JP2015155848A - optical sensor chip - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、例えば、大気中に存在する特定のガス成分の濃度を吸光分析法により測定するガス濃度測定システムにおいて使用される光学式センサチップに関するものである。 The present invention relates to an optical sensor chip used in, for example, a gas concentration measurement system that measures the concentration of a specific gas component existing in the atmosphere by absorption spectrometry.
ガス濃度測定システムにおいて使用される光学式センサチップは、光源からの光を照射用光ファイバーから測定対象ガスに照射するとともに、該ガスを通過した光を受光用光ファイバーにおいて受光してこれを受光装置に伝送し、さらに上記受光装置においては、受光用光ファイバーから伝送された光に基づいて、ガス通過時の吸光度から測定対象ガスの濃度を定量的に求めるとともに、光吸収スペクトルのピーク波長からガス種を特定するようになっている。 An optical sensor chip used in a gas concentration measurement system irradiates light from a light source onto a measurement target gas from an irradiation optical fiber, and receives the light that has passed through the gas with a light receiving optical fiber. Further, in the light receiving device, based on the light transmitted from the light receiving optical fiber, the concentration of the gas to be measured is quantitatively determined from the absorbance at the time of gas passage, and the gas type is determined from the peak wavelength of the light absorption spectrum. It has come to identify.
このように、吸光分析法によるガス成分の濃度測定では、照射用光ファイバーから測定対象ガスに照射された光を、該ガス通過後に受光用光ファイバーで受光して受光装置に伝送するのを基本動作としているため、このガス濃度の測定精度を高めるには、上記照射用光ファイバーから受光用光ファイバーに至る光路長さを長くして、照射光が測定対象ガス中を通過する距離を長くすることが有効であることは周知である。しかし、単に、同軸上に対向配置した照射用光ファイバーと受光用光ファイバーの間隔を拡大して光路長さを直線方向に延長する手法も考えられるが、係る手法では光学式センサチップが大型化するため実用的とはいえない。 As described above, in the concentration measurement of the gas component by the absorption spectrometry, the basic operation is to receive the light irradiated to the measurement target gas from the irradiation optical fiber and transmit it to the light receiving device after receiving the gas by the light receiving optical fiber. Therefore, in order to increase the measurement accuracy of the gas concentration, it is effective to lengthen the optical path length from the irradiation optical fiber to the light receiving optical fiber so that the irradiation light passes through the measurement target gas. It is well known. However, it is possible to simply extend the optical path length in the linear direction by increasing the distance between the optical fiber for irradiation and the optical fiber for light reception that are opposed to each other on the same axis. However, this method increases the size of the optical sensor chip. Not practical.
また、光学式センサチップには、上述の如き測定精度の向上という要求の他に、コンパクト化という普遍的な要求があり、これらを両立させるためには、形体の大型化を招来することなく光路長の延長を可能としなければならない。 In addition to the above-mentioned demand for improvement in measurement accuracy, the optical sensor chip has a universal demand for compactness. In order to achieve both of these requirements, the optical path is not increased without causing an increase in size. It must be possible to extend the length.
このような要請に応えるものとして、上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーを同軸上に対向させる構成とするのに代えて、上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーを並置するとともに、これらの前方に反射材を配置し、上記照射用光ファイバーからの照射光を上記反射材で折り返して上記受光用光ファイバーに入射させることで、光学式センサチップの大型化を抑えつつ光路長の延長を図るようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１、２ 参照）。 In order to meet such a demand, instead of adopting a configuration in which the irradiation optical fiber and the light receiving optical fiber are coaxially opposed to each other, the irradiation optical fiber and the light receiving optical fiber are juxtaposed, and a reflecting material is disposed in front of them. Is arranged so that the light from the irradiation optical fiber is folded back by the reflector and incident on the light receiving optical fiber, thereby suppressing the increase in size of the optical sensor chip and extending the optical path length. It has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
ところで、上掲の各特許文献に示される光学式センサチップ（光学式ガスセンサ）においては、光路長の延長を図るための反射材としてミラー（一般的には、金属蒸着ミラーや誘電体多層膜蒸着ミラー）を採用しているが、これらの蒸着ミラーは耐熱性が低く（２００℃程度）、また化学物質（腐食性ガス）や水分によって腐食または剥離する場合がある。このため、例えば、火力発電所等のボイラーの燃焼にともなって発生する高温の排ガス中のガス成分の濃度測定とか、大気中の公害ガスの濃度測定、プラント施設での可燃性ガスとか毒性ガスの濃度測定等のような過酷条件下において使用されることが多い光学式センサチップとして好適とは言い難く、該光学式センサチップの使用上における信頼性の確保という点において改善の余地がある。 By the way, in the optical sensor chip (optical gas sensor) shown in each of the above-mentioned patent documents, a mirror (generally, a metal vapor deposition mirror or a dielectric multilayer film vapor deposition) is used as a reflector for extending the optical path length. These vapor deposition mirrors have low heat resistance (about 200 ° C.), and may be corroded or peeled off by chemical substances (corrosive gas) or moisture. For this reason, for example, the measurement of the concentration of gas components in high-temperature exhaust gas generated by the combustion of boilers such as thermal power plants, the measurement of the concentration of pollutant gases in the atmosphere, and the combustible or toxic gas in plant facilities It is difficult to say that it is suitable as an optical sensor chip that is often used under severe conditions such as concentration measurement, and there is room for improvement in terms of ensuring reliability in use of the optical sensor chip.
また、反射材としてミラーを用いた光学式センサチップにおいて、その検出精度を高めるためには該ミラーにおける光の高反射性が要求されるが、金属蒸着ミラーを用いた場合には、その蒸着金属の表面において僅かながら光が乱反射し、あるいは光が透過してしまうために、高反射性が損なわれることから、ガス成分の検出精度の向上には自ずと限界がある。 In addition, in an optical sensor chip using a mirror as a reflector, in order to increase the detection accuracy, high reflectivity of light in the mirror is required. However, when a metal vapor deposition mirror is used, the vapor deposition metal Since the light is slightly diffusely reflected or transmitted on the surface of the glass, the high reflectivity is lost, so there is a limit to the improvement in detection accuracy of the gas component.
そこで本願発明は、測定精度の向上と信頼性の確保との両立を可能とした光学式センサチップを提供することを目的としてなされたものである。 Accordingly, the present invention has been made for the purpose of providing an optical sensor chip capable of improving both measurement accuracy and ensuring reliability.
本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。 In the present invention, the following configuration is adopted as a specific means for solving such a problem.
本願の第１の発明では、ベース材に、光源装置からの光を照射する照射用光ファイバーと、該照射用光ファイバーからの光を反射させるプリズムと、該プリズムからの反射光を受光して受光装置に伝送する受光用光ファイバーを備えて構成される光学式センサチップにおいて、上記プリズムを上記ベース材に対して、光の入射面及び出射面となる前面と該前面の後方に位置して光の反射面となる一対の背面以外の１面または２面において固着したことを特徴としている。 In the first invention of the present application, an optical fiber for irradiation that irradiates light from a light source device to a base material, a prism that reflects light from the optical fiber for irradiation, and a light receiving device that receives reflected light from the prism. In the optical sensor chip configured to include a light receiving optical fiber that transmits light to the base material, the prism is located on the front surface serving as the light incident surface and the light emitting surface, and on the rear side of the front surface. It is characterized by being fixed on one surface or two surfaces other than the pair of back surfaces to be surfaces.
本願の第２の発明では、上記第１の発明に係る光学式センサチップにおいて、上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーを縦方向に並設する一方、上記プリズムを光路上に複数個配設するとともに、該複数のプリズムのうち、光路の略中間位置に配設される一のプリズムを、その一対の背面が縦方向に並ぶように配置し、他のプリズムを、その一対の背面が横方向に並ぶように配置したことを特徴としている。 According to a second invention of the present application, in the optical sensor chip according to the first invention, the irradiation optical fiber and the light receiving optical fiber are arranged side by side in the vertical direction, and a plurality of the prisms are arranged on the optical path. , Among the plurality of prisms, one prism disposed at an approximately middle position of the optical path is disposed so that the pair of back surfaces are arranged in the vertical direction, and the other prism is disposed in the lateral direction. It is characterized by being arranged side by side.
本願の第３の発明では、上記第１または第２の発明に係る光学式センサチップにおいて、上記プリズムを石英または透明セラミックスで構成するとともに、上記ベース材をセラミックスで構成したことを特徴としている。
ここで、プリズムを構成する透明セラミックスとしては、例えばアルミナ、アルミン酸イットリウム、酸化イットリウム、単結晶サファイア等を用いることができる。また、ベース材を構成するセラミックスとしては、例えばアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、コージライト、ムライト、ジルコニア等を用いることができるが、アルミナは、耐熱性が高く成形し易いため好ましい。
According to a third invention of the present application, in the optical sensor chip according to the first or second invention, the prism is made of quartz or transparent ceramics, and the base material is made of ceramics.
