炭化水素濃度測定装置
【課題】光学チョッパを用いず、小型かつ安価で測定誤差を低減した炭化水素濃度測定装置を提供する。
【解決手段】波長が周期的に変動する赤外線を照射する照射部１０と、排気ガスを収容するセル２０と、照射部１０から照射され、セル２０に収容された排気ガスを透過した赤外線の強度を得る受光部３０と、を具備するＴＨＣ測定装置１であって、照射部１０は、前記排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む赤外線を照射する光源１２と、光源１２から照射された赤外線を複数の方向に反射させる可動ミラー１３と、可動ミラー１３によって反射された赤外線から中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線を生成する回折格子１４と、前記長波長の赤外線を遮断する光学スリット板１６と、を具備する。
【解決手段】波長が周期的に変動する赤外線を照射する照射部１０と、排気ガスを収容するセル２０と、照射部１０から照射され、セル２０に収容された排気ガスを透過した赤外線の強度を得る受光部３０と、を具備するＴＨＣ測定装置１であって、照射部１０は、前記排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む赤外線を照射する光源１２と、光源１２から照射された赤外線を複数の方向に反射させる可動ミラー１３と、可動ミラー１３によって反射された赤外線から中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線を生成する回折格子１４と、前記長波長の赤外線を遮断する光学スリット板１６と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素濃度測定装置に関し、特にエンジンから排出される排気ガスに照射した赤外線の吸収量に基づいて排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等の排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和（Ｔｏｔａｌ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ：ＴＨＣ）を測定する装置として、赤外分光法を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記のような赤外分光法を利用した炭化水素濃度測定装置は、排気ガスに赤外線を照射し、当該赤外線の特定の波長域における吸収量に基づいて、排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和を測定する。
当該測定においては、光学チョッパを用いて、排気ガスに照射される赤外線を周期的に遮断し、当該赤外線の受光強度のゼロ点を把握することで、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去等を行っている。
【０００４】
しかしながら、排気ガスに含まれる炭化水素の濃度の測定に光学チョッパを用いると、炭化水素濃度測定装置の大型化を招くと共に、光学チョッパを制御するための装置が必要となり、コストの悪化を招く。更に、光学チョッパの制御に何らかのずれが生じた場合には、最終的に測定される炭化水素の濃度に誤差が生じる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１５６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、光学チョッパを用いず、小型かつ安価で測定誤差を低減した炭化水素濃度測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の炭化水素濃度測定装置は、波長が周期的に変動する赤外線を照射する照射部と、前記赤外線を検出して、当該赤外線の強度を得る受光部と、測定対象ガスを収容し、前記赤外線を透過するセルと、を具備し、前記照射部から前記セルに収容される測定対象ガスに向けて赤外線を照射し、前記測定対象ガスを透過した赤外線を前記受光部によって検出することで、前記測定対象ガスを透過した赤外線の強度を得て、当該赤外線の強度に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素の濃度を測定する炭化水素濃度測定装置であって、前記照射部は、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む赤外線を照射する光源と、前記光源から照射される赤外線を分光して、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素の濃度を測定するために必要な波長域を有する中波長の赤外線、前記中波長の赤外線よりも短い波長域を有する短波長の赤外線、及び前記中波長の赤外線よりも長い波長域を有する長波長の赤外線を順番に取り出すことで周期的に波長変動させる分光器と、前記短波長の赤外線、及び前記長波長の赤外線のうちの少なくとも片方の光路を遮断する遮断手段と、を具備する。
【０００８】
本発明の炭化水素濃度測定装置において、前記分光器は、入射する赤外線を複数の方向に反射させる反射手段と、入射する赤外線を回折させることにより分光する回折手段と、から構成され、前記遮断手段は、前記短波長の赤外線、及び前記長波長の赤外線のうちの少なくとも片方の光路上に設けられ、当該光路を遮断する遮光部材であることが好ましい。
【０００９】
本発明の炭化水素濃度測定装置において、前記分光器は、入射する赤外線を複数の方向に反射させる反射手段と、入射する赤外線を回折させることにより分光する回折手段と、から構成され、前記反射手段は、前記光源から照射される赤外線が前記回折手段に入射しない位置を含む範囲で揺動することで前記遮断手段として機能することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、装置を小型化し、コストを低減すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】炭化水素濃度測定装置を示す図。
【図２】照射部の構造を示す図。
【図３】波長掃引時における赤外線の受光強度の周期的変動を示す図。
【図４】照射部の別形態の構造を示す図。
【図５】波長掃引時における赤外線の受光強度の周期的変動を示す図。
【図６】照射部の別形態の構造を示す図。
【図７】波長掃引時における赤外線の受光強度の周期的変動を示す図。
【図８】照射部の別形態の構造を示す図。
【図９】波長掃引時における赤外線の受光強度の周期的変動を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、図１を参照して、ＴＨＣ測定装置１について説明する。
ＴＨＣ測定装置１は、赤外分光法を利用した炭化水素濃度測定装置であり、自動車等のエンジンから排出される排気ガス（測定対象ガス）に赤外線を照射し、当該赤外線の特定の波長域における吸収量に基づいて、排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和（Ｔｏｔａｌ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ：ＴＨＣ）を測定する。
【００１３】
図１に示すように、ＴＨＣ測定装置１は、照射部１０、セル２０、受光部３０、及び制御部４０を具備する。
【００１４】
照射部１０は、波長が周期的に変動する赤外線をセル２０の内部に供給された排気ガスに向けて照射する。
照射部１０は、その外装をなす筐体１１を具備する。
筐体１１は、照射部１０を構成する複数の部材を収容する筐体であり、当該複数の部材の相対的な位置関係を保持する。
なお、筐体１１に収容され、照射部１０を構成する複数の部材の詳細については後述する。
【００１５】
セル２０は、略円筒状の部材であり、自動車等の排気経路の中途部に配置して当該排気経路を流動する排気ガスを内部に導入する。セル２０は、所定の方向（セル２０の軸方向と直交する方向であり、図１における左右方向）に赤外線が透過可能に構成されており、セル２０の内部に導入された排気ガスを透過した後の赤外線（以下、「透過光」と記す。）を取得可能となっている。つまり、赤外線が導入される側（図１における右側）と反対側（同じく左側）で、排気ガスを透過した透過光を取得する。セル２０によって取得された透過光は、受光部３０によって受光される。
【００１６】
受光部３０は、フォトダイオード等の光検出器を含み、照射部１０から照射されてセル２０の内部に導入された排気ガスを透過した後の赤外線、つまり透過光を検出することで、その強度（赤外線強度）を得る。
