JP2014013150A

JP2014013150A - 光照射装置

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Publication number: JP2014013150A
Application number: JP2012149716A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Nagumo; 雄三南雲
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-23

Abstract

【課題】対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定することができる光照射装置を提供する。
【解決手段】光照射装置に備えられた光伝送体２１の一端から、燃料電池１を分析するための分析光、及び、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を測定するための位置測定光を照射する。これにより、燃料電池１における位置測定光の反射光２１１、及び、光伝送体２１の一端における位置測定光の反射光２１２に基づいて、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を容易に測定することができる。位置測定光は、燃料電池１を分析するための分析光と同じ光伝送体２１から照射されるため、燃料電池１の分析に際して、そのときの燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を特定することができる。したがって、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を特定した上で、燃料電池１の分析を良好に行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光伝送体の一端から光を照射する光照射装置に関するものである。

燃料電池などの対象物を分析するために、周辺の酸素濃度に応じて光学的特性が変化する物質（酸素感応物質）が用いられる場合がある（例えば、下記特許文献１及び２参照）。このような酸素感応物質を用いて分析を行うことにより、対象物の劣化状態などを判断することができる。

例えば特許文献１には、酸素感応物質としての蛍光体をプローブ（光伝送体）の先端部に設け、当該先端部を燃料電池のイオン透過膜に埋設する構成が開示されている。このような構成により、プローブの先端部から照射した光による蛍光体の蛍光強度に基づいて、燃料電池内の酸素濃度を検出し、燃料電池の劣化状態を判断することができる。

また、特許文献２には、酸素感応物質としてのポルフィリン被膜を燃料電池の内部に塗布し、光透過窓を介して、ポルフィリン被膜の発光ルミネッセンス強度を観測する構成が開示されている。このような構成により、酸素濃度に応じて変化するポルフィリン被膜の発光ルミネッセンス強度に基づいて、燃料電池内の酸素濃度を検出し、動作や劣化の解析に用いることができる。

特開２００４−２６５６６７号公報特許第４６７７６０４号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２などに例示される技術では、燃料電池などの対象物における任意の位置を分析することができないという問題がある。すなわち、特許文献１に開示された技術では、プローブの先端部が燃料電池のイオン透過膜に埋設されているため、その埋設された部分における酸素濃度は検出できるものの、他の部分における酸素濃度を検出することはできない。特許文献２に開示された技術では、ポルフィリン被膜が予め塗布された部分における酸素濃度は検出できるものの、他の部分における酸素濃度を検出することはできない。

また、特許文献１に開示された技術では、プローブの先端部が燃料電池のイオン透過膜に埋設されているため、複数の位置で酸素濃度を検出できるようにするためには、各位置にプローブを設けなければならず、装置の構成が複雑になる。

さらに、特許文献１に開示された技術では、燃料電池の熱膨張の影響を受けやすいという問題がある。すなわち、燃料電池などのように、高温から低温までの幅広い温度条件で使用される対象物の場合には、固定されたプローブの位置が対象物の熱膨張によってずれてしまうおそれがある。

そこで、例えば特許文献１に開示されているような光伝送体（プローブ）を任意の位置に移動可能な構成とすることが考えられる。しかし、光伝送体の先端部の位置を測定することができなければ、どの位置における酸素濃度を検出しているのかを特定することができない。

特に、燃料電池などの対象物の内部は、外側から確認しづらいのが一般的であるため、光伝送体の先端部を対象物の内部に挿入した場合には、対象物の内部における当該先端部の位置を測定することが困難である。そのため、対象物の内部における深さ方向の位置と、その位置における検出結果とを対応付けて、酸素濃度分布などを測定することは困難である。したがって、対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定できるような構成が望まれている。

