JP2010216959A - レーザ式ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ式ガス分析装置において、レーザ光由来の干渉ノイズを低減させる振動手段を小型化する。
【解決手段】レーザ式ガス分析装置１０は、レーザ素子２４と、レーザ素子２４の発光波長が被測定ガスの吸収波長を含むように信号を発生する波長制御手段２１，２２と、波長制御手段２１，２２で発生した信号をレーザ素子２４の駆動電流に変換してレーザ素子２４を駆動するレーザ素子駆動手段２３と、レーザ素子２４から出射された光を被測定ガスに照射させるレーザ光出射光学系３０と、被測定ガスを透過した光を集光する集光光学系４０と、集光光学系４０で集光された光の強度を測定する受光素子５０と、受光素子５０の出力する受光信号を処理する受光信号処理部６０と、レーザ素子２４を光軸方向に微小振動させるレーザ素子振動手段２８を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスの濃度をレーザ光により測定するガス分析装置に関するものである。

気体状のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトルがあることが知られている。レーザ光を用いたガス分析装置（以下、「レーザ式ガス分析装置」）は、レーザ光の特定波長の吸収量が被測定ガス（測定対象ガス）の濃度に比例することを利用してガス濃度を測定する装置であり、ガス濃度の測定方法は、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。以下では、周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析装置を用いた例について説明する。

まず、周波数変調方式によるガス濃度の測定原理について説明する。図８は、特許文献１に示される周波数変調方式のレーザ式ガス分析装置１００の構成を示す概略断面図である。図８において、フランジ１１０ａ、１１０ｂは、被測定ガスＧ（図示せず：以下、省略して「ガスＧ」とよぶ）が内部を通過する煙道などの配管の壁Ｗ１，Ｗ２に溶接等によって固定されている。一方のフランジ１１０ａには、取付座１２０ａを介して有底円筒状のカバー１３０が取付けられている。

カバー１３０の内部には、レーザ光源部２００及びコリメートレンズ３００が収容されている。レーザ光源部２００から出射した光はコリメートレンズ３００にて平行光Ｌにコリメートされ、煙道に向けて入射する。平行光Ｌは煙道内のガスＧを通過する際にガス吸収を受ける。

一方、他方のフランジ１１０ｂには、取付座１２０ｂを介して有底円筒状のカバー１４０が取付けられている。カバー１４０の内部には、集光レンズ４００、受光素子５００及び受光素子処理部６００とが収容されている。煙道内を通過した平行光Ｌは、集光レンズ４００により集光されて、受光部５００により受光され、受光信号処理部６００で電気信号として検出される。

図９は、図８に示したレーザ光源部２００の概略構成を示す図である。レーザ光源部２００は、ガスＧの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号発生部２１０と、ガスＧの吸収波形を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調する高周波変調信号発生部２２０とを備えている。これらの信号発生部２１０，２２０からの出力信号は合成されてレーザ駆動信号が生成され、このレーザ駆動信号は、電流制御部２３０によりレーザ素子２４０を駆動する電流に変換され、レーザ素子２４０に供給される。

レーザ光源部２００内部において、レーザ素子２４０に接触して温度検出素子としてのサーミスタ２５０が配置され、サーミスタ２５０にはペルチェ素子２６０が接触して配置されている。ペルチェ素子２６０は、サーミスタ２５０の抵抗値が一定値になるように温度制御部２７０によってＰＩＤ制御されることにより、レーザ素子２４０の温度を安定化させるためのものである。

図９に示される波長走査駆動信号発生部２１０で発生する出力信号は、図１０に示すように、一定周期で繰り返される台形形状となる。図１０における信号Ｓ１は、電流制御部２３０を介してレーザ素子２４０に供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号Ｓ１によってレーザ素子２４０の発光波長を徐々にずらしていき、例えばアンモニアガスであれば、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能としている。

図１０に示される信号Ｓ２は、吸収波長は走査しないがレーザ素子２４０は発光させておく部分であり、レーザ素子２４０の発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。さらに信号Ｓ３は、駆動電流をほぼ０にした部分である。

