JP2002350341A

JP2002350341A - 一酸化炭素濃度検出装置

Info

Publication number: JP2002350341A
Application number: JP2001157709A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shirakawa; 洋白川; Kazuo Yamashita; 和雄山下; Hideji Momotake; 秀治百武; Yuzuru Tamura; 譲田村
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2002-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】微量の一酸化炭素ガスであっても、検出濃度
の精度の向上を図った一酸化炭素濃度検出装置を提供す
る。【解決手段】一酸化炭素濃度検出装置１１は、検出対
象ガスの通路を形成する導波管２と、この通路内に赤外
光を照射する光源３と、この光源３から照射された光を
受光する受光手段及び受光した光の透過特性によって一
酸化炭素の濃度を検出する検出手段を備えた検出装置４
と、ＣＯの吸収帯に透過の窓を持つ第１狭帯域フィルタ
５１及び第２狭帯域フィルタ６１と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体中の一酸化炭
素の濃度を検出するための一酸化炭素濃度検出装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池を用いる自動車，バッテリー，
コジェネレーションシステム等においては、一酸化炭素
の濃度を検出する必要がある。

【０００３】例えば、電気自動車等の新しいエネルギー
源として期待されている固体高分子型燃料電池は低温動
作タイプである。従って、純水素の替わりにメタノール
やプロパンなどを改良した改良ガスを用いて発電する場
合には、改良ガス中に含まれる一酸化炭素（以下、ＣＯ
とする。）が問題となる。

【０００４】すなわち、ＣＯは電量電池を構成する電極
部の触媒への被毒作用があり、電池性能を低下させるた
め、通常は選択酸化（ＣＯ→ＣＯ₂）または還元（ＣＯ
＋３Ｈ₂→ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ）することにより、ＣＯ濃度を
１００ｐｐｍ以下にする必要がある。

【０００５】従って、このＣＯの濃度を制御する必要が
あるため、ガス中のＣＯ濃度を検出する必要がある。

【０００６】そして、ＣＯガス濃度を検出する場合に
は、従来、濃度検出対象ガスの通る通路に向けて赤外領
域の光を発生させる光源と、ＣＯガスの赤外吸収帯であ
る４．６μｍ帯に透過窓のあるフィルタ（以下、ＣＯ用
フィルタと称する）と、このＣＯ用フィルタを透過した
赤外線を検出する検出手段と、を備えた装置によって、
検出した赤外光の増減によってＣＯ濃度を検出してい
た。

【０００７】ここで、赤外領域の光を発生させる光源と
しては、タングステンランプを適用していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来技術の場合には、下記のような問題が生じて
いた。

【０００９】上述したＣＯガスの吸収帯（４．６μｍ）
近傍には、その低波長側には４．２４μｍ付近に中心波
長を持つＣＯ₂ガスの大きな吸収帯があり、また、高波
長側には４．８μｍ付近に中心波長を持つＣＯ₂ガスの
小さな吸収帯が存在する。

【００１０】また、上述した、改良ガス中には、雑ガス
として、２０％近くの二酸化炭素（以下、ＣＯ₂とす
る。）ガスも含まれる。

【００１１】従って、検出対象ガスの中にＣＯ₂が含ま
れている場合には、ＣＯフィルタの帯域は、ＣＯ₂吸収
域に重ならない必要がある。

【００１２】ここで、フィルタの特性として、角度依存
性があり、フィルタ面に対して垂直よりも角度をもって
入射する赤外線については、フィルタの透過域が低波長
側にシフトすることが分かっている。図１１は角度依存
性を示したもので、入射角がフィルタ面に対して垂直な
場合を入射角０°とし、垂直からの角度を入射角とし
て、入射角０°から入射角４５°までのいくつかについ
て、低波長側にフィルタの透過域がシフトする様子を示
している。

【００１３】従って、上述した４．６μｍ帯に透過の窓
のあるＣＯ用フィルタを用いた場合においては、このＣ
Ｏ用フィルタのフィルタ面に対して、ある入射角度（限
界角度θ）以上の赤外光が入射した場合には、透過域が
低波長側にシフトしてＣＯ₂の吸収域に重なってしまっ
ていた。

【００１４】なお、限界角度θとは、フィルタの透過域
の裾野が赤外線入射角の影響で低波長側へシフトした場
合に、ＣＯ₂の吸収域の裾野にぎりぎり重ならないとこ
ろまでシフトした場合の赤外線入射角を意味する。

【００１５】このように、ＣＯ用フィルタの透過域が低
波長側にシフトしても、ＣＯ₂の透過域に重ならないよ
うにするためには、角度依存性のシフト分を考慮した場
合で、透過域が重ならないように、ＣＯ用フィルタの透
過域を狭くすることが考えられる。

【００１６】しかし、フィルタの透過域を狭くするには
フィルタの製作上限界があり、ＣＯ用フィルタの透過域
を狭くするというだけで、ＣＯ₂の吸収域に重ならない
ようにすることはできなかった。なお、現在知られてい
るフィルタの透過域は中心波長４．６μｍ近辺の半値幅
は０．１３〜０．３３μｍ程度であり、所望の半値幅で
ある０．０５μｍ以下のものは存在していない。

【００１７】従って、ＣＯ₂の吸収域に重なってしまう
と、ＣＯ₂の吸収分も検知してしまうため、出力誤差を
生んでしまっていた。特に、ＣＯ濃度が低い場合には、
誤差が大きくなってしまっていた。

