JP2007333567A - 多重反射型セルおよび赤外線式ガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】 必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができるものでありながら、小型のものとして構成することができる多重反射型セルおよびこの多重反射型セルを備え、所期のガス検知を確実に行うことのできる小型の赤外線式ガス検知器を提供すること。
【解決手段】 多重反射型セルは、内部に測定室を有するセル本体を備え、当該測定室内の一端および他端において反射面が互いに対向状態で配置された２つの球面反射鏡と、測定室内の一端に配置された赤外線光源および赤外センサとを有し、２つの球面反射鏡の離間する方向に沿って延びる平面状の反射面と前記球面反射鏡の反射面とによって多重反射構造が形成されてなり、赤外線光源および赤外センサが共通の保持部材によって保持されていると共に、当該保持部材と一端側に配置される球面反射鏡とが一体に固定されている。赤外線式ガス検知器は、上記多重反射型セルを備えてなる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、多重反射型セルおよび当該多重反射型セルを備えた赤外線式ガス検知器に関する。

現在、例えば赤外線が検知対象ガス（特定ガス成分）によって吸収されることによる赤外線量の減衰の程度に応じてガス濃度を検出する、非分散型赤外線吸収法を利用した赤外線式ガス検知器が多数提案されている。
このような赤外線式ガス検知器においては、ガス検知が行われる対象となる、例えば環境雰囲気の空気などの被検ガスが導入されるガスセル内における赤外光の光路長が大きくなるに従って、低濃度域の特定ガス成分に対して高い感度が得られることが知られている。

従来より、ガスセルの容積を大幅に増大させることなしに、限られた空間内で必要とされる十分な大きさの光路長を得るための手段として、いわゆる『ホワイトセル』の原理を利用したものなどの多重反射型セルが広く利用されている。
このような多重反射型セルとしては、例えば曲率半径の大きさが互いに等しい３つの凹面反射鏡を用い、一の凹面反射鏡をガスセル本体内の一端側に配置し、他の２つの凹面反射鏡をその曲率中心の位置が一の凹面反射鏡の反射面上に位置された状態でガスセル本体内の他端側に配置された構成のもの（例えば特許文献１参照）や、一の凹面鏡と一の平面鏡を用い、凹面鏡の曲率中心が平面鏡の反射面上に位置された構成のもの（例えば特許文献２参照）などが知られている。

特開平０９−０４９７９３号公報 特開２０００−０１９１０８号公報

しかしながら、例えば特許文献１および特許文献２に開示されている凹面鏡を利用した多重反射型セルにおいては、（イ）凹面鏡の設置（組配）に高い精度が要求されて作製が困難であること、また、（ロ）必要な大きさの光路長を得るために、反射回数の設定を変更すると、凹面鏡の形状等の大幅な設計変更が必要となること、さらに、多重反射型セルそれ自体が概して大型のものとなってしまうこと、などの問題がある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、必要とされる十分な大きさの光路長を得ることができ、しかも、小型のものとして構成することができる多重反射型セルを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、上記多重反射型セルを備え、所期のガス検知を確実に行うことのできる小型の赤外線式ガス検知器を提供することにある。

本発明の多重反射型セルは、内部に測定室を有するセル本体を備え、当該測定室内の一端および他端において、反射面が互いに対向状態で配置された２つの球面反射鏡と、測定室内の一端に配置された赤外線光源および赤外センサとを有し、２つの球面反射鏡の球面反射面と当該２つの球面反射鏡の離間する方向に沿って延びる平面状の反射面とによって多重反射構造が形成されてなり、
赤外線光源および赤外センサが共通の保持部材によって保持されていると共に、当該保持部材と一端側に配置される球面反射鏡とが一体に固定されていることを特徴とする。

本発明の多重反射型セルにおいては、２つの球面反射鏡が、互いに同一の大きさの曲率半径を有するものであり、一端側に配置される球面反射鏡の曲率中心位置が平面状の反射面上に位置されると共に他端側に配置される球面反射鏡の曲率中心位置が一端側に配置される球面反射鏡の球面反射面上に位置された状態で、配置された構成とすることができる。

また、本発明の多重反射型セルにおいては、セル本体が断面形状が矩形枠状の細長い形態を有するものであり、平面状の反射面がセル本体の内壁面によって構成されたものとすることができる。

さらに、本発明の多重反射型セルにおいては、測定室内の一端側に配置される球面反射鏡は、球面反射面を形成する反射機能部が、当該球面反射鏡をセル本体に対して固定するための基材部と一体成型されてなるものであり、基材部には、赤外線光源および赤外センサを測定室内に露出させる開口部が並んで形成された構成とすることができる。