図１１は、図８における受光素子５００及び受光信号処理部６００の概略構成を示す図である。受光素子５００は例えばフォトダイオードであり、レーザ素子２４０の発光波長に感度を持つ素子が適用される。図１１において、受光素子５００の出力電流はＩ／Ｖ変換器６１０により電圧に変換される。Ｉ／Ｖ変換器６１０の出力信号は、発振器６２０からの２ｆ信号（２倍波信号）が加えられる同期検波回路６３０に入力され、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが抽出される。同期検波回路６３０の出力信号は、ノイズ除去用のローパスフィルタ６４０を介してＣＰＵ等の演算部６５０に送られる。

次に、上記のレーザ式ガス分析装置１００を用いた濃度測定の方法について説明する。まず、事前に、レーザ素子２４０の温度をサーミスタ２５０により検出する。さらに、図１０に示した波長走査駆動信号Ｓ１の中心部分でガスＧを測定できるように、温度制御部２７０によりペルチェ素子２６０の通電を制御してレーザ素子２４０の温度を所望の温度に保つ。レーザ素子２４０は、図１２及び図１３に示すように、ドライブ電流やレーザ素子２４０の温度によって発光波長が変化するため、この特性を利用し、吸収波長帯を測定する。以下の例では、レーザ素子２４０の温度を所定の温度に保ち、ドライブ電流を変化させることによって発光波長を変化させる。

レーザ素子２４０の温度を所望の温度に保ちながら、ドライブ電流を変化させることによりレーザ素子２４０を駆動し、ガスＧが存在する空間にレーザ素子２４０から光を出射し、受光素子５００へ光を入射させる。ガスの吸収がない場合は、図１１に示した同期検波回路６３０によって２倍周波数信号（２倍波信号）が検出されないので、同期検波回路６３０の出力はほぼ直線となる。一方、ガスの吸収がある場合は、同期検波回路６３０によって２倍波信号が検出され、その出力波形は図１４に示すようになる。図１４に示す波形におけるＡ部分がガスによる吸収を受けた部分（ガス吸収波形）であり、この吸収波形Ａの最大値又は最小値がガスの濃度に相当する。演算部６５０では、ガス吸収波形Ａの最大値と最小値との差分を測定するか、あるいはガス吸収波形Ａを積分して、その積分値からガス濃度を算出する。

ところで、上述したレーザ式ガス分析装置では、レーザ光のコヒーレント性によって、レーザ素子２４０とコリメートレンズ３００との間、あるいは、集光レンズ４００と受光素子５００との間といった光学部品間での光の多重反射により干渉光が発生し、受光信号に干渉ノイズとして検出されてしまう。この干渉ノイズは外部環境（特に温度）の変化によって変動するため、装置の高感度化、高安定化の妨げになっている。

そこで、近年、上述した光学部品間での光の多重反射による干渉光を低減する手段を備えたレーザ式ガス検出装置が検討されている（例えば特許文献２を参照）。図１５は、特許文献２に記載されるレーザ式ガス検出装置である。このレーザ式ガス検出装置７００は、測定雰囲気（ガスＧ）中に所定測定光路長を隔てて投受光ユニット７１０と反射ユニット７２０とが対向配置されている。

投受光ユニット７１０は、レーザ素子を備える光源ユニット７３０と、光源ユニット７３０から出射されガス中を通過した光を集光する集光レンズ７４０と、集光レンズ７４０で集光した光を受光検出する受光素子７５０Ａと、受光素子７５０Ａで検出した受光信号を処理してガス濃度を演算する受光信号処理部７５０Ｂと、集光レンズ７４０を光軸方向に微小振動させる振動手段７６０とを備えている。この振動手段７６０は、振動モータなどの各種モータや圧電素子などの駆動手段で構成され、集光レンズ７４０に直接取り付けられている。一方、反射ユニット７２０は、投受光ユニット７１０からのレーザ光を再び測定雰囲気に向けて反射する反射板７９０を備えている。

光源ユニット７３０から出射されたレーザ光は、反射ミラー７７０Ａ，７７０Ｂでそれぞれ反射したのち、集光レンズ７４０の中心位置に設けられたガラス窓７８０から測定雰囲気に向けて出射される。ガラス窓７８０から出射された光は、測定雰囲気中を通過して反射板７９０で反射し、再び測定雰囲気中を通過して集光レンズ７４０で集光され、受光素子７５０Ａで受光される。受光された光は電気信号に変換されたのち、受光信号処理部７５０Ｂで信号処理される。

