
１ｂから出力される光の強度が変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ型セン
サヘッドに関し、特に、測定対象物質自身の分光的性質
を利用できない測定対象物質の変化を検出する光ファイ
バ型センサヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々の化学物質を計測することを
目的とした様々な形式の光ファイバ型センサが考案され
ている。光ファイバ型センサに用いられる光信号は、電
気信号とは異なり、電気的又は磁気的な影響を受けな
い。また、光ファイバ型センサは、光ファイバを信号の
伝送に用いることから、センサヘッドを小型化しやす
い、センサヘッドとコントローラとの間の距離が長くで
きる等の利点があるといわれている。

【０００３】これらの光ファイバ型センサは大きく以下
の２つの種類に分けられる。１つは測定対象物質の分光
的な性質を利用して測定対象物質を直接検出することを
特徴とする分光的センサである。もう１つは化学的変換
器を利用して測定対象物質を検出することを特徴とする
化学的センサであり、測定対象物質は化学的変換器と相
互作用し、化学的変換器の分光的な性質の変化が光ファ
イバによってとらえられる。

【０００４】分光的センサでは、透過型の光学配置が用
いられ、光は一方の光ファイバを通して伝達され、試料
領域に照射され、もう一方の光ファイバで検出される。
測定対象物質は照射用光ファイバと検出用光ファイバと
の間の試料領域で光と相互作用する。この透過型光学配
置は構成が単純であり、精度や安定性に優れたセンサを
構成し易いという特徴を持つ。

【０００５】一方、化学的センサでは、以下の２種類の
光学配置が用いられる。一つはＡＴＲ（attenuated tot
al reflection）型配置であり、この光学配置では、光
ファイバのクラッドを除去した部分に膜状の化学的変換
器（センシング膜）がコートされる。入射光の一部がエ
バネッセント波としてセンシング膜と相互作用すること
により、入射光は測定対象物質の濃度に応じた変調を受
ける。この配置を用いればセンシング膜の光吸収が利用
できるので、Ｓ／Ｎ比、感度の優れたセンサが構成しや
すい。もう１つは反射型配置であり、この光学配置で
は、化学的変換器が単一の又は複数の光ファイバの先端
に置かれ、光は化学的変換器によって反射される際に、
化学的変換器の光吸収又は発光によって変調を受ける。
この光学配置を用いれば、光ファイバの末端で測定対象
物質を検出できるのでセンサの小型化が図れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の光ファイバ型センサには、以下のような種々の問
題点があり、未だ実用化された例はなく、これらの問題
点の解決が緊急に求められている。

【０００７】まず、分光的センサでは、測定対象物質が
気体の場合、又は測定対象物質の濃度が低い場合、測定
対象物質の分光的性質を検出するために長い光路長が必
要になり、センサを小型化できないという問題があっ
た。また、測定対象物質が検出に利用できる分光的な性
質を持たない場合、そもそもこの配置を用いることがで
きなかった。

【０００８】また、化学的センサの場合、ＡＴＲ型配置
では、入射光がセンシング膜による十分な変調を受ける
ために長い光路長が必要になり、センサを小型化できな
いという問題があった。また、反射型配置では、単一の
光ファイバを用いる場合、入射光と変調光とが同じ経路
を通るため、光の分離に複雑な光学系が必要となり、セ
ンサを小型化できないという問題があった。また、化学
的変換器で反射または発光された光の集光効率が小さ
く、センサを高感度化するのが難しいという問題もあっ
た。

【０００９】さらに、化学的センサでは、センサの特性
が劣化した場合、光の伝送部分を含めたセンサ全体を交
換する必要があり、メンテナンスが難しいという問題も
あった。このため、電気的センサに比べコスト高とな
り、光ファイバ型センサを実用化する上での障害となっ
てきた。

【００１０】本発明の目的は、測定対象物質自身の分光
的性質を利用できない測定対象物質をも検出することが
できるとともに、Ｓ／Ｎ比および感度に優れ、小型化の
容易な光ファイバ型センサヘッドを提供することであ
る。

