JP4547385B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は光学的ガスセンサに関し、特に、非分散形赤外線ガスセンサに関する。

従来の光学的ガスセンサの主な働きを以下に説明する。

一般に、光は光路上での回折、反射、屈折及び吸収により光度が減少あるいは増加する。入射光が光路を通ると、光路上のガスは光を吸収して初期光度は減少する。

ガス濃度(J)が等方的で光路上で均一な場合、赤外線の光路(L)を通った後の最終光度 (I)は下記の通りガス吸水係数(K)、光路長(L)と初期光度(Io)の関数であって、Beer-Lambertの法則によって説明できる。

式（１）：Ｉ = Ｉｏ・ｅ^{−ＫＪＬ(ｘ)}
Beer-Lambertの法則は上記の式（１）で表される。初期光度(Io)及び測定対象ガスの吸収係数が一定の場合、最終光度(I)は光路上のガス濃度(J)と光路長(L)の関数として表される。

式（１）において測定対象ガスが存在しない場合、即ちＪ＝０のとき、最終光度と初期光度は同じになり、（２）式で表される。
式（２）：Ｉ = Ｉｏ
従って、測定対象ガスがない場合とガス濃度がＪの場合との光度差は式（３）で得られる。
式（３）：ΔＩ = Ｉｏ・（１−ｅ^{−ＫＪＬ(ｘ)}）
しかし、従来の赤外線センサは光度に比例した電圧を出力するため、ガスの有無によるセンサの出力は式（４）で表される。
式（４）：ΔＶ＝α・ΔＩ＝α・Ｉｏ・（１−ｅ^{−ＫＪＬ(ｘ)}）
但し、αは比例係数とする。

低濃度から高濃度までの広範囲を測定できる光学的ガスセンサを作るためには、まず第１に、長い光路(L)を有する光キャビティ（又はガスチャンバ）を用意し、第２に検出可能な最低光度(Ith)が十分低い赤外線センサを使用し、または、第３に赤外線センサで飽和光度(Isat)が比較的高いが赤外線光源から照射される光の初期光度(Io)より若干低いものを使用することが必要である。

しかし、市販の赤外線検出センサ（例えば、熱電対型赤外線センサまたは、受動赤外線センサ）は、上記のすべての条件を満足することができないため、光路長の長い光キャビティを提供する有利な方法が求められる。

限られた光キャビティ内で光路を延長するさまざまな方法が提案され、その一つが特許文献１に開示されている。図１に示す通り、この発明は、光導波管を用いて多重反射を起こすことにより光導波管の物理的な長さよりさらに長い平均光路の提供を図っている。またこの発明は、光源から赤外線を任意方向に照射して光路を延長しようとする。しかし、一般的な赤外線ガスセンサでは、入射光線の受光範囲が限られている。このように受光範囲が限られると、実質的に赤外線センサに到達して測定に利用される光は微量となる。したがって、ガスチャンバの効率が悪くなり実用性を欠いていた。

別の方法として、White’s Cellの原理を利用した特許文献２が開示されている。図２に示す通り、鏡の反射面に多数の焦点が位置する３つの反射鏡を配置することにより入射光を所定回反射させて、光路上の微量なガスまで分析できるような光路長に延長することができる。

しかし、このようなシステムは光源としてレーザーを使用するため、二酸化炭素等ガスの測定には適していない。さらに、反射面間距離が長いため小型ガス測定器への適用は難しい。

さらに別の方法として、特許文献３は凸反射鏡と凹反射鏡を組み合わせて構成したガスセンサを開示している。図３に示す通り、本方法は有効な長い光路を確実にするために、ガスセル内に可動凸反射鏡を備えることを特徴とする。本方法によるガス分析器は、ガスセンサ内に一定空間を確保し、かつ、内部の汚れを防ぐための構造物（１２）、蓋（１３）、円筒型光反射鏡（１５）、鏡を回転させるためのステッピングモータ(１６)、赤外線センサ（２４）、多数のフィルタを備えた回転ディスク（２１）およびディスクを回転させるためのステッピングモーター（２３）を備える。

しかし、このようなシステムの製造は難しいだけでなく、反射鏡を回転させるステッピングモータが必要となるため、携帯型で取り扱いが簡単な小型ガス分析器への適用には不利である。

さらなる別の方法が、非特許文献１に開示されている。図４に示す通り、本方法では限られた光キャビティ内に比較的長い光路を提供するために、３つの凹面鏡を配置している。即ち、非特許文献１の開示するガスセンサは３つの楕円形凹面を備え、各凹面から反射される光の焦点位置を互いに対向する反射面上またはその付近に設定する特許文献２に開示されている概念を利用したセル構造の光学的ガスセンサである。

しかし、この３つの反射面を有するガスセンサセルの構造は複雑である。さらに、主反射鏡（一体型の反射鏡）の表面上に配置した光源から光キャビティを通って照射される入射光の入射角がわずかに変化することがあるため、光学的センサの適切な位置を決定することが困難であった。

