JP2007147613A - ガスセンサアレー - Google Patents

Abstract

【課題】堅牢、小型、低コストで製造できると共に、光効率が大きく且つ選択度が高いガスセンサアレーの提供。
【解決手段】ガスセンサアレー（１００）は、少なくとも１個の放射源（１０２，１０４）、計測される少なくとも一つの試料を含むガス試料で充填されるガス計測室（１１０）、及び試料の存在、濃度に依存して出力信号を発生する少なくとも１個の放射検出器（１０８）を具備する。ガス計測室（１１０）は、ハウジング（１０６，１１２）の反射内壁により形成された少なくとも１個の凹面鏡を有し、反射内壁は、検出器（１０８）が配置された領域で、放出された放射を集束する結果となるように設計された円錐曲線で形成された回転体の形態を少なくとも部分的にとる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射を放出する少なくとも１個の放射源と、計測される少なくとも一つの試料を含むガス試料で充填することができるガス計測室と、試料の存在、濃度に依存して主に出力信号を発生する少なくとも１個の放射検出器とを有するガスセンサアレーに関する。特に、本発明は、例えば自動車業界で使用されるような小型の態様のガスセンサアレーに関する。

例えばメタンガス又は二酸化炭素等の多様な試料を検出するためのガスセンサアレーは、例えば特許文献１に開示されている。ここで、ガスセンサアレーは、多くの多原子ガスが特に赤外線波長の範囲内で放射を吸収するという知見に基づいている。このような吸収は、例えば二酸化炭素の場合には4.24μmの波長である、該当ガスの波長特性に現れる。このため、このような赤外線ガスセンサを使用して、ガス成分の存在、ガス成分の濃度を決定することが可能である。

ガスセンサアレーは、放射源、計測室又は光路とも称される吸収部、及び放射検出器を有する。放射検出器により計測される放射強度は、吸収ガスの濃度を示す。ここで、問題の波長が干渉フィルタすなわち格子により調節された状態で広帯域の放射源のいずれかを使用することができ、又は、非波長選択放射受信器と組み合わせて、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザである選択的放射源を使用することが可能である。

特に、二酸化炭素の検出は今日、自動車業界でますます重要になってきている。これは一つには、車両内において、必要時すなわち高濃度の二酸化端子が存在する際に、対応する換気制御システムにより新鮮な空気を供給させるために、室内の空気の二酸化炭素含有量を監視して暖房及び空調のエネルギー効率を向上させるためである。他方で、最新の空調システムは、冷媒として二酸化炭素を使用している。このため、二酸化炭素ガスセンサは、故障時に漏れる二酸化炭素に関連して監視することができる。しかし、特に自動車業界において、このようなセンサは、堅牢性、信頼性及び上述の全寸法の観点からの非常に厳しい要求事項に適合しなければならない。

特許文献１からは、反射コーティングを有するハウジング内面が検出器に光を向ける光路を形成するように、検出器及び放射源がハウジング内に配置されることが公知である。ここで、各放射源は、半球状の凹面鏡及びチューブにより形成された分離光路を割り当てられる。
特開２００５−２３３９５８号公報 特表２００３−５０１６２２号公報 米国特許第４２４５９１０号明細書 特開昭６１−７４４７号公報 特開平１０−１９７７９号公報 米国特許第３９４６２３９号明細書 英国特許出願公開第２２３１９５１号明細書 国際公開第０２／０９３１４１号パンフレット 米国特許第５３１７３７８号明細書 欧州特許出願公開第１５４１９９０号明細書

しかし、特許文献１に示されるアレーは、検出器の主軸から分岐する最大許容入射角の範囲では光効率が比較的低いという欠点を有する。

従って、本発明の基礎をなす目的は、堅牢、小型、低コストで製造できると共に、光効率が大きく且つ選択度が高い、改良された上述のタイプのガスセンサアレーを提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有するガスセンサアレーにより達成される。本発明に従ったガスセンサアレーの有利な成果は従属項のテーマである。

