JP2015197371A - サーモパイル素子およびガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷接点の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来るサーモパイル素子、およびそのようなサーモパイル素子を備えるガス検知器を提供する。【解決手段】 赤外線検知素子３１は、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とテーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が１／３以下となる構成である。これにより、熱電対部４５のうち、メンブレン部４３ａと枠部４１との境界線から冷接点４９までの長さ寸法を一定値以下に制限することができ、熱電対部４５の電気抵抗値が大きくなることを抑制できる。また、このようにして枠部４１における冷接点４９の位置を特定することで、赤外線の受光量に応じて温接点４８と冷接点４９との温度差を確保でき、赤外線の受光量に応じて熱電対部４５の起電力を確保できる。よって、赤外線検知素子３１によれば、冷接点４９の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来る。【選択図】 図５

Description

本発明は、サーモパイル素子、および測定対象ガスに含まれる特定ガスを検知するガス検知器に関する。

測定対象ガスに含まれる特定ガスを検知するガス検知器が知られており、一例としては、人の呼気に含まれるアルコールを検知するガス検知器が挙げられる。
このようなガス検知器には、受光した赤外線の強度に応じた赤外線検知信号を出力する赤外線検知素子を備えるものがあり、赤外線検知素子の一例として、サーモパイル素子が挙げられる。

サーモパイル素子は、入射した赤外線を熱エネルギーに変換して発生した熱量を温接点と冷接点との温度差として捉え、この温度差を熱電材料により起電力に変換することで、赤外線の光量を電圧信号として出力する。サーモパイル素子は、厚さ数μｍのメンブレン部と、厚さ数１００μｍのリム部からなるダイヤフラム構造をとる。

温接点は、温度変化しやすくするために熱容量の小さいメンブレン部の上に形成される。なお、サーモパイル素子には、入射した赤外線のエネルギーを効率よく熱エネルギーに変換するために赤外線吸収層を、温接点の近傍に備えるものがある。一方、冷接点は、基準温度となるため、赤外線の入射による温度変化は少ない方が好ましく、メンブレン部に対して十分大きい熱容量を持つ厚さ数１００μｍのリム部の上に形成される。

このような構成のサーモパイル素子は、微小なエネルギーを持つ赤外線の入射を効率よく温接点と冷接点との温度差に変換し、入射する赤外線の光量を電圧として精度良く検出することが出来る。

一方で、サーモパイル素子は、電圧を出力する電子部品であるので、サーモパイル素子自体の電気抵抗値が大きいとノイズの発生源となるため測定精度に悪影響を及ぼすことがあり、サーモパイル素子の電気抵抗値は小さい方が望ましい。

他方、サーモパイル素子としては、温接点での赤外線の吸収量を大きくするために、メンブレン部の中心まで温接点領域を延設した構成が開示されている（特許文献１）。また、サーモパイル素子としては、赤外線の吸収による温度変化の大きい部分であるメンブレン部の対角線付近に温接点を設ける構成が開示されている（特許文献２）。

特開２００２−３４０６７９号 特開２００７−３０９７９６号

しかし、上記のサーモパイル素子は、赤外線の入射を大きな起電力変化として捉えており、冷接点と温接点の温度差を大きく検出する方法として、温接点の形状や配置に工夫がなされているが、冷接点に対しては特に配慮されていない。

本発明は、冷接点の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来るサーモパイル素子を提供すること、およびそのようなサーモパイル素子を備えるガス検知器を提供することを目的とする。

（１）本発明の第１の局面におけるサーモパイル素子は、基板と、複数の熱電対が直列接続されて構成されるサーモパイル部と、を備えるサーモパイル素子である。
基板は、板状のリム部と、リム部に周囲が取り囲まれる空洞部と、リム部の表面に配置され、空洞部を閉塞する薄膜状のメンブレン部と、を有する。サーモパイル部は、メンブレン部に温接点が配置され、リム部に冷接点が配置される熱電対を複数有する。

リム部は、自身の表面とメンブレン部との境界から当該表面に沿って外側に向かうに従い厚みを増していくテーパ領域を有している。テーパ領域のうち前記境界に直交し表面に沿う方向の最大長さ寸法をテーパ領域寸法Ｌとし、前記表面に沿う方向における前記境界から冷接点までの最短距離を冷接点側寸法Ｌｃとし、複数の熱電対における冷接点側寸法Ｌｃの平均値を冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とした場合に、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とテーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が１／３以下である。

このように、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とテーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が１／３以下である場合には、冷接点は、リム部のテーパ領域のうち前記境界からの距離がテーパ領域寸法Ｌの１／３以下となる領域に配置される。

これにより、熱電対のうち、前記境界から冷接点までの長さ寸法を一定値以下に制限することができ、熱電対の電気抵抗値が大きくなることを抑制できる。
また、このようにしてリム部における冷接点の位置を特定することで、赤外線の受光量に応じて温接点と冷接点との温度差を確保でき、赤外線の受光量に応じて熱電対の起電力を確保できる。

