JP6718023B2 - ガスセンサ及び恒温装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスセンサと、当該ガスセンサを備える恒温装置に関する。
従来、ＣＯ２やＮＯｘ等のガスを検出可能なガスセンサが知られている。このようなガスセンサとして、例えば特許文献１には、被検出ガスによる赤外光の吸収を利用して被検出ガスの濃度を検出できるガスセンサが開示されている。
具体的には、この赤外線ガスセンサは、光源と、光検出部と、光検出部の温度を測定する温度測定部と、光検出部の内部抵抗に基づいて、光検出部を封止する封止部の湿度を測定する湿度測定部とを備えていた。そして、光検出部の出力と、光検出部の温度と、封止部の湿度とに基づいて被検出ガスの濃度を算出していた。特許文献１に開示されるガスセンサでは、温度情報及び湿度情報に基づいて光検出部の出力を補正することで、高精度なガス濃度検出を実現していた。
特開２０１７−１５５０８号公報
上述したガスセンサの検出対象である被検出ガスについては、濃度だけでなく湿度も検出したいという要求がある。
本願はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検出ガスの濃度及び湿度を検出するための技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本願のある態様はガスセンサである。当該ガスセンサは、被検出ガスに向けて所定波長の第１光を出射する光源と、第１光を受光し、被検出ガスによる第１光の吸収に基づいて被検出ガスの濃度を検出する濃度検出器と、光源と濃度検出器との間に配置される透光部材と、透光部材の温度を変化させる温度調節部と、濃度検出器における第１光の受光量の変化に基づき、透光部材の温度及び本ガスセンサの雰囲気温度を用いて、被検出ガスの湿度を検出する湿度検出部とを備える。
また、本願の他の態様は恒温装置である。当該恒温装置は、ガスが収容される恒温槽と、上記態様のガスセンサと、を備え、ガスセンサにより恒温槽内のガスの濃度及び湿度を検出する。
本願によれば、被検出ガスの濃度及び湿度を検出することができる。
実施の形態１に係る恒温装置の一部を示す水平断面図である。 図２（Ａ）は、湿度検出における第１透光部材及び第２透光部材の温度変化を示す図である。図２（Ｂ）は、湿度検出における濃度検出器の受光量の変化を示す図である。 実施の形態１に係るガスセンサの動作フローチャートである。 変形例１に係るガスセンサの一部を模式的に示す水平断面図である。 変形例２に係るガスセンサの一部を模式的に示す水平断面図である。 図６（Ａ）は、実施の形態２に係るガスセンサが備える濃度検出器を模式的に示す平面図である。図６（Ｂ）は、実施の形態２に係るガスセンサが備える濃度検出器を模式的に示す側面図である。 図７（Ａ）は、実施の形態３に係るガスセンサが備える濃度検出器を模式的に示す平面図である。図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）は、実施の形態３に係るガスセンサが備える濃度検出器を模式的に示す側面図である。 実施の形態４に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。 図９（Ａ）は、実施の形態４に係る恒温装置を模式的に示す鉛直断面図である。図９（Ｂ）は、槽内ガスの流れを模式的に示す図である。 図１０（Ａ）は、変形例３に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。図１０（Ｂ）は、変形例４に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。 図１１（Ａ）は、実施の形態５に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。図１１（Ｂ）は、実施の形態５に係るガスセンサの第２端部側の端面を模式的に示す図である。 図１２（Ａ）は、変形例５に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。図１２（Ｂ）は、変形例５に係るガスセンサの第２端部側の端面を模式的に示す図である。 実施の形態６に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。 図１４（Ａ）は、実施の形態７に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。図１４（Ｂ）は、実施の形態７に係るガスセンサを模式的に示す水平断面図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に用いられる「第１」、「第２」等の用語は、いかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る恒温装置の一部を示す水平断面図である。図１では、ガスセンサ１００を鉛直方向上方から観察したときの断面形状を図示している。本実施の形態に係る恒温装置１は、筐体２と、恒温槽４と、ガスセンサ１００（１００Ａ）とを備える。本実施の形態の恒温装置１は、一例として乾熱滅菌機能付きのＣＯ２インキュベータである。筐体２は、恒温装置１の外筐を構成する。恒温槽４は、筐体２の内部に配置される。恒温槽４には、細胞等の培養物が収容される。恒温装置１は、筐体２に設けられる図示しない外扉と恒温槽４に設けられる図示しない内扉とを介して、培養物を恒温槽４に搬入あるいは恒温槽４から取り出すことができる。恒温槽４には、二酸化炭素（ＣＯ２）等を含むガス（以下では、槽内ガスと称する）が収容される。
ガスセンサ１００は、恒温槽４の槽内ガスに含まれる所定のガス（以下では、被検出ガスと称する）の濃度及び湿度を検出するためのセンサである。被検出ガスは、一例としてＣＯ２である。ガスセンサ１００は、検出結果を示す信号を、恒温装置１の図示しない制御部に送信する。この制御部は、恒温槽４の温度や湿度の管理、被検出ガスの濃度の管理、循環ファンの駆動といった、恒温装置１全体の制御を実行する。ガスセンサ１００は、恒温槽４の内側と外側とを連通する貫通孔４ａに挿入されて固定される。筐体２と恒温槽４との間の空間には、図示しない断熱材が配置される。ガスセンサ１００は、ガス検出部１０１と、ガス通路部１３０とを備える。
［ガス検出部］
ガス検出部１０１は、光源１０２と、濃度検出器１０４と、ガス導入室１３２と、ブラケット１３４と、第１透光部材１４０と、第２透光部材１４２と、温度調節部１８０と、湿度検出部１９０とを有する。これらの部材は、筐体１０１ａに収容される。
光源１０２は、所定波長の第１光を出射する。第１光は、被検出ガスが吸収する波長の光である。被検出ガスがＣＯ２である場合、第１光は、例えば波長４．６４μｍの光である。また、光源１０２は、好ましくは赤外光源である。一例として、光源１０２は黒体薄膜からなる熱型赤外光源であり、広い波長範囲で赤外光を出射する。赤外光源としては、高温の発熱体から赤外光が発生する熱型赤外光源が主流であり、発熱体はフィラメント、セラミック、薄膜などがある。また、光源１０２には、ＬＥＤを利用することもできる。光源１０２は、第１基板１３６に搭載され、第１基板１３６上の図示しない配線パターンに電気的に接続される。光源１０２の点消灯は、例えば恒温装置１の制御部によって制御される。
濃度検出器１０４は、光源１０２から出射される第１光を受光し、被検出ガスによる第１光の吸収に基づいて被検出ガスの濃度を検出する。具体的には濃度検出器１０４は、図示しない受光素子で光源１０２から出射される第１光を受けて、被検出ガスによる光の吸収に起因した光の強度変化に基づいて、被検出ガスの存在及び濃度を検出する。濃度検出器１０４は、一例として、赤外光を吸収して電気信号を出力する赤外線センサである。このような赤外線センサとしては、フォトダイオードやフォトコンダクタ等の、光電変換によって信号を出力する量子型センサや、サーモパイルや焦電型センサ等の、赤外光吸収による温度変化を電気信号に変換する熱型センサ等を例示することができる。
濃度検出器１０４は、第２基板１３８に搭載され、第２基板１３８上の図示しない配線パターンに電気的に接続される。濃度検出器１０４は、被検出ガスの濃度を示す信号を恒温装置１の制御部に出力する。濃度検出器１０４は、被検出ガスの濃度を示す信号として、第１光の受光量値そのものを制御部に送ってもよい。この場合、恒温装置１の制御部において受光量が濃度に変換される。また、濃度検出器１０４は、受光量を示す信号を湿度検出部１９０に送信する。濃度検出器１０４は、周辺温度の影響を受けやすい。このため、濃度検出器１０４と第２基板１３８との間には、断熱材１３９が配置される。断熱材１３９により、第２基板１３８から濃度検出器１０４への伝熱を抑制することができる。
光源１０２と濃度検出器１０４とは、光源１０２の光出射面１０２ａと濃度検出器１０４の受光面１０４ａとが対向するように配置される。これにより、光源１０２から濃度検出器１０４への導光効率を高めることができる。光源１０２と濃度検出器１０４との間には、被検出ガスが流入するガス導入室１３２が配置される。ガス導入室１３２は、第１空間１３２ａと、第２空間１３２ｂと、第３空間１３２ｃとを有する。第１空間１３２ａは、光源１０２と濃度検出器１０４とが並ぶ方向に対して交わる方向に延在し、ガス通路部１３０に接続される。第２空間１３２ｂは、第１空間１３２ａから光源１０２側に延びる。第３空間１３２ｃは、第１空間１３２ａから濃度検出器１０４側に延びる。
第１空間１３２ａには、恒温槽４内の槽内ガスがガス通路部１３０を経由して流れ込む。第２空間１３２ｂ及び第３空間１３２ｃには、第１空間１３２ａを通過した槽内ガスが流れ込む。第１空間１３２ａと光源１０２との間に第２空間１３２ｂを設け、第１空間１３２ａと濃度検出器１０４との間に第３空間１３２ｃを設けることで、恒温槽４から光源１０２及び濃度検出器１０４までの槽内ガスの流路長を伸ばすことができる。これにより、光源１０２及び濃度検出器１０４に接近する槽内ガスの温度が低下するため、光源１０２及び濃度検出器１０４の温度上昇を抑制することができる。
また、光源１０２と濃度検出器１０４との間には、被検出ガスを測定するために所定の距離（光学距離）を確保する必要がある。第２空間１３２ｂ及び第３空間１３２ｃを介さずに第１空間１３２ａに光源１０２と濃度検出器１０４とを接続する構造では、第１空間１３２ａの幅を光学距離まで拡げる必要がある。この場合、ガス導入室１３２を画成する部材の強度を確保することが困難になるおそれがある。これに対し、第２空間１３２ｂ及び第３空間１３２ｃを設けることで、第１空間１３２ａの幅を光学距離よりも短くすることができる。これにより、ガス導入室１３２を画成する部材の強度をより確実に確保することができる。
好ましくは、第２空間１３２ｂを画成する壁面、及び第３空間１３２ｃを画成する壁面には、金属膜が成膜される。金属膜は、例えば、赤外領域で高い反射率を有する金、アルミニウム、クロム等からなる。金属膜を設けることで、光源１０２の光が第２空間１３２ｂ及び第３空間１３２ｃの壁面に吸収されることを抑制し、光源１０２から濃度検出器１０４への導光効率を高めることができる。これにより、ガスセンサ１００の検出感度を向上させることができる。
光源１０２及び濃度検出器１０４は、ブラケット１３４により支持される。ブラケット１３４は、例えばアルミニウム等の高い熱伝導率を有する材料で形成される。ブラケット１３４は、第１収容部１３４ａと、第２収容部１３４ｂとを有する。
