JP5325137B2 - ガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュールに関するものである。

従来、例えば、二酸化炭素などのガスの濃度を算出するガス濃度算出装置が空調システムの分野などで導入されている。このガス濃度算出装置での算出結果に基づいて換気のＯＮ／ＯＦＦなどを制御することにより、空調システムを効率よく作動させ、消費電力の低減を図ることが行われている。このようなガス濃度算出装置にはＮＤＩＲ（Ｎｏｎ-ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ：非分散赤外線）法が用いられており、ＮＤＩＲ（非分散赤外線）法とは、赤外光が対象ガス中を通る際の減衰に基づいてガスの濃度を算出する手法である。

ＮＤＩＲ（非分散赤外線）法を用いたガス濃度算出装置として、例えば、特許文献１に記載されたものがある。このガス濃度算出装置は、単一光源からの光をガスセル内に照射し、ガスセル内を通った光を第１の検出器と第２の検出器によって検出している。第１の検出器は、被測定ガス領域と、測定ガス室内に封入された不活性ガス領域と、からなる光路を通過した光を検出している。第２の検出器は、被測定ガス領域と、比較ガス室内に封入された被測定ガスと同種のガス領域と、からなる光路を通過した光を検出している。また、照射光量の増減を第２の検出器で検出し、第１の検出器の出力を校正することが開示されている。

また、特許文献２には、シリンダ内のサンプルガス濃度を検出するガス濃度算出装置が記載されている。ここでは、シリンダ内を往復動するピストンのヘッドに反射鏡を設けると共に、シリンダのヘッドにはシリンダ内に向けて光源と検出器とを配置する。このような構成により、光源から発せられ且つピストン上の反射鏡で反射された光が検出器で受光される。ピストンの往復動に伴って、反射鏡を経由する光源から検出器までの光路長が変化するため、検出器に受光されるエネルギー値が変化する。そして、検出器から出力される出力値の変化に基づいて、サンプルガスの濃度が算出される。

特開２００７−２５６２４２号公報 特開平５−１８０７６０号公報

上記特許文献１に記載されたガス濃度算出装置においては、第１の検出器および第２の検出器という、それぞれ別々の二つの受光素子を用いてガスの濃度を算出している。このため、受光素子自体の個体差（感度、ノイズ特性の差、あるいはそれらの周囲温度に対する差や長期変化に対する差など）がガス濃度の測定精度に悪影響を与えてしまう。このような悪影響は、受光素子それぞれの個体差によるものであるため、両受光素子からの出力値の比を用いることでキャンセルされるものではない。

上記特許文献２のガス濃度算出装置においては、単一の受光素子を用いるため、受光素子の個体差による不具合はないといえる。しかし、特許文献２の技術では、光源から検出器までの光路長を変化させるための手段である反射鏡がピストンのヘッドに設けられ且つ光路の方向と同一の方向で上下運動を行っている。このため、精度の高い計測を実現するためには、ピストンの運動、つまり反射鏡の運動を計測時に一時停止させる必要がある。反射鏡が停止せず光路の方向と同一の方向で動いている場合には、光路長が安定せず、精度の高い計測ができないからである。したがって、ピストンの一時運動停止により、参照光の測定タイミングと信号光の測定タイミングとの間に大幅の時間ずれが生じてしまう。参照光の測定タイミングと信号光の測定タイミングとの間に大幅の時間ずれが生じては、それぞれの測定結果の比に基づき算出されたガス濃度にも大幅の時間ずれの分だけ誤差が生じるということになる。

そこで、本発明は上記に鑑みてなされたもので、受光素子の個体差による不具合を防止し、且つ光路長を変化させるための要素が光路の方向と同一の方向で運動することによる不具合を防止することが可能なガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガス濃度算出装置は、ガス濃度計測モジュールおよびガス濃度算出モジュールを備え、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置であって、前記ガス濃度計測モジュールは、前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、前記ガスセル内に配置された光源と、前記ガスセルの一端に配置され、前記光源から放射された光を回転により反射または透過する回転機構と、前記ガスセルの他端に配置され、前記光源から直接放射される直接光、および前記光源から放射され且つ前記回転機構により反射される反射光を受光する受光手段と、を備え、前記ガス濃度算出モジュールは、前記回転機構により前記光が反射または透過された場合のそれぞれにおける、前記受光手段の受光エネルギー値の比に基づき、前記対象ガスの前記濃度を算出し、前記回転機構は、前記光源から前記受光手段までの光路の方向と異なる方向で前記回転を行う、ことを特徴とする。

また、本発明のガス濃度計測モジュールは、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置におけるガス濃度計測モジュールであって、前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、前記ガスセル内に配置された光源と、前記ガスセルの一端に配置され、前記光源から放射された光を回転により反射または透過する回転機構と、前記ガスセルの他端に配置され、前記光源から直接放射される直接光、および前記光源から放射され且つ前記回転機構により反射される反射光を受光する受光手段と、を備え、前記回転機構は、前記光源から前記受光手段までの光路の方向と異なる方向で前記回転を行う、ことを特徴とする。

