WO2023189637A1 - 光学式ガスセンサ装置、ガス検知方法及びプログラム - Google Patents
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Classifications
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- G01N21/59—Transmissivity
- G01N21/61—Non-dispersive gas analysers
Definitions
- the present invention relates to an optical gas sensor device, a gas detection method, and a program.
- NDIR gas sensors take advantage of the property that many gases absorb their own infrared wavelengths.When infrared rays are emitted to the gas to be detected, the NDIR gas sensor detects which wavelength is absorbed and how much. This is a sensor that measures the concentration inside. For example, it is a gas sensor that includes an infrared light emitting section and a light receiving section and detects the concentration of a gas to be detected on the optical path of the light emitting section and the light receiving section.
- thermopile As a sensor that detects infrared rays, it is equipped with a thermal infrared detection section as a light receiving section and a self-diagnosis heater section that warms the hot junction, and the thermopile ( An infrared sensor is known that self-diagnoses failures such as disconnection of thermopiles by measuring the output of thermocouples (see Patent Document 1).
- It also includes an energized heating type getter as a light emitting part and an infrared detection element as a light receiving part, and a self-diagnosis circuit applies current to the energized heating type getter to generate infrared rays for self-diagnosis and detect the infrared detection element.
- An infrared detector that performs self-diagnosis based on the output based on the above information is known (see Patent Document 2).
- It also includes an infrared absorbing film and a thermocouple as a light receiving part, and a self-diagnosis circuit, and receives infrared rays that have passed through a cavity that communicates with the atmosphere inside the package to be sealed (sealing atmosphere).
- a semiconductor infrared detection device that detects the problem and self-diagnoses a failure using a self-diagnosis circuit (see Patent Document 3).
- the sealed atmosphere is in a vacuum state or filled with inert gas.
- infrared detection for normal operation and self-diagnosis for failure are performed separately, so even if they are used to detect the target gas, normal There was a risk that an abnormality could not be detected during gas detection, and the accuracy of gas detection could not be guaranteed.
- the conventional infrared sensors, infrared detectors, and semiconductor infrared detection devices described above are configured with a mechanism only for self-diagnosis, which increases the number of parts and makes the individual parts complicated. The device configuration was complicated.
- An object of the present invention is to guarantee the accuracy of gas detection and to simplify the device configuration.
- An optical gas sensor device a light source that emits infrared rays to a gas to be detected; an optical filter that transmits infrared rays of a wavelength corresponding to the absorption wavelength of the gas to be detected; a light receiving unit that detects infrared rays incident through the optical filter and generates a detection signal;
- the gas concentration of the gas to be detected or a value corresponding to the gas concentration is calculated from the detection signal, the calculated gas concentration or the value corresponding to the gas concentration is compared with a preset threshold, and the comparison result is and a signal processing unit that determines the state of the optical gas sensor device accordingly.
- the present invention An optical gas sensor device, a substrate; on the substrate; A light source consisting of a thin film heater and emitting infrared rays, an optical filter that transmits the infrared rays; a light receiving unit that detects infrared rays incident through the optical filter and generates a detection signal; a processor that performs signal processing regarding the detection signal; a nonvolatile memory in which a preset gas concentration or a threshold value corresponding to the gas concentration is stored; The optical filter transmits a specific absorption wavelength of the gas to be detected, The processor calculates the gas concentration of the gas having the wavelength transmitted through the optical filter or a value corresponding to the gas concentration, compares the calculated gas concentration or the value corresponding to the gas concentration with the threshold value, and calculates the comparison result.
- the state of the optical gas sensor device is determined according to the state of the optical gas sensor device.
- the present invention a light source that emits infrared rays to a gas to be detected; an optical filter that transmits infrared rays of a wavelength corresponding to the absorption wavelength of the gas to be detected;
- a gas detection method for an optical gas sensor device comprising: a light receiving unit that detects infrared rays incident through the optical filter and generates a detection signal, The gas concentration of the gas to be detected or a value corresponding to the gas concentration is calculated from the detection signal, the calculated gas concentration or the value corresponding to the gas concentration is compared with a preset threshold, and the comparison result is The method further includes a determination step of determining the state of the optical gas sensor device accordingly.
- the present invention a substrate; on the substrate; A light source consisting of a thin film heater and emitting infrared rays, an optical filter that transmits the infrared rays; a light receiving unit that detects infrared rays incident through the optical filter and generates a detection signal; a nonvolatile memory in which a preset gas concentration or a threshold value corresponding to the gas concentration is stored;
- the optical filter is a gas detection method for an optical gas sensor device that transmits a unique absorption wavelength of a gas to be detected, The gas concentration of the gas having the wavelength transmitted through the optical filter or a value corresponding to the gas concentration is calculated, the calculated gas concentration or the value corresponding to the gas concentration is compared with the threshold value, and the It includes a determination step of determining the state of the optical gas sensor device.
- the program of the present invention is a light source that emits infrared rays to a gas to be detected; an optical filter that transmits infrared rays of a wavelength corresponding to the absorption wavelength of the gas to be detected;
- a computer for an optical gas sensor device comprising: a light receiving unit that detects infrared rays incident through the optical filter and generates a detection signal; The gas concentration of the gas to be detected or a value corresponding to the gas concentration is calculated from the detection signal, the calculated gas concentration or the value corresponding to the gas concentration is compared with a preset threshold, and the comparison result is a signal processing unit that determines the state of the optical gas sensor device according to the function as
- the program of the present invention is a substrate; on the substrate; A light source consisting of a thin film heater and emitting infrared rays, an optical filter that transmits the infrared rays; a light receiving unit that detects infrared rays incident through the optical filter and generates a detection signal; a nonvolatile memory in which a preset gas concentration or a threshold value corresponding to the gas concentration is stored; The optical filter transmits a specific absorption wavelength of the gas to be detected.
- the gas concentration of the gas having the wavelength transmitted through the optical filter or a value corresponding to the gas concentration is calculated, the calculated gas concentration or the value corresponding to the gas concentration is compared with the threshold value, and the a processor that determines the status of the optical gas sensor device; function as
- the accuracy of gas detection can be guaranteed and the device configuration can be simplified.
- FIG. 1 is a schematic diagram of an optical gas sensor device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a perspective view of an optical gas sensor device.
- FIG. 3 is a perspective view of a light source. It is a diagram showing the circuit configuration of an optical gas sensor device and equipment. 3 is a flowchart showing status signal generation processing.
- FIG. 1 is a schematic diagram of an optical gas sensor device 100 of this embodiment.
- the optical gas sensor device 100 of this embodiment includes a cover 1, a light source 2, an optical filter 3, a light receiving section 4, and a signal processing section 5.
- the optical gas sensor device 100 emits infrared rays from a light source 2, emits the infrared rays through an optical path in a cover 1, and emits the infrared rays to a gas G to be detected (measured) in a cover 1.
- the amount of light reaching the light receiving section 4 decreases as the molecules of the gas G to be detected absorb the infrared rays, and the infrared rays partially absorbed by the gas G to be detected are transmitted to the light receiving section 4 via the optical filter 3.
- the cover 1 has a gas introduction port 11 as a gas introduction section which is an inlet and an inlet for a gas G to be detected.
- a gas filter 12 (for example, a metal mesh filter or a resin porous film) is attached to the gas introduction port 11 in order to prevent foreign matter from entering from the outside.
- the optical gas sensor device 100 filters infrared rays emitted from the light source 2 to the gas G to be detected by the optical filter 3 and receives the infrared rays by the light receiving unit 4.
- the optical filter 3 is arranged at a position near the light receiving section 4 on the optical path upstream of the light receiving section 4 .
- this configuration only needs to be filtered by the light-receiving surface of the light-receiving section 4, so the area of the optical filter 3 is can be made smaller, resulting in cost reduction.
- the optical gas sensor device 100 may have a configuration in which the infrared rays emitted from the light source 2 are filtered by the optical filter 3 and emitted to the gas G to be detected.
- the infrared rays received by the light receiving section 4 are not limited to the optical path in which they reach directly from the light source, but may be designed to reach the infrared rays by being reflected from the inner surface of the cover 1. It is desirable that the inner surface of the cover 1 has a high reflectance, since this increases the efficiency of light utilization.
- Carbon dioxide (CO 2 ) is used as the gas G whose concentration is to be detected.
- CO 2 Carbon dioxide
- the optical gas sensor device 100 detects absorption of infrared rays at a wavelength of 4.26 [ ⁇ m], which has the largest absorption among a plurality of absorption wavelengths of carbon dioxide.
- gas G to be detected is not limited to carbon dioxide.
- Gases to be detected include carbon monoxide, propane, methane, butane, ammonia, oxygen disulfide, nitrogen dioxide, nitrogen monoxide, ozone, sulfur hexafluoride, difluoromethane, hydrochlorofluorocarbons (HCFC), and hydrocarbons.
- Fluorocarbons (HFC), perfluorocarbons (PFC), ethylene, etc. may also be used.
- the optical gas sensor device 100 sends various status signals based on the concentration of the detected gas G (for example, a failure signal indicating a failure state of the optical gas sensor device 100, an abnormal state in which the concentration of the detected gas G requires an alarm).
- MCU Micro Controller Unit
- various alarms for example, a failure alarm of the optical gas sensor device 100 based on a failure signal, a detected gas alarm based on an alarm signal, etc.
- G concentration abnormality alarm When the device is an alarm, various alarms (for example, a failure alarm of the optical gas sensor device 100 based on a failure signal, a detected gas alarm based on an alarm signal, etc.) G concentration abnormality alarm).
- the device may be a device that
- the above equipment includes household air conditioners, household water heaters, industrial air conditioners, automotive air conditioners, refrigerators, refrigeration equipment, refrigerated showcases, air purifiers, household flammable gas leak alarms, and household air conditioners.
- Toxic gas alarms household environmental monitoring equipment, industrial flammable gas leak alarms, industrial toxic gas alarms, industrial gas process monitoring equipment, CO2 concentration measuring instruments for greenhouse horticulture, CO2 measuring instruments for plant factories , CO 2 enclosing equipment for food packaging, ethylene gas concentration measuring equipment for food warehouses, etc.
- an ammonia monitoring device and a gas leak alarm device for an ammonia tank that stores ammonia as a carrier for hydrogen, which is a decarbonized fuel, or as a fuel itself, can be applied to the above equipment.
- optical The type gas sensor device 100 may be configured to output the gas concentration of the detected gas G or a signal of a value corresponding to the gas concentration to the MCU 200 of the device.
