JPH0510876A - ガス検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発振波長の安定度が高く、しかも外部の急激
な温度変化の影響を受けないガス検知装置を提供するこ
と。 【構成】 温度に応じて波長の変化する半導体レーザ素
子２０の温度を熱電対３７で検出して電圧に変換し、変
換した電圧と第１の電圧発生器２８の電圧との差に基づ
いて半導体レーザ素子２０の温度が所定の温度になるよ
うに半導体レーザ素子２０に設けられたペルチェ素子２
５への印加電圧または電流を制御するとともに、その所
定時間後に、半導体レーザ素子２０から発せられガスの
封入されたセル２１を通過したレーザ光をフォトダイオ
ード２２で検出して位相敏感検波器を介して得られた１
次微分信号の電圧と、第２の電圧発生器３３の電圧との
差に基づいて半導体レーザ素子２０の温度が所定の温度
になるようにペルチェ素子２５への印加電圧または電流
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ素子を用
いたガス検知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特定波長のレーザ光がある種の気体に吸
収されやすいことを利用してガスの有無を検出できるこ
とが知られており、この原理を応用したセンシング技術
が工業計測、公害監視などに広く用いられている。一例
として、Ｈｅ−Ｎｅレーザにより発生されるレーザ光の
３．３９２２μｍの発振線はメタンに強く吸収されるこ
とを利用してメタンの有無を感度よく検出することが可
能である。メタンは都市ガスの主成分であるのでメタン
ガスの検出によって都市ガスの漏洩が検知できる。しか
し半導体レーザを用いてガス検知を行う場合にはレーザ
素子が温度により発振波長を大きく変えるのでレーザ光
の発振波長をガスの吸収線の中心波長に合わせて安定化
する必要がある。

【０００３】そこで本願出願人は平成３年６月２８日付
けで半導体レーザ素子の発振波長を正確に制御するよう
にしたガス検知装置について出願し、図２はその温度制
御部のブロック線図である。

【０００４】図２において所定の周波数の交流で変調さ
れた半導体レーザ素子１から発生されたレーザ光の一部
Ｌ₂ がガスの封入されたセル２を通過し、このセル２を
通過したレーザ光がフォトダイオード３で検出され、フ
ォトダイオード３の出力電流が、抵抗器４およびオペア
ンプ５からなる電流電圧変換器６によって図３の信号Ａ
で示すような電圧に変換される。変換された電圧が位相
敏感検波器７に入力されると、図示しない１次の位相敏
感検波信号（ｆ信号）が出力端子８に出力される。

【０００５】図３は半導体レーザ素子の温度に対する電
流電圧変換器６と位相敏感検波器７の出力特性の一例を
表わす。横軸は半導体レーザ素子の温度、縦軸は出力電
圧である。位相敏感検波器７の出力信号は抵抗器９、１
０、可変抵抗器１１およびオペアンプ１２からなるオフ
セット調整器１３に送出されて、位相敏感検波器７の出
力信号からオフセットを取り除いた信号が誤差信号とし
てＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｔｅｇｒａ
ｌ ａｎｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ 比例、積分お
よび微分）コントローラ１４に送出され、このＰＩＤコ
ントローラ１４の出力電圧または電流によってペルチェ
素子１５の両面の表面温度がそれぞれ所定の温度に調整
される。ｆ信号は電流電圧変換器６の出力信号を１階微
分したものであるためオフセットは半導体レーザ素子１
の入出力特性において入力電流の増加に伴い発振出力が
増加するときの傾きにより発生する。

【０００６】近赤外半導体レーザ素子１は、レーザ素子
自体の温度が高くなるとレーザ光の波長が長くなり、レ
ーザ素子自体の温度が低くなると波長が短くなる特性を
有しているので、この半導体レーザ素子１に取り付けら
れたペルチェ素子１５の温度を制御することによってレ
ーザ光の波長が制御される。なおＰＩＤコントローラ１
４は、入力信号を比例、積分および微分したものを所定
の割合で加え合わせて、制御対象としてのペルチェ素子
１５の温度を制御するのに必要な電圧に変換する。また
特定の吸収波長を有するガスの検知には図３の信号Ｂに
示すような２次の位相敏感検波信号（２ｆ信号）が用い
られる。ここでピーク群Ｐ₁ およびＰ₂の横軸は温度で
あるが、この温度は波長に比例しており、セル２内のガ
ス吸収波長に対応しているのでこれらピーク群Ｐ₁およ
びＰ₂ の位置によりガスの成分を検知することができ
る。