本発明の赤外線式ガス検知器は、上記の多重反射型セルにより構成されたガス検知部を備えてなることを特徴とする。

本発明の多重反射型セルによれば、２つの球面反射鏡における球面反射面と平面状の反射面とによって特定の多重反射構造が形成されていることにより、平面状の反射面の作用によって、従来のホワイトセルの原理を利用したものにおいて形成されるべきものと同等の大きさの光路が２つの球面反射鏡の各々の反射面間に形成されるので、必要とされる十分な大きさの光路長が得られる構成のものでありながら、多重反射型セルそれ自体を容積が大幅に小型化されたものとして構成することができる。
しかも、赤外線光源および赤外センサが共通の保持部材によって保持されて測定室内に配置されると共に当該保持部材と測定室内の一端側に配置される球面反射鏡とが一体に固定されていることにより、必要な構成部材を合理的に配置することができるので、多重反射型セルを一層小型のものとして構成することができることに加え、赤外線光源および赤外センサがセル本体と別個に設けられた構成のものであれば、当該赤外線光源および赤外センサが配置される空間中の雰囲気ガスによる影響を受けやすい、という問題があるが、本発明の多重反射型セルによれば、赤外線光源および赤外センサが測定室内に配置されていることにより、外乱要素を排除することができるので、高い精度でガス検知を行うことができる。

また、セル本体の内壁面によって平面反射面が構成されていることにより、所定の多重反射構造を得るために調整が必要とされる構成部材が２つの球面反射鏡のみであり、当該２つの球面反射鏡を焦点の位置を一致させた状態で配置しさえすればよいので、光路の制御が容易であると共に複雑な（煩雑な）光学調整が不要であり、個体差やロット差を生じさせることなしに、所期の機能を有するものを容易に作製することができる。

上記多重反射型セルを備えてなる本発明の赤外線式ガス検知器によれば、装置全体の小型化を図ることができると共に、所期のガス検知を高い信頼性をもって行うことができ、しかも、多重反射型セルそれ自体が小型のものであることにより、ガスの置換が速やかに行われて高い応答性を得ることができる。

図１は、本発明の赤外線式ガス検知器の一例における構成の概略を示す平面図、図２は、図１に示す赤外線式ガス検知器の側面図、図３は、図１に示す赤外線式ガス検知器の、測定室を構成する壁部を除いた状態で示す正面図、図４は、図１に示す赤外線式ガス検知器の断面図、図５は、図１に示す赤外線式ガス検知器におけるガス検知部の分解図、図６は、セル本体内の一端側に配置される球面反射鏡の構成を示す正面図である。本明細書においては、図２の上下方向を「上下方向」と定義するが、使用形態を制限するものではない。
この赤外線式ガス検知器１０は、内部に被検ガスが導入される測定室Ｓを有する多重反射型セル２０により構成されたガス検知部１１を備えてなる。図１乃至図３において、１２は多重反射型セル２０に一体に固定された基板配置部、１３はガス検知器設置用の取り付け板、１５は被検ガスを測定室内に導入する導入部に設けられたダストフィルタ、１６は例えば校正用ガスを導入するためのガス導入用コネクタ（ニップル）、１７は信号出力基板である。

多重反射型セル２０を構成するセル本体２１は、例えばアルミニウムよりなり、断面形状が矩形枠状とされた細長い形態を有するものであって、少なくとも一の内壁面例えば上壁の内面が鏡面処理されて平面反射面２２Ａを構成している（以下、平面反射面２２Ａを構成する内壁を「平面反射鏡部２２」という。）。
そして、セル本体２１における一端および他端には、互いに同一の大きさの曲率半径を有する一端側球面反射鏡２５および他端側球面反射鏡３０が、一端側球面反射鏡２５および他端側球面反射鏡３０の対向する反射面間の離間距離が曲率半径の大きさに一致するよう、一端側球面反射鏡２５の曲率中心位置が平面反射鏡部２２の平面反射面２２Ａ上に位置されると共に他端側球面反射鏡３０の曲率中心位置が一端側球面反射鏡２５の反射面上に位置された状態で、対向配置されており、これにより、被検ガスが導入される測定室Ｓが形成されている。

一端側球面反射鏡２５は、球面反射面２６Ａを有する反射機能部２６がセル本体２１の外形形状に適合する平板状の基材部２７に一体成型されてなるものであり、反射機能部２６がセル本体２１内に位置された状態において、基材部２７がセル本体２１に対して例えばネジ止めされて固定されている。
また、他端側球面反射鏡３０についても同様の構成とされており、球面反射面３１Ａを有する反射機能部３１がセル本体２１の外形形状に適合する平板状の基材部３２に一体成型されてなり、反射機能部３１がセル本体２１内に位置された状態において、基材部３２がセル本体２１に対して例えばネジ止めされて固定されている。

