特開 2024-163488 ＮＤＩＲガスセンサとその製造方法

(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】P2024163488

(43)【公開日】2024-11-22

(54)【発明の名称】ＮＤＩＲガスセンサとその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/61 20060101AFI20241115BHJP

【ＦＩ】

G01N21/61

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023079128

(22)【出願日】2023-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】000112439

【氏名又は名称】フィガロ技研株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086830

【弁理士】

【氏名又は名称】塩入 明

(74)【代理人】

【識別番号】100096046

【弁理士】

【氏名又は名称】塩入 みか

(72)【発明者】

【氏名】境 浩司

(72)【発明者】

【氏名】宮路 祥太朗

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA01

2G059BB01

2G059CC04

2G059DD12

2G059EE01

2G059FF01

2G059GG02

2G059HH01

2G059KK01

2G059KK09

(57)【要約】

【構成】 ＮＤＩＲガスセンサは、光源と受光素子及び駆動回路を搭載した基板と、ミラー付きのセルを備えている。ミラーは回転楕円体の一部を構成する形状をし、光源と受光素子は回転楕円体の２つの焦点位置に配置されている。セルは平面視で楕円形状の樹脂製のパイプと金属製のミラーとを備え、ミラーの外周端部がパイプの樹脂中に埋設されている。係合部材を係合孔に係合させ、接着剤で係合部材を固定することにより、セルと基板は固定されている。
【効果】 製造が容易で、基板とミラーとの位置合わせが容易なＮＤＩＲガスセンサを提供する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と受光素子及び光源と受光素子の駆動回路を搭載した基板と、前記基板に固定したミラー付きのセルとを備える、ＮＤＩＲガスセンサであって、
前記ミラーは回転楕円体の一部を構成する形状で平面視で楕円形であり、
光源と受光素子は、前記基板上の、前記回転楕円体の２つの焦点位置に配置され、
光源と受光素子の一方に対し、バンドパスフィルタが設けられ、
セルは、平面視で楕円形状の樹脂製のパイプと前記ミラーとを備え、
前記ミラーは金属製で、その外周端部が樹脂でパイプに固定され、
かつ前記セルと前記基板の一方に係合部材が、他方に係合孔が設けられ、係合部材は係合孔に係合し接着剤により固定されている、ＮＤＩＲガスセンサ。

【請求項2】

光源と受光素子及び光源と受光素子の駆動回路を搭載した基板と、ミラー付きのセルと、中間基板とを備える、ＮＤＩＲガスセンサであって、
前記ミラーは回転楕円体の一部を構成する形状で平面視で楕円形であり、
光源と受光素子は、前記基板上の、前記回転楕円体の２つの焦点位置に配置され、
セルは、平面視で楕円形状の樹脂製のパイプと前記ミラーとを備え、
前記ミラーは金属製で、その外周端部が前記パイプに樹脂で固定され、
前記セルと前記中間基板は一体であるか互いに結合され、
前記中間基板は、前記基板の光源と受光素子を搭載した面に平行で、かつ光源と受光素子を収容するように、基板に固定され、
中間基板は光源の上部と受光素子の上部に開口を備え、光源の上部の開口もしくは受光素子の上部に、バンドパスフィルタが設けられ、
前記中間基板と前記基板の一方に第２の係合部材が、他方に第２の係合孔が設けられ、第２の係合部材は第２の係合孔に係合し接着剤により固定されている、ＮＤＩＲガスセンサ。

【請求項3】

請求項１または２のＮＤＩＲガスセンサの製造方法であって、
金属製のミラーを固定型に位置決めするようにセットし、可動型を固定型に接近させ、樹脂を固定型と可動型の隙間に射出することにより、前記ミラー付きのセルをインサート成型する工程を含むことを特徴とする、ＮＤＩＲガスセンサの製造方法。

【請求項4】

請求項１または２のＮＤＩＲガスセンサの製造方法であって、
前記セルの上端部に、平面視で楕円形状のフランジ面と、フランジ面の外周を取り囲む側壁とを設け、
セルの成型後に金属製のミラーをフランジ面に載置し、前記ミラーのフランジ面の反対側の面を樹脂によりセルに固定することを特徴とする、ＮＤＩＲガスセンサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明はＮＤＩＲガスセンサとその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＮＤＩＲガスセンサは、光源と、受光素子と、光源からの光を反射し受光素子へ導くミラー付きのセルとを備えている。ミラーを回転楕円体の一部を構成する形状とし、回転楕円体の２焦点に光源と受光素子とを配置すると、光源の光はミラーで反射し、受光素子へ導かれる（特許文献１：特表平５－５０３３５２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表平５－５０３３５２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

