JP2013167497A - 光学式ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】小型で安価な光学式ガスセンサを提供する。
【解決手段】光学式ガスセンサ１は、入射側光ファイバ２０と、受光側光ファイバ３０と、光学系が構成されたガス検出部１０とを備え、ガス検出部１０は小型光学ベンチ１１を備え、小型光学ベンチ１１には、入射側光ファイバ２０を固定する入射側光ファイバ固定部１４と、受光側光ファイバ３０を固定する受光側光ファイバ固定部１５とが一体形成されている。小型光学ベンチ１１はフォトリソグラフィにより形成されたものである。入射側光ファイバ２０を入射側光ファイバ固定部１４に、受光側光ファイバ３０を受光側光ファイバ固定部１５に、それぞれ固定するだけで調整不要で光学系を構成できる。光学系の調整機構が不要であり、ガス検出部を小型化できる。小型光学ベンチ１１を大量生産できるので、光学式ガスセンサ１を安価に製造できる。
【選択図】図１
【解決手段】光学式ガスセンサ１は、入射側光ファイバ２０と、受光側光ファイバ３０と、光学系が構成されたガス検出部１０とを備え、ガス検出部１０は小型光学ベンチ１１を備え、小型光学ベンチ１１には、入射側光ファイバ２０を固定する入射側光ファイバ固定部１４と、受光側光ファイバ３０を固定する受光側光ファイバ固定部１５とが一体形成されている。小型光学ベンチ１１はフォトリソグラフィにより形成されたものである。入射側光ファイバ２０を入射側光ファイバ固定部１４に、受光側光ファイバ３０を受光側光ファイバ固定部１５に、それぞれ固定するだけで調整不要で光学系を構成できる。光学系の調整機構が不要であり、ガス検出部を小型化できる。小型光学ベンチ１１を大量生産できるので、光学式ガスセンサ１を安価に製造できる。
【選択図】図１
Description
本発明は、光学式ガスセンサに関する。さらに詳しくは、ラマン散乱法や吸光測定法を用いた光学式ガスセンサに関する。
ガスセンサとして、接触燃焼式や半導体式などの接触型のガスセンサと、光学式の非接触型のガスセンサが知られている。
このうち接触型のガスセンサは、小型・軽量であり、安価であるので、広範囲に利用されている。しかし、接触型のガスセンサは以下の課題を有している。
（１）応答速度が遅い
接触型のガスセンサは、検出部に測定対象ガスを直接接触させて、電気抵抗や電流などの変化を測定することによりガス濃度を測定する。そのため、正確なガス濃度を測定するためには電気抵抗値や電流値が安定するまで数十秒の時間が必要であり、応答速度が遅いという課題がある。
（２）１つのセンサにつき１種類のガス測定
接触型のガスセンサは、１つのセンサにつき１種類のガスしか測定できない。そのため、複数種類のガスを測定するためには、測定対象のガス種ごとに複数のセンサを用意する必要がある。
（３）誤報要因が多い
接触型のガスセンサは、反応触媒や発熱を用いてガス濃度を測定するため、測定対象以外のガスの干渉が起こる場合があり、誤報を引き起こす恐れがある。また、測定対象ガスが検出部に接触しない限り検出不可能であるため、風向きや設置位置などによっては、電気抵抗値や電流値が安定するまでの接触時間が不十分で、誤報を引き起こす恐れがある。
（４）可燃ガスの発火や爆発の危険性
接触型のガスセンサは、検出部に測定対象ガスを直接接触させて測定するため、電極や電線などの電気系に可燃ガスが接触すると発火や爆発の恐れがある。また、携帯したガスセンサが測定対象ガスを検知した時には、既に身を危険に曝した状態となる。
（１）応答速度が遅い
接触型のガスセンサは、検出部に測定対象ガスを直接接触させて、電気抵抗や電流などの変化を測定することによりガス濃度を測定する。そのため、正確なガス濃度を測定するためには電気抵抗値や電流値が安定するまで数十秒の時間が必要であり、応答速度が遅いという課題がある。
（２）１つのセンサにつき１種類のガス測定
接触型のガスセンサは、１つのセンサにつき１種類のガスしか測定できない。そのため、複数種類のガスを測定するためには、測定対象のガス種ごとに複数のセンサを用意する必要がある。
（３）誤報要因が多い
接触型のガスセンサは、反応触媒や発熱を用いてガス濃度を測定するため、測定対象以外のガスの干渉が起こる場合があり、誤報を引き起こす恐れがある。また、測定対象ガスが検出部に接触しない限り検出不可能であるため、風向きや設置位置などによっては、電気抵抗値や電流値が安定するまでの接触時間が不十分で、誤報を引き起こす恐れがある。
（４）可燃ガスの発火や爆発の危険性
接触型のガスセンサは、検出部に測定対象ガスを直接接触させて測定するため、電極や電線などの電気系に可燃ガスが接触すると発火や爆発の恐れがある。また、携帯したガスセンサが測定対象ガスを検知した時には、既に身を危険に曝した状態となる。
一方、非接触型の光学式ガスセンサは、ラマン散乱法や吸光測定法を用いることから、原理的に応答速度が速く、ラマン散乱光のスペクトルや光吸収スペクトルを分析することにより１つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少なく、検出部に電気系を設ける必要がないため可燃性ガスによる発火や爆発の恐れがないという利点を有している。
しかるに、従来の光学式ガスセンサは、ミラーやレンズなどの光学部品が大型であり、環境温度などの測定状況に合わせて光学系を調整するために調整機構が必要であることから、大型で、高価なものであった（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１）。
福地哲生、二宮英樹「高濃度SO2含有ガス中における微量NH3の紫外吸収分光測定」電気学会誌A 2011年 Vol.131 No.7 pp.540-546
本発明は上記事情に鑑み、小型で安価な光学式ガスセンサを提供することを目的とする。
第１発明の光学式ガスセンサは、一端が光源に接続される入射側光ファイバと、一端が光検出器に接続される受光側光ファイバと、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射される光を前記受光側光ファイバの他端に入射する光学系が構成されたガス検出部と、を備え、前記ガス検出部は、小型光学ベンチを備え、該小型光学ベンチには、前記入射側光ファイバの他端を固定する入射側光ファイバ固定部と、前記受光側光ファイバの他端を固定する受光側光ファイバ固定部と、が一体形成されていることを特徴とする。
第２発明の光学式ガスセンサは、第１発明において、前記ガス検出部は、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を平行光線にする入射側マイクロレンズと、前記測定対象ガスとの相互作用により出射される光を集光して前記受光側光ファイバに入射する受光側マイクロレンズと、を備え、前記小型光学ベンチには、前記入射側マイクロレンズを固定する入射側マイクロレンズ固定溝と、前記受光側マイクロレンズを固定する受光側マイクロレンズ固定溝と、が一体形成されていることを特徴とする。
第３発明の光学式ガスセンサは、第１または第２発明において、前記小型光学ベンチには、光を反射する光反射体が一体形成されていることを特徴とする。
第４発明の光学式ガスセンサは、第１、第２または第３発明において、前記ガス検出部には、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を前記測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射されるラマン散乱光を前記受光側光ファイバの他端に入射する、ラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第５発明の光学式ガスセンサは、第３発明において、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を反射する前記光反射体と、前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第６発明の光学式ガスセンサは、第３発明において、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を反射する前記光反射体と、前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第７発明の光学式ガスセンサは、第３発明において、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバの光軸を挟んで所定間隔を空けて配置され、該入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光を反射する一対の前記光反射体と、前記一対の光反射体により反射された前方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第８発明の光学式ガスセンサは、第１、第２または第３発明において、前記ガス検出部には、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を前記測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスを通過した出射光を前記受光側光ファイバの他端に入射する、光吸収光学系が構成されていることを特徴とする。