【００１８】また、光源にタングステンランプを適用す
る場合には、通常、バルブ材に鉛ガラスを使用するた
め、４μｍ以上の赤外光が鉛ガラスに吸収されてしまう
ため、赤外光の強度が小さくなり、ガス濃度に対する出
力電圧が微弱になるため、ＣＯ濃度が低い場合には誤差
が大きくなっていた。また、検出回路部分にかかる負担
が大きくなっていた。

【００１９】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、微量
の一酸化炭素ガスであっても、検出濃度の精度の向上を
図った一酸化炭素濃度検出装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の一酸化炭素濃度検出装置にあっては、一酸化
炭素と二酸化炭素を含む検出対象ガスの通路を形成する
導波管と、前記通路内に赤外光を照射する光源と、一酸
化炭素の吸収帯に透過の窓を持つ狭帯域フィルタと、前
記光源により照射され、前記狭帯域フィルタを透過した
光を受光する受光手段と、該受光手段によって受光した
光の透過特性によって一酸化炭素の濃度を検出する検出
手段と、を備えた一酸化炭素濃度検出装置において、前
記光源と前記受光手段との間に、前記狭帯域フィルタを
２枚配置することを特徴とする。

【００２１】従って、狭帯域フィルタを２枚配置するこ
とで、１枚の場合に比べて赤外光の透過領域を格段に狭
くすることができる。

【００２２】前記受光手段に向けて光を集光する集光手
段を設けると共に、該集光手段よりも光源側に１枚の狭
帯域フィルタを配置し、該集光手段よりも受光手段側に
１枚の狭帯域フィルタを配置するとよい。

【００２３】すなわち、集光手段においては、通常、光
が集光部に向けて屈折するため、集光手段よりも受光手
段側のフィルタに対して浅い角度で進入してしまう光が
生ずる。これにより、集光手段よりも光源側にフィルタ
がない場合には、所望の波長よりも低波長の光までもフ
ィルタを透過してしまう。

【００２４】これに対して、本発明の場合には、集光手
段よりも光源側にもフィルタを設けることにより、予め
所望の波長よりも低波長の光を遮断することができるた
め、集光手段による屈折による弊害を防止できる。

【００２５】前記狭帯域フィルタは、波長４．６μｍを
含む狭帯域に透過の窓を持つとよい。

【００２６】前記光源を球状のセラミックヒータとする
と共に、該セラミックヒータから照射された光のうち、
前記受光手段方向以外に放射された光を該受光手段に向
けて反射するリフレクタを備えるとよい。

【００２７】これにより、セラミックヒータから発せら
れた赤外光の強度分布をむらなく均一に照射することが
でき、また、赤外光の強度低下を防止できる。

【００２８】また、本発明の一酸化炭素濃度検出装置に
あっては、一酸化炭素と二酸化炭素を含む検出対象ガス
の通路を形成する導波管と、前記通路内に赤外光を照射
する光源と、一酸化炭素の吸収帯に透過の窓を持つ狭帯
域フィルタと、前記光源により照射され、前記狭帯域フ
ィルタを透過した光を受光する受光手段と、該受光手段
によって受光した光の透過特性によって一酸化炭素の濃
度を検出する検出手段と、を備えた一酸化炭素濃度検出
装置において、前記光源から照射された光のうち、前記
受光手段方向以外に放射された光を該受光手段に向けて
反射するリフレクタを備えることを特徴とする。

【００２９】従って、赤外光を効率良く利用できる。

【００３０】前記導波管内の通路を、略全域にわたって
前記光源から前記狭帯域フィルタに向かうにつれて通路
面積が徐々に狭くなる形状とするとよい。

【００３１】これにより、狭帯域フィルタに対して浅い
角度で進入する光を低減できる。

【００３２】前記受光手段に隣接して、リファレンスデ
ータを得るためのリファレンス受光手段及びリファレン
スフィルタを設けると共に、前記導波管内の通路を、前
記光源から前記狭帯域フィルタに向かうにつれて徐々に
通路面積が狭くなる第１通路と、前記光源から前記リフ
ァレンスフィルタに向かうにつれて徐々に通路面積が狭
くなる第２通路に分岐させるとよい。

【００３３】これにより、フィルタに対して浅い角度で
進入する光を、より一層低減できる。

【００３４】前記光源を球状のセラミックヒータとする
とよい。

【００３５】これにより、セラミックヒータから発せら
れた赤外光の強度分布をむらなく均一に照射することが
できる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００３７】（第１の実施の形態）図１，図９，図１０
及び図１３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係
る一酸化炭素濃度検出装置について説明する。図１は本
発明の第１の実施の形態に係る一酸化炭素濃度検出装置
の模式的断面図である。図９はフィルタ１枚の場合と２
枚の場合の赤外光透過特性を比較した図である。図１０
は図９におけるＣＯ ₂の吸収域との関係を示す図であ
る。図１３は従来利用したフィルタと本実施の形態で利
用するフィルタの透過特性を比較した図である。

