JPS62170838A - 反射型水素検知光センサ - Google Patents
反射型水素検知光センサInfo
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- JPS62170838A JPS62170838A JP61011092A JP1109286A JPS62170838A JP S62170838 A JPS62170838 A JP S62170838A JP 61011092 A JP61011092 A JP 61011092A JP 1109286 A JP1109286 A JP 1109286A JP S62170838 A JPS62170838 A JP S62170838A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
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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。
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〕
本発明は石油精製プラント等において有用な水素ガス濃
度を全光式で検知する本質防爆型の光センサに関する。
度を全光式で検知する本質防爆型の光センサに関する。
従来、この種の全光式水素検知センサとして第Ｓ図に示
すものがある。
すものがある。
図において、誘電体基板／に光導波路−が形成してあり
、この導波路２は入力用光ファイバ３Ａが接続される入
力導波路２人と、この入力導波路、２ＡからＹ型に２分
岐して基板の他端面に至る分岐導波路、２Ｂ 、 、２
０で構成され、これら両分岐導波路、２Ｂ、２Ｃの各端
面には出力用光ファイバ３Ｂ、３Ｃがそれぞれ接続され
る。
、この導波路２は入力用光ファイバ３Ａが接続される入
力導波路２人と、この入力導波路、２ＡからＹ型に２分
岐して基板の他端面に至る分岐導波路、２Ｂ 、 、２
０で構成され、これら両分岐導波路、２Ｂ、２Ｃの各端
面には出力用光ファイバ３Ｂ、３Ｃがそれぞれ接続され
る。
そして分岐導波路２Ｂ、２Ｇのうち一方２Ｂが水素検知
用導波路で他方２Ｃが参照先導波路となっており、前者
導波路２Ｂ上には水素と反応して光吸収係数が変化する
誘電体物質からなる薄膜ｑが設けてあり、さらにこの薄
膜弘上に水素ガスを解離吸着する金属の薄膜Ｓが積層形
成しである。
用導波路で他方２Ｃが参照先導波路となっており、前者
導波路２Ｂ上には水素と反応して光吸収係数が変化する
誘電体物質からなる薄膜ｑが設けてあり、さらにこの薄
膜弘上に水素ガスを解離吸着する金属の薄膜Ｓが積層形
成しである。
上記のセンサにおいて、導波路λＢを伝搬する光はこの
導波路内にほとんど閉じ込められているが一部はエバネ
ジセント光として誘電体簿膜ｌの部分に浸み出している
。
導波路内にほとんど閉じ込められているが一部はエバネ
ジセント光として誘電体簿膜ｌの部分に浸み出している
。
表面薄膜Ｓに水素ガスが接触すると水素はこの薄膜によ
り解離吸着され、この解離水素が下地膜ｌと反応して下
地膜ｌが着色し、前記エバネッセシト光が膜を中で吸収
を受けて減衰し、出力用光ファイバ３Ｂへの出射光量が
減少する。したがってこの出射光量と、上記薄膜の設け
られていない分岐導波路２Ｃから出射される参照先の光
量とを比較することによってその光量差変化量から水素
ガス濃度を検知することができる。
り解離吸着され、この解離水素が下地膜ｌと反応して下
地膜ｌが着色し、前記エバネッセシト光が膜を中で吸収
を受けて減衰し、出力用光ファイバ３Ｂへの出射光量が
減少する。したがってこの出射光量と、上記薄膜の設け
られていない分岐導波路２Ｃから出射される参照先の光
量とを比較することによってその光量差変化量から水素
ガス濃度を検知することができる。
上述した従来の全光式水素検知センサでは、光ファイバ
が最低限導波路の入力側７本と出力側２本の計３本必要
であり、しかもそれら光ファイバが導波路の対向側面に
それぞれ位置するため、実際に各種プラントや装置に装
着する際、光ファイバの保護、保持に複雑な手段が必要
となり、敷設および保守の作業性が悪いという欠点があ
った。
が最低限導波路の入力側７本と出力側２本の計３本必要
であり、しかもそれら光ファイバが導波路の対向側面に
それぞれ位置するため、実際に各種プラントや装置に装
着する際、光ファイバの保護、保持に複雑な手段が必要
となり、敷設および保守の作業性が悪いという欠点があ
った。
