(57)【要約】【課題】高い検出精度を有する気体検出装置を提供する。【解決手段】気体検出装置が、半導体レーザ３３と、半導体レーザ３３から出射された光が照射されると共に、所定の気体と接触した場合に少なくとも反射特性が変化するセンサ素子２２と、センサ素子２２からの反射光を受光するフォトダイオード３４と、シングルモードの光ファイバ３１と、センサ素子２２と光ファイバ３１の先端面３６との間に配置され、光ファイバ３１の先端面３６側から入射した半導体レーザ３３から出射された光を発散させると共に、センサ素子２２側から入射した反射光を収束させるコリメートレンズ２１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する発光素子と、
前記発光素子から出射された光が照射されると共に、所定の気体と接触した場合に少なくとも反射特性が変化するセンサ素子と、
前記センサ素子からの反射光を受光する受光素子と、
前記発光素子から出射された光を前記センサ素子に向けて一端から他端に伝搬すると共に、前記センサ素子からの前記反射光を前記受光素子に向けて前記他端から前記一端に伝搬するシングルモードの光ファイバと、
前記センサ素子と前記光ファイバの前記他端との間に配置され、前記光ファイバの前記他端側から入射した前記発光素子から出射された光を発散させると共に、前記センサ素子側から入射した前記反射光を前記光ファイバの前記他端に収束させるコリメート光学系と
を備える気体検出装置。
【請求項２】
前記センサ素子が、透光性の基板と、この基板上に設けられ、前記所定の気体と接触した場合に少なくとも反射特性が変化するセンサ膜とを有し、
前記発光素子から出射された光が、前記光ファイバと前記コリメート光学系とを介して前記基板に照射される、請求項１に記載の気体検出装置。
【請求項３】
一方側に前記所定の気体が存在する可能性のあるセンシング空間があり、他方側に前記発光素子、前記センサ素子、前記光ファイバ、および、前記コリメート光学系が配置された外部空間がある構造体をさらに備え、
前記センサ素子は、前記センサ膜が前記構造体に形成された貫通孔を介して前記センシング空間に露出されるように、前記外部空間側で前記構造体に取り付けられている、請求項２に記載の気体検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体を検出するセンサ素子としては、特許文献１に記載されたものがある。この従来のセンサ素子は、ガラス基板と、このガラス基板上に設けた水素吸放出体とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２４５３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１を含む先行技術において、センサ素子を備えた気体検出装置の検出精度を向上させる有効な提案はなされていない。
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するため、高い検出精度を有する気体検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の気体検出装置は、光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射された光が照射されると共に、所定の気体と接触した場合に少なくとも反射特性が変化するセンサ素子と、前記センサ素子からの反射光を受光する受光素子と、前記発光素子から出射された光を前記センサ素子に向けて一端から他端に伝搬すると共に、前記センサ素子からの前記反射光を前記受光素子に向けて前記他端から前記一端に伝搬するシングルモードの光ファイバと、前記センサ素子と前記光ファイバの前記他端との間に配置され、前記光ファイバの他端側から入射した前記発光素子から出射された光を発散させると共に、前記センサ素子側から入射した前記反射光を前記光ファイバの前記他端に収束させるコリメート光学系とを備えることを特徴としている。
【０００７】
本発明の気体検出装置によれば、発光素子から出射された光は、コリメート光学素子によって発散されて、センサ素子に照射される。このため、センサ素子に照射される発光素子からの光の範囲が広がり、センシング範囲が広くなるので、気体の検出精度を高めることができる。
【０００８】
また、センサ素子からの反射光は、コリメート光学素子により収束され、光ファイバを介して受光素子により受光される。このため、受光素子により受光されるセンサ素子からの反射光の集光効率が高まり、センシング感度が高くなるので、気体の検出精度を高めることができる。
