KR102259119B1 - 광학적 가스 농도 측정방법 - Google Patents

광학적 가스 농도 측정방법 Download PDF

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Abstract

[과제] 간이한 수단으로 극미량 영역의 농도까지 비파괴로 정확하고 신속하게 소정의 화학성분의 농도를 측정할 수 있는 농도 측정방법, 및, 피측정 대상중의 화학성분의 농도를 정확·신속하게 또한 나노 오더의 극미량 농도영역까지 실시간으로 측정할 수 있고, 여러 가지 모양과 형태에 있어서 구현화될 수 있는 만능성을 구비하는 농도 측정방법을 제공한다. [해결 수단] 피측정 대상에 대해서의 광흡수율이 다른 제1 파장의 광과, 제2 파장의 광을 피측정 대상에 각각 타임 셰어링법으로 조사하고, 각 파장의 광의 해당 조사에 의해 피측정 대상을 광학적으로 통해 오는 각 파장의 광을 공통의 수광 센서로 수광하고, 해당 수광에 따라서 상기 수광 센서로부터 출력하는 제1 파장의 광에 관한 신호와 제2 파장의 광에 관한 신호의 차동신호를 형성하고, 해당 차동신호에 근거해서 피측정 대상에 있어서의 화학성분의 농도를 도출한다.

Description

광학적 가스 농도 측정방법{OPTICAL GAS CONCENTRATION MEASURING METHOD}
본 발명은, 액체·기체중의 소정의 화학성분의 농도나 청과물의 당도, 일본 술의 주도(감신도) 등에 관한 농도 측정방법에 관한 것이다.
반도체의 제조에 있어서는, 반도체 제조 장치의 처리 챔버내에 동일 라인으로부터 혼합 가스를 공급하는 것이 자주 행해진다. 이 혼합 가스의 공급에 있어서는, 성분 가스의 혼합비를 처리 프로세스 기간중 일정하게 유지하거나, 의도적으로 순시에 변경하거나 할 필요가 있다. 그 때문에, 가스 공급 라인중에 가스 유량 계측 기구·가스 유량 조정 기구를 구비한, 예를 들면 플로우 콘트롤 시스템 콤포넌트(FCSC)등의 유량제어장치가 배설된다. 이 FCSC에 있어서는, 혼합 가스를 구성하는 각 성분 가스의 단위시간당의 유량(이후, 「단위유량」이라고 적은 경우가 있다)이 어느 정도 정확하게 계측할 수 있는지가 중요해진다.
오늘날과 같이, 원자 오더 레벨로부터 나노 오더 레벨에서의 성막 혹은 에칭과 같은 처리 프로세스의 실시 기회가 많은 반도체 제조 프로세스에 있어서는, 처리 챔버에의 도입 직전의 혼합 가스중의 각 성분 가스의 단위유량을 미량영역까지 정확 또한 순시에 계측하는 것이 필요하다.
상기의 요구를 충족시키는 종래의 유량제어장치에서는, 혼합전의 단일성분 가스에서의 유량을 계측하고, 그 유량계측값으로부터 혼합 가스의 목적 혼합비를 산출하는 것이 일반적이다.
그러나, 처리 챔버에 도입되는 시점에서의 혼합 가스의 혼합비(이후, 「실제 혼합비」라고 적은 경우가 있다)가, 유량계측값으로부터 산출된 혼합비(이후, 「계측 혼합비」라고 적은 경우가 있다)와 프로세스 실행중 항상 동일하다고 하는 보증이 반드시 어떤 이유는 아니다. 그 때문에, 종래에 있어서는, 각 단일성분 가스의 유량계측을, 상시 혹은 소정의 시간간격으로 실시하고, 어느 하나의 단일성분 가스의 유량이 변동하면 그 변동 값을 기초로 원래의 소정의 혼합비가 되도록 각 단일성분 가스의 유량을 조정하는 피드백 기구를 구비하고는 있다(예를 들면, 특허문헌1).
한편, 비분산식 적외선 흡수 방식에 의해 재료 가스의 분압을 측정하는 분압측정 센서를 사용하여, 이 센서의 분압 계측값에 근거해서 재료 가스의 농도를 연산으로 산출하는 가스 농도 측정 시스템의 예가 있다(예를 들면, 특허문헌2).
또한, MOCVD(유기금속화합물을 사용하는 CVD: Metal-Organic Compound Chemical Vapor Deposition)에 있어서도, 균일한 막을 형성하기 위해서는, 유기금속화합물의 공급 농도를 막형성 프로세스 기간중, 일정하게 되도록, 혹은, 원하는 성분분포의 막이 되도록 성분분포에 대응해서 공급 농도로 변동을 주도록, 유기금속화합물의 공급 농도를 제어할 필요가 있다. 일반적으로는, 유기금속화합물은, 버블링 등을 통해 캐리어 가스에 혼입되어서 처리 챔버에 공급된다. 사용되는 유기금속화합물은 단일에 한정되지 않고 복수종 사용되는 것도 있다. 복수종의 유기금속화합물의 원료 가스를 설계 값대로 공급하는 방법으로서, 예를 들면, 적외선 가스 분석 수단을 사용하는 방법이 있다(예를 들면, 특허문헌3).
게다가, 청과물의 생산·출하의 분야에 있어서도, 청과물의 단맛 성분등의 성분농도의 측정은, 출하하는 청과물의 판매가를 결정하므로 중요하다. 즉, 사과, 배, 복숭아, 감, 딸기, 수박 등의 청과물은 그 단맛이 물품의 판매가를 크게 좌우하므로, 출하를 위한 따기에 최적인 단맛정도인가 아닌가를 아는 것은 청과물의 생산자에 있어서 일대 관심사다. 청과물의 단맛 알맞음을 끝까지 확인하는 방법의 하나로, 적외선을 사용해서 비접촉으로 청과물중의 당도를 측정하는 방법이 있다(예를 들면, 특허문헌4).
또, 의료관계에 있어서는, 혈류중의 혈액성분, 예를 들면, 적혈구수, 백혈구수, 혈소판수, 망상 적혈구수, 헤모글로빈 양을 채혈하지 않고 생체에 비접촉(비파괴, 비침습)으로 순시에 측정할 수 있는 것은 환자의 부담 경감에 머무르지 않고 의사나 간호사·의료기사의 노동 부하를 정신적·신체적으로 경감하므로, 간편하고 또한 순시에 생체에 비접촉으로 침습 없이 측정할 수 있는 것이 요구되고 있다. 예를 들면, 최근에는 젊은층에까지 당뇨병의 질환이 많이 보여지게 되어, 간이·단시간으로 정밀도가 높은 검사를 행할 수 있는 검사 방법이 강하게 요구되고 있다. 또, 의사의 관리하에 있는 환자에 한정하지 않고 잠재적 환자(환자 예비군)도 많고, 그러한 환자가, 예를 들면 차의 운전중에 돌연 혈당치가 떨어져서 의식 불명 또는 의식 몽롱이 되고, 이것이 원인으로 사고를 일으키는 케이스가 날마다 증대하고 있다. 혈액중의 포도당 농도(혈당치, 혈당)는, 여러 가지 호르몬(인슐린, 글루카곤, 코르티솔 등)의 활동에 의해 정상으로는 항상 일정 범위내에 조절되어 있지만, 여러 가지 이유에 의해 이 조절 기구가 파탄하면, 혈액중의 당분이 매우 증가하고, 당뇨병이 된다. 당뇨병은, 혈당치(혈액중의 글루코오스(포도당)농도)이 병적으로 높은 상태를 가리키는 병명이며, 혈당치나 헤모글로빈A1c값이 일정한 기준을 초과하고 있을 경우에 당뇨병이라고 진단된다. 당뇨병은 고혈당 바로 그것에 의한 증상을 일으키는 것도 있는 것 외에, 장기에 걸치면 혈중의 고농도의 글루코오스가 그 알데히드기의 반응성의 높이 때문에 혈관내피의 단백질과 결합하는 당화 반응을 일으키고, 몸속의 미소 혈관이 서서히 파괴되어 가, 눈, 신장을 포함하는 몸속의 여러 가지 장기에 중대한 장해(당뇨병성 신경장해·당뇨병성 망막증·당뇨병성 신장증의 미소 혈관장해)를 미치게 하는 것이 있다(합병증). 이 때문에, 혈당치의 적절한 관리는, 엄격한 혈당 컨트롤의 유지, 식사 요법·운동 요법의 재검토, 인슐린 투여량의 조절·재검토, 약품용법에 요법에 의한 저혈당의 확인·예지, 저혈당에의 불안 해소, 중증 고혈당의 회피 등의 점에서, 당뇨병의 치료에 있어서 중요하다.
병원 등의 의료기관에서의 혈당치의 측정은, 생체의 손가락, 팔 등으로부터 혈액을 채집하는, 소위, 침습법에 의한 것이 일반적이다. 또한, 당뇨병의 환자는, 그 치료에 있어서, 혈당치의 검사를 병원에서 의사하에서 행한다. 한편, 혈당치는 매일 측정할 필요가 있는 경우가 많으므로, 환자는, 자신의 입원 베드에 있어서, 혹은 가정에 있어서, 혈당자기측정(SMBG)기를 사용해서 자신이 혈당치 측정을 할 기회가 많다. 그러나, 측정이 간편해졌다고는 해도, 여전히 자신인가 누군가의 도움으로 채혈해야만 한다. 채혈은, 손가락이나 팔에 천자함으로써 행한다. 이 천자에는, 아픔과 자상을 수반하므로 환자에게는, 육체적·정신적 부하가 걸린다. 최근과 같이 무통주사 바늘을 사용하는 것도 생각될 수 있지만, 자상의 수반은 피할 수 없고 상처를 원인으로 하는 감염증의 예방등 위생보호가 필요해진다. 요즘은, 이 과제를 해결하는 것으로서 비침습법의 제안이 보여진다(예를 들면, 특허문헌5, 특허문헌6).
한편, 일본에 있어서는, 당뇨병의 판정에는, 혈당치와 헤모글로빈A1c값의 양쪽을 측정할 필요가 있다. 혈당치와 헤모글로빈A1c값의 양쪽을 측정하는 방법으로서, 예를 들면, 특허문헌7에 기재된 방법이 있다.
아울러, 또한, 일본 술의 제조 과정의 일본 주도·산도·아미노산도를 간단한 구성으로 또한 고정밀도로 즉시성을 가지고 측정할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 일본 술은, 맛·향기에 있어서 은은한 술이다. 일본 술은, 일본 주도에서 감신도, 산도에서 방순·담려의 맛을 나타낸다. 일본 주도란, 「일본 술 중에 얼마만큼의 당분이나 산이 용해하고 있는 것인가」라고 하는 것으로, 청주의 비중을 나타내는 단위다. 측정 대상을 15℃로 하고, 「일본 주도계」라고 하는 비중계를 띄워서 계측한다. 그 때에, 4℃의 증류수와 같은 무게의 술의 일본 주도를 「0」으로 하여서, 그것보다도 가벼운 것은 「+」(플러스)의 값, 무거운 것은 「-」(마이너스)의 값으로 나타낸다. 일본 술에 있어서, 단맛을 결정짓고 있는 것은 포도당 농도다.
