JP3967723B2 - 分光装置を備える暴露試験装置システムおよび携帯型分光装置 - Google Patents

Description

本発明は、暴露試験装置の用に供される光源の分光特性を計測するための分光装置に関する。

一般には、暴露試験装置は、種々の材料、物質、製品など(以下「被検体」と総称する。)に対して、強制的に紫外線等の放射を照射し、時間経過に伴う材料の劣化度から耐候性などを評価するための装置である（たとえば、特許文献１参照）。

図１は、従来技術における、暴露試験装置の一例の概略断面図である。図１に示すように、暴露試験装置１０は、恒温槽中２０において、暴露試験用光源３０と、被暴露検体を回転可能に載置するかご４０と、を備える。暴露試験用光源３０としては、キセノンランプやヨウ素ランプなどの紫外域に強力な発光帯域を有するものが多用されている。ここで、「被検体５０」としては、高分子材料やセラミックなどの建築材料や塗装された金属板などである。

被検体５０は光源からの放射により劣化を引き起こすが、劣化を促進させるため、恒温槽２０は高温多湿に保たれている。被検体５０の劣化の度合いを評価するためには、光源３０からの暴露光量をモニターする必要があり、この目的のため、暴露試験装置は光量検出器が設けられている。光源をモニターするために、前記装置は、装置の内部に光源モニター６０を配設する。この光源モニター６０は、通例、単一のシリコンフォトダイオードに光学フィルタを組み合わせた光量検出器である。

図２は、従来技術の暴露試験装置に用いられる光量検出器の分光感度を示す概略図である。図２に示すように、従来技術における光量検出器においては、影部のみの、ほぼ単一波長（たとえば、約１０ｎｍ）に近い領域の光源の光量を観察することができる。この光量検出器は、単一波長または特定の波長域のみに感度を有するため、光源の光量低下や特定の波長域の光量低下をモニターすることができても、複数の波長域の光量低下を検出することはできなかった。

他方、従前から、暴露試験装置外に光量検出器である分光装置を設置し、暴露試験装置の窓を通して内部の光源を非連続で測定することも行われていたが、窓を通しての測定であるため、被検体表面に入射する正確な分光放射量のデータを入手することはできなかった。
特開２００１−２０８６７５号

一方で、有機材料の劣化は紫外域を含めたさまざまな波長の放射の複合した暴露によって起こることが多く、従来の光量検出方式では複数の波長の光量を検出できないため、劣化の正確な評価を行うことはできなかった。

ここで、被検体の劣化の機構は、光源の分光強度と被検体の波長に対する反応曲線の積で与えられることが知られている。したがって、各種の反応曲線を持つ、たとえば、高分子材料の劣化試験には単一波長ではなく光源の分光放射の情報が必要である。暴露試験は長期間に及び、しかも波長に依存した劣化により光源の分光放射自体も変わるので、その監視が必要となる。

そこで、本発明の第一の目的は、上記事情に鑑み、暴露試験装置に利用される光源の劣化をより精度よく監視できるようにした暴露試験装置システムを提供することである。

くわえて、近年、屋外での光量を簡便に測定できる分光装置も要望されている。そこで、本発明の第二の目的は、簡便であり、かつ、多様な入射角度に対応可能な携帯型分光装置を提供することである。

これらの被検体の多くは屋外の自然光下で使用されるので、本来暴露試験の目的はその試験結果により屋外での暴露の状態を推算するために行われる。暴露試験装置の光源と自然光の波長特性は異質であるので暴露試験装置での試験結果を自然光に適用するには両方の分光放射の情報が不可欠である。且つ、自然光の波長特性は大気条件により大きく変化するので頻繁な測定が必要であるので、携帯型の簡易な分光装置が必要である。

