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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023153545
(43)【公開日】2023-10-18
(54)【発明の名称】ガス測定器
(51)【国際特許分類】
   G01N 27/12 20060101AFI20231011BHJP
【FI】
G01N27/12 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022062885
(22)【出願日】2022-04-05
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)令和1年度 国立研究開発法人科学技術振興機構 研究成果展開事業 産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム 産業競争力強化法第17条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000191009
【氏名又は名称】新東工業株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】304027349
【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100161425
【弁理士】
【氏名又は名称】大森 鉄平
(72)【発明者】
【氏名】水谷 学世
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 誉久
(72)【発明者】
【氏名】野田 俊彦
(72)【発明者】
【氏名】澤田 和明
【テーマコード(参考)】
2G046
【Fターム(参考)】
2G046AA07
2G046AA09
2G046AA12
2G046AA13
2G046AA16
2G046BH02
2G046DC18
(57)【要約】
【課題】ガス成分のふるい分け機能を連続して使用できるガス測定器を提供する。
【解決手段】ガス測定器は、磁界を発生する磁界発生部と、磁界発生部から発生した磁界を通過したガスを検出するガスセンサとを備える。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁界を発生する磁界発生部と、
前記磁界発生部から発生した磁界を通過したガスを検出するガスセンサと、
を備える、ガス測定器。
【請求項2】
前記磁界発生部は、永久磁石からなる、請求項1に記載のガス測定器。
【請求項3】
電源部を備え、
前記磁界発生部は、コイルであり、
前記電源部は、前記コイルに通電する、
請求項1に記載のガス測定器。
【請求項4】
タイミングを決定する同期信号を出力する信号発生部と、
電圧又は電流の大きさを決定する制御信号と前記同期信号とに基づいて、前記同期信号によって決定されるタイミングで前記制御信号によって決定される大きさの電圧又は電流を前記コイルに印加するように前記電源部を制御する制御部と、
前記ガスセンサの検出値を前記同期信号によって決定されるタイミングで取得する取得部と、
前記検出値と前記制御信号とを関連付けて出力する出力部と、
を備える、請求項3に記載のガス測定器。
【請求項5】
予め取得された関係と前記検出値と前記制御信号とに基づいて、ガス種を判定する判定部をさらに備え、
前記予め取得された関係は、前記ガス種と前記検出値と前記制御信号との関係である、
請求項4に記載のガス測定器。
【請求項6】
前記ガスセンサを含む複数のガスセンサをさらに備え、
前記複数のガスセンサは、前記ガスセンサにより検出されるガス種とは異なるガス種を検出可能な別なガスセンサを含む、
請求項1~5の何れか一項に記載のガス測定器。
【請求項7】
前記複数のガスセンサは、前記磁界発生部から発生した磁界の方向に沿ってそれぞれ配置される、
