JP2014126438A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定ガスの濃度が高濃度であるか低濃度であるかによらず、被測定ガスの濃度を測定可能な光学式センサを提供すること。
【解決手段】被測定ガスが内部に導入されるガスセルと、前記ガスセル内に光を放射する光源と、前記光源から放射された光を受光する受光手段と、前記光源から放射された光を前記受光手段に導く、光路長が異なる２以上の光路を前記ガスセル内に形成する光学手段と、を備えることこととする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学的にガス濃度の測定を行う光学式センサに関する。

従来より、大気などの環境中或いは人体における呼吸ガス中のガス濃度を測定する装置として、非分散型赤外線分析法をはじめとする赤外線吸収を利用した光学式センサが知られている。非分散型赤外線分析法の光学式センサは、ガスが有する特性、すなわち、特定の波長領域の赤外線を吸収する特性を利用してガスの濃度を測定する。

以下、従来の光学センサについて具体的に説明する。従来の光学センサにおいて被測定ガスは筒状のガスセル内に導入される。ガスセルの一端には赤外線を放射する光源が設けられている。光源から放射された赤外線は、ガスセル内の所定の光路（ミラー等の反射手段によって形成されている光路）を通過して受光素子に至る。

上述したようにガスは、特定の波長領域の赤外線を吸収する特性を有する。従って、受光素子に入光した赤外線の強度を検出することにより、特定の波長領域において被測定ガスによって吸収された量（吸収量）を算出することができる。そしてこの吸収量に基づいて被測定ガスの濃度を算出することができる。

一般に、光源から放射された赤外線の光量（入射光量）と、受光素子によって検出される赤外線の光量（透過光量）は、次式Ｉｏｕｔ＝Ｉｉｎ×ｅｘｐ（−ＫＣＬ）を満たすことが知られている。なお、Ｉｏｕｔは透過光量、Ｉｉｎは入射光量、Ｋは被測定ガスの吸光係数、Ｃはガス濃度、Ｌは光路長を示している。

ところでガスセル内の被測定ガスのガス濃度が低い場合には、赤外線の吸収量が少ない。赤外線の吸収量が少ないとガス濃度を正確に測定するのが困難となる。従って、ガスセル内の被測定ガスのガス濃度が低いと考えられる場合には、光路長（光源から受光素子までの距離）を長くすることが望ましい。光路長を長くすることによって赤外線の吸収量を増やすことができ、高感度な光学センサとすることができる。特許文献１及び特許文献２に記載されているセンサは小型且つ高感度な光学センサを実現するものである。

一方、ガスセル内の被測定ガスのガス濃度が高い場合には赤外線の吸収量が多い。赤外線の吸収量が多いと光源から放射された赤外線が受光素子に至らず、ガスの濃度を測定することができなくなることが考えられる。従って、ガスセル内の被測定ガスのガス濃度が高いと考えられる場合には、光路長を短くすることが望ましい。

つまり従来は、状況に応じて被測定ガスのガス濃度を予め想定し、想定されるガス濃度に応じて光学センサを使い分ける必要があった。しかしながらガス濃度を予め想定することは容易なことではない。例えば被測定ガスを二酸化炭素とすると、大気中における二酸化炭素の割合（二酸化炭素濃度）は比較的低濃度であるのに対して、人間の呼気中の二酸化炭素濃度は比較的高濃度である。

従って、マンション等の少人数が集う空間、車や電車等の車内空間、会議室や集会場等の大人数が集う空間において二酸化炭素濃度は低濃度から高濃度まで幅広く変動することが想定される。このように所定の空間の二酸化炭素濃度を想定することが困難である場合には、高濃度タイプの光学式センサと低濃度タイプの光学式センサの２つのタイプの光学式センサを実装する必要があり、コストが高くなっていた。

特表２００６−５０４０７８号公報 特表２００３−５３２０７０号公報

本発明は上述した問題点に鑑み、被測定ガスの濃度が高濃度であるか低濃度であるかによらず、被測定ガスの濃度を測定可能な光学式センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の光学式センサは、被測定ガスが内部に導入されるガスセルと、前記ガスセル内に光を放射する光源と、前記光源から放射された光を受光する受光手段と、前記光源から放射された光を前記受光手段に導く、光路長が異なる２以上の光路を前記ガスセル内に形成する光学手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、光源から放射された光は、光路長の異なる２以上の光路を通過して受光手段に導かれる。そして、各光路において光路長の長さが異なることにより、１の光路を通過して受光手段に導かれた光の強度と、他の光路を通過して受光手段に導かれた光の強度が異なる。そしてこれら複数の光の強度を考慮することによって被測定ガスの濃度を、その濃度の高低（濃淡）に関わらず正確に測定することができる。

