(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも顔面マスクの外部から該顔面マスクの顔面側まで延在する流通路に沿って流れる空気中の標的種の存在を監視する暴露指示装置であって、
前記流通路と流動的に連絡する可逆センサと、
環境空気を前記流通路に侵入させずに取り外し可能なように、取り付け位置の流通路に着脱自在に取り付けられた処理機構ハウジングと、
前記処理機構ハウジングに収容され、濃度信号を前記可逆センサの少なくとも１つの特性に応答して生成する処理装置と、
前記濃度信号に応答するインジケータと、
を具備する暴露指示装置。
【請求項２】
前記環境空気が、前記取り付け位置において前記流通路に侵入するのを許さないようになっている請求項１記載の暴露指示装置。
【請求項３】
前記処理機構ハウジングが、前記流通路に沿って配置される空気精製カートリッジに着脱自在に取り付けられる請求項１記載の暴露指示装置。
【請求項４】
前記顔面マスクは、電動空気レスピレータの一部を備え、該電動空気レスピレータは、前記流通路を介して該顔面マスクに流体的に結合された空気ソースを含む請求項１記載の暴露指示装置。
【請求項５】
センサを含む暴露指示装置に使用する空気精製レスピレータカートリッジであって、
フィルタ媒体と、
該フィルタ媒体を含み、顔面マスクの外部と該顔面マスクの顔面側との間の流通路の少なくとも一部を規定するカートリッジハウジングと、
前記暴露指示装置と着脱自在に係合するための前記カートリッジハウジングに設けられた受容手段と、
前記カートリッジハウジングから、前記暴露指示装置に非係合の前記受容手段によって環境空気を前記流通路に侵入させずに、前記センサが前記フィルタ媒体を監視するのを許容する透過手段と、
を具備する空気精製レスピレータカートリッジ。
【請求項６】
流通路に沿って顔面マスクの外部と該顔面マスクの顔面側へ流れる空気中の標的種の存在を監視する方法であって、
可逆センサを前記流通路と流動的に連絡して配置し、かつ環境空気を取り付け位置の前記流通路に侵入させずに取り外し可能なように、取り付け位置の前記流通路に着脱自在に取り付けられた処理装置を含む処理機構ハウジングを設ける段階と、
前記可逆センサの少なくとも１つの特性を監視する段階と、
前記可逆センサの少なくとも１つの特性に応答して濃度信号を生成する段階と、
前記濃度信号に応答してインジケータを作動させる段階と、
を具備する方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、標的種の濃度の信号を伝送する暴露インジケータに関する。
発明の背景
使用者が危険な化学物質に暴露されないよう保護するために、種々のレスピレータ装置が存在する。このような装置の例には、有害な物質を雰囲気から除去するための収着剤材料を含むカートリッジを利用する負圧レスピレータまたは電動空気呼吸用保護具や供給空気呼吸用保護具が挙げられる。
使用者に供給される空気を評価するために、多数のプロトコルが開発されている。こうしたプロトコルを利用して、収着剤材料をほとんど使い切ったか否かを判定することもできる。このようなプロトコルには、センサによる警報、行政的な規制、受動インジケータ、能動インジケータが挙げられる。
センサによる警報は、警報特性に対する使用者の反応次第である。警報特性には、臭気、味覚、目に対する刺激、気道に対する刺激などが挙げられる。ただし、こうした特性は、問題の標的種すべてに適用されるわけではなく、特定の標的種に対する反応は個々人によって異なる。例えば、臭化メチルは、ゴム製品の製造に広く使用されているが、無臭気かつ無味覚である。
行政的な規制は、呼吸用保護具の収着剤が汚染物にどの程度暴露されたかを判断基準にし、収着剤材料の消耗時間を評価する。
受動インジケータには、一般に、化学的に被覆された収着剤材料をほぼ使いきった場合に変色する紙ストリップを含む。受動インジケータは、使用者による能動的な監視が必要である。
能動インジケータには、汚染物のレベルを監視するセンサ、使用者に自動的に警報するインジケータなどが挙げられる。
ある種の能動インジケータは、暴露インジケータと呼ばれる比較的コストが高い装置であり、１種類以上のガスの濃度を監視し、ピーク濃度レベルを記憶および表示し、時間加重平均を計算することによって線量計として機能し、短期の暴露限界や天井限界などの限界値を超えた場合に検出することができる。ただし、この種の装置のサイズおよびコストは、空気精製呼吸用保護具用カートリッジに用いる生命の鍵を握るインジケータとして使用するには、実用的ではない。
開示されている別のタイプの能動インジケータには、収着剤材料に埋設されたセンサまたは可聴信号装置もしくは可視信号装置に接続された顔面マスクの気流に埋設されたセンサなどが挙げられる。収着剤材料を含むカートリッジは、センサが収着剤材料または顔面マスクに予め決定された濃度の標的種が存在することを検出した場合に取り替えられる。
ある種の暴露インジケータには、特定の１つ以上のしきい値に達した場合に可視警報装置または可聴警報装置を作動させるしきい値装置があげられる。さらに、ある種の能動インジケータは、能動インジケータが使用可能な状態であること、例えば、インジケータの電池が適切に機能していることなどを表示する試験機能も備える。
ただし、１乃至２つのしきい値しか利用しない能動インジケータは、警報装置作動後に一定の特徴がある。こうしたインジケータは、しきい値を超える標的種の変化度を指示しないし、どのくらい時間が経過すれば使用者は安全な環境に移動したり、呼吸用保護具用カートリッジを取り替えなければならないのかを示す機能を備えたりしていない。こうした一定の特性は、しきい値到達後の呼吸用保護具用カートリッジの彩度が多種多様な因子、例えば、温度、湿度、標的種の性質など、によって急速に変化し得るために、特に不利益である。濃度変化率に関する知識不足は、安全上重要な問題である。
ある種の装置からわかるように、能動インジケータが使用可能な状態であることを示す装置または能動インジケータが正確に機能していることを示す装置には、いくつかの欠点がある。実際に使用する場合、使用者は、ボタンを押すかスイッチを作動させてインジケータおよび／または電池が適切に機能することを確認することができるようにすることを忘れたり、そうした時間や余裕がないことがある。危険警報用および使用可能指示用に別個のインジケータ装置を使用することは、個別の危険警報装置が誤動作する恐れがあり、使用可能警報が依然として能動インジケータが使用可能状態であることを依然として示し得るという点では、安全性が疑われる。
さらに、こうした装置が不可逆センサを使用し、標的種の存在を示す検出器の特性が暴露的に永久的に変化され、一旦検出器が飽和してしまえば、取り替えなければならない。その結果、不可逆センサを吸着剤材料または顔面マスクに取り付けた場合、これを遮蔽して標的種雰囲気中の標的種を収着剤材料を介して直接取り込むことによって暴露させないようにしなければならない。呼吸用保護具の接顔部が瞬間的に遮断されたり、取り替えている間などに、センサが有毒環境に偶然に暴露された場合、センサは飽和するか使用不可能になる。
いくつかの用途では、酸素などの標的種の濃度の低下を識別することは有用である。不可逆センサは、一般に、標的種の濃度を検出することができない。
一般に、開示されたインジケータには、顔面マスクの空気流路内にセンサを配置したために、センサまたは信号装置を顔面マスクに対する精製空気の流れを遮らずに分離することができないものがある。センサおよび／または信号装置が誤作動するか汚染される場合には、使用者は標的種を含む領域を離脱してから呼吸用保護具の動作を検査しなければならない。
発明の概要
本発明は、可逆センサを利用する暴露指示装置を提供することを目的とする。この暴露指示装置には、センサに取り付けられた処理装置およびインジケータを含み、流通路に沿った気流を遮ることなく除去することができる。
空気が収着剤を通過した後、または、収着剤内のある中間位置で、その空気をサンプリングすることによって、センサは収着剤の寿命を検出することができる。
暴露指示装置は、外部環境から顔面マスクを通過して延在する流通路に沿って流れる空気を監視する。空気精製呼吸用保護具カートリッジおよび可逆センサは、流通路に沿って配置される。可逆センサの少なくとも１つの特性に応答して濃度信号を生成するための処理装置は、流通路に沿った気流を遮ることなく除去できるように、流通路に着脱自在に取り付けられる。処理装置は、能動的な指示、例えば、濃度信号に対する聴覚反応、視覚反応、触覚反応を提供する。
ある実施例では、処理装置は空気精製カートリッジに直接的に着脱自在に取り付けられる。空気精製カートリッジは、処理機構ハウジングを着脱自在に取り付けるための受容構造を有する。センサは、処理装置内または空気精製カートリッジ内に配置することができる。センサが空気精製カートリッジ内に配置される場合には、センサは、例えば、ＤＣ乃至ＲＦ乃至マイクロ波の周波数範囲に対応する光連結器、電気連結器または一般用電磁連結器に連結することができる。センサが処理装置に配置される場合には、開口部を受容装置に配置してセンサと空気精製カートリッジの間を流体連結させる。開口部には、カートリッジから処置ハウジングを取り外すときに閉じるカバーを有する。
