光学式センサ
【課題】複数の検出用導光部材に光を好適に分配し得る光学式センサを提供する。
【解決手段】光学式センサは、光源１０と、光源１０に光学的に結合された光ファイバー２０と、光ファイバー束４０と、光ファイバー２０から光ファイバー束４０に光を分配する光分配部３０と、光ファイバー束４０によって導光された光を分離して検出する光分離検出器５０を有している。光ファイバー束４０は、複数の光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、それぞれ、物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆを有している。
【解決手段】光学式センサは、光源１０と、光源１０に光学的に結合された光ファイバー２０と、光ファイバー束４０と、光ファイバー２０から光ファイバー束４０に光を分配する光分配部３０と、光ファイバー束４０によって導光された光を分離して検出する光分離検出器５０を有している。光ファイバー束４０は、複数の光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、それぞれ、物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光部材を用いた光学式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、光ファイバーを用いた湾曲センサを開示している。この湾曲センサでは、光ファイバーの一部に湾曲検出部が設けられている。光ファイバーはコアとクラッドで構成されており、湾曲検出部はクラッドの一部に傷をつけることにより形成されている。光ファイバーによって導光される光のうち、湾曲検出部に到達した光は湾曲検出部で散乱されて、その一部が光ファイバーの外に放射される。この外に放射される光の量は、光ファイバーの湾曲の量と方向に応じて変化する。したがって、光ファイバーの導光損失を測定することにより、光ファイバーの湾曲量を求めることができる。
【０００３】
特許文献１は、複数の個所において湾曲を検出し得る湾曲センサを開示している。この湾曲センサは、一本の光供給用ファイバーと複数本の検出用ファイバーを有している。複数本の検出用ファイバーは、一本の光供給用ファイバーの周囲に配置されている。光供給用ファイバーの一端と検出用ファイバーの一端は共に単一のミラーによって覆われており、光供給用ファイバーから出射した光はミラーによって反射されて検出用ファイバーに入射するようになっている。
【０００４】
各検出用ファイバーには、一つの湾曲検出部が形成されている。検出用ファイバーは二本で一組を形成している。検出用ファイバーには、組ごとに長手方向の異なる位置に湾曲検出部が設けられている。同じ組の二本の検出用ファイバーの湾曲検出部は、長手方向の同じ位置にあるが、中心軸周りの位置は互いに異なっている。したがって、この湾曲センサでは、各検出用光ファイバーの導光損失を測定することにより、複数の個所における湾曲量と湾曲方向を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４４４１２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Lee A. Danisch, "Bend-enhanced fiber optic sensor", SPIE vol. 1795 Fiber Optic and Laser Sensors X (1992) pp. 204-214
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の湾曲センサでは、一本の光供給用ファイバーから出射した光は複数本の検出用ファイバーに好適に分配される必要があるが、光の好適の分配について特許文献１はまったく触れていない。具体的には、光供給用ファイバーから出射した光はミラーによって反射されて検出用ファイバーに入射すると説明するだけである。前述したように光供給用ファイバーの一端と検出用ファイバーの一端が共に単一のミラーによって覆われた構成では光の好適な分配は望めない。
【０００８】
本発明は、このような実状を考慮してなされたものであり、その目的は、複数の検出用導光部材に光を好適に分配し得る光学式センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による光学式センサは、光源と、前記光源に光学的に結合された光供給用導光部材と、物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部をおのおの有する複数の検出用導光部材と、前記光供給用導光部材から前記複数の検出用導光部材に光を分配する光分配部と、前記複数の検出用導光部材によって導光された光を分離して検出する光分離検出器を有している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の検出用導光部材に光を好適に分配し得る光学式センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の光学式センサの全体構成を示している。
【図２】図１に示された光分配部の配光変換部の一構成例を模式的に示している。
【図３】図２に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと一本の光検出用の光ファイバーを示している。
【図４】図１に示された光分配部の配光変換部の別の構成例を模式的に示している。
【図５】図４に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと透明部材と一本の光検出用の光ファイバーを示している。
【図６】第２の実施形態の光学式センサの全体構成を示している。
【図７】図６に示された光供給用の光ファイバーと複数の光検出用の光ファイバーの光軸に垂直な断面での位置関係を示している。
【図８】図６に示された光分配部の配光変換部の一構成例を模式的に示している。
【図９】図８に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと一本の光検出用の光ファイバーを示している。
【図１０】図６に示された光分配部の配光変換部の別の構成例を模式的に示している。
【図１１】図１０に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと透明部材と一本の光検出用の光ファイバーを示している。
【図１２】図６に示された光折り返し部の一構成例を示している。
【図１３】図６に示された光折り返し部の別の構成例を示している。
【図１４】図６に示された光分配部の別の構成例を示している。
【図１５】図６に示された光分配部のまた別の構成例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１の実施形態＞
以下に、本発明に係る第１の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。この実施形態の光学式センサの全体構成を図１に示す。
【００１３】
図１に示すように、光学式センサは、光源１０と、光源１０に光学的に結合された光ファイバー２０と、光ファイバー束４０と、光ファイバー２０から光ファイバー束４０に光を分配する光分配部３０と、光ファイバー束４０によって導光された光を分離して検出する光分離検出器５０を有している。
【００１４】
光源１０は、光を発する発光素子１１と、発光素子１１から発せられる光を光ファイバー２０に結合する結合レンズ１２を有している。
【００１５】
光ファイバー２０は、光供給用導光部材として機能する。
【００１６】
光ファイバー束４０は、複数の光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、それぞれ、物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、複数の検出用導光部材として機能する。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、長手方向に間隔を置いた複数の個所において結束バンド４３によって束ねられている。
【００１７】
特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、光分配部３０から光分離検出器５０に至る光路上において光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに形成されている。特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、たとえば、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆのクラッドに部分的に形成された傷によって構成され得る。特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、それぞれ、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの長手方向の異なる位置に設けられている。しかし、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの長手方向の同じ位置に設けられたものを含んでいてもよい。
【００１８】
特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、たとえば湾曲検出機能を有している。この場合、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、それぞれ、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの湾曲にともなって湾曲し、その湾曲形状に依存して光学特性（典型的には導光損失）が変化し、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって導光される光の特性（典型的には光量）に変化を与える。
【００１９】
光分離検出器５０は、ファイバーコネクタ５３によって光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆにそれぞれ接続された光ファイバー５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆと、光ファイバー５２Ａ〜５２Ｆにそれぞれ光学的に結合された複数の受光素子５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆを有している。受光素子５１Ａ〜５１Ｆのおのおのは、受光した光量を反映した電気信号を出力する。
【００２０】
光分配部３０は、光ファイバー２０から出射した光の配光特性を変換して、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに光を結合する配光変換部３１を有している。配光変換部３１は、屈折率が１以上の透明物質で構成されている。この透明物質は、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。
【００２１】
光ファイバー２０は、先端ループ部２１において１８０度曲げられている。光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの光入射端面は配光変換部３１を介して互いに対向するように配置されている。光ファイバー２０から出射した光は、配光変換部３１を経て、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに光学的に結合する。
【００２２】
発光素子１１から発せられた光は、結合レンズ１２によって集光されて光ファイバー２０に入射し、光ファイバー２０によって導光される。光ファイバー２０の光出射端面から出射した光は、配光変換部３１によって光の拡がりが抑えられ、複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに分配される。複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに分配された光は、それぞれ、複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって光分離検出器５０に導光される。この光分離検出器５０は、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって導光された光を、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆにそれぞれ接続された受光素子５１Ａ〜５１Ｆによって空間的に分離して検出する。