基板に形成した光導波路の側部に、水素と反応すること
によって光吸収係数が変化する誘電体薄膜を積層形成す
るとともに、該薄膜表面を水素ガスを解離吸着する金属
薄膜で被覆し、且つ前記導波路の一方の端面に密着して
反射体を設５＋るとともに、他方の端面に入出力用光フ
ァイバを接続して水素検知センサを構成した。
によって光吸収係数が変化する誘電体薄膜を積層形成す
るとともに、該薄膜表面を水素ガスを解離吸着する金属
薄膜で被覆し、且つ前記導波路の一方の端面に密着して
反射体を設５＋るとともに、他方の端面に入出力用光フ
ァイバを接続して水素検知センサを構成した。
上記構成のセンサにおいて、入出力用光ファイバを通し
て導波路内に光を入射させると、伝搬光は導波路内を伝
搬した後、他端に設けられた反射体で反射され、同一の
導波路を戻って再び入出力用光ファイバに出射する。そ
して水素ガスが吸着すると導波路上の薄膜が着色し、導
波路から浸み出して上記薄膜を遜るエバイ・ソセント光
が導波路の往復伝搬時に減衰する。
て導波路内に光を入射させると、伝搬光は導波路内を伝
搬した後、他端に設けられた反射体で反射され、同一の
導波路を戻って再び入出力用光ファイバに出射する。そ
して水素ガスが吸着すると導波路上の薄膜が着色し、導
波路から浸み出して上記薄膜を遜るエバイ・ソセント光
が導波路の往復伝搬時に減衰する。
このようにして、従来のものに比べ、同一長の導波路素
子で実質的に２倍長の検出導波路を設けたのと等価とな
り、それだけ検出感度を良好にできるとともに、反射体
を設けたことにより、単一の光フアイバ接続のみで済む
ので装置全体の大きさを小型化でき、また組立て、設置
、保守作業が非常に容易になる。
子で実質的に２倍長の検出導波路を設けたのと等価とな
り、それだけ検出感度を良好にできるとともに、反射体
を設けたことにより、単一の光フアイバ接続のみで済む
ので装置全体の大きさを小型化でき、また組立て、設置
、保守作業が非常に容易になる。
以下本発明を図面に示した実施例について詳糾１に説明
する。
する。
第１図、第２図において１０は使用波長に対して透明な
基板であり、この基板ＩＯ中に直線状の単一の光導波路
／／が埋め込み形成しである。
基板であり、この基板ＩＯ中に直線状の単一の光導波路
／／が埋め込み形成しである。
この導波路／ｌは、例えばＬｉＮｂＯ３からなる基板１
０ｉＣＴｉを熱拡散させたり、あるいはガラス基板１０
にガラスの屈折率増大に寄与するＴ１等の一価陽イオン
をイオン交換拡散する方法等で形成することができる。
０ｉＣＴｉを熱拡散させたり、あるいはガラス基板１０
にガラスの屈折率増大に寄与するＴ１等の一価陽イオン
をイオン交換拡散する方法等で形成することができる。
光導波路／／の上部には導波路のほぼ全長にわたり、且
つ導波路の全幅を少なくとも覆うように光吸収層１２が
設けてあり、さらにこの光吸収層／２上に水素吸着層／
３が積層形成しである。水素吸着層１３は、水素ガスを
吸着・解離して電子、プロトンを発生させる物質から成
り、光吸収層／２は上記の電子、プロトンを受けて光吸
収係数が変化する物質からなる。
つ導波路の全幅を少なくとも覆うように光吸収層１２が
設けてあり、さらにこの光吸収層／２上に水素吸着層／
３が積層形成しである。水素吸着層１３は、水素ガスを
吸着・解離して電子、プロトンを発生させる物質から成
り、光吸収層／２は上記の電子、プロトンを受けて光吸
収係数が変化する物質からなる。
上記の吸着層１３の材質としてはパラジウム（Ｐｄ ）
あるいは白金（Ｐｔ）が好適である。
あるいは白金（Ｐｔ）が好適である。
また光吸収Ｍ／、！を形成する物質としてはＷＯ３カ好
適であり、その他一般にエレクトロクロミックを示す無
機材料、例えばＭｏＯ３，Ｖ２Ｏ５＋ＴｉＯ２＋Ｉｒ（
ＯＨ）ｎ、Ｒｈ２０３ＸＨ２０などが使用可能である。
適であり、その他一般にエレクトロクロミックを示す無
機材料、例えばＭｏＯ３，Ｖ２Ｏ５＋ＴｉＯ２＋Ｉｒ（
ＯＨ）ｎ、Ｒｈ２０３ＸＨ２０などが使用可能である。
また光吸収層／２は有機材料で構成してもよく、例えば
ヘプエルビオロゲン、シアノフェニールビオロゲン、コ
バルトピリジル錯体、ポリマー化テトラチオフルバレン
（ＴＴＦ）、ルテシウムシフタロシアニンなどが使用で
きる。
ヘプエルビオロゲン、シアノフェニールビオロゲン、コ
バルトピリジル錯体、ポリマー化テトラチオフルバレン
（ＴＴＦ）、ルテシウムシフタロシアニンなどが使用で
きる。
そして基板ＩＯの一方の端面ｔｏＡｖｃＭ出している光
導波路／／の端面／／Ａには反射体／Ｉ／、が密着して
設けである。この反射体／グは例えばＡｌｌ、Ａｇ等の
