(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡面又はこの鏡面の裏面が被測定気体に晒される楕円球面反射鏡と、
前記楕円球面反射鏡に対して光を照射するレーザダイオードと、
前記楕円球面反射鏡からの反射光を受光して電気信号に変換するフォトダイオードとを有し、
前記レーザダイオードは、その出射面が前記楕円球面反射鏡の一方の焦点に位置するように配設され、
前記フォトダイオードは、その入射面が前記楕円球面反射鏡の他方の焦点に位置するように配設されることを特徴とする曇り検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の曇り検出装置において、
楕円プリズムの楕円球状の内壁面を前記楕円球面反射鏡とすることを特徴とする曇り検出装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の曇り検出装置と、
前記楕円球面反射鏡を冷却する冷却手段と、
前記楕円球面反射鏡の温度を測定する温度センサと、
前記フォトダイオードが受光する反射光の強度に基づいて前記楕円球面反射鏡又はその裏面に生じた結露を検出し、この結露を検出したときに前記温度センサによって測定された温度を被測定気体の露点温度とする検知手段とを有することを特徴とする鏡面冷却式露点計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスなどの曇りを検出する曇り検出装置、および気体の露点を検出する鏡面冷却式露点計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、湿度測定法として、被測定気体の温度を低下させ、その被測定気体に含まれる水蒸気の一部を結露させたときの温度を測定することにより露点を検出する露点検出法が知られている。例えば、特許文献１には、電子冷却器などを用いて鏡を冷却し、この冷却した鏡の面上の反射光の強度の変化を検出し、この時の鏡面の温度を測定することによって、被測定気体中の水分の露点を検出する鏡面冷却式露点計が開示されている。この鏡面冷却式露点計には、利用する反射光の種類によって、２つのタイプがある。１つは正反射光を利用する正反射光検出方式、もう１つは散乱光を利用する散乱光検出方式である。
【０００３】
図６に正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す。この鏡面冷却式露点計は、被測定気体が流入するチャンバ１０１と、このチャンバ１０１の内部に設けられた熱電冷却素子（ペルチェ素子）１０２とを備えている。熱電冷却素子１０２の冷却面には銅製ブロック１０３を介してボルト１０４が取り付けられている。銅製ブロック１０３に取り付けられたボルト１０４の上面は鏡面となっている。銅製ブロック１０３の側部には巻線式測温抵抗体からなる温度センサ１０５が埋め込まれている。また、チャンバ１０１の上部には、ボルト１０４の上面（鏡面）に対して斜めに光を照射する発光素子１０６と、発光素子１０６から鏡面に対して照射された光の正反射光を受光する受光素子１０７とが設けられている。
【０００４】
この鏡面冷却式露点計において、ボルト１０４の鏡面は、チャンバ１０１内に流入する被測定気体に晒される。ボルト１０４の鏡面に結露が生じていなければ、発光素子１０６から照射された光はそのほぼ全量が正反射し、受光素子１０７で受光される。したがって、鏡面に結露が生じていない場合、受光素子１０７で受光される反射光の強度は大きい。熱電冷却素子１０２への電流を増やし、熱電冷却素子１０２の冷却面の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気がボルト１０４の鏡面に結露し、その結露した水滴に発光素子１０６から照射された光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子１０７で受光される反射光（正反射光）の強度が減少する。このボルト１０４の鏡面における正反射光の変化を検出することにより、鏡面上の状態の変化、すなわち鏡面上に水分が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面の温度を温度センサ１０５で間接的に測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。
【０００５】
図７に散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す。この鏡面冷却式露点計は、図６に示した鏡面冷却式露点計とほぼ同構成であるが、受光素子１０７の取り付け位置が異なっている。この鏡面冷却式露点計において、受光素子１０７は、発光素子１０６からボルト１０４の鏡面に対して照射された光の正反射光を受光する位置ではなく、散乱光を受光する位置に設けられている。
【０００６】
