JP2004271518A - ガスセンサーおよびガスセンサー用フィラメント - Google Patents

Abstract

【課題】検出しようとするガスの吸収波長領域の電磁波を効率良く放射する小型で安価なガスセンサーおよびガスセンサー用フィラメントを提供する。
【解決手段】 ガスセンサー用放射源６は、濃度を測定するガスの吸収スペクトルの波長の略半分の開口直径で、かつ、前記開口直径の２倍以上の深さであるマイクロキャビティが形成されたフィラメント８と、減圧状態または希ガスを封入した状態で、前記フィラメントを包含したバルブ１０とを備えることにより、検出しようとするガスの吸収スペクトルの波長領域に対して効率良く放射が得られる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、各種ガスの濃度の測定に使用するガスセンサーおよびガスセンサー用フィラメントに関するものである。

各種のガスは、赤外線領域や紫外線領域などにおいて各ガスに固有の特定の波長の光（電磁波）を吸収することが知られている。この特徴を利用して、ガスの濃度を測定するガスセンサーやガス検知器が作成されており、一般には赤外線を利用しているガスセンサーやガス検知器が多い。

このようなガスセンサーやガス検知器は、赤外放射源と赤外放射センサーとを所定のガス検出空間を隔てて配置し、このガス検出空間に気体を流して、この気体中に含有される検出対象とするガスの量を、その量に応じて生ずる赤外放射の減衰、すなわちガスによる赤外線の吸収量をセンサーで検知することにより、ガスの含有量を測定するようにしている。

このとき、赤外放射源としては、主としてタングステン線をコイル状にしたフィラメントをもつ電球が使用され、フィラメントを通電加熱して６００〜８００Ｋに達したときのフィラメントからの赤外放射を使用する。

温度Ｔのタングステンフィラメントから放射される光（電磁波）のうちある波長λの光が放射される割合は、分光放射発散度Ｍ（λ，Ｔ）である。そして、タングステンフィラメントの分光放射発散度Ｍ（λ，Ｔ）は、フィラメントの放射率ε（λ，Ｔ）と黒体放射の分光放射発散度Ｍｂ（λ，Ｔ）との積で表される。ここで、図１に４００Ｋ〜８００Ｋの、１００Ｋ毎の黒体放射の分光放射発散度Ｍｂ（λ，Ｔ）を示す。

タングステンフィラメントの放射率ε（λ，Ｔ）は、５００Ｋから１０００Ｋまでは、ガスセンサーとして使用される波長２μｍ以上の領域においては２０％以下であり、利用できるエネルギーの割合は小さいものである。さらに、フィラメントから発される放射の全体のエネルギーを大きくするためフィラメント温度を２０００Ｋ程度にしたとしても、ウィーンの変位則から説明できるように最大エネルギーを有する波長は短波長側にシフトし、タングステンフィラメントのガスセンサーとして使用する赤外波長域の放射率はやはり２０％以下であって、ガスセンサー用放射源としては極めて効率が悪い。

一方、ガスの赤外放射の吸収波長は検出しようとするガス種によって異なり、例えば二酸化炭素（ＣＯ₂）は、波長が４．２６μｍの赤外線を吸収し、一酸化炭素（ＣＯ）は波長が４．６７μｍの赤外線を吸収する。また、窒素酸化物（ＮＯx）の吸収帯は６〜９μｍである。このような赤外線は、上記のように従来のタングステンフィラメントを用いたのでは効率的に放射させることが困難である。

この課題を解決するため、発熱抵抗線となるフィラメントを赤外放射率が高く酸化傾向の少ないニッケル・クロムや鉄・クロム・アルミなどの合金で形成した合金フィラメントにし、さらにこの合金フィラメントの表面に赤外波長域での放射率が高いセラミックをコーティングし、赤外放射を効率よく得る試みがなされている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−２２２６３８号公報 特開平３−１０２７０１号公報 特開２００１−３１４９８９号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、広い波長範囲で放射率が改善されるため、ガス検出のように、特定のガスの吸収波長帯域のみに集中した放射を必要とする場合、その放射源は、投入するエネルギー（多くの場合電力）に対して得られる放射量の比、すなわち、放射源としての効率は悪いままであり、ガスセンサーとして用いる場合にはさらに冷却装置が必要となる。

