JPWO2009022649A1

JPWO2009022649A1 - 油膜検出装置

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Publication number: JPWO2009022649A1
Application number: JP2009528112A
Authority: JP
Inventors: 剛人奥村; 小澤　一夫; 一夫小澤; 石飛　毅; 毅石飛; 耕一嶋田; 壱永大野; 水野　雅夫; 雅夫水野
Original assignee: DKK TOA Corp
Current assignee: DKK TOA Corp
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2028-08-08
Also published as: JP5045753B2; WO2009022649A1

Abstract

【課題】機械的な駆動機構を持たず、構造が簡単で小型化、低コスト化が可能であって、油膜を高精度に検出することができる油膜検出装置を提供する。【解決手段】光源から水面等の検出対象面にレーザ光を照射し、検出対象面からの反射光を受光して検出対象面に存在する油膜を検出する油膜検出装置において、Ｘ方向駆動電圧、Ｙ方向駆動電圧を印加してそれぞれ発生させたＸ方向変位、Ｙ方向変位によりレーザ光を２次元的に走査し、検出対象面におけるレーザ光の照射範囲として所望の平面を形成する２次元走査部２０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、浄水場や河川、湖沼等の水面（検出対象面）に存在する油膜を検出するための油膜検出装置に関するものである。

従来の油膜検出装置における検出原理として、油膜による光の反射率が水面による光の反射率よりも高いことに着目し、水面からの反射光の強度を測定して油膜の有無を検出するものが知られている。
この検出原理に基づく従来技術としては、例えば特許文献１〜特許文献６に記載された油膜検出装置が公知となっている。これらの油膜検出装置に共通する課題として、水面の状態（水位の変動や波立ち、浮遊物の有無等）に影響されることなく、広範囲にわたって油膜を検出できることが挙げられる。

すなわち、光源が固定されていてレーザ光等の検出光の水面に対する照射角度が一定である場合、水位の変動や波立ち等があると、水面からの反射光が十分に受光部に入射せず、油膜を検出できない事態を生じる。
そのための対策としては、受光部自体やこの受光部に集光するためのミラーを大型化し、水面からの反射光の受光面積を大きくすることが考えられるが、装置の大型化が避けられないため、これに代わる方法が以下のように種々提供されている。

例えば、特許文献１や特許文献２では、光源から水面に照射されるレーザ光の角度を機械的手段により一定周期で変化させている。また、前記特許文献２では、水位変動に応じて光源を上下に移動させ、光源と水面との距離を一定に保つ構造も備えている。

特許文献３では、光源からの光を凹レンズにより発散ビームとして水面に照射し、その反射光を回帰性のリフレクタにより反射させた時の水面からの再反射光を前記凹レンズを介して検出するようにした光学系を備えている。

特許文献４には、光源からのレーザ光を走査する回転ミラーとその周囲に配置された複数の反射ミラーとを備え、これらの反射ミラーによりレーザ光を水面に対して複数方向かつ交差的に走査することにより、大口径の放物ミラー等を用いずに、あらゆる方向の波立ちや水面の角度に対して安定した受光を可能にする技術が開示されている。
また、特許文献５には、複数の光源を環状に配置して水面にレーザ光を照射し、これらの反射光を受光することによって水面の波立ちや浮遊物の影響を低減する技術が開示されている。

特許文献６には、レーザ光の照射方向を可変とする振動式または回転式ミラーを設け、これらのミラーを介した水面からの反射光を受光することにより、水面の波立ちや浮遊物の影響を低減する技術が開示されている。

一方、油膜検出装置とは技術分野が相違するが、特許文献７に記載されているように、多様な厚みや光学的屈折率を有する各種の蛍光パターン読み取り試料を対象として、光源からの照射光を前記試料方向へ反射させるミラーを、圧電セラミックからなるアクチュエータにより駆動するようにした蛍光パターン読み取り装置が公知になっている。

特開２００１−１５３８００号公報（［００１２］〜［００１６］，図１等）特開２００３−１４９１４６号公報（［００１２］〜［００１８］、図１等）特開２００５−２４４１４号公報（［０００９］〜［００２３］、図１等）特開平１０−９０１７７号公報（［０００４］〜［０００６］、図１等）特開平１０−２１３５４１号公報（［０００５］，［０００６］，図１等）特開２００３−１４９１３４号公報（［０００５］〜［０００７］，図１等）特開平５−１８０７５５号公報（［００４３］，［００６６］，図５，図１２等）

