JP2014235061A - Turbidity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、濁度センサに関するものである。 The present invention relates to a turbidity sensor.
従来、発光ダイオードとフォトダイオードとの間に、周期的に感度の試験を行うための内部光学較正器を設けて発光ダイオードの温度影響や劣化による光量変化を補償する濁度センサが知られている(例えば、特許文献1参照。)。この濁度センサは、発光ダイオードとフォトダイオードとの間に設けたチャネルを介して発光ダイオードからその照射角度範囲内に射出された光の一部をフォトダイオードに導き、フォトダイオードにより検出された光量によって発光ダイオードの光量変動による濁度の検出値を補正している。このチャネルには開閉を切り替える切替機構が設けられ、濁度の検出時にはこのチャネルを閉じておき、必要に応じてチャネルを開いて補正用の光を検出することとしている。 Conventionally, a turbidity sensor has been known in which an internal optical calibrator for periodically performing a sensitivity test is provided between a light emitting diode and a photodiode to compensate for a change in light amount due to temperature influence or deterioration of the light emitting diode. (For example, refer to Patent Document 1). This turbidity sensor guides a part of the light emitted from the light emitting diode within the irradiation angle range to the photodiode through a channel provided between the light emitting diode and the photodiode, and detects the amount of light detected by the photodiode. Thus, the detected value of turbidity due to light quantity fluctuation of the light emitting diode is corrected. This channel is provided with a switching mechanism for switching between opening and closing. When turbidity is detected, this channel is closed, and if necessary, the channel is opened to detect correction light.
しかしながら、特許文献1の濁度センサは、発光ダイオードとフォトダイオードとの間にチャネルや切替機構を設けるためのスペースが必要であることから、十分に小型化ができないという不都合がある。また、切替機構を設けることにより、構造や動作(シーケンス)が複雑化するという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、小型で簡易な構成であって、小型化により発光素子と検出用受光素子との配置間隔が狭くなったとしても、周囲温度の変化(温度影響)や発光素子の劣化による発光素子の光量の変化を補償できる濁度センサを提供することを目的としている。
However, the turbidity sensor disclosed in Patent Document 1 requires a space for providing a channel and a switching mechanism between the light emitting diode and the photodiode, and thus has a disadvantage that it cannot be sufficiently reduced in size. Moreover, there is a problem that the structure and operation (sequence) are complicated by providing the switching mechanism.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has a small and simple configuration. Even if the arrangement interval between the light emitting element and the light receiving element for detection is reduced due to the downsizing, the ambient temperature is reduced. It is an object of the present invention to provide a turbidity sensor that can compensate for a change (temperature effect) and a change in the light amount of a light emitting element due to deterioration of the light emitting element.
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、間隔を空けて隣接配置された開口を備える2つの空洞部を備え、遮光性を有するセンサ本体と、一方の前記空洞部内に配置され、その開口方向に向かって所定の照射角度範囲に光を射出する半導体素子を備える発光素子と、他方の前記空洞部内に配置され、その開口から入射してきた光を受光する検出用受光素子と、少なくともその一部が、一方の前記空洞部内に配置され、前記発光素子の前記照射角度範囲外に漏出した光を受光する補償用受光手段とを備える濁度センサを提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
One aspect of the present invention includes two hollow portions having openings arranged adjacent to each other with a space therebetween, and has a light-shielding sensor body, and is disposed in one of the hollow portions and has a predetermined direction in the opening direction. A light emitting element including a semiconductor element that emits light within an irradiation angle range, a detection light receiving element that is disposed in the other cavity and receives light incident from the opening, and at least a part of the light receiving element is one of the ones There is provided a turbidity sensor including a compensation light receiving means that is disposed in a cavity and receives light leaked out of the irradiation angle range of the light emitting element.
本態様によれば、発光素子からその照射角度範囲内に発せられ、検出対象において散乱した光が検出用受光素子により受光されるとともに、発光素子からその照射角度範囲外に発せられた光が、検出用受光素子とは別個に設けられた補償用受光素子によって検出される。これにより、従来の濁度センサのような、補償用の光を検出するために空洞部や切替機構を配置するスペースを発光素子と検出用受光素子との間に設けずに済む。その結果、濁度センサを小型化しつつ、発光素子の温度影響や劣化による光量変化を補償して濁度を精度よく検出することができる。 According to this aspect, the light emitted from the light emitting element within the irradiation angle range, the light scattered in the detection target is received by the light receiving element for detection, and the light emitted from the light emitting element outside the irradiation angle range is It is detected by a compensation light receiving element provided separately from the detection light receiving element. Thus, unlike the conventional turbidity sensor, there is no need to provide a space for arranging the cavity and the switching mechanism between the light emitting element and the detection light receiving element in order to detect compensation light. As a result, it is possible to detect turbidity with high accuracy by compensating for the change in the amount of light due to the temperature effect and deterioration of the light emitting element while reducing the size of the turbidity sensor.
