(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択したガスに対応したキャビティ（２０）、光源（３０）、および１つ以上の光束を受光するユニット（２１−２５）を含むガスセルであって、
前記キャビティは部分的楕円鏡面である第１の鏡面（２０ａ）と、前記第１の鏡面（２０ａ）に対向配置された２つの部分的楕円鏡面である第２の鏡面（２０ｂ）および第３の鏡面（２０ｃ）とで形成され境界が画され、光源（３０）から照射された光束（１３０ａ，１３０ｂ）が前記鏡面（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）で反射して測定光路を形成し、選択した測定光路の割り当てられた光束を受光するユニット（２１−２５）で終了するように前記鏡面（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）が互いに向けられたガスセルにおいて、
前記光源（３０）は前記キャビティ（２０）の一端領域に配置され、前記一端領域には照射された光束を焦点（Ｆ）に向けて収斂させる反射器（３０ａ，３０ｂ）が配置されることを特徴とする。
【請求項２】
前記反射器は前記光束をキャビティ内の焦点（Ｆ）に向けて収斂させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項３】
前記焦点（Ｆ）はキャビティに設けられた平面鏡部（２０ｄ）に隣接して位置することを特徴とする請求項２に記載のガスセル。
【請求項４】
平面鏡部（２０ｄ）で形成される虚の焦点（Ｆ’）は前記キャビティ外に位置することを特徴とする請求項３に記載のガスセル。
【請求項５】
平面鏡部（２０ｄ）は前記第１の鏡面（２０ａ）の境界面に隣接して配置されることを特徴とする請求項３に記載のガスセル。
【請求項６】
前記反射器は前記第１の鏡面（２０ａ）付近に向けた部分的楕円部で構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項７】
前記反射器はキャビティ内に配置された壁部で形成された部分的楕円部で構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項８】
キャビティは、薄く、かつ少なくとも２つの部品で囲まれることによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項９】
前記平面鏡部に隣接してガス接続管が配置されることを特徴とする請求項３に記載のガスセル。
【請求項１０】
前記光源に隣接して、かつキャビティ内に配置された壁部に隣接してガス接続管が配置されることを特徴とする請求項１または７に記載のガスセル。
【請求項１１】
光束が前記虚の焦点から反射して第２の鏡面（２０ｂ）および第３の鏡面（２０ｃ）の間の境界領域に向かい、そして第２の鏡面で反射した第１の部分は第１の測定光路を形成し、一方第３の鏡面で反射した第２の部分は第２の測定光路を形成することを特徴とする請求項４記載のガスセル。
【請求項１２】
光源に隣接して位置し、光源から照射された光束をそらして平面鏡部の方向に向け、これで別の測定光路を形成する機能を有する装置を設けることを特徴とする請求項１または３に記載のガスセル。
【請求項１３】
光源の上方側と下方側のそれぞれに集中して部分的楕円の反射器部分に向かい、焦点に向かって収斂するキャビティ内の光の面がガスセルに含まれ、前記面は楕円鏡面間に位置する面領域で構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項１４】
前記装置はキャビティに設けられた光検出器に直接当たろうとする光束を遮蔽するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載のガスセル。
【請求項１５】
前記光源には赤外線照射が使用され、選択した検出器を介して湿分（蒸気）の測定に使用されることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項１６】
光束を受光する選択したユニットあるいは検出器は二酸化炭素、一酸化炭素、酸化窒素から選択したガスの濃度を決定するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項１７】
キャビティに設けられた壁部は分散フィルタで構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項１８】