つまり、このサーモパイル素子は、赤外線の受光量に応じた熱電対の起電力を確実に発生できるとともに熱電対の電気抵抗値を低減できるため、赤外線検出におけるＳ／Ｎ比が良好となり、赤外線の検出精度を向上できる。

よって、このサーモパイル素子によれば、冷接点の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来る。
（２）本発明の他の局面のサーモパイル素子においては、前記表面に沿う方向における前記境界から温接点までの最短距離を温接点側寸法Ｌｈとした場合に、複数の熱電対のうち温接点側寸法Ｌｈが最小値となる最小熱電対において、冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０以上である。

このように、最小熱電対における冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０以上である場合には、最小熱電対のうちメンブレン部に配置される部分（温接点側部分）がリム部に配置される部分（冷接点側部分）よりも大きくなり、赤外線の受光量に応じた温接点と冷接点との温度差をより確実に発生できる。つまり、最小熱電対での赤外線の受光量に応じた起電力を確保できる。

また、最小熱電対以外の熱電対は、温接点側寸法Ｌｈが最小熱電対よりも長いことから、最小熱電対以外の熱電対においても、赤外線の受光量に応じた温接点と冷接点との温度差をより確実に発生でき、赤外線の受光量に応じた起電力を確保できる。

これにより、複数の熱電対が直列接続されて構成されるサーモパイル部は、赤外線の受光量に応じた起電力を確保できる。
よって、このサーモパイル素子は、赤外線の受光量に応じた熱電対の起電力を確実に発生できるため、より一層、赤外線の検出精度を向上できる。

（３）本発明のさらに他の局面のサーモパイル素子においては、空洞部は、平面視四角形であり、複数の熱電対は、空洞部の４辺のうち少なくとも隣り合う２辺のそれぞれに配置され、最小熱電対は、空洞部の同一辺に配置される複数の熱電対の中で当該辺の端部に最も近い位置に配置されるとともに、冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０以下である。

このように、最小熱電対が空洞部の同一辺に配置される複数の熱電対の中で当該辺の端部に最も近い位置に配置されることで、他の辺に配置される熱電対に対して最小熱電対が重なり合うことが生じがたくなる。つまり、メンブレン部に複数の熱電対を配置するにあたり、有限のメンブレン部の面積を効率よく利用することができ、メンブレン部に設けられる熱電対の個数をより多く確保できる。

また、最小熱電対における冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０以下である場合には、最小熱電対のうちメンブレン部に配置される部分（温接点側部分）の大きさを制限できるとともに、メンブレン部における最小熱電対の占有面積を制限できる。

もし、最小熱電対における比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０よりも大きくなると、メンブレン部における最小熱電対の占有面積が大きくなるとともに、メンブレン部に配置可能な熱電対の個数が少なくなり、複数の熱電対による出力が低下する可能性がある。

これに対して、最小熱電対における比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０以下である場合には、メンブレン部において、最小熱電対以外の熱電対のための設置面積を大きく確保することが可能となり、メンブレン部に設けられる熱電対の個数をより多く確保できる。

このように熱電対の個数を増やすことで、複数の熱電対を備えるサーモパイル部としての起電力を大きくすることができ、赤外線検出におけるＳ／Ｎ比が良好となり、赤外線の検出精度を向上できる。

（４）本発明のさらに他の局面のサーモパイル素子においては、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)が５０μｍ以下である。
このような構成を採ることで、熱電対のうち、前記境界から冷接点までの長さ寸法を一定値以下に制限することができ、熱電対の電気抵抗値が大きくなることを抑制できる。

また、このようにしてリム部における冷接点の位置を特定することで、赤外線の受光量に応じて温接点と冷接点との温度差を確保でき、赤外線の受光量に応じて熱電対の起電力を確保できる。

つまり、このサーモパイル素子は、赤外線の受光量に応じた熱電対の起電力を確実に発生できるとともに熱電対の電気抵抗値を低減できるため、赤外線検出におけるＳ／Ｎ比が良好となり、赤外線の検出精度を向上できる。

よって、このサーモパイル素子によれば、冷接点の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来る。
（５）本発明のさらに別の局面のガス検知器は、測定対象ガスが内部に導入される測定セルと、赤外線を放射する光源と、受光した赤外線の強度に応じた赤外線検知信号を出力する赤外線検知素子と、を備えて、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検知するガス検知器であって、赤外線検知素子は上述のいずれかのサーモパイル素子である。

このように、上述のいずれかのサーモパイル素子を備えるガス検知器は、赤外線の受光量に応じた熱電対の起電力を確実に発生できるとともに熱電対の電気抵抗値を低減できるため、赤外線検出におけるＳ／Ｎ比が良好となり、赤外線の検出精度を向上できる。

よって、このガス検知器によれば、冷接点の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来る。

本発明によれば、冷接点の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来るサーモパイル素子を実現でき、そのようなサーモパイル素子を備えるガス検知器を実現できる。