このような本発明のガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュールによれば、受光手段が直接光および反射光の両方を受光するため、直接光および反射光をそれぞれ異なる受光手段で受光する場合や、回転機構により光が反射または透過された場合のそれぞれにおける光を異なる受光手段で別々に受光する場合の、受光手段の個体差による不具合が防止される。

また、本発明において、受光手段が受光する光における光路長の差異や受光エネルギー値の差異を発生させるための手段は回転機構であり、この回転機構は光源から受光手段までの光路の方向と異なる方向で回転を行うことにより、光を反射または透過する。ここで、「光路の方向と異なる方向で回転」とは、例えば回転機構の回転軸を光路と同じ方向にすることにより可能となる。つまり、光路長の変化や受光エネルギー値の差異を発生させるために、回転機構が光路の方向に沿って運動を行う必要がなく、このため、回転機構が回転を行っていても、回転機構と受光手段との間の絶対的な距離には変動がない。したがって、例えば上記特許文献２の場合とは異なり、光路長が安定するので、回転機構を一時停止する必要がない。その結果、回転機構の一時運動停止により光測定タイミングに大幅の時間ずれが生じてしまうことを防止できる。

以上により、本発明によれば、受光手段の個体差による不具合や、光路長を変化させるための要素が光路の方向と同一の方向で運動することによる不具合を防止できる。

また、本発明においては、前記回転機構を、反射板と穴からなる回転鏡で構成しても良い。

反射板と穴からなる回転鏡で簡潔な構成が可能となる。

また、本発明においては、前記回転鏡が前記光源から前記受光手段までの前記光路の方向と略垂直の方向で前記回転を行うように構成しても良い。

例えば回転鏡の回転軸を光路と概ね同じ方向にすることにより、回転鏡を光路の方向と略垂直の方向で回転させることができる。これにより、光の反射と透過を明確に切り替えることができる。

また、本発明においては、前記回転機構を、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータとミラーで構成しても良い。

この場合には、ＭＥＭＳアクチュエータを用いることにより、回転時の振動を抑制しながらも高速回転が可能となる。したがって、振動による光検出精度の低下を防止できる。また、ＭＥＭＳアクチュエータの高速回転により、光の反射と透過の切り替えが高速で行われることとなり、受光手段の光測定タイミングにおける時間ずれが無いものと同然か、有っても非常に短く、擬似同時測定が可能となる。

また、本発明においては、前記光源と前記受光手段との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタをさらに備えることが好ましい。

バンドパスフィルタにより、受光される光の波長帯を同一波長帯とすることができ、異なる波長帯の光が受光されることによる光検出精度の低下を防止できる。

また、本発明においては、前記光源は、赤外線を放射するものであることが好ましい。

赤外線が対象ガスを通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、対象ガスの濃度を算出することができる。

また、本発明においては、前記対象ガスは二酸化炭素であることが好ましい。

光が二酸化炭素を通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、対象ガスの濃度を算出することができる。なお、ガスは二酸化炭素に限定されない。さらにはバンドパスおよび受光部のみを増やすことで複数ガスの計測も可能である。

また、本発明においては、前記対象ガスの前記濃度と前記比との相関関係を示すデータベースまたは近似式を予め格納する格納手段を更に備え、前記ガス濃度算出モジュールは、前記データベースまたは前記近似式に基づき、前記比に相応する前記濃度を算出することが好ましい。

この発明によれば、予め用意したデータベースまたは近似式に基づき、対象ガスの濃度を精度よく算出することができる。

また、本発明においては、前記対象ガスの異なる前記受光手段を複数備える前記ガス濃度計測モジュールと、複数の前記受光手段に対応する複数の前記ガス濃度算出モジュールを備えることが好ましい。

この発明によれば、対象ガスの異なるガス濃度計測モジュールを複数備えることで、複数のガスの濃度を同時に精度良く算出することができる。

本発明によれば、受光手段の個体差による不具合や、光路長を変化させるための要素が光路の方向と同一の方向で運動することによる不具合を防止可能なガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュールを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るガス濃度算出装置１を示す概略断面図である。 第１実施形態において、光路長や受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組みを説明するための図である。 格納部４の格納情報を説明するための図である。 格納部４に格納されるデータベースの一例を示す図である。 格納部４に格納されるグラフの一例を示す図である。 ガス濃度算出装置１による二酸化炭素濃度算出処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るガス濃度算出装置１Ａを示す概略断面図である。 第２実施形態において、光路長や受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組みを説明するための図である。 ガス濃度算出装置の変形例を示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明にかかるガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュールの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

[第１実施形態]
（ガス濃度算出装置１の全体構成）
まず、第１実施形態に係るガス濃度算出装置１の全体構成について説明する。図１は、ガス濃度算出装置１を示す概略断面図である。ガス濃度算出装置１は、光源２０からの光を受光し、そのエネルギー値を測定するガス濃度計測モジュール２と、ガス濃度計測モジュール２による測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路３（特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当）と、算出回路３がガス濃度を算出する際に必要な情報を格納している格納部４（特許請求の範囲の「格納手段」に相当）とを含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路３によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール２に導入されるサンプルガス６０中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。