実際のＮＤＩＲガスセンサシステムには、これまで４種類の光キャビティが適用されている。

最初に、特許文献４には一つの赤外線光源と一つの光検出器を備えた角状又は円筒管状のものが開示されている。
２番目に、特許文献５または非特許文献２は、１つの光検出器と熱劣化補償のために２つの赤外線光源を備えたタイプを開示している。
３番目に、非特許文献３は、円筒状光キャビティを用い、対象とするガスの波長を選択するためのFabry-Perotフィルタを利用したものを開示している。
４番目に、非特許文献１は、容量の小さい容器内に３つの楕円鏡を備えて光路を延長させているものを開示している。

米国特許第５，３４１，２１４号明細書 米国特許第５，００９，４９３号明細書 米国特許第５，４８８，２２７号明細書 米国特許第５，４４４，２４９号明細書 米国特許第６，０６７，８４０号明細書 国際公開第９８／０９１５２号明細書 I.Y.Park et al, "An implementation of NDIR type CO2 gas sample chamber and measuring hardware for capnograph system in consideration of time response characteristics", Journal of Korean Sensor Society,2001, vol.5,no.5,pp279-285 Makoto Moro et al, "CO2/H2O Gas Sensor Using Tunnable Fabry-Perot Filter with Wide Wavelength Range",IEEE International Conference on MEMS, 2003, pp.319-322

本発明は上記の問題を解決するためになされた。本発明の主な目的は光路長をなるべく延長して広い測定範囲を持つだけでなく、設計が容易な光キャビティ（またはガスチャンバ）構造を有する光学的ガスセンサを提供することにある。

また、本発明は新型の光学的ガスセンサセルに必要な新しい光キャビティ構造を提供し、このような光キャビティを使用するセンサでの二酸化炭素濃度測定結果に基づいた新しいガスセンサを提示する。

発明を解決するための手段

前述の目的を達成するための本発明の一態様による光学的ガスセンサは、試料ガスを受容するためのガスチャンバと、ガスチャンバ内に試料ガスを注入またはガスチャンバ内の試料ガスを排出するためのガス開口部と、試料ガスに向けて赤外線を照射するための赤外線光源と、試料ガスを通過した赤外線の光度を検出するための赤外線センサとから構成され、ガスチャンバの壁は、焦点は同じ位置にあるが焦点距離が異なる互いに対向する２つの凹面鏡から成る。

前述の目的を達成するための本発明の別の態様による光学的ガスセンサは、試料ガスを受容するためのガスチャンバと、ガスチャンバ内に試料ガスを注入またはガスチャンバ内の試料ガスを排出するためのガス開口部と、試料ガスに向けて赤外線を照射するための赤外線光源と、試料ガスを通過した赤外線の光度を検出するための赤外線センサとから構成される。ガスチャンバの壁は、焦点距離は異なるが焦点が同じ位置にある互いに対向する２つの凹面鏡から成り、これらの凹面鏡は、両凹面鏡の軸に平行な入射光を一方の凹面鏡の面上で反射させてから両凹面鏡の焦点を通過させ、両凹面鏡の焦点を通過した入射光をさらに他方の凹面鏡の面上で反射させて、両凹面鏡の軸に平行に進行させる曲率を有する。

ガス開口部は、ガスチャンバの特定の壁面に設けられたガス通気孔とガスチャンバの支持板上に配置されている複数のガス拡散孔を含む。

複数のガス拡散孔はガスフィルタで覆われている。
複数のガス拡散孔は、好ましくは赤外線センサから照射される入射光と同軸上に配置されている。

ガス通気孔は下向きに曲げられているか、あるいは着脱可能な蓋を備えている。

凹面鏡は表面が金メッキ又は金蒸着されて作られている。

ガスチャンバは、支持板に形成されている赤外線光源に隣接したガスチャンバの支持板と一体形成されている放物面鏡を含む。
ガスチャンバは、支持板上の赤外線光源から照射される赤外線の少なくとも一部を投射するための光照射口を有する。
赤外線光源を放物面鏡の焦点位置に配置することができる。

ガスチャンバの支持板は、赤外線光源との高低差の影響を受けて傾斜するため、高さ調整構造を備えることもできる。

本発明の実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。

図５には放物面鏡の光学的特性を示す。
図５に示す通り、放物面鏡の場合、光軸に平行に入射した光の反射光は必ず反射鏡の焦点を通過し、鏡の焦点を通過した反射光は必ず光軸に平行に進む。
本発明はこのような放物面鏡の光学的特性を利用する。

図６には焦点が同じ位置にある２つの放物面鏡を備える光キャビティシステムの光学的特性を示す。
図６に示す光空キャビティシステムは、互いに対向する２つの放物面鏡が同じ位置に焦点を持つが焦点距離（Ｏ_Ａ−Ｆ,Ｏ_Ｂ−Ｆ）が異なるように配置されている。
光キャビティシステムは光源の位置によって、入射光を光キャビティ内で発散させる発散システム (図６ａ）と入射光を光キャビティ内で収束させる収束システム（図６ｂ）とに分類される。
図６ｂに示すように、Ｏ_Ａ−Ｆ＜Ｏ_Ｂ−Ｆの条件を満たす場合、光が凹面（Ｂ）から光軸上の焦点Ｆに向かって進むと、光は焦点を通ってから凹面（Ａ）で反射し、その後光軸に平行に進む。この反射光は、光軸に収束して最終的に凹面（Ａ）または（Ｂ）に到達するまで凹面（Ｂ）で反射されるプロセスを繰り返す。また、光軸に収束した光は反射して入射してきた方向に再び向かう。

