(57)【要約】【課題】不要な波長域の赤外線を除去フィルタで除去する構成により製造を容易にし、しかも除去フィルタの温度上昇を抑制した赤外線式ガス検知器を提供する。【解決手段】赤外線を放射する赤外光源１と、赤外光源１から放射されガス検知管３を通過した赤外線を検知する赤外線センサ２とを備える。赤外線センサ２は、焦電素子からなる受光素子２７ｘ，２７ｙと、ガス検知管３と各受光素子２１ａ，２１ｂとの間に配置され特定波長帯の赤外線を選択的に透過させる透過フィルタ２５ａ，２５ｂと、ガス検知管３と透過フィルタ２５ａ，２５ｂとの間に配置され、透過フィルタ２５ａ，２５ｂを透過する特定波長帯を除く波長域の赤外線を吸収する除去フィルタ２６とを備える。受光素子２１ａ，２１ｂは透過フィルタ２５ａ，２５ｂを透過する特定波長帯の赤外線に感度を有し、赤外光源１０は間欠的に赤外線を放射するように駆動される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を放射する赤外光源と、赤外光源から放射され検知対象ガスが導入される監視空間を通過した赤外線を検知する赤外線センサとを有し、赤外線センサの出力を用いて監視空間における検知対象ガスを検知する赤外線式ガス検知器であって、赤外線センサは、赤外線を電気信号に変換する受光素子と、監視空間から受光素子への赤外線の入射経路に配置され特定波長帯の赤外線を選択的に透過させる透過フィルタと、監視空間と透過フィルタとの間に配置され透過フィルタを透過する前記特定波長帯を除く波長域の赤外線を吸収することにより広帯域に赤外線を除去する除去フィルタとを有し、受光素子は透過フィルタを透過する特定波長帯の赤外線に感度を有し、赤外光源は間欠的に赤外線を放射するように駆動されることを特徴とする赤外線式ガス検知器。
【請求項２】
前記赤外光源は、基板の一表面に形成された薄膜であって通電に伴って発生した熱により赤外線を放射する赤外線放射層と、一面に赤外線発生層が積層されることにより赤外線発生層を支持するように基板の一表面に形成された保持層と、基板の一表面において保持層の他面に接触する気体層とを備え、気体層は、赤外線放射層の通電時には保持層の温度低下を抑制し、赤外線放射層の非通電時には保持層から基板への熱伝達を促進することを特徴とする請求項１記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項３】
前記除去フィルタは、屈折率の異なる複数層を積層した多層膜フィルタであって、多層膜フィルタのうちの少なくとも１層は透過フィルタを透過する前記特定波長帯よりも長波長の遠赤外線を吸収する赤外線吸収層であることを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項４】
前記赤外線吸収層の材料はＡｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項３記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項５】
前記赤外線吸収層の材料はＴａ２Ｏ３であることを特徴とする請求項３記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項６】
前記除去フィルタは、板状のＳｉからなるフィルタ基板を有し、フィルタ基板に多層膜フィルタが積層されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の赤外線式ガス検知器。
【請求項７】
前記受光素子は、赤外光源から放射される赤外線の全波長に対する感度を有する熱型素子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線式ガス検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象ガスが導入される監視空間に赤外線を投光し、検知対象ガスの存在に伴う赤外線の変化を検出する赤外線式ガス検知器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、赤外光源から放射した赤外線を検知対象ガスを導入する監視空間に投光し、赤外線の吸収量や反射量に基づいて、検知対象ガスを検出する赤外線式ガス検知器が提供されている。
【０００３】
この種の赤外線式ガス検知器では、赤外光源から放射した赤外線を検知対象ガス（メタン、一酸化炭素、二酸化炭素など）が導入される監視空間に放射し、赤外線の受光量に応じた受光信号を出力する受光素子を用いて検知対象ガスによる赤外線の吸収波長や吸光量を検出することにより、検知対象ガスの種類・濃度などを検出している。
【０００４】
受光素子は、赤外光源から放射される赤外線のうち検知対象ガスが吸収する波長の赤外線のみを選択的に通過させる透過フィルタを介して赤外線を受光する。したがって、透過フィルタを選択的に通過する波長により検知対象ガスの種類が特定され、赤外線の受光量（赤外線センサの出力信号レベル）に応じて検知対象ガスの濃度が計測される。
【０００５】
