JPH11223630A

JPH11223630A - 光ファイバを利用した化学的又は生物学的種検知装置及びそれを使用した遠方監視システム

Info

Publication number: JPH11223630A
Application number: JP10025874A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Takano; 祐輔高野; Hironobu Yamamoto; 弘信山本; Akihiro Takaya; 明広多加谷; B Stamatoph James; ジェイムズ・ビー・スタマトフ; P Fedla Ronald; ロナルド・ピー・フェドラ
Original assignee: Hoechst Research & Technology K; Hoechst Research & Technology Kk
Current assignee: Hoechst Research & Technology K; Hoechst Research & Technology Kk
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1999-08-17
Also published as: WO1999040418A1

Abstract

(57)【要約】【課題】安全で、構成が簡単且つ製造が容易であり、
信頼性が高く、安価で、小型化が可能な種検知装置を提
供すること。【解決手段】化学的又は生物学的種の存在又は濃度を
検知するための反射型の種検知装置は、光源２と、一端
に反射膜６を備え、光源２から発せられた光を受け取っ
て伝送させ、反射膜６での反射光を逆方向に伝送し、化
学的又は生物学的種の存在下において光伝送特性に測定
可能な変化を生じるセンサ４と、光源２とセンサ４との
間に配置され、光源２からの光を透過してセンサ４に入
射させ、反射膜６からの反射光を出力する光透過・取出
し部８とを具備する。前記反射光に対応する信号を用い
て種の存在等を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、化学的又は生物
学的な種の存在及び／又は濃度を検知するための種検知
装置及びそれを利用した遠方監視システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを利用した検知装置について
は、これまでも多くの提案がなされている。例えば、燃
料蒸気を光学的に検知するために、図８に構成を示す燃
料蒸気検知器が提案されている。この燃料蒸気検知器に
おいては、光源２００から一方の光ファイバ２０２を介
して送られてきた光ビームは、基板２０４上に形成され
た高分子薄膜２０６に入射される。高分子薄膜２０６で
反射された光ビームは他方の光ファイバ２０８を介して
光検出器２１０に送られて検出される。高分子薄膜２０
６は、通路２１２の中を通過する燃料蒸気と反応し、あ
るいは燃料蒸気を吸着又は吸収するので、かかる相互作
用の結果、高分子薄膜２０６の膜厚及び／又は屈折率が
変化する。こうした高分子薄膜２０６の固有の特性を利
用して燃料蒸気を光学的に検知するので、燃料漏れを早
期に発見することが可能となり、しかも、光ファイバー
２０２、２０８を使用するために（電気的ではないため
に）本質的に安全であるという利点を有する。

【０００３】図８に示す燃料蒸気検知器は干渉増幅反射
法（ＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＥｎｈａｎｃｅｄＲ
ｅｆｒｅｃｔｉｏｎ、以下、ＩＥＲ法と呼ぶ）を利用し
ており、高分子薄膜２０６の表面で反射された光は、高
分子薄膜２０６を支持する基板２０４の表面で反射され
た光と位相関係を持ち、相互に干渉する。したがって、
高分子薄膜２０６の膜厚及び／又は屈折率が変化する
と、高分子薄膜２０６の反射率又は反射光の強度が変化
するので、反射光の強度の関数として、燃料蒸気の存在
及び／又は濃度を検出することが可能になる。

【０００４】また、米国特許第４、８４６、５４８号明
細書は、光ファイバを利用した化学的な種検知装置を開
示している。この種検知装置は、図９の（Ａ）及び
（Ｂ）に示すように、ＬＥＤのような光源３００と、光
ファイバを利用した化学的センサ３０２と、化学的セン
サ３０２から出射された光を電気信号へ変換するフォト
ダイオードのような光検知器３０４とを備えている。な
お、図９の（Ａ）においては化学的センサ３０２の主軸
方向の光が、図９の（Ｂ）においては化学的センサ３０
２の主軸からはずれた光がそれぞれ光検知器３０４で検
知される。

【０００５】化学的センサ３０２は、図９の（Ａ）及び
（Ｂ）並びに図１０の（Ａ）に示すとおり、通常の光フ
ァイバで使用される材料からなるコア３０６と該コアの
周囲を囲むクラッド３０８とから成る。光源３００から
発せられた光はコア３０６とクラッド３０８との界面で
全反射されてコア３０６内を伝搬し、光検知器３０４に
入射する。クラッド３０８は化学的種又は生物学的種に
感応する材料から作られており、これらの種が存在する
とき、クラッド３０８は化学的センサ３０２の光伝送特
性を変化させる。なお、図１０の（Ｂ）に示すように、
クラッド３０８の外表面を多孔性のポリマからなるクラ
ッド３１０で覆い、検知すべき種が外側のクラッド３１
０を通して内側のクラッド３０８に接触することができ
るようにしてもよい。

【０００６】しかし、図８に示す燃料蒸気検知器は、光
源２００と光ファイバ２０２との間、光ファイバ２０２
と高分子薄膜２０６との間、光ファイバ２０８と光検出
器２１０との間にそれぞれコリメータやコネクタを配設
することが必要であり、構成が複雑であるばかりでな
卯、コストが高いという欠点を有する。また、図９及び
図１０に示す種検知装置は、化学的センサ３０２の一端
に電気的に動作する光検知器３０４を配置しているの
で、たとえ防爆構造を取ったとしても、潜在的に爆発性
雰囲気中で使用することへの不安はぬぐいきれない。

