JP2010014471A - 紫外線測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体に対する紫外線測定素子の設置位置や入射角に影響されることなく、確実に紫外線測定素子の受波面全体で受波することができる簡素な構造の紫外線測定装置を実現する。
【解決手段】受波面１１を有する平板状の紫外線測定素子１は筐体１００内に設置されている。筐体１００の受波側壁面１１０には開口部１０１が形成されており、当該開口部１０１の開口領域に対応する位置に受波面１１が配置される。開口部１０１の開口面と受波面１１との間には、屈折部材３が挿入されている。屈折部材３は、外部の空気よりも高い屈折率からなる透光性セラミクスで構成されている。屈折部材３は、開口面側の端面が受波側壁面１１０と一致し、受波面側端面は受波面１１に当接する形状からなる。また、屈折部材３は、開口面側で当該開口面全体を覆い、受波面側で当該受波面１１全体を覆う形状からなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、紫外線照射量を測定する紫外線測定装置に関するものである。

従来、ＵＶセンサ（紫外線測定素子）を用いた各種モジュールが各種開示されており、例えば、特許文献１には、紫外線測定素子を携帯電話機に装着したものが開示されている。

図６は、紫外線測定素子１を携帯電話機等の被装着電子機器に設置した一態様を示す図である。同図において、（Ａ）は筐体１００の受波側壁面１１０の表面および紫外線測定素子１の受波面１１に垂直な方向（法線方向）、すなわち入射角０°の場合の有効受波面積Ｓ０ｄを表す。（Ｂ）は入射角３０°の場合の有効受波面積Ｓ３０ｄを表し、（Ｃ）は入射角６０°の場合の有効受波面積Ｓ６０ｄを表す。

ここで、簡単に構造を説明すると、紫外線測定素子１は、紫外線を受波する受波面１１と、該受波面１１の受波により発生した光電流を増幅したり電圧変換して、所定形式の検出信号を発生する周辺回路部１２とからなる。この紫外線測定素子１は、受波面１１が直接外部に露出しないように筐体１００内に配置され、携帯電話等の実装回路基板９００に実装される。この際、紫外線測定素子１は、受波面１１が受波側壁面１１０の開口部１０１に対応する領域内に配置され、且つ受波側壁面１１０の外壁面と受波面１１とが略平行になるように設置される。

また、特許文献１に示されているように、従来では、図７に示すような前記開口部１０１に凸レンズ２００を配置する構造のものもある。図７は、従来の紫外線測定素子１を携帯電話機等の被装着電子機器に設置した別の一態様を示す図である。この構造では、凸レンズ２００により、受波面１１に外部からの紫外線が集波される。
特開２００６−３４９６２５号公報

ところで、紫外線測定素子１は、通常、受波面全体に直接紫外線が照射した状態を想定して、検出信号と照射紫外線量との換算データが設定されている。

しかしながら、図６に示すように、受波面１１は、筐体１００の内部であって受波側壁面１１０に対して受波面１１の法線方向に沿って離れた位置に設置されているので、入射角によって、紫外線が直接照射・受波される面積である有効受波面積が変化する。例えば、図６（Ａ）に示すように、入射角が０°すなわち受波面１１の法線方向が紫外線入射方向である場合には、有効受波面積Ｓ０ｄは、受波面１１全体の面積となる。一方、図６（Ｂ）に示すように、入射角が３０°になると、受波面１１の一部が筐体１００の受波側壁面１１０の陰になり、受波面１１の一部に紫外線が照射されなくなる。このため、有効受波面積Ｓ３０ｄは、受波面１１全体に対して一部欠ける面積となる。さらに、図６（Ｃ）に示すように、入射角が６０°になると、受波面１１に対して、より受波側壁面１１０の陰となる部分が増加し、受波面１１における紫外線が照射されない面積が増える。これにより、有効受波面積Ｓ６０ｄは、有効受波面積Ｓ３０ｄよりもさらに狭くなる。

