(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面および反対面を有する拡散部材と、
前記拡散部材の前記入射面が露出するように、かつ、前記反対面が光センサユニットの受光部と対向するように前記拡散部材を保持する保持部材と、を有し、
前記保持部材は、
前記拡散部材の側面の一部が露出するように前記拡散部材の周囲に形成された溝を有し、
前記保持部材の上面および前記溝の底面が、共に前記拡散部材の前記入射面を含む平面と前記反対面を含む平面との間に配置されるように前記拡散部材を保持している、
分光放射計。
【請求項２】
前記光センサユニットの受光部は、導光部材の端面である、
請求項１に記載の分光放射計。
【請求項３】
前記拡散板は気泡を含んで形成されている、
請求項１または２に記載の分光放射計。
【請求項４】
前記光センサユニットに含まれる光センサは、
フォトダイオードアレイである、
請求項１から３のいずれか１項に記載の分光放射計。
【請求項５】
前記保持部材は、前記溝を囲むように形成される挿入溝を有し、
光透過性を有し、周縁部が前記挿入溝に挿入されるドームをさらに備え、
前記挿入溝は、底面に、接合材料が充填される凹部を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の分光放射計。
【請求項６】
前記凹部は、曲面を含む、請求項５に記載の分光放射計。
【請求項７】
前記凹部は、段差形状を含む、請求項５に記載の分光放射計。
【請求項８】
前記凹部は、Ｖ字形状を含む、請求項５に記載の分光放射計。
【請求項９】
前記凹部は、突起形状を含む、請求項５に記載の分光放射計。
【請求項１０】
前記拡散部材は太陽光に含まれる各波長のスペクトルに対して変動幅が±３０％以内の透過率を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の分光放射計。
【請求項１１】
前記拡散部材は側面から光が入射するように配置された、請求項１から１０のいずれか１項に記載の分光放射計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光放射計及び分光放射照度のＣＯＳエラーの改善方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽からの放射エネルギーは、０．３〜３．０μｍの波長帯域に分布している。すべての波長域のエネルギー積算値を計測する装置として日射計が知られている。しかし、太陽放射には水蒸気などによる吸収帯があり、吸収帯による吸収量は季節や地域によって常に変動する。これらの影響を正確に把握するには、各波長に分けて放射エネルギーを測定する必要がある。分光放射計は、例えば1ｎｍ毎に太陽光を分光し、各波長の放射照度を計測することができる。近年、分光放射計は太陽電池の屋外計測システムで使用されることも多くなっている。これは、太陽電池は種類によって分光感度特性が大きく異なり、同じ太陽光パネルでも、太陽光の分光放射形状によって出力は大きく変わるためである。従来の分光放射計は、例えば特許文献１，２等に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９６７７２３号公報
【特許文献２】特許第３６０２１８７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｆｒａｎｋ  Ｖｉｇｎｏｌａ他、“ＳＯＬＡＲ  ＡＮＤ  ＩＮＦＲＡＲＥＤ  ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ  ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳ”、ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
受光面が光ファイバの端面のように、「面（球面や凹凸面も含む）」で光を捉える分光放射計では、センサの出力値と斜入射角特性に従う理論値との間の誤差（以降、「ＣＯＳエラー」と記載）が発生する問題があった。
【０００６】
本発明は前述の問題に鑑みてなされたものであり、ＣＯＳエラーを低減することのできる分光放射計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】
【０００７】
上記課題に鑑み本願発明者が鋭意研究したところ、ＣＯＳエラーは受光面に対向し取り付けるガラスドーム、受光面でのフレネル反射などの影響により発生するものと推定されるとの知見を得るに至り、前記課題を解決するための解決手段に想到した。すなわち、前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。
【０００８】
（１）入射面および反対面を有する拡散部材と、
前記拡散部材の前記入射面が露出するように、かつ、前記反対面が光センサユニットの受光部と対向するように前記拡散部材を保持する保持部材と、を有し、
前記保持部材は、
前記拡散部材の側面の一部が露出するように前記拡散部材の周囲に形成された溝を有し、
前記保持部材の上面および前記溝の底面が、共に前記拡散部材の前記入射面を含む平面と前記反対面を含む平面との間に配置されるように前記拡散部材を保持している、
分光放射計。
（２）前記光センサユニットの受光部は、導光部材の端面である、（１）に記載の分光放射計。
（３）前記拡散板は気泡を含んで形成されている、（１）または（２）に記載の分光放射計。
（４）前記光センサユニットに含まれる光センサは、フォトダイオードアレイである、（１）から（３）のいずれか１項に記載の分光放射計。
（５）前記保持部材は、前記溝を囲むように形成される挿入溝を有し、
光透過性を有し、周縁部が前記挿入溝に挿入されるドームをさらに備え、
