JP6263411B2 - 光学式センサチップ - Google Patents

Description

本願発明は、例えば、大気中に存在する特定のガス成分の濃度を吸光分析法により測定するガス濃度測定システムにおいて使用される光学式センサチップに関するものである。

ガス濃度測定システムにおいて使用される光学式センサチップは、光源からの光を照射用光ファイバーから測定対象ガスに照射するとともに、該ガスを通過した光を受光用光ファイバーにおいて受光してこれを受光装置に伝送し、さらに上記受光装置においては、受光用光ファイバーから伝送された光に基づいて、ガス通過時の吸光度から測定対象ガスの濃度を定量的に求めるとともに、光吸収スペクトルのピーク波長からガス種を特定するようになっている。

このように、吸光分析法によるガス成分の濃度測定では、照射用光ファイバーから測定対象ガスに照射された光を、該ガス通過後に受光用光ファイバーで受光して受光装置に伝送するのを基本動作としているため、このガス濃度の測定精度を高めるには、上記照射用光ファイバーから受光用光ファイバーに至る光路長さを長くして、照射光が測定対象ガス中を通過する距離を長くすることが有効であることは周知である。しかし、単に、同軸上に対向配置した照射用光ファイバーと受光用光ファイバーの間隔を拡大して光路長さを直線方向に延長する手法も考えられるが、係る手法では光学式センサチップが大型化するため実用的とはいえない。

また、光学式センサチップには、上述の如き測定精度の向上という要求の他に、コンパクト化という普遍的な要求があり、これらを両立させるためには、形体の大型化を招来することなく光路長の延長を可能としなければならない。

このような要請に応えるものとして、上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーを同軸上に対向させる構成とするのに代えて、上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーを並置するとともに、これらの前方に反射材を配置し、上記照射用光ファイバーからの照射光を上記反射材で折り返して上記受光用光ファイバーに入射させることで、光学式センサチップの大型化を抑えつつ光路長の延長を図るようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１、２ 参照）。

特開平８−１８４５５６号公報 特開２０１３−１６７４９７号公報

ところで、上掲の各特許文献に示される光学式センサチップ（光学式ガスセンサ）においては、光路長の延長を図るための反射材としてミラー（一般的には、金属蒸着ミラーや誘電体多層膜蒸着ミラー）を採用しているが、これらの蒸着ミラーは耐熱性が低く（２００℃程度）、また化学物質（腐食性ガス）や水分によって腐食または剥離する場合がある。このため、例えば、火力発電所等のボイラーの燃焼にともなって発生する高温の排ガス中のガス成分の濃度測定とか、大気中の公害ガスの濃度測定、プラント施設での可燃性ガスとか毒性ガスの濃度測定等のような過酷条件下において使用されることが多い光学式センサチップとして好適とは言い難く、該光学式センサチップの使用上における信頼性の確保という点において改善の余地がある。

また、反射材としてミラーを用いた光学式センサチップにおいて、その検出精度を高めるためには該ミラーにおける光の高反射性が要求されるが、金属蒸着ミラーを用いた場合には、その蒸着金属の表面において僅かながら光が乱反射し、あるいは光が透過してしまうために、高反射性が損なわれることから、ガス成分の検出精度の向上には自ずと限界がある。

そこで本願発明は、測定精度の向上と信頼性の確保との両立を可能とした光学式センサチップを提供することを目的としてなされたものである。

本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。

本願の第１の発明では、ベース材に、光源装置からの光を照射する照射用光ファイバーと、該照射用光ファイバーからの光を反射させるプリズムと、該プリズムからの反射光を受光して受光装置に伝送する受光用光ファイバーを備えて構成される光学式センサチップにおいて、上記ベース材側には折曲した二面をもつように二等辺三角形状に切り込まれたプリズム取付部が形成され、該折曲した二面には、その両端縁に沿って延びる帯状の高位部が形成されるとともに、該高位部に挟まれた中間部分は該高位部よりも高さの低い低位部とされており、上記プリズムは、光の入射面及び出射面となる前面と該前面の後方に位置して光の反射面となる一対の背面を備え、その一対の背面を上記プリズム取付部の折曲した二面に対向するように配置し且つその両端縁を上記高位部に衝合させるとともに、上記前面と一対の背面以外の１面または２面において固着されていることを特徴としている。

本願の第２の発明では、上記第１の発明に係る光学式センサチップにおいて、上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーを縦方向に並設する一方、上記プリズムを光路上に複数個配設するとともに、該複数のプリズムのうち、光路の略中間位置に配設される一のプリズムを、その一対の背面が縦方向に並ぶように配置し、他のプリズムを、その一対の背面が横方向に並ぶように配置したことを特徴としている。