セルを全金属製とすると、金型のコストが嵩む。またセルを樹脂製とし、内面にＡｌ等の反射膜を蒸着等で形成すると、樹脂と金属の熱膨張率の違いにより、反射膜の耐久性に問題が生じる。

【0005】

この発明の課題は、製造が容易で、かつ基板とミラーとの位置合わせが容易なＮＤＩＲガスセンサと、その製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明の第１の態様でのＮＤＩＲガスセンサは、光源と受光素子及び光源と受光素子の駆動回路を搭載した基板と、前記基板に固定したミラー付きのセルとを備える、ＮＤＩＲガスセンサであって、
前記ミラーは回転楕円体の一部を構成する形状で平面視で楕円形であり、
光源と受光素子は、前記基板上の、前記回転楕円体の２つの焦点位置に配置され、
光源と受光素子の一方に対し、バンドパスフィルタが設けられ、
セルは、平面視で楕円形状の樹脂製のパイプと前記ミラーとを備え、
前記ミラーは金属製で、その外周端部が前記パイプに樹脂により固定され、
かつ前記セルと前記基板の一方に係合部材が、他方に係合孔が設けられ、係合部材は係合孔に係合し接着剤により固定されている。

【0007】

この発明の第２の態様でのＮＤＩＲガスセンサは、光源と受光素子及び光源と受光素子の駆動回路を搭載した基板と、ミラー付きのセルと、中間基板とを備える、ＮＤＩＲガスセンサであって、
前記ミラーは回転楕円体の一部を構成する形状で平面視で楕円形であり、
光源と受光素子は、前記基板上の、前記回転楕円体の２つの焦点位置に配置され、
セルは、平面視で楕円形状の樹脂製のパイプと前記ミラーとを備え、
前記ミラーは金属製で、その外周端部が前記パイプに樹脂により固定され、
前記セルと前記中間基板は一体であるか互いに結合され、
前記中間基板は、前記基板の光源と受光素子を搭載した面に平行で、かつ光源と受光素子を収容するように、基板に固定され、
中間基板は光源の上部と受光素子の上部に開口を備え、光源の上部の開口もしくは受光素子の上部に、バンドパスフィルタが設けられ、
前記中間基板と前記基板の一方に第２の係合部材が、他方に第２の係合孔が設けられ、第２の係合部材は第２の係合孔に係合し接着剤により固定されている。

【0008】

この発明では、光源と受光素子をミラーの２つの焦点に配置するので、受光素子へ入射する光量が多い。また樹脂製のパイプにより、光路長を容易に長くできる。光源と受光素子を基板の中央部に配置できるので、ガスセンサに熱変形などが生じても、受光素子への入射光量の変化が少ない。金属製のミラーは、端部が樹脂製のパイプに埋め込まれているので、ミラーをパイプに正確に取り付けることができ、またミラーと樹脂製のパイプを一体に成型できる。Ａｌの反射膜などをセルに設けるのではなく、金属製のミラーを固定するので、熱応力で反射膜が損傷するなどの問題が無い。セルを係合部材で基板あるいは中間基板に固定するので、基板に対するセルの位置精度が高く、セルに対するミラーの位置精度が高いことと併せると、光源と受光素子をミラーの両焦点に正確に配置できる。

【0009】

この発明のＮＤＩＲガスセンサの製造方法では、金属製のミラーを固定型に位置決めするようにセットし、可動型を固定型に接近させ、樹脂を固定型と可動型の隙間に射出することにより、前記ミラー付きのセルをインサート成型する。ＮＤＩＲガスセンサの製造では、これ以外に基板に光源と受光素子と駆動回路を取り付け、かつ基板とセルを係合部材と係合孔及び接着剤により互いに固定する。基板とセルを固定する代わりに、基板と中間基板を係合部材と係合孔及び接着剤により互いに固定しても良い。中間基板とセルを一体に成型しても、これらを係合部材と係合孔及び接着剤により互いに固定しても良い。

