(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲空気中の揮発性有機化合物の微小濃度を検出するためのセンサであって、
ａ．透明な窓を有する閉じたハウジングの中に収容された紫外線光源を有し、
ｂ．前記窓に隣接して設置された検出器セルを有し、該検出器セルは、貫通するパターン状の穴を有するディスク形状の誘電体部材と、このディスク形状の部材の両側の外面にメッキにより直接付けられた金属層と、この金属層の各々の上に直接コーティングすることで形成された誘電体コーティングとを有していて、前記金属層と前記誘電体コーティングとが前記誘電体部材に付着されて一体となっており、前記穴が前記周囲空気及び前記揮発性有機化合物に開口しており、
ｃ．前記誘電体部材に挟まれた前記金属層間に電圧差を加えて前記誘電体部材に電界を形成するための手段を有し、
ｄ．前記金属層へ取り付けられているとともに増幅器へ接続されている導体を有するセンサ。
【請求項２】
前記紫外線光源が、不活性ガスを収容したガス放電ランプと、このガス放電ランプへ隣接して容量的に加えられる高周波電圧により前記ガスを励起するための手段を有する請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記ガスを励起するための手段が、前記ガス放電ランプの外面に直接付けられた金属層を有し、この金属層へ高周波電圧が加えられる請求項２記載のセンサ。
【請求項４】
前記不活性ガスがクリプトンである請求項３記載のセンサ。
【請求項５】
前記誘電体部材がアルミナセラミック材料から形成されたウェハーである請求項３記載のセンサ。
【請求項６】
前記ガス放電ランプがガラスの囲みを有し、前記窓がフッ化マグネシウム構造である請求項５記載のセンサ。
【請求項７】
前記ガスを励起するための前記手段が高周波発生器を有し、この高周波発生器が高周波電圧を発生するオートトランスを有している請求項２記載のセンサ。
【請求項８】
前記ガスを励起するための前記手段が、高周波電圧を発生するための圧電発生器を有する請求項２記載のセンサ。
【請求項９】
前記検出器セルが、前記外側金属層の間において前記ディスク形状の部材内に中間の導電層を有している請求項１記載のセンサ。
【請求項１０】
放射によってイオン化可能なガスを検出するためのセンサであって、
ａ．放射を外部へ通す窓を有する放射源を有し、
ｂ．前記放射源の外側で前記窓に隣接して設置された検出器セルを有し、該検出器セルが、両面に至り貫通する一つあるいは複数の開口部を有する誘電体材料から形成されており、また前記両面の各々にメッキにより直接付けられた金属層を有し、さらに前記金属層の各々を覆う誘電体層を有し、該誘電体層は前記金属層の各々に直接コーティングすることにより形成されていて、前記金属層と前記誘電体層とが前記誘電体材料に付着されて一体となっており、
ｃ．前記金属層間に接続されていてこれらの間に電界を形成するための電圧源と、前記電界によって形成された電流を受けて増幅するように接続された増幅器とを有するセンサ。
【請求項１１】
前記放射源が、高周波電圧によって励起可能な不活性ガスが充填されたガス放電装置と、前記不活性ガスを励起するために前記ガス放電装置に隣接して加えられる高周波電圧の電圧源とを有し、前記ガス放電装置によってフォトンが放出される請求項１０記載のセンサ。
【請求項１２】
前記検出器セルが、貫通するパターン状の穴を有するウェハー形状の誘電体材料を有しており、前記ガス放電装置によって放出されるフォトンを受けるように前記パターン状の穴が配置されている請求項１１記載のセンサ。
【請求項１３】
前記ウェハー形状の誘電体材料がアルミナセラミック材料から成っている請求項１２記載のセンサ。
【請求項１４】
前記不活性ガスがクリプトンである請求項１３記載のセンサ。
【請求項１５】
前記ウェハー形状のセラミック材料内に中間の金属層が設けられており、この中間の金属層が前記外側の金属層の間に位置していて、アースに接続されている請求項１４記載のセンサ。
【請求項１６】
前記増幅器へ接続されたディスプレイデバイスをさらに有し、このディスプレイデバイスが、検出されて前記増幅器によって増幅された電流を目視可能に表示するための手段を有している請求項１４記載のセンサ。
