(57)【要約】  本発明は、レーザセンサユニット１００を有するガス検出装置２００に関する。レーザセンサユニット１００は、検出されるべきガス５０により少なくとも部分的に吸収されるレーザ光を発するように構成される。レーザセンサユニット１００は更に、レーザセンサユニット１００のアクティブ空洞１０における自己混合干渉ＳＭＩに基づいて測定データを生成するように構成される。該測定データは検出されるべきガスによるレーザ光の吸収により影響を受け、レーザセンサユニット１００から受信された測定データに基づいて検出されるべきガス５０の存在及び／又は濃度を決定する解析回路１２０が備えられる。
2011527750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのレーザセンサユニットと、駆動回路と、解析回路と、を有するガス検出装置であって、
前記レーザセンサユニットは、少なくとも１つのアクティブ空洞と、電極と、少なくとも１つの光フィードバック構造と、検出ボリュームと、少なくとも１つの検出器と、を有し、前記アクティブ空洞は、第１の反射構造と第２の反射構造との間に挟持されたアクティブ層を有し、前記第１の反射構造は、前記第２の反射構造よりも高い反射率を持ち、前記電極は、前記アクティブ層に電流を注入するように構成され、前記検出器は、前記アクティブ空洞に結合され、前記検出ボリュームは、前記第２の反射構造と前記光フィードバック構造との間に配置され、前記検出ボリュームは、検出されるべきガスを含むように構成され、
前記駆動回路は、前記電極に電気的に結合され、前記駆動回路は、前記第２の反射構造を介して前記検出ボリュームに第１の光が発せられるように前記アクティブ空洞を電気的にポンピングするように構成され、前記第１の光の少なくとも一部が、前記検出されるべきガスの吸収帯により吸収されるように構成され、
前記光フィードバック構造は、前記検出ボリュームを通過した前記第１の光を散乱又は反射させ、前記第１の光が前記アクティブ空洞に再び入るようにするよう構成され、
前記アクティブ空洞に再び入る前記散乱又は反射させられた前記第１の光は、前記検出ボリューム中の前記検出されるべきガスによる前記第１の光の吸収に依存して前記アクティブ空洞におけるレーザパワーの変化を引き起こす第２の光であり、
前記検出器は、前記アクティブ空洞におけるレーザパワーに関連した測定データを生成するように構成され、
前記検出器は、前記解析回路に結合され、前記解析回路は、前記検出器から受信された前記測定データに基づいて、前記検出されるべきガスの存在及び／又は濃度を決定するように構成された、ガス検出装置。
【請求項２】
前記第１の光は、前記検出されるべきガスの吸収帯の線幅よりも小さなスペクトル幅により特徴付けられる、請求項１に記載のガス検出装置。
【請求項３】
前記駆動回路は更に、前記第１の光の波長を周期的に調整するように構成され、前記第１の光の波長の調整範囲は、少なくとも前記検出されるべきガスの吸収帯の帯域幅を有する、請求項１又は２に記載のガス検出装置。
【請求項４】
前記光フィードバック構造は第３の反射構造であり、前記アクティブ空洞と前記第３の反射構造とが垂直拡張共振器面発光レーザを構成し、前記検出ボリュームは拡張空洞の少なくとも一部である、請求項１又は２に記載のガス検出装置。
【請求項５】
前記アクティブ空洞は垂直共振器面発光レーザを構成し、前記光フィードバック構造は拡散散乱面である、請求項３に記載のガス検出装置。
【請求項６】
前記第２の反射構造と前記拡散散乱面との間に配置された光学素子を更に有し、前記光学素子は、前記拡散散乱面に前記第１の光を合焦させるように構成された、請求項５に記載のガス検出装置。
【請求項７】
少なくとも第１及び第２のレーザセンサユニットの２つのレーザセンサユニットを有し、前記第１のレーザセンサユニットは第１の垂直共振器面発光レーザを有し、前記第１の垂直共振器面発光レーザにより発せられる前記第１の光の波長の調整幅は、少なくとも検出されるべき第１のガスの吸収帯の帯域幅を有し、前記第２のレーザセンサユニットは第２の垂直共振器面発光レーザを有し、前記第２の垂直共振器面発光レーザにより発せられる前記第１の光の波長の調整幅は、少なくとも検出されるべき第２のガスの吸収帯の帯域幅を有する、請求項５に記載のガス検出装置。
【請求項８】
請求項１、２、５又は７に記載のガス検出装置を有する制御システムであって、前記検出されるべきガスの濃度に依存して起動される制御手段を更に有する制御システム。
【請求項９】
