JP6850969B2 - 成分センサ - Google Patents

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Description

本開示は、赤外線などの光の吸収特性を利用して流体成分の濃度を検出する流体成分検出装置などのデバイスに関する。
従来から、パイプを流れる流体の成分センサが用いられてきた。プリズムを用いてＡＴＲ法を利用した成分センサが知られている。（特許文献１）また、ＡＴＲ法を利用した成分センサで、流体の成分を測定する成分センサの性能を向上させる方法として試料容器内に赤外線透過ファイバーを通した成分センサが知られている。（特許文献２、３）
特開平７−２００４６号公報 特開昭５７−１１１４２３号公報 特開昭５７−１１１４３５号公報
しかしながら、特許文献１に示される成分センサでは、高感度の成分センサを実現するには大型化する必要があり、特許文献２、３に示される従来の成分センサでは、赤外線の吸収回数を増やすことで成分センサの大型化せずに感度を向上させることができているが、赤外線透過ファイバーを用いているため、試料の動きによって赤外線透過ファイバーが変形してしまい、検出対象物の成分の検出精度が低かった。
そこで、本開示は、上記課題を解決し、検出対象物の検出精度の向上した成分センサを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために本開示の成分センサは、流体が流入可能な側面を有した管部と、前記管部に設けられた基板と、前記基板の一端側に設けられた第１の凸部と、前記基板の他端側に設けられた第２の凸部と、前記第１の凸部に向かって赤外線を発光する発光部と、前記赤外線を受光する受光部と、を有し、前記第１の凸部から前記基板に入射した赤外線は前記基板内で全反射し、前記第２の凸部から前記受光部に向かって出射し、前記側面には前記管部の内外を貫通する２つの貫通孔が設けられ、前記貫通孔から前記基板の中央部分が前記管部の内部に挿入され、前記第１の凸部が設けられた前記基板の一端側と前記第２の凸部が設けられた前記基板の他端側が前記管部の外部に出ている構成とした。
上記構成により本開示は、基板が管部を貫通していることで成分センサの感度を向上させ、かつ、赤外線が透過する基板の変形が小さいため、検出対象物の成分の検出精度を向上させることができる。
実施の形態１の成分センサの斜視図 同成分センサのＡＡ線断面図 同成分センサの変形例の斜視図
（実施の形態１）
以下に、実施の形態１の成分センサについて、図面を用いながら説明する。
図１は実施の形態１の成分センサの斜視図、図２は同成分センサのＡＡ線断面図を示している。赤外線の軌跡は直線で示している。図２には、検出対象の流体を示している。
実施の形態１の成分センサ１は、検出対象の流体２が流入可能な管部３と、管部３の側面４を貫通し両端部が管部３の外部に出ている基板５と、基板５の一端側に設けられた第１の凸部６と、基板５の他端側に設けられた第２の凸部７と、第１の凸部６に向かって赤外線８を出射する発光部９と、第２の凸部７から出射した赤外線８を受光する受光部１０を有している。基板５は封止部材１１により管部３に封止されている。検出対象の流体２としては自動車の燃料が考えられる。燃料は、炭化水素形成分、エタノール、水などから構成されており、炭化水素形成分としては、アロマ系、オレフィン系、パラフィン系などがある。これらの燃料成分濃度を検出することで、例えば、内燃機関の燃費向上、排気エミッション低減などが可能になる。但し、検出対象の流体２はこれに限られるものではなく、他の流体２の成分検出に用いても良い。以降の説明では、管部３の延在している方向をＸ軸方向、基板５の管部３から出た両端部を結ぶ方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方と直交する方向をＺ軸方向として説明する。
管部３は円筒形状に形成され、Ｘ軸方向に延在している。流体２は管部３の内部空間に沿って流れるため、成分センサ１の説明では、管部３の内部空間を流体２が流れる方向を管部３の延在する方向として説明している。管部３は円筒形状に限らず、湾曲した形状としても良いが、実施の形態１では図１に示す円筒形状の管部３を用いて説明する。管部３のＹＺ平面方向での断面の形状は円形状に限らず、楕円形状や矩形状、多角形状等の他の形状でも良い。管部３のＸ軸方向の両端には開口部１２が設けられている。開口部１２から検出対象の流体２が流入または流出する。管部３は、２つの開口部１２に挟まれた側面４を有している。側面４には基板５を挿通するための貫通孔１３が２つ設けられており、貫通孔１３に基板５が挿入されている。第１の凸部６と第２の凸部７が設けられた基板５のＹ軸方向の両端部は貫通孔１３から管部３の外部に延出している。