請求項6に記載のガス測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ガス測定器に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1は、繊維状活性炭からなるフィルタと、MEMSガスセンサとを備えるガス検出装置を開示する。ガス検出装置は、検出対象ではない雑ガスをフィルタに吸着させることで、検出対象のガス成分と、検出対象ではないガス成分とをふるい分けする機能を有する。フィルタの吸着能力は、雑ガスの吸着に応じて低下する。このため、ガス検出装置は、フィルタの吸着能力を再生するためのヒータを有する。ヒータによって加熱されたフィルタは吸着していたガスを脱着する。これにより、フィルタの吸着能力が再生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2015-127642号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に開示されるガス検出装置では、定期的なフィルタのヒートクリーニングが必要となる。しかしながら、ヒートクリーニングを行っている間は、ガス検出装置はガスを検出できない。本開示は、ガス成分のふるい分け機能を連続して使用できるガス測定器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一側面に係るガス測定器は、磁界を発生する磁界発生部と、磁界発生部から発生した磁界を通過したガスを検出するガスセンサとを備える。
【0006】
このガス測定器では、ガスセンサに測定されるガスは、磁界発生部から発生した磁界を通過する。このとき、常磁性のガスには、磁界による引力が作用する。反磁性のガスには、磁界による斥力が作用する。このため、ガス測定器は、ガスの磁性に応じてガスの進行方向を制御できるので、ガス成分のふるい分け機能を発揮できる。さらに、磁界は間接的にガスに作用するため、連続使用してもふるい分け機能が低下しない。よって、このガス測定器は、ガス成分のふるい分け機能を連続して使用できる。
【0007】
一実施形態においては、磁界発生部は、永久磁石からなってもよい。磁界発生部が永久磁石からなる構成は、電気を使用せずに磁界を発生するため、簡易な構成でガス成分のふるい分け機能を連続して使用できる。
【0008】
一実施形態においては、電源部を備えてもよい。磁界発生部は、コイルであってもよい。電源部は、コイルに通電してもよい。コイルは、通電によって磁界を発生する。よって、磁界発生部が電源部から通電されるコイルである構成は、通電を中断することで、ガス成分をふるい分けする状態と、ガス成分をふるい分けしない状態とを切り替えることができる。
【0009】
一実施形態においては、信号発生部と、制御部と、取得部と、出力部とを備えていてもよい。信号発生部は、タイミングを決定する同期信号を出力してもよい。制御部は、電圧又は電流の大きさを決定する制御信号と同期信号とに基づいて、同期信号によって決定されるタイミングで制御信号によって決定される大きさの電圧又は電流をコイルに印加するように電源部を制御してもよい。取得部は、ガスセンサの検出値を同期信号によって決定されるタイミングで取得してもよい。出力部は、検出値と制御信号とを関連付けて出力してもよい。この場合、ガス測定器は、検出値と同期信号とを関連付けて出力できる。
【0010】
一実施形態においては、ガス測定器は、ガス種と検出値及び制御信号との予め取得された関係と、出力部により出力された検出値及び制御信号とに基づいて、ガス種を判定する判定部をさらに備える。この場合、ガス測定器は、進行方向が異なる常磁性のガス成分及び反磁性のガス成分を含む混合ガスのガス種を判定できる。
【0011】
一実施形態においては、ガスセンサを含む複数のガスセンサをさらに備えてもよい。複数のガスセンサは、ガスセンサにより検出されるガス種とは異なるガス種を検出可能な別なガスセンサを含んでもよい。この場合、このガス測定器は、単一種類のガスを検出可能なガスセンサを備えるガス測定器と比べて、ガスの検出精度を向上できる。
【0012】
一実施形態においては、ガスセンサを含む複数のガスセンサをさらに備えてもよい。複数のガスセンサは、磁界発生部から発生した磁界の方向に沿ってそれぞれ配置されてもよい。常磁性のガスの進行方向には、磁界の方向に沿った引力が作用する。反磁性のガスの進行方向には、磁界の方向に沿った斥力が作用する。このため、複数のガスセンサは、磁界の方向に沿ってふるい分けされた複数の種類のガス成分を検出できる。
