赤外線式ガスセンサ
【課題】光源から赤外線検知素子に入射する赤外線のオン・オフを切り換える場合に、従来の構成に簡易な構成を付加するのみで、精度良く好適に特定成分の検出が可能な赤外線式ガスセンサを提供すること。
【解決手段】スイッチ５９によって、白色光源５の電源のオン・オフを切り換える場合には、同じスイッチ５９の動作によって、演算増幅器４７の反転入力端子４３に対する入力オフセット電圧の印加状態も切り換えて、非反転増幅器５１の出力電圧Ｖｏのオフセット電圧の印加・非印加を切り換える。これにより、光源のオン・オフに伴ってオフセット電圧も変化するので、光源ｏｆｆ時のセンサ出力と光源ｏｎ時のセンサ出力との差ΔＶｏから、特定成分の濃度を検出することができる。
【解決手段】スイッチ５９によって、白色光源５の電源のオン・オフを切り換える場合には、同じスイッチ５９の動作によって、演算増幅器４７の反転入力端子４３に対する入力オフセット電圧の印加状態も切り換えて、非反転増幅器５１の出力電圧Ｖｏのオフセット電圧の印加・非印加を切り換える。これにより、光源のオン・オフに伴ってオフセット電圧も変化するので、光源ｏｆｆ時のセンサ出力と光源ｏｎ時のセンサ出力との差ΔＶｏから、特定成分の濃度を検出することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば空調管理、工業プロセスの雰囲気の管理、種々の気体の漏洩検知などに適用できるガスセンサ、詳しくは、赤外線の吸収状態から特定のガス成分を検出する赤外線式ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、白色電源と波長選択フィルタと赤外線検知素子からなる非分散型赤外線吸収式（ＮＤＩＲ）のガスセンサである赤外線式ガスセンサが知られている（特許文献１参照）。
この種の赤外線式ガスセンサは、通常、離間して配置された白色光源及び赤外線検知素子と、両者の間に配置された波長選択フィルタによって形成されており、波長選択フィルタとしては、測定の対象である特定成分（対象ガス）が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させるバンドパスフィルタ等のフィルタが用いられる。
【０００３】
この赤外線式ガスセンサでは、白色光源と波長選択フィルタとの間に、特定成分を含む被測定ガスを導入し、白色光源から発生される広範なスペクトルをもつ電磁波のうち、波長選択フィルタを透過した特定波長域（即ち特定成分の特定吸収帯域）の赤外線のみが、赤外線検知素子に入射するように構成されている。
【０００４】
以下、従来の赤外線式ガスセンサの原理や構成等について詳しく説明する。
赤外線検知素子に入射する赤外線の強度（Ｉ）は、近似的に下記の式（Ｘ）で表される。なお、この式（Ｘ）は、よく知られているランバート・ベールの方式から派生したものである。
Ｉ＝Ｉ0｛（１−ｘ）＋ｘ・ｅｘｐ（−ａ・ＣgＬ）｝・・（Ｘ）
Ｉ ：入射強度
Ｉ0：特定成分が存在していないときの入射強度
ｘ ：特定成分が含まれていない状態で、
入射光のうち特定成分に吸収される波長の光の割合
ａ ：特定成分のモル吸収係数
Ｃg：特定成分の濃度
Ｌ ：光路長さ
従って、この赤外線式ガスセンサでは、波長選択フィルタを通過する赤外線の帯域が、事実上特定成分によってのみ吸収される帯域と概ね一致するので、赤外線検知素子の出力を適宜演算することにより、白色光源と赤外線検知素子（詳しくは波長選択フィルタ）との間の空間に存在する特定成分の濃度を求めることができる。
【０００５】
また、従来の赤外線式ガスセンサでは、光源以外の物体に由来する赤外線の影響を補償するために、一般的に、赤外線が赤外線検知素子に断続的に入射するように構成される。この赤外線を断続的入射させる方法としては、光源と赤外線検知素子との間に、風車状の機械的なチョッパーを配置したり、回路制御によって光源を周期的に点滅させるのが一般的である。
【０００６】
ところで、赤外線検知素子の出力は、一般的に小さいため、出力を倍増する必要がある。つまり、検知対象である特定成分や光学系の構成、赤外線検知素子の特性により必要な利得（ゲイン）は異なるが、数百倍〜数千倍の利得が必要となることも珍しくない。
【０００７】
この赤外線検知素子の出力を増幅するために、演算増幅器を用いた一般的な増幅回路（例えば非反転増幅回路）を用いる場合、想定し得る素子出力の最大値が入力されたときに、演算増幅器の出力が飽和しないように、利得を設定する。
【０００８】
しかしながら、赤外線式ガスセンサの出力変化率、即ち、前記式（Ｘ）の（Ｉ0−Ｉ）／Ｉ0の変化が小さい場合があり、出力飽和を回避できる程度の利得値では、分解能が不十分である場合がある。その場合は、高ビット数のマイコンでデータを処理することも考えられるが、高ビット数のマイコンは高価である。
【０００９】
この対策として、周知のオフセット増幅を行うことが考えられる（特許文献２、非特許文献１参照）。このオフセット増幅の技術では、非反転増幅回路の演算増幅器の反転入力端子に、所定の電圧（入力オフセット電圧）を印加することにより、出力電圧に（出力電圧をオフセット量だけマイナス側にシフトさせる）オフセット電圧を設定している。つまり、この非反転増幅回路の出力電圧は、（オフセット電圧が設定されていない場合に比べて）オフセット電圧だけ低くなるので、大きな利得を設定した場合でも出力飽和に到ることがなく、十分な分解能が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６１−０２０８４０号公報
【特許文献２】特開２００３−１２１５５９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】続ＯＰアンプ回路の設計：ＣＱ出版株式会社、昭和５４年発行（第４１頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上述した赤外線式ガスセンサにおいては、周囲環境に由来する赤外線の影響を避けるために、また、測定環境の変化を補償するために、光が入射している状態（光源ｏｎ（オン）時）と光が入射していない状態（光源ｏｆｆ（オフ）時）とのそれぞれの状態において、赤外線検知素子の出力（従って増幅後の出力）を測定する必要がある。
【００１３】
しかしながら、赤外線検知素子の出力は、光源ｏｎ時と光源ｏｆｆ時とでは出力電圧が大きく異なる。例えば図１４に示す様に、赤外線検知素子における、光源ｏｎ時の出力（Ｖｒ ｏｎ）と光源ｏｆｆ時の出力（Ｖｒ ｏｆｆ）の出力とは大きく異なる。なお、同図のΔＶｒは、光源ｏｎ時の出力と光源ｏｆｆ時の出力との差であり、通常は、このΔＶｒに基づいて濃度算出を行う。
【００１４】
よって、光源ｏｎ時及び光源ｏｆｆ時の両方とも、（増幅後の）出力電圧を所定の出力範囲（例えば０Ｖ〜演算増幅器の電源電圧）内に収まるようにすると、出力変化を読み取るのに十分な利得値を設定できない場合がある。
【００１５】
そのため、光源ｏｎ時と光源ｏｆｆ時との両方で、十分な利得で出力変化を読み取るには、光源ｏｎ時と光源ｏｆｆ時とで、例えば同じ利得で且つ異なるオフセット電圧（例えば出力電圧をマイナス側にシフトさせるオフセット電圧）を設定することが必要である場合がある。
【００１６】
例えば出力電圧に上述したオフセット電圧を設定する場合には、周知の演算増幅器の反転入力端子に入力オフセット電圧をかければよく、光源ｏｎ時と光源ｏｆｆ時とで異なる入力オフセット電圧をかけるには、光源のオン・オフに連動して、入力オフセット電圧を変化させればよい。
【００１７】
しかしながら、入力オフセット電圧の電源を新たに設けたり、更には、光源のオン・オフに同期させて入力オフセット電圧を変化させる回路を組み込むことは、コストの増大を招くという問題がある。
【００１８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、光源から赤外線検知素子に入射する赤外線のオン（入射）・オフ（入射停止）を切り換える場合に、従来の構成に簡易な構成を付加するのみで、精度良く好適に特定成分の検出が可能な赤外線式ガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
（１）本発明は、第１態様として、赤外線を放射する光源と、被測定ガス中の測定対象である特定成分が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させる赤外線選択手段と、前記光源から放射され、前記被測定ガス及び前記赤外線選択手段を透過した赤外線が入射する赤外線検知素子と、前記光源の電源をオン・オフするスイッチと、前記赤外線検知素子の出力電圧を増幅する増幅回路と、を備え、前記増幅された出力電圧に基づいて、前記特定成分を検出する赤外線式ガスセンサであって、前記増幅回路は、前記増幅を行うとともに、外部からの入力オフセット電圧の印加によって、自身の出力電圧を所定のオフセット量分低下させるオフセット増幅回路であり、前記光源の電源電圧を用いて前記オフセット増幅回路に入力オフセット電圧を印加する電圧印加回路を備えるとともに、前記スイッチは、前記電圧印加回路をオン・オフするように接続されており、前記スイッチによって、前記光源の電源のオン・オフを切り換えるとともに、前記電圧印加回路をオン・オフして前記オフセット増幅回路に対する前記入力オフセット電圧の印加状態を切り換えて、前記オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を調節し、前記スイッチの切り換えに伴う前記出力電圧の変化に基づいて、前記特定成分を検出することを特徴とする。
【００２０】
本第１態様では、スイッチによって、光源の電源のオン・オフを切り換える場合には、同じスイッチの動作によって、オフセット増幅回路に対する入力オフセット電圧の印加状態も切り換えて、オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を変更する。
【００２１】
つまり、本第１態様では、１つのスイッチという簡易な構成を用いて、電源のオン・オフとオフセット量の変更（例えばオフセット電圧の設定・非設定）とを同時に行うことができ、しかも、その光源のオン・オフに伴ってオフセット量も変化するので、これらの変更によって変化するセンサ出力から、容易に特定成分の検出を行うことができる。
【００２２】
なお、特定成分の検出には、特定成分の有無だけはなく、その濃度の検出も含まれる。
（２）本発明は、第２態様として、赤外線を放射する光源と、被測定ガス中の測定対象である特定成分が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させる赤外線選択手段と、前記光源から放射され、前記被測定ガス及び前記赤外線選択手段を透過した赤外線が入射する赤外線検知素子と、前記赤外線の前記赤外線検知素子への入射状態を、入射と遮断とに切り換える切換手段と、前記切換手段を駆動する電源をオン・オフするスイッチと、前記赤外線検知素子の出力電圧を増幅する増幅回路と、を備え、前記増幅された出力電圧に基づいて、前記特定成分を検出する赤外線式ガスセンサであって、前記増幅回路は、前記増幅を行うとともに、外部からの入力オフセット電圧の印加によって、自身の出力電圧を所定のオフセット量分低下させるオフセット増幅回路であり、前記切換手段を駆動する電源電圧を用いて前記オフセット増幅回路に入力オフセット電圧を印加する電圧印加回路を備えるとともに、前記スイッチは、前記電圧印加回路をオン・オフするように接続されており、前記スイッチによって、前記切換手段の電源のオン・オフを切り換えるとともに、前記電圧印加回路をオン・オフして前記オフセット増幅回路に対する前記入力オフセット電圧の印加状態を切り換えて、前記オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を調節し、前記スイッチの切り換えに伴う前記出力電圧の変化に基づいて、前記特定成分を検出することを特徴とする。
【００２３】
