JPH11271221A

JPH11271221A - 赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JPH11271221A
Application number: JP9230498A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sotani; 俊之操谷
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1999-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】赤外光源から発光強度分布の均一な光を照射
することができるとともに、赤外光源、赤外線検出器お
よび凹面反射鏡において多少の位置ずれが生じてもある
程度これを吸収することができ、もって、経時的安定性
に優れ高感度かつ高精度に測定を行なうことができる赤
外線ガス分析計を提供すること。【解決手段】楕円反射鏡１１に対向させて赤外光源１
３を設け、この赤外光源１３から出射された赤外光の反
射光束が集束する位置またはその近傍に赤外線検出器１
４を設け、赤外光源１３および赤外線検出器１４と凹面
反射鏡１１との間の空間にガスを流入させるようにした
赤外線ガス分析計において、前記赤外光源１３からの赤
外光を粗面を介して凹面反射鏡１１方向に出射するよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば空調制御
用ガスセンサやガス管理区域内に設置されるガス警報機
あるいはガス濃度測定器として使用される赤外線ガス分
析計に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、赤外線ガス分析計における分析
部は、通常、サンプルガスが供給される筒状のセルの軸
方向の一方に赤外光源を設け、他方に赤外線検出器が配
置された構成を有するが、上記用途に用いられる赤外線
ガス分析計には、分析部の構成を簡易化し小型化を目的
とした例えば特開平９−１８４８０３号公報に開示され
るようなものがある。この公報に記載の赤外線ガス分析
計においては、図７に示すように、凹面反射鏡７１に対
向させて赤外光源７２を設け、この赤外光源７２から出
射された赤外光の反射光束が集束する位置またはその近
傍に赤外線検出器７３を設け、赤外光源７２および赤外
線検出器７３と凹面反射鏡７４との間の空間にガスを流
入させるようにしている。

【０００３】上記構成の赤外線ガス分析計においては、
赤外吸収に係る光路の開き角を大きくできるとともに、
折り返し光路を形成でき、赤外光源７２と赤外線検出器
７３との間の光路長として十分な長さのものが得られ、
小型でも十分な赤外吸収を得ることができるとともに、
赤外光源７２と赤外線検出器７３とを一つの回路基板６
４上に設置できるため、回路基板７４およびこれの周辺
の構成が簡素化できるといった利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような優れた利点を有する上記赤外線ガス分析計におい
ても次のような不都合があった。この赤外線ガス分析計
においては、凹面反射鏡７４を用いて赤外光源７２の像
が赤外線検出器７３の受光面に結像されるようにしてい
るため、光学調整を必要とし、かつ微小な位置ずれに対
する指示影響が大きくなる。

【０００５】すなわち、赤外光源７２として図８（Ａ）
に示すように、タングステンをコイル状にしたフィラメ
ント７５を軟質ガラスよりなるバルブ７６に収容したタ
ングステンランプを用いた場合、同図（Ｂ）に示すよう
に、受光面７７上に光の強い部分７８と光の弱い部分７
９とが斑状に生じ、赤外光源７２の発光強度分布が不均
一になる。このため、赤外光源７２、赤外線検出器７３
および凹面反射鏡７１の固定位置のわずかなずれや変形
などによって結像位置がシフトし、受光出力が変動す
る。

【０００６】そして、赤外線ガス分析計を一台一台位置
合わせするための調整作業に多数之時間を要し、また、
この調整を行わなければ各赤外線ガス分析計においてわ
ずかな位置の差により出力感度が大きくばらついてしま
うため、回路の出力調整幅を大きくする必要があった。

【０００７】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、赤外光源から発光強度分布の均
一な光を照射することができるとともに、赤外光源の発
光面を、その像が赤外線検出器の受光面よりも大きくな
るように拡大することによって、赤外光源、赤外線検出
器および凹面反射鏡において多少の位置ずれが生じても
ある程度これを吸収することができ、もって、経時的安
定性に優れ高感度かつ経時安定性に優れた測定を行なう
ことができる赤外線ガス分析計を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、凹面反射鏡に対向させて赤外光源を
設け、この赤外光源から出射された赤外光の反射光束が
集束する位置またはその近傍に赤外線検出器を設け、赤
外光源および赤外線検出器と凹面反射鏡との間の空間に
ガスを流入させるようにした赤外線ガス分析計におい
て、前記赤外光源が発する赤外光を粗面を介して凹面反
射鏡方向に出射し、かつ赤外光源の反射光の集束または
結像した光束の大きさが前記赤外線検出器の受光部の大
きさよりも大きくなるように設定している。

