JP7033777B2 - 光学式センサチップ及び光学式ガスセンサ - Google Patents

Description

本願発明は、ラマン効果を利用した光学式ガスセンサに用いられる光学式センサチップ及び光学式ガスセンサに関するものである。

従来から、ガス濃度を計測するガスセンサとして、燃焼式や半導体式の接触型ガスセンサと、光学式の非接触型ガスセンサが知られているが、計測時の応答速度が速く、計測可能なガスの種類が多く、しかも可燃性ガスであっても発火や爆発の危険性が無い等の理由で、非接触型の光学式ガスセンサが主流となっている。この光学式ガスセンサは、ラマン効果を利用した光学式センサチップを備えて構成され、この光学式センサチップについては多くの技術提案がなされている（例えば、特許文献１を参照）。

なお、ラマン効果とは、光を物質に照射するときに当該物質から発せられる散乱光の中に、入射光とは波長の異なる光（即ち、ラマン散乱光）が混じって観測される現象であり、この散乱光を計測するのが光学式センサチップであり、この光学式センサチップの計測結果が計測信号として別設置の光検出器に伝送され、該光検出器において上記計測信号に基づいてガスの種類や濃度が算出されるようになっている。

特開２０１３－１６７４９７号公報

ところで、光学式ガスセンサにおいては、照射光源としてのレーザ光のエネルギーを有効に利用するという観点から、複数の光学式センサチップを、光ファイバーを介して直列に配置し、これら複数の光学式センサチップに対して順次レーザ光を入射させることが試みられている。

しかし、このように直列に配置された複数の光学式センサチップに順次レーザ光を入射させようとした場合、以下のような問題があった。即ち、上掲の特許文献１に基づいて示されるように、従来一般的な光学式センサチップにおいては、照射光学系から照射されるレーザ光の作用によって発せられるラマン散乱光を、該照射光学系に対して所定の交差角をもって配置された受光光学系によって直接計測する構成としている。

このため、被計測ガスに作用してラマン散乱光を発生させた後のレーザ光を、さらに集光レンズ等によって集光して次の光学式センサチップ側へ入射させる場合、上記集光レンズ等においてレーザ光が反射して強い反射レーザ光等の外乱光が発生し、この外乱光がラマン散乱光とともに上記受光光学系に入射する恐れがある。このように外乱光が上記受光光学系に入射すると、元来、ラマン散乱光は極めて微弱であることから、この外乱光に埋もれてしまい、これを検出することが難しくなり、延いてはガス濃度等の検出精度の低下を招来することにもなる。

また、上記光学式センサチップの上記照射光学系から照射されるレーザ光の光路の前方に、壁面や配管などが存在する場合にも、レーザ光の反射による外乱光が発生してラマン散乱光とともに上記受光光学系に入射する恐れがあり、ガス濃度等の検出精度の低下を招来する懸念がある。

そこで本願発明は、外乱光の影響を可及的に抑制して高い検出精度が得られるようにした光学式センサチップ及び光学式ガスセンサを提供することを目的としてなされたものである。

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。

本願の第１の発明では、照射用光ファイバーから照射したレーザ光が検出溝部に存在する測定対象ガスの分子に当たることで発せられるラマン散乱光を、受光窓に設けられた透明部材を介して受光用光ファイバーに導入する光学式センサチップにおいて、上記検出溝部がレーザ光の光路に沿って延設され、且つ該検出溝部の内側面には上記受光窓が設けられるとともに、該受光窓に設けられた上記透明部材はレーザ光の上記光路に対して略平行な平坦面を備える一方、上記検出溝部の光軸方向前方には集光レンズが備えられていることを特徴としている。

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、上記受光窓に入射したラマン散乱光の光路を、該受光窓近傍に配置した反射面によって略直角に曲げて上記受光用光ファイバーに導入することを特徴としている。

本願の第３の発明では、上記第２の発明に係る光学式センサチップにおいて、上記透明部材として、直角二等辺三角柱状のプリズムを用いたことを特徴としている。

本願の第４の発明では、上記第１，２又は３の発明に係る光学式センサチップにおいて、少なくとも上記受光窓から上記透明部材を経て上記受光用光ファイバーに至る光学系で構成される受光ユニットを複数設けたことを特徴としている。

本願の第５の発明に係る光学式ガスセンサは、上記第１，２，３又は４の発明に係る光学式センサチップと、該光学式センサチップに接続された上記照射用光ファイバーにレーザ光を供給するレーザ光源と、上記光学式センサチップに接続された上記受光用光ファイバーによって伝送されたラマン散乱光から上記検出溝部に存在する測定対象ガスの濃度を算出する光検出器とを備えて構成されたことを特徴としている。

本願の第６の発明では、上記第５の発明に係る光学式ガスセンサにおいて、少なくとも第一及び第二の光学式センサチップを備え、上記第一の光学式センサチップは、上記レーザ光源から供給されるレーザ光を伝送して照射する第一の照射用光ファイバーに接続し、上記第二の光学式センサチップは、上記第一の照射用光ファイバーから照射されて上記第一の光学式センサチップの上記検出溝部を経て出射するレーザ光を、集光及び伝送して照射する第二の照射用光ファイバーに接続していることを特徴としている。

