光ファイバセンサを用いた液位計、水準器、圧力計および温度計
【課題】測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することができる液位計とこれを用いた水準器、圧力計および温度計を提供する。
【解決手段】先端にモード規定解除部であるヘテロ・コア部３０からなるセンサ部４が融着接合された光ファイバセンサ９と、光ファイバセンサ９のコアに光を出射する光源１と、センサ部４において外部との相互作用を受けて光源１側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部である信号検出器６とを有し、センサ部４の先端から少なくとも一部を測定対象液体ＬＱに浸漬させた状態で戻り光の強度を測定することにより、測定対象液体ＬＱの液面ＬＳの位置（液位）を測定する構成とする。
【解決手段】先端にモード規定解除部であるヘテロ・コア部３０からなるセンサ部４が融着接合された光ファイバセンサ９と、光ファイバセンサ９のコアに光を出射する光源１と、センサ部４において外部との相互作用を受けて光源１側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部である信号検出器６とを有し、センサ部４の先端から少なくとも一部を測定対象液体ＬＱに浸漬させた状態で戻り光の強度を測定することにより、測定対象液体ＬＱの液面ＬＳの位置（液位）を測定する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの先端部において外界の状況を検出するティップ（tip）型の光ファイバセンサを用いた液位計、水準器、圧力計および温度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、非特許文献１において、光ファイバを用いた液位計が報告されている。
図１４は、上記の光ファイバを用いた液位計の構成を示す模式図である。
コア２０１と、その外周を被覆するクラッド２０２から構成される光ファイバ２００からなり、コア２０１には周期的に屈折率分布の異なる領域２０３が設けられている。
これは、長周期グレーティング（ＬＰＧ：long-period grating）の原理に基づいており、周期的な屈折率分布（グレーティング）をファイバに設けることにより、クラッディングモード（クラッドに存在する伝播光波ＬCLのエネルギー）とクラッドに付着する物質との相互作用を行うことができる。つまり、クラッドに付着する物質の濃度（屈折率）やその面積によって、伝播光波ＬCLに損失を生じさせることができる。即ち、伝播光波ＬCLの損失を測定することで、測定対象液体の液面ＬＳの位置（液位）を測定することができる。
【０００３】
ところが、グレーティングをファイバ中に設ける場合、その間隔は離散的なものとなり、典型的なグレーティングの周期は１００μｍ〜１ｍｍである。この特徴は、液位計として用いた場合に、計測可能な液位が離散的な値しかとれないことを意味する。
【０００４】
また、ＬＰＧによって損失を生じることのできる液体は、光ファイバのクラッドの屈折率に近い屈折率を持たなければならず、測定可能な屈折率範囲は１．４〜１．４５６である。従って、例えば水の屈折率は１．３３３程度であるから、上記の測定範囲はかなり限定された液体しか測定対象とすることができないことを意味している。
【非特許文献１】Sanfraz Khaliq, Stephen W. James, and Ralph P Tatam, Fiber-optic liquid-level sensor using a long-period grating, Optics Letters, Vol. 26, No. 16, August 15, 2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする問題点は、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することが困難であるという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る液位計は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有する光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部とを有し、前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定する。
【０００７】
上記の本発明の液位計は、好適には、前記モード規定解除部は、前記光ファイバ部の前記コアとはコア径が異なるヘテロ・コア部である。
あるいは、好適には、前記モード規定解除部は、クラッドのみからなるヘテロ・コア部である。
【０００８】
さらに、好適には、前記ヘテロ・コア部の表面に、当該表面における前記ヘテロ・コア部中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜をさらに有する。
さらに、好適には、前記へテロ・コア部の表面に、前記へテロ・コア部の外部の前記測定対象液体と選択的に反応して当該反応に応じた変化を前記へテロ・コア部中の光にもたらす検出薬が固定されている。
またさらに好適には、前記へテロ・コア部の前記光ファイバ部に融着接合されている端部とは反対側の端部の表面に、前記へテロ・コア部中の光を反射して前記光ファイバ部側へ戻す反射部をさらに有する。
【０００９】
また、本発明に係る液位計は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有する複数の光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部とを有し、前記複数の光ファイバセンサの各モード規定解除部が、測定対象液体の液面に対してそれぞれ異なる高さで配置されており、前記モード規定解除部のいずれかの先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定する。
【００１０】
また、本発明に係る水準器は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有し、前記モード規定解除部が所定の間隔を開けるように配置されている３本の光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、相対的姿勢を固定して前記各モード規定解除部を内部に収容する容器と、前記容器に収容された測定対象液体とを有し、前記各モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記各モード規定解除部毎の前記測定対象液体の液位を測定し、前記３本の光ファイバセンサに対する前記測定対象液体の液面の傾きを測定する。
【００１１】
また、本発明に係る水準器は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有し、前記モード規定解除部が所定の間隔を開けるように配置されている２本の光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、相対的姿勢を固定して前記各モード規定解除部を内部に収容する容器と、前記容器に収容された測定対象液体とを有し、前記各モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記各モード規定解除部毎の前記測定対象液体の液位を測定して得られる前記２本の光ファイバセンサに対する前記測定対象液体の液位と、前記容器の形状および前記測定対象液体の体積から、前記測定対象液体の液面の傾きを測定する。
【００１２】
また、本発明に係る圧力計は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有する光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、前記モード規定解除部を内部に固定して収容する容器と、前記容器に封入された測定対象液体とを有し、前記容器は外部圧力に応じて前記測定対象液体の液面が変動する機構を有し、前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定して、前記外部圧力に換算する。
【００１３】
また、本発明に係る温度計は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有する光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、前記モード規定解除部を内部に固定して収容する容器と、前記容器に封入され、雰囲気の温度に応じて液面が変動する測定対象液体とを有し、前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定して、前記温度に換算する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の液位計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサにより、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することができる。
【００１５】
また、本発明の水準器によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサを複数組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、測定対象液体の液面の傾きを測定することができる。
【００１６】
また、本発明の圧力計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサと外部圧力に応じて測定対象液体の液面が変動する機構を有する容器と組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、外部圧力に換算することができる。
【００１７】
また、本発明の温度計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサと雰囲気の温度に応じて液面が変動する測定対象液体と組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、温度に換算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら述べる。
【００１９】
第１実施形態
図１は、本実施形態に係るティップ（tip）型の光ファイバセンサを用いた液位計の概略構成図であり、光ファイバセンサの先端に設けられたセンサ部を測定対象液体に先端側から浸漬したときの液面の位置（液位）を測定する装置である。
図１に示す液位計１００は、光源１、光分岐装置２、光ファイバセンサ９、参照光検出器５、信号検出器６および測定演算器７を有する。
本発明における光検出部の一実施態様が信号検出器６に相当する。
【００２０】
光源１は光ファイバ部２０dにより光分岐装置２に接続されており、信号検出器６は光ファイバ部２０eにより光分岐装置２に接続されている。
また、光ファイバセンサ９は光ファイバコネクタ３を介して光ファイバ部２０bに接続されており、この光ファイバ部２０bがさらに光分岐装置２に接続されている。
参照光検出器５は、光ファイバ部２０cを介して光分岐装置２に接続されている。
【００２１】
光ファイバセンサ９は、光ファイバ部２０aの一端部にセンサ部４を有している。光ファイバ部２０aの他端部が光ファイバコネクタ３を介して光ファイバ部２０bに接続されている。
【００２２】
光ファイバ部２０a〜２０eは、各々光ファイバを用いて構成される。光ファイバ部２０a〜２０eを構成する光ファイバには、シングルモード光ファイバを用いてもよいし、マルチモード光ファイバを用いてもよい。光ファイバ部２０a〜２０eを構成する光ファイバは、それぞれ種類が異なっていてもよい。
【００２３】
また、光ファイバ部２０a〜２０eの長さは、それぞれ適宜決めることができる。例えば、研究室や実験室において測定対象液体の液位測定を行なう場合では、それぞれ数十cmの長さにすればよい。光源１とセンサ部４との距離を離す必要がある場合には、例えば、光ファイバ部２０bまたは光ファイバ部２０dの長さを長くすればよい。使用形態に応じて、各光ファイバ部２０a〜２０eは数百mの長さとすることも可能である。
【００２４】
信号検出器６と測定演算器７、および光源１と測定演算器７とは、それぞれ信号線によって接続される。
例えば図１に示すように、光源１と参照光検出器５と信号検出器６と測定演算器７とを一つにまとめて、測定器８として構成してもよい。
【００２５】
光源１としては、複数の波長の光を含む光を発する多波長光源と、任意の波長の単色光を発する単一波長光源のいずれをも使用可能である。多波長光源としては、例えば、白色光源を用い、単一波長光源としては、例えば、発光ダイオード（Light Emitting Diode：LED）やレーザーダイオード（Laser Diode：LD）を用いる。
光源１は、光ファイバセンサ９を用いた測定のための光ＬＴ１を光分岐装置２に出力する。
【００２６】
光分岐装置２は、例えば、光ファイバカプラなどのような、１つの入力ポートに光が入射した場合に、その光が複数の出力ポートに分岐して出力される装置により実現する。
本実施形態においては、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有し融着延伸法によって製作された２×２光ファイバカプラを用いる。この２×２光ファイバカプラにおいて、１つの入力ポートに入力された光は、２つの出力ポートに分岐されて出力される。
また、この光ファイバカプラにおいては、光の入出力方向を変更すれば、出力ポートは入力ポートとして機能し、入力ポートは出力ポートとして機能するものとする。
【００２７】
光ファイバコネクタ３には、例えば、光ファイバ同士の接続に使用される市販のコネクタを用いる。この光ファイバコネクタ３は、光ファイバセンサ９の光ファイバ部２０aと、光ファイバ部２０bとの接続に用いる。光ファイバ部２０bの先端に直接センサ部４を設けて光ファイバセンサを製造した場合には、この光ファイバコネクタ３は不要である。