- FIG. 2 is a perspective view of the optical gas sensor device 100.
- FIG. 3 is a perspective view of the light source 2.
- the optical gas sensor device 100 specifically includes a cover 1, a light source 2, an optical filter 3, a light receiving section 4, a signal processing section 5, a substrate 6, and a connector 7. , and a circuit element section 8.
- the x-axis, y-axis, and z-axis are illustrated. These three axes are the same in FIG. 3 as well.
- the cover 1 is mounted on the +z side surface of the substrate 6, covers (includes) the light source 2, the optical filter 3, and the light receiving section 4, and forms a space in which the gas G to be detected can be stored. This is a cover through which the gas G to be detected is introduced into and taken out of the space through the introduction port 11.
- the base of the cover 1 is made of resin, for example, and has a plurality of flat or curved inner surfaces.
- the inner surface of the base of the cover 1 is covered with an infrared reflective film.
- gold is used as the infrared reflective film, but the invention is not limited to this.
- Silver, aluminum, or a dielectric multilayer film may be used as the infrared reflective film.
- a protective film such as silicon oxide or silicon nitride may be formed on the infrared reflective film in order to prevent corrosion of the metal film of the infrared reflective film.
- a method for forming the infrared reflective film and the protective film a plating method, a sputtering method, a vacuum evaporation method, etc. can be used.
- the cover 1 reflects the infrared rays emitted from the light source 2 with an infrared reflecting film, so that at least a part of the reflected light reaches the light receiving section 4 via the optical filter 3. It plays the role of efficiently guiding the light to the light receiving section 4. Further, the shape, size, and position of the gas introduction port 11 for the gas G of the cover 1 in FIG. 2 are merely examples, and are not limited thereto.
- the light source 2 is a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type light source mounted on the +z side surface of the substrate 6, and has a membrane M having a membrane structure, for example.
- the light source 2 includes a silicon chip 21, a thin film heater 22, and a wire bonding pad 23.
- the silicon chip 21 is a semiconductor chip mainly made of silicon, and has a membrane M made of a laminated film of silicon oxide and silicon nitride in the center of its plane (xy plane).
- the +z side surface of the substrate 6 and the surface of the membrane M are in a substantially parallel relationship.
- the thin film heater 22 is a light source that emits infrared rays, and is formed approximately at the center of the plane of the membrane M.
- the thin film heater 22 is connected to an extraction electrode via a contact portion on the membrane M or around the silicon chip 21, and is electrically connected to a wire bonding pad 23.
- the materials of the thin film heater 22 include high melting point metals such as tungsten (melting point: 3387 [°C]), rhenium (melting point 3180 [°C]), tantalum (melting point 2996 [°C]), osmium (melting point 2700 [°C]), Molybdenum (melting point 2610 [°C]), niobium (melting point 2468 [°C]), iridium (melting point 2447 [°C]), boron (melting point 2300 [°C]), ruthenium (melting point 2250 [°C]), hafnium (melting point 2150 [°C]), °C]), silicon doped with impurities, or conductive oxides can be used.
- the membrane M of the thin film heater 22 is heated by energization, and emits infrared rays having an intensity and wavelength ionicity depending on the surface temperature and surface emissivity.
- the thin film heater 22 is patterned on the silicon chip 21 by, for example, lithography.
- the silicon chip 21 on which the thin film heater 22 is formed is directly mounted on the substrate 6 (COB: Chip On Board).
- COB Chip On Board
- the present invention is not limited to this, and the silicon chip 21 may be housed in a CAN package, a ceramic package, or the like.
- the thin film heater 22 is exposed from the package or has a structure that allows infrared rays from the thin film heater 22 to pass through, and may be covered with a protective plate or the like that allows infrared rays to pass through.
- the silicon chip 21 is, for example, approximately square with approximately 3 mm square.
- the wire bonding pad 23 is wire-bonded to the wiring on the substrate 6. Since the thin film heater 22 is formed on the membrane M, the heat capacity of the light source 2 can be lowered and the thermal efficiency can be increased.
- the optical filter 3 is a filter that is provided to cover the light-receiving surface of the light-receiving section 4 and transmits light (infrared rays) in a wavelength range (band) corresponding to the absorption wavelength specific to the gas G to be detected.
- the transmission wavelength of the optical filter 3 is designed to match the absorption wavelength unique to the gas G to be detected, thereby suppressing changes in the amount of light due to gases other than the gas G to be detected, and improving the light reception.
- the SN ratio of the detection signal of the section 4 is improved.
- the optical filter 3 filters infrared light with a wide wavelength range that is incident from the light source 2 and passes through the gas G (carbon dioxide), and corresponds to the absorption wavelength of the gas G (4.26 [ ⁇ m]). Transmits infrared rays in the wavelength range.
- the light source 2 as a MEMS type light source is small and low-profile, and can realize miniaturization as a sensor module, especially lower height compared to conventional incandescent light sources and LEDs (Light Emitting Diodes).
- the light source 2 as a MEMS type light source has characteristics (features) such as long life, low power consumption, and short response time compared to conventional light sources, and it dominates the current consumption of the sensor module as a whole.
- characteristics features
- the short response time of the MEMS light source makes it possible to shorten the standby time after energization when intermittent driving is performed, thereby reducing average power consumption.
- the light source 2 as a MEMS type light source can directly utilize the emitted light from the surface of the high temperature part, so it can also be applied to the detection of gases that have absorption bands at high wavelengths.
- the infrared ray emitting region (thin film heater 22) of the light source 2 is patterned with high precision on the plane of the silicon chip 21, and unlike a conventional incandescent light source in which a filament is wound into a coil, there is no individual variation in the radiation direction. is very small. Therefore, variations in the amount of light received when a sensor module is configured with the light source 2 are reduced, contributing to an improvement in product yield.
- the light source 2 is produced in bulk using MEMS technology based on silicon wafers, so it has excellent mass productivity.
- a method for manufacturing the light source 2 there is a method in which a plurality of thin film heaters 22 and wire bonding pads 23 are formed on one silicon wafer, and the light sources 2 are diced into chips.
- a method for the light source 2 a method is adopted in which a single silicon wafer is diced to manufacture a plurality of silicon chips 21, and a thin film heater 22 and a wire bonding pad 23 are formed on each silicon chip 21. It's okay. In this way, the light source 2 can be manufactured using the same chipping process and mounting method as in the manufacturing of semiconductors and MEMS devices, so the productivity of the mounting process is high.
- the optical filter 3 includes, for example, a silicon substrate as a substrate and a dielectric multilayer film.
- the silicon substrate is a flat silicon substrate.
- the material of the substrate is not limited to silicon, but may also be Ge (germanium), quartz, alumina, BaF2 (barium fluoride), CaF2 (calcium fluoride), or the like.
- a dielectric multilayer film is a film in the form of a plurality of dielectric layers provided on both sides of a silicon substrate. Note that although the planar shape of the optical filter 3 is circular, it is not limited to this, and may be other shapes such as a rectangle.
- the light receiving unit 4 is a thermopile type optical sensor (infrared sensor) mounted on the +z side surface of the substrate 6 and has multiple thermocouples, and detects the amount of incident infrared light and converts it into an analog electrical signal. outputs a detection signal.
- the light receiving section 4 is not limited to the thermopile type infrared sensor, and may be any of the various types of infrared sensors shown in Table I below.
- the light receiving section 4 is, for example, an infrared sensor of a CAN package, but is not limited to this configuration.
- the signal processing section 5 is mounted on a plane area other than the cover 1 on the +z side surface of the substrate 6, and is an AFE (Analog Front End) as an electronic component (processor) that performs signal processing regarding the detection signal of the light receiving section 4. It is an IC (Integrated Circuit).
- the signal processing unit 5 amplifies and AD converts the analog detection signal of the light receiving unit 4, corrects individual variations in the optical gas sensor device 100, and performs signal processing using the amplified digital detection signal. and generates and outputs various digital signals.
- the board 6 is a PCB (Printed Circuit Board) in which conductor wiring is printed on a board made of glass epoxy resin or the like.
- a cover 1 On the +z side surface of the board 6, a cover 1, a light source 2 (and an optical filter 3), a light receiving section 4, a signal processing section 5, a connector 7, and a circuit element section 8 are mounted.
- the +z side surface of the substrate 6 and the light-receiving surfaces of the optical filter 3 and the light-receiving section 4 are in a substantially parallel relationship, respectively.
- the connector 7 is mounted on a plane area other than the cover 1 and the signal processing unit 5 on the +z side surface of the board 6, and connects various digital signals output from the signal processing unit 5 to subsequent devices 230 (alarms and This is a connector for outputting to the information processing unit (MCU 200) of the computer.
- Connector 7 is connected to MCU 200 of device 230 via a cable with a plug.
- the circuit element section 8 is a circuit element such as a switch, a chip resistor, or a chip capacitor.
- infrared rays emitted from the light source 2 in the +z direction are absorbed by the gas G to be detected in the cover 1, and are also absorbed in the +y direction by the planar (or curved) inner surface of the cover 1.
- the light is reflected, further reflected in the -z direction on the planar (or curved) inner surface of the cover 1, filtered by the optical filter 3, and passes through an optical path that enters the light receiving section 4.
- This optical path becomes a linear optical path on a plane.
- the optical path of the infrared rays is not limited to a linear optical path on a plane, but may be an optical path that is reflected on the inner surface of the cover 1 and bent on a plane.
- FIG. 4 is a diagram showing the circuit configuration of the optical gas sensor device 100 and the device 230.
- the optical gas sensor device 100 has a light source 2, a light receiving section 4, a signal processing section 5, and a circuit element section 8 as a circuit configuration.
- the signal processing section 5 includes an amplifier 50, a temperature sensor 51, a multiplexer 52, an AD (Analog to Digital) converter 53, an NVM (Non-Volatile Memory) 54, a data processor 55, and a communication section. 56 and a status output terminal 57.
- the circuit element section 8 includes a switch 81 and resistors 82 and 83.
- the optical gas sensor device 100 is connected to the MCU 200 of the device 230.
- the device 230 includes an MCU 200, resistors 211 and 212, a capacitor 213, and a notification section 214.
- the MCU 200 is a control unit that controls each part of the device 230, and includes a communication unit 201.
- the communication units 56 and 201 are serial communication units using the I2C communication method.
- the communication section 56 and the communication section 201 of the optical gas sensor device 100 are connected by the connector 7 via the clock line SCL and the data line SDA.
