JP2009047436A

JP2009047436A - 屈折計

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Publication number: JP2009047436A
Application number: JP2007210895A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Amamiya; 秀行雨宮; Kiminori Sekiguchi; 君則関口; Junichi Matsumoto; 純一松本; Yoshiaki Torigoe; 義明鳥越; Yoshinori Nakajima; 吉則中島
Original assignee: Atago Co Ltd
Current assignee: Atago Co Ltd
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2009-03-05
Also published as: US20090046277A1; DE102008037275A1; CN101368906A; US7916285B2; DE102008037275B4

Abstract

【課題】液体試料中に挿入して測定を行うことができ、且つ、果物の切断面にプリズムを接触させて測定を行うことができる小型の屈折計を提供する。
【解決手段】屈折計は、開口を設けた液浸部を一方の端部に有する空洞状の筐体と、筐体内の空洞部に配置された基板と、基板に支持された光源と、基板に支持された受光センサと、光源及び受光センサに面して配置される第１の面、開口に配置されて液体試料と接触し、液体試料との境界面を形成する第２の面、及び、光源から出射して境界面で反射した光を全反射させ、受光センサの受光面に結像させる第３の面を有するプリズムと、受光センサに接続され、受光センサからの出力に基づいて屈折率を検出する演算部と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体中に溶解している物質の濃度を測定するための屈折計に関する。

従来、図８に示すように、プリズム２０２、光源２０４、及び受光センサ２０６を備え、一般に「デジタル屈折計」と呼ばれる屈折計２００が知られている（特許文献１）。屈折計２００は、液体試料Ｓとプリズム２０２との境界面に光源２０４からの光を照射し、その反射光を受光センサ２０６で光電変換し、受光センサからの電気信号に基づいて液体の屈折率を検出する。液体の屈折率が液体中に溶解している物質の量によって変化することから、屈折計は、液体中の可溶性物質の濃度を測定するための濃度計、例えば、糖度を測定するための糖度計などとして使用される。

屈折計２００は、液体試料Ｓをプリズム２０２の上に滴下して測定を行うように設計されており、液体中に挿入して測定を行うことができないという問題があった。また、図示のように、液体試料Ｓに接触させるプリズム２０２の面２０２ａが、面２０２ａを囲むサンプルステージ２０８よりも奥まっているため、果物の切断面などにプリズム２０２を接触させて測定を行うことができないという問題があった。
特開２００４−１５０９２３号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、液体試料中に挿入して測定を行うことができ、且つ、果物の切断面などにプリズムを接触させて測定を行うことができる小型の屈折計を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明による屈折計は、開口を設けた液浸部を一方の端部に有する空洞状の筐体と、筐体内の空洞部に配置された基板と、基板に支持された光源と、基板に支持された受光センサと、光源及び受光センサに面して配置された第１の面、開口に配置されて液体試料と接触し、液体試料との境界面を形成する第２の面、及び、光源から出射して境界面で反射した光を全反射させ、受光センサの受光面に結像させる第３の面を有するプリズムと、受光センサに接続され、受光センサからの出力に基づいて屈折率を検出する演算部と、を備える。

本発明によれば、液体試料中に挿入して測定を行うことができ、且つ、果物の切断面などにプリズムを接触させて測定を行うことができる小型の屈折計を提供することができる。

本発明の実施形態に係る屈折計１０は、図１の斜視図に示すように、全体として細長い形状を有する。より詳細には、図１において上下方向に測定される屈折計１０の高さは、第１端部１０ａから第２端部１０ｂに向かって大きくなる。一方、図２の左側面図において左右方向に測定される屈折計１０の幅は概ね一定である。以下において、屈折計の長手方向をｚ方向、高さ方向をｙ方向、幅方向をｘ方向と称する。