ガス濃度計測モジュール２は、ガスセル１０と、光源２０と、回転鏡３０（特許請求の範囲の「回転機構」に相当）と、バンドパスフィルタ４０と、受光部５０（特許請求の範囲の「受光手段」に相当）とを含んで構成される。

ガスセル１０は、内部にサンプルガス６０が導入される導入空間１１を形成するものである。ガスセル１０は、ガスセル１０の一端側に、導入空間１１内にサンプルガス６０を導入するためのガス導入部１２が設けれ、ガスセル１０の他端側に、導入空間１１内のサンプルガス６０を外部へ排出するためのガス排出部１３が設けられている。ガス排出部１３は、ガスセルの内壁（例えば底部）に多数の穴が設けられているものとしてもよい。

光源２０は、ガスセル１０内に配置されており、赤外線を放射するものである。本実施形態では、光源２０として、４．２μｍ〜４．３μｍの波長域の光を含む光を放射するものを用いる。図１においては、光源２０がガスセル１０内の中央の底部に配置されている例を示しているが、これに限らず、光源２０がガスセル１０内の中央の上部や中央部に配置されていても良く、回転鏡３０側や受光部５０側にある程度偏って配置されていても良い。光源２０からの赤外線はサンプルガス６０中の二酸化炭素分子６１により吸収され減衰する。

回転鏡３０は、ガスセル１０の一端１０ａ側に配置され、光源２０から放射された光を回転により反射または透過するものである。回転鏡３０は、光源２０から受光部５０までの光路の方向と異なる方向で回転または運動を行うことにより、光を反射または透過する。図１に示したＸＹＺ座標系でいうと、光源２０から受光部５０までの光路の方向はＸ方向であり、回転鏡３０の回転はＹＺ面に沿って行われる。すなわち、回転鏡３０は、光路の方向であるＸ方向とは垂直のＹＺ面上で回転する。図１には回転鏡３０のＹＺ面上での回転を矢印で表している。言い換えれば、この場合に光路の方向と回転鏡３０の回転軸とは同じＸ方向となるが、回転鏡３０の端部３０ａはＹＺ面上で円を描きながら回転する。なお、装置構成上、光路の方向と回転鏡３０の回転軸とが概ね同じ方向であれば良い。回転鏡３０が光路の方向であるＸ方向に沿って運動することはない。本実施形態では、回転鏡３０は、反射板３１と穴３２からなり、回転駆動機構３３により回転方向や回転速度等が制御される。穴３２は枠３２ａにより囲まれてなる空間である。ガスセル１０の一端１０ａ側には赤外線に対して高い透過性を有する材料からなる窓部１４が設けられている。

バンドパスフィルタ４０は、光源２０と受光部５０との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるものである。本実施形態では、バンドパスフィルタ４０は、ガスセル１０の受光部５０側の端部に配置され、４．２μｍ〜４．３μｍの波長域の光のみを透過するものを用いる。

受光部５０は、ガスセル１０の他端に配置され、光源２０から直接放射される直接光、および光源２０から放射され且つ回転鏡３０により反射される反射光の両方を受光する受光素子である。つまり、一つの受光部５０が直接光および反射光の両方を受光する。言い換えれば、回転鏡３０により光が反射または透過された場合のそれぞれにおける光（後述するように、直接光、および直接光と反射光の合計）を一つの受光部５０が受光する。したがって、複数種類の光を受光するために複数の受光手段をそれぞれ用いる場合に比べて、受光手段の個体差による弊害が皆無である。

（光路長や受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組み）
図２は、本実施形態において、光路長や受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組みを説明するための図である。図1同様、ガスセル１０の中央底部に配置された光源２０から出発し受光部５０に到達する光の光路長および受光エネルギー値の変更は、回転鏡３０の回転によって行われる。この説明では、説明の便宜のため、回転鏡３０が全反射または全透過することにより、反射率を調整するものとして説明する。

図２（Ａ）は、回転鏡３０の回転により反射板３１がガスセル１０の一端１０ａ側に光源２０と対面するように位置され、光源２０から到達した光を全てガスセル１０内に反射する様子を示す。図２（Ａ）において、光源２０から放射され受光部５０に直接到達する光である直接光はＩ１（→）と表示されており、直接光が通る光路の長さは概ねＬである。また、反射光については、Ｉ１（←）（光源２０から放射され反射板３１に到達する光）およびＩ２（反射板３１により反射され受光部５０に到達する光）と表示されており、反射光が通る光路の長さは概ね３Ｌ（Ｌ＋２Ｌ）である。反射板３１が光源２０と対面するように位置された状態では、直接光および反射光の両方がそれぞれＬおよび３Ｌの光路を経て受光部５０に到達され、受光エネルギー値が測定される。一方、図２（Ｂ）は、回転鏡３０の回転により穴３２がガスセル１０の一端１０ａ側に光源２０と対面するように位置された状態になり、光源２０から到達した光を全く反射せず透過している様子を示す。この場合には、直接光のみが概ねＬの光路を経て受光部５０に到達され、受光エネルギー値が測定される。なお、図２（Ｂ）では反射しない光を穴３２により透過することを記載しているが、これに限らず、吸収するようにしても良い。この場合には、穴３２の代わりに吸収体（図示せず）を設けることができる。