本第２態様では、スイッチによって、切換手段（例えばシャッタ）を駆動する電源のオン・オフを切り換える場合には、同じスイッチの動作によって、オフセット増幅回路に対する入力オフセット電圧の印加状態も切り換えて、オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を変更する。
【００２４】
つまり、本第２態様では、１つのスイッチという簡易な構成を用いて、切換手段の電源のオン・オフとオフセット量の変更（例えばオフセット電圧の設定・非設定）とを同時に行うことができ、しかも、その電源のオン・オフに伴ってオフセット量も変化するので、これらの変更によって変化するセンサ出力から、容易に特定成分の検出を行うことができる。
【００２５】
ここで、電源をオンした場合に、赤外線の入射を遮断するように切換手段を駆動するように構成してもよく、或いはその逆に、電源をオフした場合に、赤外線の入射を遮断するように切換手段を駆動するように構成してもよい。
【００２６】
なお、特定成分の検出には、特定成分の有無だけはなく、その濃度の検出も含まれる。
（３）本発明は、第３態様として、前記オフセット増幅回路は、前記赤外線検知素子の出力側が非反転入力端子に接続されるとともに、前記電圧印加回路が反転入力端子に接続された演算増幅器を備えた非反転増幅回路であることを特徴とする。
【００２７】
本発明は、オフセット増幅回路を例示したものである。このオフセット増幅回路の演算増幅器では、赤外線検知素子の出力側が非反転入力端子に接続されるとともに、電圧印加回路が反転入力端子に接続されている。
【００２８】
従って、赤外線検知素子の出力が所定の増幅率で増幅されるとともに、電圧印加回路によって加えられた入力オフセット電圧によりオフセット量が設定されるので、増幅された出力電圧は、オフセット量だけオフセットすることになる。
【００２９】
例えばオフセットがない場合の（増幅された）出力電圧が４Ｖの場合に、オフセット量が−１Ｖに設定された時には、実際の出力電圧は（４−１）の３Ｖとなる。
（４）本発明では、第４態様として、前記電源をオンした場合の前記オフセット増幅回路の出力電圧と前記電源をオフした場合の前記オフセット増幅回路の出力電圧との差に基づいて、前記特定成分の濃度を求めることを特徴とする。
【００３０】
これにより、バックグラウンドの影響を除去して、精度良く特定成分の濃度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図２】（ａ）はオフセット増幅無しの場合のセンサ出力を示すグラフ、（ｂ）はオフセット増幅有りの場合のセンサ出力を示すグラフである。
【図３】（ａ）は実施例１の赤外線式ガスセンサを軸方向に沿って破断して示す説明図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】実施例１の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図５】特定成分の濃度を検出する濃度測定処理を示すフローチャートである。
【図６】赤外線式ガスセンサの電気的信号を示すタイミングチャートである。
【図７】実施例２の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図８】実験例における実施例１の赤外線式ガスセンサのセンサ出力を示すグラフである。
【図９】実験例における実施例２の赤外線式ガスセンサのセンサ出力を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は実施例３の赤外線式ガスセンサを軸方向に沿って破断して示す説明図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図１１】実施例３の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図１２】実施例４の赤外線式ガスセンサを軸方向に沿って破断して示す説明図である。
【図１３】実施例４の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図１４】従来の赤外線式ガスセンサのセンサ出力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
まず、本発明の赤外線式ガスセンサの原理及び電気的な構成例について説明する。
なお、ここでは、光源の電源を利用してオフセット電圧を設定する場合を例に挙げるが、他のシャッタ等の様に光路を遮る切換手段を駆動する電源でも同様である。
【００３３】
例えば図１に示す様に、赤外線式ガスセンサは、反転入力端子及び非反転入力端子を有する増幅回路と帰還抵抗Ｒ２（抵抗値Ｒ２）とから構成された非反転増幅回路を有するセンサ回路を備えている。なお、帰還抵抗Ｒ２には接続点Ｐ１を介して直列に抵抗Ｒ３（抵抗値Ｒ３）が接続されている。
【００３４】
このセンサ回路では、（光源の電源電圧ＶLを有する光源電源の）光源電源端子Ｔ１が、スイッチＳと接続点Ｐ２と抵抗Ｒ１（抵抗値Ｒ１）と接続点Ｐ１とを介して反転入力端子に接続されている。
【００３５】
また、光源の負側端子Ｔ２の電圧（ベース電圧）がＶCとなるように、負側端子Ｔ２には、定電圧電源が接続されている。
更に、スイッチＳは、光源（点灯時の抵抗Ｒｓ、消灯時の抵抗ＲL）と接続点Ｐ３とを介して負側端子Ｔ２に接続されており、前記抵抗Ｒ３は、両接続点Ｐ１、Ｐ３に接続されている。なお、負側端子Ｔ２を接地して、ＶC＝０Ｖとしてもよい。
【００３６】
ここで、図１に示すセンサ回路の出力Ｖｏ等を計算すると、下記式（１）〜（６）の様になる。
【式１】
【００３７】
【００３８】
なお、Ｖｉ ：（増幅前の）赤外線検知素子の出力
Ｖｏoff：（増幅後の）光源ｏｆｆ時のセンサ出力
Ｖｏon ：（増幅後の）光源ｏｎ時のセンサ出力
ΔＶoff：光源ｏｆｆ時のオフセット電圧
Ｇoff ：光源ｏｆｆ時の利得（ゲイン）
ΔＶon ：光源ｏｎ時のオフセット電圧
Ｇon ：光源ｏｎ時の利得（ゲイン）
Ｒｓ ：光源ｏｎ時の光源の抵抗
ＲL ：光源ｏｆｆ時の光源の抵抗
ＶL ：光源への印加電圧
ＶC ：負側端子に常時印加される定電源電圧のベース電圧
ここで、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲLと光源への印加電圧ＶLは、光源の選択と必要な光量によって決められる値であり、自由度はそれほど高くない。
【００３９】
一方、常時印加される定電源電圧のベース電圧ＶC、演算増幅器に接続される抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の自由度は比較的高い。従って、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を適切な値に設定することにより、オフセット電圧とゲインを適宜調整することができる。
【００４０】
なお、光源ｏｆｆ時と光源ｏｎ時とのゲインは、演算の容易化のために、同じ値に設定することが望ましい。ここで、上記各式において、Ｒ１>>Ｒｓであれば、実質的にＧｏｎ＝Ｇｏｆｆと見なすことができ、Ｒｓは、通常、数十Ωであるので、Ｒ１>>Ｒｓの条件は、容易に達せられる。
【００４１】
特に、本発明では、（説明を容易にするために、ＶC＝０Ｖの場合を例に挙げるが）光源の電源をオン・オフするスイッチＳと演算増幅器の反転入力端子とを接続し、スイッチＳをオン・オフすることにより、光源をオン・オフするとともに、光源の電源電圧ＶL（詳しくは電源電圧ＶLによる入力オフセット電圧）の演算増幅器の反転入力端子への印加状態を、入力オフセット電圧の印加又は非印加の状態に切り換えている。
【００４２】
これにより、例えば図２（ａ）に（ＶC＝０Ｖの場合を）示す様に、スイッチＳをオフしている場合には、光源からは赤外線は放射されず、よって、赤外線検知素子の出力電圧Ｖｉは小さな値となる。そして、このスイッチＳのオフのときには、光源の電源電圧ＶLは演算増幅器の反転入力端子へ入力されないので、非反転増幅回路における出力電圧Ｖｏには、オフセット電圧が印加されない。
【００４３】
従って、出力電圧Ｖｏは、（小さな）赤外線検知素子の出力電圧Ｖｉを、所定の増幅率で増幅した値Ｖｏoffとなる。
一方、例えば図２（ｂ）に（ＶC＝０Ｖの場合を）示す様に、スイッチＳをオンした場合には、光源からは赤外線が放射されるので、赤外線検知素子の出力電圧Ｖｉは（スイッチＳのオフに比べて）大きな値となる。そして、このスイッチＳのオンのときには、光源の電源電圧ＶLは演算増幅器の反転入力端子へ入力されるので、非反転増幅回路における出力電圧Ｖｏには、（マイナスの）オフセット電圧が印加されることになる。
【００４４】
従って、出力電圧Ｖｏは、（大きな）赤外線検知素子の出力電圧Ｖｉを、所定の増幅率で増幅した（スイッチＳのオフに比べて）大きな値となるが、この場合には、前記オフセット電圧が設定されているので、出力電圧Ｖｏの値自体は、単に所定の増幅率で増幅した場合に比べて小さな値Ｖｏonとなり、出力の飽和（上限値に到ること）を避けることができる。
【００４５】
つまり、本発明では、スイッチＳをオン・オフすることにより、光源のオン・オフとオフセット電圧のオン・オフとを連動させることにより、赤外線検知素子の出力を同様な増幅率で増幅しても、出力が飽和することなく、好適にセンサ出力（Ｖｏoff、Ｖｏon）を得ることができる。なお、センサ出力とは、非反転増幅回路における出力電圧を指すものである。
【００４６】
よって、スイッチＳのオン・オフに伴うセンサ出力の変化に基づいて、バックグラウンドを消去し、大きな増幅率にて、精度良く好適に特定成分の有無や濃度等を求めることができる。
【実施例１】
【００４７】
次に、本発明の赤外線式ガスセンサの具体例について説明する。
ａ）まず、本実施例の赤外線式センサの構成等について説明する。
図３に示す様に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１は、非分散型赤外線吸収式（ＮＤＩＲ）ガスセンサである。
【００４８】
この赤外線式ガスセンサ１は、先端側（図３（ａ）左側）が閉塞された円筒形状の容器３と、容器３の先端側に配置された白色光源５と、容器３の後端側に容器３を閉塞するように配置された基部７とを備えている。以下、詳細に説明する。
【００４９】
前記容器３は、測定対象である特定成分を含む被測定ガスを充填する非透光性の材質（例えばアルミニウム合金）からなる容器３であり、その側壁９には、被測定ガスの導入や排出を行う複数の通気孔１１、１３が形成されている。
【００５０】
前記基部７は、非透光性の例えばステンレスからなるキャップ１５と、ＴＯパッケージ１７とから構成されており、その内部空間１９が密閉されている。なお、ＴＯパッケージ１７以外に、セラミックパッケージを使用することもできる。
【００５１】
このうち、キャップ１５は、容器３の軸中心に垂直の円盤部２１と、円盤部２１の外周端から後端側に伸びる筒状部２３とから構成されている。この円盤部２１の中央に開けられた開口部２５には、該開口部２５を覆う様に、後述する特定の帯域の赤外線のみを透過させる波長選択フィルタ２７が配置されている。なお、波長選択フィルタ２７の種類としては、特に制限はなく、サファイア、石英ガラス、シリコン、ゲルマニウム、セレン化亜鉛などの赤外線透過材料からなる基板の表面に、複数の透明膜を積層したものを採用できる。
【００５２】
また、ＴＯパッケージ１７の先端側の表面の中央には、入射する赤外線の強度に応じた電圧を出力する赤外線検知素子２９が配置されている。なお、赤外線検知素子２９の種類としては、特に制限はなく、焦電センサ、サーモパイルセンサ、フォトダイオード等、一般に用いられる赤外線センサを使用できる。
【００５３】
なお、白色光源５にも特に制限はなく、電球や発熱抵抗体を使用できる。
本実施例の赤外線式ガスセンサ１では、白色光源５と波長選択フィルタ２７と赤外線検知素子１９とは、容器３の軸中心に沿って配置されている。つまり、白色光源５から照射された赤外線が、容器３内に導入された被測定ガス中を透過し、波長選択フィルタ２７を介して、赤外線検知素子２９に入射するように配置される。
【００５４】
この波長選択フィルタ２７を通過できる光（即ち赤外線）の帯域（通過帯域）は、濃度を測定する対象である特定成分（例えばＣＯ2）の吸収帯に概ね合致するものが使用されており、この通過帯域に合致する波長の光のみが透過し、それ以外の波長は透過できない。