【請求項１７】
周囲空気中の揮発性有機化合物を検出するためのセンサであって、
ａ．励起によって高周波領域でフォトンを発生するようなガスを収容しているガス放電装置を有し、該ガス放電装置はガラスから形成されていて、少なくとも部分的に前記フォトンが透過できる外面を有し、
ｂ．高周波源と、前記ガス放電装置の外面上に設けられた一対の金属領域とを有し、前記高周波源が前記一対の金属領域へ接続されていて前記ガスを高周波励起し、
ｃ．前記ガス放電デバイスに隣接して設置されたガス検出器セルを有し、該検出器セルが周囲空気中の揮発性有機化合物のイオンを集めるように設置されており、前記ガス検出器セルが両面に至り貫通する一つあるいは複数の開口部を有するセラミック材料から形成されており、前記両面がその上に直接メッキすることでコーティングされた金属層を有し、この金属層がその上に直接コーティングすることで形成された誘電体層を有していて、前記金属層と前記誘電体層とが前記ガス検出器セルの材料に付着されて一体となっており、
ｄ．前記金属層へ接続されていて、これらの金属層の間に電界を形成する電圧源と、前記金属層へ接続されていて、前記電界によってつくられた電流を増幅する増幅器とを有し、
前記ガス放電装置からのフォトンが前記ガス検出器セル内の揮発性有機化合物の分子をイオン化してイオンと自由電子を形成し、前記電界が前記イオン及び自由電子を引きつけて電流をつくり、前記増幅器がこの電流を増幅するセンサ。
【請求項１８】
前記増幅器へ接続されていて、この増幅器によって増幅された電流の大きさを目視可能に表示するためのビジュアルディスプレイデバイスを有している請求項１７記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は周囲空気中の有機化合物を検出するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、この種の装置では携帯式マルチセンサ機器において利用できるように十分小さな寸法の光イオン化センサは提供されていなかった。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明の装置は、対象としている周囲空気にさらされたチャンバに取り付けられた非常に小さくて高エネルギの真空紫外光放射装置を利用している。チャンバには電界が加えられる。放射装置は適当な電圧源へ接続されたガス放電ランプである。この周囲空気チャンバ中の有機化合物の一部がイオン化される。すなわち、正に帯電したイオンと負に帯電した電子に変換される。窒素（Ｎ2）や酸素（Ｏ2）などの周囲空気の主要な構成要素はこの放射装置によって影響されない。なぜなら、放射のエネルギ（8.5〜11.7eV）が低くて、これらの構成要素がイオン化されないからである。正及び負にイオン化した電荷は適当な電極によって集められて、電流を発生する。この電流が測定されて、周囲空気中の有機化合物の濃度を示す。
【０００４】
従って、この装置は周囲空気の成分と干渉することなく、パーツ・パー・ビリオン（ｐｐｂ）の低濃度まで、周囲空気中の揮発性有機化合物を広範囲に検出するのに非常に有用である。
【０００５】
より具体的には、紫外線光源はガラスのハウジングから構成されている。ハウジングは一端に窓を有していて、クリプトンあるいはアルゴンなどの不活性ガスが充填されている。その中心付近に開けられたパターン状の穴を有する誘電体プレートが、その両側に薄い金属層を設け、そしてこれらの層を薄い誘電体層で覆ったあとで、上記の窓に隣接して設置される。ランプハウジングの中のガスを容量性結合の高周波電圧によって励起して、前記パターン状の穴に紫外光を照射する。この装置を揮発性有機化合物を含む周囲空気源の近くに設置する。そして、紫外光照射によって、パターン状の穴の中へ侵入してきた有機化合物分子の一部をイオン化する。誘電体プレートの両側の金属層間に直流電圧を印加し、イオン化した分子からの電荷を金属層の中に集めて、電流を生じさせる。この電流を測定すると、周囲空気中の揮発性有機化合物の濃度の測定となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
