WO2019021694A1 - 光セパレータ構造及び物質濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

設計及び組立が簡単で、小型化する。発光源３と、発光源３から出射された光の一部を遮って反射させることにより、リファレンス光及びメジャメント光を得る反射器４と、を備える。そして、反射器４で反射することなくそのまま通過するメジャメント光又はリファレンス光を得る。

Description

光セパレータ構造及び物質濃度測定装置

　本発明は、光セパレータ構造及び物質濃度測定装置に関するものである。

　従来、物質濃度を測定する物質濃度測定装置として、例えば水中の有機物濃度を測定する水質監視装置がある。水質監視装置には、光源である低圧水銀灯からの光線を光分離スプリッタにより、検水を透過させるサンプル光線と、それ以外のリファレンス光線に分離するようにしたものが公知である（例えば、特許文献１参照）。

　しかしながら、前記水質監視装置では、分光にビームスプリッターを使用しているため、次のような問題がある。

　すなわち、透過光の屈折(ビームシフト)等を考慮しなければならない。光軸に対してビームスプリッターを正確に４５°に傾斜させて組み立てる必要がある。ビームスプリッターの入射光を所定の分割比で反射光と透過光に分割するのは、発光源の発光波長により異なる。このため、設計及び組立が共に複雑になる。

　また、ビームスプリッターは、光路全体をカバーできるように配置しなければならない。しかも、ビームスプリッターは、濁度を測定する波長660nm仕様のものと、ＵＶ吸光度を測定する波長253.7nm仕様のものとをそれぞれ用意する必要がある。このため、小型化する上での制約がある。

特開平７－２０９１８０号公報

　本発明は、設計及び組立が簡単で、小型化することができる光セパレータ構造及び物質濃度測定装置を提供することを課題とする。

　本発明は、前記課題を解決するための手段として、
　発光源と、
　前記発光源から出射された光の一部を遮って反射させることにより、リファレンス光又はメジャメント光を得る反射器と、
を備え、
　前記反射器で反射することなくそのまま通過するメジャメント光又はリファレンス光を得る、光セパレータ構造を提供する。

　この構成により、発光源から出射した光のうち、一部を遮って反射器で反射させることにより、ビームスプリッターを必要とすることなく、リファレンス光とメジャメント光とに２分割できる。ビームスプリッターを使用せず、反射器を配置しただけであるので、設計及び組立を容易に行え、小型化が可能となる。

　前記反射器は、前記発光源からの光の反射角度を９０°とするのが好ましい。
　この構成により、光セパレータ構造の設計及び組立を容易に行うことができる。

　前記反射器で反射させる前記発光源からの光の割合は、メジャメント光の光強度がリファレンス光の光強度以上となるようにするのが好ましい。

　この構成により、透過率の低い試料であっても、メジャメント光の光強度を大きくすることにより対応することができる。

　前記反射器は、基材と、前記基材よりも前記発光源からの光照射による物性変化の少ない材料からなり、少なくとも反射面を構成するメッキ層とを備えているのが好ましい。

　この構成により、長期に亘って使用しても、少なくとも反射面は発光源からの光照射によって物性が変化しにくいので、安定して所望の反射光を得ることができる。

　前記反射器は、反射面の材質を選択可能であるのが好ましい。

　この構成により、使用環境に応じた適切な材質で反射光を得ることができる。

　前記発光源はＬＥＤ素子であればよい。

　また、本発明は、前記課題を解決するための手段として、
　前記いずれかの光セパレータ構造を有する光学系と、
　前記光学系から得られたメジャメント光が介在させた試料を透過する測定セル部と、
　前記測定セル部の試料を透過したメジャメント光を受光する第１受光部、及び、前記光学系から得られたリファレンス光を受光する第２受光部からなる受光器と、
　前記第１受光部と前記第２受光部とで得られた光強度の差に基づいて、試料中の含有物の濃度を算出する制御部と、
を備える、物質濃度計測装置を提供する。

　この構成により、メジャメント光は測定セル部の試料を透過する。このとき、試料中の含有物の濃度の違いに応じて減衰率が相違する。したがって、第１受光部で受光される光は減衰率に応じた光強度となる。そこで、第１受光部で検出される光強度と、試料を透過することなくそのまま照射されるリファレンス光の光強度とを比較して試料中の含有物の濃度を算出することができる。