【０００９】上記構成の赤外線ガス分析計においては、
赤外光源から発光強度分布の均一な赤外光を照射するこ
とができるとともに、赤外光源の発光面が拡大される。
したがって、赤外光源、赤外線検出器および凹面反射鏡
における相対的な位置関係が多少ずれてもこれを吸収す
ることができ、検出出力の安定化が図れる。また、組立
に際して光軸調整など調整作業が可及的に少なくなる。
また、回路の出力調整幅も小さくできる。

【００１０】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。図１〜図６はこの発明の一つの実施の
形態を示すもので、この実施の形態における赤外線ガス
分析計は、例えば大気中のＣＯ₂濃度を検出するように
構成されている。

【００１１】まず、図１および図２において、１は例え
ば直方体形状のケースで、下部ケース２と上部ケース３
とからなる。これら２，３はともに例えば金属板よりな
る。すなわち、下部ケース２は、方形の金属板の相対向
する２辺を上方に直角に折り曲げてなる。上部ケース３
は、下方が開口するように直方体形状に折り曲げられて
なり、対向する二つの側壁に空気などのガスを通過させ
るための短冊状の孔（上下方向に長い）４が複数開設さ
れている。そして、下部ケース２に対して上部ケース３
を被着した状態で、ねじ部材５によって互いに固定され
てケース１を構成する。なお、６は孔４に対応するよう
に設けられたフィルタで、前記ガスに含まれる塵などの
異物がケース１内へ侵入するのを防止するものである。

【００１２】前記ケース１内には、次のような各部材が
収容される。すなわち、７は下部ケース２の上方に適宜
長さのスペーサ部材８を介して水平に保持されるベース
基板としての機能をも有する回路基板で、例えばプリン
ト基板である。この回路基板７には、詳細な図示は省略
しているが、赤外光源（後述する）に電流を供給する定
電流駆動回路、赤外線検出器（後述する）の２つの出力
をそれぞれ増幅し演算する受光出力の増幅・演算回路、
指示校正回路、電圧安定化回路など（いずれも図示して
ない）が形成されている。９は固定用のねじ部材で、ス
ペーサ部材８の内周に形成された雌ねじ部と螺合する。

【００１３】１０は前記回路基板７に立設される門型の
保持部材で、適宜の高さを有する二つの脚部１０Ａとこ
れらの脚部１０Ａを連結する水平な天板部１０Ｂとから
なり、両脚部１０Ａの下端を対向するように水平方向に
折り曲げてなる折り曲げ部１０ａを回路基板７にねじ部
材（図示してない）によって固定することにより、回路
基板７に立設されている。そして、この保持部材９の天
板部１０Ｂの下面側には凹面反射鏡１１が両面テープな
どの接着部材１２を用いて保持されている。

【００１４】すなわち、前記凹面反射鏡１１は、鋳造用
金属またはＡＢＳなどの射出成形用合成樹脂よりなり、
その一方の面（図１および図２において下方側の面）１
１ａが例えば凹面反射面となるように、赤外領域で高い
反射率を示すアルミニウムやクロムなどの金属を蒸着ま
たはコーティングして形成されている。

【００１５】１３，１４は前記回路基板７に設けられる
赤外光源、赤外線検出器で、これら１３，１４は、それ
ぞれ凹面反射鏡１１の二つの焦点位置にそれぞれ配置さ
れ、赤外光源１３を出射した赤外光が凹面反射鏡１１に
おいて反射され、その反射光が赤外線検出器１４に入射
するように位置決めされている。

【００１６】前記赤外光源１３およびその周辺の構成に
ついて、図３を参照しながら説明すると、この赤外光源
１３は、軟質ガラスよりなるバルブ１５内にタングステ
ンよりなるフィラメント１６を収容してなるタングステ
ンランプよりなり、回路基板７の上面に設けられた合成
樹脂製の光源ホルダ１７の中央に、フィラメント１６を
上方に（凹面反射鏡１１方向に）向けて保持されてい
る。この赤外光源１３は、図示してない制御回路により
一定の周期でオンまたはオフとなるように制御され、直
接変調方式に構成されている。

