特開 2023-34320 積分球

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023034320

(43)【公開日】2023-03-13

(54)【発明の名称】積分球

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20230306BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 F

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021140491

(22)【出願日】2021-08-30

(71)【出願人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(74)【代理人】

【識別番号】100205833

【弁理士】

【氏名又は名称】宮谷 昂佑

(72)【発明者】

【氏名】西田 和史

(72)【発明者】

【氏名】堀越 久美子

(72)【発明者】

【氏名】原 仁

【テーマコード（参考）】

2G065

【Ｆターム（参考）】

2G065AA04

2G065AA11

2G065AB04

2G065AB22

2G065AB24

2G065BB05

2G065BB42

(57)【要約】

【課題】積分球の吸湿を抑制し、積分球の効率の変動を抑制することで、積分球を用いた光学測定の精度を向上させる。
【解決手段】本開示の積分球１０は、中空部材１と、中空部材１の内面上に設けられ、且つ光源からの光を中空部材１内で散乱及び反射させて拡散光とする拡散性塗布膜４と、を備え、拡散性塗膜４上に疎水性塗膜５が被覆されてなる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中空部材と、前記中空部材の内面上に設けられ、且つ光源からの光を前記中空部材内で散乱及び反射させて拡散光とする拡散性塗布膜と、を備える積分球であって、
前記拡散性塗膜上に疎水性塗膜が被覆されてなる、積分球。

【請求項2】

請求項１に記載の積分球であって、
前記疎水性塗膜は、疎水性樹脂を含む、積分球。

【請求項3】

請求項１に記載の積分球であって、
前記疎水性塗膜は、疎水性樹脂の粉末と、疎水性樹脂のバインダと、を含む、積分球。

【請求項4】

請求項３に記載の積分球であって、
前記疎水性樹脂の粉末は、前記光の波長において透明であり、且つ前記光の波長より大きい粒径を有する、積分球。

【請求項5】

請求項３又は４に記載の積分球であって、
前記疎水性樹脂のバインダは、前記光の波長において透明であり、且つ前記粉末の屈折率と０．０２以上異なる屈折率を有する、積分球。

【請求項6】

請求項２乃至５の何れか一項に記載の積分球であって、
前記疎水性樹脂は、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、又はポリエチレンテレフタレートを含む、積分球。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、積分球に関する。

【背景技術】

【0002】

積分球は、光源からの光を拡散し、均一にするために用いられる光学部品である。例えば、特許文献１には、積分球を備える全光束測定装置が開示されている。ここで、指向性がある光源の全光量の測定では、光量の測定方向によって測定値が変わるため、全方向について測定が繰り返される必要がある。光源からの光は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）のように指向性がある光源であっても、積分球内で拡散を繰り返す。これにより、積分球内の明るさは均一となる。そのため、積分球内の明るさが一度測定されるだけで、光源が発する全光量に比例した測定値が得られる。ただし、光源からの光は、積分球内で散乱と反射を繰り返して均質になりながら、その一部が検出器に到達する。そのため、積分球内の反射率に応じて、測定値は減弱される。積分球に入射した光のうち利用可能な光の割合は、積分球の効率と呼ばれる。効率が不明な積分球が用いられる場合、全光束が既知の校正用光源が測定され、それに対する相対光量が測定されることによって、測定対象の全光束が測定される。積分球を用いた一連の測定の間に積分球の効率が変化してしまうと測定誤差が生じるため、積分球の効率の変動を防ぐことが重要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０７－１４６１７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の積分球の効率は積分球の乾燥状態に依存して変化するという問題があった。

【0005】

本開示の目的は、積分球の吸湿を抑制し、積分球の効率の変動を抑制することで、積分球を用いた光学測定の精度を向上させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

幾つかの実施形態に係る積分球は、中空部材と、前記中空部材の内面上に設けられ、且つ光源からの光を前記中空部材内で散乱及び反射させて拡散光とする拡散性塗布膜と、を備える積分球であって、前記拡散性塗膜上に疎水性塗膜が被覆されてなる。

