特許 7571054 赤外線検出器及びガス分析計

(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】

(24)【登録日】2024-10-11

(45)【発行日】2024-10-22

(54)【発明の名称】赤外線検出器及びガス分析計

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/04 20060101AFI20241015BHJP

   G01N 21/3504 20140101ALI20241015BHJP

【ＦＩ】

G01J1/04 B

G01J1/04 K

G01N21/3504

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021567132

(86)(22)【出願日】2020-12-03

(86)【国際出願番号】 JP2020045030

(87)【国際公開番号】W WO2021131574

(87)【国際公開日】2021-07-01

【審査請求日】2023-09-14

(31)【優先権主張番号】P 2019237420

(32)【優先日】2019-12-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000155023

【氏名又は名称】株式会社堀場製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】岡本 一隆

【審査官】蔵田 真彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１２８１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２７８５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２５７８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０００－５０３１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０９９７９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０００－５０９８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－８０５５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ １／００－１／６０、３／００－３／５２

Ｇ０１Ｎ ２１／２５－２１／３９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

夫々に所定の波長の赤外光を選択的に透過させる複数の光学フィルタと、
前記複数の光学フィルタに一対一で対応しており、赤外光を集光する複数の集光部と、
前記複数の光学フィルタに一対一で対応し、前記複数の集光部に一対一で対応しており、対応する光学フィルタを透過し対応する集光部で集光された赤外光を受光する複数の受光部とを備える赤外線検出器において、
前記複数の集光部の夫々は、赤外光が入射する入射口を有し、
前記複数の集光部の入射口の面積が不均一であり、
前記複数の集光部の夫々は、集光した赤外光が出射する出射口を有し、
前記複数の集光部の出射口の面積が同一であること
を特徴とする赤外線検出器。

【請求項2】

前記複数の光学フィルタは、前記複数の集光部へ入射する前の赤外光が通過する位置に配置されており、
前記複数の光学フィルタの赤外光が透過する部分の面積が不均一であること
を特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。

【請求項3】

分析対象物に含まれる複数の成分の内で、濃度の低い成分が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積が大きく、濃度の高い成分が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積が小さいこと
を特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検出器。

【請求項4】

前記複数の集光部の入射口は、マトリクス状に配置されており、
他の集光部の入射口よりも面積が大きい集光部の入射口と、他の集光部の入射口よりも面積が小さい集光部の入射口とは、対角線上に配置されていること
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の赤外線検出器。

【請求項5】

前記複数の光学フィルタの中の第１の光学フィルタは、炭化水素が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる光学フィルタであり、
前記第１の光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積は、他の集光部の入射口の面積よりも大きいこと
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の赤外線検出器。

【請求項6】

前記複数の光学フィルタの中の第２の光学フィルタは、二酸化炭素が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる光学フィルタであり、
前記第２の光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積は、他の集光部の入射口の面積よりも小さいこと
を特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の赤外線検出器。

【請求項7】

分析対象のガスに含まれる特定のガス成分の濃度を分析するためのガス分析計において、
請求項１乃至６のいずれか一つに記載の赤外線検出器と、
赤外光を発光する光源と、
前記分析対象のガスが通流されるセルとを備え、
前記セルに通流する前記分析対象のガスを前記光源からの赤外光が通過し、前記分析対象のガスを通過した赤外光が前記赤外線検出器へ入射すること
を特徴とするガス分析計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、赤外線検出器及びガス分析計に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ガスの成分分析を行うために非分散赤外線吸収法が用いられている。一般的に、複数のガス成分は、吸収する赤外光の波長が異なる。ガスを通過した赤外光を、特定のガス成分が吸収する波長の赤外光を透過させる特定の光学フィルタへ通し、特定の光学フィルタを透過した赤外光の強度を検出する。また、特定のガス成分が吸収する波長とは異なる波長の赤外光を透過させる光学フィルタへ通した参照用の赤外光の強度を検出する。特定のガス成分が存在する場合は、特定の光学フィルタを透過した赤外光の強度と、参照用の赤外光の強度とは異なる。赤外光の強度の差から、特定のガス成分の濃度が得られる。例えば、自動車の排ガスに含まれるガス成分の分析に非分散赤外線吸収法が用いられる。

【0003】

特許文献１には、複数種類のガス成分を分析するための赤外線検出器が開示されている。赤外線検出器は、複数種類のガス成分に対応する複数種類の光学フィルタと、複数種類のガス成分が吸収する波長とは異なる波長の赤外光を透過させる参照用の光学フィルタとを備える。夫々の光学フィルタを透過した赤外光は、個別に検出される。このように、赤外線検出器は、複数種類のガス成分が吸収する波長の赤外光の強度を個別に検出し、複数種類のガス成分の濃度が分析される。例えば、排ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ₂ ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）の夫々の濃度を分析するために、このような赤外線検出器が用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－２５７８８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

