JPWO2017061094A1 - センサ - Google Patents

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Abstract

センサは、流体が流入するように構成された内部空間を有する構造体と、内部空間を通過する光を発する発光素子と、内部空間を通過した光を受ける第１と第２の受光素子と、第１の受光素子と発光素子との間に設けられて光が通過する第１の光学フィルタと、第２の受光素子と発光素子との間に設けられて光が通過する第２の光学フィルタと、制御部とを備える。第１と第２の受光素子は、受けた光の強度に応じて第１と第２の出力をそれぞれ発する。制御部は、発光素子が発する光を変化させ、光を変化させる前での第１の出力と第２の出力との比を、光を変化させた後での第１の出力と第２の出力との比と比較するように構成されている。

Description

本発明は、赤外線などの光の吸収特性を利用して流体中の検出対象の濃度を検出するセンサに関する。
特許文献１は、発光素子が発した光を受光素子で受光し、そのときの光の透過率で流体の濃度を検出する従来のセンサを開示している。
特許文献２は、ガスが導入される筒と、筒内に光を照射する光源と、筒内に配置された第一検出素子と、筒内に配置された第二検出素子と、環境温度を測定する温度測定素子とを備えた従来のセンサを開示している。第一検出素子は、特定ガスに吸収されない波長の光の光量に応じた値を出力する。第二検出素子は、特定ガスに吸収される波長の光の光量に応じた値を出力する。このセンサでは、第一検出素子の出力を事前に取得した第一検出素子の基準出力に合わせ、第二検出素子も同様の補正を行うことで温度変化および経年劣化の影響を打ち消す。
特許文献３は、赤外線光源部と赤外線受光部を備え、流体を通過した赤外線の光量を測定し、ガス流通部にヒータパターンを設けられた、流体の濃度を検出する従来のセンサを開示している。
特開２０１０−１４５２５２号公報 特開２０１４−０７４６２９号公報 特開２０１２−１７７６９０号公報
センサは、流体が流入するように構成された内部空間を有する構造体と、内部空間を通過する光を発する発光素子と、内部空間を通過した光を受ける第１と第２の受光素子と、第１の受光素子と発光素子との間に設けられて光が通過する第１の光学フィルタと、第２の受光素子と発光素子との間に設けられて光が通過する第２の光学フィルタと、制御部とを備える。第１と第２の受光素子は、受けた光の強度に応じて第１と第２の出力をそれぞれ発する。制御部は、発光素子が発する光を変化させ、光を変化させる前での第１の出力と第２の出力との比を、光を変化させた後での第１の出力と第２の出力との比と比較するように構成されている。
他のセンサは、上記構造体と、上記発光素子と、上記第１と第２の受光素子と、上記第１と第２の光学フィルタと、制御部とを備える。この制御部は、センサの起動時に発光素子が発する光を変化させるように構成されている。
このセンサは、流体の濃度によらず受光素子の故障を精度良く検出できる。
図１は実施の形態１のセンサの側断面図である。 図２は実施の形態１のセンサのブロック図である。 図３は実施の形態１のセンサの発光素子に印加される電圧を示すグラフである。 図４は実施の形態１のセンサの光の放射スペクトルを示すグラフである。 図５は実施の形態１のセンサの発光素子に印加される他の電圧を示すグラフである。 図６は実施の形態２のセンサのブロック図である。 図７Ａは実施の形態２のセンサの発光素子に印加される電圧を示すグラフである。 図７Ｂは実施の形態２のセンサの光の放射スペクトルを示すグラフである。 図８は実施の形態３のセンサの側断面図である。 図９Ａは実施の形態３のセンサの窓の拡大断面図である。 図９Ｂは実施の形態３のセンサの他の窓の拡大断面図である。 図９Ｃは実施の形態３のセンサの光学フィルタの拡大断面図である。 図９Ｄは実施の形態３のセンサの他の光学フィルタの拡大断面図である。 図１０は実施の形態４のセンサの側断面図である。 図１１Ａは実施の形態４のセンサの窓の正面図である。 図１１Ｂは図１１Ａに示す窓の振動を示す図である。 図１２は実施の形態４の他のセンサの側断面図である。 図１３は実施の形態５のセンサの側断面図である。
以下に、実施の形態に係るセンサについて図面を用いて説明をする。なお、各図面において、同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。また、各実施の形態における各構成要素は矛盾のない範囲で任意に組み合わせても良い。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１のセンサ１の側断面図である。図２はセンサ１のブロック図である。センサ１は、構造体３と、光ＬＡを発光する発光素子４と、光ＬＡを受光する受光素子５と、光学フィルタ７と、発光素子４が発光する光ＬＡを制御する制御部８とを有している。構造体３は、検出対象である流体１０１が流入するように構成された内部空間２を有する。構造体３は窓６を有する。実施の形態１では流体１０１はブタンである。窓６は光ＬＡを透過する透光材料よりなる。
