JP7414665B2 - ガス分析装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、ガス分析装置に関する。
試料ガスに光を照射し、照射された光のエネルギーの一部が試料ガスに吸収されることを利用して分析を行うガス分析装置がある。この様なガス分析装置には、いわゆる多重反射セルを有するものがある。多重反射セルは、対向配置された一対のミラーを有し、導入された光を一対のミラーの間で複数回反射させるようにする。一対のミラーが設けられていれば、光路長を長くすることができるので、導入された光が試料ガスに作用する距離を長くすることができる。そのため、分析の精度を向上させることができる。
しかしながら、単に、一対のミラーを対向配置させると、ガス分析装置の構造が複雑となり、小型化が困難となる。また、一対のミラーの間において、光を共振させることができれば、分析の精度をさらに向上させることができる。しかしながら、光を共振させるためには、光路長を波長の整数倍とする必要がある。そのため、一対のミラーの間の距離をナノメートルオーダで調整する必要が生じ、光路長の調整が困難となっていた。
そこで、小型化を図ることができ、且つ、光路長の調整が容易なガス分析装置の開発が望まれていた。
特開２０１９－０６６４７５号公報
本発明が解決しようとする課題は、小型化を図ることができ、且つ、光路長の調整が容易なガス分析装置を提供することである。
実施形態に係るガス分析装置は、板状を呈し、一方の面に開口する凹部を有するベースと、前記ベースの、前記凹部が開口する側に設けられ、第１の膜と、前記第１の膜とは屈折率が異なる第２の膜と、が積層された窓と、前記窓の、前記ベース側とは反対側に設けられ、投光部と、受光部と、を有する光学部と、前記ベースと、前記窓と、の間に設けられ、厚みが制御可能な光路長制御部と、を備えている。前記凹部は、前記ベースの、前記凹部が開口する面に対して傾斜している第１の側壁と、前記第１の側壁と対峙し、前記凹部が開口する面に対して傾斜している第２の側壁と、を有している。前記第２の側壁の傾斜方向は、前記第１の側壁の傾斜方向とは反対である。前記投光部は、前記第１の側壁に光を照射可能である。前記受光部は、前記第２の側壁により反射された光を電気信号に変換可能である。
本実施の形態に係るガス分析装置を例示するための模式斜視図である。 図１におけるガス分析装置のＡ－Ａ線方向の模式断面図である。 他の実施形態に係る窓を例示するための模式断面図である。 （ａ）～（ｃ）は、光学要素３３の形成方法を例示するための模式工程断面図である。 他の実施形態に係る光学部を例示するための模式断面図である。 他の実施形態に係るガス分析装置を例示するための模式断面図である。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係るガス分析装置１を例示するための模式斜視図である。
図２は、図１におけるガス分析装置１のＡ－Ａ線方向の模式断面図である。
図１および図２に示すように、ガス分析装置１には、ベース１０、光学部２０、窓３０、および、光路長制御部４０を設けることができる。
ベース１０は、板状を呈し、一方の端面１０ａに開口する凹部１１を有する。凹部１１の内部空間は、分析の対象となるガス（試料ガス）１００が導入されるキャビティとなる。凹部１１は、ベース１０の、互いに対峙する側面にも開口させることができる。ベース１０の一方の側面の開口は、ガス１００が導入される導入口とすることができる。ベース１０の他方の開口は、分析済みのガス１００が排出される排出口とすることができる。また、導入口および排出口を覆う図示しない蓋を設けることができる。蓋には、配管を接続するための継ぎ手などを適宜設けることができる。
図１に示すように、ベース１０の平面形状は四角形とすることができる。後述するように、凹部１１の一方の側壁１１ａ（第１の側壁の一例に相当する）と、側壁１１ａに対峙する側壁１１ｂ（第２の側壁の一例に相当する）との間は、光路となる。この場合、側壁１１ａと側壁１１ｂとの間の距離を長くすることができれば、光がガス１００に作用する距離を長くすることができる。そのため、側壁１１ａと側壁１１ｂとの間の距離を長くすれば、光のエネルギーがガスに１００吸収され易くなるので、分析の精度を向上させることができる。例えば、図１に示すように、ベース１０の平面形状は長方形とすることが好ましい。
