(57)【要約】本発明は、特に車両空調装置のための、少なくとも１つのガス濃度を測定するためのガスセンサに関する。本発明によるガスセンサには、基板（２）と、基板上に固定されたＩＲ放射線源（３）と、基板上に固定されたＩＲ検出器（４）と、測定したいガス濃度を有するガスを収容するための測定室（９）と、測定室（９）内でＩＲ放射線源（３）とＩＲ検出器（４）との間に配置された、ＩＲ放射線源（３）からＩＲ検出器（４）へ光軸（Ａ）に沿って直接伝達するＩＲ放射線（Ｓ）を遮蔽するための遮蔽装置（１２）と、ＩＲ放射線源（３）から送り出されたＩＲ放射線（Ｓ）を受容するための、凹状に湾曲させられた第１の鏡領域（７）およびＩＲ放射線（Ｓ）をＩＲ検出器（４）に向けて反射する、凹状に湾曲させられた第２の鏡領域（８）を有する反射面（６）とが設けられており、測定室（９）が反射面（６）と基板（２）との間に形成されているようにした。  これにより、簡単かつコンパクトな構造が可能であり、測定信号が大きく、しかも動的な測定特性が良好である。
2006514745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に車両空調装置のための、少なくとも１つのガス濃度を測定するためのガスセンサにおいて、
基板（２）と、
基板（２）上に固定されたＩＲ放射線源（３）と、
基板（２）上に固定されたＩＲ検出器（４）と、
測定したいガス濃度を有するガスを収容するための測定室（９）と、
測定室（９）内でＩＲ放射線源（３）とＩＲ検出器（４）との間に配置された、ＩＲ放射線源（３）からＩＲ検出器（４）へ光軸（Ａ）に沿って直接伝達するＩＲ放射線（Ｓ）を遮蔽するための遮蔽装置（１２，２２，３５）と、
ＩＲ放射線源（３）から送り出されたＩＲ放射線（Ｓ）を受容するための、凹状に湾曲させられた第１の鏡領域（７，３０，３３）およびＩＲ放射線（Ｓ）をＩＲ検出器（４）に向けて反射する、凹状に湾曲させられた第２の鏡領域（８，３１，３４）を有する反射面（６）とが設けられており、
測定室（９）が反射面（６）と基板（２）との間に形成されている
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
第１の鏡領域（７，３０）および第２の鏡領域（８，３１）が球状の横断面を備えて形成されている、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
反射面（６）が実質的に半円形に形成されている、請求項２記載のガスセンサ。
【請求項４】
反射面（６）が、第１の球状の鏡領域（３０）と、該第１の球状の鏡領域（３０）から光軸（Ａ）の方向で間隔を置いた第２の球状の鏡領域（３１）と、球状の鏡領域（３０，３１）を接続する中央の平坦な鏡領域（３２）とを有している、請求項２記載のガスセンサ。
【請求項５】
ＩＲ放射線源（３）およびＩＲ検出器（４）が反射面（６）に隣接する、請求項２から４までのいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項６】
ＩＲ放射線源（３）がＩＲ放射線（Ｓ）を、４５゜よりも小さな入射角の下で第１の鏡領域（７，３０）に向けて送り出す、請求項２から５までのいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項７】
反射面（６）が、その焦点にＩＲ放射線源（３）が配置されている第１の放物線状の鏡領域（３３）と、その焦点にＩＲ検出器（４）が配置されている第２の放物線状の鏡領域（３４）とを有している、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項８】
放物線状の鏡領域（３３，３４）が光軸（Ａ）の方向で互いに間隔を置いており、まっすぐな面領域（３２）を介して接続されている、請求項７記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記まっすぐな面領域が、反射する鏡領域（３２）として形成されている、請求項８記載のガスセンサ。
【請求項１０】
遮蔽装置（１２，３５）がＩＲ放射線源（３）の近傍に形成されているか、またはＩＲ放射線源（３）の部分、特にＩＲランプ（１０）を包囲する小形ハウジング（１２，３５）として形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項１１】
