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JP5374293B2 - Infrared gas detector - Google Patents
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JP5374293B2 - Infrared gas detector - Google Patents

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JP5374293B2 JP2009217333A JP2009217333A JP5374293B2 JP 5374293 B2 JP5374293 B2 JP 5374293B2 JP 2009217333 A JP2009217333 A JP 2009217333A JP 2009217333 A JP2009217333 A JP 2009217333A JP 5374293 B2 JP5374293 B2 JP 5374293B2
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared gas detector made easy to manufacture by a constitution such that infrared rays of an unnecessary wavelength region are filtered out by a filter and suppressing the temperature rise of the filter. <P>SOLUTION: The infrared gas detector is equipped with an infrared light source 1 for radiating infrared rays and an infrared sensor 2 for detecting the infrared rays radiated from the infrared light source 1 and passed through a gas detection pipe 3. The infrared sensor 2 is equipped with light detection elements 27x and 27y composed of pyroelectric elements, the transmission filter 25a and 25b arranged between the gas detection pipe 3 and respective light detection elements 21a and 21b and selectively transmitting infrared rays of a specific wavelength band and the filter 26 arranged between the gas detection pipe 3 and the transmission filters 25a and 25b and absorbing infrared rays of a wavelength region excepting the specific wavelength band transmitted through the transmission filters 25a and 25b. The light detection elements 21a and 21b have sensitivity with respect to the infrared rays of the specific wavelength band transmitted through the transmission filters 25a and 25b and the infrared light source 10 is driven so as to intermittently radiate infrared rays. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、検知対象ガスが導入される監視空間に赤外線を投光し、検知対象ガスの存在に伴う赤外線の変化を検出する赤外線式ガス検知器に関するものである。   The present invention relates to an infrared gas detector that projects infrared light into a monitoring space into which a detection target gas is introduced, and detects a change in infrared light due to the presence of the detection target gas.

従来より、赤外光源から放射した赤外線を検知対象ガスを導入する監視空間に投光し、赤外線の吸収量や反射量に基づいて、検知対象ガスを検出する赤外線式ガス検知器が提供されている。   Conventionally, there has been provided an infrared gas detector for projecting infrared radiation emitted from an infrared light source into a monitoring space for introducing a detection target gas and detecting the detection target gas based on the amount of infrared absorption and reflection. Yes.

この種の赤外線式ガス検知器では、赤外光源から放射した赤外線を検知対象ガス(メタン、一酸化炭素、二酸化炭素など)が導入される監視空間に放射し、赤外線の受光量に応じた受光信号を出力する受光素子を用いて検知対象ガスによる赤外線の吸収波長や吸光量を検出することにより、検知対象ガスの種類・濃度などを検出している。   This type of infrared gas detector emits infrared light emitted from an infrared light source into a monitoring space where the detection target gas (methane, carbon monoxide, carbon dioxide, etc.) is introduced, and receives light according to the amount of received infrared light. The type and concentration of the detection target gas is detected by detecting the infrared absorption wavelength and the amount of light absorption by the detection target gas using a light receiving element that outputs a signal.

受光素子は、赤外光源から放射される赤外線のうち検知対象ガスが吸収する波長の赤外線のみを選択的に通過させる透過フィルタを介して赤外線を受光する。したがって、透過フィルタを選択的に通過する波長により検知対象ガスの種類が特定され、赤外線の受光量(赤外線センサの出力信号レベル)に応じて検知対象ガスの濃度が計測される。   The light receiving element receives infrared rays through a transmission filter that selectively passes only infrared rays having a wavelength absorbed by the detection target gas among infrared rays emitted from the infrared light source. Therefore, the type of the detection target gas is specified by the wavelength that selectively passes through the transmission filter, and the concentration of the detection target gas is measured according to the amount of received infrared light (the output signal level of the infrared sensor).

この種の赤外線式ガス検知器では、検知対象ガスでの吸光量を検出するために、1回の分析において、検知対象ガスに対して赤外線を断続的に複数回照射する。したがって、検知対象ガスを検出する時間を短縮するには、高速変調が可能な赤外光源を用いて断続させる時間間隔を短くする必要がある。また、赤外線を複数回照射するから、赤外線の放射に要するエネルギー(電力)を低減するために、投入エネルギーに対する赤外線の放射量を高める必要がある。さらには、検出精度を高めるために、赤外光源からの毎回の赤外線の放射量を一定量にすることも必要である。   In this type of infrared gas detector, in order to detect the amount of light absorption in the detection target gas, the detection target gas is irradiated with infrared rays intermittently a plurality of times in one analysis. Therefore, in order to shorten the time for detecting the detection target gas, it is necessary to shorten the time interval for intermittently using an infrared light source capable of high-speed modulation. Moreover, since infrared rays are irradiated a plurality of times, it is necessary to increase the amount of infrared rays emitted relative to the input energy in order to reduce the energy (electric power) required for infrared rays emission. Furthermore, in order to improve the detection accuracy, it is also necessary to make the amount of infrared radiation emitted from the infrared light source constant.

赤外光源には、タングステンや白金などの材料でコイル状に形成したフィラメントを透光性の気密容器に収納した構成、あるいはタングステンや白金からなるコイル状の芯材の表面をアルミナなどのセラミックで被覆することにより赤外線の放射効率を高めたフィラメントを透光性の気密容器に収納した構成のものが知られている。   The infrared light source has a structure in which a filament formed in a coil shape with a material such as tungsten or platinum is housed in a light-transmitting airtight container, or the surface of a coiled core material made of tungsten or platinum is made of ceramic such as alumina. There is known a structure in which a filament whose infrared radiation efficiency is enhanced by coating is housed in a light-transmitting airtight container.

ただし、この種の赤外光源は、フィラメントが外気に露出した状態では使用することができないから、白熱電球のように気密容器による大型化を避けることができず、装置の小型化が困難になる。また、フィラメントや気密容器を含む熱容量が大きくなるから、電源投入から赤外線が所要強度まで上昇するのに要する立ち上がり時間、および電源遮断から赤外線が規定強度まで減少するのに要する立ち下がり時間が長く、立ち上がりや立ち下がりに急峻な特性が得られない。   However, since this type of infrared light source cannot be used in a state where the filament is exposed to the outside air, it is impossible to avoid an increase in size due to an airtight container like an incandescent bulb, and it is difficult to reduce the size of the apparatus. . In addition, since the heat capacity including the filament and the airtight container is increased, the rise time required for the infrared rays to rise to the required intensity after turning on the power, and the fall time required for the infrared rays to decrease to the specified intensity after the power is turned off are long. Steep characteristics cannot be obtained at the rise and fall.

すなわち、この種の赤外光源では、赤外線を断続させる周波数を0.1〜10Hz程度にしか設定できない。また、赤外線の放射強度の立ち上がりや立ち下がりが急峻ではないから、波形のなまりによる検出誤差が生じやすい。   That is, with this type of infrared light source, the frequency at which the infrared light is interrupted can only be set to about 0.1 to 10 Hz. In addition, since the rise and fall of the infrared radiation intensity are not steep, detection errors due to waveform rounding tend to occur.

一方、小型化が可能な赤外光源としては、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて形成する赤外光源が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1に記載された赤外光源は、シリコン基板にエッチングを施して形成した矩形枠状の支持基板を有し、支持基板の一表面に窒化シリコンの熱絶縁層を介してドープしたポリシリコン膜の赤外線放射層が形成され、さらに、赤外線放射層を覆う窒化シリコンの絶縁層に金属層である白熱フィラメントを埋設した構造を有している。   On the other hand, as an infrared light source that can be miniaturized, an infrared light source formed using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The infrared light source described in Patent Document 1 has a rectangular frame-shaped support substrate formed by etching a silicon substrate, and polysilicon doped on one surface of the support substrate via a thermal insulating layer of silicon nitride An infrared radiation layer of the film is formed, and an incandescent filament that is a metal layer is embedded in an insulating layer of silicon nitride that covers the infrared radiation layer.

この赤外光源は、白熱フィラメントに接続された電極を有し、電極間に通電することにより白熱フィラメントを加熱させ、白熱フィラメントにより赤外線放射層を加熱する傍熱型の構成を有している。   This infrared light source has an electrode connected to an incandescent filament, and has an indirectly heated configuration in which the incandescent filament is heated by energizing between the electrodes, and the infrared radiation layer is heated by the incandescent filament.

この赤外光源は、赤外線放射層の背面側において支持基板に開口を形成し、赤外線の放射に寄与する白熱フィラメントおよび赤外線放射層の周囲を断熱性の高い空気により囲んでいるから、赤外線の放射に寄与する部分と周囲との熱容量差が大きく、白熱フィラメントに通電する電流の断続に対して比較的高速に応答することが可能になっている。すなわち、上述した気密容器を備える赤外光源では、0.1〜10Hz程度の応答であったのに対して、特許文献1に記載の構成を採用した場合に、200Hzまでの応答が可能になることが特許文献1に記載されている。   This infrared light source forms an opening in the support substrate on the back side of the infrared radiation layer, and surrounds the incandescent filament that contributes to infrared radiation and the infrared radiation layer with highly heat-insulating air. The heat capacity difference between the part contributing to the heat and the surroundings is large, and it is possible to respond relatively quickly to the interruption of the current flowing through the incandescent filament. That is, in the infrared light source including the above-described airtight container, the response is about 0.1 to 10 Hz, but when the configuration described in Patent Document 1 is adopted, the response up to 200 Hz is possible. This is described in Patent Document 1.

特開平9−184757号公報JP-A-9-184757

ところで、赤外線式ガス検知器において検知対象ガスの検知精度を高めるには、検知対象ガスでの赤外線の吸収量あるいは反射量を精度よく検知する必要があるから、検知対象ガスにおいて吸収あるいは反射される波長域の赤外線に対する受光素子での受光量を大きくする必要がある。   By the way, in order to increase the detection accuracy of the detection target gas in the infrared gas detector, it is necessary to accurately detect the amount of infrared absorption or reflection in the detection target gas, so that it is absorbed or reflected by the detection target gas. It is necessary to increase the amount of light received by the light receiving element for infrared rays in the wavelength range.

