(57)【要約】  「Ｕ」字型に構成された折り返された光導波管を有するセンサボディであって、導波管は、導波管の一方の端から導波管の他方の端へ赤外線エネルギーを伝えるように構成されたセンサボディを有し、赤外線源が導波管の一方の端に設けられ、赤外線検出器が導波管の他方の端に設けられているシステム。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｕ字型に折り返された状態の光導波管であって、当該導波管の第１の端部から当該導波管の第２の端部へ赤外線エネルギーを伝えるように構成された光導波管を有する、センサボディ。
【請求項２】
請求項１において、
前記導波管の前記第１の端部に設けられた赤外線ソース入口と、
前記導波管の前記第２の端部に設けられた赤外線検出器とを有する、センサボディ。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１および第２の端部の近傍に配置された少なくとも１つのキャビティであって、自然対流による前記導波管に沿った気流の発生により当該少なくとも１つのキャビディを通って空気が流れる、キャビティを有する、センサボディ。
【請求項４】
請求項１において、
前記導波管は、第１のセクションと、第２のセクションと、第３のセクションとを含み、
前記第１のセクションは、第１の反射壁により前記第２のセクションに接続し、前記第２のセクションは、第２の反射壁により前記第３のセクションに接続し、
前記第１の反射壁は、前記第１のセクションを通じて伝わるエネルギーを前記第２のセクションに向けるように構成され、
前記第２の反射壁は、前記第２のセクションを通じて伝わるエネルギーを前記第３のセクションに向けるように構成されている、センサボディ。
【請求項５】
請求項４において、
赤外線ソース入口が前記導波管の前記第１の端部に配置され、赤外線検出器入口が前記導波管の前記第２の端部に配置されている、センサボディ。
【請求項６】
請求項５において、
前記第３のセクションに配置された光学円錐体であって、当該光学円錐体の狭窄部が前記赤外線検出器入口に向いて、前記検出器入口に配置された赤外線検出器上の光学強度が増強されるようにしている光学円錐体を有する、センサボディ。
【請求項７】
請求項５において、
前記第２の端部に配置された反射ミラーであって、前記反射ミラーは、前記第３のセクションを通じて伝わるエネルギーを前記導波管の光軸に対し光軸が直交するように配置された赤外線検出器へ向ける反射ミラーを有する、センサボディ。
【請求項８】
請求項７において、
前記反射ミラーは、エネルギーを散乱し、機械的不安定性に対する感度を低減する表面を含む、センサボディ。
【請求項９】
請求項５において、
前記第１の端部に配置された平行化する反射体であって、前記赤外線ソース入口に配置されたランプから光エネルギーを集光する反射体を有する、センサボディ。
【請求項１０】
請求項５において、
前記第１の端部に配置された反射ミラーであって、前記導波管の光軸に対し垂直な光軸を含む光源からの光エネルギーを導く反射ミラーを有する、センサボディ。
【請求項１１】
請求項１において、
前記導波管の前記第１の端部または前記第２の端部の近傍に配置された少なくとも１つの光学円錐体であって、赤外線検出器および赤外線源の少なくとも一方の光学強度を強化する光学円錐体を有する、センサボディ。
【請求項１２】
請求項１において、
当該センサボディの少なくとも一方の側に配置された少なくとも１つの空気入力ポートであって、前記導波管への空気の流入を可能とする入力ポートを有する、センサボディ。
【請求項１３】
センサボディを有するセンサであって、
前記センサボディは、第１の凹部を含む上部と、
前記第１の凹部と結合するように構成された第２の凹部を含む下部と、
当該センサボディの外面から少なくとも前記第１の凹部および前記第２の凹部の何れかに繋がる開口を設ける少なくとも１つのキャビティと、
赤外線源を取り付ける赤外線源口と、
赤外線検出器を取り付ける赤外線検出器口とを含み
当該センサは、さらに、
前記センサボディの前記赤外線源口に配置された赤外線源と、
前記センサボディの前記赤外線検出器口に配置された赤外線検出器とを有し、
前記第１の凹部および前記第２の凹部を結合すると、前記赤外線源から放出されたエネルギーを前記赤外線検出器へ伝達する導波管が形成された状態となる、センサ。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記上部は、当該上部の外縁に沿って配置された凸部または溝を含み、前記下部は、当該下部の外縁に沿って配置され、前記上部の前記凸部または前記溝と結合する、対応する溝または対応する凸部を含む、センサ。
【請求項１５】
請求項１３において、
前記上部および前記下部は同じ厚みで、前記センサボディの厚みの半分の寸法となる厚みを備える、センサ。
【請求項１６】
請求項１３において、
前記第１および第２の凹部は実質的に同程度の厚みであり、前記導波管の中のテーパ部分を除き、前記導波管のほぼ半分の部分をそれぞれが構成する、センサ。
【請求項１７】
請求項１３において、
塵および水分のバリヤとなる、少なくとも１つのインターロック機能であって、前記上部を前記下部に位置決めを行い、前記上部と前記下部とが横方向に動かないようにするインターロック機能を有する、センサ。
【請求項１８】
請求項１３において、
前記導波管は、Ｕ字型である、センサ。
【請求項１９】
請求項１８において、
前記赤外線源は前記導波管の第１の端部に配置され、前記赤外線検出器は前記導波管の第２の端部に配置され、