遮蔽装置がＩＲ検出器（４）の近傍に形成されているか、またはＩＲ検出器（４）の部分、特にＩＲ検出器（４）を包囲する小形ハウジング（２２）として形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項１２】
基板がプリント回路板（２）である、請求項１から１１までのいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項１３】
反射面（６）が、基板表面に対して平行に、かつ光軸（Ａ）に対して垂直に延びる長手方向（Ｌ）で一様に延在する、請求項１から１２までのいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項１４】
唯一のＩＲ放射線源（３）と、少なくとも２つの、長手方向（Ｌ）で相前後して配置された検出器（４）とが設けられている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス中での赤外線の吸収により、少なくとも１つのガス濃度を測定するためのガスセンサに関する。
【０００２】
単数のガス濃度または種々異なる個別ガスの複数のガス濃度を測定するためのセンサは現在主として医学的または生物学的な使用分野または火災検出で使用される。分光学的な測定原理では、ＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｏｔ）放射線、すなわち赤外線が、ガス混合物の、種々異なる個別ガスにより、それぞれ固有の波長域で吸収されることが利用される。それにより、個別ガスのガス濃度は、絶対的な吸収の測定により、または基準波長域との比較での相対的な吸収の測定により求められることができる。
【０００３】
この種のガスセンサは一般にＩＲ放射線源とＩＲ検出器とを有している。両者は光軸に沿って直線的に対向して位置している。関係するガス濃度が測定される、すなわちＩＲ放射線の吸収が行われる測定領域は、光軸に沿って、ＩＲ放射線源とＩＲ検出器との間に形成されている。ＩＲ検出器は受容されたＩＲ放射線を一般に熱起電力に変換する。
【０００４】
高い感度のために、この測定原理では、長い吸収経路、すなわち放射線源と検出器との間の相対的に大きな間隔が有利である。長い吸収経路の場合、検出器エレメントへの十分な放射線供給を得るために、相対的に強いＩＲ放射線源が使用される。この強いＩＲ放射線源は相応に高い電流消費量を有している。しかしながら、特に自動車分野での使用のために、この高い電流消費量は望ましいものではない。さらに、ＩＲ放射線源およびＩＲ検出器が共通のモジュールとしてインストールされているガスセンサが高出力であったり、コンパクトに形成されたりしている場合には、漸次的な加熱が発生する。この加熱は、熱起電力を介して測定される測定信号に誤謬をもたらす。このために、極めて高い手間をかけてのみ、補償が達成されることができる。
【０００５】
より短い吸収区間の場合、測定信号、特に信号対雑音比が低い。反射面の使用により、確かにまず吸収区間が拡大されることができる。しかしながら、一般により多くのコストが、必要な反射器により発生する。さらに、光学的な調整、場合によっては反射器の配置の事後的な修正も必要である。反射面での反射時にＩＲ放射線の一部が吸収され、なおかつ散乱による反射損失も発生するので、やはり測定信号が減じられる。さらに、反射器において、ガス循環により把握されないデッド領域が形成される恐れがあり、このデッド領域は動的な測定特性を難しくする。
【０００６】
これに対して、本発明によるガスセンサが有する特別な利点は、簡単で、安価で、コンパクトな構造が可能であり、それにもかかわらず、大きな測定信号、特に高い信号対雑音比が可能であり、動的な測定特性が良好であるという点にある。
【０００７】
ＩＲ放射線源およびＩＲ検出器が１つの共通の基板、有利にはプリント回路板上に取り付けられるので、例えばプリント回路板技術の標準的な実装法による、迅速で安価な製作が可能である。特に、唯一の基板面への装着はこの場合有利である。遮蔽装置により、ＩＲ放射線源とＩＲ検出器との間の直接的な信号伝達が阻止される。その結果、測定は本発明による凹状に湾曲させられた鏡領域を介して実施される。
【０００８】
湾曲させられた凹状の鏡領域は、有効な測定領域を光路の拡張なしに拡大する。有利には、それどころか集束、ひいては強度の向上が生ぜしめられることができる。測定室は反射面と基板との間に形成され、これにより大容積に、しかもそれにもかかわらずコンパクトに形成されることができる。
【０００９】
