JP2000506974A

JP2000506974A - 光ファイバ式感知装置

Info

Publication number: JP2000506974A
Application number: JP9532620A
Authority: JP
Inventors: ケイベンソン、デビッド; エスベヒンゲル、クレメンス; エドウイントレイシー、シー
Original assignee: ミッドウエストリサーチインスティチュート
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 2000-06-06
Also published as: WO1997037258A1; EP0890123A1; AU1974797A; CA2250688A1; EP0890123A4; CA2250688C; US5708735A

Abstract

(57)【要約】環境におけるガスの存在を検出するための光ファイバー装置(10)。本装置(10)は、第１表面(46)と、該第１表面とは反対側の第２表面(54)とを有する層組織に光線(36)を方向付けるための光源(14)を含んでいる。第１表面(46)は光源(36)に露出可能であり、第２表面は環境に向けて露出可能である。第１の光部分(50)は、光導波管共振現象に関係のない入射角で第１表面(46)と出会い、かつこれから反射し、第２の光部分(52)は光導波管共振現象を可能にする入射角で第１表面と出会い、かつこれから反射する。前記層組織は、検出対象であるガスにそれぞれ反応するように選択される。ガスと材料とのあいだの反応は、材料の光学特性を変化させ、かつ光導波管共振が起こる波長を変化させる。さらに反射した第２の光部分(52)に関連させて第１の光部分(50)の強度を判定するための機構(24、26、28)が設けられており、第１および第２の光部分の比が、環境中に存在するガスの濃度を示す。

Description

【発明の詳細な説明】光ファイバ式感知装置技術分野本発明は光学的感知装置に関し、またとくに、光導波管共振現象を利用して光の相対的な強度を測定することによって、ある環境におけるガスの存在を検出する光学的感知装置に関する。技術的背景世界の至る所で、車両排気に直接関連する劣悪かつ潜在的に危険である大気品質によって被害を受けている。米国では、多くの地域社会が「ノードライブ」デーやカープールを指示して自動車の利用を規制している。自動車の有毒排気ガスの低減に対する人々の関心や規制上の圧力の増加は、米国の自動車業界に過去20 年間に渡り、ガソリンエンジンの性能の向上と排気ガス処理の劇的な改良のための動機づけを与えた。現在、スリーウェイ触媒(three-way catalysts)、および多点燃料噴霧器の正確なタイミングに基づく空気対燃料混合比のフィードバック制御といった技術の使用により、自動車からの有毒ガスの排気量は1975年の場合の５％未満に減少している。残念ながら、増加を続ける自動車台数と走行距離の延長によって、当業界は、国家が汚染性の少ない燃料およびゼロ排気性（すなわち、電気を動力とする）車両へと漸次移行しようとしているこの先数十年に渡り、ガソリンエンジン尾筒からの有毒ガスの排出をさらに低減しなければならないであろう。自動車保有の自由を確保しながら汚染を低減しなければならないという状況により、人々は水素燃料車両を含む代替燃料を動力とする車両の創造を始めている。水素は、ガソリンと同じ爆発性の性質を保有してはいるが、その極度の気体的性質上、ガソリンでは発生し得ないほどの危険を生じさせる。車両燃料として水素を使用する場合は、危険対策として、水素の漏れ検出を含む大規模な安全上の予防措置が必要である。ディレクティッドテクノロジー社(Directed Technologi es，Inc.)によるフォードモーター社に関する最近の未刊危険分析書は、車庫入れされた自動車における水素燃料漏れの状況を、高信頼性の車上搭載式水素漏れ検出を必要とするとくに重大な危険であると認めている。水素漏れ検出器は、商品化されている。しかしながらこれは、コンパクト型の水素検出器でさえも一般に、水素燃料車両において広範に使用するには複雑に過ぎ、大型で高価である。さらに、従来型の検出器は制御および信号送信用の電気配線を必要とすることから、検出器自体も水素漏れによる点火の危険をはらんでいる。サドウィスキー(Sadowski)による先行技術、米国特許第5,322,798号明細書は、表面プラズモン共振（ＳＰＲ）を利用したタイプのガス検出器について記述している。一般に、表面プラズモンは、金属の表面に沿って伝搬する特定種の電磁波である。