JP2010107231A

JP2010107231A - 赤外光ガスセンサ

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Publication number: JP2010107231A
Application number: JP2008276924A
Authority: JP
Inventors: Keimei Kitamura; 啓明北村; Takahiko Hirai; 孝彦平井
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: JP5208671B2

Abstract

【課題】高精度にガス成分を検出することができる、低コストの赤外光ガスセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】中心波長λ₀の赤外光を放射する赤外光源１０と、赤外光を多重反射させるための多重反射光学系２０と、受光センサ３０とを備え、多重反射光学系２０は、屈折率がｎ_Lである低屈折率層と波長λ₀における屈折率がｎ_H（但し、ｎ_H＞ｎ_L）である高屈折率層とを交互に積層してなる多層反射膜２２を備え、多重反射光学系２０が形成する内部空間Ｓに被検出ガスを導入し、赤外光を多重反射させながら被検出ガスに特定の波長の光を吸光させた後、出射させ、吸光された光を受光センサ３０により測定する赤外光ガスセンサを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、多重反射光学系を備えた赤外光ガスセンサに関する。

有機ガス成分は、そのガス分子に特有の赤外吸収スペクトルを有する。分子種によって異なる赤外吸収スペクトルを用いて、ガス成分の定量又は定性分析を行う赤外光ガスセンサが知られている。

一般的な赤外光ガスセンサは、赤外光源と試料セルと受光センサとを備える。そして、分析対象である被検出ガスが導入された試料セルに、赤外光源から赤外光が放射される。試料セル中の被検出ガスは、このとき、その組成に応じて、特性吸収波長の光を吸収する。そして、試料セルからの出射光の特性吸収波長領域の吸光度を受光センサにより検出することにより、被検出ガスを定量又は定性分析することができる。

このような赤外光ガスセンサは、試料セル内における赤外光の光路長が長くなればなるほど、被検出ガス成分による特性吸収波長の吸光が増幅されて、高いＳＮ比で分析結果を得ることができる。特に、近年においては、微量または希薄ガスの高精度な分析が求められているために、長い光路長を確保した赤外光ガスセンサの開発が進められている。

例えば、下記特許文献１には、光源からの放射光を多重反射して光検出器に入射させる多重反射型セルであって、焦点距離の大きさが互いに異なる２つの放物面反射鏡が焦点の位置が一致する状態で対向して配置されてなる多重反射型セルを備える赤外光ガスセンサが記載されている。また、下記特許文献２には、試料セルにガス流路を形成し、このガス流路を流れる試料ガス中の特定成分を測定する赤外光ガスセンサにおいて、上記ガス流路の内壁に高反射膜を被着したことを特徴とする赤外光ガスセンサが知られている。
特開２００７−２０５９２０号公報特開平０６−３４５４４号公報

上記特許文献１及び引用文献２に示すような赤外光ガスセンサにおいては、従来から、その赤外光を反射させる反射面に高い反射率を確保するために金が用いられていた。反射面を形成するための基材表面に金蒸着したり、金メッキしたりすることにより、高い反射率を確保していた。金を蒸着した場合には９８．８％の反射率、金をメッキした場合には９５〜９８％もの反射率が得られていた。しかしながら、金は高価であるために、高精度の赤外光ガスセンサを低コストで提供することが難しいという問題があった。

本発明は、高精度にガス成分を検出することができる、低コストの赤外光ガスセンサを提供することを目的とする。

本発明の赤外光ガスセンサは、中心波長λ₀の赤外光を放射する赤外光源と、放射された赤外光を所定の入射角で入射させて多重反射させるための多重反射光学系と、多重反射光学系から出射した赤外光を受光する受光センサとを備え、前記多重反射光学系は、波長λ₀における屈折率がｎ_Lである誘電体材料からなる低屈折率層と波長λ₀における屈折率がｎ_H（但し、ｎ_H＞ｎ_L）である誘電体材料からなる高屈折率層とを交互に積層してなる多層反射膜を基材表面に備え、前記多重反射光学系が形成する内部空間に被検出ガスを導入し、前記放射された赤外光を多重反射させながら前記被検出ガスに特定の波長の光を吸光させた後、前記多重反射光学系から出射させ、出射した前記吸光された光を前記受光センサにより測定することにより、前記被検出ガス中に含有される特定のガス成分を検知することを特徴とする。上記構成によれば、多重反射光学系に、屈折率が互いに異なる２種類の誘電体層を交互に積層することにより高い反射率が得られる多層反射膜が用いられる。このような、多層反射膜は、増反射膜とも呼ばれるものであり、光の干渉現象により特定領域の波長に対して、極めて高い反射率を示す反射膜である。多重反射光学系にこのような多層反射膜を用いることにより、高反射率の膜を形成することができるために、低コストで高精度の赤外光ガスセンサを提供することができる。

