特許 6622049 ガス濃度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6622049

(24)【登録日】2019年11月29日

(45)【発行日】2019年12月18日

(54)【発明の名称】ガス濃度測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3504 20140101AFI20191209BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/3504

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-198372(P2015-198372)

(22)【出願日】2015年10月6日

(65)【公開番号】特開2017-15679(P2017-15679A)

(43)【公開日】2017年1月19日

【審査請求日】2018年7月5日

(31)【優先権主張番号】特願2015-131348(P2015-131348)

(32)【優先日】2015年6月30日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】303046277

【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(72)【発明者】

【氏名】中村 克仁

【審査官】 小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／０４５４１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−０８８６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２２４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２６５５７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平４−８０６４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００ − Ｇ０１Ｎ ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ − Ｇ０１Ｎ ２１／６１

Ｈ０１Ｌ ３１／００

Ｈ０１Ｌ ３３／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光層を有するＰＩＮ構造を含む光源と、
活性層を有するＰＩＮ構造を含む赤外線センサと、
測定対象ガスによる赤外線の吸収が生じる波長域の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記赤外線センサの温度、又は、前記赤外線センサの温度と相関する温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部と、
前記赤外線センサの出力及び前記温度情報が入力される演算部と、
を備えたガス濃度測定装置であって、
前記発光層は、Ａｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂ（０．０００＜Ｘ＜０．０４５）であり、
前記活性層は、Ａｌ_ＹＩｎ_１−ＹＳｂ（０．０００＜Ｙ＜０．０４５）であり、
前記演算部は、前記赤外線センサの出力を前記温度情報に基づいて下記式（１）にて補正し、補正後の前記赤外線センサの出力をｎ次多項式（ｎは１以上の整数）である濃度算出式に代入することで前記測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度測定装置。
Ｉｐ’＝Ｉｐ／ｇ（Ｔ）
ｇ（Ｔ）＝ｂ_ｍＴ^ｍ＋ｂ_ｍ−１Ｔ^ｍ−１＋・・・＋ｂ_１Ｔ＋ｂ_０ ・・・式（１）
（式中、Ｉｐ’は補正後の赤外線センサの出力、Ｉｐは赤外線センサの出力、ｂ_ｍは赤外線センサの出力の補正式ｇ（Ｔ）のｍ次の係数、Ｔは温度である。）

【請求項2】

前記濃度算出式が、下記式（２）である請求項１に記載のガス濃度測定装置。
ｃ（Ｉｐ，Ｔ）＝ａ_ｎ（Ｉｐ／ｇ（Ｔ））^ｎ＋ａ_ｎ−１（Ｉｐ／ｇ（Ｔ））^ｎ−１＋・・・＋ａ_１（Ｉｐ／ｇ（Ｔ））＋ａ_０
ｇ（Ｔ）＝ｂ_ｍＴ^ｍ＋ｂ_ｍ−１Ｔ^ｍ−１＋・・・＋ｂ_１Ｔ＋ｂ_０ ・・・式（２）
（式中、ｃは測定対象ガスの濃度、Ｉｐは赤外線センサの出力、ａ_ｎは濃度算出式のｎ次の係数、ｂ_ｍは赤外線センサの出力の補正式ｇ（Ｔ）のｍ次の係数、Ｔは温度である。）

【請求項3】

前記測定対象ガスが二酸化炭素である請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。

【請求項4】

前記温度情報は、前記ガス濃度測定装置内に設置された温度計によって測定される、または、前記赤外線センサの抵抗値から算出される請求項１から３のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。

【請求項5】

前記光学フィルタの中心波長ＣＷＬが、４．２μｍ＜ＣＷＬ＜４．４μｍの関係を満たす請求項１から４のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス濃度測定装置に関し、より詳細には、従来と比べてより簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガス濃度測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から大気中の測定対象ガスの濃度測定を行うガス濃度測定装置として、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吸収型（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）ガス濃度測定装置が知られている。この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、測定対象ガスが吸収特性を持つ波長に限定した赤外線を透過するフィルタ（透過部材）と赤外線センサを組み合わせ、赤外線の吸収量を測定することによってガスの濃度を測定するようにしたものが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平９−３３４３１号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ， ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ‘ｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ， ２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，ｐｐ８５０−８５１（１９８１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、赤外線を含む光を放射する光源の発光量や、赤外線センサの出力は、その周囲の温度変動によって変化する。従って、赤外線センサの出力を用いてガス濃度の測定を行う場合には、光源や赤外線センサの周囲の温度を測定し、その温度を用いて赤外線センサの出力を補正した後、ガス濃度の算出曲線からガス濃度を算出する必要がある。しかし、ガス濃度の算出曲線は、各温度によって次数やその係数が異なった関数となるため、通常は温度に応じたガス濃度の算出曲線を用意する又はガス濃度の算出曲線を温度ごとに補正する必要があった。