本発明は、放射源、ガス計測室及び検出器を有するハウジングが反射内壁を有すると、光路及び製造に適する部品のアレーの形状を簡単にして光効率を著しく増加させるという基本的思想に基いている。反射内壁は凹面鏡を形成すると共に、検出器が配置された領域で放出される放射を集束するように設計された、円錐曲線で形成された少なくとも部分的に回転体の形態をとる。このようにして、同一のランプ強度で、より大きな光効率が達成できる。さらに、最大許容入射角の外側の光の割合は減少させることができるので、種々の周波数範囲をより明確に互いに分離することができる。ここで、最大許容入射角は、検出器の前に配置されたフィルタの選択としての要素に依存し、例えば２０°であってもよい。製造技術の観点では、ハウジング形状は比較的簡単な工具で製造することができる。

回転体は、回転楕円体、回転放物体又は回転双曲体、及びこれらの物体の一部により形成することができる。

形状が最も簡単な場合、放射源は回転楕円体の第１焦点に配置されるのに対し、検出器は回転楕円体の第２焦点に配置される。第２焦点には、放射源により放出される放射が集まる。

しかし、このアレーは、検出器のセンサをガスセンサアレーの主軸と交差するように配置しなければならないので、放射源と同じ印刷回路基板に実装することができない。本発明の有利な成果によれば、ガス計測室の回転楕円体形状に加えて、検出器のセンサに当たるように、集束された放射を再度偏向させる少なくとも１個の傾いた鏡を設けることができる。このような傾いた鏡は、好適には平坦な鏡として設計される。しかし、必要であれば、別の凹面鏡も設けることができることは明白である。

ハウジングが、実質的に閉じたガス計測室を形成するように結合される第１半体及び第２反対で形成されるならば、本発明に従ったガスセンサアレーを自動機で生産できるような程度までガスセンサアレーの組立を簡単にすることが可能である。

本発明の有利な成果によれば、放射源及び検出器は、少なくとも部分的に第１半体に保持される。このようにして、機械的に敏感な部品は、後続の組立工程中に第１半体内で保護される。

本発明に従ったガスセンサアレーは、モジュールとして印刷回路基板上に実装できるように設計された特に占有面積を小さくする方法で、電子システムと一体化することができる。また、これにより、検出器が発生する出力信号の次の処理に使用される必要な評価電子回路を、例えば印刷回路基板等の同じ回路基板上に実装することができるという利点が得られる。

次に、本発明に従ったガスセンサアレーの有利な特性は、検出される放射が赤外線放射であり、少なくとも１個の放射源が好適には広帯域光スペクトルを放出するランプである赤外線放射源により形成されると、特に有用である。或いは、発光ダイオード（ＬＥＤ）も使用可能であり、これにより、波長選択のフィルタアレーを要しないという利点を有する。

特に利点のある一実施形態によれば、本発明に従ったガスセンサアレーは、計測放射源及び基準放射源を有する。これら２個の放射源はガス計測室の少なくとも一軸に対して対称的に配置され、検出器は、放射源の光線路が検出器まで同一の有効経路長を有するように、この対称軸上に配置される。このようなアレーは、例えば特許文献２に開示されているように、基準放射源が定期的に切り替えられて放射源の劣化状態を監視するように作動することができる。基準放射源がオンに切り替えられ、計測放射源がオフに切り替えられた状態で検出器の出力信号に関連したずれは、計測放射源の劣化に関する情報を提供し、これは適当なものとして補償することができる。これにより、特に自動車業界でのガスセンサアレーの信頼性及び耐用年数が著しく向上する。

２個の放射源が互いにほぼ隣接し、放射源の光線経路が比較的小さな角度で囲むように放射源が配置される場合、ガスセンサアレーの製造は著しく簡素化できる。検出器において各放射の可能な集束を最大にするために、ガス計測室の回転楕円体形状は、２個の放射源及び検出器の間の接続領域により分断することができる。第１実施形態に従ったこの接続領域は、縦方向すなわち放射源及び検出器の間の接続方向には回転楕円体の曲率にならうが、横断方向には湾曲せず、接続領域の平坦な突起が矩形である、楕円筒状外被の一部として形成される。このようにして、２個の放射源の各々は、放射源に最も近いハウジングの回転楕円体の内面の焦点に位置し、放射源の放射は特に有効に集束される。