上述のように、透過フィルタを設けることで、この目的はある程度は達成できる。しかしながら、上述した構成の赤外光源の発光波長は、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素のような検知対象ガスによる吸収が生じる波長域(中赤外線から遠赤外線の領域)を含む広い波長域を有しているから、透過フィルタを用いるだけでは、波長選択性が不十分であり、赤外線式ガス検知器としての検知精度を十分に高めることができないという問題を有している。   As described above, this object can be achieved to some extent by providing a transmission filter. However, the emission wavelength of the infrared light source having the above-described configuration has a wide wavelength range including a wavelength range (mid-infrared to far-infrared range) where absorption by a detection target gas such as methane, carbon monoxide, and carbon dioxide occurs. Therefore, the wavelength selectivity is insufficient only by using the transmission filter, and there is a problem that the detection accuracy as the infrared gas detector cannot be sufficiently increased.

すなわち、検知対象ガスを検知するのに必要な赤外線の波長域は赤外光源が放射する赤外線の波長域に比較すると大幅に狭いから、透過フィルタだけではなく、不要な波長域の赤外線を除去する除去フィルタを設けることが望ましい。   In other words, the infrared wavelength range required to detect the detection target gas is much narrower than the infrared wavelength range emitted by the infrared light source, so that not only the transmission filter but also the infrared in the unnecessary wavelength range is removed. It is desirable to provide a removal filter.

不要な波長域の赤外線を除去する除去フィルタとしては、屈折率の異なる複数層を積層した多層膜フィルタを用いて不要な波長域の赤外線を反射させることにより除去する構成の多層膜フィルタ、赤外線を吸収する材料からなる吸収型フィルタが知られている。   As a removal filter that removes infrared rays in an unnecessary wavelength range, a multilayer filter configured to remove infrared rays in an unnecessary wavelength range by using a multilayer filter in which a plurality of layers having different refractive indexes are laminated, an infrared ray is removed. Absorption filters made of absorbing materials are known.

多層膜フィルタは、各層の膜厚および屈折率を制御する必要があるから、製造に手間がかかるという問題があり、吸収型フィルタは、多層膜フィルタよりも製造が容易であるが赤外線の吸収に伴って温度が上昇すると除去フィルタから赤外線が放射されたり、除去フィルタの透過特性の波長偏移が生じたりするという問題を有している。   The multilayer filter needs to control the film thickness and refractive index of each layer, so there is a problem that it takes time to manufacture, and the absorption filter is easier to manufacture than the multilayer filter, but absorbs infrared rays. Along with this, there is a problem that when the temperature rises, infrared rays are emitted from the removal filter, or the wavelength shift of the transmission characteristics of the removal filter occurs.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、不要な波長域の赤外線を吸収することにより除去する除去フィルタを用いることにより製造を容易にし、しかも除去フィルタの温度上昇を抑制することにより除去フィルタから赤外線が放射されるのを防止し、かつ除去フィルタの波長偏移が生じるのを防止した赤外線式ガス検知器を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above reasons, and its purpose is to facilitate manufacture by using a removal filter that removes infrared rays in an unnecessary wavelength region, and to increase the temperature of the removal filter. An object of the present invention is to provide an infrared type gas detector that prevents infrared rays from being radiated from the removal filter and suppresses wavelength shift of the removal filter.

本発明は、上述の目的を達成するために、赤外線を放射する赤外光源と、前記赤外光源から放射され検知対象ガスが導入される監視空間を通過した赤外線を検知する赤外線センサとを有し、前記赤外線センサの出力を用いて前記監視空間における前記検知対象ガスを検知する赤外線式ガス検知器であって、前記赤外線センサは、赤外線を電気信号に変換する受光素子と、前記監視空間から前記受光素子への赤外線の入射経路に配置され特定波長帯の赤外線を選択的に透過させる透過フィルタと、前記監視空間と前記透過フィルタとの間に配置され前記透過フィルタを透過する前記特定波長帯を除く波長域の赤外線を吸収することにより広帯域に赤外線を除去する除去フィルタとを有し、前記受光素子は前記透過フィルタを透過する前記特定波長帯の赤外線に感度を有し、前記赤外光源は、間欠的に赤外線を放射するように駆動され、基板の一表面に形成された薄膜であって通電に伴って発生した熱により赤外線を放射する赤外線放射層と、一面に前記赤外線放射層が積層されることにより前記赤外線放射層を支持するように基板の一表面に形成された保持層と、前記基板において前記保持層の他面に接触する気体層とを備え、前記気体層は、印加電圧の周波数をf〔Hz〕、前記気体層の熱伝導率をαg〔W/mK〕、前記気体層の体積熱容量をCg〔J/m K〕、Lg′=(2αg/ωCg) 1/2 、ω=2πfとするとき、その厚み寸法Lgが、0.05Lg′<Lg<3Lg′の範囲に設定されており、前記赤外線放射層の通電時には前記保持層の温度低下を抑制し、前記赤外線放射層の非通電時には前記保持層から前記基板への熱伝達を促進することを特徴とする。 The present invention is, Yes in order to achieve the object described above, an infrared light source emitting an infrared ray, an infrared sensor for detecting infrared rays having passed through the monitored space to the detection target gas is emitted is introduced from the infrared light source and, wherein an infrared gas detector that detects the detection target gas in the monitored space by using the output of the infrared sensor, the infrared sensor includes a light receiving element for converting the infrared into an electrical signal, from said monitored space the specific wavelength band that passes through the transmission filter to the arranged infrared incident path of the light receiving element selectively transmits infrared of a specific wavelength band, the transmission filter is disposed between said monitoring space the transmission filter and a removal filter for removing infrared broadband by absorbing infrared rays in the wavelength range excluding the specific wave the light receiving element is configured to transmit the transmission filter Has sensitivity to the infrared band, the infrared light source is intermittently driven so as to emit infrared radiation, the infrared rays heat generated by the energized a thin film formed on one surface of the substrate An infrared radiation layer to be radiated; a holding layer formed on one surface of the substrate so as to support the infrared radiation layer by laminating the infrared radiation layer on one surface; and the other surface of the holding layer on the substrate. A gas layer in contact, the gas layer having a frequency of an applied voltage of f [Hz], a thermal conductivity of the gas layer of αg [W / mK], and a volumetric heat capacity of the gas layer of Cg [J / m 3 K], Lg '= (2αg / ωCg ) 1/2, when the omega = 2 [pi] f, the thickness Lg is, 0.05Lg'<is set in the range of Lg <3LG ', the infrared radiation layer Suppresses a decrease in temperature of the holding layer during energization of the red When the external radiation layer is not energized, heat transfer from the holding layer to the substrate is promoted .

前記除去フィルタは、屈折率の異なる複数層を積層した多層膜フィルタとし、前記多層膜フィルタのうちの少なくとも1層は前記透過フィルタを透過する前記特定波長帯よりも長波長の遠赤外線を吸収する赤外線吸収層であることが望ましい。 The elimination filter, the multilayer filter formed by laminating a plurality of layers having different refractive index, said at least one layer of the multilayer film filter absorbs far-infrared wavelength longer than the specific wavelength band that passes through the transmission filter An infrared absorbing layer is desirable.

また、前記赤外線吸収層の材料は、Alと、Taとから選択することができる。また、前記除去フィルタは、板状のSiからなるフィルタ基板を有し、前記フィルタ基板に前記多層膜フィルタを積層するのが望ましい。 Further, the material of the infrared absorbing layer, Al 2 O 3, may be selected from Ta 2 O 3 Prefecture. Further, the removing filter has a filter substrate made of a plate-like Si, it is desirable to laminate the multilayer film filter on the filter substrate.

前記受光素子は、前記赤外光源から放射される赤外線の全波長に対する感度を有する熱型素子であることが望ましい。 The light receiving element is preferably a thermal element having sensitivity to all wavelengths of infrared rays emitted from the infrared light source.

本発明の構成によれば、除去フィルタとして赤外線を吸収することによって広帯域に赤外線を除去する構成を採用することで、検知対象ガスの検知には無関係な波長の赤外線の大部分を除去して検知対象ガスに対する感度を高めることができる。また、赤外線を吸収することにより不要な赤外線を除去する除去フィルタを用いると、赤外線の吸収による温度上昇により除去フィルタから赤外線が放射される可能性があるが、赤外光源から間欠的に赤外線を放射するから不要な赤外線を吸収することにより除去フィルタの温度上昇を抑制することになり、赤外光源からの赤外線放射によって生じる除去フィルタの温度変化に伴う波長偏移も抑制することができる。その結果、除去フィルタによる不要な赤外線の除去の機能を有効に利用し、検知対象ガスを高精度に検知することが可能になる。しかも、赤外光源から間欠的に赤外線を放射するから、赤外線を連続的に放射させる赤外光源に比較すると、投入電力を低減することができる。   According to the configuration of the present invention, by adopting a configuration that removes infrared rays in a wide band by absorbing infrared rays as a removal filter, most of infrared rays having wavelengths irrelevant to detection of the detection target gas are removed and detected. Sensitivity to the target gas can be increased. In addition, if a removal filter that removes unnecessary infrared rays by absorbing infrared rays is used, infrared rays may be emitted from the removal filter due to temperature rise due to absorption of infrared rays. Absorbing unnecessary infrared light because it radiates suppresses the temperature rise of the removal filter, and it is also possible to suppress wavelength shift caused by temperature change of the removal filter caused by infrared radiation from the infrared light source. As a result, it is possible to detect the detection target gas with high accuracy by effectively using the function of removing unnecessary infrared rays by the removal filter. Moreover, since the infrared light is intermittently emitted from the infrared light source, the input power can be reduced as compared with the infrared light source that continuously emits the infrared light.