好ましくは、屈折計１０の長さＬ_１は８０〜１２０ｍｍ、第１端部１０ａの高さＨ_１は７〜１８ｍｍ、第２端部１０ｂの高さＨ_２は７〜４０ｍｍ、幅Ｗは５〜２０ｍｍである。屈折計１０は、このような寸法を有することにより、ペンのように持って使用することができる。

再び図１を参照すると、屈折計１０の筐体１２は、本体部１４と、液体試料に挿入することが可能な液浸部１６と、を備える。液浸部１６は、屈折計の第１端部１０ａ側に位置する。液浸部１６は細長い形状を有し、ｚ方向における液浸部１６の長さＬ_２は、好ましくは５〜１５０ｍｍである。液浸部１６の先端には、開口１８が設けられ、液体試料に接触させるプリズム２０が配置される。液浸部１６は、ＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂）などの耐薬品性材料、又は、ステンレス鋼、Ｎｉめっき、ＮｉＣｒめっき、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）複合めっきなどを施したアルミダイキャスト又は亜鉛ダイキャストなどの耐食性材料からなり、好ましくは、ステンレス鋼、より好ましくは、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレス鋼からなる。これにより、レモンやオレンジの果汁、食酢、食塩水、醤油、油などの腐食性の高い液体に液浸部１６を挿入することができる。

屈折計１０は、本体部１４に、測定の開始及びゼロ調整などの操作を行うための操作部２２ａ，２２ｂと、測定結果を表示するための液晶表示器などの表示部２４と、を備える。本体部１４は、熱可塑性樹脂、好ましくはＡＢＳ樹脂からなる。したがって、液浸部１６がステンレス鋼でできている場合、重心が液浸部１６側に位置するので、屈折計１０をコップなどの容器に挿しても（図６）、倒れにくくなっている。

図３の断面図を参照すると、液浸部１６内の空洞部には、ｚｘ面に延在する第１基板２６が配置される。第１基板２６は、屈折計１０の第１端部１０ａ側、すなわち液浸部１６の先端１６ａ側において、光源２８、受光センサ３０、及びプリズム２０を支持する。

図４の部分断面図を参照すると、光源２８及び受光センサ３０は、第１基板２６の同一面２６ａ上に固定される。より詳細には、光源２８及び受光センサ３０は、ｚ方向に並び、且つ互いに離間し、光源２８がより液浸部１６（図３）の先端近くに配置される。

光源２８は、好ましくはＬＥＤ（発光ダイオード）ランプからなる。例えば、パッケージサイズが１．６ｍｍ（長さ）×０．８ｍｍ（幅）×０．４５ｍｍ（高さ）の表面実装型ＬＥＤパッケージを光源２８として使用することができる。受光センサ３０は、好ましくはＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（相補形金属酸化膜半導体）イメージセンサなどの一次元イメージセンサからなる。例えば、外形寸法が１．０ｍｍ（長さ）×８．８ｍｍ（幅）×０．６４５ｍｍ（高さ）のＣＣＤリニアイメージセンサを受光センサ３０として使用することができる。

光源２８の発光面２８ａ及び受光センサ３０の受光面３０ａに面して、プリズム２０の第１の面２０ａが配置される。プリズム２０は、好ましくは第１基板２６の面２６ａから１．０〜１．５ｍｍ離間して配置される。このように、光源２８及び受光センサ３０を同一基板２６の同一面２６ａに固定し、且つプリズム２０の同一面２０ａに面して配置することにより、プリズム２０の回りに必要なスペースが最小化される。それにより、液浸部１６（図３）を細径に、また屈折計１０（図３）を小型にすることができる。

図３に示すように、プリズム２０の第２の面２０ｂは、液浸部１６の先端１６ａの壁部３２に設けた開口１８に配置される。プリズム２０は、第２の面２０ｂの周囲で開口１８に固定される。第２の面２０ｂは、液体試料と接触して液体試料との境界面を形成するように、開口１８から屈折計１０の外部に露出する。また、第２の面２０ｂは、開口１８の周りにある壁部３２の平坦な外側面３２ａと同一平面内にある。これにより、第２の面２０ｂを果物などの断面に接触させて測定を行うことができる。