【０００９】
また、一実施形態の気体検出装置では、前記センサ素子が、透光性の基板と、この基板上に設けられ、前記所定の気体と接触した場合に少なくとも反射特性が変化するセンサ膜とを有し、前記発光素子から出射された光が、前記光ファイバと前記コリメート光学系とを介して前記基板に照射される構成としてもよい。
【００１０】
この実施形態によれば、センサ膜に所定の気体を十分に接触させることができるので、検出精度を高めることができる。
【００１１】
また、一実施形態の気体検出装置では、一方側に前記所定の気体が存在する可能性のあるセンシング空間があり、他方側に前記発光素子、前記センサ素子、前記光ファイバ、および、前記コリメート光学系が配置された外部空間がある構造体をさらに備え、前記センサ素子は、前記センサ膜が前記構造体に形成された貫通孔を介して前記センシング空間に露出されるように、前記外部空間側で前記構造体に取り付けられている構成としてもよい。
【００１２】
この実施形態によれば、前記発光素子、前記センサ素子、前記光ファイバ、および、前記コリメート光学系が、構造体に配置されているので、外気圧力等の外的要因の影響を受け難く、光学的特性を安定させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の気体検出装置によれば、高い検出精度を有する気体検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の気体検出装置の断面模式図である。
【図２】従来のシングルモードの光ファイバを備えた気体検出装置の模式図である。
【図３】従来のマルチモードの光ファイバを備えた気体検出装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を添付図面に従って説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態の気体検出装置１の断面模式図である。この気体検出装置１は、構造体１０と、センサ部２０と、計測部３０とを備え、演算処理部４０に接続されている。
【００１７】
構造体１０は、図１に示すように、センサ部２０を保持するハウジング１１と、貫通孔１３が形成された壁等の構造部１２とで構成されている。ハウジング１１は、例えば、ボルト等の締結部材を用いて、貫通孔１３の周囲に固定されている。また、構造体１０の一方側には、センシング空間５０が広がり、他方側には、外部空間６０が広がっている。センシング空間５０は、例えば、原子炉建屋内の空間であり、検出対象の気体が存在する可能性のある空間である。外部空間６０は、例えば、原子炉建屋の外部であり、センサ部２０および計測部３０が配置された空間である。
【００１８】
センサ部２０は、図１に示すように、単レンズで構成されたコリメートレンズ２１と、センサ素子２２とを有している。コリメートレンズ２１およびセンサ素子２２は、相互に対向した状態で、ハウジング１１に保持されている。このセンサ部２０は、外部空間６０側で構造体１０に取り付けられている。
【００１９】
コリメートレンズ２１は、センサ素子２２と、後述する計測部３０の光ファイバ３１の先端面３６との間に配置され、光ファイバ３１の先端面３６側から入射した光を発散させると共に、センサ素子２２側から入射した光を収束させる。なお、コリメートレンズ２１は、コリメート光学系の一例である。
【００２０】
センサ素子２２は、透光性を有する基板２３と、この基板２３上に設けられた水素吸放出体２４とを有している。このセンサ素子２２は、基板２３がコリメートレンズ２１に対向し、かつ、水素吸放出体２４が構造体１０に設けられた貫通孔１３を介してセンシング空間５０に露出するように配置されている。なお、水素吸放出体２４は、センサ膜の一例である。
【００２１】
基板２３は、例えば石英ガラスからなり、水素吸放出体２４の形状等に応じた形態を有している。また、水素吸放出体２４は、基板２３に接する水素吸放出合金層と、この水素吸放出合金層上に設けられた触媒層とを有している。この水素吸放出合金層および触媒層は、例えば、マグネトロンスパッタリング法により成膜される。
【００２２】
水素吸放出合金層は、例えば、マグネシウム・イットリウム合金からなり、イットリウムとマグネシウムとの原子比（物質量比）が０．２５≦Ｙ／Ｍｇ≦３．０の関係を満たすように成膜されている。この水素吸放出合金層は、水素の吸蔵により金属状態から透明状態に、また、水素を吸蔵した状態から水素を放出することにより透明状態から金属状態に可逆的に変化（スイッチング）するクロミック特性を有している。すなわち、水素吸放出合金層は、水素を吸放出することによって、透過特性および反射特性が変化する。
