JPS63308539A - 超小型ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ガスの濃度等を光学的に検出させるための電
池内蔵の超小型に形成されたガスセンサに関するもので
ある。

（従来の技術） 従来、ガスの濃度を測定づ−るためのガスセンサとして
、例えば電解液中に設けられた電極間に電圧を印加し、
ガスを陽極酸化さけて、このとき流れる電流を測定する
ことによってガスの濃度を検出させる電気化学反応方式
のガスセンサや、金属酸化物の半導体に還元性ガスを吸
着させたとき、その電気伝導度が増加する現象を利用し
た半導体方式のガスセンサなどがあった。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上記従来のガスセンサのうち、電気化学反
応方式のガスセンサは電解液を用いているため寿命が短
く、かつ外形寸法が大きく高価であるという問題があっ
た。また、半導体方式のガスセンサの場合は、金属酸化
物半導体の焼結体、焼結膜、あるいは薄膜などからなる
感応体部と、これを加熱するヒータ、及び防爆用のネッ
トなどで構成されているため、外形寸法を小さくするこ
とに限界があった。そのため、狭小な場所に直接ガスセ
ンサを取付けたりすることが極めて困難であるという問
題と、ガスセンサが屋内の天井等に取付けられた場合に
目立ち過ぎてインテリア性を失うなどという問題があっ
た。

さらに、従来のガスセンサは一般に電源として交流１０
０Ｖを必要とするため、交流１００Ｖ電源が容易に供給
できる場合に取付けることが必要条件となり、もし、交
流１００Ｖ電源が無い場所にガスセンサを取付ける場合
は、電源として電池を用いていたが、常時電源を供給し
ていなければならないため、電池の消耗が早く、実用的
ではないという問題があった。さらにアルコール等の雑
ガスにより誤動作をすることがあるという問題があった
。

そこで本発明においては、上記従来の問題点を解決する
ためＬＳＩ（ラージスケールインテグレーテッドサーキ
ット）等微細加工用写真技術などを利用することにより
、光ファイバの特性を有する光導波路を超小型に形成し
、ざらに光導波路に接続される光電部、演算部、電源部
等をワンチップ状に−・体化することによりガスセンサ
全体を超小型にするとともに、特定のガスに対してのみ
吸収される波長の光を測定光として用い、同ガスの吸収
されない波長の光を基準光として用いることにより他の
ガスの影響を受りずに濃度等を検出させ、また、電源と
して電池を用い、かつ上記測定光、基準光の発光におい
ては時間間隔を明けたパルス光とすることにより電池の
消耗を少なくして電池の寿命を長くすることを技術的課
題とするものである。

（問題点を解決するための手段） 上記課題解決のための技術的手段は、ガスの濃度等を光
学的に検出させるための超小型ガスセンサを、光ファイ
バのクラッドに対応した特性を有する薄板状の小さな基
盤と光ファイバのコアに対応した特性を有して前記基盤
にうず巻き状に形成された導波路とから成る光導波路と
、前記ガスにより吸収される波長の測定光を発光する測
定光発光手段と、前記ガスにより吸収されない波長の基
準光を発光する基準光発光手段と、前記測定光発光手段
と前記基準光発光手段それぞれに対して前記測定光と前
記基準光とをそれぞれパルス状に、かつ一定時間毎に間
欠的に発光させるための発光信号を出力する発光制御手
段と、前記測定光発光手段から発光された前記パルス状
の測定光と前記基準光発光手段から発光された前記パル
ス状の基単光とを合波と、合波した光を前記光導波路に
伝送する光合波手段と、前記光合波手段からの前記合波
光が前記導波路中を伝搬したあと、同導波路から出光し
た前記測定光と基準光とを受光したうえ測定光の受光け
ど基準光の受光量それぞれに対応した電気信号を出力す
る受光手段と、前記受光手段から出力された前記測定光
の受光量対応の電気信号と前記基準光の受光量対応の電
気信号とを入力して前記ガスの濃度等を演算づる演算手
段とのそれぞれを一体的に集合形成することである。

（作　用） 上記構成の超小型ガスセン４ノーに依れば、発光制御手
段は測定光発光手段と基準光発光手段とに対し、一定時
間毎に前記測定光と前記基準光とをそれぞれパルス状に
、かつ一定の出力で発光させるための発光信号を出力す
る。測定光発光手段から発光されたパルス状の測定光と
、基準光発光手段から発光されたパルス状の基準光は光
合波手段により合波され、直列光となってうず巻き状に
形成された導波路を伝搬する。導波路中を測定光が伝搬
する過程で、導波路外に発生する測定光のエバネッセン
ト波が被検出ガスにより吸収される一方、基準光は被検
出ガスにより吸収されない状態で、導波路から出光した
測定光と基準光は受光手段で受光され、受光手段から測
定光の受光量と基準光の受光量それぞれに対応した電気
信号を演算手段に出力する。演算手段は上記測定光の受
光量対応の電気信号をｖ１基準光の受光量対応の電気信
号をＶＯとし、ガス濃度Ｐを次式に基づいて演算する。

