JP5853873B2 - Concentration detector - Google Patents
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Description
本発明は、検査光を照射する赤外光源と、内部に被検出対象が配置される筐体と、被検出対象を透過した検査光を検出し、検出した検査光とその検査光の光路長とに基づいて、被検出対象の濃度を算出する算出部と、を有する濃度検出装置に関するものである。 The present invention detects an inspection light that passes through an infrared light source that irradiates inspection light, a housing in which a detection target is disposed, and inspection light that has passed through the detection target, and the optical path length of the detected inspection light and the inspection light And a calculation unit for calculating the concentration of the detection target based on the above.
従来、例えば特許文献1に示されるように、光路体と、光路体及び試料ガスが中空内に配置される測定セルと、測定セル内に光を照射する光源と、光路体及び試料ガスを透過した光を検出する赤外線検出器と、を備える赤外線式ガス分析計が提案されている。光路体は、長さの異なる複数の長手部材を有し、これら複数の長手部材は、同一平面にて交差した態様で連結されている。そして、光路体における複数の長手部材の交差した部位に回転軸が連結され、この回転軸がモータによって回転可能となっている。 Conventionally, for example, as shown in Patent Document 1, an optical path body, a measurement cell in which the optical path body and the sample gas are disposed in a hollow, a light source that irradiates light in the measurement cell, and the optical path body and the sample gas are transmitted. An infrared gas analyzer including an infrared detector that detects the detected light has been proposed. The optical path body has a plurality of longitudinal members having different lengths, and the plurality of longitudinal members are connected in a manner intersecting on the same plane. And a rotating shaft is connected to the site | part which the some longitudinal member in the optical path body crossed, and this rotating shaft can be rotated with a motor.
モータによって光路体が回転すると、ある長手部材の長手方向が、光源と赤外検出器とを結ぶ方向に一致する状態が訪れる。この状態にて、光源から照射された光は、光源と長手部材との間にある試料ガス、長手部材、及び、長手部材と赤外線検出器との間にある試料ガスを透過して、赤外線検出器に入射する。この際の、光源と長手部材との間、及び、長手部材と赤外線検出器との間の長さの合計が、試料ガスを透過する光の光路長に相当し、これは、長手部材の長さによって規定される。上記したように、各長手部材の長さは異なるため、各長手部材によって規定される光路長が異なる。そのため、光路体を回転させることで、光路長が断続的(不連続的)に変化される。 When the optical path member is rotated by the motor, a state occurs in which the longitudinal direction of a certain longitudinal member coincides with the direction connecting the light source and the infrared detector. In this state, the light emitted from the light source passes through the sample gas between the light source and the longitudinal member, the longitudinal member, and the sample gas between the longitudinal member and the infrared detector to detect infrared rays. Incident light. In this case, the total length between the light source and the longitudinal member and between the longitudinal member and the infrared detector corresponds to the optical path length of the light passing through the sample gas, which is the length of the longitudinal member. It is prescribed by As described above, since the length of each longitudinal member is different, the optical path length defined by each longitudinal member is different. Therefore, the optical path length is changed intermittently (discontinuously) by rotating the optical path body.
上記したように、特許文献1に示される赤外線式ガス分析計は、光路体を回転させることで、光路長が変化される構成となっている。これによれば、確かに光路長を変化させることはできるが、長さの異なる複数の長手部材を有する光路体、及び、この光路体を回転するための回転軸とモータが必要になり、測定セルの体格が増大する。この結果、赤外線式ガス分析計の体格が増大する、という問題があった。 As described above, the infrared gas analyzer disclosed in Patent Document 1 has a configuration in which the optical path length is changed by rotating the optical path body. According to this, although it is possible to change the optical path length, an optical path body having a plurality of longitudinal members having different lengths, and a rotating shaft and a motor for rotating the optical path body are required. The physique of the cell increases. As a result, there has been a problem that the size of the infrared gas analyzer increases.
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、体格の増大が抑制された濃度検出装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a concentration detection device in which an increase in physique is suppressed.