以上のような課題は、上記特許文献１及び２のように対象物を分析するための装置に限らず、対象物を加工するための装置などにおいても同様に生じる課題である。すなわち、光伝送体から光を照射して対象物を加工する場合には、対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定できることが好ましい。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定することができる光照射装置を提供することを目的とする。また、本発明は、対象物の分析又は加工を良好に行うことができる光照射装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光照射装置は、一端から光を照射する光伝送体と、対象物を分析又は加工するための光、及び、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定するための位置測定光を、前記光伝送体の他端側から導入可能な光導入部と、前記対象物における前記位置測定光の反射光、及び、前記光伝送体の一端における前記位置測定光の反射光を受光する位置測定用受光部と、前記位置測定用受光部で受光した光に基づいて、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定する位置測定部とを備えたことを特徴とする。

このような構成によれば、対象物における位置測定光の反射光、及び、光伝送体の一端における位置測定光の反射光に基づいて、対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定することができる。位置測定光は、対象物を分析又は加工するための光と同じ光伝送体から照射されるため、対象物の分析又は加工に際して、そのときの対象物に対する光伝送体の位置関係を特定することができる。したがって、対象物に対する光伝送体の位置関係を特定した上で、対象物の分析又は加工を良好に行うことができる。

前記対象物を分析又は加工するための光及び前記位置測定光は、それぞれ異なる波長であることが好ましい。これにより、対象物を分析又は加工するための光が、対象物に対する光伝送体の位置関係の測定に影響を与えたり、位置測定光が、対象物の分析又は加工に影響を与えたりするのを防止することができる。

前記光照射装置は、前記光伝送体の他端側から導入する光を、前記対象物を分析又は加工するための光又は前記位置測定光に切り替えるための切替機構をさらに備えていてもよい。これにより、対象物を分析又は加工するための光と位置測定光とが光伝送体から同時に照射されることがない。したがって、対象物を分析又は加工するための光が、対象物に対する光伝送体の位置関係の測定に影響を与えたり、位置測定光が、対象物の分析又は加工に影響を与えたりするのを確実に防止することができる。

この場合、前記切替機構は、前記対象物を分析又は加工するための光を前記光伝送体の他端側から導入するか否かを切り替えるための第１切替部、及び、前記位置測定光を前記光伝送体の他端側から導入するか否かを切り替えるための第２切替部の少なくとも一方を備えていてもよい。

前記光導入部は、前記対象物を分析するための分析光を前記光伝送体の他端側から導入可能であってもよい。この場合、前記光照射装置は、前記分析光に基づく光を受光する分析用受光部を備えるとともに、前記光伝送体の一端には、周辺環境に応じて光学的特性が変化する物質が設けられていてもよい。

このような構成によれば、対象物を分析するための分析光が光伝送体の一端から照射され、周辺環境に応じて光学的特性が変化する物質に入射する。当該物質の光学的特性が周辺環境に応じて変化することにより、当該物質に入射した光の特性も周辺環境に応じて変化することとなる。したがって、当該物質に光を入射させて分析を行うことにより、光伝送体の一端における周辺環境の測定を行うことができる。

前記物質は、周辺の酸素濃度に応じて光学的特性が変化するものであってもよい。

このような構成によれば、対象物を分析するための分析光が光伝送体の一端から照射され、周辺の酸素濃度に応じて光学的特性が変化する物質に入射する。したがって、当該物質に光を入射させて分析を行うことにより、光伝送体の一端における周辺の酸素濃度の測定を行うことができる。これにより、例えば燃料電池などの対象物の動作状態を解析することができるため、このような対象物の分析に適した光照射装置を提供することができる。

前記位置測定部は、前記対象物における前記位置測定光の反射光と、前記光伝送体の一端における前記位置測定光の反射光との干渉に基づいて、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定するものであってもよい。

このような構成によれば、光の干渉を利用して、対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定することができる。特に、対象物における位置測定光の反射光と、光伝送体の一端における位置測定光の反射光との干渉を利用することにより、光伝送体の一端と対象物との距離を容易に測定することができる。

前記位置測定用受光部は、分光された光を受光するものであってもよい。この場合、前記位置測定部は、前記位置測定用受光部での受光量から得られる干渉スペクトルに基づいて、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定するものであってもよい。

