ガス濃度計測装置
【課題】より高い汎用性を有するとともに、より多様な計測環境場においてより適切な感度でのガス濃度の計測を実現することを可能にするガス濃度計測装置を提供する。
【解決手段】赤外線光源として、波長変換を行う波長変換素子１４ａを有する波長可変レーザ部１１と、波長変換素子１４ａに働きかけることによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるペルチェ素子１６および移動ステージ１７と、測定対象のガスにかかる圧力の情報をもとに、位置コントローラ２６および温度コントローラ２７に指示を行うことによってペルチェ素子１６および移動ステージ１７を働かせ、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる主制御部２８と、を備える。
【解決手段】赤外線光源として、波長変換を行う波長変換素子１４ａを有する波長可変レーザ部１１と、波長変換素子１４ａに働きかけることによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるペルチェ素子１６および移動ステージ１７と、測定対象のガスにかかる圧力の情報をもとに、位置コントローラ２６および温度コントローラ２７に指示を行うことによってペルチェ素子１６および移動ステージ１７を働かせ、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる主制御部２８と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度の計測を行うガス濃度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガス分子固有の赤外線吸収効果を利用して特定の成分ガスの濃度を検出する赤外線吸収方式のガス濃度計測技術が知られている。また、この赤外線吸収方式のガス濃度計測技術を利用して特定の成分ガスの濃度を計測する赤外線吸収方式のガス濃度計測装置も知られている。
【０００３】
例えば、赤外線吸収方式のガス濃度計測装置では、計測対象とする特定の成分ガスが含まれるガスが導入されたセル内にその一端から赤外線を照射するとともに、他端から出射した透過赤外線を検出器で受けるようになっている。そして、検出器で検出した透過赤外線の量から吸光度（つまり、減衰量）を求めるとともに、この吸光度とガス濃度との間の比例関係をもとに、特定の成分ガスの濃度を計測するようになっている。
【０００４】
また、特許文献１には、吸光度計測装置に複数の光検出素子を配列し、その強度信号により吸光度を計測することによって検出感度（つまり、計測感度）やＳ／Ｎ比を上げて、ガス濃度の測定を好適に行うことを可能にする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４１２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の技術は、ガス濃度が低濃度であって低感度となる場合に計測感度を上げるための技術であって、例えばエンジン筒内のように温度や圧力が大幅に変化する計測環境場においては、適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することができないという問題点を有していた。
【０００７】
また、特許文献１に開示の技術では、エンジン筒内のガス濃度を計測する場合のように、セルの配置スペースが非常に限られている場合には、複数の光検出素子を配列したり、光路長を変化させたりすることが困難であるため適用できず、汎用性に欠けるという問題も有していた。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、より高い汎用性を有するとともに、より多様な計測環境場においてより適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することを可能にするガス濃度計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１のガス濃度計測装置は、上記課題を解決するために、測定対象のガスが導入されるセルと、前記セル内に照射する赤外線の光源である赤外線光源と、前記セルから出射する透過赤外線の強度を検出する検出器と、を備え前記セル内に照射する赤外線の強度と前記検出器で検出した透過赤外線の強度とから得られる赤外線の減衰量をもとに、前記測定対象のガスの濃度を計測するガス濃度計測装置であって、前記赤外線光源として、波長変換を行う波長変換素子を有する波長可変レーザと、前記波長可変レーザの波長変換素子に働きかけることによって、前記波長変換素子から出射される波長を変化させる波長変化部と、前記測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報を取得する圧力関連情報取得部と、前記圧力関連情報取得部で取得した圧力関連情報をもとに、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる調整部と、を備えていることを特徴としている。
【００１０】
測定対象のガスにかかる圧力が増すと赤外線の減衰量も増し、ガス濃度の計測感度も増す傾向にあるように、測定対象のガスにかかる圧力は、ガス濃度の計測感度と密接に関連している。以上の構成によれば、測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報をもとに、波長変換素子から出射される波長を波長変化部によって変化させることができるので、圧力が大幅に変化するような計測環境場においても、赤外線の減衰量がより多くなる条件下では赤外線吸収がより弱い波長に変化させ、赤外線の減衰量がより少ない条件下では赤外線吸収がより強い波長に変化させることによって、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。なお、温度が大幅に変化するような計測環境場においても、温度と圧力とは密接に関連しているので、圧力関連情報をもとに、同様にして、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。
【００１１】
また、波長可変レーザの波長変換素子に波長変化部が働きかけることによって、波長変換素子から出射される波長を変化させることができるので、複数の光検出素子を配列したり、光路長を変化させたりしなくてもガス濃度の計測感度を変更することができる。よって、エンジン筒内のガス濃度を計測する場合のように、セルの配置スペースが非常に限られている場合にも適用でき、より高い汎用性を有する。
【００１２】
その結果、より高い汎用性を有するとともに、より多様な計測環境場においてより適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能になる。
【００１３】
また、請求項２のガス濃度計測装置では、前記セルは、内燃機関の筒内に設けられるものであって、前記ガス濃度計測装置は、前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものであることを特徴としている。
【００１４】
この請求項２のように、ガス濃度計測装置によって内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測することによって、例えばエンジン筒内のように温度や圧力が大幅に変化し、ガス濃度が低濃度から高濃度にわたって広く変化する計測環境場において、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現する態様としてもよい。
【００１５】
また、請求項３のガス濃度計測装置では、前記圧力関連情報取得部は、前記圧力関連情報として前記測定対象のガスにかかる圧力の値を取得するとともに、前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させることを特徴としている。
【００１６】
測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が小さくなり過ぎている場合には、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が小さくなっていて計測感度が低すぎるか、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が大きく飽和していて計測感度が高すぎるかのいずれかの状態にある。以上の構成によれば、圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値以下となる場合には、波長変換素子から出射される波長を波長変化部によって変化させるので、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることも可能になる。例えば、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が小さくなっていて計測感度が低すぎる場合には、赤外線吸収がより強い波長に変化させることによって、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。また、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が大きく飽和していて計測感度が高すぎる場合には、赤外線吸収がより弱い波長に変化させることによって、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。
【００１７】
また、請求項４のガス濃度計測装置では、前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる処理を、前記変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことを特徴としている。
【００１８】
これによれば、圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値以下となる場合には、変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで、波長変換素子から出射される波長を変化させるフィードバック制御を行うので、より確実に、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になる。
【００１９】
また、請求項５のガス濃度計測装置では、前記調整部は、前記内燃機関の圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間、前記内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間、および前記内燃機関の圧縮開始から燃焼終了までの燃焼前から燃焼後にかけての期間のうちのいずれかの期間についての、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる処理を、前記変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことを特徴としている。
【００２０】
これによれば、内燃機関の圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間、内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間、および内燃機関の圧縮開始から燃焼終了までの燃焼前から燃焼後にかけての期間のうちのいずれかの期間について、より確実に、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になるので、計測したい期間に応じて、より確実に、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になる。
【００２１】
また、請求項６のガス濃度計測装置では、前記ガス濃度計測装置は、前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものであって、前記圧力関連情報取得部は、前記圧力関連情報として前記内燃機関の筒内圧の値を取得することを特徴としている。
【００２２】
この請求項６のように、ガス濃度計測装置が内燃機関の筒内の測定対象のガスの濃度を計測するものであって、圧力関連情報取得部が圧力関連情報として内燃機関の筒内圧の値を取得する態様としてもよい。
【００２３】
また、請求項７のガス濃度計測装置では、前記圧力関連情報が示す条件ごとに、前記測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値よりも大きくなる波長の赤外線を前記波長変化部を介して前記波長変換素子から出射させる場合の前記調整部の設定値が予め対応付けられた設定マップを格納する設定マップ格納部をさらに備え、前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得した前記圧力関連情報をもとに前記設定マップを参照することによって得られる当該圧力関連情報に対応した前記設定値に従って、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させることを特徴としている。
【００２４】
これによれば、圧力関連情報取得部で取得した圧力関連情報をもとに設定マップを参照することによって、測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値以下となる波長の赤外線を波長変化部を介して波長変換素子から出射させる場合の調整部の設定値を得て、この設定値に従って、波長変換素子から出射される波長を波長変化部によって変化させるので、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になる。
【００２５】
また、請求項８のガス濃度計測装置では、前記ガス濃度計測装置が前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものである場合には、前記圧力関連情報は、前記内燃機関の筒内圧の値、前記内燃機関の機関回転速度、前記内燃機関の機関負荷の高さ、および前記内燃機関の温度のうちの少なくともいずれかであることを特徴としている。
【００２６】
内燃機関の筒内圧の値の他にも、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、および内燃機関の温度については、内燃機関の筒内の圧力に密接に関連した情報であるので、内燃機関の筒内圧の値、前記内燃機関の機関回転速度、前記内燃機関の機関負荷の高さ、および前記内燃機関の温度は、測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報と言える。よって、これらの圧力関連情報のうちの少なくともいずれかをもとに、波長変換素子から出射される波長を波長変化部によって変化させれば、より多様な計測環境場においてより適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。従って、この請求項８のように、ガス濃度計測装置が内燃機関の筒内の測定対象のガスの濃度を計測するものである場合には、圧力関連情報として、内燃機関の筒内圧の値、および内燃機関の筒内の圧力に密接に関連した内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、ならびに内燃機関の温度のうちの少なくともいずれかを用いる態様としてもよい。
【００２７】
また、請求項９のガス濃度計測装置では、前記波長変化部は、前記波長変換素子の温度を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させることを特徴としている。
