KR100732708B1 - 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서 - Google Patents

서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광원에서 방사되는 메인 광(주광:主光)의 반사 경로와 서브 광(부광:副光)의 반사 경로를 구분하고, 광원에서 방사되는 메인 광은 서브 반사경에서 반사된 후 직접 광센서 포물경으로 입사하도록 하고, 광원에서 방사되는 서브 광은 메인 반사경에서 다수 회 반사된 후 센서 포물경으로 입사하도록 구성하여, 반사경에서의 산란, 굴절 및 흡수에 의한 메인 광의 손실을 최소화함과 아울러 센서 포물경으로 입사되는 메인 광 및 서브 광을 그 초점에 설치된 광센서로 집광함으로써 광센서가 측정에 이용하는 특정 파장 대의 광량(光量)을 최대로 하여 감지력을 향상시킨 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서는, 적외선을 방사하는 광원, 광원에서 방사되어 광 경로 상에서 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장 대의 적외선 광량을 측정하는 광센서, 광원으로부터 방사된 적외선이 외부로 누출되거나 분산하지 않고 광센서에 도달할 수 있도록 반사경이 형성되고 특정 가스를 포함하는 공기가 유동할 수 있도록 공기구멍이 형성된 광 공동을 포함하여 구성된 비분산 적외선 가스 센서에 있어서,
상기 광 공동은, 서로 마주보는 두 개의 오목 거울로 이루어진 타원형 메인 반사경과; 상기 메인 반사경의 장축방향의 한쪽 끝 부분에 형성되고 상기 메인 반사경의 오목 거울에 비해 작은 크기를 갖는 오목 거울로 이루어진 타원형 서브 반 사경과; 상기 메인 반사경의 장축방향의 다른 쪽 끝 부분에 일체로 형성되고 그 초점에 광센서가 설치되는 센서 포물경 및; 상기 광원의 상부와 후방을 감싸서 평행 반사광을 상기 서브 반사경으로 방사할 수 있도록 상기 메인 반사경에 일체로 형성된 광원 포물경; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
가스센서, 비분산, 이산화탄소, 가스농도, 반사경, 포물경, 적외선

Description

서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서{NON-DISPERSIVE INFRARED GAS SENSOR WITH SUB-REFLECTOR}
도 1은 종래 기술에 따른 광 공동의 일 예를 보여주는 개략적인 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 광 공동의 광학적 특성을 보여주는 설명도,
도 3은 본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 광 공동의 광학적 특성을 보여주는 개략적인 구성도,
도 4는 본 발명의 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 광 공동의 작도법을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 서브 반사경과 포물경이 구비된 광 공동의 구성도,
도 6은 포물경의 광학적 특성을 보여주는 설명도,
도 7은 본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서를 보여주는 사시도,
도 8은 도 7에 도시된 비분산 적외선 가스 센서의 분해 사시도,
도 9는 타원형 반사경의 광학적 특성을 보여주는 설명도,
도 10은 도 7에 도시된 비분산 적외선 가스 센서의 A-A선의 단면도,
도 11은 도 7에 도시된 비분산 적외선 가스 센서의 B-B선의 단면도,
도 12는 도 7에 도시된 비분산 적외선 가스 센서의 C-C선의 단면도,
도 13 내지 도 15는 본 발명에 따른 평판형 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
1 : 비분산 적외선 가스 센서 5 : 인쇄회로기판
6 : 고정공 11 : 반사경
12 : 광원 13 : 상판
14 : 광센서 15 : 하판
16 : 공기구멍 17 : 수직벽
18 : 광원 고정홀 20 : 광 공동
21 : 메인 반사경 22 : 광원 포물경
23 : 청소용 구멍 26 : 삽입홈
27 : 삽입돌부 29 : 스페이스돌부
31 : 서브 반사경 33 : 센서 포물경
44 : 광원 고정부 48 : 센서 고정부
본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광원에서 방사되는 메인 광(주광:主光)의 반사 경로와 서브 광(부광:副光)의 반사 경로를 구분하고, 광원에서 방사되는 메인 광은 서브 반사경에서 반사된 후 직접 광센 서 포물경으로 입사하도록 하고, 광원에서 방사되는 서브 광은 메인 반사경에서 다수 회 반사된 후 센서 포물경으로 입사하도록 구성하여, 반사경에서의 산란, 굴절 및 흡수에 의한 메인 광의 손실을 최소화함과 아울러 센서 포물경으로 입사된 메인 광과 서브 광을 그 초점에 설치된 광센서로 집광함으로써 광센서가 측정에 이용하는 특정 파장 대의 광량(光量)을 최대로 하여 감지력을 향상시킨 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다.
적외선(Infra Red Radiation)은 파장이 0.75㎛~1mm 범위에 속하는 전자기파로서, 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열을 발산하기 때문에 열선이라고 한다. 적외선이 이렇게 강한 열 효과를 가지는 것은 적외선의 주파수가 물질을 구성하고 있는 분자의 고유진동수와 거의 같은 정도의 범위에 있기 때문이다. 이는 물질에 적외선이 부딪치면 전자기적 공진 현상을 일으켜 광파의 에너지가 효과적으로 흡수되기 때문인 것으로 알려져 있다.