【００２３】
光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆが湾曲したことに起因して特性検出部４２Ａ〜４２Ｆが湾曲すると、その湾曲の大きさと方向に依存して光学特性が変化するため、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆから出力される光の光学特性が変化する。本実施形態では、この変化する光学特性が光量である場合を例として示す。この場合は、受光素子５１Ａ〜５１Ｆによって光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆから出力される光量を独立して測定することにより、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの湾曲が求められる。
【００２４】
図２は、光分配部３０の配光変換部３１の一構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、光ファイバー２０と光ファイバー束４０の間の空間で構成されている。言い換えれば、配光変換部３１は、光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー束４０の光入射端面の間に存在する気体たとえば空気で構成されている。
【００２５】
図２では、光ファイバー束４０の三本の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃの光入射端面における光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃの光軸が互いに平行になるように配置されている。
【００２６】
図２において、曲線２２は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＡ−Ａ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する気体は、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃに効率良く分配し得る。光ファイバー２０から出射した光成分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち、光成分Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ光ファイバー４１Ｂ，４１Ａに分配されるが、光成分Ｌ３は光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃのいずれにも分配されずに損失となる。
【００２７】
図２の構成の配光変換部３１における好適な条件について図３を参照して考察する。図３は、光ファイバー２０と、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
【００２８】
光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは、次式（１）に示されるように、光ファイバー２０の開口数ＮＡｐｒｊと、光ファイバー２０の光出射端面の前方に存在する透明物質の屈折率ｎによって制限される。ここで、光の出射角は、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に対する光の出射方向の角度を意図している。
【数１】
【００２９】
同様に、光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは、次式（２）に示されるように、光ファイバー４１Ａの開口数ＮＡｄｅｔと、光ファイバー４１Ａの光入射端面の手前に存在する透明物質の屈折率ｎによって制限される。ここで、光の入射角は、光ファイバー４１Ａの光入射端面における光ファイバー４１Ａの光軸に対する光の入射方向の角度を意図している。
【数２】
【００３０】
最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔよりも大きい入射角で光ファイバー４１Ａに入射する光は、光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得ない、言い換えれば、光ファイバー４１Ａによって導光され得ない。
【００３１】
図３の幾何学的な関係により、屈折率ｎの透明物質中を光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は次式（３）で表される。
【数３】
【００３２】
ここで、ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に垂直な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面の中心から光ファイバー４１Ａの光入射端面の中心までの距離であり、ｌは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に平行な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面から光ファイバー４１Ａの光入射端面までの距離である。
【００３３】
また、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬する条件は次式（４）で表される。
【数４】
【００３４】
したがって、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達し、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するためには、式（３）と式（４）を同時に満足していればよい。
【００３５】
図４は、光分配部３０の配光変換部３１の別の構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、互いに平行な二つの対向面を有する透明部材３１Ａで構成されている。透明部材３１Ａは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に対して対向面が略垂直になるように配置されている。透明部材３１Ａはたとえば円柱形状を有している。光ファイバー２０の光出射端面は、透明部材３１Ａの一方の対向面に対向するように配置されており、光ファイバー２０の光入射端面は、透明部材３１Ａの他方の対向面に対向するように配置されている。
【００３６】
図４では、図２と同様、光ファイバー束４０の三本の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃの光入射端面における光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃの光軸は互いに平行になるように配置されている。
【００３７】
図４において、曲線２３は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＡ−Ａ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する透明部材３１Ａは、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。透明部材３１Ａはさらに、側面によって光を反射する機能を有しており、外へ向かう光を内に向けて偏向する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃに非常に高効良く分配し得る。光成分Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、光ファイバー４１Ｂ，４１Ａに直接的に到達して光ファイバー４１Ｂ，４１Ａに分配される。また光成分Ｌ３は、図２の構成においては光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃのいずれにも分配されずに損失となるが、図４の構成においては透明部材３１Ａの側面によって反射されて、たとえば光ファイバー４１Ａに分配され得る。
【００３８】
図４の構成の配光変換部３１における好適な条件について図５を参照して考察する。図５は、光ファイバー２０と、透明部材３１Ａと、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、図３と同様、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
【００３９】
図３の構成における議論は図５の構成に対してもそのまま適用できる。したがって、光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは前述の式（１）によって表され、また光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは前述の式（２）によって表される。さらに、図５の幾何学的な関係により、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに直接的に到達するための条件は前述の（３）式によって表され、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するための条件は前述の式（４）によって表される。
【００４０】
図５の構成においては、光ファイバー２０から出射した光は、光ファイバー４１Ａに直接的に到達する成分だけでなく、透明部材３１Ａの側面によって反射された成分も光ファイバー４１Ａに分配され得る。したがって、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は、前述の式（３）を満足する代わりに、次式（５）を満足してればよい。
【数５】
【００４１】
配光変換部３１は、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー束４０に結合されるように配光を調整する機能を有していればよい。このため、配光変換部３１は、光の拡がりを抑制する機能を有しているとよい。ここでは、屈折率が１以上の円柱形状の透明部材３１Ａつまり透明円柱ロッドで配光変換部３１が構成される例を示したが、そのほかにも、配光変換部３１は、屈折率が１以上の透明円錐ロッドや、レンズ（ロッド上の屈折率分布レンズなども含む）、配光を制御する回折格子やホログラムなどで構成されてもよい。また、円柱ロッドや円錐ロッドの側面で反射された光が側面を透過して外部に散逸しないために、円柱ロッドや円錐ロッドの側面に反射膜を形成することが望ましい。また、これと類似する効果を得るために、供給用光ファイバーのＮＡで規定される光線をすべて全反射するようにロッドの屈折率や形状を設定することが望ましい。
【００４２】
この実施形態の光学式センサによれば、光ファイバー２０から出射した光が複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに好適に分配され得る。
【００４３】
この実施形態はさまざまな変更や変形が適用されてもよい。
【００４４】
先の説明では、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆがそれぞれ光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの長手方向の異なる位置に設けられる例を示したが、たとえば、互いに直交する方向の湾曲成分を検出するために、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの二つずつが、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの長手方向の同じ位置であるが、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの中心軸周りの位置がたとえば９０度異なるように設けられてもよい。
【００４５】
特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの湾曲状態を光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの導光損失に基づいて検出する例を示したが、他の特性たとえば光波長や光位相などに基づいて検出してもよい。
【００４６】
