JP2005121463A

JP2005121463A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2005121463A
Application number: JP2003356229A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Kikukawa; 知之菊川; Yoshifumi Takahashi; 良文高橋; Takanori Saito; 崇記斉藤; Kenichi Nakamura; 賢一中村
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】
広帯域光源と高速の可変波長光フィルタとを組み合わせて、複数ガスの高速検出を可能としたガスセンサを提供する。
【解決手段】
対象ガスが有する固有の吸収スペクトルを発光波長帯域に含む測定光Ｗを出射する少なくとも１つの広帯域光源１０と、回折格子２５とＭＥＭＳスキャナ７０とを含んで構成され、広帯域光源１０から出射され対象ガス雰囲気中を透過した透過測定光Ｓが回折格子２５で回折され、それによって得られた回折光Ｇ１が、ＭＥＭＳスキャナ７０に入射されて回折格子２５へ反射され、再び回折格子２５で所定の方向に回折されるとき、回折光Ｇ２が所望の波長の光となるように、ＭＥＭＳスキャナ７０から回折格子２５へ反射される回折光（反射光Ｒ）の角度をＭＥＭＳスキャナ７０によって変化させるようにした可変波長光フィルタ８０と、可変波長光フィルタ８０から出射された回折光Ｇ２を受けて光強度を検出する受光素子４５とを備えている。
【選択図】
図１

Description

本発明は、ガスの吸収スペクトルを利用してガス検出を行うガスセンサに関し、特に広帯域光源と高速の可変波長光フィルタとを組み合わせることによって、複数ガスの高速検出を可能としたガスセンサに関する。

近年、環境、エネルギー問題を背景として、燃焼機器の効率向上、環境汚染物質削減等を目的とした研究・開発が行われている。燃焼機器における複雑な燃焼現象を解明して高性能化を図るためには、高速に変動する燃焼現象をリアルタイムに把握する必要がある。その一手法として燃焼過程におけるＣＯ、ＯＨラジカル、ＮＯｘ等のガスの発生・遷移・消滅等を観測することが試みられる。燃焼機器がエンジンの場合、１サイクル毎の点火、燃焼によりガスの発生・遷移・消滅等が起こり、その１サイクルの中で複数のガスについてこのような現象を観測することが必要となる。その場合、このような現象を検出するための観測装置の応答性が問題となる。例えば、回転数が６，０００ｒｐｍの場合、１サイクルは１００Ｈｚの周期となり、観測装置としては、その１０倍の１ＫＨｚ程度の応答性を必要とされる。本発明のガスセンサは、このような高速性を要求されるガスの発生・遷移・消滅等の観測装置として利用できる。

ガスには特定波長の光を吸収する吸収スペクトルがあることが知られており、この原理を応用した光センシング技術が工業計測、公害監視等で広く用いられている。従来、この技術を利用して、同一ガスセル内に封入されている３種類の対象ガスの濃度を種類毎に検出することができるガスセンサがあった。（例えば、特許文献1参照）

特開平７−１５９３１５号公報

すなわち、３種類の対象ガスのそれぞれの吸収スペクトルに対応した波長で発振する３つの光源（半導体レーザ）を順次スイッチで切り換えて、それぞれの半導体レーザから出射されるレーザ光をガスセル（３つの測定対象ガスが封入されている）に入射する。そして、対象ガスの吸収スペクトルの影響を受けて減衰したレーザ光を順次受光器で受けて、それぞれの対象ガスの濃度を検出するものである。なお、ガスの吸収スペクトルを検出する場合、吸収スペクトルのピーク値以外にそのスペクトル幅も重要なファクタであるために、半導体レーザは注入電流や温度を変化させて、波長を狭い範囲（吸収スペクトルの裾を含むように）掃引している。

