(57)【要約】【課題】必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができるものでありながら、小型のものとして構成することができ、しかも個体差およびロット差を生じさせることなく、容易に作製することのできる多重反射型セルおよび上記多重反射型セルを備え、所期のガス検知を確実に行うことのできる小型の赤外線式ガス検知器を提供すること。【解決手段】多重反射型セルは、光源からの放射光を多重反射して光検出器に入射させる構成のものであって、焦点距離の大きさが互いに異なる２つの放物面反射鏡が焦点の位置が一致する状態で対向して配置されてなる。赤外線ガス式検知器は、上記多重反射型セルを備えてなる。【選択図】図１
2007205920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの放射光を多重反射して光検出器に入射させる多重反射型セルであって、
焦点距離の大きさが互いに異なる２つの放物面反射鏡が焦点の位置が一致する状態で対向して配置されてなることを特徴とする多重反射型セル。
【請求項２】
２つの放物面反射鏡は口径が互いに異なる大きさのものであって、
口径が小さい一方の放物面反射鏡の外縁部分が、外匣に設けられた光透過性を有する枠状の窓部材によって支持されて、２つの放物面反射鏡間に測定対象物が導入される測定対象物導入空間が形成されており、
一方の放物面反射鏡および窓部材によって当該測定対象物導入空間と区画された空間部に光源が配置されていると共に、口径が大きい他方の放物面反射鏡の背面に、当該他方の放物面反射鏡に設けられた窓部材を介して光検出器が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多重反射型セル。
【請求項３】
全体が円筒形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多重反射型セル。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の多重反射型セルを備えてなることを特徴とする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、多重反射型セルおよび当該多重反射型セルを備えた赤外線式ガス検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、例えば赤外線が検知対象ガス（特定ガス成分）によって吸収されることによる赤外線量の減衰の程度に応じてガス濃度を検出する、非分散型赤外線吸収法を利用した赤外線式ガス検知器が多数提案されている。
このような赤外線式ガス検知器においては、ガス検知が行われる対象となる、例えば環境雰囲気の空気などの被検ガスが導入されるガスセル内における赤外光の光路長が大きくなるに従って、低濃度域の特定ガス成分に対して高い感度が得られることが知られている。
【０００３】
従来より、ガスセルの容積を大幅に増大させることなしに、限られた空間内で必要とされる十分な大きさの光路長を得るための手段として、いわゆる『ホワイトセル』の動作原理を利用した多重反射型のガスセルが広く利用されている。
このようなガスセルとしては、例えば曲率半径の大きさが互いに等しい３つの凹面反射鏡を用い、一の凹面鏡を中央反射鏡とし、他の２つの反射鏡をその曲率中心の位置が中央反射鏡の反射面上に位置された構成のもの（例えば特許文献１参照）や、一の凹面鏡と一の平面鏡を用い、凹面鏡の曲率中心が平面鏡の反射面上に位置された構成のもの（例えば特許文献２参照）、あるいは、２重管構造の円筒形状のセンサハウジングを具え、外筒壁と内筒壁との間の空間に光源が配置されると共に内筒壁の内側に検出素子が配置されてなり、光源からの放射光を外筒壁の内面および内筒壁の外面によって形成される反射面により多重反射させて内筒壁に形成されたギャップを介して光検出素子に入射させる構成のもの（例えば特許文献３参照）などが知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−０４９７９３号公報
【特許文献２】特開２０００−０１９１０８号公報
【特許文献３】特表２００４−５２２１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば特許文献１および特許文献２に開示されている凹面鏡を利用した多重反射型セルにおいては、（イ）凹面鏡の設置（組配）に高い精度が要求されて作製が困難である、また、（ロ）必要な大きさの光路長を得るために、反射回数の設定を変更すると、凹面鏡の形状等の大幅な設計変更が必要となる、などの問題がある。
