JP3463135B2 - 紫外線検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、紫外線入射量を
波長変換素子で異なる波長に変換して検出する紫外線検
出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】この発明に興味のある波長変換素子を用
いた紫外線検出器が提供されている（たとえば、特許文
献１を参照）。図１２（Ａ）はこの紫外線検出器の検出
部の断面図であり、図１２（Ｂ）はこの紫外線検出器の
全体構成図である。図１２（Ａ）と（Ｂ）を参照して、
紫外線検出器の検出部は、検出部の上方に設けられた上
方の開口１０５と、下方の開口１０６を有するケース体
１０７に、開口１０５、１０６に対面する内部に、板状
の蛍光体（波長変換素子）１０８を設けている。この蛍
光体１０８の端面に光ファイバ１０９を配置し、この光
ファイバ１０９の途中に干渉フィルタ１１０を設け、こ
の光ファイバ１０９および干渉フィルタ１１０を介して
入光する蛍光を受光素子１０４で受光している。この紫
外線検出器では、開口１０５より入射した紫外線は、蛍
光体１０８で可視光に変換され、端面より光ファイバ１
０９に入るが、多くの紫外線は変換されることなく開口
１０６を出る。

【０００３】この発明に興味のある他の紫外線検出器も
提供されている（たとえば特許文献２を参照）。この紫
外線検出器によれば、測定しようとする紫外線の進行方
向に直交する方向に帯域フィルタおよび光検出器を設け
た構成を有する。

【０００４】また、従来の波長変換素子を用いた紫外検
出器として、波長変換素子の後方に受光素子を配置した
構成も提供されている（たとえば特許文献３を参照）。

【０００５】また、波長変換の為に蛍光ガラスを用いた
ものが提供されている（たとえば特許文献４を参照）。

【０００６】

【特許文献１】特開昭６４−４７９２１号公報

【０００７】

【特許文献２】特開平６−３１７４６３号公報

【０００８】

【特許文献３】特開平５−２３１９２９号公報

【０００９】

【特許文献４】特開平１０−１６７７５５号公報

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の紫外線
検出器のうち、受光素子が波長変換素子の後にある構成
では、波長変換素子に対して透過率のよい外乱光が入る
ことを防ぐために、外乱光カットフィルタを別部材で必
要とするという問題があった。また、波長変換素子は一
般的に変換効率が低いため、厚みが薄いと受光素子を劣
化させるという問題があった。さらに、未変換のＵＶ
（紫外線）光が外に出ないようにするためには、ＵＶ光
が透過する方向を厚くして、内部で完全に変換するのが
望ましい。しかし、入射パワーが大きいと、完全には変
換できないため、従来の光学系では受光素子を劣化させ
てしまう。また、波長変換素子を厚くすると波長変換さ
れた光が吸収される割合が増加し、紫外線の検出感度が
低くなるという問題があった。

【００１１】また、図１２（Ａ）と（Ｂ）に示す紫外線
検出器のように、板状の蛍光体の端面を介し、光ファイ
バに可視光を導出すると、十分な光量が得られず、感度
が得られないという問題があった。

【００１２】この発明は上記のような問題点に着目して
なされたものであって、紫外線検出感度を確保するとと
もに、受光素子の劣化を生じにくい紫外線検出器を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る紫外線検
出器は、紫外線を可視光に変換する材料からなり、紫外
線が入射する第１の面および第１の面と直交し可視光が
出射する第２の面を含む複数面を有する波長変換素子
と、第２の面から出射した可視光を受光する受光素子
と、第１の面に入射する紫外線の入射角を制限する入射
角制限手段とを備え、第１の面と垂直な方向の寸法が第
２の面と垂直な方向の寸法よりも大きく、入射角制限手
段は、第２の面の法線を含む第１の入射面内の紫外線の
入射角を入射した紫外線が第２の面で全反射されるよう
な所定角度に制限し、第１の入射面に垂直な第２の入射
面内の紫外線については所定角度よりも大きな入射角で
の入射を許すものである。

【００１４】この発明によれば、波長変換素子の紫外線
進行方向の寸法を比較的大きく、受光素子に向かう方向
の寸法が比較的小さいので、波長変換素子の外に出て外
乱光となった後に受光素子に到達する紫外線量が少な
く、かつ、第１の面に入射した後第２の面から出て受光
素子に到達する紫外線量が少ない。したがって、紫外線
による受光素子の劣化が少ない。また、可視光が受光素
子に達するまでに通過する波長変換素子内の距離が短い
から可視光が波長変換素子に吸収される割合が小さい。