【００２８】
この請求項９のように、波長変化部が波長変換素子の温度を変更することによって波長変換素子から出射される波長を変化させる態様としてもよい。
【００２９】
また、請求項１０のガス濃度計測装置では、前記波長変換素子は、非線形結晶であることを特徴としている。
【００３０】
この請求項１０のように、波長変換素子が非線形結晶である態様としてもよい。
【００３１】
また、請求項１１のガス濃度計測装置では、前記波長変化部は、非線形結晶である前記波長変換素子の温度を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させる場合に、前記波長変換素子の温度を１００℃以上に保って前記波長変換素子の温度を変更することを特徴としている。
【００３２】
非線形結晶である波長変換素子の温度を１００℃以上に保った状態で波長変換素子から赤外線を出射する場合には、波長がぶれにくく、出力も安定する。よって、請求項１１の構成によれば、波長変換素子から出射される波長を変化させる場合に、波長がぶれにくくするとともに、出力を安定させることも可能になる。
【００３３】
また、請求項１２のガス濃度計測装置では、前記波長変換素子は、周期分極反転構造を有する非線形結晶であって、前記波長可変レーザは、前記周期分極反転構造を有する非線形結晶を用いた光パラメトリック発振によって前記波長変換を行うことを特徴としている。
【００３４】
この請求項１２のように、波長変換素子が、周期分極反転構造を有する非線形結晶であって、波長可変レーザが、周期分極反転構造を有する非線形結晶を用いた光パラメトリック発振によって波長変換を行う態様としてもよい。
【００３５】
また、請求項１３のガス濃度計測装置では、前記波長変化部は、前記周期分極反転構造を有する非線形結晶である前記波長変換素子の分極反転周期を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させることを特徴としている。
【００３６】
この請求項１３のように、波長変化部が、周期分極反転構造を有する非線形結晶である波長変換素子の分極反転周期を変更することによって波長変換素子から出射される波長を変化させる態様としてもよい。
【００３７】
また、請求項１４のガス濃度計測装置では、前記波長変化部は、前記波長変換素子から出射される波長を前記測定対象のガスの吸収波長帯域内にて変化させることを特徴としている。
【００３８】
測定対象のガスの吸収波長帯域を外れた波長でガス濃度の計測を行った場合には、赤外線の吸収が殆ど行われないので、ガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる。これに対して、請求項１４の構成によれば、測定対象のガスの吸収波長帯域内のいずれかにてガス濃度の計測が行われることになるので、測定対象のガスの吸収波長帯域を外れた波長でガス濃度の計測を行うことがなく、ガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる事態が生じる可能性を低減することができる。
【００３９】
また、請求項１５のガス濃度計測装置では、前記測定対象のガスは、ＣＯ２ガスであって、前記波長変化部は、前記波長変換素子から出射される波長を４．１９μｍ以上、且つ、４．４５μｍ以下の範囲内にて変化させることを特徴としている。
【００４０】
ＣＯ２ガスの赤外線吸収波長帯域のうち最も吸収の強い波長を含む（つまり、最も良好な波長帯域）波長帯域は、４．１９〜４．４５μｍである。よって、請求項１５の構成によれば、最も良好な赤外線吸収波長帯域の範囲内のいずれかにてＣＯ２ガスのガス濃度の計測が行われることになるので、ＣＯ２ガスのガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる事態が生じる可能性をより低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ガス濃度計測装置１の概略的な構成を示す図である。
【図２】（ａ）は、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの側面視を模式的に示した図であって、（ｂ）は、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの上面視を模式的に示した図である。
【図３】波長変換素子１４ａの素子温度および波長変換素子１４ａの分極反転周期と波長変換素子１４ａから発振される波長との関係を示すグラフである。
【図４】ガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度と赤外光の透過率および吸収率との関係を模式的に示した図である。
【図５】（ａ）は、ＣＯ２ガス濃度１％にて波長変換素子１４ａの素子温度を変化させることにより計測波長を変化させるとともに、ガス圧力を変更した際の赤外光の透過率を計測した結果を示すグラフであって、（ｂ）は、ＣＯ２ガス濃度５％にて波長変換素子１４ａの素子温度を変化させることにより計測波長を変化させるとともに、ガス圧力を変更した際の赤外光の透過率を計測した結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、ＣＯ２ガスの吸収スペクトルを示すグラフであって、（ｂ）は、（ａ）のグラフの４．１〜４．４μｍまでの波長に該当する部分を拡大した図である。
【図７】（ａ）は、エンジン２１のサイクルにおける筒内圧の変化を示す図であって、（ｂ）は、エンジン２１のサイクルにおける赤外光の透過率の変化を示す図である。
【図８】主制御部２８での調整関連処理のフローを示すフローチャートである。
【図９】内燃機関の機関負荷の高さと内燃機関の筒内の圧力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明が適用されたガス濃度計測装置１の概略的な構成を示す図である。図１に示すガス濃度計測装置１は、内燃機関の筒内の特定の成分ガスの濃度を測定するものであり、波長可変レーザ部１１、反射鏡１８、光チョッパー１９、光ファイバ２０、濃度検出部２２、ディテクタ２３、圧力センサ２４、位置コントローラ２６、温度コントローラ２７、および主制御部２８を含んでいる。また、本実施形態では、ガス濃度計測装置１は、車両用のエンジンの筒内の二酸化炭素（ＣＯ２）ガスの濃度を測定するものとして以降の説明を続ける。
【００４３】
波長可変レーザ部１１は、後述する濃度検出部２２のガスセル２２ａ内に照射する赤外線の光源であって、ポンプレーザ１２、レンズ１３、波長変換素子部１４、反射鏡１５、ペルチェ素子１６、および移動ステージ１７を備えている。波長可変レーザ部１１では、ポンプレーザ１２から発生したポンプレーザ光がレンズ１３によって集光されて、波長変換素子１４ａ（図２（ａ）参照）を有する波長変換素子部１４に入射し、波長変換素子部１４でポンプレーザ光の波長変換を行って赤外線（以下、赤外光と呼ぶ）を出射する。そして、出射された赤外光は反射鏡１５によって所望の方向に導かれる。よって、ポンプレーザ１２、レンズ１３、波長変換素子部１４、および反射鏡１５からなる構成が、請求項の赤外線光源および波長可変レーザに相当する。
【００４４】
ここで、図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの概略的な構成についての説明を行う。図２（ａ）は、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの側面視を模式的に示した図である。また、図２（ｂ）は、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの上面視を模式的に示した図である。
【００４５】
波長変換素子１４ａは、自発分極の方向を特定の領域毎に反転させた周期分極反転構造を有する非線形結晶（つまり、周期構造非線形光学結晶）であって、図２（ａ）に示すように、周期分極反転構造が一定の分極反転周期Λで並んでいる。そして、波長変換素子１４ａは、波長変換素子１４ａに入射されるポンプレーザ光の波長（λ１とする）をもとに、光パラメトリック発振によって、より周波数の低い２つの波長（λ２およびλ３とする）を発振するように設けられている。なお、本実施形態では、λ２が赤外光の波長となるように波長変換素子１４ａが設けられている。また、波長変換素子部１４では、図２（ｂ）に示すように、異なる分極反転周期Λ１〜Λｎを持つ複数の波長変換素子１４ａを水平方向に並べて設けている。なお、個々の波長変換素子１４ａについては周知の波長変換素子と同様のものを用いることができる。例えば、波長変換素子１４ａとしては、周期分極酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム（ＰＰＭｇＬＮ）や周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）等を用いることが可能である。
【００４６】
図１に戻って、ペルチェ素子１６は、ペルチェ効果を利用して温度調整を行うことが可能な周知の熱電素子であって、波長変換素子１４ａの素子温度を調整することができるように、例えば波長変換素子１４ａに密着して設けられている。また、ペルチェ素子１６は、後述する温度コントローラ２７によって制御されて波長変換素子１４ａの素子温度の調整を行う。
【００４７】
また、移動ステージ１７は、例えばステッピングモータにより駆動されて、水平方向に移動可能となっている。また、移動ステージ１７には、異なる分極反転周期Λ１〜Λｎを持つ複数の波長変換素子１４ａが移動ステージ１７の移動方向と直交する水平方向に並んで固定されている。そして、移動ステージ１７を移動させることによって、異なる分極反転周期Λ１〜Λｎを持つ複数の波長変換素子１４ａのうちのいずれかに選択的にポンプレーザ光が入射されるようになっている。つまり、移動ステージ１７を移動させることによって、ポンプレーザ光が入射される波長変換素子１４ａの分極反転周期を変更できるようになっている。また、移動ステージ１７は、後述する位置コントローラ２６によって制御されて水平方向に移動する。
【００４８】
ここで、図３を用いて、波長変換素子１４ａの素子温度および波長変換素子１４ａの分極反転周期と波長変換素子１４ａから発振される波長との関係についての説明を行う。図３は、波長変換素子１４ａの素子温度および波長変換素子１４ａの分極反転周期と波長変換素子１４ａから発振される波長との関係を示すグラフである。また、図３の縦軸は波長変換素子１４ａから発振される波長（つまり、発振波長）を示しており、横軸は波長変換素子１４ａの分極反転周期を示している。
【００４９】
図３に示すように、波長変換素子１４ａから発振される波長λ２は、波長変換素子１４ａの分極反転周期が長いほど短くなる傾向にあるとともに、波長変換素子１４ａの素子温度が高くなるほど短くなる傾向にある。一方、波長変換素子１４ａから発振される波長λ３は、波長変換素子１４ａの分極反転周期が長いほど長くなる傾向にあるとともに、波長変換素子１４ａの素子温度が高くなるほど長くなる傾向にある。従って、波長変換素子１４ａの素子温度および波長変換素子１４ａの分極反転周期のうちの少なくともいずれかを変化させることによって波長変換素子１４ａから発振される波長の長さを細かく制御することが可能である。
【００５０】
本発明の波長可変レーザ部１１では、ペルチェ素子１６によって波長変換素子１４ａの素子温度の調整を行うとともに、移動ステージ１７を移動させてポンプレーザ光が入射される波長変換素子１４ａの分極反転周期を変更することによって、波長変換素子１４ａから発振される波長の長さを細かく制御することが可能となっている。よって、ペルチェ素子１６および移動ステージ１７は、請求項の波長変化部として機能する。
【００５１】
図１に戻って、波長可変レーザ部１１から出射された赤外光は、反射鏡１８によって光チョッパー１９へと導かれ、光チョッパー１９によってパルス状の赤外光へと変換される。なお、本実施形態では、例えば図示しないバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）によって、波長変換素子１４ａから発振されるλ２およびλ３の波長のうちのλ２を選択している。なお、この選択は、波長可変レーザ部１１内で行う構成としてもよいし、波長可変レーザ部１１外で行う構成としてもよい。
【００５２】
続いて、光チョッパー１９によって得られたパルス状の赤外光が、光ファイバ２０へと導かれ、光ファイバ２０を通して濃度検出部２２のガスセル２２ａまで伝送される。濃度検出部２２は、内燃機関である車両用のエンジン２１に設けられており、濃度検出部２２のガスセル２２ａの部分はエンジン２１の筒内（以下、エンジン筒内と呼ぶ）に設けられている。濃度検出部２２では、ガスセル２２ａに照射する（つまり、ガスセル２２ａに入射する）パルス状の赤外光（以下、入射赤外光Ｉ０）の強度、ガスセル２２ａにて変化した赤外光（以下、透過赤外光Ｉｔ）の強度の情報が主制御部２８に送られる。また、本実施形態では、ガスセル２２ａは、例えばエンジン２１の点火プラグに１ｍｍ程度の孔を開けてエンジン筒内に差し込まれているものとする。これによれば、内燃機関に特殊な加工を行わずに済むため、手間を抑えることができる。
【００５３】
ガスセル２２ａは、エンジン筒内に存在する測定対象のガスがガスセル２２ａ内に導入されるようになっており、例えば不活性な金属等の物質で出来ている。よって、ガスセル２２ａは請求項のセルとして機能する。そして、ガスセル２２ａ内まで伝送されたパルス状の赤外光（入射赤外光Ｉ０）は、ガスセル２２ａ内の測定対象のガスにより吸収され、減衰した赤外光である透過赤外光（つまり、透過赤外線）Ｉｔが光ファイバ２０を通してディテクタ２３で検出されることになる。なお、ガスセル２２ａ内の圧力はエンジン筒内の圧力と実質的に同じになるように設けられている。ディテクタ２３は、透過赤外光Ｉｔの強度を検出する装置である。よって、ディテクタ２３は、請求項の検出器として機能する。
【００５４】
ここで、図４を用いて、ガスセル２２ａ内の測定対象のガスのガス濃度と赤外光の吸収量（吸収率）との関係についての説明を行う。図４は、ガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度と赤外光の透過率および吸収率との関係を模式的に示した図である。また、図４の縦軸は赤外光の透過率および吸収率の割合を示しており、横軸はガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度を示している。なお、赤外光の透過率（％）は、（入射赤外光Ｉｔの強度／透過赤外光Ｉ０の強度）×１００の式で求めることができ、赤外光の吸収率（％）は、（１００−透過率）の式によって求めることができる。図４に示すように、赤外光の透過率はガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度の増加に伴って減少する一方、赤外光の吸収率はガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度の増加に伴って増加する。
【００５５】
また、圧力センサ２４は、エンジン筒内の圧力を検知するセンサであって、エンジン筒内の圧力を順次検知してセンサ信号を主制御部２８に送る。なお、圧力センサ２４は、エンジン筒内の圧力を検知することによって、実質的にガスセル２２ａ内の測定対象のガス（本例ではＣＯ２ガス）にかかる圧力を検知する。
【００５６】
さらに、エンジンＥＣＵ２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、種々のセンサによって検出された検出値に基づいて各種の制御を行うものである。エンジンＥＣＵ２５は、エンジン２１におけるクランク角の情報をクランク角センサから順次取得して保持しているものとする。
