JPWO2018173294A1 - Measuring device - Google Patents
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Abstract
受光装置は、受光素子と、前記受光素子と流路の間に配置されている光透過性の支持部材と、前記支持部材の表面に配置されている遮光性の被膜を備えている。計測点から前記受光素子に向かう方向に沿って前記支持部材と前記被膜を貫通する中空の光通過孔が形成されている。前記光通過孔の内周面の一部が前記光透過性の支持部材で構成され、前記内周面の他の一部が前記遮光性の被膜で構成されており、前記計測点を通過する粒子によって生じた散乱光が前記光通過孔を通過して前記受光素子に入射することを特徴とする。The light receiving device includes a light receiving element, a light transmissive support member disposed between the light receiving element and the flow path, and a light shielding film disposed on a surface of the support member. A hollow light passage hole penetrating the support member and the coating is formed along a direction from the measurement point toward the light receiving element. A part of the inner peripheral surface of the light passage hole is configured by the light-transmitting support member, and another part of the inner peripheral surface is configured by the light-shielding film, and passes through the measurement point. Scattered light generated by the particles passes through the light passage hole and enters the light receiving element.
Description
本明細書に開示する技術は、計測装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a measurement device.
従来から、計測対象物の速度を計測するレーザードップラー式の計測装置が知られている。レーザードップラー式の計測装置は、レーザー光照射装置と受光装置と処理装置を備えている。レーザー光照射装置は、移動する計測対象物に向かってレーザー光を照射する。レーザー光照射装置から照射されたレーザー光は、移動する計測対象物に当たったときに散乱して散乱光が生じる。そのときに生じた散乱光を受光装置が受光する。受光装置が散乱光を受光すると、処理装置がその散乱光の周波数に基づいて計測対象物の速度を演算する。処理装置は、公知のドップラーシフトに基づく演算方法によって計測対象物の速度を演算する。 Conventionally, a laser Doppler type measuring device for measuring the speed of an object to be measured is known. The laser Doppler type measuring device includes a laser light irradiation device, a light receiving device, and a processing device. The laser beam irradiation apparatus irradiates laser light toward a moving measurement object. The laser light emitted from the laser light irradiation device is scattered when it hits a moving measurement object to generate scattered light. The light receiving device receives the scattered light generated at that time. When the light receiving device receives the scattered light, the processing device calculates the velocity of the measurement object based on the frequency of the scattered light. The processing device calculates the speed of the measurement object by a known calculation method based on a Doppler shift.
特許文献1(日本国特開平5−66226号公報)には、移動する計測対象物に向かって異なる2方向からレーザー光を照射するレーザー光照射装置を備えている計測装置が開示されている。特許文献1の計測装置は、レーザー光照射装置と受光装置と処理装置を備えている。レーザー光照射装置は、移動する計測対象物に向かって第1のレーザー光と第2のレーザー光を照射する。第1のレーザー光と第2のレーザー光は、計測対象物に向かって互いに異なる方向から照射される。レーザー光照射装置から照射された第1のレーザー光と第2のレーザー光は、移動する計測対象物に当たったときに散乱し、それぞれの散乱光が生じる。そのときに生じたそれぞれの散乱光を受光装置が受光する。また、特許文献1の計測装置では、受光装置が集光レンズを備えており、この集光レンズによって様々な散乱光を集光して受光する。受光装置が第1のレーザー光と第2のレーザー光の散乱光を受光すると、処理装置がそれぞれの散乱光の周波数に基づいて計測対象物の速度を演算する。処理装置は、公知のドップラーシフトに基づく演算方法によって計測対象物の速度を演算する。
Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-66226) discloses a measuring device including a laser light irradiation device that irradiates laser light from two different directions toward a moving measurement object. The measuring device of
計測対象物の速度を計測する計測装置では、流路を流れる流体中の粒子の速度を計測することがある。つまり、計測対象物が流体中の粒子であることがある。流体中の粒子としては、例えば、血液中の赤血球等が考えられる。計測装置が流路を流れる血液中の赤血球の速度を計測することになる。これによって、血液の流速を知ることができる。 In a measuring device that measures the velocity of a measurement object, the velocity of particles in a fluid flowing through a flow path may be measured. That is, the measurement object may be particles in the fluid. As the particles in the fluid, for example, red blood cells in blood can be considered. The measuring device measures the velocity of red blood cells in the blood flowing through the flow path. Thereby, the blood flow rate can be known.
一般的に流路を流れる流体中には無数の粒子が存在している。例えば、血液中には無数の赤血球が存在している。無数の粒子は流体中に拡散して存在している。そのため、無数の粒子の中には、例えば、流路の中心部を通過する粒子もあれば、流路の周縁部を通過する粒子もある。また、流体中の無数の粒子の速度は様々である。速度が速い粒子もあれば、速度が遅い粒子もある。 Innumerable particles generally exist in the fluid flowing through the flow path. For example, there are countless red blood cells in the blood. Innumerable particles are diffused in the fluid. Therefore, innumerable particles include, for example, particles that pass through the central portion of the flow channel and particles that pass through the peripheral portion of the flow channel. Also, the speed of countless particles in the fluid varies. Some particles are fast, others are slow.
