エタノールセンサ及びこれを用いたエタノール計測システム
【課題】光ファイバセンサを用いて、エタノール感受性に優れたエタノールセンサ、及びこれを用いたエタノール計測システムを提供することを目的とする。
【解決手段】エタノールセンサ１０は、伝送する光の一部が外界と相互作用するヘテロコア部３を有し、入射端に光が入射されて出射端からヘテロコア部３を通過した光を出射する光ファイバ１と、ヘテロコア部３の外周表面に設けられ、該外周表面におけるヘテロコア部３の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜１６と、金属膜１６の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜１７とを有する。
【解決手段】エタノールセンサ１０は、伝送する光の一部が外界と相互作用するヘテロコア部３を有し、入射端に光が入射されて出射端からヘテロコア部３を通過した光を出射する光ファイバ１と、ヘテロコア部３の外周表面に設けられ、該外周表面におけるヘテロコア部３の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜１６と、金属膜１６の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜１７とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エタノール濃度の計測が可能なエタノールセンサ、及びこれを用いたエタノール計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な方式のエタノールセンサが多様な分野で用途に合わせて用いられている。例えば、酒類、発酵製品、もろみ、バイオエタノール中などのエタノール濃度を計測する場合には、酵素や微生物などの固定化生体触媒を利用したバイオセンサ、あるいは半導体式や接触燃焼式ガスセンサ等が用いられている。ノートパソコン用などのメタノール燃料電池のメタノール濃度を計測する場合には、水品振動子センサやＳＡＷ（弾性表面波）センサ等が用いられている。警察による飲酒運転の取り締まり時に、被験者の呼気に含まれるエタノールの濃度を計測する場合には、ガスクロマトグラフ、あるいは半導体式や接触燃焼式ガスセンサ等が用いられている。
【０００３】
従来のエタノールセンサは、それぞれ欠点があり、汎用性の高いエタノールセンサが求められていた。特に、計測可能なエタノール濃度が広範囲であり、長期間に亘って経年劣化することなく、引火性のあるエタノールに対して火災のおそれを防止するためセンサ部に電気的接点を有さず、遠隔監視が可能なエタノールセンサが求められていた。光ファイバセンサをエタノールセンサとして用いれば、これら全ての特性を満たす可能があると考えられる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、光ファイバのコアの表面に、キトサン／ＰＶＡ（Polyvinyl Alcohol）膜からなるクラッドを被着させたエタノールセンサが開示されている。光ファイバセンサ内を光が伝搬する際、被検液中の水／エタノールの組成比によりキトサン／ＰＶＡ膜クラッドの膨潤収縮の程度が変化し、このクラッドの密度変化により臨界角が変化して、伝搬光量が変化する。そこで、透過光量を計測することにより、これに対応した被検液中のエタノール濃度を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１９１２３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、特許文献１に記載のエタノールセンサによれば、エタノール感受性が劣るため、複数本束ねて用いる必要があるという問題がある。また、一部のクラッドを剥離するので、製造が困難であり、光ファイバの機械的強度を損ねるという問題がある。また、キトサン／ＰＶＡ膜クラッドを均一な厚さにすることや膜厚調整は困難であるため、計測結果にバラツキが生じるという問題がある。また、応答が平衡に達するまで６０秒程度必要であり、リアルタイム計測ができないという問題がある。また、通常の通信用光ファイバではなく、長さ４０ｍｍ、直径０．８ｍｍの石英コアを有する特殊な光ファイバを用いており、光ファイバ計測の利点である遠隔計測が困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、光ファイバセンサを用いて、エタノール感受性に優れたエタノールセンサを提供することを目的とする。また、光ファイバセンサを用いて、製造が容易なエタノールセンサを提供することを目的とする。また、光ファイバセンサを用いて、製造が容易であり、機械的強度に優れたエタノールセンサを提供することを目的とする。また、光ファイバセンサを用いて、計測にバラツキが生じないエタノールセンサを提供することを目的とする。また、光ファイバセンサを用いて、リアルタイム計測が可能なエタノールセンサを提供することを目的とする。また、通常の通信用光ファイバを用いた遠隔計測が容易なエタノールセンサを提供することを目的とする。さらに、これらエタノールセンサを用いたエタノール計測システム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】
第１発明のエタノールセンサは、異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部が外界と相互作用するヘテロコア部を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、前記ヘテロコア部の外周表面に設けられ、該外周表面における前記ヘテロコア部での光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、該金属膜の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜とを有することを特徴とする。
【０００９】
第１発明のエタノールセンサによれば、光ファイバがヘテロコア部を有している。そして、ヘテロコア部の外周表面には、ヘテロコア部の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜が設けられ、金属膜の外周表面には、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜が設けられている。
【００１０】
光ファイバを伝送された光は、ヘテロコア部を通過するとき、その一部がリークする。雰囲気中のエタノールに応じて屈折率が変化する交互積層膜がヘテロコア部の周囲に形成されており、リーク光のモードは屈折率に応じて崩される。さらに、リーク光はヘテロコア部のクラッドと金属膜との境界において反射するが、このとき、エバネッセント相互作用により相互作用が発生し、光損失としてスペクトル上に変化が現れ、反射率が変化する。さらに、表面プラズモン共鳴により、光のエネルギーが表面プラズモン共鳴波を作り出すために奪われ、失われるので、反射率の変化がより大きくなる。そのため、光ファイバの出射端で計測される光損失と屈折率が相関関係を有することになり、雰囲気中のエタノール濃度を求めることが可能となる。また、ヘテロコア部での光損失が大きく、雰囲気中のエタノール濃度の変化による光損失の変化量が大きいので、上記特許文献１に記載のエタノールセンサに比べて、計測精度が非常に優れている。
【００１１】
また、上記特許文献１に記載のエタノールセンサとは異なり、クラッドを剥離せず、光ファイバの外表面に金属膜と交互積層膜を設けているので、製造が容易であり、光ファイバの機械的強度を損ねることもない。また、交互積層膜は、交互積層法により容易に形成可能であるとともに、各層厚は均一であるため、計測精度にバラツキが生じず、エタノール感受性を層数により調整することも可能となる。また、コア径の異なる通常の通信用光ファイバを用いて、ヘテロコア部を有する光ファイバを形成することが可能であるので、遠隔計測が容易である。