基板５はシリコンで形成され、第１の主面１４と第１の主面１４の裏面の第２の主面１５と、第１の主面１４と第２の主面１５の間の側面１６を有している。基板５の材料はシリコンに限られないが、シリコンで形成することにより容易に加工することができている。基板５の管部３の外側にある領域には第１の凸部６と第２の凸部７が設けられている。第１の凸部６と第２の凸部７は基板５の第１の主面１４上に、第１の凸部６と第２の凸部７が管部３を挟んで反対側に位置するように設けられている。成分センサ１では、第１の凸部６、管部３、第２の凸部７がＹ軸方向に順番に並ぶように配置されている。第１の凸部６と第２の凸部７は基板５の第１の主面１４上に設けられているが、これに限らず、例えば、第１の凸部６を第１の主面１４に設け、第２の凸部７を第２の主面１５に設けても良い。第１の凸部６と第２の凸部７はプリズムであり、第１の凸部６と第２の凸部７は基板５と一体に設けているため、第１の凸部６と第２の凸部７を容易に形成することができる。第１の凸部６には第１の傾斜面１７が設けられている。赤外線８は第１の凸部６の第１の傾斜面１７から基板５内に入射する。基板５の屈折率は流体２の屈折率よりも大きい。このため、第１の凸部６から基板５内に入射した赤外線８は基板５の第１の主面１４と流体２との第１の境界面１８、第２の主面１５と流体２との第２の境界面１９で全反射を繰り返して第２の凸部７に向かって進行する。第２の凸部７に到達した赤外線８は第２の凸部７の第２の傾斜面２０から基板５外に出射する。第１の傾斜面１７と第２の傾斜面２０は異方性エッチングで形成されている。異方性エッチングで形成することで容易に形成できる。基板５に（１００）ウエハを用いた場合、第１の傾斜面１７と第２の傾斜面２０
の面方位は（１１１）面となり、第２の主面１５に対する角度θは５４．７°となる。第１の傾斜面１７と第２の傾斜面２０の第２の主面１５に対する角度θを５４．７°とすることで、赤外線８が基板５と流体２との第１の境界面１８と第２の境界面１９で全反射する。第１の傾斜面１７と第２の傾斜面２０の第２の主面１５に対する角度θを５４．７°以外にしてもよいが、５４．７°とした方が第１の傾斜面１７と第２の傾斜面２０を容易に加工できる。
基板５は管部３を貫通しているため、赤外線８は第１の境界面１８と第２の境界面１９で全反射する際にエバネッセント波が基板５外の流体２に潜り込み、流体２で吸収され減衰する。この減衰量を検出することで流体２の成分を検出することができる。成分センサ１では、基板５にシリコンを用いているため、流体２の圧力を受けても基板５が変形し難いため、特許文献２、３に示される様な従来の成分センサに比べて基板５の変形による成分センサ１の検出精度の低下が小さい。また、第１の境界面１８と第２の境界面１９の両方で流体２による赤外線８の吸収が行われるため、従来技術の特許文献１に示されるような第１の主面１４と第２の主面１５のいずれか一方でしか赤外線８の吸収が行われない構造としたときよりも赤外線８の吸収量が大きくなる。これにより、従来の成分センサに比べて赤外線８が同じ光路長を進む間の赤外線８の吸収量が２倍になるため、成分センサ１の感度を向上させることができる。また、成分センサ１の感度を維持したまま、基板５の長さを半分にすることができるため、成分センサ１を小型化することができる。
第１の主面１４と第２の主面１５の２つの側面１６を結ぶ方向の長さＬ１（以降の説明では第１の主面１４の幅、第２の主面１５の幅とする）は、側面１６の第１の主面１４と第２の主面１５を結ぶ方向の長さＬ２（以降の説明では側面１６の幅とする）よりも長い。なお、説明の都合上、第１の主面１４の幅Ｌ１と第２の主面１５の幅Ｌ１が等しいものとして説明するがこの限りではない。第１の主面１４と第２の主面１５は、管部３の延在する方向（Ｘ軸方向）に対して平行になるように設けられている。第１の主面１４と第２の主面１５の幅Ｌ１が側面１６の幅Ｌ２よりも長いため、第１の主面１４と第２の主面１５がＸ軸方向に対して平行になるように基板５を配置することにより、基板５が流体２から受ける圧力を低減することができる。これにより流体２から受ける圧力による基板５の変形を低減することができるため、成分センサ１の検出精度の低下を抑制することができる。図３に基板５の配置を変えた成分センサの斜視図を示す。基板５は図３に示すように第１の主面１４がＸ軸方向に直交する方向（第１の主面１４と第２の主面１５がＹＺ平面に平行になる方向）に配置しても良いが、第１の主面１４がＸ軸方向と直交しない様に配置することで流体２から受ける圧力を低減することができる。特に、図１に示した様に第１の主面１４がＸ軸方向と平行になるように配置すると、基板５が流体２から受ける圧力が最も小さくなるため好適である。なお、管部３が湾曲している場合には、流体２から受ける圧力が最も小さくなる向きに基板５を配置することで同様の効果を得ることができる。