このような構成によれば、位置測定用受光部での受光量から得られる干渉スペクトルに基づいて、対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定することができる。特に、反射光の分光特性を用いることにより、例えば特定の計算式に基づいて、光伝送体の一端と対象物との距離を容易に測定することができる。

前記光照射装置は、前記位置測定光の光路長を変更するために移動可能なミラーを備えていてもよい。この場合、前記位置測定用受光部は、前記ミラーで反射した光を受光するものであり、前記位置測定部は、前記位置測定用受光部での受光量と前記ミラーの移動量とに基づいて、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定するものであってもよい。

このような構成によれば、位置測定用受光部での受光量とミラーの移動量とに基づいて、対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定することができる。特に、ミラーの移動量を用いることにより、光伝送体の一端と対象物との距離を容易に測定することができる。

前記光照射装置は、前記対象物に対する前記光伝送体の相対位置を光の照射方向に対して平行な方向に移動させることにより、光の照射位置を移動可能な照射位置移動機構をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、照射位置移動機構を用いて、対象物に対する光伝送体の相対位置を光の照射方向に対して平行な方向に移動させた場合に、対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定することができる。したがって、対象物の分析又は加工に際して光伝送体を移動させた場合に、そのときの対象物に対する光伝送体の位置関係を特定した上で、対象物の分析又は加工を良好に行うことができる。

前記照射位置移動機構は、前記対象物に対する前記光伝送体の相対位置を光の照射方向に対して垂直な方向に移動可能であってもよい。

このような構成によれば、光の照射方向に対して垂直な方向に照射位置を調整することができる。これにより、対象物に対して光伝送体を接近させるのに適した位置に、照射位置を調整することができるため、対象物の分析又は加工をさらに良好に行うことができる。

本発明によれば、対象物における位置測定光の反射光、及び、光伝送体の一端における位置測定光の反射光に基づいて、対象物に対する光伝送体の位置関係を容易に測定することができる。また、本発明によれば、対象物に対する光伝送体の位置関係を特定した上で、対象物の分析又は加工を良好に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る光照射装置により対象物を分析する際の態様を示した概略断面図である。本発明の一実施形態に係る光照射装置の構成例を示した概略図である。燃料電池に対する光伝送体の位置関係を測定する際の態様について説明するための概略図である。本発明の別実施形態に係る光照射装置の構成例の一部を示した概略図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る光照射装置により対象物を分析する際の態様を示した概略断面図である。本実施形態では、光照射装置が、対象物を分析するための分析装置に適用された場合について説明する。

対象物は、特に限定されるものではないが、この例では、対象物が燃料電池１である場合について説明する。この燃料電池１は、例えば固体高分子形燃料電池であり、いわゆるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）１１を備えている。ＭＥＡ１１は、１対のバイポーラプレート１２の間に挟み込まれた状態で燃料電池１の単セルを構成している。

ＭＥＡ１１には、電解質膜１１１、燃料極１１３及び空気極１１２が備えられている。具体的には、電解質膜１１１の一方の面に燃料極１１３が設けられ、他方の面に空気極１１２が設けられることにより、積層体からなるＭＥＡ１１が形成されている。燃料極１１３は、触媒層１１３ａ及びＧＤＬ（Gas Diffusion Layer：ガス拡散層）１１３ｂが積層されることによりアノードを構成している。一方、空気極１１２は、触媒層１１２ａ及びＧＤＬ１１２ｂが積層されることによりカソードを構成している。

触媒層１１２ａ、１１３ａは、例えば白金触媒などにより形成された金属層として設けることができる。また、ＧＤＬ１１２ｂ、１１３ｂは、例えばカーボンなどにより形成された導電性多孔質層として設けることができる。

