JP2015200656A - 偏光プリズム、及び、測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に屈折計及び／又はＡＴＲ測定装置のための、電磁放射に対する偏光プリズムであって、プリズム（１）のボディ（２）は、単結晶から一体として成形されており、かつ、ボディの相互に反対側の少なくとも２つの側面又はボディの周面である導光面（３）と、導光面間に存在している又は導光面によって包囲されている測定面（４）と、少なくとも１つの光入出射面（５）とを有する、偏光プリズムを提供する。【解決手段】測定面（４）は、ボディ（２）に成形されている隆起部（６）上に存在しており、隆起部は、この隆起部を包囲している台部（７）を経て、ボディの基部（８）へ移行しており、この基部上に導光面（３）及び／又は光入出射面（５）が存在している。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念記載の、電磁放射に対する偏光プリズムに関する。こうしたプリズムは、特に、ＡＴＲ測定装置、又は、屈折計などによって液体を検査する際に用いられる。

この場合、特に重要な意義を有するのは、偏光プリズムが測定機器又は測定装置の光学素子として、機器のケーシング、又は、検査すべき媒体の通流する管路のケーシング壁に密着した状態で、気密に使用されるということである。

こうした偏光プリズム及び測定機器は、食品工業、化学工業、製紙工業などの種々のプロセス分野で必要とされ、個識別やプロセス液体（特にプロセス流体）における測定値の収集に用いられている。この例として、ＡＴＲ結晶及び例えばＣＯ_２センサでの吸収測定が挙げられる。ここでは、赤外領域の特徴的波長の吸収度から、液体又は液体中に存在する物質の密度が推定可能である。屈折計での全反射の臨界角の測定においても、上述した偏光プリズムが用いられる。

どちらのケースでも、電磁放射は放射源から偏光プリズムへ導光され、検査すべき媒体への界面又は測定面で、入射角、及び、偏光プリズムと検査すべき媒体との屈折率差に基づいて、全反射される。ここで、反射された光の強度が、それぞれのタスクに応じて構成された検出器によって測定される。検査すべき液体のパラメータに依存して、全反射の角度、又は、全反射される光の強度が変化するので、この変化の測定値を用いて、検査すべき液体のパラメータを求めることができる。

ただし、偏光プリズムをケーシング壁又は管路壁に組み込む際には、偏光プリズムとケーシング壁乃至管路壁とを気密に接続しなければならないという問題が生じる。プロセス分野では、こうした壁は、通常、充分な硬度と検査すべき媒体に対する化学的耐性とを有するよう、特殊鋼もしくはチタン又は場合によりセラミック材料から形成される。また、特にシールされていないはんだ部を抜けて媒体が試料管路から漏れ出したり、バクテリアが侵入しうる空隙又は凹凸が生じたりするという衛生上の問題にも注意が必要である。

弾性シール、又は、例えばテフロン製の剛性シールの使用は、特に、メンテナンスコスト、材料の劣化、さらに、洗浄の必要性などの理由から不都合であることがわかっている。したがって、有利には、実用上、偏光プリズムと管路壁もしくはケーシング壁との接続がはんだ付けによって行われる。例えば、サファイア結晶が金はんだもしくは白金はんだによって壁内にはめ込まれてはんだ付けされる。しかし、こうしたはんだ付けは、特に測定面と測定機器の外壁面又は管路の内壁面とを面状に接合するケースで単結晶に適用される場合、例えば食品分野での利用のための衛生規定を満足することは困難である。さらに、はんだ部は、測定機器の耐用期間全体にわたって気密に閉鎖されているべきである。この場合、特殊鋼及び結晶及びはんだ材料の熱膨張係数が種々に異なる点も考慮を要する。特に、結晶を分割する際にはつねに粗雑化が起こり、これによって圧力及び応力に耐えられなくなることが多い。はんだ付けの際には特に、はんだ付け温度をできるだけ低く維持すべきなので、はんだ材料として、大抵の場合、使用される複数のはんだ材料の共融合金が使用される。

ここで、はんだ部の近傍における偏光プリズムの外形が、使用される単結晶に対し、はんだ付け時及び動作中に発生する熱負荷及び応力に対する必要充分な耐性を媒介するのに、重要な役割を果たすことが見出された。