上記した目的を達成するために、本発明は、赤外線を含む検査光を照射する赤外光源(10)と、検査光に含まれる赤外線を透過する材料で形成され、内部に被検出対象が配置される筐体(30)と、該筐体及び筐体内の被検出対象を透過した検査光を検出し、検出した検査光とその検査光が被検出対象を透過した光路長とに基づいて、被検出対象の濃度を算出する算出部(50)と、を有する濃度検出装置であって、筐体は、赤外光源から照射された検査光が入射する入射壁部(33)と、筐体内の被検出対象を透過した検査光が出射される出射壁部(36)と、を有し、入射壁部と出射壁部との間の距離が光路長に相当し、筐体の一部を変形することで、光路長を制御する制御部(70)を有し、制御部は、筐体の一部を連続的に変形させることで、光路長を連続的に制御しており、算出部は、制御部によって光路長が連続的に変化させられた際における、筐体及び筐体内の被検出対象を透過した検査光を検出するとともに、検出した検査光の強度、検出した検査光の光路長に対する微分値、及び、被検出対象の吸光係数に基づいて、被検出対象の濃度を算出しており、算出部は、複数の光路長に対する複数の検査光を検出し、最小二乗法を用いて、検出した検査光に対する微分値を算出することを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, the present invention is formed of an infrared light source (10) that irradiates inspection light including infrared light, and a material that transmits infrared light included in the inspection light, and an object to be detected is disposed therein. And the inspection light transmitted through the casing and the detection target in the casing, and based on the detected inspection light and the optical path length through which the inspection light has transmitted through the detection target, A concentration detection device having a calculation unit (50) for calculating a concentration of a detection target, wherein the housing includes an incident wall portion (33) on which inspection light emitted from an infrared light source is incident, and an interior of the housing An exit wall (36) from which the inspection light transmitted through the object to be detected is emitted, and the distance between the entrance wall and the exit wall corresponds to the optical path length, and a part of the housing is by deforming, control unit for controlling the optical path length (70) possess, the control unit is continuously deformed is a part of the housing Thus, the optical path length is continuously controlled, and the calculation unit obtains the inspection light transmitted through the casing and the detection target in the casing when the optical path length is continuously changed by the control unit. The concentration of the detected object is calculated based on the detected intensity of the inspection light, the differential value with respect to the optical path length of the detected inspection light, and the extinction coefficient of the detected object. A plurality of inspection lights with respect to the optical path length are detected, and a differential value with respect to the detected inspection light is calculated using a least square method .
このように本発明によれば、筐体(30)の一部を変形することで、光路長を制御している。これによれば、長さの異なる複数の長手部材を有する光路体を回転させる構成と比べて、回転させるためのスペースを確保しなくともよい。そのため、濃度検出装置(100)の体格の増大が抑制される。 Thus, according to the present invention, the optical path length is controlled by deforming a part of the housing (30). According to this, it is not necessary to ensure the space for rotating compared with the structure which rotates the optical path body which has several longitudinal members from which length differs. Therefore, an increase in the physique of the concentration detection device (100) is suppressed.
更に本発明では、制御部(70)は、筐体(30)の一部を連続的に変形させることで、光路長を連続的に制御する。これによれば、光路長が不連続的に制御される構成と比べて、被検出対象を測定するのに最適な光路長を選択することができる。なお、光路長を連続的に制御する構成としては、長さが連続的に変化された複数の長手部材を有する光路体を回転させる構成も考えられる。しかしながら、この構成の場合、多くの長手部材を有さなくてはならず、光路体の体格の増大が懸念される。したがって、本発明にかかる濃度検出装置(100)は、上記した比較構成と比べて、体格の増大が抑制される。 In a further the invention, the control unit (70), by continuously deforming a portion of the housing (30), continuously control the optical path length. According to this, as compared with the configuration in which the optical path length is controlled discontinuously, it is possible to select the optimal optical path length for measuring the detection target. In addition, as a structure which controls optical path length continuously, the structure which rotates the optical path body which has several longitudinal member whose length was changed continuously can also be considered. However, in the case of this configuration, it is necessary to have many longitudinal members, and there is a concern about an increase in the size of the optical path body. Therefore, in the concentration detection apparatus (100) according to the present invention, an increase in physique is suppressed as compared with the above-described comparison configuration.
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1〜図15に基づいて、本実施形態に係る濃度検出装置を説明する。本実施形態に係る被検出対象は、液体である。より詳しく言えば、披検出対象は、エタノール、ガソリン、及び、水の少なくとも1つを含む混合液体である。被検出対象に含まれるエタノールの濃度は0〜100%、ガソリンの濃度は0〜100%、水の濃度は0〜7%程度であることが期待される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
The concentration detection apparatus according to this embodiment will be described with reference to FIGS. The detection target according to the present embodiment is a liquid. More specifically, the detection target is a mixed liquid containing at least one of ethanol, gasoline, and water. It is expected that the concentration of ethanol contained in the detection target is 0 to 100%, the concentration of gasoline is 0 to 100%, and the concentration of water is about 0 to 7%.