前記挿入溝は、底面に、接合材料が充填される凹部を含む、（１）から（４）のいずれか１項に記載の分光放射計。
（６）前記凹部は、曲面を含む、（５）に記載の分光放射計。
（７）前記凹部は、段差形状を含む、（５）に記載の分光放射計。
（８）前記凹部は、Ｖ字形状を含む、（５）に記載の分光放射計。
（９）前記凹部は、突起形状を含む、（５）に記載の分光放射計。
（１０）前記拡散部材は太陽光に含まれる各波長のスペクトルに対して変動幅が±３０％以内の透過率を有する、（１）から（９）のいずれか１項に記載の分光放射計。
（１１）前記拡散部材は側面から光が入射するように配置された、（１）から（１０）のいずれか１項に記載の分光放射計。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の分光放射計によれば、受光面と拡散部材を備えつつ、ＣＯＳエラーを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に従う日射計の概略構成の一例を示す側方断面図である。
【図２】本実施形態に従う日射計における「高さＨ」ごとのＣＯＳエラーεの入射角依存性の一例を示すグラフである。
【図３】、本実施形態に従う日射計における「距離Ｄ」ごとのＣＯＳエラーεの入射角依存性の一例を示すグラフである。
【図４】本実施形態に従う日射計における「溝の深さＤＥ」ごとのＣＯＳエラーεの入射角依存性の一例を示すグラフである。
【図５】本実施形態に従う日射計における拡散部材の透過率ごとのＣＯＳエラーεの入射角依存性の一例を示すグラフである。
【図６】本実施形態に従う日射計における挿入溝の一例を示す拡大断面図である。
【図７】本実施形態に従うセンサおよび温度補償回路の電気的接続を説明する回路図である。
【図８Ａ】本実施形態に従う拡散部材（実施例１）の露出する面を説明する側面図である。
【図８Ｂ】本実施形態に従う拡散部材（実施例２）の露出する面を説明する側面図である。
【図８Ｃ】本実施形態に従う拡散部材（実施例３）の露出する面を説明する断面図である。
【図８Ｄ】本実施形態に従う拡散部材（実施例４）の露出する面を説明する断面図である。
【図９Ａ】本実施形態に従う日射計（実施例１）における挿入溝の凹部を説明する拡大断面図である。
【図９Ｂ】本実施形態に従う日射計（実施例２）における挿入溝の凹部を説明する拡大断面図である。
【図９Ｃ】本実施形態に従う日射計（実施例３）における挿入溝の凹部を説明する拡大断面図である。
【図１０】本実施形態に従う日射計の応答速度を比較したグラフである。
【図１１】本実施形態に従う日射計における拡散部材有無でのＣＯＳエラーεの入射角依存性の一例を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態２による分光放射計の筺体内部の構造を示す図。
【図１３】本発明の実施の形態２による分光放射計の構成を示す模式図。
【図１４】本発明の実施の形態２による分光放射計における距離Ｄごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフ。
【図１５】本発明の実施の形態２による分光放射計における溝の深さＤＥごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフ。
【図１６】本発明の実施の形態２による分光放射計における拡散部材の透過率Τごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフ。
【図１７】本発明の実施の形態２による分光放射計における拡散部材の露出高ＥＸを固定し、溝の深さＤＥごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフ。
【図１８Ａ】本発明の実施の形態２による分光放射計の溝の構造の一例を示す断面図。
【図１８Ｂ】本発明の実施の形態２による分光放射計の溝の構造の一例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。さらに、本発明の技術的範囲は、当該実施形態に限定して解するべきではない。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。
【００１２】
実施の形態１．
図１乃至図１１は、本発明に係る日射計の一実施形態を示すためのものである。図１は、一実施形態に従う日射計１００の概略構成の一例を示す側方断面図である。日射計１００は、例えば全天日射計であり、天空の全方向、つまり２πステアラジアンの立体角の範囲からの光（放射）に対し、その強度や日射量を測定するためのものである。図１に示すように、日射計１００は、例えば、センサ１０と、温度補償回路２０と、拡散部材３０と、保持部材４０と、ドーム５０と、を備える。
【００１３】
拡散部材３０は、入射面とその反対面、そして側面を有する光学部材であり、入射した光を拡散して透過するように構成されている。拡散部材３０は、例えば表面に凹凸を形成して表面において光を拡散させるだけでなく、その内部においても光を拡散できるものが好ましい。そのような拡散部材３０は、例えばバブルクォーツ等、内部に気泡（ポーラス）が形成された材料で構成することが可能である。拡散部材の透過率は太陽光スペクトル（３００〜３０００ｎｍ）に対し、略均一な透過率をもっている。この拡散部材３０の透過率の変動幅は±３０％以内、好ましくは±１０％以内、より好ましくは±３％以内であり、この略均一な透過率特性により、ブロードな分光特性に優れた日射計を得ることができる。
【００１４】
また、拡散部材３０は、センサ１０の受光面１１に対向する位置に配置され、光は拡散部材３０を拡散透過し、センサ１０の受光面１１に入射するように構成されている。
【００１５】