【００１２】
また、エタノールの交互積層膜への浸透により屈折率が直ちに変化するため、リアルタイム計測が可能である。
【００１３】
第２発明のエタノールセンサは、異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記ヘテロコア部を通過した光を出射する光ファイバと、前記ヘテロコア部の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜とを有することを特徴とする。
【００１４】
第２発明のエタノールセンサによれば、第１発明のエタノールセンサと同様に、ヘテロコア部を有し、その外周表面に、雰囲気中のエタノールにより収縮して屈折率が変化する交互積層膜が設けられている。
【００１５】
第２発明のエタノールセンサは、金属膜を有する第１発明のエタノールセンサと異なり、表面プラズモン共鳴は発生しないが、第１発明のエタノールセンサと同様に、光ファイバの出射端で計測される光損失と屈折率が相関関係を有することになり、光ファイバの出射端で光損失を計測することにより、雰囲気中のエタノール濃度を求めることが可能となる。
【００１６】
本発明のエタノール計測システムによれば、第１発明又は第２発明のエタノールセンサと、前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、前記光ファイバの出射端に設けられた受光部とを備えることを特徴とする。
【００１７】
そのため、第１発明又は第２発明のエタノールセンサが備える効果を有し、エタノールを高精度で計測することが可能なエタノール計測システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図２】センサ部近傍を示し、（ａ）は模式斜視図、（ｂ）は断面図。
【図３】実施例１におけるエタノール濃度と光損失との関係を示すグラフ。
【図４】実施例２におけるエタノール濃度と光損失との関係を示すグラフ。
【図５】本発明の第２実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図６】本発明の第３実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図７】センサ部近傍を示す断面図。
【図８】本発明の第４実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図９】本発明の第５実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図１０】本発明の第６実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図１１】センサ部近傍を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。
【００２０】
図１を参照して、エタノール計測システムは、センサ部ＳＰが所定の曲率半径を維持するように支持されたエタノールセンサ１０を備えており、センサ部ＳＰを取り囲む計測雰囲気中のエタノール濃度を計測するものである。計測雰囲気が液体である場合、センサ部ＳＰを被計測溶液中に浸し、計測雰囲気が気体である場合、センサ部ＳＰの周りを取り囲む被計測気体が計測可能となる。
【００２１】
センサ部ＳＰ及びその近傍が所定の曲率半径を維持するように、光ファイバ１ａ，１ｂが固定具２０に固定されている。固定具２０は、開口部２０ａを有しており、この開口部２０ａ内にセンサ部ＳＰが位置するように構成されている。光ファイバ１ａ，１ｂは、センサ部ＳＰを含む固定部間に適度な張力が付与されるようにして、固定具２０の側面に接着剤や接着テープ等によって固定されている。ここでは、センサ部ＳＰ及びその近傍は、略直線（曲率半径が無限大）となるように固定されている。
【００２２】
光ファイバ１の入射端である光ファイバ１ａの端部には、白色光源、タングステンランプなどからなる光源３０が接続されている。光ファイバ１の出射端である光ファイバ１ｂの端部には、スペクトラムアナライザやフォトダイドード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの受光素子を有する受光部４０が接続されている。さらに、受光部４０には、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などからなる計測部５０が接続されている。なお、受光部４０から計測部５０に無線で受光信号を送信してもよい。
【００２３】
図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、エタノールセンサ１０は、光ファイバ１を有している。光ファイバ１は、入射端側の光ファイバ１ａと、出射端側の光ファイバ１ｂと、光ファイバ１ａ，１ｂ間に挿入された短い光ファイバ２とから構成されている。
【００２４】
センサ部ＳＰは、光ファイバ１ａ，１ｂ間に設けた短い光ファイバ２により構成されたヘテロコア部３を有している。ヘテロコア部３は、光ファイバ１ａ，１ｂを伝送する光の一部を外界と相互作用させる光透過部材である。
【００２５】
光ファイバ１ａ，１ｂは、コア１１と、その外周部に設けられたクラッド１２とを有する長いマルチモード光ファイバである。ここでは、コア１１の径は５０μｍ又は６２．５μｍであり、クラッド１２の径は１２５μｍである。なお、光ファイバ１ａ，１ｂの外表面は、樹脂などからなる被覆材により被覆されていてもよい。
【００２６】
一方、光ファイバ２は、光ファイバ１ａ，１ｂとコア径が異なり、ヘテロコア部３を構成している。光ファイバ２は、コア１３と、その外周部に設けられたクラッド１４とを有する短いシングルモード光ファイバである。ここでは、コア１３の径は３μｍであり、クラッド１４の径は１２５μｍであり、光ファイバ２の長さは１０〜２０ｍｍ程度である。
【００２７】
コア１１の屈折率はクラッド１２の屈折率よりもわずかに大きく、コア１３の屈折率はクラッド１４の屈折率よりもわずかに大きい。コア１１，１３とクラッド１２，１４とはいずれも光透過性部材であり、光を伝送することが可能である。
【００２８】
なお、光ファイバ２のコア径が、光ファイバ１ａ，１ｂのコア径よりも大きくなるように構成されていてもよい。また、光ファイバ２の代わりに、光ファイバ１ａ，１ｂのコア１１の屈折率あるいはクラッド１２の屈折率と同等の屈折率を有する素材からなるものであってもよい。この場合、コア１３の径が、０あるいはクラッド１４の径と同じである一種のヘテロコア部であると考えることが可能である。
【００２９】
光ファイバ１ａ，１ｂと光ファイバ２とは、例えば、長手方向に直交する界面１５でコア１１，１３が接合するように、略同軸に、放電による融着などによって接合されている。なお、１本の光ファイバのコアに予めスリットを形成しておき、溶融延伸することによって、ヘテロコア部３を形成してもよい。また、コア１１，１３の径が漸次変化するものであってもよい。
【００３０】
センサ部ＳＰは、ヘテロコア部３である光ファイバ２、及び光ファイバ２の外表面に形成された金属膜１６、交互積層膜１７から構成されている。
【００３１】
光ファイバ２の外周表面には、金属膜１６が形成されている。ここでは、金属膜１６は、クラッド１４の外周表面に蒸着により形成した厚さ数ｎｍ程度のクロム膜と、このクロム膜の外表面に蒸着により形成した厚さ数十ｎｍ程度の金膜とが積層されて構成されている。なお、銀やアルミニウム等の他の金属を用いて、あるいは、蒸着以外の方法を用いて金属膜１６を形成してもよい。
【００３２】
金属膜１６の外周表面には、エタノール感受性を有する交互積層膜１７が形成されている。交互積層膜１７は、エタノールにより収縮又は膨潤する層を有しており、計測雰囲気中のエタノール濃度に応じて収縮又は膨潤し、屈折率が変化する。
【００３３】
