特開 2023-162821 光学式ガスセンサ装置

(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】P2023162821

(43)【公開日】2023-11-09

(54)【発明の名称】光学式ガスセンサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/61 20060101AFI20231101BHJP

【ＦＩ】

G01N21/61

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022073483

(22)【出願日】2022-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000006220

【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090033

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 博司

(74)【代理人】

【識別番号】100093045

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 良男

(72)【発明者】

【氏名】岡本 光弘

(72)【発明者】

【氏名】江原 正人

(72)【発明者】

【氏名】中村 明

(72)【発明者】

【氏名】古河 憲一

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA01

2G059BB01

2G059CC04

2G059EE01

2G059FF02

2G059HH01

(57)【要約】

【課題】３次元的に自在に光路を形成し、検出対象のガスの検出精度を向上することである。
【解決手段】光学式ガスセンサ装置１００は、赤外線を検出対象のガスに出射する光源２と、検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタ３と、光学フィルタ３を介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部４と、光源２、光学フィルタ３及び受光部４を覆うカバー１と、を備える。カバー１は、光源２から入射された赤外線を内面の反射により光学フィルタ３を介して受光部４に導き、パイプ形状であり、軸方向に垂直な断面が円形又は楕円形である導光部１３を有する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
前記光源、前記光学フィルタ及び前記受光部を覆うカバーと、を備え、
前記カバーは、
前記光源から入射された赤外線を内面の反射により前記光学フィルタを介して前記受光部に導き、パイプ形状であり、軸方向に垂直な断面が円形又は楕円形である導光部を有する光学式ガスセンサ装置。

【請求項2】

前記カバーは、前記検出対象のガスを前記導光部に導入するガス導入部を有する請求項１に記載の光学式ガスセンサ装置。

【請求項3】

前記ガス導入部は、前記光源及び前記受光部の少なくとも一方の周囲の空間に導通され、当該空間を介して前記導光部に導通されている請求項２に記載の光学式ガスセンサ装置。

【請求項4】

前記ガス導入部は、前記導光部に直接的に導通されている請求項２に記載の光学式ガスセンサ装置。

【請求項5】

前記導光部は、前記断面の断面積が軸方向に一定である請求項１に記載の光学式ガスセンサ装置。

【請求項6】

前記カバーは、前記導光部の軸方向の断面により分割された複数のカバー部を有し、
前記複数のカバー部は、前記導光部の内面に赤外線反射膜を有する請求項１に記載の光学式ガスセンサ装置。

【請求項7】

前記カバーは、金属により一体造形されている請求項１に記載の光学式ガスセンサ装置。

【請求項8】

前記光源、前記受光部及び前記カバーが実装される基板を備え、
前記導光部は、少なくとも一部が前記基板から離間された位置に配置され、
前記カバーは、前記離間された位置の導光部の下方の前記基板上に、空間部を有する請求項１から７のいずれか一項に記載の光学式ガスセンサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学式ガスセンサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＮＤＩＲ（Non Dispersive Infrared：非分散赤外線吸収方式）によるガスセンサが知られている。ＮＤＩＲのガスセンサは、多くのガスが各々固有の赤外線波長を吸収する性質を利用して、検出対象のガスに赤外線を放射した時、どの波長がどれくらい吸収されたかを検出して、検出対象のガスの濃度を測るセンサである。例えば、赤外線の発光部及び受光部を備え、発光部及び受光部の光路上にある被検出ガスの濃度を検出するガスセンサである。

【0003】

原理的には検出対象のガスにより吸光された赤外線を受光部で感知し前後の差分から、ガス濃度を算出するため、光路長を長くしたほうが吸光量による差分が明確となりガスの濃度の検出精度（測定精度）が上がる。

【0004】

ここで、図７（ａ）～図７（ｃ）を参照して、光路長を長くした従来のＮＤＩＲの光学式ガスセンサ装置を説明する。図７（ａ）は、従来の光学式ガスセンサ装置１００ａを示す側面概略図である。図７（ｂ）は、従来の光学式ガスセンサ装置１００ａを示す上面概略図である。図７（ｃ）は、従来の光学式ガスセンサ装置１００ｂを示す側面概略図である。図７（ａ）～図７（ｃ）において、３次元のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸をとる。

【0005】

図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、従来の光学式ガスセンサ装置１００ａは、ｘｙ平面に配置された基板６ａ上に、赤外線を出射する光源２ａと、側面（ｘｚ平面）から見て、ｘｙ平面上で光源２ａと光軸が略対向して配置されて赤外線を検出する受光部４ａと、光源２ａ、受光部４ａ及び検出対象のガスを覆うカバー１ａと、を備える。光源２ａ、受光部４ａは、ＤＩＰ（Dual Inline Package）部品である。ＤＩＰ部品とは、プラスチック製又はセラミック製の本体の両側面から複数の金属製の接続端子が出て下方へ伸びた外形をしている部品である。

【0006】

受光部４ａから出射されてカバー１ａの内面で反射されて受光部４ａで受光される光路Ｌａは、ｚ方向ではなくｘｙ方向での反射となる。このため、基板６ａの平面のサイズが大きくなり、基板サイズに制約がある。

【0007】

図７（ｃ）に示すように、従来の光学式ガスセンサ装置１００ｂは、ｘｙ平面に配置された基板６ｂ上に、赤外線を出射する光源２ｂと、側面（ｘｚ平面）から見て、光源２ａと光軸が略平行に配置されて赤外線を検出する受光部４ｂと、光源２ｂ、受光部４ｂ及び検出対象のガスを覆うカバー１ｂと、を備える。光源２ｂ、受光部４ｂは、ＤＩＰ部品である。

【0008】

受光部４ａから出射されてカバー１ｂの内面及び基板６ｂで反射されて受光部４ａで受光される赤外線の光路Ｌｂは、略ｚ方向での反射となる。このため、カバー１ｂの内面のｚ方向に距離が必要となる。

【0009】

光学式ガスセンサ装置１００ａ，１００ｂにおいて、光源～受光部間の距離が短い場合や面積の都合上基板を小さくしたい場合には、光路の反射回数を多くして距離を稼ぐ。しかし、光を効率よく反射させるためには反射面の角度や曲率などを計算してカバーを作る必要があり、設計には熟練を要する。

【0010】

また、光学式ガスセンサ装置１００ａ，１００ｂのハイブリッドの構成（光源と受光部とを基板に対して３次元的に傾けて実装）の場合、光源と受光部との傾きをコントロールする必要があることから実装が困難である。現実的には、内部に傾きを設けたカバーにＤＩＰ部品としての光源及び受光部を装着後、基板にカバーとともに実装することが考えられるが、これは表面実装部品がある基板の場合ははんだ工程が増えるためコストダウンしにくい。

【0011】

このため、発光ダイオードと、矩形断面で辺の１つの軸の周囲に湾曲可能な曲線部を含み、発光ダイオードから出射された近赤外線を案内する環状放射線ガイドと、環状放射線ガイドから出射された近赤外線を検出する中赤外線発光フォトダイオードと、を備える光吸収ガスセンサが知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特表２０１３－５１７４６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかし、特許文献１に記載の光吸収ガスセンサは、湾曲する方向（角度）が２次元上であり、低背化が難しく、３次元に自在に光路を形成する要請がある。また、特許文献１に記載の光吸収ガスセンサは、環状放射線ガイドの軸方向に垂直な断面が矩形であるため、光路における赤外線の反射角度に偏りがあり、光源、受光部の実装ずれで赤外線の光量のロスが発生し、検出対象のガスの検出精度が低下するおそれがあった。

【0014】

本発明の課題は、３次元的に自在に光路を形成し、検出対象のガスの検出精度を向上することである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するため、本発明の光学式ガスセンサ装置は、
赤外線を検出対象のガスに出射する光源と、
前記検出対象のガスの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部と、
前記光源、前記光学フィルタ及び前記受光部を覆うカバーと、を備え、
前記カバーは、
前記光源から入射された赤外線を内面の反射により前記光学フィルタを介して前記受光部に導き、パイプ形状であり、軸方向に垂直な断面が円形又は楕円形である導光部を有する。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、３次元的に自在に光路を形成でき、検出対象のガスの検出精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態の光学式ガスセンサ装置の概略図である。

【図2】光学式ガスセンサ装置の外観の斜視図である。

【図3】図２の光学式ガスセンサ装置のIII－III線の断面図である。

【図4】図２の光学式ガスセンサ装置のIV－IV線の断面図である。

【図5】光学式ガスセンサ装置の一部透過斜視図である。

【図6】光源の斜視図である。

【図7】（ａ）は、従来の光学式ガスセンサ装置を示す側面概略図である。（ｂ）は、従来の光学式ガスセンサ装置を示す上面概略図である。（ｃ）は、従来の別の光学式ガスセンサ装置を示す側面概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。