【００１５】また、第１の面と第２の面とは直交するか
ら、受光素子が入射方向に直交する方向にある。そのた
め、外乱光に対する影響を受けにくい。

【００１６】また、波長変換素子は板状であり、その複
数面のうち第１の面と直交する最も面積の広い領域を有
する面が第２の面であり、最も面積の小さい領域を有す
る対向する端面の１つを第１の面にすることが好まし
い。

【００１７】さらに好ましくは、波長変換素子は、少な
くとも第２の面が紫外線波長に対して平坦である。波長
変換素子の受光素子側の側面を鏡面とすることにより、
表面での拡散成分を無くし、外に紫外線または外乱光を
出にくくできる。第２の面および第２の面に対向する面
を紫外線波長に対して平坦としてもよく、第１の面に隣
接するすべての面を紫外線波長にに対して平坦としても
よい。

【００１８】さらに好ましくは、受光素子は、その中心
が第２の面の中心位置よりも第１の面に近い位置に対向
するように配置されている。

【００１９】ここで、入射角とは、光線の入射する点で
の面の法線と光線とのなす角度をいう。

【００２０】入射面とは、表面に入ってくる波の進行方
向と、表面に立てた垂線を含む平面をいう。

【００２１】「所定の角度」は好ましくはその角度以内
の入射角で入射した紫外線が第２の面で全反射されて受
光素子に到達しないような角度である。第２の入射面内
の紫外線については大きな入射角で入射しても、紫外線
検出器のケース内での乱反射の影響等は除いて考える
と、受光素子に到達することがないので入射角を積極的
に制限する必要がなく、むしろ大きな入射角での入射を
許した方が波長変換素子への紫外線の入射量が大きくな
って可視光の光量を大きくできる効果がある。

【００２２】さらに好ましくは、波長変換素子に入射す
る紫外線を減衰させるための、紫外線を可視光に変換す
る材料からなる入射窓をさらに備える。

【００２３】波長変換材料を波長変換素子の上に設けた
ため、紫外線の入射部に窪みが生じない。このため、ご
みが溜まりにくく、外乱光による影響を減らすことがで
きる。

【００２４】さらに好ましくは、紫外線検出器は、受光
素子の出力の大きさに対応する大きさの検出信号を出力
する検出回路と、検出信号の大きさが設定した範囲内に
あるときに点灯する表示手段と、紫外線検出器が受ける
紫外線量に対する検出信号の感度を調整する感度調整手
段とをさらに含む。

【００２５】感度の調整は、検出回路の増幅率を変化さ
せることによって行なうことができる。また、波長変換
素子に入射する紫外線の量を制限する、紫外線の透過量
が可変な絞りを設けて、この絞りの透過量を変化させる
ことによっても行なうことができる。表示手段における
範囲は上限値および下限値を有することが好ましい。

【００２６】さらに好ましくは、第１の面と垂直な方向
の寸法が第１の面から入射した紫外線の８０％以上を可
視光に変換することのできる寸法である。

【００２７】したがって、波長変換素子の外に出て外乱
光となった後に受光素子に到達する紫外線量が少ないの
で、紫外線による受光素子の劣化が少ない。第１の面と
垂直な方向の寸法が第１の面から入射した紫外線の９０
％以上を可視光に変換することのできる寸法であればよ
り好ましい。

【００２８】以上のように、この発明に係る紫外線検出
器は、波長検出素子を紫外線入射方向に長く形成し、か
つ受光素子を波長変換素子側面に配置しているので、未
変換紫外線が直接受光素子に入らず、受光素子を劣化さ
せないため、紫外線入射量を波長変換素子で可視光に変
換する分野で広く用いるのに適している。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下この発明の一実施の形態を図
面を参照して説明する。

【００３０】図１を参照して、この発明の一実施の形態
に係る紫外線検出器は、ＵＶ光（紫外線）２の入射方向
が長い波長変換素子１と、波長変換素子１の側面で、し
かも入射部近くに配置される受光素子３とを含む。波長
変換素子１の寸法は、ＵＶ光入射方向の長さが１０ｍ
ｍ、受光素子の配置される側面が２×１０ｍｍ、ＵＶ光
が入射るする上面が２×５ｍｍ、これら２面に直交する
側面が５×１０ｍｍである。受光素子３の受光面は２×
２ｍｍである。波長変換素子１は蛍光ガラスが使用され
る。