本願の第３の発明では、上記第１または第２の発明に係る光学式センサチップにおいて、上記プリズムを石英または透明セラミックスで構成するとともに、上記ベース材をセラミックスで構成したことを特徴としている。
ここで、プリズムを構成する透明セラミックスとしては、例えばアルミナ、アルミン酸イットリウム、酸化イットリウム、単結晶サファイア等を用いることができる。また、ベース材を構成するセラミックスとしては、例えばアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、コージライト、ムライト、ジルコニア等を用いることができるが、アルミナは、耐熱性が高く成形し易いため好ましい。

本願の第４の発明では、上記第３の発明に係る光学式センサチップにおいて、上記ベース材に上記光ファイバーを接続するためのフェルールを線膨張係数が８ppm/℃以下のセラミックスで構成するとともに、該フェルールと上記光ファイバーを耐熱性接着剤によって固着したことを特徴としている。
ここで、線膨張係数が８ppm/℃以下の熱膨張による形状変化が比較的小さいセラミックスとしては、例えばアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、コージライト、ムライト等を用いることができる。また、耐熱性接着剤としては、例えばシリカ系接着剤、アルミナ系接着剤、窒化アルミニウム系接着剤、マグネシア系接着剤、ジルコニア系接着剤等を用いることができるが、シリカ系接着剤は、線膨張係数が小さく熱膨張による形状変化が小さいため好ましい。

本願発明では次のような効果が得られる。
（ａ）本願の第１の発明
本願の第１の発明に係る光学式センサチップによれば、上記ベース材側には折曲した二面をもつように二等辺三角形状に切り込まれたプリズム取付部が形成され、該折曲した二面には、その両端縁に沿って延びる帯状の高位部が形成されるとともに、該高位部に挟まれた中間部分は該高位部よりも高さの低い低位部とされており、上記プリズムは、光の入射面及び出射面となる前面と該前面の後方に位置して光の反射面となる一対の背面を備え、その一対の背面を上記プリズム取付部の折曲した二面に対向するように配置し且つその両端縁を上記高位部に衝合させるとともに、上記前面と一対の背面以外の１面または２面において固着されているので、上記プリズムの上記一対の背面と上記プリズム取付部の折曲した二面の間には空間部が形成され空気等の気体層が不可避的に存在し、接着剤等も付着していないことから、入射光は上記背面で確実に全反射し、これによってガス濃度の測定精度が高められる。

（ｂ）本願の第２の発明
本願の第２の発明に係る光学式センサチップによれば、上記（ａ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーを縦方向に並設する一方、上記プリズムを光路上に複数個配設するとともに、該複数のプリズムのうち、光路の略中間位置に配設されるプリズムを、その一対の背面が縦方向に並ぶように配置しているので、上記照射用光ファイバーからの照射光は、一の平面上に形成される光路に沿って進むが、これが光路の略中間位置に配設された上記プリズムに入射されると、該プリズムにおいてその出射位置が入射位置よりも上側あるいは下側へ変化し、それ以降はこの変化した出射位置を含む他の平面上に形成される光路に沿って進んで上記受光用光ファイバーに入射される、即ち、光路が上下二つの平面上においてそれぞれ形成されることから、例えば、一の平面上のみに光路が形成される場合に比して、光路長を２倍に延長することができる。

この結果、例えば、性能面から要求される光路長を同じとすれば、光路長が延長される分だけ光学式センサチップ１を小型にしてそのコンパクト化を図ることができる。また、２倍に延長された光路長を利用すれば、照射光が測定対象ガスを通過する距離を長くして、光学式センサチップのガス濃度の測定精度を高めることもできる。

（ｃ）本願の第３の発明
本願の第３の発明に係る光学式センサチップによれば、上記（ａ）または（ｂ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記プリズムを石英または透明セラミックスで構成するとともに、上記ベース材をセラミックスで構成したので、上記プリズム及びベース材が共に高い耐熱性及び耐腐食性をもつことになり、この結果、上記光学式センサチップは過酷条件下での使用が可能となりその適用範囲の拡大が図れるとともに、使用上の信頼性が向上する。

（ｄ）本願の第４の発明
本願の第４の発明に係る光学式センサチップによれば、上記（ｃ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記ベース材に上記光ファイバーを接続するためのフェルールを線膨張係数が８ppm/℃以下のセラミックスで構成したことで、上記フェルールの耐熱性及び耐腐食性によって光ファイバーを高温環境及び腐食環境から保護することができ、さらに、フェルールの高温環境での熱膨張による形状変化を小さくし、フェルールに固着されている光ファイバーに過度の引張力が加わらないようにして破断等を防ぎ、該光ファイバーの耐久性を向上させることができる。
なお、フェルールを、ベース材と同じ材質や線膨張係数が近似した材質によって構成すると、温度環境が急激に変化した場合等にフェルールの破損を防ぐことができるため好ましい。

また、上記フェルールと上記光ファイバーを耐熱性接着剤によって固着したことで、高温環境においてフェルールから光ファイバーが抜け落ちたり、位置ずれを生じたりすることを防ぐことができる。