【００５５】
つまり、赤外線は特定成分に吸収されるが、この吸収される赤外線のみを透過可能なように、波長選択フィルタ２９の材質が選択されている。
従って、波長選択フィルタ２７を透過する光の強度、よって、赤外線検知素子２９の出力は、容器３内の測定空間３１内のガス種の濃度に依存する。つまり、後に詳述する様に、赤外線検知素子２９の出力（詳しくは素子出力を増幅したセンサ出力）より、測定空間３１内の特定成分の濃度を測定することができる。
【００５６】
ｂ）次に、赤外線式ガスセンサ１の電気的構成等について説明する。
図４に示す様に、赤外線式ガスセンサ１は、そのセンサ回路４１として、反転入力端子４３及び非反転入力端子４５を有する増幅回路４７と、帰還抵抗である第２抵抗４９（抵抗値Ｒ２）とを備えた非反転増幅回路５１を備えている。なお、第２抵抗４９には接続点５３を介して直列に第３抵抗５５（抵抗値Ｒ３）が接続されている。
【００５７】
また、このセンサ回路４１では、（電源電圧ＶLを有する光源電源５７（図３参照）の）光源電源端子５７が、スイッチ５９と接続点６１と第１抵抗６３（抵抗値Ｒ１）と接続点５３とを介して反転入力端子４３に接続されている。
【００５８】
更に、スイッチ５９は、白色光源５（光源ｏｎ時の抵抗Ｒｓ、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲL）を介して接続点６５に接続されている。
なお、前記第３抵抗５５は、両接続点５３、６５に接続されており、接続点６５は接地されている。
【００５９】
本実施例では、例えば演算増幅器４７の電源電圧を５Ｖとした場合に、光源ｏｆｆ時の出力Ｖｏoff、光源ｏｎ時の出力Ｖｏonとも出力飽和が起こらないように、ゲインとオフセット電圧、ひいては、回路中の抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｖｃが設定してある。なお、光源の電源電圧は５Ｖ、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲLは４Ω、光源ｏｎ時の抵抗Ｒｓは４０Ωである。
【００６０】
なお、本発明の（オフセット電圧を設定するための）電圧印加回路は、光源端子５７から、スイッチ５９、第１抵抗６３を介して、反転入力端子４３に到る回路によって構成されている。
【００６１】
そして、このセンサ回路４１において、スイッチ５９がオフのときには、白色光源５は消灯しており、その光源ｏｆｆ時に、赤外線検知素子２９の（バックグラウンドを示す）出力電圧Ｖｉが、増幅回路４７の非反転入力端子４５に入力する場合には、前記式（１）で示されるセンサ出力Ｖｏoffが得られる。なお、この場合のオフセット電圧は、前記式（２）で示されるΔＶoffであり、ゲインは式（３）で示されるＧoffである。
【００６２】
一方、スイッチ５９がオンのときには、白色光源５は点灯しており、その光源ｏｎ時に、赤外線検知素子２９の（バックグラウンドを含む特定成分の濃度に対応した値を示す）出力電圧Ｖｉが、増幅回路４７の非反転入力端子４５に入力する場合には、前記式（４）で示されるセンサ出力Ｖｏonが得られる。なお、この場合のオフセット電圧は、前記式（５）で示されるΔＶonであり、ゲインは式（６）で示されるＧonである。
【００６３】
従って、スイッチ５９がオフの時のバックグラウンドを示す出力電圧Ｖｏoffと、スイッチ５９がオンの時のバックグラウンドを含む特定成分の濃度に対応した値を示す出力電圧Ｖｏonとから、後述する様にして、特定成分の濃度を求めることができる。
【００６４】
ｃ）次に、赤外線式ガスセンサ１における濃度測定の手順について説明する。
図５に示す様に、赤外線式ガスセンサ１が始動すると、まず、ステップ（Ｓ）１００にて、初期動作として、白色光源５を例えば１０秒間点灯（オン）する。
【００６５】
続くステップ１１０では、白色光源５をオフする。
続くステップ１２０では、所定のタイミングで光源ｏｆｆ時のセンサ出力Ｖｏoffを求める。具体的には、図６に示す様に、光源電圧の印加を停止した時点から所定のサンプリングタイミング（例えば１．３３秒後）におけるセンサ出力を取得する。
【００６６】
続くステップ１３０では、白色光源５をオンする。
続くステップ１４０では、所定のタイミングで光源ｏｎ時のセンサ出力Ｖｏonを求める。具体的には、図６に示す様に、光源電圧の印加を開始した時点から所定のサンプリングタイミング（例えば０．６３秒後）におけるセンサ出力を取得する。
【００６７】
続くステップ１５０では、白色光源５をオフする。
続くステップ１６０では、得られた両センサ出力（Ｖｏoff、Ｖｏon）から特定成分の濃度を算出する。
【００６８】
具体的には、光源ｏｎ時のセンサ出力Ｖｏonと光源ｏｆｆ時のセンサ出力Ｖｏoffとの差ΔＶｏを求める。即ち、センサ出力からバックグランドの出力を除去して、特定成分の濃度のみを示すセンサ出力の差ΔＶｏを求める。このセンサ出力の差ΔＶｏとは、特定成分の濃度に対応したものであるので、予め実験等によって求めたセンサ出力の差ΔＶｏと特定成分の濃度との関係を示すマップ等を用いて、センサ出力の差ΔＶｏから特定成分の濃度を求めることができる。
【００６９】
続くステップ１７０では、算出されたガス濃度を、図示しないディスプレイ等の表示装置や外部に出力し、その後、前記ステップ１２０に戻って、同様な処理を繰り返す。
ｄ）次に、赤外線式ガスセンサ１による効果について説明する。
【００７０】
本実施例では、スイッチ５９によって、白色光源５の電源のオン・オフを切り換える場合には、同じスイッチ５９の動作によって、演算増幅器４７の反転入力端子４３に対する入力オフセット電圧の印加状態（印加・非印加）も切り換えて、非反転増幅器５１の出力電圧Ｖｏのオフセット電圧の設定状態（設定（オン）・非設定（オフ））を切り換えている。
【００７１】
つまり、本実施例では、１つのスイッチ５９という簡易な構成を用いて、電源のオン・オフとオフセット電圧のオン・オフとを同時に行うことができる。
これにより、光源のオン・オフに伴ってオフセット電圧も変化するので、光源ｏｆｆ時のセンサ出力Ｖｏoffと光源ｏｎ時のセンサ出力Ｖｏonとの差ΔＶｏをとることによりバックグラウンドの影響を除去し、この差ΔＶｏから、マップ等に用いて容易に、且つ、精度良く特定成分の濃度を検出することができる。
【００７２】
また、従来の回路構成に簡易な構成（スイッチ５９により白色光源５の電源電圧ＶLを利用して入力オフセット電圧を加える構成）を付加するだけで、本実施例で使用する回路構成を実現できるという利点がある。
【実施例２】
【００７３】
次に、実施例２について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、光源の負側端子に所定の電圧ＶCを加える点が、前記実施例１と異なるので、異なる点のみを説明する。
【００７４】
図７に示す様に、本実施例の赤外線式ガスセンサ７１は、そのセンサ回路７３として、前記実施例１と同様に、反転入力端子７５及び非反転入力端子７７を有する増幅回路７９と、帰還抵抗である第２抵抗８１（抵抗値Ｒ２）とを備えた非反転増幅回路８３を備えている。なお、第２抵抗８１には、接続点８５を介して直列に第３抵抗８７（抵抗値Ｒ３）が接続されている。
【００７５】
また、このセンサ回路７３では、光源電源端子８９が、スイッチ９１と接続点９３と第１抵抗９５（抵抗値Ｒ１）と接続点８５とを介して反転入力端子７５に接続されている。
更に、スイッチ９１は、白色光源９７（光源ｏｎ時の抵抗Ｒｓ、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲL）を介して接続点９９に接続されている。
【００７６】
なお、前記第３抵抗８７は、両接続点８５、９９に接続されている。
特に本実施例では、白色光源９７の負側端子１０１は、図示しない定電圧回路に接続されており、これにより負側端子１０１には、ベース電圧ＶCが印加されている。
【００７７】
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、負側端子１０１には、ベース電圧ＶCが印加されているので、必要に応じて、光源がｏｆｆのときの出力に対しても、適宜オフセットを設けることができるという利点がある。
【００７８】
＜実験例＞
次に、実際に各抵抗の抵抗値等を設定して作製した前記実施例１、２の赤外線式ガスセンサのセンサ出力を確認した実験例について説明する。
【００７９】
この実験例では、各抵抗値等を下記表１に示す値とした。
【００８０】
【表１】
【００８１】
この実験例では、被測定ガスとして、Ｎ2のベースガス中にＣＯ2の添加量を０〜５０００ｐｐｍの範囲で段階的に増していき、その際のセンサ出力を測定した。
その測定の際の実施例１、２の赤外線式ガスセンサによるセンサ出力を、図８及び図９に示すが、光源ｏｎ時の出力電圧Ｖｏonと光源ｏｆｆ時の出力電圧Ｖｏoffとも、飽和することがなく、十分な電圧が得られた。
【実施例３】
【００８２】
次に、実施例３について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の赤外線式ガスセンサは、一対の波長選択フィルタ及び赤外線検知素子を備え、２種の特定成分の濃度を検出可能なセンサである。
【００８３】
ａ）まず、本実施例の赤外線式ガスセンサの構成について説明する。
図１０に示す様に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１１１は、前記実施例１と同様に、先端側（図１０（ａ）左側）が閉塞された円筒形状の容器１１３と、容器１１３の先端側に配置された白色光源１１５と、容器１１３の後端側に配置された基部１１７とを備えている。
【００８４】
前記基部１１７は、キャップ１１９とＴＯパッケージ１２１とから構成されており、キャップ１１９は、円盤部１２３と筒状部１２５とから構成されている。
円盤部１２３には、２箇所に開口部１２７、１２９が設けられており、各開口部１２７、１２９にはそれぞれ第１、第２波長選択フィルタ１３１、１３３が配置されている。
【００８５】
また、ＴＯパッケージ１２１の内側表面には、第１、第２波長選択フィルタ１３１、１３３と対応して、その後端側に、それぞれ第１、第２赤外線検知素子１３５、１３７が配置されている。
【００８６】
そして、本実施例の赤外線式ガスセンサ１１１では、白色光源１１５と第１波長選択フィルタ１３１と第１赤外線検知素子１３５とは、同一直線Ｌ１上に配置され、同様に、白色光源１１５と第２波長選択フィルタ１３３と第２赤外線検知素子１３７とは、他の同一直線Ｌ２上に配置されている。 なお、一対の直線Ｌ１、Ｌ２は、軸中心Ｏを中心として線対称に配置されている。
【００８７】
また、前記第１、第２波長変換フィルタ１３１、１３３を構成する材料としては、検出したい２つの特定成分（例えばＣＯ2とＣＯ）に対応して、同特定成分の吸収帯と自身の通過帯域が同じものが選択されている。
【００８８】
ｂ）次に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１１１の電気的構成について説明する。
図１１に示す様に、赤外線式ガスセンサ１１１のセンサ回路１４１は、２種の特定成分の濃度を測定できるように、第１、第２赤外線検出素子１３５、１３７の出力電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉに対応して、それぞれ出力電圧Ｖ１ｏ、Ｖ２ｏが得られるように構成されている。
【００８９】
具体的には、センサ回路１４１は、反転入力端子１４３及び非反転入力端子１４５を有する第１増幅回路１４７と、帰還抵抗である第２抵抗１４９（抵抗値Ｒ２）とを備えた第１非反転増幅回路１５１を備えている。なお、第２抵抗１４９には接続点１５３を介して直列に第３抵抗１５５（抵抗値Ｒ３）が接続されている。
【００９０】
また、（電源電圧ＶLを有する光源電源１５７（図１０参照）の）光源電源端子１５７が、スイッチ１５９と接続点１６１と第１抵抗１６３（抵抗値Ｒ１）と接続点１５３とを介して反転入力端子１４３に接続されている。