また、前記低屈折率層の光学膜厚はλ₀／４であり、前記高屈折率層の光学膜厚はλ₀／４であることが好ましい。このような場合には特に高い反射率が得られ、９９．９％を超えるような反射率を確保することも可能になる。そして、反射ロスを極小化させることができるために、ｐｐｍオーダーのガス濃度でのセンシングが可能であり、高速応答性にも優れた赤外光ガスセンサが得られる。

また、前記多層反射膜が、前記低屈折率層と前記高屈折率層とを交互に積層してなる４〜６層の多層反射膜であることが特に反射率が高くなる点から好ましい。

また、前記屈折率がｎ_Lである誘電体材料がＡｌ_２Ｏ_３またはＳｉＯからなり、前記屈折率がｎ_Hである誘電体材料がＧｅからなることが、屈折率差が大きいために著しく高い反射率が得られる。また、密着性、耐湿耐熱性などの耐久性にも優れた多層反射膜が得られる点から好ましい。

また、前記基材が銅、アルミニウム、鉄、またはそれらを主成分とする合金からなる鏡面仕上げされた金属基材であることが好ましい。このような鏡面仕上げされた金属基材によれば、より高い反射率が得られる。

また、前記基材が樹脂基材上に銅、アルミニウム、鉄、またはそれらを主成分とする合金からなる鏡面被膜が形成された基材であることが量産性に優れるために低コスト化することができ、さらに、耐衝撃性等にも優れる点から好ましい。

また、前記多重反射光学系が、互いに平行に配設された一対の多層反射膜を備え、その多層反射膜に赤外光を所定の入射角で入射させた後、多重反射させ、多重反射された赤外光を出射させる構造を有することが好ましい。光学多層膜の透過率特性には入射角依存性があるために、上記構成により常に同じ角度で多層反射膜に赤外光を入射させることにより、反射率を極大化して光学特性を最適化できる点から好ましい。

また、前記多重反射光学系が、それぞれ独立した複数の多層反射膜を備えるものであり、赤外光を所定の一の多層反射膜に所定の入射角で入射させ、入射した赤外光が前記複数の多層反射膜により多重反射された後、該多重反射された赤外光を多重反射光学系から出射させるように各多層反射膜が配設されていることが好ましい。例えば、図６に示すようなこのような構成によれば、光源と受光素子間の距離を離すことなく所定の光路長を確保しつつ光学系全体の小型化が実現できる。その結果として商品ハウジングの小型化、低コスト化が可能となる。

また、前記多重反射光学系が、放物面形状を有する基材表面に形成された多層反射膜を備えていることが好ましい。このような構成によれば、相対する反射面が平面である場合に比べて、多重反射光学系の小型化を図ることができる。

また、前記赤外光源から放射された赤外光をコリメートして前記多重反射光学系に入射させるためのコリメートレンズをさらに備えることが好ましい。本発明における多層反射膜は、屈折率の異なる２種の層を交互に積層して得られる多層反射膜（増反射膜）であるために、反射率特性に入射角依存性がある。従って、赤外光源から放射された赤外光をコリメートすることにより、多重反射光学系に所望の角度で赤外光を入射させることができる。これにより、より高い反射率を実現することができるために、より高い測定効率が得られる。

また、前記多重反射光学系から出射された赤外光の波長領域のうち所定領域のみの波長領域をフィルタリングするためのバンドパスフィルタをさらに備える場合には、ガス種別がより簡便に判定することができる点から好ましい。

本発明によれば、多層反射膜（増反射膜）により反射面を形成するために、特定領域の波長に対して極めて高い反射率を維持することができる。従って、高反射率の多重反射光学系を形成することができる。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態である赤外光ガスセンサ１００の構成の概略を示す模式説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’断面の模式断面図を示す。

