JP2019100789A - 水分量計測装置及び水分量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容器内部の水分量を非破壊で計測する。【解決手段】所望の範囲で周波数が可変であり、直線偏光の電磁波を発生する偏波光源１１と、入射した直線偏光の電磁波の偏波の方向を変えて容器１００に照射する１／２波長板１３Ａと、容器１００を透過した電磁波を検出する検出器１２を有し、検出器１２で検出する電磁波強度が最大となるように、１／２波長板１３Ａを回転する。これにより、電磁波の水蒸気に対する吸収ピークを利用して容器１００内部の水分量を非破壊で計測することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、容器内の水分量を測定する技術に関する。

電子機器、通信機器など様々な精密機器は、光や熱や水分の悪影響を防ぐためプラスチックや金属などの容器に入れられている。紫外線、可視光線、及び近赤外線による容器内部の部品の光劣化を防ぐため、汎用的な精密機器の容器は、黒色あるいは他の有色の樹脂を原材料とするなど、容器内部を見ることができない構造となっていることが多い。容器の材料として例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、テフロン（ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂）、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ、ナイロン）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ、変性ＰＰＥ、ＰＰＯ）、ポリエステル（ＰＥｓ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、グラスファイバー強化ポリエチレンテレフタレート（ＧＦ−ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、環状ポリオレフィン（ＣＯＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ、Polyethersulfone）、非晶ポリアリレート（ＰＡＲ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ、Polyamide-imide）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などが挙げられる。これらの材料のうち透明なものは着色して光劣化を防いでいる。

「製造プロセスにおけるＩｏＴ、ＩＣＴ技術の活用」（第３章４節 連続波テラヘルツ分光法による錠剤中の分子種・結晶種識別）、技術情報協会、２０１７年４月、ｐｐ．１８０〜１９０

精密機器の容器が劣化することで容器内部に水分が浸入し、容器内部の樹脂製品の加水分解や可塑剤の溶出、樹脂が膨潤することで変形や強度低下や接着剤の劣化などが起きたり、鉄や半導体の酸化による電子回路の性能劣化が起きたりする可能性がある。

精密機器の容器は、容器内部の部品の光劣化を防ぐために容器内部を見ることができない構造であり、紫外線、可視光線、及び近赤外線の光で容器の外部から非破壊検査として水分量を計測することができないという問題があった。

光以外の電磁波で容器を透視するものを探索できれば、水蒸気分子の振動や緩和による吸収ピークを用いて水分量を計測できる可能性がある。しかしながら、プラスチックなどの樹脂製の容器は材料を成型する段階で異方性を持つ場合が多いため、一般的な光源では透過性が低い可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、容器内部の水分量を非破壊で計測することを目的とする。

本発明に係る水分量計測装置は、樹脂製の容器内における水蒸気による電磁波の吸収ピークを測定することで前記容器内の水分量を計測する水分量計測装置であって、所望の範囲で周波数が可変であり、直線偏光の電磁波を発生する偏波光源と、前記容器に照射され、前記容器を透過した前記電磁波を検出する検出器と、を有することを特徴とする。

本発明に係る水分量計測方法は、樹脂製の容器内における水蒸気による電磁波の吸収ピークを測定することで前記容器内の水分量を計測する水分量計測方法であって、所望の範囲で周波数が可変の偏波光源を用いて直線偏光の電磁波を発生する工程と、前記電磁波を前記容器に照射する工程と、前記容器を透過した前記電磁波を検出する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、容器内部の水分量を非破壊で計測することができる。

本実施形態の水分量計測装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１の水分量計測装置の電磁波の光路上に容器を配置した様子を示す図である。 本実施形態の水分量計測装置を用いた容器内の水分量の計測処理の流れを示すフローチャートである。 偏波方向を変えたときの、各偏波方向における周波数ごとの容器の電磁波の透過率を示すグラフである。 容器を透過した電磁波を測定して得られた周波数ごとの光学密度を示すグラフである。 本実施形態の別の水分量計測装置の構成を示す機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１，２は、本実施形態の水分量計測装置１の構成を示す機能ブロック図である。同図に示す水分量計測装置１は、偏波光源１１、検出器１２、１／２波長板１３Ａ，１３Ｂ、波長板制御部１４、波長板回転部１５Ａ，１５Ｂ、乾燥空気チャンバー１６、及び移動ステージ１７を備える。

水分量計測装置１は、試料となる樹脂製の容器１００に電磁波を照射し、容器１００を透過した電磁波を検出することにより、精密機器の容器１００内の水蒸気による電磁波の吸収ピークを測定し、容器１００内の水分量を計測する装置である。以下、各部について説明する。

