WO2012140485A1 - 気体成分検出装置 - Google Patents

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WO2012140485A1
WO2012140485A1 PCT/IB2012/000693 IB2012000693W WO2012140485A1 WO 2012140485 A1 WO2012140485 A1 WO 2012140485A1 IB 2012000693 W IB2012000693 W IB 2012000693W WO 2012140485 A1 WO2012140485 A1 WO 2012140485A1
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WO
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light
light receiving
gas component
detection device
wavelength filter
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PCT/IB2012/000693
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English (en)
French (fr)
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俊輔 松島
古久保　英一
Original Assignee
パナソニック株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the present invention relates to a gas component detection device that detects the concentration of a gas component using infrared absorption characteristics.
  • an infrared type gas detector described in Patent Document 1 As a conventional gas component detection device, there are an infrared type gas detector described in Patent Document 1, an infrared gas analyzer described in Patent Document 2, and the like.
  • a housing into which a gas to be detected for example, carbon monoxide etc.
  • the light source comprises a light emitting diode chip (bare element), a stem on which the bear element is mounted, and a package type light emitting diode composed of a sealing material for sealing the bear element, etc. It is powered and emits light.
  • the infrared detector includes a photodiode type (bare element), a stem on which the bear element is mounted, and a package type photodiode including a sealing material for sealing the bear element, and is protruded from the stem The detection signal is taken out from the lead terminal. Furthermore, the infrared detector is provided with a wavelength filter (wavelength selection filter) including a wavelength band of infrared rays absorbed by the gas to be detected in a pass band. In this conventional example, an ellipsoidal space is formed inside the housing, and light emitting diode chips and photodiode chips are located at two focal points of the ellipsoid.
  • the light receiving surface is provided with a wavelength filter or the like that includes, in a pass band, an infrared wavelength band that is absorbed by the gas to be detected.
  • the metal case is provided with a vent, and a gas containing a gas to be detected (for example, carbon dioxide) is introduced into the metal case through the vent.
  • the detection target existing in the housing or the metal case according to the amount (level) of the infrared rays received by the infrared detector or the light receiver without being absorbed by the gas to be detected
  • the concentration of the gas can be detected.
  • the wavelength filter used in the conventional example is usually configured by a band pass filter (interference filter) made of a dielectric multilayer film, there is a defect that the incident angle dependency is high. That is, in the case of the conventional example described in Patent Document 1 and Patent Document 2, after being emitted from the light source, among the infrared rays of the wavelength belonging to the passband, the infrared rays reflected by the inner surface of the ellipsoid or the reflecting surface of the elliptical reflecting mirror Most of them may not be able to pass through the wavelength filter.
  • a band pass filter interference filter
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to suppress a decrease in the amount of infrared light received due to the incident angle dependency of the wavelength filter.
  • the gas component detection device includes one or more light emitting units emitting infrared light, one or more light receiving units receiving light and converting infrared light into an electric signal, and holding the light emitting unit and the light receiving unit.
  • Body one or more light guides for guiding the optical path of infrared light radiated from the light emitting section to the light receiving surface of the light receiving section, a light passing path including a predetermined wavelength band in the pass band ,
  • the light guide includes a first reflecting mirror facing the light emitting portion, and a second light facing the light receiving surface of the light receiving portion. It is characterized by having a reflecting mirror, and the 3rd reflecting mirror by which the said 1st reflecting mirror and the said 2nd reflecting mirror were arranged at the both ends.
  • the light guide further includes a branch portion that branches the optical path of the infrared light reflected by the first reflecting mirror, and the second reflecting mirror is for each of the optical paths branched by the branch portion. It is preferable to divide and arrange
  • the first reflecting mirror has a parabolic reflecting surface, and the light emitting unit is disposed at the position of the focal point of the parabolic surface.
  • the second reflecting mirror preferably has a curved reflecting surface.
  • the light emitting unit preferably comprises a semiconductor chip that emits infrared radiation
  • the light receiving unit preferably comprises a semiconductor chip that receives infrared radiation and converts it into an electrical signal.
  • at least one wavelength filter in the wavelength filter includes a first wavelength filter including a wavelength band absorbed by a gas to be detected in a passband, and the passband of the first wavelength filter.
  • a second wavelength filter that includes in the passband a wavelength band near the passband, wherein at least one of the light receiving sections is a first light receiving section that receives infrared light passing through the first wavelength filter
  • a second light receiving unit that receives infrared light passing through the second wavelength filter.
  • the gas component detection apparatus includes a signal processing circuit unit that processes an electric signal output from the light receiving unit, and the signal processing circuit unit is sandwiched between the light emitting unit and the light receiving unit outside the light guide. It is preferable to be placed at a fixed position. In this gas component detection device, it is preferable that a fourth reflecting mirror be disposed between the signal processing circuit unit and the light path. In this gas component detection device, the fourth reflection mirror is formed in a flat plate shape having one surface as a reflection surface, and is held by the holder so that the reflection surface is flush with the light emission surface of the light emitting unit. Is preferred.
  • a wall is provided between the light emitting unit and the signal processing circuit unit to shield infrared rays emitted from the light emitting unit.
  • the wall is preferably integrally formed with the holder.
  • the wavelength filter is preferably held by the holder together with the light receiving unit.
  • the wavelength filter be housed inside the light guide.
  • a condensing lens be disposed on the optical path between the light emitting unit and the light guide.
  • the wavelength filter is preferably attached to the light receiving unit.
  • the holding body is a three-dimensional wiring board on which a wiring to the light emitting unit and the light receiving unit is integrally formed.
  • the light guide includes a cover that holds the light guide and is coupled to the holder, and one or more projections are provided on the coupling surface of the car with the holder, and the projections are fitted It is preferable that a mating fitting hole is provided on the coupling surface of the holder, and a hole having a diameter smaller than that of the fitting hole is provided on the bottom surface of the fitting hole.
  • the gas component detection device of the present invention has the effect of being able to suppress the decrease in the amount of infrared light received due to the incident angle dependency of the wavelength filter.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of Embodiment 1; It is a schematic disassembled perspective view same as the above. It is a schematic perspective view of the circuit block in the same as the above. It is a schematic principal part sectional view same as the above.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing another configuration of the above and omitting the part. The other structure of the light-receiving part in the same as the above and a wavelength filter is shown, (a) is a schematic sectional view, (b) is a schematic disassembled perspective view, (c) is a schematic sectional view of still another configuration. is there.
  • FIG. 5 is a schematic exploded perspective view of Embodiment 2.
  • FIG. It is a schematic perspective view of the circuit block which shows another structure same as the above.
  • the optical block in Embodiment 3 is shown, (a) is a schematic bottom view, (b) is a schematic sectional drawing of 9B-9B in Fig.9 (a).
  • (A) is a schematic bottom view of the optical block of another structure in the same as the above.
  • the optical block of the further another structure in the same as the above is shown, (a) is a schematic bottom view, (b) is 11B-11B schematic sectional drawing in Fig.11 (a).
  • the optical block in Embodiment 4 is shown, (a) is a rough bottom view, (b) is 12B-12B schematic sectional drawing in Fig.12 (a).
  • a gas component detection device (hereinafter referred to as a gas sensor) of the present embodiment is configured of a circuit block 1 and an optical block 2 as shown in FIG.
  • the circuit block 1 is configured such that the light emitting unit 3, the light receiving unit 4, the wavelength filter 5, the wiring board 11 on which the signal processing circuit unit 6 is mounted, and the like are housed inside a body 10 made of a synthetic resin molded body.
  • the light emitting unit 3 is composed of a semiconductor bare chip (for example, a light emitting diode chip or a light source formed by forming a resistive element using a MEMS technology on a semiconductor substrate) that emits infrared light.
  • the wavelength of the infrared rays emitted from the light emitting unit 3 is a wavelength that is easily absorbed by the gas to be detected (for example, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, nitrogen oxide, etc.).