【００１１】本発明の他の目的は、メンテナンスが容易
で、ランニングコストの低い光ファイバ型センサヘッド
を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバ型セ
ンサヘッドは、光を出射する出射用光ファイバと、出射
用光ファイバから出射された光を受ける入射用光ファイ
バと、出射用光ファイバの光を出射する出射端面及び入
射用光ファイバの光を入射する入射端面の少なくとも一
方の端面に形成され、測定対象物質に応じて光学的特性
が変化するセンシング膜とを備え、出射用光ファイバの
出射端面と入射用光ファイバの入射端面との間に測定対
象物質を通し得る空隙が形成されるように出射用光ファ
イバと入射用光ファイバとが配置される。

【００１３】上記構成により、出射用光ファイバの出射
端面と入射用光ファイバの入射端面との間の空隙に測定
対象物質を通すことができ、測定対象物質に応じてセン
シング膜の光学的特性が変化するので、出射用光ファイ
バから光が入射用光ファイバに出射されると、入射用光
ファイバから出力される光の強度が変化し、測定対象物
質自身の分光的性質を利用できない場合でも、測定対象
物質を検出することができる。また、形状が大きく構造
の複雑な集光光学系を用いていないので、センサヘッド
を小型化することができる。さらに、出射用光ファイバ
から出射された光がセンシング膜を介して直接入射用光
ファイバに入射されるので、集光効率が高く、高いＳ／
Ｎ比および感度を達成することができる。

【００１４】また、上記出射用光ファイバ及び上記入射
用光ファイバのうちセンシング膜が形成された光ファイ
バは、光の伝送に用いる伝送用光ファイバと、一端が伝
送用光ファイバに接合され、他方の端面にセンシング膜
が形成された短尺のセンシング用光ファイバとを備え、
伝送用光ファイバとセンシング用光ファイバとの接合部
には樹脂製ジャケットが用いられ、接合面を形成する各
端面は、伝送用光ファイバ及びセンシング用光ファイバ
の長さ方向に垂直かつ平坦な端面を含むことが好まし
い。

【００１５】上記の場合、センシング膜を有する光ファ
イバを伝送用光ファイバとセンシング用光ファイバとに
分離し、センシング膜を有するセンシング用光ファイバ
のみを交換できるので、メンテナンスが容易となるとと
もに、交換部品が少なくなり、ランニングコストを低減
することができる。

【００１６】本発明者は、上記のような従来技術の問題
点を解決するために、センサヘッドの光学配置を種々検
討してきた。

【００１７】まず、従来の分光的センサに用いられてき
た透過型光学配置を化学的センサにも適用することを構
想した。すなわち、センサヘッドの小型化のためには光
路長をなるべく短くする必要があり、形状が大きく構造
の複雑なレンズなどの集光光学系の使用をさけることが
前提とされた。そこで、２本の光ファイバを対向させて
配置し、その間に液体や気体が流通できる微小な空隙を
設け、対向する２本の光ファイバの端面の一方または両
方に化学的変換器となるセンシング膜をコートした。こ
のような空隙を有する光ファイバの配置では、空隙によ
る光の伝達損失が大きくなると考えられてきたために、
従来はセンサヘッドの構成法として提案及び採択される
ことがなかった。

【００１８】しかしながら、以下に説明する理論的考察
の結果、この伝達損失はそれほど大きなものでないこと
がわかった。すなわち、２本の光ファイバの端面の間に
空隙が存在する場合の光の伝達損失は以下のようにして
計算される。

【００１９】まず、ステップ屈折率型多モード光ファイ
バの透過率のロスＬ_Tは、Ｓ＜｛ａ／（２×ｔａｎθ_C）｝の条件下で、Ｌ_T＝（Ｓ×ｔａｎθ_C）／（２×ａ）となり、ここで、 θ_C＝ｓｉｎ^-1（Ｎ_A／ｎ）である。また、Ｓは２つの光ファイバの端面の間隔、ａ
は光ファイバのコアの直径、θ_C は臨界角、Ｎ_Aは開口
数、ｎは空隙の間に存在する流体の屈折率である。

