JPH01321342A

JPH01321342A - 気体検出装置

Info

Publication number: JPH01321342A
Application number: JP15543988A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Furuta; 俊之古田; Hiroyuki Horiguchi; 堀口　浩幸; Yasuo Katano; 泰男片野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1989-12-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】且Ｊり辷訪本発明は、気体検出装置、より詳細には、化学反応を利
用した気体濃度センサーに関するものであるが、アンモ
ニア及びアミンを含有する液体の濃度センサーにも応用
可能なものである。

従来技術光学方式を用いた気体の濃度検出手段は、電気方式を用
いた気体の濃度検出手段に比べ、防爆性に優れている。

従来、気体の濃度検出手段として光伝導媒体を伝播する
光の光量変化を検知することで気体濃度の測定を行う方
法が提案されている（特開昭６１−１７８６２２号公報
）。

第６図は、上記従来技術の一例を説明するための構成図
で、図中、１はコア層、２はクラッド層、３はエバネッ
セント波で、これは、光伝導媒体のコア層と気体との界
面で浸出するエバネッセント波の気体への吸収による伝
播光の光量変化を利用するものであるが、気体の光吸収
波長は赤外以上の長波長であり、検出器の低価格化、小
型化を行う場合問題がある。また、気体の光吸収係数が
小さいため高感度化が望めない。例えば、ＣＨ４ガスを
エバネッセント波のＣＨ４への吸収変分により検知して
いるが、吸収波長が赤外域であり、光源、検知器が安価
でなく、また、吸収係数が小さいエバネッセント効果を
大きくするためには、ファイバを１０μｍ程度に極細に
する必要があり、実用的でないにれに対して光伝導媒体の周囲に、気体と接触すると光透
過能力が変化する物質をコートする方法が提案されてい
る（特公昭５８−４８８５０号公報）。

第７図は、上記従来技術の一例を説明するための断面図
で、（ａ）図は縦断面図、（ｂ）図は横断面図を示し、
図中、４は光伝導媒体、５は検知層で、これは、細長い
導波管の外周辺に被検体（気体）と接触すると可視光波
長域で光吸収係数が変化する物質をコートし、被検体の
濃度に応じた光景変化を検知するもので、光反射の際に
光吸収があり、導波管内の光反射回数が多いほど検出感
度が上がる。しかし、この方法では、光伝導媒体として
細長い導波管を用いており光の進行方向が一方向である
ため、導波管のまわりのコート層内を光が透過する頻度
に限りがあり、極微量の被検体の濃度変化に対する光量
変化がＩｉＩ′を測しにくい。すなわち、進行方向が一
方向であるため、光の反射回数を増やすには導波管の長
さを長くするしかなく、仮に導波管をらせん状に巻いた
としても検出感度の向上をはかる場合、検知器が大きく
なる欠点がある。

この欠点を解決し、小型かつ高感度な検出器を提供する
ものとして、（１）光伝導媒体として平面又はゆるやかな曲面を有す
る平板型伝導媒体であって、該平面の側面に入射光部、
受光部を有するかもしくは光結合部材（例えばプリズム
）を用いて入射光部、受光部とし、（２）前記の入射光
部、受光部を除いた側面の全部もしくは一部に光反射層
を設け、（３）平板の平面の少なくとも片方には検知気体と反応
して複素屈折率が変化するような層を設けた検出器が提
案された。

この装置では受光素子の出力レベルが検知気体の濃度に
依存することにより気体の濃度を計測でき、その実施例
として、検知層にはブロモチモールブルーを含む層を用
いることによりアンモニアを０．５〜３００ｐｐ＋ｏで
検知している。

而して、この実施例はアンモニアに対する感度は高いも
のの、３００ｐｐｍ以上においては出力値はほぼ一定と
なりダイナミックレンジが狭いという欠点があった。

目　　　　　的本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
特に、アンモニアセンサについて、小型かつ高感度でダ
イナミックレンジの広い検出器を提供することを目的と
してなされたものである。

璽−一部本発明は、上記目的を達成するために、平面又はゆるや
かな曲率を有する平板型光伝導媒体において、該平面側
面に入射光部、受光部を有する構成、もしくは、平板の
広い平面に隣接して入射光部、受光部をのぞいた全側面
、又は、全側面に光を反射する層を形成し、入射光部よ
り該平板内に入射した光が該平板の少なくとも１つの面
で１回以上反射して出射する構成であって、被検気体と
接触すると複素屈折率が変化する検知層を前記平板の少
なくとも一方の広い平面上に感度の違う層を複数個積層
し、又は、該平板の両面にそれぞれ感度の違う層を設け
、又は、感度の違う複数の材料を混ぜたものの層を少な
くとも一方の広い平面上に設け、該複素屈折率の変化に
応じて変化する該平板内伝播光の光量変化を検知するこ
とを特徴としたものである。以下、本発明の実施例に基
いて説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施例を示
す上面図、第２図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ側面図で
、図中、１０は光伝導媒体、１１は検知層、１２は光結
合部材、１３は反射層で。

