(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素消光性を有する蛍光塗料が塗布された測定対象領域に、励起光を照射する光源を有する光照射部と、
前記測定対象領域に塗布された蛍光塗料面の蛍光強度分布を撮影する撮像装置を有する撮像部と、
前記蛍光強度分布に基づいて、前記測定対象領域の酸素濃度分布を計測する制御部とを備え、
前記撮像装置の絞り値(F)及び前記撮像装置の露光時間(T)を調整することが可能となるとともに、前記光源から出射される励起光の強度(I)を調整することが可能な酸素濃度計測装置であって、
前記光源から出射される励起光の初期強度(Is)を記憶する記憶部を備え、
入力操作が行われる入力装置をさらに有し、
前記制御部は、前記入力装置で測定者によって蛍光塗料面の蛍光強度分布画像を取得することが確保される焦点深度(d)が入力されることにより、焦点深度(d)と絞り値(F)との関係式を用いて、前記撮像装置の絞り値(F)を設定するとともに、
前記入力装置で測定者によって入力された測定時間間隔(t)を前記撮像装置の初期露光時間(TS)とし、
撮影された蛍光強度分布画像の輝度値が高い場合には、前記撮像装置の露光時間(T)を変更し、一方、蛍光強度分布画像の輝度値が低い場合には、前記励起光の強度(I)を変更することを特徴とする酸素濃度計測装置。
【請求項２】
下記式（１）を記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、式（１）に前記入力装置で測定者によって入力された焦点深度(d)を代入することにより前記撮像装置の絞り値(F)を設定することを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度計測装置。
ｄ＝±（ε×Ｆ） ・・・（１）
ここで、εは許容錯乱円径である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素濃度計測装置に関し、特に測定対象領域に蛍光塗料を塗布し、この蛍光塗料面に励起光を照射することにより蛍光を発生させ、この蛍光強度分布を撮影することにより、測定対象領域の酸素濃度分布を計測する酸素濃度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題が大きくクローズアップされてきている。燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有する上に、ＣＯ２の排出削減に寄与するだけでなく、酸性雨の原因や大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘ、塵埃等の排出がほとんどないクリーンな電池である。さらに、静粛性も高いという利点がある。そのため、燃料電池は、２１世紀に最適なエネルギー変換装置として一部実用化されつつある。特に、燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、作動温度が低くかつ出力密度が高いため、小型化が可能であるという長所を持っている。
【０００３】
図４は、固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図である。
固体高分子形燃料電池は、高分子固体電解質膜１０１を中心として酸素極１０２と水素極１０３とで挟んだ構成を有する。高分子固体電解質膜１０１は、例えば、炭素繊維性の多孔性クロス基材上に、高分子固体電解質を含むスラリーを塗布し、次いで焼成することにより得られたイオン交換膜である。そして、酸素極１０２の外側は、集電体１０６に担持されるとともに、水素極１０３の外側は、集電体１０７に担持されている。
【０００４】
酸素極１０２の外側の周縁部には、枠形状のガスケット１０４の内側が接触し、さらにガスケット１０４の外側には、複数の凹部を内側に有するセパレータ板１０８の内側の突出周縁部が接触している。これにより、セパレータ板１０８の内側と酸素極１０２の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の酸素極室１０９が形成されている。また、セパレータ板１０８は、内側と外側とを貫通するように酸素極室１０９に連結する酸素ガス供給口１１２と、内側と外側とを貫通するように酸素極室１０９に連結する未反応酸素ガス及び生成水取出口１１３とを有する。
【０００５】
