JPH06273329A - 屈折率測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 屈折率測定方法及びその装置に関し、試料温
度の制御精度を高めることができ、しかも、小型にでき
るようにした屈折率測定方法及びその装置を提供するこ
とを目的とする。 【構成】 プリズム１を用いる全反射法による屈折率測
定方法において、上記プリズム１の一表面３を覆う高熱
伝導性ブロック６を介して、温調素子８で試料５の温度
調節を行い、上記高熱伝導性ブロック６の温度Ｔb と密
閉ケース１０内の温度Ｔr とに基づいて、試料温度Ｔs
が一定になるように上記温調素子８の出力制御を行う構
成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、屈折率測定方法及びそ
の装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体の屈折率を測定するための有
用な方法として、全反射法がある。この全反射法は、光
源からプリズム内を透過してその一表面に所定の角度か
ら光を照射し、プリズムのその一表面からの反射光の分
布を検出することによってプリズムのその一表面と、こ
の上面に置かれた試料との境界面からの反射が発生する
臨界角を求めるようにし、この臨界角に基づいて試料の
屈折率の算出がなされる。

【０００３】ところで、一般に屈折率は物体の温度に応
じて変動するところから、所要の測定精度を確保するた
めには、試料温度を調節することが必要である。図４は
上記全反射法を適用した屈折率測定装置の一例を示す構
成図である。

【０００４】プリズム１０１がその一表面１０２を水平
にして配置されるとともに、該プリズム１０１の周辺に
光源装置及び光検出装置（図示しない）の配置スペース
となる測定空間１０９を保って熱交換機能を備えた通水
路１１１が配置される。更に、該通水路１１１及び測定
空間１０９を上記プリズム１０１の一表面１０２を残し
て、すなわち試料配置部分を残して密閉ケース１０３で
囲繞される。

【０００５】上記通水路１１１に対して恒温水槽１０４
から供給される所定温度の恒温水を流通させるように
し、上記恒温水槽１０４内の恒温水は、プリズム１０１
の所定位置に埋設した温度センサ１０６及び該温度セン
サ１０６の検出温度に基づいて制御回路１０７が調温手
段１０７を制御することによって一定の温度に保持され
るようになっている。

【０００６】尚、上記装置では、一表面１０２上の試料
の上部空間は開放されているが、例えば、図中破線で示
すように、該一表面１０２の上方を所要の隔壁１１５で
覆うとともに、該隔壁１１５内に接続した試料流路１１
６を通じて試料を供給する構成を付加した装置もある。
これによって上記試料流路１１６を介してポンプ等で試
料を自動的に供給・排出でき測定の自動化が可能になる
とともに、試料温度の経時変化を小さくすることができ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
４に示す従来の構成によれば、通水路１１１内の恒温水
と、一表面１０２上の試料との間には、測定空間１０９
及びプリズム１０１が介在するところから、一表面１０
２上への試料導入から試料が所定の温度で安定して測定
が可能となるまでには相当の長時間を要する。

【０００８】しかも、上記一表面１０２上へ導入された
試料は外部温度の影響を受けやすく、導入から測定まで
の時間を十分に見込んだとしても実際に測定される時の
試料温度と測定条件として設定した試料温度との間に誤
差を生じる恐れがあり、±０．０５℃以下の高精度の温
度設定が行えず、高精度の測定結果が必要なときには不
満が残ることになる。

【０００９】さらに上記構成によれば、恒温水槽１０
４、恒温水配管、ポンプ１０５等の構成を必要とするの
で、装置が大型になるという欠点もある。そこで、本発
明に先立って、短時間で試料を所定の温度に調節するこ
とができるとともに、試料温度の制御精度を高めること
ができ、しかも、小型にできるようにするため、図５の
構成図に示す屈折率測定方法及びその装置を発明した。

