特開 2023-105618 ガス分析装置、及び、ガス分析方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023105618

(43)【公開日】2023-07-31

(54)【発明の名称】ガス分析装置、及び、ガス分析方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/03 20060101AFI20230724BHJP

   G01L 9/12 20060101ALI20230724BHJP

   G01N 21/3504 20140101ALI20230724BHJP

   G01N 21/39 20060101ALI20230724BHJP

【ＦＩ】

G01N21/03 B

G01L9/12

G01N21/3504

G01N21/39

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022006561

(22)【出願日】2022-01-19

(71)【出願人】

【識別番号】000127961

【氏名又は名称】株式会社堀場エステック

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100206151

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 惇志

(74)【代理人】

【識別番号】100218187

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 治子

(72)【発明者】

【氏名】高橋 基延

(72)【発明者】

【氏名】岸田 創太郎

(72)【発明者】

【氏名】▲桑▼原 朗

(72)【発明者】

【氏名】赤松 武

(72)【発明者】

【氏名】坂口 有平

(72)【発明者】

【氏名】南 雅和

【テーマコード（参考）】

2F055

2G057

2G059

【Ｆターム（参考）】

2F055AA39

2F055BB20

2F055CC02

2F055DD20

2F055EE25

2F055FF01

2G057AA01

2G057AB02

2G057AB04

2G057AB06

2G057AC03

2G057BA01

2G057BB04

2G057BB09

2G057DA03

2G059AA01

2G059BB01

2G059EE01

2G059GG01

2G059GG02

2G059GG09

2G059HH01

2G059JJ13

2G059JJ22

2G059KK02

2G059KK09

2G059MM01

2G059MM16

2G059MM19

2G059NN04

(57)【要約】

【課題】圧力センサを温調しつつ、ガス分析装置を小型化する。
【解決手段】ガスが導入されるガスセルと、ガスセルを温調する温調ブロックと、ガスセル内部の圧力を測定する圧力センサとを備え、圧力センサは、温調ブロック及び／又はガスセルに内蔵されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスが導入されるガスセルと、
前記ガスセルを温調する温調ブロックと、
前記ガスセル内部の圧力を測定する圧力センサとを備え、
前記圧力センサは、前記温調ブロック及び／又は前記ガスセルに内蔵されている、ガス分析装置。

【請求項2】

前記圧力センサは、静電容量型のものである、請求項１に記載のガス分析装置。

【請求項3】

前記圧力センサは、感圧要素を有するセンサ本体を有し、
前記センサ本体は、フランジ部材により前記ガスセルに固定されるとともに、前記フランジ部材を介して前記温調ブロックにより温調される、請求項１又は２に記載のガス分析装置。

【請求項4】

前記センサ本体の外側周面と前記フランジ部材との間に隙間が形成されている、請求項３に記載のガス分析装置。

【請求項5】

前記センサ本体のセンサ面とは反対側の後端面を隙間を空けて覆うカバー部をさらに備えている、請求項４に記載のガス分析装置。

【請求項6】

前記センサ本体の外側周面に鍔部が形成されており、
前記フランジ部材は、前記ガスセルに固定される固定部と、当該固定部から延びて前記センサ本体の前記鍔部に接続される支持部とを有している、請求項３乃至５の何れか一項に記載のガス分析装置。

【請求項7】

前記圧力センサは、検出信号を処理する基板部を有しており、
前記基板部は、信号ケーブルを介して前記温調ブロックの外部に設けられている、請求項１乃至６の何れか一項に記載のガス分析装置。

【請求項8】

前記温調ブロックは、複数のヒータを有しており、
前記複数のヒータは、それぞれ個別に温度制御される、請求項１乃至７の何れか一項に記載のガス分析装置。

【請求項9】

ガスが導入されるガスセルと、前記ガスセルを温調する温調ブロックと、前記ガスセル内部の圧力を測定する圧力センサとを備え、前記圧力センサは、前記温調ブロック及び／又は前記ガスセルに内蔵されているガス分析装置を用いたガス分析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス分析装置、及び、ガス分析方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

赤外吸収法を用いてガスの成分濃度を測定するガス分析装置では、特許文献１に示すように、成分濃度を精度良く測定するために、ガスセル内部の圧力を用いている。そして、ガスセル内部の圧力を精度良く測定するためには、圧力センサをガスセルに配管などを介さずに直接設置する方法が考えられている。

【0003】

ここで、上記の圧力センサとしては、例えば静電容量型の圧力センサが用いられている。この静電容量型の圧力センサは、圧力によって変形するダイアフラムと、当該ダイアフラムに対向して設けられた固定電極とを有し、それらの間に形成される静電容量を圧力に変換するものである。

【0004】

しかしながら、上記のダイアフラムは温度によっても変形が発生するので、圧力を精度良く測定するためには、ダイアフラムを有するセンサ本体を均一に温調する必要がある。このため、圧力センサのセンサ本体の周囲には、センサ用の温調機構が設けられている。このようにセンサ用の温調機構を有する圧力センサをガスセルに取り付けると、ガス分析装置が大型化してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２－２３００１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで、本発明は、上述したような問題に鑑みてなされたものであり、圧力センサを温調しつつ、ガス分析装置を小型化することをその主たる課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