交互積層膜１７は、交互積層法により形成された有機膜であり、複数の積層されたポリイオン膜からなる。交互積層法は、正電荷を有するポリマー電解質（ポリカチオン）と負電荷を有するポリマー電解質（ポリアニオン）の水溶液に、基材を交互に浸漬することで基板上に静電的引力によって吸着したポリカチオンとポリアニオンの組が積層して、複合膜（交互積層膜）を得るものである。
【００３４】
交互積層膜１７は、例えば、シランカップリング剤で処理して金属膜１７の表面にプロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）を導入し、その後、電離したカルボキシル基（−ＣＯＯ−）を有するポリマーの溶液と、プロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）を有するポリマーの溶液とに交互に浸漬することにより、製造することができる。各ポリイオン層の膜厚などは、ポリマー溶液の濃度や浸漬時間などによって調整できる。
【００３５】
交互積層膜１７は、例えば、イオンカップリング剤で処理して金属膜１７の表面に電離したカルボキシル基（−ＣＯＯ−）を導入し、その後、プロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）を有するポリマーの溶液と、電離したカルボキシル基（−ＣＯＯ−）を有するポリマーの溶液とに交互に浸漬するようにしてもよい。
【００３６】
交互積層膜１７は、ここでは、５０層から８０層であり、数層、あるいは百層を超えるものであってもよい。各層の厚さは、分子レベルである。層数の変更により、容易にエタノール感受性を調整することが可能となる。
【００３７】
ヘテロコア部３を構成する光ファイバ２のコア１３の径と光ファイバ１ａ，１ｂのコア１１の径とが界面１５で異なっており、このコア径の差に起因して、図２（ａ）に示すように、光ファイバ１ａを伝送された光の一部が光ファイバ２のクラッド１３へリークしてリーク光Ｗが発生する。
【００３８】
ここで、光ファイバ１ａのコア１１内において、光は光ファイバの通常の性質から複数のモードが形成された光として伝送される。光ファイバ１ａによって伝送される光のモードは、コア１１とクラッド１２との境界における光の反射角として模式的にとらえることも可能である。光のモードを反射角ととらえた場合には、光ファイバ１ａにおける光の反射角は、非常に多くの離散的な角度であると考えることができる。
【００３９】
多様なモードである光は、界面１５を通過してヘテロコア部３のクラッド１４に入射するときに、モードの規定が解除されてモードが崩される。言い換えれば、ヘテロコア部３内においては、クラッド１４と金属膜１６との境界において光が様々な反射角度で伝わるようになる。これは、光がヘテロコア部３へ入射するときに、モード形態を決定付ける様々な条件（コア径・屈折率・屈折率分布）が変化することと、モード形成の一つの要因であるファイバ長がヘテロコア部２の長さでは不十分であること、に起因すると考えられる。従って、あるモードに規定されていた光がヘテロコア部３に入射すると、そのモードの規定が解除されてモードが崩され、様々な反射角度で反射する、モードが崩された光となってクラッド１４内にリークする。
【００４０】
このとき、リーク光Ｗはヘテロコア部３のクラッド１４と金属膜１６との境界において反射する。このとき、エバネッセント相互作用と呼ばれる現象により、クラッド１４内の光と金属膜１６との間において相互作用が発生し、光損失としてスペクトル上に変化が現れ、反射率が変化する。大部分の場合には、光の反射率が低下して反射光の強度が減少する。なお、本実施形態では、光源３０から光ファイバ１に入射させた光の強度変化を利用して計測するため、１つの波長に対するモード郡の合算の光強度のみを考慮すれば十分である。
【００４１】
金属膜１６を設けたことによって、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance：ＳＰＲ）と呼ばれる現象により、光のエネルギーが表面プラズモン共鳴波を作り出すために奪われ、失われるので、反射率の変化をより大きくすることができ、光の強度変化の計測をより容易化することができる。
【００４２】
ここで、金属膜１６に接している物質である交互積層膜１７の屈折率が計測雰囲気中のエタノール濃度に応じて変化すると、クラッド１４内の光の反射スペクトルが変化し、反射光の強度が変化する。
【００４３】
従って、受光部４０で透過光を計測し反射光の強度を求めることにより、交互積層膜１７の屈折率を介して、計測雰囲気中のエタノール濃度を得ることができる。ここで、光損失と計測雰囲気中のエタノール濃度を予め関係付けておくことにより、計測した透過光から得られる光損失から計測雰囲気中のエタノール濃度を求めることができる。
【００４４】
センサ部ＳＰにおいて、コア１１とコア１３の径の組み合わせによっては、リーク光Ｗが大きくなり、光損失も大きくなり、一方、リーク光Ｗが小さくなれば、光損失も小さくなる。そして、ヘテロコア型のセンサ部ＳＰにおいて、リーク光Ｗの大きさ、即ち光損失は、センサ部ＳＰ近傍の光ファイバ１の屈曲に応じて鋭敏に変化する。よって、センサ部ＳＰを挟む位置である程度の曲率半径となるように光ファイバ１を屈曲して保持することなどにより光損失を増やす方向に調整することができ、エタノール濃度の計測精度を向上させることが可能となる。
【００４５】
以上のように、計測雰囲気中のエタノール濃度に応じて屈折率が変化する交互積層膜１７を、リーク光Ｗの大きなヘテロコア型のセンサ部ＳＰに設けている。そのため、エタノール濃度を精度良く計測することが可能となる。
【００４６】
また、上記特許文献１に記載のエタノールセンサとは異なり、クラッドを剥離せず、クラッド１４の外表面に金属膜１６と交互積層膜１７を設けているので、製造が容易であり、光ファイバ１の機械的強度を損ねることもない。
【００４７】
また、交互積層膜１７は、交互積層法により形成しているので、各層厚は均一であるため、計測精度にバラツキが生じず、また、層数によってエタノール感受性を調整することも可能となる。
【００４８】
また、エタノールの交互積層膜１７への浸透により屈折率が直ちに変化するため、リアルタイム計測が可能である。例えば、センサ部ＳＰを被計測溶液に浸すとき、応答である光損失は直ちに生じる。ただし、センサ部ＳＰを被計測溶液から引き上げるときは、交互積層膜１７の膜中や膜表面に溶液が残存するため、これの溶液が落下、蒸発するために時間を要し、応答時間は数秒程度となる。
【００４９】
また、上記特許文献１に記載のエタノールセンサとは異なり、気体中のエタノール濃度を計測することも可能である。
【００５０】
〔実施例１〕
ポリアクリル酸ナトリウム（Poly Acryl Acid-Na）とポリアリルアミン（Poly allylamine-HCl）を８０層交互積層した交互積層膜１７を有するエタノールセンサ１０を作製した。そして、異なるエタノール濃度を有する溶液中にエタノールセンサ１０を浸し、波長６００ｎｍにおける光損失を計測した。この結果を、図３に示す。なお、光損失は空気中での光損失との差を表している。
【００５１】
エタノールセンサ１０を水に浸したとき、光損失が減少した。ポリアクリル酸ナトリウムは、高吸水性であり、水に浸すと網目構造の中に水分子を取り込み膨潤する。これにより、水に浸したとき、交互積層膜１７の屈折率が減少し、ヘテロコア部３から外界に漏れる光が減少したため、光損失は減少したと考えられる。エタノール濃度の増加に伴い光損失は増加した。これはエタノールにより交互積層膜１７が収縮し、ファイバ表面の屈折率が増大したため、センサ部ＳＰから伝送光が外部に漏れたために光損失が増大したと考えられる。なお、水による膨潤とエタノールによる収縮が拮抗するため、空気中での光損失との差が０となるエタノール濃度が存在することになる。
【００５２】
〔実施例２〕
ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（Poly Styrene Sulfonate Acid-Na）とポリアリルアミン（Poly allylamine-HCl）を８０層交互積層した交互積層膜１７を有するエタノールセンサ１０を作製した。そして、異なるエタノール濃度を有する溶液中にエタノールセンサ１０を浸し、波長６００ｎｍにおける光損失を計測した。この結果を、図４に示す。なお、光損失は空気中での光損失との差を表している。