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では、上記検出溝部をレーザ光の光路に沿って延設し、且つ該検出溝部の内側面には上記受光窓が設けるとともに、該受光窓に設けられた上記透明部材はレーザ光の上記光路に対して略平行な平坦面を備える一方、上記検出溝部の光軸方向前方には集光レンズを備えたので、
（ａ-１）例えば、上記照射用光ファイバーの光路前方に設けられた集光レンズでの反射によって反射レーザ光が生じたとしても、該反射レーザ光は、上記検出溝部の内側面、即ち、上記反射レーザ光の光路に略平行な面に設けられた上記受光窓には入射しにくい。
（ａ-２）また、上記受光窓側に反射レーザ光が入射したとしても、その入射角は大きく、しかも受光窓にはレーザ光の光路に対して略平行な平坦面をもつ透明部材が備えられているため、該受光窓から入射した反射レーザ光の多くは該平坦面で反射して透明部材内には入射されにくい。
したがって、これらａ-１及びａ-２の相乗効果として、上記反射レーザ光が上記受光用光ファイバー側に導入されることによる測定精度の低下が可及的に防止され、高い測定精度が担保される。

（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、上記受光窓に入射したラマン散乱光の光路を、該受光窓近傍に配置した反射面によって略直角に曲げて上記受光用光ファイバーに導入するようにしていることから、上記受光用光ファイバーを上記照射用光ファイバーと略平行に並設して光学式センサチップの小型化を図ることができる。

（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（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、上記透明部材として、直角二等辺三角柱状のプリズムを用いているので、該プリズムの斜辺を構成する面を、上記ラマン散乱光を反射させる上記反射面として使用するとともに、該斜辺以外の辺を構成する二面のうちの一つを、上記透明部材の平坦面として利用することができ、部材の共用化によって光学式センサチップをより小型化することが可能となる。

（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（ａ）、（ｂ）又は（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、少なくとも上記受光窓から上記透明部材を経て上記受光用光ファイバーに至る光学系で構成される受光ユニットを複数設けているので、上記ラマン散乱光が微弱なものであっても、これら複数の受光ユニットにそれぞれ入射されるラマン散乱光が合算されることでその強さが高められることから、例え反射レーザ光が受光ユニットに入射されたとしてもその影響を可及的に抑えることができ、この結果、測定対象ガスに対する測定精度がより一層高められる。

（ｅ）本願の第５の発明
本願の第５の発明に係る光学式ガスセンサによれば、上記第１，２，３又は４の発明に係る光学式センサチップを備えているため、上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）又は（ｄ）に記載の効果と同様の効果を得ることができる。

（ｆ）本願の第６の発明
本願の第６の発明に係る光学式ガスセンサによれば、上記（ｅ）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。
この発明に係る光学式ガスセンサでは、上記第一の光学式センサチップは、上記レーザ光源から供給されるレーザ光を伝送して照射する第一の照射用光ファイバーに接続し、上記第二の光学式センサチップは、上記第一の照射用光ファイバーから照射されて上記第一の光学式センサチップの上記検出溝部を経て出射するレーザ光を、集光及び伝送して照射する第二の照射用光ファイバーに接続している。
したがって、上記第一の光学式センサチップにおいて測定対象ガスの検出に利用したレーザ光を、上記第二の光学式センサチップにおいて再度測定対象ガスの検出に利用できるため、レーザ光のエネルギーを有効に利用することができる。

本願発明の第１の実施形態に係る光学式センサチップの蓋体を外した状態における平面図である。 図１に示したベース部材の斜視図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 図１のＢ－Ｂ断面図である。 図１のＣ－Ｃ断面図である。 図１のＤ－Ｄ断面図である。 本願発明の第２の実施形態に係る光学式センサチップの蓋体を外した状態における平面図である。 本願発明の第３の実施形態に係る光学式センサチップの蓋体を外した状態における平面図である。 本願発明の第４の実施形態に係る光学式センサチップの蓋体を外した状態における平面図である。 本願発明の第５の実施形態に係る光学式センサチップの蓋体を外した状態における平面図である。 本願発明の第６の実施形態に係る光学式センサチップの蓋体を外した状態における平面図である。 透明部材における光の反射状態説明図である。

以下、本願発明を幾つかの実施形態に基づいて具体的に説明する。

「第１の実施形態」
図１には、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を示している。この光学式センサチップ１は、次述するベース部材２に、照射側フェルール８と受光側フェルール９と照射側レンズ５とプリズム６及び受光側レンズ７を配置して構成される。

上記ベース部材２は、図１及び図２に示すように、長矩形厚板体で一体構成され、その上面２ａには、長軸方向に延びる第１溝２Ａと第２溝２Ｂが短軸方向に所定間隔をもって略平行に形成されている。