図１において互いに直角のＸ軸とＹ軸とを定義する。構造体３は、耐熱性、耐薬品性に優れた樹脂で形成されて直方体形状を有する。構造体は、Ｘ軸の正の方向と負の方向にそれぞれ位置する側壁３ａ、３ｂを有し、Ｙ軸の正の方向に開口する開口部９を有する。構造体３のＸ軸の方向の断面積が開口部９の近傍で局部的に小さくなっている。構造体３のＸ軸の負の方向の側壁３ｂには窓６が設けられ、Ｘ軸の正の方向の側壁３ａには光学フィルタ７が設けられている。構造体３のＸ軸の負の方向の外側には部材１０が設けられている。構造体３のＸ軸の正の方向の外側には部材１１が設けられている。部材１０には発光素子４が設けられている。部材１１には受光素子５が設けられている。発光素子４から発した光ＬＡは窓６から構造体３の内部空間２に入射し、内部空間２を通過する。内部空間２を通過した光ＬＡは光学フィルタ７を通過して受光素子５に入射する。受光素子５は受光素子５ａと受光素子５ｂとで構成されている。光学フィルタ７は光学フィルタ７ａと光学フィルタ７ｂとで構成されている。光学フィルタ７ａを通過した光ＬＡ１は受光素子５ａに入射し、光学フィルタ７ｂを透過した光ＬＡ２は受光素子５ｂに入射する。光学フィルタ７ａと光学フィルタ７ｂは、透過させる光の波長が異なる。このため、光ＬＡに対する受光素子５ａと受光素子５ｂの出力が異なる。なお、構造体３の開口部９は直方体形状に限定されず、また、構造体３の断面積が開口部９の近傍で小さくなっていなくても良い。構造体３は、例えば、断面積が一様な円筒形状等の他の形状を有していてもよい。また、構造体３の材料も樹脂に限らず、使用環境に合わせて適宜選択することが可能である。
なお、センサ１では、発光素子４と受光素子５との間に内部空間２が位置するように発光素子４と受光素子５が設けられているが、これに限られない。センサ１はＸ軸の正の方向で内部空間２内に設けられた鏡をさらに備えてもよい。この場合には、内部空間２に対してＸ軸の負の方向に発光素子４と受光素子５が設けられる。この構成では、発光素子４からＸ軸の正の方向に発された光ＬＡが鏡でＸ軸の負の方向に反射され、受光素子５に入射する。この構成によりセンサ１を小型化できる。
構造体３の開口部９は流体１０１を導入する部材に接続され、その部材から流体１０１を導入する。発光素子４から発光された光ＬＡは内部空間２を透過し、受光素子５に入射する。光ＬＡが流体１０１を通過するときに流体１０１に吸収される。流体１０１に光ＬＡが吸収されることで受光素子５が受ける光の強度が減少する。受けた光の強度に応じて受光素子５から出力された出力信号が制御部８で信号処理されることにより、内部空間２内における流体１０１の濃度を検出することができる。ここで、構造体３に窓６と光学フィルタ７が設けられていることにより、発光素子４と受光素子５は直接流体１０１に接触することがないため、流体１０１中のパーティクルに汚染されることを防ぐことができる。また可燃性流体である流体１０１（ブタン）と熱を発生する発光素子４との接触を防ぐことが出来る。
実施の形態１では発光素子４が発する光ＬＡの波長は１．４μｍ〜５．７μｍである。この範囲の波長の光ＬＡはブタンに吸収されるので、センサ１でブタンの濃度を検出することができる。センサ１はブタンを検出対象の流体１０１としているため、光ＬＡの波長を１．４μｍ〜５．７μｍとしているが、検出対象によって、光ＬＡの波長を適宜変更しても良い。発光素子４はパルス駆動される。制御部８は、発光素子４に所定の周波数ｆ４を有するパルス波形を有する電圧Ｖ４を印加することで発光素子４は光ＬＡを発する。実施の形態１では電圧Ｖ４の値は５Ｖであり、周波数ｆ４は１０Ｈｚである。電圧Ｖ４の値と周波数ｆ４は使用条件に応じて適宜変更することが出来る。電圧Ｖ４の値と周波数ｆ４は制御部８によって制御されている。
受光素子５ａ、５ｂは焦電素子や熱電対によって形成されており、光ＬＡを受け、受けた光の強度に応じた信号を出力する。制御部８はこれらの信号の振幅を測定することで受光素子５ａ、５ｂが受けた光の強度を算出している。受光素子５に焦電素子や熱電対を用いているが、受光素子５ａ、５ｂを形成する材料は光ＬＡの波長にあわせて適宜選択することができる。
また、光学フィルタ７ａは検出対象の流体１０１が吸収する波長の光のみを透過させ、光学フィルタ７ｂは発光素子４が発する光ＬＡのうち、流体１０１が吸収する波長の光を透過させない。実施の形態１では、光学フィルタ７ｂは発光素子４が発する光ＬＡのうち、流体１０１が吸収せずに透過する波長の光のみを透過する。実施の形態１では、光学フィルタ７ａは波長λａの光のみを透過し、光学フィルタ７ｂは波長λｂの光のみを透過する。実施の形態１では、光学フィルタ７ａが透過する波長λａは３．４μｍであり、光学フィルタ７ｂが透過する波長λｂは４．０μｍである。このように構成することにより、制御部８は受光素子５ａと受光素子５ｂの出力信号を比較することができ、より正確に検出対象の流体１０１の濃度を検出することができる。
図３はセンサ１を起動したときの発光素子４に印加される電圧Ｖ４を示す。図４は５Ｖの値の電圧Ｖ４が印加された発光素子４の発する光ＬＡの放射スペクトルＳＰ５と、２．５Ｖの値の電圧Ｖ４が印加された発光素子４の発する光ＬＡの放射スペクトルＳＰ２．５とを示す。図４は５Ｖの値の電圧Ｖ４が印加された発光素子４が発する光ＬＡの分光放射輝度の最高値を１として、放射スペクトルＳＰ５、ＳＰ２．５を規格化して示す。
受光素子５が正常なときは、受光素子５ａの出力Ｗ１と受光素子５ｂの出力Ｗ２は発光素子４の例えば放射スペクトルＳＰ５に示される値の内、受光素子５ａ、５ｂに到達した光ＬＡ１、ＬＡ２の強度に相当する値の信号をそれぞれ出力する。しかしながら、受光素子５が壊れた場合、出力Ｗ１、または、出力Ｗ２は正常な値ではなくなるため流体１０１の濃度を正確に検出することが出来なくなる。センサ１の起動時の受光素子５の出力とセンサ１を起動していないときの受光素子５の出力とを比較することで受光素子５の故障診断を行うことも出来るが、構造体３内の流体１０１の濃度によって受光素子５ａの出力が変化するため正確に受光素子５の故障を診断することは難しい。
例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３に示す従来のセンサでは、受光素子の故障を正確に判別することができず、流体の濃度の検出精度が低下してしまう。