【0006】

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来と比べてより簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガス濃度測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るガス濃度測定装置は、発光層を有するＰＩＮ構造を含む光源と、活性層を有するＰＩＮ構造を含む赤外線センサと、測定対象ガスによる赤外線の吸収が生じる波長域の赤外線を透過する光学フィルタと、赤外線センサの温度、又は、赤外線センサの温度と相関する温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部と、赤外線センサの出力及び前記温度情報が入力される演算部と、を備えたガス濃度測定装置であって、発光層はＡｌＸＩｎ１-ＸＳｂ（０．０００＜Ｘ＜０．０４５）であり、活性層はＡｌＹＩｎ１-ＹＳｂ（０．０００＜Ｙ＜０．０４５）であり、演算部は、赤外線センサの出力を前記温度情報に基づいて下記式にて補正し、補正後の前記赤外線センサの出力をｎ次多項式（ｎは１以上の整数）である濃度算出式に代入することで測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度測定装置である。
Ｉｐ’＝Ｉｐ／ｇ（Ｔ）
ｇ（Ｔ）＝ｂ_ｍＴ^ｍ＋ｂ_ｍ−１Ｔ^ｍ−１＋・・・＋ｂ_１Ｔ＋ｂ_０
（式中、Ｉｐ’は補正後の赤外線センサの出力、Ｉｐは赤外線センサの出力、ｂ_ｍは赤外線センサの出力の補正式ｇ（Ｔ）のｍ次の係数、Ｔは温度である。）

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、従来と比べてより簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガス濃度測定装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態を説明するための構成図である。

【図2】図１に示したガス濃度測定装置おける演算部を説明するための構成図である。

【図3】実施例１におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。

【図4】実施例２におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。

【図5】実施例３におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。

【図6】比較例１におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。

【図7】比較例２におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。

【図8】実施例及び比較例の結果を表にまとめた図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という）について説明する。なお、以下の実施形態は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0011】

＜ガス濃度測定装置＞
本実施形態のガス濃度測定装置は、発光層を有するＰＩＮ構造を含む光源と、活性層を有するＰＩＮ構造を含む赤外線センサと、測定対象ガスによる赤外線の吸収が生じる波長域の赤外線を透過する光学フィルタと、赤外線センサの温度、又は、赤外線センサの温度と相関する温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部と、赤外線センサの出力及び前記温度情報が入力される演算部と、を備えたガス濃度測定装置であって、発光層はＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂ（０．０００＜Ｘ＜０．０４５）であり、活性層はＡｌ_ＹＩｎ_１−ＹＳｂ（０．０００＜Ｙ＜０．０４５）であり、演算部は、赤外線センサの出力を変数とするｎ次多項式（ｎは１以上の整数）である濃度算出式に、測定時の温度情報を適用して測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度測定装置である。

【0012】

本実施形態に係るガス濃度測定装置によれば、赤外線センサの出力と濃度算出式の両方に対して温度補正をする必要がなく、従来と比べてより簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能かつ高精度なガス濃度測定装置を実現することができる。
また、本実施形態のガス濃度測定装置において、測定対象ガスが二酸化炭素であってもよい。本発明の光源及び赤外線センサは、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．２６μｍ付近での発光強度及び受光感度に優れるため、高いＳ／Ｎで二酸化炭素による吸収の影響を検知することができ、高精度にガス濃度を測定することが可能となる。

【0013】

＜光源＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置における光源は、発光層を有するＰＩＮ構造を含み、発光層はＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂ（０．０００＜Ｘ＜０．０４５）である。光源は、測定対象ガスによって吸収される波長を含む光を出力する。ここで、発光層のＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂのＡｌ組成Ｘは以下のように測定する。

