(57)【要約】【課題】光ファイバの断線を防止しつつ径を小さくすることができる光学測定用プローブを提供する。【解決手段】光学測定用プローブ１０は、光ファイバ１１と、一端から光ファイバ１１の一端が露出し、他端からも光ファイバ１１の他端側が露出するように光ファイバ１１が内挿されているフェルール１２と、フェルール１２の少なくとも前記他端側の一部が内挿されていると共に、光ファイバ１１の前記他端側の一部を覆う、非可撓性の筒状の胴体スリーブ１３と、光ファイバ１１と胴体スリーブ１３の隙間に充填されている、流動性を有する材料が固化したものから成る光ファイバ固定部１４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと、
一端から前記光ファイバの一端が露出し、他端からも該光ファイバの他端側が露出するように該光ファイバが内挿されているフェルールと、
前記フェルールの少なくとも前記他端側の一部が内挿されていると共に、前記光ファイバの前記他端側の一部を覆う、非可撓性の筒状の胴体スリーブと、
前記光ファイバと前記胴体スリーブの隙間に充填されている、流動性を有する材料が固化したものから成る光ファイバ固定部と
を備える光学測定用プローブ。
【請求項２】
前記材料が接着剤である、請求項１に記載の光学測定用プローブ。
【請求項３】
前記光ファイバ固定部は、前記胴体スリーブに対して前記光ファイバを固定するものである、請求項１又は２に記載の光学測定用プローブ。
【請求項４】
前記光ファイバを複数本備える、請求項１〜３のいずれかに記載の光学測定用プローブ。
【請求項５】
前記光ファイバのうち前記胴体スリーブよりも前記他端側の部分が柔軟性を有する保護チューブで覆われている、請求項１〜４のいずれかに記載の光学測定用プローブ。
【請求項６】
前記胴体スリーブの、前記光ファイバの前記他端側の一部を覆う位置に、前記材料が固化したものが充填されている孔を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の光学測定用プローブ。
【請求項７】
非可撓性の筒状の胴体スリーブに孔を設け、
一端から光ファイバの一端が露出し、他端からも該光ファイバの他端側が露出するように該光ファイバをフェルールに内挿し、
前記フェルールを前記胴体スリーブに、該胴体スリーブが前記光ファイバの前記他端側の一部を覆い且つ前記孔が該光ファイバの該他端側の一部を覆う位置に配置されるように挿入し、
前記光ファイバの前記他端側にある前記胴体スリーブの端部から流動性を有する材料を注入しつつ前記孔から気体を吸引することにより、前記光ファイバと前記胴体スリーブの隙間に該材料を充填し、
前記隙間及び前記孔内の前記材料を固化させる
光学測定用プローブ製造方法。
【請求項８】
前記材料が接着剤である、請求項７に記載の光学測定用プローブ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ吸収分光法を利用して測定対象ガスの濃度、密度、分圧、分子種等（以下、「濃度等」とする）を計測する際に用いられる光学測定用プローブ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象ガスに含まれる目的ガスの濃度等を計測する手法に吸光分光法がある。吸光分光法では、測定対象ガスに対して目的ガスの吸収波長帯域の測定光を照射し、その透過光の強度を測定する。そして、目的ガスによる光吸収量から目的ガスの吸光度を求め、該吸光度から目的ガスの濃度等を求める。
【０００３】
このような吸光分光法は、例えば自動車のエンジンに供給される燃焼ガスに含まれる酸素や、エンジンからの排気ガスに含まれる二酸化炭素の濃度等を測定するために用いられる。この場合、実際にエンジンを動作させた状態でリアルタイムで測定するために、エンジンの燃焼室内や排気ガス管内にプローブを挿入して光ファイバの先端を所定の位置に固定し、計測が行われる。このようなプローブは、燃料電池における流路中や生体中の気体の濃度等を計測する際にも用いられる。
【０００４】