一方、水素極１０３の外側の周縁部には、枠形状のガスケット１０５の内側が接触し、さらにガスケット１０５の外側には、複数の凹部を内側に有するセパレータ板１１０の内側の突出周縁部が接触している。これにより、セパレータ板１１０の内側と水素極１０３の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の水素極室１１１が形成されている。また、セパレータ板１１０は、内側と外側とを貫通するように水素極室１１１に連結する水素ガス供給口１１４と、内側と外側とを貫通するように水素極室１１１に連結する未反応水素ガス取出口１１５とを有する。
【０００６】
次に、固体高分子形燃料電池の動作について説明する。水素が水素ガス供給口１１４から複数の水素極室１１１を順番に流通するとともに、酸素が酸素ガス供給口１１２から複数の酸素極室１０９を順番に流通すると、水素は水素極１０３により水素イオンと電子とに分離する。水素極１０３で発生した水素イオンは、高分子固体電解質膜１０１を選択的に透過する。そして、透過した水素イオンは、酸素極１０２で酸素と反応し、水となる。このとき、水素極１０３で発生した電子は、水素極１０３から外部負荷（図示せず）を通って酸素極１０２に向かうように流れる。つまり、外部負荷に電流が流れることになる。
【０００７】
ところで、固体高分子形燃料電池を普及させるには、コストをはじめ、いろいろな技術課題を解決する必要がある。例えば、固体高分子形燃料電池は、運転時間の経過とともに電池性能が劣化するため、劣化に伴う電池寿命が重要な課題となっている。このような技術課題を解決するためには、酸素が酸素ガス供給口１１２から複数の酸素極室１０９にどのように流通したり、複数の酸素極室１０９でどのように反応したりするのかを解析する必要がある。
【０００８】
そこで、複数の酸素極室１０９の酸素濃度分布を計測する酸素濃度計測方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このような酸素濃度計測方法では、測定対象領域となる複数の酸素極室１０９のセパレータ板１０８を透明な材料で構成するとともに、セパレータ板１０８にルテニウム錯体塗料（蛍光塗料）をスプレーや刷毛等を用いて塗布した模擬燃料電池を作製している。そして、蛍光塗料面に励起光（波長４７０ｎｍ）を照射することにより蛍光（約６００ｎｍ）を発生させ、この蛍光強度分布を撮影している。このとき、蛍光塗料面は、励起光により蛍光を発生させるが、酸素濃度が高い箇所では酸素により蛍光が消光される。これにより、撮影した蛍光強度分布に基づいて、複数の酸素極室１０９の酸素濃度分布を計測することができる。
【０００９】
さらに、このような酸素濃度計測方法を用いるための酸素濃度計測装置も開発されている。図３は、従来の酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図である。
酸素濃度計測装置５１は、光照射部１０と、撮像部２０と、蛍光塗料が塗布された検査体Ｓが配置される配置部３０と、酸素濃度計測装置５１全体の制御を行うコンピュータ９０とを備える。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
【００１０】
光照射部１０は、励起光（波長４７０ｎｍ）を出射するレーザ光源１５と、電子シャッタ１２と、拡散フィルタ１３と、レンズ１４と、励起光の強度Ｉを検知するパワーメータ１１と、励起光を２方向へ分割するハーフミラー１６とを有する。
このような光照射部１０の構成において、レーザ光源１５で出射された励起光は、ハーフミラー１６で２方向へ分割される。ハーフミラー１６で分割された励起光が進行する２方向のうちの１方向の励起光は、電子シャッタ１２と拡散フィルタ１３とレンズ１４とをこの順で通過して、配置部３０の測定対象領域に照射されるようになっている。一方、ハーフミラー１６で分割された励起光が進行する２方向のうちの残りのもう１つの方向の励起光は、パワーメータ１１で強度Ｉが検出されるようになっている。
なお、レーザ光源１５は、出射する励起光の強度Ｉを調整することが可能となっており、コンピュータ９０からの制御信号によって制御されるようになっている。
【００１１】
撮像部２０は、レンズ２１ａを有する高速撮影カメラ（撮像装置）２１を有する。高速撮影カメラ２１は、複数の光検出素子が行方向と列方向とに並べられたものであり、各光検出素子にはそれぞれの位置に応じた輝度値の蛍光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、配置部３０の測定対象領域の各位置ごとの蛍光の輝度値を表すことになる。