第９発明の光学式ガスセンサは、第３発明において、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバから出射された光を前記測定対象ガス中において多数回反射させる複数の前記光反射体と、前記光反射体により反射され、前記測定対象ガスを通過した出射光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、から光吸収光学系が構成されていることを特徴とする。
第１０発明の光学式ガスセンサは、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８または第９発明において、前記小型光学ベンチは、フォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形のいずれか一の手段により形成されたものであることを特徴とする。
第２発明の光学式ガスセンサは、第１発明において、前記ガス検出部は、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を平行光線にする入射側マイクロレンズと、前記測定対象ガスとの相互作用により出射される光を集光して前記受光側光ファイバに入射する受光側マイクロレンズと、を備え、前記小型光学ベンチには、前記入射側マイクロレンズを固定する入射側マイクロレンズ固定溝と、前記受光側マイクロレンズを固定する受光側マイクロレンズ固定溝と、が一体形成されていることを特徴とする。
第３発明の光学式ガスセンサは、第１または第２発明において、前記小型光学ベンチには、光を反射する光反射体が一体形成されていることを特徴とする。
第４発明の光学式ガスセンサは、第１、第２または第３発明において、前記ガス検出部には、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を前記測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射されるラマン散乱光を前記受光側光ファイバの他端に入射する、ラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第５発明の光学式ガスセンサは、第３発明において、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を反射する前記光反射体と、前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第６発明の光学式ガスセンサは、第３発明において、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を反射する前記光反射体と、前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第７発明の光学式ガスセンサは、第３発明において、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバの光軸を挟んで所定間隔を空けて配置され、該入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光を反射する一対の前記光反射体と、前記一対の光反射体により反射された前方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されていることを特徴とする。
第８発明の光学式ガスセンサは、第１、第２または第３発明において、前記ガス検出部には、前記入射側光ファイバの他端から出射される光を前記測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスを通過した出射光を前記受光側光ファイバの他端に入射する、光吸収光学系が構成されていることを特徴とする。
第９発明の光学式ガスセンサは、第３発明において、前記ガス検出部には、前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、前記入射側光ファイバから出射された光を前記測定対象ガス中において多数回反射させる複数の前記光反射体と、前記光反射体により反射され、前記測定対象ガスを通過した出射光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、から光吸収光学系が構成されていることを特徴とする。
第１０発明の光学式ガスセンサは、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８または第９発明において、前記小型光学ベンチは、フォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形のいずれか一の手段により形成されたものであることを特徴とする。
第１発明によれば、小型光学ベンチに、入射側光ファイバ固定部、受光側光ファイバ固定部が一体形成されているので、入射側光ファイバを入射側光ファイバ固定部に、受光側光ファイバを受光側光ファイバ固定部に、それぞれ固定するだけで調整不要で光学系を構成できる。そのため、光学系の調整機構が不要であり、ガス検出部を小型化できる。
第２発明によれば、小型光学ベンチに、入射側マイクロレンズ固定溝、受光側マイクロレンズ固定溝が一体形成されているので、入射側マイクロレンズを入射側マイクロレンズ固定溝に、受光側マイクロレンズを受光側マイクロレンズ固定溝に、それぞれ嵌め込むだけで調整不要で光学系を構成できる。そのため、光学系の調整機構が不要であり、ガス検出部を小型化できる。
第３発明によれば、小型光学ベンチに、光反射体が一体形成されているので、調整不要で光学系を構成できる。そのため、光学系の調整機構が不要であり、ガス検出部を小型化できる。
第４発明によれば、ガス検出部にはラマン散乱光学系が構成されているので、ラマン散乱法により測定対象ガスを測定できる。そのため、応答速度が速く、ラマン散乱光のスペクトルを分析することにより１つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少なく、可燃性ガスによる発火や爆発の恐れがない。
第５発明によれば、受光側光ファイバには、前方ラマン散乱光と後方ラマン散乱光とが入射されるので、光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。
第６発明によれば、受光側光ファイバには、前方ラマン散乱光と後方ラマン散乱光とが入射されるので、光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。
第７発明によれば、受光側光ファイバには、入射側光ファイバの光軸を挟んで両側に出射された前方ラマン散乱光が入射されるので、光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。また、入射側光ファイバから出射された光は一対の光反射体の間を透過して受光側光ファイバに入射しないので、外乱成分が少なくなり測定精度が向上する。
第８発明によれば、ガス検出部には光吸収光学系が構成されているので、吸光測定法により測定対象ガスを測定できる。そのため、応答速度が速く、光吸収スペクトルを分析することにより１つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少なく、可燃性ガスによる発火や爆発の恐れがない。
第９発明によれば、入射側光ファイバから出射された光を測定対象ガス中において多数回反射させるので、光路長が長くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。
第１０発明によれば、入射側光ファイバ固定部、受光側光ファイバ固定部、光学部品固定部および／または光学部品を、高い位置精度、寸法精度で形成できる。また、小型光学ベンチを数mm〜数十mm四方に形成できるので、小型のガス検出部の製造が可能である。また、小型光学ベンチを大量生産できるので、光学式ガスセンサを安価に製造できる。
第２発明によれば、小型光学ベンチに、入射側マイクロレンズ固定溝、受光側マイクロレンズ固定溝が一体形成されているので、入射側マイクロレンズを入射側マイクロレンズ固定溝に、受光側マイクロレンズを受光側マイクロレンズ固定溝に、それぞれ嵌め込むだけで調整不要で光学系を構成できる。そのため、光学系の調整機構が不要であり、ガス検出部を小型化できる。
第３発明によれば、小型光学ベンチに、光反射体が一体形成されているので、調整不要で光学系を構成できる。そのため、光学系の調整機構が不要であり、ガス検出部を小型化できる。
第４発明によれば、ガス検出部にはラマン散乱光学系が構成されているので、ラマン散乱法により測定対象ガスを測定できる。そのため、応答速度が速く、ラマン散乱光のスペクトルを分析することにより１つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少なく、可燃性ガスによる発火や爆発の恐れがない。
第５発明によれば、受光側光ファイバには、前方ラマン散乱光と後方ラマン散乱光とが入射されるので、光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。