上記のように構成されるレーザ式ガス分析装置７００では、ガスの検出動作中に振動手段７６０を動作させると、投受光ユニット７１０における集光レンズ７４０及び窓部７８０が光軸方向に微小振動することで、反射ミラー７７０Ｂと窓部７８０との間の距離Ｄ１、窓部７８０と反射板７９０との間の距離Ｄ２、反射板７９０と集光レンズ７４０との間の距離Ｄ３、集光レンズ７４０と受光素子７５０との間の距離Ｄ４といった光学部材間の距離がそれぞれ変化する。これにより、窓部７８０の表面、集光レンズ７４０の表面、反射板７９０の表面での干渉光の反射位置が変わって位相ずれが生じる。その結果、上記距離Ｄ１〜Ｄ４で発生する干渉光が多重反射する間に平均化され、測定に不要な干渉光を低減することができる。

国際公開ＷＯ２００８／０９６５２４ Ａ１ 特開２００８−７０３１４号公報

特許文献２に示されるようにガスの検出中に集光レンズを微小振動させる方法は、ガス濃度測定を妨げるノイズ要因であるレーザ光由来の干渉ノイズを低減するのに有効な方法ではあるが、以下に示す問題がある。

まず、上述した測定方法では、通常、レーザ光のビームを拡大して測定対象空間に照射するため、集光レンズ７４０のレンズ径は２５〜３０ｍｍ程度と大きくなる。また、煙道のような高温・高腐食性の雰囲気下でガス濃度を計測する場合には、集光レンズ７４０の材料として耐熱性、耐腐食性を有する石英ガラスを用いる必要があるため、プラスチックレンズを用いる場合と比べて集光レンズ７４０の重量が重くなる。このように大きく重いガラスレンズを振動させるためには、振動手段７６０も大型かつ複雑な構造となり、コストアップの要因となる。

また、図１５に示すように、集光レンズ７４０は投受光ユニット７１０の外部に露出した状態で配置されており、煙道内のガスに直接触れる構造となっている。通常、ガスが煙道外部に漏れ出すことがないように、煙道内部は外気に対して陰圧となっている。このため、集光レンズ７４０を振動させた場合には、煙道内・外の気圧差で集光レンズ７４０に圧力がかかり振動させることが困難になるという問題が発生する。集光レンズ７４０が外部に露出しないようにガラス板等で集光レンズ７４０を覆うことも考えられるが、このガラス板によって干渉光がさらに増加してしまうため適用することは困難である。

本発明は、上記の点に鑑み、レーザ光由来の干渉ノイズを低減させる振動手段を小型化し、安価に構成することのできるレーザ式ガス分析装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係るガス分析装置は、レーザ素子と、前記レーザ素子の発光波長が被測定ガスの吸収波長を含むように信号を発生する波長制御手段と、前記波長制御手段で発生した信号を前記レーザ素子の駆動電流に変換してレーザ素子を駆動するレーザ素子駆動手段と、前記レーザ素子から出射された光を被測定ガスに照射させるレーザ光出射光学系と、前記被測定ガスを透過した光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された光の強度を測定する受光素子と、前記受光素子の出力する受光信号を処理する受光信号処理部とを備え、前記受光信号処理部の処理結果に基づいて被測定ガス成分の濃度を検出するレーザ式ガス分析装置において、前記レーザ素子を光軸方向に微小振動させるレーザ素子振動手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係るガス分析装置は、上記請求項１において、前記波長制御手段は、前記測定ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする波長走査信号を発生する波長走査信号発生手段と、前記レーザ素子に周波数変調を施す正弦波信号を発生する周波数変調手段とを備え、前記受光信号処理部は、前記受光素子の出力する受光信号から前記周波数変調手段による正弦波信号の２倍の周波数成分を検波信号として出力する２倍周波数成分検出手段を備え、前記検波信号の振幅を前記被測定ガス中に含まれる被測定ガス成分の濃度として検出することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係るガス分析装置は、上記請求項１又は２において、前記受光素子を光軸方向に微小振動させる受光素子振動手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係るガス分析装置は、上記請求項１から３のいずれか一つにおいて、前記レーザ素子振動手段及び前記受光素子振動手段の各振動周波数を、前記周波数変調手段による正弦波信号の周波数の１０倍以上又は１／１０倍以下に設定したことを特徴とする。

