特許 7602934 ガス検出装置

(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】

(24)【登録日】2024-12-11

(45)【発行日】2024-12-19

(54)【発明の名称】ガス検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3504 20140101AFI20241212BHJP

【ＦＩ】

G01N21/3504

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021032049

(22)【出願日】2021-03-01

(65)【公開番号】P2021148782

(43)【公開日】2021-09-27

【審査請求日】2023-11-22

(31)【優先権主張番号】P 2020045669

(32)【優先日】2020-03-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100181272

【弁理士】

【氏名又は名称】神 紘一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180655

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 俊樹

(72)【発明者】

【氏名】一色 翔太

(72)【発明者】

【氏名】桑田 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】池田 優二

【審査官】井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／１３６４１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０２０９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４６１８７７１（ＵＳ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０５３７４２８８（ＣＮ，Ｕ）

【文献】特表２０１９－５０６６０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の主面に設けられ、発光面から光を発する発光素子と、
前記基板の主面に設けられ、受光面で前記光を受け取る受光素子と、
前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、を備え、
前記導光部材が、軸外し光学系であり、
前記導光部材が、前記発光面の一辺の方向を第一の方向とし、その面内で前記第一の方向に対して垂直である方向を第二の方向とし、第一の鏡面の回転対称軸の方向の単位ベクトルが前記第一の方向と前記第二の方向のいずれの方向にも射影成分をもつ前記第一の鏡面と、前記受光面の一辺の方向を第三の方向とし、その面内で前記第三の方向に対して垂直である方向を第四の方向とし、第二の鏡面の回転対称軸の方向の単位ベクトルが前記第三の方向と前記第四の方向のいずれの方向にも射影成分をもつ前記第二の鏡面とで構成され、
前記基板の主面を平面視した場合に、
前記発光面と前記受光面は角部を有する形状であり、
前記発光面の辺は、拡大又は縮小と、平行移動と、によって前記受光面の辺と重ならない、ガス検出装置。

【請求項2】

前記基板の主面を平面視した場合に、前記発光面の辺は、拡大又は縮小と、平行移動と、回転移動と、によって前記受光面の辺と重なる、請求項１に記載のガス検出装置。

【請求項3】

基板の主面に設けられ、発光面から光を発する発光素子と、
前記基板の主面に設けられ、受光面で前記光を受け取る受光素子と、
前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、を備え、
前記導光部材が、軸外し光学系であり、
前記導光部材が、前記発光面の一辺の方向を第一の方向とし、その面内で前記第一の方向に対して垂直である方向を第二の方向とし、第一の鏡面の回転対称軸の方向の単位ベクトルが前記第一の方向と前記第二の方向のいずれの方向にも射影成分をもつ前記第一の鏡面と、前記受光面の一辺の方向を第三の方向とし、その面内で前記第三の方向に対して垂直である方向を第四の方向とし、第二の鏡面の回転対称軸の方向の単位ベクトルが前記第三の方向と前記第四の方向のいずれの方向にも射影成分をもつ前記第二の鏡面とで構成され、
前記基板の主面を平面視した場合に、
前記発光面と前記受光面は角部を有する形状であり、
前記発光面の辺の各々は、前記受光面のいずれの辺とも平行でない、ガス検出装置。

【請求項4】

前記基板の主面を平面視した場合に、回転移動した前記発光面の辺の各々は、前記受光面のいずれかの辺と平行である、請求項３に記載のガス検出装置。

【請求項5】

矩形の主面を有する基板と、
前記基板の主面に設けられ、矩形の発光面から光を発する発光素子と、
前記基板の主面に設けられ、矩形の受光面で前記光を受け取る受光素子と、
前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、を備え、
前記導光部材が、軸外し光学系であり、
前記導光部材が、前記発光面の一辺の方向を第一の方向とし、その面内で前記第一の方向に対して垂直である方向を第二の方向とし、第一の鏡面の回転対称軸の方向の単位ベクトルが前記第一の方向と前記第二の方向のいずれの方向にも射影成分をもつ前記第一の鏡面と、前記受光面の一辺の方向を第三の方向とし、その面内で前記第三の方向に対して垂直である方向を第四の方向とし、第二の鏡面の回転対称軸の方向の単位ベクトルが前記第三の方向と前記第四の方向のいずれの方向にも射影成分をもつ前記第二の鏡面とで構成され、
前記基板の主面を平面視した場合に、前記受光面又は前記発光面の辺の各々は、前記基板の主面のいずれの辺とも平行でない、ガス検出装置。