したがって、本発明では、冒頭に言及した形式の偏光プリズムが請求項１記載の特徴を有するように構成した。本発明によれば、ボディに成形されている隆起部上に測定面が存在しており、隆起部はこれを包囲している台部を経てボディの基部へ移行しており、この基部上に導光面及び／又は光入出射面が存在している。

本発明の測定装置を示す概略図である。 偏光結晶の種々の形状を示す図である。 測定装置のケーシング壁に偏光プリズムをはんだ付けする種々の手段を示す図である。

したがって、プリズムボディのうち特別に構成された所定の領域へのはんだ付けが行われる。プリズムボディに構成された隆起部がはんだ部の収容に用いられ、はんだ部が隆起部の周を、完全にではなく一部のみ、特に、測定面に面する領域乃至測定面に接する領域のみを取り囲むようにする。特に共融はんだ材料を使用する場合、単結晶を損なうことなく、単結晶プリズムをケーシング壁又は管路にはめ込んではんだ付けすることができる。なお、このようにはんだ付けされた結晶を有する測定機器は、はんだ部又は結晶の粗雑化又は損傷を生じることなく、要求に適う長期の耐用期間を達成する。

偏光プリズムの製造及び測定機器での使用については、測定面及び光入出射面が相互に平行に配向された複数の平坦面によって形成されている、及び／又は、隆起部の端面が測定面をなしていると有利である。

安定性の高い偏光プリズムを製造するには、ボディ及び／又は隆起部が測定面に対して垂直な軸線を中心としてかつこの垂直な軸線に関して対称となるように構成されている、及び／又は、測定面及び／又はボディ及び／又は隆起部が測定面に対して垂直に延在する少なくとも２つの対称面を有する、及び／又は、隆起部が、円筒形状もしくは円錐台形状もしくは角錐台形状、又は、正多角形の底面を有する角柱形状を有すると有利である。

プリズムに用いられる単結晶の機械的強度を改善するために、台部における、隆起部とボディの基部との稜辺、又は、隆起部と、ボディの基部に構成された、隆起部を包囲する接触面との稜辺を、丸みを帯びた状態及び／又は面取りされた状態で構成することができる。

有利には、ボディの接触面又は基部に対する隆起部の高さ、及び／又は、接触面の幅が、稜辺が測定光路に影響しない大きさ、又は、稜辺が測定光路外に位置する大きさに選定される。

高さ及び幅の比は、そのつどの測定目的に応じた、プリズムの測定面での所望の測定光の入射角乃至出射角が、この測定面を包囲している導光面の角度、及び、光入出射面の角度と関連して実現されるように選定される。

用いられている単結晶のはんだ付け特性のためには、隆起部が少なくとも１つの周面を有し、周面が、測定面から外側へ向かって傾斜しており、かつ、接触面に対する角度が４５°≦Ａ≦９０°、有利には７０°≦Ａ≦９０°であり、ただし、角度Ａは隆起部の内側の角度であると有利であると判明している。

製造プロセス及び動作特性にとっては、接触面が測定面に対して平行に延在していると有利である。

偏光プリズムの特別な形状は、ボディの基部が、少なくとも部分的に、回転体、例えば球面体セグメントもしくは楕円体セグメントもしくは楕円体セクタによって形成され、導光面が回転体の周面もしくは周面の一部によって形成されることにより、実現される。

また、本発明の偏光プリズムを備えた測定装置では、偏光プリズムが、検査すべき媒体に接触する壁内、又は、管路の壁内にはめ込まれてはんだ付けされており、偏光プリズムの測定面は媒体と接触可能である。ここで、本発明によれば、偏光プリズムのボディのはんだ部が、隆起部のみを包囲しており、かつ、測定面の周縁から、隆起部の高さの最大７０％、有利には最大６０％を超えて、延在している。

はんだ部を媒体に近い隆起部の縁に制限することによって、はんだ付け時の単結晶の損傷を回避し、動作中の単結晶の耐用時間を著しく高めることができる。

また、有利には、はんだ部に続く壁の内壁部は、隆起部の周面に対して、隆起部と内壁部との間のはんだ部の厚さを上回る所定の間隔を有する。このようにすれば、熱膨張によるケーシング壁と偏光プリズムとの接触ひいては損傷が回避される。

はんだ部を形成する壁の内壁部の少なくとも一部の部分領域から隆起部の少なくとも１つの周面までの間隔が、測定面へ向かって少なくとも部分的に連続して増大する間隔であるように構成すると、はんだ付け過程及び補強の度合が改善される。

