JP2013120153A

JP2013120153A - 気体成分検出装置

Info

Publication number: JP2013120153A
Application number: JP2011269150A
Authority: JP
Inventors: Naoya Matsuo; 直哉松尾; Shunsuke Matsushima; 俊輔松島; Kenichi Shimatani; 賢一島谷; Tsutomu Shimomura; 勉下村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-17

Abstract

【課題】従来例よりも検出効率の向上を図る。
【解決手段】発光部４の発光素子40から放射される赤外線の一部は、第１反射部31の内周面(反射面)に反射して第１集光レンズ6Aに入射し、第１集光レンズ6Aによって集光されることになる。一方、第２集光レンズ6Bを通過した赤外線の一部は、第２反射部32の内周面(反射面)に反射して受光素子50A，50Bの受光面に入射することになる。つまり、第１反射部31や第２反射部32を備えていない従来例に比較して、発光素子40から放射される赤外線のうちで受光素子50A，50Bに受光されない赤外線の割合を低減することができるので、従来例よりも検出効率の向上を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線の吸収特性を利用して気体成分の濃度を検出する気体成分検出装置に関する。

従来の気体成分検出装置として、例えば、特許文献１に記載されている赤外線検知式ガスセンサがある。この従来例は、被測定ガスが流入する筒状のケース11と、赤外線を放射する光源12と、赤外線を集光するコリメータレンズ13と、赤外線の特定の波長のみを透過するバンドバスフィルタ14と、前記特定波長の赤外線を電気信号に変換する検出素子15とを備える。そして、光源12から放射される赤外線のうちで被測定ガス(例えば、二酸化炭素)に吸収されずに検出素子15で受光される赤外線の量(レベル)に応じて、ケース11内に存在する被測定ガス(検出対象の気体成分)の濃度を検出することができる。

特開２０１０−２２８４号公報（段落００５０，００５１及び図５参照）

ところで、特許文献１記載の従来例では、光源12から放射される赤外線が全てコリメータレンズ13で集光されるわけではなく、集光されなかった赤外線が検出素子15で受光されずに検出効率が低下していた。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、従来例よりも検出効率の向上を図ることを目的とする。

本発明の気体成分検出装置は、検出対象の気体成分が内部空間に導入される筒状のケースと、前記内部空間に赤外線を放射する発光部と、前記発光部から放射されて前記内部空間を進行して来る赤外線を受光し且つ電気信号に変換する受光部とを備え、前記ケースは、前記発光部から放射される赤外線を前記受光部に向けて反射させる第１反射部、または前記内部空間を進行して来た赤外線を前記受光部に向けて反射させる第２反射部の少なくとも何れか一方が一体に形成されていることを特徴とする。

この気体成分検出装置において、前記発光部から放射される赤外線を集光する第１集光レンズ、または前記内部空間を進行して来た赤外線を集光する第２集光レンズの少なくとも何れか一方を備えることが好ましい。

この気体成分検出装置において、前記第２集光レンズは、前記検出対象の気体成分に吸収される波長帯域を通過域に含む波長フィルタが一体に形成されていることが好ましい。

この気体成分検出装置において、互いに異なる気体成分に吸収される波長帯域を通過域に含む複数の波長フィルタと、前記各波長フィルタを通過する赤外線を受光する複数の前記受光部とを備えることが好ましい。

本発明の気体成分検出装置は、従来例よりも検出効率の向上を図ることができるという効果がある。

本発明に係る気体成分検出装置の実施形態を示し、(ａ)は光学ブロックの断面図、(ｂ)は平面図である。同上における主波長フィルタが一体形成された第２集光レンズを示し、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面図である。同上における光学ブロックの他の構成を示す断面図である。