複数種類のガス成分を分析するための赤外線検出器を用いた場合、複数種類のガス成分の検出精度に差が生じることがある。例えば、排ガスに含まれるＣＯ₂ 、ＣＯ及びＨＣの濃度を分析する場合、ＨＣの濃度は他のガス成分に比べて低い。このため、ＨＣに対応する光学フィルタを透過した赤外光の強度と参照用の赤外光の強度との差が小さく、ＨＣの検出精度は低い。複数種類のガス成分のいずれかの検出精度が厳しい基準に達しないことになる。このように、複数種類のガス成分を分析するための赤外線検出器では、検出精度が厳しい基準を設定できない課題がある。

【0006】

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、特定のガス成分の検出精度を向上させることによって、厳しい基準の設定を可能にした赤外線検出器及びガス分析計を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る赤外線検出器は、夫々に所定の波長の赤外光を選択的に透過させる複数の光学フィルタと、前記複数の光学フィルタに一対一で対応しており、赤外光を集光する複数の集光部と、前記複数の光学フィルタに一対一で対応し、前記複数の集光部に一対一で対応しており、対応する光学フィルタを透過し対応する集光部で集光された赤外光を受光する複数の受光部とを備える赤外線検出器において、前記複数の集光部の夫々は、赤外光が入射する入射口を有し、前記複数の集光部の入射口の面積が不均一であることを特徴とする。

【0008】

本発明の一形態においては、赤外線検出器は、複数の光学フィルタと、赤外光を集光する複数の集光部と、光学フィルタを透過し集光部で集光された赤外光を受光する複数の受光部とを備える。夫々の光学フィルタは、所定の波長の赤外光を選択的に透過させる。複数の集光部の入射口の面積は、不均一である。複数種類のガス成分の中で検出精度の低い特定のガス成分が吸収する波長の赤外光を集光する集光部の入射口の面積を、他の入射口よりも大きくすることにより、当該赤外光の強度の増幅率が増大する。このため、検出時に、特定のガス成分が吸収する波長の赤外光の強度と参照用の赤外光の強度との差が増大し、特定のガス成分の検出精度が向上する。

【0009】

本発明に係る赤外線検出器は、前記複数の光学フィルタは、前記複数の集光部へ入射する前の赤外光が通過する位置に配置されており、前記複数の光学フィルタの赤外光が透過する部分の面積が不均一であることを特徴とする。

【0010】

本発明の一形態においては、複数の光学フィルタは複数の集光部の前に配置されている。集光部の入射口の面積と同様に、複数の光学フィルタの赤外光が透過する部分の面積は不均一である。光学フィルタを透過した赤外光は、光学フィルタに対応する集光部の入射口へ入射する。夫々の光学フィルタを透過した波長の異なる赤外光が、個別に集光部で集光される。

【0011】

本発明に係る赤外線検出器は、分析対象物に含まれる複数の成分の内で、濃度の低い成分が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積が大きく、濃度の高い成分が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積が小さいことを特徴とする。

【0012】

本発明の一形態においては、成分分析のために用いられる。ガス等の分析対象物に含まれる濃度の低い成分が吸収する波長の赤外光を集光する集光部の入射口の面積は大きく、濃度の高い成分が吸収する波長の赤外光を集光する集光部の入射口の面積は小さい。濃度の低い成分が吸収する波長の赤外光を集光する集光部の入射口の面積が大きいことにより、当該赤外光の強度の増幅率が増大する。このため、濃度の低い成分の検出精度が向上する。濃度の高い成分が吸収する波長の赤外光の強度の増幅率を従来よりも小さくしたとしても、この成分の検出精度は高い精度を保ちうる。濃度の高い成分が吸収する波長の赤外光を集光する集光部の入射口の面積を小さくすることにより、濃度の低い成分が吸収する波長の赤外光を集光する集光部の入射口の面積を大きくすることができる。

【0013】

本発明に係る赤外線検出器は、前記複数の集光部の入射口は、マトリクス状に配置されており、他の集光部の入射口よりも面積が大きい集光部の入射口と、他の集光部の入射口よりも面積が小さい集光部の入射口とは、対角線上に配置されていることを特徴とする。

【0014】

本発明の一形態においては、他よりも面積が大きい集光部の入射口と他よりも面積が小さい集光部の入射口とは、対角線上に配置されている。全体の大きさを変えずに一の集光部の入射口を大きくすると、他の集光部の入射口が小さくなる。二つの集光部の入射口を対角線上に配置することにより、容易に、一方の集光部の入射口の面積を大きくし、他方の集光部の入射口の面積を小さくすることができる。

【0015】

本発明に係る赤外線検出器は、前記複数の光学フィルタの中の第１の光学フィルタは、炭化水素が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる光学フィルタであり、前記第１の光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積は、他の集光部の入射口の面積よりも大きいことを特徴とする。

