ガス濃度測定装置
【課題】被測定ガスに対し顕著な吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする光学フィルタ（干渉フィルタ型のノッチフィルタ）を使用することにより、水の影響を受け難く、防曇膜の使用を許容して、小型化を可能にし、信頼性の向上と製造コストの低減を容易に実現することができるガス濃度測定装置を提供する。
【解決手段】赤外線を発光させる光源１８と、エアウエイアダプタ１０を透過した赤外線を反射および透過させるビームスプリッタ１２と、ビームスプリッタにより反射された赤外線を検出する第１の光検出器１４と、ビームスプリッタを透過した赤外線を検出する第２の光検出器１６とを備え、前記ビームスプリッタと前記第１または第２の光検出器との間に、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタ３０を設ける。
【解決手段】赤外線を発光させる光源１８と、エアウエイアダプタ１０を透過した赤外線を反射および透過させるビームスプリッタ１２と、ビームスプリッタにより反射された赤外線を検出する第１の光検出器１４と、ビームスプリッタを透過した赤外線を検出する第２の光検出器１６とを備え、前記ビームスプリッタと前記第１または第２の光検出器との間に、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタ３０を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば生体の呼吸ガス中に含まれる炭酸ガスなどのガス濃度を、赤外線の透過により測定するように構成したガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来において、呼吸ガス中に含まれる炭酸ガス濃度を測定する装置として、非分散型赤外線分析装置が知られている。この種の分析装置は、呼吸ガスに対し光源から放射された赤外線を透過させ、炭酸ガスが吸収する波長の光の吸収量を測定することにより、炭酸ガス濃度を測定するように構成されている。
【０００３】
従来の炭酸ガス濃度測定装置として、例えば、呼吸ガスを導入する着脱可能なエアウエイアダプタを備え、このエアウエイアダプタを介して光源からの赤外線を透過させ、ビームスプリッタにより分離された赤外線をそれぞれ検出して炭酸ガス濃度を測定するように構成した装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この特許文献１に記載された炭酸ガス濃度測定装置は、その基本構成の概略を示せば、図７に示す通りである。すなわち、図７に示す装置は、エアウエイアダプタ１０と、入射される赤外線を反射および透過させるビームスプリッタ１２と、このビームスプリッタ１２により反射した赤外線を波長３.７μｍのバンドパスフィルタ１３を介して検出する第２の光検出器１６と、前記ビームスプリッタ１２を透過した赤外線を波長４.３μｍのバンドパスフィルタ１５を介して検出する第１の光検出器１４とを備えた構成からなる。
【０００５】
このような構成からなる炭酸ガス濃度測定装置は、図８に示す炭酸ガス（ＣＯ2 ）の光波長に対する透過スペクトルから判るように、炭酸ガスについては波長４．３μｍ付近が最も透過率が低く、また波長３.７μｍでは透過率がほぼ１００％で減衰しないことから、前記第１および第２の光検出器１４、１６における光の入射光量に応じて出力される電気信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。
【０００６】
しかるに、この種の炭酸ガス濃度測定装置において、前記エアウエイアダプタ１０には、光源からの光の透過方向に位置する両側に、赤外線の透過性の良いサファイヤ１１ａ、１１ｂで構成された窓が設けられている。また、吸気・呼気ガスがエアウエイアダプタ１０の内部を通過すると、前記窓の内面に微細な水滴が付着する。この水滴により光が散乱されるため、曇りが生じ、前記窓を通過する光量が変動する。これによる測定誤差が発生するのを防止するため、ヒータ等を設けて加熱するように構成した防曇手段を設けている。しかしながら、ヒータはウオームアップ時間が必要で、消費電力が大きいという欠点がある。
【０００７】
別の防曇手段として、エアウエイアダプタ１０の窓の内面に親水性を持たせた防曇処理を施すことが考えられる。これにより、窓の内面に付着する水は微細な水滴とはならず、薄い均一な層を形成するため、光が散乱されずに曇りが生じない。しかし、水による光の透過率は、図８から明らかなように、３.７μｍと４.３μｍの波長で異なる。このため、水の層が窓の内面に形成された場合、光検出器１４、１６に入射する光量比が変動し、測定誤差が発生する。このような理由から、前記の従来技術では、防曇処理を施した窓を使用することができなかった。
【０００８】
また、従来技術においては、光源１８として熱源やランプ等が使用されているが、それらの劣化やドリフトにより発熱温度が変化すると、プランクの黒体放射式から波長４.３μｍおよび３.７μｍの発光光量が同じ割合で変化せず、その発光量の比が変化することになる。さらに、被験者の痰等の分泌物で、エアウエイアダプタの光を透過する窓の内面が汚れた場合、４.３μｍと３.７μｍの波長で赤外線の吸収量が異なると、測定される炭酸ガス濃度の算定に影響を与えることになる。
【０００９】
このような観点から、本出願人は、エアウエイアダプタについて、防曇手段としての加熱用ヒータを用いることなく、また高価なサファイヤを不要とし、しかも水の層や窓の汚れおよび光源の劣化やドリフトの影響を受けることない、低消費電力の炭酸ガス濃度測定装置を開発し、特許出願を行った（特許文献２参照）。
【００１０】
すなわち、特許文献２に記載された炭酸ガス濃度測定装置の概略構成は、図９に示す通りである。なお、説明の便宜上、前述した図７に示す従来の炭酸ガス濃度測定装置の概略構成と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。そこで、図９に示す装置においては、エアウエイアダプタ１０の光を透過する窓として、赤外線の透過率を高めるために、膜厚の薄いポリエチレンフィルム等からなる防曇処理を施した膜１１ｃ、１１ｄを、光源の光軸方向の両側面にそれぞれ配置し、高い湿度を有する呼気・吸気による微細な水滴（曇り）の付着を防止する構成としたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、特許文献２に記載の炭酸ガス濃度測定装置においては、例えば波長４.３μｍのバンドパスフィルタ１５を介して、ビームスプリッタ１２を透過した赤外線が入射し、その入射光量に応じた電気信号を出力する第２の光検出器１６に対し、前記ビームスプリッタ１２との間に高濃度の炭酸ガスを封入したガスセル２０を配置して、４.３μｍの波長の赤外線を吸収させ、残りの赤外線を透過させるフィルタ機能を持たせるように構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
このような構成からなる特許文献２に記載の炭酸ガス濃度測定装置によれば、ビームスプリッタ１２を反射して第１の光検出器１４に入射される赤外線のスペクトルは、エアウエイアダプタ１０内の炭酸ガスの有無により、図１０の（ａ）〔炭酸ガスが無い場合〕、（ｂ）〔炭酸ガスが有る場合〕にそれぞれ示すように変化する。すなわち、炭酸ガスの有無により赤外線の光量が変化する。
【００１３】
一方、ガスセル２０を介して第２の光検出器１６に入射される赤外線の光量は、ガスセル２０内の高濃度の炭酸ガスにより強い吸収が生じるため、図１１に示すように、炭酸ガスが無い場合も有る場合も同じとなる。従って、エアウエイアダプタ１０内の炭酸ガス量（濃度）が変化しても、赤外線光量の変化量は僅かであることから、光検出器１４と１６に入射する赤外線の光量比を計算することにより、炭酸ガス濃度を算定することができる。この場合、第１および第２の光検出器は、同じ４.３μｍの赤外線を検出しているため、呼吸ガスにより防曇膜１１ｃ、１１ｄの内面に水の薄い層が形成されたとしても、第１および第２の光検出器に入射する赤外線光量は同じ割合で減少する．このため、光検出器１４、１６に入射する赤外線光量の比には変化がなく、水の層による測定誤差は回避できる。同様な理由で、光源１８の劣化やドリフトあるいは被験者の痰等の分泌物による測定誤差の回避もできる。
【００１４】
また、従来において、波長３.７μｍのバンドパスフィルタと波長４.３μｍのバンドパスフィルタをチョッパに設けて、このチョッパをエアウウエイアダプタを透過した赤外線の光路中に配置した構成からなる炭酸ガス濃度測定装置が知られている（特許文献３参照）。この特許文献３に記載の装置は、チョッパをモータにより回転させることによって、２つのバンドパスフィルタが光路の中に交互に入り、検出器が波長３.７μｍの赤外線と波長４.３μｍの赤外線を交互に検出するように構成したものであり、この２つの検出信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。また、複数のバンドパスフィルタをチョッパに設けることにより、複数のガスを同時に分析することが容易にできる。例えば、笑気ガス（Ｎ2Ｏ）は波長３.９μｍの赤外線を強く吸収するため、中心波長３.９μｍのバンドパスフィルタをチョッパに追加することで、炭酸ガスと笑気ガスを同時に分析することができる。しかし、この種の装置においても、ヒータで曇り止めが必要であり、消費電力が大きいという問題があった。また、ウオームアップ時間が必要であった。
【００１５】
【特許文献１】特表平５−５０８４７３号公報
【特許文献２】米国特許第６１９１４２１号明細書
