JP2005337879A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度かつ光路長に対する占有空間の最大寸法が比較的小さいガスセンサを提供する。
【解決手段】サンプルセル１０は、板状の２枚のセル素体１１，１２を貼り合わせて構成される。両セル素体１１，１２の間には、外光が遮断され試料となるガスが導入される管路１３が形成される。管路１３の一端部には管路１３内のガスに光を照射する光源２１が配置され、管路１３の他端部には光源２１から放射された光を受光するとともに受光強度に応じた電気出力を発生する光検出器２２が配置される。管路１３は光源２１と光検出器２２との間において口軸方向の中心線が一平面内で渦巻き状に形成され、管路１３の内面は、光源２１から放射された光を漏光させずに光検出器２２に伝達する反射面を全面に亘って備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料となるガスによる光の吸収を検出するセンサであって、ガスの種類の特定やガスの濃度の測定に用いられるガスセンサに関するものである。

従来から、試料となるガスの種類の特定や濃度の測定に用いるガスセンサとして、光源からの光をガスに照射し、ガスでの光の吸収による光の減衰を光検出器により検出する構成のものが知られている。この種のガスセンサとして、たとえば、光源と光検出器とを対向させて配置し、光源と光検出器とを結ぶ一軸上にガスを封入した円筒状のサンプルセルを設ける構成がある。この構成ではサンプルセルにおいて光源および光検出器に対向する各底壁を赤外線を透過する透光性部材で形成してあり、光源からサンプルセルに入射した赤外線が、サンプルセルの内部のガスを透過し、光検出器に入射するようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、希薄なガスの濃度を測定するには光源から光検出器までの光路長を大きくする必要があるが、上述のように対向させて配置した光源と光検出器との間に円筒状のサンプルセルを配置した構成において光路長を大きくするとサンプルセルが大型化し、結果的にガスセンサを用いる装置が大型化することになる。そこで、円筒状のチューブを螺旋状に形成したサンプルセルを用いることが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。このサンプルセルでは、ガスが導入される管路の内面に金属薄膜からなる反射面が形成され、光源からの光が管路の内面で反射され光検出器に到達するようになっている。光源と光検出器とは互いに対向するように配置され、サンプルセルは光源と光検出器とを結ぶ直線を中心軸とし、中心軸の回りに巻回された螺旋状となっている。

あるいはまた、金属ブロックからなるサンプルセルに試料となるガスを導入するための管路を形成するとともに、管路として複数の直線部分を連続させた屈曲構造を採用し、管路の一端部には光源を配置し、管路の他端部には光検出器を配置した構成も考えられている（たとえば、特許文献２参照）。また、この構成では、屈曲部で連続する一方の直線部分から他方の直線部分に向かって光を反射させるための反射鏡が配置されている。
特開昭５９−１７３７３４号公報（第１頁右欄第３行−第１３行、第１図、第２頁右上欄第３行−左下欄第１０行、第２図） 実開平７−２６７５６号公報

上述のように、光源と光検出器との間に円筒状のサンプルセルを配置した構成では、光路長を大きくとることができないものであるから、希薄なガスの濃度を測定しようとすれば大型化するという問題がある。

この種の問題を解決しようとする円筒状のチューブを螺旋状に形成したサンプルセルを用いる構成では、円筒状のサンプルセルを用いる構成に比較すると、光路長に対する占有体積が小さくなり、感度を向上させることができるものの、螺旋の内側の空間は利用されていないから、光路長に対する占有体積が十分に小さいとは言えない。

特許文献２に記載の構造は、複数の直線部分を屈曲部で連続させているから、螺旋状のサンプルセルを用いる構成よりも無駄な空間は少なくなるが、金属ブロックに形成した管路の壁面は反射率が比較的小さいものであるから、管路内での光の減衰率が大きく、感度を十分に高めることができないという問題がある。

