JP2002202260A - 赤外線ガス分析計用コンデンサマイクロフォン検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が簡単でありながらも、振動に対して強
い構造を有するコンデンサマイクロフォン検出器を提供
すること。 【解決手段】 二つの電極２４，２５を適宜の間隔をお
いて対向させて設けた赤外線ガス分析計用コンデンサマ
イクロフォン検出器１３において、前記両電極２４，２
５をともに金属薄膜２２，２３で形成するとともに、そ
の形状および質量を同一またはほぼ同一になるように形
成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、所謂非分散型赤
外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）に用いられるコンデンサマ
イクロフォン検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のコンデンサマイクロフォン検出器
は、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、ケース８１内を
チタン箔よりなる薄膜状の可動電極８２で二分して、二
つの室８３，８４を形成し、各室８３，８４の同じ側
（図示してないセル側）に赤外線透過性素材よりなる窓
８５，８６が形成され、前記各室８３，８４がセルを経
た赤外光ＩＲが入射する受光室に形成されている。そし
て、一方の受光室８３内には、耐腐食性を有する金属よ
りなる固定極８７が、可動電極８２に対向するように適
宜の間隔をおいて設けられている。また、二つの受光室
８３，８４は、可動電極８２に形成した小さい連通孔
（図示していない）によって連通しており、それらの内
部には測定対象ガスまたはこれと同等の赤外吸収特性を
示すガスが封入されている。

【０００３】上記構成のコンデンサマイクロフォン検出
器においては、例えばＣＯ₂ を測定する場合、前記受光
室８３，８４内にＣＯ₂ を封入し、測定セルおよび比較
セルを通過した赤外光ＩＲを窓８５、８６を経て受光室
８３，８４内に入射させる。そして、前記各受光室８
３，８４に入射する赤外光ＩＲの有するエネルギーの大
きさが等しい場合には、二つの受光室８３，８４内の圧
力に差が生じないため、可動電極８２は、図７（Ａ）に
示すように、いずれの受光室８３，８４側にも偏位しな
いが、受光室７３側に入射する赤外光ＩＲのエネルギー
が受光室８４側に入射する赤外光ＩＲのエネルギーより
も大きい場合、可動電極８２は、図７（Ｂ）においては
実線で示すように偏位し、前記エネルギーの大小関係が
逆の場合は、図７（Ｂ）においては一点鎖線で示すよう
に偏位する。

【０００４】そして、前記可動電極８２の偏位により、
可動電極８２と固定電極８７とによる静電容量が変化す
るので、この静電容量を適宜増幅し、演算処理すること
により、サンプルガス中に含まれるＣＯ₂ 濃度を得るこ
とができる。このように、コンデンサマイクロフォン検
出器は、受光室８３，８４に充填するガスを適宜選択す
ることにより、種々のガスの濃度を測定することができ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来構
造のコンデンサマイクロフォン検出器は、可動電極８２
と固定電極８７が外部からの力でともに同じ動きをした
場合、静電容量に変動が生じず、この場合、振動影響が
ないことになるが、従来のコンデンサマイクロフォン検
出器においては、可動電極８２と固定電極８７には、形
状や質量に違いがあるため、可動電極８２と固定電極８
７が異なる振動をし、その結果、静電容量に変動が生
じ、これが測定誤差となる。

【０００６】上述のような構成を採用しているのは、信
号検出原理が、前記両電極８２，８７間に直流高電圧を
印加して電荷を蓄え、容量変化による電圧変化を検出す
る方式を採用しているため、高絶縁、静電容量値の安定
性、両電極８２，８７の機械的寸法の安定性（容量値が
変化すると感度が変化する）が必要なためであると考え
られる。

【０００７】上述のように、従来のコンデンサマイクロ
フォン検出器においては、振動に対してきわめて弱いと
いった欠点があるため、これをセルや光源などと組み合
わせてＮＤＩＲを構成した場合、装置内部に振動源とな
る部品を設けるに際しては、防振に対して十分配慮する
ことが必要で、外部からの振動に対してはばねなどによ
る防振対策が必要であり、それだけ構造が複雑になると
いった問題点があった。