Ｖ／Ｖｏ＝ｅｘｐ　（−ａｐｊｌ　）　　　　（１）た
だし、αは光吸収率、ρは導波路長である。

上記式（１）から明らかなように導波路長ｐの長さが長
いはどＶ／Ｖｏが小さくなり、いわゆるガス濃度検出感
度を上げるものである。

（実施例） 次に本発明の実施例を図面に従って説明する。

第１図は、超小型ガスセンサの全体系統を示したブロッ
ク図であり、第２図は、光導波路の断面図である。第１
図に示した光導波路１は、第２図の断面図に示すように
、光ファイバのクラッドに相当する極めて薄い導波路基
盤２に、ＬＳＩ等の製造等に用いられる写真技術、即ち
微細加工技術を用いることにより、光ファイバのコアに
相当する導波路３をうず巻き状に形成したものである。

例えば直径１　ｃｕｔの上記導波路基盤２に直径が例え
ば５０μｍの導波路３をうず巻き状に形成する場合、導
波路３の１巻当りの長さは約３．１４ｃｍとなるため、
延１００ｃｍの長さのうず巻き状の導波路３を形成する
場合のターン数は １００ｃｍ／　３．１４　ｃｍ＝３１．８となるため約
３２本のうず巻きを作れば良いことになる。

上記光導波路１に形成された導波路３の一方の開口端は
、レーザ発光部４に接合される入光口３Ａとなる一方、
導波路３の他方の間口端は、後述の測定光及び基準光を
受光するフォトダイオード５に接合される出光口３Ｂと
なる。

レーザ発光部４は、被検出ガスを例えばメタン（ＣＨ４
）として、メタンにより吸収される波長の測定光を発光
させるレーザダイオード４Ａと、メタンにより吸収され
ない波長の基準光を発光させるレーザダイオード４Ｂと
、上記測定光と基準光とを合波したうえ両光を直列光に
して前記入光口３Ａに入光させる光合波器４Ｃとを内蔵
している。

レーザ発光部４はマイクロコンビコータ６と接続されて
おり、マイクロコンピュータ６から前記レーザダイオー
ド４Δと４Ｂとに対して発光信号を出力する。マイクロ
コンピュータ６から出力される発光信号は、第４図に示
すように例えば測定光を１０ミリ秒、基準光を１０ミリ
秒それぞれ続けて同じ発光レベルで発光させ、１０秒の
間隔を置いて再び測定光、基準光をそれぞれ１０ミリ秒
間づつ発光させるという間欠発光をさせるためのもので
ある。一方、前記フォトダイオード５は上記マイクロコ
ンピュータ６と接続されており、前記導波路３の出光口
３Ｂから出光した測定光及び基準光それぞれの受光量対
応の電気信号をマイクロコンピュータ６に出力する。マ
イクロコンビコータ６は、フォトダイオード５から出力
された上記電気信号を入力したうえ後述の作用によりメ
タンの濃度を演算する。電池７は本実施例の超小型ガス
センサの電源として設りられ、電池７の出力電圧は安定
化電源８により所定の電圧に安定化されたあと、レーザ
発光部４、フォトダイオード５、マイクロコンピュータ
６等に供給される。電池７、安定化電ｆｆ１８は、例え
ばＩＣカードのようにチップ状にして組込むことにより
全体の形状を超小型に形成するものである。

次に、上記構成による実施例の作用を説明する。

上記超小型ガスセンサが例えばメタン発生場所に設置さ
れた状態で、マイクロコンピュータ６はレーザダイオー
ド４Ａに対して測定光発光用の発光信号を出力し、レー
ザダイオード４Ａからメタンにより吸収される波長例え
ば１．３μｍ帯の測定光を所定の先組で１０ミリ秒間発
光させ、続いてメタンにより吸収されない波長の基準光
を測定光と同一の先出で１０ミリ秒間レーデダイオード
４Ｂから発光させる。レーザダイオード４Ａから発光さ
れた測定光及びレーザダイオード４Ｂから発光された基
準光は光合波器４Ｃで合波され、直列状の光にされて光
導波路１の入光口３Ａから導波路３に入光し、うず巻き
状に形成された導波路３を伝搬する。測定光が導波路３
を伝搬する過程で、第３図に示すように導波路基板２の
外側に測定光のエバネッセント波１０が発生し、メタン
と接触したとき、エバネッセント波１０がメタンにより
吸収される。そのため、測定光は導波路３を伝搬する途
中で減衰し、導波路３の出光口３Ｂから出光してフォト
ダイオード５で受光される時点での測定光はメタンガス
の濃度に対応した吸収を受けたあとの光量となる。