第１実施形態の非分散型赤外線分析式ガス検知器の内部構成を示す断面図である。 赤外線センサの内部構成を示す断面図である。 赤外線検知素子の外観を表す平面図である。 赤外線検知素子の図３におけるＡ−Ａ視断面を表す断面図である。 赤外線検知素子のうち最小熱電対の形成領域を拡大した拡大図と、その拡大図におけるＢ−Ｂ視端面の端面構造を表した端面図と、を示した説明図である。 赤外線検知素子における出力および抵抗値を測定した測定結果である。 赤外線検知素子の出力を測定した測定結果である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
図１は、第１実施形態の赤外線検知素子３１を有する赤外線センサ１５を備える非分散型赤外線分析式ガス検知器１の内部構成を示す断面図である。

この非分散型赤外線分析式ガス検知器１（以下、単に、ガス検知器１ともいう）は、人の呼気に含まれる炭化水素ガスを検知するために用いられる。
ガス検知器１は、光源１１と、測定セル１３と、赤外線センサ１５と、ヒータ１７と、を備えている。

光源１１は、赤外線を含んだ光を放射する。
測定セル１３は、アルミニウム製の円筒形状の部材であり、円筒の軸線方向における一端の内部に光源１１が配置される。測定セル１３は、光源１１から発せられる赤外線を赤外線センサ１５に届ける鏡筒の役割を兼ねる。

測定セル１３は、光源１１より放射される赤外線を反射する内壁面２１と、人の呼気が導入されるガス空間２３と、測定対象ガス（人の呼気）をガス空間２３に導入・排出するためのガス入出部２５と、を備えている。

赤外線センサ１５は、測定セル１３の端部のうち光源１１が配置される側とは反対の端部に配置されており、光源１１から出力されて測定セル１３のガス空間２３を通過した赤外線もしくは測定セル１３の内壁面２１で反射して到達した赤外線の強度に応じた赤外線検知信号を出力する。

図２は、赤外線センサ１５の内部構成を示す断面図である。
赤外線センサ１５は、赤外線検知素子３１と、台座３３と、キャップ３５と、バンドパスフィルタ３７と、を備える。

赤外線検知素子３１は、ＭＥＭＳ型（微小電機機械素子型）のサーモパイル素子であり、受光した赤外線の強度に応じた赤外線検知信号を出力する。具体的には、赤外線検知素子３１は、照射される赤外線の強度に応じて温度変化すると、その温度変化量ΔＴに応じた起電力ΔＶを生じ、その起電力ΔＶに応じた赤外線検知信号を外部に出力する。なお、赤外線検知素子３１の詳細については後述する。

台座３３は、赤外線検知素子３１を支持する鉄製部材である。台座３３を構成する鉄製部材の熱伝導率は、８４［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。台座３３は、赤外線検知素子３１に接続される信号線５１を挿通するための挿通孔３４を備えている。挿通孔３４の内壁には絶縁材料３６が配置されており、絶縁材料３６は、台座３３と信号線５１とを電気的に絶縁する。

信号線５１は、一端が赤外線検知素子３１の電極パッド５０に電気的に接続され、他端が外部機器に電気的に接続されることで、赤外線検知信号を外部に出力するための信号経路を形成する。信号線５１は、台座３３の挿通孔３４に挿通された状態で、金製のリードワイヤ５４を用いたボンディングにより、赤外線検知素子３１の電極パッド５０に電気的に接続される。

赤外線検知素子３１は、台座３３における所定の設置位置に、エポキシ系接着剤により固定される。
キャップ３５は、ステンレス合金により構成され、台座３３に支持された赤外線検知素子３１を収容する素子配置空間５５を形成する部材である。キャップ３５は、抵抗溶接により台座３３と接合されることで、台座３３とともに素子配置空間５５を形成する。キャップ３５は、外部から素子配置空間５５に光を取り込む窓部５７を備える。

バンドパスフィルタ３７は、キャップ３５の窓部５７を覆うように、エポキシ系接着剤によりキャップ３５に固定される。バンドパスフィルタ３７は、透過中心波長が３．４［μｍ］であり、炭化水素ガス検知用のフィルタである。

このような構成の赤外線センサ１５は、図１に示すように、アルミニウム製の固定治具５９により測定セル１３の端部に固定される。
ヒータ１７は、シリコンラバーヒータであり、測定セル１３を取り囲むように配置される。ヒータ１７は、４０［℃］以上に設定された特定の制御温度（本実施形態では、５０［℃］に設定）で、測定セル１３を加熱する。

［１−２．ガス検知］
このような構成のガス検知器１は、ガス入出部２５を介して測定セル１３のガス空間２３に人の呼気を導入・排出した上で、ガス空間２３に導入された呼気に含まれる炭化水素ガスの濃度を検知する。