【００１０】この図５に示す発明に係る屈折率測定方法
及びその装置では、プリズム１に光源装置２（図５では
光源のみを示す）から光線を入射させ、該プリズム１の
一表面３で反射する反射光の分布を光検出装置４で検出
することにより、プリズム１とこれの一表面３上の置か
れた液体試料５との境界面で全反射が発生する臨界角θ
を検出し、この臨界角θからスネルの法則を適用して試
料５の屈折率を求める。 上記試料５を一定の温度（例
えば３０℃）に制御するため、プリズム１の一表面３が
高熱伝導性ブロック６で覆われ、この高熱伝導性ブロッ
ク６内に試料５をプリズム１の一表面３に置くための試
料室７０を設けるとともに、該試料室７０に対して外部
から試料を供給する試料流路７を形成し、更にこの試料
室７０内の試料５の温度を高熱伝導性ブロック６を介し
て調節する温調素子８（例えばペルチェ効果による半導
体素子）が設けられる。尚、温調素子８には、吸発熱を
促進するために放吸熱フィン１１が設けられる。

【００１１】またこの発明では、高熱伝導性ブロック６
内に温度センサ１２ａを配置して試料５の温度を間接的
に検出し、この高熱伝導性ブロック６の温度に基づいて
制御回路１３で温調素子８の吸発熱量を制御するように
している。

【００１２】なお、図５においては、試料室７０内に温
度センサ１２ｃを設けるように示しているが、この温度
センサ１２ｃは、後述する試料室７０内の温度を実験的
に確認するために設けたものであり、該試料室７０や試
料流路７の気密性の保持が困難であることと、万一温度
センサがプリズム１と試料５の界面に接すると光検出装
置４で反射光の強度分布が正しく検出できなくなる等の
問題があるところから実際の屈折率測定に際しては省略
される。

【００１３】この方法によれば、化学的活性に富んだ試
料５と温度センサ９とが直接に接触しないので、化学的
活性に乏しい試料５はもとより、化学的活性に富んだ試
料５であっても、試料５と温度センサ９とが反応するお
それはなく、したがって、化学的活性の程度が異なる全
ての種類の試料５の屈折率の測定が支障なくできるよう
になる。

【００１４】上記高熱伝導性ブロック６は、耐薬品性に
優れ、しかも高熱伝導性を有するセラミックス、例えば
炭化珪素で形成している。上記温調素子８は、通電によ
って一方の極が発熱し、他方の極が吸熱する多数のペル
チェ素子を例えばマトリックス状に多数並べた半導体デ
バイスであり、通電する電流量を適宜選択することによ
り高精度に、かつ、応答性の高い吸発熱量制御ができ
る。

【００１５】なお、上記高熱伝導性ブロック６は、周囲
の大気の温度や流動状態の変化による温度変化を防止す
るため、断熱材９で覆われ、また、プリズム１の一表面
３の他の４面は、周囲の大気の温度や流動状態の変化に
よる温度変化を防止するために断熱材よりなる密閉ケー
ス１０で覆われる。

【００１６】上記図５に示す構成の発明によれば、試料
室及び試料流路内に温度センサを配置しないので、化学
的活性に乏しい試料５はもとより、化学的活性に富んだ
試料５であっても、試料５と温度センサとが反応するお
それはなく、しかも高熱伝導性ブロック６の加工が容易
であり、しかも温度センサがプリズム１と試料５との境
界面に接する恐れを回避できて支障なく測定が行える。

【００１７】この発明によれば、温調素子８と試料５と
の間の熱交換が高熱伝導性ブロック６を介してなされる
ので、上記図４に示す従来例に比べて、試料５の温度を
短時間内に所定の温度で安定させることができるので、
該屈折率の測定に要する時間が短縮できる。

【００１８】また、高精度に、しかも、応答性の高い吸
発熱量制御ができる温調素子８で高熱伝導性ブロック６
を介して直接試料５の温度調節を行うので、試料温度の
制御精度を高めることができ、しかも試料５の周囲を高
熱伝導性ブロック６で覆う構成となるので、試料５の温
度が外部環境に影響され難くなる。

