(57)【要約】【課題】構造がシンプルで、容易にかつ安価に製造でき、サイズを非常に小型化することができるガスセンサを提供する。【解決手段】  本ガスセンサは、光路内に流入するガス成分を評価するためのものであって、ガス成分評価用の光を発する光源８と、光路１を伝達してきて出射する光を受光する受光素子９を有し、光路は、平板に矩形断面をもって形成された渦巻状の溝部１と、前記溝部１の底面部と、前記溝部１の上面を覆う平面板４により形成され、光路の渦外周部の光入射開口部６には光源８が配置されるとともに、光路の渦中心部の光出射開口部７には受光素子９が配置され、少なくとも溝部１の内壁はガス成分評価に有用な波長光に対して高い光反射特性を有し、溝部１の上面の平面板４の一部もしくは全面が被測定ガスを流出入させる部材で形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路内に流入するガス成分を評価するためのガスセンサであって、ガス成分評価用の光を発する光源と、光路を伝達してきて出射する光を受光する受光素子を有するガスセンサにおいて、
前記光路は、平板に矩形断面をもって形成された渦巻状の溝部と前記溝部の上面を覆う平面板により形成され、
前記光路の渦外周部の光入射開口部には前記光源が配置されるとともに、前記光路の渦中心部の光出射開口部には前記受光素子が配置され、
少なくとも前記溝部の内壁はガス成分評価に有用な波長光に対して高い光反射特性を有し、
前記溝部の上面の平面板の一部もしくは全面が被測定ガスを流出入させる部材で形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
光路内に流入するガス成分を評価するためのガスセンサであって、ガス成分評価用の光を発する光源と、光路を伝達してきて出射する光を受光する受光素子を有するガスセンサにおいて、
前記光路は、平板に矩形断面をもって形成された一対の渦巻状の溝部と前記溝部の上面を覆う平面板により形成され、前記一対の渦巻状の溝部は半回転分位相がずれた２重の溝形状となっており、
前記光路の一方の渦外周部の光入射開口部には前記光源が配置されるとともに、前記光路のもう一方の渦外周部の光出射開口部には前記受光素子が配置され、
少なくとも前記溝部の内壁はガス成分評価に有用な波長光に対して高い光反射特性を有し、
前記溝部の上面の平面板の一部もしくは全面が被測定ガスを流出入させる部材で形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
前記光源の輝度の経時変化を調べるために前記光路を伝達する光の一部を取り出す手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記被測定ガスを流出入させる部材が、被測定ガスは通過させ、前記溝部の光反射特性を劣化させる汚染物質の通過は阻止するガス透過膜またはガスフィルターであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記光出射開口部に波長選択フィルタを設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス成分を評価するためのガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガスの種類の特定や濃度の測定を行うガスセンサとして、光源からガス成分評価用の光を発生させ、ガスを通過することにより吸収された分光成分を受光素子で検出するタイプのものが知られている。
【０００３】
たとえば、特許文献１では、空洞内に閉じ込められたガスサンプルの成分を評価するためのガスセンサであって、３つの楕円凹面状の壁部分を含むブロック状の形態を有し、内部に空洞が形成され、前記壁部分の内側は高い光反射性を有する鏡面を形成し、前記空洞は入口開口および出口開口を備え、前記入口開口からの入射光線が、前記３つの壁部分によって所定の回数だけ反射せしめられた後、前記出口開口を通って出て行くような光学的分析経路を形成するようになっているガスセンサにおいて、第１、第２および第３の壁部分は、それぞれ、同一の回転楕円体の一部分からなり、前記第１の壁部分は、前記回転楕円体を、長軸に平行な面で切り取って形成した前記回転楕円体の半分よりも幾分小さい部分からなり、前記第２および第３の壁部分は、前記第１の壁部分よりも幾分小さい壁部分から、それを２分割する分割線に沿って一部を取り除いた残りの２つの部分からなり、前記第２および第３の壁部分は、前記第１の壁部分に対置して配置されるとともに、互いに近づく方向に動かされ得るようになっていることを特徴とするガスセンサが提案されている。