つまり、光源１１から照射される赤外線は、測定セル１３のガス空間２３に導入された呼気に含まれる炭化水素ガスに吸収されるため、赤外線センサ１５に到達する赤外線の強度は、炭化水素ガスの濃度に応じて変化する。そして、赤外線センサ１５（赤外線検知素子３１）から出力される赤外線検知信号が炭化水素ガスの濃度に応じて変化することから、赤外線検知信号に基づいて人の呼気に含まれる炭化水素ガスの濃度を検知できる。なお、赤外線センサ１５は、バンドパスフィルタ３７の透過中心周波数に応じた周波数の赤外線を検知する。

ガス検知器１は、ヒータ１７が測定セル１３を加熱して測定セル１３の内壁面２１に結露が生じるのを抑制することで、光源１１から照射される赤外線が測定セル１３の内壁面２１で反射する際の減衰量を低減する。

赤外線検知素子３１（特に、赤外線吸収層４７）の温度変化は、光源１１から測定セル１３の内部を介して到達した赤外線の強度に応じたものとなる。
このようにして赤外線検知素子３１（特に、赤外線吸収層４７）の温度が変化することで、赤外線センサ１５は、測定セル１３に導入された人の呼気に含まれる炭化水素ガスの濃度に応じた赤外線検知信号を出力する。

よって、このガス検知器１を用いることで、赤外線検知信号に基づいて人の呼気に含まれる炭化水素ガスの濃度を検知することが可能となる。なお、ヒータ１７が発する熱は、測定セル１３を通じて赤外線センサ１５の台座３３に伝わり、キャップ３５に熱伝導していく。そのため、ヒータ１７の加熱によって、キャップ３５の表面の結露防止を図ることができる。

［１−３．赤外線検知素子］
赤外線検知素子３１の構造について、図３および図４を用いて説明する。
なお、図３は、赤外線検知素子３１の外観を表す平面図であり、図４は、赤外線検知素子３１の図３におけるＡ−Ａ視断面を表す断面図である。また、図３では、赤外線検知素子３１の構成を簡略化して表しており、具体的には、熱電対部４５の個数を実際よりも少なくして熱電対部４５の配線パターンを簡略化して表している。赤外線検知素子３１における実際の熱電対部４５の個数は、２７６個である。

赤外線検知素子３１は、素子基板４０を備えており、素子基板４０は、枠部４１に薄膜部４３を積層して構成されている。
枠部４１は、厚み寸法が４００［μｍ］のＳｉ(100)単結晶基板を用いて構成されており、その単結晶基板の中央に異方性エッチングによる除去によって形成されたテーパ形状の空間部４１ａを有している。つまり、枠部４１は、空間部４１ａにおいて、単結晶基板の中央から外側に向かうに従い厚みを増していくテーパ領域を有している。

薄膜部４３は、ＳｉＯ₂で形成される厚さ寸法が３０００Åの絶縁膜と、Ｓｉ₃Ｎ₄で形成される厚さ寸法が３０００Åの絶縁膜と、を積層した絶縁膜である。
つまり、赤外線検知素子３１は、薄膜部４３のうち空間部４１ａに接するメンブレン部４３ａと、その外周に位置する枠部４１と、を備えるダイヤフラム構造である。

メンブレン部４３ａは、その大きさが１．８［ｍｍ］×１．８［ｍｍ］である。枠部４１の空間部４１ａにおけるテーパ領域寸法Ｌは、２８０［μｍ］である。
また、赤外線検知素子３１は、複数の熱電対部４５および複数のリード部４６を有する熱電堆４４と、熱電堆４４のうち薄膜部４３のメンブレン部４３ａに配置される部分を覆う赤外線吸収層４７と、熱電堆４４と電気的に接続される電極パッド５０と、を備えている。

熱電堆４４は、薄膜部４３から枠部４１にかけて配置された複数の熱電対部４５と、複数の熱電対部４５を直列接続するための複数のリード部４６と、を備える。
複数の熱電対部４５は、それぞれ、リンをドープしたポリシリコンで形成されており、薄膜部４３の上に配置されている。熱電対部４５の端部のうち、赤外線吸収層４７に覆われるとともに薄膜部４３に配置される端部が温接点４８であり、枠部４１に配置される端部が冷接点４９である。

本実施形態の熱電対部４５は、体積抵抗率が１．０×１０^-5［Ωｍ］であり、厚み寸法は５０００Åであり、線幅寸法は１０［μｍ］である。なお、ここでの線幅寸法とは、温接点４８と冷接点４９とを結ぶ直線に垂直な方向（幅方向）の寸法を意味している。

リード部４６は、熱電対部４５の温接点４８と冷接点４９とを交互に接続して、複数の熱電対部４５を電気的に直列接続する。リード部４６は、アルミニウムで形成されており、厚み寸法は５０００Åであり、線幅寸法は１０［μｍ］である。

なお、図３では、赤外線検知素子３１の概略構成を示しており、熱電対部４５およびリード部４６は、線幅寸法が実際の寸法とは異なる大きさで表されている。
熱電対部４５およびリード部４６は、互いの配線間隔が少なくとも１０［μｍ］以上となるように配置されている。