また、特許文献３に開示されている多重反射型セルにおいては、（ハ）得られる光路長の大きさの割には、反射回数が多くなるため、光検出素子からの出力信号が弱くなる、あるいは、（ニ）円形状の反射面を利用して壁面に沿った光路を形成しているため、光路の制御が困難であり、反射面の形成に高い精度が必要とされるため、個体差やロット差が発生しやすく、個々のガスセル毎に調整作業が必要となって不便である、などの問題がある。
【０００６】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができ、しかも、小型のものとして構成することができる多重反射型セルを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、個体差およびロット差を生じさせることなく、容易に作製することのできる多重反射型セルを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、上記多重反射型セルを備え、所期のガス検知を確実に行うことのできる小型の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】
【０００７】
本発明の多重反射型セルは、光源からの放射光を多重反射して光検出器に入射させる多重反射型セルであって、
焦点距離の大きさが互いに異なる２つの放物面反射鏡が焦点の位置が一致する状態で対向して配置されてなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の多重反射型セルにおいては、２つの放物面反射鏡が口径が互いに異なる大きさのものであって、
口径が小さい一方の放物面反射鏡の外縁部分が、外匣に設けられた光透過性を有する枠状の窓部材によって支持されて、２つの放物面反射鏡間に測定対象物が導入される測定対象物導入空間が形成されており、
一方の放物面反射鏡および窓部材によって当該測定対象物導入空間と区画された空間部に光源が配置されていると共に、口径が大きい他方の放物面反射鏡の背面に、当該他方の放物面反射鏡に設けられた窓部材を介して光検出器が配置された構成とすることができる。
【０００９】
また、本発明の多重反射型セルにおいては、全体を円筒形状のものとして構成することができる。
【００１０】
本発明の赤外線式ガス検知器は、上記多重反射型セルを備えてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の多重反射型セルによれば、２つの放物面反射鏡が特定の光学条件を満足する状態で合理的に配置されて多重反射構造が形成されているので、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができる構成のものでありながら小型のものとして構成することができる。
また、所定の多重反射構造を得るために必要とされる構成部材が２つの放物面反射鏡のみであり、当該２つの放物面反射鏡を焦点の位置を一致させた状態で配置すればよいので、光路の制御が容易であると共に複雑な（煩雑な）光学調整が不要であり、個体差やロット差を生じさせることなしに、所期の機能を有するものを容易に作製することができる。
【００１２】
上記多重反射型セルを備えてなる本発明の赤外線式ガス検知器によれば、基本的に装置全体の小型化を図ることができると共に、所期のガス検知を高い信頼性をもって行うことができ、しかも、ガスセルそれ自体が小型のものであることにより、ガスの置換が速やかに行われて高い応答性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の赤外線式ガス検知器は、赤外線光源からの赤外光を被検ガスが導入されるガスセル内において多重反射させて、赤外線センサにより受光される赤外線量に応じたガス検知信号を出力するガス検知部を備えてなるものである。
【００１４】
図１は、本発明の赤外線式ガス検知器におけるガス検知部を構成する多重反射型セルの一例における構成の概略を示す説明用断面図である。
この多重反射型セル（以下、単に「ガスセル」という。）１０は、全体が円筒形状の外匣１１を具えてなり、この外匣１１内には、特定の波長域の光、この実施例においては赤外光に対して高い光透過性を有するリング状の入射側窓部材１５が高さ方向における所定の位置において外匣１１の中心軸Ｃと垂直な方向に伸びるよう設けられており、この入射側窓部材１５によって外匣１１の内部空間が区画されてチャンバ部１２および光源配置部１３が形成されている。
【００１５】
チャンバ部１２には、焦点距離の大きさが互いに異なる２つの放物面反射鏡２０，２５が焦点の位置が一致すると共に、放物面反射鏡２０，２５の中心軸が外匣１１の中心軸Ｃと一致した状態で対向配置されている。