また上記構成の光学式センサにおいて、前記光学手段は、前記光源から放射された光を前記２以上の光路に導入する光導入手段を備えることが望ましい。

この構成によれば、単一の光源から放射された光が、光導入手段によって２以上の光路に導かれる。従って光路毎に光源を設ける必要がなく、光学式センサの大型化やコストの上昇を防ぐことができる。

また上記構成の光学式センサにおいて、前記光学手段は、前記２以上の光路のうち１以上の光路を屈曲させる光路屈曲手段を備えることが望ましい。

この構成によれば、１以上の光路において、光源と受光手段の間に光路屈曲手段が設けられる。従って、小さな空間において光路を屈曲させることにより、光路長の長い光路を形成することができる。これによって、光路長の長い光路を形成するのに伴って光学式センサが大型化するのを防ぐことができる。

また上記構成の光学式センサにおいて、前記光学手段は、各光路を通過する光を収束させる収束手段とを備え、収束された光が前記受光手段に入光されることが望ましい。

この構成によれば、収束手段によって２以上の光路を通過した光が収束されて受光手段に入光される。従って、例えば光学センサが単一の受光手段しか有しない場合において、光学センサが収束手段を有しないときに比べて２以上の光路を通過する光を単一の受光手段に入光することが容易になる。これによって２以上の光路の形成が容易になる。

また上記構成の光学式センサにおいて、前記２以上の光路を通過して前記受光素子によって受光された光の光強度の和に基づいて前記被測定ガスのガス濃度を測定することが望ましい。

この構成によれば、長い光路長を通過した光の強度と短い光路長を通過した光の強度の和に基づいて被測定ガスのガス濃度を測定する。従って、いずれか一方の光路を通過した光の強度に基づいて被測定ガスのガス濃度を測定するよりも正確に測定ができる。

また上記構成の光学式センサにおいて、前記光源は赤外線光源であることが望ましい。

この構成によれば、被測定ガスの赤外線吸収特性を利用して被測定ガスの種類及び濃度が特定可能な光学式センサとすることができる。

また上記構成の光学式センサにおいて、前記被測定ガスは二酸化炭素であることが望ましい。

この構成によれば、二酸化炭素の濃度を測定することができる。

光源から放射された光は、光路長の異なる２以上の光路を通過して受光手段に導かれる。そして、各光路において光路長の長さが異なることにより、１の光路を通過して受光手段に導かれた光の強度と、他の光路を通過して受光手段に導かれた光の強度が異なる。そしてこれら複数の光の強度を考慮することによって被測定ガスの濃度を、その濃度の高低（濃淡）に関わらず正確に測定することができる。

は、第１実施形態の光学式センサを示す概略模式図である。 は、ガス濃度と受光手段により検出される赤外線の光強度の関係を示すグラフである。 は、ガス濃度と赤外線吸収率の関係を示すグラフである。 は、第２実施形態の光学式センサを示す概略模式図である。 は、第３実施形態の光学式センサを示す概略模式図である。 は、第４実施形態の光学式センサを示す概略模式図である。

[第１実施形態]
以下に本発明の光学式センサついて図面を参照して説明する。但し、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するために本発明の光学式センサの一例を示すものである。従って本発明をこの光学式センサに特定することを意図するものではない。特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態の光学式センサにも等しく適応し得るものである。

図１は本実施形態の光学式センサの一例を示す概略模式図である。図１に示すように光学式センサ１は、光源２、被測定ガスが導入されるガスセル３、反射・導入板４、ミラー５（５１〜５３）、受光素子６を備える。

光源２は赤外線光源である。光源としては例えば通電によって発熱し、所定の強度の赤外線を発するフィラメントや、ＬＥＤ、ＬＤ等の半導体素子が使用される。光源２は後述する反射・導入板４の内部に配置される。

ガスセル３の内部には被測定ガスが導入される。本実施形態においては被測定ガスとして二酸化炭素が導入されている場合を例に説明するが、被測定ガスは二酸化炭素に限られるものではない。