別の実施例では、流通ハウジングを好ましくは流通路の一部を形成するように提供する。流通ハウジングは、好ましくは空気精製カートリッジおよび顔面マスクの間に介在する。処理装置およびインジケータを含む処理機構ハウジングは、流通ハウジングに取り付けることができる。可逆センサは、処理機構ハウジングまたは流通ハウジング内に配置することができる。センサが流通ハウジング内に配置される場合、センサを処理装置に、例えばＤＣ乃至ＲＦ乃至マイクロ波に対応する光連結器、電気連結器または一般用電磁連結器に連結することができる。あるいは、流通ハウジングは、処理機構ハウジングに配置されるセンサと流通ハウジングの内部の間を流体連結させるが雰囲気を排気する開口部を含む。
本発明の一態様では、カートリッジまたは流通ハウジング上の受容構造には、単軸に沿って処理機構ハウジングの係合および取り外しを制限するための複数のほぼ平行な壁を含み、正確な連結を達成する。あるいは、処理機構ハウジングは、回転、側方滑動、または傾斜して受容構造に係合する。
処理機構ハウジングが受容構造と対称的な別の態様では、好ましくは、複数のインジケータを処理機構ハウジングに対称的に配置し、顔面マスクに対する処理ハウジングの配向が重要でないようにする。インジケータは、光源、音響発生器、振動触覚発生器を含んでいてもよい。単一の濃度信号によって駆動される複数のインジケータを種々の構成に組み合わせることもできる。
呼吸用保護具の顔面マスクは、使用者の口および鼻を覆って延在するハーフマスクまたは使用者の目も覆って延在するフルマスクも含んでいてもよい。あるいは、顔面マスクは、電動空気レスピレータ装置または供給空気レスピレータ装置を使用するためのゆるいヘルメットまたはゆるいフードであってもよい。
さらに別の態様では、処理装置およびインジケータは、顔面マスクに直接取り付けることができる。この態様では、流通路は顔面マスクから排気ポートを介して外部環境まで延在する。可逆センサは、排気ポートに近接する位置を含み、処理機構プロセッサ内または流通路に流通する顔面マスク内もしくは顔面マスク上のいずれかの位置に配置することができる。
処理装置は、可逆センサの少なくとも１つの特性を監視し、それに対する濃度信号を生成することができる。センサの少なくとも一部の特性には、温度、湿度、サイズまたは音量、例えばＡＣインピーダンスおよび誘電率などの複素誘電率、複素光定数、透磁率、体積抵抗率または表面抵抗率、電気化学的電位または電流、体積弾性率を含むことができる。好ましい実施例では、可逆センサの少なくとも１つの特性が標的種の濃度の関数である。
処理装置は濃度信号の関数として異なる速度でインジケータを動作させることができる。処理装置は、予め決定された濃度に達した場合にしきい値信号を生成するしきい値検出器も含んでいてもよい。インジケータは、しきい値に応答して起動させることができる。その後で、インジケータの信号伝送速度は、濃度信号の関数として変化し得る。処理装置は、さまざまな速度で信号インジケータを動作させ、標的種の濃度、暴露指示器が正確に機能していること、暴露指示器が故障していることを示す信号を伝送する。好ましい実施例では、インジケータは、0.001乃至30Hzの範囲の信号伝送速度で動作する。
別の実施例では、本発明は、複数の可逆センサを含んでいてもよい。可逆センサは、安全および使用可能性の面に対して冗長であってもよいし、異なる標的種を検出することに対して各々が専用であってもよい。標的種に対して異なる感度範囲を有する複数のセンサを使用してもよい。
本発明の方法は、標的種の濃度信号に応答する可逆センサの少なくとも１つの特性を監視するステップと、流通路内の標的種の濃度に対応する濃度信号を生成するステップを提供する。処理装置は、雰囲気を取り付け位置の流通路に侵入させないように、着脱自在に流通路に取り付けられる。
本発明は、外部環境から顔面マスクに延在する流通路に沿って位置する暴露インジケータを互換するための方法も含む。処理装置は、流通ハウジングから取り外され、別の処理装置が取り付けられる。
あるいは、処理装置を流通路から取り外して、雰囲気中の標的種の濃度を計測することもできる。測定完了後、処理装置を呼吸用保護具に取り付けると、可逆センサに流通路内の標的種の濃度を測定することができる。
処理装置は、呼吸用保護具とは分離した環境用または個人用の暴露インジケータとして使用することもできる。
本出願で使用される定義
「雰囲気」は、環境空気を意味する。
「濃度信号」は、センサの少なくとも１つの特性に応答して処理装置により生成される信号を意味する。
「暴露信号伝送速度」は、インジケータが濃度信号に応答して作動される速度又はパターンを意味する。
「外部環境」は、レスピレータの外部の雰囲気を意味する。
「顔面マスク」は、負圧レスピレータ、電動空気レスピレータ、供給空気レスピレータ、又は自給式の呼吸装置を制限なく含むほとんどのレスピレータ装置に共通する要素を意味する。
「故障信号伝送速度」は、インジケータを作動させ暴露インジケータの実際のまたは潜在的な機能不良を信号として伝送するその他の信号伝送速度とは異なる速度またはパターンを意味する。
「流通路」は、空気が流れる呼吸用保護具内のすべての流路または呼吸用保護具に接続されるすべての流路であり、排気ポートなどがある。
「使用可能信号伝送速度」は、信号インジケータを動作し、暴露インジケータが設計パラメータで動作していることを信号として伝送する速度またはパターンを意味する。
「単一信号インジケータ」は、共通の信号伝送速度を使用し、単一濃度信号に応答する目視式インジケータ、可聴式インジケータ、または触知式インジケータを意味する。
「標的種」は、ガス形態、気化形態、または特定の形態である問題の化学物質を意味する。
「しきい値信号伝送速度」は、インジケータを動作させて濃度信号が予め決定されたレベルに達したことを信号として伝送するその他の速度とは異なる速度またはパターンを意味する。
【図面の簡単な説明】
図１は、呼吸用保護具カートリッジに着脱自在に取り付けられた暴露インジケータを備えた代表的な呼吸用保護具を示す図である。
図１Ａは、図１の断面図を示す図である。
図２は、呼吸用保護具カートリッジと顔面マスクの間に介在する流通ハウジングに着脱自在に取り付けられた暴露インジケータを備える代表的な呼吸用保護具を示す図である。
図３は、顔面マスクに着脱自在に取り付けられた暴露インジケータを備える代表的な呼吸用保護具を示す図である。
図４は、呼吸用保護具カートリッジに取り付け可能な暴露指示装置の一実施例を示す図である。
図５は、流通ハウジングに取り付け可能な暴露指示装置の一実施例を示す図である。
図６は、流通ハウジングに取り付け可能な暴露指示装置の一実施例を示す図である。
図７は、呼吸用保護具カートリッジに取り付け可能な暴露指示装置の一実施例を示す図である。
図８は、図４および図５の暴露指示装置を示す断面図である。
図９は、個人用または環境用暴露インジケータの構成を示す図である。
図１０は、図６の流通ハウジングを示す断面図である。
図１１は、本発明の処理装置を示す一般的なブロック図である。
図１２は、図１１に従う処理装置の代表的な回路図である。
図１３は、本発明の代案となる処理装置を示す一般ブロック図である。
図１４は、図１３に従う代表的な処理装置に用いる回路図である。
図１５は、図１３に従う処理装置の代案となる回路図を示す図である。
図１６は、図１２の回路を利用する３つの警報信号プロトコルを示すグラフ図である。
図１７は、図１４の回路を利用する警報信号プロトコルを示すグラフ図である。
図１８は、図１４の回路を利用して低電池ヒステリシスしきい値検出を示すグラフ図である。
図１９は、図１５の処理装置について異なる２つのＲ９の値を利用して警報周波数速度変化を標的種の濃度の関数として示すグラフ図である。
図２０は、着脱自在な暴露インジケータを備える電動空気呼吸用保護具または供給空気呼吸用保護具の代表的な実施例を示す図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図１および図１Ａは、顔面マスク２６の側方に配置された１対の空気精製呼吸用保護具カートリッジ２２，２４を含む代表的なレスピレータ装置２０を示す図である。カートリッジ２２，２４の外面２８には、外部環境３９からの雰囲気をカートリッジ２４の収着剤材料３４を通じて延在する流通路３２に沿って流通させ、顔面マスクチャンバ３６に流入させる複数の開口部３０を含む。カートリッジ２２は、好ましくはカートリッジ２４と同じであることは理解されよう。流通路３２は、使用者による呼気を外部環境３９に排気させる排気路３３も含む。
空気精製呼吸用保護具カートリッジ２２，２４は、雰囲気中の標的種を吸収し、新鮮で呼吸可能な空気を使用者に提供する収着剤材料３４を含む。収着剤材料３４は、標的種に基づいて選択してもよいし、当業者に知られる他の設計基準に基づいて選択してもよい。
暴露指示装置４０は、カートリッジハウジング２２に着脱自在に取り付けられ、空気が収着剤材料３４の少なくとも一部の流通路３２下流に沿って流れるときに監視することができるようになっている。インジケータ４２は、暴露指示装置４０上に位置し、使用者によって着用される呼吸用保護具装置２０に取り付けられた場合に目視できるようになっている。暴露インジケータは、カートリッジハウジング２２，２４の一方または両方に取り付けられることは理解できよう。呼吸用保護具装置２０は、好ましくは顔面マスク２６を使用者の顔面に維持するための取付装置３８を含む。