（１）光伝導媒体１１としては、平面又はゆるやかな曲
面を有する平板型伝導媒体とする。この時、入射光部、
受光部としては、（ア）平板側面に設ける入射光部、受光部とも同−側面
であってもよく別々の平面であってもよい。

また、その位置は側面の任意の位置でよい。もしくは、（イ）入射光部、受光部をなす光結合部材（例えばプリ
ズム）１２を該平板の水平面に隣接して設ける。入射光
部、受光部をなすそれぞれの光結合部材は同一面にあっ
てもよく別々の面（対面）にあってもよい。

（２）前記（１）の平板において、入射光部、受光部を
除いた側面の一部もしくは全部に光反射層１３を形成す
る。

（３）気体と接触すると複素屈折率が変化する物質で感
度の違うものを２つ以上用意し、前記（１）の平板の水
平面の、（ア）一方の面にこれらの物質を多層にわけてコートシ
気体検知層とする（イ）一方の面には１つ物質をもう一方の面には別の物
質をコートし気体検知層とする、（つ）この２つの物質
を混ぜたものを水平面の少なくとも一方にコートし気体
検知層とする。

さて、前記（３−ア）の場合、説明を簡明にするために
２層のものについて説明する。第３図において、今、光
伝導媒体１ｏの屈折率をｎｌ、第一の検知層１１ａの屈
折率をｎｌ、第二の検知・層１１ｂの屈折率をｎ３とす
ると、ｎ　、　＜　ｎ　、　＜　ｎ　、の場合（第３図
（ａ））、光は気体検知層内を透過−反射しながら平面
内を伝播するが、このとき気体検知層の複素屈折率が変
化すると透過光量が変化する。ｎ　、　（ｎ　１（ｎ　
２の場合（第３図（ｂ））、光は第一の検知層と第二の
検知層との間で全反射しながら広い平面間を伝播する。

このとき複素屈折率が変化すると第一の検知層では透過
光量が変化し、第二の検知層ではエバネッセント波の吸
収変化による光量変化がおこる。

また、（３−イ）の場合、光伝導媒体の屈折率をｎ工、
一方の検知層の屈折率をｎｌ、もう一方の検知層の屈折
率をｎ３とすると、ｎ　１＜　ｎ　、、又はｎ□（ｎ　
３の場合は、エバネッセント波の吸収変化による光量変
化がおこる。ｎｌくｎｌかっｎ　１＜　ｎ　ａの場合を
第３図（ｃ）に、ｎ　１＞　ｎ　、かつｎ　１）ｎ、の
場合を第３図（ｄ）に示す。

また、（３−ウ）の場合も同様光伝導媒体の屈折率をｎ
い検知層の屈折率をｎｌとしたとき、ｎ□＜ｎｌの場合
、検知層内を通る光の透過光量がｎｌ〉ｎｌの場合、エ
バネッセント波の吸収により光量変化がおきる。それぞ
れの場合の例を第３図（ｅ）、第３図（ｆ）に示す。い
ずれの場合も入射光部より入射した光は該平板の広い平
面間を多数回反射しながら任意の側面の反射層に到達し
、そこで反射して再度返して受光部へ光は到達する（第
１図（ａ）、（ｂ））。

本発明は、このようにして従来方法に比べ光伝導媒体を
大きくしなくても光伝播光路長を長くすることができ、
該媒体内の反射回数を飛躍的に増し、小型で検出感度が
高く、ダイナミックレンジの広い検知器が可能となる。

さて、気体検知層として気体がアンモニアである場合、
以下の構成が可能である。

検知層として、該検知層のｐＨ値を緩衝液を用いである
値に設定しておき、水溶性ポリマーをバインダーとして
アンモニアガスとの接触による検知層のＰＨ変化に伴っ
て波長５００〜７００ｎｍの吸光度が変化する指示薬を
含有せしめる。このときアンモニアによりｐＨが上がる
ので変色ＰＨ領領域異なる指示薬を複数用意し、それぞ
れ別の層とすれば感度の異なる複数の層を設けることが
できる。

