(57)【要約】【課題】光導波路を分岐させて参照光用の光導波路を設けることなく、半導体レーザーの出力変動などの影響を補正できるようにする。【解決手段】光導波層および光導波層上に設けられて被検知ガスと反応する反応膜１２を備えるガスセンサであって、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分を含むレーザー光を、光導波層に入射させ、光導波層から出射される導波光を、偏光ビームスプリッター８によって、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに分離して、被検知ガスによって導波光が殆ど減衰しないＰ偏光成分を参照光として第１のフォトダイオード６−１で検出する一方、被検知ガスの濃度に応じて減衰するＳ偏光成分を第２のフォトダイオード６−２で検出し、両フォトダイオード６−１，６−２の出力から、半導体レーザー５の出力変動などの影響を補正した被検知ガスの濃度を求めるようにしている。【選択図】図１
2009074833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波層および光導波層上に設けられて被検知ガスと反応する検知材を備えるガスセンサであって、
Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分を含むレーザー光を、前記光導波層に入射させ、前記光導波層から出射される導波光を、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに分離して、各偏光成分をそれぞれ検出して、前記被検知ガスの濃度を求めることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
レーザー光を出力するレーザー光源と、前記光導波層から出射される導波光を、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する分離手段と、分離されたＰ偏光成分を検出する第１の光電変換素子と、分離されたＳ偏光成分を検出する第２の光電変換素子とを備える請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記被検知ガスが存在しない場合の前記第１，第２の光電変換素子の出力を、Ｐ１，Ｓ１とし、前記被検知ガスが存在する場合の前記第１，第２の光電変換素子の出力を、Ｐ２，Ｓ２としたときに、前記被検知ガスが存在する場合の前記被検知ガスの濃度を、(Ｓ１／Ｓ２)×(Ｐ２／Ｐ１)に比例した値として求める請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記レーザー光源が、半導体レーザーであって、前記半導体レーザーの出力の偏光状態がランダムである請求項２または３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記レーザー光源が、半導体レーザーであって、前記半導体レーザーの出力の偏光状態が直線偏光であり、
前記直線偏光を、円偏光または楕円偏光に変換して前記光導波層に入射させる位相差板を備える請求項２または３に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関し、更に詳しくは、光導波層表面に、被検知ガスに反応する検知材が形成された光導波路を用いたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のガスセンサとして、例えば、特許文献１に開示されたガスセンサがある。
【０００３】
図７は、特許文献１のガスセンサの概略構成を示す図である。
【０００４】
同図において、基体３０上に光導波路３１、更にその上に、被検知ガスと反応して変色する検知材３２を設けている。レーザー等の光源３３からモニター光３４を光導波路３１に平行に入射させ、光導波路３１を出た出射光３５の出口光量を光ディテクター３６により測定し、光導波路３１に導光される光の減衰により、被検知ガスの濃度を検知するものである。
【０００５】
一般に、光源３３である半導体レーザーの出力は、周囲の温度や湿度などによって変動しやすく、この出力変動が、光ディテクター３６による検出精度に影響を与えるという難点がある。
【０００６】
このため、レーザー光が入射される光導波路を二つに分岐し、一方の光導波路には、被検知ガスと反応する検知材を設けて、ガス検知用の光導波路とし、他方の光導波路は、前記検知材を設けない参照光用の光導波路とし、ガス検知用の光導波路からの光量と、参照光用の光導波路からの参照光の光量とを比較し、その光量差の変化量から被検知ガスの濃度を検知するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平７−２４３９７３号公報
【特許文献２】特公平４−８１７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献２では、参照光を用いて、レーザー光源の出力変動などを補正できるけれども、光導波路を分岐させて参照光用の光導波路を設ける必要があり、構成が複雑になるという課題がある。
【０００８】