図１１は、一実施形態に従う日射計１００における角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフである。図１１では、横軸が角度θであり、単位は例えば［°］である。また、縦軸がＣＯＳエラーεであり、単位は例えば［Ｗ／ｍ2］である。なお、図１１のグラフは、拡散部材３０を使用した場合をｋ１、拡散部材を使用しない場合をｋ２として、角度θに対するＣＯＳエラーεの変化を表したものである。図１１に示すように、拡散部材３０を使用しない場合のＣＯＳエラーεに比べ、拡散部材３０を使用したＣＯＳエラーεは小さくなることが分かる。これにより、拡散部材３０を用いることで、ＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００１６】
センサ１０は、熱式（熱型）センサであり、例えばサーモパイル、サーミスタ、ペルチェ、熱電対、白金抵抗体が使用できる。センサ１０がサーモパイルの場合、受光面１１に入射した光（光エネルギー）を熱（熱エネルギー）に変換し、当該熱に応じた電気信号を出力するように構成されている。
【００１７】
センサ１０は、薄膜サーモパイルを用いることで、日射計の光に対する応答時間を短くすることが出来る。図１０は従来のサーモパイルと今回提案した薄膜サーモパイルの応答性能を表したものである。横軸は応答時間を示し、縦軸はセンサの出力（規格化）を示す。図１０より、薄膜サーモパイルを用いたセンサはサーモパイルより応答性により優れていることが分かる。
【００１８】
薄膜サーモパイルは、シリコンをベースとすることで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）等の微細加工技術を利用することが出来るようになり、より容易に、安定的にセンサを製造することが出来る。また、シリコンベースのサーモパイルのセンサ１０は太陽光スペクトル（３００〜３０００ｎｍ）に対し、略均一な分光感度をもっている。またセンサ１０は、金属製の容器１２、例えばＣＡＮパッケージに収納することで、機械的強度を高め、さらに容器１２内にセンサ１０を密閉する事で、過酷な外部環境からの影響を低減させ長期的安定性を高めることが出来る。また容器１２内には指定のガス（窒素、希ガス（Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎｅ等）を含む不活性ガス）で満たすことでさらなるセンサの長期安定性が得られる。またさらに、後述するドーム５０の周縁部５１と挿入溝４３が接合材料Ｂにより接着されることで、さらに装置内の気密性が良くなり、センサの長期安定性も更に向上する。また、光がセンサ１０に入射可能になるように、容器１２には、センサ１０の周縁（外径）に基づいて、例えば開口が形成され、窓材（図示せず）にて密閉できる構成になっている。また封止するための窓材は太陽光スペクトル（３００〜３０００ｎｍ）で透過率５０％以上の略均一な高い透過率をもっており、この透過率特性により密閉性を維持しつつ、ブロードな分光特性に優れた日射計を得ることができる。また、センサ１０をＣＡＮパッケージに収納する事で、保持部材４０を含む装置全体とＣＡＮパッケージの２重構造でセンサ１０と外部との直接の接触を断つことが出来、熱的な入出を抑制する事でセンサ１０のオフセット量を抑える事が出来る。
【００１９】
温度補償回路２０は、センサ１０の近傍に配置された回路基板上に設けられている。温度補償回路２０は、センサ１０に電気的に接続しており、センサ１０の温度に基づいて、センサ１０の出力信号を補正するように構成されている。
【００２０】
保持部材４０は、日射計１００の土台（基礎）となる部材であり、センサ１０、温度補償回路２０、拡散部材３０、およびドーム５０が設けられている。保持部材４０は、１つ以上の部品（パーツ）で構成されており、所定以上の強度とともに所定以上の熱伝導度を有する材料で構成することが好ましく、例えばアルミニウム等の金属材料で構成することが可能である。保持部材４０は、拡散部材３０の入射面３１（図１において上面）と側面３２が露出するように拡散部材３０を保持している。具体的には、保持部材４０は、例えば拡散部材３０の入射面３１が保持部材４０の上面４５より高くなるように、拡散部材３０を保持する。
【００２１】
ドーム５０は、例えば雨や風から日射計１００の内部を保護するためのものである。ドーム５０は、例えばガラス等の光透過性を有する材料で構成することが可能である。ドーム５０は、露出した拡散部材３０の入射面３１と側面３２に、天空から光が入射するように、略半球形状を有している。
【００２２】
なお、日射計１００は、ドーム５０を備える場合に限定されず、例えばドーム５０を備えていなくてもよい。
【００２３】
ここで、拡散部材３０の入射面３１には、センサ１０の受光面に対し、垂直方向の光だけではなく、垂直軸Ｎに対して角度θ（０＜θ≦９０°）の光も入射する。拡散部材３０の上面において、角度θで入射する光の照度Ｅは、斜入射角特性（斜入射光特性または方位特性ともいう）を有しており、垂直方向から入射する光の照度Ｅ0を用いて、以下の式（１）のように表される。
Ｅ＝Ｅ0ｃｏｓθ  …（１）
【００２４】
式（１）から明らかなように、角度θで入射する光の照度Ｅは、垂直方向から入射したときの光の照度Ｅ0のｃｏｓθ倍になる、という性質（特性）がある。しかし、光は角度θが大きくなるに従い表面反射が増加し、さらに、センサ１０の入射面３１に対向し取り付ける、ドーム５０の影響でＣＯＳエラーが発生する。
【００２５】
そこで、光が拡散部材を介してセンサに入射することで、従来の光がセンサに直接入射する場合と比較して、ＣＯＳエラーを小さくすることが出来る。センサ１０の受光面への光が入射する角度θが比較的に小さいうちは問題を生じない。
【００２６】