特許文献1の計測装置を用いて流路を流れる流体中の粒子の速度を計測する場合は、レーザー光照射装置から流路内の任意の計測点に向かって第1のレーザー光と第2のレーザー光を照射する。第1のレーザー光と第2のレーザー光は、流路内の計測点に向かって互いに異なる方向から照射される。レーザー光照射装置から照射された第1のレーザー光と第2のレーザー光は、計測点を通過する粒子に当たったときに散乱し、それぞれの散乱光が生じる。そのときに生じたそれぞれの散乱光を受光装置が受光する。受光装置は、集光レンズによって様々な散乱光を集光して受光する。そして、受光装置が受光したそれぞれの散乱光の周波数に基づいて、処理装置が計測点を通過する粒子の速度を演算する。
When measuring the velocity of particles in the fluid flowing through the flow path using the measurement device of
計測点を通過する粒子の速度を正確に計測するためには、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光を受光装置が十分に受光することが好ましい。また、粒子の速度を正確に計測するためには、レーザー光照射装置から計測点に向かって第1のレーザー光と第2のレーザー光を照射する際に、各レーザー光を計測点のみに照射すればよい。そうすれば、計測点を通過する粒子のみに第1のレーザー光と第2のレーザー光が当たり、各レーザー光がその粒子に当たったときに生じる散乱光のみを取り出すことができる。したがって理想的には、第1のレーザー光と第2のレーザー光を照射する際に、第1のレーザー光と第2のレーザー光が計測点のみで重なり合うように照射することが好ましい。しかしながら現実的には、第1のレーザー光と第2のレーザー光を計測点のみに照射することは困難であり、光の拡散等によって計測点の周辺にも第1のレーザー光と第2のレーザー光が照射されてしまう。つまり、第1のレーザー光と第2のレーザー光が、光の拡散等によって計測点及びその周辺で重なり合うように照射されてしまう。そうすると、レーザー光照射装置から照射された第1のレーザー光と第2のレーザー光が粒子に当たって散乱するときに、計測点を通過する粒子に当たって散乱するだけでなく、計測点の周辺を通過する粒子にも第1のレーザー光と第2のレーザー光が当たって散乱してしまう。そのため、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光だけでなく、計測点の周辺を通過する粒子によって生じた散乱光も取り出してしまうことになる。そうすると、流体中の無数の粒子の速度が様々であるので、様々な速度の粒子によって生じた様々な散乱光を受光装置が受光することになる。その結果、処理装置が様々な散乱光の周波数に基づいて粒子の速度を演算することになってしまい、流路を流れる流体中の粒子の速度を正確に計測することが困難になる。また、特許文献1の計測装置では、受光装置が集光レンズによって様々な散乱光を集光して受光しているので、処理装置が様々な散乱光の周波数に基づいて粒子の速度を演算することになる。その結果、流路を流れる流体中の粒子の速度を正確に計測することが困難になる。このように、特許文献1の計測装置では、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光だけでなく、余分な散乱光も受光してしまうので、粒子の速度を正確に計測することが困難になる。特許文献1の計測装置は、計測対象物の速度が均一である場合は問題無いが、管内を流れる液体の中の粒子のように速度が様々である場合は問題が生じてしまう。そこで本明細書は、余分な散乱光を受光することを抑制することができる技術を提供する。
In order to accurately measure the velocity of the particles passing through the measurement point, it is preferable that the light receiving device sufficiently receive the scattered light generated by the particles passing through the measurement point. Moreover, in order to accurately measure the velocity of particles, each laser beam is irradiated only on the measurement point when the first laser beam and the second laser beam are irradiated from the laser beam irradiation device toward the measurement point. do it. Then, only the scattered light generated when the first laser light and the second laser light hit only the particles passing through the measurement point and each laser light hits the particles can be taken out. Therefore, ideally, when the first laser beam and the second laser beam are irradiated, it is preferable to irradiate the first laser beam and the second laser beam so as to overlap only at the measurement point. However, in reality, it is difficult to irradiate only the measurement point with the first laser beam and the second laser beam, and the first laser beam and the second laser beam are also distributed around the measurement point by light diffusion or the like. Laser light will be irradiated. That is, the first laser beam and the second laser beam are irradiated so as to overlap each other around the measurement point due to light diffusion or the like. Then, when the first laser light and the second laser light irradiated from the laser light irradiation device hit the particles and scatter, the particles pass not only the particles passing through the measurement point but also passing around the measurement point. In addition, the first laser beam and the second laser beam hit and scatter. Therefore, not only scattered light generated by particles passing through the measurement point but also scattered light generated by particles passing around the measurement point are extracted. Then, since the speed of countless particles in the fluid is various, the light receiving device receives various scattered lights generated by the particles having various speeds. As a result, the processing apparatus calculates the velocity of the particles based on various scattered light frequencies, and it becomes difficult to accurately measure the velocity of the particles in the fluid flowing through the flow path. Moreover, in the measuring apparatus of
本明細書に開示する計測装置は、流路を流れる流体中の粒子の速度を計測するための計測装置である。この計測装置は、レーザー光照射装置と、受光装置を備えている。前記レーザー光照射装置は、前記流路内の計測点に向かって進行する第1のレーザー光と、第1のレーザー光と異なる方向から前記流路内の前記計測点に向かって進行する第2のレーザー光を照射する。受光装置は、前記レーザー光照射装置から照射された第1のレーザー光と第2のレーザー光が前記計測点を通過する粒子に当たったときにそれぞれ生じる散乱光を受光する。前記受光装置は、受光素子と、前記受光素子と前記流路の間に配置されている光透過性の支持部材と、前記支持部材の表面に配置されている遮光性の被膜を備えている。前記計測点から前記受光素子に向かう方向に沿って前記支持部材と前記被膜を貫通する中空の光通過孔が形成されている。前記光通過孔の内周面の一部が前記光透過性の支持部材で構成され、前記内周面の他の一部が前記遮光性の被膜で構成されており、前記計測点を通過する粒子によって生じた散乱光が前記光通過孔を通過して前記受光素子に入射することを特徴とする。 The measuring device disclosed in this specification is a measuring device for measuring the velocity of particles in a fluid flowing through a flow path. This measuring device includes a laser beam irradiation device and a light receiving device. The laser beam irradiation device has a first laser beam traveling toward the measurement point in the flow path, and a second laser beam traveling toward the measurement point in the flow path from a direction different from the first laser beam. Irradiate the laser beam. The light receiving device receives scattered light respectively generated when the first laser light and the second laser light irradiated from the laser light irradiation device hit the particles passing through the measurement point. The light receiving device includes a light receiving element, a light-transmitting support member disposed between the light receiving element and the flow path, and a light-shielding coating disposed on the surface of the support member. A hollow light passage hole penetrating the support member and the coating is formed along the direction from the measurement point toward the light receiving element. A part of the inner peripheral surface of the light passage hole is configured by the light-transmitting support member, and another part of the inner peripheral surface is configured by the light-shielding film, and passes through the measurement point. Scattered light generated by the particles passes through the light passage hole and enters the light receiving element.