キャビティの厚さは光源の白熱フィラメントの長さ（高さ）に合わせてあることを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は一般的にガスセルに関し、特に、選択したガスを収容するキャビティ、光源、および１つ以上の光線あるいは光束を受光するユニットが含まれる種類のガスセルに関する。
【０００２】
より詳しくは、本発明は、キャビティが２つの部分的楕円鏡面、すなわち第２の鏡面および第３の鏡面の方向に向く部分的楕円鏡面である第１の鏡面によって形成され境界が画される種類のガスセルに関する。
【０００３】
これら楕円鏡面は、光源から照射された光線が測定光路を形成するように前記鏡面で反射し、選択した光路に使用する受光ユニットで終了するように互いに向けられている。
【０００４】
「部分的楕円」という表現は完全な楕円形の一部分、または数学的楕円形にほぼ適合する楕円形の一部分をもっぱら意味する。
【０００５】
（背景技術の説明）
スペクトル吸収に関連して、電磁波、特に周波数が赤外線領域にある光線あるいは光線の束（光束）を使用し、また異なるタイプの検出器要素を使用することはかなり前から知られている。
【０００６】
吸光技術に基くガスセンサの場合、光線をセルキャビティに含まれるガス試料中を通過させるが、その結果、所定量の選択したガスで、周波数に依存して光線が吸収される。
【０００７】
このようにガス検出器はキャビティ内の関係するガスまたはガス濃度のために光線の周波数スペクトラムを検出するのに使用され、ガスまたはガス濃度は、入射光線の選択した強度に対する検出光線の強度と、関係する光の吸収係数または関係するガス中の電磁波の波長を評価することで決定できる。
【０００８】
本発明の特徴に関連して、光線をキャビティ内で何度も反射させてガスセルの物理的寸法を圧縮し、これによってガスセルあるいはキャビティの内部寸法に比べて比較的長い測定光路（波状長さ）あるいは比較的長い吸光光路が得られることは公知であるといえる。
【０００９】
米国特許Ａ−５、００９、４９３号公報に開示された吸光セルまたはガスセルはガスセルの一例であって、規定され境界が画されるキャビティ内で適応した長い吸光光路あるいは測定光路を形成し、入射光線（または光束）がキャビティから出て光検出器に達する前にキャビティ内で何度も反射するようになっている。
【００１０】
この種のガスセルでは通常、入射光線は第１の開口からキャビティに入り、光線は第２の開口から出ていくようになっており、またこれに関連して使用される検出器は、好ましくはガスセルの第２の開口に取付けられた別のユニットとすることを可能としている。
【００１１】
ガスセルのキャビティは通常少なくとも第１および第２の部分で形成され、その内面は入射光線または光束を強力に反射する面とするように処理される。
この表面処理は通常、内面を１層以上の金属層で塗布し、反射面は最後の金属層で形成される。
【００１２】
塗装処理に選択される金属および工程は所望する表面の光学的特性さらに前記面で反射する光学的波長に依存して決まる。ガスセル本体の材料も考慮に入れる必要がある。
【００１３】
本発明の重要な特徴に関して、入射光線または光束が所定のパターンに従ってキャビティ内を何度も反射する従来から公知のガスセンサの例についても説明する。
【００１４】
この点に関し、記載されたガスセンサの引用文献として、国際特許出願ＰＣＴ／ＳＥ９６／０１４４８（公開番号ＷＯ９７／１０４６０）および国際特許出願ＰＣＴ／ＳＥ９７／０１３６６（公開番号ＷＯ９８／０９１５２）があるが、本発明はこれら文献から改善されていると考えられる。
【００１５】
（発明の概要）
（技術的課題）
この分野の専門家が遭遇する１つ以上の技術的課題を解決するためにしなければならない技術的思考を考慮するとき、一方ではこの目的のための方策および／または一連の方策を実現し、他方では前記１つ以上の課題を解決する手段を実現する必要が最初にあると認められる。この観点に基き、下記の技術的課題が本発明の展開に非常に関係することは明らかである。
【００１６】
上述した技術の現状を考慮すると、序文に記載した種類のガスセルに関して、使用するキャビティの寸法を増加させないで、選択した適応する測定光路長を前記国際特許出願で得られる測定光路長よりも長くする条件をつくりだすことに技術的課題が存在する。
【００１７】
別の技術的課題は、前記光源を前記キャビティの一方の端部領域に配置し、従来の技術で得られる以上の効果を備える条件を得ることの重要性とこれで得られる効果を実現することにある。