【００５３】
エタノールセンサ１０を水に浸したとき、光損失は増加し、光損失はエタノール濃度の増加に伴いさらに増大した。この結果、交互積層膜１７は、水、エタノールともに対して収縮すると考えられる。
【００５４】
図３と図４を比較すると、図４の方が光損失と直線関係が得られるエタノール濃度範囲が大きいことが理解される。よって、水溶液中でのエタノール濃度計測には、実施例２のエタノールセンサ１０の方が適していると考えられる。
【００５５】
〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図５を参照して、このエタノール計測システムは、第１実施形態と同じエタノールセンサ１０を備えている。
【００５６】
光ファイバ１ａの中途部に光カプラ２１を設け、光カプラ２１で別の光ファイバ１ｃを分岐させるとともに、光ファイバ１ｂの端部に銀蒸着などによって鏡を形成した反射部２２を設けている。そして、分岐された光ファイバ１ｃの端部が出射端となり、この出射端に受光部４０が接続されている。
【００５７】
反射部２１で反射した光は、センサ部ＳＰを再度通過するため、センサ部ＳＰを一方向に通過させただけの光と比較して外界との相互作用をより多く発生させた光が受光部４０で受光されることとなる。よって、計測雰囲気中のエタノール濃度の計測精度がより向上する。
【００５８】
〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図６を参照して、このエタノール計測システムは、ティップ型の光ファイバセンサからなるエタノールセンサ１０Ａを備えている。なお、センサ部ＳＰＡ及びその近傍が所定の曲率半径を維持する図示しない固定具を備えている。
【００５９】
図７を参照して、エタノールセンサ１０Ａのセンサ部ＳＰＡを構成するヘテロコア部３Ａは、光ファイバ１ａの先端に存在している。
【００６０】
ヘテロコア部３Ａのうち光ファイバ１ａに融着されている端部とは反対側の端部の表面に、反射膜１８が設けられている。反射膜１８は、ここでは、銀を蒸着することにより形成されている。反射膜１８の膜厚は、ヘテロコア部３Ａ内の光を光ファイバ１ａ側に十分に反射することができる程度の厚さであり、例えば、数百ｎｍ程度である。
【００６１】
反射膜１９によりヘテロコア部３Ａの先端が鏡面状となっていることにより、ヘテロコア部３Ａ内の光が先端で反射しやすくなっており、多くの光が光ファイバ１ａ側に戻り、受光部４０で受光される。
【００６２】
〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図８を参照して、このエタノール計測システムは、第１実施形態と同じエタノールセンサ１０を備えている。
【００６３】
光ファイバ１ａの光入射端に、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を有する光源３０Ａが設けられ、光ファイバ１ｂの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータからなる受光部４０Ａが設けられている。
【００６４】
光源３０Ａは、単一波長の光を発光するので、受光部４０Ａには分光しないで光強度を計測可能な光マルチメータを用いることができる。
【００６５】
光源３０Ａの発光波長は、表面プラズモン共鳴が生じる波長領域（共鳴波長を中心とする波長領域）から特定の波長を選択し、光マルチメータでモニタする光強度の減衰から、エタノール濃度に応じて屈折率が変化する交互積層膜１７の屈折率変化を感知することができる。
【００６６】
〔第５実施形態〕
本発明の第５実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図９を参照して、このエタノール計測システムは、第１実施形態と同じエタノールセンサ１０を備えている。
【００６７】
光ファイバ１ａの端部には、ＯＴＤＲ（Optical time-domain reflectometer）装置６０が接続されている。ＯＴＤＲ装置６０からセンサ光が光ファイバ１ａに入射されると、センサ部ＳＰで後方へのレイリー散乱光が発生し、このレイリー散乱光をＯＴＤＲ装置６０自身が検出する。
【００６８】
センサ部ＳＰでの光の減衰に応じて、レイリー錯乱光も変化する。そこで、ＯＴＤＲ装置６０が計測する光強度はセンサ部ＳＰの屈折率によって変化することになり、実質的に光強度を計測することによってエタノール濃度を得ることができる。
【００６９】
なお、ＯＴＤＲ装置６０を用いた場合、１本の光ファイバ１に複数のセンサ部ＳＰを直列に設けて、各センサ部ＳＰにおいてエタノール濃度を同時に計測することも可能となる。ただし、ＯＴＤＲ装置６０を用いた場合、リアルタイム計測はできない。
【００７０】
〔第６実施形態〕
本発明の第６実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図１０を参照して、このエタノール計測システムは、エタノールセンサ１０Ｂを備えている。
【００７１】
図１１を参照して、エタノールセンサ１０Ｂは、第１実施形態におけるエタノールセンサ１０と異なり、センサ部ＳＰＢに金属膜１６を備えていない。金属膜１６の代わりに、イオン結合によってクラッド１４の外表面にアミノ基を導入することにより、クラッド１４の外周表面に交互積層膜１７を設けている。ヘテロコア部３Ｂは、光ファイバ１ａ，１ｂを伝送する光の一部を漏洩する光透過部材となっている。
【００７２】
エタノールセンサ１０Ｂは、金属膜１６が存在しないので、表面プラズモン共鳴波が発生しない。しかし、センサ部ＳＰＢは、ヘテロコア部３を有しているので、光損失が大きく、この光損失は交互積層膜１７の屈折率に依存する。そのため、エタノールセンサ１０Ｂを用いて、計測雰囲気中のエタノール濃度を精度良く計測することは可能である。
【００７３】
なお、本発明に係るエタノールセンサ及びエタノール計測システムは、上記各実施形態に限定されない。例えば、各実施形態を適宜組みあせてもよい。
【００７４】
なお、光ファイバ１ａ，１ｂ及び光ファイバ２の双方、あるいは一方が、マルチモード光ファイバであってもよい。ただし、光ファイバ１ａ，１ｂ及び光ファイバ２がシングルモード光ファイバであれば、外部からの影響がより受け難いので好ましい。
【符号の説明】
【００７５】
１…光ファイバ、 １ａ，１ｂ…光ファイバ、 ２…光ファイバ、３…ヘテロコア部、 １０，１０Ａ，１０Ｂ…エタノールセンサ、 １１…コア、 １２…クラッド、 １３…コア、 １４…クラッド、 １５…界面、 １６…金属膜、 １７…交互積層膜、 ２０…固定具、 ３０，３０Ａ…光源、 ４０，４０Ａ…受光部、 ５０…計測部、 ＳＰ，ＳＰＡ，ＳＰＢ…センサ部、 Ｗ…リーク光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エタノール濃度の計測が可能なエタノールセンサ、及びこれを用いたエタノール計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な方式のエタノールセンサが多様な分野で用途に合わせて用いられている。例えば、酒類、発酵製品、もろみ、バイオエタノール中などのエタノール濃度を計測する場合には、酵素や微生物などの固定化生体触媒を利用したバイオセンサ、あるいは半導体式や接触燃焼式ガスセンサ等が用いられている。ノートパソコン用などのメタノール燃料電池のメタノール濃度を計測する場合には、水品振動子センサやＳＡＷ（弾性表面波）センサ等が用いられている。警察による飲酒運転の取り締まり時に、被験者の呼気に含まれるエタノールの濃度を計測する場合には、ガスクロマトグラフ、あるいは半導体式や接触燃焼式ガスセンサ等が用いられている。
【０００３】