Here, as the transparent ceramic constituting the prism, for example, alumina, yttrium aluminate, yttrium oxide, single crystal sapphire, or the like can be used. As the ceramic constituting the base material, for example, alumina, silicon nitride, silicon carbide, aluminum nitride, cordierite, mullite, zirconia, and the like can be used. Alumina is preferable because it has high heat resistance and is easy to mold.
本願の第４の発明では、上記第３の発明に係る光学式センサチップにおいて、上記ベース材に上記光ファイバーを接続するためのフェルールを線膨張係数が８ppm/℃以下のセラミックスで構成するとともに、該フェルールと上記光ファイバーを耐熱性接着剤によって固着したことを特徴としている。
ここで、線膨張係数が８ppm/℃以下の熱膨張による形状変化が比較的小さいセラミックスとしては、例えばアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、コージライト、ムライト等を用いることができる。また、耐熱性接着剤としては、例えばシリカ系接着剤、アルミナ系接着剤、窒化アルミニウム系接着剤、マグネシア系接着剤、ジルコニア系接着剤等を用いることができるが、シリカ系接着剤は、線膨張係数が小さく熱膨張による形状変化が小さいため好ましい。
According to a fourth invention of the present application, in the optical sensor chip according to the third invention, the ferrule for connecting the optical fiber to the base material is made of ceramics having a linear expansion coefficient of 8 ppm / ° C. or less, The ferrule and the optical fiber are fixed with a heat-resistant adhesive.
Here, as ceramics having a relatively small shape change due to thermal expansion having a linear expansion coefficient of 8 ppm / ° C. or less, for example, alumina, silicon nitride, silicon carbide, aluminum nitride, cordierite, mullite, or the like can be used. As the heat-resistant adhesive, for example, a silica-based adhesive, an alumina-based adhesive, an aluminum nitride-based adhesive, a magnesia-based adhesive, a zirconia-based adhesive, and the like can be used. This is preferable because the expansion coefficient is small and the shape change due to thermal expansion is small.
本願発明では次のような効果が得られる。
（ａ）本願の第１の発明
本願の第１の発明に係る光学式センサチップによれば、上記プリズムを上記ベース材に対して、光の入射面及び出射面となる前面と該前面の後方に位置して光の反射面となる一対の背面以外の１面または２面において固着するようにしているので、上記プリズムの上記一対の背面側には接着剤等が付着しておらず、空気等の気体層が不可避的に存在することから、入射光は上記背面で確実に全反射し、これによってガス濃度の測定精度が高められる。
In the present invention, the following effects can be obtained.
(A) 1st invention of this application According to the optical sensor chip which concerns on 1st invention of this application, with respect to the said base material, the front surface used as the light-incidence surface and an output surface with respect to the said base material, and the back of this front surface Is fixed to one or two surfaces other than the pair of back surfaces serving as light reflecting surfaces, and no adhesive or the like is attached to the pair of back surfaces of the prism, and air Since the gas layer such as inevitably exists, the incident light is surely totally reflected on the back surface, thereby increasing the measurement accuracy of the gas concentration.
（ｂ）本願の第２の発明
本願の第２の発明に係る光学式センサチップによれば、上記（ａ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーを縦方向に並設する一方、上記プリズムを光路上に複数個配設するとともに、該複数のプリズムのうち、光路の略中間位置に配設されるプリズムを、その一対の背面が縦方向に並ぶように配置しているので、上記照射用光ファイバーからの照射光は、一の平面上に形成される光路に沿って進むが、これが光路の略中間位置に配設された上記プリズムに入射されると、該プリズムにおいてその出射位置が入射位置よりも上側あるいは下側へ変化し、それ以降はこの変化した出射位置を含む他の平面上に形成される光路に沿って進んで上記受光用光ファイバーに入射される、即ち、光路が上下二つの平面上においてそれぞれ形成されることから、例えば、一の平面上のみに光路が形成される場合に比して、光路長を２倍に延長することができる。
(B) 2nd invention of this application According to the optical sensor chip concerning the 2nd invention of this application, in addition to the effect as described in the above (a), the following peculiar effects are acquired. That is, in the present invention, the irradiation optical fiber and the light receiving optical fiber are arranged side by side in the vertical direction, and a plurality of the prisms are arranged on the optical path, and the prisms are arranged at a substantially intermediate position of the optical path. Since the pair of prisms are arranged so that the pair of back surfaces are arranged in the vertical direction, the irradiation light from the irradiation optical fiber travels along the optical path formed on one plane, which is the optical path When the light is incident on the prism disposed at a substantially intermediate position, the emission position of the prism changes to the upper side or the lower side of the incident position, and thereafter, on the other plane including the changed emission position. The light path travels along the optical path formed on the optical fiber and is incident on the light receiving optical fiber. That is, the optical path is formed on two upper and lower planes. Than when formed, it may extend the optical path length is doubled.
この結果、例えば、性能面から要求される光路長を同じとすれば、光路長が延長される分だけ光学式センサチップ１を小型にしてそのコンパクト化を図ることができる。また、２倍に延長された光路長を利用すれば、照射光が測定対象ガスを通過する距離を長くして、光学式センサチップのガス濃度の測定精度を高めることもできる。 As a result, for example, if the optical path length required in terms of performance is the same, the optical sensor chip 1 can be made smaller and more compact as much as the optical path length is extended. If the optical path length extended twice is used, the distance through which the irradiation light passes through the measurement target gas can be increased, and the measurement accuracy of the gas concentration of the optical sensor chip can be increased.
（ｃ）本願の第３の発明
本願の第３の発明に係る光学式センサチップによれば、上記（ａ）または（ｂ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記プリズムを石英または透明セラミックスで構成するとともに、上記ベース材をセラミックスで構成したので、上記プリズム及びベース材が共に高い耐熱性及び耐腐食性をもつことになり、この結果、上記光学式センサチップは過酷条件下での使用が可能となりその適用範囲の拡大が図れるとともに、使用上の信頼性が向上する。
(C) Third invention of the present application According to the optical sensor chip of the third invention of the present application, in addition to the effects described in the above (a) or (b), the following specific effects can be obtained. . That is, in the present invention, the prism is made of quartz or transparent ceramics, and the base material is made of ceramics, so that both the prism and the base material have high heat resistance and corrosion resistance. The optical sensor chip can be used under severe conditions, and its application range can be expanded, and reliability in use is improved.
（ｄ）本願の第４の発明
本願の第４の発明に係る光学式センサチップによれば、上記（ｃ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記ベース材に上記光ファイバーを接続するためのフェルールを線膨張係数が８ppm/℃以下のセラミックスで構成したことで、上記フェルールの耐熱性及び耐腐食性によって光ファイバーを高温環境及び腐食環境から保護することができ、さらに、フェルールの高温環境での熱膨張による形状変化を小さくし、フェルールに固着されている光ファイバーに過度の引張力が加わらないようにして破断等を防ぎ、該光ファイバーの耐久性を向上させることができる。
なお、フェルールを、ベース材と同じ材質や線膨張係数が近似した材質によって構成すると、温度環境が急激に変化した場合等にフェルールの破損を防ぐことができるため好ましい。
(D) 4th invention of this application According to the optical sensor chip concerning the 4th invention of this application, in addition to the effect as described in said (c), the following specific effects are acquired. That is, according to the present invention, the ferrule for connecting the optical fiber to the base material is made of ceramics having a linear expansion coefficient of 8 ppm / ° C. or less, so that the optical fiber is heated in a high-temperature environment by the heat resistance and corrosion resistance of the ferrule. It can be protected from corrosive environment, and further, the shape change due to thermal expansion in the high temperature environment of the ferrule is reduced, and an excessive tensile force is not applied to the optical fiber fixed to the ferrule to prevent breakage, etc. The durability of the optical fiber can be improved.
Note that it is preferable that the ferrule is made of the same material as the base material or a material having a similar linear expansion coefficient, because the ferrule can be prevented from being damaged when the temperature environment changes rapidly.
また、上記フェルールと上記光ファイバーを耐熱性接着剤によって固着したことで、高温環境においてフェルールから光ファイバーが抜け落ちたり、位置ずれを生じたりすることを防ぐことができる。 Further, by fixing the ferrule and the optical fiber with a heat-resistant adhesive, it is possible to prevent the optical fiber from falling out of the ferrule or causing a positional shift in a high temperature environment.
