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JP-2026076488-A - 検出装置

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Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、検出装置の過渡応答での正確な補正を実現することが可能な検出装置を提供することである。 【解決手段】実施形態の検出装置は、蓋を有する容器と、容器の内部に位置しセンサチップを保持するセンサ基板とを備える。蓋は、蓋のうち前記センサチップに対向する領域である第１領域よりも外側の領域である第２領域に２つ以上の孔を有する。 【選択図】 図２

Inventors

  • 藤本 明
  • 秋元 陽介
  • 久留井 慶彦

Assignees

  • 株式会社東芝

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20241024

Claims (12)

  1. 蓋を有する容器と、 前記容器の内部に位置し、センサチップを保持するセンサ基板と、 を備え、 前記蓋は、前記蓋のうち前記センサチップに対向する領域である第１領域よりも外側の領域である第２領域に２つ以上の孔を有する、 検出装置。
  2. 前記蓋は、前記蓋のうち前記センサ基板に対向する領域である第３領域よりも外側の領域である第４領域に前記孔を有する、 請求項１に記載の検出装置。
  3. 蓋を有する容器と、 前記容器の内部に位置し、センサチップを保持するセンサ基板と、 を備え、 前記蓋は２つ以上の孔を有し、前記孔の中心から前記容器と前記蓋で囲われた空間を前記蓋に垂直投影した際の前記空間の外縁までの最短距離は、前記空間の代表長さの１／５以下である、 検出装置。
  4. 前記孔の一つである第１孔と前記孔の一つである第２孔は、前記センサチップの中心点を前記蓋に垂直に投影した点に対して略対称な位置に位置する、 請求項１または３に記載の検出装置。
  5. 前記蓋は、第１辺、前記第１辺に平行な第３辺、前記第１辺と交差する第２辺及び前記第２辺に平行な第４辺を有し、 前記第１孔と前記第１辺との距離は前記第１孔と前記第３辺との距離と等しく、 前記第２孔と前記第１辺との距離は前記第２孔と前記第３辺との距離と等しい、 請求項４に記載の検出装置。
  6. 前記蓋は、第１辺、前記第１辺に平行な第３辺、前記第１辺と交差する第２辺及び前記第２辺に平行な第４辺を有し、 前記第１孔と前記第１辺との距離は前記第１孔と前記第２辺との距離と等しく、 前記第２孔と前記第３辺との距離は前記第２孔と前記第４辺との距離と等しい、 請求項４に記載の検出装置。
  7. 前記孔の一つである第３孔及び前記孔の一つである第４孔をさらに備え、 前記第３孔と前記第１孔との距離は前記第３孔と前記第２孔との距離と等しく、 前記第４孔と前記第１孔との距離は前記第４孔と前記第２孔との距離と等しい、 請求項４に記載の検出装置。
  8. 前記孔の一つである第３孔と前記第２辺との距離は前記第３孔と前記第３辺との距離と等しく、 前記孔の一つである第４孔と前記第１辺との距離は前記第４孔と前記第４辺との距離と等しい、 請求項６に記載の検出装置。
  9. 前記蓋は、前記第１孔と前記第２孔を結ぶ線分上であって前記第１孔と前記第２孔との間に孔を有しない、 請求項４に記載の検出装置。
  10. 前記蓋は、前記第１孔と前記第２孔とを結ぶ線上であって前記第１孔と前記第２孔との間に孔を１つ有し、 前記第１孔と前記第２孔とを結ぶ線上であって前記第１孔と前記第２孔との間に位置する前記孔の孔径は、前記第１孔及び前記第２孔のうち小さい方の孔径以下である、 請求項４に記載の検出装置。
  11. フィルタ、多孔質体、金網、不織布、繊維体またはブラシのいずれかを含む気流減速部材を備え、 前記気流減速部材と前記センサチップとの間に前記蓋が備えられ、または前記蓋と前記センサチップとの間に前記気流減速部材が備えられた、 請求項１に記載の検出装置。
  12. 前記孔の孔径が０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、 請求項１，２，３，１１のいずれか一項に記載の検出装置。

