JPH045547A - 炭酸ガスセンサ - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、施設園芸・環境衛生・防災用−工業用なと
の炭酸ガスを計測あるいは制御する場所に使用する炭酸
ガスセンサに関するものである。

し従来の技術］ 従来の炭酸ガスセンサとして例えば第２図に示すような
ものがあった。第２図は「“モジュレーションタイプ焦
電形赤外線センサを用いたガス検出器”５ＡＮＹＯＴＥ
ＣＩ（ＮＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷ　ＶＯＬ、　２１　Ｎ
ｏ、　２　ＪＵＮ。

１９８９１（竹内、柴田、田中、黒木）に示された従来
の炭酸ガスセンサを示す構成図で２図において（１）は
赤外光源、（２）は光源ブロック温度測定素子、（３）
は光源ブロック、（４）はガスセル、（５）はチ３．２
バ部（６）は光学フィルタ、（７）は焦電形検出素子、
（８）は内部温度測定用素子であり２チョッパ部（５）
、光学フィルタ（６）、焦電形検出素子（７）、内部温
度測定用素子（８）によりセンサ部（９）を構成してい
る。

（１０）は温度調整ヒータである。

次に動作について説明する。

一般に炭酸ガス、メタンガスなど異なった原子からなる
ガス分子は赤外域に吸収スペクトルを有しており、その
スペクトルはガス種によって異なっている。第３図は炭
酸ガスの赤外吸収スペクトルを示す−であり、波長４．
３ｔｔｍに特徴的な吸収ピークをもっていることを示し
ている。この吸収ピークの大きさは炭酸ガス濃度Ｃと吸
収光路長ｌによって決まっている。即ち、入射光量をＩ
。、吸収光路長ｌに対する透過光量をｒとするとランベ
ルドベールの法則より次の関係式（１）式が成立する。

１＝　Ｔ　ｏｅｘｐ（−α・Ｃ−１）　　　　　−−（
１）ここでαは炭酸ガスの吸収係数であり、　１．６３
Ｘ１０−２μ請南・％）の値をとる。したがって入射光
量■。

と吸収光路長ｐを一定にして透過光量■を測定すれば炭
酸ガス濃度Ｃが測定できる。

第２図に示した炭酸ガスセンサはこのような原理にもと
づくものであり、以下に述べる構成によって透過光ｔｒ
を測定している。

図に於いて赤外光源（１）は４，３μ閘近傍にピークの
ある連続スペクトル分布をもつ放射源であり。

約５００℃に発熱したニクロムヒータから構成されてい
る。この赤外光源（１）からの放射量は、光源ブロック
温度測定素子（２）により光源ブロック（３）の温度を
検出し赤外光源（１）への入力電力を制御することによ
って一定に保たれている。この一定に保たれた放射光は
ガスセル（４）に入射し、ガスセル（４）内の炭酸ガス
によって吸収波長４３μｍに対応する成分が一部吸収さ
れる。この放射光はガスセル（４）を通過後、バイモル
フ振動子とスリットから構成されるチョッパ部（５）に
入射し変調されたのち波長４．３μｍを中心波長とする
帯域幅９０ｍ５の光学フィルタ（６）を通過し、タンタ
ル酸リチウムなどの焦電形検出素子（７）に入射する。

ここでガスセル（４）を通過した放射光をチョッパ部（
５）によって変調したのは焦電形検出素子（７）が微分
形の検出器であるためであり、焦電検出素子（７）に入
射した光は透過光量ｒに比例した電気信号に変換され炭
酸ガス濃度Ｃに換算される。

ところで上記構成において光学フィルタ（６）とチョッ
パ部（５）は温度特性を有しており、これが焦電形検出
素子（７）出力の経時変動を与える主要な原因であるこ
とが判明している。このため内部温度測定用素子（８）
により温度調整ヒータ（１０）への入力電力を制御しセ
ンサ部（９）内部の温度を士０２℃の精度で一定に保つ
ことにより経時変動を低減している。