とくに、赤外線放射層と保持層と気体層とを備える赤外光源を用いており、赤外線放射層に電力を投入すると気体層が保持層の温度低下を抑制するから投入電力に対する赤外線放射量を高めることになり、一方、赤外線放射層への電力投入を停止すると気体層が熱伝達を促進して保持層の温度を低下させるから赤外線の放射を短時間で停止させることが可能になる。つまり、赤外線放射層への電力の投入と停止とに対して応答性よく赤外線の放射と停止とを行うとともに、投入電力に対して効率よく赤外線を放射することができるから、赤外光源として、白熱電球を用いたり、誘電体膜中にフィラメントを設けた構造物を用いたりする場合に比較すると低消費電力化が可能になる。 In particular, and using an infrared light source and a holding layer and the gas layer and the infrared radiation layer, when turning on the power to the infrared radiation layer gas layer increases the amount of infrared radiation for the input power of suppressing the temperature drop of the retaining layer On the other hand, if the power supply to the infrared radiation layer is stopped, the gas layer promotes heat transfer and lowers the temperature of the holding layer, so that the infrared radiation can be stopped in a short time. In other words, the infrared radiation layer can be radiated and stopped with high responsiveness to the turning on and off of the power to the infrared radiation layer, and the infrared light can be radiated efficiently with respect to the inputted power. Compared with the case where an incandescent lamp is used or a structure in which a filament is provided in a dielectric film is used, power consumption can be reduced.

除去フィルタとして、赤外線吸収層を含む多層膜フィルタを用いると、吸収のみではなく反射も利用して除去する波長を調節することが可能になる。とくに、赤外線吸収層は材料の選択により除去する波長域が決定されるが、反射については各層の屈折率および膜厚により波長域を調節することができるから、吸収と反射とを補完的に用いることで除去する波長域の範囲を広げることが可能になる。言い換えると、広帯域の赤外線を放射する赤外光源を用いながらも、検知対象ガスの検知に不要な波長の赤外線をできるだけ除去し、検知対象ガスの検知に不要な波長の赤外線が受光素子に入射されるのを抑制することになり、結果的に検知対象ガスに対する感度を高めることになる。   When a multilayer filter including an infrared absorption layer is used as the removal filter, it is possible to adjust the wavelength to be removed using not only absorption but also reflection. In particular, the wavelength range to be removed is determined by selecting the material of the infrared absorption layer. However, since the wavelength range can be adjusted according to the refractive index and film thickness of each layer, the absorption and reflection are used complementarily. This makes it possible to widen the range of the wavelength range to be removed. In other words, while using an infrared light source that emits broadband infrared light, the infrared light with a wavelength unnecessary for detection of the detection target gas is removed as much as possible, and the infrared light with a wavelength unnecessary for detection of the detection target gas is incident on the light receiving element. As a result, the sensitivity to the detection target gas is increased.

また、赤外線吸収層の材料としてAlとTaとから選択すれば、SiOやSiNを赤外線吸収層に用いる場合に比較して、遠赤外線の吸収率を高めることができる。とくに、赤外線吸収層としてAlを用い、多層膜フィルタを板状のSiのフィルタ基板に積層した場合には、SiとAlとの硬さが近いために、周囲温度の変化などによる伸縮が生じたとしても多層膜フィルタがフィルタ基板から剥がれる可能性がなく安定性や信頼性を向上させることができる。 Moreover, if the material of the infrared absorption layer is selected from Al 2 O 3 and Ta 2 O 3 , the far-infrared absorptance can be increased as compared with the case of using SiO x or SiN x for the infrared absorption layer. . In particular, when Al 2 O 3 is used as an infrared absorption layer and a multilayer filter is laminated on a plate-like Si filter substrate, the change in ambient temperature is due to the close hardness of Si and Al 2 O 3. Even if expansion and contraction occurs due to the above, there is no possibility that the multilayer filter is peeled off from the filter substrate, and stability and reliability can be improved.

さらに、受光素子として、赤外光源から放射される赤外線の全波長に対する感度を有する熱型赤外線検出素子を用いると、透過フィルタや除去フィルタの設計変更のみで、様々な種類の検知対象ガスに対応することが可能になり、検知対象ガスの異なる種々の仕様の赤外線式ガス検知器について部品の共用化が可能になり、結果的に低コストで提供することが可能になる。   Furthermore, if a thermal infrared detector that has sensitivity to all wavelengths of infrared rays emitted from an infrared light source is used as a light receiving element, it can be used for various types of detection target gas by simply changing the design of the transmission filter and removal filter. This makes it possible to share parts for infrared gas detectors of various specifications with different detection target gases, and as a result, can be provided at low cost.

実施形態の全体構成を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the whole structure of embodiment. 同上に用いる透過フィルタの断面図である。It is sectional drawing of the transmission filter used for the same as the above. 同上に用いる透過フィルタと除去フィルタとの特性図である。It is a characteristic view of the transmission filter and removal filter used for the same as the above. 同上に用いる放射素子の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the radiation element used for the same as the above. 同上に用いる放射素子の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the radiation element used for the same as the above.

本実施形態では、ガス漏れ警報器のような用途に用いる赤外線式ガス検知器について説明する。この種の赤外線式ガス検知器は、図1に示すように、電気信号の入力により赤外線を放射する赤外光源1と、赤外線を検知する赤外線センサ2とを有し、赤外光源1から赤外線センサ2に至る経路中に検知対象ガスを導入する構成を有している。検知対象ガスを導入する部位にはガス検知管3を配置してある。   In the present embodiment, an infrared gas detector used for applications such as a gas leak alarm will be described. As shown in FIG. 1, this type of infrared gas detector has an infrared light source 1 that emits infrared rays by an input of an electrical signal and an infrared sensor 2 that detects infrared rays. The detection target gas is introduced into the path to the sensor 2. A gas detection tube 3 is disposed at a site where the detection target gas is introduced.

ガス検知管3には、赤外光源1から赤外線センサ2まで赤外線を導く管路31が形成されており、管路31の内周面は赤外線を反射する。すなわち、ガス検知管3の管路31の内周面に赤外線を反射する反射膜を形成するか、赤外線を反射する材料でガス検知管3を形成する。反射膜は、Auなどの金属薄膜をスパッタリングなどの薄膜形成法により管路31の内周面の全面に形成する。このように管路31の内周面で赤外線が反射することにより、赤外光源1から放射された赤外線の一部は、図1に破線で示すように、管路31の内周面で反射を繰り返して赤外線センサ2まで導かれる。   The gas detection tube 3 is formed with a conduit 31 for guiding infrared rays from the infrared light source 1 to the infrared sensor 2, and the inner peripheral surface of the conduit 31 reflects infrared rays. That is, a reflection film that reflects infrared rays is formed on the inner peripheral surface of the pipe 31 of the gas detection tube 3, or the gas detection tube 3 is formed of a material that reflects infrared rays. The reflective film is formed by depositing a metal thin film such as Au on the entire inner peripheral surface of the duct 31 by a thin film forming method such as sputtering. As described above, the infrared rays are reflected on the inner peripheral surface of the pipe line 31, so that a part of the infrared rays emitted from the infrared light source 1 is reflected on the inner peripheral face of the pipe line 31 as indicated by a broken line in FIG. 1. Is repeated until the infrared sensor 2 is guided.

ガス検知管3には管路31の内部空間と外部空間とを連通させる多数の連通孔32が貫設される。したがって、外部空間に存在する検知対象ガスが連通孔32を通して管路31の内部空間に導入される。ガス検知管3に検知対象ガスが導入されると、赤外光源1から放射された赤外線の一部が、検知対象ガスに吸収されるか反射されるから、赤外線センサ2の受光強度に変化が生じ、この変化を検出することによって、検知対象ガスの存在および濃度を検出することが可能になる。すなわち、ガス検知管3に設けた管路31の内部空間を監視空間として検知対象ガスを検知する。   The gas detection pipe 3 is provided with a large number of communication holes 32 through which the internal space of the pipe line 31 communicates with the external space. Therefore, the detection target gas existing in the external space is introduced into the internal space of the conduit 31 through the communication hole 32. When the detection target gas is introduced into the gas detection tube 3, a part of the infrared ray emitted from the infrared light source 1 is absorbed or reflected by the detection target gas, and thus the received light intensity of the infrared sensor 2 changes. By detecting this change, it becomes possible to detect the presence and concentration of the gas to be detected. That is, the detection target gas is detected using the internal space of the pipe 31 provided in the gas detection pipe 3 as a monitoring space.

ガス検知管3の管路31は、直管状に形成することができるが、図に示すように蛇行状に形成するのが望ましい。ここに、管路31の内周面は赤外線を反射するから、管路31が蛇行状に形成されていても赤外光源1から赤外線センサ2まで赤外線を伝達することができる。   The pipe 31 of the gas detection pipe 3 can be formed in a straight tube shape, but is preferably formed in a meandering shape as shown in the figure. Here, since the inner peripheral surface of the duct 31 reflects infrared rays, the infrared rays can be transmitted from the infrared light source 1 to the infrared sensor 2 even if the duct 31 is formed in a meandering shape.

上述のように、管路31を蛇行状に形成した場合は、赤外光源1から赤外線センサ2に到達するまでの赤外線の経路が引き延ばされ、管路31に導入された検知対象ガスを赤外線が通過する距離が長くなるから、検知対象ガスによる赤外線への影響を検出しやすくなる。また、管路31の内周面で赤外線が反射を繰り返すことによっても、検知対象ガスを赤外線が通過する距離が長くなるから、蛇行状のガス検知管3を設けることにより検知対象ガスに対する感度を高めることができる。   As described above, when the pipe line 31 is formed in a meandering shape, the infrared path from the infrared light source 1 to the infrared sensor 2 is extended, and the detection target gas introduced into the pipe line 31 is expanded. Since the distance through which the infrared ray passes becomes longer, it becomes easier to detect the influence of the detection target gas on the infrared ray. Moreover, since the distance through which the infrared ray passes through the detection target gas becomes longer even when the infrared rays are repeatedly reflected on the inner peripheral surface of the pipe 31, the sensitivity to the detection target gas can be improved by providing the meandering gas detection tube 3. Can be increased.

赤外光源1は、駆動回路4から間欠的に電圧が印加されることにより赤外線を間欠的に放射することが可能であり、通電開始からの立ち上がり時間が短く、かつ通電終了からの立ち下がり時間が短くなるように構成されている。赤外光源1の具体構成については後述する。   The infrared light source 1 can intermittently emit infrared rays by intermittently applying a voltage from the drive circuit 4, has a short rise time from the start of energization, and a fall time from the end of energization. Is configured to be shorter. A specific configuration of the infrared light source 1 will be described later.