Description

本実施形態は、検出装置に関する。 検出装置は、センサチップを配置した容器内の気体の濃度の測定を行うことができる。このとき、気体濃度を測定する際には温度、湿度、気圧の変動に対する補正する必要がある。容器内で気体の濃度の過渡応答が起こっている場合に、過渡応答での正確な補正を実現するため、各々のセンサの応答速度を揃える必要がある。各々のセンサの応答速度はセンサが配置された容器内を流れるガスの流速に依存する。 特開２０１２－７８０８９号公報 第１の実施形態における検出装置１の斜視図及び模式的断面図である。第１の実施形態における検出装置１の一部を示す模式的断面図である。センサ基板周辺の一例を示す概略図である。第１の実施形態における蓋１８の一例を示す概略図である。検出装置１付近の気体の流れのシミュレーション結果である。孔２０の位置を変えて気流の速度をシミュレーションした結果である。第１の実施形態における蓋１８の一例を示す概略図である。孔径を変えて気流の速度をシミュレーションした結果である。検出装置１付近の気体の流れのシミュレーション結果の一例である。Ｘ軸に沿って測定した速度分布を示すグラフである。第１の実施形態における蓋１８の一例を示す概略図である。第１の実施形態（第１変形例）における蓋１８の一例を示す概略図である。第２の実施形態における検出装置１の一部を示す模式的断面図である。孔径を変えてシミュレーションした結果である。孔径を変えてシミュレーションした結果である。蓋１８とセンサ類との距離ｈ２を変えてシミュレーションした結果である。気流と拡散方向の関係を示す概略図である。規格化拡散量Ｎ（ｚ，ｔ）／N０の時間変化を表すグラフである。 以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。 （第１の実施形態） 図１は、本実施形態における検出装置１の（ａ）斜視図及び（ｂ）模式的断面図である。検出装置１は筐体壁１０を有し、筐体壁１０に囲まれた空間内にパッケージ１２が配置され、パッケージ１２内にセンサチップ１４を備えたセンサ基板１５が配置されている。パッケージ１２下方にはセンサ基板１５に電力を供給するための電池３０が備えられている。筐体壁１０の外側の空間とパッケージ１２の内側の空間は膜１６及び蓋１８によって隔てられている。図示した検出装置１の形状はあくまで一例であり、例えば筐体壁１０の形状や容器１２の位置、大きさ、及び形状等は図中に示す態様に限られない。図２は、検出装置１の一部を示す模式的断面図である。実施形態に係る検出装置１は、筐体壁１０と、パッケージ１２（容器）と、センサチップ１４と、センサチップ１４を保持するセンサ基板１５と、膜１６と、蓋１８とを含む。パッケージ１２は上面が開口部となっており、該開口部が平板状の蓋１８で閉じられている。蓋１８に対してパッケージ１２の反対側は膜１６が配置されている。図中に示す一例では、膜１６は蓋１８を覆うように貼り付けられ、蓋１８と膜１６は接している。なお、膜１６と蓋１８の上下関係は図中の通りであってもよいし、蓋１８とパッケージ１２の間に膜１６が配置されていても良い。本実施形態によれば、蓋１８及び膜１６とパッケージ１２によって外部から仕切られた空間がある。この空間を以後、「第１空間」として説明する。 一方、筐体壁１０と膜１６で囲われた空間を「第２空間」とする。第２空間の底面は膜１６であり、第２空間の側面は筐体壁１０である。第２空間の底面に対向する面は筐体壁１０の開口部となるから、第２空間は開放系である。本実施形態において、第２空間の深さ、即ち底面の膜１６に垂直な方向の寸法ｈ１とすると、筐体壁１０どうしの距離L１に比べて寸法ｈ１が著しく小さくなると第２空間内に渦が発生せず、距離L１に比べて寸法ｈ１が著しく大きくなると第２空間内に複数の乱流が発生し第２空間底部での流速が遅くなるため、ｈ１はＬ１の１／２倍以上３倍以下であることが好ましい。 