JP7081146B2 - ガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス分析装置に関する。

レーザー吸収分光法を利用してガス濃度を測定するガス分析装置が知られている。ガス分析装置において、測定雰囲気を挟む光源部と受光部との間の光路上には、複数の光学素子が設けられている。レーザー光のコヒーレント性に起因して、光学素子間での光の多重反射によって干渉光が発生する。干渉光は、測定光に対して干渉ノイズとして重畳される。干渉光の発生を軽減するために、集光レンズを光軸方向に沿ってランダムに微動させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、集光レンズ等をランダムに微動させるだけでは、干渉を低減することが難しい。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２００８－７０３１４号公報

ガス分析装置においては、干渉ノイズを低減することが好ましい。

本発明の第１の態様においては、ガス分析装置を提供する。ガス分析装置は、被測定ガス中に含まれる成分を分析してよい。ガス分析装置は、発光部を備えてよい。発光部は、被測定ガスにレーザー光を照射してよい。ガス分析装置は、受光部を備えてよい。受光部は、被測定ガスを通過したレーザー光を受光してよい。ガス分析装置は、駆動部を備えてよい。駆動部は、少なくとも一つの光学素子を移動して、レーザー光の光路長を変化させてよい。光学素子は、レーザー光が通過する光路に配置されてよい。ガス分析装置は、算出部を備えてよい。算出部は、光学素子の位置が、レーザー光の波長の１／２倍だけ異なる２つの状態において受光部が検出した各信号に基づいて、被測定ガスの濃度を算出してよい。算出部は、光学素子の位置が、レーザー光の波長の３／２倍だけ異なる２つの状態において受光部が検出した各信号に基づいて、被測定ガスの濃度を算出してよい。

発光部は発光素子を有してよい。受光部は受光素子を有してよい。駆動部は発光素子および受光素子の少なくとも一方を移動させてよい。

駆動部は、光学素子を、レーザー光の波長のｎ／２倍の振幅で移動させてよい。

受光部は、駆動部が光学素子を移動させる周期と同期して、レーザー光の強度を測定してよい。

発光部は、発光波長の異なる複数の発光素子を有してよい。駆動部は、受光素子を移動させてよい。

発光部は、いずれかの発光素子を選択して発光させてよい。駆動部は、発光している発光素子の発光波長に応じた振幅で受光素子を移動させてよい。

発光部は、２つの発光素子を順次選択して発光させてよい。駆動部は、発光している発光素子の発光波長に応じた位置に受光素子を順次移動させてよい。駆動部は、レーザー光の光軸方向の第１方向において、順次発光しているそれぞれの発光素子の発光波長に応じた位置に受光素子を順次移動させた後に、レーザー光の光軸方向の第１方向と反対の第２方向において、順次発光しているそれぞれの発光素子の発光波長に応じた位置に受光素子を順次移動させてよい。

発光部は、放熱部を更に有してよい。放熱部は、発光素子の熱を放熱させてよい。駆動部は、受光素子を移動させてよい。

発光部は、放熱部を有してよい。放熱部は、発光素子の熱を放熱させてよい。発光部は、接続部を有してよい。接続部は、発光素子と放熱部との相対位置を固定せずに、発光素子と放熱部との間を熱的に接続してよい。駆動部は、発光素子を移動させてよい。

受光部は、回路基板を有してよい。回路基板には、増幅器が設けられてよい。増幅器は、受光素子が出力する信号を増幅してよい。駆動部は、受光素子および回路基板を移動させてよい。

駆動部は、光学素子が移動する位置の振幅波形を、三角波で制御してよい。

駆動部は、光学素子が移動する位置の振幅波形を、矩形波で制御してよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の第１実施形態におけるガス分析装置１００の概略構成を示す断面図である。 発光部３０の一例を示す断面図である。 受光部４０の一例を示す断面図である。 レーザー光源部３２の一例を示す図である。 走査駆動信号の波形図の一例を示す図である。 高調波変調信号発生部から出力される変調信号の波形図の一例である。 電流制御部から出力されるレーザー駆動信号の波形図の一例である。 受光信号処理部６０の概略構成を示す図である。 受光信号、同期検波回路の出力信号、およびトリガ信号の一例を示す図である。 駆動部による振動波形の一例である。 駆動部による振動波形の他の例である。 駆動部による振動波形の他の例である。 駆動部による振動波形の他の例である。 本実施形態において受光素子４１を±λ／４に移動させたときの測定波形、および平均化波形の例である。 本発明の第２実施形態におけるガス分析装置１００の概略構成を示す断面図である。 駆動部による振動波形の一例である。 本実施形態におけるガス分析装置１００の処理内容を示すフローチャートである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の第１実施形態におけるガス分析装置１００の概略構成を示す断面図である。ガス分析装置１００は、被測定ガス中に含まれる成分を分析する。本例では、ガス分析装置１００は、煙道１０内を流れるガス中に含まれる被測定ガス中の対象ガス濃度を測定する。ガス分析装置１００は、レーザー光照射を用いたガス濃度測定装置であってよい。ガス分析装置１００における測定方式は限定されない。例えば、照射したレーザー光１の光吸収を利用した、波長可変半導体レーザー光吸収分光法（ＴＤＬＡＳ法）が測定方式として採用される。

図１において、煙道１０は、ガスを流す流路を形成する。本例では、煙道１０の内部空間が測定対象空間１１である。煙道１０は、ボイラまたは燃焼炉から排出されるガスの流路であってよい。ボイラまたは燃焼炉は、石炭、重油、またはごみを燃焼してよい。但し、煙道１０は、ガス流路に限られない。本明細書における煙道１０は、測定対象ガスが流れる内部空間を含む機器であればよく、容器、煙突、排気ダクト、脱硝装置、化学プラント設備、鉄鋼プラント設備、および加熱炉等の各種機器であってよい。

