JP2018105795A

JP2018105795A - 機能水濃度センサ

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Publication number: JP2018105795A
Application number: JP2016254480A
Authority: JP
Inventors: 荒川　亮; Akira Arakawa; 亮荒川; 渡部　祥文; Yoshifumi Watabe; 祥文渡部
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2018-07-05

Abstract

【課題】耐久性が高められた機能水濃度センサを提供する。【解決手段】機能水濃度センサ１は、紫外光８１を発する光源１０と、光源１０から発せられ、機能水９０が存在する空間内を通過した紫外光８１によって励起されて蛍光８２を発する蛍光体２２と、蛍光８２を受光する受光素子３０と、蛍光体２２から受光素子３０に至る光路上に配置された基材２１とを備え、光源１０が発する紫外光８１のピーク波長は、機能水９０に固有の吸光ピークを含む所定の範囲内に存在し、基材２１は、蛍光８２を透過し、かつ、紫外光８１の透過を抑制する。【選択図】図２

Description

本発明は、紫外光を用いた機能水濃度センサに関する。

従来、除菌、脱臭、脱色などにオゾン水などの機能水が利用されている。オゾンは強力な酸化力を有するので、その濃度を制御する必要がある。そのため、オゾン濃度を測定するオゾン濃度計が開発されている。例えば、特許文献１に記載の光吸収式オゾン濃度計では、試料を収納する試料セルに紫外光を照射し、試料セルを透過した透過光の強度を検出することで、オゾン濃度を測定する。

特開２００２−５８２６号公報

しかしながら、上記従来技術では、紫外光によって受光素子などが劣化し、耐久性が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、耐久性が高められた機能水濃度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る機能水濃度センサは、紫外光を発する光源と、前記光源から発せられ、機能水が存在する空間内を通過した紫外光によって励起されて蛍光を発する蛍光体と、前記蛍光を受光する受光素子と、前記蛍光体から前記受光素子に至る光路上に配置された光学部材とを備え、前記光源が発する紫外光のピーク波長は、前記機能水に固有の吸光ピークを含む所定の範囲内に存在し、前記光学部材は、前記蛍光を透過し、かつ、前記紫外光の透過を抑制する。

本発明によれば、耐久性が高められた機能水濃度センサを提供することができる。

実施の形態に係る機能水濃度センサの構成を示す断面図である。実施の形態に係る機能水濃度センサの適用例を示す断面図である。次亜塩素酸水の濃度毎の吸光スペクトルを示す図である。実施の形態に係る基材（光学部材）の透過特性を示す図である。実施の形態に係る機能水濃度センサが備える蛍光体の一例であるＹＰＶ蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを示す図である。実施の形態に係る機能水濃度センサが備える蛍光体の別の一例であるＬＡＰ蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを示す図である。実施の形態の変形例１に係る機能水濃度センサの構成を示す断面図である。実施の形態の変形例１に係る機能水濃度センサの適用例を示す断面図である。実施の形態の変形例２に係る機能水濃度センサの構成及び適用例を示す断面図である。実施の形態の変形例３に係る機能水濃度センサの構成及び適用例を示す断面図である。実施の形態の変形例４に係る機能水濃度センサの構成及び適用例を示す断面図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る機能水濃度センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。また、以下の実施の形態において、略垂直などの「略」を用いた表現を用いている。例えば、略垂直は、完全に垂直であることを意味するだけでなく、実質的に垂直である、すなわち、例えば数％程度の差異を含むことも意味する。他の「略」を用いた表現についても同様である。

（実施の形態）
［概要］
まず、実施の形態に係る機能水濃度センサの概要について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る機能水濃度センサ１の構成を示す断面図である。図２は、本実施の形態に係る機能水濃度センサ１の適用例を示す断面図である。

本実施の形態に係る機能水濃度センサ１は、機能水９０の濃度を測定するセンサである。具体的には、機能水濃度センサ１は、機能水９０に紫外光を照射し、機能水９０を透過中に吸収された後の紫外光（透過光）を蛍光体２２によって波長変換する。機能水濃度センサ１は、波長変換後の光（例えば、可視光）を検出することで、機能水９０の濃度を測定する。

機能水９０は、人為的な処理によって再現性のある有用な機能を付与された水溶液の中で、処理と機能とに関して科学的根拠が明らかにされたもの、及び、されようとしているものである。具体的には、機能水９０は、次亜塩素酸水、又は、オゾン水などである。

図１に示すように、本実施の形態に係る機能水濃度センサ１は、光源１０と、蛍光体プレート２０と、受光素子３０と、容器４０と、制御回路５０とを備える。なお、図１には示していないが、機能水濃度センサ１は、外光が受光素子３０に入射するのを抑制するために、遮光性の筐体の内部に収納されている。このとき、光源１０が発した紫外光８１のうち入射窓４１に入射されなかった光（すなわち、迷光）を吸収するように、筐体の内面は、紫外光を吸収する材料から形成されていてもよい。