【００３８】本実施の形態に係る一酸化炭素濃度検出装
置１１は、概略、検出対象ガスの通路を形成する導波管
２と、この通路内に赤外光を照射する光源３と、この光
源３から照射された光を受光する受光手段（受光素子）
及び受光した光の透過特性によって一酸化炭素（以下、
ＣＯと称する）の濃度を検出する検出手段を備えた検出
装置４と、ＣＯの吸収帯に透過の窓を持つ第１狭帯域フ
ィルタ５１及び第２狭帯域フィルタ６１と、を備える。

【００３９】導波管２は、検出対象ガスの入口２１と出
口２２を備えており、入口２１から導入した検出ガスを
通路に導き、出口２２から排出させる。通路の内周（導
波管内壁あるいは場合によってはミラーも含む）は、効
率良く赤外光を反射する必要があるため、光沢のある金
属面が望ましい。例えば、金，アルミニウムあるいはニ
ッケル等が好適であり、メッキ，蒸着あるいはスパッタ
リング等によって、これらを表面のみに設けるようにし
てもよい。

【００４０】ここで、検出対象ガスには、濃度を検出す
る対象であるＣＯの他に、雑ガスとして二酸化炭素（以
下、ＣＯ₂と称する）が含まれている。

【００４１】そして、ＣＯの赤外吸収は約４．６μｍに
現れるため、光源３としては、４．６μｍ付近の波長を
含む（〜５μｍ程度）赤外線を生ずるものであれば良
く、例えば、タングステン等をフィラメントに用いたラ
ンプ等が小さくて利用しやすい。

【００４２】検出装置４としては、量子型の光伝導型セ
ンサ，光起電力型センサ，熱型のサーモパイル，ボロメ
ータあるいは焦電センサなどを用いたものを好適に利用
可能である。

【００４３】第１狭帯域フィルタ５１及び第２狭帯域フ
ィルタ６１は、いずれも４．６±０．０９μｍ帯に透過
の窓をもつ狭帯域フィルタであり、図１３に示すように
従来用いていたフィルタ（４．４〜５．０μｍに透過の
窓を持つフィルタ）よりも狭帯域のものを用いた。

【００４４】以上のような構成により、光源３より発せ
られた赤外光は、導波管２内の通路を通って、第１狭帯
域フィルタ５１及び第２狭帯域フィルタ６１により４．
６±０．０９μｍ帯の光のみが透過し、この透過光を検
出装置４によって検出する。

【００４５】そして、導波管２内の通路内を通る検出対
象ガスのＣＯガス濃度によって、ＣＯガスによる赤外吸
収量が変化するため、検出装置４によって検出する透過
光の特性からＣＯ濃度を検出することができる。

【００４６】ここで、フィルタは従来に比べて狭帯域の
ものを利用したため、雑ガスとして含まれるＣＯ₂の赤
外吸収による誤差は減少するものの、上述したように、
フィルタに入射する赤外光の角度依存性によって、透過
域が低波長側にシフトする場合にはＣＯ₂による誤差は
依然として大きい。

【００４７】そこで、本発明の実施の形態では、第１狭
帯域フィルタ５１及び第２狭帯域フィルタ６１の２枚の
フィルタを用いることで、透過域を格段に狭くすること
を可能とし、ＣＯ₂の赤外吸収による誤差をほとんどな
くすことが可能となった。

【００４８】図９は、４．６±０．０９μｍ帯に透過の
窓をもつ狭帯域フィルタを１枚のみ用いた場合と、２枚
用いた場合を比較したものを示している。図から明らか
なように、２枚用いた場合には、１枚の場合と比較し
て、格段に透過域を格段に狭くすることが可能となり、
低波長側への裾野を０．０５μｍ程度狭くすることがで
きた。これは、２枚用いることで、透過率を単一の場合
の透過率に比べてほぼ２乗にすることができるからであ
る。

【００４９】従って、図１０に示すように、４．６±
０．０９μｍ帯に透過の窓をもつ狭帯域フィルタを１枚
のみ用いた場合には、ＣＯ₂の吸収域と重なってしまう
部分が生じ、また、透過域が低波長側にシフトした場合
には大きな誤差が生じるおそれがある。

【００５０】これに対して、図１０に示すように、４．
６±０．０９μｍ帯に透過の窓をもつ狭帯域フィルタを
２枚用いた場合には、ＣＯ₂の吸収域と重なる部分はな
く、透過域が低波長側にシフトした場合でも誤差は無視
できる程度で済む。

【００５１】このようにＣＯ２の影響を大幅に低減する
ことが可能となったため、ＣＯガスが微量であった場合
でも、ＣＯガスの濃度を精度良く検出することが可能と
なった。

【００５２】なお、これまで説明した図１に示す一酸化
炭素濃度検出装置１１のより具体的な例としては、光源
３にタングステンランプを用い、検出装置４として狭帯
域フィルタ（第２狭帯域フィルタ６１）が備えられたサ
ーモパイルを用い、導波管２は銅パイプの内面を研磨し
たものに、ニッケル，金を光沢メッキしたものを用い、
ランプとサーモパイルを対向配置させる構成のものが挙
げられる。

【００５３】（第２の実施の形態）図２には、第２の実
施の形態が示されている。本実施の形態では、集光ホル
ダを設けて赤外光の効率向上を図った構成とする場合を
示す。

【００５４】その他の構成および作用については第１の
実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同
一の符号を付して、その説明は省略する。