本例において、ガス分析装置１００は、発光側フランジ部２１、受光側フランジ部２２、発光部３０、および受光部４０を備える。発光側フランジ部２１および受光側フランジ部２２は、両端が開口した円筒状に形成されている。本明細書において発光部３０から出射されるレーザー光１の光軸方向をＸ軸方向とする。煙道１０の長手方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸方向およびＺ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とする。

発光側フランジ部２１が、煙道１０の壁部１２に設けられた開口１４に通ずるように壁部１２に固定される。一方、受光側フランジ部２２は、煙道１０を挟んで発光側フランジ部２１に対向する位置において壁部１２に設けられた開口に通ずるように壁部１２に固定される。発光側フランジ部２１および受光側フランジ部２２は、例えば、煙道の壁部１２に溶接等によって固定される。発光側フランジ部２１および受光側フランジ部２２は、ステンレス等の金属材料によって形成されてよい。

発光部３０は、被測定ガスにレーザー光１を照射する。本例では、発光部３０は、煙道１０の壁部１２の開口１４を通じて、測定対象空間１１に向けてレーザー光１を照射する。発光部３０は、レーザー発光素子３１を含むレーザー光源部３２を備えてよい。発光部３０は、筐体３４を備えている。一例において、筐体３４は、一端が開口し他端が閉塞した有底円筒状に形成されてよい。筐体３４は、出射管３５を介して発光側フランジ部２１に取り付けられてよい。

筐体３４内には、レーザー光源部３２が収納されている。発光部３０の出射側にはコリメートレンズ３３が設けられている。コリメートレンズ３３は、レーザー発光素子３１から出射された光を平行光とする。コリメートレンズ３３によって平行光とされたレーザー光１が測定対象空間１１に照射されてよい。本例では、コリメートレンズ３３は、出射管３５の内部に取り付けられている。

受光部４０は、被測定ガスを通過したレーザー光１を受光する。本例では、煙道１０内を通過したレーザー光１を受光する。受光部４０は、受光素子４１を有してよい。受光部４０は、筐体４３を備えている。一例において、筐体４３は、一端が開口し他端が閉塞した有底円筒状に形成されてよい。筐体４３は、入射管４４を介して受光側フランジ部２２に取り付けられてよい。受光素子４１は、筐体４３内に収容されている。受光素子４１の入射側には、集光レンズ４２が設けられてよい。集光レンズ４２は、筐体４３の開口を覆うように設けられてよい。集光レンズ４２は、レーザー光１を受光素子４１の位置に集光する。

ガス分析装置１００は、受光信号処理部６０を備える。受光信号処理部６０は、受光部４０が検出した信号に基づいて被測定ガスの濃度を算出する算出部の一例である。受光信号処理部６０は、受光素子４１と電気的に接続されている。図１では、受光信号処理部６０を受光部４０の筐体４３の外部に示しているが、この場合に限られない。筐体４３内に受光信号処理部６０の少なくとも一部が設けられてよい。

ガス分析装置１００は、発光部用の駆動部３６を備える。駆動部３６は、レーザー発光素子３１を光軸方向（Ｘ軸方向）に沿って移動する。本例では、駆動部３６は、レーザー発光素子３１を含むレーザー光源部３２を光軸方向に沿って移動する。本例では、ガス分析装置１００は、受光部用の駆動部４７を備える。駆動部４７は、受光素子４１を光軸方向（Ｘ軸方向）に移動する。駆動部３６および駆動部４７は、レーザー光１が通過する光路に配置された少なくとも一つの光学素子を移動して、レーザー光１の光路長を変化させる駆動部の例である。

駆動部による移動対象の光学素子には、レーザー発光素子３１、受光素子４１、コリメートレンズ３３、および集光レンズ４２が含まれてよい。ガス分析装置１００の光学系によっては、コリメートレンズ３３の出射面側に発光側窓部が設けられていてもよく、集光レンズ４２の入射面側に受光側窓部が設けられていてもよい。この場合は、発光側窓部および受光側窓部も光学素子に含まれてよい。

本例では、駆動部として、２つの駆動部３６および駆動部４７が備えられる。しかしながら、駆動部は、レーザー発光素子３１および受光素子４１の少なくとも一方を移動させてよい。すなわち、駆動部３６および駆動部４７のどちらか一方は省略されてよい。また、３つ以上の光学素子を移動するために３つ以上の駆動部が設けられてもよい。

駆動部は、光学素子を、レーザー光１の波長λのｎ／２倍の振幅で移動させる。具体的には、発光部用の駆動部３６は、レーザー発光素子３１をレーザー光１の波長λのｎ／２倍の振幅で移動させる。受光部用の駆動部４７は、受光素子４１をレーザー光１の波長λのｎ／２倍の振幅で移動させる。駆動部３６によって、レーザー発光素子３１の位置が、レーザー光１の波長のｎ／２倍（ただし、ｎは整数）だけ異なる２つの状態となり得る。同様に、駆動部４７によって受光素子４１の位置が、レーザー光１の波長のｎ／２倍（ただし、ｎは整数）だけ異なる２つの状態となり得る。受光信号処理部６０は、レーザー発光素子３１等の光学素子の位置が、レーザー光１の波長のｎ／２倍（ただし、ｎは整数）だけ異なる２つの状態において受光部４０が検出した各信号に基づいて、被測定ガスの濃度を算出する。

図２は、発光部３０の一例を示す断面図である。発光部３０は、筐体３４内に、レーザー光源部３２と、駆動部３６とを備える。本例では、筐体３４の一端には、出射管３５が設けられている。出射管３５には、コリメートレンズ３３が取り付けられている。本例では、駆動部３６は、コリメートレンズ３３を移動させなくてよい。したがって、コリメートレンズを固定することができ、煙道１０内のガスが筐体３４内に流入しないように封止することができる。