【００１７】
制御部４０は、照射部１０及び受光部３０と電気的に接続されている。
制御部４０は、照射部１０を制御して、所望の波長域を有する赤外線を照射部１０から照射可能とする。また、制御部４０は、受光部３０から透過光の強度を取得し、当該透過光の強度に基づいて排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和を算出する。
【００１８】
以上のように、ＴＨＣ測定装置１においては、照射部１０から照射された赤外線がセル２０の内部に導入された排気ガスに向けて照射され、当該排気ガスを透過した赤外線（透過光）が受光部３０によって検出されて、その強度が得られる。そして、当該透過光の強度に基づいて、制御部４０が排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和を算出する。
【００１９】
以下では、図２〜図３を参照して、照射部１０の構造について詳細に説明する。
【００２０】
図２に示すように、照射部１０は、光源１２、可動ミラー１３、回折格子１４、固定ミラー１５、及び光学スリット板１６を具備する。これらの部材は、筐体１１（図１参照）に収容され、互いの相対的な位置関係を保持した状態で固定されている。
【００２１】
光源１２は、セル２０（図１参照）に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む広帯域の赤外線を可動ミラー１３に向けて照射する部材である。
【００２２】
可動ミラー１３は、光源１２から照射された赤外線を反射する手段として機能し、適宜の角度で回折格子１４に入射させる部材である。可動ミラー１３としては、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー等を適用することが可能である。
可動ミラー１３は、適宜の固定軸に揺動可能に設けられており、当該固定軸周りにおける所定範囲（図２に示す位置Ｐ１と位置Ｐ２との間）を揺動するように制御部４０（図１参照）によって制御される。図２に示す位置Ｐ１を可動ミラー１３の初期位置とすると、可動ミラー１３が位置Ｐ２まで回動し、再び位置Ｐ１に戻るまでが可動ミラー１３の回動周期（１周期）となっている。
可動ミラー１３の揺動範囲は、すべての位置において回折格子１４に赤外線を入射可能なように設定されている。
こうして、可動ミラー１３は、回折格子１４に入射する赤外線の角度を周期的に変更する。
【００２３】
回折格子１４は、可動ミラー１３によって反射された赤外線を回折する手段として機能し、当該赤外線を波長ごとに分光して、固定ミラー１５に向けて反射させる部材である。回折格子１４としては、表面（赤外線が入射する側の面）に互いに平行な多数の溝が形成された金属板等を適用することが可能である。
【００２４】
回折格子１４は、可動ミラー１３によって反射された赤外線が入射する位置に配置されており、当該入射した赤外線から可動ミラー１３の揺動位置に応じて「中波長の赤外線」、「短波長の赤外線」、及び「長波長の赤外線」を生成する。
中波長の赤外線は、回折格子１４によって分光された赤外線の一部をなし、セル２０に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域の赤外線であり、前記炭化水素の濃度和を測定するために使用される。
短波長の赤外線は、回折格子１４によって分光された赤外線の一部をなし、中波長の赤外線よりも短い波長域の赤外線である。短波長の赤外線は、セル２０に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収されない波長域の赤外線である。
長波長の赤外線は、回折格子１４によって分光された赤外線の一部をなし、中波長の赤外線よりも長い波長域の赤外線である。長波長の赤外線は、セル２０に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収されない波長域の赤外線である。
【００２５】
固定ミラー１５は、回折格子１４によって分光された赤外線を光学スリット板１６に向けて反射させる部材である。
固定ミラー１５は、回折格子１４によって生成される、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路上に配置されている。
【００２６】
固定ミラー１５によって反射された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸は互いに所定の間隔を空けて略平行となっている。
これは、前述のように、可動ミラー１３が所定範囲（図２に示す位置Ｐ１と位置Ｐ２との間）を揺動しながら光源１２から照射された赤外線を回折格子１４に向けて反射し、複数の角度で回折格子１４に入射した赤外線が分光されるためである。ただし、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸が互いに所定の間隔を空けて略平行となるように、光源１２の設置位置、可動ミラー１３の揺動範囲及び設置位置、回折格子１４の設置位置、並びに固定ミラー１５の設置位置等が適宜設定されているものとする。
こうして、可動ミラー１３と回折格子１４とが分光器として機能し、可動ミラー１３の揺動と同期して、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線を順番に取り出すことで照射部１０から照射される赤外線の波長が変動し、波長掃引を実現している。
【００２７】
光学スリット板１６は、光源１２から照射される赤外線を透過しない材料からなる板材であり、所定の波長域の赤外線を遮断する遮光部材として機能する。光学スリット板１６は、固定ミラー１５によって反射された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路上に配置されている。光学スリット板１６には、スリット１６ａが形成されている。
スリット１６ａは、光学スリット板１６の表裏面を貫通する微細な孔であり、中波長の赤外線、及び短波長の赤外線の光路が位置する部分に配置されている。中波長の赤外線、及び短波長の赤外線は、光学スリット板１６のスリット１６ａを通過し、長波長の赤外線は、光学スリット板１６におけるスリット１６ａが形成されていない部分に遮断される。
【００２８】
以上のように、照射部１０においては、光源１２、可動ミラー１３、回折格子１４、固定ミラー１５、光学スリット板１６を順に辿る光路が形成される。
【００２９】
光源１２から照射された赤外線は、所定範囲（図２に示す位置Ｐ１と位置Ｐ２との間）を揺動する可動ミラー１３と、赤外線を分光する回折格子１４とによって波長掃引されつつ、光学スリット板１６に到達した赤外線のうち、中波長の赤外線、及び短波長の赤外線のみが光学スリット板１６によって選択されて照射部１０から照射される。
なお、光学スリット板１６のスリット１６ａを通過した赤外線は、コリメートレンズ等により適宜調整された後、セル２０（図１参照）の内部に供給された排気ガスに向けて照射される。この時、照射される赤外線は、光学スリット板１６によって部分的に遮断されているため、光学スリット板１６を設置しない場合と比較して強度が低くなるが、セル２０の内部に供給された排気ガスに含まれる炭化水素を測定可能な程度の強度を有するように設定されている。
【００３０】
こうして、図３に示すように、赤外線の波長掃引時において長波長の赤外線を遮断して、受光部３０（図１参照）によって受光される赤外線の強度が一定時間ゼロとなる部分を周期的に形成することが可能となる。
これにより、光学チョッパを用いて赤外線を周期的に遮断することなく、赤外線の受光強度のゼロ点を把握することができ、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去を行うことができる。したがって、ＴＨＣ測定装置１を小型かつ安価に構成すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
なお、本実施形態における光学スリット板１６は、スリット１６ａを有し、長波長の赤外線のみを遮断する構成としたが、これに限定するものではなく、短波長の赤外線のみを遮断するスリットを有する構成、又は短波長の赤外線を遮断するスリットと、長波長の赤外線を遮断するスリットとの両方を有する構成としてもよい。
【００３１】
また、本発明に係る照射部の他の形態として、照射部１１０を照射部１０に代えて適用することも可能である。
以下では、図４〜図５を参照して、照射部１１０の構造について詳細に説明する。
【００３２】