図２は、流通ハウジング４６を空気精製呼吸用保護具カートリッジ２２’と顔面マスク２６’の間に介在させた別の呼吸用保護具装置２０’を示す図である。（図１０参照）。暴露指示装置４０は、流通ハウジング４６に着脱自在に取り付けられているが、これについては以下で詳細に説明する。
図３は、暴露指示装置５２をレスピレータ装置２０’’上の顔面マスク２６’’に着脱自在に取り付けた他の実施例を示す図である。この実施例では、センサ（図示せず）は顔面マスクチャンバ３６’’に流通している。あるいは、センサを排気路３３’に沿って位置させて流通路部分を形成させてもよい（図１A参照）。チェックバルブ（図示せず）は、雰囲気が顔面マスク２６’’に排気路３３’を通じて侵入することを阻止するために必要であることは理解できよう。センサが雰囲気よりも顔面マスク２６’’の空気を評価するためには、センサに対する流体継手は、チェックバルブの上流になければならない。
図２０は、代表的な電動空気呼吸用保護具または供給空気呼吸用保護具レスピレータ装置２０’’’を示す代表的な実施例を示す図である。給気源２１を使用して空気を使用者に給気源管２３を介して供給する。給気源２１は、新鮮な空気源または雰囲気を空気精製カートリッジを介して取り込むポンプ装置のいずれかであり得ることは理解されよう。暴露指示装置４０’’’を空気供給管に流体的にまたはヘルメットに直接連結すれば、標的種の存在を監視することができる。
図８は、暴露指示装置４０の断面図を示す図である。センサ６０は、流体継手６４に流通するプロセッサハウジング６２に備えられる。センサ６０は、電子回路６７および電池６８を含む処理装置６６に接続されるが、これについては以下に説明する。
図４は、暴露指示装置４０に着脱自在に係合させるために呼吸用保護具カートリッジ２２，２４に取り付けられた受容構造７２を示す図である。受容構造７２は、カートリッジの吸着剤材料に流通する開口部７４を有する（図１Ａ参照）。セプタム構造または同様のクロージャー構造７６は、プロセッサハウジング６２上の流体継手６４に係合していない場合には、開口部７４を着脱自在に閉鎖するために提供される。流体継手６４をテーパー状にして開口部７４による封止性を高めてもよい。
図５は、受容構造７２を流通ハウジング４６上に形成した別の実施例を示す図である。流通ハウジング４６は、図２に示すように、顔面マスク２６’および呼吸用保護具カートリッジ２２’，２４’上のコネクタに相補的な内部コネクタ９０および外部コネクタ（図示せず）を有する。図１Ａに示すように、さまざまな内部コネクタおよび外部コネクタの構成が顔面マスクと呼吸用保護具カートリッジを係合するために可能であるが、本発明は開示される特定の実施例に制限されないことは理解できよう。流通ハウジング４６は、図２に示すように、好ましくは少なくとも１つの空気精製呼吸用保護具カートリッジ２２’，２４’および顔面マスク２６’に介在する。
受容構造７２は、プロセッサハウジング６２が受容構造７２に対して移動することを制限する複数のほぼ平行な壁８２，８４，８６，８８を有する。この構成によって、確実に流体継手６４はセプタム７６を貫通した場合に開口部７４に垂直になる。電池６８は、プロセッサハウジング６２の内面に配置され、カートリッジ２４の受容構造７２に係合された場合に、プロセッサハウジング６２に維持されるようにする。さまざまな受容構造が可能であり、本発明は開示される特定の構造によって範囲に制限されないことは理解されよう。
継手６４は、気体透過膜、気体細管、センサを独自の内部特性に依存してあまり反応しなくする標的種のセンサ６０への流れを調節して多孔性フリットプラグ装置などの拡散制限装置６１を含む。種々の拡散隔膜を設計上の拘束たとえば、標的種、センサ構造、その他の因子などによって構成することができることは理解できると思われるが、こうした拘束については若干の例を以下に記載する。
本発明の多孔膜６１は、液体を吸収することができる多孔膜が挙げられる。膜６１には、単純にそれを液体に浸漬して液体が毛管作用によって自発的に細孔に侵入するような多孔性を有する。膜６１は、吸収の前に、好ましくは、少なくとも約50％、より好ましくは少なくとも約75%の多孔度を有する。多孔膜６１は、好ましくは、約10nm乃至100mm、より好ましくは0.1mm乃至10mmの細孔サイズおよび約2.5mm乃至2500mm、より好ましくは、約25mm乃至250mmの厚さを有する。膜６１は、一般に、ポリテトラフルオロエチレンまたは、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステルなどの熱可塑性ポリマーから製造される。適切な膜の例は、例えば、米国特許第4,539,256号（Shipman)、米国特許第4,726,989号(Mrozinski）、米国特許第3,953,566号（Gore）に開示された膜が挙げられる。
ある実施例では、拡散角膜６１は、多孔膜材料を重白鉱油(Aldrich Chemical Co．から入手できるMineral Oil，Heavy，White，catalog no．33,076-0)に浸漬することによって形成された（米国特許第4,726,989号(Mrozinski）に記載されたように、47.3重量部のポリプロピレン樹脂、52.6重量部の鉱油および0．14重量部のジベンジリジンソルビトールを溶融ブレンディングし、溶融ブレンディングしたものを押出および冷却し、1，1，I-トリクロロエタンを用いて11重量パーセントの油に抽出することによって製造する）。鉱油で十分に膜材料を湿潤させて、観察可能な空隙率を有さない固体コンシステンシーの透明フィルムを形成した。次に膜を液体から除去し余分な液体を吸い取って表面から除去した。1cmの直径の分散隔膜試料をセンサ６０前方に取り付けた（図８参照）。
他の実施例では0.0024cmの厚さを有する微細多孔ポリプロピレン膜材料（Hoechst Celanese Corp.から入手可能なCELGARDTM 2400）を重白鉱油（Aldrich Chemical Co.から入手可能）を用いて上述のように吸収した。さらに別の実施例では、第１の実施例で製造された微細多孔膜の一部をポリプロピレングリコールジオール（分子量625、Aldich Chemical Co．から入手可能）を用いて吸収した。
一連の代案となる実施例では、微細多孔膜(Hoechst Celanese Co．から入手可能なCELGAEDTM 2400、厚さ0.0025cm）を、濃度が各々5，10，15，20,および25容量パーセントの重白鉱油（Aldrich Chemical Co.から入手可能）をキシレン(EM Scienceから入手可能、沸点範囲137-144℃）に混合した溶液で吸収した。吸収膜は、余分な液体を吸い取らせて除去し、キシレンを24時間かけて蒸発させた。
図４および図５について再び説明すると、セプタム７６によってプロセッサハウジング６２を呼吸用保護具装置２０の構成要素から分離せず、かつ、雰囲気を開口部７４の流通路に侵入させずに除去することができる。この特徴によって、標的種を含む場所を離れずに、使用者は電池６８を交換したり、新しいまたは異なるセンサ６０に取り替えたり、暴露インジケータ４０のメンテナンスを行ったりすることができる。暴露インジケータ４０は、呼吸用保護装置２から取り外し、雰囲気中の標的種の濃度をチェックすることができ、使用者を標的種に暴露することなく測定することができる。
インジケータ４２は、発光ダイオード(LED）８０を覆う透明または半透明のハウジング４４を含む。インジケータ４２は、プロセッサハウジング６２に対称的に配置され、プロセッサハウジング６２と濾過カートリッジ２２，２４の係合が特定の方向を向かないようになっている。単一のLEDをプロセッサハウジングとともに用いれば、受容構造７２に対して特定の方法で配向することしかできないことは理解されよう。
あるいは、インジケータ４２は、例えば、偏心カムを有するモータや、例えば、図１５に示すような目視式インジケータや可聴インジケータなどのある種の装置の組み合わせなどの音響発振器または振動触覚式発振器を含んでいてもよい。２種類以上のインジケータを提供するある実施例では、各種インジケータは、好ましくは、単一の濃度信号に応答するが、これについては以下に説明する。
図６は、可逆センサ６０’を流通ハウジング４６’（図１０参照）に配置した暴露インジケータ４０’の別の実施例を示す図である。センサ６０’は、流通ハウジング４６’のさまざまな位置に存在してもよいが、本発明は図示される実施例に限定されることはないことは理解されよう。
図７は、可逆センサ６０’を呼吸用保護具カートリッジ２２，２４に配置した暴露インジケータ４０’の別の実施例を示す図である。カートリッジ２２、２４内のセンサ６０’は、本発明の範囲を逸脱することなく変更することができる。電気的または光学的な供給路９６は、可逆的センサ６０’と処理ハウジング９４に含まれる処理装置（一般には図１０を参照）に接続するための受容構造７２’に備えられる。開口部９８は、供給路９４を受容するためのプロセッサハウジング９４に備えられる。プロセッサハウジング９４は、ＬＥＤ８０を含む透明または半透明のカバー１０１を含む１対の対称的に配置されたインジケータ１００を含む。
