JP3347264B2 - 濃度分析計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は分析対象物の濃度を
測定する分析計の分野にかかわり、特に、分析対象物が
特定波長の光を吸収する性質を利用した濃度分析計に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ガスや液体等の流動体の濃度を測定する
一般的な分析計は、分析対象物を流す測定セルと、基準
となる物質が充填された参照セルに交互に光を照射し、
透過した光の特定波長の強度を検出し、測定セルと参照
セルとからの光の強度差や強度比を算出し、分析対象物
の濃度測定を行うように構成されている。

【０００３】そのような分析計のうち、赤外光を使用
し、ガスを分析対象物とする従来技術のものを図１８の
符号２０２に示して説明する。

【０００４】このガス分析計２０２は、反射鏡２１３、
発光器２１１、遮蔽板２１５、分析管２２０、受光器２
１７、反射鏡２１９がこの順で配置されて構成されてお
り、発光器２１１から射出された赤外光は反射鏡２１３
によって反射され、遮蔽板２１５に設けられた窓２１６
を通過した赤外光を分析管２２０に入射させ、透過光を
反射鏡２１９で反射させて受光器２１７で受光するもの
である。

【０００５】分析管２２０内には、測定セル２２１と参
照セル２２２とが設けられており、測定セル２２１内に
は分析対象ガス２１８が流れるように構成されている。
他方、参照セル２２２内には、分析対象ガスが吸収する
波長帯域の赤外光を吸収しない物質が充填されている。

【０００６】発光器２１１内にはフィラメント(図示せ
ず)が設けられており、駆動装置によりフィラメントに
通電し、ガス分析計２０２に設けられたモーター(図示
せず)を起動して遮蔽板２１５を一定速度で回転させ、
窓２１６を等速回転させると、測定セル２２１と参照セ
ル２２２とに、一定時間毎に交互に赤外光が照射される
ように構成されている。

【０００７】図１８(ａ)は、赤外光２１４₁が窓部２１
６を通過して測定セル２２１に入射した場合を示してお
り、このときは、参照セル２２２に入射しようとする赤
外光２１４₂は遮蔽板２１５で遮られる。同図(ｂ)は、
その逆であり、赤外光２１４₁が遮蔽板２１５で遮ら
れ、赤外光２１４₂が窓２１６を通過して参照セル２２
２に入射する場合を示している。

【０００８】ガス分析計の種類によっては、分析管２２
０内には、測定セル２２１と参照セル２２２とは複数個
設けられており、図１８(ｃ)に、４個の測定セル２２１
₁〜２２１₄と、４個の参照セル２２２₁〜２２２₄とを有
する分析管を示す。各測定セル２２１₁〜２２１₄と参照
セル２２２₁〜２２２₄とは、同一円周上に交互に配置さ
れ、ガス導入口２２５から導入された分析対象ガス２１
８は、ガス通路２２３を介して測定セル２２１₁〜２２
１₄内を流れ、ガス排出口２２６から排出されるように
構成されている。他方、参照セル２２２₁〜２２２₄は、
分析対象ガス２１８が吸収する波長帯域の赤外光を吸収
しない比較ガス又は光学結晶で充填されている。

【０００９】この測定セル２２１₁〜２２１₄と、参照セ
ル２２２₁〜２２２₄には、１個ずつ赤外光が照射される
ので、受光器２１７でその透過光を受光し、両方のセル
から交互に受光する赤外光の強度比や強度差を求めるこ
とで、分析対象ガス２１８の赤外光吸収率を求め、濃度
測定を行っていた。

【００１０】このように、モーターと遮蔽板２１５を用
いれば、一つの発光器２１１によって測定セル２２１と
参照セル２２２とに交互に赤外光を照射できるので、複
数の発光器を設けた場合の発光特性の調節が不要とな
り、また、測定セル２２１と参照セル２２２とを複数設
けたので、経時変化や不均一性を打ち消し合わせること
ができ、精度の高い測定を行えるとされていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のガ
ス分析計２０２では、遮蔽板２１５を回転させるため
に、機械的回転力を発生させるモーターを必要とする。
そのため、装置全体の体積や消費電力が大きくなってし
まうという欠点がある。しかも、機械的部品が存在する
ため、その消耗や摩耗によって分析計の寿命が制限され
てしまうという問題がある。

【００１２】本発明は上記従来技術の不都合を解決する
ために創作されたもので、その目的は、小型高性能で長
寿命の分析計を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、発光器と受光器とを有し、
前記発光器が射出する測定光を分析対象物に照射し、透
過した測定光を前記受光器で受光できるように構成さ
れ、前記発光器は、基板と、前記基板内部の表面近傍に
位置する抵抗体層と、前記基板の前記抵抗体層の下方位
置において、前記基板の表面側が部分的に除去されて形
成された分離空間とを有し、前記抵抗体層のうち、前記
分離空間上に位置する部分で橋梁部が形成され、前記橋
梁部と該橋梁部下方の前記分離空間とで発光部が構成さ
れ、該発光部中の前記橋梁部は、通電されると発熱して
前記測定光を射出するように構成されると共に、分析対
象物が流れる測定セルと、基準物質が配置された参照セ
ルとを有し、前記発光器から射出された測定光のうち、
前記測定セルを透過した測定光と前記参照セルを透過し
た測定光とが前記受光器によって受光されるように構成
された分析計であって、前記発光部は、前記測定光を前
記測定セルに照射する測定用発光部と、前記参照セルに
照射する参照用発光部とに分けられ、前記測定用発光部
と前記参照用発光部とは、別々に通電できるように構成
された分析計である。

