JPH06129901A - フォトセンサ及び紫外線光量測定方法並びにフォトインタラプタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低価格及び低エネルギ、各種特性が良好なフ
ォトセンサを構成する。紫外線の照射に対応するスイッ
チング動作に基づく、フォトインタラプタを構成する。 【構成】 紫外線吸収体２の透明なガラス基板５にフォ
トクロミック色素被膜６を形成し、フォトダイオード３
の受光面３ａを紫外線吸収体２にて覆うことで、フォト
センサ１を形成する。紫外線の照射レベル及び／または
照射時間に応じて、フォトクロミック色素被膜６の吸光
度が変化し、フォトダイオード３からの電流量が変化す
る。紫外線の照射に対応するスイッチング動作が実現さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】
，

【産業上の利用分野】本発明はフォトセンサ及び紫外線
光量測定方法並びにフォトインタラプタ、特に紫外線の
検出に用いられるフォトセンサ及び紫外線光量測定方法
並びにフォトインタラプタに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から各種のフォトセンサが知られて
おり、その一つに紫外線センサがある。紫外線センサに
は、各種のものがあるが、簡便に紫外線を検出し得るセ
ンサとしては、紫外線の照射により色が可逆的に変化す
るフォトクロミック色素被膜を用いたものが知られてい
る。

【０００３】紫外線センサは、自然光に含まれる紫外
線、或いは、紫外線レーザ等の照度を検知でき、紫外線
による光化学公害の検出、日光浴による皮膚の紫外線障
害（発癌作用等）の防止などに役立っている。特に、近
年では、太陽光線に関する実用的な利用技術として検討
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した紫外線センサ
の内、従来のフォトクロミック色素被膜を用いた紫外線
センサは、色変化の繰り返し特性、色素の劣化等の点で
問題があった。また、上述のフォトクロミック色素被膜
を用いたもの以外の紫外線センサでは、良好な感度の得
られる波長領域は狭く、高価であるという問題点があっ
た。

【０００５】本発明は、上述の問題点を改善し得るフォ
トセンサ及び紫外線光量測定方法並びにフォトインタラ
プタを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るフ
ォトセンサは、前記課題を解決するため、可視光センサ
の受光面側に、紫外線によって可視光の透過量を変化せ
しめるフォトクロミック色素被膜を配し、該フォトクロ
ミック色素被膜に照射される紫外線によって該フォトク
ロミック色素被膜を透過した上記可視光の強度に対応し
て形成される光電変換電流の制御を行う構成としてい
る。

【０００７】請求項２の発明に係る紫外線光量測定方法
は、前記課題を解決するため、発光素子からの可視光
を、紫外線により可視光の透過光量を変化せしめるフォ
トクロミック色素被膜が受光面側に設けられてなる可視
光センサにて受光して光電変換し、該可視光センサから
出力される電流量を検出し、上記フォトクロミック色素
被膜の紫外線による上記可視光の透過光量と上記可視光
センサからの電流量との対応関係に基づいて紫外線レベ
ル及び／または照射時間を測定する構成としている。

【０００８】請求項３の発明に係るフォトインタラプタ
は、前記課題を解決するため、可視光を出力する発光素
子と、該発光素子からの可視光を受光する受光面上に、
紫外線によって可視光の透過光量を変化せしめるフォト
クロミック色素被膜が配されていると共に、該可視光に
基づいて光電変換のなされる可視光センサと、上記フォ
トクロミック色素被膜を透過した上記可視光の透過量に
対応する上記可視光センサからの電流量と所定のスレッ
ショルドとの比較に基づいて、スイッチング制御を行う
手段とを備えた構成としている。

【０００９】

【作用】可視光センサの受光面側にフォトクロミック色
素被膜が設けられる。このフォトクロミック色素被膜
は、紫外線により、可視光に対する吸光度が変化せしめ
られる。該吸光度の変化によって、可視光センサに透過
する可視光の強度が変化せしめられ、可視光センサにて
光電変換されて得られる光電変換電流が制御される。