別の光学的なコンポーネントの、基板上への装着は不要である。反射面は手間のかかる調整や事後的な修正なしに装着されることができる。それというのも、基板、ひいては検出器および放射線源に対するその相対的な位置が簡単に確定可能であるからである。この場合、プリント回路板への装着時に、すぐに機能することができる電気的な構成郡が形成される。この電気的な構成郡は、包囲するハウジング内への組み込み前に直接検査されることができる。
【００１０】
反射面は反射器の内面として形成されていることができる。反射面は直接的に基板上に固定されるか、またはＩＲ放射線源およびＩＲ検出器に、ひいては間接的に基板上に固定される。これに対して択一的に、反射面がハウジングカバーの内面として形成されていてもよい。別の光学的なコンポーネントが不要であるので、簡単でコンパクトな構造が得られる。
【００１１】
全回路は常温でのコンタクト形成技術を介して外界に、例えばプリント回路板とハウジングとの間の圧入ピンを介して接続されることができる。その結果、安価で、確実で、迅速なコンタクト形成が１回の作業ステップで可能である。
【００１２】
横断面で見て球状、特に円筒形の反射面の使用時、ハウジングの全体的なサイズに比して長い吸収区間が実現可能である。放射線源が極めて密に反射面に配置されることにより、反射面での小さな入射角に基づいて、極めて僅かな放射損失、例えば４％程度の放射損失が発生するにすぎない。これにより、低い消費電力もしくは低い放射出力を有する放射線源が選択されることもできる。これにより、電流消費量は引き下げられる。この種の半円形もしくは円筒形の内面の場合、測定室内の最適なガス分布が達成されることができ、デッドボリュームまたはガスだまりが形成されることがない。それにより、正確かつ動的な測定が可能である。
【００１３】
放物線状の鏡領域の使用時、測定室内には、大きな有効な測定領域が、ＩＲ放射線の強い集束に基づく高い信号強度で形成されることができる。
【００１４】
本発明により、複数の検出器領域は長手方向で相前後して配置されていることができる。
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら本発明の幾つかの実施形態について説明する。
図１：円筒形の反射面を有する本発明によるガスセンサの断面図である。
図２：図１に示したＩＲ放射線源の拡大詳細図である。
図３：ハウジングカバーに固定されたもしくは統合された円筒形の反射面を有する別の実施形態によるガスセンサの断面図である。
図４：図３に示したセンサの反射面の斜視図である。
図５：本発明によるガスセンサの、ガス通過開口を有するプリント回路板の一実施形態の平面図である。
図６：２つの球状の鏡領域を備えた反射面を有する別の実施形態によるガスセンサの断面図である。
図７：２つの放物線状の鏡領域を有する別の実施形態によるガスセンサの断面図である。
【００１６】
ガス検出器１は、基板として役立つプリント回路板２と、プリント回路板２上に取り付けられたＩＲ放射線源（赤外光源）３と、プリント回路板２上に取り付けられたＩＲ検出器４とを有している。さらに、半円筒形の反射面６を有する反射器５が設けられている。反射器５はプリント回路板２と相俟って測定室９を包囲する。測定室９内で、単数または複数のガス濃度が測定される。本発明による反射面６は、少なくとも関係する赤外領域の放射線を反射し、かつ有利には金属層もしくは金属被覆として形成されているか、または完全に金属から形成されていることができる。
【００１７】
図２に詳細に示したＩＲ放射線源３は、ＩＲランプ１０、例えば白熱電球またはＩＲ−ＬＥＤと、本発明により遮蔽装置として役立つ小形ハウジング１２とを有している。小形ハウジング１２は、有利には４０゜〜６０゜、例えば５０゜の放射角αの下にあるＩＲ放射線だけを放出する。ＩＲ放射線源３およびＩＲ検出器４は円筒形の反射面６の近傍に配置されている。すなわち、反射面６の、ＩＲ放射線源３およびＩＲ検出器４からの間隔Ｘは、反射面６の円直径Ｙに対して著しく小さく、有利には１：２０〜１：４０、例えば１：３２の比にある。その結果、表面近傍での放射線転送だけが行われる。小形ハウジング１２は一方では、ＩＲ放射線がＩＲ放射線源３からＩＲ検出器４へ光軸Ａに沿って直接伝達してしまうことを阻止し、他方では、ＩＲ放射線をフラットな反射角の下でのみ円筒形の反射面６に向けて放出する。この場合、反射面６における反射角は例えば２０゜〜４０゜の範囲、例えば約３０゜にある。