再び図４を参照すると、プリズム２０の第３の面２０ｃは、光源２８から出射してプリズム２０と液体試料Ｓとの境界面で反射した光を全反射させ、受光センサ３０の受光面３０ａに結像させる。より詳細には、光源２８から第２の面２０ｂに入射した光Ｌａは、第２の面２０ｂに形成された液体試料Ｓとプリズム２０の境界面において、液体試料Ｓとプリズム２０の相対屈折率に応じて屈折光と反射光Ｌｂに分離され、反射光Ｌｂが第３の面２０ｃに入射する。第３の面２０ｃは、第２の面２０ｂから入射した光をすべて受光センサ３０の受光面３０ａに向かって反射させる。第３の面２０ｃがこのようにミラーとして機能することにより、ライトガイド、ミラー、レンズなどの別個の部材を用いることなく、液体試料Ｓとプリズム２０の境界面で反射した光源２８からの光を、光源２８と同一基板２６に配置した受光センサ３０の受光面３０ａに結像させることができる。

プリズム２０の３つの面２０ａ，２０ｂ，２０ｃの間の３つの角度α、β及びγは、プリズム２０の屈折率、望ましい屈折率の測定範囲、第３の面２０ｃが第２の面２０ｂから入射した光を全反射させること、などに基づいて決められる。また、３つの面２０ａ，２０ｂ，２０ｃの寸法は、受光センサ３０の寸法に基づいて、したがって望ましい分解能に基づいて決められる。

プリズム２０の屈折率は、測定対象である液体中の可溶性物質に基づいて決められるが、好ましくは１．４〜２．４である。例えば、プリズム２０の屈折率を１．６、屈折率の測定範囲を１．３３〜１．５５としたとき、第１の面２０ａと第２の面２０ｂの間の角度αは２５〜４５度であり、第２の面２０ｂと第３の面２０ｃの間の角度βは９５〜１２０度である。したがって、第３の面２０ｃと第１の面２０ａの間の角度γは１５〜６０度である。

第１基板２６の面２６ａ上には、光源２８と受光センサ３０の間に温度センサ３４が固定される。温度センサ３４は、好ましくは白金薄膜温度センサからなる。例えば、外形寸法が１．６ｍｍ（長さ）×０．８ｍｍ（幅）×０．４５ｍｍ（高さ）の白金薄膜温度センサを温度センサ３４として使用することができる。

また、プリズム２０の第１の面２０ａには、温度センサ３４に面して凹部３６が形成されている。凹部３６には、熱伝導部材３８が、温度センサ３４及びプリズム２０に接触するように配置される。熱伝導部材３８は、好ましくは熱伝導ゴムからなる。

再び図３を参照すると、第１基板２６の面２６ａ上には、さらに、光学シャーシ４０が固定される。光学シャーシ４０は、プリズム２０を支持すると共に、迷光による影響を防ぐために光源２８、受光センサ３０、及びプリズム２０を覆っている。光学シャーシ４０は、好ましくはＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＳ樹脂、ＰＰＥ樹脂（ポリフェニレンエーテル樹脂）などの熱可塑性樹脂からなる。

第１基板２６は、液浸部の元端１６ｂ側の端部において、第２基板４２に接合される。第２基板４２上には、操作部２２ａ，２２ｂ、表示部２４、及び制御部４６（図５）が支持される。第２基板４２は、本体部１４内の空洞部においてｙｚ面に延在し、ｚｘ面に延在する第１基板２６と直交する。より詳細には、液浸部１６内に延伸する第２基板４２の延伸部４４の側面４４ａが、第１基板２６の面２６ａにＴ字状に当接し、はんだ付けにより直接接合される。それにより、電線を用いずに第１基板２６及び第２基板４２上の配線をつなぐことができる。