従来のエタノールセンサは、それぞれ欠点があり、汎用性の高いエタノールセンサが求められていた。特に、計測可能なエタノール濃度が広範囲であり、長期間に亘って経年劣化することなく、引火性のあるエタノールに対して火災のおそれを防止するためセンサ部に電気的接点を有さず、遠隔監視が可能なエタノールセンサが求められていた。光ファイバセンサをエタノールセンサとして用いれば、これら全ての特性を満たす可能があると考えられる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、光ファイバのコアの表面に、キトサン／ＰＶＡ（Polyvinyl Alcohol）膜からなるクラッドを被着させたエタノールセンサが開示されている。光ファイバセンサ内を光が伝搬する際、被検液中の水／エタノールの組成比によりキトサン／ＰＶＡ膜クラッドの膨潤収縮の程度が変化し、このクラッドの密度変化により臨界角が変化して、伝搬光量が変化する。そこで、透過光量を計測することにより、これに対応した被検液中のエタノール濃度を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１９１２３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、特許文献１に記載のエタノールセンサによれば、エタノール感受性が劣るため、複数本束ねて用いる必要があるという問題がある。また、一部のクラッドを剥離するので、製造が困難であり、光ファイバの機械的強度を損ねるという問題がある。また、キトサン／ＰＶＡ膜クラッドを均一な厚さにすることや膜厚調整は困難であるため、計測結果にバラツキが生じるという問題がある。また、応答が平衡に達するまで６０秒程度必要であり、リアルタイム計測ができないという問題がある。また、通常の通信用光ファイバではなく、長さ４０ｍｍ、直径０．８ｍｍの石英コアを有する特殊な光ファイバを用いており、光ファイバ計測の利点である遠隔計測が困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、光ファイバセンサを用いて、エタノール感受性に優れたエタノールセンサを提供することを目的とする。また、光ファイバセンサを用いて、製造が容易なエタノールセンサを提供することを目的とする。また、光ファイバセンサを用いて、製造が容易であり、機械的強度に優れたエタノールセンサを提供することを目的とする。また、光ファイバセンサを用いて、計測にバラツキが生じないエタノールセンサを提供することを目的とする。また、光ファイバセンサを用いて、リアルタイム計測が可能なエタノールセンサを提供することを目的とする。また、通常の通信用光ファイバを用いた遠隔計測が容易なエタノールセンサを提供することを目的とする。さらに、これらエタノールセンサを用いたエタノール計測システム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】
第１発明のエタノールセンサは、異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部が外界と相互作用するヘテロコア部を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、前記ヘテロコア部の外周表面に設けられ、該外周表面における前記ヘテロコア部での光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、該金属膜の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜とを有することを特徴とする。
【０００９】
第１発明のエタノールセンサによれば、光ファイバがヘテロコア部を有している。そして、ヘテロコア部の外周表面には、ヘテロコア部の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜が設けられ、金属膜の外周表面には、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜が設けられている。
【００１０】
光ファイバを伝送された光は、ヘテロコア部を通過するとき、その一部がリークする。雰囲気中のエタノールに応じて屈折率が変化する交互積層膜がヘテロコア部の周囲に形成されており、リーク光のモードは屈折率に応じて崩される。さらに、リーク光はヘテロコア部のクラッドと金属膜との境界において反射するが、このとき、エバネッセント相互作用により相互作用が発生し、光損失としてスペクトル上に変化が現れ、反射率が変化する。さらに、表面プラズモン共鳴により、光のエネルギーが表面プラズモン共鳴波を作り出すために奪われ、失われるので、反射率の変化がより大きくなる。そのため、光ファイバの出射端で計測される光損失と屈折率が相関関係を有することになり、雰囲気中のエタノール濃度を求めることが可能となる。また、ヘテロコア部での光損失が大きく、雰囲気中のエタノール濃度の変化による光損失の変化量が大きいので、上記特許文献１に記載のエタノールセンサに比べて、計測精度が非常に優れている。
【００１１】
また、上記特許文献１に記載のエタノールセンサとは異なり、クラッドを剥離せず、光ファイバの外表面に金属膜と交互積層膜を設けているので、製造が容易であり、光ファイバの機械的強度を損ねることもない。また、交互積層膜は、交互積層法により容易に形成可能であるとともに、各層厚は均一であるため、計測精度にバラツキが生じず、エタノール感受性を層数により調整することも可能となる。また、コア径の異なる通常の通信用光ファイバを用いて、ヘテロコア部を有する光ファイバを形成することが可能であるので、遠隔計測が容易である。
【００１２】
また、エタノールの交互積層膜への浸透により屈折率が直ちに変化するため、リアルタイム計測が可能である。
【００１３】
第２発明のエタノールセンサは、異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記ヘテロコア部を通過した光を出射する光ファイバと、前記ヘテロコア部の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜とを有することを特徴とする。
【００１４】
第２発明のエタノールセンサによれば、第１発明のエタノールセンサと同様に、ヘテロコア部を有し、その外周表面に、雰囲気中のエタノールにより収縮して屈折率が変化する交互積層膜が設けられている。
【００１５】
第２発明のエタノールセンサは、金属膜を有する第１発明のエタノールセンサと異なり、表面プラズモン共鳴は発生しないが、第１発明のエタノールセンサと同様に、光ファイバの出射端で計測される光損失と屈折率が相関関係を有することになり、光ファイバの出射端で光損失を計測することにより、雰囲気中のエタノール濃度を求めることが可能となる。
【００１６】
本発明のエタノール計測システムによれば、第１発明又は第２発明のエタノールセンサと、前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、前記光ファイバの出射端に設けられた受光部とを備えることを特徴とする。
【００１７】
そのため、第１発明又は第２発明のエタノールセンサが備える効果を有し、エタノールを高精度で計測することが可能なエタノール計測システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図２】センサ部近傍を示し、（ａ）は模式斜視図、（ｂ）は断面図。
【図３】実施例１におけるエタノール濃度と光損失との関係を示すグラフ。
【図４】実施例２におけるエタノール濃度と光損失との関係を示すグラフ。
【図５】本発明の第２実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図６】本発明の第３実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図７】センサ部近傍を示す断面図。