以下では、機能水濃度センサ１が備える各構成要素について詳細に説明する。

［光源］
光源１０は、紫外光８１を発する。紫外光８１のピーク波長は、機能水９０に固有の吸光ピークを含む所定の範囲内に存在する。以下では、機能水９０が次亜塩素酸水である場合を例に挙げて、紫外光８１のスペクトルについて説明する。

図３は、次亜塩素酸水の濃度毎の吸光スペクトルを示す図である。図３において、横軸は、次亜塩素酸水に照射する紫外光８１の波長を示し、縦軸は、次亜塩素酸水の吸光度を示している。また、図３では、濃度が５ｍｇ／Ｌ、１０ｍｇ／Ｌ、２１ｍｇ／Ｌ、３７ｍｇ／Ｌ、５６ｍｇ／Ｌ、１００ｍｇ／Ｌ及び１８３ｍｇ／Ｌの次亜塩素酸水に紫外光８１を照射したときの各次亜塩素酸水の吸光度を示している。

図３に示すように、次亜塩素酸水の吸光スペクトルでは、その濃度に依存せずに、約２９２ｎｍに吸光ピークが存在する。ここで、吸光ピークは、吸光度が極大（又は最大）となる部分である。

次亜塩素酸水は、ピーク波長である２９２ｎｍを含む所定の範囲の光を多く吸収している。所定の範囲は、吸光ピークの強度（吸光度）の所定の割合（例えば、５％〜２０％）以上の強度（吸光度）を有する範囲である。例えば、所定の割合は、２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の範囲である。本実施の形態では、光源１０は、２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の範囲内にピーク波長を有する光を、紫外光８１として発する。紫外光８１のピーク波長は、例えば２９２ｎｍであるが、これに限らない。紫外光８１のピーク波長は、３００ｎｍでもよく、３２５ｎｍでもよい。

なお、光源１０は、紫外光８１のピーク波長を変更可能であってもよい。具体的には、光源１０は、測定対象である機能水９０に応じて異なるピーク波長を有する紫外光８１を発してもよい。つまり、光源１０は、機能水９０に固有の吸光スペクトルに基づいて予め定められたピーク波長の光を紫外光８１として発してもよい。

光源１０は、例えば、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）素子などの固体発光素子であるが、これに限定されない。光源１０は、半導体レーザ、小型の水銀ランプなどでもよい。

図１に示すように、光源１０は、容器４０の入射窓４１に近接配置されている。近接とは、互いの距離が所定の範囲内であることを意味し、接触している場合も含む。例えば、光源１０は、入射窓４１との間の距離が５ｍｍ以内になるように配置されている。つまり、光源１０は、発した紫外光８１の略全てが入射窓４１に入射するように、すなわち、発した紫外光８１が容器４０の外部にほとんど漏れないように配置されている。光源１０からの紫外光８１は、図２に示すように、入射窓４１に対して略垂直に入射する。なお、光源１０と入射窓４１との間の距離は、５ｍｍ以内に限らない。

［蛍光体プレート］
蛍光体プレート２０は、図１及び図２に示すように、基材２１と、蛍光体２２とを備える。

＜基材（光学部材）＞
基材２１は、蛍光体２２を支持する板状の基材（支持部材）である。基材２１は、蛍光体２２が発する蛍光８２を透過する透光性の材料を用いて形成されている。基材２１は、例えば、透明のガラス基板である。

本実施の形態では、基材２１は、蛍光体２２から受光素子３０に至る光路上に配置された光学部材の一例である。基材２１は、蛍光８２を透過し、かつ、紫外光８１の透過を抑制する。具体的には、基材２１は、紫外光８１を吸収する。

図４は、本実施の形態に係る基材２１（光学部材）の透過特性を示す図である。図４に示すように、基材２１は、第１の波長λ１以上の波長成分の光を透過し、かつ、第２の波長λ２以下の波長成分の光を吸収するハイパスフィルタである。第１の波長λ１は、蛍光８２のピーク波長より小さい波長であり、例えば３５０ｎｍであるが、これに限らない。第１の波長λ１は、例えば３８０ｎｍ、４００ｎｍ、４５０ｎｍでもよい。

第２の波長λ２は、第１の波長λ１より小さい波長である。本実施の形態では、第２の波長λ２は、紫外光８１のピーク波長より小さい波長である。すなわち、紫外光８１のピーク波長は、第１の波長λ１より小さく、第２の波長λ２より大きい波長である。例えば、第２の波長λ２は、２３０ｎｍである。本実施の形態では、紫外光８１のピーク波長における基材２１の透過率は、５０％未満であるが、これに限定されない。

なお、紫外光８１のピーク波長における基材２１の透過率は、１０％以下でもよく、基材２１は、実質的に紫外光８１を透過させなくてもよい。具体的には、紫外光８１のピーク波長は、第２の波長λ２以下でもよい。例えば、第２の波長λ２は、２８０ｎｍ、３００ｎｍ、３６０ｎｍ又は４００ｎｍでもよい。