【００１４】請求項２記載の発明は、発光器と受光器と
を有し、前記発光器が射出する測定光を分析対象物に照
射し、透過した測定光を前記受光器で受光できるように
構成され、前記発光器は、基板と、前記基板内部の表面
近傍に位置する抵抗体層と、前記基板の前記抵抗体層の
下方位置において、前記基板の表面側が部分的に除去さ
れて形成された分離空間とを有し、前記抵抗体層のう
ち、前記分離空間上に位置する部分で橋梁部が形成さ
れ、前記橋梁部と該橋梁部下方の前記分離空間とで発光
部が構成され、該発光部中の前記橋梁部は、通電される
と発熱して前記測定光を射出するように構成されると共
に、前記分析対象物の吸収度が高い波長帯域の光を透過
させる測定用フィルタ部と、前記分析対象物の吸収度が
低い波長帯域の光を透過させる参照用フィルタ部とを有
し、前記測定用フィルタ部と参照用フィルタ部には、前
記発光器から射出された前記測定光のうち、異なる光路
を進む測定光が透過するように構成された分析計であっ
て、前記各発光部は、射出する前記測定光が前記測定用
フィルタ部を通る測定用発光部と、前記参照用フィルタ
を通る参照用発光部とに分けられ、前記測定用発光部と
前記参照用発光部とは、別々に通電できるように構成さ
れた分析計である。

【００１５】請求項３記載の発明は、前記測定用発光部
と前記参照用発光部とは交互に配置された請求項１又は
請求項２のいずれか１項記載の分析計である。

【００１６】請求項４記載の発明は、前記抵抗体層は、
前記基板表面側から前記基板内部側に拡散された不純物
層によって形成された請求項１乃至請求項３のいずれか
１項記載の分析計である。

【００１７】請求項５記載の発明は、前記分離空間は、
前記橋梁部となるべき前記抵抗体層を残しながら、その
部分の抵抗体層の下方位置の前記基板の一部をエッチン
グ除去して形成された請求項１乃至請求項４のいずれか
１項記載の分析計である。

【００１８】請求項６記載の発明は、前記発光部は、同
一基板上に複数個形成された請求項１乃至請求項５のい
ずれか１項記載の分析計である。

【００１９】請求項７記載の発明は、前記各発光部は、
対称に配置された請求項６記載の分析計である。

【００２０】ところで、抵抗体の発熱により射出される
赤外線等の光を使用した分析計においては、赤外光の光
路上に分析対象物が存在しない場合のゼロ出力に温度依
存性と経時変化があることが知られており、ガス濃度分
析計等の分析計を長時間連続使用するときに問題視され
ている。

【００２１】ゼロ出力の変化(ゼロドリフト)は、測定光
と参照光の光量比の変動や、測定光と参照光の受光感度
比の変動に起因しており、特に、大きな発光器を使用す
る場合や受光器の感度の温度依存性が大きい場合に甚だ
しいことが知られている。

【００２２】その原因は様々であるが、例えば、光軸の
ずれ、発光器の発光分布の変化、受光器の受光面上にお
ける感度分布の変化、反射鏡の反射率の変化等が疑わし
いとされている。上述のようなゼロドリフト問題を解消
するために、ガス分析計によっては、同一光源から射出
された赤外光をチョッピングして測定光と参照光とをつ
くり、交互に配置された測定セルと参照セルとに赤外線
を交互に照射するように構成されており、同一光源から
射出された赤外光を用いることで、発光器内の温度分布
の不均一性が受光強度に与える影響を最小にすると共
に、複数の測定セルと参照セルとを交互に対称に配置す
ることで、ゼロドリフトが生じた場合でも、各セル間で
ドリフト量が互いに打ち消し合い、測定結果に影響を与
えないような対策が採られていた。

【００２３】それに対して上述した本発明の構成によれ
ば、光を射出する発光器内に複数の発光部を設けている
が、その発光部は、基板上に形成された抵抗体層をフォ
トリソグラフ工程とエッチング工程によってパターニン
グして形成し、通電により、各発光部から光を射出でき
るように構成されており、抵抗体層のパターニングによ
って発光部を形成するため、各発光部の形状の同一性が
高く、それぞれの発光部の発光特性を一致させることが
可能となっている。

【００２４】従って、異なる発光部を交互に発光させて
測定光と参照光を得る場合、測定光と参照光の特性(同
じスペクトルで同じ光量)の一致性は、同一光源から射
出された光をチョッピングして測定光と参照光とを得る
場合の一致性と同じかそれよりも高くすることができ
る。

【００２５】従って、本発明によれば、一つの光源から
射出された光をチョッピングして測定光と参照光とを作
る必要がなく、チョッピングに要するモーター等の機械
的装置が不要となる。

【００２６】また、パターニングにより形成する発光部
は微小に形成できるので、各発光部を近接配置すること
が可能であり、それにより、発光器内の温度の不均一性
の影響を受けないようにすることができる。

【００２７】特に、各発光部を、基板表面の一部がエッ
チングにより除去されて形成された分離空間と、その分
離空間上に位置する抵抗体層から成る橋梁部を設けて発
光部を構成すると、発光部の熱容量を小さくできるの
で、高い周波数で駆動できるようになり、応答性のよい
分析計が得られる。

【００２８】更に、各発光部を同一基板上に形成した場
合には、各発光部間を非常に近接でき、また、発光部間
の熱結合が高くなるので、温度が均一となり、発光特性
がよく一致する。

【００２９】発光器内で光量比や感度比の変化要因が発
生した場合は、隣接する発光部間では発光の変化傾向は
同一方向であるが、対称な位置にある発光部間では互い
に打ち消し合う方向に変化するので、各発光部を対称に
配置し、その発光部が同時に発光するように駆動すれ
ば、発光器内の不均一性による発光量の変動が打ち消し
あい、ゼロドリフトによる光量比変動や光量差変動が軽
減される。