図４に示すように、照射部１１０は、光源１１２、可動ミラー１１３、回折格子１１４、ハーフミラー１１５、及び光学スリット板１１６を具備する。
【００３３】
光源１１２は、照射部１０の光源１２と略同様に構成され、セル２０（図１参照）に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む広帯域の赤外線をハーフミラー１１５を介して、回折格子１１４に向けて照射する部材である。
【００３４】
可動ミラー１１３は、照射部１０の可動ミラー１３と略同様に構成され、回折格子１１４によって分光された赤外線を反射する手段として機能し、適宜の角度で再び回折格子１１４に入射させる部材である。
可動ミラー１１３は、適宜の固定軸に揺動可能に設けられており、当該固定軸周りにおける所定範囲（図４に示す位置Ｐ３と位置Ｐ４との間）を揺動するように制御部４０（図１参照）によって制御される。図４に示す位置Ｐ３を可動ミラー１１３の初期位置とすると、可動ミラー１１３が位置Ｐ４まで回動し、再び位置Ｐ３に戻るまでが可動ミラー１１３の回動周期（１周期）となっている。
【００３５】
回折格子１１４は、照射部１０の回折格子１４と略同様に構成され、光源１１２から照射され、ハーフミラー１１５を透過した赤外線を回折する手段として機能し、当該赤外線を波長ごとに分光して、可動ミラー１１３に向けて反射させると共に、可動ミラー１１３によって反射された赤外線をハーフミラー１１５に向けて反射させる部材である。回折格子１１４は、光源１１２から照射され、ハーフミラー１１５を透過した赤外線が入射し、かつ可動ミラー１１３によって反射された赤外線が入射する位置に配置されている。
回折格子１１４は、照射部１０の回折格子１４と同様に、可動ミラー１１３の揺動位置に応じて、入射した赤外線から中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線を生成する。
【００３６】
ハーフミラー１１５は、入射光の一部を反射し、残りの一部を透過させる部材であり、光源１１２から照射された赤外線の一部を透過して回折格子１１４に入射させると共に、回折格子１１４によって分光された赤外線を光学スリット板１１６に向けて反射させる。
ハーフミラー１１５は、光源１１２から照射された赤外線の光路上であって、かつ回折格子１１４によって生成される、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路上に配置されている。
【００３７】
ハーフミラー１１５によって反射された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸は互いに所定の間隔を空けて略平行となっている。
これは、前述のように、可動ミラー１１３が所定範囲（図４に示す位置Ｐ３と位置Ｐ４との間）を揺動しながら回折格子１１４によって分光され反射された赤外線を再び回折格子１１４に向けて反射し、複数の角度で回折格子１１４に入射した赤外線が分光されるためである。
【００３８】
詳細には、回折格子１１４によって生成された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線は、可動ミラー１１３に向かう角度（回折格子１１４での反射角）がそれぞれ互いに異なるが、揺動する可動ミラー１１３に対する入射角がそれぞれ０度、つまり中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸と可動ミラー１１３とが直交した状態の時に、可動ミラー１１３によって反射され、それぞれ可動ミラー１１３と回折格子１１４との間の同一の光路を辿り、それぞれの光軸が互いに所定の間隔を空けて略平行となった状態でハーフミラー１１５に入射する。ただし、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸が互いに所定の間隔を空けて略平行となるように、光源１１２の設置位置、可動ミラー１１３の揺動範囲及び設置位置、回折格子１１４の設置位置、並びにハーフミラー１１５の設置位置等が適宜設定されているものとする。
こうして、可動ミラー１１３と回折格子１１４とが分光器として機能し、可動ミラー１１３の揺動と同期して、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線を順番に取り出すことで照射部１１０から照射される赤外線の波長が変動し、波長掃引を実現している。
【００３９】
光学スリット板１１６は、照射部１０の光学スリット板１６と略同様に構成され、光源１１２から照射される赤外線を透過しない材料からなる板材であり、所定の波長域の赤外線を遮断する遮光部材として機能する。光学スリット板１１６は、ハーフミラー１１５によって反射された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路上に配置されている。光学スリット板１１６には、スリット１１６ａが形成されている。
スリット１１６ａは、光学スリット板１１６の表裏面を貫通する微細な孔であり、中波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路が位置する部分に配置される。中波長の赤外線、及び長波長の赤外線は、光学スリット板１１６のスリット１１６ａを通過し、短波長の赤外線は、光学スリット板１１６におけるスリット１１６ａが形成されていない部分に遮断される。
【００４０】
以上のように、照射部１１０においては、光源１１２、ハーフミラー１１５、回折格子１１４、可動ミラー１１３、回折格子１１４、ハーフミラー１１５、光学スリット板１１６を順に辿る光路が形成される。
照射部１１０においては、回折格子１１４を２回経由する光路となっているため、照射部１０と比較して、より良好に赤外線を分光することができる。
【００４１】
光源１１２から照射された赤外線は、所定範囲（図４に示す位置Ｐ３と位置Ｐ４との間）を揺動する可動ミラー１１３と、赤外線を分光する回折格子１１４とによって波長掃引されつつ、光学スリット板１１６に到達した赤外線のうち、中波長の赤外線、及び長波長の赤外線のみが光学スリット板１１６によって選択されて照射部１１０から照射される。
なお、光学スリット板１１６のスリット１１６ａを通過した赤外線は、コリメートレンズ等により適宜調整された後、セル２０（図１参照）の内部に供給された排気ガスに向けて照射される。この時、照射される赤外線は、ハーフミラー１１５によって部分的に反射及び透過され、かつ光学スリット板１１６によって部分的に遮断されているため、ハーフミラー１１５及び光学スリット板１１６を設置しない場合と比較して強度が低くなるが、セル２０の内部に供給された排気ガスに含まれる炭化水素を測定可能な程度の強度を有するように設定されている。
【００４２】
こうして、図５に示すように、赤外線の波長掃引時において短波長の赤外線を遮断して、受光部３０（図１参照）によって受光される赤外線の強度が一定時間ゼロとなる部分を周期的に形成することが可能となる。
これにより、光学チョッパを用いて赤外線を周期的に遮断することなく、赤外線の受光強度のゼロ点を把握することができ、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去を行うことができる。したがって、ＴＨＣ測定装置１を小型かつ安価に構成すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
なお、本実施形態における光学スリット板１１６は、スリット１１６ａを有し、短波長の赤外線のみを遮断する構成としたが、これに限定するものではなく、長波長の赤外線のみを遮断するスリットを有する構成、又は短波長の赤外線を遮断するスリットと、長波長の赤外線を遮断するスリットとの両方を有する構成としてもよい。
【００４３】
また、本発明に係る照射部の他の形態として、照射部２１０を照射部１１０に代えて適用することも可能である。
以下では、図６〜図７を参照して、照射部２１０の構造について詳細に説明する。
なお、照射部１１０と共通する部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００４４】
図６に示すように、照射部２１０は、光源１１２、可動ミラー１１３、回折格子１１４、ハーフミラー１１５、及び遮光板２１６を具備する。
照射部２１０は、光学スリット板１１６の代わりに遮光板２１６を有する点で照射部１１０と異なる。
【００４５】
遮光板２１６は、光源１１２から照射される赤外線を遮断する遮光部材として機能する板材である。遮光板２１６は、回折格子１１４によって分光され、可動ミラー１１３に向けて反射された赤外線の一部をなす短波長の赤外線の光路上に配置されている。当該短波長の赤外線は、遮光板２１６によって遮断され、可動ミラー１１３への入射が不可能となっている。
