赤外線検知式ガスセンサおよびそれを用いた排気ガス浄化装置
【課題】 高感度かつ小型で車両等に搭載可能な赤外線検知式ガスセンサを提供する。
【解決手段】 赤外線を放出する光源と、前記赤外線の受光により電気信号を発生するサーモパイル方式の検出素子と、前記光源と前記検出素子との間に設けられた前記赤外線の特定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタと、を有する赤外線検知式ガスセンサであって、前記検出素子の熱電変換部がＢｉＴｅを主成分とする材料で形成されている。
【解決手段】 赤外線を放出する光源と、前記赤外線の受光により電気信号を発生するサーモパイル方式の検出素子と、前記光源と前記検出素子との間に設けられた前記赤外線の特定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタと、を有する赤外線検知式ガスセンサであって、前記検出素子の熱電変換部がＢｉＴｅを主成分とする材料で形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等の排気ガス中の特定のガス濃度を赤外線を用いて測定するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車分野においてはＣＯ２排出量の削減、燃費の改善を目的として、ガソリンエンジンの希薄燃焼化（リーンバーン化）やガソリンエンジン車より燃費効率のよいディーゼルエンジン車へのシフトが活発化している。
【０００３】
しかしながら、ガソリンエンジンでリーンバーン化をすると、エンジンから排出されるＣＯ２量は減少するもののＮＯｘ（ＮＯやＮＯ２など）の排出量が増加することになる。さらにリーンバーンでは排気の酸素濃度が高いため、従来の三元触媒では効果的にＮＯＸ低減することができない。また、ディーゼルエンジン車では、ＮＯｘと黒鉛（ＰＭ）の排出がトレードオフの関係にあり、ＮＯｘの排出量を抑制するとＰＭの排出量が増加するため、ＮＯｘの排出を規制値限界内となるようにエンジンを制御し、ＰＭの排出量を最小限に抑える必要がある。
【０００４】
そこで、このＮＯｘを低減する手段の一つとして、排気ガス中に尿素水を還元剤として添加し、尿素の加水分解により発生するアンモニア（ＮＨ３）により、ＮＯｘを窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）に選択還元するＮＯｘ触媒、いわゆる尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を用いた、ＮＯｘ低減を行う排気ガス浄化装置が知られている。
【０００５】
上記のような排気ガス浄化装置として、例えば特許文献１や非特許文献１に開示される、酸化触媒と、ＳＣＲ触媒と、尿素水を還元剤として噴射する装置とを備える排気ガス浄化装置が知られている。
【０００６】
この排気ガス浄化装置は、排気ガス中のＮＯ成分の一部を酸化触媒にてＮＯ２に酸化した後、排気ガス中に尿素水を噴射し、その後ＳＣＲ触媒によりＮＯｘをＮ２に還元し浄化するように構成されている。
【０００７】
また、現状の排気ガス浄化装置では、ＳＣＲ触媒の後段にさらに酸化触媒が設けられている。これは還元剤として添加する尿素水の一部が使用されず、アンモニアとして大気中に放出されるおそれがあり（アンモニアスリップ現象）、当該酸化触媒で浄化するためである。そこで、排気ガス中のアンモニア濃度を常時モニタすることで添加する尿素水の量を制御し、この酸化触媒を省くことが検討されている。
【０００８】
このため、排気ガス中のアンモニア濃度の検知速度が高速で、検出感度が高い車載用のガスセンサの開発が強く求められている。このようなセンサを用いれば、エンジンの運転状況に応じて刻々と変化する排気ガスの状態に合わせて適切な量の尿素水を噴射することができ、アンモニアスリップ現象を回避しつつ効率的に排気ガスを浄化することができる。
【０００９】
上記のような特定のガスの濃度を検知するガスセンサとして、従来、例えば特許文献２に開示される、赤外線光源と、赤外線を検出する赤外線センサと、透過波長帯域が試料ガス中の測定対象ガス成分の吸収波長帯域に相当するバンドパスフィルタと、試料ガスを流すケースとを備える赤外線検知式ガスセンサが知られている。
【００１０】
この赤外線検知式ガスセンサは、被測定ガスを流入させるケースの中に光源と赤外線センサを設け、光源から放出された赤外線を被測定ガス中に透過させることで、ガス種による赤外線吸収の度合いを測定できるように構成されている。具体的には、ガス成分の種類によって吸収される赤外線の波長帯が異なることを利用し、バンドパスフィルタを赤外線センサの前に設け、光バンドパスフィルタの透過波長帯域を測定対象のガス成分の吸収波長帯域と一致させることで、そのガス濃度を測定することができるように構成されている。
【００１１】
上記の測定対象ガスによる赤外線の吸収は、測定対象ガスを構成するガス成分中に、電場に感応する電気的双極子モーメントを持つ分子によってなるガス成分が含まれているとき、このガス成分の分子の振動と振動に伴う回転運動とが、赤外線の振動電場によって励起されるときに生じるものであり、吸収される赤外線の波長帯域と吸収の強さは、当該ガス成分を構成する分子の構造によって定まる当該ガス成分に固有のものである。
【特許文献１】特開２００７−１００５０８号公報
【特許文献２】特開２００５−２０８００９号公報
【非特許文献１】平田公信ら，「大型車ディーゼルの尿素選択還元システム」，自動車技術，ＶＯＬ，６０，Ｎｏ．９，２００６，ＰＰ２８−３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
現状の環境基準ではアンモニアの排出も規制されており、２〜３ｐｐｍ以上のアンモニアを大気中に排出することが制限されている。
しかしながら、上記赤外線検知式ガスセンサはサーモパイル方式の検出素子を用いたものであるところ、熱電変換部分に多結晶シリコンを材料として使用しているため、その感度は１０ｐｐｍ以上と規制値より１桁程度大きく、そのままで上記目的でのアンモニア濃度を測定するためのガスセンサとして用いることはできない。
一方、数ｐｐｍオーダーの感度を実現しようとすれば赤外線が測定対象ガス中を透過する光路長を長くすることも考えられるが、多結晶シリコンを用いる限り、理論上１ｍ以上もの光路長が必要となり、センササイズが極めて大きなものとなり、限られた設置空間に取り付けが必要となる車載用途として使用することが困難であった。
【００１３】
本発明は、高感度かつ小型で車両等に搭載可能な赤外線検知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】
【００１４】
上記目的を達成するために、第１発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、赤外線を放出する光源と、前記赤外線の受光により電気信号を発生するサーモパイル方式の検出素子と、前記光源と前記検出素子との間に設けられた、前記赤外線の特定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタと、を有する赤外線検知式ガスセンサであって、前記検出素子の熱電変換部がＢｉＴｅを主成分とする材料で形成されているものである。
【００１５】
この発明によれば、光源から放出された赤外線が被測定対象ガス中を通過し、被測定対象ガス中の特定のガスに吸収される波長のみを透過するバンドパスフィルタを透過後、サーモパイル方式の検出素子に入光する。ここで、サーモパイル方式の検出素子の熱電変換部はＢｉＴｅを主成分とする材料で形成されており、受光した赤外線の熱により生じる起電力が多結晶シリコンより１桁以上大きいため、高感度で特定のガス濃度を測定することができる。また、高感度であるため、赤外線が測定対象ガス中を透過する光路長を短くすることができるため、ガスセンサをより小型にすることができる。
ここで主成分とは、その材料がＢｉＴｅを５０重量％以上、好ましくは７０重量％以上含有することをいう。
【００１６】
また、第２発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、第１発明において、前記光源と前記検出手段の間に集光部材をさらに備えている。
【００１７】
この発明によれば、光源から放出される赤外線を検出素子へ集光することができ、入射効率を高くすることができるため、より感度を高めるができる。
【００１８】
また、第３発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、第２発明において、前記集光手段はレンズおよび凹面鏡のいずれか１つ以上で構成されている。
【００１９】
