JP2006513431A - 赤外線源及びガスセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の透過特性を有する第１の層（１０２）及び第２の透過特性を有する第２の層（１０３）を有する赤外線源（１０）に関し、２つの透過特性の結合は動作周波数領域に対するバンドパスフィルタ特性を惹起する。この赤外線源は有利には第１の層を構成するランプガラスを有する白熱ランプの形状である。ランプガラスに被着される第２の層は有利にはゲルマニウム、シリコン、金属又は有機化合物から成る。本発明はさらに、赤外線源ならびに前置配置された干渉フィルタ、有利にはファブリ・ペロフィルタを有する赤外線検出器を有するガスセンサに関する。

Description

本発明は、主請求項の上位概念記載の赤外線源及びガスセンサに関する。放射信号の検出のための装置は既に公知であり、これらの装置は例えば赤外線吸収によるガス濃度の決定のために使用される。ガスボリューム、例えば自動車の車内空間の中の妨害ガスは、例えばＣＯ_２、ＣＯ、Ｈ_２Ｏ又はＣＨ_４であり、二酸化炭素ＣＯ_２はとりわけガスボリュームの中にいる人間の呼気から乃至はＣＯ_２エア・コンディショナーからも由来しうる。このような妨害ガスは一般的に周知のガス検出器によって検出される。測定ガスにおける放射吸収の原理に基づくガスの選択のためのこのようなセンサは、通常は放射源及び１つ又は複数の特定波長放射検出器（Wellenlaengenspezifische Strahlungsdetektor）から成る。例えば二酸化炭素ＣＯ_２の検出のためのセンサのように、中赤外線領域、例えば３μｍ〜２５μｍまでの波長の領域における吸収を測定するセンサに対しては、通常は放射源として熱放射体が使用される。この場合、例えば赤外線源として白熱ランプの形式の放射体又は熱放射体として機能するマイクロメカニカルな装置の形式の放射体がある。特定波長放射検出器は、測定すべき波長を透過するフィルタユニット及び広帯域赤外線検出器から成る。フィルタとしてはこの場合例えば干渉フィルタが使用される。簡単な干渉フィルタは所望の波長の高調波成分も透過させる特性を有する。これは、一方では干渉フィルタの複雑化された、従ってコスト高な構造によって、又は、本来の検出器の前に簡単な広帯域フィルタを挿入することによっても除去されうる。このような広帯域フィルタが使用されるならば、これは検出器のコスト高な構造を必要とする。なぜなら、この場合２つのフィルタが取り付けられなければならないからである。

本発明の利点
主請求項の特徴部分記載の構成を有する本発明の赤外線源及びガスセンサは従来技術に対して次のような利点を有する。すなわち、センサの製造の際に付加的な取り付けコストが必要ではなく、それにもかかわらず広帯域フィルタが赤外線源と赤外線検出器との間に設けられるのである。これによって、有利には、赤外線源から来る放射が動作周波数領域の領域においてのみ照射され、ガスセンサの他の領域におけるエネルギーの散逸も低減されることが可能である。このことによって、赤外線源だけに主要な熱発生が存在することが可能である。この場合、熱発生は検出器サイドからは除去される。さらに、これによって、干渉フィルタの波長を中心とする狭い動作周波数領域における放射だけが特に検出器の方向に到達することが可能である。

従属請求項に記載の構成によって主請求項に記載された赤外線源及びガスセンサの有利な実施形態及び改善実施形態が可能である。とりわけ有利には、第１の透過特性は動作周波数領域に関して比較的小さい波長に対して比較的大きな透過率を有し、第２の透過特性は動作周波数領域に関して比較的大きい波長に対して比較的大きな透過率を有する。これによって、簡単なやり方で動作周波数領域に対するバンドパスフィルタ特性を惹起することが可能である。さらに、有利には、第１の層としてガラスが設けられており、第２の層としてシリコン又はゲルマニウムが設けられている。この場合、本発明のバンドパス特性を簡単な方法及び材料によって構成することが可能であり、ガラス層の場合には材料は従来の赤外線源において既に存在している。

