(57)【要約】【課題】本発明は、成分を精度良く検知することができる光学式成分センサを提供する。【解決手段】本発明に係る光学式成分センサ１は、所定の成分による吸収波長を含む出射光ＬＲ１を発する光源２１と、光源２１を収容する筐体１０と、筐体１０の外部に位置している対象物２に向けて出射する投光部と、筐体１０内に収容され、対象物２によって反射された出射光ＬＲ１の少なくとも一部である反射検知光ＬＲ２を受光する第１受光素子と、筐体１０内に収容され、対象物２によって反射された出射光ＬＲ１の少なくとも一部である反射参照光ＬＲ３を受光する第２受光素子と、第１受光素子から出力された反射検知光ＬＲ２に対応する検知信号と、第２受光素子から出力された反射参照光ＬＲ３に対応する参照信号とに基づいて、対象物２が含む成分を検知する信号処理回路８０と、を備える。【選択図】図１
2018141641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知対象となる成分による吸収波長を含む出射光を発する光源と、
前記光源を収容する筐体と、
前記出射光を前記筐体から外部に位置している対象物に向けて出射する投光部と、
前記筐体内に収容され、所定の領域にある前記対象物によって反射された前記出射光の少なくとも一部である反射検知光を受光する第１受光素子と、
前記筐体内に収容され、所定の領域にある前記対象物によって反射された前記出射光の少なくとも一部である反射参照光を受光する第２受光素子と、
前記第１受光素子から出力された前記反射検知光に対応する検知信号と、前記第２受光素子から出力された前記反射参照光に対応する参照信号とに基づいて、前記対象物が含む前記成分を算出する信号処理回路と、を備え、
前記第１受光素子及び前記第２受光素子は、それぞれが受光する領域の少なくとも一部が重なるように配置され、
前記光源は、前記第１受光素子が受光する所定の領域と前記第２受光素子が受光する所定の領域とが重なる領域に前記出射光を照射するように配置される
光学式成分センサ。
【請求項２】
前記反射検知光の光軸上に設けられた第１受光レンズと、
前記反射参照光の光軸上に設けられた第２受光レンズと、をさらに備え、
前記第１受光レンズ及び前記第２受光レンズは、出射面が凸形状のレンズであり、
前記第１受光素子及び前記第２受光素子は、それぞれ前記第１受光レンズ及び前記第２受光レンズの焦点位置よりもレンズ寄りに設けられる
請求項１に記載の光学式成分センサ。
【請求項３】
前記光源、前記第１受光素子及び前記第２受光素子は、固定具によって一体に固定され、
前記第１投光レンズ及び前記第２受光レンズは、少なくとも一部が連結具によって連結される
請求項１または２に記載の光学式成分センサ。
【請求項４】
前記成分は、水分である
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学式成分センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式成分センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、遠距離にある検出物体を判別することができる光電センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された反射型光電センサは、波長の異なる２つの光を検出物体に照射する投光部と、２つの光のいずれか一方の光を反射する反射板と、検出物体又は反射板によって反射された光を受光する受光部とを備える。反射型光電センサによれば、受光部が出力する受光信号を処理することで、検出物体の有無などを知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２５５５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された反射型光電センサでは、投光部は光軸を一致させた２つの発光素子を備え、２つの発光素子は、互いの出射面が逆方向になるように配置されている。２つの発光素子の一方が出射した光は、反射板によって反射されて投光レンズを通って外部に出射される。反射板の反射方向に発光素子が配置されており、反射板によって反射された光は、発光素子によって遮られて、外部に出射される光エネルギーが減少する。これにより、成分の対象物の検知精度が低下する。
【０００５】