第１の波長λ１及び第２の波長λ２は、基材２１の材料及び板厚を適宜選択することで、調整することができる。例えば、基材２１の板厚を分厚くすることで、第１の波長λ１及び第２の波長λ２の少なくとも一方を大きくすることができる。

基材２１は、例えば、二酸化ケイ素を主成分として含むガラス材料を用いて形成されている。具体的には、基材２１は、テンパックスガラス、ソーダ石灰ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、テンパックスフロート（登録商標）ガラスなどのガラス基板である。

なお、基材２１は、酸化チタンを含有する樹脂材料を用いて形成されていてもよい。具体的には、基材２１は、セルロース又はポリエステルなどの樹脂材料を主原料とし、酸化チタンなどの紫外線吸収効果を有するセラミックを含有していてもよい。

＜蛍光体＞
蛍光体２２は、光源１０から発せられ、機能水９０が存在する空間（具体的には、容器４０）内を通過した紫外光８１によって励起されて蛍光８２を発する。具体的には、蛍光体２２は、機能水９０を透過した後の紫外光８１（透過光）を波長変換することで、波長変換後の光として、紫外光８１より長波長の蛍光８２を発する。蛍光８２は、例えば可視光である。具体的には、蛍光体２２は、紫外光８１を受けて、蛍光ピークが可視光帯域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）に存在する蛍光８２を発する。ここで、蛍光ピークは、発光（蛍光）スペクトルにおいて発光強度が極大（又は最大）になる部分である。

蛍光体２２は、受光素子３０の感度に応じたピーク波長を有する光を蛍光８２として発してもよい。具体的には、蛍光体２２は、受光素子３０の感度が高い波長帯域にピーク波長を有する蛍光８２を発する。例えば、受光素子３０が緑色帯域（５００ｎｍ〜５７０ｎｍ）に高い感度を有する場合、蛍光体２２は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を蛍光８２として発してもよい。

蛍光体２２は、基材２１の表面に層状に形成されたセラミックス蛍光体（複数の蛍光体粒子の集合体）である。蛍光体粒子は、例えば、ランタン（Ｌａ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カリウム（Ｋ）、イットリウム（Ｙ）、リン（Ｐ）又はバナジウム（Ｖ）を含む化合物で形成されている。具体的には、蛍光体２２は、ＹＰＶ蛍光体又はＬＡＰ蛍光体である。

図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係る機能水濃度センサ１が備える蛍光体２２の励起スペクトル及び発光スペクトルを示す図である。具体的には、図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、ＹＰＶ蛍光体及びＬＡＰ蛍光体の励起スペクトル及び発光スペクトルを示している。各図において、点線が励起スペクトルを表し、実線が発光スペクトルを表している。

図５Ａに示す蛍光体２２は、ＹＰＶ蛍光体（Ｙ（Ｐ，Ｖ）Ｏ_４：Ｅｕ^３＋）である。蛍光体２２の励起スペクトル（点線）では、図５Ａに示すように、励起ピークが約２０５ｎｍに存在し、かつ、約３２５ｎｍ以下の波長帯域における強度が、励起ピークのピーク強度の５０％以上の強度である。ＹＰＶ蛍光体の発光スペクトル（実線）では、約６２０ｎｍに蛍光ピークが存在する。ＹＰＶ蛍光体の蛍光ピークの半値幅は、約１０ｎｍである。

図５Ｂに示す蛍光体２２は、ＬＡＰ蛍光体（ＬａＰＯ_４：Ｃｅ^３＋，Ｔｂ^３＋）である。蛍光体２２の励起スペクトル（点線）では、図５Ｂに示すように、励起ピークが約２８０ｎｍに存在し、かつ、おおよそ２３０ｎｍ以上３０５ｎｍ以下の波長帯域における強度が、励起ピークのピーク強度の５０％以上の強度である。ＬＡＰ蛍光体の発光スペクトル（実線）では、約５４０ｎｍに蛍光ピークが存在する。ＬＡＰ蛍光体の蛍光ピークの半値幅は、約１０ｎｍである。

［受光素子］
受光素子３０は、蛍光８２を受光する。具体的には、受光素子３０は、受光した蛍光８２を光電変換することで、蛍光８２の受光量（すなわち、強度）に応じた電気信号を生成する。生成された電気信号は、制御回路５０に出力される。

受光素子３０は、所定の波長帯域に高い感度を有する。本実施の形態では、受光素子３０は、可視光帯域に高い感度を有する。すなわち、受光素子３０は、紫外光に対する感度よりも可視光に対して高い感度を有する。例えば、受光素子３０は、蛍光体２２の発光スペクトルにおけるピーク波長を含む狭い範囲（例えば、５０ｎｍ以下）に受光感度を有する。なお、受光素子３０は、紫外帯域（３８０ｎｍ以下）に感度を有しなくてもよい。