屈折計１０の主要構成部材を示す図５のブロック図を参照すると、制御部４６は、受光センサ３０に接続された増幅回路４８、温度センサ３４に接続された抵抗電圧変換回路５０、抵抗電圧変換回路５０に接続されたＡ／Ｄ変換回路５２、増幅回路４８及びＡ／Ｄ変換回路５２に接続されたＣＰＵ回路（演算部）５４、及びＣＰＵ回路５４に接続された電源回路５６を含む。

増幅回路４８は、受光センサ３０が出力した電気信号Ｓ_１を増幅する。抵抗電圧変換回路５０は、温度センサ３４が出力した抵抗値Ｒを電圧値Ｖに変換する。Ａ／Ｄ変換回路５２は、抵抗電圧変換回路５０が出力した電圧値Ｖをデジタル信号Ｓ_２に変換する。

ＣＰＵ回路５４は、増幅回路４８が出力した電気信号Ｓ_３を濃度に変換するプログラム、及び、Ａ／Ｄ変換回路５２が出力したデジタル信号Ｓ_２を温度補正値に変換するプログラムを記憶したメモリー（図示省略）を備える。

また、ＣＰＵ回路５４は、操作部のスタートスイッチ２２ａ及びゼロスイッチ２２ｂに接続され、ゼロスイッチ２２ｂが押されると校正を行うプログラムを記憶したメモリー（図示省略）を備える。ＣＰＵ回路５４は、さらに、スタートスイッチ２２ａが押されたときに１回の測定を行う「バッチ測定モード」と、スタートスイッチ２２ａが押されたときに複数回の測定を連続的に行う（例えば、５秒に１回、全部で６０回の測定を行う）「連続測定モード」のいずれかを選択的に実行するプログラムを記憶したメモリー（図示省略）を備える。測定モードは、例えば、スタートスイッチ２２ａ及びゼロスイッチ２２ｂが同時に押されたときに切替えられる。

電源回路５６は、ＣＰＵ回路５４及びその他の回路、光源２８、及び表示部２４に電圧を供給する。

再び図３を参照すると、筐体１２の本体部１４と液浸部１６は、液浸部１６の元端１６ｂが、本体部１４の第１端部１４ａ内に嵌合することにより接合される。本体部１４と液浸部１６は、また、ねじ５８ａ，５８ｂなどの結合部材によって互いに連結される。本体部１４と液浸部１６の接合部には、Ｏリング５９ａ，５９ｂが配置される。

筐体１２は、本体部１４の第２端部１４ｂに嵌合する蓋部６０をさらに有する。蓋部６０は、本体部１４と同様に、熱可塑性樹脂、好ましくはＡＢＳ樹脂からなる。本体部１４と蓋部６０の接合部には、Ｏリング６１が設けられる。

屈折計１０の第２端部１０ｂには、電池を収容するための電池収納部６２が設けられる。電池収納部６２は、第２基板４２に支持される隔壁６４によって境界が定められた電池収納室６６と、電池収納室６６内に配置され且つ電源回路５６（図５）に電気的に接続された第１接点６８及び第２接点７０と、を備える。電池収納室６６は、蓋部６０に設けた、電池を出し入れするための開口７２を有する。

電池収納部６２はさらに、開口７２を開閉するための電池蓋７４を備える。電池蓋７４は、ピン７６により旋回可能に蓋部６０に取り付けられる。電池蓋７４は、開口７２に嵌合する突出部７８を有する。突出部７８の外周面には環状溝８０が設けられ、環状溝８０内にはパッキング（図示省略）が配置される。好ましくは、電池蓋７４は、熱可塑性エラストマー、ＰＰ樹脂（ポリプロピレン樹脂）などの弾性材料からなり、パッキングは、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）からなる。