上記第１溝２Ａは、一端が上記ベース部材２の一方の端面２ｂに開口して他方の端面２ｃ側へ延出する深溝状のフェルール取付溝１１と、該フェルール取付溝１１の他端に連続し且つ次第に拡幅変化しながら他方の端面２ｃ側へ延出する深溝状の光路溝部１３と、該光路溝部１３の端部から上記他方の端面２ｃの間において該ベース部材２の表面２ａから裏面２ｄに跨って所定幅で切り込まれた切欠き溝状の検出溝部１５で構成される。したがって、上記検出溝部１５は、上記フェルール取付溝１１に取り付けられる後述の照射側フェルール８から照射されるレーザ光の光路に沿って延設されることになる。また、上記光路溝部１３の延出方向中間位置には、その両壁面を浅く弧状に切り込んでレンズ保持部１８が形成されている。

上記第２溝２Ｂは、一端が上記ベース部材２の一方の端面２ｂに開口して他方の端面２ｃ側へ延出する深溝状のフェルール取付溝１２と、該フェルール取付溝１２の他端に連続し且つ次第に拡幅変化しながら他方の端面２ｃ側へ延出する深溝状の光路溝部１４と、該光路溝部１４の他端に連続し且つ平面視において直角二等辺三角形状に陥没する深穴状のプリズム取付部１６で構成される。なお、上記プリズム取付部１６は、平面視において、その斜辺に相当する面を上記フェルール取付溝１２の軸心に対して45度の傾斜角で対向させている。また、上記光路溝部１４の上記プリズム取付部１６寄り位置には、その両壁面を浅く弧状に切り込んでレンズ保持部１９が形成されている。

このように、上記ベース部材２の表面２ａに上記第１溝２Ａと第２溝２Ｂを形成した場合、該第１溝２Ａ側の上記検出溝部１５と上記第２溝２Ｂ側の上記プリズム取付部１６は上記ベース部材２の他方の端面２ｃ寄り位置において上記ベース部材２の短軸方向に隣接するが、これら両者は上記検出溝部１５の内側面に設けた受光窓１７を介して相互に連通している。

「ベース部材２への各構成部材の配置」
上記ベース部材２への上記各構成部材の配置は以下のとおりである。

図１、図２及び図６に示すように、上記フェルール取付溝１１には、上記照射用光ファイバー３が接続された上記照射側フェルール８がその先端を上記光路溝部１３側に指向させた状態で、また上記フェルール取付溝１２には、上記受光用光ファイバー４が接続された受光側フェルール９が、その先端を上記光路溝部１４側に指向させた状態で、それぞれ嵌挿固定されている。

なお、上記照射用光ファイバー３は、その一端が図示しないレーザ発振器等のレーザ光源に接続されており、該レーザ光源から供給されるレーザ光を上記照射用光ファイバー３により伝送し、該照射用光ファイバー３から上記ベース部材２の上記検出溝部１５側に向けて照射する。
また、上記受光用光ファイバー４は、その一端が図示しない光検出器に接続されており、後述するように上記検出溝部１５で発生したラマン散乱光を上記光検出器まで伝送し、該光検出器において上記検出溝部１５に存在する測定対象ガスの濃度を算出するようになっている。

一方、上記第１溝２Ａに属する上記光路溝部１３の光路途中に設けた上記レンズ保持部１８には、図１及び図４に示すように、球形の照射側レンズ５が上記照射側フェルール８の光軸上に位置するようにして嵌挿される。この照射側レンズ５の上記照射側フェルール８の光軸上における配置位置は、該照射側レンズ５の焦点が上記検出溝部１５の略中央位置に対応するように設定されており、上記照射側フェルール８から入射されるレーザ光は上記照射側レンズ５において屈折して上記検出溝部１５の略中央位置に集束するように照射される。

なお、図１では、上記検出溝部１５の光軸方向前方に集光レンズ２４を記載しているが、この集光レンズ２４は、光学式センサチップ１を直列に複数配置する場合において、上記検出溝部１５でラマン散乱光を発生させた後、さらにその検出溝部１５から光軸方向前方へ照射されるレーザ光を再度集光させて次段の光学式センサチップ１側へ出射させるためのものである。

このような、光学式センサチップ１を直列に複数配置する光学式ガスセンサの一形態としては、例えば、第一及び第二の光学式センサチップ１，１を備えるものとし、第一の光学式センサチップ１は、図示しないレーザ光源から供給されるレーザ光を伝送して照射する第一の照射用光ファイバー３に接続しており、第二の光学式センサチップ１は、第一の照射用光ファイバー３から照射されて第一の光学式センサチップ１の検出溝部１５を経て出射するレーザ光を、集光及び伝送して照射する第二の照射用光ファイバー３に接続しているものとすればよい。