平板型光伝導媒体としては、ガラス、石英などの無機物
やＰＭＭＡ、ポリメチルペンテン等のポリマーが適当で
ある。なお、その形状は必ずしも直方体である必要はな
い。

反射層としては、人受先部にマスクをほどこしてＡ　ｆ
ｌ　ｇ　Ａｕ、　Ａｇなどの無機物を真空蒸着により形
成、もしくは銀鏡反応によりＡｇを形成する。

夫−庭一匹光伝導媒体としてＢＫ−７（１０ｘｌＯｘ０．３ｍ）を
用い、入射光源としてＬ　Ｅ、Ｄ　（波長６６０ｎｍ）
、受光素子としてシリコンフォトダイオードを用い、媒
体の側面に人受先部を設置した（第１図（ａ）の構成）
。人受先部及び両広面をマスクして２０００人の厚みの
ＡＱを真空蒸着により反射層を形成した。

検出層としてｐＨ６，５に設定したリン酸塩緩衝液１０
１１Ｑを溶媒として、（ア）ポリビニルアルコール’ｌ
ｏｍｇ／ｍＱ及びブロモチモールブルー液（エタノール
飽和液）３００ａ＋ｇ／＋ａＱ、（イ）ポリビニルアル
コール１００ｍｇ／ｍＱ及びチモールブルー液（同）３
００＋ｍｇ／＋ｍＱを溶かしたものを２種類用意した。

このときの屈折率は、光伝導媒体〈（ア）＜（イ）とな
る、（その１）光伝導媒体の広面にまずブロモチモールブルーの方の液
をスピンコードし、十分乾燥させた後、その上にチモー
ルブルーの方の液を同様にコートし、検知層を形成した
。

（その２）光伝導媒体の広面にブロモチモールブルーの方の液をス
ピンニー８６１次に裏面にチモールブルーの方の液を同
様にコートし、検知層を形成した。

（その３）前記（ア）と（イ）の液を混ぜたものを光伝導媒体の広
面にスピンコードし検知層を形成した。

このように形成したセンサーはアンモニアガスの濃度が
高くなるにつれて、まず、ブロモチモールブルーの層が
黄色→青色とアンモニア濃度に応じて変色し、おわると
、今度はチモールブルーの層が黄色→青色と変色する。

この色は光源の６６０ｎｍの光を吸収するのでアンモニ
ア濃度に応じて受光素子の出力が減少する。センサ出力
とアンモニアガス濃度の関係について、本実施例（その
１）の場合を第４図に、又、従来技術の場合を第５図に
示す。又、実施例（その２）及び（その３）の結果は（
その１）と同じであった。

羞−一米以上の説明から明らかなように、本発明によると、小型
かつ高感度でダイナミックレンジの広い検出器を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の詳細な説明
するための平面図、第２図（ａ）、（ｂ）は、側断面図
、第３図（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本発明の詳細な説
明するための構成図、第４図は、本発明による検出装置
のセンサ出力とアンモニアガス濃度の関係を示す図、第
５図は、従来技術におけるセンサ出力とアンモニアガス
濃度の関係を示す図、第６図及び第７図は、それぞれ従
来技術の例を示す図である。１０・・・光伝導媒体、１１・・・検知層、１１ａ・・
・第一の検知層、ｌｌｂ・・・第二の検知層、１２・・
・光結合部材、１３・・・反射層。第　　ｌ　　図＋（７１（ｂ）＋５第２図＋（７１（ｂ＋ＩＩ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｉ
＋第３図ｔｏ＋　　　　　　　Ｉｂ１（Ｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　（ｄ）＋ｅ＋　　　　　　　＋　ｆン第４図第５図アンモニアガス濃度

Claims

【特許請求の範囲】

１、平面又はゆるやかな曲率を有する平板型光伝導媒体
において、該平面側面に入射光部、受光部を有する構成
、もしくは、平板の広い平面に隣接して入射光部、受光
部をのぞいた全側面、又は、全側面に光を反射する層を
形成し、入射光部より該平板内に入射した光が該平板の
少なくとも１つの面で１回以上反射して出射する構成で
あって、被検気体と接触すると複素屈折率が変化する検
知層を前記平板の少なくとも一方の広い平面上に感度の
違う層を複数個積層し、又は、該平板の両面にそれぞれ
感度の違う層を設け、又は、感度の違う複数の材料を混
ぜたものの層を少なくとも一方の広い平面上に設け、該
複素屈折率の変化に応じて変化する該平板内伝播光の光
量変化を検知することを特徴とする気体検出装置。