JP2005140703A - 汚れ防止機能を有する光学装置およびガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】 少量のパージエアを用いて光学面の表面の全体が均等に排ガスに接触しないように保護する汚れ防止機能を有し、安定したパージエアと排ガスの境界面を設けることによって、パージエアの流れによって排ガスの流れを乱すことがなく、排ガスを透過する光の光路長を確実かつ安定に確保することにより、正確な測定ができる光学装置およびガス分析計を提供すること。
【解決手段】 排ガス流路４内の排ガスＥｘに対して光を照射すると共にこの排ガスＥｘを透過した光を検出する光学装置２であって、前記照射光を反射する反射鏡８の表面を仕切る衝立状の隔壁９と、隔壁９によって仕切られた各光学面８にパージエアＡを供給するパージエア供給部１０とを備えている。
あるいは、多数のパージ孔ｈを設けてパージエアＡを照射部５または検出部７の光透過面５３および反射鏡８の裏面から流すことにより排ガスからの汚れを防止する。
反射鏡８の汚れ防止手段としてフレネルレンズ構造の鏡面反射板を用い、鏡面反射板の前後の隙間からパージエアＡを流す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、汚れ防止機能を有する光学装置およびガス分析計に関するものであり、より詳細には、排ガスに面する光透過窓や反射鏡などの光学面が汚れることを効率的に防止する汚れ防止機能を有する光学装置およびガス分析計に関する。

従来より、光を用いた排ガス分析計は、少なくとも排ガスに光を照射する照射部と、この照射部から出射して排ガスを透過した光を検出する検出部と、照射部および検出部が排ガスに直接接触して光量が低下するのを防止する光学装置より構成される。

特に近年では、車両を走行させたときに生じる排ガスを分析することにより、環境に対する影響の大きさを測定するために、自動車を実走行させた状態で、車両のテールパイプ等に直接的に前記光学装置を取り付けて、演算処理部（ＰＣなど）と合わせて車載型分析計で排出される排ガスの分析が行なわれている。

図１０は汚れ防止機能を持たせた光学装置９１およびガス分析計９２の構成の一例を示す図である。図１０において、光学装置９１はテールパイプ９３に直接的に取り付けられるように構成されており、排ガスＥｘに光を照射する照射部９４と、照射部９４から出てテールパイプ９３内の排ガスＥｘを透過した光を反射させる凹面反射鏡９５と、この凹面反射鏡９５によって反射して再び排ガスＥｘを透過した光を検出する検出部９６とを有している。また、９４ａ，９６ａは照射部９４，検出部９６の光透過窓であり、９７は光学装置９１の出力を用いて排ガスの成分を分析する演算処理部である。

前記凹面反射鏡９５と光透過窓９４ａ，９６ａなどの光学面９４ａ，９５，９６ａは、筒状のパージエアガイド９８内に設けられ、このパージエアガイド９８の長さＬ₁ 〜Ｌ₃ は、それぞれ各光学面９４ａ，９５，９６ａの直径Ｄ₁ 〜Ｄ₃ とほゞ同じ程度になるように構成する。そして、各パージエアガイド９８内にパージエアＡを流入させることにより、各光学面９４ａ，９５，９６ａの前面にパージエアＡの滞在する領域を設けて、この光学面９４ａ，９５，９６ａが排ガスＥｘによって汚されることがないようにすることができる。

また、特許文献１にはパージエアによって膜状の流れ（エアカーテン）を作り、この膜状の流れを用いて光学面を測定対象となるガスから隔離することにより、光学面の汚れを防止することが開示されている。
特開平１１−５１８５３号公報

ところが、特許文献１のような構成でパージエアによって光学面に均等に膜状の流れを形成することは難しく、広い面積の光学面の汚れを十分に防ぐためには十分な量のパージエアを用いる必要があり、これが車載用ガス分析計の小型化を難くする要因の一つとなっていた。