- the communication unit 201 generates a clock signal and outputs it to the communication unit 56, and transmits and receives a data signal to the communication unit 56.
- the communication method of the communication units 56 and 201 is not limited to IC2.
- the MCU 200 is also connected to a status output terminal 57 via a signal line 220, and receives a status signal of the optical gas sensor device 100, which will be described later, from the optical gas sensor device 100.
- the MCU 200 controls the notification section 214 based on the status signal of the optical gas sensor device 100. Under the control of the MCU 200, the notification unit 214 notifies the state of the optical gas sensor device 100 based on the state signal through display, sound output, etc., as described later.
- the power supply section of the power supply voltage VDD is connected to a clock line SCL (serial clock) through a resistor 211, connected to a data line SDA (serial data) through a resistor 212, and connected to ground through a capacitor 213.
- Resistors 211 and 212 are pull-up resistors. Noise is removed from the power supply voltage VDD by the capacitor 213.
- the light source 2 and the switch 81 are connected in series between the power supply section of the power supply voltage VDD and the ground.
- the switch 81 is a switch for switching on/off the light source 2, and is composed of an NMOSFET (N-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) or the like, and serves as a control terminal. The gate of is connected to the signal processing section 5.
- the resistors 82 and 83 are connected in series between the power supply section of the power supply voltage VDD and the ground. A node between the resistors 82 and 83 is connected to the input end of the light receiving section 4.
- the power supply voltage divided by the resistors 82 and 83 is input to the input terminal of the light receiving section 4.
- the light receiving unit 4 detects the gas G emitted from the light source 2 and the infrared IR input via the optical filter 3, and outputs an analog detection signal from an output end.
- the power supply voltage divided by the resistors 82 and 83 is input to the first input terminal of the amplifier 50.
- the output end of the light receiving section 4 is connected to the second input end of the amplifier 50.
- the amplifier 50 amplifies the analog detection signal output from the light receiver 4 using the input divided power supply voltage and the detection signal input from the light receiver 4 .
- the output terminal of the amplifier 50 is connected to one of the plurality of input terminals of the multiplexer 52.
- the temperature sensor 51 is connected to one of the plurality of input terminals of the multiplexer 52, detects the temperature inside the cover 1, generates an analog temperature signal, and sends the generated analog temperature signal to the corresponding input terminal of the multiplexer 52. Output to.
- the multiplexer 52 combines the amplified analog detection signal input from the light receiving section 4 and the analog temperature signal input from the temperature sensor 51 into one signal according to signal selection control from the data processor 55.
- the signal is multiplexed into an analog multiplexed signal and output to the input end of the AD converter 53.
- the AD converter 53 converts the input multiplexed signal into a multiplexed signal of a digital detection signal of the light receiving section 4 and a digital temperature signal, and outputs the multiplexed signal to the data processor 55 .
- the NVM 54 is a memory that stores information in a nonvolatile manner, and stores, for example, threshold values M1, M2, and A of the concentration C of gas G, a predetermined time period, and a correction coefficient, which will be described later.
- the threshold value M1 is a threshold value for determining a failure state and a normal state (a state that is not a failure state) of the optical gas sensor device 100, and is the lower limit of the gas concentration C of the gas G in the normal state or the value C corresponding to the gas concentration. It is a threshold value.
- the threshold value M2 is a threshold value for determining a failure state and a normal state (a state that is not a failure state) of the optical gas sensor device 100, and is a threshold value for determining a failure state and a normal state (a state that is not a failure state). is the upper threshold of .
- the threshold value A is a threshold value for determining the alarm state and normal state (non-alarm state) of the optical gas sensor device 100, and is the gas concentration C of the gas G in the normal state or the upper limit of the value C corresponding to the gas concentration. It is a threshold value. Further, each threshold value has a magnitude relationship of M2>A>M1.
- the predetermined time is a predetermined period that indicates the timing for determining the state of the optical gas sensor device 100, and is, for example, 2 seconds.
- the correction coefficient is a correction coefficient for performing correction processing such as correction of individual variations in the optical gas sensor device 100.
- the data processor 55 is a control unit main body (processor) that performs signal processing regarding the detection signal of the light receiving unit 4, and includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a storage unit.
- the CPU controls the optical gas sensor device 100.
- RAM is a volatile memory that temporarily stores information.
- the storage unit is composed of a non-volatile memory (NVM) such as a ROM (Read Only Memory), and stores various data and programs.
- NVM non-volatile memory
- a configuration may also be adopted in which the storage unit is shared by the NVM 54, which is a nonvolatile memory provided separately from the data processor 55.
- NVM 54 mask ROM, EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), flash memory, etc.
- the CPU reads out the program stored in the storage unit, expands it into the RAM, and performs various processes in cooperation with the expanded program. It is assumed that the storage unit stores a status signal generation program for executing status signal generation processing, which will be described later.
- the data processor 55 uses the digital detection signal and digital temperature signal of the light receiving unit 4 inputted from the multiplexer 52 and the correction coefficient stored in the NVM 54 to determine the gas concentration C or the gas concentration of the gas G.
- the value C is calculated, and various status signals of the optical gas sensor device 100 ( A failure signal, an alarm signal, a monitoring signal (described later) is generated, and the gas concentration C or a value C corresponding to the gas concentration is transmitted to the MCU 200 of the device 230 via the communication unit 56. Further, the data processor 55 transmits the status signal of the optical gas sensor device 100 to the MCU 200 via the status output terminal 57 based on a predetermined format.
- the data processor 55 may be configured with a circuit such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
- the communication unit 56 transmits and receives data signals to and from the communication unit 201 via the data line SDA.
- FIG. 5 is a flowchart showing the status signal generation process.
- optical gas sensor device 100 is connected to the MCU 200 of the device 230 in advance, and the gas G to be detected is introduced into the cover 1 from the gas introduction port 11.
- the data processor 55 of the signal processing unit 5 uses the power input of the optical gas sensor device 100 by the user (step S10) as a trigger, and generates a status signal according to the status signal generation program stored in the internal storage unit. Execute generation processing.
- the data processor 55 initializes the signal processing section 5 and prepares to drive the signal processing section 5 (step S11). Then, the data processor 55 reads a predetermined time set in advance and stored in the NVM 54, and waits for the predetermined time (step S12).
- the data processor 55 turns on the switch 81 to turn on the light source 2 (step S13). Then, the data processor 55 acquires the detection signal and temperature signal of the gas G to be detected, which are output from the light receiving unit 4, amplified by the amplifier 50, and AD converted by the AD converter 53, and transmits the NVM 54 to the acquired detection signal.
- a correction process such as correction of individual variations in the optical gas sensor device 100 is performed using the temperature signal applied to the correction coefficient stored in the correction coefficient, and the gas concentration C of the gas G or the A value C corresponding to the gas concentration is calculated, and the gas concentration C of the gas G or the value C corresponding to the gas concentration is transmitted to the MCU 200 via the communication unit 56 (step S14).
- the data processor 55 turns off the switch 81 to turn off the light source 2 (step S15). Then, the data processor 55 reads the threshold values M1 and M2 stored in the NVM 54, compares the gas concentration C of the gas G acquired in step S14 or the value C corresponding to the gas concentration with the threshold values M1 and M2, and It is determined whether ⁇ M1 or C>M2 (step S16).
- step S16 If C ⁇ M1 or C>M2 (step S16; YES), the data processor 55 generates a failure signal indicating a failure state in which a failure has occurred in the optical gas sensor device 100 based on C ⁇ M1 or C>M2.
- a failure signal is generated and transmitted to the MCU 200 via the status output terminal 57 (step S17), and the process moves to step S12.
- the first failure mode as a failure state in the case of C ⁇ M1 corresponds to the stoppage of light emission of the light source 2, the stoppage of operation of the light receiving section 4, or a decrease in the amount of received light due to damage to the cover 1.
- the second failure mode as a failure state in the case of C>M2 corresponds to a case where destruction of the light receiving section 4 occurs and an abnormal input is applied to the signal processing section 5.
- the failure signal includes information indicating whether the failure mode is C ⁇ M1 or C>M2.
- the MCU 200 of the device 230 upon receiving the failure signal from the optical gas sensor device 100, notifies the notification unit 214 of the device 230 of information on the occurrence of a failure (failure mode) through display, sound output, etc.
- the notification unit 214 includes a signal device such as an LED (Light Emitting Diode) that indicates the status of the optical gas sensor device 100, a display made of liquid crystal or organic EL (Electro-Luminescence), and a speaker for sound output.
- the MCU 200 transmits a trigger signal for starting an appropriate ventilation operation, etc., to a unit that performs a ventilation operation, etc., which is also connected to the MCU 200, via the communication section 56 or the status output terminal 57. do.
- step S16 If C ⁇ M1 or C>M2 is not the case (M1 ⁇ C ⁇ M2 and there is no failure state) (step S16; NO), the data processor 55 reads the threshold value A stored in the NVM 54, and reads the threshold value A obtained in step S14. The gas concentration C of the gas G or the value C corresponding to the gas concentration is compared with the threshold value A, and it is determined whether C>A (step S18). If C>A (step S18; YES), the data processor 55 determines that a gas G leak has occurred based on C>A, and sends an alarm signal indicating the alarm state of the optical gas sensor device 100. is generated, an alarm signal is transmitted to the MCU 200 via the status output terminal 57 (step S19), and the process moves to step S12.
- the MCU 200 of the device 230 upon receiving the alarm signal from the optical gas sensor device 100, the MCU 200 of the device 230 causes the notification unit 214 of the device 230 to notify a gas G leak warning by display, sound output, etc.
- step S18 If C>A is not the case (C ⁇ A and there is no alarm state) (step S18; NO), the data processor 55 determines that the gas G is in a normal state with no leakage based on C>A, and the optical A monitoring signal indicating the normal state of the type gas sensor device 100 is generated, and the monitoring signal is transmitted to the MCU 200 via the status output terminal 57 (step S20), and the process moves to step S12.
- step S20 when the MCU 200 of the device 230 receives the monitoring signal from the optical gas sensor device 100, it does not issue an alarm, but indicates on the notification unit 214 of the device 230 that the device is in a normal state by display, sound output, etc. It may also be possible to notify a certain fact.
- the data processor 55 may transmit a failure signal, alarm signal, or monitoring signal to the MCU 200 via the communication unit 56. Further, in step S14, the data processor 55 may not transmit the calculated gas concentration C of the gas G or the value C corresponding to the gas concentration of the gas G to the MCU 200.