そこで、本発明は、成分を精度良く検知することができる光学式成分センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光学式成分センサは、所定の成分による吸収波長を含む出射光を発する光源と、  前記光源を収容する筐体と、前記筐体の外部に位置している対象物に向けて出射する投光部と、  前記筐体内に収容され、前記対象物によって反射された前記出射光の少なくとも一部である反射検知光を受光する第１受光素子と、前記筐体内に収容され、前記対象物によって反射された前記出射光の少なくとも一部である反射参照光を受光する第２受光素子と、前記第１受光素子から出力された前記反射検知光に対応する検知信号と、前記第２受光素子から出力された前記反射参照光に対応する参照信号とに基づいて、前記対象物が含む前記成分を検知する信号処理回路と、を備え、前記第１受光素子及び前記第２受光素子は、それぞれが受光する領域の少なくとも一部が重なるように配置され、前記光源は、前記第１受光素子が受光する範囲と前記第２受光素子が受光する範囲とが重なった領域に前記出射光を照射するように配置される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、対象物の成分を精度良く検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態に係る光学式成分センサの構成を示す概略構成図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る光学式成分センサの機能構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、水分と水蒸気との吸光スペクトルを示す図である。
【図４】図４は、実施の形態に係る投光光学系の構成を示す概略構成図である。
【図５】図５は、実施の形態に係る検知用受光光学系の構成を示す概略構成図である。
【図６】図６は、実施の形態に係る光学式成分センサの変形例の構成を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下では、本発明の実施の形態に係る光学式成分センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１０】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００１１】
（実施の形態）
［概要］
まず、実施の形態に係る光学式成分センサ１の概要について説明する。
光学式成分センサ１は、１つの光（出射光ＬＲ１）を対象物２に照射して、対象物２による反射光（反射検知光ＬＲ２および反射参照光ＬＲ３）を受光することで、対象物２に含まれる成分を検知する非接触式の光学式成分センサである。本実施の形態では、図１に示すように、光学式成分センサ１は、空間３を隔てて離れた位置に位置する対象物２に含まれる水分を検知する。
【００１２】
対象物２は、特に限定されない場合、衣類などである。衣類以外の対象物２としては、シーツ、枕カバーなどの寝具が挙げられる。例えば、光学式成分センサ１を衣類乾燥機などに取り付けることで、衣類の乾燥具合を確認することができる。これにより、乾燥のし過ぎによる衣類の痛みの発生などを抑制することができる。
【００１３】
空間３は、光学式成分センサ１と対象物２との間の空間（自由空間）であり、湿気（水蒸気）を含んでいる。空間３は、光学式成分センサ１の筐体１０の外部空間である。
【００１４】
図１に示すように、光学式成分センサ１は、筐体１０と、投光光学系２０と、検知用受光光学系３０と、参照用受光光学系４０とを備える。投光光学系２０は、光源２１及び投光レンズ２２で構成される。また、検知用受光光学系３０は、検知用受光素子３１、検知用レンズ３２及び検知用フィルタ３３で構成され、参照用受光光学系４０は、参照用受光素子４１、参照用レンズ４２及び参照用フィルタ４３で構成される。
【００１５】
なお、以下本明細書において、投光レンズ２２を基準として、光源２１が光を照射する方向を「前方」、反対方向を「後方」とする。
【００１６】
また、図２に示すように、光学式成分センサ１は、制御回路７０と、信号処理回路８０とを備える。
【００１７】
以下では、光学式成分センサ１の各構成要素について詳細に説明する。
【００１８】
［筐体］
筐体１０は、光源２１を収容する筐体である。図１に示すように、筐体１０の内部には、さらに、検知用受光素子３１、参照用受光素子４１、投光レンズ２２、検知用レンズ３２、参照用レンズ４２、検知用フィルタ３３、及び、参照用フィルタ４３が収容されている。
【００１９】
筐体１０は、遮光性の材料から形成されている。これにより、外光が筐体１０内に入射するのを抑制することができる。具体的には、筐体１０は、検知用受光素子３１及び参照用受光素子４１が受光する光に対して遮光性を有する。より具体的には、筐体１０は、反射検知光ＬＲ２及び反射参照光ＬＲ３に対して遮光性を有し、例えば、樹脂材料又は金属材料から形成される。
