JP6187696B2

JP6187696B2 - ガス濃度測定装置

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Inventors: 雅章安田
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Description

本発明は、赤外線吸収型のガス濃度測定装置に関する。

試料ガス等に含まれる特定成分の濃度を測定する濃度測定装置として、非分散型赤外線吸収法式（ＮＤＩＲ）を用いたガス濃度測定装置が知られている。この種のガス濃度測定装置は、光源から出射された赤外線を試料ガスに吸収させた後に光学用フィルタ（バンドパスフィルタ）を透過した赤外線の量を検出器にて検出する。特定波長の吸収量に基づいて試料ガスの濃度の測定を行なう。

このようなガス濃度測定装置が開示された文献として、たとえば特開平５−２０３５７３号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１に開示のガス濃度測定装置にあっては、複数のバンドパスフィルタが周方向に所定の間隔を設けて配置された円板を回転させることにより、複数種類の試料ガスを測定できる。

特開平５−２０３５７３号公報

しかしながら、特許文献１に開示のガス濃度測定装置にあっては、使用するバンドパスフィルタを切り替える場合には、測定の際に位置するバンドパスフィルタと検出器とが並ぶ方向に平行な回転軸を中心に、円板を回転させる。当該円板には複数のバンドパスフィルタが周方向に配置されるため、円板の大きさが比較的大きくなる。このため、円板が回転するための回転領域を確保する必要が生じ、ガス濃度測定装置が大きくなる。このようなサイズの大きなガス濃度測定装置は、比較的狭い場所には設置することが困難となる。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、小型化が可能なガス濃度測定装置を提供することにある。

本発明に基づくガス濃度測定装置は、赤外線を出射する光源と上記赤外線を受光する受光部を有する検出器との間の試料ガスの吸光度に応じてガス濃度を測定するガス濃度測定装置であって、筒状の内周面形状を有する導波部、上記導波部の一方側に形成され上記光源からの上記赤外線を導入する入口部、および、上記導波部の他方側に形成され上記導波部を通過した上記赤外線を上記検出器側に向けて導出する出口部を含む導波路形成部材と、上記導波路形成部材の軸線方向と交差する回転軸まわりに回転可能に設けられた回転部材と、上記回転部材に設けられ、互いに交差する一対の面上に位置するように配置された第１バンドパスフィルタおよび第２バンドパスフィルタと、上記回転部材を上記回転軸まわりに回転させる回転駆動部と、を備える。上記回転部材は、上記回転駆動部によって回転されることにより、上記出口部から導出された上記赤外線を上記検出器に向けて透過させるための透過位置に上記第１バンドパスフィルタおよび上記第２バンドパスフィルタを選択的に配置し、上記回転部材、上記第１バンドパスフィルタおよび上記第２バンドパスフィルタのうちの上記回転軸まわりの回転半径が最大となる部分を最大半径部とし、上記回転軸に沿って見た場合に、上記最大半径部を上記回転軸まわりに仮想的に回転させたときに描かれる回転軌跡を基準円とすると、上記出口部は、上記基準円内に位置する。

このように、導波路形成部材の出口部を第１バンドパスフィルタまたは第２バンドパスフィルタが配置される透過位置に近づけつつ、導波路形成部材の軸線方向と交差する回転軸まわりに回転部材を回転させて、透過位置に第１バンドパスフィルタが配置された状態と、透過位置に第２バンドパスフィルタが配置された状態とを切り替えることにより、複数のバンドパスフィルタが１つの平面上に配置された回転部材を導波路形成部材の軸線方向に平行となる回転軸まわりに回転部材を回転させる構成と比較して、ガス濃度測定装置を小型化することができる。

上記本発明に基づくガス濃度測定装置は、上記透過位置に上記第１バンドパスフィルタが配置された状態を形成している上記回転部材のうちの上記検出器から最も離れて位置する端部を遠端部とした場合に、上記出口部は、上記遠端部よりも上記検出器側に位置することが好ましい。

これにより、透過位置に位置する第１バンドパスフィルタまたは第２バンドパスフィルタに入射角の小さな赤外線を入射できる。このため、ガス濃度測定装置の検出精度を向上させることができる。

上記本発明に基づくガス濃度測定装置は、上記導波部の内周面の一部または全部には、上記入口部から上記出口部に向かうにつれて断面積が小さくなる先細領域が設けられることが好ましい。この場合には、上記導波路形成部材は、上記入口部から上記導波部に進入した上記赤外線を上記先細領域に反射させることにより、上記透過位置に配置された上記第１バンドパスフィルタまたは上記第２バンドパスフィルタに対して斜め方向に入射する上記赤外線のエネルギーを減衰させることが好ましい。

これにより、入口部から導波部に進入した赤外線が先細領域に反射し、透過位置に配置された第１バンドパスフィルタまたは第２バンドパスフィルタに対して斜め方向に入射する赤外線のエネルギーを減衰させることができる。このため、ガス濃度測定装置の測定感度を向上させることができる。

上記本発明に基づくガス濃度測定装置は、上記回転部材の周囲を囲むように配置された囲い部材をさらに備えることが好ましい。この場合には、上記囲い部材は、上記回転部材の回転動作を許容する回転許容空間を内側に規定する周壁部と、上記周壁部の一部を貫通するように設けられ、上記第１バンドパスフィルタまたは上記第２バンドパスフィルタを透過した上記赤外線を上記検出器に向けて導く貫通孔と、を含むことが好ましい。