基板５は貫通孔１３が設けられた封止領域Ｒで封止部材１１を用いて封止されている。封止部材１１には赤外線８を反射しやすい金や銀などの反射膜（図示せず）で被覆した金属パッキンが用いられている。封止部材１１を金や銀で被覆することにより、赤外線８が封止部材１１で封止された封止領域で反射するときの減衰量が小さくなる。赤外線８が封止領域で反射するときに封止部材１１により赤外線８が吸収されることで赤外線８が減衰してしまい、成分センサ１の感度が低下してしまう。しかしながら、成分センサ１の様に封止部材１１を金や銀で被覆すれば封止部材１１による赤外線８の吸収を抑えることができるため、成分センサ１の感度を向上させることができる。なお、発光部９、第１の凸部６の位置関係を調整し、赤外線が封止領域Ｒで反射をしない様に赤外線８の角度を調整しても良い。この様な角度で赤外線８を入射させることで赤外線８が封止部材１１で吸収されることがなくなるので、成分センサ１の感度を向上させることができる。
発光部９は、赤外線８を発光可能な白金薄膜抵抗素子を用いている。赤外線８を発光可能な発光ダイオードを用いても良い。発光ダイオードには、半導体のベアチップを用いている。発光部９は、基板５の第１の主面１４側に設けられ、第１の凸部６に赤外線８が入射するように配置されている。発光部９は、検出対象の流体２に吸収されやすい波長の赤外線８を発光する。成分センサ１においては、２μｍ〜１５μｍの波長の赤外線８を用いている。この波長を用いることで検出対象の流体２の濃度を精度良く検出することが出来る。なお、成分センサ１の使用用途に応じて、使用する波長の範囲をもっと狭くしても良い。測定しようとする流体２成分に固有の吸収波長に一致する光学バンドパスフィルタ（図示せず）などで波長範囲を狭くする事ができる。なお、発光部９は波長の異なる２つ以上の光源を有していても良い。複数の発光部９を用いることによって、複数種類の流体２の成分を検出できるようになる。
受光部１０には半導体のベアチップを用いている。受光部１０には、焦電素子やフォトダイオード等の半導体ベアチップ以外の素子を用いても良い。受光部１０は管部３の基板５が設けられた側の第２の凸部７から出射した赤外線８を検出できる位置に配置されている。受光部１０は、２つの受光素子（図示せず）と２つの受光素子の夫々に対応する位置に設けられた２つの光学フィルタ（図示せず）を有している。２つの光学フィルタは異なる波長の赤外線８を透過する。一方の光学フィルタは流体２の吸収量が大きい波長の赤外線８を透過し、他方の光学フィルタは流体２の吸収量が小さい波長の赤外線８を透過する。２つの受光素子の出力を比較することで、流体２での赤外線８の吸収量がわかるため、精度良く流体２の成分を検出することができる。なお、成分センサ１では流体２の成分を精度良く検出するために受光素子と光学フィルタを２つずつ用いているが、受光素子と光学フィルタを１つずつ用いても流体２の成分を検出することはできる。また、受光素子と光学フィルタを夫々３つ以上設けても良い。受光素子と光学フィルタの数を増やすことによって検出可能な成分の種類を増やすことができる。
なお、図示していないが、発光部９と受光部１０は筐体に収納されて管部３に取り付けられ、赤外線８が第１の凸部６から基板５内に入射し、第２の凸部７から受光部１０に向かって出射するように固定されている。
本開示の成分センサは、流体の成分を高精度に検出することができるため、自動車の燃料成分の濃度の検出等に適している。
１ 成分センサ
２ 流体
３ 管部
４、１６ 側面
５ 基板
６ 第１の凸部
７ 第２の凸部
８ 赤外線
９ 発光部
１０ 受光部
１１ 封止部材
１２ 開口部
１３ 貫通孔
１４ 第１の主面
１５ 第２の主面
１７ 第１の傾斜面
１８ 第１の境界面
１９ 第２の境界面
２０ 第２の傾斜面

Claims (4)

  1. 流体が流入可能な側面を有した管部と、
    前記管部に設けられた基板と、
    前記基板の一端側に設けられた第１の凸部と、
    前記基板の他端側に設けられた第２の凸部と、
    前記第１の凸部に向かって赤外線を発光する発光部と、
    前記赤外線を受光する受光部と、を有し、
    前記第１の凸部から前記基板に入射した赤外線は前記基板内で全反射し、前記第２の凸部から前記受光部に向かって出射し、
    前記側面には前記管部の内外を貫通する２つの貫通孔が設けられ、
    前記貫通孔から前記基板の中央部分が前記管部の内部に挿入され、前記第１の凸部が設けられた前記基板の一端側と前記第２の凸部が設けられた前記基板の他端側が前記管部の外部に出ている成分センサ。
  2. 前記基板は第１の主面と前記第１の主面の裏面の第２の主面を有し、
    前記第１の主面は前記管部の延在する方向に対して直交していない請求項１に記載の成分センサ。
  3. 前記第１の主面が前記管部の延在する方向に対して平行である請求項２に記載の成分センサ。
  4. 前記基板は前記管部に封止部材で封止され、
    前記封止部材の表面には反射膜が設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の成分センサ。
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