請求項８に記載の制御システムと燃焼機関とを有する車両であって、前記制御システムは前記燃焼機関を制御するように構成された車両。
【請求項１０】
ガスを検出する方法であって、
レーザのアクティブ空洞において第１の光を生成するステップであって、前記第１の光の少なくとも一部は、検出されるべきガスの吸収帯により吸収されるように構成されるステップと、
前記検出されるべきガスを含むように構成された検出ボリュームを通過する前記第１の光を発するステップと、
前記アクティブ空洞に再び入る散乱又は反射された前記第１の光である第２の光により、前記アクティブ空洞に光フィードバックを供給するステップと、
前記検出されるべきガスによる前記第１の光の吸収により、前記アクティブ空洞におけるレーザパワーを変化させるステップと、
検出器をアクティブ空洞に結合させるステップと、
前記アクティブ空洞における変化するレーザパワーに関連する測定データを前記検出器により生成するステップと、
前記測定データを前記解析回路に供給するステップと、
前記検出器から受信された前記測定データに基づいて、前記検出されるべきガスの存在及び／又は濃度を、前記解析回路により決定するステップと、
を有する方法。
【請求項１１】
燃焼機関のオフガス及び／又は煤粒子の濃度に依存して、前記解析回路によりモータコントローラを起動するステップと、
前記オフガス及び／又は煤粒子の濃度に依存して、前記モータコントローラにより前記燃焼機関の動作点を制御するステップと、
を更に有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
燃焼機関を制御するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータプログラムが前記燃焼機関の制御システムを制御するコンピュータ上で実行されるときに、請求項８に記載の制御システムに請求項１０に記載の方法のステップを実行させるためのプログラムコードを有する、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザセンサユニットを有するガス検出装置、斯かるガス検出装置を有する制御システム、及び斯かる制御システムを有する車両に関する。
【０００２】
本発明は更に、ガスの存在及び／又は濃度を検出する対応する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
レーザガス吸収分光法のための垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の利用は、国際特許出願公開WO2005/026705から知られている。国際特許出願公開WO2005/026705に記載された装置は、少なくとも２つのＶＣＳＥＬダイオードと２つの外部光検出器とを有する。ＶＣＳＥＬ注入電流は、それぞれＦ及び２Ｆの周波数で変調される。吸収ガスの濃度が、２つのロックイン増幅器により検出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
該装置は複雑で高価である。
【０００５】
本発明の目的は、改善されたガス検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本目的は、少なくとも１つのレーザセンサユニットと、駆動回路と、解析回路と、を有するガス検出装置であって、
前記レーザセンサユニットは、少なくとも１つのアクティブ空洞と、電極と、少なくとも１つの光フィードバック構造と、検出ボリュームと、少なくとも１つの検出器と、を有し、前記アクティブ空洞は、第１の反射構造と第２の反射構造との間に挟持されたアクティブ層を有し、前記第１の反射構造は、前記第２の反射構造よりも高い反射率を持ち、前記電極は、前記アクティブ層に電流を注入するように構成され、前記検出器は、前記アクティブ空洞に結合され、前記検出ボリュームは、前記第２の反射構造と前記光フィードバック構造との間に配置され、前記検出ボリュームは、検出されるべきガスを含むように構成され、
前記駆動回路は、前記電極に電気的に結合され、前記駆動回路は、前記第２の反射構造を介して前記検出ボリュームに第１の光が発せられるように前記アクティブ空洞を電気的にポンピングするように構成され、前記第１の光の少なくとも一部が、前記検出されるべきガスの吸収帯により吸収されるように構成され、
前記光フィードバック構造は、前記検出ボリュームを通過した前記第１の光を散乱又は反射させ、前記第１の光が前記アクティブ空洞に再び入るようにするよう構成され、