【００３１】この紫外線検出器では、波長変換素子１を
ＵＶ光２の入射方向に長くし、受光素子３を波長変換素
子１の側面に配置することで、未変換ＵＶ光が直接受光
素子３に入らないようにし、劣化しないようにしてい
る。また、ＵＶ光２の入射方向に波長変換素子１を長く
しているため、未変換のＵＶ光は極端に減衰しており、
図示の無いセンサケース内の反射で、たまたま受光素子
３に入ったとしても、劣化は起きにくい。

【００３２】また、ＵＶ光は入射方向に限られた方向し
か伝搬しないが、図２に示すように、波長変換素子１内
で変換された可視光は等方的に伝搬するため、受光素子
３を図１に示す方向に配置しても、つまりＵＶ入射方向
２に直交する方向に受光素子３を配置しても、光量をモ
ニタすることができる。

【００３３】さらに受光素子が入射方向に直交する方向
にあるので、外乱光についても影響を受けにくいという
メリットもある。

【００３４】この実施の形態に係る紫外線検出器によれ
ば、受光素子３はＵＶ光の入口に近い位置に配置されて
いるので、変換後のパワーも強く、信号が大きくとれ
る。もちろん波長変換素子１の側面全体を覆うような大
きな受光面積をもつ受光素子を使用することもできる
が、受光素子３をＵＶ光の入射部近くに配置すると、受
光面積が小さく低コストの受光素子でも比較的大きな信
号が得られる。なお、図１においては、受光素子３を波
長変換素子１の側面から離して設けているが、受光素子
３は波長変換素子１の側面に接していてもよいし、適宜
離してもよい。これは、以下の実施の形態においても同
様である。

【００３５】図３は、この発明の他の実施の形態に係る
紫外線検出器を示す図である。この実施の形態に係る紫
外線検出器は、波長変換素子１の側面１ａ、１ｂの表面
を、たとえば研磨したような鏡面、すなわち、紫外線の
波長に対して平坦な面にしている。波長変換素子１の表
面が図４に示すように、粗面の場合は、表面に達したＵ
Ｖ光もしくは外乱光は、その一部が外に出てしまうた
め、受光素子は劣化したり、外乱光により誤動作し易く
なる。

【００３６】この実施の形態に係る紫外線検出器では、
少なくとも受光素子３側の波長変換素子１の表面１ａを
鏡面とすることで、図５に示すように、表面での拡散成
分をなくし、外にＵＶ光もしくは外乱光が出にくくする
ことが可能となる。

【００３７】図６は、この発明のさらに他の実施の形態
に係る紫外線検出器を示す図である。この実施の形態に
係る紫外線検出器は、センサケース４の入射窓５の開口
部６の深さ（厚さ）を大きくし、入射角を開口部６の深
さ、つまり開口部６の表面と波長変換素子１の開口部１
ｃで制限される角度に設定している。波長変換素子１
が、たとえばガラスを母材としている場合、屈折率が
１．５程度であるため、空気との境界での全反射角は約
４３度となる。つまり、波長変換素子１の側面に対し
て、４３度から９０度（図７の角θ）の角度で入射する
ように開口部で制限しておけば、側面で全反射すること
になり、外に出ない。したがって、受光素子３に未変換
のＵＶ光もしくは外乱光が入らないようにすることがで
きる。

【００３８】図８は、この発明のさらに他の実施の形態
に係る紫外線検出器を示す図である。図６に示す紫外線
検出器で、θ＞４３゜とすると、表面の開口部６から窪
みが発生し、窪みがあるとゴミや破片が入り込み、特性
が変化する。そこで、この図８に示すものでは、開口部
６と波長変換素子１との間に、別部材として、ＵＶ光に
透過性に秀でた石英ガラス７を配置した。この石英ガラ
ス７を配置することで、ＵＶ光を透過させ、それでいて
開口６に大きな窪みを生じず、かつ斜めからのＵＶ光、
外乱光の入射をカットする。また、石英ガラス７の代わ
りに、可視光カット部材を配置してもよい。これにより
開口６に窪みを生じない状態で外乱光はカットできる。
また、石英ガラス７に代えて、第２の波長変換素子を用
いてもよい。波長変換素子を用いると、斜めからの入光
を禁止できる上、ゴミや破片がたまらず、またＵＶ光を
減衰させることが可能であるため、より強力なＵＶ光に
対しても受光素子に入るＵＶ光は減衰でき、受光素子を
劣化させない。