【０００７】更に考慮すべきは、化学的種又は生物学的
種の存在や濃度を遠方から監視することができるシステ
ムが要望されるということである。

【０００８】

【発明が解決すべき課題】この発明は以上の課題に鑑み
て提案されたもので、この発明の一般的な目的は、光フ
ァイバを用いて安価且つ構成の簡単な、化学的又は生物
学的種の存在及び／又は濃度を検出するための種検知装
置を提供することである。更に詳細には、この発明は、
本質的に安全であり、構成が簡単且つ製造が容易であ
り、信頼性が高く、安価で、小型化が可能な種検知装置
を提供することを目的とする。更に、この発明の他の目
的は、こうした種検知装置を利用して種の存在及び／又
は濃度を遠方から監視することができる遠方監視システ
ムを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、化学的又は生物学的種の存在と濃度
のうちの少なくとも一方を検出するための反射型の種検
知装置及び透過型の種検知装置を提供する。

【００１０】この発明に係る反射型の種検知装置は、図
１の（Ａ）に示すとおり、光源２と、前記光源２から発
せられた所定の波長の光を一端に受け取って伝送させる
と共に他端に反射手段６を備え、前記反射手段で反射さ
れた光を逆方向に伝送するセンサ４であって、化学的又
は生物学的種の存在下において光伝送特性に測定可能な
変化を生じるセンサ４と、前記光源２と前記センサ４の
前記一端との間に配置され、前記光源２からの光を透過
して前記センサ４の前記一端に入射させると共に、前記
反射手段６によって反射されて前記センサ４を逆方向に
伝送された反射光を出力する光透過・取出し部８と、を
具備する。

【００１１】この発明の一つの実施の形態においては、
反射型の種検知装置は、前記光源２から発せられた光に
対応する参照信号を生成する参照光検出部２２と、前記
光透過・取出し部８からの前記反射光と前記参照光検出
部２２からの前記参照光とを処理して該反射光に対応す
る信号を生成する反射光処理部１０と、を更に具備す
る。

【００１２】一方、この発明に係る透過型の種検知装置
は、図１の（Ｂ）に示すとおり、光源２と、前記光源２
から発せられた所定の波長の光を一端に受け取り、他端
から出力するセンサ４であって、化学的又は生物学的種
の存在下において光伝送特性に測定可能な変化を生じる
センサ４と、を具備する。

【００１３】この発明の他の実施の形態においては、透
過型の種検知装置は、前記光源２から発せられた光に対
応する参照信号を生成する参照光検出部２２と、前記セ
ンサ４から出力された透過光と前記参照光とを処理して
該透過光に対応する信号を生成する透過光処理部１２
と、を更に具備する。

【００１４】これらの反射型及び透過型の種検知装置に
おいて、前記センサ４は光源２からの所定の波長の光を
伝送するコア１４と、該コアを包囲するクラッド１６と
を有する光ファイバ素子であって、該クラッド１６の少
なくとも一部分が検知すべき化学的又は生物学的種に応
答して該一部分の光学的特性を変化させ、該光ファイバ
素子の光伝送特性を変化させる材料から成る。例えば、
クラッド１６は、検知すべき化学的又は生物学的種に応
答して屈折率を変化させる。

【００１５】クラッド１６は、

【化１】で表される繰り返し単位を有するホモポリマー又はコポ
リマーであることが好ましい。ここで、Ｘは−Ｈ、−
Ｆ、−Ｃｌ、−Ｂｒ、−ＣＨ₃、−ＣＦ₃、−ＣＮ又は−
ＣＨ₂−ＣＨ₃を表し、Ｒ¹は、−Ｒ²又は−Ｚ−Ｒ²を表
し、Ｚは、−Ｏ−、−Ｓ−、−ＮＨ−、−ＮＲ²′−、
−（Ｃ＝Ｙ）−、−（Ｃ＝Ｙ）−Ｙ−、−Ｙ−（Ｃ＝
Ｙ）−、−（ＳＯ₂）−、−Ｙ′−（ＳＯ₂）−、−（Ｓ
Ｏ₂）−Ｙ′−、−Ｙ′−（ＳＯ₂）−Ｙ′−、−ＮＨ−
（Ｃ＝Ｏ）−、−（Ｃ＝Ｏ）−ＮＨ−、−（Ｃ＝Ｏ）−
ＮＲ²′−、−Ｙ′−（Ｃ＝Ｙ）−Ｙ′−又は−Ｏ−
（Ｃ＝Ｏ）−（ＣＨ₂）_n−（Ｃ＝Ｏ）−Ｏ−を表し、Ｙ
は独立してＯ又はＳを表し、Ｙ′は独立してＯ又はＮＨ
を表し、ｎは０〜２０の整数を表し、Ｒ²又はＲ²′は、
独立して水素、直鎖アルキル基、分岐鎖アルキル基、シ
クロアルキル基、不飽和炭化水素基、アリール基、飽和
又は不飽和のヘテロ環又はそれらの誘導体を表す。ただ
し、Ｒ¹は水素、直鎖アルキル基、分岐アルキル基では
ない。

【００１６】好ましくは、上記繰り返し単位（Ｉ）中の
ＸはＨ又はＣＨ₃を表し、Ｒ¹は、置換又は非置換アリー
ル基又は−Ｚ−Ｒ²を表し、Ｚは、−Ｏ−、−（Ｃ＝
Ｏ）−Ｏ−又は−Ｏ−（Ｃ＝Ｏ）−を表し、Ｒ²は直鎖
アルキル基、分岐アルキル基、シクロアルキル基、不飽
和炭化水素基、アリール基、飽和又は不飽和のヘテロ環
又はそれらの誘導体を表す。

【００１７】クラッド１６として使用されるポリマー
は、単一の上記繰り返し単位（Ｉ）のみから成るポリマ
ーでも、他の繰り返し単位と上記の繰り返し単位（Ｉ）
とから成るコポリマーでも、上記の繰り返し単位（Ｉ）
の二種類以上から成るコポリマーでもよい。コポリマー
中での繰り返し単位の配列はいかなるものでもよく、例
えば、ランダムコポリマー、交互コポリマー、ブロック
コポリマー、又はクラフトコポリマーを使用することが
できる。特に、クラッド１６はポリメタクリル酸エステ
ル類、ポリアクリル酸エステル類から調製されるのが好
ましい。エステルの側鎖基は、好ましくは直鎖若しくは
分岐アルキル基又はシクロアルキル基であり、炭素数は
４〜２２である。

