JP6514972B2 - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度測定装置に関し、より詳細には、従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置に関する。

従来から大気中の測定対象ガスの濃度測定を行うガス濃度測定装置として、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）ガス濃度測定装置が知られている。この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、測定対象ガスが吸収特性を持つ波長に限定した赤外線を透過するフィルタ（透過部材）と赤外線センサを組み合わせ、赤外線の吸収量を測定することによってガスの濃度を測定するようにしたものが挙げられる（特許文献１）。

特開平９−３３４３１号公報

しかしながら、ＮＤＩＲ方式のガスセンサでは、ガスセンサ内部の温度や湿度の変化によって、光源からの発光量や赤外線センサの出力等が常に変動するため、ガス濃度を高精度に測定するためにはそれらの影響を補償する必要がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るガス濃度測定装置は、被検出ガスによって吸収される光を出力する光源と、前記被検出ガスを導入するガスセルと、前記光源から出力されて前記ガスセルを通過した光を検出する光検出部と、前記光検出部の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部と、前記光検出部及び前記温度測定部の少なくとも一部を封止する封止部と、前記光検出部の内部抵抗に基づいて前記封止部の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部と、前記光検出部の出力と、前記温度情報と、前記湿度情報と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部と、を備えるガス濃度測定装置である。
また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様に係るガス濃度測定装置は、被検出ガスによって吸収される光を出力する光源と、前記被検出ガスを導入するガスセルと、前記光源から出力されて前記ガスセルを通過した光を検出する光検出部と、前記光検出部の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部と、前記光検出部及び前記温度測定部の少なくとも一部と、前記光源の少なくとも一部と、を封止する封止部と、前記光源の内部抵抗に基づいて前記封止部の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部と、前記光検出部の出力と、前記温度情報と、前記湿度情報と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部と、を備えるガス濃度測定装置である。

本発明によれば、従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置を実現することができる。

本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態１を説明するための構成図である。 本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態４を説明するための構成図である。 本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態５を説明するための構成図である。 本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態６を説明するための構成図である。 本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態７を説明するための構成図である。 実施例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。 比較例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という）について説明する。なお、以下の実施形態は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

＜ガス濃度測定装置＞
本実施形態のガス濃度測定装置は、光源と、ガスセルと、光検出部と、光検出部の温度を測定する温度測定部と、光検出部及び温度測定部の少なくとも一部を封止する封止部と、封止部の湿度を測定する湿度測定部と、温度測定部の出力と、光検出部の出力と、湿度測定部の出力と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部と、を備えるものである。
本実施形態に係るガス濃度測定装置によれば、温度及び湿度によって、光源及び光検出部の出力が変動することによる影響を補償することが可能となり、従来と比べてより高精度に被検出ガスの濃度を測定可能なガス濃度測定装置を実現することができる。

＜光源＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、光源は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。具体的な例としては、ＭＥＭＳ光源やＬＥＤが挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールできるという観点から、ＬＥＤ構造は望ましい場合がある。ＬＥＤの光源を用いると、発光層に利用される材料のバンドギャップを被検出ガスの吸収波長にチューニングすることにより、光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を使用せずに、特定のガスの検出が可能となり、光学フィルタ無しのガスセンサが実現できる。光学フィルタ無しのガスセンサが実現できると、ガス濃度測定装置の構造が簡略化され、より好ましい形態となる。

また、本実施形態に係るガス濃度測定装置において、光源は、その一部が封止部に封止されていてもよい。光源の一部を封止材で封止することで、強度が強く且つ、小型のガスセンサが実現できるため、この観点から、好ましい場合はある。また光源の周囲を樹脂等で封止して固定することで、ガスセンサ内部への取り付け時に位置決めの精度が高まり、光源からより正確な方向に光を出射することができる。しかしながら、一般的に封止に使われる樹脂製の封止材は環境の水分を吸収し、光源や光検出部に応力を与える場合有り得る。この場合、光源やセンサ部の構造によって、発光特性及び・若しくは受光特性はその応力によって変動する可能性も有り得る。このような場合は特に、本発明の効果が発揮できる。光源を封止する封止部の湿度を湿度測定部が測定することで、湿度による光源の変動の影響を補償することが可能となる。

