JP2010197310A - Optical chopper and optical analyzer - Google Patents

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JP2010197310A
JP2010197310A JP2009044698A JP2009044698A JP2010197310A JP 2010197310 A JP2010197310 A JP 2010197310A JP 2009044698 A JP2009044698 A JP 2009044698A JP 2009044698 A JP2009044698 A JP 2009044698A JP 2010197310 A JP2010197310 A JP 2010197310A
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JP2009044698A
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Inventor
Hisao Suzuki
久雄 鈴木
Masahiro Yamakage
正裕 山蔭
Katsutoshi Goto
勝利 後藤
Sei Fukada
聖 深田
Kazuhiro Akihama
一弘 秋濱
Taketoshi Fujikawa
武敏 藤川
Fumiko Oshima
文子 大嶋
Masazumi Taura
昌純 田浦
Kenji Muta
研二 牟田
Hideji Fujii
秀治 藤井
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a miniaturizable chopper heightening an S/N ratio of light received by a photodetector, and to provide a miniaturizable optical analyzer having high analysis accuracy. <P>SOLUTION: A THC measuring device 100 includes an infrared lamp 10 for generating light, a spectrometer 20 for fluctuating a wavelength of light periodically, a photodiode 30 for detecting intensity of light, a gas container storing measuring object gas 1 and transmissible by light generated from the infrared lamp 10, and an optical chopper 50. The optical chopper 50 includes; a MEMS chopper member 51 having a base part 51a on which an opening part 51c transmissible by light is formed, and a rotation part 51b for switching to either state of a light transmissible state and a light blocking state by being rotated corresponding to a voltage application state; and a slit member 56 on which a slit 56a for narrowing the light is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、光源から発生する光が通過する光路の中途部に配置され、当該光を周期的に通過させるとともに遮断する光チョッパ、およびこのような光チョッパを具備する光学式分析装置の技術に関する。   The present invention relates to an optical chopper that is disposed in the middle of an optical path through which light generated from a light source passes, and periodically transmits and blocks the light, and an optical analyzer having such an optical chopper. .

従来、自動車等の排気ガスに含まれる炭化水素の濃度を測定する技術を測定原理で分類すると、代表的なものとしては水素炎イオン化法(Flame Ionization Detector;FID)を用いるもの、非分散形赤外線分析法(Non−Dispersive Infrared Analyzer)を用いるものが知られている。非分散形赤外線分析法を用いる技術としては特許文献1に記載の技術が知られている。   Conventionally, technologies for measuring the concentration of hydrocarbons contained in exhaust gases of automobiles and the like are classified according to the measurement principle. Typical ones are those using a flame ionization detector (FID), non-dispersive infrared rays. The thing using the analysis method (Non-Dispersive Infrared Analyzer) is known. As a technique using a non-dispersive infrared analysis method, a technique described in Patent Document 1 is known.

しかし、水素炎イオン化法を用いる技術は、実質的には測定の対象となるガスに含まれる炭素原子の個数をカウントするものであり、その測定精度自体は高いが測定の対象となるガスに含まれる炭化水素の化学種毎の組成を測定することはできないこと、リアルタイムでの計測に不向きであること、という問題を有する。   However, the technique using the flame ionization method is to count the number of carbon atoms contained in the gas to be measured, and the measurement accuracy itself is high, but it is included in the gas to be measured. In other words, the composition of each hydrocarbon species cannot be measured, and it is unsuitable for real-time measurement.

また、非分散形赤外線分析法を用いる技術は、原理的には応答遅れの無いリアルタイムな炭化水素の非接触濃度計測が可能であるが、炭化水素はその種類毎に固有の吸収波長帯(吸収量が多い波長帯)を持っているので、測定対象となるガス中に含まれる炭化水素の種類毎に対応する波長帯の光を発生する光源および受光素子を用意する必要が生じる。
特に、自動車等の排気ガスに含まれる炭化水素の種類は場合によっては200種類を超えるため、全ての種類の炭化水素に対応する光源および受光素子を用意した場合には装置が非常に大型化し、かつ装置の製造コストが膨大なものとなるという問題を有する。
In principle, the technology using non-dispersive infrared analysis can measure non-contact concentration of hydrocarbons in real time with no response delay. However, hydrocarbons have their own absorption wavelength band (absorption). Therefore, it is necessary to prepare a light source and a light receiving element that generate light in a wavelength band corresponding to each type of hydrocarbon contained in the gas to be measured.
In particular, since the types of hydrocarbons contained in the exhaust gas of automobiles and the like exceed 200 types in some cases, the apparatus becomes very large when light sources and light receiving elements corresponding to all types of hydrocarbons are prepared, In addition, there is a problem that the manufacturing cost of the device becomes enormous.

上記問題を解消する技術として、出願人らは、「単数または複数の化学種からなる炭化水素を含むガスに前記単数または複数の化学種に共通の吸収領域を含む波長帯の光を照射する照射部と、前記照射部により前記ガスに照射された光を検出する検出部と、前記検出部により検出された光に基づいて前記共通の吸収領域の吸光度を算出し、当該吸光度に基づいて前記共通の吸収領域の波長帯の光を吸収する化学種の濃度の和を算出する解析部と、を具備する炭化水素濃度測定装置」を提案している(特願2007−289766号参照)。
この技術は、例えば炭化水素のうち、(a)アルカンおよびアルケンからなるグループ、(b)芳香族炭化水素からなるグループ、(c)アルキンからなるグループ、がそれぞれ異なる波長帯の光を吸収する性質を利用し、各グループに対応する波長帯の光の吸収量を検出することにより、各グループに属する炭化水素の濃度(の和)を検出可能とし、装置に必要な光源および受光素子の数を減らし、装置の小型化を可能とする。
As a technique for solving the above-mentioned problem, the applicants stated that "irradiation of irradiating light having a wavelength band including an absorption region common to the one or more chemical species to a gas containing hydrocarbons of one or more chemical species. An absorbance of the common absorption region based on the light detected by the detection unit, a detection unit that detects the light irradiated to the gas by the irradiation unit, and the common based on the absorbance And a analyzer for calculating the sum of the concentrations of chemical species that absorb light in the wavelength band of the absorption region of “a hydrocarbon concentration measuring apparatus” (see Japanese Patent Application No. 2007-289766).
In this technique, for example, among hydrocarbons, (a) a group consisting of alkanes and alkenes, (b) a group consisting of aromatic hydrocarbons, and (c) a group consisting of alkynes absorb light in different wavelength bands. By detecting the absorption amount of light in the wavelength band corresponding to each group, the concentration (sum) of hydrocarbons belonging to each group can be detected, and the number of light sources and light receiving elements required for the device can be determined. This makes it possible to reduce the size of the device.

また、上記炭化水素濃度測定装置の照射部の具体的な構成としては広い波長帯の光を発生可能な光源と、当該光源からの光の波長を所定の周波数で変動させる分光器と、の組み合わせが考えられる。
更に、分光器の具体的な構成としては、当該光源からの光の反射角度を所定の周波数で変動させるMEMSミラーと、当該MEMSミラーにより反射された光を更に反射するグレーティングと、の組み合わせが考えられる。
Further, as a specific configuration of the irradiation unit of the hydrocarbon concentration measuring device, a combination of a light source capable of generating light in a wide wavelength band and a spectroscope that varies the wavelength of light from the light source at a predetermined frequency Can be considered.
Further, as a specific configuration of the spectroscope, a combination of a MEMS mirror that changes a reflection angle of light from the light source at a predetermined frequency and a grating that further reflects light reflected by the MEMS mirror is considered. It is done.

特許文献2の段落0022には、測定対象ガスを通過した光およびリファレンス光源からの光を交互に受光器に受光させる光路切り替え装置としてMEMSミラーを用いる例が開示されている。   Paragraph 0022 of Patent Document 2 discloses an example in which a MEMS mirror is used as an optical path switching device that causes a light receiver to alternately receive light that has passed through a measurement target gas and light from a reference light source.

しかし、上記(a)〜(c)のグループの各吸収波長帯全てをカバーする波長帯の光を発生する一つの光源と、当該光源からの光を経時的に波長変動させる分光器(例えば、グレーティングおよびMEMSミラーを組み合わせたもの)と、分光器から受光した光の強度を検出する受光器と、を備える光学式分析装置により上記出願人らが提案した技術を実施する場合、受光器が受光する光は先に分光器により複数の波長帯に分光されたものであるためにその光強度が小さく、受光器が受光する光のS/N比が小さくなって受光器の検出精度、ひいては光学式分析装置の分析精度が低下するという問題を有する。   However, one light source that generates light in a wavelength band that covers all the absorption wavelength bands of the groups (a) to (c), and a spectrometer that changes the wavelength of light from the light source over time (for example, When the technique proposed by the applicants is implemented by an optical analyzer that includes a combination of a grating and a MEMS mirror) and a light receiver that detects the intensity of light received from the spectroscope, the light receiver receives light. Since the light that has been previously split into a plurality of wavelength bands by the spectroscope, its light intensity is small, and the S / N ratio of the light received by the photoreceiver becomes small, so that the detection accuracy of the photoreceiver, and thus optical There is a problem that the analysis accuracy of the expression analyzer decreases.

特許文献3には、光源から受光器までの光路の中途部を測定用光路およびリファレンス用光路の二つに分岐させ、測定用光路の中途部に測定対象ガスが封入された容器を配置し、リファレンス用光路の中途部にMEMSミラーおよびグレーティングを組み合わせた分光器を配置することにより、一つの光源により発生する光で測定対象ガスの複数種類の波長帯の吸収量を測定可能なガス分析装置が開示されている。   In Patent Document 3, the middle part of the optical path from the light source to the light receiver is branched into two of the optical path for measurement and the optical path for reference, and a container in which the measurement target gas is sealed is arranged in the middle part of the optical path for measurement, A gas analyzer that can measure the amount of absorption in a plurality of wavelength bands of a gas to be measured by light generated by one light source by arranging a spectroscope that combines a MEMS mirror and a grating in the middle of the reference optical path. It is disclosed.

特許文献4には、光源から受光器までの光路の中途部を測定用光路およびリファレンス用光路の二つに分岐させ、測定用光路の中途部に測定対象ガスが封入された容器およびMEMSミラーおよびグレーティングを組み合わせた分光器を配置し、リファレンス用光路の中途部にMEMSミラーおよびグレーティングを組み合わせた分光器を配置することにより、一つの光源により発生する光で測定対象ガスの複数種類の波長帯の吸収量を測定可能なガス分析装置が開示されている。   In Patent Document 4, a middle part of an optical path from a light source to a light receiver is branched into two parts, a measurement optical path and a reference optical path, and a container in which a measurement target gas is sealed in the middle part of the measurement optical path, a MEMS mirror, and A spectrometer combined with a grating is arranged, and a spectrometer combined with a MEMS mirror and a grating is arranged in the middle of the reference optical path, so that light generated by a single light source can be used for a plurality of wavelength bands of the measurement target gas. A gas analyzer capable of measuring absorption is disclosed.

しかし、特許文献3および特許文献4に記載のガス分析装置も、一つの光源から発生する光を複数の波長帯に分けて検出器に入射させる構造を有するため、受光器が受光する光のS/N比が小さくなるという問題が発生する。   However, since the gas analyzers described in Patent Document 3 and Patent Document 4 also have a structure in which light generated from one light source is divided into a plurality of wavelength bands and incident on the detector, S of the light received by the light receiver. There arises a problem that the / N ratio becomes small.

上記受光器の検出精度の低下(S/N比の低下)を解消する一般的な方法としては、受光器に受光される光をチョッピングする、すなわち経時的にON/OFFする方法が知られている。
より詳細には、光がONのときに受光器により検出される光強度と光がOFFのときに受光器により検出される光強度との差分を用いることにより、受光器により検出される光強度に含まれるノイズ成分の影響が排除され、受光器の検出精度が向上する。
As a general method for solving the decrease in the detection accuracy (decrease in the S / N ratio) of the light receiver, a method of chopping light received by the light receiver, that is, a method of turning on / off with time is known. Yes.
More specifically, the light intensity detected by the light receiver by using the difference between the light intensity detected by the light receiver when the light is ON and the light intensity detected by the light receiver when the light is OFF. The influence of the noise component contained in is eliminated, and the detection accuracy of the light receiver is improved.

受光器に受光される光をチョッピングする一般的な方法としては、(A)光源から受光器までの光路の中途部に回転ディスク式の光チョッパを配置する方法、(B)光源自体を明滅させる(光源への電力供給を経時的にON/OFFする)方法、等が知られている。   As a general method of chopping the light received by the light receiver, (A) a method in which a rotating disk type optical chopper is arranged in the middle of the optical path from the light source to the light receiver, and (B) the light source itself is blinked. A method of turning on / off power supply to a light source with time is known.

しかし、(A)光源から受光器までの光路の中途部に回転ディスク式の光チョッパを配置する方法は、以下の問題点を有する。
現在市販されている回転ディスク式の光チョッパの回転ディスクの直径は小さいものでも10cm程度であり、これを回転させるモータ等も必要となるため、回転ディスク式の光チョッパは全体としてかなり大きくなってしまう。
特に、光学式分析装置の光学系(光源、光チョッパ、分光器および受光器)のサイズが大きい場合、光学系が種々の部品等と干渉してしまい、実車(走行可能な状態の自動車)に光学式分析装置を取り付けて分析を行うことが出来ないという問題が生じる。
また、自動車の排気ガスの分析を行う場合には分析結果のリアルタイム性が要求され、分光器による光の波長変動の周期を短くする(変動周波数を大きくする)ことが重要となるが、これに伴って光チョッパのチョッピング周期(光をON/OFFする周期)を分光器による光の波長変動の周期よりも更に短くする(光チョッパのチョッピング周波数を更に大きくする)ことが要求される。
光チョッパのチョッピング周期を短くする方法としては、回転ディスクを回転駆動するモータの回転数を上げる方法、および回転ディスクの直径を大きくして回転ディスクに形成されるスリットの数を増やす方法が考えられるが、いずれも回転ディスク式の光チョッパの大型化およびコスト増大を招来する。
However, (A) the method of arranging a rotating disk type optical chopper in the middle of the optical path from the light source to the light receiver has the following problems.
The diameter of the rotating disk of a rotating disk type optical chopper currently on the market is about 10 cm, even if it is small, and a motor for rotating the rotating disk is required, so the rotating disk type optical chopper is considerably larger as a whole. End up.
In particular, when the size of the optical system (light source, optical chopper, spectroscope, and light receiver) of the optical analyzer is large, the optical system interferes with various parts, etc. There arises a problem that analysis cannot be performed with an optical analyzer.
In addition, when analyzing exhaust gas from automobiles, real-time analysis results are required, and it is important to shorten the period of wavelength fluctuation of light by the spectrometer (increase the fluctuation frequency). Along with this, it is required that the chopping cycle of the optical chopper (cycle for turning on / off the light) be further shorter than the cycle of the wavelength variation of the light by the spectrometer (the chopping frequency of the optical chopper is further increased).
As a method of shortening the chopping cycle of the optical chopper, there are a method of increasing the number of rotations of a motor for rotating the rotating disk and a method of increasing the diameter of the rotating disk to increase the number of slits formed in the rotating disk. However, both increase the size and cost of the rotating disk type optical chopper.

