JP2011196832A - Laser type gas analyzer - Google Patents

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Masaya Tahara
雅哉 田原
Kazuhiro Koizumi
和裕 小泉
Noritomo Hirayama
紀友 平山
Yusuke Nakamura
裕介 中村
Hideo Kanai
秀夫 金井
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser type gas analyzer capable of applying desired vibration to an optical part and capable of reducing interference noise originating from a laser beam to enable the measurement of high precision.SOLUTION: In the laser type gas analyzer, a laser element vibration means 28A for finely vibrating a laser element 24 in an optical axis direction is constituted of a straight rod 92, the piezoelectric elements 93 arranged at both ends of the straight rod and fine projections 91 formed in the loop of the standing wave of the straight rod.

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。   The present invention relates to a gas analyzer that measures a gas concentration by laser light.

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る。ガス濃度の測定方法は、周波数変調方式(特許文献1参照)と、2波長差分方式(特許文献2参照)とに大別される。   It is known that each gaseous gas molecule has its own light absorption spectrum. Gas analyzers using laser light (hereinafter referred to as “laser-type gas analyzers”) utilize the fact that the absorption amount of laser light at a specific wavelength is proportional to the concentration of the gas to be measured (measurement target gas). It is a device that measures. Gas concentration measurement methods are roughly classified into a frequency modulation method (see Patent Document 1) and a two-wavelength difference method (see Patent Document 2).

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、レーザ素子とコリメートレンズとの間、あるいは、集光レンズと受光素子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重畳されてしまう。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。   In a laser gas analyzer, interference light is generated due to multiple reflections of light between optical components such as between a laser element and a collimating lens, or between a condenser lens and a light receiving element, due to the coherent nature of the laser light. Then, it is superimposed on the received light signal as interference noise. Since this interference noise fluctuates due to changes in the external environment (particularly temperature), this hinders high sensitivity and high stability of the apparatus.

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(特許文献3を参照)。
図10は、特許文献3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では、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。
Therefore, in recent years, a laser type gas detection apparatus provided with means for reducing interference light due to multiple reflection of light between the above-described optical components has been studied (see Patent Document 3).
FIG. 10 shows a laser-type gas detection apparatus described in Patent Document 3. In this laser type gas detection apparatus 700, a light projecting / receiving unit 710 and a reflection unit 720 are opposed to each other in a measurement atmosphere (gas G) with a predetermined measurement optical path length therebetween.

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。   The light projecting / receiving unit 710 receives and detects the light source unit 730 including a laser element, the condensing lens 740 that condenses the light emitted from the light source unit 730 and passed through the gas, and the light collected by the condensing lens 740. A light receiving element 750A, a light receiving signal processing unit 750B that calculates a gas concentration by processing a light receiving signal detected by the light receiving element 750A, and a vibration unit 760 that slightly vibrates the condenser lens 740 in the optical axis direction. The vibration unit 760 includes various motors such as a vibration motor and a driving unit such as a piezoelectric element, and is directly attached to the condenser lens 740. On the other hand, the reflection unit 720 includes a reflection plate 790 that reflects the laser light from the light projecting / receiving unit 710 toward the measurement atmosphere again.

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。   The laser light emitted from the light source unit 730 is reflected by the reflection mirrors 770A and 770B, and then emitted from the glass window 780 provided at the center position of the condenser lens 740 toward the measurement atmosphere. The light emitted from the glass window 780 passes through the measurement atmosphere, is reflected by the reflection plate 790, passes through the measurement atmosphere again, is collected by the condenser lens 740, and is received by the light receiving element 750A. The received light is converted into an electrical signal and then subjected to signal processing by the received light signal processing unit 750B.

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750Aとの間の距離D4といった光学部材相互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。   In the laser-type gas analyzer 700 configured as described above, when the vibration unit 760 is operated during the gas detection operation, the condenser lens 740 and the window portion 780 in the light projecting / receiving unit 710 vibrate slightly in the optical axis direction. Thus, the distance D1 between the reflection mirror 770B and the window portion 780, the distance D2 between the window portion 780 and the reflection plate 790, the distance D3 between the reflection plate 790 and the condensing lens 740, and the condensing lens 740. And the distance between the optical members such as the distance D4 between the light receiving element 750A and the light receiving element 750A change. As a result, the reflection position of the interference light on the surface of the window portion 780, the surface of the condenser lens 740, and the surface of the reflection plate 790 is changed to cause a phase shift. As a result, the interference light generated at the distances D1 to D4 is averaged during multiple reflection, and interference light unnecessary for measurement can be reduced.