【００３９】図９は、この発明のさらに他の実施の形態
に係る紫外線検出器を示すブロック図である。ＵＶ光量
は、光源のバラツキ、設置距離に依存するため、設置条
件によりセンサの感度（増幅率）を調整する必要があ
る。ここに示す実施の形態の紫外線検出器は、この感度
調整を容易になし得るようにしたものである。

【００４０】この実施の形態に係る紫外線検出器は、紫
外線検出のための主回路１１と、その感度を調整するた
めの感度調整ボリュウム１２と、電源表示ＬＥＤ１３
と、主回路１１の出力信号と上限値とを比較する上限値
比較部１４と、出力信号との下限値とを比較する下限値
比較部１５と、ノット回路１６と、ＡＮＤ回路１７と、
制御回路１８と、入光表示ＬＥＤ１９とを備えている。

【００４１】この実施の形態に係る紫外線検出器におい
て、初期調整時に手作業で感度調整ＶＲ１２を調整した
場合に、連続して変化する主回路１１のアナログ出力信
号を、予め設定してある上限値と下限値に対して比較し
て、それらの間にアナログ出力信号値があれば、入光表
示灯１９が点灯して知らせるようにしている。

【００４２】センサ部の出力が、予め決められた値に近
くなれば、表示灯により、それを示すことで、調整を容
易に行なうことができる。この紫外線検出器の検出出力
は、主回路１１のアナログ出力信号である。

【００４３】図１０（Ａ）と（Ｂ）および図１１は、こ
の発明の具体的な一実施の形態を示す紫外線検出器の分
解斜視図である。図１０（Ａ）と図１１は、１つの分解
斜視図を分図したものであり、図１０（Ａ）と図１１に
おいて、蛍光ガラス（波長変換素子）５３は同じものを
示している。

【００４４】この実施の形態に係る紫外線検出器は、外
部ケースとして、主ケース体４１と、カバー４２を有
し、主ケース体４１にホルダ４３、ＰＣ基板４４等が収
納された状態で、ネジ４５によってカバー４２が主ケー
ス体４１に固定される。ＰＣ基板４４にコード４６が接
続され、また受光素子４７、表示ＬＥＤ４８、感度調整
用の可変抵抗４９が接続されるほか、その他の電子回路
部が実装されている。

【００４５】主ケース体４１には、ホルダ４３を収容す
る凹部４１ａの他に、石英ガラス５０およびプレートフ
ィルタ５１を収容する凹部４１ｂを形成している。石英
ガラス５０は図８の石英ガラス７に相当する。組み立て
られた状態で、主ケース体４１に設けられた開口（図で
は目視不可）からプレートフィルタ５１の窓５１ａを通
して、石英ガラス５０に紫外線が入射される。主ケース
体４１の側面に、メイバン５２が貼着され、このメイバ
ン５２には、表示ＬＥＤ４８用の窓５２ａと、可変抵抗
４９操作用の穴５２ｂが設けられている。

【００４６】ホルダ４３には、受光素子４７を収容する
凹部４３ａと、蛍光ガラス５３を収容する凹部４３ｂ
と、表示ＬＥＤ４８、可変抵抗４９を収容する空間部４
３ｃを備えている。凹部４３ａには、プレートシールド
５４にカバーされた受光素子４７が収容され、凹部４３
ｂには、蛍光ガラス５３が収容される。この蛍光ガラス
５３が波長変換素子であり、収容状態で蛍光ガラス５３
の側面に受光素子４７が位置決めされる。

【００４７】図１０（Ｂ）は、蛍光ガラス５３の具体的
な寸法を示す図である。寸法の単位はｍｍである。ＵＶ
光は図中矢印方向から入射する。この蛍光ガラス５３と
しては、上述の特許文献４に開示されたものを用いるこ
とができる。