第１収容部１３４ａは、ガス導入室１３２の第２空間１３２ｂに隣接して配置される空間である。第１収容部１３４ａには光源１０２が収容される。光源１０２は、光出射面１０２ａが第２空間１３２ｂ側を向くように配置される。第１収容部１３４ａは、第２空間１３２ｂ側に開口を有する。この開口は、第１透光部材１４０によって塞がれる。したがって、第１透光部材１４０によってガス導入室１３２と第１収容部１３４ａとが隔てられ、第１収容部１３４ａ内への槽内ガスの漏出が抑制される。これにより、ガスセンサ１００の検出精度が低下することを抑制することができる。つまり、第１透光部材１４０は蓋部材として機能する。好ましくは、第１収容部１３４ａの開口は、第１透光部材１４０によって気密に封止される。第１透光部材１４０は、ブラケット１３４に当接している。
第２収容部１３４ｂは、ガス導入室１３２の第３空間１３２ｃに隣接して配置される空間である。第２収容部１３４ｂには濃度検出器１０４が収容される。濃度検出器１０４は、受光面１０４ａが第３空間１３２ｃ側を向くように配置される。第２収容部１３４ｂは、第３空間１３２ｃ側に開口を有する。この開口は、第２透光部材１４２によって塞がれる。したがって、第２透光部材１４２によってガス導入室１３２と第２収容部１３４ｂとが隔てられ、第２収容部１３４ｂ内への槽内ガスの漏出が抑制される。これにより、ガスセンサ１００の検出精度が低下することを抑制することができる。つまり、第２透光部材１４２は蓋部材として機能する。好ましくは、第２収容部１３４ｂの開口は、第２透光部材１４２によって気密に封止される。第２透光部材１４２は、ブラケット１３４に当接している。
光源１０２と濃度検出器１０４との間に配置される第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２は、光源１０２の光に対する透過性を有する（すなわち、出射光の吸収率が低い）材料からなる。したがって、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２は、光学窓を構成する。本実施の形態では、光源１０２から赤外光が出射されるため、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２は、例えばゲルマニウム、シリコン、サファイア等で構成される。
濃度検出器１０４と第２透光部材１４２とは、離間して配置される。濃度検出器１０４と第２透光部材１４２との間に空間を設けることで、第２透光部材１４２から濃度検出器１０４への熱伝導を抑制することができる。これにより、ガスセンサ１００の検出精度をより向上させることができる。また、濃度検出器１０４は、第２収容部１３４ｂの壁面に対しても離間するように配置される。これにより、ブラケット１３４を介して濃度検出器１０４に熱が伝わることを抑制することができる。
一方、光源１０２と第１透光部材１４０とは、接触してもよいし非接触であってもよい。光源１０２と第１透光部材１４０とが接触する場合には、光源１０２の熱を第１透光部材１４０により効率よく伝達することができる。これにより、被検出ガスの濃度を測定する際に、第１透光部材１４０に結露が生じることを抑制することができる。結露の発生を抑制することで、光源１０２から濃度検出器１０４への導光効率の低下を抑制することができる。
温度調節部１８０は、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度を変化させる。一例として、温度調節部１８０はペルチェ素子等の温度可変素子で構成され、一方の面がブラケット１３４に熱伝導可能に当接している。温度調節部１８０の他方の面には、放熱フィン１８２が熱伝導可能に当接している。温度調節部１８０は、一例として湿度検出部１９０により駆動が制御される。温度調節部１８０は、ブラケット１３４を介して第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２に熱を与え、また熱を奪うことができる。温度調節部１８０の熱は、放熱フィン１８２を介して外部に放熱される。
ガス検出部１０１は、第２透光部材１４２の温度を検知する第１温度センサ１８４を有する。第１温度センサ１８４には、熱電対やサーミスタ等の従来公知のセンサを用いることができる。第１温度センサ１８４は、一例として第２基板１３８に電気的に接続される。第１温度センサ１８４は、第２透光部材１４２の温度を示す信号を、第２基板１３８を介して湿度検出部１９０に出力する。なお、温度調節部１８０が第２透光部材１４２の温度を検知可能な構成を備える場合には、温度調節部１８０が第１温度センサ１８４を兼ねることができる。
またガス検出部１０１は、ガスセンサ１００の雰囲気温度を検知する第２温度センサ１８６を有する。第２温度センサ１８６には、熱電対やサーミスタ等の従来公知のセンサを用いることができる。第２温度センサ１８６は、一例としてガス導入室１３２に配置される。第２温度センサ１８６は、ガスセンサ１００の雰囲気温度を示す信号を、湿度検出部１９０に出力する。なお、恒温装置１に設けられている、恒温槽４内の温度を検知する温度センサを、第２温度センサ１８６として用いることもできる。
湿度検出部１９０は、濃度検出器１０４における第１光の受光量の変化に基づき、第２透光部材１４２の温度及びガスセンサ１００の雰囲気温度を用いて、被検出ガスの湿度を検出する。湿度検出部１９０は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図１では機能ブロックとして描いている。この機能ブロックがハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。湿度検出部１９０は、被検出ガスの湿度を示す信号を恒温装置１の制御部に出力する。本実施の形態では、湿度検出部１９０は筐体１０１ａ内に配置されているが、特にこの構成に限定されない。例えば、恒温装置１の制御部が湿度検出部１９０として機能してもよい。
以下に、被検出ガスの湿度検出の原理を説明する。図２（Ａ）は、湿度検出における第１透光部材及び第２透光部材の温度変化を示す図である。図２（Ｂ）は、湿度検出における濃度検出器の受光量の変化を示す図である。湿度検出では、まず開始とともに第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度を上昇させる（図２（Ａ）における時間ａ）。続いて、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度を徐々に低下させる。
第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度が低下していくと、あるタイミングで第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２に結露が発生する。結露が発生すると、光源１０２から出射された第１光は、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２を通過する際に一部が散乱する。これにより、濃度検出器１０４の受光量が減少する。したがって、濃度検出器１０４の受光量が減少し始めるタイミング（図２（Ａ）及び図２（Ｂ）における時間ｂ）における第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度が、露点温度ｃとなる。露点温度ｃとガスセンサ１００の雰囲気温度とがわかれば、従来公知の計算式に則って、被検出ガスの絶対湿度を算出することができる。
本実施の形態では、第１温度センサ１８４によって第２透光部材１４２の温度が検知され、湿度検出部１９０に送られる。このため、受光量が減衰し始めるタイミングにおける第２透光部材１４２の温度が、露点温度ｃとして用いられる。また、ガスセンサ１００の雰囲気温度は、第２温度センサ１８６によって検知されて湿度検出部１９０に送られる。また、湿度検出部１９０には、濃度検出器１０４から受光量を示す信号が所定の間隔で送信されている。したがって、湿度検出部１９０は、濃度検出器１０４から受信する信号に基づいて、結露が発生するタイミングを把握することができる。そして、結露が発生するタイミングにおいて受信する第１温度センサ１８４からの信号を、露点温度ｃを示す信号と判断することができる。なお、第１透光部材１４０の温度を用いても、湿度を算出することができる。
光源１０２及び濃度検出器１０４は、ガスセンサ１００の外部と、ひいては恒温装置１の外部と連通している。具体的には、第１収容部１３４ａは、第２空間１３２ｂとは反対の側にも開口を有する。同様に、第２収容部１３４ｂは、第３空間１３２ｃとは反対の側にも開口を有する。例えば、第１収容部１３４ａ及び第２収容部１３４ｂは、ブラケット１３４に設けられる貫通孔からなる。また、筐体１０１ａには、開口（図示せず）が設けられる。これにより、光源１０２及び濃度検出器１０４は、ガスセンサ１００の外部及び恒温装置１の外部と連通する。
このような構成により、光源１０２及び濃度検出器１０４の存在領域を外部との間で換気することができる。この換気により、後述するパッキン１２０と貫通孔４ａとの隙間、パッキン１２０とガスセンサ１００との隙間、ブラケット１３４と第１透光部材１４０又は第２透光部材１４２との隙間等から槽内ガスが漏出してしまった場合でも、漏出したガスに起因するガスセンサ１００の検出精度の低下を抑制することができる
［ガス通路部］
ガス通路部１３０は、被検出ガスを含む槽内ガスの通路であり、恒温槽４とガス検出部１０１との間に介在する。ガス通路部１３０を設けることで、ガス検出部１０１を恒温槽４から離間させることができる。これにより、恒温槽４の内部空間から光源１０２及び濃度検出器１０４への熱の伝達を抑制することができる。その結果、光源１０２及び濃度検出器１０４の熱による損傷を抑制することができるため、ガスセンサ１００の検出精度の低下を抑制することができる。
ガス通路部１３０は、管状部材で構成され、第１端部１４４と、第１端部１４４とは反対側の第２端部１４６と、第１端部１４４から第２端部１４６にかけて延在する中空部１４８とを有する。第１端部１４４は、ガス検出部１０１側に配置される。つまり、第１端部１４４側に光源１０２、濃度検出器１０４及び２つの透光部材が配置される。第２端部１４６は、被検出ガスの存在するガス空間側、すなわち恒温槽４側に配置される。
中空部１４８の第１端部１４４側の端部は、ガス導入室１３２の第１空間１３２ａに接続される。中空部１４８の第２端部１４６側の端部は、恒温槽４の内部空間に接続される。中空部１４８の第２端部１４６側の端部には、キャップ１５０が嵌め込まれる。キャップ１５０は、耐熱性及び撥水性を有する多孔質材料、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂材料や、ＳＵＳ等の金属メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル等で構成される。キャップ１５０の耐熱性は、好ましくは２００℃以上である。キャップ１５０は、槽内ガスを通過させることができる。
被検出ガスを含む槽内ガスは、中空部１４８を介して第１端部１４４側と第２端部１４６側との間で、つまり恒温槽４とガス検出部１０１との間で流通する。中空部１４８は、第２端部１４６側から第１端部１４４側に近づくにつれて流路断面積Ｎが段階的又は連続的に小さくなる形状を少なくとも一部に有する。すなわち、中空部１４８は、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向に対して垂直な断面の面積が、第２端部１４６側から第１端部１４４側に近づくにつれて段階的又は連続的に小さくなる形状を有する。図１に示される中空部１４８は、流路断面積Ｎが第２端部１４６から第１端部１４４にかけて連続的に小さくなる形状を有する。
第２端部１４６側の流路断面積Ｎを大きくすることで、槽内ガスを中空部１４８内に取り込みやすくすることができる。一方、第１端部１４４側の流路断面積Ｎを小さくすることで、光源１０２と濃度検出器１０４との距離を接近させやすくすることができる。本実施の形態における光源１０２と濃度検出器１０４との距離は、例えば約１０ｍｍである。光源１０２と濃度検出器１０４との距離を接近させることで、被検出ガスの検出に必要な光源１０２の光度を低減することができる。すなわち、より低パワーでの被検出ガスの測定が可能となる。また、ガス検出部１０１の大型化を抑制することができる。