특히, 액체나 기체 상태의 물질은 각각의 물질마다 특유한 파장의 적외선을 강하게 흡수하는 성질이 있기 때문에 이 흡수 스펙트럼을 조사하여 물질의 화학적 조성, 반응과정 또는 분자구조를 정밀하게 추정하는 수단으로 사용하는데, 이것을 적외선 분광분석이라 한다. 본 발명과 관련된 비분산 적외선(Non-Dispersive Infrared, NDIR) 가스 센서는 이와 같은 적외선의 특성을 이용하여 시료 중 특정 가스의 농도를 분석하는 정량분석 기기이다.
이와 같은 NDIR은, 시험 가스를 통과하도록 적외선을 방사하는 적외선 광원(Infared source)과, 시험 가스를 통과한 적외선 중 특정 파장 대의 것만을 선택 적으로 감지하여 광량을 측정하기 위한 적외선 센서(IR Detector)와, 광원으로부터 방사된 적외선 광이 기기 외부로 누출되거나 산란 또는 분산되는 것을 방지하기 위하여 밀폐된 반사경을 광 공동(Optical Cavity)으로 구성된다.
특히, 광 공동은 광원에서 방사된 적외선이 광센서에 도달하기까지 특정 가스와 충돌하여 적외선이 흡수되는 광 통로 역할을 하는 것으로서, 적외선이 시험 가스를 통과하여 이동하는 광 경로가 길수록 목적하는 가스에 의한 흡수량이 커지고 그에 따라 광센서가 측정하는 측정치의 오차를 줄여 기기의 정밀도를 높일 수 있다. 따라서 동일 체적 또는 동일 길이의 광 공동에서 얼마나 적외선이 통과하는 광 경로를 길게 할 수 있느냐 하는 것이 비분산 적외선 가스 센서의 성능을 좌우한다.
즉, 비분산 적외선 가스 센서에서, 적외선 강도의 감소는 Beer-Lambert의 함수로 표현될 수 있는데, 광 공동 내의 가스농도(J)가 균일하고 적외선이 일정 길이의 광 경로(L)를 통과할 때, 최종 광 강도(I)는 가스 흡수 계수(k), 광 경로(L)의 길이와 초기 광 강도(I0)의 함수로 나타낼 수 있다.
I=I0·e- kJL(x)-----------------------------------식(1)
식(1)에서 보는 바와 같이, 최종 광 강도(I)는 초기 광 강도(I0) 및 측정 대상 가스의 흡수계수(k)가 일정한 경우, 광 경로 상의 가스농도(J)와 광 경로(L)의 길이에 비례한다.
그리고, 예를 들어 식(1)에서 측정하고자 하는 가스가 존재하지 않은 경우, 즉 J = 0인 경우, 최종 광 강도와 초기 광 강도는 같게 된다.
I = J -------------------------------------------식(2)
따라서, 측정 대상 가스가 없는 상태이고 가스 농도가 J인 경우에, 광 강도차는 식(3)에 제시되는 바와 같다.
△I = I0 ·(1- e- kJL(x)) -----------------------------식(3)
또한, 일반적인 적외선 센서는 광 강도에 비례한 미소 전압을 그 출력으로 나타내므로, 가스 존재 유무에 따른 센서의 출력은 아래의 식(4)과 같이 표현된다.
△V = α· △I = α·[I0 ·(1- e- kJL(x))] ------------식(4)
여기서, α는 비례상수
따라서, 감지력이 우수한 비분산 적외선 가스 센서를 제공하기 위해서는 광 경로(L)가 큰 광 공동을 만들거나 감지력이 우수한 적외선 센서를 사용하여야 한다. 최근 반도체 기술의 발달로 우수한 성능의 광센서들이 개발되어, 광 공동에서 요구되는 광 경로의 길이가 많이 줄어들고 있다. 그러나 광센서(Thermopile IR sensor 혹은 Passive IR sencer)의 성능은 비용과 비례적으로 증가하는 것이므로 추가 비용 없이 비분산 적외선 가스 센서의 측정 정밀도를 높이기 위해서는 여전히 광 경로가 긴 광 공동이 요구된다.
한편, 종래부터 한정된 광 공동 내에서 광 경로를 연장하기 위한 다양한 방법들이 제시되었다. 예를 들어, 미국특허 제5,341,214호에는 광원에서 방출되는 광 이 튜브형 광 도파관(Optical path tube) 내에서 다수의 반사를 일으켜 광 경로가 도파관의 물리적 길이보다 길어지는 기술을 제시되었다. 또한, 미국특허 제5,488,227호에서는 원통형 오목 반사경 내에 원주형 볼록 반사경을 설치하고, 내부의 볼록 반사경을 회전시켜 광 경로를 길게 하는 기술이 개시되었다.
그리고, 국제특허출원 PCT/SE97/01366(WO98/09152)에서는 세 개의 타원형 반사경을 배치하여 타원형의 광 공동을 형성하는 기술이 개시되었다. 또, 대한민국 등록특허 제10-494103호는 광 경로를 최대화하기 위하여 마주보는 2개의 오목 반사경으로 광 공동을 형성하는 기술이 제시되었다.