- the optical gas sensor device 100 includes a light source 2 that emits infrared rays to the gas G to be detected, and an optical filter that transmits infrared rays having a wavelength corresponding to the absorption wavelength of the gas G to be detected. 3, a light receiving unit 4 that detects infrared rays incident through the optical filter 3 and generates a detection signal, and calculates the gas concentration of the gas G to be detected or a value corresponding to the gas concentration from the detection signal, It includes a signal processing unit 5 that compares the calculated gas concentration or a corresponding value with a preset threshold value and determines the state of the optical gas sensor device 100 according to the comparison result.
- the optical gas sensor device 100 includes a substrate 6, a light source 2, an optical filter 3, a light receiving section 4, a signal processing section 5 (a data processor 55 that performs signal processing regarding detection signals, and a preset gas concentration C). Alternatively, it has an NVM 54) in which a threshold value C corresponding to the gas concentration is stored.
- the state of the optical gas sensor device is determined using the gas concentration C calculated by actually detecting the gas G or the value C corresponding to the gas concentration, the accuracy of the gas G detection can be guaranteed. This is important in industrial applications where reliable operation is required, and in applications where measurement errors can lead to serious accidents, such as with flammable or toxic gases. Further, since state detection (state determination) is performed every time the gas concentration C or the value C corresponding to the gas concentration is detected and calculated, the occurrence of an abnormality can be detected promptly. Additionally, since no additional parts are required to perform state detection (self-diagnosis), the number of parts increases and individual parts become complicated, and the configuration of the optical gas sensor device 100 is simplified. It is possible to reduce costs.
- the threshold values include a threshold value M1 for determining a failure state of the optical gas sensor device 100, and a threshold value M2 larger than the threshold value M1.
- the signal processing unit 5 determines the failure state of the optical gas sensor device when the calculated gas concentration or the corresponding value is smaller than the threshold value M1 or larger than the threshold value M2. Therefore, the failure state of the optical gas sensor device can be accurately determined.
- the threshold value includes a threshold value A for determining an alarm state of gas G leakage of the optical gas sensor device 100.
- the signal processing unit 5 determines the alarm state of the optical gas sensor device when the calculated gas concentration C or the value C corresponding to the gas concentration is larger than the threshold value A. Therefore, the alarm state of the optical gas sensor device can be accurately determined.
- the signal processing unit 5 transmits a status signal (failure signal, alarm signal, monitoring signal) indicating the determined status of the optical gas sensor device 100 to the device 230.
- a status signal (failure signal, alarm signal, monitoring signal) indicating the determined status of the optical gas sensor device 100 to the device 230.
- the signal processing unit 5 determines generation of an alarm according to the calculated gas concentration C or the value C corresponding to the gas concentration (determines to transmit the status signal of the alarm signal to the device 230 and transmits the alarm signal). do). Therefore, the device 230 can perform processing based on the status signal (failure signal, alarm signal, monitoring signal) (notification of the status based on the status signal, etc.).
- the signal processing unit 5 transmits the calculated gas concentration C or a value C corresponding to the gas concentration to the device 230. Therefore, the device 230 can perform processing based on the gas concentration C or the value C corresponding to the gas concentration (such as management of the gas concentration C or the value C corresponding to the gas concentration).
- the optical gas sensor device 100 is provided on the substrate 6 so as to cover the light source 2 and the light receiving section 4, and the infrared rays that have passed through the optical filter 3 are reflected on its inner surface, and at least the reflected light is It includes a cover 1 provided so that a portion thereof reaches the light receiving section 4, and a gas introduction port 11 for introducing gas G to be detected into the inside of the cover 1. Therefore, the gas concentration C of the gas G inside the cover 1 or the value C corresponding to the gas concentration can be accurately detected, and the state of the optical gas sensor device can be accurately determined, thus ensuring higher accuracy in gas G detection. can.
- the signal processing unit 5 turns on the light source 2, acquires the detection signal of the gas G to be detected from the light receiving unit 4 (and calculates the gas concentration C of the gas G to be detected or the value C corresponding to the gas concentration). calculation, transmission), and turns off the light source 2. Therefore, since the lighting time of the light source 2 is shortened, power consumption can be reduced and deterioration of the light source 2 over time can be further suppressed.
- the signal processing unit 5 (data processor 55) may be configured to calculate and transmit the gas concentration C of the gas G or the value C corresponding to the gas concentration after the light source 2 is turned off (after step S15).
- the optical gas sensor device 100 also includes a switch 81 for switching the light source 2 on and off.
- the signal processing unit 5 turns on or off the light source 2 under the control of the switch 81 . Therefore, the signal processing section 5 can easily and accurately turn on and off the light source 2.
- the optical gas sensor device 100 is configured to include a set of the light source 2, the optical filter 3, and the light receiving section 4, but the present invention is not limited to this.