また、図１０に示す光学装置９１を構成する場合はパージエアガイド９８内に流すパージエアＡの流量の設定が難しく、これが少ないときには光学面９４ａ，９５，９６ａに排ガスＥｘが接触して汚れることがあった。とりわけ、前記凹面反射鏡９５は照射部９４から出射される光の大部分を検出部９６に反射させるためにその直径Ｄ₂ が大きく設定されているので、矢印Ｂに示すように流れに種々の乱れが発生してパージエアと排ガスの境界が一定状態に安定しなかった。

図１０において、９９ａ〜９９ｃはパージエアＡの流量を変えたときにおけるパージエアＡと排ガスＥｘの境界面を示している。各境界面９９ａ〜９９ｃは排ガスＥｘの流量によって大きく異なるものであるから、凹面反射鏡９５の全面にパージエアーの滞在する領域を確保して排ガスＥｘによって汚されないようにするためには、パージエアＡを余分に流す必要があった。つまり、測定に対して多量のパージエアＡを用いることがガス分析計９２を大掛かりな構成にする原因となっていた。

さらに、パージエアＡの流量が増大すればするほど境界面９９ａ〜９９ｃはパージエアガイド９８から大きくはみ出すこととなり、それだけ光が排ガスＥｘを透過する長さ（光路長）が短くなるので、これが測定感度の低下の原因の１つになる。また、境界面９９ａ〜９９ｃの位置が定まらないので、排ガスＥｘを透過する光路長が定まらず、正確な測定が難しいという問題もあった。

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、少量のパージエアを用いて光学面の表面の全体が均等に排ガスに接触しないように保護する汚れ防止機能を有し、安定したパージエアと排ガスの境界面を設けることによって、パージエアの流れによって排ガスの流れを乱すことなく、排ガスを透過する光の光路長を確実かつ安定に確保することにより、正確な測定ができる光学装置およびガス分析計を提供することである。

上記目的を達成するために、第１発明の汚れ防止機能を有する光学装置は、排ガス流路内の排ガスに対して光を照射する照射部と、この排ガスを透過した光を反射する反射鏡と、該反射鏡からの反射光を検出する検出部よりなる光学装置において、前記反射鏡の光学面の表面を仕切る衝立状の隔壁と、隔壁によって仕切られた各光学面にパージエアを供給するパージエア供給部とを備えていることを特徴としている（請求項１）。

隔壁によって仕切られた各光学面にそれぞれパージ孔を形成してなり、パージエア供給部がこのパージ孔を介して各光学面の裏面側からパージエアを供給するように構成してもよい（請求項２）。

第２発明の汚れ防止機構を有する光学装置は、排ガス流路内の排ガスに対して光を照射する照射部と、この排ガスを透過した光を反射する反射鏡と、該反射鏡からの反射光を検出する検出部よりなる光学装置において、前記光学装置の一部である反射鏡が、略同一の曲率を有し重ねて配置された複数の鏡面反射板からなる光学面と、各鏡面反射板の間隙に連通するパージ孔とを有し、前記光学装置が前記パージ孔を介して各鏡面反射板の間隙にパージエアを供給するパージエア供給部を備えていることを特徴としている（請求項３）。

第３発明の汚れ防止機能を有する光学装置は、排ガス流路内の排ガスに対して光を照射する照射部と、この排ガスを透過した光を反射する反射鏡と、該反射鏡からの反射光を検出する検出部よりなる光学装置において、前記反射鏡の光学面に設けた多数のパージ孔と、このパージ孔を介して各光学面の裏面側からパージエアを供給するパージエア供給部とを備え、正確な分析ができるようにパージエアと排ガスとの境界面を一定にするように構成してあることを特徴としている（請求項４）。

光学面の裏面側に全パージ孔に連通連結されるように袋状部分を形成し、パージエア供給部が袋状部分を介して全パージ孔にパージエアを供給するように構成されていてもよい（請求項５）。

第４発明のガス分析計は、前記光学装置と、該光学装置の出力を用いて排ガスの濃度を求める演算処理部とからなり、走行中の車両の排ガスの濃度をリアルタイムに算出することを特徴としている（請求項６）。