以上のように、本実施形態において、光路長および受光エネルギー値の変更は回転鏡３０の光路長方向とは異なる方向での回転により行われる。このため、光路長の変化や受光エネルギー値の差異を発生させるために、光路長方向に沿って回転鏡３０が運動を行う必要がない。すなわち、回転鏡３０は回転を行っているが、光路長方向に動くわけではないため、回転鏡３０と受光部５０との間の絶対的な距離には変動がない。したがって、光路長が安定するので、回転鏡３０を一時停止しなくても、精度の高い計測を実現できる。その結果、回転鏡３０の一時運動停止により光測定タイミングに大幅の時間ずれが生じてしまうことを防止できる。

（格納部４の格納情報）
次に、格納部４が格納する情報について説明する。格納部４には、回転鏡３０により光が反射または透過された場合のそれぞれにおける、受光部５０の受光エネルギー値の比と、対象ガスである二酸化炭素の濃度との相関関係を示すデータベースまたは近似式が予め格納されている。

図３は、格納部４の格納情報を説明するための図である。図３は、基本的には図１や図２と同様の図であるが、以下の説明のために必要な要素のみを残し、光路長についてはＬや２Ｌで概略的に表示している。図３においては、以下のような式（１）〜（３）が成立する。
Ｉ＝Ｉ１（→）＋Ｉ１（←）…（１）
Ｉ１（→）／Ｉ＝ｘ…（２）
Ｉ１（←）／Ｉ＝１−ｘ…（３）
ここで、Ｉは光源２０から放射される赤外線のトータルのエネルギー値であり、Ｉ１（→）は直接光であって図３において光源２０から右方向に放射される赤外線のエネルギー値であり、Ｉ１（←）は図３において光源２０から左方向に放射される赤外線のエネルギー値であり、ｘはＩ１（→）とＩ１（←）の分配比率である。

図３において、回転鏡３０の回転により反射板３１がガスセル１０の一端１０ａ側に光源２０と対面するように位置された場合（図２（Ａ）のの状態）には、ランバート・ベールの法則により、以下のような式（４）〜（７）が成立する。
Ｉ１（→）＝ｘＩｅｘｐ（−ＫＣＬ）…（４）
Ｉ１（←）＝（１−ｘ）Ｉｅｘｐ（−ＫＣＬ）…（５）
Ｉ２＝（Ｉ１（←）Ｒｏｎ）ｅｘｐ（−２ＫＣＬ）＝（（（１−ｘ）Ｉｅｘｐ（−ＫＣＬ））Ｒｏｎ）ｅｘｐ（−２ＫＣＬ）…（６）
Ｉｏｎ＝Ｉ１（→）＋Ｉ２＝ｘＩｅｘｐ（−ＫＣＬ）＋（（（１−ｘ）Ｉｅｘｐ（−ＫＣＬ））Ｒｏｎ）ｅｘｐ（−２ＫＣＬ）…（７）
ここで、Ｋは吸収係数であり、Ｃはガスセル１０内に導入されたサンプルガス６０中の二酸化炭素の濃度であり、Ｌは光源２０から受光部５０までの距離であり、２Ｌは回転鏡３０（反射板３１）から受光部５０までの距離であり、Ｉ２は反射光であって光源２０から左方向に放射され且つ回転鏡３０（反射板３１）により反射された赤外線のエネルギー値であり、Ｒｏｎはこの状態における回転鏡３０（反射板３１）の反射率であり、Ｉｏｎはこの状態において受光部５０に到達する赤外線のトータルのエネルギーであって、直接光と反射光との合計エネルギー値である。

また、図３において、回転鏡３０の回転により穴３２がガスセル１０の一端１０ａ側に光源２０と対面するように位置された場合（図２（Ｂ）のの状態）には、ランバート・ベールの法則により、以下のような式（８）〜（１１）が成立する。
Ｉ１（→）＝ｘＩｅｘｐ（−ＫＣＬ）…（８）
Ｉ１（←）＝（１−ｘ）Ｉｅｘｐ（−ＫＣＬ）…（９）
Ｉ２＝（Ｉ１（←）Ｒｏｆｆ）ｅｘｐ（−２ＫＣＬ）＝（（（１−ｘ）Ｉｅｘｐ（−ＫＣＬ））Ｒｏｆｆ）ｅｘｐ（−２ＫＣＬ）…（１０）
Ｉｏｆｆ＝Ｉ１（→）＋Ｉ２＝ｘＩｅｘｐ（−ＫＣＬ）＋（（（１−ｘ）Ｉｅｘｐ（−ＫＣＬ））Ｒｏｆｆ）ｅｘｐ（−２ＫＣＬ）…（１１）
ここで、Ｒｏｆｆはこの状態における回転鏡３０（穴３２）の反射率であり、穴３２なので基本的にはＲｏｆｆは０である。Ｉｏｆｆは、この状態において受光部５０に到達する赤外線のトータルのエネルギーであって、穴３２の存在により反射光はなく、直接光のみのエネルギー値である。