結局、特許文献１、２に記載された構成では、光路長に対する占有体積を小さくすることと、希薄なガスについて種類を特定したり濃度を測定したりすることができるような十分に高い感度を得ることとを両立することはできないという問題がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、円筒状のサンプルセルを用いる構成や金属ブロックに管路を形成する構成に比較して感度を高めることができ、しかもチューブを螺旋状に形成したサンプルセルを用いる構成よりも光路長に対する占有空間の最大寸法を小さくすることができるガスセンサを提供することにある。

請求項１の発明は、外光が遮断され試料となるガスが導入される管路を有したサンプルセルと、管路内のガスに光を照射する光源と、管路の口軸方向において光源とは異なる部位に配置され光源から放射された光を受光するとともに受光強度に応じた電気出力を発生する光検出器とを備え、管路は、光源から放射された光を漏光させずに光検出器に伝達する反射面を全面に亘って備え、かつ光源と光検出器との間において口軸方向の中心線が一平面内で渦巻き状に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、光源と光検出器との間において口軸方向の中心線が一平面内で渦巻き状となる形状に管路が形成されているので、螺旋状のサンプルセルと比較すると、光源と光検出器との間で管路を通る光路の光路長に対する占有体積が小さくなり、小型かつ高感度になる。しかも、光源から放射された光を漏光させずに光検出器に伝達する反射面を管路の全面に亘って備えているから、金属ブロックに管路を形成する場合に比較すると、管路内での光の減衰率を低減することができ、このことからも高感度になる。すなわち、小型かつ高感度のガスセンサを提供することが可能になる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記管路は、口軸方向に直交する断面において、前記一平面に直交する方向に長軸を有する楕円形に形成されていることを特徴とする。

この構成のように、管路の口軸方向に直交する断面形状が、渦巻き状に形成した管路を含む平面に直交する方向の長軸を有する楕円形になるようにすると、他の形状とする場合に比較して光検出器での集光効率が高くなることが実験で確認されており、したがってこの構成を採用することによって感度が向上する。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記管路は、口軸方向に直交する断面の断面積が、前記光源から前記光検出器に向かってしだいに大きくなる形状に形成されていることを特徴とする。

この構成のように、管路の口軸方向に直交する断面積が、光源から光検出器に向かってしだいに大きくなるようにすると、光源から光検出器に向かって断面積が一定である場合に比較して光検出器での集光効率が高くなることが実験により確認されている。したがって、この構成を採用することによって感度が向上する。

請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３の発明において、前記サンプルセルは２個のセル素体を貼り合わせて形成され、少なくとも一方のセル素体における他方のセル素体との対向面には、他方のセル素体との間に前記管路を形成する導入溝が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、２個のセル素体を貼り合わせてサンプルセルを形成してあり、少なくとも一方のセル素体において他方のセル素体との対向面に導入溝を形成しているから、２個のセル素体で導入溝を囲むことにより管路が形成され、合成樹脂成形品を用いて管路を形成することが可能になる。

請求項５の発明では、請求項１ないし請求項３の発明において、前記サンプルセルは内部空間が前記管路となる金属管を曲成して形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、金属管を曲成することにより光源と光検出器との間の光路を形成するから、別部材を用いることなく光路を容易に形成することができる。

請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５の発明において、前記管路と前記光検出器との間に、管路に連続し口軸方向の中心線が直線であって口軸方向に直交する断面での光強度の分布を緩和して光検出器に管路からの光を入射させるように所定長を有した平滑部が付加されたことを特徴とする。

この構成によれば、渦巻き状に形成された管路から光を光検出器に直接入射させると、管路の口軸方向の中心線に直交する断面において、渦巻きの中心側の光強度が渦巻きの外側の光強度に比較すると大きくなるが、管路と光検出器との間に付加した平滑部により光強度の分布が緩和され、光検出器において受光する光の強度を均一化することができる。すなわち、光強度の偏りによる光検出器の出力のばらつきを抑制し、検出結果のばらつきを抑制することができる。

請求項７の発明では、請求項１ないし請求項６の発明において、前記光源は前記管路の口軸方向における一端部に配置され、前記光検出器は前記管路の口軸方向における他端部に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、光源と光検出器との間の光路を比較的長くすることができ、感度のよいガスセンサを提供することができる。