前記少なくとも１つのキャビティは、前記導波管の前記第１および第２の端部の間に配置され、前記キャビティを介して流入する空気が前記赤外線源により発生した温度差により自然対流することによる気流を設ける、センサ。
【請求項２０】
請求項１３において、
前記キャビティの上の前記外面に配置された少なくとも１つのフィルタであって、少なくとも塵および水分のいずれかが前記導波管に入ることを防げるフィルタを有する、センサ。
【請求項２１】
請求項１３において、
前記赤外線源の起動を制御し、前記検出器のエネルギー測定に関する測定データを取得し、少なくとも前記測定データおよび前記測定データに関する分析データのいずれかを少なくとも１つのコネクタピンを介して提供するように構成されたプリント配線基板であって、前記センサボディは、三点搭載システムを介して搭載されているプリント配線板を有し、
前記三点搭載システムは、前記プリント配線基板に配置された３つの搭載用の貫通孔と、
前記センサボディに配置された３つの搭載用のポイントであって、それぞれがネジ受け部を含む搭載用のポイントと、
３本のネジであって、当該ネジが前記ネジ受け部に噛み合わされると、前記３つの搭載用の貫通孔で囲んでいる前記プリント配線基板の少なくとも一部を前記３つの搭載用のポイントに搭載するネジとを含む、センサ。
【請求項２２】
請求項２１において、
前記センサボディの部分が前記プリント配線基板から隆起した状態になるように前記プリント配線基板に前記センサボディが搭載される、センサ。
【請求項２３】
請求項１３のセンサを使用してガスの存在または濃度を検出することを有する方法。 
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（関連出願の説明）
本出願は２０１３年１１月１１日に出願された米国特許出願番号第１４／０７７，００８号（ＧＥ整理番号２７２７７１−１）に関連し、その全体が参照によって、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する。
【０００２】
本明細書において開示される内容は、ガス分析に関連し、より詳しくは、ガスサンプリングおよび測定／分析の改良に関連する。
【０００３】
ガス分析センサは、特定のガスの存在（有無）および／または濃度を検出するために、光のガス吸収を使用することが多い。例えば、非分散型赤外線（ＮＤＩＲ）センサは、サンプル中の特定のガスの濃度を測定するために、測定対象の特定のガスが相対的に高いレベルの吸収を示す帯域に関連する特定の光の波長の吸収量を測定する。
【０００４】
ガス検出／分析がより便利になり、ＮＤＩＲセンサがより安価になって普及が進むにつれ、これらのセンサに対して、さらに多くのアプリケーションが想定される。柔軟性および／または経済性を考慮すると、ＮＤＩＲセンサのサイズを縮小することが望ましいであろう。しかしながら、ＮＤＩＲセンサの精度は、赤外線源と赤外線検出器との間隔であるガスサンプルサイズに直に影響を受けるであろう。残念なことに、従来のＮＤＩＲセンサ設計はセンサのサイズを縮小することとセンサの精度とのバランスをとらざるを得ず、それは、従来、ＮＤＩＲセンサのサイズを縮小することはガスサンプルサイズが大幅に減少することにつながるからであり、それによって、ＮＤＩＲセンサの精度が低下する可能性がある。
【０００５】
従って、ガスサンプリングが大きいとともに、フォームファクタ（形状因子）を低減した利益が得られる、改良型センサ設計を提供することは有益である。この目的および利点、および更なる目的および利点は、後述する実施例の詳細な説明で明らかになる。
【発明の概要】
【０００６】
本開示の実施形態では、導波管の形の設計を変えることにより、製造コストの低減および／または小型化されたガスセンサの精度を向上する。
【０００７】
一実施形態において、システムは、第１の端部から第２の端部へ赤外線エネルギーを伝える導波管として、「Ｕ」字型の折り返された光導波管を含むセンサボディ（センサ体）を有する。
【０００８】
第二の実施態様において、センサは、センサボディを有する。そのセンサボディは、第１の凹部を含む上部および第１の凹部と結合するように構成された第２の凹部を含む下部を含む。そのセンサボディは、さらに、少なくとも１つのキャビティであって、センサボディの外面から第１の凹部、第２の凹部、またはその両方に繋がる開口を設けるキャビティと、赤外線源を取り付ける赤外線源口（赤外線ソース入口）と、赤外線源を取り付けるように構成された赤外線源口とを含む。センサは、さらに、赤外線検出器を取り付ける（取り付けるように構成された）赤外線検出器口と、そのセンサボディの赤外線検出器口（赤外線検出器入口）に配置された赤外線検出器とを含む。結合されると、第１の凹部および第２の凹部は赤外線源から放出されたエネルギーを赤外線検出器へ伝達する（伝達するように構成された）導波管を形成する。
【０００９】
第三の実施形態において、方法は、センサを使用してガスの存在（有無）または濃度を検出することを有し、センサは、第１の凹部を含む上部および第１の凹部と結合するように構成された第２の凹部を含む下部を含むセンサボディを有する。センサボディはまた、センサボディの外面から第１の凹部、第２の凹部、またはその両方に繋がる開口を提供する少なくとも１つのキャビティと、赤外線源を取り付ける赤外線源用口と、赤外線源を取り付ける構成された赤外線源口とを含む。センサはまた、赤外線検出器を取り付ける赤外線検出器口と、センサボディの赤外線検出器口に配置された赤外線検出器とを含む。結合すると、第１の凹部および第２の凹部は赤外線源から放出されたエネルギーを赤外線検出器へ伝達する導波管を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明のこれらの、そしてまた他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明を、添付の図面を参照しながら読まれることにより、よりよく理解されるものであり、図面の全体にわたって同様の文字は同様のパーツを表す。