【0016】

本発明の一形態においては、複数の光学フィルタの中の第１の光学フィルタは、炭化水素が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる。第１の光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積は、他の集光部の入射口の面積よりも大きい。ガスに含まれる炭化水素の濃度は低く、従来、炭化水素の検出精度は低かった。炭化水素が吸収する波長の赤外光を集光する集光部の入射口の面積が他の入射口よりも大きいことにより、当該赤外光の強度の増幅率が増大する。このため、検出時に、炭化水素が吸収する波長の赤外光の強度と参照用の赤外光の強度との差が増大し、炭化水素の検出精度が向上する。

【0017】

本発明に係る赤外線検出器は、前記複数の光学フィルタの中の第２の光学フィルタは、二酸化炭素が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる光学フィルタであり、前記第２の光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積は、他の集光部の入射口の面積よりも小さいことを特徴とする。

【0018】

本発明の一形態においては、複数の光学フィルタの中の第２の光学フィルタは、二酸化炭素が吸収する波長の赤外光を選択的に透過させる。第２の光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積は、他の集光部の入射口の面積よりも小さい。ガスに含まれる二酸化炭素の濃度は高いので、二酸化炭素の検出精度は高い。このため、二酸化炭素が吸収する波長の赤外光の強度の増幅率を従来よりも小さくしたとしても、二酸化炭素の検出精度は高い精度を保ちうる。第２の光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積を小さくすることにより、他の光学フィルタに対応する集光部の入射口の面積を大きくして、他のガス成分が吸収する波長の赤外光の強度の増幅率を向上させることが可能となる。

【0019】

本発明に係る赤外線検出器は、前記複数の集光部の夫々は、集光した赤外光が出射する出射口を有し、前記複数の集光部の出射口の面積が同一であることを特徴とする。

【0020】

本発明の一形態においては、複数の集光部が集光した赤外光が出射する出射口の面積は、同一である。出射口の面積が同一であるので、複数の集光部の入射口の面積を不均一にすることによって夫々の受光部で受光する赤外光の強度の増幅率を調整することができる。

【0021】

本発明に係るガス分析計は、分析対象のガスに含まれる特定のガス成分の濃度を分析するためのガス分析計において、本発明に係る赤外線検出器と、赤外光を発光する光源と、前記分析対象のガスが通流されるセルとを備え、前記セルに通流する前記分析対象のガスを前記光源からの赤外光が通過し、前記分析対象のガスを通過した赤外光が前記赤外線検出器へ入射することを特徴とする。

【0022】

本発明の一形態においては、本発明に係る赤外線検出器を用いたガス分析計では、濃度の低いガス成分の検出精度が向上する。このため、濃度の低いガス成分についても検出精度の基準を厳しい基準に設定することができる。

【発明の効果】

【0023】

本発明にあっては、複数種類のガス成分の中で検出精度の低い特定のガス成分の検出精度が向上し、厳しい基準が設定できる。従って、赤外線検出器を用いたガス分析計の性能が向上する等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】実施形態１に係る赤外線検出器を模式的に示す斜視図である。

【図2】実施形態１に係る赤外線検出器の内部構成を模式的に示す断面図である。

【図3】実施形態１に係る赤外線検出器の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。

【図4】実施形態１に係る集光ブロックの模式的平面図である。

【図5】実施形態１に係る集光ブロックの模式的断面図である。

【図6】赤外線検出器を用いたガス分析計の一例を示す模式図である。

【図7】ガス分析計を用いたガス分析装置の構成を示すブロック図である。

【図8】実施形態２に係る赤外線検出器１を模式的に示す斜視図である。

【図9】実施形態２に係る赤外線検出器１の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。

【図10】実施形態２に係る集光ブロック４の模式的平面図である。

【図11】実施形態２に係る集光ブロック４の模式的断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係る赤外線検出器１を模式的に示す斜視図である。赤外線検出器１は、焦電素子を用いて赤外光を検出する検出器であり、複数種類のガス成分が吸収する波長の赤外光を検出する。本実施形態では、赤外線と赤外光とを同じ意味で用いている。赤外線検出器１は、複数種類のガス成分の濃度を分析するために用いられる。本実施形態では、主に、ＣＯ₂ 、ＣＯ及びＨＣの夫々が吸収する波長の赤外光と、何れのガス成分とも無関係な参照用の赤外光とを検出する赤外線検出器１を示す。