예를 들어, 도 1에서 보는 바와 같이, 종래 기술에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 대부분 두 개 또는 세 개의 오목한 반사경으로 광 공동을 구성하고, 광원에서 방사되는 평행 반사광을 마주보는 반사경 사이에서 다수 회 반사시켜 광 경로를 연장하는 기술이다. 따라서 동일 면적의 광 공동이라 하더라도 평행 반사광이 반사하는 횟수가 증가할수록 광 경로가 길어지기 때문에 목적하는 가스에 의한 특정 파장 대의 적외선의 흡수량이 커지고 그에 따라 광센서에서 측정되는 측정치의 오차를 줄여 기기의 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
그러나, 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 종래 기술에 따른 비분산 적외선 가스 센서는, 마주보는 반사경 사이에서 평행 반사광을 다수 회 반복하여 반사하기 때문에 반사경 표면에서 산란, 굴절 및 흡수가 일어나서 모든 파장 대에서 광 강도가 감소하는 문제가 있다. 즉, 광 공동의 반사경은 플라스틱 사출물에 금이나 은을 도금하여 이루어지는 것인데, 이러한 반사경의 표면은 적용된 금형기술, 사출성형 기술 및 도금기술에 따라 그 표면이 거칠거나 곡면이 불규칙한 경우가 있을 뿐만 아니라 이물질에 의해 오염되는 경우가 많다.
이와 같이, 불완전한 반사경 표면에 의한 광 손실은 광 경로가 길어질수록 즉, 반사 횟수가 많아질수록 증가한다. 따라서 정밀한 표면의 반사경을 만들기 위한 금형기술이나 도금기술이 뒷받침되지 않는다면, 광 경로가 긴 광 공동은 광센서가 특정 가스의 측정에 이용하는 광량이 감소하여 기기의 정밀도가 떨어지는 문제점이 있었다.
따라서, 우수한 비분산 적외선 가스 센서를 제공하기 위해서는 광 경로를 길게 하는 것만으로 달성할 수 없고, 난반사, 굴절, 흡수 등에 의한 광 손실을 최소화하여 광센서로 입사하는 광량을 충분히 확보하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 정밀한 표면을 갖는 반사경을 제공하는 높은 수준의 금형기술, 사출성형기술 및 도금기술이 적용되어야 하는데, 이러한 수준 높은 기술의 적용은 제품 가격을 상승시키는 문제가 있다. 이에 따라, 제품 가격은 상승시키지 않으면서 광 손실을 최소화하고 광센서로 입사되는 광량은 최대로 할 수 있는 새로운 기술의 개발이 요청되고 있다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 주된 목적은, 광원에서 방사되는 광을 메인 광과 서브 광으로 구분하되, 메인 광은 서버 반사경에서 반사되어 센서 포물경으로 입사되도록 하여 반사 횟수를 최소화하여 반사경에 의한 광 손실을 줄이고, 서브 광은 반사경에서 다수회 반사시켜 광 경 로를 충분히 연장한 후 센서 포물경으로 입사되도록 하며, 상기 센서 포물경의 초점에 광센서를 설치하여 광센서가 특정 가스의 측정에 이용하는 광량을 최대로 하여 측정 정밀도가 향상된 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서를 제공하는 것이다.
이러한, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서는, 적외선을 방사하는 광원, 광원에서 방사되어 광의 경로 상에서 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장 대의 적외선 광량을 측정하는 광센서, 광원으로부터 방사된 적외선이 외부로 누출되거나 분산하지 않고 광센서에 도달할 수 있도록 반사경이 형성되고 특정 가스를 포함하는 공기가 유동할 수 있도록 공기구멍이 형성된 광 공동을 포함하여 구성된 비분산 적외선 가스 센서에 있어서,
상기 광 공동은, 서로 마주보는 두 개의 오목 거울로 이루어진 타원형 메인 반사경과; 상기 메인 반사경의 장축방향의 한쪽 끝 부분에 형성되고 상기 메인 반사경의 오목 거울에 비해 작은 크기를 갖는 오목 거울로 이루어진 타원형 서브 반사경과; 상기 메인 반사경의 장축방향의 다른 쪽 끝 부분에 일체로 형성되고 그 초점에 광센서가 설치된 센서 포물경 및; 상기 광원의 상부와 후방을 감싸서 평행 반사광이 상기 서브 반사경으로 방사되도록 상기 메인 반사경에 일체로 형성된 광원 포물경;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 광원에서 방사되는 광은 메인 광과 서브 광으로 구분되는데, 상기 메인 광은 광원에서 방사된 후 광원 포물경에서 반사되는 평행 반 사광과 상기 평행 반사광에 평행하도록 상기 광원에서 전방으로 방사되는 평행광을 포함한다.
그리고 상기 서브 광은 상기 메인 광을 제외한 나머지 광으로, 특히, 상기 평행 반사광에 대해서 일정 각도로 경사지게 방사되는 경사광을 포함한다.
종래의 비분산 적외선 가스 센서에서는 광원에서 방사되는 메인 광을 반사경 사이에서 다수 회 반사시켜 광 경로를 최대로 함으로써 측정 정밀도를 높이는 것이었으나, 본 발명에서는 메인 광의 반사 회수를 최소화하여 반사경의 거칠음이나 불규칙한 곡률 및 오염에 의해서 광 손실을 방지한다. 또한 본 발명은, 종래 기술에서는 특정 가스의 측정에 사용하지 않았던 서브 광을 타원형의 메인 반사경과 센서 포물경을 이용하여 최대한 광센서에 집광하도록 유도함으로써 광 경로를 연장함과 아울러 광센서가 측정에 이용할 수 있도록 하여 감지력이 향상된 비분산 적외선 가스 센서를 제공한다.