光学式センサチップを用いたガス濃度測定システムの構成図である。 本願発明の第１の実施形態に係るセンサチップの斜視図である。 図２に示したセンサチップの分解斜視図である。 図２のＡ〜断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 図５のＤ−Ｄ断面図である。 図２のＣ〜断面図である。 図７のＥ−Ｅ矢視図である。 本願発明の第２の実施形態に係るセンサチップの斜視図である。 本願発明の第３の実施形態に係るセンサチップの斜視図である。 本願発明の第４の実施形態に係るセンサチップの斜視図である。 図１１に示したセンサチップの分解斜視図である。

《第１の実施形態》
図１は、本願発明の第１の実施形態に係る光学式センサチップ１を備えたガス濃度測定システムの構成図である。このガス濃度測定システムは、本願発明の要旨に係る光学式センサチップ１の他に、光源装置２と受光装置３を備え、上記光源装置２において発振した光を、照射用光ファイバー４を介して上記光学式センサチップ１に伝送し、該照射用光ファイバー４の先端から測定対象ガス中に照射するとともに、各プリズム２１〜２４で反射した反射光を、受光用光ファイバー５を介して上記受光装置３に伝送する。また、上記受光装置３においては、上記受光用光ファイバー５から伝送された反射光に基づいて、ガス通過時の吸光度から測定対象ガスの濃度を定量的に求めるとともに、光吸収スペクトルのピーク波長からガス種を特定するようになっている。

以下、上記光学式センサチップ１の構成等を具体的に説明する。

上記光学式センサチップ１は、図２及び図３に示すように、ベース材１０に、照射用光ファイバー４と照射用レンズ８Ａ、受光用光ファイバー５と受光用レンズ８Ｂ、及び四個のプリズム２１〜２４を取り付けて構成される。

１：ベース材１０
上記ベース材１０は、略長矩形の平面形体をもつセラミックス焼結体（アルミナ）で構成され、その長手方向の一端寄り部位と他端寄り部位は、それぞれ厚肉の第１基台部１１及び第２基台部１２とされており、これら各基台部１１，１２は薄肉の連結部１３を挟んで離間対向している。これら各基台部１１，１２と上記連結部１３の三者で囲まれた空間部は照射光の光路スペースとなる。

なお、この実施形態では上記ベース材１０を一体構造としているが、本願発明は係る構造に限定されるものではなく、例えば、複数ピースに分割形成し、これを接合して一体化する構造とすることもできる。

１−１：第１基台部１１側の構造
１−１−ａ：フェルール取付部１４
上記第１基台部１１の幅方向の一端寄り部位はフェルール取付部１４とされ、ここには照射孔１５と、受光孔１６が、縦方向に所定間隔をもって平行に、且つ上記第２基台部１２側へ指向した状態で形成されている。

そして、図３及び図４に示すように、下段側に位置する上記照射孔１５には、上記受光用光ファイバー５の先端に固定された照射用フェルール６Ａが嵌挿され、且つ接着剤３４によって固定されている。また、上記照射用フェルール６Ａの前方側には、照射用レンズ８Ａが取り付けられている。

ここで、フェルールの構造を、図４に示す受光用フェルール６Ｂを例にとって具体的に説明する。上記受光用フェルール６Ｂは、セラミックス焼結体（アルミナ）で構成され、その軸心部には小径の貫通穴６０が設けられる一方、その軸方向の一端面には皿状に凹入する凹部６１が、他端面には上記凹部６１より小径の凹部６２が、それぞれ設けられている。

そして、上記受光用フェルール６Ｂの上記貫通穴６０内に上記凹部６１側から凹部６２側に向けて受光用光ファイバー５の先端部を挿入し、該受光用光ファイバー５の先端を上記凹部６２に充填した耐熱性のシリカ系接着剤３３によって接着固定するとともに、上記凹部６１側は、該凹部６１に充填した耐熱性のシリカ系接着剤３３によって接着固定している。この場合、上記凹部６１側の接着剤３３は、該凹部６１内に留まることなく該凹部６１から外方に向けて大きく砲弾型に盛り上げられている。

このように構成された上記受光用フェルール６Ｂは、上記受光孔１６内に嵌挿され、且つ耐熱性のシリカ系接着剤３４によって接着固定されることで上記ベース材１０側に取り付けられる。なお、上記受光用光ファイバー５は、心材３１とその周囲を被覆するコート３２で構成されている（上記照射用光ファイバー４も同様である）。

このように上記受光用フェルール６Ｂと受光用光ファイバー５を、耐熱性のシリカ系接着剤３３によって接着固定したことで、高温環境においてフェルール６Ｂから光ファイバー５が抜け落ちたり、位置ずれを生じたりすることを防ぐことができる。
また、シリカ系接着剤は、線膨張係数が約０．７ppm／℃と小さく、高温環境での熱膨張による形状変化が小さいことから、高温環境においてフェルール６Ｂへの追従性が高く、さらに、光ファイバー５に過度の引張力を加えることがないため破断等を防ぐことができる。なお、光ファイバー５の心材３１を石英で構成した場合、線膨張係数は約０．６ppm／℃であり、上記シリカ系接着剤の線膨張係数と近似した値となる。