  • the light receiving unit 4 is formed of a semiconductor bare chip (for example, a photodiode chip or a pyroelectric element) that receives infrared light and converts it into an electric signal.
  • the wavelength filter 5 is a band pass filter including, in a pass band, a predetermined wavelength band, for example, a wavelength band absorbed by a gas to be detected among infrared wavelengths emitted from the light emitting unit 3.
  • This type of band pass filter is also called an interference filter, and mainly has a multilayer structure of dielectric films.
  • the signal processing circuit unit 6 drives the light emitting unit 3 to irradiate infrared light, and amplification, waveform shaping, sampling, A / D conversion, arithmetic processing, correction processing, and abnormality on a signal output from the light receiving unit 4 It comprises an integrated circuit (IC) that performs signal processing such as concentration determination processing.
  • the wiring board 11 has a rectangular main portion 11A as shown in FIG.
  • the signal processing circuit unit 6 is mounted substantially at the center of the main portion 11A, and printed wiring (not shown) is formed on the upper surface of the main portion 11A and the upper surface of the extension portion 11B. That is, the signal processing unit 6 is disposed at a position between the light emitting unit 3 and the light receiving unit 4 outside the light guide 8.
  • the body 10 is formed in a flat rectangular parallelepiped shape and is provided with a recess 100 opening on the upper surface side, and the wiring board 11 is accommodated in the recess 100.
  • a concave portion 101 is formed at the left end portion on the upper surface side of the body 10, and the light emitting portion 3 is mounted on the bottom surface (lower surface) of the concave portion 101 (see FIG. 1). That is, in the present embodiment, the body 10 corresponds to a holder.
  • the light emitting unit 3 is electrically connected to the printed wiring of the extension 11B by an appropriate method such as wire bonding.
  • a wall 102 having substantially the same height as the upper surface of the body 10 is provided.
  • a wall 102 is provided between the light emitting unit 3 and the signal processing circuit unit 4, and the infrared light emitted from the light emitting unit 3 is shielded by the wall 102, thereby causing a signal caused by the irradiation of the infrared light. Malfunction of the processing circuit unit 6 can be suppressed. Moreover, since such a wall 102 is integrally formed with the body 10, there is an advantage that cost and size can be reduced as compared with the case where the wall is formed separately from the body 10.
  • the upper concave portion 103 whose depth in the vertical direction is substantially equal to the thickness of the wavelength filter 5 (height in the vertical direction)
  • a lower recess 104 is formed.
  • the light receiving unit 4 is mounted on the bottom surface (lower surface) of the lower recess 104, and the wavelength filter 5 is disposed at the center of the upper recess 103 so as to cover the upper side of the light receiving unit 4 (see FIG. 1).
  • the light receiving unit 4 is electrically connected to the printed wiring of the main unit 11A by an appropriate method such as wire bonding.
  • the wavelength filter 5 is held on the body 10 together with the light receiving unit 4, there is no need to store the wavelength filter 5 in a package, so that cost reduction and downsizing can be achieved.
  • a plurality of (four in the illustrated example) terminals 12 project side by side in the left-right direction. These terminals 12 are made of metal plates and are insert-molded on the body 10.
  • prismatic pedestal portions 105 are respectively formed on the front and the back in the recess 100 (only in the figure is on the rear), and the end portions of the four terminals 12 projecting on the front side are exposed on the upper surface of the front pedestal 105 The end portions 12A of the four terminals 12 projecting to the rear side surface are exposed on the upper surface of the rear pedestal portion 105. Then, the end 12A of each terminal 12 exposed on the upper surface of the pedestal portion 105 is electrically connected to the printed wiring of the wiring board 11 by an appropriate method such as wire bonding.
  • the optical block 2 is configured by housing the light guide 8 inside a cover 20 made of a synthetic resin molded body. (See FIG.
  • the cover 20 is formed in a rectangular parallelepiped shape having the same length dimension as the body 10 in the front and rear and left and right sides and a recess 200 opened on the lower surface side is provided. It is joined to the upper surface side of the body 10 in the stored state. Further, a rectangular vent hole 201 penetrating the cover 20 in the vertical direction is provided at the center of the upper portion of the cover 20, and outside air (a plurality of mixed gases containing a gas to be detected) through the vent hole 201. ) Are introduced into the recess 200 (light guide 8).
  • the shape of the vent hole 201 is not limited to a rectangular shape, and may be another shape such as a circular shape, and may be plural.
  • the light guide 8 is configured by a first reflecting mirror 80, a second reflecting mirror 81, a third reflecting mirror 82, and a fourth reflecting mirror 83, as shown in FIG.
  • the first reflecting mirror 80 has, for example, a parabolic reflecting surface, and a direction along the upper surface of the body 10 of the optical path (optical axis) (see dashed line in FIG. 1) of infrared light emitted from the light emitting unit 3 It reflects (changes) in the (left and right direction).
  • the second reflecting mirror 81 has, for example, a flat reflecting surface, and a direction (vertical direction) intersecting the light path (optical axis) changed by the first reflecting mirror 80 with the light receiving surface (upper surface) of the light receiving unit 4 To reflect (change).
  • the wavelength filter 5 is disposed on the optical path of the infrared light guided by the light guide 8, and is disposed between the second reflecting mirror 81 and the light receiving unit 4 in the present embodiment.
  • the third reflecting mirror 82 is formed in a semi-cylindrical shape in which the first reflecting mirror 80 and the second reflecting mirror 81 are disposed at both ends. However, at the central portion of the third reflecting mirror 82, a hole (not shown) connected to the vent hole 201 of the cover 20 is opened.
  • the three reflecting mirrors 80 to 82 may be formed of a metal material and may be insert-molded on the cover 20, or formed by depositing or plating a metal such as aluminum on the inner surface of the recess 200. It may be done. In particular, when the reflecting mirrors 80 to 82 are formed by vapor deposition or plating, cost reduction and improvement in dimensional accuracy can be achieved as compared with the case where they are formed of a metal material.
  • the fourth reflection mirror 83 is formed in a flat plate shape by a plate material of a metal material such as aluminum as shown in FIG. 2, or formed in a flat plate shape by depositing or plating a metal such as aluminum on a molded product. Be done.
  • a step 106 substantially equal to the thickness (thickness in the vertical direction) of the fourth reflecting mirror 83 is formed at the front and rear opening edges in the recess 100 of the body 10, and the fourth reflection is performed with the reflecting surface facing upward
  • the front and rear ends of the mirror 83 are placed on the step 106. That is, as shown in FIG. 1, the opening of the recess 100 is closed by the fourth reflecting mirror 83 in the range from the wall 102 of the body 10 to the upper recess 103. That is, the fourth reflecting mirror 83 is disposed between the signal processing unit 6 and the light path.
  • the reflecting surface (upper surface) of the fourth reflecting mirror 83 becomes lower than the light emitting surface (upper surface) of the light emitting unit 3, the depth of the recess 100 in which the signal processing circuit unit 6, the wiring board 11, etc. Because it must be done, the thickness (height) of the body 10 is increased.
  • the reflection surface of the fourth reflecting mirror 83 is higher than the light emitting surface of the light emitting unit 3, infrared rays are reflected at the end of the fourth reflecting mirror 83 and the loss increases. The need to increase the size will make miniaturization difficult.
  • the fourth reflection mirror 83 is mounted on the step 106 substantially equal to the thickness dimension thereof, so that the reflection surface of the fourth reflection mirror 83 is the light emitting surface (upper surface) of the light emitting portion 3. Since it is flush, the above-mentioned inconvenience can be avoided.
  • the outside light is introduced into the light guide 8 through the vent hole 201, and the infrared ray emitted from the light emitting unit 3 is absorbed by the gas to be detected which is included in the outside air. The amount of infrared rays received by 4 decreases.
  • the signal processing circuit unit 6 processes the output signal of the light receiving unit 4 according to the infrared light reception amount, thereby detecting the concentration of the gas (gas component) to be detected included in the outside air in the light guide 8 it can.