電解質膜１１１は、例えば水素イオンＨ^＋を透過可能な固体高分子膜により形成されている。この例では、燃料極１１３側のバイポーラプレート１２を介して供給される水素Ｈ_２が、燃料極１１３の触媒層１１３ａにおいて水素イオンＨ^＋と電子に分離される。水素イオンＨ^＋は電解質膜１１１を透過し、空気極１１２の触媒層１１２ａにおいて、空気極１１２側のバイポーラプレート１２を介して供給される酸素Ｏ_２と反応する。このように、燃料極１１３の触媒層１１３ａにおいて電子が発生することにより、外部負荷（図示せず）を介して接続された燃料極１１３と空気極１１２との間に起電力が発生するようになっている。

本実施形態では、光照射装置に備えられた光伝送体２１の一端から、燃料電池１に対して光を照射することにより、燃料電池１の分析が行われる。光伝送体２１は、例えば光ファイバにより構成されている。この例では、空気極１１２側のバイポーラプレート１２、及び、空気極１１２のＧＤＬ１１２ｂに、一連の貫通孔１３が形成されることにより、当該貫通孔１３を介して燃料電池１内に光伝送体２１を挿入することができるようになっている。貫通孔１３は、例えば直径が１００μｍ程度の小孔により構成することができる。ただし、このような構成に限らず、バイポーラプレート１２又はＧＤＬ１１２ｂに備えられている空隙を利用して、光伝送体２１を挿入することもできる。

このような構成を用いることにより、例えば燃料極１１２側の酸素濃度を測定することができる。これにより燃料電池動作の解析が可能で、研究開発に極めて有用な情報を与える。酸素濃度の測定による燃料電池動作の解析については次の参考文献がある。
J. Inukai, K. Miyatake, K. Takada, M. Watanabe, T. Hyakutake, H. Nishide,
Y. Nagumo, M. Watanabe, M. Aoki, and H. Takano, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47,
2792-2795
J. Inukai, K. Miyatake, Y. Ishigami, M. Watanabe, T. Hyakutake, H. Nishide,
Y. Nagumo, M. Watanabe, and A. Tanaka, Chem. Commun. 2008, 1750-1752

図２は、本発明の一実施形態に係る光照射装置２の構成例を示した概略図である。この光照射装置２には、上述の光伝送体２１の他、光伝送体２１に光を導入可能な光導入部２２が備えられている。

本実施形態において、光導入部２２には、燃料電池１を分析するための分析光を光伝送体２１に導入する励起用光源２２１と、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を測定するための位置測定光を光伝送体２１に導入する位置測定用光源２２２とが含まれている。位置測定用光源２２２としては、例えばＳＬＤ（Super Luminescent Diode：低コヒーレンス光源）を用いることができる。なお、これらの光源２２１、２２２は、１つの光源として構成することも可能である。

励起用光源２２１からの分析光は、ビームスプリッタ２４１、２４２において反射された後、レンズ２５を介して光伝送体２１の他端側（光を照射する側とは反対側）に導入される。一方、位置測定用光源２２２からの位置測定光は、ビームスプリッタ２４３、２４２を透過した後、レンズ２５を介して光伝送体２１の他端側に導入される。

励起用光源２２１からの分析光に基づく蛍光は、光伝送体２１の他端からレンズ２５を介してビームスプリッタ２４２に入射し、当該ビームスプリッタ２４２で反射された後、ビームスプリッタ２４１を透過して蛍光検出器２９により受光される。すなわち、蛍光検出器２９は、分析光に基づく光を受光する分析用受光部を構成している。一方、位置測定用光源２２２からの位置測定光に基づく反射光は、光伝送体２１の他端からレンズ２５を介してビームスプリッタ２４２に入射し、当該ビームスプリッタ２４２を透過した後、ビームスプリッタ２４３で反射されて分光器２３１に入射する。

分光器２３１は、例えば回折格子などにより構成され、当該分光器２３１で分光された波長ごとの光が、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）ラインセンサなどにより構成される位置測定用受光部２３で受光される。当該位置測定用受光部２３における受光量のデータは位置測定部２６に入力され、当該位置測定部２６において燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係が測定される。位置測定部２６は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成することができ、当該ＣＰＵがプログラムを実行することにより、位置測定部２６などの各種機能部として機能するようになっていてもよい。なお、蛍光検出器２９などの分析用受光部と、位置測定用受光部２３は、１つの受光部として構成することも可能である。