감신도를 의미하는 일본 주도에 대하여, 「산도(담려도-방순도)」는, 「감칠맛이나 깊이」를 나타낸다. 일본 술은 산도가 높을수록, 보다 방순한 맛에 가깝고, 낮으면 담려한 맛이 된다. 일본 주도가 동일하면 산도가 높은 술이 쓰게 느끼고, 낮으면 달콤하게 느낀다. 반대로, 산도가 낮으면, 술의 맛에 땡김이나 깔끔한 뒷맛이 없어지고, 희미해진 맛이 되어버리는 경향이 있다.
그러나, 이 산도는 「감칠맛」뿐만 아니라 실제의 「단 ·쓴」 미각에도 영향을 준다. 일반적으로는, 산도가 높을수록 쓰게 느끼는 경향이 있다. 반대로, 산도가 낮으면 당도가 높지 않아도 달콤한 것처럼 느낀다. 측정 방법은, 청주 10밀리리터를 중화하는데 요하는, 1/10규정 수산화나트륨 용액의 적정 밀리리터수의 것. 이 값이 크면 「담백하다」, 작으면 「감칠맛이 있다」라고 한 표현이 사용되어지고, 또한, 일본 술에서는, 아미노산도(단맛도)도 중요하다. 아미노산이란, 「감칠맛」의 근본이 되는 요소로, 아미노산도가 높으면 「감칠맛」의 요소가 많고, 그 일본 술의 맛이 농후로 느낀다. 그러나, 아미노산도는 높으면 높을수록 감칠맛이 느는 것은 아니고, 별로 지나치게 높은 잡맛으로 연결된다.
이상 설명한 대로, 일본 술의 제조에 있어서는, 일본 주도, 산도, 아미노산도의 관리는, 제조되는 일본 술의 팔리는 상태 가치(이후, 「잘 팔릴 가치」라고 말할 수도 있다)를 크게 좌우한다. 일본 주도·산도·아미노산도는, 습도·온도·위생면에 있어서 민감하게 변동하므로, 일본 술의 제조에 있어서는, 습도·온도·위생면에 있어서 엄중한 관리가 이루어지고, 제조 과정에 있어서, 일본 주도·산도·아미노산도는, 빈번하게 측정된다.
특허문헌1: 일본 특허공개2012-138407호 공보 특허문헌2: 일본 특허공개2010-109304호 공보 특허문헌3: 일본 특허공개2006-324532호 공보 특허문헌4: 일본 특허공개2003-114191호 공보 특허문헌5: 일본 특허공개2008-256398호 공보 특허문헌6: 일본 특허공개2006-141712호 공보 특허문헌7: 일본 특허공개2012-137500호 공보
이상으로 기재한 각 특허문헌에 기재된 농도 측정법 혹은 농도 조정법에는, 이하와 같은 과제가 존재한다.
특허문헌1에서는, 처리 챔버의 상류측에서 유량계측해서 피드백을 걸고 있는데 불과하므로, 여전히, 계측 혼합비와 실제 혼합비가 동일한 것인가 아닌가의 과제는 해결되지 않고 있다. 더욱이, 가스의 혼합 상태를 균일하게 하기 위해서는, 혼합 위치로부터 처리 챔버에의 도입 위치까지의 공급 라인의 길이를 충분히 취할 필요가 있지만, 그 경우는 계측 혼합비와 실제 혼합비를 동일하게 간주하는 것은 한층 곤란하다. 계측 혼합비와 실제 혼합비와의 동일성을 담보하는데도, 혼합 위치와 도입 위치를 가능한 한 가깝게 하는 것이 생각될 수 있지만, 그 경우는, 균일 혼합의 보증이 담보되기 어려워진다고 하는 과제가 생긴다. 전술한 과제에 더해 이러한 과제도 해결하려고 하면 그 기구가 점점 복잡해지는 층의 고도의 컨트롤 기술을 요하게 된다. 덧붙여, 특허문헌1의 구성에서는, 유량계측이므로 가스종의 특정을 할 수 없다.
특허문헌2의 경우는, 분압측정이므로, 본건에서 말하는 바의 정밀도가 높은 측정에는 맞지 않아서, 하물며 미량 오더 영역에서의 분압측정이 되면 측정 오차가 커지는 것은 부정하지 않을 수 없다.
특허문헌3에 개시된 방법은, 가스 혼합실로부터 반응실에 공급되는 혼합 가스중의 각 원료 가스의 농도를 측정하는 제1의 적외선 가스 분석 수단과, 상기 반응실로부터 배출된 배출 가스중의 각 원료 가스의 농도를 측정하는 제2의 적외선 가스 분석 수단과, 상기 제1 및 제2의 적외선 가스 분석 수단의 측정 결과로부터 상기 반응실내에서의 각 원료 가스의 소비량을 연산하고, 각각의 연산 값과 미리 결정한 설계 값과의 차이를 제어량으로서, 상기 유량제어 수단과 가스 공급원 온도제어부와 기판 온도 제어부 중 어느 하나를 개별적으로 조정하는 구성이기 때문에, 반응실내 벽면등 성막이외에서 소비되는 원료 가스가 고려되지 않고 있으므로, 균일막 두께로 균일성분의 박막을 형성하는 것은 어렵다. 게다가, 특허문헌3에는 적외선 가스 분석 수단의 구체예가 표시되지 않고 있으므로, 나노 오더 레벨의 균일막 두께로 균일성분의 박막을 형성하게 되면, 유기금속 화합물을 소정의 농도로 일정시간, 처리 챔버에 공급하는데도 유기금속 화합물의 공급 농도를 엄중하게 관리하지 않으면 안 되고, 농도 측정이 높은 정밀도가 요구되지만, 이 요구를 충족시키는 것은 간단하지는 않다.
특허문헌4에 기재된 방법은, 달랐던 파장의 2개의 단색광을 청과물에 조사해서 각 단색광에 관한, 복수의 실측 예의 광투과율Ta, Tb의 값과 그 예의 실측의 당도C의 값으로부터 특정식의 계수를 각기 결정하고, 그 결정된 각 계수와 계측되는 2개의 단색광의 광투과율의 데이터를 사용해서 상기 특정식으로부터 당도를 구하는 것이므로, 당도가 계측되는 청과물의 평균 당도가 얻어지는데 불과하다. 따라서, 표피 가까이나 심 가까이에 높은 당도를 갖는 청과물의 경우, 먹는 부분에 따라서는 당도가 불충분하거나 해서 상품가치를 하강시키는 청과물이 출하중에 잘못 섞여들거나 하는 것을 피하는 것이 어려운 경우가 있다.
특허문헌5, 6의 방법에서는, 환자가 긴장해서 측정 환부에 땀을 흘리거나, 체온의 상승을 초래하거나 해서 발생하는 측정 오차는 피할 수 없다. 혈당측정기의 측정법에는, 효소전극법과 효소비색(비색정량)법이 있다. 효소전극법으로서는, 글루코오스 옥시다제(GOD)법, 글루코오스 데히드로나제(GDH)법이 있다. 효소비색(비색정량)법으로서는, 헥소키나제(HX)법, 글루코오스 옥시다제/페르옥시다제(GOD/POD)법이 있다. 그러나, 헤마토크리트(일정량의 혈액중에 포함되는 적혈구의 비율을 조사하는 검사)값이 20％∼약 60％의 사이에 있을 경우는, 각 기 측정 값의 오차는 보여지지 않지만, 극도의 빈혈 환자나 투석 환자와 같은 헤마토크리트 값이 20％를 하회하는 혈액에서는 고값으로, 반대로 신생아나 생리전의 여성 등과 같은 헤마토크리트 값이 55％를 상회하는 다혈증 피에서는 저값을 나타낸다고 하는 과제가 있다. 따라서, 극도의 빈혈 환자나 투석 환자에게 부적절하다. 게다가, GOD법은, 혈액중의 용존산소분압이 클수록 혈당치는 낮게 측정된다고 하는 과제가 있다. 따라서, GOD법은, 호흡 관리를 위해서 산소를 사용하고 있는 환자에 대하여는 적절하지는 않다. 덧붙여, 측정기의 사용방법이나 시험지의 부착 방법, 혈액의 흡인·점착의 손 기술의 확인등이 원인이 되어, 정상적인 측정 값이 얻어지지 않는 경우가 있다.
특허문헌7에 기재된 방법은, 헤모글로빈에 의한 정색과 당화 헤모글로빈에 의한 정색과 게다가 글루코오스에 의한 정색을 다른 파장의 광의 반사로 각각 검출한다고 하는 같은 측정 원리로 측정하는 것이므로, 장치의 간략화, 소형화를 꾀할 수 있다고 하는 이점이 있다고 하지만, 헤모글로빈용, 당화 헤모글로빈용, 글루코오스용의 3종의 정색을 위한 시약과 정색작업을 필요로 하고, 게다가, 채혈의 부담이 있다.
또한, 일본 술의 제조에 있어서는, 습도·온도·위생면에 있어서 엄중한 관리가 이루어지고, 제조 과정에 있어서, 일본 주도·산도·아미노산도는, 빈번하게 측정되지만, 일본 주도·산도·아미노산도를 간이한 수단으로 극미량 영역의 농도까지 비파괴로 정확하고 신속하게 측정하는 방법은, 아직도 제공되지 않는다.
이상의 설명으로부터 이해되는 것처럼, 간이한 수단으로 극미량 영역의 농도까지 비파괴로 정확하고 신속하게 소정의 화학성분의 농도를 측정할 수 있는 농도 측정방법은 오늘까지 제공되지 않고 있다.
또한, 별도로는, 기체, 액체, 고체에 불구하고, 피측정물중의 복수의 화학성분의 농도를 동일한 측정계·동일조건으로 고정밀도로 실시간으로 측정할 수 있는 농도 측정법도 지금까지 제공되지 않는다.
게다가, 피측정 대상중의 화학성분의 농도를 정확·신속하게 또한 나노 오더의 극미량 농도영역까지 실시간으로 측정할 수 있고, 여러 가지 모양과 형태에 있어서 구현화될 수 있는 만능성을 구비하는 농도 측정방법도 지금까지 제공되지 않는다.
또한, 게다가, 피측정 대상중의 복수의 화학성분의 농도를 간단한 구성으로 정확하고 신속하게 실시간으로 측정할 수 있는 농도 측정방법도 지금까지 제공되지 않는다.
