(57)【要約】【課題】光学部の構成が簡単で、厳密な光軸調整も不要なガス検知装置を提供する。【解決手段】ガス検知装置は、レーザ光を測定対象ガスの雰囲気中に出射するレーザダイオード１と、レーザ光を受光して電気信号に変換するフォトダイオード２と、ガス雰囲気を挟んでレーザダイオード１及びフォトダイオード２と対向し、レーザダイオード１からのレーザ光を反射させてフォトダイオード２に導く楕円球面反射鏡８と、フォトダイオード２の出力信号に基づいて測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出手段とを有し、レーザダイオード１は、その出射面が楕円球面反射鏡８の一方の焦点に位置するように配設され、フォトダイオード２は、その入射面が楕円球面反射鏡８の他方の焦点に位置するように配設される。【選択図】  図１
2009063311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を測定対象ガスの雰囲気中に出射する投光手段と、
前記レーザ光を受光して電気信号に変換する受光手段と、
前記ガス雰囲気を挟んで前記投光手段及び受光手段と対向し、前記投光手段からのレーザ光を反射させて前記受光手段に導く楕円球面反射鏡と、
前記受光手段の出力信号に基づいて前記測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出手段とを有し、
前記投光手段は、その出射面が前記楕円球面反射鏡の一方の焦点に位置するように配設され、前記受光手段は、その入射面が前記楕円球面反射鏡の他方の焦点に位置するように配設されることを特徴とするガス検知装置。
【請求項２】
請求項１記載のガス検知装置において、
前記投光手段は、前記レーザ光を出射するレーザダイオードと、このレーザダイオードから発せられた光を前記ガス雰囲気中に出射する第１の光ファイバとからなるものであり、
前記受光手段は、前記楕円球面反射鏡からの反射光を受光する第２の光ファイバと、この第２の光ファイバからの光を受光して電気信号に変換するフォトダイオードとからなるものであり、
前記第１の光ファイバは、その出射面が前記楕円球面反射鏡の一方の焦点に位置するように配設され、前記第２の光ファイバは、その入射面が前記楕円球面反射鏡の他方の焦点に位置するように配設されることを特徴とするガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象のガスにレーザ光を照射したときのガスによる光の吸収を利用して、測定対象のガスの濃度を測定するガス検知装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、気体を分析する手段としてガスクロマトグラフィーが知られている。しかし、ガスクロマトグラフィーは、サンプリング時間が数十分と長く、気体の分析に時間がかかるという問題がある。
そこで、配管や容器内部を流れるガスの濃度をリアルタイムに検知するガス検知装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１に開示されたガス検知装置は、所定距離隔てて光源部と受光部を配置し、光源部の半導体レーザによって周波数変調されたレーザ光を測定対象ガスの雰囲気に通し、その透過光を受光部で受けたときの出力信号から測定対象ガスのガス濃度を測定するようにしたものである。
【０００４】
特許文献１に開示されたガス検知装置では、光源部からのレーザ光が測定光路を通過中に不要に反射して光源部に戻ると、この戻り光がノイズとなって測定誤差の原因となるため、光源と光学部品に角度を持たせる必要がある。図４は特許文献１に開示されたガス検知装置の光学部の断面図である。図４に示す光学部４１ａでは、光源側の光ファイバ４４ａから出射したレーザ光は、プリズム５１ａによって反射され、さらにプリズム５１ｂによって反射されて、受光側の光ファイバ４４ｂに入射する。光ファイバ４４ｂに入射したレーザ光は、図示しない受光器に導かれる。この光学部４１ａにおいて、ガス雰囲気に晒される光学部品は、ガラス板５６と、ガラス板５６の表面に配置された一対のプリズム５１ａ，５１ｂである。
【０００５】
そして、光学部４１ａでは、反射防止対策として、プリズム５１ａの入射面への垂直入射（入射角０°）に対して、光源側の光ファイバ４４ａからプリズム５１ａへの入射角度を所定角度（例えば４°程度）傾斜させている。その際、プリズム５１ｂの反射面に対する出射角度は入射角度と同一角であり、プリズム５１ａに入射されるレーザ光と、プリズム５１ｂから出射されるレーザ光とが平行になる。これにより、反射（迷光）による測定ノイズ成分を排除している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１１３９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、特許文献１に開示されたガス検知装置では、戻り光のノイズ（自己結合効果）による測定誤差を防止するために、光源と光学部品に角度を持たせる必要があり、また高分解能を実現するためにレーザ光を細いビームにする必要があるため、部品が多い上に光学部品の光軸調整が難しくなるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光学部の構成が簡単で、厳密な光軸調整も不要なガス検知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】