図７は、焦点は同じ位置にあるが異なる焦点距離を有する２つの放物面鏡によってできる光路を示す。
図７ｂに示す通り、Ｏ_ＡＦ−Ｏ_ＢＦ＞Ｏ_Ａ’Ｆ−Ｏ_Ｂ’Ｆであるような光キャビティシステムは、光キャビティ（Ｃ’）内での光の反射回数が図７ａに示す光キャビティ（Ｃ）の反射回数より多いため、光キャビティ（Ｃ’）での光路は光キャビティ（Ｃ）での光路より長いという特徴がある。

上述のように、焦点は同じ位置にあるが異なる焦点距離（Ｏ_Ａ−Ｆ,Ｏ_Ｂ−Ｆ）を有する互いに対向する２つの放物面鏡が配置されている光キャビティシステムでは、焦点距離を変えることによって光路長を調整することができ、また光軸の角度と光の入射角を変えることによって光路を調整することができる。

さらに、２つの放物面鏡が同じ位置に焦点を有するが互いの焦点距離が異なり、さらに入射光が光軸に収束するため、赤外線センサの位置設定が容易となる。

本発明による光学的ガスセンサは、光キャビティシステムの光学的特性を利用し、光に光源と赤外線センサの間の光軸上でできるだけ多く反射させ、これにより一定の大きさの光キャビティ内での光路を延長する。以下に本発明による光学的ガスセンサの実施例を説明する。

図８には、本発明の一実施例による光学的ガスセンサの上面図を示す。
本発明の一実施例による光学的ガスセンサは、ガスチャンバ、ガス通気孔（４０）、放物面鏡（５０）、赤外線センサ（６０）、光照射口（８０）、赤外線ランプ（９０）、高さ調整構造（１１０）、ガス拡散孔（１２０）及びガスフィルター（１３０）を備え、前記ガスチャンバはガスチャンバ下方支持板（１０）、第１の鏡（２０）、第２の鏡（３０）およびガスチャンバ上板（７０）を有する。

図８の光学的ガスセンサの上面図に示す通り、光学的ガスセンサは、ガスチャンバ下方支持板（１０）、ガスチャンバ上板（７０）とチャンバ壁とから構成される密閉した光キャビティから成るガスチャンバを備える。

ガスチャンバ壁面は第１の鏡（２０）と第２の鏡（３０）から構成され、第１の鏡（２０）および第２の鏡（３０）の焦点（Ｆ１）は同じ位置にあり、これらの鏡は異なる曲率半径を有する円弧状に形成されている。

２つの円弧状の反射鏡を使用する理由は、仮に円形であった場合には焦点は直径の１/２の位置にできてパラボラのように作用するからである。光を光軸に平行に照射すると、反射光の光路は焦点としてあるいは焦点に隣接する位置として判断される。従って円筒状の鏡の特定位置では、放物面鏡と同じあるいは類似した光学的特性を示す。

第１の鏡（２０）には赤外線ランプ（図示せず）から照射される赤外線のための開口が、ガスチャンバ下方支持板（１０）上には放物面鏡（５０）が形成されている。放物面鏡（５０）は、赤外線ランプから照射される光が直進することを確実にする。

さらに、赤外線ランプからの赤外線の一部だけを照射させる光照射口（８０）がガスチャンバ下方支持板（１０）上に形成されている。

赤外線ランプから照射される光を検出するための赤外線センサ（６０）が第２の鏡（３０）上に配置されている。光学的ガスセンサの特性の確認と初期補正を行うための基準ガス注入用ガス通気孔（４０）は、第１の鏡（２０）と第２の鏡（３０）とが出会う位置に設置される。

図８に示す通り、上記の構成を有する光学的ガスセンサからの赤外線光は、放物面鏡（５０）を通って光軸に平行に入射してから第２の鏡（３０）に向かって進む。その後、第１の鏡（２０）と第２の鏡（３０）との共通な焦点（Ｆ１）位置または共通な焦点（Ｆ１）位置近くを通過して、第１の鏡（２０）で反射する。最終的に、収束した入射光は第２の鏡（３０）に配置されている赤外線センサ（６０）に到達する。

一方、ガスチャンバの壁で光が反射する際に生じる損失と光の乱反射を最小限にするために、ガスチャンバを金属性にすることができる。この場合、金属の内側面を磨いて鏡面仕上げにすることにより、乱反射を減らすことができる。

非金属性ガスチャンバを作る際に、高い反射率を有する金、ニッケル、銀、銅あるいは金／クロムの二重層から成る材層をチャンバ壁に塗布することによって光の損失を最小限に抑えることができる。

次の表１は光波長による各種金属の反射率を示す。表から、金と銀は８００nm以上の光波長で反射率が少なくとも９８％であり、アルミニウムと銅は１μｍ以上の光波長で反射率が少なくとも９４％であることが分かる。しかし、一般に銀、アルミニウム、銅などは常温で湿度が高い場合、すぐに酸化して変色する。反射面の経時変化を防ぎ長期信頼性を確実にするためにはチャンバ内面を金処理することが望ましい。