すなわち、本発明に係るガス分析装置は、ガスが導入されるガスセルと、前記ガスセルを温調する温調ブロックと、前記ガスセル内部の圧力を測定する圧力センサとを備え、前記圧力センサは、前記温調ブロック及び／又は前記ガスセルに内蔵されていることを特徴とする。

【0008】

このようなガス分析装置であれば、圧力センサが温調ブロック及び／又はガスセルに内蔵されているので、温調ブロックにより圧力センサを温調することができる。その結果、圧力センサを温調するための温調機構を別途設ける必要が無く、ガス分析装置を小型化することができる。また、圧力センサを温調することにより、圧力の測定精度を向上することができ、ひいてはガスの成分濃度を高精度に測定できるようにある。さらに、圧力センサをガスセルに内蔵して取り付けることにより、光路（濃度測定箇所）と補正に使う圧力検知箇所との距離が可及的に小さくなり、応答時間のズレが小さくなるので、濃度指示値の精度を向上することができる。

【0009】

ガスセルが低圧（例えば１０Ｔｏｒｒ（約１３３３Ｐａ）以下、更には、１Ｔｏｒｒ（約１３３Ｐａ）以下）の場合であっても精度良くガスの成分濃度を算出するためには、精度良く圧力を測定することが必要となる。このためには、前記圧力センサは、静電容量型のものであることが望ましい。

【0010】

前記圧力センサは、感圧要素を有するセンサ本体を有し、前記センサ本体は、フランジ部材により前記ガスセルに固定されるとともに、前記フランジ部材を介して前記温調ブロックにより温調されることが望ましい。
この構成であれば、センサ本体がフランジ部材を介して間接的に温調されるので、外乱影響による温度変化の伝搬が緩やかとなり、外乱影響を受けにくくすることができる。また、センサ本体の熱分布を生じにくくすることができる。その結果、精度良く圧力を測定することができる。

【0011】

前記センサ本体の外側周面と前記フランジ部材との間に隙間が形成されていることが望ましい。
このように隙間を形成することによって、センサ本体の熱分布を生じにくくしつつ、センサ本体を温調することができ、精度良く圧力を測定することができる。

【0012】

前記センサ本体のセンサ面とは反対側の後端面を隙間を空けて覆うカバー部をさらに備えていることが望ましい。
センサ本体の外側周面だけでなく、センサ本体の後端面に隙間を形成することによって、センサ本体の熱分布をより一層生じにくくしつつ、センサ本体を温調することができ、精度良く圧力を測定することができる。

【0013】

センサ本体をガスセルに固定するための具体的な実施の態様としては、前記センサ本体の外側周面に鍔部が形成されており、前記フランジ部は、前記ガスセルに取り付けられる取り付け部と、当該取り付け部から延びて前記センサ本体の前記鍔部に接続される支持部とを有していることが望ましい。

【0014】

前記圧力センサは、検出信号を処理する基板部を有しており、前記基板部は、信号ケーブルを介して前記温調ブロックの外部に設けられていることが望ましい。
この構成であれば、基板部を熱源（ここでは温調ブロック）から離すことができるので、基板部への熱影響を低減することができる。

【0015】

前記温調ブロックは、複数のヒータを有しており、前記複数のヒータは、それぞれ個別に温度制御されることが望ましい。
この構成であれば、例えば温調ブロックを圧力センサの温調とガスセルの温調とで温度制御エリアを分ける等のように、適切な温調を行うことができる。

【0016】

また、本発明に係るガス分析方法は、ガスが導入されるガスセルと、前記ガスセルを温調する温調ブロックと、前記ガスセル内部の圧力を測定する圧力センサとを備え、前記圧力センサは、前記温調ブロック及び／又は前記ガスセルに内蔵されているガス分析装置を用いたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

以上に述べた本発明によれば、圧力センサを温調しつつ、ガス分析装置を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係るガス分析装置の構成を模式的に示す図である。

【図2】同実施形態における信号処理装置の機能ブロック図である。

【図3】同実施形態におけるレーザ発振波長の変調方法を示す模式図である。

【図4】同実施形態における発振波長、光強度Ｉ（ｔ）、対数強度Ｌ（ｔ）、特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）、相関値Ｓ_ｉの一例を示す時系列グラフである。

【図5】同実施形態の単独相関値及びサンプル相関値を用いた濃度又は分圧算出の概念図を示す図である。

【図6】同実施形態の圧力センサ及びその周辺構造を模式的に示す部分拡大断面図である。

【図7】変形実施形態の圧力センサ及びその周辺構造を模式的に示す部分拡大断面図である。

【図8】変形実施形態の圧力センサ及びその周辺構造を模式的に示す部分拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、本発明の一実施形態に係るガス分析装置について、図面を参照して説明する。なお、以下に示すいずれの図についても、わかりやすくするために、適宜省略し又は誇張して模式的に描かれている。同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