リード部４６は、電極パッド５０にも電気的に接続されている。電極パッド５０は、リード部４６と同様に、アルミニウムで形成されている。
熱電対部４５およびリード部４６により形成される熱電堆４４の上には、ＳｉＯ₂で構成された厚さ寸法が５０００Åの保護膜（図示省略）が形成されている。

その保護層の上には、赤外線吸収層４７が、薄膜部４３のメンブレン部４３ａに配置される熱電堆４４（熱電対部４５およびリード部４６）を覆うように配置されている。赤外線吸収層４７は、カーボンで構成されるとともに、厚さ寸法が５［μｍ］である。

この赤外線検知素子３１は、照射される赤外線の強度に応じて赤外線吸収層４７が温度変化すると、その温度変化量ΔＴに応じた起電力ΔＶを生じ、その起電力ΔＶに応じた赤外線検知信号を電極パッド５０から外部に出力する。

詳細には、ＭＥＭＳ型サーモパイル素子としての赤外線検知素子３１は、枠部４１（冷接点４９）は台座３３（図２参照）に対して熱的に接触しており、一方、薄膜部４３（温接点４８）は台座３３や冷接点４９から熱的に分離された構造である。換言すれば、枠部４１は台座３３に接しており、薄膜部４３は枠部４１の上部で架橋されるように配置されると共に台座３３から離間してなる。温接点４８の上には赤外線吸収層４７が形成されており、外部から赤外線が赤外線吸収層４７に照射されたとき、赤外線吸収層４７が温度変化（ΔＴ）する。サーモパイルは温度変化量に応じて起電力（ΔＶ）を生じるため、この起電力より赤外線の強度（Ｉ）を求めることが出来る。

次に、赤外線検知素子３１における複数の熱電対部４５の配置について説明する。
図３に示すように、複数の熱電対部４５は、それぞれの長さ寸法（換言すれば、温接点４８と冷接点４９との距離）が、配置領域によって異なる。具体的には、四角形のメンブレン部４３ａにおける各辺において、辺の中央位置に配置される熱電対部４５の長さ寸法が最長であり、辺の両端に向かうに従い熱電対部４５の長さ寸法が短くなるように、複数の熱電対部４５が配置されている。複数の熱電対部４５のうち長さ寸法が最小となるものを最小熱電対４５ａと定義する。

ここで、赤外線検知素子３１のうち最小熱電対４５ａの形成領域を拡大した拡大図と、その拡大図におけるＢ−Ｂ視端面の端面構造を表した端面図と、を示した説明図を図５に示す。図５では、左側領域に拡大図を示し、右側領域に端面図を示す。なお、図５の拡大図は、図３の赤外線検知素子３１のうち左下領域を拡大した拡大図に相当する。

熱電対部４５のうち、メンブレン部４３ａと枠部４１との境界線から温接点４８までの距離を温接点側寸法Ｌｈとし、メンブレン部４３ａと枠部４１との境界線から冷接点４９までの距離を冷接点側寸法Ｌｃとする。

なお、複数の熱電対部４５は、いずれも冷接点側寸法Ｌｃは同一寸法であるが、それぞれの温接点側寸法Ｌｈは配置位置によって異なる。そして、最小熱電対４５ａは、複数の熱電対部４５のうち長さ寸法が最小となる熱電対部であり、複数の熱電対部４５のうち温接点側寸法Ｌｈが最小値となる熱電対部である。

複数の熱電対部４５における冷接点側寸法Ｌｃの平均値を冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とした場合、本実施形態の冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)は、５０［μｍ］である。上述したように、枠部４１の空間部４１ａにおけるテーパ領域寸法Ｌは２８０［μｍ］であることから、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とテーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）は、およそ０．１８（＝５０／２８０）である。

複数の熱電対部４５のうち、温接点側寸法Ｌｈが最小値となる最小熱電対４５ａにおいては、温接点側寸法Ｌｈが５０［μｍ］であり、冷接点側寸法Ｌｃが５０［μｍ］である。つまり、最小熱電対４５ａにおいては、冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０である。

また、赤外線検知素子３１の抵抗値（換言すれば、複数の熱電対部４５の合計抵抗値）は、約２８６［ｋΩ］である。
［１−４．比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）に対する出力および抵抗値の測定］
冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とテーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）を変化させた場合の赤外線検知素子における出力および抵抗値を測定した。

本測定では、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）を０．０７から０．３６までの範囲内で変化させて、出力および抵抗値をそれぞれ測定した。
赤外線検知素子における出力および抵抗値を測定した測定結果を図６に示す。測定結果は、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が０．０７であるときの出力および抵抗値をそれぞれ「１．０」とした場合の相対値としての数値を表している。

まず、赤外線検知素子の出力については、図６に示すように、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が０．０７〜０．２９の範囲内では、出力の大きさに変化はないが、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が０．３６になると、わずかに出力の大きさが低下している。これは、枠部４１とメンブレン部４３ａとの境界線から「テーパ領域寸法Ｌの約１／３」の範囲においては、枠部４１の温度分布がほぼ一定であることを示している。

