堀場製作所：ガス分析に新たな価値を提供する革新的技術「IRLAM」を開発

IRLAM技術の革新性

　IRLAM技術の開発では、AI分野で用いられるデータサイエンスの概念から着想を得て、精度とスピードを向上させた世界初^※2のガス濃度演算アルゴリズムを確立。また独自の設計技術により、高感度かつ高速な計測を可能にする従来比5分の1^※3の容積に小型化した長光路ガスセルの開発に成功するとともに、ガス計測に最も適した光源である量子カスケードレーザー（QCL：Quantum cascade laser）の自社製造によって、幅広いガス計測のニーズに対応できるようになった。これにより、分析性能の向上と装置の小型化を両立しながら、過酷な使用環境下でも信頼性の高い測定結果を提供できる赤外線ガス分析技術として実用化し、QCLを用いた世界初^※2の車載向け専用設計の排ガス測定装置などの製品化を実現した。

※1 IRLAMは、株式会社堀場製作所の日本及びその他の国における登録商標または商標。
※2 同社調べ（2021年7月時点）
※3 同社従来製品との比較

開発の背景

　ガス分析はあらゆる産業において必要不可欠な技術であり、カーボンニュートラルの実現に向けて昨今世界中で加速する水素などの次世代エネルギー開発、省エネ・省資源・低環境負荷のための工業プロセス監視や、環境規制強化といった取り組みにおいても、極めて重要な役割を果たす。

　堀場製作所は、赤外線によるガス分析分野において65年を超える歴史をもち、これまで地球環境保全や産業・科学技術の発展に寄与してきた。長きにわたり積み上げてきたこの技術を極限まで高め、今回、IRLAM技術として昇華した。

IRLAM技術・３つの特長 

１．高速・高精度なガス濃度演算アルゴリズム（特許登録済み^※4）
　AIの分野で用いられる「特微量」というデータサイエンスの概念から着想を得て、世界初^※2となる独自のガス濃度演算アルゴリズムを確立した。（ガスによって吸収された時間領域の赤外線信号から抽出した特徴量を使用）

・堀場製作所従来法に比べ演算時間を大幅に短縮
・様々な干渉ガス（計測対象外のガス）が含まれていても、目的とするガスの濃度を高精度に計測
・高速演算により、様々な環境条件の変化に対応した補正演算が可能。濃度や気圧の変化が激しい過酷な使用環境化でも、信頼性の高い測定データを提供

※4　日本特許番号：6886507、米国特許番号：11030423、欧州・中国・インド：特許出願済み

特徴量とは
　分析する対象物の特徴を数値化したもの。例えばAIを用いた画像認識においては、画像に写っているのが人なのか、犬なのかといったことを、それぞれの特徴（目、鼻、口、手足の配置や大きさなど）を数値化して予め学習させることで判別することができる。IRLAM技術ではガスの濃度を測るために目的ガスと干渉ガスの吸収信号における特徴量を抽出。特徴量の関係性から各成分の混ざり具合を認識し、濃度を算出する。特徴量を用いると、測定で得られた複雑な構造をもつ吸収信号が抽象化され、数個の数値に置き換えられるので、これまでの何百個もの測定データに基づく算出方法に比べ、高い精度を保ったまま大幅に演算時間を短縮することができる。

２．高感度・高速な計測を可能にする小型ヘリオットセル（特許登録済み^※5）
　赤外線はガスに吸収される性質があり、ガスごとの性質に応じて吸収された赤外線の強弱に応じて濃度を算出することができる。分析の過程においては、ガスセルと呼ばれる容器の中で赤外線を通過させる距離（光路長）が長ければ長いほど多くの吸収量が得られ、感度が上がる。そこで、ガスセルの内部に設置したミラーの多重反射を用いることで長い光路長が得られる「ヘリオットセル」を採用。ミラーの設計を最適化することで5メートル以上の光路長を確保しつつ、内部容積を同社従来比5分の1に収めた独自の小型ヘリオットセルとして開発した。

・規制強化を背景にニーズが増している、低濃度ガスの分析に強みを発揮（濃度の低いガスの分析は、より長い光路長を必要とする）
・セルの容積を減らすことで応答性を高め、少量のガスでもより高速な計測が可能。車載型排ガス測定装置など、リアルタイム計測が求められるポータブルな分析計に最適