前記アクティブ空洞に再び入る前記散乱又は反射させられた前記第１の光は、前記検出ボリューム中の前記検出されるべきガスによる前記第１の光の吸収に依存して前記アクティブ空洞におけるレーザパワーの変化を引き起こす第２の光であり、
前記検出器は、前記アクティブ空洞におけるレーザパワーに関連した測定データを生成するように構成され、
前記検出器は、前記解析回路に結合され、前記解析回路は、前記検出器から受信された前記測定データに基づいて、前記検出されるべきガスの存在及び／又は濃度を決定するように構成された、ガス検出装置により達成される。
【０００７】
検出室は２つの開口部を持ち、一方においてはガスが流入し、他方においてガスが流出する。ガス流が検出室を通過し得、該ガス検出装置は、検出されるべきガス（例えばＣＯ）が該ガス流に存在するか否かを決定し、及び／又は検出されるべきガスの濃度を決定し得る。検出されるべきガスの存在及び／又は濃度の測定は、該検出されるべきガスの１つの吸収帯に第１の光の波長を合わせることにより実行され得る。第１の光が光フィードバック構造に至る途中での、及び光フィードバック構造により散乱又は反射された後で戻る途中での、検出されるべきガスによる第１の光の光吸収は、アクティブ空洞に再び入る第２の光の強度に影響を与え、その結果、レーザパワーの変化、又はより一般的には、アクティブ空洞における光パワー密度の変化を引き起こす。光パワー密度のこれらの変化は、アクティブ空洞に結合された検出器により検出される。アクティブ空洞における光パワー密度の変化の検出は、先行技術に比べて、簡便で低コストなガス検出装置を実現する。検出器はアクティブ空洞に光学的に結合されても良いし、又は、アクティブ空洞の抵抗に関連するデータを測定することにより他の態様で（例えば電気的に）結合されても良い。光学的に結合されるとは、アクティブ空洞における光パワー密度の変化が、アクティブ空洞において直接的に測定されるか又は第１の光のパワー密度を測定することにより間接的に測定されるように構成されるように、検出器が配置されることを意味する。
【０００８】
第１の光のスペクトル幅は、検出されるべきガスの吸収帯により引き起こされる吸収が、検出されるべきガスを検出する又は検出されるべきガスの濃度を測定するのに十分となるように選択される。好適には、該スペクトル幅は、検出されるべきガスの吸収帯の線幅と等しいか該線幅よりも狭くても良い。駆動回路は、一定の駆動電流によりレーザセンサユニットを駆動する単純な電子回路であっても良い。代替としては、駆動回路は、１つ以上の定義されたＤＣ駆動電流で、任意に付加的なＡＣ電流成分を伴って、レーザセンサユニットを駆動することが可能な、更に高度な電子回路であっても良い。解析回路は、単純なトランジスタ、ＡＳＩＣ、又は検出器により生成される測定信号に基づいて検出されるべきガスの存在又は濃度を決定することが可能な他のいずれかの電子回路であっても良い。該ガス検出装置は、異なる吸収帯において検出されるべき異なるガス又は検出されるべき１種のガスを検出するため、異なる波長において動作する幾つかのレーザセンサユニットを有しても良い。代替としては、該ガス検出装置は１つのレーザセンサユニットのみを有しても良く、該レーザセンサユニットが後に検出されるべき１種以上のガスの種々の吸収帯に対応する種々の波長に合わせられても良い。検出されるべきガスはガス分子を有し得るが、例えばオフガスに存在するような煤粒子のような小さな粒子をも有し得る。更に、ガスの物理的条件を基本的に一定に保つために、検出室に温度センサ及び／又は加熱又は冷却手段が追加されても良い。温度や圧力等のような一定の物理的な条件は、ガス検出装置の精度を向上させ得る。
【０００９】
本発明による他の実施例においては、前記駆動回路は更に、前記第１の光の波長を周期的に調整するように構成され、前記第１の光の波長の調整範囲は、少なくとも前記検出されるべきガスの吸収帯の帯域幅を有する。第１の光の波長は、レーザセンサ装置の電極に供給されるＡＣ電流成分により調整されても良い。該ＡＣ電流成分は、正弦波、三角波、鋸歯状波、又はレーザセンサユニットの波長を周期的に調整するのに適した他のいずれの形状のものであっても良い。レーザセンサユニットの波長の周期的な変化は、検出されるべきガスの吸収帯の走査を可能とし得る。吸収帯の走査は、ガス検出装置を較正するため、検出されるべきガスの吸収帯の外の第１の波長から始まり、その後に、同様に検出されるべきガスの吸収帯の外の第２の波長までの、検出されるべきガスの吸収帯を横切った走査により後続されても良い。フィードバック構造により供給される光フィードバックが強くないときには特に、アクティブ空洞における光パワー密度の変化は、検出されるべきガスによる吸収が過度に強くなく、検出されるべきガスの濃度が決定され得る限り、線形である。検出されるべきガスの濃度の決定の精度は、第１の光のスペクトル幅が、検出されるべきガスの吸収帯の線幅よりもかなり小さい場合に改善され得る。第１の光のスペクトル幅は、検出されるべきガスの吸収帯の線幅の１／２、より好適には１／１０、更に好適には１／１００であっても良い。