ガス通路部１３０は、少なくとも一部が断熱性材料で構成される。本実施の形態のガス通路部１３０は、全体が断熱性材料で構成される。ガス通路部１３０の一部分のみが断熱性材料で構成される場合は、第１端部１４４から第２端部１４６までの間のいずれかの位置で非断熱性材料が不連続となるように、断熱性材料が配置されることが好ましい。ガス通路部１３０の少なくとも一部が断熱性材料で構成されることで、恒温槽４の内部空間の熱がガス通路部１３０を介して光源１０２及び濃度検出器１０４に伝達されることを抑制することができる。
例えば、断熱性材料としては、恒温槽４の内部の温度が１９０℃のときに、光源１０２及び濃度検出器１０４周辺の温度が１００℃以下になる材料が選択される。断熱性材料として熱抵抗の高い材料を選択することで、断熱効果を高めることができる。また断熱性材料としては、高温耐性樹脂が好適である。高温耐性樹脂は、金属に比べて加工が容易であるとともに、熱抵抗が高いためである。断熱性材料の具体例としては、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂；ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）；シリコン樹脂；ポリアミドイミド（ＰＡＩ）等を例示することができる。
本実施の形態では、ガス通路部１３０と、ガス検出部１０１のガス導入室１３２とが断熱性材料で一体成形された構造を有する。すなわち、断熱性材料からなる一体の管状部材の内部に、中空部１４８と、第１空間１３２ａと、第２空間１３２ｂと、第３空間１３２ｃとが画成されている。
ガスセンサ１００は、恒温槽４の貫通孔４ａにガス通路部１３０が挿通された状態で、ガス通路部１３０の外側面と貫通孔４ａ内側面との間にパッキン１２０が嵌め込まれることにより、恒温槽４に対して固定される。パッキン１２０は、例えばシリコーン樹脂からなる。ガスセンサ１００は、ガス通路部１３０の第２端部１４６が恒温槽４内に露出し、ガス通路部１３０が貫通孔４ａ内に位置し、ガス検出部１０１が恒温槽４の外部に位置する。
ガスセンサ１００は、恒温槽４に固定された状態で、ガス通路部１３０が水平に延在するように配置される。すなわち、ガスセンサ１００は、第１端部１４４と第２端部１４６とが水平方向に並ぶように配置される。このように、ガスセンサ１００を横置きとすることで、ガス通路部１３０やガス導入室１３２の内部にダストや液体が進入することと、進入したダストや液体が内部に溜まることとを抑制することができる。これにより、ガスセンサ１００の検出精度の低下を抑制することができる。
ガスセンサ１００が恒温槽４に固定された状態で、中空部１４８及び第１空間１３２ａは、水平方向で且つ恒温槽４の壁面４ｂの法線方向に延在する。第２空間１３２ｂ及び第３空間１３２ｃは、水平方向で且つ恒温槽４の壁面４ｂに平行に延在する。したがって、光源１０２及び濃度検出器１０４は、水平方向に配列される。このように光源１０２と濃度検出器１０４とをガスセンサ１００の側面に配置することで、光源１０２上あるいは濃度検出器１０４上にダストや水分が溜まることを抑制することができる。
また、中空部１４８は、底面が第２端部１４６側に位置し、上面が第１端部１４４側に位置する略円錐台形状の部分を有する。したがって、中空部１４８の鉛直方向下側の表面は、少なくとも一部において、第１端部１４４から第２端部１４６に近づくにつれて鉛直方向下方に向かうように傾斜するテーパ状となっている。これにより、中空部１４８やガス導入室１３２の内部からダストや液体が排出されやすくなるため、ダストや液体が溜まることをより抑制することができる。図１に示される中空部１４８は、鉛直方向下側の表面が第２端部１４６から第１端部１４４にかけて連続的に傾斜している。
恒温槽４の槽内ガスは、キャップ１５０を介して中空部１４８に流入する。中空部１４８に流入した槽内ガスは、第１端部１４４側に進み、ガス導入室１３２の第１空間１３２ａに流入する。第１空間１３２ａに流入した槽内ガスは、第２空間１３２ｂ及び第３空間１３２ｃに流入する。この結果、第１空間１３２ａ〜第３空間１３２ｃは槽内ガスで満たされる。
以下に、ガスセンサ１００の動作について説明する。第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度が被検出ガスの露点温度ｃより高い第１温度ｄ（図２（Ａ）参照）にある状況で、濃度検出器１０４が被検出ガスの濃度を検出する。例えば、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度は、温度調節部１８０によることなく、光源１０２の熱やガス導入室１３２に充満する槽内ガスの熱により、第１温度ｄに維持される。より好ましくは、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度は、雰囲気温度よりも高い温度に維持される。なお、温度調節部１８０によって、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２が加温されてもよい。これにより、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２における結露の発生をより確実に抑制することができる。
具体的には、第１光を含む光源１０２の光は、被検出ガスに向けて出射される。すなわち、光源１０２の光は、被検出ガスを含む槽内ガスが充満する第２空間１３２ｂに向けて出射される。光源１０２から出射される光は、第１透光部材１４０、第２空間１３２ｂ、第１空間１３２ａにおける第２空間１３２ｂと第３空間１３２ｃとで挟まれる領域、第３空間１３２ｃ、第２透光部材１４２を経て、濃度検出器１０４に到達する。この過程で、第１空間１３２ａ〜第３空間１３２ｃに存在する被検出ガスにより所定波長の第１光が吸収される。濃度検出器１０４は、この第１光の光量変化から、被検出ガスの存在及び濃度を検出することができる。
本実施の形態では、光源１０２から赤外光が出射され、第１空間１３２ａ〜第３空間１３２ｃに存在するＣＯ２によって波長４．２６μｍの第１光が吸収される。濃度検出器１０４は、光源１０２から出射された光における第１光の強度（光量）を基準として、受光素子が受けた第１光の強度（光量）に基づいてＣＯ２の存在及び濃度を検出することができる。ガスセンサ１００が検出可能なＣＯ２の濃度は、例えば０〜２０％である。
また、所定のタイミングで、湿度検出部１９０が温度調節部１８０を駆動させる。温度調節部１８０は、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２から吸熱して、各透光部材の温度を徐々に低下させる。好ましくは、図２（Ａ）に示すように、一旦、第１温度ｄから昇温した後に、徐々に低下させる。第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度が、露点温度ｃに到達すると、被検出ガス中の水分が第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の表面で凝縮する。
これにより、濃度検出器１０４における第１光の受光量に所定の減少が起こる。湿度検出部１９０は、第１光の受光量の減少を検知したタイミングに基づいて、被検出ガスの湿度を検出する。すなわち、湿度検出部１９０は、第１光の受光量の減少を検知すると、当該減少時に受信した第１温度センサ１８４の検知結果、すなわち露点温度ｃと、第２温度センサ１８６の検知結果である雰囲気温度とを用いて、被検出ガスの絶対湿度を算出する。湿度検出部１９０により検知される前記「所定の減少」は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。
上述のように、ガスセンサ１００は、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度を変化させることで、被検出ガスの濃度検出と湿度検出とを時分割で実行する。濃度検出と湿度検出とは、所定の周期で交互に繰り返して実行されてもよいし、恒温装置１の制御部から送信される濃度検出あるいは湿度検出の実行指示をガスセンサ１００が受領したときに実行されてもよい。一例として、濃度検出及び湿度検出を交互に繰り返す場合のガスセンサ１００の動作フローを説明する。図３は、実施の形態１に係るガスセンサの動作フローチャートである。このフローは、恒温装置１が作動し光源１０２が点灯している状況下で、所定のタイミングで繰り返し実行される。
まず、濃度検出器１０４は、第１光の受光量に基づいて被検出ガスの濃度を検出する（Ｓ１０１）。次に、温度調節部１８０が第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２を一旦昇温させた後、徐々に低下させる（Ｓ１０２）。そして、湿度検出部１９０は、濃度検出器１０４における第１光の受光量が減少したか判断する（Ｓ１０３）。第１光の受光量が減少した場合（Ｓ１０３のＹ）、湿度検出部１９０は、受光量減少時に受信した第１温度センサ１８４の検知結果と、第２温度センサ１８６の検知結果とを用いて、被検出ガスの絶対湿度を算出する（Ｓ１０４）。
第１光の受光量が減少していない場合（Ｓ１０３のＮ）、湿度検出部１９０は、第１光の受光量が減少したか否かの判断回数が、所定数以下であるか判断する（Ｓ１０５）。判断回数が所定数以下である場合（Ｓ１０５のＹ）、湿度検出部１９０は、第１光の受光量が減少したか再び判断する（Ｓ１０３）。判断回数が所定数を超えた場合（Ｓ１０５のＮ）、湿度検出部１９０は、エラー信号を恒温装置１の制御部に送信する（Ｓ１０６）。なお、本フローでは、ステップＳ１０５において受光量減少の判断回数に基づいてエラーが判断されているが、温度調節部１８０による温度変更が開始されてからの時間等に基づいてエラーが判断されてもよい。前記「所定数」は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。
以上説明したように、本実施の形態に係るガスセンサ１００は、被検出ガスに向けて第１光を出射する光源１０２と、第１光を受光し、第１光の吸収に基づいて被検出ガスの濃度を検出する濃度検出器１０４とを備える。また、ガスセンサ１００は、光源１０２及び濃度検出器１０４の間に配置される第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２と、両透光部材の温度を変化させる温度調節部１８０と、湿度検出部１９０とを備える。湿度検出部１９０は、濃度検出器１０４における第１光の受光量の変化に基づき、第２透光部材１４２の温度及びガスセンサ１００の雰囲気温度を用いて、被検出ガスの湿度を検出する。
ガスセンサ１００は、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度が被検出ガスの露点温度より高い第１温度ｄにある状況で、濃度検出器１０４によって被検出ガスの濃度を検出する。また、温度調節部１８０が第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度を徐々に低下させ、濃度検出器１０４における第１光の受光量に所定の減少が起こるタイミングに基づいて、湿度検出部１９０が被検出ガスの湿度を検出する。
したがって、本実施の形態のガスセンサ１００によれば、１つのセンサで被検出ガスの濃度及び湿度を検出することができる。また、ガスセンサ１００では、被検出ガスの濃度検出に用いられる光学系（光源、濃度検出器及び透光部材）を、被検出ガスの湿度検出にも用いている。つまり、単一の光学系で被検出ガスの濃度と湿度を検出することができる。このため、被検出ガスの濃度のみを検出できる従来のガス濃度センサと、被検出ガスの湿度のみを検出できる従来のガス湿度センサとを組み合わせる場合に比べて、より簡単な構成で被検出ガスの濃度及び湿度を検出することができる。これにより、恒温装置１の小型化と低価格化を図ることができる。
