JP7278548B2

JP7278548B2 - ガス測定器

Info

Publication number: JP7278548B2
Application number: JP2020038068A
Authority: JP
Inventors: 誉久鈴木; 俊彦野田; 和明澤田
Original assignee: Sintokogio Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Sintokogio Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2023-05-22
Anticipated expiration: 2040-03-05
Also published as: WO2021176931A1; JP2021139768A; US20230091525A1; EP4102215A4; EP4102215A1

Description

本開示は、ガス測定器に関する。

特許文献１は、ファンによって外部の空気を吸気するガス測定器を開示する。ガス測定器は、ケーシングと、ケーシングの内部にセンサを備える。ケーシングには、ケーシングの内部と外部とを連通するガス通流孔が設けられる。ケーシングの内部には、ガス通流孔と対向する位置にファンが取り付けられる。ケーシングの内部のセンサは、ファンの作動によって吸気された外部の空気のガス濃度を検出する。

特開２００９－２７１０５９号公報

特許文献１に記載のガス測定器においては、ガスの吸気のためにファンが必要になる。本開示は、簡易な構成でガスを測定できるガス測定器を提供する。

本開示の一側面に係るガス測定器は、ガス室に配置されるガスセンサと、ガス室へ通過するガス分子を制御するフィルタと、ガス室を画成する部材の少なくとも一部を移動させる駆動部と、を備える。

このガス測定器では、ガス室を画成する部材の少なくとも一部は、駆動部によって移動される。これにより、ガス室の体積は増減する。ガス室の体積が増加するようにガス室を画成する部材の少なくとも一部が移動する場合、ガス室の圧力はガス室の外部より低下する。外部のガスは、ガス分子を制御するフィルタを通してガス室へと吸気される。ガス室の体積が減少するようにガス室を画成する部材の少なくとも一部が移動する場合、ガス室の圧力はガス室の外部より上昇する。ガス室のガスは、ガス室の外部へと排気される。よって、このガス測定器は、ファンを備えるガス測定器と比べて簡易な構造でガスを測定できる。

一実施形態においては、ガス室を画成する部材は、上部と、底部と、側壁と、前記駆動部によって移動される可動部と、を含む。上部は、ガス室の天面を画成し、フィルタを含む。底部は、ガス室の底面を画成し、ガスセンサが配置される。側壁は、ガス室の側面を画成し、上部と底部との間に挟持される。可動部は、ガス室の側面を側壁とともに画成し、上部と底部と側壁とに接続される。そして、ガス室を画成する部材の少なくとも一部は、前記駆動部によって移動される可動部である。そして、駆動部は、可動部を天面と底面と側壁とに沿って移動させてもよい。可動部によって画成されるガス室の体積は、可動部の移動によって増減する。この場合、ガス測定器は、移動する可動部によってガスを吸気できる。

一実施形態においては、可動部は、ガスセンサ及びフィルタに密接してもよい。そして、駆動部は、可動部をガスセンサ及びフィルタに沿って移動させてもよい。この場合、可動部がフィルタ及びガスセンサと密接しないガス測定器と比べて、ガス測定器は小型化される。

一実施形態においては、ガス室を画成する部材は、上容器と、下容器と、駆動部と、を含んでいてもよい。上容器は、フィルタが配置され下端に開口が設けられる。下容器は、ガスセンサが配置され上端に開口が設けられる。駆動部は、下容器と上容器との間に挟持される。そして、駆動部によって移動される、ガス室を画成する部材の少なくとも一部は、上容器である。そして、駆動部は、上容器を下容器に対して上下方向に移動させてもよい。この構成では、フィルタを通過したガス流は、ガスセンサに対して垂直方向である。このため、ガス測定器は、吸気されるガス流を安定化できる。

一実施形態においては、ガス室を画成する部材は、容器と、弾性部材と、を含んでいてもよい。容器は、開口が設けられフィルタ及びガスセンサが配置される。弾性部材は、開口を塞ぐように容器に固定される膜状の部材である。そして、駆動部によって移動される、ガス室を画成する部材の少なくとも一部は、弾性部材である。そして、駆動部は、ガス室が張り出すように弾性部材を移動させてもよい。この場合、ガス室を画成する部材に弾性部材を含まないガス測定器と比べて、ガス測定器は簡易な構造でガスを吸気できる。