駆動部３６は、ピエゾ素子を用いたピエゾ振動部３８を備えてよい。ピエゾ振動部３８は、アクチュエータの一例である。駆動部３６には、ピエゾ振動部３８を制御する制御回路を内蔵してよい。制御回路によってピエゾ振動部３８に電圧が印加されることによって、ピエゾ振動部３８が変形するので、ピエゾ振動部３８に接続されたレーザー発光素子３１等を光軸方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。しかしながら、駆動部３６におけるアクチュエータは、ピエゾ振動部３８に限定されない。

駆動部３６の基端は、筐体３４のベース板３７に固定されてよい。駆動部３６の先端には、ピエゾ振動部３８が設けられてよい。ピエゾ振動部３８は、レーザー光源部３２に接続される。レーザー光源部３２は、レーザー発光素子３１を含む。レーザー発光素子３１は熱を生じるため、放熱する必要がある。したがって、発光部３０は、レーザー発光素子３１から発生した熱を放熱させる放熱部７２を備えてよい。本例では、出射管３５が放熱部７２を兼ねており、放熱部７２から筐体３４へと熱が放熱される。しかし、この場合に限られず、筐体３４自体が放熱部７２であってもよく、別途の放熱フィン等が設けられていてもよい。

本例では、放熱部７２とレーザー発光素子３１との相対位置が固定されない。放熱部７２とレーザー光源部３２の間、すなわち、放熱部７２とレーザー発光素子３１の間には、接続部３９が備えられてよい。接続部３９は、レーザー発光素子３１と放熱部７２との間を熱的に接続する。接続部３９は、例えば、放熱グリスである。レーザー光源部３２に放熱フィンを設け、駆動部３６が、レーザー光源部３２および放熱フィンを移動させてもよい。この場合には、レーザー光源部３２および放熱フィンと、出射管３５または筐体３４との間に、放熱グリス等の接続部３９が設けられてよい。接続部３９を設けることによって、レーザー発光素子３１からの放熱を確保しつつ、駆動部３６が、レーザー発光素子３１を移動させることができる。

但し、本例とは異なり、発光部３０においては、放熱を考慮して、レーザー光源部３２が放熱部７２に固定されてもよい。この場合には、発光部用の駆動部３６は省略される。受光部用の駆動部４７が、受光素子４１を移動させてよい。

図３は、受光部４０の一例を示す断面図である。受光部４０は、筐体４３内に、受光素子４１、回路基板４５、および駆動部４７を備える。受光素子４１は、受光素子アダプタ４１ａによって保持されてよい。受光素子アダプタ４１ａには、回路基板４５が接続されてよい。回路基板４５には、増幅器４６が設けられてよい。増幅器４６は、受光素子４１が出力する信号を増幅する。筐体３４の一端には、入射管４４が設けられてよい。入射管４４には集光レンズ４２が設けられていてよい。本例では、駆動部４７は、集光レンズ４２を移動させない。したがって、集光レンズ４２を固定することができ、煙道内のガスが筐体４３内に流入しないにように封止することができる。

駆動部４７は、ピエゾ素子を用いたピエゾ振動部４９を備えてよい。駆動部４７は、ピエゾ振動部４９を制御する制御回路を内蔵してよい。制御回路によってピエゾ振動部４９に電圧が印加されることによって、ピエゾ振動部４９が変形するので、ピエゾ振動部４９に接続された受光素子４１等を光軸方向（Ｘ軸方向）に移動させることができる。但し、駆動部４７は、ピエゾ素子以外のアクチュエータを用いてもよい。

駆動部４７の基端は、筐体４３のベース板４８に固定されてよい。駆動部４７の先端には、ピエゾ振動部４９が設けられてよい。駆動部４７は、受光素子４１と回路基板４５とを共に移動させてよい。具体的には、ピエゾ振動部４９は、受光素子アダプタ４１ａおよび回路基板４５を移動させてよい。例えば、ピエゾ振動部４９は、回路基板４５に接続される。

以上のように、本実施形態のガス分析装置１００は、レーザー光１が通過する光路に配置された少なくとも一つの光学素子を移動して、レーザー光１の光路長を変化させる駆動部を有する。そして、光学素子の位置が、レーザー光１の波長のｎ／２倍（ただし、ｎは整数）だけ異なる２つの状態において受光部４０が検出した各信号に基づいて、被測定ガスの濃度を算出する。光学素子の位置が＋λ・ｎ／４の位置にある状態（但し、λは、レーザー光１の波長であり、ｎは整数）における干渉ノイズと、光学素子の位置が、－λ・ｎ／４の位置にある状態における干渉ノイズとは、位相が逆になる。したがって、このような２つの状態において受光部４０が検出した各信号を平均することによって干渉ノイズを軽減することができる。そえゆえ、ランダムな微動の場合に比べて干渉を軽減することができる。

特に、本実施形態においては、光学素子として、集光レンズではなく、レーザー発光素子３１および受光素子４１の少なくとも一方が移動される。したがって、レーザー発光素子３１等に比べて重い石英レンズ等の集光レンズを移動させる場合と比べて、駆動部３６および駆動部４７の負担を軽くすることができる。それゆえ、駆動部３６および駆動部４７を小型化することができる。

図４は、レーザー光源部３２の一例を示す図である。レーザー光源部３２は、以下に説明するレーザー発光素子３１等の複数の部品をパッケージに収容したユニットとして構成されてよい。図４に示すように、レーザー光源部３２の内部には、波長制御部２０２としての波長走査駆動信号発生部２０４および高調波変調信号発生部２０５ 、電流制御部２０６、レーザー発光素子３１、サーミスタ２０８、ペルチェ素子２１０、および温度制御部２０７が収容されている。

波長走査駆動信号発生部２０４は、被測定ガスの吸収波長を走査するようにレーザー発光素子３１の発光波長を可変とする波長走査信号を発生する。高調波変調信号発生部２０５は、ガス吸収波形を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波信号を生成する。生成された正弦波信号は、変調信号として用いられる。電流制御部２０６は、レーザー駆動信号を、レーザー発光素子３１の駆動電流に変換してレーザー発光素子３１を駆動する。レーザー駆動信号は、波長走査駆動信号発生部２０４で発生させた波長走査信号と高調波変調信号発生部２０５で発生させた正弦波信号とを合成した信号である。