【００４６】
以上のように、照射部２１０においては、光源１１２、ハーフミラー１１５、回折格子１１４、遮光板２１６（短波長の赤外線のみ）、可動ミラー１１３、回折格子１１４、ハーフミラー１１５を順に辿る光路が形成される。
照射部２１０においては、照射部１１０と同様に、回折格子１１４を２回経由する光路となっているため、照射部１０と比較して、より良好に赤外線を分光することができる。
【００４７】
光源１１２から照射された赤外線は、所定範囲（図６に示す位置Ｐ３と位置Ｐ４との間）を揺動する可動ミラー１１３と、赤外線を分光する回折格子１１４とによって波長掃引されつつ、遮光板２１６によって短波長の赤外線が遮断されることで、中波長の赤外線、及び長波長の赤外線のみが選択されて照射部２１０から照射される。
なお、ハーフミラー１１５によって反射された赤外線は、コリメートレンズ等により適宜調整された後、セル２０（図１参照）の内部に供給された排気ガスに向けて照射される。この時、照射される赤外線は、ハーフミラー１１５によって部分的に反射及び透過され、かつ遮光板２１６によって部分的に遮断されているため、ハーフミラー１１５及び遮光板２１６を設置しない場合と比較して強度が低くなるが、セル２０の内部に供給された排気ガスに含まれる炭化水素を測定可能な程度の強度を有するように設定されている。
【００４８】
こうして、図７に示すように、赤外線の波長掃引時において短波長の赤外線を遮断して、受光部３０（図１参照）によって受光される赤外線の強度が一定時間ゼロとなる部分を周期的に形成することが可能となる。
これにより、光学チョッパを用いて赤外線を周期的に遮断することなく、赤外線の受光強度のゼロ点を把握することができ、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去を行うことができる。したがって、ＴＨＣ測定装置１を小型かつ安価に構成すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
なお、本実施形態における遮光板２１６は、短波長の赤外線のみを遮断するように配置したが、これに限定するものではなく、長波長の赤外線のみを遮断するように配置してもよいし、短波長の赤外線と長波長の赤外線との両方を遮断するように複数配置してもよい。
【００４９】
また、本発明に係る照射部の他の形態として、照射部３１０を照射部１０に代えて適用することも可能である。
以下では、図８〜図９を参照して、照射部３１０の構造について詳細に説明する。
【００５０】
図８に示すように、照射部３１０は、光源３１２、可動ミラー３１３、回折格子３１４、固定ミラー３１５を具備する。
【００５１】
光源３１２は、照射部１０の光源１２と略同様に構成され、セル２０（図１参照）に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む広帯域の赤外線を可動ミラー３１３に向けて照射する部材である。
【００５２】
可動ミラー３１３は、照射部１０の可動ミラー１３と略同様に構成され、光源３１２から照射された赤外線を反射する手段として機能し、適宜の角度で回折格子３１４に入射させる部材である。
可動ミラー３１３は、適宜の固定軸に揺動可能に設けられており、当該固定軸周りにおける所定範囲（図８に示す位置Ｐ５と位置Ｐ６との間）を揺動するように制御部４０（図１参照）によって制御される。図８に示す位置Ｐ５を可動ミラー３１３の初期位置とすると、可動ミラー３１３が位置Ｐ６まで回動し、再び位置Ｐ５に戻るまでが可動ミラー３１３の回動周期（１周期）となっている。
【００５３】
可動ミラー３１３の揺動範囲（図８に示す位置Ｐ５と位置Ｐ６との間）は、その一部において赤外線が回折格子３１４に入射しないように設定されている。
例えば、可動ミラー３１３が図８に示す位置Ｐ５に位置する時、可動ミラー３１３によって反射された赤外線は、回折格子３１４よりも図８における左側に向かい、回折格子３１４に入射しない。また、可動ミラー３１３が図８に示す位置Ｐ６に位置する時、可動ミラー３１３によって反射された赤外線は、回折格子３１４よりも図８における右側に向かい、回折格子３１４に入射しない。
【００５４】
回折格子３１４は、照射部１０の回折格子１４と略同様に構成され、可動ミラー３１３によって反射された赤外線を回折する手段として機能し、当該赤外線を波長ごとに分光して、固定ミラー３１５に向けて反射させる部材である。回折格子３１４は、可動ミラー３１３によって反射された赤外線が入射する位置に配置されている。
【００５５】
固定ミラー３１５は、照射部１０の固定ミラー１５と略同様に構成され、回折格子３１４によって分光された赤外線を反射させる部材である。
固定ミラー１５は、回折格子３１４によって生成された中波長の赤外線の光路上に配置されている。
【００５６】
以上のように、照射部３１０においては、光源３１２、可動ミラー３１３、回折格子３１４、固定ミラー３１５を順に辿る光路が形成される。
【００５７】
光源３１２から照射された赤外線は、所定範囲（図８に示す位置Ｐ５と位置Ｐ６との間）を揺動する可動ミラー３１３によって反射された赤外線の一部が回折格子３１４に入射しない状態で波長掃引されるため、中波長の赤外線のみが選択されて照射部３１０から照射される。つまり、可動ミラー３１３が回折格子３１４によって分光された赤外線の一部の光路を遮断する手段として機能することとなる。
なお、固定ミラー３１５によって反射された赤外線は、コリメートレンズ等により適宜調整された後、セル２０（図１参照）の内部に供給された排気ガスに向けて照射される。この時、照射される赤外線は、遮光部材等によって部分的に遮断されていないため、強度が低下することはない。
【００５８】
こうして、図９に示すように、赤外線の波長掃引時において中波長の赤外線のみを選択して、受光部３０（図１参照）によって受光される赤外線の強度が一定時間ゼロとなる部分を周期的に形成することが可能となる。
これにより、光学チョッパを用いて赤外線を周期的に遮断することなく、赤外線の受光強度のゼロ点を把握することができ、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去を行うことができる。したがって、ＴＨＣ測定装置１を小型かつ安価に構成すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
また、遮光部材等を用いて赤外線を遮断する必要がないため、ＴＨＣ測定装置１を更に安価に構成することができる。
なお、本実施形態における可動ミラー３１３は、図８に示す位置Ｐ５と位置Ｐ６との間を揺動して、中波長の赤外線のみを選択するが、これに限定するものではなく、中波長の赤外線と短波長の赤外線とを選択、又は中波長の赤外線と長波長の赤外線とを選択するような範囲で可動ミラー３１３を揺動させてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１ ＴＨＣ測定装置
１０ 照射部
１１ 筐体
１２ 光源
１３ 可動ミラー
１４ 回折格子
１５ 固定ミラー
１６ 光学スリット板
１６ａ スリット
２０ セル
３０ 受光部
４０ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素濃度測定装置に関し、特にエンジンから排出される排気ガスに照射した赤外線の吸収量に基づいて排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等の排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和（Ｔｏｔａｌ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ：ＴＨＣ）を測定する装置として、赤外分光法を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記のような赤外分光法を利用した炭化水素濃度測定装置は、排気ガスに赤外線を照射し、当該赤外線の特定の波長域における吸収量に基づいて、排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和を測定する。
当該測定においては、光学チョッパを用いて、排気ガスに照射される赤外線を周期的に遮断し、当該赤外線の受光強度のゼロ点を把握することで、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去等を行っている。
【０００４】