【請求項6】

前記基板の主面を平面視した場合に、前記発光面又は前記受光面の辺の各々は、前記基板の主面のいずれかの辺と平行である、請求項５に記載のガス検出装置。

【請求項7】

前記発光素子は面光源である、請求項１から６のいずれか一項に記載のガス検出装置。

【請求項8】

前記導光部材は、
前記発光素子から発せられた前記光及び前記受光素子が受け取る前記光を直接的に反射する第１の反射部と、
前記第１の反射部に対する相対位置が固定されており、前記第１の反射部との間で前記光を反射する第２の反射部と、を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のガス検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示はガス検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスを検出するガス検出装置が様々な分野で利用されている。例えば特許文献１は、赤外線を放射する光源と、特定波長の赤外線を検出する検出器とを同一のケース内に備え、当該ケース内に被検出ガスが導入されるように構成された装置を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－１８４２１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、特許文献１に記載されるガス検出装置は、光路長を長くするために複数のミラーで複数回反射を行う。ここで、光学系において複数の光学部材が配置される場合に、受光素子で受け取る光の像が、発光素子が発する光の像から拡大縮小、回転などの変換、光学的収差及び回折の影響をうけ、元の像と異なる場合がある。このような光の像の変化は、安定した高精度のガス検出を妨げるおそれがある。

【0005】

また、ガス検出装置は、これまで光源としてランプが使用されてきたが、近年（２０１８年以降）、ＳＭＤ型（Surface Mount Device 表面実装型）の中赤外ＬＥＤ光源が開発・量産され、発光素子サイズがランプに比べて著しく小型な光源を使用するようになってきている。これまでのランプでは受光素子に入射される光形状の大きさ（入射光束の断面積）は、受光素子サイズに比べて十分大きく、入射光束の断面が回転対称な形状（典型的には円状）で広がっていた。しかしＬＥＤ光源を使うことにより、その入射光束の断面積は受光素子サイズに対して同等若しくはそれ以下で、光源形状に合わせて入射光束の断面が角部のある矩形に変化し、入射光束の断面の角部が受光素子から外れることによって受光素子のＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が低下するという問題がある。

【0006】

本開示は、上記従来の未解決の課題に着目してなされたものであり、安定した高精度のガス検出装置を実現することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一実施形態に係るガス検出装置は、
基板の主面に設けられ、発光面から光を発する発光素子と、
前記基板の主面に設けられ、受光面で前記光を受け取る受光素子と、
前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、を備え、
前記基板の主面を平面視した場合に、
前記発光面と前記受光面は角部を有する形状であり、
前記発光面の辺は、拡大又は縮小と、平行移動と、によって前記受光面の辺と重ならない。

【0008】

ここで発光面とは素子の発光部において気体と触れ合う面でかつ光学的な透過性を持つ材料でできている面である。また受光面とは素子の受感部において気体と触れ合う面でかつ光学的な透過性を持つ材料でできている面である。

【0009】

本開示の一実施形態に係るガス検出装置は、
基板の主面に設けられ、発光面から光を発する発光素子と、
前記基板の主面に設けられ、受光面で前記光を受け取る受光素子と、
前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、を備え、
前記基板の主面を平面視した場合に、
前記発光面と前記受光面は角部を有する形状であり、
前記発光面の辺の各々は、前記受光面のいずれの辺とも平行でない。

【0010】

本開示の一実施形態に係るガス検出装置は、
矩形の主面を有する基板と、
前記基板の主面に設けられ、矩形の発光面から光を発する発光素子と、
前記基板の主面に設けられ、矩形の受光面で前記光を受け取る受光素子と、
前記発光素子が発した前記光を前記受光素子に導く導光部材と、を備え、
前記基板の主面を平面視した場合に、前記受光面又は前記発光面の辺の各々は、前記基板の主面のいずれの辺とも平行でない。