なお、高速撮影カメラ２１は、絞り値Ｆと露光時間Ｔとを調整することが可能となっており、コンピュータ９０からの制御信号によって制御されるようになっている。
【００１２】
また、検査体ＳにＸ方向から励起光を照射するとともに、−Ｘ方向に進行する蛍光を検出するために、励起光を透過させるとともに蛍光を反射する平板形状のミラー３１が配置されている。これにより、Ｘ方向に進行する励起光は、ミラー３１を透過することにより、配置部３０の測定対象領域に照射され、配置部３０の測定対象領域で発生した蛍光は、−Ｘ方向に進行して、ミラー３１によって進行方向を変え、さらにミラー３２によって進行方向を変え、高速撮影カメラ２１に入射するようになっている。
【００１３】
コンピュータ９０は、ＣＰＵ（制御部）９１とメモリ（記憶部）９４とを備え、さらにモニタ（表示装置）４２と操作部（入力装置）４３とが連結されている。また、ＣＰＵ９１が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光源１５を制御する光源制御部９１ａと、高速撮影カメラ２１を制御する撮像装置制御部９１ｂとを有する。
【００１４】
撮像装置制御部９１ｂは、操作部４３で所望の絞り値Ｆと所望の露光時間Ｔとが入力されると、入力された絞り値Ｆと露光時間Ｔとなるように、高速撮影カメラ２１を制御し、その後、高速撮影カメラ２１から蛍光強度分布画像を取得する制御を行う。
光源制御部９１ａは、操作部４３で励起光の所望の強度Ｉが入力されると、入力された励起光の強度Ｉとなるように、パワーメータ１１で検出された強度Ｉに基づいてレーザ光源１５を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００６−３３１７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、上述したような酸素濃度計測装置５１で蛍光強度分布画像を取得するには、高速撮影カメラ２１の絞り値Ｆや露光時間Ｔや励起光の強度Ｉ等を適切に調整する必要がある。
例えば、高速撮影カメラ２１の絞り値Ｆの調整に関しては、必要な焦点深度ｄを確保した上で、絞り値Ｆをできるだけ開放して取得画像を明るくなるようにしたい。
【００１７】
また、高速撮影カメラ２１の露光時間Ｔの調整に関しては、蛍光塗料面が酸素により消光されないときに得られる最大輝度値が、例えば撮影可能最大輝度値の半分の輝度値程度になるようにしたい。
さらに、励起光の強度Ｉの調整に関しては、蛍光塗料に強い強度Ｉの励起光を照射すると、蛍光の輝度値が大きくなるが、蛍光塗料そのものが励起光によって劣化することがあり、できるだけ弱い強度Ｉの励起光を照射したい。
【００１８】
しかしながら、高速撮影カメラ２１の絞り値Ｆや露光時間Ｔや励起光の強度Ｉ等を適切に調整するには、時間がかかり、使用者によって調整した値が異なることがあった。
そこで、本発明は、高速撮影カメラの絞り値Ｆや露光時間Ｔや励起光の強度Ｉ等を容易に調整することができる酸素濃度計測装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するためになされた本発明の酸素濃度計測装置は、酸素消光性を有する蛍光塗料が塗布された測定対象領域に、励起光を照射する光源を有する光照射部と、前記測定対象領域に塗布された蛍光塗料面の蛍光強度分布を撮影する撮像装置を有する撮像部と、前記蛍光強度分布に基づいて、前記測定対象領域の酸素濃度分布を計測する制御部とを備え、前記撮像装置の絞り値Ｆ及び前記撮像装置の露光時間Ｔを調整することが可能となるとともに、前記光源から出射される励起光の強度Ｉを調整することが可能な酸素濃度計測装置であって、前記光源から出射される励起光の初期強度Ｉｓを記憶する記憶部を備え、入力操作が行われる入力装置をさらに有し、前記制御部は、前記入力装置で測定者によって蛍光塗料面の蛍光強度分布画像を取得することが確保される焦点深度ｄが入力されることにより、焦点深度ｄと絞り値Ｆとの関係式を用いて、前記撮像装置の絞り値Ｆを設定するとともに、前記入力装置で測定者によって入力された測定時間間隔ｔを前記撮像装置の初期露光時間ＴＳとし、撮影された蛍光強度分布画像の輝度値が高い場合には、前記撮像装置の露光時間Ｔを変更し、一方、蛍光強度分布画像の輝度値が低い場合には、前記励起光の強度Ｉを変更するようにしている。
【００２０】