請求項１に記載の第１発明では、隔壁によって光学面の表面が仕切られているので、パージエア供給部が隔壁によって仕切られた各光学面にパージエアを供給することによりパージエアは仕切られた範囲内で光学面の前面に滞留する。このため、少ない流量のパージエアを供給するだけで、比較的広い面積の光学面の表面を、排ガスの接触から保護することができる。なお、隔壁の高さは各仕切りの一片の長さとほゞ同じか幾らか長い程度でよい。

隔壁によって仕切られた各光学面にそれぞれパージ孔を形成してなり、パージエア供給部がこのパージ孔を介して各光学面の裏面側からパージエアを供給するように構成してなる場合（請求項２）には、パージエアを仕切られた各部分に容易に配分して流すことができ、光学面の全面において確実に排ガスが接触しないようにすることができる。

請求項３に記載の第２発明では、光学面を構成する複数の鏡面反射板はいわばフレネルレンズのように全体として一つの凹面鏡となるので、この光学面を用いて集光することができる。また、パージエアは複数の鏡面反射板（光学面）間の間隙からこの光学面の表面に沿って供給され、その表面に安定したパージエアの層を形成できるので、排ガスが光学面に接することを確実に防止できる。

請求項４に記載の第３発明では、光学面の各部に設けたパージ孔からそれぞれパージエアが供給されるので、この光学面の表面においてパージ孔から供給されるパージエアが左右方向に広がると共に、隣り合う多数のパージ孔からも同様にパージエアが供給されるので、速やかに各部において光学面に直角な方向に平行な流れとなる。したがって、言わば光学面の表側の近傍に安定したパージエアの層を形成でき、排ガスが光学面に接することを確実に防止できる。

なお、パージエアのより均一な流れを形成するためには、パージ孔を形成する間隔は狭いほうが望ましい。また、光学面の機能を十分に発揮させるためにはパージ孔はできるだけ小さく形成することが望ましい。

光学面の裏面側に全パージ孔に連通連結されるように袋状部分を形成し、パージエア供給部が袋状部分を介して全パージ孔にパージエアを供給するように構成されてなる場合（請求項５）には、全パージ孔から同じ圧力のパージエアを流すことにより、全てのパージ孔において均一なパージエアの流れを形成することができる。

図１，２は、本発明のガス分析計１の第１実施例を示す図である。本例のガス分析計１の測定対象は走行中の自動車から排出される排ガスである。

図１において、２はガス分析計１の光学装置、３は光学装置２によって得られた測定値を用いて、排ガスＥｘに含まれる各測定対象成分の成分濃度を求める演算処理部、４は排ガスＥｘが排出されるテールパイプ（排ガス流路）である。つまり、本発明のガス分析計１は実走行状態における車両から排出される各排ガスＥｘを直接的に測定するものである。

光学装置２は排ガスＥｘの流れに対して側面から例えば赤外光を照射する照射部５と、この照射部５から出射されて排ガスＥｘを透過した赤外光を反射する反射鏡６と、この反射鏡６によって反射されて排ガスＥｘを再び透過した赤外光を検出する検出部７とを有している。また、５ａ，７ａは照射部５，検出部７の光透過窓である。

前記反射鏡６は赤外光を反射する反射鏡面８と、この反射鏡面８の表面を仕切る衝立状の隔壁９とを有している。また、図１に示す符号１０は反射鏡面８の裏面側に空間ｃを形成するように設けた袋状部分であり、この袋状部分１０がパージエアＡを流す流路となってパージエア供給部の一部を構成する。

図２に示すように、前記反射鏡面８の形状は例えば四角形であり、この反射鏡面８を仕切る隔壁９は、格子状に配置される。そして、この隔壁９によって区切られた反射鏡面８のほゞ中心位置には、それぞれパージ孔ｈを形成している。

なお、本例においては反射鏡面８の全体形状に合わせて隔壁９を格子状に形成しているが、隔壁９による仕切りは格子状であることに限定されるものではなく、三角形やハニカム状（六角形）に区切られていてもよい。また、前記パージ孔ｈは隔壁９によって仕切られた反射鏡面８の中心位置に形成されることに限定されるものではない。