【0026】

図２は、実施形態１に係る赤外線検出器１の内部構成を模式的に示す断面図である。図２に示す断面は、図１中のＩＩ－ＩＩ線で赤外線検出器１を切断した断面である。図３は、実施形態１に係る赤外線検出器１の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。赤外線検出器１は、筒状のパッケージ２１と、赤外線透過窓２２と、板状のステム２４とを備えている。パッケージ２１は、赤外光を透過させない材料で形成されており、両端が開口している。赤外線透過窓２２は、赤外光を透過させる材料で形成されており、パッケージ２１の一端の開口を閉塞している。ステム２４にはパッケージ２１が被さっており、パッケージ２１の他端はステム２４に接合している。例えば、パッケージ２１の他端はステム２４に溶接されている。パッケージ２１の他端がステム２４に接合していることにより、パッケージ２１の他端は閉塞され、パッケージ２１の内側は密閉されている。

【0027】

更に、パッケージ２１の内側には、フィルタ部３と、集光ブロック４と、焦電素子５と、回路基板２３とが配置されている。フィルタ部３は、所定の波長の赤外光を透過させる波長選択性を有する複数の光学フィルタ３１、３２、３３及び３４の組み合わせでなる。集光ブロック４は、光学フィルタ３１、３２、３３及び３４を透過した赤外光を集光する複数の集光部４１、４２、４３及び４４の組み合わせでなる。焦電素子５は、平板状であり、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の焦電材料で形成されている。焦電素子５の表面には、集光部４１、４２、４３及び４４で集光された赤外光を受光する受光部５１、５２、５３及び５４が設けられている。受光部５１、５２、５３及び５４は電極で構成されている。

【0028】

焦電素子５は、回路基板２３に固定されている。回路基板２３には、受光部５１、５２、５３及び５４に接続する回路が設けられている。回路基板２３は、ステム２４に支持されている。ステム２４には、複数のリード端子２４１が貫装されている。リード端子２４１は、回路基板２３の回路に接続されている。リード端子２４１を介して、赤外線検出器１の外部との間で信号の入出力が行われる。

【0029】

フィルタ部３を構成する光学フィルタ３１、３２、３３及び３４は、互いに異なる波長の赤外光を透過させる。例えば、光学フィルタ３１、３２、３３及び３４は、バンドパスフィルタであり、多層膜干渉フィルタである。本実施形態では、光学フィルタ３１は、ＨＣが吸収する波長の赤外光を透過させる。光学フィルタ３１は、第１の光学フィルタに対応する。光学フィルタ３２は、ＣＯ₂ が吸収する波長の赤外光を透過させる。光学フィルタ３２は、第２の光学フィルタに対応する。光学フィルタ３３は、ＣＯが吸収する波長の赤外光を透過させる。光学フィルタ３４は、光学フィルタ３１、３２及び３３の何れとも異なる波長の赤外光を透過させる。光学フィルタ３４が透過させる赤外光は参照用の赤外光である。光学フィルタ３１、３２、３３及び３４が透過させる赤外光の波長は、一部が重なっていてもよい。

【0030】

光学フィルタ３１、３２、３３及び３４は、いずれも矩形平板状の形状を有する。光学フィルタ３１、３２、３３及び３４の面積は、不均一になっている。光学フィルタ３１、３２、３３及び３４の中で、光学フィルタ３１は、辺の長さが最大であり、他の光学フィルタよりも面積が大きい。光学フィルタ３２は、辺の長さが最小であり、他の光学フィルタよりも面積が小さい。光学フィルタ３３及び３４の面積は同一であってもよい。

【0031】

集光ブロック４は、集光部４１、４２、４３及び４４の組み合わせでなり、直方体状の形状を有する。集光部４１は、光学フィルタ３１を透過した赤外光を集光し、集光部４２は、光学フィルタ３２を透過した赤外光を集光し、集光部４３は、光学フィルタ３３を透過した赤外光を集光し、集光部４４は、光学フィルタ３４を透過した赤外光を集光する。受光部５１は、集光部４１で集光された赤外光を受光し、受光部５２は、集光部４２で集光された赤外光を受光し、受光部５３は、集光部４３で集光された赤外光を受光し、受光部５４は、集光部４４で集光された赤外光を受光する。光学フィルタ３１、集光部４１及び受光部５１が互いに対応し、光学フィルタ３２、集光部４２及び受光部５２が互いに対応し、光学フィルタ３３、集光部４３及び受光部５３が互いに対応し、光学フィルタ３４、集光部４４及び受光部５４が互いに対応する。

【0032】

図４は、実施形態１に係る集光ブロック４の模式的平面図である。図５は、実施形態１に係る集光ブロック４の模式的断面図である。図５に示す断面は、図４中のＶ－Ｖ線で集光ブロック４を切断した断面である。集光部４１、４２、４３及び４４は、平面視でマトリクス状に配置され、一体に形成されている。集光部４１、４２、４３及び４４は、夫々に、直方体状のブロックに貫通孔が形成された形状をなしている。貫通孔の一端は、赤外光が入射する入射口であり、貫通孔の他端は、赤外光が出射する出射口である。入射口及び出射口の形状は矩形状である。貫通孔の内面は、赤外光を反射する反射面になっている。集光部４１は、入射口４１１、出射口４１２及び反射面４１３を有し、集光部４２は、入射口４２１、出射口４２２及び反射面４２３を有し、集光部４３は、入射口４３１、出射口４３２及び反射面４３３を有し、集光部４４は、入射口４４１、出射口４４２及び反射面４４３を有する。