【００９１】
更に、スイッチ１５９は、白色光源１１５（光源ｏｎ時の抵抗Ｒｓ、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲL）を介して接続点１６５に接続されている。
なお、前記第３抵抗１５５は、両接続点１５３、１６５に接続されており、負側端子１６７には、図示しない定電圧回路からベース電圧ＶCが印加されている。
【００９２】
同様に、このセンサ回路１４１は、反転入力端子１７３及び非反転入力端子１７５を有する第２増幅回路１７７と、帰還抵抗である第５抵抗１７９（抵抗値Ｒ５）とを備えた第２非反転増幅回路１８１を備えている。なお、第５抵抗１４９には接続点１８３を介して直列に第６抵抗１８５（抵抗値Ｒ６）が接続されている。
【００９３】
また、このセンサ回路１４１では、スイッチ１５９と接続点１６１と第４抵抗１８７（抵抗値Ｒ４）と接続点１８３とを介して反転入力端子１７３に接続されている。
なお、前記第６抵抗１８５は、両接続点１６３、１８３に接続されている。
【００９４】
ｃ）次に、この赤外線式ガスセンサ１１１の動作を説明する。
スイッチ１５９がオンの場合、白色光源１１５から放射された赤外線は、被測定ガス中を透過するとともに、第１、第２赤外線選択フィルタ１３１、１３３を透過し、第１、第２赤外線検知素子１３５、１３７に入射する。
【００９５】
このとき、被測定ガス中では、２種の特定成分の濃度に応じて、所定の帯域の赤外線が吸収される。
従って、例えば第１赤外線選択フィルタ１３１の通過帯域がＣＯ2の吸収帯と一致するように設定されている場合には、第１赤外線選択フィルタ１３１を透過して第１赤外線検知素子１３５に到る赤外線の強度（よって、強度に対応した出力電圧Ｖ１ｏon）は、ＣＯ2濃度に対応したものとなる。
【００９６】
なお、この場合も、前記実施例１と同様に、この出力電圧Ｖ１ｏonには、スイッチ１５９のオンに伴う光源の電圧ＶLの印加よるオフセット電圧が設定されている。
同様に、例えば第２赤外線選択フィルタ１３３の通過帯域がＣＯの吸収帯と一致するように設定されている場合には、第２赤外線選択フィルタ１３３を透過して第２赤外線検知素子１３７に到る赤外線の強度（よって、強度に対応した出力電圧Ｖ２ｏon）は、ＣＯ濃度に対応したものとなる。
【００９７】
なお、この場合も、前記実施例１と同様に、この出力電圧Ｖ２ｏonには、スイッチ１５９のオンに伴う光源の電圧ＶLの印加よるオフセット電圧が設定されている。
一方、スイッチ１５９がオフの場合には、バックグラウンドの赤外線が、第１、第２赤外線検知素子１３５、１３７に入射するので、それぞれ出力電圧Ｖ１ｏoff、Ｖ２ｏoffが得られる。なお、この場合には、光源の電圧ＶLの印加よるオフセット電圧は設定されていない。
【００９８】
従って、前記実施例１と同様に、スイッチ１５９のオン時のそれぞれの出力電圧Ｖ１ｏon、Ｖ２ｏonとスイッチ１５９のオフ時のそれぞれの出力電圧Ｖ１ｏoff、Ｖ２ｏoffとのそれぞれの差分（Ｖ１ｏon−Ｖ１ｏoff、Ｖ２ｏon−Ｖ２ｏoff）から、２種の特定成分の濃度を算出することができる。
【００９９】
本実施例においても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、２種の特定成分の濃度を同時に測定できるという利点がある。
また、第２赤外線選択フィルタ１３３の通過域を、被測定ガス中に存在することが想定される何れのガスの吸収帯にも相当しない波長域(例えば３．９μｍ前後)に設定することにより、第２赤外線検知素子１３７を言わば参照素子として用い、第１赤外線検知素子１３５の出力に対する外乱因子を補償させることも可能である。
【実施例４】
【０１００】
次に、実施例４について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の赤外線式ガスセンサは、光源を点滅するのではなく、光源の光を遮るシャッタをオン・オフするものである。
【０１０１】
ａ）まず、本実施例の赤外線式ガスセンサの構成について説明する。
図１２に示す様に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１９１は、前記実施例１と同様に、先端側（図１２左側）が閉塞された円筒形状の容器１９３と、容器１９３の先端側に配置された白色光源１９５と、容器１９３の後端側に配置された基部１９７とを備えている。
【０１０２】
前記基部１９７は、キャップ１９９とＴＯパッケージ２０１とから構成されており、キャップ１９９は、円盤部２０３と筒状部２０５とから構成されている。
円盤部２０３には、中央に開口部２０７が設けられており、開口部２０７には波長選択フィルタ２０９が配置されている。
【０１０３】
また、ＴＯパッケージ２０１の内側表面には、波長選択フィル２０９と対応して、その後端側に、赤外線検知素子２１１が配置されている。
特に、本実施例では、白色光源１９５より後端側に、白色光源１９５が波長変換フィルタ２０９に到達しないように（即ち光路を遮るように）シャッタ２１３が配置されている。
【０１０４】
このシャッタ２１３は、駆動電源２１５によって駆動されるものである。具体的には、（スイッチ２１７がオンされ）電源電圧がソレノイド２１９（図１３参照）に印加されるとシャッタ２１３が開き、電源電圧が印加されない場合は、図示しないバネによってシャッタ２１３が閉じるように構成されている。
【０１０５】
なお、白色光源１９５へは、光源の電源２２１から電圧ＶLが印加され、それは、図示しないスイッチによりオン・オフされる。
ｂ）次に、赤外線式ガスセンサ２１１の電気的構成について説明する。
【０１０６】
なお、本実施例の赤外線式ガスセンサ１９１の回路構成は、基本的に実施例１の回路構成とほぼ同様であるので、簡単に説明する。
図１３に示す様に、赤外線式ガスセンサ１９１のセンサ回路２２３は、実施例１と同様に、演算増幅器２２５、非反転増幅回路２２７、第１〜第３抵抗２２９、２３１、２３３を備えている。
【０１０７】
また、駆動電源２１５（図１２参照）の駆動端子２３５は、スイッチ２１７、ソレノイド２１９（オン時の抵抗Ｒｓ、オフ時の抵抗ＲL）を介して接地されるとともに、スイッチ２１７、第１抵抗２２９を介して、非反転増幅回路２２７に対してオフセット電圧を設定するように、反転入力端子２３７に接続されている。
【０１０８】
なお、本発明の（オフセット電圧を設定するための）電圧印加回路は、駆動端子２３５から、スイッチ２１７、第１抵抗２２９を介して、反転入力端子２３７に到る回路によって構成されている。
【０１０９】
ｃ）次に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１９１の動作について説明する。
白色電源１９５が点灯しているときに、スイッチ２１７がオンされてシャッタ２１３が開いている場合には、白色光源１９５から放射された赤外線は、被測定ガス中を透過するとともに、赤外線選択フィルタ２０９を透過し、赤外線検知素子２１１に入射する。
【０１１０】
このとき、被測定ガス中では、特定成分の濃度に応じて、所定の帯域の赤外線が吸収される。
従って、例えば赤外線選択フィルタ２０９の通過帯域がＣＯ2の吸収帯と一致するように設定されている場合には、赤外線選択フィルタ２０９を透過して赤外線検知素子２１１に到る赤外線の強度（よって、強度に対応した出力電圧Ｖｏon）は、ＣＯ2濃度に対応したものとなる。
【０１１１】
なお、この場合も、前記実施例１と同様に、この出力電圧Ｖｏonには、スイッチ２１７のオンに伴う駆動電源２１５の電圧Ｖstの印加よるオフセット電圧が設定されている。
一方、スイッチ２１３がオフの場合には、白色光源１９５の点滅に関わらず、白色光源１９５の光路は遮断されているので、バックグラウンドの赤外線が、赤外線検知素子２１１に入射するので、その出力電圧Ｖｏoffが得られる。なお、この場合には、駆動電源２１５の電圧Ｖstの印加よるオフセット電圧は設定されていない。
【０１１２】
従って、前記実施例１と同様に、スイッチ２１７のオン時の出力電圧Ｖｏonとスイッチ２１７のオフ時の出力電圧Ｖｏoffとの差分から、特定成分の濃度を算出することができる。
【０１１３】
本実施例においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
【０１１４】
例えば、赤外線の透過率によって測定を行う、例えば水滴センサ等に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１、７１、１１１、１９１…赤外線式ガスセンサ
５、９７、１１５、１９５…光源
２７、１３１、１３３、２０９…赤外線選択フィルタ
２９、１３５、１３７、２１１…赤外線検知素子
４７、７９、１４１、１４３、２２５…演算増幅器
５１、８３、１５１、１８１、２２７…非反転増幅回路
５７、１５７、２１５…電源
５９、９１、１５９、２１７…スイッチ
２１３…シャッタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば空調管理、工業プロセスの雰囲気の管理、種々の気体の漏洩検知などに適用できるガスセンサ、詳しくは、赤外線の吸収状態から特定のガス成分を検出する赤外線式ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、白色電源と波長選択フィルタと赤外線検知素子からなる非分散型赤外線吸収式（ＮＤＩＲ）のガスセンサである赤外線式ガスセンサが知られている（特許文献１参照）。
この種の赤外線式ガスセンサは、通常、離間して配置された白色光源及び赤外線検知素子と、両者の間に配置された波長選択フィルタによって形成されており、波長選択フィルタとしては、測定の対象である特定成分（対象ガス）が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させるバンドパスフィルタ等のフィルタが用いられる。
【０００３】
この赤外線式ガスセンサでは、白色光源と波長選択フィルタとの間に、特定成分を含む被測定ガスを導入し、白色光源から発生される広範なスペクトルをもつ電磁波のうち、波長選択フィルタを透過した特定波長域（即ち特定成分の特定吸収帯域）の赤外線のみが、赤外線検知素子に入射するように構成されている。
【０００４】
以下、従来の赤外線式ガスセンサの原理や構成等について詳しく説明する。
赤外線検知素子に入射する赤外線の強度（Ｉ）は、近似的に下記の式（Ｘ）で表される。なお、この式（Ｘ）は、よく知られているランバート・ベールの方式から派生したものである。
Ｉ＝Ｉ0｛（１−ｘ）＋ｘ・ｅｘｐ（−ａ・ＣgＬ）｝・・（Ｘ）
Ｉ ：入射強度
Ｉ0：特定成分が存在していないときの入射強度
ｘ ：特定成分が含まれていない状態で、
入射光のうち特定成分に吸収される波長の光の割合
ａ ：特定成分のモル吸収係数
Ｃg：特定成分の濃度
Ｌ ：光路長さ
従って、この赤外線式ガスセンサでは、波長選択フィルタを通過する赤外線の帯域が、事実上特定成分によってのみ吸収される帯域と概ね一致するので、赤外線検知素子の出力を適宜演算することにより、白色光源と赤外線検知素子（詳しくは波長選択フィルタ）との間の空間に存在する特定成分の濃度を求めることができる。
【０００５】
また、従来の赤外線式ガスセンサでは、光源以外の物体に由来する赤外線の影響を補償するために、一般的に、赤外線が赤外線検知素子に断続的に入射するように構成される。この赤外線を断続的入射させる方法としては、光源と赤外線検知素子との間に、風車状の機械的なチョッパーを配置したり、回路制御によって光源を周期的に点滅させるのが一般的である。
【０００６】
ところで、赤外線検知素子の出力は、一般的に小さいため、出力を倍増する必要がある。つまり、検知対象である特定成分や光学系の構成、赤外線検知素子の特性により必要な利得（ゲイン）は異なるが、数百倍〜数千倍の利得が必要となることも珍しくない。
【０００７】
この赤外線検知素子の出力を増幅するために、演算増幅器を用いた一般的な増幅回路（例えば非反転増幅回路）を用いる場合、想定し得る素子出力の最大値が入力されたときに、演算増幅器の出力が飽和しないように、利得を設定する。
【０００８】