《第１の実施形態》
図１は、本願発明の第１の実施形態に係る光学式センサチップ１を備えたガス濃度測定システムの構成図である。このガス濃度測定システムは、本願発明の要旨に係る光学式センサチップ１の他に、光源装置２と受光装置３を備え、上記光源装置２において発振した光を、照射用光ファイバー４を介して上記光学式センサチップ１に伝送し、該照射用光ファイバー４の先端から測定対象ガス中に照射するとともに、各プリズム２１〜２４で反射した反射光を、受光用光ファイバー５を介して上記受光装置３に伝送する。また、上記受光装置３においては、上記受光用光ファイバー５から伝送された反射光に基づいて、ガス通過時の吸光度から測定対象ガスの濃度を定量的に求めるとともに、光吸収スペクトルのピーク波長からガス種を特定するようになっている。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a configuration diagram of a gas concentration measurement system including an optical sensor chip 1 according to the first embodiment of the present invention. This gas concentration measurement system includes a light source device 2 and a light receiving device 3 in addition to the optical sensor chip 1 according to the gist of the present invention, and the light oscillated in the light source device 2 is transmitted through the irradiation optical fiber 4 to The light is transmitted to the optical sensor chip 1 and irradiated into the measurement target gas from the tip of the irradiation optical fiber 4, and the reflected light reflected by the prisms 21 to 24 is transmitted to the light receiving device 3 through the light receiving optical fiber 5. To transmit. In the light receiving device 3, the concentration of the measurement target gas is quantitatively obtained from the absorbance at the time of gas passage based on the reflected light transmitted from the light receiving optical fiber 5, and the gas is measured from the peak wavelength of the light absorption spectrum. The species is to be specified.
以下、上記光学式センサチップ１の構成等を具体的に説明する。 Hereinafter, the configuration and the like of the optical sensor chip 1 will be specifically described.
上記光学式センサチップ１は、図２及び図３に示すように、ベース材１０に、照射用光ファイバー４と照射用レンズ８Ａ、受光用光ファイバー５と受光用レンズ８Ｂ、及び四個のプリズム２１〜２４を取り付けて構成される。 2 and 3, the optical sensor chip 1 includes a base material 10, an irradiation optical fiber 4 and an irradiation lens 8A, a light receiving optical fiber 5 and a light receiving lens 8B, and four prisms 21 to 21. 24 is attached.
１：ベース材１０
上記ベース材１０は、略長矩形の平面形体をもつセラミックス焼結体（アルミナ）で構成され、その長手方向の一端寄り部位と他端寄り部位は、それぞれ厚肉の第１基台部１１及び第２基台部１２とされており、これら各基台部１１，１２は薄肉の連結部１３を挟んで離間対向している。これら各基台部１１，１２と上記連結部１３の三者で囲まれた空間部は照射光の光路スペースとなる。
1: Base material 10
The base material 10 is formed of a ceramic sintered body (alumina) having a substantially long rectangular planar shape, and a portion closer to one end and a portion closer to the other end in the longitudinal direction are respectively a thick first base 11 and A second base portion 12 is formed, and the base portions 11 and 12 are opposed to each other with a thin connecting portion 13 interposed therebetween. A space portion surrounded by the three base portions 11 and 12 and the connecting portion 13 serves as an optical path space for irradiation light.
なお、この実施形態では上記ベース材１０を一体構造としているが、本願発明は係る構造に限定されるものではなく、例えば、複数ピースに分割形成し、これを接合して一体化する構造とすることもできる。 In this embodiment, the base material 10 has an integrated structure. However, the present invention is not limited to such a structure. For example, the base material 10 is divided into a plurality of pieces and joined to be integrated. You can also.
１−１：第１基台部１１側の構造
１−１−ａ：フェルール取付部１４
上記第１基台部１１の幅方向の一端寄り部位はフェルール取付部１４とされ、ここには照射孔１５と、受光孔１６が、縦方向に所定間隔をもって平行に、且つ上記第２基台部１２側へ指向した状態で形成されている。
1-1: Structure on the first base portion 11 side 1-1-a: Ferrule mounting portion 14
A portion near the one end in the width direction of the first base portion 11 is a ferrule mounting portion 14, where an irradiation hole 15 and a light receiving hole 16 are parallel to each other in the vertical direction with a predetermined interval, and the second base portion. It is formed in a state oriented toward the portion 12 side.
そして、図３及び図４に示すように、下段側に位置する上記照射孔１５には、上記受光用光ファイバー５の先端に固定された照射用フェルール６Ａが嵌挿され、且つ接着剤３４によって固定されている。また、上記照射用フェルール６Ａの前方側には、照射用レンズ８Ａが取り付けられている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the irradiation ferrule 6 </ b> A fixed to the distal end of the light receiving optical fiber 5 is inserted into the irradiation hole 15 located on the lower side and fixed by the adhesive 34. Has been. An irradiation lens 8A is attached to the front side of the irradiation ferrule 6A.
ここで、フェルールの構造を、図４に示す受光用フェルール６Ｂを例にとって具体的に説明する。上記受光用フェルール６Ｂは、セラミックス焼結体（アルミナ）で構成され、その軸心部には小径の貫通穴６０が設けられる一方、その軸方向の一端面には皿状に凹入する凹部６１が、他端面には上記凹部６１より小径の凹部６２が、それぞれ設けられている。 Here, the structure of the ferrule will be specifically described taking the light receiving ferrule 6B shown in FIG. 4 as an example. The light receiving ferrule 6B is made of a ceramic sintered body (alumina), and a small diameter through hole 60 is provided in the axial center portion of the ferrule 6B. However, a recess 62 having a diameter smaller than that of the recess 61 is provided on the other end surface.
そして、上記受光用フェルール６Ｂの上記貫通穴６０内に上記凹部６１側から凹部６２側に向けて受光用光ファイバー５の先端部を挿入し、該受光用光ファイバー５の先端を上記凹部６２に充填した耐熱性のシリカ系接着剤３３によって接着固定するとともに、上記凹部６１側は、該凹部６１に充填した耐熱性のシリカ系接着剤３３によって接着固定している。この場合、上記凹部６１側の接着剤３３は、該凹部６１内に留まることなく該凹部６１から外方に向けて大きく砲弾型に盛り上げられている。 Then, the tip of the light receiving optical fiber 5 is inserted into the through hole 60 of the light receiving ferrule 6B from the concave portion 61 side to the concave portion 62 side, and the tip of the light receiving optical fiber 5 is filled into the concave portion 62. While being bonded and fixed with a heat-resistant silica-based adhesive 33, the concave portion 61 side is bonded and fixed with a heat-resistant silica-based adhesive 33 filled in the concave portion 61. In this case, the adhesive 33 on the concave portion 61 side is greatly raised in a bullet shape outwardly from the concave portion 61 without staying in the concave portion 61.
このように構成された上記受光用フェルール６Ｂは、上記受光孔１６内に嵌挿され、且つ耐熱性のシリカ系接着剤３４によって接着固定されることで上記ベース材１０側に取り付けられる。なお、上記受光用光ファイバー５は、心材３１とその周囲を被覆するコート３２で構成されている（上記照射用光ファイバー４も同様である）。 The light receiving ferrule 6B configured as described above is fitted into the light receiving hole 16 and attached to the base member 10 by being bonded and fixed by a heat-resistant silica-based adhesive 34. The light receiving optical fiber 5 is composed of a core material 31 and a coat 32 covering the periphery thereof (the same applies to the irradiation optical fiber 4).
このように上記受光用フェルール６Ｂと受光用光ファイバー５を、耐熱性のシリカ系接着剤３３によって接着固定したことで、高温環境においてフェルール６Ｂから光ファイバー５が抜け落ちたり、位置ずれを生じたりすることを防ぐことができる。
また、シリカ系接着剤は、線膨張係数が約０．７ppm／℃と小さく、高温環境での熱膨張による形状変化が小さいことから、高温環境においてフェルール６Ｂへの追従性が高く、さらに、光ファイバー５に過度の引張力を加えることがないため破断等を防ぐことができる。なお、光ファイバー５の心材３１を石英で構成した場合、線膨張係数は約０．６ppm／℃であり、上記シリカ系接着剤の線膨張係数と近似した値となる。
As described above, the light receiving ferrule 6B and the light receiving optical fiber 5 are bonded and fixed by the heat-resistant silica-based adhesive 33, so that the optical fiber 5 falls off from the ferrule 6B or is displaced in a high temperature environment. Can be prevented.
Further, since the silica-based adhesive has a small linear expansion coefficient of about 0.7 ppm / ° C. and a small change in shape due to thermal expansion in a high temperature environment, the followability to the ferrule 6B is high in a high temperature environment. Since an excessive tensile force is not applied to 5, breakage and the like can be prevented. When the core material 31 of the optical fiber 5 is made of quartz, the linear expansion coefficient is about 0.6 ppm / ° C., which is a value approximate to the linear expansion coefficient of the silica-based adhesive.
１−１−ｂ：第２プリズム取付部１８
上記第１基台部１１の幅方向略中央位置の前面側（上記連結部１３寄りの面）には、該第１基台部１１の上面１１ａ側から下方に向けて二等辺三角形状に切り込まれた状態で第２プリズム取付部１８が形成されている。
1-1-b: Second prism mounting portion 18
Cut into an isosceles triangle shape from the top surface 11a side of the first base part 11 downward to the front side (surface close to the connecting part 13) of the first base part 11 at a substantially central position in the width direction. A second prism mounting portion 18 is formed in the inserted state.