【０００８】さらに、コンデンサマイクロフォン検出器
は、上述のように振動影響を受けやすいといった欠点が
あるため、従来、自動車などの車両に搭載する車載用Ｎ
ＤＩＲの検出部としては組み込まれることはなく、その
設置環境も限定されていた。

【０００９】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、構成が簡単でありながらも、振
動に対して強い構造を有するコンデンサマイクロフォン
検出器を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、二つの電極を適宜の間隔をおいて対
向させて設けた赤外線ガス分析計用コンデンサマイクロ
フォン検出器において、前記両電極をともに金属薄膜で
形成するとともに、その形状および質量を同一またはほ
ぼ同一になるように形成している。

【００１１】上記構成のコンデンサマイクロフォン検出
器においては、二つの電極の形状および質量が同一また
はほぼ同一であるので、仮に外力が加えられても両電極
が同じ動きをするので、静電容量に変動が生じることが
ない。そして、両電極を同じ工程またはほとんど同じ工
程で製造することができるので、それだけ製造コストが
低減される。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を、図面を
参照しながら説明する。図１〜図４は、この発明の第１
の実施の形態を示している。図１は、この発明のコンデ
ンサマイクロフォン検出器（その構成については後述す
る）を組み込んだ赤外線ガス分析計１の構成を概略的に
示すもので、この赤外線ガス分析計１は、所謂２ビーム
タイプ（または２セルタイプ）のものである。

【００１３】前記赤外線ガス分析計１は、次のように構
成されている。すなわち、図１において、２，３は互い
に並設された筒状の測定セル、比較セルである。測定セ
ル２は、その両端が赤外線透過性素材よりなるセル窓
４，５で封止されているとともに、サンプルガスＳの導
入口６、導出口７が形成されている。比較セル３は、両
端部が赤外透過性素材よりなるセル窓８，９で封止さ
れ、内部に赤外線ＩＲを吸収しないゼロガス（例えば窒
素ガス）が封入されている。

【００１４】１０，１１は測定セル２、比較セル３の一
方のセル窓４，８側に設けられる赤外光源で、これらの
赤外光源１０，１１を発した赤外線ＩＲは、赤外光源１
０，１１とセル窓４，８との間に介装された光チョッパ
１２によって所定の周波数の断続光とされる。なお、光
チョッパ１２を回転駆動するモータは図示してない。

【００１５】１３は他方のセル窓５，９に対向して設け
られるコンデンサマイクロフォン検出器で、そのケース
１４内は、図２にも示すように、隔壁１５によって二つ
の受光室１６，１７に二分されており、受光室１６，１
７のセル窓５，９に臨む部分には赤外線透過性素材より
なる受光窓１８，１９が形成されている。そして、隔壁
１５には受光室１６，１７を互いに連通させる小さな孔
２０が開設されるとともに、各受光室１６，１７には測
定対象ガスまたはこれと同等の赤外吸収特性を示すガス
が封入されている。

【００１６】そして、２１は受光室１６，１７内の圧力
差を検出する圧力検出部で、形状および質量が同一であ
る二つの金属薄膜２２，２３よりなる電極２４，２５を
それらの間に絶縁材よりなるスペーサ２６を介装して隙
間２７ができるように対向するようにしたものを、例え
ば一方の受光室１６内に配置する一方、前記隙間２７を
他方の受光室１７とのみ連通した状態で設けてなるもの
である。

【００１７】前記圧力検出部２１の構成の一例を図３を
参照しながら説明すると、２８，２９は例えばアルミニ
ウムまたは鉄などの金属よりなる平面視矩形状の枠体構
造の母材で、互いに同形状、同サイズである。そして、
これらの母材２８，２９の一方の面に、金属薄膜２２，
２３が母材２６，２７の空間を覆うように、母材２８，
２９の枠部分２８ａ，２９ａに相当する幅を有する絶縁
膜３０を介して張設固着されている。