受光素子３０は、例えば、フォトダイオードであるが、これに限定されない。受光素子３０は、フォトトランジスタなどでもよい。受光素子３０としては、紫外帯域に感度をほとんど有しない汎用の安価なフォトダイオードを用いることができる。

受光素子３０は、蛍光体２２に近接配置されている。例えば、受光素子３０は、蛍光体２２との間の距離が５ｍｍ以内になるように、又は、蛍光体２２に接触して配置されている。具体的には、受光素子３０は、蛍光体２２が発する蛍光８２のうち、受光素子３０側に進行する光の略全てを受光するように配置されている。なお、受光素子３０と蛍光体２２との間の距離は、５ｍｍ以内に限らない。

［容器］
容器４０は、機能水９０が入れられる容器である。容器４０は、例えば有底円筒又は有底角筒などの有底筒状のセルであるが、これに限らない。容器４０は、紫外光８１を透過させる２つの透過窓を備える。具体的には、図１に示すように、容器４０は、入射窓４１と、出射窓４２とを備える。

入射窓４１は、光源１０から発せられた紫外光８１が入射する窓である。入射窓４１は、容器４０に形成された開口に設けられた、紫外光８１を透過させる透光部材から形成される。入射窓４１（透光部材）は、例えば、石英ガラス、サファイアガラスなどから形成されている。具体的には、入射窓４１は、入射面及び出射面が略平面である板状のガラスから形成される。入射窓４１には、紫外光８１が略垂直に入射する。具体的には、紫外光８１は、板状のガラス（入射窓４１）の厚み方向に沿って入射する。つまり、紫外光８１は、入射面の法線方向に入射する。

出射窓４２は、容器４０に入射した紫外光８１が蛍光体２２に向けて出射する窓である。出射窓４２は、容器４０に形成された開口に設けられた、紫外光８１を透過させる透光部材から形成される。出射窓４２（透光部材）は、例えば、石英ガラス、サファイアガラスなどから形成されている。具体的には、出射窓４２は、入射面及び出射面が略平面である板状のガラスから形成される。出射窓４２からは、紫外光８１が略垂直に出射される。具体的には、紫外光８１は、板状のガラス（出射窓４２）の厚み方向に沿って出射する。つまり、紫外光８１は、出射面の法線方向に出射される。

本実施の形態では、容器４０の本体（具体的には、２つの透過窓以外の部分）は、紫外光を遮蔽（吸収又は反射）する材料から形成される。例えば、容器４０の本体は、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの樹脂材料、又は、金属材料などから形成される。なお、容器４０全体が紫外光８１に対して透光性を有してもよい。具体的には、容器４０全体が石英ガラスなどから形成されてもよい。

本実施の形態では、光源１０、容器４０、蛍光体２２及び基材２１（蛍光体プレート２０）、並びに、受光素子３０は、この順で略同一直線上に配置されている。図１に示すように、容器４０の入射窓４１及び出射窓４２も当該直線上に配置されている。これにより、図２に示すように、光源１０から発せられた紫外光８１は、途中、蛍光体２２によって波長変換されるものの、最短距離で受光素子３０に到達する。したがって、光源１０から受光素子３０までの間で光漏れ（迷光）が発生するのを抑制するので、蛍光８２の強度を精度良く検出することができ、機能水９０の濃度を精度良く測定することができる。

なお、容器４０は、所定の配管の一部でもよい。具体的には、容器４０内を機能水９０が流れていてもよい。例えば、機能水９０は、容器４０と反応槽（図示せず）との間で循環されてもよい。反応槽は、機能水９０の機能を発揮させるための容器である。例えば、機能水９０が除菌、脱臭などの機能を有する場合、機能水９０は、反応槽内で対象物（例えば、空気などの気体）に接触することで、当該対象物の除菌、脱臭などを行う。この場合、機能水９０が除菌、脱臭などを行いながら、機能水濃度センサ１が機能水９０の濃度を測定することができる。つまり、機能水濃度センサ１を脱臭装置などに組み込んで用いることができる。

［制御回路］
制御回路５０は、光源１０及び受光素子３０を制御するコントローラである。制御回路５０は、プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを有する。制御回路５０は、例えば、マイコン（マイクロコントローラ）などで実現される。

制御回路５０は、受光素子３０から出力された電気信号に基づいて、機能水９０の濃度を測定（算出）する。具体的には、制御回路５０は、電気信号に基づいて蛍光８２の強度を算出し、算出した蛍光８２の強度に基づいて機能水９０の透過度（又は吸光度）を算出する。制御回路５０は、後述するランベルト・ベールの法則に基づいて、算出した透過度から機能水９０の濃度を算出する。なお、制御回路５０は、蛍光８２の強度と機能水９０の濃度とを対応付けた表を予めメモリに記憶しており、当該表を参照することで、機能水９０の濃度を決定してもよい。

また、制御回路５０は、光源１０の点灯及び消灯、紫外光８１の強度及び波長などを制御してもよい。すなわち、制御回路５０は、ユーザ指示又はプログラムなどに基づいて所定のタイミングで所定の強度及び波長の紫外光８１を光源１０に発光させる。例えば、制御回路５０は、機能水９０の種類に基づいて紫外光８１の強度及び波長を変更してもよい。