【００３０】各発光部を対称に配置する際、同一円周上
に配置しておくと、発光器内で不均一性が生じた場合で
も、円周上の反対側の位置にある発光部同士の光量は互
いに打ち消し合う方向に変動する。

【００３１】また、このような分析計が、分析対象物が
流れる測定セルと、分析対象物が吸収する波長帯域の光
を透過する基準物質が配置された参照セルとを有し、発
光器から射出された光のうち、測定セルを透過した光と
参照セルを透過した光とを受光器で受光するように構成
されている場合には、各発光部を、射出する光が測定セ
ルに照射される測定用発光部と、参照セルに照射される
参照用発光部とに分け、測定用発光部と参照用発光部と
に別々に通電できるように構成しておくと、受光器に対
し、ゼロドリフトが打ち消し合う測定光と参照光とを交
互に入射させることができる。

【００３２】他方、分析計が、分析対象物の吸収度が高
い波長帯域の光を透過させる測定用フィルタ部と、吸収
度が低い波長帯域の光を透過させる参照用フィルタ部と
を有し、測定用フィルタ部と参照用フィルタ部には、発
光器から射出された光のうち異なる光路上の光が透過す
るように構成されている場合は、各発光部を、射出する
光が測定用フィルタ部を通る測定用発光部と、参照用フ
ィルタを通る参照用発光部とに分け、測定用発光部と参
照用発光部とに、別々に通電できるように構成しておい
ても、同様に、受光器に、ゼロドリフトが打ち消し合う
測定光と参照光とを交互に入射させることができる。

【００３３】このような測定用発光部と参照用発光部と
は交互に配置しておくと、ゼロドリフトの影響を更に軽
減することができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】図１(ａ)を参照し、符号２aは、
本発明の一実施の形態のガス分析計を示しており、発光
器１１と、光源用フレネルレンズ３１と、分析管２０
と、検出器用フレネルレンズ３２と、測定波長透過光学
フィルタ１９と、受光器１７とがこの順で配置され、ケ
ーシング３３内に納められている。

【００３５】発光器１１には、図示しない駆動回路が接
続され、通電すると赤外光を射出できるように構成され
ており、該発光器１１が射出した赤外光は、光源用フレ
ネルレンズ３１で平行光線束にされ、分析管２０を透過
した後、検出器用フレネルレンズ３２で集光され、測定
波長透過光学フィルタ１９を通って受光器１７で受光で
きるように構成されている。

【００３６】このガス分析計２aの分解斜視図を図２に
示す。発光器１１は、複数の発光部１１₁〜１１₄を有し
ており、また、光源用フレネルレンズ３１は、互いに焦
点の異なるレンズ部３１₁〜３１₄を有している。各発光
部１１₁〜１１₄は、同一円周上に配置され、個別に通電
して発熱させられるように構成されており、発熱により
各発光部１１₁〜１１₄からそれぞれ赤外線が放射される
と、その赤外線は、各レンズ部３１₁〜３１₄に照射さ
れ、それぞれ平行光線束が形成されるように構成されて
いる。

【００３７】分析管２０内には、光学結晶で蓋をされ、
内部が空洞にされた測定セル２１₁、２１₂と、比較ガス
又は光学結晶(基準物質)が納められた参照セル２２₁、
２２₂とが設けられており、測定セル２１₁、２１₂と参
照セル２２₁、２２₂とは、同一円周上に交互に配置され
ている。

【００３８】この分析管２０内に、ガス導入口２５から
分析対象ガスを導入すると、その分析対象ガスは測定セ
ル２１₁、２１₂内の空洞を通り、ガス排出口２６から排
出されるように構成されている。

【００３９】前述の発光部１１₁、１１₃は測定用発光部
であり、各発光部１１₁、１１₃から射出され、レンズ部
３１₁、３１₃で平行光線束にされた赤外光は、測定セル
２１₁、２１₂内の分析対象ガスに照射されるように構成
されている。他方、発光部１１₂、１１₄は参照用発光部
であり、その発光部１１₂、１１₄から射出され、レンズ
部３１₂、３１₄で平行光線束にされた赤外光は参照セル
２２₁、２２₂に照射されるように構成されている。測定
セル２１₁、２１₂と参照セル２２₁、２２₂とを透過した
赤外光は検出器用フレネルレンズ３２で集光され、測定
波長透過光学フィルタ１９を透過した後、受光器１７で
受光されるように構成されている。

【００４０】測定波長透過光学フィルタ１９の特性の一
例として、中心波長４．２７μｍ(波数２３４０ｃｍ^-1)
付近の赤外光を透過するＣＯ₂用の測定波長透過光学フ
ィルタの特性を、図１７に示す。分析対象ガスの吸収波
長帯域の赤外光の透過率が高く、他の帯域の赤外光は遮
断する特性の干渉フィルタが用いられている。

【００４１】受光器１７の外形を図７に示す。同図(ａ)
はその平面図であり、金属パッケージ４１に透明な窓４
２が設けられ、内部に半導体受光素子が配置されてい
る。同図(ｂ)は正面図、同図(ｃ)は底面図であり、金属
パッケージ４１の底面からは、半導体受光素子とワイヤ
ーボンディング等により接続されたリード４３が三本導
出され、図示しない測定回路に接続されている。

【００４２】上述の発光器１１の発光部１１₁〜１１₄の
平面図を図４(ａ)に示す。また、そのＩ−Ｉ線断面図を
同図(ｂ)に示す。各発光部１１₁〜１１₄はシリコン単結
晶から成る基板１５０上に形成されており、同一円周上
に配置されている。各発光部１１₁〜１１₄は、幅狭に形
成された橋梁部５６₁〜５６₄と、基板１５０表面の凹部
である分離空間５４₁〜５４₄とをそれぞれ有しており、
各橋梁部５６₁〜５６₄中央部分は分離空間５４₁〜５４₄
上に位置するようにして、両端部分が基板１５０と一体
に成形されている。従って、各橋梁部５６₁〜５６₄の中
央部分は基板１５０と非接触の状態で固定されている。