また、図２に示すように、凹部１１の一方の側壁１１ａと、側壁１１ａに対峙する側壁１１ｂは傾斜面とすることができる。側壁１１ａは、ベース１０の、凹部１１が開口する面１０ａに対して傾斜している。側壁１１ａの傾斜角度θ１（端面１０ａに対する側壁１１ａの角度）は、例えば、４５°とすることができる。側壁１１ｂは、側壁１１ａと対峙し、凹部１１が開口する面１０ａに対して傾斜している。側壁１１ｂの傾斜角度θ２（端面１０ａに対する側壁１１ｂの角度）は、例えば、４５°とすることができる。この場合、側壁１１ｂの傾斜方向は、側壁１１ａの傾斜方向とは反対とすることができる。
ベース１０の材料は、ある程度の剛性を有し、ガス１００に対するある程度の耐性があれば特に限定はない。ベース１０は、例えば、シリコンやセラミックスなどの無機材料、アルミニウムやステンレスなどの金属、フッ素樹脂などの樹脂から形成することができる。
この場合、ベース１０の材料をシリコンとすれば、例えば、半導体製造プロセスである異方性エッチング法を用いてシリコンウェーハを加工することで、ベース１０を形成することができる。そのため、側壁１１ａの傾斜角度θ１、側壁１１ｂの傾斜角度θ２、および凹部１１の寸法などの精度を向上させることができる。
また、後述するように、側壁１１ａ、１１ｂは、光の反射面となる。そのため、側壁１１ａ、１１ｂは、反射率を高めるために平坦な面とすることが好ましい。ベース１０の材料をシリコンとし、例えば、半導体製造プロセスである異方性エッチング法を用いて側壁１１ａ、１１ｂを形成すれば、側壁１１ａ、１１ｂを平坦な面とすることが容易となる。
また、側壁１１ａ、１１ｂの表面に、反射膜をさらに設けることもできる。反射膜は、例えば、金などの金属や、ＳｉＯ２などの誘電体材料を含むものとすることができる。反射膜が設けられていれば、側壁１１ａ、１１ｂに吸収される光のエネルギーを少なくすることができるので、分析の精度、感度を向上させることができる。
光学部２０は、窓３０の、ベース１０側とは反対側に設けられている。
光学部２０は、ホルダ２１、投光部２２、および受光部２３を有することができる。
ホルダ２１は、板状を呈し、一方の端面２１ａに開口する凹部２１ｂを有することができる。ホルダ２１の平面形状および平面寸法は、例えば、ベース１０の平面形状および平面寸法と同じとすることができる。
凹部２１ｂの内部には、投光部２２および受光部２３を設けることができる。例えば、投光部２２および受光部２３は、凹部２１ｂの底面に設けることができる。この場合、投光部２２は、側壁１１ａに対峙する位置に設けることができる。受光部２３は、側壁１１ｂに対峙する位置に設けることができる。
投光部２２および受光部２３が凹部２１ｂの内部に設けられていれば、外部の光（外乱光）がベース１０の凹部１１の内部に照射されたり、外部の光（外乱光）が受光部２３に入射されたりするのを抑制することができる。すなわち、ホルダ２１は、投光部２２および受光部２３を保持する機能と、投光部２２および受光部２３を覆うカバーの機能とを有することができる。
ホルダ２１の材料は、ある程度の剛性を有していれば特に限定はない。ただし、前述したように、ホルダ２１が投光部２２および受光部２３を覆うカバーとして機能することを考慮すると、ホルダ２１の材料は、光が透過し難いものとすることが好ましい。ホルダ２１は、例えば、シリコンやセラミックスなどの無機材料、アルミニウムやステンレスなどの金属、フッ素樹脂などの樹脂から形成することができる。
投光部２２は、側壁１１ａに光を照射する。投光部２２は、所定の波長の光を出射する発光素子とすることができる。投光部２２は、窓３０を介して、側壁１１ａに光を照射する。ここで、中赤外領域の光（波長が４μｍ以上、１６μｍ以下の光）は、分子の基本振動に由来する強い吸収線に一致するため、微量ガスの分析に有利である。そのため、投光部２２は、中赤外領域の光を出射する素子とすることが好ましい。中赤外領域の光を出射する素子としては、例えば、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ: Quantum Cascade Laser）素子を例示することができる。