즉, 광원 포물경에서 방사되는 메인 광은, 상기 메인 반사경의 장축방향 한쪽 끝 부분에 형성된 서브 반사경을 통해서 상기 센서 포물경으로 입사시키고, 상기 메인 광을 제외한 서브 광은 마주보는 메인 반사경 사이에서 다수 회 반사시켜 상기 메인 반사경의 장축방향 다른 쪽 끝 부분에 형성된 센서 포물경으로 수렴하여 입사시키고, 상기 센서 포물경으로 입사된 메인 광과 서브 광은 그 초점에 설치된 광센서로 안내하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
먼저, 도 3은 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 센서에 적용될 수 있는 서브 반사경과 센서 포물경의 광학적 특정을 보여주는 설명도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광 공동(20)은 광축 상에서 서로 마주보도록 설치되어 있는 타원형 서브 반사경(31)과 센서 포물경(33)을 포함하여 구성된다.
도시된 바와 같이, 상기 타원형 서브 반사경(31)은 일정 각도로 입사되는 입사광을 광축 상에 위치하는 초점(F3)을 향하여 반사시킨다. 그리고 상기 센서 포물경(33)은 일정 각도로 입사되는 입사광을 그 초점(F6)을 향하여 반사시킨다. 이때 상기 센서 포물경(33)의 폭은 서브 반사경(31)의 폭과 같거나 큰 것이 바람직하다. 따라서 상기 서브 반사경(31)에서 반사되는 반사광은 상기 센서 포물경(33)으로 직접 입사되거나 초점(F3)을 거쳐서 상기 센서 포몰경(33)으로 입사된다. 그리고 상기 센서 포물경(33)으로 입사되는 광은 그 초점(F6)에 위치하는 광센서(14)로 안내되게 된다.
이어, 도 4는 본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 광 공동(20)을 위한 작도법을 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 메인 반사경(21)은 동일한 반경을 갖는 두 개의 원호(21A)(21B)를 이용하여 이루어진다. 두 개의 원호(21A)(21B)는 서로 중첩되어 장축과 단축을 갖는 큰 타원(21C)을 형성한다. 이 큰 타원(21C)을 이루는 마주보는 두 개의 원호(21A)(21B)의 내주 면에 거울 면을 형성하여 본 발명의 메인 반사경(21)을 형성한다. 이때, 상기 원 호(21A)와 원호(21B)의 초점거리, OA-F1, OB-F1는 동일하다.
그리고, 상기 서브 반사경(31)은 동일한 반경을 갖는 두 개의 원호(31A)(31B)에 의해서 이루어진다. 상기 두 개의 원호(31A)(31B)는 서로 중첩되어 장축과 단축을 갖는 작은 타원(31C)을 형성한다. 이 작은 타원(31C)은 상기 큰 타원(21C)의 일 측에서 서로 중첩되어 있다. 그리고 큰 타원(21C)의 바깥쪽에 위치하는 작은 타원(31C)의 원호(31A)(31B)를 따라 거울 면을 형성하여 본 발명의 서브 반사경(31)을 형성한다. 그리고 상기 서브 반사경(31)의 초점(F2)은 타원형 메인 반사경(21)의 제1 초점(F4)에 근접하게 위치한다. 한편, 본 발명에 따른 센서 포물경(33)은 상기 타원형 메인 반사경(21)의 제2 초점(F5)에 근접하게 설치된다.
도 5는 도 4의 작도법에 따라 만들어진 본 발명에 따른 광 공동(20)을 보여주는 구성도이다. 도시된 바와 같이, 상기 광 공동(20)의 반사경(11)은 타원형의 메인 반사경(21), 타원형의 서브 반사경(31) 및, 센서 포물경(33)과 광원 포물경(22)으로 구성된다. 상기 서브 반사경(31)은 메인 반사경(21)의 장축방향 한쪽 끝 부분에 일체로 형성되고, 다른 쪽 끝 부분에는 센서 포물경(33)이 일체로 형성되어 있다. 상기 센서 포물경(33)에 인접한 메인 반사경(21)에는 상기 서브 반사경(31)을 향하여 평행 반사광을 방사하기 위한 광원 포물경(22)이 일체로 형성되어 있다. 이때, 바람직하게 상기 광원(12)과 광센서(14)는 상기 광원 포물경(22)과 센서 포물경(33)의 초점(F6)에 설치된다.
도 6에서 보는 바와 같이, 상기 광원 포물경(22)과 센서 포물경(33)은 그 초 점(F)에서 방사되는 반사광은 항상 광축에 평행하게 진행하고, 상기 광축에 평행하게 입사되는 광선의 반사광은 항상 그 초점(9F)으로 집광한다. 따라서 상기 광원(12)에서 후방으로 방사되어 광원 포물경(22)에서 반사되는 광은 광축을 따라 진행하는 평행 반사광이 된다. 그리고 상기 센서 포물경(33)에 평행하게 입사되는 광은 초점(F6)을 향하여 반사된다.
한편, 상기 광원 포물경(22)에서 반사되는 평행 반사광은 본 발명의 메인 광에 포함된다. 또한, 상기 광원(12)에서 전방으로 방사되는 광은, 상기 평행 반사광에 평행하게 방사되는 평행광과, 상기 평행 반사광에 대해 일정한 각도를 갖고 전방으로 방사되는 경사광으로 구분된다. 상기 평행광은 메인 광에 속하고, 상기 경사광은 서브 광에 포함된다.
