JP2011027699A - 赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】赤外線受光素子(赤外線受光部)40は、2つ1組の焦電素子(熱型赤外線検出素子)41,42が焦電素子形成用基板41において並設され逆直列に接続されている。赤外線光学フィルタ20が、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板1と、当該フィルタ形成用基板1において焦電素子41,42に対応する部位に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部21,22と、フィルタ形成用基板1に形成され狭帯域透過フィルタ部21,22の選択波長よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部3とで構成され互いに狭帯域透過フィルタ部21,22の選択波長の異なる複数のフィルタ要素部を備え、パッケージ7における赤外線受光素子40の前方の窓孔7aを閉塞する形でパッケージ7に接合されている。
【選択図】図1
Description
D=−log10(I/I0) (1)式
また、物質に固有の吸収係数(その物質の吸収波長および温度により決まる定数)をα、物質の濃度をC、光路長をLとすると、吸光度Dは、ランベルト・ベールの法則に従い、下記(2)式で与えられ、吸光度Dが物質の濃度Cおよび光路長Lに比例することが分かる。
D=αCL (2)式
また、透過率Tは、下記(3)式で表される。
T=I0/I (3)式
よって、(2)式および(3)式から、透過率Tは下記(4)式で与えられる。
T=10−D=10−αCL (4)式
したがって、赤外線光源から放射された任意の波長λの赤外線の光量をP、計測ガスを光路長Lだけ通過した後の赤外線受光素子で受光する赤外線の受光量(受光パワー)をIとすると、受光量Iは、下記(5)式で求められ、図29に示す関係が得られる。
I=P×10−αCL (5)式
上述の(5)式および図29から分かるように、受光量Iとガスの濃度との関係は、ガスの濃度が高くなるにつれて受光量Iが徐々に減衰する曲線となるので、受光量Iの減衰量を計測することでガスの濃度を計測することが可能となる。
P1=τ1(Pasin(ωt)+Pb) (6)式
P2=T(C)τ2(Pasin(ωt)+Pb) (7)式
また、狭帯域透過フィルタ部21を透過した赤外線を受光する焦電素子41の受光面側の極性を+、狭帯域透過フィルタ部22を透過した赤外線を受光する焦電素子42の受光面側の極性を−とすると、各焦電素子41,42の出力I1,I2は、それぞれ下記(8)式、下記(9)式で表される(ただし、焦電素子41,42での電流変換による定数は省いてある)。
I1=ωτ1Pacos(ωt) (8)式
I2=−T(C)ωτ2Pacos(ωt) (9)式
ここで、赤外線受光素子40は、焦電素子形成用基板41上で2つの焦電素子41,42の差動出力が得られるように両焦電素子41,42が図3(b)のように接続されているから、赤外線受光素子40の出力をIとすると、出力Iは下記(10)式で表される。
I=I1+I2=ωτ1Pacos(ωt)−T(C)ωτ2Pacos(ωt) (10)式
ここにおいて、τ1=τ2とすれば、赤外線受光素子40の出力Iは、下記(11)式で表される。
I=ωτ1Pacos(ωt)(1−T(C)) (11)式
ここで、赤外線の吸収率T(C)は、上述のランベルト・ベールの法則に基づいて求められる(4)式より、ガスの濃度をC、光路長をLとすれば、下記(12)で表される。
T(C)=10−αCL (12)式
したがって、赤外線受光素子40の出力Iは、(11)式に(12)式を代入することにより、下記(13)式で表される。
I=ωτ1Pacos(ωt)(1−10−αCL) (13)式
この(13)式に基づいて、ガスの濃度Cと赤外線受光素子40の出力信号(出力I)との関係をグラフにすると、図23に示すようになるから、赤外線受光素子40の出力信号の振幅を計測することでガスの濃度を求めることができる。
21,22 狭帯域透過フィルタ部
3 広帯域遮断フィルタ部
41,42 焦電素子(熱型赤外線検出素子)
7 パッケージ
7a 窓孔
20 赤外線光学フィルタ(赤外線光学フィルタ部)
21 第1のλ/4多層膜
22 第2のλ/4多層膜
231,232 波長選択層
