JP2007507723A - 測光式ガスセンサ用のレフレクタモジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、測光式ガスセンサであって、少なくとも、
赤外線の放射源と、
赤外線の放射源から到来する赤外線を第２のレフレクタに変向させる第１のレフレクタと、
第１のレフレクタから到来する赤外線を赤外線検出器に変向させる第２のレフレクタと、
赤外線検出器（ｂ）とが設けられている。

Description

本発明は、ガス濃度を検出するための測光式ガスセンサに関する。

分析ガスセンサは、化学式センサと物理式センサとに分けられる。化学式ガスセンサが、抵抗可変のペーストのような化学的インジケータを備えて構成されているのに対して、物理的センサは分光学（測光学（Photometrie））に基づいて機能する。後者の場合、単数又は複数の放射源から（特に赤外線波長領域における）光線が、いわゆる吸収区間を介して検出器エレメントへと導かれ、この検出器エレメントは、到来する光線強度を電圧及び電流に変換する。到来する放射出力において可能な限り高い信号ストロークを得るために、放射源から放射される光を、可能な限り直接的にかつ収束させて検出エレメントに案内することが必要である。このことは、放射源と検出器エレメントとを互いに直接的に向かい合わせる（「フェース・トゥー・フェース配置形式」）ことによって達成することができるか、又は光線を変向及び付加的に集光するレフレクタモジュールの使用によって達成することができる。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０２４３０１４号明細書に基づいて、放射信号を検出する装置と物質の濃度を測定する装置とが公知である。この公知の装置では第１の検出器と第２の検出器とが第１のチップに設けられていて、第１のフィルタと第２のフィルタとが第２のチップに設けられており、この場合第１のフィルタと第２のフィルタとは互いに気密に結合されている。

発明の利点
本発明の構成では、ガス濃度もしくはガスの濃度値もしくはガス濃度を示す値を検出するための測光式ガスセンサにおいて、
赤外線の放射源と、
赤外線の放射源から到来する赤外線を第２のレフレクタに変向させる第１のレフレクタと、
第１のレフレクタから到来する赤外線を赤外線検出器に変向させる第２のレフレクタと、
赤外線検出器とが設けられている。

このようなレフレクタを使用することによって、ガスセンサの特にコンパクトな構造形式が可能になる。

本発明の別の有利な構成では、
第１のレフレクタと第２のレフレクタとが、
主としてプラスチックから成っていて、プラスチック製の１つのハウジング構成エレメント内に取り付けられているか又は、
プラスチック製のハウジング構成エレメントの一部である。

本発明の別の有利な構成では、第１のレフレクタと第２のレフレクタとが、プラスチックの鏡面加工された面として形成されている。

本発明の別の有利な構成では、第１のレフレクタと第２のレフレクタとが、
主として金属から成っていて、金属製の１つのハウジング構成エレメント内に取り付けられているか又は、金属製のハウジング構成エレメントの一部である。

本発明の別の有利な構成では、赤外線の放射源と赤外線検出器とが、共通の１つのプリント基板に取り付けられている。

本発明の別の有利な構成では、ハウジング構成エレメントがセンサのカバーである。カバーへのレフレクタの組込みによって、特にコンパクトな構造形式が達成される。

本発明の別の有利な構成では、カバーが少なくとも１つの貫通開口を有していて、該貫通開口を通ってガスがガスセンサの内室に流入可能である。

本発明の別の有利な構成では、第１のレフレクタと第２のレフレクタとは次のように、すなわち第１のレフレクタから第２のレフレクタに変向される赤外線の放射方向が、プリント基板の表面に対してほぼ平行であるように、配置されている。

本発明の別の有利な構成では、２つの赤外線検出器が設けられているかもしくは２つのセンサエレメントを備えた１つの赤外線検出器が設けられており、第２のレフレクタが２つの部分レフレクタから成っていて、両部分レフレクタが、第１のレフレクタから到来する光線を２つの異なった方向に進む部分光に分割するようになっており、さらに両部分レフレクタが次のように、すなわち両部分光がそれぞれ両赤外線センサエレメントのうちの異なった赤外線センサエレメントに当たるように、配置されている。