【００４３】各橋梁部５６₁〜５６₄の一端は電極５１₁
〜５１₄にそれぞれ電気的に接続され、他端は共通電極
５５に電気的に接続されており、電極５１₁〜５１₄と共
通電極５５とは、それぞれ別々のリードにワイヤーボン
ディング接続されている。従って、共通電極５５と電極
５１₁〜５１₄とには個別に電圧を印加できるように構成
されている。

【００４４】共通電極５５を所定電位に置き、測定用発
光部１１₁、１１₃の電極５１₁、５１₃と、参照用発光部
１１₂、１１₄の電極５１₂、５１₄とに交互に電圧を印加
すると、共通電極５５を中心とし、図面縦方向に並ぶ橋
梁部５１₁、５６₃と、図面横方向に並ぶ橋梁部５１₂、
５１₄とが交互に発熱し、交互に赤外線を放射する。

【００４５】発光部１１₄の拡大平面図を図５(ａ)、そ
のＩＩ−ＩＩ線断面図を同図(ｂ)に示す。橋梁部５６
₄(及び橋梁部５６₁〜５６₃)はシリコン基板１５０表面
の高濃度層１５６と、その高濃度層１５６上に形成され
たシリコン酸化膜１６１から構成されている。

【００４６】このような発光器１１の製造方法を、図８
(ａ)〜(ｅ)、図９(ｆ)〜(ｊ)、図１０(ｋ)〜(ｍ)を用い
て以下に説明する。 (ａ)：先ず、比抵抗８〜１５Ω・ｃｍのシリコン単結晶
の面方位(１００)の基板１５０を用意し、熱酸化によっ
て表面と裏面にシリコン酸化膜１５１、１５２をそれぞ
れ形成する。シリコン酸化膜１５１の厚さは０．７μｍ
程度にする。 (ｂ)：シリコン酸化膜１５１全表面にレジストを塗布
し、レジスト膜１５３を形成する。 (ｃ)：露光・現像を行い、レジスト膜１５３をパターニ
ングし、開口部１５４を形成する。開口部１５４底面に
はシリコン酸化膜１５１表面が露出する。 (ｄ)：その露出部分をエッチングし、開口部１５４底面
にシリコン基板１５０を露出させる。 (ｅ)：レジスト膜１５３を除去した後、加速電圧１７５
ｋｅＶ、ドーズ量４．０×１０¹⁶個／ｃｍ²の条件で不
純物１５５(ボロンイオン)を打ち込み、基板１５０表面
のシリコン酸化膜１５１が形成されていない部分にドー
ピング層１５６を形成する。図１１に、この状態の平面
図を示す。 (ｆ)：エッチングによりマスクに用いたシリコン酸化膜
１５１を除去し、シリコン基板１５０表面を露出させ
る。 (ｇ)：１１００℃３０分のアニール酸化を行い、拡散層
から成る抵抗体層１５８と膜厚０．４μｍのシリコン酸
化膜１６１とを形成する。 (ｈ)：シリコン酸化膜１６１表面にレジストを塗布し、
レジスト膜１６３を形成する。 (ｉ)：露光・現像を行い、レジスト膜１６３をパターニ
ングする。このとき形成された開口部１６４の底面には
シリコン酸化膜１６１表面が露出する。 (ｊ)：レジスト膜１６３をマスクとし、開口部１６４底
面に露出するシリコン酸化膜１６１をエッチングし、次
いで、レジスト膜１６３を除去する。 (ｋ)：表面に蒸着法によって金属膜１６５を全面成膜す
る。 (ｌ)：パターニングしたレジスト膜(図示せず)をマスク
として金属膜１６５をパターニングし、電極５１₁〜５
１₄と共通電極５５を形成する。次いで、橋梁部５６₁〜
５６₄となる部分の両側のシリコン基板１５０を露出さ
せる。 (ｍ)：全体をアンモニア溶液に浸漬し、不純物濃度の低
い領域を異方性エッチングし、分離空間５４₁〜５４₄を
形成する。このとき、不純物濃度の高い抵抗体層１５８
や酸化膜１６１はエッチングレートが極めて低いので、
分離空間５４₁〜５４₄上には、抵抗体層１５８とその表
面の酸化膜１６１によって構成された橋梁部５６₁〜５
６₄が形成され、分離空間５４₁〜５４₄と橋梁部５６₁〜
５６₄とによって発光部１１₁〜１１₄が形成される。

【００４７】この橋梁部５６₁〜５６₄の幅はそれぞれ２
００μｍ、分離空間５４₁〜５４₄上の部分は６５０μｍ
の長さにされている。分離空間５４₁〜５４₄の斜面の面
方位は(１１１)である。

【００４８】電極の形成と橋梁部５６₁〜５６₄の形成を
行った後、基板１５０裏面をパッケージ表面に固定し、
電極５１₁〜５１₄と共通電極５５とをワイヤーボンディ
ングによってリードにそれぞれ接続すると発光器１１が
構成される。

【００４９】この発光器１１では、各発光部１１₁〜１
１₄は同一円周上に配置されており、その円の中心に位
置する共通電極５５を挟んで対称位置にある測定用発光
部１１₁と測定用発光部１１₃とが同時に赤外光を射出
し、その測定用発光部１１₁、１１₃が赤外光を射出して
いないときは、同様に共通電極５５を挟んで対称位置に
ある参照用発光部１１₂と参照用発光部１１₄とが同時に
発光するように駆動される。