【発明の効果】

【0011】

本開示の一実施形態によれば、安定した高精度のガス検出装置が実現され得る。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係るガス検出装置の一部を透過させた斜視図である。

【図2】図２は、ガス検出装置の断面の一例を示す図である。

【図3】図３は、発光素子及び受光素子の配置の一例を示す図である。

【図4】図４は、比較例における受光素子のマージンを示す図である。

【図5】図５は、本実施形態における受光素子のマージンを示す図である。

【図6】図６は、回転像を説明するための図である。

【図7】図７は、発光素子及び受光素子の配置の別の例を示す図である。

【図8】図８は、発光素子及び受光素子の配置の別の例を示す図である。

【図9】図９は、光の像の回転の原因について説明するための図である。

【図10】図１０は、光の像の回転の原因について説明するための図である。

【図11】図１１は、軸外し光学系を使用した時の光学的収差の影響抑制を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は、本開示の一実施形態に係るガス検出装置１の一部を透過させた斜視図である。ガス検出装置１は、一例として３０ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍの小型の装置であって、ガスセンサーとも称される。本実施形態において、ガス検出装置１は、導入した気体を透過した赤外線に基づいて被検出ガスの濃度を測定する、ＮＤＩＲ（Non Dispersive InfraRed）方式の装置である。被検出ガスは、例えば二酸化炭素、水蒸気、メタン、プロパン、ホルムアルデヒド、一酸化炭素、一酸化窒素、アンモニア、二酸化硫黄又はアルコール等である。

【0014】

ガス検出装置１は、基板２と、発光素子３と、受光素子４と、導光部材５と、接合部材６と、を備える。図１では、導光部材５の一部を透過させてガス検出装置１の構成例を示しており、基板２の主面２０に設けられた発光素子３及び受光素子４が見えている。本実施形態において、主面２０は、基板２の面積が最も大きい面のうちで導光部材５と対向する面である。主面２０は矩形である。

【0015】

以下、図１に示すように、ｘｙ平面が基板２の主面２０と平行であるように、直交座標が設定される。ｚ軸方向は、基板２の主面２０に垂直な方向である。ｘ軸方向及びｙ軸方向は、基板２の主面２０の辺と平行である。ここで、ｙ軸方向は、後述する第１の反射部５１と第２の反射部５２とが向かい合う方向に対応する。

【0016】

基板２は、ガス検出装置１の部品を実装し、実装された電子部品の電気的な接続を行う板状の部材である。基板２は、発光素子３と、受光素子４と、を主面２０に設ける。基板２はさらに別の電子部品を実装してよい。例えば、基板２は主面２０又は主面２０と反対の面である底面に、発光素子３及び受光素子４の少なくとも一方を制御するコントローラを設けてよい。また、基板２は主面２０又は底面に、ガス濃度算出における演算を実行する演算部を備えてよい。演算部は、読み込むプログラムに応じた機能を実行する汎用のプロセッサ、及び、特定の処理に特化した専用のプロセッサの少なくとも１つを含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ；Application Specific Integrated Circuit）を含んでよい。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ；Programmable Logic Device）を含んでよい。演算部は、上記のコントローラと一体化されていてよい。

【0017】

発光素子３は、被検出ガスの検出に用いられる光を発する部品である。発光素子３は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。本実施形態において、発光素子３が発する光は赤外線であるが、これに限定されない。本実施形態において、発光素子３はＬＥＤ（light emitting diode、発光ダイオード）であるが、別の例として、有機発光素子又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ヒータ等のインコヒーレント光源であり得る。発光素子３は、ｚ軸方向において、後述する第１のミラー５１１と対向する位置に設けられる。

【0018】

発光素子３は、矩形の発光面３１を備える。発光素子３は、発光面３１の全体から光を発する面光源である。図１に示すように、発光素子３は、発光面３１からｚ軸方向すなわち基板２の厚み方向に光を発する。