上記第２プリズム取付部１８の折曲した２面には、図２、図３、図５、図６に示すように、上下両端縁側を横方向へ延びる帯状の高位部１８ｂ、１８ｂが形成されるとともに、これら上下一対の高位部１８ｂ、１８ｂに挟まれた中間部分は該高位部１８ｂ、１８ｂよりも高さの低い低位部１８ａとされている。 As shown in FIGS. 2, 3, 5, and 6, strip-shaped high-order parts 18b and 18b extending in the lateral direction on both upper and lower edges are formed on the two bent surfaces of the second prism mounting part 18. In addition, an intermediate portion sandwiched between the pair of upper and lower high-order parts 18b and 18b is a low-order part 18a having a lower height than the high-order parts 18b and 18b.
そして、この第２プリズム取付部１８には、石英または透明セラミックスで構成された第２プリズム２２が取り付けられる。即ち、上記第２プリズム２２は、その直交する二面、即ち、背面２２ａ，２２ｂを上記第２プリズム取付部１８の折曲した二面に対向するように配置し、該背面２２ａ，２２ｂの上下両端縁部を上記第２プリズム取付部１８の上下一対の高位部１８ｂ、１８ｂにそれぞれ衝合させる。この衝合状態で、該第２プリズム２２の下面２２ｄを、上記第２プリズム取付部１８に対応する上記連結部１３の上面に接着剤３５によって接着固定する（図５参照）。 A second prism 22 made of quartz or transparent ceramics is attached to the second prism attaching portion 18. That is, the second prism 22 is disposed so that two orthogonal surfaces thereof, that is, the rear surfaces 22a and 22b are opposed to the two bent surfaces of the second prism mounting portion 18, and the upper and lower surfaces of the rear surfaces 22a and 22b. Both edge portions are brought into contact with a pair of upper and lower high portions 18b, 18b of the second prism mounting portion 18, respectively. In this abutting state, the lower surface 22d of the second prism 22 is bonded and fixed to the upper surface of the connecting portion 13 corresponding to the second prism mounting portion 18 with an adhesive 35 (see FIG. 5).
この第２プリズム取付部１８への第２プリズム２２の取付状態においては、図６に示すように、該第２プリズム２２の背面２２ａ，２２ｂと上記第２プリズム取付部１８の低位部１８ａとの間に、該低位部１８ａと高位部１８ｂとの段差寸法に対応する厚さの空間部３７が形成されている。
１−１−ｃ：第４プリズム取付部２０
In the mounting state of the second prism 22 to the second prism mounting portion 18, as shown in FIG. 6, the back surfaces 22 a and 22 b of the second prism 22 and the lower portion 18 a of the second prism mounting portion 18. A space 37 having a thickness corresponding to the step size between the lower portion 18a and the higher portion 18b is formed therebetween.
1-1-c: Fourth prism mounting portion 20
上記第１基台部１１の前面側（上記連結部１３寄りの面）で且つ上記第２プリズム取付部１８の側方位置には、該第１基台部１１の側面１１ｂから上記第２プリズム取付部１８側に向けて二等辺三角形状に切り込まれた状態で第４プリズム取付部２０が形成されている。したがって、この第４プリズム取付部２０の稜線は、上記第２プリズム取付部１８の稜線方向と直交することになる。 At the front surface side of the first base portion 11 (the surface near the connecting portion 13) and at the side position of the second prism mounting portion 18, the second prism extends from the side surface 11 b of the first base portion 11. A fourth prism mounting portion 20 is formed in a state of being cut in an isosceles triangle shape toward the mounting portion 18 side. Therefore, the ridge line of the fourth prism mounting portion 20 is orthogonal to the ridge line direction of the second prism mounting portion 18.
上記第４プリズム取付部２０の折曲した２面には、図２、図３、図７、図８に示すように、左右両端縁側を縦方向へ延びる帯状の高位部２０ｂ、２０ｂが形成されるとともに、これら左右一対の高位部２０ｂ、２０ｂに挟まれた中間部分は該高位部２０ｂ、２０ｂよりも高さが低い低位部２０ａとされている。 On the two bent surfaces of the fourth prism mounting part 20, as shown in FIGS. 2, 3, 7, and 8, strip-like high-order parts 20b and 20b extending in the vertical direction on both left and right edges are formed. In addition, an intermediate portion sandwiched between the pair of left and right high-order parts 20b and 20b is a low-order part 20a whose height is lower than that of the high-order parts 20b and 20b.
そして、この第４プリズム取付部２０には、石英または透明セラミックスで構成された第４プリズム２４が取り付けられる。即ち、上記第４プリズム２４は、その直交する二面、即ち、背面２４ａ，２４ｂを上記第４プリズム取付部２０の折曲した二面に対向するように配置し、該背面２４ａ，２４ｂの上下両端縁部を上記第４プリズム２４の左右一対の高位部２０ｂ、２０ｂにそれぞれ衝合させる。この衝合状態で、該第４プリズム２４の下面２４ｄを、上記第４プリズム取付部２０の底面２０ｃに接着剤３６によって接着固定する（図７、図８参照）。 A fourth prism 24 made of quartz or transparent ceramics is attached to the fourth prism attachment portion 20. That is, the fourth prism 24 is arranged so that its two orthogonal surfaces, that is, the rear surfaces 24a and 24b face the two bent surfaces of the fourth prism mounting portion 20, and the upper and lower surfaces of the rear surfaces 24a and 24b. Both end edges are brought into contact with the pair of left and right high-order parts 20b and 20b of the fourth prism 24, respectively. In this abutting state, the lower surface 24d of the fourth prism 24 is bonded and fixed to the bottom surface 20c of the fourth prism mounting portion 20 with an adhesive 36 (see FIGS. 7 and 8).
この第４プリズム取付部２０への上記第４プリズム２４の取付状態においては、図７に示すように、該第４プリズム２４の背面２４ａ，２４ｂと上記第４プリズム取付部２０の低位部２０ａとの間に、該低位部２０ａと高位部２０ｂとの段差寸法に対応する厚さの空間部３７が形成されている。 In the mounting state of the fourth prism 24 to the fourth prism mounting portion 20, as shown in FIG. 7, the back surfaces 24a and 24b of the fourth prism 24 and the lower portion 20a of the fourth prism mounting portion 20 A space 37 having a thickness corresponding to the step size between the lower portion 20a and the higher portion 20b is formed.
１−２：第２基台部１２側の構造
１−２−ａ：第１プリズム取付部１７及び第３プリズム取付部１９
上記第２基台部１２の前面側（上記連結部１３寄りの面）には、該第２基台部１２の上面１２ａ側から下方に向けて二等辺三角形状に切り込まれた状態で第１プリズム取付部１７と第３プリズム取付部１９が、横方向に隣接して形成されている。これら第１プリズム取付部１７と第３プリズム取付部１９の構造は、上記第１基台部１１側の上記第２プリズム取付部１８と同様とされている。即ち、上記第１プリズム取付部１７の折曲した二面の上下両端縁側には高位部１７ｂ，１７ｂが設けられるとともに、該高位部１７ｂ，１７ｂに挟まれた中間部位は低位部１７ａとされている。また、上記第３プリズム取付部１９の折曲した二面の上下両端縁側には高位部１９ｂ，１９ｂが設けられるとともに、該高位部１９ｂ，１９ｂに挟まれた中間部位は低位部１９ａとされている。
1-2: Structure on the second base 12 side 1-2a: First prism mounting portion 17 and third prism mounting portion 19
On the front side of the second base part 12 (the surface near the connecting part 13), the second base part 12 is cut in an isosceles triangle shape downward from the upper surface 12a side of the second base part 12. The 1 prism attachment part 17 and the 3rd prism attachment part 19 are formed adjacent to the horizontal direction. The structures of the first prism mounting portion 17 and the third prism mounting portion 19 are the same as those of the second prism mounting portion 18 on the first base 11 side. That is, high-order parts 17b and 17b are provided on both upper and lower end edges of the two bent surfaces of the first prism mounting part 17, and an intermediate part sandwiched between the high-order parts 17b and 17b is defined as a low-order part 17a. Yes. Further, high-order portions 19b and 19b are provided on both upper and lower end edges of the two bent surfaces of the third prism mounting portion 19, and an intermediate portion sandwiched between the high-order portions 19b and 19b is defined as a low-order portion 19a. Yes.
そして、図２、図３に示すように、上記第１プリズム取付部１７には第１プリズム２１が、上記第３プリズム取付部１９には第３プリズム２３がそれぞれ取り付けられるとともに、これらの取付状態においては、上記第１プリズム２１の背面２１ａ、２１ｂと上記第１プリズム取付部１７の折曲した二面の間、及び上記第３プリズム２３の背面２３ａ、２３ｂと上記第３プリズム取付部１９の折曲した二面の間には、それぞれ空間部３７が形成されている。 2 and 3, the first prism 21 is attached to the first prism attaching portion 17, and the third prism 23 is attached to the third prism attaching portion 19, respectively. , Between the back surfaces 21a and 21b of the first prism 21 and the two bent surfaces of the first prism mounting portion 17, and between the back surfaces 23a and 23b of the third prism 23 and the third prism mounting portion 19. Space portions 37 are formed between the two bent surfaces.