【００５７】
位置コントローラ２６は、主制御部２８からの指示に従った量だけ移動ステージ１７を駆動させるコントローラである。位置コントローラ２６は、例えば主制御部２８からの指示に従った量だけステッピングモータを駆動させることによって移動ステージ１７を駆動させる。また、温度コントローラ２７は、主制御部２８からの指示に従ってペルチェ素子１６に流す電流を変化させることによってペルチェ素子１６で調整する温度を変化させるコントローラである。
【００５８】
主制御部２８は、通常のコンピュータとして構成されており、内部には周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ及びこれらの構成を接続するバスライン（いずれも図示せず）が備えられている。主制御部２８は、ディテクタ２３、濃度検出部２２、圧力センサ２４、エンジンＥＣＵ２５から入力された各種情報に基づき、各種処理を実行する。
【００５９】
例えば、主制御部２８は、入射赤外光Ｉ０の強度の情報と透過赤外光Ｉｔの強度の情報とをもとに、（入射赤外光Ｉｔの強度／透過赤外光Ｉ０の強度）×１００の式で表される演算を行って、赤外光の透過率（つまり、赤外線の減衰量）を算出する。また、主制御部２８は、圧力センサ２４から送られてくるセンサ信号をもとに、エンジン筒内の圧力（つまり、ガスセル２２ａ内のＣＯ２ガスにかかる圧力）の情報を得る。よって、主制御部２８は、請求項の圧力関連情報取得部として機能する。さらに、主制御部２８は、エンジンＥＣＵ２５からエンジン２１におけるクランク角の情報を取得する。
【００６０】
また、主制御部２８は、算出した赤外光の透過率の値と、取得したエンジン筒内の圧力の値およびクランク角の値とをもとに、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるか否かを判定したり、位置コントローラ２６や温度コントローラ２７に指示を行うことによって移動ステージ１７やペルチェ素子１６を働かせ、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させたりする調整関連処理を行う。よって、主制御部２８は、請求項の調整部としても機能する。なお、調整関連処理の詳細については後述する。
【００６１】
ここで、図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて、測定対象のガスの計測環境場の圧力の変化と測定対象のガスのガス濃度の計測感度との関係についての説明を行う。図５（ａ）は、ＣＯ２ガス濃度１％にて波長変換素子１４ａの素子温度を変化させることにより計測波長を変化させるとともに、ガス圧力を変更した際の赤外光の透過率を計測した結果を示すグラフである。また、図５（ｂ）は、ＣＯ２ガス濃度５％にて波長変換素子１４ａの素子温度を変化させることにより計測波長を変化させるとともに、ガス圧力を変更した際の赤外光の透過率を計測した結果を示すグラフである。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）の縦軸は赤外光の透過率を示しており、横軸はガス圧力を示している。また、図５（ａ）および図５（ｂ）のいずれにおいても、波長変換素子１４ａの素子温度を、６０℃、７０℃、８０℃と変化させているものとする。
【００６２】
図５（ａ）に示すように、ＣＯ２ガス濃度１％の場合であって、素子温度が７０℃、８０℃の場合には、圧力変化に対して透過率の変化が小さく、さらに圧力変化によらず計測感度も小さいのに対し、素子温度が６０℃の場合には、圧力変化に対して透過率の変化が大きく、ガス圧力が高いところでは計測感度も大きくなっていることが判る。一方、図５（ｂ）に示すように、ＣＯ２ガス濃度５％の場合であって、素子温度が８０℃の場合には、ＣＯ２ガス濃度１％の場合と同様に、圧力変化に対して透過率の変化が小さく、さらに圧力変化によらず計測感度も小さいが、素子温度が６０℃の場合に至っては、ガス圧力約０．５ＭＰａ以降の透過率はほぼ０に飽和し、高圧側での計測が不可能になってしまう。また、ＣＯ２ガス濃度１％の場合およびＣＯ２ガス濃度５％の場合のいずれにおいても、素子温度が８０℃の場合には、透過率自体が高くなり計測感度も非常に低くなるので、測定対象のガスのガス濃度の計測が困難になってしまう。
【００６３】
以上のように、測定対象のガスの計測環境場の圧力の変化によっては、測定対象のガスのガス濃度の計測が困難や不可能となる状態（以下、測定不適合状態と呼ぶ）が生じるため、ガス濃度計測装置１では、これらの測定不適合状態が生じているか否かを主制御部２８の調整関連処理において判断し、この判断に従って、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるか否かの判定を行う。そして、主制御部２８の調整関連処理において、測定不適合状態が生じていると判断し、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる旨の判定が行われた場合には、主制御部２８が位置コントローラ２６や温度コントローラ２７に指示を行うことによって移動ステージ１７やペルチェ素子１６を働かせ、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる。
【００６４】
続いて、図６（ａ）および図６（ｂ）を用いて、入射赤外光Ｉ０の変化と測定対象のガスのガス濃度の計測感度との関係についての説明を行う。図６（ａ）は、ＣＯ２ガスの吸収スペクトルを示すグラフである。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）のグラフの４．１〜４．４μｍまでの波長に該当する部分を拡大した図である。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）の縦軸はＣＯ２ガスの赤外光の吸収の度合いを示しており、横軸は波長を示している。
【００６５】
図６（ａ）に示すように、吸収が最も強い波長帯は４．１〜４．４μｍのあたり（詳しくは、４．１９〜４．４５μｍの範囲内）にあり、図６（ｂ）に示すように、その間でも波長によって吸収が異なることが分かる。また、吸収が異なると、計測感度も異なることになる。例えば、図６（ｂ）中のλａおよびλｂを比較すると、λａは吸収がλｂよりも少ないためλｂよりも計測感度が低くなり、λｂは吸収がλａよりも多いためλａよりも計測感度が高くなる。このように、入射赤外光Ｉ０の波長を少し変化させるだけで、測定対象のガスのガス濃度の計測感度を変化させることができる。
【００６６】
主制御部２８では、前述したように、測定不適合状態が生じていると判断した場合に、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるので、計測感度が低すぎたり、飽和していたりすることによって測定不適合状態が生じている場合に、判断波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させることによって、低すぎる計測感度を上げたり、飽和した計測感度を下げたりすることが可能となっている。
【００６７】
続いて、図７（ａ）および図７（ｂ）を用いて、主制御部２８の調整関連処理における、測定不適合状態が生じているか否かの判断についての説明を行う。図７（ａ）は、エンジン２１のサイクルにおけるエンジン筒内の圧力（以下、筒内圧と呼ぶ）の変化を示す図である。また、図７（ｂ）は、エンジン２１のサイクルにおける赤外光の透過率の変化を示す図である。なお、図７（ａ）の縦軸は筒内圧を示しており、横軸はクランク角を示している。また、図７（ｂ）の縦軸は赤外光の透過率を示しており、横軸はクランク角を示している。なお、図７（ａ）および図７（ｂ）の横軸のＢＤＣは下死点を示しており、ＴＤＣは上死点を示している。また、図７（ａ）および図７（ｂ）のＡで示す期間は、エンジン２１における圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間を示しており、Ｂで示す期間は、エンジン２１における燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間を示している。
【００６８】
主制御部２８では、圧力センサ２４から順次送られるセンサ信号をもとに得た筒内圧とエンジンＥＣＵ２５から順次取得したクランク角の値とをもとに、図７（ａ）に示すように、所定のクランク角の位相変化ΔＣＫあたりの筒内圧の変化量ΔＰを算出する。また、ガス濃度計測装置１の主制御部２８では、濃度検出部２２から順次送られてくる入射赤外光Ｉ０の強度の情報とディテクタ２３から順次送られてくる透過赤外光Ｉｔの強度の情報をもとに算出した赤外光の透過率とエンジンＥＣＵ２５から順次取得したクランク角の値とをもとに、図７（ｂ）中に示すように、ΔＰを算出したのと同じクランク角の位相変化ΔＣＫあたりの赤外光の透過率の変化量ΔＲｔｒｓを算出する。そして、筒内圧の変化量に対する赤外光の透過率の変化量の比率（ΔＲｔｒｓ／ΔＰ）を算出する。なお、所定のクランク角の位相変化ΔＣＫの量は任意に設定可能であり、所定のクランク角の位相変化ΔＣＫをとる期間については、測定対象のガスのガス濃度の計測を行いたい期間に応じて決定するものとする。例えば燃焼前のエンジン筒内のＣＯ２ガス濃度を測定したい場合には、図７（ａ）および図７（ｂ）中のＡの期間（つまり、燃焼前までの期間）内に決定する。また、燃焼前から燃焼後にかけてのエンジン筒内のＣＯ２ガス濃度を測定したい場合には、図７（ａ）および図７（ｂ）中のＡとＢとを合わせた期間（つまり、燃焼前から燃焼後にかけての期間）内に決定する。また、燃焼後のエンジン筒内のＣＯ２ガス濃度を測定したい場合には、図７（ａ）および図７（ｂ）中のＢの期間（つまり、燃焼後の期間）内に決定する。
【００６９】
ここで、計測感度が低すぎる場合や計測感度が飽和してしまっている場合には、筒内圧の変化量に対して赤外光の透過率の変化量が非常に小さくなっているので、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値の大きさをもとに、測定不適合状態が生じているか否かを判断することができる。主制御部２８では、算出したΔＲｔｒｓ／ΔＰの値を所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎと比較し、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値がΔＲｔｒｓｍｉｎ以下であった場合に、測定不適合状態が生じていると判断する。なお、所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎの値は、任意に設定可能であって、例えば、様々なＣＯ２ガス濃度、筒内圧、素子温度等の条件を振って予め行った実測やシミュレーション等によって、計測感度が低すぎる場合や計測感度が飽和してしまっている場合のΔＲｔｒｓ／ΔＰの値を求め、様々な条件下における計測感度が低すぎる場合や計測感度が飽和してしまっている場合のΔＲｔｒｓ／ΔＰの値の最大値と同程度であってこの最大値より大きい値を設定すればよい。これによれば、様々な条件下において、測定不適合状態が生じているか否かを所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎの値を基準に判断することが可能になる。
【００７０】
次に、図８を用いて、主制御部２８での調整関連処理のフローについての説明を行う。図８は、主制御部２８での調整関連処理のフローを示すフローチャートである。なお、本フローは、エンジン２１が始動したときに開始される。
【００７１】
まず、ステップＳ１では、情報取得処理を行って、ステップＳ２に移る。情報取得処理では、濃度検出部２２から順次送られてくる入射赤外光Ｉ０の強度の情報、およびその入射赤外光Ｉ０についてディテクタ２３から順次送られてくる透過赤外光Ｉｔの強度の情報を主制御部２８が取得する。また、圧力センサ２４から順次送られてくるセンサ信号をもとに、エンジン筒内の圧力の情報を主制御部２８が得る。さらに、エンジンＥＣＵ２５からエンジン２１におけるクランク角の情報を主制御部２８が順次取得する。
【００７２】
ステップＳ２では、情報取得処理で取得した情報をもとに、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの式で示される演算を行って、筒内圧の変化量に対する赤外光の透過率の変化量の比率を算出し、ステップＳ３に移る。ステップＳ３では、ステップＳ２で算出したΔＲｔｒｓ／ΔＰの値と所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎとを比較する。そして、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎよりも大きかった場合（ステップＳ３でＹｅｓ）には、ステップＳ１に戻ってフローを繰り返す。また、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎ以下であった場合（ステップＳ３でＮｏ）には、ステップＳ４に移る。
【００７３】
ステップＳ４では、波長変化処理を行ってステップＳ１に戻り、フローを繰り返す。波長変化処理では、位置コントローラ２６に主制御部２８が指示を行うことによって移動ステージ１７を駆動させ、分極反転周期を変更することによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる。また、分極反転周期を変更することによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させた後に、本フローが繰り返されて再度ステップＳ４に処理が移った場合には、温度コントローラ２７に主制御部２８が指示を行うことによってペルチェ素子１６を働かせ、波長変換素子１４ａの素子温度を変更することによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる。なお、分極反転周期を変更する場合には、例えば分極反転周期Λ１〜Λｎを１つずつ変更するものとし、素子温度を変更する場合には、素子温度を数℃〜十数℃程度ずつ変更するものとする。また、本フローは、エンジン２１が停止したときに終了する。
【００７４】
なお、本実施形態では、波長変換素子１４ａの分極反転周期と素子温度との両方を変更する構成を示したが、必ずしもこれに限らない。例えば分極反転周期と素子温度とのうちのいずれかのみを変更する構成としてもよい。
【００７５】
主制御部２８での調整関連処理では、図８のフローでも示したように、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎ以下であった場合には、波長変換素子１４ａの分極反転周期を変更することによって波長変換素子１４ａから出射される波長（以下、計測波長と呼ぶ）を大まかに変化させるとともに、波長変換素子１４ａの素子温度を変更することによって計測波長を細かく変化させる調整をΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎよりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことによって、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に調整する。
【００７６】
以上の構成によれば、ペルチェ素子１６によって波長変換素子１４ａの素子温度を変更したり、移動ステージ１７によって波長変換素子１４ａの分極反転周期を変更することによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させることができるので、複数の光検出素子を配列したり、光路長を変化させたりしなくてもガス濃度の計測感度を変更することができる。よって、エンジン筒内のガス濃度を計測する場合のように、装置の配置スペースが非常に限られている場合にも適用でき、より高い汎用性を有している。