また、ガス１００の成分によっては、分子の吸収波長が異なるものとなる。例えば、ＣＯやＣＯ２などの場合には、吸収波長が４．５μｍ程度となる。例えば、ＮＨ３などの場合には、吸収波長が９μｍ程度、あるいは１０μｍ程度となる。
そのため、投光部２２は、予想されるガス１００の成分に応じて、発振波長を変化させることができるものとすることが好ましい。この場合、量子カスケードレーザ素子は、印加する電圧（または、電流）を制御することで、発振波長を変化させることができる。そのため、投光部２２が量子カスケードレーザ素子であれば、予想されるガス１００の成分に応じて、発振波長を変化させ、吸収線に厳密に合致させることができるので、分析の精度を向上させることができる。また、波長分解能を高くすることができるので、ppbレベルの微量検出なども可能となる。
受光部２３は、側壁１１ｂにより反射され、窓３０を介して、凹部１１の外部に出射した光を電気信号に変換する。前述したように、ガス１００の分析には、中赤外領域の光を用いることが好ましい。そのため、受光部２３は、中赤外領域の光を検出するのに適したものとすることが好ましい。受光部２３は、例えば、量子型光電素子とすることができる。量子型光電素子は、例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、およびＭＣＴ（HgCdTe；テルル化カドミウム水銀）のいずれかを含むものとすることができる。
また、量子カスケードレーザ素子の一種に、ＰＣ－ＱＣＬ（Photonic Crystal-Quantum Cascade Laser）素子がある。ＰＣ－ＱＣＬ素子は、量子カスケードレーザ素子を面発光型にしたものである。ＰＣ－ＱＣＬ素子は、フォトニック結晶を含み、電圧（または、電流）が印加されると中赤外領域の光を素子の表面から出射することができる。通常のＱＣＬでは半導体結晶のへき開面を共振器ミラーとして用いるため、へき開を行った端面より光が出射される。表面からレーザ光が得られるため、本発明のような構成が初めて可能となる。また、ＰＣ－ＱＣＬ素子とすれば、中赤外領域の光を検出することもできる。従来のＱＣＬを光検出に用いようとした場合、共振器である導波構造に光を入射する必要があるが、その導波路は数umと非常に狭く、この領域に光を導入することは容易ではない。しかし本発明の構造ではＰＣが形成されている素子表面から検出する光を導入することでＰＣにより自動的に導波路に光が導入される。そのため、受光部２３は、ＰＣ－ＱＣＬ素子とすることもできる。
図２に示すように、投光部２２は、窓３０に向けて中赤外領域の光を出射する。窓３０に入射した光の一部は、窓３０を透過して、側壁１１ａに入射する。側壁１１ａに入射した光は、側壁１１ａにより反射されて、側壁１１ｂに入射する。側壁１１ｂに入射した光は、側壁１１ｂにより反射されて、窓３０に入射する。窓３０に入射した光の一部は、窓３０を透過して受光部２３に入射する。また、窓３０に入射した光の一部は、窓３０により反射されて、側壁１１ｂおよび側壁１１ａを介して、窓３０の、投光部２２に対峙する部分に入射する。そのため、前述した光路において、進光波と反射波が干渉して定在波が生じる。
この様に、窓３０は、入射した中赤外領域の光の一部を透過する機能と、入射した中赤外領域の光の一部を反射する機能を有している。この場合、反射率を低くし過ぎると、反射波の減衰時間が短くなるので、高い時間分解能を有する受光部２３が必要となる。一方、反射率を高くし過ぎると、受光部２３に入射する光の光量が少なくなるので、高い感度を有する受光部２３が必要となる。また、窓３０を介して側壁１１ａに入射する光の光量が少なくなるので、高い出力を有する投光部２２が必要となる。
本発明者の得た知見によれば、窓３０の、中赤外領域の光に対する反射率は、９９％以上、１００％未満とすることが好ましい。この場合、ガス１００に含まれている成分（測定対象）の濃度が低い場合には、反射率を高くして、凹部２１ｂの内部から外部に出射する光の光量を少なくすることが好ましい。