＜ガスセル＞
本実施形態のガス濃度測定装置において、ガスセルは、被検出ガスを導入することが可能なものであれば特に制限されない。すなわち、被検出ガスの導入口を有していれば良い。被検出ガスのリアルタイム検出の精度向上の観点から、導入口に加えて、導出口を備えていることが好ましい。ガスセルを構成する材料は特に制限されない。例えば、金属、ガラス、セラミックス、ステンレス等の材料が挙げられるがこの限りではない。検出感度向上の観点から、第１の光源から出力された光の吸収係数が小さく、反射率が高い材料であることが好ましい。具体的にはアルミニウムからなる金属筐体や、アルミニウム、金、銀含む合金、もしくはこれらの積層体のコーティングが施された樹脂筐体、が好ましい。信頼性・経時変化の観点から金または金を含む合金層でコーティングされた樹脂筐体が好ましい。

＜光検出部＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、光検出部は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光の帯域に感度を有するものであれば特に制限されない。光検出部には、焦電センサ（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ）、サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）、ボロメータ（Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）等の熱型センサや、半導体材料を用いたＰＩＮダイオード構造からなる量子型センサ等が好適である。光検出部は、測定対象ガスに併せて所望の光学特性を有する光学フィルタをさらに備えていてもよい。例えば被検出ガスが炭酸ガスの場合、光検出部には炭酸ガスによる赤外線吸収が多く生じる波長帯（代表的には４．３μｍ付近）の赤外線を濾波できるバンドパスフィルタを搭載する形態が例示される。

また、本実施形態に係るガス濃度測定装置において、光検出部は、封止部によって封止されており、封止部の吸湿による影響によって、光検出部に応力など外部から力が加わり、これによって光検出部の出力が変動することを今回新たに発見した。この現象の発見により、封止部の湿度を測定することで、封止部の吸湿による光検出部の変動の影響を補償できることが明らかとなった。
また、後述するように、湿度測定部が光検出部の内部抵抗に基づいて封止部の湿度を算出できることが新たに分かった。これにより光検出部の内部抵抗を測定することで、封止部の湿度に関する情報が得られ、これを用いて光検出部の出力を補償することが可能となる。

＜温度測定部＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、温度測定部は、光検出部の温度を測定する。温度測定部は光検出部の温度を測定可能なものであれば特に限定されない。具体的には、サーミスタやＰｔ測温帯、等を利用することができる。
また、製造方法の簡便化の観点から、温度測定部は光検出部と同じ構造を持ってもよい。ここで同じ構造とは、同一の膜構造や同一の素子形状をしていることを意味する。

温度測定部は光源部と同じ基板に形成されても良い。また、ＬＥＤ構造の光源の場合、ＬＥＤと同一基板内に形成され、光源と同一積層構造、つまり、ダイオード構造を持っても良い。この場合、温度情報は基板内部反射経由、ダイオードへの入射光による光起電力信号を利用しても良い。この信号は温度によって変化するため、温度情報源としても使用できる。温度測定部が光源と同一の構造にすると、部品数は低減され、簡略化した生産性の良いガスセンサが実現できるため、好ましい場合はある。

＜封止部＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、封止部は、光検出部及び温度測定部の少なくとも一部を封止するものである。封止部の材料としては、例えば樹脂モールド材料等を用いることができる。

＜湿度測定部＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、湿度測定部は、封止部の湿度を測定するものである。湿度測定部は封止部の湿度を算出可能なものであれば特に限定されない。具体的には、光検出部や光源の内部抵抗より湿度を算出するもの、または、乾湿剤の電気抵抗変化を測定し、湿度を測定する一般的な湿度計などを利用することができる。システムの簡略化の観点から、光検出部や光源の内部抵抗に基づき湿度を算出するこが好ましい場合はある。