【００７７】
また、測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が小さくなり過ぎている場合には、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が小さくなっていて感度が低すぎるか、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が大きく飽和していて感度が高すぎるかのいずれかの状態にある。以上の構成によれば、実測によって得られた圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量（つまり、前述のΔＲｔｒｓ／ΔＰの値）が所定の基準値以下となる場合には、変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるフィードバック制御を行うので、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に調整することが可能になる。
【００７８】
その結果、より高い汎用性を有するとともに、より多様な計測環境場においてより適切な感度でのガス濃度の計測を実現することが可能になる。
【００７９】
また、以上の構成によれば、内燃機関の圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間、内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間、および内燃機関の圧縮開始から燃焼終了までの燃焼前から燃焼後にかけての期間のうちのいずれかの期間について、より確実に、より適切な感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になるので、計測したい期間に応じて、より確実に、より適切な感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になる。
【００８０】
なお、非線形結晶である波長変換素子１４ａの温度を１００℃以上に保った状態で波長変換素子１４ａから赤外線を出射する場合には、波長がぶれにくく、出力も安定するので、ペルチェ素子１６によって波長変換素子１４ａの温度を変更する場合に、波長変換素子１４ａの素子温度を１００℃以上に保って変更することが好ましい。これによれば、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる場合に、波長がぶれにくくするとともに、出力を安定させることも可能になる。
【００８１】
また、測定対象のガスの吸収波長帯域を外れた波長でガス濃度の計測を行った場合には、赤外線の吸収が殆ど行われず、ガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなるので、波長変換素子１４ａから出射される波長を測定対象のガスの吸収波長帯域内にて変化させることが好ましい。これによれば、測定対象のガスの吸収波長帯域内のいずれかにてガス濃度の計測が行われることになるので、測定対象のガスの吸収波長帯域を外れた波長でガス濃度の計測を行うことがなく、ガス濃度の計測の感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる事態が生じる可能性を低減することができる。
【００８２】
さらに、ＣＯ２ガスの赤外線吸収波長帯域のうち最も吸収の強い波長帯域（つまり、最も良好な波長帯域）は、４．１９〜４．４５μｍの波長帯域であるので、測定対象のガスがＣＯ２ガスである場合には、波長変換素子１４ａから出射される波長を４．１９μｍ以上、且つ、４．４５μｍ以下の範囲内にて変化させることが好ましい。これによれば、最も良好な赤外線吸収波長帯域の範囲内のいずれかにてＣＯ２ガスのガス濃度の計測が行われることになるので、ＣＯ２ガスのガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる事態が生じる可能性をより低減することができる。
【００８３】
なお、前述の実施形態では、ガス濃度計測装置１に反射鏡１５および反射鏡１８を含む構成を示したが、必ずしもこれに限らない。反射鏡１５および反射鏡１８は、赤外光を所望の方向に導くために設けられるものであるので、目的に応じて設ける数や位置を変更することが可能である。
【００８４】
また、前述の実施形態では、実測した値に基づくフィードバック制御によって、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に調整する構成を示したが、必ずしもこれに限らない。例えば、測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報としての内燃機関の運転条件（例えば、内燃機関の筒内圧の値、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、内燃機関の温度等）の情報に対し、予め定められた波長変換素子１４ａから出射する波長の設定をマップとして持つことにより、内燃機関の運転条件に応じて波長変換素子１４ａから出射する波長を変更して、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に調整する構成としてもよい。
【００８５】
例えば、以上のような構成とする場合には、ガス濃度計測装置１では、圧力関連情報が示す条件ごとに、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎよりも大きくなる波長の赤外線をペルチェ素子１６や移動ステージ１７を働かせて波長変換素子１４ａから出射させる場合の、ペルチェ素子１６に流す電流量や移動ステージ１７の移動量の設定値が予め対応付けられた設定マップを主制御部２８のＥＥＰＲＯＭ等のＲＯＭやＲＡＭに格納しておけばよい。よって、主制御部２８が請求項の設定マップ格納部として機能する。なお、設定マップを格納するメモリを主制御部２８のＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ以外のメモリとする構成としてもよい。また、主制御部２８は、圧力センサ２４のセンサ信号をもとに内燃機関の筒内圧の値を得たり、エンジンＥＣＵ２５から内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、内燃機関の温度等の情報を取得したりすればよい。そして、主制御部２８は、取得したこれらの圧力関連情報をもとに上述の設定マップを参照することによって得られる当該圧力関連情報に対応した設定値に従って、位置コントローラ２６や温度コントローラ２７に指示を行って移動ステージ１７やペルチェ素子１６を働かせ、波長変換素子１４ａから出射される波長を、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に変化させる構成とすればよい。
【００８６】
以上の構成によっても、より高い汎用性を有するとともに、より多様な計測環境場においてより適切な感度でのガス濃度の計測を実現することが可能になる。
【００８７】
なお、前述の実施形態において、測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報として、内燃機関の筒内圧の値、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、内燃機関の温度を挙げたが、内燃機関の筒内圧の値の他にも、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、および内燃機関の温度については、内燃機関の筒内の圧力に密接に関連した情報であるので、圧力関連情報と言える。
【００８８】
一例として、図９を用いて、内燃機関の機関負荷の高さと内燃機関の筒内の圧力との関係を示す。なお、図９は、内燃機関の機関負荷の高さと内燃機関の筒内の圧力との関係を示す図である。また、図９の縦軸は内燃機関の筒内の圧力を示しており、横軸はクランク角を示している。なお、図９では、内燃機関の機関負荷の高さとして高負荷、中負荷、低負荷の３種類の場合の内燃機関の筒内の圧力を示している。図９に示すように、内燃機関の機関負荷の高さが高くなるほど内燃機関の筒内の圧力は高くなっており、内燃機関の筒内の圧力に密接に関連している。
【００８９】
さらに、前述の設定マップでは、内燃機関の筒内圧の値、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、および内燃機関の温度等の運転条件の情報のうちのいずれかの情報と設定値とが対応付けられている構成としてもよいし、複数ある運転条件の情報のうちのいくつかの組み合わせと設定値とが対応付けられている構成としてもよい。
【００９０】
また、前述の実施形態では、測定対象のガスとしてＣＯ２ガスを一例として挙げたが、必ずしもこれに限らず、ＣＯ２ガス以外を測定対象のガスとして用いる構成としてもよい。
【００９１】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９２】
１ ガス濃度計測装置、１１ 波長可変レーザ部、１２ ポンプレーザ（波長可変レーザ）、１３ レンズ（波長可変レーザ）、１４ 波長変換素子部（波長可変レーザ）、１４ａ 波長変換素子、１５ 反射鏡（波長可変レーザ）、１６ ペルチェ素子（波長変化部）、１７ 移動ステージ（波長変化部）、１８ 反射鏡、１９ 光チョッパー、２０ 光ファイバ、２１ エンジン（内燃機関）、２２ 濃度検出部、２３ ディテクタ（検出器）、２４ 圧力センサ、２５ エンジンＥＣＵ、２６ 位置コントローラ、２７ 温度コントローラ、２８ 主制御部（圧力関連情報取得部、調整部、設定マップ格納部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度の計測を行うガス濃度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガス分子固有の赤外線吸収効果を利用して特定の成分ガスの濃度を検出する赤外線吸収方式のガス濃度計測技術が知られている。また、この赤外線吸収方式のガス濃度計測技術を利用して特定の成分ガスの濃度を計測する赤外線吸収方式のガス濃度計測装置も知られている。
【０００３】
例えば、赤外線吸収方式のガス濃度計測装置では、計測対象とする特定の成分ガスが含まれるガスが導入されたセル内にその一端から赤外線を照射するとともに、他端から出射した透過赤外線を検出器で受けるようになっている。そして、検出器で検出した透過赤外線の量から吸光度（つまり、減衰量）を求めるとともに、この吸光度とガス濃度との間の比例関係をもとに、特定の成分ガスの濃度を計測するようになっている。
【０００４】
また、特許文献１には、吸光度計測装置に複数の光検出素子を配列し、その強度信号により吸光度を計測することによって検出感度（つまり、計測感度）やＳ／Ｎ比を上げて、ガス濃度の測定を好適に行うことを可能にする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４１２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の技術は、ガス濃度が低濃度であって低感度となる場合に計測感度を上げるための技術であって、例えばエンジン筒内のように温度や圧力が大幅に変化する計測環境場においては、適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することができないという問題点を有していた。
【０００７】
また、特許文献１に開示の技術では、エンジン筒内のガス濃度を計測する場合のように、セルの配置スペースが非常に限られている場合には、複数の光検出素子を配列したり、光路長を変化させたりすることが困難であるため適用できず、汎用性に欠けるという問題も有していた。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、より高い汎用性を有するとともに、より多様な計測環境場においてより適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することを可能にするガス濃度計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１のガス濃度計測装置は、上記課題を解決するために、測定対象のガスが導入されるセルと、前記セル内に照射する赤外線の光源である赤外線光源と、前記セルから出射する透過赤外線の強度を検出する検出器と、を備え前記セル内に照射する赤外線の強度と前記検出器で検出した透過赤外線の強度とから得られる赤外線の減衰量をもとに、前記測定対象のガスの濃度を計測するガス濃度計測装置であって、前記赤外線光源として、波長変換を行う波長変換素子を有する波長可変レーザと、前記波長可変レーザの波長変換素子に働きかけることによって、前記波長変換素子から出射される波長を変化させる波長変化部と、前記測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報を取得する圧力関連情報取得部と、前記圧力関連情報取得部で取得した圧力関連情報をもとに、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる調整部と、を備えていることを特徴としている。
【００１０】
測定対象のガスにかかる圧力が増すと赤外線の減衰量も増し、ガス濃度の計測感度も増す傾向にあるように、測定対象のガスにかかる圧力は、ガス濃度の計測感度と密接に関連している。以上の構成によれば、測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報をもとに、波長変換素子から出射される波長を波長変化部によって変化させることができるので、圧力が大幅に変化するような計測環境場においても、赤外線の減衰量がより多くなる条件下では赤外線吸収がより弱い波長に変化させ、赤外線の減衰量がより少ない条件下では赤外線吸収がより強い波長に変化させることによって、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。なお、温度が大幅に変化するような計測環境場においても、温度と圧力とは密接に関連しているので、圧力関連情報をもとに、同様にして、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。
【００１１】
また、波長可変レーザの波長変換素子に波長変化部が働きかけることによって、波長変換素子から出射される波長を変化させることができるので、複数の光検出素子を配列したり、光路長を変化させたりしなくてもガス濃度の計測感度を変更することができる。よって、エンジン筒内のガス濃度を計測する場合のように、セルの配置スペースが非常に限られている場合にも適用でき、より高い汎用性を有する。
【００１２】
その結果、より高い汎用性を有するとともに、より多様な計測環境場においてより適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能になる。
【００１３】
また、請求項２のガス濃度計測装置では、前記セルは、内燃機関の筒内に設けられるものであって、前記ガス濃度計測装置は、前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものであることを特徴としている。
【００１４】