【００１０】
本発明による他の実施例においては、前記光フィードバック構造は第３の反射構造であり、前記アクティブ空洞と前記第３の反射構造とが垂直拡張共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）を構成し、前記検出ボリュームは拡張空洞の少なくとも一部である。ＶＥＣＳＥＬにおいては、第１の反射構造は９９．５％よりも高い反射率を持ち得、第２の反射構造は例えば７０％の低い反射率を持ち得る。第２の反射構造の低い反射率のため、付加的な光フィードバックなしではアクティブ空洞におけるレーザ発振は可能ではない。付加的な光フィードバックは、外部の又は延長された第２の反射構造を持つ空洞を構成する反射率の高いミラーである第３の反射構造により提供される。反射率の高いミラーにより提供される付加的な光フィードバックにより、レーザ発振が可能となる。レーザ発振は、検出室における検出されるべきガスの濃度が特定の閾値濃度を超えるとすぐに中断され得る。該中断は検出器により検出され、該検出器は例えば、レーザ発振の中断が起こるとすぐに大きく減少した光電流を発生し、それによりアクティブ空洞における光パワー密度が大きく低減されるようなフォトダイオードである。この場合、フォトダイオードはアクティブ空洞に直接に結合される必要はない。なぜなら、アクティブ空洞における光パワー密度の変化は非常に大きいからである。該フォトダイオードは、解析回路であるトランジスタの基板に電気的に接続されていても良く、該トランジスタは、光電流が光電流閾値より下回るとすぐに第１の状態から第２の状態に切り換わるものであっても良い。該実施例は、例えば煙探知機において利用され得る。
【００１１】
本発明による更に他の実施例においては、前記アクティブ空洞は垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を構成し、前記光フィードバック構造は拡散散乱面である。ＶＥＣＳＥＬにおいては、第１の反射構造は９９．５％よりも高い反射率を持ち得、第２の反射構造は例えば９９％の低い反射率を持ち得る。第２の反射構造により提供される光フィードバックは、付加的な光フィードバックなしにアクティブ空洞のレーザ発振を可能とするのに十分である。アクティブ空洞により発せられるレーザ光である第１の光は、検出ボリュームを通過し、検出されるべきガスにより部分的に吸収され得る。アクティブ空洞に再び入る第２の光の強度、又は換言すれば、アクティブ空洞に対する拡散散乱面により提供される光フィードバックは、検出されるべきガスによる第１の光の吸収に依存する。拡散散乱面により提供される光フィードバックにより引き起こされるアクティブ空洞における光パワー密度の変化は、自己混合干渉と呼ばれる。検出されるべきガスの吸収は、例えば第１の反射構造に結合されたフォトダイオードである検出器により検出されるアクティブ空洞における光パワー密度の更なる変化を引き起こす。該フォトダイオードは、アクティブ空洞から漏れ出すレーザ光の僅かな一部に基づいて測定データを生成する。拡散反射構造により提供される光フィードバックが過度に強くない限り、検出されるべきガスの濃度は高過ぎず（第１の光の完全吸収）、第１の光の線幅は十分に小さく、フォトダイオードにより生成される測定データは基本的に検出されるべきガスの濃度に線形に依存し、解析回路は検出されるべきガスの濃度を用意に決定し得る。それにもかかわらず、光フィードバック構造によりアクティブ空洞に提供される光フィードバックは、フォトダイオードにより生成される測定データがガスの濃度に非線形に依存するほど強くなり得る。この場合、検出されるべきガスの濃度を決定するためには、例えば基準データを持つ保存装置を有する、より高度な解析回路が必要となり得る。該ガス検出装置の精度は、上述したように検出されるべきガスの吸収線を走査し、検出されるべきガスの吸収帯とは異なる波長を持つ第１の光を定期的に発することにより該ガス検出装置を定期的に較正することによって、改善され得る。光フィードバック構造により提供される光フィードバックは更に、第２の反射構造と該光フィードバック構造との間に配置され、且つ第１の光を拡散反射面に合焦させるように構成された光学素子により適合され得る。該光学素子は、レンズ等であっても良い。