本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、光導波路を分岐させることなく、半導体レーザーの出力変動などの影響を補正できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のガスセンサは、光導波層および光導波層上に設けられて被検知ガスと反応する検知材を備えるガスセンサであって、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分を含むレーザー光を、前記光導波層に入射させ、前記光導波層から出射される導波光を、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに分離して、各偏光成分をそれぞれ検出して、前記被検知ガスの濃度を求めるものである。
【００１０】
光導波層は、透明基板上に形成されるのが好ましい。
【００１１】
前記レーザー光に含まれるＳ偏光成分の電気ベクトルの振動方向が、前記光導波層の表面に対して、平行であるのが好ましい。
【００１２】
レーザー光に含まれるＳ偏光成分は、被検知ガス、例えば、アンモニアガスの濃度に応じて、導波光が減衰するのに対して、Ｐ偏光成分の導波光は、殆ど減衰せず、その減衰は、Ｓ偏光成分に比べて無視できる程度に十分に小さい。
【００１３】
本発明のガスセンサによると、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分を含むレーザー光を、光導波層に入射させ、光導波層から出射される導波光を、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、被検知ガスの濃度に応じて減衰するＳ偏光成分に基づいて、被検知ガスの濃度を測定できるとともに、被検知ガスによって殆ど減衰しないＰ偏光成分を参照光とすることにより、レーザー光源である半導体レーザーの出力変動などの影響を補正することができる。
本発明の一つの実施形態では、レーザー光を出力するレーザー光源と、前記光導波層から出射される導波光を、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する分離手段と、分離されたＰ偏光成分を検出する第１の光電変換素子と、分離されたＳ偏光成分を検出する第２の光電変換素子とを備えている。
【００１４】
この実施形態によると、被検知ガスの濃度に応じて減衰するＳ偏光成分を検出する第２の光電変換素子の出力に基づいて、被検知ガスの濃度を求めることができるとともに、被検知ガスによって殆ど減衰しないＰ偏光成分を検出する第１の光電変換素子の出力に基づいて、レーザー光源の出力変動などの影響をキャンセルすることができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、前記被検知ガスが存在しない場合の前記第１，第２の光電変換素子の出力を、Ｐ１，Ｓ１とし、前記被検知ガスが存在する場合の前記第１，第２の光電変換素子の出力を、Ｐ２，Ｓ２としたときに、前記被検知ガスが存在する場合の前記被検知ガスの濃度を、(Ｓ１／Ｓ２)×(Ｐ２／Ｐ１)に比例した値として求めるものである。
【００１６】
各光電変換素子の出力は、各偏光成分の強度に対応したものとなる。
【００１７】
この実施形態によると、被検知ガスが存在しない初期状態における各光電変換素子の出力Ｐ１，Ｓ１と、被検知ガスが存在するときの各光電変換素子の出力Ｐ２，Ｓ２とを用いて、Ｓ偏光成分についての出力変化の割合（Ｓ１／Ｓ２）と、Ｐ偏光成分についての出力変化の割合（Ｐ１／Ｐ２）とから、レーザー光源の出力変動などの影響を補正した被検知ガスの濃度を求めることができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態では、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分を含むランダム偏光のレーザー光を出力する半導体レーザーを、レーザー光源としてもよい。
【００１９】
本発明の更に他の実施形態では、直線偏光を、円偏光または楕円偏光に変換する位相差板を用いることにより、直線偏光のレーザー光を出力する半導体レーザーを、レーザー光源としてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、被検知ガスの濃度に応じて導波光が減衰するＳ偏光成分に基づいて、被検知ガスの濃度を測定できるとともに、被検知ガスによって導波光が殆ど減衰しないＰ偏光成分を参照光とすることにより、レーザー光源である半導体レーザーの出力変動などの影響を補正することができる。これによって、従来例のように、光導波路を分岐させて参照光用の光導波路を設ける必要がなく、構成が簡素化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面によって本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサの概略構成図である。
【００２３】
この実施形態のガスセンサ１は、被検知ガスであるアンモニア（ＮＨ３）ガスの濃度を測定するものである。
【００２４】
このガスセンサ１は、被検知ガスを感知するガス検知部としてのセンサチップ部２を有している。
【００２５】
センサチップ部２は、図２の拡大図にも示すように、ガラス基板１０上に光導波層１１を形成し、更に、光導波層１１上に、アンモニアガスと反応する検知材としての反応膜１２が成膜されて光導波路が構成されている。この反応膜１２は、アンモニアガスと反応し、吸収スペクトルがシフトする材料で構成され、アンモニアガスの濃度に依存して、導波された光が減衰する。
【００２６】
この反応膜１２は、可逆性があり、窒素ガス、または、アンモニアガスを含まない空気によって再生可能であり、アンモニアガスの濃度の繰り返し測定が可能である。