【００２３】
触媒層は、例えば、パラジウムからなり、少なくとも、水素吸放出合金層の水素吸蔵および水素放出のいずれか一方を促進するよう構成されている。また、触媒層によって、水素吸放出合金の酸化を抑制している。
【００２４】
計測部３０は、図１に示すように、シングルモードの光ファイバ３１と、光ファイバ３１が接続されているフォトカプラ３２とを有している。
【００２５】
光ファイバ３１は、一端にフォトカプラ３２に接続されている接続部３５と、他端に光が出入射する先端面３６とを有し、例えば、約０．８％のフッ素を含むＦ−ＳｉＯ２（フッ素添加二酸化ケイ素）からなるコアおよびクラッドと、このコアおよびクラッドを覆うポリイミド樹脂からなる被覆膜とで構成されている。この光ファイバ３１は、例えば、１００ｋＧｙ（線量率２．６Ｇｙ／ｓ以上）の耐放射線性能を有している。
【００２６】
フォトカプラ３２は、発光素子の一例としての半導体レーザ３３と、受光素子の一例としてのフォトダイオード３４とを有している。半導体レーザ３３は、例えば、波長９４０ｎｍの光を出射するよう構成されている。この半導体レーザ３３から出射された出射光は、光ファイバ３１により伝搬され、光ファイバ３１の先端面３６から照射される。また、フォトダイオード３４は、例えば、シリコンフォトダイオードであり、光ファイバ３１の先端面３６から入射し光ファイバ３１により伝搬された光を検出し、検出された光の強度に対応した検出信号を出力する。出力された検出信号は、フォトカプラ３２から演算処理部４０に送信される。
【００２７】
演算処理部４０は、図１に示すように、フォトカプラ３２に接続され、演算等を行うＣＰＵ、および、水素濃度の算出に必要なプログラムあるいはデータ等を記憶しておく記憶装置等を有している。なお、この演算処理部４０には、複数の気体検出装置１を接続することができる。また、例えば、温度、水位レベル、あるいは、機器等の歪みを検出する装置を接続することもできる。
【００２８】
次に、前記気体検出装置１の動作について説明する。
【００２９】
気体検出装置１を作動させると、半導体レーザ３３から光が出射される。この半導体レーザ３３から出射された光（以下、出射光という）は、センサ素子２２に向けて光ファイバ３１の接続部３５（一端）から先端面３６（他端）へ伝搬され、先端面３６からコリメートレンズ２１に照射される。コリメートレンズ２１に照射された出射光は、コリメートレンズ２１を透過することによって発散され、センサ素子２２の基板２３の表面に入射する。
【００３０】
基板２３の表面に入射した出射光の一部は、基板２３および水素吸放出体２４により、コリメートレンズ２１に向かって反射される。基板２３および水素吸放出体２４により反射された出射光（以下、反射光という）は、コリメートレンズ２１を透過することによって収束され、光ファイバ３１の先端面３６に入射する。先端面３６に入射した反射光は、フォトダイオード３４に向けて光ファイバ３１の先端面３６（他端）から接続部３５（一端）へ伝搬され、フォトダイオード３４によって受光される。反射光を受光したフォトダイオード３４は、反射光の強度に応じた検出信号を出力する。出力された検出信号は、フォトカプラ３２から演算処理部４０に送信される。
【００３１】
演算処理部４０は、フォトカプラ３２から送信された検出信号に基づいて、フォトダイオード３４によって検出された反射光の強度の変化を算出し、センシング空間５０における水素濃度を算出する。前述のように、センサ素子２２の水素吸放出体２４は、水素と接触した場合に、水素を吸放出することによって、その透過特性および反射特性が変化する。このため、センシング空間５０の水素濃度が変化すると、水素吸放出体２４の透過特性および反射特性が変化して、フォトダイオード３４によって検出される反射光の強度が変化する。すなわち、フォトダイオード３４によって検出された反射光の強度から、センシング空間５０における水素濃度を算出できる。
【００３２】
ところで、従来のシングルモードの光ファイバ３１を用いた気体検出装置では、図２に示すように、図示しない発光素子からの出射光を光ファイバ３１の先端面３６からセンサ素子２２に向かって、そのまま照射していた。また、従来のマルチモードの光ファイバ３１を用いた気体検出装置では、図３に示すように、図示しない発光素子からの出射光を一方の光ファイバ３１の先端面３６からセンサ素子２２に向かって、そのまま照射すると共に、センサ素子２２からの反射光を他方の光ファイバ３１の先端面３６に入射させていた。
【００３３】