図８は、開口面での入射角と紫外線測定素子１で受波して測定される紫外線のエネルギーとの関係を示すグラフである。図８において、縦軸の相対エネルギーレベルとは、入射角が０°の場合のエネルギーを基準として規格化したエネルギーレベルを示す。また、図８において、破線は筐体がない場合、すなわち、紫外線を遮る物の無い状態での特性を示し、実線は筐体がある場合、すなわち、図６に示す状態での特性を示す。

図８に示すように、筐体が存在することで、入射角が大きくなるほど筐体の壁面の影響を受けるので、遮る物の無い理想的な受波状況よりも、受波した紫外線のエネルギーがより一層低下していく。このため、入射角が大きくなると、紫外線照射量を正確に測定することができなくなる。また、紫外線の測定を行う際には、ユーザが手で保持しながら測定を行うので、手ぶれの影響を大きく受ける。すなわち、手ぶれにより入射角が安定せず、紫外線照射量を正確に測定することができない。

一方で、図７に示すような凸レンズ２００を用いる方法では、凸レンズ２００により受波面１１へ紫外線が集波されるので、入射角が或程度大きくても、壁面の影響を受けることなく受波面１１全体での集波が可能である。しかしながら、凸レンズ２００を用いて受波面１１へ集波するためには、凸レンズの曲面形状部分を受波側壁面１１０よりも外方へ突出させなければならない。このような構造とすると、凸レンズ２０が受波側壁面１１０に対して局所的に突出する形状となるので、形状的にスマートでは無くなるとともに、凸レンズ２００の曲面形状部分が傷つき易い。そして、凸レンズ２００が傷つくことにより、集波性能が低下して正確な検出信号が得られなくなってしまう。

また、凸レンズ２００を用いた場合、集波に対する焦点ができてしまい、入射角に応じて焦点位置が変化する。このため、所望とする入射角の全てに対して受波面１１全体での受波を可能とするには、焦点位置の変化を加味して受波面１１の設置位置を決定しなければならず、紫外線測定素子１の設置位置の設定が難しくなるとともに、設置位置の自由度が極めて低くなる。さらに、焦点位置の関係により、受波面１１を受波側壁面１１０の開口部から或程度離間させる必要があり、この離間距離に応じた厚みを筐体１００内に確保しなければならない。このため、筐体１００が厚くなってしまう。

本発明の目的は、筐体に対する紫外線測定素子の設置位置や入射角に影響されることなく、確実に紫外線測定素子の受波面全体で受波できる簡素な構造の紫外線測定装置を実現することにある。

この発明は、開口部を有する筐体と、該筐体の内部に配置され、開口部に平行な受波面を有し、筐体外部からの紫外線の受波量に応じた検出信号を出力する紫外線測定素子と、を備えた紫外線測定装置に関するものである。この紫外線測定装置は、受波面が開口部から離間されており、紫外線測定素子の受波面と筐体の前記開口部との間に、該開口部における筐体の外側の開口面から外部に突出しない受波面に平行な面を有する形状で、且つ、外部の気体よりも屈折率の高い材質からなる紫外線屈折部材が備えられている。

この構成では、紫外線屈折部材の屈折率が外気よりも高いので、筐体外部からの紫外線が紫外線屈折部材に入射されると、入射角よりも狭い屈折角で紫外線が屈折して進行する。すなわち、紫外線屈折部材を介することで、より受波面に対する法線方向に近い角度で、紫外線は紫外線測定素子に達する。これにより、従来よりも大きい入射角（より筐体に近い角度）からの紫外線であっても、より広い受波面で受波することができる。この際、紫外線屈折部材における筐体の外壁面側が筐体から突出していないので、紫外線屈折部材が傷つき難くなるとともに、形状が簡素化される。

また、この発明の紫外線測定装置は、開口面の面積および紫外線屈折部材の屈折率が、受波面の面積に基づいて、受波面の全体で開口面より外部からの紫外線を受波するように設定されている。