【００１８】クラッド１６として特に好ましいポリアク
リルを以下に列挙する：ポリ（メタクリル酸ドデシル）ポリ（メタクリル酸イソドデシル）ポリ（メタクリル酸−エチルヘキシル）ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−メタク
リル酸メチル）ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−スチレ
ン）ポリ（メタクリル酸メチルーｃｏ−アクリル酸２−エチ
ルヘキシル）ポリ（メタクリル酸メチルーｃｏ−メタクリル酸２−エ
チルヘキシル）ポリ（メタクリル酸イソブチル−ｃｏ−メタクリル酸グ
リシジル）ポリ（メタクリル酸シクロヘキシル）ポリ（メタクリル酸オクタデシル）ポリ（メタクリル酸オクタデシル−ｃｏ−スチレン）ポリ（プロピオン酸ビニル）ポリ（メタクリル酸ドデシル−ｃｏ−スチレン）ポリ（メタクリル酸ドデシル−ｃｏ−メタクリル酸グリ
シジル）ポリ（メタクリル酸ブチル）ポリ（メタクリル酸ブチル−ｃｏ−メタクリル酸メチ
ル）ポリ（メタクリル酸ブチル−ｃｏ−メタクリル酸グリシ
ジル）ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシルーｃｏ−メタク
リル酸グリシジル）ポリ（メタクリル酸シクロヘキシル−ｃｏ−メタクリル
酸グリシジル）ポリ（メタクリル酸シクロヘキシル−ｃｏ−メタクリル
酸メチル）ポリ（メタクリル酸ベンジル−ｃｏ−メタクリル酸２−
エチルヘキシル）ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−ジアセ
トンアクリルアミド）ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−メタク
リル酸ベンジル−ｃｏ−メタクリル酸グリシジル）ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−メタク
リル酸メチル−ｃｏ−メタクリル酸グリシジル）ポリ（桂皮酸ビニル）ポリ（桂皮酸ビニル−ｃｏ−メタクリル酸ドデシル）ポリ（メタクリル酸テトラヒドロフルフリル）ポリ（メタクリル酸ヘキサデシル）ポリ（メタクリル酸２−エチルブチル）ポリ（メタクリル酸２−ヒドロキシエチル）ポリ（メタクリル酸シクロヘキシル−ｃｏ−メタクリル
酸イソブチル）ポリ（メタクリル酸シクロヘキシル−ｃｏ−メタクリル
酸２−エチルヘキシル）ポリ（メタクリル酸ブチル−ｃｏ−メタクリル酸２−エ
チルヘキシル）ポリ（メタクリル酸ブチル−ｃｏ−メタクリル酸イソブ
チル）ポリ（メタクリル酸シクロヘキシル−ｃｏ−メタクリル
酸ブチル）ポリ（メタクリル酸シクロヘキシル−ｃｏ−メタクリル
酸ドデシル）ポリ（メタクリル酸ブチル−ｃｏ−メタクリル酸エチ
ル）ポリ（メタクリル酸ブチル−ｃｏ−メタクリル酸オクタ
デシル）ポリ（メタクリル酸ブチル−ｃｏ−スチレン）ポリ（４−メチルスチレン）ポリ（メタクリル酸シクロヘキシル−ｃｏ−メタクリル
酸ベンジル）ポリ（メタクリル酸ドデシル−ｃｏ−メタクリル酸ベン
ジル）ポリ（メタクリル酸オクタデシル−ｃｏ−メタクリル酸
ベンジル）ポリ（メタクリル酸ベンジル−ｃｏ−メタクリル酸テト
ラヒドロフルフリル）ポリ（メタクリル酸ベンジル−ｃｏ−メタクリル酸ヘキ
サデシル）ポリ（メタクリル酸ベンジル−ｃｏ−メタクリル酸メチ
ル）ポリ（メタクリル酸ドデシル−ｃｏ−メタクリル酸エチ
ル）ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−メタク
リル酸ドデシル）ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−メタク
リル酸オクタデシル）ポリ（メタクリル酸２−エチルブチル−ｃｏ−メタクリ
ル酸ベンジル）ポリ（メタクリル酸テトラヒドロフルフリル−ｃｏ−メ
タクリル酸グリシジル）ポリ（スチレン−ｃｏ−アクリル酸オクタデシル）ポリ（メタクリル酸オクタデシル−ｃｏ−メタクリル酸
グリシジル）ポリ（４−メトキシステレン）ポリ（メタクリル酸２−エチルブチル−ｃｏ−メタクリ
ル酸グリシジル）ポリ（スチレン−ｃｏ−メタクリル酸テトラヒドロフル
フリル）ポリ（メタクリル酸２−エチルヘキシル−ｃｏ−メタク
リル酸プロピル）ポリ（メタクリル酸オクタデシル−ｃｏ−メタクリル酸
イソプロピル）ポリ（３−メチル−ヒドロキシスチレン−ｃｏ−４−ヒ
ドロキシスチレン）ポリ（スチレン−ｃｏ−メタクリル酸２−エチルヘキシ
ル−ｃｏ−メタクリル酸グリシジル）。

【００１９】なお、上記のメタクリル酸エステルポリマ
ー又はコポリマーにおいて、メタクリル酸に代えてアク
リル酸を用いてもよい。また、上記のポリマーはそれ自
体架橋することが可能であるが、該ポリマー中に架橋用
の反応性基を有する化合物を導入することによって架橋
することも可能である。そのような架橋用の反応性基と
しては、例えば、アミノ基、水酸基、カルボキシル基、
エポキシ基、カルボニル基及びウレタン基並びにそれら
の誘導体や、マレイン酸、フマル酸、ソルビン酸、イタ
コン酸及び桂皮酸並びにそれらの誘導体を上げることが
できる。可視光、紫外光又は高エネルギー放射線の照射
によってカルベン又はニトレンを形成することが可能な
化学構造を有する物質も、架橋剤として使用し得る。架
橋ポリマーより形成されたフィルムは不溶性であるの
で、クラッド１６を形成するポリマーを架橋することに
より、検知器の安定性を増すことができる。架橋方法に
は特に制限はなく、従来公知の架橋方法、例えば加熱に
よる方法の他に、光や放射線の照射による方法を用いる
ことができる。