【図１】一実施形態であって、改良型ガスセンサを使用したガス測定のプロセスを示す図。
【図２】一実施形態であって、図１の改良型ガスセンサの斜視図。
【図３】一実施形態であって、改良型ガスセンサボディの製品化された下半分の上面図。
【図４】一実施形態であって、改良型ガスセンサボディの製品化された上半分の底面図。
【図５】一実施形態であって、改良型ガスセンサを介してガスを測定するプロセスを示す図。
【図６】一実施形態であって、図１の改良型ガスセンサの幾つかのシステムを含むブロックダイヤグラム。
【図７】図１の改良型ガスセンサの入出力（Ｉ／Ｏ）コネクタを再構成するプロセスを示す図。
【詳細な説明】
【００１１】
本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を以下に記載する。これらの実施形態を簡潔に説明することを目的としており、実際の実施状態のすべての特徴を本明細書に記載できるわけではない。いつくかのそのような実際の実施状態の開発においては、どのエンジニアリングまたはデザインプロジェクトにおいてもそうであるように、実施状態に固有の多数の判断（決定）が、開発者の特定の目的、例えばシステム関連および事業関連の制約との適合性により、また、実施状態ごとに異なり得るような目的を達成するために実行されなければならないことが理解されるべきである。さらに、この種の開発への取り組みは、複雑で時間がかかることとはいえ、本開示の恩恵を受けている当業者にとっては、設計、製作および製造の日常的な仕事であることが理解されるべきである。
【００１２】
本発明の各種実施形態の要素を導入するときに、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、その要素が１つまたは複数あることを意味する意図がある。用語「有する」、「含む」、および「備える」は、包含されていることが意図され、記載された要素の他に追加の要素があり得ることを意味している。
【００１３】
ここで図面に移り、まず図１を参照すると、改良型ガスセンサを使用するガス測定のためのプロセス１０の実施形態が提供される。ガス状（気体状）の環境１２は、測定される１つまたは複数のガスを含んでもよい。例えば、環境１２内の特定のガス濃度は、環境１２またはどこか他の場所における、ある変化に影響する１つまたは複数のプロセス制御をもたらすかもしれない。
【００１４】
一実施例において、暖房、換気および空気調和（ＨＶＡＣ）システムにより影響を受ける、ある環境１２が、特定のガスの存在に基づいて変化することがある。例えば、環境１２の二酸化炭素濃度は、環境１２内の人間の具体的な人数を示すことができ、これは、二酸化炭素濃度は人間の呼吸機能に起因し得るためであり、それにより、環境１２内の人間の人数の指標となり得る。この指標はＨＶＡＣシステムの制御に影響を与えるかもしれない。例えば、この指標が環境１２内にほとんど人間がいないことを示唆する場合、ＨＶＡＣシステムは、この指標が環境１２内により多数の人間がいることを示唆する状況とくらべて、より感度が低い方法で反応でき、結果として運転費用の節約になる。
【００１５】
正確な指標を得るために、改良型ガスセンサ１４は、環境１２内の特定のガス濃度を表す情報を集めてもよい。ＨＶＡＣの実施例において、環境１２内の二酸化炭素濃度に関する情報を改良型ガスセンサ１４により得ることができる。更に詳細に後述するように、改良型ガスセンサ１４はその製造費用を低減するように設計できる（例えば、改良型ガスセンサ１４を、２つのピースに分けて組み合わせる構成（ツーピースボディーアッセンブリ）を用いた簡略化された製造方法など）。さらに、センササイズの縮小とセンサ精度との両立性を向上させることが可能である（例えば、導波路の設計を改良することにより改良型ガスセンサ１４のフォームファクタを減らしながらガスサンプリングサイズを拡大できる）。改良型ガスセンサ１４は、センサ信号をプロセスコントローラ１６に提供し、環境１２内のガスの存在および／または濃度を示すことができる。それによりプロセスコントローラ１６がガスの存在および／またはガスの濃度を認識すると、プロセスコントローラ１６は１つまたは複数の制御しているプロセスを変更してもよい。このＨＶＡＣの実施例において、ＨＶＡＣコントローラは、ガスの存在および／または濃度により環境１２内にいると推定される人数に基づいて、ＨＶＡＣシステムの具体的な温度自動調節感度を定めることができる。したがって、改良型ガスセンサ１４を使用することにより、効率向上および／または経費節減を実現できる。
【００１６】
