気体成分検出装置
【課題】波長フィルタの入射角依存性に起因した赤外線受光量の減少を抑制する。
【解決手段】第１反射鏡80と第２反射鏡81によって赤外線の光路(図１の破線参照)が略コ字形に変更されている。そのため、波長フィルタ５の赤外線の入射角(波長フィルタ５表面の法線方向との為す角。以下、同じ。)がほぼ零度となっており、従来例に比べて波長フィルタ５の入射角依存性の影響を受け難くすることができる。その結果、波長フィルタ５を通過して受光部４に到達する赤外線量を増やすことができて気体成分の検出精度の低下を抑制することができる。
【解決手段】第１反射鏡80と第２反射鏡81によって赤外線の光路(図１の破線参照)が略コ字形に変更されている。そのため、波長フィルタ５の赤外線の入射角(波長フィルタ５表面の法線方向との為す角。以下、同じ。)がほぼ零度となっており、従来例に比べて波長フィルタ５の入射角依存性の影響を受け難くすることができる。その結果、波長フィルタ５を通過して受光部４に到達する赤外線量を増やすことができて気体成分の検出精度の低下を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線の吸収特性を利用して気体成分の濃度を検出する気体成分検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の気体成分検出装置として、特許文献１に記載されている赤外線式ガス検出器や特許文献２に記載されている赤外線ガス分析計などがある。
【０００３】
引用文献１記載の従来例は、検出対象の気体(例えば、一酸化炭素など)が内部に導入されるハウジングと、ハウジング内に赤外線を照射する光源と、ハウジング内の赤外線を検出する赤外線検出器とを備える。光源は、発光ダイオードチップ(ベア素子)、ベア素子が実装されるステム、ベア素子を封止する封止材などで構成されるパッケージ型の発光ダイオードからなり、ステムに突設されるリード端子から給電されて発光する。また、赤外線検出器は、フォトダイオードチップ(ベア素子)、ベア素子が実装されるステム、ベア素子を封止する封止材などで構成されるパッケージ型のフォトダイオードからなり、ステムに突設されるリード端子から検出信号が取り出される。さらに、赤外線検出器には、検出対象の気体に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含む波長フィルタ(波長選択フィルタ)が設けられている。この従来例では、ハウジングの内部に楕円体形状の空間が形成され、当該楕円体の２つの焦点に発光ダイオードチップ並びにフォトダイオードチップが位置している。一方、引用文献２記載の従来例は、箱形の金属ケース、金属ケース内に配設される楕円反射鏡、楕円反射鏡の反射面と対向して配置される光源及び受光器、受光器の受光面に設けられて検出対象の気体に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含む波長フィルタなどを備える。金属ケースには通気孔が設けられ、検出対象の気体(例えば、二酸化炭素)を含む気体が当該通気孔を通して金属ケース内に導入される。そして、光源から照射される赤外線のうちで検出対象の気体に吸収されずに赤外線検出器や受光器で受光される赤外線の量(レベル)に応じて、ハウジングや金属ケース内に存在する検出対象の気体の濃度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７５９８０号公報
【特許文献２】特開平９−１８４８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来例に用いられる波長フィルタは、通常、誘電体多層膜からなるバンドパスフィルタ(干渉フィルタ)で構成されているため、入射角依存性が高いという欠点がある。つまり、特許文献１や特許文献２に記載されている従来例の場合、通過域に属する波長の赤外線のうちで光源から放射された後に楕円体の内面や楕円反射鏡の反射面で反射した赤外線の大部分が波長フィルタを通過できなくなる虞がある。そして、波長フィルタを通過して赤外線検出器や受光器に到達する赤外線の量が減少すれば、気体成分の検出精度が低下してしまうことになる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、波長フィルタの入射角依存性に起因した赤外線受光量の減少を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の気体成分検出装置は、赤外線を放射する１乃至複数の発光部と、赤外線を受光して電気信号に変換する１乃至複数の受光部と、前記発光部及び前記受光部を保持する保持体と、前記発光部から放射される赤外線を前記受光部の受光面まで導光する導光体と、検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含み且つ前記導光体に導光される前記赤外線の光路上に配置される波長フィルタとを備え、当該導光体は、前記発光部に対向する第１反射鏡と、前記受光部の受光面に対向する第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡が両端に配置された第３反射鏡とを有することを特徴とする。
【０００８】
この気体成分検出装置において、前記導光体は、前記第１反射鏡で反射された赤外線の光路を分岐する分岐部と、当該分岐部で分岐された複数の前記光路上にそれぞれ配置される複数の前記第２反射鏡とを有することが好ましい。
【０００９】
この気体成分検出装置において、前記発光部と前記受光部と前記波長フィルタと前記導光体の組み合わせを複数組備えることが好ましい。
【００１０】
この気体成分検出装置において、前記第１反射鏡は放物面形状の反射面を有し、当該放物面の焦点の位置に前記発光部が配置されることが好ましい。
【００１１】
この気体成分検出装置において、前記第２反射鏡は曲面形状の反射面を有することが好ましい。
【００１２】
この気体成分検出装置において、前記発光部は赤外線を放射する半導体ベアチップからなり、前記受光部は赤外線を受光して電気信号に変換する半導体ベアチップからなることが好ましい。
【００１３】
この気体成分検出装置において、検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含む主波長フィルタと、当該主波長フィルタの前記通過域を含まず且つ当該通過域近傍の波長帯域を通過域に含む副波長フィルタと、前記主波長フィルタを通過する赤外線を受光する前記受光部と、当該受光部とは別の前記受光部であり且つ前記副波長フィルタを通過する赤外線を受光する前記受光部とを備えることが好ましい。
【００１４】
この気体成分検出装置において、前記受光部から出力される電気信号を信号処理する信号処理回路部を備え、当該信号処理回路部は、前記導光体の外側において前記発光部と前記受光部に挟まれた位置に配置されることが好ましい。
【００１５】
この気体成分検出装置において、前記信号処理回路部と前記光路との間に第４反射鏡が配置されることが好ましい。
【００１６】
この気体成分検出装置において、前記第４反射鏡は、一面を反射面とする平板状に形成され、当該反射面が前記発光部の発光面と面一となるように前記保持体に保持されることが好ましい。
【００１７】
この気体成分検出装置において、前記発光部と前記信号処理回路部との間に、前記発光部から放射される赤外線を遮蔽する壁が設けられることが好ましい。
【００１８】
この気体成分検出装置において、前記壁は前記保持体と一体に形成されることが好ましい。
【００１９】
この気体成分検出装置において、前記波長フィルタは前記受光部とともに前記保持体に保持されることが好ましい。
【００２０】
この気体成分検出装置において、前記波長フィルタは前記導光体の内部に収納されることが好ましい。
【００２１】
この気体成分検出装置において、前記発光部と前記導光体の間の光路上に集光用のレンズが配置されることが好ましい。
【００２２】
この気体成分検出装置において、前記波長フィルタは前記受光部に取り付けられることが好ましい。
【００２３】
この気体成分検出装置において、前記保持体は、前記発光部及び前記受光部への配線が一体に形成される立体配線基板であることが好ましい。
【００２４】
この気体成分検出装置において、前記導光体を保持して前記保持体と結合されるカバーを備え、当該カバーの前記保持体との結合面に１乃至複数の突起が設けられ、当該突起と嵌合する嵌合孔が前記保持体の前記結合面に設けられ、当該嵌合孔よりも小径の孔が当該嵌合孔の底面に設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の気体成分検出装置は、波長フィルタの入射角依存性に起因した赤外線受光量の減少を抑制することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１の断面図である。