さらに、本実施形態の日射計１００は、拡散部材３０の側面３２の一部が露出するように、保持部材４０が拡散部材３０の周囲に形成される溝４１を有している。容器１２に収納されたセンサ１０を用いた場合、センサ１０の受光面へ入射する光の角度θが大きくなるに従い、容器１２により制限されるため、更に前記ＣＯＳエラーが大きくなる場合があるが、溝を設けることにより、拡散部材３０の側面３２の一部を露出することになり、拡散部材３０の入射面３１に入射する光に加え、拡散部材３０の側面３２に斜め方向や横方向からの光が入射するので、前記ＣＯＳエラーを抑制する事が可能となりさらに好ましい。
【００２７】
溝４１は、拡散部材３０の側面３２（外径）に沿って全周にわたって形成されることが好ましい。この場合、例えば、平面視において、拡散部材３０の側面３２（外径）の形状が円形である場合、溝４１の形状は、円形（円環）になる。
【００２８】
また、拡散部材３０の入射面３１が溝４１の底面４２より高くなるように保持されている。拡散部材３０の入射面３１と溝４１の底面４２との間を高さＨとよぶ。
【００２９】
図２は、一実施形態に従う日射計１００における高さＨごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフである。図２では、横軸が角度θであり、単位は例えば［°］である。また、縦軸がＣＯＳエラーεであり、単位は例えば［Ｗ／ｍ2］である。なお、図２のグラフは、高さＨがｈ１、ｈ２、およびｈ３のときに、角度θに対するＣＯＳエラーεの変化を表したものである。また、参考のために、高さＨがゼロ（なし）の場合について、ｈ０として表している。図２に示すように、高さＨがゼロの場合、角度θが大きくなるにつれて、ＣＯＳエラーεも大きくなる傾向にある。一方、日射計１００が高さＨを有する場合、高さＨがゼロの場合のＣＯＳエラーεに比べ、ＣＯＳエラーεが変化し、小さくなることが分かる。これにより、拡散部材３０の上面と溝４１の底面４２との間の高さＨを調整することで、ＣＯＳエラーεを補正することが可能になる。したがって、拡散部材３０の上面と溝４１の底面４２との間の高さＨを適切な値に設定してＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００３０】
また、図１に示すように、拡散部材３０は、反対面３３がセンサ１０の受光面１１から離れて配置される。拡散部材３０の反対面３３とセンサ１０の受光面１１との間を距離Ｄとよぶ。
【００３１】
図３は、一実施形態に従う日射計１００における距離Ｄごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフである。図３では、横軸が角度θであり、単位は例えば［°］である。また、縦軸がＣＯＳエラーεであり、単位は例えば［Ｗ／ｍ2］である。なお、図３のグラフは、距離Ｄがｄ１、ｄ２、ｄ３、およびｄ４のときに、角度θに対するＣＯＳエラーεの変化を表したものである。図３に示すように、日射計１００が距離Ｄを有する場合、距離Ｄを変化させるとＣＯＳエラーεも変化することが分かる。これにより、拡散部材３０の下面とセンサ１０の受光面１１の間の距離Ｄを調整することで、ＣＯＳエラーεを補正することが可能になる。したがって、拡散部材３０の下面とセンサ１０の受光面１１の間の距離Ｄを適切な値に設定してＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００３２】
また、図１に示すように、保持部材４０の上面と底面４２との距離を深さＤＥとよぶ。
【００３３】
図４は、一実施形態に従う日射計１００における溝４１の深さＤＥごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフである。図４では、横軸が角度θであり、単位は例えば［°］である。また、縦軸がＣＯＳエラーεであり、単位は例えば［Ｗ／ｍ2］である。なお、図４のグラフは、深さＤＥがｄｅ１、ｄｅ２、ｄｅ３、およびｄｅ４のときに、角度θに対するＣＯＳエラーεの変化を表したものである。図４に示すように、溝４１の深さＤＥを変化させるとＣＯＳエラーεも変化することが分かる。これにより、溝４１の深さＤＥを調整することで、ＣＯＳエラーεを補正することが可能になる。したがって、溝４１の深さＤＥを適切な値に設定してＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００３４】
斜入射角特性のＣＯＳエラーεの補正は、前述の方法以外にも、容器１２に形成された開口の大きさ、保持部材４０に形成されたセンサ１０の入射面と拡散部材３０をつなぐ導光路４６の大きさを調整しても一定の効果が得られる。
【００３５】
さらに、拡散部材３０は、入射した光を拡散して透過するから、透過率Τを有する。
【００３６】
図５は、一実施形態に従う日射計１００における拡散部材３０の透過率Τごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフである。図５では、横軸が角度θであり、単位は例えば［°］である。また、縦軸がＣＯＳエラーε（出力値と理論値との差）であり、単位は例えば［Ｗ／ｍ2］である。なお、図５のグラフは、透過率Τがτ１、τ２、およびτ３のときに、角度θに対するＣＯＳエラーεの変化を表したものである。図５に示すように、拡散部材３０の透過率Τを変化させるとＣＯＳエラーεも変化することが分かる。これにより、拡散部材３０の透過率Τを調整することで、ＣＯＳエラーεを補正することが可能になる。したがって、拡散部材３０の透過率Τを適切な値に設定してＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００３７】
なお、グラフによる説明を省略するが、拡散部材３０の厚さ（図１においてＺ軸方向の長さ）を変えると、角度θに対するＣＯＳエラーεが変化することも分かっている。
【００３８】