【特許文献３】特開昭５８−２２３０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述したように、従来の炭酸ガス濃度測定装置においては、２波長の赤外線を使用して炭酸ガス濃度を測定する場合、エアウエイアダプタの赤外線を透過させる窓に、安価な防曇膜を使用することができず、曇り止めのためにヒータ等の加熱防曇手段を設ける必要があり、装置構成が複雑かつ高価となる難点があった。そこで、ガスセルを使用することにより、エアウエイアダプタ内に安価な防曇膜を採用することが可能となり、曇り止めを防止して適正な炭酸ガス濃度の測定を実現することが可能となった。
【００１７】
しかしながら、ガスセルを使用する炭酸ガス濃度測定装置においては、ガスセルにガスを封入してこれをリークしないようにする必要があることから、製造コストが増大するばかりでなく、装置全体の小型化も難しくなる等の問題を有している。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、前述した従来装置の問題点を全て解消するため、前述した従来のガスセルに代えて、被測定ガスに対し顕著な吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする光学フィルタ（干渉フィルタ型のノッチフィルタ）を使用することにより、エアウエイアダプタにおける水の影響を受け難くして、防曇膜の使用を許容すると共に、小型化を可能にし、しかも信頼性の向上と製造コストの低減を容易に実現することができるガス濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の炭酸ガス濃度測定装置は、被測定ガス中の所要ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、赤外線を発光させる光源と、被測定ガスを導入するエアウエイアダプタと、前記エアウエイアダプタを透過した赤外線を反射および透過させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより反射された赤外線を検出する第１の光検出器と、前記ビームスプリッタを透過した赤外線を検出する第２の光検出器とを備え、
前記ビームスプリッタと前記第１または第２の光検出器との間に、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタを設けることを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項２に記載のガス濃度測定装置は、前記光源と前記ビームスプリッタとの間に、中心波長を４．３μｍに設定した第１のバンドパスフィルタを配置することを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項３に記載のガス濃度測定装置は、前記ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に設置された第２のバンドパスフィルタと、前記ビームスプリッタと前記第２の光検出器との間に設置された前記ノッチフィルタと、前記第２の光検出器と前記ノッチフィルタとの間または前記ノッチフィルタと前記ビームスプリッタとの間に第１のバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項４に記載のガス濃度測定装置は、前記ビームスプリッタと前記第２の光検出器との間に設置された第２のバンドパスフィルタと、前記ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に設置された前記ノッチフィルタと、前記第１の光検出器と前記ノッチフィルタとの間または前記ノッチフィルタと前記ビームスプリッタとの間に第１のバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項５に記載のガス濃度測定装置は、前記第１のバンドパスフィルタの半値幅は１２０〜３００ｎｍの範囲に設定し、中心波長を４．３μｍに設定しその半値幅を前記第１のバンドパスフィルタの半値幅より小さく設定した第２のバンドパスフィルタを有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項６に記載のガス濃度測定装置は、前記第２のバンドパスフィルタの半値幅を１０〜１１０ｎｍの範囲に設定することを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項７に記載のガス濃度測定装置は、被測定ガス中の所要ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、赤外線を発光させる光源と、被測定ガスを導入するエアウエイアダプタと、少なくともノッチフィルタを有するチョッパと、赤外線を検出する第１の光検出器とを備え、前記ノッチフィルタは、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタであることを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項８に記載のガス濃度測定装置は、前記光源と前記第１の光検出器との間に、第１のバンドパスフィルタを設けることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項９に記載のガス濃度測定装置は、前記ノッチフィルタを有するチョッパに、第２のバンドパスフィルタを設けることを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項１０に記載のガス濃度測定装置は、前記ノッチフィルタを有するチョッパに、第１のバンドパスフィルタと第２のバンドパスフィルタを設け、前記第１のバンドパスフィルタは、前記ノッチフィルタと同一光路に配置されていることを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項１１に記載のガス濃度測定装置は、エアウエイアダプタの窓は防曇処理を施したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る請求項１に記載のガス濃度測定装置によれば、ガスセルを使用することなく、被測定ガスに対し顕著な吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする光学フィルタ（干渉フィルタ型のノッチフィルタ）を使用することにより、エアウエイアダプタにおける水の影響を受け難くして、防曇膜の使用を許容すると共に、小型化を可能にし、しかも信頼性の向上と製造コストの低減を容易に実現することができる。
【００３１】
本発明に係る請求項２ないし４に記載のガス濃度測定装置によれば、中心波長４．３μｍのバンドパスフィルタを使用すると共に、前記光学フィルタとして波長４．３μｍの赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタを使用することにより、被測定ガス中の炭酸ガス濃度を簡便かつ適正に測定することが可能となる。
【００３２】
本発明に係る請求項５および６に記載のガス濃度測定装置によれば、バンドパスフィルタの半値幅を適正に設定することにより、炭酸ガス濃度の適正な測定を容易に達成することができる。
【００３３】
本発明に係る請求項７ないし１０に記載のガス濃度測定装置によれば、ガスセルを使用することなく、被測定ガスに対し顕著な吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする光学フィルタ（干渉フィルタ型のノッチフィルタ）を、モータにより回転駆動するチョッパに組み合わせて使用することにより、前記と同様にしてより簡便なガス濃度の測定を実現することができる。
【００３４】
本発明に係る請求項１１に記載のガス濃度測定装置によっても、請求項１に記載の炭酸ガス濃度測定装置と同様に、エアウエイアダプタにおける水の影響を受け難くして、防曇膜の使用を許容すると共に、小型化を可能にし、しかも信頼性の向上と製造コストの低減を容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
次に、本発明に係るガス濃度測定装置を実施する最良の形態につき、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００３６】
図１は、本発明に係るガス濃度測定装置の第１の実施例としての炭酸ガス濃度測定装置の一構成例を示すものである。なお、説明の便宜上、前述した図７および図９に示す従来の炭酸ガス濃度測定装置と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明する。
【００３７】
すなわち、図１に示す炭酸ガス濃度測定装置の実施例においては、呼吸ガス中の炭酸ガス（ＣＯ2 ）の濃度を測定する炭酸ガス濃度測定装置であって、炭酸ガスを導入するエアウエイアダプタ１０と、前記エアウエイアダプタ１０を透過させる赤外線を発光させる光源１８と、前記エアウエイアダプタ１０を透過した赤外線を反射および透過させるビームスプリッタ１２と、前記ビームスプリッタ１２により反射された赤外線を検出する第１の光検出器１４と、前記ビームスプリッタ１２を透過した赤外線を検出する第２の光検出器１６とを備えた構成からなる。
【００３８】
なお、本発明において、エアウエイアダプタ１０は、被測定ガスを通過させると共に赤外線を透過させることが可能な通路として構成される。また、前記エアウエイアダプタ１０の内部において、赤外線を透過する窓として、赤外線の透過率を高めるために、膜厚の薄いポリエチレンフィルム等からなる防曇膜１１ｅ、１１ｆが設けられている。以上の構成は、従来の炭酸ガス濃度測定装置の構成と同じである。