このような構成により、光路長を長くして被測定ガスの成分を精度よく検出しようというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９９０７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されているようなガスセンサは、回転楕円体の鏡面での反射を利用して、入口開口から入射した光を出口開口から出射させて、それを光検出器で検出して、ガス成分の評価を行うため、回転楕円体の鏡面の設計や光学系の設計が複雑となる上、ガスセンサのサイズも大きくなり、また製造コストが高くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、構造がシンプルで、容易にかつ安価に製造でき、サイズを非常に小型化することができるガスセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、第１には、光路内に流入するガス成分を評価するためのガスセンサであって、ガス成分評価用の光を発する光源と、光路を伝達してきて出射する光を受光する受光素子を有するガスセンサにおいて、前記光路は、平板に矩形断面をもって形成された渦巻状の溝部と前記溝部の上面を覆う平面板により形成され、前記光路の渦外周部の光入射開口部には前記光源が配置されるとともに、前記光路の渦中心部の光出射開口部には前記受光素子が配置され、少なくとも前記溝部の内壁はガス成分評価に有用な波長光に対して高い光反射特性を有し、前記溝部の上面の平面板の一部もしくは全面が被測定ガスを流出入させる部材で形成されていることを特徴とするガスセンサを提供する。
【０００８】
また、本発明は、第２には、光路内に流入するガス成分を評価するためのガスセンサであって、ガス成分評価用の光を発する光源と、光路を伝達してきて出射する光を受光する受光素子を有するガスセンサにおいて、前記光路は、平板に矩形断面をもって形成された一対の渦巻状の溝部と前記溝部の上面を覆う平面板により形成され、前記一対の渦巻状の溝部は半回転分位相がずれた２重の渦巻溝形状となっており、前記光路の一方の渦外周部の光入射開口部には前記光源が配置されるとともに、前記光路のもう一方の渦外周部の光出射開口部には前記受光素子が配置され、少なくとも前記溝部の内壁はガス成分評価に有用な波長光に対して高い光反射特性を有し、前記溝部の上面の平面板の一部もしくは全面が被測定ガスを流出入させる部材で形成されていることを特徴とするガスセンサを提供する。
【０００９】
第３には、上記第１または第２の発明において、前記光源の輝度の経時変化を調べるために前記光路を伝達する光の一部を取り出す手段を設けたことを特徴とするガスセンサを提供する。
【００１０】
第４には、上記第１ないし第３のいずれかの発明において、前記被測定ガスを流出入させる部材が、被測定ガスは通過させ、前記溝部の光反射特性を劣化させる汚染物質の通過は阻止するガス透過膜またはガスフィルターであることを特徴とするガスセンサを提供する。
【００１１】
第５には、上記第１ないし第４のいずれかの発明において、前記光出射開口部に波長選択フィルタを設けたことを特徴とするガスセンサを提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記構成を採用したので、構造がシンプルで、容易にかつ安価に製造でき、サイズを非常に小型化することができるガスセンサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガスセンサの構造を模式的に示す平面図である。
【図２】図１のガスセンサの光路を形成する溝部の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るガスセンサの構造を模式的に示す平面図である。
【図４】図３のガスセンサの変形例を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の第１実施形態に係るガスセンサについて詳述する。
【００１５】
図１は、第１実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示す平面図、図２は、図１のガスセンサの光路を模式的に示す断面図である。
【００１６】
