JP2005233958A - ガスセンサ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー利用を改良し、堅牢且つコンパクトな構造を有し、低コストで製造できるガスセンサ構造の提供。
【解決手段】本発明のガスセンサ構造１００は、放射を放出する少なくとも１個の放射源、計測ガスで充填され得るガス計測室１１０、及び放射を検出すると共に検体に依存する出力信号を生成する少なくとも１個の検出器を具備する。放射源は、検出器が配置された領域に放出された放射が集まるように凹面鏡１１６，１１８の焦点Ｆの近傍に配置される。管１２０，１２２は、検出された放射を検出器の方向に伝える。エネルギー利用を改良し、低コスト製造及び堅牢でコンパクトな構造を可能にするために、凹面鏡１１６，１１８及び管１２０，１２２は、放射源、ガス計測室及び検出器が配置されたハウジング１０６，１１２と少なくとも部分的に一体に構成されると共に、ハウジングの一壁の少なくとも一部分に反射コーティングにより形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１個の放射源、計測される少なくとも１個の検体を含むガスで充填され得るガス計測室、及び放射を検出すると共に検体の存在及び濃度の一方又は両方に依存して出力信号を生成する少なくとも１個の検出器を具備するガスセンサ構造に関する。

上述した種類のガスセンサ構造は、例えばメタン又は二酸化炭素等の幅広い検体を検出することで公知である。公知のガスセンサは、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３に開示され、多数の多原子ガス、特に赤外線波長範囲での放射の吸収特性に基づく。この吸収は、例えば二酸化炭素について4.24μmの波長等、関連ガスについての波長特性で生ずる。この種の赤外線ガスセンサを使用して、ガス成分の存在及びそのガス成分の濃度の一方又は両方を検出することが可能である。これらのガスセンサは、放射源、計測室等の吸収部、及び放射検出器と具備する。放射検出器により計測された放射強度は、吸収ガスの濃度の計測結果である。この場合、広帯域放射源が使用されて問題の波長が干渉フィルタを介して調整されるか、又は例えば発光ダイオード又はレーザ等の格子又は他の選択された放射源を非波長選択放射受信器と組み合わせて使用することができる。

特許文献１から以下の事項が公知である。すなわち、放射源の放射エネルギーが、赤外線検出器が配置され、漏斗状金属化チューブが赤外線検出器の前に配置されて赤外線検出器の検出面に任意の入力放射に焦点を結ぶ地点で凹面鏡により集められると、赤外線ガスセンサのエネルギー効率が増大できる。
欧州特許出願公開第６１６２０７号明細書 国際特許出願公開第００／５５６０３号明細書 独国特許第１９９２５１９６号明細書

特に二酸化炭素の検出は、今日、自動車部門で非常に重要になってきている。これは一方では、加熱中及び空調中のエネルギー効率を増大させるために、室内空気の二酸化炭素含有量を監視して、必要な場合のみ、換言すると二酸化炭素濃度が増加する場合のみ、対応するファン制御器により新鮮な空気を供給するという事実による。他方では、現代の空調システムは、冷媒として二酸化炭素を基礎としている。従って、二酸化炭素ガスセンサは、潜在的欠陥がある場合に二酸化炭素を発することと併せて監視機能を果たすことができる。

この種のセンサは、特に自動車部門では、耐久性、信頼性及び小型化する能力に関する厳しい要求事項に合致する。

従って、本発明は、エネルギー利用を改良し、堅牢且つコンパクトな構造を有し、低コストで製造できる、初めに述べた種類の改良ガスセンサ構造を開示することを目的とする。

上述の目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴を有するガスセンサ構造により達成される。このガスセンサ構造の有利な発展形は複数の従属項の主題である。

本発明は、ガスセンサ構造の特にコンパクトで干渉の無い全体構造は、凹面鏡及び管が、放射源、ガス計測室及び検出器が配置されたハウジングと少なくとも部分的に一体構造である点、ハウジングの一壁の一部分の反射コーティングにより凹面鏡及び管が形成される点で達成されるという基本的アイデアに基づいている。このため、必要な部品数が大きく減少するので、ガスセンサ構造の製造及び組立をより安価且つ簡単にする。光チャンネルとも称される全体ビーム経路が光を集める反射コーティングを有する可能性は、一方では放射源が供給する放射を最大限利用し、他方では外部からの破壊的な漏れ放射の進入を主として防止する。反射コーティングはこの場合、例えば金コーティング等の金属にすることができる。