この請求項２のように、ガス濃度計測装置によって内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測することによって、例えばエンジン筒内のように温度や圧力が大幅に変化し、ガス濃度が低濃度から高濃度にわたって広く変化する計測環境場において、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現する態様としてもよい。
【００１５】
また、請求項３のガス濃度計測装置では、前記圧力関連情報取得部は、前記圧力関連情報として前記測定対象のガスにかかる圧力の値を取得するとともに、前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させることを特徴としている。
【００１６】
測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が小さくなり過ぎている場合には、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が小さくなっていて計測感度が低すぎるか、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が大きく飽和していて計測感度が高すぎるかのいずれかの状態にある。以上の構成によれば、圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値以下となる場合には、波長変換素子から出射される波長を波長変化部によって変化させるので、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることも可能になる。例えば、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が小さくなっていて計測感度が低すぎる場合には、赤外線吸収がより強い波長に変化させることによって、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。また、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が大きく飽和していて計測感度が高すぎる場合には、赤外線吸収がより弱い波長に変化させることによって、より適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。
【００１７】
また、請求項４のガス濃度計測装置では、前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる処理を、前記変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことを特徴としている。
【００１８】
これによれば、圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値以下となる場合には、変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで、波長変換素子から出射される波長を変化させるフィードバック制御を行うので、より確実に、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になる。
【００１９】
また、請求項５のガス濃度計測装置では、前記調整部は、前記内燃機関の圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間、前記内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間、および前記内燃機関の圧縮開始から燃焼終了までの燃焼前から燃焼後にかけての期間のうちのいずれかの期間についての、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる処理を、前記変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことを特徴としている。
【００２０】
これによれば、内燃機関の圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間、内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間、および内燃機関の圧縮開始から燃焼終了までの燃焼前から燃焼後にかけての期間のうちのいずれかの期間について、より確実に、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になるので、計測したい期間に応じて、より確実に、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になる。
【００２１】
また、請求項６のガス濃度計測装置では、前記ガス濃度計測装置は、前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものであって、前記圧力関連情報取得部は、前記圧力関連情報として前記内燃機関の筒内圧の値を取得することを特徴としている。
【００２２】
この請求項６のように、ガス濃度計測装置が内燃機関の筒内の測定対象のガスの濃度を計測するものであって、圧力関連情報取得部が圧力関連情報として内燃機関の筒内圧の値を取得する態様としてもよい。
【００２３】
また、請求項７のガス濃度計測装置では、前記圧力関連情報が示す条件ごとに、前記測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値よりも大きくなる波長の赤外線を前記波長変化部を介して前記波長変換素子から出射させる場合の前記調整部の設定値が予め対応付けられた設定マップを格納する設定マップ格納部をさらに備え、前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得した前記圧力関連情報をもとに前記設定マップを参照することによって得られる当該圧力関連情報に対応した前記設定値に従って、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させることを特徴としている。
【００２４】
これによれば、圧力関連情報取得部で取得した圧力関連情報をもとに設定マップを参照することによって、測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値以下となる波長の赤外線を波長変化部を介して波長変換素子から出射させる場合の調整部の設定値を得て、この設定値に従って、波長変換素子から出射される波長を波長変化部によって変化させるので、より適切な計測感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になる。
【００２５】
また、請求項８のガス濃度計測装置では、前記ガス濃度計測装置が前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものである場合には、前記圧力関連情報は、前記内燃機関の筒内圧の値、前記内燃機関の機関回転速度、前記内燃機関の機関負荷の高さ、および前記内燃機関の温度のうちの少なくともいずれかであることを特徴としている。
【００２６】
内燃機関の筒内圧の値の他にも、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、および内燃機関の温度については、内燃機関の筒内の圧力に密接に関連した情報であるので、内燃機関の筒内圧の値、前記内燃機関の機関回転速度、前記内燃機関の機関負荷の高さ、および前記内燃機関の温度は、測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報と言える。よって、これらの圧力関連情報のうちの少なくともいずれかをもとに、波長変換素子から出射される波長を波長変化部によって変化させれば、より多様な計測環境場においてより適切な計測感度でのガス濃度の計測を実現することが可能となる。従って、この請求項８のように、ガス濃度計測装置が内燃機関の筒内の測定対象のガスの濃度を計測するものである場合には、圧力関連情報として、内燃機関の筒内圧の値、および内燃機関の筒内の圧力に密接に関連した内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、ならびに内燃機関の温度のうちの少なくともいずれかを用いる態様としてもよい。
【００２７】
また、請求項９のガス濃度計測装置では、前記波長変化部は、前記波長変換素子の温度を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させることを特徴としている。
【００２８】
この請求項９のように、波長変化部が波長変換素子の温度を変更することによって波長変換素子から出射される波長を変化させる態様としてもよい。
【００２９】
また、請求項１０のガス濃度計測装置では、前記波長変換素子は、非線形結晶であることを特徴としている。
【００３０】
この請求項１０のように、波長変換素子が非線形結晶である態様としてもよい。
【００３１】
また、請求項１１のガス濃度計測装置では、前記波長変化部は、非線形結晶である前記波長変換素子の温度を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させる場合に、前記波長変換素子の温度を１００℃以上に保って前記波長変換素子の温度を変更することを特徴としている。
【００３２】
非線形結晶である波長変換素子の温度を１００℃以上に保った状態で波長変換素子から赤外線を出射する場合には、波長がぶれにくく、出力も安定する。よって、請求項１１の構成によれば、波長変換素子から出射される波長を変化させる場合に、波長がぶれにくくするとともに、出力を安定させることも可能になる。
【００３３】
また、請求項１２のガス濃度計測装置では、前記波長変換素子は、周期分極反転構造を有する非線形結晶であって、前記波長可変レーザは、前記周期分極反転構造を有する非線形結晶を用いた光パラメトリック発振によって前記波長変換を行うことを特徴としている。
【００３４】
この請求項１２のように、波長変換素子が、周期分極反転構造を有する非線形結晶であって、波長可変レーザが、周期分極反転構造を有する非線形結晶を用いた光パラメトリック発振によって波長変換を行う態様としてもよい。
【００３５】
また、請求項１３のガス濃度計測装置では、前記波長変化部は、前記周期分極反転構造を有する非線形結晶である前記波長変換素子の分極反転周期を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させることを特徴としている。
【００３６】
この請求項１３のように、波長変化部が、周期分極反転構造を有する非線形結晶である波長変換素子の分極反転周期を変更することによって波長変換素子から出射される波長を変化させる態様としてもよい。
【００３７】
また、請求項１４のガス濃度計測装置では、前記波長変化部は、前記波長変換素子から出射される波長を前記測定対象のガスの吸収波長帯域内にて変化させることを特徴としている。
【００３８】
測定対象のガスの吸収波長帯域を外れた波長でガス濃度の計測を行った場合には、赤外線の吸収が殆ど行われないので、ガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる。これに対して、請求項１４の構成によれば、測定対象のガスの吸収波長帯域内のいずれかにてガス濃度の計測が行われることになるので、測定対象のガスの吸収波長帯域を外れた波長でガス濃度の計測を行うことがなく、ガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる事態が生じる可能性を低減することができる。
【００３９】
また、請求項１５のガス濃度計測装置では、前記測定対象のガスは、ＣＯ２ガスであって、前記波長変化部は、前記波長変換素子から出射される波長を４．１９μｍ以上、且つ、４．４５μｍ以下の範囲内にて変化させることを特徴としている。
【００４０】
ＣＯ２ガスの赤外線吸収波長帯域のうち最も吸収の強い波長を含む（つまり、最も良好な波長帯域）波長帯域は、４．１９〜４．４５μｍである。よって、請求項１５の構成によれば、最も良好な赤外線吸収波長帯域の範囲内のいずれかにてＣＯ２ガスのガス濃度の計測が行われることになるので、ＣＯ２ガスのガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる事態が生じる可能性をより低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ガス濃度計測装置１の概略的な構成を示す図である。
【図２】（ａ）は、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの側面視を模式的に示した図であって、（ｂ）は、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの上面視を模式的に示した図である。
【図３】波長変換素子１４ａの素子温度および波長変換素子１４ａの分極反転周期と波長変換素子１４ａから発振される波長との関係を示すグラフである。
【図４】ガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度と赤外光の透過率および吸収率との関係を模式的に示した図である。
【図５】（ａ）は、ＣＯ２ガス濃度１％にて波長変換素子１４ａの素子温度を変化させることにより計測波長を変化させるとともに、ガス圧力を変更した際の赤外光の透過率を計測した結果を示すグラフであって、（ｂ）は、ＣＯ２ガス濃度５％にて波長変換素子１４ａの素子温度を変化させることにより計測波長を変化させるとともに、ガス圧力を変更した際の赤外光の透過率を計測した結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、ＣＯ２ガスの吸収スペクトルを示すグラフであって、（ｂ）は、（ａ）のグラフの４．１〜４．４μｍまでの波長に該当する部分を拡大した図である。
【図７】（ａ）は、エンジン２１のサイクルにおける筒内圧の変化を示す図であって、（ｂ）は、エンジン２１のサイクルにおける赤外光の透過率の変化を示す図である。
【図８】主制御部２８での調整関連処理のフローを示すフローチャートである。
【図９】内燃機関の機関負荷の高さと内燃機関の筒内の圧力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明が適用されたガス濃度計測装置１の概略的な構成を示す図である。図１に示すガス濃度計測装置１は、内燃機関の筒内の特定の成分ガスの濃度を測定するものであり、波長可変レーザ部１１、反射鏡１８、光チョッパー１９、光ファイバ２０、濃度検出部２２、ディテクタ２３、圧力センサ２４、位置コントローラ２６、温度コントローラ２７、および主制御部２８を含んでいる。また、本実施形態では、ガス濃度計測装置１は、車両用のエンジンの筒内の二酸化炭素（ＣＯ２）ガスの濃度を測定するものとして以降の説明を続ける。
【００４３】
波長可変レーザ部１１は、後述する濃度検出部２２のガスセル２２ａ内に照射する赤外線の光源であって、ポンプレーザ１２、レンズ１３、波長変換素子部１４、反射鏡１５、ペルチェ素子１６、および移動ステージ１７を備えている。波長可変レーザ部１１では、ポンプレーザ１２から発生したポンプレーザ光がレンズ１３によって集光されて、波長変換素子１４ａ（図２（ａ）参照）を有する波長変換素子部１４に入射し、波長変換素子部１４でポンプレーザ光の波長変換を行って赤外線（以下、赤外光と呼ぶ）を出射する。そして、出射された赤外光は反射鏡１５によって所望の方向に導かれる。よって、ポンプレーザ１２、レンズ１３、波長変換素子部１４、および反射鏡１５からなる構成が、請求項の赤外線光源および波長可変レーザに相当する。
【００４４】