上述した各従来技術において、特許文献１，２，６に係る従来技術では、光源やミラーを機械的に駆動するためのモータ等からなる駆動機構が複雑になる。
また、特許文献３に係る従来技術では、光学系が複雑であってコストが高くなると共に、特許文献４，５に係る従来技術では、光源やミラーが複数必要であるため、部品数の増加によるコストの上昇、装置全体の大型化等の問題がある。更に、光源やミラーの位置、角度を厳密に設定する必要があり、そのための作業が極めて煩雑である。

上述したように、水位の変動や水面の波立ち等に影響されることなく、水面の油膜を広範囲にわたって精度良く検出しようとする油膜検出装置は種々提供されているが、構造の複雑化、コストの上昇、装置の大型化等の問題がある。
また、特許文献７には、圧電素子を用いてミラーを駆動する技術が開示されているものの、この種の技術を油膜検出装置に適用した具体例は未だ存在しない現状である。
すなわち、機械的な駆動機構を持たず、構造が簡単で小型化、低コスト化が可能であると共に光源等の位置や角度の調整が容易であり、油膜を高精度に検出することができる油膜検出装置の提供が要請されている。
そこで、本発明の解決課題は、上記の要請に応えることができる油膜検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、光源から検出対象面に検出光を照射し、前記検出対象面からの反射光を受光素子により受光して前記検出対象面に存在する油膜を検出する油膜検出装置において、
Ｘ方向駆動電圧、Ｙ方向駆動電圧を印加してそれぞれ発生させたＸ方向変位、Ｙ方向変位により前記検出光を２次元的に走査し、前記検出対象面における前記検出光の照射範囲として所望の平面を形成する２次元走査部を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した油膜検出装置において、前記検出対象面からの反射光を反射させて前記受光素子に入射させる鏡を備えたものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した油膜検出装置において、前記鏡を凹面鏡により構成し、この凹面鏡に、前記２次元走査部から前記検出対象面に照射される前記検出光を通過させるための窓孔を形成したものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した油膜検出装置において、
前記２次元走査部は、
前記Ｘ方向駆動電圧が印加されて前記Ｘ方向変位を発生するＸ方向バイモルフ素子、及び、前記Ｙ方向駆動電圧が印加されて前記Ｙ方向変位を発生するＹ方向バイモルフ素子と、これらのバイモルフ素子にそれぞれ取り付けられて異なる軸を中心に回動し、かつ、前記検出光を順次反射させて前記検出対象面方向へ照射するためのＸ軸ミラー及びＹ軸ミラーと、を備えたものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した油膜検出装置において、
前記２次元走査部は、
前記Ｘ方向駆動電圧が印加されて前記Ｘ方向変位を発生するＸ方向バイモルフ素子、及び、前記Ｙ方向駆動電圧が印加されて前記Ｙ方向変位を発生するＹ方向バイモルフ素子と、これらのバイモルフ素子にそれぞれバネ材を介して取り付けられて異なる軸を中心に回動し、かつ、前記検出光を順次反射させて前記検出対象面方向へ照射するためのＸ軸ミラー及びＹ軸ミラーと、を備えたものである。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載した油膜検出装置において、前記検出対象面の状態に応じてオフセット信号を自動的または人為的に与えることにより、前記Ｘ方向駆動電圧及びＹ方向駆動電圧を調整可能にしたものである。

請求項７に係る発明は、請求項４〜６の何れか１項に記載した油膜検出装置において、
前記バイモルフ素子に印加する駆動電圧の周波数を、このバイモルフ素子を含む前記２次元走査部内の共振部材の所定温度における共振周波数を含む一定範囲内で、周期的に変化させるものである。