また、本実施の形態では、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の両方の温度を変化させて、両方に結露を生じさせている。これにより、濃度検出器１０４における第１光の受光量を、いずれか一方の透光部材のみに結露を生じさせる場合に比べて、より減少させることができる。このため、ガスセンサ１００における湿度の検出感度及び検出速度をより高めることができる。
また、ガスセンサ１００は、ガス通路部１３０を備える。従来のガスセンサでは、光源と濃度検出器とが恒温槽４内に配置されて、被検出ガスに曝される構造であった。一方、ガスセンサに用いられる光源や濃度検出器の耐熱温度は、一般的に１００℃程度である。このため、被検出ガスの温度が光源及び濃度検出器の耐熱温度を超え、これによりガスセンサの検出精度が低下するおそれがあった。また、従来のガスセンサをインキュベータ等の恒温装置に搭載する場合、恒温装置に乾熱滅菌を施す際に、恒温槽の温度が光源及び濃度検出器の耐熱温度を超える可能性があった。この場合、光源及び濃度検出器が高温に曝されることになり、ガスセンサの検出精度が低下するおそれがあった。
これに対し、ガス通路部１３０を設けることで、光源１０２及び濃度検出器１０４と、恒温槽４とを熱的に分離することができる。したがって、槽内ガスの温度が光源１０２及び濃度検出器１０４の耐熱温度を超える場合や、恒温槽４に乾熱滅菌が施される場合等、恒温槽４の温度が高温になる場合であっても、光源１０２及び濃度検出器１０４の熱による損傷を抑制することができる。よって、ガスセンサ１００の検出精度の低下を抑制することができる。
また、このようなガスセンサ１００を恒温装置１に搭載することで、槽内ガスに含まれる被検出ガスの濃度及び湿度を高精度に検出することができるため、恒温装置１の性能を向上させることができる。また、ガスセンサ１００を取り外すことなく乾熱滅菌処理を施すことができるため、恒温装置１の使い勝手を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、光源１０２と濃度検出器１０４とを水平方向に配列しているが、特にこの構成に限定されない。例えば、光源１０２と濃度検出器１０４とは、鉛直方向に配列されてもよい。この場合、光源１０２を下方に配置することが好ましい。これにより、光源１０２の熱を第１透光部材１４０に伝えやすくすることができる。この結果、第１透光部材１４０に意図しない結露が生じることを抑制することができる。また、実施の形態１に係るガスセンサ１００には、以下の変形例を挙げることができる。
（変形例１）
図４は、変形例１に係るガスセンサの一部を模式的に示す水平断面図である。以下、本変形例に係るガスセンサについて実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。本変形例に係るガスセンサ１００（１００Ａ’）は、温度調節部１８０が第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２のうち一方のみの温度を変化させる点が、実施の形態１と異なる。図４には、一例として第２透光部材１４２の温度を変化させる構造が開示されている。温度調節部１８０による温度制御の対象を一方の透光部材のみとすることで、温度調節部１８０にかかる負荷を低減することができる。これにより、透光部材の温度をより迅速に変化させることができる。
温度調節部１８０による温度制御の対象を一方の透光部材のみとする場合、濃度検出器１０４側の第２透光部材１４２を制御対象とすることが好ましい。光源１０２は発熱源であって、例えば１Ｗ程度発熱している。このため、光源１０２側の第１透光部材１４０は、第２透光部材１４２に比べて冷却しにくい。よって、第２透光部材１４２を温度制御の対象とすることで、ガスセンサ１００の低消費電力化を図ることができる。また、透光部材の温度をより迅速に変化させることができるため、湿度の検出速度を向上させることができる。
（変形例２）
図５は、変形例２に係るガスセンサの一部を模式的に示す水平断面図である。以下、本変形例に係るガスセンサについて実施の形態１及び変形例１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。本変形例に係るガスセンサ１００（１００Ａ’’）は、温度調節部１８０を放熱する構造が変形例１と異なる。
具体的には、本変形例に係るガスセンサ１００では、温度調節部１８０が第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２のうち一方のみの温度を変化させる。図５には、一例として第２透光部材１４２の温度を変化させる構造が開示されている。これにより、透光部材の温度をより迅速に変化させることができる。
また、本変形例に係るガスセンサ１００では、放熱フィン１８２に代えて熱伝導シート１８８が用いられる。熱伝導シート１８８は、一端が温度調節部１８０に当接する。熱伝導シート１８８の他端は、例えば筐体２に当接する。これにより、温度調節部１８０の熱は、熱伝導シート１８８を介して筐体２に放熱される。熱伝導シート１８８を用いることで、放熱フィン１８２を省略することができるため、ガスセンサ１００の低コスト化を図ることができる。また、温度調節部１８０の放熱効率を向上させることができる。熱伝導シート１８８としては、金属シート、グラファイトシート、ヒートパイプ等の、伝熱可能な様々な構造を用いることができる。
（実施の形態２）
図６（Ａ）は、実施の形態２に係るガスセンサが備える濃度検出器を模式的に示す平面図である。図６（Ｂ）は、実施の形態２に係るガスセンサが備える濃度検出器を模式的に示す側面図である。以下、本実施の形態に係るガスセンサについて実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。本実施の形態に係るガスセンサは、光源１０２がさらに第２光を出射し、濃度検出器１０４が第２光を受光する点が実施の形態１と異なる。
具体的には、本実施の形態に係るガスセンサの光源１０２（図１参照）は、第１光に加えて、水が吸収する波長の第２光をさらに出射する。第２光は、第１光よりも水による吸収量が大きい。例えば、第２光の波長は３μｍである。好ましくは、光源１０２から出射される光は、波長範囲が２．７μｍ〜３．５μｍの赤外光である。
また、濃度検出器１０４は、第１検出部１１０と、第２検出部１１２と、第１光学フィルタ１１４と、第２光学フィルタ１１６とを有する。第１検出部１１０及び第２検出部１１２は、それぞれ受光素子である。第１光学フィルタ１１４は、第１検出部１１０と光源１０２との間に配置され、第１光を選択的に透過する。第２光学フィルタ１１６は、第２検出部１１２と光源１０２との間に配置され、第２光を選択的に透過する。各光学フィルタは、各検出部の受光面上に直接、あるいは空間を隔てて配置される。
濃度検出器１０４は、第１検出部１１０及び第１光学フィルタ１１４により、被検出ガスの吸収波長を有する第１光を選択的に検出する。これにより、ガスセンサ１００の検出感度を高めることができる。なお、実施の形態１において、濃度検出器１０４に第１光学フィルタ１１４を設けてもよい。この場合にも、同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、光源１０２が水の吸収波長を有する第２光を出射する。また、濃度検出器１０４が第２検出部１１２と第２光学フィルタ１１６とにより、第２光を選択的に検出する。そして、湿度検出部１９０は、第２光の受光量に基づいて結露の発生を把握する。第２光は、被検出ガスよりも水によって吸収されやすい光である。このため、結露により生じた水による第２光の散乱に加えて、当該水による第２光の吸収によって、第２検出部１１２における第２光の受光量が減少する。つまり、第２光は、第１光よりも結露によって受光量が減少しやすい。よって、ガスセンサ１００の湿度の検出感度をより高めることができる。また、露点温度ｃをより高精度に検出することができる。
本実施の形態では、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度が被検出ガスの露点温度ｃより高い第１温度ｄにある状況で、濃度検出器１０４が第１光の受光量に基づいて被検出ガスの濃度を検出する。また、所定のタイミングで、温度調節部１８０は、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度を徐々に低下させる。第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度が露点温度ｃに到達すると、被検出ガス中の水分が第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の表面で凝縮する。
これにより、濃度検出器１０４における第２光の受光量に所定の減少が起こる。湿度検出部１９０は、第２光の受光量の減少を検知したタイミングに基づいて、被検出ガスの湿度を検出する。すなわち、湿度検出部１９０は、第２光の受光量の減少を検知すると、当該減少時に受信した第１温度センサ１８４の検知結果と、第２温度センサ１８６の検知結果とを用いて、被検出ガスの絶対湿度を算出する。
（実施の形態３）
図７（Ａ）は、実施の形態３に係るガスセンサが備える濃度検出器を模式的に示す平面図である。図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）は、実施の形態３に係るガスセンサが備える濃度検出器を模式的に示す側面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）における矢印Ｘの方向から見たときの側面図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）における矢印Ｙの方向から見たときの側面図である。以下、本実施の形態に係るガスセンサについて実施の形態１及び２と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。本実施の形態に係るガスセンサは、光源１０２がさらに第３光を出射し、濃度検出器１０４が第３光を受光する点が実施の形態２と異なる。
具体的には、ガスセンサの光源１０２（図１参照）は、第１光及び第２光に加えて、被検出ガス及び水が吸収しない波長の第３光をさらに出射する。例えば、第３光の波長は３．９１μｍである。前記「被検出ガス及び水が吸収しない」とは、例えば被検出ガス及び水による吸収量がそれぞれ１０％以下であることを意味する。第３光は、参照光として用いられる。濃度検出器１０４は、第１検出部１１０、第２検出部１１２、第１光学フィルタ１１４及び第２光学フィルタ１１６に加えて、第３検出部１１８と、第３光学フィルタ１１９とをさらに有する。第３検出部１１８は、受光素子である。第３光学フィルタ１１９は、第３検出部１１８と光源１０２との間に配置され、第３光を選択的に透過する。各光学フィルタは、各検出部の受光面上に直接、あるいは空間を隔てて配置される。
濃度検出器１０４は、第１検出部１１０及び第１光学フィルタ１１４により、被検出ガスの吸収波長を有する第１光を選択的に検出する。また、第３検出部１１８及び第３光学フィルタ１１９により、第３光を選択的に検出する。濃度検出器１０４は、第１光の強度変化と第３光の強度変化とに基づいて、被検出ガスの濃度を検出する。つまり、濃度検出器１０４は、第１光の強度の減少量から第３光の強度の減少量を差し引いて、その差分を被検出ガスの吸収に起因する第１光の強度の減少量とする。濃度検出器１０４は、この差分に基づいて、被検出ガスの濃度を検出する。濃度検出器１０４は、被検出ガスの濃度を示す信号として、第１光及び第３光の受光量値そのものを制御部に送ってもよい。この場合、恒温装置１の制御部において第１光及び第３光の受光量の差分が被検出ガスの濃度に変換される。