図1に示すように、濃度検出装置100は、要部として、赤外光源10と、筐体30と、算出部50と、制御部70と、を有する。赤外光源10から照射された検査光が、筐体30及び筐体30内に配置された被検出対象を介して算出部50に入射される。算出部50は、入射した検査光とその検査光が被検出対象を透過した長さに相当する光路長とに基づいて、被検出対象の濃度を算出する。制御部70は、筐体30の一部を変形することで光路長を制御するが、この光路長の制御が、本実施形態に係る濃度検出装置100の特徴点である。以下においては、図1に破線矢印で示す検査光の照射方向(赤外光源10から筐体30に向かう方向)を、単に、照射方向と示す。
As shown in FIG. 1, the
なお、本実施形態に係る濃度検出装置100は、上記構成要素10〜70の他に、光路長検出部90とハウジング91を有する。光路長検出部90の出力信号が、算出部50と制御部70に入力され、ハウジング91内に、赤外光源10、筐体30、算出部50の一部、及び、制御部70の一部が設けられる。以下、各構成要素について説明する。
In addition, the density |
赤外光源10は、赤外線を含む検査光を照射するものである。
The
筐体30は、検査光に含まれる赤外線を透過する材料で形成され、内部に被検出対象が配置されるものである。具体的に言えば、筐体30は、検査光に含まれる赤外線を透過する半導体(例えばシリコン)によって形成されている。図2に示すように、筐体30は、2枚の半導体基板31,32が張り合わされて成り、2枚の半導体基板31,32の対向面(内面)間に空洞が形成されている。この空洞内に被検出対象が供給(配置)され、この空洞が被検出対象によって満たされる。したがって、空洞の形状が変化すると、それに伴って、空洞内に配置された被検出対象の形状も変わるようになっている。
The
第1半導体基板31は、外面が赤外光源10と対向する第1対向壁部であり、赤外光源10から照射された検査光が入射する入射壁部33と、局所的に厚さの薄くなった薄肉部34と、第2半導体基板32と連結するための第1連結壁部35と、から成る。入射壁部33の周囲が薄肉部34によって囲まれ、薄肉部34の周囲が第1連結壁部35によって囲まれている。そして、入射壁部33の外面と内面それぞれに、特定波長の入射光を吸収するための凹凸(モスアイ構造)が形成されている。
The
第2半導体基板32は、外面が算出部50と対向する第2対向壁部であり、被検出対象を透過した検査光が出射される出射壁部36と、薄肉部34と所定の空間を介して対向する壁部37と、第1半導体基板31と連結するための第2連結壁部38と、から成る。出射壁部36の周囲が壁部37によって囲まれ、壁部37の周囲が第2連結壁部38によって囲まれている。そして、出射壁部36の外面と内面それぞれに、特定波長の入射光を吸収するための凹凸(モスアイ構造)が形成されている。
The
入射壁部33と出射壁部36との間には所定の空間が構成され、この空間に被検出対象が配置される。したがって、入射壁部33を透過した光は、入射壁部33と出射壁部36との間に配置された被検出対象と出射壁部36とを介して、筐体30の外部に出射される。被検出対象を透過した検査光は、被検出対象に含まれる各成分によって吸収され、その強度が低減される。
A predetermined space is formed between the
上記したように、筐体30の空洞が被検出対象によって満たされる。そのため、入射壁部33と出射壁部36との間の距離が変化すると、それに伴って、入射壁部33と出射壁部36との間に配置された被検出対象の長さも変化する。この入射壁部33と出射壁部36との間の距離が、被検出対象を透過する検査光の光路長に相当し、制御部70によって制御される。上記したように、被検出対象を透過すると、検査光の強度は低減されるが、この強度の低減量は、被検出対象の光路長に比例する。したがって、光路長が長くなればなるほど、被検出対象の強度は低減される。なお、もちろんではあるが、検査光の強度の低減量は、被検出対象の濃度にも比例する。
As described above, the cavity of the
算出部50は、筐体30及び筐体30内の被検出対象を透過した検査光を検出し、検出した検査光とその検査光の光路長とに基づいて、被検出対象の濃度を算出するものである。算出部50は、入射する検査光を分光する分光器51と、分光器51によって分光された検査光の強度を検知する(電気信号に変換する)検知器52と、検知器52の出力信号を増幅する増幅回路53と、増幅回路53の出力信号と光路長とに基づいて、被検出対象の濃度を算出するための演算を行う演算部54と、を有する。図1に示すように、増幅回路53の出力信号は、演算部54だけではなく、後述する供給部72にも出力される。そして、演算部54は、上記した機能だけではなく、分光器51の分光する波長領域を制御する機能も果たす。なお、上記したように、濃度の算出は演算部54にて行われるが、それについては、後述する。
The
制御部70は、筐体30の一部を変形することで、光路長を制御するものである。本実施形態に係る制御部70は、筐体30に応力を印加して、筐体30の一部を連続的に変形させることで、光路長を連続的に制御する。制御部70は、電流の供給によって圧力を発生する圧電素子71と、該圧電素子71に電流を供給する供給部72と、を有する。圧電素子71は、薄肉部34の外面に形成されており、供給部72から電流が印加されると、その電流の強さと流れ方向とに応じた圧力を発生する。詳しく言えば、圧電素子71は、照射方向、若しくは、照射方向とは反対の方向に圧力を発生する。この圧電素子71にて発生された圧力によって、薄肉部34の形状が変化し、入射壁部33が照射方向、若しくは、その反対の方向に変位する。この結果、入射壁部33と出射壁部36との間の距離(光路長)が増減する。
The
本実施形態に係る圧電素子71は、遮光性を有し、この圧電素子71に開口部71aが形成されている。赤外光源から照射された検査光は、開口部71aを介して、入射壁部33に入射する。本実施形態では、圧電素子71が、薄肉部34の外面だけではなく、第1連結壁部35の外面にも形成されている。これは、第1連結壁部35に圧力を印加するためではなく、第1半導体基板31の入射壁部33以外に検査光が入射することを抑制するためである。
The
本実施形態に係る供給部72は、増幅回路53及び光路長検出部90それぞれの出力信号に基づいた電流を圧電素子71に供給する。供給部72は、増幅回路53の出力信号(以下、センサ出力と示す)に基づいて、検出された検査光の強度が、測定に適しているか否かを判定し、光路長検出部90の出力信号に基づいて、狙い通りに光路長が制御できているかを判定する。
The
また、本実施形態に係る供給部72は、濃度を検出する際に、徐々に電流を流すことで、光路長を連続的に変化させる。こうすることで、図15に示す、光路長に対するセンサ出力(検出された検査光の強度)のグラフを得る。
Further, the
