JP6263411B2 - 光学式センサチップ - Google Patents
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Description
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。
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。
(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、上記ベース材側には折曲した二面をもつように二等辺三角形状に切り込まれたプリズム取付部が形成され、該折曲した二面には、その両端縁に沿って延びる帯状の高位部が形成されるとともに、該高位部に挟まれた中間部分は該高位部よりも高さの低い低位部とされており、上記プリズムは、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を備え、その一対の背面を上記プリズム取付部の折曲した二面に対向するように配置し且つその両端縁を上記高位部に衝合させるとともに、上記前面と一対の背面以外の1面または2面において固着されているので、上記プリズムの上記一対の背面と上記プリズム取付部の折曲した二面の間には空間部が形成され空気等の気体層が不可避的に存在し、接着剤等も付着していないことから、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。
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。
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。
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。
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。
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。
1−1−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。
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。
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−c:第4プリズム取付部20
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。
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。
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。
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。
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。
《第2の実施形態》
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。
《第3の実施形態》
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。
《第4の実施形態》
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。
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
Claims (4)
- 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であって、
上記ベース材側には折曲した二面をもつように二等辺三角形状に切り込まれたプリズム取付部が形成され、該折曲した二面には、その両端縁に沿って延びる帯状の高位部が形成されるとともに、該高位部に挟まれた中間部分は該高位部よりも高さの低い低位部とされており、
上記プリズムは、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を備え、その一対の背面を上記プリズム取付部の折曲した二面に対向するように配置し且つその両端縁を上記高位部に衝合させるとともに、上記前面と一対の背面以外の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。 - 請求項1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。 - 請求項1または2において、
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。 - 請求項3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。
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