第６発明によれば、受光側光ファイバには、前方ラマン散乱光と後方ラマン散乱光とが入射されるので、光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。
第７発明によれば、受光側光ファイバには、入射側光ファイバの光軸を挟んで両側に出射された前方ラマン散乱光が入射されるので、光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。また、入射側光ファイバから出射された光は一対の光反射体の間を透過して受光側光ファイバに入射しないので、外乱成分が少なくなり測定精度が向上する。
第８発明によれば、ガス検出部には光吸収光学系が構成されているので、吸光測定法により測定対象ガスを測定できる。そのため、応答速度が速く、光吸収スペクトルを分析することにより１つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少なく、可燃性ガスによる発火や爆発の恐れがない。
第９発明によれば、入射側光ファイバから出射された光を測定対象ガス中において多数回反射させるので、光路長が長くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。
第１０発明によれば、入射側光ファイバ固定部、受光側光ファイバ固定部、光学部品固定部および／または光学部品を、高い位置精度、寸法精度で形成できる。また、小型光学ベンチを数mm〜数十mm四方に形成できるので、小型のガス検出部の製造が可能である。また、小型光学ベンチを大量生産できるので、光学式ガスセンサを安価に製造できる。
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る光学式ガスセンサ１は、ラマン散乱法を用いた光学式ガスセンサである。図１に示すように、光学式ガスセンサ１は、ガス検出部１０と、そのガス検出部１０に接続された入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０とを備えている。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る光学式ガスセンサ１は、ラマン散乱法を用いた光学式ガスセンサである。図１に示すように、光学式ガスセンサ１は、ガス検出部１０と、そのガス検出部１０に接続された入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０とを備えている。
入射側光ファイバ２０は、その一端が、単色光源であるレーザ、高輝度のＬＥＤなどの光源に接続されており、その光源からの光をガス検出部１０に導いている。また、受光側光ファイバ３０は、その一端が光電子増倍管、アバランシェホトダイオード、ホトトランジスタ、ＣＣＤなどの光検出器に接続されており、ガス検出部１０で発生したラマン散乱光を光検出器まで導いている。なお、光検出器には、ＡＤＣ（アナログ‐デジタル変換回路）や、コンピュータなどが接続されている。そして、公知の方法で、光検出器の検出信号から、ガス検出部１０に存在するガスの種類や濃度を算出できるようになっている。例えば、受光側光ファイバ３０と光検出器の間に干渉フィルタを挿入し、その干渉フィルタにより測定対象ガスに対応するラマン散乱光を選択することにより、その測定対象ガスの濃度を測定できる。また、干渉フィルタを交換することで、ガス検出部１０に存在するガスの種類を特定できる。
ガス検出部１０は、測定対象ガスに直接曝される部分であり、例えば配管の内部など、ガスを測定したい場所（測定位置）に固定される、いわゆるプローブに相当するものである。なお、ガス検出部１０と、光源および光検出器とは、入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０で接続されているので、ガス検出部１０のみを測定位置に固定し、光源や光検出器など、その他の機器は測定位置から離れた場所に設置することができる。
ガス検出部１０は、小型光学ベンチ１１と、入射側マイクロレンズ１２と、受光側マイクロレンズ１３とから構成されている。小型光学ベンチ１１は、数mm〜数十mm四方の寸法を有する平板部材である。
また、小型光学ベンチ１１には、入射側光ファイバ２０の先端に設けられたフェルール２１を固定する入射側光ファイバ固定溝１４と、受光側光ファイバ３０の先端に設けられたフェルール３１を固定する受光側光ファイバ固定溝１５と、入射側マイクロレンズ１２を固定する入射側マイクロレンズ固定溝１６と、受光側マイクロレンズ１３を固定する受光側マイクロレンズ固定溝１７と、マイクロミラー１８とが一体形成されている。
また、小型光学ベンチ１１には、入射側光ファイバ２０の先端に設けられたフェルール２１を固定する入射側光ファイバ固定溝１４と、受光側光ファイバ３０の先端に設けられたフェルール３１を固定する受光側光ファイバ固定溝１５と、入射側マイクロレンズ１２を固定する入射側マイクロレンズ固定溝１６と、受光側マイクロレンズ１３を固定する受光側マイクロレンズ固定溝１７と、マイクロミラー１８とが一体形成されている。
そして、入射側光ファイバ２０のフェルール２１が入射側光ファイバ固定溝１４に、受光側光ファイバ３０のフェルール３１が受光側光ファイバ固定溝１５に、入射側マイクロレンズ１２が入射側マイクロレンズ固定溝１６に、受光側マイクロレンズ１３が受光側マイクロレンズ固定溝１７に、それぞれ嵌め込まれることにより、ラマン散乱光学系が構成されている。
なお、マイクロミラー１８は、特許請求の範囲に記載の光反射体に相当する。
なお、マイクロミラー１８は、特許請求の範囲に記載の光反射体に相当する。
ラマン散乱現象とは、気体などの物質に光を照射したときに、その物質の分子振動や回転により一部の散乱光の波長が変化する現象である。そして、このような散乱光はラマン散乱光と称される。また、分子種（気体ではガス種、液体では結合分子種）ごとにラマン散乱光の波長が異なり、気体の濃度とラマン散乱光の強度には相関があることが知られている。そのため、ラマン散乱光波長からガス種を特定でき、ラマン散乱光強度からガス濃度を特定できる。
本実施形態におけるガス検出部１０には、入射側光ファイバ２０の先端から出射されるレーザ光を測定対象ガスに入射し、そのレーザ光と測定対象ガスとの相互作用により出射されるラマン散乱光を受光側光ファイバ３０の先端に入射するラマン散乱光学系が構成されている。
より詳細には、図２に示すように、ガス検出部１０の一端（図２における左端）には、入射側光ファイバ２０の先端が、その端面がガス検出部１０の他端（図２における右端）に向くように固定されている。また、入射側光ファイバ２０の光軸上には反射面が平面であるマイクロミラー１８が形成されている。マイクロミラー１８の反射面は入射側光ファイバ２０の端面にほぼ対向しており、その角度は、入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌ１が、入射側光ファイバ２０またはその近傍に向かって反射されるように設定されている。また、マイクロミラー１８の反射面の角度は、反射したレーザ光Ｌ２が受光側光ファイバ３０に直接入射しない角度に設定されている。例えば、入射側光ファイバ２０の光軸と反射面の法線とのなす角（入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌ１のマイクロミラー１８への入射角）αが、0°〜30°に設定されている。
また、ガス検出部１０の他端（図２における右端）には受光側光ファイバ３０の先端が固定されている。受光側光ファイバ３０の位置および角度は、入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌ１とガス検出部１０に存在する測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Ｒｆ、および、マイクロミラー１８により反射されたレーザ光Ｌ２と測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光Ｒｂが受光側光ファイバ３０に入射するように設定されている。また、受光側光ファイバ３０の位置および角度は、入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌ１、および、マイクロミラー１８により反射されたレーザ光Ｌ２が受光側光ファイバ３０に直接入射しない位置および角度に設定されている。例えば、入射側光ファイバ２０の光軸と受光側光ファイバ３０の光軸とのなす角βが、150°〜175°に設定されている。
図３に示すように、入射側マイクロレンズ１２は、入射側光ファイバ２０の端面の前方に配置されており、その光軸ａが入射側光ファイバ２０の光軸ａと一致するように配置されている。また、入射側マイクロレンズ１２は、凸レンズであり、その焦点に入射側光ファイバ２０の端面が位置するように配置されているので、入射側光ファイバ２０の先端から出射されるレーザ光を平行光線にすることができる。