しかしながら、従来のガスセンサは、対象ガス毎に光源を用意し、各光源の波長を吸収スペクトルの裾まで含むように掃引し、さらに光源を順次スイッチングしなければならないために、装置構成が複雑になると共に規模が大きくなるという欠点があった。また、光源をスイッチングする方式のために、掃引速度に限界があって、リアルタイムの検出が困難であった。さらに、検出の精度を上げるには、光源の安定性（掃引時の出射光の強度の制御性）が必要であるが、これを実現するには制御機構が複雑になるという欠点があった。

本発明は、広帯域光源と高速の可変波長光フィルタとを組み合わせることによって、これらの課題を解決し、エンジン内のガスの発生・遷移・消滅等の観測にも利用できる、複数ガスの高速検出を可能としたガスセンサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１のガスセンサでは、対象ガスが有する固有の吸収スペクトルを発光波長帯域に含む測定光を出射する少なくとも１つの広帯域光源（１０）と、回折格子（２５）とＭＥＭＳスキャナ（７０）とを含んで構成され、前記広帯域光源から出射され対象ガス雰囲気中を透過した透過測定光が前記回折格子で回折され、それによって得られた回折光が、前記ＭＥＭＳスキャナに入射されて前記回折格子へ反射され、再び該回折格子で所定の方向に回折されるとき、前記所定の方向に回折された回折光が所望の波長の光となるように、前記ＭＥＭＳスキャナから前記回折格子へ反射される前記回折光の角度を前記ＭＥＭＳスキャナによって変化させるようにした可変波長光フィルタ（８０）と、前記所定の方向に配置され、前記可変波長光フィルタから出射された前記回折光を受けて光強度を検出する受光素子（４５）とを備えている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２のガスセンサでは、上述した請求項１のガスセンサにおける前記可変波長光フィルタのＭＥＭＳスキャナは、反射体（３０）と反射体駆動手段（６０）とを含んで構成され、前記回折格子から入射される前記透過測定光に対する回折光が、前記反射体の反射面で該回折格子へ反射され、再び該回折格子で前記所定の方向に回折されるとき、前記所定の方向に回折された回折光が所望の波長の光となるように前記反射体の反射面の角度を前記反射体駆動手段により変化させるようにされている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３のガスセンサでは、上述した請求項２のガスセンサにおける前記ＭＥＭＳスキャナの反射体は、固定基板（３１、３２）と、前記固定基板の縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部（３３、３４）と、前記軸部の先端に自身の縁部で連結されて形成され、一面側に前記回折格子からの回折光を反射するための前記反射面が設けられた反射板（３５）とを有しており、かつ前記ＭＥＭＳスキャナの反射体駆動手段は、前記反射体の軸部と反射板とからなる部分の固有振動数に対応した周波数の電気信号によって前記反射板に力を与えて、該反射板を前記固有振動数又はそれに近い振動数で往復回転させるように構成されている。

本発明の請求項1及び請求項２のガスセンサでは、広帯域光源と、回折格子及びＭＥＭＳスキャナで構成される可変波長光フィルタとを組み合わせて、対象ガスの吸収スペクトルを検出するようにしたので、複数のガスを検出する場合にも広帯域光源が１つですむので、装置構成が非常に単純になり装置の小型化ができる。

本発明の請求項３のガスセンサでは、回折格子からの回折光を反射させるためのＭＥＭＳスキャナの反射体を、固定基板と、その縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部と、軸部の先端に自身の縁部で連結されて形成され、一面側に反射面が設けられた反射板とによって構成すると共に、反射体の軸部と反射板とからなる部分の固有振動数に対応した周波数の電気信号によって反射板に力を与えて、反射板を固有振動数又はそれに近い振動数で往復回転させるようにしている。このため、反射板を高速に往復回転させることができ、しかも、その回転中心が反射板内にあるため、その角度変化に対して反射板の反射面へ入射される回折光の反射角の変化量を大きくすることができる。それにより、可変波長光フィルタの可変波長範囲が広帯域になり、しかもその波長範囲を高速に可変することができる。その結果、本発明のガスセンサは、装置構成が非常に単純になり装置の小型化ができると共に、広帯域の波長範囲にわたって、ガスの吸収スペクトルを高速かつリアルタイムに検出することができる。そして、本発明のガスセンサは、広帯域光源と、高速かつ広帯域の可変波長光フィルタとを組み合わせる構成としているので、複数ガスの高速検出が可能となり、エンジン内のガスの発生・遷移・消滅等の観測にも利用可能となる。