特開平7−151681号公報(段落[0005]、図4等)Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681 (paragraph [0005], FIG. 4 etc.) 特開2001−235418号公報(段落[0012]〜[0024]、図2,図11等)JP 2001-235418 A (paragraphs [0012] to [0024], FIG. 2, FIG. 11 etc.) 特開2008−70314号公報(段落[0020]、図1等)JP 2008-70314 A (paragraph [0020], FIG. 1 etc.)

特許文献3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、以下に述べる問題がある。   As shown in Patent Document 3, the method of minutely vibrating the condenser lens during gas detection is an effective method for reducing interference noise derived from laser light, which is a noise factor that hinders gas concentration measurement. There are the following problems.

まず、レーザ式ガス分析装置では、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。   First, in a laser type gas analyzer, since the laser beam is normally expanded and irradiated on the measurement target space, the lens diameter of the condensing lens 740 becomes as large as about 25 to 30 mm. In addition, when measuring the gas concentration in a high temperature and highly corrosive atmosphere such as a flue, it is necessary to use quartz glass having heat resistance and corrosion resistance as a material for the condenser lens 740. The weight of the condensing lens 740 becomes heavier than when a lens is used. In order to vibrate such a large and heavy glass lens, the vibration means 760 also has a large and complicated structure, which causes an increase in cost.

また、図10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に適用することは困難である。   Further, as shown in FIG. 10, the condenser lens 740 is disposed in a state exposed to the outside of the light projecting / receiving unit 710, and has a structure in which the gas in the flue is directly touched. Usually, the inside of the flue has a negative pressure against the outside air so that the gas does not leak out of the flue. For this reason, when the condensing lens 740 is vibrated, there arises a problem that it becomes difficult to vibrate because the pressure is applied to the condensing lens 740 due to a pressure difference between inside and outside the flue. Although it is conceivable to cover the condensing lens 740 with a glass plate or the like so that the condensing lens 740 is not exposed to the outside, it is difficult to apply since the interference light is further increased by this glass plate.

さらに、微弱振動の周波数が10kHz以上のような高周波振動域になると、光学部品を剛体とみなせなくなり、弾性体としてその振動特性(挙動)を考慮する必要がある。例えば、集光レンズ740を高周波で振動させた場合、1枚の集光レンズ上であっても振動変位量は分布をもってしまい、振動の制御が困難になるが、従来技術ではこの点について着目されてはいなかった。   Furthermore, when the frequency of the weak vibration is in a high frequency vibration region such as 10 kHz or more, the optical component cannot be regarded as a rigid body, and it is necessary to consider its vibration characteristics (behavior) as an elastic body. For example, when the condensing lens 740 is vibrated at a high frequency, the vibration displacement amount is distributed even on a single condensing lens, which makes it difficult to control the vibration. It was not.

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであって、高周波振動域においても光学部品に所望の振動を与えることができ、レーザ光由来の干渉ノイズを低減して、高精度な測定を可能にするレーザ式ガス分析装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and can provide a desired vibration to an optical component even in a high-frequency vibration region, and can reduce high-precision measurement by reducing interference noise derived from laser light. An object of the present invention is to provide a laser type gas analyzing apparatus.

本発明の請求項1に係るガス分析装置は、
レーザ素子を含むレーザ光源部と、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、前記レーザ素子または前記受光素子の少なくもいずれか一方を光軸方向に微小振動させる振動手段とを備えたレーザ式ガス分析装置において、
前記振動手段は、
直棒と、前記直棒の両端部に配置された圧電素子と、前記直棒の定常波の腹に設けられた微小突起部とからなる振動部と、前記圧電素子を駆動する振動制御部とを備え、
前記直棒を励振することにより前記微小突起部を介して前記レーザ素子または前記受光素子を振動させるようにしたことを特徴とする。
A gas analyzer according to claim 1 of the present invention provides:
A laser light source unit including a laser element; a laser light emitting optical system that irradiates the gas to be measured with light emitted from the laser element; a condensing optical system that condenses the light transmitted through the gas to be measured; Laser type gas analysis comprising a light receiving element for measuring the intensity of light collected by a condensing optical system, and a vibrating means for minutely vibrating the laser element or at least one of the light receiving elements in the optical axis direction In the device
The vibration means includes
A vibrating portion including a straight rod, piezoelectric elements disposed at both ends of the straight rod, a minute protrusion provided on an antinode of a standing wave of the straight rod, and a vibration control unit that drives the piezoelectric element. Prepared,
The laser element or the light receiving element is vibrated through the minute protrusions by exciting the straight bar.