【００１９】更に、温調素子８と高熱伝導性ブロック６
だけで試料温度を調節するようにしているので、従来よ
りも屈折率測定装置を小型にできる。ところで、屈折率
の測定にあたって、試料温度は厳密に一定に保つ必要が
ある。しかしながら上記図５に示す構成に基づいて、高
熱伝導性ブロック６の温度、試料室７０の温度の経時変
化をグラフで示すと、図６に示すように、高熱伝導性ブ
ロック６の温度が所定値に達した後、高熱伝導性ブロッ
ク６の温度が一定に保持されているにもかかわらず、試
料室７０の温度がある程度の時間にわたって上昇し続け
ることが確認された。測定精度に厳密性を要しないとき
は、この温度の変動は無視してもさしつかえないが、測
定に高精度が要求されるときには問題となる。

【００２０】本発明は、以上のような知見に基づいて完
成されたものであり、試料温度の制御精度を高めること
ができ、しかも、小型にできるようにした屈折率測定方
法及びその装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る屈折率測定
方法は、上記の目的を達成するため、例えば図１に示す
ように、プリズム１を用いる全反射法による屈折率測定
方法において、上記プリズム１の少なくとも一表面を覆
う高熱伝導性ブロック６を介して、温調素子８で試料５
の温度調節を行い、上記高熱伝導性ブロック６の温度Ｔ
b と上記高熱伝導性ブロック６と対向する空間の温度Ｔ
r とに基づいて、試料温度Ｔs が一定になるように上記
温調素子Ｓの出力制御を行うよう構成とした。 さらに
詳しくは、上記プリズム１の少なくとも一表面を覆う高
熱伝導性ブロック６と、試料５がプリズム１の上面に置
かれた状態で、高熱伝導性ブロック６の温度調節を行う
温調素子Ｓと、上記高熱伝導性ブロック６の温度Ｔb を
検出する第１の温度センサ１２a と、上記高熱伝導性ブ
ロック６に対向する空間の温度Ｔr を検出する第２の温
度センサ１２b と、上記温度センサ１２a ，１２b で検
出した高熱伝導性ブロック６の温度Ｔb と上記高熱伝導
性ブロック６と対向する空間の温度Ｔr とに基づいて、
試料温度Ｔs が一定になるように上記温調素子Ｓの出力
制御を行う制御回路１３とを備える構成としている。

【００２２】上記高熱伝導性ブロック６がプリズム１の
上面に配置されたときには、該高熱伝導性ブロック６の
プリズム１との境界面に試料室７０を設ける構成とす
る。また、プリズム１の下面を覆う密閉ケース１０を備
えた場合には、上記第２の温度センサ１２b が、該密閉
ケース１０内に配置される。

【００２３】

【作用】温調素子８からの熱（吸熱、加熱）は高熱伝導
性ブロック６を介して試料５の温度を変化させるととも
に、プリズム１を介して密閉ケース１０内に伝達され
る。ここでは試料温度Ｔs を一定に保つ必要があるが、
高熱伝導性ブロック６の温度Ｔb と試料温度Ｔs 及び密
閉ケース１０内の温度Ｔr との間に何らかの法則性があ
れば、直接測定することになる高熱伝導性ブロック６の
温度Ｔb と密閉ケース１０内の温度Ｔr とにより試料温
度Ｔs が一定になるように制御することが可能になる。

【００２４】上記法則性としてここでは、 Ｔb −Ｔs ／Ｔs −Ｔr ＝一定 となることを利用して高熱伝導性ブロック６の温度Ｔb
が密閉ケース１０内の温度Ｔr に逆比例するように制御
している。

【００２５】

【実施例】本発明の一実施例に係る屈折率測定方法及び
その装置を図面に基づき具体的に説明すれば、以下の通
りである。

【００２６】図１の模式図及び図２の断面図において、
上記図５をもとに説明した発明と共通する構成について
は、重複を避けるため省略する。なお、図１においては
図５と同様、試料室７０内に温度センサ１２ｃを設ける
ように示しているが、既に述べた理由と同様の理由によ
り、図２に示す実施例においては省略される。

【００２７】図６において説明したように、温度センサ
１２a の出力が一定となるように試料室７０内の試料温
度を制御すると、該試料温度が経時的に上昇又は下降し
たり、該図６の例とは逆に試料温度が下降する場合もあ
る。いずれにしても、その原因は経時的に密閉ケース１
０内の温度が上昇（下降）し、プリズム１からの放散熱
量が少なく（多く）なるためである。