【００５５】図２は本発明の第２の実施の形態に係る一
酸化炭素濃度検出装置の模式的断面図である。

【００５６】本実施の形態に係る一酸化炭素濃度検出装
置１２は、図２に示すように集光手段としての集光ホル
ダ７１を設けることによって、赤外光を集光して、第１
狭帯域フィルタ５２及び第２狭帯域フィルタ６２を透過
させた後に、検出装置４によって検出させるようにし
た。

【００５７】これにより検出装置４に入射させる赤外線
量を向上させることができ、光源３から発せられる赤外
光の効率を向上させることが可能となる。

【００５８】（第３の実施の形態）図３には、第３の実
施の形態が示されている。本実施の形態では、第１狭帯
域フィルタを集光ホルダよりも光源側に設けて、第２狭
帯域フィルタを集光ホルダよりも検出装置側に設ける構
成とする場合を示す。

【００５９】その他の構成および作用については第２の
実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同
一の符号を付して、その説明は省略する。

【００６０】図３は本発明の第３の実施の形態に係る一
酸化炭素濃度検出装置の模式的断面図である。

【００６１】本実施の形態に係る一酸化炭素濃度検出装
置１５は、図３に示すように、集光ホルダ７１よりも光
源３側に第１狭帯域フィルタ５５を設け、集光ホルダ７
１よりも検出装置４側に第２狭帯域フィルタ６５を設け
る構成とした。

【００６２】この利点について、上述した第２の実施の
形態の場合の構成と比較して、図８を参照して説明す
る。図８は図２及び図３の一部拡大図である。なお、左
側に図３の一部拡大図を示し、右側に図２の一部拡大図
を示している。

【００６３】集光ホルダ７１は、検出装置４に設けられ
た不図示の受光手段（受光素子など）方向への軌道から
外れた赤外光を反射させて屈折させることによって、受
光手段に集光するものである。

【００６４】従って、直接受光手段に受光した光に対し
て、集光ホルダ７１によって反射されて受光手段に導か
れる光は浅い角度で入射されることになる。

【００６５】ここで、上記第２の実施の形態の構成の場
合には、集光ホルダ７１よりも検出装置４側に第１狭帯
域フィルタ５２及び第２狭帯域フィルタ６２が設けられ
ている。

【００６６】従って、垂直に近い状態で入射したのであ
れば、第１狭帯域フィルタ５２及び第２狭帯域フィルタ
６２によって遮断されるのに対して、集光ホルダ７１よ
り屈折されることで第１狭帯域フィルタ５２及び第２狭
帯域フィルタ６２を透過する場合が生ずる。

【００６７】例えば、波長λ＝４．５μｍの赤外光が入
射された場合に、図１１に示すように入射角が０°であ
れば、第１狭帯域フィルタ５２及び第２狭帯域フィルタ
６２によって遮断され、透過されない。

【００６８】しかし、図８の右図に示すように、集光ホ
ルダ７１により波長λ＝４．５μｍの赤外光が屈折して
入射角が４５°程度で入射した場合には、図１１に示す
ように、第１狭帯域フィルタ５２及び第２狭帯域フィル
タ６２を透過することになる。

【００６９】従って、ＣＯ₂による誤差の影響を多少受
けてしまうおそれがある。

【００７０】これに対して、第３の実施の形態では、集
光ホルダ７１よりも光源３側に第１狭帯域フィルタ５５
を設けているので、集光ホルダ７１に進入する前に予め
フィルタをかけることになる。

【００７１】従って、波長λ＝４．５μｍの赤外光は第
１狭帯域フィルタ５５によって遮断されるため、集光ホ
ルダ７１による悪影響を防止することが可能となる。

【００７２】（第４の実施の形態）図４，図１２，図１
４及び図１５には、第４の実施の形態が示されている。
本実施の形態では、リファレンスデータを得るための構
成を追加した場合の構成を示す。

【００７３】その他の構成および作用については第３の
実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同
一の符号を付して、その説明は省略する。

【００７４】図４は本発明の第４の実施の形態に係る一
酸化炭素濃度検出装置の模式的断面図である。図１２は
本発明の第４の実施の形態に係る一酸化炭素濃度検出装
置における演算回路図である。図１４及び図１５はリフ
ァレンス機能の説明図である。

【００７５】図４に示すように、本実施の形態に係る一
酸化炭素濃度検出装置１６は、上記第３の実施の形態の
場合と同様に、第１集光ホルダ７２よりも光源３側に第
１狭帯域フィルタ５６を設け、第１集光ホルダ７２より
も検出装置４側に第２狭帯域フィルタ６６ａを設けてい
る。

【００７６】また、これらに隣接して、更に第２集光ホ
ルダ７３を設け、この第２集光ホルダ７３よりも検出装
置４側にはリファレンスフィルタ（リファレンス用の基
準バンドパスフィルタ）６６ｂを設ける構成とした。

【００７７】このリファレンスフィルタ６６ｂは、ＣＯ
の吸収帯及びＣＯ₂の吸収帯とは重ならない領域におけ
る波長帯域の赤外光を選択的に透過するフィルタであ
り、例えば、約３．８５〜４．０５μｍに透過の窓を持
つフィルタを好適に用いることができる。