また、本発明の請求項2に係るガス分析装置は、請求項1において、前記振動部を、
第1、第2の直棒と、前記第1、第2の直棒の定常波の腹にそれぞれ設けられた第1、第2の微小突起部と、台座とから構成し、前記第1の微小突起部を前記レーザ素子または前記受光素子に取り付ける一方、前記第2の微小突起部を前記台座に取り付けるようにしたことを特徴とする。
A gas analyzer according to claim 2 of the present invention is the gas analyzer according to claim 1,
The first and second straight bars, first and second minute protrusions provided on the antinodes of the standing waves of the first and second straight bars, respectively, and a pedestal, and the first minute While the protrusion is attached to the laser element or the light receiving element, the second minute protrusion is attached to the pedestal.

また、本発明の請求項3に係るガス分析装置は、請求項1において、前記振動部を、
長さ方向に伸縮する2枚1組の圧電素子を前記直棒に貼着してなるバイモルフ型の振動部として構成し、前記微小突起部を前記レーザ素子または前記受光素子に取り付けるようにしたことを特徴とする。
The gas analyzer according to claim 3 of the present invention is the gas analyzer according to claim 1,
A set of two piezoelectric elements that expands and contracts in the length direction is configured as a bimorph type vibration part that is bonded to the straight rod, and the minute protrusions are attached to the laser element or the light receiving element. It is characterized by.

また、本発明の請求項4に係るガス分析装置は、請求項1〜3のいずれかにおいて、前記直棒に1次モード又は3次モードの振動を誘起するようにしたことを特徴とする。   A gas analyzer according to claim 4 of the present invention is characterized in that, in any one of claims 1 to 3, a vibration in a primary mode or a tertiary mode is induced in the straight bar.

本発明のレーザ式ガス分析装置では、振動手段を用いてレーザ素子または受光素子の少なくもいずれか一方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。光学系を構成するこれらレーザ素子や受光素子は集光レンズと比べてはるかに小型で軽量な部品である。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、より信頼性の高いガス分析装置を提供できる。さらに、微小突起部を介してこれら光学部品を振動させるようにしているので、高周波数振動域においても所望の振動を与えることができ、高精度でガス濃度分析を行うことが可能となる。   In the laser type gas analyzer of the present invention, the interference noise derived from the laser beam is reduced by minutely vibrating at least one of the laser element and the light receiving element in the optical axis direction using the vibrating means. These laser elements and light receiving elements constituting the optical system are parts that are much smaller and lighter than the condenser lens. Therefore, according to the laser type gas analyzer of the present invention, a more reliable gas analyzer can be provided as compared with the case where a large and heavy condenser lens is vibrated. Furthermore, since these optical components are vibrated through the minute protrusions, desired vibration can be given even in a high frequency vibration region, and gas concentration analysis can be performed with high accuracy.

図1は、本実施の形態のレーザ式ガス分析装置の全体構成を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of the laser type gas analyzer of the present embodiment. 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。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the laser light source section shown in FIG. 図3は、図1に示されるレーザ式ガス分析装置の走査信号波形を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a scanning signal waveform of the laser type gas analyzer shown in FIG. 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。FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the received light signal processing unit shown in FIG. 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。FIG. 5 is a diagram showing a wavelength scanning signal component extracted by the received light signal processing unit of the laser gas analyzer shown in FIG. 1, and shows a waveform when a gas is detected. 図6は、振動手段の第1の実施形態を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a first embodiment of the vibration means. 図7は、振動なしのときの信号波形と振動ありのときの信号波形の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a signal waveform when there is no vibration and a signal waveform when there is vibration. 図8は、振動手段の第2の実施形態を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a second embodiment of the vibration means. 図9は、振動手段の第3の実施形態を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a third embodiment of the vibration means. 図10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。FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a conventional laser gas analyzer equipped with a vibrating means for minutely vibrating the condenser lens.

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。   Exemplary embodiments of a laser type gas analyzer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following, an example in which the present invention is applied to a laser gas analyzer using a frequency modulation method will be described.

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、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及び受光信号処理部60とから構成されている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a laser type gas analyzer 10 of the present embodiment. A laser type gas analyzer 10 illustrated in FIG. 1 is installed on walls W1 and W2 of a pipe such as a flue through which a gas to be measured G (not shown: hereinafter referred to as “gas G”) passes. Has been. The laser gas analyzer 10 includes a pair of flanges 11a and 11b, covers 13 and 14 attached to the flanges 11a and 11b, a laser light source unit (laser light source unit) 20 accommodated in one cover 13, and A collimating lens (laser beam emitting optical system) 30, a condensing lens (condensing optical system) 40 accommodated in the other cover 14, a light receiving element 50, and a light receiving signal processing unit 60 are configured.