このような構成によれば、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光が光通過孔を通過して受光素子に入射する。しかしながら、レーザー光照射装置から第1のレーザー光と第2のレーザー光が照射されたときに、計測点だけでなく、計測点の周辺にも第1のレーザー光と第2のレーザー光が照射されてしまうことがある。そうすると、計測点を通過する粒子だけでなく、計測点の周辺を通過する粒子によっても散乱光が生じてしまう。このとき、上記の構成によれば、光通過孔を備えているので、計測点の周辺を通過する粒子によって生じた散乱光が受光素子に入射することを抑制できる。すなわち、上記の構成によれば、計測点と受光素子の間で光通過孔が計測点から受光素子に向かう方向に延びているので、計測点を通過する粒子によって生じた散乱光は光通過孔を通過して受光素子に入射するが、計測点の周辺を通過する粒子によって生じた散乱光は、光通過孔の存在によって受光素子に入射しにくくなる。これによって、余分な散乱光を受光することを抑制できる。 According to such a configuration, scattered light generated by particles passing through the measurement point passes through the light passage hole and enters the light receiving element. However, when the first laser beam and the second laser beam are irradiated from the laser beam irradiation apparatus, the first laser beam and the second laser beam are irradiated not only at the measurement point but also around the measurement point. It may be done. Then, scattered light is generated not only by the particles passing through the measurement point but also by particles passing around the measurement point. At this time, according to the above configuration, since the light passage hole is provided, it is possible to suppress the scattered light generated by the particles passing around the measurement point from entering the light receiving element. That is, according to the above configuration, since the light passage hole extends in the direction from the measurement point to the light receiving element between the measurement point and the light receiving element, the scattered light generated by the particles passing through the measurement point is reflected in the light passage hole. However, the scattered light generated by the particles passing around the measurement point is less likely to enter the light receiving element due to the presence of the light passage hole. Accordingly, it is possible to suppress receiving excessive scattered light.
また、計測点の周辺を通過する粒子によって生じた散乱光が、光通過孔に入射して光通過孔の内周面に当たることがある。このとき、上記の構成によれば、光通過孔の内周面の一部が光透過性の支持部材で構成され、内周面の他の一部が遮光性の被膜で構成されているので、光通過孔の内周面に当たる散乱光の一部のみが内周面で反射する。具体的には、光通過孔の内周面に当たる散乱光のうち、一部は遮光性の被膜で反射し、他の一部は光透過性の支持部材で反射せずに支持部材の内部に入射する。光透過性の支持部材と遮光性の被膜を組み合わせることによって、光通過孔の内周面で散乱光が反射する範囲を相対的に小さくすることができる。光通過孔の内周面で散乱光が反射すると、反射光が様々な方向に進行する。そうすると、受光素子が様々な方向から光を受光する可能性が高くなる。しかしながら、上記の構成によれば、光通過孔の内周面で散乱光が反射する範囲が相対的に小さくなるので、受光素子が様々な方向から光を受光する可能性が低くなる。これによって、余分な散乱光を受光することを抑制できる。また、上記の構成によれば、支持部材と被膜を組み合わせることにより、支持部材によって被膜の強度を維持することができるので、被膜の厚みを薄くすることができる。遮光性の被膜の厚みを薄くすると、光通過孔の内周面で散乱光が反射する範囲をより小さくすることができるので、受光素子が余分な散乱光を受光することをより抑制できる。 In addition, scattered light generated by particles passing around the measurement point may enter the light passage hole and hit the inner peripheral surface of the light passage hole. At this time, according to the above configuration, a part of the inner peripheral surface of the light passage hole is configured by a light-transmitting support member, and the other part of the inner peripheral surface is configured by a light-shielding film. Only a part of the scattered light impinging on the inner peripheral surface of the light passage hole is reflected by the inner peripheral surface. Specifically, some of the scattered light striking the inner peripheral surface of the light passage hole is reflected by the light-shielding coating, and the other part is not reflected by the light-transmitting support member but inside the support member. Incident. By combining the light-transmitting support member and the light-shielding film, the range in which the scattered light is reflected on the inner peripheral surface of the light passage hole can be relatively reduced. When scattered light is reflected on the inner peripheral surface of the light passage hole, the reflected light travels in various directions. If it does so, possibility that a light receiving element will receive light from various directions becomes high. However, according to the above configuration, the range in which the scattered light is reflected by the inner peripheral surface of the light passage hole becomes relatively small, so that the possibility that the light receiving element receives light from various directions is reduced. Accordingly, it is possible to suppress receiving excessive scattered light. Moreover, according to said structure, since the intensity | strength of a film can be maintained with a supporting member by combining a supporting member and a film, the thickness of a film can be made thin. If the thickness of the light-shielding film is reduced, the range in which the scattered light is reflected on the inner peripheral surface of the light passage hole can be reduced, so that it is possible to further suppress the light receiving element from receiving excess scattered light.
上記の計測装置において、前記被膜が、前記支持部材の前記受光素子側の表面に配置されていてもよい。 In the measurement apparatus, the coating film may be disposed on a surface of the support member on the light receiving element side.
このような構成によれば、被膜が受光素子と反対側(流路側)に露出することが抑制される。これによって、被膜が外部に露出することが抑制され、被膜を保護することができる。 According to such a structure, it is suppressed that a film is exposed to the opposite side (flow path side) with respect to a light receiving element. Thereby, the coating is suppressed from being exposed to the outside, and the coating can be protected.