【0007】

これにより、周囲の湿度からの水分が拡散性塗膜に吸収されることが抑制される。その結果、拡散性塗膜の反射率の低下が抑制され、周囲の湿度による積分球の効率の変動が抑制される。

【0008】

一実施形態において、前記疎水性塗膜は、単一の疎水性樹脂を含む。

【0009】

これにより、周囲の湿度からの水分が拡散性塗膜に吸収されることが抑制される。その結果、拡散性塗膜の反射率の低下が抑制され、周囲の湿度による積分球の効率の変動が抑制される。

【0010】

なお、拡散性塗膜は、一般に硫酸バリウムの粉末同士が隙間をもって固定されており、粉末と空気との界面で被管理の反射が起こり、拡散性を引き起こしている。単一の疎水性樹脂のみからなる疎水性塗膜を施す場合、硫酸バリウムの粉末間に疎水性樹脂が浸透し硫酸バリウムとの界面での反射率を下げてしまうので、積分球の効率が低下してしまう。本開示の積分球の効率は、疎水性塗膜を有しない積分球より低いが変動が抑制される。

【0011】

一実施形態において、前記疎水性塗膜は、疎水性樹脂の粉末と疎水性樹脂のバインダとを含む。

【0012】

これにより、疎水性樹脂の粉末と疎水性樹脂バインダとの界面でも光の反射が起こり、疎水性塗膜が光を拡散させる機能を有するため、単一の疎水性樹脂のみからなる疎水性塗膜を施す場合よりも積分球の効率が高まり、且つ積分球の効率の変動が抑制される。

【0013】

一実施形態において、前記疎水性樹脂の粉末は、前記光の波長において透明であり、且つ前記光の波長より大きい粒径を有する。

【0014】

これにより、積分球の効率の低下が抑制される。

【0015】

一実施形態において、前記疎水性樹脂のバインダは、前記光の波長において透明であり、且つ前記粉末の屈折率と０．０２以上異なる屈折率を有する。

【0016】

これにより、積分球の効率の低下が抑制される。

【0017】

一実施形態において、前記疎水性樹脂は、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、又はポリエチレンテレフタレートを含む。

【0018】

これにより、積分球の効率の低下が抑制される。

【発明の効果】

【0019】

本開示によれば、積分球の吸湿が抑制され、積分球の効率の変動が抑制されるので、積分球を用いた光学測定の精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】比較例に係る積分球を色測定装置に適用した例を示す。

【図2】本開示の一実施形態に係る積分球を示す。

【図3】比較例に係る積分球の効率の変化率の相対的な時間変化を示す。測定開始時を１００％とした。

【図4】発明例１に係る積分球の効率の変化率の相対的な時間変化を示す。測定開始時を１００％とした。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。各図において、同一符号は、同一又は同等の構成要素を示す。

【0022】

図１を参照して、比較例に係る積分球１０を色測定装置に適用した例を説明する。

【0023】

積分球１０は、中空部材１と、光源３０からの光を中空部材１内に導くための第１の開口部２と、中空部材１内で拡散された拡散光を中空部材１外に導くための第２の開口部３と、を備える。第１の開口部２は、中空部材１の上部（光源３０側）に設けられる。第２の開口部３は、中空部材１の下部（受光側）に設けられる。

【0024】

中空部材１の内面上には、光源３０からの光を中空部材１内で散乱及び反射させて拡散光とする拡散性塗膜４が設けられる。拡散性塗膜４は、一般的には、硫酸バリウムの粉末とポリビニールアルコール（ＰＶＡ）等のバインダとを含む。