この種の赤外線式ガス検知器では、検知対象ガスでの吸光量を検出するために、１回の分析において、検知対象ガスに対して赤外線を断続的に複数回照射する。したがって、検知対象ガスを検出する時間を短縮するには、高速変調が可能な赤外光源を用いて断続させる時間間隔を短くする必要がある。また、赤外線を複数回照射するから、赤外線の放射に要するエネルギー（電力）を低減するために、投入エネルギーに対する赤外線の放射量を高める必要がある。さらには、検出精度を高めるために、赤外光源からの毎回の赤外線の放射量を一定量にすることも必要である。
【０００６】
赤外光源には、タングステンや白金などの材料でコイル状に形成したフィラメントを透光性の気密容器に収納した構成、あるいはタングステンや白金からなるコイル状の芯材の表面をアルミナなどのセラミックで被覆することにより赤外線の放射効率を高めたフィラメントを透光性の気密容器に収納した構成のものが知られている。
【０００７】
ただし、この種の赤外光源は、フィラメントが外気に露出した状態では使用することができないから、白熱電球のように気密容器による大型化を避けることができず、装置の小型化が困難になる。また、フィラメントや気密容器を含む熱容量が大きくなるから、電源投入から赤外線が所要強度まで上昇するのに要する立ち上がり時間、および電源遮断から赤外線が規定強度まで減少するのに要する立ち下がり時間が長く、立ち上がりや立ち下がりに急峻な特性が得られない。
【０００８】
すなわち、この種の赤外光源では、赤外線を断続させる周波数を０．１〜１０Ｈｚ程度にしか設定できない。また、赤外線の放射強度の立ち上がりや立ち下がりが急峻ではないから、波形のなまりによる検出誤差が生じやすい。
【０００９】
一方、小型化が可能な赤外光源としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成する赤外光源が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された赤外光源は、シリコン基板にエッチングを施して形成した矩形枠状の支持基板を有し、支持基板の一表面に窒化シリコンの熱絶縁層を介してドープしたポリシリコン膜の赤外線放射層が形成され、さらに、赤外線放射層を覆う窒化シリコンの絶縁層に金属層である白熱フィラメントを埋設した構造を有している。
【００１０】
この赤外光源は、白熱フィラメントに接続された電極を有し、電極間に通電することにより白熱フィラメントを加熱させ、白熱フィラメントにより赤外線放射層を加熱する傍熱型の構成を有している。
【００１１】
この赤外光源は、赤外線放射層の背面側において支持基板に開口を形成し、赤外線の放射に寄与する白熱フィラメントおよび赤外線放射層の周囲を断熱性の高い空気により囲んでいるから、赤外線の放射に寄与する部分と周囲との熱容量差が大きく、白熱フィラメントに通電する電流の断続に対して比較的高速に応答することが可能になっている。すなわち、上述した気密容器を備える赤外光源では、０．１〜１０Ｈｚ程度の応答であったのに対して、特許文献１に記載の構成を採用した場合に、２００Ｈｚまでの応答が可能になることが特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平９−１８４７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、赤外線式ガス検知器において検知対象ガスの検知精度を高めるには、検知対象ガスでの赤外線の吸収量あるいは反射量を精度よく検知する必要があるから、検知対象ガスにおいて吸収あるいは反射される波長域の赤外線に対する受光素子での受光量を大きくする必要がある。
【００１４】
上述のように、透過フィルタを設けることで、この目的はある程度は達成できる。しかしながら、上述した構成の赤外光源の発光波長は、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素のような検知対象ガスによる吸収が生じる波長域（中赤外線から遠赤外線の領域）を含む広い波長域を有しているから、透過フィルタを用いるだけでは、波長選択性が不十分であり、赤外線式ガス検知器としての検知精度を十分に高めることができないという問題を有している。
【００１５】
すなわち、検知対象ガスを検知するのに必要な赤外線の波長域は赤外光源が放射する赤外線の波長域に比較すると大幅に狭いから、透過フィルタだけではなく、不要な波長域の赤外線を除去する除去フィルタを設けることが望ましい。
【００１６】
不要な波長域の赤外線を除去する除去フィルタとしては、屈折率の異なる複数層を積層した多層膜フィルタを用いて不要な波長域の赤外線を反射させることにより除去する構成の多層膜フィルタ、赤外線を吸収する材料からなる吸収型フィルタが知られている。
【００１７】
多層膜フィルタは、各層の膜厚および屈折率を制御する必要があるから、製造に手間がかかるという問題があり、吸収型フィルタは、多層膜フィルタよりも製造が容易であるが赤外線の吸収に伴って温度が上昇すると除去フィルタから赤外線が放射されたり、除去フィルタの透過特性の波長偏移が生じたりするという問題を有している。