光路長検出部90は、歪みゲージ92と、光路長検出回路93と、を有する。図2に示すように、歪みゲージ92は、薄肉部34に形成されており、圧電素子71によって生じた薄肉部34の歪みが歪みゲージ92によって電気信号に変換される。入射壁部33の変位量(光路長の変化量)は、薄肉部34の歪み量に比例し、歪みゲージ92の出力信号も、薄肉部34の歪み量に比例する。これにより、光路長検出回路93は、歪みゲージ92の出力信号の変化量に基づいて、光路長の変化量を検出する。その検出した信号が、演算部54と供給部72それぞれに供給される。
The optical path
次に、本実施形態に係る濃度検出装置100の筐体30の製造方法を図3〜図13に基づいて説明する。先ず、図3〜図9に基づいて、第2半導体基板32の製造方法を説明した後に、図10〜図13に基づいて、第1半導体基板31と圧電素子71の製造方法を説明する。そして、最後に、筐体30の製造方法を示す。なお、以下においては、加工前と加工後とを区別するために、加工前の第1半導体基板31を半導体基板31a、加工前の第2半導体基板32を半導体基板32aと示す。
Next, a method for manufacturing the
先ず、図3に示すように、半導体基板32aを準備する。以上が準備工程である。
First, as shown in FIG. 3, a
該準備工程後、図4に示すように、半導体基板32aに、初期光路長を規定するための溝を形成する。これによって、半導体基板32aが、おおよそ、出射壁部36と、壁部37と、第2連結壁部38と、に区画される。以上が、溝形成工程である。
After the preparation step, as shown in FIG. 4, a groove for defining the initial optical path length is formed in the
該溝形成工程後、図5に示すように、出射壁部36の外面と内面それぞれに、特定波長の入射光を吸収するための凹凸(モスアイ構造)を形成する。以上が、モスアイ構造形成工程である。以上の工程を経ることで、第2半導体基板32が製造される。
After the groove forming step, as shown in FIG. 5, irregularities (moth eye structure) for absorbing incident light of a specific wavelength are formed on the outer surface and the inner surface of the
なお、このモスアイ構造形成工程は、図6〜図9に示す各工程から成る。すなわち、モスアイ構造形成工程は、第1マスクパターニング工程と、第1エッチング工程と、第2マスクパターニング工程と、第2エッチング工程と、から成る。 This moth-eye structure forming step includes the steps shown in FIGS. In other words, the moth-eye structure forming process includes a first mask patterning process, a first etching process, a second mask patterning process, and a second etching process.
第1マスクパターニング工程では、図6に示すように、凹凸(モスアイ構造)を形成するための第1マスク40を半導体基板32aの外面に形成する。この後、図7に示すように、第1エッチング工程にて、第1マスク40から露出された半導体基板32aの外面をエッチングして、第1マスク40を除去する。こうすることで、半導体基板32aの外面に、凹凸(モスアイ構造)を形成する。この後、図8に示すように、第2マスクパターニング工程にて、半導体基板32aの内面に、凹凸(モスアイ構造)を形成するための第2マスク41を形成する。最後に、図9に示すように、第2エッチング工程にて、第2マスク41から露出された半導体基板32aの内面をエッチングして、第2マスク41を除去する。こうすることで、半導体基板32aの内面に、凹凸(モスアイ構造)を形成する。
In the first mask patterning step, as shown in FIG. 6, a
次に、第1半導体基板31と圧電素子71の製造方法を説明する。先ず、図10に示すように、半導体基板31aを準備する。以上が準備工程である。
Next, a method for manufacturing the
該準備工程後、図11に示すように、半導体基板31aの外面に、圧電素子71を形成する。以上が、圧電素子形成工程である。
After the preparation step, as shown in FIG. 11, a
該圧電素子形成工程後、図12に示すように、半導体基板31aの内面からエッチングして、局所的に厚さの薄い部位を形成する。これによって、半導体基板31aが、入射壁部33と、薄肉部34と、第1連結壁部35と、に区画される。以上が、薄肉部形成工程である。
After the piezoelectric element forming step, as shown in FIG. 12, etching is performed from the inner surface of the
該薄肉部形成工程後、図13に示すように、出射壁部36の外面と内面それぞれに、特定波長の入射光を吸収するための凹凸(モスアイ構造)を形成する。以上が、モスアイ構造形成工程である。以上の工程を経ることで、第1半導体基板31と圧電素子71が製造される。なお、図13に示すモスアイ構造形成工程は、図6〜図9に示す各工程と同等なので、その記載を省略する。また、歪みゲージ92の形成については、特に言及していなかったが、薄肉部形成工程後であれば、いつ行っても良い。
After the thin-walled portion forming step, as shown in FIG. 13, irregularities (moth eye structure) for absorbing incident light having a specific wavelength are formed on the outer surface and the inner surface of the
最後に、筐体30の製造方法を説明する。先ず、上記した各工程を経て製造された半導体基板31,32それぞれを、真空雰囲気下に配置し、連結壁部35,38それぞれの内面の表層を除去して、結合手を露出させる。そして、連結壁部35,38それぞれの内面を接触させて、結合手を結合させることで、半導体基板31,32それぞれを直接接合する。以上が、直接接合工程である。これにより、図2に示す筐体30が製造される。
Finally, a method for manufacturing the