第３光は、被検出ガス及び水によって吸収されない。このため、第３光の強度の減少は、被検出ガスや水による光の吸収以外の外乱が原因である。この外乱には、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２において結露で生じた水による散乱が含まれる。このため、第１光の強度の減少量と第３光の強度の減少量との差分をとることで、外乱による第１光の強度の減少を除外して、被検出ガスの濃度を検出することができる。これにより、ガスセンサ１００の検出精度を高めることができる。また、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２が結露している状態でも、被検出ガスの濃度を検出することができる。したがって、本実施の形態によれば、被検出ガスの濃度測定と湿度測定とを同時に実行することができる。例えば、被検出ガスの濃度を常時測定しながら、被検出ガスの湿度を測定することができる。
また、湿度検出部１９０は、第２光の受光量の変化に基づいて結露の発生を把握する。第２光は、結露により生じた水による散乱に加えて、当該水による吸収によっても強度が減少する。よって、ガスセンサ１００の湿度の検出感度をより高めることができる。また、露点温度ｃをより高精度に検出することができる。
本実施の形態では、温度調節部１８０が第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２の温度を徐々に低下させる状況で、濃度検出器１０４が第１光の受光量と第３光の受光量とに基づいて被検出ガスの濃度を検出する。また、濃度検出器１０４における第２光の受光量に所定の減少が起こるタイミングに基づいて、湿度検出部１９０が被検出ガスの湿度を検出する。すなわち、湿度検出部１９０は、第２光の受光量の減少を検知すると、当該減少時に受信した第１温度センサ１８４の検知結果と、第２温度センサ１８６の検知結果とを用いて、被検出ガスの絶対湿度を算出する。
なお、湿度検出部１９０は、第２光の強度の減少量と第３光の強度の減少量との差分に基づいて、結露の発生を判断してもよい。この場合、水による第２光の吸収のみに起因する第２光の強度の減少に基づいて、結露の発生を判断することができる。
また、第３光の受光量の変化によっても、結露の発生を検知することができる。このため、湿度検出部１９０は、濃度検出器１０４における第３光の受光量に所定の減少が起こるタイミングに基づいて、被検出ガスの湿度を検出してもよい。この場合、光源１０２からの第２光の出射と、濃度検出器１０４への第２検出部１１２及び第２光学フィルタ１１６の設置とを省略することができる。
（実施の形態４）
図８は、実施の形態４に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。図９（Ａ）は、実施の形態４に係る恒温装置を模式的に示す鉛直断面図である。図９（Ｂ）は、槽内ガスの流れを模式的に示す図である。図８及び図９（Ａ）では、ガス検出部１０１の内部の図示を簡略化しており、温度調節部１８０、放熱フィン１８２及び湿度検出部１９０等の図示を省略している。以下、本実施の形態に係るガスセンサについて実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
本実施の形態に係るガスセンサ１００（１００Ｂ）が備えるガス通路部１３０は、仕切り部材１５２をさらに有する。仕切り部材１５２は、中空部１４８を、第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂの少なくとも２つの領域に区画する。本実施の形態では、仕切り部材１５２によって中空部１４８が第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂの２つの領域に区画されている。仕切り部材１５２は、第１端部１４４から第２端部１４６にかけて延在する。したがって、第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂは、それぞれ第１端部１４４から第２端部１４６にかけて延在する。中空部１４８は、鉛直方向下側の表面１４８ｃが第１端部１４４から第２端部１４６に近づくにつれて鉛直方向下方に向かうように傾斜する。
また、ガス通路部１３０は、ガス流入口１５４と、ガス流出口１５６とを有する。ガス流入口１５４は、第２端部１４６に配置されて、恒温槽４の内部空間と第１領域１４８ａとを接続する。ガス流出口１５６は、第２端部１４６に配置されて、第２領域１４８ｂと恒温槽４の内部空間とを接続する。ガス流入口１５４は多孔質部材１５８で塞がれ、ガス流出口１５６は多孔質部材１６０で塞がれる。多孔質部材１５８，１６０を構成する材料としては、キャップ１５０を構成する材料と同じものが例示される。多孔質部材１５８，１６０は、被検出ガスを通過させることができる。
ガス流入口１５４及びガス流出口１５６の開口面は、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向Ｂ（図８において矢印Ｂで示す方向）に対して平行に延在する。多孔質部材１５８及び多孔質部材１６０が方向Ｂに対して平行に延在していることからも、ガス流入口１５４及びガス流出口１５６の開口面が方向Ｂに対して平行に延在することが理解できる。すなわち、ガス流入口１５４及びガス流出口１５６は、ガス通路部１３０の側面に配置されている。
ガスセンサ１００は、ガス流入口１５４及びガス流出口１５６が恒温槽４の壁面４ｂから内部空間に突出するようにして、恒温槽４の壁面４ｂに設置される。通常、恒温槽４内には、被検出ガスを含む槽内ガスの流れ（ガス流れＦ）が存在する。ガス流入口１５４は、開口面が恒温槽４におけるガス流れＦと交わるように、すなわち被検出ガスの流れる方向と交わるように配置される。好ましくは、ガス流入口１５４は、開口面がガス流れＦと直交するように配置される。また、ガス流出口１５６は、ガス流れＦの方向においてガス流入口１５４とは反対側に配置される。
また、ガス流入口１５４は、ガス流れＦの上流側に配置され、ガス流出口１５６は、ガス流入口１５４よりもガス流れＦの下流側に配置される。さらに、第２端部１４６は、恒温槽４において被検出ガスが鉛直方向下方に向かって流れる領域に配置される。そして、ガス流入口１５４はガス流出口１５６よりも鉛直方向上方に配置される。
恒温槽４に存在する槽内ガスは、ガス流入口１５４から中空部１４８内に流入し、第１領域１４８ａを第１端部１４４に向かって流れてガス検出部１０１、より具体的には光源１０２と濃度検出器１０４との間の空間に到達する。これにともない、ガス検出部１０１に存在する槽内ガスは、第２領域１４８ｂを第２端部１４６に向かって流れてガス流出口１５６から恒温槽４に流出する。
このように、仕切り部材１５２で中空部１４８を第１領域１４８ａと第２領域１４８ｂとに分割し、第１領域１４８ａにガス流入口１５４を設け、第２領域１４８ｂにガス流出口１５６を設けることで、中空部１４８内での槽内ガスの流れを整えて、対流を生じさせることができる。これにより、被検出ガスをより効率的にガス検出部１０１へ導入することができ、したがって、ガス導入室１３２内のガスを速やかに置換することができる。また、高速なガス流を発生させることができるため、第１透光部材１４０及び第２透光部材１４２を迅速に結露、乾燥させることができる。よって、ガスセンサ１００の検出速度と検出感度とを向上させることができる。
また、ガス流れＦの存在する領域にガスセンサ１００の第２端部１４６を突出させると、ガス流れＦの上流側の面、すなわちガス流れＦが直に当たる面にかかる圧力は、下流側の面、すなわちガス流れＦが回り込んで到達する面にかかる圧力に比べて大きくなる。したがって、上流側の面と下流側の面とで圧力差が生じる。このため、ガス流れＦに対して上流側にガス流入口１５４を配置し、下流側にガス流出口１５６を配置することで、この圧力差を利用して、槽内ガスを中空部１４８内に円滑に導入することができる。
また、ガス流入口１５４は、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向Ｂに対して平行に延在する開口面を有し、開口面がガス流れＦの方向と交わるように配置される。これにより、ガス流入口１５４にガス流れＦを直接当てることができるため、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
さらに本実施の形態では、槽内ガスが鉛直方向下方に向かって流れる領域に第２端部１４６が配置され、ガス流入口１５４はガス流出口１５６よりも鉛直方向上方に配置されている。これにより、槽内ガスにかかる重力を利用して上述の圧力差をより大きくすることができる。よって、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
また、ガス流入口１５４は、ガス流出口１５６よりも開口面積が大きい。これにより、第１領域１４８ａ内と第２領域１４８ｂ内とに、開口面積の差に起因する差圧を生じさせることができる（ベルヌーイの定理）。具体的には、第１領域１４８ａ内に比べて第２領域１４８ｂ内の圧力が小さくなる。したがって、第１領域１４８ａ内に比べて第２領域１４８ｂ内における槽内ガスの流速が速くなる。よって、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
また、本実施の形態に係る恒温装置１は、槽内ガスが壁面４ｂに沿って流れるように送風するファン６をさらに備える。ガスセンサ１００は、ファン６よりもガス流れＦの下流側に配置される。ファン６を設けることで、ガス流入口１５４側とガス流出口１５６側との間の圧力差をより大きくすることができる。よって、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
また、恒温装置１は、槽内ガスが流れるガス流路８をさらに備える。ガス流路８は、恒温槽４の内部空間において、壁面４ｂに沿って配置される。例えば、ガス流路８は、壁面４ｂに沿って延在する仕切り板１０と、壁面４ｂとで画成される。ガス流路８を設けることで、ガス流れＦをガスセンサ１００の第２端部１４６により確実に当てることができる。よって、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。本実施の形態では、ガス流路８の入口近傍にファン６が配置される。また、恒温装置１は、槽内ガスを恒温槽４に導入するためのガス導入管１２を有する。ガス導入管１２は、好ましくはガス導入管１２とガスセンサ１００との間にファン６が位置するように配置される。
ガスセンサ１００における被検出ガスの濃度及び湿度の検出動作は、実施の形態１〜３と同様である。なお、実施の形態４に係るガスセンサ１００には、以下の変形例を挙げることができる。
（変形例３）
図１０（Ａ）は、変形例３に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。以下、本変形例に係るガスセンサについて実施の形態４と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。変形例３に係るガスセンサ１００（１００Ｂ’）では、ガス流入口１５４及びガス流出口１５６の開口面が、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向Ｂに対して交わる方向に延在する。したがって、ガス流入口１５４及びガス流出口１５６は、開口面が恒温槽４におけるガス流れＦに対して略平行に延在する。ガス流入口１５４及びガス流出口１５６は、被検出ガスが通過可能な多孔質部材１６２で塞がれる。多孔質部材１６２を構成する材料としては、キャップ１５０を構成する材料と同じものが例示される。このような構成によっても、ガス流入口１５４側とガス流出口１５６側との圧力差を利用した中空部１４８への槽内ガスの導入が可能である。
