(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの赤外線を被測定ガスに含まれる２成分の吸収特性に対応した各波長帯域と参照光を含めた３つの波長帯域で選択的に透過するファブリペローフィルタにおいて、
基板に設けられた第一ミラーと、
この第一ミラーとの間に、前記被測定ガスに含まれる前記２成分のうち一方の成分の赤外線吸収のピークにおける短波長λ１と他方の成分の赤外線吸収のピークにおける長波長λ２との両ピークの波長の範囲内（λ１〜λ２）であって初期状態で前記参照光を透過させる長さのギャップが形成され、外力が加えられることにより前記第一ミラーに対して変位可能に対向配置される第二ミラーと、
前記第一ミラーに設けられる第一電極と、
前記第二ミラーに設けられ前記第一電極に対向配置される第二電極とを有し、
前記第一電極と前記第二電極との間に電位差を与えることにより前記第二ミラーを変位させ、前記ギャップの長さを下記Ａ〜Ｃの３段階に可変とすることを特徴とするファブリペローフィルタ。
Ａ）前記参照光を透過する長さ
Ｂ）前記２成分のうち一方の成分の吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過する長さ
Ｃ）前記２成分のうち他方の成分の吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過する長さ
【請求項２】
前記第一ミラー及び前記第二ミラーはシリコンであることを特徴とする請求項１記載のファブリペローフィルタ。
【請求項３】
被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、
前記波長選択フィルタは、請求項１または請求項２に記載のファブリペローフィルタにより構成されてなることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項４】
被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、
前記波長選択フィルタは、請求項１または請求項２に記載のファブリペローフィルタにより構成され、
前記赤外線検出器に先行する光路に配置され、特定帯域のみの波長を透過させるワイドバンドパスフィルタを具備したことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項５】
前記被測定ガスは二酸化炭素と水蒸気の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計。
【請求項６】
前記被測定ガスは二酸化炭素と一酸化炭素の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計。
【請求項７】
前記被測定ガスは窒素酸化物と硫黄酸化物の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計。
【請求項８】
前記被測定ガスは二酸化炭素と窒素酸化物の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計。
【請求項９】
前記被測定ガスは二酸化炭素と硫黄酸化物の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中などのガス濃度を、赤外線を用いて測定するガス分析計に使用される、波長選択型赤外線検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガス分析においては、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する、非分散赤外線（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲｅｄ）ガス分析計（以下、ＮＤＩＲガス分析計と記す）が使用されている。
【０００３】
図７から図１１は、従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
尚、以下においては、赤外線吸収波長のピークが約４．２５μｍである二酸化炭素を被測定ガスとして説明する。
【０００４】
図７は、単光線単波長ＮＤＩＲガス分析計で、ガスが供給されるサンプルセル２０と、光源２１と、フィルタ２２と、赤外線検出器２３とからなっている。
この場合、フィルタ２２は、図１２に示すような、二酸化炭素の吸収特性にあわせてその波長が４．２５μｍ近傍の赤外線を選択して透過させる。
そして、赤外線検出器２３は、フィルタ２２を透過した赤外線を検出することにより、被測定ガスの濃度を測定する、
【０００５】
図８は、単光線２波長比較ＮＤＩＲガス分析計で、図１３に示すように、二酸化炭素の吸収特性に合わせたフィルタ２２と、参照光として約３．９μｍ近傍の波長の赤外線を透過させるフィルタ２４で２波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器２３，２５により検出される。
この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源２１の劣化や、サンプルセル２０の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。
【０００６】
