JPH02236145A - 光学式液体センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば自動車燃料としてのアルコール／ガソ
リン混合燃料の混合比や屈折率等の測定に用いられる、
光学式液体センサ及びその製造方法に関する． 〔従来の技術〕 こノ種光学式液体センサの内、特に、アルコール／ガソ
リン混合比を測定するのに適した光学式液体センサに関
する従来の技術を説明する．近い将来に、自動車燃料と
して排気公害対策や石油資源対策の必要性からアルコー
ル燃料が普及し、アルコール／ガソリン混合燃料の形で
使用されるものと予想されている．しかし、その混合比
は一定ではなく、供給側又は使用側の事情によって変動
する．この混合比が変わると、それに応じて空燃比、点
火時期、燃料供給速度等のエンジンのパラメータが調整
されないと、始動性、燃焼特性、燃料経済性、運転性、
機関出力、排気性ガス組成が損なわれる．そして、実車
テストを重ねる中で、この混合比を正確に測定でき構造
も簡単な液体センサが望まれるようになっている．この
ような液体センサとして、特開昭５７−５１９２０には
第１１図に示す光学式液体センサが提案されている．こ
の光学式液体センサａは石英のガラスロッドｂとその両
端に配置された発光素子Ｃと受光素子ｄとから成ってい
る．そして、このガラスロッドｂは、燃料配管ｅの途中
に設けられたヘッダ【にシールｇを介して、接液状態で
挿入されている．この液体センサａの測定原理は、第９
図に示すようにアルコール／ガソリン混合比に応じて燃
料の屈折率が変化し、この屈折率が変化するとガラスロ
ッドｂと混合燃料ｈ間の境界面から混合燃料中へ屈折し
て透過する光量が変化することを応用したものである。

すなわち、一定出力の発光素子Ｃに対して、受光素子ｄ
の出力を測定し、キヤリプレーシッンデータと付き合わ
せて混合比を知るものである．この光学式液体センサは
応答性に優れており注目されつつある．〔発明が解決し
ようとする課題〕 従来の技術で説明した光学式液体センサにおいては、゜
応答性に優れるものの、ガラスロッドｂが直線的である
ため、ガラスロシドｂに入射される光の各モードのほと
んどが最初に液体との境界面に到達した点での入射角に
よって、反射してガラスロンドｂ中を伝播するものと、
屈折して液体中へ透過するものとに分けられるので、ガ
ラスロッドｂからの出射光量を液体屈折率との関係を直
線的なものとし、測定感度を良くするためには、かなり
大口径で長いガラスロッドｂを用いる必要があり、液体
センサが大型化する（口径約５−、長さ好ましくは５ｃ
一以上）という問題点があった．また、ガラスロッドｂ
を液体のヘッド５または管路を貫通するように取付ける
必要があるため、ガラスロッドｂが破損したり、汚れた
りしたときの取り換えや保全が容昌でないという問題点
もあった． 本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、小型で保守、保全が容易であり
、測定感度の良い光学式液体センサ及びその製造方法を
提供しようとするものである． 〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明の光学式液体センサ
においては、コアとクラッドから成る大口径のガラス系
光ファイバを逆方向に折り返し、この光ファイバの一端
に発光素子を他端に受光素子を設け、光ファイバの折り
返し部は検出部として露出させ以降は本体内に密封して
収納した光学式液体センサであって、検出部としての前
記折り返し部のクラッド層厚は他より薄くしているもの
である． また、検出部としての前記折り返し部のクラッド層厚は
他より平均的に薄く表面が微小な凹凸を形成しているも