【００２８】
光ファイバセンサ９は、光分岐装置２、光ファイバ部２０b、光ファイバ部２０aを介して光源１から入力されたＬＴ２光を、センサ部４において光ファイバセンサ９の外界と相互作用させ、外界の状況として、測定対象液体ＬＱの液位ＬＳを検出する。
光ファイバセンサ９の構成および機能の詳細については後述する。
【００２９】
参照光検出器５は、光分岐装置２によって光源からの光ＬＴ１から分岐された参照光ＬＴ５を検出する。
参照光検出器５は、例えば、フォトダイオードやスペクトルアナライザ（分光器）によって実現する。
参照光検出器５が検出する参照光ＬＴ５は、光源１からの光ＬＴ１の時間変動等の不安定性をキャンセルするための参照（リファレンス）として用い、例えば、参照光検出器５は測定演算器７に接続されて、参照光ＬＴ５を検出して得た参照信号ＳＧrを測定演算器７に送信する。そのため、光源１の安定性を考慮しない精度の測定であれば、参照光検出器５は不要であり、また、光分岐装置２において参照光検出器５へ光を分岐させるための出力ポートも必要ない。
【００３０】
信号検出器６は、光ファイバセンサ９において光ファイバセンサ９の外部の環境（外界）と相互作用を受けて光ファイバ部２０bおよび光分岐装置２を介して光源１側へ戻ってきた戻り光を、光ファイバ部２０eを介して受光する。
信号検出器６により、上記の戻り光の強度が検出される。即ち、信号検出器６は、光ファイバセンサ９からの戻り光の直接的な強度を検出する。
信号検出器６は、検出した光の強度のデータ信号ＳＧ１を測定演算器７に送信する。
【００３１】
信号検出器６としては、例えば、スペクトルアナライザや、フォトダイオードを用いた受光回路を使用し、光源１の種類に応じてこれらの検出器を使い分ける。例えば、光源１に白色光源を用いる場合には、白色光源からの光に含まれる各波長の光のそれぞれの強度を検出するためにスペクトルアナライザを用いる。光源１にLEDやLD等の単一波長光源を用いる場合には、フォトダイオードを用いた受光回路で十分である。フォトダイオードを用いた受光回路を、パワーメータと呼ぶこともある。
【００３２】
測定演算器７は、例えば、CPU（Central Processing Unit）等の処理回路とその駆動のためのプログラムによって実現する。
測定演算器７は、信号検出器６から送信されるデータ信号ＳＧ１に基づいて、光ファイバセンサ９を用いた測定対象の測定値を算出する。言い換えれば、測定演算器７は、データ信号ＳＧ１が表わす光の強度の情報を、この強度を用いた所定の演算により、光ファイバセンサ９の外界における測定対象の存在や、その濃度、酸性度等の特性の情報に変換する。このような測定目的に応じた変換のためのプログラムが測定演算器７には含まれている。
【００３３】
また、測定の自動化のために、測定演算器７から光源１に制御信号ＳＧ２を出力させて、光源１のオン・オフや光の強度・種類等を測定演算器７に制御させる構成としてもよい。
【００３４】
以下、光ファイバセンサ９について詳細に述べる。
図２（a）〜（c）は、第１実施形態に係る光ファイバセンサ９の構成を示し、光ファイバセンサ９のセンサ部４近傍での長手方向の断面図である。図２（a）〜（c）は、それぞれ、センサ部４の構造が異なる光ファイバセンサを示している。
本実施形態に係る光ファイバセンサ９は、光ファイバ部２０aと、センサ部４とを有する。
光ファイバ部２０aは、コア２１と、その周りに積層されるクラッド２２とを有する。光源１からの光はコア２１に入射される。
また、本実施形態に係るセンサ部４は、ヘテロ・コア部３０と、金属膜５０と、反射膜６０とを有する。
【００３５】
本発明におけるモード規定解除部の一実施態様がヘテロ・コア部３０である。また、本発明における反射部の一実施態様が反射膜６０である。
本実施形態に係る光ファイバセンサ９は、光ファイバ部２０aの光源１側に配置される端部とは反対側の端部に、数mmから数十mmの光ファイバ部２０aの長さと比較して短いヘテロ・コア部３０を接続して構成している。従って、光ファイバセンサ９は、センサ部４を構成するヘテロ・コア部３０が先端に存在するティップ型の光ファイバセンサとなっている。
【００３６】
図２（a），（b）には、光ファイバ部２０aと同じく、コア３１と、その周りに積層されたクラッド３２とを有するヘテロ・コア部３０が示されている。コア３１の径blが光ファイバ部２０aのコア２１の径alよりも小さいヘテロ・コア部３０が図２（a）に示されており、径blが径alよりも大きいヘテロ・コア部３０が図２（b）に示されている。
このように、コア３１の径blが光ファイバ部２０aのコア２１の径alと異なっているため、コア３１およびクラッド３２とはヘテロ・コア部と呼ばれる。
なお、コア２１の屈折率はクラッド２２の屈折率よりもわずかに大きく、コア３１の屈折率はクラッド３２の屈折率よりもわずかに大きい。
コア３１とクラッド３２とはいずれも光透過性部材であり、光を伝送させることが可能である。
【００３７】
図２（a）に示すヘテロ・コア部３０においては、コア３１の径blはコア２１の径alよりも十分に小さく、例えば、al＝５０μm、bl＝３μmであるとする。
図２（b）に示すヘテロ・コア部３０においては、コア３１の径blはコア２１の径alよりも十分に大きく、例えば、al＝５０μm、bl＝９０μmであるとする。
また、ヘテロ・コア部３０の長さclは、例えば数mm〜数十mmとする。
【００３８】
また、図２（c）に示すように、例えば、光ファイバ部２０aのクラッド２２と同等の屈折率を持ち光を伝送することが可能な光透過性部材３００を、ヘテロ・コア部３０の代わりに用いることも可能である。このような光透過性部材３００も、コア径blが０である、一種のヘテロ・コア部であるとみなすことができる。
【００３９】
光ファイバ部２０aとヘテロ・コア部３０または光透過性部材３００とは、長手方向に直交する界面４０aにおいて、長手方向に沿って同軸に接合されている。ヘテロ・コア部３０を光ファイバ部２０aに接合する場合には、ヘテロ・コア部３０のコア３１と光ファイバ部２０aのコア２１とが接触するようにする。
以上の接合には、好適には、汎用化されている放電による融着手法を用いる。
【００４０】
光ファイバ部２０aおよびヘテロ・コア部３０としては、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバのいずれをも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。
以下では、例えば、コア径alが約５０μmのマルチモード光ファイバ（大崎電気社製）を用いた光ファイバ部２０aに、コア径blが約３μmのシングルモード光ファイバ（Newport社製，F-SA）を用いたヘテロ・コア部３０を接合した場合を一例として挙げて述べる。
【００４１】
ヘテロ・コア部３０が存在することにより、光ファイバ部２０aのコア２１内を伝わってきた光の少なくとも一部は界面４０aにおいてコア２１の外部へリークする。コア２１の外部へ導かれてリークした光の少なくとも一部はヘテロ・コア部３０のクラッド３２内を伝わる。このとき、ヘテロ・コア部３０のクラッド３２内においては、光ファイバ部２０aのコア２１内における光のモードの規定は解除され崩される。
ヘテロ・コア部３０において光のモードの規定が解除されることは、光ファイバ部２０aとヘテロ・コア部３０として用いられる光ファイバの種類がシングルモード光ファイバであるかマルチモード光ファイバであるかに関わらず発生する。
【００４２】
図３は、センサ部４の構成および動作を説明する模式図である。
本実施形態に係るセンサ部４のヘテロ・コア部３０は、表面側を被覆するように金属膜５０が形成されている。
金属膜５０としては、例えばヘテロ・コア部３０の外側表面に蒸着によりクロム（Cr）膜を形成し、このクロム膜上に蒸着により金（Au）の膜を形成した、クロム膜と金膜の積層膜として金属膜５０を形成する。クロム膜の膜厚は例えば数nm程度であり、金膜の膜厚は例えば数十nm程度である。
【００４３】
詳細には後述するように、ヘテロ・コア部３０の内部における光がヘテロ・コア部３０と金属膜５０との境界において反射することにより、表面プラズモンが発生する。
例えば、銀（Ag）やアルミニウム（Al）等の他の金属を用いて金属膜５０を形成してもよい。
【００４４】
第１実施形態においては、ヘテロ・コア部３０のうち光ファイバ部２０aに融着接合されている端部とは反対側の端部の表面に、反射膜６０をさらに設けている。
反射膜６０は、例えば、銀を蒸着することにより形成する。
反射膜６０の膜厚dlは、ヘテロ・コア部３０内の光を光ファイバ部２０a側に十分に反射することができる程度の厚さとする。例えば、膜厚dlは数百nm程度である。
ヘテロ・コア部３０内の光を光ファイバ部２０a側に十分に反射させることができれば、銀等の金属以外の物質を用いて反射膜６０を形成してもよい。
反射膜６０によりヘテロ・コア部３０の先端が鏡面状になっていることにより、ヘテロ・コア部３０内の光が先端において反射し易くなり、より多くの光が光ファイバ部２０a側へ戻るようになる。
【００４５】
ここで、本実施形態に係る液位計１００による測定対象液体ＬＱの液面ＬＳの位置（液位）の測定について述べる。
表面プラズモンを発生させる金属膜５０を有する光ファイバセンサ９は、様々な物理的、化学的特性を有する液体の液位の測定に利用可能であるが、以下では、グリセリン水溶液などの測定対象液体の液位を測定する場合を一例として挙げる。
【００４６】
本実施形態に係るセンサ部４は、図１および図３に示すように、センサ部の先端側からグリセリン水溶液などの測定対象液体ＬＱ中に浸漬させる。
この状態において、光源１から測定用の光を出射させる。
図１に示すように、光源１から出射された光ＬＴ１は、光ファイバ部２０dを介して光分岐装置２に入射する。
【００４７】
光ＬＴ１は、光分岐装置２により２つの光に分岐される。一方の光ＬＴ２は、光ファイバ部２０bと光ファイバセンサ９の光ファイバ部２０aとを介して、センサ部４に到達する。もう一方の光ＬＴ５は、参照光として光ファイバ部２０cを介して参照光検出器５に入射する。
【００４８】
光ファイバ部２０aのコア２１内においては、光ＬＴ２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わる。光ファイバ部２０aによって伝送される光のモードは、コア２１とクラッド２２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、光ファイバ部２０a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。
なお、本実施形態においては光源１から光ファイバ部２０aに入射させた光の強度変化を利用して測定するため、１つの波長に対するモード群の合算の光強度のみを考慮すれば十分である。
【００４９】
多様なモードである光は、界面４０aを通過してヘテロ・コア部３０のクラッド３２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３０内においては、クラッド３２と金属膜５０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３０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３０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３０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３２内に漏洩する。
【００５０】
このとき、図３に示すように、漏洩した光はヘテロ・コア部３０のクラッド３２と金属膜５０との境界において光が反射する。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３２内の光と金属膜５０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、反射率が変化し、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。
【００５１】
上記の反射率の変化は、金属膜５０が存在しない場合にも発生する可能性はあるが、金属膜５０を設けた場合には、図３に示すように、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ＳＰＷ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、光の強度変化の測定を容易化することができる。表面プラズモン共鳴現象については、例えば、『笠井，「表面プラズモン共鳴（SPR）を利用したバイオセンサー」蛋白質核酸酵素，Vol.３７，No.１５（１９９２年）p2977-2984』等の文献を参照されたい。
【００５２】
クラッド３２内の光の反射率は、金属膜５０が存在する場合には金属膜５０に接している物質の屈折率、光吸収率に応じて変化する。金属膜５０が存在しない場合には、クラッド３２の外側表面に付着している物質の屈折率、光吸収率に応じて反射率が変化する。従って、ヘテロ・コア部３０において反射した光の強度を測定することによって、センサ部４の外界に存在する物質の屈折率、光吸収率等の特性を知ることができ、これによってセンサ部が浸漬されている測定対象液体ＬＱの液位を測定することができる。
【００５３】
モードが崩れた光が金属膜５０とクラッド３２との境界において反射することにより、様々な反射角度、即ちより多くの条件で光とセンサ部４の外界との相互作用を発生させることができることになる。
【００５４】
光ファイバ部２０aからヘテロ・コア部３０のクラッド３２内に入射し、モードが崩れた光となった光は、金属膜５０との境界において反射しながらヘテロ・コア部３０の先端まで伝わる。ヘテロ・コア部３０の先端における界面４０bには鏡面となるように反射膜６０が設けられているため、光は界面４０bにおいて反射し、再び金属膜５０との境界において反射しながら光ファイバ部２０a側に戻る。このように、センサ部４の先端において、モードが崩れた光を反射させて戻すことにより、光ファイバ部２０a側に戻った戻り光は、ヘテロ・コア部３０を一方向に通過させただけの光と比較してより多くの相互干渉の情報を含んだ光となる。