上記第２溝２Ｂに属する上記光路溝部１４の拡幅側端部近傍に設けた上記レンズ保持部１９には、図１及び図３に示すように、上記受光側フェルール９の光軸上に位置するようにして球形の受光側レンズ７が 嵌挿固定される。この受光側レンズ７は、次述のプリズム６側から入射されるラマン散乱光を集光させて上記受光側フェルール９側に入射させるものであって、光軸方向における位置は、該受光側レンズ７の焦点が上記受光側フェルール９の端面に位置するように設定されている。

一方、上記プリズム取付部１６には直角二等辺三角柱状のプリズム６が、その反射面として機能する斜面６ａを上記プリズム取付部１６の斜面に対向させる一方、直交する一対の面６ｂ、６ｃのうちの第１面６ｂを上記受光窓１７に当接させるとともに、第２面６ｃを上記受光側レンズ７に近接対向させた状態で取り付けられる。したがって、検出溝部１５において上記照射側フェルール８から照射されるレーザ光の作用によって発生したラマン散乱光は、上記受光窓１７から上記プリズム６に対してその第１面６ｂから入射し、その斜面６ａで直角に反射した後、第２面６ｃから上記受光側レンズ７側へ出射される。この場合、上記プリズム６の第１面６ｂは平坦面で、且つレーザ光の上記光路に対して略平行に延出していることから、特許請求の範囲中の「透明部材」としても機能する。なお、ここでいう「透明部材」は、小さい入射角で入射する光の多くを通過させるが、大きい入射角で入射する光の多くは反射するという機能をもった部材という意味である（図１２（イ）、（ロ）参照）。

なお、上記ベース部材２の上面には、図２～図６に示すように、蓋体１０が衝合固定される。したがって、上記ベース部材２に設けられた上記第１溝２Ａ及び第２溝２Ｂのうち、上記第１溝２Ａ側の上記検出溝部１５のみがその前面と下面の二面で外部に開口しており、この開口部分から上記検出溝部１５内に測定対象ガスが導入される。

また、この実施形態においては、上記照射用光ファイバー３から上記照射側レンズ５を経て上記検出溝部１５に至る光学系で照射ユニットＵ１が構成され、上記受光窓１７から上記透明部材（即ち、上記プリズム６）と上記反射面（即ち、上記プリズム６の斜面６ａ）と上記受光側レンズ７を経て上記受光用光ファイバー４に至る光学系で受光ユニットＵ２が構成される。

「光学式センサチップ１の作動等」
上記光学式センサチップ１は、例えば、測定対象ガスが流通する配管内とか、測定対象ガスの雰囲気内に固定され、上記検出溝部１５には常時測定対象ガスが導入される。

光源（図示省略）からのレーザ光Ｒは、上記照射用光ファイバー３を介して上記照射側フェルール８に導入され、該照射側フェルール８から上記照射側レンズ５を通して上記検出溝部１５側へ照射される。上記検出溝部１５においては、ここに導入される測定対象ガスにレーザ光Ｒが照射されることでラマン散乱現象によってラマン散乱光Ｒａが発生する。この検出溝部１５内で発生したラマン散乱光Ｒａは、図１２（イ）に示すように、上記受光窓１７を通って上記プリズム６内にその第１面６ｂから入射角が最少の垂直に近い状態で入射する。したがって、ラマン散乱光Ｒａは、上記プリズム６の第１面６ｂで殆ど反射されることがなく、即ち、光の強さが殆ど低下することなく該プリズム６に入射される。因みに、本願発明者らの実験によれば、入射角０度（垂直入射）の場合、レーザ光Ｒの反射率は約４％であった。

上記プリズム６に入射したラマン散乱光Ｒａは、該プリズム６の斜面６ａで構成される反射面において直角に反射した後、その第２面６ｃから上記受光側レンズ７側へ出射し、該受光側レンズ７で集光されながら上記受光側フェルール９に導入され、さらに上記受光用光ファイバー４を通して上記光検出器（図示省略）に導入される。そして、この光検出器において、上記検出溝部１５に存在するガスの種類や濃度の算出に供される。

ここで、上記光検出器におけるガスの種類や濃度の測定精度であるが、上記ラマン散乱光Ｒａは微弱であるため、該ラマン散乱光Ｒａとともに反射レーザ光Ｒｒのような外乱光が導入されると、該ラマン散乱光Ｒａが反射レーザ光Ｒｒに埋まって検出されにくくなり、その結果、測定精度が低下することは既述の通りである。

ところが、この実施形態の光学式センサチップ１においては、上述のように上記プリズム６側への光の入口となる上記受光窓１７が、上記照射側フェルール８からのレーザ光Ｒの光路に沿って延設された上記検出溝部１５の内側面に設けられているため、上記検出溝部１５の前方に設けられた上記集光レンズ２４の表面でレーザ光Ｒが反射して反射レーザ光Ｒｒが発生したとしても、該反射レーザ光Ｒｒの上記受光窓１７に対する入射角が大きく、該受光窓１７における反射レーザ光Ｒｒの進入可能領域が狭いことから、該反射レーザ光Ｒｒの上記受光窓１７への進入が可及的に抑制される。