本実施形態の気体成分検出装置(以下、ガスセンサと呼ぶ。)は、図１(ｂ)に示すように回路ブロック１と光学ブロック２で構成されている。

回路ブロック１は、合成樹脂成形体からなるボディ10の内部に信号処理回路を実装した配線板(図示せず)などが収納されて構成される。図示しない信号処理回路は、発光部４を駆動して赤外線を放射させたり、受光部５から出力される信号に対して増幅や波形整形、サンプリング、Ａ／Ｄ変換、演算処理、補正処理、異常濃度判定処理などの信号処理を行う集積回路(IC)からなる。また、ボディ10の長手方向に沿った両側面から複数(図示例では５つ)の端子11が下向きに突出している。これらの端子11は金属板からなり、ボディ10にインサート成形されている。そして、各端子11の端部が、ボディ10の内部において信号処理回路と電気的に接続される。

光学ブロック２は、図１(ａ)に示すように金属材料で円筒形状に形成されたケース３と、発光部４と、受光部５と、第１集光レンズ6A及び第２集光レンズ6Bと、２種類の波長フィルタ7A，7Bとを備える。発光部４は、板状の実装基板41に赤外線を放射する発光素子40が実装されてなる。この発光素子40は、発光ダイオードチップや半導体基板上にMEMS技術を用いた抵抗素子が形成されてなる赤外線放射源からなる。ただし、発光部４から放射される赤外線の波長は、検出対象の気体成分(例えば、一酸化炭素や二酸化炭素、メタン、窒素酸化物など)に吸収され易い波長である。

また受光部５は、板状の実装基板51に赤外線を受光して電気信号に変換する２つの受光素子50A，50Bが実装されてなる。これらの受光素子50A，50Bは、例えば、フォトダイオードチップや焦電素子からなる。なお、２つの実装基板41，51には各素子40，50と信号処理回路とを電気的に接続するための導電パターン(図示せず)が形成されている。

第１集光レンズ6Aは発光部４の前方に配置され、発光部４(発光素子40)から放射される赤外線を集光するものである。第２集光レンズ６Bは受光部５の前方に配置され、発光部４から放射されてケース３の内部空間を進行して来る赤外線を受光部５の受光素子50A，50Bの受光面に集光するものである。

一方の波長フィルタ(主波長フィルタ)7Aは、検出対象の気体成分に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。他方の波長フィルタ(副波長フィルタ)7Bは、検出対象の気体成分に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含まず、当該波長帯域の近傍の波長第域を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。なお、この種のバンドパスフィルタは干渉フィルタとも呼ばれ、主に誘電体膜の多層構造を有している。

而して、発光部４から放射される赤外線のうち、主波長フィルタ7Aを通過して一方の受光素子50Aで受光される赤外線量が検出対象の気体成分の濃度(以下、気体濃度という。)に応じて減少するのに対し、副波長フィルタ7Bを通過して他方の受光素子50Bで受光される赤外線量は気体濃度に応じて減少しない。そして、信号処理回路では、２つの受光素子50A，50Bの出力信号レベルの差分をとり、この差分に基づいて気体濃度を演算する。

すなわち、１つの受光素子の出力信号レベルに基づいて信号処理回路が気体濃度を演算した場合、受光部５の出力信号レベルが何らかの外乱要因によって変動したときに気体濃度の検出精度が低下してしまう虞がある。一方、上述のように信号処理回路が２つの受光素子50A，50Bの出力信号レベルの差分に基づいて気体濃度を演算すれば、それぞれの受光素子50A，50Bの出力信号レベルの変動分を相殺して気体濃度の検出精度の低下を抑制することができる。

ケース３は、内径が均一である円筒部30と、円筒部30の一端(図１(ａ)における左端)に設けられた第１反射部31と、円筒部30の他端(図１(ａ)における右端)に設けられた第２反射部32とが一体に形成されている。なお、図示は省略しているが、円筒部30には検出対象の気体成分を含む混合気体を内部に導入するための導入口が設けられている。

第１反射部31並びに第２反射部32は、一端側の内径が円筒部30の内径と等しく、且つ他端側の内径が円筒部30の内径よりも小さい筒形状(例えば、略つりがね形)に形成されている。そして、第１反射部31並びに第２反射部32が大径側の端部で円筒部30と接合されることでケース３が組み立てられる。ただし、ケース３は、円筒形の金属管の両端が絞り加工されて形成されてもよい。