【００２８】そこで、図１及び図２に示すように、この
方法及び装置では、図５に示す構成に加えて、密閉ケー
ス１０内に第２の温度センサ１２b を配置し、図３の温
度制御特性図に示すように、両温度センサ１２a ，１２
b が検出する高熱伝導性ブロック６の温度Ｔb と、密閉
ケース１０内の温度Ｔr とに基づいて、試料室７０内の
試料温度Ｔs が制御するようにしている。

【００２９】すなわち、高熱伝導性ブロック６の温度を
Ｔb 、試料室７０内の試料温度をＴs 、密閉ケース内の
温度をＴr として、 (Ｔb −Ｔs ）／（Ｔs −Ｔr ）＝一定 なる原則が成り立つと仮定すると、試料温度Ｔs が一定
になるように高熱伝導性ブロック６の温度Ｔb を密閉ケ
ース１０内の温度Ｔr に基づいて制御することが可能と
なる。

【００３０】尚、この実施例においては、図１及び図２
に示すように、上記密閉ケース１０内の温度を検出する
第２の温度センサ１２b をプリズム１の下方の空間に配
置しているが、本発明では該温度センサ１２b を密閉ケ
ース１０内のプリズム１の温度を検出するようにしても
よい。

【００３１】下記表１は、上記実施例における第１の温
度センサ１２a で検出される高熱伝導性ブロック６の温
度Ｔb 、第２の温度センサ１２b で検出される密閉ケー
ス内の温度Ｔr 、及び試料室７０内に挿入した温度セン
サ１２ｃ（実際の屈折率測定にあたっては装備されな
い）で検出される試料温度Ｔs の経時変化を記載した。
尚、この実験では試料温度Ｔs を３０℃に調節すること
を意図している。

【００３２】

【表１】

【００３３】上記表１によれば、試料５の温度Ｔs が加
熱開始後９分弱で１５．０３℃から２９．９９℃に昇温
し、これ以後はほぼ正確に２９．９９℃に保持されてい
ることがわかる。

【００３４】なお、高熱伝導性ブロック６の温度Ｔb が
所定の温度に達し、密閉ケース１１内の温度Ｔr に対応
する温調素子８の吸発熱量制御が開始される時点と、試
料温度Ｔs が一定値に到達した時との間に生じる遅れ
は、主として高熱伝導性ブロック６から試料５への熱伝
達の遅れによるものであると思われる。

【００３５】ここで、下記表２は、上記第１及び第２の
温度センサ１２a ，１２b の双方で温調素子８の出力制
御を行った場合と比較するために、図５に示すような第
１の温度センサ１２a で検出される高熱伝導性ブロック
６の温度Ｔb だけで温調素子８の出力制御を行った場合
の試料室７０内に挿入した温度センサ１２ｃで検出され
る試料温度Ｔs の経時変化を記載した。尚、下記表２に
は第２の温度センサ１２b より出力される密閉ケース１
１内の温度Ｔr も記載した。

【００３６】

【表２】

【００３７】上記表２によれば、試料温度Ｔs は高熱伝
導性ブロック６の温度Ｔb だけを一定に保持するように
温調素子８を制御しても、試料室７０内の試料温度Ｔs
は、１２分後にはほぼ３０℃となるものの、その後は高
熱伝導性ブロック６の温度Ｔb が一定であるにも関わら
ず上昇し続ける。

【００３８】上記の実施例において、温調素子８は高熱
伝導性ブロック６の四方の各横側方、上方及び下方のう
ちのいずれか１つの方向に設けてもよく、また、これら
のうちの複数の方向に設けてもよいが、この実施例で
は、構成を簡単にするとともに、コストダウンを図るた
め、高熱伝導性ブロック６の上方のみに温調素子８を設
けている。

【００３９】更に、温調素子８の発熱が伝達される高熱
伝導性ブロック６は大気中に露出させてもよいが、上記
の各実施例のように、高熱伝導性ブロック６の表面を例
えば発泡スチロール樹脂等からなる断熱材９で覆う方が
大気の流動状態の変化や温度変化によって高熱伝導性ブ
ロック６の温度が不安定になること、及びこれにより試
料温度の制御精度が損なわれることを防止することがで
きるので有利である。