次に、本実施形態に係る濃度検出装置100の検出原理を図14及び図15に基づいて説明する。図14及び図15それぞれの横軸は光路長を示し、縦軸はセンサ出力(検出された検査光の強度)を示している。縦軸は、被検出対象を検査光が透過しなかった場合、すなわち、被検出対象によって検査光に含まれる特定波長成分が吸収されなかった場合におけるセンサ出力を1.0として規格化している。したがって、縦軸の単位は任意単位である。また、横軸は、光路長が変化されなかった場合、すなわち、制御部70によって薄肉部34が変形されなかった場合における光路長を0.0としている。横軸の単位はmである。
Next, the detection principle of the
上記したように、赤外光源10から照射された検査光は、筐体30及び筐体30内に配置された被検出対象を介して算出部50に入射される。被検出対象を透過した検査光は、被検出対象に含まれる成分によって吸収され、その強度が低減する。この強度の低減量は、被検出対象の濃度と光路長とに比例する。したがって、被検出対象の濃度が薄い場合、検出される検査光の強度変化(センサ出力の変化量)が算出部50の分解能よりも大きくなるように、光路長を長くする必要がある。反対に、被検出対象の濃度が濃い場合、被検出対象の強度変化が大きくなりすぎた結果、検出される検査光の強度(センサ出力)が算出部50の分解能よりも小さくならないように、光路長を短くする必要がある。
As described above, the inspection light emitted from the infrared
被検出対象が複数の成分から成り、各成分の濃度が異なる場合、各成分を測定するのに適した光路長(センサ出力の変化量が算出部50の分解能よりも大きくなり、且つ、センサ出力が算出部50の分解能よりも小さくならない光路長)を選択する必要がある。しかしながら、ある一つの成分に適した光路長は、他の成分にとって適した光路長であるとは限らない。
When the object to be detected is composed of a plurality of components and the concentrations of the components are different, the optical path length suitable for measuring each component (the change amount of the sensor output is larger than the resolution of the
上記したように、本実施形態に係る披検出対象は、エタノール、ガソリン、及び、水の少なくとも1つを含む混合液体であり、エタノールの濃度は0〜100%、ガソリンの濃度は0〜100%、水の濃度は0〜7%程度であることが期待される。図14に、これら3つの成分それぞれが、最大濃度の場合に検出されるセンサ出力の光路長に対する依存性を実線で示し、最小濃度の場合に検出されるセンサ出力の光路長に対する依存性を破線で示す。図14に一点鎖線で示すように、算出部50の分解能は1.0×10−3となっているが、この分解能よりも、センサ出力の変化量、及び、センサ出力が上の場合に、各成分が検出可能となる。図14に二点差線と実線矢印で示すように、エタノールの場合、光路長がおよそ1.0×10−6〜5.0×10−4mの場合に検出可能であり、ガソリンの場合、光路長がおよそ0.8×10−5〜1.0×10−4mの場合に検出可能であり、水の場合、光路長がおよそ3.0×10−4〜1.0×10−3mの場合に検出可能となっている。このように、エタノール、ガソリン、及び、水それぞれの検出可能範囲は異なるため、それぞれに適した光路長にて検出する必要がある。
As described above, the detection target according to the present embodiment is a mixed liquid containing at least one of ethanol, gasoline, and water, the ethanol concentration is 0 to 100%, and the gasoline concentration is 0 to 100%. The concentration of water is expected to be about 0-7%. In FIG. 14, the dependency of the sensor output on the optical path length detected when the three components are at the maximum density is indicated by a solid line, and the dependency on the optical path length of the sensor output detected at the minimum density is indicated by a broken line. It shows with. As indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 14, the resolution of the
これに対して、本実施形態では、圧電素子71に電流を徐々に流すことで、光路長を連続的に変化させ、この光路長が連続的に変化した際の検査光を検出する。これによって得られたデータを図15に示す。図15に示す実線は、被検出対象に含まれる1成分の光路長に対するセンサ出力を示しており、各線の濃度は異なる。このように、濃度が異なると、光路長に対するセンサ出力が変化し、この成分を測定するのに適した光路長も変化する。しかしながら、図15に示すように、検出した検査光の強度(センサ出力)が一定値の場合の光路長を検出することで、その成分の濃度がいかように変化しようとも、その成分を測定するのに適した光路長におけるセンサ出力を検出することができる。
In contrast, in the present embodiment, the optical path length is continuously changed by gradually passing a current through the
上記説明では、1成分に対して述べたが、本実施形態では、上記した操作を、成分毎に行う。こうすることで、各成分の濃度が異なる場合であっても、各成分を測定するのに適した光路長を選択することが可能となる。なお、図15に示す一定値は、8.0×10−1であり、これは、被検出対象によって、2.0×10−1だけセンサ出力が変化したことを示す値である。このセンサ出力の変化値は、算出部50で検出できる値であり、且つ、検知器52にて生じる熱ノイズよりも十分に高い値である。すなわち、検査可能範囲内の値であり、S/N比の高い値である。ちなみに、一定値は、S/N比が高いだけではなく、センサ出力の光路長に対する傾きが線形領域である値が採用される。