反射板３１が光源２０と対面する状態に受光部５０が受光した光のエネルギー値Ｉｏｎと穴３２が光源２０と対面する状態に受光部５０が受光した光のエネルギー値Ｉｏｆｆの比（特許請求の範囲の「前記回転機構により前記光が反射または透過された場合のそれぞれにおける、前記受光手段の受光エネルギー値の比」に相当）は以下のようである。
Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ＝[ｘＩｅｘｐ（−ＫＣＬ）＋（（（１−ｘ）Ｉｅｘｐ（−ＫＣＬ））Ｒｏｎ）ｅｘｐ（−２ＫＣＬ）]／[ｘＩｅｘｐ（−ＫＣＬ）＋（（（１−ｘ）Ｉｅｘｐ（−ＫＣＬ））Ｒｏｆｆ）ｅｘｐ（−２ＫＣＬ）] …（１２）

ここで、Ｒｏｆｆ＝０且つｘ＝０．５、つまり穴３２が光源２０と対面する状態には完全に透明（全透過）であり、且つ光源２０の分配は半分である場合には、ＩｏｎとＩｏｆｆの比について下記の関係が成立する。
Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ＝（１＋（Ｒｏｎ）ｅｘｐ（−２ＫＣＬ））…（１３）

ここで、装置構成によりＲｏｎ、Ｋ、Ｌは定数となるため、上記の式（１３）は以下のように書き換えられる。
Ｃ＝ｆ（Ｒａｔｉｏ（透明鏡））…（１４）
ここで、Ｒａｔｉｏ（透明鏡）はＲｏｆｆ＝０且つｘ＝０．５の場合のＩｏｎとＩｏｆｆの比であり、ｆは関数であり、Ｒａｔｉｏ（透明鏡）と濃度Ｃとの相関関係を示す近似式である。格納部４はこの式（１４）の近似式ｆを示す情報を格納している。

一方で、上記の近似式ｆを求める代わりに、既知のＩ、Ｋ、Ｃ、Ｌ、ｘ、Ｒｏｎ、Ｒｏｆｆを用い、且つ上記（７）や（１１）を用いて、それぞれの場合におけるＩｏｎやＩｏｆｆを算出し、その比であるＩｏｎ／Ｉｏｆｆを算出するようにしても良い。そして、その結果をテーブルとしてデータベースを作成する。図４はこのように作成したデータベースの一例を示す。図４のデータベースには、Ｉｏｎ／Ｉ，Ｉｏｆｆ／Ｉ，Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆの各値に対応する二酸化炭素の濃度が示されている。

更に、図４のデータベースを用いて、図５に示すようなグラフを求めても良い。図５に示すグラフは、二酸化炭素の濃度と比Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆとの相関関係等を示している。図５において、Ｇ１は二酸化炭素の濃度と比Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆとの相関関係を示すグラフであり、Ｇ２は二酸化炭素の濃度と比Ｉｏｎ／Ｉとの相関関係を示すグラフであり、Ｇ３は二酸化炭素の濃度と比Ｉｏｆｆ／Ｉとの相関関係を示すグラフである。格納部４はこのようなデータベースまたはグラフを示す情報を格納している。なお、図４や図５では、データベースやグラフを判りやすくするため、二酸化炭素の濃度がゼロｐｐｍの時に、Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆが２となるように、各エネルギー値の光源から放射されるエネルギー値Ｉに対する比、Ｉｏｎ／Ｉが１となるように、Ｉｏｆｆ／Ｉが０．５となるように、Ｉ１（→）／Ｉ、Ｉ１（←）／ＩおよびＩ２／Ｉが０．５となるように示してあるが、実際の測定では光源から放射されるエネルギーＩは測定できないので、データベースやグラフに示された値のうち、測定値として得られる値はエネルギー値の比Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆのみである。

以上により、式（１４）の近似式ｆや、図４のデータベース、または図５のグラフに基づき、二酸化炭素の濃度とＩｏｎ／Ｉｏｆｆとの相関関係が分かるので、Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆが測定されれば、二酸化炭素の濃度を算出できるようになる。

（二酸化炭素の濃度算出処理）
次に、受光部５０が受光した光のエネルギー値より、算出回路３が二酸化炭素の濃度を算出する処理の流れについて説明する。算出回路３は、回転鏡３０により光が反射または透過された場合のそれぞれにおける、受光部５０の受光エネルギー値の比（上記Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）に基づき、更に上記説明した近似式ｆや、図４のデータベース、または図５のグラフに基づき、当該比に相応する二酸化炭素の濃度を算出するものであって、ＣＰＵ等を含んで構成された演算回路である。図６は、二酸化炭素濃度算出処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ１０１において算出回路３は、反射板３１が光源２０と対面する状態に受光部５０が受光した光のエネルギー値Ｉｏｎと、穴３２が光源２０と対面する状態に受光部５０が受光した光のエネルギー値Ｉｏｆｆとを取得する。