  • the specific content of the signal processing performed by the signal processing circuit unit 6 to detect the gas concentration is conventionally known, the detailed description will be omitted.
  • the optical path of the infrared light (see the broken line in FIG. 1) is changed to a substantially C shape by the first reflecting mirror 80 and the second reflecting mirror 81, and the infrared incident angle of the wavelength filter 5 (wavelength filter 5 The angle with the normal direction of the surface (same below) is almost zero.
  • the influence of the incident angle dependency of the wavelength filter 5 can be reduced, and as a result, the amount of infrared rays passing through the wavelength filter 5 and reaching the light receiving unit 4 can be increased. It is possible to suppress the decrease in the detection accuracy of the gas component.
  • the height dimension in the vertical direction can be reduced (the height can be reduced) without shortening the optical path length as compared with the conventional example described in Patent Document 2 in which the optical path is substantially V-shaped. .
  • the reduction in height shortens the distance from the vent hole 201 to the optical path as compared with the conventional example described in Patent Document 2, thereby improving detection responsiveness to a change in the ratio of the detection target gas in the open air.
  • the light emitting unit 3 and the light receiving unit 4 are each formed of a semiconductor bare chip (a light emitting diode chip and a photodiode chip), the wiring can be simplified compared to the conventional example in which a package type light emitting diode or photodiode is used.
  • the signal processing circuit unit 6 is disposed at a position which is sandwiched between the light emitting unit 3 and the light receiving unit 4 and does not overlap with the light path changed by the first reflecting mirror 80, that is, inside the body 10 (inside the recess 100). By utilizing the dead space, the dead space is effectively used to miniaturize the body 10 and the cover 20.
  • substantially cylindrical protrusions 202 respectively project downward at the center in the left-right direction on the lower surface of the cover 20 and at both ends in the front-rear direction (see FIG. 4).
  • circular fitting holes 107 fitted to the projections 202 of the cover 20 are provided respectively near the center in the left-right direction and on both ends in the front-rear direction on the upper surface of the body 10 (see FIGS. 2 and 3). That is, positioning of the body 10 and the cover 20 at the time of bonding is made possible by fitting the projection 202 and the fitting hole 107, alignment of the light emitting unit 3 and the first reflecting mirror 80, and the light receiving unit 4 and the second reflection. Alignment with the mirror 81 is facilitated.
  • the reflecting surface of the first reflecting mirror 80 is formed in a parabolic shape, and the light emitting portion is positioned at the focal point of the reflecting surface (paraboloid) by positioning the body 10 and the cover 20. 3 can be easily arranged.
  • the light emitting unit 3 and the light receiving unit 4 are generated using an image processing technique (for example, edge detection) known from an image of the body 10 captured by a camera from above. The positioning of the mounting position is performed.
  • an image processing technique for example, edge detection
  • a hole 108 having a diameter smaller than that of the fitting hole 107 is provided on the bottom of the fitting hole 107 in the body 10, and the fitting hole 107 is formed by the opening edge of this hole 108.
  • the position of the light emitting unit 3 or the light receiving unit 4 is positioned with reference to the position of the fitting hole 107.
  • the position of the fitting hole 107 is detected by the opening edge of the fitting hole 107 using a known image processing technique, the position of the surface of the light emitting unit 3 or the light receiving unit 4 in the depth direction and the depth of the fitting hole 107 Since the position in the longitudinal direction is different, a position detection error occurs due to a difference in the imaging (focus) position in the captured image.
  • a small diameter hole 108 is provided, and the position in the depth direction of the opening edge is provided the same as or substantially the same as the position in the depth direction of the surface of the light emitting portion 3 or the light receiving portion 4. That is, in the present embodiment, the positioning of the circuit block 1 and the optical block 2 and the positioning of the mounting positions of the light emitting unit 3 and the light receiving unit 4 with respect to the body 10 are performed based on the same fitting hole 107.
  • the accuracy of alignment between the light emitting unit 3 and the light receiving unit 4 and the light guide 8 (the first reflecting mirror 80 and the second reflecting mirror 81) Has the advantage of improving One such protrusion 202 and one fitting hole 107 may be provided.
  • the size of the first reflecting mirror 80 is not so small that the light emitting unit 3 can be regarded as a point light source, only a part of the infrared ray emitted from the light emitting unit 3 is a reflecting surface of the first reflecting mirror 80 Will not go through the focus of Then, a part of the infrared rays not passing through the focal point of the reflection surface deviates from the incident angle range of the wavelength filter 5, and the amount of infrared rays received by the light receiving unit 4 is reduced. Therefore, as shown in FIG.
  • a condensing lens 21 is disposed on the optical path between the light emitting unit 3 and the first reflecting mirror 80, and the condensing point of the lens 21 and the focal point of the first reflecting mirror 80 are made to coincide. Is preferred. In this way, most of the infrared radiation emitted from the light emitting unit 3 passes through the focal point of the first reflecting mirror 80, so that the infrared radiation can be efficiently received by the light receiving unit 4.
  • the wavelength filter 5 is attached to the body 10 in the present embodiment, the wavelength filter 5 may be attached to the light receiving unit 4 (semiconductor bare chip) as shown in FIG.
  • a rectangular flat wavelength filter 5 is bonded to the upper surface of the light receiving unit 4 so as to cover the light receiving surface 40 of the light receiving unit 4.
  • a frame 50 is provided on the periphery of the lower surface of the wavelength filter 5, and a space is formed between the light receiving surface 40 of the light receiving unit 4 and the lower surface of the wavelength filter 5 by the frame 50.
  • the wavelength filter 5 whose lower surface is flat may be bonded by a bonding material 51 such as a low melting glass, a low melting metal, or a polymer (see FIG. 6C).
  • the wavelength filter 5 When the wavelength filter 5 is integrally formed with the light receiving portion 4 in this manner, the upper concave portion 103 for attaching the wavelength filter 5 is unnecessary, and furthermore, the gap between the wavelength filter 5 and the light receiving surface is reduced. There is an advantage that the thickness of the body 10 can be reduced to achieve miniaturization (reduction in height). Furthermore, the large number of light receiving portions 4 and the wavelength filters 5 can be manufactured collectively by using the manufacturing process of the semiconductor wafer, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the wavelength filter 5 may be provided between the first reflecting mirror 80 and the second reflecting mirror 81, that is, inside the light guide.
  • the reflecting surface of the first reflecting mirror 80 is not limited to a parabolic surface, and may have a reflecting surface with a spherical shape or a polygonal surface, for example.
  • the second reflecting mirror 81 is not limited to a flat reflecting surface, and may have a curved reflecting surface.
  • Second Embodiment The gas sensor of this embodiment is shown in FIG. The present embodiment is characterized in that two sets of the light receiving unit 4 and the wavelength filter 5 are provided, and the other configuration is the same as that of the first embodiment. Therefore, the same components as in the first embodiment will be assigned the same reference numerals, and the illustration and description will be omitted as appropriate. As shown in FIG.
  • two lower concave portions 104A and 104B are formed side by side in the front-rear direction. And while the 1st light receiving part 4A and the 2nd light receiving part 4B are each mounted in the bottom of each lower side crevice 104A, 104B, the 1st wavelength filter 5A and the 2nd so that the upper part of each light receiving part 4A, 4B may be covered.
  • the wavelength filter 4 B is disposed on the bottom of the upper recess 103.
  • the first wavelength filter 5A includes the wavelength range of infrared rays absorbed by the gas to be detected in the passband
  • the second wavelength filter 5B passes the wavelength band of infrared rays absorbed by the gas to be detected in the passband
  • a wavelength band near the wavelength band is included in the pass band. That is, of the infrared rays emitted from the light emitting portion 3, the amount of infrared rays received through the first wavelength filter 5A and received by the first light receiving portion 4A decreases according to the concentration of the gas to be detected. The amount of infrared light passing through the two-wavelength filter 5B and received by the second light receiving unit 4B does not decrease according to the concentration of the gas to be detected.