- the optical gas sensor device may include a plurality of sets of light sources 2, optical filters 3, and light receiving sections 4.
- the optical gas sensor device, gas detection method, and program according to the present invention are suitable for detecting gases such as CO2 .
- Optical gas sensor device G Gas 1 Cover 11 Gas introduction port 12 Gas filter 2 Light source 21 Silicon chip 22 Thin film heater 23 Wire bonding pad M Membrane 3 Optical filter 4 Light receiving section 5 Signal processing section 50 Amplifier 51 Temperature sensor 52 Multiplexer 53 AD Converter 54 NVM 55 Data processor 56 Communication section SCL Clock line SDA Data line 6 Board 7 Connector 8 Circuit element section 81 Switches 82, 83 Resistor 230 Device 200 MCU 201 Communication section 211, 212 Resistor 213 Capacitor 214 Notification section 220 Signal line
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Abstract
ガス検出の正確性を保証し、かつ装置構成を簡単にすることである。 光学式ガスセンサ装置１００は、赤外線を検出対象のガスＧに出射する光源２と、検出対象のガスＧの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタ３と、光学フィルタ３を介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部４と、検出信号から検出対象のガスＧのガス濃度又はガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又はガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて光学式ガスセンサ装置１００の状態を判別する信号処理部５と、を備える。
Description
本発明は、光学式ガスセンサ装置、ガス検知方法及びプログラムに関する。
従来、非分散赤外線吸収方式（ＮＤＩＲ：Non Dispersive InfraRed）によるガスセンサが知られている。ＮＤＩＲのガスセンサは、多くのガスが各々固有の赤外線波長を吸収する性質を利用して、検出対象のガスに赤外線を放射した時、どの波長がどれくらい吸収されたかを検出して、検出対象のガス中の濃度を測るセンサである。例えば、赤外線の発光部及び受光部を備え、発光部及び受光部の光路上にある被検出ガスの濃度を検出するガスセンサである。
また、赤外線を検出するセンサとして、受光部としての熱型赤外線検出部と、温接点を温める自己診断用ヒータ部とを備え、自己診断用ヒータ部へ通電して熱型赤外線検出部のサーモパイル（熱電対）の出力を測定することにより、サーモパイルの断線などの故障を自己診断する赤外線センサが知られている（特許文献１参照）。
また、発光部としての通電加熱式ゲッターと、受光部としての赤外線検出素子とを備え、自己診断回路により通電加熱式ゲッターに電流を与えて自己診断用赤外線を発生させて赤外線検出素子の検出に基づく出力により、自己診断を行う赤外線検出器が知られている（特許文献２参照）。
また、受光部としての赤外線吸収膜及び熱電対と、自己診断回路と、を備え、封止されるパッケージ内の雰囲気（封止雰囲気）に通じた空洞を通過した赤外線を赤外線吸収膜及び熱電対により検出して自己診断回路により故障を自己診断する半導体赤外線検出装置が知られている（特許文献３参照）。封止雰囲気は、真空状態若しくは不活性ガスで満たされている。
しかし、上記の従来の赤外線センサ、赤外線検出器、半導体赤外線検出装置では、通常動作の赤外線検出と、故障の自己診断とを別々に行うので、たとえ検出対象のガス検出に用いても、通常のガス検出時に異常検出ができなく、ガス検出の正確性が保証されないおそれがあった。さらに、上記の従来の赤外線センサ、赤外線検出器、半導体赤外線検出装置では、自己診断の為だけの機構を設けた構成となっているため、部品点数が増加したり、個々の部品が複雑化し、装置構成が複雑であった。
本発明の課題は、ガス検出の正確性を保証し、かつ装置構成を簡単にすることである。
上記課題を解決するため、本発明は、
光学式ガスセンサ装置であって、
赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
前記検出信号から前記検出対象のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する信号処理部と、を備える。
光学式ガスセンサ装置であって、
赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
前記検出信号から前記検出対象のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する信号処理部と、を備える。
また、本発明は、
光学式ガスセンサ装置であって、
基板と、前記基板上に、
薄膜ヒータからなり赤外線を出射する光源と、
前記赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
前記検出信号に関する信号処理を行うプロセッサと、
あらかじめ設定されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値の閾値が記憶された不揮発性メモリと、を有し、
前記光学フィルタは、検出対象のガスの固有の吸収波長を透過させ、
前記プロセッサは、前記光学フィルタを透過した波長のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、前記閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する。
光学式ガスセンサ装置であって、
基板と、前記基板上に、
薄膜ヒータからなり赤外線を出射する光源と、
前記赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
前記検出信号に関する信号処理を行うプロセッサと、
あらかじめ設定されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値の閾値が記憶された不揮発性メモリと、を有し、
前記光学フィルタは、検出対象のガスの固有の吸収波長を透過させ、
前記プロセッサは、前記光学フィルタを透過した波長のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、前記閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する。
また、本発明は、
赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、を備える光学式ガスセンサ装置のガス検知方法であって、
前記検出信号から前記検出対象のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する判別工程を含む。
赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、を備える光学式ガスセンサ装置のガス検知方法であって、
前記検出信号から前記検出対象のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する判別工程を含む。
また、本発明は、
基板と、前記基板上に、
薄膜ヒータからなり赤外線を出射する光源と、
前記赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
あらかじめ設定されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値の閾値が記憶された不揮発性メモリと、を有し、
前記光学フィルタは、検出対象のガスの固有の吸収波長を透過させる光学式ガスセンサ装置のガス検知方法であって、
前記光学フィルタを透過した波長のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、前記閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する判別工程を含む。
基板と、前記基板上に、
薄膜ヒータからなり赤外線を出射する光源と、
前記赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
あらかじめ設定されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値の閾値が記憶された不揮発性メモリと、を有し、
前記光学フィルタは、検出対象のガスの固有の吸収波長を透過させる光学式ガスセンサ装置のガス検知方法であって、
前記光学フィルタを透過した波長のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、前記閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する判別工程を含む。
また、本発明のプログラムは、
赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、を備える光学式ガスセンサ装置のコンピュータを、
前記検出信号から前記検出対象のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する信号処理部、
として機能させる。
赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、を備える光学式ガスセンサ装置のコンピュータを、
前記検出信号から前記検出対象のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する信号処理部、
として機能させる。
また、本発明のプログラムは、
基板と、前記基板上に、
薄膜ヒータからなり赤外線を出射する光源と、
前記赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
あらかじめ設定されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値の閾値が記憶された不揮発性メモリと、を有し、
前記光学フィルタは、検出対象のガスの固有の吸収波長を透過させる光学式ガスセンサ装置のコンピュータを、
前記光学フィルタを透過した波長のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、前記閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別するプロセッサ、
として機能させる。
基板と、前記基板上に、
薄膜ヒータからなり赤外線を出射する光源と、
前記赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
あらかじめ設定されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値の閾値が記憶された不揮発性メモリと、を有し、
前記光学フィルタは、検出対象のガスの固有の吸収波長を透過させる光学式ガスセンサ装置のコンピュータを、
前記光学フィルタを透過した波長のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、前記閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別するプロセッサ、
として機能させる。
本発明によれば、ガス検出の正確性を保証でき、かつ装置構成を簡単にできる。
以下、添付図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
図１～図５を参照して、本発明に係る実施の形態を説明する。まず、図１を参照して、本実施の形態の光学式ガスセンサ装置１００の概略構成を説明する。図１は、本実施の形態の光学式ガスセンサ装置１００の概略図である。
図１に示すように、本実施の形態の光学式ガスセンサ装置１００は、カバー１と、光源２と、光学フィルタ３と、受光部４と、信号処理部５と、を含む。光学式ガスセンサ装置１００は、光源２から赤外線を放射（発光）し、カバー１内の光路を介して、当該赤外線をカバー１内の検出対象（計測対象）のガスＧに出射し、光路中に存在する検出対象のガスＧの分子が赤外線を吸収することで受光部４に届く光量が減少し、検出対象のガスＧにより一部吸収された赤外線を、光学フィルタ３を介して受光部４により検出し、その検出信号を信号処理部５により信号処理し、検出対象のガスＧの濃度を検出（計測）して出力するＮＤＩＲ方式のガスセンサである。カバー１は、検出対象のガスＧの導出入口であるガス導入部としてのガス導入ポート１１を有する。ガス導入ポート１１には、外部からの異物侵入を防止するために、ガスフィルタ１２（例えば、金属製のメッシュフィルタや樹脂製の多孔質フィルムなど）が貼付される。