他方、赤外線検知素子の抵抗値については、図６に示すように、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が大きくなるに従い、抵抗値が大きくなる。
このことから、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が１／３よりも大きくなる場合には、赤外線検知素子の出力が向上することは見込めず、出力が低下するとともに、抵抗値が増加することとなる。

この測定結果によれば、赤外線検知素子は、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が１／３以下となるように構成する（換言すれば、［数１］を満たすように構成する）ことで、温接点と冷接点の温度差を十分に取ることができ、抵抗値を低減でき、良好なＳ／Ｎ比（信号とノイズの比）を実現できることが判る。

［１−５．最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）に対する出力の測定］
複数の熱電対部のうち温接点側寸法Ｌｈが最小値となる最小熱電対に関して、冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）を変化させた場合に、赤外線検知素子における出力がどのような変化を表すかを測定した。

本測定では、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）を０．５から３．０までの範囲で変化させて、赤外線検知素子の出力を測定した。
赤外線検知素子の出力を測定した測定結果を図７に示す。測定結果は、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が０．５であるときの出力を「１．０」とした場合の相対値としての数値を表している。

図７に示すように、赤外線検知素子の出力は、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０以上の場合には、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０未満の場合に比べて、変化の傾きが小さくなる。換言すれば、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０未満の場合には、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が小さくなるに従い、赤外線検知素子の出力が大幅に低下する傾向がある。これは、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０未満の場合には、温接点と冷接点との温度差が生じがたくなるために、赤外線検知素子の出力が大幅に低下しやすくなると考えられる。

基本的に、サーモパイル素子としての赤外線検知素子では、メンブレン部のうち中心領域が赤外線の入射による温度変化が大きい領域となるため、温接点は、メンブレン部のうち中心領域により近い位置に設けることが望ましい。この点を考慮すると、複数の熱電対部は、それぞれの温接点がメンブレン部の対角線付近に設けられるように配置することになり、この場合、複数の熱電対部は、メンブレン部の角部に近づくほど温接点側寸法Ｌｈは小さくなる。

この点と図７の測定結果とを考慮すると、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０未満となるまで熱電対部を配置する場合、比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０未満の熱電対部による出力向上の効果は小さいものの、赤外線検知素子としての抵抗値が大きくなると考えられる。

このため、赤外線検知素子は、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０以上となるように構成する（（換言すれば、［数２］を満たすように構成する）ことで、最小熱電対による出力向上を図りつつ、赤外線検知素子としての抵抗値の増大を抑制できる。

［１−６．出力および抵抗値の比較試験］
本発明を適用した赤外線検知素子において、赤外線検出精度が向上したことを確認するために実施した試験の試験結果について説明する。

本試験では、本発明の実施例としての２種類の赤外線検知素子と、比較例としての２種類の赤外線検知素子と、を用いて、それぞれの出力および抵抗値を測定した。
実施例１，２および比較例１，２のそれぞれにおける「冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とテーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）」、「最小熱電対における比率（Ｌｈ／Ｌｃ）」、「熱電対の個数」は、それぞれ［表１］に示すとおりである。

実施例１，２および比較例１，２のそれぞれにおける「抵抗値」および「出力」の測定結果を、［表１］に示す。なお、「出力」については、比較例１の出力を「１．０」とした場合の相対値としての数値を表している。

実施例１，２は、比較例１と比較においては、最小熱電対における冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が小さい値となっており、出力が１５〜１６％向上している。

ここで、実施例１，２のように、最小熱電対における比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０以下である場合には、最小熱電対のうちメンブレン部に配置される部分（温接点側部分）の大きさを制限できるとともに、メンブレン部における最小熱電対の占有面積を制限できる。

これに対して、比較例１のように、最小熱電対における比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０よりも大きい場合には、メンブレン部における最小熱電対の占有面積が大きくなるとともに、メンブレン部に配置可能な熱電対の個数が少なくなり、複数の熱電対による出力が低下することが判る。

つまり、実施例１，２のように、最小熱電対における比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０以下である場合には、メンブレン部において、最小熱電対以外の熱電対のための設置面積を大きく確保することが可能となり、メンブレン部に設けられる熱電対の個数をより多く確保できる。

このため、赤外線検知素子は、最小熱電対の比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０以下となるように構成する（（換言すれば、［数３］を満たすように構成する）ことで、熱電対の個数を増やすことができるため、複数の熱電対を備えるサーモパイル部としての起電力を大きくすることができ、赤外線検出におけるＳ／Ｎ比が良好となり、赤外線の検出精度を向上できる。

また、［表１］に示す測定結果によれば、実施例１，２は、比較例１と比較すると、出力が１５〜１６％向上し、抵抗値は１０〜１３ｋΩ（４〜５％）の増加に留まっている。即ち、本発明の構成を用いることにより、抵抗値の過大な上昇を伴わず、出力を向上させることが出来る。