また、本例に示す光学装置は構造が簡単であるのでテールパイプ４に簡単に脱着できるようにアタッチメント構造とすることができ、車両の走行状態において実際に排出される排ガスＥｘの分析を簡単に行なうことができる。

図３は前記光学装置２を構成する反射鏡パージユニットの一部を示す図である。また、図３（Ａ）は光学面に対して側面から見た断面図、図３（Ｂ）は光学面の正面から見た図である。図３において、２０は前記反射鏡面８の格子の例を示す反射鏡パージユニットであり、８は仕切られた各部分において分離可能に構成された平面視正方形である小面積の反射鏡面、９は各反射鏡面８の周囲に設けられた衝立状の隔壁である。

図３に示すように反射鏡面８を小面積の構成とし、その周囲に隔壁９を設けられているので、パージ孔ｈから流れ込むパージエアＡは障壁９によってガイドされて、矢印Ｆに示すような層流となる。また、このパージエアＡの流れは排ガスＥｘの流れに対して側面の静圧側から流入するので、排ガスＥｘの動圧影響を受けにくくなる。つまり、セル長が安定して正確な分析を行なうことができる。

図４は前記光学装置２を構成する反射鏡パージユニットの変形例を示す図である。図４において、３０は前記反射鏡面８の変形例を示す反射鏡パージユニットであり、３１は仕切られた各部分において分離可能に構成された平面視略正方形である小面積の反射鏡面、３２は各反射鏡面３１の周囲に設けられた衝立状の隔壁である。

図４に示す反射鏡パージユニット３０において、隔壁３２はその外側面３２ａが反射鏡面３１に直角な面３１ａに対して幾らかの角度αだけ内側にテーパ面となるように形成している。本例のように構成することにより、反射鏡パージユニット３０は隣接する反射鏡面３１に角度をつけて配置することができる。

図５は前記反射鏡パージユニット３０を用いて形成された反射鏡３５の構成を示す側面図である。前記反射鏡パージユニット３０を用いることにより、前記テーパ面３２ａ同士を合わせるようにして隣接させた反射鏡面３１の間には角度２αの傾きを形成することができる。したがって、反射鏡面３１の集合によって全体として広い面積を有する凹面の反射鏡３５を形成することができる。

図６は本発明の汚れ防止機能を有する光学装置の要部を説明する図である。図６において、５０は光学装置の照射部または検出部における汚れ防止構造を示しており、５１は筒体、５ａ（または７ａ），５３は筒体５１内を仕切るように設けた光透過窓である。５４は筒体５１内の光透過窓５ａ（または７ａ），５３によって仕切られた部分に形成される空間ｃにパージエアＡを導入するためのパージエア導入口である。また、光透過窓（光学面）５３には等間隔に多数のパージ孔ｈを形成している。そして、５５は光透過窓５２，５３を介して排ガスＥｘに光を照射する照射部または排ガスＥｘを透過して入射する光を検出する検出部である。

上記構成の汚れ防止構造５０を用いて、パージエアＡをパージエア導入口５４から空間ｃ内に流入させ、パージ孔ｈから所定量のパージエアＡを吹き出して矢印Ｆに示すようなパージエアＡの均等な流れが形成される。したがって、光透過窓５３の表面にはパージエアＡが充満する空間を確実に形成することができ、この光透過窓５３が排ガスＥｘから確実に隔離される。

図７は、本発明の第２実施例であるガス分析計１’を示す図である。図７において図１〜６と同じ符号を付した部分は同一または同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。

図７において、６０は凹面の反射鏡面であり、この反射鏡面６０には多数のパージ孔ｈが等間隔に設けられている。反射鏡面６０の裏面側には前記袋状部分（パージエア供給部）１０を形成してパージ孔ｈが空間ｃに連通するように構成している。

したがって、袋状部分１０に対してパージエアＡを導入することにより、パージ孔ｈから所定量のパージエアＡが吹き出して、矢印Ｆに示すようなパージエアＡの均等な流れが形成される。つまり、反射鏡面６０の表面にパージエアＡが充満する空間を確実に形成して反射鏡面６０が排ガスＥｘから確実に隔離される。