本発明者らは、暴露試験装置について鋭意研究した結果、暴露試験装置とアレイ型光検出器を組み合わせることにより本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の第一の態様によれば、光源を備える暴露試験装置と、前記光源の劣化を監視する分光装置と、を備える暴露試験装置システムであって、前記分光装置は前記光源からの光を取り込む入射窓と、前記入射窓に光学的に接続された、多波長分解機能を有する分光ユニットと、を備え、前記分光装置が前記暴露試験装置内に配設される暴露試験装置システムを提供する。かかる構成を採用することにより、複数の波長の光量を正確、かつ、暴露試験と同時に監視することが可能になり、暴露試験装置用光源の劣化を正確に検出することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記分光ユニットがフォトダイオードアレイであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記システムにおいて、前記分光装置が、高温・高湿度に耐え得るように断熱かつ密封構造であることを特徴とする。このような断熱かつ密封構造により、暴露試験用光源の劣化監視のための分光装置の耐久性向上を図ることができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記システムにおいて、前記分光装置が、バッテリー駆動であり、測定した分光放射データを記録できるメモリを、さらに備えることを特徴とする。かかるバッテリー駆動および記録部を備えることにより、分光装置の小型化が実現され、携帯用の分光放射計として機能する。

さらに、本発明の第二の態様によれば、光源からの光を取り込み入射窓と、前記入射窓に光学的に接続された、多波長分解機能を有する分光ユニットと、を備える携帯型分光装置であって、前記入射窓が前記分光装置に対して交換可能である携帯型分光装置を提供する。かかる構成を採用することにより、多様な入射角度に対応可能な入射窓を交換可能とすることにより、多用途な携帯型分光装置が実現される。

本発明の好ましい態様によれば、前記携帯型分光装置において、前記分光ユニットがフォトダイオードアレイであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記携帯型分光装置において、前記分光装置が高温・高湿度に耐えうるように断熱かつ密封構造であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記携帯型分光装置において、前記分光装置が、バッテリー駆動であり、測定した分光放射データを記録できるメモリをさらに備えることを特徴とする。このような携帯型分光装置により、屋外での多用途向けに使用することが可能となる。

なお、本発明で用いる「高温・高湿度」とは、周囲温度 ４０℃以上、湿度８５〜１００％をいう。

本発明によれば、暴露試験装置用光源と、多波長分解機能を有するフォトダイオードアレイとを、一つのシステム内に配設させることにより、前記暴露装置用光源の劣化を精度よく監視することができる。具体的には、暴露試験装置用の光源の特定の波長や輝線のような波長幅の狭い領域から光源の広範囲の波長領域まで、光源の劣化を同時に、かつ、広範囲に測定可能である。

また、従来の暴露試験装置では、被検体の劣化状態と、光源からの照射光との関係が正確に把握できなかったため、劣化機構の解明で不十分であった。さらに、これらの被検体は最終的には屋外での劣化を推算することを目的とするが、自然光と暴露試験装置の光源の分光特性が異なるため、かかる従来法では、劣化状態と照射光との関係を正確に把握することに困難があった。本発明によれば、かかる困難を解消することができ、被検体の劣化と暴露試験装置用光源との関係から、劣化機能の解明に資することができる。

さらに、暴露試験機による結果を屋外での劣化状況を推算することができる。

本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができる。

図３は、本発明の第一の態様である、暴露試験装置と、暴露試験装置用の多波長分解機能を有する分光装置と、を備える暴露試験装置システムの概略断面図を示す。図３に示す暴露試験装置システム１００は、暴露試験用光源１２０と、該光源１２０に対向する位置に、被検体５０を載置可能とするかご１４０とを備える。光源１２０の具体例としては、以下のもの限定されるわけではないが、従来からのキセノンランプやヨウ素ランプ等が挙げられる。

なお、図３に例示する暴露試験装置システム１００は、被検体の劣化促進の用に供される恒温槽１８０中に配置されている構成を示す。そして、恒温槽１８０中において使用される分光装置１６０はその耐久性を備えるために、断熱かつ密封構造を採用することが好ましい。かかる構造を有するためには、分光装置１６０の外装は、以下のものに限定されるわけではないが、ステンレス製または強化プラスチックで構成される。また、恒温層１８０中の水分を分光装置内への混入を防止するため、分光装置を密封構造とすることが望ましい。さらに、恒温槽１８０中の温度上昇から保護するため、分光装置は、ウレタンフォームや石綿等を利用した断熱材で覆われて構成されることが好ましい。