請求項８の発明では、請求項１ないし請求項６の発明において、前記光源は前記管路の口軸方向における中間部に配置され、前記光検出器は前記管路の口軸方向における各一端部にそれぞれ配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、１つの光源から放射された光を管路の異なる経路を通してそれぞれ異なる光検出器で受光するから、各光検出器の出力により管路内に導入した異なる種類のガスを対象とした濃度の測定が可能になる。あるいはまた、異なる特性の光検出器を用い各光検出器の出力の大きさを比較すれば、ガスの種類を特定する目的に用いることが可能である。

本発明の構成によれば、光源と光検出器との間において口軸方向の中心線が一平面内で渦巻き状となる形状に管路が形成されているので、螺旋状のサンプルセルと比較すると、光源と光検出器との間で管路を通る光路の光路長に対する占有体積が小さくなり、小型かつ高感度になるという利点がある。しかも、光源から放射された光を漏光させずに光検出器に伝達する反射面を管路の全面に亘って備えているから、金属ブロックに管路を形成する場合に比較すると、管路内での光の減衰率を低減することができ、このことからも高感度になるという利点がある。すなわち、小型かつ高感度のガスセンサを提供することができるという効果を奏する。

（実施形態１）
本実施形態では、図１に示すように、サンプルセル１０は、外光を遮断する合成樹脂成形品であって板状に形成された２個のセル素体１１，１２を厚み方向の一面で互いに隙間なく接合することにより形成される。各セル素体１１，１２の接合面にはそれぞれ導入溝１３ａ，１３ｂが形成される。導入溝１３ａ，１３ｂは、セル素体１１，１２の接合面を対称面として対称に形成される。つまり、導入溝１３ａ，１３ｂは、両セル素体１１，１２を互いに接合したときに合致する位置に形成される。また、両セル素体１１，１２を接合した状態では導入溝１３ａ，１３ｂの延長方向に直交する断面が円形または楕円形となる形状に形成される。本実施形態では、各セル素体１１，１２にそれぞれ断面が半円形になる導入溝１３ａ，１３ｂが形成され、両導入溝１３ａ，１３ｂを合わせることによって断面が円形になるものとする。

導入溝１３ａ，１３ｂの延長方向に沿った中心線は、セル素体１１，１２の接合面に沿う面内において渦巻き状の部分と、渦巻き状の部分の外周側の端部に連続する直線状の部分とを有している。両セル素体１１，１２を貼り合わせた状態において、図２に示すように、渦巻き状の部分は管路１３になり、直線状の部分は平滑部１４になる。図示例においては、管路１３は約２周の渦巻きを形成し、平滑部１４は渦巻き状の部分の平均半径程度の所定長さを有している。管路１３および平滑部１４の作用については後述する。一方のセル素体１１には、導入溝１３ａが形成されている部位において厚み方向の表裏に貫通する導入口１５が４箇所に形成される。各導入口１５は管路１３における略半周ごとに形成されている。試料となるガス以外の異物（ほこり、対象外のガス、虫）や外光が管路１３に侵入するのを防止するために、導入口１５には、多孔質セラミック、繊維、金属網、合成樹脂網、活性炭から選択されるフィルタを配置してもよい。

管路１３における渦巻きの中心側の一端部には白熱電球からなる光源２１が配置され、管路１３における渦巻きの外周側の一端に連続する平滑部１４の一端部には光検出器２２が配置される。光源２１はフィラメントと口金部とが管路１３の口軸方向に並ぶように配置される。光検出器２２は、受光強度に応じた電気出力を発生する受光素子としてのサーモパイルの受光面の前方に光学フィルタを配置した構成を有する。光学フィルタは、シリコン、サファイア、ガラスから選択した材料の基板に、誘電体の多層膜を蒸着することにより形成したものであって、試料となるガスの種類に応じた波長選択性が付与される。この種の光学フィルタは、波長選択性が光の入射角度の影響を受け、光学フィルタの正面方向（法線方向）からの光に対する波長選択性とほぼ同等の波長選択性を得るには、光の入射角度を正面方向に対して３０度以内に制限することが望ましい。