特に、光学式ガスセンサ装置１００は、光源２から検出対象のガスＧに出射された赤外線を、光学フィルタ３でフィルタリングして受光部４により受光する。光学フィルタ３は、受光部４の上流の光路上で受光部４の近傍の位置に配置されている。この構成は、光源２から放射された赤外線を光学フィルタでフィルタリングしてから検出対象のガスＧに出射する構成に比べて、受光部４の受光面でフィルタリングすればよいため、光学フィルタ３の面積を小さくすることができ、コストの低減になる。更には、光源部以外からの放射される赤外線を受光することがなく、センサとしてのＳＮ比（Signal to Noise ratio）が向上する。ただし、光学式ガスセンサ装置１００は、光源２から放射された赤外線を光学フィルタ３でフィルタリングして検出対象のガスＧに出射する構成としてもよい。受光部４が受光する赤外線は、光源から直接到達する光路に限らず、カバー１の内面を反射して到達するように設計してもよい。カバー１の内面は反射率が高いほうが光の利用効率が高くなり望ましい。
濃度の検出対象のガスＧとしては、二酸化炭素（ＣＯ２）を用いるものとする。なお、同一種類のガスが複数の吸収波長を有する場合に、一番吸収が大きい波長の赤外線を検出するのが好ましい。例えば、光学式ガスセンサ装置１００は、二酸化炭素の複数の吸収波長のうち、一番吸収が大きい４．２６［μｍ］の波長の赤外線の吸収を検出するものとする。
なお、検出対象のガスＧは、二酸化炭素に限定されるものではない。検出対象のガスＧとしては、一酸化炭素、プロパン、メタン、ブタン、アンモニア、二硫化酸素、二酸化窒素、一酸化窒素、オゾン、六フッ化硫黄、ジフルオロメタン、ハイドロクロロフルオロカーボン類（ＨＣＦＣ）、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）類、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）類、エチレンなどとしてもよい。
光学式ガスセンサ装置１００は、検出したガスＧの濃度に基づく各種の状態信号（例えば、光学式ガスセンサ装置１００の故障の状態を示す故障信号、検出したガスＧの濃度が警報が必要な異常状態（警報状態）であることを示す警報信号、検出したガスＧの濃度が正常の状態であることを示す監視信号（正常信号））を、光学式ガスセンサ装置１００の状態に基づく処理を行う機器の情報処理部（後述する図４におけるＭＣＵ（Micro Controller Unit）２００）に出力する。当該機器が警報器である場合に、光学式ガスセンサ装置１００から受信した各種信号に応じて、各種警報（例えば、故障信号に基づく光学式ガスセンサ装置１００の故障の警報、警報信号に基づく検出したガスＧの濃度の異常の警報）を報知する。当該機器は、光学式ガスセンサ装置１００及びＭＣＵ２００を含む機器としたり、光学式ガスセンサ装置１００とは別の機器（ＭＣＵ２００を含む外部機器（例えば図４における機器２３０））としてもよい。
上記機器としては、家庭用空調機器、家庭用給湯器、産業用空調機器、自動車用空調機器、冷凍機、冷蔵機器、冷蔵ショーケース、空気清浄機、家庭用可燃性ガス漏れ警報器、家庭用毒性ガス警報器、家庭用環境モニタリング機器、産業用可燃性ガス漏れ警報器、産業用毒性ガス警報器、産業用ガスプロセス監視装置、施設園芸用ＣＯ２濃度計測器、植物工場用ＣＯ２計測器、食品包装用ＣＯ２封入装置、食品倉庫用エチレンガス濃度計測装置などが挙げられる。例えば、脱炭素の燃料である水素のキャリアとして、又は燃料そのものとしてのアンモニアを貯蔵するアンモニアタンクのアンモニアの監視装置、ガス漏れ警報装置を上記機器に適用できる。
特に、家庭用環境モニタリング機器、施設園芸用ＣＯ２濃度計測器、植物工場用ＣＯ２計測器、食品倉庫用エチレンガス濃度計測装置など、検出したガスＧの濃度そのものを管理する機器については、光学式ガスセンサ装置１００が、検出したガスＧのガス濃度又はガス濃度に対応した値の信号を当該機器のＭＣＵ２００に出力する構成としてもよい。
ついで、図２、図３を参照して、光学式ガスセンサ装置１００の具体的な装置構成を説明する。図２は、光学式ガスセンサ装置１００の斜視図である。図３は、光源２の斜視図である。
図２に示すように、光学式ガスセンサ装置１００は、具体的には、カバー１と、光源２と、光学フィルタ３と、受光部４と、信号処理部５と、基板６と、コネクタ７と、回路素子部８と、を備える。また、図２において、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を図示する。これらの３軸は、図３でも同様である。
カバー１は、基板６の＋ｚ側の面上に実装され、光源２、光学フィルタ３及び受光部４を覆い（包含し）、内部に検出対象のガスＧを収納可能な空間を形成し、ガス導入ポート１１を介して検出対象のガスＧが当該空間に導出入されるカバーである。カバー１の基体は、例えば樹脂製であり、複数の平面状もしくは曲面の内面を有する。カバー１の基体の内面には、赤外線反射膜が覆われている。本実施の形態では赤外線反射膜として、金を用いるものとするが、これに限定されるものではない。赤外線反射膜として、銀、アルミ又は誘電体多層膜を用いてもよい。さらに、必要に応じて赤外線反射膜の金属膜の腐食を防止するために、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの保護膜を赤外線反射膜上に成膜してもよい。赤外線反射膜、保護膜の成膜方法は、メッキ法、スパッタリング法、真空蒸着法などを用いることができる。
カバー１は、光源２から出射された赤外線を赤外線反射膜により反射することにより、少なくとも反射光の一部が光学フィルタ３を介して受光部４へ到達するように、光路として光源２からの赤外線を受光部４に効率よく導く役割を担う。また、図２のカバー１のガスＧのガス導入ポート１１の形状、大きさ及び位置は、一例であって、これに限定されるものではない。
光源２は、基板６の＋ｚ側の面上に実装されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型光源であり、例えばメンブレン構造のメンブレンＭを有するものとする。図３に示すように、光源２は、シリコンチップ２１と、薄膜ヒータ２２と、ワイヤボンディング用パッド２３と、を有する。シリコンチップ２１は、主としてシリコン製の半導体チップであり、その平面（ｘｙ平面）の中央部に酸化シリコン及び窒化シリコンの積層膜からなるメンブレンＭを有する。基板６の＋ｚ側面とメンブレンＭの表面とは略平行の関係にある。
薄膜ヒータ２２は、赤外線を放射する光源であり、メンブレンＭの平面の略中央部に形成されている。薄膜ヒータ２２は、メンブレンＭ上又はシリコンチップ２１周辺部のコンタクト部を介し引き出し電極と接続され、ワイヤボンディング用パッド２３と電気的に接続される。薄膜ヒータ２２の材質としては、高融点金属であるタングステン（融点：３３８７［℃］）、レニウム（融点３１８０［℃］）、タンタル（融点２９９６［℃］）、オスミウム（融点２７００［℃］）、モリブデン（融点２６１０［℃］）、ニオブ（融点２４６８［℃］）、イリジウム（融点２４４７［℃］）、ホウ素（融点２３００［℃］）、ルテニウム（融点２２５０［℃］）、ハフニウム（融点２１５０［℃］）、不純物がドープされたシリコン、又は導電性酸化物を用いることができる。薄膜ヒータ２２は、通電によりメンブレンＭが加熱され、表面温度と表面放射率に依存した強度と波長イオン性とを有する赤外線を放射する。
薄膜ヒータ２２は、例えば、リソグラフィにより、シリコンチップ２１上にパターン形成される。本実施の形態では、薄膜ヒータ２２が形成されたシリコンチップ２１を基板６への直接実装（ＣＯＢ：Chip On Board）する構成とする。ただし、これに限定されるものではなく、シリコンチップ２１をＣＡＮパッケージ、セラミックパッケージなどに納める構成としてもよい。その場合、薄膜ヒータ２２は、パッケージから露出、又は薄膜ヒータ２２からの赤外線を透過させる構造となり、赤外線を透過させる保護板等で覆ってもよい。シリコンチップ２１は、例えば、略３ｍｍ角の略正方形とする。
ワイヤボンディング用パッド２３は、基板６上の配線とワイヤボンディングされる。薄膜ヒータ２２がメンブレンＭに形成される構造であるので、光源２の熱容量を低くし、熱効率を上げることができる。
光学フィルタ３は、受光部４の受光面を覆うように設けられた、検出対象のガスＧに固有の吸収波長に対応する波長域（バンド）の光（赤外線）を透過するフィルタである。このように、光学フィルタ３の透過波長は、検出対象のガスＧの固有の吸収波長に一致するように設計されており、これによって検出対象のガスＧ以外のガスによる光量変化が抑制され、受光部４の検出信号のＳＮ比が向上する。より具体的には、光学フィルタ３は、光源２から入射されガスＧ（二酸化炭素）を通過した波長域の広い赤外線をフィルタリングして、ガスＧの吸収波長（４．２６［μｍ］）に対応する波長域の赤外線を透過する。
ＭＥＭＳ型光源としての光源２は、小型・低背であり、センサモジュールとしての小型化、特に従来の白熱光源やＬＥＤ（Light Emitting Diode）と比較して低背化を実現することができる。
また、ＭＥＭＳ型光源としての光源２は、従来の光源と比較して、長寿命、低消費電力、応答時間が短いなどの特徴（特長）があり、センサモジュール全体としての消費電流に対して支配的である光源の消費電力を下げることでセンサモジュールとしての低消費電力を図ることができる。ＭＥＭＳ型光源の応答時間が短い特徴は、間欠駆動を行う場合に、通電後の待機時間を短くすることを可能とし、平均消費電力を低減できる。
また、ＭＥＭＳ型光源としての光源２は、従来の光源と比較して、高温部表面からの放射光を直接利用できるため、高波長に吸収帯を持つガスの検出への応用も可能になる。光源２の赤外線を放射する領域（薄膜ヒータ２２）は、シリコンチップ２１の平面上に高精度にパターニングされており、フィラメントをコイル状に巻いた従来の白熱光源とは異なり、放射方向の個体ばらつきが非常に小さい。このため、光源２でセンサモジュールを構成した時の受光量のばらつきが低減され製品歩留まりの向上に寄与する。
また、光源２は、シリコンウエハーを元にＭＥＭＳ技術によって一括生産されるため、量産性に優れる。例えば、光源２の製造方法としては、１枚のシリコンウエハー上に複数の薄膜ヒータ２２、ワイヤボンディング用パッド２３を形成し、個々の光源２にダイシングしてチップ化する方法がある。なお、光源２の製造方法として、１枚のシリコンウエハーをダイシングして複数のシリコンチップ２１を製造し、個々のシリコンチップ２１に、薄膜ヒータ２２、ワイヤボンディング用パッド２３を形成する方法を採用してもよい。このように、光源２は、半導体やＭＥＭＳデバイス製造と同様に、小片化工程・マウント方法が使用できるため、実装工程の生産性が高い。
光学フィルタ３は、例えば、基板としてのシリコン基板と、誘電体多層膜と、を有する。シリコン基板は、平面状のシリコン製の基板である。基板の材質はシリコンに限らず、Ｇｅ（ゲルマニウム）、石英、アルミナ、ＢａＦ２（フッ化バリウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、などを用いることができる。誘電体多層膜は、シリコン基板の両面に設けられた複数の誘電体の層状の膜である。なお、光学フィルタ３の平面形状は、円形とするが、これに限定されるものではなく、矩形など、他の形状としてもよい。
受光部４は、基板６の＋ｚ側の面上に実装され、複数の熱電対を有するサーモパイル方式の光センサ（赤外線センサ）であり、入射された赤外線の光量を検出してアナログの電気信号としての検出信号を出力する。ただし、受光部４は、サーモパイル方式の赤外線センサに限定されるものではなく、次表Iに示す各種方式の赤外線センサとしてもよい。
また、受光部４は、例えばＣＡＮパッケージの赤外線センサとするが、この構成に限定されるものではない。
信号処理部５は、基板６の＋ｚ側の面上のカバー１以外の平面領域に実装され、受光部４の検出信号に関する信号処理を行う電子部品（プロセッサ）としてのＡＦＥ（Analog Front End）－ＩＣ（Integrated Circuit）である。信号処理部５は、受光部４のアナログの検出信号を増幅してＡＤ変換し、光学式ガスセンサ装置１００の個体ばらつきの補正などを行い、当該増幅されたデジタルの検出信号を用いて信号処理を行い、デジタルの各種信号を生成して出力する。
基板６は、ガラスエポキシ樹脂などの板上に、導体の配線がプリントされたＰＣＢ（Printed CircuitBoard）である。基板６は、＋ｚ側の面上に、カバー１、光源２（及び光学フィルタ３）、受光部４、信号処理部５、コネクタ７、回路素子部８が実装されている。基板６の＋ｚ側面と、光学フィルタ３、受光部４の受光面とは、それぞれ略平行の関係にある。
コネクタ７は、基板６の＋ｚ側の面上のカバー１及び信号処理部５以外の平面領域に実装され、信号処理部５から出力されたデジタルの各種信号を、後段の機器２３０（警報器とする）の情報処理部（ＭＣＵ２００）に出力するためのコネクタである。コネクタ７は、プラグを有するケーブルを介して機器２３０のＭＣＵ２００に接続される。
回路素子部８は、スイッチ、チップ抵抗、チップコンデンサなどの回路素子である。
つぎに、光学式ガスセンサ装置１００の赤外線の光路を説明する。光学式ガスセンサ装置１００において、光源２から＋ｚ方向に放射された赤外線は、カバー１内の検出対象のガスＧで吸収されるとともに、カバー１の平面状（もしくは曲面状）の内面で＋ｙ方向に反射され、さらにカバー１の平面状（もしくは曲面状）の内面で－ｚ方向に反射され、光学フィルタ３によりフィルタリングされ、受光部４に入射する光路を通る。この光路は、平面上で直線状の光路となる。なお、赤外線の光路は、平面上で直線状の光路に限定されるものではなく、平面上でカバー１の内面に反射されて折り曲げられた光路などとしてもよい。
つぎに、図４を参照して、光学式ガスセンサ装置１００の回路構成を説明する。図４は、光学式ガスセンサ装置１００及び機器２３０の回路構成を示す図である。