以下に本発明の実施例を記載する。

本発明のガスセンサの概略構成を図１に示す。被測定物１５（例えばエンジン）の内部で燃焼等によって２種類の対象ガスｍ１、ｍ２（例えばＣＯ及びＯＨラジカル）が発生し、その吸収スペクトルの波長はそれぞれλ１、λ２であるとする。広帯域光源１０からは、例えば図２（ａ）に示すように、対象ガスｍ１、ｍ２の吸収スペクトルの波長λ１、λ２を含む広帯域なスペクトル特性を持ったインコヒーレント光（測定光Ｗ）が被測定物１５に出射される。

なお、広帯域光源１０として、ＡＳＥ光源（発振波長０．３〜１．６μｍ）、ＳＬＤ（０．７８〜１．６５μｍ）、ＬＥＤ（０．３７〜１．６μｍ）、ハロゲンランプ（０．４〜３μｍ）、重水素ランプ（紫外）、太陽光等を用いることができる。さらに具体的に説明すると、例えば二酸化炭素（ＣＯ_２）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）の3種類のガスを検出するときには、それぞれの吸収スペクトルの波長は、λ_ＣＯ２＝１．４３９μｍ，λ_Ｃ２Ｈ２＝１．５３μｍ、λ_ＣＨ４＝１．６５μｍであるので、これらの波長を発振帯域に含んでいるＳＬＤ（０．７８〜１．６５μｍ）を用いる。

被測定物１５に入射された測定光Ｗは、対象ガスｍ１、ｍ２の吸収スペクトルにより減衰されて、例えば図２（ｂ）に示すようなスペクトル特性を持った透過測定光Ｓとして出射される。受光部２０は、回折格子２５及びＭＥＭＳスキャナ７０で構成されている可変波長光フィルタ８０と受光素子４５とで構成され、被測定物１５から出射された透過測定光Ｓを受けて、透過測定光Ｓに含まれる各波長の光強度（図２（ｂ））を測定し、吸収スペクトルの波長λ１、λ２を特定することにより対象ガスｍ１、ｍ２の存在、濃度等を検出する。すなわち、可変波長光フィルタ８０を吸収スペクトルの波長λ１、λ２が含まれる波長範囲λ０〜λ３にわたって掃引して、透過測定光Ｓに含まれている各波長成分（スペクトル）を選択し、受光素子４５でその光強度を測定する。

なお、可変波長光フィルタ８０における回折格子２５は、透過測定光Ｓを回折して回折光を出射する。ＭＥＭＳスキャナ７０は反射体３０及び反射体駆動手段６０で構成され、反射体３０の反射面の角度を変えて、所望の波長の回折光を受光素子４５に入射するようにしている。従って、反射体３０の反射面の角度を連続的に変えることにより、可変波長光フィルタ８０を掃引することができる。すなわち、可変波長光フィルタ８０はＭＥＭＳスキャナ７０によって掃引される。ここで、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナとは、アイクロ電気機械式構造体（電気信号の制御を受けて機械的に動作する構造体）によって形成されたスキャナを意味している。

次に、受光部２０について具体的に説明する。回折格子２５は入射された透過測定光Ｓを回折して、透過測定光Ｓに含まれる各波長成分をその波長に対応した角度で出射する。この透過測定光Ｓに対して回折格子２５から出射された回折光Ｇ１は反射体３０の反射面で反射されて回折格子２５に入射され、再び回折される。そして、その反射された回折光Ｒ（すなわち反射光Ｒ）に対して回折格子２５から出射された回折光Ｇ２は受光素子４５に入射される。反射体駆動手段６０は、反射体３０の反射面の角度を変化させて、受光素子４５が受光する光の波長を可変している。このように構成された受光部２０では、反射体駆動手段６０によって反射体３０を往復回転させることで、受光素子４５が受光する光の波長を所定範囲内で掃引し、透過測定光Ｓに含まれる各波長の光の強度を検出する。受光素子４５から出力される各波長毎の強度信号は、信号処理部（図示しない）でサンプリングされてメモリに記憶される。そして、その記憶されたデータを用いて演算処理が行なわれ、吸収スペクトルの波長λ１、λ２が特定されて、対象ガスｍ１、ｍ２の存在、濃度等が検出される。