【００５０】従って、発光器内の不均一性は、測定用発
光部１１₁と測定用発光部１１₃との間には逆方向の影響
を与え、また、参照用発光部１１₂と参照用発光部２２₄
との間にも逆方向の影響を与えるから、測定器１１内の
熱分布の不均一性が平均化され、発光器１１内の不均一
性に起因するゼロドリフトの少ない分析計を得ることが
できる。また、測定系(分析対象ガス側)の不均一性も解
消しやすい。

【００５１】このような発光器１１に対応して測定セル
２１₁、２１₂と参照セル２２₁、２２₂とを分析管２０内
に配置する場合には、測定セル２１₁と測定セル２１₂と
は対称位置に配置され、また、参照セル２２₁と参照セ
ル２２₂とは対称位置に配置されるから、分析管２０内
の熱不均一性等に起因する測定セル２１₁、２１₂内のガ
ス流の不均一性や参照セル２２₁、２２₂間の光学特性の
不均一性も平均化され、精度のよい測定を行うことが可
能となる。

【００５２】上述の分析管２０と発光器１１に替え、図
６(ａ)に示すような分析管２０aを用いることも可能で
ある。その分析管２０aは、分析対象ガスが通る４個の
測定セル４５₁〜４５₄と、比較用のガスが充填されてい
る４個の参照セル４６₁〜４６₄とを有しており、測定セ
ル４５₁〜４５₄と参照セル４６₁〜４６₄とは、同一円周
上に交互に配置されている。

【００５３】この分析管２０aと、図１２(ａ)に示すよ
うな８個の発光部１２₁〜１２₈が同一円周上に配置され
た発光器１２とを用い、発光部１２₁、１２₃、１２₅、
１２₇を測定用発光部とし、それら測定用発光部が射出
する赤外光を測定セル４５₁〜４５₄に照射させ、また、
発光部１２₂、１２₄、１２₆、１２₈を参照用発光部と
し、それら参照用発光部が射出する赤外光を参照セル４
６₁〜４６₄に照射させてガス分析計を構成すると、発光
部の数が多く、測定用発光部と参照用発光部とがより近
接配置できる分だけ測定精度が更に向上し、また、ゼロ
ドリフトが更に小さくなる。

【００５４】また、その発光器１２を用いた場合、図６
(ｂ)に示すような分析対象ガスが通る測定セル４７₁〜
４７₄と、比較用のガス又は光学用結晶が納められた参
照セル４８₁〜４８₄とが同一円周上に交互に配置された
分析管２０bを用いてもよい。

【００５５】他方、発光器１２に替え、図１２(ｂ)に示
すような発光器１３を用いてもよい。この発光器１３
は、基板上に形成され、表面に高放射膜が設けられた金
属薄膜を抵抗体層とし、その抵抗体層がパターニングさ
れて構成された発光部１３₁〜１３₈を有しており、各発
光部１３₁〜１３₈は同一円周上に配置され、個別に通電
できるように構成されている。

【００５６】この発光器１３を用いる場合でも、対称位
置にある発光部を同時に発光させ、射出する赤外光を測
定光や参照光にできるので、発光器１３内の熱分布の不
均一性や、分析管内のガス濃度の不均一性による影響が
平均化され、精度のよい測定を行うことができる。

【００５７】但し、この発光器では、発熱により赤外光
を射出する薄膜抵抗が基板に密着しているため、マイク
ロマシーニング構造の発光器と比べると、各発光部１３
₁〜１３₈の熱容量が大きい。従って、駆動周波数は図１
２(ａ)に示した発光器１２よりも遅くなる。

【００５８】次に、本発明の他の実施の形態であるガス
分析計を説明する。図１(ｂ)の符号２bは、そのガス分
析計であり、図１(ａ)に示したガス分析計２aと同じ部
材は同一の符号を付して説明する。

【００５９】このガス分析計２bは、発光器１１と、フ
ィルタホルダ７と、光源用フレネルレンズ３１と、分析
管３０と、検出器用フレネルレンズ３２と、受光器１７
とがこの順で配置され、ケーシング３３内に納められて
構成されている。

【００６０】このガス分析計２bの分解斜視図を図３に
示す。フィルタホルダ７は、分析対象ガスの吸収率が高
い波長帯域の赤外線を透過させる測定用フィルタ部５１
₁、５１₂と、吸収率が低い波長帯域の赤外線を透過させ
る参照用フィルタ部５２₁、５２₂とが同一円周上に交互
に配置されている。測定用フィルタ部５１₁、５１₂に
は、発光部１１₁、１１₃が射出する赤外光が照射され、
発光部１１₁、１１₃が測定用発光部になるように配置さ
れており、他方、参照用フィルタ部５２₁、５２₂には発
光部１１₂、１１₄が射出する赤外光が照射され、発光部
１１₂、１１₄が参照用発光部になるように配置されてい
る。

【００６１】分析対象ガスの赤外線吸収特性の例とし
て、ＣＯガス、ＣＯ₂ガス、ＣＨ₃(ＣＨ₂)₄ＣＨ₃ガスの
赤外線吸収スペクトルを、それぞれ図１４、図１５、図
１６のチャートに示す。

【００６２】分析対象ガスがＣＯの場合は、測定用フィ
ルタ部５１₁、５１₂の透過波長帯は、図１４の符号Ｍ₁
で示す範囲にし、参照用フィルタ部５２₁、５２₂の透過
波長帯は、符号Ｓ₁で示す範囲にする。

【００６３】また、分析対象ガスがＣＯ₂の場合は、そ
れぞれ図１５中の符号Ｍ₂、Ｓ₂で示す範囲にし、ＣＨ
₃(ＣＨ₂)₄ＣＨ₃ガスの場合は、それぞれ図１６中の符号
Ｍ₃、Ｓ₃で示す範囲にする。