一方、受光側マイクロレンズ１３も、受光側光ファイバ３０の端面の前方に配置されており、その光軸が受光側光ファイバ３０の光軸と一致するように配置されている。また、受光側マイクロレンズ１３は、凸レンズであり、その焦点に受光側光ファイバ３０の端面が位置するように配置されているので、レーザ光と測定対象ガスとの相互作用により出射されるラマン散乱光を集光して受光側光ファイバ３０に入射することができる。
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ２０の先端から出射されるレーザ光Ｌ１は、ガス検出部１０に存在する測定対象ガスに入射し、その測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Ｒｆが受光側光ファイバ３０の先端に入射する。また、測定対象ガスを通過したレーザ光Ｌ１はマイクロミラー１８で反射されて再度測定対象ガスに入射する。そして、反射されたレーザ光Ｌ２と測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光Ｒｂが受光側光ファイバ３０の先端に入射することができる。
このように、受光側光ファイバ３０には、前方ラマン散乱光Ｒｆと後方ラマン散乱光Ｒｂとが入射されるので、いずれか一方のみ入射される場合に比べて光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部１０を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
このように、受光側光ファイバ３０には、前方ラマン散乱光Ｒｆと後方ラマン散乱光Ｒｂとが入射されるので、いずれか一方のみ入射される場合に比べて光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部１０を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
また、光学式ガスセンサ１は、ガス検出部１０にラマン散乱光学系が構成されているので、ラマン散乱法により測定対象ガスを測定できる。そのため、光学式ガスセンサ１は、原理的に応答速度が速く、ラマン散乱光のスペクトルを分析することにより１つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少ない。
また、一般に、電極や電線などの電気系に可燃ガスが接触すると発火や爆発の恐れがある。しかし、本実施形態において、測定対象ガスに曝されるガス検出部１０には電気系が存在しないので、発火や爆発の恐れがなく安全である。そのため、光学式ガスセンサ１は、電力設備や石油化学プラントといった可燃性ガスの検知が必要な現場にも取り付けることができる。
ところで、図３および図４に示すように、小型光学ベンチ１１には、一対の壁体から構成される入射側光ファイバ固定溝１４が一体形成されている。そして、この入射側光ファイバ固定溝１４に入射側光ファイバ２０のフェルール２１が嵌め込まれている。
一般に光ファイバのフェルールの外形寸法は、μmオーダーの寸法精度を有している。そのため、入射側光ファイバ固定溝１４をμmオーダーの位置精度、寸法精度で形成すれば、フェルール２１をμmオーダーの精度で位置決めし、配置できる。また、一般的なフェルールの外形は、内部に挿入された光ファイバと同心の円筒形である。そのため、フェルール２１の側面を小型光学ベンチ１１の表面に接触させることで、入射側光ファイバ２０の光軸ａを小型光学ベンチ１１の表面と平行にできる。
なお、フェルール２１と入射側光ファイバ固定溝１４とは、摩擦で固定されるように構成してもよいし、接着剤で固定してもよい。
なお、フェルール２１と入射側光ファイバ固定溝１４とは、摩擦で固定されるように構成してもよいし、接着剤で固定してもよい。
また、図３および図５に示すように、小型光学ベンチ１１には、一対の壁体から構成される入射側マイクロレンズ固定溝１６が一体形成されている。入射側マイクロレンズ固定溝１６には平面視略菱形の空間が形成されており、この空間内に入射側マイクロレンズ１２が嵌め込まれている（図１参照）。
ここで、マイクロレンズとは、直径が数mmのレンズであり、一般にμmオーダーの寸法精度を有している。そのため、入射側マイクロレンズ固定溝１６をμmオーダーの位置精度、寸法精度で形成すれば、入射側マイクロレンズ１２をμmオーダーの精度で位置決めし、配置できる。また、入射側マイクロレンズ１２として、直径がフェルール２１の直径と同一のものを採用すれば、入射側マイクロレンズ１２の外周縁を小型光学ベンチ１１の表面に接触させることで、入射側光ファイバ２０の光軸ａと入射側マイクロレンズ１２の光軸ａの高さを一致させることができる。
なお、入射側マイクロレンズ１２と入射側マイクロレンズ固定溝１６とは、摩擦で固定されるように構成してもよいし、接着剤で固定してもよい。
なお、入射側マイクロレンズ１２と入射側マイクロレンズ固定溝１６とは、摩擦で固定されるように構成してもよいし、接着剤で固定してもよい。
受光側光ファイバ固定溝１５および受光側マイクロレンズ固定溝１７も、入射側光ファイバ固定溝１４および入射側マイクロレンズ固定溝１６と同様の形状、位置精度、寸法精度で、小型光学ベンチ１１に一体形成されている。そのため、受光側光ファイバ３０のフェルール３１および受光側マイクロレンズ１３もμmオーダーの精度で配置できる。
なお、各固定溝１４〜１７の形状は、本実施形態に記載の形状に限られず、マイクロレンズ１２、１３および光ファイバ２０、３０を固定するのに適した形状であればどのような形状でもよい。また、マイクロレンズ１２、１３および光ファイバ２０、３０を固定できれば、溝状でない形状の固定部を採用してもよい。
図６に示すように、小型光学ベンチ１１には、小型光学ベンチ１１の表面に対して垂直な壁体であるマイクロミラー１８が一体形成されている。このマイクロミラー１８の表面は、メッキ処理や真空蒸着、スパッタ蒸着などの方法により、光の反射率が高められている。
マイクロミラー１８も、μmオーダーの位置精度、寸法精度で形成される。
マイクロミラー１８も、μmオーダーの位置精度、寸法精度で形成される。
以上のように、小型光学ベンチ１１には、入射側光ファイバ固定溝１４、受光側光ファイバ固定溝１５、入射側マイクロレンズ固定溝１６、受光側マイクロレンズ固定溝１７、マイクロミラー１８が、μmオーダーの位置精度、寸法精度で一体形成されている。
このような小型光学ベンチ１１は、例えば、フォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形などの方法により形成することができる。
このような小型光学ベンチ１１は、例えば、フォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形などの方法により形成することができる。
例えば、フォトリソグラフィにより小型光学ベンチ１１を形成する場合には、シリコン基板やガラス基板上にSU-8やポリイミドなどの感光性樹脂を100μm〜2mm厚に塗布し、露光、現像することで入射側光ファイバ固定溝１４、受光側光ファイバ固定溝１５、入射側マイクロレンズ固定溝１６、受光側マイクロレンズ固定溝１７を構成する壁体、およびマイクロミラー１８（図１おけるハッチング部分）を小型光学ベンチ１１に一体形成することができる。なお、ネガ特性の感光性樹脂を用いる場合は構造として残す部分を露光し、ポジ特性の感光性樹脂を用いる場合は構造として残さない部分を露光する。また、フォトリソグラフィにより形成された後の小型光学ベンチ１１の全体にメッキ処理や真空蒸着、スパッタ蒸着などを施すことで、マイクロミラー１８の表面の光の反射率を高めることができる。
上記の形成方法であれば、各固定溝１４〜１７およびマイクロミラー１８を高い位置精度、寸法精度で小型光学ベンチ１１に一体形成できる。そのため、入射側光ファイバ２０のフェルール２１を入射側光ファイバ固定溝１４に、受光側光ファイバ３０のフェルール３１を受光側光ファイバ固定溝１５に、入射側マイクロレンズ１２を入射側マイクロレンズ固定溝１６に、受光側マイクロレンズ１３を受光側マイクロレンズ固定溝１７に、それぞれ嵌め込むだけで、調整不要で最適なラマン散乱光学系を構成できる。このように、光学系の調整機構が不要であるため、ガス検出部１０を小型化できる。そして、光学式ガスセンサ１は、ガス検出部１０が小型であるので、配管の内部など狭い場所にも設置することができ、様々な場所でのガス測定をすることができる。
また、上記の形成方法であれば、小型光学ベンチ１１を数mm〜数十mm四方に形成できるので、小型のガス検出部１０の製造が実現可能である。
さらに、小型光学ベンチ１１はフォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形などの方法により大量生産できるので、光学式ガスセンサ１を安価に製造できる。そのため、多地点にガス検出部１０を設置することができるので、プラントなどの設備をリアルタイムでネットワーク監視することができる。
さらに、小型光学ベンチ１１はフォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形などの方法により大量生産できるので、光学式ガスセンサ１を安価に製造できる。そのため、多地点にガス検出部１０を設置することができるので、プラントなどの設備をリアルタイムでネットワーク監視することができる。