ＩＲ放射線は円筒形の反射面６で、ＩＲ検出器４に到達するまでに複数回、例えば図１では約２回〜４回反射される。ＩＲ検出器４は例えばサーモパイルエレメントとして形成されていることができる。サーモパイルエレメントは受容されたＩＲ放射線を温度差として測定し、熱起電力として出力する。これに対して択一的に、別のＩＲ検出器が設けられていてもよい。本発明による図示のガス検出器の場合、測定室９の、プリント回路板２および反射面６による遮蔽に基づいて、外的な放射線の影響はほぼ排除されている。唯一のガス濃度が測定される場合、１つの放射線フィルタだけが、選択的に放射線源の領域内に、または検出器の手前にもしくは検出器内に統合されて設けられていることが必要である。種々異なるガス濃度がガス固有に測定されるべき場合、検出器４は相応に、複数の、固有の放射線フィルタを備えた検出器領域に分割されていることができる。検出器領域はその都度の波長域における吸収を測定する。
【００１８】
ＩＲ放射線は本実施形態では、反射面６に沿って延在する狭い測定領域１３を満たすにすぎない。測定室９の、内側の領域は、ガスの検出のためには役立たない。小さな反射角に基づいて、反射面６で行われるＩＲ放射線の吸収は僅かにすぎない。その結果、複数回の反射にも関わらず、高い信号が達成される。加えて、図示の構造では、実質的にほぼ完全な、放射線源３から送り出された放射線がＩＲ検出器４により把握される。
【００１９】
測定室９と外室１４との間のガス交換は本実施例では長手方向で、すなわちプリント回路板２の表面に対して平行に、かつ光軸Ａに対して垂直に実施されることができる。さらに、プリント回路板２を貫いて延びるガス通路１５を介したガス交換が可能である。さらに原理的には、反射器５が部分的に格子として形成されていることにより、反射器５を貫くガス通路も可能である。
【００２０】
図３に示した実施形態では、プリント回路板２がハウジング下側部分１６上に取り付けられている。ハウジング下側部分１６上には、ハウジングカバー１９が放射線を通さないように載置されている。この場合、反射面６はハウジングカバー１９の凹状の内面に、例えばハウジングカバー１９への溶かし込みまたはハウジングカバー１９の円筒形の内面への金属層の蒸着により形成されている。
【００２１】
測定室９と外室１４との間のガス交換は本実施例では長手方向Ｌで可能である。このことは図４から見て取れる。ただし、閉鎖された前面および背面を備えた、ひいては長手方向Ｌでのガス交換を行わない構成も可能である。さらに、プリント回路板１０に設けられたガス通路１５を通したガス交換が可能である。ガス通路１５は多孔質の膜２０により閉鎖されている。
【００２２】
図３に示した実施形態では、遮蔽装置がＩＲ放射線源３の近傍ではなく、ＩＲ検出器４に設けられている。このために、サーモパイルチップとして形成されたＩＲ検出器４は小形ハウジング２２内に載置されている。小形ハウジング２２は接続ピン２３を介してプリント回路板２にコンタクト形成されている。この場合、ＩＲ放射線源３は、簡単な、遮蔽されていないランプ１０として形成されていることができる。円筒形の反射面６を備えた本実施形態でも、ＩＲ放射線源３およびＩＲ検出器４が反射面６の近傍に、例えば部分的に反射面６の下方に配置されている。
【００２３】
有利には、プリント回路板２の、ハウジング下側部分１６への固定およびコンタクト形成は、常温でのコンタクト形成技術（ｋａｌｔｅ  Ｋｏｎｔａｋｔｉｅｒｔｅｃｈｎｉｋ）を介して実施されることができる。このことはプリント回路板２の、図３に示した断面図および図５に示した平面図から見て取れる。この場合、プリント回路板２上に、少なくとも１つの圧入ソケット２４が形成されている。圧入ソケット２４は接続ピン２３に、図示されていない導体路およびパッドを介して接続されている。４つの圧入ソケット２４を形成することにより、その位置および配置に基づいて、プリント回路板２の固定的なはめあいが達成されることができる。圧入ソケット２４はハウジング下側部分１６の圧入ピン２６に差し込まれる。圧入ピン２６はハウジング下側部分１６の接続ソケット４４のコンタクト２５に接続されている。このことは図３に示した概略図に暗示されている。コンタクト２５を介して、検出器チップ４の電流供給および信号受信ならびにＩＲ放射線源３の電流供給が実施される。
【００２４】