【０００７】位相敏感検波器７は、検知すべき信号の中
から特定の周波数且つ特定の位相をもつ成分だけを抽出
し、復調する。図３に示す信号Ｂは位相敏感検波器から
の２ｆ信号であり、信号Ａを波長に関して２階微分した
ものに相当する。２ｆ信号が用いられるのは、メタンの
吸収線の中心に安定化されたレーザ光をフォトダイオー
ド３で受けた場合、温度、圧力等他の条件が変化しなけ
れば２ｆ信号の強度がメタン濃度に比例するためであ
る。

【０００８】また、これとは別の方法として、半導体レ
ーザ素子１とペルチェ素子１５との間の熱伝導板１６の
側面に熱電対を取り付けて、この熱電対から得られる電
圧と、検知ガスの波長に対応する電圧を発生する電圧発
生器の出力電圧との差に基づいてペルチェ素子１５の印
加電圧または電流を制御することで半導体レーザ素子１
の発振波長を制御する方法が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら図２に示
すような１次の位相敏感検波信号を用いて発振波長を制
御する方法では、発振波長の安定度はよいが、外部の温
度が急激に変化すると制御が追いつかず発振波長がずれ
てしまうことになる。また半導体レーザ素子の温度を検
出して発振波長を制御するだけでは発振波長の安定度が
それほど高くないという問題点があった。

【００１０】本発明は、上記の点にかんがみてなされた
ものであり、その目的は、発振波長の安定度が高く、し
かも外部の急激な温度変化の影響を受けないガス検知装
置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、本発明に
よると、温度に応じて波長が変化するレーザ光を発振す
るレーザと、レーザの温度を検出する温度検出器と、レ
ーザ光の発振波長が所定の波長となるように設定された
レーザの温度に対応する電圧を発生する第１の電圧発生
器と、第１の電圧発生器の出力電圧と温度検出器の出力
電圧との差に基づいてレーザの温度が所定の温度になる
ように制御する第１の温度制御手段と、参照雰囲気通過
後のレーザ光の強度を検出する光検出器と、光検出器の
出力を位相敏感検波して１次の位相敏感検波信号を出力
する位相敏感検波器と、１次の位相敏感検波信号のオフ
セット分に対応した電圧を発生する第２の電圧発生器
と、第１の温度制御手段によって温度制御されてから所
定時間後に、位相敏感検波器によって得られる１次の位
相敏感検波信号の電圧と第２の電圧発生器の出力電圧と
の差に基づいてレーザの温度が所定の温度になるように
制御する第２の温度制御手段とを備えたガス検知装置に
よって達成できる。

【００１２】

【作用】第１の温度制御手段が、温度に応じて波長が変
化するレーザ光を発振するレーザの温度を温度検出器で
検出し、第１の電圧発生器でレーザ光の発振波長が所定
の波長となるように設定されたレーザの温度に対応する
電圧を発生し、第１の電圧発生器の出力電圧と温度検出
器の出力電圧との差に基づいてレーザの温度が一定にな
るように制御し、第２の温度制御手段が、参照雰囲気通
過後のレーザ光の強度を光検出器で検出して１次の位相
敏感検波信号を出力し、第２の電圧発生器で１次の位相
敏感検波信号のオフセット分に対応した電圧を発生し、
第１の温度制御手段によって温度制御されてから所定時
間後に、１次の位相敏感検波信号の電圧と第２の電圧発
生器の出力電圧との差に基づいてレーザの温度が一定に
なるように制御する。