【００４０】尚、上記において、高熱伝導性ブロック６
の配置位置を、試料５の配置位置と同じプリズム１の上
面とし、高熱伝導性ブロック６のプリズム１との境界面
に試料室７０を設けた場合についてのみ説明したが、上
記高熱伝導性ブロック６はプリズム１の他の面、例えば
側面に配置してもよいことはもちろんである。また、第
２の温度センサ１２b を密閉ケース１０内に配置する場
合についのみて説明したが、密閉ケース１０がない状態
の、上記高熱伝導性ブロック６に対向する位置、即ち開
放空間に配置されるものであってもよい。更に、上記に
おいて高熱伝導性ブロック６の内部に試料流路７を設け
て、試料室７０に試料を供給する構成をしているが、試
料流路７は必ずしも高熱伝導性ブロックに設ける必要は
ない。

【００４１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、高熱伝導性ブロックの温度を、密閉ケース内の温度
に基づいて補正し、温調素子の吸発熱量を制御すること
により、高熱伝導性ブロックから試料に供給される熱量
と試料からプリズムに放出される熱量とを短時間内にバ
ランスさせることができるので、短時間内に試料の温度
を一定化させて測定時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御方式の模式図である。

【図２】本発明装置の断面図である。

【図３】本発明の試料温度制御例の制御特性図である。

【図４】従来例の構成図である。

【図５】本発明が適用される装置の構成図である。

【図６】図５に示す装置の試料温度制御の制御特性図で
ある。

【符号の説明】

１ プリズム ３ 傾斜面 ５ 試料 ６ 高熱伝導性ブロック ７ 試料流路 ８ 温調素子 １０ 密閉ケース １２（１２a ，１２b ） 温度センサ １３ 制御回路 ７０ 試料室 Ｔb 高熱伝導性ブロックの温度 Ｔs 試料温度 Ｔr 密閉ケース内の温度

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プリズム(1) を用いる全反射法による屈
   折率測定方法において、 上記プリズム(1) の少なくとも一表面を覆う高熱伝導性
   ブロック(6) を介して、温調素子(8) で上記プリズムの
   上面に置かれた試料(5) の温度調節を行い、上記高熱伝
   導性ブロック(6) の温度(Tb)と上記高熱伝導性ブロック
   (6) と対向する空間の温度(Tr)とに基づいて、試料温度
   (Ts)が一定になるように上記温調素子(8) の出力制御を
   行うようにしたことを特徴とする屈折率測定方法。
2. 【請求項２】 プリズム(1) を用いる全反射法による屈
   折率測定装置において、 上記プリズム(1) の少なくとも一表面を覆う高熱伝導性
   ブロック(6) と、試料(5) がプリズム(1) の上面に置か
   れた状態で、高熱伝導性ブロック(6) の温度調節を行う
   温調素子(8) と、上記高熱伝導性ブロック(6) の温度(T
   b)を検出する第１の温度センサ(12a) と、上記高熱伝導
   性ブロック(6) と対向する空間の温度(Tr)を検出する第
   ２の温度センサ(12b) と、上記温度センサ(12a),(12b)
   で検出した高熱伝導性ブロック(6) の温度(Tb)と上記高
   熱伝導性ブロック(6) と対向する空間の温度(Tr)とに基
   づいて、試料温度(Ts)が一定になるように上記温調素子
   (8) の出力制御を行う制御回路(13)とを備えることを特
   徴とする屈折率測定装置。
3. 【請求項３】 上記高熱伝導性ブロック(6) をプリズム
   (1) の上面に配置し、該高熱伝導性ブロック(6) のプリ
   ズム(1) との境界面に試料室(70)を設け請求項２に記載
   の屈折率測定装置。
4. 【請求項４】 上記高熱伝導性ブロック(6) と対向する
   空間が、プリズム(1) の下面を覆う密閉ケース(10)内の
   空間である請求項２に記載の屈折率測定装置。