【発明の効果】
【0013】
本開示は、ガス成分のふるい分け機能を連続して使用できるガス測定器を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】実施形態に係るガス測定器の一例を示す断面図である。
図2】実施形態に係る磁界発生部を通過するガスの進行方向を例示する模式図である。
図3図3の(A)は実施形態に係るガス測定器の一例を示すブロック図である。図3の(B)は制御信号及び同期信号の一例である。
図4】磁界の強さによるガスの進行方向の変化を例示する模式図である。
図5】実施形態に係るガス測定器の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【0016】
[ガス測定器の構成]
図1は、実施形態に係るガス測定器1の一例を示す断面図である。図1に示されるガス測定器1は、ガスの成分を測定する機器である。ガス測定器1は、電気回路部品として提供され得る。一例として、ガス測定器1は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスである。ガス測定器1は、磁界発生部10、電源部12、ガスセンサ30及び基材40を備える。
【0017】
基材40は、その内部に空間を画成する。基材40は、ガスを透過しない材料で形成される。基材40は、その上部が開放され、空間に連通する開口を有する。本実施形態では、磁界発生部10は、コイル11である。コイル11は、基材40の上部の開口を覆うように配置される。コイル11には、ガスが通過可能な間隙が画成される。コイル11及び基材40は、コイル11の他にガスを透過する隙間が無いように接合される。これにより、コイル11及び基材40は、ガス室41を画成する。
【0018】
コイル11は、軸方向を中心に巻回された線材からなる空芯コイルである。コイル11の軸方向は、一例として、ガス室41の内部と外部とを連通する方向と直交する方向に沿って延在している。コイル11を構成する線材は、電圧又は電流を印加可能な電源部12に接続される。この場合、通電されたコイル11に発生する磁界の方向は、軸方向と一致している。
【0019】
ガスセンサ30は、ガス室41内に設けられる。一例として、ガスセンサ30は、コイル11の下流、即ちガスがコイル11を通過した側、に設けられる。ガスセンサ30は、ガスセンサ30を含む複数のガスセンサ31,32をさらに備え、ガスセンサ31,32は、ガスセンサ30により検出されるガス種とは異なるガス種を検出可能である。ガスセンサ30,31,32は、コイル11を通過してガスセンサ30の所定の面に付着したガスを検出する。
【0020】
図2は、図1のコイル11を通過するガスの進行方向を示す模式図である。図2では、一例として、コイル11は、ガス室41の内部と外部とを連通する方向と直交する軸方向に磁界を発生させている。コイル11内の磁束密度は、軸方向における中心で最も高くなり、軸方向における両端で最も小さくなる。コイル11を通過するガスは、常磁性のガス成分及び反磁性のガス成分を含み得る。常磁性のガスは、例えば、酸素(O)、一酸化窒素(NO)及び二酸化窒素(NO)である。反磁性のガスは、例えば、水蒸気(HO)、塩素(Cl)及び二酸化炭素(CO)である。
【0021】
常磁性のガス及び反磁性のガスは、コイル11にその進行方向を変化させられる。常磁性のガスには、磁界による引力が作用する。常磁性のガスの進行方向C1は、磁束密度が高い位置へ引き寄せられる。本実施形態では、常磁性のガスの進行方向C1は、コイル11の軸方向における中心に引き寄せられるように変化する。反磁性のガスには、磁界による斥力が作用する。反磁性のガスの進行方向C2は、磁束密度が低い位置へ引き寄せられる。本実施形態では、常磁性のガスの進行方向C2は、コイル11の軸方向における両端に引き寄せられるように変化する。
【0022】