図１に示すように、保持部材４０は、溝４１を囲むように形成される挿入溝４３を有する。挿入溝４３には、ドーム５０の周縁部５１が挿入され、ドーム５０が保持部材４０に固定されている。ドーム５０が略半球形状を有する場合、平面視において、挿入溝４３の形状は円形（円環）になる。
【００３９】
図６は、一実施形態に従う日射計１００における挿入溝４３の一例を示す拡大断面図である。図６に示すように、挿入溝４３は、その底面に凹部４４を含んでいる。凹部４４には、あらかじめ接合材料Ｂが充填されており、凹部４４および挿入溝４３の底面に、接合材料Ｂが溜まった状態になっている。この状態で、挿入溝４３にドーム５０の周縁部５１が挿入されると、接合材料Ｂが周縁部５１の底面および側面の一部に付着する。このように、ドーム５０の周縁部５１が挿入される挿入溝４３に凹部４４を含むことにより、凹部４４および挿入溝４３の底面に接合材料Ｂが溜まった状態、つまり、接合材料Ｂ溜まりを形成でき、周縁部５１の接着面積を増加させることができる。したがって、ドーム５０内の気密性を向上させることができる。ここで接合材料とは、接着剤、粘着剤など、物質同士を接合できるものであればよい。
【００４０】
図６に示すように、凹部４４は、例えば曲面を含んでいることが好ましい。これにより、凹部４４および挿入溝４３の底面に接合材料Ｂ溜まりを容易に形成（実現）することができる。
【００４１】
図７は、一実施形態に従うセンサ１０および温度補償回路２０の電気的接続を説明する回路図である。図７に示すように、温度補償回路２０は、例えば、抵抗体２１と、フィルタ２２と、を含んで構成される。
【００４２】
抵抗体２１は、温度に応じて抵抗値が変化するように構成されている。抵抗体２１は、センサ１０の近傍に配置されている。これにより、抵抗体２１の温度は、センサ１０の温度と同一視することが可能になる。
【００４３】
また、抵抗体２１は、センサ１０と並列に接続されている。温度に応じて抵抗値が変化する抵抗体２１は、例えばサーミスタで構成することが可能である。
【００４４】
ここで、日射計１００に使用されるセンサ１０は、その出力信号に温度特性を有する場合がある。この場合、受光面１１に入射する日射光の光エネルギーが同じ場合であっても、センサ１０の温度によって、出力信号の値が変化する。
【００４５】
一方、抵抗体２１は温度に応じて抵抗値が変化するので、センサ１０の温度に応じて抵抗体２１の抵抗値が変化することで、温度特性によるセンサ１０の出力信号の変化を相殺し、センサ１０の出力信号を補正することが可能になる。これにより、受光面１１に入射する日射光の光エネルギーが同じ場合、センサ１０の温度に依存することなく、センサ１０の出力信号の値を一定にすることができる。
【００４６】
例えば、センサ１０の出力信号が、温度に対して係数ｋ（ｋは正の実数）で変化する場合、抵抗体２１は、温度に対して係数−ｋで抵抗値が変化するもの、例えばＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタを用いることが好ましい。
【００４７】
フィルタ２２は、センサ１０の出力信号をフィルタリングするためのものであり、温度補償回路２０の出力側に設けられている。フィルタ２２は、センサ１０と並列に接続されている。フィルタ２２は、例えばキャパシタ（コンデンサ）で構成することが可能である。
【００４８】
日射計１００に使用されるセンサ１０は、その内部インピーダンスが高い場合がある。よって、温度補償回路２０の出力側にフィルタ２２を設けることにより、内部インピーダンスに起因するセンサ１０の出力信号のノイズを、取り除くことが可能になる。
【００４９】
本実施形態では、図１において保持部材４０の上面４５と溝４１の底面との段差が１つ（一段）である例を示したが、これに限定されない。拡散部材３０の側面の一部が露出する限り、保持部材４０の上面と溝４１の底面４２との段差は複数（複数段）であってもよい。また、溝４１の底面４２は平面に限定されず、凹面、凸面、斜面、またはこれらの組み合わせであっても良い。
【００５０】
また、本実施形態では、図１において拡散部材３０の露出する面、つまり、入射面３１が平面である例を示したがこれに限定されない。拡散部材３０の露出する面は、様々な形状を採用することが可能である。
【００５１】
図８Ａおよび図８Ｂは、本実施形態に従う拡散部材３０の露出する面の例を説明する側面図である。図８Ｃおよび図８Ｄは、本実施形態に従う拡散部材３０の露出する面の例を説明する図面であり、拡散部材３０の軸中心を通る断面から見た図面である。拡散部材３０の入射面は、例えば、図８Ａに示すような円錐面であっても、図８Ｂに示すような凸曲面であってもよい。また図８Ｃに示すような凹曲面であっても、または図８Ｄに示すような凹円錐面であってもよい。
【００５２】
さらに、本実施形態では、図６において挿入溝４３の凹部４４が曲面を含む例を示したがこれに限定されない。挿入溝４３の凹部４４は、様々な形状を含むことが可能である。
【００５３】
図９Ａ〜図９Ｃは、一実施形態に従う日射計１００における挿入溝４３の凹部４４の例を説明する拡大断面図である。挿入溝４３の凹部４４は、例えば、図９Ａに示すように段差形状であっても、図９Ｂに示すようなＶ字形状であっても、または、図９Ｃに示すような突起形状を含んでいてもよい。
【００５４】
このように、本実施形態の日射計１００によれば、熱式センサであるセンサ１０と拡散部材３０を備えつつ、センサ１０の出力値と斜入射角特性に従う理論値との間の誤差であるＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００５５】
また他の実施形態である、ＣＡＮパッケージに気密封入されたシリコンベースの薄膜サーモパイルのセンサ１０と、温度補償回路２０を備えた日射計１００では、応答速度を速め、温度特性を改善、オフセットを抑制し、過酷な外部環境からの影響を低減させ長期的安定性を高めることが可能となる。
