JPH04301728A - 等温制御形カロリメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ等の光のパワーを
測定するための等温制御形カロリメータに関し、更に詳
しくは受光部の温度上昇についての改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の等温制御形カロリメータとして
は図４の構成のものが良く知られている。また、図５は
受光ヘッド部分の詳細を示す図である。

【０００３】これらの図において、１はセンサ部Ｓを形
成する受光体であり、内面に光吸収塗料２が塗布された
筒体３及びヒータ４が埋設された伝熱板５で構成されて
いる。６，６ａは温度差検出素子、７は熱電冷却素子で
あり、これらの素子は同等な性能を有するペルチェ素子
で形成され、伝熱板５と基準ジャケット８に挾まれた状
態で固定されている。なお、基準ジャケット８の外周は
温度を安定化するために図８のように中間ジャケット９
と外部ジャケット１０で囲まれていて、センサ部Ｓが三
重のジャケットで囲まれた受光ヘッドＡとして構成され
ている。なお、筒体３を含む伝熱板５の熱容量と基準ジ
ャケット８の熱容量は、１：１０００程度で基準ジャケ
ット９の方が大きくなっている。

【０００４】１１は熱電冷却素子７に接続された定電流
源である。１２は温度差検出素子６ａ，６ｂからの出力
より等温制御のためのヒータパワーを求めるフィードバ
ックアンプである。このフィードバックアンプ１２の出
力は、ヒータ４に印加されると共に、入射した光パワー
を求めるため外部に出力される。尚、フィードバックア
ンプ１２は、プリアンプ１３及びＰＩＤアンプ１４で構
成されている。

【０００５】上記構成において、測定光が入力されてい
ない場合、基準ジャケット８は室温とされ、ペルチェ素
子からなる熱電冷却素子７には定電流源１１から一定な
値ＩＡ　の電流が常時加えられ、伝熱板５側を常に冷却
している。この場合、基準ジャケット８側は加熱される
ことになるが、この基準ジャケット８の熱容量は大きく
、熱電冷却素子７の加熱量は僅かである。従って、図７
に示す装置では、熱電冷却素子７と定電流源１１により
、常時受光体１側の温度を低める方向に作用している。

【０００６】一方、温度差検出素子６ａ，６ｂはこの温
度差（基準ジャケット８と伝熱板５の温度差：ｎＶレベ
ル）を検出し、プリアンプ１３はその出力を（ｍＶレベ
ル）に増幅し、ＰＩＤアンプ１４に加える。そして、Ｐ
ＩＤアンプ１４で所定の演算（この演算は伝熱板５と基
準ジャケット８の温度が速く一致するように制御するた
めの公知のＰＩＤ演算）が施される。このＰＩＤアンプ
１４の出力はヒータ４に加えられてヒータ４の温度を上
昇させ、温度差検出素子６ａ，６ｂの出力が零になるよ
うに制御する。

【０００７】従って、図４の装置では、熱電冷却素子７
と定電流源１１の作用により冷却された伝熱板５に対し
てＰＩＤアンプ１４から電圧（電流Ｉ）をヒータ４へ加
えて伝熱板５を加熱し、受光体１の温度と温度基準ジャ
ケット８の温度が一致するように制御している。

【０００８】このような状態で、測定すべきレーザ光Ｌ
ａが筒体３の上部から入射されると受光体１が光を吸収
し、その光パワーに応じて温度が上昇する。その熱は伝
熱板５に伝導され、温度平衡状態にあった伝熱板５と基
準ジャケット８間に温度差が発生する。この温度差を温
度差検出素子６ａ，６ｂが検出し、ＰＩＤアンプ１４は
ヒータ４に送出していた電圧値を減少させる。従って、
ヒータ４の温度は低下し、伝熱板５と基準ジャケット８
の温度は再び一致する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、熱電冷
却素子７には定電流源１１から一定な値ＩＡ　の電流が
常時加えられ、伝熱板５側を常に冷却している。この結
果、基準ジャケット８側は常時加熱されることになる。

【００１０】従って、図４に示す装置では、熱電冷却素
子７と定電流源１１により、常時、断熱性の基準ジャケ
ット８側の温度を高める方向に作用している。

【００１１】この場合の基準ジャケット８の温度上昇は
、熱電冷却素子７の加熱パワーと基準ジャケット８の熱
抵抗により決定される。一般には、加熱パワーが０．４
Ｗ程度，熱抵抗が１５Ｋ／Ｗ程度であり、通常の測定中
の温度上昇は１０°Ｃ未満であった。