【0025】

例えば白色ＬＥＤ等の光源３０からの光は、第１の開口部２から中空部材１内に入射し、中空部材１内で十分に拡散し、第２の開口部３から中空部材１外に拡散光として出射する。中空部材１から出射した拡散光の一部は、光軸を取り囲むように配置されたシリンドリカルミラー５０によって反射され、測定対象６０にあたる。測定対象６０で散乱された拡散光のうち鉛直上向きの拡散光は、ミラー４０及びコリメーションレンズ７０によって取り出され、その反射強度が分光器８０で測定される。測定対象６０の反射率は、反射率が既知である反射部材の反射強度を予め記録しておくことによって測定される。ここで、積分球１０から出射した拡散光は、均一な分布であるため、測定対象６０には方向によらず同じ強さで照明される。そのため、測定対象６０に反射率の方向特性があったとしても、測定対象６０の設置角度によらず安定した測定が可能となる。

【0026】

しかしながら、拡散性塗膜４に含まれるＰＶＡは、親水性であり、周囲の湿度からの水分を吸収する。水分を吸収したＰＶＡは、膨潤し、硫酸バリウムの粉末間の隙間を埋めてしまい、拡散性塗膜４の反射率を低下させることがある。拡散性塗膜４の反射率がわずかに低下しても、積分球１０内では光の反射が繰り返されるので、積分球１０の効率は大きく変化する。このように、比較例に係る積分球１０の効率は、周囲の湿度によって変動し、安定した測定を行うことができないという問題があった。例えば、光源３０の全光束が測定される場合、校正用光源が測定されてから測定対象６０の光源が測定されるまでに積分球１０の効率が変化すると測定誤差が生じる。また、色測定の光源に用いられる場合、校正用反射板が測定されてから測定対象６０が測定されるまでに積分球の効率が変化すると測定誤差が生じる。これらは、光源及び装置からの熱によって積分球１０の乾燥が進み、積分球１０が十分に乾燥するまで、積分球１０の効率が変化することが原因である。特に、製紙工場において、製造中の紙の色を測定するための色測定装置では、製造プロセスの温度変化の影響を抑制するために、センサを加熱して恒温化している場合があり、この場合も積分球１０の乾燥が進み、積分球１０の効率が変化することがある。これらの測定誤差を回避するためには、積分球１０の効率の変化が収まるまで数時間待機する必要があった。

【0027】

これに対して、本実施形態によれば、上記問題が解決可能である。すなわち、本実施形態によれば、積分球の効率が周囲の湿度によって変動することが抑制される。これにより、安定した光量測定又は色測定が実現され得る。

【0028】

図２を参照して、本実施形態に係る積分球２０を説明する。

【0029】

積分球２０は、中空部材１と、光源からの光を導くための第１の開口部２と、中空部材１内で拡散された拡散光を中空部材１外に導くための第２の開口部３と、を備える。第１の開口部２は、中空部材１の上部（光源側）に設けられる。第２の開口部３は、中空部材１の下部（受光側）に設けられる。ただし、積分球１０に設けられる開口部の数は、これに限定されず、任意に定められてもよい。例えば、単一の開口部が光の入力ポート及び出力ポートを兼ねてもよく、或いは積分球１０内に光源が設置されてもよい。以下では、積分球２０が第１の開口部２と第２の開口部３とを備える場合について詳細に説明するが、本開示はこれに限定されない。

【0030】

中空部材１の内面上には、光源からの光を中空部材１内で散乱及び反射させて拡散光とする拡散性塗膜４が設けられる。

【0031】

拡散性塗膜４上には、疎水性塗膜５が被覆されてなる。すなわち、疎水性塗膜５は、拡散性塗膜４上に設けられる。

【0032】

中空部材１は、加工しやすく、且つ反射率が高いアルミ等の金属を、その内面が例えば球面状となるように任意又は公知の方法でくり抜くことによって得られる。

【0033】

拡散性塗膜４は、中空部材１の素材であるアルミ等の金属上に、任意又は公知のスプレー法等によって形成される。拡散性塗膜４は、第１の開口部２から中空部材１内に入射した光を中空部材１内で拡散させる。拡散性塗膜４は、硫酸バリウム等の粉末とポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等のバインダとを含むことができる。この場合、拡散性塗膜４において、硫酸バリウム等の粉末は、ＰＶＡ等のバインダに担持される。