しかしながら、赤外線式ガスセンサの出力変化率、即ち、前記式（Ｘ）の（Ｉ0−Ｉ）／Ｉ0の変化が小さい場合があり、出力飽和を回避できる程度の利得値では、分解能が不十分である場合がある。その場合は、高ビット数のマイコンでデータを処理することも考えられるが、高ビット数のマイコンは高価である。
【０００９】
この対策として、周知のオフセット増幅を行うことが考えられる（特許文献２、非特許文献１参照）。このオフセット増幅の技術では、非反転増幅回路の演算増幅器の反転入力端子に、所定の電圧（入力オフセット電圧）を印加することにより、出力電圧に（出力電圧をオフセット量だけマイナス側にシフトさせる）オフセット電圧を設定している。つまり、この非反転増幅回路の出力電圧は、（オフセット電圧が設定されていない場合に比べて）オフセット電圧だけ低くなるので、大きな利得を設定した場合でも出力飽和に到ることがなく、十分な分解能が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６１−０２０８４０号公報
【特許文献２】特開２００３−１２１５５９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】続ＯＰアンプ回路の設計：ＣＱ出版株式会社、昭和５４年発行（第４１頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上述した赤外線式ガスセンサにおいては、周囲環境に由来する赤外線の影響を避けるために、また、測定環境の変化を補償するために、光が入射している状態（光源ｏｎ（オン）時）と光が入射していない状態（光源ｏｆｆ（オフ）時）とのそれぞれの状態において、赤外線検知素子の出力（従って増幅後の出力）を測定する必要がある。
【００１３】
しかしながら、赤外線検知素子の出力は、光源ｏｎ時と光源ｏｆｆ時とでは出力電圧が大きく異なる。例えば図１４に示す様に、赤外線検知素子における、光源ｏｎ時の出力（Ｖｒ ｏｎ）と光源ｏｆｆ時の出力（Ｖｒ ｏｆｆ）の出力とは大きく異なる。なお、同図のΔＶｒは、光源ｏｎ時の出力と光源ｏｆｆ時の出力との差であり、通常は、このΔＶｒに基づいて濃度算出を行う。
【００１４】
よって、光源ｏｎ時及び光源ｏｆｆ時の両方とも、（増幅後の）出力電圧を所定の出力範囲（例えば０Ｖ〜演算増幅器の電源電圧）内に収まるようにすると、出力変化を読み取るのに十分な利得値を設定できない場合がある。
【００１５】
そのため、光源ｏｎ時と光源ｏｆｆ時との両方で、十分な利得で出力変化を読み取るには、光源ｏｎ時と光源ｏｆｆ時とで、例えば同じ利得で且つ異なるオフセット電圧（例えば出力電圧をマイナス側にシフトさせるオフセット電圧）を設定することが必要である場合がある。
【００１６】
例えば出力電圧に上述したオフセット電圧を設定する場合には、周知の演算増幅器の反転入力端子に入力オフセット電圧をかければよく、光源ｏｎ時と光源ｏｆｆ時とで異なる入力オフセット電圧をかけるには、光源のオン・オフに連動して、入力オフセット電圧を変化させればよい。
【００１７】
しかしながら、入力オフセット電圧の電源を新たに設けたり、更には、光源のオン・オフに同期させて入力オフセット電圧を変化させる回路を組み込むことは、コストの増大を招くという問題がある。
【００１８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、光源から赤外線検知素子に入射する赤外線のオン（入射）・オフ（入射停止）を切り換える場合に、従来の構成に簡易な構成を付加するのみで、精度良く好適に特定成分の検出が可能な赤外線式ガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
（１）本発明は、第１態様として、赤外線を放射する光源と、被測定ガス中の測定対象である特定成分が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させる赤外線選択手段と、前記光源から放射され、前記被測定ガス及び前記赤外線選択手段を透過した赤外線が入射する赤外線検知素子と、前記光源の電源をオン・オフするスイッチと、前記赤外線検知素子の出力電圧を増幅する増幅回路と、を備え、前記増幅された出力電圧に基づいて、前記特定成分を検出する赤外線式ガスセンサであって、前記増幅回路は、前記増幅を行うとともに、外部からの入力オフセット電圧の印加によって、自身の出力電圧を所定のオフセット量分低下させるオフセット増幅回路であり、前記光源の電源電圧を用いて前記オフセット増幅回路に入力オフセット電圧を印加する電圧印加回路を備えるとともに、前記スイッチは、前記電圧印加回路をオン・オフするように接続されており、前記スイッチによって、前記光源の電源のオン・オフを切り換えるとともに、前記電圧印加回路をオン・オフして前記オフセット増幅回路に対する前記入力オフセット電圧の印加状態を切り換えて、前記オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を調節し、前記スイッチの切り換えに伴う前記出力電圧の変化に基づいて、前記特定成分を検出することを特徴とする。
【００２０】
本第１態様では、スイッチによって、光源の電源のオン・オフを切り換える場合には、同じスイッチの動作によって、オフセット増幅回路に対する入力オフセット電圧の印加状態も切り換えて、オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を変更する。
【００２１】
つまり、本第１態様では、１つのスイッチという簡易な構成を用いて、電源のオン・オフとオフセット量の変更（例えばオフセット電圧の設定・非設定）とを同時に行うことができ、しかも、その光源のオン・オフに伴ってオフセット量も変化するので、これらの変更によって変化するセンサ出力から、容易に特定成分の検出を行うことができる。
【００２２】
なお、特定成分の検出には、特定成分の有無だけはなく、その濃度の検出も含まれる。
（２）本発明は、第２態様として、赤外線を放射する光源と、被測定ガス中の測定対象である特定成分が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させる赤外線選択手段と、前記光源から放射され、前記被測定ガス及び前記赤外線選択手段を透過した赤外線が入射する赤外線検知素子と、前記赤外線の前記赤外線検知素子への入射状態を、入射と遮断とに切り換える切換手段と、前記切換手段を駆動する電源をオン・オフするスイッチと、前記赤外線検知素子の出力電圧を増幅する増幅回路と、を備え、前記増幅された出力電圧に基づいて、前記特定成分を検出する赤外線式ガスセンサであって、前記増幅回路は、前記増幅を行うとともに、外部からの入力オフセット電圧の印加によって、自身の出力電圧を所定のオフセット量分低下させるオフセット増幅回路であり、前記切換手段を駆動する電源電圧を用いて前記オフセット増幅回路に入力オフセット電圧を印加する電圧印加回路を備えるとともに、前記スイッチは、前記電圧印加回路をオン・オフするように接続されており、前記スイッチによって、前記切換手段の電源のオン・オフを切り換えるとともに、前記電圧印加回路をオン・オフして前記オフセット増幅回路に対する前記入力オフセット電圧の印加状態を切り換えて、前記オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を調節し、前記スイッチの切り換えに伴う前記出力電圧の変化に基づいて、前記特定成分を検出することを特徴とする。
【００２３】
本第２態様では、スイッチによって、切換手段（例えばシャッタ）を駆動する電源のオン・オフを切り換える場合には、同じスイッチの動作によって、オフセット増幅回路に対する入力オフセット電圧の印加状態も切り換えて、オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を変更する。
【００２４】
つまり、本第２態様では、１つのスイッチという簡易な構成を用いて、切換手段の電源のオン・オフとオフセット量の変更（例えばオフセット電圧の設定・非設定）とを同時に行うことができ、しかも、その電源のオン・オフに伴ってオフセット量も変化するので、これらの変更によって変化するセンサ出力から、容易に特定成分の検出を行うことができる。
【００２５】
ここで、電源をオンした場合に、赤外線の入射を遮断するように切換手段を駆動するように構成してもよく、或いはその逆に、電源をオフした場合に、赤外線の入射を遮断するように切換手段を駆動するように構成してもよい。
【００２６】
なお、特定成分の検出には、特定成分の有無だけはなく、その濃度の検出も含まれる。
（３）本発明は、第３態様として、前記オフセット増幅回路は、前記赤外線検知素子の出力側が非反転入力端子に接続されるとともに、前記電圧印加回路が反転入力端子に接続された演算増幅器を備えた非反転増幅回路であることを特徴とする。
【００２７】
本発明は、オフセット増幅回路を例示したものである。このオフセット増幅回路の演算増幅器では、赤外線検知素子の出力側が非反転入力端子に接続されるとともに、電圧印加回路が反転入力端子に接続されている。
【００２８】
従って、赤外線検知素子の出力が所定の増幅率で増幅されるとともに、電圧印加回路によって加えられた入力オフセット電圧によりオフセット量が設定されるので、増幅された出力電圧は、オフセット量だけオフセットすることになる。
【００２９】
例えばオフセットがない場合の（増幅された）出力電圧が４Ｖの場合に、オフセット量が−１Ｖに設定された時には、実際の出力電圧は（４−１）の３Ｖとなる。
（４）本発明では、第４態様として、前記電源をオンした場合の前記オフセット増幅回路の出力電圧と前記電源をオフした場合の前記オフセット増幅回路の出力電圧との差に基づいて、前記特定成分の濃度を求めることを特徴とする。
【００３０】
これにより、バックグラウンドの影響を除去して、精度良く特定成分の濃度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図２】（ａ）はオフセット増幅無しの場合のセンサ出力を示すグラフ、（ｂ）はオフセット増幅有りの場合のセンサ出力を示すグラフである。
【図３】（ａ）は実施例１の赤外線式ガスセンサを軸方向に沿って破断して示す説明図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】実施例１の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図５】特定成分の濃度を検出する濃度測定処理を示すフローチャートである。
【図６】赤外線式ガスセンサの電気的信号を示すタイミングチャートである。
【図７】実施例２の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図８】実験例における実施例１の赤外線式ガスセンサのセンサ出力を示すグラフである。
【図９】実験例における実施例２の赤外線式ガスセンサのセンサ出力を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は実施例３の赤外線式ガスセンサを軸方向に沿って破断して示す説明図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図１１】実施例３の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図１２】実施例４の赤外線式ガスセンサを軸方向に沿って破断して示す説明図である。
【図１３】実施例４の赤外線式ガスセンサの電気的な構成例を示す回路図である。
【図１４】従来の赤外線式ガスセンサのセンサ出力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
まず、本発明の赤外線式ガスセンサの原理及び電気的な構成例について説明する。
なお、ここでは、光源の電源を利用してオフセット電圧を設定する場合を例に挙げるが、他のシャッタ等の様に光路を遮る切換手段を駆動する電源でも同様である。
【００３３】
