JP2021144027A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光路の歪みの発生を抑制し、ガス検出感度変化が低減されたガス検出装置を提供する。【解決手段】ガス検出装置１は、基板２と、基板２の主面２０の第１の領域２１に設けられ、光を発する発光素子３と、基板２の主面２０の第２の領域２２に設けられ、光を受け取る受光素子４と、発光素子３が発した光を受光素子４に導く導光部材５と、基板２と導光部材５とを接合し、導光部材５が基板２に対して動く場合に回転軸となる接合部材６と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示はガス検出装置に関する。

ガスを検出するガス検出装置が様々な分野で利用されている。例えば特許文献１は、赤外線を放射する光源と、特定波長の赤外線を検出する検出器とを同一のケース内に備え、当該ケース内に被検出ガスが導入されるように構成された装置を開示する。

特開２０１５−１８４２１１号公報

ここで、特許文献１に記載されるガス検出装置において、光路管は基板固定部の溝及び固定具によって基板及びケースに対して強固に接合される。そのため、例えば熱膨張による基板及びケースの歪みが光路管に伝わって、光路の歪みが生じ、若しくは光学面の相対位置が変化し、ガス検出感度が変動するおそれがある。

かかる点に鑑みてなされた本開示の目的は、光路の歪みの発生を抑制し、ガス検出感度変化が低減されたガス検出装置を提供することにある。

本開示の一実施形態に係るガス検出装置は、
基板と、
前記基板の主面の第１の領域に設けられ、光を発する発光素子と、
前記基板の主面の第２の領域に設けられ、前記光を受け取る受光素子と、
前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、
前記基板と前記導光部材とを接合し、前記導光部材が前記基板に対して動く場合に回転軸となる接合部材と、を備える。

本開示の一実施形態に係るガス検出装置は、
光を発する発光素子と前記光を受け取る受光素子とを主面に設けた基板と、
前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、
柱体であって、前記基板に接合する第１の底面部と、前記導光部材に接合する第２の底面部と、を有する接合部材と、を備え、
前記基板と前記導光部材とは、前記接合部材のみによって接合される。

本開示の一実施形態に係るガス検出装置は、
基板と、
前記基板の主面の第１の領域に設けられ、光を発する発光素子と、
前記基板の主面の第２の領域に設けられ、前記光を受け取る受光素子と、
前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、
前記基板と前記導光部材とを接合し、前記導光部材を前記基板に対して固定する接合部材と、を備え、単位圧力垂直印加最大ひずみ比が１４３／ＧＰａ以上、１００００／ＧＰａ以下である。

本開示の一実施形態によれば、光路の歪みの発生を抑制し、ガス検出感度変化が低減されたガス検出装置が提供され得る。

図１は、本開示の一実施形態に係るガス検出装置の一部を透過させた斜視図である。 図２は、ガス検出装置の断面の一例を示す図である。 図３は、接合部材の配置及び形状の一例を示す図である。 図４は、物面（発光部）での強度分布と像面における照度分布とを説明するための図である。 図５は、比較例のガス検出装置の熱膨張前の形状を例示する図である。 図６は、比較例のガス検出装置の熱膨張後の形状を例示する図である。 図７は、比較例のガス検出装置の熱膨張前の光路を例示する図である。 図８は、比較例のガス検出装置の熱膨張後の光路を例示する図である。 図９は、本開示の一実施形態に係るガス検出装置の熱膨張前の形状を例示する図である。 図１０は、本開示の一実施形態に係るガス検出装置の熱膨張後の形状を例示する図である。 図１１は、接合部材の配置の別の例を示す図である。 図１２は、ガス検出装置の断面の別の例を示す図である。 図１３は、接合部材の配置及び形状の別の例を示す図である。 図１４は、接合部材の形状の別の例を示す図である。 図１５は、接合部材の形状の別の例を示す図である。 図１６は、導光部材の別の構成例を示す図である。 図１７は、単位熱膨張ひずみ角度と単位圧力垂直印加最大ひずみ比との関係を示す図である。 図１８は、図１７のシミュレーションで使用された一部のガス検出装置の形状を示す図である。 図１９は、図１７のシミュレーションで使用された一部のガス検出装置の形状を示す図である。 図２０は、図１７のシミュレーションで使用された一部のガス検出装置の形状を示す図である。 図２１は、図１７のシミュレーションで使用された一部のガス検出装置の形状を示す図である。 図２２は、接合部材の配置を説明する図である。

