JP2007010594A - 接触燃焼式ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 温度検出手段を検出素子と同一の被検出空間内に配設し、零点及び感度の雰囲気温度に対する補正を行うことにより、可燃性被検出ガスの濃度に対する出力の零点及び感度のばらつきを無くするようにした接触燃焼式ガスセンサを提供する。
【解決手段】 ブリッジ回路２１１０では、検出極たる発熱抵抗体２１１１の一定温度制御のもと、検出極の抵抗値の変化に応じた出力が発生される。ブリッジ回路２２１０では、参照極たる発熱抵抗体２２１１の一定温度制御のもと、参照極の抵抗値の変化に応じた出力が発生される。差動増幅回路２１２０は、ブリッジ回路２１１０の出力を差動増幅する。差動増幅回路２２２０は、ブリッジ回路２２１０の出力を差動増幅する。マイクロコンピュータ２４００は、両差動増幅回路２１２０、２２２０の各差動増幅出力の差を、測温抵抗体２３１１の検出雰囲気温度の上昇或いは低下に応じて減少或いは増大するように補正する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、可燃性被検出ガスを検出するに適した接触燃焼式ガスセンサに関するものである。

従来、この種の接触燃焼式ガスセンサとしては、例えば、下記特許文献１にて開示されているような可燃性ガス検出器が提案されている。この可燃性ガス検出器において、その検出素子は、参照極と、酸化触媒を有する検出極とを備えている。ここで、参照極及び検出極の各温度が可燃性ガスの着火温度に至らないように、当該参照極及び検出極は、それぞれ、別々のブリッジ回路でもって、一定の温度を維持するように制御される。
特開２００３−１９４７５９号公報

ところで、上記可燃性ガス検出器において、酸化触媒の被毒耐性を向上させるためには、当該酸化触媒の膜厚をある程度厚くすることが望ましい。

しかし、酸化触媒の厚膜が厚くなると、検出極と参照極との間に熱容量の差が生じるため、被検出ガスが存在しない状態におけるガス検出器の出力（零点出力）が、雰囲気温度の変化に応じて１次近似的にばらつく。また、被検出ガスの濃度が同一であっても、ガス検出器の出力（感度）が、雰囲気温度の変化に応じて、１次近似的にばらつく。

そこで、本発明は、以上のようなことに対処するため、温度検出手段を検出素子と同一の被検出空間内に配設し、零点及び感度の雰囲気温度に対する補正を行うことにより、可燃性被検出ガスの濃度に対する出力の零点及び感度のばらつきを無くするようにした接触燃焼式ガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題の解決にあたり、本発明に係る接触燃焼式ガスセンサは、請求項１の記載によれば、
酸化触媒（１４８０）を有する検出極（１４３０、２１１１）及び参照極（１４３０、２２１１）を一体に或いは別体にて備えてなる検出部（１４００）と、
この検出部と共に同一の被検出空間内に配設されて当該被検出空間内の雰囲気温度を検出する温度検出手段（１４５０、２３１４）と、
検出極を一定の温度に制御する検出極用制御手段（２１２０、２１３０）と、
参照極を一定の温度に制御する参照極用制御手段（２２２０、２２３０）と、
検出極及び参照極の各出力の差を、可燃性被検出ガスの濃度を表す差分出力として発生する差分出力発生手段（２１２０、２２２０）とを備える。

当該接触燃焼式ガスセンサにおいて、温度検出手段の検出雰囲気温度に応じて上記差分出力を補正する補正手段（２５１０、２５２０、２５３０、２５４０）を具備するようにしたことを特徴とする。

このように、それぞれ一定温度に制御された状態にある検出極及び参照極の各出力の差を表す差分出力は、温度検出手段の検出雰囲気温度に応じて補正される。

このため、酸化触媒が厚くても、検出部の被検出ガスの濃度に対する感度及び零点の各ばらつきがなくなり、その結果、被検出空間内の雰囲気温度が変動しても、この変動とはかかわりなく、上記差分出力が被検出ガスの濃度に対しほぼ一義的に得られる。

