多成分用レーザ式ガス分析計
【課題】ガス濃度の高低によらずに濃度を確実に検出し、検出精度を向上させた多成分用レーザ式ガス分析計を提供する。
【解決手段】可視光用処理回路や近赤外光用処理回路は、各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成し、可視光用受光素子や近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出して同期検波信号を出力し、この同期検波信号およびトリガ信号に基づいて測定対象ガスの濃度を演算するような多成分レーザ式ガス分析計とした。
【解決手段】可視光用処理回路や近赤外光用処理回路は、各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成し、可視光用受光素子や近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出して同期検波信号を出力し、この同期検波信号およびトリガ信号に基づいて測定対象ガスの濃度を演算するような多成分レーザ式ガス分析計とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析する多成分用レーザ式ガス分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
多成分用レーザ式ガス分析計の従来技術として、例えば、特許文献１（特開２０００−７４８３０号公報（特許第４０３８６３１号公報）、発明の名称「半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システム」）に記載の発明が知られている。この計測システムについて図を参照しつつ説明する。
【０００３】
図２１は、従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の説明図である。図２１において、５０１，５０２は発光部としての半導体レーザで、互いに異なる波長λ１（例えば１．９９６μｍ）、λ２（例えば２．０５０μｍ）のレーザ光を発するものであり、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザよりなる。これらの半導体レーザ５０１，５０２は、ファンクションジェネレータ５０３によってそれぞれ電流制御される。これらの半導体レーザ５０１，５０２は、その波長掃引に必要な外部入力信号として、直線、曲線、ステップを含む波形、具体例として、サイン波、ランプ波、三角波、パルス波のいずれかまたはそれらのうちのいずれかを適宜組み合わせたものを用いる。また、これらの半導体レーザ５０１，５０２は図示してないが、それぞれ２．０μｍ用のアイソレータを備えている。
【０００４】
５０４，５０５は半導体レーザ５０１，５０２に光ファイバ５０６，５０７を介して接続されるファイバカプラ、５０８は半導体レーザ５０１，５０２がそれぞれ発するレーザ光を後述するセル５１３に測定光として送出するためのファイバカプラで、５０９，５１０は光ファイバである。なお、ファイバカプラ５０４，５０５には、参照光としてのレーザ光用の光ファイバ５１１，５１２がそれぞれ接続されている。
【０００５】
５１３は前記ファイバカプラ５０８の後段に設けられるセルである。このセル５１３の両端部は、２μｍ付近のレーザ光を透過させるセル窓５１３ａ，５１３ｂで封止されるとともに、ガス導入口５１３ｃ、ガス導出口５１３ｄを備え、ガス導入口５１３ｃには例えばＣＯ２と空気とを適宜の割合で供給できるように開閉弁５１４，５１５を備えたガス供給ライン５１６，５１７が接続され、ガス導出口５１３ｄには開閉弁５１８および真空ポンプ５１９を備えたガス排出ライン５２０が接続されている。
【０００６】
また、セル窓５１３ａ，５１３ｂの外部にミラー５２１，５２２を設け、セル５１３に入射したレーザ光がセル５１３内を数回通過した後、出射するように構成されている。
そして、５２３，５２４はセル５１３の前段側および後段側にそれぞれ設けられるコリメータで、後段側のコリメータ５２４の後段には分波器５２５が設けられている。この分波器５２５は、セル５１３を透過した二つの波長のレーザ光（測定光）を波長λ１，λ２のレーザ光に分離するものである。
【０００７】
５２６，５２７は測定光用のフォトダイオード、５２８，５２９は参照光用のフォトダイオードで、これらのフォトダイオード５２６，５２７には分波器５２５によって分離された波長λ１，λ２のレーザ光（測定光）が入射し、フォトダイオード５２８，５２９には光ファイバ５１１，５１２を経て波長λ１，λ２のレーザ光（参照光）が入射する。
【０００８】
５３０〜５３３は前記フォトダイオード５２６〜５２９にそれぞれ対応して設けられるプリアンプで、これらのプリアンプ５３０〜５３３は、Ａ／Ｄ変換器５３４を経て図示していない信号処理装置（例えばコンピュータ）に入力されるように構成されている。
【０００９】
上述のように構成されたレーザ式ガス分析計においては、セル５１３にＣＯ２と空気とを適宜の割合で混合したガスが被測定ガスとして供給される。この状態において、半導体レーザ５０１，５０２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ１，λ２が、混合した状態で被測定ガスが充填されたセル５１３を測定光として透過する。この測定光は、分波器５２５において元の波長λ１，λ２のレーザ光となり、フォトダイオード５２６，５２７に入射する。一方、前記半導体レーザ５０１，５０２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ１，λ２は、そのまま光ファイバ５１１，５１２を経て参照光としてフォトダイオード５２８，５２９に入射する。
【００１０】
そして、フォトダイオード５２６〜５２９からは、入射する光に応じた信号を出力し、これらの出力信号は、プリアンプ５３０〜５３３を経てＡ／Ｄ変換器５３４に入り、その変換出力がコンピュータに入力され、信号処理される。セル５１３に供給された被測定ガスの温度・濃度・化学種が求められる。
【００１１】
このレーザ式ガス分析計においては、計測に用いるレーザ光を、従来よりも長い波長である２μｍ付近の相異なる波長λ１，λ２のレーザ光を用いているので、吸収の強い吸収線で計測を行うことができ、必要光路長の短縮や、温度・濃度・化学種の測定におけるＳ／Ｎの向上が図れる。
【００１２】
そして、半導体レーザ５０１，５０２から波長λ１，λ２のレーザ光を発するに際しては、波長掃引を行わせるために、上述したように、直線、曲線、ステップを含む波形、具体例として、サイン波、ランプ波、三角波、パルス波のいずれかまたはそれらのうちのいずれかを適宜組み合わせたものを、外部入力信号として用いることができるが、特に、サイン波信号を掃引信号として用いることにより、半導体レーザ５０１，５０２やアンプなどの時間応答性の周波数特性を向上させることができ、１０ＭＨｚでの高速波長掃引が可能となり、これによって、１０ＭＨｚの高速で温度・濃度・化学種の時系列測定を行うことができる。
【００１３】
また、計測に際しては、１本の吸収線のスペクトルプロファイル全体を計測するのではなく、図２２に示したように、スペクトルのピークの高さだけを検出し、そこから温度・濃度を算出する。その際、温度・濃度・圧力・流速が変動する場ではスペクトルのピークの位置がシフトするため、波長固定ではピークからずれてしまう可能性がある。そこで、図２３に示すように、ピーク付近の狭い範囲のみに対して波長掃引を行い、確実にピークの高さを検出する。このようにすることにより、波長掃引範囲を狭くすることができ、サンプル数が少なくてもこれを有効に使うことができるので、計測をより高速に行うことができる。従来技術はこのようなものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−７４８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
この先行技術では、ガスの吸収スペクトル波形において、ピーク付近の狭い範囲のみに対して波長掃引を行い、確実にピークの高さを検出するとの記載がある。この場合、ガスの吸収があるときはピークが検出可能である。しかしながら、ガスが低濃度になるゼロ付近では、信号強度よりも電気信号ノイズが大きいことがあり、電気的なノイズとガスの吸収スペクトルの波長のピークとの分離が困難である。このように、濃度が低いガス濃度の検出が困難であるという課題がある。
【００１６】
そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス濃度の高低によらずに濃度を確実に検出し、検出精度を向上させた多成分用レーザ式ガス分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の請求項１に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、この受光側光学部から出力された集光を等光量で分波するマルチモード型の分波手段と、分波手段により分波された分波光のうちの可視波長域に感度を有する可視光用受光素子と、分波手段により分波された分波光のうちの近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子と、可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、可視波長域に感度を有する可視光用受光素子および近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子が一体化されており受光側光学部から出力された集光について両者が検出信号を出力する受光素子と、受光素子のうちの可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、受光素子のうちの近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００１９】
また、本発明の請求項３に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値または最小値を検出することでガス濃度を検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２０】
また、本発明の請求項４に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値および最小値を検出し、この最大値と最小値との差分値の絶対値をガス濃度として検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２１】
また、本発明の請求項５に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
前記波長走査駆動信号発生部が生成するパルス状のトリガ信号を基準として所定期間経過したときの値をもってガス吸収波形の最大値及び最小値の発生位置を検知することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２２】
また、本発明の請求項６に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、受光側光学部から出力された集光について検出信号を出力する近赤外波長域に感度のピークを持ちかつ可視波長域にも感度を有する広帯域近赤外光用受光素子と、広帯域近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２３】
また、本発明の請求項７に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項６に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値または最小値を検出することでガス濃度を検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２４】
また、本発明の請求項８に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項６に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値および最小値を検出し、この最大値と最小値との差分値の絶対値をガス濃度として検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２５】
また、本発明の請求項９に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
前記波長走査駆動信号発生部が生成するパルス状のトリガ信号を基準として所定期間経過したときの値をもってガス吸収波形の最大値及び最小値の発生位置を検知することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２６】
また、本発明の請求項１０に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記トリガ信号は、前記波長走査駆動信号と同期がとれていることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２７】
また、本発明の請求項１１に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記発光側光学部および前記受光側光学部に放物面鏡を用いることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２８】
また、本発明の請求項１２に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記複数のピグテール型発光素子が有する波長走査駆動信号発生手段のそれぞれが生成するトリガ信号は、周期が等しく、かつ同期がとれていることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ガス濃度の高低によらずに濃度を確実に検出し、検出精度を向上させた多成分用レーザ式ガス分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。
【図２】発光部および受光部による光学系を説明するブロック図である。
【図３】ピグテール型発光素子の内部構成図である。
【図４】ドライブ電流及び温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図５】波長−損失特性を示す特性図である。
【図６】離間距離−結合効率特性を示す特性図である。
【図７】可視光受光素子についての波長−受光感度特性を示す特性図である。
【図８】近赤外光受光素子についての波長−受光感度特性を示す特性図である。
【図９】受光素子および処理回路の構成図である。
【図１０】Ｏ２ガス，ＨＣＬガス，ＣＯ２ガス、ＣＯガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。
【図１１】レーザ素子の波長走査駆動信号波形、ガスの吸収波形、同期検波回路のガス吸収波形を示す図である。
【図１２】受光信号、同期検波回路の出力信号、トリガ信号を示す波形図である。
【図１３】受光信号、同期検波回路の出力信号、トリガ信号を示す波形図である。
【図１４】可視光・近赤外光受光素子の構造図である。
【図１５】他の形態の受光部による光学系を説明するブロック図である。
【図１６】他の形態の受光部による光学系を説明するブロック図である。
【図１７】回折型収差補正レンズの説明図である。
【図１８】他の形態の発光側光学部・受光側光学部による光学系を説明するブロック図である。
【図１９】ノイズ発生要因を説明する波形図である。
【図２０】他の形態のピグテール型発光素子の内部構成図である。
【図２１】従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の説明図である。
【図２２】従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の濃度検出原理の説明図である。
【図２３】従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の濃度検出原理の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
続いて、本発明を実施するための形態に係る多成分用レーザ式ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図１は、本形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。
本形態の多成分用レーザ式ガス分析計１は、周波数変調方式を採用している。この多成分用レーザ式ガス分析計１は、変調光生成部１０、光ファイバ２０、発光側光学部３０、受光側光学部４０、光ファイバ５０、分析部６０、通信線７０を備えている。このうち、図２でも示すように、変調光生成部１０、光ファイバ２０、発光側光学部３０で本発明の発光部１００を構成する。また、受光側光学部４０、光ファイバ５０、分析部６０で本発明の受光部２００を構成する。
【００３２】
発光側光学部３０は、ファイバ端部３１、コリメートレンズ３２を備える。このコリメートレンズ３２は、ファイバ端部３１から出射されたレーザ光を、平行光である検出光８０として出射する。
そして、受光側光学部４０は、集光レンズ４１、ファイバ端部４２を備える。受光側光学部４０は、発光側光学部３０から出射される検出光８０を受光する。集光レンズ４１が平行光である検出光８０を集光してファイバ端部４２が受光し、光ファイバ５０に集光を出力する。
【００３３】
発光側光学部３０、受光側光学部４０は、図１に示すように、複数の測定対象ガスからなるガスが流通する配管等の壁９１ａ，９１ｂに、溶接等により固定されたフランジ９２ａ，９２ｂ及び光軸調整フランジ９３ａ，９３ｂを介して取り付けられる。ここで、光軸調整フランジ９３ａ，９３ｂは、発光側光学部３０から出射される検出光８０が受光側光学部４０において最大の光量で受光されるように光軸を調整するためのものである。なお、フランジ９２ａ，９２ｂまたは光軸調整フランジ９３ａ，９３ｂの光路内に透明体による窓を設けて複数の測定対象ガスを含むガスからコリメートレンズ３２や集光レンズ４１が直接ガスに触れないよう保護しても良い。
【００３４】
次に、発光部１００、および、受光部２００の詳細構成について説明する。まず、発光部１００について図２〜図６を参照しつつ詳細に説明する。
発光部１００は、測定対象ガスの吸光特性に応じたレーザ光の発光素子を複数設けて、測定対象ガスの個数のレーザ光を照射するようになされており、これらレーザ光に対して周波数を変調した変調光を複数生成し、これら複数の変調光を結合した検出光８０を出射するユニットである。
【００３５】
この発光部１００のうち変調光生成部１０は、図２で示すように、さらに測定対象ガスの種類の数に等しい個数（本形態では例示的に４個として説明する）のピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ、ピグテール型発光素子と同じ本数（本形態では例示的に４本として説明する）のピグテール（光ファイバ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ、光結合器１３を備えている。なお、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、ピグテール１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとは、それぞれ、予め光学的に接続された状態で市販されているものであり、光学的な調整を不要としている。
【００３６】
ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、詳しくは、図３で示すような構成としている。
ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、それぞれ発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄを内蔵している。これら発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄは、測定対象ガス１成分につき１個の発光素子を用いるように構成している。これらは、例えば、ＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）、もしくはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）といわれるレーザダイオードである。
【００３７】
これらレーザダイオードは、発光波長がガスの吸光特性に一致する可視領域や近赤外領域にて発光が可能であり、かつ、電流と温度により、レーザダイオードの発光波長を可変可能である。本形態では説明の具体化のため、可視領域を発するのはピグテール型発光素子１１ａであるとし、また、近赤外領域を発するのはピグテール型発光素子１１ｂ，１１ｃ，１１ｄであるものとして説明する。なお、このような構成は測定対象ガスの実状に応じて決定されるものであり、例えば、可視領域を発するピグテール型発光素子を２個、近赤外領域を発するピグテール型発光素子を４個というように選択することができる。
【００３８】
本形態では測定対象ガスとして酸素ガス（Ｏ２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するものとする。
可視領域として、例えば、酸素ガス（Ｏ２ガス）を検出するために波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ａとし、近赤外領域として、例えば、塩素ガス（ＨＣｌガス）を検出するために波長１７８０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｂとし、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）を検出するために波長２００４ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｃとし、一酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）を検出するために波長２３６０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｄとする。
【００３９】
これらの発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄは、ガスの吸収特性に一致する可視領域・近赤外領域の波長にて発光が可能であり、さらに、図４（ａ）に示したようにドライブ電流により発光波長を可変とすることができる。また、図４（ｂ）に示したように温度によって発光波長を可変とすることができる。このように温度と電流で、レーザの発光波長を可変可能である。なお、レーザダイオード以外でも上記の条件を満たす、つまり測定対象ガスの吸収波長帯域で波長掃引できるものであれば、他種の発光素子を用いてもよい。
【００４０】
図３において、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの温度は、サーミスタ等の温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄを用いて検出される。これらの温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄは温度制御回路１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄに接続されている。これら、温度制御回路１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄは、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの発光波長を安定化させるため、温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄの抵抗値がそれぞれ一定になるようにＰＩＤ制御等を行ってペルチェ素子１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄの温度制御を行い、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの温度を調節する。
【００４１】
また、発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄの出力信号と、発光波長を周波数変調させるための高周波変調信号発生回路１１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの出力信号とを、駆動信号発生回路１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄにより合成して駆動信号を生成し、この駆動信号をＶ−Ｉ変換して発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄに供給する。これにより、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄからは、それぞれ異なる種類の測定対象ガスの吸光特性を走査するための、周波数変調された所定波長のレーザ光が出射される。したがって、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから所定波長のレーザ光が出射される。
そして、波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄからはそれぞれトリガ信号ａ，トリガ信号ｂ，トリガ信号ｃ，トリガ信号ｄが出力される。これらトリガ信号ａは、通信線７０を介して可視光用処理回路６４ａの演算回路６４５ａへ入力され（図１，図２，図９（ａ）参照）、また、トリガ信号ｂ，トリガ信号ｃ，トリガ信号ｄは近赤外光処理回路６４ｂの演算回路６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄへ入力される（図１，図２，図９（ｂ）参照）。これらトリガ信号については後述する。
【００４２】
なお、複数のピグテール型発光素子を備えたレーザ光源としては、例えば、ＮＴＴエレクトロニクス株式会社製のバタフライ型パッケージのレーザ光源を用いることができる。しかしながら、温度調節機能と光ファイバへの接続ができればよく、外形形状はバタフライ型に限定するものではない。
【００４３】
図２に戻るが、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから出射したレーザ光は、それぞれピグテール（光ファイバ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ内を伝播する。ピグテール（光ファイバ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの出力側は光結合器１３に接続されている。光結合器１３は、光ファイバカプラ、もしくは、光ファイバスイッチなどであり、マルチモード型の装置である（理由は後述する）。ピグテール（光ファイバ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを伝播したこれらレーザ光を、光結合器１３は重ね合わせ、結合光として出射する。光結合器１３からの結合光は、光ファイバ２０へ入力される。この光ファイバ２０もマルチモード型のファイバである。
【００４４】
ここで光結合器１３および光ファイバ２０がマルチモード型を採用している点について説明する。
この光ファイバ２０は複数のレーザ光からなり広い帯域に渉る結合光を伝播させる必要がある。一般的にシングルモード光ファイバのコア径は、伝搬する波長によって異なる。波長が長い方がコア径が大きくなる。そのため、波長が長いレーザ光、例えば２５００ｎｍのレーザ光でシングルモードとなるような光ファイバを選択すると、例えば７００ｎｍの光はマルチモードで伝搬が可能となる。そこで、２５００ｎｍのレーザ光でシングルモードとなるような光ファイバを選択すれば良い。もしくは、全ての光ファイバをマルチモードで構成する。本形態では光ファイバはマルチモード光ファイバであるとして以下説明する。このように結合器や全ての光ファイバをマルチモード型とし、複数のレーザ光からなり広い帯域に渉る結合光を、結合器や全ての光ファイバにおいて確実に伝播させるようにする。これにより多成分の被測定ガスの計測を実現する。
【００４５】
本形態では光結合器１３としてマルチモード型の光ファイバカプラ、もしくは、光ファイバスイッチを選択し、また、光ファイバ２０としてマルチモード型の光ファイバを選択した。マルチモード型の光ファイバカプラやマルチモード光ファイバを適用すれば図５（ａ），（ｂ）からも明らかなように、波長が５００ｎｍ〜２５００ｎｍのレーザ光については低損失で伝搬可能である。
加えて、後述する他の光ファイバ５０，６２ａ，６２ｂも、光ファイバ２０と同様にマルチモード型の光ファイバとして、５００ｎｍ〜２５００ｎｍのレーザ光について低損失で伝搬可能とする。
また、分波器６１も同様にマルチモード型の光ファイバカプラや光ファイバスイッチとして、５００ｎｍ〜２５００ｎｍのレーザ光について低損失で伝搬可能とする。
このように低損失で伝播するようになったため低濃度のガスでも信号として表れることとなって検出精度が向上している。
【００４６】
話を戻すが、図２で示すように、光結合器１３からの結合光は、マルチモード型の光ファイバ２０へ入射され、この光ファイバ２０の先端であるファイバ端部３１から出射した結合光３３をコリメートレンズ３２により平行な検出光８０に変換し出射する。
ここに、光ファイバから空間へ出射するコリメート光学系において、特に可視領域レーザ光と近赤外領域レーザ光との収差の影響を低減する必要がある。図６は石英ガラスの平凸レンズであるコリメートレンズ３２の平面側とファイバ端部３１の端面との距離Ｌを計算したものである。
【００４７】
ここに波長により焦点位置にズレが生じるために、図６に示すように、両方の波長で充分な受光光量が得られるように焦点位置を決める。マルチモード型の光ファイバ２０のファイバ端部３１とコリメートレンズ３２との間の距離Ｌは、波長が異なるレーザが入射されても検出光の光量が十分に大きくなるように決定される。例えば、可視領域として、酸素を検出するために波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ａとし、近赤外領域として、例えば、二酸化炭素を検出するために波長２００４ｎｍ発光するピグテール型発光素子１１ｂとしたとき、距離Ｌは図６に示すように１２．５ｍｍである。同様に、集光レンズ４１とファイバ端部４２との距離も上記手法にて決定される。なお、近赤外領域にある３種のレーザ光については波長が近いため収差の影響は無視できるレベルといえるものである。
加えて、コリメートレンズ３２や集光レンズ４１の素材も二種のレーザ光が伝搬される材料を選ぶ。なお、レンズは今回１枚の例であるが、複数枚用いてもよい。
【００４８】
このような発光側光学部３０を経て検出光８０が出射される。図１，図２に示すように、発光側光学部３０から出力された平行光である検出光８０は、壁９１ａ，９１ｂの内部区間（複数の測定対象ガスが流通する空間）を伝播し、受光側光学部４０により受光される。
【００４９】
続いて、受光部２００について図２，図７〜図１３を参照しつつ詳細に説明する。受光部２００は、検出光８０を受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析するユニットである。すなわち、受光側光学部４０では、図２で示すように、集光レンズ４１により集めた集光４３をファイバ端部４２へ入射させる。光ファイバ５０を通過する集光を分波器６１が１：１の光量となるように分波する。この分波器６１は、分波機能を有しているものであれば良く、具体的には、上記した理由により、マルチモード型の光ファイバカプラであったり、または、マルチモード型の光ファイバスイッチを採用することができる。
【００５０】
これら分波光は光ファイバ６２ａ，６２ｂを介してそれぞれ可視光受光素子６３ａ、近赤外光受光素子６３ｂにてそれぞれ受光される。測定対象ガスとして酸素ガス（Ｏ２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するが、可視光受光素子６３ａは、酸素ガス（Ｏ２ガス）を検出するために、図７に示すように４００ｎｍ〜１０００ｎｍという可視波長域に感度をもつＳｉフォトダイオードであり、また、近赤外光受光素子６３ｂは、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を検出するために、図８に示すように１２００ｎｍ〜２５００ｎｍという近赤外波長域に感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードである。
このような素子としては、例えば、浜松ホトニクス株式会社から販売されているシリコンフォトダイオードであるＳ５８２１や、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードであるＧ８３７３がある。
【００５１】
なお、分波器６１により分波された分波光は、全ての波長のレーザ光が含まれているが、可視光受光素子６３ａ、近赤外光受光素子６３ｂは、波長に対して感度をもつ波長領域がそれぞれ決まっているため、それぞれ感度をもつ波長の光のみの受光が可能となる。例えば、検出光のうち波長が７６３ｎｍの光は可視光受光素子６３ａでのみ検出される。また、検出光のうち波長が１７８０ｎｍ，２００４ｎｍ，２３６０ｎｍの光は近赤外光受光素子６３ｂでのみ検出される。
これら可視光受光素子６３ａ、近赤外光受光素子６３ｂは、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して可視光用処理回路６４ａ，近赤外光用処理回路６４ｂに送る。これら可視光用処理回路６４ａ，近赤外光用処理回路６４ｂは、例えば、検出信号に対して増幅やノイズのフィルタリングを行い、濃度を検出する。
【００５２】
図９（ａ）は、可視光用処理回路６４ａの内部構成図である。可視光用受光素子６３ａから可視光用処理回路６４ａへ入力された検出信号は、Ｉ−Ｖ変換回路６４１ａによって電流信号から電圧信号に変換される。また、参照信号発生回路（発振回路）６４２ａは、前記高周波変調信号発生回路１１６ａによる高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として出力する。Ｉ−Ｖ変換回路６４１ａにより変換された電圧信号と前記参照信号とは同期検波回路６４３ａに入力され、前記電圧信号から２倍周波数成分の信号が抽出される。これらの信号はフィルタ６４４ａに入力され、ノイズ除去、増幅等の処理が行われて演算回路６４５ａに入力されると共に、この演算回路６４５ａにおいて測定対象ガス（詳しくは酸素ガス（Ｏ２ガス））の濃度が演算されることになる。
【００５３】
また、図９（ｂ）は、近赤外光用処理回路６４ｂの内部構成図である。近赤外光用受光素子６３ｂから近赤外光用処理回路６４ｂへ入力された検出信号は、Ｉ−Ｖ変換回路６４１ｂによって電流信号から電圧信号に変換される。また、参照信号発生回路（発振回路）６４２ｂ，６４２ｃ，６４２ｄは、高周波変調信号発生回路１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄによる高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として出力する。Ｉ−Ｖ変換回路６４１ｂにより変換された電圧信号と前記参照信号とは同期検波回路６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄに入力され、前記電圧信号から２倍周波数成分の信号が抽出される。これらの信号はフィルタ６４４ｂ，６４４ｃ，６４４ｄに入力され、ノイズ除去、増幅等の処理が行われて演算回路６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄに入力されると共に、この演算回路６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄにおいて測定対象ガス（詳しくは、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス））の濃度が演算されることになる。
【００５４】
次に、上記の構成において、測定対象ガスの濃度を検出する原理について説明する。ここでは可視領域にある酸素ガス（Ｏ２ガス）と近赤外領域にある塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）について検出する。酸素は、図１０で示すように７６０ｎｍ〜７６８ｎｍで吸光特性を有する。酸素検出するために、可視領域として、波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１２ａとする。同様に、近赤外領域として、例えば、塩素ガスを検出するために波長１７８０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｂとし、二酸化炭素ガスを検出するために波長２００４ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｃとし、一酸化炭素ガスを検出するために波長２３６０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｄとする。本発明では５００〜２５００ｎｍまでの光が光ファイバ、結合器、分波器を伝播されるようにしたため、検出は可能である。
【００５５】
まず、発光部１０から出射した検出光８０は、測定対象ガスが流通する壁９１ａ，９１ｂ内の空間を透過し、吸光されたものとする。これらの検出光は同軸上で受光側光学部４０に入射する。
【００５６】
そして、可視光に感度を持つ可視光用受光素子（Ｓｉフォトダイオード）６３ａでは、７６３ｎｍの発光素子本体１１１ａからの光のみを受光し、また、近赤外波長域に感度を持つ近赤外光用受光素子（ＩｎＧａＡｓフォトダイオード）６３ｂは、波長１７８０ｎｍの発光素子本体１１１ｂからのレーザ光、２００４ｎｍの発光素子本体１１１ｃからのレーザ光、波長２３６０ｎｍの発光素子本体１１１ｄからのレーザ光を受光する。
【００５７】
図１１（ａ）は、例えば発光素子本体１１１ａの駆動電流波形の一例を示している。
図３の波長走査駆動信号発生回路１１５ａにおいて、測定対象ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号Ｓ１は、発光素子本体１１１ａの駆動電流値を直線的に変化させて発光素子本体１１１ａの発光波長を徐々に変化させ、例えば、０．２ｎｍ程度の吸光特性を走査する。一方、信号Ｓ２は、駆動電流値を発光素子本体１１１ａが安定するスレッショルドカレント以上に保ち、一定波長で発光させるためのものである。更に、信号Ｓ３では、駆動電流値を０ｍＡにしておく。なお、トリガ信号ａはこの信号Ｓ３と同期する信号である。
【００５８】
図１１（ｂ）は、図３の高周波変調信号発生回路１１６ａから出力される変調信号の波形図であり、測定対象ガスの吸光特性を検出するための信号Ｓ４は、例えば周波数が１０ｋＨｚの正弦波とし、波長幅を０．０２ｎｍ程度変調する。
図１１（ｃ）は、図２の駆動信号発生回路１１７ａから出力される駆動信号（波長走査駆動信号発生回路１１１の出力信号と高周波変調信号発生回路１１６ａの出力信号との合成信号）の波形図であり、この駆動信号Ｓ５を発光素子本体１１１ａに供給すると、発光素子本体１１１ａからは、測定対象ガスの０．２ｎｍ程度の吸光特性を波長幅０．０２ｎｍ程度で検出可能な変調光が出力される。
【００５９】
他の発光素子本体１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄも、上記と同様にして、測定対象ガスの吸光特性に応じて分析される。
４個の発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの変調波周波数を、例えば１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚとすると、変調信号の２倍周波数成分はそれぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚとなり、参照信号発生回路６４２ａ，６４２ｂ，６４２ｃ，６４２ｄがこれらの周波数の参照信号を出力することで、同期検波回路６４３ａ，６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄは上記２倍周波数成分に吸光特性を有する測定対象ガス、すなわち、Ｏ２ガス、ＣＯ２ガス、ＨＣＬガス、ＣＯガスの吸光特性のみをそれぞれ検出して出力することができる。
【００６０】
測定対象ガス、すなわちＯ２ガス、ＣＯ２ガス、ＨＣＬガス、ＣＯガスに吸光特性がある場合、同期検波回路６４３ａ，６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄからは図１２に示すような吸光特性が得られる。なお、検出光４０の光路上に測定対象ガスが存在しない場合には、同期検波回路６４３ａ，６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄの出力に図１２のような吸光特性は現れず、図１３で示すような出力となる。
【００６１】
続いて演算回路による濃度算出方法について説明する。ここではＯ２ガスについて例示的に説明する。
演算回路６４５ａには、波長走査駆動信号発生回路１１５ａからトリガ信号ａが入力される。
図１１（ａ）におけるトリガ信号は、上記Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を含めた１周期ごとに出力される信号であり、波長走査駆動信号発生回路１１６ａより出力され、通信線７０を介して、演算回路６４５ａへ入力される。トリガ信号は、波長走査駆動信号のＳ３と同期がとれている。図１２で示すように、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過したときに同期検波回路出力波形でＢ点の最小値Ｂ、Ｃ点の最大値Ｃ、Ｄ点の最小値Ｄが登場する。これら所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄは工場出荷前や校正時に実験的に予め算出しておいて、図示しないメモリに登録しておく。この値を用いて濃度を算出する。
【００６２】
演算回路６４５ａとしては、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過するときに同期検波回路出力波形の値を読みとって記憶し、その後に濃度を算出する処理を行う。この同期検波回路出力波形はその波形のピークにある最大値がそのままガス濃度を表すため、例えば、最大値を濃度として出力する。または最大値から最小値を減じた差分値を濃度とするというものである。他の測定対象ガス（ＣＯ２ガス、ＨＣＬガス、ＣＯガス）の濃度検出動作についても、同様に行えばよい。
【００６３】
特にガス濃度が低くなると、光学窓材料やレンズなどによるレーザ光の干渉による影響のノイズの影響が強くなり、これらのノイズがピークとなって検出されてしまうなど、ピークの発見が困難であるが、本発明ではこのようにガス吸収が発生する部分をあらかじめ設定しトリガ信号を基準にガス吸収のピークを検出するようにしたため、ノイズ等に影響されることなく正確なガス濃度検出ができるという利点がある。
【００６４】
このような装置構成によって、従来技術と同様に、２倍周波数の信号を検出することでガス濃度が計測可能となる。本発明では特に光ファイバとしてマルチモード光ファイバを用いているので、５００〜２５００ｎｍという広い波長域で計測可能となる。したがって、本形態で例示したピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄだけでなく、可視光領域や近赤外光領域でそれぞれさらに複数の発光素子を追加した場合でも、変調周波数を変えるか、レーザの発光をシリーズに発光させることで、受光素子の波長領域が同一の場合も分離して計測可能である。
また、低損失であるためピークが確実に表れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。加えて同期によりピーク位置を正確に検出できるようにしたため、やはり低濃度のガスの検出能力を向上させた。本発明の多成分用レーザ式ガス分析計はこのようなものである。
【００６５】
この多成分用レーザ式ガス分析計では各種の変形形態が可能である。続いて他の形態について説明する。この形態では、先の形態のうち、発光部１００は同じ構成とするが、受光部２００を変更するものである。先の形態の受光部２００は、詳しくは、図２で示したように、分析部６０において分波器６１を用いる構成であったが、本形態では、受光部２００の分析部６０では、図１４に示すようなＳｉフォトダイオードとＩｎＧａＡｓフォトダイオードが一体化された可視光・近赤外光受光素子６５を用い、図１５で示すように、分波器を用いずに、光ファイバ５０から直接照射される集光を可視光・近赤外光受光素子６５が受光し、可視光・近赤外光受光素子６５の可視波長域に感度をもつＳｉフォトダイオードから出力される検出信号を可視光用処理回路６４ａが受信し、また、可視光・近赤外光受光素子６５の近赤外波長域に感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードから出力される検出信号を近赤外光用処理回路６４ｂがそれぞれ受信して信号処理するようにしてもよい。このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。
【００６６】
続いて他の形態について説明する。この形態では、図１〜図１３を用いて説明した第１の形態のうち、発光部１００は同じ構成とするが、受光部２００を変更するものである。第１の形態の受光部２００は、詳しくは、図２で示したように、分析部６０において分波器６１を用いる構成であったが、本形態では、受光部２００の分析部６０では、図１６に示すように受光部２００の分析部６０は、分波器を用いずに、広帯域近赤外光用受光素子６６、近赤外光用処理回路６４ｂを備える構成とした。近赤外波長域に感度のピークを持ちかつ可視波長域にも感度を有する広帯域近赤外光用受光素子６６を用い、光ファイバ５０から直接照射される集光を広帯域近赤外光用受光素子６６が受光し、可広帯域近赤外光用受光素子６６から出力される検出信号を、近赤外光用処理回路６４ｂが受信して近赤外波長域の信号と可視波長域の信号とをそれぞれ信号処理する。信号処理は、上記と同じであるが近赤外光用処理回路６４ｂのみで全ての信号処理を行う。このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。
【００６７】
続いて他の形態について説明する。先に説明した三形態の多成分用レーザ式ガス分析計において、さらにコリメートレンズ３２および集光レンズ４１へＡＲコーティングを行うことが好ましい。ＡＲコーティングは、反射防止（ノングレア）処理の一種であり、レンズ表面に例えばフッ化マグネシウムなどを真空蒸着させて透明な薄膜を作り、光の干渉を利用して照明などによる外光を打ち消すというものである。膜の薄さは可視光線の波長の１／４になっている。外光が入射すると、膜の表面で反射する光と、透過して奥で反射する光に分かれるが、両者は１／２波長ずれた逆位相となるため、打ち消しあって反射光が目立たなくなる。特に外乱光が検出光に合成される事態を防止し、正確な光量で検出することが可能となる。このような改良を先に説明した三形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００６８】
続いて他の形態について説明する。先に説明した四形態では、レンズの平面側と光ファイバの端面の距離を調整することで、収差の影響を低減させていた。本形態では更に、集光レンズ４１は図１７（ａ）のような平凸レンズではなく、図１７（ｂ）のように平凸レンズの平面側に回折格子を形成した回折型収差補正レンズを採用するというものである。回折格子を適切に形成することで、収差の影響をさらに低減し、集光レンズ４１による集光がファイバ端部４２である受光ポイントで全ての検出光の焦点として入射され、確実に検出光が光ファイバ５０に入力されるようにすることができる。このような回折型収差補正レンズはコリメートレンズ３２に適用しても良い。
また、平凸レンズに代えて回折を利用した回折型レンズ、非球面レンズを用いても収差の低減に寄与する。
このような改良を先に説明した四形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００６９】
続いて他の形態について説明する。先に説明した五形態ではコリメート光学系にレンズを用いていたが、本形態ではレンズの代わりに放物面鏡を採用するというものである。放物面鏡とは、その反射面が回転放物面の一部からなる鏡である。放物面鏡の回転軸に対して平行に反射面に入射した光は、放物面鏡の焦点に集光する。一方、放物面鏡の焦点から発し反射面に入射した光は、放物面鏡の回転軸に対して平行な光に変換される。上記の性質を利用して、以下のようにコリメート光学系を構成する。すなわち、図２で示したコリメートレンズ３２の代わりに図１８のようにコリメート放物面鏡３４を設け、集光レンズ４１の代わりに集光放物面鏡４４を設ける。ファイバ端部３１をコリメート放物面鏡３４の焦点に配置することにより、ファイバ端部３１から出射した結合光３３は放物面鏡３４によって反射され、検出光８０は平行光に変換される。また、ファイバ端部４２を集光放物面鏡４４の焦点に配置し、集光放物面鏡４４の回転軸を検出光８０に対して平行に配置することにより、集光４３はファイバ端部４２に集光する。したがって、この形態によれば、レーザ光の波長に依存せずにコリメートおよび集光が可能であるため、確実に検出光８０を光ファイバ５０に入力することが可能になる。
このような改良を先に説明した五形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７０】
続いて他の形態について説明する。先に説明した六形態では、光ファイバの端面については限定していなかったが、本形態ではファイバ端部３１，４２を斜め研磨端とする。このように構成することで、戻り光は斜め研磨端での反射により光ファイバ内に戻ることがなく戻り光の影響を除去することが可能になる。
このような改良を先に説明した六形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７１】
続いて他の形態について説明する。先に説明した七形態では、発光側のマルチモード型の光結合器１３は、一つしか出力しないというものであった。光結合器１３は、詳しくは２つの入力に対して、２つの出力を持たせることができ、光結合器１３の出力側に２本の光ファイバおよび２個のコリメートレンズをそれぞれ設けることで２系統のガス分析が可能となる。
このような改良を先に説明した七形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７２】
続いて他の形態について説明する。先に説明した八形態では、周波数が異なる複数光線を結合した検出光であるものとして説明した。本形態では、それぞれのピグテール型発光素子を、時分割で動作させるものとした。そして検波手段では、受光手段の信号から、高周波変調の基本波成分と２倍波成分を、動作中のピグテール型発光素子と同期しながら検波することとした。例えば、図３の発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄと、図９の参照信号発生回路６４２ａ，６４２ｂ，６４２ｃ，６４２ｄと、をそれぞれ演算回路６４５ａ，６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄに接続し、ともに一個ずつ動作するように同期させて、検波手段の信号から変調周波数成分を測定する。このように複数のガス成分を時分割で測定して一成分のみを確実に検出するような多成分用レーザ式ガス分析計としても良い。
このような改良を先に説明した八形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７３】
続いて他の形態について説明する。先に説明した九形態では、受光側はマルチモード光ファイバカプラであったが、分枝カプラとしてもよい。この場合、変調周波数をそれぞれ、分けなくてもよい。
このような改良を先に説明した九形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７４】
続いて他の形態について説明する。先に説明した十形態では、各ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを駆動する波長走査駆動信号の各々の間に何らの時間的な関連性を持たせておらず、波長走査駆動信号のうちのＳ３が表れる周期やタイミングの制御を行っていなかった。このため、検出に問題が生じる場合があることが知見された。その理由を、図１１（ａ）および図１９を参照しつつ、以下に説明する。なお、説明において、多成分用レーザ式ガス分析計は、図１〜図１３を用いて説明した第１の形態であるものとして説明する。
【００７５】
図１１（ａ）内に示されているような波長走査駆動信号が２つのピグテール型発光素子にそれぞれ供給されるものとする。これらは本例ではともに近赤外光用のピグテール型発光素子であるものとする。そして、これら２つの波長走査駆動信号が非同期状態である場合（周期が一致するが同期が取れていない場合、または、周期が不一致で同期が取れない場合）を考える。
【００７６】
このように非同期状態の２つの波長走査駆動信号を含む駆動信号によって駆動された複数のレーザ光が、それらの波長に感度をもつ近赤外光用受光素子６３ｂに入射すると、受光信号は図１９で示すように２つの波長走査駆動信号がタイミングがずれて重畳された状態となっている。このような受光信号が近赤外光用処理回路６４ｂに出力される。この場合、通信線７０を介して入力されるトリガ信号ａ，ｂは異なるタイミングで登場することとなる。
【００７７】
この和となった信号を分離し各ガス濃度を検出するためには、近赤外光用処理回路６４ｂでは、前述したように、各高周波変調信号の周波数をそれぞれ異なる値とし、各々の２倍周波数の参照信号を用いて同期検波を行う。ここで、それぞれの駆動信号が、互いに他の高周波変調信号の基本周波数成分、あるいは２倍周波数成分の信号を含まないことにより、同期検波による信号の分離検出を実現している。
【００７８】
ところが、波長走査駆動信号は、図１１（ａ）のように、例えば波長走査駆動信号Ｓ１の開始時に信号の急激な立ち上がりが存在し、また、終了時には信号の急激な立ち下がり部分が存在し、これらの部分にはさまざまな周波数成分が含まれる。したがって、互いに他の高周波変調信号の基本周波数成分、あるいは２倍周波数成分が含まれ、結果として互いの信号の分離検出を阻害するおそれがある。
【００７９】
特に、図１９に示すように、トリガ信号ａによる同期検波出力ａと、トリガ信号ａとは同期していないトリガ信号ｂによる同期検波出力ｂと、が受光信号から得られた場合、一方の同期検波出力波形ａのピーク値ＢまたはＣまたはＤが発生する時刻に、その他の同期検波出力波形ｂが検波されることとなる波長走査駆動信号の立ち上がりあるいは立ち下がりが発生した場合（トリガ信号ｂが発生するタイミングの場合）は、ピーク値が大きく変化する。図１９ではピーク値Ｃの付近で上下に尖頭を有するノイズが重畳されている。このような波形を基に算出されるガス濃度の指示値に誤差が発生するおそれがある。この問題は、説明した近赤外光用受光素子６３ｂに加え、可視光用受光素子６３ａにおいても、それぞれに波長感度を持つすべてのレーザ光において、それらを駆動する波長走査駆動信号間の時刻関係によって発生しうるものである。
【００８０】
このような問題の発生を避けるために、各波長走査駆動信号の周期を等しくし、かつ同期させることが有効である。具体的には、図２０で示すように、図３で示した発光部側の変調光生成部１０のブロックに加え、さらに全ての波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，・・・に同期制御部１１８を接続し、Ｓ３信号の発生周期を等しくし、かつ同期させる制御を行うことで達成される。ここで周期の一致および同期がなされると２つの波長走査駆動信号ではＳ３信号が同時に登場し、トリガ信号ａ，ｂも同じタイミングで登場することとなる。例えば図１９で示すトリガ信号ａおよびトリガ信号ｂが同じ周期で同じ時刻に発するように同期させる。これにより、各波長走査駆動信号の立ち上がりあるいは立ち下がり部分が一致し、互いの信号の分離検出を実現する。これにより、不要なノイズの発生を抑えることができる。
このような改良を先に説明した十形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００８１】
以上本発明について説明した。本発明のレーザ式ガス分析計によれば、可視光および近赤外光に渉って吸光する複数のガスを含む測定対象ガスに対してガス成分を正確に検出することが可能となる。
【００８２】
半導体レーザを用いた吸収分光法に基づくレーザ式ガス分析計において、従来の光ファイバ式ガス分析計では、ガスの吸収スペクトル波形のピークを検出するように信号処理していたが、信号強度が電気信号ノイズよりも大きくなければならず、濃度が低いガス濃度検出が困難であったが、本願提案では低損失であるためピークが確実に表れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。さらに波長走査信号のトリガ信号をもとに、ガス吸収ピークを検出することで、低濃度ガス検出が可能となった。加えて同時に複数成分測定が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の多成分用レーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析［高炉、転炉、熱処理炉、焼結（ペレット設備）、コークス炉］、青果貯蔵及び熟成、生化学（微生物）［発酵］、大気汚染［焼却炉、排煙脱硫・脱硝］、自動車排ガス（除テスタ）、防災［爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析］、植物育成用、化学用分析［石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント］、環境用［着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理］、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。
【符号の説明】
【００８４】
１００：発光部
１０：変調光生成部
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ：ピグテール型発光素子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ：ピグテール型発光素子
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ：発光素子本体
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ：温度検出素子
１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ：温度制御回路
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄ：ペルチェ素子
１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄ：波長走査駆動信号発生回路
１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄ：高周波変調信号発生回路
１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄ：駆動信号発生回路
１１８：同期制御部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：ピグテール
１３：光結合器
２０：光ファイバ
３０：発光側光学部
３１：ファイバ端部
３２：コリメートレンズ
３３：結合光
３４：コリメート放物面鏡
２００：受光部
４０：受光側光学部
４１：集光レンズ
４２：ファイバ端部
４３：集光
４４：集光放物面鏡
５０：光ファイバ
６０：分析部
６１：分波器
６２ａ，６２ｂ：光ファイバ
６３ａ：可視光受光素子
６３ｂ：近赤外光受光素子
６４ａ：可視光用処理回路
６４１ａ：Ｉ−Ｖ変換回路
６４２ａ：参照信号発生回路
６４３ａ：同期検波回路
６４４ａ：フィルタ
６４５ａ：演算回路
６４ｂ：近赤外光用処理回路
６４１ｂ：Ｉ−Ｖ変換回路
６４２ｂ，６４２ｃ，６４２ｄ：参照信号発生回路
６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄ：同期検波回路
６４４ｂ，６４４ｃ，６４４ｄ：フィルタ
６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄ：演算回路
６５：可視光・近赤外光受光素子
６６：広帯域近赤外光用受光素子
７０：通信線
８０：検出光
９１ａ，９１ｂ：壁
９２ａ，９２ｂ：フランジ
９３ａ，９３ｂ：光軸調整フランジ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析する多成分用レーザ式ガス分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
多成分用レーザ式ガス分析計の従来技術として、例えば、特許文献１（特開２０００−７４８３０号公報（特許第４０３８６３１号公報）、発明の名称「半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システム」）に記載の発明が知られている。この計測システムについて図を参照しつつ説明する。
【０００３】
図２１は、従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の説明図である。図２１において、５０１，５０２は発光部としての半導体レーザで、互いに異なる波長λ１（例えば１．９９６μｍ）、λ２（例えば２．０５０μｍ）のレーザ光を発するものであり、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザよりなる。これらの半導体レーザ５０１，５０２は、ファンクションジェネレータ５０３によってそれぞれ電流制御される。これらの半導体レーザ５０１，５０２は、その波長掃引に必要な外部入力信号として、直線、曲線、ステップを含む波形、具体例として、サイン波、ランプ波、三角波、パルス波のいずれかまたはそれらのうちのいずれかを適宜組み合わせたものを用いる。また、これらの半導体レーザ５０１，５０２は図示してないが、それぞれ２．０μｍ用のアイソレータを備えている。
【０００４】
５０４，５０５は半導体レーザ５０１，５０２に光ファイバ５０６，５０７を介して接続されるファイバカプラ、５０８は半導体レーザ５０１，５０２がそれぞれ発するレーザ光を後述するセル５１３に測定光として送出するためのファイバカプラで、５０９，５１０は光ファイバである。なお、ファイバカプラ５０４，５０５には、参照光としてのレーザ光用の光ファイバ５１１，５１２がそれぞれ接続されている。
【０００５】
５１３は前記ファイバカプラ５０８の後段に設けられるセルである。このセル５１３の両端部は、２μｍ付近のレーザ光を透過させるセル窓５１３ａ，５１３ｂで封止されるとともに、ガス導入口５１３ｃ、ガス導出口５１３ｄを備え、ガス導入口５１３ｃには例えばＣＯ２と空気とを適宜の割合で供給できるように開閉弁５１４，５１５を備えたガス供給ライン５１６，５１７が接続され、ガス導出口５１３ｄには開閉弁５１８および真空ポンプ５１９を備えたガス排出ライン５２０が接続されている。
【０００６】
また、セル窓５１３ａ，５１３ｂの外部にミラー５２１，５２２を設け、セル５１３に入射したレーザ光がセル５１３内を数回通過した後、出射するように構成されている。
そして、５２３，５２４はセル５１３の前段側および後段側にそれぞれ設けられるコリメータで、後段側のコリメータ５２４の後段には分波器５２５が設けられている。この分波器５２５は、セル５１３を透過した二つの波長のレーザ光（測定光）を波長λ１，λ２のレーザ光に分離するものである。
【０００７】
５２６，５２７は測定光用のフォトダイオード、５２８，５２９は参照光用のフォトダイオードで、これらのフォトダイオード５２６，５２７には分波器５２５によって分離された波長λ１，λ２のレーザ光（測定光）が入射し、フォトダイオード５２８，５２９には光ファイバ５１１，５１２を経て波長λ１，λ２のレーザ光（参照光）が入射する。
【０００８】
５３０〜５３３は前記フォトダイオード５２６〜５２９にそれぞれ対応して設けられるプリアンプで、これらのプリアンプ５３０〜５３３は、Ａ／Ｄ変換器５３４を経て図示していない信号処理装置（例えばコンピュータ）に入力されるように構成されている。
【０００９】
上述のように構成されたレーザ式ガス分析計においては、セル５１３にＣＯ２と空気とを適宜の割合で混合したガスが被測定ガスとして供給される。この状態において、半導体レーザ５０１，５０２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ１，λ２が、混合した状態で被測定ガスが充填されたセル５１３を測定光として透過する。この測定光は、分波器５２５において元の波長λ１，λ２のレーザ光となり、フォトダイオード５２６，５２７に入射する。一方、前記半導体レーザ５０１，５０２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ１，λ２は、そのまま光ファイバ５１１，５１２を経て参照光としてフォトダイオード５２８，５２９に入射する。
【００１０】
そして、フォトダイオード５２６〜５２９からは、入射する光に応じた信号を出力し、これらの出力信号は、プリアンプ５３０〜５３３を経てＡ／Ｄ変換器５３４に入り、その変換出力がコンピュータに入力され、信号処理される。セル５１３に供給された被測定ガスの温度・濃度・化学種が求められる。
【００１１】
このレーザ式ガス分析計においては、計測に用いるレーザ光を、従来よりも長い波長である２μｍ付近の相異なる波長λ１，λ２のレーザ光を用いているので、吸収の強い吸収線で計測を行うことができ、必要光路長の短縮や、温度・濃度・化学種の測定におけるＳ／Ｎの向上が図れる。
【００１２】
そして、半導体レーザ５０１，５０２から波長λ１，λ２のレーザ光を発するに際しては、波長掃引を行わせるために、上述したように、直線、曲線、ステップを含む波形、具体例として、サイン波、ランプ波、三角波、パルス波のいずれかまたはそれらのうちのいずれかを適宜組み合わせたものを、外部入力信号として用いることができるが、特に、サイン波信号を掃引信号として用いることにより、半導体レーザ５０１，５０２やアンプなどの時間応答性の周波数特性を向上させることができ、１０ＭＨｚでの高速波長掃引が可能となり、これによって、１０ＭＨｚの高速で温度・濃度・化学種の時系列測定を行うことができる。
【００１３】
また、計測に際しては、１本の吸収線のスペクトルプロファイル全体を計測するのではなく、図２２に示したように、スペクトルのピークの高さだけを検出し、そこから温度・濃度を算出する。その際、温度・濃度・圧力・流速が変動する場ではスペクトルのピークの位置がシフトするため、波長固定ではピークからずれてしまう可能性がある。そこで、図２３に示すように、ピーク付近の狭い範囲のみに対して波長掃引を行い、確実にピークの高さを検出する。このようにすることにより、波長掃引範囲を狭くすることができ、サンプル数が少なくてもこれを有効に使うことができるので、計測をより高速に行うことができる。従来技術はこのようなものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−７４８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
この先行技術では、ガスの吸収スペクトル波形において、ピーク付近の狭い範囲のみに対して波長掃引を行い、確実にピークの高さを検出するとの記載がある。この場合、ガスの吸収があるときはピークが検出可能である。しかしながら、ガスが低濃度になるゼロ付近では、信号強度よりも電気信号ノイズが大きいことがあり、電気的なノイズとガスの吸収スペクトルの波長のピークとの分離が困難である。このように、濃度が低いガス濃度の検出が困難であるという課題がある。
【００１６】
そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス濃度の高低によらずに濃度を確実に検出し、検出精度を向上させた多成分用レーザ式ガス分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の請求項１に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、この受光側光学部から出力された集光を等光量で分波するマルチモード型の分波手段と、分波手段により分波された分波光のうちの可視波長域に感度を有する可視光用受光素子と、分波手段により分波された分波光のうちの近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子と、可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、可視波長域に感度を有する可視光用受光素子および近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子が一体化されており受光側光学部から出力された集光について両者が検出信号を出力する受光素子と、受光素子のうちの可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、受光素子のうちの近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００１９】
また、本発明の請求項３に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値または最小値を検出することでガス濃度を検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２０】
また、本発明の請求項４に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値および最小値を検出し、この最大値と最小値との差分値の絶対値をガス濃度として検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２１】
また、本発明の請求項５に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
前記波長走査駆動信号発生部が生成するパルス状のトリガ信号を基準として所定期間経過したときの値をもってガス吸収波形の最大値及び最小値の発生位置を検知することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２２】
また、本発明の請求項６に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、受光側光学部から出力された集光について検出信号を出力する近赤外波長域に感度のピークを持ちかつ可視波長域にも感度を有する広帯域近赤外光用受光素子と、広帯域近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２３】
また、本発明の請求項７に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項６に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値または最小値を検出することでガス濃度を検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２４】
また、本発明の請求項８に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項６に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値および最小値を検出し、この最大値と最小値との差分値の絶対値をガス濃度として検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２５】
また、本発明の請求項９に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
前記波長走査駆動信号発生部が生成するパルス状のトリガ信号を基準として所定期間経過したときの値をもってガス吸収波形の最大値及び最小値の発生位置を検知することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２６】
また、本発明の請求項１０に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記トリガ信号は、前記波長走査駆動信号と同期がとれていることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２７】
また、本発明の請求項１１に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記発光側光学部および前記受光側光学部に放物面鏡を用いることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【００２８】
また、本発明の請求項１２に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記複数のピグテール型発光素子が有する波長走査駆動信号発生手段のそれぞれが生成するトリガ信号は、周期が等しく、かつ同期がとれていることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ガス濃度の高低によらずに濃度を確実に検出し、検出精度を向上させた多成分用レーザ式ガス分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。
【図２】発光部および受光部による光学系を説明するブロック図である。
【図３】ピグテール型発光素子の内部構成図である。
【図４】ドライブ電流及び温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図５】波長−損失特性を示す特性図である。
【図６】離間距離−結合効率特性を示す特性図である。
【図７】可視光受光素子についての波長−受光感度特性を示す特性図である。
【図８】近赤外光受光素子についての波長−受光感度特性を示す特性図である。
【図９】受光素子および処理回路の構成図である。
【図１０】Ｏ２ガス，ＨＣＬガス，ＣＯ２ガス、ＣＯガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。
【図１１】レーザ素子の波長走査駆動信号波形、ガスの吸収波形、同期検波回路のガス吸収波形を示す図である。
【図１２】受光信号、同期検波回路の出力信号、トリガ信号を示す波形図である。
【図１３】受光信号、同期検波回路の出力信号、トリガ信号を示す波形図である。
【図１４】可視光・近赤外光受光素子の構造図である。
【図１５】他の形態の受光部による光学系を説明するブロック図である。
【図１６】他の形態の受光部による光学系を説明するブロック図である。
【図１７】回折型収差補正レンズの説明図である。
【図１８】他の形態の発光側光学部・受光側光学部による光学系を説明するブロック図である。
【図１９】ノイズ発生要因を説明する波形図である。
【図２０】他の形態のピグテール型発光素子の内部構成図である。
【図２１】従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の説明図である。
【図２２】従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の濃度検出原理の説明図である。
【図２３】従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の濃度検出原理の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
続いて、本発明を実施するための形態に係る多成分用レーザ式ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図１は、本形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。
本形態の多成分用レーザ式ガス分析計１は、周波数変調方式を採用している。この多成分用レーザ式ガス分析計１は、変調光生成部１０、光ファイバ２０、発光側光学部３０、受光側光学部４０、光ファイバ５０、分析部６０、通信線７０を備えている。このうち、図２でも示すように、変調光生成部１０、光ファイバ２０、発光側光学部３０で本発明の発光部１００を構成する。また、受光側光学部４０、光ファイバ５０、分析部６０で本発明の受光部２００を構成する。
【００３２】
発光側光学部３０は、ファイバ端部３１、コリメートレンズ３２を備える。このコリメートレンズ３２は、ファイバ端部３１から出射されたレーザ光を、平行光である検出光８０として出射する。
そして、受光側光学部４０は、集光レンズ４１、ファイバ端部４２を備える。受光側光学部４０は、発光側光学部３０から出射される検出光８０を受光する。集光レンズ４１が平行光である検出光８０を集光してファイバ端部４２が受光し、光ファイバ５０に集光を出力する。
【００３３】
発光側光学部３０、受光側光学部４０は、図１に示すように、複数の測定対象ガスからなるガスが流通する配管等の壁９１ａ，９１ｂに、溶接等により固定されたフランジ９２ａ，９２ｂ及び光軸調整フランジ９３ａ，９３ｂを介して取り付けられる。ここで、光軸調整フランジ９３ａ，９３ｂは、発光側光学部３０から出射される検出光８０が受光側光学部４０において最大の光量で受光されるように光軸を調整するためのものである。なお、フランジ９２ａ，９２ｂまたは光軸調整フランジ９３ａ，９３ｂの光路内に透明体による窓を設けて複数の測定対象ガスを含むガスからコリメートレンズ３２や集光レンズ４１が直接ガスに触れないよう保護しても良い。
【００３４】
次に、発光部１００、および、受光部２００の詳細構成について説明する。まず、発光部１００について図２〜図６を参照しつつ詳細に説明する。
発光部１００は、測定対象ガスの吸光特性に応じたレーザ光の発光素子を複数設けて、測定対象ガスの個数のレーザ光を照射するようになされており、これらレーザ光に対して周波数を変調した変調光を複数生成し、これら複数の変調光を結合した検出光８０を出射するユニットである。
【００３５】
この発光部１００のうち変調光生成部１０は、図２で示すように、さらに測定対象ガスの種類の数に等しい個数（本形態では例示的に４個として説明する）のピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ、ピグテール型発光素子と同じ本数（本形態では例示的に４本として説明する）のピグテール（光ファイバ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ、光結合器１３を備えている。なお、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、ピグテール１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとは、それぞれ、予め光学的に接続された状態で市販されているものであり、光学的な調整を不要としている。
【００３６】
ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、詳しくは、図３で示すような構成としている。
ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、それぞれ発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄを内蔵している。これら発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄは、測定対象ガス１成分につき１個の発光素子を用いるように構成している。これらは、例えば、ＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）、もしくはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）といわれるレーザダイオードである。
【００３７】
これらレーザダイオードは、発光波長がガスの吸光特性に一致する可視領域や近赤外領域にて発光が可能であり、かつ、電流と温度により、レーザダイオードの発光波長を可変可能である。本形態では説明の具体化のため、可視領域を発するのはピグテール型発光素子１１ａであるとし、また、近赤外領域を発するのはピグテール型発光素子１１ｂ，１１ｃ，１１ｄであるものとして説明する。なお、このような構成は測定対象ガスの実状に応じて決定されるものであり、例えば、可視領域を発するピグテール型発光素子を２個、近赤外領域を発するピグテール型発光素子を４個というように選択することができる。
【００３８】
本形態では測定対象ガスとして酸素ガス（Ｏ２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するものとする。
可視領域として、例えば、酸素ガス（Ｏ２ガス）を検出するために波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ａとし、近赤外領域として、例えば、塩素ガス（ＨＣｌガス）を検出するために波長１７８０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｂとし、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）を検出するために波長２００４ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｃとし、一酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）を検出するために波長２３６０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｄとする。
【００３９】
これらの発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄは、ガスの吸収特性に一致する可視領域・近赤外領域の波長にて発光が可能であり、さらに、図４（ａ）に示したようにドライブ電流により発光波長を可変とすることができる。また、図４（ｂ）に示したように温度によって発光波長を可変とすることができる。このように温度と電流で、レーザの発光波長を可変可能である。なお、レーザダイオード以外でも上記の条件を満たす、つまり測定対象ガスの吸収波長帯域で波長掃引できるものであれば、他種の発光素子を用いてもよい。
【００４０】
図３において、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの温度は、サーミスタ等の温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄを用いて検出される。これらの温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄは温度制御回路１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄに接続されている。これら、温度制御回路１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄは、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの発光波長を安定化させるため、温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄの抵抗値がそれぞれ一定になるようにＰＩＤ制御等を行ってペルチェ素子１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄの温度制御を行い、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの温度を調節する。
【００４１】
また、発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄの出力信号と、発光波長を周波数変調させるための高周波変調信号発生回路１１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの出力信号とを、駆動信号発生回路１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄにより合成して駆動信号を生成し、この駆動信号をＶ−Ｉ変換して発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄに供給する。これにより、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄからは、それぞれ異なる種類の測定対象ガスの吸光特性を走査するための、周波数変調された所定波長のレーザ光が出射される。したがって、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから所定波長のレーザ光が出射される。
そして、波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄからはそれぞれトリガ信号ａ，トリガ信号ｂ，トリガ信号ｃ，トリガ信号ｄが出力される。これらトリガ信号ａは、通信線７０を介して可視光用処理回路６４ａの演算回路６４５ａへ入力され（図１，図２，図９（ａ）参照）、また、トリガ信号ｂ，トリガ信号ｃ，トリガ信号ｄは近赤外光処理回路６４ｂの演算回路６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄへ入力される（図１，図２，図９（ｂ）参照）。これらトリガ信号については後述する。
【００４２】
なお、複数のピグテール型発光素子を備えたレーザ光源としては、例えば、ＮＴＴエレクトロニクス株式会社製のバタフライ型パッケージのレーザ光源を用いることができる。しかしながら、温度調節機能と光ファイバへの接続ができればよく、外形形状はバタフライ型に限定するものではない。
【００４３】
図２に戻るが、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから出射したレーザ光は、それぞれピグテール（光ファイバ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ内を伝播する。ピグテール（光ファイバ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの出力側は光結合器１３に接続されている。光結合器１３は、光ファイバカプラ、もしくは、光ファイバスイッチなどであり、マルチモード型の装置である（理由は後述する）。ピグテール（光ファイバ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを伝播したこれらレーザ光を、光結合器１３は重ね合わせ、結合光として出射する。光結合器１３からの結合光は、光ファイバ２０へ入力される。この光ファイバ２０もマルチモード型のファイバである。
【００４４】
ここで光結合器１３および光ファイバ２０がマルチモード型を採用している点について説明する。
この光ファイバ２０は複数のレーザ光からなり広い帯域に渉る結合光を伝播させる必要がある。一般的にシングルモード光ファイバのコア径は、伝搬する波長によって異なる。波長が長い方がコア径が大きくなる。そのため、波長が長いレーザ光、例えば２５００ｎｍのレーザ光でシングルモードとなるような光ファイバを選択すると、例えば７００ｎｍの光はマルチモードで伝搬が可能となる。そこで、２５００ｎｍのレーザ光でシングルモードとなるような光ファイバを選択すれば良い。もしくは、全ての光ファイバをマルチモードで構成する。本形態では光ファイバはマルチモード光ファイバであるとして以下説明する。このように結合器や全ての光ファイバをマルチモード型とし、複数のレーザ光からなり広い帯域に渉る結合光を、結合器や全ての光ファイバにおいて確実に伝播させるようにする。これにより多成分の被測定ガスの計測を実現する。
【００４５】
本形態では光結合器１３としてマルチモード型の光ファイバカプラ、もしくは、光ファイバスイッチを選択し、また、光ファイバ２０としてマルチモード型の光ファイバを選択した。マルチモード型の光ファイバカプラやマルチモード光ファイバを適用すれば図５（ａ），（ｂ）からも明らかなように、波長が５００ｎｍ〜２５００ｎｍのレーザ光については低損失で伝搬可能である。
加えて、後述する他の光ファイバ５０，６２ａ，６２ｂも、光ファイバ２０と同様にマルチモード型の光ファイバとして、５００ｎｍ〜２５００ｎｍのレーザ光について低損失で伝搬可能とする。
また、分波器６１も同様にマルチモード型の光ファイバカプラや光ファイバスイッチとして、５００ｎｍ〜２５００ｎｍのレーザ光について低損失で伝搬可能とする。
このように低損失で伝播するようになったため低濃度のガスでも信号として表れることとなって検出精度が向上している。
【００４６】
話を戻すが、図２で示すように、光結合器１３からの結合光は、マルチモード型の光ファイバ２０へ入射され、この光ファイバ２０の先端であるファイバ端部３１から出射した結合光３３をコリメートレンズ３２により平行な検出光８０に変換し出射する。
ここに、光ファイバから空間へ出射するコリメート光学系において、特に可視領域レーザ光と近赤外領域レーザ光との収差の影響を低減する必要がある。図６は石英ガラスの平凸レンズであるコリメートレンズ３２の平面側とファイバ端部３１の端面との距離Ｌを計算したものである。
【００４７】
ここに波長により焦点位置にズレが生じるために、図６に示すように、両方の波長で充分な受光光量が得られるように焦点位置を決める。マルチモード型の光ファイバ２０のファイバ端部３１とコリメートレンズ３２との間の距離Ｌは、波長が異なるレーザが入射されても検出光の光量が十分に大きくなるように決定される。例えば、可視領域として、酸素を検出するために波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ａとし、近赤外領域として、例えば、二酸化炭素を検出するために波長２００４ｎｍ発光するピグテール型発光素子１１ｂとしたとき、距離Ｌは図６に示すように１２．５ｍｍである。同様に、集光レンズ４１とファイバ端部４２との距離も上記手法にて決定される。なお、近赤外領域にある３種のレーザ光については波長が近いため収差の影響は無視できるレベルといえるものである。
加えて、コリメートレンズ３２や集光レンズ４１の素材も二種のレーザ光が伝搬される材料を選ぶ。なお、レンズは今回１枚の例であるが、複数枚用いてもよい。
【００４８】
このような発光側光学部３０を経て検出光８０が出射される。図１，図２に示すように、発光側光学部３０から出力された平行光である検出光８０は、壁９１ａ，９１ｂの内部区間（複数の測定対象ガスが流通する空間）を伝播し、受光側光学部４０により受光される。
【００４９】
続いて、受光部２００について図２，図７〜図１３を参照しつつ詳細に説明する。受光部２００は、検出光８０を受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析するユニットである。すなわち、受光側光学部４０では、図２で示すように、集光レンズ４１により集めた集光４３をファイバ端部４２へ入射させる。光ファイバ５０を通過する集光を分波器６１が１：１の光量となるように分波する。この分波器６１は、分波機能を有しているものであれば良く、具体的には、上記した理由により、マルチモード型の光ファイバカプラであったり、または、マルチモード型の光ファイバスイッチを採用することができる。
【００５０】
これら分波光は光ファイバ６２ａ，６２ｂを介してそれぞれ可視光受光素子６３ａ、近赤外光受光素子６３ｂにてそれぞれ受光される。測定対象ガスとして酸素ガス（Ｏ２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するが、可視光受光素子６３ａは、酸素ガス（Ｏ２ガス）を検出するために、図７に示すように４００ｎｍ〜１０００ｎｍという可視波長域に感度をもつＳｉフォトダイオードであり、また、近赤外光受光素子６３ｂは、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を検出するために、図８に示すように１２００ｎｍ〜２５００ｎｍという近赤外波長域に感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードである。
このような素子としては、例えば、浜松ホトニクス株式会社から販売されているシリコンフォトダイオードであるＳ５８２１や、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードであるＧ８３７３がある。
【００５１】
なお、分波器６１により分波された分波光は、全ての波長のレーザ光が含まれているが、可視光受光素子６３ａ、近赤外光受光素子６３ｂは、波長に対して感度をもつ波長領域がそれぞれ決まっているため、それぞれ感度をもつ波長の光のみの受光が可能となる。例えば、検出光のうち波長が７６３ｎｍの光は可視光受光素子６３ａでのみ検出される。また、検出光のうち波長が１７８０ｎｍ，２００４ｎｍ，２３６０ｎｍの光は近赤外光受光素子６３ｂでのみ検出される。
これら可視光受光素子６３ａ、近赤外光受光素子６３ｂは、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して可視光用処理回路６４ａ，近赤外光用処理回路６４ｂに送る。これら可視光用処理回路６４ａ，近赤外光用処理回路６４ｂは、例えば、検出信号に対して増幅やノイズのフィルタリングを行い、濃度を検出する。
【００５２】
図９（ａ）は、可視光用処理回路６４ａの内部構成図である。可視光用受光素子６３ａから可視光用処理回路６４ａへ入力された検出信号は、Ｉ−Ｖ変換回路６４１ａによって電流信号から電圧信号に変換される。また、参照信号発生回路（発振回路）６４２ａは、前記高周波変調信号発生回路１１６ａによる高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として出力する。Ｉ−Ｖ変換回路６４１ａにより変換された電圧信号と前記参照信号とは同期検波回路６４３ａに入力され、前記電圧信号から２倍周波数成分の信号が抽出される。これらの信号はフィルタ６４４ａに入力され、ノイズ除去、増幅等の処理が行われて演算回路６４５ａに入力されると共に、この演算回路６４５ａにおいて測定対象ガス（詳しくは酸素ガス（Ｏ２ガス））の濃度が演算されることになる。
【００５３】
また、図９（ｂ）は、近赤外光用処理回路６４ｂの内部構成図である。近赤外光用受光素子６３ｂから近赤外光用処理回路６４ｂへ入力された検出信号は、Ｉ−Ｖ変換回路６４１ｂによって電流信号から電圧信号に変換される。また、参照信号発生回路（発振回路）６４２ｂ，６４２ｃ，６４２ｄは、高周波変調信号発生回路１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄによる高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として出力する。Ｉ−Ｖ変換回路６４１ｂにより変換された電圧信号と前記参照信号とは同期検波回路６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄに入力され、前記電圧信号から２倍周波数成分の信号が抽出される。これらの信号はフィルタ６４４ｂ，６４４ｃ，６４４ｄに入力され、ノイズ除去、増幅等の処理が行われて演算回路６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄに入力されると共に、この演算回路６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄにおいて測定対象ガス（詳しくは、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス））の濃度が演算されることになる。
【００５４】
次に、上記の構成において、測定対象ガスの濃度を検出する原理について説明する。ここでは可視領域にある酸素ガス（Ｏ２ガス）と近赤外領域にある塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）について検出する。酸素は、図１０で示すように７６０ｎｍ〜７６８ｎｍで吸光特性を有する。酸素検出するために、可視領域として、波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１２ａとする。同様に、近赤外領域として、例えば、塩素ガスを検出するために波長１７８０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｂとし、二酸化炭素ガスを検出するために波長２００４ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｃとし、一酸化炭素ガスを検出するために波長２３６０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｄとする。本発明では５００〜２５００ｎｍまでの光が光ファイバ、結合器、分波器を伝播されるようにしたため、検出は可能である。
【００５５】
まず、発光部１０から出射した検出光８０は、測定対象ガスが流通する壁９１ａ，９１ｂ内の空間を透過し、吸光されたものとする。これらの検出光は同軸上で受光側光学部４０に入射する。
【００５６】
そして、可視光に感度を持つ可視光用受光素子（Ｓｉフォトダイオード）６３ａでは、７６３ｎｍの発光素子本体１１１ａからの光のみを受光し、また、近赤外波長域に感度を持つ近赤外光用受光素子（ＩｎＧａＡｓフォトダイオード）６３ｂは、波長１７８０ｎｍの発光素子本体１１１ｂからのレーザ光、２００４ｎｍの発光素子本体１１１ｃからのレーザ光、波長２３６０ｎｍの発光素子本体１１１ｄからのレーザ光を受光する。
【００５７】
図１１（ａ）は、例えば発光素子本体１１１ａの駆動電流波形の一例を示している。
図３の波長走査駆動信号発生回路１１５ａにおいて、測定対象ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号Ｓ１は、発光素子本体１１１ａの駆動電流値を直線的に変化させて発光素子本体１１１ａの発光波長を徐々に変化させ、例えば、０．２ｎｍ程度の吸光特性を走査する。一方、信号Ｓ２は、駆動電流値を発光素子本体１１１ａが安定するスレッショルドカレント以上に保ち、一定波長で発光させるためのものである。更に、信号Ｓ３では、駆動電流値を０ｍＡにしておく。なお、トリガ信号ａはこの信号Ｓ３と同期する信号である。
【００５８】
図１１（ｂ）は、図３の高周波変調信号発生回路１１６ａから出力される変調信号の波形図であり、測定対象ガスの吸光特性を検出するための信号Ｓ４は、例えば周波数が１０ｋＨｚの正弦波とし、波長幅を０．０２ｎｍ程度変調する。
図１１（ｃ）は、図２の駆動信号発生回路１１７ａから出力される駆動信号（波長走査駆動信号発生回路１１１の出力信号と高周波変調信号発生回路１１６ａの出力信号との合成信号）の波形図であり、この駆動信号Ｓ５を発光素子本体１１１ａに供給すると、発光素子本体１１１ａからは、測定対象ガスの０．２ｎｍ程度の吸光特性を波長幅０．０２ｎｍ程度で検出可能な変調光が出力される。
【００５９】
他の発光素子本体１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄも、上記と同様にして、測定対象ガスの吸光特性に応じて分析される。
４個の発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの変調波周波数を、例えば１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚとすると、変調信号の２倍周波数成分はそれぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚとなり、参照信号発生回路６４２ａ，６４２ｂ，６４２ｃ，６４２ｄがこれらの周波数の参照信号を出力することで、同期検波回路６４３ａ，６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄは上記２倍周波数成分に吸光特性を有する測定対象ガス、すなわち、Ｏ２ガス、ＣＯ２ガス、ＨＣＬガス、ＣＯガスの吸光特性のみをそれぞれ検出して出力することができる。
【００６０】
測定対象ガス、すなわちＯ２ガス、ＣＯ２ガス、ＨＣＬガス、ＣＯガスに吸光特性がある場合、同期検波回路６４３ａ，６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄからは図１２に示すような吸光特性が得られる。なお、検出光４０の光路上に測定対象ガスが存在しない場合には、同期検波回路６４３ａ，６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄの出力に図１２のような吸光特性は現れず、図１３で示すような出力となる。
【００６１】
続いて演算回路による濃度算出方法について説明する。ここではＯ２ガスについて例示的に説明する。
演算回路６４５ａには、波長走査駆動信号発生回路１１５ａからトリガ信号ａが入力される。
図１１（ａ）におけるトリガ信号は、上記Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を含めた１周期ごとに出力される信号であり、波長走査駆動信号発生回路１１６ａより出力され、通信線７０を介して、演算回路６４５ａへ入力される。トリガ信号は、波長走査駆動信号のＳ３と同期がとれている。図１２で示すように、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過したときに同期検波回路出力波形でＢ点の最小値Ｂ、Ｃ点の最大値Ｃ、Ｄ点の最小値Ｄが登場する。これら所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄは工場出荷前や校正時に実験的に予め算出しておいて、図示しないメモリに登録しておく。この値を用いて濃度を算出する。
【００６２】
演算回路６４５ａとしては、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過するときに同期検波回路出力波形の値を読みとって記憶し、その後に濃度を算出する処理を行う。この同期検波回路出力波形はその波形のピークにある最大値がそのままガス濃度を表すため、例えば、最大値を濃度として出力する。または最大値から最小値を減じた差分値を濃度とするというものである。他の測定対象ガス（ＣＯ２ガス、ＨＣＬガス、ＣＯガス）の濃度検出動作についても、同様に行えばよい。
【００６３】
特にガス濃度が低くなると、光学窓材料やレンズなどによるレーザ光の干渉による影響のノイズの影響が強くなり、これらのノイズがピークとなって検出されてしまうなど、ピークの発見が困難であるが、本発明ではこのようにガス吸収が発生する部分をあらかじめ設定しトリガ信号を基準にガス吸収のピークを検出するようにしたため、ノイズ等に影響されることなく正確なガス濃度検出ができるという利点がある。
【００６４】
このような装置構成によって、従来技術と同様に、２倍周波数の信号を検出することでガス濃度が計測可能となる。本発明では特に光ファイバとしてマルチモード光ファイバを用いているので、５００〜２５００ｎｍという広い波長域で計測可能となる。したがって、本形態で例示したピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄだけでなく、可視光領域や近赤外光領域でそれぞれさらに複数の発光素子を追加した場合でも、変調周波数を変えるか、レーザの発光をシリーズに発光させることで、受光素子の波長領域が同一の場合も分離して計測可能である。
また、低損失であるためピークが確実に表れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。加えて同期によりピーク位置を正確に検出できるようにしたため、やはり低濃度のガスの検出能力を向上させた。本発明の多成分用レーザ式ガス分析計はこのようなものである。
【００６５】
この多成分用レーザ式ガス分析計では各種の変形形態が可能である。続いて他の形態について説明する。この形態では、先の形態のうち、発光部１００は同じ構成とするが、受光部２００を変更するものである。先の形態の受光部２００は、詳しくは、図２で示したように、分析部６０において分波器６１を用いる構成であったが、本形態では、受光部２００の分析部６０では、図１４に示すようなＳｉフォトダイオードとＩｎＧａＡｓフォトダイオードが一体化された可視光・近赤外光受光素子６５を用い、図１５で示すように、分波器を用いずに、光ファイバ５０から直接照射される集光を可視光・近赤外光受光素子６５が受光し、可視光・近赤外光受光素子６５の可視波長域に感度をもつＳｉフォトダイオードから出力される検出信号を可視光用処理回路６４ａが受信し、また、可視光・近赤外光受光素子６５の近赤外波長域に感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードから出力される検出信号を近赤外光用処理回路６４ｂがそれぞれ受信して信号処理するようにしてもよい。このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。
【００６６】
続いて他の形態について説明する。この形態では、図１〜図１３を用いて説明した第１の形態のうち、発光部１００は同じ構成とするが、受光部２００を変更するものである。第１の形態の受光部２００は、詳しくは、図２で示したように、分析部６０において分波器６１を用いる構成であったが、本形態では、受光部２００の分析部６０では、図１６に示すように受光部２００の分析部６０は、分波器を用いずに、広帯域近赤外光用受光素子６６、近赤外光用処理回路６４ｂを備える構成とした。近赤外波長域に感度のピークを持ちかつ可視波長域にも感度を有する広帯域近赤外光用受光素子６６を用い、光ファイバ５０から直接照射される集光を広帯域近赤外光用受光素子６６が受光し、可広帯域近赤外光用受光素子６６から出力される検出信号を、近赤外光用処理回路６４ｂが受信して近赤外波長域の信号と可視波長域の信号とをそれぞれ信号処理する。信号処理は、上記と同じであるが近赤外光用処理回路６４ｂのみで全ての信号処理を行う。このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。
【００６７】
続いて他の形態について説明する。先に説明した三形態の多成分用レーザ式ガス分析計において、さらにコリメートレンズ３２および集光レンズ４１へＡＲコーティングを行うことが好ましい。ＡＲコーティングは、反射防止（ノングレア）処理の一種であり、レンズ表面に例えばフッ化マグネシウムなどを真空蒸着させて透明な薄膜を作り、光の干渉を利用して照明などによる外光を打ち消すというものである。膜の薄さは可視光線の波長の１／４になっている。外光が入射すると、膜の表面で反射する光と、透過して奥で反射する光に分かれるが、両者は１／２波長ずれた逆位相となるため、打ち消しあって反射光が目立たなくなる。特に外乱光が検出光に合成される事態を防止し、正確な光量で検出することが可能となる。このような改良を先に説明した三形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００６８】
続いて他の形態について説明する。先に説明した四形態では、レンズの平面側と光ファイバの端面の距離を調整することで、収差の影響を低減させていた。本形態では更に、集光レンズ４１は図１７（ａ）のような平凸レンズではなく、図１７（ｂ）のように平凸レンズの平面側に回折格子を形成した回折型収差補正レンズを採用するというものである。回折格子を適切に形成することで、収差の影響をさらに低減し、集光レンズ４１による集光がファイバ端部４２である受光ポイントで全ての検出光の焦点として入射され、確実に検出光が光ファイバ５０に入力されるようにすることができる。このような回折型収差補正レンズはコリメートレンズ３２に適用しても良い。
また、平凸レンズに代えて回折を利用した回折型レンズ、非球面レンズを用いても収差の低減に寄与する。
このような改良を先に説明した四形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００６９】
続いて他の形態について説明する。先に説明した五形態ではコリメート光学系にレンズを用いていたが、本形態ではレンズの代わりに放物面鏡を採用するというものである。放物面鏡とは、その反射面が回転放物面の一部からなる鏡である。放物面鏡の回転軸に対して平行に反射面に入射した光は、放物面鏡の焦点に集光する。一方、放物面鏡の焦点から発し反射面に入射した光は、放物面鏡の回転軸に対して平行な光に変換される。上記の性質を利用して、以下のようにコリメート光学系を構成する。すなわち、図２で示したコリメートレンズ３２の代わりに図１８のようにコリメート放物面鏡３４を設け、集光レンズ４１の代わりに集光放物面鏡４４を設ける。ファイバ端部３１をコリメート放物面鏡３４の焦点に配置することにより、ファイバ端部３１から出射した結合光３３は放物面鏡３４によって反射され、検出光８０は平行光に変換される。また、ファイバ端部４２を集光放物面鏡４４の焦点に配置し、集光放物面鏡４４の回転軸を検出光８０に対して平行に配置することにより、集光４３はファイバ端部４２に集光する。したがって、この形態によれば、レーザ光の波長に依存せずにコリメートおよび集光が可能であるため、確実に検出光８０を光ファイバ５０に入力することが可能になる。
このような改良を先に説明した五形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７０】
続いて他の形態について説明する。先に説明した六形態では、光ファイバの端面については限定していなかったが、本形態ではファイバ端部３１，４２を斜め研磨端とする。このように構成することで、戻り光は斜め研磨端での反射により光ファイバ内に戻ることがなく戻り光の影響を除去することが可能になる。
このような改良を先に説明した六形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７１】
続いて他の形態について説明する。先に説明した七形態では、発光側のマルチモード型の光結合器１３は、一つしか出力しないというものであった。光結合器１３は、詳しくは２つの入力に対して、２つの出力を持たせることができ、光結合器１３の出力側に２本の光ファイバおよび２個のコリメートレンズをそれぞれ設けることで２系統のガス分析が可能となる。
このような改良を先に説明した七形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７２】
続いて他の形態について説明する。先に説明した八形態では、周波数が異なる複数光線を結合した検出光であるものとして説明した。本形態では、それぞれのピグテール型発光素子を、時分割で動作させるものとした。そして検波手段では、受光手段の信号から、高周波変調の基本波成分と２倍波成分を、動作中のピグテール型発光素子と同期しながら検波することとした。例えば、図３の発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄと、図９の参照信号発生回路６４２ａ，６４２ｂ，６４２ｃ，６４２ｄと、をそれぞれ演算回路６４５ａ，６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄに接続し、ともに一個ずつ動作するように同期させて、検波手段の信号から変調周波数成分を測定する。このように複数のガス成分を時分割で測定して一成分のみを確実に検出するような多成分用レーザ式ガス分析計としても良い。
このような改良を先に説明した八形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７３】
続いて他の形態について説明する。先に説明した九形態では、受光側はマルチモード光ファイバカプラであったが、分枝カプラとしてもよい。この場合、変調周波数をそれぞれ、分けなくてもよい。
このような改良を先に説明した九形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００７４】
続いて他の形態について説明する。先に説明した十形態では、各ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを駆動する波長走査駆動信号の各々の間に何らの時間的な関連性を持たせておらず、波長走査駆動信号のうちのＳ３が表れる周期やタイミングの制御を行っていなかった。このため、検出に問題が生じる場合があることが知見された。その理由を、図１１（ａ）および図１９を参照しつつ、以下に説明する。なお、説明において、多成分用レーザ式ガス分析計は、図１〜図１３を用いて説明した第１の形態であるものとして説明する。
【００７５】
図１１（ａ）内に示されているような波長走査駆動信号が２つのピグテール型発光素子にそれぞれ供給されるものとする。これらは本例ではともに近赤外光用のピグテール型発光素子であるものとする。そして、これら２つの波長走査駆動信号が非同期状態である場合（周期が一致するが同期が取れていない場合、または、周期が不一致で同期が取れない場合）を考える。
【００７６】
このように非同期状態の２つの波長走査駆動信号を含む駆動信号によって駆動された複数のレーザ光が、それらの波長に感度をもつ近赤外光用受光素子６３ｂに入射すると、受光信号は図１９で示すように２つの波長走査駆動信号がタイミングがずれて重畳された状態となっている。このような受光信号が近赤外光用処理回路６４ｂに出力される。この場合、通信線７０を介して入力されるトリガ信号ａ，ｂは異なるタイミングで登場することとなる。
【００７７】
この和となった信号を分離し各ガス濃度を検出するためには、近赤外光用処理回路６４ｂでは、前述したように、各高周波変調信号の周波数をそれぞれ異なる値とし、各々の２倍周波数の参照信号を用いて同期検波を行う。ここで、それぞれの駆動信号が、互いに他の高周波変調信号の基本周波数成分、あるいは２倍周波数成分の信号を含まないことにより、同期検波による信号の分離検出を実現している。
【００７８】
ところが、波長走査駆動信号は、図１１（ａ）のように、例えば波長走査駆動信号Ｓ１の開始時に信号の急激な立ち上がりが存在し、また、終了時には信号の急激な立ち下がり部分が存在し、これらの部分にはさまざまな周波数成分が含まれる。したがって、互いに他の高周波変調信号の基本周波数成分、あるいは２倍周波数成分が含まれ、結果として互いの信号の分離検出を阻害するおそれがある。
【００７９】
特に、図１９に示すように、トリガ信号ａによる同期検波出力ａと、トリガ信号ａとは同期していないトリガ信号ｂによる同期検波出力ｂと、が受光信号から得られた場合、一方の同期検波出力波形ａのピーク値ＢまたはＣまたはＤが発生する時刻に、その他の同期検波出力波形ｂが検波されることとなる波長走査駆動信号の立ち上がりあるいは立ち下がりが発生した場合（トリガ信号ｂが発生するタイミングの場合）は、ピーク値が大きく変化する。図１９ではピーク値Ｃの付近で上下に尖頭を有するノイズが重畳されている。このような波形を基に算出されるガス濃度の指示値に誤差が発生するおそれがある。この問題は、説明した近赤外光用受光素子６３ｂに加え、可視光用受光素子６３ａにおいても、それぞれに波長感度を持つすべてのレーザ光において、それらを駆動する波長走査駆動信号間の時刻関係によって発生しうるものである。
【００８０】
このような問題の発生を避けるために、各波長走査駆動信号の周期を等しくし、かつ同期させることが有効である。具体的には、図２０で示すように、図３で示した発光部側の変調光生成部１０のブロックに加え、さらに全ての波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，・・・に同期制御部１１８を接続し、Ｓ３信号の発生周期を等しくし、かつ同期させる制御を行うことで達成される。ここで周期の一致および同期がなされると２つの波長走査駆動信号ではＳ３信号が同時に登場し、トリガ信号ａ，ｂも同じタイミングで登場することとなる。例えば図１９で示すトリガ信号ａおよびトリガ信号ｂが同じ周期で同じ時刻に発するように同期させる。これにより、各波長走査駆動信号の立ち上がりあるいは立ち下がり部分が一致し、互いの信号の分離検出を実現する。これにより、不要なノイズの発生を抑えることができる。
このような改良を先に説明した十形態に行うことで、検出能力の更なる向上が実現される。
【００８１】
以上本発明について説明した。本発明のレーザ式ガス分析計によれば、可視光および近赤外光に渉って吸光する複数のガスを含む測定対象ガスに対してガス成分を正確に検出することが可能となる。
【００８２】
半導体レーザを用いた吸収分光法に基づくレーザ式ガス分析計において、従来の光ファイバ式ガス分析計では、ガスの吸収スペクトル波形のピークを検出するように信号処理していたが、信号強度が電気信号ノイズよりも大きくなければならず、濃度が低いガス濃度検出が困難であったが、本願提案では低損失であるためピークが確実に表れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。さらに波長走査信号のトリガ信号をもとに、ガス吸収ピークを検出することで、低濃度ガス検出が可能となった。加えて同時に複数成分測定が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の多成分用レーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析［高炉、転炉、熱処理炉、焼結（ペレット設備）、コークス炉］、青果貯蔵及び熟成、生化学（微生物）［発酵］、大気汚染［焼却炉、排煙脱硫・脱硝］、自動車排ガス（除テスタ）、防災［爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析］、植物育成用、化学用分析［石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント］、環境用［着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理］、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。
【符号の説明】
【００８４】
１００：発光部
１０：変調光生成部
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ：ピグテール型発光素子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ：ピグテール型発光素子
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ：発光素子本体
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ：温度検出素子
１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ：温度制御回路
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄ：ペルチェ素子
１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄ：波長走査駆動信号発生回路
１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄ：高周波変調信号発生回路
１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄ：駆動信号発生回路
１１８：同期制御部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：ピグテール
１３：光結合器
２０：光ファイバ
３０：発光側光学部
３１：ファイバ端部
３２：コリメートレンズ
３３：結合光
３４：コリメート放物面鏡
２００：受光部
４０：受光側光学部
４１：集光レンズ
４２：ファイバ端部
４３：集光
４４：集光放物面鏡
５０：光ファイバ
６０：分析部
６１：分波器
６２ａ，６２ｂ：光ファイバ
６３ａ：可視光受光素子
６３ｂ：近赤外光受光素子
６４ａ：可視光用処理回路
６４１ａ：Ｉ−Ｖ変換回路
６４２ａ：参照信号発生回路
６４３ａ：同期検波回路
６４４ａ：フィルタ
６４５ａ：演算回路
６４ｂ：近赤外光用処理回路
６４１ｂ：Ｉ−Ｖ変換回路
６４２ｂ，６４２ｃ，６４２ｄ：参照信号発生回路
６４３ｂ，６４３ｃ，６４３ｄ：同期検波回路
６４４ｂ，６４４ｃ，６４４ｄ：フィルタ
６４５ｂ，６４５ｃ，６４５ｄ：演算回路
６５：可視光・近赤外光受光素子
６６：広帯域近赤外光用受光素子
７０：通信線
８０：検出光
９１ａ，９１ｂ：壁
９２ａ，９２ｂ：フランジ
９３ａ，９３ｂ：光軸調整フランジ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、この受光側光学部から出力された集光を等光量で分波するマルチモード型の分波手段と、分波手段により分波された分波光のうちの可視波長域に感度を有する可視光用受光素子と、分波手段により分波された分波光のうちの近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子と、可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項２】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、可視波長域に感度を有する可視光用受光素子および近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子が一体化されており受光側光学部から出力された集光について両者が検出信号を出力する受光素子と、受光素子のうちの可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、受光素子のうちの近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値または最小値を検出することでガス濃度を検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値および最小値を検出し、この最大値と最小値との差分値の絶対値をガス濃度として検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
前記波長走査駆動信号発生部が生成するパルス状のトリガ信号を基準として所定期間経過したときの値をもってガス吸収波形の最大値及び最小値の発生位置を検知することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項６】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、受光側光学部から出力された集光について検出信号を出力する近赤外波長域に感度のピークを持ちかつ可視波長域にも感度を有する広帯域近赤外光用受光素子と、広帯域近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項７】
請求項６に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値または最小値を検出することでガス濃度を検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項８】
請求項６に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値および最小値を検出し、この最大値と最小値との差分値の絶対値をガス濃度として検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項９】
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
前記波長走査駆動信号発生部が生成するパルス状のトリガ信号を基準として所定期間経過したときの値をもってガス吸収波形の最大値及び最小値の発生位置を検知することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記トリガ信号は、前記波長走査駆動信号と同期がとれていることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記発光側光学部および前記受光側光学部に放物面鏡を用いることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記複数のピグテール型発光素子が有する波長走査駆動信号発生手段のそれぞれが生成するトリガ信号は、周期が等しく、かつ同期がとれていることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項１】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、この受光側光学部から出力された集光を等光量で分波するマルチモード型の分波手段と、分波手段により分波された分波光のうちの可視波長域に感度を有する可視光用受光素子と、分波手段により分波された分波光のうちの近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子と、可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項２】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型の光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、可視波長域に感度を有する可視光用受光素子および近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子が一体化されており受光側光学部から出力された集光について両者が検出信号を出力する受光素子と、受光素子のうちの可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、受光素子のうちの近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値または最小値を検出することでガス濃度を検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値および最小値を検出し、この最大値と最小値との差分値の絶対値をガス濃度として検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記可視光用処理回路および前記近赤外光用処理回路は、
前記波長走査駆動信号発生部が生成するパルス状のトリガ信号を基準として所定期間経過したときの値をもってガス吸収波形の最大値及び最小値の発生位置を検知することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項６】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を結合するマルチモード型の結合手段と、この結合手段から出射される結合光を伝播するマルチモード型光ファイバと、この光ファイバから出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する発光側光学部と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ受光する受光側光学部と、受光側光学部から出力された集光について検出信号を出力する近赤外波長域に感度のピークを持ちかつ可視波長域にも感度を有する広帯域近赤外光用受光素子と、広帯域近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項７】
請求項６に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値または最小値を検出することでガス濃度を検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項８】
請求項６に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
同期検波回路の出力信号のうちの最大値および最小値を検出し、この最大値と最小値との差分値の絶対値をガス濃度として検出することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項９】
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記近赤外光用処理回路は、
前記波長走査駆動信号発生部が生成するパルス状のトリガ信号を基準として所定期間経過したときの値をもってガス吸収波形の最大値及び最小値の発生位置を検知することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記トリガ信号は、前記波長走査駆動信号と同期がとれていることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記発光側光学部および前記受光側光学部に放物面鏡を用いることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記複数のピグテール型発光素子が有する波長走査駆動信号発生手段のそれぞれが生成するトリガ信号は、周期が等しく、かつ同期がとれていることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−１０８０９５（Ｐ２０１２−１０８０９５Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５２６３８（Ｐ２０１１−１５２６３８）
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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