【図２】同上の分解斜視図である。
【図３】同上における回路ブロックの斜視図である。
【図４】同上の要部断面図である。
【図５】同上における別の構成を示し、一部省略した断面図である。
【図６】同上における受光部と波長フィルタの別の構成を示し、(ａ)は断面図、(ｂ)は分解斜視図、(ｃ)はさらに別の構成の断面図である。
【図７】実施形態２の分解斜視図である。
【図８】同上の別の構成を示す回路ブロックの斜視図である。
【図９】実施形態３における光学ブロックを示し、(ａ)は下面図、(ｂ)は断面図である。
【図１０】(ａ)，(ｂ)は同上における別の構成の光学ブロックの下面図である。
【図１１】同上におけるさらに別の構成の光学ブロックを示し、(ａ)は下面図、(ｂ)は断面図である。
【図１２】実施形態４における光学ブロックを示し、(ａ)は下面図、(ｂ)は断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
(実施形態１)
本実施形態の気体成分検出装置(以下、ガスセンサと呼ぶ。)は、図２に示すように回路ブロック１と光学ブロック２で構成されている。なお、以下の説明では、図２において上下左右前後を規定する。
【００２８】
回路ブロック１は、合成樹脂成形体からなるボディ10の内部に発光部３、受光部４、波長フィルタ５、信号処理回路部６を実装した配線板11などが収納されて構成される。発光部３は、赤外線を放射する半導体ベアチップ(例えば、発光ダイオードチップや半導体基板上にMEMS技術を用いた抵抗素子が形成されてなる光源)からなる。ただし、発光部３から放射される赤外線の波長は、検出対象の気体(例えば、一酸化炭素や二酸化炭素、メタン、窒素酸化物など)に吸収され易い波長である。また受光部４は、赤外線を受光して電気信号に変換する半導体ベアチップ(例えば、フォトダイオードチップや焦電素子)からなる。波長フィルタ５は、発光部３から放射される赤外線の波長を含む波長帯域を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。この種のバンドパスフィルタは干渉フィルタとも呼ばれ、主に誘電体膜の多層構造を有している。信号処理回路部６は、発光部３を駆動して赤外線を照射させたり、受光部４から出力される信号に対して増幅や波形整形、サンプリング、Ａ／Ｄ変換、演算処理、補正処理、異常濃度判定処理などの信号処理を行う集積回路(ＩＣ)からなる。
【００２９】
配線板11は、図３に示すように長方形状の主部11Aと、主部11Aよりも小さい長方形状であって主部11Aの左後端より左方へ突出する延長部11Bとが一体に形成されている。主部11Aのほぼ中央に信号処理回路部６が実装され、図示しないプリント配線が主部11Aの上面及び延長部11Bの上面に形成されている。
【００３０】
ボディ10は、扁平な直方体形状に形成されるとともに上面側に開口する凹所100が設けられ、この凹所100内に配線板11を収納する。また、ボディ10の上面側における左端部には、凹部101が形成されており、この凹部101の底面(下面)に発光部３が実装される(図１参照)。すなわち、本実施形態ではボディ10が保持体に相当する。なお、発光部３は、ワイヤボンディングなどの適宜の方法により、延長部11Bのプリント配線と電気的に接続される。ここで、凹部101の右端にはボディ10の上面とほぼ同じ高さの壁102が設けられている。つまり、発光部３から放射される赤外線が壁102で遮蔽されることにより、赤外線が照射されることに起因した信号処理回路部６の誤動作を抑制することができる。しかも、このような壁102がボディ10と一体に形成されているため、壁がボディ10と別体に形成される場合と比較して低コスト化及び小型化が図れるという利点がある。
【００３１】
一方、ボディ10の上面側における右端部には、上下方向の深さが波長フィルタ５の厚み(上下方向の高さ)にほぼ等しい上側凹部103と、上側凹部103の前後方向における中央に位置する下側凹部104とが形成されている。そして、下側凹部104の底面(下面)に受光部４が実装され、受光部４の上方を覆うように上側凹部103の中央に波長フィルタ５が配置される(図１参照)。なお、受光部４は、ワイヤボンディングなどの適宜の方法により、主部11Aのプリント配線と電気的に接続される。ここで、本実施形態では受光部４とともに波長フィルタ５をボディ10に保持させているので、波長フィルタ５をパッケージに収納する必要が無いことから低コスト化及び小型化が図れるという利点がある。
【００３２】
ボディ10の前後両側面には、図２及び図３に示すように複数(図示例では４つ)の端子12が左右方向に並んで突出している。これらの端子12は金属板からなり、ボディ10にインサート成形されている。また、凹所100内の前方及び後方に角柱状の台部105がそれぞれ形成され(図示は後方のみ)、前側面に突出する４つの端子12の端部が前方の台部105の上面に露出し、後側面に突出する４つの端子12の端部12Aが後方の台部105の上面に露出している。そして、台部105上面に露出する各端子12の端部12Aが、ワイヤボンディングなどの適宜の方法で配線板11のプリント配線と電気的に接続される。
【００３３】
光学ブロック２は、合成樹脂成形体からなるカバー20の内部に導光体８が収納されて構成される。カバー20は、前後左右の長さ寸法がボディ10と等しい直方体形状に形成されるとともに下面側に開口する凹所200が設けられ、この凹所200内に導光体８を収納した状態でボディ10の上面側に接合される。また、カバー20上部の中央には、上下方向にカバー20を貫通する矩形の通気孔201が設けられ、通気孔201を通して外気(検出対象の気体を含む複数種類の混合気体。以下、同じ。)が凹所200(導光体８)内に導入される。なお、通気孔201の形状は矩形に限定されず、円形等の他の形状であってもよく、且つ複数個であってもよい。ただし、塵埃などの外気以外の異物が通気孔201に進入することを防ぐため、カバー20上面の通気孔201の開口は防塵フィルタ７で覆われている(図１参照)。
【００３４】
導光体８は、図１に示すように第１反射鏡80と、第２反射鏡81と、第３反射鏡82と、第４反射鏡83とで構成される。第１反射鏡80は、例えば、放物面形状の反射面を有し、発光部３から放射される赤外線の光路(図１における破線参照)をボディ10の上面に沿った方向(左右方向)へ反射(変更)するものである。また第２反射鏡81は、例えば、平坦な反射面を有し、第１反射鏡80で変更された光路を受光部４の受光面(上面)と交差する方向(上下方向)へ反射(変更)するものである。また、第３反射鏡82は第１反射鏡80と第２反射鏡81が両端に配置された半円筒形状に形成されている。ただし、第３反射鏡82の中央部には、カバー20の通気孔201と繋がる孔(図示せず)が開口している。なお、これら３つの反射鏡80〜82は、金属材料で形成されてカバー20にインサート成形されてもよいし、あるいは、凹所200の内面にアルミニウムなどの金属が蒸着又はめっきされることで形成されてもよい。特に、反射鏡80〜82が蒸着や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、低コスト化と寸法精度の向上を図ることができる。
【００３５】
第４反射鏡83は、図２に示すようにアルミニウムなどの金属材料の板材で平板状に構成される、若しくは、成形品にアルミニウムなどの金属が蒸着又はめっきされることで平板状に形成されている。ボディ10の凹所100における前後両側の開口縁に、第４反射鏡83の厚み(上下方向の厚み)とほぼ等しい段差106が形成されており、反射面を上に向けた状態で第４反射鏡83の前後両側の端部が段差106上に載置される。つまり、図１に示すようにボディ10の壁102から上側凹部103までの範囲で、凹所100の開口が第４反射鏡83で塞がれることになる。このとき、第４反射鏡83の反射面(上面)が発光部３の発光面(上面)よりも低くなると信号処理回路部６や配線板11などが収納される凹所100の深さを深くしなければならないためにボディ10の厚み(高さ)が増してしまう。一方、第４反射鏡83の反射面が発光部３の発光面よりも高くなると第４反射鏡83の端部で赤外線が反射して損失が増えてしまうので、発光部３や受光部４のサイズを大きくする必要が生じて小型化が困難になる。これに対して本実施形態では、第４反射鏡83がその厚み寸法とほぼ等しい段差106に載置されることで第４反射鏡83の反射面が発光部３の発光面(上面)とが面一となっているので、上述のような不都合を回避することができる。