図１（Ａ）に示すように、赤外光ガスセンサ１００は、中心波長λ₀の赤外光を放射する赤外光源１０と、放射された赤外光を所定の入射角で入射させて多重反射させるための多重反射光学系２０と、多重反射光学系２０から出射された赤外光を受光して検知する受光センサ（赤外線センサ）３０とを備える。多重反射光学系２０は筐体９０に収容されており、対向配置された２枚の基材２１の表面に形成された多層反射膜２２から構成されている。また、赤外光源１０から放射された赤外光をコリメートして多重反射光学系２０に入射させるためのコリメートレンズ４０が備えられている。さらに、多重反射光学系２０から出射された赤外光の波長領域のうち、所定領域のみの波長領域をフィルタリングするためのバンドパスフィルタ５０が備えられている。また、多重反射光学系２０には被検出ガスを多重反射光学系２０が形成する内部空間Ｓに被検出ガスを導入するための被検出ガス導入口２５、及び導入された被検出ガスを排出するための被検出ガス排出口２６が配設されている。

本実施形態の赤外光ガスセンサ１００は、多重反射光学系２０が形成する内部空間Ｓに導入された被検出ガスによる赤外光の吸光量を受光センサ３０により測定する。そして、受光センサ３０により測定された特定波長の赤外光の吸収量から、被検出ガスの濃度が検知される。その際に、赤外光源１０から放射された赤外光を多重反射光学系２０で多重反射させ、赤外光の光路長を長くすることにより、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。このために、精度の高いガス分析が可能になる。なお、多重反射光学系２０における反射回数は特に限定されないが、受光センサ３０により充分に感知されるような光量を保持するために、４〜１０回程度であることが好ましい。

ガス分析においては、はじめに、多重反射光学系２０が形成する内部空間Ｓに、分析対象となる被検出ガスが導入される。被検出ガスは、被検出ガス導入口２５から導入される。

そして、多重反射光学系２０が形成する内部空間Ｓに被検出ガスを導入した後、赤外光源１０から多重反射光学系２０に赤外光を入射させる。この際、赤外光は、多重反射光学系２０に配設された、赤外線に対して高い光透過性を有する材料からなる、光入射窓２７から入射される。また、赤外光を入射させる際には、放射された赤外光をコリメートして多重反射光学系２０に入射させるためのコリメートレンズ４０を配置して、赤外光をコリメートさせてから入射させることが特に好ましい。多重反射光学系２０の反射面を構成する多層反射膜２２は、後に詳述するように屈折率の異なる２種の層を交互に積層して得られる多層反射膜（増反射膜）である。そのために、反射率特性に入射角依存性がある。従って、赤外光源１０から放射された赤外光をコリメートすることにより、多重反射光学系２０に所望の角度で赤外光を入射させることができる。これにより、より高い赤外光反射率が得られる。

図２は、本実施形態における多重反射光学系２０を構成する多層反射膜２２の断面模式図である。図２に示すように、多重反射光学系２０は、鏡面処理された表面を有する基材２１表面に、波長λ₀における屈折率がｎ_Lの低屈折率の誘電体材料からなる低屈折率層２２ａと、波長λ₀における屈折率がｎ_H（但し、ｎ_H＞ｎ_L）の高屈折率の誘電体材料からなる高屈折率層２２ｂとを、交互に積層して形成される多層反射膜２２を備える。多層反射膜２２は、このように屈折率が互いに異なる２種類の誘電体層を交互に積層することにより形成される。このような多層反射膜は、増反射膜とも呼ばれ、光の干渉現象により特定領域の波長に対して、極めて高い反射率を示す。従って、このような多層反射膜によれば赤外線に対して高い反射率を有する反射面が得られる。

図２に示した多層反射膜２２は、波長λ₀における屈折率ｎがｎ_Lの低屈折率の誘電体材料からなる低屈折率層２２ａと、屈折率ｎがｎ_H（但し、ｎ_H＞ｎ_L）の高屈折率の誘電体材料からなる高屈折率層２２ｂとが交互に積層されている。そして、低屈折率層２２ａと高屈折率層２２ｂとが交互に光波長オ−ダの光学膜厚（ｎ・ｄ（膜厚）＝λ₀／４）で規定されて積層された構造を有し、光干渉を利用した多層反射膜を構成している。

低屈折率層２２ａ及び高屈折率層２２ｂの光学膜厚としては、それぞれλ₀／４であることが最も好ましい。このような場合には、中心波長λ_０ｎｍの赤外光に対して、９９．９％を超えるような反射率を確保することもできる。そして、反射ロスを極小化させることができるために、ｐｐｍオーダーのガス濃度でのセンシングが可能であり、高速応答性にも優れた赤外光ガスセンサが得られる。