【0020】

＜装置構成＞
本実施形態のガス分析装置１００は、半導体製造装置に組み込まれて使用されるものであり、例えば半導体製造プロセスに用いる材料ガス又は半導体製造プロセスにより生じる副生成ガス（以下、単に「ガス」という。）に含まれる測定対象成分の濃度又は分圧を赤外吸収法により測定するものである。

【0021】

具体的にガス分析装置１００は、図１に示すように、ガスが導入されるガスセル２と、ガスセル２に光を照射する光照射部３と、ガスセル２を通過した光を検出する光検出部４と、光検出部４の出力信号を用いてガスに含まれる成分濃度を演算する信号処理装置５とを備えている。

【0022】

ガスセル２は、多重反射セルであり、光を入射及び射出させる光学窓２Ｗが形成されており、内部に一対の反射ミラーＭ１、Ｍ２が設けられている。一方の反射ミラーＭ１には、光学窓２Ｗから入射した光を一対の反射ミラーＭ１、Ｍ２の間に導入するとともに、一対の反射ミラーＭ１、Ｍ２で多重反射された光を導出して光学窓２Ｗから光検出部４に導出するための光通過部Ｍ１ａが形成されている。

【0023】

なお、ガスセル２は、耐食性を有する材料、例えばＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼により形成されている。また、光学窓２Ｗは、測定対象成分の吸収波長帯域において光の吸収がほとんどない石英、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、サファイア又はセレン化亜鉛等の透明材質により形成されている。

【0024】

また、ガスセル２を形成する一対の対向壁２ａ、２ｂにおいて、一方の対向壁２ａには、ガス導入ポートＰ１が形成されており、ガス導入ポートＰ１には、上流側配管Ｈ１が接続されている。さらに、一方の対向壁２ａには、一対の反射ミラーＭ１、Ｍ２が固定されている。他方の対向壁２ｂには、ガス導出ポートＰ２が形成されており、ガス導出ポートＰ２には、下流側配管Ｈ２が接続されている。

【0025】

ガスセル２の周囲には、ガスセル２を温調する温調ブロック６が設けられている。また、ガスセル２には、ガスセル２内部の圧力を測定する圧力センサ７が設けられている。温調ブロック６及び圧力センサ７については、後述の＜圧力センサ７及びその周辺構造について＞において説明する。

【0026】

本実施形態の光照射部３は、レーザ光源３１と、当該レーザ光源３１からのレーザ光をガスセル２に導く反射ミラーなどの光学系３２とを有している。

【0027】

本実施形態のレーザ光源３１は、半導体レーザである。具体的にレーザ光源３１は、半導体レーザの一種である量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）であり、中赤外（２．５～２５μｍ）のレーザ光を発振する。このレーザ光源３１は、与えられた電流（又は電圧）によって、発振波長を変調する（変える）ことが可能なものである。なお、発振波長が可変でさえあれば、他のタイプのレーザを用いても良く、発振波長を変化させるために、温度を変化させる等しても構わない。このレーザ光源３１は、信号処理装置５により構成される光源制御部５１ａにより制御される。

【0028】

また、本実施形態に光検出部４は、比較的安価なサーモパイル等の熱型の光検出器を用いているが、その他のタイプのもの、例えば、応答性がよいＨｇＣｄＴｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、又はＰｂＳｅ等の量子型光電素子を用いた光検出器であってもよい。

【0029】

信号処理装置５は、バッファ、増幅器等からなるアナログ電気回路と、ＣＰＵ、メモリ等からなるデジタル電気回路と、それらアナログ／デジタル電気回路間を仲立ちするＡＤコンバータ、ＤＡコンバータ等とを具備したものであり、前記メモリの所定領域に格納した所定のプログラムに従ってＣＰＵやその周辺機器が協働することによって、図２に示すように、ガス分析装置１００のレーザ光源３又は後述するヒータ６１等の各部を制御する制御部５１や、光検出器４からの出力信号を受信し、その値を演算処理して測定対象成分の濃度又は分圧を算出する信号処理部５２としての機能を発揮する。

【0030】

以下に各部を詳述する。
制御部５１は、レーザ光源３の出力を制御する光源制御部５１ａを有している。この光源制御部５１ａは、電流（又は電圧）制御信号を出力することによってレーザ光源３１の電流源（又は電圧源）を制御するものである。その他、制御部５１は、ガスセル２に設けられた温度センサ（不図示）に基づいて、後述する温調器（不図示）に制御信号を出力してヒータ６１を制御する等の各種制御を行う。

【0031】

具体的に光源制御部５１ａは、レーザ光源３１の駆動電流（又は駆動電圧）を所定周波数で変化させることによって、レーザ光の発振波長を中心波長に対して所定周波数で変調させる。これによって、レーザ光源３１は、所定の変調周波数で変調された変調光を射出することになる。また、光源制御部５１ａは、レーザ光の発振波長を測定対象成分の光吸収信号の特徴部を含む波長変調範囲で変調させる。