  • the signal processing circuit unit 6 calculates the difference between the output signal levels of the first light receiving unit 4A and the second light receiving unit 4B, and calculates the concentration of the gas to be detected based on the difference. That is, when the signal processing circuit unit 6 calculates the gas concentration based on the output signal level of the light receiving unit 4 as in the first embodiment, when the output signal level of the light receiving unit 4 fluctuates due to some disturbance factor There is a possibility that the detection accuracy may be reduced.
  • the signal processing circuit unit 6 calculates the concentration of the gas to be detected based on the difference between the output signal levels of the first light receiving unit 4A and the second light receiving unit 4B as described above, the output of each light receiving unit 4 The fluctuation of the signal level can be offset to suppress the decrease in the detection accuracy of the gas concentration.
  • the body 10 is a three-dimensional wiring substrate (so-called MID substrate) in which the wiring to the light emitting portion and the light receiving portion can be integrally formed as shown in FIG. 8, the signal processing circuit portion 6 does not intervene the wiring board 11. As it can be directly mounted to 10, the body 10 can be further miniaturized. (Embodiment 3) The gas sensor of this embodiment is shown in FIG.
  • the present embodiment is characterized in the configuration of the optical block 2 and the other configuration is the same as that of the second embodiment. Therefore, the same components as in the second embodiment will be assigned the same reference numerals, and the illustration and description will be omitted as appropriate.
  • the light guide 8 includes a branch portion 203 which is provided to stand downward from the bottom surface of the recess 200 of the cover 20.
  • the bifurcated portion 203 is formed of a bowl-shaped wall whose front end (left end) is tapered, and its rear end (right end) is located between the first light receiving portion 4A and the second light receiving portion 4B.
  • the light path of the infrared light reflected by the light source is branched into two light paths (see FIG.
  • the first wavelength filter 5A and the second wavelength filter 5B are disposed in the middle of each optical path branched by the branching unit 203, and the second reflecting mirrors 81A and 81B are divided and arranged for each optical path. That is, the infrared ray having traveled through one optical path (main optical path) passes through the first wavelength filter 5A and is reflected by the divided second reflecting mirror 81A and received by the first light receiving unit 4A, and the other optical path (sub-optical path Is transmitted through the second wavelength filter 5B and reflected by the divided second reflecting mirror 81B to be received by the second light receiving unit 4B.
  • the incident range of infrared light (hereinafter referred to as a spot) on the light receiving surface of the first light receiving unit 4A and the second light receiving unit 4B is the same. It becomes relatively large, and there is a possibility that the light reception amount of the infrared rays in the 1st light sensing portion 4A and the 2nd light sensing portion 4B may decrease.
  • the spots with respect to the light receiving surfaces of the first light receiving unit 4A and the second light receiving unit 4B become relatively small.
  • One or more vent holes 201 are provided in the light guide 8 (see FIG. 10).
  • the wavelength filters 5a and 5b may be located between the first reflecting mirror 80 and the wavelength filter
  • the passing amount of infrared rays at the end on the side of the branched portion 203 of the optical path is small, so as shown in FIGS. Is desirable.
  • the reflecting surfaces of the second reflecting mirrors 81A and 81B are curved surfaces (concave curved surfaces) as shown in FIG. 11, the light reflected by the reflecting surfaces of the second reflecting mirrors 81A and 81B is condensed to make spots Since reduction is possible, it is possible to further suppress a decrease in the amount of infrared light received by the first light receiving unit 4A and the second light receiving unit 4B.
  • the gas sensor that detects the concentration of one type of gas contained in the outside air is illustrated.
  • the gas sensor according to the present embodiment includes a plurality of sets (two sets in the illustrated example) of the light emitting unit 3, the light receiving unit 4, the wavelength filter 5, and the light guide 8.
  • the concentration of different types of gas can be detected each time.