본 발명은 상기 점을 감안하여 예의 연구하는 것으로 이루어진 것이다. 그 목적으로 하는 바의 하나는, 간편한 구성으로 화학성분의 농도를 정확하고 신속하게 실시간으로 측정할 수 있는 농도 측정방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적의 하나는, 간편한 구성으로 기체·액체·개체에 불구하고, 피측정 대상중의 화학성분의 농도를 정확·신속하게 또한 나노 오더의 극미량 농도영역까지 실시간으로 측정할 수 있고, 여러 가지 모습과 형태에 있어서 구현화될 수 있는 만능성을 구비하는 농도 측정방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적의 하나는, 비파괴·비접촉으로, 화학성분의 농도를 간단한 구성으로 또한 신속·정확하게 극미량 영역까지 측정할 수 있는 농도 측정방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 하나의 별도의 목적의 하나는, 전기 회로, 전자소자 등의 시스템의 구성 요소의 특성변동, 환경변동에 근거하는 측정 오차의 배제가 적어도 실질적으로 가능한 상태로 화학성분의 농도를 극미량 영역까지 측정할 수 있는 농도 측정방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 하나의 별도의 목적은, 환자가 긴장해서 측정 환부에 땀을 흘리거나, 체온의 상승을 초래하거나 해서 발생하는 측정 오차(검체/피측정 대상의 생리상황에 근거하는 오차: 이후 「생리오차」라고 기재하는 것도 있다)가 적어도 실질적으로 없는 상태에서, 혈당치를 간편한 구성과 방법으로 또한 비침습으로 측정할 수 있는 농도 측정방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적의 하나는, 피측정 대상중의 복수의 화학성분의 농도를 간단한 구성으로 정확하고 신속하게 실시간으로 측정할 수 있는 농도 측정방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 또 하나의 목적은, 혈당치와 헤모글로빈A1c값의 양자를 동일한 구성과 방법으로 간편하게 측정할 수 있는 농도 측정방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1 관점은, 피측정 대상중의 소정의 화학성분의 농도를 광학적으로 측정하는 농도 측정방법에 있어서, 상기 화학성분에 대하여 흡수성이 있는 제1 파장의 광과, 상기 화학성분에 대하여 흡수성이 없거나 실질적으로 없거나 혹은 상기 제1 파장의 광보다도 흡수성이 비교적 낮은 제2 파장의 광을 하나의 발광 수단으로부터 상기 피측정 대상을 향해서 타임 셰어링법에 의해 조사하고, 해당 조사에 의해 생기는 상기 피측정 대상으로부터의 광을 하나의 수광수단으로 수광하고, 해당 수광에 의해 생기는 상기 제1 파장의 광에 근거하는 제1 수광신호와 상기 제2의 파장의 광에 근거하는 제2 수광신호를 차동회로에 입력하고, 해당 입력에 따라서 상기 차동회로로부터 출력되는 출력 신호에 근거하는 측정 값을 미리 기억 수단에 기억되어 있는 데이터에 대조해서 상기 소정의 화학성분의 농도를 도출하는 것을 특징으로 하는 농도 측정방법에 있다.
본 발명의 제2 관점은, 피측정 대상에 대해서의 광흡수율이 다른 제1 파장의 광과, 제2 파장의 광을 상기 피측정 대상에 각각 타임 셰어링법으로 조사하고, 각 파장의 광의 해당 조사에 의해 상기 피측정 대상을 광학적으로 통해 오는 상기 각 파장의 광을 공통의 수광 센서로 수광하고, 해당 수광에 따라서 상기 수광 센서로부터 출력하는 상기 제1 파장의 광에 관한 제1 신호와 제2 파장의 광에 관한 제2 신호를 공통의 적분회로에 입력하고, 상기 적분회로에서는 상기 제1 신호에 대한 적분시간과 상기 제2 신호에 대한 적분시간이 각각 독립적으로 설정되고, 상기 적분회로에 의해 적분된 제1 신호에 근거한 신호와 제2 신호에 근거한 신호의 차동신호를 형성하고, 해당 차동신호에 근거해서 상기 피측정 대상에 있어서의 화학성분의 농도를 도출하고, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는, 제1 기간 T13내에 형성되고, 상기 제1 기간 T13은, 상기 수광 센서의 상승 개시 시점으로부터 하강 개시 시점까지의 기간인 제2 기간 T12내에 있고, 상기 제2 기간 T12는, 상기 광을 상기 피측정 대상에 조사하는 제3 기간 T11이내에 있고, 상기 제1 기간 T13과 상기 제2 기간 T12와 상기 제3 기간 T11은, 하기의 식 (1)을 만족하는 광학적 가스 농도 측정방법에 있다. T13〈 T12 ≤ T11 ……(1).
본 발명의 제3 관점은, 피측정 대상에 대해서의 광흡수율이 다른 제1 광과 제2 광을 각각 상기 피측정 대상에 타임 셰어링법으로 조사하고, 상기 피측정 대상에 각 광을 조사함으로써 상기 피측정 대상을 광학적으로 통해 오는 각 광을 공통의 수광 센서로 수광하고, 해당 수광에 따라서 상기 수광 센서로부터 출력하는 상기 제1 광에 관계되는 제1 신호와 제2 광에 관계되는 제2 신호를 공통의 적분회로에 입력하고, 상기 적분회로에서는 상기 제1 신호에 대한 적분시간과 상기 제2 신호에 대한 적분시간이 각각 독립적으로 설정되고, 상기 적분회로에 의해 적분된 제1 신호에 근거한 신호와 제2 신호에 근거한 신호에 근거해서 차동신호를 형성하고, 해당 차동신호에 근거해서 상기 피측정 대상에 있어서의 소기의 화학성분의 농도를 도출하고, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는, 제1 기간 T13내에 형성되고, 상기 제1 기간 T13은, 상기 수광 센서의 상승 개시 시점으로부터 하강 개시 시점까지의 기간인 제2 기간 T12내에 있고, 상기 제2 기간 T12은, 상기 광을 상기 피측정 대상에 조사하는 제3 기간 T11이내에 있고, 상기 제1 기간 T13과 상기 제2 기간 T12와 상기 제3 기간 T11은, 하기의 식(1)을 만족하는 광학적 가스 농도 측정방법에 있다. T13〈 T12 ≤ T11 ……(1).
본 발명에 의하면, 간이한 수단으로 극미량 영역의 농도까지 비파괴로 정확하고 신속하게 소정의 화학성분의 농도를 측정할 수 있다.
또한, 별도로는, 기체, 액체, 고체에 불구하고, 피측정물중의 복수의 화학성분의 농도를 동일한 측정계·동일조건으로 고정밀도로 실시간으로 측정할 수 있다.
게다가, 피측정 대상중의 화학성분의 농도를 정확·신속하고 또한 나노 오더의 극미량 농도영역까지 실시간으로 측정할 수 있고, 여러 가지 모양과 형태에 있어서 구현화될 수 있는 만능성을 구비한 농도 측정방법을 제공할 수 있다.
도1은, 본 발명의 농도 측정방법의 원리를 설명하기 위한 타이밍 차트.
도2는, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 광학적 농도 측정 시스템의 적합한 실시형태 예의 하나의 구성을 설명하기 위한 블록도.
도3은, 본 발명의 농도 측정방법의 적합한 실시형태 예의 하나를 설명하기 위한 흐름도.
도4는, 도3의 예에 있어서의 신호 출력 타이밍을 설명하기 위한 타이밍 차트.
도5는, 검량선을 구하기 위한 흐름도.
도6은, 가스 농도GC와 「-log(1-△T)」와의 관계의 그래프.
도7은, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 광학적 농도 측정 시스템의 적합한 실시형태 예의 하나의 주요부를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도.
도8은, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 광학적 농도 측정 시스템의 다른 적합한 실시형태 예의 주요부를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도.
도9는, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 광학적 농도 측정 시스템의 또 하나 다른 적합한 실시형태 예의 주요부를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도.
도10은, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 광학적 농도 측정 시스템의 더 또 하나 다른 적합한 실시형태 예의 하나의 주요부를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도.
도11은, 본 발명에 있어서 채용되는 차동신호 형성부의 적합한 일례를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도.
도12는, 본 발명에 있어서 채용되는 차동신호 형성부의 다른 적합한 일례를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도.
도13은, 본 발명에 있어서 채용되는 차동신호 형성부의 또 다른 적합한 일례를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도.
도14는, 본 발명에 있어서 채용되는 차동신호 형성부의 더 또 하나 다른 적합한 일례를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도.
도15는, 가스 농도에 대한 측정된 흡광도의 값과, 계측한 신호에 중첩하는 노이즈의 표준편차의 3배의 값과의 관계를 나타내는 그래프.
도16은 본 발명을 휴대형 단말장치에 적용했을 경우의 일 실시형태를 나타내는 개략외관도.
도17은, 본 발명을 휴대형 단말장치에 적용했을 경우의 일 실시형태 내부 구성의 블록도.
도18은, 본 발명에 있어서 채용되는 차동신호 형성부의 더 또 하나 다른 적합한 일례를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도.
도1은, 본 발명의 농도 측정방법의 원리를 설명하기 위한 타이밍 차트다. 본 발명에 있어서는, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하기 위한 농도 측정 장치를 기동시켜, 해당 장치가 놓여져 있는 공간에 있어서의 배경광의 절대치의 신호를, 출력S20과 S1O의 차이로서 독출한다(절대치 출력X).
다음에, 제1 파장의 광(Lλ1)을 발하는 광원1로부터의 광을 수광 센서로 수광하고, 출력S30과 출력S40의 차이로서의 차이출력 신호(G△1)를 독출한다(배경광과 광원1의 광의 합으로서 출력된다).
다음에, 제2 파장의 광(Lλ2)을 발하는 광원2로부터의 광을 같은 수광 센서로 수광하고, 출력S50과 출력S60의 차이로서의 차이출력 신호(G△2)를 독출한다(배경광과 광원2광의 합으로서 출력된다).
절대치 출력X를 이용하여, 온도변화 등에 의한 피측정 대상의 흡광도의 변화, 광원의 광량변화등이 생겨도 측정 데이터를 교정할 수 있다.
광원1, 2에 의한 수광신호를 차이출력 신호로서 출력함으로써, 회로계의 노이즈를 제거할 수 있으므로, 미약한 농도이여도 고정밀도로 검출할 수 있다.
도1에 있어서,「↑」는, 수광 센서의 출력 타이밍을 나타내는 것이다. 출력 타이밍「↑」는, 원리적으로는, 수광 센서의 출력의 상승 개시 시 점(t1)과 하강 개시 시점(t2)이지만, 도1에 있어서는, 출력 타이밍「↑」는, 상승 개시 시점(t1)과 하강 개시 시점(t2)의 사이의 타이밍이라고 하고 있다. 그 이유는, 한번의 측정이 종료하면 다음 측정을 위해 전자회로의 일부가 리셋트되는 것에 있다. 즉, 측정 시간과 리셋트 시간이 회로의 타임 래그가 원인으로 겹칠 수도 있으므로, 그 영향을 확실히 피하기 위해서, 출력 타이밍「↑」는, 상승 개시 시점(t1)과 하강 개시 시점(t2)의 사이의 타이밍이라고 한다.