【0019】

図１～図６を参照して、本発明に係る実施の形態を説明する。まず、図１を参照して、本実施の形態の光学式ガスセンサ装置１００の概略構成を説明する。図１は、本実施の形態の光学式ガスセンサ装置１００の概略図である。

【0020】

図１に示すように、本実施の形態の光学式ガスセンサ装置１００は、カバー１と、光源２と、光学フィルタ３と、受光部４と、信号処理部５と、を含む。光学式ガスセンサ装置１００は、光源２から赤外線を放射（出射、発光）し、カバー１内の光路を介して、当該赤外線をカバー１内の検出対象（計測対象）のガスＧに出射し、光路中に存在する検出対象のガスＧの分子が赤外線を吸収することで受光部４に届く光量が減少し、検出対象のガスＧにより一部吸収された赤外線を光学フィルタ３を介して受光部４により検出し、その検出信号を信号処理部５により信号処理し、検出対象のガスＧの濃度を検出（計測）して出力するＮＤＩＲ方式のガスセンサである。カバー１は、検出対象のガスＧの導出入口であるガス導入部としてのガス導入ポート１１を有する。ガス導入ポート１１には、外部からの異物侵入を防止するために、ガスフィルタ１２（例えば、金属製のメッシュフィルタや樹脂製の多孔質フィルムなど）が貼付される。

【0021】

特に、光学式ガスセンサ装置１００は、光源２から検出対象のガスＧに出射された赤外線を、光学フィルタ３でフィルタリングして受光部４により受光する。光学フィルタ３は、受光部４の上流の光路上で受光部４の近傍の位置に配置されている。この構成は、光源２から放射された赤外線を光学フィルタでフィルタリングしてから検出対象のガスＧに出射する構成に比べて、受光部４の受光面でフィルタリングすればよいため、光学フィルタ３の面積を小さくすることができ、コストの低減になる。更には、光源２以外からの放射されるフィルタリング前の赤外線を受光することがなく、センサとしてのＳＮ比（Signal to Noise ratio）が向上する。ただし、光学式ガスセンサ装置１００は、光源２から放射された赤外線を光学フィルタ３でフィルタリングして検出対象のガスＧに出射する構成としてもよい。本実施の形態では、光学フィルタ３を介して受光部４が受光する赤外線は、光源２から直接到達する光路でなく、カバー１の内面を反射して到達するように光路が設計されるものとする。カバー１の内面は反射率が高いほうが光（赤外線）の利用効率が高くなり望ましい。

【0022】

光学式ガスセンサ装置１００は、検出対象のガスＧとして、一酸化炭素、プロパン、メタン、ブタン、アンモニア、二硫化酸素、二酸化窒素、一酸化窒素、オゾン、六フッ化硫黄、ジフルオロメタン、ハイドロクロロフルオロカーボン類（ＨＣＦＣ）、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）類、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）類、エチレンなどの検出に用いることができる。

【0023】

その場合、光学式ガスセンサ装置１００は、検出対象のガスの複数の吸収波長のうち、最も吸収が大きい波長の赤外線の吸収を検出するのが好ましい。例えば、濃度の検出対象のガスＧとして二酸化炭素（ＣＯ_２）を検出する場合は複数の吸収波長のうち、一番吸収が大きい４．２６［μｍ］の波長の赤外線の吸収を検出する。

【0024】

光学式ガスセンサ装置１００は、検出したガスＧのガス濃度に基づく各種の状態信号（例えば、光学式ガスセンサ装置１００の故障の状態を示す故障信号、検出したガスＧの濃度が警報が必要な異常状態（警報状態）であることを示す警報信号、検出したガスＧの濃度が正常の状態であることを示す監視信号（正常信号））と、検出したガスＧの濃度又は濃度に対応した値を、故障などの光学式ガスセンサ装置１００の状態、検出したガスＧの濃度又は濃度に対応した値に基づいて処理を行う機器に出力する。当該機器が警報器である場合に、光学式ガスセンサ装置１００から受信した各種信号に応じて、各種警報（例えば、故障信号に基づく光学式ガスセンサ装置１００の故障の警報、警報信号に基づく検出したガスＧの濃度の異常の警報）を報知する。当該機器に、光学式ガスセンサ装置１００を備えてもよい。