【0014】

（発光層のＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂのＡｌ組成Ｘの測定方法）
発光層のＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂのＡｌ組成Ｘは、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法による２θ−ωスキャンを行うことにより測定することができる。
具体的には、基板の表面の面方位に対応する面の面指数の２θ−ωスキャンにおけるピーク位置から発光層のＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂの格子定数を求めることができる。
ここで基板が所定の面方位に精度良く切断された基板（ジャスト基板）の場合には、上記のようにジャスト基板の面方位に対応する面の面指数の２θ−ωスキャンにおけるピーク位置から格子定数を求めることができる。

【0015】

また、基板が所定の面方位からオフ角を付与して切断された基板（オフ基板）の場合には、オフ基板の表面からオフ角の分だけずらした角度からＸ線を入射させて２θ−ωスキャンを行うことで、そこから発光層のＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂの格子定数を求めることができる。
ここで発光層のＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂの格子定数からＡｌ組成Ｘを求める際には、Ｖｅｇａｒｄ則を用いて混晶組成比の決定することができる。Ｖｅｇａｒｄ則は具体的には以下の式（１）で表される。

【0016】

【数1】

【0017】

ここでａ_ＡはＡｌＳｂ、ａ_ＢはＩｎＳｂの格子定数であり、ａ_ＡＢは上記のＸ線回折により求まる発光層のＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂの格子定数である。ここで、ａ_Ａやａ_Ｂは非特許文献１の値（ａ_Ａ＝０．６１３５５、ａ_Ｂ＝０．６４７８７７）を使用することができる。これにより式（１）からＡｌ組成Ｘの値を求めることができる。
ここで、光源の発光層のＡｌ組成Ｘが０．０００＜Ｘ＜０．０４５の範囲にあることで、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．２６μｍ付近に強い発光強度を有し、且つ同時に、簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガス濃度測定装置に好適な光源を得ることが可能となる。またここで、光源の発光層のＡｌ組成Ｘの上限値としては、Ｘ≦０．０４２５が好ましく、Ｘ≦０．０４０がより好ましく、Ｘ≦０．０２５がさらに好ましい。またここで、光源の発光層のＡｌ組成Ｘの下限値としては、０．００５≦Ｘが好ましく、０．０１０≦Ｘがより好ましい。

【0018】

また、光源のＰＩＮ構造におけるｎ層及びｐ層としては、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａからなる群より選択される少なくとも一つのIII族原子と、Ｓｂ、Ａｓからなる群より選択される少なくとも一つのＶ族原子からなる化合物半導体が好ましく、ＩｎＳｂ或いはＡｌＩｎＳｂであることがさらに好ましい。
これにより、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．２６μｍ付近に適した発光特性を持つ光源を実現することができる。光源のダイオードの構造はＰＩＮのみに限らず、キャリアの拡散防止及び／若しくはキャリアの閉じ込め効果を持たせるために、発光層よりバンドギャップの大きい層をさらに設けても良い。例えばＰ層／バリア層／Ｉ層／バリア層／Ｎ層という構造を持っても良い。この場合、センサ側のＳ／Ｎ比が向上されつつ、発光特性も改善され、システムのＳ／Ｎが向上・高精度のガス濃度測定装置が実現できるため、好ましい場合はある。

【0019】

＜赤外線センサ＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置における赤外線センサは、活性層を有するＰＩＮ構造を含み、活性層はＡｌ_ＹＩｎ_１−ＹＳｂ（０．０００＜Ｙ＜０．０４５）である。赤外線センサは、受光した赤外線に応じた電気信号を出力する。ここで、活性層のＡｌ_ＹＩｎ_１−ＹＳｂのＡｌ組成Ｙの測定方法は、光源における発光層のＡｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂのＡｌ組成Ｘの測定方法と同じ手法を用いる。
ここで、赤外線センサの活性層のＡｌ組成が０．０００＜Ｙ＜０．０４５の範囲にあることで、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．２６μｍ付近に強い受光感度を有し、且つ同時に、簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガス濃度測定装置に好適な赤外線センサを得ることが可能となる。またここで、赤外線センサの活性層のＡｌ組成Ｙの上限値としては、Ｙ≦０．０４２５が好ましく、Ｙ≦０．０４０がより好ましく、Ｙ≦０．０２５がさらに好ましい。またここで、赤外線センサの活性層のＡｌ組成Ｙの下限値としては、０．００５≦Ｙが好ましく、０．０１０≦Ｙがより好ましい。