【００２０】
また、筐体１０の外壁には、開口が設けられ、当該開口には投光レンズ２２、検知用レンズ３２および参照用レンズ４２が取り付けられている。
【００２１】
［投光光学系］
投光光学系２０は、成分を検知するための光を照射する光学系であり、光源２１及び投光レンズ２２で構成される。
【００２２】
［光源］
光源２１は、検知対象となる成分による吸収波長を含む出射光ＬＲ１を発する一例である。具体的には、光源２１は、水による吸収が所定値よりも大きな第一波長帯を含む検知光と、水による吸収が所定値以下である第二波長帯を含む参照光とを対象物２に向けて発する。
【００２３】
光源２１は、例えば、検知光をなす第一波長帯と参照光をなす第二波長帯とを含み、ピーク波長が第二波長帯側にある連続した光を発するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）光源である。具体的には、光源２１は、化合半導体からなるＬＥＤ光源である。
【００２４】
図３は、水分と水蒸気との吸光スペクトルを示す図である。図３に示すように、水分は、約１４５０ｎｍ及び約１９００ｎｍの波長に吸収ピークを有する。水蒸気は、水分の吸収ピークよりやや低い波長、具体的には約１３５０ｎｍ〜１４００ｎｍ及び約１８００ｎｍ〜１９００ｎｍの波長に吸収ピークを有する。
【００２５】
このため、検知光をなす第一波長帯としては、水の吸光度が高い波長帯を選択し、参照光をなす第二波長帯としては、第一波長帯よりも水の吸光度が小さい波長帯を選択する。そして、第二波長帯の平均波長は、第一波長体の平均波長よりも長くする。
【００２６】
図３では、水蒸気の吸光度は、約１３５０ｎｍ〜１４００ｎｍの波長にピーク（第一ピークＰ１）があり、約１８００ｎｍ〜１９００ｎｍの波長にピーク（第二ピークＰ２）がある場合を図示している。例えば、第一ピークＰ１を基準とした場合には、第一波長帯の中心波長を１４５０ｎｍとし、第二波長帯の中心波長を、第一ピークＰ１と第二ピークＰ２との間で、水蒸気の吸光度が所定値よりも小さい波長とする。具体的には、第二波長帯の中心波長は、第一波長帯の中心波長の１．２倍以内とすればよい。第二波長帯の中心波長は、１４５０ｎｍ×１．２≒１７４０ｎｍ以内とする。具体的には、第二波長帯の中心波長は、１７００ｎｍとする。
【００２７】
このように、光源２１が、第一波長帯と第二波長帯とを連続して含む光を照射するので、対象物２には、水による吸収が大きな第一波長帯を含む検知光と、水による吸収が第一
波長帯よりも小さく、水蒸気による吸収もほとんどない第二波長帯を含む参照光が照射される。
【００２８】
光源２１は、筐体内において、光源２１の光軸上で投光レンズ２２と向かい合うように配置されている。
【００２９】
［投光レンズ］
投光レンズ２２は、光源２１が照射した出射光ＬＲ１を対象物２に向けて照射する投光部の一例である。
【００３０】
図１または図４に示すように、投光レンズ２２は、例えば、焦点が光源２１の光軸上に位置するように筐体１０に固定されている。
【００３１】
投光レンズ２２は、アクリル等の透明な合成樹脂からなり、出射する方向に向かって徐々に幅径を拡大する形状である略逆円錐台状に成型され、その底部に光源２１を配置し、光源２１からの出射光ＬＲ１を集光して一定強度の光の束として投光レンズ２２の前方に照射するものである。
【００３２】
投光レンズ２２の周壁２２１は、投光レンズ２２の底面から前面２２２にかけて外側に少し膨らんだ曲面形状に成型される。投光レンズ２２の出射面となる前面２２２は、平面部として形成されている。投光レンズ２２の底面は、光源を囲むように凹部２２３が形成される。凹部は、光源２１側に凸形状の底面２２３ａと、底面を囲むように形成された側周面２２３ｂとを有する。側周面２２３ｂは、投光レンズ２２の底面から前方に向かって穴径を徐々に狭くするテーパー形状に成型され、これにより凹部２２３は略円柱形状となる。
【００３３】
なお、凹部２２３の穴径・高さ・テーパーは、投光レンズ２２の底面に配置する光源２１の寸法、投光レンズ２２の材質に応じた屈折率や外形の寸法に応じて適宜設計されるものである。
【００３４】
光源２１から出射された光のうち凹部２２３の底面２２３ａに向かう光は、底面の凸曲面に入射して収束されて投光レンズ２２内を直進し、投光レンズ２２の前面２２２を通って対象物２に向かって照射される。
【００３５】