（変形例４）
図１０（Ｂ）は、変形例４に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。以下、本変形例に係るガスセンサについて実施の形態４と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。変形例４に係るガスセンサ１００（１００Ｂ’’）は、実施の形態４と変形例１とを組み合わせた構造を有する。すなわち、ガス流入口１５４及び１５６の開口面は、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向Ｂに対して平行に延在する領域と、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向Ｂに対して交わる方向に延在する領域とを有する。これにより、中空部１４８への槽内ガスの取り込み量を増やすことができるため、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
（実施の形態５）
図１１（Ａ）は、実施の形態５に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。図１１（Ｂ）は、実施の形態５に係るガスセンサの第２端部側の端面を模式的に示す図である。図１１（Ａ）では、ガス検出部１０１の内部の図示を簡略化しており、温度調節部１８０、放熱フィン１８２及び湿度検出部１９０等の図示を省略している。以下、本実施の形態に係るガスセンサについて実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
本実施の形態に係るガスセンサ１００（１００Ｃ）が備えるガス通路部１３０は、仕切り部材１５２をさらに有する。仕切り部材１５２は、中空部１４８を、第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂの少なくとも２つの領域に区画する。本実施の形態では、仕切り部材１５２によって中空部１４８が第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂの２つの領域に区画されている。第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂは、それぞれ第１端部１４４から第２端部１４６にかけて延在する。ガス通路部１３０の中空部１４８は、鉛直方向下側の表面１４８ｃが第１端部１４４から第２端部１４６に近づくにつれて鉛直方向下方に向かうように傾斜する。
また、ガス通路部１３０は、ガス流入口１５４と、ガス流出口１５６とを有する。ガス流入口１５４は、第２端部１４６に配置されて、恒温槽４の内部空間と第１領域１４８ａとを接続する。ガス流出口１５６は、第２端部１４６に配置されて、第２領域１４８ｂと恒温槽４の内部空間とを接続する。ガス流入口１５４及びガス流出口１５６は、被検出ガスが通過可能な多孔質部材１６４で塞がれる。多孔質部材１６４を構成する材料としては、キャップ１５０を構成する材料と同じものが例示される。ガス流入口１５４及びガス流出口１５６の開口面は、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向Ｂに対して交わる方向に延在する。
また、ガス流入口１５４は、ガス流出口１５６よりも開口面積が大きい。本実施の形態では、仕切り部材１５２の第２端部１４６側の端部１５２ａが、多孔質部材１６４に埋め込まれている。そして、端部１５２ａは、ガス流入口１５４とガス流出口１５６との境界を構成する。また、仕切り部材１５２は、第１端部１４４から第２端部１４６に近づくにつれて鉛直方向下方に向かうように傾斜している。これにより、開口面積の大きいガス流入口１５４と、開口面積の小さいガス流出口１５６とが形成されている。
ガスセンサ１００は、恒温槽４の壁面４ｂに設置される（図１，９（Ａ）参照）。ガス流入口１５４は、ガス流れＦの上流側に配置され、ガス流出口１５６は、ガス流入口１５４よりもガス流れＦの下流側に配置される。さらに、第２端部１４６は、恒温槽４において被検出ガスが鉛直方向下方に向かって流れる領域に配置される。そして、ガス流入口１５４はガス流出口１５６よりも鉛直方向上方に配置される。
恒温槽４の槽内ガスは、ガス流入口１５４から中空部１４８内に流入し、第１領域１４８ａを第１端部１４４に向かって流れてガス検出部１０１に到達する。これにともない、ガス検出部１０１に存在する槽内ガスは、第２領域１４８ｂを第２端部１４６に向かって流れてガス流出口１５６から恒温槽４に流出する。このように、仕切り部材１５２を設けることで、中空部１４８内での槽内ガスの流れを整えることができる。これにより、ガスセンサ１００の検出速度を向上させることができる。
また、ガス流入口１５４は、ガス流出口１５６よりも開口面積が大きい。このため、第１領域１４８ａ内と第２領域１４８ｂ内とには、開口面積の差に起因する差圧が生じる。これにより、第１領域１４８ａ内に比べて第２領域１４８ｂ内における槽内ガスの流速が速くなる。よって、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率を高めることができる。
また、仕切り部材１５２の傾斜によって、少なくとも一部において、第１領域１４８ａの流路断面積よりも第２領域１４８ｂの流路断面積の方が小さくなっている。これにより、第１領域１４８ａ内に比べて第２領域１４８ｂ内における槽内ガスの流速が速くなる。よって、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
さらに、槽内ガスが鉛直方向下方に向かって流れる領域に第２端部１４６が配置され、ガス流入口１５４はガス流出口１５６よりも鉛直方向上方に配置されている。これにより、槽内ガスにかかる重力を利用してガス流入口１５４とガス流出口１５６とにおける圧力差を大きくすることができる。よって、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
ガスセンサ１００における被検出ガスの濃度及び湿度の検出動作は、実施の形態１〜３と同様である。なお、実施の形態５に係るガスセンサ１００には、以下の変形例を挙げることができる。
（変形例５）
図１２（Ａ）は、変形例５に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。図１２（Ｂ）は、変形例５に係るガスセンサの第２端部側の端面を模式的に示す図である。以下、本変形例に係るガスセンサについて実施の形態５と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。変形例５に係るガスセンサ１００（１００Ｃ’）では、ガス流出口１５６の一部が塞がれることで、ガス流入口１５４及びガス流出口１５６の開口面積に差が付けられている。本変形例では、ガス流出口１５６の一部を塞ぐ部材として、フィン構造を有する整流板１６６が用いられている。
整流板１６６は、第２端部１４６におけるガス流入口１５４とガス流出口１５６との間の領域から恒温槽４の内部空間に向けて突出する。整流板１６６は、ガス通路部１３０側の端部が、多孔質部材１６４における第２領域１４８ｂと接する領域に埋め込まれている。これにより、ガス流出口１５６の開口面積をガス流入口１５４の開口面積よりも小さくすることができる。
また、整流板１６６は、恒温槽４の内部空間側に突出する部分によって、恒温槽４におけるガス流れＦ（被検出ガスの流れ）を規制する。恒温槽４を流れる槽内ガスの一部は、第２端部１４６の近傍を通過する際に整流板１６６に当たり、進行方向がガス流入口１５４に向けられる。したがって、整流板１６６によって槽内ガスを中空部１４８内に誘導することができる。これにより、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
（実施の形態６）
図１３は、実施の形態６に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。図１３では、ガス検出部１０１の内部の図示を簡略化しており、温度調節部１８０、放熱フィン１８２及び湿度検出部１９０等の図示を省略している。以下、本実施の形態に係るガスセンサについて実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
本実施の形態に係るガスセンサ１００（１００Ｄ）が備えるガス通路部１３０は、仕切り部材１５２をさらに有する。仕切り部材１５２は、中空部１４８を、第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂの少なくとも２つの領域に区画する。本実施の形態では、仕切り部材１５２によって中空部１４８が第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂの２つの領域に区画されている。第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂは、それぞれ第１端部１４４から第２端部１４６にかけて延在する。中空部１４８は、鉛直方向下側の表面１４８ｃが第１端部１４４から第２端部１４６に近づくにつれて鉛直方向下方に向かうように傾斜する。
また、ガス通路部１３０は、ガス流入口１５４と、ガス流出口１５６とを有する。ガス流入口１５４は、第２端部１４６に配置されて、恒温槽４の内部空間と第１領域１４８ａとを接続する。ガス流出口１５６は、第２端部１４６に配置されて、第２領域１４８ｂと恒温槽４の内部空間とを接続する。ガス流入口１５４及びガス流出口１５６は、被検出ガスが通過可能な多孔質部材１６８で塞がれる。多孔質部材１６８を構成する材料としては、キャップ１５０を構成する材料と同じものが例示される。ガス流入口１５４及びガス流出口１５６の開口面は、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向Ｂに対して交わる方向に延在する。また、ガス流入口１５４は、ガス流出口１５６よりも開口面積が大きい。
本実施の形態では、光源１０２は、濃度検出器１０４よりも鉛直方向下方に配置される。また、ガス流入口１５４は、ガス流出口１５６よりも鉛直方向下方に配置される。したがって、第１領域１４８ａは、第２領域１４８ｂよりも鉛直方向下方で延在する。ガス検出部１０１では、鉛直方向下方に配置された光源１０２の熱によってガス導入室１３２内のガスが温められる。これにより、光源１０２から濃度検出器１０４に向かって上昇するガスの流れが発生する。ガス導入室１３２において上昇流となったガスは、第２領域１４８ｂを第２端部１４６側に進み、ガス流出口１５６から流出する。一方、第１領域１４８ａ側では、光源１０２の熱に起因するガスの上昇流によって圧力が低下する。このため、ガス流入口１５４から第１領域１４８ａに槽内ガスが流れ込む。これにより、ガス流入口１５４から中空部１４８内に流入した槽内ガスがガス検出部１０１に到達し、再び中空部１４８内を経てガス流出口１５６から流出するという、槽内ガスの循環が生まれる。
このように、仕切り部材１５２を設けることで、中空部１４８内での槽内ガスの流れを整えることができる。これにより、ガスセンサ１００の検出速度を向上させることができる。また、光源１０２の熱を利用して被検出ガスを循環させているため、ガスセンサ１００の検出速度をより向上させることができる。
