JP2008145293A - 赤外線式ガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】十分に小型のものとして構成することができると共に、所期のガス検知を高い信頼性をもって行うことのできる赤外線式ガス検知器を提供すること。
【解決手段】赤外線式ガス検知器は、反射型のセンサ装置を備え、センサ装置は、内部に被検ガスが導入されるガス導入空間を有するハウジングを備え、ガス導入空間内には、赤外線光源および赤外センサ素子が平板状基板の同一面上に固定された状態で配設され、赤外線光源には、赤外線光源からの赤外線が一方向のみに放射されるよう光放射方向制御するための制御部材が設けられ、ガス導入空間を囲繞するセルの内表面には、赤外線光源からの赤外線を反射することによって赤外センサ素子に入射させるための複数の反射鏡が、複数の反射鏡の各々に入射される赤外線の入射角が４５°未満であり、かつ赤外センサ素子に入射される赤外線の入射角が０°±２０°となるよう配設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外線式ガス検知器に関する。

現在、例えば二酸化炭素ガスの濃度を非分散型赤外線吸収法を利用して検知する赤外線式ガス検知器としては、種々の構成のものが提案されている。
このような赤外線式ガス検知器の或る種のものは、細長い形態を有する、被検ガスが導入されるガス導入空間を形成するガスセルを備えてなり、このガスセル内における両端位置に、赤外線光源と赤外センサ素子とが互いに対向して配置された構成とされている。
このような構成の赤外線式ガス検知器においては、赤外線光源より放射される赤外線が例えば光チョッパなどによって周期的に赤外センサ素子に供給されることにより持続的な出力信号が得られ、被検ガスの導入によって赤外センサ素子に受光される赤外線光量が低下することによる出力信号の振幅の減少割合に応じて、二酸化炭素ガスの濃度が算出される。

一般に、非分散型赤外線吸収法を利用した赤外線式ガス検知器に対する要請の一つとして、ガス検知器全体を十分に小型のものとして構成することがある。そして、赤外線式ガス検知器を小型のものとして構成する場合には、感度の低下を防止するために、赤外線光源から赤外センサ素子に至る光路長を十分に確保することが必要とされる。

このような要請に対して、赤外線光源からの赤外線を反射鏡などの反射部材によって反射して赤外センサ素子に入射させる構成の、いわゆる「反射型」の赤外線式ガス検知器が提案されており、反射構造を採用することによって、目的とするガス検知を行うために必要とされる十分な大きさの光路長を確保することができる、とされている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、十分な大きさの光路長を確保するために、単に反射部材を利用して反射構造を採用するだけでは、例えば赤外センサ素子が当該赤外センサのセンサ面に対して垂直に赤外線が入射した場合に最も感度が大きくなるものであるため、光学系の調整の如何によっては赤外センサ素子の有する性能を十分に高い効率で活用することができず、所期のガス検知を行うことができないおそれがある、という問題がある。

特開平９−１８４８０３号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、十分に小型のものとして構成することができると共に、所期のガス検知を高い信頼性をもって行うことのできる赤外線式ガス検知器を提供することにある。

本発明の赤外線式ガス検知器は、赤外線光源からの赤外線を反射して赤外センサ素子に入射させる反射型のセンサ装置を備えた赤外線式ガス検知器であって、
前記センサ装置は、内部に被検ガスが導入されるガス導入空間を有するハウジングを備え、当該ガス導入空間内には、赤外線光源および赤外センサ素子が平板状基板の同一面上に固定された状態で配設され、赤外線光源には、当該赤外線光源からの赤外線が一方向のみに放射されるよう制御するための光放射方向制御部材が設けられており、
当該ガス導入空間を囲繞するハウジングの内表面には、赤外線光源からの赤外線を反射することによって赤外センサ素子に入射させるための複数の反射鏡が、当該複数の反射鏡の各々に入射される赤外線の入射角が４５°未満であり、かつ赤外センサ素子に入射される赤外線の入射角が０°±２０°となるよう配設されていることを特徴とする。

本発明の赤外線式ガス検知器においては、複数の反射鏡の各々が、一の反射鏡によって反射された赤外線が周方向において隣接する反射鏡以外の反射鏡に入射するよう配設されていることが好ましい。

本発明の赤外線式ガス検知器においては、ハウジングが円筒形態であることが好ましい。
このような構成の赤外線式ガス検知器においては、赤外線光源からの赤外線が複数の反射鏡を順次に介して赤外センサ素子に至るまでの赤外線光路を構成する複数の直線状の光路部分のうちの一の光路部分が他の光路部分と交差する交差点が、１ヶ所以上あることが好ましい。

