JP4961546B2 - 太陽光スペクトル追尾装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光スペクトル追尾装置に関する。

太陽を基準として、地球の大気の状態を観測することが可能であり、地上から太陽光のスペクトルを観測すれば、大気の汚染の状態が分かる。それは、東京などの大都市圏と地方の山間地域との空気の汚れ具合の差として、また、オゾン層の破壊の変化を、スペクトル強度の差として観測できる可能性がある。それには、太陽光を観測する分光系の開発が重要となる。しかし、その前に、まず、正確に太陽スペクトルを計測できる望遠装置と、格安でかつ簡素で高精度の太陽光追尾装置を製作することが課題となる。本発明は、太陽光スペクトル追尾装置に関するものである。

先行特許文献としては、「太陽自動追尾装置」（特許文献１）があるが、この公報の装置では、受光素子洗面にフィルターを配置した４個以上のセンサの出力をＡ／Ｄ変換するので、装置が煩雑で、高価になる欠点がある。

特開平８−６３２３２号公報

本発明は、所定の地域の太陽光のスペクトルを計測することで、その地域での大気の汚染状態を、調査する太陽光スペクトル観測装置用で、散乱光のノイズがなく、一定時間、連続して計測が可能な、太陽光スペクトル追尾装置を提供することを目的とする。

本発明は、円筒状の望遠筒と、前記望遠筒の長さ方向の中心軸上に微小孔を有する３枚のスリットと、前記望遠筒の最底部に１個配置されたフォトダイオードとを備え、前記望遠筒が３枚目のスリットを中心に緯度と経度方向に回転し、電圧値の増減を判断するプログラムで追尾することを特徴とする太陽光スペクトル追尾装置である。別の本発明は、さらに、ほぼ円形の１／４の台座と、前記望遠筒を緯度方向に角度調節する緯度制御装置と、前記望遠筒を経度方向に角度調節するほぼ円形の経度制御装置とを備え、前記望遠筒は前記緯度制御装置上に配置され、前記ほぼ円形の１／４の台座は、前記経度制御装置上に配置されていることを特徴とする太陽光スペクトル追尾装置である。

図１に装置の全体図を示す。上部の丸い部分は装置の平面図である。円の中心部を元に、円の1/4の大きさで、経度方向に回転する台座が置かれている。その台座の上に、モーター1とウォームギアを介して、円の中心に太陽光を入射する望遠筒が設置されている。図2に望円筒概略図を示す。望遠筒には、太陽光の散乱光がスペクトル計測に影響を与えないように、散乱光のフォトダイオードへの入射を防止するために、3段のスリットがセットされていて、3段目のスリットを中心に、望遠筒が太陽の緯度と経度方向に回転するようになっている。下部の側面図は装置を横方向から見た図である。この図で、望遠筒は中央上部の位置になり、真上を向いている。ここで、たとえば太陽の高さに望遠筒を合わせようとすると、モーター2を回転して上の台座を動かし、太陽の経度方向に合わせる。次に、モーター1を回転して望遠筒を動かし、太陽の緯度に高さを合わせる。この2軸を合わせるだけで太陽を追尾することができる。

次に、太陽光を受光する望円筒部について詳しく述べる。望円筒概略図を図２に示した。全長は161mmであり、内径がφ26mmとφ14mmで各々の長さが約60mmからなる筒で構成されている。そして、その間に、φ1mmの穴のスリットが3枚組み込まれている。太陽光は、スリット1から入射し、スリット2を通りスリット3を通過する。そして、その光がフォトダイオード（浜松ホトニクス：S2386-18L型）に入射する。フォトダイオードを収納する筒は、内径がφ14mmで長さが37.5mmである。フォトダイオードの出力端子には100Ωの抵抗が接続されており、その抵抗にフォトダイオードの出力電流が流れる。そして、抵抗の両端に出力電圧が生じる。その出力電圧をデジタル・マルチメータ（アドバンテスト社：R6552）で測定する。今までで測定された最高の出力電圧は6Vであった。出力電力は360mWであり、未だフォトダイオードの飽和電力には達していない。また、望円筒に太陽光が入射しない場合、散乱光の影響がないので、フォトダイオードの出力電圧は0mＶ付近の値になる。

