(57)【要約】  ガスセンサアセンブリ（１０）は、ガス流中の成分を検知する。アセンブリは、（ａ）設置表面（１５）、（ｂ）設置表面（１５）に設置され、成分の存在下で検知可能な信号を発生することが出来るセンサ（２２）、及び（ｃ）収納構造体（３０）を包含する。収納構造体（３０）は、（ｉ）垂直に間隔を開けた一対の端部を有し、センサ（２２）を囲むために設置表面（１５）上に一方の端部で設置される壁要素（３２）、及び（ii）壁要素（３２）の他方の端部に取付けられ、その結果、前記収納構造体内に内部容積を画定するガス透過膜（３４）を包含する。膜（３４）を通過してガス流を流すことは、センサ（２２）を収納する前記内部容積にガス流の一部分を導入する。
2007519930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流の成分を検知するためのガスセンサアセンブリであって、
前記アセンブリが、
（ａ）設置表面と、
（ｂ）前記設置表面に設置され、前記成分の存在で検知可能な信号を発生することが出来るセンサと、
（ｃ）収納構造体と、
を具備するものであって、
前記収納構造体が、
（ｉ）垂直方向に間隔を開けた一対の端部を有し、一方の端部で前記設置表面に設置され、前記センサを囲んでいる壁要素と、
（ii）前記壁要素の他方の端部に取付けられ、その結果、前記収納構造体内に内部容積を画定するガス透過膜と、
を包含していて、
それによって、前記ガス透過膜を通過してガス流を流すことが、前記センサを収納する前記内部容積にガス流の一部を導入する、ガス流の成分を検知するためのガスセンサアセンブリ。
【請求項２】
前記ガス透過膜が、前記内部容積へ光の通過を抑制する光学的な特性を有する、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項３】
前記ガス透過膜が不透明である、請求項２に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項４】
前記ガス透過膜が、全く光を通さない、請求項３に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項５】
前記ガス透過膜が、重合体である、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項６】
前記ガス透過膜が、ポリテトラフルオロエチレンに基づいた膜材料である、請求項２に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項７】
前記設置表面が、可撓性回路に形成される、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項８】
前記設置表面が、平面である、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項９】
前記センサが、水素に敏感である、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項１０】
前記センサが、触媒的に活性化される、請求項９に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項１１】
前記壁要素が、管状である、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項１２】
前記壁要素が、電気的絶縁材料から形成される、請求項１に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項１３】
前記電気的絶縁材料が、重合体である、請求項１２に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項１４】
前記電気的絶縁材料が、アセタール樹脂である、請求項１３に記載のガスセンサアセンブリ。
【請求項１５】
ガスセンサアセンブリにおいて、ガス流の成分の存在で検知可能な信号を発生することが出来るセンサを隔離する方法であって、
前記方法が、
（ａ）設置表面に前記センサを設置する段階と、
（ｂ）収納構造体の中に前記センサを囲む段階と、
を含むものであって、
前記収納構造体が、