【図８】本発明の第４実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図９】本発明の第５実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図１０】本発明の第６実施形態に係るエタノール計測システムを示す説明図。
【図１１】センサ部近傍を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。
【００２０】
図１を参照して、エタノール計測システムは、センサ部ＳＰが所定の曲率半径を維持するように支持されたエタノールセンサ１０を備えており、センサ部ＳＰを取り囲む計測雰囲気中のエタノール濃度を計測するものである。計測雰囲気が液体である場合、センサ部ＳＰを被計測溶液中に浸し、計測雰囲気が気体である場合、センサ部ＳＰの周りを取り囲む被計測気体が計測可能となる。
【００２１】
センサ部ＳＰ及びその近傍が所定の曲率半径を維持するように、光ファイバ１ａ，１ｂが固定具２０に固定されている。固定具２０は、開口部２０ａを有しており、この開口部２０ａ内にセンサ部ＳＰが位置するように構成されている。光ファイバ１ａ，１ｂは、センサ部ＳＰを含む固定部間に適度な張力が付与されるようにして、固定具２０の側面に接着剤や接着テープ等によって固定されている。ここでは、センサ部ＳＰ及びその近傍は、略直線（曲率半径が無限大）となるように固定されている。
【００２２】
光ファイバ１の入射端である光ファイバ１ａの端部には、白色光源、タングステンランプなどからなる光源３０が接続されている。光ファイバ１の出射端である光ファイバ１ｂの端部には、スペクトラムアナライザやフォトダイドード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの受光素子を有する受光部４０が接続されている。さらに、受光部４０には、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などからなる計測部５０が接続されている。なお、受光部４０から計測部５０に無線で受光信号を送信してもよい。
【００２３】
図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、エタノールセンサ１０は、光ファイバ１を有している。光ファイバ１は、入射端側の光ファイバ１ａと、出射端側の光ファイバ１ｂと、光ファイバ１ａ，１ｂ間に挿入された短い光ファイバ２とから構成されている。
【００２４】
センサ部ＳＰは、光ファイバ１ａ，１ｂ間に設けた短い光ファイバ２により構成されたヘテロコア部３を有している。ヘテロコア部３は、光ファイバ１ａ，１ｂを伝送する光の一部を外界と相互作用させる光透過部材である。
【００２５】
光ファイバ１ａ，１ｂは、コア１１と、その外周部に設けられたクラッド１２とを有する長いマルチモード光ファイバである。ここでは、コア１１の径は５０μｍ又は６２．５μｍであり、クラッド１２の径は１２５μｍである。なお、光ファイバ１ａ，１ｂの外表面は、樹脂などからなる被覆材により被覆されていてもよい。
【００２６】
一方、光ファイバ２は、光ファイバ１ａ，１ｂとコア径が異なり、ヘテロコア部３を構成している。光ファイバ２は、コア１３と、その外周部に設けられたクラッド１４とを有する短いシングルモード光ファイバである。ここでは、コア１３の径は３μｍであり、クラッド１４の径は１２５μｍであり、光ファイバ２の長さは１０〜２０ｍｍ程度である。
【００２７】
コア１１の屈折率はクラッド１２の屈折率よりもわずかに大きく、コア１３の屈折率はクラッド１４の屈折率よりもわずかに大きい。コア１１，１３とクラッド１２，１４とはいずれも光透過性部材であり、光を伝送することが可能である。
【００２８】
なお、光ファイバ２のコア径が、光ファイバ１ａ，１ｂのコア径よりも大きくなるように構成されていてもよい。また、光ファイバ２の代わりに、光ファイバ１ａ，１ｂのコア１１の屈折率あるいはクラッド１２の屈折率と同等の屈折率を有する素材からなるものであってもよい。この場合、コア１３の径が、０あるいはクラッド１４の径と同じである一種のヘテロコア部であると考えることが可能である。
【００２９】
光ファイバ１ａ，１ｂと光ファイバ２とは、例えば、長手方向に直交する界面１５でコア１１，１３が接合するように、略同軸に、放電による融着などによって接合されている。なお、１本の光ファイバのコアに予めスリットを形成しておき、溶融延伸することによって、ヘテロコア部３を形成してもよい。また、コア１１，１３の径が漸次変化するものであってもよい。
【００３０】
センサ部ＳＰは、ヘテロコア部３である光ファイバ２、及び光ファイバ２の外表面に形成された金属膜１６、交互積層膜１７から構成されている。
【００３１】
光ファイバ２の外周表面には、金属膜１６が形成されている。ここでは、金属膜１６は、クラッド１４の外周表面に蒸着により形成した厚さ数ｎｍ程度のクロム膜と、このクロム膜の外表面に蒸着により形成した厚さ数十ｎｍ程度の金膜とが積層されて構成されている。なお、銀やアルミニウム等の他の金属を用いて、あるいは、蒸着以外の方法を用いて金属膜１６を形成してもよい。
【００３２】
金属膜１６の外周表面には、エタノール感受性を有する交互積層膜１７が形成されている。交互積層膜１７は、エタノールにより収縮又は膨潤する層を有しており、計測雰囲気中のエタノール濃度に応じて収縮又は膨潤し、屈折率が変化する。
【００３３】
交互積層膜１７は、交互積層法により形成された有機膜であり、複数の積層されたポリイオン膜からなる。交互積層法は、正電荷を有するポリマー電解質（ポリカチオン）と負電荷を有するポリマー電解質（ポリアニオン）の水溶液に、基材を交互に浸漬することで基板上に静電的引力によって吸着したポリカチオンとポリアニオンの組が積層して、複合膜（交互積層膜）を得るものである。
【００３４】
交互積層膜１７は、例えば、シランカップリング剤で処理して金属膜１７の表面にプロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）を導入し、その後、電離したカルボキシル基（−ＣＯＯ−）を有するポリマーの溶液と、プロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）を有するポリマーの溶液とに交互に浸漬することにより、製造することができる。各ポリイオン層の膜厚などは、ポリマー溶液の濃度や浸漬時間などによって調整できる。
【００３５】
交互積層膜１７は、例えば、イオンカップリング剤で処理して金属膜１７の表面に電離したカルボキシル基（−ＣＯＯ−）を導入し、その後、プロトン化したアミノ基（−ＮＨ３＋）を有するポリマーの溶液と、電離したカルボキシル基（−ＣＯＯ−）を有するポリマーの溶液とに交互に浸漬するようにしてもよい。
【００３６】
交互積層膜１７は、ここでは、５０層から８０層であり、数層、あるいは百層を超えるものであってもよい。各層の厚さは、分子レベルである。層数の変更により、容易にエタノール感受性を調整することが可能となる。
【００３７】
ヘテロコア部３を構成する光ファイバ２のコア１３の径と光ファイバ１ａ，１ｂのコア１１の径とが界面１５で異なっており、このコア径の差に起因して、図２（ａ）に示すように、光ファイバ１ａを伝送された光の一部が光ファイバ２のクラッド１３へリークしてリーク光Ｗが発生する。
【００３８】
ここで、光ファイバ１ａのコア１１内において、光は光ファイバの通常の性質から複数のモードが形成された光として伝送される。光ファイバ１ａによって伝送される光のモードは、コア１１とクラッド１２との境界における光の反射角として模式的にとらえることも可能である。光のモードを反射角ととらえた場合には、光ファイバ１ａにおける光の反射角は、非常に多くの離散的な角度であると考えることができる。
【００３９】