【００７８】また、検出装置４は、このリファレンスフ
ィルタ６６ｂを透過した光によってリファレンスデータ
を得ることができる。

【００７９】ただし、赤外光の透過特性を検出するため
の装置と、リファレンスデータを得るための装置は別個
独立に設けても良いことはいうまでもない。

【００８０】このように、本実施の形態では、リファレ
ンスデータを得ることができる構成としたことにより、
光源３による光量変動（経時的な劣化による光量の低下
等）や雰囲気温度の変化による出力変動を補償すること
が可能となる。

【００８１】この点について、図１２，図１４及び図１
５を参照して詳しく説明する。

【００８２】演算回路については、図１２に示すよう
に、差動回路と加算器を備えている。そして、第１集光
ホルダ７２側の、第１狭帯域フィルタ５６及び第２狭帯
域フィルタ６６ａを透過した透過光のデータがＣＯ信号
として差動回路に入力され、また、第２集光ホルダ７３
側の、リファレンスフィルタ６６ｂを透過した透過光の
データ（リファレンスデータ）がリファレンス信号とし
て差動回路に入力される。

【００８３】そして、これら双方の出力差に比例する信
号を出力して加算器に送られる。この加算器には、検出
器に内蔵されている不図示のサーミスタからの演算後の
信号も入力されており、差動回路から送られた信号を加
算して出力する。

【００８４】従って、光源３の劣化や導波管２内の汚れ
による反射率の低下等によって光量が変動した場合に
は、ＣＯ信号とリファレンス信号の双方に影響があるが
影響の度合いは等しい。

【００８５】この場合に、差動回路はＣＯ信号とリファ
レンス信号の差に比例する信号を出力するため、光量変
動による影響をなくすことができ、光量変動を補償する
ことが可能となる。

【００８６】また、加算器は差動回路の出力とサーミス
タ出力との差に比例する信号を出力するため、同様に、
雰囲気温度による影響をなくすことができ、雰囲気温度
の変動を補償することができる。

【００８７】光量変動の補償について、図１４及び図１
５を参照して、更に、具体的な例を説明する。

【００８８】本実施の形態の演算回路を用いる場合に
は、図１４に示すように、ＣＯ出力とリファレンス出力
の差をセンサの出力としている。ここで、ＣＯ出力はＣ
Ｏ濃度に応じて変化するデータであるのに対して、リフ
ァレンス出力はＣＯ濃度に変化されないデータである。

【００８９】従って、図１４（ａ）に示すように、ＣＯ
濃度が一律に増加する範囲において、ＣＯ出力が８０か
ら５０まで直線的に変化するものとした場合に、リファ
レンス出力が３０であるとすれば、図１４（ｂ）に示す
ように、センサの出力は５０から０まで直線的に変化す
るデータが得られる。

【００９０】そして、光量が低下した場合を考えると、
ＣＯ出力とリファレンス出力はそれぞれ同じ比率で出力
も低下することになり、図１５（ａ）に示すように、Ｃ
Ｏ濃度が一律に増加する範囲において、ＣＯ出力が７０
から４０まで直線的に変化するものとした場合に、リフ
ァレンス出力は４０となり、図１５（ｂ）に示すよう
に、センサの出力は５０から０まで直線的に変化するデ
ータが得られる。

【００９１】従って、これは上記図１４（ｂ）と同じデ
ータとなり、結局、光量変動には影響されないことが分
かる。

【００９２】（第５の実施の形態）図５には、第５の実
施の形態が示されている。本実施の形態では、上記第１
の実施の形態における配置構成において、第１狭帯域フ
ィルタを光源の近傍に配置した構成とする場合を示す。

【００９３】その他の構成および作用については第１の
実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同
一の符号を付して、その説明は省略する。

【００９４】図５は本発明の第５の実施の形態に係る一
酸化炭素濃度検出装置の模式的断面図である。

【００９５】本実施の形態に係る一酸化炭素濃度検出装
置１３は、第１狭帯域フィルタ５３を光源３の近傍に配
置して、第２狭帯域フィルタ６３は、上記第１の実施の
形態の場合と同様に、検出装置４に隣接して配置した。

【００９６】本実施の形態の場合には、光源３から照射
された赤外光は第１狭帯域フィルタ５３を透過した後
に、検出対象ガスの通路を通って、その後、第２狭帯域
フィルタ６３を透過して、検出装置４によって検出され
ることになる。

【００９７】本実施の形態の場合も、基本的には、配置
構成が上記第１の実施の形態と異なるのみで、作用や効
果については上記第１の実施の形態の場合と同様であ
る。

【００９８】（第６の実施の形態）図６には、第６の実
施の形態が示されている。本実施の形態では、上記第３
の実施の形態における配置構成において、第１狭帯域フ
ィルタを光源の近傍に配置した構成とする場合を示す。

【００９９】その他の構成および作用については第３の
実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同
一の符号を付して、その説明は省略する。

【０１００】図６は本発明の第６の実施の形態に係る一
酸化炭素濃度検出装置の模式的断面図である。

【０１０１】本実施の形態に係る一酸化炭素濃度検出装
置１４は、第１狭帯域フィルタ５４を光源３の近傍に配
置して、第２狭帯域フィルタ６４は、上記第２の実施の
形態の場合と同様に、検出装置４に隣接して配置した。

【０１０２】本実施の形態の場合には、光源３から照射
された赤外光は第１狭帯域フィルタ５４を透過した後
に、検出対象ガスの通路を通って、その後、第２狭帯域
フィルタ６４を透過して、検出装置４によって検出され
ることになる。