【0033】

入射口４１１、４２１、４３１及び４４１は、赤外線透過窓２２に対向している。赤外線透過窓２２と入射口４１１、４２１、４３１及び４４１との間に、光学フィルタ３１、３２、３３及び３４が配置されている。光学フィルタ３１は入射口４１１を塞ぐ位置に配置され、光学フィルタ３２は入射口４２１を塞ぐ位置に配置され、光学フィルタ３３は入射口４３１を塞ぐ位置に配置され、光学フィルタ３４は入射口４４１を塞ぐ位置に配置されている。

【0034】

出射口４１２、４２２、４３２及び４４２は、焦電素子５の表面に対向している。受光部５１は出射口４１２に対向する位置に配置され、受光部５２は出射口４２２に対向する位置に配置され、受光部５３は出射口４３２に対向する位置に配置され、受光部５４は出射口４４２に対向する位置に配置されている。受光部が、対応する集光部の出射口に対向していることにより、他の集光部で集光された赤外光が受光部で受光されるクロストークが発生し難い。図４には、光学フィルタ３１、３２、３３及び３４の位置と、受光部５１、５２、５３及び５４の位置とを破線で示している。

【0035】

出射口４１２、４２２、４３２及び４４２の面積は、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の面積よりも小さい。出射口４１２、４２２、４３２及び４４２の面積は、実質的に同一である。反射面４１３、４２３、４３３及び４４３は、集光部４１、４２、４３及び４４の貫通孔の内面を、赤外光の反射率が良好な材料で被覆して構成されている。例えば、集光ブロック４は樹脂で構成されており、反射面４１３、４２３、４３３及び４４３は、貫通孔の内面を金等の金属で被覆して構成されている。集光部４１、４２、４３及び４４の貫通孔の径は、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１から出射口４１２、４２２、４３２及び４４２へ向けて連続的に縮小している。このため、反射面４１３、４２３、４３３及び４４３は、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１から出射口４１２、４２２、４３２及び４４２へ向けて先細りになった漏斗状の曲面をなす。反射面４１３、４２３、４３３及び４４３は、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１が含まれる面に対して傾斜している。なお、集光ブロック４は、アルミニウム等の金属で構成されていてもよい。反射面４１３、４２３、４３３及び４４３は、金属を鏡面に仕上げて構成されていてもよく、赤外光の反射率が良好な金等の他の金属で被覆して構成されていてもよい。

【0036】

入射口４１１、４２１、４３１及び４４１へ入射した赤外光は、反射面４１３、４２３、４３３及び４４３で反射し、出射口４１２、４２２、４３２及び４４２へ集まる。入射口４１１、４２１、４３１及び４４１よりも面積が小さい出射口４１２、４２２、４３２及び４４２へ赤外光が集まることで、赤外光が集光される。集光された赤外光は、出射口４１２、４２２、４３２及び４４２から出射する。

【0037】

図４に示すように、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１は、平面視でマトリクス状に配置されている。入射口４１１と、入射口４２１とは、対角線上に配置されている。入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の面積は、不均一になっている。入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の中で、入射口４１１は、辺の長さが最大であり、他の入射口よりも面積が大きい。入射口４２１は、辺の長さが最小であり、他の入射口よりも面積が小さい。入射口４１１と入射口４２１とが対角線上に配置されている状態では、集光ブロック４の大きさを変えずに入射口４１１の辺の長さを大きくすると、入射口４２１の辺の長さが小さくなる。このため、入射口４１１と入射口４２１とが対角線上に配置されていることにより、容易に入射口４１１の面積を大きくし、入射口４２１の面積を小さくすることができる。入射口４３１及び４４１の面積は、入射口４１１の面積より小さく、入射口４２１の面積より大きい。入射口４３１及び４４１の面積は同一であってもよい。

【0038】

光学フィルタは、対応する集光部の入射口を塞ぐことができる面積を有する。即ち、光学フィルタの赤外光が透過する部分の面積は、対応する集光部の入射口の面積に応じた大きさとなっている。このため、光学フィルタ３１、３２、３３及び３４の赤外光が透過する部分の面積は不均一になっている。夫々の光学フィルタを透過した波長の異なる赤外光が、個別に集光部で集光される。

【0039】

入射口４２１、４３１及び４４１の面積が入射口４１１の面積に対して小さすぎる場合は、反射面４２３、４３３及び４４３の一部の傾きが、入射口４２１、４３１及び４４１の面に対して９０度を超えることがある。反射面４２３、４３３及び４４３の傾きが９０度を超える場合は、集光ブロック４の製造が困難になる。このため、入射口４１１の面積に対する入射口４２１、４３１及び４４１の面積は、反射面４２３、４３３及び４４３の傾きが入射口４２１、４３１及び４４１の面に対して９０度以下になるような面積であることが望ましい。