駆動回路4から赤外光源1に印加する電圧波形は、単発のパルス波または複数個(5〜10個程度)のパルスからなるバースト波とする。また、赤外光源1に電圧を印加する時間間隔は、たとえば10〜60sに設定する。赤外光源1に電圧を印加する時間(1パルス当たりのパルス幅)は赤外線センサ2の応答速度にもよるが、たとえば100μs〜10msとし、バースト波を用いる場合には、たとえば100ms程度の継続時間とする。   The voltage waveform applied from the drive circuit 4 to the infrared light source 1 is a single pulse wave or a burst wave composed of a plurality of (about 5 to 10) pulses. Moreover, the time interval which applies a voltage to the infrared light source 1 is set to 10-60 s, for example. The time for applying a voltage to the infrared light source 1 (pulse width per pulse) depends on the response speed of the infrared sensor 2, but is set to 100 μs to 10 ms, for example. When burst waves are used, the duration is about 100 ms, for example. And

図示例において、赤外光源1は、金属製のパッケージ10(キャン)に収納された放射素子11を備える。パッケージ10には放射素子11の前方において窓孔12が形成され、窓孔12には投光レンズ13が装着される。投光レンズ13はSiを材料として形成され、半導体プロセスにより形成される。また、パッケージ10には放射素子11を駆動回路4に接続するための2本のリードピン14が突設される。投光レンズ13には、ガス検出に必要な特定波長帯の反射を抑制するように、赤外線反射防止膜が両面に形成されている。なお、投光レンズ13に代えて集光ミラーを設けてもよい。   In the illustrated example, the infrared light source 1 includes a radiating element 11 housed in a metal package 10 (can). A window hole 12 is formed in the package 10 in front of the radiating element 11, and a projection lens 13 is attached to the window hole 12. The light projection lens 13 is made of Si and is formed by a semiconductor process. In addition, two lead pins 14 for connecting the radiating element 11 to the drive circuit 4 are projected from the package 10. The light projection lens 13 is formed with an infrared antireflection film on both sides so as to suppress reflection in a specific wavelength band necessary for gas detection. A condensing mirror may be provided in place of the light projecting lens 13.

一方、赤外線センサ2は、焦電素子からなる2個の受光素子21a,21bを金属製のパッケージ20(キャン)に収納してあり、パッケージ20において2個の受光素子21a,21bの前方には共通の1個の窓孔22が形成される。この窓孔22には、ガス検知管3に設けた管路31の内部空間から各受光素子21a,21bに入射する赤外線の波長を選択するためのフィルタが装着される。さらに、パッケージ20には受光素子21a,21bを検知回路5に接続するためのリードピン24が突設される。   On the other hand, in the infrared sensor 2, two light receiving elements 21a and 21b made of pyroelectric elements are housed in a metal package 20 (can), and in the package 20, in front of the two light receiving elements 21a and 21b. One common window hole 22 is formed. A filter for selecting the wavelength of infrared rays incident on the light receiving elements 21 a and 21 b from the internal space of the pipe 31 provided in the gas detection pipe 3 is attached to the window hole 22. Furthermore, lead pins 24 for connecting the light receiving elements 21 a and 21 b to the detection circuit 5 are provided on the package 20 in a protruding manner.

受光素子21a,21bは、熱型と量子型とのいずれでも用いることができるが、焦電素子のような熱型の素子を用いることにより、取り扱いが容易である上に高感度であり、しかも低価格での提供が可能になる。   The light receiving elements 21a and 21b can be either a thermal type or a quantum type. By using a thermal type element such as a pyroelectric element, the light receiving elements 21a and 21b are easy to handle and have high sensitivity. It can be offered at a low price.

フィルタは、管路31の内部空間である監視空間から各受光素子21a,21bへの赤外線の入射経路にそれぞれ配置され、それぞれ特定波長帯の赤外線を選択的に透過させる2個の透過フィルタ25a,25bと、透過フィルタ25a,25bを透過する特定波長帯の赤外線を除く波長域の赤外線を吸収する除去フィルタ26とを重ねた構成を有する。   The filters are respectively arranged on the infrared incident paths from the monitoring space, which is the internal space of the pipe line 31, to the light receiving elements 21a and 21b, and each of the two transmission filters 25a and 25a selectively transmits infrared light in a specific wavelength band. 25b and a removal filter 26 that absorbs infrared light in a wavelength range excluding infrared light in a specific wavelength band that passes through the transmission filters 25a and 25b.

具体的には、Siからなるフィルタ基板23における受光素子21a,21b側の一面に2個の透過フィルタ25a,25bが重ねて形成され、フィルタ基板23の他面に除去フィルタ26が重ねて形成される。すなわち、各透過フィルタ25a,25bは、監視空間である管路31から各受光素子21a,21bへの赤外線の入射経路にそれぞれ配置され、除去フィルタ26は、監視空間である管路31と透過フィルタ25a,25bとの間に配置される。したがって、管路31からの赤外線は、除去フィルタ26により透過する波長域が狭められた後に、透過フィルタ25a,25bにより特定波長帯のみが選択的に透過されて受光素子21a,21bに到達する。   Specifically, two transmission filters 25a and 25b are formed on one surface of the light receiving elements 21a and 21b on the filter substrate 23 made of Si, and a removal filter 26 is formed on the other surface of the filter substrate 23. The In other words, the transmission filters 25a and 25b are respectively arranged on the infrared incident paths from the pipe line 31 serving as the monitoring space to the light receiving elements 21a and 21b, and the removal filter 26 is connected to the pipe line 31 serving as the monitoring space and the transmission filter. It is arranged between 25a and 25b. Therefore, after the wavelength band transmitted through the conduit 31 is narrowed by the removal filter 26, only the specific wavelength band is selectively transmitted by the transmission filters 25a and 25b to reach the light receiving elements 21a and 21b.

透過フィルタ25a,25bは、いずれも放射素子11が放射する中赤外線ないし遠赤外線の波長域において狭帯域の透過特性を有している。一方の透過フィルタ25aは検知対象ガスによる吸収が生じる特定波長帯を透過させ、他方の透過フィルタ25bは検知対象ガスによる吸収が生じない特定波長帯を透過させるように、透過特性が設計される。   Each of the transmission filters 25a and 25b has a narrow-band transmission characteristic in a wavelength range of mid-infrared to far-infrared emitted by the radiating element 11. Transmission characteristics are designed so that one transmission filter 25a transmits a specific wavelength band where absorption by the detection target gas occurs, and the other transmission filter 25b transmits a specific wavelength band where absorption by the detection target gas does not occur.

たとえば、透過フィルタ25aは、検知対象ガスが二酸化炭素である場合に4.3μmを中心とする特定波長帯を透過するように構成し、検知対象ガスが一酸化炭素である場合に4.7μm、検知対象ガスがメタンである場合に3.3μmなどと設定する。また、透過フィルタ25bは、これらの検知対象ガスによる吸収が生じないように、たとえば、3.9μmを中心とする特定波長帯を透過するように構成する。   For example, the transmission filter 25a is configured to transmit a specific wavelength band centered on 4.3 μm when the detection target gas is carbon dioxide, and 4.7 μm when the detection target gas is carbon monoxide. When the detection target gas is methane, the value is set to 3.3 μm. Further, the transmission filter 25b is configured to transmit, for example, a specific wavelength band centered on 3.9 μm so that absorption by these detection target gases does not occur.

狭帯域の透過フィルタ25a,25bの構成としては、図2に示すように、屈折率が異なり光学膜厚が等しい周期構造の複数層の薄膜27x,27yと、周期構造(たとえば、2種類の屈折率の層を交互に設けた周期構造でよい)の薄膜27x,27yとは光学膜厚が異なる波長選択層28を周期構造の途中に挟んだ構造の多層膜フィルタがある。周期構造の薄膜27x,27yの各層は、それぞれ4分の1波長の光学膜厚を有するように構成される。   As shown in FIG. 2, the narrow band transmission filters 25a and 25b are composed of a plurality of thin films 27x and 27y having a periodic structure with different refractive indexes and equal optical thicknesses, and a periodic structure (for example, two types of refraction). There is a multilayer filter having a structure in which a wavelength selection layer 28 having a different optical film thickness is sandwiched in the middle of the periodic structure, which is different from the thin films 27x and 27y. Each layer of the thin films 27x and 27y having the periodic structure is configured to have an optical film thickness of a quarter wavelength.

一方、除去フィルタ26は、赤外線を吸収する材料の赤外線吸収層を有しており、赤外線吸収層の材料には、AlあるいはTaを用いる。除去フィルタ26として赤外線吸収層のみを備える構成を採用してもよいが、透過フィルタ25a,25bと同様に、屈折率が異なる複数層の多層膜フィルタを用いるのが望ましい。たとえば、2種類の屈折率の層を交互に設ける場合には、低屈折率の層を赤外線吸収層とする。赤外線吸収層を上記材料で形成する場合には、高屈折率の層の材料としてGeを用いればよい。 On the other hand, the removal filter 26 has an infrared absorption layer made of a material that absorbs infrared rays, and Al 2 O 3 or Ta 2 O 3 is used as the material of the infrared absorption layer. Although a configuration including only an infrared absorption layer may be employed as the removal filter 26, it is desirable to use a multilayer filter having a plurality of layers having different refractive indexes, similarly to the transmission filters 25a and 25b. For example, in the case where two types of refractive index layers are provided alternately, the low refractive index layer is an infrared absorption layer. When the infrared absorption layer is formed of the above material, Ge may be used as the material for the high refractive index layer.

除去フィルタ26の赤外線吸収層として上記材料を選択することにより、透過フィルタ25a,25bを透過する特定波長帯の赤外線を吸収することなく、特定波長帯よりも長波長側の赤外線を広帯域に亘って吸収することができる。また、除去フィルタ26として多層膜フィルタを用いることにより、赤外線の吸収のみではなく反射も利用して不要な波長域の赤外線が受光素子21a,21bに入射するのを防止することができる。   By selecting the above materials as the infrared absorption layer of the removal filter 26, the infrared rays longer than the specific wavelength band are spread over a wide band without absorbing the infrared of the specific wavelength band that passes through the transmission filters 25a and 25b. Can be absorbed. In addition, by using a multilayer filter as the removal filter 26, it is possible to prevent infrared rays in unnecessary wavelength ranges from entering the light receiving elements 21a and 21b by using not only absorption of infrared rays but also reflection.