ガスセル３はガス導入用開口部（不図示）を有する。被測定ガスはガス導入用開口部を介してガスセル３内に導入される。ガス導入用開口部は蓋体（不図示）が着脱可能に設けられ、蓋体がガス導入用開口部を塞いでいるときにガスセル３の内部と外部との気体が流通することが防がれる。なお、蓋体を設けないこととしてもよい。蓋体を設けないこととすれば、ガスセル３の内部及び外部の気体が常時、ガス導入用開口部を介して出入可能になる。これによって、所定の空間のガス濃度が変化しても変化後のガス濃度を測定することができる。

光学式センサは光学手段として、反射・導光板４とミラー５を有する。反射・導光板４は光源２から放射された光を２方向に導光する光導入手段である。反射・導光板４は例えばアルミ、金等の蒸着によって形成される。本実施形態では２方向に導光することとして説明を行うが、２方向に限られるものではない。２方向以上に導光することとしてもよい。

ミラー５は光路を屈曲させる光路屈曲手段である。ミラー５は例えばガスセル３の一部にキャビティ（凹部）を形成し、当該キャビティに、アルミ、金等を蒸着することによって形成される。図１においてミラー５１と５２は、第１の光路Ｒ１上に配され、第１の光路Ｒ１を屈曲している。また、ミラー５３は第２の光路Ｒ２上に配され、第２の光路Ｒ２を屈曲している。第１の光路Ｒ１においてミラー５２によって反射された光、及び、第２の光路Ｒ２においてミラー５３によって反射された光は受光素子６に入光する。

つまり、反射・導光板４とミラー５は光路を形成する光路形成手段であるともいえる。なお、本実施形態において、第１の光路Ｒ１においてミラー５２によって反射された光、及び、第２の光路Ｒ２においてミラー５３によって反射された光が夫々受光素子６に入光することとしたが、各光路を通過する光を収束手段によって収束させて受光素子６に入光することとしてもよい。

上述したように被測定ガスのガス濃度によって、望ましい光路長が異なる。そこで本実施形態では第１の光路Ｒ１の光路長が第２の光路Ｒ２の光路長よりも長くなるように形成される。

第１の光路Ｒ１の光路長を第２の光路長Ｒ２の光路長より長くするために、第１の光路Ｒ１上に配置されているミラーの数は、第２の光路Ｒ２上に配置されているミラーの数よりも多い。これによって、光学式センサ１全体を大型化することなく、光路長を異なる光路を形成している。なお、各光路上に配されるミラーの数は特に限定されるものではない。

受光素子６は光源２から放射され、第１の光路Ｒ１、第２の光路Ｒ２を通過した光を受光する受光手段である。受光素子６としては例えば焦電型、熱電対型、ボロメータ型の赤外線センサを使用することができる。受光素子６は赤外線の受光量に応じて受光信号を出力する。光学式センサ１は演算処理手段（不図示）を備え、演算処理手段はこの受光信号に基づいて被測定ガスによる赤外線の吸収波長や吸光量を演算することにより、被測定ガスの種類・濃度を特定、算出する。

詳説すると、受光素子６は、光源２から放射される赤外線のうち被測定ガスが吸収する波長の赤外線のみを選択的に通過させる透過フィルタ（バンドパスフィルタ）を介して赤外線を受光する。したがって、演算処理手段は、透過フィルタを選択的に通過する赤外線の波長により被測定ガスの種類を特定する。また、演算処理手段は、赤外線の受光量（受光素子６の出力信号レベル）に基づいて被測定ガスの濃度を算出する。

以下、本実施形態の光学式センサと、一方の光路しか有しない光学式センサとを比較しつつ、被測定ガスのガス濃度と、受光素子に至る（受光素子が受光する）光の光強度（光量）及び赤外線吸収率との関係について説明する。

図２はガス濃度と受光手段により検出される赤外線の光強度の関係を示すグラフである。また、図３はガス濃度と赤外線吸収率の関係を示すグラフである。各図において曲線Ａは赤外線が第１の光路Ｒ１のみを通過した場合、曲線Ｂは赤外線が第２の光路Ｒ２のみを通過した場合、曲線Ｃは赤外線が第１の光路Ｒ１及び第２の光路Ｒ２を通過した場合を示す。

また、図２及び図３において被測定ガスは二酸化炭素、第１の光路Ｒ１の光路長は１５ｃｍ、第２の光路Ｒ２の光路長は２ｃｍであることとする。また、受光素子６は二酸化炭素が吸収する波長の赤外線（４．３μｍ付近の赤外線）を選択的に透過する透過フィルタを介して赤外線を受光することとする。当然ながら上記数値は一例であってこれに限られるものではない。