本発明によれば、所定のスキャンパターンに応じたＸ方向駆動電圧、Ｙ方向駆動電圧を２次元走査部に印加することにより、検出対象面である水面に対し検出光を２次元的に走査することができる。従って、光源やミラーを駆動するモータ等の駆動機構が不要であり、装置の小型化を図ることができる。また、光源やミラーを複数備える必要がないので、部品数の削減による小型化、低コスト化、調整作業の簡略化も可能になる。
更に、本発明では、検出対象面からの反射光を凹面鏡等の鏡により再度反射させ、この反射光を受光素子に入射させると共に、２次元走査部からの照射光を、前記鏡に形成された窓孔を介して検出対象面にほぼ鉛直に入射させるような光学系を構成することができる。これにより、２次元走査部から検出対象面までの距離に影響されずに確実に油膜を検出することができる。
また、検出対象面としての水面の状態（水位の変動や波立ち、浮遊物の有無等）に応じたオフセット信号を自動的または人為的に前記駆動電圧に加えることにより２次元走査部を制御すれば、水面の状態に関わらず、油膜による反射光を高精度に検出することができる。
加えて、バイモルフ素子を含む共振部材の共振現象を利用して検出光を２次元的に走査する場合には、バイモルフ素子に印加する駆動電圧の周波数を一定範囲内で周期的に変化させることにより、周囲温度によってずれを生じる共振周波数の温度補償を適切に行うことができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る油膜検出装置の概略的な構成図である。図１において、１０はＣＰＵ等からなる制御部であり、主として、光源であるレーザダイオード３８の駆動制御と、前記レーザダイオード３８から照射された検出光としてのレーザ光を、検出対象面である水面Ｗに対して２次元的に走査するための２次元走査部２０の駆動制御とを行うと共に、装置全体を統括的に制御する機能を備えている。

上記制御部１０にはバイナリカウンタ１１が接続されており、クロック信号をカウントしてパターンメモリ１３に与えるアドレスを時系列的に発生するようになっている。
パターンメモリ１３は、２次元走査部２０に与えるＸ方向駆動電圧、Ｙ方向駆動電圧に対応したＸ方向パターン信号Ｐ_ｘ、Ｙ方向パターン信号Ｐ_ｙを、例えば図２（ａ），図３（ａ）に示すような波形のディジタルデータとして所定アドレスに予め記憶している。これらのパターン信号（以下、スキャンパターンともいう）は複数組用意されており、制御部１０からの指令を受けたスキャンパターン決定ロジック１２によって所定のスキャンパターンが選択されるようになっている。ここで、図２（ｂ），図３（ｂ）は、各スキャンパターンに応じて水面Ｗに形成されるレーザ光の軌跡を示したものである。

パターンメモリ１３から出力されたＸ方向パターン信号Ｐ_ｘ、Ｙ方向パターン信号Ｐ_ｙのディジタルデータには、加算器１４ｘ，１４ｙにおいてオフセット信号Ｓ_ｏがそれぞれ加算され、その加算結果はＤ／Ａ変換器１５ｘ，１５ｙに入力されてアナログ信号に変換される。
なお、上記オフセット信号Ｓ_ｏは、後述するように水面モニタ１７の出力信号に応じてオフセット決定ロジック１８により選択される信号である。

Ｄ／Ａ変換器１５ｘ，１５ｙから出力されたアナログ信号はＸ方向駆動回路１６ｘ、Ｙ方向駆動回路１６ｙにそれぞれ入力され、Ｘ方向駆動電圧Ｖ_ｘ、Ｙ方向駆動電圧Ｖ_ｙに変換されて２次元走査部２０に印加される。
一方、前記制御部１０にはレーザダイオード駆動回路３７が接続されており、この駆動回路３７により光源としてのレーザダイオード３８に所定の電圧が印加されるようになっている。

次に、図４は前記２次元走査部２０の概略的な構成を示す図である。
図４において、２１ｘ，２１ｙは支持部、２２ｘ，２２ｙは支持部２１ｘ，２１ｙにそれぞれの一端が固着されたバイモルフ素子（バイモルフピエゾアクチュエータ）、２３ｘはバイモルフ素子２２ｘの他端に取り付けられた回動可能なＸ軸ミラー、２３ｙはバイモルフ素子２２ｙの他端に取り付けられた回動可能なＹ軸ミラーである。

ここで、バイモルフ素子２２ｘ，２２ｙは、周知のように２枚のピエゾ板を張り合わせてこれらのピエゾ板に電圧を印加することにより、それぞれ一平面内における変位を生じるものであり、バイモルフ素子２２ｘに取り付けられたＸ軸ミラー２３ｘを、Ｘ軸２４ｘを中心として回動させ、バイモルフ素子２２ｙに取り付けられたＹ軸ミラー２３ｙを、Ｙ軸２４ｙを中心として回動させるように動作する。
このため、バイモルフ素子２２ｘ，２２ｙに印加されるＸ方向駆動電圧Ｖ_ｘ、Ｙ方向駆動電圧Ｖ_ｙを前記スキャンパターンに従って変化させれば、レーザダイオード３８から照射されたレーザ光ＬをＸ軸ミラー２３ｘ、Ｙ軸ミラー２３ｙにより順次反射させて水面Ｗを２次元的に走査し、レーザ光Ｌの照射範囲として所望の平面を形成することができる。