【００３９】
そこで、本発明においては、前記構成からなる炭酸ガス濃度測定装置において、前記ビームスプリッタ１２を透過した赤外線を検出する第２の光検出器１６に対し、炭酸ガスに対し顕著な吸収特性を有する赤外線の所定の波長（４.３μｍ）において、赤外線の透過をカットする光学フィルタ３０を設けることを特徴とする。
この場合、前記光学フィルタ３０は、波長４.３μｍの赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタとして構成されている。
【００４０】
本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においては、光源１８と前記ビームスプリッタ１２との間に、中心波長４.３μｍに設定した第１のバンドパスフィルタ２５を配置する。また、前記ビームスプリッタ１２とこのビームスプリッタ１２により反射された赤外線を検出する第１の光検出器１４との間に、中心波長４.３μｍに設定した第２のバンドパスフィルタ２６を配置する。
【００４１】
さらに、本実施例の炭酸ガス濃度測定装置において、前記第１のバンドパスフィルタ２５については、中心波長を４.３μｍに設定すると共に、その半値幅を例えば２５０ｎｍに設定する。これに対し、前記第２のバンドパスフィルタ２６については、中心波長を同じ４.３μｍに設定すると共に、その半値幅を例えば８０ｎｍに設定する。光学フィルタ３０については、中心波長を４.３μｍに設定すると共に、その半値幅を例えば１１０ｎｍに設定する。
【００４２】
このように構成することにより、本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においては、エアウエイアダプタ１０に呼吸ガスを導入して、炭酸ガスの濃度を測定する場合、前記第１のバンドパスフィルタ２５を透過する赤外線のスペクトルは、図２に示される通りである。すなわち、呼吸ガス中に炭酸ガスが無い場合は、図２の（ａ）に示されるスペクトルとなり、また炭酸ガスが有る場合は、図２の（ｂ）に示されるスペクトルとなり、炭酸ガスの有無により光量が変化する。
【００４３】
次いで、前記第１のバンドパスフィルタ２５およびビームスプリッタ１２を透過し、前記光学フィルタ３０を透過して前記第２の光検出器１６に入射される赤外線のスペクトルは、図４に示される通りである。すなわち、呼吸ガス中における炭酸ガスの有無に関係なく、図示のように設定された中心波長４.３μｍにおいて著しく減衰したスペクトルとなる。
【００４４】
そこで、前記第１のバンドパスフィルタ２５を透過し、ビームスプリッタ１２により反射され、前記第２のバンドパスフィルタ２６を透過して前記第１の光検出器１４に入射される赤外線のスペクトルは、図３に示される通りである。すなわち、この場合、呼吸ガス中に炭酸ガスが無い場合は、図３の（ａ）に示されるスペクトルとなり、また炭酸ガスが有る場合は、図３の（ｂ）に示されるスペクトルとなり、炭酸ガスの有無により光量が変化する。そこで、光検出器１４、１６に入射する赤外線の光量比を計算することにより、炭酸ガス濃度を算定することができる。
【００４５】
このように、本実施例においては、前記第２のバンドパスフィルタ２６の半値幅を、呼吸ガス中の炭酸ガスの有無により、その変化が顕著となるように、前記第１のバンドパスフィルタ２５に設定した半値幅より小さく、例えば半分以下に設定したことにより、前記第１の光検出器１４により検出される赤外線の光量の変化量を大きくすることができ、炭酸ガスの濃度測定の感度および信頼性を高めることができる。また、本実施例において、光学フィルタ３０とバンドパスフィルタ２６を入れ替えた配置でも、炭酸ガス濃度の測定が可能である。
【００４６】
なお、本実施例において、前記光学フィルタ３０側に設けた第２の光検出器１６については、呼吸ガスが導入されるエアウエイアダプタ１０に炭酸ガスが存在する場合に、光量変化が少ない方が望ましいことから、前記第１のバンドパスフィルタ２５の半値幅は広い方が好ましい。しかし、前記光学フィルタ３０のない側に設けた第１の光検出器１４については、逆に光量の変化が多い方が有利であるため、前記第２のバンドパスフィルタ２６の半値幅は狭い方が好ましい。従って、バンドパスフィルタが１枚であると、これらの条件を同時に満たすことができないが、本発明のように、少なくとも２枚のバンドパスフィルタを使用することにより、これらの条件を満たすことが可能となる。
【実施例２】
【００４７】
図５は、本発明に係るガス濃度測定装置の第２の実施例としての炭酸ガス濃度測定装置の別の構成例を示すものである。なお、図１に示す装置と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。すなわち、図５に示す炭酸ガス濃度測定装置の実施例においては、基本的に図１に示す炭酸ガス濃度測定装置と同一の構成要素からなるものであって、前記第１のバンドパスフィルタ２５を、前記エアウエイアダプタ１０を透過し、次いでビームスプリッタ１２を透過した赤外線の前記光学フィルタ３０の前後のいずれかにおける光路中に、配置することを特徴とするものである。
【００４８】
このように構成された本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においても、前述した実施例１と全く同様にして炭酸ガス濃度の測定を達成することができる（図２ないし図４参照）。また、実施例２において、光学フィルタ３０およびバンドパスフィルタ２５とバンドパスフィルタ２６を入れ替えた配置でも、炭酸ガス濃度の測定が可能である。
【００４９】
なお、前述した実施例１、２において、第１のバンドパスフィルタ２５については、炭酸ガスが吸収される帯域が、光学フィルタ３０においてカットされるので、第１のバンドパスフィルタ２５の半値幅を光学フィルタ３０によってカットされる帯域よりも広くする必要がある。また、波長４.４５〜４.５５μｍにおいて、Ｎ2Ｏ（笑気）による赤外線の吸収があり、前記半値幅を広げ過ぎると、Ｎ2Ｏによる影響がでるため、その影響を受けない範囲に半値幅を設定する必要がある。そこで、第１のバンドパスフィルタ２５の中心波長を短波長側にずらして、半値幅を広げると、水による吸収の影響がキャンセルできなくなる。すなわち、水による吸収の影響をキャンセルさせるためには、２枚のバンドパスフィルタの中心波長を一致させることが望ましい。従って、前記半値幅は、Ｎ2Ｏによる影響を受けず、２枚のバンドパスフィルタの中心波長を一致させる範囲の値が好ましい。さらに好ましくは、前記半値幅は、１２０ｎｍ〜３００ｎｍ程度が望ましい。
【００５０】
また、第２のバンドパスフィルタ２６について、半値幅は、光学フィルタ３０側に配置された第１のバンドパスフィルタ２５に設定される半値幅に対し、その半分以下の値に設定することが望ましい。すなわち、前記半値幅を、炭酸ガス（ＣＯ2 ）の吸収スペクトルと同程度か、それよりも小さくすると、赤外線の光量の変化量が大きくなり、ＣＯ2 に対する感度が高くなるためである。なお、前記半値幅は１０〜１１０ｎｍが更に好ましく、実施例では半値幅を８０ｎｍに設定している。しかし、この場合、ＣＯ2 の吸収スペクトルの半値幅は、ＣＯ2 の濃度およびエアウエイアダプタ１０の光路長等により変化するため、前記半値幅は必ずしも１１０ｎｍ以下に限定する必要はない。
【実施例３】
【００５１】
図６は、本発明に係るガス濃度測定装置の第３の実施例としての炭酸ガス濃度測定装置の他の構成例であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ変形例を示すものである。なお、図１に示す装置と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においては、エアウエイアダプタを透過した赤外線の光路中に、前述した光学フィルタ３０を設けたチョッパ３５を配置して、このチョッパ３５をモータ４０により回転させるように構成したものである。
【００５２】
図６の（ａ）に示す構成においては、エアウエイアダプタ１０を透過した赤外線の光路に対し、第１のバンドパスフィルタ２５を介して、チョッパ３５を配置した構成からなる。この場合、チョッパ３５の一部に、前述した光学フィルタ３０を設ける。前記光学フィルタ３０は、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタとして構成されている。また、前記第１のバンドパスフィルタ２５は、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線を透過させ、その半値幅は前記光学フィルタ３０の半値幅よりも広く設定する。
このような構成からなる炭酸ガス濃度測定装置は、チョッパ３５をモータ４０により回転させることによって、光路の中で第１のバンドパスフィルタとこれに間欠的に光学フィルタ３０が重なり、赤外線検出器１４（１６）が前述した実施例のように異なる波長の赤外線を交互に検出し、この２つの検出信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。
【００５３】
図６の（ｂ）に示す構成においては、チョッパ３５に対し、前述した光学フィルタ３０と、第２のバンドパスフィルタ２６とを、１８０度隔てて設けた構成からなる。この場合、第２のバンドパスフィルタ２６は、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線を透過させ、その半値幅は前記第１のバンドパスフィルタ２５の半値幅よりも狭く設定する。その他の構成は、図６の（ａ）と同じである。