【０１０３】本実施の形態の場合も、基本的には、配置
構成が上記第３の実施の形態と異なるのみで、作用や効
果については上記第３の実施の形態の場合と同様であ
る。

【０１０４】（第７の実施の形態）図７には、第７の実
施の形態が示されている。本実施の形態では、上記第４
の実施の形態における配置構成において、第１狭帯域フ
ィルタを光源の近傍に配置した構成とする場合を示す。

【０１０５】その他の構成および作用については第４の
実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同
一の符号を付して、その説明は省略する。

【０１０６】図７は本発明の第７の実施の形態に係る一
酸化炭素濃度検出装置の模式的断面図である。

【０１０７】本実施の形態に係る一酸化炭素濃度検出装
置１７は、第１狭帯域フィルタ５７を光源３の近傍に配
置して、第２狭帯域フィルタ６７ａ及びリファレンスフ
ィルタ６７ｂは、上記第４の実施の形態の場合と同様
に、検出装置４に隣接して配置した。

【０１０８】本実施の形態の場合には、光源３から照射
された赤外光は第１狭帯域フィルタ５７を透過した後
に、検出対象ガスの通路を通って、その後、第２狭帯域
フィルタ６７ａ及びリファレンスフィルタ６７ｂを透過
して、検出装置４によって検出されることになる。

【０１０９】本実施の形態の場合も、基本的には、配置
構成が上記第４の実施の形態と異なるのみで、作用や効
果については上記第４の実施の形態の場合と同様であ
る。

【０１１０】（第８の実施の形態）図１６は本発明の第
８の実施の形態に係る一酸化炭素濃度検出装置の模式的
断面図である。

【０１１１】図示のように、本実施の形態に係る一酸化
炭素濃度検出装置１８は、概略、入口２１と出口２２を
有する検出対象ガスの通路を形成する導波管２と、この
通路内に赤外光を照射する光源３１と、この光源３１か
ら照射された光を受光する受光手段としての第１受光素
子４１及び第２受光素子４２と、受光した光の透過特性
によってＣＯの濃度を検出する検出手段を備えた検出装
置と、ＣＯの吸収帯に透過の窓を持つ狭帯域フィルタ５
８と、を備える。

【０１１２】また、第１受光素子４１に集光する集光ホ
ルダ７２と第２受光素子４２に集光する集光ホルダ７３
を備えている。

【０１１３】なお、第１受光素子４１はＣＯ信号を得る
ためのものであり、第２受光素子４２はリファレンスデ
ータを得るためのものである。

【０１１４】基本的な構成及び動作，ＣＯ濃度の検出動
作及びリファレンスデータを利用するための動作等につ
いては上述の通りであるので、ここではその説明は省略
する。

【０１１５】そして、本実施の形態においては、光源３
１から照射された赤外光のうち、第１受光素子４１及び
第２受光素子４２の方向以外に放射された光を、これら
第１受光素子４１及び第２受光素子４２に向けて反射す
るリフレクタ２３を備える構成とした。

【０１１６】これにより、光源３１から照射された赤外
光を効率良く利用することができ、ＣＯ濃度が低い場合
でも、精度良くＣＯ濃度を検出することが可能となる。

【０１１７】（第９の実施の形態）図１７及び図１８に
は、第９の実施の形態が示されている。本実施の形態で
は、上記第８の実施の形態において、通路の形状を変え
た構成とする場合を示す。

【０１１８】その他の構成および作用については第８の
実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同
一の符号を付して、その説明は省略する。

【０１１９】図１７は本発明の第９の実施の形態に係る
一酸化炭素濃度検出装置の模式的断面図である。図１８
は、図１７において左側から右側に向けて通路の構成を
透視した透視図である。

【０１２０】上述のように、集光ホルダを用いた場合に
は、狭帯域フィルタへの入射光の入射角度が浅くなるた
め、透過特性が低波長側にシフトとしてしまう。

【０１２１】そこで、本実施の形態では、導波管内の通
路を、略全域にわたって光源から狭帯域フィルタに向か
うにつれて通路面積が徐々に狭くなる形状とすることに
より、狭帯域フィルタに対して浅い入射角度で入射する
ことを低減する構成とした。

【０１２２】また、本実施の形態では、ＣＯ信号を得る
ための第１受光素子４１と、リファレンス信号を得るた
めの第２受光素子４２を設けており、これらに対してそ
れぞれ通路を設けることで、より一層、狭帯域フィルタ
に対して浅い入射角度で入射することを低減することを
可能とした。

【０１２３】つまり、図１７及び図１８に示すように、
本実施の形態では、狭帯域フィルタ５８及び第１受光素
子４１に向かう第１通路２４と、リファレンスフィルタ
及び第２受光素子４２に向かう第２通路２５とをそれぞ
れ設けた。

【０１２４】そして、これらはそれぞれリフレクタ２３
側の断面形状を楕円形状として、各受光素子の直前では
楕円形状部の短径よりも短い直径を有する円形状となる
ように構成した。

【０１２５】このようにして、図１７に示すように、各
通路においては、徐々にフィルタに向かって通路断面積
を小さくするような傾斜面を備えるように構成した。

【０１２６】以上のような構成とすることで、各フィル
タに対して浅い角度で入射することを低減することが可
能となり、透過特性が低波長側にシフトすることを抑え
ることができ、ＣＯ₂の影響を低減することが可能とな
った。