高反射金属膜を上記面に蒸着、スパツタリング等で付着
することにより形成される。あるいは別途の基材面に反
射膜を設けたものを導波路端面に接合して形成してもよ
い。また誘電体反射膜も使用できる。また光導波路／／
の他方の端面／／Ｂには、入出力兼用の光ファイバ／Ｓ
が光学的に接続されている。上記構成の水素検知センサ
２０において、光ファイバ／Ｓを通じて伝送光を光導波
路／／内に入射させると、光導波路／／内を伝搬した後
、他端の反射体／Ｊで伝搬光が全量反射され、光導波路
／／を再び帰還して光ファイバ／Ｓに出射する。
導波路／／の端面／／Ａには反射体／Ｉ／、が密着して
設けである。この反射体／グは例えばＡｌｌ、Ａｇ等の
高反射金属膜を上記面に蒸着、スパツタリング等で付着
することにより形成される。あるいは別途の基材面に反
射膜を設けたものを導波路端面に接合して形成してもよ
い。また誘電体反射膜も使用できる。また光導波路／／
の他方の端面／／Ｂには、入出力兼用の光ファイバ／Ｓ
が光学的に接続されている。上記構成の水素検知センサ
２０において、光ファイバ／Ｓを通じて伝送光を光導波
路／／内に入射させると、光導波路／／内を伝搬した後
、他端の反射体／Ｊで伝搬光が全量反射され、光導波路
／／を再び帰還して光ファイバ／Ｓに出射する。
上記の吸着層／３に水素ガスが接触すると解離吸着され
て、この解離水素と光吸収層／２が反応し吸収層／２の
光吸収係数が増加する。
て、この解離水素と光吸収層／２が反応し吸収層／２の
光吸収係数が増加する。
例えば光吸収層／２としてＷＯ３を使用した場合は、当
初透明であったものがタングステンブロンズに着色する
。これにより、光導波路ｌ／を伝搬している導波光のエ
バネッセント光部分が光吸収層１２で吸収を受けて減衰
する。この光ｅ！収減衰は導波路ｌｌ内を反射体／４’
に向けて進行するときと、反射体／ｌで反射されて光フ
ァイバ／ｊに向けて帰還するときの往復で生じ、したが
って比較的短距離の導波路ｌ／であっても、あるいは水
素ガスの濃度が低い場合でも充分大な光量減衰が生じる
。
初透明であったものがタングステンブロンズに着色する
。これにより、光導波路ｌ／を伝搬している導波光のエ
バネッセント光部分が光吸収層１２で吸収を受けて減衰
する。この光ｅ！収減衰は導波路ｌｌ内を反射体／４’
に向けて進行するときと、反射体／ｌで反射されて光フ
ァイバ／ｊに向けて帰還するときの往復で生じ、したが
って比較的短距離の導波路ｌ／であっても、あるいは水
素ガスの濃度が低い場合でも充分大な光量減衰が生じる
。
このようにして、光ファイバ／Ｓの他端側に受光素子を
接続し受光量変化を計測することによりセンサ配置箇所
での水素ガスの発生およびその濃度を検出することがで
きる。
接続し受光量変化を計測することによりセンサ配置箇所
での水素ガスの発生およびその濃度を検出することがで
きる。
第１図に本発明のセンサの他の構造例を示す。
本例では、センサの耐湿性を高めるため、水素吸着層／
３の外側に、両層／、！、／３全体を覆うように、耐候
性に優れた物質の被膜から成る水素選択透過膜／乙を設
けたものであり、この選択透過膜／６は水素を選択的に
透過させるとともに、水蒸気の透過は阻止し得る程度の
ミクロな孔径をもった被膜であり、例えば５ｉ０２を電
子線加熱蒸着法で５００オングストロ一ム程度の厚みで
付着させることにより形成することができる。
３の外側に、両層／、！、／３全体を覆うように、耐候
性に優れた物質の被膜から成る水素選択透過膜／乙を設
けたものであり、この選択透過膜／６は水素を選択的に
透過させるとともに、水蒸気の透過は阻止し得る程度の
ミクロな孔径をもった被膜であり、例えば５ｉ０２を電
子線加熱蒸着法で５００オングストロ一ム程度の厚みで
付着させることにより形成することができる。
第３図に本発明に係るセンサを用いた水素検知システム
の一例を示す。
の一例を示す。
同図において、発光装置３ノからの光は入力光ファイバ
３．２を通って方向性結合器３３に入り、ここで一部の
光が入出力用光ファイバ／Ｓへ、また残りの光がモニタ
ー光ファイバ３７に伝送される。入出力用光ファイバ／
りを伝搬する光は反射型水素検知光センサ２０に達し、
水素ガス濃度に応じた減衰を受け、再び入出力用光ファ
イバｌりを通って方向性結合器３３へ戻り、一部分の光
が出力光ファイバ３乙に達する。出力光ファイバ３６か
らの光と、モニター光ファイバ３７からの光はそれぞれ
受光装置３ｇ、３９で電気信号に変換され演算装置ｌ１
０で比較される。
３．２を通って方向性結合器３３に入り、ここで一部の
光が入出力用光ファイバ／Ｓへ、また残りの光がモニタ