【0040】

赤外光は、集光部４１、４２、４３及び４４で集光されることによって、光量が増大し、検出される強度が増幅される。入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の面積が不均一であり、出射口４１２、４２２、４３２及び４４２の面積が同一であるので、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の面積に応じて赤外光の強度の増幅率が異なる。即ち、受光部５１、５２、５３及び５４が受光する赤外光の強度の増幅率は、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の面積に応じて異なる。

【0041】

赤外線検出器１の外部からの赤外光は、赤外線透過窓２２を透過し、光学フィルタ３１、３２、３３及び３４のいずれかを透過する。光学フィルタ３１を透過した赤外光は、入射口４１１へ入射し、集光され、出射口４１２から出射し、受光部５１で受光される。光学フィルタ３２を透過した赤外光は、入射口４２１へ入射し、集光され、出射口４２２から出射し、受光部５２で受光される。光学フィルタ３３を透過した赤外光は、入射口４３１へ入射し、集光され、出射口４３２から出射し、受光部５３で受光される。光学フィルタ３４を透過した赤外光は、入射口４４１へ入射し、集光され、出射口４４２から出射し、受光部５４で受光される。互いに対応しない光学フィルタと受光部との間の光路は、集光ブロック４に遮られており、受光部に対応しない光学フィルタを透過した赤外光が受光部で受光されるクロストークは発生し難い。受光部５１、５２、５３及び５４の夫々で受光された赤外光の強度に応じた信号が赤外線検出器１から出力される。

【0042】

光学フィルタ３１はＨＣが吸収する波長の赤外光を透過させ、光学フィルタ３２はＣＯ₂ が吸収する波長の赤外光を透過させ、光学フィルタ３３はＣＯが吸収する波長の赤外光を透過させ、光学フィルタ３４は参照用の赤外光を透過させる。このため、受光部５１はＨＣが吸収する波長の赤外光を受光し、受光部５２はＣＯ₂ が吸収する波長の赤外光を受光し、受光部５３はＣＯが吸収する波長の赤外光を受光し、受光部５４は参照用の赤外光を受光する。入射口４１１の面積が最大であり、入射口４２１の面積が最小であるので、受光部５１が受光する赤外光の強度の増幅率が最大となり、受光部５２が受光する赤外光の強度の増幅率が最小となる。従って、ＨＣが吸収する波長の赤外光の強度の増幅率が最大となり、ＣＯ₂ が吸収する波長の赤外光の強度の増幅率が最小となる。

【0043】

赤外線検出器１は、排ガス等のガスに含まれるＣＯ₂ 、ＣＯ及びＨＣの濃度を分析するために用いられる。図６は、赤外線検出器１を用いたガス分析計６の一例を示す模式図である。ガス分析計６は、赤外光の光源６１と、内部に分析対象のガスが通流するセル６２と、赤外線検出器１とを備える。分析対象のガスは、例えば、自動車の排ガスである。セル６２に通流するガスの流れを破線矢印で示す。セル６２の内部にガスが通流している状態で、光源６１からの赤外光をセル６２へ入射する。赤外光は、セル６２内のガスを通過して、赤外線検出器１へ入射する。赤外光を実線矢印で示す。ガスに含まれるＣＯ₂ 、ＣＯ及びＨＣが赤外光を吸収し、その後、赤外線検出器１が赤外光を検出する。赤外線検出器１は、ＣＯ₂ 、ＣＯ及びＨＣの夫々が吸収する波長の赤外光の強度と、参照用の赤外光の強度とに応じた信号を出力する。

【0044】

図７は、ガス分析計６を用いたガス分析装置６４の構成を示すブロック図である。ガス分析装置６４は、光源６１、セル６２及び赤外線検出器１を含んだガス分析計６と、濃度算出部６３とを備えている。濃度算出部６３は、分析対象のガスに含まれるガス成分の濃度を計算する。例えば、濃度算出部６３は、プロセッサ及びメモリを用いて構成されている。濃度算出部６３は、赤外線検出器１に接続されており、赤外線検出器１が出力した信号を受け付ける。濃度算出部６３が受け付けた信号は、赤外線検出器１が検出した赤外線の強度に応じた値となる。分析対象のガスに含まれるＣＯ₂ 、ＣＯ及びＨＣの濃度に応じて、赤外線検出器１が検出する赤外光の強度は変化する。濃度算出部６３は、検出された、ＣＯ₂ 、ＣＯ及びＨＣの夫々が吸収する波長の赤外光の強度と、検出された参照用の赤外光の強度との比較に応じて、ガスに含まれるＣＯ₂ 、ＣＯ及びＨＣの濃度を計算する。