【００１８】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、不要な波長域の赤外線を吸収することにより除去する除去フィルタを用いることにより製造を容易にし、しかも除去フィルタの温度上昇を抑制することにより除去フィルタから赤外線が放射されるのを防止し、かつ除去フィルタの波長偏移が生じるのを防止した赤外線式ガス検知器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上述の目的を達成するために、赤外線を放射する赤外光源と、赤外光源から放射され検知対象ガスが導入される監視空間を通過した赤外線を検知する赤外線センサとを有し、赤外線センサの出力を用いて監視空間における検知対象ガスを検知する赤外線式ガス検知器であって、赤外線センサは、赤外線を電気信号に変換する受光素子と、監視空間から受光素子への赤外線の入射経路に配置され特定波長帯の赤外線を選択的に透過させる透過フィルタと、監視空間と透過フィルタとの間に配置され透過フィルタを透過する特定波長帯を除く波長域の赤外線を吸収することにより広帯域に赤外線を除去する除去フィルタとを有し、受光素子は透過フィルタを透過する特定波長帯の赤外線に感度を有し、赤外光源は間欠的に赤外線を放射するように駆動されることを特徴とする。
【００２０】
また、赤外光源は、基板の一表面に形成された薄膜であって通電に伴って発生した熱により赤外線を放射する赤外線放射層と、一面に赤外線発生層が積層されることにより赤外線発生層を支持するように基板の一表面に形成された保持層と、基板の一表面において保持層の他面に接触する気体層とを備え、気体層は、赤外線放射層の通電時には保持層の温度低下を抑制し、赤外線放射層の非通電時には保持層から基板への熱伝達を促進することが望ましい。
【００２１】
除去フィルタは、屈折率の異なる複数層を積層した多層膜フィルタとし、多層膜フィルタのうちの少なくとも１層は透過フィルタを透過する特定波長帯よりも長波長の遠赤外線を吸収する赤外線吸収層であることが望ましい。
【００２２】
また、赤外線吸収層の材料は、Ａｌ２Ｏ３と、Ｔａ２Ｏ３とから選択することができる。また、除去フィルタは、板状のＳｉからなるフィルタ基板を有し、フィルタ基板に多層膜フィルタを積層するのが望ましい。
【００２３】
受光素子は、赤外光源から放射される赤外線の全波長に対する感度を有する熱型素子であることが望ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の構成によれば、除去フィルタとして赤外線を吸収することによって広帯域に赤外線を除去する構成を採用することで、検知対象ガスの検知には無関係な波長の赤外線の大部分を除去して検知対象ガスに対する感度を高めることができる。また、赤外線を吸収することにより不要な赤外線を除去する除去フィルタを用いると、赤外線の吸収による温度上昇により除去フィルタから赤外線が放射される可能性があるが、赤外光源から間欠的に赤外線を放射するから不要な赤外線を吸収することにより除去フィルタの温度上昇を抑制することになり、赤外光源からの赤外線放射によって生じる除去フィルタの温度変化に伴う波長偏移も抑制することができる。その結果、除去フィルタによる不要な赤外線の除去の機能を有効に利用し、検知対象ガスを高精度に検知することが可能になる。しかも、赤外光源から間欠的に赤外線を放射するから、赤外線を連続的に放射させる赤外光源に比較すると、投入電力を低減することができる。
【００２５】
また、赤外線放射層と保持層と気体層とを備える赤外光源を用いると、赤外線放射層に電力を投入すると気体層が保持層の温度低下を抑制するから投入電力に対する赤外線放射量を高めることになり、一方、赤外線放射層への電力投入を停止すると気体層が熱伝達を促進して保持層の温度を低下させるから赤外線の放射を短時間で停止させることが可能になる。つまり、赤外線放射層への電力の投入と停止とに対して応答性よく赤外線の放射と停止とを行うとともに、投入電力に対して効率よく赤外線を放射することができるから、赤外光源として、白熱電球を用いたり、誘電体膜中にフィラメントを設けた構造物を用いたりする場合に比較すると低消費電力化が可能になる。
【００２６】
除去フィルタとして、赤外線吸収層を含む多層膜フィルタを用いると、吸収のみではなく反射も利用して除去する波長を調節することが可能になる。とくに、赤外線吸収層は材料の選択により除去する波長域が決定されるが、反射については各層の屈折率および膜厚により波長域を調節することができるから、吸収と反射とを補完的に用いることで除去する波長域の範囲を広げることが可能になる。言い換えると、広帯域の赤外線を放射する赤外光源を用いながらも、検知対象ガスの検知に不要な波長の赤外線をできるだけ除去し、検知対象ガスの検知に不要な波長の赤外線が受光素子に入射されるのを抑制することになり、結果的に検知対象ガスに対する感度を高めることになる。
【００２７】
また、赤外線吸収層の材料としてＡｌ２Ｏ３とＴａ２Ｏ３とから選択すれば、ＳｉＯｘやＳｉＮｘを赤外線吸収層に用いる場合に比較して、遠赤外線の吸収率を高めることができる。とくに、赤外線吸収層としてＡｌ２Ｏ３を用い、多層膜フィルタを板状のＳｉのフィルタ基板に積層した場合には、ＳｉとＡｌ２Ｏ３との硬さが近いために、周囲温度の変化などによる伸縮が生じたとしても多層膜フィルタがフィルタ基板から剥がれる可能性がなく安定性や信頼性を向上させることができる。
【００２８】