【0019】

受光素子４は、導入した気体を透過した光を受け取る部品である。受光素子４は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光の帯域に感度を有するものであれば特に制限されない。本実施形態において、受光素子４が受け取る光は赤外線であるが、これに限定されない。本実施形態において、受光素子４はフォトダイオード（Photodiode）であるが、別の例としてフォトトランジスタ又はサーモパイル、焦電センサ、ボロメータ等であり得る。受光素子４は、受け取った光を電気信号に変換して、変換した電気信号を出力する。電気信号は、例えば演算部に出力される。電気信号を受け取った演算部は、光の透過率等に基づいて被検出ガスの濃度を演算する。受光素子４は、ｚ軸方向において、後述する第５のミラー５１３と対向する位置に設けられる。受光素子４は波長選択機能を有する光学フィルタを備えていてよい。

【0020】

受光素子４は、矩形の受光面４１を備える。図１に示すように、受光素子４は、受光面４１でｚ軸方向すなわち基板２の厚み方向の光を受け取る。

【0021】

導光部材５は、発光素子３が発した光を受光素子４に導く部材である。導光部材５は、ガス検出装置１の光学系である。導光部材５は光学部材を備え、発光素子３から受光素子４への光路を構成する。換言すると、導光部材５は、発光素子３と受光素子４とを光学的に接続させる。ここで、光学部材は例えばミラー及びレンズ等である。

【0022】

本実施形態において、導光部材５は、第１の反射部５１と、第２の反射部５２と、を備える。第１の反射部５１は、光学部材として、第１のミラー５１１と、第３のミラー５１２と、第５のミラー５１３と、を備える。第１の反射部５１は、発光素子３から発せられた光及び受光素子４が受け取る光を直接的に反射する。第２の反射部５２は、光学部材として、第２のミラー５２１と、第４のミラー５２２と、を備える。第２の反射部５２は、第１の反射部５１との間で光を反射する。導光部材５は、発光素子３が発した光を複数回反射して受光素子４に射出する。具体的には、導光部材５は、発光素子３が発した光を、第１のミラー５１１、第２のミラー５２１、第３のミラー５１２、第４のミラー５２２及び第５のミラー５１３の順に反射して、受光素子４に導く。光路は、導光部材５と基板２との間に設けられた、気体が導入されるセル５４を通過するように構成される。別の例として、導光部材５が備えるミラーの数は５つに限られず、１つ以上であればよい。また、導光部材５は光路の一部においてレンズを備える構成であってよい。

【0023】

導光部材５において、第１の反射部５１は、第２の反射部５２に対する相対位置が固定される。例えば、第１の反射部５１及び第２の反射部５２は樹脂製であって一体形成されてよい。第１の反射部５１及び第２の反射部５２のミラーは、一体形成の後に金属メッキで加工されてよい。別の例として、第１の反射部５１及び第２の反射部５２は個別に形成されて、接着剤、ネジ、ツメ、はめ合い、グロメット、溶着等によって強力に固定されてよい。

【0024】

第１のミラー５１１は、入射した焦点からの光を反射する集光鏡である。第１のミラー５１１は例えば凹面鏡である。第１のミラー５１１の形状として、楕円面が使用されてよい。本実施形態において、第１のミラー５１１は、焦点にある発光素子３からｚ軸方向に発せられた光を、ｚ軸方向と垂直なｘｙ平面方向に反射する。ここで、ｘｙ平面方向は、ｘ軸方向及びｙ軸方向の少なくとも１つの方向の成分を有する方向である。ただし、ｘｙ平面方向は、ｚ軸方向成分を有していてよい。

【0025】

第２のミラー５２１、第３のミラー５１２及び第４のミラー５２２は、入射した光を反射する。第２のミラー５２１、第３のミラー５１２及び第４のミラー５２２の少なくとも１つは、集光機能を有する集光鏡であってよい。第２のミラー５２１、第３のミラー５１２及び第４のミラー５２２の少なくとも１つは、例えば凹面鏡であってよい。図１に示すように、第２のミラー５２１は、入射した第１のミラー５１１からの光を、第３のミラー５１２へ反射する。第３のミラー５１２は、入射した第２のミラー５２１からの光を、第４のミラー５２２へ反射する。第４のミラー５２２は、入射した第３のミラー５１２からの光を、第５のミラー５１３へ反射する。