また、光源２１から出射された光のうち凹部２２３の側周面２２３ｂに向かう光は、側周面２２３ｂに対し投光レンズ２２の屈折率に応じた全反射角以下で投光レンズ２２に入射して、投光レンズ２２内に入射した光は、投光レンズ２２の周壁２２１に対して全反射角以上で全反射され、投光レンズ２２を通って全面２２２から対象物２に向かって照射される。このとき、投光レンズ２２から出射された出射光ＬＲ１は、略平行光となって対象物２を照射される。
【００３６】
投光レンズ２２は、凹部２２３の底面２２３ａを凸形状とすることにより、凹部２２３の底面２２３ａを通る光はその凸形状面にてある程度収束して前面２２２から照射されるので、対象物２の測定したい検知対象領域ＲＡ１に多くの光量（すなわち、強度）を照射することができ、受光感度を上げることができる。
【００３７】
なお、投光レンズ２２の前面２２２を平面部としたが、外周部分のみ平面部であり、中心部は凸レンズ形状であってもよい。これにより、凹部２２３の底面２２３ａで収束した光が、前面２２２においても収束されて対象物２に照射されるので、より検知対象領域ＲＡ１に多くの光量を照射することができ、受光感度を上げることができる。
【００３８】
［検知用受光光学系］
検知用受光光学系３０は、光源２０から出射された出射光ＬＲ１が対象物２で反射した光のうちの一部を受光して水分量の計測を行う光学系である。検知用受光光学系３０は、検知用受光素子３１、検知用レンズ３２及び検知用フィルタ３３を備える。
【００３９】
［検知用受光素子］
検知用受光素子３１は、対象物２によって反射された光の少なくとも一部である反射検知光ＬＲ２を受光する第１受光素子の一例である。検知用受光素子３１は、受光した反射検知光ＬＲ２を光電変換することで、反射検知光の受光量（すなわち、強度）に応じた電気信号である検知信号を生成する。生成された検知信号は、信号処理回路８０に出力される。
【００４０】
検知用受光素子３１は、反射検知光ＬＲ２のピーク波長に対して十分に強い受光感度を有することが好ましい。したがって、検知用受光素子３１は、反射検知光ＬＲ２を受光し、受光量に応じた電気信号（検知信号）を生成することができる。
【００４１】
検知用受光素子３１は、筐体１０内に収容されている。検知用受光素子３１は、検知用レンズ３２の光軸上に配置され、光軸上において、図４に示すように、検知用レンズ３２の焦点位置よりも検知用レンズ３２側となるように配置される。すなわち、検知用レンズ３２と検知用受光素子３１との距離ｄ１、検知用レンズ３２の焦点距離ｆ１とした場合、０＜ｄ１＜ｆ１を満たすようにそれぞれが配置される。
【００４２】
これにより、検知用レンズ３２の前方で焦点を結ばず、所定の視野角を持った拡散領域として反射検知光ＬＲ２を取り込む領域ＲＡ２が形成される。視野角が大きくなるほど、反射検知光ＬＲ２を取り込む領域ＲＡ２が広くなり、反射検知光ＬＲ２の取り込み率が大きくなる。すなわち、受光範囲を広くすることができる。
【００４３】
検知用受光素子３１は、例えば、フォトダイオードであるが、これに限定されない。例えば、検知用受光素子３１は、フォトトランジスタ、又は、イメージセンサでもよい。なお、検知用受光素子３１と参照用受光素子４１とは、１つのイメージセンサの異なる領域を利用してもよい。
【００４４】
［検知用レンズ］
検知用レンズ３２は、対象物２によって反射された反射検知光ＬＲ２を検知用受光素子３１に集光するための第１受光レンズの一例である。検知用レンズ３２は、例えば、集光レンズである。検知用レンズ３２は、焦点が検知用受光素子３１の受光面よりも遠くなる位置となるように筐体１０に固定されている。検知用レンズ３２は、本実施の形態では樹脂製の凸レンズであるが、これに限らない。
【００４５】
［検知用フィルタ］
検知用フィルタ３３は、検知用受光素子３１に入射する反射検知光ＬＲ２の光路上に設けられた第１フィルタの一例である。本実施の形態では、図１に示すように、検知用フィルタ３３は、検知用レンズ３２と検知用受光素子３１との間に配置されている。検知用フィルタ３３は、反射検知光ＬＲ２を透過し、かつ、反射参照光ＬＲ３を吸収または反射する。このため、反射参照光ＬＲ３は、検知用フィルタ３３によって吸収または反射されて検知用受光素子３１にはほとんど到達しない。
【００４６】
また、検知用フィルタ３３は、反射検知光ＬＲ２のピーク波長である光を透過し、反射参照光ＬＲ３のピーク波長である光を吸収または反射する。なお、検知用フィルタ３３は
、反射参照光ＬＲ３の光の一部を透過してもよい。すなわち、検知用フィルタ３３は、反射検知光ＬＲ２の透過量よりも少ない透過量で反射参照光ＬＲ３を透過してもよい。
【００４７】
［参照用受光光学系］