さらに、受光素子として、赤外光源から放射される赤外線の全波長に対する感度を有する熱型赤外線検出素子を用いると、透過フィルタや除去フィルタの設計変更のみで、様々な種類の検知対象ガスに対応することが可能になり、検知対象ガスの異なる種々の仕様の赤外線式ガス検知器について部品の共用化が可能になり、結果的に低コストで提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態の全体構成を示す概略構成図である。
【図２】同上に用いる透過フィルタの断面図である。
【図３】同上に用いる透過フィルタと除去フィルタとの特性図である。
【図４】同上に用いる放射素子の一例を示す断面図である。
【図５】同上に用いる放射素子の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本実施形態では、ガス漏れ警報器のような用途に用いる赤外線式ガス検知器について説明する。この種の赤外線式ガス検知器は、図１に示すように、電気信号の入力により赤外線を放射する赤外光源１と、赤外線を検知する赤外線センサ２とを有し、赤外光源１から赤外線センサ２に至る経路中に検知対象ガスを導入する構成を有している。検知対象ガスを導入する部位にはガス検知管３を配置してある。
【００３１】
ガス検知管３には、赤外光源１から赤外線センサ２まで赤外線を導く管路３１が形成されており、管路３１の内周面は赤外線を反射する。すなわち、ガス検知管３の管路３１の内周面に赤外線を反射する反射膜を形成するか、赤外線を反射する材料でガス検知管３を形成する。反射膜は、Ａｕなどの金属薄膜をスパッタリングなどの薄膜形成法により管路３１の内周面の全面に形成する。このように管路３１の内周面で赤外線が反射することにより、赤外光源１から放射された赤外線の一部は、図１に破線で示すように、管路３１の内周面で反射を繰り返して赤外線センサ２まで導かれる。
【００３２】
ガス検知管３には管路３１の内部空間と外部空間とを連通させる多数の連通孔３２が貫設される。したがって、外部空間に存在する検知対象ガスが連通孔３２を通して管路３１の内部空間に導入される。ガス検知管３に検知対象ガスが導入されると、赤外光源１から放射された赤外線の一部が、検知対象ガスに吸収されるか反射されるから、赤外線センサ２の受光強度に変化が生じ、この変化を検出することによって、検知対象ガスの存在および濃度を検出することが可能になる。すなわち、ガス検知管３に設けた管路３１の内部空間を監視空間として検知対象ガスを検知する。
【００３３】
ガス検知管３の管路３１は、直管状に形成することができるが、図に示すように蛇行状に形成するのが望ましい。ここに、管路３１の内周面は赤外線を反射するから、管路３１が蛇行状に形成されていても赤外光源１から赤外線センサ２まで赤外線を伝達することができる。
【００３４】
上述のように、管路３１を蛇行状に形成した場合は、赤外光源１から赤外線センサ２に到達するまでの赤外線の経路が引き延ばされ、管路３１に導入された検知対象ガスを赤外線が通過する距離が長くなるから、検知対象ガスによる赤外線への影響を検出しやすくなる。また、管路３１の内周面で赤外線が反射を繰り返すことによっても、検知対象ガスを赤外線が通過する距離が長くなるから、蛇行状のガス検知管３を設けることにより検知対象ガスに対する感度を高めることができる。
【００３５】
赤外光源１は、駆動回路４から間欠的に電圧が印加されることにより赤外線を間欠的に放射することが可能であり、通電開始からの立ち上がり時間が短く、かつ通電終了からの立ち下がり時間が短くなるように構成されている。赤外光源１の具体構成については後述する。
【００３６】
駆動回路４から赤外光源１に印加する電圧波形は、単発のパルス波または複数個（５〜１０個程度）のパルスからなるバースト波とする。また、赤外光源１に電圧を印加する時間間隔は、たとえば１０〜６０ｓに設定する。赤外光源１に電圧を印加する時間（１パルス当たりのパルス幅）は赤外線センサ２の応答速度にもよるが、たとえば１００μｓ〜１０ｍｓとし、バースト波を用いる場合には、たとえば１００ｍｓ程度の継続時間とする。
【００３７】
図示例において、赤外光源１は、金属製のパッケージ１０（キャン）に収納された放射素子１１を備える。パッケージ１０には放射素子１１の前方において窓孔１２が形成され、窓孔１２には投光レンズ１３が装着される。投光レンズ１３はＳｉを材料として形成され、半導体プロセスにより形成される。また、パッケージ１０には放射素子１１を駆動回路４に接続するための２本のリードピン１４が突設される。投光レンズ１３には、ガス検出に必要な特定波長帯の反射を抑制するように、赤外線反射防止膜が両面に形成されている。なお、投光レンズ１３に代えて集光ミラーを設けてもよい。
【００３８】
一方、赤外線センサ２は、焦電素子からなる２個の受光素子２１ａ，２１ｂを金属製のパッケージ２０（キャン）に収納してあり、パッケージ２０において２個の受光素子２１ａ，２１ｂの前方には共通の１個の窓孔２２が形成される。この窓孔２２には、ガス検知管３に設けた管路３１の内部空間から各受光素子２１ａ，２１ｂに入射する赤外線の波長を選択するためのフィルタが装着される。さらに、パッケージ２０には受光素子２１ａ，２１ｂを検知回路５に接続するためのリードピン２４が突設される。
【００３９】
受光素子２１ａ，２１ｂは、熱型と量子型とのいずれでも用いることができるが、焦電素子のような熱型の素子を用いることにより、取り扱いが容易である上に高感度であり、しかも低価格での提供が可能になる。
