(57)【要約】【課題】測定対象ガスが毒性ガスであっても、取扱上の安全性を確保する。【解決手段】ガス検出装置１は、波長可変に光を出射する光源１２と、光源１２の光の照射を受け特定波長の光を分波するフォトニック結晶体４２と、フォトニック結晶体４２から分波された光を受光する受光器４４と、光源１２を制御する制御装置であって、受光器４４の受光結果に基づき、光源１２からガス吸収性の波長の光を出射させ、ガス濃度を算出する制御装置４６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】
波長可変に光を出射する光源と、
前記光源の光の照射を受け特定波長の光を分波する波長分波素子と、
前記波長分波素子から分波された光を受光する受光器と、
前記光源を制御する制御装置であって、前記受光器の受光結果に基づき、前記光源からガス吸収性の波長の光を出射させ、ガス濃度を算出する制御装置と、
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、
前記波長分波素子が、複数の特定波長の光を分波可能であ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、
前記波長分波素子がフォトニック結晶体であることを特徴とするガス検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載のガス検出装置において、
前記フォトニック結晶体が、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２層およびＳｉ層が形成され、前記Ｓｉ層に格子点が開口された２次元フォトニック結晶体であ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、２参照）。
【０００３】
特許文献１、２にはいわゆる周波数変調方式の装置が開示されている。
特許文献１、２の装置ではいずれも、測定対象ガスを封入したガスセルに対して光を出射し、当該ガスセルを通過した光を受光し、その受光結果に基づき光源の光を周波数変調し、周波数変調した光を用いて実際に大気中のガス濃度を測定するようになっている（特許文献１の段落００１７〜００２１、特許文献２の段落００１８〜００１９など参照）。
特に特許文献１では、大気圧力に依存せずに温度測定だけからガス濃度を補正しうる技術が提供されている。特許文献２では、半導体レーザーの発振波長を測定対象ガスの最大吸収点に自動的に安定させうる技術が提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第2866230号公報
【特許文献２】特開平8-162705号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２の装置では、測定対象ガスが毒性ガスであるような場合には、ガスセルに毒性ガスを封入する必要があり、装置の取扱い上、決して安全であるとはいえず、改良の余地があると考えられる。
したがって、本発明の主な目的は、測定対象ガスが毒性ガスであっても、取扱上の安全性を確保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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明によれば、
波長可変に光を出射する光源と、
前記光源の光の照射を受け特定波長の光を分波する波長分波素子と、
前記波長分波素子から分波された光を受光する受光器と、
前記光源を制御する制御装置であって、前記受光器の受光結果に基づき、前記光源からガス吸収性の波長の光を出射させ、ガス濃度を算出する制御装置と、
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】
【０００７】
本発明によれば、ガスセルの代わりに波長分波素子が使用され、測定対象ガスに応じた波長の光を光源から出射しうるため、測定対象ガスが毒性ガスであっても、取扱上の安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ガス検出装置の概略的な構成を示す図である。
【図２】フォトニック結晶体を概略的に説明するための図であって、（ａ）複数の受光器を設置した例、（ｂ）受光器を単体で設置した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
図１に示すとおり、ガス検出装置１は投受光系１０および波長制御系４０の２つの機構を備えている。
投受光系１０はガス濃度を測定するための光を投受光する機構であり、光源１２、反射ミラー１４、反射ミラー１６、フレネルレンズ１８および受光器２０を備えている。
【００１１】
光源１２としては、波長可変にレーザー光を出射しうるレーザーダイオード（ＬＤ；Laser Diode）が使用される。ＬＤは波長可変に光を出射する光源の一例であって、ＬＤに代えて他の光源が使用されてもよい。
反射ミラー１４は光源１２の光を反射ミラー１６に向けて反射するミラーである。反射ミラー１６は反射ミラー１４で反射された光を標的３０に向けて反射するミラーである。
フレネルレンズ１８は通常のレンズを同心円状に分割したレンズである。ここでは、反射ミラー１６で反射されそこから出射された光が標的３０で反射され散乱された場合に、その光を受光器１８に集光するのに使用される。