測定室Ｓ内における一端側球面反射鏡２５の反射機能部２６の下方位置には、点滅駆動される赤外線光源３５および赤外センサ３６が並んで配置されている。
赤外線光源３５および赤外センサ３６は、共通の保持部材である保持用基板４０によって保持、固定されており、赤外線光源３５および赤外センサ３６が一端側球面反射鏡２５の基材部２６における光源挿入用開口部２８Ａおよびセンサ挿入用開口部２８Ｂを介して測定室Ｓ内に露出された状態において、保持用基板４０が一端側球面反射鏡２５の基材部２７に例えばネジ止めされて一体に固定されている。

この多重反射型セル２０においては、次のようにして各構成部材の諸元が設定される。すなわち、検知対象ガス（特定ガス成分）の種類と測定濃度範囲とに基づいて所期のガス検知を行うために必要とされる、光路長の大きさおよび反射回数が設定され、これらの設定値に基づいて、２つの球面反射鏡２５，３０の諸元すなわち曲率半径の大きさ等が選定される。そして、赤外線光源３５の配置位置を設定すると共に、２つの球面反射鏡２５，３０および平面反射鏡部２２によって多重反射された後の赤外線が受光されるよう、赤外センサ３６の配置位置を設定する。
以上において、２つの球面反射鏡２５，３０および平面反射鏡部２２による反射回数は、赤外センサ３６によって十分な大きさの出力信号が得られる大きさの光路長を得ることができれば、特に限定されるものではない。

上記赤外線式ガス検知器１０においては、例えば図７に示すように、赤外線光源３５から放射された赤外光が、他端側球面反射鏡３０の球面反射面３１Ａによって反射された後、その反射光が、平面反射鏡部２２の平面反射面２２Ａ、一端側球面反射鏡２５の球面反射面２６Ａおよび他端側球面反射鏡３０の球面反射面３１Ａによって多重反射されて赤外センサ３６に受光される。また、赤外線光源３５が測定室Ｓ内に配置されていることから、多重反射型セル２０において形成される光路は一に限定されず、例えば図８に示す光路を含む種々の光路による多重反射が起こることが想定されるが、赤外線光源３５から他端側球面反射鏡３０の球面反射面３１Ａに入射される光は、最終的に、赤外センサ３６によって受光される。
一方、例えば自然拡散によって、被検ガスがダストフィルタ１５を介してガス導入部より測定室Ｓ内に導入されて、当該被検ガス中に検知対象ガス（特定ガス成分）が含まれる場合には、当該特定ガス成分によって赤外線が吸収されることによって赤外センサ３６に検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じた検知対象ガスの濃度が算出される。

而して、上記構成の多重反射型セル２０によれば、一端側球面反射鏡２５，他端側球面反射鏡３０およびセル本体２１の内壁面によって構成された平面反射鏡部２２とによって特定の多重反射構造が形成されていることにより、平面反射面２２Ａの作用によって、従来のホワイトセルの原理を利用したものにおいて形成されるべきものと同等の大きさの光路が一端側球面反射鏡２５と他端側球面反射鏡３０との反射面間に形成されるので、必要とされる十分な大きさの光路長、例えばＣＯ₂ ガスの場合には２００ｍｍ以上の光路長が得られる構成のものでありながら、多重反射型セル２０それ自体を容積が大幅に小型化されたものとして構成することができる。
しかも、赤外線光源３５および赤外センサ３６が共通の保持部材である保持用基板４０によって保持されて測定室Ｓ内に配置されると共に、保持用基板４０と一端側球面反射鏡２５とが一体に固定されていることにより、必要な構成部材を合理的に配置することができるので、多重反射型セル２０を一層小型のものとして構成することができる。
また、赤外線光源および赤外センサがセル本体と別個に設けられた構成のものであれば、当該赤外線光源および赤外センサが配置される空間中の雰囲気ガスによる影響を受けやすく、特にＣＯ₂ ガスの測定を行う場合には、当該空間中のＣＯ₂ ガスによる影響が無視できない程大きく、高い精度で測定を行うことができない、という問題があるが、上記多重反射型セル２０によれば、赤外線光源３５および赤外センサ３６が測定室Ｓ内に配置されていることにより、外乱要素を排除することができるので、所期のガス検知を高い精度で行うことができる。