  • two light emitting units 3 and two light receiving units 4 are mounted on the body, and in the recess 200 of the cover 20, the infrared light emitted from each light emitting unit 3 is received by each light receiving unit 4
  • Two light guides 8 for guiding light up to one another are arranged in parallel.
  • the two light guides 8 have the same configuration as the light guide of the first embodiment except that the wavelength filters 5 are disposed on the optical path between the first reflecting mirror 80 and the second reflecting mirror 81, respectively.
  • Each wavelength filter 5 is a band pass filter including in the pass band a wavelength corresponding to the absorption characteristic of the gas to be detected.
  • the concentrations of two different gases for example, carbon monoxide and nitrogen oxides
  • the reflection surface of the second reflecting mirror 81 may be a curved surface (concave surface).
  • each group includes a branch unit, a first light receiving unit 4A, a second light receiving unit 4B, a first wavelength filter 5A, and a second wavelength filter 4B.
  • the concentration of each gas may be detected from the difference between the output signal levels of the light receiving unit 4B.
  • the first set may include the first light receiving unit 4A, the second light receiving unit 4B, the first wavelength filter 5A, and the second wavelength filter 4B, and the second set may include the light receiving unit 4 and the wavelength filter 5.
  • the first set detects the concentration of each gas from the difference between the output signal levels of the first light receiver 4A and the second light receiver 4B, and the second set receives the light receiver 4 and the first light receiver
  • the concentration of each gas can also be detected from the difference of the output signal level of 4B.
  • the fourth reflecting mirror 83 is not shown in FIGS. 9A, 10, 11 and 12 (a), and the light emitting part 3 and the light receiving part 4 are shown in FIGS. . All the above-mentioned embodiment, the example of an explanation in an embodiment, and modification can be performed combining with each other.

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Abstract

波長フィルタの入射角依存性に起因した赤外線受光量の減少を抑制する。第１反射鏡80と第２反射鏡81によって赤外線の光路（図１の破線参照）が略コ字形に変更されている。そのため、波長フィルタ５の赤外線の入射角（波長フィルタ５表面の法線方向との為す角。以下、同じ。）がほぼ零度となっており、従来例に比べて波長フィルタ５の入射角依存性の影響を受け難くすることができる。その結果、波長フィルタ５を通過して受光部４に到達する赤外線量を増やすことができて気体成分の検出精度の低下を抑制することができる。

Description

気体成分検出装置
　本発明は、赤外線の吸収特性を利用して気体成分の濃度を検出する気体成分検出装置に関する。
　従来の気体成分検出装置として、特許文献１に記載されている赤外線式ガス検出器や特許文献２に記載されている赤外線ガス分析計などがある。
　引用文献１記載の従来例は、検出対象の気体（例えば、一酸化炭素など）が内部に導入されるハウジングと、ハウジング内に赤外線を照射する光源と、ハウジング内の赤外線を検出する赤外線検出器とを備える。光源は、発光ダイオードチップ（ベア素子）、ベア素子が実装されるステム、ベア素子を封止する封止材などで構成されるパッケージ型の発光ダイオードからなり、ステムに突設されるリード端子から給電されて発光する。また、赤外線検出器は、フォトダイオードチップ（ベア素子）、ベア素子が実装されるステム、ベア素子を封止する封止材などで構成されるパッケージ型のフォトダイオードからなり、ステムに突設されるリード端子から検出信号が取り出される。さらに、赤外線検出器には、検出対象の気体に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含む波長フィルタ（波長選択フィルタ）が設けられている。この従来例では、ハウジングの内部に楕円体形状の空間が形成され、当該楕円体の２つの焦点に発光ダイオードチップ並びにフォトダイオードチップが位置している。一方、引用文献２記載の従来例は、箱形の金属ケース、金属ケース内に配設される楕円反射鏡、楕円反射鏡の反射面と対向して配置される光源及び受光器、受光器の受光面に設けられて検出対象の気体に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含む波長フィルタなどを備える。金属ケースには通気孔が設けられ、検出対象の気体（例えば、二酸化炭素）を含む気体が当該通気孔を通して金属ケース内に導入される。そして、光源から照射される赤外線のうちで検出対象の気体に吸収されずに赤外線検出器や受光器で受光される赤外線の量（レベル）に応じて、ハウジングや金属ケース内に存在する検出対象の気体の濃度を検出することができる。
特開２００６−２７５９８０号公報 特開平９−１８４８０３号公報
　ところで、従来例に用いられる波長フィルタは、通常、誘電体多層膜からなるバンドパスフィルタ（干渉フィルタ）で構成されているため、入射角依存性が高いという欠点がある。つまり、特許文献１や特許文献２に記載されている従来例の場合、通過域に属する波長の赤外線のうちで光源から放射された後に楕円体の内面や楕円反射鏡の反射面で反射した赤外線の大部分が波長フィルタを通過できなくなる虞がある。そして、波長フィルタを通過して赤外線検出器や受光器に到達する赤外線の量が減少すれば、気体成分の検出精度が低下してしまうことになる。
　本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、波長フィルタの入射角依存性に起因した赤外線受光量の減少を抑制することを目的とする。
　本発明の気体成分検出装置は、赤外線を放射する１乃至複数の発光部と、赤外線を受光して電気信号に変換する１乃至複数の受光部と、前記発光部及び前記受光部を保持する保持体と、前記発光部から放射される赤外線の光路を前記受光部の受光面まで導光する１乃至複数の導光体と、所定の波長帯域を通過域に含み且つ前記導光体に導光される前記赤外線の光路上に配置される１乃至複数の波長フィルタとを備え、当該導光体は、前記発光部に対向する第１反射鏡と、前記受光部の受光面に対向する第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡が両端に配置された第３反射鏡とを有することを特徴とする。