【００３６】
上述のように構成されるガスセンサでは、通気孔201を通して導光体８内に外気が導入され、発光部３から放射される赤外線が外気に含まれる検出対象の気体に吸収されることで受光部４の赤外線受光量が減少する。したがって、赤外線受光量に応じた受光部４の出力信号が信号処理回路部６で信号処理されることにより、導光体８内の外気に含まれる検出対象の気体(気体成分)の濃度が検出できる。ただし、気体濃度を検出するために信号処理回路部６で行われる信号処理の具体的な内容については、従来周知であるから詳細な説明は省略する。
【００３７】
而して、本実施形態では第１反射鏡80と第２反射鏡81によって赤外線の光路(図１の破線参照)が略コ字形に変更され、波長フィルタ５の赤外線の入射角(波長フィルタ５表面の法線方向との為す角。以下、同じ。)がほぼ零度となっている。このため、従来例に比べて波長フィルタ５の入射角依存性の影響を受け難くすることができ、その結果、波長フィルタ５を通過して受光部４に到達する赤外線量を増やすことができて気体成分の検出精度の低下を抑制することができる。また本実施形態では、光路が略Ｖ字形である特許文献２記載の従来例と比較して、光路長を短縮せずに上下方向の高さ寸法を小型化(低背化)することができる。しかも、低背化により、特許文献２記載の従来例と比較して通気孔201から光路までの距離が短縮されるので、外気中における検出対象気体の割合変化に対する検出応答性の向上が図れるという利点もある。さらに、発光部３及び受光部４がそれぞれ半導体ベアチップ(発光ダイオードチップ及びフォトダイオードチップ)で構成されているので、パッケージ型の発光ダイオードやフォトダイオードが使用される従来例に比べて配線の簡単化が図れる。
【００３８】
また本実施形態では、発光部３と受光部４に挟まれ且つ第１反射鏡80で変更される光路と重ならない位置、すなわち、ボディ10の内部(凹所100内)に信号処理回路部６を配置することにより、デッドスペースを有効利用してボディ10及びカバー20の小型化を図っている。
【００３９】
ところで、カバー20の下面における左右方向の中央付近且つ前後方向の両端に、略円柱形状の突起202がそれぞれ下向きに突設されている(図４参照)。また、ボディ10の上面における左右方向の中央付近且つ前後方向の両端に、カバー20の突起202と嵌合する円形の嵌合孔107がそれぞれ設けられている(図２及び図３参照)。すなわち、突起202と嵌合孔107を嵌合させることでボディ10とカバー20の接合時の位置決めを可能とし、発光部３と第１反射鏡80との位置合わせ及び受光部４と第２反射鏡81との位置合わせを容易にしている。特に本実施形態では、第１反射鏡80の反射面が放物面形状に形成されており、ボディ10とカバー20が位置決めされることで反射面(放物面)の焦点の位置に発光部３を容易に配置することができる。
【００４０】
ここで、本実施形態が自動組立機によって組み立てられる場合、上方からカメラで撮像されるボディ10の画像から周知の画像処理技術(例えば、エッジ検出)を利用して、発光部３や受光部４の実装位置の位置決めが行われる。本実施形態では、図４に示すようにボディ10における嵌合孔107の底面に、嵌合孔107よりも小径の孔108が設けられ、この孔108の開口縁(エッジ)によって嵌合孔107の位置が検出され、嵌合孔107の位置を基準にして発光部３や受光部４の実装位置が位置決めされる。周知の画像処理技術を用いて嵌合穴107の開口縁によって嵌合穴107の位置検出を行った場合、発光部３や受光部４の表面の深さ方向の位置と嵌合穴107の深さ方向の位置が異なるため、撮像画像における結像(ピント)位置が異なることによる位置検出誤差が発生する。この位置検出誤差を低減するために小径の孔108を設け、その開口縁の深さ方向の位置が発光部３や受光部４の表面の深さ方向の位置に近づくようにしている。つまり、本実施形態では、回路ブロック１と光学ブロック２の位置決めと、ボディ10に対する発光部３及び受光部４の実装位置の位置決めとが同じ嵌合孔107を基準として行われる。その結果、双方の位置決めが異なる部位を基準とする場合に比較して、発光部３及び受光部４と導光体８(第１反射鏡80及び第２反射鏡81)との位置合わせの精度が向上するという利点がある。
【００４１】
ところで、第１反射鏡80の大きさに対して発光部３が点光源とみなせる程度に小さくないため、発光部３から放射される赤外線の一部しか第１反射鏡80の反射面(放物面)の焦点を通らないことになる。そして、反射面の焦点を通らない赤外線の一部が波長フィルタ５の入射角範囲から外れ、受光部４に受光される赤外線量が減少してしまうことになる。そこで、図５に示すように発光部３と第１反射鏡80の間の光路上に集光用のレンズ21を配置し、レンズ21の集光点と第１反射鏡80の焦点を一致させることが好ましい。このようにすれば、発光部３から放射される赤外線の大部分が第１反射鏡80の焦点を通ることになるから、赤外線を効率よく受光部４に受光させることができる。
【００４２】
なお、本実施形態では波長フィルタ５がボディ10に取り付けられているが、図６に示すように波長フィルタ５が受光部４(半導体ベアチップ)に取り付けられても構わない。例えば、矩形平板状の波長フィルタ５が、受光部４の受光面40を覆うように受光部４の上面に接合される。ただし、波長フィルタ５下面の周縁に枠部50が設けられており、この枠部50によって受光部４の受光面40と波長フィルタ５の下面との間に隙間が形成されている。なお、下面が平坦である波長フィルタ５が、低融点ガラスや低融点金属、ポリマーなどの接合材51で接合されても構わない(図６(ｃ)参照)。このように波長フィルタ５が受光部４と一体に構成されれば、波長フィルタ５を取り付けるための上側凹部103が不要となり、しかも、波長フィルタ５と受光面との間の隙間が小さくなるので、ボディ10の厚みを減らして小型化(低背化)が図れるという利点がある。さらに、多数の受光部４と波長フィルタ５が半導体ウェハの製造プロセスを利用して一括して製造可能となり、製造コストの削減が可能になる。あるいは、第１反射鏡80と第２反射鏡81の間に波長フィルタ５が設けられてもよい。
【００４３】
ここで、第１反射鏡80は反射面が放物面形状のものに限定されず、例えば、球面形状や多角形面形状の反射面を有するものであっても構わない。同様に、第２反射鏡81は反射面が平坦なものに限定されず、曲面形状の反射面を有するものであっても構わない。
【００４４】
(実施形態２)
本実施形態のガスセンサを図７に示す。本実施形態は、受光部４と波長フィルタ５の組を２組備える点に特徴があり、その他の構成については実施形態１と共通である。故に、実施形態１と共通の構成要素には同一の符号を付して適宜図示及び説明を省略する。
【００４５】
図７に示すように、ボディ10の上面側における右端部において、２つの下側凹部104A，104Bが前後方向に並べて形成される。そして、各下側凹部104A，104Bの底面に受光部4A，4Bがそれぞれ実装されるとともに、各受光部4A，4Bの上方を覆うようにそれぞれ波長フィルタ5A，5Bが上側凹部103の底面に配置される。
【００４６】
ここで、一方の波長フィルタ(主波長フィルタ)5Aは、検出対象の気体が吸収する赤外線の波長域を通過域に含むが、他方の波長フィルタ(副波長フィルタ)5Bは、検出対象の気体が吸収する赤外線の波長域を通過域に含まず、当該波長域の近傍の波長域を通過域に含んでいる。つまり、発光部３から放射される赤外線のうち、主波長フィルタ5Aを通過して受光部4Aで受光される赤外線量が検出対象の気体の濃度に応じて減少するのに対し、副波長フィルタ5Bを通過して受光部4Bで受光される赤外線量は検出対象の気体の濃度に応じて減少しない。そして、信号処理回路部６では、２つの受光部4A，4Bの出力信号レベルの差分をとり、この差分に基づいて検出対象の気体の濃度を演算する。
【００４７】
すなわち、実施形態１のように受光部４の出力信号レベルに基づいて信号処理回路部６が気体濃度を演算した場合、受光部４の出力信号レベルが何らかの外乱要因によって変動したときに気体濃度の検出精度が低下してしまう虞がある。一方、上述のように信号処理回路部６が２つの受光部4A，4Bの出力信号レベルの差分に基づいて検出対象の気体の濃度を演算すれば、それぞれの受光部４の出力信号レベルの変動分を相殺して気体濃度の検出精度の低下を抑制することができる。
【００４８】
なお、図８に示すようにボディ10を立体配線基板(いわゆるMID基板)とすれば、信号処理回路部６が配線板11を介さずにボディ10に直接実装可能となるので、ボディ10をさらに小型化することができる。
【００４９】
(実施形態３)