図５を参照して、屈折計１０の動作を説明する。

プリズム２０を液体試料に接触させ、スタートスイッチ２２ａを押すと、光源２８が点灯する。

光源２８からプリズム２０に入射した光は、液体試料とプリズム２０との境界面において、液体試料とプリズム２０の相対屈折率によって定まる全反射の臨界角により、屈折光と反射光とに分離される。反射光は、プリズム２０の第３の面２０ｃ（図３）で全反射して受光センサ３０上に結像し、受光センサ３０により電気信号Ｓ_１に変換される。電気信号Ｓ_１は増幅回路４８により増幅され、ＣＰＵ回路５４に送られる。

温度センサ３４によってプリズム２０の温度が検出され、温度に対応する抵抗値Ｒが出力される。抵抗値Ｒは、抵抗電圧変換回路５０により電圧値Ｖに変換され、さらにＡ／Ｄ変換回路５２によりデジタル信号Ｓ_２に変換され、ＣＰＵ回路５４に送られる。

ＣＰＵ回路５４において、増幅回路４８から出力される電気信号Ｓ_３に基づいて屈折率が検出される。検出された屈折率は、Ａ／Ｄ変換回路５２から出力されるデジタル信号Ｓ_２に基づいて温度補正され、糖度などの濃度に換算され、表示部２４に表示される。

屈折計１０は、以下のように製造することができる。

（ａ）プリズム２０に凹部３６を形成し、３つの面２０ａ，２０ｂ，２０ｃを研磨する。第１基板２６及び第２基板４２に配線を形成し、第２基板４２に、ＣＰＵ回路５４などの各回路、スタートスイッチ２２ａ及びゼロスイッチ２２ｂ、表示部２４などを配置する。

（ｂ）図４に示すように、第１基板２６の面２６ａに光源２８、受光センサ３０、及び温度センサ３４を固定する。次いで、プリズム２０の凹部３６に熱伝導部材３８を配置した後、プリズム２０を支持する光学シャーシ４０をねじなどの結合部材で第１基板２６に固定する。これにより、プリズム２０の第１の面２０ａが、光源２８の発光面２８ａと受光センサ３０の受光面３０ａに面して配置される。

（ｃ）第２基板４２の延伸部４４の側面４４ａを、第１基板２６の面２６ａに当接させ、第２基板４２と光学シャーシ４０をねじなどの結合部材で結合し、第２基板４２と第１基板２６をはんだ付けにより接合する。これにより、第１基板２６と第２基板４２の配線がつながり、第１基板２６上の光源２８、受光センサ３０、温度センサ３４と、第２基板４２上のＣＰＵ回路５４やその他の回路が接続される。

（ｄ）ＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂を用いて本体部１４及び蓋部６０を射出成形する。ステンレス鋼を用いてメタルモールド工法などの方法で液浸部１６を成形する。熱可塑性エラストマーを用いて電池収納部６２の電池蓋７４を成形し、蓋部６０に取り付ける。

（ｅ）本体部１４の第１端部１４ａ内に、液浸部１６の元端１６ａを嵌合させる。次いで、本体部１４の第２端部１４ｂ側から工具を挿入して、本体部１４と液浸部１６を互いにねじ５８ａ，５８ｂで結合する。

（ｆ）接合した第１基板２６と第２基板４２を、接合した本体部１４と液浸部１６の空洞部に挿入し、液浸部１６の開口１８からプリズム２０の第２の面２０ｂを露出させる。次いで、第２の面２０ｂが開口１８の周りの面３２ａと同一平面に配置されるようにプリズム２０を位置決めし、第２の面２０ｂの周囲を接着剤により開口１８に固定する。

（ｇ）蓋部６０を本体部１４の第２端部１４ｂに嵌合し、屈折計１０が完成する。

上記の屈折計１０によれば、屈折計１０の一端に液浸部１６を設け、液浸部１６の開口１８にプリズム２０を配置したことにより、液浸部１６を液体中に挿入して測定を行うことができる（図６）。したがって、従来のように、液体試料をプリズムの上に滴下する必要がなく、より簡単に測定を行うことができる。