一実施形態において、改良型ガスセンサ１４は、さまざまな外部システム、例えばマイクロコントローラ、外部回路、他のセンサなどと通信可能なコネクションを提供するのに有益な多くの入出力（Ｉ／Ｏ）コネクタ（例えば、ピン、端末、など）を含んでもよい。本明細書において記載されている技術においては、改良型ガスセンサ１４を再構成するのに有益なデータを受信することに適している１つまたは複数の構成ピン（コンフィグレーションピン）として、単一のピン（または複数構成のピン）を使用できる。例えば、特定のデータをあるコンフィグレーションピンに伝えることにより、改良型ガスセンサ１４は送信されたデータに基づいて機能を変えることができる。実際に、単一の機能を特定のピンまたは複数のピンに割り当てるよりは、複数のピンがそれぞれ複数の機能を提供可能であることが望ましく、ある機能が１つまたは複数のコンフィグレーションピンを介して動的に選択されてもよい。したがって、より少ない数のピンを用い、改良型ガスセンサ１４の構成を幾つでもサポートすることができる。改良型ガスセンサ１４は様々なアプリケーションに用いてもよく、アプリケーションは、ＨＶＡＣシステム、リブリーザ・システム（再呼吸システム）（例えば、呼吸ガスを人間へ供給するのに有益な閉回路および／または開回路のリブリーザ・システム）、医療用システム、産業用システムなどを含む。
【００１７】
図２は、一実施形態に従って、図１の改良型ガスセンサ１４を斜視図により示している。上記したように、改良型ガスセンサ１４は、小さいフォームファクタ（形状因子、例えば、およそ長さ２．５ｃｍ×幅１．５ｃｍ×高さ０．５ｃｍ）でありながら、より大きなガスサンプリングサイズを備えている。この実施形態において、改良型ガスセンサ１４は、改良型ガスセンサ１４の内部ガス経路に繋がるセンサボディ２４のガス入口ポート２０および／または１つまたは複数の開口（例えば、キャビティ２２）を介してガスサンプルを得ることができる。
【００１８】
ＮＤＩＲセンサ（例えば、改良型ガスセンサ１４）のフォームファクタサイズを低減するときに、センサを環境の外部要因（例えば、塵および／または水分）から保護しながら、改良型ガスセンサ１４を通過する外気による適切な換気率を確保することに関する具体的な困難性が発生し得える。本実施形態において、キャビティ２２はフィルタ２６の下に配置されるために破線により表されており、フィルタ２６は、塵および水分が改良型ガスセンサ１４の内分に入ることを妨げるのに役立ち得る。フィルタの表面積が比較的大きいため、外気はフィルタ２６を通ってキャビティ２２の中に急速に拡散できる。例えば、フィルタの表面積は、ほぼ１．３３ｃｍ２であってもよい。さらに詳細に後述するように、外気（例えば、外気サンプル）は、キャビティ２２を通って改良型ガスセンサ１４の中の内部流路に流入でき、対流プロセスによってキャビティ２２から流出できる。
【００１９】
空気が内部流路を通って流れる際に、複数の具体的なガスの濃度を分析できる。例えば、センサボディ２４は、プリント配線基板（ＰＣＢ）２８と接続され、プリント配線基板２８は、制御された赤外線源（赤外線ソース、例えば、タングステンフィラメント電球、発光ダイオード（ＬＥＤ）、熱電性微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、レーザーなど）と検出器（例えば、熱電対列など）とのペアを提供する。赤外線源と検出器とのペアを用いて得られた、空気サンプルにより影響を受けた赤外線の特性を分析することは、空気サンプル内の、あるガス濃度を決定するために有益であり得る。以下でさらに詳細に後述するように、赤外線源と検出器とのペアは、ＰＣＢ２８のコネクタ（例えば、コネクタ端子またはコネクタピン）３０を介して提供される命令により制御できる。いったん特性が赤外線検出器によって読み込まれると、検出器の読み取り値および／または検出器の読み取り値から求められる分析データは、ＰＣＢ２８のコネクタピン３０を介して改良型ガスセンサ１４の出力として提供され得る。
【００２０】
改良型ガスセンサ１４の基本機能を記載したので、次に、改良型ガスセンサ１４の機械的設計および実装を説明する。ＮＤＩＲセンサ（例えば、図２の改良型ガスセンサ１４）の製作性および／または組立性を改善するために、センサは、２つのピースで組み立てることができる。図３に、一実施形態であるが、改良型ガスセンサボディ（例えば、図２のセンサボディ２４）の製品化された下半部５０の上面図を示し、図４に、一実施形態であるが、改良型ガスセンサボディ２４の製品化された上半部５２の底面図を示している。すなわち、図３および４は、下半部５０および上半部５２のそれぞれの裏側を上から見たときの内部の様子を図示したものである。これらの部品は互いに結合され、共通のプリント配線基板（ＰＣＢ）に搭載されるように設計されているので、まず、まとめて簡単に説明してから、それぞれのピースの具体的な構成をより詳細に説明する。さらに、図３および４で示す実施形態では、２つのピース（例えば、改良型ガスセンサ１４の両半部５０および５２）は厚みが等しいとして説明しており、製造しやすく、安定した例であるが、結合線が組立の完了した改良型ガスセンサ１４の中心を直に通らない（例えば、均等な上半部および下半部ではない）別の実施形態であってもよい。
【００２１】
図３および４で示された２つのピース（部材、部品）は、一組のインターロック機能によって互いに連結してもよく、インターロック機構は結合線に沿って塵および水分のバリヤを形成するとともに、結合のガイドにもなり組み立てを簡単にするとともに結合線を埋めるのを接着剤または他のシーリング材料に頼らなくてもよくなる。例えば、下半部５０は、上半部分５２の溝５６と結合するように設計された自動（自律）位置決め用（整合用）の凸部５４を含む。他の実施例では、下半部５０は、上半分５２の凸部と結合するように設計された自動位置決め用の溝を含んでもよい。更に、２つのピースは、付加的な結合機能、例えば１つまたは複数の剪断ジョイント（シェアジョイント）、段差状のジョイント（ステップジョイント）、突合せジョイント、および／または、ピンとホールとによる機構などであって、塵および／または水分のバリヤを提供でき、および／または、上下半部５０および５２の間の横方向の移動を排除または低減できるものを含んでいてもよい。図示された実施形態においては、ホール５８およびピン６０は、連結されたときに下半部５０および上半部５２の側方への移動を減らすために、中央に配置される。ホール５８およびピン６０は、下半部５０および上半部５２が結合されると、互いと嵌り合うように設計されている。