ボルト１０４の鏡面に結露が生じていなければ、発光素子１０６から照射された光はそのほぼ全量が正反射し、受光素子１０７での受光量は極微量である。したがって、ボルト１０４の鏡面に結露が生じていない場合、受光素子１０７で受光される反射光の強度は小さい。熱電冷却素子１０２への電流を増やし、熱電冷却素子１０２の冷却面の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気がボルト１０４の鏡面に結露し、その結露した水滴に発光素子１０６から照射された光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子１０７で受光される乱反射された光（散乱光）の強度が増大する。このボルト１０４の鏡面における散乱光の変化を検出することにより、鏡面上に水分が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面の温度を温度センサ１０５で間接的に測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２８３５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のように、特許文献１に開示された鏡面冷却式露点計では、結露を検出する鏡面が平面なので、正確で高分解能な測定を行うためには、発光素子から照射するレーザ光を細いビームに絞り、光学部品の光軸調整も厳密に行う必要があり、部品が多い上に光学部品の光軸調整が難しくなるという問題点があった。
なお、このような問題は、鏡面冷却式露点計に限らず、ウィンドウガラスなどの曇りを検出する曇り検出装置においても同様に発生する。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光学部の構成が簡単で、厳密な光軸調整も不要な曇り検出装置および鏡面冷却式露点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】
【００１０】
本発明の曇り検出装置は、鏡面又はこの鏡面の裏面が被測定気体に晒される楕円球面反射鏡と、前記楕円球面反射鏡に対して光を照射するレーザダイオードと、前記楕円球面反射鏡からの反射光を受光して電気信号に変換するフォトダイオードとを有し、前記レーザダイオードは、その出射面が前記楕円球面反射鏡の一方の焦点に位置するように配設され、前記フォトダイオードは、その入射面が前記楕円球面反射鏡の他方の焦点に位置するように配設されることを特徴とするものである。
また、本発明の曇り検出装置の１構成例は、楕円プリズムの楕円球状の内壁面を前記楕円球面反射鏡とすることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の鏡面冷却式露点計は、曇り検出装置と、前記楕円球面反射鏡を冷却する冷却手段と、前記楕円球面反射鏡の温度を測定する温度センサと、前記フォトダイオードが受光する反射光の強度に基づいて前記楕円球面反射鏡又はその裏面に生じた結露を検出し、この結露を検出したときに前記温度センサによって測定された温度を被測定気体の露点温度とする検知手段とを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、鏡面又はこの鏡面の裏面が被測定気体に晒される楕円球面反射鏡を設け、投光手段をその出射面が楕円球面反射鏡の一方の焦点に位置するように配設することにより、光学部の構成が簡単で、厳密な光軸調整も不要な曇り検出装置および鏡面冷却式露点計を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る鏡面冷却式露点計の光学部の側断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１４】
本実施の形態の鏡面冷却式露点計は、正反射光検出方式を採用したものである。この鏡面冷却式露点計の光学部は、レーザ光を出射するレーザダイオード１と、レーザ光を受光して電気信号に変換するフォトダイオード２と、被測定気体が流入する容器の底面部を構成する底面部材３と、容器の上面部を構成する上面部材４と、容器の側面部を構成する側面部材５と、レーザダイオード１を上面部材４に固定するホルダ６と、フォトダイオード２を上面部材４に固定するホルダ７と、底面部材３と接するように設けられた熱伝導用の銅製ブロック８と、銅製ブロック８に埋め込まれた例えば白金による薄膜測温抵抗体からなる温度センサ９と、冷却面が銅製ブロック８と接するように設けられた冷却手段となるペルチェ素子１０と、ペルチェ素子１０の加熱面と接するように設けられた放熱用ヒートシンク１１とを有する。レーザダイオード１は投光手段を構成し、フォトダイオード２は受光手段を構成している。
【００１５】
底面部材３には、レーザダイオード１及びフォトダイオード２が配置される容器上面に対して凹状の楕円球面反射鏡１２が形成されている。底面部材３及び楕円球面反射鏡１２は、熱伝導性の良好な材料、例えば金属であることが好ましい。
側面部材５は、底面部材３上に所定の距離を隔てて上面部材４を固定する。また、側面部材５には、容器の入口となる通気孔１３と、容器の出口となる通気孔１４とが形成されている。
【００１６】