ー光ファイバ３７に伝送される。入出力用光ファイバ／
りを伝搬する光は反射型水素検知光センサ２０に達し、
水素ガス濃度に応じた減衰を受け、再び入出力用光ファ
イバｌりを通って方向性結合器３３へ戻り、一部分の光
が出力光ファイバ３乙に達する。出力光ファイバ３６か
らの光と、モニター光ファイバ３７からの光はそれぞれ
受光装置３ｇ、３９で電気信号に変換され演算装置ｌ１
０で比較される。
次に本発明の具体的な数値例を示すと、基板ＩＯとして
ＬｉＮｂＯ３を用い、これにＴｉを熱拡散させて光導波
路／／を形成し、基板１０の両端面を導波路に対して直
角に研磨した後、導波路端面に反射体／りとしてアルミ
ニウムを１０００オングストロームの厚さに真空蒸着し
た。また導波路／／上に光吸収層／２としてＷＯ３薄膜
を７μｍの厚さに真空蒸着した。ＷＯ３は純度ワタ、９
９％のペレットを用い、アルミナでコートされたｖｌル
ツボを用いて抵抗加熱蒸発させてイオンブレーティング
した。
ＬｉＮｂＯ３を用い、これにＴｉを熱拡散させて光導波
路／／を形成し、基板１０の両端面を導波路に対して直
角に研磨した後、導波路端面に反射体／りとしてアルミ
ニウムを１０００オングストロームの厚さに真空蒸着し
た。また導波路／／上に光吸収層／２としてＷＯ３薄膜
を７μｍの厚さに真空蒸着した。ＷＯ３は純度ワタ、９
９％のペレットを用い、アルミナでコートされたｖｌル
ツボを用いて抵抗加熱蒸発させてイオンブレーティング
した。
蒸着条件は、酸素圧力／Ｘ１Ｏ−４ＴＯｒｒ 、イオン
化用高周波電力２００Ｗ、イオン加速電圧−５ｏｏＶと
した。蒸着時の基板温度は常湿であり、得られたＷＯ３
膜はアモルファスになっており無色透明であった。
化用高周波電力２００Ｗ、イオン加速電圧−５ｏｏＶと
した。蒸着時の基板温度は常湿であり、得られたＷＯ３
膜はアモルファスになっており無色透明であった。
さらにこの上に吸着層ｒ’ ３としてＰｄを７００ オ
ングストロームの厚さに電子線加熱蒸着法で付着させた
。
ングストロームの厚さに電子線加熱蒸着法で付着させた
。
上記ノセンサを第３図に示した計測システムに組み込み
、水素ガス濃度を測定したところ、−２（７〜２０００
ｐｐｍの濃度範囲を±Ｓ％の精度で測定可能であった。
、水素ガス濃度を測定したところ、−２（７〜２０００
ｐｐｍの濃度範囲を±Ｓ％の精度で測定可能であった。
本発明によれば、水素検知センサと測定系とを単一の光
ファイバで接続できるので経済的であり、また設置、保
守の作業性も良好になる。
ファイバで接続できるので経済的であり、また設置、保
守の作業性も良好になる。
さらに導波路の往および復の両伝搬過程で光吸収減衰を
受けるため、従来構造に比べ素子を小型化できると同時
に、同一の大きさの素子で検知感度を大幅に向上させる
ことができる。
受けるため、従来構造に比べ素子を小型化できると同時
に、同一の大きさの素子で検知感度を大幅に向上させる
ことができる。
また、導波路のパターンも単純な単一直線路であっても
充分な検出感度が得られるため、製造も容易である。
充分な検出感度が得られるため、製造も容易である。
第１図は本発明の一実施例を示す側断面図、第２図は同
平面図、第３図は本発明のセンサを組み込んだ金光弐の
水素検知システムの一例を示すブロック図、第グ図は本
発明の他の実施例を示す横断面図、第Ｓ図は従来の水素
検知センサを示す斜視図である。 １０・・・・基板 ／／・・・・・・光導波路 ／、２
・・・・光吸収層１３・・・・・・吸着層 ／４・・・
・・反射体／Ｓ・・・・・・入出力用光ファイバ ／乙・・・・・・水素選択透過保護被膜−〇・・・・・
・水素検知光センサ ３／・・・・・発光装置３．２．
３乙、３７・・・・・光ファイバ３３・・・・・・方向
性結合器 ３１．３９・・・・・・受光装置１１０・・
・・・演算装置 特許出願人 工業技術院長 等々力 達第１図 第２図 第３図 第４図 第 ５ 図
平面図、第３図は本発明のセンサを組み込んだ金光弐の
水素検知システムの一例を示すブロック図、第グ図は本
発明の他の実施例を示す横断面図、第Ｓ図は従来の水素
検知センサを示す斜視図である。 １０・・・・基板 ／／・・・・・・光導波路 ／、２
・・・・光吸収層１３・・・・・・吸着層 ／４・・・
・・反射体／Ｓ・・・・・・入出力用光ファイバ ／乙・・・・・・水素選択透過保護被膜−〇・・・・・
・水素検知光センサ ３／・・・・・発光装置３．２．
３乙、３７・・・・・光ファイバ３３・・・・・・方向
性結合器 ３１．３９・・・・・・受光装置１１０・・
・・・演算装置 特許出願人 工業技術院長 等々力 達第１図 第２図 第３図 第４図 第 ５ 図