本発明のガスセンサの受光部２０の構成を図３、図４に示す。この構成では、被測定物１５から出射された透過測定光Ｓが光ファイバ２２を介して受光部２０に入射される。受光部２０は基台２１上に構成されている。基台２１の上面側には、高段部２１ａと低段部２１ｂとが形成されており、高段部２１ａの上には、光ファイバ２２の一端側を支持するファイバ支持部２３と、その光ファイバ２２の先端から出射された透過測定光Ｓをビーム幅がほぼ一定な透過測定光（平行光）Ｓ´に変換して低段部２１ｂの上方へ出射するコリメートレンズ２４とが固定されている。

コリメートレンズ２４から出射された透過測定光Ｓ´は、基台２１の低段部２１ｂの上に直立した状態で固定されている回折格子２５の回折面２５ａ（回折用溝が形成されている面）に入射される。回折格子２５は、入射された透過測定光Ｓ´に含まれる各波長の光成分をその波長に対応した回折角で出射する。透過測定光Ｓ´に対して回折格子２５が出射する回折光Ｇ１は、基台２１の低段部２１ｂ上に配置された反射体３０に入射する。

反射体３０は、図５に示すように、横長矩形で互いに平行に配置された一対の固定基板３１、３２と、この一対の固定基板３１、３２の長辺側縁部の中央からこの固定基板３１、３２と直交する方向に所定幅、所定長さで延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な一対の軸部３３、３４と、横長矩形で一方の長辺側縁部の中央部で軸部３３の先端に連結され、他方の長辺側縁部の中央部で軸部３４の先端に連結された反射板３５とを有している。この反射板３５は、捩じれ変形可能な軸部３３、３４に中心部が支持されているので、この軸部３３、３４を結ぶ線を中心軸として固定基板３１、３２に対して回転することができる。また、軸部３３、３４と反射板３５とからなる部分の固有振動数ｆ０は、反射板３５自体の形状や質量及び軸部３３、３４のバネ定数によって決まる。

また、反射板３５の一面側３５ａには、光を反射するための反射面３６が形成されている。この反射面３６は、反射板３５自体を鏡面仕上げして形成したり、反射率の高い膜（図示しない）を蒸着あるいは接着して形成したものであってもよい。なお、この反射体３０は、導電性が高い基板から切り出されたものであり、導電性を有している。この反射体３０は、基台２１の低段部２１ｂの上に直立した状態で固定されている支持基板４０の一面側に支持されている。

支持基板４０は絶縁性を有する材料からなり、その一面側の上部と下部には、前方へ突出する支持台４０ａ、４０ｂが形成されており、反射体３０の固定基板３１、３２は、この上下の支持台４０ａ、４０ｂに接した状態で固定されている。また、支持基板４０の一面側中央部の両端には、反射体３０の反射板３５の両端にそれぞれ対向する電極板４１、４２がパターン形成されている。この電極板４１、４２は、後述する駆動信号発生器５０と共に反射体駆動手段６０（図１参照）を構成するものであり、反射板３５の両端部に静電力を交互にかつ周期的に印加して、反射板３５を往復回転運動させる。このように構成された反射体３０は、回折格子２５からの回折光Ｇ１を反射板３５の反射面３６で受けて、その反射光Ｒを回折格子２５へ入射させて、再度回折させる。