従って、赤外線を効率良く反射させるために、好ましくは、第１の鏡（２０）と第２の鏡（３０）の反射面に金または金/クロムのメッキまたは蒸着を施す。

図９には図８に示す光学的ガスセンサのＡ−Ａ’断面図を示す。図９に示す通り、赤外線ランプ（９０）から光キャビティへ照射する赤外線の光照射口（８０）がガスチャンバ下方支持板（１０）に形成され、赤外線ランプから照射する入射光が直進することを確実するための放物面鏡（５０）が第１の鏡（２０）とガスチャンバ下方支持板（１０）に接続するように形成されている。
赤外線ランプ（９０）をガスチャンバの下方支持板（１０）の下部に設け、放物面鏡（５０）の焦点位置に配置する。

図１０には図８に示す光学的ガスセンサのＢ−Ｂ’断面図を示す。図１０には、例えば、ガスチャンバ内がほこりによって汚されることを防ぐ、ガス通気孔（４０）に連結した蓋（１００）を示す。この蓋（１００）はガス通気孔（４０）から分離できる。

ガスを迅速に拡散させるための複数の拡散孔（１２０）がガスチャンバ下方支持板（１０）上に形成されている。ガス拡散孔（１２０）は、ガスのみを選択的に通過させてほこりの拡散と湿気を防止するガスフィルター（１３０）で覆われている。一方、赤外線ランプ（９０）によって生じるガスチャンバの高低差を補うための高さ調整構造物（１１０）がガスチャンバ下方支持板（１０）の下に形成されている。

図１１には図８に示す光学的ガスセンサのＣ−Ｃ’断面図を示す。図１１から、ガスチャンバ下方支持板（１０）上に形成されている複数のガス拡散孔（１２０）が好ましくは赤外線センサ（６０）の光軸上に形成されていることが分かる。

図１２は、図８から図１１に示す本発明の一実施例による光学的ガスセンサの斜視図を示す。

図１３は本発明の別の実施例による光学的ガスセンサの上面図を示す。図１４は図１３に示す光学的ガスセンサのＡ−Ａ’断面図を示す。

図１３に示す光学的ガスセンサは、ガスチャンバ壁を形成する２つの鏡が円弧状では無く放物面状であるという違いだけで、上記図８から図１２に示す光学的ガスセンサとほぼ同一の構造を有する。

即ち、図１３に示す光学的ガスセンサのガスチャンバ壁は、焦点は同じ位置にあるが焦点距離が異なる互いに対向する２つの放物面鏡を利用する。また、ガス通気孔（４５）は、ガスチャンバ内の汚れを防ぐために、重力方向に曲げられている。

図１３および図１４に示す光学的ガスセンサの作用原理は、赤外線ランプ（９５）から照射する赤外線は光照射口（８５）および放物面鏡（５５）を介してガスチャンバ内に入る。

入射光は、第1の放物面鏡（２５）と第２の放物面鏡（３５）との同じ焦点位置に向けて照射され、第１および第２放物面鏡（２５,３５）に反射して収束する。光度は赤外線センサ（６５）で測定される。

本発明の別の目的は、非分散形赤外線ガスセンサのための、断面が円弧状で、中心が同軸上にあり、光源を設置するための入口と光検出器を設置するための出口とガス注入／排出口とを除いては光学的に閉鎖されている、互いに対向する２つの凹面鏡を備える、光キャビティを作ることである。

本発明の目的は、赤外線を照射するための光源と、光源からの光をついには検出するための光検出器と、光源を設置するための入口と光検出器を設置するための出口とガス注入／排出口とを配置するための口があることを除いては光学的に閉鎖されている断面が円弧状で中心が同軸上にある互いに対向する２つの凹面鏡と、光源から照射される光を制御するためにパルス変調時間が２００から６００msでターンオフ時間が２、２.５および３秒である光変調部と、光検出器からの電子信号を増幅するための増幅部を備える非分散形赤外線ガスセンサとによって達成される。

以下に本発明の別の実施例の図面を参照して、本発明の別の側面をさらに詳細に説明する。

基本的に本発明の光キャビティは複数の円弧で形成される。２つの円弧の中心は同軸上にある。

また、本発明の実施例では、各円弧の中心が一方の円弧と他方の円弧とを結ぶ直線の中点と重なる（２つの円弧の中心が同一直線上にある）ように設計されている。この理由は、特定の条件において照射される光が同じ直線上(円弧の特性が放物面と同じように適用できるなら、円弧は同一焦点位置を通過するように設計されている)の特定の点を通るようにするためである。この条件を課す理由は、例えば、軸に平行に鏡へ入射した光が焦点に収束するよう、放物面および円弧の特性を確実にするためである。つまり、本発明が上記にて提案するような構造として設計された場合、軸に水平に照射された光は各鏡で反射され、対向する面および特定の点に向かって進む。これは以下の試験結果から分かるように、平行に進む光は光軸上で焦点が合うからである。