（第１実施形態）
図１は、本開示の一実施形態に係るガス検出装置１の一部を透過させた斜視図である。ガス検出装置１は、一例として３０ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍの小型の装置であって、ガスセンサーとも称される。本実施形態において、ガス検出装置１は、導入した気体を透過した赤外線に基づいて被検出ガスの濃度を測定する、ＮＤＩＲ（Non Dispersive InfraRed）方式の装置である。被検出ガスは、例えば二酸化炭素、水蒸気、メタン、プロパン、ホルムアルデヒド、一酸化炭素、一酸化窒素、アンモニア、二酸化硫黄又はアルコール等である。

ガス検出装置１は、基板２と、発光素子３と、受光素子４と、導光部材５と、接合部材６と、を備える。図１では、導光部材５の一部を透過させてガス検出装置１の構成例を示しており、基板２の主面２０に設けられた発光素子３及び受光素子４が見えている。本実施形態において、主面２０は、基板２の面積が最も大きい面のうちで導光部材５と対向する面である。

以下、図１に示すように、ｘｙ平面が基板２の主面２０と平行であるように、直交座標が設定される。ｚ軸方向は、基板２の主面２０に垂直な方向である。ｘ軸方向及びｙ軸方向は、基板２の主面２０の辺と平行である。ここで、ｙ軸方向は、後述する第１の反射部５１と第２の反射部５２とが向かい合う方向に対応する。

基板２は、ガス検出装置１の部品を実装し、実装された電子部品の電気的な接続を行う板状の部材である。基板２は、発光素子３と、受光素子４と、を主面２０に設ける。基板２はさらに別の電子部品を実装してよい。例えば、基板２は主面２０又は主面２０と反対の面である底面に、発光素子３及び受光素子４の少なくとも一方を制御するコントローラを設けてよい。また、基板２は主面２０又は底面に、ガス濃度算出における演算を実行する演算部を備えてよい。演算部は、読み込むプログラムに応じた機能を実行する汎用のプロセッサ、及び、特定の処理に特化した専用のプロセッサの少なくとも１つを含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ；Application Specific Integrated Circuit）を含んでよい。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ；Programmable Logic Device）を含んでよい。演算部は、上記のコントローラと一体化されていてよい。

発光素子３は、被検出ガスの検出に用いられる光を発する部品である。発光素子３は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。本実施形態において、発光素子３が発する光は赤外線であるが、これに限定されない。本実施形態において、発光素子３はＬＥＤ（light emitting diode、発光ダイオード）であるが、別の例として半導体レーザ、有機発光素子又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ヒータ等であり得る。発光素子３は、基板２の主面２０の第１の領域２１に設けられる。第１の領域２１は、ｚ軸方向において、後述する第１のミラー５１１と対向する位置に定められる。

受光素子４は、導入した気体を透過した光を受け取る部品である。受光素子４は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光の帯域に感度を有するものであれば特に制限されない。本実施形態において、受光素子４が受け取る光は赤外線であるが、これに限定されない。本実施形態において、受光素子４はフォトダイオード（Photodiode）であるが、別の例としてフォトトランジスタ又はサーモパイル、焦電センサ、ボロメータ等であり得る。受光素子４は、受け取った光を電気信号に変換して、変換した電気信号を出力する。電気信号は、例えば演算部に出力される。電気信号を受け取った演算部は、光の透過率等に基づいて被検出ガスの濃度を演算する。受光素子４は、基板２の主面２０の第２の領域２２に設けられる。第２の領域２２は、ｚ軸方向において、後述する第５のミラー５１３と対向する位置に定められる。受光素子４は波長選択機能を有する光学フィルタを備えていてよい。

導光部材５は、発光素子３が発した光を受光素子４に導く部材である。導光部材５は、ガス検出装置１の光学系である。導光部材５は光学部材を備え、発光素子３から受光素子４への光路を構成する。換言すると、導光部材５は、発光素子３と受光素子４とを光学的に接続させる。ここで、光学部材は例えばミラー及びレンズ等である。

本実施形態において、導光部材５は、第１の反射部５１と、第２の反射部５２と、を備える。第１の反射部５１は、光学部材として、第１のミラー５１１と、第３のミラー５１２と、第５のミラー５１３と、を備える。第１の反射部５１は、発光素子３から発せられた光を最初に反射する鏡を持ち、及び受光素子４が受け取る光を最後に反射する鏡を持つ。第２の反射部５２は、光学部材として、第２のミラー５２１と、第４のミラー５２２と、を備える。第２の反射部５２は、第１の反射部５１との間で光を反射する。導光部材５は、発光素子３が発した光を、第１のミラー５１１、第２のミラー５２１、第３のミラー５１２、第４のミラー５２２及び第５のミラー５１３の順に反射して、受光素子４に導く。光路は、導光部材５と基板２との間に設けられた、気体が導入されるセル５４を通過するように構成される。別の例として、導光部材５が備えるミラーの数は５つ以外の１つ以上であってよい。また、導光部材５は光路の一部においてレンズ又は回折光学素子を備える構成であってよい。