본 발명에 따른 상기 메인 광(M)은 서브 반사경(31)에서 반사되어 센서 포물경(33)으로 입사된다. 반면에 상기 서브 광(S)은 메인 반사경(21)에서 다수 회 반사된 후 상기 센서 포물경(33)으로 입사된다. 따라서 상기 메인 광(M)은 반사경에 의한 광 손실 없이 센서 포물경(33)으로 직접 입사된다. 반면에 상기 서브 광(S)은 다수 회 반사된 후 센서 포물경(33)으로 입사되므로 광 경로가 연장된다. 이와 같이 본 발명은 광센서(14)로 입사되는 메인 광의 손실을 방지함과 아울러 서브 광을 메인 반사경(21) 사이에서 다수 회 반사시켜 센서 포물경(33)으로 입사되도록 한 후, 그 초점에 설치된 광센서(14)로 집광함으로써 광센서(14)가 측정에 이용할 수 있는 광량을 증가시킨다.
이하에서는 본 발명에 따른 광 공동(20)이 적용된 서브 반사경이 구비된 비 분산 적외선 가스 센서의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서를 보여주는 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시된 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 분해 사시도, 도 9는 본 발명에 따른 메인 반사경의 광학적 특성을 보여주는 설명도이다.
도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서(1)는 적외선을 방사하는 광원(12)과, 광원(12)에서 방사된 적외선이 특정한 가스에 흡수될 수 있도록 안내하는 광 공동(20), 그리고 광 공동(20)에서 흡수되지 않은 적외선을 감지하여 전기 신호로 바꿔주는 광센서(14)로 구성된다. 그리고 상기 광 공동(20)은 증폭 회로, 아날로그-디지털 변환기 및 마이컴 등이 설치되는 인쇄회로기판(5;PCB) 상에 장착된다. 또한, 상기 인쇄회로기판(5)과 광 공동(20)은 도시되지 않은 외부 케이스 내에 설치된다.
상기 광 공동(20: Optical Cavity)은 외부로부터 특정 가스가 유입되고 광원(12)에서 방사되는 광이 외부로 누출되지 않도록 하여 특정 가스와 충돌하여 특정 파장 대의 적외선을 흡수하는 흡수구역을 제공한다.
이를 위해서, 상기 광 공동(20)은 광원(12)에서 방사되는 적외선을 반사하는 반사경(11)과, 상기 반사경(11)의 상부에 일체로 결합하는 상판(13)과, 상기 반사경(11)의 하부에 분리가능하게 결합하고 공기 구멍(16)이 형성된 하판(15)으로 구성된다. 이때, 상기 하판(15)은 인쇄회로기판(5)의 상부에 일정 간격 이격되게 설치되어 특정 가스가 공기구멍(16)을 통해서 광 공동(20) 내로 자유롭게 유입될 수 있게 한다.
또한, 상기 광 공동(20)의 하판(15)에는 적외선을 방사하는 광원(12)과, 이 광원(12)에서 방사되고 광 공동의 흡수구역을 통과한 적외선을 수광하는 광센서(14)가 각각 설치된다. 그리고 상기 광원(12)은 평행 반사광을 방출할 수 있도록 광원 포물경(22)의 초점 위치에 설치되고, 상기 광센서(14)는 입사광을 집광할 수 있도록 센서 포물경(33)의 초점 위치에 설치된다. 이때, 상기 광원 포물경(22)과 광센서 포물경(33)은 메인 반사경(21)에 일체로 형성되어 있다.
그리고, 발명에 따른 상기 반사경(11)은 마주보는 두 개의 원호형 오목 거울면(21A)(21B)으로 이루어진 타원형의 메인 반사경(21)과, 상기 메인 반사경(21)의 장축방향 한쪽 끝 부분에 형성된 타원형의 서브 반사경(31)과, 상기 서브 반사경(31)에 마주보도록 형성된 센서 포물경(33)으로 구성된다.
한편, 상기 상판(13)은 반사경(11)의 상단에 일체로 고정되며, 그 내측에는 바람직하게 거울 면이 형성된다. 또, 상기 하판(15)은 반사경(11)의 하단에 분리가능하게 설치되며 그 내측에는 바람직하게 거울 면이 형성된다. 예들 들어, 상기 상판(13)과 반사경(11)은 하나의 몸체로 사출 성형되고, 상기 하판(15)과 반사경(11)은 적외선이 누출되지 않도록 긴밀하게 결합하는 구조로 이루어진다.
본 발명에 따른 반사경(11)에 있어서, 상기 서브 반사경(31)은 메인 반사경(21)에 비해 작은 곡률을 가지며 단축방향으로 절단된 반쪽 타원 형태로 이루어진다. 또한, 상기 서브 반사경(31)은 메인 반사경(21) 보다 바깥쪽에 위치하도록 돌출되어 있다. 상기 센서 포물경(33)은 메인 반사경(21)에 비해 작은 곡률을 가지 며 포물선 형태를 갖는다. 또한, 상기 센서 포물경(33)은 메인 반사경(21) 보다 바깥쪽에 위치하도록 돌출되어 있다.
도 5를 참조하면, 광원(12)에서 방사되는 메인 광(M) 즉, 상기 광원 포물경(22)에서 반사되는 평행 반사광 및 그 평행 반사광에 평행하게 광원(12)에서 전방으로 방사되는 평행광은, 상기 서브 반사경(31)에서 반사된 후 상기 센서 포물경(33)으로 입사된다. 따라서 상기 메인 광(M)은 불완전한 표면의 반사경에 의한 광 손실이 일어나지 않게 된다.