図面
本発明の実施例を図面に示し、以下の記述において詳しく説明する。

図１は白熱ランプ形式の従来の赤外線源を示し、
図２はマイクロメカニカルな赤外線放射体の形式の従来の赤外線源を示し、
図３は通常の干渉フィルタの透過曲線を示し、
図４は本発明の赤外線源から照射される放射のフィルタ透過曲線及び透過特性を示し、
図５は本発明の赤外線源を示し、
図６は第１の層の透過特性を示し、
図７は第２の層の透過特性を示し、
図８はフィルタ透過曲線と透過特性との結合を示し、
図９は本発明のガスセンサの原理的な構造を示す。

実施例の記述
図９には本発明のガスセンサの原理的な構造が図示されている。第１の層１０２及び第２の層１０３を支持する参照符号１０により示された赤外線源から、参照符号２１の矢印で示された赤外線放射が検出器３０の方向へと送出される。赤外線源１０と検出器３０との間の領域にはガスが存在し、このガスは参照符号２０で示されている。ガスはガス成分を含み、これらのガス成分の濃度がガスセンサによって測定されうる。このようなガス成分としては例えば二酸化炭素ＣＯ_２が挙げられる。検出器装置３０は赤外線検出器３１及びフィルタ３２を含み、これら両方は保持部材３３によって互いに相対的に固定されている。フィルタ３２は本発明によればガス２０において検出すべき測定ガス、例えばＣＯ_２の吸収波長に相応するような波長だけを通過させる。測定波長乃至は検出波長に対する赤外線源から来る赤外線放射２１の減衰度から、ガス２０における測定すべきガス、例えばＣＯ_２のガス濃度が導出される。このために本発明では、図９に図示されたガスセンサの装置の他にさらに基準装置（Referenzanordnung）を設けることが有効である。この基準装置では類似の赤外線検出器の前にフィルタが配置されており、このフィルタはより大きな波長領域において透過性を有し、この結果、これによって基準測定が実施可能である。

図９に図示されたガスセンサでは、フィルタ３２はとりわけ干渉フィルタとして設けられている。例としてフィルタ３２はファブリ・ペロフィルタとして設けられている。このようなフィルタは、所望の透過周波数乃至は所望の透過波長の他にさらに別の透過周波数乃至は透過波長が生じるという特性を有する。この場合、所望の透過周波数はガス２０におけるその濃度を測定すべき物質の吸収周波数に相応する。フィルタ３２の更に別の透過周波数乃至は透過波長とはとりわけ所望の透過波長の高調波成分である。本発明では、簡単な手段によって、フィルタ３２の不所望の透過周波数が赤外線検出器３１の領域に到達することを阻止する。このために、本発明では、この不所望の透過周波数の赤外線放射２１の主要成分を既にその発生の直後に、すなわち放射源１０において、フィルタ３２乃至は赤外線検出器３１の方向の更なる伝播について阻止するように構成される。不所望の透過周波数のこのようなフィルタリングによる除去がフィルタ３２の直前又は直後で行われる装置は、本発明では回避される。なぜなら、これは検出器３０の構造に関する高いコスト及び大きな面倒さに結びついているからである。従って、本発明では、干渉フィルタ３２の所望の透過周波数乃至は透過波長のまわりの狭い領域の赤外線放射２１だけが照射できるように赤外線源１０が変更される。

図１には白熱ランプ形式の赤外線放射体のための従来の赤外線源１０が図示されている。ここでは相応の温度まで加熱されているコイルフィラメントが赤外線成分も含む放射を発生する。コイルフィラメントには従来技術では周囲を取り囲むガラス体が設けられている。

図２にはマイクロメカニカルな赤外線放射体の形式の従来の赤外線源１１が図示されている。このマイクロメカニカルな赤外線放射体１１は基板１１１を有し、この基板１１１の上にはとりわけメンブレン乃至はメンブレン領域１１２及びこのメンブレン領域１１２に加熱構造体１１３が設けられている。加熱装置１１３として示されている加熱構造体１１３は、参照符号１１４で示された接続端子面及び特に参照符号は付けられていない接続線路によってこのマイクロメカニカルな赤外線源１１の外部から（電気的に）接続可能乃至は制御可能である。この加熱装置１１３は、図１の従来の赤外線源のコイルフィラメント１と同様に、これを流れる電流によって加熱され、これによって赤外線成分を有する放射を発生する。