　この気体成分検出装置において、前記導光体は、前記第１反射鏡で反射された赤外線の光路を分岐する分岐部をさらに備え、前記第２反射鏡は前記分岐部で分岐された光路毎に分割されて配置されることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記発光部と前記受光部と前記波長フィルタと前記導光体の組を複数組備えることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記第１反射鏡は放物面形状の反射面を有し、当該放物面の焦点の位置に前記発光部が配置されることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記第２反射鏡は曲面形状の反射面を有することが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記発光部は赤外線を放射する半導体チップからなり、前記受光部は赤外線を受光して電気信号に変換する半導体チップからなることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記波長フィルタ中少なくとも１つの波長フィルタは、検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含む第１波長フィルタと、当該第１波長フィルタの前記通過域を含まず且つ当該通過域近傍の波長帯域を通過域に含む第２波長フィルタとを含み、前記受光部中少なくとも１つの受光部は、前記第１波長フィルタを通過する赤外線を受光する第１受光部と、前記第２波長フィルタを通過する赤外線を受光する第２受光部とを含むことが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記受光部から出力される電気信号を信号処理する信号処理回路部を備え、当該信号処理回路部は、前記導光体の外側において前記発光部と前記受光部に挟まれた位置に配置されることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記信号処理回路部と前記光路との間に第４反射鏡が配置されることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記第４反射鏡は、一面を反射面とする平板状に形成され、当該反射面が前記発光部の発光面と面一となるように前記保持体に保持されることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記発光部と前記信号処理回路部との間に、前記発光部から放射される赤外線を遮蔽する壁が設けられることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記壁は前記保持体と一体に形成されることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記波長フィルタは前記受光部とともに前記保持体に保持されることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記波長フィルタは前記導光体の内部に収納されることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記発光部と前記導光体の間の光路上に集光用のレンズが配置されることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記波長フィルタは前記受光部に取り付けられることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記保持体は、前記発光部及び前記受光部への配線が一体に形成される立体配線基板であることが好ましい。
　この気体成分検出装置において、前記導光体を保持して前記保持体と結合されるカバーを備え、当該カーの前記保持体との結合面に１乃至複数の突起が設けられ、当該突起と嵌合する嵌合孔が前記保持体の前記結合面に設けられ、当該嵌合孔よりも小径の孔が当該嵌合孔の底面に設けられることが好ましい。
発明の効果
本発明の気体成分検出装置は、波長フィルタの入射角依存性に起因した赤外線受光量の減少を抑制することができるという効果がある。
　本発明の目的及び特徴は以下のような添付図面と好ましい実施例の説明により明確になる。
実施形態１の概略的な断面図である。 同上の概略的な分解斜視図である。 同上における回路ブロックの概略的な斜視図である。 同上の概略的な要部断面図である。 同上における別の構成を示し、一部省略した概略的な断面図である。 同上における受光部と波長フィルタの別の構成を示し、（ａ）は概略的な断面図、（ｂ）は概略的な分解斜視図、（ｃ）はさらに別の構成の概略的な断面図である。 実施形態２の概略的な分解斜視図である。 同上の別の構成を示す回路ブロックの概略的な斜視図である。 実施形態３における光学ブロックを示し、（ａ）は概略的な下面図、（ｂ）は図９（ａ）での９Ｂ−９Ｂの概略的な断面図である。 （ａ），（ｂ）は同上における別の構成の光学ブロックの概略的な下面図である。 同上におけるさらに別の構成の光学ブロックを示し、（ａ）は概略的な下面図、（ｂ）は図１１（ａ）での１１Ｂ−１１Ｂ概略的な断面図である。 実施形態４における光学ブロックを示し、（ａ）は概略的な下面図、（ｂ）は図１２（ａ）での１２Ｂ−１２Ｂ概略的な断面図である。
　以下、本発明の実施形態を本明細書の一部を成す添付図面を参照してより詳細に説明する。図面全体において同一又は類似する部分については同一参照符号を付して説明を省略する。
　（実施形態１）
　本実施形態の気体成分検出装置（以下、ガスセンサと呼ぶ。）は、図２に示すように回路ブロック１と光学ブロック２で構成されている。なお、以下の説明では、図２において上下左右前後を規定する。
　回路ブロック１は、合成樹脂成形体からなるボディ１０の内部に発光部３、受光部４、波長フィルタ５、信号処理回路部６を実装した配線板１１などが収納されて構成される。発光部３は、赤外線を放射する半導体ベアチップ（例えば、発光ダイオードチップや半導体基板上にＭＥＭＳ技術を用いた抵抗素子が形成されてなる光源）からなる。ただし、発光部３から放射される赤外線の波長は、検出対象の気体（例えば、一酸化炭素や二酸化炭素、メタン、窒素酸化物など）に吸収され易い波長である。また受光部４は、赤外線を受光して電気信号に変換する半導体ベアチップ（例えば、フォトダイオードチップや焦電素子）からなる。波長フィルタ５は、所定の波長帯域、例えば、発光部３から放射される赤外線の波長の中で検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。この種のバンドパスフィルタは干渉フィルタとも呼ばれ、主に誘電体膜の多層構造を有している。信号処理回路部６は、発光部３を駆動して赤外線を照射させたり、受光部４から出力される信号に対して増幅や波形整形、サンプリング、Ａ／Ｄ変換、演算処理、補正処理、異常濃度判定処理などの信号処理を行う集積回路（ＩＣ）からなる。
　配線板１１は、図３に示すように長方形状の主部１１Ａと、主部１１Ａよりも小さい長方形状であって主部１１Ａの左後端より左方へ突出する延長部１１Ｂとが一体に形成されている。主部１１Ａのほぼ中央に信号処理回路部６が実装され、図示しないプリント配線が主部１１Ａの上面及び延長部１１Ｂの上面に形成されている。つまり、信号処理部６は導光体８の外側において発光部３と受光部４に挟まれた位置に配置される。
　ボディ１０は、扁平な直方体形状に形成されるとともに上面側に開口する凹所１００が設けられ、この凹所１００内に配線板１１を収納する。また、ボディ１０の上面側における左端部には、凹部１０１が形成されており、この凹部１０１の底面（下面）に発光部３が実装される（図１参照）。すなわち、本実施形態ではボディ１０が保持体に相当する。なお、発光部３は、ワイヤボンディングなどの適宜の方法により、延長部１１Ｂのプリント配線と電気的に接続される。ここで、凹部１０１の右端にはボディ１０の上面とほぼ同じ高さの壁１０２が設けられている。つまり、発光部３と信号処理回路部４との間には壁１０２が設けられ、発光部３から放射される赤外線が壁１０２で遮蔽されることにより、赤外線が照射されることに起因した信号処理回路部６の誤動作を抑制することができる。しかも、このような壁１０２がボディ１０と一体に形成されているため、壁がボディ１０と別体に形成される場合と比較して低コスト化及び小型化が図れるという利点がある。
　一方、ボディ１０の上面側における右端部には、上下方向の深さが波長フィルタ５の厚み（上下方向の高さ）にほぼ等しい上側凹部１０３と、上側凹部１０３の前後方向における中央に位置する下側凹部１０４とが形成されている。そして、下側凹部１０４の底面（下面）に受光部４が実装され、受光部４の上方を覆うように上側凹部１０３の中央に波長フィルタ５が配置される（図１参照）。なお、受光部４は、ワイヤボンディングなどの適宜の方法により、主部１１Ａのプリント配線と電気的に接続される。ここで、本実施形態では受光部４とともに波長フィルタ５をボディ１０に保持させているので、波長フィルタ５をパッケージに収納する必要が無いことから低コスト化及び小型化が図れるという利点がある。
　ボディ１０の前後両側面には、図２及び図３に示すように複数（図示例では４つ）の端子１２が左右方向に並んで突出している。これらの端子１２は金属板からなり、ボディ１０にインサート成形されている。また、凹所１００内の前方及び後方に角柱状の台部１０５がそれぞれ形成され（図示は後方のみ）、前側面に突出する４つの端子１２の端部が前方の台部１０５の上面に露出し、後側面に突出する４つの端子１２の端部１２Ａが後方の台部１０５の上面に露出している。そして、台部１０５上面に露出する各端子１２の端部１２Ａが、ワイヤボンディングなどの適宜の方法で配線板１１のプリント配線と電気的に接続される。
　光学ブロック２は、合成樹脂成形体からなるカバー２０の内部に導光体８が収納されて構成される。（図１参照）カバー２０は、前後左右の長さ寸法がボディ１０と等しい直方体形状に形成されるとともに下面側に開口する凹所２００が設けられ、この凹所２００内に導光体８を収納した状態でボディ１０の上面側に接合される。また、カバー２０上部の中央には、上下方向にカバー２０を貫通する矩形の通気孔２０１が設けられ、通気孔２０１を通して外気（検出対象の気体を含む複数種類の混合気体。以下、同し。）が凹所２００（導光体８）内に導入される。なお、通気孔２０１の形状は矩形に限定されず、円形等の他の形状であってもよく、且つ複数個であってもよい。ただし、塵埃などの外気以外の異物が通気孔２０１に進入することを防ぐため、カバー２０上面の通気孔２０１の開口は防塵フィルタ７で覆われている（図１参照）。
　導光体８は、図１に示すように第１反射鏡８０と、第２反射鏡８１と、第３反射鏡８２と、第４反射鏡８３とで構成される。第１反射鏡８０は、例えば、放物面形状の反射面を有し、発光部３から放射される赤外線の光路（光軸）（図１における破線参照）をボディ１０の上面に沿った方向（左右方向）へ反射（変更）するものである。また第２反射鏡８１は、例えば、平坦な反射面を有し、第１反射鏡８０で変更された光路（光軸）を受光部４の受光面（上面）と交差する方向（上下方向）へ反射（変更）するものである。このとき、波長フィルタ５は導光体８によって導光される赤外線の光路上に配置され、本実施形態では第２反射鏡８１と受光部４との間に配置される。また、第３反射鏡８２は第１反射鏡８０と第２反射鏡８１が両端に配置された半円筒形状に形成されている。ただし、第３反射鏡８２の中央部には、カバー２０の通気孔２０１と繋がる孔（図示せず）が開口している。なお、これら３つの反射鏡８０~８２は、金属材料で形成されてカバー２０にインサート成形されてもよいし、あるいは、凹所２００の内面にアルミニウムなどの金属が蒸着又はめっきされることで形成されてもよい。特に、反射鏡８０~８２が蒸着やめっきによって形成される場合、金属材料で形成される場合と比較して、低コスト化と寸法精度の向上を図ることができる。