【００５６】
このように、本実施形態の日射計１００によれば、ＣＡＮパッケージに気密封入されたシリコンベースの薄膜サーモパイルのセンサ１０を備えたことで、従来の熱式センサが持っていた、応答速度を速め、温度特性を改善、オフセットを抑制し、過酷な外部環境からの影響を低減させ長期的安定性を高めることが出来た。また、センサ１０と、センサ１０の受光面に対向して配置される拡散部材３０と、拡散部材３０の入射面３１が露出するように拡散部材３０を保持する保持部材４０と、を備え、保持部材４０は、拡散部材３０の側面の一部が露出するように拡散部材３０の周囲に形成される溝４１を有する。これにより、拡散部材３０の入射面に入射する光に加え、拡散部材３０の側面３２に斜め方向や横方向からの光が入射するので、角度θで入射する光に対するセンサ１０の出力を補正することが可能になる。これらの構成により、センサ１０の出力値と斜入射角特性に従う理論値との間のＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００５７】
実施の形態２．
図１２は、本発明の実施の形態２による分光放射計２００の筺体内部の構造を示す図である。また、図１３は、分光放射計２００の構成を示す模式図である。図１２〜１３に示すように、分光放射計２００は、分光ユニット２１１、サーモモジュール２１２、断熱材２１３、電気基板２１４、フード２１５、ガラスドーム（入光部）２２０、拡散部材２３０、保持部材２４０、シャッタ２５０、光ファイバ２６０、を備えている。分光放射計２００は、主に屋外で太陽光を計測するために用いられる全天候型の分光放射計である。なお、ここで、光センサユニットとは、導光部材、例えば、光ファイバ（２６０）やアクリル樹脂等で形成されたライトガイドと、分光ユニット（２１１）の組み合わせを指す。また、光センサユニットは、導光部材を用いず、分光ユニット（２１１）のみの構成であってもよい。この場合、受光部は分光ユニットの光入力部（図示せず）である。光入力部は、例えば、入射スリット部材である。
【００５８】
図１２に示すように、分光放射計２００の筺体の上部はフード２１５で覆われており、フード２１５の中央には筐体内部に入射光（太陽光）を導くためのガラスドーム２２０と拡散部材２３０、拡散部材２３０を保持する保持部材２４０が配置され、拡散部材２３０とシャッタ２５０を通過した光は、光ファイバ２６０の受光面２６１（端面）に入射し、光ファイバ２６０を経由して分光ユニット２１１に導かれる。
【００５９】
図１２、１３に示すように、保持部材２４０は、拡散部材２３０を保持している。保持部材２４０は、１つ以上の部品（パーツ）で構成されており、所定以上の強度とともに所定以上の熱伝導率を有する材料で構成することが好ましく、例えばアルミニウム等の金属材料で構成することができる。保持部材２４０は、拡散部材２３０の入射面２３１（図１における入射面３１に対応）と側面２３２が露出するように拡散部材２３０を保持している。具体的には、保持部材２４０は、例えば拡散部材２３０の入射面２３１が保持部材２４０の上面２４５より高くなるように、拡散部材２３０を保持する。
【００６０】
ガラスドーム２２０は、例えば雨や風から分光放射計２００の内部を保護するためのものである。ガラスドーム２２０は、例えばガラス等の光透過性を有する材料で構成することができる。ガラスドーム２２０は、露出した拡散部材２３０の入射面２３１と側面２３２に、天空から光が入射するように、略半球形状を有している。なお、分光放射計２００は、ガラスドーム２２０を備えていなくてもよい。
【００６１】
分光ユニット２１１は、分光部２１１１、光電変換部２１１２、温度センサ（図示せず）を含んでいる。分光ユニット２１１に導かれた光は、分光部２１１１によって複数の波長に分解され、光電変換部２１１２によって波長毎の光強度を示す電気信号に変換される。分光ユニット２１１１には例えば回折格子が用いられ、回折格子には反射型と透過型のものがあるが、どちらを用いてもよい。また、光電変換部２１１２には例えばフォトダイオードアレイが用いられ、フォトダイオードアレイには５００〜５０００素子程度のものを用いることができる。なお、フォトダイオードアレイの代わりに、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）アレイを用いてもよい。また、分光ユニット２１１には、分光部２１１１と光電変換部２１１２の温度を計測するための温度センサが含まれている。温度センサとしては、熱電対、白金抵抗体、半導体センサなどを用いることができる。
【００６２】
光電変換部２１１２によって変換された波長毎の光強度を示す電気信号は、電気基板２１４に供給され、その電気信号を保持すると共に、それらのデータ処理を行う。
【００６３】
また、図１２に示すように、分光ユニット２１１の下部にはサーモモジュール２１２が設けられており、分光ユニット２１１を冷却または加熱して温度を一定に保つようにしている。サーモモジュール２１２は、例えばペルチェ素子である。また、分光ユニット２１１とサーモモジュール２１２は、断熱材２１３で覆われている。なお、サーモモジュール２１２は、複数のペルチェ素子を直列接続したもので構成するようにしてもよい。
【００６４】
ここで、拡散部材２３０の入射面２３１には、光ファイバ２６０の受光面２６１に対して垂直方向から入射する光だけではなく、図１に示す例と同様に、垂直軸Ｎに対して角度θ（０＜θ≦９０°）の光も入射する。拡散部材２３０の上面において、角度θで入射する光の照度Ｅは、斜入射角特性（斜入射光特性または方位特性ともいう）を有しており、垂直方向から入射する光の照度Ｅ0を用いて、以下の式（１）のように表される。
Ｅ＝Ｅ0ｃｏｓθ  …（１）
【００６５】