また、上記の計測装置は、流体中の粒子の速度を演算可能な処理装置を更に備えていてもよい。前記処理装置は、流体の濃度に影響されずに流体中の粒子の速度を演算する第1演算式と、角度を使わない数式構成で濃度に応じて変化する相対速度を演算する第2演算式とに基づいて、流体の濃度を演算してもよい。 In addition, the measurement device may further include a processing device that can calculate the velocity of particles in the fluid. The processing apparatus includes a first arithmetic expression that calculates the velocity of particles in the fluid without being influenced by the concentration of the fluid, and a second arithmetic expression that calculates a relative velocity that changes in accordance with the concentration in a mathematical configuration that does not use an angle. Based on the above, the concentration of the fluid may be calculated.
このような構成によれば、流体中の粒子の速度と流体の濃度を一緒に求めることができる。 According to such a configuration, the velocity of the particles in the fluid and the concentration of the fluid can be obtained together.
以下に実施例について添付図面を参照して説明する。図1に示すように、実施例に係る計測装置1は、固定具62によって透明な管61に固定されて使用される。管61内に流路60が形成されている。計測装置1は、流路60を流れる流体F中の粒子Rの速度vを計測する装置である。これによって、流体Fの流速を知ることができる。
Embodiments will be described below with reference to the accompanying drawings. As shown in FIG. 1, the measuring
流路60を流れる流体F中には無数の粒子Rが存在している。無数の粒子Rは流体F中に拡散して存在している。したがって、無数の粒子Rの中には、例えば、流路60の中心部を通過する粒子Rもあれば、流路60の周縁部を通過する粒子Rもある。また、無数の粒子Rの速度は様々である。速度が速い粒子Rもあれば、速度が遅い粒子Rもある。流路60を流れる流体F中の粒子Rの速度vを計測する際に、流路60内の特定の計測点10に絞って粒子Rの速度vを計測することがある。流路60内の計測点10の位置は特に限定されるものではないが、例えば、流路60の中心部を計測点10として、流路60の中心部を通過する粒子Rの速度vを計測することができる。一般的に、層流の場合、流路60の中心部を流れる流体Fの流速は、流路60の全体を流れる流体Fの平均流速の2倍に相当することが知られている。
Innumerable particles R exist in the fluid F flowing through the
流路60を流れる流体Fとしては、例えば血液が挙げられる。流体F中の粒子Rとしては、例えば赤血球が挙げられる。計測装置1によって血液中の赤血球の速度を計測することができる。これによって、血液の流速を知ることができる。医療現場では、患者の体内を流れる血液を体外に送り出し、体外に送り出した血液を再び体内に送り戻す体外循環が行われることがある。この体外循環では、体外循環用の管が患者の血管に接続され、患者の血管を流れる血液が体外循環用の管に流入し、体外循環用の管を流れた血液が再び患者の血管に戻される。図1に示す計測装置1によって体外循環用の管61を流れる血液(流体F)中の赤血球(粒子R)の速度vを計測することができる。
An example of the fluid F flowing through the
図1に示すように、計測装置1は、レーザー光照射装置2と、受光装置3と、処理装置9を備えている。レーザー光照射装置2は、発光素子21と、コリメーターレンズ22と、回折格子23と、第1のミラー241と、第2のミラー242を備えている。発光素子21は、例えばレーザーダイオード(LD)である。発光素子21は、コリメーターレンズ22と対向するように配置されている。発光素子21は、コリメーターレンズ22に向けてレーザー光Lを発光する。発光素子21が発光したレーザー光Lがコリメーターレンズ22に入射する。発光素子21は、第1のミラー241及び第2のミラー242が配置されている方向とは反対側にレーザー光Lを発光する。発光素子21は、回折格子23と第1のミラー241及び第2のミラー242との間に配置されている。
As shown in FIG. 1, the measuring
コリメーターレンズ22は、発光素子21と回折格子23の間に配置されている。コリメーターレンズ22は、発光素子21が発光したレーザー光Lを平行光にして出射する。コリメーターレンズ22から出射したレーザー光L(平行光)は、回折格子23に入射する。
The
回折格子23は、コリメーターレンズ22と対向するように配置されている。回折格子23は、可動式になっており、移動装置25によって回折格子23を移動させることができる。移動装置25は、回折格子23と第1のミラー241及び第2のミラー242との間の距離を変えることができる。移動装置25は、例えば機械式の装置であり、ボルトを回すことによって回折格子23を上下動させることができる。回折格子23の位置を変えることによって、流路60内の計測点10の位置を変えることができる。回折格子23は、光の回折を利用して回折格子23に入射したレーザー光Lを第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2に分ける。回折格子23は、反射型の回折格子である。回折格子23に入射したレーザー光Lが回折格子23で反射するときに第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2に分かれる。発光素子21が発光したレーザー光Lが回折格子23で反射することによって第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2に分かれる。
The
回折格子23によって生じた第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、異なる方向に進行する。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、発光素子21とコリメーターレンズ22を結ぶ線に関して線対称になるように進行する。図1に示す例では、第1のレーザー光L1が右斜め上方に向かって進行し、第2のレーザー光L2が左斜め上方に向かって進行する。第1のレーザー光L1が第1のミラー241に向かって進行し、第2のレーザー光L2が第2のミラー242に向かって進行する。第1のレーザー光L1の波長と第2のレーザー光L2の波長は同じ波長である。また、第1のレーザー光L1の周波数と第2のレーザー光L2の周波数は同じ周波数である。
The first laser beam L1 and the second laser beam L2 generated by the
第1のミラー241と第2のミラー242は、回折格子23と管61の間に配置されている。第1のミラー241と第2のミラー242は、互いに向かい合っている。回折格子23によって生じた第1のレーザー光L1が第1のミラー241に入射し、第2のレーザー光L2が第2のミラー242に入射する。第1のミラー241は第1の反射面43を備えている。第2のミラー242は第2の反射面44を備えている。第1の反射面43と第2の反射面44は、互いに向かい合っている。第1の反射面43では、第1のミラー241に入射した第1のレーザー光L1が反射する。第2の反射面44では、第2のミラー242に入射した第2のレーザー光L2が反射する。