例えば図１に示す様に、赤外線式ガスセンサは、反転入力端子及び非反転入力端子を有する増幅回路と帰還抵抗Ｒ２（抵抗値Ｒ２）とから構成された非反転増幅回路を有するセンサ回路を備えている。なお、帰還抵抗Ｒ２には接続点Ｐ１を介して直列に抵抗Ｒ３（抵抗値Ｒ３）が接続されている。
【００３４】
このセンサ回路では、（光源の電源電圧ＶLを有する光源電源の）光源電源端子Ｔ１が、スイッチＳと接続点Ｐ２と抵抗Ｒ１（抵抗値Ｒ１）と接続点Ｐ１とを介して反転入力端子に接続されている。
【００３５】
また、光源の負側端子Ｔ２の電圧（ベース電圧）がＶCとなるように、負側端子Ｔ２には、定電圧電源が接続されている。
更に、スイッチＳは、光源（点灯時の抵抗Ｒｓ、消灯時の抵抗ＲL）と接続点Ｐ３とを介して負側端子Ｔ２に接続されており、前記抵抗Ｒ３は、両接続点Ｐ１、Ｐ３に接続されている。なお、負側端子Ｔ２を接地して、ＶC＝０Ｖとしてもよい。
【００３６】
ここで、図１に示すセンサ回路の出力Ｖｏ等を計算すると、下記式（１）〜（６）の様になる。
【式１】
【００３７】
【００３８】
なお、Ｖｉ ：（増幅前の）赤外線検知素子の出力
Ｖｏoff：（増幅後の）光源ｏｆｆ時のセンサ出力
Ｖｏon ：（増幅後の）光源ｏｎ時のセンサ出力
ΔＶoff：光源ｏｆｆ時のオフセット電圧
Ｇoff ：光源ｏｆｆ時の利得（ゲイン）
ΔＶon ：光源ｏｎ時のオフセット電圧
Ｇon ：光源ｏｎ時の利得（ゲイン）
Ｒｓ ：光源ｏｎ時の光源の抵抗
ＲL ：光源ｏｆｆ時の光源の抵抗
ＶL ：光源への印加電圧
ＶC ：負側端子に常時印加される定電源電圧のベース電圧
ここで、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲLと光源への印加電圧ＶLは、光源の選択と必要な光量によって決められる値であり、自由度はそれほど高くない。
【００３９】
一方、常時印加される定電源電圧のベース電圧ＶC、演算増幅器に接続される抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の自由度は比較的高い。従って、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を適切な値に設定することにより、オフセット電圧とゲインを適宜調整することができる。
【００４０】
なお、光源ｏｆｆ時と光源ｏｎ時とのゲインは、演算の容易化のために、同じ値に設定することが望ましい。ここで、上記各式において、Ｒ１>>Ｒｓであれば、実質的にＧｏｎ＝Ｇｏｆｆと見なすことができ、Ｒｓは、通常、数十Ωであるので、Ｒ１>>Ｒｓの条件は、容易に達せられる。
【００４１】
特に、本発明では、（説明を容易にするために、ＶC＝０Ｖの場合を例に挙げるが）光源の電源をオン・オフするスイッチＳと演算増幅器の反転入力端子とを接続し、スイッチＳをオン・オフすることにより、光源をオン・オフするとともに、光源の電源電圧ＶL（詳しくは電源電圧ＶLによる入力オフセット電圧）の演算増幅器の反転入力端子への印加状態を、入力オフセット電圧の印加又は非印加の状態に切り換えている。
【００４２】
これにより、例えば図２（ａ）に（ＶC＝０Ｖの場合を）示す様に、スイッチＳをオフしている場合には、光源からは赤外線は放射されず、よって、赤外線検知素子の出力電圧Ｖｉは小さな値となる。そして、このスイッチＳのオフのときには、光源の電源電圧ＶLは演算増幅器の反転入力端子へ入力されないので、非反転増幅回路における出力電圧Ｖｏには、オフセット電圧が印加されない。
【００４３】
従って、出力電圧Ｖｏは、（小さな）赤外線検知素子の出力電圧Ｖｉを、所定の増幅率で増幅した値Ｖｏoffとなる。
一方、例えば図２（ｂ）に（ＶC＝０Ｖの場合を）示す様に、スイッチＳをオンした場合には、光源からは赤外線が放射されるので、赤外線検知素子の出力電圧Ｖｉは（スイッチＳのオフに比べて）大きな値となる。そして、このスイッチＳのオンのときには、光源の電源電圧ＶLは演算増幅器の反転入力端子へ入力されるので、非反転増幅回路における出力電圧Ｖｏには、（マイナスの）オフセット電圧が印加されることになる。
【００４４】
従って、出力電圧Ｖｏは、（大きな）赤外線検知素子の出力電圧Ｖｉを、所定の増幅率で増幅した（スイッチＳのオフに比べて）大きな値となるが、この場合には、前記オフセット電圧が設定されているので、出力電圧Ｖｏの値自体は、単に所定の増幅率で増幅した場合に比べて小さな値Ｖｏonとなり、出力の飽和（上限値に到ること）を避けることができる。
【００４５】
つまり、本発明では、スイッチＳをオン・オフすることにより、光源のオン・オフとオフセット電圧のオン・オフとを連動させることにより、赤外線検知素子の出力を同様な増幅率で増幅しても、出力が飽和することなく、好適にセンサ出力（Ｖｏoff、Ｖｏon）を得ることができる。なお、センサ出力とは、非反転増幅回路における出力電圧を指すものである。
【００４６】
よって、スイッチＳのオン・オフに伴うセンサ出力の変化に基づいて、バックグラウンドを消去し、大きな増幅率にて、精度良く好適に特定成分の有無や濃度等を求めることができる。
【実施例１】
【００４７】
次に、本発明の赤外線式ガスセンサの具体例について説明する。
ａ）まず、本実施例の赤外線式センサの構成等について説明する。
図３に示す様に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１は、非分散型赤外線吸収式（ＮＤＩＲ）ガスセンサである。
【００４８】
この赤外線式ガスセンサ１は、先端側（図３（ａ）左側）が閉塞された円筒形状の容器３と、容器３の先端側に配置された白色光源５と、容器３の後端側に容器３を閉塞するように配置された基部７とを備えている。以下、詳細に説明する。
【００４９】
前記容器３は、測定対象である特定成分を含む被測定ガスを充填する非透光性の材質（例えばアルミニウム合金）からなる容器３であり、その側壁９には、被測定ガスの導入や排出を行う複数の通気孔１１、１３が形成されている。
【００５０】
前記基部７は、非透光性の例えばステンレスからなるキャップ１５と、ＴＯパッケージ１７とから構成されており、その内部空間１９が密閉されている。なお、ＴＯパッケージ１７以外に、セラミックパッケージを使用することもできる。
【００５１】
このうち、キャップ１５は、容器３の軸中心に垂直の円盤部２１と、円盤部２１の外周端から後端側に伸びる筒状部２３とから構成されている。この円盤部２１の中央に開けられた開口部２５には、該開口部２５を覆う様に、後述する特定の帯域の赤外線のみを透過させる波長選択フィルタ２７が配置されている。なお、波長選択フィルタ２７の種類としては、特に制限はなく、サファイア、石英ガラス、シリコン、ゲルマニウム、セレン化亜鉛などの赤外線透過材料からなる基板の表面に、複数の透明膜を積層したものを採用できる。
【００５２】
また、ＴＯパッケージ１７の先端側の表面の中央には、入射する赤外線の強度に応じた電圧を出力する赤外線検知素子２９が配置されている。なお、赤外線検知素子２９の種類としては、特に制限はなく、焦電センサ、サーモパイルセンサ、フォトダイオード等、一般に用いられる赤外線センサを使用できる。
【００５３】
なお、白色光源５にも特に制限はなく、電球や発熱抵抗体を使用できる。
本実施例の赤外線式ガスセンサ１では、白色光源５と波長選択フィルタ２７と赤外線検知素子１９とは、容器３の軸中心に沿って配置されている。つまり、白色光源５から照射された赤外線が、容器３内に導入された被測定ガス中を透過し、波長選択フィルタ２７を介して、赤外線検知素子２９に入射するように配置される。
【００５４】
この波長選択フィルタ２７を通過できる光（即ち赤外線）の帯域（通過帯域）は、濃度を測定する対象である特定成分（例えばＣＯ2）の吸収帯に概ね合致するものが使用されており、この通過帯域に合致する波長の光のみが透過し、それ以外の波長は透過できない。
【００５５】
つまり、赤外線は特定成分に吸収されるが、この吸収される赤外線のみを透過可能なように、波長選択フィルタ２９の材質が選択されている。
従って、波長選択フィルタ２７を透過する光の強度、よって、赤外線検知素子２９の出力は、容器３内の測定空間３１内のガス種の濃度に依存する。つまり、後に詳述する様に、赤外線検知素子２９の出力（詳しくは素子出力を増幅したセンサ出力）より、測定空間３１内の特定成分の濃度を測定することができる。
【００５６】
ｂ）次に、赤外線式ガスセンサ１の電気的構成等について説明する。
図４に示す様に、赤外線式ガスセンサ１は、そのセンサ回路４１として、反転入力端子４３及び非反転入力端子４５を有する増幅回路４７と、帰還抵抗である第２抵抗４９（抵抗値Ｒ２）とを備えた非反転増幅回路５１を備えている。なお、第２抵抗４９には接続点５３を介して直列に第３抵抗５５（抵抗値Ｒ３）が接続されている。
【００５７】
また、このセンサ回路４１では、（電源電圧ＶLを有する光源電源５７（図３参照）の）光源電源端子５７が、スイッチ５９と接続点６１と第１抵抗６３（抵抗値Ｒ１）と接続点５３とを介して反転入力端子４３に接続されている。
【００５８】
更に、スイッチ５９は、白色光源５（光源ｏｎ時の抵抗Ｒｓ、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲL）を介して接続点６５に接続されている。
なお、前記第３抵抗５５は、両接続点５３、６５に接続されており、接続点６５は接地されている。
【００５９】
本実施例では、例えば演算増幅器４７の電源電圧を５Ｖとした場合に、光源ｏｆｆ時の出力Ｖｏoff、光源ｏｎ時の出力Ｖｏonとも出力飽和が起こらないように、ゲインとオフセット電圧、ひいては、回路中の抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｖｃが設定してある。なお、光源の電源電圧は５Ｖ、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲLは４Ω、光源ｏｎ時の抵抗Ｒｓは４０Ωである。
【００６０】
なお、本発明の（オフセット電圧を設定するための）電圧印加回路は、光源端子５７から、スイッチ５９、第１抵抗６３を介して、反転入力端子４３に到る回路によって構成されている。
【００６１】
そして、このセンサ回路４１において、スイッチ５９がオフのときには、白色光源５は消灯しており、その光源ｏｆｆ時に、赤外線検知素子２９の（バックグラウンドを示す）出力電圧Ｖｉが、増幅回路４７の非反転入力端子４５に入力する場合には、前記式（１）で示されるセンサ出力Ｖｏoffが得られる。なお、この場合のオフセット電圧は、前記式（２）で示されるΔＶoffであり、ゲインは式（３）で示されるＧoffである。
【００６２】
一方、スイッチ５９がオンのときには、白色光源５は点灯しており、その光源ｏｎ時に、赤外線検知素子２９の（バックグラウンドを含む特定成分の濃度に対応した値を示す）出力電圧Ｖｉが、増幅回路４７の非反転入力端子４５に入力する場合には、前記式（４）で示されるセンサ出力Ｖｏonが得られる。なお、この場合のオフセット電圧は、前記式（５）で示されるΔＶonであり、ゲインは式（６）で示されるＧonである。
【００６３】
従って、スイッチ５９がオフの時のバックグラウンドを示す出力電圧Ｖｏoffと、スイッチ５９がオンの時のバックグラウンドを含む特定成分の濃度に対応した値を示す出力電圧Ｖｏonとから、後述する様にして、特定成分の濃度を求めることができる。
【００６４】
ｃ）次に、赤外線式ガスセンサ１における濃度測定の手順について説明する。
図５に示す様に、赤外線式ガスセンサ１が始動すると、まず、ステップ（Ｓ）１００にて、初期動作として、白色光源５を例えば１０秒間点灯（オン）する。
【００６５】
続くステップ１１０では、白色光源５をオフする。
続くステップ１２０では、所定のタイミングで光源ｏｆｆ時のセンサ出力Ｖｏoffを求める。具体的には、図６に示す様に、光源電圧の印加を停止した時点から所定のサンプリングタイミング（例えば１．３３秒後）におけるセンサ出力を取得する。
【００６６】
続くステップ１３０では、白色光源５をオンする。
続くステップ１４０では、所定のタイミングで光源ｏｎ時のセンサ出力Ｖｏonを求める。具体的には、図６に示す様に、光源電圧の印加を開始した時点から所定のサンプリングタイミング（例えば０．６３秒後）におけるセンサ出力を取得する。