【００１０】透過した可視光が、可視光センサにて光電
変換される。フォトクロミック色素被膜に対する紫外線
の照射レベル及び／または照射時間と、光電変換電流と
の対応関係を求めておくことによって、光電変換された
電流量から紫外線の照射レベル及び／または照射時間が
測定される。

【００１１】発光素子から可視光が出力される。該可視
光は、受光面に設けられているフォトクロミック色素被
膜を透過し可視光センサにて光電変換される。この時、
受光面に対する紫外線の照射レベル及び／または照射時
間に対応してフォトクロミック色素被膜の可視光の吸光
度が変化せしめられるため、上述の可視光の透過光量が
変化し、可視光センサにて光電変換される電流量が変化
する。

【００１２】スレッショルドを設定し、上述の電流量と
スレッショルドとの比較を行うことにより、スイッチン
グ動作を実現できる。例えば、フォトクロミック色素被
膜に対する紫外線の照射レベルがスレッショルド以上で
ある場合には、オン或いはオフとなるような紫外線スイ
ッチを実現できる。これによって、紫外線によって動作
するフォトインタラプタを構成できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図５を参照
して説明する。図１には、この発明にかかるフォトセン
サ及びフォトインタラプタの構成が示されている。

【００１４】図１の構成に於いて、フォトセンサ１は、
紫外線吸収体２とフォトダイオード３から構成されてい
る。フォトダイオード３は、例えば、ＰＩＮダイオード
が用いられている。また、紫外線吸収体２は、図２に示
されるように、透明なガラス基板５の面５ａにフォトク
ロミック色素被膜６が形成されてなるものである。尚、
該フォトクロミック色素被膜６の形成されていない面は
５ｂとされている。

【００１５】以下にフォトクロミック色素被膜６の形成
方法について説明する。スピロピラン色素誘導体ＳＰ１
８２２とアラキジン酸メチル（脂肪酸）を、モル比で
（１：２）に混合したクロロホルム溶液を一滴づつ水面
に滴下し、水面上に拡散せしめ、しかる後圧縮する。こ
れによって、上記スピロピラン分子とアラキジン酸メチ
ル分子が均一に分散し凝縮した状態の単分子膜が形成さ
れる。尚、上述のモル比はスピロピラン色素誘導体ＳＰ
１８２２とアラキジン酸メチルを混合する際のものであ
る。

【００１６】次いで、上述の単分子膜をガラス基板５の
面５ａに多層、例えば、２０層、膜づけしてフォトクロ
ミック色素被膜を形成する。尚、この多層のフォトクロ
ミック色素被膜６の形成方法としては、例えば、公知の
ＬＢ（Langmuir-Blodgett)法を用いる事ができる。ま
た、ガラス基板５の厚みは、例えば、0.9mmとされてい
る。

【００１７】上述のようにして形成されたフォトクロミ
ック色素被膜６を付着せしめてなるガラス基板５が、フ
ォトダイオード３の受光面３ａを覆う状態に配される。
これによって、フォトセンサ１が形成される。

【００１８】ところで、紫外線吸収体２のフォトクロミ
ック色素被膜６は、紫外線の照射により、可視光を吸収
する度合い（この明細書中、吸光度と称する）が変化す
る特性を有している。以下、これに関する実験例及び実
験結果を、図３及び図４を参照して説明する。

【００１９】図３には、実験のシステムの構成が示され
ている。励起光源装置２５では、ローダミン６Ｇ色素レ
ーザの連続発振光が形成される。該発振光は、可視光レ
ーザ光線とされて紫外線吸収体２のフォトクロミック色
素被膜６に照射される。上述の可視光レーザ光線は、波
長５８０nm、照射強度１０mW/cm²である。

【００２０】可視光レーザ光線の光軸に対し、入射角度
約４５度の位置に紫外線照射装置２７が配されている。
上述の可視光レーザ光線が安定したところで、紫外線照
射装置２７から紫外線吸収体２に対して紫外線ＵＶ−Ａ
が約３０秒照射される。