The
第1のミラー241の第1の反射面43で反射した第1のレーザー光L1は、管61内の流路60に入射する。また、第2のミラー242の第2の反射面44で反射した第2のレーザー光L2も、管61内の流路60に入射する。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、流路60内の計測点10に向かって進行する。
The first
第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、互いに異なる方向から計測点10に向かって進行する。すなわち、レーザー光照射装置2から流路60内の計測点10に向かって第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が互いに異なる方向から照射される。第1のレーザー光L1は、流路60の下流側から計測点10に向かって進行する。第2のレーザー光L2は、流路60の上流側から計測点10に向かって進行する。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、流路60内の計測点10で干渉して重なり合う。
The first laser beam L1 and the second laser beam L2 travel toward the
流路60には流体F(例えば血液)が流れており、流体F中には無数の粒子R(例えば赤血球)が存在している。無数の粒子Rのうち、流路60内の計測点10を通過する粒子Rが存在する。計測点10を通過する粒子Rに第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が当たると、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が散乱する。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2は、異なる方向から粒子Rに当たる。第1のレーザー光L1は、流路60の下流側から粒子Rに当たる。すなわち、第1のレーザー光L1は、粒子Rの進行方向側から粒子Rに当たる。一方、第2のレーザー光L2は、流路60の上流側から粒子Rに当たる。すなわち、第2のレーザー光L2は、粒子Rの進行方向と反対側から粒子Rに当たる。第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が粒子Rに当たって散乱したときに散乱光が生じる。第1のレーザー光L1が粒子Rに当たって散乱することによって第1の散乱光P1が生じる。また、第2のレーザー光L2が粒子Rに当たって散乱することによって第2の散乱光P2が生じる。散乱によって生じた第1の散乱光P1と第2の散乱光P2は計測点10の周囲の様々な方向に向かって進行する。そのうち、計測点10から受光装置3に向かって進行する第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が存在する。受光装置3が第1の散乱光P1と第2の散乱光P2を受光する。
A fluid F (for example, blood) flows through the
第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が粒子Rに当たって散乱するときにそれぞれの周波数が変化する。ドップラーシフトによって周波数が変化する。第1のレーザー光L1の散乱によって生じた第1の散乱光P1の周波数f1は、第1のレーザー光L1の周波数と異なる周波数である。また、第2のレーザー光L2の散乱によって生じた第2の散乱光P2の周波数f2は、第2のレーザー光L2の周波数と異なる周波数である。また、第1の散乱光P1の周波数f1と第2の散乱光P2の周波数f2は、互いに異なる周波数である。 When the first laser beam L1 and the second laser beam L2 strike the particle R and scatter, the respective frequencies change. The frequency changes due to the Doppler shift. The frequency f1 of the first scattered light P1 generated by the scattering of the first laser light L1 is a frequency different from the frequency of the first laser light L1. Further, the frequency f2 of the second scattered light P2 generated by the scattering of the second laser light L2 is a frequency different from the frequency of the second laser light L2. The frequency f1 of the first scattered light P1 and the frequency f2 of the second scattered light P2 are different from each other.
受光装置3は、管61とレーザー光照射装置2の間に配置されている。受光装置3は、流路60と対向するように配置されている。受光装置3は、図示しない固定具によってレーザー光照射装置2の第1のミラー241と第2のミラー242に固定されている。図2に示すように、受光装置3は、受光素子31と、遮光性の箱体38を備えている。箱体38内に受光素子31が配置されている。
The
箱体38は、前壁38aと、後壁38bと、一対の側壁38c、38cを備えている。前壁38aは、管61(図2には図示せず)と受光素子31の間に配置されている。後壁38bは、受光素子31とレーザー光照射装置2(図2には図示せず)の間に配置されている。一対の側壁38c、38cは、前壁38aと後壁38bの間に配置されている。箱体38の後壁38bに受光素子31が固定されている。箱体38の前壁38aは受光素子31から離れた位置に配置されている。前壁38aには中空の光通過孔35が形成されている。
The
光通過孔35は、計測点10と受光素子31の間に形成されている。光通過孔35は、計測点10から受光素子31に向かう方向に延びている。光通過孔35と計測点10と受光素子31が同軸の位置にあることが好ましい。光通過孔35は、入射口36と出射口37を備えている。計測点10を通過する粒子Rによって生じた第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が光通過孔35の入射口36から光通過孔35に入射する。計測点10から受光素子31に向かって進行する第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が光通過孔35に入射する。光通過孔35に入射した第1の散乱光P1と第2の散乱光P2は、光通過孔35を通過して、光通過孔35の出射口37から出射する。光通過孔35の出射口37から出射した第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が受光素子31に入射する。
The
図3に示すように、箱体38の前壁38aは、支持部材71と、支持部材71の表面に配置されている被膜72を備えている。支持部材71と被膜72は、受光素子31と流路60(図4には図示せず)の間に配置されている。支持部材71は、光透過性を有する部材である。支持部材71は、被膜72を支持している。被膜72は、遮光性の膜である。被膜72の厚みは、支持部材71の厚みより薄い。被膜72は、支持部材71の表面を覆っている。被膜72は、支持部材71の受光素子31と反対側(流路60側)の表面に配置されている。
As shown in FIG. 3, the