導光部材５において、第１の反射部５１は、第２の反射部５２に対する相対位置が固定される。例えば、第１の反射部５１及び第２の反射部５２は樹脂製であって一体形成されてよい。第１の反射部５１及び第２の反射部５２のミラーは、一体形成の後に金属メッキで加工されてよい。別の例として、第１の反射部５１及び第２の反射部５２は個別に形成されて、接着剤、ネジ、ツメ、はめ合い、グロメット、溶着等によって強力に固定されてよい。

第１のミラー５１１は、焦点から射出された光を反射する集光鏡である。第１のミラー５１１は例えば凹面鏡である。第１のミラー５１１の形状として、楕円面が使用されてよい。本実施形態において、第１のミラー５１１は、焦点にある発光素子３からｚ軸方向に発せられた光をｘｙ平面方向に反射する。ここで、ｘｙ平面方向とは、ｘ軸方向及びｙ軸方向の少なくとも１つの方向の成分を有する方向である。ただし、第１のミラー５１１によって反射された光線の方向余弦は、さらにｚ軸方向成分を有していてよい。

第２のミラー５２１、第３のミラー５１２及び第４のミラー５２２は、入射した光を反射する。第２のミラー５２１、第３のミラー５１２及び第４のミラー５２２の少なくとも１つは、集光機能を有する集光鏡であってよい。第２のミラー５２１、第３のミラー５１２及び第４のミラー５２２の少なくとも１つは、例えば凹面鏡であってよい。図１に示すように、第２のミラー５２１は、入射した第１のミラー５１１からの光を、第３のミラー５１２へ反射する。第３のミラー５１２は、入射した第２のミラー５２１からの光を、第４のミラー５２２へ反射する。第４のミラー５２２は、入射した第３のミラー５１２からの光を、第５のミラー５１３へ反射する。

第５のミラー５１３は、入射した光を受光素子に集光させる集光鏡である。第５のミラー５１３は例えば凹面鏡である。第５のミラー５１３の形状として、楕円面が使用されてよい。本実施形態において、第５のミラー５１３は、入射した第４のミラー５２２からのｘｙ平面方向の光をｚ軸方向の成分を有するように反射する。具体的には、第５のミラー５１３は、焦点にある受光素子４において集光するように入射した光を反射する。

第１のミラー５１１、第２のミラー５２１、第３のミラー５１２、第４のミラー５２２及び第５のミラー５１３を構成する材料は、例えば、金属、ガラス、セラミックス、ステンレス等であってよいが、この限りではない。検出感度向上の観点から、これらのミラーを構成する材料は、光の吸収係数が小さく反射率が高い材料で構成されることが好ましい。具体的には、アルミニウム、金、銀を含む合金、誘電体、若しくはこれらの積層体のコーティングが施された樹脂筐体が好ましい。信頼性及び経時変化の観点から金又は金を含む合金層でコーティングされた樹脂筐体が好ましい。さらに、反射率を高めるために金属層の表面に誘電体積層膜を形成することが好ましい。第１のミラー５１１及び第５のミラー５１３が蒸着又はめっきによって形成される場合、金属材料で形成される場合と比較して、高生産性と軽量化の向上を図ることができる。さらに、基板２との熱膨張係数差が縮まり、熱変形が抑制され、感度が変動しづらくなる。また、導光部材５は切削加工で成形されてよく、生産性の観点からより好ましくは射出成型で成形されることが望ましい。

接合部材６は、基板２と導光部材５とを接合する部材である。本実施形態において、接合部材６は、柱体であって、基板２に接合する第１の底面部６１（図２参照）と、導光部材５に接合する第２の底面部６２と、を有する。第１の底面部６１と基板２とは、例えば接着剤、グロメット又はネジ、溶着、ツメ、はめ合い等によって接合される。第２の底面部６２と導光部材５との接合も同様である。また、生産性の観点から、構成部材の数が削減されるため接合部材６と導光部材５は一体成型されていることが望ましい。

図２は、ガス検出装置１の断面の一例を示す図である。図２では、基板２と、第３のミラー５１２を含む導光部材５と、接合部材６と、をｙｚ平面に平行な面で切断した断面が示されている。セル５４は、基板２と導光部材５とで挟まれた、ガス検出装置１の内部に形成される。導光部材５は、セル５４に気体を導入する通気口５３を備える。通気口５３は、セル５４からの気体の排出にも使用され得る。本実施形態において、接合部材６は、中空の円柱体である。第１の底面部６１は、基板２の底面から中空部分にネジが挿入されることによって、基板２と接合される。第２の底面部６２は、中空部分にグロメットが挿入されて広がることによって、導光部材５と接合される。別の例として、接合部材６は、中実の円柱体であってよい。第１の底面部６１と基板２、及び、第２の底面部６２と導光部材５は、接着剤、溶着、ツメ、はめ合い等によって接合されてよい。ここで、図２の第１のミラー５１１、基板２の主面２０及び発光素子３は、図１の同じ番号が付された要素と同じであるため、説明を省略する。

