(57)【要約】【課題】測定距離が大きくなっても、ガスの検出感度が低下するのを抑制する。【解決手段】ガス検出装置１は、一定の光を出射するＬＤ１４ａと、ＬＤ１４ａの光を平行光とするコリメートレンズ１６と、コリメート後の光を反射しながら走査するポリゴンミラー１８と、ＬＤ１４ａとポリゴンミラー１８とを制御してポリゴンミラー１８の動作に応じてＬＤ１４ａの光の波長を変動させる制御装置１２と、走査後の光を受光し特定のガスを検出する受光機構３０と、を備える。【選択図】図１
2016170056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の光を出射する光源と、
前記光源の光を平行光とするコリメートレンズと、
コリメート後の光を反射しながら走査する反射ミラーと、
前記光源と前記反射ミラーとを制御して前記反射ミラーの動作に応じて前記光源の光の波長を変動させる制御装置と、
走査後の光を受光し特定のガスを検出する受光機構と、
を備えることを特徴とするガス検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス検出装置において、
前記制御装置が、前記光源の駆動電流または前記光源の温度を制御して前記光源の光の波長を変動させることを特徴とするガス検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガス検出装置において、
前記光源が回折格子を有する半導体集積型ＬＤまたはＭＥＭＳ型ＬＤであり、
前記制御装置が、前記回折格子の温度を変化させるか、または前記回折格子を回転させ、前記光源の光の波長を変動させることを特徴とするガス検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス検出装置において、
前記反射ミラーが複数の反射面を有するポリゴンミラーであり、
前記複数の反射面が互いに同一の傾斜角度を有し、
前記制御装置が、前記光源を制御して前記ポリゴンミラーの反射面ごとに前記光源の光の波長を変動させることを特徴とするガス検出装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス検出装置において、
前記反射ミラーが複数の反射面を有するポリゴンミラーであり、
前記複数の反射面が互いに異なる傾斜角度を有し、
前記制御装置が、前記光源を制御して前記ポリゴンミラーが周回するごとに前記光源の光の波長を変動させることを特徴とするガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタンなどのガスは赤外線領域の特定波長に対して吸収特性を持つことが一般に知られており、赤外線の照射波長に対する受光信号の出力変化量を検出することで特定のガスを検出する装置が数多く存在する（特許文献１参照）。
近年では、広範囲にわたりガスを高感度に検出し、配管などの漏洩個所を視覚的に認識することが求められている。特許文献２にはこのような要求に応える装置が開示されている。特許文献２の技術によれば、吸収赤外線と非吸収赤外線とを測定対象に照射しその反射光の受光量の差分からガス濃度の漏洩分布を求め、その後にガス濃度が最大の漏洩位置を算出してそこに可視光を照射し、配管の漏洩箇所を指示しうるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第2866230号明細書
【特許文献２】特許第3725832号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２の技術では赤外線を角錐状に広げて照射し、ガス濃度の漏洩分布を求めているため（段落００１８〜００１９、００２６参照）、一度の測定で広範囲にわたりガスを検出可能であるものの、測定距離が大きくなるにつれて単位面積あたりの照射光量が小さくなり、ガスの検出感度が著しく低下すると考えられる。
したがって本発明の主な目的は、測定距離が大きくなっても、ガスの検出感度が低下するのを抑制することができる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】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明によれば、
一定の光を出射する光源と、
前記光源の光を平行光とするコリメートレンズと、
コリメート後の光を反射しながら走査する反射ミラーと、
前記光源と前記反射ミラーとを制御して前記反射ミラーの動作に応じて前記光源の光の波長を変動させる制御装置と、
走査後の光を受光し特定のガスを検出する受光機構と、