特性検出部４２Ａ〜４２Ｆが湾曲検出機能を有する例を示した、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆが他の検出機能を有していてもよい。たとえば、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、応力や温度や電場や磁場や熱を検出する機能を有していてもよい。つまり、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの湾曲形状に限らず、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの応力状態や温度、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆに作用する電場や磁場や熱に依存して光学特性が変化してもよい。このほか、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、化学物質を検出する機能を有していてもよい。つまり、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆに接する化学物質に依存して光学特性が変化してもよい。
【００４７】
光源１０と光分離検出器５０が光分配部３０に対して同じ側に配置された例を示したが、光源１０と光分離検出器５０は光分配部３０に対して反対側に配置されてもよい。
【００４８】
＜第２の実施形態＞
以下に、本発明に係る第２の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。この実施形態の光学式センサの全体構成を図６に示す。図６において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
図６に示すように、光学式センサは、光源１０と、光源１０に光学的に結合された光ファイバー２０と、光ファイバー束４０と、光ファイバー２０から光ファイバー束４０に光を分配する光分配部３０と、光ファイバー束４０によって導光された光を分離して検出する光分離検出器５０を有している。
【００５０】
光ファイバー束４０は、複数の光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、光ファイバー２０と一緒に、長手方向に間隔を置いた複数の個所において結束バンド４３によって束ねられている。図７に示すように、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、光ファイバー２０の周囲に均等に配置されている。
【００５１】
光分配部３０は、光ファイバー２０から出射した光の配光特性を変換して、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに光を結合する配光変換部３１を有している。配光変換部３１は、屈折率が１以上の透明物質を有している。この透明物質は、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。
【００５２】
光分配部３０は、光の伝搬方向を折り返す光折り返し部３２をさらに有している。光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの光入射端面は共に配光変換部３１を介して光折り返し部３２に対向するように配置されている。光ファイバー２０から出射した光は、配光変換部３１と光折り返し部３２を経て、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに光学的に結合する。
【００５３】
光源１０で生成された光は、光ファイバー２０によって導光される。光ファイバー２の光出射端面から出射した光は、配光変換部３１を伝搬して光折り返し部３２に到達し、光折り返し部３２によって光の伝搬方向が折り返され、配光変換部３１を再び伝搬して複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに分配される。光ファイバー２０の光出射端面から出射した光は、複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに到達するまでの間、配光変換部３１によって光の拡がりが抑えられる。複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに分配された光は、それぞれ、複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって光分離検出器５０に導光される。この光分離検出器５０は、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって導光された光を分離して検出する。
【００５４】
光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆが湾曲したことに起因して特性検出部４２Ａ〜４２Ｆが湾曲すると、その湾曲の大きさと方向に依存して光学特性が変化するため、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆから出力される光量が変化する。光分離検出器５０によって光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆから出力される光量を独立して測定することにより、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの湾曲が求められる。
【００５５】
図８は、光分配部３０の配光変換部３１の一構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、光ファイバー２０から光折り返し部３２を介して光ファイバー束４０へ至る空間で構成されている。言い換えれば、配光変換部３１は、光ファイバー２０の光出射端面および光ファイバー束４０の光入射端面と、光折り返し部３２との間に存在する気体たとえば空気で構成されている。
【００５６】
図８では、光ファイバー束４０の二本の光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光入射端面における光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光軸が互いに平行になるように配置されている。
【００５７】
図８において、曲線２４は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＢ−Ｂ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する気体は、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ，４１Ｄに効率良く分配し得る。光ファイバー２０から出射した光成分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち、光成分Ｌ１，Ｌ２はいずれも光ファイバー４１Ａに分配されるが、光成分Ｌ３は光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのいずれにも分配されずに損失となる。
【００５８】
図８の構成の配光変換部３１における好適な条件について図９を参照して考察する。図９は、光ファイバー２０と、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
【００５９】
光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは、再掲の式（１）に示されるように、光ファイバー２０の開口数ＮＡｐｒｊと、光ファイバー４１Ａの光入射端面の手前に存在する透明物質の屈折率ｎで制限される。
【数６】
【００６０】
同様に、光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは、再掲の式（２）に示されるように、光ファイバー４１Ａの開口数ＮＡｄｅｔと、光ファイバー４１Ａの光入射端面の手前に存在する透明物質の屈折率ｎで制限される。
【数７】
【００６１】
図９の幾何学的な関係により、屈折率ｎの透明物質中を光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は次式（６）で表される。
【数８】
【００６２】
ここで、ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に垂直な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面の中心から光ファイバー４１Ａの光入射端面の中心までの距離であり、ｌ１は、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に平行な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面から光折り返し部３２までの距離、ｌ２は、光ファイバー４１Ａの光入射端面における光ファイバー４１Ａの光軸に平行な方向に関する光折り返し部３２から光ファイバー４１Ａの光入射端面までの距離である。
【００６３】
また、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬する条件は次式（７）で表される。
【数９】
【００６４】
したがって、光ファイバー２０から出射した光が光折り返し部３２を経て光ファイバー４１Ａに到達し、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するためには、式（６）と式（７）を同時に満足していればよい。
【００６５】
図１０は、光分配部３０の配光変換部３１の別の構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、互いに平行な二つの対向面を有する透明部材３１Ａで構成されている。透明部材３１Ａは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に対して対向面が略垂直になるように配置されている。透明部材３１Ａはたとえば円柱形状を有している。光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー４１Ａ，４１Ｂの光入射端面は共に透明部材３１Ａの一方の対向面に対向するように配置されており、透明部材３１Ａの他方の対向面には光折り返し部３２が対向するように配置されている。たとえば、光折り返し部３２は、透明部材３１Ａとは別の部材として構成され、透明部材３１Ａの平面に接して配置されてよい。別の例では、光折り返し部３２は、透明部材３１Ａの平面に形成され、透明部材３１Ａと一体の部材として構成されてよい。
【００６６】
図１０では、図８と同様、光ファイバー束４０の二本の光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光入射端面における光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光軸は互いに平行になるように配置されている。
【００６７】
図１０において、曲線２５は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＢ−Ｂ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する透明部材３１Ａは、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。透明部材３１Ａはさらに、側面によって光を反射する機能を有しており、外へ向かう光を内に向けて偏向する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ，４１Ｄに非常に効率良く分配し得る。光成分Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、光ファイバー４１Ａに到達して光ファイバー４１Ａに分配される。また光成分Ｌ３は、図８の構成においては光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのいずれにも分配されずに損失となるが、図１０の構成においては透明部材３１Ａの側面によって反射されて、たとえば光ファイバー４１Ａに分配され得る。
【００６８】
図１０の構成の配光変換部３１における好適な条件について図１１を参照して考察する。図１１は、光ファイバー２０と、透明部材３１Ａと、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、図９と同様、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
【００６９】