In the above description, although one component has been described, the above-described operation is performed for each component in the present embodiment. This makes it possible to select an optical path length suitable for measuring each component even when the concentration of each component is different. The constant value shown in FIG. 15 is 8.0 × 10 −1 , which is a value indicating that the sensor output has changed by 2.0 × 10 −1 depending on the detection target. The change value of the sensor output is a value that can be detected by the
演算部54は、上記方法にて得られたセンサ出力と光路長とに基づいて、被検出対象の濃度を算出するための演算を行う。詳しく言えば、センサ出力をI、光路長の変化がゼロの時のセンサ出力をI0、吸収係数をα、濃度をn、光路長をlとすると、n=−{log((I0−I)/I0)}/(αl)という演算を行うことで、濃度を算出する。この式は、ランベルト・ベールの法則から容易に得られる。ちなみに、光路長の変化がゼロの時のセンサ出力I0及び吸光係数αは、予め、算出部50(演算部54)に記憶されている。
The
次に、本実施形態に係る濃度検出装置100の作用効果を説明する。上記したように、筐体30の一部(薄肉部34)を変形することで、光路長を制御している。これによれば、長さの異なる複数の長手部材を有する光路体を回転させる構成と比べて、回転させるためのスペースを確保しなくともよい。そのため、濃度検出装置100の体格の増大が抑制される。
Next, the function and effect of the
制御部70は、筐体30の一部(薄肉部34)を連続的に変形させることで、光路長を連続的に制御する。これによれば、光路長が不連続的に制御される構成と比べて、被検出対象を測定するのに最適な光路長を選択することができる。なお、光路長を連続的に制御する構成としては、長さが連続的に変化された複数の長手部材を有する光路体を回転させる構成も考えられる。しかしながら、この構成の場合、多くの長手部材を有さなくてはならず、光路体の体格の増大が懸念される。したがって、本実施形態に係る濃度検出装置100は、上記した比較構成と比べて、体格の増大が抑制される。
The
遮光性を有する圧電素子71が、薄肉部34と第1連結壁部35それぞれの外面に形成され、圧電素子71に開口部71aが形成されている。これによれば、開口部71aがアパーチャとしての機能を果たし、入射壁部33だけを介した検査光が、筐体30内に入射する。したがって、第1半導体基板31における入射壁部33を除く壁部(薄肉部34、第1連結壁部35)を介して入射した検査光が、算出部50に入射することが抑制される。これにより、ノイズの増大が抑制される。
A light-shielding
被検出対象は、液体である。これによれば、被検出対象が気体である場合と比べて、被検出対象の濃度が高いので、少し光路長を変化させるだけで、検査光を効果的に低減することができる。そのため、光路長を大きく変化させるために筐体30の体格を大きくしておかなくともよく、筐体30の形成材料として、半導体基板を採用することができる。これにより、筐体30の体格の増大が抑制され、濃度検出装置100の体格の増大が抑制される。
The detection target is a liquid. According to this, since the concentration of the detection target is higher than when the detection target is a gas, the inspection light can be effectively reduced by changing the optical path length slightly. Therefore, it is not necessary to increase the size of the
光路長を連続的に変化させ、その連続的に変化した際の検査光を検出する。そして、センサ出力が一定値の場合の光路長を検出する。これを、成分毎に行う。こうすることで、各成分の濃度が異なる場合であっても、各成分を測定するのに適した光路長を選択することが可能となっている。 The optical path length is continuously changed, and the inspection light at the time of the continuous change is detected. Then, the optical path length when the sensor output is a constant value is detected. This is done for each component. By doing so, it is possible to select an optical path length suitable for measuring each component even when the concentration of each component is different.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本実施形態では、センサ出力が一定値の場合の光路長を検出し、この検出した光路長とセンサ出力とに基づいて、被検出対象の濃度を算出した例を示した。しかしながら、これとは異なる方法にて、被検出対象の濃度を算出することもできる。 In the present embodiment, the optical path length when the sensor output is a constant value is detected, and the concentration of the detection target is calculated based on the detected optical path length and the sensor output. However, the concentration of the detection target can be calculated by a method different from this.