さらに、実施例１，２は、比較例２と比較すると、出力は同程度であるが、抵抗値は４４〜４７ｋΩ（１３〜１４％）低減している。即ち、本発明の構成を用いることにより、同程度の出力を維持しつつ、抵抗値の低減を図ることができる。

［１−７．効果］
以上説明したように、本実施形態の赤外線検知素子３１は、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とテーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）がおよそ０．１８（＝５０／２８０）であり、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が１／３以下となる構成である。

このように、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とテーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が１／３以下である場合には、冷接点４９は、枠部４１のテーパ領域のうちメンブレン部４３ａと枠部４１との境界線からの距離がテーパ領域寸法Ｌの１／３以下となる領域に配置される。

これにより、熱電対部４５のうち、メンブレン部４３ａと枠部４１との境界線から冷接点４９までの長さ寸法を一定値以下に制限することができ、熱電対部４５の電気抵抗値が大きくなることを抑制できる。

また、このようにして枠部４１における冷接点４９の位置を特定することで、赤外線の受光量に応じて温接点４８と冷接点４９との温度差を確保でき、赤外線の受光量に応じて熱電対部４５の起電力を確保できる。

つまり、この赤外線検知素子３１は、赤外線の受光量に応じた熱電対部４５の起電力を確実に発生できるとともに熱電対部４５の電気抵抗値を低減できるため、赤外線検出におけるＳ／Ｎ比が良好となり、赤外線の検出精度を向上できる。

よって、赤外線検知素子３１によれば、冷接点４９の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来る。
また、赤外線検知素子３１は、最小熱電対４５ａにおける冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０である。

このように、最小熱電対４５ａにおける比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０以上である構成の赤外線検知素子３１は、最小熱電対４５ａのうちメンブレン部４３ａに配置される部分（温接点側部分）が枠部４１に配置される部分（冷接点側部分）よりも大きくなり、赤外線の受光量に応じた温接点４８と冷接点４９との温度差をより確実に発生できる。つまり、最小熱電対４５ａでの赤外線の受光量に応じた起電力を確保できる。

また、最小熱電対４５ａ以外の熱電対部４５は、温接点側寸法Ｌｈが最小熱電対４５ａよりも長いことから、最小熱電対４５ａ以外の熱電対部４５においても、赤外線の受光量に応じた温接点４８と冷接点４９との温度差をより確実に発生でき、赤外線の受光量に応じた起電力を確保できる。

これにより、複数の熱電対部４５が直列接続されて構成される熱電堆４４は、赤外線の受光量に応じた起電力を確保できる。
よって、赤外線検知素子３１は、赤外線の受光量に応じた熱電対部４５の起電力を確実に発生できるため、より一層、赤外線の検出精度を向上できる。

また、赤外線検知素子３１は、最小熱電対４５ａにおける冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０であることから、最小熱電対４５ａにおける比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０以下となる構成である。

このような構成の赤外線検知素子３１は、最小熱電対４５ａのうちメンブレン部４３ａに配置される部分（温接点側部分）の大きさを制限できるとともに、メンブレン部４３ａにおける最小熱電対４５ａの占有面積を制限できる。

これにより、メンブレン部４３ａにおいて、最小熱電対４５ａ以外の熱電対部４５のための設置面積を大きく確保することが可能となり、メンブレン部４３ａに設けられる熱電対部４５の個数をより多く確保できる。

このように熱電対部４５の個数を増やすことで、複数の熱電対部４５を備える熱電堆４４としての起電力を大きくすることができ、赤外線検出におけるＳ／Ｎ比が良好となり、赤外線の検出精度を向上できる。

次に、赤外線検知素子３１は、複数の熱電対部４５における冷接点側寸法Ｌｃの平均値である冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)が５０μｍである。
このように、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)が５０μｍ以下である構成を採ることで、熱電対部４５のうち、メンブレン部４３ａと枠部４１との境界線から冷接点４９までの長さ寸法を一定値以下に制限することができ、熱電対部４５の電気抵抗値が大きくなることを抑制できる。

また、このようにして枠部４１における冷接点４９の位置を特定することで、赤外線の受光量に応じて温接点４８と冷接点４９との温度差を確保でき、赤外線の受光量に応じて熱電対部４５の起電力を確保できる。

つまり、赤外線検知素子３１は、赤外線の受光量に応じた熱電対部４５の起電力を確実に発生できるとともに熱電対部４５の電気抵抗値を低減できるため、赤外線検出におけるＳ／Ｎ比が良好となり、赤外線の検出精度を向上できる。

よって、赤外線検知素子３１によれば、冷接点４９の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来る。
さらに、赤外線センサ１５は、赤外線検知素子３１および台座３３を備えて構成される。このように、上述の効果を奏する赤外線検知素子３１を備える赤外線センサ１５は、赤外線の受光量に応じた熱電対の起電力を確実に発生できるとともに熱電対の電気抵抗値を低減できるため、赤外線検出におけるＳ／Ｎ比が良好となり、赤外線の検出精度を向上できる。