【００２１】上述の紫外線吸収体２のガラス基板５の面
５ｂ側には、ＰＩＮフォトダイオード２８が設けられて
いる。従って、励起光源装置２５から出力され、紫外線
吸収体２を透過してなる可視光レーザ光線が、このＰＩ
Ｎフォトダイオード２８にて光電変換される。ＰＩＮフ
ォトダイオード２８にて変換されてなる電流は、ケーブ
ル２９を介してスペクトルアナライザ３０に供給され
る。スペクトルアナライザ３０では、光の波長と強度の
検出がなされる。

【００２２】上述のように紫外線ＵＶ−Ａが、フォトク
ロミック色素被膜６に照射されると、スピロピランの異
性体によって可視光レーザ光線が吸収される。この紫外
線ＵＶ−Ａの照射によって、フォトクロミック色素被膜
６は、無色から青紫色に変化する。この紫外線ＵＶ−Ａ
の照射時に於けるフォトクロミック色素被膜６の吸光度
が図４に示されている。

【００２３】図４に示されるように、紫外線ＵＶ−Ａの
照射前は非常に低いレベルの吸光度が、同図中、矢示Ｕ
にて示されるように、照射開始後２０秒の間に急激に上
昇する。照射開始後２０秒を経過した後は、吸光度は上
昇するものの上昇の程度は緩やかになる。そして、紫外
線ＵＶ−Ａの照射を３０秒で停止させると、可視光レー
ザ光線による逆フォトクロミズム反応により異性化した
スピロピラン分子が元に戻るので、吸光度は図４中の矢
示Ｄにて示されるように低下する。

【００２４】吸光度が低下する過程に於いて、可視光レ
ーザ光線の照射部は、数１０秒後に無色になり、紫外線
吸収体２を透過する可視光レーザ光線の強度も元の値に
戻る。

【００２５】図３に示される例において、フォトクロミ
ック色素被膜６の紫外線ＵＶ−Ａによる吸光度の変化
は、即ち、紫外線吸収体２を透過する可視光レーザ光線
の強度の変化となる。紫外線ＵＶ−Ａの照射時間と、透
過光量の強度の関係が図５に示されている。

【００２６】図５において、縦軸は透過光量の強度（単
位はmW/cm²)を表し、横軸は紫外線ＵＶ−Ａの照射時間を
表している。この図５に於いて、紫外線ＵＶ−Ａの開始
直後は、フォトクロミック色素被膜６の吸光度がほとん
どないため、透過光量は比較的、高いレベルＬＡを保っ
ている。このレベルＬＡは、未だ紫外線ＵＶ−Ａを検出
していないレベルである。

【００２７】紫外線ＵＶ−Ａの照射時間が長くなるにつ
れて、前述のようにフォトクロミック色素被膜６の吸光
度が上昇する。この結果、可視光レーザ光線の透過光量
が、図５に示されるように減少する。紫外線ＵＶ−Ａの
照射時間が３０秒程度では、ほぼ一定のレベルＬＢを示
す。

【００２８】レベルＬＢにおける透過光量の強度は、レ
ベルＬＡに比して、３０％の低下を示している。このレ
ベルＬＢは紫外線ＵＶ−Ａを安定的に検出し得るレベル
である。そして、図６に示されている矢印ＲＷＡＢ、Ｒ
ＷＢＡは、紫外線非検知レベルＬＡと紫外線検知レベル
ＬＢの間にて遷移することを示している。

【００２９】このように、フォトクロミック色素被膜６
に対する紫外線照射によりフォトクロミック色素被膜６
に於ける可視光の吸光度が変化し、該フォトクロミック
色素被膜６を透過する可視光の光量が変化する。この結
果、ＰＩＮフォトダイオード２８にて光電変換される電
流量が変化する。

【００３０】この性質に基づいて、紫外線の強弱、照射
時間等を検出するためのフォトセンサ１を構成すること
ができる。更に、上述したように、電流量の変化を検出
すると共に、スレッショルドを設定し、電流量と該スレ
ッショルドの比較を行うことにより、フォトクロミック
色素被膜６の可視光吸収特性の反応速度に応じたスイッ
チング動作が可能となる。これによって、紫外線スイッ
チを構成することができる。