ほぼ閉じたガス計測室が形成されるよう組み合わせられた第１及び第２のシェル半体によりハウジングが形成されるという事実の結果、自動化できる程度まで組立を簡素化することができる。

本発明の有利な発展形によれば、放射源及び検出器は、第１シェル半体に少なくとも部分的に保持されると共に第２シェル半体に少なくとも部分的に受容される。このため、組立の際、機械的に敏感な部品は第１シェル半体上に最初に組み立てることができ、第２シェル半体は機械的応力に抗する保護機能を果たすことができる。

本発明に従ったガスセンサ構造は、印刷回路キャリア上のモジュールとして組立可能であるように構成されると、特にコンパクトに大きな電子システム内に統合することができる。また、本発明のガスセンサ構造は、検出器が発生する出力信号を更に処理する必要な電子評価デバイスが例えば印刷回路基板（ＰＣＢ）等の同一の回路キャリア上に構成することができるという利点をも提供する。

印刷回路キャリアと協働して環境からガス計測室を封止するシールがハウジングに設けられる場合、本解決策は、水分、塵及び逸れた光の進入を防止するという利点を提供する。

本発明に従ったガスセンサ構造の有利な特性は、検出される放射が赤外線放射であり、少なくとも１個の放射源が赤外線放射源、好適には発光ダイオード（ＬＥＤ）で形成されている場合、特に有益である。ＬＥＤの使用により、波長を選択するフィルタ構造が無いので、構造がさらに小型化し簡素化することができるという利点を主に有する。或いは、広帯域の光スペクトルを放射するランプも使用可能である。

金属化管の漏斗上構造は、検出器の検出面に放射の焦点を結ぶという利点を提供する。しかし、筒状の金属化管単体の一実施形態は、検出器の方向に沿った光の案内となる。

特定の一実施形態によれば、ガスセンサ構造は、計測放射源及び基準放射源を具備する。これら２つの放射源はガス計測室の少なくとも１本の対称軸に関して対称的に配置され、放射源の放射経路が検出器からの同一有効経路長を有するように検出器がこの対称軸上に配置される。この種の構造は、例えば特許文献３に開示されているように、基準放射源が所定間隔でオンに切り換えられて計測放射源の寿命をチェックするよう作動することができる。基準放射源及び計測放射源がオンに切り換えられる際の検出器の出力信号に関する逸脱は、計測放射源の寿命情報を提供し、これは状況に応じて補償可能である。特に自動車部門におけるガスセンサ構造の信頼性及び寿命は、これにより基本的に増大することができる。

計測の正確性を向上させるために、ガス計測室内に少なくとも１個の温度センサを設けて温度を監視してもよい。

ハウジングを製造する特に低コストで機械的に安定する可能性は、射出成形法を利用してプラスチック材料から製造することである。この場合、反射コーティングは、スパッタリング、蒸着又は電気めっきにより付着される金等の金属製であってもよい。

本発明によるガスセンサ構造の有利な特性は、例えば自動車部門では二酸化炭素の検出に、漏洩地点から発生する二酸化炭素の監視に、車両内部では空気の品質のチェックに使用することができる。しかし、本発明によるガスセンサ構造は、他のガスの検出にも使用することができる。

以下、添付図面に図示された有利な構成を参照して本発明を詳細に説明する。本発明の類似の及び対応する詳細要素には同一の参照符号が付与される。

本発明に従ったガスセンサ構造１００の構造及び作動モードを、図面を参照して以下に詳細に説明する。全体像を失わないようにするために、本実施形態では広帯域光スペクトルを放出するランプ又は発光ダイオード（ＬＥＤ）である放射源と、赤外線放射検出器は図示していない。

図１に示されるように、本発明の有利な一実施形態は、計測放射源及び基準放射源の計測原理を使用する。これら放射源は、双方とも単一の検出器上に焦点を結ぶ。しかし、本発明は、単一放射源にも、図示の放射源及び検出器ユニット以上のものにも使用することができる。

本発明に従ったガスセンサ構造１００は、ハウジングの第１シェル半体１０６の２個の放射源受容開口１０２，１０４内に配置された２個の赤外線放射源（図示せず）を具備する。第１シェル半体１０６の検出器受容開口１０８内に保持された検出器（図示せず）は、入力赤外線放射を評価すると共に、計測放射の関数として電気出力信号を供給する。この場合、検出器上の入力放射強度は、ガス計測室１１０に含まれるガスの組成に依存する。図１に見えるように、ガス計測室１１０は第１シェル半体１０６と第２シェル半体１１２を組み合わせることにより形成される。この目的のために、第２シェル半体１１２は第１シェル半体１０６の上に摺動する。（矢印１１４参照）