これにより、ガス濃度測定装置の外部からの光をより制限することができる。このため、ガス濃度測定装置の測定感度をより向上させることができる。

上記本発明に基づくガス濃度測定装置にあっては、上記囲い部材は、上記回転軸を通すための穴部を有することが好ましい。また、上記回転部材は、上記穴部に対向する対向壁部を含むことが好ましい。

このように形成することで、ガス濃度測定装置の外部からの光をより制限することができるため、より測定感度を向上させることができる。

上記本発明に基づくガス濃度測定装置にあっては、上記囲い部材は、互いに別部材として構成された第１囲い部材と第２囲い部材とを含むことが好ましい。この場合には、上記第１囲い部材は、上記検出器の側に位置する上記回転許容空間を規定することが好ましく、上記第２囲い部材は、上記光源の側に位置する上記回転許容空間を規定することが好ましい。また、上記貫通孔は、上記第１囲い部材に設けられていることが好ましく、上記導波路形成部材は、上記第２囲い部材に設けられていることが好ましい。

このように形成することで、囲い部材の成型性が向上するため、囲い部材の設計の自由度を向上できる。

上記本発明に基づくガス濃度測定装置にあっては、上記回転部材は、上記第１囲い部材と上記第２囲い部材との接合界面に対向するように設けられている他の対向壁部を含むことが好ましい。

このように形成することで、ガス濃度測定装置の外部からの光を制限する部材をさらに設けることにより、測定感度をさらに向上させることができる。

上記本発明に基づくガス濃度測定装置は、筐体をさらに備えることが好ましい。この場合には、上記筐体は、上記回転部材が内部に配置された試料セルと、上記回転駆動部とを内部に有することが好ましい。

このように構成することにより、ガス濃度測定装置を小型化しつつ、ガス濃度測定装置のデザイン性を向上させることができる。

上記本発明に基づくガス濃度測定装置にあっては、上記検出器は、上記囲い部材の上記貫通孔から導出された上記赤外線を上記受光部に導くための開口部を有することが好ましい。さらに、上記貫通孔の軸線方向に沿って上記貫通孔を上記検出器に向かって投影した場合に、上記貫通孔の投影像は上記開口部に重ならない位置関係を有することが好ましい。

このように構成することにより、貫通孔を通過した赤外線が開口部によって制限されることを抑制できるため、検出器の受光量を増加させることができる。これにより、測定感度を向上させることができる。

本発明によれば、小型化が可能なガス濃度測定装置を提供することができる。

実施の形態１に係るガス濃度測定装置の上面図である。図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、回転保持部材の第１状態を示す図である。図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、回転保持部材の第２状態を示す図である。光源から出射された赤外線を検出器に導くための構成の第１位置での断面図である。光源から出射された赤外線を検出器に導くための構成の第２位置での断面図である。光源から出射された赤外線を検出器に導くための構成の第３位置での断面図である。光源から出射された赤外線を検出器に導くための構成を示す斜視図である。図１に示す回転保持部材の概略図である。図８に示す回転保持部材の対向壁部および本体部を示す概略図である。図８に示す回転保持部材の外側面側を示す概略図である。図５に示す導波路形成部材を進行する赤外線を示す図である。第１変形例における導波路形成部材を進行する赤外線を示す図である。第２変形例における導波路形成部材を進行する赤外線を示す図である。第３変形例における導波路形成部材を進行する赤外線を示す図である。

以下、本発明の実施の形態および変形例について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態および変形例においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るガス濃度測定装置の上面図である。図２および図３は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、回転保持部材の第１状態および第２状態を示す図である。図１から図３を参照して、本実施の形態に係るガス濃度測定装置について説明する。

図１から図３に示すように、本実施の形態に係るガス濃度測定装置１００は、試料セル１０と回転駆動部５０とを内部に収容する筐体１１を備える。ガス濃度測定装置１００は、試料セル１０、光源２０、回転保持部材３０、第１バンドパスフィルタ４１（図２参照）、第２バンドパスフィルタ４２、検出器６０、囲い部材２および導波路形成部材９０（図２参照）をさらに備える。なお、回転保持部材３０が本願発明の「回転部材」に相当する。

ガス濃度測定装置１００は、赤外線を出射する光源２０と赤外線を受光する受光部６２を有する検出器６０との間に流通される試料ガスの吸光度に応じてガス濃度を測定するものである。また、囲い部材２、導波路形成部材９０および回転保持部材３０は、図４から図７に示すように、光源から出射された赤外線を検出器に導くための構成に相当する。

試料セル１０は、内部に試料ガス流通空間を有し、試料ガスが流通可能に設けられている。たとえば、試料セル１０の一端側（図１中光源２０側）には、試料ガス導入孔（不図示）が設けられ、試料セル１０の多端側（図１中検出器６０側）には、試料ガス導出孔（不図示）が設けられている。試料ガス導入孔を介して試料セル１０に導出された試料ガスは、試料ガス導出管孔から排出される。

試料セル１０は、光源２０、導波路形成部材９０、回転保持部材３０、検出器６０を内部に収容する。光源２０、導波路形成部材９０、回転保持部材３０、検出器６０は、たとえば、試料セル１０の一端側からこの順で配置される。試料セル１０の外側に、回転駆動部５０が配置されている。回転駆動部５０をむき出しにしないように、試料セル１０と回転駆動部５０とを筐体１０内に有することにより、ガス濃度測定装置のデザイン性を向上させることができる。なお、試料セル１０は、筐体１１の一部によって規定されてもよいし、筐体１１と別体で構成されてもよい。