レーザダイオード１は、ホルダ６によって上面部材４に固定され、フォトダイオード２は、ホルダ７によって上面部材４に固定される。このとき、レーザダイオード１は、その出射面が楕円球面反射鏡１２の一方の焦点ｆ１に位置するように固定され、フォトダイオード２は、その入射面が楕円球面反射鏡１２の他方の焦点ｆ２に位置するように固定される。レーザダイオード１は、電線１１を介して後述するレーザドライバと接続され、フォトダイオード２は、電線１２を介して後述する反射光強度検出部と接続される。
【００１７】
図２は本実施の形態の鏡面冷却式露点計の検知部の構成を示すブロック図である。鏡面冷却式露点計の検知部２０は、レーザドライバ２１と、反射光強度検出部２２と、冷却制御部２３と、露点検出部２４と、表示部２５とを有する。
次に、図１、図２を用いて本実施の形態の鏡面冷却式露点計の動作を説明する。被測定気体は、通気孔１３から容器内に流入し、図１（Ａ）の矢印１５の方向に流れ、通気孔１４から容器外に流出する。
【００１８】
レーザドライバ２１は、レーザ光をレーザダイオード１から出射させる。レーザダイオード１から出射したレーザ光は、容器内の被測定気体雰囲気中を通過して楕円球面反射鏡１２によって反射され、再び被測定気体雰囲気中を通過してフォトダイオード２に入射する。
フォトダイオード２は、受光した反射光を電気信号に変換する。
【００１９】
反射光強度検出部２２は、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅し、増幅後の信号から反射光の強度を求め、この反射光の強度を所定の閾値と比較する。
楕円球面反射鏡１２は被測定気体に晒されており、楕円球面反射鏡１２に結露が生じていなければ、レーザダイオード１から照射された光はそのほぼ全量が正反射し、フォトダイオード２で受光される。したがって、楕円球面反射鏡１２に結露が生じていない場合、フォトダイオード２で受光される反射光の強度は大きく、予め定められた閾値以下となることはない。
【００２０】
冷却制御部２３は、反射光強度検出部２２による反射光強度と閾値との比較の結果、反射光の強度が閾値を上回っている場合、ペルチェ素子１０に供給する電流を増大させる。これにより、ペルチェ素子１０の冷却面の温度が下がっていく。
ペルチェ素子１０の冷却面の温度、すなわち楕円球面反射鏡１２の温度が下がっていくと、被測定気体に含まれる水蒸気が楕円球面反射鏡１２に結露し、レーザダイオード１から照射された光の一部が乱反射する。これにより、フォトダイオード２に入射する反射光の強度が低下し、閾値以下となる。このように反射光の強度を閾値と比較することで、楕円球面反射鏡１２に生じた結露を検出することができる。
【００２１】
冷却制御部２３は、反射光の強度が閾値以下となった場合、ペルチェ素子１０に供給する電流を減少させる。これにより、ペルチェ素子１０の冷却面の温度の低下が抑えられ、結露の発生が抑制される。この結露の抑制により、フォトダイオード２に入射する反射光の強度が大きくなり、閾値を上回ると、冷却制御部２３は、ペルチェ素子１０に供給する電流を増大させる。このように、ペルチェ素子１０に供給する電流の増減を繰り返すことによって、フォトダイオード２に入射する反射光の強度が閾値とほぼ等しくなるように、ペルチェ素子１０の冷却面の温度が調整される。
【００２２】
露点検出部２４は、この調整された温度、すなわち反射光の強度が閾値を中心とする所定の範囲内にあるときに温度センサ９によって測定された温度を、楕円球面反射鏡１２に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）とする。この露点温度の値は、表示部２５に表される。
【００２３】
以上のような鏡面冷却式露点計では、レーザダイオード１の位置や角度がばらついても、幾何学的にレーザダイオード１への戻り光は発生せず、レーザダイオード１から発せられた光は全てもう１つの焦点に配置されたフォトダイオード２に集まる。したがって、受光感度を向上させるためにコリメート光を用いる必要がなく、戻り光ノイズを防止するために光学部品に所定角度の傾斜をつける必要もなくなるので、レーザダイオード１及びフォトダイオード２の光軸を厳密に調整する必要がない。
【００２４】
つまり、本実施の形態では、レンズなどの光学部品を用いる必要がなく、またレーザダイオード１の光軸の傾き（図１のα，α’）を厳密に調整する必要がなく、フォトダイオード２の光軸の傾き（図１のβ）を厳密に調整する必要もなくなる。また、レーザダイオード１とフォトダイオード２の光軸の精度が一般機械加工精度レベルであれば、レーザダイオード１とフォトダイオード２の光軸方向の位置ずれ（図１のｄ１，ｄ２）が多少あっても問題がない。
また、本実施の形態では、楕円球面反射鏡１２の面積が広いため、楕円球面反射鏡１２へのごみの付着などによるノイズに対しての耐性が良い。
【００２５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る鏡面冷却式露点計の光学部の側断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。