本発明によれば、第１及び第２シェル半体１０６，１１２の内側は、放射源の周囲に凹面鏡１１６，１１８が形成されるように構成される。放射源受容開口１０２，１０４は、放射源により放出される放射が検出器の検出面の一位置に集まるように配置される。この目的のために、凹面鏡１１６，１１８は好適には金層の反射コーティングを具備する。

また、放射源から放出される放射は、それぞれ筒状の金属コーティングされた管１２０，１２２により伝わる。第１及び第２シェル半体１０６，１１２は、凹面鏡１１６，１１８及び管１２０，１２２のほぼ半分をそれぞれ有する。閉じた構造はこれら２個の半体を結合することにより形成される。管１２０，１２２の本体部の縦軸は、図示の対称的な実施形態ではガス計測室１１０の中心線により半分にされる、互いに角度γを囲む。この構造により、検出器の方向に沿ったビームの案内を可能にする。

ガス計測室１１０は、細長のガス受容開口１２４を介してガスで充填される。ガス計測室１１０で温度を監視するための温度センサ（図示せず）は、センサ受容開口１２６を通って導入することができる。

本発明に従ったガスセンサ構造１００は、印刷回路基板（ＰＣＢ）１２８等の印刷回路キャリア上の完成モジュールとして組み立てることができる。第１シェル半体１０６をＰＣＢ１２８に機械的に固定するために、第１シェル半体１０６は第１シェル半体実装開口１３０，１３２を具備する。このため、第１シェル半体１０６をＰＣＢ１２８にねじ止めすることができる。或いは、第１シェル半体１０６をＰＣＢ１２８に機械的に固定するために、ラッチ等を設けてもよい。完全に自動的に組み立てるために、第１シェル半体１０６をＰＣＢ１２８に配置してねじ止めする前に、温度センサ及び２個の放射源をＰＣＢ１２８上に配置してもよい。検出器は、検出器受容開口１０８内に導入されると共に、ねじ付き開口１４４にねじ止めできるねじ（図示せず）により第１シェル半体１０６に固定する。

次の組立工程において、第２シェル半体１１２が、検出器に既に固定された第１シェル半体１０６上に押圧される。また、第２シェル半体１１２は、第２シェル半体実装開口１３４，１３６，１３８，１４０を介してＰＣＢ１２８に確実に固定することができる。水分、塵、及び逸れた光の進入を防止するために、図示の実施形態では、ハウジングの第２シェル半体１１２の周辺シール１４２が設けられている。この周辺シール１４２はＰＣＢ１２８と接触するようになっている。

図２ないし図５は、ハウジングの第１シェル半体１０６の様々な図を示す。放射の案内は図５の平面図に特に見ることができる。図５において、２個の放射源がガス計測室１１０の対称軸１４６に関して対称的に配置され、検出器は、放射源のビーム経路が検出器からの有効経路長が同一になるように対称軸１４６上に配置されている。図示の構造は、例えば特許文献３に示されるように、放射源の一方が計測放射源として使用され、放射源の他方が基準放射源として使用されるように作動することができる。基準放射源は、所定間隔でオンに切り換えられて計測放射源の寿命をチェックすることができる。基準放射源及び計測放射源がオンに切り換えられる際の検出器の出力信号に関する逸脱は、状況に応じて補償可能である、計測放射源の寿命情報を提供する。特に自動車部門におけるガスセンサ構造１００の信頼性及び寿命は、このようにして基本的に増大することができる。放射源が配置された放射源受容開口１０２，１０４は、凹面鏡１１６，１１８の焦点近傍に配置される。従って、放射は、検出器の検出面に焦点を結ぶことができる。また、管１２０，１２２の金属コーティング面は放射の一部分を検出器に案内する。

図６ないし図１０は、第２シェル半体１１２の種々の図を示す。図６ないし図８は、分析されるガスの侵入が起こるガス受容開口１２４を明瞭に示す。センサ構造の汚れ及び早期老化を防止するために、ガス受容開口１２４を適当なフィルタ材料で覆ってもよい。

図１１を参照して凹面鏡１１６，１１８の幾何学計算を説明する。放射源は、検出器での可能な信号収率を最大にするためにＢ点に配置される。Ｂ点は、凹面鏡１１６の焦点Ｆ近傍にあり、検出器の位置に対応するＡ点でビームの焦点を結ぶことができる。検出器は約1.5mm平方の検出領域を有する。凹面鏡１１６は曲率中心Ｍ及びビーム経路角度2αを有する。図１１の記号を用いて、次の式（１）及び式（２）が適用される。