【００６４】分析管３０は、上下が光学結晶材料によっ
て塞がれた測定参照セル３９を有しており、該測定参照
セル３９内には、ガス導入口２５から導入された分析対
象ガスが充満し、ガス排出口２６から排出されるように
構成されている。

【００６５】測定用発光部１１₁、１１₃と、参照用発光
部１１₂、１１₄とには、図示しない駆動回路により、矩
形波形で交互に通電されるように構成されており、測定
用発光部１１₁、１１₃に通電して発熱させると、射出さ
れた赤外光は測定用フィルタ部５１₁、５１₂を透過する
際に、その波長帯域は分析対象ガスで吸収される赤外線
にされ、レンズ部３１₁、３１₃で平行光線束にされた
後、測定参照セル３９内の分析対象ガスに照射される。
その赤外線が分析対象ガスを透過する際に、分析対象ガ
スの濃度に応じて赤外光が吸収され、次いで、検出器用
フレネルレンズ３２で集光され、受光器６７に入射して
強度に応じた電気信号に変換されると分析対象ガスの濃
度に応じた電気信号が得られるように構成されている。

【００６６】他方、参照用発光部１１₂、１１₄に通電し
て発熱させると、射出された赤外光の波長帯域は、参照
用フィルタ部５２₁、５２₂を透過する際に、その波長帯
域は分析対象ガスでは吸収されない赤外線にされ、分析
対象ガスに照射される。従って、その赤外線が分析対象
ガスを透過しても、受光器１７が受光する赤外線強度
は、分析対象ガスの濃度に影響されず、このとき受光器
１７が発生させる電気信号は、測定用発光部１１₁、１
１₃から射出された赤外光の強度を算出する際の基準値
となる。従って、測定用発光部１１₁、１１₃と、参照用
発光部１１₂、１１₄からの赤外光による電気信号の強度
差又は強度比を求めれば、分析対象ガスの濃度を求める
ことができる。

【００６７】以上説明したガス分析計は発光器を１個用
いるものであったが、図１３に示すように、測定用発光
部と参照用発光部とをそれぞれ有する２個の発光器６１
₁、６１₂を用いてガス分析計６２を構成してもよい。こ
のガス分析計６２では、２個の発光器６１₁、６１₂内に
それぞれ設けられた測定用発光部と参照用発光部とに交
互に通電し、射出された赤外光を、各発光器６１₁、６
１₂内に設けられた狭帯域フィルタを通した後、分析対
象ガスエリア６０中を透過させ、一つの受光器６７で受
光させる。

【００６８】この場合、各発光器６１₁、６１₂内の測定
用発光部から同時に赤外光を射出させ、また、各発光器
６１₁、６１₂内の参照用発光部から同時に赤外光を射出
させることができるので、大きな光量が得られる。従っ
て、測定光路が１ｍを超えるようなガス分析計に有効で
ある。このガス分析計６２では、発光器６１₁、６１₂上
には光源用フレネルレンズ６３₁、６３₂が、受光器６７
上には検出器内フレネルレンズ６４が必要となる。

【００６９】なお、分割前は同一基板(ウェハー)内で隣
接する位置にある２個の発光器で発光器６１₁、６１₂を
構成した場合には、一方の発光器６１₁に狭帯域測定用
フィルター(図示せず)を配置し、他方の発光器６１₂に
狭帯域参照用フィルターを配置し、測定系の工夫によ
り、ガス分析計６２を構成してもよい。その場合は、各
発光器６１₁、６１₂を交互に通電して赤外光を射出さ
せ、それぞれに配置されたフィルターを通った光を分析
対象ガスエリア６０に照射させ、透過した赤外光を一つ
の受光器６７で受光してガス分析を行うことになる。

【００７０】他方、図１２(ａ)に示した発光器１２や、
同図(ｂ)に示した発光器１３を用いて発光器７１とし、
受光器７７₁〜７７₃を設けて同図１３(ｂ)に示すガス分
析計７２を構成してもよい。

【００７１】そのガス分析計７２を説明すると、受光器
７７₁〜７７₃内には、それぞれＣＯ₂ガス、ＣＯガス、
ＨＣガスの吸収率が高い波長帯域の図示しない測定用フ
ィルターがそれぞれ設けられており、受光器７７₄内に
は、各ガスの吸収率が低い波長帯域の、図示しない参照
用フィルターが設けられており、それらの波長帯域とは
重なり合わないようにされている。

【００７２】このガス分析計７２は、発光器７１から射
出された赤外光が分析対象ガスエリア７０に照射され、
分析対象ガスエリア７０内の分析対象ガス中を透過する
ように構成されており、その透過赤外光は、先ず、ミラ
ー７３で反射され、ビームスプリッタ７４₁に入射す
る。ビームスプリッタ７４₁は入射した赤外光の一部を
反射し、残りを透過させてビームスプリッタ７４₂に入
射させる。

【００７３】ビームスプリッタ７４₁の反射赤外線の光
路上には図示しないＣＯ₂用フィルタが設けられ、ＣＯ₂
の吸収波長帯域の赤外光だけが透過するように構成され
ており、そのＣＯ₂用フィルタを透過した赤外光は受光
器７７₁に入射するように構成されている。従って、受
光器７７₁には、分析対象ガスエリア７０内のＣＯ₂ガス
濃度に応じた強度の赤外光が入射する。

【００７４】ビームスプリッタ７４₁を透過した赤外光
は、後段のビームスプリッタ７４₂に入射するように構
成されており、ビームスプリッタ７４₂は、入射赤外光
の一部を反射し、残りを透過させる。