なお、２次元走査部２０の構造は図４の例に何ら限定されるものではなく、レーザ光Ｌを反射させて水面Ｗを２次元的に走査可能であればいかなる構造であっても良い。
また、図４に示した例では、Ｘ軸２４ｘとＹ軸２４ｙとがいわゆるねじれの位置にあってＹ軸ミラー２３ｙの手前から見ればＸ軸２４ｘとＹ軸２４ｙとがほぼ直交しているが、両軸２４ｘ，２４ｙの位置関係はこれに限定されない。言い換えれば、Ｘ軸ミラー２３ｘが回動する一平面とＹ軸ミラー２３ｙが回動する一平面とは、必ずしも直交していなくても良く、任意の角度で交差するものであれば足りる。

図１に戻って、２次元走査部２０を経て出射したレーザ光Ｌは水面Ｗにより反射し、受光部としてのフォトダイオード３１により受光される。なお、Ａ１はレーザ光Ｌの照射範囲、Ａ２は反射範囲、Ａ３はフォトダイオード３１による受光範囲を示している。

フォトダイオード３１により受光された水面Ｗからの反射光は電気信号に変換され、アンプ３２により増幅された後、ローパスフィルタ３３によりノイズが除去される。ローパスフィルタ３３の出力信号は、同期検波回路３４において前記スキャンパターンのタイミングに従って検波することにより、水面Ｗからの反射光量（反射率）に応じた信号が駆動電圧に同期して生成される。

同期検波回路３４の出力信号はピークホールド回路３５に入力されてそのピーク値が検出されると共に、反射光量の波形観察等を行うためにアナログモニタ出力として利用される。
また、前記ピーク値が、比較器３６における所定のしきい値（油膜検出レベル）を超えるとリレーが駆動され、油膜検出出力を生じさせると共に、外部に伝送するためのＤＣ出力として用いられるようになっている。

オフセット決定ロジック１８は、前述したごとく加算器１４ｘ，１４ｙに与えるオフセット信号Ｓ_ｏを選択するためのものであり、水面モニタ１７の出力信号に応じてバイモルフ素子２２ｘ，２２ｙに対して水面の高さによって照射位置を補正する最適なオフセット信号Ｓ_ｏを選択し、加算器１４ｘ，１４ｙに与えるように機能する。
更に、前記水面モニタ１７は、例えば光学的検出手段により水面Ｗの状態（水位の変動や波立ち、浮遊物の有無等）を検出する一種のセンサとして構成されており、その出力信号はオフセット決定ロジック１８に与えられている。

ここで、上記オフセット信号Ｓ_ｏは以下のようにして決定されるもので、オフセット決定ロジック１８が保有している。
すなわち、水位や波立ちの状態等について各種のケースを予め想定し、それぞれの場合について、前記照射範囲Ａ１に存在する油膜からの反射光をフォトダイオード３１により良好に受光できるようなオフセット信号Ｓ_ｏをテーブル等に格納しておく。そして、実際の油膜検出時には、水面モニタ１７の出力信号に応じてオフセット決定ロジック１８により選択されたオフセット信号Ｓ_ｏをＸ方向パターン信号Ｐ_ｘ、Ｙ方向パターン信号Ｐ_ｙにそれぞれ加算してＸ方向駆動電圧Ｖ_ｘ、Ｙ方向駆動電圧Ｖ_ｙを最適値に調整し、２次元走査部２０のバイモルフ素子２２ｘ，２２ｙに印加して照射範囲Ａ１の照射位置、大きさ及び／または２次元パターンを調整するものである。
なお、オフセット信号Ｓ_ｏを決定するための水位等のデータは、手動にて入力しても良い。

図５は、フォトダイオード３１の受光範囲Ａ３が水面Ｗの水位Ｎの変化によって変化する様子、及び、前記受光範囲Ａ３内に照射範囲Ａ１が入るようにＸ軸ミラー２３ｘの位置Ｍを調整する様子を模式的に示したものである。
フォトダイオード３１による受光範囲Ａ３は、水位がＮ１の場合（水位が高い場合）には紙面に向かって左側にあるが、水位が下がるにつれて、紙面に向かって右側にシフトしていく（水位Ｎ２，Ｎ３）。