多層反射膜２２の反射率および反射波長帯域は、同じ層数の場合では、低屈折率層２２ａと高屈折率層２２ｂとの屈折率差が大きな材料の組み合わせほど大きくなる。好ましい材料の組合せの具体例としては、例えば、低屈折率層２２ａを形成する誘電体材料として、Ａｌ_２Ｏ_３（屈折率１．６６、λ_０＝４０００ｎｍ）、ＳｉＯ（屈折率１．８、λ_０＝４０００ｎｍ）等を用い、高屈折率層２２ｂを形成する誘電体材料して、Ｇｅ（屈折率４．３５、λ_０＝４０００ｎｍ）を用いた組合せが挙げられる。

また、多層反射膜２２は、層数が多い程、反射率は高くなる。総膜厚としては、１０〜２５μｍであることが好ましい。

このような多層反射膜２２の反射率としては、赤外光源１０が放射する赤外光の中心波長λ₀の光に対して９０％以上、さらには９９％以上、特には９９．９％以上であることが好ましい。

ここで、一例として、図４に、例えば図３に示すような、鏡面仕上げされた銅基材表面にＡｌ_２Ｏ_３膜とＧｅ膜とを交互に積層して形成された多層反射膜（図３は４層の場合を示す）の反射率を測定したグラフを示す。図４においては、Ａｌ_２Ｏ_３膜とＧｅ膜とを交互に２〜６層の層を形成した多層反射膜のそれぞれにおいて、波長３０００〜６０００ｎｍの赤外光を入射角２０度で入射させたときの反射率が示されている。図４に示すように、例えば、ＣＯ_２の特性吸収波長である４３００ｎｍ付近において、２層の多層膜の場合においては９９．５％、４層及び６層の場合においては９９．９％以上の反射率を示している。このように、４〜６層の場合においては、特に高い反射率を示すことがわかる。なお、一般的な有機分子の特性吸収波長は４０００〜５０００ｎｍ付近の波長領域に存在する。

このような多層反射膜は、銅、アルミニウム、鉄、またはそれらを主成分とする合金からなる鏡面仕上げされた金属基材の表面に、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法の等蒸着法やスパッタリング法等の従来から知られた薄膜形成法により低屈折率層２２ａと高屈折率層２２ｂとを交互に積層形成することにより得られる。また、図５に示すように、樹脂基材２１Ｂ上に銅、アルミニウム、鉄、またはそれらを主成分とする合金からなる鏡面被膜２３を形成させた複合基材の表面に、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法の等蒸着法やスパッタリング法等の従来から知られた薄膜形成法により低屈折率層２２ａと高屈折率層２２ｂとを交互に積層形成してもよい。樹脂基材２１Ｂを用いた場合には、量産性に優れるために多重反射光学系２０の生産を低コスト化することができ、また、耐衝撃性等にも優れる点から好ましい。

次に、多重反射光学系２０から出射された赤外光は、バンドパスフィルタ５０により所定領域のみの波長領域がフィルタリングされた後、受光センサ３０に導かれる。このようにバンドパスフィルタ５０により赤外光をフィルタリングすることにより、目的としない部分の波長をカットすることができるために、目的とするガスの特性吸収波長をより明確にモニターすることができる点から好ましい。

そして、受光センサ３０により、多重反射光学系２０から出射された赤外光の光量を検出することにより、特定波長における被検出ガスにより吸収された赤外線光量が測定される。そして、その測定値はＣＰＵ等を備える演算手段６０に送られ、特定波長における赤外線光量の低下量から被検出ガスの濃度を演算させる。このようにして、特定波長の赤外光の減少率から特定のガスの濃度が算出される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜種々の変更を加えて実施することができる。

具体的には、例えば、多重反射光学系２０として、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すような互いに平行に対向配置された一対の多層反射膜２２を備え、その一端から赤外光源１０により赤外光を所定の入射角で入射させることにより、入射した赤外光を多重反射させ、その他端から多重反射された赤外光を出射させるような構成の代わりに、以下のような構成のものを用いてもよい。例えば、図６に示すような、独立した複数の多層反射膜２２を備え、その一の多層反射膜２２に赤外光源１０から放射された赤外光を所定の入射角で入射させ、入射した赤外光が多重反射可能な位置に各多層反射膜が配設されており、他の一の多層反射膜から多重反射された赤外光を出射させるような構成を用いてもよい。このような構成によれば、多重反射光学系を構成する複数の多層反射膜を３次元的に配置することができるために、多重反射光学系の小型化が可能になる。また、図７に示すように、多重反射光学系が、放物面形状を有する多層反射膜を備えているような構成であってもよい。このような構成により曲面反射面を形成することにより、相対する反射面が平面である場合に比べて、多重反射光学系の小型化を図ることができる。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態である赤外光ガスセンサの構成の概略を示す模式説明図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ断面の断面模式図である。図２は、多重反射光学系を構成する多層反射膜の断面模式図の一例である。図３は、多重反射光学系を構成する多層反射膜の断面模式図の一例である。図４は、鏡面仕上げされた銅（Ｃｕ）基材表面にＡｌ_２Ｏ_３膜とＧｅ膜とを交互に積層して形成された多層反射膜の反射率を測定したグラフを示す。図５は、樹脂基材表面に鏡面被膜を形成した後、Ａｌ_２Ｏ_３膜とＧｅ膜とを交互に積層して形成された多層反射膜の断面模式図を示す。図６は、多重反射光学系の他の構成の一例を示す模式説明図である。図７は、多重反射光学系の他の構成の一例を示す模式説明図である。