しかし、このアレーの欠点は、検出器の側に２個の焦点が同様に生ずるという点である。この欠点を克服するために、第２実施形態によれば、ハウジングの内壁は、楕円筒状外被の形態の接続領域が台形状平坦突起を有するように設計することができる。このため、２個の放射源の各々は回転楕円体の半体の焦点に配置されるのに対し、第２焦点が一致し、検出器のセンサ上に配置される。

計測の正確性を向上させるために、ガス計測室の温度の監視用に少なくとも１個の温度センサを設けることもできる。

ハウジングを製造するための特に低コストで機械的に安定した選択肢は、射出成形手法を用いてプラスチック材料から製造することである。ここで、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けられる金属コーティングの形態をとることができる。例えば、金を使用することも可能である。

本発明に従ったガスセンサアレーの有利な特性は、例えば自動車業界では二酸化炭素の検出に、車両内部の空気品質の検査と共に二酸化炭素の監視に特に有用である。しかし、本発明に従ったガスセンサアレーは、他の任意のガス検出にも勿論使用できる。

以下、添付図面に示された有利な実施形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。本発明の同様の又は対応する要素には同じ参照符号が付されている。

本発明に従ったガスセンサアレー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。ここで、二つの実施形態は、単一の検出器に焦点が合った計測放射源及び基準放射源を用いた差動計測原理を使用している。しかし、本発明に従った原理は、単一の放射源及び検出器のみに使用してもよく、或いは図示の放射源及び検出器より多い数であってもよい。

本発明に従ったガスセンサアレー１００は、図１に示される実施形態に従った２個の赤外線放射源１０２，１０４を具備する。これらの放射源はハウジングの第１半体１０６内に配置される。同様に第１半体１０６内に保持され、例えば焦電検出器の形態をとる検出器１０８は、入力赤外線放射を評価し、計測された放射の関数として電気出力信号を供給する。ここで、検出器１０８に届く放射の強度は、ガス計測室１１０に含まれるガスの組成に依存する。図１に示されるように、ガス計測室１１０は、第１半体１０６をハウジングの第２半体１１２に結合することにより形成される。

本発明によれば、ガス計測室１１０の内壁は金が蒸着されているので、反射コーティングを形成する。これら内壁は回転楕円体の形態をとり、放射源１０２，１０４は第１焦点１１４に配置される。第２焦点１１６は、検出器１０８付近に配置される。図１は、本発明に従ったガスセンサアレー１００の縦断面を示し、原理を明確にするために光線１０５が描かれている。光線１０５の経路からわかるように、光学法則に従うと、本発明のガス計測室１１０の回転楕円体形状は、検出器１０８における放射の集束を大きく改良する。しかし、第２焦点１１６では、追加の傾いた鏡がガスセンサアレー１００の縦軸に平行に整列した検出器へ放射を向けるよう設けられるか、検出器１０８をガスセンサアレー１００の縦軸に交差させて実装しなければならない。

図１に示されるガスセンサアレー１００の場合、第２半体１１２は、塵の粒子を除去するフィルタ１２０を有するガス入口１１８を具備する。

第１半体１０６は、例えば第１印刷回路基板１２２である第１回路基板上に放射源１０２，１０４及び検出器１０８と共に配置されている。検出器１０８に属する信号評価電子回路は第２印刷回路基板上に配置され、検出器１０８の端子１２６に電気結合されている。塵、周囲からの影響及び不要な散乱光から保護するために、ガスセンサアレー１００全体は外部ハウジング１２８によりさらに囲まれる。この外部ハウジング１２８はまた、外部ハウジング１２８により機械的安定性が確保されるので、ハウジングの第１及び第２半体１０６，１１２を極めて薄い壁で製造することを可能にする。しかし、この追加の外部ハウジング１２８無しで済ますことも可能である。