すなわち、窓３０は、中赤外領域の光に対する反射率が９９％以上であり、成分の濃度に応じて反射率を調整できるものとすることが好ましい。
そこで、本実施の形態に係る窓３０は、中赤外領域の光に対する屈折率が異なる複数種類の膜を積層した積層膜とすることができる。例えば、図２に示すように、窓３０は、ベース１０の、凹部１１が開口する側に設けられ、第１の膜３１と、第１の膜３１とは屈折率が異なる第２の膜３２と、が積層された積層膜とすることができる。
例えば、光の波長が４．５μｍの場合には、第１の膜３１の材料をＺｎＳｅとし、第１の膜３１の厚みを４７３ｎｍとすることができる。第２の膜３２の材料をＺｎＳとし、第２の膜３２の厚みを５１１ｎｍとすることができる。また、第１の膜３１および第２の膜３２の数を、それぞれ３０程度とすることができる。
例えば、光の波長が４．５μｍの場合には、第１の膜３１の材料をＺｎＳｅとし、第１の膜３１の厚みを４７３ｎｍとすることができる。第２の膜３２の材料をＧｅとし、第２の膜３２の厚みを２８６ｎｍとすることができる。また、第１の膜３１および第２の膜３２の数を、それぞれ２０程度とすることができる。
例えば、光の波長が４．５μｍの場合には、第１の膜３１の材料をＳｉとし、第１の膜３１の厚みを３２８ｎｍとすることができる。第２の膜３２の材料をＧｅとし、第２の膜３２の厚みを２８６ｎｍとすることができる。また、第１の膜３１および第２の膜３２の数を、それぞれ２５程度とすることができる。
なお、第１の膜３１および第２の膜３２は、例示をしたものに限定されるわけではない。例えば、中赤外領域の光を透過し、屈折率の異なる複数種類の膜を組み合わせ、構成する各膜の光学的な厚みが波長の１／４となるようになれば良い。
すなわち、本実施の形態に係る窓３０とすれば、膜の材質（屈折率）、厚み、および積層数の少なくともいずれかを選択することで、成分の濃度に適した反射率を得ることができる。
ここで、前述したように、本実施の形態に係るガス分析装置１においては、凹部１１の内部において定在波が形成される。この場合、光路長が、光の波長の整数倍となっていれば、共振により定在波の強度を高めることができる。そのため、光路長が光の波長の整数倍となるように、側壁１１ａおよび側壁１１ｂの配置を決めることができる。しかしながら、側壁１１ａおよび側壁１１ｂの寸法、形状、配置などには製造誤差があるので、光路長が光の波長の整数倍となるようにすることが難しい。また、前述したように、予想されるガス１００の成分に応じて、発振波長が変更になる場合もある。この様な場合には、発振波長に応じて、光路長を変更する必要が生じる場合もある。
一般的なガス分析装置においては、一対の反射面の間の距離を調整することで、光路長が光の波長の整数倍となるようにしている。しかしながら、波長は数μｍ程度であるため、調整量はナノメートルオーダとなる。そのため、一対の反射面の間の距離を調整する様にすると、光路長が光の波長の整数倍となるようにすることが困難となる。
そこで、本実施の形態に係るガス分析装置１には、光路長制御部４０が設けられている。
図１および図２に示すように、光路長制御部４０は、ベース１０と窓３０との間に設けることができる。光路長制御部４０は、厚みが制御可能なものとすることができる。光路長制御部４０は、例えば、圧電素子とすることができる。
光路長制御部４０が圧電素子であれば、光路長制御部４０に印加する電圧を制御することで、光路長制御部４０の厚み、ひいては、側壁１１ａにおける光の入射位置または光の反射位置と、窓３０との間の距離Ｌａ、および、側壁１１ｂにおける光の入射位置または光の反射位置と、窓３０との間の距離Ｌｂを調整することができる。この場合、距離Ｌａおよび距離Ｌｂの調整量は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
距離Ｌａおよび距離Ｌｂを変えることができれば、光路長の制御を行うことができる。この場合、光路長制御部４０が圧電素子であれば、光路長制御部４０に印加する電圧を制御することで光路長を制御することができる。そのため、光路長の制御を容易とすることができる。また、ナノメートルオーダの調整が可能となる。