特許文献１には、光ファイバの先端を固定するためのフェルールを有する光学測定用プローブが記載されている。この光学測定用プローブでは、光ファイバをフェルールに内挿して先端をフェルールの先端から出し、フェルール及び光ファイバのフェルールよりも後端側（前記先端の反対側）の部分の周囲を金属製の筒である胴体スリーブで覆っている。フェルールよりも後端側では光ファイバと胴体スリーブの間に隙間が存在し、その隙間には柔軟な保護チューブが挿入されている。測定の際には、エンジンの燃焼室や排気ガス管等に設けられた孔に光学測定用プローブの先端を挿入して該光学測定用プローブを固定することにより、光ファイバの先端をそれら燃焼室や排気ガス管内の所定の位置に固定する。この光学測定用プローブによれば、フェルールよりも後端側で光ファイバを柔軟な保護チューブで覆うことにより、光ファイバが折れ曲がって断線することが防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2016-200647号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エンジンの動作や排気ガスの排出等に影響を与えないように、光学測定用プローブを挿入するためにエンジンの燃焼室や排気ガス管等の測定対象箇所に設けられる孔はできるだけ小さくする必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の光学測定用プローブでは、それらの孔に挿入される部分の径は胴体スリーブの径により定まっており、この胴体スリーブの径は保護チューブを内挿する必要があるため小さくすることが困難である。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、光ファイバの断線を防止しつつ径を小さくすることができる光学測定用プローブ及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために成された本発明に係る光学測定用プローブは、
光ファイバと、
一端から前記光ファイバの一端が露出し、他端からも該光ファイバの他端側が露出するように該光ファイバが内挿されているフェルールと、
前記フェルールの少なくとも前記他端側の一部が内挿されていると共に、前記光ファイバの前記他端側の一部を覆う、非可撓性の筒状の胴体スリーブと、
前記光ファイバと前記胴体スリーブの隙間に充填されている、流動性を有する材料が固化したものから成る光ファイバ固定部と
を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る光学測定用プローブでは、光ファイバがフェルールに内挿され、フェルールの少なくとも前記他端側の一部が胴体スリーブに内挿されていると共に、フェルールから露出した光ファイバの前記他端側が胴体スリーブで覆われていることにより、光ファイバの前記他端側において光ファイバと胴体スリーブの隙間が形成されている。光ファイバ固定部は、この隙間に充填されている。このような光ファイバ固定部は、光ファイバと胴体スリーブの隙間が小さい場合にも流動性を有する材料をその隙間に充填したうえで固化させることで作製することができるため、胴体スリーブの径を小さくすることができる。これにより、光学測定用プローブの径を小さくすることができる。
【００１０】
また、光ファイバの外側に、接着剤が固化したものから成る光ファイバ固定部を備えると共に、光ファイバ固定部の外側に非可撓性の胴体スリーブを備えるため、光ファイバの断線も防止することもできる。
【００１１】
流動性を有する材料が固化したものには、溶媒が蒸発することで固化したもの、主剤と硬化剤が化学反応することにより固化したもの、熱や光により化学反応することにより固化したもの（熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂）等を用いることができる。前記材料には、接着剤を好適に用いることができる。
【００１２】
流動性を有する材料が固化したものは、熱膨張率が低いものが好ましく、シリコーン系やエポキシ系等の接着剤が固化したものが好適である。なお、光学測定用プローブの機械的強度は非可撓性の胴体スリーブが担うため、光ファイバ固定部には機械的強度は要求されない。
【００１３】
胴体スリーブの材料には、金属、セラミックス等を用いることができる。フェルールの材料には、セラミックス、ガラス、金属等を用いることができる。
【００１４】
本発明に係る光学測定用プローブは、光ファイバを複数本備えることが好ましい。例えば、光学測定用プローブに光ファイバを2本設け、うち1本は照射光の照射用、もう1本は吸収光の検出に用いることができる。あるいは、光学測定用プローブに光ファイバを2本又は3本以上設け、光ファイバ毎に異なる波長における光の吸収を測定するようにしてもよい。
【００１５】