本実施形態のガスセンサを図９に示す。本実施形態は、光学ブロック２の構成に特徴があり、その他の構成については実施形態２と共通である。故に、実施形態２と共通の構成要素には同一の符号を付して適宜図示及び説明を省略する。
【００５０】
本実施形態では、図９(ｂ)に示すようにカバー20の凹所200底面より分岐部203が下向きに立設されている。この分岐部203は、先端(左端)が先細りとなった楔型の壁からなり、後端(右端)が２つの受光部4A，4Bの間に位置して第１反射鏡80で反射される赤外線の光路を２つの光路に分岐している(図９（ａ）参照)。また、分岐部203で分岐された各光路の途中に主波長フィルタ5A及び副波長フィルタ5Bが配設され、各光路の右端にそれぞれ第２反射鏡81A，81Bが配置されている。すなわち、一方の光路(主光路)を進行した赤外線が主波長フィルタ5Aを通過し且つ第２反射鏡81Aに反射されて受光部4Aに受光され、他方の光路(副光路)を進行した赤外線が副波長フィルタ5Bを通過し且つ第２反射鏡81Bに反射されて受光部4Bに受光される。
【００５１】
而して、実施形態２では導光体８内の光路が分岐されていないため、２つの受光部4A，4Bの受光面に対する赤外線の入射範囲(以下、スポットと呼ぶ。)が相対的に大きくなって、各受光部4A，4Bにおける赤外線の受光量が減少してしまう虞がある。これに対して本実施形態では、導光体８内の光路が分岐されているので、各受光部4A，4Bの受光面に対するスポットが相対的に小さくなり、その結果、各受光部4A，4Bにおける赤外線の受光量の減少を抑制することができる。
【００５２】
通気孔201は導光体８内に１つまたは複数設けられる。波長フィルタ５が第１反射鏡80と第２反射鏡81の間の光路上に設置される場合、波長フィルタ５よりも第１反射鏡80側と波長フィルタ５よりも第２反射鏡81側の両方、もしくは、両方にまたがるように通気孔201を設置することが望ましい。このようにすれば、被検出気体により赤外線が吸収されるための光路長を長くして気体の検出精度を高めることができる。さらに、光学シミュレーションにより、光路の端部における赤外線の通過量が少ないため、図10(ａ)，(ｂ)に示すように光路の両端に通気孔201が設けられることが望ましい。
【００５３】
ここで、図11に示すように第２反射鏡81A，81Bの反射面を曲面(凹曲面)とすれば、第２反射鏡81A，81Bの反射面で反射する光を集光させてスポットを縮小することができるので、各受光部4A，4Bにおける赤外線の受光量の減少をさらに抑制することができる。
【００５４】
(実施形態４)
実施形態１〜３では外気に含まれる１種類の気体の濃度を検出するガスセンサを例示した。これに対して本実施形態のガスセンサは、図12に示すように発光部３と受光部４と導光体８の組を複数組(図示例では２組)備え、それぞれの組毎に異なる種類の気体の濃度を検出することができる。
【００５５】
図12(ａ)に示すように、２つの発光部３と２つの受光部４がボディ(図示せず)に実装され、カバー20の凹所200には、各発光部３から放射される赤外線を各受光部４まで導光する２つの導光体８が並設されている。なお、これら２つの導光体８の構成は、第１反射鏡80と第２反射鏡81との間の光路上にそれぞれ波長フィルタ５が配置されている点を除いて実施形態１の導光体８と共通である。各波長フィルタ５はそれぞれの検出対象の気体の吸収特性に対応した波長を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。
【００５６】
而して、本実施形態のガスセンサでは、外気に含まれる複数種類の気体から異なる２種類の気体(例えば、一酸化炭素と窒素酸化物など)の濃度をそれぞれ独立して検出することができる。なお、本実施形態においても、実施形態３と同様に第２反射鏡81の反射面を曲面(凹曲面)としてもよい。あるいは、実施形態３と同様に、各組毎に分岐部と２つの受光部4A，4Bと波長フィルタ5A，5Bを備え、各受光部4A，4Bの出力信号レベルの差分からそれぞれの気体の濃度を検出しても構わない。
【符号の説明】
【００５７】
３ 発光部
４ 受光部
５ 波長フィルタ
８ 導光体
10 ボディ(保持体)
80 第１反射鏡
81 第２反射鏡
82 第３反射鏡
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線の吸収特性を利用して気体成分の濃度を検出する気体成分検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の気体成分検出装置として、特許文献１に記載されている赤外線式ガス検出器や特許文献２に記載されている赤外線ガス分析計などがある。
【０００３】
引用文献１記載の従来例は、検出対象の気体(例えば、一酸化炭素など)が内部に導入されるハウジングと、ハウジング内に赤外線を照射する光源と、ハウジング内の赤外線を検出する赤外線検出器とを備える。光源は、発光ダイオードチップ(ベア素子)、ベア素子が実装されるステム、ベア素子を封止する封止材などで構成されるパッケージ型の発光ダイオードからなり、ステムに突設されるリード端子から給電されて発光する。また、赤外線検出器は、フォトダイオードチップ(ベア素子)、ベア素子が実装されるステム、ベア素子を封止する封止材などで構成されるパッケージ型のフォトダイオードからなり、ステムに突設されるリード端子から検出信号が取り出される。さらに、赤外線検出器には、検出対象の気体に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含む波長フィルタ(波長選択フィルタ)が設けられている。この従来例では、ハウジングの内部に楕円体形状の空間が形成され、当該楕円体の２つの焦点に発光ダイオードチップ並びにフォトダイオードチップが位置している。一方、引用文献２記載の従来例は、箱形の金属ケース、金属ケース内に配設される楕円反射鏡、楕円反射鏡の反射面と対向して配置される光源及び受光器、受光器の受光面に設けられて検出対象の気体に吸収される赤外線の波長帯域を通過域に含む波長フィルタなどを備える。金属ケースには通気孔が設けられ、検出対象の気体(例えば、二酸化炭素)を含む気体が当該通気孔を通して金属ケース内に導入される。そして、光源から照射される赤外線のうちで検出対象の気体に吸収されずに赤外線検出器や受光器で受光される赤外線の量(レベル)に応じて、ハウジングや金属ケース内に存在する検出対象の気体の濃度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７５９８０号公報
【特許文献２】特開平９−１８４８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来例に用いられる波長フィルタは、通常、誘電体多層膜からなるバンドパスフィルタ(干渉フィルタ)で構成されているため、入射角依存性が高いという欠点がある。つまり、特許文献１や特許文献２に記載されている従来例の場合、通過域に属する波長の赤外線のうちで光源から放射された後に楕円体の内面や楕円反射鏡の反射面で反射した赤外線の大部分が波長フィルタを通過できなくなる虞がある。そして、波長フィルタを通過して赤外線検出器や受光器に到達する赤外線の量が減少すれば、気体成分の検出精度が低下してしまうことになる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、波長フィルタの入射角依存性に起因した赤外線受光量の減少を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の気体成分検出装置は、赤外線を放射する１乃至複数の発光部と、赤外線を受光して電気信号に変換する１乃至複数の受光部と、前記発光部及び前記受光部を保持する保持体と、前記発光部から放射される赤外線を前記受光部の受光面まで導光する導光体と、検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含み且つ前記導光体に導光される前記赤外線の光路上に配置される波長フィルタとを備え、当該導光体は、前記発光部に対向する第１反射鏡と、前記受光部の受光面に対向する第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡が両端に配置された第３反射鏡とを有することを特徴とする。
【０００８】
この気体成分検出装置において、前記導光体は、前記第１反射鏡で反射された赤外線の光路を分岐する分岐部と、当該分岐部で分岐された複数の前記光路上にそれぞれ配置される複数の前記第２反射鏡とを有することが好ましい。
【０００９】
この気体成分検出装置において、前記発光部と前記受光部と前記波長フィルタと前記導光体の組み合わせを複数組備えることが好ましい。