図９は、図８の処理装置６６が使用者の衣服に装着すべき個人用暴露インジケータ５０としてまたは特定の場所に配置される環境インジケータとして構成される別の実施例を示す図である。クリップ９９を任意に提供して、暴露インジケータ５０を使用者のベルトまたはポケットに取り付けたり、同様のページング装置に取り付けたりすることができる。センサ（図８参照）は、好ましくは気体透過膜６１’の裏側に配置される。ＬＥＤ８０は、標的種の濃度または動作情報を使用者に信号として伝送するために提供される。可聴式警報装置８２または振動触覚式警報装置１５２（図１５参照）も提供することができる。暴露インジケータ５０は特定の用途に適した種々の構成に構成することができることは理解されよう。例えば、暴露インジケータ５０は、自動車のダッシュボードに装着するように構成したり、煙検出器と同様に取り付けるなどして特定の位置に永久的に配置させたりすることができる。環境インジケータの実施例は、例えば家庭用電源などの種々の電源に接続することができる。
センサ
センサ６０，６０’は、標的種の濃度に応答する少なくとも１つの特性に基づいて選択される。そうしたものとして、濃度信号を発生させるために処理装置によって監視することができるセンサとして使用される材料の特性は数多く存在する。そうした特性には、例えば以下のようなものがある。
１．吸収熱または反応熱によって発生される温度変化は、サーモカップル、サーミスタ、温度感受性である共振周波数を利用する圧電装置やバイメタルストリップなどの温度感受性である位置検出装置などのある種の他の熱量変換器を用いて検出することができる。
２．質量変化は、検出媒体から成るフィルムを被覆したバルク波圧電水晶などの振動装置の共振周波数の変化によって検出することができる。関連し、かつより感受性の高い方法は、表面音響波(SAW）装置を使用してフィルムの質量の変化を検出する方法である。この装置は、表面伝播音響波を発生させ検出するための水晶表面に加工された集積微細電極から成る。
３．サイズまたは容量の変化は、位置検出タイプの変換器によって検出することができる変位として生じる。また、この変化によって、米国特許第5,238,729号などに記載されているように、伝導粒子供給重合体やナノ構造面複合フィルムなどの多成分検出手段の抵抗率も変化させる。
４．交流インピーダンスや誘電性などの複素誘電率の変化を検出することができる。例えば、交流インピーダンスを測定することができるし、あるいは、静電容量を検出媒体を電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲートに配置することによって検出することができる。
５．検出手段の線形または非線形の複素光定数の変化は、ある形態の光放射によって探査することができる。所望の光学的波長で、検出器は直接的な反射、吸収または透過（強度または色の変化に結びつく）によって、または、相（楕円偏光測定または伝搬時間測定）の変化によって、プローブビームの変化を検出することができる。あるいは、検出手段の屈折率の変化を、さまざまなプリズム機構、回折格子機構、光ファイバーカップリング機構などに基づく種々の内反射方法によって生成されるような伝播面電磁波の形態である場合には、プローブ光によって検出することができる。
６．検出媒体の透磁率の変化は、標的種によって引き起こされ、電磁周波数の範囲と結びつけた方法によって検出することができる。
７．標的種が検出媒体と相互作用する結果としての抵抗率または導電率変化を測定することができる。電気抵抗は、バルク抵抗率または表面抵抗率であり得る。表面抵抗率を利用するセンサの例には、半導体表面抵抗、有機、無機、ポリマーまたは金属の薄膜抵抗（「Chemiresistor」）に基づくセンサが挙げられる。
８．検出特性が電気化学的である場合、標的種は電気化学ポテンシャルまたは起電力の変化を引き起こし、電位差計的に検出することができる（開回路電圧）か、または、標的種は、電気化学的に界面で反応し、電流計的に検出するすることができる（閉回路電流）。
９．標的種は、検出媒体の発光（蛍光または燐光）特性を変化させることができる。外部プローブ光によって任意の波長で刺激された場合、放射光をさまざまな方法で検出することができる。放射光の強度または相は、励起放射に対して測定することができる。
１０．検出媒体の電子的表面状態は、標的種の吸収によって充填または消耗させことができ、各種の電子装置によって検出可能である。例えば、これらを集積電極間の表面プラズモン伝播時の標的種吸収の影響または化学電界効果トランジスタ（「ChemFet」）のゲート電圧を測定するように設計することができる。
１１．検出媒体の弾性（または密度）の体積弾性率の変化は、伝播音波の相または強度の変化によって最も容易に検出することができ、これに用いる質量表面音響波装置（ＳＡＷ）などは、質量の変化も検出する。
一般に、検出媒体の測定をついては、特定のセンサの検出範囲は、信号対ノイズ比およびダイナミックレンジによって異なる（センサ飽和前に測定可能な最大信号とノイズレベルの比）。特性の測定結果は、処理装置または選択された特定のセンサによって異なること、処理装置のセンサ選択および設計は、標的種によって異なることは理解されよう。したがって、検出媒体特性および測定技術に関して列挙するものは、本発明の暴露インジケータに関連して使用するために利用できるさまざまなセンサとそれを測定する技術の代表例である。この列挙によって本発明を列挙されたものに限定することはなく、むしろ、本発明に関して利用することができる多くの他の検出媒体に関する特性および特徴を提供しているのである。
好ましいセンサは、Debeによる米国特許第5,238,729号、SENSORS BASED ON NANOSTRUCTURED COMPOSITE FILMSおよび1994年８月16日に提出されたParsonage et al.の米国特許第5,338,430号、NANOSTRUCTURED ELECTRODE MEMBRANESに開示されるナノ構造複合材料に基づく。特に、後者の文献には、限界電流状態の電気化学センサおよび表面抵抗センサが開示されている。これらの可逆的センサは、取り替え中に呼吸用保護具の接顔部を瞬間的に遮断することなどによって、有毒環境に不意に暴露され、飽和していないか使用不可能である場合に有益である。
上述で開示されたように、センサ６０、電池６８、処理装置６６およびインジケータ４２（図６および図７では１００）は、本発明による警報信号伝送装置を有する能動暴露インジケータを提供する。この暴露インジケータは、可変周波数警報信号を利用し使用者に環境および検出器の状態に関する情報を強調して提供する。例えば、危険ではない状態の間は、暴露インジケータは周期的に電池が充電されており暴露インジケータが使用者が行動を起こさなくても機能可能な状態にあることを示す確実な指示を使用者に提供する。インジケータは、危険状態を指示する場合に使用される同じ警報信号伝送装置を利用する確実な指示を提供する。このため、使用者は、絶えずかつ自動的に暴露インジケータが使用可能状態であり適切に機能していることを確認することができる。さらに、暴露インジケータは、感覚的信号伝送指示をその環境のガスまたは標的種の濃度に従って変化する目視的、可聴的、振動的またはその他の感覚刺激で使用者に提供する。これによって、使用者に危険レベルの半定量的測定値の他、濃度の変化速度の質的意味を提供する。
ある実施例では、２つの状態のLED点滅警報プロトコルに単一色のＬＥＤを用いる。このプロトコルは、例えば、スイッチボタンを押すなど、使用者が装置をチェックしなくても２つの条件を示す。この２つの信号状態には、以下の状態を含む。
使用可能、「OK」状態。LEDは絶えず点滅するが基底点滅周波数で非常に低速に、例えば30秒に１回などで点滅し、使用者に暴露インジケータの電池およびすべての回路は設定された暴露インジケータの設計パラメータの範囲で機能していること情報として示す。
警報状態。ＬＥＤは急速に点滅し、標的種の濃度が選択されるしきい値濃度を超過し標的種の濃度の関数として変化する場合には、例えば１秒あたり４回点滅する。
図１１は、上述の２つの警報信号伝送プロトコルを実行するための処理装置６６を示す一般ブロック図である。処理装置６６は、４つの回路ステージすなわち入力網１１０、差動増幅器１１２、単一ステージインバータ１１４、および警報作動装置１１６を含む。入力網１１０は、センサ６０，６０’に接続されている。本文での説明から、各ステージに対する特定の回路設計は、使用される特定の装置によって異なることは理解されよう。例えば、入力網はその他の種のセンサとは異なり、増幅器ステージおよびインバータステージは、組み合わされ拡張されてその他の信号条件ステージを必要に応じて含み、信号発生ステージはインジケータ信号伝送または使用される装置によって異なる。したがって、警報信号プロトコルを実行するための図１１の一般ブロック図に関して記載される回路構成とその他の拡張機能は、回路構成の一例にしかすぎず、特定の回路構成を問わず請求された本発明を限定するものとしてとらえてはならない。例えば、回路部品を使用して複数のしきい値装置を提供し、一連の濃度レベルを指示することや、こうした回路部品で継続的に可変警報信号を標的種の濃度の関数として提供することができる。