上述の構成により、導入口１５を通して試料となるガスを管路１３に導入し、管路１３の内部空間に導入したガスに対して管路１３の中心側に配置した光源２１から光を照射し、管路１３の外周側に連続する平滑部１４に配置した光検出器２２により光源２１からの光を受光することが可能になる。ただし、管路１３の口軸方向（延長方向）の中心線はセル素体１１，１２の接合面である一平面内で渦巻き状に形成されているから、光源２１から放射された光が光検出器２２に効率よく伝達されるように、管路１３の内周面には全面に亘って薄膜により形成した鏡面である反射面が形成される。反射面は光源２１からの光を光検出器２２に伝達するものであり、逆に言えば、光源２１からの光が管路１３の外部に漏光するのを防止しているといえる。

反射面を形成する材料は、試料となるガスの種類に応じて反射率が９０％以上になるように選択され、たとえば、金、銀、アルミニウムから選択される。反射面の反射率を９０％以上としているのは、光源２１から放射された光は管路１３の内面で多重反射することによって光検出器２２に伝達され反射率が小さいと光量の減衰が大きくなるからである。また、反射面を形成する技術としては、電気メッキ、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどの薄膜形成技術を採用する。反射面を形成するにあたっては、たとえば、クロム、ニッケルから選択した材料を下地とすることにより付着強度を高めることができる。管路１３において光源２１の口金側の一端部は閉塞され、この部位にも反射面が形成される。したがって、光源２１から放射された光のうち口金側に漏光した光も反射面により光検出器２２に向かって反射される。なお、管路１３において光源２１の口金側の部位は光検出器２２に向かって反射する効率を高めることができるように凹曲面に形成される。

平滑部１４は、管路１３の口軸方向に直交する断面での光強度の分布を緩和して光検出器２２に入射させる機能を有している。すなわち、管路１３は渦巻き状に形成されているから、管路１３の反射面で反射を繰り返すと光強度に偏りが生じ、管路１３と平滑部１４との接続部位では、管路１３の口軸方向に直交する断面内において、渦巻きの外側の光強度が内側の光強度よりも大きくなる傾向がある。これに対して、中心線が直線である平滑部１４を設けていることによって、光検出器２２の受光面付近では、管路１３の口軸方向に直交する断面内における光強度の分布が緩和され、平滑部１４の口軸方向の中心線に対して光強度がほぼ対称になる。つまり、光検出器２２に入射する光強度が入射方向にかかわらず均一化されるから、光強度の偏りによって光検出器２２の出力にばらつきが生じる可能性を低減することができる。なお、光検出器２２が入射方向による光強度のばらつきの影響を受けないものであれば、平滑部１４は省略することが可能である。

ところで、光検出器２２に用いる光学フィルタの波長選択性には光の入射角度に対する角度依存性があるから、光検出器２２への光の入射角度を制限する構成を設けることが望ましい。そこで、平滑部１４（必要に応じて管路１３）の内面に光を反射しない無反射領域を形成する。無反射領域は、光検出器２２の前面から所定の距離範囲とし、光沢のない黒色に着色するか粗面として形成する。たとえば、管路１３の直径を６ｍｍとすれば、無反射領域は光検出器２２の前面から約１０ｍｍの範囲に形成する。無反射領域を形成することによって、光検出器２２への光の入射角度は管路１３の口軸方向の中心線に対して３０度の範囲内になり、入射角度が０度である場合と比較して波長選択性の変化がほとんど生じないことになる。つまり、光学フィルタの波長選択性が光の入射角度に依存することによって生じる誤差を抑制することができる。