【００１７】そして、１８は前記バルブ１５に対向して
（光放射面１５ａ側に）設けられた窓材で、光源ホルダ
１７の内部側壁に形成された段部１７ａに保持されてい
る。この窓材１８は、例えばＢａＦ₂またはＡｌ₂Ｏ₃
などのように赤外線透過性に優れた厚さ１ｍｍ程度の板
状部材よりなり、その下面（バルブ１５に近い側）１８
ａは粗面化処理（例えばＲａ４μｍ以上の表面粗さ）が
施され、スリガラス状に形成され、他方の面１８ｂは鏡
面にされている。

【００１８】前記粗面化の処理方法としては、例えば公
知のサンドブラスト法があり、一定粒径のＡｌ₂Ｏ₃よ
りなる研磨粉を所定の圧力で窓材１８の一方の面１８ａ
に吹き付けるのである。また、窓材１８の一方の面、特
にバルブ１５に近い内面１８ａのみを粗面化し、他方の
面（外面）を鏡面にしているのは、外面も粗面化する
と、空気中の異物などが窓材１８が付着してとれにくく
なり、経時的に出力低下を来すからである。

【００１９】また、前記赤外線検出器１４およびその周
辺の構成について、図４および図５を参照しながら説明
すると、この赤外線検出器１４は、例えば焦電型赤外線
検出器に構成されており、しかも、デュアルツインタイ
プに構成されている。

【００２０】より具体的には、図４において、１９は下
方が開口した円筒状の容器本体２０と、この容器本体２
０の下部開口を閉鎖するステム２１とからなる金属より
なる容器である。容器本体２０の上面部のほぼ中央に矩
形状の開口２２が形成され、この開口２２を閉塞するよ
うにＢａＦ₂またはＡｌ₂Ｏ₃などのような赤外線透過
性に優れた素材よりなる窓材２３が取り付けられてい
る。

【００２１】前記容器本体２１内には、例えばＰＺＴ
（チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス）よりなる赤外
線検出素子２４が収容され、この赤外線検出素子２４に
は、４つの受光素子２５，２６，２７，２８が形成され
ている。そして、受光素子２５と２６、受光素子２７と
２８は、同一形状、同一受光面積を有し、対称（受光素
子２５と２６、受光素子２７と２８がそれぞれ線対称）
にしかも近接した状態で、「田」字状に配置されてい
る。また、受光素子２５と２６とで一対のデュアル素子
２９を構成し、受光素子２７と２８とでもう一対のデュ
アル素子３０を構成している。

【００２２】そして、前記受光素子２５と２６、２７と
２８は、図５に示すように、それらの電極（符号＋，−
で示す）が直列逆接続されている。この図５において、
３１，３２はインピーダンス変換用のＦＥＴ、３３，３
４は時定数調整用の高抵抗、３５はデュアル素子２９，
３０に電圧を供給するための電源端子であり、これらの
回路用部材３１〜３５は、図２および図５には図示して
ないが、回路基板７の下面に設けられている。また、３
６，３７はデュアル素子２９，３０の出力端子、３８は
デュアル素子２９，３０に共通のアース端子である。

【００２３】上記のように電気的接続されるデュアル素
子２９，３０は、それらの受光素子２５〜２８が全て赤
外光を受光するのではなく、図４に示すように、それぞ
れにおける一方の受光素子２５，２７に外部の赤外光が
入射するように、窓材２３の表裏（上下）両面に遮光部
３９（図中、仮想線で示すハッチング部分）を設け、受
光素子２５，２７に対応する部分のみを光透過部４０
（図中、白抜き部分）とし、他方の受光素子２６，２８
には外部の赤外光が入射しないようにして、受光素子２
６，２８を温度補償用としている。

【００２４】再び図１において、４１は赤外線検出器１
４をその上方から覆うようして着脱自在に設けられるフ
ィルタで、赤外光を遮断する素材よりなるフィルタホル
ダ４２に形成された光を通過させるための開口４３に２
種類（中心波長３．７μｍと４．３μｍ）の狭帯域透過
型の光学フィルタ（図示してない）を保持されてなるも
のである。