また、特許文献１の赤外線放射光源をガスセンサーに用いるために、光源から出射した光を、測定ガスに入射させる前に干渉フィルタを通過させることにより必要な波長帯域のみとするが、このような干渉フィルタは一般に高価でありセンサーの値段が高くなってしまう。

一方、必要とする波長帯域に集中した放射を得る方法としてレーザやＬＥＤがあるが、上記の赤外線領域（波長２〜９μｍ）の放射を効率良く出射するレーザ源やＬＥＤは現在のところ実用化されていない。また、紫外線領域の放射（ガスの吸収波長あり）を出射するレーザやＬＥＤをガスセンサの放射源として用いても、一般のガスセンサーやガス検知器などの燃焼機器に安全装置として組み込まれる簡易ガス濃度検知器には、装置の規模、コストの面で適さない。

本発明の目的とするところは、検出しようとするガスの吸収波長領域の電磁波を効率良く放射する小型で安価なガスセンサーおよびガスセンサー用フィラメントを提供することである。

本発明のガスセンサー用フィラメントは、ガスの濃度を測定するために電磁波を放射するガスセンサー用フィラメントであって、前記ガスの吸収する電磁波の波長の略半分の直径を有する複数の穴が表面に設けられている。

前記穴の直径は、前記ガスの吸収する電磁波の波長の４５％以上５５％以下であることが好ましい。

ある実施形態において、前記フィラメントは平面部分を有しており、前記平面部分に前記穴が設けられている。

ある実施形態において、前記フィラメントは金属シートの部分を有しており、前記金属シートの少なくとも一方の面に前記穴が設けられている。

前記穴の開口部分以外の表面の少なくとも一部が鏡面処理されていることが好ましい。

ある好ましい実施形態において、前記ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）または二酸化炭素（ＣＯ₂）であり、前記穴の直径は２．３μｍである。

ある好ましい実施形態において、前記ガスは、メタン（ＣＨ₄）であり、前記穴の直径は１．７μｍである。

本発明のガスセンサーは、ガスの濃度を測定するためのガスセンサーであって、放射源と、前記ガスが満たされる容器と、前記放射源からの電磁波の放射を検出する検出器とを備え、前記放射源は、前記ガスの吸収する電磁波の波長の略半分の直径を有する複数の穴が表面に設けられていて前記放射を発生させるフィラメントを有し、前記容器は、前記放射源からの前記放射が入射する入射窓と、入射した当該放射が前記検出器へと出射する出射窓とを備え、前記検出器は、前記出射窓から出射した前記放射を受ける検出面を有している。

前記穴の直径は、前記ガスの吸収する電磁波の波長の４５％以上５５％以下であることが好ましい。

ある実施形態において、前記放射源は、減圧状態または希ガスを封入した状態で前記フィラメントを内部空間に包含しているバルブをさらに備えている。

ある実施形態において、前記フィラメントは平面部分を有しており、前記平面部分に前記穴が設けられており、前記穴が設けられた前記平面部分は、前記検出面に相対している。

前記穴が設けられた前記平面部分に直交する線と、前記検出面とがなす角度は、８０度以上１００度以下であることが好ましい。

ある好適な実施形態において、前記ガスは、第１の波長の電磁波を吸収する第１のガスと、第２の波長の電磁波を吸収する第２のガスとを含み、前記放射源は、前記第１の波長の略半分の直径を有する複数の穴が表面に設けられている第１のフィラメントと、前記第２の波長の略半分の直径を有する複数の穴が表面に設けられている第２のフィラメントとを有している。

本願のガスセンサー用フィラメントは表面に複数の穴が設けられており、その穴の直径は、測定しようとするガスが吸収する電磁波の波長の略半分である。従って、このガスセンサー用フィラメントはガスの吸収する電磁波を効率良く放射し、このフィラメントを用いたガスセンサーは、小型で安価なものとなる。

以下、本願発明者らが本発明のために検討した事項についてまず説明し、その後本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

特許文献２には、所定のカットオフ波長よりも長波長の放射が放射体から発生することを抑制して、可視光を効率的に放射する光源に関する技術が開示されている。この特許文献２に記載されたタングステン白熱ランプは、正方形の開口部を有する導波管キャビティをタングステン表面に設けており、正方形の一辺の長さの２倍よりも長い波長の光（フォトン）は放射されずに、このカットオフ波長（正方形の一辺の長さの２倍の波長）よりも波長が短い光のみが放射されると説明されている。特許文献２が開示されたときには、このような穴をタングステンフィラメントに形成することは非常に困難であったため、上述の技術は導波管の理論からの推論によるものであると考えられる。