【0020】

また、赤外線センサのＰＩＮ構造におけるｎ層及びｐ層としては、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａからなる群より選択される少なくとも一つのIII族原子と、Ｓｂ、Ａｓからなる群より選択される少なくとも一つのＶ族原子からなる化合物半導体が好ましく、ＩｎＳｂ或いはＡｌＩｎＳｂであることがさらに好ましい。
これにより、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．２６μｍ付近の検出に適した赤外線センサを実現することができる。赤外線センサのダイオードの構造はＰＩＮのみに限らず、キャリアの拡散防止及び／若しくはキャリアの閉じ込め効果を持たせるために、活性層よりバンドギャップの大きい層をさらに設けても良い。例えばＰ層／バリア層／Ｉ層／バリア層／Ｎ層という構造を持っても良い。この場合、センサ側のＳ／Ｎ比が向上されつつ、発光特性も改善され、システムのＳ／Ｎが向上・高精度のガス濃度測定装置が実現できるため、好ましい場合はある。

【0021】

＜光学フィルタ＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、光学フィルタは、測定対象ガスによる赤外線の吸収が生じる波長域の赤外線を透過するものである。光学フィルタは、異なる屈折率の材料の多層膜からなる干渉フィルタであってもよい。光学フィルタの具体的な例としては透明な基板上に、屈折率の異なる材料（例えば、Ｇｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＳｉＯ２、等）を交互に積層した干渉構造が利用できる。波長によって、入射光が干渉現象によって、強めあったり、弱めあったりし、特定の光のみ強く反射させることができる。これらの積層構造は光学フィルタの基板の両面に形成しても良いし、片面でも良い。この基板の具体的な例としてはＧａＡｓやＳｉやサファイアが挙げられる。干渉フィルタの具体的な例としては、透過率の高いＳｉ基板の両面に、Ｇｅ及びＺｎＳの薄膜を交互に、数周期〜数十周期を積層した干渉フィルタが挙げられる。このような構造を利用することによって、一部の波長のみ強く（例えば８０％以上）の反射率が実現でき、その他の波長を透過するような構造が実現できる。

【0022】

また、検出対象ガスが二酸化炭素である場合、光学フィルタの中心波長は４．２μｍ＜ＣＷＬ＜４．４μｍの関係を満たすことが好ましい。ここで光学フィルタの中心波長ＣＷＬとは、光学フィルタが透過する波長帯の中心波長を意味する。ここでフィルタのＣＷＬを定義したが、ガスセルの設計によって、フィルタに透過する光の入射角度が垂直でない場合もあれば、垂直である場合もある。一方、光学フィルタフィルタの構造や材質や設計によって、入射角に依存してＣＷＬが異なることもある。言うまでもないが、本発明で定義するＣＷＬとはガスセルの光路設計で決められる入射角を考慮した透過特性の中心波長を言う。例えば、入射角が垂直に対して３０度の場合、ＣＷＬは３０度に於ける中心波長を言う。
この光学フィルタ、光源及び赤外線センサを用いることで、赤外線センサの出力と濃度算出式の両方に対して温度補正をする必要がなく、従来と比べてより簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能かつ高精度なガス濃度測定装置の提供することができる。

【0023】

＜温度測定部＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置において、温度測定部は、赤外線センサの温度、又は、赤外線センサの温度と相関する温度を測定し、温度情報として出力する。温度測定部は赤外線センサの温度、又は、前記赤外線センサの温度と相関する温度を測定可能なものであれば特に限定されない。具体的には、サーミスタや白金抵抗体を利用することができる。
また、温度測定部が出力する温度情報は、温度計によって測定された温度情報であってもよい。温度計を用いることで、測定対象ガスの温度を直接測定することができる。赤外線センサの温度と測定対象ガスの温度は相関を持つと考えられるので、温度計の出力する温度情報から赤外線センサの温度を推定し、それにより測定ガスの濃度の温度補正が可能となる。

【0024】

また、温度測定部が出力する温度情報は、赤外線センサ、若しくは光源の抵抗値から算出された温度情報であってもよい。赤外線センサの抵抗は、温度によって変化する。特に活性層にＩｎまたはＳｂを含むような半導体材料は、一般的に温度による抵抗の変化が大きいため、微小な温度変化であってもモニタできる。そのため、赤外線センサの抵抗値から算出された温度情報を用いることで、高精度に温度を測定することができる。赤外線センサの抵抗は例えば赤外線センサに電流を流すまたは電圧を印可することで測定することができる。赤外線センサの抵抗値から算出された温度情報を用いることで、測定ガスの濃度の温度補正が可能となる。