ここで、例えば、バイモルフ素子２２ｘに対するＸ方向パターン信号Ｐ_ｘ（オフセット信号Ｓ_ｏはゼロであるとする）に応じたＸ軸ミラー２３ｘの位置が、Ｍ２であるとする。このとき、照射範囲Ａ１からの反射光をフォトダイオード３１が良好に受光できる水位の範囲は、Ｎ２ｎである。
しかし、水位Ｎが上記範囲Ｎ２ｎを超えて上昇または下降した場合、フォトダイオード３１は、照射範囲Ａ１からの反射光を良好に受光することができなくなる。

この場合に、バイモルフ素子２２ｘに対するオフセット信号Ｓ_ｏによりＸ方向パターン信号Ｐ_ｘをマイナス側にシフトすると、バイモルフ素子２２ｘの初期位置が変化することによりＸ軸ミラー２３ｘの位置がＭ１に変化して、上昇した水位Ｎ１に対応することができ、逆に上記Ｘ方向パターン信号Ｐ_ｘをプラス側にシフトすると、Ｘ軸ミラー２３ｘの位置がＭ３に変化して、下降した水位Ｎ３に対応することができる。

なお、詳述はしないが、Ｙ軸ミラー２３ｙについても、例えば照射範囲Ａ１の平面的な位置調整等を行うために、バイモルフ素子２２ｙに対するオフセット信号Ｓ_ｏによりＹ方向パターン信号Ｐ_ｙをプラス側またはマイナス側に調整することが可能である。

以上のように本実施形態によれば、光源やミラーを駆動するモータ等の機械的駆動機構を用いずに、２次元走査部２０の駆動電圧を制御するという電気的制御手段のみによってレーザ光を任意の平面内で走査することができる。このため、従来技術に比べて構造の簡略化、装置の小型化を図ることができる。
また、光源やミラーを複数備える必要がないので、部品数の削減によって更に小型化、低コスト化を達成することができ、光学系の角度調整作業も比較的簡単である。
更に、水面の状態をモニタして得たオフセット信号により２次元走査部２０の駆動電圧を調整することで、水位の変動や波立ち、浮遊物の有無等に関わらず、水面に存在する油膜からの反射光を高精度に受光することができる。

さて、上述した第１実施形態では、レーザダイオード３８から２次元走査部２０を介して水面Ｗに照射したレーザ光Ｌの反射光を、フォトダイオード３１により直接検出している。この場合、２次元走査部２０から水面Ｗへの照射光の光路上にフォトダイオード３１を配置すると照射光が遮られてしまうため、図１や図５に示したように、２次元走査部２０の側方にフォトダイオード３１を配置せざるを得ず、その結果、水面Ｗにおけるレーザ光Ｌの入反射光は所定の角度で交差することになる。

しかし、このような光学系においては、図５等により説明したように、例えばＸ方向パターン信号Ｐ_ｘにオフセット信号Ｓ_ｏを加えれば一定範囲の水位変動には対応可能であるが、Ｘ軸ミラー２３ｘの可動範囲も限られているため、２次元走査部２０から水面Ｗまでの距離が極端に長い場合や短い場合など、水面Ｗからの反射光がフォトダイオード３１の受光範囲から外れてしまう懸念がある。
本発明の第２実施形態は、上記の点に鑑み、２次元走査部から受光素子に至る光学系を改良することにより、水面Ｗまでの距離に関わらず確実に油膜を検出可能としたものである。

まず、図６は第２実施形態における光学系の概略的な構成図であり、図４と同一の機能を有する部材には同一の参照符号を付してある。
図６において、２５ｘ，２５ｙはりん青銅の薄板からなるバネ材であり、それぞれバイモルフ素子２２ｘとＸ軸ミラー２３ｘ、バイモルフ素子２２ｙとＹ軸ミラー２３ｙを連結している。これらのバネ材２５ｘ，２５ｙは、バイモルフ素子２２ｘ，２２ｙの変位を拡大して各ミラー２３ｘ，２３ｙに伝達する機能を持っている。