また、予め光学シミュレーションなどにより最適光学系の設計を行い、その設計に基づいて小型光学ベンチ１１が形成される。そのため、小型光学ベンチ１１に光ファイバ２０、３０、およびマイクロレンズ１２、１３を固定するだけで、調整不要で最適な光学系を構成できる。
さらに、各固定溝１４〜１７およびマイクロミラー１８が小型光学ベンチ１１に一体形成されているので、光学式ガスセンサ１は部品点数が少ない。そのため、故障の頻度が低く、耐久性に優れている。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る光学式ガスセンサ２は、ラマン散乱法を用いた光学式ガスセンサである。図７に示すように、本実施形態に係る光学式ガスセンサ２のガス検出部１０には、第１実施形態に係る光学式ガスセンサ１のガス検出部１０に構成されたラマン散乱光学系とは異なるラマン散乱光学系が構成されている。
本発明の第２実施形態に係る光学式ガスセンサ２は、ラマン散乱法を用いた光学式ガスセンサである。図７に示すように、本実施形態に係る光学式ガスセンサ２のガス検出部１０には、第１実施形態に係る光学式ガスセンサ１のガス検出部１０に構成されたラマン散乱光学系とは異なるラマン散乱光学系が構成されている。
より詳細には、ガス検出部１０の一端（図７における左端）には、入射側光ファイバ２０の先端が、その端面がガス検出部１０の他端（図７における右端）に向くように固定されている。また、入射側光ファイバ２０の光軸上には反射面が平面であるマイクロミラー１８が形成されている。マイクロミラー１８の反射面は入射側光ファイバ２０の端面にほぼ対向しており、その角度は、入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌ１が、入射側光ファイバ２０から少し離れた位置に向かって反射されるように設定されている。また、マイクロミラー１８の反射面の角度は、反射したレーザ光Ｌ２が受光側光ファイバ３０に直接入射しない角度に設定されている。例えば、入射側光ファイバ２０の光軸と反射面の法線とのなす角（入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌ１のマイクロミラー１８への入射角）αが、5°〜30°に設定されている。
また、ガス検出部１０の一端（図７における左端）には、入射側光ファイバ２０に並んで受光側光ファイバ３０の先端が固定されている。受光側光ファイバ３０の位置および角度は、入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌ１とガス検出部１０に存在する測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光Ｒｂ、および、マイクロミラー１８により反射されたレーザ光Ｌ２と測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Ｒｆが受光側光ファイバ３０に入射するように設定されている。また、受光側光ファイバ３０の位置および角度は、入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌ１、および、マイクロミラー１８により反射されたレーザ光Ｌ２が受光側光ファイバ３０に直接入射しない位置および角度に設定されている。例えば、受光側光ファイバ３０の光軸と反射面の法線とが一致するように設定され、入射側光ファイバ２０の光軸と受光側光ファイバ３０の光軸とのなす角βが、5°〜30°に設定されている。
その余の構成は、第１実施形態に係る光学式ガスセンサ１と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
その余の構成は、第１実施形態に係る光学式ガスセンサ１と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ２０の先端から出射されるレーザ光Ｌ１は、ガス検出部１０に存在する測定対象ガスに入射し、その測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光Ｒｂが受光側光ファイバ３０の先端に入射する。また、測定対象ガスを通過したレーザ光Ｌ１はマイクロミラー１８で反射されて再度測定対象ガスに入射する。そして、反射されたレーザ光Ｌ２と測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Ｒｆが受光側光ファイバ３０の先端に入射することができる。
このように、受光側光ファイバ３０には、前方ラマン散乱光Ｒｆと後方ラマン散乱光Ｒｂとが入射されるので、いずれか一方のみ入射される場合に比べて光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部１０を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
このように、受光側光ファイバ３０には、前方ラマン散乱光Ｒｆと後方ラマン散乱光Ｒｂとが入射されるので、いずれか一方のみ入射される場合に比べて光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部１０を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
前述のごとく、ガス検出部１０は、いわゆるプローブとして配管の内部などに固定される。そのため、ガス検出部１０は、配管などに設けられたガス検出用の孔から配管の内部に挿入されることが想定される。また、ガス検出部１０は、複数の配管が密に配置された場所に挿入されたり、配管内部の狭窄部に固定されたりすることも想定される。
本実施形態に係る光学式ガスセンサ２は、入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０の先端が、ガス検出部１０の同一端に固定されているため、それらのケーブルが一方向に延びている。そのため、ガス検出器１０を上記のような狭い場所に挿入する際の作業性が良い。
本実施形態に係る光学式ガスセンサ２は、入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０の先端が、ガス検出部１０の同一端に固定されているため、それらのケーブルが一方向に延びている。そのため、ガス検出器１０を上記のような狭い場所に挿入する際の作業性が良い。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る光学式ガスセンサ３は、ラマン散乱法を用いた光学式ガスセンサである。図８に示すように、本実施形態に係る光学式ガスセンサ３のガス検出部１０には、第１、第２実施形態に係る光学式ガスセンサ１、２のガス検出部１０に構成されたラマン散乱光学系とは異なるラマン散乱光学系が構成されている。
本発明の第３実施形態に係る光学式ガスセンサ３は、ラマン散乱法を用いた光学式ガスセンサである。図８に示すように、本実施形態に係る光学式ガスセンサ３のガス検出部１０には、第１、第２実施形態に係る光学式ガスセンサ１、２のガス検出部１０に構成されたラマン散乱光学系とは異なるラマン散乱光学系が構成されている。
より詳細には、ガス検出部１０の一端（図８における左端）には、入射側光ファイバ２０の先端が、その端面がガス検出部１０の他端（図８における右端）に向くように固定されている。また、ガス検出部１０の他端（図８における右端）には、入射側光ファイバ２０の光軸を挟んで所定間隔を空けて配置された一対のマイクロミラー１８ａ、１８ｂが形成されている。すなわち、一対のマイクロミラー１８ａ、１８ｂの間には、入射側光ファイバ２０の光軸上に位置するスリットｓが形成されている。マイクロミラー１８ａ、１８ｂの反射面は凹面であり、入射側光ファイバ２０の端面にほぼ対向している。そして、入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌと測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Ｒｆ１を反射して、入射側光ファイバ２０から少し離れた位置に集光できるようになっている。
また、ガス検出部１０の一端（図８における左端）には、入射側光ファイバ２０を挟んで２本の受光側光ファイバ３０ａ、３０ｂの先端が固定されている。そのうちの一方の第１受光側光ファイバ３０ａの位置および角度は、一方のマイクロミラー１８ａにより反射、集光された前方ラマン散乱光Ｒｆ２が第１受光側光ファイバ３０ａに入射するように設定されている。また、他方の第２受光側光ファイバ３０ｂの位置および角度は、他方のマイクロミラー１８ｂにより反射、集光された前方ラマン散乱光Ｒｆ２が第２受光側光ファイバ３０ｂに入射するように設定されている。これら２本の受光側光ファイバ３０ａ、３０ｂの他端は、共通の光検出器に接続されるか、別々の光検出器に接続され、それらの光検出器が接続されたコンピュータなどで光強度を加算できるようになっている。
その余の構成は、第１実施形態に係る光学式ガスセンサ１と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