【００１８】
さらに別の技術的課題は、照射された光束を収斂させる反射器を前記一方の端部領域に配置することの重要性とこれで得られる効果を実現することにある。
また、技術的課題は、光束をキャビティ内に位置する焦点に向かって収斂させるように前記反射器を構成する重要性とこれで得られる効果を実現することにあると認められる。
【００１９】
別の技術的課題は、前記焦点を前記キャビティ関連の平面鏡部に隣接して位置させる重要性とこれで得られる効果を実現することである。
別の技術的課題は、前記平面鏡部を介して前記キャビティ外に虚の焦点を位置させる重要性とこれで得られる効果を実現することである。
【００２０】
さらに別の技術的課題は、前記第１の部分的楕円鏡面の第１の境界面に隣接して平面鏡部を配置する重要性とこれで得られる効果を実現することである。
別の技術的課題は、前記反射器を前記第１の部分的楕円鏡面の第２の境界面に隣接する部分的楕円部で構成する重要性とこれに関連する効果を実現することである。
【００２１】
また、キャビティ内に置いた壁部で形成した部分的楕円部で反射器を構成する重要性を実現することに技術的課題があると認められる。
別の技術的課題は、選択される薄いキャビティを可能にし、前記キャビティを少なくとも２つの互いに協働する部分で形成することに関連した条件をこの種類のガスセルにつくる能力の重要性とこれで得られる効果を実現することである。
【００２２】
また、技術的課題は、キャビティへのガス接続管を前記平面鏡部に隣接して配置する重要性とこれに関連する効果を実現することにある。
別の技術的課題は、キャビティへのガス接続管を光源に隣接して、かつキャビティ内に置かれた壁部に隣接して配置する重要性とこれで得られる効果を実現することである。
【００２３】
別の技術的課題は、光束を前記虚の焦点から第２および第３の部分的楕円鏡面間の境界領域に反射させて、第２の鏡面から反射した光束の第１の部分を第１の測定光路に割り当て、第３の鏡面から反射した光束の他の部分を第２の測定光路に割り当てる重要性とこれで得られる効果を実現し得ることにある。
【００２４】
序文に記載した種類のガスセルの場合、光源からの直接光束をそらして平面鏡部の方向に向ける手段を前記光源に隣接して配置することで、短いけれども別の測定光路が形成できる重要性とこれで得られる効果を実現し得ることに技術的課題がある。
【００２５】
別の技術的課題は、光源の各側に集中して部分的楕円反射器の適応部に向かうキャビティ関連の光の面と、焦点の方向に収斂する光の面と、３つの部分的楕円鏡面間に向く面領域が形成できる重要性とこれに関連する効果を実現できることにある。
【００２６】
別の技術的課題は、前記手段は光源から光束がキャビティ関連の光検出器に直接当たらないようにする重要性とこれに関連する効果を実現し得ることにある。
さらに別の技術的課題は、ガスセンサで、湿分あるいは水蒸気濃度または、二酸化炭素、一酸化炭素、酸化窒素などの他の選択したガスの存在およびガスの濃度が測定できるような条件を簡単な手段を使用して限られた形状のガスセンサで作り得ることにある。
【００２７】
（解決策）
本発明にはこのように、選択したガスに適応するキャビティ、光源、および光線や光束を受光する１つ以上のユニットが含まれる序文で記載した種類のガスセンサに基く。前記キャビティは２つの部分的楕円鏡面の方向に向く部分的楕円鏡面である第１の鏡面、第２の鏡面および第３の鏡面によって形成され境界が画される。光源から照射された光束が測定光路を形成するよう好ましくは数回にわたって前記鏡面で反射して、選択した測定光路に関連する光束受光ユニットで終了するように前記鏡面は互いに向けられる。
【００２８】
前記１つ以上の技術的課題を解決するために、光源をキャビティ内にしかも一端部領域に配置し、そして照射された光束を焦点の方向に収斂させる反射器を前記端部領域に配置することを本発明により提案する。
【００２９】
本発明概念の範囲内にある提案する実施形態の方法で、光束をキャビティ内でしかも反対側端部領域内に位置する焦点に向かって収斂させる反射器の構成を提案する。
【００３０】
また、前記焦点はキャビティに設けられた平面鏡部から所定の光路だけ離して、隣接位置させることを提案する。
この点に関し、平面鏡部によって前記キャビティ外に虚の焦点を形成することを提案する。
【００３１】
本発明によれば、平面鏡部は部分的楕円鏡面である前記第１の鏡面の第１の境界面に隣接する。
前述の反射器は部分的楕円鏡面である前記第１の鏡面に隣接する部分的楕円部で構成される。