各バイモルフ素子２２ｘ，２２ｙにＸ方向駆動電圧Ｖ_ｘ、Ｙ方向駆動電圧Ｖ_ｙをそれぞれ印加することにより各バイモルフ素子２２ｘ，２２ｙに変位が発生し、これらの変位は、バネ材２５ｘにより拡大されてＸ軸ミラー２３ｘをＸ軸２４ｘの周囲に回動させると共に、バネ材２５ｙにより拡大されてＹ軸ミラー２３ｙをＹ軸２４ｙの周囲に回動させる。従って、この第２実施形態でも、レーザダイオード３８から照射されたレーザ光ＬをＸ軸ミラー２３ｘ、Ｙ軸ミラー２３ｙにより順次反射させて水面Ｗを２次元的に走査し、レーザ光Ｌの照射範囲として所望の平面を形成することが可能になっている。
なお、後述するように、本実施形態では共振現象を利用してＸ方向及びＹ方向の変位を得ているため、バイモルフ素子２２ｘ、バネ材２５ｘ、Ｘ軸ミラー２３ｘからなる部材、及び、バイモルフ素子２２ｙ、バネ材２５ｙ、Ｙ軸ミラー２３ｙからなる部材を、共振部材とも呼ぶものとする。

次に、４０は凹面鏡であり、Ｙ軸ミラー２３ｙにより反射したレーザ光Ｌが貫通する窓孔４１が形成されていると共に、その下面には、水面Ｗからの反射光を再度反射させる放物曲面または楕円曲面からなる反射面４２が形成されている。ここで、窓孔４１の内径は、レーザ光ＬのＸ方向及びＹ方向の走査幅に応じて設定されている。
また、凹面鏡４０の斜め下方、詳しくは反射面４２の焦点位置には、反射面４２からの反射光が入射するフォトダイオード３１が配置されている。
なお、各バイモルフ素子２２ｘ，２２ｙにＸ方向駆動電圧Ｖ_ｘ、Ｙ方向駆動電圧Ｖ_ｙが印加されていない初期状態では、レーザダイオード３８から出射してＸ軸ミラー２３ｘ、Ｙ軸ミラー２３ｙにより順次反射したレーザ光Ｌが、窓孔４１を通って水面Ｗに鉛直に入射するようになっており、この鉛直線を基準としてレーザ光Ｌが２次元的に走査されるものである。

図７は図６の平面図に相当しており、２０Ａは上記バイモルフ素子２２ｘ，２２ｙ、バネ材２５ｘ，２５ｙ及びミラー２３ｘ，２３ｙからなる２次元走査部を示している。
また、図８はこの第２実施形態の作用を示す概念図であり、２次元走査部２０Ａによりレーザ光ＬをＸ方向に走査した時の水面Ｗからの反射光が反射面４２により反射してフォトダイオード３１に入射する様子を示したものである。ここで、前述した如くレーザ光ＬはＹ方向にも走査されるが、図面中の光路が煩雑になるので、図８では省略してある。

この第２実施形態では、２次元走査部２０Ａによって凹面鏡４０の上方から鉛直線を中心にレーザ光Ｌを照射し、水面Ｗからの反射光を反射面４２により反射させてフォトダイオード３１に入射させるように光学系が構成されている。この場合、仮に水面Ｗが波立っておらず平坦面で完全に静止していれば、２次元走査部２０Ａから鉛直線上に照射されたレーザ光Ｌは水面Ｗにより反射して鉛直線上を窓孔４１方向に戻っていくため検出不可能になるが、現実には、このような状況はほとんどなく、また、２次元走査部２０Ａによりレーザ光Ｌを僅かでも走査すれば、水面Ｗからの反射光はほぼ確実に窓孔４１を外れて反射面４２により捕捉され、フォトダイオード３１に入射する。

従って、反射面４２がある程度の面積を有していれば、水面Ｗの高さ、すなわち２次元走査部２０Ａから水面Ｗまでの距離に関わらず水面Ｗからの反射光を反射面４２が確実に捉えてフォトダイオード３１に入射させることができ、油膜検出精度を高めることができる。
ここで、上記２次元走査部２０Ａに代えて、バネ材２５ｘ，２５ｙを有しない第１実施形態（図４）のような構成の２次元走査部２０を用いることも可能である。

