(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的な変化に対する感度を低減することを可能にした分散型赤外線ガスセンサを提供する。【解決手段】赤外線源１１０と、赤外線検出器１２０と、赤外線源および赤外線検出器の周りに延在する導波管１５０とを含み、導波管は反射性拡散板１９０を含んでいる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線源と、
赤外線検出器と、
反射性拡散板を備えた、前記赤外線源および前記赤外線検出器の周りに延在する導波管と
を含む、非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項２】
前記導波管はチャンバを画定する、請求項１に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項３】
前記反射性拡散板は表面加工された表面を含む、請求項１に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項４】
前記表面加工された表面は無作為パターンを含む、請求項３に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項５】
前記表面加工された表面は精密パターンを含む、請求項３に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項６】
前記反射性拡散板は反射性コーティングを含む、請求項３に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項７】
前記導波管は、反射性金属コーティングを備えた表面加工された熱可塑性構成要素を含む、請求項１に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項８】
前記反射性拡散板は検出器反射性表面を含む、請求項１に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項９】
前記反射性拡散板は線源反射性表面を含む、請求項１に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項１０】
前記反射性拡散板は印刷回路板反射性表面を含む、請求項１に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項１１】
前記印刷回路板反射性表面は無電解ニッケル置換金表面を含む、請求項１０に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項１２】
複数の赤外線検出器をさらに含む、請求項１に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項１３】
互いに間隔を空けた複数の赤外線検出器をさらに含む、請求項１に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項１４】
前記赤外線源および前記赤外線検出器と通信するマイクロプロセッサをさらに含む、請求項１に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
【請求項１５】
チャンバ内に赤外線信号のパルスを発するステップと、
前記赤外線信号が反射性拡散板から散乱するステップと、
赤外線検出器において前記散乱赤外線信号を受信するステップと、
前記散乱赤外線信号の強度を決定するステップと、
を含む、チャンバ内のガスの濃度を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、非分散型赤外線ガスセンサに関し、より詳細には、散乱を促進して機械的な感度全体を低減するための反射型拡散板を備えた非分散型赤外線ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
非分散型赤外線（「ＮＤＩＲ」）ガスセンサなどのガスセンサは、赤外吸収に基づいてガスの濃度を測定可能である。具体的には、ＮＤＩＲガスセンサは、特定の波長において各ガスに固有の独特な吸収特性に基づいてガスの濃度を測定する。すなわち、それぞれ異なるガスは、明確に定義された吸収特性を有している。ＮＤＩＲガスセンサは、赤外線源と赤外線検出器とを含んでよい。赤外線源は変調可能であり、測定信号はガス濃度に相関され得る。線源と検出器との間には、ガスサンプル室として導波管を使用してよい。導波管の内面は、典型的に、その中での赤外光の散乱を最小に抑えるように平滑かつ反射性になっている。したがって、導波管の表面は、検出器で受信する信号を最大化するように近鏡面反射を起こすことが可能である。