(B)光源自体を明滅させる方法としては、光源としてLEDを採用する方法、および光源として赤外素子(赤外ランプ)を採用する方法、等が知られている。   (B) As a method of blinking the light source itself, a method of employing an LED as a light source, a method of employing an infrared element (infrared lamp) as a light source, and the like are known.

光源としてLEDを採用する方法は、LEDが高速スイッチング可能であることから、光源の明滅周期を短くする(明滅周波数を大きくする)観点において優れているが、LEDは一般的にその出力が小さく(数十μW程度)、発生する光の強度が小さいという問題を有する。   The method of adopting the LED as the light source is superior in terms of shortening the blinking cycle of the light source (increasing the blinking frequency) since the LED can be switched at high speed, but the LED generally has a small output ( (About several tens of μW), the intensity of generated light is low.

光源として赤外素子を採用する方法は、その出力を大きくすることが可能であるが、明滅周期が長い(数十msec程度)という問題を有する。   The method of using an infrared element as the light source can increase the output, but has a problem that the blinking cycle is long (about several tens of msec).

特開平4−225142号公報JP-A-4-225142 特表2008−510961号公報Special table 2008-510961 gazette 特開2005−315711号公報JP 2005-315711 A 特開2006−138766号公報JP 2006-138766 A

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、受光器により受光される光のS/N比を大きくすることが可能かつ小型化が可能なチョッパ、並びに、分析精度が高くかつ小型化が可能な光学式分析装置を提供する。   The present invention has been made in view of the situation as described above. The chopper capable of increasing the S / N ratio of light received by the light receiver and reducing the size, and the analysis accuracy being high and small. Provided is an optical analyzer that can be configured.

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。   The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.

即ち、請求項1においては、
光を発生させる光源と、
前記光源により発生した光を周期的に波長変動させる分光器と、
前記分光器により波長変動された光の強度を検出する受光器と、
前記光源、前記分光器および前記受光器により形成される光路において前記分光器および前記受光器により挟まれる位置または前記光源および前記分光器により挟まれる位置に配置され、測定対象ガスを収容可能かつ前記光を透過可能なガス容器と、
を具備する光学式分析装置に用いられる光チョッパであって、
前記光源により発生した光が通過可能な開口部が形成された基部、および電圧の印加状態に対応して前記基部に対して回動することにより前記開口部を開口して前記光源により発生した光が通過する通過状態または前記開口部を閉塞して前記光源により発生した光を遮断する遮断状態のいずれかの状態に切り替える回動部を具備するMEMSチョッパ部材と、
前記MEMSチョッパ部材に隣接する位置に配置され、前記光源により発生した光を絞るためのスリットが形成されたスリット部材と、
を具備するものである。
That is, in claim 1,
A light source that generates light;
A spectroscope for periodically changing the wavelength of the light generated by the light source;
A light receiver for detecting the intensity of light whose wavelength has been varied by the spectroscope;
The optical path formed by the light source, the spectroscope and the light receiver is disposed at a position sandwiched by the spectroscope and the light receiver or a position sandwiched by the light source and the spectroscope, and can accommodate a measurement target gas, and A gas container capable of transmitting light;
An optical chopper used in an optical analyzer comprising:
A base formed with an opening through which light generated by the light source can pass, and light generated by the light source by opening the opening by rotating with respect to the base corresponding to a voltage application state. A MEMS chopper member comprising a rotating portion that switches to either a passing state in which the light passes or a blocking state that blocks the light generated by the light source by closing the opening;
A slit member disposed at a position adjacent to the MEMS chopper member, and formed with a slit for narrowing light generated by the light source;
It comprises.

請求項2においては、
前記MEMSチョッパ部材は、
前記光の光路において前記スリット部材よりも上流側に配置されるものである。
In claim 2,
The MEMS chopper member is
It is arranged upstream of the slit member in the optical path of the light.

請求項3においては、
前記分光器は、
前記光源により発生した光を波長毎に異なる反射角度で反射するグレーティングと、
前記グレーティングにより反射された光を所定の方向に反射するMEMSミラーと、
を具備するものである。
In claim 3,
The spectrometer is
A grating that reflects the light generated by the light source at different reflection angles for each wavelength;
A MEMS mirror that reflects the light reflected by the grating in a predetermined direction;
It comprises.

請求項4においては、
前記MEMSチョッパ部材のチョッピング周期は、前記分光器の分光周期よりも短いものである。
In claim 4,
The chopping cycle of the MEMS chopper member is shorter than the spectral cycle of the spectrometer.

請求項5においては、
前記光路において前記光源および前記分光器により挟まれる位置には、前記光源により発生する光を集光する集光レンズ、並びに、前記集光レンズにより集光された光を平行光とするコリメートレンズが配置されるものである。
In claim 5,
A condensing lens that condenses the light generated by the light source and a collimator lens that collimates the light collected by the condensing lens at a position between the light source and the spectroscope in the optical path. Is to be placed.

請求項6においては、
前記MEMSチョッパ部材の開口部および前記スリット部材のスリットは、
前記光路において前記集光レンズおよび前記コリメートレンズにより挟まれる位置に形成される前記光の焦点に対応する位置に配置されるものである。
In claim 6,
The opening of the MEMS chopper member and the slit of the slit member are
It is arranged at a position corresponding to the focal point of the light formed at a position sandwiched between the condenser lens and the collimating lens in the optical path.

請求項7においては、
前記MEMSチョッパ部材の開口部および前記スリット部材のスリットは、
前記光路において前記コリメートレンズおよび前記分光器により挟まれる位置、または前記分光器および前記受光器により挟まれる位置に配置されるものである。
In claim 7,
The opening of the MEMS chopper member and the slit of the slit member are
It is arranged at a position between the collimator lens and the spectroscope or a position between the spectroscope and the light receiver in the optical path.

請求項8においては、
光を発生させる光源と、
前記光源により発生した光を周期的に波長変動させる分光器と、
前記分光器により波長変動された光の強度を検出する受光器と、
前記光源、前記分光器および前記受光器により形成される光路において前記分光器および前記受光器により挟まれる位置または前記光源および前記分光器により挟まれる位置に配置され、測定対象ガスを収容可能かつ前記光を透過可能なガス容器と、
前記光路の中途部に配置される光チョッパと、
を具備し、
前記光チョッパは、
前記光源により発生した光が通過可能な開口部が形成された基部、および電圧の印加状態に対応して前記基部に対して回動することにより前記開口部を開口して前記光源により発生した光が通過する通過状態または前記開口部を閉塞して前記光源により発生した光を遮断する遮断状態のいずれかの状態に切り替える回動部を具備するMEMSチョッパ部材と、
前記MEMSチョッパ部材に隣接する位置に配置され、前記光源により発生した光を絞るためのスリットが形成されたスリット部材と、
を具備するものである。
In claim 8,
A light source that generates light;
A spectroscope for periodically changing the wavelength of the light generated by the light source;
A light receiver for detecting the intensity of light whose wavelength has been varied by the spectroscope;
The optical path formed by the light source, the spectroscope and the light receiver is disposed at a position sandwiched by the spectroscope and the light receiver or a position sandwiched by the light source and the spectroscope, and can accommodate a measurement target gas, and A gas container capable of transmitting light;
An optical chopper disposed in the middle of the optical path;
Comprising
The light chopper is
A base formed with an opening through which light generated by the light source can pass, and light generated by the light source by opening the opening by rotating with respect to the base corresponding to a voltage application state. A MEMS chopper member comprising a rotating portion that switches to either a passing state in which the light passes or a blocking state that blocks the light generated by the light source by closing the opening;
A slit member disposed at a position adjacent to the MEMS chopper member, and formed with a slit for narrowing light generated by the light source;
It comprises.

請求項9においては、
前記MEMSチョッパ部材は、
前記光の光路において前記スリット部材よりも上流側に配置されるものである。
In claim 9,
The MEMS chopper member is
It is arranged upstream of the slit member in the optical path of the light.

請求項10においては、
前記分光器は、
前記光源により発生した光を波長毎に異なる反射角度で反射するグレーティングと、
前記グレーティングにより反射された光を所定の方向に反射するMEMSミラーと、
を具備するものである。
In claim 10,
The spectrometer is
A grating that reflects the light generated by the light source at different reflection angles for each wavelength;
A MEMS mirror that reflects the light reflected by the grating in a predetermined direction;
It comprises.

請求項11においては、
前記MEMSチョッパ部材のチョッピング周期は、前記分光器の分光周期よりも短いものである。
In claim 11,
The chopping cycle of the MEMS chopper member is shorter than the spectral cycle of the spectrometer.

請求項12においては、
前記光路において前記光源および前記分光器により挟まれる位置には、前記光源により発生する光を集光する集光レンズ、並びに、前記集光レンズにより集光された光を平行光とするコリメートレンズが配置されるものである。
In claim 12,
A condensing lens that condenses the light generated by the light source and a collimator lens that collimates the light collected by the condensing lens at a position between the light source and the spectroscope in the optical path. Is to be placed.

請求項13においては、
前記MEMSチョッパ部材の開口部および前記スリット部材のスリットは、
前記光路において前記集光レンズおよび前記コリメートレンズにより挟まれる位置に形成される前記光の焦点に対応する位置に配置されるものである。
In claim 13,
The opening of the MEMS chopper member and the slit of the slit member are
It is arranged at a position corresponding to the focal point of the light formed at a position sandwiched between the condenser lens and the collimating lens in the optical path.

請求項14においては、
前記MEMSチョッパ部材の開口部および前記スリット部材のスリットは、
前記光路において前記コリメートレンズおよび前記分光器により挟まれる位置、または前記分光器および前記受光器により挟まれる位置に配置されるものである。
In claim 14,
The opening of the MEMS chopper member and the slit of the slit member are
It is arranged at a position between the collimator lens and the spectroscope or a position between the spectroscope and the light receiver in the optical path.

請求項15においては、
前記受光器により受光された光の強度に基づいて前記測定対象ガスに含まれるガス種の濃度を算出するデータ処理装置を具備するものである。
In claim 15,
A data processing device is provided that calculates the concentration of the gas species contained in the measurement target gas based on the intensity of light received by the light receiver.

本出願における請求項1から請求項7までに記載の発明は、受光器により受光される光のS/N比を大きくすることが可能かつ小型化が可能である、という効果を奏する。
本出願における請求項8から請求項15までに記載の発明は、分析精度が高くかつ小型化が可能である、という効果を奏する。
The invention described in claims 1 to 7 of the present application has an effect that the S / N ratio of the light received by the light receiver can be increased and the size can be reduced.
The invention according to claims 8 to 15 of the present application has an effect that the analysis accuracy is high and the size can be reduced.

本発明に係る光学式分析装置の第一実施形態を示す図。The figure which shows 1st embodiment of the optical analyzer which concerns on this invention. 本発明に係る光学式分析装置の第一実施形態の光学系を示す図。The figure which shows the optical system of 1st embodiment of the optical analyzer which concerns on this invention. 本発明に係る光学式分析装置の光学系の別実施形態を示す図。The figure which shows another embodiment of the optical system of the optical analyzer which concerns on this invention. 同じく本発明に係る光学式分析装置の光学系の別実施形態を示す図。The figure which shows another embodiment of the optical system of the optical analyzer which similarly concerns on this invention. 本発明に係る光学式分析装置の第二実施形態を示す図。The figure which shows 2nd embodiment of the optical analyzer which concerns on this invention.

以下では、図1および図2を用いて本発明に係る光学式分析装置の第一実施形態であるTHC測定装置100について説明する。   Below, the THC measuring apparatus 100 which is 1st embodiment of the optical analyzer which concerns on this invention using FIG. 1 and FIG. 2 is demonstrated.

図1に示すTHC測定装置100は、測定対象ガス1に含まれる炭化水素の濃度和(Total Hydrocarbon)を測定する装置である。
「測定対象ガス」は、少なくともその一部に炭化水素を含む気体を広く指す。「測定対象ガス」の具体例としては、自動車の排気ガス等が挙げられる。
測定対象ガスに含まれる炭化水素は必ずしも常温(25℃)かつ常圧(1気圧)において気化している必要はなく、例えば加熱することにより気化するものであっても良い。
「炭化水素」は、炭素と水素とからなる化合物である化学種を単数または複数種類含む。
炭化水素に含まれる化学種は、その構造からアルカン、アルケン、アルキン、芳香族炭化水素等に分類される。
「アルカン」は、一般式C2n+2(n;1以上の整数)で表される鎖状飽和炭化水素を指す。なお、本発明においてはシクロアルカンはアルカンに含まれるものとする。
「シクロアルカン」は、一般式C2n(n;3以上の整数)で表される環状飽和炭化水素を指す。
「アルケン」は、一般式C2n(n;2以上の整数)で表される鎖状不飽和炭化水素を指す。
「アルキン」は、一般式C2n−2(n;2以上の整数)で表される鎖状不飽和炭化水素を指す。
「芳香族炭化水素」は、単環または複数の環(縮合環)構造を有する炭化水素である。
A THC measurement device 100 shown in FIG. 1 is a device that measures the total concentration of hydrocarbons (Total Hydrocarbon) contained in the measurement target gas 1.
“Measurement gas” broadly refers to a gas containing hydrocarbons at least in part. Specific examples of “measurement target gas” include automobile exhaust gas.
The hydrocarbon contained in the measurement target gas is not necessarily vaporized at normal temperature (25 ° C.) and normal pressure (1 atm), and may be vaporized by heating, for example.
“Hydrocarbon” includes one or more chemical species which are compounds composed of carbon and hydrogen.
Chemical species contained in hydrocarbons are classified into alkanes, alkenes, alkynes, aromatic hydrocarbons and the like based on their structures.
“Alkane” refers to a chain saturated hydrocarbon represented by the general formula C n H 2n + 2 (n: an integer of 1 or more). In the present invention, cycloalkane is included in alkane.
“Cycloalkane” refers to a cyclic saturated hydrocarbon represented by the general formula C n H 2n (n: an integer of 3 or more).
“Alkene” refers to a chain unsaturated hydrocarbon represented by the general formula C n H 2n (n: an integer of 2 or more).
“Alkyne” refers to a chain unsaturated hydrocarbon represented by the general formula C n H 2n-2 (n: an integer of 2 or more).
An “aromatic hydrocarbon” is a hydrocarbon having a single ring or a plurality of ring (fused ring) structures.