【００２０】上式より、例えば、ａが１ｍｍ、Ｎ_Aが
０．３の光ファイバを用い、Ｓを１ｍｍとすると、Ｌ_T
は０．１６となる。すなわち、透過率のロスは１６％で
あり、ごくわずかであることがわかった。

【００２１】また、光ファイバ型センサの実用化を図る
上で、メンテナンスに必要なコストを低くすることは、
重要な課題である。そのため、センサ特性が劣化した際
に、光の伝送部分を含めたセンサ全体を交換するのでは
なく、センシング部のみを交換することができるセンサ
ヘッドの構造が必要である。本発明者はこの点を実現す
るために、光の伝送に用いる伝送用光ファイバと、セン
シング膜をコートするセンシング用光ファイバとを分離
することを案出した。

【００２２】次に必要なことは、センシング用光ファイ
バを保持及び固定し、伝送用光ファイバと接合すること
である。接合は、接着剤などを用いず、容易に取り付け
または取り外しができるものでなければならない。この
ようなセンシング用光ファイバの脱着可能な構造の採用
は、振動などの外部からの機械的な外乱によって、セン
サの特性が変動しないようにすることが要点となる。そ
こで、センシング用光ファイバにごく短いものを使用
し、光ファイバの接合には樹脂製ジャケットを使用する
という構成を創出した。短い光ファイバは、その重量が
わずかであるために、固定に必要な保持力が小さくてす
む。また、樹脂製ジャケットはその適度な柔軟性のため
に、振動等の機械的外乱に対する耐久性を有すると共
に、センシング用光ファイバの脱着を容易にする。さら
に、機械的外乱に対する安定性を高めるために、伝送用
光ファイバおよびセンシング用光ファイバを接合する２
つの端面を、長さ方向に垂直かつ平坦に加工した。この
ようにして作製した光ファイバ型センサヘッドは、長時
間の使用に対し、安定な特性を示した。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、上記検討結果に基づく本発
明の一実施の形態の光ファイバ型センサヘッドについて
説明する。図１は、本発明の一実施の形態の光ファイバ
型センサヘッドの構成を示す概略図である。

【００２４】図１に示すように、光ファイバ型センサヘ
ッドは、伝送用光ファイバ１ａ、１ｂ、センシング用光
ファイバ２ａ、２ｂ、センシング膜３、ジャケット４
ａ、４ｂ、ケースのオス部５ａ、ケースのメス部５ｂを
備える。伝送用光ファイバ１ａ及びセンシング用光ファ
イバ２ａにより光を出射する出射用光ファイバが構成さ
れ、伝送用光ファイバ１ｂ及びセンシング用光ファイバ
２ｂにより出射用光ファイバから出射された光を受ける
入射用光ファイバが構成される。

【００２５】伝送用光ファイバ１ａの一端は、その被覆
を取り除かれ、センシング用光ファイバ２ａの一端とジ
ャケット４ａにより接合され、ジャケット４ａはケース
のオス部５ａに固定される。センシング用光ファイバ２
ａの他端には、センシング膜３が形成される。伝送用光
ファイバ１ｂの一端は、その被覆を取り除かれ、センシ
ング用光ファイバ２ｂの一端とジャケット４ｂにより接
合され、ジャケット４ｂはケースのメス部５ｂに固定さ
れる。ケースのオス部５ａ及びメス部５ｂは、側面のネ
ジ（図示省略）により固定され、センシング用光ファイ
バ２ａ、２ｂ間に空隙が形成される。

【００２６】伝送用光ファイバ１ａ、１ｂ及びセンシン
グ用光ファイバ２ａ、２ｂには、屈折率分布別ではグレ
ーデッド型又はステップ型、モード別では単一モード型
又は多モード型、組成及び構造別では石英系、ガラス
系、ポリマークラッド型石英系、又はポリマー系の光フ
ァイバなどが使用できる。また、伝送用光ファイバ１
ａ、１ｂには光ファイバを用い、センシング用光ファイ
バ２ａ、２ｂにのみクラッドを持たない石英、ガラス、
またはポリマー製のロッドを用いることもできる。上記
の光ファイバまたはロッド（以下では単にファイバと略
す）のコア径は、特に限定されるものではないが、通常
２０〜２０００μｍ程度である。