しかしながら、最近になって特許文献３に示されるように、フェムト秒レーザを利用して赤外線の波長の半分程度の複数の穴（マイクロキャビティ）を金属シート（例えばタングステンシート）に形成する技術が開発された。そこで、本発明者らは、特許文献３の技術を用いて以下の検討を行った。

まず、長さ２０ｍｍ、幅０．１７ｍｍ、厚さ５μｍのタングステンシートの表面に、フェムト秒レーザを使用して、開口直径が０．７、１．４、１．６μｍの３種類、穴ピッチ（隣接する穴の中心間の距離）は開口直径の２倍、穴深さ３〜４μｍの複数の穴（以下、マイクロキャビティという）を開けてマイクロキャビティ形成を行い、３種類の試料を作製した。これらのマイクロキャビティは略円形の開口形状を有している。なお、フェムト秒レーザによるマイクロキャビティ形成の詳細については特許文献３に開示されているので、詳細な説明は省略する。

図２にこれらのマイクロキャビティ形成済の試料とマイクロキャビティを形成していないタングステンシートをそれぞれ６００Ｋに加熱して測定した、放射波長と放射率との関係を示す。Ａは開口直径が０．７μｍのマイクロキャビティ形成済試料、Ｂは開口直径が１．４μｍのマイクロキャビティ形成済試料、Ｃは開口直径が１．６μｍのマイクロキャビティ形成済試料、Ｄ，Ｅはマイクロキャビティを形成していないタングステンシートのデータである。

図２から、マイクロキャビティ形成済試料は、マイクロキャビティの開口直径の２倍の波長において放射率のピークを有するスペクトルの放射を発生していることがわかる。この現象は特許文献２に説明されたような、カットオフ波長（開口直径の２倍の波長）を境に、これよりも長波長の放射が消滅しこれよりも短波長の放射はそのまま放射されるという導波管の理論と異なる現象である。即ち、マイクロキャビティ形成済試料は開口直径の２倍の波長の放射が最も多く放射され、その波長よりも波長が長くなるとあるいは短くなると放射は急激に減少するというのがこの現象であり、短波長側の放射も減少している点に特徴を有しており、本発明者が初めて見出したものである。この現象のメカニズムの詳細は不明であるが、この現象を利用することにより、特定波長帯域のみ放射率を選択的に増大させる放射源を実現できる。つまり、ガスセンサーの放射源にこの現象を利用すると、エネルギー効率の良い放射源とすることができるのである。

（実施の形態１）
実施の形態１は、上記の現象を利用したメタン（ＣＨ₄）ガス検知用光源である。この光源は、図１１（ａ）に示すようにタングステンシートからなるフィラメント３０である。このフィラメントの表面のほぼ全面に複数の穴（マイクロキャビティ）９を形成する。マイクロキャビティ９の開口形状は略円形である。ここで、メタンの吸収波長は３．３９μｍであるので、図１１（ａ）のＲの部分を拡大した図１１（ｂ）に示すように、メタンの吸収波長の略半分の長さである１．７μｍを直径とし、隣接するマイクロキャビティ９同士が接触しないように、隣接するマイクロキャビティ９，９の中心間の距離を３．４μｍとしてフィラメント３０表面にマイクロキャビティ９を形成する。この時、マイクロキャビティ９の深さは、約４μｍとした。このフィラメント３０を６００Ｋに加熱した場合のフィラメント３０から放射される電磁波の波長に対する放射率（％）を図３に示す。図３からわかるように、波長が約３．４μｍであるときの放射率が最も高くなっている。つまり、フィラメント３０表面に多数のマイクロキャビティ９を設けることによって、マイクロキャビティ９の開口直径の略２倍の波長をピークとするスペクトル有する電磁波が選択的にフィラメント３０から放射されている。

このフィラメント３０を４００Ｋから１０００Ｋの温度範囲で加熱した場合の、放射波長に対する分光放射発散度の相対値を図４に示す。波長３．４μｍに極大値があり、波長３．２μｍから３．７μｍの範囲で他の波長領域よりも分光放射発散度が増加していることがわかる。