また、本発明に係る接触燃焼式ガスセンサは、請求項２の記載によれば、
酸化触媒（１４８０）を有する検出極（１４３０、２１１１）及び参照極（１４３０、２２１１）を一体に或いは別体にて備えてなる検出部（１４００）と、
この検出部と共に同一の被検出空間内に配設されて当該被検出空間内の雰囲気温度を検出する温度検出手段（１４５０、２３１４）と、
検出極をと共に構成される検出極用ブリッジ手段であって検出極の抵抗値の変化に応じて出力を発生する検出極用ブリッジ手段（２１１０）と、
参照極と共に構成される参照極用ブリッジ手段であって参照極の抵抗値の変化に応じて出力を発生する参照極用ブリッジ手段（２２１０）と、
検出極を一定温度に維持するように検出極用ブリッジ手段を制御する検出極用制御手段（２１３０）と、
参照極を一定温度に維持するように参照極用ブリッジ手段を制御する参照極用制御手段（２２３０）と、
検出極用及び参照極用の両ブリッジ手段の各出力の差を、可燃性被検出ガスの濃度を表す差分出力として発生する差分出力発生手段（２１２０、２２２０）とを備える。

当該接触燃焼式ガスセンサにおいて、温度検出手段の検出雰囲気温度に応じて上記差分出力を補正する補正手段（２５１０、２５２０、２５３０、２５４０）を具備するようにしたことを特徴とする。

このように、検出極及び参照極を別々のブリッジ手段に含めた構成としても、当該検出極及び参照極を各ブリッジ手段において一定の温度に制御した状態において、各ブリッジ手段の出力の差を表す差分出力は、温度検出手段の検出雰囲気温度に応じて補正される。

このため、酸化触媒が厚くても、検出部の被検出ガスの濃度に対する感度及び零点の各ばらつきがなくなり、その結果、被検出空間内の雰囲気温度が変動しても、この変動とはかかわりなく、上記差分出力が被検出ガスの濃度に対しほぼ一義的に得られる。

また、本発明に係る接触燃焼式ガスセンサは、請求項３の記載によれば、
検出素子（１４００）と、電子回路手段（２０００）とを備え、
検出素子は、
複数の凹部（１４１１）を形成してなる半導体基板（１４１０）と、複数の発熱抵抗体（１４３０、２１１１、２２１１）と、半導体基板の表面に沿い複数の発熱抵抗体を互いに間隔をおいて上記各凹部に対応して内包するように形成される絶縁部材（１４２０、１４６０）と、この絶縁部材のうち複数の発熱抵抗体のうちの１つの発熱抵抗体に対する対応部位に設けられる所定の厚さの酸化触媒（１４８０）とを有しており、
電子回路手段は、
検出素子と共に同一の被検出空間内に配設されて当該被検出空間内の雰囲気温度を検出する温度検出手段（１４５０、２３１４）と、
上記１つの発熱抵抗体を検出極としてこの検出極と共に構成される検出極用ブリッジ手段であって検出極の抵抗値の変化に応じて出力を発生する検出極用ブリッジ手段（２１１０）と、
上記複数の発熱抵抗体のうちの他の１つの発熱抵抗体を参照極としてこの参照極と共に構成される参照極用ブリッジ手段であって参照極の抵抗値の変化に応じて出力を発生する参照極用ブリッジ手段（２２１０）と、
検出極を一定温度に維持するように検出極用ブリッジ手段を制御する検出極用制御手段（２１３０）と、
参照極を一定温度に維持するように参照極用ブリッジ手段を制御する参照極用制御手段（２２３０）と、
検出極用及び参照極用の両ブリッジ手段の各出力の差を、可燃性被検出ガスの濃度を表す差分出力として発生する差分出力発生手段（２１２０、２２１０）とを備える。

当該接触燃焼式ガスセンサにおいて、温度検出手段の検出雰囲気温度に応じて上記差分出力を補正する補正手段（２５１０、２５２０、２５３０、２５４０）を具備するようにしたことを特徴とする。