［発明が解決しようとする課題〕 従来の炭酸ガスセンサは以上のように構成されており、
チョッパ部および光学フィルタの温度条件が厳しいため
、センサ部内部の温度を内部温度測定用素子と温度調整
ヒータとによって厳密に調節する必要があった。またこ
の温度調節を行うためにセンサ部の部品点数が増え、構
造も複雑なものとなるという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、センサ部の温度調節を不要とし、センサ部の構成を
簡素化した炭酸ガスセンサを得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明にかかる炭酸ガスセンサは、パルス駆動手段、
常温において上記パルス駆動手段により４．３μ隋近傍
の波長の放射光をパルス発振する長波長赤外半導体レー
ザ、この長波長赤外半導体レーザの雰囲気温度を常温に
維持する温度調節手段上記長波長赤外半導体レーザの光
出力が一定になるように上記パルス駆動手段を制御する
出力制御手段、上記放射光を収束光束に変換する収束光
学手段、この収束光学手段を透過した放射光を入力しこ
の放射光の光徹に対応した電気信号を出力する焦電形検
出素子、上記長波長赤外半導体レーザと上記焦電形検出
素子との間の光路中に設けられ被検出ガスを納めるガス
セルを備えたものである［作用］ この発明における炭酸ガスセンサは、赤外線を放射する
光源として、常温においてパルス駆動手段により４．３
μ請近傍の波長の放射光をパルス発振する長波長赤外半
導体レーザを用いている。

このため焦電形検出素子を収納するセンサ部に対する厳
密な温度調整を行う必要がなく、センサ部に温度調整の
為の部材が不要となり、センサ部の構成を簡素化するこ
とができる。

［実施例］ 第１図はこの発明による炭酸ガスセンサの−実絶倒を示
す構成図である。

図に於いて（１２）は長波長赤外半導体レーザ（以下適
宜、半導体レーザと記す）、　（１３）は温度測定素子
、　（１４）ｉｔヒートシンク、　　（＋５）はペルテ
イエ素子であり、温度測定素子（１３）、ヒートシンク
（１４）、ヘルティエ素子（１５）によって温度調節手
段を構成する。（１６）は収束光学手段であるフレネル
レンズなどの収束光学素子、　（１７）は出力制御手段
としての出力検知用焦電形検出素子、　（１ｇ）は半導
体レーザ（１１）をパルス発振させるパルス駆動手段で
ある。

半導体レーザ（１２）、温度調節手段、収束光学素子（
１６）を収納する収納部を光源部（１９）とする。

次にこの一実施例の炭酸ガスセンサの動作について第１
図に基づき説明する。

従来より炭酸ガスの吸収波長４．３μ帛近傍で発振する
半導体レーザとして鉛カルコゲナイドレーザが知られて
いるが、このレーザは発振させるのに液体ヘリウムや窒
素などで冷却する必要があるため民生・産業用機器など
へ応用することは困難と考えられていた。ところが近年
、　　Ｂ、Ｓｐａｎｇｅｒ等によってＰｂ５ｒＳｃ／Ｐ
ｂ５ｅ／Ｐｂ５ｒＳｅダブルへテロ構造を採用すること
で常温としての室温１７℃において波長４．４７ｔｍの
パルス発振が可能なことが確認された。

（Ｂ、　Ｓｐａｎｇｅｒ、　Ｍ、　５ｃｈｉｅｓｓ１．
　Ａ、　Ｌａｍｖｒｅｃｈｔ、　Ｈ，Ｂｏｔｔｎｅｒａ
ｎｄ　Ｍ、　Ｔａｃｋｅ　：　ｒ　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙ
ｓ、　Ｌｅｔｔ、　　Ｖｏｌ、　５３　Ｎｏ、　２６１
９８８ｊ　２５８２頁） この一実施例で使用する長波長赤外半導体レーザ（工２
）はこのような室温において波長４．３μｌ近傍で発振
する半導体レーザであり、最近の研究成果をふまえたも
のである。第１図に示すとおり、半導体レーザ（１２）
は温度測定素子（１３）が設置されたヒートシンク（１
４）上にマウントされており、ヒートシンク（１４）は
ペルテイエ素子（１５）上にマウントされている。これ
は長波長赤外半導体レーザ（１２）の発振波長が温度依
存性を有するためであり、温度測定素子（１３）により
検出されたヒートシンク（１４）の温度は長波長赤外半
導体レーザ（１２）の温度を一定に保つためのベルテイ
エ素子（１５）への入力電力を制御する信号として使わ
れる。ここで従来例で説明した光学フィルタ（６）の帯
域幅９０ｍ５は、波長精度±４５＋＋ｎのレーザ発振に
対応しており、この精度を得るのに必要な温度制御の精
度はＳｐａｎｇｅｒ等の文献から±６℃と見積られる。

温度調節手段（１３）、　（＋４）、　（１５）によっ
て一定温度に保たれた長波長赤外半導体レーザ（１２）
にはパルス駆動手段（１７）によりパルス駆動電流が注
入され、パルス変調された放射光であるレーザ光が半導
体レーザ（１２）の活性層の両端面から出射される。こ
のうち活性層の後面から出射されるレーザ光は出力検知
用焦電形検出素子（１７）に入射し電気信号に変換され
長波長赤外半導体レーザ（！２）の光出力を一定に保つ
ために、パルス駆動電流を制御する信号として使われる
。