【００１８】前記金属薄膜２２，２３は、例えばチタン
などの金属よりなり、その厚みは数μｍ程度である。そ
して、スペーサ２６は、例えばガラス膜よりなり、母材
２８，２９と同様に枠体形状を呈しており、その一部に
開口３１が形成されているとともに、例えば数〜数１０
μｍ程度の厚みを有している。また、絶縁膜３０は、例
えばガラス膜よりなり、その厚みは数１０μｍ程度であ
り、金属薄膜２２，２３の一方の面の周縁にコーティン
グされている。なお、スペーサ２６および絶縁膜３０の
素材としてガラスが好ましい理由は、絶縁抵抗が高く
（大きく）、機械的寸法安定性が高く、比誘電率が１０
前後と低く、また、エッチングなどによる加工性に優れ
ているためであある。

【００１９】そして、前記金属薄膜２２，２３をそれぞ
れ張設固着した母材２８，２９を、それらの間にスペー
サ２６を介装した状態で、金属薄膜２２，２３どうしを
互いに近づけた状態で接合することにより、周囲の一部
に開口２９を有する圧力検出部２１が形成される。そし
て、この圧力検出部２１を、図１および図２に示すよう
に、開口３１を受光室１７に連通させるようにして受光
室１６内に設置することにより、電極２４，２５として
の金属薄膜２２，２３の間に形成された間隙２７が受光
室１７と連通する一方、金属薄膜２２，２３のそれぞれ
の外面（間隙２７とは反対の面）が受光室１６内に臨む
ようにしてなる二つの電極２４，２５を互いに対向した
状態に形成したコンデンサマイクロフォン検出器１３が
形成される。

【００２０】上記コンデンサマイクロフォン検出器１３
においては、例えば、受光室１７内の圧力が受光室１６
内の圧力よりも大きい場合、間隙２７内の圧力が大きい
ので、図４（Ａ）に示すように、電極２４，２５が互い
に遠ざかるように変形し、このときの静電容量は、例え
ば電極２５に接続された導線３２を介して外部の処理回
路（図示していない）に取り出される。そして、受光室
１６内の圧力が受光室１７内の圧力よりも大きい場合
は、図示していないが、電極２４，２５が互いに接近す
るように変形する。いずれの場合においても、電極２
４，２５はともに可動電極となっているが、これらの偏
位量が図７（Ａ）に示した従来のコンデンサマイクロフ
ォン検出器における出力の２倍になり、感度も２倍にな
るので、防振効果に加えて感度向上という効果も奏す
る。

【００２１】そして、前記コンデンサマイクロフォン検
出器１３は、電極２４，２５がともに金属薄膜２２，２
３よりなるとともに、その形状および質量が互いに全く
等しいので、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、電極２
４側または電極２５側のいずれの方向から外力Ｆが作用
しても、両電極２４，２５が全く同じ方向に同じ形態で
偏位する。したがって、外力Ｆに起因する振動に基づく
容量に変動が生ずることがなく、測定を常に精度よく行
うことができる。

【００２２】図５は、この発明の第２の実施の形態を示
すもので、この実施の形態におけるコンデンサマイクロ
フォン検出器においては、二つの電極が、その形状およ
び質量にほとんど差がない程度に同一となるように形成
されている。

【００２３】すなわち、図５（Ａ）において、３３はコ
ンデンサマイクロフォン検出器で、そのケース３４の内
部は、二つの受光室３５，３６に区画され、各受光室３
５，３６には赤外線透過性素材よりなる受光窓３７，３
８が設けられている。そして、３９，４０は受光室３
５，３６内の圧力差を検出するための可動電極。固定電
極である。これらの電極３９，４０は、例えば図５
（Ｂ）に示すように構成されている。