本発明のレーザ式ガス分析装置では、レーザ素子振動手段を用いてレーザ素子を光軸方向に微小振動させることで、レーザ光由来の干渉ノイズを低減させている。レーザ素子は集光レンズと比べてはるかに小型な部材である。そのため、本発明のレーザ式ガス分析装置によれば、大きく重い集光レンズを振動させる場合と比べて、振動手段を小型化して安価に構成することができるとともに、より信頼性の高いガス濃度計測を行うことが可能となる。

図１は、本実施の形態のレーザ式ガス分析装置の構成を示す概略断面図である。 図２は、図１に示されるレーザ光源部の概略構成を示す図である。 図３は、図１に示されるレーザ式ガス分析装置の受光信号波形を示す図である。 図４は、図１に示される受光信号処理部の概略構成を示す図である。 図５は、図１に示されるレーザ式ガス分析装置の受光信号処理部によって取出された波長走査信号成分を示す図であり、ガスを検出しているときの波形である。 図６は、図１に示されるレーザ式ガス分析装置の受光信号処理部によって取出された波長走査信号成分を示す図であり、ガスを検出していない状態の波形である。 図７は、レーザ素子振動手段の振動による干渉ノイズの低減を説明するための図である。 図８は、従来のレーザ式ガス分析装置の構成を示す概略断面図である。 図９は、図８に示されるレーザ光源部の概略構成を示す図である。 図１０は、図８のレーザ式ガス分析装置の受光信号波形を示す図である。 図１１は、図８における受光信号処理部の概略構成を示す図である。 図１２は、レーザ素子の発光波長と電流との関係を示すグラフである。 図１３は、レーザ素子の発光波長とレーザ素子の温度との関係を示すグラフである。 図１４は、図８に示される受光信号処理部における同期検波回路の出力波形の一例を示す図である。 図１５は、集光レンズを微小振動させる振動手段を備えた従来のレーザ式ガス分析装置の構成を示す図である。

以下に、添付図面を参照して、本発明に係るレーザ式ガス分析装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。以下では、本発明を周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析装置に適用した例について説明する。

図１は、本実施の形態のレーザ式ガス分析装置１０の構成を示す概略断面図である。図１に例示されるレーザ式ガス分析装置１０は、後述するレーザ素子振動手段２８を設けた点以外は、上述した図８のレーザ式ガス分析装置１００と同じ構成を有したものであり、被測定ガスＧ（図示せず：以下、省略して「ガスＧ」とよぶ）が通過する煙道などの配管の壁Ｗ１，Ｗ２に設置されている。このレーザ式ガス分析装置１０は、一対のフランジ１１ａ、１１ｂと、各フランジ１１ａ，１１ｂに取り付けられるカバー１３，１４と、一方のカバー１３内に収容されるレーザ光源部（レーザ光源部）２０及びコリメートレンズ（レーザ光出射光学系）３０と、他方のカバー１４内に収容される集光レンズ（集光光学系）４０、受光素子５０及び受光素子処理部６０とから構成されている。

一対のフランジ１１ａ，１１ｂは、両端が開口した円筒状に形成されたものであり、煙道の壁Ｗ１，Ｗ２に溶接等によって固定されている。カバー１３，１４は、一端が開口し他端が閉塞した有底円筒状に形成されたものであり、取付座１２ａ，１２ｂを介してそれぞれフランジ１１ａ，１１ｂに取付けられている。

カバー１３内に配置されたレーザ光源部２０から出射した光はコリメートレンズ３０を含む光学系にて平行光Ｌにコリメートされ、煙道内のガスＧに入射する。平行光Ｌは、煙道内のガスＧを通過する際にガスの吸収を受ける。煙道を通過した平行光Ｌは、カバー１４内に配置された集光レンズ４０により集光されたのち、受光部５０により受光され、受光信号処理部６０で電気信号として検出される。

図２は、図１に示したレーザ光源部２０の概略構成を示す図である。レーザ光源部２０は、以下に説明するレーザ素子２４等の複数の部品をパッケージに収容したユニットとして構成されている。図２に示すように、このレーザ光源部２０のパッケージ内部には、波長制御手段としての波長走査駆動信号発生部（波長走査信号発生手段）２１及び高周波変調信号発生部（周波数変調手段）２２、電流制御部（レーザ素子駆動手段）２３、レーザ素子２４、サーミスタ２５、ペルチェ素子２６、温度制御部２７、レーザ素子振動手段２８及び振動制御部２９が収容されている。