＜演算部＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、演算部は、ガス濃度算出における演算が可能なものであれば特に制限されず、例えば、アナログＩＣ、ディジタルＩＣ及びＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等が好適である。演算部には、光源を制御するための機能が含まれていても構わない。
次に、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態１を説明するための構成図である。
本実施形態１のガス濃度測定装置は、光源１と、光源１からの光を通過させるガスセル２と、ガスセル２中に配置されて光源１からの光を受光する光検出部３と、光検出部３の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部４と、光検出部３及び温度測定部４の少なくとも一部を封止する封止部７と、封止部７の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部５と、光検出部３の出力と温度情報と湿度情報とに基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部６とを備えている。

つまり、第１の実施形態のガス濃度測定装置は、図１に示すように、光源１と、封止部７に封止された温度測定部５と、封止部７に封止された光検出部３と、をガスセル２中に配置し、湿度測定部５を備えたガス濃度測定装置である。
このガス測定装置では、光源１より放出された光がガスセル２内を通過し、光検出部３へ到達する構造となっており、光がガスセル２内において被検出ガスにより吸収されることで生じる、光検出部３の出力変化に基づいて、被検出ガス濃度を算出するガス濃度測定装置である。

本実施形態１のガス濃度測定装置は、以下に示す操作によりガス濃度算出式を求める。
まず、第１のガス濃度のガスをガスセル２中に充填し、低湿度環境下における光検出部３の出力（ＩｏｕｔＤ）と、湿度測定部５の出力（ＨＤ）と、高湿度環境下における光検出部３の出力（ＩｏｕｔＷ）と、湿度測定部５の出力（ＨＷ）から、光検出部３と、湿度測定部５の出力の間に成り立つ下記式（１）を導く。

（式中、Ｉｏｕｔは光検出部３の出力、ＩｏｕｔＤは低湿度環境下における光検出部３の出力、ＩｏｕｔＷは高湿度環境下における光検出部３の出力、ＨＤは低湿度環境下における湿度測定部５の出力、ＨＷは高湿度環境下における湿度測定部５の出力、Ｈは湿度測定部５の出力である。）

次いで、第２のガス濃度のガスをガスセル２中に充填し、低湿度低温度環境下における光検出部３の出力と、温度測定部４の出力を取得し、次いで、低湿度中温度環境下における光検出部３の出力と、温度測定部４の出力を取得し、次いで、低湿度高温度環境下における光検出部３の出力と、温度測定部４の出力を取得し、それぞれ得られた測定値から、光検出部３と、温度測定部４の出力の間に成り立つ関係を二次関数でフィッティングすることで下記式（２）を導く。

（式中、Ｉｏｕｔは光検出部３の出力、Ｉｒｅｆは温度測定部４の出力、Ａ、ＢおよびＣは光検出部３と温度測定部４の出力の間に成り立つ関係を二次関数でフィッティングすることで求まる定数である。）

次いで、第１〜第３のガス濃度における、光検出部３の出力（Ｉｏｕｔ）を前記関数ｆ（Ｈ）とｈ（Ｉｒｅｆ）で割り返し、温度と湿度によるＩｏｕｔの変動を補償した値である｛Ｉｏｕｔ／｛ｆ（Ｈ）×ｈ（Ｉｒｅｆ）｝と、第１〜第３のガス濃度の間に成り立つ関係を二次関数でフィッティングすることで下記式（３）を導く。

（式中、ｃは炭酸ガス濃度、Ｈは湿度測定部５の出力、Ｉｒｅｆは温度測定部４の出力、ＤおよびＥおよびＦはガス濃度と｛Ｉｏｕｔ／｛ｆ（Ｈ）×ｈ（Ｉｒｅｆ）｝の間に成り立つ関係を二次関数でフィッティングすることで求まる定数である。）
以上の過程により得られた濃度算出式（３）および関数ｆ（Ｈ）・ｈ（Ｉｒｅｆ）と、光検出部３と、温度測定部４と湿度測定部５の出力と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出することで、従来と比較し高精度なガス濃度測定装置を実現する。

［実施形態２］
本実施形態２のガス濃度測定装置は、上述した実施形態１において、光源１がＬＥＤであるガス濃度測定装置である。
光源１がＬＥＤであることで、光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を使用せずに、特定のガスの検出が可能となり、光学フィルタ無しのガスセンサが実現できるといった利点を持つことを特徴とする。