上記態様においては、前記発光素子が、光を射出する半導体素子を透明樹脂によりモールドしてなる砲弾型LEDであっていてもよい。
半導体素子を透明樹脂によりモールドしてなる砲弾型LEDである発光素子は、その照射角度範囲内には透明樹脂により集光された比較的強度の高い光を射出するが、照射角度範囲外には照射角度範囲内よりも低い強度の光を輝点から漏出する。この照射角度範囲外に漏出される光も発光素子の温度影響や劣化の程度に比例してその光量が変動する。この特性を利用し、補償用受光素子によって検出された光量が所定の閾値を下回った場合は、発光素子への電圧を上げるなどして、散乱光の検出に利用される光量を一定範囲に保つようにすることで、発光素子の温度影響や劣化による光量の変動を補償することができる。
In the above aspect, the light-emitting element may be a bullet-type LED formed by molding a semiconductor element that emits light with a transparent resin.
A light emitting element which is a bullet-type LED formed by molding a semiconductor element with a transparent resin emits a relatively high intensity light collected by the transparent resin within the irradiation angle range, but outside the irradiation angle range. Light having a lower intensity than within the irradiation angle range is leaked from the bright spot. The amount of light that leaks out of this irradiation angle range also varies in proportion to the temperature effect and the degree of deterioration of the light emitting element. Utilizing this characteristic, when the amount of light detected by the compensation light receiving element falls below a predetermined threshold, the amount of light used for detecting scattered light is kept within a certain range by increasing the voltage to the light emitting element. By doing so, it is possible to compensate for fluctuations in the amount of light due to temperature effects and deterioration of the light emitting element.
上記態様においては、前記補償用受光手段が、前記発光素子の光の射出方向の後方に、その射出軸に直交する平面に対して受光面を傾斜させて配置される受光素子であっていてもよい。
この場合において、射出軸に直交する平面に対して受光面を傾斜させることにより、受光面で検出する光量を配置される傾斜角度によって調節することができる。これにより、補償用受光素子を最適な角度に調節して、検出される光量を調節することにより、従来のような絞りやシャッタが不必要となり、構造を簡易にすることができるとともに、省スペースを図って濁度センサを小型化することができる。
In the above aspect, the compensation light-receiving means may be a light-receiving element that is disposed behind the light-emitting direction of the light-emitting element with a light-receiving surface inclined with respect to a plane orthogonal to the emission axis. Good.
In this case, by inclining the light receiving surface with respect to a plane orthogonal to the emission axis, the amount of light detected on the light receiving surface can be adjusted by the arranged inclination angle. As a result, the light receiving element for compensation is adjusted to the optimum angle, and the amount of light detected is adjusted, so that the conventional diaphragm and shutter are not required, the structure can be simplified, and space is saved. The turbidity sensor can be reduced in size.
上記態様においては、前記補償用受光手段が、前記発光素子の射出軸に交差する方向に配置される受光素子であってもよい。 In the above aspect, the light-receiving element for compensation may be a light-receiving element arranged in a direction intersecting with an emission axis of the light-emitting element.
上記態様においては、前記補償用受光手段が、前記発光素子が配置される空洞部内の前記発光素子の側方に一端を配置した光ファイバと、前記光ファイバにより伝播されその他端から射出される光を検出する受光素子からなってもよい。
この場合において、空洞部内に補償用受光素子を配置するスペースを確保せずに済むとともに、発光素子の側方にスペースをとらない細径の光ファイバを配置し、かつ、絞りおよび補償用受光素子を外部に配置しているので、濁度センサのさらなる小型化を図ることができる。
In the above aspect, the light receiving means for compensation includes an optical fiber having one end disposed on the side of the light emitting element in the cavity where the light emitting element is disposed, and light propagated by the optical fiber and emitted from the other end. It may consist of a light receiving element that detects.
In this case, it is not necessary to secure a space for disposing the compensating light receiving element in the cavity, and a small-diameter optical fiber that does not occupy a space is disposed on the side of the light emitting element. Is disposed outside, the turbidity sensor can be further downsized.