　前記光学系は、出射される光の波長が相違する複数の発光源を備え、
　前記受光器は、前記各発光源からのリファレンス光とメジャメント光とをそれぞれ受光する複数の受光部で構成されているのが好ましい。

　この構成により、各発光源から試料の検出項目の違いに応じた適切な波長の光を出射させ、対応する受光部で検出することができる。

　前記試料は液体であってもよい。

　前記発光源は、出射する光のスペクトルが250～260nmにピークがあるのが好ましい。

　この構成により、試料に含まれる含有物の濃度を吸光度に対応する電気信号として検出できる。

　本発明によれば、発光源からの光の一部を反射器によって反射させることにより、リファレンス光とメジャメント光とを得るようにしたので、ビームスプリッターを必要とせず、設計及び組立を容易に行うことができるばかりか、小型化を実現可能となる。

本実施形態に係る水質監視装置の斜視図である。 図１の水質監視装置を反対側から見た斜視図である。 図１の分解斜視図である。 図１の部分断面斜視図である。 図３の第１取付台の部分断面斜視図である。 図３の第２取付台の斜視図である。 図１の水質監視装置の一部を示す概略正面断面図である。

　以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは相違している。

　図１から図３は、本実施形態に係る物質濃度計測装置の一例としての水質監視装置１を示す。水質監視装置１は、装置本体２、発光源３、反射器４、受光器５、及び、制御部である制御装置６（図４参照）を備える。

　図１に示すように、装置本体２は、平面視円形状の基台部７と、この基台部７の下面から所定間隔の隙間（測定セル部８）を形成するようにして延びる第１支持部９及び第２支持部１０とで構成されている。基台部７には、表示部（図示せず）や制御装置６が設けられる。

　第１支持部９には、第２支持部１０とは反対側に位置する外側面から平面視略矩形状の第１凹所１１が形成されている。図３及び図４に示すように、第１凹所１１の底面には、第２支持部側に位置する内側面に開口する平面視円形の段付き形状をした第１検出窓１２が形成されている。第１検出窓１２には、その形状に合わせた段付き形状の第１透過部材１３が装着されている。第１透過部材１３には、ＵＶ光（ultraviolet light）の減衰率が小さい材料からなるガラス（例えば、石英ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム等）が使用されている。

　第１凹所１１には、その底面に第１取付台１５がネジ止めされている。
　第１取付台１５の側面には、第１凹部１６と第２凹部１７とが形成されている。図５に示すように、第１凹部１６と第２凹部１７の底面中央部には、第１貫通孔１８と第２貫通孔１９とがそれぞれ形成されている。第１凹部１６と第２凹部１７とには、後述する第１発光素子３３と第２発光素子３４とがそれぞれ配置される。また、第１凹部１６と第２凹部１７の底面には、第１貫通孔１８と第２貫通孔１９の上半部をそれぞれ閉鎖するように、後述する反射部材３５，３６が設けられる。

　第１取付台１５の上面には、第３凹部２０と第４凹部２１とが形成されている。第３凹部２０と第４凹部２１の底面には、前記第１凹部１６と前記第２凹部１７とにそれぞれ連通する第３貫通孔２２と第４貫通孔２３とがそれぞれ形成されている。第３凹部２０と第４凹部２１とには、後述する第１光電変換素子３７と第２光電変換素子３８とがそれぞれ配置される。

　図２に示すように、第２支持部１０には、第１支持部９とは反対側に位置する外側面から平面視略矩形状の第２凹所２４が形成されている。図４に示すように、第２凹所２４の底面には、第１支持部９側に位置する内側面に開口する平面視円形の第２検出窓２５が形成されている。第２検出窓２５は第１検出窓１２に対向している。第２検出窓２５には、前記第１透過部材１３と同様な形状及び材質からなる第２透過部材２６が装着されている。

