JP2018109582A

JP2018109582A - 機能水濃度センサ

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Publication number: JP2018109582A
Application number: JP2017000786A
Authority: JP
Inventors: 荒川　亮; Akira Arakawa; 亮荒川; 桐原　昌男; Masao Kirihara; 昌男桐原; 吉祥永谷; Yoshitada Nagatani
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-07-12

Abstract

【課題】有機物による検出誤差を抑制することができる。【解決手段】機能水濃度センサ１は、紫外光１１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１１によって励起されて蛍光２１を発する蛍光体２０と、蛍光２１を受光する受光素子３０とを備え、光源１０が発する紫外光１１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、蛍光体２０の励起スペクトルでは、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長帯域における強度が、励起ピークの強度の５０％以上の強度である。【選択図】図１

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、オゾン水などの機能水に紫外光を吸収する有機物が溶存している場合に、有機物によって紫外光が吸収されてしまい、測定結果に誤差が生じる。

そこで、本発明は、有機物による検出誤差を抑制することができる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、前記蛍光体の励起スペクトルでは、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長帯域における強度が、励起ピークの強度の５０％以上の強度である。

本発明に係る機能水濃度センサによれば、有機物による検出誤差を抑制することができる。

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。代表的な有機物の吸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一例であるＬＯＳ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ＹＯＳ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ＳＣＡＳＮ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ＣＡＳＮ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２０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１１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１１を発する。紫外光１１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１１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１１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１１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１１として発する。

ところで、機能水９０（次亜塩素酸水）には、有機物が溶存している場合が考えられる。有機物は、最初から機能水９０に溶けている場合もあれば、後から機能水９０に溶け込む場合も考えられる。

有機物は、機能水９０に溶けうる物質であり、かつ、大気圧下で揮発性を有する物質である。有機物は、具体的には、ベンゼン、ナフタレン、フェノール、エチレン、１，３−ブタジエンなどである。

図４は、代表的な有機物（溶存有機物）の吸光スペクトルを示す図である。図４において、横軸は、有機物に照射される紫外光１１の波長を示し、縦軸は、有機物の吸光度を示している。

図４に示すように、ベンゼン及びフェノールはそれぞれ、２５５ｎｍ、２７８ｎｍに吸光ピークを有する。また、ベンゼンは約２８０ｎｍ以上の範囲に、フェノールは約２９０ｎｍ以上の範囲において、それぞれ吸光度が略０であり、これらの範囲の光を吸収しない。また、図４には示していないが、ナフタレン、エチレン及び１，３−ブタジエンはそれぞれ、２８６ｎｍ、１８０ｎｍ及び２１７ｎｍに吸光ピークを有する。これらの物質のいずれも、約３００ｎｍ以上の範囲において吸光度は略０であり、当該範囲の光を吸収しない。

このように、ベンゼン、フェノール及びナフタレンなどは、それぞれの吸光ピークが機能水９０の吸光ピーク（約２９２ｎｍ）の近くに存在している。具体的には、ベンゼン、フェノール及びナフタレンの吸光ピークの波長（ピーク波長）は、次亜塩素酸水の吸光度が高い２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の範囲内に存在している。このため、これらの有機物が溶けた機能水９０に紫外光１１を照射した場合、紫外光１１が機能水９０によって吸収されたのか、溶存有機物によって吸収されたのかを判別することができないことがある。

そこで、本実施の形態では、光源１０は、機能水９０によって吸収され、かつ、溶存有機物によっては吸収されにくい波長帯域にピークを有する光を紫外光１１として発する。具体的には、光源１０は、３００ｎｍ以上の波長帯域に発光ピークを有し、かつ、３００ｎｍより小さい波長帯域における強度が発光ピークの強度の１０％以下である光を、紫外光１１として発する。例えば、紫外光１１のピーク波長は、３５０ｎｍ以下の範囲に存在し、例えば３２５ｎｍである。

これにより、紫外光１１は、機能水９０によっては吸収されるが、溶存有機物によってはほとんど吸収されない。したがって、機能水９０を通過した後の紫外光１１（透過光）は、機能水９０の濃度に応じた吸収を受けた光となるので、当該透過光の強度に基づいて機能水９０の濃度を測定することができる。