図９は、単光線２波長比較ＮＤＩＲガス分析計で、円盤２６に形成された二酸化炭素の吸収特性に合わせたフィルタ２２と、参照光のフィルタ２４で２波長を選択し、フィルタによって選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器２３により検出される。
この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源２１の劣化や、サンプルセル２０の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。
【０００７】
図１０は、単光線２波長ファブリペローＮＤＩＲガス分析計で、ファブリペローフィルタ２６を構成する２つの平行ミラー（図示しない）間のギャップを可変とすることにより、被測定ガスの吸収特性に合わせた波長と参照光の波長との２波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ赤外線検出器２３により検出される。
この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源２１の劣化や、サンプルセル２０の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。
【０００８】
図１１は、２光線１波長ＮＤＩＲガス分析計で、サンプルセル２０中での光路長が異なるように２つの光源２１，２７を配置し、被測定ガスの吸収特性に合わせたフィルタ２２を透過して検出された赤外線検出器２３の出力信号の比率により、サンプルセル２０の汚れ等による出力信号の経時変化を補正し、被測定ガスの濃度を測定する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなＮＤＩＲガス分析計においては、被測定ガスに複数の成分が含まれている場合、その複数の成分の濃度を測定するためには、フィルタの枚数を増加させなければならなず、分析計のコストが増大するとともに、分析計が大型化してしまう、という問題点があった。
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、参照光を含めて３つの波長帯域の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタを実現することにより、被測定ガスの２成分の濃度を同時に測定できる赤外線ガス分析計を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１においては、光源からの赤外線を被測定ガスに含まれる２成分の吸収特性に対応した各波長帯域と参照光を含めた３つの波長帯域で選択的に透過するファブリペローフィルタにおいて、基板に設けられた第一ミラーと、この第一ミラーとの間に、前記被測定ガスに含まれる前記２成分のうち一方の成分の赤外線吸収のピークにおける短波長λ１と他方の成分の赤外線吸収のピークにおける長波長λ２との両ピークの波長の範囲内（λ１〜λ２）であって初期状態で前記参照光を透過させる長さのギャップが形成され、外力が加えられることにより前記第一ミラーに対して変位可能に対向配置される第二ミラーと、前記第一ミラーに設けられる第一電極と、前記第二ミラーに設けられ前記第一電極に対向配置される第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二電極との間に電位差を与えることにより前記第二ミラーを変位させ、前記ギャップの長さを下記Ａ〜Ｃの３段階に可変とすることを特徴とするファブリペローフィルタである。
Ａ）前記参照光を透過する長さ
Ｂ）前記２成分のうち一方の成分の吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過する長さ
Ｃ）前記２成分のうち他方の成分の吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過する長さ
【００１２】
本発明の請求項２においては、前記第一ミラー及び前記第二ミラーはシリコンであることを特徴とする請求項１記載のファブリペローフィルタである。
【００１４】
本発明の請求項３においては、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、前記波長選択フィルタは、請求項１または請求項２に記載のファブリペローフィルタにより構成されてなることを特徴とする赤外線ガス分析計である。
【００１５】
本発明の請求項４においては、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、前記波長選択フィルタは、請求項１または請求項２に記載のファブリペローフィルタにより構成され、前記赤外線検出器に先行する光路に配置され、特定帯域のみの波長を透過させるワイドバンドパスフィルタを具備したことを特徴とする赤外線ガス分析計である。
【００１６】
本発明の請求項５においては、前記被測定ガスは二酸化炭素と水蒸気の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計である。
【００１７】
本発明の請求項６においては、前記被測定ガスは二酸化炭素と一酸化炭素の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計である。
【００１８】
本発明の請求項７においては、前記被測定ガスは窒素酸化物と硫黄酸化物の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計である。
【００１９】