図９の構成における議論は図１１の構成に対してもそのまま適用できる。したがって、光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは前述の式（１）によって表され、また光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは前述の式（２）によって表される。さらに、図１１の幾何学的な関係により、光ファイバー２０から出射した光が光折り返し部３２を経て光ファイバー４１Ａに到達するための条件は前述の（６）式によって表され、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するための条件は前述の式（７）によって表される。
【００７０】
図１１の構成においては、光ファイバー２０から出射した光は、光折り返し部３２を経た後に光ファイバー４１Ａに直接的に到達する成分だけでなく、透明部材３１Ａの側面によって反射された成分も光ファイバー４１Ａに分配され得る。したがって、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は、前述の式（６）を満足する代わりに、次式（８）を満足してればよい。
【数１０】
【００７１】
この実施形態の光学式センサによれば、光ファイバー２０から出射した光が複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに好適に分配され得る。
【００７２】
光分配部３０の光折り返し部３２は、さまざまな光学素子によって構成されて得る。たとえば、光折り返し部３２は、図１２に示すように、ミラー３２Ａで構成されてよい。別の構成例として、光折り返し部３２は、図１３に示すように、反射型回折格子３２Ｂで構成されてもよい。さらに反射型回折格子３２Ｂが、光ファイバー２０から出射した光の配光を調整する機能を有していてもよい。この構成例では、光ファイバー２０から出射した光の配光を、透明部材３１Ａに加えて反射型回折格子３２Ｂも調整し得るので、光ファイバー２０からから出射した光を光ファイバー４１Ａ，４１Ｄにさらに効率良く分配し得る。さらに別の構成例として、光折り返し部３２は、散乱部材で構成されてもよく、また、光ファイバー２０や光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの端面に対向する透明部材３１Ａの平面の反対側の平面自体で構成されてもよい。
【００７３】
この実施形態はさまざまな変更や変形が適用されてもよい。たとえば、第１の実施形態の説明で述べた変更や変形がそのまま適用されてもよい。
【００７４】
そのほか、たとえば、光分配部３０は、図１４に示すように、光ファイバー２０が、配光変換部３１を構成する透明部材３１Ｂの中央に光学的に結合された構成であってよい。この構成例では、光ファイバー２０，４１Ａ，４１Ｄは、それぞれ、コア２０ａ，４１Ａａ，４１Ｄａとクラッド２０ｂ，４１Ａｂ，４１Ｄｂを有しており、光ファイバー２０のコア２０ａは、透明部材３１Ｂの内部を全長にわたって延びている。光ファイバー２０によって導光された光は、透明部材３１Ｂ内に位置するコア２０ａの側面から透明部材３１Ｂ中に出射し、光折り返し部３２を経て、光ファイバー４１Ａ，４１Ｄに分配される。
【００７５】
また、光分配部３０は、図１５に示すように、光ファイバー２０が、配光変換部３１を構成する透明部材３１Ｃの中央に光学的に結合され、光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが透明部材３１Ｃの側面に光学的に結合されている構成であってもよい。この構成例では、光ファイバー２０，４１Ａ，４１Ｄは、それぞれ、コア２０ａ，４１Ａａ，４１Ｄａとクラッド２０ｂ，４１Ａｂ，４１Ｄｂを有しており、光ファイバー２０のコア２０ａは、透明部材３１Ｃの内部に延出し、透明部材３１Ｃの内部で終端している。光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのコア４１Ａａ，４１Ｄａの側面は透明部材３１Ｃの側面に接しており、これにより、光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが透明部材３１Ｃの側面に光学的に結合されている。光ファイバー２０によって導光された光は、透明部材３１Ｃ内に位置するコア２０ａの端面や側面から透明部材３１Ｃ中に出射し、光折り返し部３２を経て、透明部材３１Ｃの側面を介して光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのコア４１Ａａ，４１Ｄａに結合する。
【００７６】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
【符号の説明】
【００７７】
１０…光源、１１…発光素子、１２…結合レンズ、２０…光ファイバー、２０ａ…コア、２０ｂ…クラッド、２１…先端ループ部、２２，２３，２４，２５…曲線、３０…光分配部、３１…配光変換部、３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ…透明部材、３２…光折り返し部、３２Ａ…ミラー、３２Ｂ…反射型回折格子、４０…光ファイバー束、４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆ…光ファイバー、４１Ａａ，４１Ｄａ…コア、４１Ａｂ，４１Ｄｂ…クラッド、４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆ…特性検出部、４３…結束バンド、５０…光分離検出器、５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ…受光素子、５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆ…光ファイバー、５３…ファイバーコネクタ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…光成分。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光部材を用いた光学式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、光ファイバーを用いた湾曲センサを開示している。この湾曲センサでは、光ファイバーの一部に湾曲検出部が設けられている。光ファイバーはコアとクラッドで構成されており、湾曲検出部はクラッドの一部に傷をつけることにより形成されている。光ファイバーによって導光される光のうち、湾曲検出部に到達した光は湾曲検出部で散乱されて、その一部が光ファイバーの外に放射される。この外に放射される光の量は、光ファイバーの湾曲の量と方向に応じて変化する。したがって、光ファイバーの導光損失を測定することにより、光ファイバーの湾曲量を求めることができる。
【０００３】
特許文献１は、複数の個所において湾曲を検出し得る湾曲センサを開示している。この湾曲センサは、一本の光供給用ファイバーと複数本の検出用ファイバーを有している。複数本の検出用ファイバーは、一本の光供給用ファイバーの周囲に配置されている。光供給用ファイバーの一端と検出用ファイバーの一端は共に単一のミラーによって覆われており、光供給用ファイバーから出射した光はミラーによって反射されて検出用ファイバーに入射するようになっている。
【０００４】
各検出用ファイバーには、一つの湾曲検出部が形成されている。検出用ファイバーは二本で一組を形成している。検出用ファイバーには、組ごとに長手方向の異なる位置に湾曲検出部が設けられている。同じ組の二本の検出用ファイバーの湾曲検出部は、長手方向の同じ位置にあるが、中心軸周りの位置は互いに異なっている。したがって、この湾曲センサでは、各検出用光ファイバーの導光損失を測定することにより、複数の個所における湾曲量と湾曲方向を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４４４１２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Lee A. Danisch, "Bend-enhanced fiber optic sensor", SPIE vol. 1795 Fiber Optic and Laser Sensors X (1992) pp. 204-214
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の湾曲センサでは、一本の光供給用ファイバーから出射した光は複数本の検出用ファイバーに好適に分配される必要があるが、光の好適の分配について特許文献１はまったく触れていない。具体的には、光供給用ファイバーから出射した光はミラーによって反射されて検出用ファイバーに入射すると説明するだけである。前述したように光供給用ファイバーの一端と検出用ファイバーの一端が共に単一のミラーによって覆われた構成では光の好適な分配は望めない。
【０００８】
本発明は、このような実状を考慮してなされたものであり、その目的は、複数の検出用導光部材に光を好適に分配し得る光学式センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による光学式センサは、光源と、前記光源に光学的に結合された光供給用導光部材と、物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部をおのおの有する複数の検出用導光部材と、前記光供給用導光部材から前記複数の検出用導光部材に光を分配する光分配部と、前記複数の検出用導光部材によって導光された光を分離して検出する光分離検出器を有している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の検出用導光部材に光を好適に分配し得る光学式センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の光学式センサの全体構成を示している。
【図２】図１に示された光分配部の配光変換部の一構成例を模式的に示している。
【図３】図２に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと一本の光検出用の光ファイバーを示している。
【図４】図１に示された光分配部の配光変換部の別の構成例を模式的に示している。
【図５】図４に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと透明部材と一本の光検出用の光ファイバーを示している。
【図６】第２の実施形態の光学式センサの全体構成を示している。
【図７】図６に示された光供給用の光ファイバーと複数の光検出用の光ファイバーの光軸に垂直な断面での位置関係を示している。
【図８】図６に示された光分配部の配光変換部の一構成例を模式的に示している。
【図９】図８に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと一本の光検出用の光ファイバーを示している。
【図１０】図６に示された光分配部の配光変換部の別の構成例を模式的に示している。
【図１１】図１０に示された光分配部における光供給用の光ファイバーと透明部材と一本の光検出用の光ファイバーを示している。
【図１２】図６に示された光折り返し部の一構成例を示している。
【図１３】図６に示された光折り返し部の別の構成例を示している。
【図１４】図６に示された光分配部の別の構成例を示している。
【図１５】図６に示された光分配部のまた別の構成例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１の実施形態＞
以下に、本発明に係る第１の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。この実施形態の光学式センサの全体構成を図１に示す。
【００１３】
図１に示すように、光学式センサは、光源１０と、光源１０に光学的に結合された光ファイバー２０と、光ファイバー束４０と、光ファイバー２０から光ファイバー束４０に光を分配する光分配部３０と、光ファイバー束４０によって導光された光を分離して検出する光分離検出器５０を有している。
【００１４】
光源１０は、光を発する発光素子１１と、発光素子１１から発せられる光を光ファイバー２０に結合する結合レンズ１２を有している。
【００１５】
光ファイバー２０は、光供給用導光部材として機能する。
【００１６】
光ファイバー束４０は、複数の光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、それぞれ、物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、複数の検出用導光部材として機能する。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、長手方向に間隔を置いた複数の個所において結束バンド４３によって束ねられている。