実施の形態のセンサ１は出力Ｗ１と出力Ｗ２の比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）（実施の形態１では出力Ｗ１の出力Ｗ２に対する比Ｒ１）を検出することで従来のセンサより正確に故障を診断することができる。図３と図４を参照してセンサ１の動作を以下に説明する。
センサ１は時刻ｔ０で起動する。センサ１の起動の直後に自己診断期間Ｔ１で自己診断測定を行った後、時刻ｔ２で通常測定を開始し、通常測定期間Ｔ２に通常測定を行う。自己診断期間Ｔ１での自己診断測定では、制御部８は発光素子４に印加する電圧Ｖ４を変化させることで受光素子５の故障を診断する。制御部８は、受光素子５が故障していると診断した場合には故障していることをセンサ１の使用者に警告する。センサ１の通常側定時の発光素子４の電圧Ｖ４の値は５Ｖであり、自己診断測定時には発光素子４の電圧Ｖ４の値を２．５Ｖと５Ｖとに変化させる。
センサ１での、制御部８は、センサ１が起動する時刻ｔ０に発光素子４の電圧Ｖ４の値を２．５Ｖとして所定期間Ｔ１１だけ駆動して受光素子５ａ、５ｂの出力Ｗ１、Ｗ２を測定した後に、時刻ｔ１で電圧Ｖ４の値を５Ｖに変化させて所定期間Ｔ１２に受光素子５ａ、５ｂの出力Ｗ１、Ｗ２を測定する。図４に示すように、光ＬＡの波長λａ（＝３．４μｍ）での分光放射輝度Ｗ３と波長λｂ（＝４．０μｍ）での分光放射輝度Ｗ４の比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）（実施の形態１では分光放射輝度Ｗ３の分光放射輝度Ｗ４に対する比Ｒ２）は、電圧Ｖ４の値が５Ｖのときに約１．８１であり電圧Ｖ４の値が２．５Ｖのときに約１．７０である。制御部８は、分光放射輝度Ｗ３と分光放射輝度Ｗ４の比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）を予め格納してもよい。この場合センサ１の起動後に制御部８は発光素子４の電圧Ｖ４の値を２．５Ｖから５Ｖに変化させ、電圧Ｖ４のそれぞれの値で受光素子５ａの出力Ｗ１と受光素子５ｂの出力Ｗ２とを検出して比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）を検出する。電圧Ｖ４の２．５Ｖと５Ｖの夫々の値で比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）と比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）とを比較する。受光素子５、すなわち受光素子５ａ、５ｂのうちの少なくとも１つが壊れている場合、電圧Ｖ４の各値で比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）は比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）とは大きく異なる。このため、制御部８は、電圧Ｖ４の変化前と変化後の比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）を検出して比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）と比較することで受光素子５が壊れていないか診断することが出来る。
また、受光素子５が壊れている場合、出力Ｗ１と出力Ｗ２の放射スペクトルからのズレは電圧Ｖ４によって変動する。例えば、受光素子５ａが壊れている場合、電圧Ｖ４の値が５Ｖのときの出力Ｗ１が０．１×Ｗ３となり、電圧Ｖ４の値が２．５Ｖのときの出力Ｗ１が０．２×Ｗ３になる。電圧Ｖ４の値が５Ｖでは出力Ｗ１が分光放射輝度Ｗ３の１０％程度の値となり、光源電圧が２．５Ｖでは出力Ｗ１が分光放射輝度Ｗ３の２０％程度の値となっている。光源電圧が２．５Ｖのときと５Ｖのときでは、出力Ｗ１に約１０％の差が発生する。つまり、電圧Ｖ４の値を変化させると出力Ｗ１と分光放射輝度Ｗ３の比が変化する。このため、発光素子４の電圧Ｖ４の値が２．５Ｖから５Ｖに変わると比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）と比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）との比も変動する。このため、制御部８は、電圧Ｖ４が変化したときに比Ｒ１と比Ｒ２の比が変化した場合、受光素子５が壊れていると診断できる。すなわち、発光素子４の電圧Ｖ４の値が２．５Ｖのときの比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）の値と電圧Ｖ４の値が５Ｖのときの比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）の値とを比較し、比Ｒ１が大きく変化していた場合、受光素子５が壊れていると診断できる。このように、制御部８は、電圧Ｖ４の値が５Ｖのときと２．５Ｖのときとの比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）の値の変化を検出することで流体１０１の濃度の影響を受けず、正確に受光素子５の故障を診断することが出来る。この様に、電圧Ｖ４の変化前と変化後の比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）の値を比較することで、制御部８は分光放射輝度Ｗ３、Ｗ４を記録しておかなくても受光素子５が故障している、すなわち受光素子５ａ、５ｂのうちの少なくとも１つが故障していることを診断することができる。