　第２凹所２４には、その底面に向かって第２取付台２８がネジ止めされている。
　図６に示すように、第２取付台２８の側面には、第５凹部２９と第６凹部３０とが形成されている。第５凹部２９と第６凹部３０の底面中央部には第５貫通孔３１と第６貫通孔３２とがそれぞれ形成されている。第５凹部２９と第６凹部３０とには、後述する第３光電変換素子３９と第４光電変換素子４０とがそれぞれ配置される。

　なお、第１凹所１１及び第２凹所２４は、図示しない蓋体によって密閉状態で閉鎖されるようになっている。また、第１検出窓１２と第２検出窓２５に対して、第１透過部材１３と第２透過部材２６とは、その外縁部に図示しないパッキン等を配置することによりそれぞれ封止状態で取り付けられるようになっている。これにより、第１支持部９と第２支持部１０の内部での防水性が確保される。

　図３に示すように、発光源３は、第１発光素子３３と第２発光素子３４とからなる。これら発光素子３３，３４には共に、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が使用されている。ここで使用するＬＥＤは、リードフレームにＬＥＤチップを実装し、レンズで覆った構成である。各発光素子３３，３４は円筒形状に形成されており、一端側のレンズが半球状に形成され、他端には外径側に突出した鍔部が形成されている。但し、第１発光素子３３には、出射する光のスペクトルが250～260nmにピークがあるものを使用している（ここでは、ピーク波長が253.7nmで、指向性が高く、半値幅が±10°以下の、ＵＶ光ＬＥＤ（Urtra Violet optical Light Emitting Diode）を使用している。）。これにより、第１発光素子３３を、検出対象物である試料水の含有物の吸光度を測定するために使用できる。第２発光素子３４には、出射する光のスペクトルが660nmにピークがあるものを使用している（ここでは、ピーク波長が660nmで、指向性が高く、半値幅が±10°以上の赤色光ＬＥＤ（Red Light Emitting Diode）を使用している。）。これにより、第２発光素子３４を、検出対象物である試料水の透過光濁度（例えば、JIS K 0101(1998)）を測定するために使用できる。

　反射器４は、第１反射部材３５と第２反射部材３６とからなる。これら反射部材３５，３６は共に、基材として金属材料（ここでは、ステンレスを使用）を断面直角二等辺三角形に形成したもので、傾斜面３５ａ，３６ａを備える。少なくとも傾斜面３５ａ，３６ａは、鏡面加工されて、表面がメッキ加工（ここでは、光照射による物性変化の少ないＡｕを使用）されてメッキ層が形成されることにより反射面３５ａ，３６ａとなる。第１反射部材３５は、傾斜面３５ａが斜め上方に向かうようにして接着や溶接等により第１凹部１６の底面に固定される。このとき、一の平面で第１取付台１５の第１貫通孔１８の上半分を覆った状態とする。第２反射部材３６も同様に、第１取付台１５の第２貫通孔１９の上半分を覆った状態で第１凹部１６の底面に固定される。これにより、反射面３５ａ，３６ａは、発光素子からの光の出射方向に対する傾斜角度が４５°となり、この光の上半分を９０°方向変換する。

　受光器５は、第１受光部である第１光電変換素子３７及び第２光電変換素子３８と、第２受光部である第３光電変換素子３９及び第４光電変換素子４０とで構成されている。第１光電変換素子３７と第２光電変換素子３８とは共に外周にカラー４１を装着された状態で、第１取付台１５の第３凹部２０と第４凹部２１とにそれぞれ装着される。この装着状態では、反射器４で９０°方向変換された光が第１光電変換素子３７と第２光電変換素子３８とでそれぞれ受光される。第１光電変換素子３７と第２光電変換素子３８とでは、受光した光がその光強度を示す電気信号に変換される。また、第３光電変換素子３９及び第４光電変換素子４０とは、外周にカラー４１を装着された状態で、第２取付台２８の第５凹部２９と第６凹部３０とにそれぞれ装着される。この装着状態では、反射器４で方向変換されることなくそのまま直進し、測定セル部８で試料水を通過した各発光素子３３，３４からの光の下半分が、第３光電変換素子３９と第４光電変換素子４０とにそれぞれ受光される。第３光電変換素子３９と第４光電変換とでは、受光した光がその光強度を示す電気信号に変換される。