この発明によれば、レンズを用いることで、光源から放出される赤外線を略平行光にするとともに、集光することもできるため検出素子への入射効率を高めることが可能となる。また、凹面鏡を用いることで、上記の略平行光や集光機能に加え、赤外線を反射させることで光路も変えることができるため、光源等の配置自由度が高まるとともに、限られた空間の中で光路長をより長くとることも可能となり、ガスセンサをさらに小型にすることができる。なお、レンズは複数のレンズから構成されていてもよく、レンズと凹面鏡を組み合わせた構成でもよい。
【００２０】
また、第４発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、第３発明において、前記バンドパスフィルタと前記レンズが一体として構成されている。
【００２１】
この発明によれば、バンドパスフィルタとレンズをそれぞれ別々に保持する必要がなく構造を簡素化することができ、ガスセンサをさらに小型にすることができる。
【００２２】
また、第５発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、第３発明または第４発明において、前記レンズが硫化亜鉛により形成されている。
【００２３】
この発明によれば、硫化亜鉛は赤外線領域において高い透過率を有しており、レンズでの光吸収を低減でき、高い透過効率を得ることが可能となる。このため、光源から検出素子までの光路中での赤外線のロスを低減することができ、より感度の高いガスセンサを提供することができる。
【００２４】
また、第６発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気流路中に設けられ、該排気経路内の排気ガスに作用してその排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置であって、第１発明〜第５発明のいずれか１つの赤外線検知式ガスセンサを備えている。
【００２５】
この発明によれば、上記の各赤外線検知式センサの特徴を備えるため、空間の占有率を小さくでき、かつ精度よく特定のガス濃度を測定することができる。
【００２６】
また、第７発明に係る排気ガス浄化装置は、前記排気を浄化ガスするためにアンモニアを還元剤としたＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を備え、前記赤外線検知式ガスセンサが、該ＳＣＲ触媒より下流側に配置されている。
【００２７】
この発明によれば、上記ガスセンサでアンモニアのガス濃度を測定し、その測定値に基づいて還元剤であるアンモニアの添加量を調整することができるため、エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘを還元剤である尿疎水を用いて浄化する際、アンモニアスリップ現象を回避することができる。また、このガスセンサによりアンモニアスリップ現象を回避できれば、ＳＣＲ触媒の後段にアンモニアを浄化するための酸化触媒を設置することも不要となり、当該装置をさらに小型かつ安価で提供することができる。
【００２８】
なお、ＮＯとＮＯ２は、化学反応などで相互に変換したり、比較的同様の特性を示すことが多く、一緒に取り扱ったほうが便利であるため、ここでいうＮＯｘとはＮＯとＮＯ２という２種類の気体を指す。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高感度かつ小型で車両等に搭載可能な赤外線検知式ガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの要部構成断面図である。同図に示すように、赤外線検知式ガスセンサ１０は、被測定ガスが流入できるように設けられたケース１１と、ケース１１の外部に配置され、赤外線を放出する光源１２と、光源１２により放出された赤外線の集光部材であるコリメータレンズ１３と、当該赤外線の特定の波長のみを透過するバンドバスフィルタ１４と、バンドバスフィルタ１４を透過した特定の波長の赤外線を受光し電気信号を発生する検出素子１５とにより構成されている。
【００３１】
ここでケース１１には、被測定ガスを導入させる導入部１６ａと排出させる排出部１６ｂが取り付けられており、図示しない流量制御装置により所定の流量で被測定ガスがケース１１の内部に送り込まれると共に、排出されるようになっている。これにより、被測定ガスが順次入れ替わることになり、被測定ガス中の測定対象ガス成分の濃度の経時変化を連続的に分析することが可能となる。
また、ケース１６にはさらに赤外線透過窓１７ａと１７ｂが設けられており、コリメータレンズ１３により集光された赤外線が赤外線透過窓１７ａを通してケース１１内に入射し、被測定ガス中を透過した後、赤外線透過窓１７ｂを透過して出射し、バンドバスフィルタ１４を通過後、検出素子１５で受光される。なお、赤外線透過窓１７ａと１７ｂは波長が４〜１４μｍ帯の赤外線に対して透過性を有していればよく、後述する硫化亜鉛の焼結体やゲルマニウム等で形成されている。
【００３２】
光源１２は、例えば通電によって発熱し、波長が４〜１４μｍの範囲内で所定の強度の赤外線を発するフィラメント、あるいはＬＥＤやＬＤなどの半導体素子を有している。
【００３３】
コリメータレンズ１３は硫化亜鉛原料粉末をホットプレス法にて焼結してなる焼結体で形成されており、波長が４〜１４μｍ帯の赤外線に対して透過性を有している。なお、コリメータレンズ１３の透過率を向上させるべくそれぞれの表面にＡＲ膜を被膜してもよい。さらに耐環境性を向上させるべく、それぞれ表面にＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜を被覆してもよい。このＤＬＣ膜は、ダイヤモンドに類似した特性を持つアモルファスの炭化水素膜である。なお、コリメータレンズ１３は、波長が４〜１４μｍ帯の赤外線に対して透過性を有しているゲルマニウム、セレン化亜鉛やカルコゲナイドガラスにより形成されていてもよい。
【００３４】
また、図１では単一のコリメータレンズで説明したが、複数のレンズで構成されていてもよく、複数のレンズを組み合わせた１つのユニットとして配置されていても、複数のレンズが異なる場所にそれぞれ配置されていてもよい。例えば、光源１２の直後にレンズを設け、赤外線を略平行光にするとともに、バンドパスフィルタ１４の直前にもレンズを設け、検出素子１５に集光させるように構成することもできる。
【００３５】
本実施の形態における検出素子１５は、サーモパイル方式の検出素子であって、アンモニアのガス濃度を測定するための検出素子で構成されている。なお、検出素子１５は、被測定ガス中の測定対象ガス成分に応じて複数の検出素子により構成されていてもよく、複数のガス成分を同時に測定することができる。この場合、検出素子に対応してバンドパスフィルタも複数設け、赤外線をそれぞれの検出素子に受光するように分光させるビームスプリッタをバンドパスフィルタの前段に設置すればよい。
【００３６】
図２は検出素子１５の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【００３７】
図２（ａ）及び（ｂ）に示す通り、検出素子１５は、基板２０と、当該基板２０に設けられた２つの電極２１ａ、２１ｂと、当該電極２１ａ、２１ｂにそれぞれの一方の端面が接続されたリボン状の熱電変換金属線２２ａ、２２ｂと、当該両方の熱電変換金属線２２ａと２２ｂのもう一方の端面がそれぞれ接続された赤外線吸収膜２３とで構成されている。
【００３８】
基板２０は、シリコンからなる半導体基板であり、中央部には空洞部２４を有している。本実施形態において、空洞部２４は矩形状の領域をもって開口されており、この開口面積が基板２０の上面側に行くほど拡大され、基板２０の上面では図２（ａ）に示されるような矩形状の領域となっている。従って、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂと赤外線吸収膜２３は、基板２０に対して空洞部２４上に浮いた状態で形成されている。
【００３９】
基板２０は上面からみて各辺約５ｍｍの正方形の形状を有しており、周辺部の高さは約０．３５ｍｍである。また、空洞部２４においては、基板上面から熱電変換金属線２２ａ、２２ｂあるいは赤外線吸収膜２３までの高さは０．１ｍｍ程度であり、基板からの熱的影響を受けない範囲内で適宜調整され得る。
【００４０】
電極２１ａ、２１ｂの材料はＴｉであって、蒸着法で基板２０上に形成されている。電極材料としてＴｉが用いられているのは、Ａｌ配線（図示せず）との密着性を確保するためであり、高い接続信頼性を得る上で好適である。さらにＴｉ上にはＡｕが蒸着法により形成されており、電極２１ａ、２１ｂ上にそれぞれ熱電変換金属線２２ａ、２２ｂを接続する上でのオーミック性を確保している。
【００４１】