第２の赤外線検出器を使用することによって、比較測定が可能である。第２の赤外線検出器の使用は、比較測定の代わりに、第２のもしくは他のガスの濃度測定をも可能にする。

本発明の別の有利な構成では、第２のレフレクタが、互いに並んで配置された２つのレフレクタもしくは部分レフレクタから成っており、両部分レフレクタは次のように、すなわち第１のレフレクタからの光が両部分レフレクタの間における境界に当たって、両部分レフレクタのそれぞれに光の一部が当たるように、配置されている。

本発明の別の有利な構成では、ハウジング構成エレメントに、赤外線源及び赤外線検出器を取り付けるための受容部が設けられている。このように構成されていると、個々の構成エレメント相互の極めて正確な配置が可能になる。

本発明の別の有利な構成では、受容部がガイドである。

図面
図１は、レフレクタモジュールの第１実施例を外側から見た斜視図であり、
図２は、レフレクタモジュールの第１実施例の内室を示す斜視図であり、
図３は、レフレクタモジュールの第２実施例を外側から見た斜視図であり、
図４は、レフレクタモジュールの第２実施例の内室を示す断面図であり、
図５は、放射源及び検出器のための受容部を示す断面図である。

実施例
本発明は、放射源の放射出力を単数又は複数の光学式のレフレクタモジュールを用いて最適に集光するため及び吸収区間を介して検出エレメントに導くために働く。この場合２つ又は３つのレフレクタが使用される。これらのレフレクタは、関連したモジュールから成っていても、又は個々の光学エレメントから成っていてもよい。この場合閉鎖されたレフレクタモジュールといわゆる「オープン・パス・モジュール」とは区別される。「オープン・パス」配置形式では、真ん中のレフレクタモジュールは省かれ、その代わりに開放した放射区間が存在する。

この光学式のレフレクタモジュールは、測光式ガスセンサのために使用することができる。図１、図２、図３及び図４にはレフレクタモジュールの２つの実施形態が示されている。このモジュールは放射源ａから放射検出器ｂへの放射路に関して次のように構成されている。すなわち、
レフレクタＲ１は、放射源ａから受光した光線を集光し、（放射源と放射検出器とが設けられている）底部分５３に対して平行にレフレクタＲ３へと導き、
レフレクタＲ３は光線を再度集光し、下方に向かって検出器へと導く。

レフレクタに関しては図面に２つの実施形態が示されている。すなわち：
図１及び図２には、深絞りされた金属構造体としての実施形態が示され、
図３及び図４には、プラスチック製の実施形態が示されている。

両方の実施形態それぞれに対して、「クローズ・パス・配置形式」と「オープン・パス・配置形式」の両方の構成が可能である。

クローズ・パス・配置形式
図１〜図４に示されているこの配置形式は、閉鎖されたレフレクタモジュールであって、その下には放射源ａと検出モジュールｂとが設けられている。このレフレクタモジュールは、
放射源の放射路の集光及び偏向するためのレフレクタＲ１と、
レフレクタモジュールのためのカバーである構成部材Ｒ２と、
光線を単数又は複数の検出エレメントに集光及び偏向するための１つ又は２つの部分レフレクタＲ３ａ,Ｒ３ｂとを有している。

図１〜図４に示された配置形式においてレフレクタモジュールは、構成部材Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３を有するただ１つの構成エレメントである。

レフレクタモジュールは、内側を鏡面加工されたプラスチックから構成されるか又は金属構造体として構成されることができる。金属構造体は例えば深絞り加工によって形成することができる。レフレクタモジュールの内室への分析されるガスの供給は、構成部材Ｒ２に設けられたスリットｃを通して行うことができる。

構成部材Ｒ２は例えば、有利なＥＭＶ特性を保証するための電気的な遮蔽体としても使用することができる（ＥＭＶ＝電磁両立性（elektromagnetische Vertraeglichkeit））。

オープン・パス・配置形式
オープン・パス・配置形式では構成部材Ｒ２は省かれている。これによって、レフレクタ部分Ｒ１とレフレクタ部分Ｒ３との間における面平行な光線案内の領域は開放されている。レフレクタＲ１,Ｒ３の構成はこの実施例においても変わらないままである。両レフレクタＲ１,Ｒ３は、関連したモジュールとして構成されていても又は個別モジュールとして構成されていてもよい。レフレクタ部分Ｒ２が存在しないことによって、測定されるガスを直接的に周囲雰囲気において検出することができる開放した系が生ぜしめられる。この構造の利点は、周囲雰囲気において測定ガスを迅速に検出できることにある。このことは、測定ガスがそれを通って初めて拡散することができるハウジング部分が存在しないことによって可能になる。