光伝送体２１は、照射位置移動機構２７により移動させることができるようになっている。この例では、照射位置移動機構２７により、燃料電池１に対する光伝送体２１の先端位置を、光の照射方向に対して平行な方向（Ｚ方向）に移動させることができるだけでなく、光の照射方向に対して垂直な方向（ＸＹ方向）にも移動させることができるようになっている。これにより、光伝送体２１からの光の照射位置を任意に移動可能な構成となっている。

ただし、光伝送体２１をＺ方向及びＸＹ方向の両方に移動させることができるような構成に限らず、いずれか一方にのみ移動させることができるような構成であってもよい。また、光伝送体２１を移動させるような構成に限らず、例えば光伝送体２１を停止させた状態で燃料電池１を移動させることにより、燃料電池１に対する光伝送体２１の相対位置を移動させるような構成であってもよい。なお、照射位置移動機構２７を省略することも可能である。

本実施形態では、励起用光源２２１からの分析光をオン状態又はオフ状態に切り替えるための切替部２８１と、位置測定用光源２２２からの位置測定光をオン状態又はオフ状態に切り替えるための切替部２８２とが備えられている。これらの切替部２８１、２８２は、光伝送体２１の他端側から導入する光を、分析光又は位置測定光に切り替えるための切替機構２８を構成している。すなわち、切替部２８１、２８２の一方をオン状態とし、他方をオフ状態とすることにより、分析光又は位置測定光に選択的に切り替えることができるようになっている。

ただし、切替機構２８は、上記のような切替部２８１、２８２により構成されるものに限らず、他の態様で分析光又は位置測定光に切り替え可能な構成であってもよい。また、切替機構２８を省略することも可能である。

図３は、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を測定する際の態様について説明するための概略図である。光伝送体２１の一端から位置測定光を照射する際には、図３に示す高さＡにおいて、燃料電池１で反射する反射光２１１が生じるとともに、図３に示す高さＢにおいて、光伝送体２１の一端の表面で反射する反射光２１２が生じることとなる。

これらの反射光２１１、２１２は、光伝送体２１を通って分光器２３１に入射した後、位置測定用受光部２３で受光されるようになっている。すなわち、位置測定用受光部２３は、燃料電池１における位置測定光の反射光２１１、及び、光伝送体２１の一端における位置測定光の反射光２１２を受光するものであり、これらの反射光２１１、２１２が分光されて受光されるようになっている。

本実施形態において、位置測定部２６は、位置測定用受光部２３での受光量から得られる干渉スペクトルに基づいて、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を測定するようになっている。具体的には、燃料電池１における位置測定光の反射光２１１と、光伝送体２１の一端における位置測定光の反射光２１２とが干渉することにより、位置測定用受光部２３での受光量に基づいて得られる干渉スペクトルの強度分布には、ｃｏｓ（２ｋｄ）で表される干渉項が現れる。なお、ｄは、反射光２１１の反射位置と反射光２１２の反射位置との距離（高さＡと高さＢの差）である。

前記干渉項に、ｋ＝２π／λを代入すると、ｃｏｓ（２ｄ×２π／λ）となる。したがって、例えば干渉項のピークにおける波長λ_１、λ_２は、下記式（１）、（２）を満たすこととなる。なお、ｍは任意の整数である。
２ｄ×２π／λ_１＝２π×ｍ・・・（１）
２ｄ×２π／λ_２＝２π×（ｍ＋１）・・・（２）

これらの式（１）、（２）からｍを消去することにより、距離ｄと波長λ_１、λ_２との関係を下記式（３）で表すことができる。
２ｄ＝１／（１／λ_２−１／λ_１）・・・（３）
したがって、この式（３）に波長λ_１、λ_２を代入することにより、距離ｄを求めることができる。