（ｉ）垂直方向に間隔を開けた一対の端部を有し、一方の端部で前記設置表面に設置され、前記センサを囲んでいる壁要素と、
（ii）前記壁要素の他方の端部に取付けられ、その結果、前記収納構造体内に内部容積を画定するガス透過膜と、
を包含していて、
それによって、前記ガス透過膜を通過して前記ガス流を流す段階が、前記センサを収納する前記内部容積に、前記ガス流の一部を導入する、センサを隔離する方法。
【請求項１６】
前記ガス透過膜が、前記内部容積へ光の通過を抑制する光学的な特性を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ガス透過膜が不透明である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ガス流の成分を検知する方法であって、
前記方法が、
（ａ）設置表面に、前記成分の存在で検出可能な信号を発生することが出来るセンサを設置する段階と、
（ｂ）収納構造体の中に前記センサを囲む段階と、
（ｃ）前記ガス流の一部が前記内部容積に導入され、前記センサに影響を及ぼす、前記ガス透過膜を通過して前記ガス流を流す段階と、
（ｄ）前記成分の存在で前記センサから検知可能な信号を発生する段階と、
を含むものであって、
前記収納構造体が、
（ｉ）垂直方向に間隔を開けた一対の端部を有し、一方の端部で前記設置表面に設置され、前記センサを囲んでいる壁要素と、
（ii）前記壁要素の他方の端部に取付けられ、その結果、前記収納構造体内に内部容積を画定するガス透過膜と、
を包含する、ガス流の成分を検知する方法。
【請求項１９】
前記ガス透過膜が、前記内部容積へ光の通過を抑制する光学的な特性を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ガス透過膜が不透明である、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス流中の成分の存在を検知するためのセンサに関する。さらに詳細には、本発明は水素ガスセンサの配置に関していて、配置の中でセンサは、据付面とガス透過膜との間に挿入される収納構造体内に隔離される。
【背景技術】
【０００２】
あるガスセンサの適用において、センサの機能性を妨げることなく、センサを外部環境から隔離しておくことが望まれる。このような隔離は、熱損失を低減し又は最小にする、センサに到達する光の量を低減し又は最小にする、及び／又は機械的な侵入の結果を低減し又は最小にする目的のためになされる。しばしば、センサは所定の温度で運転され、一般的に検知する周囲のガス流の温度よりも高い。これは、ガス感知装置として同じ基板上に配置される熱発生装置の使用によって時々遂行される。この状況の場合に、ガス流とセンサを囲む構造体への限定された量の熱損失がある。この熱損出は、センサが組込まれた全体システムからの出力損出の量に比例し、その結果、このような熱損失を低減し最小にすることが望まれる。加えて、幾つかのセンサに対して、センサに到達する光の量を制限することが望まれる。大部分のセンサのために、検知されるべきガス流に浮遊する粒子から、又は装置を落下させるような偶発的な出来事から、機械的な又は物理的な侵入を制限することもまた望まれる。
【０００３】
従来の、先行技術の熱的分離技術は、熱的分離を備える構造体を創作するような方法で、センサ自体を製作することを含んでいる（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、及び特許文献５を参照）。このような例示の熱的分離技術は、関係するセンサの構造のタイプに対して明確にデザインされたが、アセンブリの段階で、すなわちセンサがより大きなアセンブリの一部として配置される場合に、熱損失に関する問題を克服していない。触媒作用に基づくガスセンサのようなガス感知装置の先行手段は、感知されるガス流の範囲内で、下流の処理装置及び制御回路要素に感知装置を電気的に接続する個別の電線を使用して、例えば装置を吊るような、装置を熱的に分離するための異なる技術が使用された（例えば、特許文献６を参照）が、これらの方法は、複数の接続を用いるセンサに対しては好ましくない。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５２１１０５３号明細書