レーザー発光素子３１は、半導体レーザーダイオード（ＬＤ: Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）であってよい。レーザー発光素子３１は、電流制御部２０６から供給される駆動電流に応じてレーザー光１を出射する。サーミスタ２０８は、レーザー発光素子３１の温度を検出するための温度検出素子である。ペルチェ素子２１０は、レーザー発光素子３１を冷却する冷却部である。レーザー発光素子３１は、サーミスタ２０８と接した状態で、配置されてよい。温度制御部２０７は、サーミスタ２０８によって測定された温度に基づいてペルチェ素子２１０を制御する。これにより、レーザー発光素子３１の温度を一定温度に保つことによって、レーザー光１の波長が制御される。

図５は、走査駆動信号の波形図の一例を示す図である。図５は、図４の波長走査駆動信号発生部２０４から出力される電流波形の一例を示している。被測定ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号Ｓ１は、レーザー発光素子３１の駆動電流値を直線的に変化させる。これにより、レーザー発光素子３１による発光波長が徐々に変化する。例えば、０．２ｎｍ程度の吸光特性を走査するように発光波長が変化する。一方、信号Ｓ２は、駆動電流値をレーザー発光素子３１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。更に、信号Ｓ３では、駆動電流値が０ｍＡにされる。なお、トリガ信号は信号Ｓ３と同期する信号である。

図６は、高調波変調信号発生部２０５から出力される変調信号の波形図の一例である。図６は、図４の高調波変調信号発生部２０５から出力される変調信号の波形図である。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７は、電流制御部から出力されるレーザー駆動信号の波形図の一例である。図７は、図４の電流制御部２０６から出力されるレーザー駆動信号を示す。駆動信号Ｓ５がレーザー発光素子３１に供給される。これにより、レーザー発光素子３１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。

図８は、受光信号処理部６０の概略構成を示す図である。図１に示される受光素子４１は、例えばフォトダイオードである。受光素子４１として、レーザー発光素子３１の発光波長に感度を持つ素子が適用される。受光素子４１の出力は、配線を通じて受光信号処理部６０に送られる。

受光信号処理部６０は、Ｉ－Ｖ変換器６１、発振器６２、同期検波回路６３、ローパスフィルタ６４Ａ、ローパスフィルタ６４Ｂ、および演算部６５を備える。Ｉ－Ｖ変換器６１は、受光素子４１の出力を電圧出力に変換する。ローパスフィルタ６４Ａは、電圧出力から高調波ノイズ成分を除去する。ローパスフィルタ６４Ａからの出力信号は、同期検波回路６３に入力される。同期検波回路６３は、ローパスフィルタ６４Ａからの出力信号に、発振器６２からの２ｆ信号（２倍波信号）を加えて、レーザー光１の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみを抽出する。同期検波回路６３の出力信号は、ローパスフィルタ６４Ｂでノイズ除去や増幅が行われ、演算部６５に送られる。演算部６５では、ガス濃度検出のための演算処理を行う。

上記のように構成したガス分析装置１００を用いたガス濃度検出の方法について説明する。まず、事前に、レーザー発光素子３１の温度をサーミスタ２０８により検出する。さらに、図５に示した波長走査駆動信号Ｓ１の中心部分で被測定ガスの濃度を測定できるように、温度制御部２０７によりペルチェ素子２１０の通電を制御してレーザー発光素子３１ の温度を所望の温度に保つ。

ペルチェ素子２１０が、レーザー発光素子３１の温度を所望の温度に保ちながら、電流制御部２０６は、ドライブ電流を変化させることによりレーザー発光素子３１を駆動する。この結果、被測定ガスが存在する煙道１０内に向けて測定用のレーザー光１が照射される。被測定ガスを通過したレーザー光１は、受光素子４１へ入射する。被測定ガスによるレーザー光１の吸収がある場合は、同期検波回路６３によって２倍波信号が検出され、ガスの吸収波形が現れる。

図９は、受光信号、同期検波回路の出力信号、およびトリガ信号の一例を示す図である。図９は、被測定ガスを検出しているときの同期検波回路６３の出力波形を示す。続いて、演算部６５には、波長走査駆動信号発生部２０４からトリガ信号が入力される。トリガ信号は、上記の信号Ｓ１、信号Ｓ２、および信号Ｓ３を含めた１周期ごとに出力される信号である。トリガ信号は、レーザー光源部３２の波長走査駆動信号発生部２０４より出力される。トリガ信号は、通信線を介して受光信号処理部６０の演算部６５へ入力される。トリガ信号は、上述の波長走査駆動信号のＳ３と同期がとれている。

図９において、点線で囲まれた領域Ａの部分は被測定ガスが存在する場合に得られる出力波形である。図９に示されるように、トリガ信号の印加開始時点から所定時間ｔｂ、ｔｃ、ｔｄ経過したときに、同期検波回路６３の出力波形において最小値Ｂ 、最大値Ｃ、最小値Ｄが検出される。これら所定時間ｔｂ、ｔｃ、ｔｄは、工場出荷前または校正時に実験的に予め算出しておいてメモリに登録されてよい。

演算部６５は、トリガ信号の印加開示時点から所定時間ｔｂ、ｔｃ、ｔｄ経過するときに同期検波回路６３の出力波形の値を読みとって記憶する。そして、演算部６５は、記憶された出力波形から濃度を算出する。同期検波回路の出力波形はその波形のピークにある最大値Ｃがそのままガス濃度に対応する。したがって、演算部６５は、最大値Ｃに関連づけられた値を被測定ガスの成分濃度として出力してよい。これに代えて、演算部６５は，最大値Ｃから最小値Ｂ、最小値Ｄを減じた差分値に関連づけられた値を濃度として出力してよい。このように、トリガ信号に応じて、演算部６５は、１オフセットごとに被測定ガスの濃度を測定する。