図３は、接合部材６の配置及び形状の一例を示す図である。図３では、ｚ軸の負方向に向かって見た基板２の主面２０が示されている。垂直投影像６ｉは、接合部材６が基板２の主面２０に対して垂直に投影された像である。本実施形態において、基板２の主面２０への垂直投影像６ｉは中空円形である。別の例として、接合部材６が中実の円柱体の場合に、垂直投影像６ｉは中実円形である。ここで、図３において、第１の領域２１の中心２１ｃと、第２の領域２２の中心２２ｃと、を結ぶ線分の中点２４が示されている。また、図３において、第１の領域２１の中心２１ｃと第２の領域２２の中心２２ｃとを結ぶ線分の垂直二等分線２３が示されている。本実施形態において、接合部材６は、基板２の主面２０への垂直投影像６ｉが、垂直二等分線２３上にあるように配置される。ここで垂直投影像６ｉとは、基板２の主面２０の直上にある接合部材６の断面形状であってよい。

接合部材６は、弾性率が大きく、変形しにくい材料を用いることができる。例えば接合部材６の材料は、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＣ（ポリカーボネート）、又はＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）、ＰＡＲ（ポリアリレート樹脂）等、及び、これらの２つ以上を混合した硬質樹脂である。接合部材６と導光部材５は同じ材料であってよい。接合部材６と導光部材５の材料が同じであれば熱膨張差が生じないため、熱歪みを抑えることができる。基板２と導光部材５とは、接合部材６のみを介して接合される。そのため、基板２が例えば熱膨張によって変形しても、導光部材５は基板２の変形の影響を受けない。例えば、基板２がｙ軸方向に広がるように変形した場合に、導光部材５が基板２と一点だけで接続されているので、光学部材は歪みを生じることなく一点を中心に相似縮小（膨張）するため、光学性能に影響がない。

また、基板２と導光部材５とに異なる力が作用する場合、接合部材６は軸に沿った方向に変形しにくいが、一方でねじれ変形及び曲げ変形を生じうる。そのため、導光部材５は基板２に対してｚ軸方向へ変位しない。この時、第１の反射部５１と、発光素子３及び受光素子４との距離（光路長）が保たれるため、ガス検出の精度を保つことが可能である。一方で導光部材５は、基板２に対して接合部材６を回転軸とする回転移動することがあり得る。換言すると、接合部材６は、導光部材５が基板２に対して動く場合に回転軸となる。ここで動くとは、基板２を固定し、かつ導光部材５の側面に基板２の主面２０に平行な剪断応力を印加した際に、導光部材５と基板２が相対的に回転することであってよい。又は、動くとは、基板２を固定し、接合部材６から最も遠い導光部材５の表面の点を始点として、導光部材５に対して基板２の主面２０と平行方向かつ始点と接合部材６をつなぐ直線の垂直方向に外力を加えた際に回転することであってよい。

ここで、主面２０に対して垂直あるいは平行な方向の外力に対してある方向には動きうるが、それ以外の方向には動かない構造物は、熱膨張が生じたとしても導光部材に変形が生じず付加的な拘束をもたらさないため、接合部材６とみなされない。換言すると、平行移動しうる構造物は接合部材６とみなされない。図４に示す通り、垂直投影像６ｉが垂直二等分線２３上にあるように接合部材６が配置されていると、物面（発光部）での強度分布と像面における照度分布は、回転軸に対して点対称に分布している。したがって、導光部材５が基板２（つまり発光部）に対して回転移動しても、発光部がつくる受光部における照度分布の移動は、受光部の回転移動と方向も量も一致する。このため受光面が受け取る照度分布に変化は生じず、ガス検出感度の変動が抑制される。このように回転軸となる接合部材６を設けることで、ガス検出感度が変動しにくいガス検出装置を実現することができる。ここで物面とは素子の発光部において気体と触れ合う面でかつ光学的な透過性を持つ材料でできている面である。また像面とは素子の受感部において気体と触れ合う面でかつ光学的な透過性を持つ材料でできている面である。