種々の周波数範囲を明確に分離するために、０°から検出器１０８の主軸１３２からの最大許容入射角度まで偏る光の割合のみを評価すべきであることが一般に立証可能である。この最大許容入射角度は、例えば検出器の前の波長選択フィルタの選択等の要素に依存する。波長選択フィルタ自体は、検出される試料に依存する問題の光周波数に従って選択される。図示のガスセンサアレー１００の場合、入射の最大許容角度は例えば約２０°であるが、他の値も可能である。このため、図１に図示の実施形態において、検出器１０８は、検出器１０８の主軸１３２から２０°を超えて偏る入射光線を防止するシールド１３０を具備する。しかし、シールド１３０無しで済ますことも可能である。

図２は、図１の実施形態の斜視図であり、ハウジングの上側半体１１２及び外部ハウジング１２８は、見易さのために図示されていない。この図に示されるように、放射源１０２，１０４は互いに隣接して配置されている。各放射源１０２，１０４が回転楕円体の領域に関連して第１焦点１１４に配置されることを確保するために、接続領域１３４が、放射源１０２，１０４の距離に従って検出器１０８及び放射源１０２，１０４の間に追加される。この接続領域１３４は、主軸１３２の方向に回転楕円体の曲率にならうが、主軸と交差して湾曲してはいない。図示の実施形態において、接続領域１３４の縦方向制限部１３５，１３６は互いにほぼ平行に延びており、２個の放射源１０２，１０４の光線１０５も互いにほぼ平行に延びている。シールド１３０は、主軸１３２からの角度が０°及び約２０°の間で偏る光線１０５のみが検出器１０８に到達するように、検出器１０８の周りに配置される。しかし、他の最大許容入射角の値も、上述したように、検出されるガス成分に依存して同様に可能である。

図３は、図１に示されたガスセンサアレー１００を部分的に除去し、より正確に基本要素を示すために見えない線が破線で追加された平面図である。図３に示されるように、検出器１０８は、主軸１３２とほぼ平行に配置されたセンサ１３８を有する。このため、図１から明らかであるように、第２焦点１１６でセンサ１３８に集束された放射を偏向させるために、第２焦点１１６に追加の傾いた鏡を設けることが必要になる。本実施形態によれば、２個の放射源１０２，１０４は互いに隣接して配置され、接続領域１３４の縦方向制限部１３５，１３６は互いにほぼ平行に延びる。このため、２個の放射源１０２，１０４の各々は回転楕円体のガス計測室１１０の一方の半体の焦点に配置される。この変形は、組立には極めて簡単であるが、センサ１３８における集束が２焦点で生ずるという欠点を有する解決策である。

このため、図４ないし図７を参照して以下に説明する改良された一実施形態は、２個の放射源１０２，１０４の光線１０５を方向付けるシステムを使用する。このシステムでは、図７の平面図に見られるように、接続領域１３４の縦方向制限部１３５，１３６が放射源１０２，１０４の中心線により囲まれる角度に対応した角度を囲むように、接続領域１３４が形成される。このため、異なる第１焦点１１４，１１５を有するが、検出器１０８に１個の第２焦点１１６のみを有する、ガス計測室１１０の二つの回転楕円体領域が形成される。

図４には、ガスセンサアレー１００の主軸１３２に沿って開いた第２実施形態の斜視図が示される。ここで、ガス計測室１１０の内壁は部分的にだけ回転楕円体の形態をとり、回転楕円体の第２焦点１１６に平坦な傾いた鏡１４０が配置されている。この態様を光線１０５が概略的に描かれた図５の斜視図及び図６の断面図と共に考慮すると、第２焦点１１６に到達する光線１０５が代わりにセンサ１３８に焦点を合わせるように、傾いた鏡１４０が検出器１０８上に配置されることが理解できる。機能原理を明確にするために、実際の光線経路及び仮想の光線経路の両方が図に記載されている。第２焦点１１６は本実施形態によれば仮想焦点であるが、図１の実施形態の光線１０５も、実際の焦点である第２焦点１１６に実際に到達する。