また、セル本体２１の内壁面によって平面反射面２２Ａが構成されていることにより、所定の多重反射構造を得るために調整が必要とされる構成部材が一端側球面反射鏡２５および他端側球面反射鏡３０のみであり、一端側球面反射鏡２５および他端側球面反射鏡３０の両者を焦点位置を一致させた状態で配置しさえすればよいので、光路の制御が容易であると共に複雑な（煩雑な）光学調整が不要であり、個体差やロット差を生じさせることなしに、所期の機能を有するものを容易に作製することができる。

従って、上記多重反射型セル２０を備えてなる赤外線式ガス検知器１０によれば、装置全体の小型化を図ることができると共に、所期のガス検知を高い信頼性をもって行うことができ、しかも、多重反射型セル２０それ自体が小型のものであることにより、ガスの置換が速やかに行われて高い応答性を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明の多重反射型セルを構成する球面反射鏡の諸元は、例えば測定対象物（例えば特定ガス成分等）の種類と測定濃度範囲など目的に応じて適宜に設定することができる。また、測定室内において別個に平面鏡が設けられた構成とされていてもよい。
また、本発明は多重反射型セルを小型のものとして構成することができるという効果が得られるものであるが、必要に応じて、セル本体を大型のものとして構成し、大きな光路長が得られる多重反射構造が形成されるよう構成されていてもよいことはいうまでもない。
さらに、本発明の多重反射型セルは、ガス検知器だけではなく、光の吸光度を利用して、測定対象物の濃度や純度を測定するための装置に適用することができる。
さらにまた、本発明の多重反射型セルをガス検知器に適用する場合においては、拡散式のものであっても、吸引式のものであっても、いずれのものであってもよい。

本発明の赤外線式ガス検知器の一例における構成の概略を示す平面図である。 図１に示す赤外線式ガス検知器の側面図である。 図１に示す赤外線式ガス検知器の、測定室を構成する壁部を除いた状態で示す正面図である。 図１に示す赤外線式ガス検知器の断面図である。 図１に示す赤外線式ガス検知器におけるガス検知部の分解図である。 一端側の球面反射鏡の構成を示す正面図である。 多重反射型セルにおける光路の一例を示す説明用断面図である。 多重反射型セルにおける光路の他の例を示す説明用断面図である。

符号の説明

１０ 赤外線式ガス検知器
１１ ガス検知部
１２ 基板配置部
１３ 取り付け板
１５ ダストフィルタ
１６ ガス導入用コネクタ
１７ 信号出力基板
２０ 多重反射型セル
Ｓ 測定室
２１ セル本体
２２ 平面反射鏡部
２２Ａ 平面反射面
２５ 一端側球面反射鏡
２６ 反射機能部
２６Ａ 球面反射面
２７ 基材部
２８Ａ 光源挿入用開口部
２８Ｂ センサ挿入用開口部
３０ 他端側球面反射鏡
３１ 反射機能部
３１Ａ 球面反射面
３２ 基材部
３５ 赤外線光源
３６ 赤外センサ
４０ 保持用基板

Claims (5)

1. 内部に測定室を有するセル本体を備え、当該測定室内の一端および他端において、反射面が互いに対向状態で配置された２つの球面反射鏡と、測定室内の一端に配置された赤外線光源および赤外センサとを有し、２つの球面反射鏡の球面反射面と当該２つの球面反射鏡の離間する方向に沿って延びる平面状の反射面とによって多重反射構造が形成されてなり、
   赤外線光源および赤外センサが共通の保持部材によって保持されていると共に、当該保持部材と一端側に配置される球面反射鏡とが一体に固定されていることを特徴とする多重反射型セル。
2. ２つの球面反射鏡は、互いに同一の大きさの曲率半径を有するものであり、一端側に配置される球面反射鏡の曲率中心位置が平面状の反射面上に位置されると共に他端側に配置される球面反射鏡の曲率中心位置が一端側に配置される球面反射鏡の球面反射面上に位置された状態で、配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多重反射型セル。
3. セル本体が断面形状が矩形枠状の細長い形態を有するものであり、平面状の反射面がセル本体の内壁面によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多重反射型セル。
4. 測定室内の一端側に配置される球面反射鏡は、球面反射面を形成する反射機能部が、当該球面反射鏡をセル本体に対して固定するための基材部と一体成型されてなるものであり、基材部には、赤外線光源および赤外センサを測定室内に露出させる開口部が並んで形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の多重反射型セル。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の多重反射型セルにより構成されたガス検知部を備えてなることを特徴とする赤外線式ガス検知器。