なお、符号３１ａ、３１ｂは、それぞれ第１受光側光ファイバ３０ａ、第２受光側光ファイバ３０ｂのフェルール、符号１３ａ、１３ｂは、それぞれ第１受光側光ファイバ３０ａ、第２受光側光ファイバ３０ｂの端面の前方に配置された入射側マイクロレンズ、符号１５ａ、１５ｂは、それぞれフェルール３１ａ、３１ｂを固定する受光側光ファイバ固定溝、符号１７ａ、１７ｂは、それぞれ入射側マイクロレンズ１３ａ、１３ｂを固定する受光側マイクロレンズ固定溝である。
なお、符号３１ａ、３１ｂは、それぞれ第１受光側光ファイバ３０ａ、第２受光側光ファイバ３０ｂのフェルール、符号１３ａ、１３ｂは、それぞれ第１受光側光ファイバ３０ａ、第２受光側光ファイバ３０ｂの端面の前方に配置された入射側マイクロレンズ、符号１５ａ、１５ｂは、それぞれフェルール３１ａ、３１ｂを固定する受光側光ファイバ固定溝、符号１７ａ、１７ｂは、それぞれ入射側マイクロレンズ１３ａ、１３ｂを固定する受光側マイクロレンズ固定溝である。
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ２０の先端から出射されるレーザ光Ｌは、ガス検出部１０に存在する測定対象ガスに入射し、その測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光Ｒａ１がマイクロミラー１８ａ、１８ｂで反射、集光されて受光側光ファイバ３０ａ、３０ｂの先端に入射することができる。
このように、受光側光ファイバ３０ａ、３０ｂには、入射側光ファイバ２０の光軸を挟んで両側に出射された前方ラマン散乱光Ｒｆ１が入射されるので、片側のみに出射された前方ラマン散乱光Ｒｆ１が入射される場合よりも光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部１０を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
このように、受光側光ファイバ３０ａ、３０ｂには、入射側光ファイバ２０の光軸を挟んで両側に出射された前方ラマン散乱光Ｒｆ１が入射されるので、片側のみに出射された前方ラマン散乱光Ｒｆ１が入射される場合よりも光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部１０を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
また、入射側光ファイバ２０から出射されたレーザ光Ｌは一対のマイクロミラー１８ａ、１８ｂの間のスリットｓを透過するので、受光側光ファイバ３０ａ、３０ｂに入射しない。ラマン散乱光は、入射光の前方および後方に分布する指向性を有するが、入射光に比べて光強度が弱いことが知られている。そのため、本実施形態のように、レーザ光Ｌを受光側光ファイバ３０ａ、３０ｂに入射させないことにより、外乱成分が少なくなり測定精度が向上する。
さらに、入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０ａ、３０ｂの先端が、ガス検出部１０の同一端に固定されているため、それらのケーブルが一方向に延びている。そのため、ガス検出器１０を狭い場所に挿入する際の作業性が良い。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る光学式ガスセンサ４は、吸光測定法を用いた光学式ガスセンサである。図９に示すように、光学式ガスセンサ４は、第１、第２、第３実施形態に係る光学式ガスセンサ１、２、３と同様に、ガス検出部１０と、そのガス検出部１０に接続された入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０とを備えている。
本発明の第４実施形態に係る光学式ガスセンサ４は、吸光測定法を用いた光学式ガスセンサである。図９に示すように、光学式ガスセンサ４は、第１、第２、第３実施形態に係る光学式ガスセンサ１、２、３と同様に、ガス検出部１０と、そのガス検出部１０に接続された入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０とを備えている。
ガス検出部１０は、小型光学ベンチ１１と、入射側マイクロレンズ１２と、受光側マイクロレンズ１３とから構成されている。小型光学ベンチ１１は、数mm〜数十mm四方の寸法を有する平板部材である。
また、小型光学ベンチ１１には、入射側光ファイバ２０の先端に設けられたフェルール２１を固定する入射側光ファイバ固定溝１４と、受光側光ファイバ３０の先端に設けられたフェルール３１を固定する受光側光ファイバ固定溝１５と、入射側マイクロレンズ１２を固定する入射側マイクロレンズ固定溝１６と、受光側マイクロレンズ１３を固定する受光側マイクロレンズ固定溝１７とが、μmオーダーの位置精度、寸法精度で一体形成されている。
また、小型光学ベンチ１１には、入射側光ファイバ２０の先端に設けられたフェルール２１を固定する入射側光ファイバ固定溝１４と、受光側光ファイバ３０の先端に設けられたフェルール３１を固定する受光側光ファイバ固定溝１５と、入射側マイクロレンズ１２を固定する入射側マイクロレンズ固定溝１６と、受光側マイクロレンズ１３を固定する受光側マイクロレンズ固定溝１７とが、μmオーダーの位置精度、寸法精度で一体形成されている。
小型光学ベンチ１１は、例えば、フォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形などにより形成することができる。
上記の形成方法であれば、各固定溝１４〜１７を高い位置精度、寸法精度で小型光学ベンチ１１に一体形成できる。そのため、入射側光ファイバ２０のフェルール２１を入射側光ファイバ固定溝１４に、受光側光ファイバ３０のフェルール３１を受光側光ファイバ固定溝１５に、入射側マイクロレンズ１２を入射側マイクロレンズ固定溝１６に、受光側マイクロレンズ１３を受光側マイクロレンズ固定溝１７に、それぞれ嵌め込むだけで、調整不要で最適な吸光光学系を構成できる。このように、光学系の調整機構が不要であるため、ガス検出部１０を小型化できる。
上記の形成方法であれば、各固定溝１４〜１７を高い位置精度、寸法精度で小型光学ベンチ１１に一体形成できる。そのため、入射側光ファイバ２０のフェルール２１を入射側光ファイバ固定溝１４に、受光側光ファイバ３０のフェルール３１を受光側光ファイバ固定溝１５に、入射側マイクロレンズ１２を入射側マイクロレンズ固定溝１６に、受光側マイクロレンズ１３を受光側マイクロレンズ固定溝１７に、それぞれ嵌め込むだけで、調整不要で最適な吸光光学系を構成できる。このように、光学系の調整機構が不要であるため、ガス検出部１０を小型化できる。
また、上記の形成方法であれば、小型光学ベンチ１１を数mm〜数十mm四方に形成できるので、小型のガス検出部１０の製造が実現可能である。
さらに、小型光学ベンチ１１を大量生産できるので、光学式ガスセンサ４を安価に製造できる。
さらに、小型光学ベンチ１１を大量生産できるので、光学式ガスセンサ４を安価に製造できる。
つぎに、ガス検出部１０に構成された吸光光学系について説明する。
吸光測定法とは、測定対象ガスに光を入射し、その入射光が測定対象ガスを通過する際の吸光度から、測定対象ガスの濃度を定量的に分析する方法である。また、光吸収スペクトルのピーク波長からガス種も特定できる。
吸光測定法とは、測定対象ガスに光を入射し、その入射光が測定対象ガスを通過する際の吸光度から、測定対象ガスの濃度を定量的に分析する方法である。また、光吸収スペクトルのピーク波長からガス種も特定できる。
本実施形態におけるガス検出部１０には、入射側光ファイバ２０の先端から出射される光を測定対象ガスに入射し、その測定対象ガスを通過した出射光を受光側光ファイバ３０の先端に入射する、光吸収光学系が構成されている
より詳細には、図９に示すように、ガス検出部１０の一端（図９における左端）には、入射側光ファイバ２０の先端が、その端面がガス検出部１０の他端（図９における右端）に向くように固定されている。また、ガス検出部１０の他端（図９における左端）には、受光側光ファイバ３０の先端が、その端面が入射側光ファイバ２０の端面に対向するように固定されている。すなわち、入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０は、同一光軸上に対向して固定されている。
より詳細には、図９に示すように、ガス検出部１０の一端（図９における左端）には、入射側光ファイバ２０の先端が、その端面がガス検出部１０の他端（図９における右端）に向くように固定されている。また、ガス検出部１０の他端（図９における左端）には、受光側光ファイバ３０の先端が、その端面が入射側光ファイバ２０の端面に対向するように固定されている。すなわち、入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０は、同一光軸上に対向して固定されている。
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ２０の先端から出射されるレーザ光をガス検出部１０に存在する測定対象ガスに入射し、測定対象ガスを通過した出射光を受光側光ファイバ３０の先端に入射することができる。
このように、光学式ガスセンサ４は、ガス検出部１０に光吸収光学系が構成されているので、吸光測定法により測定対象ガスを測定できる。光学式ガスセンサ４は、吸光測定法により測定対象ガスを測定することから、原理的に応答速度が速く、光吸収スペクトルを分析することにより１つのセンサで複数種類のガスを測定でき、誤報要因が少ない。