【００７５】ビームスプリッタ７４₂の反射赤外線の光
路上には図示しないＣＯ用フィルタが設けられ、ＣＯガ
スの吸収波長帯域の赤外光だけが透過するように構成さ
れており、そのＣＯ用フィルタを透過した赤外光は受光
器７７₂に入射するように構成されている。従って、受
光器７７₂には、分析対象ガスエリア７０内のＣＯガス
濃度に応じた強度の赤外光が入射する。

【００７６】ビームスプリッタ７４₂を透過した赤外光
は、更に後段のビームスプリッタ７４₃に入射するよう
に構成されており、ビームスプリッタ７４₃は入射赤外
光の一部を反射し、残りを透過させる。

【００７７】ビームスプリッタ７４₃の反射赤外線の光
路上には図示しないＨＣ用フィルタが設けられ、ＨＣガ
スの吸収波長帯域の赤外光だけが透過するように構成さ
れており、そのＨＣ用フィルタを透過した赤外光は受光
器７７₃に入射するように構成されている。従って、受
光器７７₃には分析対象ガスエリア７０内のＨＣガス濃
度に応じた強度の赤外光が入射する。

【００７８】ビームスプリッタ７４₃を透過した赤外光
は、ミラー７５に入射するように構成されており、ミラ
ー７５は入射赤外光の全部を反射する。その反射赤外光
の光路上には、ＣＯ₂ガス、ＣＯガスやＨＣガス等の測
定対象ガスの吸収波長帯域以外の波長帯域の赤外線を透
過させる参照用フィルタが設けられており、その参照用
フィルタを通った赤外光が受光器７７₄に入射するよう
に構成されている。従って、受光器７７₄には、分析対
象ガスエリア７０内のＣＯ₂ガス、ＣＯガス、ＨＣガス
の濃度には影響されない赤外光が入射する。

【００７９】このように、各ビームスプリッタ７４₁〜
７４₃と各ガスに対応したフィルタによって、順次ＣＯ₂
ガス、ＣＯガス、ＨＣガスの吸収率が高い波長帯域の赤
外光が受光器７７₁〜７７₃にそれぞれ入射し、他方、各
ガスの吸収率が低い波長帯域の赤外光が受光器７７₄に
入射するので、受光器７７₁〜７７₃からはそれぞれのガ
ス濃度に応じた電気信号が発生し、受光器７７₄からは
ガス濃度に影響されない電気信号が得られる。

【００８０】従って、受光器７７₄から得られる電気信
号を基準とし、受光器７７₁〜７７₃から得られる電気信
号との強度比や強度差を求めると、同じ分析対象ガス中
の、ＣＯ₂ガス、ＣＯガス、ＨＣガスの濃度を同時に測
定することができる。

【００８１】以上説明したことから、このガス分析計７
２によれば、複数種類のガスを同時に分析対象ガスとし
て個別に濃度を測定できることが分かる。この場合、８
個の発光部に同時に通電してもよいし、発光条件が同じ
になるようにしながら、対称位置にある２個の発光部だ
けに通電するようにしてもよい。

【００８２】上述の各実施例は、赤外光を使用する場合
について説明したが、可視光や紫外光等の他の波長の光
を用いるものも本発明に含まれる。また、分析対象物は
ガスに限定されるものではなく、流動体であれば本発明
に含まれる。

【００８３】各実施形態中のフレネルレンズの材質につ
いては、２．５μｍ〜１０μｍの波長帯域の赤外光を透
過させたい場合にはシリコンが都合がよい。分析対象ガ
スが炭化水素類(吸収波長帯域：３．０μｍ〜３．５μ
ｍ)や一酸化炭素(吸収波長帯域：４．７μｍ付近)の場
合は、ＰＦＡやＦＥＰ等のエチレンフッ化物を含む樹脂
によってフレネルレンズを安価に形成できる。

【００８４】また、上述の発光部のうち、分離空間と橋
梁部とを有するものは、犠牲層をサイドエッチングによ
り部分的に除去して分離空間を形成し、その分離空間の
上に残された構造層で橋梁部を形成してもよい。

【００８５】

【発明の効果】個々の発光部の発光特性が均一になるの
で光チョッピングのためのモーターを必要とせず、簡単
な構成で寿命の長い分析計を得ることができる。また、
発光部を小型化できるので、分析計も小型・軽量にでき
る。

【００８６】特に、シリコンマイクロマシーニング技術
により分離空間と発光部を形成した場合には、熱容量が
小さく、高周波数動作を行うことができる。

【００８７】本発明をガス分析に応用した場合には、携
帯型のガス検知装置を作ることが可能となる。また、高
速測定が要求される排ガス計測や燃料噴射制御にも適用
することができる。

【００８８】本発明は、産業計測分野や環境技術分野等
の広い分野をはじめ、一般生活にも適用することができ
る有用性の高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】(ａ)：本発明の分析計の参照セルを用いたもの
の一例 (ｂ)：本発明の分析計のオープンセルを用いたものの一
例