本発明に従った小型化された本解決策はまた、凹面鏡及び傾いた鏡１４０等の光偏向要素の全てが、第１及び第２半体１０６，１１２に金属コーティング又は他のコーティングを付加することにより、ハウジングの第１及び第２半体１０６，１１２と一体物として製造できるという利点を有する。図４に示されるように、検出器１０８の下の領域に別の傾いた鏡１４２が設けられる。この傾いた鏡１４２は、放射が傾いた鏡１４０上に焦点を合わせることができる反対側の回転楕円体内壁に差し込む光線１０５を偏向させることにより、光効率をさらに増大させることができる。

図１ないし図７を参照して、ガスセンサアレー１００の組立を以下に詳細に説明する。

検出器１０８及び放射源１０２，１０４は、第１印刷回路基板１２２に実装される。センサ信号評価及び赤外線放射源の制御等に必要な他の電子部品が実装される第２印刷回路基板１２４は、検出器１０８の端子１２６に接続され、従って放射源１０２，１０４にも接続される。

次の工程において、ハウジングの第１半体１０６は、放射源１０２，１０４及び検出器１０８が対応する凹部内に保持されるように、第１印刷回路基板１２２上に実装される。第１半体１０６は、回転楕円体のガス計測室１１０の第１半体を形成するように、この工程で形作られる。主軸１３２に対して交差するガス計測室１１０の延長用に設置空間を確保するために、ガス計測室１１０が届くことができる対応する開口が第１印刷回路基板１２２に設けられる。

引き続く工程において、ハウジングの第２半体１１２がハウジングの第１半体１０６上に配置され、例えばねじ留めによりその位置に固定される。必要な場合、機械的応力、及び干渉を生じさせる散乱光の進入から確実に保護するために、外部ハウジング１２８を設けてもよい。しかし、図４ないし図７の実施形態から理解できるように、外部ハウジング１２８を、第１及び第２半体１０６，１１２に既に含めてもよい。

第１及び第２半体１０６，１１２並びに外部ハウジング１２８のこのような一体化はより多くの材料を要し、重量が増加するが、製造工程をかなり簡略化し、また、極めて高い機械的安定性を与える。ハウジングの第１半体１０６及び第２半体１１２間の境界層は、特許文献１に示されるように、適当な封止デバイスで付加的に封止することができる。

本発明は、円錐曲線で形成された回転体の形態でガス計測室１１０を設計し、２個の放射源１０２，１０４を互いに隣接して配置することにより、単純である最適化された光路を提供することを可能にし、同一の放射源のランプ強度でより大きな光効率が得られる。検出器１０８の主軸１３２に対して最大許容入射角度外の光の割合を減少させることにより、種々の周波数範囲をより明確に分離することも可能になる。これは、本発明に従ったガスセンサアレー１００が、自動車業界での使用にとりわけ適することを意味する。

図１ないし図７の実施形態において、回転楕円体形状のガス計測室１１０を想定したが、ガス計測室１１０を形成するために、他の円錐曲線を使用することも可能である。

図８及び図９は、ガス計測室１１０の内壁が回転放物体の形態をとる回転楕円体（図８参照）で、例えば光線１０５の方向の概略比較を示している。図９の実施形態によれば、第１焦点９１４で放出された放射が検出器１０８を配置できる第２焦点９１６に集束する結果となるように、２個の放物線状の鏡が互いに対向して配置される。このような設計の利点の一つは、ガスセンサアレー１００の感度の要求事項による長さの観点で、平行光路９００の領域を選択することができることである。検出下限が極めて低い場合、ガスセンサアレー１１０を通る光路長さを延長し十分に大きな検出信号を発生させる必要があろう。

本発明の第１実施形態に従ったガスセンサアレーの断面図である。 図１のアレーの一部を示す斜視図である。 図１のアレーの縦断面図である。 別の実施形態に従ったガスセンサアレーの分解斜視図である。 光線の方向を考慮した図４のアレーを示す斜視図である。 図４及び図５のアレーの縦断面図である。 図４のアレーの平面図である。 回転楕円体の形態であるガス計測室内での光線経路を示す概略図である。 部分的に回転放物体の形態であるガス計測室内での光線経路を示す概略図である。