【００６７】
続くステップ１５０では、白色光源５をオフする。
続くステップ１６０では、得られた両センサ出力（Ｖｏoff、Ｖｏon）から特定成分の濃度を算出する。
【００６８】
具体的には、光源ｏｎ時のセンサ出力Ｖｏonと光源ｏｆｆ時のセンサ出力Ｖｏoffとの差ΔＶｏを求める。即ち、センサ出力からバックグランドの出力を除去して、特定成分の濃度のみを示すセンサ出力の差ΔＶｏを求める。このセンサ出力の差ΔＶｏとは、特定成分の濃度に対応したものであるので、予め実験等によって求めたセンサ出力の差ΔＶｏと特定成分の濃度との関係を示すマップ等を用いて、センサ出力の差ΔＶｏから特定成分の濃度を求めることができる。
【００６９】
続くステップ１７０では、算出されたガス濃度を、図示しないディスプレイ等の表示装置や外部に出力し、その後、前記ステップ１２０に戻って、同様な処理を繰り返す。
ｄ）次に、赤外線式ガスセンサ１による効果について説明する。
【００７０】
本実施例では、スイッチ５９によって、白色光源５の電源のオン・オフを切り換える場合には、同じスイッチ５９の動作によって、演算増幅器４７の反転入力端子４３に対する入力オフセット電圧の印加状態（印加・非印加）も切り換えて、非反転増幅器５１の出力電圧Ｖｏのオフセット電圧の設定状態（設定（オン）・非設定（オフ））を切り換えている。
【００７１】
つまり、本実施例では、１つのスイッチ５９という簡易な構成を用いて、電源のオン・オフとオフセット電圧のオン・オフとを同時に行うことができる。
これにより、光源のオン・オフに伴ってオフセット電圧も変化するので、光源ｏｆｆ時のセンサ出力Ｖｏoffと光源ｏｎ時のセンサ出力Ｖｏonとの差ΔＶｏをとることによりバックグラウンドの影響を除去し、この差ΔＶｏから、マップ等に用いて容易に、且つ、精度良く特定成分の濃度を検出することができる。
【００７２】
また、従来の回路構成に簡易な構成（スイッチ５９により白色光源５の電源電圧ＶLを利用して入力オフセット電圧を加える構成）を付加するだけで、本実施例で使用する回路構成を実現できるという利点がある。
【実施例２】
【００７３】
次に、実施例２について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、光源の負側端子に所定の電圧ＶCを加える点が、前記実施例１と異なるので、異なる点のみを説明する。
【００７４】
図７に示す様に、本実施例の赤外線式ガスセンサ７１は、そのセンサ回路７３として、前記実施例１と同様に、反転入力端子７５及び非反転入力端子７７を有する増幅回路７９と、帰還抵抗である第２抵抗８１（抵抗値Ｒ２）とを備えた非反転増幅回路８３を備えている。なお、第２抵抗８１には、接続点８５を介して直列に第３抵抗８７（抵抗値Ｒ３）が接続されている。
【００７５】
また、このセンサ回路７３では、光源電源端子８９が、スイッチ９１と接続点９３と第１抵抗９５（抵抗値Ｒ１）と接続点８５とを介して反転入力端子７５に接続されている。
更に、スイッチ９１は、白色光源９７（光源ｏｎ時の抵抗Ｒｓ、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲL）を介して接続点９９に接続されている。
【００７６】
なお、前記第３抵抗８７は、両接続点８５、９９に接続されている。
特に本実施例では、白色光源９７の負側端子１０１は、図示しない定電圧回路に接続されており、これにより負側端子１０１には、ベース電圧ＶCが印加されている。
【００７７】
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、負側端子１０１には、ベース電圧ＶCが印加されているので、必要に応じて、光源がｏｆｆのときの出力に対しても、適宜オフセットを設けることができるという利点がある。
【００７８】
＜実験例＞
次に、実際に各抵抗の抵抗値等を設定して作製した前記実施例１、２の赤外線式ガスセンサのセンサ出力を確認した実験例について説明する。
【００７９】
この実験例では、各抵抗値等を下記表１に示す値とした。
【００８０】
【表１】
【００８１】
この実験例では、被測定ガスとして、Ｎ2のベースガス中にＣＯ2の添加量を０〜５０００ｐｐｍの範囲で段階的に増していき、その際のセンサ出力を測定した。
その測定の際の実施例１、２の赤外線式ガスセンサによるセンサ出力を、図８及び図９に示すが、光源ｏｎ時の出力電圧Ｖｏonと光源ｏｆｆ時の出力電圧Ｖｏoffとも、飽和することがなく、十分な電圧が得られた。
【実施例３】
【００８２】
次に、実施例３について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の赤外線式ガスセンサは、一対の波長選択フィルタ及び赤外線検知素子を備え、２種の特定成分の濃度を検出可能なセンサである。
【００８３】
ａ）まず、本実施例の赤外線式ガスセンサの構成について説明する。
図１０に示す様に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１１１は、前記実施例１と同様に、先端側（図１０（ａ）左側）が閉塞された円筒形状の容器１１３と、容器１１３の先端側に配置された白色光源１１５と、容器１１３の後端側に配置された基部１１７とを備えている。
【００８４】
前記基部１１７は、キャップ１１９とＴＯパッケージ１２１とから構成されており、キャップ１１９は、円盤部１２３と筒状部１２５とから構成されている。
円盤部１２３には、２箇所に開口部１２７、１２９が設けられており、各開口部１２７、１２９にはそれぞれ第１、第２波長選択フィルタ１３１、１３３が配置されている。
【００８５】
また、ＴＯパッケージ１２１の内側表面には、第１、第２波長選択フィルタ１３１、１３３と対応して、その後端側に、それぞれ第１、第２赤外線検知素子１３５、１３７が配置されている。
【００８６】
そして、本実施例の赤外線式ガスセンサ１１１では、白色光源１１５と第１波長選択フィルタ１３１と第１赤外線検知素子１３５とは、同一直線Ｌ１上に配置され、同様に、白色光源１１５と第２波長選択フィルタ１３３と第２赤外線検知素子１３７とは、他の同一直線Ｌ２上に配置されている。 なお、一対の直線Ｌ１、Ｌ２は、軸中心Ｏを中心として線対称に配置されている。
【００８７】
また、前記第１、第２波長変換フィルタ１３１、１３３を構成する材料としては、検出したい２つの特定成分（例えばＣＯ2とＣＯ）に対応して、同特定成分の吸収帯と自身の通過帯域が同じものが選択されている。
【００８８】
ｂ）次に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１１１の電気的構成について説明する。
図１１に示す様に、赤外線式ガスセンサ１１１のセンサ回路１４１は、２種の特定成分の濃度を測定できるように、第１、第２赤外線検出素子１３５、１３７の出力電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉに対応して、それぞれ出力電圧Ｖ１ｏ、Ｖ２ｏが得られるように構成されている。
【００８９】
具体的には、センサ回路１４１は、反転入力端子１４３及び非反転入力端子１４５を有する第１増幅回路１４７と、帰還抵抗である第２抵抗１４９（抵抗値Ｒ２）とを備えた第１非反転増幅回路１５１を備えている。なお、第２抵抗１４９には接続点１５３を介して直列に第３抵抗１５５（抵抗値Ｒ３）が接続されている。
【００９０】
また、（電源電圧ＶLを有する光源電源１５７（図１０参照）の）光源電源端子１５７が、スイッチ１５９と接続点１６１と第１抵抗１６３（抵抗値Ｒ１）と接続点１５３とを介して反転入力端子１４３に接続されている。
【００９１】
更に、スイッチ１５９は、白色光源１１５（光源ｏｎ時の抵抗Ｒｓ、光源ｏｆｆ時の抵抗ＲL）を介して接続点１６５に接続されている。
なお、前記第３抵抗１５５は、両接続点１５３、１６５に接続されており、負側端子１６７には、図示しない定電圧回路からベース電圧ＶCが印加されている。
【００９２】
同様に、このセンサ回路１４１は、反転入力端子１７３及び非反転入力端子１７５を有する第２増幅回路１７７と、帰還抵抗である第５抵抗１７９（抵抗値Ｒ５）とを備えた第２非反転増幅回路１８１を備えている。なお、第５抵抗１４９には接続点１８３を介して直列に第６抵抗１８５（抵抗値Ｒ６）が接続されている。
【００９３】
また、このセンサ回路１４１では、スイッチ１５９と接続点１６１と第４抵抗１８７（抵抗値Ｒ４）と接続点１８３とを介して反転入力端子１７３に接続されている。
なお、前記第６抵抗１８５は、両接続点１６３、１８３に接続されている。
【００９４】
ｃ）次に、この赤外線式ガスセンサ１１１の動作を説明する。
スイッチ１５９がオンの場合、白色光源１１５から放射された赤外線は、被測定ガス中を透過するとともに、第１、第２赤外線選択フィルタ１３１、１３３を透過し、第１、第２赤外線検知素子１３５、１３７に入射する。
【００９５】
このとき、被測定ガス中では、２種の特定成分の濃度に応じて、所定の帯域の赤外線が吸収される。
従って、例えば第１赤外線選択フィルタ１３１の通過帯域がＣＯ2の吸収帯と一致するように設定されている場合には、第１赤外線選択フィルタ１３１を透過して第１赤外線検知素子１３５に到る赤外線の強度（よって、強度に対応した出力電圧Ｖ１ｏon）は、ＣＯ2濃度に対応したものとなる。
【００９６】
なお、この場合も、前記実施例１と同様に、この出力電圧Ｖ１ｏonには、スイッチ１５９のオンに伴う光源の電圧ＶLの印加よるオフセット電圧が設定されている。
同様に、例えば第２赤外線選択フィルタ１３３の通過帯域がＣＯの吸収帯と一致するように設定されている場合には、第２赤外線選択フィルタ１３３を透過して第２赤外線検知素子１３７に到る赤外線の強度（よって、強度に対応した出力電圧Ｖ２ｏon）は、ＣＯ濃度に対応したものとなる。
【００９７】
なお、この場合も、前記実施例１と同様に、この出力電圧Ｖ２ｏonには、スイッチ１５９のオンに伴う光源の電圧ＶLの印加よるオフセット電圧が設定されている。
一方、スイッチ１５９がオフの場合には、バックグラウンドの赤外線が、第１、第２赤外線検知素子１３５、１３７に入射するので、それぞれ出力電圧Ｖ１ｏoff、Ｖ２ｏoffが得られる。なお、この場合には、光源の電圧ＶLの印加よるオフセット電圧は設定されていない。
【００９８】
従って、前記実施例１と同様に、スイッチ１５９のオン時のそれぞれの出力電圧Ｖ１ｏon、Ｖ２ｏonとスイッチ１５９のオフ時のそれぞれの出力電圧Ｖ１ｏoff、Ｖ２ｏoffとのそれぞれの差分（Ｖ１ｏon−Ｖ１ｏoff、Ｖ２ｏon−Ｖ２ｏoff）から、２種の特定成分の濃度を算出することができる。
【００９９】
本実施例においても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、２種の特定成分の濃度を同時に測定できるという利点がある。
また、第２赤外線選択フィルタ１３３の通過域を、被測定ガス中に存在することが想定される何れのガスの吸収帯にも相当しない波長域(例えば３．９μｍ前後)に設定することにより、第２赤外線検知素子１３７を言わば参照素子として用い、第１赤外線検知素子１３５の出力に対する外乱因子を補償させることも可能である。
【実施例４】
【０１００】
次に、実施例４について説明するが、実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の赤外線式ガスセンサは、光源を点滅するのではなく、光源の光を遮るシャッタをオン・オフするものである。
【０１０１】
ａ）まず、本実施例の赤外線式ガスセンサの構成について説明する。
図１２に示す様に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１９１は、前記実施例１と同様に、先端側（図１２左側）が閉塞された円筒形状の容器１９３と、容器１９３の先端側に配置された白色光源１９５と、容器１９３の後端側に配置された基部１９７とを備えている。
【０１０２】
前記基部１９７は、キャップ１９９とＴＯパッケージ２０１とから構成されており、キャップ１９９は、円盤部２０３と筒状部２０５とから構成されている。