図3に透過フィルタ25a,25bの特性(特性イは透過フィルタ25a、特性ロは透過フィルタ25b)と、除去フィルタ26(特性ハ)との関係を示す。図3からわかるように、除去フィルタ26では長波長側の不要な波長域(遠赤外線の波長域)の赤外線が透過せずに吸収されることにより除去され、除去フィルタ26を透過した短波長側の波長域(中赤外線ないし遠赤外線の波長域)のうち特定波長帯の赤外線が狭帯域の透過フィルタ25a,25bを透過する。   FIG. 3 shows the relationship between the characteristics of the transmission filters 25a and 25b (characteristic B is the transmission filter 25a and characteristic B is the transmission filter 25b) and the removal filter 26 (characteristic C). As can be seen from FIG. 3, in the removal filter 26, an unnecessary wavelength region (far infrared wavelength region) on the long wavelength side is removed by being absorbed without being transmitted, and the short wavelength side transmitted through the removal filter 26. In the specific wavelength band (mid-infrared or far-infrared wavelength band), the infrared of a specific wavelength band passes through the narrow band transmission filters 25a and 25b.

フィルタ基板23は、透過フィルタ25a,25bおよび除去フィルタ26を支持する機能を有し、かつパッケージ20と熱的に結合することによって、除去フィルタ26の放熱を行う機能も有している。フィルタ基板23の材料としては、上述したSiのほか、GeやZnSを用いることも可能である。なお、フィルタ基板23には、透過フィルタ25a,25bにより選択される特定波長帯の赤外線を透過させる材料を選択する。   The filter substrate 23 has a function of supporting the transmission filters 25 a and 25 b and the removal filter 26, and also has a function of radiating heat from the removal filter 26 by being thermally coupled to the package 20. As a material of the filter substrate 23, Ge or ZnS can be used in addition to Si described above. For the filter substrate 23, a material that transmits infrared rays in a specific wavelength band selected by the transmission filters 25a and 25b is selected.

2個の受光素子21a,21bの出力を用いてガス検知管3の中のガスの存否および濃度を検出するには、両受光素子21a,21bの出力値の差または比を求める。いま、検知対象ガスの非存在下において両受光素子21a,21bの出力がそれぞれVa,Vbであり、検知対象ガスの存在下において受光素子21aの出力のみがΔVだけ低下したとする。上述の例では、透過フィルタ24aが前方に配置された受光素子21aは二酸化炭素の存在により受光強度が低下し、透過フィルタ24bが前方に配置された受光素子21bは二酸化炭素が存在しても受光強度が低下しないから、受光素子21aの出力のみが低下するという設定は妥当である。ここで、両受光素子21a,21bの出力の差の変化は(Va−Vb)→(Va−ΔV−Vb)であり、比の変化は(Va/Vb)→{(Va−ΔV)/Vb}である。   In order to detect the presence / absence and concentration of the gas in the gas detection tube 3 using the outputs of the two light receiving elements 21a and 21b, the difference or ratio between the output values of both the light receiving elements 21a and 21b is obtained. Now, it is assumed that the outputs of the light receiving elements 21a and 21b are Va and Vb, respectively, in the absence of the detection target gas, and that only the output of the light receiving element 21a is decreased by ΔV in the presence of the detection target gas. In the above-described example, the light receiving element 21a in which the transmission filter 24a is disposed in the front has a reduced light receiving intensity due to the presence of carbon dioxide, and the light receiving element 21b in which the transmission filter 24b is disposed in the front receives light even if carbon dioxide is present. Since the intensity does not decrease, a setting that only the output of the light receiving element 21a decreases is appropriate. Here, the change in the output difference between the light receiving elements 21a and 21b is (Va−Vb) → (Va−ΔV−Vb), and the change in the ratio is (Va / Vb) → {(Va−ΔV) / Vb. }.

受光素子21a,21bの出力の差を求める場合に、受光素子21a,21bとして焦電素子を用いる場合には極性を利用し、両受光素子21a,21bを逆直列に接続することによって、互いの出力の差を用いることができる。また、受光素子21a,21bの種類に関わらず、出力を差動増幅器に入力することにより、両受光素子21a,21bの出力の差分が得られる。   When the difference between the outputs of the light receiving elements 21a and 21b is obtained, if a pyroelectric element is used as the light receiving elements 21a and 21b, the polarity is used, and both the light receiving elements 21a and 21b are connected in reverse series to each other. Output differences can be used. Regardless of the type of the light receiving elements 21a and 21b, the difference between the outputs of the light receiving elements 21a and 21b can be obtained by inputting the output to the differential amplifier.

受光素子21a,21bの出力の差と比とのどちらを用いるかにかかわらず、赤外光源1から単発のパルス波に対応する赤外線を受光するだけでは外光などのノイズと誤認する可能性があるから、赤外光源1からはバースト波に対応する赤外線を受光するのが望ましい。バースト波に対応する赤外線を受光すれば、複数回の受光で得られた差あるいは比の平均値を求めることにより、ノイズの影響を低減してS/Nの向上を図ることができる。   Regardless of whether the difference between the outputs of the light receiving elements 21a and 21b or the ratio is used, simply receiving infrared light corresponding to a single pulse wave from the infrared light source 1 may be misidentified as noise such as external light. Therefore, it is desirable to receive infrared light corresponding to the burst wave from the infrared light source 1. If infrared light corresponding to a burst wave is received, the average value of differences or ratios obtained by a plurality of light receptions can be obtained, thereby reducing the influence of noise and improving S / N.

本実施形態では、受光素子21a,21bとして焦電素子を用いるから、受光素子21a,21bを逆直列に接続して差を出力する。受光素子21a,21bの出力は検知回路5に与えられ、検知回路5では、受光素子21a,21bの出力の差からガス検知管3の内部において、たとえば対象ガスとして所定濃度以上の二酸化炭素の存在を検出する。検知回路5は、パッケージ20の内部空間と外部とのいずれに設けてもよい。   In this embodiment, since pyroelectric elements are used as the light receiving elements 21a and 21b, the light receiving elements 21a and 21b are connected in reverse series to output a difference. The outputs of the light receiving elements 21a and 21b are given to the detection circuit 5. In the detection circuit 5, for example, carbon dioxide having a predetermined concentration or more exists as a target gas in the gas detection tube 3 due to the difference between the outputs of the light receiving elements 21a and 21b. Is detected. The detection circuit 5 may be provided either inside the package 20 or outside.

本実施形態における検知回路5は、ガス検知管3の内部における検知対象ガスの濃度が規定値以上か否かを判断し、検知対象ガスの濃度が規定値以上になると、検知回路5から警報信号が出力されるようにしてある。警報信号は、聴覚的あるいは視覚的に警報を与える警報装置に出力される。   In the present embodiment, the detection circuit 5 determines whether or not the concentration of the detection target gas in the gas detection tube 3 is equal to or higher than a specified value. Is output. The alarm signal is output to an alarm device that gives an alarm audibly or visually.

この動作を可能にする検知回路5は、たとえば、バースト波に対応する受光素子21a,21bの出力を平均化する積分機能を備える電流−電圧変換回路と、電流−電圧変換回路の出力値を閾値と比較する比較器と、比較結果により警報信号を出力する出力回路とを備える構成を採用することができる。検知回路5は、この構成以外のものを採用することが可能であって、警報信号ではなく検知対象ガスの濃度に対応する出力を発生させる場合であれば、比較器ではなく電流−電圧変換回路の出力値を検知対象ガスの濃度に換算する機能を設けてもよい。   The detection circuit 5 that enables this operation includes, for example, a current-voltage conversion circuit having an integration function that averages the outputs of the light receiving elements 21a and 21b corresponding to burst waves, and the output value of the current-voltage conversion circuit as a threshold value. It is possible to employ a configuration including a comparator for comparing with the output circuit and an output circuit for outputting an alarm signal according to the comparison result. The detection circuit 5 can adopt a configuration other than this configuration, and if it generates an output corresponding to the concentration of the detection target gas instead of an alarm signal, it is not a comparator but a current-voltage conversion circuit. May be provided with a function of converting the output value into the concentration of the detection target gas.

ところで、本実施形態で用いている放射素子11は、駆動回路4からの単発のパルスあるいは複数個のパルスからなるバースト波に応答して赤外線を放射する必要があり、10μs〜10ms程度の応答速度が要求される。この要求を満たす放射素子11の一例を図4に示す。図4に示す放射素子11の構成は一例であって、この構成に限定する趣旨ではない。   By the way, the radiating element 11 used in this embodiment needs to radiate infrared rays in response to a single pulse from the driving circuit 4 or a burst wave composed of a plurality of pulses, and a response speed of about 10 μs to 10 ms. Is required. An example of the radiation element 11 that satisfies this requirement is shown in FIG. The configuration of the radiating element 11 illustrated in FIG. 4 is an example, and is not intended to be limited to this configuration.

図示する放射素子11は、基板41の一表面に形成された薄膜の保持層42と、保持層42に対して基板41の反対面側に積層された薄膜であって通電に伴って発生した熱により赤外線を放射する赤外線放射層43とを備える。さらに、基板41において保持層42を設けている一表面には基板41の一部と保持層42とに囲まれた厚み寸法の小さい気体層44が形成される。気体層44は、基板41の一表面の周部を残して形成された浅い凹所の開口面に保持層42を覆着した形に形成される。図示例では、気体層44を何も備えていない空洞としているが、保持層42を支持するために凹所の底面と保持層42との間に支柱状の支持体を設けてもよい。   The radiating element 11 shown in the figure is a thin film holding layer 42 formed on one surface of a substrate 41, and a thin film laminated on the opposite surface side of the substrate 41 with respect to the holding layer 42. And an infrared radiation layer 43 that radiates infrared rays. Further, a gas layer 44 having a small thickness surrounded by a part of the substrate 41 and the holding layer 42 is formed on one surface of the substrate 41 where the holding layer 42 is provided. The gas layer 44 is formed in a shape in which a holding layer 42 is covered on an opening surface of a shallow recess formed by leaving a peripheral portion of one surface of the substrate 41. In the illustrated example, a cavity without any gas layer 44 is provided, but a support in the form of a column may be provided between the bottom surface of the recess and the holding layer 42 in order to support the holding layer 42.