しかしながら、排気ガスに含まれる炭化水素の濃度の測定に光学チョッパを用いると、炭化水素濃度測定装置の大型化を招くと共に、光学チョッパを制御するための装置が必要となり、コストの悪化を招く。更に、光学チョッパの制御に何らかのずれが生じた場合には、最終的に測定される炭化水素の濃度に誤差が生じる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１５６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、光学チョッパを用いず、小型かつ安価で測定誤差を低減した炭化水素濃度測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の炭化水素濃度測定装置は、波長が周期的に変動する赤外線を照射する照射部と、前記赤外線を検出して、当該赤外線の強度を得る受光部と、測定対象ガスを収容し、前記赤外線を透過するセルと、を具備し、前記照射部から前記セルに収容される測定対象ガスに向けて赤外線を照射し、前記測定対象ガスを透過した赤外線を前記受光部によって検出することで、前記測定対象ガスを透過した赤外線の強度を得て、当該赤外線の強度に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素の濃度を測定する炭化水素濃度測定装置であって、前記照射部は、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む赤外線を照射する光源と、前記光源から照射される赤外線を分光して、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素の濃度を測定するために必要な波長域を有する中波長の赤外線、前記中波長の赤外線よりも短い波長域を有する短波長の赤外線、及び前記中波長の赤外線よりも長い波長域を有する長波長の赤外線を順番に取り出すことで周期的に波長変動させる分光器と、前記短波長の赤外線、及び前記長波長の赤外線のうちの少なくとも片方の光路を遮断する遮断手段と、を具備する。
【０００８】
本発明の炭化水素濃度測定装置において、前記分光器は、入射する赤外線を複数の方向に反射させる反射手段と、入射する赤外線を回折させることにより分光する回折手段と、から構成され、前記遮断手段は、前記短波長の赤外線、及び前記長波長の赤外線のうちの少なくとも片方の光路上に設けられ、当該光路を遮断する遮光部材であることが好ましい。
【０００９】
本発明の炭化水素濃度測定装置において、前記分光器は、入射する赤外線を複数の方向に反射させる反射手段と、入射する赤外線を回折させることにより分光する回折手段と、から構成され、前記反射手段は、前記光源から照射される赤外線が前記回折手段に入射しない位置を含む範囲で揺動することで前記遮断手段として機能することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、装置を小型化し、コストを低減すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】炭化水素濃度測定装置を示す図。
【図２】照射部の構造を示す図。
【図３】波長掃引時における赤外線の受光強度の周期的変動を示す図。
【図４】照射部の別形態の構造を示す図。
【図５】波長掃引時における赤外線の受光強度の周期的変動を示す図。
【図６】照射部の別形態の構造を示す図。
【図７】波長掃引時における赤外線の受光強度の周期的変動を示す図。
【図８】照射部の別形態の構造を示す図。
【図９】波長掃引時における赤外線の受光強度の周期的変動を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、図１を参照して、ＴＨＣ測定装置１について説明する。
ＴＨＣ測定装置１は、赤外分光法を利用した炭化水素濃度測定装置であり、自動車等のエンジンから排出される排気ガス（測定対象ガス）に赤外線を照射し、当該赤外線の特定の波長域における吸収量に基づいて、排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和（Ｔｏｔａｌ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ：ＴＨＣ）を測定する。
【００１３】
図１に示すように、ＴＨＣ測定装置１は、照射部１０、セル２０、受光部３０、及び制御部４０を具備する。
【００１４】
照射部１０は、波長が周期的に変動する赤外線をセル２０の内部に供給された排気ガスに向けて照射する。
照射部１０は、その外装をなす筐体１１を具備する。
筐体１１は、照射部１０を構成する複数の部材を収容する筐体であり、当該複数の部材の相対的な位置関係を保持する。
なお、筐体１１に収容され、照射部１０を構成する複数の部材の詳細については後述する。
【００１５】
セル２０は、略円筒状の部材であり、自動車等の排気経路の中途部に配置して当該排気経路を流動する排気ガスを内部に導入する。セル２０は、所定の方向（セル２０の軸方向と直交する方向であり、図１における左右方向）に赤外線が透過可能に構成されており、セル２０の内部に導入された排気ガスを透過した後の赤外線（以下、「透過光」と記す。）を取得可能となっている。つまり、赤外線が導入される側（図１における右側）と反対側（同じく左側）で、排気ガスを透過した透過光を取得する。セル２０によって取得された透過光は、受光部３０によって受光される。
【００１６】
受光部３０は、フォトダイオード等の光検出器を含み、照射部１０から照射されてセル２０の内部に導入された排気ガスを透過した後の赤外線、つまり透過光を検出することで、その強度（赤外線強度）を得る。
【００１７】
制御部４０は、照射部１０及び受光部３０と電気的に接続されている。
制御部４０は、照射部１０を制御して、所望の波長域を有する赤外線を照射部１０から照射可能とする。また、制御部４０は、受光部３０から透過光の強度を取得し、当該透過光の強度に基づいて排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和を算出する。
【００１８】
以上のように、ＴＨＣ測定装置１においては、照射部１０から照射された赤外線がセル２０の内部に導入された排気ガスに向けて照射され、当該排気ガスを透過した赤外線（透過光）が受光部３０によって検出されて、その強度が得られる。そして、当該透過光の強度に基づいて、制御部４０が排気ガスに含まれる炭化水素の濃度和を算出する。
【００１９】
以下では、図２〜図３を参照して、照射部１０の構造について詳細に説明する。
【００２０】
図２に示すように、照射部１０は、光源１２、可動ミラー１３、回折格子１４、固定ミラー１５、及び光学スリット板１６を具備する。これらの部材は、筐体１１（図１参照）に収容され、互いの相対的な位置関係を保持した状態で固定されている。
【００２１】
光源１２は、セル２０（図１参照）に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む広帯域の赤外線を可動ミラー１３に向けて照射する部材である。
【００２２】
可動ミラー１３は、光源１２から照射された赤外線を反射する手段として機能し、適宜の角度で回折格子１４に入射させる部材である。可動ミラー１３としては、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー等を適用することが可能である。
可動ミラー１３は、適宜の固定軸に揺動可能に設けられており、当該固定軸周りにおける所定範囲（図２に示す位置Ｐ１と位置Ｐ２との間）を揺動するように制御部４０（図１参照）によって制御される。図２に示す位置Ｐ１を可動ミラー１３の初期位置とすると、可動ミラー１３が位置Ｐ２まで回動し、再び位置Ｐ１に戻るまでが可動ミラー１３の回動周期（１周期）となっている。
可動ミラー１３の揺動範囲は、すべての位置において回折格子１４に赤外線を入射可能なように設定されている。
こうして、可動ミラー１３は、回折格子１４に入射する赤外線の角度を周期的に変更する。
【００２３】
回折格子１４は、可動ミラー１３によって反射された赤外線を回折する手段として機能し、当該赤外線を波長ごとに分光して、固定ミラー１５に向けて反射させる部材である。回折格子１４としては、表面（赤外線が入射する側の面）に互いに平行な多数の溝が形成された金属板等を適用することが可能である。
【００２４】
回折格子１４は、可動ミラー１３によって反射された赤外線が入射する位置に配置されており、当該入射した赤外線から可動ミラー１３の揺動位置に応じて「中波長の赤外線」、「短波長の赤外線」、及び「長波長の赤外線」を生成する。