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。   The pair of flanges 11a and 11b are formed in a cylindrical shape with both ends opened, and are fixed to the flue walls W1 and W2 by welding or the like. The covers 13 and 14 are formed in a bottomed cylindrical shape with one end opened and the other end closed, and are attached to the flanges 11a and 11b via attachment seats 12a and 12b, respectively.

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。   Light emitted from the laser light source unit 20 disposed in the cover 13 is collimated into parallel light L by an optical system including a collimating lens 30 and enters the gas G in the flue. The parallel light L is absorbed by the gas when passing through the gas G in the flue. The parallel light L that has passed through the flue is collected by the condenser lens 40 disposed in the cover 14, then received by the light receiving unit 50, and detected as an electrical signal by the light reception signal processing unit 60.

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。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the laser light source unit 20 shown in FIG. The laser light source unit 20 is configured as a unit in which a plurality of components such as a laser element 24 described below are accommodated in a package. As shown in FIG. 2, inside the package of the laser light source unit 20, a wavelength scanning drive signal generation unit (wavelength scanning signal generation unit) 21 and a high frequency modulation signal generation unit (frequency modulation unit) 22 as wavelength control units, A current control unit (laser element driving unit) 23, a laser element 24, a thermistor 25, a Peltier element 26, a temperature control unit 27, a laser element oscillation unit 28, and a vibration control unit 29 are accommodated.

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。   The wavelength scanning drive signal generator 21 generates a wavelength scanning signal that makes the emission wavelength of the laser element 24 variable so as to scan the absorption wavelength of the gas G. The high-frequency modulation signal generator 22 generates a sine wave signal of, for example, about 10 kHz and frequency-modulates the wavelength in order to detect the gas absorption waveform. The current control unit 23 generates a signal (laser drive signal) obtained by combining the wavelength scanning signal generated by the wavelength scanning drive signal generation unit 21 and the sine wave signal generated by the high frequency modulation signal generation unit 22. The laser element 24 is driven by converting into drive current.

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27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。   The laser element 24 is a semiconductor laser (LD: laser diode), and emits laser light by a drive current supplied from the current control unit 23. The thermistor 25 is a temperature detection element for detecting the temperature of the laser element 24, and is disposed in contact with the laser element 24. The Peltier element 26 is a heating / cooling means for the laser element 24 and is disposed in contact with the thermistor 25. The temperature control unit 27 controls the Peltier element 26 based on the temperature measured by the thermistor 25, and thereby maintains the temperature of the laser element 24 at a constant temperature, thereby controlling the oscillation wavelength of the laser light.

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・一体化された状態で配置されている。そして、ペルチェ素子26と接触させるようにレーザ素子振動手段28が設けられている。   The laser element 24, thermistor 25, and Peltier element 26 described above are arranged in a stacked and integrated state inside the package of the laser light source unit 20 as shown in FIG. Laser element vibration means 28 is provided so as to be in contact with the Peltier element 26.

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。このレーザ素子振動手段28により、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る。   The laser element vibration means 28 vibrates the laser element 24 together with the Peltier element 26 and the thermistor 25 in the optical axis direction of the laser light by vibrating itself when driven. By this laser element vibration means 28, the distance between the laser element 24 and the collimating lens 30 can be changed.

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には小型で安価なものを用いることができる。具体的には、レーザ素子振動手段28として、圧電素子などを採用することができる。レーザ素子振動手段28は、振動制御部29から信号に基づいて制御される。レーザ素子振動手段28の具体的構造及び振動制御部29の詳細については後述する。   Since the laser element 24 is a very small package having a total length of about 5 mm, a small and inexpensive laser element vibration means 28 can be used. Specifically, a piezoelectric element or the like can be employed as the laser element vibration unit 28. The laser element vibration means 28 is controlled based on a signal from the vibration control unit 29. The specific structure of the laser element vibration means 28 and details of the vibration control unit 29 will be described later.

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。   As shown in FIG. 3, the output signal generated by the wavelength scanning drive signal generator 21 in FIG. 2 has a trapezoidal shape that is repeated at a constant period. The signal S1 in FIG. 3 is a part that linearly changes the magnitude of the current supplied to the laser element 24 via the current control unit 23. With this signal S1, the emission wavelength of the laser element 240 is gradually shifted. For example, in the case of ammonia gas, a line width of about 0.2 nm can be scanned.

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。   The signal S2 shown in FIG. 3 is a portion that does not scan the absorption wavelength but causes the laser element 24 to emit light, and is set to a value equal to or higher than a threshold current value at which the light emission of the laser element 24 is stabilized. Further, the signal S3 is a portion where the drive current is substantially zero.