図１２は、一般に図１１に示される処理装置６６の回路図を示す図である。図１１に示される各ブロックによって実施される一般的な機能は、図１２の説明から容易に理解できると思われる。一般に、入力網１１０は、暴露インジケータにて利用されるセンサ６０，６０’にバイアスをかけたり適切に接続するためのものであり、環境内の標的種の濃度の関数として変化する差動増幅器に出力を供給する。差動増幅器１１２および単一ステージインバータは、増幅および信号調節を行って以下にさらに詳しく説明する警報信号プロトコルに従ってＬＥＤを駆動するための警報信号ドライバ１１６に出力を提供する。こうしたプロトコルには、基底点滅周波数、しきい値レベルの変化、センサ出力に応答する周波数の増加率の変化などが挙げられる。
図１２に関してさらに詳細に説明すると、成分値は、図１６の曲線Ｃに対して以下の表１に記載されている。
0003701681.tif 000002
入力網１１０は、２つの電極電流計モードで動作する電気化学センサ６０に接続される。入力網１１０の抵抗器の値R１1A、R1１B，R12A，R12B，R13A，R13B，R14およびR15は、動作電極に対して電気化学センサ６０の帯電極にバイアスをかける。バイアスの量は、抵抗器R１１(A,B），R12(A,B）、および１3(A,B）の相対的な大きさによって調節可能である。その他の入力網の電気化学的構成（電位差計、３電極など）やその他の検出手段（例えば、光検出手段、熱検出手段）を同様に備えることができる。
差動ステージ１１２は、抵抗器R1，R2，R3，R4，R5，R6、およびR7を用いる２ステージ構成に接続される演算増幅器１１８，１２０，１２２を含む。演算増幅器１１８および１２０の正相入力は、入力網１１０の出力に提供される。差動増幅器のゲインは、抵抗器R2の値によって容易に調節することができる。
単一ステージインバータ１１４は、差動ステージ１１２の出力を受信する演算増幅器１２４を含む。単一ステージのゲインは、抵抗器網比のR9／R8によって容易に調製することができるが、反転増幅器１２４からの信号オフセットは抵抗器比R16/R17によって決定された電圧Vsによって求められる。Vsの値は、以下に説明するように処理装置６６に対するしきい値に設定される。上述したように、差動増幅ステージおよびインバータステージを組み合わせるか拡張してその他の信号調節装置を含むことができる。National Semiconductor Corp.から入手可能なLM324A増幅器などの演算増幅装置１１８−１２４は、適切な演算増幅装置であればよい。
警報信号ドライバ１１６には、National Semiconductor Corpから入手可能なLM3909回路などのLED点滅器／発振器回路１２６が挙げられる。このＬＥＤ点滅器／発振器回路１２６は、反転増幅器１２４の出力電圧Voを抵抗網R18，R19，R20，R21によって作動した後に、単一ステージインバータの出力を受信する。このLED点滅周波数は、キャパシタCl、VoおよびR21/R21の比によって求められる電圧Vbによって決定される。次に、LEDインジケータ８０は、LED点滅器／発振器回路１２６からトランジスタ１２８を介するパルスによって駆動される。警報信号ドライバは、使用されるインジケータまたはインジケータを駆動する適切な駆動装置であれば良い。
図１６に示すように、２つの状態点滅プロトコルの曲線Ａ，Ｂ，Ｃによって表現される３つの異なる例のサブセットプロトコルは、図１２の回路に対して、どの指示された条件を使用者が望むかを選択することによって選択することができる。第１のサブセット信号プロトコルは、図１６の曲線Ａによって示される。曲線Ａは、周波数ミリボルト信号が増加するにつれて濃度０から継続的に増加し、標的種の濃度に対応するLEDインジケータの点滅周波数を示すが、この場合、H2S-Noである基底周波数またはしきい値濃度を使用する。使用者は、点滅周波数速度に注意することによって有毒標的種の実用濃度の指示がわかるし、所定時間の点滅回数を計数することでより定量的な濃度の評価を知ることができる。成分値は、表１に記載したものであるが、図１６の曲線Ａに対するR16，R17，R20およびR21については除き、また、これらはこの例には重要ではない。
図１６の曲線Ｂによって示されるような第２のサブセット信号伝送プロトコルでは、LED警報の点滅周波数は、標的種のしきい値濃度レベルに対応するミリボルト信号のターンオンしきい値を超えるまで、LEDがオフの状態で０を維持し、その後で点滅周波数はセンサ出力とともに単調的に変化する。基底周波数は、使用可能状態を示すためには選択されない。ターンオンしきい値電圧の値は、抵抗器R16およびR17の値を変化させることによって変化する。抵抗器R16が91,600Ωであり、抵抗器R17が12,800Ωであった場合、その他の成分は、表１に示す通りとなり、LEDの点滅周波数は、曲線Bによって示される通りとなる。
第３のサブセットプロトコルでは、LED警報の点滅周波数は図１６の曲線Ｃによって示される。このプロトコルは、ターンオンしきい値と基底周波数を含む。LED警報装置は、一定の選択可能な速度で点滅し、すべてのセンサの出力値がターンオンしきい値未満であれば、すべてのシステムが動作していることを証明する。ターンオンしきい値も選択可能であり、しきい値に到達した後は、LED警報装置はセンサ出力の速度に比例した速度で点滅する。さらに、ターンオンしきい値の値は、抵抗器R16およびR17の値を変化させることによって異なるが、このプロトコルでは、基底周波数もR20およびR21の抵抗器の値を変化させることによって変化する。抵抗器R16が87,300Ωであり、抵抗器R17が16,700であり、抵抗器R20が3,510Ωであり、抵抗器R21が46,500Ωである場合、LED警報装置の点滅周波数は、しきい値電圧（約2.3mV）を超えるまでは一定の基底周波数を示し、センサ出力が増加することよって単調点滅周波数が増加する曲線Ｃに示す値によってほぼ求められる。周波数速度はセンサ出力すなわち曲線の傾きとともに増加するが、これは、抵抗器R2の値とR9/R8の抵抗器の比を変更することによって調整することができる。
一般に、上述のプロトコルは、図１２の回路のある抵抗器の値を変化させるだけで調整することができる。演算増幅器１２４の正相入力に適用される電圧Vsは、R16/RI7の比によって求められる。Vsの値でしきい値が決定するのである。電圧Vbは、R20/R21の比によって求められ、基底周波数を決定し、センサ速度とともに増加する周波数速度は、R2の値とR9/R8の比によって調整することができる。
一般に、上述の図１２の回路について説明すると、センサ６０は、標的種の濃度に対応する電気化学特性を有する。処理装置６６は、濃度信号をその特性の関数として生成し、インジケータは処理装置６６によって濃度信号の関数として変化する暴露信号伝送速度すなわち点滅周波数で駆動される。
この同じ回路は、濃度信号に対するしきい値信号生成するステップを予め決定されたしきい値濃度に達した場合に提供し、このしきい値は電圧Vsによって決定される。次に、LEDインジケータを予め決定されたしきい値濃度に対するしきい値暴露信号伝送速度で作動させる。同様に、基底周波数がVbによって設定された場合、LEDインジケータは装置が予め定義された設計パラメータの範囲内で動作していることを示す使用可能信号伝送速度で駆動される。別の実施例では、３状態点滅警報プロトコルに単色LEDを使用する。このプロトコルは、使用者が、例えば、スイッチボタンを押すなどして装置を照会させずに３つの条件を示す。この３つの信号状態には、以下を含む。
使用可能な「OK」状態。LEDは常時点滅するが非常に低速であり、例えば、30秒に一度で点滅し、暴露インジケータの電池およびすべての回路が暴露インジケータ用に設定された設計パラメータ内で機能していることを示す情報提供する。
警報状態。LEDは急速に点滅し、例えば、標的種の濃度は選択されるしきい値濃度を超える場合、毎秒４回に点滅し、標的種の濃度の関数として変化する。
故障状態。LEDは、中間速度で点滅し、例えば4.0秒に１回で点滅し、電池は取り付けなければならないこと、または、ある種のその他故障が暴露インジケータに起こることを示す。
図１３は、上述の３状態警報信号プロトコルを実行するための処理装置６６を示す一般ブロック図である。処理装置６６は、４つの回路ステージ：入力バイアス網１３２、差動増幅器１３４、しきい値検出器１３６、警報ドライバ１３８を含む。本文の説明から各ステージの特定の回路部品は、図１１に関して記載されたように使用される特定の装置または要素によって異なることは明らかであろう。
一般に、入力／バイアス回路１３２は、暴露インジケータに使用されるセンサ６０，６０’をバイアスするか適切に接続し環境の標的種の濃度の関数として異なる差動増幅器１３４に出力を供給する。例えば、回路はバイアス電圧、例えば0.25ボルトをセンサ要素の動作電極および対電極に供給し、センサ電流を電圧に変換し図１４に示すような基準電圧と比較してもよい。