【0025】

上記機器としては、家庭用空調機器、家庭用給湯器、産業用空調機器、自動車用空調機器、冷凍機、冷蔵機器、冷蔵ショーケース、空気清浄機、家庭用可燃性ガス漏れ警報器、家庭用毒性ガス警報器、家庭用環境モニタリング機器、産業用可燃性ガス漏れ警報器、産業用毒性ガス警報器、産業用ガスプロセス監視装置、施設園芸用ＣＯ_２濃度計測器、植物工場用ＣＯ_２計測器、食品包装用ＣＯ_２封入装置、食品倉庫用エチレンガス濃度計測装置などが挙げられる。例えば、脱炭素の燃料である水素のキャリアとして、又は燃料そのものとしてのアンモニアを貯蔵するアンモニアタンクのアンモニアの監視装置、ガス漏れ警報装置を適用できる。

【0026】

特に、家庭用環境モニタリング機器、施設園芸用ＣＯ_２濃度計測器、植物工場用ＣＯ_２計測器、食品倉庫用エチレンガス濃度計測装置など、検出したガスＧの濃度そのものを管理する機器については、光学式ガスセンサ装置１００が、検出したガスＧの濃度又は濃度に対応した値の信号を当該機器に出力する。

【0027】

ついで、図２～図６を参照して、光学式ガスセンサ装置１００の具体的な装置構成を説明する。図２は、光学式ガスセンサ装置１００の外観の斜視図である。図３は、図２の光学式ガスセンサ装置１００のIII－III線の断面図である。図４は、図２の光学式ガスセンサ装置１００のIV－IV線の断面図である。図５は、光学式ガスセンサ装置１００の一部透過斜視図である。図６は、光源２の斜視図である。

【0028】

図２に示すように、光学式ガスセンサ装置１００は、例えば、カバー１と、光源２と、光学フィルタ３と、受光部４と、信号処理部５と、基板６と、コネクタ７と、回路素子部８と、を備える。また、図２において、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸をとり、図示する。これらの３軸は、図３～図５でも同様に図示されるものとする。なお、図２、図４、図５において、ガスフィルタ１２の図示を省略している。

【0029】

図３において、図２の光学式ガスセンサ装置１００のIII－III線の断面図（ｘｚ平面を断面とした図）を示す。図４において、図２の光学式ガスセンサ装置１００のIV－IV線の断面図（ｘｙ平面を断面とした図）を示す。図５において、光学式ガスセンサ装置１００のうち、カバー１を透過した斜視図を示す。

【0030】

カバー１は、基板６の＋ｚ側の面上に実装され、光源２、光学フィルタ３及び受光部４を覆い（包含し）、内部に検出対象のガスＧを収容可能な空洞部を形成し、ガス導入ポート１１を介して検出対象のガスＧが当該空間に導出入されるカバーである。カバー１の基体は、例えば樹脂製である。

【0031】

図２に示すように、カバー１は、カバー部１１０Ａ，１１０Ｂを有する。カバー部１１０Ａは、上側（＋ｚ方向側）のパーツであり、カバー部１１０Ｂに嵌合される。カバー部１１０Ｂは、下側（－ｚ方向側）のパーツであり、カバー部１１０Ａに嵌合される。

【0032】

また、図３に示すように、カバー１は、検出対象のガスＧが内部に導入される空洞部としての導光部１３を有する。導光部１３は、パイプ形状であり、軸方向に垂直な断面が円形である。カバー部１１０Ａは、半パイプ部１１８Ａを有する。カバー部１１０Ｂは、半パイプ部１１８Ｂを有する。半パイプ部１１８Ａ，１１８Ｂが合わさることにより、導光部１３が形成されている。このように、カバー１は、導光部１３の軸方向の断面により分割されたカバー部１１０Ａ，１１０Ｂを有する。図４、図５に示すように、導光部１３は、上面（＋ｚ方向の面）から見て、３次元的な略Ｕ字形状をしている。

【0033】

導光部１３の内面には、赤外線反射膜が覆われている。本実施の形態では赤外線反射膜として、金を用いるものとするが、これに限定されるものではない。赤外線反射膜として、銀、アルミニウム又は誘電体多層膜を用いてもよい。さらに、必要に応じて赤外線反射膜の金属膜の腐食を防止するために、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの保護膜を赤外線反射膜上に成膜してもよい。赤外線反射膜、保護膜の成膜方法は、メッキ法、スパッタリング法、真空蒸着法などを用いることができる。

【0034】

また、図５の太線矢印に示すように、導光部１３は、光源２から入射された赤外線を内面の赤外線反射膜で反射して光学フィルタ３が受光面に貼付された受光部４に出射する。このように、カバー１は、光源２から出射された赤外線を赤外線反射膜により反射することにより、少なくとも反射光の一部が光学フィルタ３を介して受光部４へ到達するように、光路として光源２からの赤外線を受光部４に効率よく導く役割を担う。