偏波光源１１は、周波数を１ＧＨｚから１０ＴＨｚの範囲において可変で、直線偏光の電磁波を出力する光源である。水蒸気は上記の範囲で振動や緩和による複数の吸収ピークがあるため、１ＧＨｚから１０ＧＨｚ、１０ＧＨｚから１００ＧＨｚ、１００ＧＨｚから１ＴＨｚ、または１ＴＨｚから１０ＴＨｚの範囲のいずれかで可変できれば十分である。偏波光源１１としては、例えば、テラヘルツ時間領域分光に使用されるシングルサイクルソースを用いることができる。あるいは、ジャイロトロン、後進波管、遠赤外線レーザー、量子カスケードレーザー、自由電子レーザー、シンクロトロン放射、フォトミキシングソース、タンネット/ガン・ダイオード、ＨＢＴ／ＨＥＭＴ、ジョセフソン素子、窒化ガリウム半導体素子、共鳴トンネルダイオード、ＤＡＳＴ有機非線形光学結晶などを用いてもよい。

検出器１２は、容器１００を透過した電磁波のスペクトルを測定する。検出器１２としては、例えば、テラヘルツ時間領域分光に使用される光伝導アンテナを用いることができる。検出器１２は、偏波光源１１の出力する電磁波を検出できればよい。

１／２波長板１３Ａ，１３Ｂは、入射した直線偏光の電磁波の偏波の方向を変えて出射する。偏波光源１１から出力された電磁波は、１／２波長板１３Ａを透過し、さらに１／２波長板１３Ｂを透過して検出器１２に入力される。容器１００は、２枚の１／２波長板１３Ａ，１３Ｂの間に配置される。

波長板制御部１４は、波長板回転部１５Ａ，１５Ｂを制御し、１／２波長板１３Ａ，１３Ｂを回転させる。波長板制御部１４は、スペクトル測定の前に、容器１００を光路に配置していない状態と、容器１００を光路に配置した状態で、検出器１２で検出する電磁波強度が最大となるように、１／２波長板１３Ａ，１３Ｂを回転させる。

図１に示すように、容器１００を光路に配置していない状態では、波長板制御部１４は、検出器１２で検出する電磁波強度が最大となるように、１／２波長板１３Ａ，１３Ｂのいずれか一方あるいは両方を回転させる。検出器１２の感度に電磁波の偏波に対する異方性が存在する可能性があるため、偏波光源１１の偏波の方向と同期させて検出器１２の偏波異方性を除去する。

図２に示すように、容器１００を光路に配置した状態では、波長板制御部１４は、検出器１２で検出する電磁波強度が最大となるように、１／２波長板１３Ａ，１３Ｂの両方を同期させて回転させる。プラスチックなどの容器は材料を成型する段階で異方性を持つ場合が多いため、容器１００の異方性の方向と平行となるように電磁波の偏波の方向を回転させる。電磁波の偏波の方向が容器１００の異方性の方向と平行となるように、容器１００を回転させてもよい。

乾燥空気チャンバー１６は、電磁波の光路上に配置される。

移動ステージ１７は、容器１００を電磁波の光路へ移動させる。

次に、本実施形態の水分量計測装置１を用いた容器１００内の水分量の計測処理について説明する。

図３は、本実施形態の水分量計測装置１を用いた容器１００内の水分量の計測処理の流れを示すフローチャートである。

偏波光源１１に出力１５０ｎＷ、パルス幅０．５ピコ秒のＴＨｚパルス波を発生させ、１／２波長板１３Ａと１／２波長板１３Ｂを透過させて、検出器１２に導く。

波長板制御部１４は、容器１００を光路に配置していない状態で、検出器１２での電磁波強度が最大となるように、１／２波長板１３Ａ，１３Ｂを回転させる（ステップＳ１１）。ステップＳ１１の工程を終えた後は、２枚の１／２波長板１３Ａ，１３Ｂが同期して回転するように設定する。

移動ステージ１７を用いて容器１００を電磁波の光路上に配置する（ステップＳ１２）。容器１００内の精密機器の部品には電磁波を通さない部品もあるため、電磁波を透過しない部品が光路上に存在しないように、容器１００を配置する。

波長板制御部１４は、容器１００を光路に配置した状態で、検出器１２での電磁波強度が最大となるように、１／２波長板１３Ａ，１３Ｂを同期して回転させる（ステップＳ１３）。

図４に、偏波方向を０度、４５度、９０度に変えたときの、各偏波方向での周波数ごとの容器１００の電磁波の透過率を示す。図４では、横軸に周波数、縦軸に容器の電磁波の透過率を取った。図４に示すように、偏波方向が０度（容器１００を上から見た時の左右方向）のときが、容器１００が電磁波を透過しやすい角度であることを確認した。また、容器１００は、０．５ＴＨｚ付近の周波数の電磁波を透過しやすいことを確認した。波長板制御部１４は、容器１００が電磁波を透過しやすい角度で、１／２波長板１３Ａ，１３Ｂを固定する。