のもある． また、検出部としての前記折り返し部のクラッド層厚は
他より薄くしている光学式液体センサの製造方法として
は、クラッド層厚が薄い光ファイバで検出部としての折
り返し部を形成し、この折り返し部の両端にクラッド層
厚が厚い光ファイバを融着し、ついで検出部以降の光フ
ァイバを本体内に密封して収納する製造方法．がある．
そして、検出部としての前記折り返し部のクラッド層厚
は他より平均的に薄く表面が微小な凹凸を形成している
光学式液体センサの製造方法としては、光ファイバを折
り曲げ加工し、検出部としての折り返し部をガラス腐食
液に接触させて部分的に腐食させ、ついで検出部以降の
光ファイバを本体内に密封して収納する製造方法がある
．〔作用〕 光ファイバの折り返し部は伝送ロスが多くなり、この伝
送ロスの程度が液体の屈折率の変化に応じて変化するこ
とで測定が可能となるが、クラッド層厚が薄いとこの伝
送ロスがより多《なり測定感度が上がる．そして、大口
径の光ファイバとしたのは、伝送ロスを極小にする通信
ケーブルとは異なり、ある程度の伝送ロスがないと測定
できなくなるという意味で、小口径の通信ケーブルと区
別するためである． また、折り返し部のクラッド層厚を他より薄くし、表面
に微小な凹凸を形成すると、コアからクラッドに透過し
た光が液中に透過する割合が多くなり、測定惑度が上が
る． また、クラッド層厚が薄い折り返し部の両端にクラッド
層厚が厚い光ファイバを融着するという製造方法による
と、別々に作るのでクラッド層厚の一定のものとなる． そして、検出部としての折り返し部をガラス腐食液に接
触させて部分的に腐食させるという製造方法によると、
交互に浸したり流しかけるという調整で部分的腐食とな
る． 〔実施例〕 以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の光学式液体センサの断面図、第２図は
第１図の光学式液体センサの底面図、第３図は第１図の
Ａ部拡大図、第４図及び第５図は第３図のＢ部拡大図で
ある． 第１図において、光学式液体センサｌは、大口径のガラ
ス系光ファイバ２とこの光ファイバ２の両端の発光素子
３と受光素子４とこれらを収納する零体５とからなって
いる． 光ファイバ２は、略平行（多少喫状に傾斜していてもよ
い）の往路２ａと復路２ｂ，折り返し部２ｃで形成され
ている．この折り返し部２ｃが接液し、検出部を構成し
ている．この折り返し部２Ｃでは伝送ロスが多くその伝
送ロスの量は液体の屈折率で左右され、測定感度を決定
するので重要である．なお、折り返し部２Ｃの形状は図
示のように底部が直線状のＵ字型に限らず、半円形のυ
字型でもよい．またこの光ファイバ２は、ファイバの中
心でその周囲より屈折率が高く光が伝播されるコア６と
、コア６の外側でコアより屈折率が低いクラッド７の基
本構造である（第３図参照）．そして、折り返し部２Ｃ
のクラッド層厚は往路２ａと復路２ｂの層厚より薄くさ
れて、測定惑度を向上させている． また、この光ファイバ２の材料は石英ガラスや多成分ガ
ラスのガラス系である。その材質特に屈折率は測定され
る液体の屈折率の変化範囲に基づいて選定される．そし
て、この光ファイバ２の口径は、通常の通信ケーブル用
の如ク０．ＩＩｌｍ台のものではなく、より大口径のも
のが選定される．ある程度の伝送ロスが必要なこと及び
形状の安定性や加工性から好ましくは０．５ｍ一以上の
ものが使用される． 発光素子３は往路２ａの先端に、受光素子４は復路２ｂ
の終端に配置され、発光素子３よりの一定量の発光が、
光ファイバ２を通ってどれだけ伝送されたかを受光素子
４で測定し出力とするものである． 零体５は耐蝕金属製のホルダ８とアクリル製のアダプタ
９とからなっている．ホルダ８は全体として６角形状を
しておりその下方に取付ネジ８ａが加工されている（第