【００４０】
フィルタは、管路３１の内部空間である監視空間から各受光素子２１ａ，２１ｂへの赤外線の入射経路にそれぞれ配置され、それぞれ特定波長帯の赤外線を選択的に透過させる２個の透過フィルタ２５ａ，２５ｂと、透過フィルタ２５ａ，２５ｂを透過する特定波長帯の赤外線を除く波長域の赤外線を吸収する除去フィルタ２６とを重ねた構成を有する。
【００４１】
具体的には、Ｓｉからなるフィルタ基板２３における受光素子２１ａ，２１ｂ側の一面に２個の透過フィルタ２５ａ，２５ｂが重ねて形成され、フィルタ基板２３の他面に除去フィルタ２６が重ねて形成される。すなわち、各透過フィルタ２５ａ，２５ｂは、監視空間である管路３１から各受光素子２１ａ，２１ｂへの赤外線の入射経路にそれぞれ配置され、除去フィルタ２６は、監視空間である管路３１と透過フィルタ２５ａ，２５ｂとの間に配置される。したがって、管路３１からの赤外線は、除去フィルタ２６により透過する波長域が狭められた後に、透過フィルタ２５ａ，２５ｂにより特定波長帯のみが選択的に透過されて受光素子２１ａ，２１ｂに到達する。
【００４２】
透過フィルタ２５ａ，２５ｂは、いずれも放射素子１１が放射する中赤外線ないし遠赤外線の波長域において狭帯域の透過特性を有している。一方の透過フィルタ２５ａは検知対象ガスによる吸収が生じる特定波長帯を透過させ、他方の透過フィルタ２５ｂは検知対象ガスによる吸収が生じない特定波長帯を透過させるように、透過特性が設計される。
【００４３】
たとえば、透過フィルタ２５ａは、検知対象ガスが二酸化炭素である場合に４．３μｍを中心とする特定波長帯を透過するように構成し、検知対象ガスが一酸化炭素である場合に４．７μｍ、検知対象ガスがメタンである場合に３．３μｍなどと設定する。また、透過フィルタ２５ｂは、これらの検知対象ガスによる吸収が生じないように、たとえば、３．９μｍを中心とする特定波長帯を透過するように構成する。
【００４４】
狭帯域の透過フィルタ２５ａ，２５ｂの構成としては、図２に示すように、屈折率が異なり光学膜厚が等しい周期構造の複数層の薄膜２７ｘ，２７ｙと、周期構造（たとえば、２種類の屈折率の層を交互に設けた周期構造でよい）の薄膜２７ｘ，２７ｙとは光学膜厚が異なる波長選択層２８を周期構造の途中に挟んだ構造の多層膜フィルタがある。周期構造の薄膜２７ｘ，２７ｙの各層は、それぞれ４分の１波長の光学膜厚を有するように構成される。
【００４５】
一方、除去フィルタ２６は、赤外線を吸収する材料の赤外線吸収層を有しており、赤外線吸収層の材料には、Ａｌ２Ｏ３あるいはＴａ２Ｏ３を用いる。除去フィルタ２６として赤外線吸収層のみを備える構成を採用してもよいが、透過フィルタ２５ａ，２５ｂと同様に、屈折率が異なる複数層の多層膜フィルタを用いるのが望ましい。たとえば、２種類の屈折率の層を交互に設ける場合には、低屈折率の層を赤外線吸収層とする。赤外線吸収層を上記材料で形成する場合には、高屈折率の層の材料としてＧｅを用いればよい。
【００４６】
除去フィルタ２６の赤外線吸収層として上記材料を選択することにより、透過フィルタ２５ａ，２５ｂを透過する特定波長帯の赤外線を吸収することなく、特定波長帯よりも長波長側の赤外線を広帯域に亘って吸収することができる。また、除去フィルタ２６として多層膜フィルタを用いることにより、赤外線の吸収のみではなく反射も利用して不要な波長域の赤外線が受光素子２１ａ，２１ｂに入射するのを防止することができる。
【００４７】
図３に透過フィルタ２５ａ，２５ｂの特性（特性イは透過フィルタ２５ａ、特性ロは透過フィルタ２５ｂ）と、除去フィルタ２６（特性ハ）との関係を示す。図３からわかるように、除去フィルタ２６では長波長側の不要な波長域（遠赤外線の波長域）の赤外線が透過せずに吸収されることにより除去され、除去フィルタ２６を透過した短波長側の波長域（中赤外線ないし遠赤外線の波長域）のうち特定波長帯の赤外線が狭帯域の透過フィルタ２５ａ，２５ｂを透過する。
【００４８】
フィルタ基板２３は、透過フィルタ２５ａ，２５ｂおよび除去フィルタ２６を支持する機能を有し、かつパッケージ２０と熱的に結合することによって、除去フィルタ２６の放熱を行う機能も有している。フィルタ基板２３の材料としては、上述したＳｉのほか、ＧｅやＺｎＳを用いることも可能である。なお、フィルタ基板２３には、透過フィルタ２５ａ，２５ｂにより選択される特定波長帯の赤外線を透過させる材料を選択する。
【００４９】
２個の受光素子２１ａ，２１ｂの出力を用いてガス検知管３の中のガスの存否および濃度を検出するには、両受光素子２１ａ，２１ｂの出力値の差または比を求める。いま、検知対象ガスの非存在下において両受光素子２１ａ，２１ｂの出力がそれぞれＶａ，Ｖｂであり、検知対象ガスの存在下において受光素子２１ａの出力のみがΔＶだけ低下したとする。上述の例では、透過フィルタ２４ａが前方に配置された受光素子２１ａは二酸化炭素の存在により受光強度が低下し、透過フィルタ２４ｂが前方に配置された受光素子２１ｂは二酸化炭素が存在しても受光強度が低下しないから、受光素子２１ａの出力のみが低下するという設定は妥当である。ここで、両受光素子２１ａ，２１ｂの出力の差の変化は（Ｖａ−Ｖｂ）→（Ｖａ−ΔＶ−Ｖｂ）であり、比の変化は（Ｖａ／Ｖｂ）→｛（Ｖａ−ΔＶ）／Ｖｂ｝である。
【００５０】