熱電変換金属線２２ａ、２２ｂはいずれもＢｉＴｅ系の合金により形成されており、より具体的には熱電変換金属線２２ａはＢｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ３、熱電変換金属線２２ｂはＢｉ２Ｓｂ０．１５Ｔｅ２．８５により形成されている。また、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂは幅約５μｍ、厚み約１μｍのリボン形状を有しており、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの一端はそれぞれ電極２１ａ、２１ｂに接続されている。
【００４２】
赤外線吸収膜２３はＮｉＣｒ合金あるいはＰｔにより形成されており、赤外線を吸収する材料であれば、いずれの金属や半導体材料を用いてもよい。また、赤外線吸収膜２３は上面からみて各辺約１ｍｍの正方形の形状を有しており、厚みは約０．１μｍと薄膜である。このため熱容量を小さくでき、赤外線の受光に伴う熱の応答性に向上を図っている。また、赤外線吸収膜２３は熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの他方の端面とそれぞれ接続されているため、基板２０の空洞部２４上に熱電変換金属線２２ａ、２２ｂによって支持されている。なお、熱電変換金属線２２ａ、２２だけで支持力が不足する場合、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの上または下に接触し補強するように、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯまたはＳｉＯＮを用いて支持体を形成してもよい。
【００４３】
ここで、検出素子１５は上述の通り、異種材料で形成されているため、熱電対を構成している（サーモパイル）。従って、赤外線吸収膜２３側の接合部は温接点、電極２１ａ、２１ｂとの接合部は冷接点となり、基板２０はヒートシンクとしての役割を果たしている。また、この検出素子はエッチングや蒸着法など一般的な半導体プロセスの常法で作製することができる。
【００４４】
このように構成される検出素子１５は図１に示すようにケース１０の外の所定の位置に配置される。光源１２から放射された赤外線は、コリメータレンズ１３により集光され、赤外線透過窓１７ａを通してケース１１内部に入射し、被測定ガス中を透過後、赤外線透過窓１７ｂから出射され、その後、特定の波長のみを透過するバンドパスフィルタ１４を透過して検出素子１５に到達する。そして、赤外線吸収膜２３にその赤外線が吸収されて、温度上昇が起こる。その結果、赤外線吸収膜２３の下に配置された熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの温接点の温度が上昇する。一方、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの冷接点は、基板２０がヒートシンクになっているため、温度上昇は温接点に比較して小さい。このように、検出素子１５は、赤外線を受光したときの温接点と冷接点との間に生じる温度差により検出素子１５の起電力を発生させ（ゼーベック効果）、その変化した起電力に基づいて赤外線の強度を検出する。すなわち、図２（ａ）（ｂ）に示す検出素子はサーモパイル方式であり、その起電力がＡｌ配線（図示しない）を通じて電気信号として出力されることになる。
【００４５】
また、一般にサーモパイル方式の検出素子の感度はκ√ρ／Ｓに比例することが知られており、この値が小さいほど感度が良いことを示している。ここで、κは熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）、ρは電気抵抗（Ω・ｍ）、Ｓはゼーベック係数（μＶ／Ｋ）を表す。これより、熱電変換部に多結晶シリコンを材料として用いた場合の感度に対し、ＢｉＴｅを主成分とする材料を用いた場合、約７５倍も感度が高いことが分かる。
【００４６】
また、赤外線は特定成分のガスによって吸収されることが知られており、ガス濃度に応じてその吸収度も異なる。これは測定対象ガスを構成するガス成分中に、電場に感応する電気的双極子モーメントを持つ分子によってなるガス成分が含まれているとき、このガス成分の分子の振動と振動に伴う回転運動とが、赤外線の振動電場によって励起されるときに生じるものであり、吸収される赤外線の波長帯域と吸収の強さは、当該ガス成分を構成する分子の構造によって定まる当該ガス成分に固有のものである。
一般に、アンモニアガスの吸収波長は１０μｍ帯であることが知られている。その一例として、図３にアンモニアガスの赤外線吸収スペクトルを示す。
【００４７】
ここで、検出素子１５はアンモニアガス用の検出素子であるため、バンドパスフィルタ１４は波長１０μｍ帯の赤外線のみを透過するものである。上述の通り、光源１２より放出された赤外線が波長１０μｍ帯の赤外線が被測定ガス中を透過する際、アンモニアガス成分の濃度に応じて吸収された後、波長１０μｍ帯の赤外線のみが検出素子１５で受光され、その光強度に応じて電気信号が検出素子１５から出力され、所定の解析装置（図示せず）にて計算され、アンモニアガスの濃度が算出される。
【００４８】
ここではアンモニアガスの濃度を検出する場合について説明したが、同様にＮＯやＮＯ２ガスの濃度も測定することができる。一般に、ＮＯガスの吸収波長は５μｍ帯、ＮＯ２ガスの吸収波長は６μｍ帯であることが知られている。その一例として、図４にＮＯガスの赤外線吸収スペクトルを示す。従って、これらの波長に対応したバンドパスフィルタ１４を設けることで、ＮＯガスやＮＯ２ガスの濃度測定へ適用することもできる。
【００４９】
このように、サーモパイル方式の検出素子の熱電変換部において、ＢｉＴｅ合金の熱電変換金属線を用いることで、高感度かつ小型で車両等に搭載可能な赤外線検知式ガスセンサを実現することができる。
【００５０】
図５は本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの変形例を示す要部構成断面図である。なお、図１と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。図５では、光源１２、コリメータレンズ１３、バンドパスフィルタ１４、検出素子１５がすべてケース１１内部に設置されている点が図１と異なっている。
【００５１】
これによれば、上述の通り、光源１２等がいずれもケース１１の内部に設置されているため、赤外線透過窓１７ａ，１７ｂが不要になるとともに、ケース１１の外部で光源１２等を保持する部材が不要となるため、高感度を維持しつつ赤外線検知式ガスセンサ１０全体をさらに小型にすることができる。従って、当該センサを取り付ける空間が狭小な場合でも設置することでき、車両等の取り付け部の設計上の自由度が向上する。
【００５２】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの要部構成断面図である。同図に示すように、赤外線検知式ガスセンサ１０は、被測定ガスが流入できるように設けられたケース１１と、ケース１１内に配置され、赤外線を放出する光源１２と、光源１２により放出された赤外線の集光部材である凹面鏡３１と、当該赤外線の特定の波長のみを透過するバンドバスフィルタ１４と、バンドバスフィルタ１４を透過した特定の波長の赤外線を受光し電気信号を発生する検出素子１５とにより構成されている。なお、図１と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。
【００５３】
ここで、集光部材としてコリメータレンズではなく凹面鏡１１が設けられている点で実施の形態１と異なっている。凹面鏡１１は表面にアルミウムのコーティングがされており、このアルミニウムのコーティングは蒸着法やメッキ法等いずれの方法で作製してもよい。また、ここではアルミニウムのコーティングを一例として説明したが、赤外線を反射する金属であれば、銀や金などの金属を用いてもよい。また、当該素子は透明性が要求されないため、コリメータレンズのように高価なゲルマニウムや硫化亜鉛を用いる必要はなく、ガラスなどより安価な材料を用いることが可能となる。
【００５４】
さらに反射型の凹面鏡を用いることで、光源から放出された赤外線は凹面鏡で反射され、集光されながらバンドパスフィルタ１４を透過して検出素子１５に入射するため、被測定ガス中を透過する距離（光路長）を同サイズのケースを用いた場合、実施の形態１のコリメータレンズを用いたものと比べて約２倍長くすることが可能となる。従って、当該センサを小型にすることもさらに容易となり、高感度を維持しつつも狭小部への取り付けが可能となるとともに、低コストで提供することが可能となる。
【００５５】
図７は本発明の実施の形態２に係る赤外線検知式ガスセンサの変形例を示す要部構成断面図である。なお、図６と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。図７では、バンドパスフィルタ１４と集光部材であるコリメータレンズ３２が一体となって設けられている点が図６と異なっている。