表面プラズモンの光学的励起は、ｐ偏向された平行光線が金属薄膜で被覆されたガラス基板表面で全反射する場合に達成することができる。表面に平行な光量子の運動量要素が特定の値と調和すれば、反対側の金属薄膜表面上の表面プラズモンの対応する運動量要素を励起することができる。これは、任意の波長による任意の光入射角（共振角度）において発生する。白色光を使用する場合は、この現象は、表面プラズモンが励起されている特定波長での鋭敏な最小反射光スペクトルとして観測される。この下降(dip )が発生するときの波長は、金属薄膜上の表面層の性質に決定的に依存しており、したがってこの現象を使用すれば、特定の化学反応もしくは生物学的反応または当表面に直近する物質の濃度の変化などに起因する当表面層上の変化を監視することができる。このサドウィスキーの特許には、表面プラズモン共振を使用して吸収ガス量の測定を行うための方法が記述されている。サドウィスキー特許による方法は、電磁放射ビームを透明の誘電材料を通じて金属層の第１表面上へ方向付けることを含んでいる。第１表面の反対側にある金属層の第２表面は、検出対象である物質を含んだ空気などの試験物質に接している。共振波長での反射放射線の強度の変化、または共振が発生する角度の変化は、金属層と試験物質との間の境界面(int erface)に測定対象である物質の金属への取り込み／吸収といった変化が発生していることを示している。共振が発生する波長および入射角の変化は、検出対象である物質の濃度と相互に関連している。サドウィスキー特許の装置は水素ガスを検出可能ではあるものの、車両内での水素漏れの検出にはあまり適していない。サドウィスキー特許の装置は、金属表面に吸収されるあらゆるガスに反応する点で非選択性である。水素、ヘリウムガスの他、二酸化炭素もこのサドウィスキー特許の装置によって検出される。ヘリウムも二酸化炭素も我々の環境において自然に発生するものであり、二酸化炭素はとくに交通渋滞において発生するため、選択能力の欠如は車両内の漏れ検出におけるサドウィスキー特許の装置の使用を甚だしく制限する。さらにサドウィスキー特許は、センサおよび光学的要素の特性の変動を修正することができない。サドウィスキー特許の装置におけるセンサおよび／または光学的要素がその特性を変化させる、またはその他の事情で不良となった場合には、試験を標準化するための基準ビーム（reference beam)が存在していないために試験材料の真の読取値を決定する方法がない。加えて、表面プラズモン共振現象は、金属層へ吸収されるあらゆる種類の不純物／吸着物に対して非常に敏感である。サドウィスキー特許のセンサ装置上の任意の吸着層、たとえば水は、表面プラズモン共振が発生する波長を変化させる。したがって、サドウィスキー特許の装置は、センサ装置が他の物質に対して感応するために、多くの環境における水素ガスの検出用としては効果的でないと思われる。発明の開示本発明は、環境におけるガスの存在を感知するための装置である。本装置は、第１の光部分と第２の光部分とを有する光線を生成する光源を備えている。本装置はさらに、第１表面と、第１表面とは反対側の第２表面とを有する層組織(lay er system)を備えている。第１表面は光源からの光線に向けて露出することが可能であり、第２表面は環境へと露出することができる。さらに本装置は、第１の光部分が光導波管共振現象 (optical wave guide resonane phenomenon)に関係のない入射角で第１表面と出会い、第２の光部分が光導波管共振現象を可能にする入射角で第１表面と出会うように、光線の第１および第２の光部分を方向付けするための手段を備えている。最後に、本装置は、第２の光部分に関連させて第１の光部分の強度を測定するための手段を備えている。第１および第２の光部分は層組織の第１表面からの反射であり、第１の光部分と第２の光部分の強度を比較すれば環境におけるガスの存在が判定される。好適な実施例では、検出対象であるガスは水素であり、光源は白色光源で構成される。さらに、好適には、層組織は遷移金属の酸化物とそのオキシ塩および高導電性金属で構成され、遷移金属酸化物またはオキシ塩はＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₃よびＣｏＭｏＯ₄からなる群から選択され、高伝導性金属は金、銀、白金およびパラジウムからなる群から選択される。層組織はさらに、フッ化炭化水素ポリマーと触媒材料とで構成することができる。この場合、フッ化炭化水素ポリマーは、テフロン(TEFLON)からなる。他の好適な実施例では、方向付け手段が縦部分と、近位端と、遠位端とを有する光ファイバセンサ（fiber optic sensor)を備えている。