【０００３】
近鏡面反射を起こすこの平滑な表面が散乱を最小に抑え、かつ、信号を最大化することが可能であるとはいえ、このような表面を使用しているガスセンサは、機械的な変化にも敏感となる可能性がある。例えば、温度変化は構成要素に、したがって、信号の信頼性にも影響を及ぼすことがある。その結果、内部の電子回路を安定させるように、精密な構成要素および／または周期的な燃焼を使用することが、ガスセンサ全体の安定性を高めるための試みとして知られている。しかし、これらの技術は、一般的に費用および／または時間がかかり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００７８５６３号明細書
【発明の概要】
【０００５】
したがって、ＮＤＩＲガスセンサなどの改善されたガスセンサが所望されている。このような改善されたＮＤＩＲガスセンサは、高価な構成要素または改良品の使用を必要としない、より均質な信号のための全体的な機械的安定性をもたらすことが可能である。
【０００６】
本出願およびそれによる特許は、非分散型赤外線ガスセンサを提供する。この非分散型赤外線ガスセンサは、赤外線源と、赤外線検出器と、赤外線源および赤外線検出器の周りに延在する導波管と、を含んでよい。この導波管は、反射型拡散板を含んでよい。
【０００７】
本出願およびそれによる特許は、チャンバ内のガスの濃度を測定する方法をさらに提供する。この方法は、チャンバ内に赤外線信号のパルスを発するステップと、赤外線信号を反射型拡散板から散乱させるステップと、散乱した赤外線信号を赤外線検出器において受信するステップと、散乱した赤外線信号の強度を決定するステップと、を含んでよい。
【０００８】
本出願およびそれによる特許は、非分散型赤外線ガスセンサをさらに提供する。この非分散型赤外線ガスセンサは、赤外線源と、赤外線検出器と、赤外線源および赤外線検出器の周りに延在する導波管と、を含んでよい。この導波管は、表面加工済み表面および反射性のコーティングを備えた反射型拡散板を含んでよい。
【０００９】
本出願およびそれによる特許のこれら他の特徴および改善点は、以下の詳細な説明を複数の図面および添付の特許請求の範囲とともに検討すると、当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＮＤＩＲガスセンサの概略図。
【図２】本明細書において説明可能であるＮＤＩＲガスセンサの概略図。
【図３】図２のＮＤＩＲセンサとともに使用可能である反射型拡散板の側面断面図。
【図４】図２のＮＤＩＲセンサとともに使用可能である反射型拡散板の代替実施形態を示す図。
【図５】ＮＤＩＲセンサの代替実施形態を示す図。
【図６】ＮＤＩＲセンサの代替実施形態を示す図。
【図７】ＮＤＩＲセンサの代替実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ここで図面を参照する。なお、同様の参照番号が複数の図を通じて同様の要素を示している。図１は典型的なＮＤＩＲガスセンサを示している。一般に、ＮＤＩＲガスセンサ１０は、赤外線源１５と赤外線検出器２０とを含んでよい。２つ以上の赤外線検出器２０も使用可能である。赤外線源１５および赤外線検出器２０は、印刷回路板２５上に配置してもよい。赤外線源１５および赤外線検出器２０は、マイクロプロセッサ３０を介して通信可能である。様々なタイプの増幅器、フィルタ、および、他の構成要素も使用可能である。
【００１２】
ＮＤＩＲセンサ１０は導波管３５によって囲まれ得る。導波管３５は、赤外線源１５から赤外線検出器２０に延在し、かつ、赤外線源１５を部分的に囲むチャンバ４０を画定可能である。導波管３５は、１つまたは複数の内部反射性表面４５を含んでよい。この反射性表面４５は、典型的に、内部の光の散乱を最小に抑えるように、平滑としてよく、かつ、近鏡面反射を起こすことが可能である。導波管３５は熱可塑性プラスチック、金属、ゴム、複合材料などで作成可能である。導波管３５が、例えば熱可塑性プラスチックで作成されていると、導波管３５のための射出成形金型は、この反射性表面４５に関して高度に研磨されていてよい。したがって、反射性表面４５はめっきまたはコーティング５０を施すことが可能である。このめっきまたはコーティング５０は、近鏡面反射性表面５５を生み出すように、金属表面とすることが可能である。具体的には、このような近鏡面反射性表面５５は、散乱を制限することによって赤外線検出器２０において受信する信号を最大化することが可能である。