【００１２】
本発明によるガス検出装置は、少なくとも第１及び第２のレーザセンサユニットの２つのレーザセンサユニットを有しても良く、前記第１のレーザセンサユニットは第１の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を有し、前記第１の垂直共振器面発光レーザにより発せられる前記第１の光の波長の調整幅は、少なくとも検出されるべき第１のガスの吸収帯の帯域幅を有し、前記第２のレーザセンサユニットは第２の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を有し、前記第２の垂直共振器面発光レーザにより発せられる前記第１の光の波長の調整幅は、少なくとも検出されるべき第２のガスの吸収帯の帯域幅を有しても良い。２つ、３つ若しくは４つのレーザセンサユニット又はレーザセンサユニットのアレイを利用することは、検出されるべき種々のガスの検出を可能とし得る。ＣＯ又はＣＯ２のような種々のガスの濃度が決定される場合、例えばガス流における酸素の潜在性を決定することが可能となる。２つ、３つ、４つ又はそれ以上のレーザセンサユニットは、検出されるべき１つのガスの異なる吸収帯に合わせられても良い。異なるレーザセンサユニットのアクティブ空洞に結合された検出器により生成される測定データは、検出されるべきガスの濃度を独立して決定するために利用されても良く、解析回路が更に検出されるべきガスの濃度を比較するように構成されても良い。検出されるべきガスの濃度は、該ガス検出装置の信頼性を向上するため、異なるレーザセンサユニットにより提供される測定データの比較により決定されても良い。
【００１３】
本発明による他の実施例においては、制御システムが前記ガス検出装置を有しても良く、前記制御システムは、前記検出されるべきガスの濃度に依存して起動される制御手段を更に有しても良い。該制御手段は、室内の例えばＣＯの濃度が所定の閾値を超えるとすぐに起動される換気装置の形をとっても良い。代替としては、該制御手段は、例えば煙が検出されるとすぐに又は煙の濃度が所定の閾値を超えるとすぐに起動される警報器の形をとっても良い。代替としては、該制御システムは、燃焼機関を制御するために利用されても良い。該燃焼機関は斯かる制御システムを有しても良いし、又は、該燃焼機関は斯かる制御システムに結合されても良く、この場合には、該ガス検出装置は、該燃焼機関の少なくとも１種のオフガス及び／又は煤粒子の濃度を決定するように構成されても良く、該制御手段は、オフガスの濃度に依存して該燃焼機関の動作点を制御するモータコントローラであっても良い。該燃焼機関の動作点は、所定の時間内に該燃焼機関に供給される燃料の量を調整することにより制御されても良い。代替として又はこれに加えて、例えば酸素のような酸化剤の量が調整されても良い。更に、該燃焼機関の圧力又は温度が調整されても良い。該ガス検出装置は、例えばＣＯ及びＣＯ２又は別の酸化窒素のような種々のオフガス間の関係を決定しても良く、モータコントローラが、種々のガス間の関係に依存して該燃焼機関の動作点を調整しても良い。代替として又はこれに加えて、該ガス検出装置は、オフガスにおける煤濃度を決定しても良い。該制御システムはまた、代替として又はこれに加えて、該燃焼機関の供給管に配置されても良い。解析回路は、モータコントローラの一部であっても良いし、又は独立した回路であっても良い。自動車、トラック、列車等のような車両が、該燃焼機関及び該制御システムを有しても良い。
【００１４】
本発明の更なる目的は、ガスを検出する改善された方法を提供することにある。
【００１５】
本目的は、ガスを検出する方法であって、
レーザのアクティブ空洞において第１の光を生成するステップであって、前記第１の光の少なくとも一部は、検出されるべきガスの吸収帯により吸収されるように構成されるステップと、
前記検出されるべきガスを含むように構成された検出ボリュームを通過する前記第１の光を発するステップと、
前記アクティブ空洞に再び入る散乱又は反射された前記第１の光である第２の光により、前記アクティブ空洞に光フィードバックを供給するステップと、
前記検出されるべきガスによる前記第１の光の吸収により、前記アクティブ空洞におけるレーザパワーを変化させるステップと、
検出器をアクティブ空洞に結合させるステップと、
前記アクティブ空洞における変化するレーザパワーに関連する測定データを前記検出器により生成するステップと、