本実施形態のTHC測定装置100は、測定対象ガス1に含まれる炭化水素のうち、(a)アルカンおよびアルケンからなるグループ、(b)芳香族炭化水素からなるグループ、並びに、(c)アルキンからなるグループ、に属する炭化水素がそれぞれ異なる波長帯の光を吸収する性質を利用し、各グループに対応する波長帯の光の吸収量を検出することにより、各グループに属する炭化水素の濃度和を測定する。
なお、「アルカンおよびアルケンからなるグループに属する炭化水素が吸収する波長帯」は波数に換算して2800cm−1以上3000cm−1以下の波長帯であり、「芳香族炭化水素からなるグループに属する炭化水素が吸収する波長帯」は波数に換算して3000cm−1以上3200cm−1以下の波長帯であり、「アルキンからなるグループに属する炭化水素が吸収する波長帯」は波数に換算して3200cm−1以上3400cm−1以下の波長帯である。
The THC measuring apparatus 100 of the present embodiment includes (a) a group consisting of alkanes and alkenes, (b) a group consisting of aromatic hydrocarbons, and (c) an alkyne among the hydrocarbons contained in the measurement target gas 1. By utilizing the property that the hydrocarbons belonging to each group absorb light in different wavelength bands and detecting the amount of light absorbed in the wavelength bands corresponding to each group, the concentration sum of the hydrocarbons belonging to each group is calculated. taking measurement.
Note that "alkane and waveband hydrocarbons belonging to the group consisting of alkenes absorb light" is the wavelength band 2800 cm -1 or 3000 cm -1 following in terms of wavenumber, carbide belonging to the group consisting of "aromatic hydrocarbon waveband hydrogen absorbs "is 3200 cm -1 or less in the wavelength range 3000 cm -1 or more, in terms of wavenumber," waveband hydrocarbons belonging to the group consisting of alkynes absorb light "is in terms of wavenumber 3200 cm - The wavelength band is 1 or more and 3400 cm −1 or less.

THC測定装置100は、フレーム110、光源側光学系ユニット120、ガス容器40、フォトダイオード30、チョッパ・分光器制御装置70、ロックインアンプ80およびデータ処理装置90を具備する。   The THC measurement device 100 includes a frame 110, a light source side optical system unit 120, a gas container 40, a photodiode 30, a chopper / spectrometer control device 70, a lock-in amplifier 80, and a data processing device 90.

フレーム110はTHC測定装置100の他の部材、特に光学系を構成する部材の相対的な位置を保持するための構造体である。
フレーム110はベース部材111、ユニット支持部材112、容器支持部材113およびフォトダイオード支持部材114を具備する。
The frame 110 is a structure for holding the relative positions of other members of the THC measuring apparatus 100, particularly members constituting the optical system.
The frame 110 includes a base member 111, a unit support member 112, a container support member 113, and a photodiode support member 114.

ベース部材111はフレーム110の主たる構造体を成す部材である。フレーム110を構成する他の部材はベース部材111に固定される。   The base member 111 is a member that forms the main structure of the frame 110. Other members constituting the frame 110 are fixed to the base member 111.

ユニット支持部材112は光源側光学系ユニット120をベース部材111に固定する部材である。ユニット支持部材112の下端部はベース部材111に固定され、ユニット支持部材112の上端部は光源側光学系ユニット120に固定される。   The unit support member 112 is a member that fixes the light source side optical system unit 120 to the base member 111. The lower end portion of the unit support member 112 is fixed to the base member 111, and the upper end portion of the unit support member 112 is fixed to the light source side optical system unit 120.

容器支持部材113はガス容器40をベース部材111に固定する部材である。容器支持部材113の下端部はベース部材111に固定され、容器支持部材113の上端部はガス容器40に固定される。   The container support member 113 is a member that fixes the gas container 40 to the base member 111. The lower end portion of the container support member 113 is fixed to the base member 111, and the upper end portion of the container support member 113 is fixed to the gas container 40.

フォトダイオード支持部材114はフォトダイオード30をベース部材111に固定する部材である。フォトダイオード支持部材114の下端部はベース部材111に固定され、フォトダイオード支持部材114の上端部はフォトダイオード30に固定される。   The photodiode support member 114 is a member that fixes the photodiode 30 to the base member 111. The lower end portion of the photodiode support member 114 is fixed to the base member 111, and the upper end portion of the photodiode support member 114 is fixed to the photodiode 30.

光源側光学系ユニット120はTHC測定装置100の光学系のうち、ガス容器40よりも赤外ランプ10寄りに配置される部材をまとめたものである。
光源側光学系ユニット120はケース121、赤外ランプ10、第一集光レンズ61、光チョッパ50、コリメートレンズ62、分光器20および第二集光レンズ63を具備する。
The light source side optical system unit 120 is a group of members arranged closer to the infrared lamp 10 than the gas container 40 in the optical system of the THC measuring apparatus 100.
The light source side optical system unit 120 includes a case 121, an infrared lamp 10, a first condenser lens 61, a light chopper 50, a collimator lens 62, a spectrometer 20, and a second condenser lens 63.

ケース121は箱状の部材であり、光源側光学系ユニット120を構成する他の部材を収容するとともに当該他の部材の相対的な位置関係を保持する。
ケース121はユニット支持部材112を介してベース部材111に固定される。
光源側光学系ユニット120に収容される各部材(THC測定装置100の光学系を成す部材)の詳細については後述する。
The case 121 is a box-shaped member, and accommodates other members constituting the light source side optical system unit 120 and holds the relative positional relationship of the other members.
The case 121 is fixed to the base member 111 via the unit support member 112.
Details of each member housed in the light source side optical system unit 120 (members forming the optical system of the THC measuring apparatus 100) will be described later.

ガス容器40は測定対象ガス1を収容する容器である。
本実施形態のガス容器40は胴体部材41、入口側窓部材42および出口側窓部材43を具備する。
The gas container 40 is a container for storing the measurement target gas 1.
The gas container 40 of the present embodiment includes a body member 41, an inlet side window member 42, and an outlet side window member 43.

胴体部材41はガス容器40の主たる構造体を成す円筒形状の部材である。
胴体部材41は、例えば自動車の排気ガスの排出経路の中途部に介装され、胴体部材41の内部を測定対象ガス1(ここでは、排気ガス)が通過する。胴体部材41は容器支持部材113を介してベース部材111に固定される。
The body member 41 is a cylindrical member forming the main structure of the gas container 40.
The body member 41 is interposed, for example, in the middle of an exhaust gas exhaust path of an automobile, and the measurement target gas 1 (in this case, exhaust gas) passes through the inside of the body member 41. The body member 41 is fixed to the base member 111 via the container support member 113.

入口側窓部材42および出口側窓部材43は胴体部材41に形成された二つの開口部に嵌設されたガラスまたは石英からなる部材である。   The entrance side window member 42 and the exit side window member 43 are members made of glass or quartz fitted into two openings formed in the body member 41.

フォトダイオード30はフォトダイオード支持部材114を介してベース部材111に固定される。フォトダイオード30の詳細については後述する。   The photodiode 30 is fixed to the base member 111 via the photodiode support member 114. Details of the photodiode 30 will be described later.

以下では、THC測定装置100の光学系について説明する。
図2に示す如く、THC測定装置100の光学系は、赤外ランプ10、分光器20、フォトダイオード30、第一集光レンズ61、コリメートレンズ62、第二集光レンズ63および光チョッパ50により構成される。
Hereinafter, the optical system of the THC measurement apparatus 100 will be described.
As shown in FIG. 2, the optical system of the THC measurement apparatus 100 includes an infrared lamp 10, a spectroscope 20, a photodiode 30, a first condenser lens 61, a collimator lens 62, a second condenser lens 63, and an optical chopper 50. Composed.

赤外ランプ10は本発明に係る光源の実施の一形態であり、THC測定装置100の光学系の最上流部を成す部材である。
図1に示す如く、赤外ランプ10はケース121の内部の所定の位置に固定される。
本実施形態の赤外ランプ10は赤外光を発生させるものであり、赤外ランプ10により発生する赤外光の波長帯は、「アルカンおよびアルケンからなるグループに属する炭化水素が吸収する波長帯」、「芳香族炭化水素からなるグループに属する炭化水素が吸収する波長帯」、および「アルキンからなるグループに属する炭化水素が吸収する波長帯」を全て含む。
The infrared lamp 10 is an embodiment of a light source according to the present invention, and is a member that forms the most upstream part of the optical system of the THC measurement apparatus 100.
As shown in FIG. 1, the infrared lamp 10 is fixed at a predetermined position inside the case 121.
The infrared lamp 10 of the present embodiment generates infrared light, and the wavelength band of infrared light generated by the infrared lamp 10 is “wavelength band absorbed by hydrocarbons belonging to the group consisting of alkanes and alkenes”. ”,“ Wavelength band absorbed by hydrocarbons belonging to the group consisting of aromatic hydrocarbons ”, and“ wavelength band absorbed by hydrocarbons belonging to the group consisting of alkynes ”.

本実施形態の赤外ランプ10は赤外光を発生するが、本発明に係る光源はこれに限定されない。これは、本発明に係る光源が発生する光(の波長)は測定対象ガスが吸収する波長帯に応じて適宜選択されるものであることによる。
すなわち、本発明に係る光源により発生する光には、赤外光、可視光、および紫外光が含まれる。
The infrared lamp 10 of the present embodiment generates infrared light, but the light source according to the present invention is not limited to this. This is because the light (wavelength) generated by the light source according to the present invention is appropriately selected according to the wavelength band absorbed by the measurement target gas.
That is, the light generated by the light source according to the present invention includes infrared light, visible light, and ultraviolet light.

分光器20は本発明に係る分光器の実施の一形態であり、赤外ランプ10により発生した光を周期的に波長変動させるものである。
図2に示す如く、分光器20はグレーティング21およびMEMSミラー26を具備する。
The spectroscope 20 is an embodiment of the spectroscope according to the present invention, and periodically changes the wavelength of light generated by the infrared lamp 10.
As shown in FIG. 2, the spectroscope 20 includes a grating 21 and a MEMS mirror 26.

グレーティング21は赤外ランプ10により発生した光を回折させることにより波長毎に分光するものである。
本実施形態のグレーティング21は溝が多数(1mmに数百から数千本程度)形成された回折格子である。グレーティング21に入射された光は回折されて波長毎に分光され、分光された光は波長に応じて異なる反射角度(回折角度)で反射される。
図1に示す如く、グレーティング21はケース121の内部の所定の位置に固定される。
The grating 21 diffracts the light generated by the infrared lamp 10 to divide the light for each wavelength.
The grating 21 of the present embodiment is a diffraction grating in which a large number of grooves (several hundreds to thousands of grooves per 1 mm) are formed. The light incident on the grating 21 is diffracted and dispersed for each wavelength, and the dispersed light is reflected at different reflection angles (diffraction angles) depending on the wavelength.
As shown in FIG. 1, the grating 21 is fixed at a predetermined position inside the case 121.

MEMSミラー26はグレーティング21により反射された光を所定の方向に反射するものである。MEMSミラー26はいわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により製造される。
図1に示す如く、MEMSミラー26はケース121の内部の所定の位置に固定される。
図2に示す如く、MEMSミラー26は基部26aおよび回動部26bを有する。
The MEMS mirror 26 reflects the light reflected by the grating 21 in a predetermined direction. The MEMS mirror 26 is manufactured by a so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
As shown in FIG. 1, the MEMS mirror 26 is fixed at a predetermined position inside the case 121.
As shown in FIG. 2, the MEMS mirror 26 has a base portion 26a and a rotating portion 26b.

基部26aは平板状の部材であり、その中央部には開口部26cが形成される。   The base 26a is a flat plate-like member, and an opening 26c is formed at the center.

回動部26bは平板状の部材であり、開口部26cに収容される位置に配置され、基部26aに対して回動可能に連結され、支持される。回動部26bは、基部26aとの連結部分が弾性的に捻れることにより基部26aに対して回動する。
図2に示す如く、回動部26bに力が作用していない状態では回動部26bと基部26aとの連結部分が弾性的に捻れておらず、回動部26bは基部26aの一対の板面と回動部26bの板面とが平行となる姿勢(基準姿勢)で保持される。
回動部26bの一方の板面には金、アルミニウム等の薄膜が形成され、当該薄膜がMEMSミラー26の反射面を成す。
The rotation part 26b is a flat plate-like member, is disposed at a position accommodated in the opening 26c, and is rotatably connected to and supported by the base part 26a. The rotating part 26b rotates with respect to the base part 26a by elastically twisting the connecting part with the base part 26a.
As shown in FIG. 2, when no force is applied to the rotating portion 26b, the connecting portion of the rotating portion 26b and the base portion 26a is not elastically twisted, and the rotating portion 26b is a pair of plates of the base portion 26a. The surface is held in a posture (reference posture) in which the plate surface of the rotating portion 26b is parallel.
A thin film made of gold, aluminum, or the like is formed on one plate surface of the rotating portion 26 b, and the thin film forms a reflective surface of the MEMS mirror 26.

本実施形態のMEMSミラー26はいわゆる電磁力式のミラーである。
基部26aには開口部26c、ひいては回動部26bを挟む形で一対の永久磁石が埋め込まれる。従って、回動部26bは当該一対の永久磁石により形成される磁界の中に配置されることとなる。
また、回動部26bには外部から電圧を印加可能な配線が形成される。
The MEMS mirror 26 of this embodiment is a so-called electromagnetic force type mirror.
A pair of permanent magnets are embedded in the base portion 26a so as to sandwich the opening portion 26c and eventually the rotating portion 26b. Accordingly, the rotating portion 26b is disposed in a magnetic field formed by the pair of permanent magnets.
In addition, a wiring capable of applying a voltage from the outside is formed in the rotating portion 26b.