【００５５】
ヘテロ・コア部３０においてセンサ部４の外界との間で相互作用が生じた後に再び光ファイバ部２０aのコア２１内に戻った戻り光ＬＴ３は、図１に示す戻り光ＬＴ４として光ファイバ部２０bを介して光分岐装置２に到達する。
戻り光ＬＴ４は、光分岐装置２によって２つの光に分岐される。分岐された一方の光ＬＴ６が、光ファイバ部２０eを介して信号検出器６に到達する。
【００５６】
信号検出器６は、光ＬＴ６の強度を検出する。光ＬＴ６の強度と戻り光ＬＴ３の強度との間には相関関係があるため、光ＬＴ６の強度変化を検出することによって、戻り光ＬＴ３の強度変化を知ることができる。
【００５７】
測定演算器７は、信号検出器６から送信されたデータ信号ＳＧ１に含まれる光ＬＴ６の強度の情報に基づいて、前述のように既知な測定対象液体の特性と光ＬＴ６の強度との予め入手されている相関関係を用いて、測定対象液体の液位を測定する。また、このとき、信号検出器６からのデータと参照光検出器５からのデータを比較し、光源１の光変動を補正する計算を行う。
上記の相関関係は、例えば、図示しないメモリ等の記憶装置に、ルックアップテーブルとして記憶させておく。測定演算器７は、このメモリに適宜アクセスして、測定対象の特性と光ＬＴ６の強度との相関関係を入手する。
【００５８】
上記の本実施形態に係る液位計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサにより、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することができる。
【００５９】
（実施例）
上記の本実施形態に係る液位計を用いて光ファイバセンサの液位検知応答実験を行った。
まず、光ファイバセンサを液面に対して垂直に移動可能なステージ治具に固定し、上方から下方に移動して光ファイバセンサのセンサ部の先端側から液体内に浸漬させていった。この動作は、光ファイバセンサに対して液面が上下するのと等価である。
測定に使用した液体は濃度５０％のグリセリン水溶液（屈折率１．３９８）であり、使用した光ファイバセンサのセンサ部の長さは１０mmとし、センサ部表面にはクロム膜５nmと金膜２０nmの積層膜である金属膜を形成した。
【００６０】
図４（a）は白色光源とスペクトルアナライザを用いて、光ファイバセンサのセンサ部の先端側から液体内に浸漬させていったときのノーマライズした光強度を、波長に対してしめしたスペクトルであり、それぞれセンサ部を０mm，６．７５mm，９．００mm，１１．２５mm，１３．５mm浸漬させてときに対応する。
センサ部を徐々に５０％グリセリン水溶液に浸漬させていくと、特定の波長領域（６６０nm）を中心に光の強度が減少している。この現象は、ＳＰＲ特有のものであり、最も光が減少している波長を共鳴波長という。
【００６１】
図４（b）は、６６０nmのピーク波長を有する発光ダイオードおよびフォトダイオードをそれぞれ光源および光検出器に用い、０．８mm間隔でセンサ部を５０％グリセリン水溶液に浸漬させたときの光の伝播強度に相当する相対出力を浸水深度に対してプロットした図である。
単調な光の減少が、センサ部の浸水深度の増加とともに観察された。
【００６２】
第２実施形態
図５は本実施形態に係る液位計の構成を示す模式図である。
第１実施形態に係る液位計と同様に、光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
ここで、光ファイバセンサ９としては、複数の光ファイバセンサを有しており、複数の光ファイバセンサの各モード規定解除部であるヘテロ・コア部からなるセンサ部（４a，４b，４c・・・４n）が、ファイバ固定治具ＦＦ１，ＦＦ２によって測定対象液体の液面ＬＳに対してそれぞれ異なる高さで配置されている。
上記の構成において、センサ部のいずれかの先端から少なくとも一部を測定対象液体に浸漬させた状態でセンサ部からの戻り光の強度を測定することにより、測定対象液体の液位を測定することができる。
【００６３】
本実施形態に係る液位計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサにより、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することができる。
また、ティップ型の光ファイバセンサを用いて高精度に液位を測定するためには、センサ部の長さを数１０mm程度に抑える必要があるが、本実施形態のように複数本の光ファイバセンサを高さを変えて配置することで、各センサ部毎に液位を測定でき、液位測定のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００６４】
第３実施形態
図６（a）は本実施形態に係る水準器の構成を示す模式図であり、図６（b）はファイバ固定治具とセンサ部の配置構成を示す平面図である。
第１実施形態に係る液位計と同様に、光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
ここで、本実施形態に係る水準器は、光ファイバセンサを３本有している。３本の光ファイバセンサの各モード規定解除部であるヘテロ・コア部からなるセンサ部（４a，４b，４c）は、ファイバ固定治具ＦＦ３により相対的姿勢が固定されて容器ＣＮ１の内部に収容されている。具体的には、例えば図６（b）に示すように、略円柱状のファイバ固定治具ＦＦ３の外周部において既知の角度（例えば１２０°の角度）毎に、配置および固定されている。
【００６５】
容器ＣＮ１は、ファイバ固定治具ＦＦ３をフタとして密閉されており、各センサ部（４a，４b，４c）の中腹に液面が来るような量の液体（測定対象液体）が封入されている。用いる液体としては、水や油など何を使用してもよく、これはセンシング原理にＳＰＲを用いているため、金属膜の厚みを変えることで多様な種類、多様な濃度、多様な屈折率の液体に対応できるからである。ただし、エタノールなどの揮発性の液体や粘性の低い液体を用いて、センサ部（４a，４b，４c）への液体の残留付着を防止することが望ましい。
【００６６】
センサ部（４a，４b，４c）に接続する３本の光ファイバセンサは、それぞれ光カプラや光スイッチなどを含む光分岐装置２に接続されている。光分岐装置２は測定器８に接続されており、各センサ部（４a，４b，４c）の光信号を独立して検出することができる。
参照ファイバとこれに接続する参照光検出器５は、光源の不安定性あるいは伝送路ファイバで生じる曲げなどによる光損失を、センサ信号からキャンセルするために設けられている。そのため、遠隔からの計測を行う場合や光源の光強度のふらつきが大きな場合には有効である。
【００６７】
各センサ部（４a，４b，４c）の先端から少なくとも一部を測定対象液体に浸漬させた状態で、各センサ部（４a，４b，４c）からの戻り光の強度を測定することにより、各センサ部（４a，４b，４c）毎の測定対象液体の液位を測定し、３本の光ファイバセンサに対する測定対象液体の液面ＬＳの傾きを測定する。この傾きによって、水準器の傾きを測定することができる。
例えば、初期状態と測定対象状態のそれぞれに対して液面ＬＳの傾きを測定し、測定対象状態が初期状態に対してどれだけ傾いているかを測定することができる。
【００６８】
図７（a）は図６（a）および（b）に示す水準器がある方向に傾いたと仮定したときの模式図である。
点線で示される初期状態から、実線で示される傾いた状態へ、傾きＩが生じたと想定する。このとき、液面ＬＳは一旦ゆらめくが、最終的には定常となり、水平な平面となる。このため、各光ファイバセンサのセンサ部（４a，４b，４c）は、液面と接する位置が変化する。
【００６９】
図７（b）は、ファイバ固定治具ＦＦ３の座標系を示している。図中の点線および実線の×印ＣＰは、各センサの液面との接点を示す。この座標系では、水準器（ファイバ固定治具）が傾くと、相対的に液面が初期状態（点線）から傾いた状態（実線）に傾いたようにように見える。
図７（b）のx-y平面は、水準器の上部から見た図に相当するため、その座標に変化はなく、変化するのはz軸方向の値のみである。つまり、３本の光ファイバセンサの液位情報のみが変化することになる。
平面は３点の座標の値が既知であれば求められるから、傾いた平面は上記の３点のz軸の液位情報をセンシングして、定数であるx-y座標の値と合わせれば求められる。
傾きの方向とその大きさを求めるには、z軸の値を全てゼロにした初期状態の平面と、傾いた後の平面とを用いて、２つの角度（θ１：x-y平面とのなす角度、θ２：x-y平面上の弧度）を求めればよい。具体的には、傾いた平面の法線を求めて、初期状態の平面との角度をそれぞれ求める。
【００７０】
本実施形態の水準器によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサを複数組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、測定対象液体の液面の傾きを測定することができる。
【００７１】
第４実施形態
図８（a）は本実施形態に係る水準器の構成を示す模式図であり、図８（b）はファイバ固定治具とセンサ部の配置構成を示す平面図である。
第３実施形態に係る水準器と同様に、光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
ここで、本実施形態に係る水準器は、光ファイバセンサを２本有している。２本の光ファイバセンサの各モード規定解除部であるヘテロ・コア部からなるセンサ部（４a，４b）は、ファイバ固定治具ＦＦ４により相対的姿勢が固定されて容器ＣＮ２の内部に収容されている。具体的には、例えば図８（b）に示すように、略円柱状のファイバ固定治具ＦＦ４の外周部において既知の角度（例えば９０°の角度）となるように、配置および固定されている。
また、容器の形状は丸底フラスコなどの球状とし、傾きが生じた場合にも常に変わらない液面ＬＳの表面積を保つようにする。丸底の容器の場合、土台を設けて水準器の設置を安定させる。
【００７２】
本実施形態の水準器において、２本の光ファイバセンサのセンサ部で検知した液面のx-y-z座標（液位）と、容器ＣＮ２内に封入された液体（測定対象液体）の体積から、傾いた平面を求めることができる。
【００７３】
本実施形態の水準器によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサを複数組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、測定対象液体の液面の傾きを測定することができる。
【００７４】
第５実施形態
図９は本実施形態に係る気圧計や水圧系などの圧力計の模式図である。
第１実施形態に係る液位計と同様に、モード規定解除部であるヘテロ・コア部３０からなるセンサ部４を含む光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
センサ部４（モード規定解除部）は、ファイバ固定治具ＦＦ５により容器ＣＮ３中に固定され、収容されている。
さらに、容器ＣＮ３中には測定対象液体ＬＱが封入されている。
ここで、容器ＣＮ３は、気圧や水圧などの外部圧力に応じて測定対象液体ＬＱの液面ＬＳが変動する機構を有する。例えば容器ＣＮ３の底面がダイヤフラム構造ＤＦである場合、容器ＣＮ３の底面は圧力（気圧、水圧）が印加されると変形し、これによって内部に封入されている測定対象液体ＬＱの液面ＬＳが変動する。
ここで、センサ部４（モード規定解除部）の先端から少なくとも一部を測定対象液体ＬＱに浸漬させた状態で、センサ部４からの戻り光の強度を測定することにより、測定対象液体ＬＱの液位を測定して、外部圧力に換算する。容器の内側は、上部がくびれた形状とすることで、ダイヤフラムの微小な形状変化を大きな液面の変動に変換して観測することができる。
【００７５】
本実施形態の圧力計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサと外部圧力に応じて測定対象液体の液面が変動する機構を有する容器と組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、外部圧力に換算することができる。
【００７６】
第６実施形態
図１０は本実施形態に係る温度計の模式図である。
第１実施形態に係る液位計と同様に、モード規定解除部であるヘテロ・コア部３０からなるセンサ部４を含む光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
センサ部４（モード規定解除部）は、容器ＣＮ４中に固定され、収容されている。
さらに、容器ＣＮ４中には、アルコールあるいは白灯油などの熱膨張性の測定対象液体ＴＬが封入されている。雰囲気の温度に応じて、熱膨張性の測定対象液体ＴＬの体積が変化し、液面ＬＳが変動する。
センサ部４（モード規定解除部）の先端から少なくとも一部を熱膨張性の測定対象液体ＴＬに浸漬させた状態で、センサ部４からの戻り光の強度を測定することにより、熱膨張性の測定対象液体ＴＬの液位を測定して、温度に換算する。
【００７７】
本実施形態の温度計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサと雰囲気の温度に応じて液面が変動する測定対象液体と組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、温度に換算することができる。
【００７８】
第７実施形態
図１１（a）〜（c）は、上記の第１〜第６実施形態に係る液位計、水準器、圧力計および温度計に適用可能な光ファイバセンサのセンサ部の長手方向の断面図である。
本実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部は、図２（a）〜（c）に示すセンサ部と比較して、金属膜５０の代わりに検出薬固定化膜５００を用いている点が異なっている。図１１（a）〜（c）は、図２（a）〜（c）にそれぞれ対応しており、ヘテロ・コア部３０の異なる構造をそれぞれ示している。同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記載は省略する。
【００７９】