また、制御回路５０は、機能水９０の濃度の測定結果に基づいて光源１０をフィードバック制御してもよい。例えば、受光素子３０によって検出された受光量が小さすぎる場合、すなわち、機能水９０の濃度が低すぎる場合には、紫外光８１の強度を強くする、又は、波長を異ならせてもよい。

［動作及び原理］
ここで、本実施の形態に係る機能水濃度センサ１の動作及び原理について説明する。

機能水濃度センサ１では、制御回路５０が光源１０を駆動することで、紫外光８１を出射させ、機能水９０に向けて照射する。光源１０からの紫外光８１は、機能水９０を透過中に、機能水９０の濃度に応じた分だけ吸収されて減衰する。

蛍光体２２は、機能水９０を通過した後の紫外光（透過光）８１を受けて波長変換することで、蛍光８２を発する。受光素子３０は、蛍光８２を受けて光電変換することで、電気信号を生成し、生成した電気信号を制御回路５０に出力する。制御回路５０は、電気信号に基づいて、ランベルト・ベールの法則により機能水９０の濃度を測定する。

一般的に、ランベルト・ベールの法則により、媒質（機能水９０）に入射する前の光の強度をＩ_０、長さＬの媒質を透過した後の光の強度をＩとしたとき、以下の（式１）及び（式２）を満たす。

ここで、“ａ”は吸光係数であり、“Ｃ”は媒質のモル濃度（すなわち、機能水９０の濃度）である。“Ｌ”は、紫外光８１が透過する媒質（すなわち、機能水９０）の長さ（すなわち、光路長）であり、本実施の形態では、容器４０の入射窓４１から出射窓４２までの距離に相当する。

吸光度は、機能水９０による紫外光８１の吸収率を示しており、値が大きい程、機能水９０による吸収が盛んであることを示している。例えば、吸光度が「１」であれば、紫外光８１の全てが吸収され、吸光度が「０」であれば、紫外光８１は全く吸収されないことを示している。なお、透過度は、機能水９０による紫外光８１の透過率を示している。

本実施の形態では、蛍光体２２が発する蛍光８２の強度は、蛍光体２２に入射する励起光、すなわち、透過光（紫外光８１）の強度に依存する。具体的には、透過光の強度が大きくなる程、蛍光８２の強度は大きくなり、透過光の強度が小さくなる程、蛍光８２の強度は小さくなる。蛍光８２の強度（又は、光電変換後の電気信号の強度）と、励起光である透過光の強度との対応関係を示す情報（例えば、関数又は表）は、制御回路５０のメモリなどに予め記憶されている。

これにより、制御回路５０は、電気信号の強度に基づいて透過光の強度Ｉを取得することができる。なお、入射光の強度Ｉ_０、吸光係数ａ及び光路長Ｌはそれぞれ、光源１０の発光強度、機能水９０の種類、及び、容器４０の大きさなどに基づいて、予め設定された値である。

以上のことから、制御回路５０は、受光素子３０が生成した電気信号に基づいて機能水９０の濃度を検出することができる。

［効果など］
以上のように、本実施の形態に係る機能水濃度センサ１は、紫外光８１を発する光源１０と、光源１０から発せられ、機能水９０が存在する空間内を通過した紫外光８１によって励起されて蛍光８２を発する蛍光体２２と、蛍光８２を受光する受光素子３０と、蛍光体２２から受光素子３０に至る光路上に配置された光学部材とを備え、光源１０が発する紫外光８１のピーク波長は、機能水９０に固有の吸光ピークを含む所定の範囲内に存在し、光学部材は、蛍光８２を透過し、かつ、紫外光８１の透過を抑制する。例えば、光学部材は、蛍光体２２を支持する板状の基材２１である。

これにより、蛍光体２２から受光素子３０に至る光路上に配置された基材２１が紫外光８１の透過を抑制するので、蛍光体２２によって波長変換されなかった紫外光８１が受光素子３０に至るのを抑制することができる。受光素子３０に紫外光８１が照射されにくくなるので、受光素子３０の劣化を抑制することができる。したがって、機能水濃度センサ１の耐久性を高めることができる。

また、蛍光体２２を支持する基材２１が、紫外光８１の透過を抑制する光学部材として機能するので、蛍光体プレート２０とは異なる別の部材として光学部材を設ける場合に比べて部品点数を削減し、機能水濃度センサ１を軽量化及び小型化することができる。