　制御装置６は、各光電変換素子３７～４０から入力される電気信号に基づいて、試料水の吸光度と濁度とを算出する。

　続いて、前記構成からなる水質監視装置１の組立方法について説明する。

　第１取付台１５に、第１反射部材３５及び第２反射部材３６と、第１発光素子３３及び第２発光素子３４と、第１光電変換素子３７及び第２光電変換素子３８とをそれぞれ装着して第１光学ユニット４２を形成する。

　第１光学ユニット４２を形成する場合、まず、第１取付台１５の第１凹部１６に第１反射部材３５と第２反射部材３６とを取り付ける。第１反射部材３５は、反射面３５ａを上方側として一方の平面で第１貫通孔１８の上半分を覆うようにして第１凹所１１の底面に位置決めする。第２反射部材３６も第１反射部材３５と同様にして、反射面３６ａを上方側として一方の平面で第２貫通孔１９の上半分を覆うようにして第１凹所１１の底面に位置決めする。

　そして、第１凹部１６に第１発光素子３３を装着し、第２凹部１７に第２発光素子３４を装着する。これら発光素子３３，３４の装着では、図示しない円筒状のカラーを各発光素子３３，３４の外周に取り付ける。そして、接着等により各凹部１６，１７に固定する。取付状態では、先に取り付けた各反射部材３５，３６に対して各発光素子３３，３４のレンズが僅かな間隙を持って対向して位置決めされる。発光素子３３，３４から出力される光の照射範囲は、各貫通孔１８，１９の開口面積とほぼ同じサイズである。なお、第１発光素子３３と第１反射部材３５、第２発光素子３４と第２反射部材３６によってそれぞれ光セパレータ構造を構成している。

　また、第１取付台１５の第３凹部２０に第１光電変換素子３７を装着し、第４凹部２１に第２発光素子３４を装着する。これにより、第１発光素子３３と第１光電変換素子３７とは、第１発光素子３３から出力される光の進行方向（光路）と、第１光電変換素子３７の軸心とが直交する位置関係となる。また、第２発光素子３４と第２光電変換素子３８とは、第２発光素子３４から出力される光の進行方向（光路）と、第２光電変換素子３８の軸心とが直交する位置関係となる。

　このように、第１光学ユニット４２を形成する場合、第１取付台１５に対して、発光素子３３，３４、反射部材３５，３６及び光電変換素子３７，３８を組み付けることができるので、これらの位置関係を正確に設定しやすい。すなわち、第１取付台１５に形成する凹部１６，１７や貫通孔１８，１９の内径寸法や位置関係を正確に形成しておくだけで、組み付けた発光素子３３，３４、反射部材３５，３６及び光電変換素子３７，３８の位置関係も正確に設定できる。したがって、加工及び組付精度が要求される部品を第１光学ユニット４２として予め完成しておくことができるので、その後の組立作業をスムーズに行うことが可能となる。

　続いて、装置本体２の第１凹所１１に形成した第１検出窓１２に第１透過部材１３を装着する。そして、前述のようにして完成した第１光学ユニット４２を、第１凹所１１内に装着する。第１光学ユニット４２の装着は、第１凹所１１内の所定位置に第１取付台１５を位置決めし、第１凹所１１の底面に第１取付台１５をネジ止めすることにより行う。これにより、第１発光素子３３及び第２発光素子３４から出射される光が通過する領域に第１貫通孔１８及び第２貫通孔１９の開口をそれぞれ位置させることができる。したがって、第１発光素子３３及び第２発光素子３４から出射された光のうち、上半分が第１反射部材３５及び第２反射部材３６でそれぞれ反射してリファレンス光となり、第１光電変換素子３７及び第２光電変換素子３８へと向かい、残りの下半分がそのまま第１透過部材１３を透過するメジャメント光となる。

　また、第２取付台２８に第３光電変換素子３９と第４光電変換素子４０とを装着して第２光学ユニット４３を形成する。すなわち、第２取付台２８の第５凹部２９と第６凹部３０とにカラー４１を介して第３光電変換素子３９と第４光電変換素子４０とをそれぞれ装着する。このようにして、第２光学ユニット４３が形成されれば、装置本体２の第２凹所２４に形成した第２検出窓２５に第２透過部材２６を取り付けた後、第２光学ユニット４３を装着する。この装着状態では、第１発光素子３３と第２発光素子３４の各出射範囲のうち、下半分に第３光電変換素子３９と第４光電変換素子４０とが位置する。