受光素子２１ａ，２１ｂの出力の差を求める場合に、受光素子２１ａ，２１ｂとして焦電素子を用いる場合には極性を利用し、両受光素子２１ａ，２１ｂを逆直列に接続することによって、互いの出力の差を用いることができる。また、受光素子２１ａ，２１ｂの種類に関わらず、出力を差動増幅器に入力することにより、両受光素子２１ａ，２１ｂの出力の差分が得られる。
【００５１】
受光素子２１ａ，２１ｂの出力の差と比とのどちらを用いるかにかかわらず、赤外光源１から単発のパルス波に対応する赤外線を受光するだけでは外光などのノイズと誤認する可能性があるから、赤外光源１からはバースト波に対応する赤外線を受光するのが望ましい。バースト波に対応する赤外線を受光すれば、複数回の受光で得られた差あるいは比の平均値を求めることにより、ノイズの影響を低減してＳ／Ｎの向上を図ることができる。
【００５２】
本実施形態では、受光素子２１ａ，２１ｂとして焦電素子を用いるから、受光素子２１ａ，２１ｂを逆直列に接続して差を出力する。受光素子２１ａ，２１ｂの出力は検知回路５に与えられ、検知回路５では、受光素子２１ａ，２１ｂの出力の差からガス検知管３の内部において、たとえば対象ガスとして所定濃度以上の二酸化炭素の存在を検出する。検知回路５は、パッケージ２０の内部空間と外部とのいずれに設けてもよい。
【００５３】
本実施形態における検知回路５は、ガス検知管３の内部における検知対象ガスの濃度が規定値以上か否かを判断し、検知対象ガスの濃度が規定値以上になると、検知回路５から警報信号が出力されるようにしてある。警報信号は、聴覚的あるいは視覚的に警報を与える警報装置に出力される。
【００５４】
この動作を可能にする検知回路５は、たとえば、バースト波に対応する受光素子２１ａ，２１ｂの出力を平均化する積分機能を備える電流−電圧変換回路と、電流−電圧変換回路の出力値を閾値と比較する比較器と、比較結果により警報信号を出力する出力回路とを備える構成を採用することができる。検知回路５は、この構成以外のものを採用することが可能であって、警報信号ではなく検知対象ガスの濃度に対応する出力を発生させる場合であれば、比較器ではなく電流−電圧変換回路の出力値を検知対象ガスの濃度に換算する機能を設けてもよい。
【００５５】
ところで、本実施形態で用いている放射素子１１は、駆動回路４からの単発のパルスあるいは複数個のパルスからなるバースト波に応答して赤外線を放射する必要があり、１０μｓ〜１０ｍｓ程度の応答速度が要求される。この要求を満たす放射素子１１の一例を図４に示す。図４に示す放射素子１１の構成は一例であって、この構成に限定する趣旨ではない。
【００５６】
図示する放射素子１１は、基板４１の一表面に形成された薄膜の保持層４２と、保持層４２に対して基板４１の反対面側に積層された薄膜であって通電に伴って発生した熱により赤外線を放射する赤外線放射層４３とを備える。さらに、基板４１において保持層４２を設けている一表面には基板４１の一部と保持層４２とに囲まれた厚み寸法の小さい気体層４４が形成される。気体層４４は、基板４１の一表面の周部を残して形成された浅い凹所の開口面に保持層４２を覆着した形に形成される。図示例では、気体層４４を何も備えていない空洞としているが、保持層４２を支持するために凹所の底面と保持層４２との間に支柱状の支持体を設けてもよい。
【００５７】
基板４１は、半導体基板（たとえば、単結晶のシリコン基板）であって直方体状に形成されている。また、保持層４２は、基板４１の一表面の周部を残した領域に陽極酸化を施すことにより、基板４１を多孔質化して形成する。陽極酸化の条件（電解液の組成、電流密度、処理時間など）は、基板４１の導電形および導電率に応じて適宜設定する。
【００５８】
陽極酸化は、フッ化水素水溶液中で行い、多孔度が略７０％の多孔質半導体層（たとえば、ポーラスシリコン層）として形成してある。また、基板４１の導電形は、ｐ形とｎ形とのどちらでもよいが、ｐ形のシリコン基板はｎ形のシリコン基板に比較して陽極酸化による多孔質化を行った際に多孔度が大きくなりやすいという傾向があるから、基板４１にはｐ形のシリコン基板を用いるのが望ましい。
【００５９】
陽極酸化により多孔質化した保持層４２は、熱容量および熱伝導率が小さい上に耐熱性が高く、しかも表面が平滑であるという特徴を有している。さらに、保持層４２の熱伝導率を低減するために保持層４２の一部あるいは全部について酸化あるいは窒化を行ってもよい。酸化あるいは窒化を行えば電気絶縁性も高くなる。
【００６０】
一方、陽極酸化により多孔質化する代わりに熱酸化により形成した半導体酸化膜を保持層４２に用いてもよい。また、熱酸化により保持層４２となる半導体酸化膜を形成する代わりに、ＣＶＤ法により酸化物を含む材料の保持層４２を形成することも可能である。熱酸化ないしＣＶＤ法により保持層４２を形成すれば、多孔質化により保持層４２を形成する場合に比較して製造プロセスが簡単になるから、量産性を高めることが可能になる。なお、ＣＶＤ法により保持層４２を形成する場合には、アルミナのような熱絶縁性の高い酸化物を用いたり、この種の酸化物を含む材料を用いることが可能である。保持層４２は、この種の材料の多孔体で形成することも可能である。
【００６１】