波長走査駆動信号発生部２１は、ガスＧの吸収波長を走査するようにレーザ素子２４の発光波長を可変とする波長走査信号を発生する。高周波変調信号発生部２２は、ガスの吸収波形を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波信号を発生して波長を周波数変調する。電流制御部２３は、波長走査駆動信号発生部２１で発生させた波長走査信号と高周波変調信号発生部２２で発生させた正弦波信号とを合成した信号（レーザ駆動信号）を、レーザ素子２４の駆動電流に変換してレーザ素子２４を駆動する。

レーザ素子２４は半導体レーザ（ＬＤ： laser diode）であり、電流制御部２３から供給される駆動電流によりレーザ光を出射する。サーミスタ２５は、レーザ素子２４の温度を検出するための温度検出素子であり、レーザ素子２４と接した状態で配置される。ペルチェ素子２６は、レーザ素子２４の加熱冷却手段であり、サーミスタ２５と接した状態で配置される。温度制御部２７０は、サーミスタ２５で測定した温度に基づいてペルチェ素子２６を制御し、これによりレーザ素子２４の温度を一定温度に保つことで、レーザ光の発振波長が制御される。

上述したレーザ素子２４、サーミスタ２５及びペルチェ素子２６は、図２に示すようにレーザ光源部２０のパッケージ内部において積層した状態で配置されている。そして、ペルチェ素子２６に接触した状態で、レーザ素子振動手段２８が配置されている。

レーザ素子振動手段２８は、駆動した場合に自らが振動することにより、ペルチェ素子２６とサーミスタ２５とともにレーザ素子２４をレーザ光の光軸方向に振動させるものである。ここで、レーザ素子振動手段２８の振動方向は、必ずしも光軸方向である必要はなく、振動が光軸方向の成分をもっていればよい。すなわち、レーザ素子２４とコリメートレンズ３０との間の距離を変化させることができれば、振動方向はランダムな方向であってもよい。

レーザ素子２４は全長が５ｍｍ程度と非常に小型なパッケージであるため、レーザ素子振動手段２８としても小型で安価なものを適用することができる。具体的には、レーザ素子振動手段２８として、携帯電話のバイブレーション機能で用いられる小型振動モータ（偏心ロータを備えたモータ）や圧電素子などを適用することができる。レーザ素子振動手段２８の振動制御は、振動制御部２９で処理される。レーザ素子振動手段２８及び振動制御部２９についての動作説明については後述する。

図２における波長走査駆動信号発生部２１で発生する出力信号は、図３に示すように、一定周期で繰り返される台形形状となる。図３における信号Ｓ１は、電流制御部２３を介してレーザ素子２４に供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号Ｓ１によってレーザ素子２４０の発光波長を徐々にずらしていき、例えばアンモニアガスであれば、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能としている。

図３に示される信号Ｓ２は、吸収波長は走査しないがレーザ素子２４は発光させておく部分であり、レーザ素子２４の発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。さらに信号Ｓ３は、駆動電流をほぼ０にした部分である。

さらに、波長走査駆動信号発生部２１は、波長走査信号の１周期に同期したパルス状のトリガ信号（図示せず）を発生させて、そのトリガ信号をガス濃度検出のための演算処理を行う演算部６５（図４を参照）に送信する。このトリガ信号は、例えば、レーザ素子２４の駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミング（信号Ｓ３の発生タイミング）に同期して発生させる。

図４は、図１における受光素子５０及び受光信号処理部６０の概略構成を示す図である。受光素子５０は、例えばフォトダイオードであり、レーザ素子２４の発光波長に感度を持つ素子を適用する。受光素子５０の出力は受光信号処理部６０に送られ、Ｉ−Ｖ変換器６１で電圧出力に変換され、ローパスフィルタ６４Ａで高周波ノイズ成分が除去される。ローパスフィルタ６４Ａからの出力信号は、発振器６２からの２ｆ信号（２倍波信号）が加えられる同期検波回路６３に入力され、レーザ光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが抽出される。同期検波回路６３の出力信号は、ローパスフィルタ６４Ｂでノイズ除去や増幅が行われ、演算部６５に送られる。演算部６５では、ガス濃度検出のための演算処理を行う。