【００２７】センシング用光ファイバ２ａのセンシング
膜３をコートする側の端面の形状は、光ファイバの長さ
方向に垂直かつ平坦であることが伝達効率の点で好まし
い。一方、伝送用光ファイバ１ａ、１ｂおよびセンシン
グ用光ファイバ２ａ、２ｂが接合される側のそれぞれの
端面の形状は、ファイバの長さ方向に垂直かつ平坦であ
ることが伝達効率および機械的外乱に対する安定性の点
で好ましい。

【００２８】伝送用光ファイバ１ａ、１ｂおよびセンシ
ング用光ファイバ２ａ、２ｂの種類およびコア径は、上
記の諸条件が満たされれば、同一のものである必要は特
にない。また、伝送用光ファイバ１ａ、１ｂの長さは、
使用する光ファイバの伝送損失が許す限り、特に限定さ
れない。一方、センシング用光ファイバ２ａ、２ｂは、
容易に脱着が可能で、かつ、ジャケット４ａ、４ｂで保
持及び固定できる程度の長さを有するものであることが
必要で、通常１〜４０ｍｍであることが好ましい。

【００２９】対向する２つのセンシング用光ファイバ２
ａ、２ｂの配置の仕方は、２つのセンシング用光ファイ
バ２ａ、２ｂおよびその端面がどちらも平行であること
が好ましい。２つのファイバ間の距離は特に限定される
ものではないが、通常０．０１〜５ｍｍであることが好
ましい。

【００３０】ジャケット４ａ、４ｂは、センシング用光
ファイバを容易に脱着するために必要な柔軟性と、安定
に保持及び固定する上で十分な機械的強度を兼ね備えた
ものが必要である。従って、このような要求に応える材
質として樹脂が用いられ、このような性質を持つ樹脂と
しては、ナイロン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリカーボ
ネート樹脂、塩化ビニル樹脂などが挙げられるが、特に
限定されない。ジャケット４ａ、４ｂの内径は、伝送用
光ファイバ１ａ、１ｂおよびセンシング用光ファイバ２
ａ、２ｂがどちらもちょうど挿入できる程度である必要
があり、通常ファイバ径のマイナス５％からプラス５％
の範囲にあることが好ましい。

【００３１】センシング膜３は、必要に応じて任意の組
成のものが使用できる。センシング膜３の主成分として
は、ガラス、有機または無機高分子化合物など固体のも
のを通常用いるが、液晶、界面活性剤、グリースなど液
状のものでも使用可能である。センシング膜３はこれら
主成分単独の場合もあるが、通常、副成分として、色
素、顔料など、有機または無機化合物を添加する。添加
の仕方は、主成分に直接副成分を混合する方法もある
が、適当な溶媒を用いて、主成分の溶けた溶液に副成分
を加える、副成分の溶けた溶液に主成分を加える、主成
分および副成分がそれぞれ溶けた溶液を混合する、など
の方法が一般的である。

【００３２】センシング膜３の作製には、主成分単独ま
たは主成分と副成分とを含む加熱溶融液を用いることも
できるが、適当な溶媒を用いて、主成分単独または主成
分と副成分とを含む溶液を用いるのが一般的である。セ
ンシング膜３は、これら溶融液または溶液をセンシング
用光ファイバ２ａの端面へコートすることにより作製で
きる。コーティングの仕方はスピンコート、ディップコ
ートなど様々な方法を採ることができる。

【００３３】センシング膜３は、上記のように様々な組
成のものが使用できるので、本発明の光ファイバ型セン
サヘッドは、原理上あらゆる化学物質を測定対象とした
光ファイバ型センサに適用することができる。従って、
測定対象物質自体の検出、測定対象物質の濃度の検出等
の測定対象物質に関するあらゆる検出が可能である。