受光素子４５は、基台２１の高段部２１ａに固定され、反射光Ｒに対して回折格子２５が出射する回折光Ｇ２を受光する。この受光素子４５が受光する回折光Ｇ２の波長は、反射体３０の反射板３５（反射面３６）の角度に応じて変化する。

駆動信号発生器５０は、例えば図６（ａ）、（ｂ）に示すように、反射体３０の電位を基準として電極板４１、４２に対して、固有振動数ｆ０に対応した周波数（あるいは固有振動数ｆ０の近傍の振動数に対応した周波数）を有し、位相が１８０°ずれた電気信号Ｅ１、Ｅ２を印加して、電極板４１と反射板３５の一端側との間及び電極板４２と反射板３５の他端側との間に、交互にかつ周期的に静電力(引力）を与え、反射板３５を固有振動数ｆ０あるいはその近傍の振動数で所定角度範囲を往復回転させる。なお、図６では、２つの電気信号Ｅ１、Ｅ２がデューティ比５０％の矩形波の場合を示しているが、両信号のデューティ比は５０％以下であってもよく、また、波形も矩形波に限らず、正弦波、三角波等であってもよい。

受光素子４５の出力信号は、信号処理部（図示しない）において、反射板３５の角度に対応した波長毎にサンプリングされて、各波長毎の光の強度を示すデータ（スペクトルデータ）としてメモリに記憶される。そして、その記憶されたデータを用いて演算処理が行なわれ、吸収スペクトルの波長λ１、λ２が特定されて、対象ガスｍ１、ｍ２の存在、濃度等が検出される。

このように構成された本発明のガスセンサの受光部２０におけるＭＥＭＳスキャナ７０では、反射体３０を、一対の固定基板３１、３２と、その縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部３３、３４と、軸部３３、３４の先端に自身の縁部で連結され、軸部３３、３４に対して対称な形状に形成され、一面側３５ａに反射面３６が形成された反射板３５とによって構成すると共に、反射体３０の軸部３３、３４と反射板３５とからなる部分の固有振動数ｆ０に対応した周波数の電気信号によって反射板３５に力を与えて、反射板３５を固有振動数ｆ０又はその近傍の振動数で往復回転させている。

このため、僅かな電気エネルギーで反射板３５を高速に往復回転させることができ、しかも、その回転中心が反射板３５の内部（この場合、中央部）にあるので、その角度変化に対して、反射板３５の反射面３６への入射光の反射角の変化量が最も大きくなり、波長掃引範囲を格段に広くすることができる。なお、軸部３３、３４のバネ定数は、軸部３３、３４の長さ、幅、厚み、材質によって決まり、このバネ定数と、反射板３５の形状、厚み、材質等で固有振動数ｆ０が決定され、これらのパラメータを選ぶことにより、固有振動数ｆ０を数１００Ｈｚ〜数１０ＫＨｚの範囲内で設定することができる。

それにより、回折格子２５とＭＥＭＳスキャナ７０（反射体３０及び反射体駆動手段６０で構成される）とで構成されている可変波長フィルタ８０は、波長可変範囲が広帯域となり、しかもその波長範囲を最大数１０ＫＨｚと高速に可変（掃引）することができる。従って、この可変波長フィルタ８０と広帯域光源１０とを組み合わせて構成される本発明のガスセンサは、エンジンの燃焼現象をリアルタイムに観測する装置（１ＫＨｚ程度の応答性が要求される）としても利用できる。

受光部２０のＭＥＭＳスキャナ７０における反射体３０の別の構成を図７に示す。実施例２では、反射体３０を導電性の高い材料で構成していたが、反射体３０を導電性の低い材料で構成する場合には、図７に示すように、反射板３５の反対面側の両側（全面でもよい）に電極板４１、４２に対向する電極板５１、５２を設け、さらに固定基板３１、３２の背面側にも電極板５３、５４を設け、それらの電極板５１〜５４の間を接続ライン５５によって接続する。そして、支持基板４０の支持台４０ａ、４０ｂの表面に電極板５３、５４と接触する電極板５６、５７をパターン形成して、この電極板５６、５７の少なくとも一方を基準電位ラインとして前述した駆動信号発生器５０に接続する。