さらに、もし反射レーザ光Ｒｒが上記受光窓１７に進入し、該受光窓１７に臨んで配置された上記プリズム６の第１面６ｂ（即ち、特許請求の範囲中の「透明部材」の平坦面に該当する面）に達したとしても、図１２（ロ）に示すように、反射レーザ光Ｒｒの上記第１面６ｂに対する入射角αが大きいため、その多くが光線Ｒｒ２で示すように該第１面６ｂで反射され、該第１面６ｂから上記プリズム６内に進入する割合は少ない。因みに、本願発明者らの実験によれば、
入射角８０度の場合、反射レーザ光Ｒｒの反射率は約３８％、
入射角８５度の場合、反射レーザ光Ｒｒの反射率は約６１％
であった。

このような上記受光窓１７への反射レーザ光Ｒｒの入射の抑制作用と、該受光窓１７に進入した反射レーザ光Ｒｒの上記プリズム６（即ち、透明部材）への入射の抑制作用の相乗効果によって、反射レーザ光Ｒｒが上記受光用光ファイバー４側に導入されるのが可及的に防止され、その分だけ上記ラマン散乱光Ｒａがより正確に検出されることから、測定対象ガスについての測定精度が向上することになる。

「第２の実施形態」
図７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。なお、この実施形態においては、上記第１の実施形態における光学式センサチップ１と同一の部材にはこれに付した符号と同じ符号を付してその説明を援用する。

この光学式センサチップ１は、上記第１の実施形態に係る光学式センサチップ１の発展型として位置づけられるものであって、その基本思想を同じとしている。

即ち、上記第１の実施形態に係る光学式センサチップ１においては、上記ベース部材２に、上記照射用光ファイバー３から上記照射側レンズ５を経て上記検出溝部１５に至る光学系でなる一つの照射ユニットＵ１と、上記受光窓１７と上記透明部材（即ち、上記プリズム６）と上記反射面（即ち、上記プリズム６の斜面６ａ）と上記受光側レンズ７を経て上記受光用光ファイバー４に至る光学系でなる一つの受光ユニットＵ２を備えていたのに対して、この第２の実施形態に係る光学式センサチップ１では、上記ベース部材２に、一つの上記照射ユニットＵ１を設けるとともに、該照射ユニットＵ１の左右両側にそれぞれ上記受光ユニットＵ２を配置しており、この受光ユニットＵ２の数を増やしたことを最大の特徴としている。

したがって、この第２の実施形態に係る光学式センサチップ１においては、上記第１の実施形態に係る光学式センサチップ１におけると同様の基本的な作用効果が得られることとは勿論であるが、それに加えて、上記受光ユニットＵ２の設置数を増加させたことによる特有の作用効果が得られる。即ち、この実施形態の光学式センサチップ１においては、上記照射ユニットＵ１の左右両側にそれぞれ上記受光ユニットＵ２を配置しているので、上記ラマン散乱光Ｒａが微弱なものであっても、これら二つの受光ユニットＵ２にそれぞれ入射されるラマン散乱光が合算されることでその強さが高められることから、例え反射レーザ光Ｒｒが受光ユニットＵ２に入射されたとしてもその影響を最小限に抑えることができ、この結果、測定対象ガスに対する測定精度がより一層高められる。

なお、上記光学式センサチップ１の基本的な作用効果については、上記第１の実施形態における記載を援用し、ここでの説明を省略する。

「第３の実施形態」
図８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。なお、この実施形態においては、上記第１の実施形態における光学式センサチップ１（図１～図６参照）と同一の部材にはこれに付した符号と同じ符号を付してその説明を援用する。

この第３の実施形態の光学式センサチップ１は、上記第１の実施形態に係る光学式センサチップ１の変形例として位置づけられるものである。即ち、上記第１の実施形態に係る光学式センサチップ１においては、受光ユニットＵ２にプリズム６を配置し、該プリズム６を特許請求の範囲中の「透明部材」と「反射面」に兼用させていたのに対して、この第３の実施形態の光学式センサチップ１においては、上記プリズム６に代えて、上記受光窓１７の内側に板ガラス２１を備えるとともに、上記第１の実施形態において「プリズム取付部１６」としていた位置に反射鏡取付部２０を設け、ここに反射鏡２２を配置したものである。

なお、上記板ガラス２１と上記反射鏡２２を用いると、例えば、上記第１の実施形態のようにプリズム６を用いる場合に比して、光学式センサチップ１の軽量化及び低コスト化が図れる。

また、この実施形態においては、上記照射用光ファイバー３から上記照射側レンズ５を経て上記検出溝部１５に至る光学系によって照射ユニットＵ１を構成し、上記受光窓１７から上記板ガラス２１、上記反射鏡２２及び受光側レンズ７を経て上記受光用光ファイバー４に至る光学系で受光ユニットＵ２を構成している。