このようにして長波長赤外半導体レーザ（１２）カら４
．３μ讃近傍の一定の波長とパルス変調されて一定の光
出力をもつレーザ光が出射される。ここで活性層の前面
から出射されたレーザ光は収束光学素子（１６）に入射
し収束光束へと変換されガスセル（４）を介し、焦電形
検出素子（７）へと入射する。レーザ光の波長は炭酸ガ
スの吸収波長とほぼ一致してるためガスセル（４）を通
過することによってレーザ光の一部が吸収される。ガス
セル（４）を通過したレーザ光はパルス変調されている
ため従来装置に用いたチョッパ部（５）等の変調手段や
光学フィルタ（６）などを別途あらためて用いることな
しに焦電形検出素子（７）から透過光［１に比例した電
気信号が出力される。この電気信号は（１）式にもとづ
き炭酸ガス濃度Ｃに換算される。

以上に述べたように、上記一実施例による炭酸ガスセン
サにおいては、常温である室温１７℃において４．３μ
慣近傍の波長のレーザ光をパルス駆動手段によりパルス
発振する長波長赤外半導体レーザ（１２）を赤外光源と
して用いることにより、センサ部（１１）に対し厳密な
温度調整を行う必要がなくなり、センサ部（１１）の構
成部材の点数も少なくなり構成を簡素化することができ
１価格も安価となるという効果がある。

また、ガスセル（４）やセンサ部（１１）の筐体などか
らも４．３μｍ近傍の成分の赤外線が輻射されるが。

焦電形検出素子の直前に変調手段が設けられていないた
め、半導体レーザ（１２）からのレーザ光以外の、４３
μｍ近傍の成分の赤外線を焦電形検出素子（７）が受光
することなく、信頼性の高い測定データが得られるとい
う効果がある。

なお、上記一実施例の炭酸ガスセンサにおいて測定する
対象がガスであるため、測定時にセンサ部（１１）内及
び光源部（１９）内に存在するガスが測定データに影響
を及ぼすことが考えられる。

このためセンサ部（１１）及び光源部（＋９）は、あら
かじめ成分や各比率等の判っているガスを封入した状態
で密閉しておいてもよいし、または必ずしも密閉状態に
しなくとも、ガスセル（４）内の被検出ガスを測定する
直前または直後に、センサ部（１１）及び光源部（＋９
）のガス状態を測定し、ガスセル（４）内の被検出ガス
の測定データに対するオフセット量を求めてもよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明の炭酸ガスセンサによれば赤外光
源として室温１７℃に於いて４．３μｍ近傍の波長でパ
ルス駆動手段によりパルス発振する長波長赤外半導体レ
ーザを用いることにより、従来の炭酸ガスセンサのセン
サ部に設けられていた光学フィルタ、チョッパ部及びこ
れに係る内部温度測定用素子、温度調整ヒータが不要と
なる。このためセンサ部の部品点数か減すセンサ部の構
成が簡素化することが出来るという効果がある。

また、ガスセルやセンサ部筐体などから輻射される赤外
線の４．３μｍ近傍の成分が焦電形検出素子の直前で変
調を受けて焦電形検出素子の出力の電気信号に混入する
こともなくなるので信頼性の高い炭酸ガスセンサが得ら
れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による炭酸ガスセンサの構
成図である。第２図は従来の炭酸ガスセンサを示す構成
図、第３図は炭酸ガスの赤外吸収スペクトルを示す図で
ある。 図に於いて（４）はガスセル、（７）は焦電形検出素子
、（１２）は長波長赤外半導体レーザ、（＋３）は温度
測定素子、　（１４）はヒートシンク、（１５）はペル
ティエ素子、　（１６）は収束光学素子、（１７）は出
力検知用焦電形検出素子、（１８）はパルス駆動手段で
ある。 なお各図中、同一符号は同一または相当部分を示すもの
とする。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. パルス駆動手段、常温において上記パルス駆動手段によ
   り４．３μｍ近傍の波長の放射光をパルス発振する長波
   長赤外半導体レーザ、この長波長赤外半導体レーザの雰
   囲気温度を常温に維持する温度調節手段、上記長波長赤
   外半導体レーザの光出力が一定になるように上記パルス
   駆動手段を制御する出力制御手段、上記放射光を収束光
   束に変換する収束光学手段、この収束光学手段を透過し
   た放射光を入力しこの放射光の光量に対応した電気信号
   を出力する焦電形検出素子、上記長波長赤外半導体レー
   ザと上記焦電形検出素子との間の光路中に設けられ被検
   出ガスを納めるガスセルを備えたことを特徴とする炭酸
   ガスセンサ。