支持部材71と被膜72には貫通孔が形成されており、その貫通孔によって光通過孔35が形成されている。光通過孔35の内周面351に支持部材71と被膜72が露出している。光通過孔35の内周面351の一部が支持部材71で構成されている。光通過孔35の内周面351の他の一部が被膜72で構成されている。支持部材71の表面に被膜72を貼り付けた後に光通過孔35を形成する。
A through hole is formed in the
図2に示すように、受光素子31は、光通過孔35を通過した第1の散乱光P1と第2の散乱光P2を受光する。受光素子31は、例えばフォトダイオード(PD)である。受光素子31は、光通過孔35の出射口37と対向している。出射口37から出射した散乱光P1、P2が受光素子31に入射する。
As shown in FIG. 2, the
図4及び図5に示すように、受光素子31は、有効受光領域312と受光面313を備えている。受光素子31は、有効受光領域312に入射する散乱光P1、P2を有効に受光することができる。一方、受光素子31は、有効受光領域312以外の部分に入射する散乱光P1、P2を有効に受光することができない。有効受光領域312は、入射する光を電気信号に変換することができる領域である。有効受光領域312は、受光素子31の中央部に形成されている。受光素子31の有効受光領域312は、例えば受光素子31の製品仕様書から知ることができる。受光面313は、有効受光領域312の表面である。受光素子31は、受光面313に入射する散乱光P1、P2を受光することができる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図6に示すように、処理装置9は、発光素子21と受光素子31に電気的に接続されている。処理装置9は、発光素子21が発光するレーザー光Lと、受光素子31が受光する第1の散乱光P1と第2の散乱光P2に基づいて、計測点10を通過する粒子Rの速度vを演算する。処理装置9は、ドップラーシフトに基づく演算方法によって粒子Rの速度vを演算する。また、処理装置9は、流路60を流れる流体Fの濃度dを演算する。
As shown in FIG. 6, the
次に、処理装置9が粒子Rの速度vを演算する方法の一例について説明する。処理装置9はまず、受光素子31が受光した光(第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が干渉した光)についてスペクトル解析する。スペクトル解析は、例えばFFTアナライザーを用いて行うことができる。スペクトル解析については、公知の解析方法であるので詳細な説明を省略する。図7は、スペクトル解析の結果の一例を示すグラフである。図7のグラフにおける横軸が周波数であり、縦軸が各周波数成分の強度である。図7では、流路60を流れる流体Fの濃度dに応じたグラフが描かれている。本実施例では、第1の濃度da、第2の濃度db、第3の濃度dcに応じた3つのグラフが描かれている。
Next, an example of a method in which the
処理装置9は、下記の第1の演算式(1)に基づいて粒子Rの速度vAを演算することができる。また、処理装置9は、下記の第2の演算式(2)に基づいて粒子Rの速度vBを演算することができる。第1の演算式(1)は、流体Fの濃度dに影響されずに流体F中の粒子Rの速度を演算する式である。第1の演算式(1)によって算出される速度vAは、流体Fの濃度dの影響を受けない。第2の演算式(2)は、角度θを使わない簡素な数式構成で濃度に応じて変化する相対速度を算出する演算式である。第2の演算式(2)によって算出される速度vBは、流体Fの濃度dの影響を受ける。
上記の第1の演算式(1)において、λは、発光素子21のレーザー光Lの波長である。fdは、受光素子31が受光する光(第1の散乱光P1と第2の散乱光P2が干渉した光)のドップラー周波数である。θは、計測点10に向かって進行する第1のレーザー光L1と、計測点10と受光装置3を結んだ線とのなす角度(あるいは、計測点10に向かって進行する第2のレーザー光L2と、計測点10と受光装置3を結んだ線とのなす角度)である。
In the first arithmetic expression (1), λ is the wavelength of the laser light L of the
また、上記の第2の演算式(2)において、Aは、濃度成分を含んだ補正係数である。Mは、図7のグラフに基づいて算出される一次モーメントである。このMは、下記の数3の式によって算出される。数3の式において、xは、図7のグラフにおける周波数(横軸)の値である。f(x)は、図7のグラフにおける周波数xのときの強度(縦軸)の値である。処理装置9は、流体Fの濃度dに応じて各一次モーメントMを演算する。処理装置9は、第1の濃度da、第2の濃度db、第3の濃度dcのそれぞれについて一次モーメントMを演算する。
次に、処理装置9が流体Fの濃度dを演算する方法の一例について説明する。処理装置9は、上記の第1の演算式(1)と第2の演算式(2)に基づいて流体Fの濃度dを演算することができる。演算方法について以下に詳細に説明する。
Next, an example of a method by which the
まず、上記の第1の演算式(1)を下記の数4のように変形する。また、上記の第2の演算式(2)を下記の数5のように変形する。また、数4を数5に代入して整理すると下記の数6のようになる。
次に、下記の数7のように定数Bを定義する。また、下記の数8のように数Dを定義する。そして、数7と数8を上記の数6に代入して整理すると下記の数9のようになる。
上記の数9におけるAは、濃度成分を含んだ補正係数である。補正係数Aにおける濃度成分以外を右辺のBに移項すると、下記の数10のように表すことができる。
以上によって、流体Fの濃度dを算出することができる。処理装置9は、第1の濃度da、第2の濃度db、第3の濃度dcのそれぞれについて上記の演算を行う。図8は、上記の数8で定義したDと流体Fの濃度dの関係を示すグラフである。図8に示すように、Dの値が高くなると、流体Fの濃度dが低くなる。
Thus, the concentration d of the fluid F can be calculated. The
以上の説明から明らかなように、実施例の計測装置1は、流路60を流れる流体F中の粒子Rの速度vを計測するための装置であって、レーザー光照射装置2と受光装置3を備えている。レーザー光照射装置2は、流路60内の計測点10に向かって進行する第1のレーザー光L1と、第1のレーザー光L1と異なる方向から流路60内の計測点10に向かって進行する第2のレーザー光L2を照射する。受光装置3は、レーザー光照射装置2から照射された第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が計測点10を通過する粒子Rに当たったときにそれぞれ生じる散乱光P1、P2を受光する。受光装置3は、受光素子31と、受光素子31と流路60の間に配置されている光透過性の支持部材71と、支持部材71の表面に配置されている遮光性の被膜72を備えている。そして、計測点10から受光素子31に向かう方向に沿って支持部材71と被膜72を貫通する中空の光通過孔35が形成されている。光通過孔35の内周面351の一部が光透過性の支持部材71で構成され、内周面351の他の一部が遮光性の被膜72で構成されている。計測点10を通過する粒子Rによって生じた散乱光P1、P2は、光通過孔35を通過して受光素子31に入射する。
As is clear from the above description, the measuring