前記測定データを前記解析回路に供給するステップと、
前記検出器から受信された前記測定データに基づいて、前記検出されるべきガスの存在及び／又は濃度を、前記解析回路により決定するステップと、
を有する方法により達成される。
【００１６】
本発明による他の実施例においては、本方法は、
燃焼機関のオフガス及び／又は煤粒子の濃度に依存して、前記解析回路によりモータコントローラを起動するステップと、
前記オフガス及び／又は煤粒子の濃度に依存して、前記モータコントローラにより前記燃焼機関の動作点を制御するステップと、
を更に有する。
【００１７】
本発明の更なる態様においては、例えば自動車の燃焼機関を制御するためのコンピュータプログラムが提供される。前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータプログラムが前記燃焼機関の制御システムを制御するコンピュータ上で実行されるときに、請求項８に記載の制御システムに請求項１０に記載の方法のステップを実行させるためのプログラムコードを有する。
【００１８】
請求項１のガス検出装置、請求項１０の方法、請求項８の燃焼機関、及び請求項１３のコンピュータプログラムは、従属請求項において定義されるような類似する及び／又は同一の実施例を持つことは、理解されるであろう。
【００１９】
本発明の好適な実施例は、それぞれの独立請求項との従属請求項のいずれかの組み合わせであっても良いことは、理解されるであろう。
【００２０】
本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施例を参照しながら説明され明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるガス検出装置の第１の実施例に含まれるレーザセンサユニットを模式的に示す。
【図２】本発明によるガス検出装置の第２の実施例に含まれる更なるレーザセンサユニットを模式的に示す。
【図３】本発明によるガス検出装置の実施例を模式的に示す。
【図４】検出室における検出されるべきガスの存在により検出器により生成され得る測定データを示す。
【図５】本発明の他の実施例による制御システムを示す。
【図６】本発明による燃焼機関を持つ車両を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、アクティブ空洞１０を備えた垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を有するレーザセンサユニット１００を模式的に示し、該アクティブ空洞１０は、例えば９９．５％よりも高い反射率を持つ分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）のような第１の反射構造４と、約９９％の反射率を持つＤＢＲである第２の反射構造２と、双方のＤＢＲ間に埋め込まれた量子井戸層のようなアクティブ層３とを有する。検出器２０は、第１の反射構造４及び半導体基板又はこの目的のために利用され得る他のいずれかの層である基板１に装着されたフォトダイオードである。導電性のＤＢＲを介してアクティブ層に電流を注入するため、電極４０がＤＢＲに装着されている。該電流は、第２の反射構造２を通して、レーザ光である第１の光７を発するため、アクティブ層を電気的にポンピングするために利用される。第２の反射構造２と光フィードバック構造３０である拡散散乱面との間には検出ボリュームがあり、該検出ボリュームを通って流れる、検出されるべきガス５０が存在している。第１の光７及び散乱された第１の光８は、該検出されるべきガスにより部分的に吸収され、自己混合干渉によりアクティブ空洞１０における光パワー密度に影響を与える第２の光としてアクティブ空洞１０に再び入る。該アクティブ空洞における光の一部は、反射率の高い第１の反射構造４を通って漏れ出し、フォトダイオードによって検出される。その結果、該フォトダイオードにより生成される測定データは、検出されるべきガスによる第１の光７、８の吸収により影響を受け、該測定データは、検出されるべきガス５０の存在及び／又は密度を決定するために利用されることができる。
【００２３】