また、例えば、紫外光８１のピーク波長における基材２１（光学部材）の透過率は、５０％未満である。

これにより、基材２１を透過した紫外光８１のピーク強度を小さくすることができるので、受光素子３０の劣化を抑制することができる。

また、例えば、基材２１（光学部材）は、二酸化ケイ素を主成分として含むガラス材料を用いて形成されている。

これにより、基材２１の劣化を抑制することができるので、機能水濃度センサ１の耐久性を高めることができる。

また、例えば、基材２１（光学部材）は、酸化チタンを含有する樹脂材料を用いて形成されていてもよい。

これにより、樹脂製の基材２１を用いることで、基材２１に柔軟性を持たせることができる。例えば、基材２１（及び蛍光体プレート２０）の形を変形させて、受光素子３０をドーム状に覆うことができる。これにより、受光素子３０へ紫外光８１がより照射されにくくなり、機能水濃度センサ１の耐久性を高めることができる。

また、例えば、基材２１（光学部材）は、紫外光８１を吸収する。

これにより、紫外光８１が受光素子３０以外の他の部材（例えば、受光素子３０などの部材を収納する筐体など）に照射されにくくなるので、他の部材の劣化を抑制することができる。したがって、機能水濃度センサ１の劣化を抑制することができる。

（変形例１）
続いて、実施の形態の変形例１について説明する。

図６は、本変形例に係る機能水濃度センサ１０１の構成を示す断面図である。図７は、本変形例に係る機能水濃度センサ１０１の適用例を示す断面図である。図６及び図７に示すように、機能水濃度センサ１０１は、実施の形態に係る機能水濃度センサ１と比較して、容器４０の代わりに筐体１４０を備える点が相違する。以下では、実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略又は簡略化する。

図６及び図７に示すように、筐体１４０は、光源１０、蛍光体プレート２０、受光素子３０及び制御回路５０を収納する。筐体１４０は、直方体状又は円柱状の筐体であり、内側に向かって凹んだ凹部１４１が設けられている。筐体１４０の凹部１４１を形成する側壁部分に、入射窓４１及び出射窓４２が互いに対向するように設けられている。本変形例では、光源１０、入射窓４１、凹部１４１、出射窓４２、蛍光体プレート２０及び受光素子３０が同一直線上に位置している。

凹部１４１は、図７に示すように、機能水９０が存在する空間に相当する。具体的には、本変形例に係る機能水濃度センサ１０１を機能水９０に浸けることで、凹部１４１内に機能水９０が入り込む。なお、図７では、凹部１４１が下向きになるように機能水濃度センサ１０１を、機能水９０の水面に浸ける例を示しているが、これに限らない。機能水濃度センサ１０１は、機能水９０の内部に沈め入れてもよい。

凹部１４１は、例えば、直方体、立方体又は円柱状の凹部であるが、これに限らない。凹部１４１の大きさは、機能水９０が入り、所望の測定ができる程度の大きさであれば、特に限定されない。

以上のように、本変形例に係る機能水濃度センサ１０１は、機能水９０を入れるための容器４０を備えていない。この場合でも、実施の形態１と同様にして、機能水９０の濃度を測定することができる。

本変形例に係る機能水濃度センサ１０１によれば、蛍光体プレート２０を透過する光に含まれる紫外光８１が受光素子３０及び筐体１４０に照射されるのを抑制することができる。これにより、受光素子３０及び筐体１４０の劣化を抑制することができる。

（変形例２）
続いて、実施の形態の変形例２について説明する。

図８は、本変形例に係る機能水濃度センサ２０１の構成及び適用例を示す断面図である。図８に示すように、本変形例に係る機能水濃度センサ２０１は、実施の形態に係る機能水濃度センサ１と比較して、蛍光体プレート２０の代わりに蛍光体プレート２２０を備える点と、カバー材２６０を備える点とが相違する。以下では、実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略又は簡略化する。

蛍光体プレート２２０は、基材２２１と、蛍光体２２とを備える。基材２２１は、蛍光体２２を支持する板状の基材（支持部材）である。基材２２１は、蛍光体２２が発する蛍光８２を透過する透光性の材料を用いて形成されている。基材２２１は、例えば透明のガラス基板である。

本変形例では、基材２２１は、実施の形態に係る基材２１とは異なり、紫外光８１の透過を抑制しない。つまり、基材２２１は、紫外光８１の透過を抑制する光学部材としては機能しない。このため、蛍光体プレート２０を透過した透過光８３には、蛍光８２と、蛍光体２２によって波長変換されなかった紫外光８１とが含まれる。本変形例に係る機能水濃度センサ２０１は、蛍光８２を透過し、かつ、紫外光８１の透過を抑制する光学部材として、カバー材２６０を備える。

カバー材２６０は、図８に示すように、受光素子３０の受光面を覆っている。カバー材２６０は、受光素子３０の受光面を保護する。カバー材２６０は、受光素子３０の受光面に光を集光するレンズ機能を有してもよい。

本変形例では、カバー材２６０は、蛍光体２２（蛍光体プレート２２０）から受光素子３０に至る光路上に配置された光学部材の一例である。カバー材２６０は、蛍光８２を透過し、かつ、紫外光８１の透過を抑制する。具体的には、カバー材２６０は、蛍光体プレート２２０を透過した透過光８３に含まれる蛍光８２を透過し、かつ、蛍光体２２によって波長変換されなかった紫外光８１を吸収する。カバー材２６０の透過特性は、実施の形態に係る基材２１と同じである。