【００２５】すなわち、前記フィルタホルダ４２の開口
４３には、一方の受光素子２５，２６の前面にＣＯ₂に
対して吸収帯域のないところの波長の赤外光を通過させ
る光学フィルタ（図示してない）が設けられるととも
に、他方の受光素子２７，２８の前面にＣＯ₂のみの特
性吸収帯域の赤外光を通過させる光学フィルタ（図示し
てない）が設けられており、これによって、一方の受光
素子２５，２６がＣＯ₂やその他のガスの特性吸収のな
い波長帯である３．７μｍ±０．１μｍの範囲のみに感
度を有し、他方の受光素子２７，２８は、ＣＯ₂の特性
吸収帯である４．３μｍ±０．０１μｍのみに感度を有
するように構成されている。このようなフィルタホルダ
４２下端には、赤外線検出器１４のステム２１に形成さ
れた突起２１ａ（図４参照）と係合する位置決め孔（図
示してない）が形成されており、前記各フィルタが受光
素子２５，２６と受光素子２７，２８にそれぞれ対応す
るように構成されている。

【００２６】上記構成の赤外線ガス分析計の動作につい
て説明すると、ケース１には孔４が形成されているの
で、ケース１内に流入した空気は、凹面反射鏡１１と赤
外光源１３および赤外線検出器１４との間の空間を流通
する。この状態において赤外光源１３を所定の状態で点
滅させると、凹面反射鏡１１の一方の焦点位置に配置さ
れた赤外光源１３から出射された赤外光は、窓材１８を
経て凹面反射鏡１１に至り、この凹面反射鏡１１の反射
面１１ａで反射する。このときの反射光は、凹面反射鏡
１１の他方の焦点位置に配置された赤外線検出器１４方
向に向かい、フィルタ４１を経て赤外線検出器１４に受
光される。

【００２７】すなわち、赤外光源１３から出た赤外光
は、凹面反射鏡１１で１回折り返すことになり、従来に
比べて２倍の光路長を得ることができる。また、赤外吸
収に係る光路の開き角（赤外光源１３の開き角、赤外線
検出器１４の受光角）を大きくとれるため、従来構造よ
りも発光の伝達効率を高くできる。

【００２８】このように、凹面反射鏡１１のそれぞれの
焦点位置に赤外光源１３と赤外線検出器１４を配置し、
赤外線検出器１４の受光素子２５，２７に反射光が集束
するように構成したので、赤外吸収に係る光路を折り返
し型にできるため、小型でも十分な赤外吸収を得ること
ができ、赤外線検出器１４の２つの出力を演算処理する
ことにより、赤外線ガス分析計が配置されている雰囲
気、例えば空気中におけるＣＯ₂ガスの濃度を測定で
き、この測定結果に基づいて警報を出力するなどして空
調制御を行なうことができる。

【００２９】また、赤外光源１３と赤外線検出器１４と
を１つの回路基板７上に設置できるため、回路基板７の
構成も簡素化できる。そして、従来の構成に比べて、部
品点数を減らすことができ、ケース１内部の構成を簡素
化できる。

【００３０】そして、上記構成の赤外線ガス分析計にお
いては、赤外光源１３の光出射側に設けられる窓材１８
の一方の面１８ａを粗面加工を施し、所謂スリガラス状
となるようにしてあるので、赤外光源１３を発した赤外
光はこの粗面加工された部分１８ａを通過する際均一に
広がり、その光はあたかも面光源から発せられた光のよ
うになる。図６は、前記赤外光源１３から発せられた赤
外光のフィルタ４１における受光面４４における結像パ
ターン４５を示すものである。この場合、結像パターン
４５が受光面４４全体をカバーするように凹面反射鏡１
１の曲率などを適宜調整するのが好ましい。

【００３１】そして、前記結像パターン４５が受光面４
４全体をカバーするようにしてあれば、凹面反射鏡１
１、赤外光源１３および赤外線検出器１４の取り付け位
置が設定位置から多少ずれていても、受光面４４に入射
する反射赤外光の光量変化は小さく抑えられる。したが
って、これらの部材１１，１３，１４の位置決め要求精
度が緩和されるとともに、光軸調整を細かく行なう必要
がなくなる。