上記態様においては、前記光ファイバの一端が、光ファイバの光軸上に発光素子の輝点が配置されないように傾斜して配置されてもよい。
この場合において、光ファイバの一端を配置する傾斜角度によって光ファイバ内に入射する光量が異なるため、光ファイバ内に入射する光量を低下させることができ、絞りのような調光手段をなくしても、補償用受光手段を検出用受光素子と同一の受光特性を有するものとすることができる。
In the above aspect, the one end of the optical fiber may be disposed so as to be inclined so that the bright spot of the light emitting element is not disposed on the optical axis of the optical fiber.
In this case, the amount of light incident on the optical fiber differs depending on the inclination angle at which one end of the optical fiber is arranged. Therefore, the amount of light incident on the optical fiber can be reduced, and the light control means such as a diaphragm can be eliminated. The compensation light-receiving means can have the same light-receiving characteristics as the detection light-receiving element.
本発明によれば、小型で簡易な構成であって、小型化により発光素子と検出用受光素子との配置間隔が狭くなったとしても、周囲温度の変化や発光素子の劣化による発光素子の光量の変化を補償できる濁度センサを提供できる。 According to the present invention, even if the arrangement distance between the light emitting element and the light receiving element for detection is reduced due to the downsizing, the light amount of the light emitting element due to a change in ambient temperature or deterioration of the light emitting element is achieved. It is possible to provide a turbidity sensor that can compensate for changes in the turbidity.
本発明の第1の実施形態に係る濁度センサ1について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る濁度センサ1は、図1に示されるように、2つの空洞部2,3を有するセンサ本体4と、該センサ本体4の一方の空洞部2内に配置された発光素子5と、他方の空洞部3内に配置された検出用受光素子6と、少なくともその一部が、一方の空洞部2内に配置された補償用受光手段の一例である補償用受光素子7とを備えている。
A turbidity sensor 1 according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the turbidity sensor 1 according to the present embodiment includes a
センサ本体4は、遮光性を有する材質からなっている。センサ本体4に設けられた2つの空洞部2,3は、センサ本体4の一端面4aに間隔を空けて隣接配置された開口8,9を備えている。
各空洞部2,3は、図1に示されるように、上述した一端面4aに対して傾いており、一方の空洞部2の長手軸と他方の空洞部3の長手軸とが略直角をなして交差している。
The
As shown in FIG. 1, each of the
発光素子5は、例えば発光ダイオード(LED)であり、一方の空洞部2内にその開口8方向に向かって光を射出するよう配置されている。発光素子5は、図2に示されるように、光を発生する半導体素子10をエポキシ樹脂12でモールドし砲弾型に形成された砲弾型LEDである。砲弾型の頭部5aが球面状に構成されることにより、半導体素子10から頭部5aの方向(以下、前方という。)に所定の照射角度範囲θに発せられた光が頭部5aで集光されて高強度の光が試料液に向けて射出されるようになっている。
半導体素子10は、照射角度範囲θ外にも光を漏出している。
The
The
検出用受光素子6は、例えばフォトダイオードであり、他方の空洞部3内にその開口9から入射してきた光を検出するよう配置されている。検出用受光素子6が検出する光は、発光素子5から試料液に向けて射出された光が試料液中の濁質成分により散乱した散乱光の一部である。散乱光の光量は比較的少ないため、検出用受光素子6は、少ない光量であっても感度よく検出できるような受光特性を有するものであることが好ましい。
The detection light-receiving
補償用受光素子7も、例えばフォトダイオードであり、図3に示されるように、発光素子5が、頭部5aの方向とは逆の方向(以下、後方という。)に漏出した光の光量を検出する平板状の受光面11を備えている。補償用受光素子7は、部品調達や組み立て時の取り違えミスなどの観点から、検出用受光素子6と同一の受光特性を有するものを使用することが好ましい。
The compensation
この補償用受光素子7は、図3に示されるように、一方の空洞部2内において、発光素子5が照射する光の射出方向の後方にその射出軸Lに直交する発光素子5の平面5bに対して受光面11を傾斜させて配置されている。これにより、発光素子5から試料液に向けて射出される光をさえぎることなく、補償用の光を検出することができる。
As shown in FIG. 3, the compensation light-receiving
補償用受光素子7は、光の入射角度の受光面11の垂線に対する傾斜角度が大きくなるほど、検出される光量が少なくなる特性を有するので、射出軸Lに対して発光素子5を傾斜させることにより、検出される光量を低下させることができる。
The compensation light-receiving
これにより、補償用受光素子7の受光面11で検出する光量が、発光素子5の平面5bに対して受光面11を平行に配置した場合と比較して少なくなる。その結果、補償用受光素子7は、絞りのような調光手段を用いることなく、発光素子5の照射角度範囲θ外に漏出した光を直接検出しても検出光量を抑えることができ、発光素子5から漏出した光よりも極めて光量の少ない散乱光を感度よく検出する検出用受光素子6と同一の受光特性を有するものとすることができる。
