JP2006300738A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 光路長を大きくでき、感度をさらに高めることができ、装置を小さくすることができるガスセンサを提供する。
【解決手段】 光を発する光源３と、光を受光する受光素子４と、内壁を鏡で形成した外光を遮断して光源３が放射した光を導く導光路２と、光源３からの光を導光路２に導く光源側導光路２１と、前記導光路２からの光を前記受光素子４に導く受光素子側導光路２２とを有してなり、前記光源３から発せられた光が前記光源側導光路２１から前記導光路２を通ってくる光を反射する鏡５を設け、該鏡５により反射した光は再度前記導光路２を逆方向に通って前記受光素子側導光路２２を経て前記受光素子４で受光することを特徴とする。
【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に関し、特には光の通過する長さを長くするようにした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が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（例えば、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長くする必要があるが、光路長を大きくしてセンサを小型化するために種々提案されている（例えば、筒状のチューブを螺旋状に設けたり、蛇行させて設けたりする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照））。

この特許文献１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管路の端部に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。

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（例えば、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 実開平７−２６７５６号公報

装置を小型化するため、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。

また、導光路を蛇行させて複数の直線部分を屈曲部で連続させる装置では、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、管路の壁面の反射率が小さく、管路内での光の減衰率が大きくて、感度を十分に高めることができず充分小型化できないという問題がある。

上述のように、光源と光検出器との間のサンプルセルを螺旋状に設けたり、蛇行させているが、このような構成では、希薄なガスの濃度を測定するために光路長を長くとろうとすると、どうしても大型化するという問題がある。

本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、光路長を長くでき、感度をさらに高めることができて、装置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記載の発明に係るガスセンサは、光を発する光源と、光を受光する受光素子と、内壁を鏡で形成した外光を遮断して前記光源が放射した光を導く導光路と、前記光源からの光を該導光路に導く光源側導光路と、前記導光路からの光を前記受光素子に導く受光素子側導光路とを有してなり、前記光源から発せられた光が前記光源側導光路から前記導光路を通ってくる光を反射する鏡を設け、該鏡により反射した光は再度前記導光路を逆方向に通って前記受光素子側導光路を経て前記受光素子に受光することを特徴とする。

請求項２記載の発明に係るガスセンサは、請求項１または請求項２の発明において、前記光源側導光路の中心軸と前記受光素子側導光路の中心軸とのなす角が鋭角であることを特徴とする。

請求項３記載の発明に係るガスセンサは、請求項１または請求項２の発明において、前記光源側導光路の断面積よりも受光素子側導光路の断面積が大きいことを特徴とする。

請求項４記載の発明に係るガスセンサは、請求項１ないし３の発明において、前記光源側導光路は光源から前記受光素子側導光路に向かって断面積が小さく形成されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明に係るガスセンサは、請求項１ないし請求項４の発明において、前記受光素子側導光路は前記受光素子に向かって集光するように断面積が小さくなっていることを特徴とする。

請求項６記載の発明に係るガスセンサは、請求項１ないし請求項５の発明において、前記光学経路装置は前記光源側導光路と前記受光素子側導光路との間に断熱部が設けられたことを特徴とする。

前記光学経路装置は熱膨張係数が２０×１０−６／℃以下の材料で形成することが好ましい。

請求項８記載の発明に係るガスセンサは、請求項１ないし請求項６の発明において、前記光学経路装置は上部光学経路装置と下部光学経路装置とが嵌合されてなることを特徴とする。

本願発明の請求項１記載の構成によれば、光源から発せられた光が前記光源側導光路から前記導光路を通って鏡に達し、その鏡により反射させられ、光は再度前記導光路を逆方向に通って前記受光素子側導光路を経て前記受光素子に受光する。したがって、光路の長さが同一でも、光源から放射された光が導光路を通って受光素子に達するまでの光路の光路長を実質的に長くすることができるので、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。しかも、光源から放射された光を漏光させずに受光素子に伝達する反射面を導光路の全面に亘って備えているから、導光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。