図３には通常の干渉フィルタの透過曲線が図示されている。参照符号５０を付けられた横座標において波長が示され、参照符号７０を付けられた縦座標において透過率が％で表示されている。参照符号７１で示されている１００％の第１の透過率は特別な波長においてのみ達成される。透過曲線６００はこのような特別な波長において最大値を有する。この透過曲線６００は所定の波長を中心として拡がる幾つかの透過部分曲線に分解されるが、これらの幾つかの透過部分曲線のうち図３には２つだけ、第１のフィルタ透過部分曲線６１０及び第２のフィルタ透過部分曲線６２０のみが図示されている。第１のフィルタ透過部分曲線６１０は第１１の波長６１に相応するフィルタの第１の通過波長を中心として拡がっている。第２のフィルタ透過部分曲線６２０は参照符号６２により示されている第１２の波長を中心として拡がっている。第１１及び第１２の波長６１、６２は、干渉フィルタの材料の光学的厚さの２倍を整数で割ることから得られ、この場合、整数は値１、２等々をとりうる。

図４にはフィルタ透過曲線及び本発明の赤外線源１０から照射される放射の透過特性が図示されている。参照符号５０を付けられた横座標には波長が示され、参照符号７０を付けられた縦座標には透過率が％で示されている。本発明の放射源から照射される放射の特性は参照符号５００及び破線で示されている。この特性はフィルタ透過曲線の１つの最大値のみを含む領域だけで著しい値をとる。フィルタ透過曲線全体は図４では第１１の波長６１、第１２の波長６２、第１３の波長６３、第１４の波長６４及び第１５の波長６５の複数のフィルタ透過部分曲線に基づいて図示されている。図４では参照府符号６００が付けられていないが、フィルタ透過曲線全体６００は第１１の波長６１における第１のフィルタ透過部分曲線６１０、第１２の波長６２における第２のフィルタ透過部分曲線６２０、第１３の波長６３における第３のフィルタ透過部分曲線６３０、第１４の波長６４における第４のフィルタ透過部分曲線６４０及び第１５の波長６５における第５のフィルタ透過部分曲線６５０を有する。この場合も１００％の透過率の最大値が第１の透過率７１により示されている。図４では第１１の波長６１は図示された横座標５０、すなわち波長の軸のほぼ真ん中の領域に配置されている。これの右側と左側には、すなわちより大きい波長の方向及びより小さい波長の方向には、フィルタ透過曲線６００の次の最大値が第１２の波長６２乃至は第１４の波長６４にある。第１１の波長６１の周りには本発明の赤外線源１０から照射される放射の特性５００が図示されており、図４の下方領域において二重矢印及び参照符号５０１を付けられた動作周波数乃至は動作波長の領域が本発明の赤外線源１０から照射される放射の特性５００の著しい値の領域とほぼ一致する。

図５には本発明の赤外線源１０が図示されている。この場合、例えば白熱ランプとしての本発明の赤外線源１０にはコイルフィラメント１０１及び接続ワイヤ１０４が設けられている。コイルフィラメント１０１の周囲にはガラスから成るランプガラス体１０２が設けられており、このランプガラス体１０２は第１の層１０２として使用される。このランプガラス体１０２上に被着される更なる吸収層１０３は第２の層と呼ばれる。この場合、ランプガラス１０２の吸収特性及びこのランプガラス１０２の付加的に被着された層１０３の吸収特性が利用される。この構造の利点は、吸収フィルタの部分としての、すなわち第１の層１０２としての及び更に別の吸収フィルタ層１０３すなわち第２の層１０３の担体としてのランプガラス体１０２の利用にある。例えば４．３μｍの波長における吸収測定に基づいて作動するＣＯ_２センサにおいて使用するためには、大抵の場合、約５μｍの波長までの透過率を示すランプガラスが使用される。この吸収特性は、検出器３０における干渉フィルタ３２のより長い波長の高調波成分がもはや重要ではなくなることを惹起する。なぜなら、これらは第１の層１０２、すなわちこの場合にはランプガラス体１０２によって吸収されてしまうからである。従って、図４に図示されているように、第１の及び第２の層１０２、１０３の結合の帯域制限された透過特性５００を獲得するためには、フィラメント１０１から放射される光のより短い波長の成分がフィルタリングにより除去されなければならない。このために例えばシリコン又はゲルマニウムのような半導体材料が適しており、シリコン又はゲルマニウムのような半導体材料は第２の層１０３として第１の層１０２の表面上に、すなわち白熱ランプのガラス体１０２の表面上に蒸着される。半導体材料の他に、例えば金属層又は有機吸収層を第１の層１０２の表面上に被着させてもよい。