【0032】

この実施形態においては、光源制御部５１ａは駆動電流を三角波状に変化させ、発振周波数を三角波状に変調する（図４の「発振波長」参照）。実際には、発振周波数が三角波状になるように、駆動電流の変調を別の関数で行う。また、レーザ光の発振波長は、図３に示すように、測定対象成分の吸収スペクトルのピーク又はその近傍を中心波長として変調されるようにしてある。その他、光源制御部５１ａは、駆動電流を正弦波状や鋸波状、または任意の関数状に変化させ、発振周波数を正弦波状や鋸波状、または任意の関数状に変調してもよい。

【0033】

信号処理部５２は、対数演算部５２ａ、相関値算出部５２ｂ、格納部５２ｃ、濃度又は分圧算出部５２ｄ等からなる。

【0034】

対数演算部５２ａは、光検出器４の出力信号である光強度信号に対数演算を施すものである。光検出器４により得られる光強度信号の継時変化を示す関数Ｉ（ｔ）は、図４の「光強度Ｉ（ｔ）」のようになり、対数演算を施すことにより、図４の「対数強度Ｌ（ｔ）」のようになる。

【0035】

相関値算出部５２ｂは、サンプル光の強度に関連する強度関連信号と複数の所定の特徴信号とのそれぞれの相関値を算出するものである。特徴信号とは、強度関連信号と相関を取ることで、強度関連信号の波形特徴を抽出するための信号である。特徴信号としては、例えば正弦波信号や、それ以外の強度関連信号から抽出したい波形
特徴に合わせた様々な信号を用いることができる。

【0036】

以下では、特徴信号に正弦波信号以外のものを用いた場合の例を説明する。相関値算出部５２ｂは、サンプル光の強度に関連する強度関連信号と、当該強度関連信号に対して正弦波信号（正弦関数）とは異なる相関が得られる複数の特徴信号とのそれぞれの相関値を算出する。ここでは、相関値算出部５２ｂは、対数演算された光強度信号（対数強度Ｌ（ｔ））を強度関連信号として用いる。

【0037】

また、相関値算出部５２ｂは、測定対象成分の種類数及び干渉成分の種類数を合わせた数よりも大きい数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）を用いて、下式（数１）により、サンプル光の強度関連信号と複数の特徴信号とのそれぞれの相関値である複数のサンプル相関値Ｓ_ｉを算出するものである。なお、式（数１）におけるＴは、変調の周期である。

【0038】

【数1】

【0039】

相関値算出部５２ｂは、サンプル相関値を算出する時、式（数１）のように、サンプル光の強度関連信号Ｌ（ｔ）と複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）との相関値Ｓ_ｉからリファレンス光の強度関連信号Ｌ_０（ｔ）と複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）との相関値であるリファレンス相関値Ｒ_ｉを差し引く補正をしたサンプル相関値Ｓ_ｉ’を算出することが望ましい。これにより、サンプル相関値に含まれるオフセットを除去し、測定対象成分及び干渉成分の濃度又は分圧に比例した相関値となり、測定誤差を低減できる。なお、リファレンス相関値を差し引かない構成であっても良い。

【0040】

ここで、リファレンス光の取得タイミングは、サンプル光と同時、測定の前後又は任意のタイミングである。リファレンス光の強度関連信号又はリファレンス相関値は、予め取得して格納部５２ｃに記憶させておいても良い。また、リファレンス光を同時に取得する方法は、例えば、光検出器４を２つ設けて、レーザ光源３１からの変調光をビームスプリッタなどにより分岐させて、一方をサンプル光測定用とし、他方をリファレンス光測定用とすることが考えられる。

【0041】

本実施形態では、相関値算出部５２ｂは、複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）として、正弦関数よりも対数強度Ｌ（ｔ）の波形特徴を捉えやすい関数を用いている。測定対象成分及び１つの干渉成分を含むサンプルガスの場合には、２つ以上の特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）を用いることが考えられ、２つの特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）としては、例えば、吸収スペクトルの形に近いローレンツ関数に基づいた関数と、当該ローレンツ関数に基づいた関数の微分関数とを用いることが考えられる。また、特徴信号としては、ローレンツ関数に基づいた関数の代わりに、フォークト関数に基づいた関数、又はガウス関数に基づいた関数等を用いることもできる。このような関数を特徴信号に用いることで、正弦関数を用いた時よりもより大きな相関値を得ることができ、測定精度を向上させることができる。

【0042】

ここで、特徴信号は、直流成分を除去、すなわち変調周期で積分した時にゼロになるようにオフセットを調整することが望ましい。こうすることで、光強度の変動による強度関連信号にオフセットが乗った時の影響を除去することができる。なお、特徴信号の直流成分を除去する代わりに、強度関連信号の直流成分を除去してもよいし、特徴信号と強度関連信号の両方とも直流成分を除去してもよい。その他、特徴信号として、測定対象成分及び／又は干渉成分の吸収信号のサンプル値、またはそれらを模したものをそれぞれ用いてもよい。

【0043】

なお、２つの特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）を互いに直交する直交関数列又は直交関数列に近い関数列とすることにより、対数強度Ｌ（ｔ）の特徴をより効率的に抽出することができ、後述する連立方程式により得られる濃度又は分圧を精度良くすることができる。