よって、赤外線センサ１５によれば、冷接点の構成を特定しつつ、赤外線の光量を精度良く検出することが出来る。
［１−８．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。

素子基板４０がダイヤフラム構造の基板の一例に相当し、メンブレン部４３ａがメンブレン部の一例に相当し、枠部４１がリム部の一例に相当し、空間部４１ａが空洞部の一例に相当し、熱電堆４４がサーモパイル部の一例に相当し、熱電対部４５が熱電対の一例に相当し、赤外線検知素子３１がサーモパイル素子の一例に相当する。メンブレン部４３ａと枠部４１との境界線がリム部とメンブレン部との境界の一例に相当する。

台座３３が支持部の一例に相当し、非分散型赤外線分析式ガス検知器１がガス検知器の一例に相当する。
［２．他の実施形態］
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、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態の赤外線検知素子３１は、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とテーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）がおよそ０．１８となる構成であるが、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）はこの数値に限られることはなく、本発明が採りうる範囲において任意の値を採ることができる。具体的には、比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）は、１／３以上となる範囲内で任意の値を採ることができる。

また、上記実施形態の赤外線検知素子３１は、最小熱電対４５ａにおける冷接点側寸法Ｌｃと温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０となる構成であるが、最小熱電対における比率（Ｌｈ／Ｌｃ）はこの数値に限られることはなく、本発明が採りうる範囲において任意の値を採ることができる。具体的には、最小熱電対における比率（Ｌｈ／Ｌｃ）は、１．０以上２．０以下の範囲内で任意の値を採ることができる。

また、上記実施形態の赤外線検知素子３１は、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)が５０μｍであるが、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)はこの数値に限られることはなく、本発明が採りうる範囲において任意の値を採ることができる。具体的には、冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)は、５０μｍ以下となる範囲内で任意の値を採ることができる。

また、複数の熱電対は、冷接点側寸法Ｌｃが全ての熱電対で同じ寸法となる構成に限られることはなく、熱電対ごとに冷接点側寸法Ｌｃが異なる寸法となるように構成しても良い。

１…非分散型赤外線分析式ガス検知器、１５…赤外線センサ、３１…赤外線検知素子、４０…素子基板、４１…枠部、４１ａ…空間部、４３…薄膜部、４３ａ…メンブレン部、４４…熱電堆、４５…熱電対部、４５ａ…最小熱電対、４６…リード部、４７…赤外線吸収層、４８…温接点、４９…冷接点、５０…電極パッド。

Claims (5)

1. 板状のリム部と、前記リム部に周囲が取り囲まれる空洞部と、前記リム部の表面に配置され、前記空洞部を閉塞する薄膜状のメンブレン部と、を有する基板と、
   前記メンブレン部に温接点が配置され、前記リム部に冷接点が配置される熱電対を複数有すると共に、複数の前記熱電対が直列接続されて構成されるサーモパイル部と、
   を備えるサーモパイル素子であって、
   前記リム部は、自身の表面と前記メンブレン部との境界から当該表面に沿って外側に向かうに従い厚みを増していくテーパ領域を有しており、
   前記テーパ領域のうち前記境界に直交し前記表面に沿う方向の最大長さ寸法をテーパ領域寸法Ｌとし、前記表面に沿う方向における前記境界から前記冷接点までの最短距離を冷接点側寸法Ｌｃとし、複数の前記熱電対における冷接点側寸法Ｌｃの平均値を冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)とした場合に、
   前記冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)と前記テーパ領域寸法Ｌとの比率（Ｌｃ(ave)／Ｌ）が１／３以下であること、
   を特徴とするサーモパイル素子。
2. 前記表面に沿う方向における前記境界から前記温接点までの最短距離を温接点側寸法Ｌｈとした場合に、
   複数の前記熱電対のうち前記温接点側寸法Ｌｈが最小値となる最小熱電対において、前記冷接点側寸法Ｌｃと前記温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が１．０以上であること、
   を特徴とする請求項１に記載のサーモパイル素子。
3. 前記空洞部は、平面視四角形であり、
   前記複数の熱電対は、前記空洞部の４辺のうち少なくとも隣り合う２辺のそれぞれに配置され、
   前記最小熱電対は、前記空洞部の同一辺に配置される複数の前記熱電対の中で当該辺の端部に最も近い位置に配置されるとともに、前記冷接点側寸法Ｌｃと前記温接点側寸法Ｌｈとの比率（Ｌｈ／Ｌｃ）が２．０以下であること、
   を特徴とする請求項２に記載のサーモパイル素子。
4. 前記冷接点側平均寸法Ｌｃ(ave)が５０μｍ以下であること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のサーモパイル素子。
5. 測定対象ガスが内部に導入される測定セルと、
   赤外線を放射する光源と、
   受光した前記赤外線の強度に応じた赤外線検知信号を出力する赤外線検知素子と、
   を備えて、前記測定対象ガスに含まれる特定ガスを検知するガス検知器であって、
   前記赤外線検知素子は、請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のサーモパイル素子であること、
   を特徴とするガス検知器。