差動増幅器１３４は回路１３２の入力部の出力と１３２の基準電圧部との差を増幅し、標的種の濃度の関数として変化する信号をしきい値検出器１３６に供給する。例えば、差動増幅器は、センサ出力と基準出力との差をR7/R8の因子によって増幅し、しきい値検出器１３６に提出し、図１４に示す入力／バイアス回路１３２の基準電圧によって決定される選択可能なオフセットに合成する。
しきい値検出器１３６は、差動増幅器１３４からの出力とVoと電池電圧V+を検出し、出力Voが予め決定されたしきい値を超えたか否か、または、電池電圧が特定の電圧レベル以下に降下したか否かを検出する。しきい値検出器１３６は、外部レジスタによって個別にプログラミングされて超過電圧検出および不足電圧検出するための電圧のしきい値レベルと以下にさらに説明するヒステリシスを設定するプログラミング可能な電圧検出器を有する図１４の電圧検出器１４６を含む。
しきい値検出器１３６は、出力をタイマ／警報ドライバ１３８に供給し、LEDインジケータを使用可能信号伝送速度で駆動し、使用者にインジケータが定義された設計パラメータの範囲内で機能していることを示す。出力Voがしきい値を超えるか、または、電池電圧が設定電圧レベルまで降下した場合、しきい値検出器１３６は、しきい値を超過した場合には、タイマ／警報ドライバ１３８に警報点滅周波数を変更させ、例えば、30秒あたり１回から毎秒４回に変更させ、電池電圧が設定電圧レベル以下まで降下した場合には、３０秒に１回から４秒に１回に変更させる。
タイマ／警報ドライバ１３８は、各種の警報イベント周波数を選択する手段を提供し、各種の目視式センサ（LED）、可聴式センサ、振動触覚式センサやその他のセンサをしきい値検出器１３６からの出力に応答して駆動させる。タイマ／警報ドライバ１３８には、例えば、無定位マルチバイブレータに使用するために接続されタイマ／警報ドライバ１３８の一部としてこうした駆動能力を提供する図１４に示すような汎用タイマ１４８を含む。
図１４および１５は、図１３に一般的に示される処理装置６６の代表的な回路図を示す図である。回路の構成要素に対する各種の値は、以下の表２に示した。
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一般に、これらの回路はCMOS型の３つの標準集積回路を極端に低い電流操作に使用する。集積回路は、プリント基板加工用の小型化表面実装包装またはセラミックハイブリッド回路のワイヤボンディング用のチップ形態で入手可能である。LEDが点滅していない場合に必要な供給電流は、わずか94mAあり、警報信号が毎30秒に一回点滅している場合には100.8mA時間重量平均である。回路は、全体の最大寸法が約１×２×３cmである８ピンデュアルインラインパッケージ（DIP）として包装することができる。ラジオ周波数シールドは、産業的使用には必要と思われ、暴露インジケータのハウジングの設計に重要な部分である。センサ、電池、ＬＥＤを用いずにDIPとして包装された図１３の回路は、後者との別の内部接続を必要とし、例えば、電池およびセンサソケットを有する金属フレームワークやはんだ付け可能な可撓性コネクタストリップなどが必要である。こうした構成要素のすべてに対して共通または「基礎となる」回路は、１カ所でのみ外側のハウジングのRFシールドと接触させることが望ましい。
限りある利用可能なスペースおよび重量を考えると、AAより大型のサイズの電池を呼吸用保護具に取り付けた暴露インジケータに使用することはできないし、最も長い寿命には許容できる最高のエネルギーが必要である。２ボルトを超える電池は、大部分の集積回路装置の動作に必要である。３ボルトを超える一個の電池は、複数の電池を使用しなければならないことをさけるために望まれる。回路は、94mAだけで警報イベントの外側で動作し、低電流度ドレン「メモリバックアップ」型電池を使用することができる。図１３に示す電池６８は、リチウムチオニルクロリドの3.6ボルト電池であるべく特に選択されたものであるが、これは電池の例外的な一定放電特性（別の電力調整回路部品を必要としないため）、高いエネルギー容量、その他のリチウム電池よりもわずかに高い電圧のためである。使用するために選択された特定の電池には、
0003701681.tif 000004
電池、
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が挙げられるが、ただし、各種製造業者が同様のタイプの電池を提供していることも付け加えておく。TL5101は、電力が回路に最初に供給された場合の電圧が変化するために望ましくない。また、TL-5101も望ましくないが、TL-5902電池は、TL-5101が相当に大きなパルス電流が必要であると思われる場合には警報を供給することができないので、好ましい。性能データは、V+が-25℃<T<70℃に対して3.47乃至3.625ボルトであることを示す。電池は、様々な末端形態すなわち鍬形、圧力、およびプレーテッドワイヤの形態で利用することができ、UL Std．1642に適合する。1/2AAサイズではこの電池は、1200mA-時の容量を有し、100mAの電流ドレン下での継続的動作では１年以内であれば十分に使用できる。暴露インジケータを呼吸用保護具に利用する実施例では、電池６８は、暴露指示装置４０，４０’，５２が正確に呼吸用保護具に連結している場合にしか回路に接続されないので、電池６８および暴露インジケータ回路部品に対する貯蔵寿命は長くなる（10年）。
図１４および１５に示す処理装置の４つの基本的ステージは、入力−バイアス回路１３２、差動増幅器１３２、しきい値検出器１３６、およびタイマ／警報ドライバ１３８として識別されるが、これらは直接図１３に示すステージに対応する。どのステージの構成要素およびその値もその他の構成要素の値または性能と独立してはいないが、単純化するために、回路動作はこうした区分に関して説明すべきである。ただし、こうした区分および構成要素の特異性は、添え付けの請求項に記載される本発明を制限するものと見なしてはならない。
各ステージの機能については図１４および図１５に関してさらに詳細に説明していくこととする。入力／バイアス回路１３２は、センサ６０に接続され、好ましくは電気化学センサである。以下の説明では、この回路を単純に説明するために電気化学センサを参照して説明するが、上述したようにどのようなタイプの検出手段でも、処理装置６６の回路部品に対応して変化させて使用することができる。入力／バイアス回路１３２は、電気化学センサの動作電極および対電極にわたるバイアス電圧を維持し、それらの信号が差動増幅器１３４に入力した場合のバイアス電圧を取り消す基準信号を供給し、差動増幅器１３４から得られた基底信号を変化させ、センサ電流を差動増幅器１３４の演算増幅器１４４の入力に適用されるミリボルト信号に変換する。
抵抗器R1およびR4は、分圧器として機能し、動作電極に対するセンサの対電極のボルトバイアス電極Vbiasを提供する。
Vbias=(V+)[R4/(R1+R4)]である。R4を介する電気化学的電流は、入力電圧信号V2を演算増幅器１４４の正相入力に生成する。抵抗器R2およびR3は、基準電圧V1を演算増幅器１４４の逆相入力端子に提供し、変化するR3によって増幅器出力V0のオフセットレベルを特定のセンサ感受性および基底電流レベルに対して選択できるようにする。こうした基準によって、R4/R1およびR3/R2の比が定まる。
増幅器１４４のゲインの線形性およびその最適化のため、R3を介しR5を介して逆相ノードから流れる電流は、R2からのそれと比較して無視できるべきである。逆相ノードからの電流はV0／V6としての増幅器出力電圧によって決定され、警報しきい値で50nAであり得る。R2を介する基準電流は、このため、少なくともμアンペア単位の大きさであるべきである。
R2+R3およびR1+R4の並列の組み合わせは、全体の電流ドレンを入力／バイアス回路によって決定するが、上述の制限にあわせてできるだけ小さく維持すべきである。
正相入力端子インピーダンス(R7+R8)は逆相入力端子インピーダンス(R5)よりもはるかに大きいので、逆相ノードからR5を介する電流は、R7を介して正相入力端子に流れる電流よりもはるかに大きくなる。このため、R1+R4は、R2+R3よりも遙かに大きくなり、後者は本質的に全体の電流ドレンを決定する。R4の上限は、最大値によって決定され、大部分の電流対電圧変換についてはセンサの電流を制限することはできず、電流計モードに維持することができる。約200KΩであるR4は、好ましい電気化学センサの十分な上限として決定されている。図１４に示す値R1-R4では、センサバイアスは0.25Vであり、基準電流は13.8mAであり、バイアス電流は1.7mAである。こうした値は、過剰な電流を用いずに上述の基準に適合し、増幅器１４４から均一性の高いゲインを提供する。
温度および時間による電池供給電圧Ｖ＋の変化は、主に入力／バイアス回路１３２に効果がある。その他３つのステージは、商業用の集積回路に基づいており、V+のわずかな変化については鈍感である。入力／バイアス回路１３２に対する第１の効果は、バイアス電圧Vbiasが変化することである。関数的には、Vbias=[R4/(R1+R4)]V+である。3.4<V+<3.6ボルトの上限から下限までの間で、バイアス電圧は、0.252乃至0.238ボルトに変化する。リチウムチオニルクロリド電池の放電曲線が極端に平坦であるために、V+は3.55ボルトより大きく、約7,500時間(310日）維持され、その期間はVbiasの変化が5mV以下であることが好ましい。