반면에 상기 광원(12)에서 방사되는 서브 광(S) 즉, 평행 반사광에 대해 일정 각도로 경사지게 전방으로 방사되는 경사광은, 상기 메인 반사경(21)의 거울 면에서 다수 회 반사되어 센서 포물경(33)으로 입사된다. 즉, 도 9에서 보는 바와 같이, 타원형 메인 반사경(21)에 일정 각도로 입사되는 서브 광(S)은 초점(F5)을 향해서 반사되는데, 그 초점(F5)에 근접하게 센서 포물경(33)이 설치되므로 메인 반사경(31)에서 반사되는 서브 광(S)은 다수 회 반사된 후 상기 센서 포물경(33)으로 입사되게 된다.
이어, 상기 서브 반사경(31)으로 입사된 메인 광(M) 및 서브 광(S)은 센서 포물경(33)의 전방에 위치하는 초점(F5)을 통해서 상기 센서 포물경(33)으로 입사된다. 따라서 본 발명에 있어서, 상기 광원(12)에서 방사되는 메인 광(M)과 서브 광(S)은 상기 센서 포물경(33)으로 집광된다. 그리고 상기 센서 포물경(33)으로 집광된 입사광은 광센서(14)가 설치된 초점(F6)으로 다시 집광하게 된다.
이어, 첨부된 도 10 내지 12를 참조하여, 본 발명에 따른 광 공동(20)의 구 조를 상세히 설명한다. 특히, 본 발명에 따른 광 공동(20)은 광원의 흔들림이나 위치의 이동, 또는 광센서(14)의 흔들림이나 위치 이동을 막고 광원(12)에서 방사된 광의 유출이나 오염물질의 유입을 방지할 수 있도록 구성된다.
먼저, 도 10은 도 7에 도시된 비분산 적외선 가스 센서의 A-A선의 단면도이고, 도 11은 도 7에 도시된 비분산 적외선 가스 센서의 B-B선의 단면도이며, 도 12는 도 7에 도시된 비분산 적외선 가스 센서의 C-C선의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 상기 광 공동(20)는 크게 메인 반사경(21), 서브 반사경(31) 및 두 개의 포물경(22)(33)으로 이루어진 반사경(11)과, 상기 반사경(11)의 상부에 결합하고 그 저면에는 거울 면이 형성된 상판(13)과, 상기 반사경(11)의 하부에 결합하고 그 상면에 거울 면이 형성된 하판(15)으로 구성된다. 이때, 상기 상판(13)과 하판(15)은 일정 두께의 평판으로 이루어진다. 그리고 상기 하판(15)의 가운데 부분에는 다수의 공기구멍(16)이 형성되고, 상기 상판(13)의 일 측에는 청소용 구멍(23)이 튜브 형상으로 설치되어 있다.
이때, 상기 반사경(11)과 상판(13)은 하나의 몸체로 사출 성형되고, 그 내측 면에는 금 또는 은이 증착되어 거울 면을 형성한다. 바람직하게 상기 반사경(11)과 상판(13)은 플라스틱 소재로 이루어진 사출 성형품이다.
그리고 상기 반사경(11)과 하판(15)은 분리가능하게 설치되되, 광이 누출되지 않도록 긴밀하게 결합한다. 이를 위해서 상기 반사경(11)의 하단에는 삽입홈(26)이 형성되고 상기 하판(15)의 상면에는 삽입홈(26)에 대응하는 삽입돌기(27)가 일체로 형성된다. 이때, 상기 삽입홈(26)에는 도시되지 않는 실링 고무가 설치 되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 삽입홈(26)에 삽입돌부(27)가 삽입되도록 상기 반사경(11)과 하판(15)을 결합하면, 상기 삽입돌기(27)가 삽입홈(26)에 긴밀하게 결합한다. 또한, 상기 반사경(11)의 삽입홈(26)에 접착제를 도포하여 접합하면 더욱 긴밀하게 결합할 수 있다.
이어, 상기 광원(12)은 광원 포물경(22)의 초점에 위치하도록 상기 하판(15)에 형성된 고정홀(18)에 삽입된다. 그리고 상기 고정홀(18)의 하부에는 도 10에서 보는 바와 같이, 광원(12), 예를 들어 적외선 램프의 원통형 몸체(12a)가 긴밀하게 결합하도록 상기 하판(15)의 하면에서 아래로 연장되어 돌출된 원통형 고정부(44)가 일체로 형성되어 있다. 상기 고정부(44)는 상기 원통형 몸체(12a)가 긴밀하게 결합하는 내주 면이 형성되어 있고, 그 하단에는 상기 원통형 몸체(12a)의 하단을 지지하는 지지부(47)가 일체로 형성되어 있으며, 상기 지지부(47)에는 광원(12)의 리드선(12c)이 관통하는 하나 이상의 관통공(45)이 형성되어 있다. 그리고 바람직하게 상기 고정홀(18)의 테두리에는 광원(12)에서 발광하는 광이 광원 포물경(22)으로 원활하게 방사되도록 경사부(46)가 형성되어 있다. 따라서 상기 광원(12)을 하판(15)에 형성된 고정홀(18)을 통해서 상기 고정부(44)에 삽입하면 상기 광원(12)의 몸체(12a)가 고정부(44)의 내주 면과 지지부(47)에 의해서 고정되므로 광원의 흔들림이나 위치의 이동에 의한 광 각도의 차이가 생기는 것을 방지할 수 있다. 또한 상기 고정부(44)는 그 하단이 인쇄회로기판(5)과 접촉할 수 있도록 연장되어 있기 때문에 광원(12)을 인쇄회로기판(5)에 설치하기 용이하다.