ここで、図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの概略的な構成についての説明を行う。図２（ａ）は、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの側面視を模式的に示した図である。また、図２（ｂ）は、波長変換素子部１４に含まれる波長変換素子１４ａの上面視を模式的に示した図である。
【００４５】
波長変換素子１４ａは、自発分極の方向を特定の領域毎に反転させた周期分極反転構造を有する非線形結晶（つまり、周期構造非線形光学結晶）であって、図２（ａ）に示すように、周期分極反転構造が一定の分極反転周期Λで並んでいる。そして、波長変換素子１４ａは、波長変換素子１４ａに入射されるポンプレーザ光の波長（λ１とする）をもとに、光パラメトリック発振によって、より周波数の低い２つの波長（λ２およびλ３とする）を発振するように設けられている。なお、本実施形態では、λ２が赤外光の波長となるように波長変換素子１４ａが設けられている。また、波長変換素子部１４では、図２（ｂ）に示すように、異なる分極反転周期Λ１〜Λｎを持つ複数の波長変換素子１４ａを水平方向に並べて設けている。なお、個々の波長変換素子１４ａについては周知の波長変換素子と同様のものを用いることができる。例えば、波長変換素子１４ａとしては、周期分極酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム（ＰＰＭｇＬＮ）や周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）等を用いることが可能である。
【００４６】
図１に戻って、ペルチェ素子１６は、ペルチェ効果を利用して温度調整を行うことが可能な周知の熱電素子であって、波長変換素子１４ａの素子温度を調整することができるように、例えば波長変換素子１４ａに密着して設けられている。また、ペルチェ素子１６は、後述する温度コントローラ２７によって制御されて波長変換素子１４ａの素子温度の調整を行う。
【００４７】
また、移動ステージ１７は、例えばステッピングモータにより駆動されて、水平方向に移動可能となっている。また、移動ステージ１７には、異なる分極反転周期Λ１〜Λｎを持つ複数の波長変換素子１４ａが移動ステージ１７の移動方向と直交する水平方向に並んで固定されている。そして、移動ステージ１７を移動させることによって、異なる分極反転周期Λ１〜Λｎを持つ複数の波長変換素子１４ａのうちのいずれかに選択的にポンプレーザ光が入射されるようになっている。つまり、移動ステージ１７を移動させることによって、ポンプレーザ光が入射される波長変換素子１４ａの分極反転周期を変更できるようになっている。また、移動ステージ１７は、後述する位置コントローラ２６によって制御されて水平方向に移動する。
【００４８】
ここで、図３を用いて、波長変換素子１４ａの素子温度および波長変換素子１４ａの分極反転周期と波長変換素子１４ａから発振される波長との関係についての説明を行う。図３は、波長変換素子１４ａの素子温度および波長変換素子１４ａの分極反転周期と波長変換素子１４ａから発振される波長との関係を示すグラフである。また、図３の縦軸は波長変換素子１４ａから発振される波長（つまり、発振波長）を示しており、横軸は波長変換素子１４ａの分極反転周期を示している。
【００４９】
図３に示すように、波長変換素子１４ａから発振される波長λ２は、波長変換素子１４ａの分極反転周期が長いほど短くなる傾向にあるとともに、波長変換素子１４ａの素子温度が高くなるほど短くなる傾向にある。一方、波長変換素子１４ａから発振される波長λ３は、波長変換素子１４ａの分極反転周期が長いほど長くなる傾向にあるとともに、波長変換素子１４ａの素子温度が高くなるほど長くなる傾向にある。従って、波長変換素子１４ａの素子温度および波長変換素子１４ａの分極反転周期のうちの少なくともいずれかを変化させることによって波長変換素子１４ａから発振される波長の長さを細かく制御することが可能である。
【００５０】
本発明の波長可変レーザ部１１では、ペルチェ素子１６によって波長変換素子１４ａの素子温度の調整を行うとともに、移動ステージ１７を移動させてポンプレーザ光が入射される波長変換素子１４ａの分極反転周期を変更することによって、波長変換素子１４ａから発振される波長の長さを細かく制御することが可能となっている。よって、ペルチェ素子１６および移動ステージ１７は、請求項の波長変化部として機能する。
【００５１】
図１に戻って、波長可変レーザ部１１から出射された赤外光は、反射鏡１８によって光チョッパー１９へと導かれ、光チョッパー１９によってパルス状の赤外光へと変換される。なお、本実施形態では、例えば図示しないバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）によって、波長変換素子１４ａから発振されるλ２およびλ３の波長のうちのλ２を選択している。なお、この選択は、波長可変レーザ部１１内で行う構成としてもよいし、波長可変レーザ部１１外で行う構成としてもよい。
【００５２】
続いて、光チョッパー１９によって得られたパルス状の赤外光が、光ファイバ２０へと導かれ、光ファイバ２０を通して濃度検出部２２のガスセル２２ａまで伝送される。濃度検出部２２は、内燃機関である車両用のエンジン２１に設けられており、濃度検出部２２のガスセル２２ａの部分はエンジン２１の筒内（以下、エンジン筒内と呼ぶ）に設けられている。濃度検出部２２では、ガスセル２２ａに照射する（つまり、ガスセル２２ａに入射する）パルス状の赤外光（以下、入射赤外光Ｉ０）の強度、ガスセル２２ａにて変化した赤外光（以下、透過赤外光Ｉｔ）の強度の情報が主制御部２８に送られる。また、本実施形態では、ガスセル２２ａは、例えばエンジン２１の点火プラグに１ｍｍ程度の孔を開けてエンジン筒内に差し込まれているものとする。これによれば、内燃機関に特殊な加工を行わずに済むため、手間を抑えることができる。
【００５３】
ガスセル２２ａは、エンジン筒内に存在する測定対象のガスがガスセル２２ａ内に導入されるようになっており、例えば不活性な金属等の物質で出来ている。よって、ガスセル２２ａは請求項のセルとして機能する。そして、ガスセル２２ａ内まで伝送されたパルス状の赤外光（入射赤外光Ｉ０）は、ガスセル２２ａ内の測定対象のガスにより吸収され、減衰した赤外光である透過赤外光（つまり、透過赤外線）Ｉｔが光ファイバ２０を通してディテクタ２３で検出されることになる。なお、ガスセル２２ａ内の圧力はエンジン筒内の圧力と実質的に同じになるように設けられている。ディテクタ２３は、透過赤外光Ｉｔの強度を検出する装置である。よって、ディテクタ２３は、請求項の検出器として機能する。
【００５４】
ここで、図４を用いて、ガスセル２２ａ内の測定対象のガスのガス濃度と赤外光の吸収量（吸収率）との関係についての説明を行う。図４は、ガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度と赤外光の透過率および吸収率との関係を模式的に示した図である。また、図４の縦軸は赤外光の透過率および吸収率の割合を示しており、横軸はガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度を示している。なお、赤外光の透過率（％）は、（入射赤外光Ｉｔの強度／透過赤外光Ｉ０の強度）×１００の式で求めることができ、赤外光の吸収率（％）は、（１００−透過率）の式によって求めることができる。図４に示すように、赤外光の透過率はガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度の増加に伴って減少する一方、赤外光の吸収率はガスセル２２ａ内のＣＯ２ガス濃度の増加に伴って増加する。
【００５５】
また、圧力センサ２４は、エンジン筒内の圧力を検知するセンサであって、エンジン筒内の圧力を順次検知してセンサ信号を主制御部２８に送る。なお、圧力センサ２４は、エンジン筒内の圧力を検知することによって、実質的にガスセル２２ａ内の測定対象のガス（本例ではＣＯ２ガス）にかかる圧力を検知する。
【００５６】
さらに、エンジンＥＣＵ２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、種々のセンサによって検出された検出値に基づいて各種の制御を行うものである。エンジンＥＣＵ２５は、エンジン２１におけるクランク角の情報をクランク角センサから順次取得して保持しているものとする。
【００５７】
位置コントローラ２６は、主制御部２８からの指示に従った量だけ移動ステージ１７を駆動させるコントローラである。位置コントローラ２６は、例えば主制御部２８からの指示に従った量だけステッピングモータを駆動させることによって移動ステージ１７を駆動させる。また、温度コントローラ２７は、主制御部２８からの指示に従ってペルチェ素子１６に流す電流を変化させることによってペルチェ素子１６で調整する温度を変化させるコントローラである。
【００５８】
主制御部２８は、通常のコンピュータとして構成されており、内部には周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ及びこれらの構成を接続するバスライン（いずれも図示せず）が備えられている。主制御部２８は、ディテクタ２３、濃度検出部２２、圧力センサ２４、エンジンＥＣＵ２５から入力された各種情報に基づき、各種処理を実行する。
【００５９】
例えば、主制御部２８は、入射赤外光Ｉ０の強度の情報と透過赤外光Ｉｔの強度の情報とをもとに、（入射赤外光Ｉｔの強度／透過赤外光Ｉ０の強度）×１００の式で表される演算を行って、赤外光の透過率（つまり、赤外線の減衰量）を算出する。また、主制御部２８は、圧力センサ２４から送られてくるセンサ信号をもとに、エンジン筒内の圧力（つまり、ガスセル２２ａ内のＣＯ２ガスにかかる圧力）の情報を得る。よって、主制御部２８は、請求項の圧力関連情報取得部として機能する。さらに、主制御部２８は、エンジンＥＣＵ２５からエンジン２１におけるクランク角の情報を取得する。
【００６０】
また、主制御部２８は、算出した赤外光の透過率の値と、取得したエンジン筒内の圧力の値およびクランク角の値とをもとに、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるか否かを判定したり、位置コントローラ２６や温度コントローラ２７に指示を行うことによって移動ステージ１７やペルチェ素子１６を働かせ、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させたりする調整関連処理を行う。よって、主制御部２８は、請求項の調整部としても機能する。なお、調整関連処理の詳細については後述する。
【００６１】
ここで、図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて、測定対象のガスの計測環境場の圧力の変化と測定対象のガスのガス濃度の計測感度との関係についての説明を行う。図５（ａ）は、ＣＯ２ガス濃度１％にて波長変換素子１４ａの素子温度を変化させることにより計測波長を変化させるとともに、ガス圧力を変更した際の赤外光の透過率を計測した結果を示すグラフである。また、図５（ｂ）は、ＣＯ２ガス濃度５％にて波長変換素子１４ａの素子温度を変化させることにより計測波長を変化させるとともに、ガス圧力を変更した際の赤外光の透過率を計測した結果を示すグラフである。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）の縦軸は赤外光の透過率を示しており、横軸はガス圧力を示している。また、図５（ａ）および図５（ｂ）のいずれにおいても、波長変換素子１４ａの素子温度を、６０℃、７０℃、８０℃と変化させているものとする。
【００６２】
図５（ａ）に示すように、ＣＯ２ガス濃度１％の場合であって、素子温度が７０℃、８０℃の場合には、圧力変化に対して透過率の変化が小さく、さらに圧力変化によらず計測感度も小さいのに対し、素子温度が６０℃の場合には、圧力変化に対して透過率の変化が大きく、ガス圧力が高いところでは計測感度も大きくなっていることが判る。一方、図５（ｂ）に示すように、ＣＯ２ガス濃度５％の場合であって、素子温度が８０℃の場合には、ＣＯ２ガス濃度１％の場合と同様に、圧力変化に対して透過率の変化が小さく、さらに圧力変化によらず計測感度も小さいが、素子温度が６０℃の場合に至っては、ガス圧力約０．５ＭＰａ以降の透過率はほぼ０に飽和し、高圧側での計測が不可能になってしまう。また、ＣＯ２ガス濃度１％の場合およびＣＯ２ガス濃度５％の場合のいずれにおいても、素子温度が８０℃の場合には、透過率自体が高くなり計測感度も非常に低くなるので、測定対象のガスのガス濃度の計測が困難になってしまう。
【００６３】
以上のように、測定対象のガスの計測環境場の圧力の変化によっては、測定対象のガスのガス濃度の計測が困難や不可能となる状態（以下、測定不適合状態と呼ぶ）が生じるため、ガス濃度計測装置１では、これらの測定不適合状態が生じているか否かを主制御部２８の調整関連処理において判断し、この判断に従って、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるか否かの判定を行う。そして、主制御部２８の調整関連処理において、測定不適合状態が生じていると判断し、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる旨の判定が行われた場合には、主制御部２８が位置コントローラ２６や温度コントローラ２７に指示を行うことによって移動ステージ１７やペルチェ素子１６を働かせ、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる。
【００６４】
続いて、図６（ａ）および図６（ｂ）を用いて、入射赤外光Ｉ０の変化と測定対象のガスのガス濃度の計測感度との関係についての説明を行う。図６（ａ）は、ＣＯ２ガスの吸収スペクトルを示すグラフである。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）のグラフの４．１〜４．４μｍまでの波長に該当する部分を拡大した図である。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）の縦軸はＣＯ２ガスの赤外光の吸収の度合いを示しており、横軸は波長を示している。
【００６５】
図６（ａ）に示すように、吸収が最も強い波長帯は４．１〜４．４μｍのあたり（詳しくは、４．１９〜４．４５μｍの範囲内）にあり、図６（ｂ）に示すように、その間でも波長によって吸収が異なることが分かる。また、吸収が異なると、計測感度も異なることになる。例えば、図６（ｂ）中のλａおよびλｂを比較すると、λａは吸収がλｂよりも少ないためλｂよりも計測感度が低くなり、λｂは吸収がλａよりも多いためλａよりも計測感度が高くなる。このように、入射赤外光Ｉ０の波長を少し変化させるだけで、測定対象のガスのガス濃度の計測感度を変化させることができる。
【００６６】
主制御部２８では、前述したように、測定不適合状態が生じていると判断した場合に、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるので、計測感度が低すぎたり、飽和していたりすることによって測定不適合状態が生じている場合に、判断波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させることによって、低すぎる計測感度を上げたり、飽和した計測感度を下げたりすることが可能となっている。
【００６７】