なお、光源１０は、紫外光１１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１１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１１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１１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１１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１１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］
蛍光体２０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１１によって励起されて蛍光２１を発する。具体的には、蛍光体２０は、機能水９０を透過した後の紫外光１１（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１１より長波長の蛍光２１を発する。蛍光２１は、例えば可視光である。具体的には、蛍光体２０は、紫外光１１を受けて、蛍光ピークが可視光帯域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）に存在する蛍光２１を発する。ここで、蛍光ピークは、発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２０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２１として発してもよい。具体的には、蛍光体２０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２１を発する。例えば、受光素子３０が赤色帯域（６２０ｎｍ〜７５０ｎｍ）に高い感度を有する場合、蛍光体２０は、６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を蛍光２１として発してもよい。

本実施の形態では、蛍光体２０の励起スペクトルでは、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長帯域における強度が、励起ピークの強度の５０％以上の強度である。つまり、蛍光体２０は、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長帯域の光を受けた場合に、受光素子３０で受光可能な強度の蛍光２１を発する。なお、励起ピークは、励起スペクトルにおける極大（又は最大）の部分である。つまり、蛍光体２０は、励起ピークの波長（ピーク波長）の励起光を受けた場合に、最も強い蛍光２１を発する。

蛍光体２０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）又はイットリウム（Ｙ）を含む化合物で形成されている。具体的には、蛍光体２０は、ＬＯＳ蛍光体、ＹＯＳ蛍光体、ＳＣＡＳＮ蛍光体又はＣＡＳＮ蛍光体である。

図５Ａ〜図５Ｄ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２０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〜図５Ｄはそれぞれ、ＬＯＳ蛍光体、ＹＯＳ蛍光体、ＳＣＡＳＮ蛍光体、ＣＡＳＮ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（蛍光）スペクトルを表している。

図５Ａに示す蛍光体２０は、ＬＯＳ蛍光体（Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋）である。ＬＯＳ蛍光体の励起スペクトル（点線）では、図５Ａに示すように、励起ピークが約３１０ｎｍに存在し、かつ、おおよそ２４０ｎｍ以上３９０ｎｍ以内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。ＬＯＳ蛍光体の発光スペクトル（実線）では、約６２５ｎｍに蛍光ピークが存在する。ＬＯＳ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２０は、ＹＯＳ蛍光体（Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋）である。ＹＯＳ蛍光体の励起スペクトル（点線）では、図５Ｂに示すように、励起ピークが約２６５ｎｍに存在し、かつ、おおよそ２３０ｎｍ以上３７０ｎｍ以内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。ＹＯＳ蛍光体の発光スペクトル（実線）では、約６２５ｎｍに蛍光ピークが存在する。ＹＯＳ蛍光体の蛍光ピークの半値幅は、約１０ｎｍである。

このように、ＬＯＳ蛍光体又はＹＯＳ蛍光体は、蛍光ピークの半値幅が５０ｎｍ以下である。これにより、受光素子３０の受光範囲を蛍光ピークの波長を含む狭い範囲（例えば、５０ｎｍ以下）にすることで、外乱の影響を抑制することができ、高精度で蛍光２１の強度を検出することができる。よって、機能水９０の濃度を精度良く測定することができる。

図５Ｃに示す蛍光体２０は、ＳＣＡＳＮ蛍光体（（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋）である。ＳＣＡＳＮ蛍光体の励起スペクトル（点線）では、図５Ｃに示すように、励起ピークが約３１５ｎｍに存在し、かつ、おおよそ２２０ｎｍ以上５４０ｎｍ以内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。ＳＣＡＳＮ蛍光体の発光スペクトル（実線）では、約６３０ｎｍに蛍光ピークが存在する。

図５Ｄに示す蛍光体２０は、ＣＡＳＮ蛍光体（ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋）である。ＣＡＳＮ蛍光体の励起スペクトル（点線）では、図５Ｄに示すように、励起ピークが約３１５ｎｍに存在し、かつ、おおよそ２３５ｎｍ以上５５５ｎｍ以内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。ＣＡＳＮ蛍光体の発光スペクトル（実線）では、約６４０ｎｍに蛍光ピークが存在する。