そして、前記システム１００は、前記光源１２０の光量を監視する分光装置１６０をさらに備える。この分光装置１６０は、前記光源からの光を受け入れるための入射窓１６５を備える。かかる入射窓１６５により、光源から一定量の光を分光装置中に導くことが可能となる。前記分光装置１６０の具体例としては、以下のものに限定されるわけではないが、多波長を同時に監視可能なフォトダイオードアレイ等を挙げることができる。

なお、図３では、分光装置１６０と、被検体を載置させるかご１４０とは、光源１２０を介して正反対に位置にあるが、必ずしも正反対の位置にある必要はなく、被検体の近傍に分光装置１６０を配設させてもよい。

図３に示す暴露試験装置システム１００では、光源１２０からの光は、被検体５０を照射するとともに、分光装置１６０が前記光を受け取り、照射と同時に光量を監視することができる。この光量の監視については、後述する。

図４は、本発明に用いる分光装置の内部構造の概略的機能ブロック図を示す。本発明に用いる分光装置１６０は、光源からの光を、入射窓１６５を介して受光し、受光された光はフレキシブルファイバー１７０を介して、シャター１７５を備える分光ユニット１８０へ導かれる。ここで、入射窓１６５は、前述したように、暴露装置用光源からの光をフレキシブルファイバー１７０に取り込むように構成され、そのフレキシブルファイバー１７０の入射部と出射部（シャッターの直前）のそれぞれには分光ユニットへ光を導くための拡散板（不図示）が取り付けられている。この拡散板は、光源の輝点の影響を受けずに均一な色分解のためには必要な部材である。また、入射窓１６５は、暴露装置用光源の自在な位置に取り付けられるように配置することも可能である。

なお、前記シャッター１７５は、フレキシブルファイバー１７０と分光ユニット１８０との間に配設されており、フォトダイオードアレイの暗電流を補正するために使用される。

前記フレキシブルファイバー１７０は、折り曲げなどの外力からファーバーの断線を防ぐため、金属製のフレキシブルな蛇管により覆われていることが好ましい。

本発明に用いる分光装置１６０の一例として、回折格子と、たとえば２５６個のフォトダイオードからなるフォトダイオードアレイとを備え、入射光の波長分解を実行する分光器が挙げられる。前記フォトダイオードアレイの具体例としては、以下のものに限定されるわけではないが、電荷結合デバイス、いわゆるＣＣＤや、相補的金属酸化物半導体、いわゆるＣＭＯＳ等が挙げられる。

その後、フォトダイオードアレイからの出力はＡ/Ｄ変換１８５され、ＣＰＵ１９０へ取り込まれて演算処理される。そして、処理された分光データはメモリ１９５に格納され、必要に応じて、ＵＳＢ２００を介して、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２２０に読み込みを行うことができる。本発明に用いる分光装置１６０は、ＰＣなしでも使用できるように、大容量メモリを搭載し、電池のような電源２３０を介して設計されている。本発明に用いる電源としては、以下のものに限定されるわけではないが、単３電池で使用でき、必要に応じてニッケル水素やリチウムなどの充電可能な電池も使用できる。また、分光装置自体に充電回路を実装するのも容易である。

本発明による分光装置１６０にて計測された計測データは、ＰＣで表示することも可能であるが、分光装置１６０自体に表示部２４０を装備し、分光データの波長別や波長ごとの積算地の数値表示のみならず、分光放射計測値をグラフで表示することも可能である。本発明に用いる表示部の具体例としては、以下のものに限定されるわけではないが、液晶表示装置や、カラー液晶表示装置が挙げられる。そして、数個の分光放射計測値グラフを色分け表示し、重ねて表示することもできる。なお、図４では不図示であるが、印刷装置により、かかる表示部の印字物を作成することも、当業者には容易に理解される。

前述までの実施態様の説明では、暴露試験装置用分光装置について説明したが、以下では、本発明による別の態様を説明する。

図５は、本発明の第二の態様による、暴露試験装置用に限定されない、多様な用途に利用可能な、携帯型分光装置の概略正面図を示す。図５は、携帯型分光装置へ応用を例示する。

図５に示す携帯型分光装置３００の内部構造は、図４に示す内部構造と同じであるために、図４の説明を援用する。前示の暴露試験装置用の分光装置では、入射窓をフレキシブルファイバーの先端に配設されたが、本発明の第二の態様によれば、入射窓３２０を交換可能とする。これにより、多様な入射角度に対応可能となる。