赤外線放射層４３は、ＴａＮとＴｉＮとから選択した材料により形成する。これらの材料は耐熱性および耐酸化性に優れているから、赤外線放射層４３を空気雰囲気で使用することが可能である。これらの材料は、赤外線放射層４３としての耐久性を満たしながらも応答性を確保するのに適した厚み寸法（数十ｎｍ）において、シート抵抗が所望値になるという物性を有している。
【００６２】
これらの材料を用いて赤外線放射層４３を成膜する際には窒素ガスを導入するから、導入した窒素ガスの分圧によってシート抵抗を制御することが可能である。たとえば、ＴａＮを反応性スパッタ法により所定の位置に赤外線放射層４３を成膜することができる。そして、窒素ガスの分圧を制御することにより、所定の発熱温度でシート抵抗が所望値になるように形成することができる。ただし、赤外線放射層４３を形成する材料は、ＴａＮ，ＴｉＮ以外も使用可能であり、他の窒化金属や炭化金属を用いてもよい。
【００６３】
赤外線放射層４３の表面には良導電性の金属材料により形成した一対の電極４５が設けられる。電極４５に用いる金属材料としては、赤外線放射層４３の材料と反応しにくく高温での安定性に優れたイリジウムなどが適している。また、赤外線放射層４３の温度上昇が小さい場合はアルミニウムなどの材料も電極４５に用いることができる。電極４５の材料は、これらの金属材料に限らず、他の導電性材料も使用可能である。
【００６４】
上述したように、放射素子１１はパッケージ１０に収納されて赤外光源１を形成しており、各電極４５はそれぞれボンディングワイヤ１５を介して各リードピン１４に接続される。
【００６５】
上述の構成を有する放射素子１１は、両電極４５の間に通電すると、赤外線放射層４３がジュール熱により加熱され赤外線放射層４３から赤外線が放射される。また、通電を停止すると、赤外線放射層４３からの赤外線放射が停止する。
【００６６】
赤外線放射層４３への通電時には通電時間が比較的短ければ、気体層４４では熱伝導および対流による熱の伝達がなされず、保持層４２の温度低下を抑制し、結果的に、赤外線放射層４３を高い温度に維持して赤外線放射を促進する。
【００６７】
一方、赤外線放射層４３の非通電時には基板４１と保持層４２とに温度差があれば、気体層４４の中に存在する気体により保持層４２から基板４１への熱伝導および対流による熱の伝達がなされ、保持層４２の放熱を促進し、結果的に、赤外線放射層４３を迅速に冷却して赤外線放射をただちに停止させる。
【００６８】
すなわち、図５（ａ）に示すように、赤外線放射層４３（に設けた一対の電極４５間）にパルス状の電圧を印加すると、赤外線放射層４３は、図５（ｂ）のように、電圧の立ち上がりから応答性よく赤外線を放射し、電圧の立ち下がりから比較的短時間で赤外線の放射を停止する。
【００６９】
赤外線放射層４３から放射される赤外線のピーク波長λ〔μｍ〕は、ウィーンの変位則を満足しており、赤外線放射層４３の絶対温度Ｔ〔Ｋ〕とは、次式の関係がある。
λ＝２８９８／Ｔ  …（１）
したがって、赤外線放射層４３の温度を変化させることにより、赤外線放射層４３から放射される赤外線のピーク波長を変化させることができる。赤外線放射層４３の温度を調節するには、電極４５に印加する電圧の振幅や波形などを調節し、単位時間当たりに発生するジュール熱を変化させる。
【００７０】
たとえば、両電極４５の間に１００Ｖ程度の正弦波状の電圧を印加することによりピーク波長が３〜４〔μｍ〕の赤外線を放射させるように設計することが可能であり、電圧を調節すれば、ピーク波長が４〔μｍ〕以上になる赤外線を放射させることも可能である。
【００７１】
ところで、上述の構成の赤外光源の電極４５に正弦波状の電圧を印加するものとして、保持層４２の熱伝導率をαｐ〔Ｗ／ｍＫ〕、保持層４２の体積熱容量（比熱容量と密度との積）をＣｐ〔Ｊ／ｍ３Ｋ〕、赤外線放射層４３が応答可能な周波数（印加電圧の周波数の２倍）をｆ〔Ｈｚ〕とすれば、保持層４２の熱拡散長μは、次式で表される。
μ＝（２αｐ／ωＣｐ）１／２    …（２）
ただし、ω＝２πｆである。
【００７２】
保持層４２は、赤外線放射層４３から交流的に変化する熱が与えられたときに、赤外線放射層４３から保持層４２に向かって放射された赤外線が、保持層４２と気体層４４との境界面において気体層４４に渡されるように、厚み寸法Ｌｐを設定する必要がある。すなわち、保持層４２の厚み寸法Ｌｐは少なくとも熱拡散長μよりも小さい値に設定する（Ｌｐ＜μ）ことが望ましい。
【００７３】
保持層４２をポーラスシリコンにより形成するものとし、赤外線放射層４３の応答可能な周波数ｆ、保持層４２の体積熱容量Ｃｐ、保持層４２の熱伝導率αｐを、それぞれｆ＝１０〔ｋＨｚ〕、αｐ＝１．１〔Ｗ／ｍＫ〕、Ｃｐ＝１．０５×１０６〔Ｊ／ｍ３Ｋ〕として、（２）式に代入すると、μ＝５．８×１０−６〔ｍ〕になる。したがって、保持層４２の厚み寸法Ｌｐを５．８〔μｍ〕よりも小さくする必要がある。
【００７４】
赤外線の放射効率をさらに高めるには、保持層４２において共鳴条件を成立させることが望ましい。つまり、赤外線放射層４３から保持層４２に向かう赤外線を保持層４２と気体層４４との境界面において反射させることで、赤外線放射層４の後方に放射される赤外線量を低減させ、結果的に赤外線放射層４３から放射される赤外線の強度を高めることができる。この動作を可能とするには、目的波長の赤外線の共鳴条件を満足するように保持層４２の厚み寸法を設定する。
【００７５】