【００５６】
本実施の形態では、平凸型のコリメータレンズ３２がさらに設けられており、コリメータレンズ３２の平坦なレンズ表面に接触するようにバンドパスフィルタ１４が取り付けられ一体となっている。これによれば、コリメータレンズ３２により赤外線をさらに集光することができるため、検出素子１５における赤外線吸収膜２３にピンポイントで赤外線を入射させることができ、より感度を向上させることが可能となる。また、コリメータレンズ３２がバンドパスフィルタ１４と一体となっているため、両者を一体として支持すればよく、個別の支持部材は不要となり、センサ全体の構造を複雑にすることなく、さらに感度を高めることができる点で有利である。
【００５７】
また、図７においてこのバンドパスフィルタ１４と集光部材であるコリメータレンズ３２が一体とした場合の実施の形態を示したが、図１や図５で示す実施の形態においても同様の構成にすることができることはいうまでもない。また、集光部材としてコリメータレンズと凹面鏡を用いた場合を示したが、回折光学素子を用いることもできる。
【００５８】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における排気ガス浄化装置を模式的に説明するための図である。この排気ガス浄化装置４０は、尿素を用いて排気中のＮＯｘを窒素ガス等に還元し浄化する尿素選択還元触媒を用いた装置である。また、同図において、エンジン４１は、例えばディーゼルエンジンである。
【００５９】
同図に示すように、排気ガス浄化装置４０は、エンジン４１から排出される排気ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化する酸化触媒４３と、その下流には排気ガス中のＮＯｘをＮ２とＨ２Ｏに還元するＳＣＲ触媒４７から構成されている。
【００６０】
また、ＳＣＲ触媒４７の入口には、還元剤である尿素を添加するための尿素水添加装置４５が設けられており、ＳＣＲ触媒でのＮＯｘ還元による浄化に必要となる尿素水の噴霧量を制御装置（ＥＣＵ）４６により制御している。なお、尿素水は尿素水タンク４４に貯留されている。
【００６１】
さらに、ＳＣＲ触媒の後段には排気ガス中のアンモニアガスの濃度を測定するための赤外線検出式ガスセンサ１０が配置されている。この赤外線検出式ガスセンサ１０からの電気信号は尿素水の噴霧量を制御する制御装置（ＥＣＵ）４６に読み出され、アンモニア濃度に基づいて、尿素水添加装置１９が作動して、最適な量の尿素水を供給することで、ＳＣＲ触媒２１におけるＮＯｘの還元反応に必要となる尿素水量を適切に制御することができる。これにより、反応に使用されなかった尿素水が、アンモニアとして大気中に放出されるいわゆるアンモニアスリップ現象を防止することができ、さらにスリップしたアンモニアを浄化するために設置されるＳＣＲ触媒後段の酸化触媒も不要となり、装置を小型にすることが可能となる。
【００６２】
ここでは、アンモニアガス濃度を測定するためのセンサとして赤外線検出式ガスセンサ１０を用いることについて説明したが、上述の通り、バンドパスフィルタの透過波長帯を変えることでＮＯｘセンサとしてＮＯガスやＮＯ２ガスの濃度を算出するためのセンサとして用いることも可能であり、ＮＯｘガスの濃度に応じて尿素水の噴霧量を制御することが可能であり、このＮＯｘガスの濃度をもとに尿素水の噴霧量を制御することもできる。
【００６３】
また、このディーゼルエンジンは、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）が設けられ（図示せず）、燃料噴射の制御のために制御装置（ＥＣＵ）４２が配置されている。従って、尿素水の噴霧量を制御する制御装置（ＥＣＵ）４６は、この制御装置（ＥＣＵ）４２と共通化することもできる。
【００６４】
これによれば、上記の通り、当該排気ガス浄化装置４０を用いた排気ガス浄化方法によれば、エンジン４１の運転条件により刻々と変化する排気ガス中のＮＯｘ濃度の状態にリアルタイムに追随して高精度で尿素水の噴霧量を制御することで、ＮＯｘの浄化を行いつつ、アンモニアスリップ現象の発生を防止することができる。また、アンモニアスリップ現象防止のためにＳＣＲ触媒後段に設けていた酸化触媒も不要となり、装置全体を小型にすることができる。
【００６５】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００６６】
上記各実施形態では測定対象ガスとしてアンモニアガス、ＮＯガス及びＮＯ２ガスの濃度を測定する赤外線検知式ガスセンサを示したが、この発明は、例えばＣＯ、ＣＯ２、ＨＣガスなどのガス成分を検出する場合にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の赤外線検知式ガスセンサは、車両の排気ガス、車室内の雰囲気ガス及び工場におけるプラントなどのガス分析などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの要部構成断面図である。
【図２】検出素子の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【図３】アンモニアガスの赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。
【図４】ＮＯガスの赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの変形例を示す要部構成断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る赤外線検知式ガスセンサの要部構成断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る赤外線検知式ガスセンサの変形例を示す要部構成断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３における排気ガス浄化装置を模式的に説明するための図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０ 赤外線検知式ガスセンサ
１１ ケース
１２ 光源
１３ コリメータレンズ
１４ バンドパスフィルタ
１５ 検出素子
１６ａ 導入部
１６ｂ 排出部
１７ａ 赤外線透過窓
１７ｂ 赤外線透過窓
２０ 基板
２１ａ 電極
２１ｂ 電極
２２ａ 熱電変換金属線
２２ａ 熱電変換金属線
２３ 赤外線吸収膜
２４ 空洞部
３１ 凹面鏡
３２ コリメータレンズ
４０ 排気ガス浄化装置
４１ エンジン
４２ 制御装置（ＥＣＵ）
４３ 酸化触媒
４４ 尿素水タンク
４５ 尿素水添加装置
４６ 制御装置（ＥＣＵ）
４７ ＳＣＲ触媒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等の排気ガス中の特定のガス濃度を赤外線を用いて測定するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車分野においてはＣＯ２排出量の削減、燃費の改善を目的として、ガソリンエンジンの希薄燃焼化（リーンバーン化）やガソリンエンジン車より燃費効率のよいディーゼルエンジン車へのシフトが活発化している。
【０００３】
しかしながら、ガソリンエンジンでリーンバーン化をすると、エンジンから排出されるＣＯ２量は減少するもののＮＯｘ（ＮＯやＮＯ２など）の排出量が増加することになる。さらにリーンバーンでは排気の酸素濃度が高いため、従来の三元触媒では効果的にＮＯＸ低減することができない。また、ディーゼルエンジン車では、ＮＯｘと黒鉛（ＰＭ）の排出がトレードオフの関係にあり、ＮＯｘの排出量を抑制するとＰＭの排出量が増加するため、ＮＯｘの排出を規制値限界内となるようにエンジンを制御し、ＰＭの排出量を最小限に抑える必要がある。
【０００４】
そこで、このＮＯｘを低減する手段の一つとして、排気ガス中に尿素水を還元剤として添加し、尿素の加水分解により発生するアンモニア（ＮＨ３）により、ＮＯｘを窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）に選択還元するＮＯｘ触媒、いわゆる尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を用いた、ＮＯｘ低減を行う排気ガス浄化装置が知られている。
【０００５】
上記のような排気ガス浄化装置として、例えば特許文献１や非特許文献１に開示される、酸化触媒と、ＳＣＲ触媒と、尿素水を還元剤として噴射する装置とを備える排気ガス浄化装置が知られている。
【０００６】