続いて、図７（ａ）および図７（ｂ）を用いて、主制御部２８の調整関連処理における、測定不適合状態が生じているか否かの判断についての説明を行う。図７（ａ）は、エンジン２１のサイクルにおけるエンジン筒内の圧力（以下、筒内圧と呼ぶ）の変化を示す図である。また、図７（ｂ）は、エンジン２１のサイクルにおける赤外光の透過率の変化を示す図である。なお、図７（ａ）の縦軸は筒内圧を示しており、横軸はクランク角を示している。また、図７（ｂ）の縦軸は赤外光の透過率を示しており、横軸はクランク角を示している。なお、図７（ａ）および図７（ｂ）の横軸のＢＤＣは下死点を示しており、ＴＤＣは上死点を示している。また、図７（ａ）および図７（ｂ）のＡで示す期間は、エンジン２１における圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間を示しており、Ｂで示す期間は、エンジン２１における燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間を示している。
【００６８】
主制御部２８では、圧力センサ２４から順次送られるセンサ信号をもとに得た筒内圧とエンジンＥＣＵ２５から順次取得したクランク角の値とをもとに、図７（ａ）に示すように、所定のクランク角の位相変化ΔＣＫあたりの筒内圧の変化量ΔＰを算出する。また、ガス濃度計測装置１の主制御部２８では、濃度検出部２２から順次送られてくる入射赤外光Ｉ０の強度の情報とディテクタ２３から順次送られてくる透過赤外光Ｉｔの強度の情報をもとに算出した赤外光の透過率とエンジンＥＣＵ２５から順次取得したクランク角の値とをもとに、図７（ｂ）中に示すように、ΔＰを算出したのと同じクランク角の位相変化ΔＣＫあたりの赤外光の透過率の変化量ΔＲｔｒｓを算出する。そして、筒内圧の変化量に対する赤外光の透過率の変化量の比率（ΔＲｔｒｓ／ΔＰ）を算出する。なお、所定のクランク角の位相変化ΔＣＫの量は任意に設定可能であり、所定のクランク角の位相変化ΔＣＫをとる期間については、測定対象のガスのガス濃度の計測を行いたい期間に応じて決定するものとする。例えば燃焼前のエンジン筒内のＣＯ２ガス濃度を測定したい場合には、図７（ａ）および図７（ｂ）中のＡの期間（つまり、燃焼前までの期間）内に決定する。また、燃焼前から燃焼後にかけてのエンジン筒内のＣＯ２ガス濃度を測定したい場合には、図７（ａ）および図７（ｂ）中のＡとＢとを合わせた期間（つまり、燃焼前から燃焼後にかけての期間）内に決定する。また、燃焼後のエンジン筒内のＣＯ２ガス濃度を測定したい場合には、図７（ａ）および図７（ｂ）中のＢの期間（つまり、燃焼後の期間）内に決定する。
【００６９】
ここで、計測感度が低すぎる場合や計測感度が飽和してしまっている場合には、筒内圧の変化量に対して赤外光の透過率の変化量が非常に小さくなっているので、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値の大きさをもとに、測定不適合状態が生じているか否かを判断することができる。主制御部２８では、算出したΔＲｔｒｓ／ΔＰの値を所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎと比較し、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値がΔＲｔｒｓｍｉｎ以下であった場合に、測定不適合状態が生じていると判断する。なお、所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎの値は、任意に設定可能であって、例えば、様々なＣＯ２ガス濃度、筒内圧、素子温度等の条件を振って予め行った実測やシミュレーション等によって、計測感度が低すぎる場合や計測感度が飽和してしまっている場合のΔＲｔｒｓ／ΔＰの値を求め、様々な条件下における計測感度が低すぎる場合や計測感度が飽和してしまっている場合のΔＲｔｒｓ／ΔＰの値の最大値と同程度であってこの最大値より大きい値を設定すればよい。これによれば、様々な条件下において、測定不適合状態が生じているか否かを所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎの値を基準に判断することが可能になる。
【００７０】
次に、図８を用いて、主制御部２８での調整関連処理のフローについての説明を行う。図８は、主制御部２８での調整関連処理のフローを示すフローチャートである。なお、本フローは、エンジン２１が始動したときに開始される。
【００７１】
まず、ステップＳ１では、情報取得処理を行って、ステップＳ２に移る。情報取得処理では、濃度検出部２２から順次送られてくる入射赤外光Ｉ０の強度の情報、およびその入射赤外光Ｉ０についてディテクタ２３から順次送られてくる透過赤外光Ｉｔの強度の情報を主制御部２８が取得する。また、圧力センサ２４から順次送られてくるセンサ信号をもとに、エンジン筒内の圧力の情報を主制御部２８が得る。さらに、エンジンＥＣＵ２５からエンジン２１におけるクランク角の情報を主制御部２８が順次取得する。
【００７２】
ステップＳ２では、情報取得処理で取得した情報をもとに、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの式で示される演算を行って、筒内圧の変化量に対する赤外光の透過率の変化量の比率を算出し、ステップＳ３に移る。ステップＳ３では、ステップＳ２で算出したΔＲｔｒｓ／ΔＰの値と所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎとを比較する。そして、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎよりも大きかった場合（ステップＳ３でＹｅｓ）には、ステップＳ１に戻ってフローを繰り返す。また、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎ以下であった場合（ステップＳ３でＮｏ）には、ステップＳ４に移る。
【００７３】
ステップＳ４では、波長変化処理を行ってステップＳ１に戻り、フローを繰り返す。波長変化処理では、位置コントローラ２６に主制御部２８が指示を行うことによって移動ステージ１７を駆動させ、分極反転周期を変更することによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる。また、分極反転周期を変更することによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させた後に、本フローが繰り返されて再度ステップＳ４に処理が移った場合には、温度コントローラ２７に主制御部２８が指示を行うことによってペルチェ素子１６を働かせ、波長変換素子１４ａの素子温度を変更することによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる。なお、分極反転周期を変更する場合には、例えば分極反転周期Λ１〜Λｎを１つずつ変更するものとし、素子温度を変更する場合には、素子温度を数℃〜十数℃程度ずつ変更するものとする。また、本フローは、エンジン２１が停止したときに終了する。
【００７４】
なお、本実施形態では、波長変換素子１４ａの分極反転周期と素子温度との両方を変更する構成を示したが、必ずしもこれに限らない。例えば分極反転周期と素子温度とのうちのいずれかのみを変更する構成としてもよい。
【００７５】
主制御部２８での調整関連処理では、図８のフローでも示したように、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎ以下であった場合には、波長変換素子１４ａの分極反転周期を変更することによって波長変換素子１４ａから出射される波長（以下、計測波長と呼ぶ）を大まかに変化させるとともに、波長変換素子１４ａの素子温度を変更することによって計測波長を細かく変化させる調整をΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎよりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことによって、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に調整する。
【００７６】
以上の構成によれば、ペルチェ素子１６によって波長変換素子１４ａの素子温度を変更したり、移動ステージ１７によって波長変換素子１４ａの分極反転周期を変更することによって、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させることができるので、複数の光検出素子を配列したり、光路長を変化させたりしなくてもガス濃度の計測感度を変更することができる。よって、エンジン筒内のガス濃度を計測する場合のように、装置の配置スペースが非常に限られている場合にも適用でき、より高い汎用性を有している。
【００７７】
また、測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量が小さくなり過ぎている場合には、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が小さくなっていて感度が低すぎるか、ガス濃度の計測が困難なほどに赤外線の減衰量が大きく飽和していて感度が高すぎるかのいずれかの状態にある。以上の構成によれば、実測によって得られた圧力の値の変化に対する赤外線の減衰量の変化量（つまり、前述のΔＲｔｒｓ／ΔＰの値）が所定の基準値以下となる場合には、変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させるフィードバック制御を行うので、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に調整することが可能になる。
【００７８】
その結果、より高い汎用性を有するとともに、より多様な計測環境場においてより適切な感度でのガス濃度の計測を実現することが可能になる。
【００７９】
また、以上の構成によれば、内燃機関の圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間、内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間、および内燃機関の圧縮開始から燃焼終了までの燃焼前から燃焼後にかけての期間のうちのいずれかの期間について、より確実に、より適切な感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になるので、計測したい期間に応じて、より確実に、より適切な感度でのガス濃度の計測ができるように波長を変化させることが可能になる。
【００８０】
なお、非線形結晶である波長変換素子１４ａの温度を１００℃以上に保った状態で波長変換素子１４ａから赤外線を出射する場合には、波長がぶれにくく、出力も安定するので、ペルチェ素子１６によって波長変換素子１４ａの温度を変更する場合に、波長変換素子１４ａの素子温度を１００℃以上に保って変更することが好ましい。これによれば、波長変換素子１４ａから出射される波長を変化させる場合に、波長がぶれにくくするとともに、出力を安定させることも可能になる。
【００８１】
また、測定対象のガスの吸収波長帯域を外れた波長でガス濃度の計測を行った場合には、赤外線の吸収が殆ど行われず、ガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなるので、波長変換素子１４ａから出射される波長を測定対象のガスの吸収波長帯域内にて変化させることが好ましい。これによれば、測定対象のガスの吸収波長帯域内のいずれかにてガス濃度の計測が行われることになるので、測定対象のガスの吸収波長帯域を外れた波長でガス濃度の計測を行うことがなく、ガス濃度の計測の感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる事態が生じる可能性を低減することができる。
【００８２】
さらに、ＣＯ２ガスの赤外線吸収波長帯域のうち最も吸収の強い波長帯域（つまり、最も良好な波長帯域）は、４．１９〜４．４５μｍの波長帯域であるので、測定対象のガスがＣＯ２ガスである場合には、波長変換素子１４ａから出射される波長を４．１９μｍ以上、且つ、４．４５μｍ以下の範囲内にて変化させることが好ましい。これによれば、最も良好な赤外線吸収波長帯域の範囲内のいずれかにてＣＯ２ガスのガス濃度の計測が行われることになるので、ＣＯ２ガスのガス濃度の計測感度が低くなりすぎてガス濃度を計測できなくなる事態が生じる可能性をより低減することができる。
【００８３】
なお、前述の実施形態では、ガス濃度計測装置１に反射鏡１５および反射鏡１８を含む構成を示したが、必ずしもこれに限らない。反射鏡１５および反射鏡１８は、赤外光を所望の方向に導くために設けられるものであるので、目的に応じて設ける数や位置を変更することが可能である。
【００８４】
また、前述の実施形態では、実測した値に基づくフィードバック制御によって、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に調整する構成を示したが、必ずしもこれに限らない。例えば、測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報としての内燃機関の運転条件（例えば、内燃機関の筒内圧の値、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、内燃機関の温度等）の情報に対し、予め定められた波長変換素子１４ａから出射する波長の設定をマップとして持つことにより、内燃機関の運転条件に応じて波長変換素子１４ａから出射する波長を変更して、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に調整する構成としてもよい。
【００８５】
例えば、以上のような構成とする場合には、ガス濃度計測装置１では、圧力関連情報が示す条件ごとに、ΔＲｔｒｓ／ΔＰの値が所定の基準値ΔＲｔｒｓｍｉｎよりも大きくなる波長の赤外線をペルチェ素子１６や移動ステージ１７を働かせて波長変換素子１４ａから出射させる場合の、ペルチェ素子１６に流す電流量や移動ステージ１７の移動量の設定値が予め対応付けられた設定マップを主制御部２８のＥＥＰＲＯＭ等のＲＯＭやＲＡＭに格納しておけばよい。よって、主制御部２８が請求項の設定マップ格納部として機能する。なお、設定マップを格納するメモリを主制御部２８のＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ以外のメモリとする構成としてもよい。また、主制御部２８は、圧力センサ２４のセンサ信号をもとに内燃機関の筒内圧の値を得たり、エンジンＥＣＵ２５から内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、内燃機関の温度等の情報を取得したりすればよい。そして、主制御部２８は、取得したこれらの圧力関連情報をもとに上述の設定マップを参照することによって得られる当該圧力関連情報に対応した設定値に従って、位置コントローラ２６や温度コントローラ２７に指示を行って移動ステージ１７やペルチェ素子１６を働かせ、波長変換素子１４ａから出射される波長を、測定不適合状態がより生じにくい最適な計測波長に変化させる構成とすればよい。
【００８６】
以上の構成によっても、より高い汎用性を有するとともに、より多様な計測環境場においてより適切な感度でのガス濃度の計測を実現することが可能になる。
【００８７】
なお、前述の実施形態において、測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報として、内燃機関の筒内圧の値、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、内燃機関の温度を挙げたが、内燃機関の筒内圧の値の他にも、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、および内燃機関の温度については、内燃機関の筒内の圧力に密接に関連した情報であるので、圧力関連情報と言える。
【００８８】