上述したガスセンサは、導入口１５を通して試料となるガスを管路１３に導入し、管路１３の中のガスに光源２１から光を照射し、ガスでの光の吸収に伴う光量の減少を光検出器２２で検出することによって、ガスの種類を特定したり濃度を測定したりすることが可能になる。すなわち、ガスの種類によって吸収される波長や吸収率が異なるから、光源２１と光検出器２２との間で授受される光の波長を変化させれば、ガスの種類の特定に用いることが可能であり、ガスの種類が既知である場合にはそのガスに応じた波長の光を用い、ガスの有無に応じた光の減衰率を監視することで、ガスの濃度を知ることが可能になる。

ここに、試料となるガスを二酸化炭素とし、二酸化炭素の濃度の測定に用いる場合を例として設計条件の目安を示す。試料となるガスが二酸化炭素である場合には、波長が４．２μｍ程度の赤外線の吸収量を監視すればよく、光検出器２２に用いる光学フィルタとしては、波長が４．２μｍ付近の赤外線を透過させるものを用いる。また、管路１３に形成する反射面の材料としては、この波長の赤外線に対して９８％の反射率を有している金を採用し、導入溝１３ａ，１３ｂの表面の凹凸は２μｍ以下にする。管路１３の直径は６ｍｍ、管路１３の渦巻きの最小半径は９ｍｍ、最大半径は２１ｍｍとする。この条件では、管路１３の口軸方向に沿った中心線の長さは約２００ｍｍになる。また、平滑部１４の長さは１５ｍｍとし、導入口１５は直径を２ｍｍする。ちなみに、平滑部１４の長さを設けない場合と、平滑部１４の長さを９ｍｍとした場合とでは、いずれの場合も口軸方向の中心線に直交する断面において光強度の分布に偏りがあったが、平滑部１４の長さを１５ｍｍとした場合には、光強度の分布の偏りが緩和され中心線に対して略対称になった。

反射率を除いて上述の設計条件とし光検出器２２の集光効率をシミュレーションによって求め、直径６ｍｍで長さが２００ｍｍの円筒である管路の集光効率をシミュレーションによって求めた値を１として比較したところ、反射率が１００％の場合には０．９７倍、反射率が９５％の場合には０．５７倍になった。すなわち、同じ光路長であれば渦巻き状の管路１３であっても直線状の管路を持つ管路と同程度の集光効率が得られるといえる。一方、サンプルセル１０の寸法は、渦巻き状の管路１３を用いると、５０ｍｍ×５０ｍｍ×８ｍｍでよく、直線状の管路を持つ場合と比較すると最大寸法を約４分の１にすることが可能になる。

上述したガスセンサを用いて二酸化炭素の濃度を測定するには、図３に示すように、光源２１を点滅させるように駆動するタイミング制御回路２３を設ける。また、光検出器２２から出力される電気出力を増幅する増幅回路２４と、タイミング制御回路２３が光源２１を点滅させるタイミングで増幅回路２４の出力を取り出すする同期検波回路２５と、同期検波回路２５の出力を適宜の周期で積分する積分回路２６と、積分回路２６の出力を所望の出力形態に変換する判定回路２７とを設ける。積分回路２６を設けているのは、ＳＮ比を向上させる目的である。

二酸化炭素の濃度を検出する場合には、判定回路２７において積分回路２６の出力値と二酸化炭素の濃度とを対応付けた比較テーブルをメモリに設けておき、積分回路２６の出力値を比較テーブルと照合することにより積分回路２６の出力値に対応する二酸化炭素の濃度を求め、求めた濃度を出力にする。したがって、判定回路２７はマイクロコンピュータを用いて構成される。得られた濃度は適宜の表示器を用いて数値で表示することが可能である。積分回路２６の出力値は二酸化炭素の濃度に一対一に対応しているから、二酸化炭素の濃度に応じた警報報知を行う場合には、判定回路２７において積分回路２６の出力値に対する適宜の閾値を設定しておき、積分回路２６の出力値と閾値との大小関係に応じて警報報知を行えばよい。上述のように、判定回路２７は、濃度値を出力する構成としたり、濃度の範囲に応じた出力を発生させる構成とすることが可能であり、判定回路２７の出力を外部装置の制御に用いることも可能である。なお、光源２１や光検出器２２には、経時的な特性変化や周囲温度などによる特性変化があるから、同じ構成のガスセンサを２個設け、一方の管路１３に標準試料を封入しておき、他方の管路１３に試料となるガスを導入し、両者の結果を比較するようことによって校正するのが望ましい。あるいはまた、１個のガスセンサの管路１３に適宜の時間間隔で標準試料を導入することによって校正してもよい。