円盤部２０３には、中央に開口部２０７が設けられており、開口部２０７には波長選択フィルタ２０９が配置されている。
【０１０３】
また、ＴＯパッケージ２０１の内側表面には、波長選択フィル２０９と対応して、その後端側に、赤外線検知素子２１１が配置されている。
特に、本実施例では、白色光源１９５より後端側に、白色光源１９５が波長変換フィルタ２０９に到達しないように（即ち光路を遮るように）シャッタ２１３が配置されている。
【０１０４】
このシャッタ２１３は、駆動電源２１５によって駆動されるものである。具体的には、（スイッチ２１７がオンされ）電源電圧がソレノイド２１９（図１３参照）に印加されるとシャッタ２１３が開き、電源電圧が印加されない場合は、図示しないバネによってシャッタ２１３が閉じるように構成されている。
【０１０５】
なお、白色光源１９５へは、光源の電源２２１から電圧ＶLが印加され、それは、図示しないスイッチによりオン・オフされる。
ｂ）次に、赤外線式ガスセンサ２１１の電気的構成について説明する。
【０１０６】
なお、本実施例の赤外線式ガスセンサ１９１の回路構成は、基本的に実施例１の回路構成とほぼ同様であるので、簡単に説明する。
図１３に示す様に、赤外線式ガスセンサ１９１のセンサ回路２２３は、実施例１と同様に、演算増幅器２２５、非反転増幅回路２２７、第１〜第３抵抗２２９、２３１、２３３を備えている。
【０１０７】
また、駆動電源２１５（図１２参照）の駆動端子２３５は、スイッチ２１７、ソレノイド２１９（オン時の抵抗Ｒｓ、オフ時の抵抗ＲL）を介して接地されるとともに、スイッチ２１７、第１抵抗２２９を介して、非反転増幅回路２２７に対してオフセット電圧を設定するように、反転入力端子２３７に接続されている。
【０１０８】
なお、本発明の（オフセット電圧を設定するための）電圧印加回路は、駆動端子２３５から、スイッチ２１７、第１抵抗２２９を介して、反転入力端子２３７に到る回路によって構成されている。
【０１０９】
ｃ）次に、本実施例の赤外線式ガスセンサ１９１の動作について説明する。
白色電源１９５が点灯しているときに、スイッチ２１７がオンされてシャッタ２１３が開いている場合には、白色光源１９５から放射された赤外線は、被測定ガス中を透過するとともに、赤外線選択フィルタ２０９を透過し、赤外線検知素子２１１に入射する。
【０１１０】
このとき、被測定ガス中では、特定成分の濃度に応じて、所定の帯域の赤外線が吸収される。
従って、例えば赤外線選択フィルタ２０９の通過帯域がＣＯ2の吸収帯と一致するように設定されている場合には、赤外線選択フィルタ２０９を透過して赤外線検知素子２１１に到る赤外線の強度（よって、強度に対応した出力電圧Ｖｏon）は、ＣＯ2濃度に対応したものとなる。
【０１１１】
なお、この場合も、前記実施例１と同様に、この出力電圧Ｖｏonには、スイッチ２１７のオンに伴う駆動電源２１５の電圧Ｖstの印加よるオフセット電圧が設定されている。
一方、スイッチ２１３がオフの場合には、白色光源１９５の点滅に関わらず、白色光源１９５の光路は遮断されているので、バックグラウンドの赤外線が、赤外線検知素子２１１に入射するので、その出力電圧Ｖｏoffが得られる。なお、この場合には、駆動電源２１５の電圧Ｖstの印加よるオフセット電圧は設定されていない。
【０１１２】
従って、前記実施例１と同様に、スイッチ２１７のオン時の出力電圧Ｖｏonとスイッチ２１７のオフ時の出力電圧Ｖｏoffとの差分から、特定成分の濃度を算出することができる。
【０１１３】
本実施例においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
【０１１４】
例えば、赤外線の透過率によって測定を行う、例えば水滴センサ等に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１、７１、１１１、１９１…赤外線式ガスセンサ
５、９７、１１５、１９５…光源
２７、１３１、１３３、２０９…赤外線選択フィルタ
２９、１３５、１３７、２１１…赤外線検知素子
４７、７９、１４１、１４３、２２５…演算増幅器
５１、８３、１５１、１８１、２２７…非反転増幅回路
５７、１５７、２１５…電源
５９、９１、１５９、２１７…スイッチ
２１３…シャッタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を放射する光源と、
被測定ガス中の測定対象である特定成分が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させる赤外線選択手段と、
前記光源から放射され、前記被測定ガス及び前記赤外線選択手段を透過した赤外線が入射する赤外線検知素子と、
前記光源の電源をオン・オフするスイッチと、
前記赤外線検知素子の出力電圧を増幅する増幅回路と、
を備え、
前記増幅された出力電圧に基づいて、前記特定成分を検出する赤外線式ガスセンサであって、
前記増幅回路は、前記増幅を行うとともに、外部からの入力オフセット電圧の印加によって、自身の出力電圧を所定のオフセット量分低下させるオフセット増幅回路であり、
前記光源の電源電圧を用いて前記オフセット増幅回路に入力オフセット電圧を印加する電圧印加回路を備えるとともに、前記スイッチは、前記電圧印加回路をオン・オフするように接続されており、
前記スイッチによって、前記光源の電源のオン・オフを切り換えるとともに、前記電圧印加回路をオン・オフして前記オフセット増幅回路に対する前記入力オフセット電圧の印加状態を切り換えて、前記オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を調節し、
前記スイッチの切り換えに伴う前記出力電圧の変化に基づいて、前記特定成分を検出することを特徴とする赤外線式ガスセンサ。
【請求項２】
赤外線を放射する光源と、
被測定ガス中の測定対象である特定成分が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させる赤外線選択手段と、
前記光源から放射され、前記被測定ガス及び前記赤外線選択手段を透過した赤外線が入射する赤外線検知素子と、
前記赤外線の前記赤外線検知素子への入射状態を、入射と遮断とに切り換える切換手段と、
前記切換手段を駆動する電源をオン・オフするスイッチと、
前記赤外線検知素子の出力電圧を増幅する増幅回路と、
を備え、
前記増幅された出力電圧に基づいて、前記特定成分を検出する赤外線式ガスセンサであって、
前記増幅回路は、前記増幅を行うとともに、外部からの入力オフセット電圧の印加によって、自身の出力電圧を所定のオフセット量分低下させるオフセット増幅回路であり、
前記切換手段を駆動する電源電圧を用いて前記オフセット増幅回路に入力オフセット電圧を印加する電圧印加回路を備えるとともに、前記スイッチは、前記電圧印加回路をオン・オフするように接続されており、
前記スイッチによって、前記切換手段の電源のオン・オフを切り換えるとともに、前記電圧印加回路をオン・オフして前記オフセット増幅回路に対する前記入力オフセット電圧の印加状態を切り換えて、前記オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を調節し、
前記スイッチの切り換えに伴う前記出力電圧の変化に基づいて、前記特定成分を検出することを特徴とする赤外線式ガスセンサ。
【請求項３】
前記オフセット増幅回路は、前記赤外線検知素子の出力側が非反転入力端子に接続されるとともに、前記電圧印加回路が反転入力端子に接続された演算増幅器を備えた非反転増幅回路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線式ガスセンサ。
【請求項４】
前記電源をオンした場合の前記オフセット増幅回路の出力電圧と前記電源をオフした場合の前記オフセット増幅回路の出力電圧との差に基づいて、前記特定成分の濃度を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外線式ガスセンサ。
【請求項１】
赤外線を放射する光源と、
被測定ガス中の測定対象である特定成分が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させる赤外線選択手段と、
前記光源から放射され、前記被測定ガス及び前記赤外線選択手段を透過した赤外線が入射する赤外線検知素子と、
前記光源の電源をオン・オフするスイッチと、
前記赤外線検知素子の出力電圧を増幅する増幅回路と、
を備え、
前記増幅された出力電圧に基づいて、前記特定成分を検出する赤外線式ガスセンサであって、
前記増幅回路は、前記増幅を行うとともに、外部からの入力オフセット電圧の印加によって、自身の出力電圧を所定のオフセット量分低下させるオフセット増幅回路であり、
前記光源の電源電圧を用いて前記オフセット増幅回路に入力オフセット電圧を印加する電圧印加回路を備えるとともに、前記スイッチは、前記電圧印加回路をオン・オフするように接続されており、
前記スイッチによって、前記光源の電源のオン・オフを切り換えるとともに、前記電圧印加回路をオン・オフして前記オフセット増幅回路に対する前記入力オフセット電圧の印加状態を切り換えて、前記オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を調節し、
前記スイッチの切り換えに伴う前記出力電圧の変化に基づいて、前記特定成分を検出することを特徴とする赤外線式ガスセンサ。
【請求項２】
赤外線を放射する光源と、
被測定ガス中の測定対象である特定成分が吸収する特定吸収帯域の波長を通過させる赤外線選択手段と、
前記光源から放射され、前記被測定ガス及び前記赤外線選択手段を透過した赤外線が入射する赤外線検知素子と、
前記赤外線の前記赤外線検知素子への入射状態を、入射と遮断とに切り換える切換手段と、
前記切換手段を駆動する電源をオン・オフするスイッチと、
前記赤外線検知素子の出力電圧を増幅する増幅回路と、
を備え、
前記増幅された出力電圧に基づいて、前記特定成分を検出する赤外線式ガスセンサであって、
前記増幅回路は、前記増幅を行うとともに、外部からの入力オフセット電圧の印加によって、自身の出力電圧を所定のオフセット量分低下させるオフセット増幅回路であり、
前記切換手段を駆動する電源電圧を用いて前記オフセット増幅回路に入力オフセット電圧を印加する電圧印加回路を備えるとともに、前記スイッチは、前記電圧印加回路をオン・オフするように接続されており、
前記スイッチによって、前記切換手段の電源のオン・オフを切り換えるとともに、前記電圧印加回路をオン・オフして前記オフセット増幅回路に対する前記入力オフセット電圧の印加状態を切り換えて、前記オフセット増幅回路の出力電圧のオフセット量を調節し、
前記スイッチの切り換えに伴う前記出力電圧の変化に基づいて、前記特定成分を検出することを特徴とする赤外線式ガスセンサ。
【請求項３】
前記オフセット増幅回路は、前記赤外線検知素子の出力側が非反転入力端子に接続されるとともに、前記電圧印加回路が反転入力端子に接続された演算増幅器を備えた非反転増幅回路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線式ガスセンサ。
【請求項４】
前記電源をオンした場合の前記オフセット増幅回路の出力電圧と前記電源をオフした場合の前記オフセット増幅回路の出力電圧との差に基づいて、前記特定成分の濃度を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外線式ガスセンサ。
【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１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−６４７０４（Ｐ２０１３−６４７０４Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４９１４（Ｐ２０１１−２０４９１４）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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