また、中空部１４８は、鉛直方向上側の表面１４８ｄが第１端部１４４から第２端部１４６に近づくにつれて鉛直方向上方に向かうように傾斜するテーパ状となっている。これにより、ガス検出部１０１からガス流出口１５６への槽内ガスの流れをより円滑にすることができる。よって、ガスセンサ１００の検出速度をより向上させることができる。また、鉛直方向上側の表面１４８ｄの傾斜は、鉛直方向下側の表面１４８ｃの傾斜よりも急である。これにより、ガスセンサ１００の大型化を抑制することができる。
また、ガス流入口１５４は、ガス流出口１５６よりも開口面積が大きい。このため、第１領域１４８ａ内と第２領域１４８ｂ内とには、開口面積の差に起因する差圧が生じる。これにより、第１領域１４８ａ内に比べて第２領域１４８ｂ内における槽内ガスの流速が速くなる。よって、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。また、仕切り部材１５２は、第１端部１４４から第２端部１４６に近づくにつれて鉛直方向上方に向かうように傾斜している。このため、少なくとも一部において、第１領域１４８ａの流路断面積よりも第２領域１４８ｂの流路断面積の方が小さくなっている。これにより、第１領域１４８ａ内に比べて第２領域１４８ｂ内における槽内ガスの流速が速くなる。よって、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
（実施の形態７）
図１４（Ａ）は、実施の形態７に係るガスセンサを模式的に示す鉛直断面図である。図１４（Ｂ）は、実施の形態７に係るガスセンサを模式的に示す水平断面図である。図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）では、ガス検出部１０１の内部の図示を簡略化しており、温度調節部１８０、放熱フィン１８２及び湿度検出部１９０等の図示を省略している。以下、本実施の形態に係るガスセンサについて実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、実施の形態１と共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。
本実施の形態に係るガスセンサ１００（１００Ｅ）は、光源１０２及び濃度検出器１０４を有するガス検出部１０１と、ガス通路部１３０とを備える。ガス通路部１３０は、第１端部１４４と、第２端部１４６と、中空部１４８と、仕切り部材１５２とを有する。第１端部１４４は、ガス検出部１０１側に配置され、第２端部１４６は、恒温槽４側に配置される。ガス通路部１３０は、中空部１４８を介して被検出ガスを恒温槽４とガス検出部１０１との間で流通させる。中空部１４８は、第２端部１４６側から第１端部１４４側に近づくにつれて流路断面積Ｎが小さくなる形状を有する。また、中空部１４８は、鉛直方向下側の表面１４８ｃが第１端部１４４から第２端部１４６に近づくにつれて鉛直方向下方に向かうように傾斜する。
仕切り部材１５２は、中空部１４８を、第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂの少なくとも２つの領域に区画する部材である。本実施の形態では、仕切り部材１５２によって中空部１４８が第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂの２つの領域に区画されている。なお、仕切り部材１５２の両端は、第１端部１４４及び第２端部１４６まで延在していない。したがって、中空部１４８内において、第１領域１４８ａ及び第２領域１４８ｂの両端部は連通している。第１端部１４４側での第１領域１４８ａと第２領域１４８ｂとの接続面積と、第２端部１４６側での当該接続面積とは、ガス流入口１５４から流入した槽内ガスの大部分あるいは全てが第１領域１４８ａを通って第１端部１４４側に流れるように設定される。
また、ガス通路部１３０は、ガス流入口１５４と、ガス流出口１５６とを有する。ガス流入口１５４は、第２端部１４６に配置されて、恒温槽４と第１領域１４８ａとを接続する。ガス流出口１５６は、第２端部１４６に配置されて、第２領域１４８ｂと恒温槽４とを接続する。ガス流入口１５４は多孔質部材１５８で塞がれ、ガス流出口１５６は多孔質部材１６０で塞がれる。ガス流入口１５４及びガス流出口１５６の開口面は、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向Ｂに対して平行に延在する。
光源１０２は、光出射面１０２ａが中空部１４８側を向くように配置される。すなわち、光源１０２は、出射する光Ｍが中空部１４８を通過するように配置される。また、濃度検出器１０４は、受光面１０４ａが中空部１４８側を向くように配置される。光源１０２及び濃度検出器１０４は、光源１０２から出射される光Ｍが濃度検出器１０４の受光面１０４ａに直に照射されないよう、互いの位置関係が定められる。
また、ガスセンサ１００は、光反射部１０８を備える。光反射部１０８は、ガス通路部１３０の第２端部１４６に固定される。光反射部１０８は、凹面反射面１０８ａを含む。凹面反射面１０８ａは、中空部１４８を臨むように配置される。これにより、凹面反射面１０８ａは、光源１０２及び濃度検出器１０４と対向する。凹面反射面１０８ａは例えば、赤外領域で高い反射率を有する金、アルミニウム、クロム等の金属を光反射部１０８の表面に成膜することで、形成することができる。
光源１０２から出射される光Ｍは、中空部１４８内を進行して凹面反射面１０８ａで反射され、再び中空部１４８内を進行して濃度検出器１０４に到達する。したがって、中空部１４８は、光Ｍの通路としても機能する。中空部１４８を画成する壁面には、金属膜１４９が成膜される。金属膜１４９は、例えば、赤外領域で高い反射率を有する金、アルミニウム、クロム等からなる。金属膜１４９を設けることで、光源１０２の光が中空部１４８の壁面に吸収されることを抑制し、光源１０２から濃度検出器１０４への導光効率を高めることができる。これにより、ガスセンサ１００の検出感度を向上させることができる。
また、仕切り部材１５２は金属からなる。例えば、仕切り部材１５２は赤外領域で高い反射率を有する金、アルミニウム、クロム等からなる。また、好ましくは、仕切り部材１５２の表面には鏡面処理が施され、光Ｍの反射率が高められる。これにより、光源１０２から濃度検出器１０４への導光効率を高めることができる。
また、ガス検出部１０１は、ブラケット１７０を有する。ブラケット１７０は、光源１０２及び濃度検出器１０４の収容部１７２を有する。収容部１７２は、中空部１４８側に開口を有する。この開口は、透光部材１７４によって塞がれる。好ましくは、収容部１７２の開口は、透光部材１７４によって気密に封止される。透光部材１７４は、光源１０２の光に対する透過性を有する材料からなる。本実施の形態では、光源１０２から赤外光が出射されるため、透光部材１７４は、例えばゲルマニウム、シリコン、サファイア等で構成される。温度調節部１８０（図１参照）は、透光部材１７４の温度を変化させる。第１温度センサ１８４（図１参照）は、透光部材１７４の温度を検知する。
ガスセンサ１００は、ガス流入口１５４及びガス流出口１５６が恒温槽４の壁面４ｂから槽内に突出するようにして、恒温槽４の壁面４ｂに設置される（図９（Ａ）参照）。ガス流入口１５４は、開口面が恒温槽４におけるガス流れＦと交わるように配置される。また、ガス流出口１５６は、ガス流れＦの方向においてガス流入口１５４とは反対側に配置される。また、ガス流入口１５４は、ガス流れＦの上流側に配置され、ガス流出口１５６は、ガス流入口１５４よりもガス流れＦの下流側に配置される。さらに、第２端部１４６は、恒温槽４において被検出ガスが鉛直方向下方に向かって流れる領域に配置される。そして、ガス流入口１５４はガス流出口１５６よりも鉛直方向上方に配置される。
恒温槽４に存在する槽内ガスは、ガス流入口１５４から中空部１４８内に流入し、第１領域１４８ａを第１端部１４４に向かって流れてガス検出部１０１に到達する。これにともない、ガス検出部１０１に存在する槽内ガスは、第２領域１４８ｂを第２端部１４６に向かって流れてガス流出口１５６から恒温槽４に流出する。
このように、仕切り部材１５２を設けることで、中空部１４８内での槽内ガスの流れを整えることができる。これにより、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率を高めることができ、ガスセンサ１００の検出速度を向上させることができる。
また、ガス流れＦの存在する領域にガスセンサ１００の第２端部１４６を突出させることで、ガス流れＦの上流側の面と下流側の面とで圧力差を生じさせることができる。ガス流れＦに対して上流側にガス流入口１５４を配置し、下流側にガス流出口１５６を配置することで、この圧力差を利用して、槽内ガスを中空部１４８内に円滑に導入することができる。
また、ガス流入口１５４は、第１端部１４４と第２端部１４６とが並ぶ方向Ｂに対して平行に延在する開口面を有し、開口面がガス流れＦの方向と交わるように配置される。これにより、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。さらに、槽内ガスが鉛直方向下方に向かって流れる領域に第２端部１４６が配置され、ガス流入口１５４はガス流出口１５６よりも鉛直方向上方に配置されている。これにより、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
また、ガス流入口１５４は、ガス流出口１５６よりも開口面積が大きい。このため、第１領域１４８ａと第２領域１４８ｂとには、開口面積の差に起因する差圧が生じる。これにより、ガス検出部１０１への被検出ガスの導入効率をより高めることができる。
光源１０２から出射される光Ｍは、中空部１４８内を進行し、直にあるいは金属膜１４９及び仕切り部材１５２で反射されながら第２端部１４６に到達する。そして、光Ｍは凹面反射面１０８ａで反射され、再び中空部１４８内を進行し、直にあるいは金属膜１４９及び仕切り部材１５２で反射されながら濃度検出器１０４に到達する。この過程で、光Ｍは中空部１４８に充満した槽内ガスを通過する。この際、槽内ガスに含まれる被検出ガスにより第１光が吸収される。
濃度検出器１０４は、光源１０２の出射光における第１光の強度を基準として、濃度検出器１０４が受けた光における第１光の強度に基づいて被検出ガスの存在及び濃度を検出する。また、温度調節部１８０が透光部材１７４の温度を変化させて、透光部材１７４に結露を生じさせる。これにより、湿度検出部１９０（図１参照）が露点温度ｃを取得することができる。湿度検出部１９０は、露点温度ｃと雰囲気温度とから被検出ガスの湿度を検出する。
このように、槽内ガスが充満する中空部１４８に光Ｍを通過させて被検出ガスの濃度及び湿度を検出する構成とすることで、被検出ガスの測定距離を伸ばすことができる。この結果、比較的長い測定距離が必要とされるガスを、より高精度に検出することができる。また、被検出ガスが微量であっても、高精度に検出することができる。
好ましくは、中空部１４８は、第１端部１４４側の開口形状が楕円状であり、第２端部１４６側の開口形状が真円状である。また、中空部１４８は、第１端部１４４から第２端部１４６にかけて楕円から真円に近づくように徐々に変化する形状を有する。これにより、両端が真円状あるいは楕円状の中空部に比べて、光源１０２から濃度検出器１０４への光Ｍの伝達効率を向上させることができる。
中空部１４８の第１端部１４４側を楕円状とする場合、光源１０２及び濃度検出器１０４は、光源１０２及び濃度検出器１０４と中空部１４８との配列方向から見て、楕円の中心（楕円の長軸と短軸との交点）を対称点とする点対称の位置に配置されることが好ましい。この場合、例えば光源１０２及び濃度検出器１０４の任意の一部が、点対称の位置に配置される。あるいは、光源１０２の光出射面１０２ａの中心と濃度検出器１０４の受光面１０４ａの中心とが、点対称の位置に配置される。これにより、光源１０２から出射される光を濃度検出器１０４へより集光させることができる。よって、光Ｍの伝達効率を向上させることができる。また、光源１０２及び濃度検出器１０４は、より好ましくは楕円の長径上に配置され、さらに好ましくは光源１０２が楕円の一方の焦点上に、濃度検出器１０４が楕円の他方の焦点上にそれぞれ配置される。これにより、光Ｍの伝達効率をより向上させることができる。