도2에는, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 적합한 실시형태 예의 하나인 광학적 농도 측정 시스템(100)의 구성 예의 블록도가 나타내어진다.
광학적 농도 측정 시스템(100)은, 광원부(101), 집광 광학부(102), 수광 센서부(106), 차동신호 형성부(108), 신호 격납/처리부(110), 표시부(112), 제어부(113), 조작부(114)로 구성되어 있다.
도2에 나타내는 광학적 농도 측정 시스템(100)은, 광학적 가스 농도 측정 서브시스템(100-1)과 제어·조작 서브시스템(100-2)으로 구성되어 있다.
광학적 가스 농도 측정 서브시스템(100-1)은, 광학적 가스 농도 측정 장치(100-3)를 구비하고 있다.
광학적 농도 측정 서브시스템(100-1)은, 광원부(101), 집광 광학부(102), 수광 센서부(106), 차동신호 형성부(108), 신호 격납/처리부(110), 표시부(112)를 구비한다.
제어·조작 서브시스템(100-2)은, 제어부(113), 조작부(114)로 구성되어 있다.
원하는 화학성분의 농도가 측정되는 피측정 대상(104)은, 집광 광학부(102)와 수광 센서부(106)의 사이의 소정의 위치에 배치된다.
도2에 나타내는 광원부(101)는, 제1 파장의 광(Lλ1)을 발하는 광원101a와, 제2 파장의 광(Lλ2)을 발하는 광원101b의 2개의 광원으로 구성되어 있지만, 본 발명에 있어서는, 이것에 한정될 이유는 없고, 제1 파장의 광(Lλ1)과 제2 파장의 광(Lλ2)을 발하는 단일 광원이여도 좋다.
상술한 것 같은 2종이상의 다른 파장의 광을 조사가능한 발광부는, 1종의 파장의 광을 조사가능한 발광소자를 2개이상 가질 수 있다. 또, 상기 발광부는 2종이상의 다른 파장의 광을 조사가능한 발광소자(다파장 발광소자)를 적어도 1개 가지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 장치 내부에 설치하는 발광소자의 수를 줄이므로, 장치의 소형화가 가능하게 된다.
2개의 광원을 채용할 경우는, 대략 동일한 광축상에서 조사할 수 있게 2개의 광원을 될 수 있는 한 접근시켜서 배설하는 것이 측정 값의 정밀도를 높이므로 바람직하다.
단일 광원으로 2개의 파장의 광(Lλ1, Lλ2)을 조사할 경우는, 단일 광원을 채용할 경우는, 광(Lλ1)과 광(Lλ2)은, 피측정 대상(104)에 조사되기 전에 파장선택 광학 필터 등의 수단으로 선택적으로 분리된다.
단일 광원으로 2개의 파장의 광(Lλ1, Lλ2)을 조사할 경우는, 분광 필터 등의 광학적 파장선택 필터를 사용하여, 조사 타이밍에 맞춰서 해당의 파장의 광이 조사되도록 장치의 설계가 이루어진다.
제1 파장의 광(Lλ1)과 제2 파장의 광(Lλ2)은, 단일파장의 광이여도 좋지만, LED등 광원의 입수용이나 비용을 고려하면, 파장에 밴드 폭을 가지는 다파장의 광을 채용하는 것이 바람직하다. 그와 같은 광은, 중심파장(피크 강도의 파장)이, λ1 또는 λ2인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 광(Lλ1)은, 농도 측정되는 화학성분에 대하여 흡수성이 있는 파장의 광이다. 이것에 대하여, 광(Lλ2)은, 해당 화학성분에 대하여 흡수성이 없는지 실질적으로 없는지, 또는, 해당 화학성분에 대한 흡수성이 해당 광(Lλ1)보다도 비교적 낮은 파장의 광이다.
본 발명에 있어서는, 광(Lλ2)으로서는, 해당 화학성분에 대한 흡수성이 없는지, 광(Lλ1)의 흡수성과의 차이가 큰 만큼, 측정 정밀도가 향상하므로, 이러한 광(Lλ2)을 채용하는 것이 바람직하다.
동일한 피측정 대상으로 복수의 화학성분의 농도를 측정할 경우는, 광(Lλ1)은, 측정되는 화학성분의 수만큼 준비된다. 다시 말해, N개의 화학성분일 경우는, 광(Lλ1)은, n개의 광(Lλ1n:n은 정 정수)이 준비된다.
광(Lλ1n:n은 정 정수) 중의 해당의 1개의 광은, 해당의 하나의 화학성분만에 대하여 흡수성을 나타내고, 다른 화학성분 중 어느 하나에 대해서는 흡수성을 나타내지 않거나 실질적으로 나타내지 않는 파장 혹은 파장 영역의 광이 선택된다. 예를 들면, 글루코오스와 헤모글로빈을 동일한 피측정 대상으로 측정할 경우는, 글루코오스에 흡수성을 나타내지만 헤모글로빈에는 흡수성을 나타내지 않는 광(Lλ11수)과, 글루코오스에는 흡수성을 나타내지 않지만 헤모글로빈에는 흡수성을 나타내는 광(Lλ12)이 선택된다.
광(Lλ2)은, 어느 것의 화학성분에 대하여도 흡수성을 나타내지 않거나 실질적으로 흡수성을 나타내지 않는 광이 선택된다.
광원부의 광원은, 이 조건의 광을 발광하는 것이 선택되어서 사용되는 것은 말할 필요도 없다.
광(Lλ1)과 광(Lλ2)은, 타임 셰어링법에 따라서 피측정 대상(104)에 조사된다.
광(Lλ1)과 광(Lλ2)은, 피측정 대상(104)에 조사될 때는, 동일광축 또는 실질적으로 동일한 광축상에서 조사되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 만일, 피측정 대상(104) 가운데에 있어서, 농도 측정의 대상인 화학성분이 공간적·시간적으로 불균일 분포이거나, 얼룩분포이거나 할 경우라도, 광(Lλ1)과 광(Lλ2)의 피측정 대상(104) 가운데를 투과하는 위치가 동일 또는 실질적으로 동일함과 동시에 측정 시간이 극히 단시간이기 때문에, 측정 오차의 영향이 극히 적게 높은 정밀도로 측정할 수 있는 이점이 있다.
광(Lλ1) 또는 광(Lλ2)으로 이루어지는 조사 광(103)은, 피측정 대상(104)에 조사되고, 그 결과, 투과 광(105)이 피측정 대상(104)의 정반대측으로부터 출사한다.
투과 광(105)은, 수광 센서부(106)에 있는 수광 센서의 수광면에 입사된다.
수광 센서부(106)는, 이 수광에 응답해서 전기신호(107)를 출력한다.
신호107은, 광(Lλ1)에 근거하는 신호107a와, 광(Lλ2) 근거하는 신호107b 중 어느 것인가의 신호다.
신호107a와 신호107b는, 설정된 시간차이로 순차 혹은 동시에 차동신호 형성부(108)에 입력된다.
설정된 시간차이로 입력될 경우는, 먼저 입력된 쪽의 신호는, 경우에 따라서는, 차동신호를 형성하기 위한 타이밍에 맞춰서 차동신호 형성부(108)내의 소정회로에 소정시간 홀드되는 경우도 있다.
신호107의 입력에 따라서 차동신호 형성부(108)로부터 출력되는 차동출력 신호109는, 신호 격납/처리부(110)에 전송되어서 출력 신호111을 출력하기 위해 격납/처리가 실행된다.
출력 신호(111)는 표시부(112)에 전송된다. 출력 신호(111)를 수신한 표시부(112)는, 측정한 화학성분의 농도표시를 표시부(112)의 표시 화면에 출력 신호(111)에 따른 값으로서 표시한다.
이상의 일련의 흐름은, 조작부(114)로부터의 지령에 따라서 제어부(113)에 의해 제어된다.
수광 센서부(106)를 구성하는 수광 센서는, 포토다이오드와 같은 단일소자이어도 좋고, 소정수의 수광 화소가 일차원 배열한 라인 센서, 이차원 배열한 에어리어 센서이어도 좋다.
측정해야 할 화학성분이 피측정 대상체(104)중에서 불균일할 경우는, 측정의 위치 의존성에 의한 오차가 측정 정밀도를 하강시킬 가능성이 있으므로, 라인 센서나 에어리어 센서를 채용하는 것이 바람직하다. 특히, 피측정 대상체(104)의 광축에 수직해서 투과 광(105)이 출사하는 출사면을 덮는 크기의 수광면을 흔드는 에어리어 센서의 채용은, 측정 정밀도를 한층 더 향상시키는 일이 생기므로 바람직하다.
광(Lλ1)과 광(Lλ2)은, 지금까지 단일파장의 광으로 설명했지만, 본 발명에 있어서는, 이것에 반드시 한정되는 것은 아니고, 파장에 밴드 폭(파장 영역)을 갖게 해도 좋다. 다시 말해, 본 발명에서는, 소정의 파장 영역의 광속을 사용할 수도 있다.
다음에, 도3, 도4에 근거하여, 도2의 시스템(100)으로 실제로 농도 측정하는 예를 설명한다. 도3은, 본 발명의 농도 측정방법의 적합한 실시 모양 예의 하나를 설명하기 위한 흐름도다.
조작부(114)의 측정 스타트용의 버튼 스위치 등이 눌리면, 농도 측정이 개시된다(스텝201).
스텝202에 있어서, 소정의 위치에 피측정 대상인 검체(104)가 적절하게 설치되어 있는지도 포함시켜서 검체(104)의 유무가 판단된다. 검체(104)가 적절하게 설치되어 있는 것이 판단되면, 스텝202에서, 검체(104)중의 측정해야 할 화학성분의 농도를 측정하는데 필요하고 또한 적절한 제1 광(Lλ1)과 제2 광(Lλ2)이 선택된다.
제1 광(Lλ1)과 제2 광(Lλ2)의 선택은, 제1 광(Lλ1)용의 광원101a와 제2 광(Lλ2)용의 광원101b를 광학적 농도 측정 시스템(100)의 소정 위치에 설치, 혹은 분광기로 분광하는 것으로 이루어진다.
광원의 설치에 의한 경우는, 검체(104)중의 측정해야 할 화학성분의 흡수 스펙트럼으로부터 제1 광(Lλ1)과 제2 광(Lλ2)의 선택을 미리 할 수 있으므로, 스텝201 전에, 스텝203을 배치할 수 있다.