이어, 도 11에서 보는 바와 같이, 상기 센서 포물경(33)은 서브 반사경(31) 에서 반사되는 반사광을 그 초점에 위치하는 광센서(14)로 집광할 수 있도록 상기 상판(13)의 일 측에 일체로 형성되어 있다. 그리고, 상기 광센서(14)는 하판(15)에 형성된 센서 고정홀(48)에 삽입되어 고정되어 있다. 상기 센서 고정홀(48)은 도 11에서 보는 바와 같이, 광센서(14), 예를 들어 적외선 센서의 원통형 몸체(14a)가 긴밀하게 결합하도록 상기 하판(15)의 저면에서 하부로 연장되어 돌출된 원통형의 센서 고정부(48)가 일체로 형성되어 있다. 그리고 상기 센서 고정부(48)의 하단에는 광센서의 원통형 몸체(14a)의 하단에 형성된 걸림턱(14b)이 결합하는 단턱부(49)가 일체로 형성되어 있다. 따라서 상기 광센서(14)를 하판(15)의 아래로부터 상부로 삽입하면, 상기 광센서(14)의 몸체(14a)는 센서 고정부(48)의 내주 면에 밀접하게 고정되고 몸체(14a)의 걸림턱(14b)은 단턱부(49)에 결합하므로 광센서(14)의 흔들림이나 위치의 이동에 의한 광 손실이 발생하지 않는다. 아울러, 상기 하판(15)의 저면에 상기 광센서(14)의 하단을 지지하기 위한 지지 브래킷(51)을 더 설치할 수 있다. 상기 지지 브래킷(51)은 광센서(14)의 리드선(14c)을 안내하는 관통공이 설치되어 하판(15)의 저면에 나사체결된다.
이어서, 도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 하판(15)의 저면에는 인쇄회로기판(5)에 형성된 고정공(6)에 결합하는 다수 개의 스페이스돌부(29)가 형성되어 있다. 상기 스페이스돌부(29)의 하단에는 고정공(6)의 테두리에 걸리는 걸림턱을 형성하도록 지름이 작은 고정돌기(28)가 일체로 형성되어 있다. 따라서 상기 고정돌기(28)를 하판(15)의 고정공(6)에 삽입하면, 상기 하판(15)을 인쇄회로기판(5)에 용이하게 고정하는 동시에 하판(15)과 인쇄회로기판(5) 사이에 일정 간격이 유지되 어 측정 가스가 포함된 공기가 광 공동(20) 내로 자유롭게 유통될 수 있다.
또한, 상기 하판(15)의 저면에는 상기 인쇄회로기판(5)을 나사체결하기 위한 다수 개의 체결보스(25)가 일체로 형성되어 있고, 상기 인쇄회로기판(5)에는 다수 개의 체결구멍(24)이 천공되어 있다. 따라서 상기 스페이스돌부(29)를 인쇄회로기판(5)의 고정공(6)에 결합한 상태에서 체결나사를 상기 체결구멍(24)을 통해 체결보스(25)에 체결하면 상기 하판(15)과 인쇄회로기판(5)을 결합시킬 수 있다. 또한, 상기 하판(15)의 테두리에는 하부로 신장된 수직벽(17)을 일체로 형성하여 하판(15)의 강도를 보강할 수 있다.
이어서, 도 13 내지 도 15는 본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서의 다른 실시예를 보여주는 것으로서, 특히 전술한 타원형의 서브 반사경 대신에 평판형 서브 반사경(31)을 설치한 것이다. 즉, 전술한 실시예에서는 메인 반사경(21)의 장축방향 한쪽 끝 부분에 타원형의 서브 반사경을 일체로 형성한 것이나, 본 실시예는 상기 메인 반사경(21)의 장축방향 한쪽 끝 부분에 평판형 서브 반사경(32)을 설치한 것이다.
본 실시예에 있어서, 상기 평판형 서브 반사경(32)은 광원(12)에서 방사되는 메인 광(M)을 전 반사하여 상기 센서 포물경(33)으로 입사시킨다. 이때, 상기 평판형 서브 반사경(32)은 상기 광원 포물경(33)에서 방사되는 평행 반사광이 상기 센서 포물경(33) 내부로 반사되도록 일정 각도 경사지게 설치되는 것이 바람직하다.
따라서, 도 13에서 보는 바와 같이, 상기 광원(12)에서 방사되는 메인 광(M)은 상기 서브 반사경(32)에서 전 반사된 후 상기 센서 포물경(33)으로 직접 입사된 다. 따라서 상기 메인 광(M)은 불완전한 표면의 반사경에 의한 광 손실이 발생하지 않는다. 그리고 상기 광원(12)에서 방사되는 서브 광(S)은 상기 메인 반사경(21)의 거울면에서 다수 회 반사된 후 상기 센서 포물경(33)으로 입사된다.