上述した方法によりガス濃度検出が可能となる。光源にレーザー発光素子３１を使用しているため、通常の光源に比べて高いコヒーレンス性によって、例えばレーザー発光素子３１とコリメートレンズ３３の入射面との問、集光レンズ４２と受光素子４１との聞などでレーザー光１の一部が多重反射し、この多重反射光が干渉ノイズとなり得る。

この干渉ノイズを低減させるために、本実施形態では、図１から図３において説明したとおり、駆動部３６および駆動部４７により、レーザー発光素子３１および受光素子４１の少なくとも一方を、レーザー光１の波長のｎ／２倍の振幅で振幅移動させる。これにより、集光レンズをランダムに微動させる場合に比べて、干渉を軽減することができる。

図１０は、駆動部による振動波形の一例である。図１０の横軸は、時間を示し、縦軸は振動変位を示す。図１０に示されるとおり、駆動部は、光学素子を移動する位置の振幅波形を、三角波で制御してよい。具体的には、駆動部３６は、レーザー発光素子３１をレーザー光１の波長λのｎ／２倍の振幅で光軸方向（Ｘ軸方向）に振動させる。駆動部３６は、レーザー発光素子３１を±λ／４の位置に移動させる。波長λが１．６μｍから２μｍｎ場合には、レーザー発光素子３１を±０．４μｍから±０．５μｍ程度に移動させる。同様に、駆動部４７は、受光素子４１をレーザー光１の波長λのｎ／２倍の振幅で光軸方向（Ｘ軸方向）に振動させる。本例では、ｎ＝１である。

ピエゾ振動部３８の振動の周期は、図５に示される波長走査駆動信号Ｓ１の周期と同期してよい。ピエゾ振動部３８の振動の周期は、波長走査駆動信号Ｓ１の周期のｎ倍（但し、ｎは整数）であってよい。換言すれば、ピエゾ振動部３８の振動の周波数をｆとし、波長走査駆動信号の周波数をｆ_ｓ１とすると、ｆ＝ｆ_ｓ１／ｎ（但し、ｎは整数）であってよい。図９に示されるとおり、波長走査駆動信号Ｓ１と受光部４０による測定タイミング（同期検波回路の出力）とは同期する。したがって、受光部４０は、駆動部３６が光学素子を移動させる周期と同期して、レーザー光１の強度を測定してよい。特に、受光部４０が検出した信号に基づいて同期検波回路出力を取得する周期と、駆動部３６が光学素子を移動させる周期とが同期してよい。例えば、駆動部３６および同期検波回路出力が、共通のクロック信号に応じて動作する。

駆動部３６によってレーザー光源部３２とコリメートレンズ３３との聞の距離を変化させるとレーザー光源部３２とコリメートレンズ３３の表面と聞の多重反射光によって発生している干渉光の強度は、干渉発生条件が変化するため変動する。この干渉光変動の周波数は、駆動部３６におけるピエゾ振動部３８の振動周波数に等しい。そこで、振動周波数成分を除去可能なローパスフィルタ等のフィルタ処理によって検出信号から干渉ノイズを除去してもよい。

また、レーザー発光素子３１の位置が＋λ・ｎ／４の位置にある状態（但し、λは、レーザー光１の波長であり、ｎは整数）における干渉ノイズと、レーザー発光素子３１の位置が、－λ・ｎ／４の位置にある状態における干渉ノイズとは、位相が逆になる。したがって、このような２つの状態において受光部４０が検出した各信号を平均することによって干渉ノイズを軽減することができる。そえゆえ、ランダムな微動の場合に比べて、干渉ノイズを軽減することができる。

１回の測定周期（オフセット）おいて、１つの測定値を取得し、４回の平均化を行うことで、干渉光の強度の低減を図ってよい。変位の変化が直線である三角波で光学素子が移動する位置を制御することで、効率よく干渉ノイズを除去できる。

図１１は、駆動部における駆動波形の他の例である。図１１の横軸は、時間を示し、縦軸は振動変位を示す。図１１に示されるとおり、駆動部は、光学素子を移動する位置の振幅波形を、正弦波で制御してよい。本例においても、レーザー発光素子３１の位置が、レーザー光１の波長のｎ／２倍（ただし、ｎは整数）だけ異なる２つの状態において受光部４０が検出した各信号に基づいて、被測定ガスの濃度を算出することができる。したがって、干渉ノイズを軽減することができる。

図１２は、駆動部における駆動波形の他の例である。図１２の横軸は、時間を示し、縦軸は振動変位を示す。図１２に示されるとおり、駆動部は、光学素子が移動する位置の振幅波形を、矩形波で制御してよい。例えば、被測定ガスの濃度をＴ秒（例えば１秒間）の平均値によって算出する場合には、前半のＴ／２間の時間では、駆動部３６は、レーザー発光素子３１の位置を＋λ／４に移動させる。後半のＴ／２間の時間では、駆動部３６は、レーザー発光素子３１の位置を－λ／４に移動させる。本例では、矩形波の周期は、測定周期（オフセット）の整数倍である。図１２に示される例では、矩形波の周期は、測定周期（オフセット）の８倍である。

レーザー発光素子３１の位置が＋λ・ｎ／４の位置にある状態（但し、λは、レーザー光１の波長であり、ｎは整数）における干渉ノイズと、レーザー発光素子３１の位置が、－λ・ｎ／４の位置にある状態における干渉ノイズとは、位相が逆になる。したがって、このような２つの状態において受光部４０が検出した各信号を平均することによって干渉ノイズを軽減することができる。駆動部３６は、測定周波数に比べてピエゾ振動部３８の振動の周波数を低くすることができる。したがって、アクチュエータとしてのピエゾ振動部３８を高速に動作させる必要がないので、ピエゾ振動部３８を安定的に動作させやすい。