【００２２】
下半部５０および上半部５２により構成されるセンサボディ２４は、図３に示したように、ＰＣＢ２８に実装（搭載）されるように設計されている。いくつかの実施形態においては、搭載システム（実装システム、例えば、三点搭載システム６２）は、下半部５０をＰＣＢ２８に搭載するために用いることができる。さらに、搭載システムは上半部５２を下半部５０に取り付け、センサボディ２４全体を形成するために用いることができる。上記のように、凸部５４は、溝５６と嵌り合うように設計されている。結合されたときに、締め付け機構は下半部５０および上半部５２を固定できる（例えば、搭載システムの各点（例えば、三点搭載システム６２の各点）を通して提供されるネジにより）。
【００２３】
三点搭載システム６２の構成において、三点搭載システム６２は、センサボディの一方の端が２つのコーナーマウント６４を含み、センサボディの他方の端は１つの中央マウント６６を含むような構成であってもよい。他の実施形態においては、搭載システム（取り付けシステム）は、位置が異なる配置を含むことができ、または異なる数の搭載ポイントを使うことができる。
【００２４】
しかしながら、三点搭載システム６２を使用することにより、ＰＣＢ２８とセンサボディ２４との間の機械的安定性を強化できる。さらに、ＰＣＢ２８とセンサボディ２４との間の応力伝達が、三点搭載システム６２を用いることにより低減できる。ある種の実施形態においては、センサボディ２４は、三点搭載システム６２を除き、ＰＣＢ２８から隆起（より上）していてもよい。これにより、いっそう多くのＰＣＢ資産（スペース、例えば、センサボディ２４の隆起した部分とＰＣＢ２８との間）が得られる。他の実施形態では、センサボディ２４全体またはセンサボディ２４の他の部分は、ＰＣＢ２８に対して平らに実装されてもよい。
【００２５】
搭載システムのポイントの数、センサボディ２４、または搭載されたセンサボディ２４がＰＣＢ２８に対して平らな部分であっても、それらに関係なく、メカニカルな締め金具（例えば、ネジ）を、センサボディ２４をＰＣＢ２８に搭載するために搭載ポイントで使用できる。これは付加的な効果、たとえばセンサボディ２４をＰＣＢ２８に搭載する際に接着剤の使用を少なくできることによりメカ的効率が上がり、製造効率も向上する。しかしながら、特定の実施形態においては、エポキシ樹脂または超音波溶接のような他の締め付け機構により下半部５０を上半部５２に接合することができ、ネジ、ヒートステーク（熱した棒）、かしめおよび成形、および／または接着剤を用いてセンサボディ２４とＰＣＢ２８とを結合してもよい。
【００２６】
センサボディ２４の基本的な機械的設計およびＰＣＢ２８に対するセンサボディ２４の搭載について説明したので、次に、改良型ガスセンサ１４の動作の詳細な説明を行う。図３に示すように、下半部５０は、ＰＣＢ２８上に配置された赤外線源（例えば、光源）７０を受け入れるように設計された赤外線源口（赤外線源用開口、赤外線ソース入口）６８を含んでもよい。さらに、下半部５０は、ＰＣＢ２８上に配置された赤外線検出器（例えば、光検出器）７４を取り付ける（受け入れる）ように設計された赤外線検出器口（赤外線検出器用開口、赤外線検出器入口）７２を含んでもよい。さらに、下半部５０および上半部５２はそれぞれ、下半部５０および上半部５２が結合されたときに、ある形状（例えば、「Ｕ」字型）の導波管７８を形成するような形状（例えば、「Ｕ」字型）の凹部７６を含む。赤外線源７０は成形された導波管７８の一方の端に位置し、赤外線検出器７４は成形された導波管７８の他方の端に位置する。図示するように、特定の形状の導波管７８は、折り返された形状（例えば、「Ｕ」字型）に設計されている。さらに、成形された（特定の形状の）導波管７８の横断面は、矩形、正方形、六角形、八角形、円形、または他のいかなる形状であってもよい。さらに、成形された導波管７８の一部分（例えば、部分８０）は、線８２に示すように、テーパ状であり、赤外線検出器７４に円錐８１の狭い部分８３が向いたテーパ状の光学円錐体８１を形成してもよい。この光学円錐体８１により、成形された導波管７８に沿った赤外線源７０から赤外線検出器７４までの最適な光学放射照度（最適な光学放射強度）を確保できる。
【００２７】
図３および４に示したように、赤外線源７０は、成形された導波管７８の第１のセクション（区域）８８で放射８６を行う。下半部５０および上半部５２は、反射材料、例えば、金でコーティングされたプラスチックで形成できる。反射材料を使用することにより、センサボディ２４内で角度を付けられた壁を使用して、エネルギーの保持および適切なエネルギーの再方向付けを確実に行える。例えば、実施形態によっては、赤外線源７０の光軸が、成形された導波管７８の光軸と直交する場所に、（後述する）光学ミラー８４と類似の光学ミラーを含めることができる。反射ミラーが平面である場合、反射ミラーを４５度の角度で配置することにより、エネルギーの方向を９０度変更することができる。しかしながら、実施形態によっては、ミラーが平面でない（例えば、楕円形である）ときは、ミラーは異なる角度（例えば、＋／−３０度）で配置してもよい。