回動部26bに形成された配線に電圧を印加すると、一対の永久磁石により形成される磁界の中に配置された回動部26bにローレンツ力が作用する。その結果、回動部26bが基部26aに対して回動し、回動部26bに形成された反射面の角度が変更される。
回動部26bに作用するローレンツ力の大きさは、回動部26bに形成された配線に印可される電圧値、ひいては電流値に対応した大きさを有する。
従って、回動部26bに形成された配線に印可される電圧値(電流値)を調整することにより、回動部26bの回動角度、ひいてはMEMSミラー26の反射角度を調整することが可能である。
When a voltage is applied to the wiring formed in the rotating part 26b, Lorentz force acts on the rotating part 26b arranged in a magnetic field formed by a pair of permanent magnets. As a result, the rotation part 26b rotates with respect to the base part 26a, and the angle of the reflective surface formed in the rotation part 26b is changed.
The magnitude of the Lorentz force acting on the rotating part 26b has a magnitude corresponding to the voltage value applied to the wiring formed on the rotating part 26b, and consequently the current value.
Therefore, by adjusting the voltage value (current value) applied to the wiring formed in the rotating portion 26b, the rotating angle of the rotating portion 26b and consequently the reflection angle of the MEMS mirror 26 can be adjusted. is there.

MEMSミラー26の反射角度が変化すると、MEMSミラー26により所定の方向(本実施形態では、フォトダイオード30に向かう方向)に反射される光がグレーティング21から入射される角度が変化する。
従って、MEMSミラー26の反射角度を調整することにより、MEMSミラー26により所定の方向に反射される光の波長を調整することが可能である。
When the reflection angle of the MEMS mirror 26 changes, the angle at which the light reflected by the MEMS mirror 26 in a predetermined direction (in this embodiment, the direction toward the photodiode 30) is incident from the grating 21 changes.
Therefore, by adjusting the reflection angle of the MEMS mirror 26, the wavelength of light reflected by the MEMS mirror 26 in a predetermined direction can be adjusted.

また、回動部26bに形成された配線への電圧の印加を停止すると、回動部26bは基部26aとの連結部分の弾性的な捻れ変形を解消するべく回動し、基準姿勢に戻る。
従って、回動部26bに形成された配線に所定の周波数で電圧を印加することにより、回動部26bは当該所定の周波数で揺動し、MEMSミラー26により所定の方向に反射される光が周期的に波長変動する(光の波長が周期的に変動する)。
以下、MEMSミラー26の回動部26bが揺動する周期を「分光器20の分光周期」という。
Further, when the application of voltage to the wiring formed in the rotating portion 26b is stopped, the rotating portion 26b rotates to eliminate the elastic torsional deformation of the connecting portion with the base portion 26a and returns to the reference posture.
Therefore, by applying a voltage at a predetermined frequency to the wiring formed in the rotation unit 26b, the rotation unit 26b swings at the predetermined frequency, and the light reflected in the predetermined direction by the MEMS mirror 26 is reflected. Wavelength fluctuates periodically (light wavelength fluctuates periodically).
Hereinafter, the period in which the rotating portion 26b of the MEMS mirror 26 swings is referred to as “spectral period of the spectroscope 20”.

本実施形態のMEMSミラー26はいわゆる電磁力式のミラーであるが、本発明に係るMEMSミラーはこれに限定されず、他の駆動形式(例えば、静電式、圧電式、熱歪式)で基部に対して回動部を回動させても良い。
本発明に係るMEMSミラーは市販のMEMSミラーにより達成することが可能である。
The MEMS mirror 26 of the present embodiment is a so-called electromagnetic force type mirror, but the MEMS mirror according to the present invention is not limited to this, and may be of other driving types (for example, electrostatic type, piezoelectric type, thermal strain type). You may rotate a rotation part with respect to a base.
The MEMS mirror according to the present invention can be achieved by a commercially available MEMS mirror.

フォトダイオード30は本発明に係る受光器の実施の一形態であり、分光器20により波長変動された光の強度を検出するものである。
本実施形態のフォトダイオード30は受光した光の強度を検出する半導体素子からなり、受光した光の強度に応じた電気信号を出力(送信)する。
The photodiode 30 is an embodiment of a light receiver according to the present invention, and detects the intensity of light whose wavelength has been varied by the spectrometer 20.
The photodiode 30 of the present embodiment is composed of a semiconductor element that detects the intensity of received light, and outputs (transmits) an electrical signal corresponding to the intensity of the received light.

図1および図2において二点鎖線で示す如く、THC測定装置100の光学系は、赤外ランプ10から分光器20、ガス容器40を経てフォトダイオード30に至る光路Aを形成する。
図1に示す如く、ガス容器40は光路Aにおいて分光器20およびフォトダイオード30により挟まれる位置に配置される。
赤外ランプ10により発生した光は、分光器20により周期的に波長変動された状態で入口側窓部材42を透過して胴体部材41の内部に進入する。胴体部材41の内部に進入した光は胴体部材41の内部に収容されている測定対象物を透過し、次いで出口側窓部材43を透過して胴体部材41の外部(ガス容器40の外部)に導かれ、フォトダイオード30により受光される。
1 and 2, the optical system of the THC measurement device 100 forms an optical path A from the infrared lamp 10 to the photodiode 30 through the spectroscope 20 and the gas container 40.
As shown in FIG. 1, the gas container 40 is disposed at a position sandwiched between the spectroscope 20 and the photodiode 30 in the optical path A.
The light generated by the infrared lamp 10 passes through the entrance-side window member 42 and enters the body member 41 in a state where the wavelength is periodically changed by the spectrometer 20. The light that has entered the body member 41 passes through the measurement object accommodated in the body member 41, then passes through the exit-side window member 43, and enters the outside of the body member 41 (outside the gas container 40). Guided and received by the photodiode 30.

第一集光レンズ61は本発明に係る集光レンズの実施の一形態であり、赤外ランプ10により発生する光を集光(収束)する光学素子である。
図1に示す如く、第一集光レンズ61はケース121の内部の所定の位置に固定される。
図2に示す如く、第一集光レンズ61は光路Aにおいて赤外ランプ10および分光器20により挟まれる位置に配置される。
The first condenser lens 61 is an embodiment of the condenser lens according to the present invention, and is an optical element that condenses (converges) the light generated by the infrared lamp 10.
As shown in FIG. 1, the first condenser lens 61 is fixed at a predetermined position inside the case 121.
As shown in FIG. 2, the first condenser lens 61 is disposed at a position sandwiched between the infrared lamp 10 and the spectroscope 20 in the optical path A.

コリメートレンズ62は本発明に係るコリメートレンズの実施の一形態であり、第一集光レンズ61により集光された光を平行光とし、分光器20(より詳細には、グレーティング21)に照射する光学素子である。
図1に示す如く、コリメートレンズ62はケース121の内部の所定の位置に固定される。
図2に示す如く、コリメートレンズ62は光路Aにおいて赤外ランプ10および分光器20により挟まれ、かつ第一集光レンズ61よりも下流側となる位置に配置される。
また、コリメートレンズ62は第一集光レンズ61により集光された光の焦点B(図2中の白丸)よりも光路Aにおいて下流側となる位置に配置される。
The collimating lens 62 is an embodiment of the collimating lens according to the present invention, and the light condensed by the first condensing lens 61 is converted into parallel light and applied to the spectrometer 20 (more specifically, the grating 21). It is an optical element.
As shown in FIG. 1, the collimating lens 62 is fixed at a predetermined position inside the case 121.
As shown in FIG. 2, the collimator lens 62 is sandwiched between the infrared lamp 10 and the spectroscope 20 in the optical path A, and is disposed at a position downstream of the first condenser lens 61.
Further, the collimator lens 62 is disposed at a position downstream of the focal point B (white circle in FIG. 2) of the light collected by the first condenser lens 61 in the optical path A.

第二集光レンズ63は分光器20により波長変動された光を集光(収束)してフォトダイオード30に照射する(受光させる)光学素子である。
図1に示す如く、第二集光レンズ63はケース121においてガス容器40の入口側窓部材42に対向する位置に形成された開口部に嵌設され、光源側光学系ユニット120の内部から外部に光を照射する窓としての機能を兼ねる。
The second condenser lens 63 is an optical element that condenses (converges) the light whose wavelength has been changed by the spectroscope 20 and irradiates (receives) light to the photodiode 30.
As shown in FIG. 1, the second condenser lens 63 is fitted in an opening formed in the case 121 at a position facing the inlet-side window member 42 of the gas container 40, and from the inside of the light source-side optical system unit 120 to the outside. Also serves as a window to irradiate light.

光チョッパ50は本発明に係る光チョッパの実施の一形態である。
光チョッパ50はMEMSチョッパ部材51およびスリット部材56を具備する。
図1に示す如く、光チョッパ50はケース121の内部の所定の位置に固定される。
図2に示す如く、光チョッパ50は光路Aにおいて赤外ランプ10および分光器20により挟まれる位置、より詳細には第一集光レンズ61およびコリメートレンズ62により挟まれる位置に配置される。
The optical chopper 50 is an embodiment of the optical chopper according to the present invention.
The optical chopper 50 includes a MEMS chopper member 51 and a slit member 56.
As shown in FIG. 1, the optical chopper 50 is fixed at a predetermined position inside the case 121.
As shown in FIG. 2, the optical chopper 50 is disposed at a position sandwiched between the infrared lamp 10 and the spectroscope 20 in the optical path A, more specifically at a position sandwiched between the first condenser lens 61 and the collimator lens 62.

MEMSチョッパ部材51は本発明に係るMEMSチョッパ部材の実施の一形態であり、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により製造される。
図2に示す如く、MEMSチョッパ部材51は基部51aおよび回動部51bを有する。
The MEMS chopper member 51 is an embodiment of the MEMS chopper member according to the present invention, and is manufactured by so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
As shown in FIG. 2, the MEMS chopper member 51 has a base portion 51a and a rotating portion 51b.

基部51aは一対の板面を有する平板状の部材であり、基部51aの中央部には基部51aの一対の板面を貫通する開口部51cが形成される。   The base 51a is a flat plate member having a pair of plate surfaces, and an opening 51c penetrating the pair of plate surfaces of the base 51a is formed at the center of the base 51a.

回動部51bは平板状の部材であり、開口部51cに収容される位置に配置され、基部51aに対して回動可能に連結され、支持される。回動部51bは、基部51aとの連結部分が弾性的に捻れることにより基部51aに対して回動する。
図2に示す如く、回動部51bに力が作用していない状態では回動部51bと基部51aとの連結部分が弾性的に捻れておらず、回動部51bは基部51aの一対の板面と回動部51bの板面とが平行となる姿勢(基準姿勢)で保持される。その結果、開口部51cは回動部51bにより閉塞された(閉じられた)状態となる。
The rotation part 51b is a flat plate-like member, is disposed at a position accommodated in the opening 51c, and is rotatably connected to and supported by the base 51a. The rotating part 51b rotates with respect to the base 51a by elastically twisting the connecting part with the base 51a.
As shown in FIG. 2, when no force is applied to the rotating portion 51b, the connecting portion of the rotating portion 51b and the base portion 51a is not elastically twisted, and the rotating portion 51b is a pair of plates of the base portion 51a. The surface is held in a posture (reference posture) in which the plate surface of the rotating portion 51b is parallel. As a result, the opening 51c is closed (closed) by the rotating portion 51b.

本実施形態のMEMSチョッパ部材51はいわゆる電磁力式のアクチュエータである。
基部51aには開口部51c、ひいては回動部51bを挟む形で一対の永久磁石が埋め込まれる。従って、回動部51bは当該一対の永久磁石により形成される磁界の中に配置されることとなる。
また、回動部51bには外部から電圧を印加可能な配線が形成される。
The MEMS chopper member 51 of this embodiment is a so-called electromagnetic force type actuator.
A pair of permanent magnets are embedded in the base 51a so as to sandwich the opening 51c, and thus the rotating part 51b. Therefore, the rotating part 51b is disposed in a magnetic field formed by the pair of permanent magnets.
In addition, a wiring capable of applying a voltage from the outside is formed in the rotating portion 51b.

回動部51bは、電圧の印加状態に対応して基部51aに対して回動する。
すなわち、回動部51bに形成された配線に電圧を印加すると、一対の永久磁石により形成される磁界の中に配置された回動部51bにはローレンツ力が作用する。その結果、回動部51bが基部51aに対して回動し、開口部51c(厳密には、開口部51cの一部)が開いた状態となる。
The rotating part 51b rotates with respect to the base part 51a corresponding to the voltage application state.
That is, when a voltage is applied to the wiring formed in the rotating part 51b, Lorentz force acts on the rotating part 51b arranged in a magnetic field formed by a pair of permanent magnets. As a result, the rotating part 51b rotates with respect to the base part 51a, and the opening 51c (strictly, a part of the opening 51c) is opened.

また、回動部51bに形成された配線への電圧の印加を停止すると、回動部51bは基部51aとの連結部分の弾性的な捻れ変形を解消するべく回動し、基準姿勢に戻る。
従って、回動部51bに形成された配線に所定の周波数で電圧を印加することにより、回動部51bは当該所定の周波数で揺動し、開口部51cを開閉する。
Further, when the application of the voltage to the wiring formed in the rotating portion 51b is stopped, the rotating portion 51b rotates to eliminate the elastic twisting deformation of the connecting portion with the base 51a and returns to the reference posture.
Therefore, by applying a voltage at a predetermined frequency to the wiring formed in the rotating portion 51b, the rotating portion 51b swings at the predetermined frequency and opens and closes the opening 51c.

図2において実線で示す如く、回動部51bが基準姿勢をとっているとき、第一集光レンズ61により集光された光は回動部51bにより遮断され、フォトダイオード30に到達しない。回動部51bが基準姿勢をとることにより、光が光チョッパ50により遮断される状態を「遮断状態」という。
図2において点線で示す如く、回動部51bが基部51aに対して回動した姿勢をとっているとき、第一集光レンズ61により集光された光は回動部51bに遮断されずに開口部51cを通過し、フォトダイオード30に到達する。回動部51bが基部51aに対して回動した姿勢をとることにより、光が光チョッパ50を通過する状態を「通過状態」という。
このように、MEMSチョッパ部材51の回動部51bは、回動することにより「通過状態」および「遮断状態」のいずれかの状態に切り替えることが可能である。
以下、MEMSチョッパ部材51の回動部51bが回動(揺動)する周期、より厳密には通過状態の開始から遮断状態への移行を経て再び通過状態に移行するまでの周期を「光チョッパ50のチョッピング周期」という。
As shown by a solid line in FIG. 2, when the rotating unit 51 b is in the reference posture, the light collected by the first condenser lens 61 is blocked by the rotating unit 51 b and does not reach the photodiode 30. A state in which light is blocked by the light chopper 50 when the rotating unit 51b takes the reference posture is referred to as a “blocking state”.
As shown by a dotted line in FIG. 2, when the rotating part 51b is in a posture of rotating with respect to the base part 51a, the light collected by the first condenser lens 61 is not blocked by the rotating part 51b. It passes through the opening 51c and reaches the photodiode 30. A state in which light passes through the light chopper 50 when the rotating unit 51b is rotated with respect to the base 51a is referred to as a “passing state”.
Thus, the rotation part 51b of the MEMS chopper member 51 can be switched to either the “passing state” or the “cut-off state” by rotating.
Hereinafter, the cycle in which the rotating portion 51b of the MEMS chopper member 51 rotates (swings), more precisely, the cycle from the start of the passing state to the transition to the passing state through the transition to the blocking state is referred to as “optical chopper”. 50 chopping cycles.