以上のように、本変形例に係る機能水濃度センサ２０１では、光学部材は、受光素子３０の受光面を覆うカバー材２６０である。

これにより、蛍光体２２から受光素子３０に至る光路上に配置されたカバー材２６０が紫外光８１の透過を抑制するので、蛍光体２２によって波長変換されなかった紫外光８１が受光素子３０に至るのを抑制することができる。受光素子３０に紫外光８１が照射されにくくなるので、受光素子３０の劣化を抑制することができる。したがって、機能水濃度センサ２０１の耐久性を高めることができる。

また、受光素子３０の受光面を覆うカバー材２６０が、紫外光８１の透過を抑制する光学部材として機能するので、カバー材２６０とは異なる別の部材として光学部材を設ける場合に比べて部品点数を削減し、機能水濃度センサ２０１を軽量化及び小型化することができる。

（変形例３）
続いて、実施の形態の変形例３について説明する。

図９は、本変形例に係る機能水濃度センサ３０１の構成及び適用例を示す断面図である。図９に示すように、本変形例に係る機能水濃度センサ３０１は、変形例２に係る機能水濃度センサ２０１と比較して、カバー材２６０の代わりに光学部材３６０を備える点が相違する。以下では、変形例２との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略又は簡略化する。

光学部材３６０は、蛍光体２２（蛍光体プレート２２０）から受光素子３０に至る光路上に配置されている。光学部材３６０は、蛍光８２を透過し、かつ、紫外光８１の透過を抑制する。具体的には、光学部材３６０は、蛍光体プレート２２０を透過した透過光８３に含まれる蛍光８２を透過し、かつ、蛍光体２２によって波長変換されなかった紫外光８１を吸収する。光学部材３６０の透過特性は、実施の形態に係る基材２１と同じである。本変形例では、光学部材３６０は、蛍光体プレート２２０と受光素子３０との間に、各々から離れた位置に配置されている。

以上のように、本変形例に係る機能水濃度センサ３０１は、紫外光８１の透過を抑制する光学部材３６０を、蛍光体プレート２２０及び受光素子３０とは別部材として備える。このため、光学部材３６０の配置位置の変更が可能となる。例えば、光学部材３６０を蛍光体プレート２２０の近傍に配置した場合、受光素子３０だけでなく、光源１０及び受光素子３０などの構成部品を収納する筐体（図示せず）に紫外光８１が照射されにくくすることができる。また、光学部材３６０を受光素子３０の受光面の近傍に配置した場合、受光素子３０の受光面に照射される紫外光８１の量を十分に小さくすることができる。

（変形例４）
続いて、実施の形態の変形例４について説明する。

図１０は、本変形例に係る機能水濃度センサ４０１の構成及び適用例を示す断面図である。図１０に示すように、本変形例に係る機能水濃度センサ４０１は、変形例２に係る機能水濃度センサ２０１と比較して、受光素子３０の配置と、カバー材２６０の代わりにビームスプリッタ４６０を備える点とが相違する。以下では、変形例２との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略又は簡略化する。

本変形例では、受光素子３０は、蛍光体２２とビームスプリッタ４６０とを結ぶ直線上とは異なる位置に配置されている。図１０に示す例では、受光素子３０は、ビームスプリッタ４６０を基準として、蛍光体２２とは９０°異なる方向に配置されている。つまり、受光素子３０は、蛍光体２２とビームスプリッタ４６０とを結ぶ直線と、受光素子３０とビームスプリッタ４６０とを結ぶ直線とが直交するように配置されている。

ビームスプリッタ４６０は、蛍光体２２（蛍光体プレート２２０）から受光素子３０に至る光路上に配置されている。ビームスプリッタ４６０は、蛍光８２を透過し、かつ、紫外光８１の透過を抑制する。具体的には、ビームスプリッタ４６０は、蛍光体プレート２２０を透過した透過光８３に含まれる蛍光８２を透過し、かつ、蛍光体２２によって波長変換されなかった紫外光８１を吸収する。ビームスプリッタ４６０の透過特性は、実施の形態に係る基材２１と同じである。

ビームスプリッタ４６０は、蛍光８２を屈折させて受光素子３０に向けて透過させる。つまり、本変形例では、蛍光体２２から受光素子３０に至る光路は、ビームスプリッタ４６０によって曲げられており、直線ではない。

本変形例では、ビームスプリッタ４６０は、蛍光８２のみを屈折させる。具体的には、ビームスプリッタ４６０は、蛍光８２の蛍光ピークを含む所定の波長帯域の光を屈折させ、残りの波長帯域の光をそのまま直進させてもよい。このため、例えば、ビームスプリッタ４６０によって吸収しきれなかった紫外光８１は、蛍光体２２（蛍光体プレート２０）とビームスプリッタ４６０とを結ぶ直線に沿って直進する。本変形例では、受光素子３０が当該直線上とは異なる位置に配置されているので、直進した紫外光８１が受光素子３０に照射されない。なお、ビームスプリッタ４６０は、残りの波長帯域の光を、受光素子３０とは異なる方向に屈折させてもよい。