各々の放物面反射鏡２０，２５は、内面に、赤外域の光を反射させて、不要な波長域の光を反射鏡の背後に透過させる機能を有する反射膜（図示せず）が形成されており、これにより、例えば放物面状の反射面２１，２６が形成されている。
各々の放物面反射鏡２０，２５は、口径（外縁部分の内径寸法）が互いに異なる大きさのものであり、口径が小さい一方の放物面反射鏡（以下、「出射側反射鏡」ともいう。）２０の外縁部分が入射側窓部材１５によって支持されていると共に、口径が大きい他方の放物面反射鏡（以下、「入射側反射鏡」ともいう。）２５が外匣１１に設けられた適宜の支持部材によって支持されており、これにより、２つの放物面反射鏡２０，２５間に測定対象物としての被検ガスが導入されるガス導入空間Ｓが形成されている。図１において、１６はガス導入部、１７はガス排出部であり、各々、ガス導入空間Ｓに連通している。
【００１６】
入射側反射鏡２５には、中央位置に光出射用の開口２７が形成されており、この開口２７を塞ぐよう赤外線に対して高い光透過性を有する出射側窓部材２８が設けられている。  入射側反射鏡２５の背面には、出射側窓部材２８と対向した位置において、光検出器である赤外線センサ３０が配置されており、受光部１４が外匣１１内においてチャンバ部１２と一体に構成されている。
【００１７】
光源配置部１３には、例えば凹面反射鏡３５がその反射面が上方を向いた状態で配置されていると共に、この凹面反射鏡３５の焦点の位置に、赤外線光源４０が配置されている。
【００１８】
このガスセル１０においては、次のようにして各構成部材の諸元が設定される。すなわち、検知対象ガス（特定ガス成分）の種類と測定濃度範囲とに基づいて所期のガス検知を行うために必要とされる、光路長の大きさおよび反射回数が設定され、これらの設定値に基づいて２つの放物面反射鏡２０，２５における対向する反射面間の離間距離の大きさが設定される。
そして、２つの放物面反射鏡２０，２５の緒元すなわち焦点距離、口径等が選定されると共に、赤外線光源４０からの赤外光の、入射側窓部材１５を介してガス導入空間Ｓに入射される入射位置、および入射側反射鏡２５における開口２７の大きさおよび形成位置が設定される。ここに、入射側反射鏡２５の口径の大きさは、入射側窓部材１５を介してチャンバ部１２内に導入される赤外光および出射側反射鏡２０により反射される反射光Ｉ２の実質的に全部（出射側窓部材２８を介して出射される反射光を除く。）が受光されるよう設定され、出射側反射鏡２０の口径の設定を行うに際しては、入射側反射鏡２５の反射面２６によって反射される反射光Ｉ１のすべてが受光されるよう設定される。
以上において、入射側反射鏡２５および出射側反射鏡２０による反射回数は、赤外線センサ３０によって十分な大きさの出力信号が得られるよう、例えば１５回以下の範囲内で設定されることが好ましい。
また、入射側反射鏡２５と出射側反射鏡２０との焦点距離の差の程度は、所定の多重反射構造が形成されると共にガスセル１０が大型化することが防止されれば、特に制限されるものではない。
【００１９】
上記構成のガスセル１０においては、赤外線光源４０から放射された赤外光が光源配置部１４に配置された凹面反射鏡３５によって反射されて外匣１１の中心軸Ｃ（凹面鏡の中心軸）と平行な光とされて入射側窓部材１５を介してガス導入空間Ｓ内に導入される。そして、ガス導入空間Ｓ内に導入された赤外光は、入射側反射鏡２５の反射面２６により反射され、その反射光Ｉ１（図１において一点鎖線で示す。）が焦点Ｆを通過して出射側反射鏡２０の反射面２１により反射されて、再び、外匣１１の中心軸Ｃと平行な光とされる。
そして、出射側反射鏡２０の反射面２１により反射された反射光Ｉ２（図１において破線で示す。）は、入射側反射鏡２５の反射面２６により反射され、このような反射が繰り返し行われながら、各々の放物面反射鏡２０，２５の反射面２１，２６上に形成される像点の位置が中心軸Ｃに近づいていき、入射側反射鏡２５における出射側窓部材２８を介して出射されて赤外線センサ３０に入射される。この実施例に係るガスセル１０における反射回数は、例えば１２回とされている。
一方、被検ガスがガス導入部１６よりガス導入空間Ｓ内に導入されて、当該被検ガス中に検知対象ガス（特定ガス成分）が含まれる場合には、当該特定ガス成分によって赤外線が吸収されることによって赤外線センサ３０に検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じた検知対象ガスの濃度が算出される。
【００２０】
而して、上記構成のガスセル１０によれば、２つの放物面反射鏡２０，２５が特定の光学条件を満足する状態で合理的に配置されて多重反射構造が形成されているので、以下に示す具体的な実施例の結果からも明らかなように、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができる構成のものでありながら小型のものとして構成することができる。