【００１７】
特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、光分配部３０から光分離検出器５０に至る光路上において光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに形成されている。特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、たとえば、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆのクラッドに部分的に形成された傷によって構成され得る。特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、それぞれ、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの長手方向の異なる位置に設けられている。しかし、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの長手方向の同じ位置に設けられたものを含んでいてもよい。
【００１８】
特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、たとえば湾曲検出機能を有している。この場合、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、それぞれ、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの湾曲にともなって湾曲し、その湾曲形状に依存して光学特性（典型的には導光損失）が変化し、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって導光される光の特性（典型的には光量）に変化を与える。
【００１９】
光分離検出器５０は、ファイバーコネクタ５３によって光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆにそれぞれ接続された光ファイバー５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆと、光ファイバー５２Ａ〜５２Ｆにそれぞれ光学的に結合された複数の受光素子５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆを有している。受光素子５１Ａ〜５１Ｆのおのおのは、受光した光量を反映した電気信号を出力する。
【００２０】
光分配部３０は、光ファイバー２０から出射した光の配光特性を変換して、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに光を結合する配光変換部３１を有している。配光変換部３１は、屈折率が１以上の透明物質で構成されている。この透明物質は、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。
【００２１】
光ファイバー２０は、先端ループ部２１において１８０度曲げられている。光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの光入射端面は配光変換部３１を介して互いに対向するように配置されている。光ファイバー２０から出射した光は、配光変換部３１を経て、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに光学的に結合する。
【００２２】
発光素子１１から発せられた光は、結合レンズ１２によって集光されて光ファイバー２０に入射し、光ファイバー２０によって導光される。光ファイバー２０の光出射端面から出射した光は、配光変換部３１によって光の拡がりが抑えられ、複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに分配される。複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに分配された光は、それぞれ、複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって光分離検出器５０に導光される。この光分離検出器５０は、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって導光された光を、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆにそれぞれ接続された受光素子５１Ａ〜５１Ｆによって空間的に分離して検出する。
【００２３】
光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆが湾曲したことに起因して特性検出部４２Ａ〜４２Ｆが湾曲すると、その湾曲の大きさと方向に依存して光学特性が変化するため、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆから出力される光の光学特性が変化する。本実施形態では、この変化する光学特性が光量である場合を例として示す。この場合は、受光素子５１Ａ〜５１Ｆによって光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆから出力される光量を独立して測定することにより、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの湾曲が求められる。
【００２４】
図２は、光分配部３０の配光変換部３１の一構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、光ファイバー２０と光ファイバー束４０の間の空間で構成されている。言い換えれば、配光変換部３１は、光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー束４０の光入射端面の間に存在する気体たとえば空気で構成されている。
【００２５】
図２では、光ファイバー束４０の三本の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃの光入射端面における光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃの光軸が互いに平行になるように配置されている。
【００２６】
図２において、曲線２２は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＡ−Ａ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する気体は、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃに効率良く分配し得る。光ファイバー２０から出射した光成分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち、光成分Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ光ファイバー４１Ｂ，４１Ａに分配されるが、光成分Ｌ３は光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃのいずれにも分配されずに損失となる。
【００２７】
図２の構成の配光変換部３１における好適な条件について図３を参照して考察する。図３は、光ファイバー２０と、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
【００２８】
光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは、次式（１）に示されるように、光ファイバー２０の開口数ＮＡｐｒｊと、光ファイバー２０の光出射端面の前方に存在する透明物質の屈折率ｎによって制限される。ここで、光の出射角は、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に対する光の出射方向の角度を意図している。
【数１】
【００２９】
同様に、光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは、次式（２）に示されるように、光ファイバー４１Ａの開口数ＮＡｄｅｔと、光ファイバー４１Ａの光入射端面の手前に存在する透明物質の屈折率ｎによって制限される。ここで、光の入射角は、光ファイバー４１Ａの光入射端面における光ファイバー４１Ａの光軸に対する光の入射方向の角度を意図している。
【数２】
【００３０】
最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔよりも大きい入射角で光ファイバー４１Ａに入射する光は、光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得ない、言い換えれば、光ファイバー４１Ａによって導光され得ない。
【００３１】
図３の幾何学的な関係により、屈折率ｎの透明物質中を光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は次式（３）で表される。
【数３】
【００３２】
ここで、ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に垂直な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面の中心から光ファイバー４１Ａの光入射端面の中心までの距離であり、ｌは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に平行な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面から光ファイバー４１Ａの光入射端面までの距離である。
【００３３】
また、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬する条件は次式（４）で表される。
【数４】
【００３４】
したがって、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達し、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するためには、式（３）と式（４）を同時に満足していればよい。
【００３５】
図４は、光分配部３０の配光変換部３１の別の構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、互いに平行な二つの対向面を有する透明部材３１Ａで構成されている。透明部材３１Ａは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に対して対向面が略垂直になるように配置されている。透明部材３１Ａはたとえば円柱形状を有している。光ファイバー２０の光出射端面は、透明部材３１Ａの一方の対向面に対向するように配置されており、光ファイバー２０の光入射端面は、透明部材３１Ａの他方の対向面に対向するように配置されている。
【００３６】
図４では、図２と同様、光ファイバー束４０の三本の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃの光入射端面における光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃの光軸は互いに平行になるように配置されている。
【００３７】
図４において、曲線２３は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＡ−Ａ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する透明部材３１Ａは、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。透明部材３１Ａはさらに、側面によって光を反射する機能を有しており、外へ向かう光を内に向けて偏向する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃに非常に高効良く分配し得る。光成分Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、光ファイバー４１Ｂ，４１Ａに直接的に到達して光ファイバー４１Ｂ，４１Ａに分配される。また光成分Ｌ３は、図２の構成においては光ファイバー４１Ａ〜４１Ｃのいずれにも分配されずに損失となるが、図４の構成においては透明部材３１Ａの側面によって反射されて、たとえば光ファイバー４１Ａに分配され得る。