このような従来の気体検出装置では、出射光が照射されるセンサ素子２２の範囲が狭く、出射光が照射された部分における水素吸放出体２４の成膜状態によって、水素の検出精度が大きく変動していた。また、外気圧力等の外的要因の影響を受け易く、光学的特性も安定しなかった。さらに、マルチモードの光ファイバ３１を用いた気体検出装置では、伝送距離が長くなるとデータ損失が発生するため、短い伝送距離（数十〜数百メートル）に使用態様が限定されていた。
【００３４】
これに対して、本発明の気体検出装置１によれば、半導体レーザ３３からの出射光は、光ファイバ３１を介してコリメートレンズ２１に照射される。コリメートレンズ２１に照射された出射光は、図１に示すように、コリメートレンズ２１を透過することにより発散され、センサ素子２２に照射される。すなわち、センサ素子２２に照射される半導体レーザ３３からの出射光の範囲（図１において符号Ａで概念的に示す）が広くなるため、センシング範囲が広がり、その結果、水素の検出精度を高めることができる。
【００３５】
また、センサ素子２２からの反射光は、コリメートレンズ２１に照射される。コリメートレンズ２１に照射された反射光は、コリメートレンズ２１を透過することにより収束され、光ファイバ３１を介してフォトダイオード３４により受光される。すなわち、フォトダイオード３４により受光されるセンサ素子２２からの反射光の集光効率が高くなるため、センシング感度が高くなり、その結果、水素の検出精度を高めることができる。
【００３６】
なお、本発明の気体検出装置は、センサ部２０に電源を必要としないため、電磁誘導の影響を受けず、ノイズを発することがない。このため、例えば、原子力発電所等、放射線管理区域に適用できる。
【００３７】
コリメート光学系は、単レンズのコリメートレンズ２１に限らず、複数枚のレンズを組み合わせたものであってもよい。また、コリメート光学系に用いるレンズは、全て球面レンズであってもよいし、非球面レンズを含んでいてもよい。
【００３８】
基板２３を構成する材料は、石英ガラスに限らない。基板の材料は、接する水素吸放出体の層に対して不活性であり、かつ、水素吸放出体２４を使用する環境に対して耐久性を有すると共に、半導体レーザ３３からの出射光を透過するものであればよく、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ナイロン、あるいは、アクリル等のプラスチックを用いることができる。
【００３９】
水素吸放出体２４の水素吸放出合金層は、イットリウム・マグネシウム合金からなる構成に限らない。水素吸放出体は、水素吸放出能を有する成分等を含有する構成であればよく、例えば、マグネシウム・イットリウム・スカンジウム合金からなる構成としてもよい。
【００４０】
水素吸放出体２４の触媒層は、パラジウムからなる構成に限らない。触媒層は、水素吸放出合金層の水素吸蔵および水素放出のいずれか一方を促進する物質を含有していればよく、例えば、白金、パラジウム合金、あるいは、白金合金を含有する構成としてもよい。
【００４１】
また、触媒層の水素吸放出合金層と接していない面の少なくとも一部に、水素透過性および撥水性を有する保護層を設けてもよい。保護層を設けることにより、水素吸放出合金層の酸化を防止する機能を高めることができる。
【００４２】
光ファイバ３１は、シングルモードに限らず、マルチモードであってもよい。
【００４３】
前記実施形態では、所定の気体として水素を検出する気体検出装置について説明したが、検出対象は水素に限らない。水素以外の気体を吸放出することにより少なくとも光反射率が変化するセンサ素子を用いることで、水素以外の気体を高い精度で検出できる気体検出装置が得られる。
【００４４】
前記実施形態および変形例で述べた構成要素は、適宜、組み合わせてもよく、また、適宜、選択、置換、あるいは、削除してもよいことは、勿論である。
【符号の説明】
【００４５】
１  気体検出装置
１０  構造体
１１  ハウジング
１２  構造部
１３  貫通孔
２０  センサ部
２１  コリメートレンズ
２２  センサ素子
２３  基板
２４  水素吸放出体
３０  計測部
３１  光ファイバ
３２  フォトカプラ
３３  半導体レーザ
３４  フォトダイオード
３５  接続部
３６  先端面
４０  演算処理部
５０  センシング空間
６０  外部空間
【図１】
2016133491.tif 000003
【図２】
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【図３】
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