本実施形態のMEMSチョッパ部材51はいわゆる電磁力式のアクチュエータであるが、本発明に係るMEMSチョッパ部材はこれに限定されず、他の駆動形式(例えば、静電式、圧電式、熱歪式)で基部に対して回動部を回動させても良い。
また、市販のMEMSミラーその他のMEMSアクチュエータを本発明に係るMEMSチョッパ部材として流用することが可能である。
The MEMS chopper member 51 of the present embodiment is a so-called electromagnetic force type actuator, but the MEMS chopper member according to the present invention is not limited to this, and other drive types (for example, electrostatic type, piezoelectric type, thermal strain type). ) May rotate the rotating portion relative to the base.
Further, a commercially available MEMS mirror or other MEMS actuator can be used as the MEMS chopper member according to the present invention.

「光チョッパ50のチョッピング周期」は、「分光器20の分光周期」よりも短くなるように設定される(光チョッパ50のチョッピング周波数は、分光器20の分光周波数よりも大きくなるように設定される)。
既存のMEMSミラーを流用してMEMSチョッパ部材51を構成した場合、光チョッパ50のチョッピング周期を10μsec〜100μsec程度に設定することが可能である(光チョッパ50のチョッピング周波数を10kHz〜100kHz程度に設定することが可能である)。
従って、光チョッパ50のチョッピング周期よりも短くならない範囲で「分光器20の分光周期」を短くすることが可能であり、THC測定装置100の高速応答性(リアルタイム性)の向上に寄与する。ここでいう高速応答性とは、ごく短時間における測定対象ガスの組成変動(本実施形態では、炭化水素濃度の変動)を精度良く検出可能であることを指す。
The “chopping period of the optical chopper 50” is set to be shorter than the “spectral period of the spectrometer 20” (the chopping frequency of the optical chopper 50 is set to be higher than the spectral frequency of the spectrometer 20). )
When the MEMS chopper member 51 is configured by diverting an existing MEMS mirror, the chopping cycle of the optical chopper 50 can be set to about 10 μsec to 100 μsec (the chopping frequency of the optical chopper 50 is set to about 10 kHz to 100 kHz). Is possible).
Therefore, it is possible to shorten the “spectral period of the spectroscope 20” within a range that does not become shorter than the chopping period of the optical chopper 50, which contributes to the improvement of the high-speed response (real-time property) of the THC measurement apparatus 100. Here, the high-speed response means that it is possible to accurately detect the composition variation (in this embodiment, variation in hydrocarbon concentration) of the measurement target gas in a very short time.

図2に示す如く、本実施形態では、MEMSチョッパ部材51の開口部51cは焦点Bに対応する位置(焦点Bの近傍となる位置)に配置される。
このように構成することにより、赤外ランプ10により発生した光が細く収束された状態で開口部51cを通過することとなり、回動部51bが基準姿勢から大きく回動しなくても「通過状態」と「遮断状態」との切り替えを行うことが可能であり、光チョッパ50のチョッピング周期をより短くすることが可能である。
このチョッピングにより受光強度は強くなり(周波数領域にもよるが、受光素子は高周波数になるほど感度が大きい)、ひいてはS/N比を大きくすることが可能である。また、ロックインアンプを組み合わせることによりノイズ成分の除去を効果的に行うことが可能であり、S/N比をさらに大きくすることが可能である。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the opening 51 c of the MEMS chopper member 51 is disposed at a position corresponding to the focal point B (a position near the focal point B).
With this configuration, the light generated by the infrared lamp 10 passes through the opening 51c in a state where the light is converged finely, and the “passing state” can be achieved even if the rotating portion 51b does not rotate significantly from the reference posture. "And" blocking state "can be switched, and the chopping cycle of the optical chopper 50 can be further shortened.
By this chopping, the light receiving intensity is increased (depending on the frequency region, the sensitivity of the light receiving element is higher as the frequency is higher), and thus the S / N ratio can be increased. Further, by combining a lock-in amplifier, it is possible to effectively remove noise components, and it is possible to further increase the S / N ratio.

本実施形態では回動部51bが基準姿勢となるときには回動部51bにより開口部51cが閉塞されるが、ここでいう「閉塞される」とは、開口部51cが回動部51bにより完全に密閉される(開口部51cの端面と回動部51bとの間に隙間が無い)ことを指すのではなく、光が開口部51cを通過出来ない程度に覆われることを指す。   In the present embodiment, the opening 51c is closed by the turning portion 51b when the turning portion 51b is in the reference posture. The term “closed” here means that the opening 51c is completely closed by the turning portion 51b. It does not indicate that it is sealed (there is no gap between the end surface of the opening 51c and the rotating portion 51b), but indicates that the light is covered to the extent that it cannot pass through the opening 51c.

スリット部材56は本発明に係るスリット部材の実施の一形態であり、赤外ランプ10により発生した光を絞る(外乱光を光路Aから排除することによりTHC測定装置100の波長分解能を向上させる)ものである。
スリット部材56は一対の板面を有する板状の部材であり、スリット部材56にはスリット部材56の一対の板面を貫通する溝であるスリット56aが形成される。
The slit member 56 is an embodiment of the slit member according to the present invention, and restricts the light generated by the infrared lamp 10 (excluding disturbance light from the optical path A to improve the wavelength resolution of the THC measurement apparatus 100). Is.
The slit member 56 is a plate-like member having a pair of plate surfaces, and the slit member 56 is formed with a slit 56 a that is a groove penetrating the pair of plate surfaces of the slit member 56.

スリット部材56はMEMSチョッパ部材51に隣接する位置に配置される。本実施形態では、スリット部材56はMEMSチョッパ部材51の後側の板面(MEMSチョッパ部材51の基部51aの一対の板面のうち、光路Aの下流側となる板面)に貼り合わされる形で固定される。
従って、MEMSチョッパ部材51は光の光路Aにおいてスリット部材56よりも上流側に配置される(スリット部材56は光の光路AにおいてMEMSチョッパ部材51よりも下流側に配置される)こととなる。
このように構成することは、以下の利点を有する。すなわち、仮にMEMSチョッパ部材を光の光路においてスリット部材よりも下流側に配置した場合には、MEMSチョッパ部材の回動部により遮断(反射)された光の一部がスリット部材により更に反射されて外乱光となり、MEMSチョッパ部材の基部の開口部を通過して分光器、ひいては受光器に到達し、受光器による光の強度の検出精度を低下させる場合がある。
そのため、MEMSチョッパ部材を光の光路においてスリット部材よりも下流側に配置する場合には、このような外乱光の影響を排除するためにスリット部材の形状、表面の色、配置等を別途工夫する必要があるが、本実施形態の如くスリット部材56を光の光路AにおいてMEMSチョッパ部材51よりも下流側に配置した場合には回動部51bにより遮断(反射)された光がスリット部材56により再度反射されることが無いので、容易に外乱光の影響を排除することが可能であり、ひいてはTHC測定装置100の波長分解能を向上させることが可能である。
The slit member 56 is disposed at a position adjacent to the MEMS chopper member 51. In the present embodiment, the slit member 56 is bonded to the rear plate surface of the MEMS chopper member 51 (the plate surface on the downstream side of the optical path A among the pair of plate surfaces of the base portion 51a of the MEMS chopper member 51). It is fixed with.
Therefore, the MEMS chopper member 51 is disposed upstream of the slit member 56 in the light optical path A (the slit member 56 is disposed downstream of the MEMS chopper member 51 in the light optical path A).
This configuration has the following advantages. That is, if the MEMS chopper member is disposed downstream of the slit member in the optical path of light, a part of the light blocked (reflected) by the rotating portion of the MEMS chopper member is further reflected by the slit member. In some cases, the light becomes disturbance light, passes through the opening of the base portion of the MEMS chopper member, reaches the spectroscope, and eventually the light receiver, and decreases the detection accuracy of the light intensity by the light receiver.
Therefore, when the MEMS chopper member is arranged downstream of the slit member in the optical path of the light, the shape, surface color, arrangement, etc. of the slit member are separately devised in order to eliminate the influence of such disturbance light. Although it is necessary, when the slit member 56 is arranged on the downstream side of the MEMS chopper member 51 in the optical path A of the light as in this embodiment, the light blocked (reflected) by the rotating portion 51b is caused by the slit member 56. Since it is not reflected again, it is possible to easily eliminate the influence of disturbance light, and it is possible to improve the wavelength resolution of the THC measurement apparatus 100.

MEMSチョッパ部材51に固定されたスリット部材56のスリット56aは、焦点Bに対応する位置(焦点Bの近傍となる位置)に配置される。
このように構成することにより、赤外ランプ10により発生した光が細く収束された状態でスリット56aを通過することとなり、スリット56aを通過する光の光量を確保しつつスリット56aを極力細くして外乱光の影響を排除することが可能であり、THC測定装置100のS/N比の向上と波長分解能の向上とを両立することが可能である。
The slit 56a of the slit member 56 fixed to the MEMS chopper member 51 is disposed at a position corresponding to the focal point B (a position near the focal point B).
With this configuration, the light generated by the infrared lamp 10 passes through the slit 56a in a state where the light is converged finely, and the slit 56a is made as thin as possible while ensuring the amount of light passing through the slit 56a. It is possible to eliminate the influence of disturbance light, and to improve both the S / N ratio of the THC measurement apparatus 100 and the wavelength resolution.

既存のMEMSミラーを流用してMEMSチョッパ部材51を構成した場合、MEMSチョッパ部材51を例えば縦20mm×横30mm×厚さ5mm程度の大きさに抑えることが可能である。また、スリット部材56の厚さも数mm程度に抑えることが可能である。
従って、MEMSチョッパ部材51およびスリット部材56を合わせたサイズ、すなわち光チョッパ50を全体としてコンパクトにすることが可能であり、光チョッパ50を小型化することが可能である。
また、光チョッパ50を小型化することにより、THC測定装置100の光学系全体を小型化することが可能である。THC測定装置100を小型化することは、THC測定装置100を自動車に取り付けて走行中の自動車の排気ガスの分析を行う場合に特に有効である。
When the MEMS chopper member 51 is configured by diverting an existing MEMS mirror, the MEMS chopper member 51 can be suppressed to a size of, for example, about 20 mm long × 30 mm wide × 5 mm thick. Further, the thickness of the slit member 56 can be suppressed to about several mm.
Accordingly, the size of the MEMS chopper member 51 and the slit member 56, that is, the optical chopper 50 can be made compact as a whole, and the optical chopper 50 can be downsized.
Further, by reducing the size of the optical chopper 50, it is possible to reduce the size of the entire optical system of the THC measuring apparatus 100. Downsizing the THC measuring device 100 is particularly effective when the exhaust gas of a running vehicle is analyzed with the THC measuring device 100 attached to the vehicle.

以下では、スリット56aの開口幅の設定方法について説明する。
グレーティング21に入射する光の波長をλ、グレーティング21に入射する光の入射角度をα、グレーティング21に形成される溝の間隔をtとすると、グレーティング21における分散dλは以下の数1で表される。
Below, the setting method of the opening width of the slit 56a is demonstrated.
Assuming that the wavelength of light incident on the grating 21 is λ, the incident angle of light incident on the grating 21 is α, and the interval between grooves formed in the grating 21 is t, the dispersion dλ in the grating 21 is expressed by the following equation (1). The

Figure 2010197310
Figure 2010197310

赤外ランプ10の幅(光源の幅)の1/2をh、コリメートレンズ62の焦点距離をfとすると、コリメートレンズ62の出射光の平行光からのズレξは以下の数2で表される。   When ½ of the width of the infrared lamp 10 (the width of the light source) is h and the focal length of the collimating lens 62 is f, the deviation ξ from the parallel light of the collimating lens 62 is expressed by the following formula 2. The

Figure 2010197310
Figure 2010197310

数2に示す如く、ズレξは赤外ランプ10の幅に比例して大きくなる。
数2に示すズレξはグレーティング21に入射する光の入射角度αのズレ、すなわちdαに等しい(ξ=dα)ので、数1および数2より赤外ランプ10の幅(の1/2)と波長の分散dλとの間には以下の数3が成立する。
As shown in Equation 2, the deviation ξ increases in proportion to the width of the infrared lamp 10.
The deviation ξ shown in Equation 2 is equal to the deviation of the incident angle α of light incident on the grating 21, that is, dα (ξ = dα). Therefore, the width (1/2) of the infrared lamp 10 is The following equation 3 holds between the wavelength dispersion dλ.

Figure 2010197310
Figure 2010197310

数3より、グレーティング21における波長の分散dλを抑えるためには赤外ランプ10の幅(光源の幅)を極力小さくする必要がある。THC測定装置100に要求される波長分解能はグレーティング21における波長の分散dλに等しい。
実際の赤外ランプ10の幅(光源の幅)およびMEMSチョッパ部材51の基部51aの開口部51cの幅がいずれも「THC測定装置100に要求される波長分解能を数3の右辺に代入することにより算出される光源の幅」よりも大きい場合には、スリット部材56を設けることによる波長分解能を向上の効果が得られる。
From Equation 3, it is necessary to make the width of the infrared lamp 10 (the width of the light source) as small as possible in order to suppress the wavelength dispersion dλ in the grating 21. The wavelength resolution required for the THC measurement apparatus 100 is equal to the wavelength dispersion dλ in the grating 21.
Both the actual width of the infrared lamp 10 (the width of the light source) and the width of the opening 51c of the base 51a of the MEMS chopper member 51 are “substituting the wavelength resolution required for the THC measuring device 100 into the right side of Equation 3. If the width of the light source is larger than “the width of the light source calculated by”, the effect of improving the wavelength resolution by providing the slit member 56 can be obtained.