この構成では、受波面の全体に紫外線が照射され、受波されるので、高精度な紫外線照射量の検出が可能になる。

また、この発明の紫外線測定装置は、開口面の面積が受波面の面積よりも広い。

この構成では、より確実に、受波面の全体に紫外線が照射される。

また、この発明の紫外線測定装置は、紫外線屈折部材が透光性セラミクスにより形成されている。

この構成では、透光性セラミクスを用いることで、一般的なレンズに利用されるガラスと比較して屈折率が高く、より大きな入射角からの紫外線も受波面に照射される。さらに、複屈折もしないので、より高精度な測定が可能である。また、小型化が容易となる。

また、この発明の紫外線測定装置は、開口面の中心と受光面の中心とが当該二面の法線方向に沿って一直線上に並ぶ位置に配置され、紫外線屈折部材の受波面側端面と当該受波面とは離間されている。そして、受波面側端面は、中心に対応する位置での受波面側端面と受波面との距離が最も長くなり、中心から離れるに連れて徐々に受波面側端面と受波面との距離が短くなる、受波面側が凹形状に形成されている。

この構成では、紫外線屈折部材と受波面との間に気体層が介在する場合であっても、紫外線屈折部材の受波面側端面が凹形状であるので、紫外線屈折部材から気体側へ進行する紫外線が拡散せず、受波面へ照射される。

また、この発明の紫外線測定装置は、紫外線屈折部材の受波面側端面と受波面との間に、受波面側端面と受波面とを接着する充填剤が設置されている。

この構成では、充填剤により紫外線屈折部材と紫外線測定素子とが強固に接合される。

この発明によれば、紫外線の入射角が大きくなっても筐体の壁面の影響を受けにくくなる。これにより、確実に紫外線測定素子の受波面全体で紫外線を受波することができ、高精度な紫外線照射量の測定を行うことができる。この際、紫外線測定装置を簡素な構造で且つ小型に実現することができる。

本発明の第１の実施形態の係る紫外線測定装置について、図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の紫外線測定装置の構成を示す図であり、（Ａ）が外観透視斜視図であり、（Ｂ）が（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。

紫外線測定装置は、紫外線測定素子１と紫外線測定素子１の受波面１１側に設置された屈折部材３とを備える。

紫外線測定素子１は、周辺回路１２を備え、紫外線測定素子１の一主面上に受波面１１が形成されている。周辺回路１２は、受波面１１で紫外線を受波したことにより発生する光電流を、増幅、電流電圧変換等することで、検出信号を生成する。紫外線測定素子１はモジュール基板２に搭載され、モジュール基板２は実装回路基板９００へ電気的且つ機械的に接続される。モジュール基板２には、マイコン等からなる回路が形成されており、紫外線測定素子１で生成された検出信号のデジタル変換や実装回路基板９００上に搭載されたメインプロセッサとの通信等の処理を行う。なお、上述の周辺回路１２に形成された所定の回路パターンは、モジュール基板２に形成してもよい。

このような紫外線測定素子１は、受波面１１が被装着電子機器の筐体１００における受波側壁面１１０に対して平行になるように設置されている。また、受波面１１の法線方向から見て、紫外線測定素子１は、受波側壁面１１０に形成された開口部１０１内に、受波面１１が収まるように設置されている。より具体的には、受波面１１の法線方向から見た中心と、開口部１０１の前記法線方向から見た中心とが略一致するように設置されている。この開口部１０１の面積は、受波面１１の面積よりも若干広く形成されている。この際、開口部１０１の長方形の各辺Ｗｏ１，Ｗｏ２が、これに対応する受波面１１の長方形の各辺Ｗｒ１，Ｗｒ２よりも大きくなるように形成されている。この長さの差は、開口面での最大入射角と屈折部材３の屈折率とにより決定される。すなわち、この長さの差を適宜調整することで、所望とする最大の入射角の紫外線を、受波面１１へ照射させることができる。

紫外線測定素子１は、受波側壁面１１０から所定距離離間された位置に設置されており、当該離間されたことにより開口部１０１から筐体１００内部側にできた空間には、屈折部材３が設置されている。