【００１３】

【実施例】以下本発明を図面に基づいて説明する。

【００１４】図１は本発明によるガス検知装置の温度制
御部の一実施例の概略構成図である。ガス検知装置の温
度制御部は、半導体レーザ素子２０と、セル２１と、フ
ォトダイオード２２と、第１の温度制御部２３と、第２
の温度制御部２４とで構成されている。第１の温度制御
部２３は、ペルチェ素子２５と、ウィンドコンパレータ
２６と、ＰＩＤコントローラ２７と、第１の電圧発生器
２８としての抵抗器２８ａ、２８ｂと、遅延バッファ２
９とで構成されており、第２の温度制御部２４は、ペル
チェ素子３０と、電流電圧変換器３１と、位相敏感検波
器３２と、第２の電圧発生器３３としての抵抗器３３
ａ、３３ｂと、引き算器３４と、ＰＩＤコントローラ３
５とで構成されている。

【００１５】半導体レーザ素子２０は、熱伝導板３６を
介してペルチェ素子３０に取り付けられており、このペ
ルチェ素子３０は、側面に熱電対３７が取り付けられた
熱伝導板３８に接合されており、この熱伝導板３８の反
対側（図の下側）にはペルチェ素子２５が取り付けられ
ている。

【００１６】半導体レーザ素子２０は位相敏感検波器３
２の検波周波数に等しい周波数で変調されており、その
発振波長は、前述のようにレーザ素子自体の温度が高く
なると長くなり、素子自体の温度が低くなると短くなる
特性を有している。半導体レーザ素子２０から発光され
るレーザ光の一部Ｌ₂ （図の左方向に発光されるレーザ
光）は参照雰囲気としてのガスが封入されたセル２１を
通過する。

【００１７】一般に、ペルチェ素子はペルチェ効果を利
用した素子で、２種類の金属または半導体を接合して電
流を流すと、ジュール熱が発生する以外に、その接合部
で熱を発生するか、または熱の吸収が起こる。なお、こ
の現象は電流を流す方向を逆にすると発熱と吸熱とが逆
になる。

【００１８】図４はペルチェ効果を説明するための説明
図である。

【００１９】図４のようにＰ型半導体とＮ型半導体とを
導体ａで接続し、Ｐ型半導体の電極ｂとＮ型半導体の電
極ｃとの間に電池Ｅを接続すると、電極ａが発熱すると
ともに電極ｂおよびｃが吸熱する。このような素子を複
数組み合わせることによって発熱量や吸熱量を増加させ
ることができる。ペルチェ素子の印加電圧を変化させた
り、極性を反転させることにより、ペルチェ素子２５、
３０の近傍に設けられた半導体レーザ素子２０の温度を
変化させ、レーザ光の波長を変化させることができる。
なお、ペルチェ素子２５および３０は、熱伝導板３８に
接合されている面が同時に発熱または吸熱する。

【００２０】この実施例においては熱電対３７はゼーベ
ック効果（２種類の金属の接続点の温度を高温にする
と、温度に応じて金属に電流が流れる現象）を利用する
ことにより熱伝導板３８の接続点の温度を測定する目的
で設けられており、その一端は接地されており、他端に
おける電圧Ｖ₃₇はウィンドコンパレータ２６に入力され
ている。

【００２１】ウィンドコンパレータ２６は、オペアンプ
４１と、抵抗器３９、４０とで構成された引き算器とコ
ンパレータ４２とで構成されており、この引き算器は、
熱電対３７の出力電圧Ｖ₃₇と、抵抗器２８ａと抵抗器２
８ｂとの接続点の電圧Ｖ₂₈との差に基づいて信号を出力
する。この電圧Ｖ₂₈は半導体レーザ素子２０の発振波長
が所定の波長となるように設定された半導体レーザ素子
２０の温度に対応する電圧に設定されている。引き算器
は、熱電対３７の出力電圧Ｖ₃₇から電圧Ｖ₂₈を引き算し
て得られる差の電圧をＰＩＤコントローラ２７に出力す
る。一方、ウィンドコンパレータ２６は熱電対３７の出
力電圧Ｖ₃₇、すなわち熱伝導板３８の接合部の温度が所
定の範囲外にあるときは、たとえば「０」論理レベルの
信号を遅延バッファ２９に出力し、熱伝導板３８の接合
部の温度が所定の範囲内にあるときは「１」論理レベル
の信号を遅延バッファ２９に出力する。ペルチェ素子２
５による温度制御により半導体レーザ素子２０の温度が
安定化するには時間がかかるため、ウィンドコンパレー
タ２６からの出力信号は、遅延バッファ２９によって熱
電対３７の出力電圧Ｖ₃₇が安定するまでの時間遅延した
後リレー４７に入力される。