試料となるガスがメタンと二酸化炭素とである場合について、上述したガスセンサとして定格電力が０．３Ｗの白熱電球を光源２１に有し、チップサイズが１．２ｍｍ角のサーモパイルを光検出器２２の受光素子に有するものを用い、タイミング制御回路２３による光源２１の点滅周期を２秒とし、積分回路２６の積分時間を２０秒としたところ、メタンの濃度が３０００ｐｐｍではＳＮ比が２００以上になり、二酸化炭素の濃度が１０００ｐｐｍではＳＮ比が１０００以上になるという結果が得られ、良好なＳＮ比が得られることがわかった。

上述した構成例では、管路１３の口軸方向に直交する断面形状を円形としたが、セル素体１１，１２の接合面に直交する方向に長軸を有する楕円形に形成してもよい。管路１３の断面積が略等しく断面の形状が異なる場合について、光検出器２２の集光効率を比較したところ以下の結果が得られた。比較した形状は、直径が６ｍｍの円形、接合面に直交する方向に長軸を有し長軸が７ｍｍかつ短軸が５ｍｍの楕円形、接合面に直交する方向に短軸を有し短軸が５ｍｍかつ長軸が７ｍｍの楕円形、接合面に沿う辺を有し一辺の長さが５．２３ｍｍである正方形であり、集光効率は、それぞれ０．２８％、０．３２％、０．１５％、０．２８％になった。したがって、断面積が略等しいときには、断面を円形とする場合よりも接合面に直交する長軸を有した楕円形のほうが集光効率が高く、ガスセンサとしての感度が高いと言える。

管路１３の口軸方向の中心線の最小半径を９ｍｍとし、管路１３の口軸方向の中心線に直交する断面形状を円形または楕円形とした場合について、光検出器２２での集光効率と管路１３の断面の寸法との関係を図４に示す。縦方向径は、セル素体１１，１２の接合面に直交する方向における管路１３の径であり、横方向径は、セル素体１１，１２の接合面に沿う方向における管路１３の径である。図４によれば、管路１３の口軸方向の中心線に直交する断面内において、縦方向径と横方向径とがほぼ４〜７ｍｍの範囲であるときに集光効率が比較的高くなると言える。したがって、高い集光効率を得るには、管路１３の口軸方向の中心線の最小半径に対して縦方向径および横方向径は０．３〜１倍に設定するのが望ましい。

また、上述の構成例では、管路１３の口軸方向の中心線に直交する断面の断面積を中心線上の位置にかかわらず一定としたが、光源２１から光検出器２２に向かって管路１３の断面積をしだいに大きくしてもよい。管路１３の断面の形状を円形とし、直径が６ｍｍで一定の場合、光源２１から光検出器２２に向かって直径が７ｍｍから５ｍｍに縮径する場合、光源２１から光検出器２２に向かって直径が５ｍｍから７ｍｍに拡径する場合、光源２１から光検出器２２に向かって直径が４ｍｍから８ｍｍに拡径する場合について、光検出器２２の集光効率を比較したところ、集光効率は、それぞれ０．２８％、０．２８％、０．３１％、０．３５％になった。したがって、光源２１から光検出器２２に向かって管路１３の断面積をしだいに大きくすると、断面積が一定の場合よりも集光効率が高く、ガスセンサとしての感度が高いと言える。