中波長の赤外線は、回折格子１４によって分光された赤外線の一部をなし、セル２０に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域の赤外線であり、前記炭化水素の濃度和を測定するために使用される。
短波長の赤外線は、回折格子１４によって分光された赤外線の一部をなし、中波長の赤外線よりも短い波長域の赤外線である。短波長の赤外線は、セル２０に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収されない波長域の赤外線である。
長波長の赤外線は、回折格子１４によって分光された赤外線の一部をなし、中波長の赤外線よりも長い波長域の赤外線である。長波長の赤外線は、セル２０に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収されない波長域の赤外線である。
【００２５】
固定ミラー１５は、回折格子１４によって分光された赤外線を光学スリット板１６に向けて反射させる部材である。
固定ミラー１５は、回折格子１４によって生成される、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路上に配置されている。
【００２６】
固定ミラー１５によって反射された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸は互いに所定の間隔を空けて略平行となっている。
これは、前述のように、可動ミラー１３が所定範囲（図２に示す位置Ｐ１と位置Ｐ２との間）を揺動しながら光源１２から照射された赤外線を回折格子１４に向けて反射し、複数の角度で回折格子１４に入射した赤外線が分光されるためである。ただし、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸が互いに所定の間隔を空けて略平行となるように、光源１２の設置位置、可動ミラー１３の揺動範囲及び設置位置、回折格子１４の設置位置、並びに固定ミラー１５の設置位置等が適宜設定されているものとする。
こうして、可動ミラー１３と回折格子１４とが分光器として機能し、可動ミラー１３の揺動と同期して、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線を順番に取り出すことで照射部１０から照射される赤外線の波長が変動し、波長掃引を実現している。
【００２７】
光学スリット板１６は、光源１２から照射される赤外線を透過しない材料からなる板材であり、所定の波長域の赤外線を遮断する遮光部材として機能する。光学スリット板１６は、固定ミラー１５によって反射された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路上に配置されている。光学スリット板１６には、スリット１６ａが形成されている。
スリット１６ａは、光学スリット板１６の表裏面を貫通する微細な孔であり、中波長の赤外線、及び短波長の赤外線の光路が位置する部分に配置されている。中波長の赤外線、及び短波長の赤外線は、光学スリット板１６のスリット１６ａを通過し、長波長の赤外線は、光学スリット板１６におけるスリット１６ａが形成されていない部分に遮断される。
【００２８】
以上のように、照射部１０においては、光源１２、可動ミラー１３、回折格子１４、固定ミラー１５、光学スリット板１６を順に辿る光路が形成される。
【００２９】
光源１２から照射された赤外線は、所定範囲（図２に示す位置Ｐ１と位置Ｐ２との間）を揺動する可動ミラー１３と、赤外線を分光する回折格子１４とによって波長掃引されつつ、光学スリット板１６に到達した赤外線のうち、中波長の赤外線、及び短波長の赤外線のみが光学スリット板１６によって選択されて照射部１０から照射される。
なお、光学スリット板１６のスリット１６ａを通過した赤外線は、コリメートレンズ等により適宜調整された後、セル２０（図１参照）の内部に供給された排気ガスに向けて照射される。この時、照射される赤外線は、光学スリット板１６によって部分的に遮断されているため、光学スリット板１６を設置しない場合と比較して強度が低くなるが、セル２０の内部に供給された排気ガスに含まれる炭化水素を測定可能な程度の強度を有するように設定されている。
【００３０】
こうして、図３に示すように、赤外線の波長掃引時において長波長の赤外線を遮断して、受光部３０（図１参照）によって受光される赤外線の強度が一定時間ゼロとなる部分を周期的に形成することが可能となる。
これにより、光学チョッパを用いて赤外線を周期的に遮断することなく、赤外線の受光強度のゼロ点を把握することができ、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去を行うことができる。したがって、ＴＨＣ測定装置１を小型かつ安価に構成すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
なお、本実施形態における光学スリット板１６は、スリット１６ａを有し、長波長の赤外線のみを遮断する構成としたが、これに限定するものではなく、短波長の赤外線のみを遮断するスリットを有する構成、又は短波長の赤外線を遮断するスリットと、長波長の赤外線を遮断するスリットとの両方を有する構成としてもよい。
【００３１】
また、本発明に係る照射部の他の形態として、照射部１１０を照射部１０に代えて適用することも可能である。
以下では、図４〜図５を参照して、照射部１１０の構造について詳細に説明する。
【００３２】
図４に示すように、照射部１１０は、光源１１２、可動ミラー１１３、回折格子１１４、ハーフミラー１１５、及び光学スリット板１１６を具備する。
【００３３】
光源１１２は、照射部１０の光源１２と略同様に構成され、セル２０（図１参照）に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む広帯域の赤外線をハーフミラー１１５を介して、回折格子１１４に向けて照射する部材である。
【００３４】
可動ミラー１１３は、照射部１０の可動ミラー１３と略同様に構成され、回折格子１１４によって分光された赤外線を反射する手段として機能し、適宜の角度で再び回折格子１１４に入射させる部材である。
可動ミラー１１３は、適宜の固定軸に揺動可能に設けられており、当該固定軸周りにおける所定範囲（図４に示す位置Ｐ３と位置Ｐ４との間）を揺動するように制御部４０（図１参照）によって制御される。図４に示す位置Ｐ３を可動ミラー１１３の初期位置とすると、可動ミラー１１３が位置Ｐ４まで回動し、再び位置Ｐ３に戻るまでが可動ミラー１１３の回動周期（１周期）となっている。
【００３５】
回折格子１１４は、照射部１０の回折格子１４と略同様に構成され、光源１１２から照射され、ハーフミラー１１５を透過した赤外線を回折する手段として機能し、当該赤外線を波長ごとに分光して、可動ミラー１１３に向けて反射させると共に、可動ミラー１１３によって反射された赤外線をハーフミラー１１５に向けて反射させる部材である。回折格子１１４は、光源１１２から照射され、ハーフミラー１１５を透過した赤外線が入射し、かつ可動ミラー１１３によって反射された赤外線が入射する位置に配置されている。
回折格子１１４は、照射部１０の回折格子１４と同様に、可動ミラー１１３の揺動位置に応じて、入射した赤外線から中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線を生成する。
【００３６】
ハーフミラー１１５は、入射光の一部を反射し、残りの一部を透過させる部材であり、光源１１２から照射された赤外線の一部を透過して回折格子１１４に入射させると共に、回折格子１１４によって分光された赤外線を光学スリット板１１６に向けて反射させる。
ハーフミラー１１５は、光源１１２から照射された赤外線の光路上であって、かつ回折格子１１４によって生成される、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路上に配置されている。
【００３７】
ハーフミラー１１５によって反射された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸は互いに所定の間隔を空けて略平行となっている。
これは、前述のように、可動ミラー１１３が所定範囲（図４に示す位置Ｐ３と位置Ｐ４との間）を揺動しながら回折格子１１４によって分光され反射された赤外線を再び回折格子１１４に向けて反射し、複数の角度で回折格子１１４に入射した赤外線が分光されるためである。
【００３８】
