ファイバーセンサー
ファイバーセンサーとは
ファイバーセンサーは、物理的、化学的、または生物学的パラメータの変化を検出するために使用されます。 そのため、構造物のモニタリング、石油・ガス探査、環境モニタリング、医療診断など、さまざまな分野で活用されています。
ファイバーセンサーとは、光ファイバーを透過する光の変化を検出することで、物理的、化学的、または生物学的パラメータを測定するデバイスです。 ファイバーセンサーは、他のセンシング技術に比べ、以下のような利点があります。
長距離動作 |
ファイバーセンサーは、信号の劣化や損失を大きくすることなく、長距離の信号伝送ができます。 そのため、遠隔地での使用や超大型構造物の監視に適しています。 |
小型かつ軽量 |
ファイバーセンサーは小型・軽量であるため、設置が容易であり、さまざまなシステムに組み込むことができます。 |
低消費電力 |
ファイバーセンサーは、動作に必要な電力が非常に少ないため、電力が制限される遠隔地やポータブル用途に最適です。 |
|
1本のファイバーに複数のファイバーセンサーを多重化し、複数の異なるパラメータを同時に測定することができます。 |
高速 |
ファイバーセンサーは、高いバンド幅と速い応答速度を実現できるため、動的な計測やリアルタイム制御の用途に適しています。 |
このように、ファイバーセンサーが測定できる物理特性は多岐にわたるため、さまざまな産業や用途で活用されています。 その中でも特に重要なものをご紹介します。
- 橋梁、ダム、ビル、パイプライン、航空機など、土木・航空宇宙構造物の構造ヘルスモニタリング。 センサーは、損傷、変形、振動を検出することができます。
- 温度、湿度、圧力、空気や水中のさまざまな化学種の濃度などをモニタリングする環境センシングを行う。
- 生体内の血糖値、血中酸素濃度、pH値などを測定する医療診断機器。
- 工業用プロセスの監視と制御。 配管や反応器内の液体や気体のレベル、流量、組成を測定することも含まれます。
- 防衛と安全保障。 ファイバーセンサーは、国境や軍事施設における侵入、物体や構造物の変位、地震活動などを検知するために使用できます。
現在使用されているファイバーセンサーの種類とその動作原理、具体的な実装方法は、先に挙げた用途と同様に多岐にわたります。 しかし、それらは基本的にすべて同じ根本原理に基づいています。 すなわち、光ファイバーに光を導入し、その中を伝播させます。 そして、ファイバーを取り巻く媒体の物理的、化学的、生物学的特性によって、光に何らかの変化が生じ、それを検出することができます。 この変化は、光の強度、位相、波長、偏光状態（またはこれらの組み合わせ）、およびファイバー自体の散乱特性の変化であることがあります。 これらのセンサーの仕組みについて、それぞれ詳しく検証してみることにしましょう。
波長系センサー
波長センサー、特にFBG（ファイバーブラッググレーティング）を利用したセンサーは、最も一般的で広く使われているタイプの一つです。 FBGは、ファイバーの軸に沿ってコアの透過率が周期的に変調するものです。 FBGは製造時にファイバーに「書き込まれ」ます。 この周期的なパターンにより、特定の小さな波長域を反射するブラッググレーティングが形成されます。
FBGの応用として、「分散型」センサーの実現があります。 ここでは、1本のファイバーの異なる位置に、それぞれ微妙に異なる波長を反射するように作られた一連のFBGを書き込んでいます。 光がファイバーを進むと、各FBGは一部を反射して光源に向かって戻ってきます。 構造体の温度や機械的なひずみが局所的に変化すると、近くのFBGの周期が変化するため、反射する波長が変化します。 この波長シフトを測定することで、ファイバーに沿った歪みと温度の情報を空間的に分解して得ることができます。 このようなファイバーセンサーは、ダムや橋のような大きな構造物に埋め込むことができます。
図1. 分布型ファイバーセンサーでは、ファイバーに沿った一連のFBGが、それぞれ狭い範囲の波長を反射します。 局所的な温度変化や機械的なひずみにより、近傍のFBGのピーク波長がシフトします。 戻ってきた光の波長を分析することで、どのセンサーにどれだけの影響があったのかがわかります。
また、波長ベースのファイバーセンサーは、さまざまなタイプのバイオセンサーの基礎となります。 その多くは、表面プラズモン共鳴（SPR）を利用したものです。 これは、ファイバーに直接、あるいはファイバーの出力端にある外部オプティックに薄い金属膜（通常は金）を貼るものです。
金属と誘電体の界面でプラズモンの振動を励起するのは、ごく特定の波長だけです。 この共鳴波長は、他の波長よりも反射が少なくなります。 この共振波長は、金属層の透過率に非常に敏感です。
バイオセンサーを作るには、金属膜を「機能化」します。つまり、特定の標的分析物に優先的に結合する、あるいは取り込む生体分子（あるいはバクテリア）でコーティングされます。 分析対象分子がセンサー表面に結合すると、センサー表面の透過率が変化します。 これにより、共振波長がシフトします。 透過光の波長を分析することで、標的分子の濃度を高感度に測定することができます。
ファイバーバイオセンサーは、測定速度が速い、感度が高いなど、いくつかの利点があります。 また、分析対象物の「ラベル製作」も不要です。 その結果、多くの医療診断プロセスやバイオ・メディカル研究、医薬品開発、さらに農業や食品加工にも使用されています。
位相差センサー