이어서, 상기 센서 포물경(33)으로 입사되는 광은 광센서(14)가 설치된 초점(F6)으로 집광된다. 따라서 상기 센서 포물경(33)으로 입사된 메인 광과 서브 광은 상기 광센서(14)로 안내되어 특정 가스의 측정에 이용되는 광량을 최대화할 수 있다. 그 밖의 구성과 효과는 전술한 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 수 있다는 것은 자명한 일이다. 따라서 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 한 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서는, 광원에서 방사되는 메인 광은 반사경에서 반사되는 횟수는 최소화하여 광 손실을 방지하고 서브 광은 반사경에서 충분히 반사시켜 광 경로를 연장하는 동시에 센서 포물경을 이용하여 최대로 집광함으로써 미량의 가스도 감지할 수 있도록 기기의 정밀도가 향상되는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 적외선을 방사하는 광원, 광원에서 방사되어 광의 경로 상에서 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장 대의 적외선 광량을 측정하는 광센서, 광원으로부터 방사된 적외선이 외부로 누출되거나 분산하지 않고 광센서에 도달할 수 있도록 반사경이 형성되고 특정 가스를 포함하는 공기가 유동할 수 있도록 공기구멍이 형성된 광 공동을 포함하여 구성된 비분산 적외선 가스 센서에 있어서,
    상기 광 공동은,
    서로 마주보는 두 개의 오목 거울로 이루어진 타원형 메인 반사경과;
    상기 메인 반사경의 장축방향의 한쪽 끝 부분에 형성되고 상기 메인 반사경의 오목 거울에 비해 작은 크기를 갖는 오목 거울로 이루어진 타원형 서브 반사경과;
    상기 메인 반사경의 장축방향의 다른 쪽 끝 부분에 일체로 형성되어 상기 서브 반사경에서 반사되는 반사광이 입사하도록 설치된 센서 포물경과;
    상기 광원의 상부와 후방을 감싸서 평행 반사광을 상기 서브 반사경 쪽으로 방사하도록 상기 메인 반사경에 일체로 형성된 광원 포물경을 포함하여 구성되되;
    상기 메인 반사경과 서브 반사경 및 포물경들로 이루어진 반사경의 상단에는 상판이 일체로 형성되고, 상기 반사경의 하단에는 다수 개의 공기구멍이 형성된 하판이 분리가능하게 설치되며, 상기 하판에는 상기 광센서가 동일 평면을 이루도록 설치되어 상기 센서 포물경의 초점을 향해 반사하는 광을 수광하는 것을 특징으로 하는 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서.
  2. 적외선을 방사하는 광원, 광원에서 방사되어 광의 경로 상에서 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장 대의 적외선 광량을 측정하는 광센서, 광원으로부터 방사된 적외선이 외부로 누출되거나 분산하지 않고 광센서에 도달할 수 있도록 반사경이 형성되고 특정 가스를 포함하는 공기가 유동할 수 있도록 공기구멍이 형성된 광 공동을 포함하여 구성된 비분산 적외선 가스 센서에 있어서,
    상기 광 공동은,
    서로 마주보는 두 개의 오목 거울로 이루어진 타원형 메인 반사경과;
    상기 메인 반사경의 장축방향의 한쪽 끝 부분에 형성되고 평면 거울로 이루어진 평판형 서브 반사경과;
    상기 메인 반사경의 장축방향의 다른 쪽 끝 부분에 일체로 형성되어 상기 서브 반사경에서 반사되는 반사광이 입사하도록 설치된 센서 포물경과;
    상기 광원의 상부와 후방을 감싸서 평행 반사광을 상기 서브 반사경 쪽으로 방사하도록 상기 메인 반사경에 일체로 형성된 광원 포물경을 포함하여 구성되되;
    상기 메인 반사경과 서브 반사경 및 포물경들로 이루어진 반사경의 상단에는 상판이 일체로 형성되고, 상기 반사경의 하단에는 다수 개의 공기구멍이 형성된 하판이 분리가능하게 설치되며, 상기 하판에는 상기 광센서가 동일 평면을 이루도록 설치되어 상기 센서 포물경의 초점을 향해 반사하는 광을 수광하는 것을 특징으로 하는 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 반사경의 하단에는 삽입홈이 형성되고, 상기 하판의 상면에는 상기 삽입홈에 대응하도록 일정 높이로 삽입돌부가 형성된 것을 특징으로 하는 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하판의 테두리에는 하부로 연장된 수직 벽이 일체로 형성되고, 상기 하판의 저면에는 인쇄회로기판에 형성된 고정공에 결합하는 고정돌기가 형성된 다수 개의 스페이스돌부가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하판에는 광원의 원통형 몸체가 삽입되어 긴밀하게 결합하는 원통형 고정부가 하부로 신장되어 일체로 형성되고, 상기 고정부의 하단에는 상기 원통형 몸체의 하단을 지지하는 지지부가 일체로 형성되며, 상기 지지부에는 광원의 리드선이 관통하는 하나 이상의 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하판에는 광센서의 원통형 몸체가 삽입되어 긴밀하게 결합하는 원통형 센서 고정부가 하부로 신장되어 일체로 형성되고, 상기 센서 고정부의 하단에는 광센서의 원통형 몸체의 하단에 형성된 걸림턱이 결합하는 단턱부가 일체로 형성되며, 상기 센서 고정부의 하단에는 상기 광센서의 하단을 지지하기 위한 지지 브래킷이 상기 하판의 저면에 결합하는 것을 특징으로 하는 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서.
KR1020060080512A 2006-08-24 2006-08-24 서브 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스 센서 KR100732708B1 (ko)

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