【0035】

本実施の形態では、カバー１内部の光路を断面が円形のパイプ形状の導光部１３とすることにより、導光部１３の断面の径や経路によらず、３次元（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）のいずれの方向にも赤外線の反射角度を一定に保ち、光源２から出た赤外線は導光部１３内部を反射し、効率よく受光部４に入光することができる。例えば、従来の反射鏡タイプの光学式ガスセンサ装置１００ａ，１００ｂであると、決められた角度の光だけしか任意の場所に反射できず、光源、受光部の実装ずれで赤外線のロスが発生する。

【0036】

また、光源２から受光部４までの赤外線の光路長は、導光部１３の断面の径を変えることで比較的簡単に変更できる。

【0037】

また、カバー１は、導光部１３の軸方向がｘ軸方向の一部分の下方（－ｚ方向）の基板６上に空間部Ｓ１（図２、図３）ができるように、３次元的に設計、形成されている。空間部Ｓ１に、信号処理部５及び回路素子部８の少なくとも一部が配置されて基板６上に実装されている。

【0038】

また、導光部１３の軸方向に垂直な断面の断面積は、軸方向に一定である。断面積が一定のため、導光部１３に入ってきた検出対象のガスＧに対し単位体積当たりのガス濃度は均一化しやすく、且つ赤外線が特定の経路を通らずランダムに通過するため、ガスＧのガス濃度の変化に反応しやすい。例えば、従来の反射鏡タイプの光学式ガスセンサ装置１００ａ，１００ｂは、カバー内容積に対し、主光路が決まっているため検出対象のガスが主光路まで入らないと（カバー全体に行き渡るまで）反応しにくい。

【0039】

また、図３及び図４に示すように、カバー部１１０Ａは、肉抜き（肉盗み）用の空間として、中空部１１５，１１６，１１７Ａ，１２１，１２２を有する。カバー部１１０Ｂは、肉抜き（肉盗み）用の空間として、中空部１１７Ｂを有する。中空部１１７Ｂは、中空部１１７Ａに対応する中空部である。中空部１１５，１１６，１１７Ａ，１２１，１２２，１１７Ｂにより、カバー１（光学式ガスセンサ装置１００）の軽量化を実現できる。

【0040】

また、図４に示すように、カバー部１１０Ｂは、固定ピン１２３，１２４を有する。固定ピン１２３，１２４は、＋ｚ方向に延在する凸部であり、カバー部１１０Ａの凹部（メス穴）（図示略）に嵌合される。カバー部１１０Ａの凹部への固定ピン１２３，１２４の嵌合により、カバー部１１０Ａ，１１０Ｂが位置決めおよび固定化され、一体の部品にされる。

【0041】

また、図２に示すように、カバー部１１０Ａは、ガス導入ポート１１として、ガス取入れ口（ガス導入孔）１１１，１１２を有する。カバー部１１０Ｂは、ガス導入ポート１１として、ガス取入れ口（ガス導入孔）１１３，１１４を有する。ガス取入れ口１１１，１１２は、カバー部１１０Ａの上面から－ｚ方向にあけられ、導光部１３まで貫通された孔である。ガス取入れ口１１３は、カバー部１１０Ｂの－ｙ方向の側面から＋ｙ方向にあけられ、光源２の周囲（脇）の空間まで貫通された孔である。光源２の周囲の空間は、導光部１３に導通されている。ガス取入れ口１１４は、カバー部１１０Ｂの－ｙ方向の側面から＋ｙ方向にあけられ、光学フィルタ３及び受光部４の周囲（脇）の空間まで貫通された孔である。光学フィルタ３及び受光部４の周囲の空間は、導光部１３に導通されている。

【0042】

ガス取入れ口１１１，１１２は、導光部１３に直接的に導通され、導光部１３の内面の一部を削除するため、赤外線の利用効率が低くなる。これに対し、ガス取入れ口１１３は、光源２の周囲の空間を介して、導光部１３に間接的に導通されるため、導光部１３の内面の一部を損なう（削除する）ことなく、赤外線の利用効率が高くなる。同様に、ガス取入れ口１１４は、光学フィルタ３及び受光部４の周囲の空間を介して、導光部１３に間接的に導通されるため、導光部１３の内面の一部を損なうことなく、赤外線の利用効率が高くなる。