図2に示されるように、ガスセンサ31は、ガス室41内の領域41aに設けられる。領域41aは、コイル11の軸方向における中心の下流に設定される。領域41aは、コイル11の軸方向における中心に引き寄せられたガスが到達する領域である。ガスセンサ30及びガスセンサ32は、領域41aに隣接する領域41bに配置される。領域41bは、空芯コイルの軸方向における両端の下流に設定される。領域41bは、ガス室41内の領域41a以外の領域となる。領域41bは、空芯コイルの軸方向における両端に引き寄せられたガスが到達する領域である。領域41a及び領域41bは、コイル11の軸方向に沿って並んでいる。従って、ガスセンサ30,31,32は、コイル11が発生する磁界の方向に沿って並んでいる。
【0023】
ガスセンサ31は、コイル11の軸方向における中心へと進行方向C1が変化された、常磁性のガス成分を主に検出する。ガスセンサ30,32は、コイル11の軸方向における両端へと進行方向C2変化された、反磁性のガス成分を主に検出する。
【0024】
[ガス測定器の制御回路]
図3の(A)は、実施形態に係るガス測定器1の一例を示すブロック図である。ガス測定器1は、測定部2(ガス測定器の一例)と回路部3とを備える。回路部3は、電源部12、信号発生部50、制御部60、取得部70、出力部80及び判定部90を備える。回路部3は、例えば、電気回路で構成され得る。回路部3は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などの演算装置、ROM(ReadOnly Memory)、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Disk Drive)などの記憶装置、及び通信装置などを有する汎用コンピュータで構成されてもよい。
【0025】
信号発生部50は、制御部60及び取得部70へ制御信号及び同期信号を出力する。制御信号は、電源部12がコイル11へ印加する電圧又は電流の大きさ(電位差であってもよい)を決定する信号である。同期信号は、制御部60と取得部70との動作のタイミングを決定する信号である。制御部60は、制御信号及び同期信号に基づいて、制御信号によって決定される大きさの電圧又は電流を同期信号によって決定されるタイミングでコイル11へ印加するように電源部12を制御する。図3の(B)は、制御信号及び同期信号の一例である。図3の(B)では、制御信号は、SIG1、SIG2、SIG3の三種類の電圧の大きさに相当する信号となる。同期信号は、水晶発振器などの発振器に基づいた矩形波である。
【0026】
制御部60は、同期信号の矩形波を所定の回数受信した際に、制御信号に応じた電源部12を制御する信号を出力する。一例として、図3の(B)の3段階に変化する制御信号は、電圧の大きさを3段階で制御する。電圧の大きさは、無段階で制御されてもよい。この場合、制御信号は、三角波又は正弦波を示す。
【0027】
取得部70は、同期信号の矩形波を所定の回数受信した際に、同期信号によって決定されるタイミングでガスセンサが検出した検出値を取得する。よって、取得部70は、制御信号による電圧又は電流の大きさの変化に対応した検出値を取得できる。取得部70が検出値を取得する際の矩形波を受信する所定の回数は、制御部60が制御信号を出力する際の矩形波を受信する回数以上でもよい。取得部70が検出値を取得する時期を、制御部60が制御信号を出力する時期よりも遅くすることで、取得部70は、電圧又は電流の大きさが変化した後にコイル11の間を通過したガスが多数となったときの、検出値を取得できる。
【0028】
出力部80は、制御信号と、取得部70から取得された検出値とを関連付けて出力する。判定部90は、ガス種と検出値と制御信号との予め取得された関係と、出力部80により出力された検出値と制御信号とに基づいてガス種を判定する。ガス種と検出値と制御信号との組合せについては、事前に予め取得され、例えばガス特性テーブルとして記憶される。判定部90は、出力部80によって出力された組合せに基づいてガス特性テーブルを参照し、ガス種を決定する。
【0029】
[ガス測定器の動作]
図4は、コイル11が発生する磁界の強さによるガスの進行方向の変化を例示する模式図である。一例として、検出対象のガスは、常磁性のガス及び反磁性のガス成分を含む混合ガスとする。複数の電極の下流には、ガスセンサ30,31,32がそれぞれ配置される。ガスセンサ31は、コイル11の軸方向における中心の下流の領域41aに設けられる。ガスセンサ30及びガスセンサ32は、空芯コイルの軸方向における両端の下流に設定される領域41bに配置される。