　次に、前記構成からなる水質監視装置１の使用方法について説明する。

　水質監視装置１を試料水に浸漬し、第１支持部９と第２支持部１０との間の測定セル部８に試料水を介在させる。そして、発光源３の第１発光素子３３及び第２発光素子３４からそれぞれ前述のようにスペクトルのピーク値が相違する光を出射する。

　図７に示すように、第１発光素子３３からの出射光は、上半分が第１反射部材３５の反射面３５ａで反射して９０°方向変換され、リファレンス光として上方の第１光電変換素子３７で受光される。一方、出射光の下半分はそのまま直進するメジャメント光として、測定セル部８の試料水を透過して減衰した後、第３光電変換素子３９に受光される。第１反射部材３５により、第１発光素子３３から出射された光を、光強度がほぼ同じリファレンス光とメジャメント光とに分割される。制御装置６では、各光電変換素子３７，３８で変換された電気信号を増幅器を介して受信し、両者を比較することにより、試料水の吸光度を求める。光路長が一定である場合、ランベルト・ベールの法則から試料水の濃度に比例して吸光度が増減することが分かっているので、求めた吸光度から試料水の含有物の濃度を算出することができる。

　第２発光素子３４からの出射光も、上半分が第２反射部材３６の反射面３５ａで反射して９０°方向変換され、リファレンス光として上方の第２光電変換素子３８で受光される。一方、出射光の下半分はそのまま直進するメジャメント光として、測定セル部８の試料水を透過して減衰した後、第４光電変換素子４０に受光される。制御装置６では、各光電変換素子３７，３８で変換された電気信号を受信し、両者を比較することにより、試料水の濁度を求める。

　このように、前記実施形態によれば、次のような効果が得られる。
（１）第１発光素子３３、第１反射部材３５及び第１光電変換素子３７のそれぞれの位置関係と、第２発光素子３４、第２反射部材３６及び第２光電変換素子３８のそれぞれの位置関係とを、予め同じ第１取付台１５に組み付けることで精度良く設定できる。
（２）光学系を第１光学ユニット４２と第２光学ユニット４３とに集約しているので、装置本体２への組付作業を簡略化できる。
（３）反射部材で発光素子からの光の一部を反射させるだけの構成であるので、設計が簡単で、ビームスプリッターのような広い占有スペースが不要であり、又、高い組付精度も必要としない。

　なお、本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

　前記実施形態では、試料が液体である場合について説明したが、気体であっても同様である。

　前記実施形態では、反射器４での反射角度を９０°としたが、この角度に限らず、装置の仕様に応じて種々の角度に設定することができる。
　前記実施形態では、反射器４で第１貫通孔１８の上半分を覆うようにしたが、下半分、右半分あるいは左半分を覆う等、いずれかの位置で半分を覆うようにしてもよい。また、覆うのは半分に限らず、必要に応じて割合を変更することもできる。

　前記実施形態では、反射器４で反射させた光をリファレンス光とし、反射させずにそのまま通過させた光をメジャメント光としたが、逆としてもよい。この場合、測定セル部８にはメジャメント光である反射光が透過するようにすればよい。

　前記実施形態では、反射器４の各反射部材３５，３６を金属材料の表面にメッキ層を形成するようにした構成としたが、純度の高いアルミニウムで構成することにより、メッキ層を不要とすることもできる。この場合、反射面でのＵＶ光の反射率を90%以上とすることができる（金メッキの場合、ＵＶ光の反射率は30%程度である。）。

　前記実施形態では、発光素子、反射部材及び光電変換素子を２組設けるようにしたが、用途に応じていずれか一方の１組のみで構成することもできる。また用途があれば、スペクトルのピーク値が相違する光をそれぞれ出射する３組以上とすることも可能である。