【0043】

なお、図２のカバー１のガス導入ポート１１（ガス取入れ口１１１，１１２，１１３，１１４）の形状、大きさ及び位置は、一例であって、これに限定されるものではない。例えば、カバー１が、ガス取入れ口１１３，１１４のみを有し、ガス取入れ口１１１，１１２を有さない構成としたり、ガス取入れ口１１３をカバー部１１０Ｂの－ｘ側の面に配置し、ガス取入れ口１１４をカバー部１１０Ｂの＋ｘ側の面に配置する構成としてもよい。

【0044】

図６に示すように、光源２は、基板６の上面（＋ｚ側の面）上に実装されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型光源であり、例えばメンブレン構造のメンブレンＭを有するものとする。光源２は、シリコンチップ２１と、薄膜ヒータ２２と、ワイヤボンディング用パッド２３と、を有する。シリコンチップ２１は、主としてシリコン製の半導体チップであり、その平面（ｘｙ平面）の中央部にメンブレンＭを有する。薄膜ヒータ２２は、通電による加熱により赤外線を放射する光源であり、メンブレンＭの平面の略中央部に形成されている。ワイヤボンディング用パッド２３は、基板６上の配線とワイヤボンディングされる。

【0045】

ＭＥＭＳ型光源としての光源２は、小型・低背であり、センサモジュールとしての小型化、特に従来の白熱光源やＬＥＤ（Light Emitting Diode）と比較して低背化を実現することができる。

【0046】

また、ＭＥＭＳ型光源としての光源２は、従来の光源と比較して、長寿命、低消費電力、応答時間が短いなどの特徴（特長）があり、センサモジュール全体としての消費電流に対して支配的である光源の消費電力を下げることでセンサモジュールとしての低消費電力を図ることができる。ＭＥＭＳ型光源の応答時間が短い特徴は、間欠駆動を行う場合に、通電後の待機時間を短くすることを可能とし、平均消費電力を低減できる。

【0047】

また、ＭＥＭＳ型光源としての光源２は、従来の光源と比較して、高温部表面からの放射光を直接利用できるため、高波長に吸収帯を持つガスの検出への応用も可能になる。光源２の赤外線を放射する領域は、メンブレンＭのＳｉ基板の平面上に高精度にパターニングされており、フィラメントをコイル状に巻いた従来の白熱光源とは異なり、放射方向の個体ばらつきが非常に小さい。このため、光源２でセンサモジュールを構成した時の受光量のばらつきが低減され製品歩留まりの向上に寄与する。また、光源２は、シリコンウエハーを元にＭＥＭＳ技術によって一括生産されるため、量産性に優れる。

【0048】

光源２は、表面実装部品とするが、これに限定されるものではなく、ＤＩＰ部品（ＣＡＮパッケージなど）としてもよい。

【0049】

光学フィルタ３は、受光部４の受光面を覆うように設けられた、検出対象のガスＧに固有の吸収波長に対応する波長域（バンド）の光（赤外線）を透過するフィルタである。このように、光学フィルタ３の透過波長は、検出対象のガスＧの固有の吸収波長に一致するように設計されており、これによって検出対象のガスＧ以外のガスによる光量変化が抑制され、受光部４の検出信号のＳＮ比が向上する。より具体的には、光学フィルタ３は、光源２から入射されガスＧ（二酸化炭素）を通過した波長域の広い赤外線をフィルタリングして、ガスＧの吸収波長（４．２６［μｍ］）に対応する波長域の赤外線を透過する。

【0050】

光学フィルタ３は、例えば、基板としてのシリコン基板と、誘電体多層膜と、を有する。シリコン基板は、平面状のシリコン製の基板である。基板の材質はシリコンに限らず、Ｇｅ（ゲルマニウム）、石英、アルミナ、ＢａＦ２（フッ化バリウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、などを用いることができる。誘電体多層膜は、シリコン基板の両面に設けられた複数の誘電体の層状の膜である。なお、光学フィルタ３の平面形状は、矩形とするが、これに限定されるものではなく、円形など、他の形状としてもよい。

【0051】

受光部４は、基板６の＋ｚ側の面上に実装され、複数の熱電対を有するサーモパイル方式の光センサ（赤外線センサ）であり、入射された赤外線の光量を検出してアナログの電気信号としての検出信号を出力する。ただし、受光部４は、サーモパイル方式の赤外線センサに限定されるものではなく、次表Iに示す各種方式の赤外線センサとしてもよい。