【００２７】
ガラス基板１０上には、光導波層１１への導光用および光の取り出し用の直角プリズム１３，１４がそれぞれ設けられており、導波光は、図２に示すように、全反射を繰り返しながら進行するが、その間光導波層表面にエバネッセント波が染み出す。
【００２８】
センサチップ部２は、アンモニアガスのガス濃度に応じて、反応膜１２の色変化の程度が異なるため、エバネッセント波の吸収率が変化し、光導波層１１に導波する光の出力が弱くなる。したがって、導波光の出力強度を測定することによって、アンモニアガスの濃度を検出することができる。
【００２９】
この実施形態のガスセンサでは、光導波層１１に入射するレーザー光のＳ偏光成分は、上述のように、アンモニアガスの濃度に応じて、減衰されて導波光の出力強度が弱くなるのに対して、Ｐ偏光成分は、その導波光の減衰が無視できる程小さく、アンモニアガスの濃度によって導波光の出力強度が殆ど変化しないという点に着目し、Ｐ偏光成分を参照光として用いるものである。
【００３０】
このため、この実施形態のガスセンサ１は、図１に示すように、レーザーダイオード５から直線偏光として出力されるレーザー光を、位相差板４によって円偏光に変換し、直角プリズム１３を介して、光導波層１１に入射させ、光導波層１１からの導波光を、直角プリズム１４を介して取り出し、偏光ビームスプリッター８によって、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、光電変換素子としての第１，第２のフォトダイオード６−１，６−２でそれぞれ検出し、両フォトダイオード６−１，６−２の出力に基づいて、演算手段７によってアンモニアガスの濃度を算出するようにしている。
【００３１】
図３は、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分をそれぞれ検出する第１，第２のフォトダイオード６−１，６−２の出力の変化を示すものである。
【００３２】
同図において、一点鎖線はＰ偏光成分を検出する第１のフォトダイオード６−１の出力の変化を、実線はＳ偏光成分を検出する第２のフォトダイオード６−２の出力の変化を示すものであり、アンモニアガスが存在しない初期状態からアンモニアガスを導入し、その後、アンモニアガスに代えてセンサチップ部２の反応膜１２を再生させる窒素ガスを、導入した場合の変化を示している。
【００３３】
アンモニアガスが存在しない初期状態においては、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分は、いずれも殆ど減衰しておらず、このときの各偏光成分を検出する各フォトダイオード６−１，６−２の出力を、Ｐ１，Ｓ１とする。
【００３４】
次に、アンモニアガスを導入してセンサチップ部２に反応させると、Ｓ偏光成分は、アンモニアガスの濃度に応じて大きく減衰するのに対して、Ｐ偏光成分は、殆ど減衰しない。このときの各偏光成分を検出する各フォトダイオード６−１，６−２の出力信号の強度を、Ｐ２，Ｓ２とする。
【００３５】
その後、アンモニアガスの導入を停止して、窒素ガスを導入することにより、センサチップ部２の反応膜１２が再生され、減衰したＳ偏光成分の出力が復元する。
【００３６】
この実施形態では、アンモニアガスの濃度に応じて、減衰するＳ偏光成分を検出する第２のフォトダイオード６−２の出力の変化を、参照光としてのＰ偏光成分を検出する第１のフォトダイオード６−１の出力の変化によって補正するものである。
【００３７】
すなわち、アンモニアガスが存在しない初期状態のＳ偏光成分を検出する第２のフォトダイオード６−２の出力Ｓ１を、アンモニアガスが存在するときのＳ偏光成分を検出する第２のフォトダイオード６−２の出力Ｓ２で割った値Ｓ１／Ｓ２を、アンモニアガスが存在しない初期状態のＰ偏光成分を検出する第１のフォトダイオード６−１の出力Ｐ１を、アンモニアガスが存在するときのＰ偏光成分を検出する第１のフォトダイオード６−１の出力Ｐ２で割った値Ｐ１／Ｐ２で除算する（Ｓ１／Ｓ２）÷（Ｐ１／Ｐ２）＝（Ｓ１／Ｓ２）×（Ｐ２／Ｐ１）ものである。
【００３８】
Ｓ偏光成分の出力の比Ｓ１／Ｓ２は、アンモニアガスの濃度に応じた減衰のみならず、レーザー光の変動などによる影響が含まれており、一方、Ｐ偏光成分の出力の比Ｐ１／Ｐ２は、アンモニアガスの濃度に依存せず、レーザー光の変動などによる影響が含まれている。また、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分のいずれの偏光成分も、アンモニアガスの濃度以外のレーザー光の変動などによって、同じ割合で変化する。
【００３９】
したがって、Ｓ偏光成分の出力の比Ｓ１／Ｓ２を、Ｐ偏光成分の出力の比Ｐ１／Ｐ２によって除算することにより、レーザー光の変動などによる影響を補正することができる。
【００４０】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【実施例】
【００４１】
本実施例のセンサチップ部２を、次のようにして作製した。
【００４２】
（１）４００℃で溶融した硝酸カリウムの中にアンモニア水１％で超音波洗浄したソーダライムガラスを１００分浸漬し、表層のナトリウムイオンとカリウムイオンを交換して、カリウムイオンリッチな光導波層を形成した。基板の屈折率が１．５１２に対して、イオン交換された光導波層の屈折率は１．５１８になった。
【００４３】