また、本例の照射部５および検出部７の光透過窓（光学面）５ａ，７ａの部分は、図６を用いて説明した汚れ防止構造５０としている。

したがって、本例のガス分析計１’は、より少ない流量のパージエアＡを用いて複数の光学面５ａ，７ａ，６０を効率よくエアパージすることができ、各光学面５ａ，７ａ，６０は排ガスＥｘによって汚れないようにすることができる。また、パージエアＡが安定した流れＦを形成することができるので、それだけパージエアＡと排ガスＥｘとの境界面を安定させることができる。つまり、セル長が安定することになり正確な分析を行なうことができる。

図８は本発明の光学装置の変形例を示す図である。図８において、７０はほぼ同一の曲率を有し、重ねて配置された複数の鏡面反射板（光学面）７０ａ〜７０ｄからなる反射鏡である。各鏡面反射板７０ａ〜７０ｄの形状は円形であり、それぞれがほぼ同一の曲率の凹面鏡を有するものである。また、各鏡面反射板７０ａ〜７０ｄの大きさは表面側の鏡面反射板７０ａから背面側の鏡面反射板７０ｄに至るまで、徐々に段階的に大きく形成されている。つまり、複数の鏡面反射板７０ａ〜７０ｄによって形成される凹面鏡７０は全体としてフレネルレンズ形状に似た構成である。

７１は前記各鏡面反射板７０ａ〜７０ｄを支える円筒状の支持体であり、この支持体７１には鏡面反射板７０ａ〜７０ｄ間の間隙に連通するパージ孔ｈ’をそれぞれ形成している。つまり支持体７１内に供給されたパージエアＡはパージ孔ｈ’を介して各鏡面反射板７０ａ〜７０ｄ間の隙間を流れることにより、矢印Ｆ’に示すように鏡面反射板７０ｂ〜７０ｄの表面を沿うように流れる。つまり、これらの鏡面反射板７０ｂ〜７０ｄの表面にパージエアＡの層を形成することができ、これらの鏡面反射板７０ｂ〜７０ｄに対する排ガスＥｘの接触を防止できる。

なお、本実施例では最上部の鏡面反射板７０ａに、これを貫通するパージ孔ｈを形成することにより、この鏡面反射板７０ａの表面部には矢印Ｆに示すパージエアＡの流れを形成するように構成している。しかしながら、この最上部の鏡面反射板７０ａの面積を十分に小さくすることにより、この鏡面反射板７０ａに対するパージ孔ｈの形成を省略することも可能である。

本実施例のように構成された反射鏡７０は、鏡面反射板の曲率をほぼ一定にすることにより凹面鏡を形成する。したがって、凹面鏡７０に光Ｌ₁ が入射すると、各鏡面反射板７０ｂ〜７０ｄによる反射光Ｌ₂ は焦束集光する。

図９は図８の反射鏡７０の変形例を示す図である。図９において、７０’は前記鏡面反射板７０ａ〜７０ｄと同様に重ねて配置された複数の鏡面反射板７０ａ’〜７０ｄ’を一体成形してなる反射鏡である。本実施例において、鏡面反射板７０ａ’の形状は前記鏡面反射板７０ａと同じ円形であるが、鏡面反射板７０ｂ’〜７０ｄ’の形状は同心のリング帯形状であり、上下の鏡面反射体はパージ孔ｈ’を形成した壁面で連結される。その他の点について鏡面反射板７０ａ’〜７０ｄ’は前記鏡面反射板７０ａ〜７０ｄと同じ形状である。つまり、本実施例における複数の鏡面反射板７０ａ’〜７０ｄ’によって形成される凹面鏡７０’は全体としてフレネルレンズ形状に似た構成である。

７２は前記反射鏡７０’の裏面側に配置された袋状部分であり、前記鏡面反射板７０ａ’〜７０ｄ’の継ぎ目部分には鏡面反射板７０ａ’〜７０ｃ’の外周部の裏面側にパージ孔ｈ’を形成している。したがって、袋状部分７２内に供給されたパージエアＡは、矢印Ｆ’に示すように、パージ孔ｈ’を介して鏡面反射板７０ａ’〜７０ｄ’の間から鏡面反射板７０ｂ’〜７０ｄ’の鏡面に沿うように流れる。つまり、これらの鏡面反射板７０ｂ〜７０ｄの表面にパージエアＡの層を形成することができ、これらの鏡面反射板７０ｂ〜７０ｄに対する排ガスＥｘの接触を防止できる。