図１０、図１１、および図１２においては、レーザー発光素子３１の位置が±λ／４となり、振幅がλ／２となるように、駆動部３６がレーザー発光素子３１を移動させる場合を説明した。しかしながら、本実施形態のガス分析装置１００は、この場合に限られない。駆動部３６は、レーザー発光素子３１を±２λ／４（±λ／２）の位置に移動させてもよく、レーザー発光素子３１を±３λ／４の位置に移動させてもよい。

図１３は、駆動部における駆動波形の他の例である。図１３の横軸は、時間を示し、縦軸は振動変位を示す。図１３に示されるとおり、本例においては、レーザー発光素子３１の振動変位が時間に応じて変化する。最初の１オフセットにおいては、駆動部３６は、レーザー発光素子３１を＋λ／４の位置に移動させた状態において、受光信号処理部６０は、ガス濃度の測定値を得る。次の１オフセットにおいては、レーザー発光素子３１を＋２λ／４（＋λ／２）の位置に移動させた状態において、受光信号処理部６０は、ガス濃度の測定値を得る。次いで、次の１オフセットにおいては、レーザー発光素子３１を＋３λ／４の位置に移動させた状態において、受光信号処理部６０は、ガス濃度の測定値を得る。

同様に、駆動部３６は、レーザー発光素子３１を－λ／４、－２λ／４（－λ／２）、－３λ／４に移動させる。各状態において、受光信号処理部６０は、ガス濃度の測定値を得る。図１３に示されるとおり、波長λ／４の整数倍ではなく、波長λ／４ｎ（ｎは整数）の位置にレーザー発光素子３１を移動させる時間区間があってもよい。このように、被測定ガスの濃度を時間Ｔの平均値によって算出して出力する場合に、時間Ｔの間に、駆動部３６による光学素子の移動振幅を順次変化させるようにしてもよい。

λ・ｎ／２を満たす条件において複数の振幅を組み合わせることで、レーザー発光素子３１と受光素子４１との間に介在する光学系にかかわらずノイズの低減が可能となる。

干渉が除去可能な最小の振幅（λ／２）の整数倍の振幅で光学素子を振動させる場合、干渉除去効果が発揮される。ただし、発光部３０と受光部４０の光学系の機体差により最適な振幅は異なる。したがって、初めから複数の振幅（λ／２、２λ／２、３λ／２）で光学素子を移動させ、平均化することで干渉ノイズを効果的に除去できる。なお、図１０から図１３においては、駆動部３６がレーザー発光素子３１を移動させる場合を説明したが、駆動部４７が受光素子４１を移動させる場合も同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。

図１４は、本実施形態において受光素子４１を±λ／４に移動させたときの測定波形、および平均化波形の例である。受光素子４１を＋λ／４に移動させたときの測定波形５と、受光素子４１を－λ／４に移動させたときの測定波形６とは、位相が逆になる。したがって、このように、受光素子４１の位置が、レーザー光１の波長のｎ／２倍（ただし、ｎは整数）だけ異なる２つの状態において受光部４０が検出した各信号を平均することにより得られた平均化波形７に示されるとおり、干渉ノイズが軽減される。

図１５は、本発明の第２実施形態におけるガス分析装置１００の概略構成を示す断面図である。本実施形態は、図１に示される第１実施形態のガス分析装置１００に比べて発光部５０が異なる。発光部５０を除いて、本実施形態のガス分析装置１００は、第１実施形態の構造と共通する。したがって、繰り返しの説明を省略する。本実施形態のガス分析装置１００においては、発光部５０は、レーザー発光素子として、第１発光素子５１および第２発光素子５２を備える。第１発光素子５１および第２発光素子５２は、筐体５４内に設けられる。第１発光素子５１および第２発光素子５２は、互いに発光波長が異なる複数の発光素子である。第１発光素子５１は、第１レーザー光３を出射する。第２発光素子５２は、第２レーザー光２を出射する。

被測定ガス成分によっては、第１発光素子５１および第２発光素子５２の一方が、発光波長帯域０．７以上２．５μｍである近赤外線発光素子であってよく、他方が発光波長帯域３μｍ以上１０μｍ以下の中赤外線発光素子であってよい。

本例では、第２レーザー光２をコリメートするために凹面鏡５３が設けられている。凹面鏡５３の中央部には開口が設けられてよい。凹面鏡５３の裏面側に置かれた第１発光素子５１から、開口を通じて第１レーザー光３が出射される。なお、第１発光素子５１から出力された第１レーザー光３をコリメートするためのマイクロレンズが凹面鏡５３の裏面側に設けられてもよい。但し、互いに発光波長が異なる複数の発光素子を有する限り、光学系は、図１５に示される構造に限定されない。本例においては、発光部用の駆動部が設けられていない。受光部用の駆動部４７が設けられている。駆動部４７は、受光素子４１を移動させる。

発光部５０は、第１発光素子５１および第２発光素子５２のうち、いずれかの発光素子を選択して発光させる。駆動部４７は、発光している発光素子の発光波長に応じた振幅で受光素子４１を移動させる。例えば、第１発光素子５１が、発光波長帯域０．７以上２．５μｍである近赤外線発光素子であれば、駆動部４７は、λ_１・ｎ／２の振幅、例えば、０．３５μｍ以上１．２５μｍ以下の振幅（ｎ＝１の場合）で受光素子４１を移動させる。同様に、第２発光素子５２が、発光波長帯域３μｍ以上１０μｍ以下の中赤外線発光素子であれば、駆動部４７は、λ_２・ｎ／２、例えば、１．５μｍ以上５μｍ以下の振幅（ｎ＝１の場合）で受光素子４１を移動させる。したがって、第２発光素子５２を発光させる場合は、第１発光素子５１を発光させる場合に比べて、受光素子４１を移動させる振幅が大きくなる。

発光部５０側に駆動部を設ける場合には、第１発光素子５１および第２発光素子５２を移動するために複数の駆動部が必要となる。また、発光部５０の構造が複雑なので、駆動部を設けることが難しい。しかしながら、本例によれば、駆動部４７は、発光している発光素子の発光波長に応じた振幅で受光素子４１を移動させることができるので、駆動部（アクチュエータ）の数を増やすことなく、複数のガス種類に対応したレーザー式ガス分析計を提供することが可能となる。