検出薬固定化膜５００は、例えば、ゾル・ゲル法によって形成する膜や高分子膜によって実現する。例えば、分子レベルの非常に細かい孔を有する多孔性膜として検出薬固定化膜５００を形成することが、検出薬固定化膜５００が固定化する検出薬と測定対象物とをより効果的に反応可能な点で好ましい。
【００８０】
検出薬としては、例えば、酸または塩基を検出するpH指示薬のような機能性色素や、特定の金属を検出する金属指示薬等の薬品を用いることができる。
これらの検出薬は、ゾル・ゲル法によって検出薬固定化膜５００を形成する際に混合によって検出薬固定化膜５００に固定化することもできるし、検出薬固定化膜５００に化学的に固定化することもできる。
【００８１】
上述のような検出薬は、その種類に応じて、特定の検出対象物と選択的に反応する。この反応により、検出対象物の特性（例えば、酸であるか塩基であるか等の性質）に応じて、特定の波長の光が吸収されたり、蛍光が生じる等の現象が発生する。
この光の吸収や蛍光等の現象に応じて、スペクトルの変化や強度変化等の変化が、ヘテロ・コア部３０の内部のモードが崩れた光にもたらされる。
従って、検出薬と検出対象物との反応に基づく相互作用を受けた光の戻り光ＬＴ６のスペクトル変化や強度変化を信号検出器６で検出することにより、検出対象物、つまり測定対象物の存在やpH、その種類等の特性を知ることが可能になる。
【００８２】
以上のように、本実施形態のセンサ部によれば、検出薬固定化膜５００によって、特定の測定対象物と反応する検出薬をヘテロ・コア部３０に固定化している。従って、検出薬の種類に応じて、測定対象物を選択的に測定することが可能になり、さらに高感度・高精度な測定を行なうことができる。
検出薬をセンサ部４側に固定化するため、例えば、アンモニアの検出のように、液体に限らず気体に含まれる測定対象物の検出ならびに定量が可能である。
以上のように、検出薬の種類を変えることにより、屈折率センサや濃度センサ、pH測定センサ等の多種のセンサを実現可能となる。
【００８３】
第８実施形態
図１２（a）〜（c）は、上記の第１〜第６実施形態に係る液位計、水準器、圧力計および温度計に適用可能な光ファイバセンサのセンサ部の長手方向の断面図である。
本実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部は、図２（a）〜（c）に示すセンサ部と比較して、金属膜５０を設けない点が異なっている。図１２（a）〜（c）は、図２（a）〜（c）にそれぞれ対応しており、ヘテロ・コア部３０の異なる構造をそれぞれ示している。同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記載は省略する。
【００８４】
本実施形態に係る光ファイバセンサを用いた場合、ヘテロ・コア部３０の先端に反射膜６０は設けていない。反射膜６０が無い場合であっても、ヘテロ・コア部３０とその外部の外界との屈折率差により、ヘテロ・コア部３０内の光はある程度光ファイバ部２０a側へ反射して戻る。
【００８５】
光ファイバ型センサにおいて、センサの外部の状況の特性を検出するためには、光ファイバ内の光を外部と相互作用させることさえできればよく、感度や選択性を必要としない場合には、金属膜５０や検出薬固定化膜５００は必要ない。従って、図１２（a）〜（c）に示すようにヘテロ・コア部３０のみを用いてセンサ４部を実現した場合にも、外部の状況の特性の検出は可能である。
【００８６】
ヘテロ・コア部３０のみを光ファイバ部２０aに融着接合した光ファイバセンサであっても、ヘテロ・コア部３０において光のモードが崩れることにより、検出特性を線形的にすることが可能になる。
【００８７】
第９実施形態
図１３は本実施形態に係るティップ型の光ファイバセンサを用いた液位計の概略構成図である。
本実施形態に係るティップ型の光ファイバセンサ液位計１００ａは、実質的に第１実施形態に係る液位計１００と同様の構成であるが、光分岐装置２に対してさらに別の光分岐装置２ａが接続しており、この光分岐装置２ａに対して、参照ファイバ４rと参照光検出器５が接続していることが異なる。
上記のように２つの光分岐装置（２、２ａ）を用いて、伝搬する光ＬＴ５１を参照ファイバ４rに導く。参照ファイバ４rの先端はセンサ部４と同様に反射膜が形成されており、参照ファイバ４rに導かれた光は反射して戻り光ＬＴ５２となる。光分岐器２ａを経た戻り光ＬＴ５３は参照光検出器５に導かれ、検出されて光強度が測定される。参照光検出器５は測定演算器７に接続されて、参照光を検出して得た参照信号ＳＧrを測定演算器７に送信する。
【００８８】
参照ファイバは、ファイバに付与される曲げによって生じる影響を低減するために導入される。実施するにあたっては、参照ファイバはセンサ部４のファイバとなるべく近い位置に沿わせて構成する。このことで、同等の曲げがセンサ部と参照ファイバに与えられ、曲げ損失を同等にすることができる。このようにして、センサ部と参照ファイバから検出される光強度を比較し、計算処理すれば曲げ損失を補正することができる。
上記以外の構成は第１実施形態と同様であり、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサにより、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することができる。また、本実施形態に係る２つの光分岐装置を接続して参照ファイバを設ける構成は、上記の各実施形態に適用することができる。
【００８９】
上記各実施形態に係る液位計、水準器、圧力計および温度計は、測定対象液体に直接接触する部分では電力を必要としないため、電気防爆性、耐引火性に優れ、光による情報伝達のため遠隔モニタリングが可能であり、小型化・軽量化したセンサ部の構築が可能であり、発光ダイオードおよびフォトダイオードの構成を用いることでミリ秒オーダーの実時間性の高い計測ができ、さらに、液位計としては上下する液面を連続的に精度良く計測可能であり、水準器においては高精度に傾きを計測できる。
【００９０】
なお、本発明は上記の実施形態およびその変形形態に限定されない。
例えば、上記の各実施形態において、光ファイバセンサのセンサ部に、これを保護するための、あるいは非粘着性（疎水性）のカバー部材を取り付けてもよい。この場合には、いずれの液位においても液面がセンサ部に接するように構成する。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の液位計は、金属膜５０の種類や検出薬固定化膜５００に固定化させる検出薬の種類に応じて、種々の液体、種々の濃度、種々の屈折率の液体の液位を高精度に計測する液位計に適用できる。
また、本発明の水準器は、高精度の傾きを検知する水準器に適用できる。
また、本発明の圧力計は、高精度に気圧や水圧などの圧力を計測する圧力計に適用できる。
また、本発明の温度計は、高精度に温度を計測する温度計に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係るティップ型の光ファイバセンサを用いた液位計の概略構成図である。
【図２】図２（a）〜（c）は本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部近傍での長手方向の断面図である。
【図３】図３は本発明の第１実施形態に係るセンサ部の構成および動作を説明する模式図である。
【図４】図４（a）は実施例においてセンサ部の先端側から液体内に浸漬させていったときのノーマライズした光強度を波長に対してしめしたスペクトルであり、図４（b）はセンサ部の相対出力を浸水深度に対してプロットした図である。
【図５】図５は本発明の第２実施形態に係る液位計の構成を示す模式図である。
【図６】図６（a）は本発明の第３実施形態に係る水準器の構成を示す模式図であり、図６（b）はファイバ固定治具とセンサ部の配置構成を示す平面図である。
【図７】図７（a）は図６（a）および（b）に示す水準器がある方向に傾いたと仮定したときの模式図であり、図７（b）はファイバ固定治具の座標系を示している。
【図８】図８（a）は本発明の第４実施形態に係る水準器の構成を示す模式図であり、図８（b）はファイバ固定治具とセンサ部の配置構成を示す平面図である。
【図９】図９は本発明の第５実施形態に係る圧力計の模式図である。
【図１０】図１０は本発明の第６実施形態に係る温度計の模式図である。
【図１１】図１１（a）〜（c）は本発明の第７実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部近傍での長手方向の断面図である。
【図１２】図１２（a）〜（c）は本発明の第８実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部近傍での長手方向の断面図である。
【図１３】図１３は本発明の第９実施形態に係るティップ型の光ファイバセンサを用いた液位計の概略構成図である。
【図１４】図１４は従来の光ファイバを用いた液位計の模式図である。
【符号の説明】
【００９３】
１…光源
２，２ａ…光分岐装置
３…光ファイバコネクタ
４，４a，４b，４c・・・４n…センサ部
４r…参３照ファイバ
５…参照光検出器
６…信号検出器（光検出手段）
７…測定演算器（測定手段）
９…ティップ型光ファイバセンサ
２０a〜e…光ファイバ部
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…ヘテロ・コア部
５０…金属膜
６０…反射膜
１００…ティップ型光ファイバセンサ液位計
５００…検出薬固定化膜
ＣＮ１〜ＣＮ４…容器
ＤＦ…ダイヤフラム構造
ＬＱ…測定対象液体
ＬＳ…液面
ＬＴ，ＬＴ１〜ＬＴ６，ＬＴ５１〜ＬＴ５３…光
ＦＦ１〜ＦＦ５…ファイバ固定治具
ＳＧ１…データ信号
ＳＧ２…制御信号
ＳＧr…参照信号
ＳＰＷ…表面プラズモン共鳴波
ＴＬ…熱膨張性の測定対象液体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの先端部において外界の状況を検出するティップ（tip）型の光ファイバセンサを用いた液位計、水準器、圧力計および温度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、非特許文献１において、光ファイバを用いた液位計が報告されている。
図１４は、上記の光ファイバを用いた液位計の構成を示す模式図である。
コア２０１と、その外周を被覆するクラッド２０２から構成される光ファイバ２００からなり、コア２０１には周期的に屈折率分布の異なる領域２０３が設けられている。
これは、長周期グレーティング（ＬＰＧ：long-period grating）の原理に基づいており、周期的な屈折率分布（グレーティング）をファイバに設けることにより、クラッディングモード（クラッドに存在する伝播光波ＬCLのエネルギー）とクラッドに付着する物質との相互作用を行うことができる。つまり、クラッドに付着する物質の濃度（屈折率）やその面積によって、伝播光波ＬCLに損失を生じさせることができる。即ち、伝播光波ＬCLの損失を測定することで、測定対象液体の液面ＬＳの位置（液位）を測定することができる。
【０００３】
ところが、グレーティングをファイバ中に設ける場合、その間隔は離散的なものとなり、典型的なグレーティングの周期は１００μｍ〜１ｍｍである。この特徴は、液位計として用いた場合に、計測可能な液位が離散的な値しかとれないことを意味する。
【０００４】
また、ＬＰＧによって損失を生じることのできる液体は、光ファイバのクラッドの屈折率に近い屈折率を持たなければならず、測定可能な屈折率範囲は１．４〜１．４５６である。従って、例えば水の屈折率は１．３３３程度であるから、上記の測定範囲はかなり限定された液体しか測定対象とすることができないことを意味している。
【非特許文献１】Sanfraz Khaliq, Stephen W. James, and Ralph P Tatam, Fiber-optic liquid-level sensor using a long-period grating, Optics Letters, Vol. 26, No. 16, August 15, 2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする問題点は、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することが困難であるという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る液位計は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有する光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部とを有し、前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定する。
【０００７】
上記の本発明の液位計は、好適には、前記モード規定解除部は、前記光ファイバ部の前記コアとはコア径が異なるヘテロ・コア部である。
あるいは、好適には、前記モード規定解除部は、クラッドのみからなるヘテロ・コア部である。
【０００８】
さらに、好適には、前記ヘテロ・コア部の表面に、当該表面における前記ヘテロ・コア部中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜をさらに有する。
さらに、好適には、前記へテロ・コア部の表面に、前記へテロ・コア部の外部の前記測定対象液体と選択的に反応して当該反応に応じた変化を前記へテロ・コア部中の光にもたらす検出薬が固定されている。
またさらに好適には、前記へテロ・コア部の前記光ファイバ部に融着接合されている端部とは反対側の端部の表面に、前記へテロ・コア部中の光を反射して前記光ファイバ部側へ戻す反射部をさらに有する。
【０００９】
また、本発明に係る液位計は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有する複数の光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部とを有し、前記複数の光ファイバセンサの各モード規定解除部が、測定対象液体の液面に対してそれぞれ異なる高さで配置されており、前記モード規定解除部のいずれかの先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定する。