図３は、センサ基板周辺の一例を示す概略図である。図３（ａ）はセンサ基板１５を蓋１８側（上面）から見た時の概略図であり、図３（ｂ）はセンサ基板１５を蓋１８に対向する面の裏側（下面）から見た時の概略図であり、図３（ｃ）はセンサ基板１５を図３（ａ）（ｂ）中のＡ―Ａ‘に沿った断面図に相当する概略図である。図３において、センサ基板１５のマイコン回路５４を備える面（下面）からセンサチップ１４とセンサ回路を備える面（上面）に向かう向きをＺ軸方向、Ｚ軸方向と交差する方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向と図３のとおり定義する。 パッケージ１２の内部には、センサ基板１５が備えられており、センサ基板１５の上面にはセンサチップ１４が複数配置されている。センサチップ１４のうち少なくとも１つは、水素、酸素、及び、ＶＯＣ（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）よりなる群から選択された少なくとも１つを検出可能であるＴＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ：熱伝導型）センサである。また、ＴＣセンサ以外のセンサチップ１４として、パッケージ１２内の温度を測定可能な温度センサまたはパッケージ１２内の湿度を測定可能な湿度センサのうち少なくとも一方がパッケージ１２の内部に配置されている。センサチップ１４はセンサ基板１５に取り付けられ、パッケージ１２内に配置されている。センサチップ１４の上面から蓋１８までの距離は略一定であることが好ましい。即ち、センサチップ１４の蓋１８に対向する面がなるべくフラットな構造であることが好ましい。センサチップ１４の上面により第１空間内の気流が阻害されない形状及び配置とするためである。なお、センサチップ１４及びセンサ基板１５はパッケージ１２の中央に配置されていることが好ましい。 なお、他の図面には示されていないが、図３（ａ）に示す通り、センサ基板１５の上面にはセンサチップ１４以外にＡＤ変換回路５１、昇圧回路５２、降圧回路５３を含むセンサ回路が備えられている。ＡＤ変換回路５１は、電圧及び容量アナログ信号を電圧デジタル信号へと変換する回路である。昇圧回路５２、降圧回路５３は、センサチップ１４に供給する電源の調整に使用している。これら以外にも、その他回路が備えられていてもよい。 他の図面には示されていないが、図３（ｂ）に示す通り、センサ基板１５の下面には通信部４０、マイコン回路５４、電源回路５５、電源供給部５６が備えられている。通信部４０は、センサチップ１４の検出結果に関する情報を外部の機器に向けて送信できる。検出結果は、例えば、目的とする検出対象の濃度などに関する情報（データ）を含む。送信は、例えば、有線または無線の少なくともいずれかにより行われて良い。マイコン回路５４は、データ通信の制御、センサ回路の制御、センサチップ１４のｏｎ／ｏｆｆ制御を行っている。マイコン回路５４は、内蔵する制御プログラムを実行することで機能するソフトウェア上の構成として、センサチップ１４における検出器の変化からに基づく制御を実行する手段を備えている。電源回路５５は、マイコン回路５４及びセンサ回路へ適切な電圧の供給をしている。電源供給部５６は、電源となる電池３０に繋がる箇所である。 図３では、センサ基板１５の一方の面にマイコン回路５４が設けられ、反対側のもう一方の面においてセンサ回路が設けられた例を示しているが、マイコン回路５４を設ける基板とセンサ回路を設ける基板とが別々に用意されていてもよい。前述のような場合、例えば、各々の基板をケーブルコネクタのようなもので接続させることで、マイコン回路５４からの制御信号をセンサ回路へと送り、センサ回路から取得したデータをマイコン回路５４へ送る。 