以下では、THC測定装置100の制御系について説明する。
図1に示す如く、THC測定装置100の制御系は、チョッパ・分光器制御装置70、ロックインアンプ80およびデータ処理装置90により構成される。
Hereinafter, a control system of the THC measurement apparatus 100 will be described.
As shown in FIG. 1, the control system of the THC measurement device 100 is configured by a chopper / spectrometer control device 70, a lock-in amplifier 80, and a data processing device 90.

チョッパ・分光器制御装置70は光チョッパ50および分光器20のMEMSミラー26の動作を制御する装置である。
チョッパ・分光器制御装置70は光チョッパ50、より厳密にはMEMSチョッパ部材51に接続され、MEMSチョッパ部材51の回動部51bに形成された配線に所定の周期(チョッピング周期に対応する周期)の電圧を印加することが可能である。
チョッパ・分光器制御装置70はMEMSミラー26に接続され、MEMSミラー26の回動部26bに形成された配線に所定の周期(分光周期に対応する周期)の電圧を印加することが可能である。
チョッパ・分光器制御装置70はMEMSミラー駆動制御用の発振回路であり、周波数設定が可能なものであれば、汎用的なもので達成することが可能である。
The chopper / spectrometer control device 70 is a device that controls the operation of the optical chopper 50 and the MEMS mirror 26 of the spectroscope 20.
The chopper / spectrometer control device 70 is connected to the optical chopper 50, more precisely, to the MEMS chopper member 51, and has a predetermined period (period corresponding to the chopping period) in the wiring formed in the rotating part 51b of the MEMS chopper member 51. It is possible to apply a voltage of
The chopper / spectrometer control device 70 is connected to the MEMS mirror 26, and can apply a voltage having a predetermined period (a period corresponding to the spectroscopic period) to the wiring formed in the rotating portion 26b of the MEMS mirror 26. .
The chopper / spectrometer control device 70 is an oscillation circuit for MEMS mirror drive control, and can be achieved by a general purpose device as long as the frequency can be set.

ロックインアンプ80はフォトダイオード30により受光された光の強度に応じた電気信号(測定信号)からノイズ成分を除去するものである。
ロックインアンプ80はフォトダイオード30に接続され、フォトダイオード30から測定信号を受信することが可能である。
ロックインアンプ80はチョッパ・分光器制御装置70に接続され、チョッパ・分光器制御装置70がMEMSチョッパ部材51の回動部51bに形成された配線に印可する電圧のタイミングを示す信号(参照信号)、およびMEMSミラー26の回動部26bに形成された配線に印加される電圧のタイミングを示す信号(分光周期信号)をチョッパ・分光器制御装置70から受信することが可能である。
ロックインアンプ80は測定信号および参照信号に基づいてノイズ成分が除去された測定信号(補正測定信号)を生成する。
ロックインアンプ80は既知のロックインアンプまたはこれと等価な機能を発現する回路等により達成される。
The lock-in amplifier 80 removes a noise component from an electrical signal (measurement signal) corresponding to the intensity of light received by the photodiode 30.
The lock-in amplifier 80 is connected to the photodiode 30 and can receive a measurement signal from the photodiode 30.
The lock-in amplifier 80 is connected to the chopper / spectrometer control device 70, and a signal (reference signal) indicating the timing of the voltage applied to the wiring formed in the rotating part 51 b of the MEMS chopper member 51 by the chopper / spectrometer control device 70. ), And a signal (spectral period signal) indicating the timing of the voltage applied to the wiring formed in the rotating portion 26b of the MEMS mirror 26 can be received from the chopper / spectrometer control device 70.
The lock-in amplifier 80 generates a measurement signal (corrected measurement signal) from which noise components have been removed based on the measurement signal and the reference signal.
The lock-in amplifier 80 is achieved by a known lock-in amplifier or a circuit that exhibits an equivalent function.

データ処理装置90はフォトダイオード30により受光された光の強度に基づいて、測定対象ガス1に含まれる炭化水素のうち、(a)アルカンおよびアルケンからなるグループ、(b)芳香族炭化水素からなるグループ、並びに、(c)アルキンからなるグループ、に属する炭化水素の濃度和をグループ毎に算出する装置である。
データ処理装置90は処理部91、入力部92および表示部93を具備する。
Based on the intensity of light received by the photodiode 30, the data processing device 90 includes (a) a group consisting of alkanes and alkenes, and (b) an aromatic hydrocarbon among the hydrocarbons contained in the measurement target gas 1. It is an apparatus that calculates the concentration sum of hydrocarbons belonging to a group and (c) a group consisting of alkynes for each group.
The data processing device 90 includes a processing unit 91, an input unit 92, and a display unit 93.

処理部91は種々のプログラム等を格納し、これらのプログラム等を展開し、これらのプログラム等に従って所定の演算を行い、当該演算結果等を記憶することができる。   The processing unit 91 stores various programs and the like, expands these programs and the like, performs predetermined calculations according to these programs and the like, and stores the calculation results and the like.

処理部91は、実体的には、CPU、ROM、RAM、HDD等がバスで接続される構成であっても良く、あるいはワンチップのLSI等からなる構成であっても良い。
本実施例の処理部91は専用品であるが、市販のパーソナルコンピュータやワークステーション等に上記プログラム等を格納したもので達成することも可能である。
The processing unit 91 may actually be configured such that a CPU, ROM, RAM, HDD, or the like is connected by a bus, or may be configured by a one-chip LSI or the like.
The processing unit 91 of the present embodiment is a dedicated product, but it can also be achieved by storing the above-described program in a commercially available personal computer or workstation.

処理部91はロックインアンプ80に接続され、ロックインアンプ80から補正測定信号および分光周期信号を取得(受信)することが可能である。   The processing unit 91 is connected to the lock-in amplifier 80 and can acquire (receive) the corrected measurement signal and the spectral period signal from the lock-in amplifier 80.

処理部91は処理部91において行われる種々の演算等に用いられる情報、演算結果等を記憶することが可能である。
処理部91は、基準となるガス(以下、基準ガス)のスペクトルを記憶している。
「基準ガス」は、測定対象ガスに含まれる炭化水素の三つの吸収波長帯の光を吸収しないことが予め分かっているガスである。基準ガスの具体例としては、窒素ガスが挙げられる。
「基準ガスのスペクトル」は基準ガスに光を照射したときの波長と光の強度との関係を示すものである。
本実施例では、基準ガスのスペクトルの波長帯は波数に換算して2000cm−1以上4000cm−1以下の範囲に設定される。これは、炭化水素の三つのグループの吸収波長帯を全て含む範囲に設定するためである。
The processing section 91 can store information used for various calculations performed in the processing section 91, calculation results, and the like.
The processing unit 91 stores a spectrum of a reference gas (hereinafter referred to as a reference gas).
The “reference gas” is a gas that is known in advance not to absorb light in the three absorption wavelength bands of hydrocarbons contained in the measurement target gas. A specific example of the reference gas is nitrogen gas.
The “reference gas spectrum” indicates the relationship between the wavelength and the light intensity when the reference gas is irradiated with light.
In this embodiment, the wavelength band of the spectrum of the reference gas is set in a range of 2000 cm -1 or 4000 cm -1 or less in terms of wavenumber. This is to set the range to include all the absorption wavelength bands of the three groups of hydrocarbons.

処理部91は、ロックインアンプ80から取得された補正測定信号および分光周期信号に基づいて、(a)アルカンおよびアルケンからなるグループ、(b)芳香族炭化水素からなるグループ、並びに、(c)アルキンからなるグループ、にそれぞれ対応する吸収波長帯の吸光度を算出する。   Based on the corrected measurement signal and the spectroscopic periodic signal acquired from the lock-in amplifier 80, the processing unit 91 (a) a group consisting of an alkane and an alkene, (b) a group consisting of an aromatic hydrocarbon, and (c) The absorbance in the absorption wavelength band corresponding to each group of alkynes is calculated.

処理部91は、補正測定信号および分光周期信号を照合することにより、取得された補正測定信号が(a)アルカンおよびアルケンからなるグループ、(b)芳香族炭化水素からなるグループ、並びに、(c)アルキンからなるグループ、のうちのどのグループに対応する波長帯の光の強度を示すものかを特定する。
次に、処理部91は、以下の数4に基づいて補正測定信号と基準ガスのスペクトルにおいて対応する波長帯の強度との差分を算出することにより、対応する波長帯の吸光度を算出する。
The processing unit 91 collates the corrected measurement signal and the spectral periodic signal so that the acquired corrected measurement signal is (a) a group consisting of alkane and alkene, (b) a group consisting of aromatic hydrocarbons, and (c ) Specify which group of alkynes indicates the intensity of light in the wavelength band corresponding to the group.
Next, the processing unit 91 calculates the absorbance of the corresponding wavelength band by calculating the difference between the corrected measurement signal and the intensity of the corresponding wavelength band in the reference gas spectrum based on the following Equation 4.

Figure 2010197310
Figure 2010197310

数4において、Anは吸光度を指し、Inは測定対象ガスに光を照射したときの対象となる吸収波長帯を透過してくる光の強度を指し、(In)は基準ガスに光を照射したときの対象となる吸収波長帯を透過してくる光の強度を指す。 In Equation 4, An indicates the absorbance, In indicates the intensity of light transmitted through the absorption wavelength band that is the target when the measurement target gas is irradiated with light, and (In) 0 irradiates the reference gas with light. It refers to the intensity of light that passes through the absorption wavelength band that is the target of the measurement.

処理部91は、数4に基づいて算出された「アルカンおよびアルケンからなるグループに属する炭化水素の吸収波長帯における吸光度」に基づいて「アルカンおよびアルケンからなるグループに属する炭化水素の濃度の和」を算出し、「芳香族炭化水素からなるグループに属する炭化水素の吸収波長帯における吸光度」に基づいて「芳香族炭化水素からなるグループに属する炭化水素の濃度の和」を算出し、「アルキンからなるグループに属する炭化水素の吸収波長帯における吸光度」に基づいて「アルキンからなるグループに属する炭化水素の濃度の和」を算出する。
具体的には、処理部91は、処理部91に予め記憶された係数K1と「アルカンおよびアルケンからなるグループに属する炭化水素の吸収波長帯における吸光度」との積として、測定対象ガス1に含まれる「アルカンおよびアルケンからなるグループに属する炭化水素の濃度の和」を算出する。
同様に、処理部91は、処理部91に予め記憶された係数K2と「芳香族炭化水素からなるグループに属する炭化水素の吸収波長帯における吸光度」との積として、測定対象ガス1に含まれる「芳香族炭化水素からなるグループに属する炭化水素の濃度の和」を算出する。
同様に、処理部91は、処理部91に予め記憶された係数K3と「アルキンからなるグループに属する炭化水素の吸収波長帯における吸光度」との積として、測定対象ガス1に含まれる「アルキンからなるグループに属する炭化水素の濃度の和」を算出する。
The processing unit 91 calculates the “sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to the group consisting of alkanes and alkenes” based on “absorbance in the absorption wavelength band of hydrocarbons belonging to the group consisting of alkanes and alkenes” calculated based on Equation 4. Based on the “absorbance in the absorption wavelength band of hydrocarbons belonging to the group consisting of aromatic hydrocarbons”, the “sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to the group consisting of aromatic hydrocarbons” is calculated, and “from alkyne Based on the “absorbance in the absorption wavelength band of hydrocarbons belonging to a certain group”, “the sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to the group consisting of alkynes” is calculated.
Specifically, the processing unit 91 includes the measurement target gas 1 as a product of the coefficient K1 stored in the processing unit 91 in advance and “absorbance in the absorption wavelength band of hydrocarbons belonging to the group consisting of alkane and alkene”. The “sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to the group consisting of alkanes and alkenes” is calculated.
Similarly, the processing unit 91 is included in the measurement target gas 1 as the product of the coefficient K2 stored in advance in the processing unit 91 and “absorbance in the absorption wavelength band of hydrocarbons belonging to the group consisting of aromatic hydrocarbons”. The “sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to the group consisting of aromatic hydrocarbons” is calculated.
Similarly, the processing unit 91 obtains “from alkyne as a product of the coefficient K3 stored in the processing unit 91 in advance and“ absorbance in the absorption wavelength band of hydrocarbons belonging to the group consisting of alkyne ”. The sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to a certain group is calculated.

処理部91は、上記算出された「アルカンおよびアルケンからなるグループに属する炭化水素の濃度の和」、「芳香族炭化水素からなるグループに属する炭化水素の濃度の和」、および「アルキンからなるグループに属する炭化水素の濃度の和」の和として、「測定対象ガス1の全炭化水素濃度」を算出する。   The processing unit 91 calculates the above-mentioned “sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to the group consisting of alkanes and alkenes”, “sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to the groups consisting of aromatic hydrocarbons”, and “groups consisting of alkynes” As the sum of the “sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to”, “the total hydrocarbon concentration of the measurement target gas 1” is calculated.

処理部91は、算出された「アルカンおよびアルケンからなるグループに属する炭化水素の濃度の和」、「芳香族炭化水素からなるグループに属する炭化水素の濃度の和」、「アルキンからなるグループに属する炭化水素の濃度の和」、および「測定対象ガス1の全炭化水素濃度」を適宜記憶する。   The processing unit 91 calculates the “sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to the group consisting of alkanes and alkenes”, “the sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to the groups consisting of aromatic hydrocarbons”, and “belonging to the group consisting of alkynes” “Sum of hydrocarbon concentrations” and “total hydrocarbon concentration of measurement target gas 1” are stored as appropriate.

なお、上記係数K1、係数K2および係数K3は、FID−GC等により予め炭化水素の組成が分かっているガスをTHC測定装置100により測定して得られた「アルカンおよびアルケンからなるグループに属する炭化水素の吸収波長帯における吸光度」の算出結果、「芳香族炭化水素からなるグループに属する炭化水素の吸収波長帯における吸光度」の算出結果、および「アルキンからなるグループに属する炭化水素の吸収波長帯における吸光度」の算出結果に基づいて実験的に定められる。
また、本実施例の場合、処理部91により算出される各グループに属する炭化水素の濃度の和および全炭化水素濃度はメタン換算濃度値(ppmC)の形で算出されるが、本発明はこれに限定されず、体積比等の形で算出しても良い。
The coefficient K1, the coefficient K2, and the coefficient K3 are obtained by measuring the gas whose hydrocarbon composition is known in advance by the FID-GC or the like with the THC measuring device 100, and the carbonization belonging to the group consisting of alkane and alkene. Calculation result of “absorbance in absorption wavelength band of hydrogen”, calculation result of “absorbance in absorption wavelength band of hydrocarbon belonging to group consisting of aromatic hydrocarbons”, and “absorption wavelength band of hydrocarbon belonging to group consisting of alkyne” It is experimentally determined based on the calculation result of “absorbance”.
In the case of the present embodiment, the sum of the concentrations of hydrocarbons belonging to each group calculated by the processing unit 91 and the total hydrocarbon concentration are calculated in the form of methane equivalent concentration values (ppmC). However, the calculation may be performed in a form such as a volume ratio.