ケース３は、発光素子40が第１反射部31の先端(小径側)から挿通された状態で発光部４の実装基板41と接合されるとともに、受光素子50A，50Bが第２反射板32の先端(小径側)から挿通された状態で受光部５の実装基板51と接合される。

而して、発光部４の発光素子40から放射される赤外線の一部は、第１反射部31の内周面(反射面)に反射して第１集光レンズ6Aに入射し、第１集光レンズ6Aによって集光されることになる。一方、第２集光レンズ6Bを通過した赤外線の一部は、第２反射部32の内周面(反射面)に反射して受光素子50A，50Bの受光面に入射することになる。つまり、第１反射部31や第２反射部32を備えていない従来例に比較して、発光素子40から放射される赤外線のうちで受光素子50A，50Bに受光されない赤外線の割合を低減することができるので、従来例よりも検出効率の向上を図ることができる。ただし、本実施形態では発光部４側と受光部５側の双方に反射部31，32が設けられているが、必ずしも発光部４側と受光部５側の双方に設けられる必要は無く、何れか一方のみに設けられていても構わない。また、発光部４側と受光部５側にそれぞれ集光レンズ6A，6Bが配置されているが、何れか一方の集光レンズ6A，6Bのみが配置されても構わない。

ところで、第２集光レンズ6Bは、図２に示すように主波長フィルタ7A及び副波長フィルタ7Bとそれぞれ一体に形成されても構わない。図２に示す第２集光レンズ6Bは、エッチングや機械加工によって同心円状に複数のブレーズが形成された、いわゆるフレネルレンズからなり、図１(ａ)に示した両面凸レンズに比較して厚みが薄くなるという利点がある。そして、第２集光レンズ6Bにおける入射面に誘電体膜の多層構造からなる波長フィルタ7A又は7Bが形成されている。このように２種類の部品(第２集光レンズ6Bと波長フィルタ7A，7B)が一体に構成されることにより、部品点数の削減によるコストダウンが図れる。

ここで、上述した実施形態では１種類の気体成分しか検出できないが、図３に示す構成であれば、複数種類(図示例では２種類)の気体成分を検出することができる。つまり、図３に示すように互いに異なる気体成分に吸収される波長帯域を通過域に含む２つの主波長フィルタ7A，7Cと、各主波長フィルタ7A，7Cを通過する赤外線を受光する２つの受光素子50A，50Cとを備えればよい。

追加された主波長フィルタ7Cは、検出対象の気体成分に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。また、副波長フィルタ7Bは、２種類の検出対象の気体成分に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含まず、これらの波長帯域の近傍の波長第域を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。

上記構成によれば、１つの光学ブロック２で複数種類の気体成分を検出することが可能であり、２つの光学ブロック２を設ける場合と比較して小型化及び低コスト化が図れるという利点がある。ただし、上記構成において主波長フィルタと主波長フィルタを通過する赤外線を受光する受光素子が３組以上設けられれば、３種類以上の気体成分を検出することが可能である。

３ケース
４発光部
５受光部
31 第１反射部
32 第２反射部

Claims

検出対象の気体成分が内部空間に導入される筒状のケースと、前記内部空間に赤外線を放射する発光部と、前記発光部から放射されて前記内部空間を進行して来る赤外線を受光し且つ電気信号に変換する受光部とを備え、前記ケースは、前記発光部から放射される赤外線を前記受光部に向けて反射させる第１反射部、または前記内部空間を進行して来た赤外線を前記受光部に向けて反射させる第２反射部の少なくとも何れか一方が一体に形成されていることを特徴とする気体成分検出装置。
前記発光部から放射される赤外線を集光する第１集光レンズ、または前記内部空間を進行して来た赤外線を集光する第２集光レンズの少なくとも何れか一方を備えることを特徴とする請求項１記載の気体成分検出装置。
前記第２集光レンズは、前記検出対象の気体成分に吸収される波長帯域を通過域に含む波長フィルタが一体に形成されていることを特徴とする請求項２記載の気体成分検出装置。
互いに異なる気体成分に吸収される波長帯域を通過域に含む複数の波長フィルタと、前記各波長フィルタを通過する赤外線を受光する複数の前記受光部とを備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の気体成分検出装置。