また、図２２に示すように、接合部材の基板の主面への垂直投影像が領域Ｒｔに配置されていれば、同じ理由から、導光部材５が基板２（つまり発光部）に対して回転移動しても、発光部がつくる受光部における照度分布の移動は、受光部の回転移動と方向も量もほぼ一致する。ここで、直線Ｌｐは、第１の領域２１の中心と第２の領域２２の中心とを結ぶ線分の垂直二等分線２３である。直線Ｌｅは、直線Ｌｐと平行な第１の領域２１を通る直線である。直線Ｌｄは、直線Ｌｐと平行な第２の領域２２を通る直線である。領域Ｒｔは、直線Ｌｅと直線Ｌｄに挟まれた基板の主面内の最大の領域である。

ここで図５及び図６は、第１の反射部５１と第２の反射部５２共に接合部材６をもつ比較例のガス検出装置１０１の熱膨張による変形を示すシミュレーション結果の図である。図５が熱膨張前のガス検出装置１０１の形状を示し、図６が熱膨張後のガス検出装置１０１の形状を示す。比較例のガス検出装置１０１は、本実施形態に係るガス検出装置１と同じく、基板２と、導光部材５と、を備える。また、比較例のガス検出装置１０１は、基板２と導光部材５とを強固に接合する、第１の接合部材１０６及び第２の接合部材１０７を備える。ここで、シミュレーションにおいて、温度上昇変化量は１００℃とした。導光部材５の材質はポリカーボネートとし、ヤング率が２．３５ＧＰａ、膨張係数が７０ｐｐｍ／℃、ポアソン比が０．３８とした。基板２は、ヤング率が２５．０ＧＰａ、膨張係数が２０ｐｐｍ／℃、ポアソン比が０．２、厚みが２．０ｍｍ、長辺が２０．０ｍｍ、短辺が１０．０ｍｍとした。図７及び図８に示す通り、熱膨張変形により第１の反射部５１と第２の反射部５２の中央部が屈曲し、第１の反射部５１に対する第２の反射部５２の相対角度が変化している。図７が熱膨張前の状態を示し、図８が熱膨張後の状態を示す。以下、熱膨張ひずみ角度とは、図７、図８に示すように、第１の反射部５１の任意の代表点と第２の反射部５２の任意の代表点における法線ベクトルのなす角を相対角度とよび、この相対角度の熱膨張前後における変動量である。ここで第１の反射部５１の代表点と第２の反射部５２の代表点は、第１の反射部５１又は第２の反射部５２の各面の幾何中心若しくは、各面の面外周部各点とある点までの測地線の中で最小であるものの距離を最小距離と定義し、この最小距離を最大にする位置に存在する点のいずれかから選んでよい。図８に示すように、熱膨張によって光路の歪みが生じ、ガス検出感度が変動してしまう。シミュレーション結果では導光部材５の基板２に対して一番離れている面（これを上面とも呼ぶ）の周囲端部に対し、上面中央において平均で４０．６μｍの変位を生じ、熱膨張ひずみ角度が０．７３°となり、像面における照度分布は７６．６μｍ移動する。発光素子３の典型的な一辺の長さを１０００μｍとすると、像面における照度分布の移動量である７６．６μｍはその５％以上の距離であり、大きな特性変動が引き起こされる。

一方で、図９及び図１０は、導光部材５に１つだけ接合部材６をもつガス検出装置１の熱膨張による変形を示す図である。図９が熱膨張前のガス検出装置１の形状を示し、図１０が熱膨張後のガス検出装置１の形状を示す。図９及び図１０に示す通り、熱膨張変形による第１の反射部５１と第２の反射部５２の中央部が屈曲しておらず、第１の反射部５１に対する第２の反射部５２の相対角度が変化していない。換言すると、端部の点Ｂでの変異が−１７μｍで、中点である点Ａでの変異が−８．５μｍであるから、熱膨張ひずみ角度が０．０°であり、基準位置と点Ａと点Ｂは直線上に位置している。したがって、光路は維持され、ガス検出感度も変動しない。

ここで、図１１は接合部材６の配置の別の例を示す図である。図１１の各要素は、図３における同じ符号の要素と同じであるため、説明を省略する。図１１に示すように、接合部材６は基板２の主面２０上の異なる位置に設けられてよい。つまり、接合部材６は、基板２の主面２０へ垂直投影像６ｉが、垂直二等分線２３上にないように配置されてよい。また、接合部材６は、ｙ軸方向について、第１のミラー５１１及び第５のミラー５１３より、第２のミラー５２１及び第４のミラー５２２に近い位置に配置されてよい。ただし、上記のように、光路を保つために、発光素子３及び受光素子４が第１の反射部５１と対面していることが必要である。そのため、接合部材６は、導光部材５が基板２に対して動く場合に、第１の反射部５１の移動量が第２の反射部５２の移動量よりも小さくなる位置に設けられることが好ましい。つまり、回転軸となる接合部材６は、第２の反射部５２よりも第１の反射部５１に近い位置に設けられることが好ましい。具体的には、接合部材６の垂直投影像６ｉが中点２４に近いことが好ましい。