【００１０】
また、本発明に係る水準器は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有し、前記モード規定解除部が所定の間隔を開けるように配置されている３本の光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、相対的姿勢を固定して前記各モード規定解除部を内部に収容する容器と、前記容器に収容された測定対象液体とを有し、前記各モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記各モード規定解除部毎の前記測定対象液体の液位を測定し、前記３本の光ファイバセンサに対する前記測定対象液体の液面の傾きを測定する。
【００１１】
また、本発明に係る水準器は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有し、前記モード規定解除部が所定の間隔を開けるように配置されている２本の光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、相対的姿勢を固定して前記各モード規定解除部を内部に収容する容器と、前記容器に収容された測定対象液体とを有し、前記各モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記各モード規定解除部毎の前記測定対象液体の液位を測定して得られる前記２本の光ファイバセンサに対する前記測定対象液体の液位と、前記容器の形状および前記測定対象液体の体積から、前記測定対象液体の液面の傾きを測定する。
【００１２】
また、本発明に係る圧力計は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有する光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、前記モード規定解除部を内部に固定して収容する容器と、前記容器に封入された測定対象液体とを有し、前記容器は外部圧力に応じて前記測定対象液体の液面が変動する機構を有し、前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定して、前記外部圧力に換算する。
【００１３】
また、本発明に係る温度計は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部とを有する光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、前記モード規定解除部を内部に固定して収容する容器と、前記容器に封入され、雰囲気の温度に応じて液面が変動する測定対象液体とを有し、前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定して、前記温度に換算する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の液位計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサにより、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することができる。
【００１５】
また、本発明の水準器によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサを複数組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、測定対象液体の液面の傾きを測定することができる。
【００１６】
また、本発明の圧力計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサと外部圧力に応じて測定対象液体の液面が変動する機構を有する容器と組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、外部圧力に換算することができる。
【００１７】
また、本発明の温度計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサと雰囲気の温度に応じて液面が変動する測定対象液体と組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、温度に換算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら述べる。
【００１９】
第１実施形態
図１は、本実施形態に係るティップ（tip）型の光ファイバセンサを用いた液位計の概略構成図であり、光ファイバセンサの先端に設けられたセンサ部を測定対象液体に先端側から浸漬したときの液面の位置（液位）を測定する装置である。
図１に示す液位計１００は、光源１、光分岐装置２、光ファイバセンサ９、参照光検出器５、信号検出器６および測定演算器７を有する。
本発明における光検出部の一実施態様が信号検出器６に相当する。
【００２０】
光源１は光ファイバ部２０dにより光分岐装置２に接続されており、信号検出器６は光ファイバ部２０eにより光分岐装置２に接続されている。
また、光ファイバセンサ９は光ファイバコネクタ３を介して光ファイバ部２０bに接続されており、この光ファイバ部２０bがさらに光分岐装置２に接続されている。
参照光検出器５は、光ファイバ部２０cを介して光分岐装置２に接続されている。
【００２１】
光ファイバセンサ９は、光ファイバ部２０aの一端部にセンサ部４を有している。光ファイバ部２０aの他端部が光ファイバコネクタ３を介して光ファイバ部２０bに接続されている。
【００２２】
光ファイバ部２０a〜２０eは、各々光ファイバを用いて構成される。光ファイバ部２０a〜２０eを構成する光ファイバには、シングルモード光ファイバを用いてもよいし、マルチモード光ファイバを用いてもよい。光ファイバ部２０a〜２０eを構成する光ファイバは、それぞれ種類が異なっていてもよい。
【００２３】
また、光ファイバ部２０a〜２０eの長さは、それぞれ適宜決めることができる。例えば、研究室や実験室において測定対象液体の液位測定を行なう場合では、それぞれ数十cmの長さにすればよい。光源１とセンサ部４との距離を離す必要がある場合には、例えば、光ファイバ部２０bまたは光ファイバ部２０dの長さを長くすればよい。使用形態に応じて、各光ファイバ部２０a〜２０eは数百mの長さとすることも可能である。
【００２４】
信号検出器６と測定演算器７、および光源１と測定演算器７とは、それぞれ信号線によって接続される。
例えば図１に示すように、光源１と参照光検出器５と信号検出器６と測定演算器７とを一つにまとめて、測定器８として構成してもよい。
【００２５】
光源１としては、複数の波長の光を含む光を発する多波長光源と、任意の波長の単色光を発する単一波長光源のいずれをも使用可能である。多波長光源としては、例えば、白色光源を用い、単一波長光源としては、例えば、発光ダイオード（Light Emitting Diode：LED）やレーザーダイオード（Laser Diode：LD）を用いる。
光源１は、光ファイバセンサ９を用いた測定のための光ＬＴ１を光分岐装置２に出力する。
【００２６】
光分岐装置２は、例えば、光ファイバカプラなどのような、１つの入力ポートに光が入射した場合に、その光が複数の出力ポートに分岐して出力される装置により実現する。
本実施形態においては、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有し融着延伸法によって製作された２×２光ファイバカプラを用いる。この２×２光ファイバカプラにおいて、１つの入力ポートに入力された光は、２つの出力ポートに分岐されて出力される。
また、この光ファイバカプラにおいては、光の入出力方向を変更すれば、出力ポートは入力ポートとして機能し、入力ポートは出力ポートとして機能するものとする。
【００２７】
光ファイバコネクタ３には、例えば、光ファイバ同士の接続に使用される市販のコネクタを用いる。この光ファイバコネクタ３は、光ファイバセンサ９の光ファイバ部２０aと、光ファイバ部２０bとの接続に用いる。光ファイバ部２０bの先端に直接センサ部４を設けて光ファイバセンサを製造した場合には、この光ファイバコネクタ３は不要である。
【００２８】
光ファイバセンサ９は、光分岐装置２、光ファイバ部２０b、光ファイバ部２０aを介して光源１から入力されたＬＴ２光を、センサ部４において光ファイバセンサ９の外界と相互作用させ、外界の状況として、測定対象液体ＬＱの液位ＬＳを検出する。
光ファイバセンサ９の構成および機能の詳細については後述する。
【００２９】
参照光検出器５は、光分岐装置２によって光源からの光ＬＴ１から分岐された参照光ＬＴ５を検出する。
参照光検出器５は、例えば、フォトダイオードやスペクトルアナライザ（分光器）によって実現する。
参照光検出器５が検出する参照光ＬＴ５は、光源１からの光ＬＴ１の時間変動等の不安定性をキャンセルするための参照（リファレンス）として用い、例えば、参照光検出器５は測定演算器７に接続されて、参照光ＬＴ５を検出して得た参照信号ＳＧrを測定演算器７に送信する。そのため、光源１の安定性を考慮しない精度の測定であれば、参照光検出器５は不要であり、また、光分岐装置２において参照光検出器５へ光を分岐させるための出力ポートも必要ない。
【００３０】
信号検出器６は、光ファイバセンサ９において光ファイバセンサ９の外部の環境（外界）と相互作用を受けて光ファイバ部２０bおよび光分岐装置２を介して光源１側へ戻ってきた戻り光を、光ファイバ部２０eを介して受光する。
信号検出器６により、上記の戻り光の強度が検出される。即ち、信号検出器６は、光ファイバセンサ９からの戻り光の直接的な強度を検出する。
信号検出器６は、検出した光の強度のデータ信号ＳＧ１を測定演算器７に送信する。
【００３１】
信号検出器６としては、例えば、スペクトルアナライザや、フォトダイオードを用いた受光回路を使用し、光源１の種類に応じてこれらの検出器を使い分ける。例えば、光源１に白色光源を用いる場合には、白色光源からの光に含まれる各波長の光のそれぞれの強度を検出するためにスペクトルアナライザを用いる。光源１にLEDやLD等の単一波長光源を用いる場合には、フォトダイオードを用いた受光回路で十分である。フォトダイオードを用いた受光回路を、パワーメータと呼ぶこともある。
【００３２】
測定演算器７は、例えば、CPU（Central Processing Unit）等の処理回路とその駆動のためのプログラムによって実現する。
測定演算器７は、信号検出器６から送信されるデータ信号ＳＧ１に基づいて、光ファイバセンサ９を用いた測定対象の測定値を算出する。言い換えれば、測定演算器７は、データ信号ＳＧ１が表わす光の強度の情報を、この強度を用いた所定の演算により、光ファイバセンサ９の外界における測定対象の存在や、その濃度、酸性度等の特性の情報に変換する。このような測定目的に応じた変換のためのプログラムが測定演算器７には含まれている。
【００３３】
また、測定の自動化のために、測定演算器７から光源１に制御信号ＳＧ２を出力させて、光源１のオン・オフや光の強度・種類等を測定演算器７に制御させる構成としてもよい。
【００３４】
以下、光ファイバセンサ９について詳細に述べる。
図２（a）〜（c）は、第１実施形態に係る光ファイバセンサ９の構成を示し、光ファイバセンサ９のセンサ部４近傍での長手方向の断面図である。図２（a）〜（c）は、それぞれ、センサ部４の構造が異なる光ファイバセンサを示している。
本実施形態に係る光ファイバセンサ９は、光ファイバ部２０aと、センサ部４とを有する。
光ファイバ部２０aは、コア２１と、その周りに積層されるクラッド２２とを有する。光源１からの光はコア２１に入射される。
また、本実施形態に係るセンサ部４は、ヘテロ・コア部３０と、金属膜５０と、反射膜６０とを有する。
【００３５】
本発明におけるモード規定解除部の一実施態様がヘテロ・コア部３０である。また、本発明における反射部の一実施態様が反射膜６０である。
本実施形態に係る光ファイバセンサ９は、光ファイバ部２０aの光源１側に配置される端部とは反対側の端部に、数mmから数十mmの光ファイバ部２０aの長さと比較して短いヘテロ・コア部３０を接続して構成している。従って、光ファイバセンサ９は、センサ部４を構成するヘテロ・コア部３０が先端に存在するティップ型の光ファイバセンサとなっている。
【００３６】
図２（a），（b）には、光ファイバ部２０aと同じく、コア３１と、その周りに積層されたクラッド３２とを有するヘテロ・コア部３０が示されている。コア３１の径blが光ファイバ部２０aのコア２１の径alよりも小さいヘテロ・コア部３０が図２（a）に示されており、径blが径alよりも大きいヘテロ・コア部３０が図２（b）に示されている。
このように、コア３１の径blが光ファイバ部２０aのコア２１の径alと異なっているため、コア３１およびクラッド３２とはヘテロ・コア部と呼ばれる。
なお、コア２１の屈折率はクラッド２２の屈折率よりもわずかに大きく、コア３１の屈折率はクラッド３２の屈折率よりもわずかに大きい。
コア３１とクラッド３２とはいずれも光透過性部材であり、光を伝送させることが可能である。
【００３７】
図２（a）に示すヘテロ・コア部３０においては、コア３１の径blはコア２１の径alよりも十分に小さく、例えば、al＝５０μm、bl＝３μmであるとする。
図２（b）に示すヘテロ・コア部３０においては、コア３１の径blはコア２１の径alよりも十分に大きく、例えば、al＝５０μm、bl＝９０μmであるとする。
また、ヘテロ・コア部３０の長さclは、例えば数mm〜数十mmとする。
【００３８】
また、図２（c）に示すように、例えば、光ファイバ部２０aのクラッド２２と同等の屈折率を持ち光を伝送することが可能な光透過性部材３００を、ヘテロ・コア部３０の代わりに用いることも可能である。このような光透過性部材３００も、コア径blが０である、一種のヘテロ・コア部であるとみなすことができる。
【００３９】