本発明の赤外線式ガス検知器によれば、センサ装置のハウジングの内表面に複数の反射鏡が特定の配置条件を満足する状態で設けられており、しかも赤外線光源に、当該赤外線光源からの赤外線の放射方向を制御するための光放射方向制御部材が設けられていることから、ガス検知に必要な十分な大きさの光路長を有する赤外線光路が、ガス導入空間を効率的に利用した状態で形成され、かつ赤外線光源からの赤外線を高い効率で利用することができると共に、赤外センサ素子に対して最も感度が大きくなる状態に赤外線が入射されることとなるため、ガス検知を高い感度で行うことができ、従って、所期のガス検知を高い信頼性をもって行うことができ、その上、赤外線光源および赤外センサ素子が平板状基板の同一面上にまとめて配設されているので、センサ装置を小型のものとして構成することができる結果、当該センサ装置を備えた赤外線式ガス検知器全体の小型化を図ることができる。

また、ハウジングが円筒形態であることにより、複数の反射鏡による反射構造が設計しやすく、センサ装置を小型のものとして構成することができることから、赤外線式ガス検知器の小型化を容易に図ることができる。

図１は、本発明の赤外線式ガス検知器のガス検知部を構成するセンサ装置の一構成例における、ハウジングの中心軸を含む軸方向に平行な断面を概略的に示す横断面図であり、図２は、図１に示すＡ−Ａ断面を拡大して９０°回転させた状態で示す断面図、図３は、図１に示すセンサ装置を軸方向から見たときの、センサ装置の構成を示す一端側側面図である。
このセンサ装置１０は、全体が円筒形態であって、例えばＳＵＳよりなる、その内表面が赤外線吸収性、例えば黒色のハウジング１１を備えてなり、このハウジング１１の内部空間は、例えば、当該ハウジング１１の中心軸（筒軸）Ｃに直交するよう設けられた円板状の仕切り板１２によって気密に区画されている。１３は、例えばＯリングよりなるシール部材である。

ハウジング１１の内部には、ハウジング１１の中心軸Ｃに対して径方向に偏位した位置において（図２参照）、平板状の回路基板２１が仕切り板１２を気密に貫通してハウジング１１の軸方向に沿って伸びるよう配設されている。
回路基板２１の外縁の一部はハウジング１１の内表面に対接状態とされており、ハウジング１１の仕切り板１２によって区画された内部空間における一端側（図１において左端側）の一端側空間が当該回路基板２１によって区画されている。

回路基板２１のハウジング１１の中心軸Ｃを臨む一面（図２において上面）上には、ハウジング１１の一端側空間内に位置される領域において、点滅型の赤外線光源２２と、例えば背の低い円柱状であってその天面にセンサ面２３Ａを有する赤外センサ素子２３とが、例えばハウジング１１の径方向に並んだ位置に固定された状態で配設されて実装されている。

そして、赤外線光源２２には、当該赤外線光源２２から放射される赤外線が一方向のみに放射されるよう制御するための光放射方向制御部材２５が設けられている。
ここに、光放射方向制御部材２５は、赤外線光源２２に覆いかぶさるように配置され、当該赤外線光源２２から放射される赤外線が前方（図２において上方）にのみ投射されるよう、赤外線光源２２から他の方向に放射される赤外線を遮光することによって制御するものである。
図の例において、光放射方向制御部材２５は、全体が略球状であって一の光出射開口２５Ａが形成されており、この光出射開口２５Ａに向かう方向以外の方向に放射される赤外線を遮光する構成のものであり、その内表面に、例えばアルミニウム蒸着膜、金蒸着膜、金メッキなどの赤外域で高い反射率を示す材質よりなる反射膜が形成されてなるものであることが好ましい。

そして、またハウジング１１の一端側空間の内表面における、回路基板２１の赤外線光源２２および赤外センサ素子２３が実装されている一面に対向する領域には、複数（図の例においては４個）の反射鏡２７が設けられている。