被測定ガスの濃度を時間Ｔの平均値によって算出する場合には、時間Ｔのうちで、発光部５０は、第１発光素子５１および第２発光素子５２を順次選択して発光させてよい。この場合も、駆動部４７は、駆動部４７は、発光している発光素子の発光波長に応じた振幅で受光素子４１を移動させる。

図１６は、駆動部４７による振動波形の一例である。本例においては、±λ・ｎ／４（ｎは整数）において、ｎ＝４の場合を示している。本例では、第１の測定周期（オフセット）では、第１発光素子５１を発光させて第１波長λ_１の第１レーザー光３を出射する。そして、受光素子４１の位置を、＋λ_１（＋λ_１・ｎ／４ 但し、ｎ＝４）に移動させる。次いで、第１発光素子５１の発光を停止し、第２発光素子５２を発光させる。これにより、第２波長λ_２の第２レーザー光２を出射させる。そして、受光素子４１の位置を＋λ_２（＋λ_２・ｎ／４ 但し、ｎ＝４）に移動させる。次いで、第２発光素子５２の発光を停止し、第１発光素子５１を発光させる。そして、受光素子４１の位置を、－λ_１に移動させる。次いで、第１発光素子５１の発光を停止し、第２発光素子５２を発光させる。そして、受光素子４１の位置を－λ_２に移動させる。以上の処理が繰り返される。

受光素子４１を、＋λ_１、－λ_１、＋λ_２、および－λ_２の順で振動させるように移動する場合に比べて、各オフセット間において、アクチュエータであるピエゾ振動部４９の移動量を低減することができる。したがって、複数の波長λ_１、λ_２を有する複数の発光素子を順次選択する場合には、基準の位置から見て第１方向（＋Ｘ軸方向）において、それぞれの波長λ_１、λ_２に応じた位置＋λ_１・ｎ／４および＋λ_２・ｎ／４に順次に移動した後に、第１方向と反対の第２方向（－Ｘ軸方向）において、それぞれの波長λ_１、λ_２に応じた位置－λ_１・ｎ／４および－λ_２・ｎ／４に順次に移動してよい。

但し、受光素子４１等の光学素子を移動する順番は、この場合に限定されない。被測定ガスの濃度を出力する間隔である時間Ｔごとに、光学素子を移動する順番を変更してもよい。

図１７は、本実施形態におけるガス分析装置１００の処理内容を示すフローチャートである。発光部５０は、第１発光素子５１を選択して発光させる（ステップＳ１０１）。駆動部４７は、発光している第１発光素子５１の発光波長λ_１に応じた振幅で受光素子４１を移動させる。第１レーザー光３の波長λ_１のｎ／２倍（ただし、ｎは整数）だけ異なる２つの状態において受光部４０が検出した各信号に基づいて、被測定ガスの濃度を算出する（ステップＳ１０３）。

次いで、発光部５０は、第２発光素子５２を選択して発光させる（ステップＳ１０４）。駆動部４７は、発光している第２発光素子５２の発光波長λ_２に応じた振幅で受光素子４１を移動させる。第２レーザー光２の波長λ_２のｎ／２倍（ただし、ｎは整数）だけ異なる２つの状態において受光部４０が検出した各信号に基づいて、被測定ガスの濃度を算出する（ステップＳ１０６）。

なお、ステップＳ１０２において、波長λ_１に応じて、受光素子４１を光軸に沿って振幅ｎλ_１／２で振動させて、２つの位置±ｎλ_１／４の位置にあるときに、受光部４０が検出した信号を取得してもよい。同様に、ステップＳ１０５において、波長λ_２に応じて、受光素子４１を光軸に沿って振幅ｎλ_２／２で振動させて、２つの位置±ｎλ_２／４の位置にあるときに、受光部４０が検出した信号を取得してもよい。一方、図１６に示されるとおり、駆動部４７は、＋ｎλ_１／４、＋ｎλ_２／４、－ｎλ_１／４、および－ｎλ_２／４の並び順で順次に受光素子４１を移動させ、受光素子４１がそれぞれの位置にあるときに、受光部４０が検出した信号を取得してもよい。

以上の説明では、光学素子として、受光素子４１およびレーザー発光素子３１の少なくとも一方を駆動部が移動させる場合を説明した。しかしながら、集光レンズ４２等を移動できる構造の場合には、駆動部が、集光レンズ４２等の他の光学素子を移動させてもよい。この場合も、光学素子の位置が、レーザー光の波長のｎ／２倍（ただし、ｎは整数）だけ異なる２つの状態において受光部が検出した各信号に基づいて、被測定ガスの濃度を算出する。これにより、集光レンズをランダムに移動させる場合に比べて、干渉ノイズを低減することができる。特に、受光部４０および受光信号処理部６０は、駆動部が光学素子を移動させる周期と同期して、レーザー光の強度を測定し、信号処理してよいので、効率的に振動を除去することが出来るガス分析装置を提供できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。

１・・レーザー光、２・・第２レーザー光、３・・第１レーザー光、５・・測定波形、６・・測定波形、７・・平均化波形、１０・・煙道、１１・・測定対象空間、１２・・壁部、１４・・開口、２１・・発光側フランジ部、２２・・受光側フランジ部、３０・・発光部、３１・・レーザー発光素子、３２・・レーザー光源部、３３・・コリメートレンズ、３４・・筐体、３５・・出射管、３６・・駆動部、３７・・ベース板、３８・・ピエゾ振動部、３９・・接続部、４０・・受光部、４１・・受光素子、４２・・集光レンズ、４３・・筐体、４４・・入射管、４５・・回路基板、４６・・増幅器、４７・・駆動部、４８・・ベース板、４９・・ピエゾ振動部、５０・・発光部、５１・・第１発光素子、５２・・第２発光素子、５３・・凹面鏡、５４・・筐体、６０・・受光信号処理部、６１・・Ｉ－Ｖ変換器、６２・・発振器、６３・・同期検波回路、６４・・ローパスフィルタ、６５・・演算部、７２・・放熱部、１００・・ガス分析装置、２０２・・波長制御部、２０４・・波長走査駆動信号発生部、２０５・・高調波変調信号発生部、２０６・・電流制御部、２０７・・温度制御部、２０８・・サーミスタ、２１０・・ペルチェ素子