符号の説明

１００ ガスセンサアレー
１０２，１０４ 放射源
１０６ 第１半体
１０８ 検出器
１１０ ガス計測室
１１２ 第２半体
１１４，１１５ 第１焦点
１１６ 第２焦点
１２２ 第１印刷回路基板
１３２ 主軸
１３４ 接続領域
１３８ センサ
１４０ 平坦な傾いた鏡

Claims (15)

1. 放射を放出する少なくとも１個の放射源（１０２，１０４）と、計測される少なくとも一つの試料を含むガス試料で充填することができるガス計測室（１１０）と、前記試料の存在、濃度に依存して主に出力信号を発生する少なくとも１個の放射検出器（１０８）と、前記放射源、前記ガス計測室及び前記検出器が内部に配置されたハウジングとを具備するガスセンサアレー（１００）において、
   前記ガス計測室（１１０）は、前記ハウジングの反射内壁により形成された少なくとも１個の凹面鏡を有し、
   前記反射内壁は、前記検出器が配置された領域で、放出された前記放射を集束する結果となるように設計された円錐曲線で形成された回転体の形態を少なくとも部分的にとることを特徴とするガスセンサアレー。
2. 前記回転体は回転楕円体であることを特徴とする請求項１記載のガスセンサアレー。
3. 前記少なくとも１個の放射源（１０２，１０４）は、前記回転楕円体の第１焦点（１１４，１１５）に配置され、
   前記検出器（１０８）は、前記回転楕円体の第２焦点（１１６）の周囲領域に配置されていることを特徴とする請求項２記載のガスセンサアレー。
4. 集束された前記放射を前記検出器のセンサ（１３８）に偏向させるために、前記検出器が配置される領域に、少なくとも１個の平坦な傾いた鏡（１４０）が設けられ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アレー。
5. 前記ハウジングは、ほぼ閉じたガス計測室を形成するように互いに結合された第１半体（１０６）及び第２半体（１１２）で形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載のガスセンサアレー。
6. 前記放射源及び前記検出器は、前記第１半体に少なくとも部分的に保持されていることを特徴とする請求項５記載のガスセンサアレー。
7. 第１印刷回路基板（１２２）上に実装できるように設計されてい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アレー。
8. 検出される前記放射は赤外線放射であり、
   前記少なくとも１個の放射源は、赤外線放射源か、又は広帯域光スペクトルを放出するランプかにより形成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アレー。
9. 前記ガス計測室の少なくとも１本の主軸に対して対称配置された、少なくとも１個の計測放射源（１０２）及び少なくとも１個の基準放射源（１０４）が設けられ、
   前記検出器は、前記放射源の光線経路が前記検出器に対して同じ有効経路長を有するように、前記主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８のうちいずれか１項記載のガスセンサアレー。
10. 前記反射内壁は、２個の前記放射源及び前記検出器の間に接続領域（１３４）を有し、
    該接続領域は、縦方向に沿って、前記回転楕円体の曲率にならうが横断方向には湾曲しない楕円筒状外被の一部として形成され、
    前記接続領域の平坦な突起は矩形であることを特徴とする請求項９記載のガスセンサアレー。
11. 前記反射内壁は、２個の前記放射源及び前記検出器の間に接続領域（１３４）を有し、
    該接続領域は、縦方向に沿って、前記回転楕円体の曲率にならうが横断方向には湾曲しない楕円筒状外被の一部として形成され、
    前記接続領域の平坦な突起は台形であることを特徴とする請求項９記載のガスセンサアレー。
12. 前記ガス計測室の温度の監視用に少なくとも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１１のうちいずれか１項記載のガスセンサアレー。
13. 前記ハウジングは、射出成形手法を用いて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コーティングの形態をとることを特徴とする請求項１ないし１２のうちいずれか１項記載のガスセンサアレー。
14. 前記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けられる金層であることを特徴とする請求項１３記載のガスセンサアレー。
15. 二酸化炭素ガスの存在及び二酸化炭素ガスの濃度の一方又は両方を検出するよう設計されていることを特徴とする請求項１ないし１４のうちいずれか１項記載のガスセンサアレー。

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