本発明の請求項８においては、前記被測定ガスは二酸化炭素と窒素酸化物の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計である。
【００２０】
本発明の請求項９においては、前記被測定ガスは二酸化炭素と硫黄酸化物の２成分を含み、この２成分の濃度を測定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線ガス分析計である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
尚、以下の図面において、図７から図１３と重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略する。
図１は本発明の実施例の構成を示す断面図である。
【００２２】
また、以下においては、図２に示すように、赤外線吸収波長のピークが約４．２５μｍである二酸化炭素と、図３に示すように、赤外線吸収波長のピークが約２．７μｍである水蒸気の２成分が含まれるガスを被測定ガスとして説明する。
【００２３】
ファブリペローフィルタは、その中心波長が、２７００ｎｍ（λ１）〜４２５０ｎｍ（λ２）の波長範囲内にあり、自由スペクトル領域ＦＳＲが、４２５０−２７００ｎｍ（λ２−λ１）＝１５５０ｎｍよりも大きくなるように設計される。
【００２４】
図１に示したファブリペローフィルタは、自由スペクトル領域ＦＳＲ＝２０００ｎｍ、半値幅ＨＢＷ＝１４０ｎｍ、最大透過率Ｔｍａｘ＝８０％、フィネスＦｉｎｅｓｓ＝１４として設計されたものである。
【００２５】
図１において、シリコンの基板１上に酸化膜２を介して第一ミラー３が形成され、第二ミラー４は、第一ミラー３上に形成された酸化膜５上に形成されて第一ミラー３に対向配置されている。
【００２６】
そして、第二ミラー４に形成されたエッチング孔６より酸化膜５をエッチングすることにより酸化膜５の膜厚に相当するギャップｈが第一ミラー３と第二ミラー４の間に形成され、第二ミラー４は外力が加えられることにより第一ミラー３の方向に変位可能となっている。
【００２７】
第一ミラー３及び第二ミラー４は例えば多結晶シリコンからなり、第一ミラー３の表面には高濃度の不純物がドープされて第一電極７が形成され、第二ミラー４の表面には高濃度の不純物がドープされて第二電極８が形成されている。
【００２８】
そして、第一電極７に外部から通電可能とする外部電極９が第一電極７に接触して形成され、第二電極８に外部から通電可能とする外部電極１０が第二電極８に接触して形成されている。
【００２９】
この場合、ファブリペローフィルタの中心波長λは、ギャップｈの長さ、すなわち酸化膜５の膜厚に相当し、例えば３１００ｎｍである。
そして、第一ミラー３は、ファブリペローフィルタの下部ミラーとなるため、その光学膜厚はλ／４とする必要があり、この場合、酸化膜の膜厚は５９２ｎｍ（屈折率１．３０９）、第一ミラー３及び第二ミラー４の膜厚は２４８ｎｍ（屈折率３．１２５）となっている。
【００３０】
次に、動作を説明する。
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１に示したファブリペローフィルタの動作説明図である。
【００３１】
第一電極７と第二電極８に、外部電極９と外部電極１０を介して電位差を与えると、第一電極７と第二電極８との間に静電吸引力が発生し、第二ミラー４が第一ミラー３の方向に変位し、ギャップｈの長さが変化する。
この電圧を変化させることにより、被測定ガスの吸収特性に対応した波長帯域の赤外線を透過させるギャップの長さを得ることができる。
【００３２】
例えば、図４（ａ）において、電圧を印加しない初期状態でのギャップｈ（すなわち絶縁層の膜厚約３１００ｎｍ）を参照光測定状態とした場合、その透過光量の変化により、光源の経時変化や光学系の汚れの補正データとすることができる。
【００３３】
そして、図４（ｂ）に示すように、ギャップｈを約２５９０ｎｍとなるように電位差を調整した場合は、水蒸気を測定対象とすることができ、図４（ｃ）に示すように、ギャップｈを約２２７０ｎｍとなるように電位差を調整した場合は、二酸化炭素を測定対象とすることができる。
【００３４】
このように、ギャップｈの長さを３段階に可変としたので、参照光を含めて３つの波長帯域の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタを実現することができる。
【００３５】
また、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、赤外線検出器の出力に基づいて被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、上述のようなファブリペローフィルタを使用した場合、波長選択フィルタの枚数を増加させずに被測定ガスの２成分の濃度を同時に測定できるため、赤外線ガス分析計の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【００３６】
ところで、ファブリペローフィルタは、図５に示すように、一つのガスに対して複数の波長帯域に複数の透過ピークを示す。
例えば、ギャップｈを２２７０ｎｍとした二酸化炭素の場合は、４２５０ｎｍ近傍と２４００ｎｍ近傍、ギャップを２５９０ｎｍとした水蒸気の場合は、４７００ｎｍ近傍と２７００ｎｍ近傍、ギャップを３１００ｎｍとした参照光の場合は３１００ｎｍ近傍と２２００ｎｍ近傍にピークが存在する。