光源２０は、赤外線を出射する。光源２０としては、たとえば所望の赤外線を含む広帯域な赤外線を放出するフィラメントランプやＬＥＤランプ等を採用することができる。光源２０から出射された赤外線の一部は、試料ガスの有する赤外吸収波長特性に基づいて吸収される。

導波路形成部材９０は、筒状の内周面形状を有する導波部９３、導波部９３の一方側に形成され光源２０からの赤外線を導入する入口部９１、および、導波部９３の他方側に形成され導波部９３を通過した赤外線を検出器６０側に向けて導出する出口部９２を含む。導波路形成部材９０は、試料ガスによって一部が吸収された赤外線を検出器６０に向けて導出する。

導波部９３の内周面は、入口部９１から出口部９２に向かうにつれて流路断面積が小さくなる先細領域が設けられている。当該先細領域は、入口部９１から出口部９２に向かうにつれて周長が短くなる錐台形状を含んでいる。ここで錐台形状とは、円錐台形状および多角錐台形状を意味する。

導波路形成部材９０としては、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合合成樹脂）やＰＣ樹脂（ポリカーボネート樹脂）等の樹脂材料を採用することができる。特に、導波路形成部材９０としては、反射率が２０％以下となる樹脂材料を採用することが好ましい。

第１バンドパスフィルタ４１および第２バンドパスフィルタ４２は、回転保持部材３０に設けられている。第１バンドパスフィルタ４１および第２バンドパスフィルタ４２は、互いに交差する後述の一対の面７１，７２（図９参照）上に位置するように配置されている。第１バンドパスフィルタ４１および第２バンドパスフィルタ４２は、後述の所定の回転軸５１まわりに回転保持部材３０が回転駆動部５０によって回転させられることにより、導波路形成部材９０の出口部９２から導出された赤外線を検出器６０に向けて透過させるための透過位置に選択的に配置される。

第１バンドパスフィルタ４１は、検出対象となる試料ガスの吸収帯の赤外線を透過するように構成されている。これにより、所望の波長帯を有する赤外線のみが検出器６０に到達する。検出対象となる試料ガスは、例えば、二酸化炭素等であり、その吸収帯域は約４．３μｍである。

第２バンドパスフィルタ４２は、第１バンドパスフィルタ４１とは異なる波長帯の赤外線を透過するように構成されている。第２バンドパスフィルタ４２は、例えば試料ガスの吸収特性のない３．９μｍ帯の赤外線を透過する。

一般的に、光源２０からの赤外線の光量や周囲温度の変動などにより検出器６０の出力がドリフトすることが知られている。本実施の形態においては、第２バンドパスフィルタ４２（参照光用のバンドパスフィルタ）と、第１バンドパスフィルタ４１とを切り替え、試料ガスの吸収特性のない波長の値を基準として、試料ガスの吸収帯の波長の値との変化量を算出することにより、感度補正をすることができる。これにより、検出器６０の検出感度を長期に亘って安定させることができる。

回転保持部材３０は、第１バンドパスフィルタ４１と第２バンドパスフィルタ４２とを保持し、回転軸５１まわり（図１中ＡＲ１方向）に回転可能に設けられている。回転保持部材３０は、第１バンドパスフィルタ４１と第２バンドパスフィルタ４２とが互いに交差する面７１，７２（図９参照）上に位置するようにこれらを保持する。また、回転軸５１は、導波路形成部材９０の軸線方向に交差するように設けられている。具体的には、回転軸５１は、第１バンドパスフィルタ４１と第２バンドパスフィルタ４２とが互いに交差する一対の面７１，７２と略並行になるように設けられている。

回転駆動部５０は、回転保持部材３０を回転軸５１まわりに回転させることにより、上述した透過位置に第１バンドパスフィルタ４１が配置された第１状態（図２参照）と、透過位置に第２バンドパスフィルタ４２が配置された第２状態（図３参照）とを切り替える。また、回転保持部材３０は、回転軸５１まわりの回転半径Ｒが最大となる部分である最大半径部３８を有する。なお、回転保持部材３０の詳細な構成については、図８から図１０を参照して後述する。

回転駆動部５０は、回転軸５１を介して回転保持部材３０に接続されている。回転軸５１は、試料セルに設けられた不図示の穴部を貫通するように設けられている。これにより、回転軸５１は、試料セル１０の内部に収容された回転保持部材３０と試料セル１０の外部に配置された回転駆動部５０とを接続する。

回転駆動部５０は、回転保持部材３０を回転軸５１まわりに回転駆動させる。回転駆動部５０は、第１状態と第２状態とを切り替える際に、回転保持部材３０を回転軸５１まわりに略９０度回転させる。

回転駆動部５０としては、ステッピングモータを採用することができる。ステッピングモータを用いることにより、第１状態と第２状態とを切り替える際に、回転保持部材３０の位置再現性を高めることができる。また、ステッピングモータは、無通電で保持トルクを有するため、消費電力を低くすることができる。

囲い部材２は、回転保持部材３０の周囲を囲むように設けられている囲い部材２は、内部に空間を有する略直方体形状を有する。囲い部材２は、周壁部７および貫通孔６を含む。周壁部７は、回転保持部材３０の回転動作を許容する回転許容空間８を内側に規定する。回転許容空間８は、回転保持部材３０の最大半径部３８を回転軸５１まわりに仮想的に回転させたときに描かれる回転軌跡を示す基準円Ｃよりも大きくなるように構成されている。