［実施形態３］
本実施形態３のガス濃度測定装置は、上述した実施形態１または実施形態２において、光検出部３と温度測定部４が同一構造（ＰＩＮダイオード構造）であるガス濃度測定装置である。光検出部３と温度測定部４が同一構造であることで、製造方法が単純化するといった利点をもつことを特徴とする。

［実施形態４］
図２は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態４を説明するための構成図である。
本実施形態４のガス濃度測定装置は、図２に示すように、上述した実施形態１または実施形態２または実施形態３において、光源１が封止部７に封止されているガス濃度測定装置である。光源１が封止されていることで、湿度により光源１の内部抵抗が変化することを利用し、光源１の内部抵抗測定結果を湿度測定部５の出力として利用できることを特徴とする。

［実施形態５］
図３は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態５を説明するための構成図である。
本実施形態５のガス濃度測定装置は、図３に示すように、上述した実施形態１または実施形態２または実施形態３または実施形態４において、湿度測定部５が、光検出部３の内部抵抗に基づいて封止部７の湿度を算出するガス濃度測定装置である。光検出部３の内部抵抗より封止部７の湿度を算出するため、装置の小型化を実現できる点を特徴とする。

［実施形態６］
図４は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態６を説明するための構成図である。
本実施形態６のガス濃度測定装置は、図４に示すように、上述した実施形態１または実施形態２または実施形態３または実施形態４において、湿度測定部５が、光源１の内部抵抗に基づいて封止部７の湿度を算出するガス濃度測定装置である。光源１の内部抵抗より封止部７の湿度を算出するため、装置の小型化を実現できる点を特徴とする。

［実施形態７］
図５は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態７を説明するための構成図である。
本実施形態７のガス濃度測定装置は、図５に示すように、上述した実施形態１または実施形態２または実施形態３または実施形態４または実施形態５または実施形態６において、温度測定部４が光源１と同一基板上に形成されるガス濃度測定装置である。温度測定部４が光源１と同一基板上に形成されることで、装置のさらなる小型化を実現できることを特徴とする。
次に、本実施形態のガス濃度測定装置を実施例に基づき説明する。

封止部７に封止されたＩＲ−ＬＥＤ光源１と、ＩＲ−ＬＥＤ光源１と同一基板上に形成された温度測定部４としての量子型赤外線センサ（旭化成エレクトロニクス製）３と、温度測定部４と同一構造である光検出部３としての量子型赤外線センサ（旭化成エレクトロニクス製）を、高光沢加工アルミ加工により形成されたドーム型ガスセル中に配置し、湿度測定部５としてＩＲ−ＬＥＤ光源１の内部抵抗測定器を接続した、炭酸ガス濃度測定装置を準備した。ここで、ＩＲ−ＬＥＤ光源１と量子型赤外線センサ３は同一の封止部７内に封止されており、ＩＲ−ＬＥＤ光源１の内部抵抗の代わりに量子型赤外線センサ３の内部抵抗測定器を湿度測定部５とする構成も可能である。

＜ダイオード構造の説明＞
ＧａＡｓ基板上に、ｎ型で厚み１μｍのＡｌＩｎＳｂ層、その上に、厚み２μｍのｉ型のＡｌＩｎＳｂ層、その上に、厚み０．０２μｍのＡｌＩｎＳｂバリ層、その上に厚み０．５μｍのｐ型ＡｌＩｎＳｂ層を設けた。この構造はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を利用して形成した。ｎ型ドーピングにはＳｎを利用し、ｐ型ドーピングにはＺｎを用いた。

その後、２回エッチング工程（１回目は最上層からｎ層の途中までエッチングし、２回目はＧａＡｓ基板までエッチングした）を利用して、多段の発光素子及び多段の受光部を形成してから、絶縁膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）によるパシベーションを施し、ｎ層とｐ層とのコンタクト部用の穴を加工し、最後にＡｕを利用した配線層を形成した。
この構造を発光面（基板の裏面、つまり、ダイオードが形成された面の反対の面）及び電気接続用の端子（図示しないリードフレーム）以外、封止部７を利用して封止した。