【0045】

一般的に、排ガス等の分析対象のガスに含まれるＨＣの濃度は、他のガス成分に比べて低い。このため、従来、ガス中のＨＣによる赤外光の吸収量が小さく、ＨＣが吸収する波長の赤外光の強度と参照用の赤外光の強度との差が小さくなり、ＨＣの検出精度は低かった。本実施形態では、ＨＣが吸収する波長の赤外光の強度の増幅率は、参照用の赤外光の強度の増幅率よりも大きい。このため、ＨＣが存在する場合、ＨＣが吸収する波長の赤外光の強度と参照用の赤外光の強度との差が増大し、ＨＣの検出精度が向上する。ＨＣの検出精度が向上することにより、ＨＣの検出精度の基準を厳しい基準に設定することが可能となる。このように、濃度の低いガス成分の検出精度が向上し、濃度の低いガス成分についても検出精度の基準を厳しい基準に設定することができる。

【0046】

他方、分析対象のガスに含まれるＣＯ₂ の濃度は、他のガス成分に比べて高い。このため、ＣＯ₂ の検出精度は高い。入射口４１１の面積を他の入射口よりも大きくすることに伴って、他の入射口の面積を小さくする必要がある。ＣＯ₂ の検出精度は元々高いので、ＣＯ₂ が吸収する波長の赤外光の強度の増幅率を従来よりも小さくしたとしても、ＣＯ₂ の検出精度は基準よりも高い精度を保ちうる。入射口４２１の面積を小さくし、ＣＯ₂ が吸収する波長の赤外光の強度の増幅率を減少させることにより、入射口４１１の面積を大きくしてＨＣが吸収する波長の赤外光の強度の増幅率を向上させることが可能となる。このように、濃度の高いガス成分の検出精度をある程度保ちながら、濃度の低いガス成分の検出精度が向上する。

【0047】

本実施形態では、出射口４１２、４２２、４３２及び４４２の面積が同一であるので、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の面積を不均一にすることによって受光部５１、５２、５３及び５４が受光する赤外光の強度の増幅率を調整することができる。また、出射口４１２、４２２、４３２及び４４２の面積が同一であるので、受光部５１、５２、５３及び５４の面積を均一にすることができる。焦電素子５は圧電性を有するので、振動又は衝撃が加わった場合に信号が発生し、ノイズの原因となる。受光部５１、５２、５３及び５４の面積が均一になることによって、振動又は衝撃によるノイズが均一となり、容易にノイズの影響を小さくすることができる。

【0048】

＜実施形態２＞
実施形態１では、赤外線検出器１の外形が平面視で矩形状である形態を示したが、実施形態２では、赤外線検出器１の外形が平面視で円形である形態を示す。図８は、実施形態２に係る赤外線検出器１を模式的に示す斜視図である。赤外線検出器１の形状は、円柱状であり、平面視で円形である。図９は、実施形態２に係る赤外線検出器１の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。パッケージ２１の形状は、円筒状であり、平面視で円形である。赤外線透過窓２２の形状は、平面視で円形である。フィルタ部３は、光学フィルタ３１、３２、３３及び３４からなり、フィルタ部３の全体の形状は、平面視で円形である。光学フィルタ３１、３２、３３及び３４の夫々は、扇形の形状を有する。光学フィルタ３１、３２、３３及び３４の面積の大小関係は実施形態１と同様である。

【0049】

集光ブロック４は、集光部４１、４２、４３及び４４の組み合わせでなり、円柱状の形状を有する。集光ブロック４の全体の形状は、平面視で円形である。焦電素子５は、円板状である。受光部５１、５２、５３及び５４の形状は、矩形状である。回路基板２３は、円板状である。ステム２４の形状は、平面視で円形である。焦電素子５又は回路基板２３の形状は、平面視で、八角形等、四角形よりも角数の多い多角形であってもよい。パッケージ２１、赤外線透過窓２２、フィルタ部３、集光ブロック４、焦電素子５、回路基板２３及びステム２４を組み合わせて、赤外線検出器１が構成されている。赤外線検出器１の各部分は、形状以外は実施形態１と同様である。

【0050】

図１０は、実施形態２に係る集光ブロック４の模式的平面図である。図１１は、実施形態２に係る集光ブロック４の模式的断面図である。図１１に示す断面は、図１０中のＸＩ－ＸＩ線で集光ブロック４を切断した断面である。集光部４１、４２、４３及び４４は、平面視でマトリクス状に配置され、一体に形成されている。入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の形状は、いずれも扇形である。入射口の形状が扇形であることによって、開口面積が大きくなる。実施形態１と同様に、入射口４１１は他の入射口よりも面積が大きく、入射口４２１は他の入射口よりも面積が小さい。