近位端は光源からの光線を受け入れ、光線は光ファイバセンサの縦部分を通って遠位端へと進行する。方向付け手段はさらに、各々に層組織が適用された第１、第２および第３面を有する光ファイバセンサの遠位端を備えている。第１面は、好適には光線に対して実質的に垂直であり、第１の光部分が光導波管共振現象に関わりのない入射角で第１面に接する。第２および第３面は好適には第１面および光線から約45°ずれており、第２の光部分が光導波管共振現象を可能にする入射角で第２および第３面に接する。第２および第３面は好適には実質的に互いに対峙しており、第２の光部分が第２または第３面から各々反対側の面へと反射する。光ファイバセンサの遠位端の周囲は防護スリーブで囲まれ、スリーブが光ファイバセンサに取り付けられて遠位端をこえて伸びている。さらに他の好適な実施例では、測定手段が光ファイバの近位端に少なくとも１つの部分的反射鏡と、第１光増幅器と、第２光増幅器とを備えている。各反射鏡は、第１および第２光部分の第１部分を第１光増幅器に反射する。第２光増幅器は第１および第２光部分の第２部分を受け入れ、第２部分が反射鏡を通過する。他の好適な実施例では、感知装置が光学フィルタを備えている。フィルタは反射鏡と第２光増幅器とのあいだに配置されており、検出対象であるガスが存在しない場合には通常光導波管共振現象によって吸収される光の波長のみを通過させる。本発明はさらに、環境におけるガスの存在を感知するための方法を含んでいる。本方法はまず、第１表面と第２表面とを有する層組織を提供することによって構成される。第２に、層組織の第２表面が環境に露出される。第３に、光源が層組織の第１表面へと方向付けされ、光源が第１の光部分と第２の光部分とを有している。第１の光部分は光導波管共振現象に関係のない入射角で第１表面に出会い、第２の光部分は光導波管共振現象を可能にする入射角で第１表面に出会う。第４に、第１および第２の光部分が層組織の第１表面から反射したのち、第１の光部分の強度が第２部分との相対によって測定される。最後に、第１の光部分が第２の光部分との関連によって比較され、環境におけるガスの存在が判定される。好適な実施例では、検出対象であるガスは水素であり、光源は白色光源で構成される。さらに、好適には、層組織が遷移金属の酸化物、高導電性金属およびフッ化炭化水素ポリマーで構成されており、遷移金属の酸化物はＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₃ 、ＣｏＭｏＯ₄および関連物質からなる群から選択され、高導電性金属が金および銀からなる群から選択され、またフッ化炭化水素ポリマーがテフロンおよび関連ポリマーで構成されている。図面の簡単な説明図１は本発明の感知装置の側面図であり、ハウジングと、光ファイバと、感知要素と、１対の反射鏡と、１対の光増幅器と、光学フィルタとを有する光ファイバセンサを示している。図２は本発明の感知装置の感知要素の断面図であり、センサプローブの感知端と、金属被膜、遷移金属酸化物およびフッ化炭化水素ポリマーからなる層組織と、保護スリーブとを示している。図３は本発明にかかわるセンサプローブの接続端の側面図であり、反射を抑制するための角度を示している。図４は本発明の感知装置の感知要素の透視図である。図５は反射強度(reflected intensity)と波長との関係を表わすグラフであり、反射光スペクトルを実線によって示し、また環境中に水素が存在しない場合の誘導表面波共振吸収(guided surface wave resonant absorption)をＡで表している。点線は、環境中に水素が存在する場合に、Ｂへ移動した誘導表面波共振吸収の波長を表わしている。好適な実施例の詳細な説明本発明は環境におけるガスの存在を検出するための感知装置であり、通常10で図示されている。本発明の感知装置10は、建物、化学処理プラント、精製所などを含む、ただしこれらに限定されない、任意の環境において異なる種類のガスを検出することができるが、本感知装置10の構造および設計は、とくに水素を燃料とする車両における水素漏れの感知またはこれに類似した用途に適している。したがって、本出願において本発明の感知装置10を論じる上で、本出願人は、とくに本感知装置10を車両における使用に関連して記述していく。ただし、感知装置 10のその他の使用も想定されており、それもまた本発明の範囲内であることに留意しなければならない。本発明の感知装置10は、単純な表面プラズモン共振ではなく光導波管共振現象を使用して環境中のガスの存在を判定するという点で、前述した検出器とは著しく異なっている。