　第４反射鏡８３は、図２に示すようにアルミニウムなどの金属材料の板材で平板状に構成されるか、若しくは、成形品にアルミニウムなどの金属が蒸着又はめっきされることで平板状に形成される。ボディ１０の凹所１００における前後両側の開口縁に、第４反射鏡８３の厚み（上下方向の厚み）とほぼ等しい段差１０６が形成されており、反射面を上に向けた状態で第４反射鏡８３の前後両側の端部が段差１０６上に載置される。つまり、図１に示すようにボディ１０の壁１０２から上側凹部１０３までの範囲で、凹所１００の開口が第４反射鏡８３で塞がれることになる。つまり、第４反射鏡８３は信号処理部６と光路との間に配置される。このとき、第４反射鏡８３の反射面（上面）が発光部３の発光面（上面）よりも低くなると信号処理回路部６や配線板１１などが収納される凹所１００の深さを深くしなければならないためにボディ１０の厚み（高さ）が増してしまう。一方、第４反射鏡８３の反射面が発光部３の発光面よりも高くなると第４反射鏡８３の端部で赤外線が反射して損失が増えてしまうので、発光部３や受光部４のサイズを大きくする必要が生じて小型化が困難になる。これに対して本実施形態では、第４反射鏡８３がその厚み寸法とほぼ等しい段差１０６に載置されることで第４反射鏡８３の反射面が発光部３の発光面（上面）とが面一となっているので、上述のような不都合を回避することができる。
　上述のように構成されるガスセンサでは、通気孔２０１を通して導光体８内に外気が導入され、発光部３から放射される赤外線が外気に含まれる検出対象の気体に吸収されることで受光部４の赤外線受光量が減少する。したがって、赤外線受光量に応じた受光部４の出力信号が信号処理回路部６で信号処理されることにより、導光体８内の外気に含まれる検出対象の気体（気体成分）の濃度が検出できる。ただし、気体濃度を検出するために信号処理回路部６で行われる信号処理の具体的な内容については、従来周知であるから詳細な説明は省略する。
　而して、本実施形態では第１反射鏡８０と第２反射鏡８１によって赤外線の光路（図１の破線参照）が略コ字形に変更され、波長フィルタ５の赤外線の入射角（波長フィルタ５表面の法線方向との為す角。以下、同じ。）がほぼ零度となっている。このため、従来例に比べて波長フィルタ５の入射角依存性の影響を受け難くすることができ、その結果、波長フィルタ５を通過して受光部４に到達する赤外線量を増やすことができて気体成分の検出精度の低下を抑制することができる。また本実施形態では、光路が略Ｖ字形である特許文献２記載の従来例と比較して、光路長を短縮せずに上下方向の高さ寸法を小型化（低背化）することができる。しかも、低背化により、特許文献２記載の従来例と比較して通気孔２０１から光路までの距離が短縮されるので、外気中における検出対象気体の割合変化に対する検出応答性の向上が図れるという利点もある。さらに、発光部３及び受光部４がそれぞれ半導体ベアチップ（発光ダイオードチップ及びフォトダイオードチップ）で構成されているので、パッケージ型の発光ダイオードやフォトダイオードが使用される従来例に比べて配線の簡単化が図れる。
　また本実施形態では、発光部３と受光部４に挟まれ且つ第１反射鏡８０で変更される光路と重ならない位置、すなわち、ボディ１０の内部（凹所１００内）に信号処理回路部６を配置することにより、デッドスペースを有効利用してボディ１０及びカバー２０の小型化を図っている。
　ところで、カバー２０の下面における左右方向の中央付近且つ前後方向の両端に、略円柱形状の突起２０２がそれぞれ下向きに突設されている（図４参照）。また、ボディ１０の上面における左右方向の中央付近且つ前後方向の両端に、カバー２０の突起２０２と嵌合する円形の嵌合孔１０７がそれぞれ設けられている（図２及び図３参照）。すなわち、突起２０２と嵌合孔１０７を嵌合させることでボディ１０とカバー２０の接合時の位置決めを可能とし、発光部３と第１反射鏡８０との位置合わせ及び受光部４と第２反射鏡８１との位置合わせを容易にしている。特に本実施形態では、第１反射鏡８０の反射面が放物面形状に形成されており、ボディ１０とカバー２０が位置決めされることで反射面（放物面）の焦点の位置に発光部３を容易に配置することができる。
　ここで、本実施形態が自動組立機によって組み立てられる場合、上方からカメラで撮像されるボディ１０の画像から周知の画像処理技術（例えば、エッジ検出）を利用して、発光部３や受光部４の実装位置の位置決めが行われる。本実施形態では、図４に示すようにボディ１０における嵌合孔１０７の底面に、嵌合孔１０７よりも小径の孔１０８が設けられ、この孔１０８の開口縁（エッジ）によって嵌合孔１０７の位置が検出され、嵌合孔１０７の位置を基準にして発光部３や受光部４の実装位置が位置決めされる。周知の画像処理技術を用いて嵌合穴１０７の開口縁によって嵌合穴１０７の位置検出を行った場合、発光部３や受光部４の表面の深さ方向の位置と嵌合穴１０７の深さ方向の位置が異なるため、撮像画像における結像（ピント）位置が異なることによる位置検出誤差が発生する。この位置検出誤差を低減するために小径の孔１０８を設け、その開口縁の深さ方向の位置が発光部３や受光部４の表面の深さ方向の位置と同じかほぼ同一に設けられる。つまり、本実施形態では、回路ブロック１と光学ブロック２の位置決めと、ボディ１０に対する発光部３及び受光部４の実装位置の位置決めとが同じ嵌合孔１０７を基準として行われる。その結果、双方の位置決めが異なる部位を基準とする場合に比較して、発光部３及び受光部４と導光体８（第１反射鏡８０及び第２反射鏡８１）との位置合わせの精度が向上するという利点がある。このような突起２０２と嵌合穴１０７はそれぞれ一つずつ設けても良い。
　ところで、第１反射鏡８０の大きさに対して発光部３が点光源とみなせる程度に小さくないため、発光部３から放射される赤外線の一部しか第１反射鏡８０の反射面（放物面）の焦点を通らないことになる。そして、反射面の焦点を通らない赤外線の一部が波長フィルタ５の入射角範囲から外れ、受光部４に受光される赤外線量が減少してしまうことになる。そこで、図５に示すように発光部３と第１反射鏡８０の間の光路上に集光用のレンズ２１を配置し、レンズ２１の集光点と第１反射鏡８０の焦点を一致させることが好ましい。このようにすれば、発光部３から放射される赤外線の大部分が第１反射鏡８０の焦点を通ることになるから、赤外線を効率よく受光部４に受光させることができる。
　なお、本実施形態では波長フィルタ５がボディ１０に取り付けられているが、図６に示すように波長フィルタ５が受光部４（半導体ベアチップ）に取り付けられても構わない。例えば、矩形平板状の波長フィルタ５が、受光部４の受光面４０を覆うように受光部４の上面に接合される。ただし、波長フィルタ５下面の周縁に枠部５０が設けられており、この枠部５０によって受光部４の受光面４０と波長フィルタ５の下面との間に隙間が形成されている。なお、下面が平坦である波長フィルタ５が、低融点ガラスや低融点金属、ポリマーなどの接合材５１で接合されても構わない（図６（ｃ）参照）。このように波長フィルタ５が受光部４と一体に構成されれば、波長フィルタ５を取り付けるための上側凹部１０３が不要となり、しかも、波長フィルタ５と受光面との間の隙間が小さくなるので、ボディ１０の厚みを減らして小型化（低背化）が図れるという利点がある。さらに、多数の受光部４と波長フィルタ５が半導体ウェハの製造プロセスを利用して一括して製造可能となり、製造コストの削減が可能になる。あるいは、第１反射鏡８０と第２反射鏡８１の間、つまり導光田井内部に波長フィルタ５が設けられてもよい。
　ここで、第１反射鏡８０は反射面が放物面形状のものに限定されず、例えば、球面形状や多角形面形状の反射面を有するものであっても構わない。同様に、第２反射鏡８１は反射面が平坦なものに限定されず、曲面形状の反射面を有するものであっても構わない。
　（実施形態２）
　本実施形態のガスセンサを図７に示す。本実施形態は、受光部４と波長フィルタ５の組を２組備える点に特徴があり、その他の構成については実施形態１と共通である。故に、実施形態１と共通の構成要素には同一の符号を付して適宜図示及び説明を省略する。
　図７に示すように、ボディ１０の上面側における右端部において、２つの下側凹部１０４Ａ，１０４Ｂが前後方向に並べて形成される。そして、各下側凹部１０４Ａ，１０４Ｂの底面に第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂがそれぞれ実装されるとともに、各受光部４Ａ，４Ｂの上方を覆うように第１波長フィルタ５Ａと第２波長フィルタ４Ｂが上側凹部１０３の底面に配置される。
　ここで、第１波長フィルタ５Ａは、検出対象の気体が吸収する赤外線の波長域を通過域に含むが、第２波長フィルタ５Ｂは、検出対象の気体が吸収する赤外線の波長域を通過域に含まず、例えば、当該波長域の近傍の波長域を通過域に含んでいる。つまり、発光部３から放射される赤外線のうち、第１波長フィルタ５Ａを通過して第１受光部４Ａで受光される赤外線量が検出対象の気体の濃度に応じて減少するのに対し、第２波長フィルタ５Ｂを通過して第２受光部４Ｂで受光される赤外線量は検出対象の気体の濃度に応じて減少しない。そして、信号処理回路部６では、第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂの出力信号レベルの差分をとり、この差分に基づいて検出対象の気体の濃度を演算する。
　すなわち、実施形態１のように受光部４の出力信号レベルに基づいて信号処理回路部６が気体濃度を演算した場合、受光部４の出力信号レベルが何らかの外乱要因によって変動したときに気体濃度の検出精度が低下してしまう虞がある。一方、上述のように信号処理回路部６が第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂの出力信号レベルの差分に基づいて検出対象の気体の濃度を演算すれば、それぞれの受光部４の出力信号レベルの変動分を相殺して気体濃度の検出精度の低下を抑制することができる。
　なお、図８に示すようにボディ１０を発光部及び受光部への配線を一体に形成できる立体配線基板（いわゆるＭＩＤ基板）とすれば、信号処理回路部６が配線板１１を介さずにボディ１０に直接実装可能となるので、ボディ１０をさらに小型化することができる。
　（実施形態３）
　本実施形態のガスセンサを図９に示す。本実施形態は、光学ブロック２の構成に特徴があり、その他の構成については実施形態２と共通である。故に、実施形態２と共通の構成要素には同一の符号を付して適宜図示及び説明を省略する。
　本実施形態では、図９（ｂ）に示すように導光体８はカバー２０の凹所２００底面より下向きに立設される分岐部２０３を含む。この分岐部２０３は、先端（左端）が先細りとなった楔型の壁からなり、後端（右端）が第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂの間に位置して第１反射鏡８０で反射される赤外線の光路を２つの光路に分岐している（図９（ａ）参照）。また、分岐部２０３で分岐された各光路の途中に第１波長フィルタ５Ａ及び第２波長フィルタ５Ｂが配設され、各光路毎に第２反射鏡８１Ａ，８１Ｂが分割されて配置されている。すなわち、一方の光路（主光路）を進行した赤外線が第１波長フィルタ５Ａを通過し且つ分割された第２反射鏡８１Ａに反射されて第１受光部４Ａに受光され、他方の光路（副光路）を進行した赤外線が第２波長フィルタ５Ｂを通過し且つ分割された第２反射鏡８１Ｂに反射されて第２受光部４Ｂに受光される。