囲い部材２の回転許容空間８内には、回転保持部材３０の回転動作に干渉しないように導波路形成部材９０が検出器６０側に向けて延在する。導波路形成部材９０は、透過位置に位置する第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に近づくように配置されることが好ましい。このため、導波路形成部材９０の出口部９２は、回転保持部材３０の最大半径部３８を回転軸５１まわりに仮想的に回転させたときに描かれる回転軌跡を基準円Ｃとした場合に、上記基準円Ｃ内に位置する。

このように出口部９２を透過位置に位置する第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に近づけることにより、第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に入射角の小さな赤外線を入射できる。これにより、ガス濃度測定装置の検出精度を向上させることができる。

貫通孔６は、周壁部７の一部を貫通するように設けられ、第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２を透過した赤外線を検出器６０に向けて導く。すなわち、導波路形成部材９０の出口部９２、透過位置に位置する第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２、貫通孔６および検出器６０の受光部６２は直線状に配置される。

図４から図７は、光源から出射された赤外線を検出器に導くための構成の第１位置から第３位置での断面図および光源から出射された赤外線を検出器に導くための構成を示す斜視図である。第２の位置は、回転軸方向に沿った囲い部材２の長さの略中央部に位置する。第１の位置は、第２の位置よりも回転駆動部側に位置し、第３の位置は、第１の位置よりも回転駆動部側に位置する。図４から図７を参照して、囲い部材２の詳細な構成について説明する。

図４から図７に示すように、囲い部材２は、互いに別部材として構成された第１囲い部材３と第２囲い部材４とを含むことが好ましい。この場合には、第１囲い部材３と第２囲い部材４とが接合界面５にて接合されることにより、囲い部材２が構成される。第１囲い部材３と第２囲い部材４とを別部材とすることにより成型性が向上する。これにより、囲い部材２の設計の自由度を向上できる。

第１囲い部材３は、検出器６０側に位置する回転許容空間８を規定する。第１囲い部材３には、貫通孔６が設けられている。第２囲い部材４は、光源２０側に位置する回転許容空間８を規定する。第２囲い部材４には、導波路形成部材９０が設けられている。第２囲い部材４と導波路形成部材９０は、射出成型等により一体的に構成されることが好ましい。また、導波路形成部材９０は、切削加工等により形成されてもよい。

また、囲い部材２は、回転軸５１を通すため（回転軸５１を回転保持部材３０に接続するため）の穴部９を有する。当該穴部９は、回転駆動部５０と対向する囲い部材２の側面部に設けられる。

再び、図２および図３に示すように、検出器６０としては、サーモパイルやボロメータ等の赤外線検出器を採用することができる。検出器６０は、本体部６１、受光部６２、光学窓６３を含む。本体部６１は、たとえば金属からなり、内部に受光部６２が埋設されている。受光部６２は、囲い部材２の貫通孔６から導出された赤外線を開口部６６および光学窓６３を介して受光する。

光学窓６３は、囲い部材２に対向する本体部６１の表面に設けられた凹部６５に収容される。光学窓６３としては、たとえばシリコンやゲルマニウムなどの赤外線を透過する材料や、それらに反射防止膜などの光学膜を形成した部材を採用することができる。

すなわち、貫通孔６と開口部６６とは、貫通孔６から導出された赤外線が開口部６６を通過するような位置関係にある。具体的には、貫通孔６の軸線方向に沿って貫通孔６を検出器６０に向かって投影した場合に、貫通孔６の投影像は、開口部６６に重ならない位置関係を有する。貫通孔６の開口面積をＳ３とし、光学窓６３のうち開口部６６から露出する部分の面積をＳ４とした場合に、Ｓ３はＳ４よりも小さくなる。これにより、貫通孔６から導出された赤外線を効率よく受光部６２に導くことができる。

検出器６０は、不図示の信号処理回路基板に電気的に接続される。受光部６２によって受光した赤外線に基づき、検出器６０は出力信号を信号処理回路基板に出力する。信号処理回路基板は、出力信号に基づき試料ガスの濃度を算出する。

図８は、図１に示す回転保持部材の概略図である。図９は、図８に示す回転保持部材の対向壁部および本体部を示す概略図である。図１０は、図８に示す回転保持部材の外側面側を示す概略図である。図８から図１０を参照して、回転保持部材３０の詳細な形状について説明する。

図８から図１０に示すように、回転保持部材３０は、本体部３３、対向壁部３５、他の対向壁部３９、回転軸挿入部３６を含む。本体部３３は、略Ｌ字形状を有する。本体部３３は、第１バンドパスフィルタ４１および第２バンドパスフィルタ４２を保持するための部位である。本体部３３は、第１バンドパスフィルタ４１が嵌め込み固定される第１透過孔３１と、第２バンドパスフィルタ４２が嵌め込み固定される第２透過孔３２とを有する。

本体部３３の内周面は、第１平坦部３３ａ１、第２平坦部３３ａ２、および接続部３３ａ３を有する。第１平坦部３３ａ１は、第１バンドパスフィルタ４１が透過位置に位置する状態において検出器６０と対向する平面形状を有する。

第２平坦部３３ａ２は、第１バンドパスフィルタ４１が透過位置に位置する状態において、回転軸５１の軸線方向および導波路形成部材９０と検出器６０とが並ぶ方向に略平行となる平面形状を有する。第２平坦部３３ａ２は、第１バンドパスフィルタ４１が透過位置に位置する状態において、第１平坦部３３ａ１よりも光源２０側に位置する。