１図及び第２図参照）．この取付ネジ８ａで光学式液体
センサ１全体を、検出部が接液するようにして配管等に
取付ける．また、このホルダ８には２本の孔８ｂが加工
されており、この孔８ｂに光ファイバ２を挿入して接着
剤１０等で密封する．アダプタ９は、発光素子３と受光
素子４を収納し、ホルダ８内に挿入されてエポキシ樹脂
等でホルダ８に固着されている．つぎに、上述した光学
式液体センサ１の作動を第３図乃至第５図に基づいて説
明する．第３図において、往路２ａからの光はコア６と
クラッド７の境界面で反射しつつ折り返し部２ｃに至る
．折り返し部２Ｃに至った光は入射角Φが小さくなり、
コア６とクラッド７の屈折率の比できまる臨界角以下と
なるため屈折透過光となってクラッド７に至る量が多く
なる。しかし、更に、液体ｌ２まで至るかはクラッド７
と液体ｌ２の屈折率の比と入射角で決まる．もし、液体
ｌ２の屈折率がクラッド７の屈折率と同じかそれ以上で
あれば、クラソド７に至った光はすべて液体Ｉ２中に透
過し、伝送ロスが大となって受光素子４の出力は小さく
なる．液体ｌ２の屈折率がクラッド７の屈折率より小さ
いほど、クラッド７と液体ｌ２の境界面での反射が多《
なり伝送ロスが小となって受光素子４の出力は大きくな
る．したがって、液体ｌ２の屈折率がクラソド７の屈折
率より小さい方向に変化するとそれに応じて受光素子４
の出力が増大し、混合比等を測定することができる．第
４図は、折り返し部２ｃのクラッド層厚７ｃが往路２ａ
のクラッド層厚７ａより均一に薄くされているものを示
す．折り返し部２ｃの折り曲げ点２ｄでは、入射角Φが
小さくなってコア６からクラッド７ｃに入った光の多く
は液体１２との境界面に至る．このとき液体１２の屈折
率に応じて点線の屈折透過光となって液体１２内に拡散
する．クラッド７０層厚が薄いと、液体ｌ２とクラッド
７Ｃ間の反射回数も増加し、点線の屈折透過光の割合が
高くなり測定感度が向上する． 第５図は、折り返し部２ｃのクラッド層厚７ｃが往路２
ａのクラッド層厚７ａより平均的に薄く表面が微小に凹
凸を形成しているものを示す．このものは、クラッド表
面に微小な凹凸が形成されているから、折り返し部２Ｃ
の折り曲げ点２ｄでグランド７ｃに入った光はクラッド
表面で臨界角を下廻る確率が高《なり、測定感度が大き
く向上する． 第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、第４図に示される
クラッド層厚が均一に薄くされている光学式液体センサ
１の製造方法を示す図である．第６図（ａ）において、
クラッド厚が薄い直線状の光ファイバ２′を非熱伝導性
の型ｌ３の上に乗せて、コーナ部ｌ４を小型バーナ１５
等で局部加熱して光ファイバ２′を軟化させる．光ファ
イバ２′の先端部ｌ６は自重で略９０度折れ曲がる．つ
ぎに、第６図（ｂ）に示すように、光ファイバ２′の根
元部１８を型ｌ３の側面に沿わせるよう反時計方向９０
度回転させる。そして、新たなコーナ部１９を小型バー
ナ１５等で局部加熱して、先端部ｌ６を自重で略９０度
折り曲げる．そして、第６図（ｃ）において、余分な部
分の光ファイバ２′を切断すると底部が直線のＵ字型の
折り返し部２ｃとなる．そして、クラッド層厚が厚い往
路２ａと復路２ｂを折り返し部２ｃの両端に当接させて
、バーナ１５等で折り返し部２ｃに熱融着させて光ファ
イバ２とする．つぎに、第６図（ｄ）において、この光
ファイバ２の表面にエボキシ樹脂を薄く塗って零体５の
孔８ａに挿入する．また、発光素子３と受光素子４も本
体５内に挿入してエポキシ樹脂で固定する。

第６図（ｅ）（ｆ）は第６図（ａ）（ｂ）に代る製造方
法を示す図である． まず、第６図（ｅ）において、直線状の光ファイバ２′
の一端を、例えばホルダ２０の固定アーム２０ａに対し