次に、ステップＳ１０２において算出回路３は、取得したエネルギー値Ｉｏｎとエネルギー値Ｉｏｆｆの比（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）を算出する。ステップＳ１０３において算出回路３は、格納部４に格納された近似式ｆを用いて、ステップＳ１０３で算出した比（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）から二酸化炭素の濃度を算出する。近似式ｆを用いて濃度を算出することにより、算出処理を容易に行うことができる。

ステップＳ１０４において算出回路３は、算出された二酸化炭素の濃度を示す信号を、図示しない制御装置などに出力する。二酸化炭素の濃度を示す信号は、例えば、制御装置において空調の制御等に利用される。

以上、近似式ｆを用いた場合について説明したが、図４に示したテーブルを用いる場合には、ステップＳ１０２で算出した比（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）を用いてテーブルを検索し、相応する濃度値をステップＳ１０４における出力値として出力しても良い。また、図５に示したグラフを用いる場合には、ステップＳ１０２で算出した比（Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ）に相応する濃度値を図５のグラフから読み出し、当該濃度値をステップＳ１０４における出力値として出力しても良い。

（本実施形態の作用・効果）
続いて、本実施形態にかかるガス濃度算出装置１の作用及び効果について説明する。本実施形態のガス濃度算出装置１によれば、受光部５０が直接光および反射光の両方を受光するため、直接光および反射光をそれぞれ異なる受光部５０で受光する場合や、回転鏡３０により光が反射または透過された場合のそれぞれにおける光を異なる受光部５０で別々に受光する場合の、受光部５０の個体差による不具合が防止される。

また、本実施形態において、受光部５０が受光する光における光路長の変化や受光エネルギー値の差異を発生させるための手段は回転鏡３０であり、この回転鏡３０は光源２０から受光部５０までの光路の方向と異なる方向で回転を行うことにより、光を反射または透過する。ここで、「光路の方向と異なる方向で回転」とは、例えば回転鏡３０の回転軸を光路と同じ方向にすることにより可能となる。つまり、光路長の変化や受光エネルギー値の差異を発生させるために、回転鏡３０が光路の方向に沿って運動を行う必要がなく、このため、回転鏡３０が回転を行っていても、回転鏡３０と受光部５０との間の絶対的な距離には変動がない。したがって、例えば上記特許文献２の場合とは異なり、光路長が安定するので、回転鏡３０を一時停止する必要がない。その結果、回転鏡３０の一時運動停止により光測定タイミングに大幅の時間ずれが生じてしまうことを防止できる。

以上により、本実施形態によれば、受光部５０の個体差による不具合や、光路長を変化させるための要素が光路の方向と同一の方向で運動することによる不具合を防止できる。

また、本実施形態によれば、反射板３１と穴３２からなる回転鏡３０で簡潔な構成が可能であり、回転鏡３０を光路の方向と略垂直の方向で回転させることにより、光の反射と透過を明確に切り替えることができる。

また、バンドパスフィルタにより、受光される光の波長帯を同一波長帯とすることができ、異なる波長帯の光が受光されることによる光検出精度の低下を防止できる。

また、本実施形態によれば、予め用意したデータベースまたは近似式に基づき、対象ガスの濃度を精度よく算出することができる。

[第２実施形態]
引き続き、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態のガス濃度算出装置１Ａでは、受光部５０が受光する光における光路長の変化や受光エネルギー値の差異を発生させるための手段が回転鏡３０の代わりにＭＥＭＳアクチュエータ７０で構成されていることが、第１実施形態と主に相違している。以下ではこの相違点を中心に説明する。

（ガス濃度算出装置１Ａの全体構成）
図７（Ａ）は、ガス濃度算出装置１Ａを示す概略断面図である。ＭＥＭＳアクチュエータ７０は、ガスセル１０の一端１０ａ側に配置され、光源２０から放射された光をミラー７１を一定角度回転させるにより反射または透過するものである。ここで、「反射」とは光源２０からの光をガスセル１０内に反射することを意味し、「透過」とは光源２０からの光をガスセル１０内に反射せずガスセル１０外に透過するか、またはガスセル１０外に反射することを意味する。以下では、説明の便宜上、「透過」が光をガスセル１０外に反射することを意味するものとして説明する。また、ＭＥＭＳアクチュエータ７０の回転とは、ＭＥＭＳアクチュエータ７０によるミラー７１の回転を意味する。