【0025】

＜演算部＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置における演算部は、赤外線センサの出力及び温度情報が入力され、赤外線センサの出力を変数とするｎ次多項式（ｎは１以上の整数）である濃度算出式に、測定時の温度情報を適用して測定対象ガスの濃度を算出するものである。演算部は、ガス濃度算出における演算が可能なものであれば特に制限されず、例えば、アナログＩＣ、ディジタルＩＣ及びＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等が好適である。演算部には、光源を制御するための機能が含まれ、いわゆるアナログ回路及びディジタル回路の混載回路であっても構わない。

【0026】

用途によっては、光源を制御する機能と、赤外線センサの出力を増幅するアンプと、赤外線センサの出力及び温度情報を利用し３次式演算ロジック若しくはアナログ回路のみで演算部が構成されても良い。この場合、複雑なＣＰＵを有しない、高精度且つ簡易的な小型なガスセンサが実現できるので省スペース及び低消費電力の観点から好ましい場合はある。
また、本実施形態に係るガス濃度測定装置における演算部は、温度情報に基づいて赤外線センサの出力を補正し、濃度算出式に、補正した赤外線センサの出力を代入することで測定対象ガスの濃度を算出してもよい。温度情報に基づいて赤外線センサの出力を補正することで、ガス濃度測定装置の周囲及び内部の温度変動による赤外線センサの出力への影響を低減させ、より高精度にガス濃度を算出することが可能となる。

【0027】

＜濃度算出式＞
本実施形態に係るガス濃度測定装置における濃度算出式は、下記式（２）を用いてもよい。
ｃ（Ｉｐ，Ｔ）＝ａ_ｎ（Ｉｐ／ｇ（Ｔ））^ｎ＋ａ_ｎ−１（Ｉｐ／ｇ（Ｔ））^ｎ−１＋・・・＋ａ_１（Ｉｐ／ｇ（Ｔ））＋ａ_０
ｇ（Ｔ）＝ｂ_ｍＴ^ｍ＋ｂ_ｍ−１Ｔ^ｍ−１＋・・・＋ｂ_１Ｔ＋ｂ_０ ・・・式（２）
式中、ｃは測定対象ガスの濃度、Ｉｐは赤外線センサの出力、ａ_ｎは濃度算出式のｎ次の係数、ｂ_ｍは赤外線センサの出力の補正式ｇ（Ｔ）のｍ次の係数、Ｔは温度測定部の出力する温度情報である。
式（２）では、ａ_ｎ（Ｉｐ／ｇ（Ｔ））^ｎを示したが、｛Ｉｐ／ｇ（Ｔ）｝の項は｛Ｉｐ×ｈ（Ｔ）｝でも、｛Ｉｐ＋ｋ（Ｔ）でも、｛Ｉｐ−ｗ（Ｔ）｝でも良い。ここで、ｈ（Ｔ）、ｋ（Ｔ）及びｗ（Ｔ）は、温度測定部の出力する温度情報Ｔを変数とする任意の関数を意味する。設計者は演算部の精度を考慮して、もっとも効率の良い（少ない）補正方法を選定することができる。

【0028】

ここで、式（２）の次数ｍまたはｎは、演算部の処理能力や記憶能力等を考慮して適宜決定することができる。また、式（２）の濃度算出式のｎ次の係数ａ_ｎは、予め求めた同一の系における基準温度（例えば、２０℃）における代表的な赤外線センサの出力と測定対象ガス濃度との関係式（３）のｎ次の係数を用いることができる。
ｃ’（Ｉｐ）＝ａ_ｎ（Ｉｐ）^ｎ＋ａ_ｎ−１（Ｉｐ）^ｎ−１＋・・・・
＋ａ_１（Ｉｐ）＋ａ_０ ・・・式（３）
また、補正式のｍ次の係数ｂ_ｍは、複数の温度における赤外線センサの出力を用いて式（３）から算出された測定対象ガスの濃度と実際の測定対象ガスの濃度とのずれから求めることができる。ただし、このずれを求める際に測定対象ガスの濃度を変える必要はないため、従来と比べてより簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能となる。