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。   Further, the wavelength scanning drive signal generator 21 generates a pulse-like trigger signal (not shown) synchronized with one period of the wavelength scanning signal, and performs an arithmetic processing for detecting the gas concentration using the trigger signal. It transmits to the part 65 (refer FIG. 4). For example, the trigger signal is generated in synchronization with the timing of the wavelength scanning drive signal (the generation timing of the signal S3) that makes the drive current of the laser element 24 zero.

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。   FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the light receiving element 50 and the received light signal processing unit 60 in FIG. The light receiving element 50 is, for example, a photodiode, and an element having sensitivity to the emission wavelength of the laser element 24 is applied. The output of the light receiving element 50 is sent to the received light signal processing unit 60, converted into a voltage output by the IV converter 61, and a high frequency noise component is removed by the low pass filter 64A. The output signal from the low-pass filter 64A is input to the synchronous detection circuit 63 to which the 2f signal (double wave signal) from the oscillator 62 is added, and only the amplitude of the double frequency component of the modulation signal of the laser beam is extracted. The output signal of the synchronous detection circuit 63 is subjected to noise removal and amplification by the low-pass filter 64B, and is sent to the arithmetic unit 65. The calculation unit 65 performs calculation processing for gas concentration detection.

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。   A concentration measurement method using the laser gas analyzer 10 configured as described above will be described. First, the temperature of the laser element 24 is detected by the thermistor 25 in advance. Further, the temperature control unit 27 controls the energization of the Peltier element 26 so that the temperature of the laser element 24 is maintained at a desired temperature so that the gas G can be measured at the central portion of the wavelength scanning drive signal S1 shown in FIG.

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。ガスによるレーザ光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。   The laser element 24 is driven by changing the drive current while keeping the temperature of the laser element 24 at a desired temperature, and the light is emitted from the laser element 24 toward the flue where the gas exists, and the light is transmitted to the light receiving element 50. Is incident. When the laser beam is absorbed by the gas, the second harmonic signal is detected by the synchronous detection circuit 63, and an absorption waveform of the gas appears. FIG. 5 is a graph showing a waveform when gas is detected. A signal 81 is a received light signal waveform output from the IV converter 61, and a signal 82 is an output waveform of the synchronous detection circuit 63. . In the output waveform of the synchronous detection circuit 63, a portion A surrounded by a dotted line is a gas absorption waveform.

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のが好ましい。
(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。
Since the magnitude of the absorption waveform A becomes the gas concentration, the magnitude of the maximum value or the minimum value of the absorption waveform A may be measured, or the signal change may be integrated. However, when an offset variation occurs in the output of the synchronous detection circuit 63 for some reason, an error occurs in detection of only the maximum value or minimum value or detection by integration, and there is a possibility that the gas concentration cannot be detected accurately. Therefore, in order to detect the gas concentration with higher accuracy and stability, as shown in the following equations (Equation 1) and (Equation 2), the maximum value (point C in FIG. 5) and the minimum value (in FIG. 5). It is preferable to take the difference between the B point and the D point), calculate the absolute value of the difference value, and detect the gas concentration.
(Equation 1)
Gas concentration = α × | BC
(Equation 2)
Gas concentration = α × | C−D |
In the equations (1) and (2), C represents the maximum value in the absorption waveform A in FIG. 5, B and D represent the minimum values in the absorption waveform A, and α represents the gas concentration conversion coefficient.

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。   On the other hand, when there is no gas absorption, since the double frequency signal is not detected in the synchronous detection circuit 63, the output of the synchronous detection circuit 63 is ideally a straight line.

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。   Although the gas concentration can be detected by the above-described method, since the laser element 24 is used as a light source, for example, between the laser element 24 and the collimating lens 30 and between the condenser lens 40 and the like due to its extremely high coherence. A part of the laser light is multiple-reflected between the light-receiving element 50 and this multiple-reflected light becomes interference light.

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、圧電素子を用いて構成され、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。   In order to reduce this interference noise, the laser element vibration means 28 described above causes the laser element 24 to vibrate slightly in the optical axis direction, thereby changing the distance between the laser element 24 and the collimating lens 30. The laser element vibration means 28 is configured using a piezoelectric element, and vibrates at a vibration frequency and amplitude (a displacement amount in the optical axis direction) based on a command signal from the vibration control unit 29. The amplitude of the laser element vibration means 28 is several μm to several tens of μm, and the amplitude is preferably constant regardless of time. Further, the vibration frequency of the laser element vibration means 28 is set to 10 times (for example, 100 kHz or more) or 1/10 times (for example, 1 kHz) or more of the frequency (for example, 10 kHz) of the sine wave signal generated by the high frequency modulation signal generator 22. I want to see that. When the vibration frequency of the laser element vibration means 28 is greater than 1/10 times and less than 10 times the frequency of the sine wave signal, it is difficult to separate the laser modulation frequency (for example, 10 kHz) from the vibration frequency, and it is difficult to remove interference noise. It becomes.