位相センサーは、光ファイバー干渉計が主流です。 光ファイバーや外部光共振器など、周囲の媒質が変化することによって生じる位相変化を測定するものです。 さまざまな干渉計の構成を実現できます。 マッハツェンダー干渉計、マイケルソン干渉計、ファブリーペロー干渉計などが代表的なものです。
マッハツェンダー干渉計とマイケルソン干渉計は、従来の自由空間での干渉計と同様に、ビームを参照アームと検出アームの2つの経路に分割します。 センシングアームだけが信号にさらされます。 センシングアーム内の物理的な長さや透過率の変化により、経路間の相対的な位相差が生じ、検出器で干渉縞パターンが生成されます。 これがセンシング信号となります。
ファブリーペロー干渉計は、ファイバーからエタロン（距離を隔てた平行な2つの高反射面）に光を供給し、測定ポイントに設置します。 振動、圧力、温度、透過率（ガスや液体が入ることによる）などにより、ファブリペロー空洞内の光路長が変化すると、干渉縞が変化します。 この信号はファイバー内を伝わり、発生地点に戻り、そこで検出されます。 この方法は、ガスや石油のパイプラインの坑内圧力の測定や、複合材料の歪みや温度のモニタリングによく使われます。
光ファイバージャイロも位相差ファイバーセンサーの一種です。 この場合、ファイバーは密に巻かれた状態になっています。 光源はまず2つのビームに分割され、ファイバーの反対側の端に結合されます。
コイルが軸回転している場合、2つのビームは相対的に位相がずれることになります。 これをサニャック効果と呼びます。 2つのビームはファイバーから出るときに再結合されます。 位相がずれると、合成されたビームに干渉縞が発生します。 このパターンを検出器で感知し、回転の角速度を決定します。
偏光センサー
偏光センサーの多くは、偏光保持光ファイバーの軸に対して45°の偏光を導入することで動作します。 そして、ファイバーの複屈折に影響を与える被試験デバイスのあらゆるもの（温度変化や機械的歪みなど）を、ファイバーの出力にある偏光アナライザーを使って検出することができます。 構造監視用ファイバーセンサーの多くは、偏光方式です。
また、偏光センサーは、電流を感知するために使用することができます。 これは、磁場があると光の偏光面が回転する「ファラデー効果」を利用したものです。 そのため、電流によって発生する磁界を測定することができます。 ファイバー電流センサーは、従来のセンサータイプに比べて、高速応答、高精度、小型・軽量など、いくつかの利点があります。
強度型センサー
強度型ファイバーセンサーは、実は最初に開発されたタイプです。 透過光や反射光の強さの変化で測定します。
単純な強度ベースのセンサーの1つは、曲げたファイバーを構造物や機械部品に埋め込むことで形成されます。 曲げ半径の変化は、ファイバーを通る光の損失に影響します。 つまり、圧力、加速度、移動、熱膨張など、物体に寸法変化をもたらすものはすべて、ファイバーを変形させ、信号を発生させます。
強度を変化させるもう一つの方法は、ファイバーが光を伝送するために依存する内部全反射の量を抑制または減少させることです。 通常、これは周囲の媒体の透過率変化がファイバーコアを囲むエバネッセントフィールドと相互作用するときに起こります。 一般的には、ファイバーの長さにわたってクラッディング（肉盛り）の一部を除去し、エバネッセントフィールドがファイバーの周囲の媒体に浸透するようにします。 この媒質の透過率が変わると、ファイバーの伝送特性が変化します。 液体の液面を感知したり、ガスセンサーとして使用することができます。
一般に、強度型センサーは他のタイプよりもシンプルであるため、低コストであっても、現在では広く使用されていません。 問題は、光出力の変化を引き起こすものは、読み取り値を発生させるということです。 リファレンスシステムによってこれを最小限に抑えることはできますが、これらのセンサーから光ノイズやスプリアスを完全に除去することは困難です。
散乱式センサー
光ファイバー内のブリルアン散乱やラマン散乱を利用したさまざまなセンシング技術があります。 これらは、光時間領域反射率測定法（OTDR）と組み合わせて使用されます。
ブリルアン散乱は、光が媒体中の音響モードと相互作用することで発生します。 ブリルアン散乱のピーク波長は、物質の透過率に強く依存します。 そのため、周囲の媒体の温度や圧力の変化に敏感です。
ブリルアン型のセンサーを実現するために、光のパルスをファイバーに送ります。 戻ってきた光のスペクトルを連続的に解析しています。 ブリルアン散乱によるスペクトルのシフトの時間遅れは、ファイバーのどの辺りで散乱が発生したかを示し、その結果、散乱を引き起こした状態の場所を示します。
ラマン散乱は、光がファイバー内の分子振動と相互作用することで発生します。 ラマン信号は温度のみに依存します。 ラマンセンシングは、ブリルアンセンシングと同様に実施されます。 すなわち、ファイバーにパルス光を送り、戻ってきた光のスペクトルを時間の関数として分析します。
散乱を利用したセンサーの大きな利点は、あらゆるシリカファイバーに内在する特性を利用できることです。 つまり、低価格で市販されている光ファイバーを使って作ることができます。 しかも、どちらの散乱法も数十キロという非常に大きな距離で効果を発揮します。 そのため、特に大型や長大な構造物のモニタリングに有効です。
ファイバーセンサーは、その多様な機能と操作性の良さから、さまざまな用途に適しています。 構造物の健全性監視、石油・ガス探査、バイオメディカルセンシング、環境モニタリング、工業プロセスモニタリングなど、技術の継続的な進歩により、その用途はますます広がっていくでしょう。