本実施形態のガスセンサは、全体が一定厚さの円板状体に渦巻状の溝形状の光路（以下、溝部とも称する）１が形成されてなる。この溝部１の断面形状は図２に示すように、長方形あるいは正方形の矩形状となっており、溝部１は、両側の内壁２Ａ、２Ｂと平面形状の底面３からなり、溝部１の上面は平面板４で覆われており、周囲全体が光学的に遮断された光路空間５が形成されている。すなわち、溝部１の両側の内壁２Ａ、２Ｂは渦外側部から渦中心部にかけてなだらかな渦曲線を描いている。なお、図１では説明をわかりやすくするため、隣どうしの溝部１を隔てる壁部を線状で示したが、適当な幅を持たせたものとすることができる。また、渦外周部に光入射開口部６が設けられ、渦中心部には光出射開口部７が設けられている。光入射開口部６にはガス成分評価用の光を発する光源８が配置され、光出射開口部７には受光素子９が配置されている。
【００１７】
溝部１の両側の内壁２Ａ、２Ｂと底面３および平面板４の下面は、ガス成分評価に有用な波長光に対して高い反射率を有する面で形成されている。これらの面は、プラスチックのような材料にＡｕやＰｔ等の高い反射率のコーティングを施して形成してもよいし、全体として高い反射率の材料を用いることにより形成してもよい。これらの面は、ガス成分評価に不要な波長光は吸収するものであることも好ましい。また、これらの面は、その表面性状が必ずしも鏡面である必要はなく、ガス成分評価に有用な波長光に対して高い反射率を示すものであれば、多少の凹凸がある散乱性の面であっても構わない。
【００１８】
溝部１の上面を覆う平面板４は、その一部または全面にわたって被測定ガスの流入と流出を施すための開口が形成されているものとする。開口の形状は、被測定ガスがパイプもしくはホース等で供給される場合、パイプもしくはホースに接続するコネクターを有す形状で、流入部と流出部で一対をなすが、溝部全域に渡り万遍なくガスが行き渡るように溝部の互いに離れた位置に配置されものとすることができる。あるいは被測定ガスとして装置を取り囲む外気が対象の場合、平面板４は、被測定ガスは通過させ、溝部１の光反射特性を劣化させる塵埃等の汚染物質の通過は阻止するガス透過膜またはガスフィルターからなるものであってもよい。
【００１９】
なお、図示はしていないが、本実施形態のガスセンサは光源８の駆動回路を備えており、また、受光素子９の検出信号は図示しないスペクトル分析装置等に接続される。
【００２０】
本実施形態のガスセンサでは、光源８からガス成分評価に有用な波長光を発すると、その光は光入射開口部６から光路２の光路空間５に導かれる。光路空間５に導かれた光は、種々の方向に散乱する散乱光となり、溝部１の内壁２Ａ、２Ｂ、あるいは底面３、平面板４の下面に当たり反射され、この繰り返しにより渦巻状の光路１を進み、渦中心部に配置された光出射開口部７を介して受光素子９により受光される。光路１を進む光は、光路１に存在する被測定ガスにより吸収され、この吸収された分光成分を検出することにより被測定ガスの種類や濃度を検出することが可能となる。
【００２１】
本実施形態のガスセンサは、光路１を渦巻状に形成したので、小さな平板サイズの本体、光路１の小さい断面積にもかかわらず、長い光路長を実現することができ、シンプルな構成で、製造が容易、かつ小型化、低コスト化が可能となる。
【００２２】
本実施形態のガスセンサは、１種類または数種類の被測定ガス成分に対して、その成分評価に適合した光波長を選択し、その光波長を含む波長領域の光を発する光源８を用いることができる。たとえば、二酸化炭素の場合、特定の波長（４．２μｍ付近）の赤外光を吸収する性質を有しているため、その波長を含む光を発生する光源８を使用することにより、スペクトル分析により、二酸化炭素の同定と濃度検出が可能となる。この場合、特定波長の光を選択的に通過させる波長選択フィルタの使用も好ましい。もちろん、その他の種類の被測定ガス成分やその濃度検出も可能である。
【００２３】
本発明では、光入射開口部６から導入した光の反射回数や反射角度によって光路長に分布が存在するが、光源８から受光素子９に至る光路空間５、光学配置が経年変化無く一定となるように考慮する。たとえば、光源８の光放射角度の分布は経年変化を受けやすいので、光源８の位置ズレへの対処を行うようにする。そのため、光路１の途中に別の開口を設け、光源輝度の経時変化を参照するようにすることも有効である。このようにすると、ガス成分による分光成分に及ぼす効果はガス成分の濃度に比例するため、精度の高い濃度検出が可能となる。
【００２４】