【００１０】
この気体成分検出装置において、前記第１反射鏡は放物面形状の反射面を有し、当該放物面の焦点の位置に前記発光部が配置されることが好ましい。
【００１１】
この気体成分検出装置において、前記第２反射鏡は曲面形状の反射面を有することが好ましい。
【００１２】
この気体成分検出装置において、前記発光部は赤外線を放射する半導体ベアチップからなり、前記受光部は赤外線を受光して電気信号に変換する半導体ベアチップからなることが好ましい。
【００１３】
この気体成分検出装置において、検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含む主波長フィルタと、当該主波長フィルタの前記通過域を含まず且つ当該通過域近傍の波長帯域を通過域に含む副波長フィルタと、前記主波長フィルタを通過する赤外線を受光する前記受光部と、当該受光部とは別の前記受光部であり且つ前記副波長フィルタを通過する赤外線を受光する前記受光部とを備えることが好ましい。
【００１４】
この気体成分検出装置において、前記受光部から出力される電気信号を信号処理する信号処理回路部を備え、当該信号処理回路部は、前記導光体の外側において前記発光部と前記受光部に挟まれた位置に配置されることが好ましい。
【００１５】
この気体成分検出装置において、前記信号処理回路部と前記光路との間に第４反射鏡が配置されることが好ましい。
【００１６】
この気体成分検出装置において、前記第４反射鏡は、一面を反射面とする平板状に形成され、当該反射面が前記発光部の発光面と面一となるように前記保持体に保持されることが好ましい。
【００１７】
この気体成分検出装置において、前記発光部と前記信号処理回路部との間に、前記発光部から放射される赤外線を遮蔽する壁が設けられることが好ましい。
【００１８】
この気体成分検出装置において、前記壁は前記保持体と一体に形成されることが好ましい。
【００１９】
この気体成分検出装置において、前記波長フィルタは前記受光部とともに前記保持体に保持されることが好ましい。
【００２０】
この気体成分検出装置において、前記波長フィルタは前記導光体の内部に収納されることが好ましい。
【００２１】
この気体成分検出装置において、前記発光部と前記導光体の間の光路上に集光用のレンズが配置されることが好ましい。
【００２２】
この気体成分検出装置において、前記波長フィルタは前記受光部に取り付けられることが好ましい。
【００２３】
この気体成分検出装置において、前記保持体は、前記発光部及び前記受光部への配線が一体に形成される立体配線基板であることが好ましい。
【００２４】
この気体成分検出装置において、前記導光体を保持して前記保持体と結合されるカバーを備え、当該カバーの前記保持体との結合面に１乃至複数の突起が設けられ、当該突起と嵌合する嵌合孔が前記保持体の前記結合面に設けられ、当該嵌合孔よりも小径の孔が当該嵌合孔の底面に設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の気体成分検出装置は、波長フィルタの入射角依存性に起因した赤外線受光量の減少を抑制することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１の断面図である。
【図２】同上の分解斜視図である。
【図３】同上における回路ブロックの斜視図である。
【図４】同上の要部断面図である。
【図５】同上における別の構成を示し、一部省略した断面図である。
【図６】同上における受光部と波長フィルタの別の構成を示し、(ａ)は断面図、(ｂ)は分解斜視図、(ｃ)はさらに別の構成の断面図である。
【図７】実施形態２の分解斜視図である。
【図８】同上の別の構成を示す回路ブロックの斜視図である。
【図９】実施形態３における光学ブロックを示し、(ａ)は下面図、(ｂ)は断面図である。
【図１０】(ａ)，(ｂ)は同上における別の構成の光学ブロックの下面図である。
【図１１】同上におけるさらに別の構成の光学ブロックを示し、(ａ)は下面図、(ｂ)は断面図である。
【図１２】実施形態４における光学ブロックを示し、(ａ)は下面図、(ｂ)は断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
(実施形態１)
本実施形態の気体成分検出装置(以下、ガスセンサと呼ぶ。)は、図２に示すように回路ブロック１と光学ブロック２で構成されている。なお、以下の説明では、図２において上下左右前後を規定する。
【００２８】
回路ブロック１は、合成樹脂成形体からなるボディ10の内部に発光部３、受光部４、波長フィルタ５、信号処理回路部６を実装した配線板11などが収納されて構成される。発光部３は、赤外線を放射する半導体ベアチップ(例えば、発光ダイオードチップや半導体基板上にMEMS技術を用いた抵抗素子が形成されてなる光源)からなる。ただし、発光部３から放射される赤外線の波長は、検出対象の気体(例えば、一酸化炭素や二酸化炭素、メタン、窒素酸化物など)に吸収され易い波長である。また受光部４は、赤外線を受光して電気信号に変換する半導体ベアチップ(例えば、フォトダイオードチップや焦電素子)からなる。波長フィルタ５は、発光部３から放射される赤外線の波長を含む波長帯域を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。この種のバンドパスフィルタは干渉フィルタとも呼ばれ、主に誘電体膜の多層構造を有している。信号処理回路部６は、発光部３を駆動して赤外線を照射させたり、受光部４から出力される信号に対して増幅や波形整形、サンプリング、Ａ／Ｄ変換、演算処理、補正処理、異常濃度判定処理などの信号処理を行う集積回路(ＩＣ)からなる。
【００２９】
配線板11は、図３に示すように長方形状の主部11Aと、主部11Aよりも小さい長方形状であって主部11Aの左後端より左方へ突出する延長部11Bとが一体に形成されている。主部11Aのほぼ中央に信号処理回路部６が実装され、図示しないプリント配線が主部11Aの上面及び延長部11Bの上面に形成されている。
【００３０】
ボディ10は、扁平な直方体形状に形成されるとともに上面側に開口する凹所100が設けられ、この凹所100内に配線板11を収納する。また、ボディ10の上面側における左端部には、凹部101が形成されており、この凹部101の底面(下面)に発光部３が実装される(図１参照)。すなわち、本実施形態ではボディ10が保持体に相当する。なお、発光部３は、ワイヤボンディングなどの適宜の方法により、延長部11Bのプリント配線と電気的に接続される。ここで、凹部101の右端にはボディ10の上面とほぼ同じ高さの壁102が設けられている。つまり、発光部３から放射される赤外線が壁102で遮蔽されることにより、赤外線が照射されることに起因した信号処理回路部６の誤動作を抑制することができる。しかも、このような壁102がボディ10と一体に形成されているため、壁がボディ10と別体に形成される場合と比較して低コスト化及び小型化が図れるという利点がある。
【００３１】
一方、ボディ10の上面側における右端部には、上下方向の深さが波長フィルタ５の厚み(上下方向の高さ)にほぼ等しい上側凹部103と、上側凹部103の前後方向における中央に位置する下側凹部104とが形成されている。そして、下側凹部104の底面(下面)に受光部４が実装され、受光部４の上方を覆うように上側凹部103の中央に波長フィルタ５が配置される(図１参照)。なお、受光部４は、ワイヤボンディングなどの適宜の方法により、主部11Aのプリント配線と電気的に接続される。ここで、本実施形態では受光部４とともに波長フィルタ５をボディ10に保持させているので、波長フィルタ５をパッケージに収納する必要が無いことから低コスト化及び小型化が図れるという利点がある。
【００３２】
ボディ10の前後両側面には、図２及び図３に示すように複数(図示例では４つ)の端子12が左右方向に並んで突出している。これらの端子12は金属板からなり、ボディ10にインサート成形されている。また、凹所100内の前方及び後方に角柱状の台部105がそれぞれ形成され(図示は後方のみ)、前側面に突出する４つの端子12の端部が前方の台部105の上面に露出し、後側面に突出する４つの端子12の端部12Aが後方の台部105の上面に露出している。そして、台部105上面に露出する各端子12の端部12Aが、ワイヤボンディングなどの適宜の方法で配線板11のプリント配線と電気的に接続される。
【００３３】