다음에, 스텝204에서, 측정해야 할 화학성분의 농도값을 측정 데이터에 근거해서 도출하기 위한 검량선의 취득 개시가 실행된다.
검량선의 취득에는, 광학적 농도 측정 시스템(100)의 기억부에 미리 기억되어 있는 검량선의 데이터를 독출하는 것으로 실행되는 것 외, 도5에서 설명되는 것처럼, 다시 검량선을 작성하는 것에 의해서도 실행할 수 있다.
검량선의 취득이 완료하면, 스텝206에서 나타낸 것 같이 검체(104)의 측정이 개시된다.
측정이 개시되면, 검체(104)에는, 소정의 간격의 타임 셰어링으로, 제1 광(Lλ1)과 제2 광(Lλ2)이 소정의 시간, 조사된다.
검체(104)를 투과해 온 제1 광(Lλ1)과 제2 광(Lλ2)은, 수광 센서부(106)에 세트되어 있는 수광 센서로 수광된다(스텝207).
수광 센서가, 제1 광(Lλ1)과 제2 광(Lλ2)의 각 투과 광을 타임 셰어링으로 수광하면, 수광할 때마다 수광량에 따른 크기의 출력 신호가 각기 출력된다. 이 출력 신호에 따라서, 「-log(1-△T)」이 산출된다(스텝208).
다음에, 스텝209에서, 「-log(1-△T)」이 검량선의 범위인가 아닌가가 판정된다.
「-log(1-△T)」이 검량선의 범위이면, 검량선 데이터를 기초로 검체(104)중의 목적으로 하는 화학성분의 농도가 도출된다(스텝210).
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도4는, 도3의 예에 있어서의 신호 출력 타이밍을 설명하기 위한 타이밍 차트다. 다시 말해, 도4는, 제1 광원(101a)의 출력OUT1, 제2 광원(101b)의 출력OUT2, 수광 센서의 출력OUT3, 차동신호의 출력OUT4 및 가스 농도GC의 시간응답을 나타내는 타이밍 차트다.
여기에서, 광원의 출력은, 점등 시간에 방사되는 광량에서, 지향성이 높은 광의 경우는, 수광 센서로 수광되는 광의 광량에 실질적으로 해당한다.
본 발명에 있어서는, 도7 내지 도9에 기재되는 것 같이 집광 광학부(102)에 의해, 광원(101a, 101b)으로부터의 광을 집광하거나, 혹은 도10에 나타낸 것 같이 분기형 광파이버(801)를 채용할 수 있으므로, 광원(101a, 101b)의 방사면을 집광 광학부(102)의 입사면에, 혹은 분기형 광파이버(801)의 입사면에 근접 또는 접촉시켜서, 광원(101a, 101b)을 배설하면, 광원(101a, 101b)의 점등 시간에 방사되는 광량은, 수광 센서로 수광되는 광의 광량에 근사 또는 실질적으로 해당시킬 수 있다.
가스 농도GC는, 예를 들면, 도4에 나타낸, T1 내지 T4의 타이밍에서 출력 신호(차동신호 출력OUT4)를 검출하고, 해당 검출한 출력 신호 값과 미리 취득되어 있는 검량선으로부터 도출되는, 목적 가스의 농도의 변화로서 측정할 수 있다.
도4에는, 시간과 함께 단계적으로 증가하는 가스 농도GC의 모양이 나타내어져 있다.
제1 광원의 출력OUT1과 제2 광원의 출력OUT2가, 도4에 나타낸 것 같은 타이밍에서 상호간의 소정간격과 반복 간격으로 동일축상에 출력되면, 타이밍T1이전에서는, 측정 목적의 가스가 존재하지 않으므로, 수광 센서의 출력OUT3은, 같은 크기의 펄스S1l, 펄스S21로서 출력된다.
타이밍T1과 T2의 기간, 타이밍T2와 T3과의 기간, 타이밍T3과 T4와의 기간에서는, 펄스S12, S22, S13, S23, S14, S24가 출력된다. 펄스S12, S13, S14의 크기는 펄스S11과 같은 크기인 것에 대해서, 펄스S22, S23, S24의 크기는, 측정 목적의 가스의 흡광의 정도에 따라서 단계적으로 낮게 되어 있다.
다시 말해, 제2 광원으로부터의 광이 측정 목적의 가스에 흡수되어 수광 센서에 수광되는 광량이 가스 농도에 따라서 단계적으로 감소하기 때문에, 파슬S22, S23, S24의 크기는, 측정 목적의 가스의 농도의 정도에 따라서 단계적으로 낮아진다.
도5에 의해, 가스 농도의 측정전에 미리 검량선을 취득하는 방법의 일례를 설명한다. 도5는, 검량선을 구하기 위한 흐름도다.
검량선을 얻기 위해서는, 검량선 취득 장치를 이용한다.
검량선의 취득이 개시(스텝ST1)된 후, 스텝ST2에 있어서, 광학측정 셀의 준비를 할 수 있었던 것인가 아닌가가 판단된다.
광학측정 셀의 준비를 할 수 있으면, 스텝ST3에 이행한다. 스텝ST3에 있어서, 소정의 캐리어 가스가 소정 단위량으로 셀내에 도입되어 있는지가 판단된다.
소정의 캐리어 가스가 소정 단위량으로 셀내에 도입되어 있다고 판단되면, 스텝ST4에 이행한다.
이 캐리어 가스에 대해서는 생략하고, 셀내가 소정의 진공도로 되어있는지의 판단의 스텝으로 변하게 해도 좋다. 이 셀내가 소정의 진공도로 되어 있는지의 판단도 생략할 수 있다.
어떻든간에, 스텝ST4에 이행하기 전까지, 셀내를 크리닝 해 두는 것이 보다 정확한 검량선을 얻는데 필요하다.
스텝ST4에서는, 복수의 농도의 측정 대상의 가스를 순차로 셀에 도입하고, 각 농도의 가스의 흡광도를 측정한다.
측정이 완료하면, 스텝ST5에 이행한다.
스텝ST5에서는, 흡광도의 측정 데이터를 기초로 검량선을 작성한다.
이렇게 해서 작성된 검량선의 일례가 도6에 나타내어진다.
도6은, 가스 농도GC와 「-log(1-△T)」와의 관계를 나타낸 그래프다.
검량선이 작성되면, 검체의 농도 측정으로 옮겨갈 수 있다.
다음에, 도7 내지 도10에 나타내어진 본 발명에 따른 적합한 실시형태 예에 대해서 설명한다. 도7 내지 도10에 있어서, 도2와 같은 것은, 도2와 같은 부호를 사용해서 나타낸다.
도7은, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 광학적 농도 측정 시스템의 적합한 실시형태 예의 하나의 주요부(100a)를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도다. 도7은, 투과 광에 의한 농도 측정의 예다.
주요부(500)에 있어서는, 광원부는, 제1 광(Lλ1)을 발하는 제1 광원(101a)과 제2 광(Lλ2)을 발하는 제2 광원(101b)으로 구성되어 있다.
제1 광원(101a)으로부터 발생한 제1 광(Lλ1)은, 집광 광학부(102)에서 광축상에 집광되어 조사 광(103a)으로서 광축상을 지나가서 피측정 대상체(104)에 조사된다. 조사 광(103a) 중, 피측정 대상체(104) 중에서 흡수해 끊어지지 않는 양의 광이 투과 광(105a)으로서 피측정 대상체(104)로부터 출사된다.
투과 광(105a)은, 수광 센서부(106)의 수광면에 입사된다.
투과 광(105a)이, 수광 센서부(106)에서 수광되면, 투과 광(105a)의 광량에 따라서 광전변환된 전기신호(107)가 수광 센서부(106)로부터 출력된다.
수광 센서부(106)로부터 출력된 신호(107)는, 차동신호 형성 회로로 구성된 차동신호 형성부(108)에 입력한다.
제2 광원(101b)으로부터 발생한 제2 광(Lλ2)도 제1 광(Lλ1)과 마찬가지로 조사 광(103b)으로서 광축상을 지나가서 피측정 대상체(104)에 조사되어, 그것에 따라서 투과 광(105b)이 피측정 대상체(104)로부터 출사한다.
제2 광(Lλ2)의 경우는, 피측정 대상체(104)중에 있어서 흡수되지 않거나, 흡수된다고 하여도 제1 광(Lλ1)과 비교해 흡수성이 낮으므로, 조사 광(103b)과 투과 광(105b)에 관해서는, 그 광량은, 같거나 실질 동일하거나, 또는, 그 광량차이가 조사 광(103a)과 투과 광(105a)의 광량차이보다 적다.
도8은, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 광학적 농도 측정 시스템의 다른 적합한 실시형태 예의 주요부를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도다. 도7의 예의 경우가 투과 광에 의한 측정인 것에 대해서, 도8의 경우는, 반사광에 의한 측정인 이외는, 도7의 예와 같으므로 상세 설명은 생략한다.
도9는, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 광학적 농도 측정 시스템의 또 하나 다른 적합한 실시형태 예의 주요부를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도다.
도7의 예의 경우가 투과 광에 의한 측정인 것에 대해서, 도9의 경우는, 산란 광에 의한 측정인 이외는, 도7의 예와 같으므로 상세 설명은 생략한다.
도10은, 본 발명의 농도 측정방법을 구현화하는 광학적 농도 측정 시스템의 더 또 하나 다른 적합한 실시형태 예의 하나의 주요부를 설명하기 위한 모식적 구성 설명도다. 도10의 경우는, 도7의 예의 경우의 집광 광학부(102)에 분기형 광파이버(801)를 채용하고 있는 이외는, 도7과 마찬가지이므로 상세 설명은 생략한다.
도11에는, 본 발명에 있어서 채용되는 차동신호 형성부의 적합한 일례를 설명하기 위한 회로도가 나타내어진다.
차동신호 형성부(900)는, (전하)적분 앰프(902), 샘플/홀드 회로(903), 차동 앰프(904)로 구성되어 있다.
청과물등의 농도 측정하는 대상인 피측정 대상체(104)에 농도 측정용의 소정의 파장의 광이 조사되어서 생기는 투과 광, 반사광 혹은 산란광이, 수광용의 포토다이오드(901)에서 수광되면, 그 수광량에 따른 전기신호P1 이 포토다이오드(901)로부터 출력된다. 전기신호P1은 적분 앰프(902)에 입력된다.
적분 앰프(902)는, 검체(107)의 가스 농도의 미소한 변화까지 측정할 수 있도록 고감도화하기 위해서 설치되어 있다.
적분 앰프(902)의 출력 신호는, 샘플/홀드 회로(903)에 입력된다.
샘플/홀드된 아날로그 신호는 차동 앰프(904)에 입력된다.
「본 발명을 구현화한 가스 농도의 측정 예」
다음에, 본 발명을 구현화한 예를 가스 농도의 측정 예로 설명한다.