Claims (11)

1. 被測定ガス中に含まれる成分を分析するガス分析装置であって、
   発光波長の異なる発光素子を２つ有し、前記被測定ガスにレーザー光を照射する発光部と、
   受光素子を有し、前記被測定ガスを通過した前記レーザー光を受光する受光部と、
   前記レーザー光が通過する光路に配置された少なくとも一つの光学素子を移動して、前記レーザー光の光路長を変化させる駆動部と、
   前記光学素子の位置が、前記レーザー光の波長の１／２倍だけ異なる２つの状態において前記受光部が検出した各信号に基づいて、前記被測定ガスの濃度を算出する算出部と
   を備え、
   前記発光部は、２つの前記発光素子を順次選択して発光させ、
   前記駆動部は、前記レーザー光の光軸方向の第１方向において、順次発光しているそれぞれの前記発光素子の発光波長に応じた位置に前記受光素子を順次移動させた後に、前記レーザー光の光軸方向の前記第１方向と反対の第２方向において、順次発光しているそれぞれの前記発光素子の発光波長に応じた位置に前記受光素子を順次移動させる
   ガス分析装置。
2. 被測定ガス中に含まれる成分を分析するガス分析装置であって、
   発光波長の異なる発光素子を２つ有し、前記被測定ガスにレーザー光を照射する発光部と、
   受光素子を有し、前記被測定ガスを通過した前記レーザー光を受光する受光部と、
   前記レーザー光が通過する光路に配置された少なくとも一つの光学素子を移動して、前記レーザー光の光路長を変化させる駆動部と、
   前記光学素子の位置が、前記レーザー光の波長の３／２倍だけ異なる２つの状態において前記受光部が検出した各信号に基づいて、前記被測定ガスの濃度を算出する算出部と
   を備え、
   前記発光部は、２つの前記発光素子を順次選択して発光させ、
   前記駆動部は、前記レーザー光の光軸方向の第１方向において、順次発光しているそれぞれの前記発光素子の発光波長に応じた位置に前記受光素子を順次移動させた後に、前記レーザー光の光軸方向の前記第１方向と反対の第２方向において、順次発光しているそれぞれの前記発光素子の発光波長に応じた位置に前記受光素子を順次移動させる
   ガス分析装置。
3. 前記駆動部は、前記光学素子を、前記レーザー光の波長の１／２倍の振幅で移動させる
   請求項１に記載のガス分析装置。
4. 前記受光部は、前記駆動部が前記光学素子を移動させる周期と同期して、前記レーザー光の強度を測定する
   請求項３に記載のガス分析装置。
5. 前記発光部は、いずれかの前記発光素子を選択して発光させ、
   前記駆動部は、発光している前記発光素子の発光波長に応じた振幅で前記受光素子を移動させる
   請求項１から４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
6. 前記発光部は、前記発光素子の熱を放熱させる放熱部を更に有し、
   前記駆動部は、前記受光素子を移動させる
   請求項１から５のいずれか一項に記載のガス分析装置。
7. 被測定ガス中に含まれる成分を分析するガス分析装置であって、
   前記被測定ガスにレーザー光を照射する発光部と、
   前記被測定ガスを通過した前記レーザー光を受光する受光部と、
   前記レーザー光が通過する光路に配置された少なくとも一つの光学素子を移動して、前記レーザー光の光路長を変化させる駆動部と、
   前記光学素子の位置が、前記レーザー光の波長の１／２倍だけ異なる２つの状態において前記受光部が検出した各信号に基づいて、前記被測定ガスの濃度を算出する算出部と
   を備え、
   前記発光部は発光素子を有し、
   前記受光部は受光素子を有し、
   前記発光部は、
   前記発光素子の熱を放熱させる放熱部と、
   前記発光素子と前記放熱部との相対位置を固定せずに、前記発光素子と前記放熱部との間を熱的に接続する接続部と
   を有し、
   前記駆動部は、前記発光素子を移動させる
   ガス分析装置。
8. 被測定ガス中に含まれる成分を分析するガス分析装置であって、
   前記被測定ガスにレーザー光を照射する発光部と、
   前記被測定ガスを通過した前記レーザー光を受光する受光部と、
   前記レーザー光が通過する光路に配置された少なくとも一つの光学素子を移動して、前記レーザー光の光路長を変化させる駆動部と、
   前記光学素子の位置が、前記レーザー光の波長の３／２倍だけ異なる２つの状態において前記受光部が検出した各信号に基づいて、前記被測定ガスの濃度を算出する算出部と
   を備え、
   前記発光部は発光素子を有し、
   前記受光部は受光素子を有し、
   前記発光部は、
   前記発光素子の熱を放熱させる放熱部と、
   前記発光素子と前記放熱部との相対位置を固定せずに、前記発光素子と前記放熱部との間を熱的に接続する接続部と
   を有し、
   前記駆動部は、前記発光素子を移動させる
   ガス分析装置。
9. 前記受光部は、前記受光素子が出力する信号を増幅する増幅器が設けられた回路基板を更に有し、
   前記駆動部は、前記受光素子および前記回路基板を移動させる
   請求項１から８のいずれか一項に記載のガス分析装置。
10. 前記駆動部は、前記光学素子が移動する位置の振幅波形を、三角波で制御する
    請求項１から９のいずれか一項に記載のガス分析装置。
11. 前記駆動部は、前記光学素子が移動する位置の振幅波形を、矩形波で制御する
    請求項１から９のいずれか一項に記載のガス分析装置。

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