次に、バイモルフ素子２２ｘ，２２ｙの駆動方法について考察する。
一般に、バイモルフ素子により大きな変位を得たい場合には、バイモルフ素子に直流高電圧を印加するのが効果的であるが、回路を高電圧化することによるデメリット（絶縁対策等）を考えた場合、バイモルフ素子やミラーを含む２次元走査部の構成部材（すなわち共振部材）に固有の共振周波数に着目して、この周波数の交流低電圧をバイモルフ素子に印加し、上記構成部材を共振させて駆動することが望ましい。更に、第２実施形態に示したようにバネ材を併用すると、このバネ材の共振作用によりバイモルフ素子の変位を一層拡大してミラーに伝達することができ、Ｘ方向、Ｙ方向の走査幅が長くなって水面Ｗにおけるレーザ光Ｌの照射範囲も拡大する。

ここで、図９（ａ），（ｂ）は、図６に示したようなバイモルフ素子（例えば２２ｘ）、バネ材（同２５ｘ）及びミラー（同２３ｘ）からなる共振部材のバイモルフ素子に、振幅が一定（±１０［Ｖ］）の正弦波交流電圧を周波数変調して印加した場合の走査幅の変動を測定したものである。
なお、図９（ａ）は、バネ材として０．１ｍｍ厚のりん青銅を使用した場合の特性図、図９（ｂ）は、バネ材として０．２ｍｍ厚のりん青銅を使用した場合の特性図を示しており、何れも、駆動電圧の周波数が共振点から外れると走査幅が非常に小さくなることがわかる。
このように、共振周波数は共振部材の構造により異なるので、共振部材ごとに予め固有の共振周波数を測定しておき、バイモルフ素子の駆動電圧の周波数をその値に設定することが必要になる。

しかしながら、上述した固有の共振周波数は、常に一定というわけではない。すなわち、周囲温度の変化によって共振部材の寸法等が微妙に変化し、特にバネ材を用いる場合には特性変化が大きくなって共振周波数は変動する。このように共振周波数が変動すると、バイモルフ素子の駆動電圧の周波数が固定されている限り、Ｘ方向、Ｙ方向の所望の走査幅が得られない事態を生じる。

ここで、図１０は、図９において測定対象とした共振部材のように、バイモルフ素子（例えば２２ｘ）、バネ材（同２５ｘ）及びミラー（同２３ｘ）からなる共振部材の周囲温度−共振周波数特性の一例を示している。この図１０によれば、周囲温度に応じて共振周波数が変化しているのがわかる。
このような場合、バイモルフ素子の駆動電圧の周波数が固定されたままであると、温度によっては共振点からずれてしまい、所望の走査幅が得られないおそれがある。

上記の点に鑑み、発明者は、共振部材の基準温度（例えば２０［℃］）における共振周波数（同１００［Ｈｚ］）を基準として、±１０［Ｈｚ］の範囲で駆動電圧の周波数を周期的に変化（スイープ）させることにより、温度変化に伴って共振周波数にずれが生じた場合にも確実に共振動作を行わせるようにした。
図１１は、周波数のスイープ動作時における周囲温度−走査幅特性の一例を示しており、サンプルとして使用した共振部材は図１０におけるものと同一である。なお、バイモルフ素子に印加した電圧は振幅が±１０［Ｖ］の正弦波交流電圧であり、周波数は前述のように１００［Ｈｚ］±１０［Ｈｚ］とし、スイープ動作は１［ｓｅｃ］のうち２５０［ｍｓｅｃ］をスイープ時間、７５０［ｍｓｅｃ］を停止時間とした。

図１１によれば、周囲温度が変化しても走査幅に与える影響が抑えられ、実用温度範囲では、顕著なばらつきもなく走査幅がほぼ一定に保たれている。これは、前述した周波数のスイープ動作により、各温度において共振動作が確保されており、２次元走査部２０Ａによって所望の走査幅が得られていることを示すものである。
なお、このような周波数のスイープ動作は、第１実施形態（図４）のようにバネ材を持たない構成の２次元走査部２０にも適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る油膜検出装置の概略的な構成図である。図１のパターンメモリに記憶されたスキャンパターン（図２（ａ））と、これに対応するレーザ光の軌跡（図２（ｂ））を示す図である。図１のパターンメモリに記憶されたスキャンパターン（図３（ａ））と、これに対応するレーザ光の軌跡（図３（ｂ））を示す図である。図１における２次元走査部の概略的な構成図である。図１におけるフォトダイオードの受光範囲が変化する様子、及び、Ｘ軸ミラーの位置を調整する様子を模式的に示した図である。本発明の第２実施形態における光学系の概略的な構成図である。本発明の第２実施形態における光学系の概略的な平面図である。本発明の第２実施形態の作用を示す概念図である。本発明の第２実施形態におけるバイモルフ素子駆動電圧の周波数−走査幅特性図である。本発明の第２実施形態における共振部材の周囲温度−共振周波数特性図である。本発明の第２実施形態における周波数スイープ動作時の周囲温度−走査幅特性図である。