このような構成からなる炭酸ガス濃度測定装置は、チョッパ３５をモータ４０により回転させることによって、光路の中で第１のバンドパスフィルタとこれに光学フィルタ３０および第２のバンドパスフィルタ２６が交互に重なり、赤外線検出器１４（１６）が前述した実施例のように異なる波長の赤外線を交互に検出し、この２つの検出信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。
【００５４】
図６の（ｃ）に示す構成においては、チョッパ３５に対し、前述した光学フィルタ３０／第１のバンドパスフィルタ２５と、第２のバンドパスフィルタ２６とを、１８０度隔てて設けた構成からなる。
このような構成からなる炭酸ガス濃度測定装置においても、チョッパ３５をモータ４０により回転させることによって、第１のバンドパスフィルタおよび光学フィルタ３０と、第２のバンドパスフィルタ２６とが、光路の中に交互に入り、赤外線検出器１４（１６）が前述した実施例のように異なる波長の赤外線を交互に検出し、この２つの検出信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。
【００５５】
なお、前述した構成からなる本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においては、図６の（ａ）、（ｂ）に示す構成において、チョッパ３５および第１のバンドパスフィルタ２５は、光源１８と赤外線検出器１４（１６）の間に配置されればよく、これらの配置を逆転させることも可能である。また、図６の（ｃ）に示す構成において、チョッパ３５は光源１８と赤外線検出器１４（１６）の間に配置すればよく、チョッパ３５とエアウエイアダプタ１０の配置を逆転することも可能である。
【００５６】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は前記実施例の呼吸ガス中の炭酸ガス濃度の測定に限定されることなく、その他の対象ガス中に含有される所要ガス成分の濃度測定についても広く応用することが可能である。例えば、Ｎ2Ｏは波長３.９μｍの赤外線を強く吸収するため、中心波長を３.９μｍに設定した光学フィルタ（ノッチフィルタ）、バンドパスフィルタを設けることにより測定可能である。また、ハロセン、エンフルラン、イソフルラン、セボフルラン等の揮発性麻酔薬は、波長７〜１５μｍに吸収帯域があるため、適切な中心波長、半値幅に設定した光学フィルタ（ノッチフィルタ）、バンドパスフィルタを設けることにより測定可能となる。その他、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係るガス濃度測定装置の第１の実施形態としての炭酸ガス濃度測定装置の一構成例を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す炭酸ガス濃度測定装置において、第１のバンドパスフィルタを透過する赤外線と炭酸ガスとの関係を示すもので、（ａ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）無しの場合のスペクトル図、（ｂ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）有りの場合のスペクトル図である。
【図３】図１に示す炭酸ガス濃度測定装置において、ビームスプリッタを反射して第２のバンドパスフィルタを透過する赤外線と炭酸ガスとの関係を示すもので、（ａ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）無しの場合のスペクトル図、（ｂ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）有りの場合のスペクトル図である。
【図４】図１に示す炭酸ガス濃度測定装置において、第２の光検出器１６に入射する赤外線と炭酸ガスとの関係を示すもので、炭酸ガス（ＣＯ2 ）の有り／無しの場合のスペクトル図である。
【図５】本発明に係るガス濃度測定装置の第２の実施形態としての炭酸ガス濃度測定装置の別の構成例を示す概略構成図である。
【図６】本発明に係るガス濃度測定装置の第３の実施形態としての炭酸ガス濃度測定装置の他の構成例であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ変形例を示す概略構成図である。
【図７】従来の炭酸ガス濃度測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図８】炭酸ガス（ＣＯ2 ）および水（Ｈ2Ｏ）の赤外線の透過スペクトルを示すスペクトル図である。
【図９】従来の改良提案された炭酸ガス濃度測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図１０】図９に示す炭酸ガス濃度測定装置において、ビームスプリッタを反射して第１の光検出器に入射する赤外線と炭酸ガスの関係を示すもので、（ａ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）無しの場合のスペクトル図、（ｂ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）有りの場合のスペクトル図である。
【図１１】図９に示す炭酸ガス濃度測定装置において、ビームスプリッタを透過してガスセルを透過する赤外線光量と炭酸ガスの関係を示すもので、炭酸ガス（ＣＯ2 ）の有り／無しの場合のスペクトル図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０ エアウエイアダプタ
１１ａ、１１ｂ サファイヤ
１１ｃ、１１ｄ 防曇膜
１１ｅ、１１ｆ 防曇膜
１２ ビームスプリッタ
１３ バンドパスフィルタ（波長 3.7μｍ）
１４ 第１の光検出器
１５ バンドパスフィルタ（波長 4.3μｍ）
１６ 第２の光検出器
１８ 光源
２０ ガスセル
２５ 第１のバンドパスフィルタ（中心波長 4.3μｍ／半値幅 250ｎｍ）
２６ 第２のバンドパスフィルタ（中心波長 4.3μｍ／半値幅80ｎｍ）
３０ 光学フィルタ（波長 4.3μｍカットのノッチフィルタ）
３５ チョッパ
４０ モータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば生体の呼吸ガス中に含まれる炭酸ガスなどのガス濃度を、赤外線の透過により測定するように構成したガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来において、呼吸ガス中に含まれる炭酸ガス濃度を測定する装置として、非分散型赤外線分析装置が知られている。この種の分析装置は、呼吸ガスに対し光源から放射された赤外線を透過させ、炭酸ガスが吸収する波長の光の吸収量を測定することにより、炭酸ガス濃度を測定するように構成されている。
【０００３】
従来の炭酸ガス濃度測定装置として、例えば、呼吸ガスを導入する着脱可能なエアウエイアダプタを備え、このエアウエイアダプタを介して光源からの赤外線を透過させ、ビームスプリッタにより分離された赤外線をそれぞれ検出して炭酸ガス濃度を測定するように構成した装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この特許文献１に記載された炭酸ガス濃度測定装置は、その基本構成の概略を示せば、図７に示す通りである。すなわち、図７に示す装置は、エアウエイアダプタ１０と、入射される赤外線を反射および透過させるビームスプリッタ１２と、このビームスプリッタ１２により反射した赤外線を波長３.７μｍのバンドパスフィルタ１３を介して検出する第２の光検出器１６と、前記ビームスプリッタ１２を透過した赤外線を波長４.３μｍのバンドパスフィルタ１５を介して検出する第１の光検出器１４とを備えた構成からなる。
【０００５】
このような構成からなる炭酸ガス濃度測定装置は、図８に示す炭酸ガス（ＣＯ2 ）の光波長に対する透過スペクトルから判るように、炭酸ガスについては波長４．３μｍ付近が最も透過率が低く、また波長３.７μｍでは透過率がほぼ１００％で減衰しないことから、前記第１および第２の光検出器１４、１６における光の入射光量に応じて出力される電気信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。
【０００６】
しかるに、この種の炭酸ガス濃度測定装置において、前記エアウエイアダプタ１０には、光源からの光の透過方向に位置する両側に、赤外線の透過性の良いサファイヤ１１ａ、１１ｂで構成された窓が設けられている。また、吸気・呼気ガスがエアウエイアダプタ１０の内部を通過すると、前記窓の内面に微細な水滴が付着する。この水滴により光が散乱されるため、曇りが生じ、前記窓を通過する光量が変動する。これによる測定誤差が発生するのを防止するため、ヒータ等を設けて加熱するように構成した防曇手段を設けている。しかしながら、ヒータはウオームアップ時間が必要で、消費電力が大きいという欠点がある。
【０００７】
別の防曇手段として、エアウエイアダプタ１０の窓の内面に親水性を持たせた防曇処理を施すことが考えられる。これにより、窓の内面に付着する水は微細な水滴とはならず、薄い均一な層を形成するため、光が散乱されずに曇りが生じない。しかし、水による光の透過率は、図８から明らかなように、３.７μｍと４.３μｍの波長で異なる。このため、水の層が窓の内面に形成された場合、光検出器１４、１６に入射する光量比が変動し、測定誤差が発生する。このような理由から、前記の従来技術では、防曇処理を施した窓を使用することができなかった。
【０００８】