また、各素子5,6,7は、図示しない配線により、受光した光量に基づき濁度を演算したり、測定値を表示あるいは出力したりする測定部(図示省略)や電源(図示省略)等に接続されている。
As a result, the amount of light detected by the
In addition, each
各開口8,9は、発光素子5から照射角度範囲θで射出させる光が、開口9に入射して検出用受光素子6により直接光として検出されないように、一定間隔(例えば、1.0mm以上。)を空けて隣接配置されている。好ましくは、小型化するためには、間隔は狭い方が良い。
各素子5,6と各開口8,9との間の空洞部2,3内には、エポキシ樹脂12が充填されている。
Each of the
The
エポキシ樹脂12は、660〜960nmの波長範囲の光を透過する光学的に透明な樹脂である。エポキシ樹脂12は発光素子5の頭部5aの表面に密着するように充填されることにより、発光素子5の指向性を損なうことなく光を開口8から射出させることができる。
The
空洞部2,3の内周壁2a,3aは、少なくともエポキシ樹脂12が充填されている部分において吸光色である黒色に着色されている。これにより、発光素子5から射出された光および試料液中から入射した散乱光が、空洞部2,3の内周壁2a,3aに入射すると、反射されることなく吸収されるようになっている。
The inner
このように構成された第1の実施形態に係る濁度センサ1の作用について説明する。
第1の実施形態に係る濁度センサ1を用いて、検出対象である試料液の濁度を測定するには、試料液中にセンサ本体4の一端面4aを浸漬させた状態で、発光素子5から光を射出させる。
The operation of the turbidity sensor 1 according to the first embodiment configured as described above will be described.
In order to measure the turbidity of the sample liquid that is the detection target using the turbidity sensor 1 according to the first embodiment, the light emitting element is obtained by immersing the one
発光素子5から前方に発せられた光は、発光素子5の頭部5aのさらに前方の空間を埋めるように充填されているエポキシ樹脂12を経由して開口8から試料液中に射出される。試料液中に射出された光は試料液中の濁質成分により散乱され、その一部の散乱光が開口9から空洞部3内のエポキシ樹脂12を経由して検出用受光素子6により受光される。これにより、受光された光量に基づいて試料液中の濁度を測定することができる。
The light emitted forward from the
一方、発光素子5の半導体素子10から後方に漏出した光は、発光素子5の後方に配置されている補償用受光素子7によって検出される。発光素子5からその照射角度範囲θ外に漏出する光は、照射角度範囲θ内に射出されて散乱光の検出に利用される光と同様に、発光素子5の温度影響や劣化の程度に比例してその光量が変化する。この特性を利用し、補償用受光素子7によって検出された光量が所定の閾値を下回った場合は、発光素子5への電圧を上げるなどして、散乱光の検出に利用される光量を一定範囲に保つようにし、発光素子5の温度影響や劣化による光量の変動を補償することができる。
On the other hand, the light leaked backward from the
本実施形態においては、従来の濁度センサのような、補償用の光を検出するために空洞部や切替機構を配置するスペースを発光ダイオードとフォトダイオードとの間に設けずに済む。その結果、従来の濁度センサを小型化しつつ、簡単な構成で、発光素子5の温度影響や劣化による光量変化を補償して濁度を精度よく検出することができるという利点がある。
In the present embodiment, unlike the conventional turbidity sensor, it is not necessary to provide a space between the light emitting diode and the photodiode for arranging the cavity and the switching mechanism in order to detect compensation light. As a result, there is an advantage that the turbidity can be detected with high accuracy by compensating for the change in the amount of light due to the temperature effect and deterioration of the
また、本実施形態においては、図3に示されるように、射出軸Lに直交する平面5bに対して補償用受光素子7の受光面11を傾斜させることにより、受光面11で検出する光量を配置される傾斜角度によって調節している。これにより、補償用受光素子7を最適な角度に調節して、検出される光量を調節することにより、従来のような絞りやシャッタが不必要となり、構造を簡易にすることができるとともに、省スペースを図って濁度センサ1を小型化することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the amount of light detected by the
また、絞りやシャッタを用いなくても、光量の少ない散乱光を感度よく検出する検出用受光素子6と同一の受光特性を有するものを補償用受光素子7として使用することができるため、コストを抑えつつ、部品調達や組み立て時の取り違えミスを予防することができる。
In addition, even if a diaphragm or a shutter is not used, a
次に、本発明の第2の実施形態に係る濁度センサ15について、図面を参照にして以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第1の実施形態に係る濁度センサ1と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
Next, a
In the description of the present embodiment, portions having the same configuration as those of the turbidity sensor 1 according to the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
本実施形態に係る濁度センサ15は、図4に示されるように、補償用受光手段の一例である、光を伝播する光ファイバ16と該光ファイバ16により伝播された光の光量を調節する絞り17と、該絞り17を通過した光を検出する補償用受光素子7とを備えている。