一方、本発明の上述の実施例では二つの円弧が異なる半径を有するように設計されており、半径がより大なる円弧の中心は半径がより小なる円弧の外側にあり、半径がより小なる円弧の中心は半径がより大なる円弧の内側にある。この場合、光は光源から光検出器までの光路を適切な回数だけ循環することが実験で確認された。

上記のすべての条件を満たす状況で、光の収束効果が得られる、かつ、光路を効果的に延長できる光キャビティを設計するために、以下の光学的シミュレーションが行われた。

シミュレーションでは、波長が４．２μｍで入力電力が定常状態での消費電力である０．６６ワットの赤外線光源を用意した。また、約９７％の反射率を有する反射鏡を模擬するために、光キャビティの内面を金（Ａｕ）で被覆した。これは、特定の厚さを有する金薄膜は赤外線領域で、特に波長が１μｍ以上のとき、反射率が少なくとも９７％となるからである。また、入射光は入射口に垂直に入射する平行光を用いた。一方、光検出器の作用面の形状、大きさおよび配置等は、市販の赤外線センサに適用できるように設定した。また、シミュレーションの解析ツールにはLambda Research Corporation社のプログラム、TracePro（商標登録）を利用した。

第１のシミュレーションでは、図１５ａ、１５ｂおよび１５ｃに示す光学構造を適用した。図１５ｃに示す光キャビティは、図１５ａに示すその左半分と図１５ｂに示すその右半分を組み立てたものである。これは、初期検査にかかる制作コストを抑えまた、鏡の金薄膜の蒸着を容易にするための一例である。このような組み合わせは、ほんの一例でしかなく、他の組み合わせでできる別の光キャビティも適用できる。つまり、金型を用いて一体化した光キャビティを作り、表面に金蒸着または金メッキを施すこともできる。

第１のシミュレーションにおいて、光路をチェックできるよう、また、光キャビティの大きさが小さいままで光検出器の光検出量が増えるよう光の収束効果が得られる設計とした。つまり、式（８）に示すように、微量ガスを測定するためには、第１に、光キャビティ内での光路を延ばす必要があり、第２に赤外線を検出できる最低光度（Ｉ_ｔｈ）を有する赤外線センサを用い、第３に、光源から照射される初期光度（Ｉｏ）よりわずかに小さいが比較的大きい彩度（Ｉ_ｓａｔ）を有する赤外線センサを用いることができる。これらの方法に加え、光の収束によって赤外線センサに到達する光の光度を増やす方法がある。以下に、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１６は、図１５ｃに示す光キャビティ体から発する光の光路を示す。
図１６は、光キャビティ内での光路長を計算するための有用な情報を提供する、入射光の光路を示す。

図１７は、図１５ｃに示す光キャビティ体から発する光の収束効果を示す。
図１７は、光源から照射される平行光が特定の点に集光される特性を示す。即ち、所定の位置にある光源から、複数の円弧の中心がある光軸に平行な光が照射されてから、２度反射させると、光源と対向する鏡面上に位置する赤外線センサに隣接した位置に焦点ができ、これにより、赤外線センサの出力電圧を増大させる。

図１８は、図１５ｃに示す光キャビティ体内の光検出器での受光結果を示す。
図１８において、受光点の位置および各位置での受光結果が着色されている。

微量ガスを検出するために必要となる、光路を延長した第２のシミュレーションを設計した。図１９ａ、１９ｂおよび１９ｃに示す光キャビティを適用した。図１９ｃに示す光キャビティは、図１９ａに示すその左半分と図１９ｂに示すその右半分を組み立てたものである。このような組み合わせは、ほんの一例でしかなく、他の組み合わせでできる別の光キャビティをも適用できる。一体化した光キャビティを適用することも可能である。

第２のシミュレーションでは、本発明の光キャビティの条件を満たす円弧を用いて光キャビティを形成した。一方、この構造体の２つの円弧の中心に隣接する位置（あるいは中心）に平行光を照射すると、２つの円弧は反射光を２つの円弧の中心軸近くにある特定の点に到達させる。しかし、反射の回数が増えると、実際には光度が低下し、シミュレーションと現実とでの受光光度が大きく異なる場合がある。よって、シミュレーションの趣旨に基づき、受光光度の低減を防ぐために、赤外線センサに到達するまでの反射回数を５回までに制限した。また、上記の構造において、円弧の中心近くに光を到達させるために、照射器（赤外線）および受光器（赤外線）が同じ円弧上に配置されている。しかし、上記の特徴は本発明を制約するものではない。

図２０は、図１９ｃに示す光キャビティ体から発する光の光路を示す。
図２０は、照射器から照射される光を示し、特に、照射器の中心から照射されて受光器、即ち赤外線センサ、の中心に到達する光を示す。

図２１は、図１９ｃに示す光キャビティ体から発する光の収束効果を示す。
図２１は、光源の照射部（例えば、半径２mm）より大きい光束が受光器に到達する様子を示す。このような構造の光キャビティ体は、例えば、光源より大きい半径を有する受光器である複数ガスセンサ（例えば、センサ半径が５mmのもの）に適用した場合に有用な場合がある。