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。   When the laser element 24 is vibrated by the laser element vibration means 28 described above, the distance between the laser element 24 and the collimating lens 30 changes. As a result, the intensity of the interference light generated by the multiple reflected light between the surface of the collimator lens 30 and the laser element 24 varies because the interference generation condition changes. The period of the interference light fluctuation is equal to the vibration frequency of the laser element 24. Therefore, it is possible to remove interference noise from the detection signal by filter processing such as a low-pass filter that can remove the vibration frequency component.

次に、レーザ素子振動手段の具体的構成について説明する。
図6はレーザ素子振動手段の第1の実施形態を示す図であり、図6(A)は1次モードの振動状態を示し、図6(B)は3次モードの振動状態を示している。
レーザ素子振動手段28Aは、圧電素子を用いた振動部90Aと振動制御部29からなる。振動部90Aは、直棒92と、直棒92の両端部に配置された一対の圧電素子93と、これらを支持する台座94から構成されている。また、圧電素子93と直棒92は接着剤で固定されている。
Next, a specific configuration of the laser element vibration unit will be described.
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing a first embodiment of the laser element vibration unit. FIG. 6A shows a vibration state in the first-order mode, and FIG. 6B shows a vibration state in the third-order mode. .
The laser element vibration means 28A includes a vibration unit 90A using a piezoelectric element and a vibration control unit 29. The vibration unit 90A includes a straight bar 92, a pair of piezoelectric elements 93 disposed at both ends of the straight bar 92, and a base 94 that supports them. The piezoelectric element 93 and the straight bar 92 are fixed with an adhesive.

そして、直棒92の長さ方向の中心(定常波振動の腹)に微小突起部91が設けられており、レーザ素子24は、この微小突起部91を介して直棒92に取り付けられる。レーザ素子24を取り付ける際、直棒92の光軸方向以外に振動する部分にレーザ素子31が触れていると、光軸がずれてしまう恐れがある。また、振動の中心点とレーザ素子24の取り付け位置を合致させる位置決め作業も困難である。本実施形態のように、レーザ素子24と直棒92との間に微小突起部91を設けることにより、レーザ素子24を正確に光軸方向に振動させることができ、さらに取り付けの際の位置決めも容易となる。また、振動系の付加質量となる微小突起部91のサイズを変更することにより、振動特性を微調整することもできる。   A minute projection 91 is provided at the center of the straight rod 92 in the length direction (antinode of standing wave vibration), and the laser element 24 is attached to the straight rod 92 via the minute projection 91. When the laser element 24 is attached, if the laser element 31 touches a portion of the straight bar 92 that vibrates in a direction other than the optical axis direction, the optical axis may be shifted. Further, it is difficult to perform a positioning operation for matching the center point of vibration with the mounting position of the laser element 24. By providing the minute protrusion 91 between the laser element 24 and the straight rod 92 as in the present embodiment, the laser element 24 can be vibrated accurately in the direction of the optical axis, and positioning at the time of attachment is also possible. It becomes easy. In addition, the vibration characteristics can be finely adjusted by changing the size of the minute protrusion 91 that is an additional mass of the vibration system.

2つの圧電素子93を同周波数、同位相で駆動させると、直棒92に定在波のたわみ振動が誘起される。振動モードは、直棒92の中心が振動の腹になる誘起しやすい奇数次の振動モードであればどのモードを用いても良いが、レーザ素子24に大きな振動変位量を与えるには、図6に示すような1次もしくは3次モードが望ましい。   When the two piezoelectric elements 93 are driven at the same frequency and the same phase, a standing wave flexural vibration is induced in the straight bar 92. Any vibration mode may be used as long as the center of the straight bar 92 is an odd-order vibration mode that is likely to induce vibration, and in order to give a large vibration displacement to the laser element 24, FIG. A primary or tertiary mode as shown in FIG.

図7に、レーザ素子振動手段28Aを動作させた場合とさせない場合の受光信号処理部による出力信号波形の一例を示す。図7に示すように、レーザ素子振動手段28Aを動作させない場合(振動なし)の信号波形には、凹凸形状の干渉ノイズが発生している。一方、レーザ素子振動手段28Aを動作させたとき(振動あり)には、大幅に干渉ノイズが低減できていることが分かる。   FIG. 7 shows an example of an output signal waveform by the received light signal processing unit when the laser element vibration unit 28A is operated and not operated. As shown in FIG. 7, uneven signal interference noise is generated in the signal waveform when the laser element vibration means 28A is not operated (no vibration). On the other hand, it can be seen that when the laser element vibration means 28A is operated (with vibration), the interference noise can be greatly reduced.