複数の反射鏡２７は、各々、全体形状が板状の凹面鏡または平面鏡であって、その内表面に反射面２８が形成されており、当該反射面２８がハウジング１１の中心軸Ｃを臨む状態でハウジング１１の内表面に沿って当該ハウジング１１の軸方向に伸びるよう、適宜の手法によって固定されている。
ここに、反射鏡２７は、例えばアルミニウムなどの赤外域で高い反射率を示す材質よりなり、必要に応じて表面処理された内表面によって反射面２８が構成されてなるもの、または、その内表面に例えばアルミニウム蒸着膜、金蒸着膜、金メッキなどの赤外域で高い反射率を示す材質よりなる反射膜が形成されることにより反射面２８が構成されてなるものである。
この図の例においては、複数の反射鏡２７は、各々、大きさの異なる凹面鏡であって、ハウジング１１における一端側空間を囲繞する領域の軸方向（図１において左右方向）の長さに適合した全長を有し、内表面に反射面２８が形成されてなるものであり、その一端部が仕切り板１２に、例えばネジ止めされることなどによって固定されている。

これらの複数の反射鏡２７は、赤外線光源２２から放射される赤外線（図２において、太線で示す。）を順次に反射することによって最終的に赤外センサ素子２３に入射させるよう赤外線光路Ｌを形成するものであり、当該反射鏡２７の各々における赤外線の入射角が４５°未満であり、かつ赤外センサ素子２３への赤外線の入射角が０°±２０°、好ましくは０°±１０°となるよう配置されている。
ここに、本明細書において、「赤外センサ素子への赤外線の入射角」とは、当該赤外センサ素子における赤外線受光部に対して赤外線が入射する角度であり、図の例においては、赤外センサ素子２３の赤外線受光部であるセンサ面２３Ａに入射する赤外線の、当該センサ面２３Ａに対する角度を示す。

具体的に、図の例においては、４個の反射鏡２７の各々を、図２において左側から順に「反射鏡２７Ａ〜２７Ｄ」とすると、赤外線光源２２から放射された赤外線は、光放射方向制御部材２５によって制御されて前方に投射され、光路部分Ｌ１に示すように反射鏡２７Ｂに入射して反射された後、その反射された赤外線が光路部分Ｌ２および光路部分Ｌ３に示すように反射鏡２７Ｄおよび反射鏡２７Ａにこの順に入射して反射され、この反射鏡２７Ａに反射された赤外線が光路部分Ｌ４に示すように反射鏡２７Ｃに入射して反射されることにより、光路部分Ｌ５に示すように赤外センサ素子２３のセンサ面２３Ａに入射されることとなるが、反射鏡２７Ａ〜反射鏡２７Ｄの各々は、特定の位置関係を満足する状態で配置されている。

また、センサ装置１０を構成する複数の反射鏡２７が３個以上である場合には、これらの複数の反射鏡２７は、上記の配置条件を満たすために、一の反射鏡によって反射された赤外線が周方向において隣接する反射鏡以外の反射鏡に入射するよう配置位置を設定することが好ましく、これにより、赤外線光路Ｌの設計が容易になると共に、赤外線光路Ｌを形成すべき被検ガスが導入される空間を効率的に利用した状態で赤外線光路Ｌを形成することができる。

また、複数の反射鏡２７は、赤外線光路Ｌを十分な大きさの光路長を有するものとするために、当該赤外線光路Ｌを構成する光路部分のうちの少なくとも１個が複数の反射鏡２７が配置され、赤外線光路Ｌを形成すべき被検ガスが導入される空間において形成することのできる最大の大きさを有するものとなるよう配置位置を設定することが好ましく、これにより、少数の反射鏡２７によって十分な大きさの光路長を確保することができ、また十分な光路長を確保するために必要とされる反射鏡２７の個数が小さくなることに伴ってセンサ装置１０を構成する部品点数が小さくなり、当該センサ装置１０を小型のものとして構成することが可能となるために赤外線式ガス検知器全体の小型化を図ることができる。
この図の例においては、赤外線光源２２および赤外センサ素子２３との位置関係を考慮して、赤外線光路Ｌを構成する光路部分のうちの最長のものとして、向かい合うよう位置する反射鏡２７Ｄと反射鏡２７Ａとの間に一の光路部分（具体的には、光路部分Ｌ３）が形成されるよう、複数（４個）の反射鏡２７（２７Ａ〜２７Ｄ）の配置位置が設定されている。