図２の曲線Ａに示される第１の光路Ｒ１を通過して受光素子６に入光する赤外線の光量は、ガスセル内に導入される二酸化炭素の濃度が高い場合には、濃度が増加するにつれて急激に減衰することが分かる。これは上述したように第１の光路Ｒ１の光路長が長いことに起因するものである。

すなわち、図３の曲線Ａに示すように二酸化炭素の濃度が２０，０００ｐｐｍ以上では赤外線の吸収が飽和してしまい、受光素子６によって光強度を検出することができなくなる。従って、被測定ガスが２０，０００ｐｐｍ以上の高濃度である場合には正確な濃度を測定することができなくなる。

図２の曲線Ｂに示される第２の光路Ｒ２を通過して受光素子６に入光する赤外線の光量は、ガスセル内に導入される二酸化炭素の濃度が低い場合には、濃度が変動しても大きく変動しない。これは上述したように第２の光路Ｒ２の光路長が短いことに起因するものである。

すなわち、図３の曲線Ｂに示すように特に二酸化炭素の濃度が１，０００ｐｐｍ以下では赤外線の吸収率が小さく、受光素子６によって検出される光強度の変動が微差である。従って、被測定ガスが１，０００ｐｐｍ以下の低濃度である場合には正確な濃度を測定することが困難になる。

曲線Ａ及び曲線Ｂに対して図２の曲線Ｃに示される第１の光路Ｒ１及び第２の光路Ｒ２を通過して受光素子６に入光する赤外線の光量は、二酸化炭素の濃度が２０，０００ｐｐｍ以上であっても急激な減衰は生じない。また、二酸化炭素の濃度が１，０００ｐｐｍ以下であっても変動が生じている。

すなわち、図３の曲線Ｃに示すように二酸化炭素の濃度が１，０００ｐｐｍ以下では第１の光路Ｒ１を通過した光の特徴を有して赤外線の吸収率（吸収量）が曲線Ｂに比べて多い。また、二酸化炭素の濃度が２０，０００ｐｐｍ以上では第２の光路Ｒ２を通過した光の特徴を有して、吸収量が飽和しない（吸収率が１００％に至らない）。

従って、光源２から放射される光を光路長の異なる第１の光路Ｒ１及び第２の光路に導入し、各光路を通過した光の和に基づいて赤外線の吸収量を検出することにより、被測定ガスの濃度が低濃度であっても高濃度であってもその濃度を正確に測定することができる。

なお、各光路Ｒ１、Ｒ２の光路長、反射・導光板４の形状、分光光学系７、９は測定可能な濃度領域においてどの濃度領域を高精度に測定するかに応じて適宜選択、変更すればよい。例えば第１実施形態において第１の光路Ｒ１の光路長をやや短くする（但し第２の光路Ｒ２の光路長よりも長い）ことにより、広い範囲の濃度を検出可能としつつ、高濃度領域を最も高精度に測定可能な領域とすることができる。

本実施形態によれば、光源から放射された赤外線は、光路長が異なる第１の光路及び第２の光路を通過して受光素子に導かれる。従って第１の光路を通過して受光素子に入光する光の強度と、第２の光路を通過して受光素子に入光する光の強度は異なる。第１の光路の光路長を被測定ガスの濃度が低濃度である場合に適した光路長とし、第２の光路の光路長を被測定ガスの濃度が高濃度である場合に適した光路長とすることにより、被測定ガスの濃度の高低（濃淡）に関わらず被測定ガスの濃度を単一の光学式センサ１によって正確に測定することができる。

より具体的には、第１の光路Ｒ１を通過した赤外線の光強度（光量）と第２の光路Ｒ２を通過した赤外線の光強度（光量）の和に基づいて被測定ガスのガス濃度を測定する。

また、光学部材として光源２から放射された光を第１の光路Ｒ１と第２の光路Ｒ２に導く光導入手段を有するので、光源２を光路毎に設ける必要がない。従って、光学式センサ１の大型化やコストの上昇を防ぐことができる。

また、各光路上にミラー５（光路屈曲手段）を配されるので、ガスセル３を大型化することなく光路長の長い光路（すなわち第１の光路Ｒ１）を形成することができる。従って、ガスセル３を備える光学式センサ１の大型化を防ぐことができる。