参照用受光光学系４０は、光源２０から出射された出射光ＬＲ１が対象物２で反射した光のうちの一部を受光して水分量の計測を行う光学系である。参照用受光光学系４０は、参照用受光素子４１、参照用レンズ４２及び参照用フィルタ４３を備える。
【００４８】
［参照用受光素子］
参照用受光素子４１は、対象物２によって反射された光の少なくとも一部である反射参照光ＬＲ３を受光する第２受光素子の一例である。参照用受光素子４１は、受光した反射参照光ＬＲ３を光電変換することで、反射参照光ＬＲ３の受光量に応じた電気信号である参照信号を生成する。生成された参照信号は、信号処理回路８０に出力される。
【００４９】
反射参照光ＬＲ３は、出射光ＬＲ１が対象物２によって反射された光である。反射参照光ＬＲ３のピーク波長は、本実施の形態において約１５７０ｎｍとして計測する。
【００５０】
参照用受光素子４１は、筐体１０内に収容されている。参照用受光素子４１は、参照用レンズ４２の光軸上に配置され、光軸上において、検知用受光素子３１と同様に、参照用レンズ４２の焦点位置よりも参照用レンズ４２側となるように配置される。すなわち、参照用レンズ４２と参照用受光素子４１との距離ｄ２、参照用レンズ４２の焦点距離ｆ２とした場合、０＜ｄ２＜ｆ２を満たすようにそれぞれが配置される。
【００５１】
これにより、参照用レンズ４２の前方で焦点を結ばず、所定の視野角を持った拡散領域として反射参照光ＬＲ３を取り込む領域ＲＡ３が形成される。視野角が大きくなるほど、反射参照光ＬＲ３を取り込む領域ＲＡ３が広くなり、反射参照光ＬＲ３の取り込み率が大きくなる。すなわち、受光範囲を広くすることができる。
【００５２】
参照用受光素子４１は、例えば、フォトダイオードであるが、これに限定されない。例えば、参照用受光素子４１は、フォトトランジスタ、又は、イメージセンサでもよい。
【００５３】
［参照用レンズ］
参照用レンズ４２は、対象物２によって反射された反射参照光ＬＲ３を参照用受光素子４１に集光するための第２受光レンズの一例である。参照用レンズ４２は、例えば集光レンズである。参照用レンズ４２は、焦点が参照用受光素子４１の受光面よりも遠くなる位置となるように筐体１０に固定されている。参照用レンズ４２は、本実施の形態では樹脂製の凸レンズであるが、これに限らない。
【００５４】
［参照用フィルタ］
参照用フィルタ４３は、参照用受光素子４１に入射する反射参照光ＬＲ３の光路上に設けられた第２フィルタの一例である。本実施の形態では、図１に示すように、参照用フィルタ４３は、参照用レンズ４２と参照用受光素子４１との間に配置されている。参照用フィルタ４３は、反射参照光ＬＲ３を透過し、かつ、反射検知光ＬＲ２を吸収または反射する。このため、反射検知光ＬＲ２は、参照用フィルタ４３によって吸収または反射されて参照用受光素子４１にはほとんど到達しない。
【００５５】
また、参照用フィルタ４３は、反射参照光ＬＲ３のピーク波長である光を透過し、反射検知光ＬＲ２のピーク波長である光を吸収または反射する。なお、参照用フィルタ４３は、反射検知光ＬＲ２の光の一部を透過してもよい。すなわち、検知用フィルタ４３は、反射参照光ＬＲ３の透過量よりも少ない透過量で反射検知光ＬＲ２を透過してもよい。
【００５６】
［制御回路］
制御回路７０は、光源２１の出射光ＬＲ１を制御する。具体的には、制御回路７０は、光源２１の発光及び消灯を独立して制御することができる。
【００５７】
例えば、制御回路７０は、光源２１を発光させる。具体的には、制御回路７０は、光源２１をパルス波形で発光させる。例えば、制御回路７０は、所定の周波数（例えば、１ｋＨｚ）のパルス信号を光源２１に出力する。例えば、光源２１のオンデューティ比が５０％以下のパルス信号である。
【００５８】
図１には示していないが、制御回路７０は、筐体１０に収容されていてもよく、又は、筐体１０の外側面に取り付けられていてもよい。あるいは、制御回路７０は、無線通信などの通信機能を有し、制御用のパルス信号を光源２１に送信してもよい。
【００５９】
制御回路７０は、例えば、駆動回路及びマイクロコントローラで構成される。制御回路７０は、光源の制御プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを有する。
【００６０】
［信号処理回路］
信号処理回路８０は、検知用受光素子３１から出力された反射検知光ＬＲ２に対応する検知信号と、参照用受光素子４１から出力された反射参照光ＬＲ３に対応する参照信号とに基づいて、対象物２が含む成分を算出する。具体的には、信号処理回路８０は、検知信号の電圧レベルと参照信号の電圧レベルとの比（エネルギー比）に基づいて、対象物２が含む水分量を検知する。具体的な水分量の検知（算出）方法については後で説明する。
【００６１】