この排気ガス浄化装置は、排気ガス中のＮＯ成分の一部を酸化触媒にてＮＯ２に酸化した後、排気ガス中に尿素水を噴射し、その後ＳＣＲ触媒によりＮＯｘをＮ２に還元し浄化するように構成されている。
【０００７】
また、現状の排気ガス浄化装置では、ＳＣＲ触媒の後段にさらに酸化触媒が設けられている。これは還元剤として添加する尿素水の一部が使用されず、アンモニアとして大気中に放出されるおそれがあり（アンモニアスリップ現象）、当該酸化触媒で浄化するためである。そこで、排気ガス中のアンモニア濃度を常時モニタすることで添加する尿素水の量を制御し、この酸化触媒を省くことが検討されている。
【０００８】
このため、排気ガス中のアンモニア濃度の検知速度が高速で、検出感度が高い車載用のガスセンサの開発が強く求められている。このようなセンサを用いれば、エンジンの運転状況に応じて刻々と変化する排気ガスの状態に合わせて適切な量の尿素水を噴射することができ、アンモニアスリップ現象を回避しつつ効率的に排気ガスを浄化することができる。
【０００９】
上記のような特定のガスの濃度を検知するガスセンサとして、従来、例えば特許文献２に開示される、赤外線光源と、赤外線を検出する赤外線センサと、透過波長帯域が試料ガス中の測定対象ガス成分の吸収波長帯域に相当するバンドパスフィルタと、試料ガスを流すケースとを備える赤外線検知式ガスセンサが知られている。
【００１０】
この赤外線検知式ガスセンサは、被測定ガスを流入させるケースの中に光源と赤外線センサを設け、光源から放出された赤外線を被測定ガス中に透過させることで、ガス種による赤外線吸収の度合いを測定できるように構成されている。具体的には、ガス成分の種類によって吸収される赤外線の波長帯が異なることを利用し、バンドパスフィルタを赤外線センサの前に設け、光バンドパスフィルタの透過波長帯域を測定対象のガス成分の吸収波長帯域と一致させることで、そのガス濃度を測定することができるように構成されている。
【００１１】
上記の測定対象ガスによる赤外線の吸収は、測定対象ガスを構成するガス成分中に、電場に感応する電気的双極子モーメントを持つ分子によってなるガス成分が含まれているとき、このガス成分の分子の振動と振動に伴う回転運動とが、赤外線の振動電場によって励起されるときに生じるものであり、吸収される赤外線の波長帯域と吸収の強さは、当該ガス成分を構成する分子の構造によって定まる当該ガス成分に固有のものである。
【特許文献１】特開２００７−１００５０８号公報
【特許文献２】特開２００５−２０８００９号公報
【非特許文献１】平田公信ら，「大型車ディーゼルの尿素選択還元システム」，自動車技術，ＶＯＬ，６０，Ｎｏ．９，２００６，ＰＰ２８−３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
現状の環境基準ではアンモニアの排出も規制されており、２〜３ｐｐｍ以上のアンモニアを大気中に排出することが制限されている。
しかしながら、上記赤外線検知式ガスセンサはサーモパイル方式の検出素子を用いたものであるところ、熱電変換部分に多結晶シリコンを材料として使用しているため、その感度は１０ｐｐｍ以上と規制値より１桁程度大きく、そのままで上記目的でのアンモニア濃度を測定するためのガスセンサとして用いることはできない。
一方、数ｐｐｍオーダーの感度を実現しようとすれば赤外線が測定対象ガス中を透過する光路長を長くすることも考えられるが、多結晶シリコンを用いる限り、理論上１ｍ以上もの光路長が必要となり、センササイズが極めて大きなものとなり、限られた設置空間に取り付けが必要となる車載用途として使用することが困難であった。
【００１３】
本発明は、高感度かつ小型で車両等に搭載可能な赤外線検知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】
【００１４】
上記目的を達成するために、第１発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、赤外線を放出する光源と、前記赤外線の受光により電気信号を発生するサーモパイル方式の検出素子と、前記光源と前記検出素子との間に設けられた、前記赤外線の特定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタと、を有する赤外線検知式ガスセンサであって、前記検出素子の熱電変換部がＢｉＴｅを主成分とする材料で形成されているものである。
【００１５】
この発明によれば、光源から放出された赤外線が被測定対象ガス中を通過し、被測定対象ガス中の特定のガスに吸収される波長のみを透過するバンドパスフィルタを透過後、サーモパイル方式の検出素子に入光する。ここで、サーモパイル方式の検出素子の熱電変換部はＢｉＴｅを主成分とする材料で形成されており、受光した赤外線の熱により生じる起電力が多結晶シリコンより１桁以上大きいため、高感度で特定のガス濃度を測定することができる。また、高感度であるため、赤外線が測定対象ガス中を透過する光路長を短くすることができるため、ガスセンサをより小型にすることができる。
ここで主成分とは、その材料がＢｉＴｅを５０重量％以上、好ましくは７０重量％以上含有することをいう。
【００１６】
また、第２発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、第１発明において、前記光源と前記検出手段の間に集光部材をさらに備えている。
【００１７】
この発明によれば、光源から放出される赤外線を検出素子へ集光することができ、入射効率を高くすることができるため、より感度を高めるができる。
【００１８】
また、第３発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、第２発明において、前記集光手段はレンズおよび凹面鏡のいずれか１つ以上で構成されている。
【００１９】
この発明によれば、レンズを用いることで、光源から放出される赤外線を略平行光にするとともに、集光することもできるため検出素子への入射効率を高めることが可能となる。また、凹面鏡を用いることで、上記の略平行光や集光機能に加え、赤外線を反射させることで光路も変えることができるため、光源等の配置自由度が高まるとともに、限られた空間の中で光路長をより長くとることも可能となり、ガスセンサをさらに小型にすることができる。なお、レンズは複数のレンズから構成されていてもよく、レンズと凹面鏡を組み合わせた構成でもよい。
【００２０】
また、第４発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、第３発明において、前記バンドパスフィルタと前記レンズが一体として構成されている。
【００２１】
この発明によれば、バンドパスフィルタとレンズをそれぞれ別々に保持する必要がなく構造を簡素化することができ、ガスセンサをさらに小型にすることができる。
【００２２】
また、第５発明に係る赤外線検知式ガスセンサは、第３発明または第４発明において、前記レンズが硫化亜鉛により形成されている。
【００２３】
この発明によれば、硫化亜鉛は赤外線領域において高い透過率を有しており、レンズでの光吸収を低減でき、高い透過効率を得ることが可能となる。このため、光源から検出素子までの光路中での赤外線のロスを低減することができ、より感度の高いガスセンサを提供することができる。
【００２４】
また、第６発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気流路中に設けられ、該排気経路内の排気ガスに作用してその排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置であって、第１発明〜第５発明のいずれか１つの赤外線検知式ガスセンサを備えている。
【００２５】
この発明によれば、上記の各赤外線検知式センサの特徴を備えるため、空間の占有率を小さくでき、かつ精度よく特定のガス濃度を測定することができる。
【００２６】
また、第７発明に係る排気ガス浄化装置は、前記排気を浄化ガスするためにアンモニアを還元剤としたＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を備え、前記赤外線検知式ガスセンサが、該ＳＣＲ触媒より下流側に配置されている。
【００２７】
この発明によれば、上記ガスセンサでアンモニアのガス濃度を測定し、その測定値に基づいて還元剤であるアンモニアの添加量を調整することができるため、エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘを還元剤である尿疎水を用いて浄化する際、アンモニアスリップ現象を回避することができる。また、このガスセンサによりアンモニアスリップ現象を回避できれば、ＳＣＲ触媒の後段にアンモニアを浄化するための酸化触媒を設置することも不要となり、当該装置をさらに小型かつ安価で提供することができる。
【００２８】