【００２８】
加えて、いくつかの実施形態においては、平行反射鏡（平行化用反射鏡）７１は、光源７０からの光エネルギー（例えば、放射８６）を集めて、検出器７４の方向に導くことができる。平行反射鏡７１の形状および／または有無、および／または第１のセクション８８の形状は、赤外線源７０の構成に基づいて変えられる。例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）および／または半導体赤外線源が使われるときは、光学円錐体８１と類似の光学円錐体を成形された導波管７８の第１のセクション８８に追加して配置してもよい。
【００２９】
放射（エネルギー放射）８６が第１のセクション８８の端に達すると、放射８６は反射壁９２により、成形された導波管７８の第２のセクション９０に反射され、次に、反射壁９６により第３のセクション９４に反射される。反射ミラー８４に到達すると、放射は、記号９８で示すように赤外線検出器７４の光軸の方向に向けられる。赤外線検出器７４は、放射９８の上下の波長範囲（例えば、約２〜６マイクロメートルの範囲外の波長）が赤外線検出器７４へ透過しないように排除するバンドパスフィルタ１００を含むことができる。したがって、赤外線検出器７４により受光される波長帯はフィルタ１００により制御でき、それにより、測定対象のガスにより特に影響を受ける波長帯を検出および／または分析できる。
【００３０】
赤外線検出器７４の光軸（例えば、光が赤外線検出器７４に入る面）は、成形された導波管７８の光路に対して垂直に配置されてもよい。したがって、センサボディ２４内（例えば、上半部５２）に反射ミラー８４を配置し、ミラー８４に達する赤外線源７０からの放射を赤外線検出器７４の垂直な光軸の方向へ向けることができる。いくつかの実施形態においては、ミラー８４は散乱機能８５を含でもよく、それにより検出器７４の表面におけるエネルギーを拡散させることにより機械的な不安定性に対する感度を低減することができる。上述のように、反射ミラー８４が平面である場合、反射ミラー８４を４５度の角度で配置することにより、エネルギーの方向を９０度変更できる。しかしながら、実施形態によっては、ミラー８４が平面でない（例えば、楕円形である）場合、ミラー８４は異なる角度（例えば、＋／−３０度）で配置してもよい。
【００３１】
いくつかの実施形態においては、赤外線検出器７４の光軸は、形成された導波管７８の光軸に揃っていてもよい。このような実施形態では、エネルギーの向きを変える必要がないのでミラー８４はなくてもよい。
【００３２】
赤外線源７０を使用することにより、成形された導波管７８の赤外線源７０側の端と、成形された導波管７８の赤外線検出器７４側の端との間に温度差が生じる。したがって、矢印１０２で示すように、外気が図２のフィルタ２６を介してキャビティ２２を通って流れ、その空気が温度差によって作られる対流により移動できる。赤外線源７０、赤外線検出器７４およびキャビティ２２は、成形された導波管７８の端部の近傍に配置されているため、成形された導波管７８とキャビティ２２との間の空気が急速に、また完全に交換され得る。この効率的な換気により常にガスサンプルは新鮮になりセンサ精度を向上できる。
【００３３】
次に、改良型ガスセンサ１４に関する操作を説明し、図５に、実施形態として、改良型ガスセンサ１４を介してガスを測定するプロセス１０４を示している。改良型ガスセンサ１４を校正する（ブロック１０６）。例えば、目的（測定対象）のガスの存在により影響されない状態で、赤外線源から検出器７４に達するエネルギーが測定され、記録される。この測定により、成形された導波管７８の反射特性、光源の構成（例えば、種類、放出された波長など）、および／または検出器７４の構成（例えば、フィルタ構成）を取得できる。
【００３４】
改良型ガスセンサ１４が校正されると、サンプルがガス環境１２から集められる（ブロック１０８）。例えば、ガスはガス吸気ポート（ガス入口ポート）２０、センサボディ２４の上方に配置されたキャビティ２２、および／または、センサボディ２４の側方または下方に配置された１つまたは複数のキャビティを通して集められる。上記のように、収集された空気は、キャビティ２２および／または他のキャビティを通って流入し、成形された導波管７８のそれぞれの端における温度差、および／またはキャビティ２２および／または他のキャビティでの温度差によって生じる自然対流により、成形された導波管７８に沿って進み、キャビティ２２および／または他のキャビティから排気される。成形された導波管７８を空気が通ることにより、空気中の目的のガスの有無および／または濃度を分析できる。
【００３５】
空気を分析するために、赤外線源７０が起動される（ブロック１１０）。上記のように、赤外線源７０により発生されたエネルギー（例えば、放射）は、成形された導波管７８のセクション８８、９０および９４に沿って流れ、赤外線検出器７４に到達する。エネルギーが成形された導波管７８を通ると、エネルギーは目的のガスの存在によって影響を受ける。例えば、エネルギーの一部は、目的のガスにより吸収され得る。したがって、校正ステップの間に検出器７４に到達したとして測定されたエネルギー量は、目的のガスが存在するときに検出器７４に到達するエネルギー量と異なり得る。したがって、検出器７４に到達するエネルギー量を検出することにより（ブロック１１２）、検出されたエネルギー量が校正時の測定と比較され、失われたエネルギー量が測定される（ブロック１１４）。次に、測定されたエネルギーのロス量が、空気中の目的のガスの有無および／または濃度を定量的に判断するために用いられる（ブロック１１６）。赤外線源７０の起動（ブロック１１０）は変調ベースで行うことが可能であり、所望の期間だけ光源７０をオンし、次に別の期間だけ光源７０をオフし、光源７０をオンに戻すといった処理が伴う。