図６には第１の層１０２の透過特性５１０が図示されている。横座標５０は波長スケールを示し、縦座標７０は第１の層１０２の透過の度合いを示すこの線図では、第１の層１０２の透過特性がいわゆる第１の透過特性５１０として図示されている。例えば２．５μｍにある第３の波長５３ではほぼ９０％の第２の透過率７２が生じる。透過率７０は波長が大きくなってゆくと下降し、ほぼ４μｍの第２の波長ではほぼ６０％透過の透過特性の局所的最大値が生じ、さらに波長が大きくなってゆくと透過率の下降が相対的により大きくなり、約５μｍの第６の波長５６では透過率がほぼ０となる。透過率は第６の波長５６より大きな波長ではほぼ０％のままとなり、第３の波長５３より小さい波長ではほぼ９０％の第２の透過率７２のレベルに留まる。

図７には第２の層１０３の透過特性５２０乃至は５２１が図示されている。ここでも横座標５０は波長スケールを示し、縦座標７０は透過率のスケールを示す線図が選択されている。図７には２つの透過特性が示されており、両方の透過特性はいわゆる第２の透過特性と呼ばれる。参照符号５２０で示される第２の透過特性はゲルマニウム層の形態における第２の層１０３の透過特性に相応し、参照符号５２１で示される第２の透過特性は第２の層１０３がシリコン層として設けられている場合の透過特性を示す。しかし、第２の透過特性５２０、５２１の形は両方の場合において類似している。すなわち、所定の波長から透過率がほぼ０から９０％又は１００％の最大値に上昇し、透過率の急激な低下が見られるより大きい波長に至るまで実質的にこの高い透過レベルに留まるのである。参照符号５２０で示される（ゲルマニウムの）第２の透過特性では透過率はほぼ１．７μｍの第４の波長から大きく上昇し、２０μｍより大きい第８の波長５８以上の波長において初めて再び下降する。参照符号５２１で示される（シリコンの）第２の透過特性の場合、透過率は既に明らかに１．７μｍより小さい第５の波長５５においてはっきりと上昇しはじめ、ほぼ１０μｍの第７の波長５７において透過率が再びより僅少な値をとるまでは高い透過レベルに留まる。

図８では更に別の線図において干渉フィルタのフィルタ透過曲線とともに第１の及び第２の透過特性の結合が示されている。この線図でも横座標５０は波長スケールを形成し、縦座標７０は透過率のスケールを形成する。第１の透過特性５１０は図８では一点鎖線により図示され、これは図６に図示されたガラスの透過特性に相応し、第３の波長５３より下では、すなわち第３の波長５３より小さい波長では透過レベルが非常が高く、第３の波長５３と第６の波長５６との間では第１の透過特性５１０のほぼ０までの透過率の降下が示されている。第２の透過特性５２０は図８では破線で示されており、第４の波長５４より上では、すなわち第４の波長より大きい波長では急激に上昇し、その後第６の波長５６の値より上に至るまでこの高い透過レベルに留まる。これら２つの透過特性のオーバーラップ部分が本発明のバンドパスフィルタ特性を生じる。この本発明のバンドパスフィルタ特性は、図８では参照符号５００によって示されており、第１の及び第２の透過特性５１０、５２０の両方の下降する乃至は上昇するカーブを含む。このようなバンドパスフィルタ特性５００は図５に図示された赤外線源１０における第１の層１０２と第２の層１０３とのオーバーラップによって生じる。バンドパスフィルタ特性５００と干渉フィルタ３２のフィルタ透過曲線６００との図８におけるオーバーラップは次のことを示す。すなわち、図８で参照符号５０１及び二重矢印によって示されている動作周波数領域は干渉フィルタ３２の唯一の透過周波数だけを含む。この透過周波数は第１１の波長６１に相応し、この第１１の波長６１のまわりに第１のフィルタ透過部分曲線６１０が設けられている。更に別の乃至は隣接する、第１２の及び第１４の波長６２、６４に存在するフィルタ透過部分曲線６２０、６４０は動作周波数領域５０１の外側にある。