１−２−ｂ：各部材間の相対関係
上記第２基台部１２側に設けられた上記第１プリズム２１と第３プリズム２３と、上記第１基台部１１側に設けられた上記照射孔１５と受光孔１６と上記第２プリズム２２及び上記第４プリズム２４との平面視における相対関係は以下のように設定されている。
1-2-b: Relative relationship between members The first prism 21 and the third prism 23 provided on the second base part 12 side, and the irradiation provided on the first base part 11 side The relative relationship of the hole 15, the light receiving hole 16, the second prism 22, and the fourth prism 24 in plan view is set as follows.
上記照射孔１５と上記受光孔１６は、上記第１プリズム２１の幅方向外側の背面２１ａに対向している。上記第１プリズム２１の幅方向内側の背面２１ｂは，上記第２プリズム２２の一方の背面２２ｂに対向している。上記第２プリズム２２の他方の背面２２ａは，上記第３プリズム２３の幅方向内側の背面２３ａに対向している。上記第３プリズム２３の幅方向外側の背面２３ｂは、上記第４プリズム２４の下側の背面２４ａに対向している。上記第４プリズム２４の上側の背面２４ｂは、上記第３プリズム２３の外側の背面２３ｂに対向している。 The irradiation hole 15 and the light receiving hole 16 are opposed to the back surface 21 a on the outer side in the width direction of the first prism 21. A back surface 21 b on the inner side in the width direction of the first prism 21 faces one of the back surfaces 22 b of the second prism 22. The other back surface 22 a of the second prism 22 faces the back surface 23 a on the inner side in the width direction of the third prism 23. A back surface 23 b on the outer side in the width direction of the third prism 23 faces a back surface 24 a on the lower side of the fourth prism 24. The upper back surface 24 b of the fourth prism 24 faces the outer back surface 23 b of the third prism 23.
１−２−ｃ：光路
上記照射孔１５と受光孔１６、及び上記各プリズム２１〜２４が上記の如き相対関係に設定されていることで、図２に示すように、上記第１基台部１１側の上記第２プリズム２２と第４プリズム２４と、上記第２基台部１２側の上記第１プリズム２１と第３プリズム２３の間において、上下二つの光路が形成される。
1-2c: Optical path Since the irradiation hole 15, the light receiving hole 16, and the prisms 21 to 24 are set in the relative relationship as described above, as shown in FIG. Two upper and lower optical paths are formed between the second prism 22 and the fourth prism 24 on the 11th side and the first prism 21 and the third prism 23 on the second base 12 side.
第１の光路は、図２に矢流線で示すように、上記照射用光ファイバー４の軸線を含む水平面上に形成される往路側の光路であって、上記照射用光ファイバー４から照射された後、上記第１プリズム２１にその前面２１ｃの下方寄り位置から入射して左右二つの背面２１ａ，２１ｂでの全反射により折り返した後、上記第２プリズム２２にその前面２２ｃの下方寄り位置から入射して左右二つの背面２２ｂ，２２ａでの全反射により折り返し、さらに上記第３プリズム２３にその前面２３ｃの下方寄り位置から入射して左右二つの背面２３ａ，２３ｂでの全反射により折り返した後、上記第４プリズム２４にその前面２４ｃの下方寄り位置から入射する光路である。 The first optical path is an outward optical path formed on a horizontal plane including the axis of the irradiation optical fiber 4 after being irradiated from the irradiation optical fiber 4 as indicated by the arrow line in FIG. Then, the light enters the first prism 21 from the lower position of the front surface 21c and returns by total reflection at the two left and right rear surfaces 21a and 21b, and then enters the second prism 22 from the lower position of the front surface 22c. And then reflected by total reflection at the two left and right back surfaces 22b and 22a, and further incident on the third prism 23 from a position closer to the lower side of the front surface 23c and folded by total reflection at the two left and right back surfaces 23a and 23b. This is an optical path that enters the fourth prism 24 from a position closer to the lower side of the front surface 24c.
第２の光路は、図２に矢流線で示すように、上記第４プリズム２４での全反射により上記第３プリズム２３側へ折り返される復路側の光路であって、上記第４プリズム２４側から上記第３プリズム２３にその前面２３ｃの上方寄り位置から入射して左右二つの背面２３ｂ，２３ａでの全反射により折り返した後、上記第２プリズム２２にその前面２２ｃの上方寄り位置から入射して左右二つの背面２２ａ，２２ｂでの全反射により折り返し、さらに上記第１プリズム２１にその前面２１ｃの上方寄り位置から入射して左右二つの背面２１ｂ，２１ａでの全反射により折り返した後、上記受光用光ファイバー５に入射する光路である。
なお、本実施形態においては、照射孔１５と受光孔１６の配置を置き替えても差し支えなく、同じ光路長が確保される。
The second optical path is an optical path on the return path side that is folded back to the third prism 23 side by total reflection at the fourth prism 24 as indicated by the arrow line in FIG. 2, and is on the fourth prism 24 side. Is incident on the third prism 23 from above the front surface 23c and turned back by total reflection at the left and right back surfaces 23b, 23a, and then enters the second prism 22 from above the front surface 22c. And then folded back by total reflection on the two left and right back surfaces 22a and 22b, and further incident on the first prism 21 from a position closer to the upper side of the front surface 21c and turned back by total reflection on the two left and right back surfaces 21b and 21a. This is an optical path incident on the optical fiber 5 for light reception.
In the present embodiment, the arrangement of the irradiation hole 15 and the light receiving hole 16 can be interchanged, and the same optical path length is ensured.
１−３：作用効果
このように上記照射用光ファイバー４から照射された後、上記受光用光ファイバー５に入射されるまでの間に上記第１の光路と第２の光路という上下二段の光路が形成されることで、例えば、一の平面上に形成される光路のみ（即ち、上記第１の光路と第２の光路の何れか一つのみ）の場合に比して、２倍の光路長が確保される。
1-3: Action and Effect After the irradiation from the irradiation optical fiber 4 as described above, the two upper and lower optical paths, ie, the first optical path and the second optical path, are formed before being incident on the light receiving optical fiber 5. By being formed, for example, the optical path length is twice that of the optical path formed on one plane (that is, only one of the first optical path and the second optical path). Is secured.
この結果、２倍の光路長を持つ光学式センサチップ１においては、上記照射用光ファイバー４から照射された後、上記受光用光ファイバー５に入射される光線が測定対象ガスを含んだ空気中を通過する距離が倍増することから、ガス濃度の測定精度が向上することになる。また、例えば、性能面から要求される光路長を同じとすれば、光路長が２倍に延長される分だけ光学式センサチップ１を小型にしてそのコンパクト化を図ることが可能となる。 As a result, in the optical sensor chip 1 having a double optical path length, the light incident on the light receiving optical fiber 5 after being irradiated from the irradiation optical fiber 4 passes through the air containing the measurement target gas. As the distance to be doubled, the measurement accuracy of the gas concentration is improved. Further, for example, if the optical path length required from the viewpoint of performance is the same, the optical sensor chip 1 can be made smaller and more compact by the amount that the optical path length is doubled.
一方、上述の如き光学式センサチップ１のガス濃度の測定精度は、上記各プリズム２１〜２４において入射光が全反射されることが前提条件であって、この全反射性が損なわれると当初想定の性能を得ることができないことになる。したがって、上記各プリズム２１〜２４において全反射が確保されるように、該各プリズム２１〜２４の上記ベース材１０に対する取付構造を考慮することが必要である。 On the other hand, the measurement accuracy of the gas concentration of the optical sensor chip 1 as described above is a precondition that the incident light is totally reflected in each of the prisms 21 to 24, and it is initially assumed that this total reflection property is impaired. The performance of can not be obtained. Therefore, it is necessary to consider the mounting structure of the prisms 21 to 24 with respect to the base material 10 so that total reflection is ensured in the prisms 21 to 24.
即ち、プリズムでの全反射の条件の一つは、反射面である背面への光の入射角がプリズム（石英または透明セラミックス）の臨界角より大きいことであるが、この条件は、本実施形態においてはプリズムの前面に対してその光が垂直方向から入射するように構成したことで満たされている。 That is, one of the conditions for total reflection at the prism is that the incident angle of light on the back surface, which is the reflection surface, is larger than the critical angle of the prism (quartz or transparent ceramics). In this case, the light is incident on the front surface of the prism from the vertical direction.