一方、基準光はロタンによって吸収されないため、はと
んど減衰することなくフォトダイオード５で受光される
。フォトダイオ−−ド５により受光された測定光光量対
応の出力信号をＶ１フォトダイオード５により受光され
た基準光光量対応の出力信号を■０とし、さらに、メタ
ンの光吸収率をａ　（０，０５４ａｔｍ−’　６　ｃｍ
−’＞　、導波路３の長さρを（ｃｍ＞、ガス濃度をＤ
（１）Ｆｌｍ）とすると、メタンによる吸収式は Ｖ／Ｖｏ＝ｅｘｐ　　（−ａｐｆＪ　）　　　　　（３
）となり、式（３）から、ガス濃度ｐを求める式（４）
が導かれる。上記式（４）により今、導波路長ρ＝　１
ＱＱｃｍ、　（Ｘ＝　０．０５４　ａｔｍ−１−ｃｍ−
’　　Ｖ／ＶＯ−０，９８４ｒある場合、ガスＳ度ｐは
５０００１００ｍとなる。

なお、メタンのガス濃度ｐを５０００　ｔ）ｐｍとして
導波路３の長さｆを１０００ｃｍにした場合には、式（
３）からＶ／ＶＯ＝　０．８５となるため、ガス濃度の
検出感度を向上させることができる。またマイクロコン
ピュータ６に表示器及び圧電ブザー等を接続することに
よってガス濃度を表示さ往ることができる。

（発明の効果） 以上のように本発明に依れば、光ファイバのコアに相当
する導波路を、光ファイバのクラッドに相当する薄板状
の基盤にうず巻き状に形成することによって所要の導波
路長を確保し、さらに測定光発光手段、基準光発光手段
、受光手段、演算手段及び電池等を一体的に、かつコン
パクトに形成することによってガスセンサを超小型に構
成できるため、ガスセンサの設定場所を限定することな
く、かつ室内等のインテリア性を失うことがないように
設置することができ、また、測定光、基準光の発光を間
欠的に行うために、電池の寿命を長くすることができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は実施例に係り、第１図は超小型ガスセンサの全体
系統図、第２図は光導波路の部分断面図、第３図及び第
４図は作用説明図である。 １・・・光導波路 ２・・・導波路基板 ３・・・導波路 ４・・・レーザ発光部 ４Ａ・・・レーザダイオード ４Ｂ・・・レーザダイオード ４Ｃ・・・光合波器 ５・・・フォトダイオード ６・・・マイクロコンピュータ ７・・・電池 ８・・・安定化電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電源部に電池を用いてガスの濃度等を光学的に検出させ
   るための超小型に形成されたガスセンサであつて、光フ
   ァイバのクラッドに対応した特性を有する薄板状の小さ
   な基盤と光ファイバのコアに対応した特性を有して前記
   基盤にうず巻き状に形成された導波路とから成る光導波
   路と、前記ガスにより吸収される波長の測定光を発光す
   る測定光発光手段と、前記ガスにより吸収されない波長
   の基準光を発光する基準光発光手段と、前記測定光発光
   手段と前記基準光発光手段それぞれに対して前記測定光
   と前記基準光とをそれぞれパルス状に、かつ一定時間毎
   に間欠的に発光させるための発光信号を出力する発光制
   御手段と、前記測定光発光手段から発光された前記パル
   ス状の測定光と前記基準光発光手段から発光された前記
   パルス状の基準光とを合波と、合波した光を前記光導波
   路に伝送する光合波手段と、前記光合波手段からの前記
   合波光が前記導波路中を伝搬したあと、同導波路から出
   光した前記測定光と基準光とを受光したうえ測定光の受
   光量と基準光の受光量それぞれに対応した電気信号を出
   力する受光手段と、前記受光手段から出力された前記測
   定光の受光量対応の電気信号と前記基準光の受光量対応
   の電気信号とを入力して前記ガスの濃度等を演算する演
   算手段とのそれぞれを一体的に集合形成したことを特徴
   とする超小型ガスセンサ。