【００３１】また、紫外線の照射レベル及び／または照
射時間と、光電変換により得られる電流量との対応関係
を求めておき、フォトダイオード３から出力される電流
量と電流量を検出することで、紫外線の照射レベル及び
／または照射時間を測定することができる。上述のフォ
トダイオード３からの出力として、電流量のみならず、
電流量の変化、更には電流量の変化に要する時間等も用
いることができる。

【００３２】このような可視光の吸光特性を有するフォ
トクロミック色素被膜６を備えたフォトセンサ１を用い
ることにより、前述した紫外線スイッチとしてのフォト
インタラプタ１０を構成することが可能となる。図１に
示されるフォトインタラプタ１０は、発光部１１と、受
光部１５とから構成される。

【００３３】発光部１１は、発光ダイオード１２と、抵
抗Ｒ１、Ｒ２、電源１３から構成される。上述の抵抗Ｒ
１、Ｒ２は直列接続されており、抵抗Ｒ１の一端側が発
光ダイオード１２のアノード側に接続されており、該発
光ダイオード１２のカソード側が電源１３の負極側に接
続されている。電源１３の正極側は、抵抗Ｒ２の他端側
に接続されている。

【００３４】受光部１５は、紫外線吸収体２及びフォト
ダイオード３からなるフォトセンサ１と、該フォトセン
サ１から出力される電流量、電流量の変化及び電流量の
変化に要する時間等を検出する電流検出回路１６から構
成されている。

【００３５】以下、図１〜図５を参照し、動作を説明す
る。電源１３から電源電圧Vccが抵抗Ｒ１、Ｒ２、発光
ダイオード１２に印加され、発光ダイオード１２に電流
が流れる。これによって、可視光が発光ダイオード１２
から出力されフォトダイオード３に照射される。

【００３６】紫外線吸収体２のフォトクロミック色素被
膜６には、フォトインタラプタ１０の置かれている場
所、条件に応じたレベルの紫外線が照射されている。前
述したように、紫外線がフォトクロミック色素被膜６に
照射された場合、フォトクロミック色素被膜６は数秒で
変色すると共に、吸光度が変化する。これによって、発
光ダイオード１２から出力される可視光は、フォトクロ
ミック色素被膜６の吸光度に応じて吸収され、その分、
フォトダイオード３に入る可視光が減衰する。

【００３７】即ち、紫外線の照射レベル及び／または照
射時間が増すにつれて、前述のようにフォトクロミック
色素被膜６の吸光度が高まるので、フォトダイオード３
に入る可視光が減少し、光電変換によって得られる電流
量が減少する。該電流は、電流検出回路１６に供給され
る。

【００３８】電流検出回路１６では、フォトダイオード
３から出力される電流量が所定のスレッショルドと比較
されることによって、オン或いはオフを表す検出信号が
出力され、これによって、スイッチング動作がなされ
る。この電流検出回路１６におけるスレッショルドとの
比較では、電流量の変化或いは電流量の変化に要する時
間等を用いることも可能である。

【００３９】また、紫外線の照射レベル及び／または照
射時間が減少するにつれて、前述のフォトクロミック色
素被膜６の吸光度が低下するので、フォトダイオード３
に入る可視光レベルが増加し、光電変換される電流量が
増加する。該電流は電流検出回路１６に供給される。

【００４０】電流検出回路１６では、フォトダイオード
３から出力される電流量が所定のスレッショルドと比較
されることによって、オン或いはオフを表す検出信号が
出力され、これによって、スイッチング動作がなされ
る。この電流検出回路１６におけるスレッショルドとの
比較では、電流量の変化或いは電流量の変化に要する時
間等を用いることも可能である。

【００４１】このように、フォトクロミック色素被膜６
の可視光に対する可逆的な吸光度の変化を応用した紫外
線スイッチを用い、該紫外線スイッチに可視光を出力す
る発光ダイオード１２と、電流量、電流量の変化、電流
量の変化に要する時間等を検出し、該電流量とスレッシ
ョルドを比較する電流検出回路１６を付加することによ
って、フォトインタラプタ１０を実現できる。