たとえば、太陽光からの直接の光を測定する用途では、入射窓３２０の入射角度を５度〜１５度と狭いものが適する（図６（ｃ）参照）。一方、植物などの太陽光の反射光を計測するためには、３０度〜９０度の広開口角度が要求される（図６（ａ）参照）。さらに、全天候日射計測の用途に対しては、開口角度が１８０度で、さらにガラスドームを装着することが要求される（図６（ｂ）参照）。ここで、図６（ｂ）に示す入射窓は、半円形型ガラスドーム４１０と、内部に拡散板４２０とを備え、全天候型に適する形状となっている。なお、図６（ａ）と図６（ｃ）においては拡散板が図示されていないが、図面の上側から入射する光を、入射窓を通じて取り込んだ後に、図６（ａ）と図６（ｃ）に示す入射窓の下に配設される拡散板を通過することになる。

以上のような要求を充足し、多くの用途に応えるためにも、入射窓３２０が交換可能であることを要する。図５は、これらの要求を満たす携帯型分光装置３００であって、表示部３４０を備えることにより、分光スペクトルを観察できる。また、入力スイッチ３６０は携帯型分光装置を使い易くするために備える。このスイッチは上下左右とプッシュの５通りの方向でユーザコマンドを受け付ける。ここで、ユーザコマンドとは、たとえば、パラメータ設定、測定開始等である。

かかる構成を有する携帯型分光装置３００では、屋外において、多様な目的のために適する分光装置を実現できる。

図１は、従来技術における、暴露試験装置の一例の概略断面図である。なお、図中の矢印は、空気の流れであり、参照番号７０は、ブロワーである。 図２は、従来技術の暴露試験装置に用いられる光量検出器の分光感度を示す概略図である。 図３は、本発明の第一の態様である、暴露試験装置と、暴露試験装置用の多波長分解機能を有する分光装置と、を備える暴露試験装置システムの概略断面図を示す。 図４は、本発明に用いる分光装置の内部構造の概略的機能ブロック図を示す。 図５は、本発明の第二の態様による、暴露試験装置用に限定されない、多様な用途に利用可能な、携帯型分光装置の概略正面図を示す。 図６は、本発明の第二の態様に利用される携帯型分光装置へ交換可能な入射窓の態様を例示する。

符号の説明

１０…暴露試験装置、２０，１８０…恒温槽、３０，１２０…暴露試験装置用光源、４０、１４０…かご、５０…被検体、６０…光源モニター、７０…ブロワー、１００…暴露試験装置システム、１６０…分光装置、１６５，３２０…入射窓、１７０…フレキシブルファイバー、１７５…シャッター、１８０…分光ユニット、１８５…Ａ/Ｄ変換、１９０…ＣＰＵ、１９５…メモリ、２００…ＵＳＢ、２２０…パーソナルコンピュータ、２３０…電源、２４０，３４０…表示部、３００…携帯型分光装置、３６０…入力スイッチ、４１０…ガラスドーム、４２０…拡散板

Claims (4)

1. 光源を備える暴露試験装置と、前記光源の劣化を監視する分光装置と、を備える暴露試験装置システムであって、
   前記分光装置が、前記光源からの光を取り込む入射窓と、前記入射窓に光学的に接続された、多波長分解機能を有する分光ユニットと、を備え、前記分光装置が、前記暴露試験装置内に配設され、かつ、前記暴露試験装置内の回転可能なかごに載置され、
   前記分光ユニットは、前記入射窓と連通したフレキシブルファイバーを介して、前記分光装置と光学的に接続され、前記フレキシブルファイバーには、拡散板が取り付けられている、暴露試験装置システム。
2. 前記分光ユニットが、フォトダイオードアレイである、請求項１に記載の暴露試験装置システム。
3. 前記分光装置が、高温・高湿度に耐え得るように断熱かつ密封構造である、請求項１又は２に記載の暴露試験装置システム。
4. 前記分光装置が、バッテリー駆動であり、測定した分光放射データを記録できるメモリを、さらに備える、請求項１ないし３のうち何れか一項に記載の暴露試験装置システム。

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