本発明に係る光学測定用プローブは、前記光ファイバのうち前記胴体スリーブよりも前記他端側の部分が柔軟性を有する保護チューブで覆われていてもよい。これにより、胴体スリーブよりも前記他端側で光ファイバが折れ曲がって断線することを防止することができる。なお、測定対象箇所に設けられる孔に光学測定用プローブの胴体スリーブよりも前記他端側を挿入しないようにすることで、胴体スリーブよりも前記他端側において保護チューブによって光学測定用プローブの径が大きくなっても測定には差し支えはない。
【００１６】
本発明に係る光学測定用プローブにおいて、前記胴体スリーブの、前記光ファイバの前記他端側の一部を覆う位置に、前記流動性を有する材料が固化したものが充填されている孔を有するという構成を取ることができる。このような、流動性を有する材料が固化したものが充填された孔は、次に述べる本発明に係る光学測定用プローブ製造方法により製造された場合に、本発明に係る光学測定用プローブに形成される。
【００１７】
本発明に係る光学測定用プローブ製造方法は、
非可撓性の筒状の胴体スリーブに孔を設け、
一端から光ファイバの一端が露出し、他端からも該光ファイバの他端側が露出するように該光ファイバをフェルールに内挿し、
前記フェルールを前記胴体スリーブに、該胴体スリーブが前記光ファイバの前記他端側の一部を覆い且つ前記孔が該光ファイバの該他端側の一部を覆う位置に配置されるように挿入し、
前記光ファイバの前記他端側にある前記胴体スリーブの端部から流動性を有する材料を注入しつつ前記孔から気体を吸引することにより、前記光ファイバと前記胴体スリーブの隙間に該材料を充填し、
前記隙間及び前記孔内の前記材料を固化させる
ことを特徴とする。
【００１８】
前記材料には接着剤を好適に用いることができる。
【００１９】
本発明に係る光学測定用プローブ製造方法によれば、光ファイバと胴体スリーブの隙間に流動性を有する材料を容易に充填することができる。これにより、この隙間を小さくすることが可能になり、光学測定用プローブの径も小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る光学測定用プローブ及びその製造方法によれば、光ファイバの断線を防止しつつ光学測定用プローブの径を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る光学測定用プローブの一実施形態を示す概略構成図。
【図２】本実施形態の光学測定用プローブの製造方法を説明する概略図。
【図３】本発明に係る光学測定用プローブの一変形例を示す概略構成図。
【図４】変形例の光学測定用プローブの使用態様の一例を示す概略図。
【図５】本発明に係る光学測定用プローブの別の変形例を示す概略構成図。
【図６】本発明に係る光学測定用プローブのさらに別の変形例を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１〜図６を用いて、本発明に係る光学測定用プローブ及びその製造方法の実施形態を説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態の光学測定用プローブ１０の概略構成図である。この光学測定用プローブ１０は、光ファイバ１１と、フェルール１２と、胴体スリーブ１３と、光ファイバ固定部１４を有する。
【００２４】
フェルール１２は、ジルコニアから成る円柱状のものであって、円柱の軸に光ファイバ１１を内挿するための貫通孔が設けられたものである。図１では、この軸に平行であってこの軸を含む面における断面図で光学測定用プローブ１０の概略構成を示している。フェルール１２の材料には、ジルコニア以外のセラミックスを用いてもよいし、ガラスや金属等を用いてもよい。また、フェルール１２の形状は円柱状には限定されず、角柱状等であってもよい。光ファイバ１１は、その一端がフェルール１２の一端１２１から露出し、他端側がフェルール１２の他端１２２から引き出されるように、フェルール１２の貫通孔に内挿されている。
【００２５】