光ファイバ部２０aとヘテロ・コア部３０または光透過性部材３００とは、長手方向に直交する界面４０aにおいて、長手方向に沿って同軸に接合されている。ヘテロ・コア部３０を光ファイバ部２０aに接合する場合には、ヘテロ・コア部３０のコア３１と光ファイバ部２０aのコア２１とが接触するようにする。
以上の接合には、好適には、汎用化されている放電による融着手法を用いる。
【００４０】
光ファイバ部２０aおよびヘテロ・コア部３０としては、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバのいずれをも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。
以下では、例えば、コア径alが約５０μmのマルチモード光ファイバ（大崎電気社製）を用いた光ファイバ部２０aに、コア径blが約３μmのシングルモード光ファイバ（Newport社製，F-SA）を用いたヘテロ・コア部３０を接合した場合を一例として挙げて述べる。
【００４１】
ヘテロ・コア部３０が存在することにより、光ファイバ部２０aのコア２１内を伝わってきた光の少なくとも一部は界面４０aにおいてコア２１の外部へリークする。コア２１の外部へ導かれてリークした光の少なくとも一部はヘテロ・コア部３０のクラッド３２内を伝わる。このとき、ヘテロ・コア部３０のクラッド３２内においては、光ファイバ部２０aのコア２１内における光のモードの規定は解除され崩される。
ヘテロ・コア部３０において光のモードの規定が解除されることは、光ファイバ部２０aとヘテロ・コア部３０として用いられる光ファイバの種類がシングルモード光ファイバであるかマルチモード光ファイバであるかに関わらず発生する。
【００４２】
図３は、センサ部４の構成および動作を説明する模式図である。
本実施形態に係るセンサ部４のヘテロ・コア部３０は、表面側を被覆するように金属膜５０が形成されている。
金属膜５０としては、例えばヘテロ・コア部３０の外側表面に蒸着によりクロム（Cr）膜を形成し、このクロム膜上に蒸着により金（Au）の膜を形成した、クロム膜と金膜の積層膜として金属膜５０を形成する。クロム膜の膜厚は例えば数nm程度であり、金膜の膜厚は例えば数十nm程度である。
【００４３】
詳細には後述するように、ヘテロ・コア部３０の内部における光がヘテロ・コア部３０と金属膜５０との境界において反射することにより、表面プラズモンが発生する。
例えば、銀（Ag）やアルミニウム（Al）等の他の金属を用いて金属膜５０を形成してもよい。
【００４４】
第１実施形態においては、ヘテロ・コア部３０のうち光ファイバ部２０aに融着接合されている端部とは反対側の端部の表面に、反射膜６０をさらに設けている。
反射膜６０は、例えば、銀を蒸着することにより形成する。
反射膜６０の膜厚dlは、ヘテロ・コア部３０内の光を光ファイバ部２０a側に十分に反射することができる程度の厚さとする。例えば、膜厚dlは数百nm程度である。
ヘテロ・コア部３０内の光を光ファイバ部２０a側に十分に反射させることができれば、銀等の金属以外の物質を用いて反射膜６０を形成してもよい。
反射膜６０によりヘテロ・コア部３０の先端が鏡面状になっていることにより、ヘテロ・コア部３０内の光が先端において反射し易くなり、より多くの光が光ファイバ部２０a側へ戻るようになる。
【００４５】
ここで、本実施形態に係る液位計１００による測定対象液体ＬＱの液面ＬＳの位置（液位）の測定について述べる。
表面プラズモンを発生させる金属膜５０を有する光ファイバセンサ９は、様々な物理的、化学的特性を有する液体の液位の測定に利用可能であるが、以下では、グリセリン水溶液などの測定対象液体の液位を測定する場合を一例として挙げる。
【００４６】
本実施形態に係るセンサ部４は、図１および図３に示すように、センサ部の先端側からグリセリン水溶液などの測定対象液体ＬＱ中に浸漬させる。
この状態において、光源１から測定用の光を出射させる。
図１に示すように、光源１から出射された光ＬＴ１は、光ファイバ部２０dを介して光分岐装置２に入射する。
【００４７】
光ＬＴ１は、光分岐装置２により２つの光に分岐される。一方の光ＬＴ２は、光ファイバ部２０bと光ファイバセンサ９の光ファイバ部２０aとを介して、センサ部４に到達する。もう一方の光ＬＴ５は、参照光として光ファイバ部２０cを介して参照光検出器５に入射する。
【００４８】
光ファイバ部２０aのコア２１内においては、光ＬＴ２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わる。光ファイバ部２０aによって伝送される光のモードは、コア２１とクラッド２２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、光ファイバ部２０a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。
なお、本実施形態においては光源１から光ファイバ部２０aに入射させた光の強度変化を利用して測定するため、１つの波長に対するモード群の合算の光強度のみを考慮すれば十分である。
【００４９】
多様なモードである光は、界面４０aを通過してヘテロ・コア部３０のクラッド３２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３０内においては、クラッド３２と金属膜５０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３０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３０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３０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３２内に漏洩する。
【００５０】
このとき、図３に示すように、漏洩した光はヘテロ・コア部３０のクラッド３２と金属膜５０との境界において光が反射する。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３２内の光と金属膜５０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、反射率が変化し、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。
【００５１】
上記の反射率の変化は、金属膜５０が存在しない場合にも発生する可能性はあるが、金属膜５０を設けた場合には、図３に示すように、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ＳＰＷ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、光の強度変化の測定を容易化することができる。表面プラズモン共鳴現象については、例えば、『笠井，「表面プラズモン共鳴（SPR）を利用したバイオセンサー」蛋白質核酸酵素，Vol.３７，No.１５（１９９２年）p2977-2984』等の文献を参照されたい。
【００５２】
クラッド３２内の光の反射率は、金属膜５０が存在する場合には金属膜５０に接している物質の屈折率、光吸収率に応じて変化する。金属膜５０が存在しない場合には、クラッド３２の外側表面に付着している物質の屈折率、光吸収率に応じて反射率が変化する。従って、ヘテロ・コア部３０において反射した光の強度を測定することによって、センサ部４の外界に存在する物質の屈折率、光吸収率等の特性を知ることができ、これによってセンサ部が浸漬されている測定対象液体ＬＱの液位を測定することができる。
【００５３】
モードが崩れた光が金属膜５０とクラッド３２との境界において反射することにより、様々な反射角度、即ちより多くの条件で光とセンサ部４の外界との相互作用を発生させることができることになる。
【００５４】
光ファイバ部２０aからヘテロ・コア部３０のクラッド３２内に入射し、モードが崩れた光となった光は、金属膜５０との境界において反射しながらヘテロ・コア部３０の先端まで伝わる。ヘテロ・コア部３０の先端における界面４０bには鏡面となるように反射膜６０が設けられているため、光は界面４０bにおいて反射し、再び金属膜５０との境界において反射しながら光ファイバ部２０a側に戻る。このように、センサ部４の先端において、モードが崩れた光を反射させて戻すことにより、光ファイバ部２０a側に戻った戻り光は、ヘテロ・コア部３０を一方向に通過させただけの光と比較してより多くの相互干渉の情報を含んだ光となる。
【００５５】
ヘテロ・コア部３０においてセンサ部４の外界との間で相互作用が生じた後に再び光ファイバ部２０aのコア２１内に戻った戻り光ＬＴ３は、図１に示す戻り光ＬＴ４として光ファイバ部２０bを介して光分岐装置２に到達する。
戻り光ＬＴ４は、光分岐装置２によって２つの光に分岐される。分岐された一方の光ＬＴ６が、光ファイバ部２０eを介して信号検出器６に到達する。
【００５６】
信号検出器６は、光ＬＴ６の強度を検出する。光ＬＴ６の強度と戻り光ＬＴ３の強度との間には相関関係があるため、光ＬＴ６の強度変化を検出することによって、戻り光ＬＴ３の強度変化を知ることができる。
【００５７】
測定演算器７は、信号検出器６から送信されたデータ信号ＳＧ１に含まれる光ＬＴ６の強度の情報に基づいて、前述のように既知な測定対象液体の特性と光ＬＴ６の強度との予め入手されている相関関係を用いて、測定対象液体の液位を測定する。また、このとき、信号検出器６からのデータと参照光検出器５からのデータを比較し、光源１の光変動を補正する計算を行う。
上記の相関関係は、例えば、図示しないメモリ等の記憶装置に、ルックアップテーブルとして記憶させておく。測定演算器７は、このメモリに適宜アクセスして、測定対象の特性と光ＬＴ６の強度との相関関係を入手する。
【００５８】
上記の本実施形態に係る液位計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサにより、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することができる。
【００５９】
（実施例）
上記の本実施形態に係る液位計を用いて光ファイバセンサの液位検知応答実験を行った。
まず、光ファイバセンサを液面に対して垂直に移動可能なステージ治具に固定し、上方から下方に移動して光ファイバセンサのセンサ部の先端側から液体内に浸漬させていった。この動作は、光ファイバセンサに対して液面が上下するのと等価である。
測定に使用した液体は濃度５０％のグリセリン水溶液（屈折率１．３９８）であり、使用した光ファイバセンサのセンサ部の長さは１０mmとし、センサ部表面にはクロム膜５nmと金膜２０nmの積層膜である金属膜を形成した。
【００６０】
図４（a）は白色光源とスペクトルアナライザを用いて、光ファイバセンサのセンサ部の先端側から液体内に浸漬させていったときのノーマライズした光強度を、波長に対してしめしたスペクトルであり、それぞれセンサ部を０mm，６．７５mm，９．００mm，１１．２５mm，１３．５mm浸漬させてときに対応する。
センサ部を徐々に５０％グリセリン水溶液に浸漬させていくと、特定の波長領域（６６０nm）を中心に光の強度が減少している。この現象は、ＳＰＲ特有のものであり、最も光が減少している波長を共鳴波長という。
【００６１】
図４（b）は、６６０nmのピーク波長を有する発光ダイオードおよびフォトダイオードをそれぞれ光源および光検出器に用い、０．８mm間隔でセンサ部を５０％グリセリン水溶液に浸漬させたときの光の伝播強度に相当する相対出力を浸水深度に対してプロットした図である。
単調な光の減少が、センサ部の浸水深度の増加とともに観察された。
【００６２】
第２実施形態
図５は本実施形態に係る液位計の構成を示す模式図である。
第１実施形態に係る液位計と同様に、光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
ここで、光ファイバセンサ９としては、複数の光ファイバセンサを有しており、複数の光ファイバセンサの各モード規定解除部であるヘテロ・コア部からなるセンサ部（４a，４b，４c・・・４n）が、ファイバ固定治具ＦＦ１，ＦＦ２によって測定対象液体の液面ＬＳに対してそれぞれ異なる高さで配置されている。
上記の構成において、センサ部のいずれかの先端から少なくとも一部を測定対象液体に浸漬させた状態でセンサ部からの戻り光の強度を測定することにより、測定対象液体の液位を測定することができる。
【００６３】
本実施形態に係る液位計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサにより、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することができる。
また、ティップ型の光ファイバセンサを用いて高精度に液位を測定するためには、センサ部の長さを数１０mm程度に抑える必要があるが、本実施形態のように複数本の光ファイバセンサを高さを変えて配置することで、各センサ部毎に液位を測定でき、液位測定のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００６４】
第３実施形態
図６（a）は本実施形態に係る水準器の構成を示す模式図であり、図６（b）はファイバ固定治具とセンサ部の配置構成を示す平面図である。
第１実施形態に係る液位計と同様に、光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
ここで、本実施形態に係る水準器は、光ファイバセンサを３本有している。３本の光ファイバセンサの各モード規定解除部であるヘテロ・コア部からなるセンサ部（４a，４b，４c）は、ファイバ固定治具ＦＦ３により相対的姿勢が固定されて容器ＣＮ１の内部に収容されている。具体的には、例えば図６（b）に示すように、略円柱状のファイバ固定治具ＦＦ３の外周部において既知の角度（例えば１２０°の角度）毎に、配置および固定されている。
【００６５】
容器ＣＮ１は、ファイバ固定治具ＦＦ３をフタとして密閉されており、各センサ部（４a，４b，４c）の中腹に液面が来るような量の液体（測定対象液体）が封入されている。用いる液体としては、水や油など何を使用してもよく、これはセンシング原理にＳＰＲを用いているため、金属膜の厚みを変えることで多様な種類、多様な濃度、多様な屈折率の液体に対応できるからである。ただし、エタノールなどの揮発性の液体や粘性の低い液体を用いて、センサ部（４a，４b，４c）への液体の残留付着を防止することが望ましい。