【0052】

【表1】

【0053】

また、受光部４は、表面実装部品とするが、この構成に限定されるものではなく、ＤＩＰ部品（ＣＡＮパッケージなど）としてもよい。また、導光部１３は、光源２及び受光部４について、表面実装部品、ＤＩＰ部品など部品の向きを問わず効率良く光量を得ることができる。

【0054】

信号処理部５は、基板６の＋ｚ側の面上の平面領域に実装され、受光部４の検出信号に関する信号処理を行う電子部品（プロセッサ）としてのＡＦＥ（Analog Front End）－ＩＣ（Integrated Circuit）である。信号処理部５は、受光部４のアナログの検出信号を増幅してＡＤ変換し、光学式ガスセンサ装置１００の個体ばらつきの補正などを行い、当該増幅されたデジタルの検出信号を用いて信号処理（ガス濃度又はガス濃度に対応した値、光学式ガスセンサ装置１００の状態の算出及びこれらの各種信号の生成）を行い、デジタルの各種信号を生成して出力する。

【0055】

基板６は、ガラスエポキシ樹脂などの板上に、導体の配線がプリントされたＰＣＢ（Printed Circuit Board）である。基板６は、上面（＋ｚ側の面）上に、カバー１、光源２、光学フィルタ３が貼付された受光部４、信号処理部５、コネクタ７、回路素子部８が実装されている。

【0056】

コネクタ７は、基板６の＋ｚ側の面上のカバー１及び信号処理部５以外の平面領域に実装され、信号処理部５から出力されたデジタルの各種信号を、後段の機器（警報器など）の情報処理部に出力するためのコネクタである。コネクタ７は、プラグを有するケーブルを介して機器の情報処理部に接続される。

【0057】

回路素子部８は、基板６の＋ｚ側の面上の平面領域に実装された、スイッチ、チップ抵抗、チップコンデンサなどの回路素子である。

【0058】

ここで、カバー１の製造方法について簡単に説明する。まず、カバー１のカバー部１１０Ａと、カバー部１１０Ｂとを、別々に、金型を用いた樹脂射出成型により形成する。このとき、カバー部１１０Ａの半パイプ部１１８Ａの内面と、カバー部１１０Ｂの半パイプ部１１８Ｂの内面とは、射出成型によりなめらかであるので、研磨は不要となる。

【0059】

次に、メッキ法（樹脂メッキ）、スパッタリング法、真空蒸着法などにより、半パイプ部１１８Ａ，１１８Ｂの内面に、赤外線反射膜（、保護膜）を成膜する。その後、カバー部１１０Ｂの固定ピン１２３，１２４をカバー部１１０Ａの凹部に嵌合することにより、カバー部１１０Ａ，１１０Ｂを一体化してカバー１の製造を完了する。

【0060】

以上、本実施の形態によれば、光学式ガスセンサ装置１００は、赤外線を検出対象のガスＧに出射する光源２と、検出対象のガスＧの吸収波長に対応する波長の赤外線を透過する光学フィルタ３と、光学フィルタ３を介して入射された赤外線を検出して検出信号を生成する受光部４と、光源２、光学フィルタ３及び受光部４を覆うカバー１と、を備える。カバー１は、光源２から入射された赤外線を内面の反射により光学フィルタ３を介して受光部４に導き、パイプ形状であり、軸方向に垂直な断面が円形である導光部１３を有する。

【0061】

このため、３次元的に自在に光路を形成でき、検出対象のガスＧの検出精度を向上できる。より具体的には、導光部１３の断面が円形のパイプ形状であるので、３次元（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）のいずれの方向にも赤外線の光路を形成できることで狭い空間でも光路長を長くでき、検出対象のガスＧの検出精度を向上できる。また、導光部１３により光路を３次元のいずれの方向にも自在に変えられるため、効率よく空間が使用でき基板６の小面積化が可能となる。また、導光部１３により光路を３次元のいずれの方向にも自在に変えられるため、光源２、受光部４が、表面実装部品、ＤＩＰ部品を問わず、効率良く赤外線の光量を得ることができる。また、導光部１３の断面が円形のパイプ形状であるので、導光部１３の内面のどこに赤外線が当たっても反射角度が一定なため、全ての赤外線が反射でき、光源２、受光部４の実装ずれに強くすることができ、検出対象のガスＧの検出精度を向上できる。また、導光部１３の断面の円形の径を変えることで、比較的容易に光路長を変更できる。