他の条件の一つは、プリズムの反射面である背面の裏面側が屈折率の大きい媒質に接触していないことである。光の全反射は、光が屈折率の大きい媒質から小さい媒質へ進むとき起こる現象であって、また全反射が起こる可能性は両媒質の屈折率の差が大きいほど高くなる。例えば、プリズムの背面の裏面側に空気が存在している場合には、プリズム（石英または透明セラミックス）の屈折率が「１．５程度」であるのに対して空気の屈折率が「１．０程度」であるため、ほぼ確実に全反射が起こると考えられる。これに対して、プリズムの背面の裏面側に接着剤とか水が存在している場合には、接着剤の屈折率は一般に「１．６〜１．７程度」であり、水の屈折率は「１．３程度」であるため、いずれもプリズムの屈折率との差が小さいため全反射が起こりにくくなる。したがって、プリズムの背面で全反射を確実に起こさせてガス濃度の測定精度を高めるためには、該背面の裏面側に接着剤とか水を付着させることなく、空気に接触させることが必要であるといえる。 One of the other conditions is that the back surface side of the back surface, which is the reflecting surface of the prism, is not in contact with a medium having a large refractive index. The total reflection of light is a phenomenon that occurs when light travels from a medium having a large refractive index to a small medium, and the possibility that total reflection occurs increases as the difference between the refractive indexes of the two media increases. For example, when air is present on the back side of the back surface of the prism, the refractive index of the prism (quartz or transparent ceramics) is “about 1.5”, whereas the refractive index of air is “1. Since it is “about 0”, it is considered that total reflection occurs almost certainly. On the other hand, when adhesive or water is present on the back side of the back surface of the prism, the refractive index of the adhesive is generally “about 1.6 to 1.7”, and the refractive index of water is Since it is “about 1.3”, since the difference from the refractive index of the prism is small, total reflection hardly occurs. Therefore, in order to increase total gas concentration measurement accuracy by reliably causing total reflection on the back surface of the prism, it is necessary to contact the air without attaching adhesive or water to the back surface side of the back surface. It can be said.
このような観点から、この実施形態では、上記ベース材１０の各プリズム取付部１７〜２０に高位部と低位部を設け、高位部にプリズムの背面を接触させることで、該背面と低位部の間に、高位部と低位部の段差寸法に相当する厚さの空間部３７を形成し、これによって上記各プリズム２１〜２４における全反射を確実にしている。 From this point of view, in this embodiment, the prism mounting portions 17 to 20 of the base material 10 are each provided with a high-order portion and a low-order portion, and the high-order portion is brought into contact with the back surface of the prism, thereby A space portion 37 having a thickness corresponding to the step size between the high-order portion and the low-order portion is formed therebetween, thereby ensuring total reflection at each of the prisms 21 to 24.
即ち、この実施形態の光学式センサチップ１では、上述のように光の光路長を長くすることと、各プリズムでの全反射を確実ならしめることの相乗効果によって高性能化（ガス濃度の測定精度の向上）を実現している。 That is, in the optical sensor chip 1 of this embodiment, high performance (gas concentration measurement) is achieved by a synergistic effect of increasing the optical path length of light as described above and ensuring total reflection at each prism. Improved accuracy).
さらに、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記各プリズム２１〜２４を石英または透明セラミックスで構成するとともに、上記ベース材１０をセラミックスで構成したので、上記各プリズム２１〜２４及びベース材１０が共に数百℃の耐熱性と高い耐腐食性をもつことになる。この結果、上記光学式センサチップ１は、過酷条件下での使用が可能となりその適用範囲の拡大が図れるとともに、使用上の信頼性が向上することになる。 Furthermore, in the optical sensor chip 1 of this embodiment, the prisms 21 to 24 are made of quartz or transparent ceramics, and the base material 10 is made of ceramics. Both have heat resistance of several hundred degrees Celsius and high corrosion resistance. As a result, the optical sensor chip 1 can be used under severe conditions, the application range can be expanded, and reliability in use is improved.
また、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記ベース材１０に上記各光ファイバー４，５を接続するためのフェルール６Ａ，６Ｂをセラミックスで構成したことで、上記フェルール６Ａ，６Ｂの耐熱性及び耐腐食性によって光ファイバー４，５を高温環境及び腐食環境から保護してその信頼性を高めることができる。 Further, in the optical sensor chip 1 of this embodiment, the ferrules 6A and 6B for connecting the optical fibers 4 and 5 to the base material 10 are made of ceramics. Due to the corrosion resistance, the optical fibers 4 and 5 can be protected from the high temperature environment and the corrosive environment to increase their reliability.
また、上記フェルール６Ａ，６Ｂと上記各光ファイバー４，５を、硬化後においても該フェルール６Ａ，６Ｂよりも柔らかいシリカ系接着剤によって固着したことで、上記フェルール６Ａ，６Ｂに対して上記各光ファイバー４，５が上下左右方向に動いた際には該シリカ系接着剤部分が追従して変形することで該各光ファイバー４，５とフェルール６Ａ，６Ｂとの接触部分における応力集中が可及的に回避され、該各光ファイバー４，５の耐久性が向上することになる。 Further, the ferrules 6A and 6B and the optical fibers 4 and 5 are fixed to each other with the silica-based adhesive softer than the ferrules 6A and 6B even after curing, so that the optical fibers 4 are fixed to the ferrules 6A and 6B. , 5 moves up, down, left and right, the silica-based adhesive portion follows and deforms to avoid stress concentration at the contact portion between the optical fibers 4, 5 and the ferrules 6A, 6B as much as possible. As a result, the durability of each of the optical fibers 4 and 5 is improved.
なお、この実施形態では、三個の横置きプリズムと一個の縦置きプリズムを用いることで上下二つの光路を構成しているが、この実施形態の技術思想は、１個の縦置きのプリズムを備えれば、横置きのプリズムの数に限定されることなく成立し得るものであり、したがって、この実施形態の構成に限定されることなく横置きプリズムの配置個数を適宜増減設定することができる。因みに、次述の第２の実施形態における光学式センサチップ１は、一個の縦置きプリズムと二個の横置きプリズムで光路を構成したものであり、第３の実施形態における光学式センサチップ１は、一個の縦置きプリズムと一個の横置きプリズムで光路を構成したものである。
《第２の実施形態》
In this embodiment, two horizontal paths are formed by using three horizontal prisms and one vertical prism. However, the technical idea of this embodiment is that one vertical prism is used. If it is provided, it can be established without being limited to the number of horizontal prisms. Therefore, the number of horizontal prisms can be appropriately increased or decreased without being limited to the configuration of this embodiment. . Incidentally, the optical sensor chip 1 in the second embodiment described below has an optical path constituted by one vertical prism and two horizontal prisms. The optical sensor chip 1 in the third embodiment. Is an optical path composed of one vertical prism and one horizontal prism.
<< Second Embodiment >>
図９には、本願発明の第２の実施形態に係る光学式センサチップ１を示している。この実施形態の光学式センサチップ１は、その基本構成を上記第１の実施形態の光学式センサチップ１と同じにするものであって、これと異なる点は、合計三個のプリズム４１〜４３によって上下二段の光路を構成した点である。 FIG. 9 shows an optical sensor chip 1 according to the second embodiment of the present invention. The optical sensor chip 1 of this embodiment has the same basic configuration as that of the optical sensor chip 1 of the first embodiment, and is different from this in that three prisms 41 to 43 in total. Is the point where the upper and lower optical paths are constructed.
即ち、この光学式センサチップ１では、上記ベース材１０の上記第１基台部１１側に上下二段に上記照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５を配置するとともに、これら各光ファイバー４，５の側方に、一対の背面が横方向に並ぶ横置き配置で第２プリズム４２を取り付けている。 That is, in the optical sensor chip 1, the irradiation optical fiber 4 and the light receiving optical fiber 5 are arranged in two stages on the upper side of the first base 11 of the base material 10, and the optical fibers 4 and 5 The second prism 42 is attached to the side in a horizontal arrangement in which a pair of back surfaces are arranged in the horizontal direction.
一方、上記第２基台部１２側には、第１プリズム４１を一対の背面が横方向に並ぶ横置き配置で、また第３プリズム４３を一対の背面が縦方向に並ぶ縦置き配置で、それぞれ取り付けている。 On the other hand, on the second base portion 12 side, the first prism 41 is arranged in a horizontal arrangement with a pair of back surfaces arranged in a horizontal direction, and the third prism 43 is arranged in a vertical arrangement in which a pair of back surfaces are arranged in a vertical direction. Each is attached.