【００６６】
センサ部（４a，４b，４c）に接続する３本の光ファイバセンサは、それぞれ光カプラや光スイッチなどを含む光分岐装置２に接続されている。光分岐装置２は測定器８に接続されており、各センサ部（４a，４b，４c）の光信号を独立して検出することができる。
参照ファイバとこれに接続する参照光検出器５は、光源の不安定性あるいは伝送路ファイバで生じる曲げなどによる光損失を、センサ信号からキャンセルするために設けられている。そのため、遠隔からの計測を行う場合や光源の光強度のふらつきが大きな場合には有効である。
【００６７】
各センサ部（４a，４b，４c）の先端から少なくとも一部を測定対象液体に浸漬させた状態で、各センサ部（４a，４b，４c）からの戻り光の強度を測定することにより、各センサ部（４a，４b，４c）毎の測定対象液体の液位を測定し、３本の光ファイバセンサに対する測定対象液体の液面ＬＳの傾きを測定する。この傾きによって、水準器の傾きを測定することができる。
例えば、初期状態と測定対象状態のそれぞれに対して液面ＬＳの傾きを測定し、測定対象状態が初期状態に対してどれだけ傾いているかを測定することができる。
【００６８】
図７（a）は図６（a）および（b）に示す水準器がある方向に傾いたと仮定したときの模式図である。
点線で示される初期状態から、実線で示される傾いた状態へ、傾きＩが生じたと想定する。このとき、液面ＬＳは一旦ゆらめくが、最終的には定常となり、水平な平面となる。このため、各光ファイバセンサのセンサ部（４a，４b，４c）は、液面と接する位置が変化する。
【００６９】
図７（b）は、ファイバ固定治具ＦＦ３の座標系を示している。図中の点線および実線の×印ＣＰは、各センサの液面との接点を示す。この座標系では、水準器（ファイバ固定治具）が傾くと、相対的に液面が初期状態（点線）から傾いた状態（実線）に傾いたようにように見える。
図７（b）のx-y平面は、水準器の上部から見た図に相当するため、その座標に変化はなく、変化するのはz軸方向の値のみである。つまり、３本の光ファイバセンサの液位情報のみが変化することになる。
平面は３点の座標の値が既知であれば求められるから、傾いた平面は上記の３点のz軸の液位情報をセンシングして、定数であるx-y座標の値と合わせれば求められる。
傾きの方向とその大きさを求めるには、z軸の値を全てゼロにした初期状態の平面と、傾いた後の平面とを用いて、２つの角度（θ１：x-y平面とのなす角度、θ２：x-y平面上の弧度）を求めればよい。具体的には、傾いた平面の法線を求めて、初期状態の平面との角度をそれぞれ求める。
【００７０】
本実施形態の水準器によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサを複数組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、測定対象液体の液面の傾きを測定することができる。
【００７１】
第４実施形態
図８（a）は本実施形態に係る水準器の構成を示す模式図であり、図８（b）はファイバ固定治具とセンサ部の配置構成を示す平面図である。
第３実施形態に係る水準器と同様に、光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
ここで、本実施形態に係る水準器は、光ファイバセンサを２本有している。２本の光ファイバセンサの各モード規定解除部であるヘテロ・コア部からなるセンサ部（４a，４b）は、ファイバ固定治具ＦＦ４により相対的姿勢が固定されて容器ＣＮ２の内部に収容されている。具体的には、例えば図８（b）に示すように、略円柱状のファイバ固定治具ＦＦ４の外周部において既知の角度（例えば９０°の角度）となるように、配置および固定されている。
また、容器の形状は丸底フラスコなどの球状とし、傾きが生じた場合にも常に変わらない液面ＬＳの表面積を保つようにする。丸底の容器の場合、土台を設けて水準器の設置を安定させる。
【００７２】
本実施形態の水準器において、２本の光ファイバセンサのセンサ部で検知した液面のx-y-z座標（液位）と、容器ＣＮ２内に封入された液体（測定対象液体）の体積から、傾いた平面を求めることができる。
【００７３】
本実施形態の水準器によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサを複数組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、測定対象液体の液面の傾きを測定することができる。
【００７４】
第５実施形態
図９は本実施形態に係る気圧計や水圧系などの圧力計の模式図である。
第１実施形態に係る液位計と同様に、モード規定解除部であるヘテロ・コア部３０からなるセンサ部４を含む光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
センサ部４（モード規定解除部）は、ファイバ固定治具ＦＦ５により容器ＣＮ３中に固定され、収容されている。
さらに、容器ＣＮ３中には測定対象液体ＬＱが封入されている。
ここで、容器ＣＮ３は、気圧や水圧などの外部圧力に応じて測定対象液体ＬＱの液面ＬＳが変動する機構を有する。例えば容器ＣＮ３の底面がダイヤフラム構造ＤＦである場合、容器ＣＮ３の底面は圧力（気圧、水圧）が印加されると変形し、これによって内部に封入されている測定対象液体ＬＱの液面ＬＳが変動する。
ここで、センサ部４（モード規定解除部）の先端から少なくとも一部を測定対象液体ＬＱに浸漬させた状態で、センサ部４からの戻り光の強度を測定することにより、測定対象液体ＬＱの液位を測定して、外部圧力に換算する。容器の内側は、上部がくびれた形状とすることで、ダイヤフラムの微小な形状変化を大きな液面の変動に変換して観測することができる。
【００７５】
本実施形態の圧力計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサと外部圧力に応じて測定対象液体の液面が変動する機構を有する容器と組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、外部圧力に換算することができる。
【００７６】
第６実施形態
図１０は本実施形態に係る温度計の模式図である。
第１実施形態に係る液位計と同様に、モード規定解除部であるヘテロ・コア部３０からなるセンサ部４を含む光ファイバセンサ９、光分岐装置２、光源、信号検出器および測定演算器を含む測定器８、参照光検出器５を有する。
センサ部４（モード規定解除部）は、容器ＣＮ４中に固定され、収容されている。
さらに、容器ＣＮ４中には、アルコールあるいは白灯油などの熱膨張性の測定対象液体ＴＬが封入されている。雰囲気の温度に応じて、熱膨張性の測定対象液体ＴＬの体積が変化し、液面ＬＳが変動する。
センサ部４（モード規定解除部）の先端から少なくとも一部を熱膨張性の測定対象液体ＴＬに浸漬させた状態で、センサ部４からの戻り光の強度を測定することにより、熱膨張性の測定対象液体ＴＬの液位を測定して、温度に換算する。
【００７７】
本実施形態の温度計によれば、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサと雰囲気の温度に応じて液面が変動する測定対象液体と組み合わせて、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定し、温度に換算することができる。
【００７８】
第７実施形態
図１１（a）〜（c）は、上記の第１〜第６実施形態に係る液位計、水準器、圧力計および温度計に適用可能な光ファイバセンサのセンサ部の長手方向の断面図である。
本実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部は、図２（a）〜（c）に示すセンサ部と比較して、金属膜５０の代わりに検出薬固定化膜５００を用いている点が異なっている。図１１（a）〜（c）は、図２（a）〜（c）にそれぞれ対応しており、ヘテロ・コア部３０の異なる構造をそれぞれ示している。同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記載は省略する。
【００７９】
検出薬固定化膜５００は、例えば、ゾル・ゲル法によって形成する膜や高分子膜によって実現する。例えば、分子レベルの非常に細かい孔を有する多孔性膜として検出薬固定化膜５００を形成することが、検出薬固定化膜５００が固定化する検出薬と測定対象物とをより効果的に反応可能な点で好ましい。
【００８０】
検出薬としては、例えば、酸または塩基を検出するpH指示薬のような機能性色素や、特定の金属を検出する金属指示薬等の薬品を用いることができる。
これらの検出薬は、ゾル・ゲル法によって検出薬固定化膜５００を形成する際に混合によって検出薬固定化膜５００に固定化することもできるし、検出薬固定化膜５００に化学的に固定化することもできる。
【００８１】
上述のような検出薬は、その種類に応じて、特定の検出対象物と選択的に反応する。この反応により、検出対象物の特性（例えば、酸であるか塩基であるか等の性質）に応じて、特定の波長の光が吸収されたり、蛍光が生じる等の現象が発生する。
この光の吸収や蛍光等の現象に応じて、スペクトルの変化や強度変化等の変化が、ヘテロ・コア部３０の内部のモードが崩れた光にもたらされる。
従って、検出薬と検出対象物との反応に基づく相互作用を受けた光の戻り光ＬＴ６のスペクトル変化や強度変化を信号検出器６で検出することにより、検出対象物、つまり測定対象物の存在やpH、その種類等の特性を知ることが可能になる。
【００８２】
以上のように、本実施形態のセンサ部によれば、検出薬固定化膜５００によって、特定の測定対象物と反応する検出薬をヘテロ・コア部３０に固定化している。従って、検出薬の種類に応じて、測定対象物を選択的に測定することが可能になり、さらに高感度・高精度な測定を行なうことができる。
検出薬をセンサ部４側に固定化するため、例えば、アンモニアの検出のように、液体に限らず気体に含まれる測定対象物の検出ならびに定量が可能である。
以上のように、検出薬の種類を変えることにより、屈折率センサや濃度センサ、pH測定センサ等の多種のセンサを実現可能となる。
【００８３】
第８実施形態
図１２（a）〜（c）は、上記の第１〜第６実施形態に係る液位計、水準器、圧力計および温度計に適用可能な光ファイバセンサのセンサ部の長手方向の断面図である。
本実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部は、図２（a）〜（c）に示すセンサ部と比較して、金属膜５０を設けない点が異なっている。図１２（a）〜（c）は、図２（a）〜（c）にそれぞれ対応しており、ヘテロ・コア部３０の異なる構造をそれぞれ示している。同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記載は省略する。
【００８４】
本実施形態に係る光ファイバセンサを用いた場合、ヘテロ・コア部３０の先端に反射膜６０は設けていない。反射膜６０が無い場合であっても、ヘテロ・コア部３０とその外部の外界との屈折率差により、ヘテロ・コア部３０内の光はある程度光ファイバ部２０a側へ反射して戻る。
【００８５】
光ファイバ型センサにおいて、センサの外部の状況の特性を検出するためには、光ファイバ内の光を外部と相互作用させることさえできればよく、感度や選択性を必要としない場合には、金属膜５０や検出薬固定化膜５００は必要ない。従って、図１２（a）〜（c）に示すようにヘテロ・コア部３０のみを用いてセンサ４部を実現した場合にも、外部の状況の特性の検出は可能である。
【００８６】
ヘテロ・コア部３０のみを光ファイバ部２０aに融着接合した光ファイバセンサであっても、ヘテロ・コア部３０において光のモードが崩れることにより、検出特性を線形的にすることが可能になる。
【００８７】
第９実施形態
図１３は本実施形態に係るティップ型の光ファイバセンサを用いた液位計の概略構成図である。
本実施形態に係るティップ型の光ファイバセンサ液位計１００ａは、実質的に第１実施形態に係る液位計１００と同様の構成であるが、光分岐装置２に対してさらに別の光分岐装置２ａが接続しており、この光分岐装置２ａに対して、参照ファイバ４rと参照光検出器５が接続していることが異なる。
上記のように２つの光分岐装置（２、２ａ）を用いて、伝搬する光ＬＴ５１を参照ファイバ４rに導く。参照ファイバ４rの先端はセンサ部４と同様に反射膜が形成されており、参照ファイバ４rに導かれた光は反射して戻り光ＬＴ５２となる。光分岐器２ａを経た戻り光ＬＴ５３は参照光検出器５に導かれ、検出されて光強度が測定される。参照光検出器５は測定演算器７に接続されて、参照光を検出して得た参照信号ＳＧrを測定演算器７に送信する。
【００８８】
参照ファイバは、ファイバに付与される曲げによって生じる影響を低減するために導入される。実施するにあたっては、参照ファイバはセンサ部４のファイバとなるべく近い位置に沿わせて構成する。このことで、同等の曲げがセンサ部と参照ファイバに与えられ、曲げ損失を同等にすることができる。このようにして、センサ部と参照ファイバから検出される光強度を比較し、計算処理すれば曲げ損失を補正することができる。
上記以外の構成は第１実施形態と同様であり、コア中で光を伝送する光ファイバ部の先端にモード規定解除部が設けられた光ファイバセンサにより、測定対象液体の屈折率によらず、離散的でなく、連続的に液位を測定することができる。また、本実施形態に係る２つの光分岐装置を接続して参照ファイバを設ける構成は、上記の各実施形態に適用することができる。
【００８９】
上記各実施形態に係る液位計、水準器、圧力計および温度計は、測定対象液体に直接接触する部分では電力を必要としないため、電気防爆性、耐引火性に優れ、光による情報伝達のため遠隔モニタリングが可能であり、小型化・軽量化したセンサ部の構築が可能であり、発光ダイオードおよびフォトダイオードの構成を用いることでミリ秒オーダーの実時間性の高い計測ができ、さらに、液位計としては上下する液面を連続的に精度良く計測可能であり、水準器においては高精度に傾きを計測できる。
【００９０】
なお、本発明は上記の実施形態およびその変形形態に限定されない。