屈折部材３は、略直方体形状で屈折率が外気よりも高い、例えば透光性セラミクスからなる。この透光性セラミクスは、例えば、Ba(Mg,Ta)O₃系の複合ペロブスカイト材料からなり、屈折率は２．０程度のものである。屈折部材３の受波側壁面１１０の開口面側端面の形状は、当該開口面に一致する平板面であり、屈折部材３の紫外線測定素子１側の端面が受波面１１に当接する。また、屈折部材３は、これら受波面１１の法線方向に対して垂直な四方向に対しては、開口面側で開口面全面に広がる形状からなり、紫外線測定素子１側では少なくとも紫外線測定素子１の側面と一致する位置まで形成される形状である。

このような本実施形態の構成では、外部からの紫外線は、以下のように受波面１１へ照射される。

筐体１００の外部から開口部１０１の開口面に照射した紫外線は、屈折部材３に入射する。図２（Ａ）は、本実施形態の構成における紫外線の屈折の様子を示す図である。図２（Ａ）に示すように、屈折部材３が上述のように筐体１００外部の気体（空気）よりも屈折率が高いものであるので、空気と屈折部材３との境界面において、空気側から入射した紫外線は屈折し、入射角θｉよりも小さい屈折角θｎで屈折部材３内を進行する。そして、屈折部材３を進行した紫外線は、屈折角θｎと同じ角度の照射角θｅで受波面１１に照射して受波される。

したがって、空気中での紫外線の進行方向よりも屈折部材３内での紫外線の進行方向の方が、より受波面１１の法線方向に近づく。例えば、図２（Ｂ）は屈折部材３の屈折率ｎによる入射角と屈折角との関係を示す図であり、屈折率が２．０の場合、入射角が６０°であっても、屈折角は２５°となり、法線方向に対して２５°の角度で紫外線が受波面１１へ照射される。

このように、外部から屈折部材３への入射角θｉよりも照射角θｅが小さくなることで、筐体１００の受波側壁面１１０が存在しても、受波面１１全体に紫外線を照射させ易くすることができる。

図２（Ｃ）は、開口面での入射角と、紫外線測定素子１で受波して測定される紫外線のエネルギーとの関係を示すグラフである。図２（Ｃ）において、縦軸の相対エネルギーレベルとは、入射角が０°の場合のエネルギーを基準として規格化したエネルギーレベルを示す。また、図２（Ｃ）において、破線は筐体がない場合、すなわち、紫外線を遮る物の無い状態での特性を示し、細実線は筐体があり、屈折部材３がない場合すなわち図６に示す従来の構成の状態での特性を示し、太実線は本実施形態の構成すなわち図１に示す構成の状態での特性を示す。この図２（Ｃ）からも分かる通り、本実施形態の構成を用いることで、筐体が無い場合と略同等のエネルギー特性が得られ、開口面での入射角が大きくなっても、相対エネルギーレベルの低下を抑制することができる。これは、開口面での入射角が大きくても実際に受波面１１での照射角θｅは法線方向に近づくことと、受波側壁面１１０が存在しても紫外線が屈折部材３により屈折して照射されることで受波側壁面１１０によって陰ができる入射角θｉの最大角が大きくなったことと、に起因する。

以上のように、本実施形態の構成を用いることで、筐体１００内に紫外線測定素子１が設置されるような構造であっても、筐体１００の受波側壁面１１０の陰になることで受波面１１へ紫外線が照射される量が低下することを抑制でき、従来よりも確実に受波面１１全体に紫外線を照射させることができる。また、このように受波面１１全体に紫外線を照射させることができる入射角の範囲が広がったことで、紫外線を測定する際に、当該紫外線測定装置が実装された電子機器を操作する際の手ぶれの影響を抑制することができる。この結果、高精度に紫外線照射量を測定することができる。

また、レンズによる集波を行わず屈折を利用しているので、開口面から受波面までの距離の設定が、レンズを用いる場合のように厳密にする必要がない。このため、紫外線測定装置およびこれが実装される電子機器の設計自由度が高くなる。