次に、本実施の形態に係るガス分析装置１の作用について説明する。
まず、ガス源などから、凹部１１の内部にガス１００が導入される。
次に、投光部２２が、例えば、中赤外領域の光を、窓３０を介して凹部１１の内部に照射する。凹部１１の内部に光が照射されると、前述したように、凹部１１の内部に定在波が形成される。ガス１００に含まれている分子に光が照射されると、光のエネルギーを吸収して、分子振動、回転等が励起される。そのため、光強度が減少する。
窓３０があることにより投光部から出た光は、窓３０、傾斜部１１ａ、１１ｂ、窓３０の間で定在波となり、その光強度の減衰時間はガスの濃度により変化する。中赤外領域を吸収しないガスを導入した場合と吸収するガスを導入した場合では、減衰時間に変化が生じる。ガスの濃度をいくつか用意し、検量線を作成することで、精度良い濃度測定も可能となる。
測定が終了したガス１００は、凹部１１の内部から外部に排出することができる。
以上に説明した様に、本実施の形態に係るガス分析装置１は、板状を呈するベース１０および光学部２０と、膜状を呈する窓３０および光路長制御部４０とが積層されたものとすることができる。そのため、ガス分析装置１の小型化が容易となる。
また、光路長制御部４０を電気的に制御することで光路長の調整を容易に行うことができる。この場合、光路長を調整するための機械的な調整機構を設ける必要がないので、ガス分析装置１の小型化や低コスト化を図ることもできる。
すなわち、本実施の形態に係るガス分析装置１とすれば、小型化を図ることができ、且つ、光路長の調整を容易とすることができる。
次に、他の実施形態に係る窓３０ａについて説明する。
図３は、他の実施形態に係る窓３０ａを例示するための模式断面図である。
図３に示すように、窓３０ａは、第１の膜３１、第２の膜３２、および光学要素３３を有することができる。例えば、窓３０ａは、前述した窓３０に光学要素３３をさらに設けたものとすることができる。
光学要素３３は、例えば、第１の膜３１および第２の膜３２を含む積層膜の、ベース１０側とは反対側の面に設けることができる。光学要素３３は、投光部２２と、凹部１１の側壁１１ａとの間に設けることができる。この様な位置に光学要素３３が設けられていれば、投光部２２から出射した光は、光学要素３３および積層膜を介して、側壁１１ａに入射する。
この場合、光学要素３３は、光を集光させるものとすることが好ましい。例えば、図３に示すように、光学要素３３は、凸レンズとすることができる。光学要素３３が光を集光させるものであれば、側壁１１ａに入射する光の強度を高めたり、入射位置を絞ることができる。そのため、分析の精度を向上させることができる。
図３においては、光学要素３３が、投光部２２と、凹部１１の側壁１１ａとの間に設けられる場合を例示したが、光学要素３３は、受光部２３と、凹部２１ｂの側壁１１ｂとの間に設けることもできる。この様な位置に光学要素３３が設けられていれば、側壁１１ｂにより反射された光は、光学要素３３および積層膜を介して、受光部２３に入射する。
この場合、光学要素３３が凸レンズなどの光を集光させるものであれば、受光部２３に入射する光の強度を高めることができる。そのため、分析の精度を向上させることができる。
なお、光学要素３３は、投光部２２と、凹部１１の側壁１１ａとの間、および、受光部２３と、凹部１１の側壁１１ｂとの間の少なくともいずれかに設けることができる。この場合、光学要素３３が、投光部２２と、凹部１１の側壁１１ａとの間、および、受光部２３と、凹部１１の側壁１１ｂとの間に設けられていれば、分析の精度をさらに向上させることができる。
図４（ａ）～（ｃ）は、光学要素３３の形成方法を例示するための模式工程断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、第１の膜３１および第２の膜３２を含む積層膜の上に、光学要素３３を形成するための膜３３ａを成膜する。膜３３ａは、例えば、リンとボロンがドープされたＳｉＯ２などから形成することができる。
次に、膜３３ａの上にマスク３３ｂを形成する。マスク３３ｂは、例えば、レジストマスクとすることができる。マスク３３ｂは、例えば、フォトリソグラフィ法を用いて形成することができる。