図２２は、図１９ｃに示す光キャビティ体の光検出器での受光結果を示す。
図２２は、赤外線センサの受光部（円形）に到達する時間当たりの光エネルギーが約時間当たり０．５２３ワットであることを示す。これは５回の反射を経て赤外線センサに到達する理想のエネルギーである時間当たり０．５６７ワットと比べると０．４４ワットだけ少ない。この理由は、投光器から照射される光の一部が発散して、赤外線センサの受光部の外側に到達するためである。

光路を確認する際、上記TracePro（商標登録）を利用した光の収束効果および各光キャビティの受光結果について以下のことが分かった。
投光器の中心軸から照射される光の全光路長を確認できた。本発明による光キャビティは、従来の光キャビティより長い光路を得られ、加えて、光の収束効果も得られた。さらに、光源（出力電圧：０．６６ワット）が定常状態で作用する場合、鏡面での反射により光度が低減して光検出器に到達することが確認された。光検出器での受光結果が理論上の計算値よりわずかに小さい値を示すが、光は完全には光検出器に収束しないことを考慮すると、得られた結果は妥当であると考えられる。

上記のシミュレーション結果、特に、第１のシミュレーションの光キャビティにより、以下の実施例が得られた。

本発明の実施例では２つの公知部品、つまり、赤外線光源と光検出器を利用している。赤外線光源として、例えば、平行光を収束するための放物面反射器を有し、波長が１から５μｍまでの赤外線を照射する、Gilway technical lamp社の赤外線光源を利用した。また、通常車両の暖房、換気および空気調和機（ＨＶＡＣ）に使用されるGE Thermometrics Technologies社のＺＴＰ-３１５熱電対赤外線検出器を利用したが、その際本研究の目的であるガス検出のために長波周波数帯域フィルタに代えて、中心波長が４．２６μｍで半値全幅（ＦＷＨＭ）が２０nmの二酸化炭素フィルタを使用した。

図２３は本発明の上記実施例による、３つの主要部から構成される、ＮＤＩＲガスセンサモジュールを示す。第１主要部は、パルス継続時間が２００から６００msでターンオフ時間が０．５秒の間隔をおいて２から３秒の間で変えられる赤外線変調部である。第２主要部は、本発明によって提案されている新光キャビティ構造であり、第３主要部は増幅回路である。本実施例では、基準電圧駆動体（ＬＭ３８５）を備える二次増幅回路を使用した。

図２４は、本発明の上記実施例によるＮＤＩＲガスセンサモジュールおよび基準二酸化炭素送出器の、室温での二酸化炭素濃度に対する出力電圧を示す。図２４に示す通り、二酸化炭素濃度が１００ppmでの新センサモジュールによる最大出力電圧は約４．７５Ｖである。二酸化炭素濃度が１００から２，０００ppmの間で増加すると共に、センサモジュールの最大出力電圧は４．４５Ｖに低下する。二酸化炭素濃度が１００から２，０００ppmの間で変化する際、最高電圧の差は最大で３００mVである。

図２５は、本発明の上記実施例において、二酸化炭素濃度が一定のときのパルス変調時間に対する出力電圧差を示す。出力電圧差とは、光源のターンオン状態のときとターンオフ状態のときの出力電圧差を意味する。パルス変調時間が長くなると共に出力電圧差が増大する。ただし、パルス変調時間が５００msを超えると出力電圧差は飽和し始める。これに応じて、出力電圧差も小さくなる。また、吸収された赤外線光度が高いため、吸収された熱の放出は完全に行われず、光源の寿命が短くなる。

図２６は、本発明の上記実施例による、二酸化炭素濃度の変化に対する出力電圧の変化を示す。この図は、二酸化炭素濃度が１００から２，０００ppmの間で増加するときのＮＤＩＲガスセンサモジュールの標準化出力信号を示す。赤外線のパルス変調時間が２００msのときに、標準化出力信号は最大の変化を示す。変調時間が３００から５００msの間で増加すると、標準化出力信号は大幅に減少する。

一方、パルス持続時間が５００msのときに最大電圧差を示すが、このとき基準電圧はわずかに増大する。出力電圧の変化はパルス変調時間が２００msの場合に最大となり、１８，０００倍の増幅率を示す。このときの赤外線光源のターンオフ時間は３秒である。

本発明を特定のＮＤＩＲガスセンサおよび光キャビティの実施例を参照して詳細に説明したが、これらの説明は本発明の一適用例でしかなく、これらは本発明の範囲を制限するものではない。本明細書内に開示するシミュレーションおよび実施例のさまざまな変更および組み合わせは、添付の請求項に規定する通り本発明の範囲に含まれる。

例えば、費用対効果の高い光キャビティで本発明の平行光を達成するためには、Gilway technical lamp社の製品を使用しないで別の方法で光キャビティ内の放物面型の鏡を作ることができる。

前述の通り、本発明の光学的ガスセンサによれば、赤外線光源から照射される光の光路長をかなり延長でき、低濃度から高濃度までのガスが測定可能である。また、さまざまなガスを測定できる。