１−１−ｂ：第２プリズム取付部１８
上記第１基台部１１の幅方向略中央位置の前面側（上記連結部１３寄りの面）には、該第１基台部１１の上面１１ａ側から下方に向けて二等辺三角形状に切り込まれた状態で第２プリズム取付部１８が形成されている。

上記第２プリズム取付部１８の折曲した２面には、図２、図３、図５、図６に示すように、上下両端縁側を横方向へ延びる帯状の高位部１８ｂ、１８ｂが形成されるとともに、これら上下一対の高位部１８ｂ、１８ｂに挟まれた中間部分は該高位部１８ｂ、１８ｂよりも高さの低い低位部１８ａとされている。

そして、この第２プリズム取付部１８には、石英または透明セラミックスで構成された第２プリズム２２が取り付けられる。即ち、上記第２プリズム２２は、その直交する二面、即ち、背面２２ａ，２２ｂを上記第２プリズム取付部１８の折曲した二面に対向するように配置し、該背面２２ａ，２２ｂの上下両端縁部を上記第２プリズム取付部１８の上下一対の高位部１８ｂ、１８ｂにそれぞれ衝合させる。この衝合状態で、該第２プリズム２２の下面２２ｄを、上記第２プリズム取付部１８に対応する上記連結部１３の上面に接着剤３５によって接着固定する（図５参照）。

この第２プリズム取付部１８への第２プリズム２２の取付状態においては、図６に示すように、該第２プリズム２２の背面２２ａ，２２ｂと上記第２プリズム取付部１８の低位部１８ａとの間に、該低位部１８ａと高位部１８ｂとの段差寸法に対応する厚さの空間部３７が形成されている。
１−１−ｃ：第４プリズム取付部２０

上記第１基台部１１の前面側（上記連結部１３寄りの面）で且つ上記第２プリズム取付部１８の側方位置には、該第１基台部１１の側面１１ｂから上記第２プリズム取付部１８側に向けて二等辺三角形状に切り込まれた状態で第４プリズム取付部２０が形成されている。したがって、この第４プリズム取付部２０の稜線は、上記第２プリズム取付部１８の稜線方向と直交することになる。

上記第４プリズム取付部２０の折曲した２面には、図２、図３、図７、図８に示すように、左右両端縁側を縦方向へ延びる帯状の高位部２０ｂ、２０ｂが形成されるとともに、これら左右一対の高位部２０ｂ、２０ｂに挟まれた中間部分は該高位部２０ｂ、２０ｂよりも高さが低い低位部２０ａとされている。

そして、この第４プリズム取付部２０には、石英または透明セラミックスで構成された第４プリズム２４が取り付けられる。即ち、上記第４プリズム２４は、その直交する二面、即ち、背面２４ａ，２４ｂを上記第４プリズム取付部２０の折曲した二面に対向するように配置し、該背面２４ａ，２４ｂの上下両端縁部を上記第４プリズム２４の左右一対の高位部２０ｂ、２０ｂにそれぞれ衝合させる。この衝合状態で、該第４プリズム２４の下面２４ｄを、上記第４プリズム取付部２０の底面２０ｃに接着剤３６によって接着固定する（図７、図８参照）。

この第４プリズム取付部２０への上記第４プリズム２４の取付状態においては、図７に示すように、該第４プリズム２４の背面２４ａ，２４ｂと上記第４プリズム取付部２０の低位部２０ａとの間に、該低位部２０ａと高位部２０ｂとの段差寸法に対応する厚さの空間部３７が形成されている。

１−２：第２基台部１２側の構造
１−２−ａ：第１プリズム取付部１７及び第３プリズム取付部１９
上記第２基台部１２の前面側（上記連結部１３寄りの面）には、該第２基台部１２の上面１２ａ側から下方に向けて二等辺三角形状に切り込まれた状態で第１プリズム取付部１７と第３プリズム取付部１９が、横方向に隣接して形成されている。これら第１プリズム取付部１７と第３プリズム取付部１９の構造は、上記第１基台部１１側の上記第２プリズム取付部１８と同様とされている。即ち、上記第１プリズム取付部１７の折曲した二面の上下両端縁側には高位部１７ｂ，１７ｂが設けられるとともに、該高位部１７ｂ，１７ｂに挟まれた中間部位は低位部１７ａとされている。また、上記第３プリズム取付部１９の折曲した二面の上下両端縁側には高位部１９ｂ，１９ｂが設けられるとともに、該高位部１９ｂ，１９ｂに挟まれた中間部位は低位部１９ａとされている。