図５は、横軸にフィラメント３０の分布温度（Ｋ）をとり、縦軸に波長１〜５．２μｍの分光放射発散度の積分値に対する波長３．２〜３．７μｍの分光放射発散度の積分値の比をとった図である。また同時に、マイクロキャビティが形成されたフィラメント３０の波長３．２〜３．７μｍまでの分光放射発散度の積分値を、フィラメント３０の分布温度が８００Ｋのときの当該積分値を１として表した相対値も図５に示す。なお、マイクロキャビティを形成していないフィラメントについての上記積分値の比および上記積分値の相対比も同様に図５に示す。

ここで、積分値の比の分母として波長１〜５．２μｍの分光放射発散度の積分値を採用したのは、ガスセンサー用として使用する温度ではフィラメントから放射される電磁波は、波長が１μｍ以上のものがほとんどであることと、測定するガスを満たす容器に設けられる測定用窓にはサファイヤガラスが用いられサファイヤガラスは波長５．２μｍの赤外線を５０％透過させるが、それ以上の波長の赤外線はほとんど透過しなくなるからである。なお、窓材としてソーダガラスを用いると、長波長側は３〜４μｍまでしか透過しない。

黒体放射の分光放射発散度Ｍｂ（λ，Ｔ）は、温度が７００Ｋ前後のときに波長３．７μｍにピーク値を有する。したがって、マイクロキャビティを形成していないフィラメントの波長１〜５．２μｍまでの分光放射発散度の積分値に対する波長３．２〜３．７μｍまでの分光放射発散度の積分値の比２００は、分布温度７００Ｋ前後で最大となる。ところが、マイクロキャビティを形成して波長３．４μｍに放射率ε（λ，Ｔ）の極大をもたせたフィラメント３０では、分布温度７００Ｋにおいて前記の積分値の比１００がマイクロキャビティを形成していないフィラメントのそれの３倍以上となっている。

この波長１〜５．２μｍまでの分光放射発散度の積分値に対する波長３．２〜３．７μｍまでの分光放射発散度の積分値の比は、光源からの放射のうち、ガス濃度測定に使用する波長帯域の放射の割合であり、光源の放射効率を示す。従って図５からわかるように、分布温度４００Ｋから１３００Ｋまでの範囲では、マイクロキャビティを形成したフィラメントは従来の一般フィラメントにおける最大効率の２倍以上の効率を有している。

一方、マイクロキャビティを形成したフィラメント３０の波長３．２μｍから３．７μｍまでの分光放射発散度は、分布温度が低くなると小さくなり、分布温度６００Ｋの波長３．２μｍから３．７μｍまでの分光放射発散度は、８００Ｋの分光放射発散度の２０％以下となる。ガス検出のためには、光源からの放射がガスにより吸収された後センサ部に照射される際に、所定の放射照度が必要となるため、実用的には分布温度６００Ｋ以上での使用が望ましい。

また、平面のシートにマイクロキャビティを形成してフィラメントとすることにより、フィラメントからの放射が指向性を有することを本発明者らは発見した。なお、このことは特許文献２には記載されておらず、本発明者らが初めて見つけ出したことである。図６にマイクロキャビティを形成した平面シートの配光特性（フィラメント平面の法線からの角度と放射強度との関係）を示す。図６の配光特性に示すように、マイクロキャビティを形成していないフィラメントは、フィラメントを構成する平面の法線から±３０度の範囲ではその放射強度はほぼ一定であり指向性を有していない。しかし、上記のようにマイクロキャビティを形成したフィラメントは、法線方向の放射強度が最大となっており、放射強度の半値幅が法線からの角度で±１０度（ｄｅｇ）である指向性をもつようになる。この指向性を利用することで、例えばレフ電球とは違って、反射光学系を用いないでも指向性を有した配光を持つ光源を実現できる。

従来のガスセンサーでは、反射ミラーやレンズなどの光学系を用いて、無指向性で完全拡散に近いフィラメントからの放射を検出器の受光面（検出面）に集光させてフィラメントの放射を受光面に効率よく照射しているが、上記のように、マイクロキャビティを形成することで放射に指向性を持たせることにより、光学系を使用しないコンパクトで安価な放射源およびガスセンサーを実現できる。