【００４２】この一実施例では、紫外線吸収体２の透明
なガラス基板５の面５ａにフォトクロミック色素被膜６
を形成し、フォトダイオード３の受光面３ａを紫外線吸
収体２にて覆うことにより、フォトセンサ１を形成す
る。フォトクロミック色素被膜６に照射される紫外線の
照射レベル及び／または照射時間に応じて、フォトクロ
ミック色素被膜６の吸光度が変化し、吸光度の変化が、
即ち、フォトダイオード３への透過光の強度の変化とな
り、これに対応してフォトダイオード３からの電流量が
変化する。この結果、紫外線の照射に対応するスイッチ
ング動作が実現される。

【００４３】従って、低価格及び低エネルギで、且つ、
色変化の繰り返し特性、色素の劣化特性等、各種特性が
良好なフォトセンサ１を構成することができる。また、
紫外線の照射レベル及び／または照射時間と、電流量、
電流量の変化或いは電流量の変化に要する時間との対応
関係を求めておくことにより、検出された電流量、電流
量の変化、電流量の変化に要する時間等から紫外線の照
射レベル及び／または照射時間を測定することができ
る。そして、フォトセンサ１を用いることにより、紫外
線の照射に対応するスイッチング動作が可能となり、フ
ォトインタラプタ１０を構成することが可能となる。

【００４４】この一実施例では、フォトクロミック色素
被膜６をガラス基板５に設ける例について説明している
が、これに限定されるものではない。即ち、可視光が透
過し得るものであれば、ガラス基板５以外のものを用い
ることも可能である。

【００４５】

【発明の効果】この発明によれば、低価格及び低エネル
ギで、且つ、色変化の繰り返し特性、色素の劣化特性
等、各種特性が良好なフォトセンサを構成することがで
きるという効果がある。また、紫外線の照射レベル及び
／または照射時間と、電流量、電流量の変化、電流量の
変化に要する時間等を求めておくことにより、電流量、
電流量の変化、電流量の変化に要する時間等から紫外線
の照射レベル及び／または照射時間を知ることができる
という効果がある。更に、上述したフォトセンサを用い
ることにより、紫外線の照射に対応したスイッチング動
作が可能となり、フォトインタラプタを構成できるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】紫外線吸収体の構成を示す図である。

【図３】実験システムを示す図である。

【図４】紫外線の照射時間と吸光度の関係を示す図であ
る。

【図５】紫外線の照射時間と透過光量の強度の関係を示
す図である。

【符号の説明】

１ フォトセンサ ２ 紫外線吸収体 ３ フォトダイオード ３ａ 受光面 ５ ガラス基板 ６ フォトクロミック色素被膜 １０ フォトインタラプタ １１ 発光部 １２ 発光ダイオード １５ 受光部 １６ 電流変化検出回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可視光センサの受光面側に、紫外線によ
   って可視光の透過量を変化せしめるフォトクロミック色
   素被膜を配し、該フォトクロミック色素被膜に照射され
   る紫外線によって該フォトクロミック色素被膜を透過し
   た上記可視光の強度に対応して形成される光電変換電流
   の制御を行うことを特徴とするフォトセンサ。
2. 【請求項２】 発光素子からの可視光を、紫外線により
   可視光の透過光量を変化せしめるフォトクロミック色素
   被膜が受光面側に設けられてなる可視光センサにて受光
   して光電変換し、該可視光センサから出力される電流量
   を検出し、上記フォトクロミック色素被膜の紫外線によ
   る上記可視光の透過光量と上記可視光センサからの電流
   量との対応関係に基づいて紫外線レベル及び／または照
   射時間を測定することを特徴とする紫外線光量測定方
   法。
3. 【請求項３】 可視光を出力する発光素子と、 該発光素子からの可視光を受光する受光面上に、紫外線
   によって可視光の透過光量を変化せしめるフォトクロミ
   ック色素被膜が配されていると共に、該可視光に基づい
   て光電変換のなされる可視光センサと、 上記フォトクロミック色素被膜を透過した上記可視光の
   透過量に対応する上記可視光センサからの電流量と所定
   のスレッショルドとの比較に基づいて、スイッチング制
   御を行う手段とを備えたことを特徴とするフォトインタ
   ラプタ。