【0030】
図3の(B)に示されるように、最初に、制御部60は、制御信号及びタイミングを決定する同期信号に基づいて、コイル11に印加される電圧又は電流の大きさを変更する。図4の(A)は、制御信号がSIG1の場合に、コイル11の間を通過するガスの進行方向を示す。一例として、制御信号がSIG1の場合、制御部60は、コイル11に電圧又は電流を印加しない。よって、コイル11に磁界は発生しない。制御信号がSIG1の場合、常磁性のガス成分及び反磁性のガス成分の進行方向は、変化しない。
【0031】
図4の(B)は、制御信号がSIG2の場合に、コイル11の間を通過するガスの進行方向を示す。制御信号がSIG2の場合、制御部60は、コイル11に電圧又は電流を印加する。コイル11には、常磁性のガス成分の進行方向を、軸方向におけるコイル11の中心に近づく方向へと変化させる磁界が発生する。よって、制御信号がSIG2の場合、常磁性のガス成分の進行方向は、軸方向におけるコイル11の中心に近づく方向へと変化する。ガスセンサ31は、常磁性のガス成分を主に検出する。一例として、ガスセンサ31は、酸素(O)及び一酸化窒素(NO)を検出する。反磁性のガス成分の進行方向は、軸方向におけるコイル11の両端に近づく方向へと変化する。ガスセンサ31と比べて、ガスセンサ30,32は、反磁性のガス成分を主に検出する。一例として、ガスセンサ30,32は、水蒸気(HO)及び塩素(Cl)を検出する。
【0032】
図4の(C)は、制御信号がSIG3の場合に、コイル11の間を通過するガスの進行方向を示す。制御信号がSIG3の場合、制御部60は、コイル11に制御信号がSIG2の場合より大きな電圧又は電流を印加する。コイル11には、制御信号がSIG2の場合より強い磁界が発生する。よって、制御信号がSIG3の場合、制御信号がSIG2の場合と比べて、常磁性のガス成分の進行方向は、軸方向におけるコイル11の中心に近づく方向へ、より大きく変化する。ガスセンサ31は、常磁性のガス成分を制御信号がSIG2の場合よりも多く検出する。制御信号がSIG3の場合、制御信号がSIG2の場合と比べて、反磁性のガス成分の進行方向は、軸方向におけるコイル11の両端に近づく方向へより大きくと変化する。ガスセンサ31と比べて、ガスセンサ30,32は、反磁性のガス成分を制御信号がSIG2の場合よりも多く検出する。
【0033】
次に、取得部70は、ガスセンサ31が出力した第1測定値とガスセンサ32が出力した第2測定値とを、同期信号に基づいて取得する。出力部80は、制御信号と、取得部70から取得された検出値とを関連付けて出力する。判定部90は、ガス種と検出値と制御信号との予め取得された関係と、出力部80により出力された検出値と制御信号とに基づいてガス種を判定する。
【0034】
判定部90は、ガス特性テーブルと、取得部70により取得された第1測定値、第2測定値及び制御信号とに基づいて、ガス種を判定する。制御信号が示す電圧又は電流の大きさと測定値との予め取得された関係から、検出対象のガスは、酸素(O)、一酸化窒素(NO)、水蒸気(HO)及び塩素(Cl)を含むと判断される。
【0035】
[実施形態のまとめ]
ガス測定器1によれば、ガスセンサ30に測定されるガスは、磁界発生部10から発生した磁界を通過する。このとき、常磁性のガスの進行方向には、磁界による引力が作用する。反磁性のガスの進行方向には、磁界による斥力が作用する。このため、ガス測定器1は、ガスの磁性に応じてガスの進行方向を制御できるので、ガス成分のふるい分け機能を発揮できる。さらに、磁界は間接的にガスに作用するため、連続使用してもふるい分け機能が低下しない。よって、このガス測定器1は、ガス成分のふるい分け機能を連続して使用できる。
【0036】
ガス測定器1では、通電されたコイル11が磁界を発生する。よって、ガス測定器1は、通電を中断することで、ガス成分をふるい分けする状態と、ガス成分をふるい分けしない状態とを切り替えることができる。
【0037】
ガス測定器1では、制御部60によって、電圧又は電流の大きさを決定する制御信号と同期信号とに基づいて、同期信号によって決定されるタイミングで制御信号によって決定される大きさの電圧又は電流をコイル11に印加するように電源部が制御される。そして、取得部70によって、ガスセンサの検出値が、同期信号によって決定されるタイミングで取得される。このように、ガス測定器1は、検出値と同期信号とを関連付けて出力できる。