ランベルト・ベールの法則により、I=I0exp(−αnl)が成立する。これをlについて微分すると、dI/dl=−αnI0exp(−αnl)となる。これら二式より、n=(dI/dl)/(−αI)と表される。したがって、濃度を検出するためには、センサ出力と、そのセンサ出力の光路長に対する微分値(変化量)とが分かればよい。これによれば、光路長の変化がゼロの場合のセンサ出力I0を予め検出しておく必要がなくなる。したがって、この強度I0を検出した後、例えば、光路に汚れが附着したために、検出しておいた強度I0が変動し、濃度の検出精度が低下する、という不具合が生じることが抑制される。 According to Lambert-Beer's law, I = I 0 exp (−αnl) holds. When this is differentiated with respect to l, dI / dl = −αnI 0 exp (−αnl) is obtained. From these two formulas, n = (dI / dl) / (− αI). Therefore, in order to detect the concentration, it is only necessary to know the sensor output and the differential value (change amount) with respect to the optical path length of the sensor output. This eliminates the need to previously detect the sensor output I 0 when the change in the optical path length is zero. Therefore, after detecting the intensity I 0 , for example, it is suppressed that the detected intensity I 0 fluctuates due to contamination on the optical path and the density detection accuracy is reduced. .
なお、センサ出力と、そのセンサ出力の光路長に対する微分値(変化量)とを得るためには、図16に示すように、制御部70によって光路長を連続的に変化させ、その連続的に変化させた際における、センサ出力を複数点検出する。図16では、1つの微分値を得るために5点検出し、最小二乗法を用いて、センサ出力に対する微分値(変化量)を検出している。こうすることで、外乱の影響が抑制され、濃度の検出精度の低下も抑制される。ちなみに、上記式に表される光路長lは、5点検出したセンサ出力の内、真ん中(3点目)のセンサ出力に対応する光路長である。
In order to obtain a sensor output and a differential value (amount of change) with respect to the optical path length of the sensor output, as shown in FIG. 16, the optical path length is continuously changed by the
本実施形態では、圧電素子71にて発生された圧力によって、第1半導体基板31の薄肉部34の形状が変化されることで、光路長が制御される例を示した。しかしながら、図17に示すように、第2半導体基板32の壁部37が、薄肉部34と同等にして局所的に厚さが薄くなり、この壁部37に圧電素子71が形成された構成を採用することもできる。これによれば、薄肉部34と壁部37それぞれの形状を変形させることで、光路長を制御することができる。なお、図示しないが、壁部37の形状だけを変化させることで、光路長を制御する構成を採用することもできる。
In the present embodiment, an example in which the optical path length is controlled by changing the shape of the
本実施形態では、薄肉部34に圧電素子71が形成された例を示した。しかしながら、薄肉部34の形状を変形させることで、光路長を制御する構成としては、上記例に限定されない。例えば、図18に示すように、薄肉部34に第1半導体基板31とは線膨張係数の異なる金属配線73を設けた構成を採用することもできる。この金属配線73に電流を流して発熱させ、金属配線73と薄肉部34との線膨張係数差によって生じる熱応力によって、薄肉部34の形状を変化させても良い。若しくは、図19に示すように、薄肉部34と壁部37それぞれに不純物を添加して、この不純物の添加された領域に電圧を印加して、静電気力を発生させることで、薄肉部34の形状を変化させても良い。なお、図18及び図19では、第1半導体基板31の外面に遮光膜74が形成されている。そのため、赤外光源から照射された検査光は、遮光膜74の開口部74aを介して、入射壁部33に入射する。
In the present embodiment, an example in which the
本実施形態では、光路長検出部90は、歪みゲージ92と、光路長検出回路93と、を有し、光路長検出回路93は、歪みゲージ92の出力信号に基づいて、光路長の変化量を検出する例を示した。しかしながら、図示しないが、光路長検出部90は、歪みゲージ92の代わりに、薄肉部34と壁部37それぞれに形成された電極を有し、光路長検出回路93は、これら電極間の静電容量変化に基づいて、光路長の変化量を検出しても良い。若しくは、光路長検出部90は、歪みゲージ92の代わりに、薄肉部34に形成された圧電薄膜を有し、光路長検出回路93は、圧電薄膜の出力信号に基づいて、光路長の変化量を検出しても良い。
In the present embodiment, the optical path
本実施形態では、半導体基板31,32それぞれの形成材料について特に言及していなかったが、形成材料としては、シリコン基板やSOI基板を採用することができる。
In the present embodiment, the formation materials of the
本実施形態では、半導体基板31,32それぞれが直接接合される例を示した。しかしながら、半導体基板31,32それぞれの接合としては、上記例に限定されない。接合方法としては、耐久性が高く、被検出対象(液体)が筐体30内から漏れない方法であれば、適宜採用することができる。例えば、低融点ガラスでの接合などを採用することもできる。
In the present embodiment, an example in which the
本実施形態では、披検出対象は、エタノール、ガソリン、及び、水の少なくとも1つを含む混合液体である例を示した。しかしながら、被検出対象としては、上記例に限定されない。被検出対象としては、液体に限らず、気体でもよい。 In the present embodiment, the example in which the detection target is a mixed liquid containing at least one of ethanol, gasoline, and water is shown. However, the detection target is not limited to the above example. The object to be detected is not limited to liquid but may be gas.