目的波長の赤外線に対して保持層４２で共鳴条件を満足させるには、当該赤外線に対する保持層４２の光路長を当該赤外線の４分の１波長の奇数倍にしなければならない。いま、保持層４２の厚み寸法をＬｑ〔ｍ〕、保持層４２の屈折率をｎとすると、光路長はｎ・Ｌｑであるから、目的とする赤外線の真空中での波長をλ〔ｍ〕とすれば、共鳴条件は次式で表される。
ｎ・Ｌｑ＝（２ｍ−１）λ／４    …（３）
ここに、ｍは正整数である。
【００７６】
上述したように、保持層４２をポーラスシリコンで形成した場合、保持層４２の屈折率は、たとえばｎ＝１．３５になるから、目的とする赤外線の波長を４〔μｍ〕とし、ｍ＝１に設定すれば、保持層４２の厚み寸法Ｌｑは０．７４〔μｍ〕になる。すなわち、Ｌｐ＝０．７４〔μｍ〕＜５．８〔μｍ〕であるから（２）式も満足することができる。
【００７７】
すなわち、保持層４２は、赤外線放射層４３の昇温を阻害することがない。しかも、保持層４２をポーラスシリコンを用いて形成することにより、緻密な材料を用いて保持層４２を形成する場合に比べて保持層４２の体積熱容量が低減されるから、赤外線放射層４３と保持層４２との全体としての体積熱容量を小さくすることができる。
【００７８】
このように、保持層４２の体積熱容量を小さくし、かつ赤外線放射層４３の昇温を阻害しないから、赤外線放射層４３の昇温効率を高め、印加された電圧の変化に高速に応答させることが可能になる。
【００７９】
さらに、保持層４２において赤外線放射層４３に接する面とは反対になる面は気体層４４に接しており、気体層４４は保持層４２よりも熱伝導率が小さいから、赤外線放射層４３から保持層４２を通る熱伝導の経路の熱抵抗を増加させ、赤外線放射層４３の周辺への放熱が抑制される。
【００８０】
ところで、気体層４４の厚み寸法Ｌｇは、以下の条件で設定するのが望ましい。いま、赤外線放射層４３への印加電圧を正弦波状とし、印加電圧の周波数をｆ〔Ｈｚ〕、気体層４４の熱伝導率をαｇ〔Ｗ／ｍＫ〕、気体層４４の体積熱容量をＣｇ〔Ｊ／ｍ３Ｋ〕とする。このとき、気体層５の厚み寸法Ｌｇは次式で表される範囲に設定する。
０．０５Ｌｇ′＜Ｌｇ＜３Ｌｇ′    …（４）
ただし、Ｌｇ′＝（２αｇ／ωＣｇ）１／２、ω＝２πｆである。
【００８１】
たとえば、赤外線放射層４３への印加電圧を周波数ｆ＝１０〔ｋＨｚ〕の正弦波とし、気体層４４の熱伝導率αｇ、気体層４４の体積熱容量Ｃｇを、それぞれ、αｇ＝０．０２５４〔Ｗ／ｍＫ〕、Ｃｇ＝１．２１×１０３〔Ｊ／ｍ３Ｋ〕とすれば、（４）から、１．３〔μｍ〕＜Ｌｇ＜７７．５〔μｍ〕になるから、気体層４４の厚み寸法Ｌｇを、たとえば２５〔μｍ〕に設定することにより、（４）式を満足することができる。望ましくは、この範囲内で温度振幅比が最大となる厚みに設定する。
【００８２】
気体層４４は、基板４１の温度を一定とすれば、保持層４２の温度と厚み寸法Ｌｇとに依存して断熱性と放熱性とのいずれかの機能を持つから、気体層４４の厚み寸法Ｌｇを（４）式の条件範囲において適宜に調節することにより、赤外線放射層４３への印加電圧が上昇する期間には気体層４４に断熱性を持たせ、赤外線放射層４３への印加電圧が下降する期間には気体層４４に放熱性を持たせることが可能になる。
【００８３】
すなわち、気体層４４の断熱性と放熱性とを利用するタイミングを、赤外線放射層４３への印加電圧の増減のタイミングにほぼ一致させることが可能になり、赤外線放射層４３への印加電圧が高周波で変調されている場合でも、赤外線放射層４３の温度を電圧の周波数に略同期するように変化させることが可能になる。つまり、気体層４４を設けていない場合よりも応答性を高めることが可能になる。
【００８４】
上述した構成例では、赤外線放射層４３に通電することにより、赤外線放射層４３を発熱させて赤外線を放射する直熱型の構成を例示したが、保持層４２と赤外線放射層４３との間に赤外線放射層４３とは別に加熱層を設けたり、赤外線放射層４３を挟んで保持層４２の反対側に加熱層を設け、加熱層に通電して赤外線放射層４３を加熱して赤外線を放射する傍熱型の構成を用いることも可能である。
【００８５】
後者の構成では、赤外線放射層４３を保持層４２として兼用することも可能である。また、後者の構成では、赤外線放射層４３から放射された赤外線が加熱層を透過するように、目的波長の赤外線に対して共鳴条件が成立するように加熱層を形成し、目的波長の赤外線の放射効率を高める必要がある。なお、気体層４４を設ける代わりに、赤外線を反射させる反射層（図示せず）を設けた構成を採用してもよい。要するに、赤外光源１に用いる放射素子１１は、１０μｓ〜１０ｍｓ程度のオン期間を持つパルスに追従して赤外線の強度が変化する構成であれば、どのような構成のものでも用いることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１  赤外光源
２  赤外線センサ
３  ガス検知管
２１ａ，２１ｂ  受光素子
２３  フィルタ基板
２５ａ，２５ｂ  透過フィルタ
２６  除去フィルタ
２７ｘ，２７ｙ  薄膜
２８  波長選択層
３０  ガス検知管
４１  基板
４２  保持層
４３  赤外線放射層
４４  気体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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