本実施の形態では、蛍光体２０は、例えば、出射窓４２に近接配置されたガラス板などの透光性基板に設けられている。具体的には、蛍光体２０は、透明ガラス基板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。あるいは、蛍光体２０は、透明ガラス基板の表面に塗布された樹脂材料に分散して含有された複数の蛍光体粒子でもよい。あるいは、蛍光体２０は、透明ガラス板の内部に分散されて含有された複数の蛍光体粒子でもよい。

［受光素子］
受光素子３０は、蛍光２１を受光する。具体的には、受光素子３０は、受光した蛍光２１を光電変換することで、蛍光２１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２０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２０に近接配置されている。例えば、受光素子３０は、蛍光体２０との間の距離が５ｍｍ以内になるように、又は、蛍光体２０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２０が発する蛍光２１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２０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１１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１１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１１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１１が略垂直に入射する。具体的には、紫外光１１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１１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１１が蛍光体２０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１１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１１が略垂直に出射される。具体的には、紫外光１１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１１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１１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２０及び受光素子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１１は、途中、蛍光体２０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２１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２１の強度を算出し、算出した蛍光２１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２１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１１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１１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１１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１１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１１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１１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２０は、機能水９０を通過した後の紫外光（透過光）１１を受けて波長変換することで、蛍光２１を発する。受光素子３０は、蛍光２１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１１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１１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１１の全てが吸収され、吸光度が「０」であれば、紫外光１１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１１の透過率を示している。

本実施の形態では、蛍光体２０が発する蛍光２１の強度は、蛍光体２０に入射する励起光、すなわち、透過光（紫外光１１）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２１の強度は大きくなり、透過光の強度が小さくなる程、蛍光２１の強度は小さくなる。蛍光２１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１１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１１によって励起されて蛍光２１を発する蛍光体２０と、蛍光２１を受光する受光素子３０とを備え、光源１０が発する紫外光１１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、蛍光体２０の励起スペクトルでは、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長帯域における強度が、励起ピークの強度の５０％以上の強度である。

これにより、蛍光体２０は、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長成分の励起光を受けた場合に、十分な強度の蛍光２１を発するので、受光素子３０によって受光した蛍光２１の強度に応じた電気信号が生成される。したがって、当該電気信号に基づいて機能水９０の濃度を測定することができる。

このとき、機能水９０に有機物が溶存している場合であっても、機能水９０に溶解可能な有機物の吸光スペクトルでは、３００ｎｍ以上の範囲の吸光度が十分に低い。したがって、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以内の範囲に発光ピークを有する紫外光１１を機能水９０に照射した場合に、紫外光１１は、溶存有機物によってはほとんど吸収されず、機能水９０の濃度に応じて吸収される。よって、機能水濃度センサ１は、有機物による検出誤差を抑制することができる。

また、例えば、光源１０は、３００ｎｍ以上の波長帯域にピークを有し、かつ、３００ｎｍより小さい波長帯域における強度がピークの強度の１０％以下である光を、紫外光１１として発する。

これにより、ノイズ成分を少なくすることができるので、より精度良く機能水９０の濃度を検出することができる。

また、例えば、蛍光体２０の蛍光ピークの半値幅は、５０ｎｍ以下であってもよい。

これにより、例えば、受光素子３０の受光範囲を狭くすることで、ノイズ成分を少なくすることができ、より精度良く機能水９０の濃度を検出することができる。

また、例えば、蛍光体２０は、希土類元素を構成元素に含む化合物で形成されている。希土類元素には、例えば、ランタン、ユーロピウム又はイットリウムなどが含まれる。

これにより、可視光帯域の蛍光２１を発するので、可視光帯域に受光感度を有するフォトダイオードを受光素子３０として利用することができる。つまり、受光素子３０は、紫外帯域に受光感度を有しなくてもよいので、安価で汎用性のあるフォトダイオードで実現することができる。

また、例えば、蛍光体２０は、ＳＣＡＳＮ蛍光体又はＣＡＳＮ蛍光体である。

これにより、ＳＣＡＳＮ蛍光体又はＣＡＳＮ蛍光体は、励起光を受けて十分な強度の蛍光２１を発するので、機能水９０の濃度を精度良く検出することができる。また、受光素子３０として、受光感度の低い安価で汎用性のあるフォトダイオードを用いても、十分に蛍光２１を受光することができる。よって、機能水濃度センサ１を安価で実現することができる。