【0026】

第５のミラー５１３は、入射した光を焦点に集光させる集光鏡である。第５のミラー５１３は例えば凹面鏡である。第５のミラー５１３の形状として、楕円面が使用されてよい。本実施形態において、第５のミラー５１３は、入射した第４のミラー５２２からのｘｙ平面方向の光をｚ軸方向の成分を有するように反射する。具体的には、第５のミラー５１３は、焦点にある受光素子４において集光するように入射した光を反射する。

【0027】

第１のミラー５１１、第２のミラー５２１、第３のミラー５１２、第４のミラー５２２及び第５のミラー５１３を構成する材料は、例えば、金属、ガラス、セラミックス、ステンレス等であってよいが、この限りではない。検出感度向上の観点から、これらのミラーを構成する材料は、光の吸収係数が小さく反射率が高い材料で構成されることが好ましい。具体的には、アルミニウム、金、銀を含む合金、誘電体若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。信頼性及び経時変化の観点から金又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。さらに、反射率を高めるために金属層の表面に誘電体積層膜を形成することが好ましい。第１のミラー５１１及び第５のミラー５１３が樹脂筐体上に蒸着又はめっきによって形成される場合、金属材料で形成される場合と比較して、高生産性と軽量化の向上を図ることができる。さらに、基板２との熱膨張係数差が縮まり、熱変形が抑制され、感度が変動しづらくなる。また、導光部材５は切削加工で成形されてよく、生産性の観点からより好ましくは射出成型で成形されることが望ましい。

【0028】

接合部材６は、基板２と導光部材５とを接合する部材である。本実施形態において、接合部材６は、基板２に接合する第１の底面部６１（図２参照）と、導光部材５に接合する第２の底面部６２と、を有する。第１の底面部６１と基板２とは、例えば接着剤、グロメット又はネジ、溶着、ツメ、はめ合い等によって接合される。第２の底面部６２と導光部材５との接合も同様である。また、生産性の観点から、構成部材の数が削減されるため接合部材６と導光部材５は一体成型されていることが望ましい。

【0029】

図２は、ガス検出装置１の断面の一例を示す図である。図２では、基板２と、第３のミラー５１２を含む導光部材５と、接合部材６と、をｙｚ平面に平行な面で切断した断面が示されている。セル５４は、基板２と導光部材５とで挟まれた、ガス検出装置１の内部に形成される。導光部材５は、セル５４に気体を導入する通気口５３を備える。通気口５３は、セル５４からの気体の排出でも使用され得る。

【0030】

接合部材６は、第１の底面部６１を含む第１の部分６ａと、第２の底面部６２を含む第２の部分６ｂと、第１の部分６ａ、第２の部分６ｂ及び第３のミラー５１２を結合する結合部６３と、を備える。第１の部分６ａ及び第２の部分６ｂは、中空の円柱体を含む。第１の底面部６１は、基板２の底面からネジが挿入されることによって、基板２と接合される。第２の底面部６２は、中空部分にグロメットが挿入されて広がることによって、導光部材５と接合される。また、図２に示すように、第３のミラー５１２が接合部材６と結合されることによって、第１の反射部５１の第２の反射部５２に対する相対位置はさらに強固に固定される。別の例として、第１の部分６ａ及び第２の部分６ｂは、中実の円柱体であってよい。第１の底面部６１と基板２、及び、第２の底面部６２と導光部材５は、接着剤、ネジ、ツメ、はめ合い、グロメット、溶着等によって接合されてよい。ここで、図２の第１のミラー５１１、基板２の主面２０及び発光素子３は、図１の同じ番号が付された要素と同じであるため、説明を省略する。