【0034】

疎水性塗膜５は、拡散性塗膜４上に塗布される。疎水性塗膜５によって、周囲の湿度からの水分が拡散性塗膜４に吸収されることが抑制される。この結果、拡散性塗膜４の反射率の低下が抑制され、周囲の湿度による積分球２０の効率の変動が抑制される。

【0035】

疎水性塗膜５は、疎水性樹脂を含むことができる。疎水性樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、又はポリエチレンテレフタレートを含むことができる。

【0036】

疎水性塗膜５は、単一の疎水性樹脂からなってもよい。

【0037】

代替的に、疎水性塗膜５は、疎水性樹脂の粉末と疎水性樹脂のバインダとを含んでもよい。この場合、疎水性塗膜５において、疎水性樹脂の粉末は、疎水性樹脂のバインダに担持される。これにより、拡散性塗膜４に含まれる硫酸バリウムの粉末間に疎水性樹脂の粉末が深く浸透し、粉末間が充填されることが抑制されるため、拡散性塗膜４の反射率の低下が抑制される。すなわち、疎水性塗膜５は、光を拡散させる機能を更に有するので、積分球２０の効率の低下が抑制される。

【0038】

疎水性樹脂の粉末は、拡散効果を高める観点から、光源からの光の波長において透明であり、且つ光の波長より大きい粒径を有することが好ましい。具体的には、疎水性樹脂の粉末は、可視光では０．５μｍ以上の粒径を有することが好ましい。また、限られた疎水性塗膜の厚さ（例えば５０～１０００μｍ）で拡散効果を高める観点から、疎水性樹脂の粉末は、５０μｍ以下の粒径を有することが好ましい。なお、疎水性樹脂の粉末の粒径は、粒径相当のメッシュを有する篩により適宜選別される。

【0039】

疎水性樹脂のバインダは、積分球の効率の観点から、光源からの光の波長において透明であり、且つ疎水性樹脂の粉末の屈折率と０．０２以上異なる屈折率を有することが好ましい。

【0040】

疎水性樹脂の粉末と疎水性樹脂のバインダとの混合率は、積分球の効率及び疎水性能、並びに疎水性樹脂粉末の固定能力の観点から、体積比で０：１００～５０：５０の範囲であることが好ましく、４０：６０～５０：５０の範囲であることがより好ましい。

【0041】

疎水性樹脂の粉末及び疎水性樹脂のバインダは、酢酸ブチル等の溶剤に分散され、拡散性塗膜４で被覆されてなる中空部材１の内面に任意又は公知のスプレー法により塗布される。塗布量は、１平方メートルあたり５０～１０００ｇ（乾燥時）とすることが好ましい。なお、図２では、拡散性塗膜４と疎水性塗膜５との間に明瞭な界面が形成されている態様が示されている。しかしながら、疎水性塗膜５に含まれる疎水性樹脂のバインダは、拡散性塗膜４に浸透して固定されるので、疎水性塗膜５が単一の疎水性樹脂からなる場合には明瞭な界面が形成されない場合がある。

【実施例0042】

（比較例）
比較例では、従来の積分球（硫酸バリウム粉末をＰＶＡで固定、膜厚５００μｍ）を用いた。

【0043】

（発明例１）
発明例１では、従来の積分球における拡散性塗膜上に、上述したスプレー法により、疎水性樹脂のバインダとしてのシリコーン樹脂と疎水性樹脂の粉末としてのＰＴＦＥとを含む疎水性塗膜を被覆した。なお、疎水性樹脂の粉末の粒径は２０μｍであった。また、塗布量は、１平方メートルあたり２００ｇ（乾燥時）であった。また、疎水性樹脂の粉末と疎水性樹脂のバインダとの混合率は、体積比で５０：５０であった。