一実施形態においては、ガス室を画成する部材は、ガス室の圧力が外部の圧力より高い場合に開放され、ガス室の圧力が外部の圧力より低い場合に封鎖される弁を含んでもよい。この場合、ガス室を画成する部材に弁を含まないガス測定器と比べて、ガス測定器は、ガス室のガスを高速に排気できる。

本開示に係るガス測定器によれば、簡易な構成でガスを測定できる。

実施形態に係るガス測定器の一例を示す断面図である。図２の（Ａ）はガス室を画成する部材に可動部を含むガス測定器の一例を示す断面図である。図２の（Ｂ）は可動部がフィルタ及びガスセンサと密接するガス測定器の一例を示す断面図である。図３の（Ａ）はガス室を画成する部材に上容器及び下容器を含むガス測定器が収縮した一例を示す断面図である。図３の（Ｂ）はガス室を画成する部材に上容器及び下容器を含むガス測定器が伸張した一例を示す断面図である。ガス室を画成する部材に弾性部材を含むガス測定器の一例を示す断面図である。図５の（Ａ）は弁が封鎖されるガス測定器の一例を示す断面図である。図５の（Ｂ）は弁が開放されるガス測定器の一例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。「上」「下」「左」「右」の語は、図示する状態に基づくものであり、便宜的なものである。

［ガス測定器の構成］
図１は、実施形態に係るガス測定器１の一例を示す断面図である。図１に示されるガス測定器１は、ガスの成分を測定する機器である。ガス測定器１は、電気回路部品として提供され得る。一例として、ガス測定器１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスである。ガス測定器１は、ガス室を画成する部材１００、フィルタ２０、ガスセンサ３０及び駆動部４０を備える。

フィルタ２０は、フィルタ２０を通過するガス分子を制御する。制御とは、例えば、フィルタ２０を通過するガス分子を大きさに基づいてふるい分けすることをいう。一例として、フィルタ２０は、ガス分子が通過する複数の開口を有するＭＥＭＳデバイスである。フィルタ２０は、複数の開口の大きさを変更することで、フィルタ２０を通過するガス分子の大きさを制御する。

制御とは、静電力によりフィルタ２０を通過するガス分子の進行方向を変更することであってもよい。一例として、フィルタ２０は、ガス分子が通過する複数の電極を有するＭＥＭＳデバイスである。フィルタ２０は、複数の電極に印加される電圧を変更することで、フィルタ２０を通過するイオン化したガス分子の進行方向を制御する。

制御とは、触媒によりフィルタ２０を通過する混合ガスを反応させることであってもよい。混合ガスに含まれるガス種は、触媒の温度に応じた反応によって他のガス種に変化する。一例として、フィルタ２０は、ガス分子が接触する触媒を有するＭＥＭＳデバイスである。フィルタ２０は、触媒の温度を変更することで、フィルタ２０を通過する混合ガスに含まれるガス種を制御する。

フィルタ２０は、何れの場合も、ガスに対して流体抵抗になる。流体抵抗とは、フィルタ２０を通過するガスの流束を妨げる働きをするものをいう。よって、ガス室１０のガス分子が外部のガス分子と入れ替わるには、流体抵抗に応じた所定の時間が必要になる。

ガスセンサ３０は、ガス室１０に配置される。ガスセンサ３０は、所定のガス種の濃度に応じて電気信号を出力する素子である。一例として、ガスセンサ３０は、表面に付着したガス分子を検出する半導体方式のセンサである。ガス室１０は、ガスを透過しない部材１００に画成される。よって、ガス室１０に設けられるガスセンサ３０は、フィルタ２０によって制御されたガス分子を検出する。

駆動部４０は、ガス室１０を画成する部材１００の少なくとも一部を移動させる。駆動部４０は、ガス室１０の体積が変化するように部材１００の少なくとも一部を移動させる。より具体的な一例として、駆動部４０は、ガス室１０の形状が変化するように部材１００の少なくとも一部を移動させる。移動は往復動であり得る。駆動部４０は、部材１００の全体を移動させてもよい。この場合も、ガス室１０を画成する部材１００の少なくとも一部を移動させることに含まれる。駆動部４０は、ピエゾポンプであってもよい。または、ピエゾアクチュエータ及びＭＥＭＳアクチュエータであってもよい。駆動部４０は、電源（不図示）に接続される。駆動部４０の詳細は後述される。