そして、この望遠筒と台座を動かすモーターは、5相のステッピングモーター（オリエンタルモーター社：RK564BA）を使用している。そして、モーターの回転をウォームギアで変換し、望遠筒と台座を動かす各々の軸の回転数に変えている。使用したウォームはW1S R1+B-8で、ホイルはG1C 60+R1である。ここで、望遠筒を180°回転させるのにステッピングモーターに入れるパルス数は7500パルスである。1°当たり41.66パルスである。実際に制御に用いたパルス数は1ステップ当たり2パルスである。つまり1ステップ当たり2.88分進むことになる。

次に、実際に太陽を追いかる、その結果、太陽光のスペクトル計測が可能な一定時間太陽光を追尾するプログラムについて述べる。図3に、そのフローチャートを示す。プログラムを開始して、始めにフォトダイオードの電圧を読込む。ここで、電圧値を5サンプル取り込み、その5つの平均値を割り出して電圧値とする。そして、この電圧値と新たに取り込んだ新しい電圧値とを比べて、電圧値が増加したか減少したかを判断する。また、グラフに電圧値をプロットする。ここで、あらかじめ電圧値を3V〜5V程度になるように望円筒を太陽に合わせておく。そして、追尾を開始する。用いた開発プログラムソフトは、LabVIEW7.1である。プログラムでは、4つの条件ケースからなる。1つ目は、電圧値：Xが5.5V以下で1V以上のときで、電圧が下降している場合である。この時は、太陽光が、どんどん遠ざかってゆくので、ステップ間隔時間を速く動くようにして太陽に追いつくようにする。また、2つ目は、Xが5.5V以下で1V以上のとき、電圧が上昇している場合である。この場合は、望遠筒の角度が、太陽の動きより先になったので、望円筒の動きをゆっくり動かして、太陽が追いかけてくるのを待つ体制をとる。この時は、ステップ間隔時間を遅くする。3つ目として、Xが5.5V以上でピーク値に達した時である。このときは、望円筒の動きを停止する。そうすると、太陽が動く（正確には地球が動く）のでXは下降する。そして、Xが5.5V以下になると望遠筒が動き出す。

以上、フローチャートとともに太陽光追尾の原理を述べたが、図4に、実際に追尾している状況の電圧値グラフを示す。このグラフは、左側から右側にかけて時間が経過している。始まりは左側でしだいに右側へと移動する。縦軸は、電圧値である。グラフにおいて、追尾は、始めはピーク値（6V）に達した。ここで、追尾は停止する。5.5V以下になると、再び追尾を開始する。始めは望円筒（緯度方向）の回転を行いピークに達したので、次に台座（経度方向）を回転し、ピークになるまで追尾を行う。ここで、停止で電圧が右下に下降するのは、太陽が動くのでピーク位置からズレルため電圧が下降する。追尾中にギザギザになるのは、1ステップで望円筒を動かして電圧を測定し、次に3秒経って電圧を測定する際、望円筒は停止している。そして、その間に太陽が過ぎ去るので電圧が下降し、ギザギザ状態になる。この追尾モードは、Xが下降状態の追尾モードである。ここで、望円筒回転（緯度）パルス数は174、台座回転（経度）パルス数は642で、緯度方向の動きより経度方向の動きが約3.7倍ある。ここから、ピーク電圧の1割の振動幅で、約100秒の周期でピーク値を保ちながら追尾していることが分かる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

装置概略図。 望円筒概略図。 太陽光追尾のフローチャート。 太陽光追尾状態の電圧値グラフ。

Claims (1)

1. 円筒状の望遠筒と、前記望遠筒の長さ方向の中心軸上に微小孔を有し１枚目２枚目３枚目の順に太陽光が通過する３枚のスリットと、３枚目のスリットを通過した太陽光が入射する１個のフォトダイオードとを備え、前記望遠筒が３枚目のスリットを中心に緯度と経度方向に回転し、前記フォトダイオードの電圧値の増減を判断するプログラムで追尾することを特徴とする太陽光スペクトル追尾装置。