次に、図４（ｂ）に示すように、マスク３３ｂをエッチングマスクとして、膜３３ａをエッチングする。エッチングは、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などのドライエッチングとすることができる。
次に、マスク３３ｂを除去する。マスク３３ｂの除去は、例えば、ドライアッシングやウェットアッシングなどにより行うことができる。
次に、図４（ｃ）に示すように、所定の形状に加工された膜３３ａから光学要素３３を形成する。例えば、所定の形状に加工された膜３３ａを加熱処理することで、凸状の曲面を有する光学要素３３を形成することができる。加熱処理は、例えば、リフロー炉などを用いて行うことができる。加熱温度は、例えば、３００℃～６００℃程度とすることができる。
なお、図４（ｂ）においては、積層膜が露出するまで膜３３ａを除去したが、積層膜が露出しないようにしてもよい。この場合、膜３３ａの、光学要素３３となる部分の高さを変えることで、凸状の曲面の形状（曲率）を変化させることができる。なお、光学要素３３の周辺に膜３３ａが残るが、光は、光学要素３３の周辺の膜３３ａには入射しない。そのため、光学要素３３の周辺に膜３３ａが残ることにより、光学特性が劣化するおそれは少ない。
次に、他の実施形態に係る光学部２０ａについて説明する。
図５は、他の実施形態に係る光学部２０ａを例示するための模式断面図である。
光学部２０ａは、ホルダ２１、投光部２２、受光部２３、および、冷却部２４を有することができる。例えば、光学部２０ａは、前述した光学部２０に冷却部２４をさらに設けたものとすることができる。
例えば、図５に示すように、冷却部２４は、受光部２３の、光の入射側とは反対側の面に設けることができる。冷却部２４は、冷却機能を有するものであれば特に限定はないが、小型軽量化、制御性などを考慮するとペルチェ素子などとすることが好ましい。
受光部２３が、量子型光電素子である場合には、温度の上昇に伴いノイズが増加するおそれがある。そのため、受光部２３の温度がなるべく低くなるようにすることが好ましい。冷却部２４が設けられていれば、受光部２３の温度を低下させることができるので、ノイズの低減を図ることができ、ひいては分析の精度を向上させることができる。
また、投光部２２が、量子カスケードレーザ素子である場合には、温度の変化に伴い波長が変動するおそれがある。そのため、投光部２２の温度がなるべく一定となる様にすることが好ましい。そのため、冷却部２４は、投光部２２の、光の出射側とは反対側の面に設けることもできる。冷却部２４が設けられていれば、投光部２２の温度を略一定となるようにすることができるので、出射される光の波長を安定させることができ、ひいては分析の精度を向上させることができる。例えば、冷却部２４としてペルチェ素子を設け、熱電対などにより検出された投光部２２の温度に基づいて、ペルチェ素子に流す電流を制御することができる。
なお、冷却部２４は、受光部２３および投光部２２の少なくともいずれかに設けることができる。この場合、冷却部２４が、受光部２３および投光部２２に設けられていれば、分析の精度をさらに向上させることができる。
次に、他の実施形態に係るガス分析装置１ａについて説明する。
図６は、他の実施形態に係るガス分析装置１ａを例示するための模式断面図である。
図６に示すように、ガス分析装置１には、ベース１０、光学部１２０、窓３０、および、光路長制御部４０を設けることができる。
光学部１２０は、ホルダ２１、および投受光部１２２を有することができる。すなわち、光学部１２０は、窓３０の、ベース１０側とは反対側に設けられ、投受光部１２２を有する。
投受光部１２２は、凹部２１ｂの内部に設けることができる。例えば、投受光部１２２は、凹部２１ｂの底面に設けることができる。この場合、投受光部１２２は、側壁１１ａに対峙する位置に設けることができる。
投受光部１２２は、例えば、電圧または電流が印加されると光を出射し、電圧または電流が印加されていない状態で光が入射すると、入射した光の強度に応じて電圧または電流が発生するものとすることができる。すなわち、投受光部１２２は、側壁１１ａに光を照射可能であり、光の照射を停止した後に、側壁１１ａからの反射光を電気信号に変換することができる。