図５から見て取れるように、有利には複数の検出器４が長手方向Ｌで相前後して、例えば単数または複数の関連する波長域および基準波長域を測定するために配置されている。それにより、相対的な測定が可能になる。長手方向Ｌで引き延ばされた、例えば円筒状の構造に基づいて、複数の検出器の配置が容易になる。その際、ＩＲ放射線Ｓの複数の光路は至近に相並んで位置する。その結果、ガスの流動状況は類似しており、それぞれ異なるガス状況または流動状況による誤謬は少なくとも極めて僅かである。
【００２５】
図６に示した実施形態では、ＩＲ放射線源３およびＩＲ検出器４がそれぞれ反射面６の球状の鏡領域３０，３１に配置されている。鏡領域３０，３１は中央の平坦な面領域３２を介して接続されている。本実施形態でも、断面図で示した反射面６は長手方向Ｌで延在する。その結果、面領域３０，３１は円筒形に形成されている。
【００２６】
やはり、ＩＲ放射線源３および検出器４は球状の鏡領域３０，３１の近傍に、例えば図１で説明したのと同じ、間隔Ｘの、球状の鏡領域の円直径Ｙに対する比を有して配置されている。ＩＲ放射線源３の小形ハウジング１２により形成される遮蔽装置は、ＩＲランプ１０の放射線Ｓの、球状の鏡領域３０に向かって方向付けられている部分だけを通過させる。本実施形態では、図１〜図４に示した実施形態に対して、原理的により大きな回数の、鏡領域３０，３１，３２から成る反射面６での反射が許可される。ここでも、反射はその都度相対的に小さな反射角の下で行われる。その結果、吸収、ひいては信号強度の損失が僅かである。中央の平坦な鏡領域３２により、測定領域１３は相応に拡大される。本実施形態でも、反射面６は、プリント回路板２もしくはＩＲ放射線源３および検出器４に固定された反射器５により形成されるか、またはハウジングカバーの内面として形成されていることができる。
【００２７】
図７に示した実施形態では、ＩＲ放射線源３および検出器４が、放物線状の鏡領域３３，３４の焦点に配置されている。放物線状の鏡領域３３，３４は、中央の平坦な面領域３２を介して接続されており、１つの共通の光軸Ａ上に位置する。やはり、中央の面領域３２は鏡領域として形成されていることができる。ただし本実施形態では原理的に、鏡を成さない面領域３２も可能である。
【００２８】
やはり、遮蔽装置として役立つ小形ハウジング３５は、反射面６の、放射線源３を包囲する放物線状の鏡領域３３に向かう放射線Ｓだけを通過させる。その結果、放射線Ｓは放物線状の鏡領域３３により光軸Ａに対して平行に反射される。放射線は理想的な形で、中央の面領域３２に衝突しない。入射する放射線Ｓは完全に、検出器４を包囲する第２の放物線状の鏡領域３４により検出器４に向けて集束される。本実施形態では、放射線Ｓにより通過される測定領域１３が理想的な形で、プリント回路板２と反射面６との間に形成される測定室９をほぼ完全に満たす。
【００２９】
それにより、図７に示した実施形態では、ＩＲ放射線Ｓの、２回きりの反射が、すなわち放物面鏡領域３３，３４で行われる。フォーカシングは、検出器４の、より小さな領域で可能である。しかし、本実施形態での反射は、図１〜図６に示した実施形態に比べてより大きな反射角でもって、ひいては、場合によってはより大きな放射損失を伴って実施される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】円筒形の反射面を有する本発明によるガスセンサの断面図である。
【図２】図１に示したＩＲ放射線源の拡大詳細図である。
【図３】ハウジングカバーに固定されたもしくは統合された円筒形の反射面を有する別の実施形態によるガスセンサの断面図である。
【図４】図３に示したセンサの反射面の斜視図である。
【図５】本発明によるガスセンサの、ガス通過開口を有するプリント回路板の一実施形態の平面図である。
【図６】２つの球状の鏡領域を備えた反射面を有する別の実施形態によるガスセンサの断面図である。
【図７】２つの放物線状の鏡領域を有する別の実施形態によるガスセンサの断面図である。
【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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【国際調査報告】
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2006514745.tif 000011
2006514745.tif 000012
2006514745.tif 000013
2006514745.tif 000014
2006514745.tif 000015
2006514745.tif 000016
2006514745.tif 000017