【００３８】
図４の構成の配光変換部３１における好適な条件について図５を参照して考察する。図５は、光ファイバー２０と、透明部材３１Ａと、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、図３と同様、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
【００３９】
図３の構成における議論は図５の構成に対してもそのまま適用できる。したがって、光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは前述の式（１）によって表され、また光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは前述の式（２）によって表される。さらに、図５の幾何学的な関係により、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに直接的に到達するための条件は前述の（３）式によって表され、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するための条件は前述の式（４）によって表される。
【００４０】
図５の構成においては、光ファイバー２０から出射した光は、光ファイバー４１Ａに直接的に到達する成分だけでなく、透明部材３１Ａの側面によって反射された成分も光ファイバー４１Ａに分配され得る。したがって、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は、前述の式（３）を満足する代わりに、次式（５）を満足してればよい。
【数５】
【００４１】
配光変換部３１は、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー束４０に結合されるように配光を調整する機能を有していればよい。このため、配光変換部３１は、光の拡がりを抑制する機能を有しているとよい。ここでは、屈折率が１以上の円柱形状の透明部材３１Ａつまり透明円柱ロッドで配光変換部３１が構成される例を示したが、そのほかにも、配光変換部３１は、屈折率が１以上の透明円錐ロッドや、レンズ（ロッド上の屈折率分布レンズなども含む）、配光を制御する回折格子やホログラムなどで構成されてもよい。また、円柱ロッドや円錐ロッドの側面で反射された光が側面を透過して外部に散逸しないために、円柱ロッドや円錐ロッドの側面に反射膜を形成することが望ましい。また、これと類似する効果を得るために、供給用光ファイバーのＮＡで規定される光線をすべて全反射するようにロッドの屈折率や形状を設定することが望ましい。
【００４２】
この実施形態の光学式センサによれば、光ファイバー２０から出射した光が複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに好適に分配され得る。
【００４３】
この実施形態はさまざまな変更や変形が適用されてもよい。
【００４４】
先の説明では、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆがそれぞれ光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの長手方向の異なる位置に設けられる例を示したが、たとえば、互いに直交する方向の湾曲成分を検出するために、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの二つずつが、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの長手方向の同じ位置であるが、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの中心軸周りの位置がたとえば９０度異なるように設けられてもよい。
【００４５】
特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの湾曲状態を光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの導光損失に基づいて検出する例を示したが、他の特性たとえば光波長や光位相などに基づいて検出してもよい。
【００４６】
特性検出部４２Ａ〜４２Ｆが湾曲検出機能を有する例を示した、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆが他の検出機能を有していてもよい。たとえば、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、応力や温度や電場や磁場や熱を検出する機能を有していてもよい。つまり、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの湾曲形状に限らず、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの応力状態や温度、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆに作用する電場や磁場や熱に依存して光学特性が変化してもよい。このほか、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、化学物質を検出する機能を有していてもよい。つまり、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆは、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆに接する化学物質に依存して光学特性が変化してもよい。
【００４７】
光源１０と光分離検出器５０が光分配部３０に対して同じ側に配置された例を示したが、光源１０と光分離検出器５０は光分配部３０に対して反対側に配置されてもよい。
【００４８】
＜第２の実施形態＞
以下に、本発明に係る第２の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。この実施形態の光学式センサの全体構成を図６に示す。図６において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
図６に示すように、光学式センサは、光源１０と、光源１０に光学的に結合された光ファイバー２０と、光ファイバー束４０と、光ファイバー２０から光ファイバー束４０に光を分配する光分配部３０と、光ファイバー束４０によって導光された光を分離して検出する光分離検出器５０を有している。
【００５０】
光ファイバー束４０は、複数の光ファイバー４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆを有している。光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、光ファイバー２０と一緒に、長手方向に間隔を置いた複数の個所において結束バンド４３によって束ねられている。図７に示すように、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆは、光ファイバー２０の周囲に均等に配置されている。
【００５１】
光分配部３０は、光ファイバー２０から出射した光の配光特性を変換して、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに光を結合する配光変換部３１を有している。配光変換部３１は、屈折率が１以上の透明物質を有している。この透明物質は、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。
【００５２】
光分配部３０は、光の伝搬方向を折り返す光折り返し部３２をさらに有している。光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆの光入射端面は共に配光変換部３１を介して光折り返し部３２に対向するように配置されている。光ファイバー２０から出射した光は、配光変換部３１と光折り返し部３２を経て、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに光学的に結合する。
【００５３】
光源１０で生成された光は、光ファイバー２０によって導光される。光ファイバー２の光出射端面から出射した光は、配光変換部３１を伝搬して光折り返し部３２に到達し、光折り返し部３２によって光の伝搬方向が折り返され、配光変換部３１を再び伝搬して複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに分配される。光ファイバー２０の光出射端面から出射した光は、複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに到達するまでの間、配光変換部３１によって光の拡がりが抑えられる。複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに分配された光は、それぞれ、複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって光分離検出器５０に導光される。この光分離検出器５０は、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆによって導光された光を分離して検出する。
【００５４】
光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆが湾曲したことに起因して特性検出部４２Ａ〜４２Ｆが湾曲すると、その湾曲の大きさと方向に依存して光学特性が変化するため、光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆから出力される光量が変化する。光分離検出器５０によって光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆから出力される光量を独立して測定することにより、特性検出部４２Ａ〜４２Ｆの湾曲が求められる。
【００５５】
図８は、光分配部３０の配光変換部３１の一構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、光ファイバー２０から光折り返し部３２を介して光ファイバー束４０へ至る空間で構成されている。言い換えれば、配光変換部３１は、光ファイバー２０の光出射端面および光ファイバー束４０の光入射端面と、光折り返し部３２との間に存在する気体たとえば空気で構成されている。
【００５６】
図８では、光ファイバー束４０の二本の光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光入射端面における光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光軸が互いに平行になるように配置されている。
【００５７】
図８において、曲線２４は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＢ−Ｂ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する気体は、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ，４１Ｄに効率良く分配し得る。光ファイバー２０から出射した光成分Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち、光成分Ｌ１，Ｌ２はいずれも光ファイバー４１Ａに分配されるが、光成分Ｌ３は光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのいずれにも分配されずに損失となる。
【００５８】
図８の構成の配光変換部３１における好適な条件について図９を参照して考察する。図９は、光ファイバー２０と、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
【００５９】
光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは、再掲の式（１）に示されるように、光ファイバー２０の開口数ＮＡｐｒｊと、光ファイバー４１Ａの光入射端面の手前に存在する透明物質の屈折率ｎで制限される。
【数６】
【００６０】
同様に、光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは、再掲の式（２）に示されるように、光ファイバー４１Ａの開口数ＮＡｄｅｔと、光ファイバー４１Ａの光入射端面の手前に存在する透明物質の屈折率ｎで制限される。
【数７】
【００６１】