はんだ濡れ性及びはんだ材料の接着性を改善するには、はんだ部の領域において、隆起部の周面上に、チタンもしくは金もしくはこれらの金属の合金から成り、かつ、１００μｍ未満の厚さ、有利には２０μｍ未満の厚さを有する層を設け、この層上にはんだ層を設けるとよい。

熱膨張又はケーシング内もしくはケーシング壁内の熱応力による単結晶の損傷を回避するには、偏光プリズムと、偏光プリズムのための凹部又は内壁部を有する壁を含む測定装置ケーシング又は管路ケーシングとが、はんだ部のみを介して接続されるとよい。

はんだ付けを簡単化するには、はんだ部の厚さ、又は、隆起部の周面から内壁部までの間隔が、測定面から接触面へ向かって増大するように構成するとよい。

以下に、本発明を実施例に則して詳細に説明する。

図１には、本発明の測定装置の基本構造が示されている。ここでの測定装置は、全反射の臨界角を測定するアッベ屈折計である。偏光プリズム１の界面又は測定面４は、例えばプロセス管路に存在する検査すべき媒体２０に対し、プロセス管路の壁１５内の凹部３０に密着された状態で用いられる。測定に際しては、所定の波長の電磁放射（測定光）２３が光源３３から偏光プリズム１へ、場合によりコリメータ２２を介して、放射される。付加的に、所望の波長領域及び／又は偏光方向を選択もしくはマスキングするためのフィルタを光路に組み込んでもよい。光源３３から出た測定光２３は、偏光プリズム１の側面もしくは導光面３又は側方の媒体界面へ入射する。ここで、測定光２３が入射する際に導光面３に対してなす角度は、当該導光面３で入射光の全反射が生じるように選定される。測定光２３は、導光面３で反射されて、光ウィンドウへ達するか、又は、検査すべき媒体２０と接触している測定面４へ達する。測定面４へ入射する測定光２３は、入射角に応じて、さらに、媒体２０とプリズム材料との屈折率差に応じて、界面又は測定面４での全反射、及び／又は、媒体２０への分散を生じさせる。偏光プリズム１内に残っている測定光２３の成分は、別の導光面３で全反射され、別のコリメータ２２及び場合によりフィルタを介して受信器又は検出器２１へ達する。検出器２１は測定面４で反射された測定光２３の強度を測定する。得られた測定値は、媒体２０の成分乃至組成及び／又は媒体成分の濃度に関して検査される。

測定の前提となるのは、こうした測定のための偏光プリズムが検査すべき媒体よりも大きな屈折率を有するということである。

偏光プリズムに用いられる材料は、通常はサファイア、ＹＡＧ、スピネルであるが、他の材料を用いてもよい。これらは全て、プリズムとして成形乃至作成された単結晶ボディ又は同価の構造を有するボディである。なお、プリズムとは、入射する電磁放射を少なくとも測定面で全反射させ、反射された測定光を、場合により少なくとも１つの別の導光面を介した少なくとも１回のさらなる全反射を経て、受信器へ導光するボディであると理解されたい。「プリズム」なる概念は、ここでは幾何学的立体のみを意味せず、内部での相応の偏光を可能にするあらゆるボディを意味する。

有利には、こうした測定に使用される結晶は、測定に適するよう、測定面４に向かって先細となる形状、又は、測定光２３を測定面４へ伝搬させる、相互に反対側の複数の側面もしくは導光面３が相互に徐々に接近していく形状を有する。測定に利用可能な偏光プリズムの例が図２のａ，ｂ，ｃ，ｄに示されている。基本的には、図示されているように、偏光プリズムは、プリズム体、すなわち、相応の対称性を有する角錐台状もしくは円錐台状のボディから形成される。測定面４を形成する平坦な端面と光入出射面５を形成する任意の成形面とを有する回転体、例えば楕円体もしくは半球体なども、使用可能である。この場合、導光面３は回転体の内壁の面によって形成されている。傾斜もしくは湾曲した面である導光面３は、測定光２３を光ウィンドウ乃至測定面４へ伝搬させる。よって、当該測定面４で、適切な入射角度が生じ、全反射が生じること、又は、測定光の全反射の臨界角の検査が可能となること、及び／又は、測定面４で反射された測定光２３の成分が別の導光面もしくは第１の導光面３に対向する第２の導光面を介して検出器２１へ導光されることが保証される。場合によっては、導光面３を介した偏光を省略して、測定光を設定角度で直接に測定面４へ配向することもできる。