さらに、ガスチャンバ壁として２つの凹面鏡を利用することにより、ガスセンサの設計を容易にし、製造コストを抑える効果をもたらす。

本発明は、従来のＮＤＩＲガスセンサの光キャビティの設計を改良した新しいガスセンサ構造を提案している。本発明の光キャビティは、２つの凹面鏡から形成された非常に簡単な構造であり、これによって光束を光検出器に収束させる。

本発明によれば、延長された光路および光の収束特性を有するＮＤＩＲガスセンサのための新しい光キャビティ構造が得られる。この新しい光キャビティ構造を利用して、空気の品質測定システム、車両用空気調和機（ＨＶＡＣ）システム等のための新しいセンサモジュールが得られる。

従来技術による光学的ガスセンサを示す。 従来技術による光学的ガスセンサを示す。 従来技術による光学的ガスセンサを示す。 従来技術による光学的ガスセンサを示す。 放物面鏡の光学的特性を示す。 焦点は同じ位置にある２つの放物面鏡を備える光キャビティシステムの光学的特性を示す。 焦点は同じ位置にある２つの放物面鏡を備える光キャビティシステムの光学的特性を示す。 焦点は同じ位置にあるが異なる焦点距離を有する２つの放物面鏡によってできる光路を示す。 焦点は同じ位置にあるが異なる焦点距離を有する２つの放物面鏡によってできる光路を示す。 本発明の一実施例による光学的ガスセンサの上面図を示す。 図８に示す光学的ガスセンサのＡ−Ａ’断面図を示す。 図８に示す光学的ガスセンサのＢ−Ｂ’断面図を示す。 図８に示す光学的ガスセンサのＣ−Ｃ’断面図を示す。 本発明の一実施例による光学的ガスセンサの斜視図を示す。 本発明の別の実施例による光学的ガスセンサの上面図を示す。 図１３に示す光学的ガスセンサのＡ−Ａ’断面図を示す。 本発明の一実施例による光キャビティの左半分を示す。 本発明の一実施例による光キャビティの右半分を示す。 本発明の一実施例による組み立てられた光キャビティを示す。 本発明の一実施例による光キャビティ体から発する光の光路を示す。 本発明の一実施例による光キャビティ体から発する光の収束効果を示す。 本発明の一実施例による光キャビティ体内の光検出器での受光結果を示す。 本発明の別の実施例による光キャビティの左半分を示す。 本発明の別の実施例による光キャビティの右半分を示す。 本発明の別の実施例による組み立てられた光キャビティを示す。 本発明の別の実施例による光キャビティ体から発する光の光路を示す。 本発明の別の実施例による光キャビティ体から発する光の収束効果を示す。 本発明の別の実施例による光キャビティ内の光検出器での受光結果を示す。 本発明の一実施例によるＮＤＩＲガスセンサモジュールを示す。 本発明の一実施例によるＮＤＩＲガスセンサモジュールの、室温での二酸化炭素濃度に対する出力電圧特性を示す。 本発明の一実施例によるＮＤＩＲガスセンサモジュールの、パルス変調時間に対する出力電圧の変化を示す。 本発明の一実施例によるＮＤＩＲガスセンサモジュールの、二酸化炭素濃度に対する出力電圧の変化を示す。

符号の説明

１０，１５ ガスチャンバ下方支持板
２０ 第１の鏡
２５ 第１の放物面鏡
３０ 第２の鏡
３５ 第２の放物面鏡
４０，４５ ガス通気孔
５０，５５ 放物面鏡
６０，６５ 赤外線センサ
７０，７５ ガスチャンバ上板
８０，８５ 光照射口
９０，９５ 赤外線ランプ
１００ 蓋
１１０，１１５ 高さ調整構造
１２０，１２５ ガス拡散孔
１３０，１３５ ガスフィルタ

Claims (24)