このように構成された光学式センサチップ１においては、光源（図示省略）からのレーザ光Ｒは、上記照射用光ファイバー３を介して上記照射側フェルール８に導入され、該照射側フェルール８から上記照射側レンズ５を通して上記検出溝部１５側へ照射される。上記検出溝部１５においては、ここに導入される測定対象ガスにレーザ光Ｒが照射されることでラマン散乱現象によってラマン散乱光Ｒａが発生する。

この検出溝部１５内で発生したラマン散乱光Ｒａは、図１２（イ）に示すように、上記受光窓１７から上記板ガラス２１に対して入射角が最少の垂直に近い状態で入射する。したがって、ラマン散乱光Ｒａは、上記板ガラス２１において殆ど反射されることなく、即ち、光の強さが殆ど低下することなく、該板ガラス２１を通過して上記反射鏡２２側へ入射する。

上記反射鏡２２に入射したラマン散乱光Ｒａは、該反射鏡２２において直角に反射され、上記受光側レンズ７側に出射し、さらに該受光側レンズ７において集光されながら上記受光側フェルール９に導入され、上記受光用光ファイバー４を通して上記光検出器（図示省略）に導入される。そして、この光検出器においては、上記検出溝部１５に存在するガスの種類や濃度の算出に供される。

また、この光学式センサチップ１においては、上記受光窓１７が、上記照射側フェルール８からのレーザ光Ｒの光路に沿って延設された上記検出溝部１５の内側面に設けられているため、例えば、上記検出溝部１５の前方に上記集光レンズ２４が設けられ、集光レンズ２４の表面でレーザ光Ｒが反射して反射レーザ光Ｒｒが発生したとしても、該反射レーザ光Ｒｒの上記受光窓１７に対する入射角が大きく、該受光窓１７における反射レーザ光Ｒｒの進入可能領域が狭いことから、該反射レーザ光Ｒｒの上記受光窓１７への進入が可及的に抑制される。

さらに、もし反射レーザ光Ｒｒが上記受光窓１７に進入し、該受光窓１７に臨んで配置された上記板ガラス２１の表面２１ａ（即ち、特許請求の範囲中の「透明部材」の平坦面に該当する面）に達したとしても、図１２（ロ）に示すように、反射レーザ光Ｒｒの上記板ガラス２１の表面２１ａに対する入射角αが大きいため、その多くが光線Ｒｒ２で示すように該表面２１ａで反射され、該表面２１ａを透過して上記反射鏡２２側へ進入する割合は少ない。

このような上記受光窓１７への反射レーザ光Ｒｒの入射の抑制作用と、該受光窓１７に進入した反射レーザ光Ｒｒの上記板ガラス２１への入射の抑制作用の相乗効果によって、反射レーザ光Ｒｒが上記受光用光ファイバー４側に導入されるのが可及的に防止され、その分だけ上記ラマン散乱光Ｒａがより正確に検出され、延いては測定対象ガスについての測定精度が向上することになる。

なお、上記以外の作用効果については、上記第１実施形態における該当記載を援用し、ここでの説明は省略する。

「第４の実施形態」
図９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。なお、この実施形態においては、上記第１の実施形態（図１～図６参照）及び第３の実施形態（図８参照）における光学式センサチップ１と同一の部材にはこれに付した符号と同じ符号を付してその説明を援用する。

この光学式センサチップ１は、上記第３の実施形態に係る光学式センサチップ１の発展型として位置づけられるものであって、その基本思想を同じとしている。

即ち、上記第３の実施形態に係る光学式センサチップ１においては、上記ベース部材２に、上記照射用光ファイバー３から上記照射側レンズ５を経て上記検出溝部１５に至る光学系でなる一つの照射ユニットＵ１と、上記受光窓１７と上記板ガラス２１と上記反射鏡２２と上記受光側レンズ７を経て上記受光用光ファイバー４に至る光学系でなる一つの受光ユニットＵ２を備えていたのに対して、この第４の実施形態に係る光学式センサチップ１では、上記ベース部材２に、一つの上記照射ユニットＵ１を設けるとともに、該照射ユニットＵ１の左右両側にそれぞれ上記受光ユニットＵ２を配置しており、この受光ユニットＵ２の数を増やしたことを最大の特徴としている。

したがって、この第４の実施形態に係る光学式センサチップ１においては、上記第３の実施形態に係る光学式センサチップ１におけると同様の基本的な作用効果が得られることとは勿論であるが、それに加えて、上記受光ユニットＵ２の設置数を増加させたことによる特有の作用効果が得られる。即ち、この実施形態の光学式センサチップ１においては、上記照射ユニットＵ１の左右両側にそれぞれ上記受光ユニットＵ２を配置しているので、上記ラマン散乱光Ｒａが微弱なものであっても、これら二つの受光ユニットＵ２にそれぞれ入射されるラマン散乱光が合算されることでその強さが高められることから、例え反射レーザ光Ｒｒが受光ユニットＵ２に入射されたとしてもその影響を可及的に抑えることができ、この結果、測定対象ガスに対する測定精度がより一層高められる。