また、従来技術においては、光源１８として熱源やランプ等が使用されているが、それらの劣化やドリフトにより発熱温度が変化すると、プランクの黒体放射式から波長４.３μｍおよび３.７μｍの発光光量が同じ割合で変化せず、その発光量の比が変化することになる。さらに、被験者の痰等の分泌物で、エアウエイアダプタの光を透過する窓の内面が汚れた場合、４.３μｍと３.７μｍの波長で赤外線の吸収量が異なると、測定される炭酸ガス濃度の算定に影響を与えることになる。
【０００９】
このような観点から、本出願人は、エアウエイアダプタについて、防曇手段としての加熱用ヒータを用いることなく、また高価なサファイヤを不要とし、しかも水の層や窓の汚れおよび光源の劣化やドリフトの影響を受けることない、低消費電力の炭酸ガス濃度測定装置を開発し、特許出願を行った（特許文献２参照）。
【００１０】
すなわち、特許文献２に記載された炭酸ガス濃度測定装置の概略構成は、図９に示す通りである。なお、説明の便宜上、前述した図７に示す従来の炭酸ガス濃度測定装置の概略構成と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。そこで、図９に示す装置においては、エアウエイアダプタ１０の光を透過する窓として、赤外線の透過率を高めるために、膜厚の薄いポリエチレンフィルム等からなる防曇処理を施した膜１１ｃ、１１ｄを、光源の光軸方向の両側面にそれぞれ配置し、高い湿度を有する呼気・吸気による微細な水滴（曇り）の付着を防止する構成としたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、特許文献２に記載の炭酸ガス濃度測定装置においては、例えば波長４.３μｍのバンドパスフィルタ１５を介して、ビームスプリッタ１２を透過した赤外線が入射し、その入射光量に応じた電気信号を出力する第２の光検出器１６に対し、前記ビームスプリッタ１２との間に高濃度の炭酸ガスを封入したガスセル２０を配置して、４.３μｍの波長の赤外線を吸収させ、残りの赤外線を透過させるフィルタ機能を持たせるように構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
このような構成からなる特許文献２に記載の炭酸ガス濃度測定装置によれば、ビームスプリッタ１２を反射して第１の光検出器１４に入射される赤外線のスペクトルは、エアウエイアダプタ１０内の炭酸ガスの有無により、図１０の（ａ）〔炭酸ガスが無い場合〕、（ｂ）〔炭酸ガスが有る場合〕にそれぞれ示すように変化する。すなわち、炭酸ガスの有無により赤外線の光量が変化する。
【００１３】
一方、ガスセル２０を介して第２の光検出器１６に入射される赤外線の光量は、ガスセル２０内の高濃度の炭酸ガスにより強い吸収が生じるため、図１１に示すように、炭酸ガスが無い場合も有る場合も同じとなる。従って、エアウエイアダプタ１０内の炭酸ガス量（濃度）が変化しても、赤外線光量の変化量は僅かであることから、光検出器１４と１６に入射する赤外線の光量比を計算することにより、炭酸ガス濃度を算定することができる。この場合、第１および第２の光検出器は、同じ４.３μｍの赤外線を検出しているため、呼吸ガスにより防曇膜１１ｃ、１１ｄの内面に水の薄い層が形成されたとしても、第１および第２の光検出器に入射する赤外線光量は同じ割合で減少する．このため、光検出器１４、１６に入射する赤外線光量の比には変化がなく、水の層による測定誤差は回避できる。同様な理由で、光源１８の劣化やドリフトあるいは被験者の痰等の分泌物による測定誤差の回避もできる。
【００１４】
また、従来において、波長３.７μｍのバンドパスフィルタと波長４.３μｍのバンドパスフィルタをチョッパに設けて、このチョッパをエアウウエイアダプタを透過した赤外線の光路中に配置した構成からなる炭酸ガス濃度測定装置が知られている（特許文献３参照）。この特許文献３に記載の装置は、チョッパをモータにより回転させることによって、２つのバンドパスフィルタが光路の中に交互に入り、検出器が波長３.７μｍの赤外線と波長４.３μｍの赤外線を交互に検出するように構成したものであり、この２つの検出信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。また、複数のバンドパスフィルタをチョッパに設けることにより、複数のガスを同時に分析することが容易にできる。例えば、笑気ガス（Ｎ2Ｏ）は波長３.９μｍの赤外線を強く吸収するため、中心波長３.９μｍのバンドパスフィルタをチョッパに追加することで、炭酸ガスと笑気ガスを同時に分析することができる。しかし、この種の装置においても、ヒータで曇り止めが必要であり、消費電力が大きいという問題があった。また、ウオームアップ時間が必要であった。
【００１５】
【特許文献１】特表平５−５０８４７３号公報
【特許文献２】米国特許第６１９１４２１号明細書
【特許文献３】特開昭５８−２２３０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述したように、従来の炭酸ガス濃度測定装置においては、２波長の赤外線を使用して炭酸ガス濃度を測定する場合、エアウエイアダプタの赤外線を透過させる窓に、安価な防曇膜を使用することができず、曇り止めのためにヒータ等の加熱防曇手段を設ける必要があり、装置構成が複雑かつ高価となる難点があった。そこで、ガスセルを使用することにより、エアウエイアダプタ内に安価な防曇膜を採用することが可能となり、曇り止めを防止して適正な炭酸ガス濃度の測定を実現することが可能となった。
【００１７】
しかしながら、ガスセルを使用する炭酸ガス濃度測定装置においては、ガスセルにガスを封入してこれをリークしないようにする必要があることから、製造コストが増大するばかりでなく、装置全体の小型化も難しくなる等の問題を有している。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、前述した従来装置の問題点を全て解消するため、前述した従来のガスセルに代えて、被測定ガスに対し顕著な吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする光学フィルタ（干渉フィルタ型のノッチフィルタ）を使用することにより、エアウエイアダプタにおける水の影響を受け難くして、防曇膜の使用を許容すると共に、小型化を可能にし、しかも信頼性の向上と製造コストの低減を容易に実現することができるガス濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の炭酸ガス濃度測定装置は、被測定ガス中の所要ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、赤外線を発光させる光源と、被測定ガスを導入するエアウエイアダプタと、前記エアウエイアダプタを透過した赤外線を反射および透過させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより反射された赤外線を検出する第１の光検出器と、前記ビームスプリッタを透過した赤外線を検出する第２の光検出器とを備え、
前記ビームスプリッタと前記第１または第２の光検出器との間に、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタを設けることを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項２に記載のガス濃度測定装置は、前記光源と前記ビームスプリッタとの間に、中心波長を４．３μｍに設定した第１のバンドパスフィルタを配置することを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項３に記載のガス濃度測定装置は、前記ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に設置された第２のバンドパスフィルタと、前記ビームスプリッタと前記第２の光検出器との間に設置された前記ノッチフィルタと、前記第２の光検出器と前記ノッチフィルタとの間または前記ノッチフィルタと前記ビームスプリッタとの間に第１のバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項４に記載のガス濃度測定装置は、前記ビームスプリッタと前記第２の光検出器との間に設置された第２のバンドパスフィルタと、前記ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に設置された前記ノッチフィルタと、前記第１の光検出器と前記ノッチフィルタとの間または前記ノッチフィルタと前記ビームスプリッタとの間に第１のバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項５に記載のガス濃度測定装置は、前記第１のバンドパスフィルタの半値幅は１２０〜３００ｎｍの範囲に設定し、中心波長を４．