光導波管共振現象と単純な表面プラズモン共振との違いは、光導波管共振では金属被膜上に薄い、誘電性のフィルム材が追加被覆されている点にある。一般に誘電性フィルム材は、屈折率がその表面上の物質／ガスより高い。導波共振(guided wave resonance)は、消失性の光波が金属被膜を通って進行し、隣接する誘電性フィルム材において導波を励起するにつれて発生する。フィルム材は臨界角を僅かにこえる角度で境界面(interface)と交差する光のための導波管を形成する。誘電性フィルムと検出されるガスとのあいだの反応はいずれも、誘電性フィルムの光学的誘電率を変化させる。次いで、誘電性フィルムの光学的定数の変化は、光導波管共振が発生する波長を移動させる。図１に示すように、本発明では、感知装置10は、ハウジング12と、光源14と、光ファイバ16と、センサプローブ18と、第１および第２部分反射鏡20および22と、第１および第２光増幅器またはフォトレジスタ24および26と、光学フィルタ28 とを備えている。ハウジング12は、車両（図示していない）内に搭載できるような構造および大きさにされており、内部チャンバ32を取り囲む外壁30を備えている。外壁30は、好適には、潜在的に苛酷である車両環境に耐えるようにアルミニウムなどの耐久性のある素材で構成される。ハウジング12には、他の金属および金属合金、プラスチックまたはセラミックを含む、ただしこれらに限定されない、その他の素材も使用することができる。本発明における光源14は、ハウジング12の照明用開口部34の内に据え付けられている。照明用開口部はハウジング12の外壁30を通ってハウジングの内部チャンバ32まで伸びており、光源14が光線36をハウジング12の内部チャンバ32へと方向付けるように、光源14の少なくとも一部が収まる構造および大きさにされている。表面プラズモン共振とは対照的に、誘導波(guided waves)はｓ偏光およびｐ偏光の両方によって励起される。したがって、光源14によって生成される光線36は、偏光性または非偏光性のいずれであっても可能である。光源14として偏光性または非偏光性のいずれもが可であることによって、本発明の感知装置10には、こうした光源が非常に安価であるという明確な優位点がある。たとえば本発明においては、光源14はハロゲン電球またはタングステンフィラメント電球のような、ただしこれらに限定されない、白色光源が好適である。本発明の感知装置10はさらに、ハウジング接続端38とセンサ接続端40とを有する光ファイバ16を備えている。光ファイバ16は、ハウジング接続端38において第１接続要素42によりハウジング12に接続されている。光ファイバ16のハウジング接続端38は、外壁30を通って内部チャンバ32へと伸びる光ファイバ用開口部44からハウジング12へと伸びており、照明用開口部34の実質上反対側に配置されるため、光ファイバ16は実質上、光源14の全光線26を実質上受け入れる。本発明の感知装置10の光ファイバ16は、好適には、単一の連続したポリマーの光ファイバパッチコード(patch cord)である。ただし、光線36が光ファイバ16の長さに沿ってハウジング接続端38からセンサ接続端40へと透過できるのであれば、何れのタイプの光ファイバ16も本発明の範囲内にあることに留意すべきである。本発明における光ファイバ16を単一の連続ファイバとして記述しているが、光ファイバ16のいくつかの部分が一連の光ファイバ接続部（図示していない）によって隣接する各部分に接続されている場合も本発明の範囲内に含まれる。光ファイバ16のいくつかの部分を使用すれば、異なる場所におけるガス検出能力が増大する。図２に示すように、本発明の感知装置10は、接続端56と感知端58とを有する多重モード光ファイバセンサプローブ(multimode optic fiber sensor probe)18をさらに備えている。感知端58は、前述のように高い導電率を有する薄い金属被膜 46で被覆されている。前述のように、導波管共振は、単に金属被膜46の境界面にではなくフィルム材48の光誘電率に依存するため、導波管共振現象の発生を考慮して金属被膜46上にはフィルム材48が溶着されている。事実、本発明の感知装置 10は、本発明のセンサプローブ18が、光線36の第１部分50が光導波管共振現象に関わらない入射角でセンサプローブと出会い、また光線36の第２部分52が光導波管共振現象を可能にする入射角でセンサプローブと出会うように光線36を指向させる点で特異である。本発明では、金属被膜46が、好適にはＡｕ（金）またはＡｇ（銀）で構成され、フィルム材48が、好適にはＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₃およびＣｏＭｏＯ₄含む、ただしこれらに限定されない、遷移金属酸化物またはそのオキシ塩で構成される。