さらに、複数の反射鏡２７は、赤外線光路Ｌを十分な大きさの光路長を有するものとするために、当該赤外線光路Ｌを構成する複数の直線状の光路部分のうちの一の光路部分が他の光路部分と交差する交差点が、１ヶ所以上あることが好ましく、これにより、赤外線光路Ｌの設計が容易になると共に、赤外線光路Ｌを形成すべき被検ガスが導入される空間を効率的に利用した状態で赤外線光路Ｌを形成することができる。
この図の例においては、赤外線光路Ｌは５個の光路部分Ｌ１〜Ｌ５により構成されているが、これらの５個の光路部分Ｌ１〜Ｌ５により、光路部分の交差点が合計５ヶ所形成されている。

赤外線光源２２は、例えばコイルフィラメントを備えたランプよりなり、例えば１Ｈｚの周期で、すなわち０．５秒間点灯された後０．５秒間消灯状態とされるよう、点滅駆動される。
赤外センサ素子２３は、例えば検知対象ガスが吸収する赤外線に対してのみ高い透過率を有するバンドパスフィルター（図示せず）を備えている。

また、回路基板２１には、ハウジング１１の仕切り板１２によって区画された内部空間における他端側（図１において右端側）の他端側空間内に位置される領域に、例えば電源回路、光源駆動回路、センサ回路およびマイコン回路などのガス検知に必要なすべての電気回路が形成されている。

ハウジング１１の一端側開口は、円板状の閉塞部材１５によって閉塞されている。この閉塞部材１５は、ハウジング１１の中心軸Ｃに直交する断面において、ハウジング１１の内表面および回路基板２１によって囲まれた領域内に位置されるよう形成されたガス導入用開口部１５Ａが例えば焼結金属よりなる円板素子１６によって塞がれてなるものであり、これにより、被検ガスが導入されるガス導入空間Ｓが形成されている。
従って、このセンサ装置１０においては、赤外線光源２２、赤外センサ素子２３がガス導入空間Ｓ内に配置された状態とされており、赤外線光源２２から複数の反射鏡２７を介して赤外センサ素子２３に至る赤外線光路Ｌがガス導入空間Ｓ内に形成されている。

また、このセンサ装置１０においては、ハウジング１１の他端側空間が当該空間内に例えば樹脂材料３０が充填されて気密に封止されている。

以下、本発明に係るセンサ装置１０の一構成例を示す。
ハウジング１１は、例えば内径が２０ｍｍ、外径が２３ｍｍ、肉厚が１．５ｍｍ、全長が２０ｍｍのものであり、回路基板２１の、ハウジング１１の中心軸Ｃに対する径方向偏位量ｄが約６ｍｍ、ガス導入空間Ｓの内容積の大きさが約２０００ｍｍ³ である。
赤外線光源２２は、例えば定格電圧値が５Ｖ、定格電流値が０．１１５Ａ、ランプ高さが３．３ｍｍのランプであり、赤外センサ素子２３は、例えば高さが４．８ｍｍ、外径がφ９．２ｍｍであるものであり、赤外線光源２２と赤外センサ素子２３との離間距離（中心間距離ｌ）が例えば約７ｍｍ、赤外線光路Ｌの光路長が例えば約６５ｍｍ（光路部分Ｌ１が１２ｍｍ、光路部分Ｌ２が１５ｍｍ、光路部分Ｌ３が１６ｍｍ、光路部分Ｌ４が１２ｍｍ、光路部分Ｌ５が１０ｍｍ）である。

上記のような構成のセンサ装置１０をガス検知部として備えた赤外線式ガス検知器においては、赤外線光源２２が所定の周期で点滅駆動されてこの赤外線光源２２から放射され、光放射方向制御部材２５によってその放射方向が制御されて一方向に定められた赤外線が複数の反射鏡２７によって赤外センサ素子２３に入射される一方で、被検ガスが例えば自然拡散によりガス導入空間Ｓ内に導入される。そして、被検ガス中に含まれる検知対象ガスによる赤外線の吸収に伴う赤外線光量の減衰の程度に応じて、検知対象ガスの濃度が検出される。

而して、この赤外線式ガス検知器によれば、ガス検知部を構成するセンサ装置１０のハウジング１１の内表面に複数の反射鏡２７が特定の配置条件を満足する状態で設けられており、しかも赤外線光源２２に、当該赤外線光源２２からの赤外線の放射方向を制御するための光放射方向制御部材２５が設けられていることから、ガス検知に必要な十分な大きさの光路長を有する赤外線光路Ｌが、ガス導入空間Ｓを有効に利用した状態で形成され、かつ赤外線光源２２からの赤外線を高い効率で利用することができると共に、赤外センサ素子２３のセンサ面２３Ａに対して最も感度が大きくなる状態、すなわち垂直に赤外線が入射されることとなることから、当該赤外線光源２２から放射される赤外線が高い効率で利用されることとなるため、ガス検知を高い感度で行うことができ、その結果、所期のガス検知を高い信頼性をもって行うことができ、その上、赤外線光源２２および赤外センサ素子２３が同一の回路基板２１の同一面上に配設されてコンパクトにまとめられているので、センサ装置１０を小型のものとして構成することができる結果、当該センサ装置１０を備えた赤外線式ガス検知器全体の小型化を図ることができる。