基板41は、半導体基板(たとえば、単結晶のシリコン基板)であって直方体状に形成されている。また、保持層42は、基板41の一表面の周部を残した領域に陽極酸化を施すことにより、基板41を多孔質化して形成する。陽極酸化の条件(電解液の組成、電流密度、処理時間など)は、基板41の導電形および導電率に応じて適宜設定する。   The substrate 41 is a semiconductor substrate (for example, a single crystal silicon substrate) and is formed in a rectangular parallelepiped shape. The holding layer 42 is formed by making the substrate 41 porous by anodizing a region where the peripheral portion of one surface of the substrate 41 is left. The conditions for anodic oxidation (electrolyte composition, current density, processing time, etc.) are appropriately set according to the conductivity type and conductivity of the substrate 41.

陽極酸化は、フッ化水素水溶液中で行い、多孔度が略70%の多孔質半導体層(たとえば、ポーラスシリコン層)として形成してある。また、基板41の導電形は、p形とn形とのどちらでもよいが、p形のシリコン基板はn形のシリコン基板に比較して陽極酸化による多孔質化を行った際に多孔度が大きくなりやすいという傾向があるから、基板41にはp形のシリコン基板を用いるのが望ましい。   Anodization is performed in an aqueous hydrogen fluoride solution, and is formed as a porous semiconductor layer (for example, a porous silicon layer) having a porosity of approximately 70%. The conductivity type of the substrate 41 may be either p-type or n-type. However, the p-type silicon substrate has a porosity higher than that of the n-type silicon substrate when anodized. Since it tends to be large, it is desirable to use a p-type silicon substrate for the substrate 41.

陽極酸化により多孔質化した保持層42は、熱容量および熱伝導率が小さい上に耐熱性が高く、しかも表面が平滑であるという特徴を有している。さらに、保持層42の熱伝導率を低減するために保持層42の一部あるいは全部について酸化あるいは窒化を行ってもよい。酸化あるいは窒化を行えば電気絶縁性も高くなる。   The holding layer 42 made porous by anodization has the characteristics that the heat capacity and thermal conductivity are small, the heat resistance is high, and the surface is smooth. Further, in order to reduce the thermal conductivity of the holding layer 42, oxidation or nitridation may be performed on a part or all of the holding layer 42. If the oxidation or nitridation is performed, the electrical insulation is increased.

一方、陽極酸化により多孔質化する代わりに熱酸化により形成した半導体酸化膜を保持層42に用いてもよい。また、熱酸化により保持層42となる半導体酸化膜を形成する代わりに、CVD法により酸化物を含む材料の保持層42を形成することも可能である。熱酸化ないしCVD法により保持層42を形成すれば、多孔質化により保持層42を形成する場合に比較して製造プロセスが簡単になるから、量産性を高めることが可能になる。なお、CVD法により保持層42を形成する場合には、アルミナのような熱絶縁性の高い酸化物を用いたり、この種の酸化物を含む材料を用いることが可能である。保持層42は、この種の材料の多孔体で形成することも可能である。   On the other hand, a semiconductor oxide film formed by thermal oxidation may be used for the holding layer 42 instead of making it porous by anodic oxidation. Further, instead of forming the semiconductor oxide film that becomes the holding layer 42 by thermal oxidation, it is also possible to form the holding layer 42 of a material containing oxide by a CVD method. If the holding layer 42 is formed by thermal oxidation or CVD, the manufacturing process becomes simpler than the case where the holding layer 42 is formed by making it porous, so that mass productivity can be improved. In the case where the holding layer 42 is formed by the CVD method, it is possible to use an oxide with high thermal insulation such as alumina or a material containing this kind of oxide. The holding layer 42 can also be formed of a porous body of this kind of material.

赤外線放射層43は、TaNとTiNとから選択した材料により形成する。これらの材料は耐熱性および耐酸化性に優れているから、赤外線放射層43を空気雰囲気で使用することが可能である。これらの材料は、赤外線放射層43としての耐久性を満たしながらも応答性を確保するのに適した厚み寸法(数十nm)において、シート抵抗が所望値になるという物性を有している。   The infrared radiation layer 43 is formed of a material selected from TaN and TiN. Since these materials are excellent in heat resistance and oxidation resistance, the infrared radiation layer 43 can be used in an air atmosphere. These materials have a physical property that the sheet resistance becomes a desired value in a thickness dimension (several tens of nm) suitable for ensuring the responsiveness while satisfying the durability as the infrared radiation layer 43.

これらの材料を用いて赤外線放射層43を成膜する際には窒素ガスを導入するから、導入した窒素ガスの分圧によってシート抵抗を制御することが可能である。たとえば、TaNを反応性スパッタ法により所定の位置に赤外線放射層43を成膜することができる。そして、窒素ガスの分圧を制御することにより、所定の発熱温度でシート抵抗が所望値になるように形成することができる。ただし、赤外線放射層43を形成する材料は、TaN,TiN以外も使用可能であり、他の窒化金属や炭化金属を用いてもよい。   Since nitrogen gas is introduced when forming the infrared radiation layer 43 using these materials, the sheet resistance can be controlled by the partial pressure of the introduced nitrogen gas. For example, the infrared radiation layer 43 can be formed at a predetermined position by reactive sputtering of TaN. Then, by controlling the partial pressure of nitrogen gas, the sheet resistance can be formed to a desired value at a predetermined heat generation temperature. However, materials other than TaN and TiN can be used as the material for forming the infrared radiation layer 43, and other metal nitrides or metal carbides may be used.

赤外線放射層43の表面には良導電性の金属材料により形成した一対の電極45が設けられる。電極45に用いる金属材料としては、赤外線放射層43の材料と反応しにくく高温での安定性に優れたイリジウムなどが適している。また、赤外線放射層43の温度上昇が小さい場合はアルミニウムなどの材料も電極45に用いることができる。電極45の材料は、これらの金属材料に限らず、他の導電性材料も使用可能である。   A pair of electrodes 45 formed of a highly conductive metal material is provided on the surface of the infrared radiation layer 43. As the metal material used for the electrode 45, iridium which does not easily react with the material of the infrared radiation layer 43 and has excellent stability at high temperatures is suitable. Further, when the temperature increase of the infrared radiation layer 43 is small, a material such as aluminum can be used for the electrode 45. The material of the electrode 45 is not limited to these metal materials, and other conductive materials can be used.

上述したように、放射素子11はパッケージ10に収納されて赤外光源1を形成しており、各電極45はそれぞれボンディングワイヤ15を介して各リードピン14に接続される。   As described above, the radiating element 11 is housed in the package 10 to form the infrared light source 1, and each electrode 45 is connected to each lead pin 14 via the bonding wire 15.

上述の構成を有する放射素子11は、両電極45の間に通電すると、赤外線放射層43がジュール熱により加熱され赤外線放射層43から赤外線が放射される。また、通電を停止すると、赤外線放射層43からの赤外線放射が停止する。   When the radiating element 11 having the above-described configuration is energized between the electrodes 45, the infrared radiation layer 43 is heated by Joule heat, and infrared radiation is emitted from the infrared radiation layer 43. Further, when the energization is stopped, the infrared radiation from the infrared radiation layer 43 is stopped.

赤外線放射層43への通電時には通電時間が比較的短ければ、気体層44では熱伝導および対流による熱の伝達がなされず、保持層42の温度低下を抑制し、結果的に、赤外線放射層43を高い温度に維持して赤外線放射を促進する。   If the energization time is relatively short when the infrared radiation layer 43 is energized, heat transfer by heat conduction and convection is not performed in the gas layer 44, and the temperature drop of the holding layer 42 is suppressed. As a result, the infrared radiation layer 43 Is maintained at a high temperature to promote infrared radiation.

一方、赤外線放射層43の非通電時には基板41と保持層42とに温度差があれば、気体層44の中に存在する気体により保持層42から基板41への熱伝導および対流による熱の伝達がなされ、保持層42の放熱を促進し、結果的に、赤外線放射層43を迅速に冷却して赤外線放射をただちに停止させる。   On the other hand, if there is a temperature difference between the substrate 41 and the holding layer 42 when the infrared radiation layer 43 is not energized, heat transfer from the holding layer 42 to the substrate 41 and heat transfer by convection due to the gas present in the gas layer 44. The heat radiation of the holding layer 42 is promoted, and as a result, the infrared radiation layer 43 is rapidly cooled to stop the infrared radiation immediately.

すなわち、図5(a)に示すように、赤外線放射層43(に設けた一対の電極45間)にパルス状の電圧を印加すると、赤外線放射層43は、図5(b)のように、電圧の立ち上がりから応答性よく赤外線を放射し、電圧の立ち下がりから比較的短時間で赤外線の放射を停止する。   That is, as shown in FIG. 5A, when a pulse voltage is applied to the infrared radiation layer 43 (between a pair of electrodes 45 provided on the infrared radiation layer 43), the infrared radiation layer 43 becomes as shown in FIG. Infrared rays are radiated with good responsiveness from the rise of the voltage, and the emission of infrared rays is stopped in a relatively short time after the fall of the voltage.

赤外線放射層43から放射される赤外線のピーク波長λ〔μm〕は、ウィーンの変位則を満足しており、赤外線放射層43の絶対温度T〔K〕とは、次式の関係がある。
λ=2898/T …(1)
したがって、赤外線放射層43の温度を変化させることにより、赤外線放射層43から放射される赤外線のピーク波長を変化させることができる。赤外線放射層43の温度を調節するには、電極45に印加する電圧の振幅や波形などを調節し、単位時間当たりに発生するジュール熱を変化させる。
The peak wavelength λ [μm] of infrared rays radiated from the infrared radiation layer 43 satisfies the Vienna displacement law, and the absolute temperature T [K] of the infrared radiation layer 43 has the following relationship.
λ = 2898 / T (1)
Therefore, by changing the temperature of the infrared radiation layer 43, the peak wavelength of infrared radiation emitted from the infrared radiation layer 43 can be changed. In order to adjust the temperature of the infrared radiation layer 43, the amplitude or waveform of the voltage applied to the electrode 45 is adjusted to change the Joule heat generated per unit time.