接続部３３ａ３は、第１平坦部３３ａ１と第２平坦部３３ａ２とを接続する。接続部３３ａ３は、第１バンドパスフィルタ４１が透過位置に位置する状態において、回転軸５１の軸線方向および導波路形成部材９０と検出器６０とが並ぶ方向に直交する方向に向かうにつれて、第２平坦部３３ａ２に近づくように湾曲する。

第１バンドパスフィルタ４１が透過位置に位置する状態において、本体部３３が有する導波路形成部材９０と検出器６０とが並ぶ方向に沿った長さと、回転軸５１の軸線方向および導波路形成部材９０と検出器６０とが並ぶ方向に直交する方向に沿った長さとは、ほぼ同じである。

第１透過孔３１に嵌めこまれた第１バンドパスフィルタ４１は、第１平面７１上に位置し、第２透過孔３２に嵌めこまれた第２バンドパスフィルタ４２は、第２平面７２上に位置する。第１平面７１および第２平面７２は、略直交する位置関係を有している。ここで、略直交するとは、第１平面７１と第２平面７２の交差角θが８５度から９５度の範囲内であることを意味する。すなわち、設計の誤差により第１平面７１と第２平面７２との交差角が９０度からばらつく場合を含んでいる。

対向壁部３５、他の対向壁部３９は、たとえば扇形状を有する。対向壁部３５、他の対向壁部３９は、第１透過孔３１および第２透過孔３２と対向せずにこれらの間に本体部３３を挟み込むように配置される。対向壁部３５、他の対向壁部３９は、回転軸方向に並ぶように配置される。対向壁部３５、他の対向壁部３９は、回転軸方向に沿って並ぶ本体部３３の端部に設けられている。

回転軸挿入部３６は、対向壁部３５から回転駆動部５０（図１参照）に向かって突出するように設けられている。回転軸挿入部３６は、円筒形状を有し、回転軸５１を受け入れる受け入れ孔３７を有する。回転軸５１が受け入れ孔３７に挿入されて固定されることにより、回転軸５１と一体となって回転保持部材３０が回転する。

また、対向壁部３５、他の対向壁部３９と本体部３３とによって、第１透過孔３１の軸線方向および第２透過孔３２の軸線方向に向けて開放される開放空間Ａが規定される。開放空間Ａには、上述の導波路形成部材９０が入り込む。これにより、回転保持部材３０が回転した場合であっても、導波路形成部材９０と回転保持部材３０とが干渉することを防止することができる。

上述の囲い部材２に設けられた穴部９は、回転軸挿入部３６を挿入可能に設けられている。当該穴部９から赤外線が侵入しないように、対向壁部３５が穴部９に対向する。囲い部材２の側面部のうち、穴部９が設けられた側面部に対向する側面部における第１囲い部材３と第２囲い部材４との接合界面から赤外線が侵入しないように、他の対向壁部３９は、当該接合界面に対向する。このように対向壁部３５および他の対向壁部３９を形成することにより、ガス濃度測定装置の外部からの光をより制限することができる。このため、測定感度をより向上させることができる。

また、導波路形成部材の出口部と回転保持部材に保持されたバンドパスフィルタとの距離を短くできるため、光の照射効率が向上して測定感度を向上することができる。

図１１は、図５に示す導波路形成部材を進行する赤外線を示す図である。図１１を参照して、導波路形成部材９０を進行する赤外線について説明する。

図１１に示すように、主として赤外線Ｌ１の最外線によって囲まれた領域と、赤外線Ｌ２の最外線によって囲まれた領域とによる論理和となる範囲内を直進的に進行する赤外線が受光部６２に到達する。赤外線Ｌ１は、導波部９３の周面に沿って検出器６０側に直進する錐台形状を有する光である。赤外線Ｌ２は、たとえば導波路形成部材９０の入口部９１の図中下端から受光部６２の図中上端に向けて直進する光を、入口部９１の開口形状に沿って１回転させた際に形成される２つの円錐台形状を含む光である。

このような赤外線Ｌ１の最外線によって囲まれた領域と、赤外線Ｌ２の最外線によって囲まれた領域とによる論理和となる範囲内を直進的に進行する赤外線は、透過位置に位置する第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２を比較的小さな角度を持って透過する。

一般的に、第１バンドパスフィルタ４１および第２バンドパスフィルタ４２の透過帯域は、入射角が増大するにつれて短波長側にシフトする。このように透過帯域が変化することにより、測定精度が低下するため、測定の際においては、第１バンドパスフィルタ４１および第２バンドパスフィルタ４２に入射する赤外線の入射角は小さいことが好ましい。

本実施の形態において導波路形成部材９０は、透過位置に位置する第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に入射される入射角の大きな赤外線が与える測定精度への影響を抑制するためのものである。

赤外線Ｌ４，Ｌ５は、導波部９３の軸線方向に対して比較的大きな角度を持って入口部９１から導波部９３内に侵入する。赤外線Ｌ４，Ｌ５は、導波部９３の内周面に複数回反射されながら、検出器６０側に向けて進行する。

仮に、導波部９３内の反射率が仮に１００％とした場合には、赤外線Ｌ４，Ｌ５は、大きな入射角を持って透過位置に位置する第１バンドパスフィルタ４１または、第２バンドパスフィルタ４２に入射される場合がある。

ここで、本実施の形態においては、導波路形成部材９０は、反射率が２０％以下となる樹脂部材によって構成されているので、赤外線Ｌ４，Ｌ５は、導波部９３内で繰り返し反射されることにより、吸収減衰される。たとえば、反射率１０％の部材が用いられる場合には、赤外線が５回反射されることにより、反射率０．００１％の部材によって１回反射された場合と同様の減衰効果を有する。導波路形成部材９０の入口部９１の開口面積Ｓ１を、出口部９２の開口面積Ｓ２よりも大きくし、導波部９３内に先細領域を設けることにより、赤外線Ｌ４，Ｌ５の反射回数を増加させることができる。