【００２２】電流電圧変換器３１は、抵抗器４８とオペ
アンプ４９とで構成されており、フォトダイオード２２
の出力電流を電圧に変換する。

【００２３】位相敏感検波器３２は、前述のように検知
すべき信号を特定の周波数で変調し、変調された信号の
中から特定の周波数且つ特定の位相をもつ成分だけを抽
出し、復調し出力する。これにより、極めて高いＳ／Ｎ
比で微小信号の検出を行うことができる。

【００２４】一般に特定の周波数で変調されたレーザ光
が、特定の波長の光を吸収するガスを通過し、センサで
受光されると、このセンサの出力信号は直流成分のほか
に変調周波数と同じ周波数をもつ基本波成分およびその
高調波成分から成る。そのうち、基本波成分、２倍高調
波成分を位相敏感検波器で位相敏感検波すると、後述す
るようなそれぞれ波長に関する１次微分、２次微分に対
応する信号を得ることができる。２次微分信号は、特定
の吸収波長を有するガスの検知およびガスの濃度測定に
用いられ、本発明は１次微分信号を用いて、レーザ光の
発振周波数を特定の周波数に安定化しようとするもので
ある。

【００２５】一般に、半導体レーザの発振角周波数Ωは
温度と駆動電流との関数であるが、温度を一定として駆
動電流を角周波数ω（２πｆ）で変調すると、Ωは数１
にしたがって角周波数ωで変調される。

【００２６】

【数１】Ω＝Ω₀ ＋ΔΩｃｏｓωｔ ここで、Ω₀ は半導体レーザの中心発振角周波数、ΔΩ
は発振角周波数変調振幅を、ωは変調周波数である。

【００２７】発振角周波数変調振幅ΔΩは小さいので数
２で表されるレーザ光の透過率ＴをΩ＝Ω₀ においてテ
ーラ展開し、ΔΩの２次の項まで計算すると数４とな
る。

【００２８】

【数２】Ｔ＝ｅｘｐ（−αｃＬ） ここで、ｃはメタンの濃度（分圧）、Ｌは光路長、Ｔは
レーザ光の透過率（フォトダイオード２２の電流に比例
する）であり、αはメタンの吸収係数である。特にこの
αは大気中では、一つの吸収線に着目すると数３に示す
ようなローレンツ型の周波数依存特性を有する。

【００２９】

【数３】α＝γ² α₀ ／（（Ω−ω_m ）² ＋γ ²） ここでω_m は吸収波長の中心周波数、α₀ 、γは定数で
ある。

【００３０】

【数４】 Ｔ＝Ｔ₀ ＋（ΔΩ）² Ｔ₀ ″／４＋ΔΩＴ₀ ′ｃｏｓωｔ ＋（（ΔΩ）² Ｔ₀ ″ｃｏｓ２ωｔ）／４＋… となり、直流成分のほか、ｃｏｓωｔとｃｏｓ２ωｔに
したがって変化する成分をもつ。ここで、Ｔ₀ 、Ｔ
₀ ′、Ｔ₀ ″はΩ＝Ω₀ におけるそれぞれ透過率Ｔ、そ
の１次微分ｄＴ／ｄΩ、および２次微分ｄ² Ｔ／ｄΩ²
の値であり、以下、数５、数６および数７のように与え
られる。