たとえば、両電極45の間に100V程度の正弦波状の電圧を印加することによりピーク波長が3〜4〔μm〕の赤外線を放射させるように設計することが可能であり、電圧を調節すれば、ピーク波長が4〔μm〕以上になる赤外線を放射させることも可能である。   For example, by applying a sinusoidal voltage of about 100 V between both electrodes 45, it is possible to design to emit infrared light having a peak wavelength of 3 to 4 [μm]. If the voltage is adjusted, It is also possible to emit infrared rays having a peak wavelength of 4 [μm] or more.

ところで、上述の構成の赤外光源の電極45に正弦波状の電圧を印加するものとして、保持層42の熱伝導率をαp〔W/mK〕、保持層42の体積熱容量(比熱容量と密度との積)をCp〔J/mK〕、赤外線放射層43が応答可能な周波数(印加電圧の周波数の2倍)をf〔Hz〕とすれば、保持層42の熱拡散長μは、次式で表される。
μ=(2αp/ωCp)1/2 …(2)
ただし、ω=2πfである。
By the way, assuming that a sinusoidal voltage is applied to the electrode 45 of the infrared light source configured as described above, the thermal conductivity of the holding layer 42 is αp [W / mK], and the volumetric heat capacity of the holding layer 42 (specific heat capacity and density). ) Is Cp [J / m 3 K], and the frequency at which the infrared radiation layer 43 can respond (twice the frequency of the applied voltage) is f [Hz], the thermal diffusion length μ of the holding layer 42 is It is expressed by the following formula.
μ = (2αp / ωCp) 1/2 (2)
However, ω = 2πf.

保持層42は、赤外線放射層43から交流的に変化する熱が与えられたときに、赤外線放射層43から保持層42に向かって放射された赤外線が、保持層42と気体層44との境界面において気体層44に渡されるように、厚み寸法Lpを設定する必要がある。すなわち、保持層42の厚み寸法Lpは少なくとも熱拡散長μよりも小さい値に設定する(Lp<μ)ことが望ましい。   When the heat which changes alternatingly from the infrared radiation layer 43 is given from the infrared radiation layer 43, the infrared rays radiated from the infrared radiation layer 43 toward the retention layer 42 are the boundary between the retention layer 42 and the gas layer 44. It is necessary to set the thickness dimension Lp so as to be passed to the gas layer 44 on the surface. That is, it is desirable to set the thickness dimension Lp of the holding layer 42 to a value that is at least smaller than the thermal diffusion length μ (Lp <μ).

保持層42をポーラスシリコンにより形成するものとし、赤外線放射層43の応答可能な周波数f、保持層42の体積熱容量Cp、保持層42の熱伝導率αpを、それぞれf=10〔kHz〕、αp=1.1〔W/mK〕、Cp=1.05×10〔J/mK〕として、(2)式に代入すると、μ=5.8×10−6〔m〕になる。したがって、保持層42の厚み寸法Lpを5.8〔μm〕よりも小さくする必要がある。 The holding layer 42 is made of porous silicon, and the frequency f at which the infrared radiation layer 43 can respond, the volumetric heat capacity Cp of the holding layer 42, and the thermal conductivity αp of the holding layer 42 are f = 10 [kHz] and αp, respectively. = 1.1 [W / mK], Cp = 1.05 × 10 6 [J / m 3 K] and substituting into the equation (2), μ = 5.8 × 10 −6 [m]. Therefore, it is necessary to make the thickness dimension Lp of the holding layer 42 smaller than 5.8 [μm].

赤外線の放射効率をさらに高めるには、保持層42において共鳴条件を成立させることが望ましい。つまり、赤外線放射層43から保持層42に向かう赤外線を保持層42と気体層44との境界面において反射させることで、赤外線放射層4の後方に放射される赤外線量を低減させ、結果的に赤外線放射層43から放射される赤外線の強度を高めることができる。この動作を可能とするには、目的波長の赤外線の共鳴条件を満足するように保持層42の厚み寸法を設定する。   In order to further increase the infrared radiation efficiency, it is desirable to establish a resonance condition in the holding layer 42. That is, the amount of infrared rays radiated to the rear of the infrared radiation layer 4 is reduced by reflecting the infrared rays from the infrared radiation layer 43 toward the retention layer 42 at the boundary surface between the retention layer 42 and the gas layer 44, and as a result. The intensity of infrared rays emitted from the infrared emission layer 43 can be increased. In order to enable this operation, the thickness dimension of the holding layer 42 is set so as to satisfy the resonance condition of the infrared ray of the target wavelength.

目的波長の赤外線に対して保持層42で共鳴条件を満足させるには、当該赤外線に対する保持層42の光路長を当該赤外線の4分の1波長の奇数倍にしなければならない。いま、保持層42の厚み寸法をLq〔m〕、保持層42の屈折率をnとすると、光路長はn・Lqであるから、目的とする赤外線の真空中での波長をλ〔m〕とすれば、共鳴条件は次式で表される。
n・Lq=(2m−1)λ/4 …(3)
ここに、mは正整数である。
In order to satisfy the resonance condition in the holding layer 42 for the infrared ray of the target wavelength, the optical path length of the holding layer 42 for the infrared ray must be an odd multiple of a quarter wavelength of the infrared ray. Now, assuming that the thickness dimension of the holding layer 42 is Lq [m] and the refractive index of the holding layer 42 is n, the optical path length is n · Lq. Therefore, the wavelength of the target infrared ray in vacuum is λ [m]. If so, the resonance condition is expressed by the following equation.
n · Lq = (2m−1) λ / 4 (3)
Here, m is a positive integer.

上述したように、保持層42をポーラスシリコンで形成した場合、保持層42の屈折率は、たとえばn=1.35になるから、目的とする赤外線の波長を4〔μm〕とし、m=1に設定すれば、保持層42の厚み寸法Lqは0.74〔μm〕になる。すなわち、Lp=0.74〔μm〕<5.8〔μm〕であるから(2)式も満足することができる。   As described above, when the holding layer 42 is made of porous silicon, the refractive index of the holding layer 42 is, for example, n = 1.35, so that the target infrared wavelength is 4 [μm], and m = 1. Is set, the thickness dimension Lq of the holding layer 42 is 0.74 [μm]. That is, since Lp = 0.74 [μm] <5.8 [μm], the expression (2) can also be satisfied.

すなわち、保持層42は、赤外線放射層43の昇温を阻害することがない。しかも、保持層42をポーラスシリコンを用いて形成することにより、緻密な材料を用いて保持層42を形成する場合に比べて保持層42の体積熱容量が低減されるから、赤外線放射層43と保持層42との全体としての体積熱容量を小さくすることができる。   That is, the holding layer 42 does not hinder the temperature rise of the infrared radiation layer 43. In addition, since the holding layer 42 is formed using porous silicon, the volume heat capacity of the holding layer 42 is reduced as compared with the case where the holding layer 42 is formed using a dense material. The volumetric heat capacity as a whole with the layer 42 can be reduced.

このように、保持層42の体積熱容量を小さくし、かつ赤外線放射層43の昇温を阻害しないから、赤外線放射層43の昇温効率を高め、印加された電圧の変化に高速に応答させることが可能になる。   Thus, since the volumetric heat capacity of the holding layer 42 is reduced and the temperature rise of the infrared radiation layer 43 is not hindered, the temperature rise efficiency of the infrared radiation layer 43 is increased, and a response to a change in applied voltage is made at high speed. Is possible.

さらに、保持層42において赤外線放射層43に接する面とは反対になる面は気体層44に接しており、気体層44は保持層42よりも熱伝導率が小さいから、赤外線放射層43から保持層42を通る熱伝導の経路の熱抵抗を増加させ、赤外線放射層43の周辺への放熱が抑制される。   Further, the surface of the holding layer 42 opposite to the surface in contact with the infrared radiation layer 43 is in contact with the gas layer 44, and the gas layer 44 has a lower thermal conductivity than the holding layer 42. The thermal resistance of the heat conduction path through the layer 42 is increased, and heat dissipation to the periphery of the infrared radiation layer 43 is suppressed.

ところで、気体層44の厚み寸法Lgは、以下の条件で設定するのが望ましい。いま、赤外線放射層43への印加電圧を正弦波状とし、印加電圧の周波数をf〔Hz〕、気体層44の熱伝導率をαg〔W/mK〕、気体層44の体積熱容量をCg〔J/mK〕とする。このとき、気体層44の厚み寸法Lgは次式で表される範囲に設定する。
0.05Lg′<Lg<3Lg′ …(4)
ただし、Lg′=(2αg/ωCg)1/2、ω=2πfである。
Incidentally, it is desirable to set the thickness dimension Lg of the gas layer 44 under the following conditions. Now, the applied voltage to the infrared radiation layer 43 is sinusoidal, the frequency of the applied voltage is f [Hz], the thermal conductivity of the gas layer 44 is αg [W / mK], and the volumetric heat capacity of the gas layer 44 is Cg [J / M 3 K]. At this time, the thickness dimension Lg of the gas layer 44 is set to a range represented by the following formula.
0.05Lg '<Lg <3Lg' (4)
However, Lg ′ = (2αg / ωCg) 1/2 and ω = 2πf.

たとえば、赤外線放射層43への印加電圧を周波数f=10〔kHz〕の正弦波とし、気体層44の熱伝導率αg、気体層44の体積熱容量Cgを、それぞれ、αg=0.0254〔W/mK〕、Cg=1.21×10〔J/mK〕とすれば、(4)から、1.3〔μm〕<Lg<77.5〔μm〕になるから、気体層44の厚み寸法Lgを、たとえば25〔μm〕に設定することにより、(4)式を満足することができる。望ましくは、この範囲内で温度振幅比が最大となる厚みに設定する。 For example, the applied voltage to the infrared radiation layer 43 is a sine wave having a frequency f = 10 [kHz], and the thermal conductivity αg of the gas layer 44 and the volumetric heat capacity Cg of the gas layer 44 are respectively αg = 0.0254 [W / MK], Cg = 1.21 × 10 3 [J / m 3 K], from (4), 1.3 [μm] <Lg <77.5 [μm]. By setting the thickness dimension Lg to 25 [μm], for example, the expression (4) can be satisfied. Desirably, the thickness is set so that the temperature amplitude ratio is maximized within this range.