【0044】

格納部５２ｃは、測定対象成分及び各干渉成分が単独で存在する場合のそれぞれの強度関連信号と複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）とから求められた測定対象成分及び各干渉成分それぞれの単位濃度又は分圧当たりの相関値である単独相関値を格納するものである。この単独相関値を求めるのに用いる複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）は、相関値算出部５２ｂで用いる複数の特徴信号Ｆ_ｉ（ｔ）と同一である。

【0045】

ここで、格納部５２ｃは、単独相関値を格納する時、測定対象成分及び各干渉成分が単独で存在する場合の相関値からリファレンス相関値を差し引いた上で、単位濃度又は単位分圧当たりに換算する補正をした単独相関値を格納することが望ましい。これにより、単独相関値に含まれるオフセットを除去し、測定対象成分及び干渉成分の濃度又は分圧に比例した相関値となり、測定誤差を低減できる。なお、リファレンス相関値を差し引かない構成であっても良い。

【0046】

濃度又は分圧算出部５２ｄは、相関値算出部５２ｂにより得られた複数のサンプル相関値を用いて測定対象成分の濃度又は分圧を算出するものである。

【0047】

具体的に濃度又は分圧算出部５２ｄは、相関値算出部５２ｂにより得られた複数のサンプル相関値と、格納部５２ｃに格納された複数の単独相関値とに基づいて、測定対象成分の濃度又は分圧を算出するものである。より詳細には、濃度又は分圧算出部５２ｄは、相関値算出部５２ｂにより得られた複数のサンプル相関値と、格納部５２ｃに格納された複数の単独相関値と、測定対象成分及び各干渉成分それぞれの濃度又は分圧とからなる連立方程式を解くことにより、測定対象成分の濃度又は分圧を算出するものである（図５参照）。なお、信号処理部５２は、濃度又は算出部５２ｄにより得られた測定対象成分の濃度又は分圧を、圧力センサ７により得られた全圧を用いて補正することもできる。このように濃度又は分圧算出部５２ｄにより得られた測定対象成分の濃度又は分圧は、信号処理装置５に設けられた例えばディスプレイ等の表示部５３又は信号処理装置５に接続された別の表示部に表示される。

【0048】

次に、前記各部の詳細説明を兼ねて、このガス分析装置１００の動作の一例を説明する。

【0049】

＜リファレンス測定＞
まず、光源制御部５１ａが、レーザ光源３１を制御し、変調周波数で且つ測定対象成分の吸収スペクトルのピーク又はその近傍を中心に、レーザ光の発振波長を所定の波長変調範囲で変調する。なお、スパンガスを用いたリファレンス測定の前に、ゼロガスを用いたリファレンス測定を行い、リファレンス相関値の測定を行ってもよい。

【0050】

次に、オペレータにより又は自動的に、ガスセル２内にスパンガス（成分濃度又は分圧既知のガス）が導入されて、リファレンス測定が行われる。このリファレンス測定は、測定対象成分が単独で存在するスパンガスと、干渉成分が単独で存在するスパンガスとのそれぞれにおいて行われる。

【0051】

具体的には、リファレンス測定において、対数演算部５２ａが光検出器４の出力信号を受信して対数強度Ｌ（ｔ）を算出する。そして、相関値算出部５２ｂは、その対数強度Ｌ（ｔ）と２つの特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）との相関値を算出し、その相関値からリファレンス相関値を差し引いたものをスパンガスの濃度又は分圧で割ることにより、単位濃度又は単位分圧当たりの各スパンガスの相関値である単独相関値を算出する。なお、単独相関値を算出する代わりに、スパンガス濃度又は分圧と当該スパンガスの相関値との関係を記憶させておいても良い。

【0052】

具体的には以下の通りである。
測定対象成分が単独で存在するスパンガスをガスセル２内に導入することにより、相関値算出部５２ｂにより測定対象成分の相関値Ｓ_１ｔ、Ｓ_２ｔを算出する（図５参照）。ここで、Ｓ_１ｔは、第１の特徴信号との相関値であり、Ｓ_２ｔは、第２の特徴信号との相関値である。そして、相関値算出部５２ｂは、それら相関値Ｓ_１ｔ、Ｓ_２ｔからリファレンス相関値Ｒ_ｉを差し引いたものを測定対象成分のスパンガス濃度又は分圧ｃ_ｔで割ることにより、単独相関値ｓ_１ｔ、ｓ_２ｔを算出する。なお、測定対象成分のスパンガス濃度又は分圧ｃ_ｔは、予めユーザ等により信号処理部５２に入力される。

【0053】

また、干渉成分が単独で存在するスパンガスをガスセル２内に導入することにより、相関値算出部５２ｂにより干渉成分の相関値Ｓ_１ｉ、Ｓ_２ｉを算出する（図５参照）。ここで、Ｓ_１ｉは、第１の特徴信号との相関値であり、Ｓ_２ｉは、第２の特徴信号との相関値である。そして、相関値算出部５２ｂは、それら相関値Ｓ_１ｉ、Ｓ_２ｉからリファレンス相関値Ｒ_ｉを差し引いたものを干渉成分のスパンガス濃度又は分圧ｃ_ｉで割ることにより、単独相関値ｓ_１ｉ、ｓ_２ｉを算出する。なお、干渉成分のスパンガス濃度又は分圧ｃ_ｉは、予めユーザ等により信号処理部５２に入力される。