信号処理回路８０は、筐体１０に収容されていてもよく、又は、筐体１０の外側面に取り付けられていてもよい。あるいは、信号処理回路８０は、無線通信などの通信機能を有し、検知用受光素子３１及び参照用受光素子４１からの出力信号を受信してもよい。
【００６２】
信号処理回路８０は、例えば、マイクロコントローラである。信号処理回路８０は、信号処理プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを有する。
【００６３】
［信号処理（検知処理）］
続いて、信号処理回路８０による信号処理（成分の算出処理）について説明する。
【００６４】
本実施の形態では、信号処理回路８０は、反射検知光ＬＲ２の光エネルギーＰｄと反射参照光ＬＲ３の光エネルギーＰｒとを比較することで、対象物２に含まれる成分量を検知する。なお、光エネルギーＰｄは、検知用受光素子３１から出力される検知信号の強度に対応し、光エネルギーＰｒは、参照用受光素子４１から出力される参照信号の強度に対応する。
【００６５】
検知用受光素子３１に入射する反射検知光ＬＲ２の光エネルギーＰｄは、次の（式１）で表される。
【００６６】
（式１）  Ｐｄ＝Ｐｄ０×Ｇｄ×Ｒｄ×Ｔｄ×Ａａ×Ｉｖｄ
ここで、Ｐｄ０は、光源２１が発した出射光ＬＲ１の光エネルギーである。Ｇｄは、検知用光源３１が発した出射光ＬＲ１の検知用受光素子３１に対する結合効率（集光率）で
ある。具体的には、Ｇｄは、出射光ＬＲ１のうち、対象物２で拡散反射される成分の一部（すなわち、反射検知光ＬＲ２）になる部分の割合に相当する。
【００６７】
Ｒｄは、対象物２による出射光ＬＲ１の反射率である。Ｔｄは、検知用フィルタ３３による反射検知光ＬＲ２の透過率である。Ｉｖｄは、検知用受光素子３１の反射検知光ＬＲ３に対する受光感度である。
【００６８】
Ａａは、対象物２に含まれる成分（水分）による出射光ＬＲ１及び反射検知光ＬＲ２の吸収率であり、次の（式２）で表される。
【００６９】
（式２）  Ａａｄ＝１０−α×Ｃ×Ｄ
ここで、αは、予め定められた吸光係数であり、具体的には、成分（水分）による出射ＬＲ１及び反射検知光ＬＲ２の吸光係数である。Ｃは、対象物２に含まれる成分（水分）の体積濃度である。Ｄは、出射光ＬＲ１及び反射検知光ＬＲ２の吸収に寄与する成分の厚みの２倍である寄与厚みである。
【００７０】
より具体的には、水分が均質に分散した対象物２では、光が対象物２に入射し、内部で反射して対象物２から出射する場合において、Ｃは、対象物２の成分に含まれる体積濃度に相当する。また、Ｄは、内部で反射して対象物２から出射するまでの光路長に相当する。例えば、対象物２が繊維などの網目状の固形物、又は、スポンジなどの多孔性の固形物である場合、固形物の表面で光が反射されると仮定する。この場合、例えば、Ｃは、固形物を覆っている液相に含まれる水分の濃度である。また、Ｄは、固形物を覆っている液相の平均的な厚みとして換算される寄与厚みである。
【００７１】
したがって、α×Ｃ×Ｄは、対象物２に含まれる成分量（水分量）に相当する。
【００７２】
同様に、参照用受光素子４１に入射する反射参照光ＬＲ３の光エネルギーＰｒは、次の（式３）で表される。
【００７３】
（式３）  Ｐｒ＝Ｐｒ０×Ｇｒ×Ｒｒ×Ｔｒ×Ｉｖｒ
本実施の形態では、対象物２に含まれる成分（水分）による第一波長帯の検知光の吸収と、第二波長帯の参照光の吸収との差分から水分による吸収率Ａａｄを求めている。なお、参照光は、対象物２に含まれる成分によって実質的には吸収されないとみなすことができるので、（式１）と比較して分かるように、水分による吸収率Ａａｄに相当する項は（式３）には含まれていない。
【００７４】
（式３）において、Ｐｒ０は、光源２１が発した出射光ＬＲ１の光エネルギーである。Ｇｒは、光源２１が発した出射光ＬＲ１の参照用受光素子４１に対する結合効率（集光率）である。具体的には、Ｇｒは、出射光ＬＲ１のうち、対象物２で拡散反射される成分の一部（すなわち、反射参照光ＬＲ３）になる部分の割合に相当する。
【００７５】
Ｒｒは、対象物２による出射光ＬＲ１の反射率である。Ｔｒは、参照用フィルタ４３による反射参照光ＬＲ３の透過率である。Ｉｖｒは、参照用受光素子４１の反射参照光ＬＲ３に対する受光感度である。
【００７６】
本実施の形態では、検知用受光素子３１における出射光ＬＲ１と参照用受光素子４１における出射光ＬＲ１とは同一の光であるため、結合効率Ｇｄと結合効率Ｇｒとは略等しくなる。また、ピーク波長も比較的に近いので、反射率Ｒｄと反射率Ｒｒとが略等しくなる。
【００７７】
したがって、（式１）と（式３）との比を取ることにより、次の（式４）が導き出される。
【００７８】