【００３１】

【数５】 Ｔ₀ ＝１−γ² α₀ ｃＬ／（（Ω₀ −ω_m ）² ＋γ² ）

【００３２】

【数６】 Ｔ₀ ′＝２（Ω₀ −ω_m ）γ² α₀ ｃＬ／［（Ω₀ −ω_m ）² ＋γ² ］²

【００３３】

【数７】 Ｔ₀ ″＝ −２[ ３ (Ω₀ −ω_m)² −γ²]γ² α₀ ｃＬ／[(Ω₀ −ω_m)² ＋γ²]³ 数６は１次の位相敏感検波信号ｆに対応しており、数７
は２次の位相敏感検波信号２ｆに対応している。

【００３４】さて、引き算器３４は、抵抗器５１、５２
とオペアンプ５３で構成されており、位相敏感検波器３
２の出力電圧Ｖ₃₂から第２の電圧発生器３３のオフセッ
ト電圧を引いた電圧をＰＩＤコントローラ３５に送出す
る。オフセットは前述のように半導体レーザ素子２０の
入出力特性における入力電流の増加に伴い出力が増加す
るときの傾きにより発生する。

【００３５】抵抗器３３ａと抵抗器３３ｂとの接続点の
電圧Ｖ₃₃は位相敏感検波器３２の１次の位相敏感検波信
号の電圧値Ｖ₃₂のオフセット分に対応したオフセット電
圧に設定されている。このオフセット電圧は半導体レー
ザ素子２０の種類によってばらつきがあるので除去する
必要がある。オフセット電圧は引き算器３４によって除
去される。

【００３６】リレー４７は遅延バッファ２９の出力が
「１」のときのみＰＩＤコントローラ３５の出力電圧ま
たは電流がペルチェ素子３０に印加される。

【００３７】次に本発明によるガス検知装置における発
振波長の制御動作を説明する。

【００３８】図１において、半導体レーザ素子２０の温
度は熱電対３７によって電圧Ｖ₃₇に変換され、ウィンド
コンパレータ２６に入力される。ウィンドコンパレータ
２６は、熱電対３７の出力電圧Ｖ₃₇と電圧Ｖ₂₈とを比較
し、熱電対３７の電圧Ｖ₃₇が電圧Ｖ₂₈を超えると（Ｖ₂₈
−Ｖ₃₇）、負の電圧をＰＩＤコントローラ２７に送出
し、ＰＩＤコントローラ２７は熱電対３７の接続点の温
度を下げるような電圧または電流をペルチェ素子２５に
印加するので、半導体レーザ素子２０の温度が下がる。
これとは逆に電圧Ｖ₃₇が電圧Ｖ₂₈より低くなったとき
は、正の電圧をＰＩＤコントローラ２７に送出し、ＰＩ
Ｄコントローラ２７は熱電対３７の接続点の温度を上げ
るような逆の極性の電圧をペルチェ素子２５に印加する
ので、半導体レーザ素子２０の温度が上がる。ウィンド
コンパレータ２６は、遅延バッファ２９に「１」または
「０」論理レベルの信号を送出する。遅延バッファ２９
はウィンドコンパレータ２３からの「１」の信号を入力
すると所定の時間後にリレー４７に「１」論理レベルの
信号を送出する。

【００３９】一方、半導体レーザ素子２０からのレーザ
光の一部Ｌ₂ がセル２１を通過してフォトダイオード２
２に入射される。フォトダイオード２２で検出されたレ
ーザ光の出力電流が電流電圧変換器３１によって電圧に
変換される。変換された電圧が位相敏感検波器３２に入
力されると、１次の位相敏感検波信号（ｆ信号）が出力
端子５０に出力されるとともに、引き算器３４に入力さ
れ、この引き算器３４でオフセット電圧が除去された信
号が誤差信号としてＰＩＤコントローラ３５に送出さ
れ、このＰＩＤコントローラ３５の出力電圧がリレー４
７に送出される。遅延バッファ２９からこのリレー４７
へ送出される信号が「１」論理レベルのときだけペルチ
ェ素子３０にＰＩＤコントローラ３５の電圧または電流
が印加される。