を備えることを特徴とするガス検出装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、光源の光がコリメートレンズでコリメートされるため、測定距離が大きくなっても、単位面積あたりの照射光量が低下するのが抑制され、ガスの検出感度が低下するのを抑制することができる。
特に本発明によれば、コリメート後の光が反射ミラーで走査され、反射ミラーの動作に応じて光の波長が変動するため、広範囲にわたりガスを高感度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ガス検出装置の概略構成を示す図である。
【図２】ポリゴンミラーの反射面とＬＤ電流との経時的関係を概略的に示す図である。
【図３】走査ライン上の測定箇所とＬＤ電流とポリゴンミラーの反射面との関係を概略的に示す図である。
【図４】特定の測定箇所におけるＬＤ電流と電気信号との関係を概略的に示す図である。
【図５】（ａ）第２の実施形態にかかるポリゴンミラーの概略的な構成を示す側面図であり、（ｂ）当該ポリゴンミラーを周回させた場合の走査ラインの形成跡を示す図である。
【図６】図５の変形例を示す図である。
【図７】背景画像に対しガス濃度が重畳された例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。
【０００９】
［第１の実施形態］
図１に示すとおり、ガス検出装置１は発光機構１０および受光機構３０を備えている。
発光機構１０は制御装置１２、光源ユニット１４、コリメートレンズ１６およびポリゴンミラー１８を備えている。
【００１０】
光源ユニット１４はレーザーダイオード１４ａ（ＬＤ；Laser Diode）、ペルチェ素子１４ｂおよび温度センサー１４ｃを備え、これらが一体にパッケージされた構成を有している。
ＬＤ１４ａは一定のレーザー光（赤外線）を出射する光源であって、検出しようとするガスに吸収される波長を有するレーザー光を出射するものである。ＬＤ１４ａは断続的にレーザー光を出射するパルスレーザーであってもよいし、連続的にレーザー光を出射するＣＷレーザー（Continuous wave laser）であってもよい。ＬＤ１４ａは光源の一例であり、ＬＤ１４ａに代えて他の光源が使用されてもよい。
ＬＤ１４ａは制御装置１２と接続されている。制御装置１２はＬＤ１４ａを駆動させるための電流（ＬＤ電流）を制御するようになっている。ＬＤ電流を制御すれば、ＬＤ１４ａの温度を微小変化させることができ、ひいてはＬＤ１４ａから出射されるレーザー光の波長を変動させることができる。
ペルチェ素子１４ｂ、温度センサー１４ｃも制御装置１２と接続されている。制御装置１２は温度センサー１４ｃの検出結果に基づきペルチェ素子１４ｂに流れる電流を制御し、ＬＤ１４ａの温度（ＬＤ温度）を制御するようになっている。ＬＤ温度を制御した場合も、ＬＤ１４ａから出射されるレーザー光の波長を変動させることができる。
【００１１】
コリメートレンズ１６はＬＤ１４ａのレーザー光を平行光とするレンズである。コリメート後のレーザー光には発散光も多少含まれる。
ポリゴンミラー１８はいわゆる回転多面鏡であって、ＬＤ１４ａのレーザー光を回転しながら反射しライン状に走査するものである。ポリゴンミラー１８は反射ミラーの一例であり、ポリゴンミラー１８に代えてガルバノミラーが使用されてもよい。ポリゴンミラー１８は複数の反射面を有しており、ここでは第１面１８ａ〜第７面１８ｇを有する例を示している。第１面１８ａ〜第７面１８ｇは回転軸１９に対し互いに同一の傾斜角度を有している。
ポリゴンミラー１８にはステッピングモーター２０が接続されている。ステッピングモーター２０にはロータリーエンコーダー２１が内蔵されている。ステッピングモーター２０およびロータリーエンコーダー２１は制御装置１２と接続されている。制御装置１２はロータリーエンコーダー２１の検出結果に基づきステッピングモーター２０を制御し、ポリゴンミラー１８の回転を制御するようになっている。
【００１２】
他方、受光機構３０は受光センサー３２、アンプ３４、アナログ−デジタルコンバーター３６（ＡＤＣ；Analog to Digital Converter）および演算装置３８を備えている。
受光センサー３２は、ＬＤ１４ａから出射され壁４０で反射したレーザー光を受光して光電変換し、受光量に基づき電気信号に変換するものである。
受光センサー３２にはアンプ３４が接続されている。アンプ３４は電気信号を増幅させる増幅回路である。
アンプ３４にはＡＤＣ３６が接続されている。ＡＤＣ３６はアナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路である。
ＡＤＣ３６には演算装置３８が接続されている。演算装置３８はデジタル信号を受信してその受信結果を演算処理し、特定のガスを検出しそのガス濃度を算出するものである。