【００３２】また、周囲の環境の変化や経時的な変形な
どに起因する濃度指示値のドリフトや変動などの効果的
に抑制される。

【００３３】さらに、回路基板７や保持部材１０を樹脂
成形品や板金加工など比較的作業精度を必要としない部
材を使用することができるので、それだけコスト安とな
る。

【００３４】この発明は、種々に変形して実施すること
ができ、例えば、窓材１８の両面に粗面を形成してもよ
く、また、窓材１８の粗面化に代えて、光源１３のバル
ブ１５の光放射面１５ａを上記実施の形態における手法
と同様の手法で粗面化してもよい。

【００３５】そして、赤外光源１３をオン・オフして直
接変調するのに代えて、赤外光源１３側または赤外線検
出器１４側に機械的なチョッパーを設けるようにしても
よい。

【００３６】また、凹面反射鏡１１としては、例えば放
物面を有する反射鏡やその他の球面形状を有する反射鏡
を用いてもよい。

【００３７】さらに、上記実施の形態においては、赤外
線ガス分析計がＣＯ₂の濃度のみを測定するものであっ
たが、複数の成分、例えばＣＯ₂、ＣＯ、ＨＣの３つの
成分濃度を同時に検出する複数成分同時検出用にも構成
することができる。

【００３８】そして、赤外線検出器１４としてはサーモ
パイルを用いたものにも構成することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明において
は、凹面反射鏡に対向させて赤外光源を設け、この赤外
光源から出射された赤外光の反射光束が集束する位置ま
たはその近傍に赤外線検出器を設け、赤外光源および赤
外線検出器と凹面反射鏡との間の空間にガスを流入させ
るようにした赤外線ガス分析計において、前記赤外光源
が発する赤外光を粗面を介して凹面反射鏡方向に出射す
るようにしているので、赤外光源から発光強度分布の均
一な赤外光を照射することができるとともに、赤外光源
の発光面が拡大される。したがって、赤外光源、赤外線
検出器および凹面反射鏡における相対的な位置関係が多
少ずれてもこれを吸収することができ、検出出力の安定
化が図れる。また、組立に際して光軸調整など調整作業
が可及的に少なくなる。さらに、回路の出力調整幅も小
さくできる。

【００４０】そして、回路基板や保持部材を樹脂成形品
や板金加工など比較的作業精度を必要とせず、かつ外力
や経時的変形が予測される部材をも使用することができ
るため、上記構成と相まって測定性能および組立時の作
業性に優れた赤外線ガス分析計を安価に得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の赤外線ガス分析計の一例を示す分解
斜視図である。

【図２】前記赤外線ガス分析計の縦断面図である。

【図３】前記赤外線ガス分析計における赤外光源近傍を
拡大して示す縦断面図である。

【図４】前記赤外線ガス分析計における赤外線検出器の
構成を概略的に示す平面図である。

【図５】前記赤外線検出器の電気的構成を示す回路図で
ある。

【図６】前記赤外線ガス分析計の動作説明図である。

【図７】従来の赤外線ガス分析計の構成を概略的に示す
図である。

【図８】従来技術の欠点を説明するための図で、（Ａ）
はタングステンランプを示す図、（Ｂ）はその動作説明
図である。

【符号の説明】

１１…凹面反射鏡、１３…赤外光源、１４…赤外線検出
器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凹面反射鏡に対向させて赤外光源を設
け、この赤外光源から出射された赤外光の反射光束が集
束する位置またはその近傍に赤外線検出器を設け、赤外
光源および赤外線検出器と凹面反射鏡との間の空間にガ
スを流入させるようにした赤外線ガス分析計において、
前記赤外光源が発する赤外光を粗面を介して凹面反射鏡
方向に出射し、かつ赤外光源の反射光の集束または結像
した光束の大きさが前記赤外線検出器の受光部の大きさ
よりも大きくなるように設定したことを特徴とする赤外
線ガス分析計。
【請求項２】粗面が赤外光源からの発光が一定の開き
角度をもつことができるように赤外光源と凹面反射鏡と
の間に設けられた板状の赤外線透過材料の片面または両
面にＲａ４μｍ以上の表面粗さをもつように形成されて
なる請求項１に記載の赤外線ガス分析計。
【請求項３】粗面が赤外光源のバルブ表面にＲａ４μ
ｍ以上の表面粗さをもつように形成されてなる請求項１
に記載の赤外線ガス分析計。
【請求項４】赤外線検出器の受光部が赤外光源と凹面
反射鏡で定められる結像点からわずかにずらせた位置に
配置される請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線ガス
分析計。