なお、上記光学式センサチップ１の基本的な作用効果については、上記第１及び第３の実施形態における記載を援用し、ここでの説明を省略する。

「第５の実施形態」
図１０には、本願発明の第５の実施形態に係る光学式センサチップ１を示している。なお、この実施形態においては、上記第１の実施形態における光学式センサチップ１（図１～図６参照）と同一の部材にはこれに付した符号と同じ符号を付してその説明を援用する。

この第５の実施形態の光学式センサチップ１は、上記第１の実施形態に係る光学式センサチップ１の変形例として位置づけられるものである。即ち、上記第１の実施形態に係る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３から上記照射側レンズ５を経て上記検出溝部１５に至る光学系で構成される上記照射ユニットＵ１と、上記受光窓１７から上記プリズム６及び受光側レンズ７を経て上記受光用光ファイバー４に至る光学系で構成される受光ユニットＵ２とを略平行に配置し、上記照射ユニットＵ１側で発生したラマン散乱光Ｒａを上記受光ユニットＵ２側へ折り返すための上記プリズム６の斜面６ａを反射面として利用したものである。

これに対して、この実施形態の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３から上記照射側レンズ５を経て上記検出溝部１５に至る光学系で構成される上記照射ユニットＵ１と、上記受光窓１７から半球状の受光側レンズ２３を経て上記受光用光ファイバー４に至る光学系で構成される受光ユニットＵ２を備え、該受光ユニットＵ２を上記照射ユニットＵ１の上記検出溝部１５部分に対してこれに直交する方向から取り付けたものであり、ラマン散乱光Ｒａの折り返し用の反射面を必要としないことから部材点数が削減され、構造の簡略化及びコンパクト化が図れる。

また、上記受光側レンズ２３は、これを半球状に形成し且つその平面２３ａを上記受光窓１７に衝合させることで、該平面２３ａを特許請求の範囲中の「透明部材」として機能させるとともに、本来の集光用レンズとして利用するものであることから、例えば、透明部材と集光用レンズをそれぞれ設ける場合に比して、構造の簡略化とコンパクト化が図れる。

このように構成された光学式センサチップ１においては、光源（図示省略）からのレーザ光Ｒは、上記照射用光ファイバー３を介して上記照射側フェルール８に導入され、該照射側フェルール８から上記照射側レンズ５を通して上記検出溝部１５側へ照射される。上記検出溝部１５においては、ここに導入される測定対象ガスにレーザ光Ｒが照射されることでラマン散乱現象によってラマン散乱光Ｒａが発生する。

この検出溝部１５内で発生したラマン散乱光Ｒａは、上記受光窓１７から上記受光側レンズ２３に対して入射角が最少の垂直に近い状態で入射する。したがって、ラマン散乱光Ｒａは、上記受光側レンズ２３の平面２３ａにおいて殆ど反射されることがなく、即ち、光の強さが殆ど低下することなく、該平面２３ａから該受光側レンズ２３に入射する。

上記受光側レンズ２３に入射したラマン散乱光Ｒａは、該受光側レンズ２３において集光されながら上記受光側フェルール９に導入され、上記受光用光ファイバー４を通して上記光検出器（図示省略）に導入され、該光検出器において上記検出溝部１５に存在するガスの種類や濃度の算出に供される。

また、この光学式センサチップ１においては、上記受光窓１７が、上記照射側フェルール８からのレーザ光Ｒの光路に沿って延設された上記検出溝部１５の内側面に設けられているため、例えば、上記検出溝部１５の前方に上記集光レンズ２４が設けられ、集光レンズ２４の表面でレーザ光Ｒが反射して反射レーザ光Ｒｒが発生したとしても、該反射レーザ光Ｒｒの上記受光窓１７に対する入射角が大きく、該受光窓１７における反射レーザ光Ｒｒの進入可能領域が狭いことから、該反射レーザ光Ｒｒの上記受光窓１７への進入が可及的に抑制される。

さらに、もし反射レーザ光Ｒｒが上記受光窓１７に進入し、該受光窓１７に臨んで配置された上記受光側レンズ２３の平面２３ａに達したとしても、反射レーザ光Ｒｒの上記平面２３ａに対する入射角が大きいため、その多くが該平面２３ａで反射され、該平面２３ａを透過して上記受光側フェルール９に入射する割合は少ない。

このような上記受光窓１７への反射レーザ光Ｒｒの入射の抑制作用と、該受光窓１７に進入した反射レーザ光Ｒｒの上記受光側レンズ２３側への入射の抑制作用の相乗効果によって、反射レーザ光Ｒｒが上記受光用光ファイバー４側に導入されるのが可及的に防止され、その分だけ上記ラマン散乱光Ｒａがより正確に検出され、延いては測定対象ガスについての測定精度が向上することになる。

なお、上記以外の作用効果については、上記第１実施形態における該当記載を援用し、ここでの説明は省略する。

「第６の実施形態」
図１１には、本願発明の第６の実施形態に係る光学式センサチップ１を示している。なお、この実施形態においては、上記第１の実施形態（図１～図６参照）及び第４の実施形態（図９参照）における光学式センサチップ１と同一の部材にはこれに付した符号と同じ符号を付してその説明を援用する。