（式４）  Ｐｄ／Ｐｒ＝Ｚ×Ａａｄ
ここで、Ｚは、定数項であり、（式５）で示される。
【００７９】
光エネルギーＰｄ０及びＰｒ０はそれぞれ、光源２１の初期出力として予め定められている。また、反射検知光ＬＲ２の透過率Ｔｄ及び反射参照光ＬＲ３の透過率Ｔｒはそれぞれ、検知用フィルタ３２及び参照用フィルタ４２の透過特性により予め定められている。反射検知光ＬＲ２の受光感度Ｉｖｄ及び反射参照光ＬＲ３の受光感度Ｉｖｒはそれぞれ、検知用受光素子３１及び参照用受光素子４１の受光特性により予め定められている。したがって、（式５）で示されるＺは、定数とみなすことができる。
【００８０】
信号処理回路８０は、検知信号に基づいて反射検知光ＬＲ２の光エネルギーＰｄを算出し、参照信号に基づいて反射参照光ＬＲ３の光エネルギーＰｒを算出する。具体的には、検知信号の信号レベル（電圧レベル）が光エネルギーＰｄに相当し、参照信号の信号レベル（電圧レベル）が光エネルギーＰｒに相当する。
【００８１】
したがって、信号処理回路８０は、（式５）に基づいて、対象物２に含まれる水分の吸収率Ａａを算出することができる。これにより、信号処理回路８０は、（式２）に基づいて水分量を算出することができる。
【００８２】
［投光光学系、検知用受光光学系及び参照用受光光学系の配置構成］
本実施の形態に係る光学系成分センサ１は、投光レンズ２２から照射された光を対象物２にて反射させ、反射した光を検知用レンズ３２または参照用レンズ４２が集光し、集光結果を用いて対象物２の成分を計測する。
【００８３】
投光光学系２０、検知用受光光学系３０及び参照用受光光学系４０の配置構成について、図を用いて説明する。
【００８４】
投光光学系２０、検知用受光光学系３０及び参照用受光光学系４０は、それぞれの光軸方向が平行となるように、投光光学系２０を挟んで両脇に検知用受光光学系３０及び参照用光学系が筐体１０内に配置される。具体的には、図１のＺ軸方向において、参照用受光光学系４０、投光光学系２０、検知用受光光学系３０の順に筐体１０内に配置される。
【００８５】
投光光学系２０、検知用受光光学系３０及び参照用受光光学系４０から照射、集光される光の関係について説明する。
【００８６】
受光光学系において、レンズと受光素子との距離ｄ１、ｄ２及び受光用レンズの焦点距離ｆ１、ｆ２は、０＜ｄ１＜ｆ１、０＜ｄ２＜ｆ２を満たすように配置される。このとき、検知用受光光学系３０及び参照用受光光学系４０が反射検知光ＬＲ２及び反射参照光ＬＲ３それぞれを取り込む領域ＲＡ２、ＲＡ３は、所定の範囲で重なるように、検知用レンズ３２及び参照用レンズ４２等が筐体１０内に配置される。
【００８７】
具体的には、検知用レンズ３２が反射検知光ＬＲ２を取り込む領域ＲＡ２は、対象物２を含む径φ２の範囲である。また、参照用レンズ４２が反射参照光ＬＲ３を取り込む領域ＲＡ３は、ビーム径φ３となって対象物２に照射される。反射検知光ＬＲ２を取り込む領域ＲＡ２と反射参照光ＬＲ３を取り込む領域ＲＡ３とは、ビーム径φ２のＺ軸の下方とビーム径φ３のＺ軸の上方とで重なり、検知領域ＲＡ４として、対象物２のＺ軸方向において幅ｃの領域で重なる。
【００８８】
投光レンズ２２は、投光レンズ２２から照射された出射光ＬＲ１が、反射検知光ＬＲ２を取り込む領域ＲＡ２と反射参照光ＬＲ３を取り込む領域ＲＡ３とが重なる所定の範囲内を照射するように、筐体１０に配置される。
【００８９】
具体的には、図１に示すように、投光レンズ２２から照射された出射光ＬＲ１は、反射検知光ＬＲ２を取り込む領域ＲＡ２及び反射参照光ＬＲ３を取り込む領域ＲＡ３であるそれぞれ径φ２及び径φ３の円が重なる検知領域ＲＡ４の範囲内をビーム径φ１で照射する。すなわち、対象物２のＺ軸方向において、０＜φ１＜ｃを満たすように配置される。このとき、幅ｃの中央は、投光レンズ２２から照射される光のビーム径φ１の中心と一致することが好ましい。
【００９０】
このように、検知領域ＲＡ４に１つの投光光学系２０を照射することで、光源の性能のばらつきや劣化による波長変化の懸念を抑制することができる。また、１つの焦点であることから、対象物２に当てる光量（すなわち、強度）を多くすることができ、受光感度を向上することができる。
【００９１】
また、１つの受光光学系とすることでｍ受光光学系の配置間も狭くなるので、検知領域ＲＡ４の範囲を広げることができ、より広範囲で成分の計測を行うことができる。
【００９２】
［まとめ］