このように、導波路形成部材９０は、入口部９１から導波部９３に進入した赤外線を先細領域に反射させることにより、透過位置に配置された第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に対して斜め方向に入射する赤外線のエネルギーを減衰させる。これにより、ガス濃度測定装置の測定精度を向上させることができる。

以上のように、本実施の形態に係るガス濃度測定装置１００にあっては、回転保持部材３０は、第１バンドパスフィルタ４１と第２バンドパスフィルタ４２とが互いに交差する面上に位置するようにこれらを保持する。そして、導波路形成部材９０の軸線方向と交差する回転軸まわりに回転保持部材３０を回転させて、透過位置に第１バンドパスフィルタ４１が配置された第１状態と、透過位置に前記第２バンドパスフィルタ４２が配置された第２状態とを切り替えることにより、ガス濃度測定装置１００を小型化することができる。

また、本実施の形態に係るガス濃度測定装置１００にあっては、導波路形成部材９０を設けることにより、斜め方向に入射する赤外線のエネルギーを減衰させることができるため、ガス濃度測定装置１００の測定精度を向上させることができる。

なお、本実施の形態に係るガス濃度測定装置１００にあっては、導波路形成部材９０の導波部９３の内周形状が、錐台形状を有する場合を例示して説明したが、これに限定されず、円筒状であってもよい。この場合においても、導波路形成部材９０と透過位置に位置する第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２とを近接させることができるため、第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に入射角の大きな赤外線が入射されることを相当程度抑制することができる。

（変形例１）
図１２は、第１変形例における導波路形成部材を進行する赤外線を示す図である。図１２を参照して、第１変形例におけるガス濃度測定装置１００Ａについて説明する。

図１２に示すように、第１変形例におけるガス濃度測定装置１００Ａは、実施の形態１に係るガス濃度測定装置１００と比較した場合に、導波路形成部材９０Ａの導波部９３Ａの形状が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。

導波路形成部材９０Ａにおいても、入口部９１Ａの開口面積は、出口部９２Ａの開口面積よりも大きくなっている。導波部９３Ａの内部形状は、球体形状の一部を含む。導波部９３Ａの内周面のうち球面の一部を構成する部分は、入口部９１Ａと出口部９２Ａとの間に設けられている。当該球面の一部を構成する部分は、球体の中心部Ｍを境界にして、出口部９２Ａ側に向かう第１球面部９５と、入口部９１Ａ側に向かう第２球面部９６とを有する。第１球面部９５から出口部９２に至るまでの部分は、入口部９１Ａ側から出口部９２Ａ側に向かうにつれて流路断面積が小さくなる先細領域に相当するとともに、入口部９１Ａ側から出口部９２Ａ側に向かうにつれて周長が短くなる第１湾曲形状部に相当する。第２球面部９６は、出口部９２Ａ側から入口部９１Ａ側に向かうにつれて周長が短くなる第２湾曲形状部に相当する。

導波部９３Ａが上記のような形状を有する場合であっても、主として赤外線Ｌ１の最外線によって囲まれた領域と、赤外線Ｌ２の最外線によって囲まれた領域とによる論理和となる範囲内を直進的に進行する赤外線が受光部６２に到達する。

導波部９３Ａの軸線方向に対して比較的大きな角度を持って入口部９１Ａから導波部９３内に侵入した赤外線Ｌ４の一部は、第１球面部９５および第２球面部９６にて複数回反射され、入口部９１Ａから出射される。また、導波部９３Ａの軸線方向に対して比較的大きな角度を持って入口部９１Ａから導波部９３内に侵入した赤外線Ｌ４の残りの部分は、導波部９３の内周面に複数回反射されながら、検出器６０側に向けて進行する。

赤外線Ｌ４のうち、入口部９１Ａから出射された赤外線Ｌ４は、透過位置に配置された第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に入射されない。また、赤外線Ｌ４のうち、導波部９３Ａの内周面に複数回反射されながら、検出器６０側に向けて進行する光は、導波部９３Ａにて減衰される。なお、導波部９３Ａでの反射回数を増加させるために、導波部９３Ａの軸線方向における第１球面部９５から出口部９２に至るまでの部分の長さＬｂは、導波路形成部材９０の長さＬａの半分以上であることが好ましい。

このように、本変形例においては、透過位置に配置された第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に対して斜め方向に入射する赤外線のエネルギーを減衰させることができるとともに、斜め方向に入射する赤外線の一部を入口部９１Ａから出射することができる。これにより、ガス濃度測定装置１００Ａの測定精度をさらに向上させることができる。

以上のように、本変形例におけるガス濃度測定装置１００Ａは、実施の形態１同様に小型化が可能となるとともに、さらに測定精度を向上させることができる。

（変形例２）
図１３は、第２変形例における導波路形成部材を進行する赤外線を示す図である。図１３を参照して、第２変形例におけるガス濃度測定装置１００Ｂについて説明する。

図１３に示すように、第２変形例におけるガス濃度測定装置１００Ｂは、実施の形態１に係るガス濃度測定装置１００と比較した場合に、導波路形成部材９０Ｂの導波部９３Ｂの形状が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。