【0010】

この発明のＮＤＩＲガスセンサの第２の製造方法では、セルの上端部に、平面視で楕円形状のフランジ面と、フランジ面の外周を取り囲む側壁とが設けられ、セルの成型後に金属製のミラーをフランジ面に載置し、前記ミラーのフランジ面の反対側の面を樹脂によりセルに固定する。

【0011】

この製造方法では、特に限定するものではないが、ミラーによる制約がないので、中間基板をセルと一体に成型することができる。樹脂は熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂などを用いる。

【0012】

この発明では、金属製のミラーを樹脂のパイプに位置決めしたセルを、容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施例のＮＤＩＲガスセンサの断面図

【図2】実施例のＮＤＩＲガスセンサの平面図

【図3】変形例のＮＤＩＲガスセンサの断面図

【図4】実施例での、セルのインサート成型を模式的に示す図

【図5】第２の実施例のＮＤＩＲガスセンサの断面図で、ミラーを取り付ける前の状態を示す

【図6】第２の実施例のＮＤＩＲガスセンサの断面図

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

【実施例0015】

図１～図６に実施例とその変形を示す。図１，図２は実施例のＮＤＩＲガスセンサ２を示し、ガスセンサ２は基板４とセル６を備えている。セル６は、樹脂製で平面視で楕円形のパイプ６と、パイプ６の頂部にインサート成型により固定された金属ミラー８とを備え、金属ミラー８は回転楕円体の一部の形状をし、平面視で楕円形である。金属ミラー８の外周端部９が、樹脂製パイプ内に埋設され、金属ミラー８をパイプ６に固定している。

【0016】

基板４上に光源１０と受光素子１２とが設けられ、これらは回転楕円体の一部を構成する金属ミラー８の２つの焦点に配置され、光源１０からの光がミラー８で反射されると，受光素子１２に入射する。光源１０はＭＥＭＳヒータ、赤外線ＬＥＤ、赤外線ランプなどで、受光素子１２はサーモパイル、熱電素子、フォトダイオードなどである。

【0017】

実施例では、樹脂製の中間基板１４を設け、光源１０の光に対するバンドパスフィルタ１６を中間基板１４に固定し、例えばＣＯ２、メタン、冷媒等の検出波長の光を透過する。バンドパスフィルタ１６は、光源１０側ではなく、受光素子１２側に設けても良い。またバンドパスフィルタと受光素子のペアを２組設け、一方のバンドパスフィルタの透過波長を検出波長から外し、光源１０の光量強度を監視しても良い。

【0018】

図３に示すように、中間基板１４を設けず、例えばパイプ状のホルダ２４にバンドパスフィルタ１６を取り付け、ホルダ２４内に光源１０あるいは受光素子１２を配置しても良い。

【0019】

図１，図２に戻り、駆動回路１７は、光源１０の駆動回路、受光素子１２からの信号処理回路、ＣＯ_２などのガス濃度を求めるためのプロセッサ、及びメモリなどから成る。駆動回路１７は、基板４の端部の図示しない端子、あるいは基板４の底面に設けた端子などを介し、図示しない外部回路と接続する。実施例では、ＮＤＩＲガスセンサ２はＣＯ_２濃度などのガス濃度を出力し、電源及びガス濃度の表示回路、関連する装置との通信インターフェースなどは外部回路側に設ける。電源と表示回路と通信インターフェースなどをＮＤＩＲガスセンサ２内に設けても良い。

【0020】

中間基板１４は例えばピン１８で基板４に固定し、例えばピン１８を接着剤と共に基板４の位置決め用の係合孔にセットする。同様に、セル６に設けた係合孔に爪２０を接着剤により固定し、基板４とセル６を固定する。爪２０の代わりに、基板４の上面あるいはパイプ７の底面に立てた図示しないピンを、接着剤により反対側の部材の係合孔に固定することにより、基板４とセル６を固定しても良い。またピン１８を基板４から立てて、中間基板１４の係合孔に係合し、接着剤で固定しても良い。さらにピン１８の代わりに、図示しない爪を基板４と中間基板１４の一方に設け、他方に設けた係合孔に係合し、接着剤で固定しても良い。

【0021】

図４はセル６のインサート成型を模式的に示し、３０は固定型で、適宜の手段により金属ミラー８を位置決めするようにセットし，可動型３２を下降させ、樹脂注入孔３４から樹脂を注入する。固定型３０に予め位置決めした金属ミラー８を樹脂に固定するように、セル６を射出成型することを、ミラー８を備えたセル６をインサート成型するという。