遷移金属酸化物およびそのオキシ塩は一般に、ガス位相化学製品(gas-phase chemicals )の酸化化学処理の触媒として使用されている。一般にその光学特性は、触媒作用中の金属酸化状態の変化によって変わる。たとえば水素によるＷＯ₃フィルム材の可逆性還元は、水素がＷＯ₃に混合原子価状態(mixed valence states)を導入することから、光学特性および誘導波共振(guided wave resonance)に強く影響を及ぼす。水素の存在下における異なる酸化状態の隣接する金属イオン間の光学的遷移は、約 1.2eVを中心とした強力で広い光吸収帯域を惹起し、また光誘電率の実部(creal part)に大きな変化を生じさせる。ＷＯ₃の光誘電率が極く僅か１％変化しても、誘導波共振の波長は強力、かつ容易に計測可能なほどの移動を引き起こす。ＷＯ₃ が100万分の100という低圧で水素にさらされると、光誘電率に変化が生じる。適正に溶着されたＷＯ₃などのフィルム材は微孔性構造を有し、また室温で0.1秒未満という高速応答時間定数を呈することから、ＷＯ₃は水素漏れの安全な検出にとくに適している。室温を上回る温度では、応答がさらに高速となる。環境におけるガスを正確に検出するには、フィルム材48を水およびその他の汚染物質から保護することが重要である。したがって、フィルム材48には、フィルム材48上に水またはその他の汚染物質が到達し、凝縮するのを防止するために、フッ化炭化水素ポリマー54が塗布されている。ポリマー（時折テフロンとして言及されている）54は、汚染物に対しては防壁となるが、ガス分子はこれを通過してフィルム材48に到達し、感知装置10による感知が可能であるために、理想的な保護材である。本発明の感知装置10の好適な実施例では、金属被膜46は厚さ約49nmのＡｕで構成され、フィルム材48は厚さ約150nmのＷＯ₃構成され、またポリマー54は厚さ約 100nmのテフロンで構成されている。図５に示すように、フィルム材48の材質および実際の厚さは、可視スペクトルの全域で異なる波長において共振誘導波吸収を示すように選択される。線Ａは、環境に水素が存在しない場合の反射強度と波長との関係を示している。点線で示した線Ｂは、環境に水素が存在する場合の反射強度と波長との関係を描いている。本発明は誘導波共振として作動するように設計されているため、共振周波数電磁波はＷＯ₃フィルム材に沿って誘導され、単に境界面における素材だけでなくＷＯ₃フィルム材の大部分と相互に作用する。水素が存在すれば、水素はＷＯ₃と自然に反応する。ＷＯ₃の光誘電特性は変化し、誘導波共振の共振周波数および振幅も変化する。水素とＷＯ₃の自然反応は、誘導波共振における強力な移動を惹起するに足るものであり、そのため空気中の水素の存在が表示される。ＷＯ₃ 表面上に塗布された触媒59は、極く微量であってもＷＯ₃における反応を大幅に増大させる。センサプローブ18の接続端56は、第２接続要素60によって光ファイバ16のセンサ接続端40に接続される。図３に示すように、センサプローブ18の接続端56は、反射光が検出器の光増幅器24、26へと逆行しないように僅かに傾斜させることができる。これを最も効果的にするため、好適には角度αを約８度とする。図２および４に示すように、センサプローブ18の感知端58は、好適には平らな端面62と、平らな端面62および光線36の方向に対して約45度の角度をなす第１斜面64および第２斜面66とを有する逆反射性ブラントチップチゼル形状(retrorefl ective blunt-tipped chisel shape)で構成される。本発明をガス検出器として作動させる上では、平らな端面62と第１および第２斜面64、66との両方があることが重要である。45度の斜面64、66は、２回の共振吸収（各４５°面毎に１回）ののちに入射光を検出器に戻す逆反射を生成する。前述のように、センサプローブ18の平らな端面62、第１および第２斜面64、66 上には誘電フィルム材48が溶着されている。センサプローブ18へと伝播する光線の大半は、平らな端面62または第１および第２斜面64、66のいずれかにおいて反射され、光ファイバ16を通って反射光線67としてハウジング12に戻る。要するに、光線36は光導波管共振現象に関わらない入射角で平らな端面62に当たり、光導波管共振現象を可能にする入射角で第１および第２斜面64、66に当たる。フィルム材48の溶着は、熱蒸着、ｒｆおよびｄｃスパッタリング(rf-and dc-s puttering)およびレーザーアブレーション(laser ablation)を含む、ただしこれらに限定されない、種々の技術によって達成することができる。