入力部92は処理部91に接続され、THC測定装置100による炭化水素濃度の測定に係る種々の情報・指示等を処理部91に入力するものである。
本実施例の処理部91は専用品であるが、市販のキーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、スイッチ等を用いても同様の効果を達成することが可能である。
The input unit 92 is connected to the processing unit 91, and inputs various information / instructions related to the measurement of the hydrocarbon concentration by the THC measuring device 100 to the processing unit 91.
The processing unit 91 of this embodiment is a dedicated product, but the same effect can be achieved even by using a commercially available keyboard, mouse, pointing device, button, switch, or the like.

表示部93は入力部92から処理部91への入力内容や処理部91による算出結果(炭化水素濃度の測定結果)等を表示するものである。
本実施例の表示部93は専用品であるが、市販のモニターや液晶ディスプレイ等を用いても同様の効果を達成することが可能である。
The display unit 93 displays the input content from the input unit 92 to the processing unit 91, the calculation result (measurement result of hydrocarbon concentration) by the processing unit 91, and the like.
The display unit 93 of this embodiment is a dedicated product, but the same effect can be achieved even if a commercially available monitor, liquid crystal display, or the like is used.

以上の如く、THC測定装置100は、
光を発生させる赤外ランプ10と、
赤外ランプ10により発生した光を周期的に波長変動させる分光器20と、
分光器20により波長変動された光の強度を検出するフォトダイオード30と、
赤外ランプ10、分光器20およびフォトダイオード30により形成される光路Aにおいて分光器20およびフォトダイオード30により挟まれる位置に配置され、測定対象ガス1を収容可能かつ赤外ランプ10により発生した光を透過可能なガス容器40と、
光路Aの中途部に配置される光チョッパ50と、
を具備し、
光チョッパ50は、
赤外ランプ10により発生した光が通過可能な開口部51cが形成された基部51a、および電圧の印加状態に対応して基部51aに対して回動することにより「開口部51cを開口して赤外ランプ10により発生した光が通過する通過状態」または「開口部51cを閉塞して赤外ランプ10により発生した光を遮断する遮断状態」のいずれかの状態に切り替える回動部51bを具備するMEMSチョッパ部材51と、
MEMSチョッパ部材51に隣接する位置に配置され、赤外ランプ10により発生した光を絞るためのスリット56aが形成されたスリット部材56と、
を具備する。
このように構成することは、以下の利点を有する。
すなわち、光チョッパ50によりフォトダイオード30が検出する光のS/N比を大きくすることが可能であるため、THC測定装置100の測定精度(分析精度)を高くすることが可能である。
また、光チョッパ50はMEMS技術を用いて製造されるため光チョッパ50のサイズを小さくすることが可能であり、ひいてはTHC測定装置100の小型化に寄与する。
さらに、光チョッパ50はMEMS技術を用いて製造されるため、既存の技術を用いた場合でも光チョッパ50のチョッピング周期を10μsec〜100μsec程度の(非常に短い)周期に設定することが可能である(光チョッパ50のチョッピング周波数を10kHz〜100kHz程度に設定することが可能である)ため、THC測定装置100による測定の高速応答性(リアルタイム性)の向上に寄与する。
As described above, the THC measuring apparatus 100 is
An infrared lamp 10 for generating light;
A spectroscope 20 for periodically changing the wavelength of light generated by the infrared lamp 10, and
A photodiode 30 for detecting the intensity of light whose wavelength has been varied by the spectroscope 20;
The light generated by the infrared lamp 10 that can be accommodated in the measurement target gas 1 and is disposed at a position sandwiched by the spectrometer 20 and the photodiode 30 in the optical path A formed by the infrared lamp 10, the spectrometer 20, and the photodiode 30. Gas container 40 capable of passing through,
An optical chopper 50 disposed in the middle of the optical path A;
Comprising
The light chopper 50
A base 51a in which an opening 51c through which light generated by the infrared lamp 10 can pass is formed, and by rotating with respect to the base 51a in accordance with a voltage application state, the "opening 51c is opened and red There is provided a rotating portion 51b that switches to either a “passing state in which light generated by the outer lamp 10 passes” or a “blocking state in which the light generated by the infrared lamp 10 is blocked by closing the opening 51c”. A MEMS chopper member 51;
A slit member 56 disposed at a position adjacent to the MEMS chopper member 51 and formed with a slit 56a for narrowing the light generated by the infrared lamp 10;
It comprises.
This configuration has the following advantages.
That is, since the S / N ratio of light detected by the photodiode 30 can be increased by the optical chopper 50, the measurement accuracy (analysis accuracy) of the THC measurement device 100 can be increased.
In addition, since the optical chopper 50 is manufactured using the MEMS technology, the size of the optical chopper 50 can be reduced, which contributes to downsizing of the THC measuring apparatus 100.
Furthermore, since the optical chopper 50 is manufactured using the MEMS technology, the chopping cycle of the optical chopper 50 can be set to a (very short) cycle of about 10 μsec to 100 μsec even when the existing technology is used. (It is possible to set the chopping frequency of the optical chopper 50 to about 10 kHz to 100 kHz), which contributes to the improvement of the high-speed response (real-time property) of the measurement by the THC measurement apparatus 100.

また、光チョッパ50のMEMSチョッパ部材51は、
光の光路Aにおいてスリット部材56よりも上流側に配置される。
このように構成することにより、回動部51bにより遮断(反射)された光がスリット部材56により再度反射されて光路Aに復帰することが無いので、容易に外乱光の影響を排除することが可能であり、ひいてはTHC測定装置100の測定精度(波長分解能)を向上させることが可能である。
The MEMS chopper member 51 of the optical chopper 50 is
The light path A is disposed upstream of the slit member 56 in the optical path A of light.
With this configuration, the light blocked (reflected) by the rotating portion 51b is not reflected again by the slit member 56 and returned to the optical path A, so that the influence of disturbance light can be easily eliminated. It is possible to improve the measurement accuracy (wavelength resolution) of the THC measurement apparatus 100.

また、THC測定装置100の分光器20は、
赤外ランプ10により発生した光を波長毎に異なる反射角度で反射するグレーティング21と、
グレーティング21により反射された光を所定の方向(本実施形態では、第二集光レンズ63に入射する方向)に反射するMEMSミラー26と、
を具備する。
このように構成することにより、分光器20を小型化することが可能である。
また、分光器20の分光周期を容易に短くすることが可能であり、THC測定装置100による測定の高速応答性(リアルタイム性)の向上に寄与する。
The spectroscope 20 of the THC measuring device 100 is
A grating 21 that reflects light generated by the infrared lamp 10 at different reflection angles for each wavelength;
A MEMS mirror 26 that reflects the light reflected by the grating 21 in a predetermined direction (in this embodiment, a direction incident on the second condenser lens 63);
It comprises.
With this configuration, the spectroscope 20 can be downsized.
Further, the spectral period of the spectroscope 20 can be easily shortened, which contributes to an improvement in high-speed response (real-time property) of measurement by the THC measurement apparatus 100.

また、光チョッパ50のMEMSチョッパ部材51のチョッピング周期は、分光器20の分光周期よりも短い。
このように構成することにより、複数の周波数帯のそれぞれについて光チョッパ50により光が遮断された状態と光チョッパ50により光が遮断されない状態との間の光強度の差分を取得することが可能である。
Further, the chopping cycle of the MEMS chopper member 51 of the optical chopper 50 is shorter than the spectral cycle of the spectrometer 20.
With this configuration, it is possible to obtain a difference in light intensity between a state where light is blocked by the light chopper 50 and a state where light is not blocked by the light chopper 50 for each of a plurality of frequency bands. is there.

また、光路Aにおいて赤外ランプ10および分光器20により挟まれる位置には、赤外ランプ10により発生する光を集光する第一集光レンズ61、並びに、第一集光レンズ61により集光された光を平行光とするコリメートレンズ62が配置される。
このように構成することにより、赤外ランプ10にある程度大きい場合(点光源として扱うことが困難な場合)でも、光量を確保しつつ外乱光がフォトダイオード30に受光されることを防止することが可能であり、ひいてはTHC測定装置100の測定精度の向上に寄与する。
Further, at the position between the infrared lamp 10 and the spectroscope 20 in the optical path A, the first condenser lens 61 that condenses the light generated by the infrared lamp 10 and the first condenser lens 61 condenses the light. A collimating lens 62 is arranged to make the emitted light parallel light.
With this configuration, even when the infrared lamp 10 is large to some extent (when it is difficult to handle it as a point light source), it is possible to prevent ambient light from being received by the photodiode 30 while securing the light amount. This contributes to the improvement of the measurement accuracy of the THC measuring apparatus 100.

また、MEMSチョッパ部材51の開口部51cおよびスリット部材56のスリット56aは、
光路Aにおいて第一集光レンズ61およびコリメートレンズ62により挟まれる位置に形成される光の焦点Bに対応する位置に配置される。
このように構成することにより、光量を確保しつつ外乱光がフォトダイオード30に受光されることを防止することが可能であり、ひいてはTHC測定装置100の測定精度の向上に寄与する。
The opening 51c of the MEMS chopper member 51 and the slit 56a of the slit member 56 are
It is arranged at a position corresponding to the focal point B of light formed at a position sandwiched between the first condenser lens 61 and the collimating lens 62 in the optical path A.
With this configuration, it is possible to prevent disturbance light from being received by the photodiode 30 while securing the amount of light, which contributes to improvement in measurement accuracy of the THC measurement apparatus 100.

図1および図2に示すTHC測定装置100ではMEMSチョッパ部材51の開口部51cおよびスリット部材56のスリット56aが光路Aにおいて第一集光レンズ61およびコリメートレンズ62により挟まれる位置に形成される光の焦点Bに対応する位置に配置されるが、本発明はこれに限定されない。
MEMSチョッパ部材51の開口部51cおよびスリット部材56のスリット56aを配置する位置の別実施形態としては、例えば図3に示す如く光路Aにおいてコリメートレンズ62および分光器20により挟まれる位置に配置する場合、あるいは、図4に示す如く光路Aにおいて分光器20およびフォトダイオード30により挟まれる位置(より厳密には、光路Aにおいて分光器20および第二集光レンズ63により挟まれる位置)が挙げられる。
図3および図4に示す実施形態は、光路Aにおいて光が平行光となっている部分にMEMSチョッパ部材51の開口部51cおよびスリット部材56のスリット56aが配置される点において共通する。
図3および図4に示す実施形態は、MEMSチョッパ部材51の回動部51bの回動角度を調整することによりフォトダイオード30により受光される光量を調整することが可能であり、ひいては波長分解能を調整することが可能である。
なお、THC測定装置100の構成では開口部51cを通過してフォトダイオード30により受光される光の光量と波長分解能との間にはトレードオフの関係が成立することから、測定対象ガス1の性状等に応じて最適な光量と波長分解能との組み合わせを容易に設定することが可能である。
In the THC measuring apparatus 100 shown in FIGS. 1 and 2, the light formed at the position where the opening 51 c of the MEMS chopper member 51 and the slit 56 a of the slit member 56 are sandwiched between the first condenser lens 61 and the collimator lens 62 in the optical path A. However, the present invention is not limited to this.
As another embodiment of the position at which the opening 51c of the MEMS chopper member 51 and the slit 56a of the slit member 56 are disposed, for example, as illustrated in FIG. 3, it is disposed at a position between the collimator lens 62 and the spectroscope 20 in the optical path A. Alternatively, as shown in FIG. 4, a position sandwiched between the spectroscope 20 and the photodiode 30 in the optical path A (more precisely, a position sandwiched between the spectroscope 20 and the second condenser lens 63 in the optical path A) can be mentioned.
The embodiment shown in FIGS. 3 and 4 is common in that the opening 51c of the MEMS chopper member 51 and the slit 56a of the slit member 56 are arranged in a portion where the light is parallel light in the optical path A.
The embodiment shown in FIGS. 3 and 4 can adjust the amount of light received by the photodiode 30 by adjusting the rotation angle of the rotation part 51b of the MEMS chopper member 51, and thus the wavelength resolution can be reduced. It is possible to adjust.
In the configuration of the THC measurement apparatus 100, a trade-off relationship is established between the amount of light that passes through the opening 51c and is received by the photodiode 30, and the wavelength resolution. It is possible to easily set an optimal combination of light quantity and wavelength resolution according to the above.

また、THC測定装置100は、
フォトダイオード30により受光された光の強度に基づいて測定対象ガス1に含まれる炭化水素の濃度を算出するデータ処理装置90を具備する。
このように構成することにより、フォトダイオード30に受光される光の強度の検出結果の取得と並行して測定対象ガス1に含まれる炭化水素の濃度を算出することが可能であり、THC測定装置100の測定の高速化に寄与する。
Further, the THC measuring apparatus 100 is
A data processing device 90 is provided that calculates the concentration of hydrocarbons contained in the measurement target gas 1 based on the intensity of light received by the photodiode 30.
With this configuration, it is possible to calculate the concentration of hydrocarbons contained in the measurement target gas 1 in parallel with the acquisition of the detection result of the intensity of light received by the photodiode 30, and the THC measurement device This contributes to speeding up 100 measurements.

以下では、図5を用いて本発明に係る光学式分析装置の第二実施形態であるTHC測定装置200について説明する。なお、THC測定装置200を構成する部材のうち、図1に示すTHC測定装置100と同様の機能を果たす部材については図1と同じ部材番号を付すとともに詳細な説明を省略する。   Below, the THC measuring apparatus 200 which is 2nd embodiment of the optical analyzer which concerns on this invention using FIG. 5 is demonstrated. Note that, among members constituting the THC measurement device 200, members having the same functions as those of the THC measurement device 100 shown in FIG. 1 are assigned the same member numbers as those in FIG.

THC測定装置200は、フレーム210、赤外ランプ10、受光器側光学系ユニット220、ガス容器40、チョッパ・分光器制御装置70、ロックインアンプ80およびデータ処理装置90を具備する。   The THC measurement device 200 includes a frame 210, an infrared lamp 10, a light receiver side optical system unit 220, a gas container 40, a chopper / spectrometer control device 70, a lock-in amplifier 80, and a data processing device 90.