光学ブロック２は、合成樹脂成形体からなるカバー20の内部に導光体８が収納されて構成される。カバー20は、前後左右の長さ寸法がボディ10と等しい直方体形状に形成されるとともに下面側に開口する凹所200が設けられ、この凹所200内に導光体８を収納した状態でボディ10の上面側に接合される。また、カバー20上部の中央には、上下方向にカバー20を貫通する矩形の通気孔201が設けられ、通気孔201を通して外気(検出対象の気体を含む複数種類の混合気体。以下、同じ。)が凹所200(導光体８)内に導入される。なお、通気孔201の形状は矩形に限定されず、円形等の他の形状であってもよく、且つ複数個であってもよい。ただし、塵埃などの外気以外の異物が通気孔201に進入することを防ぐため、カバー20上面の通気孔201の開口は防塵フィルタ７で覆われている(図１参照)。
【００３４】
導光体８は、図１に示すように第１反射鏡80と、第２反射鏡81と、第３反射鏡82と、第４反射鏡83とで構成される。第１反射鏡80は、例えば、放物面形状の反射面を有し、発光部３から放射される赤外線の光路(図１における破線参照)をボディ10の上面に沿った方向(左右方向)へ反射(変更)するものである。また第２反射鏡81は、例えば、平坦な反射面を有し、第１反射鏡80で変更された光路を受光部４の受光面(上面)と交差する方向(上下方向)へ反射(変更)するものである。また、第３反射鏡82は第１反射鏡80と第２反射鏡81が両端に配置された半円筒形状に形成されている。ただし、第３反射鏡82の中央部には、カバー20の通気孔201と繋がる孔(図示せず)が開口している。なお、これら３つの反射鏡80〜82は、金属材料で形成されてカバー20にインサート成形されてもよいし、あるいは、凹所200の内面にアルミニウムなどの金属が蒸着又はめっきされることで形成されてもよい。特に、反射鏡80〜82が蒸着や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、低コスト化と寸法精度の向上を図ることができる。
【００３５】
第４反射鏡83は、図２に示すようにアルミニウムなどの金属材料の板材で平板状に構成される、若しくは、成形品にアルミニウムなどの金属が蒸着又はめっきされることで平板状に形成されている。ボディ10の凹所100における前後両側の開口縁に、第４反射鏡83の厚み(上下方向の厚み)とほぼ等しい段差106が形成されており、反射面を上に向けた状態で第４反射鏡83の前後両側の端部が段差106上に載置される。つまり、図１に示すようにボディ10の壁102から上側凹部103までの範囲で、凹所100の開口が第４反射鏡83で塞がれることになる。このとき、第４反射鏡83の反射面(上面)が発光部３の発光面(上面)よりも低くなると信号処理回路部６や配線板11などが収納される凹所100の深さを深くしなければならないためにボディ10の厚み(高さ)が増してしまう。一方、第４反射鏡83の反射面が発光部３の発光面よりも高くなると第４反射鏡83の端部で赤外線が反射して損失が増えてしまうので、発光部３や受光部４のサイズを大きくする必要が生じて小型化が困難になる。これに対して本実施形態では、第４反射鏡83がその厚み寸法とほぼ等しい段差106に載置されることで第４反射鏡83の反射面が発光部３の発光面(上面)とが面一となっているので、上述のような不都合を回避することができる。
【００３６】
上述のように構成されるガスセンサでは、通気孔201を通して導光体８内に外気が導入され、発光部３から放射される赤外線が外気に含まれる検出対象の気体に吸収されることで受光部４の赤外線受光量が減少する。したがって、赤外線受光量に応じた受光部４の出力信号が信号処理回路部６で信号処理されることにより、導光体８内の外気に含まれる検出対象の気体(気体成分)の濃度が検出できる。ただし、気体濃度を検出するために信号処理回路部６で行われる信号処理の具体的な内容については、従来周知であるから詳細な説明は省略する。
【００３７】
而して、本実施形態では第１反射鏡80と第２反射鏡81によって赤外線の光路(図１の破線参照)が略コ字形に変更され、波長フィルタ５の赤外線の入射角(波長フィルタ５表面の法線方向との為す角。以下、同じ。)がほぼ零度となっている。このため、従来例に比べて波長フィルタ５の入射角依存性の影響を受け難くすることができ、その結果、波長フィルタ５を通過して受光部４に到達する赤外線量を増やすことができて気体成分の検出精度の低下を抑制することができる。また本実施形態では、光路が略Ｖ字形である特許文献２記載の従来例と比較して、光路長を短縮せずに上下方向の高さ寸法を小型化(低背化)することができる。しかも、低背化により、特許文献２記載の従来例と比較して通気孔201から光路までの距離が短縮されるので、外気中における検出対象気体の割合変化に対する検出応答性の向上が図れるという利点もある。さらに、発光部３及び受光部４がそれぞれ半導体ベアチップ(発光ダイオードチップ及びフォトダイオードチップ)で構成されているので、パッケージ型の発光ダイオードやフォトダイオードが使用される従来例に比べて配線の簡単化が図れる。
【００３８】
また本実施形態では、発光部３と受光部４に挟まれ且つ第１反射鏡80で変更される光路と重ならない位置、すなわち、ボディ10の内部(凹所100内)に信号処理回路部６を配置することにより、デッドスペースを有効利用してボディ10及びカバー20の小型化を図っている。
【００３９】
ところで、カバー20の下面における左右方向の中央付近且つ前後方向の両端に、略円柱形状の突起202がそれぞれ下向きに突設されている(図４参照)。また、ボディ10の上面における左右方向の中央付近且つ前後方向の両端に、カバー20の突起202と嵌合する円形の嵌合孔107がそれぞれ設けられている(図２及び図３参照)。すなわち、突起202と嵌合孔107を嵌合させることでボディ10とカバー20の接合時の位置決めを可能とし、発光部３と第１反射鏡80との位置合わせ及び受光部４と第２反射鏡81との位置合わせを容易にしている。特に本実施形態では、第１反射鏡80の反射面が放物面形状に形成されており、ボディ10とカバー20が位置決めされることで反射面(放物面)の焦点の位置に発光部３を容易に配置することができる。
【００４０】
ここで、本実施形態が自動組立機によって組み立てられる場合、上方からカメラで撮像されるボディ10の画像から周知の画像処理技術(例えば、エッジ検出)を利用して、発光部３や受光部４の実装位置の位置決めが行われる。本実施形態では、図４に示すようにボディ10における嵌合孔107の底面に、嵌合孔107よりも小径の孔108が設けられ、この孔108の開口縁(エッジ)によって嵌合孔107の位置が検出され、嵌合孔107の位置を基準にして発光部３や受光部４の実装位置が位置決めされる。周知の画像処理技術を用いて嵌合穴107の開口縁によって嵌合穴107の位置検出を行った場合、発光部３や受光部４の表面の深さ方向の位置と嵌合穴107の深さ方向の位置が異なるため、撮像画像における結像(ピント)位置が異なることによる位置検出誤差が発生する。この位置検出誤差を低減するために小径の孔108を設け、その開口縁の深さ方向の位置が発光部３や受光部４の表面の深さ方向の位置に近づくようにしている。つまり、本実施形態では、回路ブロック１と光学ブロック２の位置決めと、ボディ10に対する発光部３及び受光部４の実装位置の位置決めとが同じ嵌合孔107を基準として行われる。その結果、双方の位置決めが異なる部位を基準とする場合に比較して、発光部３及び受光部４と導光体８(第１反射鏡80及び第２反射鏡81)との位置合わせの精度が向上するという利点がある。
【００４１】
ところで、第１反射鏡80の大きさに対して発光部３が点光源とみなせる程度に小さくないため、発光部３から放射される赤外線の一部しか第１反射鏡80の反射面(放物面)の焦点を通らないことになる。そして、反射面の焦点を通らない赤外線の一部が波長フィルタ５の入射角範囲から外れ、受光部４に受光される赤外線量が減少してしまうことになる。そこで、図５に示すように発光部３と第１反射鏡80の間の光路上に集光用のレンズ21を配置し、レンズ21の集光点と第１反射鏡80の焦点を一致させることが好ましい。このようにすれば、発光部３から放射される赤外線の大部分が第１反射鏡80の焦点を通ることになるから、赤外線を効率よく受光部４に受光させることができる。
【００４２】
なお、本実施形態では波長フィルタ５がボディ10に取り付けられているが、図６に示すように波長フィルタ５が受光部４(半導体ベアチップ)に取り付けられても構わない。例えば、矩形平板状の波長フィルタ５が、受光部４の受光面40を覆うように受光部４の上面に接合される。ただし、波長フィルタ５下面の周縁に枠部50が設けられており、この枠部50によって受光部４の受光面40と波長フィルタ５の下面との間に隙間が形成されている。なお、下面が平坦である波長フィルタ５が、低融点ガラスや低融点金属、ポリマーなどの接合材51で接合されても構わない(図６(ｃ)参照)。このように波長フィルタ５が受光部４と一体に構成されれば、波長フィルタ５を取り付けるための上側凹部103が不要となり、しかも、波長フィルタ５と受光面との間の隙間が小さくなるので、ボディ10の厚みを減らして小型化(低背化)が図れるという利点がある。さらに、多数の受光部４と波長フィルタ５が半導体ウェハの製造プロセスを利用して一括して製造可能となり、製造コストの削減が可能になる。あるいは、第１反射鏡80と第２反射鏡81の間に波長フィルタ５が設けられてもよい。