図２からは、さらに、隆起部６又は台部７の周面１３が、接触面１０に対して垂直に又は傾斜して配置されることがわかる。測定面４及び接触面１０は有利には平行に構成されるが、特にケーシング壁１５がプリズム１に１箇所のはんだ部のみで接触している場合、相互に傾斜するように構成してもよい。

図３のａには、偏光プリズム１のボディ２の断面が示されている。ここでのボディ２は円錐台状に構成されており、円筒状の隆起部６を有する。円筒状の隆起部６は、はんだ部１６によって、測定装置又は管路のケーシングの壁１５の凹部３０へはめ込まれてはんだ付けされている。

図３のｂには、はんだ付け領域において、媒体及び偏光プリズム１に近い角領域が面取りされた壁１５が示されている。このようにすれば、はんだ付け領域のはんだ濡れ性が均等となることが保証され、気密のはんだ部を形成する点に関して特に有利である。

図３のｃには、ボディ２へ向かう方向でボディ２から離れていく傾斜を有する壁１５が示されている。このため、はんだ部１６はボディ２へ向かって拡大している。

ここではさらに、隆起部６が、測定面４から外側へ向かって傾斜する周面１３によって画定されることが示されている。接触面１０に対する周面１３の傾斜の角度は、隆起部６の内角Ａとして見て、４５°≦Ａ≦９０°、有利には７０°≦Ａ≦９０°である。

いずれの場合にも、測定面４に対して垂直な方向でのはんだ部１６の高さＨＡは、接触面１０からの隆起部６の全高Ｈを超えず、隆起部６の端面乃至測定面４からの所定の距離ＨＡ以内にとどまっている。当該距離ＨＡは、最大で、隆起部６の高さＨの８０％の大きさである。

１ 偏光プリズム、 ２ ボディ、 ３ 導光面、 ４ 測定面、 ５ 光入出射面、 ６ 隆起部、 ７ 台部、 ８ 基部、 ９ 稜辺、 １０ 接触面、 １３ 周面、 １５ 壁、 １６ はんだ部、 １７，１８ 内壁部、 ２０ 媒体、 ２１ 検出器、 ２２ コリメータ、 ２３ 測定光、 ３０ 凹部、 ３３ 光源、 Ｈ 隆起部の高さ、 ＨＡ はんだ部の高さ、 Ａ 周面の傾斜角度

Claims (16)