【0044】

（発明例２）
発明例２では、従来の積分球に対して、単一のフッ素樹脂（具体的にはＰＴＦＥ）からなる疎水性塗膜を形成した。

【0045】

各発明例及び比較例に対して、積分球の効率の変化率の時間変化を調べた。なお、測定に使用した光の波長は４００ｎｍから６８０ｎｍとし、光量を平均化して求めた。図３及び図４に結果を示す。図３に示すように、比較例では、電源の投入前に、周囲の湿度による吸湿が起こっており、積分球の効率が下がっていた。そして、電源の投入により、機器温度が上昇して積分球が乾燥するにつれて、積分球の効率が徐々に変化した。これに対して、図４に示すように、発明例１では、電源の投入前であっても、周囲の湿度による吸湿が起こっておらず、電源の投入前後で積分球の効率は一定であった。なお、発明例２では、比較例に対して３０％程度の効率しか得られなかったが、発明例１では、比較例に対して６０％程度の効率が得られた。

【0046】

以上、本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び改変を行ってもよいことに注意されたい。したがって、これらの変形及び改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。

【産業上の利用可能性】

【0047】

本開示によれば、積分球の効率が周囲の湿度によって変動することが抑制される点で、積分球の性能が改善される。また、本開示によれば、安定した光量測定又は色測定を実現することができる。具体的には、本開示の積分球を用いた光学特性測定は、積分球の効率が電源の投入直後より安定しているため、すぐに実行可能である。また、周囲の湿度が変化しても積分球の効率が変化することが抑制されるため、より安定した測定が実現可能である。例えば、光源の全光束が測定される場合には、校正用光源を測定してから測定対象の光源を測定するまでに積分球の効率が変化することが抑制され、測定誤差が抑制される。また、色測定の光源に用いられる場合には、校正用反射板を測定してから測定対象を測定するまでに積分球の効率が変化することが抑制され、測定誤差が抑制される。さらに、積分球が組み込まれた装置において、当該装置自体が発する熱及び光源自体が発する熱によって積分球の乾燥が進むことに起因して、積分球の効率が変動することが抑制されるので、装置の電源投入後すぐに安定した測定が実現可能である。ただし、本開示の適用範囲は、ここに例示したものに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0048】

１０、２０ 積分球
１ 中空部材
２ 第１の開口部
３ 第２の開口部
４ 拡散性塗膜
５ 疎水性塗膜
３０ 光源
４０ ミラー
５０ シリンドリカルミラー
６０ 測定対象
７０ コリメーションミラー
８０ 分光器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2022-11-14

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0010】

なお、拡散性塗膜は、一般に硫酸バリウムの粉末同士が隙間をもって固定されており、粉末と空気との界面で光の反射が起こり、拡散性を引き起こしている。単一の疎水性樹脂のみからなる疎水性塗膜を施す場合、硫酸バリウムの粉末間に疎水性樹脂が浸透し硫酸バリウムとの界面での反射率を下げてしまうので、積分球の効率が低下してしまう。本開示の積分球の効率は、疎水性塗膜を有しない積分球より低いが変動が抑制される。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0037】

代替的に、疎水性塗膜５は、疎水性樹脂の粉末と疎水性樹脂のバインダとを含んでもよい。この場合、疎水性塗膜５において、疎水性樹脂の粉末は、疎水性樹脂のバインダに担持される。これにより、疎水性樹脂の粉末と疎水性樹脂バインダとの界面でも光の反射が起こり、疎水性塗膜が光を拡散させる機能を有するため、単一の疎水性樹脂のみからなる疎水性塗膜を施す場合よりも拡散性塗膜４の反射率の低下が抑制される。すなわち、疎水性塗膜５は、光を拡散させる機能を更に有するので、積分球２０の効率の低下が抑制される。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0048】

１０、２０ 積分球
１ 中空部材
２ 第１の開口部
３ 第２の開口部
４ 拡散性塗膜
５ 疎水性塗膜
３０ 光源
４０ ミラー
５０ シリンドリカルミラー
６０ 測定対象
７０ コリメーションレンズ
８０ 分光器