【００２０】また、

【化２】で表される繰り返し単位（ＩＩ）を有するホモポリマー
又はコポリマーであることが好ましい。高分子薄膜とし
て使用するポリマーは、単一の上記の繰り返し単位（Ｉ
Ｉ）のみから成るポリマーでも、他の繰り返し単位と上
記の繰り返し単位（ＩＩ）とから成るコポリマーでもよ
い。コポリマー中での繰り返し単位の配列はいかなるも
のでもよく、例えば、ランダム・コポリマー、交互コポ
リマー、ブロック・コポリマー又はグラフト・コポリマ
ーを使用することができる。

【００２１】図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示す種検知装置
において、光源２には可視光又は赤外線を発するレーザ
ーダイオード又は発光ダイオード等の発光体を単独で又
はコリメータ等と組み合わせて用いることができる。こ
こで用いられるコリメータとしては、市販のコリメータ
レンズ付きコネクタ、セルフォックレンズ等が好まし
い。光源２からの光を平行にするために、コリメーター
レンズを設けることが好ましい。こうしたコリメータレ
ンズとしては、ガラス球面凸レンズ、硝子非球面凸レン
ズ、プラスチック球面凸レンズ、プラスチック非球面凸
レンズ、石英球面凸レンズ、石英非球面凸レンズ、セル
フォックレンズ、ボールレンズ等を用いることができ、
石英非球面凸レンズが好適である。

【００２２】図１の（Ａ）に示す反射型の種検知装置に
おいては、光透過・取出し部８としては、ガラス板、ビ
ームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、無偏光ビーム
スプリッタ又はハーフミラーを用いることができ、好ま
しくはビームスプリッタである。光検出部１０はフォト
ダイオード、フォトトランジスタ又は光電子増倍管のい
ずれかで構成することができるが、フォトダイオードを
用いるのが好ましい。また、前記反射手段６は前記光フ
ァイバ素子の一端に設けられた反射膜であることが好ま
しい。反射膜としては、金属ミラー、誘電体積層膜ミラ
ー等が挙げられる。

【００２３】光源２と光透過・取出し部８とは、光ファ
イバ１８を介して又は何等の光学装置を介することなく
直接に結合することができる。この場合の光源２として
はレーザーダイオード或いは発光ダイオードが適してい
る。同様に、光透過・取出し部８とセンサ４とは、光フ
ァイバ２０を介して又は何等の光学装置を介することな
く結合することができる。光透過・取出し部８から出射
された光ビームはコリメータを介して光ファイバ２０の
一端に導入されるのが好ましい。ここで用いられるコリ
メータとしては、市販のコリメータレンズ付きコネク
タ、セルフォックレンズ等が好ましい。

【００２４】図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示す光ファイバ
１８、２０としては、シングル・モード光ファイバ、マ
ルチモード光ファイバ及びシングルモードファイバから
なる光ファイバ光導波管、又は、マルチモード光ファイ
バから成る光ファイバ光導波管であることが好ましい。
光ファイバ１８、２０から出射した光はかなりの広がり
角を有するので、レンズで集光して光透過・出力部８及
びセンサ４に入射させるのが好ましい。このためのレン
ズはガラス球面凸レンズ、硝子非球面凸レンズ、プラス
チック球面凸レンズ、プラスチック非球面凸レンズ、石
英球面凸レンズ、石英非球面凸レンズ、セルフォックレ
ンズ、ボールレンズ等が好ましい。

【００２５】実際には、光源部２と光透過・取出し部８
と反射光検出部１０とは発光・受光ユニットとして一体
化され、一つのケース内に収納されて防爆上安全な区域
に設置されることが望ましい。この場合、ホログラムを
付加した発光・受光一体型レーザー（特開平６−５２５
８８号公報参照）を利用すると有利である。

【００２６】図１の（Ａ）に示すように、反射型の種検
知装置は更に、光源２から参照光を取り出して該参照光
に対応する参照値を出力する参照光検出部２２を備える
ことが好ましい。この場合、反射光検出部１０は、セン
サ４からの反射光に対応した電気信号を生成する光−電
気変換手段と、この生成された電気信号を前記参照値と
比較し、比較の結果として化学的又は生物学的種の存在
及び／又は濃度を知らせる処理手段とを備える。

【００２７】次に、図１の（Ｂ）に示す種検知装置にお
いても、光源２とセンサ４との間、及び、センサ４と透
過光検出部１２との間はそれぞれ光ファイバ２４、２６
によって結合することができる。これらの光ファイバ２
４、２６としては、シングル・モード光ファイバ、マル
チモード光ファイバ及びシングルモードファイバからな
る光ファイバ光導波管、又は、マルチモード光ファイバ
からなる光ファイバ光導波管であることが好ましい。光
ファイバ２４、２６から出射した光はかなりの広がり角
を有しているので、レンズで集光してからセンサ４及び
透過光検出部１２に入射させるのが好ましい。このため
のレンズはガラス球面凸レンズ、硝子非球面凸レンズ、
プラスチック球面凸レンズ、プラスチック非球面凸レン
ズ、石英球面凸レンズ、石英非球面凸レンズ、セルフォ
ックレンズ、ボールレンズ等が好ましい。

【００２８】また、図１の（Ｂ）に示すように、透過型
の種検知装置も更に、光源２から参照光を取り出して該
参照光に対応する参照値を出力する参照光検出部２２を
備えることが好ましい。この場合、透過光検出部１２
は、センサ４からの透過光に対応した電気信号を生成す
る光−電気変換手段と、この生成された電気信号を前記
参照値と比較し、比較の結果として化学的又は生物学的
種の存在及び／又は濃度を知らせる処理手段とを備え
る。