式（１）から明らかなように、角度θで入射する光の照度Ｅは、垂直方向から入射したときの光の照度Ｅ0のｃｏｓθ倍になる、という性質（特性）がある。しかし、光は角度θが大きくなるに従い表面反射が増加し、さらに、受光面２６１に対向して取り付けられているドーム２２０の影響でＣＯＳエラーが発生する。
【００６６】
そこで、光が拡散部材２３０を介して光ファイバ２６０の受光面２６１に入射することで、光が受光面２６１に直接入射する場合と比較して、ＣＯＳエラーを小さくすることが出来る。なお、受光面２６１への光が入射する角度θが比較的に小さいうちは問題を生じない。
【００６７】
さらに、本実施形態の分光放射計２００は、図１３に示すように、拡散部材２３０の側面２３２の一部が露出するように、保持部材２４０が拡散部材２３０の周囲に形成される溝２４１を有している。光ファイバ２６０を用いた場合、受光面２６１へ入射する光の角度θが大きくなるに従い、光ファイバの開口角による制限を受けるため、さらにＣＯＳエラーが大きくなる場合がある。しかし、保持部材２４０に溝２４１を設けることにより、拡散部材２３０の側面２３２の一部が露出することになり、拡散部材２３０の入射面２３１に入射する光に加え、拡散部材２３０の側面２３２に斜め方向や横方向からも光が入射するので、ＣＯＳエラーを抑制することができる。
【００６８】
溝２４１は、拡散部材２３０の側面２３２（外径）に沿って全周にわたって形成されていることが好ましい。例えば、平面視において、拡散部材２３０の側面２３２（外径）の形状が円形である場合、溝２４１の形状は円形（円環）になる。
【００６９】
また、拡散部材２３０の入射面２３１が溝２４１の底面２４２より高くなるように保持されている。ここで、拡散部材２３０の入射面２３１と溝２４１の底面２４２との間を高さＨとする。
【００７０】
また、図１３に示すように、拡散部材２３０は、反対面２３３が受光面２６１から離れて配置される。拡散部材２３０の反対面２３３と受光面２６１との間を距離Ｄとする。
【００７１】
図１４は、一実施形態に従う分光放射計２００における距離Ｄごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフである。図１４では、横軸が角度θであり、単位は例えば［°］である。また、縦軸がＣＯＳエラーεであり、単位は例えば［Ｗ／ｍ2］である。なお、図１４のグラフは、距離Ｄがｄ１、ｄ２、ｄ３、およびｄ４のときに、角度θに対するＣＯＳエラーεの変化を表したものである。図１４に示すように、分光放射計２００が距離Ｄを有する場合、距離Ｄを変化させるとＣＯＳエラーεも変化することが分かる。これにより、拡散部材２３０の反対面２３３と受光面２６１の間の距離Ｄを調整することで、ＣＯＳエラーεを補正することが可能になる。したがって、拡散部材２３０の反対面２３３と受光面２６１の間の距離Ｄを適切な値に設定してＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００７２】
また、図１３に示すように、保持部材２４０の上面２４５と溝２４１の底面２４２との距離を溝２４１の深さＤＥとする。図１５は、一実施形態に従う分光放射計２００における溝２４１の深さＤＥごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフである。図１５では、横軸が角度θであり、単位は例えば［°］である。また、縦軸がＣＯＳエラーεであり、単位は例えば［Ｗ／ｍ2］である。なお、図１５のグラフは、深さＤＥがｄｅ１、ｄｅ２、ｄｅ３、およびｄｅ４のときに、角度θに対するＣＯＳエラーεの変化を表したものである。図１５に示すように、溝２４１の深さＤＥを変化させるとＣＯＳエラーεも変化することが分かる。これにより、溝２４１の深さＤＥを調整することで、ＣＯＳエラーεを補正することが可能になる。したがって、溝２４１の深さＤＥを適切な値に設定してＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００７３】
なお、斜入射角特性のＣＯＳエラーεの補正は、前述の方法以外にも、受光面（ファイバ開口）の大きさを調整しても一定の効果が得られる。
【００７４】
さらに、拡散部材２３０は、入射した光を拡散して透過するから、透過率Τを有する。図１６は、一実施形態に従う分光放射計２００における拡散部材２３０の透過率Τごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフである。図１６では、横軸が角度θであり、単位は例えば［°］である。また、縦軸がＣＯＳエラーε（出力値と理論値との差）であり、単位は例えば［Ｗ／ｍ2］である。なお、図１６のグラフは、透過率Τがτ１、τ２、τ３およびτ４のときに、角度θに対するＣＯＳエラーεの変化を表したものである。図１６に示すように、拡散部材２３０の透過率Τを変化させるとＣＯＳエラーεも変化することが分かる。これにより、拡散部材２３０の透過率Τを調整することで、ＣＯＳエラーεを補正することが可能になる。したがって、拡散部材２３０の透過率Τを適切な値に設定してＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００７５】
図１７は、一実施形態に従う分光放射計２００における拡散部材の露出高ＥＸを固定し、溝２４１の深さＤＥごとの角度θおよびＣＯＳエラーεの関係の一例を示すグラフである。図１７では、横軸が角度θであり、単位は例えば［°］である。また、縦軸がＣＯＳエラーεであり、単位は例えば［Ｗ／ｍ2］である。なお、図１７のグラフは、深さＤＥがｄｅ５、ｄｅ６およびｄｅ７（溝無し）のときに、角度θに対するＣＯＳエラーεの変化を表したものである。図１７に示すように、同じ露出高ＥＸでも、溝２４１の深さＤＥを変化させるとＣＯＳエラーεも変化することが分かる。これにより、溝２４１の深さＤＥを調整することで、ＣＯＳエラーεを補正することが可能になる。したがって、溝２４１の深さＤＥを適切な値に設定してＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００７６】