以上のように、本実施形態に係るガス検出装置１は、上記の構成によって、例えば基板２に熱膨張による歪みが生じても、導光部材５がその変形の影響を受けない。したがって、ガス検出装置１は、光路の歪み及び感度の劣化を抑制することが可能である。

また、導光部材５が備える光学部材は接合部材６を介して基板２に固定される。そのため、直接的に光学部材と基板２を接合する場合に生じる光学部材の歪みによる光学特性の劣化を抑制することができる。

さらに、ガス検出装置１は、基板２と導光部材５とに異なる力が作用しても、接合部材６を回転軸とする導光部材５の回転移動となる。そのため、接合部材６を第１の反射部５１に対する移動量が第２の反射部５２の移動量よりも小さくなる位置に設けることによって、光路への影響を抑制することができる。

また、ガス検出装置１は、基板２の主面２０へ垂直投影像６ｉが、第１の領域２１の中心と第２の領域２２の中心とを結ぶ線分の垂直二等分線上にあるように配置されることによって、接合部材６と基板２のｙ軸方向にのびる辺までの最長距離が最小となるため、結果としてガス検出装置１の曲げ剛性が増大し、基板２の振動による光路への影響をさらに抑制することができる。また、熱膨張によって基板２が変形した場合、上記の垂直二等分線に対し左右対称に変形が起こる。ここで、図４に示す通り物面（発光部）での強度分布に対し像面における照度分布は概１８０°回転しており、物面での強度分布の移動による像面での照度分布移動と像面の移動が同じため、像面上の照度分布が変化を受けない。よって、ガス検出感度の変動が抑制される。

（第２実施形態）
図１２は、本開示の別の実施形態に係るガス検出装置１の断面の一例を示す図である。本実施形態に係るガス検出装置１は、上記の第１実施形態に係るガス検出装置１と比べて、接合部材６の構成が異なる。その他の構成要素は、第１実施形態に係るガス検出装置１と同じである。例えば、本実施形態に係るガス検出装置１の斜視図は、第１実施形態と同じく図１で示される。また、第１実施形態に係るガス検出装置１と同じ構成要素については、図１〜図３と同じ符号を付しており、詳細な説明を省略する。

図１２に示すように、本実施形態において接合部材６は柱体でない。接合部材６は、第１の底面部６１を含む第１の部分６ａと、第２の底面部６２を含む第２の部分６ｂと、第１の部分６ａ、第２の部分６ｂ及び第３のミラー５１２を結合する結合部６３と、を備える。第３のミラー５１２が接合部材６と結合されることによって、第１の反射部５１の第２の反射部５２に対する相対位置はさらに強固に固定される。

図１３は、本実施形態における、接合部材６の配置及び形状の一例を示す図である。図１３では、ｚ軸の負方向に向かって見た基板２の主面２０が示されている。本実施形態において、基板２の主面２０への垂直投影像６ｉは弓形である。接合部材６は、基板２の主面２０へ垂直投影像６ｉが、第１の領域２１の中心２１ｃと第２の領域２２の中心２２ｃとを結ぶ線分の中点２４を含むように配置される。上記のように、接合部材６の垂直投影像６ｉが中点２４に近いことは、第１の反射部５１の移動量を第２の反射部５２の移動量よりも小さくして、光路を保つことに寄与する。

以上のように、本実施形態に係るガス検出装置１は、上記の構成によって、第１実施形態と同じ効果を奏する。また、本実施形態に係るガス検出装置１は、第３のミラー５１２も結合する結合部６３を有する接合部材６を備えることによって、第１の反射部５１の第２の反射部５２に対する相対位置をさらに強固に固定することができる。

（変形例）
以上、実施形態を諸図面及び実施例に基づき説明したが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意すべきである。例えば、各部材、各手段などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

例えば、接合部材６は、垂直投影像６ｉが多角形の形状であってよい。一つの変形例として、図１４に示すように、垂直投影像６ｉが四角形であって、接合部材６は四角柱であってよい。

例えば、上記の実施形態において、接合部材６は１つの部品で構成されると説明した。接合部材６は複数の部品で構成されてよい。ここで、複数の部品は、互いに離れているが、導光部材５が基板２に対して動く場合に全体として回転軸となるように、ある程度近接して配置されている。一つの変形例として、図１５に示すように、垂直投影像６ｉが複数の中実円形であってよい。このとき、接合部材６は、基板２と導光部材５とをより強固に接合することが可能である。