請求項２記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、光源より発した光が効率よく光学経路を往復するため、検知性能が向上する。

請求項３記載の発明によれば、光源側導光路に伝搬する光量を減らせるので、請求項１又は２のいずれかに記載の発明の効果に加えて、光源より発した光が鏡を経由して効率よく受光素子に導かれるため、光路長が長くなり、検知性能が向上する。

請求項４記載の発明によれば、光源側導光路に伝搬する光量を減らして、それだけ受光素子側導光路へ伝搬する光量を多くできるので、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、光源より発した光が鏡を経由してより効率よく受光素子に導かれ、より検知性能が向上する。

請求項５記載の発明によれば、光源側導光路に伝搬する光量を減らして、それだけ受光素子側導光路へ伝搬する光量を多くできるので、請求項１ないし４のいずれかに記載の発明の効果に加えて、より検知性能が向上する。

請求項６記載の発明によれば、受光素子が光源からの発熱の影響を受けにくくなるため、請求項１ないし５のいずれかに記載の発明の効果に加えて、測定精度を向上できる。

なお、光学経路を熱膨張係数が２０×１０−６／℃以下の材料で形成することが、温度依存性が低くなり、測定精度を向上させるうえで好ましい。

請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし６のいずれかに記載の発明の効果に加えて、ねじ、接着剤が不要であるため経時変化による光学経路の整合ずれがなくなり、品質が向上する。

以下に、本発明のガスセンサについて、図面に基づいて詳細に説明する。

図1は本発明の請求項によるガスセンサの光学経路装置の第１実施例の横断面図である。

ガスセンサの光学経路装置は、導光路２と光源３と受光素子４と鏡５を有する。光学経路の一端側には光源３と受光素子４が設けられ、他端側には鏡５が設けられる。

導光路２は断面が円形の管を一つの平面上で、中心線を中心として渦巻き型に形成している。導光路２は光源側導光路２１及び受光素子側導光路２２から形成され、金属やプラスチックなどに導光路２を形成する半円形の溝を掘った上半分の上部部材と下半分の下部部材を接合して組み立てる。その導光路２の溝は表面の凹凸が所定の値以下になるよう形成し、主に赤外光を主体とする光源光に対する反射率を上げるため導光路２の内壁全面に金めっきを施してある。また、受光素子側導光路２２の一方の側面には、ガスの導入口として小さい穴を多数設けてある。

なお、導光路２の反射面を形成する材料は、金に限られず、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、銀、アルミニウムなどから選択される。反射面の反射率を９０％以上としているのは、光源３から放射された光は導光路２の内面で多重反射することによって受光素子４に伝達される際の反射率が小さいと、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。導光路２において端部は閉塞され、光源３と反対側の他端には鏡５が設けられる。

光源３から発せられた入射成分1１が光源側導光路２１を通過し、受光素子側導光路２２を通って渦巻きの中心部に位置する鏡５に向かう。鏡５では入射成分１１が反射して反射成分１２を作り出す。反射光成分１２は受光素子側導光路２２を通って受光素子４で受光される。よって、光が導光路２を往復することで、実質の光路長が導光路長の２倍の長さとなる。よって、ガスに対する吸光度も２倍となり、受光感度も２倍となる。

光源３としては白熱電球を、受光素子４としてはサーモパイルを設置する。受光素子４のサーモパイルの前面には、所定のガスの吸収スペクトルに対応した光学フィルタを光源側にさらに配する。

そして、これらと受光素子４から出力される電気出力を増幅する増幅回路、計算回路、記憶回路等を有するガス濃度検出回路と併せてガス濃度を検出する。光学フィルタは例えば二酸化炭素を対象としたガスセンサでは、波長４．２μｍ付近の赤外光のみを透過する光学フィルタを用いる。これには、通常シリコンやサファイア、またはガラス基板上に誘電体の多層膜を蒸着したものを用いる。複数のガスを検知する目的で、または参照用として、複数のサーモパイルおよび光学フィルタを用意してもよい。また鏡５を構成するものとしては赤外光を効率よく反射させる金メッキ、スパッタを施したシリコンチップや樹脂などがよい。