以上のように、本実施の形態に係る光学式成分センサ１は、所定の成分による吸収波長を含む出射光ＬＲ１を発する光源２１と、光源２１を収容する筐体１０と、筐体１０の外部に位置している対象物２に向けて出射する投光部と、筐体１０内に収容され、対象物２によって反射された出射光ＬＲ１の少なくとも一部である反射検知光ＬＲ２を受光する第１受光素子と、筐体１０内に収容され、対象物２によって反射された出射光ＬＲ１の少なくとも一部である反射参照光ＬＲ３を受光する第２受光素子と、第１受光素子から出力された反射検知光ＬＲ２に対応する検知信号と、第２受光素子から出力された反射参照光ＬＲ３に対応する参照信号とに基づいて、対象物２が含む成分を検知する信号処理回路８０と、を備え、第１受光素子及び第２受光素子は、それぞれが受光する領域の少なくとも一部が重なるように配置され、光源２１は、第１受光素子が受光する範囲と第２受光素子が受光する範囲とが重なった領域に出射光ＬＲ１を照射するように配置される。
【００９３】
これにより、２つの投光光学系を用いる場合に比べて、光源の性能のばらつきや劣化による波長変化の懸念を抑制することができ、成分を精度良く検知することができる。
【００９４】
また、反射検知光ＬＲ２の光軸上に設けられた第１受光レンズと、反射参照光ＬＲ３の光軸上に設けられた第２受光レンズと、をさらに備え、第１受光レンズ及び第２受光レンズは、照射面が凸形状のレンズであり、第１受光素子及び第２受光素子は、第１受光レンズ及び第２受光レンズの焦点位置よりもレンズ寄りに設けられる。
【００９５】
これにより、第１受光レンズ及び第２受光レンズの受光範囲を広げることができるので、検知領域ＬＲ４を広げることができ、光学式線成分センサ１の検知精度を向上することができる。
【００９６】
また、成分は、水分であることが好ましい。
【００９７】
これにより、対象物２に含まれる水分を精度良く検出することができる。
【００９８】
（変形例）
上記実施の形態において、光学式成分センサ１は、筐体１０内において、光源２１、検知用受光素子３１及び参照用受光素子４１が固定具５０によって固定され、投光レンズ２２、検知用レンズ３２及び参照用レンズ４２を連結する連結具６０をさらに有する構成であってもよい。
【００９９】
具体的には、図５に示すように、光源２１、検知用受光素子３１及び参照用受光素子４１を図４のＺ軸方向において固定具５０で固定し、光源２１、検知用受光素子３１及び参照用受光素子４１をそれぞれの光軸上に配置するように連結具６０によって連結する。連結具６０は、筐体１０同様に、遮光性の材料から形成され、反射検知光ＬＲ２及び反射参照光ＬＲ３に対して遮光性を有し、例えば、樹脂材料又は金属材料から形成されることが望ましい。
【０１００】
これにより、性能劣化の要因となる製造時の組立位置のばらつきを抑制することができ、高精度に検出を行うことができる。
【０１０１】
（その他）
以上、本発明に係る光学式成分センサ１について、上記の実施の形態及びその変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
【０１０２】
例えば、投光レンズ２２は、光の入射する面を平面形状としたが、これに限るものではなく、凸状曲面や凹状曲面であってもよい。光の入射する面を凸状曲面とし、水平方向の曲率を垂直方向よりも大きく変化させると、水平方向の変化により大きく対応できるので、画面の水平視野角を垂直視野角より大きくしたい場合、水平入射角が垂直入射角よりも大きい場合に特に有効となる。
【０１０３】
また、例えば、上記の実施の形態では、光学式成分センサ１は、対象物２に含まれる成分として水分を検知したが、これに限らない。例えば、光学式成分センサ１は、アルコール又は油分を検知してもよい。例えば、光学式成分センサ１は、検知対象となるアルコールによる吸収波長を含む検知光と、アルコールによる吸収波長を含まない参照光とを対象物２に照射すればよい。
【０１０４】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１０５】
１  光学式成分センサ
２  対象物
１０  筐体
２０  投光光学系
２１  光源
２２  投光レンズ
３０  検知用受光光学系
３１  検知用受光素子
３２  検知用レンズ
３３  検知用フィルタ
４０  参照用受光光学系
４１  参照用受光素子
４２  参照用レンズ
４３  参照用フィルタ
５０  固定具
６０  連結具
８０  信号処理回路
【図１】
2018141641.tif 000003
【図２】
2018141641.tif 000004
【図３】
2018141641.tif 000005
【図４】
2018141641.tif 000006
【図５】
2018141641.tif 000007
【図６】
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