図8はレーザ素子振動手段の第2の実施形態を示す図であり、図8(A)は1次モードの振動状態を示し、図8(B)は3次モードの振動状態を示している。
このレーザ素子振動手段28Bでは、直棒2本を用いた変位増大機構を用いており、その他の構成は第1の実施形態と同様である。振動部90Bは、第1の直棒92と第2の直棒96を有し、相対向するこれら直棒の両端に圧電素子93が配置されている。また、第1、第2の直棒の長さ方向の中心(定常波振動の腹)には、それぞれ、第1の微小突起部91、第2の微小突起部95が設けられている。そして、第1の微小突起部91をレーザ素子24に取り付ける一方、第2の微小突起部95を台座94に取り付けるようにして構成されている。ここで、両端の圧電素子93を駆動すると、第1の微小突起部91と第2の微小突起部95は互いに逆向きに接近、離間するように振動する。本実施形態によれば、上述の第1の実施の形態と比較して、圧電素子93に印加する電圧が同じでも、レーザ素子24に2倍の振動変位を与えることが出来る。
8A and 8B are diagrams showing a second embodiment of the laser element vibration means. FIG. 8A shows the vibration state in the first-order mode, and FIG. 8B shows the vibration state in the third-order mode. .
In this laser element vibration means 28B, a displacement increasing mechanism using two straight bars is used, and other configurations are the same as those in the first embodiment. The vibration unit 90B includes a first straight bar 92 and a second straight bar 96, and piezoelectric elements 93 are disposed at both ends of the opposed straight bars. In addition, a first microprojection 91 and a second microprojection 95 are provided at the center in the length direction of the first and second straight bars (the antinode of standing wave vibration), respectively. The first microprojection 91 is attached to the laser element 24, while the second microprojection 95 is attached to the pedestal 94. Here, when the piezoelectric elements 93 at both ends are driven, the first microprojection 91 and the second microprojection 95 vibrate so as to approach and separate from each other in opposite directions. According to this embodiment, as compared with the first embodiment described above, even when the voltage applied to the piezoelectric element 93 is the same, the vibration displacement can be given to the laser element 24 twice.

図9に、レーザ素子振動手段の第3の実施形態を示す。
このレーザ素子振動手段28Cでは、振動部90Cをバイモルフ構成としている。すなわち、直棒92はその両端を不図示のレーザ光源部ケース内壁に固定した両持ち梁となっており、分極方向を揃えた2枚1組の圧電素子97が、直棒92の両側に計4枚貼着されている。また、上述の実施形態と同様に、直棒92の長さ方向の中心(定常波振動の腹)に微小突起部91を設け、微小突起部91を介してレーザ素子21を取り付けるようにしている。圧電素子97を駆動すると、圧電素子97は長さ方向に沿って伸縮し、直棒92を撓み振動させる。本実施形態によれば、直棒1本でも大きな振動変位を得ることができる。
FIG. 9 shows a third embodiment of the laser element vibration means.
In this laser element vibration means 28C, the vibration part 90C has a bimorph configuration. That is, the straight bar 92 is a doubly-supported beam whose both ends are fixed to the inner wall of the laser light source case (not shown). Four sheets are attached. Similarly to the above-described embodiment, a minute protrusion 91 is provided at the center in the length direction of the straight bar 92 (antinode of standing wave vibration), and the laser element 21 is attached via the minute protrusion 91. When the piezoelectric element 97 is driven, the piezoelectric element 97 expands and contracts along the length direction, causing the straight bar 92 to bend and vibrate. According to this embodiment, a large vibration displacement can be obtained even with a single straight bar.

ところで、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、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、受光素子50を振動させる受光素子振動手段(図示せず)を設けるようにしても良い。この受光素子振動手段は、レーザ素子振動手段28と同様に構成され、受光素子50に接した状態で配置される。
By the way, the most interference light is generated between the laser element 24 and the collimating lens 30. Therefore, the interference noise is greatly reduced by vibrating the laser element 28 as described above, and the gas concentration can be measured more accurately than before.
However, the interference light is also generated between the condenser lens 40 and the light receiving element 50. Therefore, a light receiving element vibrating means (not shown) for vibrating the light receiving element 50 may be provided. The light receiving element vibration means is configured in the same manner as the laser element vibration means 28 and is disposed in contact with the light receiving element 50.