1. 試料ガスを受容するためのガスチャンバと、
   前記試料ガスを前記ガスチャンバ内へ注入または、前記試料ガスを前記ガスチャンバから排出するためのガス開口部と、
   前記試料ガスに向けて赤外線を照射するための光源と、
   前記試料ガスを通過した前記赤外線の光度を検出するための赤外線センサと
   を備えた光学的ガスセンサであって、
   前記ガスチャンバの壁は、焦点位置が同じであるが異なる焦点距離を有する互いに対向する２つの凹面鏡から成り、前記２つの凹面鏡は、前記２つの凹面鏡の軸に平行な入射光を一方の前記凹面鏡の表面で反射させてから前記２つの凹面鏡の前記焦点位置を通過させ、前記２つの凹面鏡の前記焦点位置を通過した前記入射光を他方の前記凹面鏡の表面で反射させて前記２つの凹面鏡の軸に平行に進ませる曲率を有する
   ことを特徴とする光学的ガスセンサ。
2. 前記ガス開口部が、前記ガスチャンバの特定の壁に配置されたガス通気孔および前記ガスチャンバの下方あるいは上方支持板に配置された複数のガス拡散孔を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学的ガスセンサ。
3. 前記複数のガス拡散孔が、ガスフィルタで覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学的ガスセンサ。
4. 前記複数のガス拡散孔が、好ましくは前記赤外線センサからの入射光軸上に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光学的ガスセンサ。
5. 前記ガス通気孔が、有利に下向きに曲げられているか、着脱可能な蓋を備えていることを特徴とする請求項２に記載の光学的ガスセンサ。
6. 前記凹面鏡の表面が、金メッキまたは金蒸着されていることを特徴とする請求項１に記載の光学的ガスセンサ。
7. 前記ガスチャンバが、前記支持板に形成されている前記赤外線光源に隣接する位置で、前記ガスチャンバの前記支持板と一体形成されている放物面鏡を収容することを特徴とする請求項２に記載の光学的ガスセンサ。
8. 前記赤外線光源からの前記赤外線の少なくとも一部を照射するための光照射口が、前記ガスチャンバの前記支持板に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光学的ガスセンサ。
9. 前記赤外光源線が、前記放物面鏡の前記焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項７または８に記載の光学的ガスセンサ。
10. 前記ガスチャンバの前記支持板には、前記赤外線光源の高さによって生じる前記支持板の傾きを調整するための高さ調整構造が取付けられていることを特徴とする請求項２に記載の光学的ガスセンサ。
11. 試料ガスを受容するためのガスチャンバと、
    前記試料ガスを前記ガスチャンバ内へ注入または、前記試料ガスを前記ガスチャンバから排出するためのガス開口部と、
    前記試料ガスに向けて赤外線を照射するための光源と、
    前記試料ガスを通過した前記赤外線の光度を検出するための光学センサと
    を備えた光学的ガスセンサであって、
    前記ガスチャンバの壁は、焦点位置が同じであるが異なる焦点距離を有する互いに対向する２つの凹面鏡から成り、前記２つの凹面鏡はそれぞれ放物線または円弧の一部の形状の断面を有する
    ことを特徴とする光学的ガスセンサ。
12. 前記ガス開口部が、前記ガスチャンバの特定の壁に配置されたガス通気孔および前記ガスチャンバの下方あるいは上方支持板に配置された複数のガス拡散孔を含むことを特徴とする請求項１１に記載の光学的ガスセンサ。
13. 前記複数のガス拡散孔が、ガスフィルタで覆われていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の光学的ガスセンサ。
14. 前記凹面鏡の表面が、金メッキまたは金蒸着されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学的ガスセンサ。
15. 前記ガスチャンバが、前記赤外線光源からの入射光を前記ガスチャンバの水平支持板に平行に進ませるように形成した放物面鏡を収容することを特徴とする請求項１２に記載の光学的ガスセンサ。
16. 非分散形赤外線ガスセンサ用の光キャビティであって、
    前記光キャビティが互いに対向する２つの凹面鏡から形成され、
    前記凹面鏡の断面が円弧状で、
    前記２つの円弧は異なる半径を有し、
    前記２つの円弧の中心は同軸上にあり、
    前記光キャビティは、光源、光検出器、ガス通気およびガス拡散用の孔を除いて光学的に閉鎖されていることを特徴とする光キャビティ。
17. 前記２つの円弧の中心が、一方の円弧と他方の円弧とをつなぐ直線の中点と重なることを特徴とする請求項１６に記載の光キャビティ。
18. より大なる半径を有する円弧の中心がより小なる半径を有する円弧の外側にあり、前記より小なる半径を有する円弧の中心が前記より大なる半径を有する円弧の内側にあることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光キャビティ。
19. 前記光源および前記光検出器が異なる円弧上に設置されており、前記光源からの入射光は前記２つの円弧の中心が置かれている軸に平行に照射されて、各円弧で１回ずつ反射してから前記光検出器で検出されることを特徴とする請求項１８に記載の光キャビティ。
20. 前記光源からの前記入射光が、前記光検出器の配置されている前記円弧上で焦点を合わせることを特徴とする請求項１９に記載の光キャビティ。
21. 前記光源および前記光検出器を同じ前記円弧上に配置し、前記光源からの入射光を前記各円弧に奇数回反射させてから前記光検出器で検出することを特徴とする請求項１７に記載の光キャビティ。
22. 前記光源からの前記入射光が前記光キャビティの中心または中心に隣接する位置に入射し、複数回の反射の際に収束と発散を繰り返して前記光検出器に到達し、
    前記光検出器が配置されている前記円弧に到達する光の断面積が前記光源から照射される光のそれより大であることを特徴とする請求項２１に記載の光キャビティ。
23. 非分散形赤外線ガスセンサ用の光キャビティであって、
    赤外線を照射するための光源と、
    前記光源からの入射光をついには検出する光検出器と、
    断面が円弧状で、異なる半径を有し、双方の中心が同軸上にある、互いに対向する２つの凹面鏡によって形成され、前記光源、前記光検出器、ガス通気およびガス拡散用の孔を除いては光学的に閉鎖している光キャビティと、
    前記光源から照射される前記赤外線を制御するための、パルス変調時間が２００乃至６００msであり、ターンオフ時間が２、２．５または３秒である光変調手段と、
    前記光検出器からの電子信号を増幅するための増幅手段と
    を備える非分散形赤外線ガスセンサ用の光キャビティ。
24. 前記光変調手段が、前記光源のパルス変調時間を２００msに、ターンオフ時間を３秒に設定することを特徴とする請求項２３に記載の光キャビティ。