上記の構成によれば、計測点10を通過する粒子Rによって生じた散乱光P1、P2を受光装置3が受光する。受光装置3が受光した散乱光P1、P2の周波数に基づいて、計測点10を通過する粒子Rの速度vを演算することができる。計測点10を通過する粒子Rの速度vを計測するためには、レーザー光照射装置2から第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2を照射する際に、計測点10のみに第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2を照射することが好ましい。しかしながら現実的には、計測点10のみに第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2を照射することは困難であり、光の拡散等によって、計測点10の周辺にも第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が照射されてしまう。そうすると、レーザー光照射装置2から照射された第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2が流体F中の粒子Rに当たって散乱するときに、計測点10を通過する粒子Rに当たって散乱するだけでなく、計測点10の周辺を通過する粒子Rにも当たって散乱してしまう。その結果、計測点10を通過する粒子Rによって散乱光が生じるだけでなく、計測点10の周辺を通過する粒子Rによっても散乱光が生じてしまう。しかしながら上記の構成では、光通過孔35を備えているので、計測点10を通過する粒子Rによって生じた散乱光を受光するとともに、計測点10の周辺を通過する粒子Rによって生じた散乱光を受光することを抑制できる。すなわち、上記の構成によれば、計測点10と受光素子31の間で光通過孔35が計測点10から受光素子31に向かう方向に延びているので、計測点10を通過する粒子Rによって生じた散乱光は光通過孔35を通過して受光素子31に入射するが、計測点10の周辺を通過する粒子Rによって生じた散乱光は、光通過孔35の存在によって受光素子31に入射しにくくなる。これによって、余分な散乱光を受光することを抑制できる。
According to the above configuration, the
また、計測点10の周辺を通過する粒子Rによって生じた散乱光が、光通過孔35に入射して光通過孔35の内周面351に当たることがある。このとき、上記の構成によれば、光通過孔35の内周面351の一部が光透過性の支持部材71で構成され、内周面351の他の一部が遮光性の被膜72で構成されているので、光通過孔35の内周面351に当たる散乱光の一部のみが内周面351で反射する。具体的には、図3に示すように、光通過孔35の内周面351に当たる散乱光P3、P4のうち、一部の散乱光P3は遮光性の被膜72で反射し、他の一部の散乱光P4は光透過性の支持部材71で反射せずに支持部材71の内部に入射する。光透過性の支持部材71と遮光性の被膜72を組み合わせることによって、光通過孔35の内周面351のうち、散乱光が反射する範囲を相対的に小さくすることができる。図3の散乱光P3のように、光通過孔35の内周面351で散乱光が反射すると、反射光が様々な方向に進行する。そうすると、受光素子31が様々な方向から光を受光する可能性が高くなる。しかしながら、上記の構成によれば、光通過孔35の内周面351で散乱光が反射する範囲が相対的に小さくなるので、受光素子31が様々な方向から光を受光する可能性が低くなる。これによって、受光素子31が余分な散乱光を受光することを抑制できる。また、上記の構成によれば、支持部材71と被膜72を組み合わせることにより、支持部材71によって被膜72の強度を維持することができるので、被膜72の厚みを薄くすることができる。遮光性の被膜72の厚みを薄くすると、光通過孔35の内周面351で散乱光が反射する範囲をより小さくすることができるので、受光素子31が余分な散乱光を受光することをより抑制できる。
In addition, scattered light generated by the particles R passing around the
受光素子31が様々な散乱光を受光すると、処理装置9が粒子Rの速度vを正確に演算することができなくなる。しかしながら、上記の構成によれば、受光素子31が余分な散乱光を受光することを抑制することができるので、処理装置9が粒子Rの速度vを正確に演算することができる。
When the
また、処理装置9は、流体Fの濃度dに影響されずに流体F中の粒子Rの速度を演算する第1の演算式と、角度θを使わない簡素な数式構成で濃度に応じて変化する相対速度を演算する第2の演算式とに基づいて、流体Fの濃度dを演算することができる。したがって、粒子Rの速度vと流体Fの濃度dを併せて算出することができる。
In addition, the
以上、一実施例について説明したが、具体的な態様は上記実施例に限定されるものではない。以下の説明において、上述の説明における構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。 Although one embodiment has been described above, the specific mode is not limited to the above embodiment. In the following description, the same components as those described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
上記で説明した光通過孔35の形状は特に限定されるものではない。例えば、図9に示すように、光通過孔35の形状が平面視において円形状であってもよい。または、図10に示すように、光通過孔35の形状が平面視において多角形状であってもよい。また、図11に示すように、複数の光通過孔35が平面視においてスリット状に形成されていてもよい。
The shape of the
また、上記の実施例では、支持部材71の受光素子31と反対側の表面に被膜72が配置されていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施例では、図12に示すように、支持部材71の受光素子31側の表面に被膜72が配置されていてもよい。すなわち、支持部材71の流路60と反対側の表面に被膜72が配置されていてもよい。
In the above embodiment, the
このような構成によれば、被膜72が流路60と反対側に配置され、被膜72が箱体38の外部に露出することが抑制される。そのため、被膜72を保護することができる。
According to such a configuration, the
また、更に他の実施例では、支持部材71の両面(支持部材71の受光素子31側の表面と受光素子31と反対側の表面の両方)に被膜72が配置されていてもよい。
In still another embodiment, the
また、計測装置1におけるレーザー光照射装置2の構成は、上記の実施例に限定されるものではない。例えば、レーザー光照射装置2の発光素子21、第1のミラー241、第2のミラー242等の配置構成は上記の実施例に限定されるものではない。図13は、他の実施例に係る計測装置の概略構成を示す図である。図13に示すように、レーザー光照射装置2は、発光素子21と、コリメーターレンズ22と、ビームスプリッタ26と、第1のミラー241と、第2のミラー242を備えている。発光素子21は、管61の長手方向に対して斜めにレーザー光Lを発光する。コリメーターレンズ22は、発光素子21が発光したレーザー光Lを平行光にして出射する。コリメーターレンズ22から出射したレーザー光L(平行光)は、ビームスプリッタ26に入射する。
Moreover, the structure of the laser
ビームスプリッタ26では、入射したレーザー光Lの一部が反射し、他の一部が透過する。ビームスプリッタ26は、レーザー光Lを透過及び反射する。このビームスプリッタ26をハーフミラーと呼ぶ場合もある。ビームスプリッタ26で反射したレーザー光Lが第1のレーザー光L1となり、ビームスプリッタ26を透過したレーザー光Lが第2のレーザー光L2となる。レーザー光Lがビームスプリッタ26で透過及び反射して、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2に分かれる。
In the
ビームスプリッタ26は、第1のミラー241と第2のミラー242の間に配置されている。ビームスプリッタ26で反射したレーザー光L(第1のレーザー光L1)は、第1のミラー241に向かって進行する。また、ビームスプリッタ26を透過したレーザー光L(第2のレーザー光L2)は、第2のミラー242に向かって進行する。第1のレーザー光L1は、第1のミラー241の第1の反射面43で反射し、その後、管61内の流路60に入射する。また、第2のレーザー光L2は、第2のミラー242の第2の反射面44で反射し、その後、管61内の流路60に入射する。このような構成によっても、第1のレーザー光L1と第2のレーザー光L2を流路60内の計測点10に向かって照射することができる。