白熱ランプ形式の従来の赤外線源を示す。 マイクロメカニカルな赤外線放射体の形式の従来の赤外線源を示す。 通常の干渉フィルタの透過曲線を示す。 本発明の赤外線源から照射される放射のフィルタ透過曲線及び透過特性を示す。 本発明の赤外線源を示す。 第１の層の透過特性を示す。 第２の層の透過特性を示す。 フィルタ透過曲線と透過特性との結合を示す。 本発明のガスセンサの原理的な構造を示す。

符号の説明

１ フィラメント
１０ 赤外線源
１０１ フィラメント
１０２ 第１の層、ランプガラス体
１０３ 第２の層
１０４ 接続ワイヤ
１１ 赤外線源
１１１ 基板
１１２ メンブレン領域
１１３ 加熱構造体
１１４ 接続端子面
２０ ガス
２１ 赤外線放射
３０ 検出器装置
３１ 赤外線検出器
３２ フィルタ
３３ 保持部材
５０ 横座標
５３ 第３の波長
５４ 第４の波長
５５ 第５の波長
５６ 第６の波長
５７ 第７の波長
５８ 第８の波長
５００ 本発明の赤外線源から照射される放射の特性
５０１ 動作周波数乃至は動作波長の領域
５１０ 第１の層の透過特性
５２０ 第２の層の透過特性（ゲルマニウム）
５２１ 第２の層の透過特性（シリコン）
６１ 第１１の波長
６２ 第１２の波長
６３ 第１３の波長
６４ 第１４の波長
６５ 第１５の波長
６００ 透過曲線
６１０ 第１のフィルタ透過部分曲線
６２０ 第２のフィルタ透過部分曲線
６３０ 第３のフィルタ透過部分曲線
６４０ 第４のフィルタ透過部分曲線
６５０ 第５のフィルタ透過部分曲線
７０ 縦座標
７１ １００％の第１の透過率
７２ ほぼ９０％の第２の透過率

Claims (6)

1. 第１の層（１０２）を有するガスセンサのための赤外線源（１０）において、
   該赤外線源（１０）は第２の層（１０３）を有し、前記第１の層（１０２）は第１の透過特性（５１０）を有し、前記第２の層（１０３）は第２の透過特性（５２０）を有し、前記第１の及び第２の透過特性（５１０、５２０）の結合は動作周波数領域（５０１）に対するバンドパスフィルタ特性（５００）を惹起することを特徴とする、第１の層（１０２）を有するガスセンサのための赤外線源（１０）。
2. 第１の透過特性（５１０）は動作周波数領域（５０１）に関して比較的小さい波長に対して比較的大きな透過率を有し、第２の透過特性（５２０）は動作周波数領域（５０１）に関して比較的大きい波長に対して比較的大きな透過率を有することを特徴とする、請求項１記載の赤外線源（１０）。
3. 第１の層（１０２）としてガラスが設けられており、第２の層（１０３）としてシリコン又はゲルマニウムが設けられていることを特徴とする、請求項１又は２記載の赤外線源（１０）。
4. 赤外線源（１０）と検出器（３１）との間に干渉フィルタ（３２）が設けられている、赤外線源（１０）及び検出器（３１）を有するガスセンサにおいて、
   赤外線源（１０）として請求項１〜３のうちの１項記載の赤外線源（１０）が設けられていることを特徴とする、赤外線源（１０）及び検出器（３１）を有するガスセンサ。
5. 赤外線源（１０）の動作周波数領域（５０１）はちょうど干渉フィルタ（３２）の透過周波数（６１）を含むことを特徴とする、請求項４記載のガスセンサ。
6. 干渉フィルタ（３２）としてファブリ・ペロフィルタが設けられていることを特徴とする、請求項４又は５記載のガスフィルタ。

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