【０１２７】（第１０の実施の形態）図１９〜図２３に
は、第１０の実施の形態が示されている。本実施の形態
では、上記各実施の形態において、光源として、球状の
セラミックヒータを適用する場合を示す。

【０１２８】その他の構成等は、上記各実施の形態を適
用すればよいので、その説明は省略する。

【０１２９】図１９は本発明の第１０の実施の形態に係
る一酸化炭素濃度検出装置における光源部の模式図（側
面図）であり、図２０はタングステンランプを用いる場
合の模式図であり、図２１は本発明の第１０の実施の形
態に係る一酸化炭素濃度検出装置における光源部の模式
図であり、図２２はタングステンランプとコージライト
セラミック光源のＦＴ／ＩＲによる赤外相対強度を示す
図であり、図２３は球状のセラミックヒータを適用する
効果について説明する説明図である。

【０１３０】ＣＯ濃度が低濃度である場合に、ＣＯ濃度
を精度良く検出するためには、上述のようにＣＯ₂の影
響を低減させることも必要であるが、赤外光を効率良く
利用することも重要である。

【０１３１】この場合に、上記第８の実施の形態のよう
にリフレクタを用いることで、ある程度赤外光を効率良
く用いることができるものの、短にリフレクタを用いる
のみでは未だ不十分である。

【０１３２】そこで、本実施の形態では、これまで説明
した各実施の形態において、更に、赤外光を効率良く利
用可能として、低濃度の場合でも、更に、精度良くＣＯ
濃度の検出を可能とする構成を示す。

【０１３３】図２１に示すように、本実施の形態では、
光源として球状のセラミックヒータ３２を用い、また、
セラミックヒータ３２から放射された光を全てフィルタ
側に反射させるためのリフレクタ２６を設ける。

【０１３４】セラミックヒータ３２の具体例としては、
コージライト（２Ｍｇ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）及び
コージライトに６０％−ＭｎＯ₂・２０％−Ｆｅ₂Ｏ₃・
１０％−ＣｏＯ・１０％−ＣｕＯを３０％添加したもの
等のセラミックヒータ材が好適に利用できる。

【０１３５】そして、このようなセラミックヒータ材
を、鉄クロムやニクロム等の電熱線のフィラメントを中
心として、球状に焼結された形状を持つようにした。

【０１３６】このような球状のセラミックヒータ３２
は、図２２に示すように、タングステンランプに比べて
赤外強度が大きくなるため、ＣＯ吸収が増加し、低濃度
ＣＯガスの濃度検出精度が向上した。

【０１３７】また、形状を球状としたことにより、リフ
レクタの反射が均一化し、センサ出力のばらつきを低減
することが可能となる。

【０１３８】この点について、図２３を参照して更に詳
しく説明する。

【０１３９】一般的に、図２３（ａ）に示すように、ラ
ンプから放射された赤外光は、全方位に放射される。こ
の場合に、リフレクタなどを設けていなければ受光手段
に向かって放射された光のみが受光されるため、ＣＯ吸
収は少なくなり、低濃度のＣＯの場合には精度が悪くな
る。

【０１４０】従って、図２３（ｂ）に示すように、リフ
レクタ（反射鏡）を設けることで、ほぼ全ての放射光を
受光手段によって受光させることが可能となる。

【０１４１】しかしながら、リフレクタは、通常、点光
源をもとに設計するため、タングステンランプ等を用い
た場合には、コイル状のフィラメントの複雑な形状（図
２０，図２３（ｃ）参照）によって放射される光の強度
分布が一様でないために、リフレクタによって反射させ
た光の強度分布にむらが生じてしまう。

【０１４２】これによって、受光時に強度のむらが生じ
るため、これが誤差となり検知精度を低下させる原因と
なってしまう。

【０１４３】これに対して、球状のセラミックヒータを
用いる場合には、図２３（ｅ）に示すように、点光源と
して扱うことができる。

【０１４４】従って、図２３（ｄ）に示すように、リフ
レクタによって反射させた光の強度分布を一様にするこ
とが可能となる。

【０１４５】以上のように、球状のセラミックヒータと
リフレクタを用いることで、光の強度の向上を図りつ
つ、光の強度分布を均一にすることができ、低濃度のＣ
Ｏの場合でも精度良く濃度を検出することが可能となっ
た。

【０１４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、微量の
一酸化炭素ガスであっても、検出濃度の精度の向上を図
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る一酸化炭素濃
度検出装置の模式的断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る一酸化炭素濃
度検出装置の模式的断面図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る一酸化炭素濃
度検出装置の模式的断面図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態に係る一酸化炭素濃
度検出装置の模式的断面図である。