なお、上述したように各光路を通過する光を収束させる収束手段を有することとすれば、第１の光路Ｒ１及び第２の光路Ｒ２を通過した光を、単一の受光素子６に入光することが容易になる。

[第２実施形態]
図４は本実施形態の光学式センサを示す概略模式図である。なお、図１と同一部分には同一の符号を付し、説明を省略する。上記第１実施形態では、光源２を反射・導光板４の内部に配置し、光源２から放射された光を第１の光路Ｒ１と第２の光路Ｒ２に導入することとした。

これに対して本実施形態の光学式センサ１は反射・導光板４を備えず、回折格子、ダイクロイックビームスプリッタ等の分光光学系７を備える。光源２から放射された光は分光光学系７を介して第１の光路Ｒ１と第２の光路Ｒ２に導入される。

本実施形態によれば第１実施形態と同様の効果を奏する。

[第３実施形態]
図５は本実施形態の光学式センサを示す概略模式図である。なお、図１と同一部分には同一の符号を付し、説明を省略する。上記第１実施形態〜第２実施形態では光源２から放射された光を第１の光路Ｒ１と第２の光路Ｒ２に導入することとした。

これに対して本実施形態では光源２から放射された光が１の光路Ｘに導入される。光路Ｘ上にはミラー５４が配されており光路が屈曲される。また、光路Ｘ上にはビームスプリッタ等の分光光学系８が配される。ミラー５４によって反射された光は分光光学系８に入光して光路Ｙ及び光路Ｚに導入される。

光路Ｙ上にはさらにミラー５５、５６が配されており、これによって光路Ｙの光路長が光路Ｚの光路長よりも長くなるように形成される。つまり本実施形態において第１の光路Ｒ１は光路Ｘと光路Ｙから構成され、第２の光路Ｒ２は光路Ｘと光路Ｚから構成される。このように第１の光路Ｒ１と第２の光路Ｒ２とが一部共通の光路を有することにより、両光路長の調整を同時に行うことができる。

なお、本実施形態においては光路Ｘ上にミラー５４を配しているが、配さないこととしてもよい。また、光路Ｚ上にミラーを配していないが、適宜ミラーを配することとしてもよい。

本実施形態によれば第１実施形態と同様の効果を奏する。これに加えて光路長の異なる複数の光路の一部を共通の光路とすることができるので、複数の光路の光路長の調整を同時に行うことが可能になる。

[第４実施形態]
図６は本実施形態の光学式センサを示す概略模式図である。なお、図１と同一部分には同一の符号を付し、説明を省略する。上記第１実施形態〜第３実施形態では、光源２から放射された光は第１の光路Ｒ１と第２の光路Ｒ２を通って単一の受光素子６に入光されることとした。

しかしながら受光素子の数は単一に限られるものではなく複数の受光素子を備えていてもよい。すなわち図６に示すように、光路毎に受光素子６１、６２を配することとしてもよいし、３以上の光路を有する場合には、２以上の受光素子を配することとしてもよい。

本実施形態によれば第１実施形態と同様の効果を奏する。加えて複数の受光素子を配することにより、各受光素子の位置を変更することで各光路長を変更することができるので、光路長の調整が容易になる。

１ 光学式センサ
２ 光源
３ ガスセル
４ 反射・導入板
５ ミラー
６ 受光素子
７、８ 分光光学系

Claims (7)

1. 被測定ガスが内部に導入されるガスセルと、
   前記ガスセル内に光を放射する光源と、
   前記光源から放射された光を受光する受光手段と、
   前記光源から放射された光を前記受光手段に導く、光路長が異なる２以上の光路を前記ガスセル内に形成する光学手段と、
   を備えることを特徴とする光学式センサ。
2. 前記光学手段は、前記光源から放射された光を前記２以上の光路に導入する光導入手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学式センサ。
3. 前記光学手段は、前記２以上の光路のうち１以上の光路を屈曲させる光路屈曲手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学式センサ。
4. 前記光学手段は、各光路を通過する光を収束させる収束手段とを備え、収束された光が前記受光手段に入光されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光学式センサ。
5. 前記２以上の光路を通過して前記受光素子によって受光された光の光強度の和に基づいて前記被測定ガスのガス濃度を測定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光学式センサ。
6. 前記光源は赤外線光源であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光学式センサ。
7. 前記被測定ガスは二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の光学式センサ。

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