オープン・パス・配置形式のためにもクローズ・パス・配置形式のためにも、同じレフレクタを同じ間隔をもって使用することができる。両配置形式は、検出エレメントの光学的な帯域幅及び赤外線の周波数領域とは無関係であり、ゆえに図示のように構成されたすべての測光式ガスセンサのために普遍的に使用することができる。

光学式のセンサ系の性能のためにさらに重要なことは、検出器とレフレクタと放射源とを相対的に可能な限り正確に位置決めすることである。このようにすると、放射出力の可能な限り大きな部分を検出器に供給すること、ひいては信号発生量を最大にすることが保証され得る。このことは、放射源・レフレクタモジュール・検出器から成る公差チェーン（Toleranzkette）の最小化を意味し、レフレクタにおける構造上の処置によって達成することができる。そのためにレフレクタには受容部が設けられており、これらの受容部は組立て時に、ランプ及び検出器もしくはレフレクタモジュールもしくはハウジング構成エレメントの方向付けを保証する。これによってレフレクタの製造誤差が系全体の組立て時におけるただ１つの基準となる。このことには以下に挙げる２つの利点がある。

第２のレフレクタからセンサエレメントに向けられた光を強く集光することができる。それというのは、レフレクタへのセンサエレメントもしくは検出器の方向付けによってレフレクタに対するセンサのポジションは固定されているからである。これによって可能になる小さな焦点（Fokusfleck）に基づいて、高い放射輝度が得られ、このような放射輝度は、センサエレメントにおいて高い電気的な絶対信号を生ぜしめる。

構成エレメントつまりレフレクタモジュールと検出器と放射源との組立ては、相互の正確な位置決めによって著しく簡単になる。

そして、赤外線の焦点がセンサエレメントに達しないこともしくはセンサエレメントの光に対して敏感な部分の脇に位置してしまうことは、回避される。

プリント基板上における構成エレメントの取付け時に、レフレクタはプリント基板における相応な受容部を介して固定される。そしてプリント基板におけるレフレクタに対する放射源及び検出器の位置決めが行われる。これによって別個に取付けもしくは組立てられた場合に生じるおそれのあるすべての誤差を、最小にすることが保証される。

２つの構成部材つまりレフレクタと検出器と放射源との可能な取付け経過は以下の通りである：
レフレクタの受容部への検出器のプレス嵌め。
レフレクタ・検出器ユニットの装着。この際にレフレクタは例えば折り返しもしくはクリンチによって固定され、検出器はＳＭＤ技術においてろう接される（ＳＭＤ＝表面実装部品装着機（surface mounted device））。
放射源のリバース装着（Reversebestuecken）。この際に放射源は、大きな公差を有する（uebertoleriert）孔を通してレフレクタのガイド内にもたらされ、次いでＳＭＤ技術においてろう接される。

択一的に、まず初めにプリント基板に検出器を装着することも可能である。レフレクタ及びランプの方向付けは次いで、堅固に組み込まれた検出器を介して行われる。上に述べたように３つのすべての構成部材の方向付けは、基準である放射源を介して行うことももちろん可能である。両方の場合において、３つのすべての構成部材の方向付けは、しかしながら常に、レフレクタにおける相応な構造的な処置を介して保証されていなくてはならない。

図５には、ランプａもしくは検出器エレメントｂのための受容部５１,５２が示されている。図示の実施例では５１は、ランプａのためのガイド（つまりランプガイド）であり、５２は、検出器ｂのためのガイド（つまり検出器ガイド）である。又は５３は（図１及び図３においても）プリント基板を示している。

第２のレフレクタは、隣り合う２つの部分レフレクタＲ３ａ,Ｒ３ｂを有していてもよい。第１のレフレクタから到来する赤外線の焦点は、部分レフレクタＲ３ａとＲ３ｂとの間における境界線に当たる。それぞれ部分レフレクタＲ３ａ,Ｒ３ｂに当たる焦点の半分は、異なった２つの方向へと導かれる。赤外線検出器ｂは、測定通路と基準通路とを備えた２通路式の検出器として形成されている。両部分光線のうちの一方は、測定通路に配属されたセンサエレメントに当たり、他方の部分光線は、基準通路に配属されたセンサエレメントに当たる。両センサエレメントは例えば１つの共通のハウジング内において互いに隣り合って配置された複数のチップとして実現することも、又は１つのチップにおいて実現することも可能である。