本実施形態では、燃料電池１における位置測定光の反射光２１１、及び、光伝送体２１の一端における位置測定光の反射光２１２に基づいて、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を容易に測定することができる。位置測定光は、燃料電池１を分析するための分析光と同じ光伝送体２１から照射されるため、燃料電池１の分析に際して、そのときの燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を特定することができる。したがって、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を特定した上で、燃料電池１の分析を良好に行うことができる。

特に、本実施形態では、燃料電池１における位置測定光の反射光２１１と、光伝送体２１の一端における位置測定光の反射光２１２との干渉を利用することにより、光伝送体２１の一端と燃料電池１との距離ｄを容易に測定することができる。上述のように、位置測定用受光部２３での受光量から得られる干渉スペクトルに基づいて、距離ｄを求めるような構成であれば、反射光２１１、２１２の分光特性を用いて、式（３）により距離ｄを容易に測定することができる。

分析光を用いた燃料電池１の分析については、例えば光伝送体２１の一端に試薬２１３を塗布し、当該試薬２１３を分析光で励起させることにより生じた蛍光を蛍光検出器２９で受光することにより行うことができる。試薬２１３は、周辺環境に応じて光学的特性が変化する物質であり、特に、周辺の酸素濃度に応じて光学的特性が変化する酸素感応物質であることが好ましい。この例では、試薬２１３の光学的特性の変化として、蛍光強度が変化する場合について説明するが、このような構成に限らず、他の光学的特性が変化するような物質を用いることも可能である。

燃料電池１を分析するための分析光は、光伝送体２１の一端から照射され、試薬２１３に入射する。試薬２１３の光学的特性が周辺環境に応じて変化することにより、当該試薬２１３に入射した分析光の特性（例えば蛍光強度）も周辺環境に応じて変化することとなる。したがって、試薬２１３に分析光を入射させて分析を行うことにより、光伝送体２１の一端における周辺環境の測定を行うことができる。

特に、試薬２１３として酸素感応物質を用いた場合には、試薬２１３に分析光を入射させて分析を行うことにより、光伝送体２１の一端における周辺の酸素濃度の測定を行うことができる。これにより、燃料電池１の動作状態を解析することができるため、燃料電池１の分析に適した光照射装置を提供することができる。

また、本実施形態では、照射位置移動機構２７を用いて、燃料電池１に対する光伝送体２１の相対位置をＺ方向に移動させた場合に、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を容易に測定することができる。したがって、燃料電池１の分析に際して光伝送体２１を移動させた場合に、そのときの燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係を特定した上で、燃料電池１の分析を良好に行うことができる。

さらに、本実施形態では、照射位置移動機構２７を用いて、ＸＹ方向に照射位置を調整することができる。これにより、燃料電池１に対して光伝送体２１を接近させるのに適した位置に、照射位置を調整することができるため、燃料電池１の分析をさらに良好に行うことができる。特に、位置測定光を用いて、貫通孔１３などの光伝送体２１を接近すべき位置を的確に特定することができる。

励起用光源２２１からの分析光としては、例えば近紫外（波長２００〜３８０ｎｍ程度）又は紫色（波長３８０〜４５０ｎｍ程度）の光を用いることができる。この場合、試薬２１３における蛍光は、例えば赤色（波長６２０〜７５０ｎｍ程度）の光であってもよい。また、位置測定用光源２２２からの位置測定光としては、例えば可視（波長３８０〜８００ｎｍ程度）又は近赤外（波長８００〜２５００ｎｍ程度）の光を用いることができる。

分析光及び位置測定光は、それぞれ異なる波長であることが好ましい。これにより、分析光が、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係の測定に影響を与えたり、位置測定光が、燃料電池１の分析に影響を与えたりするのを防止することができる。

特に、本実施形態のように切替機構２８を備えた構成であれば、分析光と位置測定光とが光伝送体２１から同時に照射されることがない。したがって、分析光が、燃料電池１に対する光伝送体２１の位置関係の測定に影響を与えたり、位置測定光が、燃料電池１の分析に影響を与えたりするのを確実に防止することができる。