式（１）を式（２）に代入し、ｇの値を21.75mm、ｂの値を1.61mmとすると、凹面鏡１１６の半径Ｒが次式（３）から得られる。

高さｈもｈ＝Ｒ＝３と選択されると、角度βは次式（４）の値になる。

本発明に従った図示のガスセンサ構造１００を使用すると、検出器での信号収率を最大にし、同時に自動化可能な高度に簡素化した組立体を提供することが可能である。従って、本発明に従ったガスセンサ構造１００は、主に自動車用途の空間環境条件に関連して有利に使用できる。

本発明に従ったガスセンサのハウジングを開いた状態の斜視図である。 ハウジングの第１シェル半体の側面図である。 ハウジングの第１シェル半体の底面図である。 ハウジングの第１シェル半体の正面図である。 ハウジングの第１シェル半体の平面図である。 図１のハウジングの第２シェル半体の底面図である。 図６のＡ−Ａ線に沿った第２シェル半体の断面図である。 図１のハウジングの第２シェル半体の平面図である。 ハウジングの第２シェル半体の正面図である。 図１のハウジングの第２シェル半体の側面図である。 光学凹面鏡の放射焦点を計算するための概略図である。

符号の説明

１００ ガスセンサ構造
１０６ 第１シェル半体（ハウジング）
１１０ ガス計測室
１１２ 第２シェル半体（ハウジング）
１１６，１１８ 凹面鏡
１２０，１２２ 管
１２８ 印刷回路基板（印刷回路キャリア）
１４２ 周辺シール
１４６ 対称軸
Ｆ 焦点

Claims (12)

1. 放射を放出する少なくとも１個の放射源、計測される少なくとも１個の検体を有するガスで充填され得るガス計測室、及び前記放射を検出すると共に前記検体の存在及び濃度の一方又は両方に依存する出力信号を生成する少なくとも１個の検出器を具備し、前記ガス計測室は、少なくとも１個の凹面鏡と、前記検出器が配置された領域に前記放出された放射が集まるように前記凹面鏡の焦点の近傍に配置される前記少なくとも１個の放射源と、前記放射を伝える少なくとも１個の管とを有するガスセンサ構造において、
   前記凹面鏡及び前記管は、前記放射源、前記ガス計測室及び前記検出器が配置されたハウジングと少なくとも部分的に一体に構成されており、
   前記凹面鏡及び前記管は、前記ハウジングの一壁の少なくとも一部分に反射コーティングにより形成されていることを特徴とするガスセンサ構造。
2. 前記ハウジングは、互いに結合されて前記ガス計測室を形成する第１及び第２のシェル半体により形成されていることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ構造。
3. 前記放射源及び前記検出器は前記第１シェル半体に少なくとも部分的に保持され、
   前記第１シェル半体は前記第２シェル半体内に少なくとも部分的に受容されることを特徴とする請求項２記載のガスセンサ構造。
4. 前記ガスセンサ構造は、印刷回路キャリア上に組み立てることができるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載のガスセンサ構造。
5. 前記ハウジングは、前記印刷回路キャリアと協働して環境から前記ガス計測室を封止する周辺シールを具備することを特徴とする請求項４記載のガスセンサ構造。
6. 検出される前記放射は光の放射であり、
   前記少なくとも１個の放射源は、発光ダイオード又は広帯域光スペクトルを放出するランプから形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項記載のガスセンサ構造。
7. 前記管は漏斗形状であることを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１項記載のガスセンサ構造。
8. 少なくとも１個の計測放射源及び少なくとも１個の基準放射源が、前記ガス計測室の少なくとも１本の対称軸に関して対称に配置されており、
   前記検出器は、前記放射源のビーム経路が前記検出器からの同一有効経路長となるように前記対称軸上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項記載のガスセンサ構造。
9. 前記ガス計測室内の温度を監視するために、少なくとも１個の温度センサが設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれか１項記載のガスセンサ構造。
10. 前記ハウジングは、射出成形法を使用したプラスチック材料から製造され、
    前記反射コーティングは金属製であることを特徴とする請求項１ないし９のうちいずれか１項記載のガスセンサ構造。
11. 前記金属は、スパッタリング、蒸着又は電気めっきにより付着されることを特徴とする請求項１０記載のガスセンサ構造。
12. 前記ガスセンサ構造は、前記ガス内の二酸化炭素を検出すること及び二酸化炭素の濃度を決定することの一方又は両方のために配置されることを特徴とする請求項１ないし１１のうちいずれか１項記載のガスセンサ構造。

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