さらに、本実施形態の構成では、屈折部材３の外部側端面が筐体１００の受波側壁面１１０の外面と一致するので、屈折部材３が筐体１００から突出せず、外部の物体等と接触して傷つけられ易くなることを防止できる。また、筐体１００の外形形状も簡素でスマートなものとなる。さらに、屈折部材３を凸形状やレンズ形状にする必要が無く、略立方体形状にすればよいので、加工コストを低減することができる。

また、上述のように透光性セラミクスを用いることで、一般的にレンズとして用いられているガラスよりも屈折率が高くなる。これにより、受波面１１での受波性能を向上させるとともに小型化が容易であるので、本願の作用効果をより効果的に得られるとともに、容易に形成することができる。さらに、携帯電話機のような小型化、薄型化が要求される電子機器に対して、より搭載しやすい紫外線測定装置を形成することができる。

なお、上述の実施形態では、屈折部材３の開口面側の端面と紫外線測定素子１側の端面とが略同面積の例を示したが、図３に示すように、開口面側の端面は開口面全面を覆う形状であり、紫外線測定素子１側の端面は、少なくとも受波面１１全面を覆う形状であればよい。図３は本実施形態の紫外線測定装置の別の態様を示す図である。このような構成であっても、外部からの紫外線を屈折部材３’で屈折させて受波面１１へ効果的に照射させることができる。

次に、第２の実施形態の係る紫外線測定装置について図を参照して説明する。

図４は、本実施形態の紫外線測定装置の態様を示す側面断面図である。

本実施形態の紫外線測定装置は、第１の実施形態の紫外線測定装置に対して、屈折部材の形状が異なり、屈折部材４と紫外線測定素子１とが離間されているのみで、他の構成は同じである。

本実施形態の屈折部材４は、開口部１０１に設置されており、開口面側の端面は、第１の実施形態と同様に平坦である。一方、屈折部材４の受波面側端面は、受波面１１側から見て凹形状に形成されている。この際、凹面４１の最低部すなわち、屈折部材４における法線方向の長さ（厚み）が最も短くなるのは、受波面１１および開口面を法線方向からみた中心Ｏの位置となる。さらに、屈折部材４では、この法線方向の長さが、中心Ｏから受波面１１および開口面の端に対応する位置へ近づくにつれて徐々に連続的に長くなるように凹面４１が形成されている。このように屈折部材４の受波面１１側を凹面４１とすることで、屈折部材４と受波面１１とが離間されて、空気が介在していても、凹面４１が凹レンズの機能を果たす。この結果、屈折部材４の凹面４１側の境界面から空気中へ紫外線が出射されても、凹形状により紫外線が分散せず、受波面１１へ照射される。これにより、上述の第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

さらに本実施形態では、紫外線測定素子１、モジュール基板２および実装回路基板９００と別に屈折部材４を筐体１００へ取り付けることができるので、簡単に紫外線測定装置を組み立てることができる。

なお、本実施形態では、屈折部材４と紫外線測定素子１とを離間した例を示したが、図５に示すように、屈折部材４’と紫外線測定素子１との間に充填剤５を設置してもよい。図５は、本実施形態の紫外線測定装置のまた別の態様を示す側面断面図である。

充填剤５は、例えば透光性を有するポッティング樹脂等で構成されており、屈折部材４’の凹面４１’と紫外線測定素子１の受波面１１とに密着する。

この状態で、ポッティング樹脂を硬化させることで、屈折部材４’と紫外線測定素子１とは接合されて固定される。このような構成とすることで、紫外線測定素子１、屈折部材４’およびモジュール基板２を、筐体１００や実装回路基板９００との組み立てに先立って、別に作製できる。紫外線測定素子１、屈折部材４’およびモジュール基板２は、屈折部材４’の一部を筐体１００にはめ込むなどして組み立てられる。紫外線測定素子１、屈折部材４’およびモジュール基板２は、モジュール基板２の端子２０を実装回路基板９００に半田付けした後に筐体１００にはめ込んで組み立てても良いし、筐体１００にはめ込んだ後にモジュール基板２の端子２０を実装回路基板９００にバネ等で押しながら当接させることで機械的に接触させても良い。