【００２１】
〔構成例１〕
出射側反射鏡（２０）として焦点距離が１５ｍｍのもの、入射側反射鏡（２５）として焦点距離が２５ｍｍ、開口（２７）の開口径の大きさを２．４ｍｍのものを用いた場合には、反射回数が１０回、光路長を４４１ｍｍ、ガスセル（１０）の大きさを例えば直径が６０ｍｍ、高さが５０ｍｍの円筒形状のものとして構成することができる。
〔構成例２〕
出射側反射鏡（２０）として焦点距離が３ｍｍのもの、入射側反射鏡（２５）として焦点距離が５ｍｍ、開口（２７）の開口径の大きさが１ｍｍのものを用いた場合には、反射回数が８回、光路長を７３ｍｍ、ガスセル（１０）の大きさを例えば直径が２０ｍｍ、高さが２０ｍｍの円筒形状のものとして構成することができる。
〔構成例３〕
出射側反射鏡（２０）として焦点距離が５ｍｍのもの、入射側反射鏡（２５）として焦点距離が１０ｍｍ、開口（２７）の開口径の大きさが１ｍｍのものを用いた場合には、反射回数が６回、光路長を１０６ｍｍ、ガスセル（１０）の大きさを例えば直径が２０ｍｍ、高さが２０ｍｍの円筒形状のものとして構成することができる。
【００２２】
また、所定の多重反射構造を得るために必要とされる構成部材が２つの放物面反射鏡２０，２５のみであり、当該２つの放物面反射鏡２０，２５を焦点の位置を一致させた状態で配置すればよいので、光路の制御が容易であると共に複雑な（煩雑な）光学調整が不要であり、個体差やロット差を生じさせることなしに、所期の機能を有するものを容易に作製することができる。
また、赤外線センサ３０が配置される受光部１４および赤外線光源４０が配置される光源配置部１３がチャンバ部１２と一体に構成されていることにより、チャンバ部１２に対する赤外光の入射条件およびチャンバ部１２から出射される赤外光の、赤外線センサ３０に対する入射条件等を適正な状態にするための調整機構等を設けることが不要であり、このような理由からも、ガスセル１０の小型化を図ることができると共に、複雑な光学調整が不要であって容易に作製することができる。
【００２３】
さらに、２つの放物面反射鏡２０，２５によって多重反射構造が構成されていることにより、ガスセル１０を円筒形状のものとして構成することができ、これにより、放物面反射鏡２０，２５の組配を極めて容易に行うことができると共に、ガスセル１０の作製を容易に行うことができる。
【００２４】
従って、上記ガスセル１０を備えてなる本発明の赤外線式ガス検知器によれば、基本的に装置全体の小型化を図ることができると共に、所期のガス検知を高い信頼性をもって行うことができ、しかも、ガスセル１０それ自体が小型のものであることにより、ガスの置換が速やかに行われて高い応答性を得ることができる。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明の多重反射型セルを構成する凹面反射鏡の緒元は、例えば測定対象物（例えば特定ガス成分等）の種類と測定濃度範囲など目的に応じて適宜に設定することができる。また、各々の凹面反射鏡は、滑らかな反射面が形成された微小ミラーの集合体により構成されていてもよい。
また、本発明の多重反射型セルは、ガス検知器だけではなく、光の吸光度を利用して、測定対象物物の濃度や純度を測定するための装置に適用することができる。
【００２６】
図１に示す実施例に係る多重反射型セルにおいては、赤外線光源の配置位置は、特に制限されるものではなく、例えば光透過窓に対向した位置に配置されていてもよく、このような形態のものにおいては、赤外線光源からの放射光を反射するための凹面反射鏡をチャンバ部に対して赤外線光源の背面側の位置に配置すればよい。
光検出器が配置された受光部、並びに光源および凹面反射鏡が配置された光源部が多重反射構造が形成されたチャンバ部と一体化された構成であっても、チャンバ部の外部に別個に配置された構成であっても、いずれの構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の赤外線式ガス検知器におけるガス検知部を構成する多重反射型セルの一例における構成の概略を示す説明用断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  多重反射型セル（ガスセル）
１１  外匣
１２  チャンバ部
１３  光源配置部
１４  受光部
１５  入射側窓部材
１６  ガス導入部
１７  ガス排出部
２０  一方の放物面反射鏡（出射側反射鏡）
２１  反射面
２５  他方の放物面反射鏡（入射側反射鏡）
２６  反射面
２７  開口
２８  出射側窓部材
３０  赤外線センサ
Ｓ  ガス導入空間
３５  凹面反射鏡
４０  赤外線光源
Ｉ１，Ｉ２  反射光
Ｆ  焦点
【図１】
2007205920.tif 000003