【0031】

図３は、発光素子３及び受光素子４の配置の一例を示す図である。図３では、ｚ軸の負方向に向かって見た基板２の主面２０が示されている。つまり、基板２の主面２０を平面視した場合の、発光素子３及び受光素子４の配置が示されている。

【0032】

図３に示すように、発光面３１は、矩形であって、辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄを有する。また、受光面４１は、矩形であって、辺４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄを有する。本実施形態における発光面３１と受光面４１は角部を有する形状である。ある形状Ｓが角部を有する形状であるとは、概説すると形状Ｓが６角形以下の多角形で近似されることであり、Ｎ個（２＜Ｎ＜７の整数）の頂点をもつ多角形Ｐを面積不適合率が最小となるように形状Ｓの上に画定した際に、面積不適合率が５％以下になることである。ここで面積不適合率とは、形状Ｓに含まれかつ多角形Ｐに含まれない領域、と形状Ｓに含まれないが多角形Ｐに含まれる領域の和の面積を形状Ｓの面積で割ったものである。ここで比較のために、円に対する正６角形の最小となる面積不適合率は７．４％であり、円は角部を有する形状とはならない。

【0033】

発光素子３は、発光面３１の全面から光を発する。基板２の主面２０を平面視した場合の射出光Ｌ₀の形状は発光面３１と同じである。発光面３１の辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄの各々はｘ軸又はｙ軸と平行である。つまり、基板２の主面２０を平面視した場合に、発光面３１の辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄの各々は、基板２の主面２０のいずれかの辺と平行である。

【0034】

受光素子４は、矩形状の入射光Ｌ₁を受光面４１で受け取る。入射光Ｌ₁は、ｘｙ平面において射出光Ｌ₀を縮小して回転、せん断変換、台形歪みなどの変換を受けた形状を有する。受光面４１は、後述する理由のため、入射光Ｌ₁の縁部と受光面４１の辺４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄとの間の最小の距離を大きくするように、入射光Ｌ₁の回転に合わせて配置される。図３に示すように、受光面４１の辺４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄの各々はｘ軸と平行でなく、ｙ軸とも平行でない。つまり、基板２の主面２０を平面視した場合に、受光面４１の辺４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄの各々は、基板２の主面２０のいずれの辺とも平行でない。

【0035】

ここで、光学系において光が複数回反射されるガス検出装置１では、特定の配置を除き一般に光の像の回転が生じる。一例として、回転角は非ゼロであって、例えば４５°以下である。したがって、基板２の主面２０を平面視した場合に、入射光Ｌ₁の辺の向きは、もとの射出光Ｌ₀と一致せず、射出光Ｌ₀を回転移動したものに一致する。

【0036】

図４は、比較例における受光素子４の配置例を示す図である。比較例における受光素子４は、受光面４１の辺がｘ軸又はｙ軸と平行であるように配置される。つまり、比較例において、受光素子４は、受光面４１の辺が基板２の主面２０の辺と平行であるように配置される。上記のように、入射光Ｌ₁に回転が生じるため、比較例の受光素子４の受光面４１では受光領域の最小のマージンｍ₀が小さい。マージンｍ₀が小さいと、受光素子４の主面２０への配置の誤差、使用環境又は経年変化による入射光Ｌ₁のずれ等によって、受光面４１で受け取る光の総量が変わるため、ガス検出の精度に影響が生じ得る。ここで、マージンｍ₀を大きくとるために、受光面４１の方を大きく、すなわち受光素子４を大きくすると、ガス検出装置１の製造コストが増加し、またノイズが増加し、小型化が困難になる。また、マージンｍ_０を小さくする別の要因として光学的収差及び回折の影響がある。

【0037】

図５は、本実施形態に係るガス検出装置１の受光素子４の配置例を示す図である。上記のように、本実施形態において、受光面４１は入射光Ｌ₁に合わせてｘｙ平面で回転して配置される。そのため、受光領域の最小のマージンｍ₁を、比較例のマージンｍ₀よりも大きくすることが可能である。本実施形態に係るガス検出装置１は、大きなマージンｍ₁を有するため、受光素子４の主面２０への配置の誤差、使用環境又は経年変化による入射光Ｌ₁のずれ等によるガス検出の精度への影響を受けにくい。したがって、本実施形態に係るガス検出装置１は、安定した高精度のガス検出が可能である。