40 赤外線受光素子(赤外線受光部)
41 焦電素子形成用基板
63a 増幅回路
TP,TP1,TP2 サーモパイル
Claims (11)
- 赤外線受光部がパッケージ内に収納され、赤外線受光部の前方に赤外線光学フィルタ部が配置された赤外線式ガス検知器であって、赤外線受光部は、複数の熱型赤外線検出素子が並設されてなり、赤外線光学フィルタ部は、赤外線透過材料からなるフィルタ形成用基板と、当該フィルタ形成用基板において熱型赤外線検出素子に対応する部位に形成され所望の選択波長の赤外線を選択的に透過させる狭帯域透過フィルタ部と、前記フィルタ形成用基板に形成され狭帯域透過フィルタ部の選択波長よりも長波長の赤外線を吸収する広帯域遮断フィルタ部とで構成され互いに狭帯域透過フィルタ部の選択波長の異なる複数のフィルタ要素部を備え、パッケージにおける赤外線受光部の前方の窓孔を閉塞する形でパッケージに接合されてなることを特徴とする赤外線式ガス検知器。
- 前記熱型赤外線検出素子が焦電素子であり、前記赤外線受光部は、2つ1組の焦電素子が逆直列もしくは逆並列に接続されてなることを特徴とする請求項1記載の赤外線式ガス検知器。
- 前記熱型赤外線検出素子がサーモパイルであり、前記赤外線受光部は、2つ1組のサーモパイルが逆直列もしくは逆並列に接続されてなることを特徴とする請求項1記載の赤外線式ガス検知器。
- 前記赤外線受光部の出力を増幅する増幅回路の構成部品が前記パッケージ内に収納されてなることを特徴とする請求項2または請求項3記載の赤外線式ガス検知器。
- 前記熱型赤外線検出素子が焦電素子もしくはサーモパイルであり、2つ1組の焦電素子もしくは2つ1組のサーモパイルの出力を差動増幅する増幅回路を備えることを特徴とする請求項1記載の赤外線式ガス検知器。
- 前記フィルタ形成用基板は、Si基板もしくはGe基板である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項に記載の赤外線式ガス検知器。
- 前記パッケージが、外部からの電磁波を遮蔽するシールド部を備え、前記赤外線光学フィルタ部は、前記フィルタ形成用基板が前記パッケージのシールド部に電気的に接続されてなることを特徴とする請求項6記載の赤外線式ガス検知器。
- 前記赤外線光学フィルタ部は、前記フィルタ形成用基板における前記熱型赤外線検出素子側である一表面側に前記狭帯域透過フィルタ部が形成され、前記フィルタ形成用基板の他表面側に前記広帯域遮断フィルタ部が形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の赤外線式ガス検知器。
- 前記赤外線光学フィルタ部は、前記複数の前記フィルタ要素部で前記フィルタ形成用基板が共用されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の赤外線式ガス検知器。
- 前記各狭帯域透過フィルタ部は、屈折率が異なり且つ光学膜厚が等しい複数種類の薄膜が積層された第1のλ/4多層膜と、第1のλ/4多層膜における前記フィルタ形成用基板側とは反対側に形成され前記複数種類の薄膜が積層された第2のλ/4多層膜と、第1のλ/4多層膜と第2のλ/4多層膜との間に介在し前記選択波長に応じて光学膜厚を各薄膜の光学膜厚とは異ならせた波長選択層とを有し、前記広帯域遮断フィルタ部は、屈折率が異なる複数種類の薄膜が積層された多層膜からなり、当該複数種類の薄膜のうち少なくとも1種類の薄膜が遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収材料により形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の赤外線式ガス検知器。
- 赤外線光源から赤外線を所定空間へ放射させて所定空間内の検知対象ガスでの赤外線の吸収を利用して検知対象ガスを検出する赤外線式ガス計測装置であって、赤外線光源と、赤外線光源を駆動する駆動部と、赤外線光源から放射され所定空間を通過した赤外線を受光する赤外線受光ユニットとを備え、赤外受光ユニットとして請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の赤外線式ガス検知器を備えてなることを特徴とする赤外線式ガス計測装置。
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