【００１３】
続いて、ガス検出装置１のガス検出動作について説明する。
【００１４】
図１に示すとおり、制御装置１２がポリゴンミラー１８の回転を制御した状態でＬＤ１４ａからレーザー光を出射させると、レーザー光は、コリメートレンズ１６で平行光とされポリゴンミラー１８に入射する。
【００１５】
その後、レーザー光は第１面１８ａ〜第７面１８ｇごとに、水平方向（Ｘ方向）に沿う複数の測定箇所Ａ〜Ｌにわたってライン状に走査され、壁４０で反射され、その後ポリゴンミラー１８に戻って再度反射され受光センサー３２で受光される。ガスのない部分を透過したレーザー光は光透過率が低下せずに受光される。他方、ガスのある部分を透過したレーザー光はその一部がガスで吸収されるため光透過率が低下した状態で受光される。図１ではレーザー光が測定箇所Ｇでガスのある部分を透過した例を示している。
【００１６】
かかる場合、図２に示すとおり、制御装置１２は、ＬＤ温度を一定に保持した状態で、ポリゴンミラー１８の反射面が切り替わるごとに、ＬＤ電流を段階的に増大させレーザー光の波長を変動させる。
詳しくは、制御装置１２は、レーザー光が第１面１８ａに入射している期間中はＬＤ電流としてＩ１を流し、第１面１８ａから第２面１８ｂに切り替わる際にＬＤ電流をＩ１からＩ２に増大させる。これと同様に、制御装置１２は、第２面１８ｂから第３面１８ｃに切り替わる際にＬＤ電流をＩ２からＩ３に増大させ、最終的に第６面１８ｆから第７面１８ｇに切り替わる際にＬＤ電流をＩ６からＩ７に増大させる。ＬＤ電流の変動幅は非常に微小であり、たとえば１０〜１００μＡ程度である。その結果、図３に示すとおり、測定箇所Ａ〜Ｌには、ポリゴンミラー１８の反射面が切り替わるごとに、互いにＬＤ電流が異なるレーザー光が照射され、同一の測定箇所Ａ〜Ｌでは、波長が異なるレーザー光が照射される。
【００１７】
なお、制御装置１２は、ＬＤ電流を一定に保持した状態で、ポリゴンミラー１８の反射面が切り替わるごとに、ＬＤ温度を段階的に上昇させレーザー光の波長を変動させてもよい。
ＬＤ電流またはＬＤ温度の変動幅は同じでもよいし異なっていてもよい。
ＬＤ電流またはＬＤ温度は段階的に減少または下降させてもよいし不規則に変動させてもよい。
ＬＤ電流またはＬＤ温度は、ポリゴンミラー１８の反射面の切り替わりとは無関係に、連続的に増大もしくは上昇または減少もしくは下降させてもよい。
【００１８】
ＬＤ１４ａとして、半導体集積型ＬＤまたはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）型ＬＤを使用してもよい。
半導体集積型ＬＤとは、発光機能をもつ半導体光導波路（発光部）と、波長を決定する回折格子をもつ半導体導波路（回折格子部）とを、接続して１つの半導体チップ上に集積したものである。半導体集積型ＬＤによれば、回折格子部の温度を電流やヒーターなどで変化させることで半導体の屈折率を変え、回折格子の波長選択性を変更しうる。半導体集積型ＬＤを使用する場合、制御装置１２は、ポリゴンミラー１８の反射面が切り替わるごとに、回折格子部の温度を変化させレーザー光の波長を変動させればよい。
ＭＥＭＳ型ＬＤとは、発光機能を持つ半導体導波路（発光部）の外側に、回折格子と、回折格子の角度を機械的に変更できる部品とを取り付けたものである。ＭＥＭＳ型ＬＤによれば、回折格子を回転させることで発光部に戻す波長を変更し、レーザー光の波長を変化させうる。ＭＥＭＳ型ＬＤを使用する場合、制御装置１２は、ポリゴンミラー１８の反射面が切り替わるごとに、回折格子を回転させレーザー光の波長を変動させればよい。
【００１９】
その後、受光センサー３２がレーザー光を光電変換し、レーザー光の受光量に応じた電気信号を生成する。
かかる場合、図４に示すとおり、測定箇所Ａ〜Ｌごとに、段階的に増大させたＬＤ電流に対応する電気信号が生成される。図４では、レーザー光が測定箇所Ｇを透過した例を示しており、特にＬＤ電流がＩ４近傍のときに、レーザー光の一部がガスに吸収され電気信号が減少している状態を示している。
【００２０】
その後、アンプ３４が生成された電気信号を増幅し、ＡＤＣ３６が増幅された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、演算装置３８が変換後のデジタル信号を演算処理し特定のガスを検出する。ここでは測定箇所Ｇでガスが検出される。ガスが検出された場合には、演算装置３８が受光センサー３２での受光量に基づきガス濃度を算出する。ガス濃度は受光量の最大−最小の差分と平均受光量の比率により算出される。
【００２１】