受光素子４としてはサーモパイルのほか、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な受光量に応じて電気出力を発生するものであれば用いることができる。

なお、本発明の寸法例として、導光路２は断面が直径６ｍｍの円形の管を一つの平面上で中心線の半径は９ｍｍから２１ｍｍの渦巻き型に形成する。渦巻きの出口端部に直線状の部分を有して管全体の中心軸の導光路の長さは約１２０ｍｍとする。光が導光路２を往復するので、実質の光路長が導光路長の２倍の２４０ｍｍとなる。また、導光路２の半円形の溝は表面の凹凸が２ｍｍ以下になるよう形成し、受光素子側導光路２２の一方の側面には、ガスの導入口として直径０．５ｍｍの穴が数１０箇所開けてある。

ここで、光源側導光路２１と受光素子側導光路２２の中心線のなす角θを鋭角の９０°以下にすることが好ましい。このように構成すると、光源３から発した入射光１２が直接受光素子４に入射する量を減らすことができ、さらに検知性能を向上させることができる。

また、光源側導光路２１の断面積D1を受光素子側導光路２２の断面積D2より小さくすることが好ましい。このように構成すると、鏡５で反射した反射光１２が光源側導光路２１に伝搬する光の量を減らすことができ、光路長が長くなり、さらに検知性能を向上させることができる。このようにサイズを変えずに導光路に対して光を往復させることで、光源と受光素子間の実質光路長を長くすることができる。よって、検知性能を向上できると共に、小型化が可能となる。

図２は本発明の他の実施例を説明する横断面図である。本実施例のガスセンサは、上記実施例とは光源側導光路の構造が相違するのみであるので、上記実施例と同様の作用をなす部分については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図２に示すように、光源側導光路２１にテーパを付けて受光素子側導光路２２と交差する部分の断面積を小さくしている。このように構成すると、鏡５からの反射光成分１２の光源側導光路２２に伝搬する光量をさらに減らすことができる。従って、光源からの光が鏡を経由して効率よく受光素子に導かれるので、光路長が長くなり検知性能が向上する。

図３は本発明のさらに他の実施例を説明する横断面図である。本実施例のガスセンサは、上記実施例とは受光素子側導光路の構造が相違するのみであるので、上記実施例と同様の作用をなす部分については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図３に示すように、受光素子側導光路２２にテーパを付けて受光素子側端部の断面積を小さくしている。このように構成すると、鏡５からの反射光成分１２の受光素子側導光路２２に伝搬する光量を収束することができる。従って、光源からの光が鏡を経由して効率よく受光素子に導かれるので、検知性能が向上する。

図４は本発明のさらに他の実施例を説明する横断面図である。本実施例のガスセンサは、上記実施例とは受光素子と光源とが隣接するそれらの間に断熱部材を設けている構造が相違するのみであるので、上記実施例と同様の作用をなす部分については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、光源３と受光素子４の間に断熱部６を設けている。光源３と受光素子４とは隣接しているため、光源３の発する熱が光源側導光路２１，受光素子側導光路２２等の光学系媒体を経由して受光素子４へ容易に伝熱する。ところが，受光素子４には通常サーモパイルを使用するため、外熱に弱い欠点がある。そこで、光源の熱が受光素子に伝わるのを防ぐことにより、ノイズとなる伝熱を防ぐことができ、測定精度を向上させることができる。断熱部６としては、真空又は空気を有する空洞構造や比較的熱伝導率の低い材料で断熱する構造とする。