図２は、本発明によるガス検出装置の一部であり得る更なるレーザセンサユニット１００を模式的に示す。レーザセンサユニット１００は、垂直拡張（又は外部）共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）を有する。ＶＥＣＳＥＬは、例えば９９．５％よりも高い反射率を持つ分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）のような第１の反射構造４と、約７０％の反射率を持つＤＢＲである第２の反射構造２と、双方のＤＢＲ間に埋め込まれた量子井戸層のようなアクティブ層３とを有する。第２の反射構造２からの光フィードバックは、ＶＣＳＥＬの場合におけるようには、アクティブ空洞１０のレーザ発振を可能とするのに十分ではない。該ＶＥＣＳＥＬは更に、例えば９９％の高い反射率を持つ更なるＤＢＲのような光フィードバック構造を有する。第２の反射構造２と光フィードバック構造３０との間の空洞は、ＶＥＣＳＥＬの拡張又は外部空洞であり、検出ボリュームの少なくとも一部である。光フィードバック構造３０は、ＶＥＣＳＥＬのレーザ発振を可能とするため、アクティブ空洞に十分な光フィードバックを供給するように構成される。上述した図１において議論されたように、第１及び第２の反射構造２、４を構成する導電性のＤＢＲを介してアクティブ層に電流を注入するため、電極４０がこれらＤＢＲに装着されている。第１の反射構造４は基板１に直接装着され、検出器２０であるフォトダイオードは、該フォトダイオードが拡張空洞の外側となるような光フィードバック構造３０の側に装着される。図１に関連して議論されたように、検出ボリュームを通過する検出されるべきガス５０は、第１の光７、８の少なくとも一部の吸収を引き起こす。該吸収が定義された閾値を超えるとすぐに、ＶＥＣＳＥＬのレーザ発振はもはや不可能となる。なぜなら、光フィードバック構造により提供される光フィードバックが、もはやレーザ発振を可能とするのに十分ではないからである。レーザ発振の中断及びそれに関連するアクティブ空洞１０における光パワー密度の変化はフォトダイオードにより検出され、対応する測定データが生成される。
【００２４】
図３において、本発明によるガス検出装置２００の実施例が模式的に示されている。図１又は２に示されたレーザセンサユニット１００は、駆動回路１１０に接続される。駆動回路１１０は、検出されるべきガスの吸収帯を走査するためレーザセンサユニット１００の波長に合わせるために、付加的なＡＣ電流成分を伴う所定のＤＣ電流で該レーザセンサユニットを駆動する。レーザセンサユニット１００の検出器により生成された測定データは、解析回路１２０により有線又は無線によって受信される。解析回路１２０は、レーザセンサユニット１００により供給された測定データに基づいて、検出されるべきガスの存在及び／又は濃度を決定する。更に、本実施例における解析回路１２０は、レーザセンサユニット１００に供給されるＤＣ電流及び／又はＡＣ電流成分を、検出されるべきガスの吸収帯の波長及び線幅に適合させるために、駆動回路１１０にフィードバックを供給するように構成される。この手段は、レーザセンサユニット１００が、異なる吸収帯を持つ検出されるべき種々のガスに対して測定データを生成するように構成される場合、必要となり得る。
【００２５】
典型的な測定データ、例えば図１に示されたレーザセンサユニット１００のフォトダイオードにより検出される光電流信号の時間導関数が、図４の左側に示されている。該測定データのＤＣ成分は、光フィードバックのないＶＣＳＥＬ出力パワーに対応する。該測定データの高周波成分ＦＳＭは、アクティブ空洞１０において生成されたレーザ光と、アクティブ空洞１０に再び入ってくる後方散乱された第２の光との間の、自己混合に対応する。注入電流変調によるＶＣＳＥＬの発光波長の調整は、電極４０を介して駆動回路１１０により供給されるＡＣ成分（例えば鋸歯状ＡＣ電流）により、周期的に実行される。自己混合信号の振幅は、検出ボリュームにおける検出されるべきガス５０の吸収帯により引き起こされるガス吸収により起伏させられる。該吸収帯の線幅はＶＣＳＥＬの発光波長の調整範囲内であり、レーザ発光の線幅は、検出されるべきガスの吸収帯の線幅に比べて小さい。図４の右側は、レーザセンサユニット１００により生成された測定データのフーリエ変換後の周波数ドメインにおける測定データの解析を示す。フーリエ変換又は高速フーリエ変換は、解析回路１２０により実行される。信号の振幅は、該信号の周波数に依存して示される。光路中の検出されるべきガス５０は、ＦＳＭの側波帯に寄与する。側波帯Ｆｇａｓの振幅は、対応する検出されるべきガス５０の濃度を示し、解析回路１２０により決定される。
【００２６】