【００２６】
本実施の形態の鏡面冷却式露点計は、散乱光検出方式を採用したものであり、フォトダイオード２ａの位置が第１の実施の形態とは異なる。フォトダイオード２ａは、その入射面が楕円球面反射鏡１２の焦点ｆ２と異なる位置、好ましくは焦点ｆ２の近傍の位置（楕円球面反射鏡１２からの散乱光を受光する位置）に固定されている。
【００２７】
本実施の形態の鏡面冷却式露点計の検知部２０の基本構成は第１の実施の形態と同様であるので、図２の符号を用いて本実施の形態の動作を説明する。
楕円球面反射鏡１２に結露が生じていなければ、レーザダイオード１から照射された光はそのほぼ全量が正反射し、フォトダイオード２ａでの受光量は極微量である。したがって、楕円球面反射鏡１２に結露が生じていない場合、フォトダイオード２ａで受光される反射光の強度は小さく、予め定められた閾値以上となることはない。
【００２８】
第１の実施の形態と同様に、反射光強度検出部２２は、フォトダイオード２の出力から反射光の強度を求め、この反射光の強度を所定の閾値と比較する。なお、本実施の形態における比較用の閾値は、散乱光を検出するためのものであるから、第１の実施の形態のように正反射光の強度低下を検出するための閾値とは異なることは言うまでもない。
【００２９】
冷却制御部２３は、反射光強度検出部２２による反射光強度と閾値との比較の結果、反射光の強度が閾値を下回っている場合、ペルチェ素子１０に供給する電流を増大させる。
これにより、楕円球面反射鏡１２の温度が下がっていくと、被測定気体に含まれる水蒸気が楕円球面反射鏡１２に結露し、レーザダイオード１から照射された光の一部が乱反射し、フォトダイオード２ａに入射する反射光の強度が増大して、閾値以上となる。
【００３０】
冷却制御部２３は、反射光の強度が閾値以上となった場合、ペルチェ素子１０に供給する電流を減少させる。これにより、結露の発生が抑制され、フォトダイオード２ａに入射する反射光の強度が小さくなる。反射光の強度が閾値を下回ると、冷却制御部２３は、ペルチェ素子１０に供給する電流を増大させる。このように、ペルチェ素子１０に供給する電流の増減を繰り返すことによって、フォトダイオード２に入射する反射光の強度が閾値とほぼ等しくなるように、ペルチェ素子１０の冷却面の温度が調整される。
【００３１】
露点検出部２４は、この調整された温度、すなわち反射光の強度が閾値を中心とする所定の範囲内にあるときに温度センサ９によって測定された温度を、楕円球面反射鏡１２に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）とする。この露点温度の値は、表示部２５に表される。
こうして、本実施の形態によれば、散乱光検出方式の鏡面冷却式露点計において、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図４（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る鏡面冷却式露点計の光学部の側断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図４（Ｃ）は図４（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）において、３０，３１は光ファイバ、３２，３３はホルダである。光ファイバ３０と図示しないレーザダイオードとは、投光手段を構成し、光ファイバ３１と図示しないフォトダイオードとは、受光手段を構成している。
【００３３】
本実施の形態の鏡面冷却式露点計では、レーザダイオードから発せられた光を光ファイバ３０によって光学部に導き、楕円球面反射鏡１２からの反射光を光ファイバ３１によってフォトダイオードに導くようにしている。光ファイバ３０は、ホルダ３２によって上面部材４に固定され、光ファイバ３１は、ホルダ３３によって上面部材４に固定される。このとき、光ファイバ３０は、その出射面が楕円球面反射鏡１２の一方の焦点ｆ１に位置するように固定され、光ファイバ３１は、その入射面が楕円球面反射鏡１２の他方の焦点ｆ２に位置するように固定される。
【００３４】
第１の実施の形態と同様に、被測定気体は、通気孔１３から容器内に流入し、図４（Ａ）の矢印１５の方向に流れ、通気孔１４から容器外に流出する。
レーザダイオードから発せられた光は、光ファイバ３０によって光学部に導かれ、光ファイバ３０から出射したレーザ光は、容器内の被測定気体雰囲気中を通過して楕円球面反射鏡１２によって反射され、再び被測定気体雰囲気中を通過して光ファイバ３１に入射する。光ファイバ３１は、楕円球面反射鏡１２からの反射光をフォトダイオードに導く。
【００３５】
レーザダイオードは、図２のレーザドライバ２１と接続され、フォトダイオードは、反射光強度検出部２２と接続されている。検知部２０の構成と動作は、第１の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、本実施の形態を第２の実施の形態に適用してもよいことは言うまでもない。