【００３４】次に、上記の光ファイバ型センサヘッドを
光ファイバ型湿度センサヘッドとして応用した場合につ
いて説明する。本発明者は、ローダミンＢがヒドロキシ
プロピルセルロースなどの有機高分子中で湿度に応じた
可逆的な光吸収率の変化を示すことを既に明らかにして
いる（Sensors and Materials,第6巻, 305頁 (1993
年)）。そこで、これらの組成からなるセンシング膜を
用いて光ファイバ湿度センサの作製を行った。

【００３５】光ファイバ型湿度センサヘッドの構成は、
図１に示す光ファイバ型センサヘッドと同様である。具
体的には、伝送用光ファイバ１ａ、１ｂとして、ポリマ
ー系光ファイバ（クラッド径１ｍｍ、ナイロン樹脂被覆
径２．２ｍｍ）を用い、先端が平坦になる様に切断し、
先端の長さ６ｍｍの被覆を除去した。センシング用光フ
ァイバ２ａ、２ｂとして、直径１ｍｍの石英ロッドを用
いた。この石英ロッドは、両端が平坦になるように長さ
８．５ｍｍに切断したものである。

【００３６】センシング膜３としては、純度９７％の塩
基性ローダミンＢ（以下ＲＢと略す）およびヒドロキシ
プロピルセルロース（以下ＨＰＣと略す）を含むエタノ
ール溶液を石英ロッドの片方の端面に浸漬塗布し、空気
中で乾燥することにより、センシング膜３を作製した。
なお、ヒドロキシプロピルセルロースとして、ヒドロキ
シプロピル基のモル置換度２．６５のものを使用した。

【００３７】ケースのオス部５ａ及びメス部５ｂとして
は、図１に示す形状を有するアルミニウム製部品を用
い、ケースのオス部５ａとメス部５ｂとを側面に設けた
小ネジ（図示省略）により固定した。ケースのメス部５
ｂの側面には、直径３ｍｍの穴が４個設けられており、
これらの穴から測定対象物質がケース内部に流入するよ
うに構成されている。伝送用光ファイバ１ａ、１ｂおよ
びセンシング用光ファイバ２ａ、２ｂのケースのオス部
５ａ及びメス部５ｂへの固定並びに伝送用光ファイバ２
ａ、２ｂとセンシング用光ファイバ２ａ、２ｂとの接合
を行うジャケット４ａ、４ｂとしては、元の光ファイバ
の素線を抜き去ったナイロン樹脂被覆を長さ１１ｍｍに
切断したものを用いた。

【００３８】まず、ケースのオス部５ａおよびメス部５
ｂのそれぞれに、外側からジャケット４ａ、４ｂを介し
て伝送用光ファイバ１ａ、１ｂを差し込み、透明エポキ
シ樹脂接着剤で固定した。次に、センシング膜３をコー
トしたセンシング用光ファイバ２ａを、伝送用光ファイ
バ１ａを固定したケースのオス部５ａに、内側から挿入
及び固定した。また、センシング膜３をコートしていな
いセンシング用光ファイバ２ｂを、伝送用光ファイバ１
ｂを固定したケースのメス部５ｂに、内側から挿入及び
固定した。最後に、この２つの部分を合わせて固定し、
センサヘッドとした。

【００３９】このようして作製したセンサヘッドは、セ
ンシング膜３をコートしたセンシング用光ファイバ２ａ
が、単にジャケットに挿入されただけの状態で固定され
ているので、そのメンテナンスが容易にできる。すなわ
ち、ケースのオス部５ａ及びメス部５ｂの側面の小ネジ
を緩め、センサヘッドをオス部とメス部に分け、次に、
オス部５ａのセンシング膜３をコートしたセンシング用
光ファイバ２ａをピンセットなどを用いて容易に取り外
すことができる。従って、センサの特性が劣化した場合
も、上記と同じ操作を行うことにより、容易にセンシン
グ用光ファイバ２ａを交換することができる。このよう
にして、センサヘッド全体を交換するのではなく、セン
シング用光ファイバ２ａのみを交換することにより、セ
ンサのメンテナンスが容易にできる。