符号の説明

１０：制御部
１１：バイナリカウンタ
１２：スキャンパターン決定ロジック
１３：パターンメモリ
１４ｘ，１４ｙ：加算器
１５ｘ，１５ｙ：Ｄ／Ａ変換器
１６ｘ：Ｘ方向駆動回路
１６ｙ：Ｙ方向駆動回路
１７：水面モニタ
１８：オフセット決定ロジック
２０，２０Ａ：２次元走査部
２１ｘ，２１ｙ：支持部
２２ｘ，２２ｙ：バイモルフ素子
２３ｘ：Ｘ軸ミラー
２３ｙ：Ｙ軸ミラー
２４ｘ：Ｘ軸
２４ｙ：Ｙ軸
２５ｘ，２５ｙ：バネ材
３１：フォトダイオード
３２：アンプ
３３：ローパスフィルタ
３４：同期検波回路
３５：ピークホールド回路
３６：比較器
３７：レーザダイオード駆動回路
３８：レーザダイオード
４０：凹面鏡
４１：窓孔
４２：反射面
Ｌ：レーザ光
Ａ１：照射範囲
Ａ２：反射範囲
Ａ３：受光範囲
Ｗ：水面（検出対象面）

Claims

光源から検出対象面に検出光を照射し、前記検出対象面からの反射光を受光素子により受光して前記検出対象面に存在する油膜を検出する油膜検出装置において、
Ｘ方向駆動電圧、Ｙ方向駆動電圧を印加してそれぞれ発生させたＸ方向変位、Ｙ方向変位により前記検出光を２次元的に走査し、前記検出対象面における前記検出光の照射範囲として所望の平面を形成する２次元走査部を備えたことを特徴とする油膜検出装置。
請求項１に記載した油膜検出装置において、
前記検出対象面からの反射光を反射させて前記受光素子に入射させる鏡を備えたことを特徴とする油膜検出装置。
請求項２に記載した油膜検出装置において、
前記鏡を凹面鏡により構成し、この凹面鏡に、前記２次元走査部から前記検出対象面に照射される前記検出光を通過させるための窓孔を形成したことを特徴とする油膜検出装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した油膜検出装置において、
前記２次元走査部は、
前記Ｘ方向駆動電圧が印加されて前記Ｘ方向変位を発生するＸ方向バイモルフ素子、及び、前記Ｙ方向駆動電圧が印加されて前記Ｙ方向変位を発生するＹ方向バイモルフ素子と、
これらのバイモルフ素子にそれぞれ取り付けられて異なる軸を中心に回動し、かつ、前記検出光を順次反射させて前記検出対象面方向へ照射するためのＸ軸ミラー及びＹ軸ミラーと、を備えたことを特徴とする油膜検出装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した油膜検出装置において、
前記２次元走査部は、
前記Ｘ方向駆動電圧が印加されて前記Ｘ方向変位を発生するＸ方向バイモルフ素子、及び、前記Ｙ方向駆動電圧が印加されて前記Ｙ方向変位を発生するＹ方向バイモルフ素子と、
これらのバイモルフ素子にそれぞれバネ材を介して取り付けられて異なる軸を中心に回動し、かつ、前記検出光を順次反射させて前記検出対象面方向へ照射するためのＸ軸ミラー及びＹ軸ミラーと、を備えたことを特徴とする油膜検出装置。
請求項１〜５の何れか１項に記載した油膜検出装置において、
前記検出対象面の状態に応じてオフセット信号を自動的または人為的に与えることにより、前記Ｘ方向駆動電圧及びＹ方向駆動電圧を調整可能にしたことを特徴とする油膜検出装置。
請求項４〜６の何れか１項に記載した油膜検出装置において、
前記バイモルフ素子に印加する駆動電圧の周波数を、このバイモルフ素子を含む前記２次元走査部内の共振部材の所定温度における共振周波数を含む一定範囲内で、周期的に変化させることを特徴とする油膜検出装置。