【００１２】しかし、基準ジャケット８の温度上昇は、
受光体の温度上昇を招き、測定誤差の増大をもたらして
いた。従って、測定パワーを拡大して大光量のレーザ光
を測定するには、熱電冷却素子７のパワーを増大させる
必要があり、基準ジャケット８の温度上昇が更に増大す
ることが予想される。

【００１３】本発明はこのような点に着目してなされた
ものであり、その目的は、受光体の温度上昇が生じない
状態で測定が可能な等温制御形カロリメータを提供する
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明は、熱を伝えるための伝熱ジャケットと、冷却手段及
び温度差検出素子を介して伝熱ジャケットに置かれ、ヒ
ータを有する受光体と、温度差検出素子を介して伝熱ジ
ャケットに置かれた温度基準手段と、受光体側の温度差
検出素子からの温度差検出信号及び温度基準手段側の温
度差検出素子からの温度差検出信号の差動信号に基づい
てヒータを駆動して受光体の温度を一定に保つよう制御
する等温制御部と、ヒータに加えられた電力の入射光の
有無による差異から入射光パワーを算出する入射光パワ
ー算出手段とを有することを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】本発明において、受光体を冷却する冷却手段が
発生する熱は、伝熱ジャケットを一様に伝わる。受光体
側の温度差検出素子からの温度差検出信号と温度基準手
段側の温度差検出素子からの温度差検出信号との差動信
号を参照して等温制御を行うことにより、伝熱ジャケッ
トの温度の影響が相殺され、温度基準手段に基づいた正
確な等温制御が実行される。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１７】図１は本発明の一実施例を示す構成図であ
る。既に説明したものと同一物には同一番号を付し、再
度の重複した説明は省略する。

【００１８】この図において、受光体１には伝熱板５を
介して温度差検出素子６ａ，６ｂ及び熱電冷却素子７が
取付けられ、温度差検出素子６ａ，６ｂ及び熱電冷却素
子７は熱伝導性に優れた伝熱ジャケット３０に連結され
ている。また、測定温度の基準となるべき温度基準手段
は温度差検出素子３２ａ，３２ｂを介して、伝熱ジャケ
ット３０に連結されている。温度差検出素子６ａ，６ｂ
及び温度差検出素子３２ａ，３２ｂの出力は、可変利得
差動増幅器３３により利得が可変の状態で差動増幅され
る。そして、この差動増幅出力がＰＩＤアンプ１４に印
加され、所定のＰＩＤ演算により等温制御のためのヒー
タパワーが決定される。尚、伝熱ジャケット３０，受光
体１，温度基準手段３１は熱伝導のよい素材（例えば、
アルミニウム等）で形成される。

【００１９】まず、装置の全体の動作を図２及び図３に
より説明する。図２において、光源Ｄから出力されるレ
ーザ光ＬａはアッテネータＥ及びシャッタＦを経て受光
ヘッドＡに入射されるものとする。

【００２０】測定動作の第１ステップではシャッタＦは
閉になり、受光ヘッドＡに光は入射されない。この状態
で、温度基準手段３１と受光体１が熱平衡状態になるよ
うにヒータ電力が制御される。このときのヒータ消費電
力をＰＨ１　とする。

【００２１】第２ステップでは、シャッタＦが開いた状
態で温度基準手段３１と受光体１が熱平衡状態になるよ
うにヒータ電力が制御される。このときのヒータ消費電
力をＰＨ２　とする。

【００２２】これにより、入射光パワーＰＬ　はヒータ
消費電力の差（ＰＨ１　−ＰＨ２　）に置換され、ＰＨ
１　とＰＨ２　を知ることによって入射光パワーＰＬ　
を知ることができる。

【００２３】次に、図１を参照して本実施例の特徴部分
を説明する。従来の装置では、受光体１と基準ジャケッ
ト８との間の温度差による偏差電圧Ｖｄ　をプリアンプ
１３へ入力し、所定の増幅度で増幅を行った後に、ＰＩ
Ｄアンプへ出力していた。ここで、ＰＩＤアンプ１４の
入力電圧Ｖｍ　は、以下の式で表せる。尚、プリアンプ
の利得をＧｐ　，温度差検出素子の感度をＳ，受光体１
の温度をＴａ　，基準ジャケットの温度をＴｒｊとする
。