胴体スリーブ１３は、非可撓性のステンレス鋼製の筒状のものである。胴体スリーブ１３の材料には、ステンレス鋼以外の金属を用いてもよいし、セラミックス等を用いてもよい。胴体スリーブ１３の一端１３１側には、フェルール１２の他端１２２側の一部が内挿されている。本実施形態では、胴体スリーブ１３の筒の内径は、筒全体ではフェルール１２の外径よりも小さくし、フェルール１２が内挿される一端１３１側の部分のみフェルール１２の外径と略等しくなるように筒内が切削（段付き加工）されている。その代わりに、胴体スリーブ１３の筒全体で内径をフェルール１２の外径と略等しくしてもよい。このように胴体スリーブ１３の筒全体で内径をフェルール１２の外径と略等しくれば、胴体スリーブ１３の段付き加工が不要となり、胴体スリーブ１３全体の肉厚を薄くすることができる。フェルール１２の他端１２２側から延びる光ファイバ１１は、胴体スリーブ１３内に挿通され、胴体スリーブ１３の他端１３２よりも外部にまで達している。フェルール１２の他端１２２よりも胴体スリーブ１３の他端１３２側には、光ファイバ１１と胴体スリーブ１３の間に隙間が形成されている。胴体スリーブ１３の剛性は、光ファイバ固定部１４の剛性よりも高い。
【００２６】
光ファイバ固定部１４は、光ファイバ１１と胴体スリーブ１３の隙間に充填されており、これにより胴体スリーブ１３に対して光ファイバ１１を固定する。光ファイバ固定部１４には、本実施形態では接着剤が固化したものを用いる。この接着剤には、光学測定用プローブ１０の使用環境における温度に対する耐熱性を有するものを用い、後述する製造時の容易性という点で低粘度のものであることが望ましい。そのような接着剤として、シリコーン系の接着剤、例えばRTVシリコーンゴム(KE-1308)を好適に用いることができる。シリコーン系の接着剤の代わりに、エポキシ系等の他の接着剤を用いてもよい。
【００２７】
胴体スリーブ１３の、光ファイバ１１の他端側の一部を覆っている位置、言い換えれば胴体スリーブ１３に内挿されたフェルール１２の他端１２２よりも胴体スリーブ１３の他端１３２寄りの位置に、孔１５が設けられている。本実施形態では孔１５を2個設けるが、孔１５の個数は1個であってもよいし、3個以上であってもよい。孔１５には、光ファイバ固定部１４と同じく、接着剤が固化したものが充填されている。
【００２８】
次に、図２を用いて、本実施形態の光学測定用プローブ１０を製造する方法を説明する。
【００２９】
まず、セラミックスから成るフェルール１２の円柱の軸に貫通孔を設け、この貫通孔に光ファイバ１１を内挿する(a)。その際、光ファイバ１１の一端がフェルール１２の一端から露出し、光ファイバ１１の他端側がフェルール１２の他端１２２から引き出されるようにする。
【００３０】
また、非可撓性の金属製の筒から成る胴体スリーブ１３に孔１５を穿孔する。それと共に、胴体スリーブ１３の一端１３１側の内径がフェルール１２の外径と略等しくなるように、胴体スリーブ１３の筒内を切削することにより、嵌合部１３３を形成する(b)。
【００３１】
次に、光ファイバ１１の他端側を、胴体スリーブ１３の一端１３１側から胴体スリーブ１３内を通過させ、フェルール１２を、胴体スリーブ１３の嵌合部１３３に嵌めて内挿する(c)。これにより、フェルール１２よりも胴体スリーブ１３の他端１３２側では、光ファイバ１１の他端側が胴体スリーブ１３との間に隙間１３４が設けられた状態で配置される。
【００３２】
続いて、胴体スリーブ１３の他端１３２側から隙間１３４に接着剤を供給しつつ、真空ポンプを用いて孔１５から気体を吸引する(d)。これにより、隙間１３４内に接着剤を行き亘らせ、隙間１３４を接着剤で充填することができる。その際、前述のように低粘度の接着剤を用いることにより、より確実に隙間１３４を接着剤で充填することができる。また、孔１５にも接着剤が充填される。その後、隙間１３４に充填された接着剤を固化させることにより、光ファイバ固定部１４を作製する。以上の工程により、本実施形態の光学測定用プローブ１０が製造される。
【００３３】
本実施形態の光学測定用プローブ及びその製造方法によれば、光ファイバ１１と胴体スリーブ１３の隙間１３４に接着剤を容易に充填することができるため、隙間１３４を小さくすることが可能になり、光学測定用プローブ１０の径も小さくすることができる。
【００３４】
図３に、本発明の変形例である光学測定用プローブ１０Ａの概略構成図を示す。この光学測定用プローブ１０Ａは、シングルモード光ファイバ１１１と、マルチモード光ファイバ１１２という2本の光ファイバを備える。以下、これら2本の光ファイバを合わせて「光ファイバ１１Ａ」と呼ぶ。光ファイバ１１Ａは、上記光学測定用プローブ１０における光ファイバ１１と同様に、その一端がフェルール１２の一端１２１から露出し、他端側がフェルール１２の他端１２２から引き出されるように、フェルール１２の貫通孔に内挿されている。ここでフェルール１２の貫通孔は、2本の光ファイバに対してそれぞれ1つずつ、合計2つ設けてもよいし、1つの貫通孔に2本の光ファイバを内挿するようにしてもよい。光ファイバ１１Ａ（及び、貫通孔を2つ設ける場合にはフェルール１２）以外の光学測定用プローブ１０Ａの各構成要素は、前述の光学測定用プローブ１０の構成要素と同じである。