上記のように構成したレーザ式ガス分析装置１０を用いた濃度測定の方法について説明する。まず、事前に、レーザ素子２４の温度をサーミスタ２５により検出する。さらに、図３に示した波長走査駆動信号Ｓ１の中心部分でガスＧを測定できるように、温度制御部２７によりペルチェ素子２６の通電を制御してレーザ素子２４の温度を所望の温度に保つ。

レーザ素子２４の温度を所望の温度に保ちながら、ドライブ電流を変化させることによりレーザ素子２４を駆動し、ガスが存在する煙道内に向けてレーザ素子２４から光を出射し、受光素子５０へ光を入射させる。ガスの吸収がある場合は、同期検波回路６３によって２倍波信号が検出され、ガスの吸収波形が現れる。図５は、ガスを検出しているときの波形を示すグラフであり、信号８１はＩ−Ｖ変換器６１から出力される受光信号波形であり、信号８２は同期検波回路６３の出力波形である。同期検波回路６３の出力波形において、点線で囲んだＡ部がガスの吸収波形である。

吸収波形Ａの大きさがガス濃度となるため、吸収波形Ａの最大値又は最小値の大きさを計測してもよいし、信号変化を積分してもよい。しかしながら、何らかの原因によって同期検波回路６３の出力にオフセット変動が発生した場合、最大値もしくは最小値のみの検出あるいは積分による検出では誤差が生じてしまい、ガス濃度を正確に検出できないおそれがある。そこで、さらに高精度に安定的にガス濃度を検出するため、以下の（数１）、（数２）式に示すように、最大値（図５のＣ点）と、最小値（図５のＢ点もしくはＤ点）の差分をとり、その差分値の絶対値を算出し、ガス濃度を検出する。
（数１）
ガス濃度＝α×｜Ｂ−Ｃ｜
（数２）
ガス濃度＝α×｜Ｃ−Ｄ｜
（数１）式及び（数２）式において、Ｃは図５中の吸収波形Ａにおける最大値、Ｂ，Ｄは吸収波形Ａにおける最小値、αはガス濃度変換係数を示す。

一方、ガスの吸収がない場合には、同期検波回路６３は、２倍周波数信号が検出されないので、同期検波回路６３の出力は理想的には直線となる。

上述した方法によりガス濃度検出が可能となるが、光源にレーザ素子２４を使用しているため、その非常に高いコヒーレンス性によって、例えばレーザ素子２４とコリメートレンズ３０との間、集光レンズ４０と受光素子５０との間で、レーザ光の一部が多重反射し、この多重反射光が干渉光となる。

図６はガスが存在しない場合の波形を示すグラフであり、信号８３はＩ−Ｖ変換器６１から出力される受光信号波形であり、信号８４は同期検波回路６３の出力波形である。ガスの吸収がない場合、同期検波回路６３の信号８４の出力波形は理想的には直線となるが、実際には、図６に示すように干渉光によって凹凸の信号波形となる。この干渉光由来のノイズ（干渉ノイズ）は、ガス吸収波形に対して十分小さく、かつ、温度など外部環境変化に対して時間的に変化しなければ問題はない。しかしながら、温度変化によって干渉条件が変化するため、干渉ノイズは変動する。この干渉ノイズの変動は、ガス分析装置の温度ドリフトとして検出されてしまい、高感度化、高安定化の妨げになっている。

この干渉ノイズを低減させるために、上述したレーザ素子振動手段２８によりレーザ素子２４を光軸方向に微小振動させ、レーザ素子２４とコリメートレンズ３０との間の距離を変化させる。レーザ素子振動手段２８は、振動制御部２９の指令信号に基づいた振動周波数および振幅（光軸方向の変位量）で振動する。レーザ素子振動手段２８の振幅は数μｍから数１０μｍであり、振幅は時間によらず一定とするのが好ましい。また、レーザ素子振動手段２８の振動周波数は、高周波変調信号発生部２２による正弦波信号の周波数（たとえば１０ｋＨｚ）の１０倍以上（たとえば１００ｋＨｚ以上）もしくは１／１０倍以下（たとえば１ｋＨｚ）に設定することがのぞましい。レーザ素子振動手段２８の振動周波数が正弦波信号の周波数の１／１０倍より大きく１０倍未満の場合、レーザの変調周波数（たとえば１０ｋＨｚ）と振動周波数の分離が困難となり、干渉ノイズの除去が困難となる。また、上述したようにレーザ素子振動手段２８の振動方向は、必ずしも光軸方向である必要はなく、振動が光軸方向の成分をもっていればよい。