（２）光導波層上に、真空蒸着機によってアンモニアガスと反応して色変化をおこす反応膜として、ｐＨ指示薬であるＢＴＢ（ブロモチモールブルー）を成膜した。サイズは、１３ｍｍ×５３ｍｍ、厚み１ｍｍのガラス基板に対し、基板の真中に１３ｍｍ×１５ｍｍ、厚み１００ｎｍ程度で形成した。
【００４４】
（３）導波層上に反応膜を設けた基板に、プリズムをマッチングオイルで密着させ、センサチップ部とした。
【００４５】
以上のようにして得られたセンサチップ部を、アンモニアガスおよび再生用の窒素ガスの導入口を有するとともに、ガス排出口を有するチャンバー内に収納配置した。
次に、アンモニアガスの濃度を以下の手順で測定した。
【００４６】
（１）６３５ｎｍの半導体レーザーからのレーザー光を、位相差板を介して円偏光として、センサチップ部の光導波層に入射させた。０次モード゛を用いるのに、入射角度６５°で入射させた。
【００４７】
（２）光導波層から出射された光を、偏光ビームスプリッターを用いてＳ偏光成分とＰ偏向成分とに分離し、それぞれ光電変換素子で検出した。
【００４８】
（３）センサチップ部の反応膜にガスが当たるように、センサチップ部を固定させ、希望の濃度に希釈されたアンモニアガスを反応膜まで導いた。アンモニアガスは、排出口側からポンプによって５００ｍｌ／ｍｉｎで吸引した。
【００４９】
（４）３００ｐｐｂ、５００ｐｐｂ、８００ｐｐｂのアンモニア標準ガスを作製し、１枚のセンサチップ部に順次反応させた。
【００５０】
その結果を、図４に示す。この図４において、横軸は経過時間を、縦軸はＰ偏光成分およびＳ偏光成分をそれぞれ検出する第１，第２のフォトダイオードの出力（％）をそれぞれ示している。
【００５１】
この図４では、上述のように、３００ｐｐｂのアンモニア標準ガスを導入してセンサチップ部に反応させ、このアンモニア標準ガスに代えて、窒素ガスを導入してセンサチップ部を再生し、次に、窒素ガスに代えて、５００ｐｐｂのアンモニア標準ガスを導入してセンサチップ部に反応させ、アンモニア標準ガスに代えて、窒素ガスを導入してセンサチップ部を再生し、更に、窒素ガスに代えて、８００ｐｐｂのアンモニア標準ガスを導入してセンサチップ部に反応させ、アンモニア標準ガスに代えて、窒素ガスを導入したときの変化を示している。
【００５２】
図４に示すように、実線で示されるＳ偏光成分は、一点鎖線で示されるＰ偏光成分に比べて、３００ｐｐｂ、５００ｐｐｂ、８００ｐｐｂのアンモニア標準ガスのそれぞれの濃度に応じて、大きく減衰していることが分かる。
【００５３】
なお、Ｐ偏光成分についても、減衰が認められるが、これは、Ｓ偏光成分が完全に分離されておらず、残存したＳ偏光成分の影響によるものと考えられる。
【００５４】
（５）得られた結果を元に、横軸にアンモニアガス濃度、縦軸に、上述の出力の補正値（Ｓ１／Ｓ２）×（Ｐ２／Ｐ１）をプロットした結果を図５に示す。
【００５５】
この図５に示すように、出力の補正値（Ｓ１／Ｓ２）×（Ｐ２／Ｐ１）と、アンモニアガス濃度との間に比例関係が認められ、この図５から比例定数を求めることができる。
したがって、未知の濃度のアンモニアガスを測定して得られる出力の補正値（Ｓ１／Ｓ２）×（Ｐ２／Ｐ１）と前記比例定数とから、レーザー光の変動などによる影響を補正した前記未知の濃度のアンモニアガスの濃度を算出することが可能となる。
【００５６】
（実施形態２）
上述の実施形態では、図１に示すように、直線偏光出力のレーザーダイオード５を用いており、このレーザーダイオード５からの直線偏光を、位相差板４によって円偏光に変換したけれども、本発明の他の実施形態として、図６に示すように、ランダム偏光出力のレーザーダイオード５−１を用いるようにし、位相差板を省略してもよい。
【００５７】
その他の構成は、上述の実施形態と同様である。
【００５８】
上述の各実施形態では、アンモニアガスの濃度の測定に適用して説明したけれども、本発明は、検知材を被検知ガスに対応するものに換えれば、アンモニアガス以外のガスの測定にも適用できるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態に係るガスセンサの概略構成図である。
【図２】図１のセンサチップ部の構成図である。
【図３】Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分をそれぞれ検出する各フォトダイオードの出力変化を説明するための図である。
【図４】３００ｐｐｂ、５００ｐｐｂ、８００ｐｐｂのアンモニア標準ガスを測定したときの各フォトダイオードの出力変化を示す図である。
【図５】各フォトダイオードの出力変化に基づく算出値とアンモニアガス濃度との関係を示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係るガスセンサの概略構成図である。
【図７】従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１            ガスセンサ
２            センサチップ部
４            位相差板
５，５−１   レーザーダイオード
８            偏光ビームスプリッター
１０            ガラス基板
１１            光導波層
１２            反応膜
【図１】
2009074833.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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