ＭＥＭＳアクチュエータ７０は、ミラー７１が光源２０から受光部５０までの光路の方向と異なる方向で回転または運動を行うことにより、光を反射または透過する。図１に示したＸＹＺ座標系でいうと、光源２０から受光部５０までの光路の方向はＸ方向であり、ＭＥＭＳアクチュエータ７０のミラー７１はＸ軸とは所定の角度φだけ異なる軸Ｋを回転軸として一定角度だけ回転する。図７にはミラー７１の回転を矢印で表している。ＭＥＭＳアクチュエータ７０が光路の方向であるＸ方向に沿って運動することはない。ＭＥＭＳアクチュエータ７０の回転方向や回転速度等は図示しない回転駆動機構により制御される。ガスセル１０の一端１０ａ側には赤外線に対して高い透過性を有する材料からなる窓部１４が設けられている。実際には、ＭＥＭＳアクチュエータ７０は図７（Ｂ）に示したように、ミラー７１の両端にＸ方向に動くアクチュエータ素子７３を備え、片方が＋Ｘ方向に動いたときに他方が−Ｘ方向に動いて、ミラー７１の中心のＸ方向の位置はうごくことなく、ミラー７１を一定角度のみ回転している。ミラー７１の中心で光源２０からの光を反射することにより、ミラー７１の回転、すなわちＭＥＭＳアクチュエータ７０の回転が行われても、光源２０とミラー７１、ミラー７１と受光部５０のＸ方向の距離は変化せず一定に保つことができる。また、ＭＥＭＳアクチュエータ７０は第１実施形態の回転鏡３０と比べて、サイズが小さいため、ミラー７１の両端ではなく、図７（Ｃ）に示すように、片端のみアクチュエータ素子７３を備えて他端は固定としても、実質上は、光源２０とミラー７１、ミラー７１と受光部５０のＸ方向の距離は変化せず一定と見なすことができる。

（光路長や受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組み）
図８は、第２実施形態において、光路長や受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組みを説明するための図である。光源２０から出発し受光部５０に到達する光の光路長および受光エネルギー値の変更は、ＭＥＭＳアクチュエータ７０の回転によって行われる。この説明では、説明の便宜のため、ＭＥＭＳアクチュエータ７０が入力した光を全てガスセル１０内または外に反射することにより、反射率を調整するものとして説明する。

図８（Ａ）は、ＭＥＭＳアクチュエータ７０ミラー７１の回転により、光源２０から到達した光が全てガスセル１０内に反射される様子を示す。図８（Ａ）において、光源２０から放射され受光部５０に直接到達する光である直接光はＩ１（→）と表示されており、直接光が通る光路の長さは概ねＬである。また、反射光については、Ｉ１（←）（光源２０から放射されＭＥＭＳアクチュエータ７０のミラー７１に到達する光）およびＩ２（ＭＥＭＳアクチュエータ７０のミラー７１により反射され受光部５０に到達する光）と表示されており、反射光が通る光路の長さは概ね３Ｌ（Ｌ＋２Ｌ）である。ＭＥＭＳアクチュエータ７０のミラー７１が光源２０からの光を全てガスセル１０内に反射する状態では、直接光および反射光の両方がそれぞれＬおよび３Ｌの光路を経て受光部５０に到達され、受光エネルギー値が測定される。一方、図８（Ｂ）は、ＭＥＭＳアクチュエータ７０のミラー７１の回転により、光源２０から到達した光が全てガスセル１０外に反射される様子を示す。この場合には、直接光のみが概ねＬの光路を経て受光部５０に到達され、受光エネルギー値が測定される。

以上のように、本実施形態において、光路長および受光エネルギー値の変更はＭＥＭＳアクチュエータ７０のミラー７１の光路長方向とは異なる方向での回転により行われる。このため、光路長の変化や受光エネルギー値の差異を発生させるために、光路長方向に沿ってミラー７１が運動を行う必要がない。すなわち、ミラー７１は回転を行っているが、光路長方向に動くわけではないため、ミラー７１と受光部５０との間の絶対的な距離には変動がない。したがって、光路長が安定するので、ミラー７１を一時停止しなくても、精度の高い計測を実現できる。その結果、ミラー７１の一時運動停止により光測定タイミングに大幅の時間ずれが生じてしまうことを防止できる。

また、本実施形態によれば、ＭＥＭＳアクチュエータ７０を用いることにより、回転時の振動を抑制しながらも高速回転が可能となる。したがって、振動による光検出精度の低下を防止できる。また、ＭＥＭＳアクチュエータ７０のミラー７１の高速回転により、光の反射と透過（ガスセル１０外へ反射）の切り替えが高速で行われることとなり、受光部５０の光測定タイミングにおける時間ずれが無いものと同然か、有っても非常に短く、擬似同時測定が可能となる。

（変形例）
以上、本発明の好適な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ないことは言うまでもない。例えば、上記実施形態では、ガス濃度算出装置１，１Ａによって二酸化炭素の濃度を算出する場合について説明したが、測定に使用する光の波長を変えることで、これ以外のガスの濃度を算出可能であることはいうまでもない。また、濃度を測定しようとするガスの種類や測定レンジ、更に測定精度等に応じて、光源の種類やガスセルの形状について適宜最適化を行うことができる。