一例として、図９を用いて、内燃機関の機関負荷の高さと内燃機関の筒内の圧力との関係を示す。なお、図９は、内燃機関の機関負荷の高さと内燃機関の筒内の圧力との関係を示す図である。また、図９の縦軸は内燃機関の筒内の圧力を示しており、横軸はクランク角を示している。なお、図９では、内燃機関の機関負荷の高さとして高負荷、中負荷、低負荷の３種類の場合の内燃機関の筒内の圧力を示している。図９に示すように、内燃機関の機関負荷の高さが高くなるほど内燃機関の筒内の圧力は高くなっており、内燃機関の筒内の圧力に密接に関連している。
【００８９】
さらに、前述の設定マップでは、内燃機関の筒内圧の値、内燃機関の機関回転速度、内燃機関の機関負荷の高さ、および内燃機関の温度等の運転条件の情報のうちのいずれかの情報と設定値とが対応付けられている構成としてもよいし、複数ある運転条件の情報のうちのいくつかの組み合わせと設定値とが対応付けられている構成としてもよい。
【００９０】
また、前述の実施形態では、測定対象のガスとしてＣＯ２ガスを一例として挙げたが、必ずしもこれに限らず、ＣＯ２ガス以外を測定対象のガスとして用いる構成としてもよい。
【００９１】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９２】
１ ガス濃度計測装置、１１ 波長可変レーザ部、１２ ポンプレーザ（波長可変レーザ）、１３ レンズ（波長可変レーザ）、１４ 波長変換素子部（波長可変レーザ）、１４ａ 波長変換素子、１５ 反射鏡（波長可変レーザ）、１６ ペルチェ素子（波長変化部）、１７ 移動ステージ（波長変化部）、１８ 反射鏡、１９ 光チョッパー、２０ 光ファイバ、２１ エンジン（内燃機関）、２２ 濃度検出部、２３ ディテクタ（検出器）、２４ 圧力センサ、２５ エンジンＥＣＵ、２６ 位置コントローラ、２７ 温度コントローラ、２８ 主制御部（圧力関連情報取得部、調整部、設定マップ格納部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象のガスが導入されるセルと、
前記セル内に照射する赤外線の光源である赤外線光源と、
前記セルから出射する透過赤外線の強度を検出する検出器と、を備え
前記セル内に照射する赤外線の強度と前記検出器で検出した透過赤外線の強度とから得られる赤外線の減衰量をもとに、前記測定対象のガスの濃度を計測するガス濃度計測装置であって、
前記赤外線光源として、波長変換を行う波長変換素子を有する波長可変レーザと、
前記波長可変レーザの波長変換素子に働きかけることによって、前記波長変換素子から出射される波長を変化させる波長変化部と、
前記測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報を取得する圧力関連情報取得部と、
前記圧力関連情報取得部で取得した圧力関連情報をもとに、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる調整部と、を備えていることを特徴とするガス濃度計測装置。
【請求項２】
前記セルは、内燃機関の筒内に設けられるものであって、
前記ガス濃度計測装置は、前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものであることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度計測装置。
【請求項３】
前記圧力関連情報取得部は、前記圧力関連情報として前記測定対象のガスにかかる圧力の値を取得するとともに、
前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させることを特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度計測装置。
【請求項４】
前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる処理を、前記変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項３に記載のガス濃度計測装置。
【請求項５】
前記調整部は、前記内燃機関の圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間、前記内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間、および前記内燃機関の圧縮開始から燃焼終了までの燃焼前から燃焼後にかけての期間のうちのいずれかの期間についての、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、
前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる処理を、前記変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項４に記載のガス濃度計測装置。
【請求項６】
前記ガス濃度計測装置は、前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものであって、
前記圧力関連情報取得部は、前記圧力関連情報として前記内燃機関の筒内圧の値を取得することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のガス濃度計測装置。
【請求項７】
前記圧力関連情報が示す条件ごとに、前記測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値よりも大きくなる波長の赤外線を前記波長変化部を介して前記波長変換素子から出射させる場合の前記調整部の設定値が予め対応付けられた設定マップを格納する設定マップ格納部をさらに備え、
前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得した前記圧力関連情報をもとに前記設定マップを参照することによって得られる当該圧力関連情報に対応した前記設定値に従って、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させることを特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度計測装置。
【請求項８】
前記ガス濃度計測装置が前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものである場合には、
前記圧力関連情報は、前記内燃機関の筒内圧の値、前記内燃機関の機関回転速度、前記内燃機関の機関負荷の高さ、および前記内燃機関の温度のうちの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項７に記載のガス濃度計測装置。
【請求項９】
前記波長変化部は、前記波長変換素子の温度を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１０】
前記波長変換素子は、非線形結晶であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１１】
前記波長変化部は、非線形結晶である前記波長変換素子の温度を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させる場合に、前記波長変換素子の温度を１００℃以上に保って前記波長変換素子の温度を変更することを特徴とする請求項１０または１０に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１２】
前記波長変換素子は、周期分極反転構造を有する非線形結晶であって、
前記波長可変レーザは、前記周期分極反転構造を有する非線形結晶を用いた光パラメトリック発振によって前記波長変換を行うことを特徴とする請求項１０または１１に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１３】
前記波長変化部は、前記周期分極反転構造を有する非線形結晶である前記波長変換素子の分極反転周期を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させることを特徴とする請求項１２に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１４】
前記波長変化部は、前記波長変換素子から出射される波長を前記測定対象のガスの吸収波長帯域内にて変化させることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１５】
前記測定対象のガスは、ＣＯ２ガスであって、
前記波長変化部は、前記波長変換素子から出射される波長を４．１９μｍ以上、且つ、４．４５μｍ以下の範囲内にて変化させることを特徴とする請求項１４に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１】
測定対象のガスが導入されるセルと、
前記セル内に照射する赤外線の光源である赤外線光源と、
前記セルから出射する透過赤外線の強度を検出する検出器と、を備え
前記セル内に照射する赤外線の強度と前記検出器で検出した透過赤外線の強度とから得られる赤外線の減衰量をもとに、前記測定対象のガスの濃度を計測するガス濃度計測装置であって、
前記赤外線光源として、波長変換を行う波長変換素子を有する波長可変レーザと、
前記波長可変レーザの波長変換素子に働きかけることによって、前記波長変換素子から出射される波長を変化させる波長変化部と、
前記測定対象のガスにかかる圧力に関連する情報である圧力関連情報を取得する圧力関連情報取得部と、
前記圧力関連情報取得部で取得した圧力関連情報をもとに、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる調整部と、を備えていることを特徴とするガス濃度計測装置。
【請求項２】
前記セルは、内燃機関の筒内に設けられるものであって、
前記ガス濃度計測装置は、前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものであることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度計測装置。
【請求項３】
前記圧力関連情報取得部は、前記圧力関連情報として前記測定対象のガスにかかる圧力の値を取得するとともに、
前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させることを特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度計測装置。
【請求項４】
前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる処理を、前記変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項３に記載のガス濃度計測装置。
【請求項５】
前記調整部は、前記内燃機関の圧縮開始から燃焼開始までの燃焼前の期間、前記内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼後の期間、および前記内燃機関の圧縮開始から燃焼終了までの燃焼前から燃焼後にかけての期間のうちのいずれかの期間についての、前記圧力関連情報取得部で取得する前記圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量をもとに、
前記変化量が所定の基準値以下となる場合には、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させる処理を、前記変化量が所定の基準値よりも大きくなるまで繰り返すフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項４に記載のガス濃度計測装置。
【請求項６】
前記ガス濃度計測装置は、前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものであって、
前記圧力関連情報取得部は、前記圧力関連情報として前記内燃機関の筒内圧の値を取得することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のガス濃度計測装置。
【請求項７】
前記圧力関連情報が示す条件ごとに、前記測定対象のガスにかかる圧力の値の変化に対する前記赤外線の減衰量の変化量が所定の基準値よりも大きくなる波長の赤外線を前記波長変化部を介して前記波長変換素子から出射させる場合の前記調整部の設定値が予め対応付けられた設定マップを格納する設定マップ格納部をさらに備え、
前記調整部は、前記圧力関連情報取得部で取得した前記圧力関連情報をもとに前記設定マップを参照することによって得られる当該圧力関連情報に対応した前記設定値に従って、前記波長変換素子から出射される波長を前記波長変化部によって変化させることを特徴とする請求項１または２に記載のガス濃度計測装置。
【請求項８】
前記ガス濃度計測装置が前記内燃機関の筒内の前記測定対象のガスの濃度を計測するものである場合には、
前記圧力関連情報は、前記内燃機関の筒内圧の値、前記内燃機関の機関回転速度、前記内燃機関の機関負荷の高さ、および前記内燃機関の温度のうちの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項７に記載のガス濃度計測装置。
【請求項９】
前記波長変化部は、前記波長変換素子の温度を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１０】
前記波長変換素子は、非線形結晶であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１１】
前記波長変化部は、非線形結晶である前記波長変換素子の温度を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させる場合に、前記波長変換素子の温度を１００℃以上に保って前記波長変換素子の温度を変更することを特徴とする請求項１０または１０に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１２】
前記波長変換素子は、周期分極反転構造を有する非線形結晶であって、
前記波長可変レーザは、前記周期分極反転構造を有する非線形結晶を用いた光パラメトリック発振によって前記波長変換を行うことを特徴とする請求項１０または１１に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１３】
前記波長変化部は、前記周期分極反転構造を有する非線形結晶である前記波長変換素子の分極反転周期を変更することによって前記波長変換素子から出射される波長を変化させることを特徴とする請求項１２に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１４】
前記波長変化部は、前記波長変換素子から出射される波長を前記測定対象のガスの吸収波長帯域内にて変化させることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１５】
前記測定対象のガスは、ＣＯ２ガスであって、
前記波長変化部は、前記波長変換素子から出射される波長を４．１９μｍ以上、且つ、４．４５μｍ以下の範囲内にて変化させることを特徴とする請求項１４に記載のガス濃度計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２１９９６（Ｐ２０１１−２１９９６Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６７１３０（Ｐ２００９−１６７１３０）
【出願日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]