そして、図２、図３に示すように、上記第１プリズム取付部１７には第１プリズム２１が、上記第３プリズム取付部１９には第３プリズム２３がそれぞれ取り付けられるとともに、これらの取付状態においては、上記第１プリズム２１の背面２１ａ、２１ｂと上記第１プリズム取付部１７の折曲した二面の間、及び上記第３プリズム２３の背面２３ａ、２３ｂと上記第３プリズム取付部１９の折曲した二面の間には、それぞれ空間部３７が形成されている。

１−２−ｂ：各部材間の相対関係
上記第２基台部１２側に設けられた上記第１プリズム２１と第３プリズム２３と、上記第１基台部１１側に設けられた上記照射孔１５と受光孔１６と上記第２プリズム２２及び上記第４プリズム２４との平面視における相対関係は以下のように設定されている。

上記照射孔１５と上記受光孔１６は、上記第１プリズム２１の幅方向外側の背面２１ａに対向している。上記第１プリズム２１の幅方向内側の背面２１ｂは，上記第２プリズム２２の一方の背面２２ｂに対向している。上記第２プリズム２２の他方の背面２２ａは，上記第３プリズム２３の幅方向内側の背面２３ａに対向している。上記第３プリズム２３の幅方向外側の背面２３ｂは、上記第４プリズム２４の下側の背面２４ａに対向している。上記第４プリズム２４の上側の背面２４ｂは、上記第３プリズム２３の外側の背面２３ｂに対向している。

１−２−ｃ：光路
上記照射孔１５と受光孔１６、及び上記各プリズム２１〜２４が上記の如き相対関係に設定されていることで、図２に示すように、上記第１基台部１１側の上記第２プリズム２２と第４プリズム２４と、上記第２基台部１２側の上記第１プリズム２１と第３プリズム２３の間において、上下二つの光路が形成される。

第１の光路は、図２に矢流線で示すように、上記照射用光ファイバー４の軸線を含む水平面上に形成される往路側の光路であって、上記照射用光ファイバー４から照射された後、上記第１プリズム２１にその前面２１ｃの下方寄り位置から入射して左右二つの背面２１ａ，２１ｂでの全反射により折り返した後、上記第２プリズム２２にその前面２２ｃの下方寄り位置から入射して左右二つの背面２２ｂ，２２ａでの全反射により折り返し、さらに上記第３プリズム２３にその前面２３ｃの下方寄り位置から入射して左右二つの背面２３ａ，２３ｂでの全反射により折り返した後、上記第４プリズム２４にその前面２４ｃの下方寄り位置から入射する光路である。

第２の光路は、図２に矢流線で示すように、上記第４プリズム２４での全反射により上記第３プリズム２３側へ折り返される復路側の光路であって、上記第４プリズム２４側から上記第３プリズム２３にその前面２３ｃの上方寄り位置から入射して左右二つの背面２３ｂ，２３ａでの全反射により折り返した後、上記第２プリズム２２にその前面２２ｃの上方寄り位置から入射して左右二つの背面２２ａ，２２ｂでの全反射により折り返し、さらに上記第１プリズム２１にその前面２１ｃの上方寄り位置から入射して左右二つの背面２１ｂ，２１ａでの全反射により折り返した後、上記受光用光ファイバー５に入射する光路である。
なお、本実施形態においては、照射孔１５と受光孔１６の配置を置き替えても差し支えなく、同じ光路長が確保される。

１−３：作用効果
このように上記照射用光ファイバー４から照射された後、上記受光用光ファイバー５に入射されるまでの間に上記第１の光路と第２の光路という上下二段の光路が形成されることで、例えば、一の平面上に形成される光路のみ（即ち、上記第１の光路と第２の光路の何れか一つのみ）の場合に比して、２倍の光路長が確保される。

この結果、２倍の光路長を持つ光学式センサチップ１においては、上記照射用光ファイバー４から照射された後、上記受光用光ファイバー５に入射される光線が測定対象ガスを含んだ空気中を通過する距離が倍増することから、ガス濃度の測定精度が向上することになる。また、例えば、性能面から要求される光路長を同じとすれば、光路長が２倍に延長される分だけ光学式センサチップ１を小型にしてそのコンパクト化を図ることが可能となる。

一方、上述の如き光学式センサチップ１のガス濃度の測定精度は、上記各プリズム２１〜２４において入射光が全反射されることが前提条件であって、この全反射性が損なわれると当初想定の性能を得ることができないことになる。したがって、上記各プリズム２１〜２４において全反射が確保されるように、該各プリズム２１〜２４の上記ベース材１０に対する取付構造を考慮することが必要である。

即ち、プリズムでの全反射の条件の一つは、反射面である背面への光の入射角がプリズム（石英または透明セラミックス）の臨界角より大きいことであるが、この条件は、本実施形態においてはプリズムの前面に対してその光が垂直方向から入射するように構成したことで満たされている。