【００４０】これにより、第１の温度制御部２３で半導
体レーザ素子２０の大体の温度制御が行われ、第２の温
度制御部２４で精密な温度制御が行われる。すなわち２
重に温度制御が行われるので、外部の温度が急激に変化
しても半導体レーザ素子２０の発振波長がずれることな
く安定化される。

【００４１】このように熱電対３７で半導体レーザ素子
２０の温度を検出して電圧Ｖ₃₇として出力し、この電圧
Ｖ₃₇と電圧Ｖ₂₈との差に基づいて半導体レーザ素子２０
に取り付けられたペルチェ素子２５の大体の温度を制御
し、半導体レーザ素子２０から出射されるレーザ光の一
部Ｌ₂ をセル２１内のガスを介してフォトダイオード２
２で検出し、電圧に変換し、位相敏感検波器を介して１
次微分信号の電圧Ｖ₃₂と電圧Ｖ₃₃との差に基づいて半導
体レーザ素子２０に取り付けられたペルチェ素子３０の
温度を制御することによって半導体レーザ素子２０の発
振波長が安定化される。

【００４２】また、本実施例では、オフセット電圧除去
のための抵抗器２８ａ、２８ｂ、３３ａ、３３ｂの値は
固定されているが、可変するようにすれば異なるガスの
検知が可能になる。

【００４３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明において
は、レーザの温度を検出して電圧に変換し、変換した電
圧と第１の電圧発生器の電圧との差に基づいてレーザが
所定の温度になるように制御するとともに、その所定時
間後にレーザから発せられ参照雰囲気を通過したレーザ
光を検出し、位相敏感検波して得られた１次微分信号の
電圧と第２の電圧発生器の電圧との差に基づいてレーザ
の温度が所定の温度になるように制御するので、レーザ
の発振波長が外部の急激な温度変化の影響を受けること
なく安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガス検知装置の温度制御部の一実
施例の概略構成図である。

【図２】本出願人によるガス検知装置の一例のブロック
線図である。

【図３】本発明で用いられる半導体レーザ素子の温度に
対する電流電圧変換器と位相敏感検波器の出力特性の一
例を表すグラフである。

【図４】ペルチェ効果を説明するための説明図である。

【符号の説明】

２０ 半導体レーザ素子 ２１ セル ２２ フォトダイオード ２３ 第１の温度制御部 ２４ 第２の温度制御部 ２５、３０ ペルチェ素子 ３７ 熱電対

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度に応じて波長が変化するレーザ光を
   発振するレーザと、該レーザの温度を検出する温度検出
   器と、該レーザ光の発振波長が所定の波長となるように
   設定されたレーザの温度に対応する電圧を発生する第１
   の電圧発生器と、該第１の電圧発生器の出力電圧と前記
   温度検出器の出力電圧との差に基づいて前記レーザの温
   度が所定の温度になるように制御する第１の温度制御手
   段と、参照雰囲気通過後のレーザ光の強度を検出する光
   検出器と、該光検出器の出力を位相敏感検波して１次の
   位相敏感検波信号を出力する位相敏感検波器と、該１次
   の位相敏感検波信号のオフセット分に対応した電圧を発
   生する第２の電圧発生器と、前記第１の温度制御手段に
   よって温度制御されてから所定時間後に、前記位相敏感
   検波器によって得られる１次の位相敏感検波信号の電圧
   と前記第２の電圧発生器の出力電圧との差に基づいて前
   記レーザの温度が所定の温度になるように制御する第２
   の温度制御手段とを備えたことを特徴とするガス検知装
   置。
2. 【請求項２】前記レーザが半導体レーザである請求項１
   に記載のガス検知装置。
3. 【請求項３】前記第１および第２の温度制御手段がそれ
   ぞれペルチェ素子を有する請求項１ないし請求項２のい
   ずれか一項に記載のガス検知装置。
4. 【請求項４】前記第２の温度制御手段が遅延バッファを
   含む請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガ
   ス検知装置。