図４は、本発明の別実施形態に係る光照射装置３の構成例の一部を示した概略図である。本実施形態に係る光照射装置３は、いわゆるマイケルソン干渉計の機構を用いたものである。この光照射装置３には、光ファイバなどにより構成される光伝送体３１と、光伝送体３１に光を導入可能な光導入部としての光源３２とが備えられている。

この例では、燃料電池１に対する光伝送体３１の位置関係を測定するための位置測定光が、光源３２から照射されるようになっている。また、燃料電池１における位置測定光の反射光３１１、及び、光伝送体３１の一端における位置測定光の反射光３１２が、光検出器３３で受光されるようになっている。すなわち、光検出器３３は、位置測定用受光部を構成している。図４では、説明を簡略化するために、燃料電池１を分析するための分析光を光伝送体３１に導入するための機構や、分析光に基づく蛍光を受光するための機構などを図示していないが、図２の場合と同様に、これらの機構が備えられている。

光源３２からの位置測定光は、ビームスプリッタ３４に入射し、その一部がビームスプリッタ３４で反射するとともに、残りの一部がビームスプリッタ３４を透過する。ビームスプリッタ３４で反射した位置測定光は、光伝送体３１に他端側から導入されて、一端から照射される。光伝送体３１の一端から位置測定光を照射する際には、燃料電池１で反射する反射光３１１が生じるとともに、光伝送体３１の一端の表面で反射する反射光３１２が生じることとなる。いずれの反射光３１１、３１２も光伝送体３１を介してビームスプリッタ３４に入射し、当該ビームスプリッタ３４を透過して光検出器３３へと向かう。

一方、光源３２からの位置測定光のうち、ビームスプリッタ３４を透過した光は、ビームスプリッタ３４を挟んで光源３２とは反対側に設けられたミラー３５で反射する。ミラー３５で反射した位置測定光は、ビームスプリッタ３４に再び入射し、当該ビームスプリッタ３４で反射して光検出器３３へと向かう。

このようにして、燃料電池１において反射した位置測定光と、ミラー３５において反射した位置測定光とが、ビームスプリッタ３４において合流し、光検出器３３で受光される。ミラー３５は、位置測定光の入射方向に対して平行に移動可能であり、これにより、位置測定光の光路長を変更することができるようになっている。

ミラー３５は、例えばモータなどを含む駆動部３６によって移動させることができる。駆動部３６によるミラー３５の移動量のデータは、光検出器３３における受光量のデータとともに、位置測定部３７に入力され、当該位置測定部３７において燃料電池１に対する光伝送体３１の位置関係が測定される。位置測定部３７は、例えばＣＰＵにより構成することができ、当該ＣＰＵがプログラムを実行することにより、位置測定部３７などの各種機能部として機能するようになっていてもよい。

位置測定部３７は、光検出器３３での受光量とミラー３５の移動量とに基づいて、燃料電池１に対する光伝送体３１の位置関係を測定する。具体的には、燃料電池１における位置測定光の反射光３１１と、光伝送体３１の一端における位置測定光の反射光３１２との干渉を用いて、光検出器３３における受光量に基づいて測定を行うことができる。

光検出器３３における受光量は、反射光３１１、３１２のそれぞれのビームスプリッタ３４からの光路長が、ミラー３５で反射した光のビームスプリッタ３４からの光路長と一致するときにピークとなる。したがって、ミラー３５を移動させながら、反射光３１１の光路長がミラー３５で反射した光の光路長と一致するときのミラー３５の位置Ｘ１と、反射光３１２の光路長がミラー３５で反射した光の光路長と一致するときのミラー３５の位置Ｘ２を確認することにより、ミラー３５の位置Ｘ１と位置Ｘ２の間の距離を、反射光３１１の反射位置と反射光３１２の反射位置との距離ｄとして測定することができる。