フィルム材48の反応性においては化学量論が重要なパラメータであるため、溶着は、好適には、ガス組成が慎重に管理されている部分圧力制御式チャンバ(controlled partial pressure chamber)内で行なう。図２および４に示すように、好適には、センサプローブ18の周囲に位置し、面 62、64、66をこえて伸びる保護スリーブ72が第２接続要素60に接続されている。議論上、仮に、水素を燃料とする車両において水素漏れの検出に感知装置10が使用されるものとすれば、こうした漏れを検出するためには、感知装置10のセンサプローブ18は潜在的な漏洩源に近接して配置しなければならない。潜在的な漏洩源は、苛酷で厳しい環境、すなわち車両の下やエンジンの内部または近辺である例が多い。スリーブ72 は、本発明の感知装置10のあらゆる使用意図に付随するこうした、またはその他の環境的危険性からセンサプローブ18を保護している。また、テフロンポリマー 54が汚染物質に対する防護壁をもたらす限りにおいて、このポリマー層54はフィルム材48に塗布する代わりにスリーブ72の端部に配置することもできる。図１に示すように、感知装置10は、センサプローブ18から反射鏡20、22に到来する反射光線67を受光するために、ハウジング12の内部チャンバ32内に設置された１対の光線スプリッタまたは第１部分反射鏡20および第２部分反射鏡22をさらに備えている。好適な実施例においては、第１および第２反射鏡20、22は、第１および第２反射鏡20、22へと向かう反射光線67の約50％を反射するように設計されている。したがって作動中は、第１反射鏡20はセンサプローブ18から戻って来る反射光線67を受光し、反射光線67の少なくとも一部を第２反射鏡22へと方向付ける。第１反射鏡20は部分反射鏡であるため、反射光線67の50％を反射するだけではなく、反射光線67の50％を通過させることから、第１反射鏡20は反射光線67 が光ファイバ16に入る前に第１反射鏡20に当たるように設置可能であることに留意すべきである。導波管共振の物理光学は、一般にフレネルの式およびフィルム材の既知の光学的特性と厚さを使用して計算される。平らな端面62に当たる反射光線67は、光線が共振を起こすには不適正な入射角で平らな端面62に当たるため、被膜とガスとの反応に影響されない基準反射光線(reflected reference beam)を生成する。本発明では、第１および第２斜面64、66からの逆反射光線のみが、共振に関する情報を共振波長および振幅といった形式で含んでいる。総反射光線の一部は、第１光増幅器24により基準光線として収集される。共振波長に近い波長を有する一部の反射光線のみが光フィルタ28を通過し、第２光増幅器26に到達する。第１光増幅器24は、好適には光ダイオードであり、第２反射鏡22から反射された反射光線67の反射部分68を受光するようにハウジング12内に設置されている。第２光増幅器26もまた光ダイオードであり、第２反射鏡22を通過する反射光線 67の非反射部分70を受光するようにハウジング12内に設置されている。第１および第２光増幅器24、26を光ダイオードとして説明しているが、光を感知し、光強度(light inensity)の入射に相関する出力信号を供給するあらゆるタイプの装置が本発明の範囲に含まれる。第２光増幅器26は狭帯域光学フィルタ28を含んでおり、導波管共振の波長範囲にある波長の光だけに応答する。フィルタ28は、通常は表面プラズモン共振によって吸収される反射光線67の波長だけを通過させる。ガスが存在するときは、共振波長が変化し、そのためこのフィルタを通過できる波長では光の吸収が少なくなる。結果的に第２光増幅器26に当たる光が多くなり、ガス検出信号が増加する。第１光増幅器24は第１出力信号（ＰＡ１）を生成し、第２光増幅器26は第２出力信号（ＰＡ２）を生成する。第１および第２光増幅器24、26からの第１および第２出力信号は、それぞれ水素のない状態でほぼ等しくなるように調整されている。第１および第２出力信号は電気的に分離され、ＰＡ２／ＰＡ１に比例した比例信号を生成する。水素が存在すると、表面プラズモン共振波長が変動するために帯域フィルタを通過する光量が増大し、第２光増幅器26からの信号および比例信号ＰＡ２／ＰＡ１が増大する。信号強度を比較すると、環境におけるガスの存在に起因する変化以外の変化はすべて相殺される。本発明の感知装置10は、光ファイバ16とセンサプローブ18を追加するだけで、車両周りの多数の場所における水素漏れの検出に使用することができる。