　而して、実施形態２では導光体８内の光路が分岐されていないため、第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂの受光面に対する赤外線の入射範囲（以下、スポットと呼ぶ。）が相対的に大きくなって、第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂにおける赤外線の受光量が減少してしまう虞がある。これに対して本実施形態では、導光体８内の光路が分岐されているので、第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂの受光面に対するスポットが相対的に小さくなり、その結果、第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂにおける赤外線の受光量の減少を抑制することができる。
　通気孔２０１は導光体８内に１つまたは複数設けられる（図１０参照）。波長フィルタ５ａ，５ｂが第１反射鏡８０と第２反射鏡８１ａ，８１ｂの間の光路上に設置される場合、波長フィルタ５ａ，５ｂよりも第１反射鏡８０側との間と、波長フィルタ５ａ，５ｂと第２反射鏡８１ａ，８１ｂとの間、もしくは、両方にまたがるように通気孔２０１を設置することが望ましい。このようにすれば、被検出気体により赤外線が吸収されるための光路長を長くして気体の検出精度を高めることができる。さらに、光学シミュレーションにより、光路の分岐部２０３側の端部における赤外線の通過量が少ないため、図１０（ａ），（ｂ）に示すように光路の分岐部２０３反対側の両端に通気孔２０１が設けられることが望ましい。
　ここで、図１１に示すように第２反射鏡８１Ａ，８１Ｂの反射面を曲面（凹曲面）とすれば、第２反射鏡８１Ａ，８１Ｂの反射面で反射する光を集光させてスポットを縮小することができるので、第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂにおける赤外線の受光量の減少をさらに抑制することができる。
　（実施形態４）
　実施形態１~３では外気に含まれる１種類の気体の濃度を検出するガスセンサを例示した。これに対して本実施形態のガスセンサは、図１２に示すように発光部３と受光部４と波長フィルタ５と導光体８の組を複数組（図示例では２組）備え、それぞれの組毎に異なる種類の気体の濃度を検出することができる。
　図１２（ａ）に示すように、２つの発光部３と２つの受光部４がボディに実装され、カバー２０の凹所２００には、各発光部３から放射される赤外線を各受光部４まで導光する２つの導光体８が並設されている。なお、これら２つの導光体８の構成は、第１反射鏡８０と第２反射鏡８１との間の光路上にそれぞれ波長フィルタ５が配置されている点を除いて実施形態１の導光体８と共通である。各波長フィルタ５はそれぞれの検出対象の気体の吸収特性に対応した波長を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。
　而して、本実施形態のガスセンサでは、外気に含まれる複数種類の気体から異なる２種類の気体（例えば、一酸化炭素と窒素酸化物など）の濃度をそれぞれ独立して検出することができる。なお、本実施形態においても、実施形態３と同様に第２反射鏡８１の反射面を曲面（凹曲面）としてもよい。あるいは、実施形態３と同様に、各組毎に分岐部と第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂと第１波長フィルタ５Ａと第２波長フィルタ４Ｂを備え、第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂの出力信号レベルの差分からそれぞれの気体の濃度を検出しても構わない。また、第１組は第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂ及び第１波長フィルタ５Ａと第２波長フィルタ４Ｂを備え、第２組は受光部４及び波長フィルタ５を備えても良い。この場合、第１組は第１受光部４Ａと第２受光部４Ｂの出力信号レベルの差分からそれぞれの気体の濃度を検出し、第２組は受光部４と第１組の第２受光部４Ｂの出力信号レベルの差分からそれぞれの気体の濃度を検出することもできる。ここでは、説明の便宜上、図９（ａ）、１０、１１、１２（ａ）では第４反射鏡８３は図示せず、図９乃至図１２では発光部３及び受光部４が図示されている。
　上述のすべての実施形態、実施形態での説明例及び変形例は互いに組み合わせて行うことができる。以上、本発明の好ましい実施形態が説明されているが、本発明はこれらの特定の実施形態に限られるものではなく、請求範囲の範疇から離脱しない多様な変更及び変形が可能であり、それも本発明の範疇内に属する。

Claims (18)

  1. 　赤外線を放射する１乃至複数の発光部と、
    　赤外線を受光して電気信号に変換する１乃至複数の受光部と、
    　前記発光部及び前記受光部を保持する保持体と、
    　前記発光部から放射される赤外線の光路を前記受光部の受光面まで導光する１乃至複数の導光体と、
    　所定の波長帯域を通過域に含み且つ前記導光体に導光される前記赤外線の光路上に配置される１乃至複数の波長フィルタとを備え、
    　当該導光体は、前記発光部に対向する第１反射鏡と、前記受光部の受光面に対向する第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡が両端に配置された第３反射鏡とを有することを特徴とする気体成分検出装置。
  2. 　前記導光体は、前記第１反射鏡で反射された赤外線の光路を分岐する分岐部をさらに備え、
    　前記第２反射鏡は前記分岐部で分岐された光路毎に分割されて配置されることを特徴とする請求項１記載の気体成分検出装置。
  3. 　前記発光部と前記受光部と前記波長フィルタと前記導光体の組を複数組備えることを特徴とする請求項１記載の気体成分検出装置。
  4. 　前記第１反射鏡は放物面形状の反射面を有し、当該放物面の焦点の位置に前記発光部が配置されることを特徴とする請求項１~３の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  5. 　前記第２反射鏡は曲面形状の反射面を有することを特徴とする請求項１~４の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  6. 　前記発光部は赤外線を放射する半導体チップからなり、
    　前記受光部は赤外線を受光して電気信号に変換する半導体チップからなることを特徴とする請求項１~５の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  7. 　前記波長フィルタ中少なくとも１つの波長フィルタは、検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含む第１波長フィルタと、当該第１波長フィルタの前記通過域を含まず且つ当該通過域近傍の波長帯域を通過域に含む第２波長フィルタとを含み、
    　前記受光部中少なくとも１つの受光部は、前記第１波長フィルタを通過する赤外線を受光する第１受光部と、前記第２波長フィルタを通過する赤外線を受光する第２受光部とを含むことを特徴とする請求項１~６の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  8. 　前記受光部から出力される電気信号を信号処理する信号処理回路部を備え、当該信号処理回路部は、前記導光体の外側において前記発光部と前記受光部に挟まれた位置に配置されることを特徴とする請求項１~７の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  9. 　前記信号処理回路部と前記光路との間に第４反射鏡が配置されることを特徴とする請求項８記載の気体成分検出装置。
  10. 　前記第４反射鏡は、一面を反射面とする平板状に形成され、当該反射面が前記発光部の発光面と面一となるように前記保持体に保持されることを特徴とする請求項９記載の気体成分検出装置。
  11. 　前記発光部と前記信号処理回路部との間に、前記発光部から放射される赤外線を遮蔽する壁が設けられることを特徴とする請求項８~１０の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  12. 　前記壁は前記保持体と一体に形成されることを特徴とする請求項１１記載の気体成分検出装置。
  13. 　前記波長フィルタは前記受光部とともに前記保持体に保持されることを特徴とする請求項１~１２の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  14. 　前記波長フィルタは前記導光体の内部に収納されることを特徴とする請求項１~１２の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  15. 　前記発光部と前記導光体の間の光路上に集光用のレンズが配置されることを特徴とする請求項１~１４の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  16. 　前記波長フィルタは前記受光部に取り付けられることを特徴とする請求項１~１５の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  17. 　前記保持体は、前記発光部及び前記受光部への配線が一体に形成される立体配線基板であることを特徴とする請求項１~１６の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
  18. 　前記導光体を保持して前記保持体と結合されるカバーを備え、
    　当該カバーの前記保持体との結合面に１乃至複数の突起が設けられ、
    　当該突起と嵌合する嵌合孔が前記保持体の前記結合面に設けられ、
    　当該嵌合孔よりも小径の孔が当該嵌合孔の底面に設けられることを特徴とする請求項１~１７の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
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