膜１６の少なくとも一部は、例えば、ＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）を含む微多孔質フィルムや不織布である。膜１６は空気、湿気、ガスなどの気体を透過させることができるため、第１空間と第２空間とは厳密に隔絶された状態とはなっていないが、膜１６は液体を透過させないため、第１空間と第２空間とを液体が出入りすることはできない。センサチップ１４は第１空間内に配置される。本実施形態において、膜１６の厚さや孔径は特に限定されないが、実際に検出装置１を使用する際には検出対象となるガスの性質や測定環境に合わせて適切な膜が選択され得る。 蓋１８は複数の孔２０を有する。孔２０を介して第１空間と第２空間との間で気体の出入りが起こるため、孔２０の位置、大きさ、形状、数は第１空間における気体の流れに影響を与える。本実施形態における蓋１８の一例を示す概略図を図４に示す。検出装置１の蓋１８は、蓋１８のうちセンサチップ１４に対向する領域である第１領域よりも外側の領域である第２領域に２つ以上の孔２０を有する。図４において、第２領域を網掛けで示す。 図５に、検出装置１付近の気体の流れのシミュレーション結果を示す。図５は、図４における鎖線X―X’に沿った断面図に流速を示したものである。第２空間を挟んで第１空間の反対側の領域（以下、本明細書においては「検出装置１の上側領域」として説明する。）には、図面の紙面左側から右側に向かって流れる気体が存在する。この気流は図４における白矢印と対応する。その影響を受けて、第２空間には図面上時計回りの気流の渦が発生する。その影響を受けて、第１空間のセンサチップ１４付近には、図面の左側に向かう気流が発生する。検出装置１の上側領域における、図面の右側に向かう気体の流速は、およそ1 m/secとしてシミュレーションを行い、センサチップ１４の中央と蓋１８の中央を結ぶ線上（図５において横軸の値が0.003を示す箇所）の流速をシミュレーションにより算出した。ここで、パッケージ１２の一方の内壁面と対向する他方の内壁面との距離をＬ２、孔２０の中心からパッケージ１２と蓋１８で囲われた空間（第１空間）を蓋１８に垂直投影した際の第１空間の外縁までの最短距離をｄとする。Ｌ２＝4 mmとしてシミュレーションを行った。図５において、パッケージ１２の内壁同士の距離（幅）と孔２０から内壁面までの距離との比をｄ／Ｌ２とし、左から順にｄ／Ｌ２＝0.1, 0.2, 0.3, 0.4 とした場合の結果を示す。なお、ｄ／Ｌ２が大きくなるほど孔２０が蓋１８の内寄りに配置されていることを意味する。ｄ／Ｌ２＝0.1またはｄ／Ｌ２＝0.2とした場合、本シミュレーションの設定条件によれば、孔２０は第２領域（蓋１８のうちセンサチップ１４に対向する領域である第１領域よりも外側の領域）に存在することになる。２つの孔２０の間には均一な流れが形成されるから、ｄ／Ｌ２＝0.1またはｄ／Ｌ２＝0.2とした場合、センサチップ１４上面を流れる気流を均一にすることができる。一方、ｄ／Ｌ２＝0.3またはｄ／Ｌ２＝0.4とした場合、第１空間内にて孔２０のうち一方（図中右側）から他方（図中左側）へ向かう均一な流れの他に、孔２０よりも外側にも流れが発生し、センサチップ１４上面の流れが均一になっていない。また、図６に、孔径0.3 mmである孔２０の位置（ｄの値）を変えて第１空間の底面の中央と蓋１８の中央を結ぶ線上の気流の速度をシミュレーションした結果を示す。図６には、それぞれｄ＝0.4, 0.8, 1.2, 1.5mmとした場合の結果を示す。図６に示すグラフの横軸の値は、図５の縦軸に対応する。横軸に示すY positionがY position＝0.0012 [m]となる箇所はセンサチップ１４の上面の位置に相当し、Y position＝0.0018[m]となる箇所は蓋１８の第１空間に接する面に対応する。孔２０の位置（ｄの値）にかかわらず、第１空間の中央における気流の速度は