また、測定対象ガスに曝されるガス検出部１０には電気系が存在しないので、発火や爆発の恐れがなく安全である。
さらに、各固定溝１４〜１７が小型光学ベンチ１１に一体形成されているので、光学式ガスセンサ４は部品点数が少ない。そのため、故障の頻度が低く、耐久性に優れている。
さらに、各固定溝１４〜１７が小型光学ベンチ１１に一体形成されているので、光学式ガスセンサ４は部品点数が少ない。そのため、故障の頻度が低く、耐久性に優れている。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態に係る光学式ガスセンサ５は、吸光測定法を用いた光学式ガスセンサである。図１０に示すように、本実施形態に係る光学式ガスセンサ５のガス検出部１０には、第４実施形態に係る光学式ガスセンサ４のガス検出部１０に構成された吸光光学系とは異なる吸光光学系が構成されている。
本発明の第５実施形態に係る光学式ガスセンサ５は、吸光測定法を用いた光学式ガスセンサである。図１０に示すように、本実施形態に係る光学式ガスセンサ５のガス検出部１０には、第４実施形態に係る光学式ガスセンサ４のガス検出部１０に構成された吸光光学系とは異なる吸光光学系が構成されている。
より詳細には、図１０に示すように、入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０は、それぞれの光軸が平行になるように、小型光学ベンチ１１の一端（図１０における左端）に固定されている。また、小型光学ベンチ１１には、３つのマイクロミラー１８ａ、１８ｂ、１８ｃがμmオーダーの位置精度、寸法精度で一体形成されている。このうち、マイクロミラー１８ａは、入射側光ファイバ２０の光軸上に配置されており、マイクロミラー１８ｃは、受光側光ファイバ３０の光軸上に配置されている。また、マイクロミラー１８ｂは、入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０の間に配置されている。そして、マイクロミラー１８ａの角度は、入射側光ファイバ２０から出射される光をマイクロミラー１８ｂに向かって反射するように設定されており、マイクロミラー１８ｂの角度は、マイクロミラー１８ａからの光をマイクロミラー１８ｃに向かって反射するように設定されており、マイクロミラー１８ｃの角度は、マイクロミラー１８ｂからの光を受光側光ファイバ３０に向かって反射するように設定されている。
その余の構成は、第４実施形態に係る光学式ガスセンサ４と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
その余の構成は、第４実施形態に係る光学式ガスセンサ４と同様であるので、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
上記の光学系とすれば、入射側光ファイバ２０の先端から出射される光を３つのマイクロミラー１８ａ、１８ｂ、１８ｃにより測定対象ガス中において３回反射させ、測定対象ガスを通過した出射光を受光側光ファイバ３０の先端に入射することができる。
このように、入射側光ファイバ２０の先端から出射される光を測定対象ガス中において多数回反射させるので、光路長が長くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部１０を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
このように、入射側光ファイバ２０の先端から出射される光を測定対象ガス中において多数回反射させるので、光路長が長くなり、高感度で測定対象ガスを測定できる。そのため、ガス検出部１０を小型化したとしても十分な感度を維持できる。
さらに、入射側光ファイバ２０および受光側光ファイバ３０の先端が、ガス検出部１０の同一端に固定されているため、それらのケーブルが一方向に延びている。そのため、ガス検出器１０を狭い場所に挿入する際の作業性が良い。
（その他の実施形態）
上記実施形態においてガス検出部１０に構成された光学系は一例であり、他の種々の光学系をガス検出部１０に構成してもよい。
例えば、第１実施形態において、マイクロミラー１８を設けず、測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光を直接受光側光ファイバ３０の先端に入射するように構成してもよい。
また、第２実施形態において、マイクロミラー１８を設けず、測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光を直接受光側光ファイバ３０の先端に入射するように構成してもよい。
これらの場合に、受光側光ファイバ３０を複数本設ければ、ラマン散乱光を効率よく受光できるので測定精度が向上する。なお、複数本の受光側光ファイバ３０を設ける場合に、全ての受光側光ファイバが前方ラマン散乱光または後方ラマン散乱光を受光するように構成してもよいし、一部の受光側光ファイバ３０が前方ラマン散乱光を受光し、残りの受光側光ファイバ３０が後方ラマン散乱光を受光するように構成してもよい。
上記実施形態においてガス検出部１０に構成された光学系は一例であり、他の種々の光学系をガス検出部１０に構成してもよい。
例えば、第１実施形態において、マイクロミラー１８を設けず、測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光を直接受光側光ファイバ３０の先端に入射するように構成してもよい。
また、第２実施形態において、マイクロミラー１８を設けず、測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光を直接受光側光ファイバ３０の先端に入射するように構成してもよい。
これらの場合に、受光側光ファイバ３０を複数本設ければ、ラマン散乱光を効率よく受光できるので測定精度が向上する。なお、複数本の受光側光ファイバ３０を設ける場合に、全ての受光側光ファイバが前方ラマン散乱光または後方ラマン散乱光を受光するように構成してもよいし、一部の受光側光ファイバ３０が前方ラマン散乱光を受光し、残りの受光側光ファイバ３０が後方ラマン散乱光を受光するように構成してもよい。
また、第５実施形態において、マイクロミラー１８ａ、１８ｂ、１８ｃの数は３つより少なくても、多くてもよい。より多数のマイクロミラーを設ければ光路長を長くできるが、反射回数が多いとマイクロミラーの光の反射率により受光側光ファイバ３０に入射される出射光の光強度が弱くなる。そのため、光路長と反射率とを考慮して、最適な光学系を採用することが好ましい。
また、マイクロミラーとして、平面鏡の他に、凹面鏡、凸面鏡などの表面が曲面の鏡を採用してもよい。また、マイクロミラーに代えて、特定の波長の光を反射するグレーティングなど、他の光反射体を設けても良い。グレーティングなど、小型光学ベンチ１１とは別部材として形成される光反射体を採用する場合には、小型光学ベンチ１１に固定部を一体形成し、その固定部に光反射体を固定してもよい。さらに、レンズやミラーに限られず、他の種々の光学部品を採用してもよい。この場合には、小型光学ベンチ１１に固定部を一体形成し、その固定部に光学部品を固定すればよい。
［光強度試験］
（実施例１）
上記第１実施形態に係る光学式ガスセンサ１（図１、図２参照）を用いて、受光側光ファイバ３０に入射されるラマン散乱光の光強度を測定した。
試験に用いた光学式ガスセンサ１のガス検出部１０に構成されたラマン散乱光学系は、入射側光ファイバ２０の光軸とマイクロミラー１８の反射面の法線とのなす角αは8.6°、入射側光ファイバ２０の光軸と受光側光ファイバ３０の光軸とのなす角βは151.9°、入射側光ファイバ２０の光軸上における入射側マイクロレンズ１２とマイクロミラー１８との間の距離は20.0mm、受光側光ファイバ３０の光軸上における受光側マイクロレンズ１３と入射側光ファイバ２０の光軸との間の距離は9.55mmに設定されている。また、入射側光ファイバ２０に接続する光源として発振波長532nmのNd:YAGレーザ（スペクトラフィジックス社製エクスプローラ）の第２高調波レーザ光、受光側光ファイバ３０に接続する光検出器として光電子増倍管（浜松ホトニクス社製R3896）を用いた。そして、ガス検出部１０に濃度100%の水素ガスを導入して、光検出器で得られる信号強度を測定した。
その結果、光検出器から、図１１のグラフの黒の線で示す信号が得られた。
（実施例１）
上記第１実施形態に係る光学式ガスセンサ１（図１、図２参照）を用いて、受光側光ファイバ３０に入射されるラマン散乱光の光強度を測定した。
試験に用いた光学式ガスセンサ１のガス検出部１０に構成されたラマン散乱光学系は、入射側光ファイバ２０の光軸とマイクロミラー１８の反射面の法線とのなす角αは8.6°、入射側光ファイバ２０の光軸と受光側光ファイバ３０の光軸とのなす角βは151.9°、入射側光ファイバ２０の光軸上における入射側マイクロレンズ１２とマイクロミラー１８との間の距離は20.0mm、受光側光ファイバ３０の光軸上における受光側マイクロレンズ１３と入射側光ファイバ２０の光軸との間の距離は9.55mmに設定されている。また、入射側光ファイバ２０に接続する光源として発振波長532nmのNd:YAGレーザ（スペクトラフィジックス社製エクスプローラ）の第２高調波レーザ光、受光側光ファイバ３０に接続する光検出器として光電子増倍管（浜松ホトニクス社製R3896）を用いた。そして、ガス検出部１０に濃度100%の水素ガスを導入して、光検出器で得られる信号強度を測定した。