ハウジング12、第１および第２反射鏡20、22、第１および第２光増幅器24、26および光学フィルタは、車両占有コンパートメント(compartment)の内外いずれにおいても、都合のよい場所に集中的に配置することができる。多重光ファイバ16はハウジング12から伸ばし、多数のセンサプローブ18を、車両の下部構造およびエンジン室(compartment)を通じて漏れの可能性のある様々な場所に隣接配置する。光源14は、光線36を各光ファイバ16へと方向付けるように配置されている。または、数個の光源14が供給される場合もある。漏れが発生すると、影響されたセンサプローブ18からの水素不在信号が変化して前述の手順で水素漏れを指示し、これによって制御用電子機器が影響されているセンサプローブ18がどれであるかを表示して警告音を発生させる、そうでなければ車両占有者に通報してバルブを閉じる、または必要に応じて換気ファンを始動させるといった何らかの安全措置を実行する。さらに、本発明の感知装置10は、検出対象である各ガス用として一対の斜面を有するセンサプローブ18を僅か１つ使用するだけで、任意数のガスの検出にも使用することができる。たとえば、３種類のガスを検出する場合は、センサプローブに３対または６個の斜面を備えることになる。センサの第１斜面対のガスＡに対する感度をａ１とし、同じくガスＢに対する感度をｂ１、ガスＣに対する感度をｃ１とすると、この単一の斜面対に付随する合計共振吸収信号は、以下のようになる。Ｓ１＝ａ１（Ａ）＋ｂ１（Ｂ）＋ｃ１（Ｃ）また、センサの第２、第３斜面対の場合も同様である。さらに一般的に言えば、ｎ個の斜面からの信号セットは、つぎのようなｎ個の一次方程式として解釈することができる。Ｓｉ＝ｆ_1i（Ｘ１）＋ｆ_2i（Ｘ２）＋...ｆni（Ｘ_m）この方程式から、ｍ個の未知のガス成分濃度を容易に取得することができる。斜面対の数が測定対象のガス数より多いセンサ設計では幾らかの冗長性が生じ、これがなければ解答が曖昧となりがちである方程式セットの解決するのに役立つ。本発明の感知装置10は、水素ガスの漏れが安全に対する危険を有する可能性のある多くの場所を監視する、柔軟で安価な手段を提供する。事実上のセンサプローブ18から遠隔位置にある集中した場所への電気的接続を全て除去することにより、電気配線およびメンテナンスの費用が低減し、水素点火の原因となりうる電気的故障に関わる安全上の問題がなくなっている。本発明に関する前述の例証的記述および例示的な好適な実施例は、図面においても説明されており、また教示された様々な修正および代替実施例に関連して詳細に説明されている。本発明はこのように示され、記述され、例示されているが、当業者には、本発明が本発明の真の精神および範囲を逸脱することなくその形式および詳細事項を等価的に変更可能であること、また本発明の範囲は先行技術によって除外されているものを除いて請求の範囲のみに限定されるべきものであることが理解されるはずである。さらに、本明細書に開示されている発明は、本明細書において開示されている特定要素が存在していない場合であっても適正に実施することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者トレイシー、シーエドウインアメリカ合衆国、80401 コロラド州、ゴールデン、ウエストシックスティースドライブ 19012

Claims

【特許請求の範囲】 1. 環境におけるガスの存在を感知するための装置であって、第１の光部分と第２の光部分とを有する光線を生成する光源と、第１表面と第２表面とを有する層組織であって、第２表面が第１表面の反対側に位置しており、第１表面が前記光源からの光線に向けて露出可能であり、第２表面が環境に向けて露出可能である層組織と、光線の第１および第２の光部分を方向付けするための手段であって、第１の光部分が、光導波管共振現象に関係のない入射角で第１表面と出会い、かつこれから反射し、第２の部分が光導波管共振現象を可能にする入射角で第１表面と出会い、かつこれから反射するように方向付けるための手段と、反射された第１の光部分の強度を反射された第２の光部分との関連において測定するための手段であって、これにより、環境におけるガスの存在が第２の光部分に対する第１の光部分の強度を比較して判定されるような手段と、を備えた装置。 2. 前記ガスが水素である請求の範囲第１項記載の装置。 3. 前記層組織が、内面と外面とを有する高導電性金属を含む第１層と、内面と外面とを有する遷移金属の酸化物またはオキシ塩を含む第２層とを備えており、遷移金属の酸化物またはオキシ塩の内面が高導電性金属の外面上に付加され、高導電性金属の内面が光線に向けて露出可能であり、遷移金属の酸化物またはオキシ塩の外面が環境に向けて露出可能である請求の範囲第１項記載の装置。 