他の条件の一つは、プリズムの反射面である背面の裏面側が屈折率の大きい媒質に接触していないことである。光の全反射は、光が屈折率の大きい媒質から小さい媒質へ進むとき起こる現象であって、また全反射が起こる可能性は両媒質の屈折率の差が大きいほど高くなる。例えば、プリズムの背面の裏面側に空気が存在している場合には、プリズム（石英または透明セラミックス）の屈折率が「１．５程度」であるのに対して空気の屈折率が「１．０程度」であるため、ほぼ確実に全反射が起こると考えられる。これに対して、プリズムの背面の裏面側に接着剤とか水が存在している場合には、接着剤の屈折率は一般に「１．６〜１．７程度」であり、水の屈折率は「１．３程度」であるため、いずれもプリズムの屈折率との差が小さいため全反射が起こりにくくなる。したがって、プリズムの背面で全反射を確実に起こさせてガス濃度の測定精度を高めるためには、該背面の裏面側に接着剤とか水を付着させることなく、空気に接触させることが必要であるといえる。

このような観点から、この実施形態では、上記ベース材１０の各プリズム取付部１７〜２０に高位部と低位部を設け、高位部にプリズムの背面を接触させることで、該背面と低位部の間に、高位部と低位部の段差寸法に相当する厚さの空間部３７を形成し、これによって上記各プリズム２１〜２４における全反射を確実にしている。

即ち、この実施形態の光学式センサチップ１では、上述のように光の光路長を長くすることと、各プリズムでの全反射を確実ならしめることの相乗効果によって高性能化（ガス濃度の測定精度の向上）を実現している。

さらに、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記各プリズム２１〜２４を石英または透明セラミックスで構成するとともに、上記ベース材１０をセラミックスで構成したので、上記各プリズム２１〜２４及びベース材１０が共に数百℃の耐熱性と高い耐腐食性をもつことになる。この結果、上記光学式センサチップ１は、過酷条件下での使用が可能となりその適用範囲の拡大が図れるとともに、使用上の信頼性が向上することになる。

また、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記ベース材１０に上記各光ファイバー４，５を接続するためのフェルール６Ａ，６Ｂをセラミックスで構成したことで、上記フェルール６Ａ，６Ｂの耐熱性及び耐腐食性によって光ファイバー４，５を高温環境及び腐食環境から保護してその信頼性を高めることができる。

また、上記フェルール６Ａ，６Ｂと上記各光ファイバー４，５を、硬化後においても該フェルール６Ａ，６Ｂよりも柔らかいシリカ系接着剤によって固着したことで、上記フェルール６Ａ，６Ｂに対して上記各光ファイバー４，５が上下左右方向に動いた際には該シリカ系接着剤部分が追従して変形することで該各光ファイバー４，５とフェルール６Ａ，６Ｂとの接触部分における応力集中が可及的に回避され、該各光ファイバー４，５の耐久性が向上することになる。

なお、この実施形態では、三個の横置きプリズムと一個の縦置きプリズムを用いることで上下二つの光路を構成しているが、この実施形態の技術思想は、１個の縦置きのプリズムを備えれば、横置きのプリズムの数に限定されることなく成立し得るものであり、したがって、この実施形態の構成に限定されることなく横置きプリズムの配置個数を適宜増減設定することができる。因みに、次述の第２の実施形態における光学式センサチップ１は、一個の縦置きプリズムと二個の横置きプリズムで光路を構成したものであり、第３の実施形態における光学式センサチップ１は、一個の縦置きプリズムと一個の横置きプリズムで光路を構成したものである。
《第２の実施形態》

図９には、本願発明の第２の実施形態に係る光学式センサチップ１を示している。この実施形態の光学式センサチップ１は、その基本構成を上記第１の実施形態の光学式センサチップ１と同じにするものであって、これと異なる点は、合計三個のプリズム４１〜４３によって上下二段の光路を構成した点である。

即ち、この光学式センサチップ１では、上記ベース材１０の上記第１基台部１１側に上下二段に上記照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５を配置するとともに、これら各光ファイバー４，５の側方に、一対の背面が横方向に並ぶ横置き配置で第２プリズム４２を取り付けている。

一方、上記第２基台部１２側には、第１プリズム４１を一対の背面が横方向に並ぶ横置き配置で、また第３プリズム４３を一対の背面が縦方向に並ぶ縦置き配置で、それぞれ取り付けている。

そして、これら三個のプリズム４１〜４３によって、図９に矢流線で示すように、上記照射用光ファイバー４から照射後、上記第１プリズム４１の下方寄り位置で折り返して上記第２プリズム４２に入射し、さらに該第２プリズム４２で折り返して上記第３プリズム４３の下方寄り位置に入射する第１の光路と、該第３プリズム４３で折り返して上記第２プリズム４２の上方寄り位置に入射し、さらに該第２プリズム４２で折り返して上記第１プリズム４１の上方寄り位置に入射し、ここで折り返して上記受光用光ファイバー５に入射する第２の光路を形成している。
なお、本実施形態においては、照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５の配置を置き替えても差し支えなく、同じ光路長が確保される。