복수의 다른 파장광을 사용하여, 해당 복수의 광을 타임 셰어링으로 조사함으로써 농도를 측정하는 농도 측정방법의 적합한 실시 모양의 하나를 기술한다.
이하에서는, 주로, 측정에 투과 광을 사용하는 가스 농도 측정 예의 적합한 실시 모양의 하나를 설명한다.
측정에 투과 광을 사용하는 대신에, 반사광을 사용할 경우나, 산란 광을 사용할 경우라도 본 발명의 범주에 들어가는 것은, 미리 알릴 필요도 없이 해당 기술분야에 있어서는 당연한 것이다.
또한, 이하에 설명하는 형태 예가, 가스 농도 대신에 용액의 농도나 청과물의 당도등을 측정할 경우에도 용이하게 전개할 수 있는 것도 미리 알릴 필요도 없다.
본 발명을 가스 농도 측정 장치로서 구현화하기 위해서는, 해당 측정 장치를, 측정 목적으로 적합한 것을 전제로 용이하게 입수가능한 통상의 광원과 수광 포토다이오드, 전자회로 부품등으로 구성하는 것이 생기므로, 이하의 설명에서는 해당 분야의 기술자에 있어서 자명한 것은 생략하고, 요점을 간략하게 기재하기로 한다.
검체(피측정 대상)는, 예를 들면, 가스 배관을 흐르는 가스다.
가스 배관에는, 측정에 사용하는 광(측정 광hλ)이 입사하는 입사면과 상기 가스 배관속을 투과해서 외부에 출사하는 출사면이 설치되어 있다.
해당 입사면, 해당 출사면은, 측정 광hλ에 대하여 투과율이 「1」 또는 거의 「1」인 재료로 구성된다.
상기 가스 배관속을 흐르게 하는 가스는 단일종의 가스이여도 복수의 혼합 가스종이여도 목적의 가스 농도는 측정할 수 있다.
이하에서는, 검체로서의 가스의 종류로서는, 단일종일 경우, 예를 들면, 트리메틸 갈륨(TMGa)인 경우에 대해서 기술한다.
검체의 가스의 종류로서는, 그 외, 트리메틸 인듐(TM In)이나 4사염화 티탄(TiCL4)등도 들 수 있다.
트리메틸 갈륨(TMGa)의 가스 농도 측정에서는, 예를 들면, 제1 광원(101a)으로서는, 중심광파장이 500nm의 광(Lλ1)을 발광하는 LED가 채용되고, 그 광강도는, 1.OmW/cm2/nm이라고 한다.
제2 광원(101b)으로서는, 중심광파장이 230nm의 광(Lλ2)을 발광하는 LED가 채용되고, 그 광강도는 1.OmW/cm2/nm이라고 한다.
본 발명에 있어서는, 제1 광원(101a)으로부터 방사되는 광(Lλ1)103a와 제2 광원(101b)으로부터 방사되는 광(Lλ2)103b가, 각각 별도의 시각에 (타임 셰어링) 검체(104)를 투과하고, 수광 센서부(106)의 수광 센서에 입사된다. 수광 센서로서는, 예를 들면, 하마마쓰 포토닉스사제의 포토다이오드(S1336-18BQ)를 사용할 수 있다. 이 경우의 수광 센서의 수광감도는 광파장500nm에 있어서 0.26A/W이며, 광파장230nm에 있어서, 0.13A/W다.
수광 센서부(106)의 출력 신호107은, 차동신호 형성 회로(108)에 입력되고, 그것에 따라서 차동신호 형성 회로(108)로부터 출력 신호109가 출력된다.
제1 광원(101a)은, 검체(104)의 가스의 농도에 의존해서 흡광도가 변화되는 광을 방사하는 광원이, 제2 광원(101b)은, 검체(104)의 가스의 농도에 의존해서 흡광도가 변화되지 않거나 또는 실질적으로 변화되지 않는 광을 방사하는 광원이, 각각 채용된다.
이상의 가스 농도의 측정 예에서는, 투과 광을 측정하는 도7의 경우에 대해서 설명하고 있지만, 당연하면서 도8에 나타내는 반사광을 사용하는 구성일 경우나, 도9에 나타내는 산란 광을 사용하는 구성일 경우에도 적용할 수 있는 것은 다시 상세 설명할 필요도 없다.
또한, 도7에 나타내는 구성에서는, 제1 광원(101a)의 광로와 제2 광원(101b)의 광로는, 집광 광학부(102)가 없으면, 피측정 대상(104)에 있어서 다르지만, 동일 광로에 될 수 있는 한 가깝게 되도록, 제1 광원(101a)과 제2 광원(101b)을 될 수 있는 한 근접하게는 배치하는 것이 바람직하다.
혹은, 집광 광학부(102) 대신에, 도10에 나타낸 바와 같이 분기형 광파이버(801)를 채용하면, 실질적으로 동일 광로로 할 수 있으므로 바람직하다.
도11은, 차동신호 형성 회로의 적합한 예의 하나의 구성을 설명하기 위한 구성도를 나타낸다.
도11에 나타내는 차동신호 형성 회로(900)에는, 검체(107)의 가스 농도의 미소한 변화까지 측정할 수 있게 고감도화하기 위해서 (전하)적분 앰프(902)가 설치되어 있다.
(전하)적분 앰프(902)의 출력 신호는, 샘플/홀드 회로(903)에 입력된다.
샘플/홀드된 아날로그 신호는 ADC(1301)에 입력된다.
ADC(1301)로부터는 제1 광원에 근거하는 광 신호와 제2 광원에 근거하는 광 신호와 그것들의 차동신호가 출력된다.
도4가, 제1 광원(101a)의 출력OUT1, 제2 광원(101b)의 출력OUT2, 수광 센서의 출력OUT3, 차동신호의 출력OUT4 및 가스 농도GC의 시간응답을 나타내는 타이밍 차트인 것은, 앞서 설명한 대로다.
여기에서, 광원의 출력이란, 점등 시간에 방사되는 광량으로, 지향성이 높은 광일 경우는, 수광 센서로 수광되는 광의 광량에 실질적으로 해당한다.
본 발명에 있어서는, 도7 내지 도9에 기재되는 것 같이, 집광 광학부(102)에 의해, 광원(101a, 101b)으로부터의 광을 집광하고, 혹은, 도10에 나타낸 것 같이 분기형 광파이버(801)를 채용할 수 있으므로, 광원(101a, 101b)의 방사면을 집광 광학부(102)의 입사면에, 혹은 분기형 광파이버(801)의 입사면에 근접 또는 접촉시켜서, 광원(101a, 101b)을 배설하면, 광원(101a, 101b)의 점등 시간에 방사되는 광량은, 수광 센서로 수광되는 광의 광량에 근사 또는 실질적으로 해당시킬 수 있다.
일반적으로, 흡광도는 하기의 식으로 주어진다.
[수1]
Figure 112017028638953-pct00001
여기서, 「I0」은 입사 광의 강도를, 「I」는 투과 광의 강도를, 「K」는 가스 농도를 나타낸다. α는 계수이며, 검체(104)중의 광로 길이 및 검체(104)중의 농도 측정 대상인 가스의 흡광계수 등으로 결정되는 값이다.
또, 「△T」는 흡광도 차이를 나타낸다. 본 실시 모양에서는 제1 광원(101a)에 대하여 α가 실질적으로 0이 됨과 아울러, 제2 광원(101b)에 대하여 α가 2.18×10-4/ppm이 되도록 상기 광로 길이를 설정했다. 제1 광원(101a)으로부터 방사되는 광(Lλ1)의 투과 광의 강도를 「I1」으로 하고 제2 광원(101b)으로부터 방사되는 광(Lλ2)의 투과 광의 강도를 「Ⅰ2」로 하면, I1은, 제1 광원의 광파장에 대하여 가스 농도에 관계되지 않고 투과율 차이가 실질적으로 0인 것을 사용하면, 식(1)은 식(2)와 같이 변형할 수 있다.
[수2]
Figure 112017028638953-pct00002
여기서, 「X」는 차동신호의 출력값으로, 「I2-I1」과 마찬가지다.
본 방식에서는, 가스 농도에 의해 흡수율이 변화하는 제1 광원(101a)의 출력OUT1과, 흡수율이 가스 농도에 따라서 변화되지 않는 제2 광원(101b)의 출력OUT2를 사용해서 검체(104)의 흡광도를 고정밀도로 계측할 수 있다.
그 때문에, 가스 농도가 기지의 레퍼런스 샘플을 사용하여, 그 때마다, 검량선을 작성하기 위한 측정을 할 필요가 없다.
가스 농도계로서 측정계나 가스의 온도등이 변화되었다고 해도 안정하게 흡수율의 변화를 측정할 수 있다.
가스 농도가 「0」일 경우의 제1 광원(101a)에 근거하는 적분 앰프(902)에 있어서의 적분 전하량(1)과 제2 광원(101b)에 근거하는 적분 앰프(902)에 있어서의 적분 전하량(2)이 같거나, 또는 실질적으로 다름없도록 셋업한다.
여기서, 본 실시 모습에서는, 6.1×10-9C가 되도록, 제1 광원(101a)의 출력시의 적분 시간(1)과 제2 광원(101b)의 출력시의 적분 시간(2)을 조정했다.
본 실시 모습에서의 적분 시간(1)과 적분 시간(2)는, 각각 4.Omsec, 2.Omsec로 하였다.
이때, 가스 농도에 대한 측정된 흡광도의 값과, 계측한 신호에 중첩하는 노이즈의 표준편차의 3배의 값과의 관계를 도15에 나타낸다.
또한, 이 전하량을 사용해서 측정을 행했을 경우, 노이즈의 주성분은 포톤 쇼트 노이즈인 것이 확인되었다.
결과로부터, 전하량의 값이 6.1×10-9C이면, 신호 전하량의 2승근에 비례하는 포톤 쇼트 노이즈의 영향이 상대적으로 작기 때문에, 99％의 신뢰도로 흡광도 차이△T를 5×10-5까지 측정할 수 있었다. 다시 말해, 가스 농도는 0.1ppm의 정밀도로 측정할 수 있었다.
더욱이, 본 발명의 실시 모양에서는, 온도가 변화되었다고 하여도 광파장이 다른 2개의 광에 근거하는 신호의 차이로부터 출력을 얻고 있기 때문에, 온도에 따라 변화되는 투과율의 변동분을 캔슬할 수 있다. 그 때문에, 만일, 측정중에 온도변동이 있었다고 하여도 안정한 감도를 고정밀도로 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서는, 본 발명을 구현화한 농도 측정 기기에, Wi-Fi, Bluetooth(등록상표), NFC등의 근거리 통신용의 통신 모듈, 혹은 위성통신용의 통신 모듈을 내장하여서, 네트워크상의 정보단말장치로서 기능시킬 수 있다. 예를 들면, 병원의 입원환자가, 측정 시간이 되면, 혹은, 너스 스테이션으로부터의 지시로, 입원 베드에서 혈액중의 당도를 본 발명에 따른 비침습 타입의 농도 측정기로 측정하고, 그 측정 데이터를 너스 스테이션에 그대로 송신할 수 있다. 이에 따라, 각 환자의 병실에까지 나가서 측정하고 있었던 것에 대해서 간호사의 노동 부담을 경감할 수 있다.