【００３５】
図４に、変形例の光学測定用プローブ１０Ａにつき、使用態様の一例を示す。例えばエンジンや排気管等、内部の測定対象空間３０に測定対象ガスが存在する収容体の壁３１に、胴体スリーブ１３の外径と略等しい内径を有する貫通孔３２を設けておき、貫通孔３２の測定対象空間３０側の開口部に光学窓３３を設ける。収容体の外側からこの貫通孔３２に、フェルール１２及び光ファイバ１１Ａの一端側を測定対象空間３０側に向けた状態で光学測定用プローブ１０Ａを挿入する。シングルモード光ファイバ１１１の他端には光源２１を接続し、マルチモード光ファイバ１１２の他端には検出器２２を接続する。ここで光源２１は、測定対象ガスに含まれる目的ガスの吸収波長帯域に対応する波長帯の赤外光を生成する光源である。当該赤外光は、シングルモード光ファイバ１１１及び光学窓３３を通して測定対象空間３０内の測定対象ガスに照射される。また、検出器２２は測定対象空間３０内の測定対象ガスで測定対象ガスが吸収波長帯域の赤外光を吸収した後の透過光や反射光の波長毎の強度を検出するものである。検出器２２には、光学窓３３及びマルチモード光ファイバ１１２を通して、測定対象空間３０内の測定対象ガスの透過光や反射光が入力される。
【００３６】
この変形例の光学測定用プローブ１０Ａには光ファイバを2本設けたが、光ファイバを3本以上設けてもよい。これにより、例えば、光ファイバ毎に異なる波長における光の吸収を測定することができる。
【００３７】
図５に、別の変形例である光学測定用プローブ１０Ｂの概略構成図を示す。この光学測定用プローブ１０Ｂは、前述の光学測定用プローブ１０において光ファイバ１１のうち胴体スリーブ１３よりも前記他端側の部分、すなわち胴体スリーブ１３の外に延びている部分を、柔軟性を有する合成樹脂製の保護チューブ１６で覆ったものである。このような保護チューブ１６を用いることにより、胴体スリーブ１３の外側で光ファイバ１１が折れ曲がって断線することを防止することができる。同様の保護チューブ１６は、変形例の光学測定用プローブ１０Ａ等の光ファイバを2本以上有する光学測定用プローブにも設けることができる。
【００３８】
ここまでに示した実施形態では胴体スリーブ１３に孔１５が設けられているが、この孔１５は本発明の光学測定用プローブにおける必須要件ではなく、図６に示す光学測定用プローブ１０Ｃのように省略することができる。この場合、製造時には気体を吸引することなく、胴体スリーブ１３の他端側から接着剤を隙間１３４に充填する。この場合、気体の吸引を行う場合よりも隙間１３４内に接着剤が侵入し難いため、粘性の低い接着剤を用いることが望ましい。なお、図６には光ファイバが1本のみであって保護チューブ１６の無い場合について示したが、光ファイバを2本以上設けてもよいし、保護チューブ１６を設けてもよい。
【００３９】
本発明は上記実施形態には限定されず、本発明の主旨の範囲内で適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では光ファイバ固定部１４には接着剤が固化したものを用いたが、それ以外の流動性を有する材料が固化したものを用いてもよい。そのようなものとして、溶媒が蒸発することで固化したもの、主剤と硬化剤が化学反応することにより固化したもの、熱や光により化学反応することにより固化したもの（熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂）等を用いることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…光学測定用プローブ
１１、１１Ａ…光ファイバ
１１１…シングルモード光ファイバ
１１２…マルチモード光ファイバ
１２…フェルール
１２１…フェルールの一端
１２２…フェルールの他端
１３…胴体スリーブ
１３１…胴体スリーブの一端
１３２…胴体スリーブの他端
１３３…嵌合部
１３４…隙間
１４…光ファイバ固定部
１５…孔
１６…保護チューブ
２１…光源
２２…検出器
３０…測定対象空間
３１…壁
３２…貫通孔
３３…光学窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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