ガス室を画成する部材１００は、ガスを透過しない材料で形成される。部材１００は、複数の部材によって構成されてもよい。部材１００は、フィルタ２０及びガスセンサ３０を含んでもよい。部材１００の詳細は後述される。

以上の構成のガス測定器１によれば、ガス室１０を画成する部材１００の一部は、駆動部４０によって移動される。これにより、ガス室１０の体積は増減する。ガス室１０の体積が増加するように部材１００の少なくとも一部が移動する場合、ガス室１０の圧力はガス室１０の外部より低下する。外部のガスは、ガス分子を制御するフィルタ２０を通してガス室１０へと吸気される。ガス室１０の体積が減少するように部材１００の少なくとも一部が移動する場合、ガス室１０の圧力はガス室１０の外部より上昇する。ガス室１０のガスは、ガス室１０の外部へと排気される。よって、このガス測定器１は、ファンを備えるガス測定器と比べて簡易な構造でガスを吸気できる。

［第１実施形態］
図２の（Ａ）はガス室１０を画成する部材１００に可動部１４を含むガス測定器１の一例を示す断面図である。この構成では、ガス室１０を画成する部材１００は、フィルタ２０を含む上部１１と、ガスセンサ３０が配置される底部１２と、上部１１と底部１２との間に挟持される側壁１３及び可動部１４とを含む。各部材はそれぞれ、上部１１はガス室１０の天面を、底部１２はガス室１０の底面を、側壁１３及び可動部１４はガス室１０の側面を画成する。

駆動部４０には、ＭＥＭＳアクチュエータが適用され得る。ＭＥＭＳアクチュエータは、例えば、印加される静電力によって伸縮する櫛歯型構造である。

可動部１４は、ガス室１０を画成する部材１００の少なくとも一部であり、駆動部４０によって移動される。可動部１４は、上部１１と底部１２と側壁１３とに接続される。より具体的な一例として、可動部１４は、上部１１と底部１２と側壁１３とに気密に接続される。駆動部４０は、フィルタ２０に近づく方向又はフィルタ２０から遠ざかる方向に、可動部１４を移動させる。可動部１４は、駆動部４０によって、上部１１と底部１２と側壁１３とに沿って移動する。

可動部１４がフィルタ２０から遠ざかる方向に作動する場合、ガス室１０の体積は増加する。体積が増加したガス室１０の圧力は小さくなり、外部のガスは、フィルタ２０を通して給気される。可動部１４がフィルタ２０に近づく方向に作動する場合、ガス室１０の体積は減少する。体積が減少したガス室１０の圧力は大きくなり、ガス室１０のガスは、フィルタ２０を通して排気される。

図２の（Ｂ）は可動部１４がフィルタ２０及びガスセンサ３０と密接するガス測定器１の一例を示す断面図である。この場合、ガス室１０は、可動部１４によって仕切られる第１ガス室１０Ａ及び第２ガス室１０Ｂを有する。換言すると、第１ガス室１０Ａ及び第２ガス室１０Ｂは、上部１１、底部１２、側壁１３、可動部１４、フィルタ２０及びガスセンサ３０によって画成される。可動部１４は、ガス室１０を画成する各部材と密接した状態で、ＭＥＭＳアクチュエータの伸縮に応じて移動する。

ＭＥＭＳアクチュエータが伸張する場合、第１ガス室１０Ａの体積は減少し、第２ガス室１０Ｂの体積は増加する。体積が減少した第１ガス室１０Ａの圧力は大きくなり、第１ガス室１０Ａのガスは、フィルタ２０を通して排気される。体積が増加した第２ガス室１０Ｂの圧力は小さくなり、外部のガスは、フィルタ２０を通して給気される。

ＭＥＭＳアクチュエータが収縮する場合、第１ガス室１０Ａの体積は増加し、第２ガス室１０Ｂの体積は減少する。体積が増加した第１ガス室１０Ａの圧力は小さくなり、外部のガスは、フィルタ２０を通して給気される。体積が減少した第２ガス室１０Ｂの圧力は大きくなり、第２ガス室１０Ｂのガスは、フィルタ２０を通して排気される。

以上、本実施形態のガス測定器１によれば、可動部１４は、駆動部４０の伸縮によって移動する。可動部１４によって画成されるガス室１０は、可動部１４の移動によって体積が増減する。この場合、ガス測定器１は、伸縮する駆動部４０によってガスを吸気できる。駆動部４０は、ガスを透過する材質及び形状であってもよい。また、可動部１４がフィルタ２０及びガスセンサ３０と密接する場合、ガス測定器１は、可動部１４がフィルタ２０及びガスセンサ３０と密接しないガス測定器１と比べて、小型化される。