図５において、図２と関連して説明されたレーザセンサユニット１００を備えたガス検出装置２００と、該ガス検出装置２００に有線又は無線により結合された換気装置である制御手段３００と、を有する制御システムが示されている。該制御システムは例えば、オフガスとしてＣＯを生成する暖房装置を備えた室内に設置されても良い。該ガス検出装置は、ＣＯの濃度が所定の閾値を超えるとすぐに該換気装置を起動する。
【００２７】
図６において、自動車のような車両に一体化された燃焼機関４００が示されている。燃焼機関４００は、図１に示されたレーザセンサユニット１００を幾つか備えたガス検出装置２００を有する。燃焼機関４００は更に、モータコントローラである制御手段３００を有する。ガス検出装置２００は例えば、排気管４１０を介して該車両を離れる、燃焼機関４００のオフガス中のＣＯ、ＣＯ２、ＮＯ及びＮＯ２の濃度を決定する。該ガス検出装置は、例えばこれらガスの１種又はこれらガスの２つの関連が所定の閾値を超えた場合に、モータコントローラを起動する。該モータコントローラは、例えば該燃焼機関に供給される燃料及び／又は酸素の量を変化させることにより、該燃焼機関の動作点を変更する。
【００２８】
本発明の着想により、ガスの存在及び／又は濃度を決定するために自己混合干渉が利用される。アクティブ空洞に対する検出器の結合が、先行技術に比べてガス検出装置を簡略化する。この目的のため、ＶＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬが適切であり得る。なぜなら、これらレーザは０．７μｍと２μｍとの間の波長範囲で市販されており、表１に示すように、工業用ガス及び産業ガスは当該波長範囲に吸収帯を持つからである。
【表１】
2011527750.tif 000003
【００２９】
更に、ＶＣＳＥＬ及びＶＥＣＳＥＬは、半導体加工により製造されることができ、コスト削減を可能とする。
【００３０】
以上に説明された実施例においては、センサはＶＣＳＥＬベースの自己混合干渉センサであったが、他の実施例においては、自己混合干渉センサに基づく他のセンサが利用されても良い。固体レーザ、気体レーザ、遠視用単色光源（ナトリウムランプ）等のような、いずれのコヒーレント光源が、干渉計システムと組み合わせて利用されても良い。
【００３１】
請求項において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。
【００３２】
手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。
【００３３】
単一の有する又は装置が、請求項において列挙された幾つかのアイテムの機能を実行しても良い。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。
【００３４】
１つ又は幾つかのユニット又は装置による決定、算出等は、他のいずれの数のユニット又は装置によって実行されても良い。本方法によるガス検出装置、制御システム及び燃焼機関の制御は、コンピュータプログラムのプログラムコード手段として及び／又は専用のハードウェアとして実装されても良い。
【００３５】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又は他のハードウェアの一部として供給される光記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体上で保存／配布されても良いが、インターネット又はその他の有線若しくは無線通信システムを介してのような、他の形態で配布されても良い。
【００３６】
請求項における参照記号は、これら請求項の請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００３７】
１  基板
２  第２の反射構造
３  アクティブ層
４  第１の反射構造
７  第１の光
８  光フィードバック構造により散乱又は反射させられた第１の光
１０  アクティブ空洞
２０  検出器
３０  光フィードバック構造
４０  電極
５０  検出されるべきガス
１００  レーザセンサユニット
１１０  駆動回路
１２０  解析回路
２００  ガス検出装置
３００  制御手段
４００  燃焼機関
４１０  排気管
【図１】
2011527750.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011527750.tif 000007
【図５】
2011527750.tif 000008
【図６】
2011527750.tif 000009
【国際調査報告】
2011527750.tif 000010