なお、この指向性の広がり（ビーム角）である半値幅は、リボンフィラメント自身を湾曲させることで大きくしたり小さくしたりすることができ、例えば拡散型レフ電球に相当するビーム角±１５度をも実現できる。

さらに、フィラメントにマイクロキャビティを形成した場合に、マイクロキャビティが開口している部分以外のフィラメント表面の少なくとも一部に鏡面処理をすることによって放射率を抑えることができる。その結果、フィラメントからの熱放射が抑制できることによって、目的とする波長範囲の赤外線の放射効率を向上させることができる。マイクロキャビティが開口している部分以外のフィラメント表面とは、例えば隣り合うマイクロキャビティ間のフィラメント表面であるとか、フィラメント表面の一部の領域にマイクロキャビティを形成した場合はその領域以外のフィラメント表面である。なお、マイクロキャビティの開口部分以外のフィラメント表面に鏡面処理を施すには、先ずフィラメント全体を鏡面研磨加工した後にマイクロキャビティをフェムト秒レーザなどで形成すれば良い。

また、本実施形態ではマイクロキャビティ９の穴深さを開口直径の約２．５倍としているが、穴の深さは開口直径の２倍以上あれば上記の効果が得られる。特許文献２では開口直径の約２０倍の穴深さとしているが、このように深い穴を形成することは困難であり、製造コストが大きくなるが、穴の深さは開口直径の２倍以上であればよいので、容易にマイクロキャビティが形成でき、製造コストも低く抑えられる。

（実施の形態２）
実施の形態２ではマイクロキャビティが形成されたフィラメントとそれを放射源とするガスセンサーとについて説明する。また、測定するガスの種類はメタンである。

本実施形態のガスセンサーの内部構造を図７に示す。このガスセンサーは、放射源６と測定するガスが満たされる容器（セル）１と放射源６からの電磁波（赤外線）の放射を検出する検出器７とを備えている。測定しようとするガスを満たすセル１の両端には入射窓２と出射窓３とがあり、出射窓３には光学フィルタが備えられている。また、ガス入口部４から測定しようとするガスをセル１内に導入して満たし、ガス出口部５よりガスを排出する。放射源６からの放射は入射窓２を通してセル１内に入り、セル１内に充填されたガスを透過し、出射窓３を通過して検出器７の検出面２０に入射する。検出器７は、検出面２０が受けた放射の量を電気信号に変換する。このとき測定ガス中に、メタン（ＣＨ₄）ガスが含まれているとき、放射源６から発生した波長３．３９μｍの放射の一部はメタンに吸収されるので、検出器７の出力をメタンが含まれない時の検出器出力と比較することにより、測定ガス中に含まれるメタンの濃度を定量的に求めることができる。

図８にガスセンサー用放射源６の構造を示す。タングステンシートにエッチングで切れ目を入れて、タングステンリボンが蛇行してＭ字の形状をしているフィラメント８を形成する。このフィラメント８は実質的に一つの平面上に存している。そして、フィラメント８の一方の面にフェムト秒レーザにより開口直径１．７μｍで、穴ピッチ（隣接する穴の中心間の距離）３．４μｍでマイクロキャビティ９を形成する。開口直径は、濃度を測定する気体（メタン）の吸収スペクトルの波長（３．３９μｍ）の略半分になるように形成し、深さは開口直径の２倍以上になるように加工してある。マイクロキャビティ形成面は、図８では紙面の上向き側の面であり、図７では検出面に相対している面である。また、フィラメント８は、アルゴンガスとともにバルブ１０に包含されている。そして、マイクロキャビティ９が形成されたフィラメント８の面は実質的に平面であって、検出面２０に相対しており、また入射窓２側の面に向いている。この時、マイクロキャビティ９が形成されたフィラメント８の面に直交する線と検出面２０とがなす角は、実質的に９０度であるが、この角度は８０〜１００度の範囲にあれば、十分に高い効率の放射を検出面２０が受けることができる。