【００３６】
ここで図６に移り、この図は、一実施形態であって、改良型ガスセンサ１４の特定のシステムを示すブロックダイヤグラムである。示された実施形態において、電源１１８は、ランプドライバ１２０に導電的に接続される。電源１１８は、例えば、光源（例えば、赤外線源）７０を作動するのに適している範囲、例えば３〜１０ＶＤＣの間の範囲の直流電圧（ＶＤＣ）の電力を供給できる。したがって、ランプドライバ１２０は光源７０を、成形された導波管７８内に入ったガス１２２（例えば、ＣＯ２）を、より正確に測定するために有益な、特定の望ましい間隔で変調（例えば、オン／オフ）することができる。上記のように、フィルタ２６は粒子、例えば塵のフィルタリング機能を提供するが、ガス１２２が成形された導波管７８内へ拡散するのを可能とする。次に、光源７０により生成される光１２４は、成形された導波管７８を横断して検出器７４に作用する。次に、検出器７４はガス１２２の量に相関する信号を生成することができ、次に信号を処理システム１２６に送信できる。
【００３７】
処理システム１２６により使用される電力は、例えば、電源１１８に電気的に接続された低損失（低ドロップアウト（ＬＤＯ））電圧レギュレータ１２８により供給される。ＬＤＯ電圧レギュレータ１２８は入出力差動電圧が小さく、より効率的に処理システム１２６を駆動する出力電圧を供給できる。例えば、ＬＤＯレギュレータは、動作電圧が低く、動作効率が高く、熱損失が低く、改良型ガスセンサ１４の動作のエネルギーを全体的に改善できる。
【００３８】
処理システム１２６は、検出器７４により送られた信号を受信でき、その信号を、検出されたガス１２２の量を表すデータに変換できる。示された実施形態において、処理システム１２６は、ガス（例えば、ＣＯ２）温度センサ１３０、アナログ・デジタル変換（Ａ／Ｄ）システム１３２、デジタル信号処理（ＤＳＰ）システム１３４、メモリ１３６、およびプロセッサ１３８を含むことができる。処理システム１２６は、後で詳しく述べるように、拡張ガスセンサ１４がＩ／Ｏ（入出力）ピン３０をどのように駆動するかを動的に再構成するのに有益なＩ／Ｏ再構成システム１４０を含んでもよい。
【００３９】
使用中に、検出器７２を介して送信される信号は、ガス温度（例えば、温度センサ１３０により測定されたガス温度）を考慮して変換され、Ａ／Ｄシステム１３２およびＤＳＰシステム１３４により処理され、例えば、改良型ガスセンサ１４により検出されたガスの量を表すデジタルデータに至る。Ａ／Ｄシステム１３２はアナログ信号をデジタルデータに変換するために用いられ、ＤＳＰシステム１３４はデジタルデータ（例えば、デジタルコード化された値の流れ）を処理し、フィルタリング、特定の技術（例えば、フーリエ変換、ｚ面分析、波面分析など）を適用し、検出されたガス量の算出に用いられる。一実施例において、メモリ１３６は、コンピュータにより実行可能なコードまたは命令を保存でき、ガス量に関する方程式、校正値、校正用の方程式、などを含み、プロセッサ１３８により実行され、検出されたガスの量を算出できる。実際に、メモリ１３６には、本願明細書に記載されている全てのプロセスを実装するコンピューターコードまたは命令を保存でき、それは、たとえば図５および７のプロセスなどであり、プロセッサ１３８はそれらのコードを実行できる。
【００４０】
再構成システム１４０は、センサのＩ／Ｏピン３０を動的に再構成するのに適している。例えば、ピン６は、残りのピン１、２、３、４、および５に関する機能を選択するために用いられるピンとして選択できる。したがって、ピン６は、電圧、負荷（例えば、抵抗または電流）、またはそれらの組み合わせを検出でき、再構成システム１４０は、その検出結果により、残りの入出力ピン１〜５をどのように動作するかを変更できる。所望の機能（例えば、センサ機能）の選択は、例えば、改良型ガスセンサ１４の電源を入れるとき、所望のスケジュールまたはサイクルで（例えば、１０秒ごと、１分ごと、５分ごと、１０分ごと、１時間ごとに）、所望のセンサ動作時間で（例えば、１０秒の動作後、１分の動作後、５分の動作後、１０分の動作後、１時間の動作後）、再構成システム１４０により受信されたコマンド（例えば、Ｉ／Ｏピン１〜５の１つまたは複数を介して外部システムから受信されたコマンド）により指示されたとき、またはそれらの組み合わせにより、行うことができる。再構成システム１４０は、ハードウェアとして（例えば、特定用途向け集積回路［ＡＳＩＣ］、フィールドプログラマブル・ゲートアレイ［ＦＰＧＡ］、カスタムチップまたは他の回路として）、プロセッサ１３８により実行可能でメモリ１３６に格納されたソフトウェアとして、または、それらの組み合わせとして、提供できる。
【００４１】
任意の数のセンサ機能が、ピン６へ伝達する電圧および／または負荷による指示を介して選択でき、下記の表１は、以下の通り３つの異なるセンサ機能をリストにしている。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
センサ機能１では、ピン６に提供される指示は負荷（ロード）であり、たとえば１０ｋオームの負荷である。これにより、再構成システム１４０は、センサ１４を、ＭｏｄＢｕｓトランシーバを介した通信に適しているＵＡＲＴプロトコルを含む、汎用非同期送受信回路（ＵＡＲＴ）プロトコルが使われるように構成できる。このため、ピン１はＵＡＲＴ送信を提供するように構成され、ピン２はＵＡＲＴ受信を提供するように構成され、ピン３は正電圧と接続するように構成され、ピン４は負電圧またはグランド（アース）と接続するように構成され、ピン５はパルス幅変調（ＰＷＭ）データ通信を提供するように構成される。