Claims (1)
- 基板に形成した光導波路の上部に、水素と反応すること
によって光吸収係数が変化する誘電体薄膜を積層形成す
るとともに、該薄膜表面を水素ガスを解離吸着する金属
薄膜で被覆し、且つ前記導波路の一方の端面に密着して
反射体を設けるとともに、他方の端面に入出力用光ファ
イバを接続したことを特徴とする反射型水素検知光セン
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61011092A JPS62170838A (ja) | 1986-01-23 | 1986-01-23 | 反射型水素検知光センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61011092A JPS62170838A (ja) | 1986-01-23 | 1986-01-23 | 反射型水素検知光センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62170838A true JPS62170838A (ja) | 1987-07-27 |
| JPH0481738B2 JPH0481738B2 (ja) | 1992-12-24 |
Family
ID=11768348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61011092A Granted JPS62170838A (ja) | 1986-01-23 | 1986-01-23 | 反射型水素検知光センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62170838A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0197249U (ja) * | 1987-12-21 | 1989-06-28 | ||
| JP2005502879A (ja) * | 2001-09-05 | 2005-01-27 | リンデ メディカル センサーズ アーゲー | 光導波管検知器システム |
| DE102006054165B3 (de) * | 2006-11-16 | 2008-04-17 | Tyco Electronics Raychem Gmbh | Langzeitstabile optische Sensoranordnung, insbesondere Wasserstoffsensor, und kombinierte Gassensoranordnung |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4426528B2 (ja) * | 2003-12-03 | 2010-03-03 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 核酸分析方法、核酸分析用セル、および核酸分析装置 |
| US7504834B2 (en) * | 2006-12-20 | 2009-03-17 | 3M Innovative Properties Company | Detection system |
-
1986
- 1986-01-23 JP JP61011092A patent/JPS62170838A/ja active Granted
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0197249U (ja) * | 1987-12-21 | 1989-06-28 | ||
| JP2005502879A (ja) * | 2001-09-05 | 2005-01-27 | リンデ メディカル センサーズ アーゲー | 光導波管検知器システム |
| DE102006054165B3 (de) * | 2006-11-16 | 2008-04-17 | Tyco Electronics Raychem Gmbh | Langzeitstabile optische Sensoranordnung, insbesondere Wasserstoffsensor, und kombinierte Gassensoranordnung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0481738B2 (ja) | 1992-12-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |