JP2002202249A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シール部材を用いずに気密が取れ、被検出ガ
スのサンプル量に応じた最適なガス検出が行え、被検出
ガスとの温度差に伴うガス容器の変形を減少させてスペ
ックルパターンの変化を抑えて電気信号のドリフトを低
減する。 【解決手段】 ガスセルは、被検出ガスが収容されるガ
ス容器３と、ガス容器３を包囲するように配設された外
容器４の２重構造で構成される。ガス容器３は、光透過
性を有しており、中心軸線Ｓ上に対向してガス導入孔１
３とガス排出孔１５が形成される。外容器４は、剛性を
有し、内壁面に光拡散面１１が形成されている。外容器
４の外側には、外容器４の内部に向かって発散光を入射
する光源５と、内容器をなすガス容器３のガス雰囲気を
透過して光拡散面１１で拡散された光を受光する受光器
９が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ吸収分光を
利用したガス検出装置に係り、特に目的とするガスの有
無の検知や濃度測定のためにガスを導入してレーザ光と
相互作用を行わせるガスセルを有するガス検出装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ吸収分光は、物質が固有の光波長
に対して大きな吸収をもつという性質を利用して、分析
などに用いられる分光技術の一種である。この技術をガ
ス分析の分野で応用することにより、目的とするガスの
検出や濃度測定が可能となる。

【０００３】従来のガス検出装置の光学系の一例を図１
１に示す。この光学系はレーザ光源５１、ガスセル５２
および受光器５３より構成される。ガスセル５２は、通
常、ガスを収容するための容器５４、ガス導入孔５５と
ガス排出孔５６、およびレーザ光５７が通過するための
第一の窓５８と第二の窓５９より構成される。レーザ光
源５１より出射したレーザ光５７は第１の窓５８から入
射し、容器５４内部に収容されたガスでその一部が吸収
され、第二の窓５９より出射して受光器５３に達する。
レーザ光５７の波長を被検出ガスの吸収波長付近で変化
させると図１２のようなガス吸収曲線がみられる。この
曲線上で大きな吸収を示す波長になるべく近い波長のレ
ーザ光を用いて、該レーザ光のガスによる吸収の度合
い、すなわち受光器５３で受光するレーザ光の光量の変
化量を測ることでガス濃度（ガス検出を含む）を知るこ
とができる。

【０００４】ところで、実際にガスの濃度測定を行うと
様々な原因による誤差が生じるが、その中でもレーザ光
の干渉によって発生するドリフトによる誤差は絶対値も
大きくまた対策も難しい。具体的には、レーザ光がガス
セルの窓を透過するときや受光器内部の光学系を透過す
るときに多重反射が生じ、これが元のレーザ光と干渉
し、光強度の変化として現れる。この強度変動が吸収曲
線に畳重した場合、あたかも被検出ガスの濃度が変化し
たかのごとく観測されてしまう。

【０００５】そこで、光学的な多重反射を極力避けるた
め、従来では図１３に示すような工夫がされてきた。こ
の例ではウェッジ形状のガラス板の両面に反射防止膜６
１を施したものをガスセル５２の窓材に用いている。こ
のようにすることで多重反射による干渉の影響を減らす
ことができる。

【０００６】しかしながら、ガスセル５２で多重反射を
抑えても、受光器５３の部分で同様の問題が生じる。例
えば受光器５３にフォトダイオード（以後、ＰＤとい
う。）を使用した場合、ＰＤ容器の窓とＰＤ素子表面の
間で多重反射が生じ、これが測定誤差となってしまう。
このように干渉が原因となる誤差は、光学系のさまざま
な場所で生じる可能性があるため、全ての光学部品にお
いて干渉が起こらないように改善していくことは難し
い。

【０００７】そこで、本件発明者等は、測定に用いる光
の多重反射による測定誤差を抑えたガス検出装置を既に
出願している（特開平２０００−２０６０３５号公
報）。

【０００８】上記特開平２０００−２０６０３５号公報
に開示されるガス検出装置７１では、可干渉性を有する
レーザ光を拡散させて可干渉性を崩す光拡散体をガスセ
ル内部もしくは外部の光路に設けることにより、干渉が
原因となる光学的ノイズを低下させている。上記公報に
開示されるガス検出装置の一例として、図１４に示すガ
ス検出装置７１では、ガス導入孔７２ａとガス排出孔７
２ｂを有した被検出ガスを収容するための容器７２の形
状を球とし、この容器７２の内壁面全面に反射型の光拡
散体７３を形成し、容器７２の壁面の外側に光源７４と
受光器７５を装着した構成となっている。

【０００９】そして、上記構成によるガス検出装置７１
では、ガス濃度測定（ガス検出）を行う際、容器７２の
内部に一定量の被検出ガスがガス導入孔７２ａより導入
され収容される。そして、容器７２の内部に収容された
被検出ガスの検出および濃度測定が終了した場合には、
容器７２の内部の被検出ガスがガス排出孔７２ｂから排
出される。その後、次の検出および濃度測定の対象とな
る被検出ガスがガス導入孔７２ａから導入されて容器７
２の内部のガス置換が行われる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１
１，図１３および図１４に示す従来のガス検出装置で
は、単一の容器５４（７２）に被検出ガスを導入し、そ
の容器５４（７２）の内部に向けて光源５１（７４）か
らレーザ光を入射し、被検出ガスの雰囲気を通った容器
５４（７２）内部からの光を受光器５３（７５）で受光
する構成なので、容器５４（７２）内部から被検出ガス
が漏れないように、光源５１（７４）と容器５４（７
２）との間や受光器５３（７５）と容器５４（７２）と
の間に例えばＯリングなどのシール部材を装着して十分
に気密を取る必要があった。

【００１１】また、図１１，図１３および図１４に示す
ガス検出装置では、ガス導入孔５５（７２ａ）とガス排
出孔５６（７２ｂ）とが容器５４（７２）の壁面の一部
に併設されているので、ガス置換を行う際に、容器５４
（７２）の内部において被検出ガスの流れに小さな無数
の渦流が生じたり、被検出ガスが停留してガス置換速度
が遅くなるという問題があった。

【００１２】そして、上記のようにガス置換速度が遅く
なると、残留した前の被検出ガスと、次の被検出ガスと
が混在し、正確なガス検出およびガス濃度測定を行うこ
とが困難となる。このため、従来では、正確なガス検出
およびガス濃度測定を行うために、被検出ガスのサンプ
ル量を多く必要とした。

【００１３】また、ガス置換速度が遅くなると、次のガ
ス検出およびガス濃度測定するための被検出ガスを導入
するまでに時間がかかり、迅速なガス検出およびガス濃
度測定が困難となる。このため、従来では、容器の内部
を一旦真空にして前の被検出ガスを引き出してから次の
被検出ガスを導入するような、被検出ガスの置換機構を
必要とした。

【００１４】さらに、図１４に示すガス検出装置７１を
採用した場合、容器７２の内壁面全面に光拡散体７３が
形成されるので、光源７４からの発散光が光拡散体７３
によって拡散されると、微小な凹凸の粗い面からなる光
拡散体７３の光拡散によってスペックルを生じる。この
スペックルは、上記のようなレーザ光等の干渉性の高い
光で光学的に粗い表面を照らすときに起こる無秩序に分
布した暗点と明点である。スペックルは、粗い表面の微
細部分で再放射される多くの無秩序な要素波が複雑に干
渉することにより形成される。

【００１５】一般的に、レーザ光などのコヒーレント光
を光学的粗面に照明すると、照明された表面はレーザ光
を反射してスペックルパターンを生ずる。

【００１６】しかしながら、図１４に示すガス検出装置
７１では、内壁面が光拡散体７３からなる容器７２に被
検出ガスを導入し、この被検出ガスが導入された容器７
２の内部に光源７４からのレーザ光を入射する構成なの
で、被検出ガスが直接光拡散体７３に触れ、被検出ガス
の温度が直接容器７２に伝わり、被検出ガスと容器７２
の温度差によって容器７２に歪みが生じて容器７２が変
形するおそれがあった。そして、容器７２が変形する
と、容器７２の壁面に形成された光拡散体７３の面も変
形するため、スペックルパターンもゆっくりと動いて変
化してしまい、受光器７５の受光量に応じた電気信号に
ドリフトが生じ、このドリフトによって測定誤差を招
き、正確なガス検出が行えないという問題が生じる。

【００１７】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてな
されたものであり、シール部材を用いることなく気密を
取ることができ、被検出ガスのサンプル量に応じた最適
なガス検出が行え、ガスセルにおける被検出ガスの流れ
を良好にしてガス置換速度の改善を図ることができ、収
容される被検出ガスとの温度差に伴うガスセルの変形を
減少させてスペックルパターンの変化を抑えることによ
り電気信号のドリフトを低減してガス検出が行えるガス
検出装置を提供することを目的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明に係るガス検出装置は、被検出ガス
を導入するガス導入孔１３および前記被検出ガスを排出
するガス排出孔１５を有し、前記被検出ガスを収容する
光透過性を有するガス容器３と、前記ガス容器を包囲す
るように設けられ、内壁面が光拡散面１１とされた剛性
を有する外容器４と、前記外容器の外側に設けられ、該
外容器の内部にレーザ光を出射する光源５と、前記外容
器の外側に設けられ、前記被検出ガスが収容された前記
ガス容器のガス雰囲気を透過して前記光拡散面で拡散さ
れた光を受光する受光器９とを備えたことを特徴とす
る。

【００１９】請求項２の発明に係るガス検出装置は、請
求項１のガス検出装置において、前記ガス容器３は、前
記被検出ガスのサンプル量に応じた容積を有することを
特徴とする。

【００２０】請求項３の発明に係るガス検出装置は、請
求項１のガス検出装置において、前記ガス容器３の内壁
面は、前記ガス導入孔１３から滑らかに拡がるととも
に、前記ガス排出孔１５に向けて滑らかに集束して成形
されたことを特徴とすることを特徴とする。

【００２１】請求項４の発明に係るガス検出装置は、請
求項３のガス検出装置において、前記ガス容器３の内壁
面は、中心軸線Ｓを基準とした対称立体形状をなすよう
に形成され、前記ガス導入孔１３と前記ガス排出孔１５
とが前記中心軸線上で対向して配置されたことを特徴と
する。

【００２２】請求項５の発明に係るガス検出装置は、請
求項３又は４のガス検出装置において、前記ガス導入孔
１３には、該ガス導入孔から連続する前記ガス容器３の
内壁面に沿う傾きをもって前記ガス容器３の内部に望む
ガス導入管１４が設けられたことを特徴とする。

【００２３】請求項６の発明に係るガス検出装置は、請
求項３〜請求項５の何れかのガス検出装置において、前
記ガス容器３の内壁面には、前記ガス導入孔１３から導
入されて前記ガス排出孔１５にて排出される前記被検出
ガスの流れを螺旋状にして導く誘導部２３が形成された
ことを特徴とする。

【００２４】請求項７の発明に係るガス検出装置は、請
求項３〜請求項５の何れかのガス検出装置において、前
記ガス容器３の内部であって前記ガス導入孔１３の近傍
には、流線形状の乱流防止部材２１が配置されたことを
特徴とする。

【００２５】本発明のガス検出装置１では、被検出ガス
が収容される光透過性を有するガス容器３と、内壁面に
光拡散面１１が形成された剛性を有する外容器４とを別
体とし、ガス容器３を包囲するように外容器４を配設し
た二重構造となっている。これにより、外容器４の内部
がガス雰囲気に晒されることがなく、従来のようなＯリ
ングなどのシール部材を使用しなくても十分に気密が取
れ、被検出ガスの希釈がほとんどない状態で検出および
濃度測定が行える。

【００２６】また、サンプル量に応じた容積のガス容器
３を有するガス検出装置を予め複数用意しておけば、ガ
ス容器３に対するガス置換速度および応答速度の向上を
図りつつ、サンプル量の多少に関わらず、サンプル量に
応じた最適な被検出ガスのガス検出およびガス濃度測定
を行うことができる。

【００２７】さらに、ガス容器３に被検出ガスを収容し
た際、被検出ガスに影響される温度変化を外容器４が直
接受けることがないので、この温度変化に伴う外容器４
の変形がほとんどなく、上記温度変化に伴うスペックル
パターンの変化を抑えることができ、受光器９が出力す
る受光量に応じた電気信号のドリフトが低減し、正確な
ガス検出が行うことができる。

【００２８】また、ガス容器３の内部に大きな渦流を生
じることなく規則的なかつ小さな渦流が形成されるよう
なガス容器３の形状とすれば、ガス容器３の内部の被検
出ガスの流れが良好となり、ガス置換速度を速くするこ
とができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１は本発明によるガス検出装置
の実施の形態を示す断面図である。

【００３０】本発明によるガス検出装置１は、内容器と
してのガス容器３、外容器４、光源５、受光器９を備
え、ガス容器３と外容器４の２重構造によりガスセルが
構成される。

【００３１】図１に示す内容器としてのガス容器３（３
Ａ）は、例えば石英ガラスなどの光透過性を有する材料
からなり、球状の外径をなし、被検出ガスが収容され
る。

【００３２】ガス容器３には、被検出ガスを導入するガ
ス導入孔１３と、被検出ガスを排出するガス排出孔１５
とが同一直線上に対向して設けられている。図１の例に
おけるガス容器３Ａでは、ガス導入孔１３とガス排出孔
１５とがガス容器３Ａの中心軸線Ｓ上に対向して設けら
れている。なお、図１に示すように上記中心軸線Ｓは、
断面円形状の半径をなす。

【００３３】ガス導入孔１３には、ガス容器３Ａの外部
からガス容器３Ａの内部に望み、被検出ガスをガス容器
３Ａの内部に導入するための筒状のガス導入管１４が設
けられている。ガス排出孔１５には、ガス容器３Ａの内
部からガス容器３Ａの外部に被検出ガスを排出するため
の筒状のガス排出管１６が設けられている。図１の例に
おいて、ガス導入管１４とガス排出管１６は、上記中心
軸線Ｓ上に対向して一直線上に配置される。

【００３４】これにより、ガス容器３Ａの内部には、一
定量の被検出ガスがガス導入管１４より導入され収容さ
れる。ガス容器３Ａの内部に収容された被検出ガスの検
出および濃度測定が終了した場合には、ガス容器３Ａ内
部の被検出ガスがガス排出管１６から排出された後、次
の検出および濃度測定の対象となる被検出ガスがガス導
入管１４より導入され、ガス置換が行われる。

【００３５】なお、ガス導入管１４およびガス排出管１
６は、ガス容器３内に収容される被検出ガスの気密を保
持するため、ガス容器３Ａと一体に設けるのが好まし
い。

【００３６】外容器４は、例えばアルミやステンレスな
どの金属やガラスなどの剛性を有する材料からなり、内
容器であるガス容器３を包囲するように設けられる。図
１の例における外容器４は、球状に形成され、ガス容器
３Ａのガス導入管１４とガス排出管１６が貫通される貫
通孔４ａを有し、ガス容器３Ａを包囲するようにガス容
器３Ａの同心上でガス容器３Ａの外側に設けられる。

【００３７】外容器４の内壁面は、微小な凹凸面からな
る光拡散面１１として構成されている。更に説明する
と、剛性を有するアルミやステンレスなどの金属を例え
ば旋盤やフライス加工でくり抜いて外容器４を形成し、
この外容器４の内壁面の表面に放電加工やホーニング処
理で梨子地状の光拡散面１１を形成している。この他、
光拡散面１１は、アルミやステンレスなどの金属や、ガ
ラス等の反射性とされた表面をフロスト状に仕上げたも
のや、これらの表面にアルミや金を蒸着したもの、もし
くは反射率の大きな粉末（ポリテトラフロロエチレン，
硫酸バリウム，硫黄等）を塗布したものが利用できる。

【００３８】外容器４には、第一の貫通孔１７と第二の
貫通孔１９が設けられている。第一の貫通孔１７から
は、光源５からの発散光が外容器４の内部に入射され、
この外容器４の内部に設けられるガス容器３に照射され
る。また、第二の貫通孔１９からは、受光器９に向けて
ガス容器３を通過した外容器４の内部からの拡散光が出
射される。なお、第一の貫通孔１７と光源５との間、第
二の貫通孔１９と受光器９との間は、不図示のボルト、
ナットなどの固定手段により固定される。

【００３９】本例における光源５は、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）を採用したレーザ光源として構成され、外容器４の
外側に設けられる。この光源５は、図示しないが、例え
ば半導体レーザ、電子冷却素子、参照用ガスセル、参照
用受光器が密閉容器内に収容されたユニット構造をな
す。電子冷却素子は、その上に配設される半導体レーザ
を正確に温度制御する。また、参照用ガスセルおよび参
照用受光器は、半導体レーザからの後方光を利用して半
導体レーザの発振波長を被検出ガスの吸収スペクトルの
中心波長に合わせる。

【００４０】上記構成による光源５は、半導体レーザよ
り前方光が出射される素子端面側が、外容器４の第一の
貫通孔１７からガス容器３の内部を望むように配されて
いる。これにより、光源５は、コリメートレンズや光ア
イソレータなどの部品を要さずに第一の貫通孔１７を介
して外容器４の内部に発散光を出射する。

【００４１】受光器９は、例えばフォトダイオードで構
成され、外容器４の第二の貫通孔１９から外容器４の内
部に配設されるガス容器３を望むように外容器４の外側
に設けられる。なお、第二の貫通孔１９は、第一の貫通
孔１７を介して外容器４の内部に照射された光源５から
の直接光を受けない範囲に配されている。これにより、
受光器９は、光源５からの直接光を受けることなく配置
される。受光器９では、光源５から発散光が出射される
と、この発散光はガス容器３を透過し、透過した光の一
部が外容器４の光拡散面１１で拡散され、ガス容器３の
ガス雰囲気を透過した拡散光を受光し、その受光量に応
じた電気信号を出力する。

【００４２】ところで、図１に示すガス検出装置１で
は、外容器４の内部に設けられるガス容器３を球状と
し、その中心軸線Ｓ上に対向してガス導入管１４とガス
排出管１６を設けた構成としているが、外容器４の内部
に設けられるガス容器３を図２〜図９に示す構成とする
こともできる。なお、以下に説明するガス検出装置１の
構成において、図１と同等の構成要素には同一番号を付
し、ガス容器３の構成についてのみ説明する。

【００４３】図２に示すガス容器３（３Ｂ）は、筒状の
管で形成され、その両端部の一方がガス導入管１４とし
て機能し、他方がガス排出管１６として機能する。この
構成によるガス容器３Ｂは、一方から導入された被検出
ガスがガス容器３Ｂ内に停留することなく流れて他方か
ら排出されるので、被検出ガスのサンプル量が極端に少
ない場合の検出に適している。

【００４４】図３に示すガス容器３（３Ｃ）は、所定の
径を有する螺旋状の管で形成され、その中心軸線Ｓ上の
一端がガス導入孔１３をなし、他端がガス排出孔１５を
なしている。そして、ガス導入孔１３にはガス導入管１
４が設けられ、ガス排出孔１５にはガス排出管１６が設
けられており、ガス導入管１４とガス排出管１６とは中
心軸線Ｓ上に対向して配置される。なお、上記中心軸線
Ｓは、図３のガス容器３Ｃをなす螺旋状の管を側面視し
たときの径の中心である。この構成によるガス容器３Ｃ
は、被検出ガスのサンプル量が図１に示すガス容器３Ａ
と図２に示すガス容器３Ｂの中間量の場合の検出に適し
ている。また、この構成によれば、光源５からレーザ光
と被検出ガスの相互作用長（測定光路長）が長くとれ、
感度の向上を図ることができる。

【００４５】このように、被検出ガスのサンプル量に応
じて最適なガス容器３の形状を採用することにより、被
検出ガスのサンプル量が多少に関わらず、被検出ガスの
最適な検出を行うことができる。

【００４６】図４に示すガス容器３（３Ｄ）は、その内
壁面が中心軸線Ｓを基準とした対称立体形状として、断
面略楕円形状をなしている。なお、図４に示すように上
記中心軸線Ｓは、断面略楕円形状の長径をなす。

【００４７】このガス容器３Ｄのガス導入管１４とガス
排出管１６は、上記中心軸線Ｓの直線上で対向してそれ
ぞれの孔（ガス導入孔１３、ガス排出孔１５）に設けら
れる。即ち、断面略楕円形状とされたガス容器３Ｄの内
壁面は、ガス導入管１４が設けれるガス導入孔１３から
滑らかに拡がるとともに、ガス排出管１６が設けられる
ガス排出孔１５に向けて滑らかに集束している。

【００４８】上記構成では、ガス導入管１４とガス排出
管１６が直線上で対向して配置され、ガス容器３Ｄの内
壁面がガス導入管１４側から滑らかに拡がってガス排出
管１６側に滑らかに集束している。したがって、被検出
ガスの検出あるいは濃度測定に際し、ガス導入管１４か
らガス容器３Ｄの内部に導入された被検出ガスは、大き
な渦流を生じることなく規則的なかつ小さな渦流を形成
する。

【００４９】さらに、図４で示す構成の場合、ガス導入
管１４とガス排出管１６が対向して配置されている中心
軸線Ｓが断面略楕円形状の長径であるため、渦流が生じ
る部分が球状のガス容器と比較して狭い範囲となる。

【００５０】したがって、図４に示すガス検出装置１で
は、ガス容器３Ｄの内部にて、被検出ガスが規則的な渦
流となって、その停留が低減される。これにより、ガス
容器３の内部の被検出ガスの流れが良好となり、従来と
比較してガス置換速度を速くすることが可能となる。さ
らに、ガス置換速度の改善に伴い、前の被検出ガスと次
の被検出ガスとが混在する時間が短いので、被検出ガス
のサンプル量が少なくても正確なガス検出およびガス濃
度測定を行うことが可能となる。

【００５１】また、図４のガス容器３Ｄでは、球状のガ
ス容器と比較して、ガス容器３Ｄの内部の被検出ガスの
流れが向上するので、ガス置換速度のさらなる改善を可
能としている。

【００５２】図５に示すガス容器３（３Ｅ）は、その内
壁面が中心軸線Ｓを基準とした対称立体形状として、断
面略長円形状をなしている。なお、図５に示すように上
記中心軸線Ｓは、断面略長円形状の長径をなす。

【００５３】このガス容器３Ｅのガス導入管１４とガス
排出管１６は、上記中心軸線Ｓの直線上で対向してそれ
ぞれの孔（ガス導入孔１３、ガス排出孔１５）に設けら
れる。即ち、断面略長円形状とされたガス容器３Ｅの内
壁面は、ガス導入管１４から滑らかに拡がるとともに、
ガス排出管１６に向けて滑らかに集束している。

【００５４】上記構成では、ガス導入管１４とガス排出
管１６が直線上で対向して配置され、ガス容器３Ｅの内
壁面がガス導入管１４側から滑らかに拡がってガス排出
管１６側に滑らかに集束している。したがって、被検出
ガスの検出あるいは濃度測定に際し、ガス導入管１４か
らガス容器３Ｅの内部に導入された被検出ガスは、大き
な渦流を生じることなく規則的なかつ小さな渦流を形成
する。

【００５５】さらに、図５で示す構成の場合、ガス導入
管１４とガス排出管１６が対向して配置されている中心
軸線Ｓが断面略長円形状の長径であるため、渦流が生じ
る部分が球状のガス容器と比較して狭い範囲となるの
で、被検出ガスの流れがガス導入管１４からガス排出管
１６に向けて多く生じる。

【００５６】したがって、図５に示すガス検出装置１で
は、ガス容器３Ｅの内部にて、被検出ガスが規則的な渦
流となって、その停留が低減される。これにより、ガス
容器３Ｅの内部の被検出ガスの流れが良好となり、従来
と比較してガス置換速度を速くすることが可能となる。
さらに、ガス置換速度の改善に伴い、前の被検出ガスと
次の被検出ガスとが混在しないので、被検出ガスのサン
プル量が少なくても正確なガス検出およびガス濃度測定
を行うことが可能となる。

【００５７】また、図５のガス容器３Ｅでは、球状のガ
ス容器と比較して、ガス容器３の内部の被検出ガスの流
れが向上するので、ガス置換速度のさらなる改善を可能
としている。

【００５８】図６に示すガス容器３（３Ｆ）は、その内
壁面が中心軸線Ｓを基準とした対称立体形状として、略
半球状と略円錐形状とを結合した形状をなしている。

【００５９】このガス容器３Ｆに設けられるガス導入管
１４は、略半球状側に設けられ、ガスガス排出管１６
は、略円錐形状側に設けられ、且つ、ガス導入管１４と
ガス排出管１６は、上記中心軸線Ｓの直線上で対向して
配置されている。即ち、略半球状と略円錐形状とを結合
されてなるガス容器３Ｆの内壁面は、ガス導入管１４か
ら滑らかに拡がるとともに、ガス排出管１６に向けて滑
らかに集束している。

【００６０】上記構成では、ガス導入管１４とガス排出
管１６が直線上で対向して配置され、ガス容器３Ｆの内
壁面がガス導入管１４側の滑らかに拡がってガス排出管
１６側に滑らかに集束している。したがって、被検出ガ
スの検出あるいは濃度測定に際し、ガス導入管１４から
ガス容器３の内部に導入された被検出ガスは、大きな渦
流を生じることなく規則的なかつ小さな渦流を形成す
る。

【００６１】さらに、図６で示す構成の場合、略半球状
側から略円錐形状側に被検出ガスが流動するため、渦流
が生じる部分が球状のガス容器と比較して狭い範囲とな
り、且つ、球状のガス容器と比較して被検出ガスが流れ
る方向に向けて積極的に集束しているので、被検出ガス
の流れがガス導入管１４からガス排出管１６に向けて多
く生じる。

【００６２】したがって、図６に示すガス検出装置１で
は、ガス容器３Ｆの内部にて、被検出ガスが規則的な渦
流となって、その停留が低減される。これにより、ガス
容器３の内部の被検出ガスの流れが良好となり、従来と
比較してガス置換速度を速くすることが可能となる。さ
らに、ガス置換速度の改善に伴い、前の被検出ガスと次
の被検出ガスとが混在しないので、被検出ガスのサンプ
ル量が少なくても正確なガス検出およびガス濃度測定を
行うことが可能となる。

【００６３】また、図６のガス容器では、球状のガス容
器３Ａと比較して、ガス容器３Ｆの内部の被検出ガスの
流れが良好となるので、ガス置換速度のさらなる改善を
可能としている。

【００６４】図７に示すガス容器３（３Ｇ）は、内壁面
が中心軸線Ｓを基準とした対称立体形状として、球状を
なしている。

【００６５】ガス容器３Ｇの内部には、ガス導入管１４
の近傍に流線形状の乱流防止部材２１が配置されてい
る。この乱流防止部材２１は、ガス容器３Ｇの内壁面に
線状の脚部（不図示）を介して取り付けることができ
る。また、乱流防止部材２１の表面は、光源５からの光
の反射率を向上するように構成され、例えばアルミや金
が蒸着されている。

【００６６】上記構成では、被検出ガスの検出あるいは
濃度測定に際し、ガス導入管１４からガス容器３Ｇの内
部に導入された被検出ガスは、乱流防止部材２１を通し
てガス排出管１６から排出される。この際、乱流防止部
材２１の周りを通過する被検出ガスは、乱流防止部材２
１の表面に沿って滑らかに流れる。また、被検出ガス
は、乱流防止部材２１がガス導入管１４の近傍にあるこ
とによって、ガス導入管１４側のガス容器３Ｇの滑らか
に拡がる内壁面から、ガス排出管１６側のガス容器３Ｇ
の滑らかに集束する内壁面に沿って流動する。

【００６７】したがって、図７に示すガス検出装置１で
は、ガス容器３Ｇの内部に生じる渦流が減少して、その
殆どがガス導入管１４からガス排出管１６に向かって流
れるので、ガス容器３Ｇの内部の被検出ガスの流れが良
好となり、ガス置換速度を速くすることが可能となる。
さらに、ガス置換速度の改善に伴い、前の被検出ガスと
次の被検出ガスとが混在しないので、被検出ガスのサン
プル量が少なくても正確なガス検出およびガス濃度測定
を行うことが可能となる。

【００６８】なお、図７における乱流防止部材２１は、
球状のガス容器３Ｇに対して設けているが、上述した図
４〜図６に示す形状の各ガス容器３Ｄ〜３Ｆに対して設
けてもよく、これら図４〜図６に示すガス容器３Ｄ〜３
Ｆ内での被検出ガスの流れをさらに改善することが可能
となる。

【００６９】図８に示すガス容器３（３Ｈ）は、図４に
示すものと同様に、内壁面が中心軸線Ｓを基準とした対
称立体形状として、中心軸線Ｓを長径とした断面略楕円
形状をなしている。

【００７０】この図８に示すガス容器３Ｈでは、図４に
示すガス容器３Ｄに対し、ガス導入管１４の配置が異な
る。具体的には、ガス容器３Ｈに導入されるガスの流れ
が、らせん状の層流になるようにガス導入管１４が、ガ
ス導入管１４から連続するガス容器３Ｈの内壁面に沿う
傾きをもってガス容器３Ｈの内部に望んで配されてい
る。

【００７１】上記構成では、被検出ガスの検出あるいは
濃度測定に際し、ガス導入管１４からガス容器３Ｈの内
部に導入された被検出ガスは、ガス導入管１４によって
ガス容器３Ｈの内壁面の一部に沿って流れる。これによ
り、被検出ガスは、ガス排出管１６に向かうとともに、
ガス導入管１４側のガス容器３Ｈの滑らかに拡がる内壁
面から、ガス排出管１６側のガス容器３Ｈの滑らかに集
束する内壁面に沿って螺旋状をなして流動し、ガス排出
管１６から排出される。

【００７２】したがって、図８に示すガス検出装置１で
は、ガス容器３Ｈの内部にて図４に示す如く生じていた
渦流が、螺旋状の層流となって排出されるので、ガス容
器３Ｈの内部の被検出ガスの流れが良好となり、ガス置
換速度を速くすることが可能となる。さらに、ガス置換
速度の改善に伴い、前の被検出ガスと次の被検出ガスと
が混在しないので、被検出ガスのサンプル量が少なくて
も正確なガス検出およびガス濃度測定を行うことが可能
となる。

【００７３】なお、図８におけるガス導入管１４の構成
は、図４で示す断面略楕円形状のガス容器３Ｄに対して
設けているが、上述した図５又は図６に示す形状の各ガ
ス容器３Ｅ，３Ｆに対して設けてもよく、これら図５又
は図６に示すガス容器３Ｅ，３Ｆ内での被検出ガスの流
れをさらに改善することが可能となる。

【００７４】図９に示すガス容器３（３Ｉ）は、図４に
示すものと同様に、内壁面が中心軸線Ｓを基準とした対
称立体形状として、中心軸線Ｓを長径とした断面略楕円
形状をなしている。

【００７５】ガス容器３Ｉの内部には、ガス排出管１６
の近傍の滑らかに集束する内壁面に、ガス導入管１４か
ら導入されて前記ガス排出管１６にて排出される被検出
ガスの流れを螺旋状にして導くように誘導部２３が形成
されている。本例での誘導部２３は、図９に示すよう
に、被検出ガスを所望の螺旋状に導くようにその螺旋状
に沿う複数の凹部あるいは凸部として設けられている。
また、誘導部２３の表面は、光源５からの光の反射率を
向上するように構成され、例えばアルミや金が蒸着され
ている。

【００７６】上記構成では、被検出ガスの検出あるいは
濃度測定に際し、ガス導入管１４からガス容器３Ｉの内
部に導入された被検出ガスは、誘導部２３を通してガス
排出管１６から排出される。この際、誘導部２３を通過
する被検出ガスは、誘導部２３によってガス排出管１６
側のガス容器３Ｉの滑らかに集束する内壁面にかかり、
螺旋状に誘導されてして流動し、ガス排出管１６から排
出される。

【００７７】したがって、図９に示すガス検出装置１で
は、ガス容器３Ｉの内部にて図４に示す如く生じていた
渦流が、螺旋状の層流となって排出されるので、ガス容
器３Ｉの内部の被検出ガスの流れが良好となり、ガス置
換速度を速くすることが可能となる。さらに、ガス置換
速度の改善に伴い、前の被検出ガスと次の被検出ガスと
が混在しないので、被検出ガスのサンプル量が少なくて
も正確なガス検出およびガス濃度測定を行うことが可能
となる。

【００７８】なお、上記誘導部２３は、図９に示すよう
に、所望とする被検出ガスの螺旋状に沿う複数の凹部あ
るいは凸部として設けられているが、所望とする螺旋状
に沿う連続した段部として形成されていてもよい。

【００７９】また、上記誘導部２３は、図４に示す断面
略楕円形状のガス容器３Ｄに対して設けているが、上述
した図５又は図６に示す形状の各ガス容器３Ｅ，３Ｆに
対して設けてもよく、これら図５又は図６に示すガス容
器３Ｅ，３Ｆ内での被検出ガスの流れをさらに改善する
ことが可能となる。

【００８０】さらに、上記誘導部２３は、上述した図８
に示すガス容器３Ｈの内壁面の一部に沿って傾くガス導
入管１４と併用して構成してもよい。

【００８１】なお、図１〜図９に示すガス容器３（３Ａ
〜３Ｉ）において、少なくとも光源５からの発散光が照
射される表面には反射を少なくするための反射防止処理
が施されている。具体的には、ガス容器３の表面に反射
防止膜を施している。これにより、光源５から出射され
るレーザ光の透過に伴う不要な多重反射を防ぐことがで
きる。

【００８２】上記構成によるガス検出装置１では、ガス
導入管１４からガス容器３の内部に被検出ガスが収容さ
れた状態で光源５が駆動されると、第一の貫通孔１７を
介して光源５からの発散光（レーザ光の直接光）がガス
容器３の内部に照射される。この発散光は、ガス容器３
を透過した後、外容器４の内壁面にある光拡散面１１に
よって様々に拡散される。さらに、拡散されたレーザ光
は、ガス容器３の内部で複数回反射する。そして、複数
回の反射により様々な経路を経たレーザ光は、第二の貫
通孔１９を介して受光器９により受光される。受光器９
では、受光量に応じた電気信号を出力する。

【００８３】ガス容器３の内部にて光源５から受光器９
に至るレーザ光は、被検出ガスに吸収される。これによ
り、受光器９では、受光量が変化して出力する電気信号
にレベル変動が生じる。即ち、電気信号のレベル変動に
よりガスの有無が検出され、且つ、レベルの高さにより
ガスの濃度が検出されることとなる。

【００８４】光源５からの発散光は、光拡散面１１での
複数回の反射によって受光器９に達する際には入射した
発散光が積分されて受光強度が大きくなりＳ／Ｎが良好
となる。さらに、ガス容器３の内部にて、被検出ガスと
レーザ光の相互作用長が長くなるためガスによるレーザ
光の吸収の割合が大きくなる。これにより、干渉が原因
となる光学的ノイズは極めて小さくなるため、受光器で
は被検出ガスの光吸収による光強度変化だけが受光で
き、安定なガス検出および濃度測定が可能となる。

【００８５】このように、上述したガス検出装置１で
は、被検出ガスが収容されるガス容器３と、内壁面に光
拡散面１１が形成された外容器４とを別体とし、ガス容
器３を包囲するように外容器４を配設して二重構造とさ
れている。これにより、外容器４の内部がガス雰囲気に
晒されることがないので、従来のようにガス容器に例え
ばＯリングなどのシール部材を使用しなくても十分にガ
スの気密を取ることができ、被検出ガスの希釈がほとん
どない状態で検出および濃度測定を行うことができる。
この場合、内容器となるガス容器３とガス導入管１４お
よびガス排出管１６を一体に形成すれば、ガス容器３の
内部から外容器４へのガス漏れを確実に防ぐことができ
る。

【００８６】ガス容器３は、剛性を有する材料からなる
外容器４によって包囲されるので、応力変動にも強く、
外部からの衝撃があってもガス容器３を保護することが
できる。

【００８７】ガス容器３に被検出ガスを導入して検出お
よび濃度測定を行う場合、被検出ガスのサンプル量が少
ないときはガス容器３の容積が小さい方が感度が良い。
すなわち、感度はガス容器３の容積比によって決まる
が、本例のガス検出装置によれば、サンプル量に応じた
容積のガス容器３を有するガス検出装置を予め複数用意
しておき、ガス容器３を被検出ガスのサンプル量に応じ
て最適な形状のものを採用すれば、ガス容器３に対する
ガス置換速度および応答速度の向上を図りつつ、サンプ
ル量の多少に関わらず、サンプル量に応じた最適な被検
出ガスのガス検出およびガス濃度測定を行うことができ
る。

【００８８】被検出ガスが収容されるガス容器３と、内
壁面に光拡散面１１が形成された外容器４を別構成と
し、外容器４の内部が直接ガス雰囲気に晒されることが
ないので、ガス容器３に被検出ガスを収容した際に被検
出ガスに影響される温度変化を外容器４が直接受けるこ
とがなく、この温度変化に伴う外容器４の変形がほとん
どなく、上記温度変化に伴うスペックルパターンの変化
を抑えることができる。その結果、受光器９が出力する
受光量に応じた電気信号のドリフトが低減し、正確なガ
ス検出が行うことができる。

【００８９】ところで、上述した各例でのガス検出装置
１では、光源５からの出射してガス容器３の内部で拡散
されたレーザ光を受光する受光器９を単一として図示し
て説明したが、受光器９は、光源５からの発散光を直接
受けない部位にて、複数設けられていてもよい。

【００９０】また、光源５は、ガス容器３の内部に発散
光を入射するように構成されているが、この限りでな
く、図１０に示すように、光源の別の形態として、ガス
容器３に可干渉性を有する光（ビーム光）を入射する光
源５’であってもよい。この光源５’であっても、ガス
容器３の内壁面の光拡散面１１が光源５’からの光を拡
散させてその可干渉を崩すこととなるので、上述した各
構成を採用でき、同様の効果を得ることが可能である。
なお、可干渉性を有する光を入射する光源５’の場合、
第一の貫通孔１７に、可干渉性を有する光の透過に伴う
多重反射を防ぐように、例えば図１０に示すように、ウ
エッジ形状のガラス板２５の両面に反射防止膜２７を施
したものを窓材としてガス容器３の貫通孔２０に採用さ
れることが好ましい。

【００９１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
ガス検出装置は、被検出ガスが収容されるガス容器と、
内壁面に光拡散面が形成された外容器とを別体とし、ガ
ス容器を包囲するように外容器を配設して二重構造のガ
スセルを構成している。これにより、外容器の内部がガ
ス雰囲気に晒されることがなく、従来のようにガス容器
に例えばＯリングなどのシール部材を使用しなくても十
分にガスの気密を取ることができ、被検出ガスの希釈が
ほとんどない状態で被検出ガスの検出および濃度測定を
行うことができる。

【００９２】しかも、外容器の内部が直接ガス雰囲気に
晒されることがないため、ガス容器に被検出ガスを収容
した際に被検出ガスに影響される温度変化を外容器が直
接受けることがなく、この温度変化に伴う外容器４の変
形もほとんどないので、上記温度変化に伴うスペックル
パターンの変化を抑えることができる。その結果、受光
器が出力する受光量に応じた電気信号のドリフトが低減
し、正確なガス検出が行うことができる。

【００９３】ガス容器が剛性を有する外容器によって包
囲されるので、応力変動にも強く、外部からの衝撃があ
ってもガス容器を保護することができる。

【００９４】ガス容器をサンプル量に応じた容積とすれ
ば、サンプル量に応じたガス容器を有するガス検出装置
を予め複数用意しておけば、ガス容器に対するガス置換
速度および応答速度の向上を図り、サンプル量の多少に
関わらず、サンプル量に応じた被検出ガスのガス検出お
よびガス濃度測定を行うことができる。

【００９５】ガス導入孔からガス排出孔に向かって滑ら
かに拡がって集束するようにガス容器の内壁面を成形す
れば、被検出ガスがガス容器の内部を滑らかに集束して
流れ、ガス容器の内部に大きな渦流を生じることなく規
則的なかつ小さな渦流が形成される。これにより、ガス
容器の内部の被検出ガスの流れが良好となり、ガス置換
速度を速くすることができる。そして、このガス置換速
度の改善に伴い、前の被検出ガスと次の被検出ガスとが
混在しないので、被検出ガスのサンプル量が少なくても
正確なガス検出およびガス濃度測定を行うことができ
る。

【００９６】中心軸線Ｓを基準とした対称立体形状をな
すようにガス容器の内壁面を形成し、ガス導入孔とガス
排出孔とを中心軸線上で対向して配置すれば、さらにガ
ス置換速度を向上させることができる。

【００９７】ガス導入孔から連続するガス容器の内壁面
の一部に沿う傾きをもってガス容器の内部に望むガス導
入管をガス導入孔に設ければ、被検出ガスを、ガス導入
孔側のガス容器の滑らかに拡がる内壁面からガス排出孔
側のガス容器の滑らかに集束する内壁面に沿って螺旋状
に被検出ガスが流動し、さらにガス置換速度を向上させ
ることができる。

【００９８】被検出ガスの流れを螺旋状にして導く誘導
部をガス容器の内壁面に設ければ、ガス導入孔からガス
排出孔に向かう被検出ガスの流れを積極的に螺旋状にし
て導き、さらにガス置換速度を向上させることができ
る。

【００９９】ガス容器の内部のガス導入孔の近傍に流線
形状の乱流防止部材を配置すれば、被検出ガスが乱流防
止部材の表面に沿って滑らかに流れる。しかも、乱流防
止部材がガス導入孔の近傍にあるので、ガス導入孔側の
ガス容器の滑らかに拡がる内壁面からガス排出孔側のガ
ス容器の滑らかに集束する内壁面に沿って被検出ガスが
流動する。これにより、ガス容器の内部の渦流が減少す
るので、さらにガス置換速度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガス検出装置の実施の形態を示す
断面図

【図２】本発明によるガス検出装置のガス容器の他の構
成を示す断面図

【図３】本発明によるガス検出装置のガス容器の他の構
成を示す断面図

【図４】本発明によるガス検出装置のガス容器の他の構
成を示す断面図

【図５】本発明によるガス検出装置のガス容器の他の構
成を示す断面図

【図６】本発明によるガス検出装置のガス容器の他の構
成を示す断面図

【図７】本発明によるガス検出装置のガス容器の他の構
成を示す断面図

【図８】本発明によるガス検出装置のガス容器の他の構
成を示す断面図

【図９】本発明によるガス検出装置のガス容器の他の構
成を示す断面図

【図１０】本発明によるガス検出装置の光源の別の形態
を示す構成図。

【図１１】従来のガス検出装置の光学系の一例を示す図

【図１２】ガス吸収曲線を示す図

【図１３】従来のガス検出装置の構成を示す図

【図１４】従来のガス検出装置の他の構成を示す図

【符号の説明】

１…ガス検出装置、３（３Ａ〜３Ｉ）…ガス容器（内容
器）、４…外容器、５…光源、９…受光器、１１…光拡
散面、１３…ガス導入孔、１４…ガス導入管、１５…ガ
ス排出孔、１６…ガス排出管、２１…乱流防止部材、２
３…誘導部、Ｓ…中心軸線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 政之 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 (72)発明者 荒木 幸雄 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 (72)発明者 塚本 威 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 Ｆターム(参考） 2G057 AA01 AB04 AB06 AC03 BA05 BB02 GA02 2G059 AA01 BB01 DD12 DD16 EE01 GG01 JJ26 KK01 KK03 LL03 LL04 MM17 NN01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出ガスを導入するガス導入孔（１
   ３）および前記被検出ガスを排出するガス排出孔（１
   ５）を有し、前記被検出ガスを収容する光透過性を有す
   るガス容器（３）と、 前記ガス容器を包囲するように設けられ、内壁面が光拡
   散面（１１）とされた剛性を有する外容器（４）と、 前記外容器の外側に設けられ、該外容器の内部に光を出
   射する光源（５）と、 前記外容器の外側に設けられ、前記被検出ガスが収容さ
   れた前記ガス容器のガス雰囲気を透過して前記光拡散面
   で拡散された光を受光する受光器（９）とを備えたこと
   を特徴とするガス検出装置。
2. 【請求項２】 前記ガス容器（３）は、前記被検出ガス
   のサンプル量に応じた容積を有することを特徴とする請
   求項１記載のガス検出装置。
3. 【請求項３】 前記ガス容器（３）の内壁面は、前記ガ
   ス導入孔（１３）から滑らかに拡がるとともに、前記ガ
   ス排出孔（１５）に向けて滑らかに集束して成形された
   ことを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
4. 【請求項４】 前記ガス容器（３）の内壁面は、中心軸
   線（Ｓ）を基準とした対称立体形状をなすように形成さ
   れ、前記ガス導入孔（１３）と前記ガス排出孔（１５）
   とが前記中心軸線上で対向して配置されたことを特徴と
   する請求項３記載のガス検出装置。
5. 【請求項５】 前記ガス導入孔（１３）には、該ガス導
   入孔から連続する前記ガス容器（３）の内壁面に沿う傾
   きをもって前記ガス容器（３）の内部に望むガス導入管
   （１４）が設けられたことを特徴とする請求項３又は４
   記載のガス検出装置。
6. 【請求項６】 前記ガス容器（３）の内壁面には、前記
   ガス導入孔（１３）から導入されて前記ガス排出孔（１
   ５）にて排出される前記被検出ガスの流れを螺旋状にし
   て導く誘導部（２３）が形成されたことを特徴とする請
   求項３〜請求項５の何れかに記載のガス検出装置。
7. 【請求項７】 前記ガス容器（３）の内部であって前記
   ガス導入孔（１３）の近傍には、流線形状の乱流防止部
   材（２１）が配置されたことを特徴とする請求項３〜請
   求項５の何れかに記載のガス検出装置。