4. 前記遷移金属酸化物または遷移金属オキシ塩が、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₃およびＣｏＭｏＯ₄からなる群から選択される請求の範囲第３項記載の装置。 5. 前記高導電性金属が、金、銀、白金およびパラジウムからなる群から選択される請求の範囲第３項記載の装置。 6. 前記層組織がさらに、遷移金属の酸化物またはオキシ塩の外層に付加されたフッ化炭化水素ポリマーを備えている請求の範囲第３項記載の装置。 7. 前記フッ化炭化水素ポリマーがテフロンからなる請求の範囲第６項記載の装置。 8. 前記層組織がさらに、遷移金属の酸化物またはオキシ塩の外面に付加された触媒材料を備えている請求の範囲第３項記載の装置。 9. 前記方向付け手段が、縦部分と、近位端と、遠位端とを有する光ファイバセンサを備えており、近位端が光源からの光線を受け入れ、光線が光ファイバセンサの縦部分を通って遠位端へと進行する請求の範囲第１項記載の装置。 10．前記方向付け手段がさらに、第１面と、第２面と、第３面とを有する光ファイバセンサの遠位端を備えており、前記層組織がこの各面に付加され、第１面が光源に対して実質的に垂直であり、第１の光部分が光導波管共振現象に関係のない入射角で第１面に接し、第２および第３の光部分が第１面および光線から約45 °偏向し、第２の光部分が光導波管共振現象を可能にする入射角で第２および第３面に接し、全面が光ファイバセンサの近位端へと逆反射を返す請求の範囲第９項記載の装置。 11．前記第２および第３面が実質的に互いに向かい合っており、第２の光部分が第２または第３面のいずれかからその互いの他方の面へと反射し、反射する第２の光部分が光導波管共振吸収を倍増せしめる請求の範囲第10項記載の装置。 12．光ファイバセンサの遠位端の辺りにスリーブをさらに備えており、該スリーブが光ファイバセンサに取り付けられ、遠位端をこえて伸びている請求の範囲第９項記載の装置。 13．測定手段が少なくとも１つの部分反射鏡と、第１光増幅器と、第２光増幅器とを備えており、反射鏡が第１および第２の光部分の第１部分を第１光増幅器へと反射し、第２光増幅器が第１および第２の光部分の第２部分を受け入れ、第２部分が反射鏡を通過する請求の範囲第１項記載の装置。 14．光学フィルタをさらに備えており、フィルタが反射鏡と第２光増幅器とのあいだに配置され、フィルタが光導波管共振現象の波長にほぼ等しい光の波長のみを透過させる請求の範囲第13項記載の装置。 15．環境におけるガスの存在を感知するための方法であって、第１表面と第２表面とを有する層組織を供給することと、該層組織の第２表面を環境に向けて露出することと、光源を層組織の第１表面へと方向付けすることであって、光源が第１の光部分と第２の光部分とを有し、第１の光部分が、光導波管共振現象に関係のない入射角で第１表面と出会い、かつこれから反射し、第２の光部分が光導波管共振現象を可能にする入射角で第１表面と出会い、かつこれから反射するように方向付けすることと、反射された第１の光部分の強度を反射された第２の光部分との関連において測定することと、反射された第１の光部分を反射された第２の光部分との関連において比較し、環境におけるガスの存在を判定すること、を含む方法。 16．ガスが水素である請求の範囲第15項記載の方法。 17．前記層組織が、内面と外面とを有する高導電性金属を含む第１層と、内面と外面とを有する遷移金属の酸化物またはオキシ塩を含む第２層とを備えており、遷移金属の酸化物またはオキシ塩の内面が高導電性金属の外面上に付加され、高導電性金属の内面が光線に向けて露出可能であり、遷移金属の酸化物またはオキシ塩の外面が環境に向けて露出可能であるような請求の範囲第15項記載の方法。 18．前記遷移金属酸化物または遷移金属オキシ塩が、ＷＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₃およびＣｏＭｏＯ₄からなる群から選択される請求の範囲第17項記載の方法。 19．前記高導電性金属が、金、銀、白金およびパラジウムからなる群から選択される請求の範囲第17項記載の方法。 20．前記層組織がさらに、遷移金属の酸化物またはオキシ塩の外面に付加されたフッ化炭化水素ポリマーを備えている請求の範囲第17項記載の方法。 21．前記フッ化炭化水素ポリマーがテフロンからなる請求の範囲第20項記載の方法。 22．前記層組織がさらに、遷移金属の酸化物またはオキシ塩の外面に付加された触媒材料を備えている請求の範囲第17項記載の方法。