ガスセンサは、その構造寸法が小さいことに基づいて、自動車における使用のために、特に自動車の室内における空気中の二酸化炭素濃度を検出するために適している。

レフレクタモジュールの第１実施例を外側から見た斜視図である。 レフレクタモジュールの第１実施例の内室を示す斜視図である。 レフレクタモジュールの第２実施例を外側から見た斜視図である。 レフレクタモジュールの第２実施例の内室を示す断面図である。 放射源及び検出器のための受容部を示す断面図である。

Claims (12)

1. ガス濃度を検出するための測光式ガスセンサであって、少なくとも、
   赤外線の放射源（ａ）と、
   赤外線の放射源（ａ）から到来する赤外線を第２のレフレクタ（Ｒ３ａ,Ｒ３ｂ）に変向させる第１のレフレクタ（Ｒ１）と、
   第１のレフレクタ（Ｒ１）から到来する赤外線を赤外線検出器（ｂ）に変向させる第２のレフレクタ（Ｒ３ａ,Ｒ３ｂ）と、
   赤外線検出器（ｂ）とが設けられていることを特徴とする、ガス濃度を検出するための測光式ガスセンサ。
2. 第１のレフレクタ（Ｒ１）と第２のレフレクタ（Ｒ３ａ,Ｒ３ｂ）とが、
   主としてプラスチックから成っていて、プラスチック製の１つのハウジング構成エレメント内に取り付けられているか又は、
   プラスチック製のハウジング構成エレメントの一部である、請求項１記載の測光式ガスセンサ。
3. 第１のレフレクタ（Ｒ１）と第２のレフレクタ（Ｒ３ａ,Ｒ３ｂ）とが、プラスチックの鏡面加工された面として形成されている、請求項２記載の測光式ガスセンサ。
4. 第１のレフレクタ（Ｒ１）と第２のレフレクタ（Ｒ３ａ,Ｒ３ｂ）とが、
   主として金属から成っていて、金属製の１つのハウジング構成エレメント内に取り付けられているか又は、
   金属製のハウジング構成エレメントの一部である、請求項１記載の測光式ガスセンサ。
5. 赤外線の放射源（ａ）と赤外線検出器（ｂ）とが、共通の１つのプリント基板（５３）に取り付けられている、請求項１記載の測光式ガスセンサ。
6. ハウジング構成エレメントがセンサのカバーである、請求項２又は４記載の測光式ガスセンサ。
7. カバーが少なくとも１つの貫通開口（ｃ）を有していて、該貫通開口（ｃ）を通ってガスがガスセンサの内室に流入可能である、請求項６記載の測光式ガスセンサ。
8. 第１のレフレクタ（Ｒ１）と第２のレフレクタ（Ｒ３ａ,Ｒ３ｂ）とは次のように、すなわち第１のレフレクタ（Ｒ１）から第２のレフレクタ（Ｒ２）に変向される赤外線の放射方向が、プリント基板（５３）の表面に対してほぼ平行であるように、配置されている、請求項１記載の測光式ガスセンサ。
9. 赤外線検出器（ｂ）が２つの赤外線センサエレメントを有しており、第２のレフレクタが２つの部分レフレクタ（Ｒ３ａ,Ｒ３ｂ）から成っていて、両部分レフレクタ（Ｒ３ａ,Ｒ３ｂ）が、第１のレフレクタから到来する光線を２つの異なった方向に進む部分光に分割するようになっており、さらに両部分レフレクタが次のように、すなわち両部分光がそれぞれ両赤外線センサエレメントのうちの異なった赤外線センサエレメントに当たるように、配置されている、請求項１記載の測光式ガスセンサ。
10. 第２のレフレクタ（Ｒ３ａ,Ｒ３ｂ）が、互いに並んで配置された２つの部分レフレクタから成っており、両部分レフレクタは次のように、すなわち第１のレフレクタからの光が両部分レフレクタの間における境界に当たって、両部分レフレクタのそれぞれに光の一部が当たるように、配置されている、請求項９記載の測光式ガスセンサ。
11. ハウジング構成エレメントに、赤外線源（ａ）及び赤外線検出器（ｂ）を取り付けるための受容部が設けられている、請求項２又は４記載の測光式ガスセンサ。
12. 受容部がガイド（５１,５２）である、請求項１０記載の測光式ガスセンサ。

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