【特許文献２】米国特許第５４６４９６６号明細書
【特許文献３】米国特許第５６５９１２７号明細書
【特許文献４】米国特許第５８８３００９号明細書
【特許文献５】米国特許第６２０２４６７号明細書
【特許文献６】米国特許第５９０２５５６号明細書
【特許文献７】米国特許第５２７９７９５号明細書
【非特許文献１】R. Thomas、R. Hughes著「PD金属合金に基づく水素分子の検知用センサ」，電気化学会誌，Ｖｏｌ．１４４，Ｎｏ．９，１９９７年９月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の先行技術の解決策は、ほとんどの最終用途にとって望ましい状態よりも、かなり容積が大きく、嵩があって不利な点を有する。加えて、先行技術センサの設計パラメータは、応答と大きさ（Response-to-size）の効果及び隔離と流量（Isolation-to-flow）の効果のようなトレードオフを有する。「Response-to-size」は、センサに曝される隔離されたガス容積の大きさと、隔離された容積内のガス成分の完全な置換のための合計時間との間の関係に関し、すなわち、隔離されたガスの容積の大きさが小さければ小さいほど、より迅速に完全な置換がなされる。「Isolation-to-flow」は、センサに曝されるガス流の流速とセンサからの熱損失の大きさ及び熱損失の割合との間の関係に関し、すなわち、ガス流の速度が速ければ速いほど、さらに迅速にセンサからより大量の熱を抜き取り、それ故、失った熱を回復するためにセンサによる電力消費量が増大する。さらに、このような先行技術の解決策は、ある種のセンサの光学的な感度には取組んでいない。これに関して、キャパシタに基づくデバイスは概ね光に敏感であり、光に曝されて、誤った、役に立たない信号を発生する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
センサが隔離される配置を有する本ガスセンサアセンブリは、先行技術のガスセンサの前述の一つ又はそれ以上の短所を克服する。詳細には、本隔離されたガスセンサの配置は、電力消費量を低減し、周囲の光の好ましくない影響を制限し、ガスを充満させた隙間及びガス透過膜を含む収納構造体を備える配置の使用を介して機械的な進入を制限する。
【０００７】
ある実施形態において、ガス流中の成分を検知するための本ガスセンサアセンブリは、以下を包含する。
（ａ）設置表面
（ｂ）設置表面に設置され、成分の存在で検知可能な信号を発生することが出来るセンサ
（ｃ）収納構造体
（ｃ）の構造体は、以下を包含する。
（ｉ）垂直方向に間隔を開けた一対の端部を有し、一方の端部で設置表面に設置され、センサを囲んでいる壁要素
（ii）壁要素の他方の端部に取付けられ、その結果、収納構造体内に内部容積を画定するガス透過膜
ガス透過膜を通過してガス流を流すことは、センサを収納する内部容積にガス流の一部を導入する。
【０００８】
本ガスセンサアセンブリの好適な実施形態において、ガス透過膜は、内部容積へ光の通過を抑制する光学的な特性を有する。ガス透過膜は、不透明（non-transparent）であり、さらに好ましくは全く光を通さない（opaque）。
【０００９】
ガス透過膜は好適であり、さらに好ましくはポリテトラフルオロエチレンに基づく膜材料である。
【００１０】
本ガスセンサアセンブリの好適な実施形態において、据付面は、可塑性の回路上に形成され、平面である。
【００１１】
本ガスセンサアセンブリの例証となる実施形態において、センサは水素に敏感であり、触媒的に活性化される。
【００１２】
本ガスセンサアセンブリの好適な実施形態において、壁要素は管状であり、重合体の電気的絶縁材料、好ましくはアセタール樹脂から形成される。
【００１３】
ガスセンサアセンブリにおいて、ガス流の成分の存在で検知可能な信号を発生することが出来るセンサを隔離する方法は、以下の段階を含む。
（ａ）設置表面にセンサを設置する段階
（ｂ）収納構造体の中にセンサを囲む段階
（ｂ）の収納構造体は、以下を包含する。
（ｉ）垂直方向に間隔を開けた一対の端部を有し、一方の端部で設置表面に設置され、センサを囲んでいる壁要素