回転可能な把持用アーム２０ｂで水平に保持し、コーナ
部ｌ４を小型バーナｌ５等で加熱して光ファイバ２′を
軟化させる．光ファイバ２′の先端部ｌ６は自重で略９
０度折れ曲がる．つぎに、第６図（ｆ）に示すように、
ホルダ２０の把持用アーム２０ｂを反時計方向に９０度
回動して、光ファイバ２′の根本部１８を垂直に保持し
、新たなコーナ部１９を小型バーナ１５等で局部加熱し
て、先端部１６を自重で９０度折り曲げる．以下、同様
にして余分な部分の光ファイバ２′を切断すると底部が
直線状のＵ字型の折り返し部２ｃとなる． 以上の製造方法によれば、折り返し部２ｃを別に作るの
で、クラッド厚を自由に選定でき且つ同一厚みのものを
製造できる．したがって、製品毎の測定感度のばらつき
が少なく安定した品質が確保できる． 第Ｔ図（ａ）（ｂ）（ｃ）は、第５図に示されるクラッ
ド層厚が平均的に薄くされ表面に微小な凹凸が形成され
ている光学式液体センサ１の製造方法を示す図である． 第７図（ａ）において、まず、直線状の光ファイバから
底面が半円形の折り返し部２Ｃを有する光ファイバ２を
製作する。ついで、第７図（ｂ）において、この光ファ
イバ２の折り返し部２Ｃをフッ化水素酸等のガラス腐食
剤に浸す．このとき、静的に浸すと均一に腐食するが、
出したり入れたりしながら浸かる部分に差をつける．す
ると、第７図（ｃ）に示すように、クラッドの表面が不
均一に腐食される．なお、腐食剤に浸す方法の代わりに
腐食剤を流しかける方法でもよい。また、適度な粒径を
有し、腐食液に腐食されない粉体を腐食剤に入れ、これ
を攪拌する方法によることも可能である。以上の製造方
法によれば、比較的容易に平均的には一定のクラッド表
面に微小な凹凸を形成するとかできる． つぎに、本発明の光学式液体センサ１をアルコール／ガ
ソリン混合比の測定に適用した場合を説明する． 第８図は検出装置２ｌの断面図である．検出装置２ｌに
は、燃料通路２２が設けられ、この燃料通路２２内の燃
料を測定する光学式液体センサ１と温度検出器２３とが
並列的に内蔵されている。

また、プリント基盤２４も内蔵されてコンパクトにまと
められている。例えば、光ファイバとして口径０．７５
ｍｓのものを使用し、Ｕ字型の折り返し部の巾を５一一
とすると、光学式液体センサｌは長さ２５醜■程度まで
小型化できる。したがって、検出装置２０全体としても
４０論一角程度以下の小型のものとすることができる。

つぎに、アルコール／ガソリン混合比の測定ノ場合の光
ファイバ２の測定感度について、第９図と第１０図に基
づいて説明する． 第９図はアルコール濃度の変化に応じた屈折率の変化を
示すグラフ図、第１０図は多成分ガラス光ファイバを用
いた場合の出力の一例を示すグラフ図である．第９図に
おいて、液温によっても変動するが、アルコール濃度が
増すにつれて屈折率が減少している．したがって、全ア
ルコール濃度範囲の屈折率の最高値より高いクラッドの
屈折率が１．５５の多成分ガラス光ファイバを用いると
、全アルコール濃度範囲の測定が可能となる．しかし、
第１０図において、往路２ａ，折り返し部２Ｃ，復路２
ｂともクラッドＪＩＢが一様なものを用いた場合は、実
線で示すように勾配が緩やかとなって感度は鈍くなる．
そこで、第４図又は第５図のように折り返し部２Ｃのク
ラッド層厚を薄くすると、第ｌＯ図において点線で示す
ように勾配が急となって感度は鋭くなる．なお、ガラス
の材料は、測定したいアルコールの種類、濃度範囲や測
定感度に応じてぎ定すればよい． 〔発明の効果〕 本発明は、以上説明したように構成されているので、次
に記載されるような効果を奏する。

大口径のガラス系光ファイバを逆方向に折り返し、この
折り返し部を検出部として接液させる構造としているの
で、光学式液体センサ全体を小型化することができ、保