【0038】

ここで上記光の像（入射光Ｌ₁）の回転の原因は以下のとおりである。一例として図９、図１０に示すように第２のミラー５２１、第３のミラー５１２、第４のミラー５２２のうち、第３のミラー５１２が集光機能を有する集光鏡である場合を述べる。像の回転は第１のミラー５１１と第５のミラー５１３の傾きの方向によって決まっている。発光面３１から出た光は第１のミラー５１１により第２のミラー５２１の方向に反射される。この際、第１のミラー５１１の焦点から射出される光は楕円の他方の焦点にある第２のミラー５２１上に結像される。またＺ軸正方向を回転軸とし第１のミラー５１１の楕円の長辺が、Ｙ軸に平行な矩形の発光面３１の一辺に対し、右ネジの方向を正とすると傾きＡで傾いている。このため、結像される像は、Ｚ軸正方向を上方とし、倒立実像から光の進行方向を軸に、右ネジの方向を正とし＋Ａ°回転した像となる。

【0039】

ここで、視点を変えて発光面３１上の光の強度分布と像の関係を逆と考えると、右ねじの方向を正として、発光面３１の発光強度分布像（射出光Ｌ₀）は、第２のミラー５２１上の像に対して、－Ａ°回転した像となることを強調しておく（この性質を第５のミラー５１３に関する記述において用いる）。

【0040】

第３のミラー５１２は第２のミラー５２１により反射された像を第４のミラー５２２に再度倒立実像として結像する。つまり第４のミラー５２２に結像される像は、Ｚ軸正方向を上方とし、第２のミラー５２１上に結像された像が光の進行方向を軸に、右ネジの方向を正としＡ°＋１８０°回転した像となる。

【0041】

第５のミラー５１３の楕円鏡は第４のミラー５２２から反射された光を焦点に配置した受光面４１に結像させる。またＺ軸正方向を回転軸とし第５のミラー５１３の楕円の長辺は、Ｙ軸に平行な矩形の発光面３１の一辺に対し、右ネジの方向を正とすると傾き―Ｂで傾いており、第５のミラー５１３の反射面に対する光の進行方向が第１のミラー５１１の反射面と光の進行方向の関係と逆である。そのため受光面４１に入射される光は倒立実像から光の進行方向を軸に、発光面３１上の光の強度分布の正の方向を基準として、右ネジの方向を正とし１８０°＋Ａ°＋Ｂ°回転した像となる。

【0042】

図６は、回転像を説明するための図である。図６に示すように、導光部材５では、発光面３１に対向する凹面鏡若しくは平面鏡が第二の方向に傾いている場合に、像が上方正方向に対して回転する。ここで、第一の方向は、発光面３１の像（射出光Ｌ₀）の特定の方向（例えば発光面３１の形状が矩形であれば特定の一辺の方向）である。また、第二の方向は、発光面３１内において第一の方向と垂直な方向であって右手系となるような方向である。また受光面４１でも同様に受光面４１に対向する鏡が傾きを持つ場合、導光部材５は光の像を回転させる。ここで第二の方向に傾いているとは、凹面鏡の回転対称軸の方向のベクトル（特別に平面鏡の場合は任意の部分で局所的な回転軸が存在するため法線方向ベクトルと同一である）が、第二の方向と垂直ではなく、つまり第二の方向の単位ベクトルと内積が０ではなく、第二の方向へ射影成分を持つことを指す。言い換えると、発光面３１と受光面４１が矩形である場合、発光面３１若しくは受光面４１の一辺の方向とその面内で垂直である方向に対し、傾きをもつ鏡面（又は軸外し光学系の鏡面）で構成された導光部材５をもつガス検出装置１は像（入射光Ｌ₁）の回転が生じる。