図８，１３を用いて説明した例では、反射鏡７０，７０’が何れも凹面鏡である例を示しているが、本発明は凹面鏡であることに限定されるものではなく、平面鏡であってもよい。

本発明のガス分析計の第１実施例を示す図である。 前記ガス分析計の要部となる光学面の構成を説明する平面図である。 前記光学面のユニット化した一例を説明する図である。 前記光学面の別の変形例を示す断面図である。 図４の光学面を用いた例を示す断面図である。 本発明の汚れ防止機能を有する光学装置の要部を説明する図である。 本発明のガス分析計の第２実施例を示す図である。 本発明の光学面の変形例を示す図である。 本発明の光学面の別の変形例を示す図である。 従来の汚れ防止機能を有する光学装置の構成を説明する図である。

符号の説明

１ ガス分析計
２ 光学装置
３ 演算処理部
４ テールパイプ（排ガス流路）
８ 反射鏡面
９ 隔壁
１０ 袋状部分（パージエア供給部）
Ａ パージエア
Ｅｘ 排ガス
ｈ パージ孔
３１ 反射鏡面
３２ 隔壁
５０ 発光部または受光部における汚れ防止構造
５３ 光透過面
６０ 反射鏡面
７０ａ〜７０ｄ 鏡面反射板
ｈ’ パージ孔
７０ａ’〜７０ｄ’ 鏡面反射板
７２ 袋状部分（パージエア供給部）

Claims (6)

1. 排ガス流路内の排ガスに対して光を照射する照射部と、この排ガスを透過した光を反射する反射鏡と、該反射鏡からの反射光を検出する検出部よりなる光学装置において、
   前記反射鏡の光学面の表面を仕切る衝立状の隔壁と、
   隔壁によって仕切られた各光学面にパージエアを供給するパージエア供給部とを備えていることを特徴とする汚れ防止機能を有する光学装置。
2. 隔壁によって仕切られた各光学面にそれぞれパージ孔を形成してなり、パージエア供給部がこのパージ孔を介して各光学面の裏面側からパージエアを供給するように構成してなる請求項１に記載の汚れ防止機能を有する光学装置。
3. 排ガス流路内の排ガスに対して光を照射する照射部と、この排ガスを透過した光を反射する反射鏡と、該反射鏡からの反射光を検出する検出部よりなる光学装置において、
   前記光学装置の一部である反射鏡が、略同一の曲率を有し重ねて配置された複数の鏡面反射板からなる光学面と、各鏡面反射板の間隙に連通するパージ孔とを有し、
   前記光学装置が前記パージ孔を介して各鏡面反射板の間隙にパージエアを供給するパージエア供給部を備えていることを特徴とする汚れ防止機能を有する光学装置。
4. 排ガス流路内の排ガスに対して光を照射する照射部と、この排ガスを透過した光を反射する反射鏡と、該反射鏡からの反射光を検出する検出部よりなる光学装置において、
   前記反射鏡の光学面に設けた多数のパージ孔と、
   このパージ孔を介して各光学面の裏面側からパージエアを供給するパージエア供給部とを備え、正確な分析ができるようにパージエアと排ガスとの境界面を一定にするように構成してあることを特徴とする汚れ防止機能を有する光学装置。
5. 光学面の裏面側に全パージ孔に連通連結されるように袋状部分を形成し、パージエア供給部が袋状部分を介して全パージ孔にパージエアを供給するように構成されてなる請求項２〜４の何れかに記載の汚れ防止機能を有する光学装置。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の汚れ防止機能を有する光学装置と、該光学装置の出力を用いて排ガスの濃度を求める演算処理部とからなり、走行中の車両の排ガスの濃度をリアルタイムに算出することを特徴とするガス分析計。

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