【００４４】
センサ機能２では、ピン６に提供される指示は、負電圧またはグランドで構成される。それにより、再構成システム１４０は、センサ１４をＩ−ｓｑｕａｒｅｄ−Ｃ（アイスクエアシー）、ＩｔｏＣ（アイトゥーシー）、またはＩ２Ｃと参照される、インター・インテグレイティッド・サーキット（集積回路間）が使われるようにセットする。このため、ピン１はシリアルデータ線（ＳＤＡ）を介してＩ２Ｃ送信を提供するように構成され、ピン２はクロック線を介してＩ２Ｃ受信を提供するように構成され、ピン３は正電圧と接続するように構成され、ピン４は負電圧またはグランドと接続するように構成され、ピン５はパルス幅変調（ＰＷＭ）データ通信を提供するように構成される。
【００４５】
センサ機能３では、ピン６に提供される指示は、正電圧で構成される。それにより、再構成システム１４０は、しきい値出力信号が提供されるように、センサ１４を構成できる。すなわち、センサ１４は、ガス量のしきい値に達したまたは越えたことを表す信号を通信できる。このため、ピン５は第１のしきい値を超えたときに第１の信号を提供するように構成され、ピン２は第２のしきい値を超えたときに第２の信号を提供するように構成され、ピン３は正電圧と接続するように構成され、ピン４は第３のしきい値を超えたときに第３の信号を提供するように構成される。３つのセンサ機能が記載されているが、機能は幾つでも提供でき、その中に、Ｉ／Ｏピン３０がＦｏｕｎｄａｔｉｏｎフィールドバス通信、ＨＡＲＴ通信などを提供する機能が含まれてもよいことに留意する必要がある。Ｉ／Ｏピン３０の再構成を提供することにより、開示した技術でピンの数が最小限で、ピン３０により提供され得る通信の種類を増やすことができる。実際に、一連のピン３０に表１に記載されたセンサ機能をそれぞれ割り当てると、１８本のピン（例えば、６本のピン×３つの機能）が必要になるのに対し、開示した技術によれば６本のピンを用いて同じ機能を提供できる。開示した技術は、環境状態を検出する他のセンサ、例えば、湿度センサ、温度センサ、圧力センサ、流量センサ、化学センサ、隙間（例えば、移動部品と静止部品との間の距離）センサ、振動センサ、スピードセンサなどにも適用できる。
【００４６】
次に図７は、上記の図６に示されたＩ／Ｏコネクタ３０の再構成に適したプロセス１５０を示しているフローチャートである。プロセス１５０は、コンピュータにより実行可能なコードとして実装でき、メモリ１３６に格納され、センサ１４のプロセッサ１３８により実行される。プロセス１５０は、例えばピン６に伝達される電圧および／または負荷により、再構成指示（ブロック１５２）を受信できる。次に、指示に基づいて、プロセス１５０は、１つまたは複数のセンサ機能、たとえば上記の表１に記載された機能などを取得できる（ブロック１５４）。上記のように、Ｉ／Ｏピンを再構成する指示は、センサ１４の電源を入れたとき、所望のスケジュールまたはサイクルで（例えば、１０秒ごと、１分ごと、５分ごと、１０分ごとに、１時間ごと）、所望のセンサ動作時間で（例えば、１０秒の動作後、１分の動作後、５分の動作後、１０分の動作後、１時間の動作後）、再構成システム１４０により受信されたコマンド（例えば、１つまたは複数のＩ／Ｏピン１〜５を介して外部システムから受信されるコマンド）により指示されたときに、またはそれらの組み合わせで、発生してもよい。
【００４７】
センサ１４は、次に、環境状態、たとえば、存在するガス（例えば、ＣＯ２）の量などを検出できる（ブロック１５６）。例えば、センサ１４は、ガスの量を計測するために、図５のプロセス１０４を適用できる。次に、環境状態を表すデータ、または他のいかなるデータも、Ｉ／Ｏピン３０を介してセンサ１４と通信可能に接続する任意の数の外部システムに伝えることができる（ブロック１５８）。次に、外部システム（例えば、ＨＶＡＣシステム、リブリーザ、産業システム、産業コントローラ、化学システム、医療システム）は、制御アルゴリズムなどで使用するために、そのセンサデータを更に処理できる。再構成可能なＩ／Ｏピン３０を用いることにより、開示された技術で、センサの柔軟性を改善するとともに、ピンのサイズおよび／またはコネクタのサイズを最小化できる。
【００４８】
本願明細書に記載されている実施形態の技術的な効果は、精度を維持しながらＮＤＩＲセンサの寸法を低減できることを含む。加えて、技術的な効果は、最小のピン数で様々なセンサ機能を提供することに適した、Ｉ／Ｏコネクタの再構成を含む。さらに、これらの実施形態は、センサ製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
【００４９】
この明細書は、最良の形態を含む本発明を開示し、当業者が、装置またはシステムを製作したり、使用したり、関連する方法を実行可能とするためにいくつかの例を用いている。本発明の特許性のある範囲は、請求項により定義され、当業者が考えつく他の実施例も含まれ得る。請求項の用語と異ならない構成要素を有する他の例、または、それらが請求項の用語と異なっても等価な構成要素を含む他の例は、請求項の範囲内であると理解される。
【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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