ここで、「酸素消光性を有する蛍光塗料」としては、例えば、バインダにポリスチレン等の酸素透過性のある高分子材料が用いられ、色素に白金ポルフィリンやルテニウム等の紫外から青色の励起光に反応して発光し、かつ、酸素消光性を有する材料が用いられたもの等が挙げられる。
また、「測定時間間隔」とは、計測しようとする酸素濃度分布の測定時間間隔（時間分解能）のことをいう。
【００２１】
本発明の酸素濃度計測装置によれば、入力装置で焦点深度ｄ及び測定時間間隔ｔを入力すると、例えば、焦点深度ｄと絞り値Ｆとの関係式を用いて、関係式に焦点深度ｄが代入されることにより、絞り値Ｆが自動的に設定される。また、入力装置で入力された測定時間間隔ｔを撮像装置の初期露光時間間隔ＴＳとすることにより撮影された蛍光強度分布画像の輝度値に基づいて、撮像装置の露光時間Ｔが自動的に設定される。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明の酸素濃度計測装置によれば、高速撮影カメラの絞り値Ｆや露光時間Ｔを容易に調整することができる。
【００２３】
（他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記の発明において、下記式（１）を記憶する記憶部を備え、前記制御部は、式（１）に前記入力装置で測定者によって入力された焦点深度ｄを代入することにより前記撮像装置の絞り値Ｆを設定するようにしてもよい。
ｄ＝±（ε×Ｆ） ・・・（１）
ここで、εは許容錯乱円径である。
【００２４】
また、上記の発明によれば、前記光源から出射される励起光の強度Ｉを調整することが可能となっており、前記光源から出射される励起光の初期強度Ｉｓを記憶する記憶部を備えるとともに、前記制御部は、前記初期強度Ｉｓの励起光を照射することにより撮影された蛍光強度分布画像の輝度値に基づいて、前記光源から出射される励起光の強度Ｉを設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態である酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図。
【図２】本発明の調整方法について説明するためのフローチャート。
【図３】従来の酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図。
【図４】固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態である酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図である。なお、上述した従来の酸素濃度計測装置５１と同様のものについては、同じ符号を付している。
酸素濃度計測装置１は、光照射部１０と、撮像部２０と、蛍光塗料が塗布された検査体Ｓが配置される配置部３０と、酸素濃度計測装置１全体の制御を行うコンピュータ４０とを備える。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
【００２８】
コンピュータ４０は、ＣＰＵ（制御部）４１とメモリ（記憶部）４４とを備え、さらにモニタ（表示装置）４２と操作部（入力装置）４３とが連結されている。また、ＣＰＵ４１が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光源１５を制御する光源制御部４１ａと、高速撮影カメラ２１を制御する撮像装置制御部４１ｂと、光源制御部４１ａと撮像装置制御部４１ｂとに指示信号を出力する算出部４１ｃとを有する。
また、メモリ４４は、焦点深度ｄと絞り値Ｆとの関係を示す式（１）を記憶する関係式記憶領域４４ａと、レーザ光源１５から出射される励起光の初期強度Ｉｓ（例えば、出射可能最大強度の１０％の強度等）を記憶する初期データ記憶領域４４ｂと、最適範囲輝度値（例えば、高速撮影カメラ２１の最大撮影可能輝度値の４０％〜６０％の輝度値等）を記憶する最適範囲輝度値記憶領域４４ｃとを有する。
ｄ＝±（ε×Ｆ） ・・・（１）
ここで、εは許容錯乱円径である。
【００２９】
算出部４１ｃは、操作部４３で焦点深度ｄと測定時間間隔ｔとが入力されると、式（１）に操作部４３で入力された焦点深度ｄを代入することにより、高速撮影カメラ２１の絞り値Ｆを算出して設定し、操作部４３で入力された測定時間間隔ｔを高速撮影カメラ２１の初期露光時間ＴＳとするとともに励起光の強度Ｉを初期強度Ｉｓにする指示信号を、光源制御部４１ａと撮像装置制御部４１ｂとに出力する制御をまず行う。その後、撮影された蛍光強度分布画像の輝度値に基づいて、高速撮影カメラ２１の露光時間Ｔと励起光の強度Ｉとを算出して設定する指示信号を、光源制御部４１ａと撮像装置制御部４１ｂとに出力する制御を次に行う。