［第２実施形態］
図３の（Ａ）はガス室１０を画成する上容器１５及び下容器１６を含むガス測定器が収縮した一例を示す断面図である。図３の（Ｂ）は上容器１５及び下容器１６を含むガス測定器が伸張した一例を示す断面図である。この構成では、ガス室１０を画成する部材１００は、フィルタ２０を含む上容器１５と、ガスセンサ３０を含む下容器１６と、上容器１５と下容器１６との間に挟持される駆動部４０とを含む。上容器１５は下端に開口が設けられ、下容器１６は上端に開口が設けられる。上容器１５は、ガス室１０を画成する部材１００の少なくとも一部であり、駆動部４０によって上下方向へ移動される。

駆動部４０には、ピエゾアクチュエータが適用され得る。ピエゾアクチュエータは、例えば、印加される電圧に応じて伸縮する積層された圧電素子を備える。圧電素子は、印加される電圧に応じて変形する受動素子である。ピエゾアクチュエータは、ガスを通過しないように上容器１５と下容器１６との間に挟持される。ピエゾアクチュエータは伸張して上容器１５を相対的に上方向に移動した状態と、収縮して上容器１５を相対的に下方向に移動した状態とを、交互に繰り返す。

ピエゾアクチュエータが伸張して上容器１５を上方向に移動する場合、ガス室１０の体積は増加する。体積が増加したガス室１０の圧力は小さくなり、外部のガスは、フィルタ２０を通して給気される。ピエゾアクチュエータが収縮して上容器１５を下方向に移動した場合、ガス室１０の体積は減少する。体積が減少したガス室１０の圧力は大きくなり、ガス室１０のガスは、フィルタ２０を通して排気される。

以上、本実施形態のガス測定器１によると、フィルタ２０を通過したガス流は、ガスセンサ３０に対して垂直方向である。この場合、ガス測定器１は、吸気されたガス流を安定化できる。

［第３実施形態］
図４は、ガス室１０を画成する部材１００に弾性部材１８を含むガス測定器１の一例を示す断面図である。この構成では、ガス室１０を画成する部材１００は、開口が設けられ、フィルタ２０及びガスセンサ３０が配置される容器１７と、開口を塞ぐように容器に固定される膜状の弾性部材とを含む。弾性部材１８は、ガス室１０を画成する部材１００の少なくとも一部であり、駆動部４０によって移動される。

駆動部４０は圧電素子であってもよい。圧電素子は、弾性部材１８を挟むように構成される。圧電素子は、印加される電圧に応じて、弾性部材１８を張り出すように弾性変形させる。弾性部材１８は、弾性変形により圧電素子と一体になって移動される。弾性部材１８と、弾性部材１８を挟む圧電素子とが一体となるこの構造は、ピエゾポンプであってもよい。弾性部材１８に画成されるガス室１０は、内部に対して凸に張り出す状態と、外部に対して凸に張り出す状態とを、交互に繰り返す。

ガス室１０が内部に対して凸に張り出す場合、ガス室１０の体積は減少する。体積が減少したガス室１０の圧力は大きくなり、ガス室１０のガスは排気される。ガス室１０が外部に対して凸に張り出す場合、ガス室１０の体積は増加する。体積が増加したガス室１０の圧力は小さくなり、外部のガスは、フィルタ２０を通して給気される。

以上、本実施形態のガス測定器１によれば、ガス室１０を画成する部材１００の少なくとも一部に弾性部材１８を含まないガス測定器１と比べて、ガス測定器１は、簡易な構造でガスを吸気できる。

［第４実施形態］
ガス室１０を画成する部材１００は、弁５０を含んでもよい。弁５０は、ガス室１０の圧力が外部の圧力より高い場合に開放され、ガス室１０の圧力が外部の圧力より低い場合に封鎖される。一例として、弁５０は、略板状の弾性部材で形成される。弁５０は、ガス室１０と外部とを隔てるように設けられる。略板状の弁５０の一つの辺は、ガス室を画成する部材１００に接続される。他の辺において、弁５０は、ガス室を画成する部材１００の外側の面に突き当たる。