【００３６】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図５は本発明の第４の実施の形態に係る鏡面冷却式露点計の光学部の断面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同様の構成には同一の符号を付してある。図５において、４０は楕円プリズム、４２，４３は光ファイバである。光ファイバ４２と図示しないレーザダイオードとは、投光手段を構成し、光ファイバ４３と図示しないフォトダイオードとは、受光手段を構成している。
【００３７】
本実施の形態の鏡面冷却式露点計では、第１の実施の形態で説明した銅製ブロック８の上に楕円プリズム４０を配置している。この楕円プリズム４０の楕円球状の内壁面が楕円球面反射鏡４１として機能することになる。
すなわち、レーザダイオードから発せられた光を光ファイバ４２によって光学部に導き、楕円プリズム４０の底面から光を照射し、楕円球面反射鏡４１で全反射した光を光ファイバ４３で受光してフォトダイオードに導く。光ファイバ４２は、その出射面が楕円球面反射鏡４１の一方の焦点ｆ１に位置するように固定され、光ファイバ４３は、その入射面が楕円球面反射鏡４１の他方の焦点ｆ２に位置するように固定される。
【００３８】
被測定気体は、楕円プリズム４０の上を図５の矢印１５の方向に流れる。楕円プリズム４０をペルチェ素子１０で冷却し、楕円プリズム４０の楕円球状の外面に結露が生じると、楕円球面反射鏡４１からの反射光の強度が低下する。
レーザダイオードは、図２のレーザドライバ２１と接続され、フォトダイオードは、反射光強度検出部２２と接続されている。検知部２０の構成と動作は、第１の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、光ファイバ４３の入射面の位置を楕円球面反射鏡４１の焦点ｆ２からずらし、本実施の形態を散乱光検出方式に適用してもよいことは言うまでもない。
【００３９】
また、第１〜第４の実施の形態では、鏡面冷却式露点計について説明したが、本発明を曇り検出装置に適用することも可能である。この場合、銅製ブロック８と温度センサ９とペルチェ素子１０と放熱用ヒートシンク１１は不要であり、楕円球面反射鏡１２，４１は対象となるウィンドウガラスなどに形成される。被測定気体に相当するものは第１〜第３の実施の形態の場合、例えば内気であり、楕円球面反射鏡１２の裏面が外気に晒される。また、第４の実施の形態の場合、楕円プリズム４０の楕円球状の外面が外気に晒される。正反射光検出方式の場合、楕円球面反射鏡１２，４１が曇ると、フォトダイオード２に入射する反射光の強度が低下し、閾値以下となるので、反射光強度検出部２２は、楕円球面反射鏡１２，４１の曇りを検出することができる。また、散乱光検出方式の場合、楕円球面反射鏡１２，４１が曇ると、フォトダイオード２ａに入射する反射光の強度が増大し、閾値以上となるので、反射光強度検出部２２は、楕円球面反射鏡１２，４１の曇りを検出することができる。
【００４０】
また、第１〜第４の実施の形態では、光源としてレーザダイオードを使用しているが、通常のＬＥＤを使用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、曇り検出装置や鏡面冷却式露点計に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る鏡面冷却式露点計の光学部の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る鏡面冷却式露点計の検知部の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る鏡面冷却式露点計の光学部の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る鏡面冷却式露点計の光学部の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る鏡面冷却式露点計の光学部の断面図である。
【図６】正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す断面図である。
【図７】散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…レーザダイオード、２，２ａ…フォトダイオード、３…底面部材、４…上面部材、５…側面部材、６，７，３２，３３…ホルダ、８…銅製ブロック、９…温度センサ、１０…ペルチェ素子、１１…放熱用ヒートシンク、１２，４１…楕円球面反射鏡、１３，１４…通気孔、２０…検知部、２１…レーザドライバ、２２…反射光強度検出部、２３…冷却制御部、２４…露点検出部、２５…表示部、３０，３１，４２，４３…光ファイバ、４０…楕円プリズム。
【図１】
0005198844.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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