【００１３】
上記のように、赤外線源１５はチャンバ４０内で赤外線ビームのパルスを発することが可能である。このビームは、導波管３５の反射性表面４５から反射可能であり、赤外線検出器２０によって受信可能である。チャンバ４０内のガスは既知の波長の放射を吸収し、かつ、この吸収がガスの濃度の測定値となる。異なったガスは、それぞれの明確に定義した吸収特性を有している。したがって、赤外線検出器２０は、ガス濃度に比例した信号をマイクロプロセッサ３０に送信する。次に、これらの信号は平均化されてよい。他の構成要素および他の構成も使用可能である。
【００１４】
図２は本明細書で説明可能なＮＤＩＲガスセンサ１００を示す。上記で説明したものと同様に、ＮＤＩＲガスセンサ１００は、赤外線源１１０と赤外線検出器１２０とを含んでよい。２つ以上の赤外線検出器１２０も、このガスセンサにおいては使用可能である。赤外線源１１０および赤外線検出器１２０は従来の設計のものとすることが可能である。赤外線源１１０および赤外線検出器１２０は、印刷回路板１３０または他のタイプの機械的支持体、および／または、電子的接続体に関して配置可能である。赤外線源１１０および赤外線検出器１２０はマイクロプロセッサ１４０を介して通信可能である。マイクロプロセッサ１４０はいずれのタイプのプログラマブル論理デバイスであってもよい。様々なタイプのフィルタ、増幅器なども、同ガスセンサにおいては使用可能である。他の構成要素および他の構成も、同ガスセンサにおいては使用可能である。
【００１５】
ＮＤＩＲガスセンサ１００は導波管１５０も含んでよい。導波管１５０は、赤外線源１１０から赤外線検出器１２０に延在するチャンバ１６０を内部に画定可能である。導波管１５０は、熱可塑性プラスチック、金属、ゴム、複合材料などで作成可能である。導波管１５０はいずれのサイズ、形状、または、構成とすることも可能である。
【００１６】
導波管１５０は、１つまたは複数の内部反射性表面１７０を内部に有してよい。本例では、検出器反射性表面１８０が赤外線検出器１２０の上方に配置可能である。反射性表面１７０は、上記に説明した鏡面反射性表面５５の代わりに反射性拡散板１９０の形状としてもよい。このような平滑な表面に対するものとして、反射性拡散板１９０は非鏡面または表面加工済み表面２００を含んでもよい。強調して図３に示すように、表面加工済み表面２００は無作為パターン２１０を含んでよい。さらに、この表面加工済み表面２００は、強調して図４に示すように、均一または精密なパターン２２０も含んでよい。いずれのタイプの表面加工済み表面２００も、同ガスセンサでは使用可能である。ホログラフィックパターンも同ガスセンサでは使用可能である。さらに、無作為パターン、精密パターン、ホログラフィックパターンなどの組み合わせも、同ガスセンサではともに使用可能である。
【００１７】
導波管１５０が射出成形による熱可塑性構成要素などであれば、射出成形金型は、この金型の一部として表面加工済み表面２００を設けることが可能である。したがって、金型は、表面加工済み表面２００を備えた表面加工済み構成要素２３０を生成する。この表面の特性は、金型の性質によって大きく制御可能である。表面加工済み構成要素２３０は、反射性拡散板１９０を生成するための反射性コート材２４０でコーティングまたはめっきを施してよい。反射性コーティング２４０は金属性などのものとすることが可能である。多くの他の製造技術が同ガスセンサでは使用可能である。例えば、既存の構成要素をサンドペーパーなどを使用して表面加工してからコーティングしてもよい。
【００１８】
一般に、反射性拡散板１９０の表面加工済み表面２００は、赤外線のエネルギーの大部分が通過することになる信号経路内の反射性表面１７０上に組み込まれている。そのため、図２において、検出器反射性表面１８０は赤外線検出器１２０に隣接して示されている。代替として、図５は、赤外線源１１０の上方に配置した線源反射性表面２５０を示す。多数の反射性表面１７０も本ガスセンサでは使用可能である。さらに、印刷回路板１３０も反射性表面１７０として機能することが可能である。図６において、印刷回路板１３０は印刷回路板反射性表面２６０を有してよい。印刷回路板反射性表面２６０は、例えば、無電解ニッケル置換金（「ＥＮＩＧ」）表面２７０で電気めっきを施すことが可能である。このようなＥＮＩＧ表面２７０は、反射性拡散板１９０として機能するよう十分に表面加工を施すことが可能である。他のタイプの表面２７０も使用可能である。他の構成要素および他の構成も同ガスセンサでは使用可能である。