【0038】
ガス測定器1では、判定部90によって、予め取得された関係と、出力部80により出力された検出値及び制御信号とに基づいて、ガス種が判定される。これにより、ガス測定器1は、常磁性のガス及び反磁性のガスを含む混合ガスのガス種を判定できる。
【0039】
ガス測定器1では、ガスセンサ30により検出されるガス種とは異なるガス種は、ガスセンサ31,32によって検出され得る。ガス測定器1は、単一種類のガスを検出可能なガスセンサを備えるガス測定器と比べて、ガスの検出精度を向上できる。
【0040】
ガス測定器1では、複数のガスセンサ30,31,32が磁界発生部10の磁界の方向に沿ってそれぞれ配置されている。常磁性のガスの進行方向C1には、磁界の方向に沿った引力が作用する。反磁性のガスの進行方向C2には、磁界の方向に沿った斥力が作用する。このため、ガス測定器1では、磁界の方向に沿ってふるい分けされた複数の種類のガス成分が複数のガスセンサ30,31,32によって検出され得る。
【0041】
[変形例]
以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上記の例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。
【0042】
図5の(A)に示されるように、コイル11の軸方向は、ガス室41の内部と外部とを連通する方向に沿って延在してもよい。この場合、コイル11から発生する磁界は、ガスセンサ31及び領域41aを通過する。ガスセンサ31は、コイル11に引き寄せられる常磁性のガスを主に検出する。
【0043】
図5の(B)に示されるように、磁界発生部10は、永久磁石13であってもよい。永久磁石13は、ガス室41の内部と外部とを連通する方向に沿ってN極とS極とが並んでいてもよい。この場合、永久磁石13から発生する磁界は、ガスセンサ31及び領域41aを通過する。ガスセンサ31は、永久磁石13に引き寄せられる常磁性のガスを主に検出する。磁界発生部10が永久磁石13からなる構成は、電気を使用せずに磁界を発生するため、簡易な構成でガス成分のふるい分け機能を連続して使用できる。
【0044】
磁界発生部10及びガスセンサ30は、別々に形成された後に組み合わされて作製されてもよい。磁界発生部10及びガスセンサ30は、一体として作製されてもよい。
【0045】
信号発生部50は、制御部60と一体であってもよい。取得部70は、出力部80と一体であってもよい。出力部80は、判定部90と一体であってもよい。
【0046】
ガス測定器1は、基材40及びガス室41を含まないように構成されてもよい。この場合、ガス測定器1は、ガスセンサ30に磁界発生部10が密着するように構成される。ガス測定器1は、M種類のガスセンサ(Mは2以上の整数)を備えてもよい。Mが3以上の場合、M種類のガスセンサは同じ種類のセンサを含んでいてもよい。また、コイル11の静電力の強さは、N段階で(Nは2以上の整数)で制御されてもよい。この場合、ガス測定器1は、最大でM×N種類の組み合わせでガスを測定できる。
【0047】
ガス測定器1は、判定部90を含まないように構成されてもよい。この場合、ガス測定器1は、出力部80が測定値と制御信号とを外部へ出力する。ガス測定器1は、測定値と制御信号との関係を、シミュレーションによって予め取得してもよい。この場合、磁界発生部10から発生した磁界の強さと、常磁性のガス及び反磁性のガスとの間に発生する力は、計算で求められる。測定値と制御信号との関係は、既知のガスで校正されてもよい。この場合、既知のガスに基づいて、制御信号と磁界発生部10の電解の強さとの関係、ガスセンサ30の出力特性は、校正される。
【符号の説明】
【0048】
1…ガス測定器、2…測定部、3…回路部、10…磁界発生部、11…コイル、12…電源部、13…永久磁石、30,31,32…ガスセンサ、40…基材、41…ガス室、41a,41b…領域、50…信号発生部、60…制御部、70…取得部、80…出力部、90…判定部。
図1
図2
図3
図4
図5