気体層44は、基板41の温度を一定とすれば、保持層42の温度と厚み寸法Lgとに依存して断熱性と放熱性とのいずれかの機能を持つから、気体層44の厚み寸法Lgを(4)式の条件範囲において適宜に調節することにより、赤外線放射層43への印加電圧が上昇する期間には気体層44に断熱性を持たせ、赤外線放射層43への印加電圧が下降する期間には気体層44に放熱性を持たせることが可能になる。   If the temperature of the substrate 41 is constant, the gas layer 44 has either a heat insulating function or a heat radiating function depending on the temperature and the thickness dimension Lg of the holding layer 42. By appropriately adjusting Lg in the condition range of the equation (4), the gas layer 44 is provided with heat insulation during the period in which the voltage applied to the infrared radiation layer 43 increases, and the voltage applied to the infrared radiation layer 43 is reduced. During the descending period, the gas layer 44 can be provided with heat dissipation.

すなわち、気体層44の断熱性と放熱性とを利用するタイミングを、赤外線放射層43への印加電圧の増減のタイミングにほぼ一致させることが可能になり、赤外線放射層43への印加電圧が高周波で変調されている場合でも、赤外線放射層43の温度を電圧の周波数に略同期するように変化させることが可能になる。つまり、気体層44を設けていない場合よりも応答性を高めることが可能になる。   That is, the timing of using the heat insulation and heat dissipation of the gas layer 44 can be substantially matched with the timing of increase / decrease of the voltage applied to the infrared radiation layer 43, and the voltage applied to the infrared radiation layer 43 is high frequency. Even in the case of modulation by the above, it is possible to change the temperature of the infrared radiation layer 43 so as to be substantially synchronized with the frequency of the voltage. That is, it is possible to improve the responsiveness compared to the case where the gas layer 44 is not provided.

上述した構成例では、赤外線放射層43に通電することにより、赤外線放射層43を発熱させて赤外線を放射する直熱型の構成を例示したが、保持層42と赤外線放射層43との間に赤外線放射層43とは別に加熱層を設けたり、赤外線放射層43を挟んで保持層42の反対側に加熱層を設け、加熱層に通電して赤外線放射層43を加熱して赤外線を放射する傍熱型の構成を用いることも可能である。   In the configuration example described above, a direct heating configuration in which the infrared radiation layer 43 is energized to generate heat and emit infrared rays by energizing the infrared radiation layer 43, but between the holding layer 42 and the infrared radiation layer 43 is exemplified. A heating layer is provided separately from the infrared radiation layer 43, or a heating layer is provided on the opposite side of the holding layer 42 with the infrared radiation layer 43 interposed therebetween. The infrared radiation layer 43 is heated to emit infrared rays by energizing the heating layer. It is also possible to use an indirectly heated configuration.

後者の構成では、赤外線放射層43を保持層42として兼用することも可能である。また、後者の構成では、赤外線放射層43から放射された赤外線が加熱層を透過するように、目的波長の赤外線に対して共鳴条件が成立するように加熱層を形成し、目的波長の赤外線の放射効率を高める必要がある。なお、気体層44を設ける代わりに、赤外線を反射させる反射層(図示せず)を設けた構成を採用してもよい。要するに、赤外光源1に用いる放射素子11は、10μs〜10ms程度のオン期間を持つパルスに追従して赤外線の強度が変化する構成であれば、どのような構成のものでも用いることができる。   In the latter configuration, the infrared radiation layer 43 can also be used as the holding layer 42. In the latter configuration, the heating layer is formed so that the resonance condition is established with respect to the infrared ray of the target wavelength so that the infrared ray radiated from the infrared radiation layer 43 is transmitted through the heating layer. It is necessary to increase the radiation efficiency. In addition, you may employ | adopt the structure which provided the reflection layer (not shown) which reflects infrared rays instead of providing the gas layer 44. FIG. In short, the radiating element 11 used in the infrared light source 1 may be of any configuration as long as the infrared intensity changes following a pulse having an ON period of about 10 μs to 10 ms.

1 赤外光源
2 赤外線センサ
3 ガス検知管
21a,21b 受光素子
23 フィルタ基板
25a,25b 透過フィルタ
26 除去フィルタ
27x,27y 薄膜
28 波長選択層
30 ガス検知管
41 基板
42 保持層
43 赤外線放射層
44 気体層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Infrared light source 2 Infrared sensor 3 Gas detection tube 21a, 21b Light receiving element 23 Filter substrate 25a, 25b Transmission filter 26 Removal filter 27x, 27y Thin film 28 Wavelength selection layer 30 Gas detection tube 41 Substrate 42 Holding layer 43 Infrared radiation layer 44 Gas layer

Claims (6)

赤外線を放射する赤外光源と、
前記赤外光源から放射され検知対象ガスが導入される監視空間を通過した赤外線を検知する赤外線センサとを有し、
前記赤外線センサの出力を用いて前記監視空間における前記検知対象ガスを検知する赤外線式ガス検知器であって、
前記赤外線センサは、
赤外線を電気信号に変換する受光素子と、
前記監視空間から前記受光素子への赤外線の入射経路に配置され特定波長帯の赤外線を選択的に透過させる透過フィルタと、
前記監視空間と前記透過フィルタとの間に配置され前記透過フィルタを透過する前記特定波長帯を除く波長域の赤外線を吸収することにより広帯域に赤外線を除去する除去フィルタとを有し、
前記受光素子は前記透過フィルタを透過する前記特定波長帯の赤外線に感度を有し、
前記赤外光源は、
間欠的に赤外線を放射するように駆動され、
基板の一表面に形成された薄膜であって通電に伴って発生した熱により赤外線を放射する赤外線放射層と、
一面に前記赤外線放射層が積層されることにより前記赤外線放射層を支持するように基板の一表面に形成された保持層と、
前記基板において前記保持層の他面に接触する気体層とを備え、
前記気体層は、
印加電圧の周波数をf〔Hz〕、前記気体層の熱伝導率をαg〔W/mK〕、前記気体層の体積熱容量をCg〔J/m K〕、Lg′=(2αg/ωCg) 1/2 、ω=2πfとするとき、その厚み寸法Lgが、0.05Lg′<Lg<3Lg′の範囲に設定されており、
前記赤外線放射層の通電時には前記保持層の温度低下を抑制し、
前記赤外線放射層の非通電時には前記保持層から前記基板への熱伝達を促進する
ことを特徴とする赤外線式ガス検知器。
An infrared light source that emits infrared light;
And a infrared sensor for detecting infrared rays having passed through the monitored space to the detection target gas is emitted is introduced from the infrared light source,
A infrared gas detector for detecting the detection target gas in the monitored space by using the output of the infrared sensor,
The infrared sensor is
A light receiving element that converts infrared light into an electrical signal;
A transmission filter for the arranged from the monitoring space to incident path of the infrared to the light receiving element selectively transmits infrared of a specific wavelength band,
And a removal filter for removing infrared broadband by absorbing infrared rays in a wavelength range other than the specific wavelength band that passes through the transmission filter is disposed between the monitoring space and the transmission filter,
The light receiving element has a sensitivity to infrared of the specific wavelength band that passes through the transmission filter,
The infrared light source is
It is driven to emit infrared rays intermittently ,
An infrared radiation layer that emits infrared light by heat generated by energization, which is a thin film formed on one surface of the substrate;
A holding layer formed on one surface of the substrate to support the infrared radiation layer by laminating the infrared radiation layer on one surface;
A gas layer in contact with the other surface of the holding layer in the substrate,
The gas layer is
The frequency of the applied voltage is f [Hz], the thermal conductivity of the gas layer is αg [W / mK], the volumetric heat capacity of the gas layer is Cg [J / m 3 K], Lg ′ = (2αg / ωCg) 1 / 2 , ω = 2πf, the thickness dimension Lg is set in the range of 0.05Lg ′ <Lg <3Lg ′,
When energizing the infrared radiation layer, suppress the temperature drop of the holding layer,
An infrared gas detector, wherein heat transfer from the holding layer to the substrate is promoted when the infrared radiation layer is not energized .
前記除去フィルタは、
屈折率の異なる複数層を積層した多層膜フィルタであって、
前記多層膜フィルタのうちの少なくとも1層は前記透過フィルタを透過する前記特定波長帯よりも長波長の遠赤外線を吸収する赤外線吸収層である
ことを特徴とする請求項1記載の赤外線式ガス検知器。
The removal filter is:
A multilayer filter in which a plurality of layers having different refractive indexes are laminated,
2. The infrared gas detection layer according to claim 1, wherein at least one of the multilayer filters is an infrared absorption layer that absorbs far infrared rays having a longer wavelength than the specific wavelength band that transmits the transmission filter. vessel.
前記赤外線吸収層の材料はAl であることを特徴とする請求項2記載の赤外線式ガス検知器。 The infrared gas detector according to claim 2, wherein the material of the infrared absorption layer is Al 2 O 3 . 前記赤外線吸収層の材料はTa であることを特徴とする請求項2記載の赤外線式ガス検知器。 The infrared gas detector according to claim 2, wherein a material of the infrared absorption layer is Ta 2 O 3 . 前記除去フィルタは、板状のSiからなるフィルタ基板を有し、
前記フィルタ基板に前記多層膜フィルタが積層されている
ことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の赤外線式ガス検知器。
The removal filter has a filter substrate made of plate-like Si,
The infrared gas detector according to claim 2 , wherein the multilayer filter is laminated on the filter substrate .
前記受光素子は、前記赤外光源から放射される赤外線の全波長に対する感度を有する熱型素子である
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の赤外線式ガス検知器。
The infrared gas detector according to claim 1 , wherein the light receiving element is a thermal element having sensitivity to all wavelengths of infrared rays emitted from the infrared light source .
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