【００１９】
使用において、反射性拡散板１９０を備えたＮＤＩＲガスセンサ１００は、赤外線源１１０が生成した赤外線信号パルスに散乱を誘起する。反射したエネルギーが拡散されるため、反射性拡散板１９０の表面加工済み表面２００から反射した信号は、さらに平均化され、かつ、さらに均質な信号強度分布を有することが可能である。したがって、ＮＤＩＲガスセンサ１００が全体としてさらに高い安定性を有することが可能なように、反射性拡散板１９０は、導波管１５０、赤外線源１１０、および、赤外線検出器１２０における機械的感度を全体的に低減する。反射性拡散板１９０の表面加工済み表面２００の性質は、種々のガスおよび意図した用途に対して最適化することが可能である。
【００２０】
具体的には、本明細書に説明しているＮＤＩＲガスセンサ１００は、信号に散乱を誘起するためのランバート面として、反射性拡散板１９０の表面加工済み表面２００を使用する。そのため、この散乱は信号を光学的に平均化する。反射性拡散板１９０から反射した信号は、さらに平均化され、かつ、さらに均質な信号強度分布を有する。なぜなら、反射したエネルギーが内部で拡散されるからである。そのため、さらに均質な信号強度分布は、結果的に機械的な変化に対する感度を低減し、したがって、全体的な安定性を高める。上記に説明した散乱の低減を意図した鏡面性表面５５を備えたセンサに対して、本明細書のＮＤＩＲガスセンサ１００は、安定性を高めるためにこのような散乱を意図的に誘起している。このような安定性の増大は、さらに厳しい精度についての仕様を低コストで実現することを可能にする。他の構成要素および他の構成も同ガスセンサには使用可能である。
【００２１】
ＮＤＩＲガスセンサ１００は、多数の赤外線検出器１２０も含んでよい。図７の例においては、第１の赤外線検出器２８０および第２の赤外線検出器２９０が使用可能である。いずれの数の赤外線検出器１２０も同ガスセンサでは使用可能である。赤外線検出器２８０、２９０は物理的に離れた異なった位置にあってよい。反射性拡散板１９０で反射した信号は、検出器２８０、２９０に結果的に同様のエネルギーでの提供が可能である。そのため、センサ１００の機械的な変化に対する感度を低減することを可能にするように、反射性拡散板１９０は、双方の検出器２８０、２９０が同様の強度エネルギーを観測することを可能にするために信号を平均化する。
【００２２】
上記の説明が本出願およびそれによる特許の特定の実施形態にのみ関していることは明らかであろう。本出願には、以下の特許請求の範囲およびその均等物が規定する通りの本発明の全般的な精神および範囲から逸脱せずに、当業者によって多くの変更および改変を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ＮＤＩＲガスセンサ
１５  赤外線源
２０  赤外線検出器
２５  印刷回路板
３０  マイクロプロセッサ
３５  導波管
４０  チャンバ
４５  反射性表面
５０  めっき、コーティング
５５  近鏡面反射性表面
１００  ＮＤＩＲガスセンサ
１１０  赤外線源
１２０  赤外線検出器
１３０  印刷回路板
１４０  マイクロプロセッサ
１５０  導波管
１６０  チャンバ
１７０  反射性表面
１８０  検出器反射性表面
１９０  反射性拡散板
２００  表面加工済み表面
２１０  無作為パターン
２２０  精密パターン
２３０  表面加工済み構成要素
２４０  反射性コーティング
２５０  線源反射性表面
２６０  印刷回路板反射性表面
２７０  ＥＮＩＧ表面
２８０  第１の赤外線検出器
２９０  第２の赤外線検出器
【図１】
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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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