【0051】

出射口４１２、４２２、４３２及び４４２の形状は、矩形状である。実施形態１と同様に、出射口４１２、４２２、４３２及び４４２の面積は、実質的に同一である。光学フィルタ３１、３２、３３及び３４の形状は、いずれも扇形である。光学フィルタ３１、３２、３３及び３４は、夫々に、対応する集光部の入射口を塞ぐことができる形状及び面積を有する。

【0052】

入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の形状は、三角形であってもよい。各入射口の形状が三角形である場合は、光学フィルタ３１、３２、３３及び３４の形状は、三角形であってもよい。受光部５１、５２、５３及び５４の形状は、円形であってもよい。各受光部の形状が円形である場合は、出射口４１２、４２２、４３２及び４４２の形状は、円形であってもよい。

【0053】

実施形態１と同様に、赤外線検出器１は、図６に示す如く、ガス分析計６に備えられる。一般的に、ガス分析計６が備える光源６１の形状が円筒形であり、ガス分析計６が備えるセル６２の形状も円筒形であることが多い。実施形態２では、赤外線検出器１の外形が矩形である実施形態１に比べて、円筒形のセル６２と赤外線検出器１との形状及び大きさを合わせやすい。例えば、円筒形のセル６２の内径と赤外線透過窓２２の開口部分の直径とを一致させることができる。セル６２を通過した赤外光が赤外線検出器１へ入射する面積が大きくなり、赤外線検出器１はより大きな強度の赤外光を集光して検出することができる。このため、ガス分析計６を用いたガス分析の精度が向上する。

【0054】

実施形態２においても、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の面積を不均一にすることによって、濃度の低いガス成分が吸収する波長の赤外光の強度の増幅率を大きくすることができる。また、濃度の高いガス成分が吸収する波長の赤外光の強度の増幅率を減少させることができる。このため、濃度の高いガス成分の検出精度をある程度保ちながら、濃度の低いガス成分の検出精度を向上させることができ、濃度の低いガス成分についても検出精度の基準を厳しい基準に設定することができる。

【0055】

なお、実施形態１及び２においては、光学フィルタを透過した赤外光が集光部へ入射する形態を示したが、赤外線検出器１は、集光部で集光された赤外光が光学フィルタを透過する形態であってもよい。この形態では、複数の光学フィルタの面積は均一であってもよい。実施形態１及び２においては、光学フィルタ、入射口、出射口及び受光部が矩形又は円形である形態を示したが、赤外線検出器１は、光学フィルタ、入射口、出射口又は受光部が矩形又は円形以外の形状を有している形態であってもよい。パッケージ２１、赤外線透過窓２２、集光ブロック４、焦電素子５、回路基板２３、及びステム２４も、平面視で矩形又は円形以外の形状を有していてもよい。実施形態１及び２においては、ＣＯ₂ 、ＣＯ及びＨＣの濃度を分析するための赤外線検出器１を示したが、赤外線検出器１は、その他のガス成分の濃度を分析するための形態であってもよい。

【0056】

また、実施形態１及び２においては、四種類の波長の赤外光を検出する形態を示したが、赤外線検出器１は、四種類以外の複数種類の波長の赤外光を検出する形態であってもよい。例えば、赤外線検出器１は、特定のガス成分が吸収する波長の赤外光と、参照用の赤外光との二種類の波長の赤外光を検出する形態であってもよい。例えば、入射口４１１、４２１、４３１及び４４１の内の二つを遮光することによって、集光ブロック４を利用しながら、二種類の波長の赤外光を検出する赤外線検出器１を実現することができる。実施形態１及び２においては、一つの焦電素子５に複数の受光部を設けた形態を示したが、赤外線検出器１は、夫々に受光部を設けた複数の焦電素子を備えた形態であってもよい。実施形態１及び２においては、赤外光を検出する素子として焦電素子５を用いた形態を示したが、赤外線検出器１は、赤外光を検出する素子として焦電素子５以外の素子を用いた形態であってもよい。例えば、赤外線検出器１は、サーモパイル等、熱起電力を発生させることによって赤外光を検出する素子を用いた形態であってもよい。実施形態１及び２では、分析対象物がガスである例を示したが、分析対象物はガス以外の物質であってもよい。例えば、分析対象物は液体であってもよい。

【0057】

本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0058】

１ 赤外線検出器
２１ パッケージ
２２ 赤外線透過窓
２３ 回路基板
２４ ステム
３ フィルタ部
３１、３２、３３、３４ 光学フィルタ
４ 集光ブロック
４１、４２、４３、４４ 集光部
４１１、４２１、４３１、４４１ 入射口
４１２、４２２、４３２、４４２ 出射口
４１３、４２３、４３３、４４３ 反射面
５ 焦電素子
５１、５２、５３、５４ 受光部
６ ガス分析計
６１ 光源
６２ セル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】