【0029】

＜ガスセル＞
本実施形態のガス濃度測定装置において、ガスセルは被検出ガスを導入することが可能なものであれば特に制限されない。すなわち、被検出ガスの導入口を有していれば良い。被検出ガスのリアルタイム検出の精度向上の観点から、前記導入口に加えて、導出口を備えていることが好ましい。ガスセルを構成する材料は特に制限されない。例えば、金属、ガラス、セラミックス、ステンレス等の材料が挙げられるがこの限りではない。検出感度向上の観点から、第１の光源から出力された光の吸収係数が小さく、反射率が高い材料であることが好ましい。具体的にはアルミニウムからなる金属筐体や、アルミニウム、金、銀含む合金、もしくはこれらの積層体のコーティングが施された樹脂筐体、が好ましい。信頼性・経時変化の観点から金または金を含む合金層でコーティングされた樹脂筐体が好ましい。

【0030】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜実施形態＞
図１は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態を説明するための構成図である。
本実施形態のガス濃度測定装置は、ガスセル４と、ガスセル４中に配置される、発光層を有するＰＩＮ構造を含む光源１と、活性層を有するＰＩＮ構造を含み、光源１からの光を受光する赤外線センサ２と、測定対象ガスによる赤外線の吸収が生じる波長域の赤外線を透過する光学フィルタ３と、赤外線センサ２の温度、又は、赤外線センサ２の温度と相関する温度を測定し、温度情報として出力する温度測定部５と、赤外線センサ２からの出力が入力される演算部８（図２参照）と、を備えている。

【0031】

なおここでは参考のため、ガスセルを明示しているが、本発明においてガスセルは必須の構成ではなく、ガスセルの無い形態でも試験容器内等にガス濃度測定装置を配置することで下記と同様のガス濃度の測定を行うことが可能である。
光源１の発光層は、Ａｌ_ＸＩｎ_１−ＸＳｂ（０．０００＜Ｘ＜０．０４５）であり、赤外線センサ２の活性層は、Ａｌ_ＹＩｎ_１−ＹＳｂ（０．０００＜Ｙ＜０．０４５）である。演算部８は、赤外線センサ２の出力を変数とするｎ次多項式である濃度算出式に、測定時の温度情報を適用して測定対象ガスの濃度を算出する。

【0032】

つまり、図１に示すように、本実施形態のガス濃度測定装置は、ガスセル４内に光源１、赤外線センサ２、光学フィルタ４及び温度測定部５を備えている。光源より出射された光は、光学フィルタ４を透過して赤外線センサ２に届く。
光学フィルタ４の中心波長ＣＷＬは、４．２μｍ＜ＣＷＬ＜４．４μｍの関係を満たしている。
図２は、図１に示したガス濃度測定装置おける演算部を説明するための構成図である。図２に示すように、演算部８内には信号処理部６及び濃度算出部７を備えている。
赤外線センサ２から得られた信号Ｉｐ及び温度測定部５から得られた温度情報Ｔを元に、信号処理部６で補正式ｇ（Ｔ）を用いて赤外線センサ２から得られた信号Ｉｐを補正する。信号処理部６で得られたＩｐ／ｇ（Ｔ）を、濃度算出部７において濃度算出式に代入することで、検出対象ガスである二酸化炭素の濃度を算出する。
次に、本実施形態のガス濃度測定装置の各実施例について説明する。

【実施例1】

【0033】

光源及び赤外線センサとして、発光層及び活性層がそれぞれＡｌ_{０．０２５}Ｉｎ_{０．９７５}ＳｂのＰＩＮ構造からなるダイオードを、光学フィルタとしてＣＷＬが４．２６μｍ（垂直入射に対しての中心波長）の光学フィルタを用意した。
濃度算出式において、演算部の処理能力や記憶能力等を考慮して濃度算出式（式（２））の次数ｍ及びｎをそれぞれ３次とした。また、この系の基準濃度算出式（式（３））の次数も同様に３次とし、二酸化炭素の濃度を固定した状態で温度を変えて、ｇ（Ｔ）の係数を求めた。
図３は、実施例１におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。
濃度３０００ｐｐｍの二酸化炭素をガスセル中に充填した後、温度を０℃から５０℃まで変えながら、赤外線センサの出力と温度計から得られた温度情報を元に濃度算出式から二酸化炭素濃度を算出した。その結果、算出された濃度と実際の濃度との最大誤差は１００ｐｐｍであった。