なお、ＮＯとＮＯ２は、化学反応などで相互に変換したり、比較的同様の特性を示すことが多く、一緒に取り扱ったほうが便利であるため、ここでいうＮＯｘとはＮＯとＮＯ２という２種類の気体を指す。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高感度かつ小型で車両等に搭載可能な赤外線検知式ガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの要部構成断面図である。同図に示すように、赤外線検知式ガスセンサ１０は、被測定ガスが流入できるように設けられたケース１１と、ケース１１の外部に配置され、赤外線を放出する光源１２と、光源１２により放出された赤外線の集光部材であるコリメータレンズ１３と、当該赤外線の特定の波長のみを透過するバンドバスフィルタ１４と、バンドバスフィルタ１４を透過した特定の波長の赤外線を受光し電気信号を発生する検出素子１５とにより構成されている。
【００３１】
ここでケース１１には、被測定ガスを導入させる導入部１６ａと排出させる排出部１６ｂが取り付けられており、図示しない流量制御装置により所定の流量で被測定ガスがケース１１の内部に送り込まれると共に、排出されるようになっている。これにより、被測定ガスが順次入れ替わることになり、被測定ガス中の測定対象ガス成分の濃度の経時変化を連続的に分析することが可能となる。
また、ケース１６にはさらに赤外線透過窓１７ａと１７ｂが設けられており、コリメータレンズ１３により集光された赤外線が赤外線透過窓１７ａを通してケース１１内に入射し、被測定ガス中を透過した後、赤外線透過窓１７ｂを透過して出射し、バンドバスフィルタ１４を通過後、検出素子１５で受光される。なお、赤外線透過窓１７ａと１７ｂは波長が４〜１４μｍ帯の赤外線に対して透過性を有していればよく、後述する硫化亜鉛の焼結体やゲルマニウム等で形成されている。
【００３２】
光源１２は、例えば通電によって発熱し、波長が４〜１４μｍの範囲内で所定の強度の赤外線を発するフィラメント、あるいはＬＥＤやＬＤなどの半導体素子を有している。
【００３３】
コリメータレンズ１３は硫化亜鉛原料粉末をホットプレス法にて焼結してなる焼結体で形成されており、波長が４〜１４μｍ帯の赤外線に対して透過性を有している。なお、コリメータレンズ１３の透過率を向上させるべくそれぞれの表面にＡＲ膜を被膜してもよい。さらに耐環境性を向上させるべく、それぞれ表面にＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜を被覆してもよい。このＤＬＣ膜は、ダイヤモンドに類似した特性を持つアモルファスの炭化水素膜である。なお、コリメータレンズ１３は、波長が４〜１４μｍ帯の赤外線に対して透過性を有しているゲルマニウム、セレン化亜鉛やカルコゲナイドガラスにより形成されていてもよい。
【００３４】
また、図１では単一のコリメータレンズで説明したが、複数のレンズで構成されていてもよく、複数のレンズを組み合わせた１つのユニットとして配置されていても、複数のレンズが異なる場所にそれぞれ配置されていてもよい。例えば、光源１２の直後にレンズを設け、赤外線を略平行光にするとともに、バンドパスフィルタ１４の直前にもレンズを設け、検出素子１５に集光させるように構成することもできる。
【００３５】
本実施の形態における検出素子１５は、サーモパイル方式の検出素子であって、アンモニアのガス濃度を測定するための検出素子で構成されている。なお、検出素子１５は、被測定ガス中の測定対象ガス成分に応じて複数の検出素子により構成されていてもよく、複数のガス成分を同時に測定することができる。この場合、検出素子に対応してバンドパスフィルタも複数設け、赤外線をそれぞれの検出素子に受光するように分光させるビームスプリッタをバンドパスフィルタの前段に設置すればよい。
【００３６】
図２は検出素子１５の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【００３７】
図２（ａ）及び（ｂ）に示す通り、検出素子１５は、基板２０と、当該基板２０に設けられた２つの電極２１ａ、２１ｂと、当該電極２１ａ、２１ｂにそれぞれの一方の端面が接続されたリボン状の熱電変換金属線２２ａ、２２ｂと、当該両方の熱電変換金属線２２ａと２２ｂのもう一方の端面がそれぞれ接続された赤外線吸収膜２３とで構成されている。
【００３８】
基板２０は、シリコンからなる半導体基板であり、中央部には空洞部２４を有している。本実施形態において、空洞部２４は矩形状の領域をもって開口されており、この開口面積が基板２０の上面側に行くほど拡大され、基板２０の上面では図２（ａ）に示されるような矩形状の領域となっている。従って、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂと赤外線吸収膜２３は、基板２０に対して空洞部２４上に浮いた状態で形成されている。
【００３９】
基板２０は上面からみて各辺約５ｍｍの正方形の形状を有しており、周辺部の高さは約０．３５ｍｍである。また、空洞部２４においては、基板上面から熱電変換金属線２２ａ、２２ｂあるいは赤外線吸収膜２３までの高さは０．１ｍｍ程度であり、基板からの熱的影響を受けない範囲内で適宜調整され得る。
【００４０】
電極２１ａ、２１ｂの材料はＴｉであって、蒸着法で基板２０上に形成されている。電極材料としてＴｉが用いられているのは、Ａｌ配線（図示せず）との密着性を確保するためであり、高い接続信頼性を得る上で好適である。さらにＴｉ上にはＡｕが蒸着法により形成されており、電極２１ａ、２１ｂ上にそれぞれ熱電変換金属線２２ａ、２２ｂを接続する上でのオーミック性を確保している。
【００４１】
熱電変換金属線２２ａ、２２ｂはいずれもＢｉＴｅ系の合金により形成されており、より具体的には熱電変換金属線２２ａはＢｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ３、熱電変換金属線２２ｂはＢｉ２Ｓｂ０．１５Ｔｅ２．８５により形成されている。また、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂは幅約５μｍ、厚み約１μｍのリボン形状を有しており、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの一端はそれぞれ電極２１ａ、２１ｂに接続されている。
【００４２】
赤外線吸収膜２３はＮｉＣｒ合金あるいはＰｔにより形成されており、赤外線を吸収する材料であれば、いずれの金属や半導体材料を用いてもよい。また、赤外線吸収膜２３は上面からみて各辺約１ｍｍの正方形の形状を有しており、厚みは約０．１μｍと薄膜である。このため熱容量を小さくでき、赤外線の受光に伴う熱の応答性に向上を図っている。また、赤外線吸収膜２３は熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの他方の端面とそれぞれ接続されているため、基板２０の空洞部２４上に熱電変換金属線２２ａ、２２ｂによって支持されている。なお、熱電変換金属線２２ａ、２２だけで支持力が不足する場合、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの上または下に接触し補強するように、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯまたはＳｉＯＮを用いて支持体を形成してもよい。
【００４３】
ここで、検出素子１５は上述の通り、異種材料で形成されているため、熱電対を構成している（サーモパイル）。従って、赤外線吸収膜２３側の接合部は温接点、電極２１ａ、２１ｂとの接合部は冷接点となり、基板２０はヒートシンクとしての役割を果たしている。また、この検出素子はエッチングや蒸着法など一般的な半導体プロセスの常法で作製することができる。
【００４４】
このように構成される検出素子１５は図１に示すようにケース１０の外の所定の位置に配置される。光源１２から放射された赤外線は、コリメータレンズ１３により集光され、赤外線透過窓１７ａを通してケース１１内部に入射し、被測定ガス中を透過後、赤外線透過窓１７ｂから出射され、その後、特定の波長のみを透過するバンドパスフィルタ１４を透過して検出素子１５に到達する。そして、赤外線吸収膜２３にその赤外線が吸収されて、温度上昇が起こる。その結果、赤外線吸収膜２３の下に配置された熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの温接点の温度が上昇する。一方、熱電変換金属線２２ａ、２２ｂの冷接点は、基板２０がヒートシンクになっているため、温度上昇は温接点に比較して小さい。このように、検出素子１５は、赤外線を受光したときの温接点と冷接点との間に生じる温度差により検出素子１５の起電力を発生させ（ゼーベック効果）、その変化した起電力に基づいて赤外線の強度を検出する。すなわち、図２（ａ）（ｂ）に示す検出素子はサーモパイル方式であり、その起電力がＡｌ配線（図示しない）を通じて電気信号として出力されることになる。