【００３０】
撮像装置制御部４１ｂは、算出部４１ｃからの指示信号が入力されると、指示信号に基づいて高速撮影カメラ２１を制御し、その後、高速撮影カメラ２１から蛍光強度分布画像を取得する制御を行う。
光源制御部４１ａは、算出部４１ｃからの指示信号が入力されると、指示信号とパワーメータ１１で検出された強度Ｉとに基づいてレーザ光源１５を制御する。
【００３１】
ここで、酸素濃度計測装置１で高速撮影カメラ２１の絞り値Ｆや露光時間Ｔや励起光の強度Ｉ等を調整する調整方法について説明する。図２は、調整方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、測定者は、蛍光塗料が塗布された検査体Ｓを配置部３０に配置する。
次に、ステップＳ１０２の処理において、測定者は、操作部４３で焦点深度ｄと測定時間間隔ｔとを入力する。つまり、酸素濃度計測装置１では、所望の絞り値Ｆと所望の露光時間Ｔと励起光の所望の強度Ｉとは入力されない。
【００３２】
次に、ステップＳ１０３の処理において、算出部４１ｃは、式（１）に操作部４３で入力された焦点深度ｄを代入することにより、高速撮影カメラ２１の絞り値Ｆを算出して設定する。
次に、ステップＳ１０４の処理において、算出部４１ｃは、操作部４３で入力された測定時間間隔ｔを高速撮影カメラ２１の初期露光時間ＴＳとするように設定する。
次に、ステップＳ１０５の処理において、算出部４１ｃは、励起光の強度Ｉを初期強度Ｉｓにするように設定する。
【００３３】
次に、ステップＳ１０６の処理において、撮像装置制御部４１ｂは、高速撮影カメラ２１から蛍光強度分布画像を取得する。
次に、ステップＳ１０７の処理において、算出部４１ｃは、撮影された蛍光強度分布画像における最大輝度値が最適範囲輝度値（例えば高速撮影カメラ２１の最大撮影可能輝度値の４０％〜６０％の輝度値）に対してどのようになっているかを判定する。撮影された蛍光強度分布画像における最大輝度値が最適範囲（例えば４０％〜６０％の輝度値）内に入っている場合には、調整完了として本フローチャートを終了させることになる。
【００３４】
一方、撮影された蛍光強度分布画像における最大輝度値が最適範囲の最大輝度値（例えば高速撮影カメラ２１の最大撮影可能輝度値の６０％の輝度値）を上回る場合には、ステップＳ１０８の処理において、算出部４１ｃは、現在の露光時間Ｔより短くなるように設定して、ステップＳ１０６の処理に戻る。このとき、例えば、算出部４１ｃは、２分探索法等を用いて露光時間Ｔを算出したり、例えば１０％短くなるように算出する。
【００３５】
また、撮影された蛍光強度分布画像における最大輝度値が最適範囲の最小輝度値（例えば高速撮影カメラ２１の最大撮影可能輝度値の４０％の輝度値）を下回る場合には、ステップＳ１０９の処理において、算出部４１ｃは、励起光の強度Ｉが出射可能最大強度であるか否かを判定する。励起光の強度Ｉが出射可能最大強度であると判定した場合には、調整不可として本フローチャートを終了させることになる。
一方、励起光の強度Ｉが出射可能最大強度でないと判定した場合には、ステップＳ１１０の処理において、算出部４１ｃは、現在の励起光の強度Ｉより例えば１０％強くなるように設定して、ステップＳ１０６の処理に戻る。
【００３６】
以上のように、酸素濃度計測装置１によれば、高速撮影カメラ２１の絞り値Ｆや露光時間Ｔや励起光の強度Ｉ等を容易に調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、測定対象領域に蛍光塗料を塗布し、この蛍光塗料面に励起光を照射することにより蛍光を発生させ、この蛍光強度分布を撮影することにより、測定対象領域の酸素濃度分布を計測する酸素濃度計測装置等に利用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  酸素濃度計測装置
１０  光照射部
１５  レーザ光源
２０  撮像部
２１  高速撮影カメラ（撮像装置）
４０  制御部
４３  入力装置
【図１】
0005573776.tif 000002
【図２】
0005573776.tif 000003
【図３】
0005573776.tif 000004
【図４】
0005573776.tif 000005