プリズム２０の面２０ｂをプリズム２０の周囲の面３２ａと同一平面内に配置したことにより、果物の切断面などにプリズム２０の面２０ｂを当てて測定を行うことができる（図７）。したがって、果物などの糖度を搾汁を行わずに測定することができる。また、測定後に、プリズム２０の面２０ｂ及び周囲の面３２ａに残っている液体試料を拭き取ることも容易である。

光源２８及び受光センサ３０を同一基板２６上に配置したことにより、光源２８及び受光センサ３０を容易に位置決めすることができる。また、第１基板２６及び第２基板４２を直接接合したことにより、電線を用いずに両基板２６，４２上の配線をつなぐことができる。したがって、屈折計１０をより容易かつ安価に製造することができる。

光源２８及び受光センサ３０を同一基板２６上に配置したことにより、光源２８及び受光センサ３０を正確に位置決めすることができ、組み立て後に光源２８及び受光センサ３０の位置を調整をする必要がない。したがって、位置調整用のスペースが不要であり、屈折計１０をより小型化することができる。

防水性の高い構造であるため、屈折計１０を丸洗いすることができる。また、一時的に配管内に配置してインライン計測を行うことも可能である。さらに、インライン計測の際には、連続測定モードを選択し、複数回の測定を連続的に行うことができる。

以上、本発明の実施形態に係る屈折計を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

液体中の可溶性物質の濃度を簡単且つ正確に測定する上で極めて有用である。

本発明の一実施形態である屈折計の斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た屈折計の側面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た屈折計の断面図である。屈折計の液浸部側の断面図である。図１の屈折計のブロック図である。図１の屈折計を液体試料に挿入して測定する様子を示す。図１の屈折計を果物の切断面に接触させて測定する様子を示す。従来の屈折計の断面図である。

符号の説明

１０…屈折計
１２…筐体
１４…本体部
１６…液浸部
１８…開口
２０…プリズム
２０ａ…第１の面
２０ｂ…第２の面
２０ｃ…第３の面
２２ａ…スタートスイッチ
２２ｂ…ゼロスイッチ
２４…表示部
２６…第１基板
２８…光源
３０…受光センサ
３２…壁部
３２ａ…外側面
３４…温度センサ
４２…第２基板
４６…制御部
５４…ＣＰＵ回路
５６…電源回路
６０…蓋部
６２…電池収納部
７４…電池蓋
α…角度
β…角度
γ…角度

Claims

開口を設けた液浸部を一方の端部に有する空洞状の筐体と、
前記筐体内の空洞部に配置された基板と、
前記基板に支持された光源と、
前記基板に支持された受光センサと、
前記光源及び受光センサに面して配置された第１の面、前記開口に配置されて液体試料と接触し、前記液体試料との境界面を形成する第２の面、及び、前記光源から出射して前記境界面で反射した光を全反射させ、前記受光センサの受光面に結像させる第３の面を有するプリズムと、
前記受光センサに接続され、前記受光センサからの出力に基づいて屈折率を検出する演算部と、
を備える屈折計。
前記液浸部が耐食性材料からなる、請求項１に記載の屈折計。
前記耐食性材料がステンレス鋼である、請求項２に記載の屈折計。
前記液浸部が、前記開口の周りに平坦な面を有し、前記プリズムの第２の面が、前記平坦な面と同一平面内にある、請求項１に記載の屈折計。
前記演算部に接続され、測定結果を表示する表示部をさらに備える、請求項１に記載の屈折計。
前記プリズムの第１の面と第２の面の間の角度が２５〜４５度であり、第２の面と第３の面の間の角度が９５〜１２０度である、請求項１に記載の屈折計。
１回の測定を行うバッチ測定モードと、複数回の測定を連続的に行う連続測定モードのいずれかを選択的に実行することができる、請求項１に記載の屈折計。