JP2005121463A - ガスセンサ - Google Patents
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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
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)
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(CO2)、アセチレン(C2H2)、メタン(CH4)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、λCO2=1.439μm,λC2H2=1.53μm、λCH4=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。
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 (3)
- 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。
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