詳細には、回折格子１１４によって生成された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線は、可動ミラー１１３に向かう角度（回折格子１１４での反射角）がそれぞれ互いに異なるが、揺動する可動ミラー１１３に対する入射角がそれぞれ０度、つまり中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸と可動ミラー１１３とが直交した状態の時に、可動ミラー１１３によって反射され、それぞれ可動ミラー１１３と回折格子１１４との間の同一の光路を辿り、それぞれの光軸が互いに所定の間隔を空けて略平行となった状態でハーフミラー１１５に入射する。ただし、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線、それぞれの光軸が互いに所定の間隔を空けて略平行となるように、光源１１２の設置位置、可動ミラー１１３の揺動範囲及び設置位置、回折格子１１４の設置位置、並びにハーフミラー１１５の設置位置等が適宜設定されているものとする。
こうして、可動ミラー１１３と回折格子１１４とが分光器として機能し、可動ミラー１１３の揺動と同期して、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線を順番に取り出すことで照射部１１０から照射される赤外線の波長が変動し、波長掃引を実現している。
【００３９】
光学スリット板１１６は、照射部１０の光学スリット板１６と略同様に構成され、光源１１２から照射される赤外線を透過しない材料からなる板材であり、所定の波長域の赤外線を遮断する遮光部材として機能する。光学スリット板１１６は、ハーフミラー１１５によって反射された、中波長の赤外線、短波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路上に配置されている。光学スリット板１１６には、スリット１１６ａが形成されている。
スリット１１６ａは、光学スリット板１１６の表裏面を貫通する微細な孔であり、中波長の赤外線、及び長波長の赤外線の光路が位置する部分に配置される。中波長の赤外線、及び長波長の赤外線は、光学スリット板１１６のスリット１１６ａを通過し、短波長の赤外線は、光学スリット板１１６におけるスリット１１６ａが形成されていない部分に遮断される。
【００４０】
以上のように、照射部１１０においては、光源１１２、ハーフミラー１１５、回折格子１１４、可動ミラー１１３、回折格子１１４、ハーフミラー１１５、光学スリット板１１６を順に辿る光路が形成される。
照射部１１０においては、回折格子１１４を２回経由する光路となっているため、照射部１０と比較して、より良好に赤外線を分光することができる。
【００４１】
光源１１２から照射された赤外線は、所定範囲（図４に示す位置Ｐ３と位置Ｐ４との間）を揺動する可動ミラー１１３と、赤外線を分光する回折格子１１４とによって波長掃引されつつ、光学スリット板１１６に到達した赤外線のうち、中波長の赤外線、及び長波長の赤外線のみが光学スリット板１１６によって選択されて照射部１１０から照射される。
なお、光学スリット板１１６のスリット１１６ａを通過した赤外線は、コリメートレンズ等により適宜調整された後、セル２０（図１参照）の内部に供給された排気ガスに向けて照射される。この時、照射される赤外線は、ハーフミラー１１５によって部分的に反射及び透過され、かつ光学スリット板１１６によって部分的に遮断されているため、ハーフミラー１１５及び光学スリット板１１６を設置しない場合と比較して強度が低くなるが、セル２０の内部に供給された排気ガスに含まれる炭化水素を測定可能な程度の強度を有するように設定されている。
【００４２】
こうして、図５に示すように、赤外線の波長掃引時において短波長の赤外線を遮断して、受光部３０（図１参照）によって受光される赤外線の強度が一定時間ゼロとなる部分を周期的に形成することが可能となる。
これにより、光学チョッパを用いて赤外線を周期的に遮断することなく、赤外線の受光強度のゼロ点を把握することができ、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去を行うことができる。したがって、ＴＨＣ測定装置１を小型かつ安価に構成すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
なお、本実施形態における光学スリット板１１６は、スリット１１６ａを有し、短波長の赤外線のみを遮断する構成としたが、これに限定するものではなく、長波長の赤外線のみを遮断するスリットを有する構成、又は短波長の赤外線を遮断するスリットと、長波長の赤外線を遮断するスリットとの両方を有する構成としてもよい。
【００４３】
また、本発明に係る照射部の他の形態として、照射部２１０を照射部１１０に代えて適用することも可能である。
以下では、図６〜図７を参照して、照射部２１０の構造について詳細に説明する。
なお、照射部１１０と共通する部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００４４】
図６に示すように、照射部２１０は、光源１１２、可動ミラー１１３、回折格子１１４、ハーフミラー１１５、及び遮光板２１６を具備する。
照射部２１０は、光学スリット板１１６の代わりに遮光板２１６を有する点で照射部１１０と異なる。
【００４５】
遮光板２１６は、光源１１２から照射される赤外線を遮断する遮光部材として機能する板材である。遮光板２１６は、回折格子１１４によって分光され、可動ミラー１１３に向けて反射された赤外線の一部をなす短波長の赤外線の光路上に配置されている。当該短波長の赤外線は、遮光板２１６によって遮断され、可動ミラー１１３への入射が不可能となっている。
【００４６】
以上のように、照射部２１０においては、光源１１２、ハーフミラー１１５、回折格子１１４、遮光板２１６（短波長の赤外線のみ）、可動ミラー１１３、回折格子１１４、ハーフミラー１１５を順に辿る光路が形成される。
照射部２１０においては、照射部１１０と同様に、回折格子１１４を２回経由する光路となっているため、照射部１０と比較して、より良好に赤外線を分光することができる。
【００４７】
光源１１２から照射された赤外線は、所定範囲（図６に示す位置Ｐ３と位置Ｐ４との間）を揺動する可動ミラー１１３と、赤外線を分光する回折格子１１４とによって波長掃引されつつ、遮光板２１６によって短波長の赤外線が遮断されることで、中波長の赤外線、及び長波長の赤外線のみが選択されて照射部２１０から照射される。
なお、ハーフミラー１１５によって反射された赤外線は、コリメートレンズ等により適宜調整された後、セル２０（図１参照）の内部に供給された排気ガスに向けて照射される。この時、照射される赤外線は、ハーフミラー１１５によって部分的に反射及び透過され、かつ遮光板２１６によって部分的に遮断されているため、ハーフミラー１１５及び遮光板２１６を設置しない場合と比較して強度が低くなるが、セル２０の内部に供給された排気ガスに含まれる炭化水素を測定可能な程度の強度を有するように設定されている。
【００４８】
こうして、図７に示すように、赤外線の波長掃引時において短波長の赤外線を遮断して、受光部３０（図１参照）によって受光される赤外線の強度が一定時間ゼロとなる部分を周期的に形成することが可能となる。
これにより、光学チョッパを用いて赤外線を周期的に遮断することなく、赤外線の受光強度のゼロ点を把握することができ、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去を行うことができる。したがって、ＴＨＣ測定装置１を小型かつ安価に構成すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
なお、本実施形態における遮光板２１６は、短波長の赤外線のみを遮断するように配置したが、これに限定するものではなく、長波長の赤外線のみを遮断するように配置してもよいし、短波長の赤外線と長波長の赤外線との両方を遮断するように複数配置してもよい。
【００４９】
また、本発明に係る照射部の他の形態として、照射部３１０を照射部１０に代えて適用することも可能である。
以下では、図８〜図９を参照して、照射部３１０の構造について詳細に説明する。
【００５０】
図８に示すように、照射部３１０は、光源３１２、可動ミラー３１３、回折格子３１４、固定ミラー３１５を具備する。
【００５１】
光源３１２は、照射部１０の光源１２と略同様に構成され、セル２０（図１参照）に導入された排気ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む広帯域の赤外線を可動ミラー３１３に向けて照射する部材である。
【００５２】
可動ミラー３１３は、照射部１０の可動ミラー１３と略同様に構成され、光源３１２から照射された赤外線を反射する手段として機能し、適宜の角度で回折格子３１４に入射させる部材である。