【図５】本発明の第５の実施の形態に係る一酸化炭素濃
度検出装置の模式的断面図である。

【図６】本発明の第６の実施の形態に係る一酸化炭素濃
度検出装置の模式的断面図である。

【図７】本発明の第７の実施の形態に係る一酸化炭素濃
度検出装置の模式的断面図である。

【図８】図２及び図３の一部拡大図である。

【図９】フィルタ１枚の場合と２枚の場合の赤外光透過
特性を比較した図である。

【図１０】図９におけるＣＯ₂の吸収域との関係を示す
図である。

【図１１】フィルタに対する入射角度の角度依存性を示
したものである。

【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る一酸化炭素
濃度検出装置における演算回路図である。

【図１３】従来利用したフィルタと本実施の形態で利用
するフィルタの透過特性を比較した図である。

【図１４】リファレンス機能の説明図である。

【図１５】リファレンス機能の説明図である。

【図１６】本発明の第８の実施の形態に係る一酸化炭素
濃度検出装置の模式的断面図である。

【図１７】本発明の第９の実施の形態に係る一酸化炭素
濃度検出装置の模式的断面図である。

【図１８】図１７において左側から右側に向けて通路の
構成を透視した透視図である。

【図１９】本発明の第１０の実施の形態に係る一酸化炭
素濃度検出装置における光源部の模式図（側面図）であ
る。

【図２０】タングステンランプを用いる場合の模式図で
ある。

【図２１】本発明の第１０の実施の形態に係る一酸化炭
素濃度検出装置における光源部の模式図である。

【図２２】タングステンランプとコージライトセラミッ
ク光源のＦＴ／ＩＲによる赤外相対強度を示す図であ
る。

【図２３】球状のセラミックヒータを適用する効果につ
いて説明する説明図である。

【符号の説明】

１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１
９一酸化炭素濃度検出装置２導波管２１入口２２出口２３リフレクタ２４第１通路２５第２通路２６リフレクタ３，３１光源３２セラミックヒータ４検出装置４１第１受光素子４２第２受光素子５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７第１狭帯
域フィルタ５８狭帯域フィルタ６１，６２，６３，６４，６５，６６ａ第２狭帯域フ
ィルタ６６ｂ，６７ｂリファレンスフィルタ７１，７２，７３集光ホルダ

フロントページの続き (72)発明者百武秀治神奈川県藤沢市辻堂新町４丁目３番１号エヌオーケー株式会社内 (72)発明者田村譲神奈川県藤沢市辻堂新町４丁目３番１号エヌオーケー株式会社内Ｆターム(参考） 2G057 AA01 AB02 AB06 AC03 BA01 GA00 2G059 AA01 BB01 CC04 DD12 DD13 DD15 EE01 GG10 HH01 JJ02 JJ03 JJ14 KK01 KK09 LL02 MM01 NN02 NN05 NN07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一酸化炭素と二酸化炭素を含む検出対象ガ
スの通路を形成する導波管と、前記通路内に赤外光を照射する光源と、一酸化炭素の吸収帯に透過の窓を持つ狭帯域フィルタ
と、前記光源により照射され、前記狭帯域フィルタを透過し
た光を受光する受光手段と、該受光手段によって受光した光の透過特性によって一酸
化炭素の濃度を検出する検出手段と、を備えた一酸化炭
素濃度検出装置において、前記光源と前記受光手段との間に、前記狭帯域フィルタ
を２枚配置することを特徴とする一酸化炭素濃度検出装
置。
【請求項２】前記受光手段に向けて光を集光する集光手
段を設けると共に、該集光手段よりも光源側に１枚の狭帯域フィルタを配置
し、該集光手段よりも受光手段側に１枚の狭帯域フィル
タを配置することを特徴とする請求項１に記載の一酸化
炭素濃度検出装置。
【請求項３】前記狭帯域フィルタは、波長４．６μｍを
含む狭帯域に透過の窓を持つことを特徴とする請求項１
または２に記載の一酸化炭素濃度検出装置。
【請求項４】前記光源を球状のセラミックヒータとする
と共に、該セラミックヒータから照射された光のうち、前記受光
手段方向以外に放射された光を該受光手段に向けて反射
するリフレクタを備えることを特徴とする請求項１，２
または３に記載の一酸化炭素濃度検出装置。
【請求項５】一酸化炭素と二酸化炭素を含む検出対象ガ
スの通路を形成する導波管と、前記通路内に赤外光を照射する光源と、一酸化炭素の吸収帯に透過の窓を持つ狭帯域フィルタ
と、前記光源により照射され、前記狭帯域フィルタを透過し
た光を受光する受光手段と、該受光手段によって受光した光の透過特性によって一酸
化炭素の濃度を検出する検出手段と、を備えた一酸化炭
素濃度検出装置において、前記光源から照射された光のうち、前記受光手段方向以
外に放射された光を該受光手段に向けて反射するリフレ
クタを備えることを特徴とする一酸化炭素濃度検出装
置。
【請求項６】前記導波管内の通路を、略全域にわたって
前記光源から前記狭帯域フィルタに向かうにつれて通路
面積が徐々に狭くなる形状とすることを特徴とする請求
項５に記載の一酸化炭素濃度検出装置。
【請求項７】前記受光手段に隣接して、リファレンスデ
ータを得るためのリファレンス受光手段及びリファレン
スフィルタを設けると共に、前記導波管内の通路を、前記光源から前記狭帯域フィル
タに向かうにつれて徐々に通路面積が狭くなる第１通路
と、前記光源から前記リファレンスフィルタに向かうに
つれて徐々に通路面積が狭くなる第２通路に分岐させる
ことを特徴とする請求項６に記載の一酸化炭素濃度検出
装置。
【請求項８】前記光源を球状のセラミックヒータとする
ことを特徴とする請求項５，６または７に記載の一酸化
炭素濃度検出装置。