【0054】

上記により算出された単独相関値ｓ_１ｔ、ｓ_２ｔ、ｓ_１ｉ、ｓ_２ｉは、格納部５２ｃに格納される。なお、このリファレンス測定は、製品出荷前に行うようにしても良いし、定期的に行うようにしてもよい。

【0055】

＜サンプル測定＞
光源制御部５１ａが、レーザ光源３１を制御し、変調周波数で且つ測定対象成分の吸収スペクトルのピーク又はその近傍を中心に、レーザ光の発振波長を所定の波長変調範囲で変調する。

【0056】

次に、オペレータにより又は自動的に、ガスセル２内にガスが導入されて、サンプル測定が行われる。

【0057】

具体的には、サンプル測定において、対数演算部５２ａが光検出器４の出力信号を受信して対数強度Ｌ（ｔ）を算出する。そして、相関値算出部５２ｂは、その対数強度Ｌ（ｔ）と複数の特徴信号Ｆ_１（ｔ）、Ｆ_２（ｔ）とのサンプル相関値Ｓ_１、Ｓ_２を算出し、その相関値からリファレンス相関値Ｒ_ｉを差し引いたサンプル相関値Ｓ_１’、Ｓ_２’を算出する（図５参照）。

【0058】

そして、濃度又は分圧算出部５２ｄは、相関値算出部５２ｂが算出したサンプル相関値Ｓ_１’、Ｓ_２’と、格納部５２ｃの単独相関値ｓ_１ｔ、ｓ_２ｔ、ｓ_１ｉ、ｓ_２ｉと、測定対象成分及び各干渉成分それぞれの濃度Ｃ_ｔａｒ、Ｃ_ｉｎｔとからなる以下の二元連立方程式を解く。

【0059】

【数2】

【0060】

これにより、上式（数２）の連立方程式を解くという簡単かつ確実な演算により、干渉影響が取り除かれた測定対象成分の濃度又は分圧Ｃ_ｔａｒを決定することができる。

【0061】

なお、干渉成分が２以上存在すると想定し得る場合でも、干渉成分の数だけ、単独相関値を追加して、成分種の数と同じ元数の連立方程式を解くことで、同様に干渉影響が取り除かれた測定対象成分の濃度又は分圧を決定することができる。

【0062】

すなわち、一般に測定対象成分と干渉成分を合わせてｎ種のガスが存在する場合、ｍ番目の特徴信号におけるｋ番目のガス種の単独相関値をｓ_ｍｋ、ｋ番目のガス種の濃度又は分圧をＣ_ｋ、ｍ番目の特徴信号Ｆ_ｍ（ｔ）におけるサンプル相関値をＳ_ｍ’とすると、以下の式（数３）が成り立つ。

【0063】

【数3】

【0064】

この式（数３）で表されるｎ元連立方程式を解くことで、測定対象成分及び干渉成分の各ガスの濃度又は分圧を決定することができる。

【0065】

＜圧力センサ７及びその周辺構造について＞
然して、本実施形態のガス分析装置１００は、図１及び図６に示すように、上述したように、ガスセル２を温調する温調ブロック６と、ガスセル２内部の圧力を測定する圧力センサ７とを備えており、圧力センサ７は、温調ブロック６及び／又はガスセル２に内蔵されている。

【0066】

温調ブロック６は、図１に示すように、ガスセル２の周囲に設けられており、例えばアルミニウム等の熱伝導性の良い金属製のものである。この温調ブロック６は、ガスセル２の周囲において、レーザ光源３１からのレーザ光を遮らないように設けられ、また、上流側配管Ｈ１及び下流側配管Ｈ２を避けて設けられている。温調ブロック６には、例えばカートリッジヒータ等のヒータ６１が複数設けられており、当該ヒータ６１により温調ブロック６は所望の温度（例えば２００℃程度）に加熱される。また、温調ブロック６の周囲には、断熱部材８が設けられている。なお、複数のヒータ６１は、１つの温調器で一括して制御しても良いし、それぞれ個別に設けられた複数の温調器で制御しても良い。

【0067】

圧力センサ７は、静電容量型圧力センサであり、図６に示すように、圧力によって変形する感圧要素である例えば円板状のダイアフラム７１と、当該ダイアフラム７１に対向して設けられた例えば円柱状の固定電極７２とを有し、それらの間に形成される静電容量を圧力に変換するものである。なお、感圧要素として、例えば矩形状のＭＥＭＳセンサ等を用いても良い。

【0068】

具体的に圧力センサ７は、ダイアフラム７１及び固定電極７２が設けられたセンサ本体７Ａと、ダイアフラム７１及び固定電極７２の間の静電容量を圧力に変換する基板部７Ｂとを有している。本実施形態では、センサ本体７Ａ及び基板部７Ｂは、シールドケーブル等の信号ケーブル７Ｃにより接続されている。また、本実施形態のセンサ本体７Ａは、概略円筒形状をなしている。