３μｍに設定しその半値幅を前記第１のバンドパスフィルタの半値幅より小さく設定した第２のバンドパスフィルタを有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項６に記載のガス濃度測定装置は、前記第２のバンドパスフィルタの半値幅を１０〜１１０ｎｍの範囲に設定することを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項７に記載のガス濃度測定装置は、被測定ガス中の所要ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、赤外線を発光させる光源と、被測定ガスを導入するエアウエイアダプタと、少なくともノッチフィルタを有するチョッパと、赤外線を検出する第１の光検出器とを備え、前記ノッチフィルタは、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタであることを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項８に記載のガス濃度測定装置は、前記光源と前記第１の光検出器との間に、第１のバンドパスフィルタを設けることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項９に記載のガス濃度測定装置は、前記ノッチフィルタを有するチョッパに、第２のバンドパスフィルタを設けることを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項１０に記載のガス濃度測定装置は、前記ノッチフィルタを有するチョッパに、第１のバンドパスフィルタと第２のバンドパスフィルタを設け、前記第１のバンドパスフィルタは、前記ノッチフィルタと同一光路に配置されていることを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項１１に記載のガス濃度測定装置は、エアウエイアダプタの窓は防曇処理を施したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る請求項１に記載のガス濃度測定装置によれば、ガスセルを使用することなく、被測定ガスに対し顕著な吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする光学フィルタ（干渉フィルタ型のノッチフィルタ）を使用することにより、エアウエイアダプタにおける水の影響を受け難くして、防曇膜の使用を許容すると共に、小型化を可能にし、しかも信頼性の向上と製造コストの低減を容易に実現することができる。
【００３１】
本発明に係る請求項２ないし４に記載のガス濃度測定装置によれば、中心波長４．３μｍのバンドパスフィルタを使用すると共に、前記光学フィルタとして波長４．３μｍの赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタを使用することにより、被測定ガス中の炭酸ガス濃度を簡便かつ適正に測定することが可能となる。
【００３２】
本発明に係る請求項５および６に記載のガス濃度測定装置によれば、バンドパスフィルタの半値幅を適正に設定することにより、炭酸ガス濃度の適正な測定を容易に達成することができる。
【００３３】
本発明に係る請求項７ないし１０に記載のガス濃度測定装置によれば、ガスセルを使用することなく、被測定ガスに対し顕著な吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする光学フィルタ（干渉フィルタ型のノッチフィルタ）を、モータにより回転駆動するチョッパに組み合わせて使用することにより、前記と同様にしてより簡便なガス濃度の測定を実現することができる。
【００３４】
本発明に係る請求項１１に記載のガス濃度測定装置によっても、請求項１に記載の炭酸ガス濃度測定装置と同様に、エアウエイアダプタにおける水の影響を受け難くして、防曇膜の使用を許容すると共に、小型化を可能にし、しかも信頼性の向上と製造コストの低減を容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
次に、本発明に係るガス濃度測定装置を実施する最良の形態につき、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００３６】
図１は、本発明に係るガス濃度測定装置の第１の実施例としての炭酸ガス濃度測定装置の一構成例を示すものである。なお、説明の便宜上、前述した図７および図９に示す従来の炭酸ガス濃度測定装置と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明する。
【００３７】
すなわち、図１に示す炭酸ガス濃度測定装置の実施例においては、呼吸ガス中の炭酸ガス（ＣＯ2 ）の濃度を測定する炭酸ガス濃度測定装置であって、炭酸ガスを導入するエアウエイアダプタ１０と、前記エアウエイアダプタ１０を透過させる赤外線を発光させる光源１８と、前記エアウエイアダプタ１０を透過した赤外線を反射および透過させるビームスプリッタ１２と、前記ビームスプリッタ１２により反射された赤外線を検出する第１の光検出器１４と、前記ビームスプリッタ１２を透過した赤外線を検出する第２の光検出器１６とを備えた構成からなる。
【００３８】
なお、本発明において、エアウエイアダプタ１０は、被測定ガスを通過させると共に赤外線を透過させることが可能な通路として構成される。また、前記エアウエイアダプタ１０の内部において、赤外線を透過する窓として、赤外線の透過率を高めるために、膜厚の薄いポリエチレンフィルム等からなる防曇膜１１ｅ、１１ｆが設けられている。以上の構成は、従来の炭酸ガス濃度測定装置の構成と同じである。
【００３９】
そこで、本発明においては、前記構成からなる炭酸ガス濃度測定装置において、前記ビームスプリッタ１２を透過した赤外線を検出する第２の光検出器１６に対し、炭酸ガスに対し顕著な吸収特性を有する赤外線の所定の波長（４.３μｍ）において、赤外線の透過をカットする光学フィルタ３０を設けることを特徴とする。
この場合、前記光学フィルタ３０は、波長４.３μｍの赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタとして構成されている。
【００４０】
本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においては、光源１８と前記ビームスプリッタ１２との間に、中心波長４.３μｍに設定した第１のバンドパスフィルタ２５を配置する。また、前記ビームスプリッタ１２とこのビームスプリッタ１２により反射された赤外線を検出する第１の光検出器１４との間に、中心波長４.３μｍに設定した第２のバンドパスフィルタ２６を配置する。
【００４１】
さらに、本実施例の炭酸ガス濃度測定装置において、前記第１のバンドパスフィルタ２５については、中心波長を４.３μｍに設定すると共に、その半値幅を例えば２５０ｎｍに設定する。これに対し、前記第２のバンドパスフィルタ２６については、中心波長を同じ４.３μｍに設定すると共に、その半値幅を例えば８０ｎｍに設定する。光学フィルタ３０については、中心波長を４.３μｍに設定すると共に、その半値幅を例えば１１０ｎｍに設定する。
【００４２】
このように構成することにより、本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においては、エアウエイアダプタ１０に呼吸ガスを導入して、炭酸ガスの濃度を測定する場合、前記第１のバンドパスフィルタ２５を透過する赤外線のスペクトルは、図２に示される通りである。すなわち、呼吸ガス中に炭酸ガスが無い場合は、図２の（ａ）に示されるスペクトルとなり、また炭酸ガスが有る場合は、図２の（ｂ）に示されるスペクトルとなり、炭酸ガスの有無により光量が変化する。
【００４３】
次いで、前記第１のバンドパスフィルタ２５およびビームスプリッタ１２を透過し、前記光学フィルタ３０を透過して前記第２の光検出器１６に入射される赤外線のスペクトルは、図４に示される通りである。すなわち、呼吸ガス中における炭酸ガスの有無に関係なく、図示のように設定された中心波長４.３μｍにおいて著しく減衰したスペクトルとなる。
【００４４】
そこで、前記第１のバンドパスフィルタ２５を透過し、ビームスプリッタ１２により反射され、前記第２のバンドパスフィルタ２６を透過して前記第１の光検出器１４に入射される赤外線のスペクトルは、図３に示される通りである。すなわち、この場合、呼吸ガス中に炭酸ガスが無い場合は、図３の（ａ）に示されるスペクトルとなり、また炭酸ガスが有る場合は、図３の（ｂ）に示されるスペクトルとなり、炭酸ガスの有無により光量が変化する。そこで、光検出器１４、１６に入射する赤外線の光量比を計算することにより、炭酸ガス濃度を算定することができる。
【００４５】
このように、本実施例においては、前記第２のバンドパスフィルタ２６の半値幅を、呼吸ガス中の炭酸ガスの有無により、その変化が顕著となるように、前記第１のバンドパスフィルタ２５に設定した半値幅より小さく、例えば半分以下に設定したことにより、前記第１の光検出器１４により検出される赤外線の光量の変化量を大きくすることができ、炭酸ガスの濃度測定の感度および信頼性を高めることができる。また、本実施例において、光学フィルタ３０とバンドパスフィルタ２６を入れ替えた配置でも、炭酸ガス濃度の測定が可能である。
【００４６】
なお、本実施例において、前記光学フィルタ３０側に設けた第２の光検出器１６については、呼吸ガスが導入されるエアウエイアダプタ１０に炭酸ガスが存在する場合に、光量変化が少ない方が望ましいことから、前記第１のバンドパスフィルタ２５の半値幅は広い方が好ましい。しかし、前記光学フィルタ３０のない側に設けた第１の光検出器１４については、逆に光量の変化が多い方が有利であるため、前記第２のバンドパスフィルタ２６の半値幅は狭い方が好ましい。従って、バンドパスフィルタが１枚であると、これらの条件を同時に満たすことができないが、本発明のように、少なくとも２枚のバンドパスフィルタを使用することにより、これらの条件を満たすことが可能となる。
【実施例２】
【００４７】
図５は、本発明に係るガス濃度測定装置の第２の実施例としての炭酸ガス濃度測定装置の別の構成例を示すものである。なお、図１に示す装置と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。すなわち、図５に示す炭酸ガス濃度測定装置の実施例においては、基本的に図１に示す炭酸ガス濃度測定装置と同一の構成要素からなるものであって、前記第１のバンドパスフィルタ２５を、前記エアウエイアダプタ１０を透過し、次いでビームスプリッタ１２を透過した赤外線の前記光学フィルタ３０の前後のいずれかにおける光路中に、配置することを特徴とするものである。