フィラメント８にマイクロキャビティ９を形成することで、所定の波長（ここでは３．４μｍ）をピークとするスペクトルを有する電磁波をフィラメント８から放射させることができ、フィラメント８のマイクロキャビティ形成面（実質的な平面）の法線方向に特異的に放射強度が大きい指向性を有した放射を発生させることができる。そして、その指向性の程度は、放射強度の半値幅が±１０度というものである。従って、反射光学系なしで指向性のある配光を持つ光源（放射源）を実現できる。このため、従来のガスセンサーのように放射源に反射鏡などの光学系が不要となるため、放射源部はきわめて小形に構成できる。

出射窓３に備え付けられている光学フィルタは、測定しようとするガスの吸収波長と他のガスの吸収波長が近い場合に、他のガスの吸収波長を有する赤外線を分離して検出器７に入れないようにするためのものである。例えばメタンの場合、その吸収波長は３．３９μｍであるが、波長４．２６μｍは二酸化炭素（ＣＯ₂）の吸収波長であり、波長４．６７μｍは一酸化炭素（ＣＯ）の吸収波長であるので、二酸化炭素と一酸化炭素の影響を除外するために中心波長３．４μｍ、帯域半値幅１μｍの帯域透過フィルタを使用する。

検出器７には、一例として焦電センサが用いられる。焦電センサーは、熱形検出器の一種で、放射を受光面（検出面）で吸収し検出面の温度上昇から、放射パワーを求めるものである。焦電センサーは微分応答形のため放射を光チョッパなどで変調して通常検出するが、本実施形態では放射源６を電気的に１５Ｈｚで点滅して使用した。なお、放射源６を点滅させる代わりに、出射窓３と放射検出器７の間に回転セクタによる光チョッパーを設けてもよい。

また、測定対象とするガスはメタンに限定されず、他の種々のガスも測定対象とすることができる。この場合はガス種によって吸収される電磁波の波長が異なるので、その吸収波長に応じたマイクロキャビティの開口直径を選択すればよい。ここで、マイクロキャビティの開口直径を２．３μｍとすると、フィラメントからの放射は４．６μｍをピークとするスペクトルを有する赤外線となり、この場合には二酸化炭素の吸収波長と一酸化炭素の吸収波長の両方がそのスペクトルに含まれるため、このフィラメントで二酸化炭素と一酸化炭素の両方の濃度を測定することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３では、複数の種類のガスの濃度を検出するガスセンサーおよびそのガスセンサーに用いられる放射源について説明する。

本実施形態のガスセンサーを図９に示す。本実施形態のガスセンサーは、セル１および入射窓２については実施形態１と同じであるので、それ以外の構成部分について説明する。

放射源１２は、第１のフィラメント１３と第２のフィラメント１４との２つのフィラメントを備えている。そして、検出器も２つのフィラメントに対応して、第１の検出器１８と第２の検出器１９とを備えている。第１の検出器１８の検出面（第１の検出面）２３の前面には第１の光学フィルタを備えた第１の出射窓１１が設けられており、第２の検出器１９の検出面（第２の検出面）２５の前面には第２の光学フィルタを備えた第２の出射窓２１が設けられている。放射源１２からの放射は入射窓２を通ってセル１内に入射し、セル１中のガスに一部が吸収され、その残部が第１の出射窓１１および第２の出射窓２１を通過してそれぞれ第１の検出面２３および第２の検出面２５に照射される。そして、第１および第２の検出器１８，１９がそれぞれ第１の検出面２３または第２の検出面２５が受けた放射の量を電気信号に変換する。

セル１中に２種類のガス、例えばメタンと二酸化炭素が含まれている場合、波長３．３９μｍの赤外線はメタンによって特異的に吸収され、波長４．２６μｍの赤外線は二酸化炭素によって特異的に吸収される。このような場合には、第１の光学フィルタとして、中心波長３．４μｍ、帯域半値幅１μｍの帯域透過フィルタを用い、メタンが吸収した波長３．３９μｍの赤外線の残部を第１の検出器１８に入射させる。また、第２の光学フィルタとして、中心波長４．２６μｍ、帯域半値幅１μｍの帯域透過フィルタを用い、二酸化炭素が吸収した波長４．２６μｍの赤外線の残部を第２の検出器１９に入射させる。こうして検出したメタンまたは二酸化炭素の吸収残部の検出器出力（検出信号）と、セル１中にメタンまたは二酸化炭素が存在していないときのそれぞれの検出器１８，１９の検出器出力とを比較することで、セル１中の測定ガスに含まれるメタンまたは二酸化炭素の濃度を定量的に求めることができる。