例えば、上記の実施形態において、一体形成又は接着剤等によって、第１の反射部５１は、第２の反射部５２に対する相対位置が固定されると説明した。一つの変形例として、図１６に示すように、第２の反射部５２は、第１の反射部５１と共に、接合部材６の第２の底面部６２と接着剤、溶着、ツメ、はめ合い等によって強力に接合されてよい。このとき、第２の反射部５２は、第２のミラー５２１及び第４のミラー５２２と一体形成され、第１の反射部５１まで延びる延長部５２３を備えてよい。

図１７は多様な形状の接合部材６を用いた複数の実施例における、導光部材５の熱膨張ひずみ角度と垂直印加最大ひずみ量のシミュレーション結果に基づく、単位熱膨張ひずみ角度と単位圧力垂直印加最大ひずみ比を示すグラフである。

ここで垂直印加最大ひずみ量とは、基板２の一部を変位しないように拘束し、導光部材５上面の全面に対し垂直に５０００Ｐａの応力を印加した時の導光部材５の印加方向の最大のひずみ長さのことである。

構造力学の観点から印加圧力に対して垂直印加最大ひずみ量は線形に増加し、導光部材５の最大長に対して概相似に振る舞う。単位圧力垂直印加最大ひずみ比とは、単位圧力当たりの垂直印加最大ひずみ量を導光部材５の最大長さで除したものである。本シミュレーションにおいて、単位圧力当たりの垂直印加最大ひずみ量は、垂直印加最大ひずみ量／５０００Ｐａである。また、本シミュレーションにおいて、導光部材５の最大長さは２２．９×１０^−３ｍである。接合する面積又は箇所の増加等によって、接合部材６が基板２及び導光部材５と強固に接合されると、ガス検出装置１全体の構造の剛性が向上するので、単位圧力垂直印加最大ひずみ比は減少する。つまり、単位圧力垂直印加最大ひずみ比は基板２と導光部材５の接合の度合い表す指標である。単位圧力垂直印加最大ひずみ比の値が小さい場合は基板２と導光部材５が強固に接合された過拘束の状態に対応する。単位圧力垂直印加最大ひずみ比の値が大きい場合は拘束が少ない状態に対応する。

熱膨張ひずみ角度は、上記のとおり、第１の反射部５１に対する第２の反射部５２の相対角度である。図１７で示す単位熱膨張ひずみ角度は、熱膨張ひずみ角度の１℃あたりの角度である。単位熱膨張ひずみ角度は、熱膨張前の状態を０°とし、１００℃の温度上昇による熱膨張ひずみ角度を求めた場合における、１℃あたりの角度の変化量である。このシミュレーション結果から、単位圧力垂直印加最大ひずみ比が１４３／ＧＰａより小さい領域となる構造において急激に単位熱膨張ひずみ角度が増大する。よって単位圧力垂直印加最大ひずみ比が１４３／ＧＰａ以上になるように接合部材６を形成することで熱膨張ひずみを抑制し、光路が維持されることで、ガス検出感度も変動しないガス検出装置１を実現できる。ここで、１４３／ＧＰａは、図１７において実施例ｉとｊの間に位置する値である。換言すると、単位圧力垂直印加最大ひずみ比が１４３／ＧＰａ以上であれば、接合部材６は導光部材が基板に対して動く場合の回転軸となる。

また接合部材６を第１の反射部５１のみにもち、接合部材６が例えば極めて細くて面積が非常に小さく、基板２と導光部材５の接合が弱い場合に、単位圧力垂直印加最大ひずみ比が１００００／ＧＰａを超えることがある。このとき、２００ｍｍ^２の上面に５０００Ｐａを垂直印加すると、垂直印加最大ひずみ量は導光部材５の最大長の５．０％に達することがある。例えば導光部材５の最大長さが２２．９ｍｍとすると、ひずみ量は１．１５ｍｍであり、変形により導光部材５と基板２が接合部材６以外の箇所でも接触し、第１の反射部５１と第２の反射部５２の相対角にひずみを生じる。つまり、熱膨張ひずみ角度を生じて、光路の変動を通じて、ガス検出感度の変動がおこる。ここで、単位圧力垂直印加最大ひずみ比は、ガス検出装置１の基板２を固定し、上面に任意の荷重を印加し、変位計でひずみ変位量を測り、荷重から上面積当たりの平均垂直応力の値を用いることで実験的に算出、決定することができる。図１７における実施例ａ〜ｐの単位熱膨張ひずみ角度は、図１８〜２１に示される形状のガス検出装置１を用いたシミュレーションで計算された。ただし、図１８〜２１においてａ〜ｐは図１７に付された同じ記号に対応する。図１８〜２１においてａ〜ｐの符号を挟んで、左側が側面図であり、右側が上面図である。