（ii）壁要素の他方の端部に取付けられ、その結果、収納構造体内に内部容積を画定するガス透過膜
ガス透過膜を通過してガス流を流すことは、センサを収納する内部容積にガス流の一部を導入する。
【００１４】
隔離する方法の好適な実施形態において、ガス透過膜は、内部容積中へ光の通過を抑制する光学的特性を有していて、ガス透過膜は、好ましくは不透明である。
【００１５】
ガス状流中の成分を検知する方法であって、方法は以下の段階を含む。
（ａ）設置表面にセンサを、すなわち成分の存在で検出可能な信号を発生することが出来るセンサを設置する段階
（ｂ）収納構造体の中にセンサを囲む段階
（ｂ）の収納構造体には、（ｉ）、（ii）を包含する。
（ｉ）垂直方向に間隔を開けた一対の端部を有し、一方の端部で設置表面に設置され、センサを囲んでいる壁要素
（ii）壁要素の他方の端部に取付けられ、その結果、収納構造体内に内部容積を画定するガス透過膜
（ｃ）ガス流の一部が内部容積に導入され、センサに影響を及ぼす、ガス透過膜を通過してガス流を流す段階
（ｄ）成分の存在でセンサから検知可能な信号を発生する段階
【００１６】
隔離する方法の好適な実施形態において、ガス透過膜は、内部容積へ光の通過を抑制する光学的な特性を有していて、ガス透過膜は、好ましくは不透明である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本隔離されたガスセンサアセンブリ１０の第一基本配置は、図１に概略的に示される。ガスセンサアセンブリ１０は、描写されたように可撓性回路表面１５を包含し、その上にセンサ２２、壁要素３２を含む収納構造体３０、及びガス透過膜３４が据付けられる。内部容積又はガス充填隙間は、可撓性回路１５とセンサ２２とによって底部の境界をなし、壁要素３２によって側部の境界をなし、及び膜３４によって上部の境界をなす収納構造体３０内に形成される。
【００１８】
描写されたアセンブリにおいて、可撓性回路表面１５は可撓性の（及び折畳み出来る）平らな表面を有し、その上にセンサ２２と収納構造体３０とが確実に設置できる。
【００１９】
設置表面はおそらく、応用に即した平面以外の表面配置を取ることができ、そこにガスセンサ配置が組込まれる。このような設置表面の配置は、センサと収納構造体とが設置される表面が非平面である、例えばアーチ形の又は回転楕円面の配置を含むことが出来るだろう。
【００２０】
センサ２２は、検知されるべきガス成分の存在で検知可能な信号を発生でき、ここに明示された実施形態において、ガス成分は水素である。センサ２２によって発生される電気信号は、可撓性回路に形成された銅製電路（示されていない）を経由して運ばれ、検知されるべきガス流の成分（明示された実施形態において水素）の存在と濃度とを表示する感知出来る出力に信号を変換する、下流の電気信号の処理装置と制御回路要素とに伝達される。
【００２１】
ここに明確に述べられた水素ガスセンサの場合において、センサは、評価されるべきガス流に存在する水素を用いて、センサ構成要素又は要素の触媒反応から得られる信号を発生する。適切な水素センサの配置は、サンディナ国立研究所で開発された広範囲センサ（非特許文献１と特許文献７を参照）を含み、H2ScanLLCによって開発され、これと同時に出願されたもの中で述べられている一体化されたセンサ配置も同様である。
【００２２】
対流の流れを介する熱損失を低減し又は最小にすることは、収納構造体３０内のガスセンサ２２を囲う壁要素３２及び可撓性回路表面１５とガス透過膜３４の協同によって、可能であり又は容易である。ガスセンサの機能が、所定の雰囲気中のガス成分の明確な濃度を検知して計測することであるから、ガスセンサアセンブリ２２は、流れているガス流（示されていない）のかなり大きな容積に必然的に曝される。このガス流は、自然発生か又はコンジット（示されていない）を介してガス流の流れによって導かれるかのいずれかの流動に支配される。ガス透過膜３４を含む、囲っている収納構造体３０の使用によって、これらの流動からセンサ２２を隔離することは、センサ２２からのエネルギー損失においてさらなる低減を提供する。
【００２３】
ガス透過膜３４は、検知されるガスを計測のために、センサ２２に到達させることを可能にするが、膜３４はまた、計測されるガス流５２が、センサ２２を通過して流れる速度を制限する。表面からの対流熱損失が、影響を及ぼすガス流の流速の関数であるから、それ故に、センサ２２からの熱損失は、収納構造体３０内のセンサの位置によって減少する量が限定される。