投受光部１２２は、例えば、ＰＣ－ＱＣＬ素子とすることができる。例えば、ＰＣ－ＱＣＬ素子に電圧または電流を印加すれば、ＰＣ－ＱＣＬ素子から凹部１１の内部に中赤外領域の光を出射することができる。そして、電圧または電流の印加を停止すると、凹部１１の内部からＰＣ－ＱＣＬ素子に入射した光の強度に応じて電気信号を出力することができる。そのため、出力された電気信号に基づいて、ガス１００の成分を分析することができる。例えば、電圧または電流の印加の停止とともに測定を開始し、凹部１１の内部における光の減衰時間を測定することでガスの成分を分析することができる。
本実施の形態に係るガス分析装置１ａとすれば、構成の簡略化を図ることができる。また、ＰＣ－ＱＣＬ素子への電圧または電流の印加と、印加の停止とを切り替えるだけで、ガス１００の成分の分析を行うことができる。そのため、制御回路の簡略化、制御プログラムの簡略化などを図ることができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１ ガス分析装置、１ａ ガス分析装置、１０ ベース、１１ 凹部、１１ａ 側壁、１１ｂ 側壁、２０ 光学部、２０ａ 光学部、２１ ホルダ、２２ 投光部、２３ 受光部、２４ 冷却部、３０ 窓、３１ 第１の膜、３２ 第２の膜、３３ 光学要素、４０ 光路長制御部、１００ ガス、１２０ 光学部、１２２ 投受光部

Claims (6)

  1. 板状を呈し、一方の面に開口する凹部を有するベースと、
    前記ベースの、前記凹部が開口する側に設けられ、第１の膜と、前記第１の膜とは屈折率が異なる第２の膜と、が積層された窓と、
    前記窓の、前記ベース側とは反対側に設けられ、投光部と、受光部と、を有する光学部と、
    前記ベースと、前記窓と、の間に設けられ、厚みが制御可能な光路長制御部と、
    を備え、
    前記凹部は、
    前記ベースの、前記凹部が開口する面に対して傾斜している第１の側壁と、
    前記第１の側壁と対峙し、前記凹部が開口する面に対して傾斜している第２の側壁と、
    を有し、
    前記第２の側壁の傾斜方向は、前記第１の側壁の傾斜方向とは反対であり、
    前記投光部は、前記第１の側壁に光を照射可能であり、
    前記受光部は、前記第２の側壁により反射された光を電気信号に変換可能であるガス分析装置。
  2. 前記投光部は、量子カスケードレーザ素子である請求項１記載のガス分析装置。
  3. 前記受光部は、量子型光電素子、または、量子カスケードレーザ素子を面発光型にしたＰＣ－ＱＣＬ（Photonic Crystal-Quantum Cascade Laser）素子である請求項１または２に記載のガス分析装置。
  4. 板状を呈し、一方の面に開口する凹部を有するベースと、
    前記ベースの、前記凹部が開口する側に設けられ、第１の膜と、前記第１の膜とは屈折率が異なる第２の膜と、が積層された窓と、
    前記窓の、前記ベース側とは反対側に設けられ、投受光部を有する光学部と、
    前記ベースと、前記窓と、の間に設けられ、厚みが制御可能な光路長制御部と、
    を備え、
    前記凹部は、
    前記ベースの、前記凹部が開口する面に対して傾斜している第１の側壁と、
    前記第１の側壁と対峙し、前記凹部が開口する面に対して傾斜している第２の側壁と、
    を有し、
    前記第２の側壁の傾斜方向は、前記第１の側壁の傾斜方向とは反対であり、
    前記投受光部は、前記第１の側壁に光を照射可能であり、前記光の照射を停止した後に、前記第１の側壁からの反射光を電気信号に変換可能であるガス分析装置。
  5. 前記投受光部は、量子カスケードレーザ素子を面発光型にしたＰＣ－ＱＣＬ（Photonic Crystal-Quantum Cascade Laser）素子である請求項４記載のガス分析装置。
  6. 前記光路長制御部は、圧電素子である請求項１～５のいずれか１つに記載のガス分析装置。
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