【００３２】
さらに反射器はキャビティ内に配置した壁部で形成される部分的楕円部で構成される。
キャビティは非常に薄くし、少なくとも２つの部品で囲むことによって形成または製造することを特に提案する。
【００３３】
第１のガス接続管を前記平面鏡部に隣接配置し、第２のガス接続管は光源に隣接し、かつキャビティ内に取り付けた壁部に隣接して配置することを本発明によってさらに提案する。
【００３４】
光束を前記キャビティ周囲の虚の焦点から第２および第３の鏡面間の境界領域に反射させて、第２の鏡面から反射した第１の部分で第１の測定光路を形成し、一方第３の鏡面で反射した第２の部分で第２の測定光路を形成するようにガスセルのキャビティを形成することを本発明によってさらに提案する。
【００３５】
本発明によれば、光源からの直接光束をそらす装置を光源に隣接してキャビティ内に設け、前記装置は別の測定光路を形成するように平面鏡部の方向に向けられる。
【００３６】
光源の上方側と下方側のそれぞれに集中して部分的楕円の反射器部分の方向に延び、そしてさらにキャビティ内の焦点に向かって収斂するキャビティ内の光の面および３つの部分的楕円鏡面間に配置された表面領域を本発明によってさらに提案する。
【００３７】
前記装置はキャビティに設けられた光検出器に直接当たろうとする光束を遮蔽するように計画、構成されることをさらに提案する。
本発明によれば、光源には赤外線照射が使用され、水分の測定が可能となるように意図される。
【００３８】
光線または光束を受光するユニットは二酸化炭素、一酸化炭素、酸化窒素から選択したガスの存在および／または濃度を決定するように構成される。
【００３９】
（効果）
本発明の重要な特徴を有する本ガスセルの主な特徴の効果は、小さい外寸法のガスセルに少なくとも２つの測定光路を形成することができる条件が与えられることにある。さらに、ガスをキャビティ内で層流またはほぼ層流で通過させるような対策がとられている。
【００４０】
またガスセルは短いけれども別の測定光路を形成するように構成することができる。
本発明のガスセルの主な特徴は請求項１の特徴部分に示される。
【００４１】
（好ましい実施形態の説明）
本発明の重要な特徴を有する現在好ましい実施形態について、付帯する図面を参照して実施例によってさらに詳しく説明する。
【００４２】
図１にガス混合物中のガスの存在および／またはガス濃度を決定する検出装置を概略的に示す。
図１に示される装置は符号１で記され、ガスを分析のためガスセルに供給排出させる接続管２ａおよび接続管２ｂに接続した必要なガスセンサ２が含まれる。
【００４３】
別の方法によって、壁部２０’が拡散フィルタとして使用できる。
ガスは接続管２ａを介して導かれてガスセンサ２のガスセル２’をほぼ層流で通過し、その後、接続管２ｂを通って排出される。
【００４４】
また、図１に示すように、１つ以上のユニット２１，２２，２３，２４，２５が中央処理ユニット３に接続され、前記ユニットは光線あるいは光束を受光するようになっている。
【００４５】
このように中央処理ユニット３には、必要な信号処理回路とライン３ａを介してガスセンサ関連の光源を照射する回路とが含まれる。
本発明は主としてガスセル２のガスセンサ２’に関するものであり、このガスセンサについて図２および３を参照して以下詳細に説明する。
【００４６】
ガスセル２’には選択したガス量に適応したキャビティ２０、光源３０および１つ以上の光線受光ユニット２１−２５が含まれる。
キャビティ２０は、とりわけ、第１の部分的楕円鏡面２０ａと、第１の鏡面２０ａに対向する第２および第３の２つの部分的楕円鏡面２０ｂ、２０ｃとで形成され境界が画される。
【００４７】
３つの鏡面２０ａ，２０ｂ，２０ｃの互いに対する方向は、光源３０から照射された光線が前記鏡面間で反射して、それで測定光路が形成でき、選択した測定光路が割り当てられる光線受光ユニットあるいは検出器で終了するようにする。
【００４８】
光源３０はキャビティの一端領域、図２では左の領域に配置される。そして前記一端領域には、上方部３０ａと下方部３０ｂからなり、選択した光線を収斂させる反射器を配置して、光源３０が反射器の焦点に集まるようにする。
【００４９】
反射器部分３０ａ，３０ｂは部分的楕円として、選択した光束ないしは群をそれぞれ光束１３０、２３０のようにキャビティ２０内の焦点Ｆに収斂させる。
焦点Ｆはキャビティの他端領域、図２では右に位置させる。
【００５０】