以上の本実施形態によれば、ＬＤ１４ａのレーザー光がコリメートレンズ１６でコリメートされるため、測定距離が大きくなっても、単位面積あたりの照射光量が低下するのが抑制され、ガスの検出感度が低下するのを抑制することができる。
特に本実施形態によれば、コリメート後のレーザー光がポリゴンミラー１８で走査され、反射面が切り替わるごとに、ＬＤ電流が段階的に増大されレーザー光の波長が変動するため、広範囲にわたりガスを高感度に検出することができる。
さらに本実施形態によれば、ポリゴンミラー１８の動作に応じてＬＤ電流を段階的に増大させればよいため、高速でガスを検出することができるし、ポリゴンミラー１８とＬＤ電流の制御とでガスを検出しうるため、ガス検出にかかる構成が簡易で製造コストも低減することができる。
【００２２】
［第２の実施形態］
第２の実施形態は下記の点で第１の実施形態と異なっており、それ以外は第１の実施形態と同様となっている。
【００２３】
図５（ａ）に示すとおり、ポリゴンミラー１８の反射面が回転軸１９に対し互いに異なる傾斜角度を有しており、第１面１８ａ〜第７面１８ｇ同士で傾斜角度が互いに異なっている。
かかる構成によれば、ＬＤ１４ａのレーザー光は、反射面ごとに測定箇所Ａ〜Ｌにわたってライン状に走査されるとともに、反射面が切り替わるごとに当該ラインに直交する垂直方向（Ｙ方向）に移行してライン状に走査される。すなわち、ポリゴンミラー１８が周回（１回転）すると、図５（ｂ）に示すとおり、Ｘ方向に沿うラインがＹ方向に沿って７本形成され、２次元走査が実現される。
【００２４】
ガス検出動作では、制御装置１２は、ポリゴンミラー１８が周回するごとに、ＬＤ電流を段階的に増大させてＬＤ１４ａのレーザー光の波長を変動させる。ここでは、ポリゴンミラー１８の反射面が第１面１８ａ〜第７面１８ｇの７面であるため、ポリゴンミラー１８が７回転すると、同一の測定箇所でＬＤ電流が異なる電気信号が生成されうる。
【００２５】
以上の本実施形態によれば、ポリゴンミラー１８の反射面が互いに異なる傾斜角度を有しているため、ＬＤ１４ａのレーザー光が２次元走査され、２次元空間上でもガスを高感度に検出することができる。
【００２６】
本実施形態では、図６（ａ）に示すとおり、ポリゴンミラー１８とコリメートレンズ１６との間に多段階に傾斜可能なガルバノミラー２２を設置し、ポリゴンミラー１８の回転とガルバノミラー２２の多段階の傾斜とを組み合わせ、Ｙ方向へのラインを増加させてもよい。図６（ａ）ではガルバノミラー２２が傾斜角度Ｍ〜Ｏの３段階に傾斜可能である例を示している。
かかる構成によれば、ガルバノミラー２２の傾斜角度が切り替わるごとに、図６（ｂ）に示すとおり、Ｙ方向に沿う７本のラインがＹ方向に沿って３段にわたって形成され、さらに広範囲の２次元走査が実現される。
本実施形態では、ポリゴンミラー１８の反射面の一面の傾斜角度を、他の反射面の傾斜角度に対し大きくずらし、地面を走査させるようにしてもよい。
かかる構成によれば、壁４０周辺のガスの検出に加え、同時に地面周辺のガスも検出することができる。
【００２７】
なお、本発明の実施形態は上記に限定されず適宜改良されてもよい。
たとえば、ガス検出装置１に別途カメラを搭載して背景画像を撮像可能とし、図７に示すとおり、演算装置３８が当該背景画像に対しガスの検出結果やガス濃度を重畳させ、ガス漏れ位置が視覚情報としてユーザーに提供されるようにしてもよい。図７では、キッチン周辺の背景画像に対しガスコンロを中心とするガス濃度が重畳された例を示している。
かかる場合、ガス検出装置１に、ガス非吸収帯波長のレーザー光を出射するＬＤを別途搭載して空間測距可能とし、演算装置３８がガス漏れ位置までの距離を測定し、ガス漏れ位置までの距離がユーザーに提供されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１  ガス検出装置
１０  発光機構
１２  制御装置
１４  光源ユニット
１４ａ  レーザーダイオード（ＬＤ）
１４ｂ  ペルチェ素子
１４ｃ  温度センサー
１６  コリメートレンズ
１８  ポリゴンミラー
１８ａ〜１８ｇ  第１面〜第７面（反射面）
１９  回転軸
２０  ステッピングモーター
２１  ロータリーエンコーダー
２２  ガルバノミラー
３０  受光機構
３２  受光センサー
３４  アンプ
３６  アナログ−デジタルコンバーター（ＡＤＣ）
３８  演算装置
４０  壁
【図１】
2016170056.tif 000003
【図２】
2016170056.tif 000004
【図３】
2016170056.tif 000005
【図４】
2016170056.tif 000006
【図５】
2016170056.tif 000007
【図６】
2016170056.tif 000008
【図７】
2016170056.tif 000009