受光器２０はいわゆる受光センサーであってフレネルレンズ１８で集光された光を受光する機器である。
【００１２】
波長制御系４０はガス濃度を測定するための光の波長を制御する機構であり、フォトニック結晶体４２、受光器４４および制御装置４６を備えている。
【００１３】
フォトニック結晶体４２は、光源１２の光の照射を受け特定波長の光を分波するものである。フォトニック結晶体４２は波長分波素子（波長選択素子）の一例であり、波長分波素子として他の素子が使用されてもよい。「分波」とは、フォトニック結晶体４２の導波路に入射した光から特定波長の光だけを分離して取り出すことである。
図２に示すとおり、フォトニック結晶体４２はＳｉ基板４２ａ、ＳｉＯ２層４２ｂおよびＳｉ層４２ｃを備え、Ｓｉ基板４２ａ上にＳｉＯ２層４２ｂおよびＳｉ層４２ｃが形成された構成を有している。最上層のＳｉ層４２ｃには規則的に配列された穴（格子点４２ｄ）が開けられている。Ｓｉ層４２ｃには導波路４２ｅおよびドナー型欠陥４２ｆが設けられている。導波路４２ｅは光の主通路である。ドナー型欠陥４２ｆは格子点４２ｄがあるべき位置に格子点４２ｄを開けずに残された部位である。フォトニック結晶体４２はＳｉ層４２ｃに格子点４２ｄが開口された２次元フォトニック結晶体である。
フォトニック結晶体４２を製造する際には、まずＳｉ基板４２ａとしてＳｉウエハを準備し、その上にＳｉＯ２層４２ｂおよびＳｉ層４２ｃを形成する。その後、最上層のＳｉ層４２ｃに電子ビーム露光などによって規則的に配列した格子点４２ｄを開ける。格子点４２ｄの半径、および隣り合う格子点４２ｄ同士の間隔は数十〜数百ｎｍ程度である。その後、ＨＦを用いた化学エッチング法によってＳｉＯ２層４２ｂを除去する。格子点４２ｄを開けたＳｉ層４２ｃがいわゆるフォトニック結晶で、Ｓｉ基板４２ａの上に浮いたような構造を有している。
【００１４】
受光器４４もいわゆる受光センサーであってフォトニック結晶体４２で分波された光を受光する機器である。
制御装置４６は光源１２を制御する装置であって、光源１２の駆動電流または温度を制御し光源１２から出射される光の波長を変動させるものである。制御装置４６には光源１２に加え、受光器２０および受光器４４が接続されている。制御装置４６は受光器４４の受光結果に基づき光源１２からガス吸収性の波長の光を出射させ、受光器２０の受光結果に基づきガス濃度を算出しうる。
【００１５】
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。
【００１６】
図２に示すとおり、多数の波長の光を、光源１２からフォトニック結晶体４２の導波路４２ｅに入射させると、それら光は、導波路４２ｅに沿って伝播しドナー型結果４２ｆの位置からフォトニック結晶（Ｓｉ層４２ｃ）の２次元面に対して垂直な方向に分波する。図２では、λ１〜λｉ（ｉ＞４）〜の多数の波長の光を入射させ、互いに異なるλ１〜λ４の複数の特定波長の光を１つずつ取り出しうる例を示している。
【００１７】
ガス検出装置１ではかかる原理を利用し、制御装置４６が、光源１２の駆動電流または温度を制御し、測定対象ガスの吸収波長近傍の光を光源１２から導波路４２ｅに数ｎｍ間隔で順次入射させ、測定対象ガスの吸収波長に一致する特定波長の光をドナー型欠陥４２ｆから分波させ、その特定波長の光を受光器４４に受光させる。
ガス検出装置１では、図２（ａ）に示すとおり、受光器４４を複数設置して特定波長ごとに受光させてもよいし、図２（ｂ）に示すとおり、移動可能な受光器４４を単体で１台のみ設置し、受光器４４を移動させながら特定波長の光を受光させてもよい。
【００１８】
その後、測定対象ガスの吸収波長に一致する特定波長の光を受光器４４が受光すると、制御装置４６が、その特定波長の光を、光源１２から反射ミラー１４に向けて出射させる。出射された光は、反射ミラー１４および反射ミラー１６で反射され、フレネルレンズ１８の中心から標的３０に向けて発射される。発射された光は、標的３０で反射され散乱され、フレネルレンズ１８で受光器２０に集光される。
その後、制御装置４６が、受光器２０の受光結果に基づきガス濃度を算出する。
【００１９】
以上の本実施形態によれば、ガスセルの代わりにフォトニック結晶体４２が使用され、測定対象ガスの吸収波長に一致する特定波長の光を光源１２から出射しうるため、測定対象ガスが毒性ガスであっても、その毒性ガスをガスセルに封入するといった操作が不要であり、ガス検出装置１の取扱上の安全性を確保することができる。
特にフォトニック結晶体４２によれば、複数の波長の光を分波しうるため、１つのフォトニック結晶体４２で複数種の測定対象ガスのガス濃度を算出することができ、ガス検出にかかる効率も向上させることができる。
【符号の説明】
【００２０】
１  ガス検出装置
１０  投受光系
１２  光源
１４  反射ミラー
１６  反射ミラー
１８  フレネルレンズ
２０  受光器
３０  標的
４０  波長制御系
４２  フォトニック結晶体
４２ａ  Ｓｉ基板
４２ｂ  ＳｉＯ２層
４２ｃ  Ｓｉ層
４２ｄ  格子点
４２ｅ  導波路
４２ｆ  ドナー型欠陥
４４  受光器
４６  制御装置
【図１】
2016176807.tif 000003
【図２】
2016176807.tif 000004