As shown in FIG. 4, the
光ファイバ16は、図5に示されるように、センサ本体4に設けられた空洞部2の発光素子5が配置されている位置に開口するように形成された孔内に挿入されている。光ファイバ16の一端16aは、空洞部2内の発光素子5の側方に向かって配置され、その光軸Sが、発光素子5内部の輝点Pを通過するように配置されている。また、光ファイバ16の他端16bは、センサ本体4の外部に配置されている補償用受光素子7の受光面11に光軸が直交するように配置されている。
As shown in FIG. 5, the
このように構成された本実施形態に係る濁度センサ15の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る濁度センサ15によれば、発光素子5からその側方(照射角度範囲θ外)に漏出した光が光ファイバ16により伝播されて補償用受光素子7によって受光される。発光素子5からその側方に漏出した光も、第1の実施形態において説明したような後方に漏出した光と同様、その光量を基に発光素子5の温度影響や劣化による光量変化を補償することができる。
The operation of the
According to the
また、本実施形態に係る濁度センサ15によれば、空洞部2内に補償用受光素子7を配置するスペースを確保せずに済むとともに、発光素子5の側方にスペースをとらない細径の光ファイバ16を配置し、かつ、絞り17および補償用受光素子7を外部に配置しているので、濁度センサ15のさらなる小型化を図ることができるという利点がある。
In addition, according to the
なお、上述した実施形態においては、発光素子5後方あるいは側方に射出される光を補償用の光として検出したが、これらに限定されるものではなく、照射角度範囲θ外の光であれば、発光素子5の射出軸Lに交差するいずれの方向に射出される光についても散乱光検出用の光(発光素子5から試料液に向けて射出される照射角度範囲θの光)をさえぎることなく、補償用の光として利用することができる。
In the above-described embodiment, the light emitted to the rear or side of the
また、上述した第2の実施形態においては、光ファイバ16の光軸上に発光素子5の輝点Pが配置されないように、光ファイバ16の一端16aが傾斜して配置されてもよい。
このようにすることで、光ファイバ16内に入射する光量を低下させることができ、絞り17のような調光手段をなくしても、補償用受光素子7を検出用受光素子6と同一の受光特性を有するものとすることができる。
In the second embodiment described above, the one
In this way, the amount of light incident on the
また、上述した第2の実施形態においては、補償用受光素子7はセンサ本体4の外部に配置したが、これに限定されるものではなく、スペースが確保できる場合には、センサ本体4内部に配置してもよい。これにより、濁度センサ15全体を小型化することができる。
Further, in the second embodiment described above, the compensation
1,15 濁度センサ
2,3 空洞部
4 センサ本体
5 発光素子
6 検出用受光素子
7 補償用受光素子
8,9 開口
10 半導体素子
11 受光面
16 光ファイバ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
一方の前記空洞部内に配置され、その開口方向に向かって所定の照射角度範囲に光を射出する半導体素子を備える発光素子と、
他方の前記空洞部内に配置され、その開口から入射してきた光を受光する検出用受光素子と、
少なくともその一部が、一方の前記空洞部内に配置され、前記発光素子の前記照射角度範囲外に漏出した光を受光する補償用受光手段とを備える濁度センサ。 A sensor body having two light-shielding portions, each having an opening disposed adjacently at a distance, and having a light shielding property;
A light-emitting element including a semiconductor element disposed in one of the hollow portions and emitting light in a predetermined irradiation angle range toward the opening direction;
A light receiving element for detection, which is disposed in the other cavity and receives light incident from the opening;
A turbidity sensor comprising: at least a part thereof disposed in one of the hollow portions, and a compensation light receiving unit configured to receive light leaked outside the irradiation angle range of the light emitting element.
前記光ファイバにより伝播されその他端から射出される光を検出する受光素子からなる請求項1、請求項2および請求項4のいずれかに記載の濁度センサ。 An optical fiber having one end disposed on the side of the light emitting element in the cavity where the light emitting element is disposed;
The turbidity sensor according to any one of claims 1, 2, and 4, comprising a light receiving element that detects light propagated by the optical fiber and emitted from the other end.
The turbidity sensor according to claim 5, wherein one end of the optical fiber is disposed so as to be inclined so that a bright spot of the light emitting element is not disposed on the optical axis of the optical fiber.
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