【００４０】次に、上記のように構成された光ファイバ
型湿度センサヘッドの特性について説明する。図２は、
光ファイバ型湿度センサヘッドの特性評価に用いた測定
システムの構成を示すブロック図である。

【００４１】図２に示すように、光源として２５０Ｗの
ハロゲンランプ１１を用いた。ハロゲンランプ１１の光
を集光するためのレンズの付いたホルダー１２に二股光
ガイド１３ａを接続した。光ガイド１３ａの２つの出力
端の一方と、センサヘッド１６のケースのオス部に接続
された伝送用光ファイバ１ａとを、アダプター１４ａに
よって連結した。センサヘッド１６のケースのオス部に
接続された伝送用光ファイバ１ｂと、別の二股光ガイド
１３ｂの２つの入力端の一方とを、アダプター１４ｂに
よって連結し、光ガイド１３ｂの末端を分光器１８に接
続した。光源側のホルダー１２に接続した二股光ガイド
１３ａのもう一方の出力端と、分光器１８に接続した二
股光ガイド１３ｂのもう一方の入力端とは、アダプター
１４ｃ、１４ｄを介して中間にセンサヘッドのない光フ
ァイバ１９に連結した。このようにして、ハロゲンラン
プ１１からの光を２つに分け、片方を測定光として、も
う一方を参照光として利用した。分光器１８にはマルチ
チャネル検出器２０を接続し、その出力信号をデータ処
理装置２１に送った。センサヘッド１６はプラスチック
製の測定箱１５に取り付け、測定箱１５全体を恒温槽１
７の中に置いた。測定箱１５には、外部に置いた温湿度
発生装置２２から温度及び湿度を制御した空気を送っ
た。

【００４２】まず、センシング膜３のコート条件を最適
化するため、浸漬塗布に用いるエタノール溶液中のＲＢ
およびＨＰＣの濃度の影響を調べた。ＲＢが０．１０５
重量％およびＨＰＣが１．９０重量％、ＲＢが０．０５
２重量％およびＨＰＣが０．９５重量％、ＲＢが０．０
２６重量％およびＨＰＣが０．４８重量％の３つの場合
について、相対湿度０％又は９５％で透過率スペクトル
を測定した。

【００４３】図３に示すように、透過率スペクトルは、
いずれの場合も５５０ｎｍをピークとした下に凸の曲線
を示し、４５０〜６００ｎｍの透過率は、相対湿度０％
の場合よりも相対湿度９５％の場合の方が小さい。ＲＢ
が０．１０５重量％およびＨＰＣが１．９０重量％の場
合は、相対湿度９５％の時のスペクトルの形がブロード
であり、湿度増加に伴う透過率の減少が飽和状態にある
ことを示している。また、ＲＢが０．０５２重量％およ
びＨＰＣが０．９５重量％の場合、相対湿度９５％の
時、スペクトルのブロード化はそれほど顕著ではない
が、５５０ｎｍにおける透過率は、ＲＢが０．１０５重
量％およびＨＰＣが１．９０重量％の場合と同程度に小
さく、透過率の減少が飽和状態に近いことを示してい
る。一方、ＲＢが０．０２６重量％およびＨＰＣが０．
４８重量％の場合、相対湿度を０％から９５％に増加さ
せたときの透過率の減少幅は大きく、かつ、相対湿度９
５％の時の透過率は前の２つの場合と比べて大きい。し
たがって、相対湿度９５％においても、湿度の増加に伴
う透過率の減少は飽和状態になく、高湿度においても十
分高い感度で透過率の変化が検出できることを示してい
る。そこで、以下の測定では、ＲＢが０．０２６重量％
およびＨＰＣが０．４８重量％の場合についてのみ行っ
た。