多様なモードである光は、界面１５を通過してヘテロコア部３のクラッド１４に入射するときに、モードの規定が解除されてモードが崩される。言い換えれば、ヘテロコア部３内においては、クラッド１４と金属膜１６との境界において光が様々な反射角度で伝わるようになる。これは、光がヘテロコア部３へ入射するときに、モード形態を決定付ける様々な条件（コア径・屈折率・屈折率分布）が変化することと、モード形成の一つの要因であるファイバ長がヘテロコア部２の長さでは不十分であること、に起因すると考えられる。従って、あるモードに規定されていた光がヘテロコア部３に入射すると、そのモードの規定が解除されてモードが崩され、様々な反射角度で反射する、モードが崩された光となってクラッド１４内にリークする。
【００４０】
このとき、リーク光Ｗはヘテロコア部３のクラッド１４と金属膜１６との境界において反射する。このとき、エバネッセント相互作用と呼ばれる現象により、クラッド１４内の光と金属膜１６との間において相互作用が発生し、光損失としてスペクトル上に変化が現れ、反射率が変化する。大部分の場合には、光の反射率が低下して反射光の強度が減少する。なお、本実施形態では、光源３０から光ファイバ１に入射させた光の強度変化を利用して計測するため、１つの波長に対するモード郡の合算の光強度のみを考慮すれば十分である。
【００４１】
金属膜１６を設けたことによって、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance：ＳＰＲ）と呼ばれる現象により、光のエネルギーが表面プラズモン共鳴波を作り出すために奪われ、失われるので、反射率の変化をより大きくすることができ、光の強度変化の計測をより容易化することができる。
【００４２】
ここで、金属膜１６に接している物質である交互積層膜１７の屈折率が計測雰囲気中のエタノール濃度に応じて変化すると、クラッド１４内の光の反射スペクトルが変化し、反射光の強度が変化する。
【００４３】
従って、受光部４０で透過光を計測し反射光の強度を求めることにより、交互積層膜１７の屈折率を介して、計測雰囲気中のエタノール濃度を得ることができる。ここで、光損失と計測雰囲気中のエタノール濃度を予め関係付けておくことにより、計測した透過光から得られる光損失から計測雰囲気中のエタノール濃度を求めることができる。
【００４４】
センサ部ＳＰにおいて、コア１１とコア１３の径の組み合わせによっては、リーク光Ｗが大きくなり、光損失も大きくなり、一方、リーク光Ｗが小さくなれば、光損失も小さくなる。そして、ヘテロコア型のセンサ部ＳＰにおいて、リーク光Ｗの大きさ、即ち光損失は、センサ部ＳＰ近傍の光ファイバ１の屈曲に応じて鋭敏に変化する。よって、センサ部ＳＰを挟む位置である程度の曲率半径となるように光ファイバ１を屈曲して保持することなどにより光損失を増やす方向に調整することができ、エタノール濃度の計測精度を向上させることが可能となる。
【００４５】
以上のように、計測雰囲気中のエタノール濃度に応じて屈折率が変化する交互積層膜１７を、リーク光Ｗの大きなヘテロコア型のセンサ部ＳＰに設けている。そのため、エタノール濃度を精度良く計測することが可能となる。
【００４６】
また、上記特許文献１に記載のエタノールセンサとは異なり、クラッドを剥離せず、クラッド１４の外表面に金属膜１６と交互積層膜１７を設けているので、製造が容易であり、光ファイバ１の機械的強度を損ねることもない。
【００４７】
また、交互積層膜１７は、交互積層法により形成しているので、各層厚は均一であるため、計測精度にバラツキが生じず、また、層数によってエタノール感受性を調整することも可能となる。
【００４８】
また、エタノールの交互積層膜１７への浸透により屈折率が直ちに変化するため、リアルタイム計測が可能である。例えば、センサ部ＳＰを被計測溶液に浸すとき、応答である光損失は直ちに生じる。ただし、センサ部ＳＰを被計測溶液から引き上げるときは、交互積層膜１７の膜中や膜表面に溶液が残存するため、これの溶液が落下、蒸発するために時間を要し、応答時間は数秒程度となる。
【００４９】
また、上記特許文献１に記載のエタノールセンサとは異なり、気体中のエタノール濃度を計測することも可能である。
【００５０】
〔実施例１〕
ポリアクリル酸ナトリウム（Poly Acryl Acid-Na）とポリアリルアミン（Poly allylamine-HCl）を８０層交互積層した交互積層膜１７を有するエタノールセンサ１０を作製した。そして、異なるエタノール濃度を有する溶液中にエタノールセンサ１０を浸し、波長６００ｎｍにおける光損失を計測した。この結果を、図３に示す。なお、光損失は空気中での光損失との差を表している。
【００５１】
エタノールセンサ１０を水に浸したとき、光損失が減少した。ポリアクリル酸ナトリウムは、高吸水性であり、水に浸すと網目構造の中に水分子を取り込み膨潤する。これにより、水に浸したとき、交互積層膜１７の屈折率が減少し、ヘテロコア部３から外界に漏れる光が減少したため、光損失は減少したと考えられる。エタノール濃度の増加に伴い光損失は増加した。これはエタノールにより交互積層膜１７が収縮し、ファイバ表面の屈折率が増大したため、センサ部ＳＰから伝送光が外部に漏れたために光損失が増大したと考えられる。なお、水による膨潤とエタノールによる収縮が拮抗するため、空気中での光損失との差が０となるエタノール濃度が存在することになる。
【００５２】
〔実施例２〕
ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（Poly Styrene Sulfonate Acid-Na）とポリアリルアミン（Poly allylamine-HCl）を８０層交互積層した交互積層膜１７を有するエタノールセンサ１０を作製した。そして、異なるエタノール濃度を有する溶液中にエタノールセンサ１０を浸し、波長６００ｎｍにおける光損失を計測した。この結果を、図４に示す。なお、光損失は空気中での光損失との差を表している。
【００５３】
エタノールセンサ１０を水に浸したとき、光損失は増加し、光損失はエタノール濃度の増加に伴いさらに増大した。この結果、交互積層膜１７は、水、エタノールともに対して収縮すると考えられる。
【００５４】
図３と図４を比較すると、図４の方が光損失と直線関係が得られるエタノール濃度範囲が大きいことが理解される。よって、水溶液中でのエタノール濃度計測には、実施例２のエタノールセンサ１０の方が適していると考えられる。
【００５５】
〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図５を参照して、このエタノール計測システムは、第１実施形態と同じエタノールセンサ１０を備えている。
【００５６】
光ファイバ１ａの中途部に光カプラ２１を設け、光カプラ２１で別の光ファイバ１ｃを分岐させるとともに、光ファイバ１ｂの端部に銀蒸着などによって鏡を形成した反射部２２を設けている。そして、分岐された光ファイバ１ｃの端部が出射端となり、この出射端に受光部４０が接続されている。
【００５７】
反射部２１で反射した光は、センサ部ＳＰを再度通過するため、センサ部ＳＰを一方向に通過させただけの光と比較して外界との相互作用をより多く発生させた光が受光部４０で受光されることとなる。よって、計測雰囲気中のエタノール濃度の計測精度がより向上する。
【００５８】
〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図６を参照して、このエタノール計測システムは、ティップ型の光ファイバセンサからなるエタノールセンサ１０Ａを備えている。なお、センサ部ＳＰＡ及びその近傍が所定の曲率半径を維持する図示しない固定具を備えている。
【００５９】
図７を参照して、エタノールセンサ１０Ａのセンサ部ＳＰＡを構成するヘテロコア部３Ａは、光ファイバ１ａの先端に存在している。
【００６０】
ヘテロコア部３Ａのうち光ファイバ１ａに融着されている端部とは反対側の端部の表面に、反射膜１８が設けられている。反射膜１８は、ここでは、銀を蒸着することにより形成されている。反射膜１８の膜厚は、ヘテロコア部３Ａ内の光を光ファイバ１ａ側に十分に反射することができる程度の厚さであり、例えば、数百ｎｍ程度である。
【００６１】