図４に示すように、光学式ガスセンサ装置１００は、回路構成として、光源２と、受光部４と、信号処理部５と、回路素子部８と、を有する。信号処理部５は、アンプ５０と、温度センサ５１と、マルチプレクサ５２と、ＡＤ（Analog to Digital）コンバータ５３と、ＮＶＭ（Non-Volatile Memory：不揮発性メモリ）５４と、データプロセッサ５５と、通信部５６と、状態出力用端子５７と、を有する。回路素子部８は、スイッチ８１と、抵抗８２，８３と、を有する。また、光学式ガスセンサ装置１００は、機器２３０のＭＣＵ２００に接続されている。機器２３０は、ＭＣＵ２００と、抵抗２１１，２１２と、コンデンサ２１３と、報知部２１４と、を備える。
ＭＣＵ２００は、機器２３０の各部を制御する制御部であり、通信部２０１を有する。通信部５６，２０１は、Ｉ２Ｃの通信方式のシリアル通信部である。光学式ガスセンサ装置１００の通信部５６と、通信部２０１とは、コネクタ７により、クロック線ＳＣＬ及びデータ線ＳＤＡを介して接続されている。通信部２０１は、クロック信号を生成して通信部５６に出力し、データ信号を通信部５６に送受信する。なお、通信部５６，２０１の通信方式は、ＩＣ２に限定されるものではない。また、ＭＣＵ２００は、信号線２２０を介して状態出力用端子５７に接続され、後述する光学式ガスセンサ装置１００の状態信号を光学式ガスセンサ装置１００から受信する。ＭＣＵ２００は、光学式ガスセンサ装置１００の状態信号に基づき、報知部２１４を制御する。報知部２１４は、ＭＣＵ２００の制御に従い、後述するように、表示、音出力などにより、状態信号に基づく光学式ガスセンサ装置１００の状態を報知する。
また、電源電圧ＶＤＤの電源部は、抵抗２１１を介してクロック線ＳＣＬ（シリアルクロック）と接続され、抵抗２１２を介してデータ線ＳＤＡ（シリアルデータ）と接続され、コンデンサ２１３を介してグラウンドと接続されている。抵抗２１１，２１２は、プルアップ抵抗である。電源電圧ＶＤＤは、コンデンサ２１３によりノイズが除去される。
光源２及びスイッチ８１は、電源電圧ＶＤＤの電源部とグラウンドとの間に直列に接続されている。スイッチ８１は、光源２のオン／オフの切り替え用のスイッチであり、ＮＭＯＳＦＥＴ（N-channel Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：Ｎチャネル金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などで構成され、制御端子としてのゲートが信号処理部５に接続されている。また、抵抗８２，８３は、電源電圧ＶＤＤの電源部とグラウンドとの間に直列に接続されている。抵抗８２，８３の間のノードは、受光部４の入力端に接続されている。抵抗８２，８３により分圧された電源電圧は、受光部４の入力端に入力される。受光部４は、光源２から放射されガスＧ、光学フィルタ３を介して入力された赤外線ＩＲを検出し、アナログの検出信号を出力端から出力する。
また、抵抗８２，８３により分圧された電源電圧は、アンプ５０の第１の入力端に入力される。受光部４の出力端は、アンプ５０の第２の入力端に接続されている。アンプ５０は、入力された分圧された電源電圧と、受光部４から入力された検出信号とを用いて、受光部４から出力されたアナログの検出信号を増幅する。
アンプ５０の出力端は、マルチプレクサ５２の複数の入力端の１つに接続されている。温度センサ５１は、マルチプレクサ５２の複数の入力端の１つに接続され、カバー１の内部の温度を検出してアナログの温度信号を生成し、生成したアナログの温度信号をマルチプレクサ５２の当該入力端に出力する。
マルチプレクサ５２は、例えばデータプロセッサ５５からの信号の選択制御に応じて、受光部４から入力された増幅後のアナログの検出信号と、温度センサ５１から入力されたアナログの温度信号とを、１つのアナログの多重化信号に多重化してＡＤコンバータ５３の入力端に出力する。ＡＤコンバータ５３は、入力された多重化信号を受光部４のデジタルの検出信号及びデジタルの温度信号の多重化信号に変換し、データプロセッサ５５に出力する。
ＮＶＭ５４は、情報を不揮発に記憶するメモリであり、例えば、後述するガスＧの濃度Ｃの閾値Ｍ１，Ｍ２，Ａ、所定時間及び補正係数を記憶している。閾値Ｍ１は、光学式ガスセンサ装置１００の故障状態及び正常状態（故障状態でない状態）を判別するための閾値であり、正常状態のガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃの下限の閾値である。閾値Ｍ２は、光学式ガスセンサ装置１００の故障状態及び正常状態（故障状態でない状態）を判別するための閾値であり、正常状態のガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃの故障状態の上限の閾値である。閾値Ａは、光学式ガスセンサ装置１００の警報状態及び正常状態（警報状態でない状態）を判別するための閾値であり、正常状態のガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃの上限の閾値である。また、各閾値は、Ｍ２＞Ａ＞Ｍ１の大小関係がある。所定時間は、光学式ガスセンサ装置１００の状態を判別するタイミングを示す予め設定された所定周期であり、例えば２秒である。補正係数は、光学式ガスセンサ装置１００の個体ばらつきの補正などの補正処理を行うための補正係数である。
データプロセッサ５５は、受光部４の検出信号に関する信号処理を行う制御部本体（プロセッサ）であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、記憶部を有する。ＣＰＵは、光学式ガスセンサ装置１００を制御する。ＲＡＭは揮発性のメモリであり、情報を一時的に格納する。記憶部は、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ（ＮＶＭ：Non-Volatile Memory）により構成され、各種データ及びプログラムが記憶されている。当該記憶部をデータプロセッサ５５とは別に設けられた不揮発性メモリであるＮＶＭ５４で兼用する構成としてもよい。なお、ＮＶＭ５４としては、マスクＲＯＭやＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、フラッシュメモリなどを用いることができる。データプロセッサ５５において、ＣＰＵは、記憶部に記憶されたプログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムとの協働で各種処理を行う。記憶部には、後述する状態信号生成処理を実行するための状態信号生成プログラムが記憶されているものとする。
データプロセッサ５５は、マルチプレクサ５２から入力された受光部４のデジタルの検出信号及びデジタルの温度信号と、ＮＶＭ５４に格納された補正係数とを用いて、ガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃを算出し、算出したガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃと、ＮＶＭ５４に記憶された閾値Ｍ１，Ｍ２，Ａとの比較に応じて、光学式ガスセンサ装置１００の各種の状態信号（後述する故障信号、警報信号、監視信号）を生成し、通信部５６を介してガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃを機器２３０のＭＣＵ２００に送信する。また、データプロセッサ５５は、ＭＣＵ２００に状態出力用端子５７を介して、光学式ガスセンサ装置１００の状態信号を所定のフォーマットに基づいて送信する。なお、データプロセッサ５５を、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの回路により構成することとしてもよい。
通信部５６は、データ線ＳＤＡを介して、データ信号を通信部２０１に送受信する。
つぎに、図５を参照して、光学式ガスセンサ装置１００の動作として、信号処理部５のデータプロセッサ５５の動作を説明する。図５は、状態信号生成処理を示すフローチャートである。
あらかじめ、光学式ガスセンサ装置１００が機器２３０のＭＣＵ２００に接続されており、ガス導入ポート１１から検出対象のガスＧがカバー１の内部に導入されている状態とする。
そして、信号処理部５のデータプロセッサ５５は、ユーザから光学式ガスセンサ装置１００の電源入力がされたこと（ステップＳ１０）をトリガーとして、内部の記憶部に記憶された状態信号生成プログラムに従い、状態信号生成処理を実行する。
まず、データプロセッサ５５は、信号処理部５の初期化などを実行して、信号処理部５の駆動準備を行う（ステップＳ１１）。そして、データプロセッサ５５は、あらかじめ設定されてＮＶＭ５４に記憶されている所定時間を読み出し、当該所定時間待機する（ステップＳ１２）。
そして、データプロセッサ５５は、スイッチ８１をオンして光源２をオンする（ステップＳ１３）。そして、データプロセッサ５５は、受光部４から出力されアンプ５０で増幅されＡＤコンバータ５３でＡＤ変換された、検出対象のガスＧの検出信号及び温度信号を取得し、取得した検出信号に対してＮＶＭ５４に格納された補正係数に温度信号を適用したものを用いて、光学式ガスセンサ装置１００の個体ばらつきの補正などの補正処理を施し、補正後の検出信号からガスＧのガス濃度Ｃ又はガスＧのガス濃度に対応した値Ｃを算出し、通信部５６を介して、ガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値ＣをＭＣＵ２００に送信する（ステップＳ１４）。
そして、データプロセッサ５５は、スイッチ８１をオフして光源２をオフする（ステップＳ１５）。そして、データプロセッサ５５は、ＮＶＭ５４に記憶された閾値Ｍ１，Ｍ２を読み出し、ステップＳ１４で取得されたガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃと閾値Ｍ１，Ｍ２とを比較し、Ｃ＜Ｍ１又はＣ＞Ｍ２であるか否かを判別する（ステップＳ１６）。
Ｃ＜Ｍ１又はＣ＞Ｍ２である場合（ステップＳ１６；ＹＥＳ）、データプロセッサ５５は、Ｃ＜Ｍ１又はＣ＞Ｍ２に基づき光学式ガスセンサ装置１００に故障の発生が発生した故障状態を示す故障信号を生成し、状態出力用端子５７を介して故障信号をＭＣＵ２００に送信し（ステップＳ１７）、ステップＳ１２に移行する。Ｃ＜Ｍ１の場合の故障状態としての第１の故障モードとしては、光源２の発光停止、受光部４の動作停止、又はカバー１の損傷による受光量の低下が相当する。Ｃ＞Ｍ２の場合の故障状態としての第２の故障モードとしては、受光部４の破壊が発生し、信号処理部５に異常な入力が加わった場合が相当する。故障信号は、Ｃ＜Ｍ１の場合の故障モード、Ｃ＞Ｍ２の場合の故障モードのどちらであるかを示す情報を含むことが好ましい。
ステップＳ１７に対応して、機器２３０のＭＣＵ２００は、光学式ガスセンサ装置１００から故障信号を受信すると、機器２３０の報知部２１４に、表示、音出力などにより故障発生（、故障モード）の情報を報知させる。その場合、報知部２１４には、光学式ガスセンサ装置１００の状態を示すＬＥＤ（Light Emitting Diode）等からなる信号器や、液晶や有機ＥＬ（Electro-Luminescence）からなるディスプレイ、音出力のためのスピーカー等の報知手段が備わる。さらには、ＭＣＵ２００は、適切な換気動作などを開始させるためのトリガー信号を、通信部５６又は状態出力用端子５７を介して、同じくＭＣＵ２００に接続された、換気動作などを行うユニットに対して送信する。
Ｃ＜Ｍ１又はＣ＞Ｍ２でない場合（Ｍ１≦Ｃ≦Ｍ２であり故障状態でない場合）（ステップＳ１６；ＮＯ）、データプロセッサ５５は、ＮＶＭ５４に記憶された閾値Ａを読み出し、ステップＳ１４で取得されたガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃと閾値Ａとを比較し、Ｃ＞Ａであるか否かを判別する（ステップＳ１８）。Ｃ＞Ａである場合（ステップＳ１８；ＹＥＳ）、データプロセッサ５５は、Ｃ＞Ａに基づきガスＧ漏れが発生した警報状態であると判断し、光学式ガスセンサ装置１００の警報状態の旨の警報信号を生成し、状態出力用端子５７を介して警報信号をＭＣＵ２００に送信し（ステップＳ１９）、ステップＳ１２に移行する。
ステップＳ１９に対応して、機器２３０のＭＣＵ２００は、光学式ガスセンサ装置１００から警報信号を受信すると、機器２３０の報知部２１４に、表示、音出力などによりガスＧ漏れの警報を報知させる。
Ｃ＞Ａでない場合（Ｃ≦Ａであり警報状態でない場合）（ステップＳ１８；ＮＯ）、データプロセッサ５５は、Ｃ＞Ａに基づきガスＧ漏れが発生していない正常状態であると判断し、光学式ガスセンサ装置１００の正常状態の旨の監視信号を生成し、状態出力用端子５７を介して監視信号をＭＣＵ２００に送信し（ステップＳ２０）、ステップＳ１２に移行する。
ステップＳ２０に対応して、機器２３０のＭＣＵ２００は、光学式ガスセンサ装置１００から監視信号を受信すると、警報の報知は行わないが、機器２３０の報知部２１４に、表示、音出力などにより正常状態である旨を報知させることとしてもよい。
なお、ステップＳ１７，Ｓ１９又はＳ２０において、データプロセッサ５５が、故障信号、警報信号又は監視信号を、通信部５６を介して、ＭＣＵ２００に送信する構成としてもよい。また、ステップＳ１４において、データプロセッサ５５が、算出されたガスＧのガス濃度Ｃ又はガスＧのガス濃度に対応した値Ｃを、ＭＣＵ２００に送信しない構成としてもよい。
以上、本実施の形態によれば、光学式ガスセンサ装置１００は、赤外線を検出対象のガスＧに出射する光源２と、検出対象のガスＧの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタ３と、光学フィルタ３を介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部４と、検出信号から検出対象のガスＧのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて光学式ガスセンサ装置１００の状態を判別する信号処理部５と、を備える。
光学式ガスセンサ装置１００は、基板６と、基板６上に、光源２、光学フィルタ３、受光部４、信号処理部５（検出信号に関する信号処理を行うデータプロセッサ５５、あらかじめ設定されたガス濃度Ｃ又は当該ガス濃度に対応した値Ｃの閾値が記憶されたＮＶＭ５４）を有する。