【００４５】
また、一般にサーモパイル方式の検出素子の感度はκ√ρ／Ｓに比例することが知られており、この値が小さいほど感度が良いことを示している。ここで、κは熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）、ρは電気抵抗（Ω・ｍ）、Ｓはゼーベック係数（μＶ／Ｋ）を表す。これより、熱電変換部に多結晶シリコンを材料として用いた場合の感度に対し、ＢｉＴｅを主成分とする材料を用いた場合、約７５倍も感度が高いことが分かる。
【００４６】
また、赤外線は特定成分のガスによって吸収されることが知られており、ガス濃度に応じてその吸収度も異なる。これは測定対象ガスを構成するガス成分中に、電場に感応する電気的双極子モーメントを持つ分子によってなるガス成分が含まれているとき、このガス成分の分子の振動と振動に伴う回転運動とが、赤外線の振動電場によって励起されるときに生じるものであり、吸収される赤外線の波長帯域と吸収の強さは、当該ガス成分を構成する分子の構造によって定まる当該ガス成分に固有のものである。
一般に、アンモニアガスの吸収波長は１０μｍ帯であることが知られている。その一例として、図３にアンモニアガスの赤外線吸収スペクトルを示す。
【００４７】
ここで、検出素子１５はアンモニアガス用の検出素子であるため、バンドパスフィルタ１４は波長１０μｍ帯の赤外線のみを透過するものである。上述の通り、光源１２より放出された赤外線が波長１０μｍ帯の赤外線が被測定ガス中を透過する際、アンモニアガス成分の濃度に応じて吸収された後、波長１０μｍ帯の赤外線のみが検出素子１５で受光され、その光強度に応じて電気信号が検出素子１５から出力され、所定の解析装置（図示せず）にて計算され、アンモニアガスの濃度が算出される。
【００４８】
ここではアンモニアガスの濃度を検出する場合について説明したが、同様にＮＯやＮＯ２ガスの濃度も測定することができる。一般に、ＮＯガスの吸収波長は５μｍ帯、ＮＯ２ガスの吸収波長は６μｍ帯であることが知られている。その一例として、図４にＮＯガスの赤外線吸収スペクトルを示す。従って、これらの波長に対応したバンドパスフィルタ１４を設けることで、ＮＯガスやＮＯ２ガスの濃度測定へ適用することもできる。
【００４９】
このように、サーモパイル方式の検出素子の熱電変換部において、ＢｉＴｅ合金の熱電変換金属線を用いることで、高感度かつ小型で車両等に搭載可能な赤外線検知式ガスセンサを実現することができる。
【００５０】
図５は本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの変形例を示す要部構成断面図である。なお、図１と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。図５では、光源１２、コリメータレンズ１３、バンドパスフィルタ１４、検出素子１５がすべてケース１１内部に設置されている点が図１と異なっている。
【００５１】
これによれば、上述の通り、光源１２等がいずれもケース１１の内部に設置されているため、赤外線透過窓１７ａ，１７ｂが不要になるとともに、ケース１１の外部で光源１２等を保持する部材が不要となるため、高感度を維持しつつ赤外線検知式ガスセンサ１０全体をさらに小型にすることができる。従って、当該センサを取り付ける空間が狭小な場合でも設置することでき、車両等の取り付け部の設計上の自由度が向上する。
【００５２】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの要部構成断面図である。同図に示すように、赤外線検知式ガスセンサ１０は、被測定ガスが流入できるように設けられたケース１１と、ケース１１内に配置され、赤外線を放出する光源１２と、光源１２により放出された赤外線の集光部材である凹面鏡３１と、当該赤外線の特定の波長のみを透過するバンドバスフィルタ１４と、バンドバスフィルタ１４を透過した特定の波長の赤外線を受光し電気信号を発生する検出素子１５とにより構成されている。なお、図１と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。
【００５３】
ここで、集光部材としてコリメータレンズではなく凹面鏡１１が設けられている点で実施の形態１と異なっている。凹面鏡１１は表面にアルミウムのコーティングがされており、このアルミニウムのコーティングは蒸着法やメッキ法等いずれの方法で作製してもよい。また、ここではアルミニウムのコーティングを一例として説明したが、赤外線を反射する金属であれば、銀や金などの金属を用いてもよい。また、当該素子は透明性が要求されないため、コリメータレンズのように高価なゲルマニウムや硫化亜鉛を用いる必要はなく、ガラスなどより安価な材料を用いることが可能となる。
【００５４】
さらに反射型の凹面鏡を用いることで、光源から放出された赤外線は凹面鏡で反射され、集光されながらバンドパスフィルタ１４を透過して検出素子１５に入射するため、被測定ガス中を透過する距離（光路長）を同サイズのケースを用いた場合、実施の形態１のコリメータレンズを用いたものと比べて約２倍長くすることが可能となる。従って、当該センサを小型にすることもさらに容易となり、高感度を維持しつつも狭小部への取り付けが可能となるとともに、低コストで提供することが可能となる。
【００５５】
図７は本発明の実施の形態２に係る赤外線検知式ガスセンサの変形例を示す要部構成断面図である。なお、図６と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。図７では、バンドパスフィルタ１４と集光部材であるコリメータレンズ３２が一体となって設けられている点が図６と異なっている。
【００５６】
本実施の形態では、平凸型のコリメータレンズ３２がさらに設けられており、コリメータレンズ３２の平坦なレンズ表面に接触するようにバンドパスフィルタ１４が取り付けられ一体となっている。これによれば、コリメータレンズ３２により赤外線をさらに集光することができるため、検出素子１５における赤外線吸収膜２３にピンポイントで赤外線を入射させることができ、より感度を向上させることが可能となる。また、コリメータレンズ３２がバンドパスフィルタ１４と一体となっているため、両者を一体として支持すればよく、個別の支持部材は不要となり、センサ全体の構造を複雑にすることなく、さらに感度を高めることができる点で有利である。
【００５７】
また、図７においてこのバンドパスフィルタ１４と集光部材であるコリメータレンズ３２が一体とした場合の実施の形態を示したが、図１や図５で示す実施の形態においても同様の構成にすることができることはいうまでもない。また、集光部材としてコリメータレンズと凹面鏡を用いた場合を示したが、回折光学素子を用いることもできる。
【００５８】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における排気ガス浄化装置を模式的に説明するための図である。この排気ガス浄化装置４０は、尿素を用いて排気中のＮＯｘを窒素ガス等に還元し浄化する尿素選択還元触媒を用いた装置である。また、同図において、エンジン４１は、例えばディーゼルエンジンである。
【００５９】
同図に示すように、排気ガス浄化装置４０は、エンジン４１から排出される排気ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化する酸化触媒４３と、その下流には排気ガス中のＮＯｘをＮ２とＨ２Ｏに還元するＳＣＲ触媒４７から構成されている。
【００６０】
また、ＳＣＲ触媒４７の入口には、還元剤である尿素を添加するための尿素水添加装置４５が設けられており、ＳＣＲ触媒でのＮＯｘ還元による浄化に必要となる尿素水の噴霧量を制御装置（ＥＣＵ）４６により制御している。なお、尿素水は尿素水タンク４４に貯留されている。
【００６１】
さらに、ＳＣＲ触媒の後段には排気ガス中のアンモニアガスの濃度を測定するための赤外線検出式ガスセンサ１０が配置されている。この赤外線検出式ガスセンサ１０からの電気信号は尿素水の噴霧量を制御する制御装置（ＥＣＵ）４６に読み出され、アンモニア濃度に基づいて、尿素水添加装置１９が作動して、最適な量の尿素水を供給することで、ＳＣＲ触媒２１におけるＮＯｘの還元反応に必要となる尿素水量を適切に制御することができる。これにより、反応に使用されなかった尿素水が、アンモニアとして大気中に放出されるいわゆるアンモニアスリップ現象を防止することができ、さらにスリップしたアンモニアを浄化するために設置されるＳＣＲ触媒後段の酸化触媒も不要となり、装置を小型にすることが可能となる。
【００６２】