フレーム210はTHC測定装置200の他の部材、特に光学系を構成する部材の相対的な位置を保持するための構造体である。
フレーム210はベース部材211、ランプ支持部材212、容器支持部材213およびユニット支持部材214を具備する。
The frame 210 is a structure for holding the relative positions of other members of the THC measuring apparatus 200, particularly members constituting the optical system.
The frame 210 includes a base member 211, a lamp support member 212, a container support member 213, and a unit support member 214.

ベース部材211はフレーム210の主たる構造体を成す部材である。フレーム210を構成する他の部材はベース部材211に固定される。   The base member 211 is a member that forms a main structure of the frame 210. Other members constituting the frame 210 are fixed to the base member 211.

ランプ支持部材212は赤外ランプ10をベース部材211に固定する部材である。ランプ支持部材212の下端部はベース部材211に固定され、ランプ支持部材212の上端部は赤外ランプ10に固定される。   The lamp support member 212 is a member that fixes the infrared lamp 10 to the base member 211. The lower end portion of the lamp support member 212 is fixed to the base member 211, and the upper end portion of the lamp support member 212 is fixed to the infrared lamp 10.

容器支持部材213はガス容器40をベース部材211に固定する部材である。容器支持部材213の下端部はベース部材211に固定され、容器支持部材213の上端部はガス容器40に固定される。   The container support member 213 is a member that fixes the gas container 40 to the base member 211. The lower end portion of the container support member 213 is fixed to the base member 211, and the upper end portion of the container support member 213 is fixed to the gas container 40.

ユニット支持部材214は受光器側光学系ユニット220をベース部材211に固定する部材である。ユニット支持部材214の下端部はベース部材211に固定され、ユニット支持部材214の上端部は受光器側光学系ユニット220に固定される。   The unit support member 214 is a member that fixes the light receiver side optical system unit 220 to the base member 211. The lower end portion of the unit support member 214 is fixed to the base member 211, and the upper end portion of the unit support member 214 is fixed to the light receiver side optical system unit 220.

受光器側光学系ユニット220はTHC測定装置200の光学系のうち、ガス容器40よりもフォトダイオード30寄りに配置される部材をまとめたものである。
受光器側光学系ユニット220はケース221、第一集光レンズ61、光チョッパ50、コリメートレンズ62、分光器20、第二集光レンズ63およびフォトダイオード30を具備する。
The light receiver side optical system unit 220 is a group of members arranged closer to the photodiode 30 than the gas container 40 in the optical system of the THC measuring device 200.
The optical receiver unit 220 includes a case 221, a first condenser lens 61, an optical chopper 50, a collimator lens 62, a spectroscope 20, a second condenser lens 63, and a photodiode 30.

ケース221は箱状の部材であり、受光器側光学系ユニット220を構成する他の部材(第一集光レンズ61、光チョッパ50、コリメートレンズ62、分光器20、第二集光レンズ63およびフォトダイオード30)を収容するとともに当該他の部材の相対的な位置関係を保持する。
ケース221はユニット支持部材214を介してベース部材211に固定される。
The case 221 is a box-shaped member, and other members (the first condenser lens 61, the optical chopper 50, the collimator lens 62, the spectroscope 20, the second condenser lens 63, and the like constituting the light receiver side optical system unit 220). The photodiode 30) is accommodated and the relative positional relationship of the other members is maintained.
The case 221 is fixed to the base member 211 via the unit support member 214.

図5に示すTHC測定装置200は、赤外ランプ10、分光器20およびフォトダイオード30により形成される光路Aにおいて赤外ランプ10および分光器20により挟まれる位置にガス容器40を配置する点において図1に示すTHC測定装置100と異なる。
このように構成することは、以下の利点を有する。
すなわち、THC測定装置200では、ガス容器40の内部を通過した後の光に対して光チョッパ50によるチョッピングおよび分光器20による分光が行われるため、データ処理装置90がロックインアンプ80から取得する補正測定信号はガス容器40を含めた測定対象物に係る外乱要素(ノイズ)をも排除したものとなり、外乱要素の排除の観点から見て図1に示すTHC測定装置100よりも好ましい。
The THC measuring apparatus 200 shown in FIG. 5 is such that the gas container 40 is disposed at a position sandwiched between the infrared lamp 10 and the spectroscope 20 in the optical path A formed by the infrared lamp 10, the spectroscope 20 and the photodiode 30. Different from the THC measuring apparatus 100 shown in FIG.
This configuration has the following advantages.
That is, in the THC measuring apparatus 200, the light after passing through the inside of the gas container 40 is chopped by the optical chopper 50 and split by the spectroscope 20, so that the data processing apparatus 90 acquires from the lock-in amplifier 80. The corrected measurement signal excludes disturbance elements (noise) related to the measurement object including the gas container 40, and is preferable to the THC measurement apparatus 100 shown in FIG. 1 from the viewpoint of eliminating the disturbance elements.

1 測定対象ガス
10 赤外ランプ(光源)
20 分光器
30 フォトダイオード(受光器)
40 ガス容器
50 光チョッパ
51 MEMSチョッパ部材
51a 基部
51b 回動部
51c 開口部
56 スリット部材
56a スリット
100 THC測定装置(光学式分析装置)
1 Gas to be measured 10 Infrared lamp (light source)
20 Spectrometer 30 Photodiode (receiver)
40 Gas container 50 Optical chopper 51 MEMS chopper member 51a Base 51b Rotating part 51c Opening 56 Slit member 56a Slit 100 THC measuring device (optical analyzer)

Claims (15)

光を発生させる光源と、
前記光源により発生した光を周期的に波長変動させる分光器と、
前記分光器により波長変動された光の強度を検出する受光器と、
前記光源、前記分光器および前記受光器により形成される光路において前記分光器および前記受光器により挟まれる位置または前記光源および前記分光器により挟まれる位置に配置され、測定対象ガスを収容可能かつ前記光を透過可能なガス容器と、
を具備する光学式分析装置に用いられる光チョッパであって、
前記光源により発生した光が通過可能な開口部が形成された基部、および電圧の印加状態に対応して前記基部に対して回動することにより前記開口部を開口して前記光源により発生した光が通過する通過状態または前記開口部を閉塞して前記光源により発生した光を遮断する遮断状態のいずれかの状態に切り替える回動部を具備するMEMSチョッパ部材と、
前記MEMSチョッパ部材に隣接する位置に配置され、前記光源により発生した光を絞るためのスリットが形成されたスリット部材と、
を具備する光チョッパ。
A light source that generates light;
A spectroscope for periodically changing the wavelength of the light generated by the light source;
A light receiver for detecting the intensity of light whose wavelength has been varied by the spectroscope;
The optical path formed by the light source, the spectroscope and the light receiver is disposed at a position sandwiched by the spectroscope and the light receiver or a position sandwiched by the light source and the spectroscope, and can accommodate a measurement target gas, and A gas container capable of transmitting light;
An optical chopper used in an optical analyzer comprising:
A base formed with an opening through which light generated by the light source can pass, and light generated by the light source by opening the opening by rotating with respect to the base corresponding to a voltage application state. A MEMS chopper member comprising a rotating portion that switches to either a passing state in which the light passes or a blocking state that blocks the light generated by the light source by closing the opening;
A slit member disposed at a position adjacent to the MEMS chopper member, and formed with a slit for narrowing the light generated by the light source;
A light chopper comprising:
前記MEMSチョッパ部材は、
前記光の光路において前記スリット部材よりも上流側に配置される請求項1に記載の光チョッパ。
The MEMS chopper member is
The optical chopper according to claim 1, wherein the optical chopper is disposed upstream of the slit member in the optical path of the light.
前記分光器は、
前記光源により発生した光を波長毎に異なる反射角度で反射するグレーティングと、
前記グレーティングにより反射された光を所定の方向に反射するMEMSミラーと、
を具備する請求項1または請求項2に記載の光チョッパ。
The spectrometer is
A grating that reflects the light generated by the light source at different reflection angles for each wavelength;
A MEMS mirror that reflects the light reflected by the grating in a predetermined direction;
The optical chopper of Claim 1 or Claim 2 which comprises these.
前記MEMSチョッパ部材のチョッピング周期は、前記分光器の分光周期よりも短い請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の光チョッパ。   The optical chopper according to any one of claims 1 to 3, wherein a chopping period of the MEMS chopper member is shorter than a spectral period of the spectroscope. 前記光路において前記光源および前記分光器により挟まれる位置には、前記光源により発生する光を集光する集光レンズ、並びに、前記集光レンズにより集光された光を平行光とするコリメートレンズが配置される請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の光チョッパ。   A condensing lens that condenses the light generated by the light source and a collimator lens that collimates the light collected by the condensing lens at a position between the light source and the spectroscope in the optical path. The optical chopper as described in any one of Claim 1 to 4 arrange | positioned. 前記MEMSチョッパ部材の開口部および前記スリット部材のスリットは、
前記光路において前記集光レンズおよび前記コリメートレンズにより挟まれる位置に形成される前記光の焦点に対応する位置に配置される請求項5に記載の光チョッパ。
The opening of the MEMS chopper member and the slit of the slit member are
The optical chopper according to claim 5, wherein the optical chopper is disposed at a position corresponding to a focal point of the light formed at a position sandwiched between the condensing lens and the collimating lens in the optical path.
前記MEMSチョッパ部材の開口部および前記スリット部材のスリットは、
前記光路において前記コリメートレンズおよび前記分光器により挟まれる位置、または前記分光器および前記受光器により挟まれる位置に配置される請求項5に記載の光チョッパ。
The opening of the MEMS chopper member and the slit of the slit member are
The optical chopper according to claim 5, wherein the optical chopper is disposed at a position between the collimator lens and the spectroscope or at a position between the spectroscope and the light receiver in the optical path.
光を発生させる光源と、
前記光源により発生した光を周期的に波長変動させる分光器と、
前記分光器により波長変動された光の強度を検出する受光器と、
前記光源、前記分光器および前記受光器により形成される光路において前記分光器および前記受光器により挟まれる位置または前記光源および前記分光器により挟まれる位置に配置され、測定対象ガスを収容可能かつ前記光を透過可能なガス容器と、
前記光路の中途部に配置される光チョッパと、
を具備し、
前記光チョッパは、
前記光源により発生した光が通過可能な開口部が形成された基部、および電圧の印加状態に対応して前記基部に対して回動することにより前記開口部を開口して前記光源により発生した光が通過する通過状態または前記開口部を閉塞して前記光源により発生した光を遮断する遮断状態のいずれかの状態に切り替える回動部を具備するMEMSチョッパ部材と、
前記MEMSチョッパ部材に隣接する位置に配置され、前記光源により発生した光を絞るためのスリットが形成されたスリット部材と、
を具備する光学式分析装置。
A light source that generates light;
A spectroscope for periodically changing the wavelength of the light generated by the light source;
A light receiver for detecting the intensity of light whose wavelength has been varied by the spectroscope;
The optical path formed by the light source, the spectroscope and the light receiver is disposed at a position sandwiched by the spectroscope and the light receiver or a position sandwiched by the light source and the spectroscope, and can accommodate a measurement target gas, and A gas container capable of transmitting light;
An optical chopper disposed in the middle of the optical path;
Comprising
The light chopper is
A base formed with an opening through which light generated by the light source can pass, and light generated by the light source by opening the opening by rotating with respect to the base corresponding to a voltage application state. A MEMS chopper member comprising a rotating portion that switches to either a passing state in which the light passes or a blocking state that blocks the light generated by the light source by closing the opening;
A slit member disposed at a position adjacent to the MEMS chopper member, and formed with a slit for narrowing light generated by the light source;
An optical analyzer comprising:
前記MEMSチョッパ部材は、
前記光の光路において前記スリット部材よりも上流側に配置される請求項8に記載の光学式分析装置。
The MEMS chopper member is
The optical analyzer according to claim 8, wherein the optical analyzer is disposed upstream of the slit member in the optical path of the light.
前記分光器は、
前記光源により発生した光を波長毎に異なる反射角度で反射するグレーティングと、
前記グレーティングにより反射された光を所定の方向に反射するMEMSミラーと、
を具備する請求項8または請求項9に記載の光学式分析装置。
The spectrometer is
A grating that reflects the light generated by the light source at different reflection angles for each wavelength;
A MEMS mirror that reflects the light reflected by the grating in a predetermined direction;
An optical analyzer according to claim 8 or 9, comprising:
前記MEMSチョッパ部材のチョッピング周期は、前記分光器の分光周期よりも短い請求項8から請求項10までのいずれか一項に記載の光学式分析装置。   11. The optical analyzer according to claim 8, wherein a chopping period of the MEMS chopper member is shorter than a spectral period of the spectroscope. 前記光路において前記光源および前記分光器により挟まれる位置には、前記光源により発生する光を集光する集光レンズ、並びに、前記集光レンズにより集光された光を平行光とするコリメートレンズが配置される請求項8から請求項11までのいずれか一項に記載の光学式分析装置。   A condensing lens that condenses the light generated by the light source and a collimator lens that collimates the light collected by the condensing lens at a position between the light source and the spectroscope in the optical path. The optical analyzer according to any one of claims 8 to 11, which is arranged. 前記MEMSチョッパ部材の開口部および前記スリット部材のスリットは、
前記光路において前記集光レンズおよび前記コリメートレンズにより挟まれる位置に形成される前記光の焦点に対応する位置に配置される請求項12に記載の光学式分析装置。
The opening of the MEMS chopper member and the slit of the slit member are
The optical analyzer according to claim 12, wherein the optical analyzer is disposed at a position corresponding to a focal point of the light formed at a position sandwiched between the condenser lens and the collimating lens in the optical path.
前記MEMSチョッパ部材の開口部および前記スリット部材のスリットは、
前記光路において前記コリメートレンズおよび前記分光器により挟まれる位置、または前記分光器および前記受光器により挟まれる位置に配置される請求項12に記載の光学式分析装置。
The opening of the MEMS chopper member and the slit of the slit member are
The optical analyzer according to claim 12, wherein the optical analyzer is disposed at a position between the collimator lens and the spectroscope or at a position between the spectroscope and the light receiver in the optical path.
前記受光器により受光された光の強度に基づいて前記測定対象ガスに含まれるガス種の濃度を算出するデータ処理装置を具備する請求項8から請求項14までのいずれか一項に記載の光学式分析装置。   The optical device according to any one of claims 8 to 14, further comprising a data processing device that calculates a concentration of a gas species contained in the measurement target gas based on an intensity of light received by the light receiver. Formula analyzer.
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