V+の変化による第２の結果は、差動増幅器１３４の出力のオフセット値も変化し、しきい値検出器１３６のトリガ点に達するのに必要なセンサ電流を変化させることである。この量の変化はできる限り０に近く、しきい値におけるppm標的種濃度は一定であることが望ましい。しきい値Vsthでのミリボルト単位のセンサ信号は、以下の式によって与えられ、
Vsth(mV)=(R5/R6)×1.3-[R4/(R1+R4)−R3/(R2+R3)]×V+-Vio
式中、Vioは演算増幅器１４４の入力オフセット電圧であり、値1.3はHarris Semiconductorから入手可能なICL7665Sしきい値検出器チップ１４６の内部基準電圧である。ICL7665SA型の場合、この基準値のチップからチップへの変動はわずか1.300 +/- 0.025ボルトである。V+の影響を低減するには、ブラケットの値を増幅器ゲインR5/R6=R7/R8に対して低減しなければならない。さらに、センサおよびR4は回路に影響し得る温度に伴う変化を有する。こうした変化は必要に応じてR3またはR4とサーミスタを直列に使用することによって補償することができる。
図１４の差動増幅器１３４には、TLC251BCというきわめて電力が低く、プログラミング可能であり、特に低電圧電池によって動作するよう設計されたシリコンゲートLinCMOSTM演算増幅器１４４を含む。表２の成分値を有する図１４の回路では、3.6ボルトで演算振幅器１４４はわずか6.85mAの供給電流しか取り込まない。この回路は、内部静電放電保護を有し、最大入力オフセット電圧が25℃で10mVから2mVに定格された異なるグレードで利用することができる。Texas Instrumentsから得られる表面実相用のチップ形態またはHarris Semiconductorから得られる同等のチップ形態を利用することができる。
単一ステージ増幅器を使用する場合、増幅器のゲインは、R4からのセンサ信号がR3によって設定されたしきい値を超える場合、一定の1.30ボルトの入力レベルでしきい値検出器をトリガするのに十分大きくなければならない。演算増幅器からの出力電圧V0は、以下の式によって求められ、
V0=（(R5+R6)/(R7+R8)）×（R8/R5）×V2-（R6/R5）×V1
式中、V2は、正相入力端子での入力であり、V1は逆相端子での入力である。R5およびR6の並列の組み合わせは、R7およびR8に等しく入力電流によるオフセット誤差を最小限にすることが望ましい。ゲインは、このため、R6/R5またはR8/R7の比で決定される。R4を介するセンサ電流によって1.5mVの入力からのV0の電圧変化の何割かを提供するためには、150を超えるゲインが望ましい。R6の値は、R5を介する電流を最小限にするほど実質的に大きく維持し、入力／バイアス回路に関して上述した理由によって、基準電流をできる限り小さく維持しなければならない。抵抗器R6=20MWは、理想的なゲイン200を得るためにはR5およびR7の値とともに現実的な値である。増幅されたセンサ信号をしきい値検出器１３６に供給する差動増幅器１３４のゲインは、実質的に線形である。
しきい値検出器１３６には、Harris Semiconductorから入手可能なICL7665S CMOS136微電力オーバー／アンダー電圧検出器１４６を含み、電気化学センサ６０によって検出された例えばH2Sなどのしきい値標的種濃度レベルが超過する場合に警報オフから警報オンに極度に急激に移行させる。また、その他の回路構成要素の各種切り替え手段を複数の警報装置を操作するためおよびLED点滅周波数を変更するために接地またはV+に提供する。さらに、低電池電圧条件の検出を行うが、図１４の回路では2.5mAの供給電流しか必要としない。
差動増幅器１３４からのVoが電圧検出器１４６の1.30ボルトの内部基準電圧を超える場合、HYST 1端末はR9をV+に接続する。これは、R9をタイマ／警報ドライバ１３８のタイミング抵抗器であるR14に並列につなぐ。R9は、R14よりもはるかに小さく、並列抵抗は〜R9であり、点滅周波数は、1.90/(C1xR14）乃至1.48/(C1xR9）に急激に切り替わり、式中C1はファラド単位でありRはΩ単位である。表２の成分値では、点滅周波数は使用可能な「OK」状態の約30秒毎に１回の点滅から、警報状態である0.245秒毎に１回の点滅に変化する。図１７は、移行の急激性、15nA/10ppmの公称センサ感度およびR4=200KWの場合に、H2S濃度の〜0.03ppmの範囲に対応して入力範囲より0.01mVを超える主要部分を示す。点滅期間は、さらに0.07mVを超えて変化すると0.9秒乃至0.245秒変化する。図１７に示されるLEDの急激な周波数の変化は、センサ信号が1.43mVのしきい値を超える際に生じる。
しきい値検出器１３６の第２の機能は、低電池条件を検出することである。低電圧V+レベルは、[R10/(R10+R11)]V+=1.3ボルトが電圧検出器１４６の端末Set-2に印加された場合に決定される。1.3ボルトを印加した場合、Out-2端末は接地され、ICM7555タイマ１４８の制御端末をアースに接続する。ICM7555、Intersilから入手することができる。これによって、表２に示される成分値の場合、警報周波数は30秒に１回から1.50秒に１回まで増加し、電池切れまたは故障状態を信号として伝送する。電池電圧がクロスオーバー値を超える場合にクロスオーバー値について現実に位相変動し、ヒステリシスが故障状態が不安定になることを防止するために必要である。これは、電圧検出器１４６のヒステリシス-2末端によって提供されるが、この電圧検出器１４６は元々はV+の電位であったものが、Set-2末端の電圧が1.3ボルトでありR12をR10に直列に配置することによって、電圧検出器１４６のSet-2末端に印加される電圧低減することによって、切断する。これは、一旦トリガされた後は、低電池指示または故障状態の指示は、V+が[R10/(R10+R11+R12)]V+=1.3ボルトにする必要がある値を超えるまでは消失しないことを意味する。この効果は、例えば、V+が最初に減少した後設定点を通じて増加する際に、図１８に図１４の回路がどのように応答するかを示す。表２のR10-R12の場合、V+lowの値は3.0ボルトであり、V+hiの値は、警報装置が点滅していない場合は3.5ボルトである。インジケータ４２(LED）の方形波パルス中、電池電圧は、電池内部抵抗およびLEDによって取り込まれる電流に依存する量によって形成される方形形態に降下する。
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電池および図１４のR15およびR16によって指定されるLED電流レベルの場合、V+の0.04ボルトの降下が２つのLEDおよび圧電ブザーから成る15ミリ秒の警報事象中に生じる（図１５）。
図１４のタイマ／警報ドライバ１３８には、ICM7555または同等の汎用タイマ１４８を含む。ICM7555はCMOSであり、広く使用されるNE555タイマチップの低電力型である。タイマ１４８を、ここでは無安定マルチバイブレータモードで使用し、LEDまたは圧電可聴式警報装置を駆動する。低電力ではあるが、68.0mAを取り込むことができる。警報イベント中、タイマ／警報ドライバによって必要な電流は13.6mAよりも大きくLEDを介して方形波パルスの形状で生じる。この回路の低電力型によって、電池の寿命を相当改善することができる。
警報周波数ｆは、R14およびC1(f〜１/C1(R14)）の値と、タイマ間１４８の制御端末に適用される電圧によって単純に決定される。警報および使用可能な「OK」状態では、警報イベントの長さまたは点滅のパルス幅ｔは、C1(R13)/1.4によって求められる。LEDの点滅が短すぎる場合、目では十分な強度を認識することができない。点滅が長すぎると、供給電流は不必要に消耗される。約６乃至７ミリ秒未満の長さの点滅では、ぼやけてしまう。約15ミリ秒の長さがあれば十分に認識できる。これは、〜5kHzまでの範囲で動作する圧電可聴式警報装置にも当てはまる。６ミリ秒のパルスには、約20サイクルおよび、たとえ振幅が一定であってもおそらく15ミリ秒のパルスより弱い音しか含まない。こうした理由から、R13は表２に15ミリ秒の警報パルス幅を付与するように選択された。明らかに、R9，R14およびR13は、異なるCの値に適合するように変更することができる。好ましい実施例では、インジケータは0.001乃至30Hzの周波数範囲の信号伝送速度で動作する。
図１４では、LEDのパルス電流は抵抗器R15またはR16によって制限される。図示のLEDは、2.5ミリカンデラを1.0mAの電流で90度の視角に生成する。常態の部屋照明条件下では、5-6mAの出力が非常に適切であると思われる。ある実施例では、LEDを配向して呼吸用保護具の着用者に侵入する光を最適化することができる。表２のR15およびR16の値は、使用される特定のLEDに対して6.8mAの値を提供するように選択された。ICM7555の最大出力電流は、約100mAであり、予期される警報の実施例には十分である。