まず図１には、この装置の略図が示されている。ガス放電ランプ３０は外部の高周波電圧（図示されていない）により容量的に励起されることによって紫外光（ＵＶ）２０を放出する。この紫外光は、窓１００を介して、揮発性有機化合物の分子１０を含んでいる隣接するセル空間１０２の中へ入射する。その結果、これらの分子の一部がＵＶ光によってイオン化され、下記の式に従って、分子を正に帯電したイオンと自由電子とに変換する。
Ｍ（分子）＋フォトン＝Ｍ+（イオン）＋  ｅ-（電子）
【０００７】
一対の電極４０、５０がセル空間の近くに設置されている。一方の電極４０は高圧直流電源７０へ接続されている。他方の電極５０は増幅器６０の入力へ接続されている。これらの電極によってつくられた電界によって電子とイオンの両方とも各電極の方へ移動し、そこでそれらは集められて非常に小さな電流を発生する。この電流は増幅器６０によって増幅され、増幅器６０の出力信号はこれに接続されているディスプレイ／レコーダ６２によって表示、あるいは記録される。
【０００８】
図２の分図（ａ）はガス放電ランプ３０と検出器セル１１の分解斜視図を示している。図２の分図（ｂ）は検出器セル１１の層状の構造１２を拡大して示している。ガス放電ランプ３０は、外側のガラスハウジング９０とフッ化マグネシウムで形成された窓１００とで形成されており、ガラスハウジング９０の内部にはクリプトンガスが密閉されていることが好ましい。クリプトンガスを励起することによって発生する紫外光は容易に窓１００を通過する。
【０００９】
窓１００に隣接して検出器セル１１が設置されている。検出器セル１１はアルミナセラミック材料のウェハーとして構成されており、優れた誘電特性を有している。検出器セル１１はウェハーを貫通するパターン状の穴を形成する複数の穴２２を有している。ウェハーの両側には金属層３２、４２がメッキされている。そして、各金属層には薄い誘電体材料層５２、５３がコーティングされている。これらの誘電体材料層５２、５３は検出器セル１１からの光電子放出を低減する役割を果たす。
【００１０】
金属層３２、４２には導体７３、７４が取り付けられている。以下でより詳しく説明するように、上記のパターン状の穴はガスのイオン化と、発生した電荷の収集が行われる複数の開口した空間として機能する。導体７３には高い直流電圧が印加され、導体７４は増幅器６０の入力へ接続されている。金属層３２、４２の間に形成される静電界によって、複数の穴２２の中に集められた有機分子のイオン化に比例した電流が発生して増幅器６０の入力へと流れる。
【００１１】
図３の分図（ａ）及び（ｂ）は本発明の装置の別の構造を示している。ここでは、図２の分図（ｂ）の金属層３２、４２の間において、検出器セル（ウェハー）１１内に第３の層である導体層１０４が埋め込まれている。第３の導体層１０４の目的は、サンプルガスが高い水分含有量を有している条件のときに、電極導体７３、７４の間で検出器セル１１の誘電体材料の表面を望ましくない電流が流れないようにすることである。導体層１０４は回路のアースへ接続されている。導体層１０４は、検出器セル１１の穴２２の外側の領域を占めるが、穴の内部の電界には影響を与えないよう形状を有している。
【００１２】
図４は、増幅器６０、アナログ／デジタル変換器（図示されていない）及びその他の関連する回路を含んでいる電子回路１０６が、検出器セル１１と同じ誘電体基板２２Ａの上に形成された別の構造を示している。
【００１３】
図５はこの発明の一部として使用することができる電気回路を示している。小型トランス８０は２次巻線８２を有している。２次巻線８２はガス放電ランプ（管）３０の励起電極８３へ接続されている。この励起電極８３は例えばガス放電ランプ３０のガラスの外側表面にメッキされている。２次巻線８２のタップ８４はダイオード８５を介して、整流された直流電圧Ｖpolを発生するように接続されている。この直流電圧Ｖpolは電極４０、５０（図１を参照のこと）の間に印加される電圧として使用できる。この電気回路は＋5Ｖの入力電源と通常のフィルタ及びフィードバック回路が必要なものであり、構造が小型化されている。
【００１４】