なお、実施例１では、広帯域光源１０を被測定物１５の外部に設けて、広帯域光源１０から出射された測定光Ｗを、対象ガスが封入されている被測定物１５に入射するようにしているが、被測定物１５自身が燃焼、プラズマ等によって光を出して、対象ガスを発生するような場合には、その光を広帯域光源１０として用いてもよい。すなわち、広帯域光源１０としては、対象ガスの吸収スペクトルの波長を含む光を出すものであれば、被測定物１５の外部にあっても内部にあってもよい。また、実施例１では、単一の広帯域光源１０を設けているが、所定の帯域幅を有する光源を複数用いて所望の帯域幅としてもよい。

本発明の概略構成を示す図本発明の広帯域光源のスペクトル特性を説明するための図本発明の受光部の構成を示す斜視図本発明の受光部の構成を示す平面図本発明の反射体を説明するための分解斜視図本発明の駆動信号の一例を示す図本発明の反射体の変形例を説明するための分解斜視図

符号の説明

１０・・・広帯域光源、１５・・・被測定物、２０・・・受光部、２１・・・基台、２１ａ・・・高段部（基台）、２１ｂ・・・低段部（基台）、２２・・・光ファイバ、２３・・・ファイバ支持部、２４・・・コリメートレンズ、２５・・・回折格子、２５ａ・・・回折面、３０・・・反射体、３１，３２・・・固定基板、３３，３４・・・軸部、３５・・・反射板、３５ａ・・・一面側（反射板）、３６・・・反射面、４０・・・支持基板、４０ａ，４０ｂ・・・支持台、４１，４２，５１〜５４，５６，５７・・・電極板、５５・・・接続ライン、４５・・・受光素子、５０・・・駆動信号発生器、６０・・・反射体駆動手段、７０・・・ＭＥＭＳスキャナ、８０・・・可変波長フィルタ。

Claims

対象ガスが有する固有の吸収スペクトルを発光波長帯域に含む測定光を出射する少なくとも１つの広帯域光源（１０）と、
回折格子（２５）とＭＥＭＳスキャナ（７０）とを含んで構成され、前記広帯域光源から出射され対象ガス雰囲気中を透過した透過測定光が前記回折格子で回折され、それによって得られた回折光が、前記ＭＥＭＳスキャナに入射されて前記回折格子へ反射され、再び該回折格子で所定の方向に回折されるとき、前記所定の方向に回折された回折光が所望の波長の光となるように、前記ＭＥＭＳスキャナから前記回折格子へ反射される前記回折光の角度を前記ＭＥＭＳスキャナによって変化させるようにした可変波長光フィルタ（８０）と、
前記所定の方向に配置され、前記可変波長光フィルタから出射された前記回折光を受けて光強度を検出する受光素子（４５）とを備えたことを特徴とするガスセンサ。
前記可変波長光フィルタのＭＥＭＳスキャナは、
反射体（３０）と反射体駆動手段（６０）とを含んで構成され、前記回折格子から入射される前記透過測定光に対する回折光が、前記反射体の反射面で該回折格子へ反射され、再び該回折格子で前記所定の方向に回折されるとき、前記所定の方向に回折された回折光が所望の波長の光となるように前記反射体の反射面の角度を前記反射体駆動手段により変化させることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
前記ＭＥＭＳスキャナの反射体は、
固定基板（３１、３２）と、
前記固定基板の縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部（３３、３４）と、
前記軸部の先端に自身の縁部で連結されて形成され、一面側に前記回折格子からの回折光を反射するための前記反射面が設けられた反射板（３５）とを有しており、
かつ前記ＭＥＭＳスキャナの反射体駆動手段は、
前記反射体の軸部と反射板とからなる部分の固有振動数に対応した周波数の電気信号によって前記反射板に力を与えて、該反射板を前記固有振動数又はそれに近い振動数で往復回転させるように構成されていることを特徴とする請求項２記載のガスセンサ。