なお、上述の構成例ではセル素体１１，１２を合成樹脂成形品とし、導入溝１３ａ，１３ｂの内面に薄膜による反射面を形成したが、アルミニウムのような金属板のプレス加工あるいは切削加工によって、導入溝１３ａ，１３ｂを備えるセル素体１１，１２を形成してもよい。金属板のプレス加工や切削加工によりセル素体１１，１２を形成する場合にも、導入溝１３ａ，１３ｂの内面となる部位には鏡面となる反射面を形成する。反射面は導入溝１３ａ，１３ｂの内面に薄膜を形成することによって形成することができるが、導入溝１３ａ，１３ｂの内面を研磨することによって形成してもよい。このように金属板によってサンプルセルを形成した場合、導入溝１３ａ，１３ｂの内面となる部位には波長の数倍以上の凹凸が生じたり、導入溝１３ａ，１３ｂに歪みが生じたりすることがあるが、導入溝１３ａ，１３ｂの内面となる部位に鏡面となる反射面を形成しているから、凹凸や歪みは光検出器２２の集光効率にほとんど影響することがなく、金属ブロックに複数の直線部分を連続させた管路を形成する従来構成に比較して高い感度を得ることができる。

さらに、上述の構成例では導入口１５を４個設けているが、光検出器２２での集光効率の点から言えば導入口１５の個数は少ないほうがよく、必要な感度を確保するには導入口１５の総面積を管路１３の反射面の全面積の１％以下にすることが望ましい。したがって、上述した条件では導入口１５の個数は２０個以下にする。

光源２１としては白熱電球以外にも、通電により白熱して光を放射するものであれば、シリコン、セラミックス、金属のような各種材料の白熱放射体を用いることができる。とくに、実質的に黒体輻射によって光を放射するこれらの光源２１は光の放射方向に指向性がほとんどなく発光面積の大きいものであり、本実施形態では光検出器２２において結像のための光学系を必要としないから、この種の光源２１を用いることが有効である。

また、光検出器２２に用いる受光素子としては、サーモパイル以外に、焦電型赤外線センサ、光導電素子、フォトダイオードのように受光光量に応じた電気出力を発生するものであれば用いることができる。光検出器２２に用いる光学フィルタは、誘電体の多層膜を用いるもの以外にも同様の波長選択性を有するバルク材料により形成したものでもよい。

上述の例では試料となるガスを二酸化炭素としたが、吸収波長域が２〜５μｍであるガスであれば、上述の構成で光学フィルタの波長選択性を変更することによって対応することができる。したがって、二酸化炭素以外にも、少なくともメタン、アルコール類（主としてエチルアルコール）、プロパン、水蒸気、一酸化炭素を対象とすることができる。

（実施形態２）
実施形態１では、２個のセル素体１１，１２にそれぞれ導入溝１３ａ，１３ｂを形成した例を示したが、図５に示すように、一方のセル素体１２にのみ導入溝１３ｂを形成し、他方のセル素体１１は導入溝を持たない板状に形成してもよい。この構成ではセル素体１１は板状であるから加工が容易になる。また、図示例では管路１３の口軸方向の中心線に直交する断面において管路１３が矩形状に形成されているが、三角形状などの他の形状に形成することも可能である。他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態は、２個のセル素体１１，１２を接合する代わりに、図６のように、１本の金属管１６を曲成することによりサンプルセル１０を形成したものである。金属管１６の材料としては、たとえばアルミニウムを選択する。また、金属管１６の内面には反射面を形成する。この構成では、セル素体１１，１２を接合する工程が不要であり、セル素体１１，１２を作製する工程に代えて金属管１６を曲成する工程になるから、加工工数が少なくなる。なお、金属管１６を曲成している場合でも平滑部１４を設けるのが望ましい。また、ガス導入口１５は金属管１６の適宜箇所に設ける。他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態４）
上述した各実施形態では、管路１３の一端部に光源２１を設け、他端部に平滑部１４を介して光検出器２２を設けているが、本実施形態では、図７に示すように、管路１３の口軸方向における中間部に光源２１を配置し、管路１３の口軸方向における各端部にそれぞれ光検出器２２ａ，２２ｂを配置してある。