【００２４】
図１に描写されたように、ガス透過膜３４は、外部環境から隔離される収納構造体内の内部容積を画定するために、収納構造体の上端部（すなわち据付面に据付けられた端部と反対の端部）に取付けられる。
【００２５】
図２と３は、組立てられた形状（図２）及び組立分解の形状（図３）における、本隔離されたガスセンサ配列の実施形態を明示する。図２と３で示されたように、ガスセンサアセンブリ１０は、可撓性回路表面１５を包含し、その上にセンサ２２、壁要素３２を含む収納構造体３０、及びガス透過膜３４が据付けられる。内部容積又はガス充填隙間は、可撓性回路１５とセンサ２２とによって底部の境界をなし、壁要素３２によって側部の境界をなし、及び透過膜３４によって上部の境界をなす収納構造体３０内に形成される。
【００２６】
図２で示し、図３でより良く示したように、センサ２２は、可撓性回路１５の長手方向の範囲の中央部分１５ｃに設置される。可撓性回路１５の端部１５ａは、中央部分１５ｃの下に折り曲げられ、下に折り曲げられた端部１５ａは、中央部分１５ｃを支持し、中央部分１５ｃがアセンブリ１０の基礎をなす構成要素に接触することを防止する構造を創作している。下に折り曲げた端部１５ａによって提供された支持部はまた、中央部分１５ｃの下に隙間又は容積が維持出来き、その上にセンサ２２が据付出来きるから、従って、アセンブリ１０の基礎をなす構成要素からセンサ２２を熱的に分離する。
【００２７】
図２と図３にさらに示されたように、可撓性回路１５は、端部１５ｂで終端となり、そこに、センサ２２から延伸する銅製電路（示されていない）が、ピンコネクタ１９に電気的に接続される。各々のピンコネクタは、頭部１９ａとスパイク部１９ｂとを有する。明示された実施形態において、ガスセンサ２２から延伸する銅製電路は、ピンコネクタ頭部１９ａに電気的に接続される。ピンコネクタ１９のスパイク部は、可撓性回路１５の端部１５ｂで孔を介して挿入され、それから、電気絶縁性の支持層１７に整列した孔を介して挿入される。ピンコネクタ１９のスパイク部は、センサ２２からの信号が向けられる下流の処理装置及び制御回路要素を収納する回路基盤（示されていない）の整列した設置孔に挿入可能である。
【００２８】
ガス透過膜は、好ましくは、収納構造体の内部容積へ光の通過を抑制する光学的な特性を有する。好適なガス透過膜は、不透明（好ましくは全く光を通さない）であり、重合体素材から形成される。適切なガス透過膜素材は、ポリテトラフルオロエチレンに基づいた膜材料であり、商標名ゴアメンブレンベンツ（GoreTM Membrane Vents）（部品番号VE70308、VE70510、VE70814、VE70919、VE71221、及びVE72029によって、様々な孔直径と気流のグレードで入手可能）として、W.L.ゴア＆アソシエーツから商業的に入手可能である。その他の適切な非重合体ガス透過膜素材としては、例えば多孔性金属膜のような物が、同様に使用出来るかもしれない。
【００２９】
熱損失の低減することに加えて、あるガスセンサの光学的な隔離は、信号が計測されるべきガス成分を示している状態で、光からの干渉を低減し又は最小にするために望ましい。あるガス透過膜の使用は、ガスセンサ２２に周囲の光の進入を低減し又は最小にすることが出来る。その結果、収納構造体３０は、膜３４と共に、センサ２２が、光を制御した環境の中に保たれるように、好ましくは全く光を通さない材料から製造される。
【００３０】
ガス透過膜及びセンサを囲んでいる構造的要素の使用は、機械的な侵入に対する可能性を減少し又は最小にする。侵入は、検知されるべきガス成分の代わりに、分別するガスの中に浮遊する粒子の形をとるかもしれない。このような侵入はまた、ガスセンサアセンブリ、又は一体化される全体システムが、落下される又は突き刺されるような、偶発的な出来事の形を取るかもしれない。収納構造体によって提供される防止策は、センサ及び関係する構成要素との接続部への損傷の機会を減少し又は最小にする。
【００３１】