【００２９】更に、この発明は、これまで説明してきた
反射型及び透過型の種検知装置を用いて、被監視個所に
電気的装置を配置する必要のない遠方監視システムを提
供する。この遠方監視システムにおいては、これらの種
検知装置のセンサ４が被監視個所に配置され、一方、反
射型の種検知装置においては光源２、光透過・出力部
８、参照光検出部２２及び反射光処理部１０が、透過型
の種検知装置においては光源２、参照光検出部２２及び
透過光処理部１２が、被監視個所から所定距離離れた位
置に置かれた警報制御部内に設置される。

【００３０】前記警報制御部は、反射光処理部１０又は
透過光処理部１２から出力される電気信号に基づいて、
センサ４のトラブルとセンサ４が設置された個所におけ
る化学的又は生物学的種の存在とを含む異常状態が発生
したかどうかを判定する判定回路と、前記判定回路によ
る判定結果を示すデータを蓄積するためのメモリと、前
記判定結果が異常状態の発生を示していないときには前
記メモリに蓄積されたデータを所定の時間間隔で遠方地
点へ通報し、前記判定結果が異常状態の発生を示してい
るときには直ちに前記遠方地点へ通報するための通報手
段と、を備えている。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、この発明を若干の実施の形
態によって更に具体的に説明するが、この発明はこれら
の実施の形態に限定されるものではない。なお、以下の
説明において、同一の参照数字や参照記号は同じ又は同
様の構成要素を指示するものとする。

【００３２】図２の（Ａ）は、この発明に係る種検知装
置の１つの実施の形態の構成を概略的に示す図で、図１
の（Ａ）に示す反射型の種検知装置に対応する。種検知
装置において、光源２は例えばレーザーダイオード３０
である。レーザーダイオード３０から出射された光は、
コリメータレンズ及び集光レンズを介して光ファイバ１
８に入射され、また、レーザーダイオード３０から逆側
へ出射された光は、参照光として第１のフォトダイオー
ド（リファレンスチャンネル・フォトダイオード）３４
に入射される。光ファイバ１８に入射された光は光透過
・取出し部８としてのビーム・スプリッタ３２を透過
し、コリメータ３６によって集光され、光ファイバ２０
内を伝搬した後、コネクタ３８を介して化学的センサ４
０に導入される。

【００３３】化学的センサ４０は、前記の米国特許第
４、８４６、５４８号明細書に記載されたような、光を
伝搬するコアと該コアを包囲するクラッドとからなる光
ファイバ型のセンサで、クラッドは例えば炭化水素等の
被検知物質と反応して屈折率等の光学的特性を変化させ
る材料から作られる。化学的センサ４０内に導入された
光は端部に設けられた反射膜４２によって反射される。

【００３４】第１の光−電変換素子、例えばフォトダイ
オード（リファレンスチャンネル・フォトダイオード）
３４で受光されたレーザービームは電流信号に変換さ
れ、第１の電流−電圧変換回路４４によって電圧信号に
変換される。一方、反射膜４２によって反射された光は
元の経路と同じ経路を伝搬してビームスプリッタ３２に
入り、直角に曲げられて検知信号として第２の光−電変
換素子、例えばフォトダイオード（信号チャンネル・フ
ォトダイオード）４６によって受光されて電流信号に変
換され、更に、第２の電流−電圧変換回路４８によって
電圧信号に変換回路される。

【００３５】第１の光−電変換素子３４及び第１の電流
−電圧変換回路４４は参照光検出部２２に相当する回路
を構成し、第２の光−電変換素子４６及び第２の電流−
電圧変換回路４８は反射光検出部１０に相当する回路を
構成する。

【００３６】次に、図２の（Ａ）に示す種検知装置の動
作について説明すると、レーザーダイオード３０から出
射された光はビームスプリッタ３２を通過し、コリメー
タ３６、光ファイバ２０及びコネクタ３８を通って化学
的センサ４０に入り、化学的センサ４０内を伝搬して反
射膜４２で反射される。この後、反射光は逆の経路上を
戻ってビームスプリッタ３２に入り、ここで直角に進路
を変更してフォトダイオード４６に入射して電流信号に
変換され、更に、第２の電流−電圧変換回路４８によっ
て電圧信号に変換される。

【００３７】一方、レーザーダイオード３０から逆側へ
出射された光は、参照光としてフォトダイオード３４で
受光されて電流信号に変換され、この電流信号は第１の
電流−電圧変換回路４４によって基準の電圧信号に変換
される。

【００３８】化学的センサ４０は、炭化水素等の被検知
物質が存在する雰囲気中に置かれると、クラッドが被検
知物質と相互作用するので、クラッドの光学的特性が変
化する。これによって化学的センサ４０の全反射の条件
が、したがって光伝送特性が変化するので、反射膜４２
で反射されて化学的センサ４０から出射される光の強度
が変わる。そこで、第１の電流−電圧変換回路４４から
出力される基準の電圧信号とと第２の電流−電圧変換回
路４８から出力される電圧信号とを所定の処理回路（図
示せず）において比較することにより、被検知物質の存
在を知ることができる。

【００３９】なお、図２の（Ｂ）に示すように、光源２
をレーザーダイオード３０とコリメーターレンズ５０と
を組み合わせたものによって構成し、光ファイバ１８を
省略すると共に、ビームスプリッタ３２に代えてガラス
板５２を用いるようにしてもよい。

【００４０】図３は、この発明に係る種検知装置の第２
の実施の形態の構成を概略的に示す図で、光源２と光透
過・取出し部８と反射光検出部１０とを一体化して発光
・受光ユニットとしたものである。この実施の形態にお
ける発光・受光ユニット５４は、ホログラムを付加した
発光・受光一体型レーザー５６（特開平６−５２５８８
号公報参照）と、この発光・受光一体型レーザー５６か
らのレーザー光及び化学的センサ４０から反射されて戻
って来た光を伝搬する光ファイバ１８が一端に結合され
たコリメータレンズ付きのファイバーレセプタクルＦＣ
コネクタ５８とを一体化した構造をしている。