可動ミラー３１３は、適宜の固定軸に揺動可能に設けられており、当該固定軸周りにおける所定範囲（図８に示す位置Ｐ５と位置Ｐ６との間）を揺動するように制御部４０（図１参照）によって制御される。図８に示す位置Ｐ５を可動ミラー３１３の初期位置とすると、可動ミラー３１３が位置Ｐ６まで回動し、再び位置Ｐ５に戻るまでが可動ミラー３１３の回動周期（１周期）となっている。
【００５３】
可動ミラー３１３の揺動範囲（図８に示す位置Ｐ５と位置Ｐ６との間）は、その一部において赤外線が回折格子３１４に入射しないように設定されている。
例えば、可動ミラー３１３が図８に示す位置Ｐ５に位置する時、可動ミラー３１３によって反射された赤外線は、回折格子３１４よりも図８における左側に向かい、回折格子３１４に入射しない。また、可動ミラー３１３が図８に示す位置Ｐ６に位置する時、可動ミラー３１３によって反射された赤外線は、回折格子３１４よりも図８における右側に向かい、回折格子３１４に入射しない。
【００５４】
回折格子３１４は、照射部１０の回折格子１４と略同様に構成され、可動ミラー３１３によって反射された赤外線を回折する手段として機能し、当該赤外線を波長ごとに分光して、固定ミラー３１５に向けて反射させる部材である。回折格子３１４は、可動ミラー３１３によって反射された赤外線が入射する位置に配置されている。
【００５５】
固定ミラー３１５は、照射部１０の固定ミラー１５と略同様に構成され、回折格子３１４によって分光された赤外線を反射させる部材である。
固定ミラー１５は、回折格子３１４によって生成された中波長の赤外線の光路上に配置されている。
【００５６】
以上のように、照射部３１０においては、光源３１２、可動ミラー３１３、回折格子３１４、固定ミラー３１５を順に辿る光路が形成される。
【００５７】
光源３１２から照射された赤外線は、所定範囲（図８に示す位置Ｐ５と位置Ｐ６との間）を揺動する可動ミラー３１３によって反射された赤外線の一部が回折格子３１４に入射しない状態で波長掃引されるため、中波長の赤外線のみが選択されて照射部３１０から照射される。つまり、可動ミラー３１３が回折格子３１４によって分光された赤外線の一部の光路を遮断する手段として機能することとなる。
なお、固定ミラー３１５によって反射された赤外線は、コリメートレンズ等により適宜調整された後、セル２０（図１参照）の内部に供給された排気ガスに向けて照射される。この時、照射される赤外線は、遮光部材等によって部分的に遮断されていないため、強度が低下することはない。
【００５８】
こうして、図９に示すように、赤外線の波長掃引時において中波長の赤外線のみを選択して、受光部３０（図１参照）によって受光される赤外線の強度が一定時間ゼロとなる部分を周期的に形成することが可能となる。
これにより、光学チョッパを用いて赤外線を周期的に遮断することなく、赤外線の受光強度のゼロ点を把握することができ、赤外線の発振強度の補正、及び背景光の影響（ノイズ）の除去を行うことができる。したがって、ＴＨＣ測定装置１を小型かつ安価に構成すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素の測定における誤差を低減することができる。
また、遮光部材等を用いて赤外線を遮断する必要がないため、ＴＨＣ測定装置１を更に安価に構成することができる。
なお、本実施形態における可動ミラー３１３は、図８に示す位置Ｐ５と位置Ｐ６との間を揺動して、中波長の赤外線のみを選択するが、これに限定するものではなく、中波長の赤外線と短波長の赤外線とを選択、又は中波長の赤外線と長波長の赤外線とを選択するような範囲で可動ミラー３１３を揺動させてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１ ＴＨＣ測定装置
１０ 照射部
１１ 筐体
１２ 光源
１３ 可動ミラー
１４ 回折格子
１５ 固定ミラー
１６ 光学スリット板
１６ａ スリット
２０ セル
３０ 受光部
４０ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が周期的に変動する赤外線を照射する照射部と、
前記赤外線を検出して、当該赤外線の強度を得る受光部と、
測定対象ガスを収容し、前記赤外線を透過するセルと、を具備し、
前記照射部から前記セルに収容される測定対象ガスに向けて赤外線を照射し、前記測定対象ガスを透過した赤外線を前記受光部によって検出することで、前記測定対象ガスを透過した赤外線の強度を得て、当該赤外線の強度に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素の濃度を測定する炭化水素濃度測定装置であって、
前記照射部は、
前記測定対象ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む赤外線を照射する光源と、
前記光源から照射される赤外線を分光して、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素の濃度を測定するために必要な波長域を有する中波長の赤外線、前記中波長の赤外線よりも短い波長域を有する短波長の赤外線、及び前記中波長の赤外線よりも長い波長域を有する長波長の赤外線を順番に取り出すことで周期的に波長変動させる分光器と、
前記短波長の赤外線、及び前記長波長の赤外線のうちの少なくとも片方の光路を遮断する遮断手段と、
を具備する炭化水素濃度測定装置。
【請求項２】
前記分光器は、
入射する赤外線を複数の方向に反射させる反射手段と、
入射する赤外線を回折させることにより分光する回折手段と、から構成され、
前記遮断手段は、
前記短波長の赤外線、及び前記長波長の赤外線のうちの少なくとも片方の光路上に設けられ、当該光路を遮断する遮光部材である請求項１に記載の炭化水素濃度測定装置。
【請求項３】
前記分光器は、
入射する赤外線を複数の方向に反射させる反射手段と、
入射する赤外線を回折させることにより分光する回折手段と、から構成され、
前記反射手段は、前記光源から照射される赤外線が前記回折手段に入射しない位置を含む範囲で揺動することで前記遮断手段として機能する請求項１に記載の炭化水素濃度測定装置。
【請求項１】
波長が周期的に変動する赤外線を照射する照射部と、
前記赤外線を検出して、当該赤外線の強度を得る受光部と、
測定対象ガスを収容し、前記赤外線を透過するセルと、を具備し、
前記照射部から前記セルに収容される測定対象ガスに向けて赤外線を照射し、前記測定対象ガスを透過した赤外線を前記受光部によって検出することで、前記測定対象ガスを透過した赤外線の強度を得て、当該赤外線の強度に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素の濃度を測定する炭化水素濃度測定装置であって、
前記照射部は、
前記測定対象ガスに含まれる炭化水素に吸収される波長域を含む赤外線を照射する光源と、
前記光源から照射される赤外線を分光して、前記測定対象ガスに含まれる炭化水素の濃度を測定するために必要な波長域を有する中波長の赤外線、前記中波長の赤外線よりも短い波長域を有する短波長の赤外線、及び前記中波長の赤外線よりも長い波長域を有する長波長の赤外線を順番に取り出すことで周期的に波長変動させる分光器と、
前記短波長の赤外線、及び前記長波長の赤外線のうちの少なくとも片方の光路を遮断する遮断手段と、
を具備する炭化水素濃度測定装置。
【請求項２】
前記分光器は、
入射する赤外線を複数の方向に反射させる反射手段と、
入射する赤外線を回折させることにより分光する回折手段と、から構成され、
前記遮断手段は、
前記短波長の赤外線、及び前記長波長の赤外線のうちの少なくとも片方の光路上に設けられ、当該光路を遮断する遮光部材である請求項１に記載の炭化水素濃度測定装置。
【請求項３】
前記分光器は、
入射する赤外線を複数の方向に反射させる反射手段と、
入射する赤外線を回折させることにより分光する回折手段と、から構成され、
前記反射手段は、前記光源から照射される赤外線が前記回折手段に入射しない位置を含む範囲で揺動することで前記遮断手段として機能する請求項１に記載の炭化水素濃度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１１７７３２（Ｐ２０１１−１１７７３２Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７２５８６（Ｐ２００９−２７２５８６）
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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