例えば、上記の各実施形態において、光ファイバセンサのセンサ部に、これを保護するための、あるいは非粘着性（疎水性）のカバー部材を取り付けてもよい。この場合には、いずれの液位においても液面がセンサ部に接するように構成する。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の液位計は、金属膜５０の種類や検出薬固定化膜５００に固定化させる検出薬の種類に応じて、種々の液体、種々の濃度、種々の屈折率の液体の液位を高精度に計測する液位計に適用できる。
また、本発明の水準器は、高精度の傾きを検知する水準器に適用できる。
また、本発明の圧力計は、高精度に気圧や水圧などの圧力を計測する圧力計に適用できる。
また、本発明の温度計は、高精度に温度を計測する温度計に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係るティップ型の光ファイバセンサを用いた液位計の概略構成図である。
【図２】図２（a）〜（c）は本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部近傍での長手方向の断面図である。
【図３】図３は本発明の第１実施形態に係るセンサ部の構成および動作を説明する模式図である。
【図４】図４（a）は実施例においてセンサ部の先端側から液体内に浸漬させていったときのノーマライズした光強度を波長に対してしめしたスペクトルであり、図４（b）はセンサ部の相対出力を浸水深度に対してプロットした図である。
【図５】図５は本発明の第２実施形態に係る液位計の構成を示す模式図である。
【図６】図６（a）は本発明の第３実施形態に係る水準器の構成を示す模式図であり、図６（b）はファイバ固定治具とセンサ部の配置構成を示す平面図である。
【図７】図７（a）は図６（a）および（b）に示す水準器がある方向に傾いたと仮定したときの模式図であり、図７（b）はファイバ固定治具の座標系を示している。
【図８】図８（a）は本発明の第４実施形態に係る水準器の構成を示す模式図であり、図８（b）はファイバ固定治具とセンサ部の配置構成を示す平面図である。
【図９】図９は本発明の第５実施形態に係る圧力計の模式図である。
【図１０】図１０は本発明の第６実施形態に係る温度計の模式図である。
【図１１】図１１（a）〜（c）は本発明の第７実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部近傍での長手方向の断面図である。
【図１２】図１２（a）〜（c）は本発明の第８実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部近傍での長手方向の断面図である。
【図１３】図１３は本発明の第９実施形態に係るティップ型の光ファイバセンサを用いた液位計の概略構成図である。
【図１４】図１４は従来の光ファイバを用いた液位計の模式図である。
【符号の説明】
【００９３】
１…光源
２，２ａ…光分岐装置
３…光ファイバコネクタ
４，４a，４b，４c・・・４n…センサ部
４r…参３照ファイバ
５…参照光検出器
６…信号検出器（光検出手段）
７…測定演算器（測定手段）
９…ティップ型光ファイバセンサ
２０a〜e…光ファイバ部
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…ヘテロ・コア部
５０…金属膜
６０…反射膜
１００…ティップ型光ファイバセンサ液位計
５００…検出薬固定化膜
ＣＮ１〜ＣＮ４…容器
ＤＦ…ダイヤフラム構造
ＬＱ…測定対象液体
ＬＳ…液面
ＬＴ，ＬＴ１〜ＬＴ６，ＬＴ５１〜ＬＴ５３…光
ＦＦ１〜ＦＦ５…ファイバ固定治具
ＳＧ１…データ信号
ＳＧ２…制御信号
ＳＧr…参照信号
ＳＰＷ…表面プラズモン共鳴波
ＴＬ…熱膨張性の測定対象液体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と
を有し、
前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定する
液位計。
【請求項２】
前記モード規定解除部は、前記光ファイバ部の前記コアとはコア径が異なるヘテロ・コア部である
請求項１に記載の液位計。
【請求項３】
前記モード規定解除部は、クラッドのみからなるヘテロ・コア部である
請求項１に記載の液位計。
【請求項４】
前記ヘテロ・コア部の表面に、当該表面における前記ヘテロ・コア部中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜をさらに有する
請求項２または３に記載の液位計。
【請求項５】
前記へテロ・コア部の表面に、前記へテロ・コア部の外部の前記測定対象液体と選択的に反応して当該反応に応じた変化を前記へテロ・コア部中の光にもたらす検出薬が固定されている
請求項２または３に記載の液位計。
【請求項６】
前記へテロ・コア部の前記光ファイバ部に融着接合されている端部とは反対側の端部の表面に、前記へテロ・コア部中の光を反射して前記光ファイバ部側へ戻す反射部をさらに有する
請求項２〜５のいずれかに記載の液位計。
【請求項７】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有する複数の光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と
を有し、
前記複数の光ファイバセンサの各モード規定解除部が、測定対象液体の液面に対してそれぞれ異なる高さで配置されており、
前記モード規定解除部のいずれかの先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定する
液位計。
【請求項８】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有し、前記モード規定解除部が所定の間隔を開けるように配置されている３本の光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、
相対的姿勢を固定して前記各モード規定解除部を内部に収容する容器と、
前記容器に収容された測定対象液体と
を有し、
前記各モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記各モード規定解除部毎の前記測定対象液体の液位を測定し、前記３本の光ファイバセンサに対する前記測定対象液体の液面の傾きを測定する
水準器。
【請求項９】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有し、前記モード規定解除部が所定の間隔を開けるように配置されている２本の光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、
相対的姿勢を固定して前記各モード規定解除部を内部に収容する容器と、
前記容器に収容された測定対象液体と
を有し、
前記各モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記各モード規定解除部毎の前記測定対象液体の液位を測定して得られる前記２本の光ファイバセンサに対する前記測定対象液体の液位と、前記容器の形状および前記測定対象液体の体積から、前記測定対象液体の液面の傾きを測定する
水準器。
【請求項１０】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、
前記モード規定解除部を内部に固定して収容する容器と、
前記容器に封入された測定対象液体と
を有し、
前記容器は外部圧力に応じて前記測定対象液体の液面が変動する機構を有し、
前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定して、前記外部圧力に換算する
圧力計。
【請求項１１】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、
前記モード規定解除部を内部に固定して収容する容器と、
前記容器に封入され、雰囲気の温度に応じて液面が変動する測定対象液体と
を有し、
前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定して、前記温度に換算する
温度計。
【請求項１】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と
を有し、
前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定する
液位計。
【請求項２】
前記モード規定解除部は、前記光ファイバ部の前記コアとはコア径が異なるヘテロ・コア部である
請求項１に記載の液位計。
【請求項３】
前記モード規定解除部は、クラッドのみからなるヘテロ・コア部である
請求項１に記載の液位計。
【請求項４】
前記ヘテロ・コア部の表面に、当該表面における前記ヘテロ・コア部中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜をさらに有する
請求項２または３に記載の液位計。
【請求項５】
前記へテロ・コア部の表面に、前記へテロ・コア部の外部の前記測定対象液体と選択的に反応して当該反応に応じた変化を前記へテロ・コア部中の光にもたらす検出薬が固定されている
請求項２または３に記載の液位計。
【請求項６】
前記へテロ・コア部の前記光ファイバ部に融着接合されている端部とは反対側の端部の表面に、前記へテロ・コア部中の光を反射して前記光ファイバ部側へ戻す反射部をさらに有する
請求項２〜５のいずれかに記載の液位計。
【請求項７】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有する複数の光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と
を有し、
前記複数の光ファイバセンサの各モード規定解除部が、測定対象液体の液面に対してそれぞれ異なる高さで配置されており、
前記モード規定解除部のいずれかの先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定する
液位計。
【請求項８】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有し、前記モード規定解除部が所定の間隔を開けるように配置されている３本の光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、
相対的姿勢を固定して前記各モード規定解除部を内部に収容する容器と、
前記容器に収容された測定対象液体と
を有し、
前記各モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記各モード規定解除部毎の前記測定対象液体の液位を測定し、前記３本の光ファイバセンサに対する前記測定対象液体の液面の傾きを測定する
水準器。
【請求項９】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有し、前記モード規定解除部が所定の間隔を開けるように配置されている２本の光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、
相対的姿勢を固定して前記各モード規定解除部を内部に収容する容器と、
前記容器に収容された測定対象液体と
を有し、
前記各モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記各モード規定解除部毎の前記測定対象液体の液位を測定して得られる前記２本の光ファイバセンサに対する前記測定対象液体の液位と、前記容器の形状および前記測定対象液体の体積から、前記測定対象液体の液面の傾きを測定する
水準器。
【請求項１０】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、
前記モード規定解除部を内部に固定して収容する容器と、
前記容器に封入された測定対象液体と
を有し、
前記容器は外部圧力に応じて前記測定対象液体の液面が変動する機構を有し、
前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定して、前記外部圧力に換算する
圧力計。
【請求項１１】
コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の先端に融着接合される光透過性部材を含み、当該光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導いて当該光のモードの規定を解除し、モードの規定が解除された光が前記コア中に戻るモード規定解除部と
を有する光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記光ファイバ部側の端部に接続され、当該光ファイバセンサの前記コアに光を出射する光源と、
前記モード規定解除部において前記モード規定解除部の外部との相互作用を受けて前記コアを介して前記光源側に戻ってきた戻り光の直接的な強度を検出する光検出部と、
前記モード規定解除部を内部に固定して収容する容器と、
前記容器に封入され、雰囲気の温度に応じて液面が変動する測定対象液体と
を有し、
前記モード規定解除部の先端から少なくとも一部を前記測定対象液体に浸漬させた状態で前記戻り光の強度を測定することにより、前記測定対象液体の液位を測定して、前記温度に換算する
温度計。
【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】
【公開番号】特開２００６−４７０１８（Ｐ２００６−４７０１８Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２６００１（Ｐ２００４−２２６００１）
【出願日】平成１６年８月２日（２００４．８．２）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２日（２００４．８．２）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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