このように、上下二段の光路を構成することで光路長を延長し、これによってガス濃度の測定精度の向上が図れるとともに、光学式センサチップ１のコンパクト化が可能になるという効果は、上記第１の実施形態の光学式センサチップ１の場合と同様である。さらに、この実施形態の光学式センサチップ１に特有の効果としては、光路の折り返し点が少ない分だけ上記第１の実施形態の光学式センサチップ１よりもその幅寸法を小さくでき、さらなるコンパクト化が促進される点が挙げられる。

また、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記各プリズム４１〜４３の背面の裏面側に空間部を形成した点、及び係る構成に基づく効果、上記各プリズム４１〜４３を石英または透明セラミックスで、上記ベース材１０をセラミックスで、それぞれ構成した点、及び係る構成に基づく効果、さらに上記ベース材１０に上記各光ファイバー４，５を接続するためのフェルール６Ａ，６Ｂをセラミックスで構成した点、及び係る構成に基づく効果は、上記第１の実施形態の場合と同様であるため、第１の実施形態における該当説明を援用し、ここでの説明を省略する。
《第３の実施形態》

図１０には、本願発明の第３の実施形態に係る光学式センサチップ１を示している。この実施形態の光学式センサチップ１は、その基本構成を上記第１の実施形態の光学式センサチップ１及び第２の実施形態の光学式センサチップ１と同じにするものであって、その特徴とする点は、上記第２の実施形態の光学式センサチップ１よりもさらにそのコンパクト化を図った点である。

この実施形態の光学式センサチップ１では、合計二個のプリズム４４，４５によって上下二段の光路を構成している。即ち、上記ベース材１０の上記第１基台部１１側に上下二段に上記照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５を配置するとともに、これら各光ファイバー４，５の側方に、一対の背面が縦方向に並ぶ縦置き配置で第２プリズム４５を取り付ける一方、上記第２基台部１２側には、一対の背面が横方向に並ぶ横置き配置で第１プリズム４４を取り付けている。

そして、これら二個のプリズム４４，４５によって、図１０に矢流線で示すように、上記照射用光ファイバー４から照射後、上記第１プリズム４４の下方寄り位置で折り返して上記第２プリズム４５に入射する第１の光路と、該第２プリズム４５で折り返して上記第１プリズム４４の上方寄り位置に入射し、ここで折り返して上記受光用光ファイバー５に入射する第２の光路を形成している。
なお、本実施形態においては、照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５の配置を置き替えても差し支えなく、同じ光路長が確保される。

このように上下二段の光路を構成することで、光路長を延長し、これによってガス濃度の測定精度の向上を図るとともに、光学式センサチップ１のコンパクト化を可能とするという効果は、上記第１及び第２の実施形態の光学式センサチップ１の場合と同様である。さらに、この実施形態の光学式センサチップ１に特有の効果としては、光路の折り返し点が上記第２の実施形態の光学式センサチップ１の場合よりもさらに少ない分だけ上記第２の実施形態の光学式センサチップ１よりもその幅寸法をさらに小さくできる点が挙げられる。

また、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記各プリズム４４，４５の背面の裏面側に空間部を形成した点、及び係る構成に基づく効果、上記各プリズム４４，４５を石英または透明セラミックスで、上記ベース材１０をセラミックスで、それぞれ構成した点、及び係る構成に基づく効果、さらに、上記ベース材１０に上記各光ファイバー４，５を接続するためのフェルール６Ａ，６Ｂをセラミックスで構成した点、及び係る構成に基づく効果は、上記第１の実施形態の場合と同様であるため、第１の実施形態における該当説明を援用し、ここでの説明を省略する。
《第４の実施形態》

図１１及び図１２には、本願発明の第４の実施形態に係る光学式センサチップ１を示している。この実施形態の光学式センサチップ１は、上記第１〜第３の実施例に係る光学式センサチップ１が上下二段の光路を形成していたのに対して、一段の光路を形成するように構成したものである。

即ち、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記ベース材１０の上記第１基台部１１の左右両端寄り位置にそれぞれ照射孔１５と受光孔１６を設け、この照射孔１５に照射用フェルール６Ａを介して照射用光ファイバー４を、上記受光孔１６に受光用フェルール６Ｂを介して受光用光ファイバー５を取り付けている。

また、上記照射孔１５と受光孔１６の中間位置に、上記第１基台部１１の上面１１ａから下方に向けて二等辺三角形状に切れ込む第２プリズム取付部５２を形成し、該第２プリズム取付部５２には第２プリズム４８を、該第２プリズム４８の一対の背面４８ａ、４８ｂの裏面側に空間部を形成した状態で固定している。