図９の幾何学的な関係により、屈折率ｎの透明物質中を光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は次式（６）で表される。
【数８】
【００６２】
ここで、ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に垂直な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面の中心から光ファイバー４１Ａの光入射端面の中心までの距離であり、ｌ１は、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に平行な方向に関する光ファイバー２０の光出射端面から光折り返し部３２までの距離、ｌ２は、光ファイバー４１Ａの光入射端面における光ファイバー４１Ａの光軸に平行な方向に関する光折り返し部３２から光ファイバー４１Ａの光入射端面までの距離である。
【００６３】
また、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬する条件は次式（７）で表される。
【数９】
【００６４】
したがって、光ファイバー２０から出射した光が光折り返し部３２を経て光ファイバー４１Ａに到達し、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するためには、式（６）と式（７）を同時に満足していればよい。
【００６５】
図１０は、光分配部３０の配光変換部３１の別の構成例を模式的に示している。この例では、配光変換部３１は、互いに平行な二つの対向面を有する透明部材３１Ａで構成されている。透明部材３１Ａは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸に対して対向面が略垂直になるように配置されている。透明部材３１Ａはたとえば円柱形状を有している。光ファイバー２０の光出射端面と光ファイバー４１Ａ，４１Ｂの光入射端面は共に透明部材３１Ａの一方の対向面に対向するように配置されており、透明部材３１Ａの他方の対向面には光折り返し部３２が対向するように配置されている。たとえば、光折り返し部３２は、透明部材３１Ａとは別の部材として構成され、透明部材３１Ａの平面に接して配置されてよい。別の例では、光折り返し部３２は、透明部材３１Ａの平面に形成され、透明部材３１Ａと一体の部材として構成されてよい。
【００６６】
図１０では、図８と同様、光ファイバー束４０の二本の光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが代表的に描かれている。光ファイバー２０と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄは、光ファイバー２０の光出射端面における光ファイバー２０の光軸と光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光入射端面における光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの光軸は互いに平行になるように配置されている。
【００６７】
図１０において、曲線２５は、光ファイバー２０の出射した光ビームのＢ−Ｂ’断面における強度分布を示している。配光変換部３１を構成する透明部材３１Ａは、１以上の屈折率を有しており、光ファイバー２０から出射した光の拡がりを抑制する働きをする。透明部材３１Ａはさらに、側面によって光を反射する機能を有しており、外へ向かう光を内に向けて偏向する働きをする。このため、光ファイバー２０から出射した光を光ファイバー４１Ａ，４１Ｄに非常に効率良く分配し得る。光成分Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ、光ファイバー４１Ａに到達して光ファイバー４１Ａに分配される。また光成分Ｌ３は、図８の構成においては光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのいずれにも分配されずに損失となるが、図１０の構成においては透明部材３１Ａの側面によって反射されて、たとえば光ファイバー４１Ａに分配され得る。
【００６８】
図１０の構成の配光変換部３１における好適な条件について図１１を参照して考察する。図１１は、光ファイバー２０と、透明部材３１Ａと、光ファイバー束４０中の一本の光ファイバー４１Ａを示している。ここで、光ファイバー４１Ａは、図９と同様、光ファイバー束４０の中心から最も遠い光ファイバーを代表的に表している。
【００６９】
図９の構成における議論は図１１の構成に対してもそのまま適用できる。したがって、光ファイバー２０から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊは前述の式（１）によって表され、また光ファイバー４１Ａに入射して光ファイバー４１Ａ中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔは前述の式（２）によって表される。さらに、図１１の幾何学的な関係により、光ファイバー２０から出射した光が光折り返し部３２を経て光ファイバー４１Ａに到達するための条件は前述の（６）式によって表され、光ファイバー４１Ａに到達した光が光ファイバー４１Ａ中を伝搬するための条件は前述の式（７）によって表される。
【００７０】
図１１の構成においては、光ファイバー２０から出射した光は、光折り返し部３２を経た後に光ファイバー４１Ａに直接的に到達する成分だけでなく、透明部材３１Ａの側面によって反射された成分も光ファイバー４１Ａに分配され得る。したがって、光ファイバー２０から出射した光が光ファイバー４１Ａに到達するための条件は、前述の式（６）を満足する代わりに、次式（８）を満足してればよい。
【数１０】
【００７１】
この実施形態の光学式センサによれば、光ファイバー２０から出射した光が複数の光ファイバー４１Ａ〜４１Ｆに好適に分配され得る。
【００７２】
光分配部３０の光折り返し部３２は、さまざまな光学素子によって構成されて得る。たとえば、光折り返し部３２は、図１２に示すように、ミラー３２Ａで構成されてよい。別の構成例として、光折り返し部３２は、図１３に示すように、反射型回折格子３２Ｂで構成されてもよい。さらに反射型回折格子３２Ｂが、光ファイバー２０から出射した光の配光を調整する機能を有していてもよい。この構成例では、光ファイバー２０から出射した光の配光を、透明部材３１Ａに加えて反射型回折格子３２Ｂも調整し得るので、光ファイバー２０からから出射した光を光ファイバー４１Ａ，４１Ｄにさらに効率良く分配し得る。さらに別の構成例として、光折り返し部３２は、散乱部材で構成されてもよく、また、光ファイバー２０や光ファイバー４１Ａ，４１Ｄの端面に対向する透明部材３１Ａの平面の反対側の平面自体で構成されてもよい。
【００７３】
この実施形態はさまざまな変更や変形が適用されてもよい。たとえば、第１の実施形態の説明で述べた変更や変形がそのまま適用されてもよい。
【００７４】
そのほか、たとえば、光分配部３０は、図１４に示すように、光ファイバー２０が、配光変換部３１を構成する透明部材３１Ｂの中央に光学的に結合された構成であってよい。この構成例では、光ファイバー２０，４１Ａ，４１Ｄは、それぞれ、コア２０ａ，４１Ａａ，４１Ｄａとクラッド２０ｂ，４１Ａｂ，４１Ｄｂを有しており、光ファイバー２０のコア２０ａは、透明部材３１Ｂの内部を全長にわたって延びている。光ファイバー２０によって導光された光は、透明部材３１Ｂ内に位置するコア２０ａの側面から透明部材３１Ｂ中に出射し、光折り返し部３２を経て、光ファイバー４１Ａ，４１Ｄに分配される。
【００７５】
また、光分配部３０は、図１５に示すように、光ファイバー２０が、配光変換部３１を構成する透明部材３１Ｃの中央に光学的に結合され、光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが透明部材３１Ｃの側面に光学的に結合されている構成であってもよい。この構成例では、光ファイバー２０，４１Ａ，４１Ｄは、それぞれ、コア２０ａ，４１Ａａ，４１Ｄａとクラッド２０ｂ，４１Ａｂ，４１Ｄｂを有しており、光ファイバー２０のコア２０ａは、透明部材３１Ｃの内部に延出し、透明部材３１Ｃの内部で終端している。光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのコア４１Ａａ，４１Ｄａの側面は透明部材３１Ｃの側面に接しており、これにより、光ファイバー４１Ａ，４１Ｄが透明部材３１Ｃの側面に光学的に結合されている。光ファイバー２０によって導光された光は、透明部材３１Ｃ内に位置するコア２０ａの端面や側面から透明部材３１Ｃ中に出射し、光折り返し部３２を経て、透明部材３１Ｃの側面を介して光ファイバー４１Ａ，４１Ｄのコア４１Ａａ，４１Ｄａに結合する。
【００７６】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
【符号の説明】
【００７７】
１０…光源、１１…発光素子、１２…結合レンズ、２０…光ファイバー、２０ａ…コア、２０ｂ…クラッド、２１…先端ループ部、２２，２３，２４，２５…曲線、３０…光分配部、３１…配光変換部、３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ…透明部材、３２…光折り返し部、３２Ａ…ミラー、３２Ｂ…反射型回折格子、４０…光ファイバー束、４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆ…光ファイバー、４１Ａａ，４１Ｄａ…コア、４１Ａｂ，４１Ｄｂ…クラッド、４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｅ，４２Ｆ…特性検出部、４３…結束バンド、５０…光分離検出器、５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ…受光素子、５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆ…光ファイバー、５３…ファイバーコネクタ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…光成分。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源に光学的に結合された光供給用導光部材と、
物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部をおのおの有する複数の検出用導光部材と、
前記光供給用導光部材から前記複数の検出用導光部材に光を分配する光分配部と、
前記複数の検出用導光部材によって導光された光を分離して検出する光分離検出器を有している光学式センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記光分配部は、前記光供給用導光部材から出射した光の配光特性を変換して、前記複数の検出用導光部材に光を結合する配光変換部を有している光学式センサ。
【請求項３】
請求項２において、前記配光変換部は、屈折率が１以上の透明物質を有し、
前記光供給用導光部材から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊと、前記光供給用導光部材の開口数ＮＡｐｒｊと、前記透明物質の屈折率ｎと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に平行な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面から前記検出用導光部材の光入射端面までの距離ｌと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に垂直な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面の中心から前記検出用導光部材の光入射端面の中心までの距離ｄは、
【数１】
を満足している光学式センサ。
【請求項４】
請求項３において、前記検出用導光部材中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔと、前記検出用導光部材の開口数をＮＡｄｅｔは、
【数２】
を満足している光学式センサ。
【請求項５】
請求項４において、前記光分配部は、光の伝搬方向を折り返す光折り返し部をさらに有し、前記光供給用導光部材の光出射端面と前記検出用導光部材の光入射端面は共に前記配光変換部を介して前記光折り返し部に対向するように配置されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記配光変換部と前記光折り返し部を経て、前記複数の検出用導光部材に光学的に結合する光学式センサ。