また、制御部８は、比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）と比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）とを比較し、比Ｒ１が比Ｒ２よりも大きいか小さいかを検出することにより、受光素子５ａが壊れているのか、受光素子５ｂが壊れているのかを診断することが出来る。受光素子５ａが壊れた場合、出力Ｗ１が小さくなるので、比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）が比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）よりも小さくなる。実施の形態１におけるセンサ１では、制御部８は、比Ｒ１が比Ｒ２よりも比Ｒ２の１０％以上小さい場合は受光素子５ａが壊れていると診断し、使用者に警告する。受光素子５ｂが壊れた場合、出力Ｗ２が小さくなるので、比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）が比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）よりも大きくなる。実施の形態１におけるセンサ１では、制御部８は、比Ｒ１が比Ｒ２よりも比Ｒ２の１０％以上大きい場合は受光素子５ｂが壊れていると診断し、使用者にその旨を警告する。
このように、センサ１の起動時に故障診断を行って受光素子５が壊れている場合に使用者に警告をすることで、使用者が故障したままセンサ１を使用することを防止することができる。また、センサ１の使用中に発光素子４の光源電圧を変更する故障診断を行えば、センサ１の使用中の故障診断も可能である。
また、受光素子５の劣化の確認時には電圧Ｖ４の値を通常使用する値の５Ｖよりも低い２．５Ｖに下げているため、発光素子４、受光素子５が故障診断時に壊れることを防ぐことが出来る。
なお、実施の形態１では、光学フィルタ７ａが３．４μｍの光のみを透過し、光学フィルタ７ｂが４．０μｍの光のみを透過しているが、通過する光の波長は検出対象の流体１０１に合わせて適宜変更することが出来る。
なお、電圧Ｖ４の値を５Ｖと２．５Ｖにしているが、電圧Ｖ４の値はセンサ１の適用条件によって適宜変更することができる。また、実施の形態１では、センサ１の起動時に最初に電圧Ｖ４の値を２．５Ｖにして光ＬＡを発した後に値を５Ｖに変更しているが、この順番で電圧Ｖ４の値を変化させなくても良い。図５はセンサ１の電圧Ｖ４の他の値を示す。図５に示すように、最初に５Ｖの値の電圧Ｖ４で光ＬＡを発した後に電圧Ｖ４の値を２．５Ｖに変化させ、その後、電圧Ｖ４の値を５Ｖに変化させても良い。このようにしても故障診断を行うことができる。
なお、比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）に対して比Ｒ２（Ｗ３／Ｗ４）が比Ｒ２の１０％以上ずれている場合、受光素子５ａ、または、受光素子５ｂが故障したとして警告を発するようにしているが、これに限らない。警告を発する基準はセンサ１の使用条件に応じて適宜変更することができる。また、制御部８は受光素子５ａまたは受光素子５ｂが故障したと判定した場合に、出力Ｗ１または、出力Ｗ２を補正しても良い。
なお、実施の形態１では検出対象である流体１０１はブタンであるが、他の炭化水素の可燃性ガスであってもよい。実施の形態１のセンサ１は、ＣＯ２やＨ２Ｏなどの光を吸収するガス（流体１０１）の濃度を検出することができる。
（実施の形態２）
図６は実施の形態２のセンサ２１のブロック図である。図６において、図１と図２に示す実施の形態１のセンサ１と同じ部分には同じ参照番号を付す。センサ２１は実施の形態１のセンサ１の制御部８の代わりに、発光素子４と受光素子５に接続された制御部２２を備える。
図７Ａは制御部２２が発光素子４に印加する電圧Ｖ４を示す。実施の形態２のセンサ１の制御部２２は自己診断期間Ｔ１に受光素子５の故障を確認するために電圧Ｖ４の周波数ｆ４を変化させる。センサ２１が起動した時刻ｔ０から時刻ｔ２までの自己診断期間Ｔ１に制御部２２は受光素子５の故障を診断し、通常測定期間Ｔ２に流体１０１の濃度を検出する。自己診断期間Ｔ１のうちの時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間Ｔ１１では制御部２２は１０Ｈｚの周波数ｆ４の電圧Ｖ４を発光素子４に印加して、自己診断期間Ｔ１のうちの時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間Ｔ１２では制御部２２は２０Ｈｚの周波数ｆ４の電圧Ｖ４を発光素子４に印加して、発光素子４は光ＬＡを発する。
図７Ｂに電圧Ｖ４の周波数ｆ４を変化させたときの発光素子４の分光放射輝度を示し、１０Ｈｚの周波数ｆ４を有する電圧Ｖ４が印加された発光素子４の発する光ＬＡの放射スペクトルＳＰ１０と、２０Ｈｚの周波数ｆ４を有する電圧Ｖ４が印加された発光素子４の発する光ＬＡの放射スペクトルＳＰ２０とを示す。図７Ｂは分光放射輝度を周波数ｆ４が１０Ｈｚの電圧Ｖ４が印加されたときの最も大きい値を１として規格化して示している。
図７Ｂに示しているように、周波数ｆ４が１０Ｈｚのときの波長λａ（＝３．４μｍ）の分光放射輝度Ｗ３と波長λｂ（＝４．０μｍ）の分光放射輝度Ｗ４の比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）は約１．８１であり、周波数ｆ４が２０Ｈｚのときの分光放射輝度Ｗ３と分光放射輝度Ｗ４の比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）は約１．７８である。
センサ２１が起動した時に制御部２２は電圧Ｖ４の周波数ｆ４を変化させ、比Ｒ１（＝Ｗ１／Ｗ２）と比Ｒ２（＝Ｗ３／Ｗ４）とを比較し、受光素子５の故障を診断する。また、電圧Ｖ４の周波数ｆ４を変化させたときの比Ｒ１と比Ｒ２とのズレを検出して受光素子５の故障を診断する。これにより、センサ２１は実施の形態１のセンサ１と同様に正確に受光素子５の故障を診断することが出来る。