図５の（Ａ）は弁５０が封鎖されるガス測定器１の一例を示す断面図である。この構成では、ガス室１０を画成する部材１００は、可動部１４及び弁５０を含む。可動部１４は、フィルタ２０から遠ざかる方向に移動する。ガス室１０の体積は増加して、圧力が低下する。ガス室１０の圧力が外部の圧力より低い場合、弁５０に対して外部から内部への圧力がかかる。この場合、弁５０は、側壁１３の外側の面に突き当たって封鎖される。外部のガスは、フィルタ２０を通して給気される。

図５の（Ｂ）は弁５０が開放されるガス測定器１の一例を示す断面図である。可動部１４は、フィルタ２０へ近づく方向に移動する。ガス室１０の体積は減少して、圧力が増加する。ガス室１０の圧力が外部の圧力より高い場合、弁５０に対して内部から外部への圧力がかかる。この場合、弁５０は、側壁１３の外側に弾性変形して開放される。ガス室１０のガスは、主に弁５０から排気される。

以上、本実施形態のガス測定器１によれば、ガス室１０を画成する部材に弁５０を含まないガス測定器１と比べて、ガス測定器１は、ガス室１０のガスを高速に排気できる。

［変形例］
以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上記の例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。

図２の（Ａ）、図５の（Ａ）、図５の（Ｂ）に示されるガス測定器１では、側壁１３に通気孔が設けられてもよい（不図示）。通気口は、駆動部４０が設けられる側壁１３に設けられる。通気口は、側壁１３の外部と内部とを連通する。駆動部４０が設けられる面と、可動部１４とに画成される空間のガスは、通気口を通じて吸排気される。この場合、可動部１４に加わる圧力が低減されるため、ガス測定器１は、可動部１４を移動させる力を低減できる。

ガスセンサ３０は、半導体方式のセンサではなくてもよい。例えば、ガスセンサ３０は、電気化学式のセンサ、水晶振動子方式のセンサ、表面弾性波方式のセンサ、又はその組み合わせであってもよい。

駆動部４０は、ガス室１０を画成する部材１００の少なくとも一部を移動させる速度を変更してもよい。駆動部４０が高速で部材１００の少なくとも一部を移動させる場合、ガス測定器１は、ガスを検出する応答速度を向上できる。駆動部４０が低速で部材１００の少なくとも一部を移動させる場合、ガス測定器１は、駆動部４０の消費電流を低減できる。

ガス室１０を画成する部材１００に弁５０を含むガス測定器１は、上容器１５及び下容器１６を含んでいてもよい。ガス室１０を画成する部材１００に弁５０を含むガス測定器１は、弾性部材１８を含んでいてもよい。略板状の剛性部材によって形成される弁５０は、ガス室１０を画成する部材１００とヒンジによって接続されてもよい。

１…ガス測定器、１０…ガス室、１０Ａ…第１ガス室、１０Ｂ…第２ガス室、１１…上部、１２…底部、１３…側壁、１４…可動部、１５…上容器、１６…下容器、１７…容器、１８…弾性部材、２０…フィルタ、３０…ガスセンサ、４０…駆動部、５０…弁。

Claims

ガス室に配置されるガスセンサと、
前記ガス室へ通過するガス分子を制御するフィルタと、
前記ガス室を画成する部材の少なくとも一部を移動させる駆動部と、
を備え、
前記ガス室を画成する部材は、
前記ガス室の天面を画成し、前記フィルタを含む上部と、
前記ガス室の底面を画成し、前記ガスセンサが配置される底部と、
前記ガス室の側面を画成し、前記上部と前記底部との間に挟持される側壁と、
前記ガス室の側面を前記側壁とともに画成し、前記上部と前記底部と前記側壁とに接続される可動部と、
を含み、
前記駆動部によって移動される、前記ガス室を画成する部材の少なくとも一部は、前記可動部であり、
前記駆動部は、前記可動部を前記天面と前記底面と前記側壁とに沿って移動させる、
ガス測定器。
前記可動部は、前記ガスセンサ及び前記フィルタに密接し、
前記駆動部は、前記可動部を前記ガスセンサ及び前記フィルタに沿って移動させる、
請求項１に記載のガス測定器。
前記ガス室を画成する部材は、
前記ガス室の圧力が外部の圧力より高い場合に開放され、前記ガス室の圧力が外部の圧力より低い場合に封鎖される弁を含む、
請求項１又は２に記載のガス測定器。