導波路形成部材９０Ｂにおいても、入口部９１Ｂの開口面積は、出口部９２Ｂの開口面積よりも大きくなっている。導波部９３Ｂの内部形状は、第１湾曲形状部９３Ｂ１および第２湾曲形状部９３Ｂ２を含む。導波部９３Ｂは、最大周長部９４Ｂを含む。最大周長部９４Ｂは、入口部９１Ｂと出口部９２Ｂとの間に設けられている。

第１湾曲形状部９３Ｂ１は、最大周長部９４Ｂから出口部９２Ｂに至るまでの導波部９３Ｂの内部形状である。第１湾曲形状部９３Ｂ１は、入口部９１Ｂ側から出口部９２Ｂに向かうにつれて周長が短くなるように設けられている。

第２湾曲形状部９３Ｂ２は、最大周長部９４Ｂから入口部９１Ｂに至るまでの導波部９３Ｂの内部形状である。第２湾曲形状部９３Ｂ２は、出口部９２Ｂ側から入口部９１Ｂに向かうにつれて周長が短くなるように設けられている。

この場合においても、主として赤外線Ｌ１の最外線によって囲まれた領域と、赤外線Ｌ２の最外線によって囲まれた領域とによる論理和となる範囲内を直進的に進行する赤外線が受光部６２に到達する。

導波路形成部材９０Ｂの軸線方向における第１湾曲形状部９３Ｂ１の長さＬｂは、当該軸線方向における導波路形成部材９０Ｂの長さＬａの半分以上であることが好ましい。このような長さ関係を有することにより、導波部９３Ｂの軸線方向に対して比較的大きな角度を持って入口部９１Ｂから侵入する赤外線Ｌ４を第２湾曲形状部９３Ｂ２内で複数回反射させることができる。

これにより、本変形例においても、透過位置に配置された第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に対して斜め方向に入射する赤外線のエネルギーを確実に減衰させることができる。この結果、ガス濃度測定装置１００Ｂの測定精度を向上させることができる。

以上のように、本変形例におけるガス濃度測定装置１００Ｂは、実施の形態１同様に、回転保持部材３０を備えることにより、小型化が可能となる。また、ガス濃度測定装置１００Ｂは、導波路形成部材９０Ｂを備えることにより、測定精度を向上させることができる。

（変形例３）
図１４は、第３変形例における導波路形成部材を進行する赤外線を示す図である。図１４を参照して、第３変形例におけるガス濃度測定装置１００Ｃについて説明する。

図１４に示すように、第３変形例におけるガス濃度測定装置１００Ｃは、実施の形態１に係るガス濃度測定装置１００と比較した場合に、導波路形成部材９０Ｃの導波部９３Ｃの形状が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。

導波路形成部材９０Ｃにおいても、入口部９１Ｃの開口面積は、出口部９２Ｃの開口面積よりも大きくなっている。導波部９３Ｃの内部形状は、第１錐台形状部９３Ｃ１および第２錐台形状部９３Ｃ２を含む。導波部９３Ｃは、最大周長部９４Ｃを含む。最大周長部９４Ｃは、入口部９１Ｃと出口部９２Ｃとの間に設けられている。

第１錐台形状部９３Ｃ１は、最大周長部９４Ｃから出口部９２Ｃに至るまでの導波部９３Ｃの内部形状である。第１錐台形状部９３Ｃ１は、入口部９１Ｃ側から出口部９２Ｃに向かうにつれて周長が短くなるように設けられている。

第２錐台形状部９３Ｃ２は、最大周長部９４Ｃから入口部９１Ｃに至るまでの導波部９３Ｃの内部形状である。第２錐台形状部９３Ｃ２は、出口部９２Ｃ側から入口部９１Ｃに向かうにつれて周長が短くなるように設けられている。

導波路形成部材９０Ｃの軸線方向における第１錐台形状部９３Ｃ１の長さＬｂは、当該軸線方向における導波路形成部材９０Ｃの長さＬａの半分以上であることが好ましい。このような長さ関係を有することにより、導波部９３Ｃの軸線方向に対して比較的大きな角度を持って入口部９１Ｃから侵入する赤外線Ｌ４を第２錐台形状部９３Ｃ２内で複数回反射させることができる。

これにより、本変形例においても、透過位置に配置された第１バンドパスフィルタ４１または第２バンドパスフィルタ４２に対して斜め方向に入射する赤外線のエネルギーを確実に減衰させることができる。この結果、ガス濃度測定装置の測定精度を向上させることができる。

なお、本変形例では、試料ガスは二酸化炭素としているが、これに限るものではない。例えば、一酸化炭素やＣＨ_４やＮＯｘ等のガスであってもよい。

以上のように、本変形例におけるガス濃度測定装置１００Ｃは、実施の形態１同様に、回転保持部材３０を備えることにより、小型化が可能となる。また、ガス濃度測定装置１００Ｃは、導波路形成部材９０Ｃを備えることにより、測定精度を向上させることができる。

上述した実施の形態１および変形例１から３においては、第１バンドパスフィルタ４１および第２バンドパスフィルタ４２が回転保持部材３０に設けられた第１透過孔３１および第２透過孔３２に嵌め込まれる場合を例示して説明したが、これに限定されず、図８の状態において回転部材３０の本体部３１が略Ｌ字形状を有する接続部３３ａ３のみで構成される場合には、第１バンドパスフィルタ４１および第２バンドパスフィルタ４２が、導波路形成部材と検出器とが並ぶ方向に位置する接続部３３ａ３の端部および回転軸５１の軸線方向および導波路形成部材９０と検出器６０とが並ぶ方向に直交する方向に位置する接続部３３ａ３の端部から突出するように固定されていてもよい。この場合には、回転部材、第１バンドパスフィルタ４１の端部および第２バンドパスフィルタ４２の端部の少なくともいずれかが、回転軸５１まわりの回転半径Ｒが最大となる部分、すなわち最大半径部となる。