本発明は、上述した各実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、各実施の形態及び変形例を組み合わせたり、当業者の知識に基づいて各種の設計変更などのさらなる変形を加えることも可能であり、そのように組み合わせられ、もしくはさらなる変形が加えられた実施の形態及び変形例も本発明の範囲に含まれる。上述した各実施の形態及び変形例の組み合わせ、及び上述した各実施の形態及び変形例へのさらなる変形の追加によって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態、変形例、及びさらなる変形それぞれの効果をあわせもつ。
上述した実施の形態及び変形例では、恒温装置１としてＣＯ２インキュベータを例に挙げて説明したが、恒温装置１は、被検出ガスが充填される恒温槽４を備えるものであればよい。また、上述した各実施の形態及び変形例に係るガスセンサ１００は、高温環境下でのガスの濃度及び湿度の測定に好適に用いることができる。例えば、ガスセンサ１００は、排気ガスや燃焼ガス等の測定に用いることもできる。
また、被検出ガスは、ＣＯ２以外の他のガスであってもよい。他の被検出ガスとしては、二酸化硫黄（ＳＯ２、吸収波長：７．３μｍ、７．３５μｍ）、三酸化硫黄（ＳＯ３、吸収波長：７．２５μｍ、７．１４μｍ）、一酸化窒素（ＮＯ、吸収波長：５．３μｍ、５．５μｍ）、一酸化炭素（ＣＯ、吸収波長：４．２μｍ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ、吸収波長：４μｍ、４．５μｍ、７．９μｍ）、二酸化窒素（ＮＯ２、吸収波長：５．７μｍ、６．３μｍ）等を例示することができる。
濃度検出器１０４には、透過させる波長帯域の変更が可能な波長可変フィルタが設けられてもよい。これにより、１つのガスセンサ１００で複数種の被検出ガスを検出することができる。
以上説明した構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
１ 恒温装置、 ４ 恒温槽、 ６ ファン、 ８ ガス流路、 １００ ガスセンサ、 １０２ 光源、 １０４ 濃度検出器、 １１０ 第１検出部、 １１２ 第２検出部、 １１４ 第１光学フィルタ、 １１６ 第２光学フィルタ、 １１８ 第３検出部、 １１９ 第３光学フィルタ、 １３０ ガス通路部、 １４０ 第１透光部材、 １４２ 第２透光部材、 １５２ 仕切り部材、 １７２ 収容部、 １７４ 透光部材、 １８０ 温度調節部、 １９０ 湿度検出部。
本発明は、ガスセンサと、当該ガスセンサを備える恒温装置に利用可能である。

Claims (27)

  1. 被検出ガスに向けて所定波長の第１光を出射する光源と、
    前記第１光を受光し、被検出ガスによる前記第１光の吸収に基づいて被検出ガスの濃度を検出する濃度検出器と、
    前記光源と前記濃度検出器との間に配置される透光部材と、
    前記透光部材の温度を変化させる温度調節部と、
    前記濃度検出器における前記第１光の受光量の変化に基づき、前記透光部材の温度及び本ガスセンサの雰囲気温度を用いて、被検出ガスの湿度を検出する湿度検出部と、
    第１端部、当該第１端部とは反対側の第２端部、及び前記第１端部から前記第２端部にかけて延在する中空部を有し、前記第１端部側に前記光源、前記濃度検出器及び前記透光部材が配置され、前記第２端部側に被検出ガスの存在するガス空間が配置され、前記中空部を介して被検出ガスを前記第１端部側と前記第２端部側との間で流通させるガス通路部と、を備え、
    前記中空部は、前記第２端部側から前記第１端部側に近づくにつれて流路断面積が段階的又は連続的に小さくなる形状を有し、
    前記ガス通路部は、
    前記中空部を、それぞれが前記第１端部から前記第２端部にかけて延在する第１領域及び第２領域の少なくとも２つの領域に区画する仕切り部材と、
    前記第２端部に配置されて、前記ガス空間と前記第１領域とを接続するガス流入口と、
    前記第２端部に配置されて、前記第２領域と前記ガス空間とを接続するガス流出口と、
    を有し、
    前記ガス空間に存在する被検出ガスは、前記ガス流入口から前記中空部内に流入し、前記第１領域を前記第１端部に向かって流れて前記光源と前記濃度検出器との間の空間に到達し、当該空間に存在する被検出ガスは、前記第２領域を前記第２端部に向かって流れて前記ガス流出口から前記ガス空間に流出することを特徴とするガスセンサ。
  2. 前記濃度検出器は、
    第１検出部と、
    前記第１検出部と前記光源との間に配置され、前記第１光を選択的に透過する第１光学フィルタを有する請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 前記光源は、水が吸収する波長の第２光をさらに出射する請求項１又は２に記載のガスセンサ。
  4. 前記濃度検出器は、
    第２検出部と、
    前記第２検出部と前記光源との間に配置され、前記第２光を選択的に透過する第２光学フィルタと、
    をさらに有する請求項３に記載のガスセンサ。
  5. 前記光源は、被検出ガス及び水が吸収しない波長の第３光をさらに出射する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  6. 前記濃度検出器は、
    第３検出部と、
    前記第３検出部と前記光源との間に配置され、前記第３光を選択的に透過する第３光学フィルタと、をさらに有する請求項５に記載のガスセンサ。
  7. 前記透光部材の温度が被検出ガスの露点温度より高い温度にある状況で、前記濃度検出器が被検出ガスの濃度を検出し、
    前記温度調節部が前記透光部材の温度を徐々に低下させ、前記濃度検出器における被検出ガスが吸収する波長の光の受光量に所定の減少が起こるタイミングに基づいて、前記湿度検出部が被検出ガスの湿度を検出する請求項１又は２に記載のガスセンサ。
  8. 前記透光部材の温度が被検出ガスの露点温度より高い温度にある状況で、前記濃度検出器が前記第１光の受光量に基づいて被検出ガスの濃度を検出し、
    前記温度調節部が前記透光部材の温度を徐々に低下させ、前記濃度検出器における前記第２光の受光量に所定の減少が起こるタイミングに基づいて、前記湿度検出部が被検出ガスの湿度を検出する請求項３又は４に記載のガスセンサ。
  9. 前記光源は、水が吸収する波長の第２光を出射し、
    前記温度調節部が前記透光部材の温度を徐々に低下させる状況で、前記濃度検出器が前記第１光の受光量と前記第３光の受光量とに基づいて被検出ガスの濃度を検出し、
    前記濃度検出器における前記第２光の受光量に所定の減少が起こるタイミングに基づいて、前記湿度検出部が被検出ガスの湿度を検出する請求項５又は６に記載のガスセンサ。
  10. 前記温度調節部が前記透光部材の温度を徐々に低下させる状況で、前記濃度検出器が前記第１光の受光量と前記第３光の受光量とに基づいて被検出ガスの濃度を検出し、
    前記濃度検出器における前記第３光の受光量に所定の減少が起こるタイミングに基づいて、前記湿度検出部が被検出ガスの湿度を検出する請求項５又は６に記載のガスセンサ。
  11. 前記ガス通路部が水平に延在するように配置される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  12. 前記中空部は、鉛直方向下側の表面が前記第１端部から前記第２端部に近づくにつれて鉛直方向下方に向かうように傾斜する請求項１１に記載のガスセンサ。
  13. 前記ガス流入口は、前記ガス流出口よりも開口面積が大きい請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  14. 前記ガス空間における被検出ガスの流れの上流側に前記ガス流入口が配置され、前記ガス流入口よりも被検出ガスの流れの下流側に前記ガス流出口が配置される請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  15. 前記第２端部は、前記ガス空間において被検出ガスが鉛直方向下方に向かって流れる領域に配置され、
    前記ガス流入口は前記ガス流出口よりも鉛直方向上方に配置される請求項１４に記載のガスセンサ。
  16. 前記ガス流入口は、前記第１端部と前記第２端部とが並ぶ方向に対して平行に延在する開口面を有し、前記開口面が前記ガス空間における被検出ガスの流れる方向と交わるように配置される請求項１４又は１５に記載のガスセンサ。
  17. 前記第２端部における前記ガス流入口と前記ガス流出口との間の領域から前記ガス空間に向けて突出し、前記ガス空間における被検出ガスの流れを規制する整流板をさらに備える請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  18. 前記ガス通路部は、少なくとも一部が断熱性材料で構成される請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  19. 前記光源と前記濃度検出器とは、前記光源の光出射面と前記濃度検出器の受光面とが対向するように配置される請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  20. 前記光源は、前記濃度検出器よりも鉛直方向下方に配置され、
    前記ガス流入口は、前記ガス流出口よりも鉛直方向下方に配置される請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  21. 前記中空部は、鉛直方向上側の表面が前記第１端部から前記第２端部に近づくにつれて鉛直方向上方に向かうように傾斜する請求項２０に記載のガスセンサ。
  22. 前記中空部は、鉛直方向下側の表面が前記第１端部から前記第２端部に近づくにつれて鉛直方向下方に向かうように傾斜し、
    前記鉛直方向上側の表面の傾斜は、前記鉛直方向下側の表面の傾斜よりも急である請求項２１に記載のガスセンサ。
  23. 前記光源と前記濃度検出器との間に配置され、被検出ガスが流入するガス導入室と、
    前記ガス導入室に隣接して配置され、前記光源が収容される第１収容部と、
    前記ガス導入室に隣接して配置され、前記濃度検出器が収容される第２収容部と、をさらに備え、
    前記透光部材は、前記ガス導入室と前記第１収容部とを隔てる第１透光部材と、前記ガス導入室と前記第２収容部とを隔てる第２透光部材とを含む請求項１乃至２２のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  24. 前記濃度検出器と前記第２透光部材とは、離間して配置される請求項２３に記載のガスセンサ。
  25. ガスが収容される恒温槽と、
    請求項１乃至２４のいずれか１項に記載のガスセンサと、
    を備え、
    前記ガスセンサにより前記恒温槽内の前記ガスの濃度及び湿度を検出することを特徴とする恒温装置。
  26. 前記ガスセンサは、前記恒温槽の壁面に設置され、
    前記ガスが前記壁面に沿って流れるように送風するファンをさらに備える請求項２５に記載の恒温装置。
  27. 前記ガスセンサは、前記恒温槽の壁面に設置され、
    前記壁面に沿って配置され、前記ガスが流れるガス流路をさらに備える請求項２５又は２６に記載の恒温装置。
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