このため、実際にガスＧを検出し算出したガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃを用いて光学式ガスセンサ装置の状態を判別するので、ガスＧ検出の正確性を保証できる。これは、確実な動作が必要とされる産業用途や、可燃性ガスや毒性ガスといった、計測エラーが重大な事故に繋がりうるアプリケーションにおいて重要である。また、ガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃの検出及び算出の度に状態検出（状態判別）を行うので、異常の発生を速やかに検出できる。また、状態検出（自己診断）を行うために必要な付加部品が必要ないため、部品点数が増加したり、個々の部品が複雑化することを防いで、光学式ガスセンサ装置１００の構成を簡単にでき、コストを低減できる。また、自己診断（状態検出）を行うためだけの光源２点灯が必要なく、消費電力の削減や光源２の経時劣化を抑制できる。さらに、状態検出の為に受光部４を加熱する必要がないため、自己診断を実施することに伴う受光部４の劣化の発生を防ぐことができる。
また、閾値は、光学式ガスセンサ装置１００の故障状態を判別するための閾値Ｍ１及び閾値Ｍ１よりも大きい閾値Ｍ２を含む。信号処理部５は、算出されたガス濃度又は対応した値が閾値Ｍ１よりも小さい場合、又は閾値Ｍ２より大きい場合に、前記光学式ガスセンサ装置の故障状態を判別する。このため、光学式ガスセンサ装置の故障状態を正確に判別できる。
また、閾値は、光学式ガスセンサ装置１００のガスＧ漏れ発生の警報状態を判別するための閾値Ａを含む。信号処理部５は、算出されたガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃが、閾値Ａよりも大きい場合に、光学式ガスセンサ装置の警報状態を判別する。このため、光学式ガスセンサ装置の警報状態を正確に判別できる。
また、信号処理部５は、判別された光学式ガスセンサ装置１００の状態を示す状態信号（故障信号、警報信号、監視信号）を機器２３０に送信する。特に、信号処理部５は、算出されたガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃに応じて、警報の生成について決定する（警報信号の状態信号を機器２３０に送信することを決定して送信する）。このため、機器２３０が、状態信号（故障信号、警報信号、監視信号）に基づく処理（状態信号に基づく状態の報知など）を行うことができる。
また、信号処理部５は、算出されたガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃを機器２３０に送信する。このため、機器２３０が、ガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃに基づく処理（ガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃの管理など）を行うことができる。
また、光学式ガスセンサ装置１００は、基板６と、基板６上に、光源２と受光部４とを覆うように設けられ、光学フィルタ３を通った赤外線がその内面に反射し、少なくとも反射光の一部が受光部４へ到達するように設けられたカバー１と、検出対象のガスＧをカバー１の内部に導入するガス導入ポート１１と、を備える。このため、カバー１内のガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃを正確に検出でき、光学式ガスセンサ装置の状態を正確に判別するので、ガスＧ検出のより高い正確性を保証できる。
また、信号処理部５は、光源２をオンして、受光部４の検出対象のガスＧの検出信号を取得し（、検出対象のガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃを算出、送信し）、光源２をオフする。このため、光源２の点灯時間を短縮するので、消費電力の削減や光源２の経時劣化をより抑制できる。なお、信号処理部５（データプロセッサ５５）は、光源２をオフ後（ステップＳ１５後）に、ガスＧのガス濃度Ｃ又はガス濃度に対応した値Ｃの算出、送信を行う構成としてもよい。
また、光学式ガスセンサ装置１００は、光源２のオンオフの切り替え用のスイッチ８１を備える。信号処理部５は、スイッチ８１の制御により、光源２をオン又はオフする。このため、信号処理部５により、光源２を容易かつ正確にオンオフできる。
なお、上記実施の形態における記述は、本発明に係る光学式ガスセンサ装置、ガス検知方法及びプログラムの一例であり、これに限定されるものではない。
例えば、上記実施の形態では、光学式ガスセンサ装置１００が、一組の光源２、光学フィルタ３及び受光部４を備える構成としたが、これに限定されるものではない。光学式ガスセンサ装置は、複数組の光源２、光学フィルタ３及び受光部４を備える構成としてもよい。
その他、上記実施の形態における光学式ガスセンサ装置１００の細部構成及び詳細動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
以上のように、本発明に係る光学式ガスセンサ装置、ガス検知方法及びプログラムは、ＣＯ２などのガス検出に適している。
１００ 光学式ガスセンサ装置
Ｇ ガス
１ カバー
１１ ガス導入ポート
１２ ガスフィルタ
２ 光源
２１ シリコンチップ
２２ 薄膜ヒータ
２３ ワイヤボンディング用パッド
Ｍ メンブレン
３ 光学フィルタ
４ 受光部
５ 信号処理部
５０ アンプ
５１ 温度センサ
５２ マルチプレクサ
５３ ＡＤコンバータ
５４ ＮＶＭ
５５ データプロセッサ
５６ 通信部
ＳＣＬ クロック線
ＳＤＡ データ線
６ 基板
７ コネクタ
８ 回路素子部
８１ スイッチ
８２，８３ 抵抗
２３０ 機器
２００ ＭＣＵ
２０１ 通信部
２１１，２１２ 抵抗
２１３ コンデンサ
２１４ 報知部
２２０ 信号線
Ｇ ガス
１ カバー
１１ ガス導入ポート
１２ ガスフィルタ
２ 光源
２１ シリコンチップ
２２ 薄膜ヒータ
２３ ワイヤボンディング用パッド
Ｍ メンブレン
３ 光学フィルタ
４ 受光部
５ 信号処理部
５０ アンプ
５１ 温度センサ
５２ マルチプレクサ
５３ ＡＤコンバータ
５４ ＮＶＭ
５５ データプロセッサ
５６ 通信部
ＳＣＬ クロック線
ＳＤＡ データ線
６ 基板
７ コネクタ
８ 回路素子部
８１ スイッチ
８２，８３ 抵抗
２３０ 機器
２００ ＭＣＵ
２０１ 通信部
２１１，２１２ 抵抗
２１３ コンデンサ
２１４ 報知部
２２０ 信号線
Claims (15)
- 光学式ガスセンサ装置であって、
赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
前記検出信号から前記検出対象のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する信号処理部と、を備える光学式ガスセンサ装置。 - 前記閾値は、前記光学式ガスセンサ装置の故障状態を判別するための第１の閾値及び当該第１の閾値よりも大きい第２の閾値を含み、
前記信号処理部は、前記算出されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値が、前記第１の閾値よりも小さい場合、又は前記第２の閾値より大きい場合に、前記光学式ガスセンサ装置の故障状態を判別する請求項１に記載の光学式ガスセンサ装置。 - 前記閾値は、前記光学式ガスセンサ装置のガス漏れ発生の警報状態を判別するための第３の閾値を含み、
前記信号処理部は、前記算出されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値が、前記第３の閾値よりも大きい場合に、前記光学式ガスセンサ装置の警報状態を判別する請求項１又は２に記載の光学式ガスセンサ装置。 - 前記信号処理部は、前記判別された光学式ガスセンサ装置の状態を示す状態信号を機器に送信する請求項１から３のいずれか一項に記載の光学式ガスセンサ装置。
- 前記信号処理部は、前記算出されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を前記機器に送信する請求項４に記載の光学式ガスセンサ装置。
- 基板と、
前記基板上に、前記光源と前記受光部とを覆うように設けられ、前記光学フィルタを通った前記赤外線がその内面に反射し、少なくとも反射光の一部が前記受光部へ到達するように設けられたカバーと、
前記検出対象のガスを前記カバーの内部に導入するガス導入部と、を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の光学式ガスセンサ装置。 - 前記信号処理部は、前記光源をオンして、前記検出対象のガスの検出信号を取得し、前記光源をオフする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学式ガスセンサ装置。
- 前記光源のオンオフの切り替え用のスイッチを備え、
前記信号処理部は、前記スイッチの制御により、前記光源をオン又はオフする請求項７に記載の光学式ガスセンサ装置。 - 光学式ガスセンサ装置であって、
基板と、前記基板上に、
薄膜ヒータからなり赤外線を出射する光源と、
前記赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
前記検出信号に関する信号処理を行うプロセッサと、
あらかじめ設定されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値の閾値が記憶された不揮発性メモリと、を有し、
前記光学フィルタは、検出対象のガスの固有の吸収波長を透過させ、
前記プロセッサは、前記光学フィルタを透過した波長のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、前記閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する光学式ガスセンサ装置。 - 前記基板上に、前記光源と前記受光部とを覆うように設けられ、前記光学フィルタを通った前記赤外線がその内面に反射し、少なくとも反射光の一部が前記受光部へ到達するように設けられたカバーと、
前記検出対象のガスを前記カバーの内部に導入するガス導入部と、を備える請求項９に記載の光学式ガスセンサ装置。 - 赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、を備える光学式ガスセンサ装置のガス検知方法であって、
前記検出信号から前記検出対象のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する判別工程を含むガス検知方法。 - 基板と、前記基板上に、
薄膜ヒータからなり赤外線を出射する光源と、
前記赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
あらかじめ設定されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値の閾値が記憶された不揮発性メモリと、を有し、
前記光学フィルタは、検出対象のガスの固有の吸収波長を透過させる光学式ガスセンサ装置のガス検知方法であって、
前記光学フィルタを透過した波長のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、前記閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する判別工程を含むガス検知方法。 - 前記光学式ガスセンサ装置の状態の判別後、前記算出されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値に応じて、警報の生成について決定する決定工程を含む請求項１１又は１２に記載のガス検知方法。
- 赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、を備える光学式ガスセンサ装置のコンピュータを、
前記検出信号から前記検出対象のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別する信号処理部、
として機能させるためのプログラム。 - 基板と、前記基板上に、
薄膜ヒータからなり赤外線を出射する光源と、
前記赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
あらかじめ設定されたガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値の閾値が記憶された不揮発性メモリと、を有し、
前記光学フィルタは、検出対象のガスの固有の吸収波長を透過させる光学式ガスセンサ装置のコンピュータを、
前記光学フィルタを透過した波長のガスのガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を算出し、算出したガス濃度又は当該ガス濃度に対応した値を、前記閾値と比較し、比較結果に応じて前記光学式ガスセンサ装置の状態を判別するプロセッサ、
として機能させるためのプログラム。
Applications Claiming Priority (2)
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| JP2022-057888 | 2022-03-31 | ||
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Publications (1)
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|---|---|
| WO2023189637A1 true WO2023189637A1 (ja) | 2023-10-05 |
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Patent Citations (5)
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