（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。

（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、機能水濃度センサ２０１は、実施の形態１に係る機能水濃度センサ１と比較して、光源１０の代わりに光源２１０を備える点と、新たに、光学フィルタ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。

光源２１０は、紫外光２１１を発する。具体的には、光源２１０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２１１として発する。紫外光２１１は、例えば、３００ｎｍより小さい波長成分の光を含んでいる。

光学フィルタ２６０は、３００ｎｍ以上の波長帯域の光を透過し、かつ、３００ｎｍより小さい波長帯域の光を遮断する。ここで、遮断とは、例えば、光学フィルタ２６０に入射する光の強度を１０％以下に抑制することである。光学フィルタ２６０は、例えば、３００ｎｍより小さい波長帯域の光を吸収する。このため、光学フィルタ２６０を通過する前の紫外光２１１に、３００ｎｍより小さい波長帯域の光が含まれていたとしても、光学フィルタ２６０を通過した後の紫外光２６１には、３００ｎｍより小さい波長帯域の光はほとんど含まれない。

光学フィルタ２６０は、光源１０から蛍光体２０に至る紫外光２１１の光路上に配置されている。本変形例では、図８に示すように、光学フィルタ２６０は、出射窓４２と蛍光体２０との間に配置されているが、これに限らない。例えば、光学フィルタ２６０は、光源２１０と入射窓４１との間に配置されていてもよい。あるいは、光学フィルタ２６０は、入射窓４１及び出射窓４２の少なくとも一方として配置されていてもよい。あるいは、光学フィルタ２６０は、容器４０の内部に配置されていてもよい。

以上のように、本変形例に係る機能水濃度センサ２０１は、光源２１０から蛍光体２０に至る紫外光２１１の光路上に配置された光学フィルタ２６０を備え、光学フィルタ２６０は、３００ｎｍ以上の波長帯域の光を透過し、かつ、３００ｎｍより小さい波長帯域の光を遮断する。

これにより、光学フィルタ２６０によって有機物に吸収される波長成分の紫外光を遮断することができる。よって、ノイズ成分を少なくすることができるので、より精度良く機能水９０の濃度を検出することができる。また、光学フィルタ２６０を備えることで、光源２１０が出射する紫外光２１１には、有機物に吸収される波長成分の光が含まれてもよい。したがって、光源２１０として、例えば、安価で小型の紫外光光源などを利用することができる。

（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、蛍光体２０は、ＬＯＳ蛍光体、ＹＯＳ蛍光体、ＳＣＡＳＮ蛍光体又はＣＡＳＮ蛍光体には限定されない。例えば、蛍光体２０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２０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２１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２０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２０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２０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機能水濃度センサ
１０、２１０光源
１１、２１１、２６１紫外光
２０蛍光体
２１蛍光
３０受光素子
９０機能水
２６０光学フィルタ

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、
前記蛍光体の励起スペクトルでは、３００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の波長帯域における強度が、励起ピークの強度の５０％以上の強度である
機能水濃度センサ。
前記光源は、３００ｎｍ以上の波長帯域にピークを有し、かつ、３００ｎｍより小さい波長帯域における強度が前記ピークの強度の１０％以下である光を、前記紫外光として発する
請求項１に記載の機能水濃度センサ。
さらに、
前記光源から前記蛍光体に至る前記紫外光の光路上に配置された光学フィルタを備え、
前記光学フィルタは、３００ｎｍ以上の波長帯域の光を透過し、かつ、３００ｎｍより小さい波長帯域の光を遮断する
請求項１に記載の機能水濃度センサ。
前記蛍光体の蛍光ピークの半値幅は、５０ｎｍ以下である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の機能水濃度センサ。
前記蛍光体は、希土類元素を構成元素に含む化合物で形成されている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の機能水濃度センサ。
前記蛍光体は、ＳＣＡＳＮ蛍光体又はＣＡＳＮ蛍光体である
請求項５に記載の機能水濃度センサ。