１ ガス検出装置
２ 基板
３ 発光素子
４ 受光素子
５ 導光部材
６ 接合部材
６ａ 第１の部分
６ｂ 第２の部分
６ｉ 垂直投影像
２０ 主面
２１ 第１の領域
２１ｃ 第１の領域の中心
２２ 第２の領域
２２ｃ 第２の領域の中心
２３ 垂直二等分線
２４ 中点
５１ 第１の反射部
５２ 第２の反射部
５３ 通気口
５４ セル
６１ 第１の底面部
６２ 第２の底面部
６３ 結合部
１０１ ガス検出装置
１０６ 第１の接合部材
１０７ 第２の接合部材
５１１ 第１のミラー
５１２ 第３のミラー
５１３ 第５のミラー
５２１ 第２のミラー
５２２ 第４のミラー
５２３ 延長部

Claims (15)

1. 基板と、
   前記基板の主面の第１の領域に設けられ、光を発する発光素子と、
   前記基板の主面の第２の領域に設けられ、前記光を受け取る受光素子と、
   前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、
   前記基板と前記導光部材とを接合し、前記導光部材が前記基板に対して動く場合に回転軸となる接合部材と、を備える、ガス検出装置。
2. 前記第１の領域の中心と前記第２の領域の中心とを結ぶ線分の垂直二等分線を直線Ｌｐとし、前記第１の領域を通る直線で前記直線Ｌｐと平行なものを直線Ｌｅとし、前記第２の領域を通る直線で前記直線Ｌｐと平行なものを直線Ｌｄとし、前記直線Ｌｅと前記直線Ｌｄに挟まれた前記基板の主面内の最大の領域を領域Ｒｔとし、前記接合部材の前記基板の主面への垂直投影像が前記領域Ｒｔに存在する、請求項１に記載のガス検出装置。
3. 前記接合部材は、前記基板の主面への垂直投影像が、前記直線Ｌｐ上に配置される、請求項２に記載のガス検出装置。
4. 前記接合部材は、前記基板の主面へ垂直投影像が、前記第１の領域の中心と前記第２の領域の中心とを結ぶ線分の中点を含むように配置される、請求項３に記載のガス検出装置。
5. 前記導光部材は、第１の反射部と第２の反射部とを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のガス検出装置。
6. 前記第１の反射部は、第２の反射部に対する相対位置が固定される、請求項５に記載のガス検出装置。
7. 前記第１の反射部は、前記発光素子から発せられた前記光及び前記受光素子が受け取る前記光を直接的に反射し、
   前記第２の反射部は、前記第１の反射部との間で前記光を反射する、請求項５又は６に記載のガス検出装置。
8. 前記接合部材は、前記導光部材が前記基板に対して動く場合に、前記第１の反射部の移動量が前記第２の反射部の移動量よりも小さくなる位置に設けられる、請求項７に記載のガス検出装置。
9. 前記接合部材は複数の部品で構成される、請求項１から８のいずれか一項に記載のガス検出装置。
10. 前記接合部材は１つの部品で構成される、請求項１から８のいずれか一項に記載のガス検出装置。
11. 前記接合部材は、前記基板の主面への垂直投影像が、中実円形、中空円形、弓形又は多角形である、請求項１０に記載のガス検出装置。
12. 前記接合部材は、前記基板を固定し、かつ前記導光部材の側面に前記基板の主面に平行な剪断応力を印加した際に、前記導光部材と前記基板が相対的に回転するときの回転軸となる請求項１から１１のいずれか一項に記載のガス検出装置。
13. 前記接合部材は、前記基板を固定し、前記接合部材から最も遠い前記導光部材の表面の点を始点として、前記導光部材に対して前記基板の主面と平行方向かつ前記始点と前記接合部材をつなぐ直線の垂直方向に外力を加えた際に回転軸となる、請求項１から１２のいずれか一項に記載のガス検出装置。
14. 光を発する発光素子と前記光を受け取る受光素子とを主面に設けた基板と、
    前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、
    柱体であって、前記基板に接合する第１の底面部と、前記導光部材に接合する第２の底面部と、を有する接合部材と、を備え、
    前記基板と前記導光部材とは、前記接合部材のみによって接合される、ガス検出装置。
15. 基板と、
    前記基板の主面の第１の領域に設けられ、光を発する発光素子と、
    前記基板の主面の第２の領域に設けられ、前記光を受け取る受光素子と、
    前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、
    前記基板と前記導光部材とを接合し、前記導光部材を前記基板に対して固定する接合部材と、を備え、単位圧力垂直印加最大ひずみ比が１４３／ＧＰａ以上、１００００／ＧＰａ以下であるガス検出装置。

Images