反射膜１９によりヘテロコア部３Ａの先端が鏡面状となっていることにより、ヘテロコア部３Ａ内の光が先端で反射しやすくなっており、多くの光が光ファイバ１ａ側に戻り、受光部４０で受光される。
【００６２】
〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図８を参照して、このエタノール計測システムは、第１実施形態と同じエタノールセンサ１０を備えている。
【００６３】
光ファイバ１ａの光入射端に、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を有する光源３０Ａが設けられ、光ファイバ１ｂの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータからなる受光部４０Ａが設けられている。
【００６４】
光源３０Ａは、単一波長の光を発光するので、受光部４０Ａには分光しないで光強度を計測可能な光マルチメータを用いることができる。
【００６５】
光源３０Ａの発光波長は、表面プラズモン共鳴が生じる波長領域（共鳴波長を中心とする波長領域）から特定の波長を選択し、光マルチメータでモニタする光強度の減衰から、エタノール濃度に応じて屈折率が変化する交互積層膜１７の屈折率変化を感知することができる。
【００６６】
〔第５実施形態〕
本発明の第５実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図９を参照して、このエタノール計測システムは、第１実施形態と同じエタノールセンサ１０を備えている。
【００６７】
光ファイバ１ａの端部には、ＯＴＤＲ（Optical time-domain reflectometer）装置６０が接続されている。ＯＴＤＲ装置６０からセンサ光が光ファイバ１ａに入射されると、センサ部ＳＰで後方へのレイリー散乱光が発生し、このレイリー散乱光をＯＴＤＲ装置６０自身が検出する。
【００６８】
センサ部ＳＰでの光の減衰に応じて、レイリー錯乱光も変化する。そこで、ＯＴＤＲ装置６０が計測する光強度はセンサ部ＳＰの屈折率によって変化することになり、実質的に光強度を計測することによってエタノール濃度を得ることができる。
【００６９】
なお、ＯＴＤＲ装置６０を用いた場合、１本の光ファイバ１に複数のセンサ部ＳＰを直列に設けて、各センサ部ＳＰにおいてエタノール濃度を同時に計測することも可能となる。ただし、ＯＴＤＲ装置６０を用いた場合、リアルタイム計測はできない。
【００７０】
〔第６実施形態〕
本発明の第６実施形態に係るエタノール計測システムを図面を参照して説明する。図１０を参照して、このエタノール計測システムは、エタノールセンサ１０Ｂを備えている。
【００７１】
図１１を参照して、エタノールセンサ１０Ｂは、第１実施形態におけるエタノールセンサ１０と異なり、センサ部ＳＰＢに金属膜１６を備えていない。金属膜１６の代わりに、イオン結合によってクラッド１４の外表面にアミノ基を導入することにより、クラッド１４の外周表面に交互積層膜１７を設けている。ヘテロコア部３Ｂは、光ファイバ１ａ，１ｂを伝送する光の一部を漏洩する光透過部材となっている。
【００７２】
エタノールセンサ１０Ｂは、金属膜１６が存在しないので、表面プラズモン共鳴波が発生しない。しかし、センサ部ＳＰＢは、ヘテロコア部３を有しているので、光損失が大きく、この光損失は交互積層膜１７の屈折率に依存する。そのため、エタノールセンサ１０Ｂを用いて、計測雰囲気中のエタノール濃度を精度良く計測することは可能である。
【００７３】
なお、本発明に係るエタノールセンサ及びエタノール計測システムは、上記各実施形態に限定されない。例えば、各実施形態を適宜組みあせてもよい。
【００７４】
なお、光ファイバ１ａ，１ｂ及び光ファイバ２の双方、あるいは一方が、マルチモード光ファイバであってもよい。ただし、光ファイバ１ａ，１ｂ及び光ファイバ２がシングルモード光ファイバであれば、外部からの影響がより受け難いので好ましい。
【符号の説明】
【００７５】
１…光ファイバ、 １ａ，１ｂ…光ファイバ、 ２…光ファイバ、３…ヘテロコア部、 １０，１０Ａ，１０Ｂ…エタノールセンサ、 １１…コア、 １２…クラッド、 １３…コア、 １４…クラッド、 １５…界面、 １６…金属膜、 １７…交互積層膜、 ２０…固定具、 ３０，３０Ａ…光源、 ４０，４０Ａ…受光部、 ５０…計測部、 ＳＰ，ＳＰＡ，ＳＰＢ…センサ部、 Ｗ…リーク光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部が外界と相互作用するヘテロコア部を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、
前記ヘテロコア部の外周表面に設けられ、該外周表面における前記ヘテロコア部での光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、
該金属膜の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜とを有することを特徴とするエタノールセンサ。
【請求項２】
異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記ヘテロコア部を通過した光を出射する光ファイバと、
前記ヘテロコア部の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜とを有することを特徴とするエタノールセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエタノールセンサと、
前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、
前記光ファイバの出射端に設けられた受光部とを備えることを特徴とするエタノール計測システム。
【請求項１】
異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部が外界と相互作用するヘテロコア部を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記光透過部材を通過した光を出射する光ファイバと、
前記ヘテロコア部の外周表面に設けられ、該外周表面における前記ヘテロコア部での光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、
該金属膜の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜とを有することを特徴とするエタノールセンサ。
【請求項２】
異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部を有し、入射端に光が入射されて出射端から前記ヘテロコア部を通過した光を出射する光ファイバと、
前記ヘテロコア部の外周表面に設けられ、雰囲気中のエタノールにより収縮又は膨潤して屈折率が変化する交互積層膜とを有することを特徴とするエタノールセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエタノールセンサと、
前記光ファイバの入射端に設けられた光源と、
前記光ファイバの出射端に設けられた受光部とを備えることを特徴とするエタノール計測システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２２３８１７（Ｐ２０１０−２２３８１７Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７２４０７（Ｐ２００９−７２４０７）
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（５９８１２３１３８）学校法人 創価大学 (49)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（５９８１２３１３８）学校法人 創価大学 (49)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]