10・・・赤外光源
30・・・筐体
33・・・入射壁部
36・・・出射壁部
50・・・算出部
70・・・制御部
100・・・濃度検出装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記検査光に含まれる赤外線を透過する材料で形成され、内部に被検出対象が配置される筐体(30)と、
該筐体及び前記筐体内の被検出対象を透過した検査光を検出し、検出した検査光とその検査光が前記被検出対象を透過した光路長とに基づいて、前記被検出対象の濃度を算出する算出部(50)と、を有する濃度検出装置であって、
前記筐体は、前記赤外光源から照射された検査光が入射する入射壁部(33)と、前記筐体内の被検出対象を透過した検査光が出射される出射壁部(36)と、を有し、
前記入射壁部と前記出射壁部との間の距離が前記光路長に相当し、
前記筐体の一部を変形することで、前記光路長を制御する制御部(70)を有し、
前記制御部は、前記筐体の一部を連続的に変形させることで、前記光路長を連続的に制御しており、
前記算出部は、前記制御部によって前記光路長が連続的に変化させられた際における、前記筐体及び前記筐体内の被検出対象を透過した検査光を検出するとともに、検出した検査光の強度、検出した検査光の前記光路長に対する微分値、及び、前記被検出対象の吸光係数に基づいて、前記被検出対象の濃度を算出しており、
前記算出部は、複数の光路長に対する複数の検査光を検出し、最小二乗法を用いて、検出した検査光に対する微分値を算出することを特徴とする濃度検出装置。 An infrared light source (10) for irradiating inspection light including infrared;
A housing (30) formed of a material that transmits infrared rays contained in the inspection light and in which a detection target is arranged;
The inspection light transmitted through the casing and the detection target in the casing is detected, and the concentration of the detection target is determined based on the detected inspection light and the optical path length through which the inspection light has transmitted through the detection target. A concentration detector having a calculation unit (50) for calculating,
The housing includes an incident wall portion (33) on which inspection light emitted from the infrared light source is incident, and an exit wall portion (36) from which inspection light transmitted through the detection target in the housing is emitted, Have
The distance between the incident wall and the exit wall corresponds to the optical path length,
Said By deforming a portion of the housing, have a control unit for controlling the optical path length (70),
The control unit continuously controls the optical path length by continuously deforming a part of the housing,
The calculation unit detects the inspection light transmitted through the casing and the detection target in the casing when the optical path length is continuously changed by the control unit, and the intensity of the detected inspection light The concentration of the detection target is calculated based on the differential value of the detected inspection light with respect to the optical path length and the extinction coefficient of the detection target.
The concentration detection apparatus is characterized in that the calculation unit detects a plurality of inspection lights for a plurality of optical path lengths and calculates a differential value for the detected inspection light using a least square method .
前記入射壁部及び前記出射壁部の少なくとも一方が、前記薄肉部に連結されており、
前記制御部は、前記薄肉部を変形させることで、前記光路長を制御することを特徴とする請求項1に記載の濃度検出装置。 A part of the casing is a thin part (34) having a locally thin thickness,
At least one of the incident wall portion and the emission wall portion is connected to the thin portion,
The concentration detection apparatus according to claim 1, wherein the control unit controls the optical path length by deforming the thin portion .
前記対向壁部の外面に遮光膜(71,74)が形成され、
該遮光膜に開口部(71a,74a)が形成されており、
前記赤外光源から照射された検査光が、前記遮光膜に形成された開口部を介して、前記入射壁部に入射することを特徴とする請求項2に記載の濃度検出装置。 The facing wall portion (31) facing the infrared light source in the housing includes the incident wall portion,
A light-shielding film (71, 74) is formed on the outer surface of the opposing wall;
Openings (71a, 74a) are formed in the light shielding film,
The concentration detection apparatus according to claim 2 , wherein the inspection light emitted from the infrared light source enters the incident wall portion through an opening formed in the light shielding film .
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