【００４３】
ここで、第１反射鏡80は反射面が放物面形状のものに限定されず、例えば、球面形状や多角形面形状の反射面を有するものであっても構わない。同様に、第２反射鏡81は反射面が平坦なものに限定されず、曲面形状の反射面を有するものであっても構わない。
【００４４】
(実施形態２)
本実施形態のガスセンサを図７に示す。本実施形態は、受光部４と波長フィルタ５の組を２組備える点に特徴があり、その他の構成については実施形態１と共通である。故に、実施形態１と共通の構成要素には同一の符号を付して適宜図示及び説明を省略する。
【００４５】
図７に示すように、ボディ10の上面側における右端部において、２つの下側凹部104A，104Bが前後方向に並べて形成される。そして、各下側凹部104A，104Bの底面に受光部4A，4Bがそれぞれ実装されるとともに、各受光部4A，4Bの上方を覆うようにそれぞれ波長フィルタ5A，5Bが上側凹部103の底面に配置される。
【００４６】
ここで、一方の波長フィルタ(主波長フィルタ)5Aは、検出対象の気体が吸収する赤外線の波長域を通過域に含むが、他方の波長フィルタ(副波長フィルタ)5Bは、検出対象の気体が吸収する赤外線の波長域を通過域に含まず、当該波長域の近傍の波長域を通過域に含んでいる。つまり、発光部３から放射される赤外線のうち、主波長フィルタ5Aを通過して受光部4Aで受光される赤外線量が検出対象の気体の濃度に応じて減少するのに対し、副波長フィルタ5Bを通過して受光部4Bで受光される赤外線量は検出対象の気体の濃度に応じて減少しない。そして、信号処理回路部６では、２つの受光部4A，4Bの出力信号レベルの差分をとり、この差分に基づいて検出対象の気体の濃度を演算する。
【００４７】
すなわち、実施形態１のように受光部４の出力信号レベルに基づいて信号処理回路部６が気体濃度を演算した場合、受光部４の出力信号レベルが何らかの外乱要因によって変動したときに気体濃度の検出精度が低下してしまう虞がある。一方、上述のように信号処理回路部６が２つの受光部4A，4Bの出力信号レベルの差分に基づいて検出対象の気体の濃度を演算すれば、それぞれの受光部４の出力信号レベルの変動分を相殺して気体濃度の検出精度の低下を抑制することができる。
【００４８】
なお、図８に示すようにボディ10を立体配線基板(いわゆるMID基板)とすれば、信号処理回路部６が配線板11を介さずにボディ10に直接実装可能となるので、ボディ10をさらに小型化することができる。
【００４９】
(実施形態３)
本実施形態のガスセンサを図９に示す。本実施形態は、光学ブロック２の構成に特徴があり、その他の構成については実施形態２と共通である。故に、実施形態２と共通の構成要素には同一の符号を付して適宜図示及び説明を省略する。
【００５０】
本実施形態では、図９(ｂ)に示すようにカバー20の凹所200底面より分岐部203が下向きに立設されている。この分岐部203は、先端(左端)が先細りとなった楔型の壁からなり、後端(右端)が２つの受光部4A，4Bの間に位置して第１反射鏡80で反射される赤外線の光路を２つの光路に分岐している(図９（ａ）参照)。また、分岐部203で分岐された各光路の途中に主波長フィルタ5A及び副波長フィルタ5Bが配設され、各光路の右端にそれぞれ第２反射鏡81A，81Bが配置されている。すなわち、一方の光路(主光路)を進行した赤外線が主波長フィルタ5Aを通過し且つ第２反射鏡81Aに反射されて受光部4Aに受光され、他方の光路(副光路)を進行した赤外線が副波長フィルタ5Bを通過し且つ第２反射鏡81Bに反射されて受光部4Bに受光される。
【００５１】
而して、実施形態２では導光体８内の光路が分岐されていないため、２つの受光部4A，4Bの受光面に対する赤外線の入射範囲(以下、スポットと呼ぶ。)が相対的に大きくなって、各受光部4A，4Bにおける赤外線の受光量が減少してしまう虞がある。これに対して本実施形態では、導光体８内の光路が分岐されているので、各受光部4A，4Bの受光面に対するスポットが相対的に小さくなり、その結果、各受光部4A，4Bにおける赤外線の受光量の減少を抑制することができる。
【００５２】
通気孔201は導光体８内に１つまたは複数設けられる。波長フィルタ５が第１反射鏡80と第２反射鏡81の間の光路上に設置される場合、波長フィルタ５よりも第１反射鏡80側と波長フィルタ５よりも第２反射鏡81側の両方、もしくは、両方にまたがるように通気孔201を設置することが望ましい。このようにすれば、被検出気体により赤外線が吸収されるための光路長を長くして気体の検出精度を高めることができる。さらに、光学シミュレーションにより、光路の端部における赤外線の通過量が少ないため、図10(ａ)，(ｂ)に示すように光路の両端に通気孔201が設けられることが望ましい。
【００５３】
ここで、図11に示すように第２反射鏡81A，81Bの反射面を曲面(凹曲面)とすれば、第２反射鏡81A，81Bの反射面で反射する光を集光させてスポットを縮小することができるので、各受光部4A，4Bにおける赤外線の受光量の減少をさらに抑制することができる。
【００５４】
(実施形態４)
実施形態１〜３では外気に含まれる１種類の気体の濃度を検出するガスセンサを例示した。これに対して本実施形態のガスセンサは、図12に示すように発光部３と受光部４と導光体８の組を複数組(図示例では２組)備え、それぞれの組毎に異なる種類の気体の濃度を検出することができる。
【００５５】
図12(ａ)に示すように、２つの発光部３と２つの受光部４がボディ(図示せず)に実装され、カバー20の凹所200には、各発光部３から放射される赤外線を各受光部４まで導光する２つの導光体８が並設されている。なお、これら２つの導光体８の構成は、第１反射鏡80と第２反射鏡81との間の光路上にそれぞれ波長フィルタ５が配置されている点を除いて実施形態１の導光体８と共通である。各波長フィルタ５はそれぞれの検出対象の気体の吸収特性に対応した波長を通過域に含むバンドパスフィルタからなる。
【００５６】
而して、本実施形態のガスセンサでは、外気に含まれる複数種類の気体から異なる２種類の気体(例えば、一酸化炭素と窒素酸化物など)の濃度をそれぞれ独立して検出することができる。なお、本実施形態においても、実施形態３と同様に第２反射鏡81の反射面を曲面(凹曲面)としてもよい。あるいは、実施形態３と同様に、各組毎に分岐部と２つの受光部4A，4Bと波長フィルタ5A，5Bを備え、各受光部4A，4Bの出力信号レベルの差分からそれぞれの気体の濃度を検出しても構わない。
【符号の説明】
【００５７】
３ 発光部
４ 受光部
５ 波長フィルタ
８ 導光体
10 ボディ(保持体)
80 第１反射鏡
81 第２反射鏡
82 第３反射鏡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を放射する１乃至複数の発光部と、赤外線を受光して電気信号に変換する１乃至複数の受光部と、前記発光部及び前記受光部を保持する保持体と、前記発光部から放射される赤外線を前記受光部の受光面まで導光する導光体と、検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含み且つ前記導光体に導光される前記赤外線の光路上に配置される波長フィルタとを備え、当該導光体は、前記発光部に対向する第１反射鏡と、前記受光部の受光面に対向する第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡が両端に配置された第３反射鏡とを有することを特徴とする気体成分検出装置。
【請求項２】
前記導光体は、前記第１反射鏡で反射された赤外線の光路を分岐する分岐部と、当該分岐部で分岐された複数の前記光路上にそれぞれ配置される複数の前記第２反射鏡とを有することを特徴とする請求項１記載の気体成分検出装置。
【請求項３】
前記発光部と前記受光部と前記波長フィルタと前記導光体の組み合わせを複数組備えることを特徴とする請求項１記載の気体成分検出装置。
【請求項４】
前記第１反射鏡は放物面形状の反射面を有し、当該放物面の焦点の位置に前記発光部が配置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項５】