【００２４】すなわち、図５（Ｂ）において、４１，４
２は例えばアルミニウムまたは鉄などの金属よりなる平
面視矩形状の枠体構造の母材で、互いに同形状、同サイ
ズである。そして、これらの母材４１，４２の一方の面
に、金属薄膜４３，４４が母材４１，４２の空間を覆う
ように張設固着されている。また、この金属薄膜４３，
４４には、その両面の周縁に母材４１，４２の枠部分４
１ａ，４２ａに相当する幅の絶縁膜４５，４６が形成さ
れている。

【００２５】前記金属薄膜４３，４４は、例えばチタン
などの金属よりなり、その厚みは数μｍ程度である。そ
して、一方の金属薄膜４４にはガスを流通させるための
小さい孔４４ａが開設されており、二つの金属薄膜４
３，４４は、この点においてのみ形状および質量がきわ
めて僅かだけ異なる。また、絶縁膜４５，４６は、例え
ばガラス膜よりなり、その厚みは数〜数１０μｍ程度で
あり、金属薄膜４３，４４の両面の周縁にコーティング
されている。

【００２６】そして、図５（Ｂ）に示すように、両面の
周縁に絶縁膜４５，４６を予めコーティングした金属薄
膜４３，４４を、金属製の枠状母材４１，４２にそれぞ
れ貼り合わせ、エッチングを行って不要な絶縁膜を除去
することにより、可動電極ユニット４７および固定電極
ユニット４８が形成される。そして、金属薄膜４３，４
４が互いに近くなるようにして、二つのユニット４７，
４８を接合し、この接合したものを、図５（Ａ）に示す
ように、受光室３５に面するようにして金属薄膜４３を
位置させる一方、受光室３６に面するようにして金属薄
膜４４を位置させることにより、可動電極３９と固定電
極４０とを互いに対向した状態に形成したコンデンサマ
イクロフォン検出器３３が形成される。

【００２７】上記構成のコンデンサマイクロフォン検出
器３３においては、金属薄膜４３，４４の外側には絶縁
膜４５がそれぞれ形成してあるので、金属薄膜４３，４
４が互いに密着することなく、それらの間には数〜数１
０μｍ程度の隙間４９が形成される。また、固定電極４
０としての金属薄膜４４には、小孔４４ａが形成されて
いるので、可動電極３９としての金属薄膜４３の両方の
面に、受光室３５，３６の圧力をそれぞれ受けることが
でき、第１の実施の形態におけるコンデンサマイクロフ
ォン検出器１３と同様に、二つの受光室３５，３６にお
ける圧力差を検出することができる。

【００２８】上記第２の実施の形態におけるコンデンサ
マイクロフォン検出器３３の動作は、第１の実施の形態
におけるコンデンサマイクロフォン検出器１３とほぼ同
じであるので、その詳細な説明は省略する。

【００２９】なお、上記第２の実施の形態においては、
金属薄膜４４に小孔４４ａを形成することにより、二つ
の受光室３５，３６を連通させていたが、金属薄膜４４
に小孔４４ａを形成するのに代えて、母材４１、４２に
連通孔を形成してもよい。このようにした場合、金属薄
膜４３，４４は互いに同一形状、同一質量となる。

【００３０】上述の実施の形態においては、コンデンサ
マイクロフォン検出器１３，３３が２つの受光室１６，
１７（３５，３６）を備え、所謂２ビームタイプのＮＤ
ＩＲに組み込まれるものであったが、この発明は、これ
に限られるものではなく、１ビームタイプ（１セルタイ
プ）のＮＤＩＲにも適用することができる。以下、図図
６を参照しながら説明する。

【００３１】図６は、この発明の第３の実施の形態を示
すもので、この図において、５１は１ビームタイプのＮ
ＤＩＲで、次のように構成されている。すなわち、５２
は筒状の測定セル、その両端が赤外線透過性素材よりな
るセル窓５３，５４で封止されているとともに、サンプ
ルガスＳの導入口５５、導出口５６が形成されている。
５７は一方のセル窓５３に対向して設けられる赤外光源
で、この赤外光源５７を発した赤外光ＩＲは、赤外光源
５７とセル窓５３との間に介装された光チョッパ５８に
よって所定の周波数の断続光とされる。なお、光チョッ
パ５８を回転駆動するモータは図示してない。