ここで、第１実施形態の作製例を示すと、ガスセンサの材質として光不透過性プラスチックからなり、厚さ１０ｍｍ、直径４０ｍｍのプラスチック円板を用い、溝部１の幅を４ｍｍ、高さを８ｍｍ、光路長（光路の中心部分の渦の長さ）を３００ｍｍとし、溝部１の内壁２Ａ、２Ｂと底面３および平面板４の下方面は黒色塗料でコーティングしたものとする。光源８としては波長４．２μｍ近傍の赤外光を発するランプを用い、受光素子９として市販の焦電型センサーを用いて、二酸化炭素検出用のガスセンサが構成される。
【００２５】
もちろん、上記作製例は具体例の単なる例示のためのものであって、本発明をなんら限定するものではなく、種々の変形、変更が可能である。
【００２６】
また、上記において光源８として発光強度が可変のものを用いてもよいし、複数のものを用い、ケースによって強度を切り替えることができるようにしてもよい。
【００２７】
また、光出射開口部７には、光ファイバー等の光取り出し手段を接続して、検出すべき光を取出すこともできる。
【００２８】
また、渦の巻数も任意に設定可能である。
【００２９】
さらに、上記では、溝部１の内壁２Ａ、２Ｂと底面３および平面板４の下面での光反射を利用したが、場合によっては溝部１の内壁２Ａ、２Ｂでの光反射のみを利用することもできる。
【００３０】
次に、本発明の第２実施形態に係るガスセンサについて述べる。
【００３１】
図３は、第２実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示す平面図である。なお、図３において図１と同様な要素には同様な符号を付し、また図２と同様な要素には同様な符号を用いて説明を行う。
【００３２】
本実施形態のガスセンサは、全体が一定厚さの円板状体に渦巻状の一対の溝形状の光路（溝部）１A、１Ｂが形成されてなる。この光路（溝部）１Ａ、１Ｂの断面形状は図２に示すものと同様であり、両側の内壁２Ａ、２Ｂと平面形状の底面３、平面板４も同様な構造とすることができる。光路（溝部）１Ａ、１Ｂには、周囲全体が光学的に遮断された光路空間５Ａ、５Ｂが形成される。また、一方の渦外周部には光入射開口部６が設けられ、もう一方の渦外周部には光出射開口部７が設けられている。光入射開口部６にはガス成分評価用の光を発する光源８が配置され、光出射開口部７には受光素子９が配置されている。
【００３３】
一対の溝形状の光路（溝部）１Ａ、１Ｂは、半回転分位相がずれた２重の渦巻溝形状となっている。すなわち、光路（溝部）１Ａは、一方の渦外周部に設けられた光入射開口部６から渦巻状の経路をたどって次第に縮径しながら渦中心部１０に達し、この渦中心部１０において、光路（溝部）１Ｂに接続し、渦巻状の経路をたどって次第に拡径しながらもう一方の渦外周部に設けられた光出射開口部７に達するようになっている。
【００３４】
このような構成のガスセンサでは、光源８からガス成分評価に有用な波長光を発すると、その光は光入射開口部６から光路２Ａの光路空間５Ａに導かれる。光路空間５Ａに導かれた光は、種々の方向に散乱する散乱光となり、溝部１Ａの内壁２Ａ、２Ｂ、あるいは底面３、平面板４の下面に当たり反射され、この繰り返しにより渦巻状の光路１Ａを進み、渦中心部１０に達する。渦中心部１０に達した光は、渦巻状の光路１Ｂに移り、同様の反射を繰り返して進み、光出射開口部７を介して受光素子９により受光される。第１実施形態と同様、光路１Ａ、１Ｂを進む光は、光路１Ａ、１Ｂに存在する被測定ガスにより吸収され、この吸収された分光成分を検出することにより被測定ガスの種類や濃度を検出することが可能となる。
【００３５】
第２実施形態のガスセンサのような構成によると、第１実施形態のガスセンサの利点に加え、光路長をさらに一層長くすることができる利点がある。また、光路長は図４のようにして調整することができる。また、その他の構成についても、第１実施形態で述べたものと同様な構成を採用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１、１Ａ、１Ｂ    光路（溝部）
２Ａ、２Ｂ    内壁
３    底面
４    平面板
５、５Ａ、５Ｂ    光路空間
６    光入射開口部
７    光出射開口部
８    光源
９    受光素子
１０    渦中心部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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