なお、さらに、拡散部材２３０の厚さ（図１に示すＺ軸方向の長さ）を変えると、角度θに対するＣＯＳエラーεが変化することも分かっている。
【００７７】
また、図１３においては、保持部材２４０の上面２４５と溝２４１の底面との段差が１つ（一段）である例を示したが、溝２４１の構造はこれに限定されない。拡散部材２３０の側面の一部が露出する限り、保持部材２４０の上面２４５と溝２４１の底面２４２との段差は複数（複数段）であってもよい。また、溝２４１の底面２４２は平面に限定されず、凹面、凸面、斜面、またはこれらの組み合わせであってもよい。また、図１８Ａに示すように、上面２４５と底面２４２の段差がなく、溝２４１の側面と底面２４２が斜面のような同一面上に形成された構造であってもよい。また、図１８Ｂに示すように、上面２４５と底面２４２にはっきりした段差がなく、溝２４１の側面と底面２４２が曲面で形成されるような構造であってもよい。
【００７８】
また、本実施形態では、図１３において拡散部材２３０の露出する面、つまり、入射面２３１が平面である例を示したがこれに限定されない。拡散部材２３０の露出する面は、様々な形状を採用することが可能である。また、図８Ａ〜図８Ｄに示す拡散部材３０の露出する面の例は、本実施形態による分光放射計２００の拡散部材２３０にも適用することができる。
【００７９】
以上のように、本実施形態の分光放射計２００によれば、拡散部材２３０の入射面２３１を露出させ、かつ反対面２３３が受光面２６１と対向するように拡散部材２３０を保持する保持部材２４０が、拡散部材２３０の側面２３２の一部が露出するように拡散部材２３０の周囲に形成された溝２４１を有するようにした。これにより、拡散部材２３０の入射面２３１に入射する光に加え、拡散部材２３０の側面２３２に斜め方向や横方向からも光が入射するので、角度θで入射する光に対する分光放射計２００の出力を補正することが可能になる。これにより、分光放射計２００の出力値と斜入射角特性に従う理論値との間の誤差であるＣＯＳエラーεを低減することができる。
【００８０】
さらに、保持部材２４０の上面２４５と溝２４１の底面２４２が拡散部材２３０の入射面２３１と反対面２３３の間に配置されるようにすることで、受光面２６１への入射角によるＣＯＳエラーεを著しく改善することができる。特に、保持部材２４０の上面２４５を拡散部材２３０の入射面２３１よりも低い位置に設定したことで、拡散部材２３０の入射面２３１に対して斜めから入射した時（０＜θ≦９０°）のＣＯＳエラーの補正に著しい効果を得ることができる。
【００８１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
【００８２】
また、上記発明の実施形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、または変更もしくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施形態の記載に限定されるものではない。そのような組み合わせまたは変更もしくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００８３】
１０…センサ
１１…受光面
２０…温度補償回路
２１…抵抗体
２２…フィルタ
３０…拡散部材
３１…入射面
３２…側面
３３…反対面
４０…保持部材
４１…溝
４２…底面
４３…挿入溝
４４…凹部
４５…上面
４６…導光路
５０…ドーム
５１…周縁部
１００…日射計
２００…分光放射計
２１１…分光ユニット
２１２…サーモモジュール
２１３…断熱材
２１４…電気基板
２１５…フード
２２０…ガラスドーム
２３０…拡散部材
２３１…入射面
２３２…側面
２３３…反対面
２４０…保持部材
２４１…溝
２４２…底面
２４５…上面
２５０…シャッタ
２５１…シャッタ羽根
２６０…光ファイバ
２６１…受光面
２１１１…分光部
２１１２…光電変換部
Ｂ…接合材料
Ｄ…距離
ＤＥ…深さ
Ｈ…高さ
ＥＸ…露出高
Τ…透過率
θ…角度
ε…ＣＯＳエラー
【図１】
0006792113.tif 000002
【図２】
0006792113.tif 000003
【図３】
0006792113.tif 000004
【図４】
0006792113.tif 000005
【図５】
0006792113.tif 000006
【図６】
0006792113.tif 000007
【図７】
0006792113.tif 000008
【図８Ａ】
0006792113.tif 000009
【図８Ｂ】
0006792113.tif 000010
【図８Ｃ】
0006792113.tif 000011
【図８Ｄ】
0006792113.tif 000012
【図９Ａ】
0006792113.tif 000013
【図９Ｂ】
0006792113.tif 000014
【図９Ｃ】
0006792113.tif 000015
【図１０】
0006792113.tif 000016
【図１１】
0006792113.tif 000017
【図１２】
0006792113.tif 000018
【図１３】
0006792113.tif 000019
【図１４】
0006792113.tif 000020
【図１５】
0006792113.tif 000021
【図１６】
0006792113.tif 000022
【図１７】
0006792113.tif 000023
【図１８Ａ】
0006792113.tif 000024
【図１８Ｂ】
0006792113.tif 000025