【００４１】図３において、発光・受光一体型レーザー
５６は、発振波長が例えば７８０ｎｍのレーザーダイオ
ード６０と、このレーザーダイオード６０から発出され
るレーザー光をモニターするためのフォトダイオード
（図示せず）と、化学的センサ４０から反射されて戻っ
て来た光を検出するための受光フォトダイオード６２
と、レーザーダイオード６０から発出されたレーザー光
を透過させると共に化学的センサ４０から戻って来た反
射光の進行方向を曲げて受光フォトダイオード６２に入
射させるホログラム６４とを一体化したもので、これら
の要素は適宜の台上に支持されている。

【００４２】発光・受光一体型レーザー５６はアルミ製
の筒６６の一端に固定され、筒６６内の適所には、ホロ
グラム６４を透過した光を平行にするためのコリメータ
レンズ６８が適宜の手段によって固定され、筒６６の上
端にはファイバーレセプタクルＦＣコネクタ５８の下端
が固着される。光ファイバ１８の端部は、コリメータレ
ンズ６８によって平行にされたレーザー光がコリメータ
レンズ７０によって集光される位置まで、ファイバーレ
セプタクルＦＣコネクタ５８の内部に引き込まれてい
る。

【００４３】図３に示す発光・受光ユニット５４を図１
に示す構成と対比すると、レーザーダイオード５６は光
源２と、ホログラム６４は光透過・取出し部８と、受光
フォトダイオード６２は反射光検出部１０とそれぞれ対
応する。

【００４４】第２の実施の形態の種検知装置は以上のと
おりに構成されているので、レーザーダイオード６０か
ら発出されたレーザー光は、ホログラム６４を透過し、
コリメータレンズ６８によって平行にされた後、コリメ
ータレンズ７０により光ファイバ１８の一端に集光さ
れ、光ファイバ１８内を伝搬して化学的センサ４０に至
り、反射膜４４によって反射される。反射された光は逆
の経路をたどって伝搬し、コリメータレンズ６８を通過
してホログラム６４に入射する。ホログラム６４はこの
入射光の進行方向を曲げて受光フォトダイオード６２に
集光させる。このときの受光フォトダイオード５２の出
力信号強度を検出して適宜処理することにより、被検知
物質の有無を検出することが可能になる。

【００４５】これまでは反射型の種検知装置について説
明してきたが、次に、図４により、図１の（Ｂ）に示す
透過型の種検知装置を、この発明に係る種検知装置の第
３の実施の形態として説明する。

【００４６】図４において、レーザーダイオード３０か
ら出射され、光ファイバ２４を通過して化学的センサ４
０の一端に入射した光は、化学的センサ４０を透過して
その他端から光ファイバ２６に入り、光ファイバ２６内
を伝搬して第２のフォトダイオード４６に至る。

【００４７】図５は、これまで説明した反射型及び透過
型の種検知装置に用いることができ、光源２と参照光検
出部２２とを一体化した構造の一例を示している。この
構造においては、レーザーダイオード３０の代わりにＬ
ＥＤ３０′が用いられ、フォトダイオード３４の代わり
にフォトトランジスタ３４′が用いられている。ＬＥＤ
３０′から発せられた光は光ファイバ１８又は２４及び
第１のフォトトランジスタ３４′へ入射する。ＬＥＤ３
０′は、凹部７２が内部に形成された透明な筒形部材７
４に埋め込まれており、筒形部材７４の凹部７２の底面
には、ＬＥＤ３０′から発せられた光を集光するため
に、予めレンズ７６が一体成型されている。凹部７２の
開口側には、レンズ７６を通過した光の進行方向に対し
て４５度をなす反射面７８が形成された金属体８０が固
定される。光ファイバ１８又は２４の端部は金属体８０
を貫通して設けられ、光ファイバ１８又は２４の一端は
反射面７８上に位置し、レンズ７６により集光された光
が入射される。第１のフォトトランジスタ３４′は、レ
ンズ７６を出て反射面７８によって反射された光を受光
するように、筒形部材７４の外面の適宜の位置に固定さ
れる。

【００４８】筒形部材７４は、例えば、透明なアクリル
材料から作ることができ、プラスティック・モールディ
ングによりＬＥＤ３０′とレンズ７６とを含んで一体成
型されるのが好ましい。

【００４９】これまで詳細に説明した反射型及び透過型
の種検知装置の１つの重要な応用分野は、被検知物質の
存在及び又は濃度を遠方から監視するシステムである。
図６はこうした遠方監視システムの概要を示している。
図６において、図２の（Ａ）に示す構成で一端に反射膜
６が設けられた化学的センサ４₁、４₂、４₃、４₄を被監
視場所に設置し、これらの化学的センサと警報制御部８
２との間を光ファイバ２０₁、２０₂、２０₃、２０₄でそ
れぞれ接続する。警報制御部８２は、被監視場所から所
定の距離だけ離れた適宜の個所に設置され、遠方の監視
センタ８４に設けられたデータ処理装置８６と電話回
線、専用回線、無線回線、衛星回線等の任意の通信回線
８８を介して接続される。データ処理装置８６は例えば
パーソナルコンピュータ等の演算処理装置である。必要
に応じて、通信回線８８の途中に中継局９０を設置して
もよい。監視センタ８４に複数個の警報制御部８２を接
続し、複数の異なる場所を同時に集中監視することがで
きるようにしてもよい。