従来の先行技術の解決策は、主に流量感度を低減するために、及び機械的な侵入を防止するために焼結金属のディスクを使用した。これら先行の解決策は、本ガスセンサアセンブリに対して、不利な点が有る。すなわち、
・  先行技術のガスセンサは、容積が本解決策のものより著しく大きい。
・  先行技術のガスセンサは、試験されるべき成分が流れるガス流を隔離しない。
・  先行技術のガスセンサは、非常に大きな隔離容積を形成する。
・  先行技術のガスセンサは、光が隔離容積に侵入することを抑制しない。
【００３２】
先行の構造において、トレードオフが、焼結金属の空隙率とその厚さと隔離された容積との間で行われていた。もしも焼結金属の空隙率が大き過ぎると（すなわち、内部容積に開口気孔が多数あると）、又はもしも焼結金属のディスクが薄すぎると、流速の効果がさらに著しくなった。この関係において、焼結金属ディスクの低い空隙率は、応答時間（すなわち、検出されたガス成分の濃度に変化が生じる時間と、ガスセンサ、その関連する処理装置、及び制御回路要素が変化を記録する時間との間の差分）を減少する。しかしながら、このような焼結金属ディスクは、概ねセンサが曝される光の大部分を遮断することが出来るが、遮断の程度は概ね、低レベルの光に感度が高いセンサに対しては不十分である。この結果、これらの焼結金属の隔離するディスクを使用するセンサアセンブリの構造は、競合する性能変数の間でトレードオフを容認しなければならない。本構造は、ガスセンサアセンブリの寸法を小さくすることで性能変数が改善するから、このような構造のトレードオフとは本質的に無関係である。
【００３３】
本ガスセンサアセンブリにおいて、ガス透過膜は、収納構造体の壁要素によって適所に保持され、収納構造体は、例えば（商標名デルリン（Delrin登録商標）としてデュポンから商業的に入手可能な）アセタール樹脂から形成されるリングのような、電気的絶縁素材から形成されるリングと同様に単純なものになるかもしれない。収納構造体はまた、リング以外の、さらにセンサに適応するために中空の内部容積を有する形状で形成することになるかもしれない。ガス透過膜は、好ましくはセンサの上に直接配置され、好ましくはまた、センサと処理装置及び／又はセンサアセンブリ全体を作り上げるその他の要素との間に延伸する電線をも囲む。結果として出来上がった構造体は、比較的に小さな容積の隔離されたガス流の使用に適応し、それはセンサの応答を改善する。
【００３４】
本ガスセンサアセンブリの収納構造体の容積中の隔離されたガス流はまた、センサが試料ガス量に曝される収納構造体内で、先行技術のセンサの対流特性に対して低減した対流特性を有し、それ故に、本構造において出力の損失を低減する。本センサアセンブリの性能は、センサアセンブリが試料ガス量から機械的に隔離されているから、試料ガスの流量によってほとんど影響を受けない。本センサアセンブリの収納構造体及びガス透過膜の障壁もまた、機械的な衝撃、液体汚染物質の小滴、塵埃等々のような、様々な形態の侵入及び汚染からセンサを保護する。最後に、本ガスアセンブリの好適な膜は、周囲の光を全く通さないで、外部環境から光に敏感なセンサを隔離する。
【００３５】
本隔離されたガスセンサ配置の利点は、熱的分離を備えると同時にセンサ応答にほぼ障害を生ずることなく、光、試料ガス流の流れ、機械的な侵入（取扱い、塵埃等々）、及び液体汚染物質の侵入から、センサを隔離することを含んでいる。
【００３６】
本発明の特別な段階、要素、実施形態及び応用が、示され述べられた一方で、改良が当業者によって、特に前述の教示に照らしてなし得るから、本発明が示され述べられたことに限定されないことは、当然理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本隔離されたガスセンサアセンブリの第一基本配置の断面を示す概略線図である。
【図２】概略的に図１に明示された配置を満たすガスセンサアセンブリのある実施形態の斜視図である。
【図３】図２のガスセンサアセンブリの組立分解斜視図である。
【図１】
2007519930.tif 000003
【図２】
2007519930.tif 000004
【図３】
2007519930.tif 000005
【国際調査報告】
2007519930.tif 000006
2007519930.tif 000007
2007519930.tif 000008