1. 特に屈折計及び／又はＡＴＲ測定装置のための、電磁放射に対する偏光プリズムであって、
   前記プリズム（１）のボディ（２）は、単結晶から一体として成形されており、かつ、前記ボディ（２）の相互に反対側の少なくとも２つの側面である導光面（３）又は前記ボディ（２）の周面である導光面（３）と、前記導光面（３）間に存在している測定面（４）又は前記導光面（３）によって包囲されている測定面（４）と、少なくとも１つの光入出射面（５）とを有している、
   偏光プリズムにおいて、
   前記測定面（４）は、前記ボディ（２）に成形されている隆起部（６）上に存在しており、
   前記隆起部（６）は、該隆起部（６）を包囲している台部（７）を経て、前記ボディ（２）の基部（８）へ移行しており、
   前記基部（８）上に前記導光面（３）及び／又は前記光入出射面（５）が存在している、
   ことを特徴とする偏光プリズム。
2. 前記測定面（４）及び前記光入出射面（５）が相互に平行に配向された複数の平坦面によって形成されている、
   及び／又は、
   前記隆起部（６）の端面が前記測定面（４）をなしている、
   請求項１記載の偏光プリズム。
3. 前記ボディ（２）がＡｌ_２Ｏ_３もしくはＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２もしくはＭｇＡｌ_２Ｏ_４の単結晶から成る、
   請求項１又は２記載の偏光プリズム。
4. 前記ボディ（２）及び／又は前記隆起部（６）が、前記測定面（４）に対して垂直な軸線を中心としてかつ当該垂直な軸線に関して対称となるように構成されている、
   及び／又は、
   前記測定面（４）及び／又は前記ボディ（２）及び／又は前記隆起部（６）が、前記測定面（４）に対して垂直に延在する少なくとも２つの対称面を有する、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の偏光プリズム。
5. 前記隆起部（６）が、円筒形状もしくは円錐台形状もしくは角錐台形状、又は、正多角形の底面を有する角柱形状を有する、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の偏光プリズム。
6. 前記台部（７）における、前記ボディ（２）の前記隆起部（６）と前記基部（８）との稜辺（９）が、又は、前記ボディ（２）の前記隆起部（６）と、前記ボディ（２）の前記基部（８）に構成された、前記隆起部（６）を包囲する接触面（１０）との稜辺（９）が、丸みを帯びた状態及び／又は面取りされた状態で構成されている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の偏光プリズム。
7. 前記隆起部（６）が少なくとも１つの周面（１３）を有しており、
   前記周面（１３）が前記測定面（４）から外側へ向かって傾斜しており、前記周面（１３）が接触面（１０）に対して有する角度は、４５゜≦Ａ≦９０゜、有利には７０゜≦Ａ≦９０゜であり、ただし、角度Ａは、前記隆起部（６）の内側の角度である、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の偏光プリズム。
8. 前記接触面（１０）が前記測定面（４）に対して平行に延在している、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の偏光プリズム。
9. 前記ボディ（２）の前記基部（８）が、少なくとも部分的に、回転体、例えば球面体セグメントもしくは楕円体セグメント又は球面体セクタもしくは楕円体セクタによって形成されており、
   前記導光面（３）が、前記回転体の周面もしくは周面の一部によって形成されている、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の偏光プリズム。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の偏光プリズム（１）を備えており、
    前記偏光プリズム（１）は、測定装置の検査すべき媒体に面する壁（１５）内もしくは検査すべき媒体に接触する壁（１５）内の凹部（３０）、又は、管路の壁（１５）内の凹部（３０）にはめ込まれてはんだ付けされており、
    前記測定面（４）は、前記媒体に付加的に面しているか、又は、前記媒体と接触可能である、
    測定装置において、
    前記偏光プリズム（１）の前記ボディ（２）のはんだ部（１６）が、前記隆起部（６）のみを包囲しており、かつ、前記測定面（４）の周縁から、前記隆起部（６）の高さ（Ｈ）の最大８０％、有利には最大６０％を超えて、延在している、
    ことを特徴とする測定装置。
11. 前記はんだ部（１６）に続く前記壁（１５）の内壁部（１７）は、前記隆起部（６）の前記周面（１３）に対して、前記隆起部（６）と前記内壁部（１７）との間の前記はんだ部（１６）の厚さを上回る所定の間隔を有している、
    請求項１０記載の測定装置。
12. 前記壁（１５）の前記はんだ部（１６）を形成する内壁部（１８）の少なくとも一部の部分領域から前記隆起部（６）の少なくとも１つの周面（１３）までの間隔は、前記測定面（４）へ向かって少なくとも部分的に連続して増大する間隔である、
    請求項１１記載の測定装置。
13. 前記はんだ部（１６）の領域において、前記隆起部（６）の前記周面（１３）上に、チタンもしくは金もしくはこれらの金属の合金から成り、かつ、１００μｍ未満の厚さ、有利には２０μｍ未満の厚さを有する層が設けられており、
    前記層上にはんだ層が設けられている、
    請求項１０から１２までのいずれか１項記載の測定装置。
14. 前記偏光プリズム（１）と、前記偏光プリズム（１）のための凹部（３０）又は内壁部（１７）を有する前記壁（１５）を含む、前記測定装置又は管路のケーシングとが、前記はんだ部（１６）のみを介して接続されている、
    請求項１０から１３までのいずれか１項記載の測定装置。
15. 前記はんだ部（１６）の厚さ、又は、前記隆起部（６）の周面（１３）から前記内壁部（１７）までの間隔が、前記測定面（４）から前記接触面（１０）へ向かって増大している、
    請求項１０から１４までのいずれか１項記載の測定装置。
16. 前記ボディ（２）の前記接触面（１０）又は前記基部（８）に対する前記隆起部（６）の高さ（Ｈ）、及び／又は、前記接触面（１０）の幅は、稜辺（９）が測定光路に影響しない大きさ、又は、稜辺（９）が測定光路外に位置する大きさに、選定されている、
    請求項１０から１５までのいずれか１項記載の測定装置。

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