【００５０】図７は、３個の化学的センサ４₁、４₂、４
₃が光ファイバ２０₁、２０₂、２０₃を介して接続されて
いる警報制御部８２の具体的な構成例を示すブロック図
である。図６において、警報制御部８２は、光ファイバ
２０₁、２０₂、２０₃の一端が接続された３個の警報制
御ユニット９２₁、９２₂、９２₃と、警報制御部８２の
動作全体を制御する制御用マイクロプロセッサ９４と、
通信回線８８に接続されたモデム９６と、監視データを
蓄積するメモリ９８と、外部情報が入力される外部入力
端子１００と、警報を発する警報部１０２とを備えてい
る。

【００５１】警報制御ユニット９２₁、９２₂、９２₃は
同じ構成であって、それぞれ発光・受光ユニット、アナ
ログ判定回路及び表示部を有する。それぞれの発光・受
光ユニットはレーザー光を光ファイバ２０₁、２０₂、２
０₃に送出して化学的センサ４₁、４₂、４₃内を伝搬さ
せ、これらの化学的センサの一端の反射膜６で反射され
て戻って来た光を受光して電気信号に変換する。この電
気信号は、被検知物質の有無や化学的センサ、光ファイ
バ、光源等にトラブルが発生したどうかを判定するため
に、アナログ判定回路において警報スレッショルド値及
びトラブル警報スレッショルド値とそれぞれ比較され
る。アナログ判定回路での判定結果は「異常なし」、
「被検知物質が存在する」及び「センサ、光ファイバ、
光源等にトラブルが発生した」のいずれかであり、制御
用マイクロプロセッサ９４はこの判定結果を警報制御ユ
ニット内の表示部に表示させて現場管理者による被監視
個所の状況の把握を可能にする。なお、必要に応じて、
判定結果をプリントアウトするようにしてもよい。

【００５２】制御用マイクロプロセッサ９４はアナログ
判定回路における判定結果をメモリ９８に一時蓄積させ
る。この判定結果が化学的センサ４₁、４₂、４₃が正常
に動作しており、被検知物質が存在しないことを示すと
き、所定の時刻毎に、制御用マイクロプロセッサ９４は
判定結果を表すデータをメモリ９２から読み出し、この
データを現場識別コードと共にモデム９６を介して監視
センタ８４へ送出する。このとき、制御用マイクロプロ
セッサ９４は外部入力端子１００から入力される外部デ
ータ（例えば、停電発生時刻、停電が復旧した時刻等）
をもモデム９６及び通信回線８８を介して監視センタ８
４のデータ処理装置８６へ送ることができる。こうした
監視センタ８４への通報内容は、現場において適宜の入
力手段を用いて、及びデータ処理装置８６から制御用マ
イクロプロセッサ９４へ指令を送ることによって設定す
ることが可能である。また、警報スレッショルドやトラ
ブル警報スレッショルドの値の設定又は変更も、同様
に、新たな値を現場で入力し、又はデータ処理装置８６
から通信回線８８を介して制御用マイクロプロセッサ９
４へ指令を送ることによって行うことができる。

【００５３】一方、アナログ判定回路の判定結果が被検
知物質の存在又は化学的センサ、光ファイバ、光源等の
トラブルの発生を示している時には、直ちに制御用マイ
クロプロセッサ９４は警報部１０２を作動させて警報を
発して現場管理者に対処を促すと共に、異常の発生をモ
デム９６及び通信回線８８を介してデータ処理装置８６
に通報する。これによって、データ処理装置８６は異常
メッセージを表示し又は警報ランプやブザーを作動させ
て管理者に適切な処置を取るよう促す。したがって、異
常の発生を遠方地点で早期に発見することが可能とな
る。

【００５４】なお、これまでの説明では、被検知物質の
存在を化学的に検知する化学的センサを用いるものとし
て説明してきたが、これに代えて、生物学的に被検知物
質の存在を検知する生物学的センサを用いてもよい。ま
た、被検知物質が存在する場合に、その濃度を検知する
ことができる化学的又は生物学的センサを用いることも
可能である。

【００５５】

【発明の効果】以上、この発明を若干の実施の形態を参
照しながら詳述したところから明らかなとおり、この発
明の種検知装置は構成が簡単で、安価に製作することが
可能でありながら信頼性が高いうえ、本質的に安全に被
検知物質の存在及び／又は濃度を検知することができ
る。しかも、被監視個所にセンサを設置し、該センサと
発光・受光ユニットとを光ファイバで接続して発光・受
光ユニットからの出力を利用して異常状態の発生を判定
すればよいので、異常状態を安全に且つ早期に発見する
ことが可能になる。

【００５６】更に、センサから得たデータを遠方地点へ
通報することができるようにしたので、被監視個所を無
人状態になる夜間を含めて常時監視することができ、異
常の発生時に迅速に対応することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、この発明に係る
反射型の種検知装置及び透過型の種検知装置の構成を概
略的に示す図である。

【図２】（Ａ）は、この発明に係る種検知装置の第１の
実施の形態の構成を概略的に示す図であり、（Ｂ）は、
第１の実施の形態の一部の構成要件を変更した例であ
る。

【図３】この発明に係る種検知装置の第２の実施の形態
の構成を概略的に示す図である。

【図４】この発明に係る種検知装置の第３の実施の形態
の構成を概略的に示す図である。

【図５】図２及び図４に示す種検知装置に用いることが
できる、光源と参照光検出部との一体構造の一例を示す
図である。

【図６】この発明に係る種検知装置を用いた遠方監視シ
ステムの概要図である。

【図７】図６の警報制御部の具体的な構成を概略的に示
すブロック図である。

【図８】従来の燃料蒸気検知器の一例の構成を概略的に
示す図である。

【図９】化学的センサを用いた公知の種検知装置の概略
図である。

【図１０】図９の化学的センサの構成を説明するための
図である。

【符号の説明】

４：センサ、６：反射膜、１４：コア、１６：ク
ラッド、３０：レーザーダイオード、３２：ビームス
プリッタ、３４：第１のフォトダイオード、３６：コ
リメータ、３８：コネクタ、４４：第１の電流−電圧
変換回路、４０：化学的センサ、４２：反射膜、４
６：第２のフォトダイオード、４８：第２の電流−電
圧変換回路、５０：コリメータ・レンズ、５２：ガラ
ス板、５４：発光・受光ユニット、５６：発光・受光
一体型レーザー、６０：レーザーダイオード、６２：
受光フォトダイオード、５４：ホログラム、７４：
筒形部材、７８：反射面、８０：金属体