なお、実施の形態２のセンサ２１でも実施の形態１のセンサ１と同様に、制御部２２は期間Ｔ１１に周波数ｆ４を１０Ｈｚに設定して時刻ｔ１に周波数ｆ４を１０Ｈｚから２０Ｈｚへ変化させて、期間Ｔ１２（自己診断期間Ｔ１）が終わる時刻ｔ２に周波数ｆ４を２０Ｈｚから１０Ｈｚへ変化させてもよく、もしくは制御部２２は期間Ｔ１１に周波数ｆ４を２０Ｈｚに設定して時刻ｔ１に周波数ｆ４を２０Ｈｚから１０Ｈｚに変化させても良い。どちらの順番で電圧Ｖ４の周波数ｆ４を変化させても受光素子５の故障を診断することができる。
（実施の形態３）
図８は、実施の形態３のセンサ３１の側断面図である。図８において、図１から図７Ｂに示す実施の形態１、２のセンサ１、２１と同じ部分には同じ参照番号を付す。
図８に示すセンサ３１の構造体３は、センサ１、２１の構造体３の窓６の代わりに窓３２を有する。窓３２は、センサ１、２１の窓６と同様に、発光素子４から発した光ＬＡを透過して構造体３の内部空間２に光ＬＡを入射させる。実施の形態１、２のセンサ１、２１と同様に、制御部８（２２）はセンサ３１の起動時に発光素子４の出力の光ＬＡを変化させて受光素子５（５ａ、５ｂ）の故障を診断する。窓３２は内部空間２に面する面３２ａと、面３２ａの反対側の面３２ｂとを有する。面３２ｂは発光素子４に対向する。発光素子４が発した光ＬＡは窓３２の面３２ａ、３２ｂを通過して内部空間２に入射する。すなわち、面３２ａ、３２ｂには光ＬＡが通過する。光学フィルタ７ａは内部空間２に面する面７ａａと、面７ａａの反対側の面７ａｂとを有する。面７ａｂは受光素子５ａに対向する。内部空間２を通過した光ＬＡは光学フィルタ７ａの面７ａａ、７ａｂを通過して光ＬＡ１として受光素子５ａに入射する。すなわち、面７ａａ、７ａｂには光ＬＡ（ＬＡ１）が通過する。光学フィルタ７ｂは内部空間２に面する面７ｂａと、面７ｂａの反対側の面７ｂｂとを有する。面７ｂｂは受光素子５ｂに対向する。内部空間２を通過した光ＬＡは光学フィルタ７ｂの面７ｂａ、７ｂｂを通過して光ＬＡ２として受光素子５ｂに入射する。すなわち、面７ｂａ、７ｂｂには光ＬＡ（ＬＡ２）が通過する。
図９Ａは窓３２の拡大断面図であり、特に面３２ａの近傍を示す。窓３２の面３２ａは微細凹凸１３２ａを有する。
微細凹凸１３２ａの効果を以下に説明する。検出対象である流体１０１がブタン等の沸点が低いガスである場合、使用環境によっては結露し、窓３２の面３２ａに液滴が付着してしまう。窓３２の面３２ａに液滴が付着した場合、気体状態と液体状態では単位体積あたりに含まれる分子数が大きく異なるため、窓３２に付着した液滴で光ＬＡが大きく吸収される。これにより受光素子５が受ける光の強度が大きく変化することになり、センサ３１の検出精度が低下してしまう。
センサ３１では、窓３２の内部空間２に接する面３２ａは図９Ａに示すように微細凹凸１３２ａを有するので、微細凹凸１３２ａによりロータス効果が生じ、窓３２の面３２ａに付着した液滴を除去することができる。これにより、窓３２の面３２ａに付着した液滴に光ＬＡが大きく吸収されることを低減することができるため、検出対象の流体１０１の濃度の検出精度を向上させることが可能である。
微細凹凸１３２ａの高さＬ１３２ａは光ＬＡの波長の１／４以下である。微細凹凸１３２ａの高さが光ＬＡの波長の１／４以下であるため、光ＬＡが微細凹凸１３２ａを透過するときの微細凹凸３４による光ＬＡの吸収を低減することができ、センサ３１の感度を低下させずに、液滴を除去する効果を得ることができている。
また、窓３２の面３２ａの微細凹凸１３２ａ上には反射防止膜１２ａが設けられている。反射防止膜１２ａによって、構造体３を構成する部材、空気、及び内部空間２中の流体１０１との屈折率の違いによる表面反射により、受光素子５に到達する光の量が減少することを防ぐことができる。これにより、センサ３１の感度の低下を防止することができる。
図９Ｂは窓３２の拡大断面図であり、特に面３２ｂの近傍を示す。窓３２の面３２ｂは微細凹凸１３２ｂを有する。微細凹凸１３２ｂの高さＬ１３２ｂは微細凹凸１３２ａの高さＬ１３２ａと同じである。これにより、構造体３と部材１０との間の空間に結露が生じて液滴が付着した場合でも、窓３２の面３２ｂはロータス効果により液滴を除去することができるため、センサ３１の感度をさらに向上させることができる。窓３２は微細凹凸１３２ａ、１３２ｂのうちの一方を有していなくてもよい。
また、窓３２の面３２ｂの微細凹凸１３２ｂ上には反射防止膜１２ｂが設けられている。反射防止膜１２ｂによって、構造体３を構成する部材と空気との屈折率の違いによる表面反射により、受光素子５に到達する光の量が減少することを防ぐことができる。これにより、センサ３１の感度の低下を防止することができる。センサ３１は反射防止膜１２ａ、１２ｂのうちの少なくとも一方を有していなくてもよい。
図９Ｃは光学フィルタ７ａ（７ｂ）の拡大断面図であり、特に面７ａａ（７ｂａ）の近傍を示す。光学フィルタ７ａ（７ｂ）の面７ａａ（７ｂａ）は微細凹凸１０７ａａ（１０７ｂａ）を有する。
センサ３１では、光学フィルタ７ａ（７ｂ）の内部空間２に接する面７ａａ（７ｂａ）は図９Ｃに示すように微細凹凸１０７ａａ（１０７ｂａ）を有するので、微細凹凸１０７ａａ（１０７ｂａ）によりロータス効果が生じ、光学フィルタ７ａ（７ｂ）の面７ａａ（７ｂａ）に付着した液滴を除去することができる。これにより、光学フィルタ７ａ（７ｂ）の面７ａａ（７ｂａ）に付着した液滴に光ＬＡが大きく吸収されることを低減することができるため、検出対象の流体１０１の濃度の検出精度を向上させることが可能である。
微細凹凸１０７ａａ（１０７ｂａ）の高さＬ１０７ａａ（Ｌ１０７ｂａ）は光ＬＡの波長の１／４以下である。微細凹凸１０７ａａの高さが光ＬＡの波長の１／４以下であるため、光ＬＡが微細凹凸３４を透過するときの微細凹凸１０７ａａによる光ＬＡの吸収を低減することができ、センサ３１の感度を低下させずに、液滴を除去する効果を得ることができている。