また、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、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、上述した効果と同様の効果が得られる。
In the above embodiment, the laser gas analyzer using the frequency modulation method as the gas concentration measurement method has been described. However, the present invention is not limited to this, and the absorption amount of the laser beam at a specific wavelength is described. Can be applied to a laser gas analyzer using another method for measuring the gas concentration by utilizing the fact that is proportional to the concentration of the gas to be measured.
For example, a laser beam having two wavelengths, a wavelength that is easily absorbed (large absorption) and a wavelength that is difficult to absorb (small absorption), is irradiated from the laser element to the measurement gas. The same effects as those described above can also be obtained in a laser type gas analyzer using a two-wavelength difference method in which a gas concentration is received by a light receiving element.

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
28A,28B,28C 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
91,95 微小突起部
92,96 直棒
G 被測定ガス
L 平行光(レーザ光)
W1,W2 (煙道の)壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser type gas analyzer 11a, 11b Flange 12a, 12b Mounting seat 13, 14 Cover 20 Laser light source part 21 Wavelength scanning drive vibration generation part (wavelength scanning signal generation means: wavelength control means)
22 High frequency modulation signal generator (frequency modulation means: wavelength control means)
23 Current controller (laser element driving means)
Reference Signs List 24 Laser element 25 Thermistor 26 Peltier element 27 Temperature control unit 28A, 28B, 28C Laser element oscillation means 29 Vibration control unit 30 Collimator lens (laser beam emission optical system)
40 Condensing lens (Condensing optical system)
50 Light Receiving Element 60 Light Receiving Signal Processing Unit 61 I / V Converter 62 Transmitter 63 Synchronous Detection Circuit (Double Frequency Component Detection Means)
64A, 64B Low-pass filter 65 Arithmetic unit 91, 95 Micro projection 92, 96 Straight bar G Gas to be measured L Parallel light (laser beam)
W1, W2 (in the flue) walls

Claims (4)

レーザ素子を含むレーザ光源部と、
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、
前記レーザ素子または前記受光素子の少なくもいずれか一方を光軸方向に微小振動させる振動手段とを備えたレーザ式ガス分析装置において、
前記振動手段は、
直棒と、前記直棒の両端部に配置された圧電素子と、前記直棒の定常波の腹に設けられた微小突起部とからなる振動部と、前記圧電素子を駆動する振動制御部とを備え、
前記直棒を励振することにより前記微小突起部を介し前記レーザ素子または前記受光素子を振動させるようにしたことを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
A laser light source unit including a laser element;
A laser beam emission optical system for irradiating a gas to be measured with light emitted from the laser element;
A condensing optical system for condensing the light transmitted through the measurement gas;
A light receiving element for measuring the intensity of the light collected by the condensing optical system;
In a laser type gas analyzer comprising a vibrating means for minutely vibrating at least one of the laser element or the light receiving element in the optical axis direction,
The vibration means includes
A vibrating portion including a straight rod, piezoelectric elements disposed at both ends of the straight rod, a minute protrusion provided on an antinode of a standing wave of the straight rod, and a vibration control unit that drives the piezoelectric element. Prepared,
A laser type gas analyzer characterized in that the laser element or the light receiving element is vibrated through the minute projections by exciting the straight bar.
前記振動部を、第1、第2の直棒と、前記第1、第2の直棒の定常波の腹にそれぞれ設けられた第1、第2の微小突起部と、台座とから構成し、
前記第1の微小突起部を前記レーザ素子または前記受光素子に取り付ける一方、前記第2の微小突起部を前記台座に取り付けるようにしたことを特徴とする請求項1に記載のレーザ式ガス分析装置。
The vibrating part is composed of first and second straight bars, first and second minute protrusions provided on the antinodes of standing waves of the first and second straight bars, and a pedestal, respectively.
2. The laser gas analyzer according to claim 1, wherein the first minute protrusion is attached to the laser element or the light receiving element, and the second minute protrusion is attached to the pedestal. .
前記振動部を、長さ方向に伸縮する2枚1組の圧電素子を前記直棒に貼着してなるバイモルフ型の振動部として構成し、前記微小突起部を前記レーザ素子または前記受光素子に取り付けるようにしたことを特徴とする請求項1に記載のレーザ式ガス分析装置。   The vibrating part is configured as a bimorph type vibrating part formed by sticking a set of two piezoelectric elements extending and contracting in the length direction to the straight rod, and the minute protrusion is attached to the laser element or the light receiving element. The laser gas analyzer according to claim 1, wherein the laser gas analyzer is attached. 前記直棒に1次モード又は3次モードの振動を誘起するようにしたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のレーザ式ガス分析装置。
The laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 3, wherein vibration of a primary mode or a tertiary mode is induced in the straight rod.
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