上述したレーザ素子振動手段２８によって、レーザ素子２４が振動すると、レーザ素子２４とコリメートレンズ３０間の距離が変化する。これにより、コリメートレンズ３０表面とレーザ素子２４間の多重反射光によって発生している干渉光の強度は、干渉発生条件が変化するため変動する。この干渉光変動の周期はレーザ素子２４の振動周波数に等しい。そこで、振動周波数成分を除去可能なローパスフィルタ等のフィルタ処理によって検出信号から干渉ノイズを除去することが可能となる。

図７は干渉ノイズの低減を説明するための概念図である。図７の信号８５は、レーザ素子振動手段２８を振動させない場合の同期検波回路６３の出力波形を示している。図７の信号８５に示すように、受光信号には凹凸形状の干渉ノイズが発生している。周囲温度の変動がなければ干渉ノイズは変動しない。しかしながら周囲温度などが微小でも変動すると信号８５も形状や周期が変化し、先に説明したとおり、装置の温度ドリフトの要因となる。図７の信号８６は、レーザ素子振動手段２８によってレーザ素子２４を振動させたときの同期検波回路６３の出力波形であり、レーザ素子振動手段２８の振動周波数に応じて干渉ノイズも変化する。この信号をローパスフィルタ等で振動による周波数成分を除去する。その結果が、図７の信号８７であり、レーザ素子駆動手段２８を駆動させない場合の信号８５と比較すると大幅に干渉ノイズが低減できていることが分かる。

干渉光は、レーザ素子２４とコリメートレンズ３０との間で最も多く発生する。したがって、上記のようにレーザ素子２８を振動させることで干渉ノイズが大幅に低減され、従来に比して正確なガス濃度計測を行うことができるようになる。しかしながら、上述したように干渉光は集光レンズ４０と受光素子５０との間でも発生する。そこで、ガス濃度計測をさらに精密に行うために、レーザ素子振動手段２８に加えて、受光素子５０を振動させる受光素子振動手段（図示せず）を設けるのが好ましい。この受光素子振動手段は、レーザ素子振動手段２８と同様の小型振動モータや圧電素子などで構成され、受光素子５０に接した状態で配置される。受光素子振動手段を用いて受光素子５０を光軸方向に微小振動させると、集光レンズ４０と受光素子５０との距離が変化し、これにより集光レンズ４０表面と受光素子５０間の多重反射光によって発生している干渉光の強度は、干渉発生条件が変化するため変動する。この干渉光変動の周期は振動周波数に等しい。そこで、振動周波数成分を除去可能なローパスフィルタ等のフィルタ処理によって検出信号から干渉ノイズを除去することが可能となる。このように、レーザ素子２４と受光素子５０の両方を微小振動させることで干渉ノイズを大幅に低減させることができるため、高感度でかつ高安定な、信頼性の高いガス濃度計測が可能となる。

以上説明したように、本実施の形態に係るレーザ式ガス分析装置１０では、レーザ素子振動手段２８によりレーザ素子２４を光軸方向に微小振動させることで、レーザ光由来の干渉ノイズを低減させている。レーザ素子２４は集光レンズ４０と比べてはるかに小型な部材である。そのため、従来のように大きく重い集光レンズ４０を振動させる場合と比べて、振動手段を小型化して安価に構成することができるとともに、より信頼性の高いガス濃度計測を行うことが可能となる。また、振動手段が小型化することで、レーザ式ガス分析装置全体を小型化することができる。

また、本実施の形態のレーザ式ガス分析装置によれば、レーザ素子振動手段２８に加えて、受光素子５０を光軸方向に微小振動させる受光素子振動手段を設け、レーザ素子２４と受光素子５０の両方を微小振動させるように構成したことで、干渉ノイズをさらに低減させることができ、より精密なガス濃度の測定を行うことが可能となる。