【００４４】相対湿度を０％と９５％の間で繰り返し変
化させたときの波長５５０ｎｍにおける透過光の相対強
度の時間変化を図４に示す。相対湿度０％および９５％
における相対強度の値は、湿度の繰り返し変化によって
ほとんど変動しない、これは、センサとしての繰り返し
安定性が高いことを示している。また、相対湿度を０％
から９５％に変化させた時、および９５％から０％に変
化させた時の相対強度の変化は、どちらも数分でほぼ一
定値に達している。これはセンサとしての応答性が実用
上問題なく早いことを示している。

【００４５】次に、相対湿度を０％から３１％、５２
％、７１％、９０％、９５％と段階的に増加させ、再び
同じ相対湿度で段階的に減少させた時の、それぞれの相
対湿度での平衡状態における透過光の相対強度の変化を
調べた。図５に示すように、相対湿度０％から９５％の
間の相対強度の変化は、ほぼ一様であった。したがっ
て、センサとしての感度範囲は少なくとも相対湿度０〜
９５％であると言える。また、加湿過程と減湿過程の間
で、平衡相対強度に差はほとんどみられない。これは、
ヒステリシスがほとんどないことを示している。従っ
て、湿度の増加又は減少に拘わらず、常に正確に相対湿
度を検出することができる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、測定対象物質に応じて
センシング膜の光学的特性が変化するので、入射用光フ
ァイバから出力される光の強度が変化し、測定対象物質
自身の分光的性質を利用できない場合でも、測定対象物
質を検出することができる。また、形状が大きく構造の
複雑な集光光学系を用いていないので、センサヘッドを
小型化することができる。さらに、出射用光ファイバか
ら出射された光がセンシング膜を介して直接入射用光フ
ァイバに入射されるので、集光効率が高く、高いＳ／Ｎ
比および感度を達成することができる。

【００４７】また、光ファイバを伝送用光ファイバとセ
ンシング用光ファイバとに分離し、センシング用光ファ
イバのみを交換できるので、メンテナンスが容易とな
り、交換部品が少なくなり、ランニングコストを低減す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の光ファイバ型センサヘ
ッドの構成を示す概略図である。

【図２】本発明の一実施の形態の光ファイバ型湿度セン
サヘッドの特性を測定する測定システムの構成を示すブ
ロック図である。

【図３】相対湿度０％および９５％における本発明の一
実施の形態の光ファイバ型湿度センサヘッドの透過率ス
ペクトルを示すグラフである。

【図４】相対湿度を繰り返し変化させたときの本発明の
一実施の形態の光ファイバ型湿度センサヘッドの透過光
の相対強度の時間変化を示すグラフである。

【図５】本発明の一実施の形態の光ファイバ型湿度セン
サヘッドの相対湿度と透過光の相対強度との関係を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ伝送用光ファイバ２ａ、２ｂセンシング用光ファイバ３センシング膜４ａ、４ｂジャケット５ａケースのオス部５ｂケースのメス部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を出射する出射用光ファイバと、前記出射用光ファイバから出射された光を受ける入射用
光ファイバと、前記出射用光ファイバの光を出射する出射端面及び前記
入射用光ファイバの光を入射する入射端面の少なくとも
一方の端面に形成され、測定対象物質に応じて光学的特
性が変化するセンシング膜とを備え、前記出射用光ファイバの出射端面と前記入射用光ファイ
バの入射端面との間に測定対象物質を通し得る空隙が形
成されるように前記出射用光ファイバと前記入射用光フ
ァイバとが配置されることを特徴とする光ファイバ型セ
ンサヘッド。
【請求項２】前記出射用光ファイバ及び前記入射用光
ファイバのうち前記センシング膜が形成された光ファイ
バは、光の伝送に用いる伝送用光ファイバと、一端が前記伝送用光ファイバに接合され、他方の端面に
前記センシング膜が形成された短尺のセンシング用光フ
ァイバとを備え、前記伝送用光ファイバと前記センシング用光ファイバと
の接合部には樹脂製ジャケットが用いられ、接合面を形
成する各端面は、前記伝送用光ファイバ及び前記センシ
ング用光ファイバの長さ方向に垂直かつ平坦な端面を含
む請求項１に記載の光ファイバ型センサヘッド。