検出器１２は、ステップＳ１３で求めた容器１００が電磁波を透過しやすい角度において、数回から数十回、容器１００を透過した電磁波のスペクトルを積算する（ステップＳ１４）。また、移動ステージ１７で容器１００を移動して電磁波が透過する数点を測定してもよい。容器１００が電磁波を透過しやすい周波数の範囲で測定してもよい。

図５に、容器１００を透過した電磁波を測定して得られた周波数ごとの光学密度を示す。図５では、横軸に周波数、縦軸に光学密度を取った。図５には、複数回測定した結果を示している。図５から、０．５６ＴＨｚ、０．７５ＴＨｚに水蒸気の吸収ピークが存在することがわかる。

容器１００を光路に配置していないときの、実験室内の湿度と水蒸気の吸収ピークの関係から検量線を作成し、容器１００内は、最大で７０％の湿度であることが分かった。

次に、本実施形態の別の水分量計測装置について説明する。

図６は、本実施形態の別の水分量計測装置１の構成を示す機能ブロック図である。

図１，２に示した水分量計測装置１とは、検出器１２に近い１／２波長板１３Ｂを１／４波長板１８に変更した点が異なる。１／４波長板１８により、検出器１２に入射する電磁波を直線偏光から円偏光に変えて、検出器１２の偏波依存性を除去する。波長板制御部１４は、波長板回転部１５を制御し、１枚の１／２波長板１３のみを回転させればよいので、波長板を制御する部品数を減らすことができる。また、図３に示した測定処理のステップＳ１１の工程を行う必要がなくなる。

図６の水分量計測装置１を用いて、同じ精密機器の容器１００を計測した結果、最大で７０％の湿度であることが分かった。

以上説明したように、本実施形態によれば、所望の範囲で周波数が可変で、直線偏光の電磁波を発生する偏波光源１１と、入射した直線偏光の電磁波の偏波の方向を変えて容器１００に照射する１／２波長板１３Ａと、容器１００を透過した電磁波を検出する検出器１２を有し、検出器１２で検出する電磁波強度が最大となるように、１／２波長板１３Ａを回転することにより、電磁波の水蒸気に対する吸収ピークを利用して容器１００内部の水分量を非破壊で計測することが可能となる。

本実施形態によれば、容器１００を透過した電磁波の偏波の方向を変える１／２波長板１３Ｂ、あるいは容器１００を透過した電磁波を円偏光に変える１／４波長板１８を有することにより、検出器１２の偏波異方性を除去できる。

１…水分量計測装置
１１…偏波光源
１２…検出器
１３，１３Ａ，１３Ｂ…１／２波長板
１４…波長板制御部
１５，１５Ａ，１５Ｂ…波長板回転部
１６…乾燥空気チャンバー
１７…移動ステージ
１８…１／４波長板
１００…容器

Claims (7)

1. 樹脂製の容器内における水蒸気による電磁波の吸収ピークを測定することで前記容器内の水分量を計測する水分量計測装置であって、
   所望の範囲で周波数が可変であり、直線偏光の電磁波を発生する偏波光源と、
   前記容器に照射され、前記容器を透過した前記電磁波を検出する検出器と、
   を有することを特徴とする水分量計測装置。
2. 前記容器に照射される前記電磁波の偏波の方向を回転する第１の偏波回転手段を有することを特徴とする請求項１に記載の水分量計測装置。
3. 前記容器を透過した前記電磁波の偏波の方向を回転する第２の偏波回転手段を有することを特徴とする請求項２に記載の水分量計測装置。
4. 前記容器を透過した前記電磁波を円偏光に変える偏波変換手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の水分量計測装置。
5. 樹脂製の容器内における水蒸気による電磁波の吸収ピークを測定することで前記容器内の水分量を計測する水分量計測方法であって、
   所望の範囲で周波数が可変の偏波光源を用いて直線偏光の電磁波を発生する工程と、
   前記電磁波を前記容器に照射する工程と、
   前記容器を透過した前記電磁波を検出する工程と、
   を有することを特徴とする水分量計測方法。
6. 前記電磁波を検出する工程において検出される電磁波強度が最大となるように、前記容器に照射される前記電磁波の偏波の方向を回転する工程を有することを特徴とする請求項５に記載の水分量計測方法。
7. 前記容器を透過した前記電磁波を円偏光に変える工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の水分量計測方法。

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