そして、これら三個のプリズム４１〜４３によって、図９に矢流線で示すように、上記照射用光ファイバー４から照射後、上記第１プリズム４１の下方寄り位置で折り返して上記第２プリズム４２に入射し、さらに該第２プリズム４２で折り返して上記第３プリズム４３の下方寄り位置に入射する第１の光路と、該第３プリズム４３で折り返して上記第２プリズム４２の上方寄り位置に入射し、さらに該第２プリズム４２で折り返して上記第１プリズム４１の上方寄り位置に入射し、ここで折り返して上記受光用光ファイバー５に入射する第２の光路を形成している。
なお、本実施形態においては、照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５の配置を置き替えても差し支えなく、同じ光路長が確保される。
Then, the three prisms 41 to 43 irradiate from the irradiation optical fiber 4 after being irradiated from the irradiation optical fiber 4 and return to the second prism 42 as shown in FIG. The first optical path is incident on the second prism 42 and is incident on the lower position of the third prism 43. The first optical path is folded on the third prism 43 and incident on the upper position of the second prism 42. Further, the second prism 42 is folded back to be incident on the upper position of the first prism 41, and the second optical path is formed by folding back and entering the light receiving optical fiber 5.
In the present embodiment, the arrangement of the irradiation optical fiber 4 and the light receiving optical fiber 5 can be interchanged, and the same optical path length is ensured.
このように、上下二段の光路を構成することで光路長を延長し、これによってガス濃度の測定精度の向上が図れるとともに、光学式センサチップ１のコンパクト化が可能になるという効果は、上記第１の実施形態の光学式センサチップ１の場合と同様である。さらに、この実施形態の光学式センサチップ１に特有の効果としては、光路の折り返し点が少ない分だけ上記第１の実施形態の光学式センサチップ１よりもその幅寸法を小さくでき、さらなるコンパクト化が促進される点が挙げられる。 As described above, the optical path length is extended by configuring the upper and lower optical paths, thereby improving the gas concentration measurement accuracy and enabling the optical sensor chip 1 to be compact. This is the same as in the case of the optical sensor chip 1 of the first embodiment. Furthermore, as an effect peculiar to the optical sensor chip 1 of this embodiment, the width dimension can be made smaller than that of the optical sensor chip 1 of the first embodiment as much as the number of turning points of the optical path is small, and further compactification is achieved. Is promoted.
また、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記各プリズム４１〜４３の背面の裏面側に空間部を形成した点、及び係る構成に基づく効果、上記各プリズム４１〜４３を石英または透明セラミックスで、上記ベース材１０をセラミックスで、それぞれ構成した点、及び係る構成に基づく効果、さらに上記ベース材１０に上記各光ファイバー４，５を接続するためのフェルール６Ａ，６Ｂをセラミックスで構成した点、及び係る構成に基づく効果は、上記第１の実施形態の場合と同様であるため、第１の実施形態における該当説明を援用し、ここでの説明を省略する。
《第３の実施形態》
Further, in the optical sensor chip 1 of this embodiment, the space portion is formed on the back side of the back surface of each of the prisms 41 to 43, the effect based on the configuration, and the prisms 41 to 43 are made of quartz or transparent ceramics. Then, the point that the base material 10 is made of ceramic, and the effects based on the structure, and the point that the ferrules 6A and 6B for connecting the optical fibers 4 and 5 to the base material 10 are made of ceramic, And the effect based on the structure which concerns is the same as that of the case of the said 1st Embodiment, Therefore The corresponding description in 1st Embodiment is used and description here is abbreviate | omitted.
<< Third Embodiment >>
図１０には、本願発明の第３の実施形態に係る光学式センサチップ１を示している。この実施形態の光学式センサチップ１は、その基本構成を上記第１の実施形態の光学式センサチップ１及び第２の実施形態の光学式センサチップ１と同じにするものであって、その特徴とする点は、上記第２の実施形態の光学式センサチップ１よりもさらにそのコンパクト化を図った点である。 FIG. 10 shows an optical sensor chip 1 according to a third embodiment of the present invention. The optical sensor chip 1 according to this embodiment has the same basic configuration as the optical sensor chip 1 according to the first embodiment and the optical sensor chip 1 according to the second embodiment. The point is that the optical sensor chip 1 of the second embodiment is further downsized.
この実施形態の光学式センサチップ１では、合計二個のプリズム４４，４５によって上下二段の光路を構成している。即ち、上記ベース材１０の上記第１基台部１１側に上下二段に上記照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５を配置するとともに、これら各光ファイバー４，５の側方に、一対の背面が縦方向に並ぶ縦置き配置で第２プリズム４５を取り付ける一方、上記第２基台部１２側には、一対の背面が横方向に並ぶ横置き配置で第１プリズム４４を取り付けている。 In the optical sensor chip 1 of this embodiment, a total of two prisms 44 and 45 constitute two upper and lower optical paths. In other words, the irradiation optical fiber 4 and the light receiving optical fiber 5 are arranged in two upper and lower stages on the first base portion 11 side of the base material 10, and a pair of back surfaces are provided on the sides of the optical fibers 4 and 5. While the second prism 45 is attached in a vertically arranged arrangement in the vertical direction, the first prism 44 is attached on the second base portion 12 side in a horizontally arranged arrangement in which a pair of back surfaces are arranged in the horizontal direction.
そして、これら二個のプリズム４４，４５によって、図１０に矢流線で示すように、上記照射用光ファイバー４から照射後、上記第１プリズム４４の下方寄り位置で折り返して上記第２プリズム４５に入射する第１の光路と、該第２プリズム４５で折り返して上記第１プリズム４４の上方寄り位置に入射し、ここで折り返して上記受光用光ファイバー５に入射する第２の光路を形成している。
なお、本実施形態においては、照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５の配置を置き替えても差し支えなく、同じ光路長が確保される。
Then, after irradiation from the irradiation optical fiber 4 by these two prisms 44 and 45, as shown by the arrow flow line in FIG. 10, the two prisms 44 and 45 are folded back at a position closer to the lower side of the first prism 44. An incident first optical path and a second optical path that is folded back by the second prism 45 and incident on a position closer to the upper side of the first prism 44, and then folded back and incident on the light receiving optical fiber 5 are formed. .
In the present embodiment, the arrangement of the irradiation optical fiber 4 and the light receiving optical fiber 5 can be interchanged, and the same optical path length is ensured.
このように上下二段の光路を構成することで、光路長を延長し、これによってガス濃度の測定精度の向上を図るとともに、光学式センサチップ１のコンパクト化を可能とするという効果は、上記第１及び第２の実施形態の光学式センサチップ１の場合と同様である。さらに、この実施形態の光学式センサチップ１に特有の効果としては、光路の折り返し点が上記第２の実施形態の光学式センサチップ１の場合よりもさらに少ない分だけ上記第２の実施形態の光学式センサチップ１よりもその幅寸法をさらに小さくできる点が挙げられる。 By configuring the optical path in two upper and lower stages in this way, the effect of extending the optical path length, thereby improving the measurement accuracy of the gas concentration, and enabling the optical sensor chip 1 to be compact is as described above. This is the same as the case of the optical sensor chip 1 of the first and second embodiments. Furthermore, as an effect peculiar to the optical sensor chip 1 of this embodiment, the turnaround point of the optical path is much smaller than that of the optical sensor chip 1 of the second embodiment, as compared with the second embodiment. The point which can make the width dimension still smaller than the optical sensor chip 1 is mentioned.
また、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記各プリズム４４，４５の背面の裏面側に空間部を形成した点、及び係る構成に基づく効果、上記各プリズム４４，４５を石英または透明セラミックスで、上記ベース材１０をセラミックスで、それぞれ構成した点、及び係る構成に基づく効果、さらに、上記ベース材１０に上記各光ファイバー４，５を接続するためのフェルール６Ａ，６Ｂをセラミックスで構成した点、及び係る構成に基づく効果は、上記第１の実施形態の場合と同様であるため、第１の実施形態における該当説明を援用し、ここでの説明を省略する。
《第４の実施形態》
Further, in the optical sensor chip 1 of this embodiment, the space portion is formed on the back side of the back surface of each of the prisms 44 and 45, the effect based on the configuration, and the prisms 44 and 45 are made of quartz or transparent ceramics. And the point which comprised the said base material 10 with each ceramic, the effect based on the structure concerned, and also the point which comprised the ferrules 6A and 6B for connecting each said optical fiber 4 and 5 with the said base material 10 with ceramics Since the effects based on the configuration are the same as those in the first embodiment, the corresponding description in the first embodiment is used, and the description here is omitted.
<< Fourth Embodiment >>
図１１及び図１２には、本願発明の第４の実施形態に係る光学式センサチップ１を示している。この実施形態の光学式センサチップ１は、上記第１〜第３の実施例に係る光学式センサチップ１が上下二段の光路を形成していたのに対して、一段の光路を形成するように構成したものである。 11 and 12 show an optical sensor chip 1 according to a fourth embodiment of the present invention. In the optical sensor chip 1 of this embodiment, the optical sensor chip 1 according to the first to third examples forms a two-step optical path, whereas the optical sensor chip 1 forms a one-step optical path. It is configured.