守・保全も容易である．さらに、検出部としての前記折
り返し部のクラッド層厚は他より薄くシて、伝送ロスを
増大させているので、測定感度を向上させることができ
る．また、検出部としての前記折り返し部のクラッド層
厚は他より平均的に薄く表面が微小な凹凸を形成してい
るので、平均的に薄くする程度は僅かでも、測定感度を
一層向上させることができる。

また、クラッド層厚が薄い光ファイバで検出部としての
折り返し部を形成し、この折り返し部の両端にクラッド
層厚が厚い光ファイバを融着し、ついで検出部以降の光
ファイバを本体内に密封して収納する製造方法とすると
、均一な厚みのものを製作することができる． そして、光ファイバを折り曲げ加工し、検出部としての
折り返し部をガラス腐食液に接触させて部分的に腐食さ
せ、ついで検出部以降の光ファイバを本体内に密封して
収納する゛製造方法とすると、クラッド層厚は他より平
均的に薄く表面が微小な凹凸を有するものを簡単に製作
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学式液体センサの断面図、第２図は
第１図の光学式液体センサの底面図、第３図は第１図の
Ａ部拡大図、第４図及び第５図は第３図のＢ部拡大図、
第６図は第４図の光学式液体センサの製造方法を示す図
、第７図は第５図の光学式液体センサの製造方法を示す
図、第８図は本発明の光学式液体センサをアルコール／
ガソリン混合比の測定に適用した場合の検出装置の断面
図、第９図はアルコール濃度の変化に応した屈折率の変
化を示すグラフ図、第ｌＯ図は多成分ガラス光ファイバ
を用いた液体センサの出力の一例を示すグラフ図、第１
１図は従来の光学式液体センサの断面図である．なお、
図面中の主な符号の説明は下記の通りである。 ２・・・光ファイバ、２ｃ・・・折り返し部（検出部）
、３・・・発光素子、４・・・受光素子、６・・・コア
、７・・・クラッド． 特許出願人　株式会社日立製作所 タック電線株式会社 代理人　弁理士　　梶　　良　之 第３図 第４ ２Ｃ 第５図 第７図 （ａ） （ｂ） （Ｇ） Ｚｃ 第８図 第１１ 図 第９ 図 了ルフール１し亥（色） 第１０図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）コアとクラッドから成る大口径のガラス系光ファ
   イバを逆方向に折り返し、この光ファイバの一端に発光
   素子を他端に受光素子を設け、光ファイバの折り返し部
   は検出部として露出させ以降は本体内に密封して収納し
   た光学式液体センサであって、検出部としての前記折り
   返し部のクラッド層厚は他より薄いことを特徴とする光
   学式液体センサ。
2. （２）コアとクラッドから成る大口径のガラス系光ファ
   イバを逆方向に折り返し、この光ファイバの一端に発光
   素子を他端に受光素子を設け、光ファイバの折り返し部
   は検出部として露出させ以降は本体内に密封して収納し
   た光学式液体センサであって、検出部としての前記折り
   返し部のクラッド層厚は他より平均的に薄く表面が微小
   な凹凸を形成していることを特徴とする光学式液体セン
   サ。
3. （３）クラッド層厚が薄い光ファイバで検出部としての
   折り返し部を形成し、この折り返し部の両端にクラッド
   層厚が厚い光ファイバを融着し、ついで検出部以降の光
   ファイバを本体内に密封して収納する請求項１記載の光
   学式液体センサの製造方法。
4. （４）光ファイバを折り曲げ加工し、検出部としての折
   り返し部をガラス腐食液に接触させて部分的に腐食させ
   、ついで検出部以降の光ファイバを本体内に密封して収
   納する請求項２記載の光学式液体センサの製造方法。