【実施例2】

【0034】

光源及び赤外線センサとして、発光層及び活性層がそれぞれＡｌ_{０．０１０}Ｉｎ_{０．９９０}ＳｂのＰＩＮ構造からなるダイオードを、光学フィルタとしてＣＷＬが４．２６μｍの光学フィルタを用意した。
濃度算出式において、演算部の処理能力や記憶能力等を考慮して濃度算出式（式（２））の次数ｍ及びｎをそれぞれ３次とした。また、この系の基準濃度算出式（式（３））の次数も同様に３次とし、二酸化炭素の濃度を固定した状態で温度を変えて、ｇ（Ｔ）の係数を求めた。
図４は、実施例２におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。
濃度３０００ｐｐｍの二酸化炭素をガスセル中に充填した後、温度を０℃から５０℃まで変えながら、赤外線センサの出力と温度計から得られた温度情報を元に濃度算出式から二酸化炭素濃度を算出した。その結果、算出された濃度と実際の濃度との最大誤差は１０７ｐｐｍであった。

【実施例3】

【0035】

光源及び赤外線センサとして、発光層及び活性層がＡｌ_{０．０４０}Ｉｎ_{０．９６０}ＳｂのＰＩＮ構造からなるダイオードを、光学フィルタとしてＣＷＬが４．２６μｍの光学フィルタを用意した。
濃度算出式において、演算部の処理能力や記憶能力等を考慮して濃度算出式（式（２））の次数ｍ及びｎをそれぞれ３次とした。また、この系の基準濃度算出式（式（３））の次数も同様に３次とし、二酸化炭素の濃度を固定した状態で温度を変えて、ｇ（Ｔ）の係数を求めた。
図５は、実施例３におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。
濃度３０００ｐｐｍの二酸化炭素をガスセル中に充填した後、温度を０℃から５０℃まで変えながら、赤外線センサの出力と温度計から得られた温度情報を元に濃度算出式から二酸化炭素濃度を算出した。その結果、算出された濃度と実際の濃度との最大誤差は１３３ｐｐｍであった。

【0036】

［比較例１］
光源及び赤外線センサとして、発光層及び活性層がＡｌ_{０．０４５}Ｉｎ_{０．９５５}ＳｂのＰＩＮ構造からなるダイオードを、光学フィルタとしてＣＷＬが４．２６μｍ（垂直入射に対しての中心波長）の光学フィルタを用意した。
図６は、比較例１におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。
濃度算出式は実施例と同様に求めた。濃度３０００ｐｐｍの二酸化炭素をガスセル中に充填した後、温度を０℃から５０℃まで変えながら、赤外線センサの出力と温度計から得られた温度情報を元に濃度算出式から二酸化炭素濃度を算出した。その結果、算出された濃度と実際の濃度との最大誤差は４５０ｐｐｍであった。

【0037】

［比較例２］
光源及び赤外線センサとして、発光層及び活性層がＡｌ_{０．０５０}Ｉｎ_{０．９５０}ＳｂのＰＩＮ構造からなるダイオードを、光学フィルタとしてＣＷＬが４．２６μｍの光学フィルタを用意した。
濃度算出式において、演算部の処理能力や記憶能力等を考慮して濃度算出式（式（２））の次数ｍ及びｎをそれぞれ３次とした。また、この系の基準濃度算出式（式（３））の次数も同様に３次とし、二酸化炭素の濃度を固定した状態で温度を変えて、ｇ（Ｔ）の係数を求めた。

【0038】

図７は、比較例２におけるＣＯ_２濃度と誤差の関係を示す図である。
濃度３０００ｐｐｍの二酸化炭素をガスセル中に充填した後、温度を０℃から５０℃まで変えながら、赤外線センサの出力と温度計から得られた温度情報を元に濃度算出式から二酸化炭素濃度を算出した。その結果、算出された濃度と実際の濃度との最大誤差は３３８ｐｐｍであった。
図８は、上述した各実施例及び各比較例の結果を表にまとめた図である。
確かに本発明のＡｌ組成の範囲内では、温度変化による誤差が小さく、高精度にガス濃度を算出できていることが分かる。

【0039】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【産業上の利用可能性】

【0040】

本発明は、二酸化炭素等に代表される赤外線吸収を生じるガスのガス濃度測定装置として好適である。

【符号の説明】

【0041】

１ 光源
２ 赤外線センサ
３ 光学フィルタ
４ ガスセル
５ 温度測定部
６ 信号処理部
７ 濃度算出部
８ 演算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】