게다가, 예를 들면, 자택 등에서 관찰 요양을 하고 있는 당뇨병 예비군의 사람이나 혈당치가 낮은 사람이나 높은 사람이, 차의 운전중에 혈당치의 이상사태가 발생해 의식이 혼미해져 정상운전을 할 수 없거나 어렵게 되거나 해서 사고를 초래하는 사태가 일어날 경우가 있지만, 본 발명에 따른 통신 기능을 갖는 비침습 타입의 농도 측정기를 착용해서 운전중 측정 동작시켜 두면, 혈당치의 이상을 검지해서 즉석에서 운전하고 있는 자동차에 그 이상검지의 신호를 송신하고, 자동차를 즉시 자동 정지시키거나, 혹은 길옆에 있는 안전지대에 자동유도해서 정지시킬 수도 있다. 게다가, 지참한 인슐린을 투여해서 정상을 회복할 수도 있다.
또한, 이상검지의 데이터를 운전자의 필요한 개인 데이터와 함께 단골이나 가까운 병원에 자동송신하고, 병원에서의 응급지시를 바랄 수도 있다.
본 발명의 구현화에 있어서, 차동신호 형성 회로의 적합한 예의 하나를 도11에 나타냈지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 도12 내지 도14에 나타내는 각 차동신호 형성 회로도 적합한 예의 하나로서 채용된다.
도12 내지 도14에 있어서, 도11에 나타내는 부호의 것과 같은 기능을 다하는 것에는, 도11에 나타내는 부호와 같은 부호를 부착하고 있다.
도12의 경우는, 차동신호 출력(905)용의 회로를 더하고, 차동전 신호 출력(1001)용의 회로가 부가되어 있는 것 외는, 도11의 경우와 같다.
차동전 신호 출력(1001)용의 회로를 부가함으로써, 도11의 경우와 비교하여, 온도변화 등에 의한 흡광도의 절대치의 변동이나, 광원의 광출력에 시간적인 변동이 발생했다고 한들, 그것들의 변동분을 측정해서 교정할 수 있는 점에서 이점이 있다.
도13의 경우는, 도12의 경우와 비교하여, 샘플/홀드 회로(903a, 903b)⇒차동 앰프(904a, 904b)와 신호가 전송되는 계통이 2계통과, ADC(1301)가 더욱 설치된다.
이 구성에 의해, 도12와 비교하여, 적분 앰프의 오프셋을 제거할 수 있는 점에서 이점이 있다.
도14는, 도13의 경우의 예를 보다 구체적으로 회로 설계한 예다.
적분 앰프(902)와 같은 적분(축적) 앰프부(1401)와, 1/10배 앰프부(1402)가 설치되고, 각 차동 앰프부(904a, 904b)에는, 차동출력을 갖기 위해서 각각 2개의 계장 앰프가 설치되어 있다.
이러한 구성으로 하는 것에 의해서, 차동 앰프의 오프셋을 제거할 수 있는 점에서 이점이 있다.
다음에, 본 발명에 따른 농도 측정 기능을 갖춘 전자장치의 적합한 예의 일 실시형태를 설명한다.
도16, 도17은, 본 발명을 휴대형 단말장치에 적용했을 경우의 일 실시형태를 나타내는 개략 구성도다. 내부
도16은 개략 외관도, 도17은, 내부 구성의 블록도다.
도16, 도17에 나타내지는 휴대 단말장치(1701)는, GPS(Global Positioning System)측위부(1703), 연산 처리부(1704), 기억장치(1705), 표시부(1706)로 구성되어 있다.
GPS측위를 요하지 않는 장치의 경우는, GPS측위부(1703)는 생략된다.
또한, GPS측위부(1703)를 구비하고, 가속도 센서(1708), 각속도 센서(1709)를 생략할 수도 있다.
휴대 단말장치(1701)의 예로서는, 네비게이션 기능을 갖는 휴대전화기기, PDA(Personal Digital Assistants), 타블렛, 모바일PC등의 모바일 전자기기나 손목시계, 전자기기 기능을 갖춘 스카우터·네크레이스·반지·팔찌등의 착용품을 들 수 있다.
휴대 단말장치(1701)의 예로서는, 또 이외에, 등산용의 휴대 기압계·고도계, 스톱 워치등 들 수 있다.
휴대 단말장치(1701)는, 송수신기지, 송수신위성, 자동차에 탑재되어 있는 NAVI시스템, 핸디 NAVI기기, 구내 네트워크 시스템에 연결되는 송수신기, 다른 휴대 단말장치등의 송수신 기능 구비 장치와 상호 통신할 수 있다.
이후의 설명에서는, 송수신 기능 구비 장치의 예로서 송수신위성(1702)의 예로 설명한다.
GPS측위부(1703)는, 송수신위성(1702)으로부터 송신되는 위치 정보신호를 수신해서 현재 위치를 측위하는 제1의 현재 위치 연산부로서 기능한다.
연산 처리부(1704)는, 걸음 수를 검출하는 상하 가속도 센서(1708) 및 방위를 검출하는 각속도 센서(1709)의 검출 신호가 입력되어서, 이것들에 근거해서 현재 위치를 자율측위함과 아울러, 네비게이션 처리를 실행한다.
연산 처리부(1704)는, 마이크로 컴퓨터, CPU등으로 구성된다. 기억장치(1705)는, 연산 처리부(1704)에서 실행하는 처리 프로그램을 격납함과 아울러, 연산 처리에서 필요로 하는 기억 테이블을 기억하는 ROM1705a, 연산 처리 과정에서 필요로 하는 연산 결과 등을 기억하는 RAM1705b 및 네비게이션 처리 종료시의 현재 위치 정보를 기억하는 불휘발성 메모리(1705c)로 구성된다.
표시부(1706)는, 연산 처리부(1704)로부터 출력되는 네비게이션 화상정보를 표시하는 것으로, 액정표시기, 유기EL 표시기등으로 구성된다.
시계부(1707)는, GPS측위부(1703)의 작동시에 이 GPS측위부(1703)로부터 출력되는 년/월/일/시각을 나타내는 현재 시각 정보로 보정되는 년/월/일/시각을 표시한다.
연산 처리부(1704)에는, GPS측위부(1703)로부터 출력되는 현재 위치 정보와, 시계부(1707)로부터 출력되는 년/월/일/시각을 나타내는 현재 시각 정보와, 휴대 단말장치(701)를 보유하는 유저의 허리위치에 장착한 가속도 센서(1708)로부터 출력되는 가속도 정보와, 휴대 단말장치(1701)에 장착된 자이로 등의 각속도 센서(1709)로부터 출력되는 유저의 보행 방향의 방위에 따른 각속도 정보와, 본 발명에 따른 농도 측정부(1701)로부터의 농도 측정 정보가, 입력된다.
농도 측정부(1701)는, 도7 내지 도10에 나타내는 광학적 농도 측정 시스템 혹은 해당 시스템과 마찬가지의 기능을 갖춘 광학적 농도 측정 기기로 구성되고, 휴대 단말장치(1701) 본체에 탈착가능하게 장비되어 있어도 좋고, 본체와 일체적으로 구성되어 있어도 좋다.
농도 측정부(1701)가 본체에 탈착가능하게 장비되어 있을 경우는, 측정할 때에, 농도 측정부(1701)를 본체로부터 떼어 내 예를 들면 신체에 접촉시켜서, 예를 들면 혈액의 당도를 측정할 수 있다.
농도 측정부(1701)는 본체로부터 떼어 내어도, 농도 측정부(1701)와 본체와의 사이에서 통신할 수 있도록, 농도 측정부(1701)와 본체의 양자에, Wi-Fi, Bluetooth(등록상표), NFC등의 근거리 통신용의 통신 모듈이 설치된다.
휴대 단말장치(1701)에 의하면, 농도 측정 데이터, 위치 정보 데이터, 기억장치(1705)에 기억되어 있는 개인특정 데이터를 송신처에 송신할 수 있다. 예를 들면, 자동차를 운전중에 혈액중의 당도 값에 이상을 초래했을 경우는, 이상을 나타내는 신호를 차에 전송해서 차를 자동 정지시킴과 동시에 홈닥터나 단골 의사가 있는 병원에, 농도 측정 데이터, 위치 정보 데이터, 및 개인특정 데이터를 전송하고, 송신처의 의사로부터 적절한 처치의 지시를 바랄 수 있고, 경우에 따라서는, 구급차의 신속한 배차도 가능하다.
연산 처리부(1704)에는, 외부의 무선통신 기기와 무선통신하는 통신부(1711)가 접속되어 있다.
ROM(1705a)에는, 지역별 위치 정보 기억 테이블이 격납되어 있다. 그 외, ROM(1705a)에는, 자율측위연산을 행하는 자율측위연산용 프로그램과, GPS측위부(1703)에서 연산한 현재 위치 정보 및 자율측위용 프로그램에 의한 자율측위연산 처리로 연산한 현재 위치 정보 중 어느 하나를 선택하는 연산부 선택 처리 프로그램이 격납되어 있다.
지역별 위치 정보 기억 테이블에는, 전국의 도도부현명과, 각 도도부현의 청 소재 지명과, 청 소재지의 위도(N) 및 경도(E)가 기재되어 있다.
연산 처리부(1704)는, 자율측위연산을 행하는 자율측위연산용 프로그램에 따라서 자율측위연산 처리를 실행한다.
이 자율측위연산 처리는, 연산부 선택 처리에 의해 자율 연산 처리가 선택되었을 때에 기동되고, 초기 상태에서, 전회의 GPS측위부(1703)에서 측위한 현재 위치를 초기 위치로서 설정하고 나서, 소정의 메인 프로그램에 대한 소정시간(예를 들면, 10msec)마다의 타이머 인터럽트 처리로서 실행된다.
다시 말해, 우선, 각속도 센서(1709)에서 검출한 각속도θv를 로드하고, 다음에, 각속도θv를 적분해서 방위θ을 산출하고 나서 다음 스텝에 이행한다.
이행한 스텝에서는, 가속도 센서(1708)에서 검출한 상하 가속도G를 로드하고, 상하 가속도G의 변화 패턴으로부터 걸음 수P를 산출하고, 산출한 걸음 수P에 미리 설정한 보폭W를 승산해서 이동 거리L을 산출하고, 산출한 방위θ 및 이동 거리L에 근거해서 현재 위치 정보를 갱신하고, 갱신한 현재 위치 정보를 지도정보에 포개어 표시부(1706)에 표시하고 나서 타이머 인터럽트 처리를 종료해서 소정의 메인 프로그램에 복귀한다.