図９に複数種類のガスが混在したサンプルガス６０のガス濃度を一括した処理として検出する為の変形例を示す。上述のように種類の異なるガスの濃度を算出するには、異なる光の波長を用いて、夫々ガス濃度を測定する必要があるが、本願のガス濃度測定モジュールにおいては、受光手段を複数用いることと、受光手段ごとにガス濃度算出モジュールを設けることで、複数種類のガスに対する濃度測定を一括した処理として実現可能となる。つまり、図９に示すように、対象ガスの異なる受光手段５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄを複数備えるガス濃度計測モジュール２と、複数の受光手段５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄに対応する複数のガス濃度算出モジュール（算出回路３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄおよび格納部４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）を備えることにより、複数種類のガスが混在したサンプルガス６０における複数のガス濃度を同時に検出することができる。

図９は、４種類のガスが混在したサンプルガス６０の各ガスのガス濃度を測定する装置を例示している。ガスセル１０の内部には、測定に用いる波長の光を放射する光源が配置されている。放射する光の波長範囲が広く、各ガスの吸収に利用できる波長域を含むものであれば、図７に示すように、一つの光源２０を用いることができる。また、図示はしないが、各受光手段５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄで検出する波長範囲の光をそれぞれ放射する異なる種類の光源２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを受光手段５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ毎に設けても構わない。

図９において、各受光手段５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄに夫々配置されたバンドパスフィルタ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄは、各受光手段５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄで測定対象となるガスが吸収する波長の光を透過し、それ以外の波長の光を遮断する光学素子であって、各受光手段５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ毎に異なるバンドパスフィルタ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄが配置される。また、ガスセル１０には、サンプルガス６０が供給され、測定が行われる。また、各受光手段５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ毎に算出されるガス濃度の算出方法については、上述のアルゴリズムと同じである。また、図９には、第２実施形態を複数化したものを示したが、第１実施形態を複数化してもよい。その際には、上下に並ぶガス濃度計測モジュール間で、回転機構を共有することにし、片方が反射しているときには他方は透過するとすればよい。

また、上記実施形態では、回転鏡３０またはＭＥＭＳアクチュエータ７０が全反射または全透過する場合を一例として説明したが、これに限らず、ある程度の反射率や透過率をもって反射または透過するように装置を構成しても良い。

また、ガス濃度算出装置１，１Ａで算出されたガスの濃度は、空調の制御以外にも、ガスの濃度を算出する様々な機器に適用することができる。

１…ガス濃度算出装置、２…ガス濃度計測モジュール、３…算出回路、４…格納部、１０…ガスセル、１１…導入空間、１２…ガス導入部、１３…ガス排出部、２０…光源、３０…反射鏡、４０…バンドパスフィルタ、５０…受光部、６０…サンプルガス、７０…ＭＥＭＳアクチュエータ、７１…ミラー。

Claims (10)

1. ガス濃度計測モジュールおよびガス濃度算出モジュールを備え、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置であって、
   前記ガス濃度計測モジュールは、
   前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、
   前記ガスセル内に配置された光源と、
   前記ガスセルの一端に配置され、前記光源から放射された光を回転により反射または透過する回転機構と、
   前記ガスセルの他端に配置され、前記光源から直接放射される直接光、および前記光源から放射され且つ前記回転機構により反射される反射光を受光する受光手段と、
   を備え、
   前記ガス濃度算出モジュールは、前記回転機構により前記光が反射または透過された場合のそれぞれにおける、前記受光手段の受光エネルギー値の比に基づき、前記対象ガスの前記濃度を算出し、
   前記回転機構は、前記光源から前記受光手段までの光路の方向と異なる方向で前記回転を行う、
   ことを特徴とするガス濃度算出装置。
2. 前記回転機構は、反射板と穴からなる回転鏡であることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度算出装置。
3. 前記回転鏡は、前記光源から前記受光手段までの前記光路の方向と略垂直の方向で前記回転を行うことを特徴とする請求項２に記載のガス濃度算出装置。
4. 前記回転機構は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度算出装置。
5. 前記光源と前記受光手段との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
6. 前記光源は、赤外線を放射するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
7. 前記対象ガスは二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
8. 前記対象ガスの前記濃度と前記比との相関関係を示すデータベースまたは近似式を予め格納する格納手段を更に備え、
   前記ガス濃度算出モジュールは、前記データベースまたは前記近似式に基づき、前記比に相応する前記濃度を算出する、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
9. 前記対象ガスの異なる前記受光手段を複数備える前記ガス濃度計測モジュールと、複数の前記受光手段に対応する複数の前記ガス濃度算出モジュールを備える、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
10. 対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置におけるガス濃度計測モジュールであって、
    前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、
    前記ガスセル内に配置された光源と、
    前記ガスセルの一端に配置され、前記光源から放射された光を回転により反射または透過する回転機構と、
    前記ガスセルの他端に配置され、前記光源から直接放射される直接光、および前記光源から放射され且つ前記回転機構により反射される反射光を受光する受光手段と、
    を備え、
    前記回転機構は、前記光源から前記受光手段までの光路の方向と異なる方向で前記回転を行う、
    ことを特徴とするガス濃度計測モジュール。

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