【図２】参照セルを用いたものの分解斜視図

【図３】オープンセルを用いたものの分解斜視図

【図４】(ａ)：マイクロマシーニング構造の発光器の一
例の平面図 (ｂ)：その断面図

【図５】(ａ)：発光部の一例の平面図 (ｂ)：その断面図

【図６】(ａ)：分析管の一例 (ｂ)：分析管の他の例

【図７】(ａ)〜(ｃ)：受光器の一例

【図８】(ａ)〜(ｅ)：発光器を製造するための前半の工
程図

【図９】(ｆ)〜(ｊ)：その中半の工程図

【図１０】(ｋ)〜(ｍ)：その後半の工程図

【図１１】不純物を打ち込むときの状態を説明するため
の図

【図１２】(ａ)：マイクロマシーニング構造の発光器の
他の例の平面図 (ｂ)：薄膜抵抗を使用した発光器の例を示す平面図

【図１３】(ａ)：長距離光路に対応した本発明の分析計
の例 (ｂ)：同一光路において分析対象が複数の場合の本発明
の例

【図１４】ＣＯガスの赤外線吸収スペクトルを示すチャ
ート

【図１５】ＣＯ₂ガスの赤外線吸収スペクトルを示すチ
ャート

【図１６】ＣＨ₃(ＣＨ₂)₄ＣＨ₃ガスの赤外線吸収スペク
トルを示すチャート

【図１７】測定波長透過光学フィルタの特性を説明する
ためのグラフ

【図１８】(ａ)〜(ｃ)：従来技術の分析計を説明するた
めの図

【符号の説明】

２a、２b、６２、７２……分析計 １１、１２、１
３、６１₁、６１₂、７１……発光器 １７、６７、７
７₁〜７７₄……受光器 １５０……基板 １５８…
…抵抗体層 １１₁〜１１₄、１２₁〜１２₈、１３₁〜
１３₈……発光部 ５４₁〜５４₄……分離空間 ５６₁〜５６₄…… 橋梁
部 ２１₁、２１₂、４５₁〜４５₄、４７₁〜４７₄……
測定セル ２２₁、２２₂、４６₁〜４６₄、４８₁〜４
８₄……参照セル １１₁、１１₃、１２₁、１２₃、１
２₅、１２₇、１３₁、１３₃、１３₅、１３₇……測定用発
光部 １１₂、１１₄、１２₂、１２₄、１２₆、１２₈、
１３₂、１３₄、１３₆、１３₈……参照用発光部 ５１
₁、５１₂……測定用フィルタ部 ５２₁、５２₂……参
照用フィルタ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三橋 雅彦 神奈川県横浜市旭区中尾町51 二俣川寮 201号室 (72)発明者 秋本 健二 神奈川県川崎市中原区宮内４丁目９番35 号 光明理化学工業株式会社 研究所内 (72)発明者 水谷 大一 神奈川県川崎市中原区宮内４丁目９番35 号 光明理化学工業株式会社 研究所内 (72)発明者 渡辺 敏弘 神奈川県川崎市中原区宮内４丁目９番35 号 光明理化学工業株式会社 研究所内 (56)参考文献 特開 平６−347403（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−64143（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−40847（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭51−40386（ＪＰ，Ｕ) 国際公開97／47159（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 G01J 3/00 - 3/52 G01J 1/00 - 1/60 G01J 5/00 - 5/62 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光器と受光器とを有し、前記発光器が射
   出する測定光を分析対象物に照射し、透過した測定光を
   前記受光器で受光できるように構成され、 前記発光器は、基板と、前記基板内部の表面近傍に位置
   する抵抗体層と、前記基板の前記抵抗体層の下方位置に
   おいて、前記基板の表面側が部分的に除去されて形成さ
   れた分離空間とを有し、 前記抵抗体層のうち、前記分離空間上に位置する部分で
   橋梁部が形成され、 前記橋梁部と該橋梁部下方の前記分離空間とで発光部が
   構成され、 該発光部中の前記橋梁部は、通電されると発熱して前記
   測定光を射出するように構成されると共に、 分析対象物が流れる測定セルと、基準物質が配置された
   参照セルとを有し、前記発光器から射出された測定光の
   うち、前記測定セルを透過した測定光と前記参照セルを
   透過した測定光とが前記受光器によって受光されるよう
   に構成された分析計であって、 前記発光部は、前記測定光を前記測定セルに照射する測
   定用発光部と、前記参照セルに照射する参照用発光部と
   に分けられ、 前記測定用発光部と前記参照用発光部とは、別々に通電
   できるように構成された分析計。
2. 【請求項２】発光器と受光器とを有し、前記発光器が射
   出する測定光を分析対象物に照射し、透過した測定光を
   前記受光器で受光できるように構成され、 前記発光器は、基板と、前記基板内部の表面近傍に位置
   する抵抗体層と、前記基板の前記抵抗体層の下方位置に
   おいて、前記基板の表面側が部分的に除去されて形成さ
   れた分離空間とを有し、 前記抵抗体層のうち、前記分離空間上に位置する部分で
   橋梁部が形成され、 前記橋梁部と該橋梁部下方の前記分離空間とで発光部が
   構成され、 該発光部中の前記橋梁部は、通電されると発熱して前記
   測定光を射出するように構成されると共に、 前記分析対象物の吸収度が高い波長帯域の光を透過させ
   る測定用フィルタ部と、前記分析対象物の吸収度が低い
   波長帯域の光を透過させる参照用フィルタ部とを有し、 前記測定用フィルタ部と参照用フィルタ部には、前記発
   光器から射出された前記測定光のうち、異なる光路を進
   む測定光が透過するように構成された分析計であって、 前記各発光部は、射出する前記測定光が前記測定用フィ
   ルタ部を通る測定用発光部と、前記参照用フィルタを通
   る参照用発光部とに分けられ、 前記測定用発光部と前記参照用発光部とは、別々に通電
   できるように構成された分析計。
3. 【請求項３】前記測定用発光部と前記参照用発光部とは
   交互に配置された請求項１又は請求項２のいずれか１項
   記載の分析計。
4. 【請求項４】前記抵抗体層は、前記基板表面側から前記
   基板内部側に拡散された不純物層によって形成された請
   求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の分析計。
5. 【請求項５】前記分離空間は、前記橋梁部となるべき前
   記抵抗体層を残しながら、その部分の抵抗体層の下方位
   置の前記基板の一部をエッチング除去して形成された請
   求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の分析計。
6. 【請求項６】前記発光部は、同一基板上に複数個形成さ
   れた請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の分析
   計。
7. 【請求項７】前記各発光部は、対称に配置された請求項
   ６記載の分析計。