また、温度変化により光学経路において熱膨張や熱収縮が発生し、光源側導光路，受光素子側導光路、導光路等の光学経路装置の形状が変化する。よって、光の伝搬状態が変化するため、微弱な信号変化を検出するガスセンサには導光路形状の変化は好ましくない。熱膨張の影響を受けにくくするためには、形成材質の熱膨張係数を２０×１０−６／℃以下であることが望ましい。例えば、プラスチックのＰＰＳ（熱膨張係数１９×１０−６／℃）や金属では銅（熱膨張係数１７×１０−６／℃）セラミックス（熱膨張係数３．５〜９×１０−６／℃）などが挙げられる。このように構成すると、温度依存性が小さくなるため、測定精度が向上する。

図５は本発明のさらに他の実施例を説明する縦断面図である。本実施例のガスセンサは、光学経路の組み立て方が特定された構造であるところが相違する。上記実施例と同様の作用をなす部分については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

光学経路は通常、金属やプラスチックなどに半円形の溝を掘った上半分の部材と下半分の部材を接合して組み立てる。その場合、ねじや接着剤を使用するのが一般的である。しかし、センサの長期使用によるねじや接着剤の経時劣化により、接合状態が不安定になり、導光路中の光の伝搬状態も変化する。

図５に示すように、ガスセンサは上部部材７と下部部材８とから構成し、それぞれ嵌合部９を備えている。本実施例では、嵌合部は上部部材７に設けられた凸状部９aと下部部材８に設けられた凹状部９ｂとから構成されている。上部部材７と下部部材８は全体として板状に形成され、嵌合部９を互いに隙間なく嵌合することにより一体化される。上記実施例と同様に、各部材７，８の接合面にはそれぞれ導光路２を形成する溝２ａが、そ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ている。導光路２を形成する溝の表面には反射面が形成されている。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。

そして、一方の凸状部９aを他方の凹状部９ｂに嵌合させて組み立てる。なお、凸状部９aと凹状部９ｂとは上下部材逆に設けてもよいし、複雑な形状の凸部とそれを受ける凹部に形成してもよい。このように構成することにより、ねじや接着剤を使用しないでよく、経時劣化の影響がなくなる。経時変化による光学経路の整合ずれがなくなり、品質が向上する。

なお、本発明においては、受光素子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。受光素子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。また、本発明で試料となるガスは、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。また、本発明に係るガスセンサは、二酸化炭素、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、一酸化炭素等を含むガスのこれらの濃度検出に使用することができる。

本発明に係るガスセンサの１実施例の概略を示す断面図である。 本発明に係るガスセンサの他の実施例の概略を示す断面図である。 本発明に係るガスセンサさらに他の実施例の光概略を示す断面図である。 本発明に係るガスセンサのさらに他の実施例の概略を示す断面図である。 本発明に係るガスセンサのさらに他の実施例の概略を示す断面図である。

符号の説明

２ 導光路
３ 光源
４ 受光素子
５ 鏡
６ 断熱部
７ 上部部材
８ 下部部材
９ 嵌合部
１１ 反射光
１２ 入射光
２１ 光源側導光路
２２ 受光素子側導光路

Claims (7)

1. 光を発する光源と、光を受光する受光素子と、内壁を鏡で形成した外光を遮断して前記光源が放射した光を導く導光路と、前記光源からの光を該導光路に導く光源側導光路と、前記導光路からの光を前記受光素子に導く受光素子側導光路とを有してなり、
   前記光源から発せられた光が前記光源側導光路から前記導光路を通ってくる光を反射する鏡を設け、該鏡により反射した光は再度前記導光路を逆方向に通って前記受光素子側導光路を経て前記受光素子で受光することを特徴とするガスセンサ。
2. 前記光源側導光路の中心軸と前記受光素子側導光路の中心軸とのなす角が鋭角であることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記光源側導光路の断面積よりも受光素子側導光路の断面積が大きい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. 前記光源側導光路は光源から前記受光素子側導光路に向かって断面積が小さく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. 前記受光素子側導光路は前記受光素子に向かって集光するように断面積が小さくなっていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
6. 前記光学経路装置は前記光源側導光路と前記受光素子側導光路との間に断熱部が設けら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. 前記光学経路装置は上部光学経路装置と下部光学経路装置とが嵌合されてな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。

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