【手続補正書】

【提出日】平成１１年３月１５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】しかし、図８に示す燃料蒸気検知器は、光
源２００と光ファイバ２０２との間、光ファイバ２０２
と高分子薄膜２０６との間、光ファイバ２０８と光検出
器２１０との間にそれぞれコリメータやコネクタを配置
することが必要であり、構成が複雑になるばかりでな
く、コストが高いという欠点を有する。又、図９及び図
１０に示す種検知装置は、化学的センサ３０２の一端に
電気的に動作する光検知器３０４を配置しているので、
たとえ防爆構造を取ったとしても、潜在的に爆発性雰囲
気中で使用することへの不安はぬぐいきれない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者多加谷明広埼玉県川越市南台１−３−２ヘキストリサーチアンドテクノロジー株式会社内 (72)発明者ジェイムズ・ビー・スタマトフ埼玉県川越市南台１−３−２ヘキストリサーチアンドテクノロジー株式会社内 (72)発明者ロナルド・ピー・フェドラ埼玉県川越市南台１−３−２ヘキストリサーチアンドテクノロジー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化学的又は生物学的種の存在と濃度のう
ちの少なくとも一方を検出するための種検知装置であっ
て、光源と、一端に反射手段を備え、前記光源から発せられた所定の
波長の光を他端に受け取って伝送させると共に、前記反
射手段で反射された光を逆方向に伝送するセンサであっ
て、化学的又は生物学的種の存在下において光伝送特性
に測定可能な変化を生じるセンサと、前記光源と前記センサの前記他端との間に配置され、前
記光源からの光を透過して前記センサの前記他端に入射
させると共に、前記反射手段によって反射されて前記セ
ンサを逆方向に伝送された反射光を出力する光透過・取
出し部と、を具備することを特徴とする反射型の種検知
装置。
【請求項２】前記光源２から発せられた光に対応する
参照信号を生成する参照光検出部２２と、前記光透過・取出し部８からの前記反射光と前記参照光
検出部２２からの前記参照光とを処理して該反射光に対
応する信号を生成する反射光処理部１０と、を更に具備
することを特徴とする請求項１記載の種検知装置。
【請求項３】前記反射手段が、前記光ファイバ素子の
一端に設けられた反射膜であることを特徴とする請求項
１又は２記載の種検知装置。
【請求項４】前記光源と前記光透過・取出し部と前記
反射光検出部とが一体化された発光・受光ユニットを構
成し、該発光・受光ユニットと前記センサとの間を光伝
送路で結合したことを特徴とする請求項１〜３のいずれ
か１つに記載の種検知装置。
【請求項５】前記発光・受光ユニットが、レーザーダイオードと、該レーザーダイオードで生成された光を前記光伝送路へ
供給すると共に前記光伝送路から出力された前記反射光
を伝送するための光学系と、該光学系からの前記反射光を受光するためのフォトダイ
オードと、前記反射光を前記フォトダイオードに集光するためのホ
ログラムと、を備えることを特徴とする請求項４記載の
種検知装置。
【請求項６】化学的又は生物学的種の存在と濃度のう
ちの少なくとも一方を検出するための種検知装置であっ
て、光源２と、前記光源２から発せられた所定の波長の光を一端に受け
取り、他端から出力するセンサ４であって、化学的又は
生物学的種の存在下において光伝送特性に測定可能な変
化を生じるセンサ４と、を具備することを特徴とする透
過型の種検知装置。
【請求項７】前記光源２から発せられた光に対応する
参照信号を生成する参照光検出部２２と、前記センサ４から出力された透過光と前記参照光とを処
理して該透過光に対応する信号を生成する透過光処理部
１２と、を更に具備することを特徴とする請求項６記載
の種検知装置。
【請求項８】前記センサが、コアと該コアを包囲する
クラッドとを有する光ファイバ素子であり、前記クラッ
ドの少なくとも一部分が前記化学的又は生物学的種に応
答して前記一部分における光学的特性を変化させ、これ
によって前記光ファイバ素子の光伝送特性を変化させる
材料からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか
１つに記載の種検知装置。
【請求項９】請求項２、３、４、５、７、８のいずれ
か１つに記載された種検知装置における前記センサを被
監視個所に配置し、前記センサと該被監視個所から所定
距離離れた警報制御部とを光ファイバで結合した遠方監
視システムであって、前記警報制御部に、前記反射型の種検知装置にあって
は、前記光源と前記光透過・取出し部と前記参照光検出
部と前記反射光処理部とが設けられ、前記透過型の種検
知装置にあっては、前記光源と前記参照光検出部と前記
透過光処理部とが設けられ、前記警報制御部が、前記反射光処理部又は透過光処理部
から出力される信号に基づいて、前記センサのトラブル
と前記被監視個所における前記化学的又は生物学的種の
存在とを含む異常状態が発生したかどうかを判定する判
定回路を有しており、前記警報制御部が通信手段を介して監視センタと結合さ
れており、もって前記異常状態の発生を前記監視センタから監視す
ることを特徴とする遠方監視システム。
【請求項１０】前記警報制御部が、更に、前記判定回路による判定結果を示すデータを蓄積するた
めのメモリと、前記判定結果が異常状態の発生を示していないときには
前記メモリに蓄積されたデータを所定の時間間隔で前記
遠方地点へ通報し、前記判定結果が異常状態の発生を示
しているときには直ちに前記遠方地点へ通報するための
通報手段と、を備えていることを特徴とする請求項９記
載の遠方監視システム。