また、本実施の形態のレーザ式ガス分析装置によれば、レーザ素子振動手段２８及び受光素子振動手段の各振動周波数を、高周波変調信号発生部２２による正弦波信号の周波数の１０倍以上又は１／１０倍以下に設定したことで、干渉光成分をローパスフィルタ等のフィルタ処理によって十分に削除することができるため、干渉ノイズの低減効果をより向上させることができる。

上記実施の形態では、ガス濃度の測定方法として周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、レーザ光の特定波長の吸収量が被測定ガスの濃度に比例することを利用してガス濃度を測定する他の方法を用いたレーザ式ガス分析装置にも適用することができる。例えば、２波長差分方式を用いたレーザ式ガス分析装置においても、レーザ素子単体、またはレーザ素子及び受光素子に振動手段を設け、この振動手段によりレーザ素子及び受光素子を振動させることにより、上述した効果と同様の効果が得られる。ここで、２波長差分方式とは、被測定ガスにより吸収されやすい（吸収の大きい）波長と、吸収され難い（吸収の小さい）波長の２波長のレーザ光をレーザ素子から被測定ガスに照射し、この２波長のレーザ光を受光素子で受光してガス濃度を測定する方法である。また、特定のガス吸収波長のレーザ光のみをガスに照射してガス濃度を測定するレーザ式ガス分析装置にも適用することができる。

１０ レーザ式ガス分析装置
１１ａ，１１ｂ フランジ
１２ａ，１２ｂ 取付座
１３，１４ カバー
２０ レーザ光源部
２１ 波長走査駆動振動発生部（波長走査信号発生手段：波長制御手段）
２２ 高周波変調信号発生部（周波数変調手段：波長制御手段）
２３ 電流制御部（レーザ素子駆動手段）
２４ レーザ素子
２５ サーミスタ
２６ ペルチェ素子
２７ 温度制御部
２８ レーザ素子振動手段
２９ 振動制御部
３０ コリメートレンズ（レーザ光出射光学系）
４０ 集光レンズ（集光光学系）
５０ 受光素子
６０ 受光信号処理部
６１ Ｉ／Ｖ変換器
６２ 発信器
６３ 同期検波回路（２倍周波数成分検出手段）
６４Ａ，６４Ｂ ローパスフィルタ
６５ 演算部
Ｇ 被測定ガス
Ｌ 平行光（レーザ光）
Ｗ１，Ｗ２ （煙道の）壁

Claims (4)

1. レーザ素子と、
   前記レーザ素子の発光波長が被測定ガスの吸収波長を含むように信号を発生する波長制御手段と、
   前記波長制御手段で発生した信号を前記レーザ素子の駆動電流に変換してレーザ素子を駆動するレーザ素子駆動手段と、
   前記レーザ素子から出射された光を被測定ガスに照射させるレーザ光出射光学系と、
   前記被測定ガスを透過した光を集光する集光光学系と、
   前記集光光学系で集光された光の強度を測定する受光素子と、
   前記受光素子の出力する受光信号を処理する受光信号処理部とを備え、
   前記受光信号処理部の処理結果に基づいて被測定ガス成分の濃度を検出するレーザ式ガス分析装置において、
   前記レーザ素子を光軸方向に微小振動させるレーザ素子振動手段を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
2. 前記波長制御手段は、
   前記測定ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする波長走査信号を発生する波長走査信号発生手段と、
   前記レーザ素子に周波数変調を施す正弦波信号を発生する周波数変調手段とを備え、
   前記受光信号処理部は、
   前記受光素子の出力する受光信号から前記周波数変調手段による正弦波信号の２倍の周波数成分を検波信号として出力する２倍周波数成分検出手段を備え、
   前記検波信号の振幅を前記被測定ガス中に含まれる被測定ガス成分の濃度として検出することを特徴とする請求項１に記載のするレーザ式ガス分析装置。
3. 前記受光素子を光軸方向に微小振動させる受光素子振動手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ式ガス分析装置。
4. 前記レーザ素子振動手段及び前記受光素子振動手段の各振動周波数を、前記周波数変調手段による正弦波信号の周波数の１０倍以上又は１／１０倍以下に設定したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のレーザ式ガス分析装置。

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