本実施形態では、第１のガスであるメタンと第２のガスである二酸化炭素との２種類のガスを測定対象としており、放射源１２も２種類のガスに対応した構成としている。本実施形態の放射源１２を図１０に示す。

本実施形態の放射源１２は２つのフィラメント１３，１４を独立に備えており、２つのフィラメント１３，１４はそれぞれ実施形態１のフィラメントと同じ材料から作製されておりほぼ同じ形状をしている。即ちどちらのフィラメント１３，１４もタングステンリボンが蛇行してＭ字状の形状を有しているもので全体として一つの平面上に形成されており、タングステンリボンの一方の面に多数のマイクロキャビティが形成されている。マイクロキャビティ形成面は、図１２では紙面の上向き側の面であり、図９では第１の検出面２３または第２の検出面２５に相対している面である。このようにマイクロキャビティが形成されている平面が第１の検出面２３または第２の検出面２５に相対しているので、フィラメントからの指向性を有した放射の大部分が検出面２３，２５に照射されてガスセンサーのトータルのエネルギー効率が高いものとなる。この時、マイクロキャビティが形成された２つのフィラメント１３，１４の面にそれぞれ直交する線と第１の検出面２３または第２の検出面２５とがなす角は、実質的に９０度であるが、この角度は８０〜１００度の範囲にあれば、十分に高い効率の放射をそれぞれの検出面２３，２５が受けることができる。なお、マイクロキャビティは非常に小さいので、図示していない。

第１のフィラメント１３に形成されているマイクロキャビティは、開口直径１．７μｍ、穴ピッチ３．４μｍのものであり、第２のフィラメント１４に形成されているマイクロキャビティは、開口直径２．１３μｍ、穴ピッチ４．２６μｍのものであり、どちらも穴の深さは開口直径の２倍以上である。従って、第１のフィラメント１３からはメタンの吸収波長である３．４μｍをピークとするスペクトルを有する赤外線が放射され、第２のフィラメント１４からは二酸化炭素の吸収波長である４．２６μｍをピークとするスペクトルを有する赤外線が放射される。なお、これらのマイクロキャビティの形成は、実施形態１と同様にフェムト秒レーザを用いて行った。

２つのフィラメント１３，１４はアルゴンガスと共にバルブ１０の内部に封入されている。そして、２つのフィラメント１３，１４は、図９に示すようにそれぞれ切替器１７を経て電源２０に接続されており、切替器１７において通電端子を切り替えることによりメタン濃度の測定と二酸化炭素濃度の測定とを、光学系（放射源１２）を取り替えること無しに切り替えることができる。

本実施形態の放射源１２およびそれを用いたガスセンサーは、放射源１２内に２つのフィラメント１３，１４を独立に備えていて、それぞれへの通電を切り替えることができるので、ある時は第１のフィラメント１３を点灯させてメタンの吸収波長付近の放射を発生させ、また別の時には第２のフィラメント１４を点灯させて二酸化炭素の吸収波長付近の放射を発生させることにより、複数の放射源を用意することなく２種類のガスの濃度を測定することができる。これによって、複数種のガスの濃度を１台の小型のガスセンサーで測定することが可能となる。

なお、測定対象とするガスは、メタンと二酸化炭素とに限定されず、他の種々のガスも測定対象とすることができる。この場合はガス種によって吸収される電磁波の波長が異なるので、その吸収波長に応じたマイクロキャビティの開口直径を選択すればよい。また、切替器を用いずに、２つのフィラメントに同時に通電しても構わない。さらに、放射源にフィラメントを３つ以上備えたものを用いてもよい。

上記の実施形態１乃至３において、マイクロキャビティの開口直径は測定対象のガスが吸収する電磁波の波長の４５％以上５５％以下であれば、このようなマイクロキャビティを備えたフィラメントは当該ガスの吸収する電磁波を実用上十分に効率よく放射できるのでガスセンサー用途として好ましいものである。

また、上記の実施形態２および３では、バルブ１０内にアルゴンガスを満たしたが、アルゴン以外の希ガスを満たしたり、さらに別のガスを混入させても構わない。あるいは、ガスを封入せずに真空としてもよい。