【請求項６】
請求項５において、前記透明物質は、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に対して略垂直な二つの対向面を有する透明部材で構成されている光学式センサ。
【請求項７】
請求項５において、前記光折り返し部は、前記透明部材の一つの平面、ミラー、回折格子、散乱部材のいずれかで構成されている光学式センサ。
【請求項８】
請求項５において、前記光供給用導光部材の光出射端面と前記検出用導光部材の光入射端面は共に前記透明部材の一つの平面に対向するように配置されている光学式センサ。
【請求項９】
請求項８において、前記透明部材は円柱形状を有しており、前記透明部材の半径Ｒは、
【数３】
を満足している光学式センサ。
【請求項１０】
請求項９において、前記透明部材は、側面に反射膜が形成されている光学式センサ。
【請求項１１】
請求項９において、前記透明部材は、前記光供給用導光部材の開口数で規定される光線をすべて全反射するように屈折率と形状が設定されている光学式センサ。
【請求項１２】
請求項２において、前記光供給用導光部材が前記透明部材の中央に光学的に結合され、前記検出用導光部材が前記透明部材の側面に光学的に結合されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記透明部材の側面を介して前記検出用導光部材に結合する光学式センサ。
【請求項１３】
請求項２において、前記光供給用導光部材の光出射端面と前記検出用導光部材の光入射端面は前記配光変換部を介して互いに対向するように配置されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記配光変換部を経て、前記複数の検出用導光部材に光学的に結合する光学式センサ。
【請求項１４】
請求項１３において、前記配光変換部は、屈折率が１以上の透明物質を有し、
前記光供給用導光部材から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊと、前記光供給用導光部材の開口数ＮＡｐｒｊと、前記透明物質の屈折率ｎと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に平行な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面から前記検出用導光部材の光入射端面までの距離ｌと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に垂直な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面の中心から前記検出用導光部材の光入射端面の中心までの距離ｄは、
【数４】
を満足している光学式センサ。
【請求項１５】
請求項１３において、前記検出用導光部材中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔと、前記検出用導光部材の開口数をＮＡｄｅｔは、
【数５】
を満足している光学式センサ。
【請求項１６】
請求項１５において、前記透明物質は、面前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に対して略垂直な二つの対向面を有する透明部材で構成されている光学式センサ。
【請求項１７】
請求項１６において、前記光供給用導光部材の光出射端面は前記透明部材の一方の対向面に対向するように配置されており、前記検出用導光部材の光入射端面は前記透明部材の他方の対向面に対向するように配置されている光学式センサ。
【請求項１８】
請求項１７において、前記透明部材は円柱形状を有しており、前記透明部材の半径Ｒは、
【数６】
を満足している光学式センサ。
【請求項１９】
請求項１８において、前記透明部材は、側面に反射膜が形成されている光学式センサ。
【請求項２０】
請求項１８において、前記透明部材は、前記光供給用導光部材の開口数で規定される光線をすべて全反射するように屈折率と形状が設定されている光学式センサ。
【請求項２１】
請求項１３において、前記光供給用導光部材が前記透明部材の中央に光学的に結合され、前記検出用導光部材が前記透明部材の側面に光学的に結合されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記透明部材の側面を介して前記検出用導光部材に結合する光学式センサ。
【請求項２２】
請求項２において、前記特性検出部は、前記光分配部から前記光分離検出器に至る光路上において前記検出用導光部材に形成されている光学式センサ。
【請求項２３】
請求項２において、前記特性検出部は、前記特性検出部の湾曲形状、応力状態、温度、前記特性検出部に作用する電場、磁場、熱のいずれかひとつに依存して光学特性が変化する光学式センサ。
【請求項２４】
請求項２において、前記特性検出部は、前記特性検出部に接する化学物質に依存して光学特性が変化する光学式センサ。
【請求項１】
光源と、
前記光源に光学的に結合された光供給用導光部材と、
物理化学状態に応じて光学特性が変化する特性検出部をおのおの有する複数の検出用導光部材と、
前記光供給用導光部材から前記複数の検出用導光部材に光を分配する光分配部と、
前記複数の検出用導光部材によって導光された光を分離して検出する光分離検出器を有している光学式センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記光分配部は、前記光供給用導光部材から出射した光の配光特性を変換して、前記複数の検出用導光部材に光を結合する配光変換部を有している光学式センサ。
【請求項３】
請求項２において、前記配光変換部は、屈折率が１以上の透明物質を有し、
前記光供給用導光部材から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊと、前記光供給用導光部材の開口数ＮＡｐｒｊと、前記透明物質の屈折率ｎと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に平行な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面から前記検出用導光部材の光入射端面までの距離ｌと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に垂直な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面の中心から前記検出用導光部材の光入射端面の中心までの距離ｄは、
【数１】
を満足している光学式センサ。
【請求項４】
請求項３において、前記検出用導光部材中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔと、前記検出用導光部材の開口数をＮＡｄｅｔは、
【数２】
を満足している光学式センサ。
【請求項５】
請求項４において、前記光分配部は、光の伝搬方向を折り返す光折り返し部をさらに有し、前記光供給用導光部材の光出射端面と前記検出用導光部材の光入射端面は共に前記配光変換部を介して前記光折り返し部に対向するように配置されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記配光変換部と前記光折り返し部を経て、前記複数の検出用導光部材に光学的に結合する光学式センサ。
【請求項６】
請求項５において、前記透明物質は、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に対して略垂直な二つの対向面を有する透明部材で構成されている光学式センサ。
【請求項７】
請求項５において、前記光折り返し部は、前記透明部材の一つの平面、ミラー、回折格子、散乱部材のいずれかで構成されている光学式センサ。
【請求項８】
請求項５において、前記光供給用導光部材の光出射端面と前記検出用導光部材の光入射端面は共に前記透明部材の一つの平面に対向するように配置されている光学式センサ。
【請求項９】
請求項８において、前記透明部材は円柱形状を有しており、前記透明部材の半径Ｒは、
【数３】
を満足している光学式センサ。
【請求項１０】
請求項９において、前記透明部材は、側面に反射膜が形成されている光学式センサ。
【請求項１１】
請求項９において、前記透明部材は、前記光供給用導光部材の開口数で規定される光線をすべて全反射するように屈折率と形状が設定されている光学式センサ。
【請求項１２】
請求項２において、前記光供給用導光部材が前記透明部材の中央に光学的に結合され、前記検出用導光部材が前記透明部材の側面に光学的に結合されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記透明部材の側面を介して前記検出用導光部材に結合する光学式センサ。
【請求項１３】
請求項２において、前記光供給用導光部材の光出射端面と前記検出用導光部材の光入射端面は前記配光変換部を介して互いに対向するように配置されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記配光変換部を経て、前記複数の検出用導光部材に光学的に結合する光学式センサ。
【請求項１４】
請求項１３において、前記配光変換部は、屈折率が１以上の透明物質を有し、
前記光供給用導光部材から出射する光の最大出射角θｍａｘ，ｐｒｊと、前記光供給用導光部材の開口数ＮＡｐｒｊと、前記透明物質の屈折率ｎと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に平行な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面から前記検出用導光部材の光入射端面までの距離ｌと、前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に垂直な方向に関する前記光供給用導光部材の光出射端面の中心から前記検出用導光部材の光入射端面の中心までの距離ｄは、
【数４】
を満足している光学式センサ。
【請求項１５】
請求項１３において、前記検出用導光部材中を伝搬し得る光の最大入射角θｍａｘ，ｄｅｔと、前記検出用導光部材の開口数をＮＡｄｅｔは、
【数５】
を満足している光学式センサ。
【請求項１６】
請求項１５において、前記透明物質は、面前記光供給用導光部材の光出射端面における前記光供給用導光部材の光軸に対して略垂直な二つの対向面を有する透明部材で構成されている光学式センサ。
【請求項１７】
請求項１６において、前記光供給用導光部材の光出射端面は前記透明部材の一方の対向面に対向するように配置されており、前記検出用導光部材の光入射端面は前記透明部材の他方の対向面に対向するように配置されている光学式センサ。
【請求項１８】
請求項１７において、前記透明部材は円柱形状を有しており、前記透明部材の半径Ｒは、
【数６】
を満足している光学式センサ。
【請求項１９】
請求項１８において、前記透明部材は、側面に反射膜が形成されている光学式センサ。
【請求項２０】
請求項１８において、前記透明部材は、前記光供給用導光部材の開口数で規定される光線をすべて全反射するように屈折率と形状が設定されている光学式センサ。
【請求項２１】
請求項１３において、前記光供給用導光部材が前記透明部材の中央に光学的に結合され、前記検出用導光部材が前記透明部材の側面に光学的に結合されており、前記光供給用導光部材から出射した光は、前記透明部材の側面を介して前記検出用導光部材に結合する光学式センサ。
【請求項２２】
請求項２において、前記特性検出部は、前記光分配部から前記光分離検出器に至る光路上において前記検出用導光部材に形成されている光学式センサ。
【請求項２３】
請求項２において、前記特性検出部は、前記特性検出部の湾曲形状、応力状態、温度、前記特性検出部に作用する電場、磁場、熱のいずれかひとつに依存して光学特性が変化する光学式センサ。
【請求項２４】
請求項２において、前記特性検出部は、前記特性検出部に接する化学物質に依存して光学特性が変化する光学式センサ。
【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１５】
【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１５】
【公開番号】特開２０１３−１０４８１２（Ｐ２０１３−１０４８１２Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４９６５６（Ｐ２０１１−２４９６５６）
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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