The
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
1 :計測装置
2 :レーザー光照射装置
3 :受光装置
9 :処理装置
10 :計測点
21 :発光素子
22 :コリメーターレンズ
23 :回折格子
25 :移動装置
26 :ビームスプリッタ
31 :受光素子
35 :光通過孔
36 :入射口
37 :出射口
38 :箱体
43 :第1の反射面
44 :第2の反射面
60 :流路
61 :管
62 :固定具
71 :支持部材
72 :被膜
241 :第1のミラー
242 :第2のミラー
312 :有効受光領域
313 :受光面
351 :内周面
F :流体
L1 :第1のレーザー光
L2 :第2のレーザー光
P1 :第1の散乱光
P2 :第2の散乱光
R :粒子
1: Measuring device 2: Laser beam irradiation device 3: Light receiving device 9: Processing device 10: Measuring point 21: Light emitting element 22: Collimator lens 23: Diffraction grating 25: Moving device 26: Beam splitter 31: Light receiving element 35: Light Passing hole 36: entrance 37: exit 38: box 43: first reflecting surface 44: second reflecting surface 60: flow path 61: tube 62: fixture 71: support member 72: coating 241: first Mirror 242: second mirror 312: effective light receiving region 313: light receiving surface 351: inner peripheral surface F: fluid L1: first laser light L2: second laser light P1: first scattered light P2: second Scattered light R: particles
Claims (3)
前記流路内の計測点に向かって進行する第1のレーザー光と、第1のレーザー光と異なる方向から前記流路内の前記計測点に向かって進行する第2のレーザー光を照射するレーザー光照射装置と、
前記レーザー光照射装置から照射された第1のレーザー光と第2のレーザー光が前記計測点を通過する粒子に当たったときにそれぞれ生じる散乱光を受光する受光装置を備えており、
前記受光装置が、受光素子と、前記受光素子と前記流路の間に配置されている光透過性の支持部材と、前記支持部材の表面に配置されている遮光性の被膜を備えており、
前記計測点から前記受光素子に向かう方向に沿って前記支持部材と前記被膜を貫通する中空の光通過孔が形成されており、
前記光通過孔の内周面の一部が前記光透過性の支持部材で構成され、前記内周面の他の一部が前記遮光性の被膜で構成されており、前記計測点を通過する粒子によって生じた散乱光が前記光通過孔を通過して前記受光素子に入射することを特徴とする、計測装置。A measuring device for measuring the velocity of particles in a fluid flowing through a flow path,
A laser that irradiates a first laser beam traveling toward the measurement point in the flow path and a second laser beam traveling toward the measurement point in the flow path from a direction different from the first laser light. A light irradiation device;
A light receiving device that receives scattered light generated when the first laser light and the second laser light irradiated from the laser light irradiation device hit the particles passing through the measurement point, respectively;
The light receiving device includes a light receiving element, a light transmissive support member disposed between the light receiving element and the flow path, and a light shielding film disposed on a surface of the support member,
A hollow light passage hole penetrating the support member and the coating along the direction from the measurement point toward the light receiving element is formed,
A part of the inner peripheral surface of the light passage hole is configured by the light-transmitting support member, and another part of the inner peripheral surface is configured by the light-shielding film, and passes through the measurement point. Scattered light generated by the particles passes through the light passage hole and enters the light receiving element.
前記処理装置は、流体の濃度に影響されずに流体中の粒子の速度を演算する第1の演算式と、角度を使わない数式構成で濃度に応じて変化する相対速度を演算する第2の演算式とに基づいて、流体の濃度を演算することを特徴とする、請求項1または2に記載の計測装置。
A processing device capable of calculating the velocity of particles in the fluid;
The processing device calculates a first calculation formula that calculates the velocity of particles in the fluid without being influenced by the concentration of the fluid, and a second calculation formula that calculates a relative velocity that changes according to the concentration in a mathematical configuration that does not use an angle. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the concentration of the fluid is calculated based on an arithmetic expression.
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