以上説明したように、本発明に係るガスセンサー用フィラメントおよびガスセンサーは、測定対象のガスが吸収する電磁波を効率良く放射するので、ガス濃度を測定するガスセンサー用フィラメントおよびガスセンサー等として有用である。

４００〜８００Ｋにおける黒体放射の分光放射発散度を示す図である。 マイクロキャビティの有無による放射率の違いを示す図である。 実施形態１に係るフィラメントの分光放射率を示す図である。 実施形態１に係るフィラメントの温度別分光放射発散度を示す図である。 波長１〜５．２μｍの範囲での放射に対する波長３．２〜３．７μｍの範囲での放射の比の分布温度依存性を示す図である。 マイクロキャビティを形成したフィラメントの配向特性を示す図である。 実施形態２に係るガスセンサーの概略図である。 実施形態２に係る放射源の概略図である。 実施形態３に係るガスセンサーの概略図である。 実施形態３に係る放射源の概略図である。 （ａ）は実施形態１に係るフィラメントの図であり、（ｂ）は（ａ）のＲ部分の拡大図である。

符号の説明

１ セル
２ 入射窓
３ 出射窓
４ ガス入口部
５ ガス出口部
６，１２ 放射源
７ 検出器
８，３０ フィラメント
９ マイクロキャビティ
１０ バルブ
１１ 第１の出射窓
１３ 第１のフィラメント
１４ 第２のフィラメント
１７ 切替器
１８ 第１の放射検出器
１９ 第２の放射検出器
２０ 検出面
２１ 第２の出射窓
２３ 第１の検出面
２５ 第２の検出面

Claims (11)

1. ガスの濃度を測定するために電磁波を放射するガスセンサー用フィラメントであって、
   前記ガスの吸収する電磁波の波長の略半分の直径を有する複数の穴が表面に設けられている、ガスセンサー用フィラメント。
2. 前記フィラメントは平面部分を有しており、
   前記平面部分に前記穴が設けられている、請求項１に記載のガスセンサー用フィラメント。
3. 前記フィラメントは金属シートの部分を有しており、
   前記金属シートの少なくとも一方の面に前記穴が設けられている、請求項１に記載のガスセンサー用フィラメント。
4. 前記穴の開口部分以外の表面の少なくとも一部が鏡面処理されている、請求項１から３のいずれか一つに記載のガスセンサー用フィラメント。
5. 前記ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）または二酸化炭素（ＣＯ₂）であり、
   前記穴の直径は２．３μｍである、請求項１から４のいずれか一つに記載のガスセンサー用フィラメント。
6. 前記ガスは、メタン（ＣＨ₄）であり、
   前記穴の直径は１．７μｍである、請求項１から４のいずれか一つに記載のガスセンサー用フィラメント。
7. ガスの濃度を測定するためのガスセンサーであって、
   放射源と、前記ガスが満たされる容器と、前記放射源からの電磁波の放射を検出する検出器とを備え、
   前記放射源は、前記ガスの吸収する電磁波の波長の略半分の直径を有する複数の穴が表面に設けられていて前記放射を発生させるフィラメントを有し、
   前記容器は、前記放射源からの前記放射が入射する入射窓と、入射した当該放射が前記検出器へと出射する出射窓とを備え、
   前記検出器は、前記出射窓から出射した前記放射を受ける検出面を有している、ガスセンサー。
8. 前記放射源は、減圧状態または希ガスを封入した状態で前記フィラメントを内部空間に包含しているバルブをさらに備えている、請求項７に記載のガスセンサー。
9. 前記フィラメントは平面部分を有しており、
   前記平面部分に前記穴が設けられており、
   前記穴が設けられた前記平面部分は、前記検出面に相対している、請求項７または８に記載のガスセンサー。
10. 前記穴が設けられた前記平面部分に直交する線と、前記検出面とがなす角度は、８０度以上１００度以下である、請求項９に記載のガスセンサー。
11. 前記ガスは、第１の波長の電磁波を吸収する第１のガスと、第２の波長の電磁波を吸収する第２のガスとを含み、
    前記放射源は、前記第１の波長の略半分の直径を有する複数の穴が表面に設けられている第１のフィラメントと、前記第２の波長の略半分の直径を有する複数の穴が表面に設けられている第２のフィラメントとを有している、請求項７から１０のいずれか一つに記載のガスセンサー。
    

Images