符号の説明

１０赤外光源
２０多重反射光学系
２１基材
２１Ａ銅基材
２１Ｂ樹脂基材
２２ａ低屈折率層
２２ｂ高屈折率層
２２多層反射膜
２５被検出ガス導入口
２６被検出ガス排出口
２７光入射窓
３０受光センサ
４０コリメートレンズ
５０バンドパスフィルタ
６０演算手段
９０筐体
１００赤外光ガスセンサ
Ｓ内部空間

Claims

中心波長λ₀の赤外光を放射する赤外光源と、放射された赤外光を所定の入射角で入射させて多重反射させるための多重反射光学系と、多重反射光学系から出射した赤外光を受光する受光センサとを備え、
前記多重反射光学系は、波長λ₀における屈折率がｎ_Lである誘電体材料からなる低屈折率層と波長λ₀における屈折率がｎ_H（但し、ｎ_H＞ｎ_L）である誘電体材料からなる高屈折率層とを交互に積層してなる多層反射膜を基材表面に備え、
前記多重反射光学系が形成する内部空間に被検出ガスを導入し、前記放射された赤外光を多重反射させながら前記被検出ガスに特定の波長の光を吸光させた後、前記多重反射光学系から出射させ、出射した前記吸光された光を前記受光センサにより測定することにより、前記被検出ガス中に含有される特定のガス成分を検知することを特徴とする赤外光ガスセンサ。
前記低屈折率層の光学膜厚がλ₀／４であり、前記高屈折率層の光学膜厚がλ₀／４である請求項１に記載の赤外光ガスセンサ。
前記多層反射膜が、前記低屈折率層と前記高屈折率層とを交互に積層してなる４〜６層の多層反射膜である請求項１または２に記載の赤外光ガスセンサ。
前記屈折率がｎ_Lである誘電体材料がＡｌ_２Ｏ_３またはＳｉＯからなり、前記屈折率がｎ_Hである誘電体材料がＧｅからなる請求項１〜３の何れか１項に記載の赤外光ガスセンサ。
前記基材が銅、アルミニウム、鉄、またはそれらを主成分とする合金からなる鏡面仕上げされた金属基材である請求項１〜４の何れか１項に記載の赤外光ガスセンサ。
前記基材が樹脂基材上に銅、アルミニウム、鉄、またはそれらを主成分とする合金からなる鏡面被膜が形成された基材である請求項１〜４の何れか１項に記載の赤外光ガスセンサ。
前記多重反射光学系が、互いに平行に配設された一対の多層反射膜を備え、その多層反射膜に赤外光を所定の入射角で入射させた後、多重反射させ、多重反射された赤外光を出射させる構造を有する請求項１〜６の何れか１項に記載の赤外光ガスセンサ。
前記多重反射光学系が、それぞれ独立した複数の多層反射膜を備えるものであり、赤外光を所定の一の多層反射膜に所定の入射角で入射させ、入射した赤外光が前記複数の多層反射膜により多重反射された後、該多重反射された赤外光を多重反射光学系から出射させるように各多層反射膜が配設されている請求項１〜６の何れか１項に記載の赤外光ガスセンサ。
前記多重反射光学系が、放物面形状を有する基材表面に形成された多層反射膜を備える請求項１〜８の何れか１項に記載の赤外光ガスセンサ。
前記赤外光源から放射された赤外光をコリメートして前記多重反射光学系に入射させるためのコリメートレンズをさらに備える請求項１〜９の何れか１項に記載の赤外光ガスセンサ。
前記多重反射光学系から出射された赤外光の波長領域のうち所定領域のみの波長領域をフィルタリングするためのバンドパスフィルタをさらに備える請求項１〜１０の何れか１項に記載の赤外光ガスセンサ。