前記第２反射鏡は曲面形状の反射面を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項６】
前記発光部は赤外線を放射する半導体ベアチップからなり、前記受光部は赤外線を受光して電気信号に変換する半導体ベアチップからなることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項７】
検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含む主波長フィルタと、当該主波長フィルタの前記通過域を含まず且つ当該通過域近傍の波長帯域を通過域に含む副波長フィルタと、前記主波長フィルタを通過する赤外線を受光する前記受光部と、当該受光部とは別の前記受光部であり且つ前記副波長フィルタを通過する赤外線を受光する前記受光部とを備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項８】
前記受光部から出力される電気信号を信号処理する信号処理回路部を備え、当該信号処理回路部は、前記導光体の外側において前記発光部と前記受光部に挟まれた位置に配置されることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項９】
前記信号処理回路部と前記光路との間に第４反射鏡が配置されることを特徴とする請求項８記載の気体成分検出装置。
【請求項１０】
前記第４反射鏡は、一面を反射面とする平板状に形成され、当該反射面が前記発光部の発光面と面一となるように前記保持体に保持されることを特徴とする請求項９記載の気体成分検出装置。
【請求項１１】
前記発光部と前記信号処理回路部との間に、前記発光部から放射される赤外線を遮蔽する壁が設けられることを特徴とする請求項８記載の気体成分検出装置。
【請求項１２】
前記壁は前記保持体と一体に形成されることを特徴とする請求項１１記載の気体成分検出装置。
【請求項１３】
前記波長フィルタは前記受光部とともに前記保持体に保持されることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１４】
前記波長フィルタは前記導光体の内部に収納されることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１５】
前記発光部と前記導光体の間の光路上に集光用のレンズが配置されることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１６】
前記波長フィルタは前記受光部に取り付けられることを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１７】
前記保持体は、前記発光部及び前記受光部への配線が一体に形成される立体配線基板であることを特徴とする請求項１〜１６の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１８】
前記導光体を保持して前記保持体と結合されるカバーを備え、当該カバーの前記保持体との結合面に１乃至複数の突起が設けられ、当該突起と嵌合する嵌合孔が前記保持体の前記結合面に設けられ、当該嵌合孔よりも小径の孔が当該嵌合孔の底面に設けられることを特徴とする請求項１〜１７の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１】
赤外線を放射する１乃至複数の発光部と、赤外線を受光して電気信号に変換する１乃至複数の受光部と、前記発光部及び前記受光部を保持する保持体と、前記発光部から放射される赤外線を前記受光部の受光面まで導光する導光体と、検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含み且つ前記導光体に導光される前記赤外線の光路上に配置される波長フィルタとを備え、当該導光体は、前記発光部に対向する第１反射鏡と、前記受光部の受光面に対向する第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡が両端に配置された第３反射鏡とを有することを特徴とする気体成分検出装置。
【請求項２】
前記導光体は、前記第１反射鏡で反射された赤外線の光路を分岐する分岐部と、当該分岐部で分岐された複数の前記光路上にそれぞれ配置される複数の前記第２反射鏡とを有することを特徴とする請求項１記載の気体成分検出装置。
【請求項３】
前記発光部と前記受光部と前記波長フィルタと前記導光体の組み合わせを複数組備えることを特徴とする請求項１記載の気体成分検出装置。
【請求項４】
前記第１反射鏡は放物面形状の反射面を有し、当該放物面の焦点の位置に前記発光部が配置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項５】
前記第２反射鏡は曲面形状の反射面を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項６】
前記発光部は赤外線を放射する半導体ベアチップからなり、前記受光部は赤外線を受光して電気信号に変換する半導体ベアチップからなることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項７】
検出対象である気体に吸収される波長帯域を通過域に含む主波長フィルタと、当該主波長フィルタの前記通過域を含まず且つ当該通過域近傍の波長帯域を通過域に含む副波長フィルタと、前記主波長フィルタを通過する赤外線を受光する前記受光部と、当該受光部とは別の前記受光部であり且つ前記副波長フィルタを通過する赤外線を受光する前記受光部とを備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項８】
前記受光部から出力される電気信号を信号処理する信号処理回路部を備え、当該信号処理回路部は、前記導光体の外側において前記発光部と前記受光部に挟まれた位置に配置されることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項９】
前記信号処理回路部と前記光路との間に第４反射鏡が配置されることを特徴とする請求項８記載の気体成分検出装置。
【請求項１０】
前記第４反射鏡は、一面を反射面とする平板状に形成され、当該反射面が前記発光部の発光面と面一となるように前記保持体に保持されることを特徴とする請求項９記載の気体成分検出装置。
【請求項１１】
前記発光部と前記信号処理回路部との間に、前記発光部から放射される赤外線を遮蔽する壁が設けられることを特徴とする請求項８記載の気体成分検出装置。
【請求項１２】
前記壁は前記保持体と一体に形成されることを特徴とする請求項１１記載の気体成分検出装置。
【請求項１３】
前記波長フィルタは前記受光部とともに前記保持体に保持されることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１４】
前記波長フィルタは前記導光体の内部に収納されることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１５】
前記発光部と前記導光体の間の光路上に集光用のレンズが配置されることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１６】
前記波長フィルタは前記受光部に取り付けられることを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１７】
前記保持体は、前記発光部及び前記受光部への配線が一体に形成される立体配線基板であることを特徴とする請求項１〜１６の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【請求項１８】
前記導光体を保持して前記保持体と結合されるカバーを備え、当該カバーの前記保持体との結合面に１乃至複数の突起が設けられ、当該突起と嵌合する嵌合孔が前記保持体の前記結合面に設けられ、当該嵌合孔よりも小径の孔が当該嵌合孔の底面に設けられることを特徴とする請求項１〜１７の何れか１項に記載の気体成分検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２２０３５１（Ｐ２０１２−２２０３５１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８６８９１（Ｐ２０１１−８６８９１）
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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