一方、上記ベース材１０の上記第２基台部１２側には、該第２基台部１２の上面１２ａから下方に向けて二等辺三角形状に切れ込む第１プリズム取付部５１と第３プリズム取付部５３を横方向に並設状態で形成し、該第１プリズム取付部５１には第１プリズム４７を、その一対の背面４７ａ、４７ｂの裏面側に空間部を形成した状態で固定し、また上記第３プリズム取付部５３には第３プリズム４９を、その一対の背面４９ａ、４９ｂの裏面側に空間部を形成した状態で固定している。

そして、これら三個のプリズム４７〜４９によって、図１１に矢流線で示すように、上記照射用光ファイバー４から照射後、上記第１プリズム４７で折り返して上記第２プリズム４８に入射し、さらに該第２プリズム４８で折り返されて上記第３プリズム４９に入射するとともに、該第３プリズム４９で折り返されて上記受光用光ファイバー５に入射する光路が形成される。
なお、本実施形態においては、照射孔１５と受光孔１６の配置を置き替えても差し支えなく、同じ光路長が確保される。

このように一の平面上において折り返される光路を形成することで、例えば、照射用光ファイバー４と受光用光ファイバー５を同軸上で離間対向させてこれら両光ファイバー４，５の間に直線的な光路を形成する場合に比して、光路長を延長でき（この実施形態の場合には、４倍の光路長が得られる）、その結果、ガス濃度の測定精度の向上を図るとか、上記光学式センサチップ１のコンパクト化を図ることができる。

なお、この実施形態の光学式センサチップ１では、上記各プリズム４７〜４９を石英または透明セラミックスで、上記ベース材１０をセラミックスで、それぞれ構成した点、及び係る構成に基づく効果、さらに、上記ベース材１０に上記各光ファイバー４，５を接続するためのフェルール６Ａ，６Ｂをセラミックスで構成した点、及び係る構成に基づく効果は、上記第１の実施形態の場合と同様であるため、第１の実施形態における該当説明を援用し、ここでの説明を省略する。

また、この実施形態では三個のプリズムで光路を形成しているが、この実施形態に係る技術思想は横置き配置されるプリズムを奇数個備えることで成立し得るものであり、係る条件の下でプリズムの配置個数を増減設定することは可能である。

本願発明に係る光学式センサチップ１は、例えば、大気中に存在する特定のガス成分の濃度を吸光分析法により測定するガス濃度測定システム等において利用されるものである。

１ ・・光学式センサチップ
２ ・・光源装置
３ ・・受光装置
４、５ ・・光ファイバー
６Ａ、６Ｂ ・・フェルール
８Ａ，８Ｂ ・・レンズ
１０ ・・ベース材
１１、１２ ・・基台部
１７〜２０ ・・プリズム取付部
２１〜２４ ・・プリズム
３３、３４ ・・接着剤
３５，３６ ・・接着剤
３７ ・・空間部
４１〜４５ ・・プリズム
４７〜４９ ・・プリズム
５１〜５３ ・・プリズム取付部

Claims (4)

1. ベース材に、光源装置からの光を照射する照射用光ファイバーと、該照射用光ファイバーからの光を反射させるプリズムと、該プリズムからの反射光を受光して受光装置に伝送する受光用光ファイバーを備えて構成される光学式センサチップであって、
   上記ベース材側には折曲した二面をもつように二等辺三角形状に切り込まれたプリズム取付部が形成され、該折曲した二面には、その両端縁に沿って延びる帯状の高位部が形成されるとともに、該高位部に挟まれた中間部分は該高位部よりも高さの低い低位部とされており、
   上記プリズムは、光の入射面及び出射面となる前面と該前面の後方に位置して光の反射面となる一対の背面を備え、その一対の背面を上記プリズム取付部の折曲した二面に対向するように配置し且つその両端縁を上記高位部に衝合させるとともに、上記前面と一対の背面以外の１面または２面において固着されていることを特徴とする光学式センサチップ。
2. 請求項１において、
   上記照射用光ファイバーと受光用光ファイバーが縦方向に並設される一方、
   上記プリズムが光路上に複数個配設されるとともに、該複数のプリズムのうち、光路の略中間位置に配設される一のプリズムが、その一対の背面が縦方向に並ぶように配置されており、他のプリズムが、その一対の背面が横方向に並ぶように配置されていることを特徴とする光学式センサチップ。
3. 請求項１または２において、
   上記プリズムが石英または透明セラミックスで構成されるとともに、上記ベース材がセラミックスで構成されていることを特徴とする光学式センサチップ。
4. 請求項３において、
   上記ベース材に上記光ファイバーを接続するためのフェルールが、線膨張係数が８ppm/℃以下のセラミックスで構成されるとともに、該フェルールと上記光ファイバーが耐熱性接着剤によって固着されていることを特徴とする光学式センサチップ。