また、赤外線光源２２および赤外センサ素子２３が同一の回路基板２１の同一面上に形成されていると共に、当該回路基板２１がハウジング１１の軸方向に沿って伸びるよう配設されて当該ハウジング１１の中心軸Ｃに平行な状態とされていることにより、赤外線光源２２および赤外センサ素子２３が所定の位置関係で実装された回路基板２１をハウジング１１内に配設することによってハウジング１１の内表面に配設された複数の反射鏡２７に対する赤外線光源２２および赤外センサ素子２３の位置関係が適正な状態に固定されるので、赤外線式ガス検知器を容易に製造することができる。

また、ハウジング１１が円筒形態であることにより、複数の反射鏡２７による反射構造が設計しやすく、センサ装置１０を小型のものとして構成することができることから、赤外線式ガス検知器の小型化を容易に図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、ハウジングの形状は、ハウジングの内表面に複数の反射鏡を配設することのできるものであればよく、円筒形態に限定されない。
また、本発明の赤外線式ガス検知器に係る検知対象ガスは、赤外線吸収特性を有するものであれば特に限定されるものではなく、赤外線光路の光路長の大きさやその他の具体的な構成は、検知対象ガスの種類に応じて適宜に変更することができる。
また、光放射方向制御部材は、光出射開口がルーバーよりなるものであってもよい。
さらに、センサ装置それ自体に高い気密性が要求されない場合には、仕切り板が設けられた構成とされている必要はない。

本発明の赤外線式ガス検知器のガス検知部を構成するセンサ装置の一構成例における、ハウジングの中心軸を含む軸方向に平行な断面を概略的に示す横断面図である。 図１に示すＡ−Ａ断面を拡大して９０°回転させた状態で示す断面図である。 図１に示すセンサ装置を軸方向から見たときの、センサ装置の構成を示す一端側側面図である。

符号の説明

１０ センサ装置
１１ ハウジング
１２ 仕切り板
１３ シール部材
１５ 閉塞部材
１５Ａ ガス導入用開口部
１６ 円板素子
２１ 回路基板
２２ 赤外線光源
２３ 赤外センサ素子
２３Ａ センサ面
２５ 光放射方向制御部材
２５Ａ 光出射開口
２７、２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ 反射鏡
２８ 反射面
３０ 樹脂材料
Ｌ 赤外線光路
Ｓ ガス導入空間

Claims (4)

1. 赤外線光源からの赤外線を反射して赤外センサ素子に入射させる反射型のセンサ装置を備えた赤外線式ガス検知器であって、
   前記センサ装置は、内部に被検ガスが導入されるガス導入空間を有するハウジングを備え、当該ガス導入空間内には、赤外線光源および赤外センサ素子が平板状基板の同一面上に固定された状態で配設され、赤外線光源には、当該赤外線光源からの赤外線が一方向のみに放射されるよう制御するための光放射方向制御部材が設けられており、
   当該ガス導入空間を囲繞するハウジングの内表面には、赤外線光源からの赤外線を反射することによって赤外センサ素子に入射させるための複数の反射鏡が、当該複数の反射鏡の各々に入射される赤外線の入射角が４５°未満であり、かつ赤外センサ素子に入射される赤外線の入射角が０°±２０°となるよう配設されていることを特徴とする赤外線式ガス検知器。
2. 複数の反射鏡の各々が、一の反射鏡によって反射された赤外線が周方向において隣接する反射鏡以外の反射鏡に入射するよう配設されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線式ガス検知器。
3. ハウジングが円筒形態であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線式ガス検知器。
4. 赤外線光源からの赤外線が複数の反射鏡を順次に介して赤外センサ素子に至るまでの赤外線光路を構成する複数の直線状の光路部分のうちの一の光路部分が他の光路部分と交差する交差点が、１ヶ所以上あることを特徴とする請求項３に記載の赤外線式ガス検知器。

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