【００３７】
従って、図６に示すように、赤外線検出器１４に先行する光路に、例えば２６００ｎｍから４５００ｎｍまでの波長を透過し、それ以外の帯域は不透過とするようなワイドバンドパスフィルタ１２を設けることにより、図５に示すようにギャップｈを２２７０ｎｍとした二酸化炭素の場合は４２５０ｎｍ近傍のみ、ギャップｈを２５９０ｎｍとした水蒸気の場合は２７００ｎｍ近傍のみ、ギャップを３１００ｎｍとした参照光の場合は３１００ｎｍ近傍のみが選択され、各ギャップで一つのピークのみを選択させることにより、複数のガスの吸収量を測定することができる。
【００３８】
尚、図６においては、光源１１とファブリペローフィルタ１３の間の光路にワイドバンドパスフィルタ１２を設けたが、ファブリペローフィルタ１３と赤外線検出器１４との間の光路にワイドバンドパスフィルタ１２を設けても良い。
【００３９】
また、本実施例では二酸化炭素と水蒸気の２成分を測定対象とした場合について説明したが、ファブリペローフィルタの中心波長は２成分の赤外線吸収のピークをλ１（短波長）、λ２（長波長）とするとλ１〜λ２の波長範囲にあり、自由スペクトル領域はλ２−λ１より大きくなるように設計すれば良いので、例えば二酸化炭素と一酸化炭素の２成分、窒素酸化物と硫黄酸化物の２成分、等の組み合わせによる濃度測定も可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１から請求項３によれば、ギャップの長さを３段階に可変としたので、参照光を含めて３つの波長帯域の赤外線を選択的に透過させるファブリペローフィルタを実現することができる。
【００４１】
本発明の請求項４によれば、本発明の請求項１から請求項３記載のファブリペローフィルタを使用したので、波長選択フィルタの枚数を増加させずに被測定ガスの２成分の濃度を同時に測定でき、また赤外線ガス分析計の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【００４２】
本発明の請求項５によれば、本発明の請求項１から請求項３記載のファブリペロフィルタを使用し、特定帯域幅のみの赤外線を透過するワイドバンドパスフィルタを設けたので、各ギャップで一つのピークのみを選択させ、複数のガス濃度を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【００４３】
本発明の請求項６によれば、二酸化炭素と水蒸気の２成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【００４４】
本発明の請求項７によれば、二酸化炭素と一酸化炭素の２成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【００４５】
本発明の請求項８によれば、窒素酸化物と硫黄酸化物の２成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【００４６】
本発明の請求項９によれば、二酸化炭素と窒素酸化物の２成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【００４７】
本発明の請求項１０によれば、二酸化炭素と硫黄酸化物の２成分を測定可能な赤外線ガス分析計を提供することができる。
【００４８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の構成を示す断面図である。
【図２】二酸化炭素の赤外線吸特性図である。
【図３】水蒸気の赤外線吸特性図である。
【図４】本発明の実施例の動作説明図である。
【図５】ファブリペローフィルタの透過特性及びガス吸収特性図である。
【図６】本発明の実施例を使用した赤外線ガス分析計の構成概略図である。
【図７】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図８】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図９】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図１０】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図１１】従来のＮＤＩＲガス分析計の構成図である。
【図１２】フィルタの赤外線透過特性、吸収特性図である。
【図１３】フィルタの赤外線透過特性、吸収特性図である。
【符号の説明】
１  基板
３  第一ミラー
４  第二ミラー
７  第一電極
８  第二電極
１１  光源
１２  ワイドバンドパスフィルタ
１３  ファブリペローフィルタ
１４  赤外線検出器
ｈ  ギャップ
【図１】
0004457455.tif 000002
【図２】
0004457455.tif 000003
【図３】
0004457455.tif 000004
【図４】
0004457455.tif 000005
【図５】
0004457455.tif 000006
【図６】
0004457455.tif 000007
【図７】
0004457455.tif 000008
【図８】
0004457455.tif 000009
【図９】
0004457455.tif 000010
【図１０】
0004457455.tif 000011
【図１１】
0004457455.tif 000012
【図１２】
0004457455.tif 000013
【図１３】
0004457455.tif 000014