【００２４】 Ｖｍ　＝Ｇｐ　・Ｖｄ ＝Ｇｐ　・Ｓ（Ｔａ　−Ｔｒｊ）　　…■この式は基準
ジャケットの温度Ｔｒｊが一定であることが前提条件に
なっているので、Ｔｒｊが変化すると測定誤差が増大す
る。

【００２５】これに対し、本実施例の構成では、可変利
得差動増幅器３３によってＶｍ　は次式で表せる。ここ
で、温度差検出素子６の出力電圧をＶａ　，温度差検出
素子３２の出力電圧をＶｒ　とする。

【００２６】Ｖｍ　＝Ｇ１　・Ｖａ　−Ｇ２　・Ｖｒ　
…■この式で、Ｖａ　とＶｒ　とはそれぞれ受光体の温
度Ｔａ　，温度基準手段の温度Ｔｒ　，伝熱ジャケット
の温度Ｔｊ　で決定される。そこで、温度差検出素子６
，３２の感度をそれぞれＳ１　，Ｓ２　とすると、以下
の式で表せる。

【００２７】 Ｖａ　＝Ｓ１　（Ｔａ　−Ｔｊ　）　　　　　　…■Ｖ
ｒ　＝Ｓ２　（Ｔｒ　−Ｔｊ　）　　　　　　…■ここ
で、上記■式に■，■式を代入すると、Ｖｍ　＝Ｇ１　
Ｓ１　Ｔａ　−Ｇ２　Ｓ２　Ｔｒ　−（Ｇ１　Ｓ１　−
Ｇ２　Ｓ２　）Ｔｊ　　　…■ この場合、差動増幅の利得についてＧ１　＝Ｇ２　とし
、温度差検出素子の感度を等しくＳ１　＝Ｓ２　とする
と、■式は以下のとおりになる。

【００２８】Ｖｍ　＝Ｇ１　Ｓ１　（Ｔａ　−Ｔｒ　）
　　…■この■式は、伝熱ジャケットの温度に関係なく
、温度基準手段３１と受光体１との間で等温制御が行え
ることを表している。ここで、温度基準手段３１の熱容
量と、温度差検出素子３２の熱抵抗による時定数を十分
大きくとることにより、温度基準手段３１の温度は安定
に保たれる。従って、受光体１の温度制御が安定して行
われ、入射パワーを拡大しても温度上昇による測定誤差
の増大を防止できる。

【００２９】以上説明したように、熱伝導性の良い伝熱
ジャケット３０にそれぞれ連結された温度差検出素子６
，３２を介して受光体１と温度基準手段３１とを熱的に
分離し、それぞれの温度差検出素子の出力を差動接続す
ることにより、熱電冷却素子によるジャケットの温度上
昇分が相殺された状態で等温制御が行える。

【００３０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、受光体を冷却する冷却手段が発生する熱は伝熱ジ
ャケットを一様に伝わるようにし、受光体側の温度差検
出素子からの温度差検出信号と温度基準手段側の温度差
検出素子からの温度差検出信号との差動信号を参照して
等温制御を行うことにより、伝熱ジャケットの温度の影
響が相殺され、温度基準手段に基づいた正確な等温制御
が実行される。従って、受光体の温度上昇が生じない状
態で測定が可能な等温制御形カロリメータを実現できる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す構成図である。

【図２】本発明の一実施例にかかる装置の測定状態を示
す説明図である。

【図３】本発明の一実施例にかかる装置の測定状態を示
すタイムチャートである。

【図４】従来例の全体構成を示す構成図である。

【図５】受光ヘッド部分の詳細な構成を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１　　受光体 ６ａ　，６ｂ　温度差検出素子 １１　　定電流源 １４　　ＰＩＤアンプ ３０　　伝熱ジャケット ３１　　温度基準手段 ３２　　温度差検出素子 ３３　　可変利得差動増幅器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　熱を伝えるための伝熱ジャケットと、
   冷却手段及び温度差検出素子を介して伝熱ジャケットに
   置かれ、ヒータを有する受光体と、温度差検出素子を介
   して伝熱ジャケットに置かれた温度基準手段と、受光体
   側の温度差検出素子からの温度差検出信号及び温度基準
   手段側の温度差検出素子からの温度差検出信号の差動信
   号に基づいてヒータを駆動して受光体の温度を一定に保
   つよう制御する等温制御部と、ヒータに加えられた電力
   の入射光の有無による差異から入射光パワーを算出する
   入射光パワー算出手段とを有することを特徴とする等温
   制御形カロリメータ。