また、光学フィルタ７ａ（７ｂ）の面７ａａ（７ｂａ）の微細凹凸１０７ａａ（１０７ｂａ）上には反射防止膜１１２ａａ（１１２ｂａ）が設けられている。反射防止膜１１２ａａ（１１２ｂａ）によって、構造体３を構成する部材、空気、及び内部空間２中の流体１０１との屈折率の違いによる表面反射により、受光素子５に到達する光の量が減少することを防ぐことができる。これにより、センサ３１の感度の低下を防止することができる。
図９Ｄは光学フィルタ７ａ（７ｂ）の拡大断面図であり、特に面７ａｂ（７ｂｂ）の近傍を示す。光学フィルタ７ａ（７ｂ）の面７ａｂ（７ｂｂ）は微細凹凸１０７ａｂ（１０７ｂｂ）を有する。微細凹凸１０７ａｂ（１０７ｂｂ）の高さＬ１０７ａｂ（Ｌ１０７ｂｂ）は微細凹凸１０７ａａ（１０７ｂａ）の高さＬ１０７ａａ（Ｌ１０７ｂａ）と同じである。これにより、構造体３と部材１１との間の空間に結露が生じて液滴が付着した場合でも、光学フィルタ７ａ（７ｂ）の面７ａｂ（７ｂｂ）はロータス効果により液滴を除去することができるため、センサ３１の感度をさらに向上させることができる。光学フィルタ７ａ（７ｂ）は微細凹凸１０７ａａ（１０７ｂａ）、１０７ａｂ（１０７ｂｂ）のうちの一方を有していなくてもよい。
また、光学フィルタ７ａ（７ｂ）の面７ａｂ（７ｂｂ）の微細凹凸１０７ａｂ（１０７ｂｂ）上には反射防止膜１１２ａｂ（１１２ｂｂ）が設けられている。反射防止膜１１２ａｂ（１１２ｂｂ）によって、構造体３を構成する部材と空気との屈折率の違いによる表面反射により、受光素子５に到達する光の量が減少することを防ぐことができる。これにより、センサ３１の感度の低下を防止することができる。センサ３１は反射防止膜１１２ａａ（１１２ｂａ）、１１２ａｂ（１１２ｂｂ）のうちの少なくとも一方を有していなくてもよい。
なお、実施の形態３において、検出対象である流体１０１はブタンであるが、これに限らず、ヘキサン等の他の炭化水素や、その他、沸点の低いガス等、結露を起こしやすい環境でセンサ３１を使用することができる。
（実施の形態４）
図１０は、実施の形態４のセンサ４１の側断面図である。図１０において、図１から図７Ｂに示す実施の形態１、２のセンサ１、２１と同じ部分には同じ参照番号を付す。
図１０に示すセンサ４１は、図１から図７Ｂに示す実施の形態１、２のセンサ１、２１の光学フィルタ７（７ａ、７ｂ）の代わりに光学フィルタ４３（４３ａ、４３ｂ）を備える。光学フィルタ４３ａは検出対象である流体１０１が吸収する波長λａの光のみを透過させ、光学フィルタ４３ｂは発光素子４が発する光ＬＡのうち、流体１０１が吸収する波長の光を透過しない。センサ３１の構造体３は、センサ１、２１の構造体３の窓６の代わりに窓４２を有する。窓４２は、センサ１、２１の窓６と同様に、発光素子４から発した光ＬＡを透過して構造体３の内部空間２に光ＬＡを入射させる。
図１１Ａは窓４２正面図である。窓４２の外周の近傍には窓４２を振動させる振動部４４ａである圧電膜４４が設けられている。圧電膜４４は、窓４２の中心を空けて配置されている。実施の形態４のセンサ４１では、窓４２は円形状を有し、圧電膜４４は窓４２の中心を空けた円環形状を有する。この構造により、圧電膜４４が光を通しにくい材料より形成されていても、光ＬＡを内部空間２に入射させることができる。圧電膜４４の周囲には電極４５が設けられている。制御部は圧電膜４４に所定の周波数の電圧を印加し、圧電効果により圧電膜４４を振動させる。図１１Ｂは窓４２の断面図であり、窓４２の振動を示す。圧電膜４４は、窓４２の内部空間２に接する面４２ａの反対側の面４２ｂ上に設けられている。制御部が電極４５に上記電圧を印加することにより、図１１Ｂに示すように、窓４２が面４２ｂと直交する方向Ｄ４２に振動する。このように圧電膜４４が振動することによって、窓４２に液滴が付着していた場合、液滴を除去することができ、センサ４１の感度の低下を低減することができる。
図１２は、実施の形態４の他のセンサ４１ａの側断面図である。図１２において、図１０から図１１Ｂに示すセンサ４１と同じ部分には同じ参照番号を付す。センサ４１ａでは、窓４２に設けられた振動部４４ａとして圧電膜４４と電極４５と同様の圧電膜１４４ａ、１４４ｂと電極１４５ａ、１４５ｂが光学フィルタ４３ａ、４３ｂの内部空間２に接する面４３ａａ、４３ｂａの反対側の面４３ａｂ、４３ｂｂ上にそれぞれ設けられている。圧電膜１４４ａ、１４４ｂは圧電膜４４と同様に、光学フィルタ４３ａ、４３ｂの中心を空けて設けられており、実施の形態４では中心を囲む環形状である円環形状を有する。圧電膜１４４ａ、１４４ｂと電極１４５ａ、１４５ｂは圧電膜４４と電極４５と同様の効果を有する。センサ４１ａでは窓４２に圧電膜４４と電極４５が設けられていなくてもよい。
実施の形態４では、圧電膜４４、１４４ａ、１４４ｂは窓４２と光学フィルタ４３ａ、４３ｂの中心を空けて囲む環形状である円環形状を有する。圧電膜４４、１４４ａ、１４４ｂは窓４２及び光学フィルタ４３ａ、４３ｂの中心を光ＬＡが透過可能な形状を有している。例えば、窓４２の中心を囲む環形状を有する１つの圧電膜４４の代わりに、窓４２の外周の近傍に長方形状をそれぞれ有する複数の圧電膜が設けられていてもよい。また、光学フィルタ４３ａの中心を囲む環形状を有する１つの圧電膜１４４ａの代わりに、光学フィルタ４３ａの外周の近傍に長方形状をそれぞれ有する複数の圧電膜が設けられていてもよい。また、光学フィルタ４３ｂの中心を囲む環形状を有する１つの圧電膜１４４ｂの代わりに、光学フィルタ４３ｂの外周の近傍に長方形状をそれぞれ有する複数の圧電膜が設けられていてもよい。
（実施の形態５）
図１３は、実施の形態５のセンサ５１の側断面図である。図１３において、図１から図７Ｂに示す実施の形態１、２のセンサ１、２１と同じ部分には同じ参照番号を付す。