【００４８】
このように構成された本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においても、前述した実施例１と全く同様にして炭酸ガス濃度の測定を達成することができる（図２ないし図４参照）。また、実施例２において、光学フィルタ３０およびバンドパスフィルタ２５とバンドパスフィルタ２６を入れ替えた配置でも、炭酸ガス濃度の測定が可能である。
【００４９】
なお、前述した実施例１、２において、第１のバンドパスフィルタ２５については、炭酸ガスが吸収される帯域が、光学フィルタ３０においてカットされるので、第１のバンドパスフィルタ２５の半値幅を光学フィルタ３０によってカットされる帯域よりも広くする必要がある。また、波長４.４５〜４.５５μｍにおいて、Ｎ2Ｏ（笑気）による赤外線の吸収があり、前記半値幅を広げ過ぎると、Ｎ2Ｏによる影響がでるため、その影響を受けない範囲に半値幅を設定する必要がある。そこで、第１のバンドパスフィルタ２５の中心波長を短波長側にずらして、半値幅を広げると、水による吸収の影響がキャンセルできなくなる。すなわち、水による吸収の影響をキャンセルさせるためには、２枚のバンドパスフィルタの中心波長を一致させることが望ましい。従って、前記半値幅は、Ｎ2Ｏによる影響を受けず、２枚のバンドパスフィルタの中心波長を一致させる範囲の値が好ましい。さらに好ましくは、前記半値幅は、１２０ｎｍ〜３００ｎｍ程度が望ましい。
【００５０】
また、第２のバンドパスフィルタ２６について、半値幅は、光学フィルタ３０側に配置された第１のバンドパスフィルタ２５に設定される半値幅に対し、その半分以下の値に設定することが望ましい。すなわち、前記半値幅を、炭酸ガス（ＣＯ2 ）の吸収スペクトルと同程度か、それよりも小さくすると、赤外線の光量の変化量が大きくなり、ＣＯ2 に対する感度が高くなるためである。なお、前記半値幅は１０〜１１０ｎｍが更に好ましく、実施例では半値幅を８０ｎｍに設定している。しかし、この場合、ＣＯ2 の吸収スペクトルの半値幅は、ＣＯ2 の濃度およびエアウエイアダプタ１０の光路長等により変化するため、前記半値幅は必ずしも１１０ｎｍ以下に限定する必要はない。
【実施例３】
【００５１】
図６は、本発明に係るガス濃度測定装置の第３の実施例としての炭酸ガス濃度測定装置の他の構成例であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ変形例を示すものである。なお、図１に示す装置と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においては、エアウエイアダプタを透過した赤外線の光路中に、前述した光学フィルタ３０を設けたチョッパ３５を配置して、このチョッパ３５をモータ４０により回転させるように構成したものである。
【００５２】
図６の（ａ）に示す構成においては、エアウエイアダプタ１０を透過した赤外線の光路に対し、第１のバンドパスフィルタ２５を介して、チョッパ３５を配置した構成からなる。この場合、チョッパ３５の一部に、前述した光学フィルタ３０を設ける。前記光学フィルタ３０は、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタとして構成されている。また、前記第１のバンドパスフィルタ２５は、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線を透過させ、その半値幅は前記光学フィルタ３０の半値幅よりも広く設定する。
このような構成からなる炭酸ガス濃度測定装置は、チョッパ３５をモータ４０により回転させることによって、光路の中で第１のバンドパスフィルタとこれに間欠的に光学フィルタ３０が重なり、赤外線検出器１４（１６）が前述した実施例のように異なる波長の赤外線を交互に検出し、この２つの検出信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。
【００５３】
図６の（ｂ）に示す構成においては、チョッパ３５に対し、前述した光学フィルタ３０と、第２のバンドパスフィルタ２６とを、１８０度隔てて設けた構成からなる。この場合、第２のバンドパスフィルタ２６は、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線を透過させ、その半値幅は前記第１のバンドパスフィルタ２５の半値幅よりも狭く設定する。その他の構成は、図６の（ａ）と同じである。
このような構成からなる炭酸ガス濃度測定装置は、チョッパ３５をモータ４０により回転させることによって、光路の中で第１のバンドパスフィルタとこれに光学フィルタ３０および第２のバンドパスフィルタ２６が交互に重なり、赤外線検出器１４（１６）が前述した実施例のように異なる波長の赤外線を交互に検出し、この２つの検出信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。
【００５４】
図６の（ｃ）に示す構成においては、チョッパ３５に対し、前述した光学フィルタ３０／第１のバンドパスフィルタ２５と、第２のバンドパスフィルタ２６とを、１８０度隔てて設けた構成からなる。
このような構成からなる炭酸ガス濃度測定装置においても、チョッパ３５をモータ４０により回転させることによって、第１のバンドパスフィルタおよび光学フィルタ３０と、第２のバンドパスフィルタ２６とが、光路の中に交互に入り、赤外線検出器１４（１６）が前述した実施例のように異なる波長の赤外線を交互に検出し、この２つの検出信号の比を演算することにより、炭酸ガス濃度を算出することができる。
【００５５】
なお、前述した構成からなる本実施例の炭酸ガス濃度測定装置においては、図６の（ａ）、（ｂ）に示す構成において、チョッパ３５および第１のバンドパスフィルタ２５は、光源１８と赤外線検出器１４（１６）の間に配置されればよく、これらの配置を逆転させることも可能である。また、図６の（ｃ）に示す構成において、チョッパ３５は光源１８と赤外線検出器１４（１６）の間に配置すればよく、チョッパ３５とエアウエイアダプタ１０の配置を逆転することも可能である。
【００５６】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は前記実施例の呼吸ガス中の炭酸ガス濃度の測定に限定されることなく、その他の対象ガス中に含有される所要ガス成分の濃度測定についても広く応用することが可能である。例えば、Ｎ2Ｏは波長３.９μｍの赤外線を強く吸収するため、中心波長を３.９μｍに設定した光学フィルタ（ノッチフィルタ）、バンドパスフィルタを設けることにより測定可能である。また、ハロセン、エンフルラン、イソフルラン、セボフルラン等の揮発性麻酔薬は、波長７〜１５μｍに吸収帯域があるため、適切な中心波長、半値幅に設定した光学フィルタ（ノッチフィルタ）、バンドパスフィルタを設けることにより測定可能となる。その他、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係るガス濃度測定装置の第１の実施形態としての炭酸ガス濃度測定装置の一構成例を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す炭酸ガス濃度測定装置において、第１のバンドパスフィルタを透過する赤外線と炭酸ガスとの関係を示すもので、（ａ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）無しの場合のスペクトル図、（ｂ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）有りの場合のスペクトル図である。
【図３】図１に示す炭酸ガス濃度測定装置において、ビームスプリッタを反射して第２のバンドパスフィルタを透過する赤外線と炭酸ガスとの関係を示すもので、（ａ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）無しの場合のスペクトル図、（ｂ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）有りの場合のスペクトル図である。
【図４】図１に示す炭酸ガス濃度測定装置において、第２の光検出器１６に入射する赤外線と炭酸ガスとの関係を示すもので、炭酸ガス（ＣＯ2 ）の有り／無しの場合のスペクトル図である。
【図５】本発明に係るガス濃度測定装置の第２の実施形態としての炭酸ガス濃度測定装置の別の構成例を示す概略構成図である。
【図６】本発明に係るガス濃度測定装置の第３の実施形態としての炭酸ガス濃度測定装置の他の構成例であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ変形例を示す概略構成図である。
【図７】従来の炭酸ガス濃度測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図８】炭酸ガス（ＣＯ2 ）および水（Ｈ2Ｏ）の赤外線の透過スペクトルを示すスペクトル図である。
【図９】従来の改良提案された炭酸ガス濃度測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図１０】図９に示す炭酸ガス濃度測定装置において、ビームスプリッタを反射して第１の光検出器に入射する赤外線と炭酸ガスの関係を示すもので、（ａ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）無しの場合のスペクトル図、（ｂ）は炭酸ガス（ＣＯ2 ）有りの場合のスペクトル図である。