３．幅広いガス種の計測ニーズに応える自社製造の量子カスケードレーザー
　多くのガスは赤外線のなかでも中赤外とよばれる領域の波長に対して最も強い吸収を示す。この中赤外の光をレーザー発振することのできる量子カスケードレーザー（QCL）はガス分析にとって最も適した光源とされている。このQCLを自社製造する技術を確立したことで、測定対象ガスの種類や濃度レンジに応じた波長のQCLを自由にカスタマイズすることが可能になり、顧客の様々なニーズに柔軟に応える高度なガス分析を実現した。

※５ 米国特許番号：10551299、日本・欧州・中国・インド：特許出願済み

IRLAMによるガス分析のイメージ

1. 量子カスケードレーザーから出た赤外線をヘリオットセルへ入射する。
2. 分析するガスをヘリオットセルの中に導入し、赤外線を何度も反射させながら、長い光路でガスに赤外線を吸収させる。
3. 吸収された赤外線の強弱を示す信号を検出器で取得し、目的とするガスの濃度を算出する。

IRLAM技術によって実現する大幅な性能向上の一例

・温室効果ガス：一酸化二窒素（N₂O）分析計における、干渉ガス影響試験結果の例
→当社従来技術では不可能だった干渉ガス影響をほぼゼロにすることを実現

・有害物質：ホルムアルデヒド（HCHO）測定結果の例（車両排ガス試験）
→ 同社従来技術に比べて検出感度が10倍以上改善

IRLAM技術搭載の新製品
（「PLGA-1000」は米国で、その他の製品はグローバルに販売開始）

　IRLAM技術搭載の第1弾として、環境・プロセス事業と自動車事業より4製品を7月29日から販売開始する。
　エネルギー使用の効率化、温室効果ガスや有害物質の排出削減といった、カーボンニュートラルの実現および環境負荷低減に寄与するラインアップをそろえた。さらに今後は、さらなる技術革新を背景に複雑化が進む半導体製造プロセスにおいて、インライン計測により生産性向上に貢献する製品開発をめざし、製造現場での計測ニーズに応えていく。このように事業の垣根を超えたクロスセグメントでの製品開発を推し進め、堀場製作所が注力する３つの重点市場（「エネルギー・環境」、「素材・半導体」、「バイオ・ライフサイエンス」）における社会課題解決に貢献する。

１．プロセス用レーザーガス分析計「PLGA-1000」
　石油化学プラントでは、生産性向上、品質改善、環境負荷低減などが喫緊の課題となっており、石油化学製品の製造プロセス制御の最適化が求められている。例えばエチレン（C₂H₄）の製造プロセスでは、原料ガスである高濃度（％レベル）のメタン（CH₄）やエタン（C₂H₆）中に低濃度（ppb^※6レベル）のアセチレン（C₂H₂）や二酸化炭素（CO₂）が不純物として含まれる。このプロセスでの原料と不純物のガス濃度を高速応答（3秒でのガス置換^※7）で連続計測する。さらに不純物ガス濃度は、高感度（ppbレベル）で計測する。これらの計測データは、プロセス制御の最適化に貢献する。米国から販売開始し、国内では日本の防爆認証取得後に販売開始する予定。

※6 10億分の１を単位とする比率の概念。ガス成分の場合、1ppbは10億リットルのガス中に対象成分が１リットル存在することを意味する。
※7 測定ガスを流通させる、ガスセル内のガスが入れ替わる時間。

２．車載型排ガス測定装置「OBS-ONE-XL」
　自動車排ガスをより効果的に抑制するため、路上走行時の排ガスを測定するRDE（Real Driving Emissions）試験などが広く認知されるようになってきた。路上走行試験に不可欠な本製品は、温室効果ガスである一酸化二窒素（N₂O）、PM2.5の発生源となりうるアンモニア（NH₃）の計測が可能。またIRLAM技術の特長を活かし、路上走行試験特有の過酷な使用環境（高・低温、気圧変動、車体の振動など）に対応できる高い信頼性を備えている。EU Euro7などの次期排ガス規制も見据え、自動車のより一層の低エミッション化をサポートする。

３．エンジン排ガス測定装置（MEXA-ONE）に搭載する「XLA-13H」「XLA-11」
　定置型のエンジン排ガス測定装置「MEXA-ONE」に搭載するガス濃度分析計のラインアップに、ホルムアルデヒド（HCHO）を計測する「XLA-13H」、一酸化二窒素（N₂O）を計測する「XLA-11」を追加する。各地域における次期排ガス規制（EU Euro7など）の対象としても検討されているこれらの成分を、より高精度に計測することができる。自動車の電動化が進展する一方で、自動車産業全体での低エミッション化に向けた重要事項である、エンジン搭載車の環境性能改善に貢献する。

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