この光学式センサチップ１は、上記第４の実施形態に係る光学式センサチップ１の変形例として位置づけられるものであって、その基本思想を同じとしている。

即ち、上記第４の実施形態に係る光学式センサチップ１においては、上記ベース部材２に、上記照射用光ファイバー３から上記照射側レンズ５を経て上記検出溝部１５に至る光学系でなる一つの照射ユニットＵ１と、上記受光窓１７から上記板ガラス２１、上記反射鏡２２及び上記受光側レンズ７を経て上記受光用光ファイバー４に至る光学系でなる二つの受光ユニットＵ２を、略平行に並設していたのに対して、この第６の実施形態に係る光学式センサチップ１では、上記二つの受光ユニットＵ２から上記反射鏡２２を除いて、該受光ユニットＵ２を上記照射ユニットＵ１の上記検出溝部１５部分に対してこれに直交する両側方向から取り付けたものである。

したがって、この第６の実施形態に係る光学式センサチップ１においては、上記第４の実施形態に係る光学式センサチップ１におけると同様の基本的な作用効果が得られるとともに、ラマン散乱光Ｒａの折り返し用の反射鏡２２を必要としないことから、部材点数が削減され構造の簡略化が図れる。

なお、上記光学式センサチップ１の基本的な作用効果については、上記第１及び第４の実施形態における記載を援用し、ここでの説明を省略する。

本願発明に係る光学式センサチップは、ガス濃度の監視が要求される発電プラントとか石油化学プラント等において、排気ガスとか有害ガスの濃度測定作業において広く利用できるものである。

１ ・・光学式センサチップ
２ ・・ベース部材
３ ・・照射用光ファイバー
４ ・・受光用光ファイバー
５ ・・照射側レンズ
６ ・・プリズム
７ ・・受光側レンズ
８ ・・照射側フェルール
９ ・・受光側フェルール
１０ ・・蓋体
１１ ・・フェルール取付溝
１２ ・・フェルール取付溝
１３ ・・光路溝部
１４ ・・光路溝部
１５ ・・検出溝部
１６ ・・プリズム取付部
１７ ・・受光窓
１８ ・・レンズ保持部
１９ ・・レンズ保持部
２０ ・・反射鏡取付部
２１ ・・板ガラス
２２ ・・反射鏡
２３ ・・受光側レンズ
２４ ・・集光レンズ
２Ａ ・・第１溝
２Ｂ ・・第２溝
Ｕ１ ・・照射ユニット
Ｕ２ ・・受光ユニット

Claims (6)

1. 照射用光ファイバーから照射したレーザ光が検出溝部に存在する測定対象ガスの分子に当たることで発せられるラマン散乱光を、受光窓に設けられた透明部材を介して受光用光ファイバーに導入する光学式センサチップであって、
   上記検出溝部がレーザ光の光路に沿って延設され、且つ該検出溝部の内側面には上記受光窓が設けられるとともに、該受光窓に設けられた上記透明部材はレーザ光の上記光路に対して略平行な平坦面を備える一方、
   上記検出溝部の光軸方向前方には集光レンズが備えられていることを特徴とする光学式センサチップ。
2. 請求項１に記載の光学式センサチップにおいて、
   上記受光窓に入射したラマン散乱光の光路を、該受光窓近傍に配置した反射面によって略直角に曲げて上記受光用光ファイバーに導入することを特徴とする光学式センサチップ。
3. 請求項２に記載の光学式センサチップにおいて、
   上記透明部材として、直角二等辺三角柱状のプリズムを用いたことを特徴とする光学式センサチップ。
4. 請求項１，２又は３に記載の光学式センサチップにおいて、
   少なくとも上記受光窓から上記透明部材を経て上記受光用光ファイバーに至る光学系で構成される受光ユニットを複数設けたことを特徴とする光学式センサチップ。
5. 請求項１，２，３又は４に記載の光学式センサチップと、
   該光学式センサチップに接続された上記照射用光ファイバーにレーザ光を供給するレーザ光源と、
   上記光学式センサチップに接続された上記受光用光ファイバーによって伝送されたラマン散乱光から上記検出溝部に存在する測定対象ガスの濃度を算出する光検出器と、
   を備えて構成されたことを特徴とする光学式ガスセンサ。
6. 請求項５に記載の光学式ガスセンサにおいて、
   少なくとも第一及び第二の光学式センサチップを備え、
   上記第一の光学式センサチップは、上記レーザ光源から供給されるレーザ光を伝送して照射する第一の照射用光ファイバーに接続し、
   上記第二の光学式センサチップは、上記第一の照射用光ファイバーから照射されて上記第一の光学式センサチップの上記検出溝部を経て出射するレーザ光を、集光及び伝送して照射する第二の照射用光ファイバーに接続していることを特徴とする光学式ガスセンサ。
   

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