故障状態では、パルス幅は、タイマ１４８に印加される制御電圧および実際のV+の値によっても決定される。V+が低下するにつれてパルス幅は短くなるが、一般には警報パルス幅よりも長い。
図１５は、図１４に示すものと同様の別の処理装置であるが、接合型FET １５０をレジスタR9に直列に追加した点では異なり、圧電ブザーまたは可聴式警報装置１５２を接続するための２つの別の位置が示されている。図１９では、例えば、LED警報装置の点滅周波数を図１５の回路のセンサ出力(mV)および表２の成分値の関数として示す。同等の標的種濃度の値から硫化水素の0.3mV／ppmのセンサ感度が推測され、しきい値を得るためのオフセット調整は、約10ppmで生じる（R3を調整することによって達成される）。図１９に示すように、点滅周波数は、約30秒に１回の遅さを維持し、しきい値に達するまでは使用可能な状態を示し、同等のセンサ電圧が上昇するにつれて点滅周波数は規則的に上昇し、強調された情報を提供する信号を使用者に呈示した。周波数の速度は、濃度またはセンサ出力の増加にともなって増加し、すなわち、図１９に示す曲線の勾配は大きくなるがR9を変更することによって調節可能である。図１９に示すように、周波数の速度はR9＝71.5Kに比べてR9=10Kの場合比較的速い。
可聴式警報装置１５２に対する２つの異なる別の接続位置では、可聴警報信号伝送が異なる。タイマ１４８の外側端末と電圧検出器１４６のHYST2端末の間に接続される可聴式警報装置１５２、可聴警報装置またはブザーは、警報しきい値を超えた場合にしか使用されないLEDまたはそのほかの目視式警報装置の点滅で情報を提供する。タイマ１４８およびV+のOUT端末を可聴式警報装置１５２に接続すると、可聴式警報装置はLEDまたは目視式インジケータが点滅する度に情報としての音を出す。したがって、しきい値検出器１３６およびタイマ／警報ドライバ１３６は、同時に動作して可聴警報装置１５２に標的種濃度のしきい値を超えた場合には、LEDに一致して音を発生させるが、LEDが点滅しているその他の時間には静穏を維持させることができ、あるいは、可聴式警報装置１５２はLEDが点滅する度に音を出すことができる。感覚的インジケータまたは警報装置は、振動触覚式インジケータを含めて、暴露インジケータの警報信号伝送プロトコルに関連して使用することができることは、上述の説明から容易に理解されよう。
上述の信号伝送プロトコルを利用する「手の平サイズまたはポケットサイズ」の暴露インジケータは、大型電池および多色LEDやその他の可聴警報装置のために広い空間がある場合、最小数の変更を警報ドライバステージに行い、さらに使用者に提供される情報を強調することができ、その例としては、音を大きくするためにタイマ１４８の出力にトランジスタを追加することができる。
周期的な使用可能の「OK」点滅によって正確に機能することについて回路を継続的に使用者に確認させる必要がない用途の場合、使用者が起動するスイッチが望ましく、R14の場所に単一の押しボタンを追加すればよい。この場合、タイマ１４８は、有意な量の94mAの電流をとりこむので、スイッチ極にV+をタイマ１４８に接続させることによって警報点滅に必要な場合にのみこのわずかな変更でタイマーを始動させ、このために電池の寿命をのばすことができる。
例
例１．レスピレータ装置のモックアップを図６に示す着脱自在な警報装置に取り込んで構成した。流通ハウジングをプラスチックから機械加工しMinnesota Mining and Manufacturing Company，St．Paul，MN製造の6000 Series呼吸用保護具の収着剤カートリッジと顔面マスクの間に装着した。厚さは約0.4インチであった。差込型の取り付け手段を流通ハウジングの両面に接着してカートリッジおよび顔面マスク上の既存の取り付け手段に装着した。着脱自在な警報装置を受容する箱状のレセプタクルを流通ハウジングに取り付けた。２つの金属製貫通ピンを流通ハウジングのセンサから警報装置に電気信号を伝導できるように挿入した。暴露指示装置は、プラスチックから構成され、箱状レセプタクルに装着し、２つの金属製ピンを受容し警報信号を発生させる暴露インジケータの回路に信号を伝送するために接続部を設けた。LEDを暴露インジケータの各端に取り付け、一方が常時直接目視できる位置に配置し呼吸用保護具の着用者が容易に観察できるようにし、警報インジケータとして機能させた。
例２．レスピレータ装置のモックアップを例１と同様に構成したが、流通ハウジングがなく暴露インジケータを取り外しできないように6000 Seriesの取り替え式収着剤カートリッジ(Minnesota Mining and Manufacturing Company，St．Paul，MN.）に図７に示すものと同様なアダプターによって取り付けた点では異なる。
例３．レスピレータ装置のモックアップを図５に示す暴露インジケータを取り込んで構成させた。流通ハウジングをプラスチックから機械加工して6000 Series呼吸用保護具（Minnesota Mining and Manufacturing Co.，St．Paul，MN.)の収着剤カートリッジと顔面マスクの間に装着した。厚さは約０．４インチであった。差込型の取り付け手段を流通ハウジングの両面に接着し、カートリッジおよび顔面マスクの既存の取り付け手段に装着した。警報装置を受容するための箱状レセプタクルを流通ハウジングに取り付けた。暴露インジケータは、プラスチックから構成されて、箱状レセプタクルに装着し、暴露インジケータ上の円錐形状の流体継手管を箱状レセプタクルの開口部に挿入し、気体を流通ハウジングから暴露インジケータに配置されたセンサに導入するよう構成した。LEDを呼吸用保護具着用者が直接視界に入り容易に確認できる位置に配置し、警戒インジケータとして機能させた。
例４．呼吸用保護具保護装置のモックアップを例３と同様に構成したが、流通ハウジングがなく、暴露インジケータを6000 Seriesの取り替え型の収着剤カートリッジ（Minnesota Mining and Manufacturing Company，St．Paul MN.）に図４に示すものと同様のアダプターによって取り付けた点では異なる。
例５．図４に示すものと同様のアダプターによって呼吸用保護具カートリッジの外部に接続させた暴露インジケータに取り付けた電気化学センサを使用して、空気中の硫化水素を監視した。センサはナノ構造の表面電極を有する固形ポリマー電解質を含み、米国特許第5,338,430号の「Nanostructured Electrode Membranes」に記載されたように製造した。
1.5mmの入り口開口部を有するテーパー型のプラスチック管を空の6000 series呼吸用保護具カートリッジ(Minnesota Mining and Manufacturing Company，St．Paul．MN.）の一端の6.5mmの孔に挿入した。管の外部カートリッジ壁の孔に気密に装着させた。管は空のカートリッジの内部に1.8cmまで侵入した。カートリッジ本体への管の外部は、1.1cmの内径、1.5cmの外径、1.7cmの長さを有するまっすぐな壁の管に開いていた。センサはゴム製のＯリングを用いて密封を補助してまっすぐな壁の管の外部端を締め付けて、センサを適切な位置に保持した。テーパー型管の直径は、拡散制限隔膜として機能しない程度に十分に大きいものであった。この機能は、重鉱油で充填されて４ミリメートルの厚さの多孔質ポリプロピレンフィルム(Minnesota Mining and Manufacturing Company，St．Paul．MN.）によって提供され、センサ動作電極の直前に配置された。毎分10リットルの流量、相対湿度10％、22℃の空気をカートリッジを介して維持したが、検出可能な漏れや警報装置に対するバルク気流は検出できなかった。硫化水素を濃度10ppmで流体流れに導入した場合、3mVの信号が電極に接続された100,000Ω抵抗器を通過して測定された。反応は硫化水素の除去時に可逆的であった。
例６．この例は例５に記載した組立と同じであるが、カートリッジに直径2mmのガラスビーズを充填し、包装されたベッド構成を通じて流れをシミュレーションした点で異なる。毎分10リットルの流量、10％の相対湿度、22℃で、10ppmの硫化水素を含む空気を用いて3mVの信号を100,000Ωのセンサ抵抗器を通じて検出した。硫化水素除去時の反応は可逆的であった。
以上、本発明を複数の実施例を参照して説明してきた。当業者らには、多くの変更が上述の実施例に本発明を逸脱することなくなされ得ることは明らかであろう。例えば、本発明の暴露インジケータを使用して呼吸用保護具に、環境空気に、あるいは、種々の医学的用途において十分な酸素が存在することを監視することもできる。インジケータを使用すれば、車両、室内、またはその他の位置での雰囲気を監視することができる。このため、本発明の範囲は、本文に記載される構造に制限すべきではなく、請求項の言語およびそれらの構造と同等のもの以外では制限すべきではない。
【図１】
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【図１０】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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