図６は圧電トランスを利用した別の回路設計を示している。交流電圧がこのトランスの入力９３に印加されて振動を発生し、これによって端子９４への出力電圧を発生する。この出力電圧は、ガス放電ランプ３０のガラスの表面のまわりに設置された電極８３へ印加される。
【００１５】
図７は励起電極８３が、金属のスパッタリングによって表面へ直接付けられたガス放電ランプ３０を示している。導体８６は導電性エポキシで電極８３へ取り付けることができる。
【００１６】
図８は、すべての部品を組み付けて標準的なプラスチックのハウジング９６内に挿入したあとのこの発明の外観図を示している。パターン状の穴２２はハウジング９６の一端において露出しており、プラグイン式のコネクタピン９８がハウジング９６の他端から突き出している。ハウジング９６やコネクタピン９８を含めたアセブリの典型的な寸法は約20ミリメートル（mm）であり、外径は約20mmである。センサ寸法やそのコネクタピンの配置は、業界で標準的な電気化学センサで採用されているものと同じである。従って、センサは市販されている（電気化学タイプのセンサをベースにした）携帯式ガスアナライザの大部分と機械的に互換性があり、それらを設計し直すことなく、これらのガスアナライザで用いることができる。
【００１７】
図９は外側のハウジング９６を除いたアセンブリを示している。このアセンブリはベース１０８を有している。ベース１０８を貫いてコネクタピン９８が突き出している。コネクタピン９８はベース１０８へ取り付けられたプリント回路基板１１０へ適当に接続されている。励起電極８３へつながる導体８６と同様に、トランス８０（図５を参照のこと）がプリント回路基板１１０へ取り付けられている。検出器のパターン状の穴２２はガス放電ランプ３０の窓に隣接して位置している。別の電子回路基板には検出器に関係する電子回路１１２が搭載されている。
【００１８】
作動の際には、検出器セル１１はガスが周辺にある環境に設置され、そこでパターン穴２２は試験すべきガスサンプルにさらされる。このガスサンプルがパターン穴２２の中に侵入すると、分子の一部がイオン化され、これらのイオンが電極によって集められて電流を形成する。この電流は増幅器及び関連回路に送られて、測定したガスの濃度を表す信号を発生する。また、この信号は必要に応じて表示あるいは記録される。
【００１９】
この発明はその精神もしくは本質的な属性から逸脱することなく他の形態で実現することが可能である。従って、ここでの実施の形態は単なる例示であり、発明を限定するものではないと考えられたい。この発明の範囲については、上述した説明よりも特許請求の範囲を参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態による装置の全体的な機能を示す概略図である。
【図２】分図（ａ）はガス放電ランプと誘電体プレートの分解図であり、分図（ｂ）は誘電体プレートの一部の拡大図を示している。
【図３】誘電体プレートの別例の構造を示している。
【図４】誘電体プレートの上に形成された小型ハイブリッド電子回路を示している。
【図５】センサの各部品エネルギを供給して駆動するための電子回路の一つの形態を示している。
【図６】電子回路ドライバの別の形態を示している。
【図７】ガス放電セルの外側のガラス表面上に形成された励起用電極を示している。
【図８】すべての部品を組み付けたあとのセンサの外観を示している。
【図９】外側カバーを取り除いた図８のアセンブリを示している。
【符号の説明】
１０  分子
１１  検出器セル
２０  紫外光
２２  穴
３０  ガス放電ランプ
３２，４２  金属層
４０，５０  電極
５２，５３  誘電体材料層
６０  増幅器
６２  ディスプレイ／レコーダ
７０  高圧直流電源
９０  ハウジング（ガラスハウジング）
１００  窓
１０２  セル空間
１０４  導体層
【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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【図８】
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【図９】
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