焦点Ｆの位置はキャビティ関連の平面鏡部２０ｄに隣接させる。この平面鏡部２０ｄは光源３０と焦点Ｆとを結ぶ直線に対して多少傾斜させる。
平面鏡部２０ｄによって、図２に明確に示すようにキャビティのわずか外側に焦点Ｆの虚の焦点Ｆ’ができる。
【００５１】
平面鏡部２０ｄは第１の鏡面２０ａの右手の境界面に隣接して配置される。
反射器の上方鏡面３０ａは部分的楕円部で構成され、第１の鏡面２０ａの左方向の境界面に隣接して配置される。
【００５２】
反射器関連の部分３０ｂもキャビティ２０内に配置した部分的楕円壁部２６で形成した部分的楕円部で構成される。
図３を見ると、キャビティ２０は非常に薄く、ないしは狭く、その境界は主として２つの互いに協働する部分４１，４２で境界が画される。この厚さは、光源３０の白熱フィラメントの長さ、すなわち１．５ｍｍまたはこれより多少大きい長さに適合できる。
【００５３】
第１のガス接続管２ａは前記平面鏡部２０ｄに隣接して配置される。
第２のガス接続管２ｂは光源３０およびキャビティ２０内に位置する壁部２６に隣接して配置される。
【００５４】
壁部２６は鏡部３０ｂを形成することに加えて、厚みや形状の結果として、分析するガスを確実に層流にし、前記ガスを接続管２ａから導入して接続管２０ｂから排出する。
【００５５】
本発明によると、光束１３０および２３０のような光束は前記虚の焦点Ｆ’で反射して、第２の鏡面２０ｂと第３の鏡面２０ｃとの間にある境界領域に至り、そして第２の鏡面２０ｂで反射した第１の部分１３０ａは第１の測定光路を形成し、一方第３の鏡面２０ｃで反射した第２の部分１３０ｂは第２の測定光路を形成する。
【００５６】
理解できるように、自明の方法で、それぞれのこれら測定光路は面２０ａ，２０ｂおよび２０ｃ間で光が反射してさらに別の測定光路に分割される。各測定光路は選択した検出器２１，２２，２３，２４および２５でそれぞれ終了する。
【００５７】
光源３０に隣接し平面鏡部２０ｄの方向に向く装置４０を配置し、光束受光部４３の方向に別の１つ以上の測定光路が形成できるように、直接光束に対して傾斜させる。
【００５８】
光源３０のそれぞれの側（符号６１および６２で示す）に集中するキャビティ関連の光の面を図４に示す。
これら光の面は光源３０の各側で部分的楕円部３０ａ，３０ｂの方向に延びて、焦点Ｆに向かって収斂する面が含まれる。
【００５９】
別の光の面領域６３が部分的楕円鏡面２０ａ，２０ｂおよび２０ｃ間で構成される。
特に図５に示すように、前記装置４０は光束をキャビティ関連の光検出器２１−２５に対し直接当てないようにしている。
【００６０】
光源３０には赤外線照射を使用し、この点については、キャビティ内のガスの湿分、すなわち水蒸気濃度の測定を行うことを意図している。
また、選択した光束は二酸化炭素、一酸化炭素、酸化窒素のような別の選択ガスの存在および／または濃度を前記受光回路あるいはユニットの手段によって決めるのに使用される。
【００６１】
図２および３に戻って、光源３０とユニット４１間の追加の測定光路は４−２０ｍｍまたは約８ｍｍのような短い寸法で与えられることに注意を払う必要がある。
【００６２】
ユニット２１または２３への測定光路はそれぞれ長さ１３または２１ｃｍで与えられ、光源３０と各ユニット２３，２４，２５間の測定光路の長さはそれぞれ２１，２９または３７ｃｍで与えられる。
【００６３】
また、約４５×４５ｍｍの外寸法を有するガスセル２’の場合、窒素ガス／二酸化炭素の濃度とガスの水分量とその二酸化炭素の濃度が決定できるように、少なくとも２つの独立した長さ３６ｃｍの測定光路を設けることが可能であることが注目される。
【００６４】
本発明は前記の例で示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で示す発明概念の範囲内で修正されうることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のガスセルを使用するガス検出機を示すブロック図である。
【図２】  本発明のガスセルの形状を示す平面図である。
【図３】  図２の線III−IIIで切断した断面図である。
【図４】  図１によるガスセルと光照明面を示す。
【図５】  照明面と装置で形成される影を示す図２によるガスセル、および光検出器あるいはユニットへの光源からの直接照射が妨げられる面領域を示す。
【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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