なお、この構成では、屈折部材４’が凹面４１’を有するので、充填剤５は、屈折部材４’よりも屈折率が小さく、好ましくは空気程度であるとよい。また、一方で、屈折部材４’の受波面１１側の端面を平坦面とした場合には、充填剤５は、屈折率が屈折部材４’と同じ程度のものをもちいればよい。さらには、充填剤５の屈折率に応じて屈折部材４’の充填剤５側の端面形状を変えることで、拡散を抑制させてもよい。

なお、上述の説明では、透光性セラミクスを利用した例を示したが、屈折率が空気よりも高い材質で、且つ透光性を有するものであれば、他の材質を用いても良い。

また、上述の説明では、紫外線を例に説明したが、他の周波数の波に上述の構成を適用することもできる。

また、上述の説明では、受光面が対称図形となる形状である場合について示したが、受光面は対称図形となる形状でなくてもよい。受光面が対称図形でない形状である場合、受光面の中心は、受光面形状を包含する対称図形の中心とする。なお、この場合の開口面は、対称図形と相似な図形を包含する形状とし、相似な図形の中心を開口面の中心とすればよい。

第１の実施形態の紫外線測定装置の構成を示す図である。 第１の実施形態の構成による作用の説明図である。 第１の実施形態の紫外線測定装置の別の構成を示す図である。 第２の実施形態の紫外線測定装置の構成を示す側面断面図である。 第２の実施形態の紫外線測定装置の別の構成を示す側面断面図である。 従来の紫外線測定素子１を携帯電話機等の被装着電子機器に設置した一態様を示す図である。 従来の紫外線測定素子１を携帯電話機等の被装着電子機器に設置した別の一態様を示す図である。 開口面での入射角と紫外線測定素子１で受波して測定される紫外線のエネルギーとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１−紫外線測定素子、１１−受波面、１２−周辺回路、２−モジュール基板、９００−実装回路基板、３，３’，４，４’−屈折部材、１００−筐体、１０１−開口部、１１０−受波側壁面、２００−凸レンズ

Claims (6)

1. 開口部を有する筐体と、
   該筐体の内部に配置され、前記開口部に平行な受波面を有し、前記筐体外部からの紫外線の受波量に応じた検出信号を出力する紫外線測定素子と、を備えた紫外線測定装置において、
   前記受波面は、前記開口部から離間されており、
   前記紫外線測定素子の前記受波面と前記筐体の前記開口部との間に、該開口部における前記筐体の外側の開口面から外部に突出しない前記受波面に平行な面を有する形状で、且つ、外部の気体よりも屈折率の高い材質からなる紫外線屈折部材が備えられている、紫外線測定装置。
2. 前記開口面の面積および前記紫外線屈折部材の屈折率は、前記受波面の面積に基づいて、前記受波面の全体で前記開口面より外部からの紫外線を受波するように設定されている、請求項１に記載の紫外線測定装置。
3. 前記開口面の面積が前記受波面の面積よりも広い請求項１または請求項２に記載の紫外線測定装置。
4. 前記紫外線屈折部材は透光性セラミクスにより形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の紫外線測定装置。
5. 前記開口面の中心と前記受光面の中心とは、当該二面の法線方向に沿って一直線上に並ぶ位置に配置され、
   前記紫外線屈折部材の前記受波面側端面と、該受波面とは離間されており、
   前記受波面側端面は、前記中心に対応する位置での前記受波面側端面と前記受波面との距離が最も長くなり、前記中心から離れるに連れて徐々に前記受波面端面と前記受波面との距離が短くなる、前記受波面側が凹形状に形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の紫外線測定装置。
6. 前記受波面側端面と前記受波面との間には、前記受波面側端面と前記受波面とを接着する充填剤が設置されている請求項５に記載の紫外線測定装置。

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