【００４８】この実施の形態に用いた蛍光ガラス５３
は、波長２００〜４００ｍｍの紫外線を波長５４０ｎｍ
の緑色光に変換する。この実施の形態に用いた蛍光ガラ
ス５３の場合は、紫外線進行方向の寸法が６ｍｍのとき
に入射した紫外線の９０％以上を変換できることを実験
により確認している。実施の形態の寸法の１０ｍｍで
は、大半の紫外線を緑色光に変換する。受光素子を紫外
線により劣化させないために、少なくとも８０％の紫外
線を変換するのが好ましい。

【００４９】全体組み立ては、主ケース体４１の凹部４
１ａに、石英ガラス５０、プレートフィルタ５１を収容
する。続いて、凹部４３ｂに蛍光ガラス５３を収容した
ホルダ４３を凹部４１ａに収容し、収容したホルダ４３
の上から受光素子４７、表示ＬＥＤ４８、可変抵抗４９
等を実装したＰＣ基板４４を装着する。これにより、受
光素子４７は凹部４３ａに表示ＬＥＤ４８、可変抵抗４
９は、空間部４３ｃに納まる。最後にフィルムシールド
５５でＰＣ基板４４を被覆し、カバー４２を主ケース体
４１にネジ締めすることにより、組み立てが完成する。 ［図面の簡単な説明］

【図１】 この発明の一実施の形態にかかる紫外線検出
器の概略構成を示す図である。

【図２】 波長変換素子における波長変換後の伝搬を説
明する図である。

【図３】 この発明の他の実施の形態に係る紫外線検出
器の概略構成を示す図である。

【図４】 波長変換素子の側面が粗面である場合の光の
伝搬を説明する図である。

【図５】 波長変換素子の側面が鏡面である場合の光の
伝搬を説明する図である。

【図６】 この発明のさらに他の実施の形態に係る紫外
線検出器の概略構成を示す図である。

【図７】 この発明のさらに他の実施の形態に係る紫外
線検出器における波長変換素子内の全反射を説明するた
めの図である。

【図８】 この発明のさらに他の実施の形態に係る紫外
線検出器の概略構成を示す図である。

【図９】 この発明のさらに他の実施の形態に係る紫外
線検出器の構成を示すブロック図である。

【図１０】 （Ａ）と（Ｂ）はこの発明の具体的な実施
の形態を示す分解斜視図である。

【図１１】 この発明の具体的な実施の形態を示す分解
斜視図である。

【図１２】 （Ａ）と（Ｂ）は従来の紫外線検出器の一
例を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−30574（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−172637（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−317463（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−231929（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−76680（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−30441（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−51837（ＪＰ，Ｕ) 独国特許出願公開4243421（ＤＥ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 1/02 - 1/06 G01J 1/42 - 1/44 G01J 1/58 G01T 1/06 G02B 6/42 G02F 2/02 H01L 31/00 - 31/02 H01L 31/08 H04N 5/00 - 5/335

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 紫外線を可視光に変換する材料からな
   り、紫外線が入射する第１の面および前記第１の面と直
   交し前記可視光が出射する第２の面を含む複数面を有す
   る波長変換素子と、 前記第２の面から出射した前記可視光を受光する受光素
   子と、 前記第１の面に入射する紫外線の入射角を制限する入射
   角制限手段とを備え、 前記第１の面と垂直な方向の寸法が前記第２の面と垂直
   な方向の寸法よりも大きく、 前記入射角制限手段は、前記第２の面の法線を含む第１
   の入射面内の紫外線の入射角を入射した紫外線が前記第
   ２の面で全反射されるような所定角度に制限し、前記第
   １の入射面に垂直な第２の入射面内の紫外線については
   前記所定角度よりも大きな入射角での入射を許すもので
   ある、紫外線検出器。
2. 【請求項２】 前記波長変換素子に入射する紫外線を減
   衰させるための、紫外線を前記可視光に変換する材料か
   らなる入射窓をさらに備えた、請求項１に記載の紫外線
   検出器。
3. 【請求項３】 前記受光素子の出力の大きさに対応する
   大きさの検出信号を出力する検出回路と、 前記検出信号の大きさが設定した範囲内にあるときに点
   灯する表示手段と、 前記紫外線検出器が受ける紫外線量に対する前記検出信
   号の感度を調整する感度調整手段とをさらに備えた、請
   求項１または２に記載の紫外線検出器。
4. 【請求項４】 前記第１の面と垂直な方向の寸法が前記
   第１の面から入射した紫外線の８０％以上を前記可視光
   に変換することのできる寸法である、請求項１から３の
   いずれか１項に記載の紫外線検出器。