以上、本発明の実施の形態および変形例について説明したが、今回開示された実施の形態および変形例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

２囲い部材、３第１囲い部材、４第２囲い部材、５接合界面、６貫通孔、７周壁部、８回転許容空間、９穴部、１０試料セル、２０光源、３０回転保持部材、３１第１透過孔、３２第２透過孔、３３本体部、３３ａ１第１平坦部、３３ａ２第２平坦部、３３ａ３接続部、３５対向壁部、３６回転軸挿入部、３７受け入れ孔、３８最大半径部、３９他の対向壁部、４１第１バンドパスフィルタ、４２第２バンドパスフィルタ、５０回転駆動部、５１回転軸、６０検出器、６１本体部、６２受光部、６３光学窓、６５凹部、６６開口部、７１第１平面、７２第２平面、９０，９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ導波路形成部材、９１，９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ入口部、９２，９２Ａ，９２Ｂ，９２Ｃ出口部、９３，９３Ａ，９３Ｂ，９３Ｃ導波部、９３Ｂ１第１湾曲形状部、９３Ｂ２第２湾曲形状部、９３Ｃ１第１錐台形状部、９３Ｃ２第２錐台形状部、９４Ｂ，９４Ｃ最大周長部、９５第１球面部、９６第２球面部、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃガス濃度測定装置。

Claims

赤外線を出射する光源と前記赤外線を受光する受光部を有する検出器との間の試料ガスの吸光度に応じてガス濃度を測定するガス濃度測定装置であって、
筒状の内周面形状を有する導波部、前記導波部の一方側に形成され前記光源からの前記赤外線を導入する入口部、および、前記導波部の他方側に形成され前記導波部を通過した前記赤外線を前記検出器側に向けて導出する出口部を含む導波路形成部材と、
前記導波路形成部材の軸線方向と交差する回転軸まわりに回転可能に設けられた回転部材と、
前記回転部材に設けられ、互いに交差する一対の面上に位置するように配置された第１バンドパスフィルタおよび第２バンドパスフィルタと、
前記回転部材を前記回転軸まわりに回転させる回転駆動部と、を備え、
前記回転部材は、前記回転駆動部によって回転されることにより、前記出口部から導出された前記赤外線を前記検出器に向けて透過させるための透過位置に前記第１バンドパスフィルタおよび前記第２バンドパスフィルタを選択的に配置し、
前記回転部材、前記第１バンドパスフィルタおよび前記第２バンドパスフィルタのうちの前記回転軸まわりの回転半径が最大となる部分を最大半径部とし、前記回転軸に沿って見た場合に、前記最大半径部を前記回転軸まわりに仮想的に回転させたときに描かれる回転軌跡を基準円とすると、前記出口部は、前記基準円内に位置する、ガス濃度測定装置。
前記透過位置に前記第１バンドパスフィルタが配置された状態を形成している前記回転部材のうちの前記検出器から最も離れて位置する端部を遠端部とした場合に、前記出口部は、前記遠端部よりも前記検出器側に位置する、請求項１に記載のガス濃度測定装置。
前記導波部の内周面の一部または全部には、前記入口部から前記出口部に向かうにつれて断面積が小さくなる先細領域が設けられており、
前記導波路形成部材は、前記入口部から前記導波部に進入した前記赤外線を前記先細領域に反射させることにより、前記透過位置に配置された前記第１バンドパスフィルタまたは前記第２バンドパスフィルタに対して斜め方向に入射する前記赤外線のエネルギーを減衰させる、請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。
前記回転部材の周囲を囲むように配置された囲い部材をさらに備え、
前記囲い部材は、
前記回転部材の回転動作を許容する回転許容空間を内側に規定する周壁部と、
前記周壁部の一部を貫通するように設けられ、前記第１バンドパスフィルタまたは前記第２バンドパスフィルタを透過した前記赤外線を前記検出器に向けて導く貫通孔と、を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載のガス濃度測定装置。
前記囲い部材は、前記回転軸を通すための穴部を有し、
前記回転部材は、前記穴部に対向する対向壁部を含む、請求項４に記載のガス濃度測定装置。
前記囲い部材は、互いに別部材として構成された第１囲い部材と第２囲い部材とを含み、
前記第１囲い部材は、前記検出器の側に位置する前記回転許容空間を規定し、
前記第２囲い部材は、前記光源の側に位置する前記回転許容空間を規定し、
前記貫通孔は、前記第１囲い部材に設けられており、
前記導波路形成部材は、前記第２囲い部材に設けられている、請求項４または５に記載のガス濃度測定装置。
前記回転部材は、前記第１囲い部材と前記第２囲い部材との接合界面に対向するように設けられている他の対向壁部を含む、請求項６に記載のガス濃度測定装置。
前記検出器は、前記囲い部材の前記貫通孔から導出された前記赤外線を前記受光部に導くための開口部を有し、
前記貫通孔の軸線方向に沿って前記貫通孔を前記検出器に向かって投影した場合に、前記貫通孔の投影像は前記開口部に重ならない位置関係を有する、請求項４から７のいずれか１項に記載のガス濃度測定装置。
筐体をさらに備え、
前記筐体は、前記回転部材が内部に配置された試料セルと、前記回転駆動部とを内部に有する、請求項１から８のいずれか１項に記載のガス濃度測定装置。