図６は、実施例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。
次いで、各実施形態に記載の第１の炭酸ガス濃度として４００ｐｐｍ、第２の炭酸ガス濃度として１０００ｐｐｍ、第３の炭酸ガス濃度として２０００ｐｐｍの炭酸ガスを選択し、各実施形態に記載の低温を１０℃、中温度を２５℃、高温を４０℃として、各実施形態に基づいてガス濃度算出式を導き、得られた式を利用して、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、２０００ｐｐｍにおいて、温度１０、２５℃、４０℃での乾燥環境下（封止部７の吸湿度０％に対応）におけるガス濃度算出、及び温度２５℃での高湿度環境下（封止部７の吸湿度１００％に対応）におけるガス濃度算出を試みた。

＜比較例＞
図７は、比較例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。
従来の一般的なガス濃度算出式であるランバートベールの式（４）より、温度２５℃、乾燥環境下、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍと２０００ｐｐｍにおける、前記炭酸ガス濃度測定装置の濃度測定用光検出部と、温度測定部の出力と、炭酸ガス濃度の関係を下記ランバートベールの式（４）でフィッティングすることで定数ＡおよびＢを求め、得られた式を利用して、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、２０００ｐｐｍにおいて、温度１０、２５℃、４０℃での乾燥環境下（封止部の吸湿度０％に対応）におけるガス濃度算出、及び温度２５℃での高湿度環境下（封止部の吸湿度１００％に対応）におけるガス濃度算出を試みた。

（式中、ｃは炭酸ガス濃度、Ｉｒｅｆは温度測定部の出力、Ｉｏｕｔは濃度測定用光検出部の出力、Ａ’およびＢ’は炭酸ガス濃度４００ｐｐｍと１０００ｐｐｍにおける、前記炭酸ガス濃度測定装置の濃度測定用光検出部と、温度測定部の出力と炭酸ガス濃度の関係から求まる定数）

上述した図６の結果より、実施例により求めたガス濃度算出式を用いた場合、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍにおいて６４ｐｐｍ、１０００ｐｐｍにおいて０ｐｐｍ、２０００ｐｐｍにおいて１４３ｐｐｍ、の実炭酸ガス濃度からの誤差に収まった。
一方、比較例により求めたガス濃度算出式を用いた場合、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍにおいて１４６９ｐｐｍ、１０００ｐｐｍにおいて１４７３ｐｐｍ、２０００ｐｐｍにおいて１３１２ｐｐｍ、の誤差が生じた。

以上の結果より、実施形態のガス濃度測定装置によれば、従来の濃度測定装置よりも高精度な濃度算出が可能であることが理解される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 光源
２ ガスセル
３ 光検出部
４ 温度測定部
５ 湿度測定部
６ 演算部
７ 封止部

Claims (6)

1. 被検出ガスによって吸収される光を出力する光源と、
   前記被検出ガスを導入するガスセルと、
   前記光源から出力されて前記ガスセルを通過した光を検出する光検出部と、
   前記光検出部の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部と、
   前記光検出部及び前記温度測定部の少なくとも一部を封止する封止部と、
   前記光検出部の内部抵抗に基づいて前記封止部の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部と、
   前記光検出部の出力と、前記温度情報と、前記湿度情報と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部と、を備えるガス濃度測定装置。
2. 被検出ガスによって吸収される光を出力する光源と、
   前記被検出ガスを導入するガスセルと、
   前記光源から出力されて前記ガスセルを通過した光を検出する光検出部と、
   前記光検出部の温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部と、
   前記光検出部及び前記温度測定部の少なくとも一部と、前記光源の少なくとも一部と、を封止する封止部と、
   前記光源の内部抵抗に基づいて前記封止部の湿度を測定し、湿度情報として出力する湿度測定部と、
   前記光検出部の出力と、前記温度情報と、前記湿度情報と、に基づいて被検出ガスの濃度を算出する演算部と、を備えるガス濃度測定装置。
3. 前記光源は、ＬＥＤである請求項１または請求項２に記載のガス濃度測定装置。
4. 前記温度測定部は、前記光検出部と同じ構造を持つ請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。
5. 前記温度測定部が、前記光源と同一基板上に形成される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。
6. 前記光検出部が、ＩｎもしくはＳｂから形成される請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。
   

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