以上のように、本変形例に係る機能水濃度センサ４０１では、受光素子３０は、蛍光体２２とビームスプリッタ４６０（光学部材）とを結ぶ直線上とは異なる位置に配置され、ビームスプリッタ４６０は、蛍光８２を屈折させて受光素子３０に向けて透過させる。

これにより、蛍光体２２から受光素子３０に至る光路上に配置されたビームスプリッタ４６０が紫外光８１の透過を抑制するので、蛍光体２２によって波長変換されなかった紫外光８１が受光素子３０に至るのを抑制することができる。受光素子３０に紫外光８１が照射されにくくなるので、受光素子３０の劣化を抑制することができる。したがって、機能水濃度センサ４０１の耐久性を高めることができる。

（その他）
以上、本発明に係る機能水濃度センサについて、上記の実施の形態及びその変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記の実施の形態では、光学部材（基材２１、カバー材２６０又は光学部材３６０）が紫外光８１を吸収する例、あるいは、光学部材（ビームスプリッタ４６０）が紫外光８１と蛍光８２とを分離する例について示したが、ビームスプリッタ４６０が紫外光を吸収してもよく、これらの光学部材が紫外光８１を反射してもよい。

また、例えば、蛍光体２２は、ＹＰＶ蛍光体又はＬＡＰ蛍光体には限定されない。例えば、蛍光体２２は、Ｌａ、Ｙなど以外の希土類元素を含む化合物でもよい。例えば、蛍光体２２は、含有する希土類イオンの価数で蛍光の波長を変化させることができるので、受光素子３０の受光感度に適した蛍光８２を発するように含有元素が調整されてもよい。あるいは、蛍光体２２には、不純物元素がドープされていてもよい。これにより、蛍光効率及び発光スペクトルなどを変化させることができる。

また、例えば、上記の実施の形態では、容器４０の外部に光源１０及び受光素子３０を配置したが、これに限らない。例えば、光源１０が入射窓４１に取り付けられていてもよい。すなわち、光源１０の発光面が容器４０内に露出していてもよい。同様に、受光素子３０が出射窓４２に取り付けられていてもよい。すなわち、受光素子３０の受光面が容器４０内に露出していてもよい。この場合、蛍光体２２も容器４０内に配置される。あるいは、容器４０の内部に光源１０及び受光素子３０を配置してもよい。この場合、容器４０は、入射窓４１及び出射窓４２を備えなくてもよい。

また、例えば、上記の実施の形態では、光源１０、容器４０、蛍光体２２、光学部材（基材２１、カバー材２６０又は光学部材３６０）及び受光素子３０が同一直線上に配置されている例について示したが、これに限らない。紫外光又は蛍光を鏡面反射する反射部が設けられ、光源１０から受光素子３０に至るまでの紫外光又は蛍光の光路が曲げられてもよい。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１、１０１、２０１、３０１、４０１機能水濃度センサ
１０光源
２１基材（光学部材）
２２蛍光体
３０受光素子
８１紫外光
８２蛍光
９０機能水
２６０カバー材（光学部材）
３６０光学部材
４６０ビームスプリッタ（光学部材）

Claims

紫外光を発する光源と、
前記光源から発せられ、機能水が存在する空間内を通過した紫外光によって励起されて蛍光を発する蛍光体と、
前記蛍光を受光する受光素子と、
前記蛍光体から前記受光素子に至る光路上に配置された光学部材とを備え、
前記光源が発する紫外光のピーク波長は、前記機能水に固有の吸光ピークを含む所定の範囲内に存在し、
前記光学部材は、前記蛍光を透過し、かつ、前記紫外光の透過を抑制する
機能水濃度センサ。
前記紫外光のピーク波長における前記光学部材の透過率は、５０％未満である
請求項１に記載の機能水濃度センサ。
前記光学部材は、二酸化ケイ素を主成分として含むガラス材料を用いて形成されている
請求項１又は２に記載の機能水濃度センサ。
前記光学部材は、酸化チタンを含有する樹脂材料を用いて形成されている
請求項１又は２に記載の機能水濃度センサ。
前記光学部材は、前記蛍光体を支持する板状の基材である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の機能水濃度センサ。
前記光学部材は、前記受光素子の受光面を覆うカバー材である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の機能水濃度センサ。
前記受光素子は、前記蛍光体と前記光学部材とを結ぶ直線上とは異なる位置に配置され、
前記光学部材は、前記蛍光を屈折させて前記受光素子に向けて透過させる
請求項１〜４のいずれか１項に記載の機能水濃度センサ。
前記光学部材は、前記紫外光を吸収する
請求項１〜７のいずれか１項に記載の機能水濃度センサ。