【０００９】
本発明のガス検知装置は、レーザ光を測定対象ガスの雰囲気中に出射する投光手段と、前記レーザ光を受光して電気信号に変換する受光手段と、前記ガス雰囲気を挟んで前記投光手段及び受光手段と対向し、前記投光手段からのレーザ光を反射させて前記受光手段に導く楕円球面反射鏡と、前記受光手段の出力信号に基づいて前記測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出手段とを有し、前記投光手段は、その出射面が前記楕円球面反射鏡の一方の焦点に位置するように配設され、前記受光手段は、その入射面が前記楕円球面反射鏡の他方の焦点に位置するように配設されることを特徴とするものである。
また、本発明のガス検知装置の１構成例において、前記投光手段は、前記レーザ光を出射するレーザダイオードと、このレーザダイオードから発せられた光を前記ガス雰囲気中に出射する第１の光ファイバとからなるものであり、前記受光手段は、前記楕円球面反射鏡からの反射光を受光する第２の光ファイバと、この第２の光ファイバからの光を受光して電気信号に変換するフォトダイオードとからなるものであり、前記第１の光ファイバは、その出射面が前記楕円球面反射鏡の一方の焦点に位置するように配設され、前記第２の光ファイバは、その入射面が前記楕円球面反射鏡の他方の焦点に位置するように配設されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ガス雰囲気を挟んで投光手段及び受光手段と対向するように楕円球面反射鏡を設け、投光手段をその出射面が楕円球面反射鏡の一方の焦点に位置するように配設し、受光手段をその入射面が楕円球面反射鏡の他方の焦点に位置するように配設することにより、光学部の構成が簡単で、厳密な光軸調整も不要なガス検知装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るガス検知装置の光学部の側断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本実施の形態のガス検知装置の光学部は、レーザ光を出射するレーザダイオード１と、レーザ光を受光して電気信号に変換するフォトダイオード２と、測定対象のガスが流入する容器の底面部を構成する底面部材３と、容器の上面部を構成する上面部材４と、容器の側面部を構成する側面部材５と、レーザダイオード１を上面部材４に固定するホルダ６と、フォトダイオード２を上面部材４に固定するホルダ７とを有する。レーザダイオード１は投光手段を構成し、フォトダイオード２は受光手段を構成している。
【００１２】
底面部材３には、レーザダイオード１及びフォトダイオード２が配置される容器上面に対して凹状の楕円球面反射鏡８が形成されている。
側面部材５は、底面部材３上に所定の距離を隔てて上面部材４を固定する。また、側面部材５には、容器の入口となる通気孔９と、容器の出口となる通気孔１０とが形成されている。
【００１３】
レーザダイオード１は、ホルダ６によって上面部材４に固定され、フォトダイオード２は、ホルダ７によって上面部材４に固定される。このとき、レーザダイオード１は、その出射面が楕円球面反射鏡８の一方の焦点ｆ１に位置するように固定され、フォトダイオード２は、その入射面が楕円球面反射鏡８の他方の焦点ｆ２に位置するように固定される。レーザダイオード１は、電線１１を介して後述するレーザドライバと接続され、フォトダイオード２は、電線１２を介して後述する信号検出部と接続される。
【００１４】
図２は本実施の形態のガス検知装置の検知部の構成を示すブロック図である。ガス検知装置の検知部は、レーザドライバ１３と、信号検出部１４と、ガス濃度算出部１５と、表示部１６とを有する。
次に、図１、図２を用いて本実施の形態のガス検知装置の動作を説明する。測定対象のガスは、通気孔９から容器内に流入し、図１（Ａ）の矢印１７の方向に流れ、通気孔１０から容器外に流出する。
【００１５】
レーザドライバ１３は、周波数変調されたレーザ光をレーザダイオード１から出射させる。このとき、レーザドライバ１３は、レーザ光の発振中心波長が測定対象のガスの測定波長（吸収線波長）と一致するようにレーザダイオード１を制御する。なお、投光手段は、測定対象となるガスの吸収線を少なくとも含む波長に周波数変調されたレーザ光を出射する構成であれば良い。
レーザダイオード１から出射したレーザ光は、容器内のガス雰囲気中を通過して楕円球面反射鏡８によって反射され、再びガス雰囲気中を通過してフォトダイオード２に入射する。このガス雰囲気中を通過する際にレーザ光は、ガスによる吸収を受ける。
【００１６】