図１３に示すように、センサ５１は、図１から図７Ｂに示す実施の形態１、２のセンサ１、２１の光学フィルタ７（７ａ、７ｂ）の代わりに光学フィルタ５３（５３ａ、５３ｂ）を備え、構造体３の外部に設けられたモータ５４をさらに備える。光学フィルタ５３ａは検出対象である流体１０１が吸収する波長λａの光のみを透過させ、光学フィルタ５３ｂは発光素子４が発光する光ＬＡのうち、流体１０１が吸収する波長の光を透過しない。
モータ５４は構造体３を特定の周波数で振動させる振動部として機能する。振動により、窓５２や光学フィルタ５３ａ、５３ｂに付着した液滴を同時に除去することができ、センサ５１の感度低下を防止することができる。また、センサ３１は、振動部としてモータ５４を構造体３に取り付けていることにより、窓５２、光学フィルタ５３ａ、５３ｂのいずれにも振動部を設ける必要がないため、簡易な構成で検出対象が結露しやすい環境でも検出感度が低下しにくいセンサ５１を提供することが可能である。
１，２１，３１，４１，５１ センサ
２ 内部空間
３ 構造体
４ 発光素子
５ 受光素子
５ａ 受光素子（第１の受光素子）
５ｂ 受光素子（第２の受光素子）
６，３２，４２，５２ 窓
７，４３，５３ 光学フィルタ
７ａ，４３ａ，５３ａ 光学フィルタ（第１の光学フィルタ）
７ｂ，４３ｂ，５３ｂ 光学フィルタ（第２の光学フィルタ）
８，２２ 制御部
９ 開口部
４４，１４４ 圧電膜
４５，１４５ 電極
５４ モータ
１０７ａａ，１０７ｂａ，１０７ａｂ，１０７ｂｂ，１３２ａ，１３２ｂ 微細凹凸
図１において互いに直角のＸ軸とＹ軸とを定義する。構造体３は、耐熱性、耐薬品性に優れた樹脂で形成されて直方体形状を有する。構造体は、Ｘ軸の正の方向と負の方向にそれぞれ位置する側壁３ａ、３ｂを有し、Ｙ軸の正の方向に開口する開口部９を有する。構造体３のＸ軸の方向の断面積が開口部９の近傍で局部的に小さくなっている。構造体３のＸ軸の負の方向の側壁３ｂには窓６が設けられ、Ｘ軸の正の方向の側壁３ａには光学フィルタ７が設けられている。構造体３のＸ軸の負の方向の外側には部材１０が設けられている。構造体３のＸ軸の正の方向の外側には部材１１が設けられている。部材１０には発光素子４が設けられている。部材１１には受光素子５が設けられている。発光素子４から発した光ＬＡは窓６から構造体３の内部空間２に入射し、内部空間２を通過する。内部空間２を通過した光ＬＡは光学フィルタ７を通過して受光素子５に入射する。受光素子５は受光素子５ａと受光素子５ｂとで構成されている。光学フィルタ７は光学フィルタ７ａと光学フィルタ７ｂとで構成されている。光学フィルタ７ａを通過した光ＬＡ１は受光素子５ａに入射し、光学フィルタ７ｂを透過した光ＬＡ２は受光素子５ｂに入射する。光学フィルタ７ａと光学フィルタ７ｂは、透過させる光の波長が異なる。このため、光ＬＡに対する受光素子５ａと受光素子５ｂの出力が異なる。なお、構造体３は直方体形状に限定されず、また、構造体３の断面積が開口部９の近傍で小さくなっていなくても良い。構造体３は、例えば、断面積が一様な円筒形状等の他の形状を有していてもよい。また、構造体３の材料も樹脂に限らず、使用環境に合わせて適宜選択することが可能である。
図７Ａは制御部２２が発光素子４に印加する電圧Ｖ４を示す。実施の形態２のセンサ２１の制御部２２は自己診断期間Ｔ１に受光素子５の故障を確認するために電圧Ｖ４の周波数ｆ４を変化させる。センサ２１が起動した時刻ｔ０から時刻ｔ２までの自己診断期間Ｔ１に制御部２２は受光素子５の故障を診断し、通常測定期間Ｔ２に流体１０１の濃度を検出する。自己診断期間Ｔ１のうちの時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間Ｔ１１では制御部２２は１０Ｈｚの周波数ｆ４の電圧Ｖ４を発光素子４に印加して、自己診断期間Ｔ１のうちの時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間Ｔ１２では制御部２２は２０Ｈｚの周波数ｆ４の電圧Ｖ４を発光素子４に印加して、発光素子４は光ＬＡを発する。
微細凹凸１３２ａの高さＬ１３２ａは光ＬＡの波長の１／４以下である。微細凹凸１３２ａの高さが光ＬＡの波長の１／４以下であるため、光ＬＡが微細凹凸１３２ａを透過するときの微細凹凸１３２ａによる光ＬＡの吸収を低減することができ、センサ３１の感度を低下させずに、液滴を除去する効果を得ることができている。
微細凹凸１０７ａａ（１０７ｂａ）の高さＬ１０７ａａ（Ｌ１０７ｂａ）は光ＬＡの波長の１／４以下である。微細凹凸１０７ａａの高さが光ＬＡの波長の１／４以下であるため、光ＬＡが微細凹凸１０７ａａを透過するときの微細凹凸１０７ａａによる光ＬＡの吸収を低減することができ、センサ３１の感度を低下させずに、液滴を除去する効果を得ることができている。
図１１Ａは窓４２の正面図である。窓４２の外周の近傍には窓４２を振動させる振動部４４ａである圧電膜４４が設けられている。圧電膜４４は、窓４２の中心を空けて配置されている。実施の形態４のセンサ４１では、窓４２は円形状を有し、圧電膜４４は窓４２の中心を空けた円環形状を有する。この構造により、圧電膜４４が光を通しにくい材料より形成されていても、光ＬＡを内部空間２に入射させることができる。圧電膜４４の周囲には電極４５が設けられている。制御部は圧電膜４４に所定の周波数の電圧を印加し、圧電効果により圧電膜４４を振動させる。図１１Ｂは窓４２の断面図であり、窓４２の振動を示す。圧電膜４４は、窓４２の内部空間２に接する面４２ａの反対側の面４２ｂ上に設けられている。制御部が電極４５に上記電圧を印加することにより、図１１Ｂに示すように、窓４２が面４２ｂと直交する方向Ｄ４２に振動する。このように圧電膜４４が振動することによって、窓４２に液滴が付着していた場合、液滴を除去することができ、センサ４１の感度の低下を低減することができる。

Claims (22)

  1. 流体が流入するように構成された内部空間を有する構造体と、