その結果、光検出器から、図１１のグラフの黒の線で示す信号が得られた。
（比較例１）
上記実施例１の光学式ガスセンサ１において、マイクロミラー１８を設けない形態の光学式ガスセンサを用い、実施例１と同様の条件で試験を行った。
その結果、光検出器から、図１１のグラフのグレーの線で示す信号が得られた。
上記実施例１の光学式ガスセンサ１において、マイクロミラー１８を設けない形態の光学式ガスセンサを用い、実施例１と同様の条件で試験を行った。
その結果、光検出器から、図１１のグラフのグレーの線で示す信号が得られた。
図１１に示すように、実施例１の信号強度は、比較例１の信号強度に比べて２倍以上強いことが確認された。これは、実施例１では受光側光ファイバ３０に前方ラマン散乱光と後方ラマン散乱光の両方が入射されるのに対し、比較例では受光側光ファイバ３０に前方ラマン散乱光のみが入射されるためである。
以上より、第１実施形態おけるラマン散乱光学系を構成すれば、受光側光ファイバ３０に入射されるラマン散乱光の光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できることが確認された。
以上より、第１実施形態おけるラマン散乱光学系を構成すれば、受光側光ファイバ３０に入射されるラマン散乱光の光強度が強くなり、高感度で測定対象ガスを測定できることが確認された。
［感度試験］
（実施例２）
上記第４実施形態に係る光学式ガスセンサ４（図９参照）を用いて、ガス濃度に対する感度を測定した。
試験に用いた光学式ガスセンサ４のガス検出部１０に構成された吸光光学系は、入射側マイクロレンズ１２と受光側マイクロレンズ１３との間の距離は10mmに設定されている。また、入射側光ファイバ２０に接続する光源として重水素ランプ（浜松ホトニクス社製L10671）、受光側光ファイバ３０に接続する光検出器としてCCDアレイ付き分光器（オーシャンオプティクス社製USB2000+）を用いた。そして、ガス検出部１０に種々の濃度のアンモニアガス（NH3）を導入して、各濃度における吸光度を測定した。
その結果、図１２のグラフが得られた。
（実施例２）
上記第４実施形態に係る光学式ガスセンサ４（図９参照）を用いて、ガス濃度に対する感度を測定した。
試験に用いた光学式ガスセンサ４のガス検出部１０に構成された吸光光学系は、入射側マイクロレンズ１２と受光側マイクロレンズ１３との間の距離は10mmに設定されている。また、入射側光ファイバ２０に接続する光源として重水素ランプ（浜松ホトニクス社製L10671）、受光側光ファイバ３０に接続する光検出器としてCCDアレイ付き分光器（オーシャンオプティクス社製USB2000+）を用いた。そして、ガス検出部１０に種々の濃度のアンモニアガス（NH3）を導入して、各濃度における吸光度を測定した。
その結果、図１２のグラフが得られた。
図１２に示すように、実施例２の光学式ガスセンサ４を用いれば、アンモニアガスの毒性許容濃度である25ppmまでを十分に検出可能であることが確認された。
１、２ 光学式ガスセンサ、
１０ ガス検出部、
１１ 小型光学ベンチ、
１２ 入射側マイクロレンズ、
１３ 受光側マイクロレンズ、
１４ 入射側光ファイバ固定溝、
１５ 受光側光ファイバ固定溝、
１６ 入射側マイクロレンズ固定溝、
１７ 受光側マイクロレンズ固定溝、
１８ マイクロミラー、
２０ 入射側光ファイバ、
３０ 受光側光ファイバ、
１０ ガス検出部、
１１ 小型光学ベンチ、
１２ 入射側マイクロレンズ、
１３ 受光側マイクロレンズ、
１４ 入射側光ファイバ固定溝、
１５ 受光側光ファイバ固定溝、
１６ 入射側マイクロレンズ固定溝、
１７ 受光側マイクロレンズ固定溝、
１８ マイクロミラー、
２０ 入射側光ファイバ、
３０ 受光側光ファイバ、
Claims (10)
- 一端が光源に接続される入射側光ファイバと、
一端が光検出器に接続される受光側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの他端から出射される光を測定対象ガスに入射し、該測定対象ガスとの相互作用により出射される光を前記受光側光ファイバの他端に入射する光学系が構成されたガス検出部と、を備え、
前記ガス検出部は、
小型光学ベンチを備え、
該小型光学ベンチには、
前記入射側光ファイバの他端を固定する入射側光ファイバ固定部と、
前記受光側光ファイバの他端を固定する受光側光ファイバ固定部と、が一体形成されている
ことを特徴とする光学式ガスセンサ。 - 前記ガス検出部は、
前記入射側光ファイバの他端から出射される光を平行光線にする入射側マイクロレンズと、
前記測定対象ガスとの相互作用により出射される光を集光して前記受光側光ファイバに入射する受光側マイクロレンズと、を備え、
前記小型光学ベンチには、
前記入射側マイクロレンズを固定する入射側マイクロレンズ固定溝と、
前記受光側マイクロレンズを固定する受光側マイクロレンズ固定溝と、が一体形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の光学式ガスセンサ。 - 前記小型光学ベンチには、
光を反射する光反射体が一体形成されている
ことを特徴とする請求項１または２記載の光学式ガスセンサ。 - 前記ガス検出部には、
前記入射側光ファイバの他端から出射される光を前記測定対象ガスに入射し、
該測定対象ガスとの相互作用により出射されるラマン散乱光を前記受光側光ファイバの他端に入射する、ラマン散乱光学系が構成されている
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の光学式ガスセンサ。 - 前記ガス検出部には、
前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を反射する前記光反射体と、
前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の光学式ガスセンサ。 - 前記ガス検出部には、
前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの光軸上に配置され、該入射側光ファイバから出射された光を反射する前記光反射体と、
前記入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される後方ラマン散乱光、および、前記光反射体により反射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の光学式ガスセンサ。 - 前記ガス検出部には、
前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、
前記入射側光ファイバの光軸を挟んで所定間隔を空けて配置され、該入射側光ファイバから出射された光と前記測定対象ガスとの相互作用により出射される前方ラマン散乱光を反射する一対の前記光反射体と、
前記一対の光反射体により反射された前方ラマン散乱光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、からラマン散乱光学系が構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の光学式ガスセンサ。 - 前記ガス検出部には、
前記入射側光ファイバの他端から出射される光を前記測定対象ガスに入射し、
該測定対象ガスを通過した出射光を前記受光側光ファイバの他端に入射する、光吸収光学系が構成されている
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の光学式ガスセンサ。 - 前記ガス検出部には、
前記測定対象ガスに光を入射する前記入射側光ファイバと、
前記入射側光ファイバから出射された光を前記測定対象ガス中において多数回反射させる複数の前記光反射体と、
前記光反射体により反射され、前記測定対象ガスを通過した出射光が入射する位置に配置された前記受光側光ファイバと、から光吸収光学系が構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の光学式ガスセンサ。 - 前記小型光学ベンチは、フォトリソグラフィ、フォトファブリケーション、ナノインプリント、射出成形、金型成形のいずれか一の手段により形成されたものである
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載の光学式ガスセンサ。
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| JP2020034475A (ja) * | 2018-08-31 | 2020-03-05 | 株式会社四国総合研究所 | ガス濃度測定装置およびガス濃度連続測定方法 |
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