　前記実施形態では、制御装置６を装置本体２に設けるようにしたが、別に設けるようにしてもよい。各光電変換素子３７，３８での検出信号は、制御装置６には有線で入力するようにしてもよいし、通信手段を設けて無線で入力できるようにしてもよい。

　前記実施形態では、反射部材３５，３６により発光素子３３，３４からの光の半分を反射させて、リファレンス光とメジャメント光の光強度がほぼ同じとなるようにしたが、リファレンス光に比べてメジャメント光の割合を増やしてその光強度を大きくするようにしてもよい。これによれば、試料の含有物が多くて含有物による吸光度が高い場合であっても、メジャメント光の光強度を大きくすることで対応（検出）することができる。

　前記実施形態では、第１発光素子３３からの光を第１反射部材３５で、第２発光素子３４からの光を第２反射部材３６でそれぞれ別個に反射させるようにしたが、共通の反射部材で反射させるように構成してもよい。これによれば、反射部材３５，３６の取付作業を簡略化して、より一層、第１光学ユニット４２を小型化することが可能となる。

　１…水質監視装置
　２…装置本体
　３…発光源
　４…反射器
　５…受光器
　６…制御装置
　７…基台部
　８…測定セル部
　９…第１支持部
　１０…第２支持部
　１１…第１凹所
　１２…第１検出窓
　１３…第１透過部材
　１５…第１取付台
　１６…第１凹部
　１７…第２凹部
　１８…第１貫通孔
　１９…第２貫通孔
　２０…第３凹部
　２１…第４凹部
　２２…第３貫通孔
　２３…第４貫通孔
　２４…第２凹所
　２５…第２検出窓
　２６…第２透過部材
　２８…第２取付台
　２９…第５凹部
　３０…第６凹部
　３１…第５貫通孔
　３２…第６貫通孔
　３３…第１発光素子
　３４…第２発光素子
　３５…第１反射部材
　３６…第２反射部材
　３７…第１光電変換素子
　３８…第２光電変換素子
　３９…第３光電変換素子
　４０…第４光電変換素子
　４１…カラー
　４２…第１光学ユニット
　４３…第２光学ユニット

Claims (10)

1. 　発光源と、
   　前記発光源から出射された光の一部を遮って反射させることにより、リファレンス光又はメジャメント光を得る反射器と、
   を備え、
   　前記反射器で反射することなくそのまま通過するメジャメント光又はリファレンス光を得る、光セパレータ構造。
2. 　前記反射器は、前記発光源からの光の反射角度を９０°とするものである、請求項１に記載の光セパレータ構造。
3. 　前記反射器で反射させる前記発光源からの光の割合は、メジャメント光の光強度がリファレンス光の光強度以上となるようにしている、請求項１又は２に記載の光セパレータ構造。
4. 　前記反射器は、基材と、前記基材よりも前記発光源からの光照射による物性変化の少ない材料からなり、少なくとも反射面を構成するメッキ層とを備えている、請求項１から３のいずれか１項に記載の光セパレータ構造。
5. 　前記反射器は、反射面の材質を選択可能である、請求項１から４のいずれか１項に記載の光セパレータ構造。
6. 　前記発光源はＬＥＤ素子である、請求項１から５のいずれか１項に記載の光セパレータ構造。
7. 　請求項１から６のいずれか１項に記載の光セパレータ構造を有する光学系と、
   　前記光学系からのメジャメント光が介在する試料を透過する測定セル部と、
   　前記測定セル部の試料を透過したメジャメント光を受光する第１受光部、及び、前記光学系から得られたリファレンス光を受光する第２受光部からなる受光器と、
   　前記第１受光部と前記第２受光部とで得られた光強度の差に基づいて、試料中の含有物の濃度を算出する制御部と、
   を備える、物質濃度計測装置。
8. 　前記光学系は、出射される光の波長が相違する複数の発光源を備え、
   　前記受光器は、前記各発光源からのリファレンス光とメジャメント光とをそれぞれ受光する複数の受光部で構成されている、請求項７に記載の物質濃度計測装置。
9. 　前記試料は液体である、請求項７又は８に記載の物質濃度計測装置。
10. 　前記発光源は、出射する光のスペクトルが250～260nmにピークがある、請求項７から９のいずれか１項に記載の物質濃度計測装置。

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