【0043】

したがって、仮に発光素子３を回転移動させても、射出光Ｌ₀の向きと入射光Ｌ₁の向きとは一致しない。よって、基板２の主面２０を平面視した場合に、本実施形態に係るガス検出装置１の受光素子４の配置は、発光素子３の配置に基づいて以下のように記載できる。発光素子３の発光面３１の辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄは、発光面３１の拡大又は縮小と、平行移動と、によって受光素子４の受光面４１の辺４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄと重ならない。換言すると、発光素子３の発光面３１の辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄの各々は、受光素子４の受光面４１のいずれの辺とも平行でない。そして、発光素子３の発光面３１の辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄは、拡大又は縮小と、平行移動と、回転移動と、によって受光素子４の受光面４１の辺４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄと重なる。換言すると、回転移動した発光素子３の発光面３１の辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄの各々は、受光素子４の受光面４１のいずれかの辺と平行である。

【0044】

以上のように、軸外し光学系の鏡面を使用する導光部材５において入射光Ｌ_１は回転しうるが、発光素子３と受光素子４の配置関係により、導光部材５において生じる入射光Ｌ_１の回転によるマージンｍ_０の低下を抑制し、安定した高精度のガス検出を実現する。軸外し光学系及び自由曲面光学系では、光学的収差による受光面４１での受光領域の最小のマージンｍ_０の低下が抑えられる。そのため、導光部材５は軸外し光学系又は自由曲面光学系であることが望ましい。ここで軸外し光学系とは、レンズ、球面鏡及び楕円面鏡などにおいて、回転中心軸の位置の鏡面を含まないレンズ、鏡面、又は、レンズ及び鏡面を使用した光学系である。一方で回転中心軸の位置を含む鏡面を使用する光学系を共軸光学系若しくは対称光学系という。図１１は同倍率の軸外し光学系と共軸光学系を導光部材５として使用した時の受光面４１と入射光の像の図である。受光面４１上に入射する入射光の像の総光量を１００％としたとき、軸外し光学系を導光部材５として用いた場合の光量が９９％となる入射光の像の領域をＳＯＡ、共軸光学系を導光部材５として用いた場合の光量が９９％となる入射光の像の領域をＳＡとする。このとき、領域ＳＯＡに対する領域ＳＡの面積は２．３倍であり、光学的収差の影響が、共軸光学系を使用する方が軸外し光学系を使用する際に比べ大きく観測される。以上から、小型でかつ安定した高精度なガス検出の実現には導光部材５は軸外し光学系が望ましい。

【0045】

以上のように、本実施形態に係るガス検出装置１は、上記の構成によって、安定した高精度のガス検出が可能である。

【0046】

以上、実施形態を諸図面及び実施例に基づき説明したが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意すべきである。例えば、各部材、各手段などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

【0047】

例えば、上記の実施形態において、発光素子３は、発光面３１の辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄの各々がｘ軸又はｙ軸と平行であるように配置される。一つの変形例として、図７に示すように、受光素子４は、受光面４１の辺４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄの各々がｘ軸又はｙ軸と平行であるように配置されてよい。このとき、入射光Ｌ₁の辺がｘ軸又はｙ軸と平行になるように、発光素子３は、発光面３１の辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄの各々がｘ軸と平行でなく、ｙ軸とも平行でないように配置される。また、別の変形例として、図８に示すように、発光面３１の辺３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、受光面４１の辺４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄの各々がｘ軸と平行でなく、ｙ軸とも平行でないように、発光素子３及び受光素子４が配置されてよい。

【符号の説明】

【0048】

１ ガス検出装置
２ 基板
３ 発光素子
４ 受光素子
５ 導光部材
６ 接合部材
６ａ 第１の部分
６ｂ 第２の部分
２０ 主面
３１ 発光面
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 発光面の辺
４１ 受光面
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ 受光面の辺
５１ 第１の反射部
５２ 第２の反射部
５３ 通気口
５４ セル
６１ 第１の底面部
６２ 第２の底面部
６３ 結合部
５１１ 第１のミラー
５１２ 第３のミラー
５１３ 第５のミラー
５２１ 第２のミラー
５２２ 第４のミラー
Ｌ₀ 射出光
Ｌ₁ 入射光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】