【図１１】図９に示す炭酸ガス濃度測定装置において、ビームスプリッタを透過してガスセルを透過する赤外線光量と炭酸ガスの関係を示すもので、炭酸ガス（ＣＯ2 ）の有り／無しの場合のスペクトル図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０ エアウエイアダプタ
１１ａ、１１ｂ サファイヤ
１１ｃ、１１ｄ 防曇膜
１１ｅ、１１ｆ 防曇膜
１２ ビームスプリッタ
１３ バンドパスフィルタ（波長 3.7μｍ）
１４ 第１の光検出器
１５ バンドパスフィルタ（波長 4.3μｍ）
１６ 第２の光検出器
１８ 光源
２０ ガスセル
２５ 第１のバンドパスフィルタ（中心波長 4.3μｍ／半値幅 250ｎｍ）
２６ 第２のバンドパスフィルタ（中心波長 4.3μｍ／半値幅80ｎｍ）
３０ 光学フィルタ（波長 4.3μｍカットのノッチフィルタ）
３５ チョッパ
４０ モータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の所要ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、赤外線を発光させる光源と、被測定ガスを導入するエアウエイアダプタと、前記エアウエイアダプタを透過した赤外線を反射および透過させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより反射された赤外線を検出する第１の光検出器と、前記ビームスプリッタを透過した赤外線を検出する第２の光検出器とを備え、
前記ビームスプリッタと前記第１または第２の光検出器との間に、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタを設けることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記光源と前記ビームスプリッタとの間に、中心波長を４．３μｍに設定した第１のバンドパスフィルタを配置することを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に設置された第２のバンドパスフィルタと、
前記ビームスプリッタと前記第２の光検出器との間に設置された前記ノッチフィルタと、
前記第２の光検出器と前記ノッチフィルタとの間または前記ノッチフィルタと前記ビームスプリッタとの間に第１のバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記ビームスプリッタと前記第２の光検出器との間に設置された第２のバンドパスフィルタと、
前記ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に設置された前記ノッチフィルタと、
前記第１の光検出器と前記ノッチフィルタとの間または前記ノッチフィルタと前記ビームスプリッタとの間に第１のバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記第１のバンドパスフィルタの半値幅は１２０〜３００ｎｍの範囲に設定し、中心波長を４．３μｍに設定しその半値幅を前記第１のバンドパスフィルタの半値幅より小さく設定した第２のバンドパスフィルタを有することを特徴とする請求項３または４記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
前記第２のバンドパスフィルタの半値幅を１０〜１１０ｎｍの範囲に設定することを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【請求項７】
被測定ガス中の所要ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、赤外線を発光させる光源と、被測定ガスを導入するエアウエイアダプタと、少なくともノッチフィルタを有するチョッパと、赤外線を検出する第１の光検出器とを備え、前記ノッチフィルタは、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタであることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項８】
前記光源と前記第１の光検出器との間に、第１のバンドパスフィルタを設けることを特徴とする請求項７記載のガス濃度測定装置。
【請求項９】
前記ノッチフィルタを有するチョッパは、第２のバンドパスフィルタを設けることを特徴とする請求項７記載のガス濃度測定装置。
【請求項１０】
前記ノッチフィルタを有するチョッパは、第１のバンドパスフィルタと第２のバンドパスフィルタを設け、前記第１のバンドパスフィルタは、前記ノッチフィルタと同一光路に配置されていることを特徴とする請求項７または８記載のガス濃度測定装置。
【請求項１１】
エアウエイアダプタの窓は防曇処理を施したことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【請求項１】
被測定ガス中の所要ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、赤外線を発光させる光源と、被測定ガスを導入するエアウエイアダプタと、前記エアウエイアダプタを透過した赤外線を反射および透過させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより反射された赤外線を検出する第１の光検出器と、前記ビームスプリッタを透過した赤外線を検出する第２の光検出器とを備え、
前記ビームスプリッタと前記第１または第２の光検出器との間に、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタを設けることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記光源と前記ビームスプリッタとの間に、中心波長を４．３μｍに設定した第１のバンドパスフィルタを配置することを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に設置された第２のバンドパスフィルタと、
前記ビームスプリッタと前記第２の光検出器との間に設置された前記ノッチフィルタと、
前記第２の光検出器と前記ノッチフィルタとの間または前記ノッチフィルタと前記ビームスプリッタとの間に第１のバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記ビームスプリッタと前記第２の光検出器との間に設置された第２のバンドパスフィルタと、
前記ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に設置された前記ノッチフィルタと、
前記第１の光検出器と前記ノッチフィルタとの間または前記ノッチフィルタと前記ビームスプリッタとの間に第１のバンドパスフィルタを配置したことを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記第１のバンドパスフィルタの半値幅は１２０〜３００ｎｍの範囲に設定し、中心波長を４．３μｍに設定しその半値幅を前記第１のバンドパスフィルタの半値幅より小さく設定した第２のバンドパスフィルタを有することを特徴とする請求項３または４記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
前記第２のバンドパスフィルタの半値幅を１０〜１１０ｎｍの範囲に設定することを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【請求項７】
被測定ガス中の所要ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、赤外線を発光させる光源と、被測定ガスを導入するエアウエイアダプタと、少なくともノッチフィルタを有するチョッパと、赤外線を検出する第１の光検出器とを備え、前記ノッチフィルタは、被測定ガスに対し吸収特性を有する赤外線の所要波長において、赤外線の透過をカットする干渉フィルタ型のノッチフィルタであることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項８】
前記光源と前記第１の光検出器との間に、第１のバンドパスフィルタを設けることを特徴とする請求項７記載のガス濃度測定装置。
【請求項９】
前記ノッチフィルタを有するチョッパは、第２のバンドパスフィルタを設けることを特徴とする請求項７記載のガス濃度測定装置。
【請求項１０】
前記ノッチフィルタを有するチョッパは、第１のバンドパスフィルタと第２のバンドパスフィルタを設け、前記第１のバンドパスフィルタは、前記ノッチフィルタと同一光路に配置されていることを特徴とする請求項７または８記載のガス濃度測定装置。
【請求項１１】
エアウエイアダプタの窓は防曇処理を施したことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２８５８４２（Ｐ２００７−２８５８４２Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１３０２８（Ｐ２００６−１１３０２８）
【出願日】平成１８年４月１７日（２００６．４．１７）
【出願人】（０００２３０９６２）日本光電工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１７日（２００６．４．１７）
【出願人】（０００２３０９６２）日本光電工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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