フォトダイオード２は、受光した反射光を電気信号に変換する。信号検出部１４は、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅し、増幅後の信号からレーザダイオード１の変調周波数の基本波信号と基本波信号の２倍の周波数の２倍波信号とを位相敏感検波する。
そして、ガス濃度算出部１５は、基本波信号と２倍波信号との強度比に基づいて、測定対象のガスの濃度を算出する。基本波信号と２倍波信号との強度比は、ガス濃度に比例しているので、この比からガス濃度を算出することができる。ガス濃度算出部１５の算出結果は、表示部１６に表示される。
【００１７】
以上のようなガス検知装置では、ガス雰囲気中の光路が既知の一定値であることが必要である。本実施の形態では、楕円球面反射鏡８の一方の焦点ｆ１にレーザダイオード１を配置し、他方の焦点ｆ２にフォトダイオード２を配置するようにしたので、レーザダイオード１から楕円球面反射鏡８を経由してフォトダイオード２に到達する全ての光路の長さは同一となる。
【００１８】
また、このような配置により、レーザダイオード１の位置や角度がばらついても、幾何学的にレーザダイオード１への戻り光は発生せず、レーザダイオード１から発せられた光は全てもう１つの焦点に配置されたフォトダイオード２に集まる。したがって、受光感度を向上させるためにコリメート光を用いる必要がなく、戻り光ノイズを防止するために光学部品に所定角度の傾斜をつける必要もなくなるので、レーザダイオード１及びフォトダイオード２の光軸を厳密に調整する必要がない。
【００１９】
つまり、本実施の形態では、レーザダイオード１の光軸の傾き（図１のα，α’）を厳密に調整する必要がなく、フォトダイオード２の光軸の傾き（図１のβ）を厳密に調整する必要もなくなる。また、レーザダイオード１とフォトダイオード２の光軸の精度が一般機械加工精度レベルであれば、レーザダイオード１とフォトダイオード２の光軸方向の位置ずれ（図１のｄ１，ｄ２）が多少あっても問題がない。
また、本実施の形態では、楕円球面反射鏡８の面積が広いため、楕円球面反射鏡８へのごみの付着などによるノイズに対しての耐性が良い。
【００２０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るガス検知装置の光学部の側断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）において、１８，１９は光ファイバ、２０，２１はホルダである。光ファイバ１８と図示しないレーザダイオードとは、投光手段を構成し、光ファイバ１９と図示しないフォトダイオードとは、受光手段を構成している。
【００２１】
本実施の形態のガス検知装置では、レーザダイオードから発せられた光を光ファイバ１８によって光学部に導き、楕円球面反射鏡８からの反射光を光ファイバ１９によってフォトダイオードに導くようにしている。光ファイバ１８は、ホルダ２０によって上面部材４に固定され、光ファイバ１９は、ホルダ２１によって上面部材４に固定される。このとき、光ファイバ１８は、その出射面が楕円球面反射鏡８の一方の焦点ｆ１に位置するように固定され、光ファイバ１９は、その入射面が楕円球面反射鏡８の他方の焦点ｆ２に位置するように固定される。
【００２２】
第１の実施の形態と同様に、測定対象のガスは、通気孔９から容器内に流入し、図３（Ａ）の矢印１７の方向に流れ、通気孔１０から容器外に流出する。
レーザダイオードから発せられた光は、光ファイバ１８によって光学部に導かれ、光ファイバ１８から出射したレーザ光は、容器内のガス雰囲気中を通過して楕円球面反射鏡８によって反射され、再びガス雰囲気中を通過して光ファイバ１９に入射する。光ファイバ１９は、楕円球面反射鏡８からの反射光をフォトダイオードに導く。
【００２３】
レーザダイオードは、図２のレーザドライバ１３と接続され、フォトダイオードは、信号検出部１４と接続されている。検知部の構成と動作は、第１の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、ガス検知装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガス検知装置の光学部の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るガス検知装置の検知部の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るガス検知装置の光学部の断面図である。
【図４】従来のガス検知装置の光学部の断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…レーザダイオード、２…フォトダイオード、３…底面部材、４…上面部材、５…側面部材、６，７，２０，２１…ホルダ、８…楕円球面反射鏡、９，１０…通気孔、１１，１２…電線、１３…レーザドライバ、１４…信号検出部、１５…ガス濃度算出部、１６…表示部、１８，１９…光ファイバ。
【図１】
2009063311.tif 000003
【図２】
2009063311.tif 000004
【図３】
2009063311.tif 000005
【図４】
2009063311.tif 000006