この構成では、光源２１から放射された光は、異なる経路を通って２個の光検出器２２ａ，２２ｂにそれぞれ受光される。したがって、各光検出器２２ａ，２２ｂに設ける光フィルタの波長選択性を異ならせておけば、各光検出器２２ａ，２２ｂの出力を用いることによって管路１３の中の２種類のガスの濃度を各別に検出したり、両光検出器２２ａ，２２ｂの出力の組合せによって管路１３の中に導入されたガスの種類を特定したりすることが可能になる。

ところで、白熱電球のような光源２１から放射される光の分布には対称性があり、フィラメントと口金を結ぶ方向の中心線が対称軸になる。対称軸の回りでの光の分布は、フィラメントの形状によって異なるが、たとえば、対称軸に直交する方向の一直線上にフィラメントが配置されている場合には対称軸の回りに２回回転対称になる。そこで、光源２１の対称軸とフィラメントの長手方向とを含む平面が管路１３の口軸方向に対して直交するように光源２１を配置すれば、管路１３の口軸方向における光源２１の両側にほぼ均等な光量で光を放射することができる。また、このように配置すれば、光源２１の口金による影ができないから、光源２１から放射されたほぼすべての光をガスの検出に利用することができ、光量に対する消費電力を低減することができる。

本実施形態の構成を用いてメタンと一酸化炭素との濃度を同時に測定する場合を想定する。メタンと一酸化炭素とでは赤外線の吸収係数が約１０：１であるから、光検出器２２ａ，２２ｂの感度が等しいとすれば、管路１３の口軸方向に沿った長さが１：１０になる位置に光源２１を配置する（一酸化炭素を検出する光検出器を管理１３において光源２１から遠い端部に配置する）ことによって、メタンと一酸化炭素とに対する感度をほぼ等しくすることが可能である。他の構成および機能は実施形態１と同様である。

実施形態１を示す分解斜視図である。 同上における管路の形状を示す概略図である。 同上を用いてガスを検出する装置のブロック図である。 同上における設計条件を示す図である。 実施形態２を示す断面図である。 実施形態３を示す斜視図である。 実施形態４を示す平面図である。

符号の説明

１０ サンプルセル
１１，１２ セル素体
１３ 管路
１３ａ，１３ｂ 導入溝
１４ 平滑部
１５ 導入口
１６ 金属管
２１ 光源
２２ 光検出器
２２ａ，２２ｂ 光源

Claims (8)

1. 外光が遮断され試料となるガスが導入される管路を有したサンプルセルと、管路内のガスに光を照射する光源と、管路の口軸方向において光源とは異なる部位に配置され光源から放射された光を受光するとともに受光強度に応じた電気出力を発生する光検出器とを備え、管路は、光源から放射された光を漏光させずに光検出器に伝達する反射面を全面に亘って備え、かつ光源と光検出器との間において口軸方向の中心線が一平面内で渦巻き状に形成されていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記管路は、口軸方向に直交する断面において、前記一平面に直交する方向に長軸を有する楕円形に形成されていることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記管路は、口軸方向に直交する断面の断面積が、前記光源から前記光検出器に向かってしだいに大きくなる形状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のガスセンサ。
4. 前記サンプルセルは２個のセル素体を貼り合わせて形成され、少なくとも一方のセル素体における他方のセル素体との対向面には、他方のセル素体との間に前記管路を形成する導入溝が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記サンプルセルは内部空間が前記管路となる金属管を曲成して形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
6. 前記管路と前記光検出器との間に、管路に連続し口軸方向の中心線が直線であって口軸方向に直交する断面での光強度の分布を緩和して光検出器に管路からの光を入射させるように所定長を有した平滑部が付加されたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 前記光源は前記管路の口軸方向における一端部に配置され、前記光検出器は前記管路の口軸方向における他端部に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
8. 前記光源は前記管路の口軸方向における中間部に配置され、前記光検出器は前記管路の口軸方向における各一端部にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のガスセンサ。

Images