本実施形態では、光検出器３３での受光量とミラー３５の移動量とに基づいて、燃料電池１に対する光伝送体３１の位置関係を容易に測定することができる。特に、ミラー３５の移動量を用いることにより、光伝送体３１の一端と燃料電池１との距離ｄを容易に測定することができる。

なお、本実施形態においても、図２の例と同様に、光伝送体３１を移動させるための照射位置移動機構や、光伝送体３１の他端側から導入する光を、分析光又は位置測定光に切り替えるための切替機構などが備えられていてもよい。

以上の実施形態では、光伝送体２１、３１が光ファイバである場合について説明したが、他の部材により光伝送体２１、３１が構成されていてもよい。また、光伝送体２１、３１の一端には、酸素感応物質に限らず、二酸化炭素や温度などの他の周辺環境に応じて光学的特性が変化する物質が設けられてもよい。当該物質は、光伝送体２１、３１の一端に塗布されるものに限らず、光伝送体２１、３１の一端に部材として配置されるような構成であってもよい。

また、以上の実施形態では、本発明に係る光照射装置が、対象物（例えば燃料電池１など）を分析するための分析装置に適用された場合について説明したが、対象物を加工するための加工装置に適用することも可能である。この場合、光伝送体２１、３１には、対象物を加工するための加工光（例えばレーザ光など）、及び、対象物に対する光伝送体２１、３１の位置関係を測定するための位置測定光が導入されることとなる。

１燃料電池
２光照射装置
３光照射装置
１１ＭＥＡ
１２バイポーラプレート
１３貫通孔
２１光伝送体
２２光導入部
２３位置測定用受光部
２６位置測定部
２７照射位置移動機構
２８切替機構
２９蛍光検出器
３１光伝送体
３２光源
３３光検出器
３５ミラー
３７位置測定部
１１１電解質膜
１１２空気極
１１２ａ触媒層
１１２ｂＧＤＬ
１１３燃料極
１１３ａ触媒層
１１３ｂＧＤＬ
２１１反射光
２１２反射光
２１３試薬
２２１励起用光源
２２２位置測定用光源
２３１分光器
３１１反射光
３１２反射光

Claims

一端から光を照射する光伝送体と、
対象物を分析又は加工するための光、及び、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定するための位置測定光を、前記光伝送体の他端側から導入可能な光導入部と、
前記対象物における前記位置測定光の反射光、及び、前記光伝送体の一端における前記位置測定光の反射光を受光する位置測定用受光部と、
前記位置測定用受光部で受光した光に基づいて、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定する位置測定部とを備えたことを特徴とする光照射装置。
前記光導入部は、前記対象物を分析するための分析光を前記光伝送体の他端側から導入可能であり、
前記分析光に基づく光を受光する分析用受光部を備えるとともに、
前記光伝送体の一端には、周辺環境に応じて光学的特性が変化する物質が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
前記物質は、周辺の酸素濃度に応じて光学的特性が変化するものであることを特徴とする請求項２に記載の光照射装置。
前記位置測定部は、前記対象物における前記位置測定光の反射光と、前記光伝送体の一端における前記位置測定光の反射光との干渉に基づいて、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光照射装置。
前記位置測定用受光部は、分光された光を受光するものであり、
前記位置測定部は、前記位置測定用受光部での受光量から得られる干渉スペクトルに基づいて、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定することを特徴とする請求項４に記載の光照射装置。
前記位置測定光の光路長を変更するために移動可能なミラーを備え、
前記位置測定用受光部は、前記ミラーで反射した光を受光するものであり、
前記位置測定部は、前記位置測定用受光部での受光量と前記ミラーの移動量とに基づいて、前記対象物に対する前記光伝送体の位置関係を測定することを特徴とする請求項４に記載の光照射装置。
前記対象物に対する前記光伝送体の相対位置を光の照射方向に対して平行な方向に移動させることにより、光の照射位置を移動可能な照射位置移動機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光照射装置。
前記照射位置移動機構は、前記対象物に対する前記光伝送体の相対位置を光の照射方向に対して垂直な方向に移動可能であることを特徴とする請求項７に記載の光照射装置。