【0069】

そして、圧力センサ７は、温調ブロック６及びガスセル２に内蔵されている。具体的には圧力センサ７のセンサ本体７Ａが温調ブロック６及びガスセル２の形成壁２ａに内蔵されている。ここで、温調ブロック６及びガスセル２の形成壁２ａには、センサ本体７Ａを固定するためのガスセル２に連通する取り付け部２１が形成されている。

【0070】

そして、センサ本体７Ａは、ガスセル２の形成壁２ａに形成された取り付け部２１に円環状のフランジ部材９により固定されている。ここで、センサ本体７Ａの外側周面とフランジ部材９との間に熱緩衝層となる隙間Ｓが周方向全体に亘って形成されている。

【0071】

本実施形態では、センサ本体７Ａの円筒状ケース７Ａ１の外側周面に全周に亘って鍔部７Ａ２が形成されている。また、フランジ部９は、ガスセル２の取り付け部２１に固定される円環状の固定部９１と、固定部９１の内側開口部から延びてセンサ本体７Ａの鍔部７Ａ２に接続される円筒状の支持部９２とを有している。なお、取り付け部２１と固定部９１との間には、シール部材１０が設けられており、気密性を確保している。その他、シール部材１０は、取り付け部２１の例えば内側周面と支持部９２例えば外側周面の間に設けられていても良いし、ガスセル２の気密性が確保できる位置であればどこでも良い。

【0072】

支持部９２の先端部は、鍔部７Ａ２の軸方向後端面（軸方向外側面）に例えばレーザ溶接といった溶接等により接合される。なお、支持部９２の先端部を鍔部７Ａ２にねじ止めして接続しても良い。また、支持部９２は、センサ本体７Ａの円筒状ケース７Ａ１の外径よりも大きい内径を有する円筒状をなしており、鍔部７Ａ２の軸方向後端面に溶接された状態で、円筒状ケース７Ａ１の外側周面との間に熱緩衝層となる隙間Ｓが周方向全体に亘って形成される。なお、隙間Ｓには、センサ本体７Ａに伝わる熱のムラを低減するための部材を充填しても良い。

【0073】

上記の構成により、センサ本体７Ａは、フランジ部材９を介して温調ブロック６により温調されることになる。具体的には、温調ブロック６からの熱がガスセル２の形成壁２ａ、２ｂに伝わり、ガスセル２が温調される。また、温調されるガスセル２の形成壁２ａからの熱が、フランジ部材９に伝わり、当該フランジ部材９からの熱が隙間Ｓを介してセンサ本体７Ａに伝わり、センサ本体７Ａ（具体的にはダイアフラム７１）が温調される。これにより、ダイアフラム７１の温度ムラが低減される。このようにガスセル２を温調する温調ブロック６は、センサ本体７Ａの温調に兼用されることになる。

【0074】

さらに本実施形態の圧力センサ７は、センサ本体７Ａと基板部７Ｂとが信号ケーブル７Ｃを介して接続されており、基板部７Ｂは、温調ブロック６の周囲に設けられた断熱部材８の外部である室温などの低温部に設けられている。

【0075】

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態のガス分析装置１００であれば、圧力センサ７が温調ブロック６及び／又はガスセル２に内蔵されているので、温調ブロック６により圧力センサ７を温調することができる。その結果、圧力センサ７を温調するための温調機構を別途設ける必要が無く、ガス分析装置１００を小型化することができる。また、圧力センサ７を温調することにより、圧力の測定精度を向上することができ、ひいてはガスの成分濃度を高精度に測定できるようにある。さらに、圧力センサ７をガスセル２に内蔵して取り付けたことにより、光路（濃度測定箇所）と補正に使う圧力検知箇所との距離が可及的に小さくなり、応答時間のズレが小さくなるので、濃度指示値の精度を向上することができる。

【0076】

また、本実施形態では、センサ本体７Ａがフランジ部材９を介して温調ブロック６により間接的に温調されるので、外乱影響による温度変化の伝搬が緩やかとなり、外乱影響を受けにくくすることができる。また、センサ本体７Ａの熱分布を生じにくくすることができる。その結果、精度良く圧力を測定することができる。

【0077】

さらに、本実施形態では、センサ本体７Ａの外側周面とフランジ部材９との間に熱緩衝層である隙間Ｓを形成しているので、センサ本体７Ａの熱分布を生じにくくしつつ、センサ本体７Ａを温調することができ、精度良く圧力を測定することができる。

【0078】

その上、圧力センサ７の基板部７Ｂを、信号ケーブル７Ｃを介して、温調ブロック６の外部に設けているので、基板部７Ｂを熱源（ここでは温調ブロック６）から離すことができ、基板部７Ｂへの熱影響を低減することができる。

【0079】

＜その他の実施形態＞
例えば、前記実施形態の構成に加えて、図７に示すように、フランジ部材９によりセンサ本体７Ａの外側周面に加えて、センサ本体７Ａのセンサ面（先端面）とは反対側の後端面を隙間Ｓを空けてカバー部１１により覆う構成としてもよい。また、フランジ部材９以外の部材、例えばガスセル２又は温調ブロック６により、センサ本体７Ａの後端面を空隙Ｓを空けて覆う構成としてもよい。