    前記内部空間を通過する光を発する発光素子と、
    前記内部空間を通過した前記光を受けて、前記受けた光の強度に応じて第１の出力を発する第１の受光素子と、
    前記内部空間を通過した前記光を受けて、前記受けた光の強度に応じて第２の出力を発する第２の受光素子と、
    前記第１の受光素子と前記発光素子との間に設けられて前記光が通過する第１の光学フィルタと、
    前記第２の受光素子と前記発光素子との間に設けられて前記光が通過する第２の光学フィルタと、
    前記発光素子と前記第１の受光素子と前記第２の受光素子とに接続された制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記発光素子が発する前記光を変化させ、
    前記光を変化させる前での前記第１の出力と前記第２の出力との第１の比を、前記光を変化させた後での前記第１の出力と前記第２の出力との第２の比と比較する、
    ように構成されている、センサ。
  2. 前記制御部は、前記第１の比が前記第２の比と異なるときに警告を発するように構成されている、請求項１に記載のセンサ。
  3. 流体が流入するように構成された内部空間を有する構造体と、
    前記内部空間を通過する光を発する発光素子と、
    前記内部空間を通過した前記光を受けて、前記受けた光の強度に応じて第１の出力を発する第１の受光素子と、
    前記内部空間を通過した前記光を受けて、前記受けた光の強度に応じて第２の出力を発する第２の受光素子と、
    前記第１の受光素子と前記発光素子との間に設けられて前記光が通過する第１の光学フィルタと、
    前記第２の受光素子と前記発光素子との間に設けられて前記光が通過する第２の光学フィルタと、
    前記発光素子と前記第１の受光素子と前記第２の受光素子とに接続された制御部と、
    を備えたセンサであって、
    前記制御部は、前記センサの起動時に前記発光素子が発する前記光を変化させるように構成されている、センサ。
  4. 前記第１の光学フィルタは前記流体が吸収する波長の光のみを透過し、
    前記第２の光学フィルタは前記流体が吸収する前記波長の光を透過しない、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
  5. 前記第２の光学フィルタは前記流体が吸収しない波長の光のみを透過する、請求項４に記載のセンサ。
  6. 前記制御部は、前記発光素子に印加する電圧を変えることで前記発光素子が発する前記光を変化させるように構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
  7. 前記制御部は、前記発光素子に印加する前記電圧を高くすることで前記発光素子が発する前記光を変化させるように構成されている、請求項６に記載のセンサ。
  8. 前記制御部は、前記発光素子に印加する前記電圧を低くすることで前記発光素子が発する前記光を変化させるように構成されている、請求項６に記載のセンサ。
  9. 前記制御部は、前記発光素子に印加する電圧の周波数を変えることで前記発光素子が発する前記光を変化させるように構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
  10. 前記制御部は、前記周波数を高くすることで前記発光素子が発する前記光を変化させるように構成されている、請求項９に記載のセンサ。
  11. 前記制御部は、前記周波数を低くすることで前記発光素子が発する前記光を変化させるように構成されている、請求項９に記載のセンサ。
  12. 前記第１の光学フィルタは、前記光が通過してかつ第１の微細凹凸を有する第１の面を有し、
    前記第２の光学フィルタは、前記光が通過してかつ第２の微細凹凸を有する第２の面を有する、請求項１から１１のいずれか１項に記載のセンサ。
  13. 前記第１の微細凹凸と前記第２の微細凹凸の高さは前記光の波長の１／４以下である、請求項１２に記載のセンサ。
  14. 前記第１の光学フィルタの前記面の前記第１の微細凹凸上に設けられた第１の反射防止膜と、
    前記第２の光学フィルタの前記面の前記第２の微細凹凸上に設けられた第２の反射防止膜と、
    をさらに備えた、請求項１２または１３に記載のセンサ。
  15. 前記構造体は、前記発光素子が発する前記光が入射する窓をさらに備え、
    前記窓は、前記光が通過してかつ微細凹凸を有する面を有する、請求項１から１４のいずれか１項に記載のセンサ。
  16. 前記微細凹凸の高さは前記光の波長の１／４以下である、請求項１５に記載のセンサ。
  17. 前記窓の前記面の前記微細凹凸上に設けられた反射防止膜をさらに備えた、請求項１５または１６に記載のセンサ。
  18. 前記内部空間に生じた液滴を除去する振動部をさらに備えた、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
  19. 前記構造体は前記光が通過する窓をさらに有し、
    前記振動部は、前記窓と前記第１の光学フィルタと前記第２の光学フィルタの少なくとも１つに設けられた圧電膜である、請求項１８に記載のセンサ。
  20. 前記圧電膜は、前記窓と前記第１の光学フィルタと前記第２の光学フィルタとの少なくとも前記１つの中心を空けて配置されている、請求項１９に記載のセンサ。
  21. 前記振動部は前記構造体の外側に設けられたモータである、請求項１８に記載のセンサ。
  22. 前記制御部は、前記第１の出力と前記第２の出力とに基づいて前記流体の濃度を検出する、請求項１から２１のいずれか１項に記載のセンサ。
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