即ち、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記ベース材１０の上記第１基台部１１の左右両端寄り位置にそれぞれ照射孔１５と受光孔１６を設け、この照射孔１５に照射用フェルール６Ａを介して照射用光ファイバー４を、上記受光孔１６に受光用フェルール６Ｂを介して受光用光ファイバー５を取り付けている。 That is, in the optical sensor chip 1 of this embodiment, the irradiation hole 15 and the light receiving hole 16 are provided at positions near the left and right ends of the first base portion 11 of the base material 10, respectively, and the irradiation ferrule is provided in the irradiation hole 15. The irradiation optical fiber 4 is attached via 6A, and the light receiving optical fiber 5 is attached to the light receiving hole 16 via the light receiving ferrule 6B.
また、上記照射孔１５と受光孔１６の中間位置に、上記第１基台部１１の上面１１ａから下方に向けて二等辺三角形状に切れ込む第２プリズム取付部５２を形成し、該第２プリズム取付部５２には第２プリズム４８を、該第２プリズム４８の一対の背面４８ａ、４８ｂの裏面側に空間部を形成した状態で固定している。 Further, a second prism mounting portion 52 that cuts in an isosceles triangle shape downward from the upper surface 11a of the first base portion 11 is formed at an intermediate position between the irradiation hole 15 and the light receiving hole 16, and the second prism. The second prism 48 is fixed to the mounting portion 52 in a state where a space portion is formed on the back side of the pair of back surfaces 48 a and 48 b of the second prism 48.
一方、上記ベース材１０の上記第２基台部１２側には、該第２基台部１２の上面１２ａから下方に向けて二等辺三角形状に切れ込む第１プリズム取付部５１と第３プリズム取付部５３を横方向に並設状態で形成し、該第１プリズム取付部５１には第１プリズム４７を、その一対の背面４７ａ、４７ｂの裏面側に空間部を形成した状態で固定し、また上記第３プリズム取付部５３には第３プリズム４９を、その一対の背面４９ａ、４９ｂの裏面側に空間部を形成した状態で固定している。 On the other hand, on the second base portion 12 side of the base material 10, a first prism mounting portion 51 and a third prism mounting cut into an isosceles triangle shape downward from the upper surface 12 a of the second base portion 12. The first prism 47 is fixed to the first prism mounting portion 51 in a state in which a space portion is formed on the back side of the pair of back surfaces 47a and 47b. The third prism 49 is fixed to the third prism mounting portion 53 in a state where a space portion is formed on the back side of the pair of back surfaces 49a and 49b.
そして、これら三個のプリズム４７〜４９によって、図１１に矢流線で示すように、上記照射用光ファイバー４から照射後、上記第１プリズム４７で折り返して上記第２プリズム４８に入射し、さらに該第２プリズム４８で折り返されて上記第３プリズム４９に入射するとともに、該第３プリズム４９で折り返されて上記受光用光ファイバー５に入射する光路が形成される。
なお、本実施形態においては、照射孔１５と受光孔１６の配置を置き替えても差し支えなく、同じ光路長が確保される。
Then, by these three prisms 47 to 49, as indicated by the arrow flow line in FIG. 11, after irradiation from the irradiation optical fiber 4, it is folded back by the first prism 47 and incident on the second prism 48. An optical path is formed that is folded back by the second prism 48 and enters the third prism 49, and is folded by the third prism 49 and incident on the light receiving optical fiber 5.
In the present embodiment, the arrangement of the irradiation hole 15 and the light receiving hole 16 can be interchanged, and the same optical path length is ensured.
このように一の平面上において折り返される光路を形成することで、例えば、照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５を同軸上で離間対向させてこれら両光ファイバー４，５の間に直線的な光路を形成する場合に比して、光路長を延長でき（この実施形態の場合には、４倍の光路長が得られる）、その結果、ガス濃度の測定精度の向上を図るとか、上記光学式センサチップ１のコンパクト化を図ることができる。 By forming an optical path that is folded back on one plane in this way, for example, the irradiation optical fiber 4 and the light receiving optical fiber 5 are coaxially spaced apart from each other, and a linear optical path is formed between the optical fibers 4 and 5. The optical path length can be extended as compared with the case of forming the optical path (in the case of this embodiment, the optical path length is four times). As a result, the measurement accuracy of the gas concentration can be improved, or the optical sensor The chip 1 can be made compact.
なお、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記各プリズム４７〜４９を石英または透明セラミックスで、上記ベース材１０をセラミックスで、それぞれ構成した点、及び係る構成に基づく効果、さらに、上記ベース材１０に上記各光ファイバー４，５を接続するためのフェルール６Ａ，６Ｂをセラミックスで構成した点、及び係る構成に基づく効果は、上記第１の実施形態の場合と同様であるため、第１の実施形態における該当説明を援用し、ここでの説明を省略する。 In the optical sensor chip 1 of this embodiment, the prisms 47 to 49 are made of quartz or transparent ceramics, the base material 10 is made of ceramics, and the effects based on the configuration, and further the base Since the ferrules 6A and 6B for connecting the optical fibers 4 and 5 to the material 10 are made of ceramics and the effects based on such a configuration are the same as those of the first embodiment, The corresponding description in the embodiment is used, and the description here is omitted.
また、この実施形態では三個のプリズムで光路を形成しているが、この実施形態に係る技術思想は横置き配置されるプリズムを奇数個備えることで成立し得るものであり、係る条件の下でプリズムの配置個数を増減設定することは可能である。 In this embodiment, the optical path is formed by three prisms. However, the technical idea according to this embodiment can be established by providing an odd number of horizontally arranged prisms, and under such conditions. It is possible to increase / decrease the number of arranged prisms.
本願発明に係る光学式センサチップ１は、例えば、大気中に存在する特定のガス成分の濃度を吸光分析法により測定するガス濃度測定システム等において利用されるものである。 The optical sensor chip 1 according to the present invention is used in, for example, a gas concentration measurement system that measures the concentration of a specific gas component existing in the atmosphere by an absorption spectrometry.
１ ・・光学式センサチップ
２ ・・光源装置
３ ・・受光装置
４、５ ・・光ファイバー
６Ａ、６Ｂ ・・フェルール
８Ａ，８Ｂ ・・レンズ
１０ ・・ベース材
１１、１２ ・・基台部
１７〜２０ ・・プリズム取付部
２１〜２４ ・・プリズム
３３、３４ ・・接着剤
３５，３６ ・・接着剤
３７ ・・空間部
４１〜４５ ・・プリズム
４７〜４９ ・・プリズム
５１〜５３ ・・プリズム取付部
1 ..Optical sensor chip
2 ..Light source device
3 .. Light receiving device 4, 5 .. Optical fiber 6A, 6B .. Ferrule 8A, 8B .. Lens 10 .. Base material 11, 12 .. Base portion 17 to 20 .. Prism mounting portion 21 to 24. 33, 34 .. Adhesive 35, 36 .. Adhesive 37 .. Space portion 41 to 45.. Prism 47 to 49.. Prism 51 to 53.
Claims (4)
上記プリズムが上記ベース材に対して、光の入射面及び出射面となる前面と該前面の後方に位置して光の反射面となる一対の背面以外の１面または２面において固着されていることを特徴とする光学式センサチップ。 The base material includes an irradiating optical fiber for irradiating light from the light source device, a prism for reflecting the light from the irradiating optical fiber, and a receiving optical fiber for receiving the reflected light from the prism and transmitting it to the light receiving device. An optical sensor chip configured as follows:
The prism is fixed to the base material on one or two surfaces other than a front surface serving as a light incident surface and a light emitting surface and a pair of rear surfaces positioned behind the front surface and serving as a light reflecting surface. An optical sensor chip.
上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーが縦方向に並設される一方、
上記プリズムが光路上に複数個配設されるとともに、該複数のプリズムのうち、光路の略中間位置に配設される一のプリズムが、その一対の背面が縦方向に並ぶように配置されており、他のプリズムが、その一対の背面が横方向に並ぶように配置されていることを特徴とする光学式センサチップ。 In claim 1,
While the irradiation optical fiber and the light receiving optical fiber are juxtaposed in the vertical direction,
A plurality of the prisms are disposed on the optical path, and one of the plurality of prisms disposed at a substantially middle position of the optical path is disposed such that a pair of back surfaces thereof are arranged in the vertical direction. An optical sensor chip, wherein the other prisms are arranged such that a pair of back surfaces thereof are arranged in a horizontal direction.
上記プリズムが石英または透明セラミックスで構成されるとともに、上記ベース材がセラミックスで構成されていることを特徴とする光学式センサチップ。 In claim 1 or 2,
An optical sensor chip, wherein the prism is made of quartz or transparent ceramics, and the base material is made of ceramics.
上記ベース材に上記光ファイバーを接続するためのフェルールが、線膨張係数が８ppm/℃以下のセラミックスで構成されるとともに、該フェルールと上記光ファイバーが耐熱性接着剤によって固着されていることを特徴とする光学式センサチップ。
In claim 3,
The ferrule for connecting the optical fiber to the base material is made of ceramics having a linear expansion coefficient of 8 ppm / ° C. or less, and the ferrule and the optical fiber are fixed by a heat-resistant adhesive. Optical sensor chip.
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