【0080】

また、図８に示すように、センサ本体７Ａと基板部７Ｂとを金属ステム７３で接続して一体的に構成してもよい。この場合、センサ本体７Ａと基板部７Ｂとは、固定電極７２に接続された金属ステム７３により接続されており、基板部７Ｂは、温調ブロック６の周囲に設けられた断熱部材８の外側に設けられている。また、金属ステム７３の周囲には、ＰＴＦＥ等の絶縁部材１１を設けても良い。図８では、センサ本体７Ａと取り付け部２１との間にシール部材１０を設けて気密性を確保しているが、フランジ部材９と取り付け部２１との間にシール部材１０を設けても良い。

【0081】

さらに、温調ブロック６に設けられた複数のヒータ６１を、それぞれ個別に温度制御しても良い。この構成であれば、例えば温調ブロック６を圧力センサ７の温調とガスセル２の温調とで温度制御エリアを分ける等のように適切な温調を行うことができる。

【0082】

また、前記実施形態の圧力センサは、静電容量型圧力センサに限られず、例えば、ピラニ真空計、冷陰極電離真空計又は熱陰極電離真空計等であっても良い。

【0083】

また、前記実施形態の対数演算部５２ａは、光検出器４の光強度信号を対数演算するものであったが、光検出器４の光強度信号を用いて、サンプル光の強度と参照光である変調光の強度との比の対数（いわゆる吸光度）を算出するものであってもよい。このとき、対数演算部５２ａは、サンプル光の強度の対数を演算し、変調光の強度の対数を演算した後にそれらを差し引くことで吸光度を算出しても良いし、サンプル光の強度と変調光の強度との比を求めた後にその比の対数を取ることで吸光度を算出してもよい。

【0084】

また、前記実施形態の相関値算出部５２ｂは、強度関連信号と特徴信号との相関値を算出するものであったが、強度関連信号と特徴信号との内積値を算出するものであってもよい。

【0085】

また、前記実施形態では、格納部５２ｃはリファレンス相関値を用いて補正した単独相関値を格納するものであったが、格納部５２ｃに補正前の単独相関値を格納しておき、濃度又は分圧算出部５２ｄが、補正前の単独相関値からリファレンス相関値を差し引いた上で、単位濃度又は分圧当たりに換算する補正をした単独相関値を求める構成としても良い。

【0086】

複数の特徴信号は、前記実施形態に限られず、互いに異なる関数であれば良い。また、特徴信号として、例えば濃度又は分圧既知のスパンガスを流して得られた光強度又は対数強度の波形（サンプルスペクトル）を示す関数を用いてもよい。また、１つの測定対象成分の濃度を測定する場合には、特徴信号は少なくとも１つあれば良い。

【0087】

さらに、ｎより大きい種類の特徴信号を用いて、ガス種の数より大きい個数の単独相関値及びサンプル相関値を求めて、ガス種の数よりも大きい元数の連立方程式を作り、最小二乗法で、各成分濃度又は分圧を決定してもよく、こうすることで、より測定ノイズに対しても誤差の小さい濃度又は分圧決定が可能となる。

【0088】

前記実施形態の信号処理部は、前記サンプル光の強度に関連する強度関連信号と、当該強度関連信号に対して所定の相関が得られる特徴信号とを用いて、前記測定対象成分の濃度又は分圧に依存する相関値を算出する相関値算出部、及び前記相関値算出部により得られた相関値を用いて前記測定対象成分の濃度又は分圧を算出する濃度又は分圧算出部の機能を発揮するものであったが、その他の演算方法を用いたものであっても良い。

【0089】

光源も、半導体レーザに関わらず、他のタイプのレーザでもよいし、測定精度を担保するに十分な線幅をもつ単波長光源であって、波長変調さえできるものなら、どのような光源を用いてもよい。また、光源を強度変調するものであっても良い。さらに、光源は、赤外光を射出するものや紫外線を射出するものなど種々の波長の光を射出するものを用いて良く、具体的にはレーザ光を射出するレーザ光源に限らず、熱光源、ＬＥＤ光源、重水素ランプ、キセノンランプなど、光を射出するものであれば種々のタイプの光源を用いて構わない。

【0090】

また、ガス分析装置における測定対象成分の濃度又は分圧の演算方法は、前記実施形態に限られず、直接吸収法又は波長変調分光法（ＷＭＳ法）など種々の方法を用いることができる。

【0091】

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。

【符号の説明】

【0092】

１００・・・ガス分析装置
２ ・・・ガスセル
３ ・・・光照射部
４ ・・・光検出部
５ ・・・信号処理装置
６ ・・・温調ブロック
６１ ・・・ヒータ
７ ・・・圧力センサ
７Ａ ・・・センサ本体
７１・・・ダイアフラム（感圧要素）
７Ａ２・・・鍔部
７Ｂ ・・・基板部
７Ｃ ・・・信号ケーブル
８ ・・・断熱部材
９ ・・・フランジ部材
９１ ・・・固定部
９２ ・・・支持部
Ｓ ・・・熱緩衝層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】