【0022】

ＮＤＩＲガスセンサ２の、サイズ例を示す。基板４は各辺が２０～３０mmの長方形ないしは正方形状で、セル６の全高（基板４からミラー８の外部頂面までの高さ）は例えば１５～２５mmである。回転楕円体の長軸方向でのセル６の長さは、駆動回路１７の配置を妨げない範囲で長いことが好ましい。

【0023】

実施例には以下の特徴がある。
1) 光源１０と受光素子１２をミラー８の両焦点に配置する。光源１０の光がミラー8で反射されると受光素子１２に入射するので、受光素子１２に入射する光量が大きい。
2) パイプ６を長くする（基板４からの高さを大きくする）ことにより、光源１０から受光素子１２への光路長を大きくできる。実施例では３０mm以上５０mm以下にできる。
3) 光源１０と受光素子１２間の距離は、これらをセルの両端に配置する場合に比べ小さい。また光源１０と受光素子１２は基板４の中央部にある。これらのため、パイプ７と基板４の熱膨張率の差などにより基板４がたわんでも、光源１０からミラー８を介して受光素子１２へ入射する光量の変化は比較的小さい。即ち、ＮＤＩＲガスセンサ２の変形による検出誤差が小さい。
4) 金属ミラー８を樹脂製のパイプ７にインサート成型する。従ってセル６でのミラー８の位置精度は高く、セル６の製造が容易である。さらに、Ａｌ蒸着膜を樹脂製セルの頂部に設ける場合とは異なり、熱応力等によるミラーの破損が無い。
5) セル６を爪２０により基板４あるいは中間基板１４に固定するので、基板４に対するセル６の位置精度が高く、組み立ても容易である。なお中間基板１４を用いる場合、セル６を中間基板１４に固定した後に中間基板１４を基板４に固定しても良く、逆に、中間基板１４を基板４に固定した後にセル６を中間基板１４に固定しても良い。

【0024】

第２の実施例
図５，図６に第２の実施例を示す。なお図１～図４と同じ符号は同じものを示し、特に指摘する点以外は図１，図２の実施例と同様である。４２は新たなＮＤＩＲガスセンサで、セル４６はパイプ４７と中間基板５４とから成る。パイプ４７と中間基板５４は例えば一体に成型するが、別体に成型し、ピンと接着剤などにより互いに固定しても良い。セル４６の上端には、平面視で楕円形状のフランジ面４８とフランジ面４８を取り囲む側壁４９とが有る。フランジ面４８は、金属製のミラー６８の外周端部７０の底面を成すスフランジ面７１とフィットする形状である。

【0025】

パイプ４７と中間基板５４とから成る樹脂製のセル４６を一体に成型した状態を、図５に示す。中間基板５４のピン１８をピン孔１９に挿入し、接着剤で固定する。この実施例では、光源１０を開口５５の下部に、受光素子１２を開口５６の下部に配置する。特に限定するものではないが、バンドパスフィルタ１６を開口５６を覆うように固定する。セル４６を基板４に固定する前後に、金属製のミラー６８をフランジ面４８に載置し、ミラー６８の外周端部７０の位置を側壁４９で規制する。そして外周端部７０の上部に熱硬化性あるいは紫外線硬化性の樹脂７２を滴下し、熱あるいは紫外線により樹脂７２を硬化させ、ミラー６８をセル４６に固定する。

【0026】

この実施例では、インサート形成をしないためミラー６８による制約がないので、パイプ４７と中間基板５４を一体に成型できる。またミラー６８はフランジ面４８と側壁４９で高さ方向と水平方向とに位置決めし、樹脂７２で固定する。

【符号の説明】

【0027】

２，２２ ＮＤＩＲガスセンサ
４ 基板
６ セル
７ パイプ
８ 金属ミラー
９ 外周端部
１０ 光源
１２ 受光素子
１４ 中間基板
１６ バンドパスフィルタ
１７ 駆動回路
１８ ピン
１９ ピン孔
２０ 爪
２４ ホルダ
３０ 固定型
３２ 可動型
３４ 樹脂注入孔
４２ ＮＤＩＲガスセンサ
４６ セル
４７ パイプ
４８，７１ フランジ面
４９ 側壁
５４ 中間基板
５５，５６ 開口
６８ ミラー
７０ 外周端部
７２ 樹脂

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】