ここでは、アンモニアガス濃度を測定するためのセンサとして赤外線検出式ガスセンサ１０を用いることについて説明したが、上述の通り、バンドパスフィルタの透過波長帯を変えることでＮＯｘセンサとしてＮＯガスやＮＯ２ガスの濃度を算出するためのセンサとして用いることも可能であり、ＮＯｘガスの濃度に応じて尿素水の噴霧量を制御することが可能であり、このＮＯｘガスの濃度をもとに尿素水の噴霧量を制御することもできる。
【００６３】
また、このディーゼルエンジンは、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）が設けられ（図示せず）、燃料噴射の制御のために制御装置（ＥＣＵ）４２が配置されている。従って、尿素水の噴霧量を制御する制御装置（ＥＣＵ）４６は、この制御装置（ＥＣＵ）４２と共通化することもできる。
【００６４】
これによれば、上記の通り、当該排気ガス浄化装置４０を用いた排気ガス浄化方法によれば、エンジン４１の運転条件により刻々と変化する排気ガス中のＮＯｘ濃度の状態にリアルタイムに追随して高精度で尿素水の噴霧量を制御することで、ＮＯｘの浄化を行いつつ、アンモニアスリップ現象の発生を防止することができる。また、アンモニアスリップ現象防止のためにＳＣＲ触媒後段に設けていた酸化触媒も不要となり、装置全体を小型にすることができる。
【００６５】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００６６】
上記各実施形態では測定対象ガスとしてアンモニアガス、ＮＯガス及びＮＯ２ガスの濃度を測定する赤外線検知式ガスセンサを示したが、この発明は、例えばＣＯ、ＣＯ２、ＨＣガスなどのガス成分を検出する場合にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の赤外線検知式ガスセンサは、車両の排気ガス、車室内の雰囲気ガス及び工場におけるプラントなどのガス分析などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの要部構成断面図である。
【図２】検出素子の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【図３】アンモニアガスの赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。
【図４】ＮＯガスの赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１に係る赤外線検知式ガスセンサの変形例を示す要部構成断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る赤外線検知式ガスセンサの要部構成断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る赤外線検知式ガスセンサの変形例を示す要部構成断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３における排気ガス浄化装置を模式的に説明するための図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０ 赤外線検知式ガスセンサ
１１ ケース
１２ 光源
１３ コリメータレンズ
１４ バンドパスフィルタ
１５ 検出素子
１６ａ 導入部
１６ｂ 排出部
１７ａ 赤外線透過窓
１７ｂ 赤外線透過窓
２０ 基板
２１ａ 電極
２１ｂ 電極
２２ａ 熱電変換金属線
２２ａ 熱電変換金属線
２３ 赤外線吸収膜
２４ 空洞部
３１ 凹面鏡
３２ コリメータレンズ
４０ 排気ガス浄化装置
４１ エンジン
４２ 制御装置（ＥＣＵ）
４３ 酸化触媒
４４ 尿素水タンク
４５ 尿素水添加装置
４６ 制御装置（ＥＣＵ）
４７ ＳＣＲ触媒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を放出する光源と、
前記赤外線の受光により電気信号を発生するサーモパイル方式の検出素子と、
前記光源と前記検出素子との間に設けられた前記赤外線の特定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタと、を有する赤外線検知式ガスセンサであって、
前記検出素子の熱電変換部がＢｉＴｅを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項２】
前記光源と前記検出素子の間に集光部材をさらに備える、請求項１に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項３】
前記集光部材はレンズおよび凹面鏡のいずれか１つ以上で構成されている、請求項２に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項４】
前記バンドパスフィルタと前記レンズが一体として構成されている、請求項３に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項５】
前記レンズを形成する材料が硫化亜鉛である、請求項３または請求項４に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項６】
内燃機関の排気流路中に設けられ、該排気経路内の排気ガスに作用して該排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置であって、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外線検知式ガスセンサを備えることを特徴とする、排気ガス浄化装置。
【請求項７】
アンモニアを還元剤としたＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を備え、前記赤外線検知式ガスセンサが、前記ＳＣＲ触媒より下流側に設置された、請求項６に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１】
赤外線を放出する光源と、
前記赤外線の受光により電気信号を発生するサーモパイル方式の検出素子と、
前記光源と前記検出素子との間に設けられた前記赤外線の特定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタと、を有する赤外線検知式ガスセンサであって、
前記検出素子の熱電変換部がＢｉＴｅを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項２】
前記光源と前記検出素子の間に集光部材をさらに備える、請求項１に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項３】
前記集光部材はレンズおよび凹面鏡のいずれか１つ以上で構成されている、請求項２に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項４】
前記バンドパスフィルタと前記レンズが一体として構成されている、請求項３に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項５】
前記レンズを形成する材料が硫化亜鉛である、請求項３または請求項４に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
【請求項６】
内燃機関の排気流路中に設けられ、該排気経路内の排気ガスに作用して該排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置であって、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外線検知式ガスセンサを備えることを特徴とする、排気ガス浄化装置。
【請求項７】
アンモニアを還元剤としたＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を備え、前記赤外線検知式ガスセンサが、前記ＳＣＲ触媒より下流側に設置された、請求項６に記載の排気ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２２８４（Ｐ２０１０−２２８４Ａ）
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６１０７９（Ｐ２００８−１６１０７９）
【出願日】平成２０年６月２０日（２００８．６．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２０日（２００８．６．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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