【0062】

また、カバー１は、検出対象のガスＧを導光部１３に導入するガス取入れ口１１１，１１２，１１３，１１４を有する。ガス取入れ口１１３は、光源２の周囲の空間に導通され、当該空間を介して導光部１３に導通されている。ガス取入れ口１１４は、受光部４の周囲の空間に導通され、当該空間を介して導光部１３に導通されている。このため、ガス取入れ口１１３，１１４により、導光部１３の内面を損なうことなく導光部１３に検出対象のガスＧを導入でき、検出対象のガスＧの検出精度をより向上できる。

【0063】

ガス取入れ口１１１，１１２は、導光部１３に直接的に導通されている。このため、導光部１３に検出対象のガスＧを直接的に導入でき、検出対象のガスＧの検出精度を向上できる。

【0064】

また、導光部１３は、断面の断面積が軸方向に一定である。このため、導光部１３内の検出対象のガスＧのガス濃度を均一化でき、且つ赤外線が導光部１３の特定の経路を通らずランダムに通過するため、ガスＧの（ガス濃度の）変化に反応しやすくできる。

【0065】

また、カバー１は、導光部１３の軸方向の断面により分割されたカバー部１１０Ａ，１１０Ｂを有する。カバー部１１０Ａ，１１０Ｂは、導光部１３の内面に赤外線反射膜を有する。このため、カバー部１１０Ａ，１１０Ｂの樹脂射出成型により、導光部１３（半パイプ部１１８Ａ，１１８Ｂ）の内面の研磨を不要にでき、この点で、カバー１（光学式ガスセンサ装置１００）を容易に製造でき、またコストを低減できる。

【0066】

また、光学式ガスセンサ装置１００は、光源２、受光部４及びカバー１が実装される基板６を備える。導光部１３は、一部（軸方向がｘ軸に平行な部分）が基板６から離間された位置に配置されている。カバー１は、離間された位置の導光部１３の下方の基板６上に、空間部Ｓ１を有する。このため、空間部Ｓ１に実装部品としての信号処理部５、回路素子部８を配置でき、信号処理部５、回路素子部８上に導光部１３を通すことも可能となり、効率よく空間が使用でき基板６を小面積化できる。

【0067】

なお、上記実施の形態における記述は、本発明に係る光学式ガスセンサ装置の一例であり、これに限定されるものではない。

【0068】

例えば、上記実施の形態では、カバー１を樹脂射出成型して製造する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、金属３Ｄプリンタを用いて、カバー１が、アルミニウムなどの金属により一体造形されている構成としてもよい。この構成では、カバー１の導光部１３の内面の研磨が必要であるが、赤外線反射膜（、保護層）の成膜を不要にでき、この点で、カバー１（光学式ガスセンサ装置１００）を容易に製造できる。カバー１の導光部１３の内面の研磨方法は、電解研磨、ビーズによる研磨などがある。

【0069】

また、上記実施の形態では、カバー１の導光部１３が、軸方向に垂直な断面が円形のパイプ形状である構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、導光部１３が、軸方向に垂直な断面が楕円形のパイプ形状である構成としてもよい。導光部１３の断面が楕円形である構成も、当該断面が円形である構成と同様に、光路における赤外線の反射角度の偏りを低減して、光源２、受光部４の実装ずれでも赤外線の光量のロスを低減して実装ずれに強く、検出対象のガスＧの検出精度を向上できる。

【0070】

また、上記実施の形態では、光学式ガスセンサ装置１００が、一組の光源２、光学フィルタ３、受光部４及び導光部１３を備える構成としたが、これに限定されるものではない。光学式ガスセンサ装置は、複数組の光源２、光学フィルタ３、受光部４及び導光部１３を備える構成としてもよい。

【0071】

その他、上記実施の形態における光学式ガスセンサ装置１００の細部構成及び詳細動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【符号の説明】

【0072】

１００，１００ａ，１００ｂ 光学式ガスセンサ装置
Ｇ ガス
１，１ａ，１ｂ カバー
１１０Ａ，１１０Ｂ カバー部
１１ ガス導入ポート
１１１，１１２，１１３，１１４ ガス取入れ口
１３ 導光部
１１８Ａ，１１８Ｂ 半パイプ部
１１５，１１６，１１７Ａ，１２１，１２２，１１７Ｂ 中空部
１２３，１２４ 固定ピン
１２ ガスフィルタ
２，２ａ，２ｂ 光源
２１ シリコンチップ
２２ 薄膜ヒータ
２３ ワイヤボンディング用パッド
Ｍ メンブレン
３ 光学フィルタ
４，４ａ，４ｂ 受光部
５ 信号処理部
６，６ａ，６ｂ 基板
７ コネクタ
８ 回路素子部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】