게다가, 연산 처리부(1704)는, 연산부 선택 처리 프로그램에 따라서 GPS측위부(1703)에서 측위한 현재 위치 정보 및 자율측위연산 처리로 측위한 현재 위치 정보 중 어느 하나를 선택하는 연산부 선택 처리를 실행한다.
이 연산부 선택 처리에서는, 휴대 단말장치(1701)에 전원이 투입되어서 네비게이션 처리가 선택되었을 때에 실행 개시를 선택하는 연산부 선택 처리를 실행한다.
휴대 단말장치(1701)의 예로서는, 네비게이션 기능을 갖는 휴대전화기기, PDA(Personal Digital Assistants), 타블렛, 모바일PC등의 모바일 전자기기나 손목시계, 모바일 전자기기나 손목시계, 전자기기 기능을 갖춘 스카우터·네크레이스·반지·팔찌·등의 착용품을 들 수 있다.
지금까지의 예에서는, 차동신호의 형성은, 차동회로, 차동증폭회로등의 전기 회로(하드웨어)를 통해 형성하는 경우를 예시해 왔지만, 본 발명에 있어서는, 이것들에 한정되는 것이 아니고, 디지털 연산 처리의 소프트웨어를 채용해서 형성해도 좋다.
적합한 실시 모양의 일례에 대해서 도18을 사용해서 설명한다.
도18에 나타낸 실시 모양은, 차동신호 형성부(1800), 수광 센서부(1801)를 구비하고 있다.
차동신호 형성부(1800)는, 적분 회로부(1802), 아날로그-디지털 변환(A/D변환)부(ADC)(1803), 차동신호 형성 요소부(1804)를 구비하고 있다.
수광 센서부(1801)에는, 측정용의 수광 센서로서 포토다이오드(1805)가 설치되어 있다. 적분 회로부(1802)에는, 오피 앰프(108), 콘덴서C1, 스위치SW1이 설치되어 있다.
도11일 경우의 차동신호 형성부(900)의 예는, 아날로그 신호를 사용해서 차동신호905를 형성하는 것이지만, 도18의 예에서는, 차동신호1809는, 적분 회로부(1802)로부터 출력되는 신호807을 아날로그-디지털 변환(A/D변환)후에 디지털 연산 처리를 실시해서 형성된다.
포토다이오드(1805)의 출력 단자는, 오피 앰프(1809)의 반전 입력핀과 전기적으로 접속되어 있다.
오피 앰프(1806)의 비반전 핀은, 접지되어 있다.
적분 회로부(1802)와 ADC(1803)와의 사이는, 스위치SW2가 필요에 따라서 설치될 수 있는 신호 전달로가 형성되어 있다. 해당 신호 전달 경로는, 적분 회로부(1802)와 ADC(1803)와의 사이를 전기적으로 접속함으로써 형성할 수 있다.
파장 또는 파장대역이 다른 2개의 광(제1 광과 제2 광)이, 피측정 대상(검체)에 타임 셰어링에 의해 순차 조사되면, 그 조사에 따라서 피측정 대상을 통해 오는 제1 광과 제2 광이 타임 셰어링에 의해, 순차로, 포토다이오드(1805)에서 수광된다.
포토다이오드(1805)는 수광하면 광 전하를 발생하고, 해당 광 전하는, 콘덴서C1에 축적된다. 적분 회로부(1802)로부터는, 이 축적 전하량에 따른 크기의 전압의 신호1807이, 스위치SW2가 ON일 경우에 출력된다. 신호1807은, 아날로그·디지털 변환 수단(ADC)(1803)에 입력되어 디지털 신호화되어서, 신호1808로서 ADC(1803)로부터 출력된다. 디지털화된 신호1808은, 차동신호 형성 요소부(1804)에 입력된다.
제1 광에 대응하는 신호1808a와 제2 광에 대응하는 신호1808b는, 먼저 입력된 쪽의 신호는, 나중에 입력되는 신호가 적어도 입력될 때까지 차동신호 형성 요소부(1804) 내부에 일시적으로 보존된다.
측정 목적으로 하는 제1 광과 제2 광의 각각에 대응하는 신호1808a, 1808b가, 차동신호 형성 요소부(1804)에 순차 입력되면, 이것들의 신호1808a, 1808b를 기초로 차동신호 형성 요소부(1804)에 있어서 차동신호 형성 처리가 실시되어서 차동신호1809가 차동신호 형성 요소부(1804)로부터 출력된다.
이상 설명한 대로, 본 발명의 농도 측정방법은, 여러 가지 모양과 형태에 있어서 구현화되는 것으로, 만능성을 구비한다.
100 광학적 농도 측정 시스템
100-1 광학적 농도 측정 서브시스템
100-2 제어·조작 서브시스템
100-3 광학적 농도 측정 장치
101 광원부
101a, 101b 광원
102 집광 광학부
103, 103a, 103b 조사 광
104 피측정 대상
105, 105a, 105b 투과 광
106 수광 센서부
107, 107a, 107b 전기신호
108 차동신호 형성부
109 차동출력 신호
110 신호 격납/처리부
111 출력 신호
112 표시부
113 제어부
114 조작부
201∼211 스텝
500, 600, 700, 800 광학적 가스 농도 측정 시스템
801 분기형 광파이버
801a, 801b 분기 광학로
802a, 802b 조사 광
900, 1000, 1300, 1400 차동신호 형성부(회로 구성)
901 포토다이오드
902 적분 앰프
903, 903a, 903b 샘플/홀드 회로
904, 904a, 904b 차동 앰프
905 차동신호 출력
906 차동전 신호 출력
1101 차동신호 형성 요소부
1301 ADC
1302 신호 출력
1401 적분 앰프부
1402 1/10배 적분 앰프부
1701 휴대 단말장치
1703 GPS 측위부
1704 연산처리부
1705 기억장치
1706 표시부
1708 가속도 센서
1709 각속도 센서
1800 차동신호 형성부
1801 수광 센서부
1802 적분회로부
1803 디지털·아날로그 변환부
1804 차동신호 형성 요소부
1805 포토다이오드
1806 오피 앰프
1807, 1808 신호
1809 차동신호
Lλ1 제1 파장의 광
Lλ2 제2 파장의 광

Claims (10)

  1. 피측정 대상에 대해서의 광흡수율이 다른 제1 파장의 광과, 제2 파장의 광을 상기 피측정 대상에 각각 타임 셰어링법으로 조사하고,
    각 파장의 광의 해당 조사에 의해 상기 피측정 대상을 광학적으로 통해 오는 상기 각 파장의 광을 공통의 수광 센서로 수광하고,
    해당 수광에 따라서 상기 수광 센서로부터 출력하는 상기 제1 파장의 광에 관한 제1 신호와 제2 파장의 광에 관한 제2 신호를 공통의 적분회로에 입력하고,
    상기 적분회로에서는 상기 제1 신호에 대한 적분시간과 상기 제2 신호에 대한 적분시간이 각각 독립적으로 설정되고, 상기 적분회로에 의해 적분된 제1 신호에 근거한 신호와 제2 신호에 근거한 신호의 차동신호를 형성하고,
    해당 차동신호에 근거해서 상기 피측정 대상에 있어서의 화학성분의 농도를 도출하고,
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는, 제1 기간 T13내에 형성되고,
    상기 제1 기간 T13은, 상기 수광 센서의 상승 개시 시점으로부터 하강 개시 시점까지의 기간인 제2 기간 T12내에 있고,
    상기 제2 기간 T12는, 상기 광을 상기 피측정 대상에 조사하는 제3 기간 T11이내에 있고,
    상기 제1 기간 T13과 상기 제2 기간 T12와 상기 제3 기간 T11은,
    하기의 식 (1)을 만족하는 광학적 가스 농도 측정방법.
    T13〈 T12 ≤ T11 ……(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피측정 대상이 가스 상태에 있는, 광학적 가스 농도 측정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피측정 대상이 액체 상태에 있는, 광학적 가스 농도 측정방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 피측정 대상이 청과물인, 광학적 가스 농도 측정방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 파장의 광과 상기 제2 파장의 광을 1개의 발광 수단으로부터 상기 피측정 대상에 각각 조사하고,
    상기 발광 수단은, 상기 제1 파장의 광을 발광하는 광원과, 상기 제2 파장의 광을 발광하는 광원을 구비하고 있는, 광학적 가스 농도 측정방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 파장의 광과 상기 제2 파장의 광을 1개의 발광 수단으로부터 상기 피측정 대상에 각각 조사하고,
    상기 발광 수단은, 상기 제1 파장의 광과 상기 제2 파장의 광을 발광하는 광원을 구비하고 있는, 광학적 가스 농도 측정방법.
  7. 피측정 대상에 대해서의 광흡수율이 다른 제1 광과 제2 광을 각각 상기 피측정 대상에 타임 셰어링법으로 조사하고,
    상기 피측정 대상에 각 광을 조사함으로써 상기 피측정 대상을 광학적으로 통해 오는 각 광을 공통의 수광 센서로 수광하고,
    해당 수광에 따라서 상기 수광 센서로부터 출력하는 상기 제1 광에 관계되는 제1 신호와 제2 광에 관계되는 제2 신호를 공통의 적분회로에 입력하고,
    상기 적분회로에서는 상기 제1 신호에 대한 적분시간과 상기 제2 신호에 대한 적분시간이 각각 독립적으로 설정되고, 상기 적분회로에 의해 적분된 제1 신호에 근거한 신호와 제2 신호에 근거한 신호에 근거해서 차동신호를 형성하고,
    해당 차동신호에 근거해서 상기 피측정 대상에 있어서의 소기의 화학성분의 농도를 도출하고,
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는, 제1 기간 T13내에 형성되고,
    상기 제1 기간 T13은, 상기 수광 센서의 상승 개시 시점으로부터 하강 개시 시점까지의 기간인 제2 기간 T12내에 있고,
    상기 제2 기간 T12은, 상기 광을 상기 피측정 대상에 조사하는 제3 기간 T11이내에 있고,
    상기 제1 기간 T13과 상기 제2 기간 T12와 상기 제3 기간 T11은,
    하기의 식(1)을 만족하는 광학적 가스 농도 측정방법.
    T13〈 T12 ≤ T11 ……(1).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 타임 셰어링법으로의 조사는, 발광과 수광의 광학축이 같거나 또는 실질적으로 동일한 조사 광로를 전파시켜서 행하는, 광학적 가스 농도 측정방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 타임 셰어링법으로의 조사는, 상기 피측정 대상에 있어서 같거나 또는 실질적으로 동일한 조사 광로를 전파시켜서 행하는, 광학적 가스 농도 측정방법.
  10. 삭제
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