【００３２】５９は他方のセル窓５４に対向して設けら
れるコンデンサマイクロフォン検出器で、そのケース６
０の測定セル５２側に赤外線透過性素材よりなる受光窓
６１が形成されるとともに、ケース６０内部が受光窓６
１と同様の素材よりなる窓６２によって二つの受光室６
３，６４に区画され、これらの受光室６３，６４が赤外
線光路（矢印ＩＲで示す）に順次直列となるように測定
セル５２に対して配置されている。

【００３３】そして、６５は圧力検出室で、内部に二つ
の電極６６，６７が互いに対向した状態で設けられると
ともに、電極６６，６７で二室６８，６９に区画され、
一方の室６８は接続流路７０を介して受光室６３と連通
接続され、他方の室６９は接続流路７１を介して受光室
６４と連通接続されている。そして、受光室６３，６
４、圧力検出室６５および接続流路７０，７１には、測
定対象ガスまたはこれと同等の赤外吸収特性を示すガス
が封入されている。また、電極６６，６７は、第２の実
施の形態における電極３９，４０と同様の素材より、電
極６６，６７のいずれか一方に小孔が設けられており、
いずれか一方が可動電極となり、いずれか他方が固定電
極となるように構成されている。

【００３４】上記第３の実施の形態の動作は、第２の実
施の形態のそれと同様であるので、その詳細な説明は省
略する。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明のコンデ
ンサマイクロフォン検出器においては、二つの電極を適
宜の間隔をおいて対向させて設けた赤外線ガス分析計用
コンデンサマイクロフォン検出器において、前記両電極
をともに金属薄膜で形成するとともに、その形状および
質量を同一またはほぼ同一になるように形成しているの
で、従来のこの種のコンデンサマイクロフォン検出器と
は異なり、仮に外力が加えられても両電極は同じ動きを
することができ、したがって、静電容量に変動が生じる
ことがない。したがって、測定を常に精度よく行うこと
ができる。

【００３６】そして、従来のコンデンサマイクロフォン
検出器と異なり、外部からの振動に対してはばねなどに
よる防振対策が不要となり、それだけ構造が簡単にな
る。

【００３７】したがって、従来のコンデンサマイクロフ
ォン検出器は、車載用ＮＤＩＲの検出部として組み込ま
れることがほとんどなかったが、この発明によれば、コ
ンデンサマイクロフォン検出器の耐震性が大幅に向上す
るので、前記車載用ＮＤＩＲなどにも組み込むことが可
能になり、振動が少ない環境は勿論のこと、振動等の多
い環境における用途が大幅に拡大される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のコンデンサマイクロフォン検出器を
組み込んだ２ビームタイプのガス分析計の構成を概略的
に示す図である。

【図２】この発明のコンデンサマイクロフォン検出器の
一例を示す断面図である。

【図３】前記コンデンサマイクロフォン検出器の要部の
構成を拡大図とともに示す分解断面図である。

【図４】前記コンデンサマイクロフォン検出器の動作説
明図である。

【図５】コンデンサマイクロフォン検出器の他の例を示
す図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は要部の構成を拡大図
とともに示す分解断面図である。

【図６】この発明のコンデンサマイクロフォン検出器を
組み込んだ１ビームタイプのガス分析計の構成例を概略
的に示す図である。

【図７】従来のコンデンサマイクロフォン検出器とその
問題点を説明するための図である。

【符号の説明】

１３，３３，５９…コンデンサマイクロフォン検出器、
２４，２５，３９，４０，６６，６７…電極、２２，２
３，４３，４４…金属薄膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二つの電極を適宜の間隔をおいて対向さ
   せて設けた赤外線ガス分析計用コンデンサマイクロフォ
   ン検出器において、前記両電極をともに金属薄膜で形成
   するとともに、その形状および質量を同一またはほぼ同
   一になるように形成したことを特徴とする赤外線ガス分
   析計用コンデンサマイクロフォン検出器。