これにより、上述のような構成の検出素子を採用しても、請求項１或いは２に記載の発明と同様の作用効果が達成され得る。

また、本発明は、請求項４の記載によれば、請求項１〜３のいずれか１つに記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、
上記被検出ガスの濃度が零のときの零点出力における上記雰囲気温度の特性を表す零点出力−雰囲気温度データ、及び上記零点出力の上記被検出ガスの濃度に対する傾きにおける上記雰囲気温度の特性を表す傾き−雰囲気温度データを記憶する記憶手段（２４００）を備えて、
補正手段は、
記憶手段に記憶済みの上記零点出力−雰囲気温度データに基づき上記検出雰囲気温度に応じて上記零点出力を算出し、上記差分出力を、当該零点出力に基づいて零点補正する零点補正手段（２５１０、２５２０、２５３０）と、
記憶手段に記憶済みの上記傾き−雰囲気温度データに基づき上記検出雰囲気温度に応じて上記傾きを算出し零点補正手段で補正済みの差分出力を、上記傾きに基づいて傾き補正する傾き補正手段（２５４０）とを具備することを特徴とする。

このような構成とすることで、請求項１〜３のいずれか１つに記載の発明の作用効果がより一層具体的に達成され得る。

また、本発明は、請求項５の記載によれば、請求項１〜４のいずれか１つに記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、酸化触媒の厚さは、５（μｍ）〜５００（μｍ）の範囲以内であることを特徴とする。

これにより、酸化触媒の厚さが、当該酸化触媒の被毒耐性を最低限度において確保し得る厚さ５（μｍ）以上に設定されている。従って、被検出ガスがシリコン（Ｓｉ）やイオウ（Ｓ）等の被毒物質を含んでいても、酸化触媒が当該被毒物質によって被毒されにくくなり、請求項１〜４のいずれか１つに記載の発明の作用効果がより一層具体的に達成され得る。

また、酸化触媒の厚さが、当該酸化触媒の消費電力を適正に抑え得る厚さ５００（μｍ）以下に設定されている。従って、酸化触媒が余分な電力を消費することなく、請求項１〜４のいずれか１つに記載の発明の作用効果がより一層具体的に達成され得る。

なお、請求項１〜３のいずれか１つに記載の発明において、補正手段による補正は、温度検出手段の検出雰囲気温度の上昇或いは低下に応じて上記差分出力を減少或いは増大するようにすれば、請求項１〜３のいずれか１つに記載の発明に記載の作用効果はより一層向上され得る。

また、請求項４に記載の発明において、上記零点−雰囲気温度データは、上記被検出ガスの濃度が零のときの零点出力が上記雰囲気温度の上昇（或いは）低下に伴い減少（或いは増大）する特性で表すようにしてもよい。また、上記傾き−雰囲気温度データは、上記零点出力の上記被検出ガスの濃度に対する傾きが上記雰囲気温度の上昇（或いは低下）に伴い減少（或いは増大）する特性で表すようにしてもよい。

このような前提のもと、零点補正手段は、上記零点−雰囲気温度データに基づき上記検出雰囲気温度に応じて上記零点出力を算出し、上記零点出力から上記差分出力を減じることで、零点補正をし、また、傾き補正手段は、上記傾き−雰囲気温度データに基づき上記検出雰囲気温度に応じて上記傾きを算出し、上記零点補正済みの差分出力を、これに上記算出傾きを乗ずることで、傾き補正するようにしてもよい。これによれば、請求項４に記載の発明がより一層向上し得る。

また、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１及び図２は、本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの一実施形態を示しており、この接触燃焼式ガスセンサは、例えば、燃料電池から漏れ出る被検出ガス中の水素ガス成分の濃度を検出するのに用いられる。

当該接触燃焼式ガスセンサは、図１或いは図２にて示すごとく、センサ本体１０００及び電子回路２０００でもって構成されている。

センサ本体１０００は、ケーシング１１００を備えている。このケーシング１１００は、両ケーシング部材１１１０、１１２０を有しており、当該両ケーシング部材１１１０、１１２０は、その各開口部にて嵌合されて、ケーシング１０００を構成している。

ここで、ケーシング部材１１１０は、ガス導入筒１１１１を備えており、このガス導入筒１１１１は、ケーシング部材１１１０の底壁中央から外方へ円筒状に延出し、ガス導入口部１１１２にて、外方に開口している。

また、センサ本体１０００は、センサユニット１２００を有しており、このセンサユニット１２００は、図１にて示すごとく、ケーシング部材１１１０の内側からガス導入筒１１１１内に同軸的に嵌装されている。

当該センサユニット１２００は、図１及び図３にて示すごとく、円筒部材１２１０を備えている。この円筒部材１２１０は、その底壁側円筒部にて、図１にて示すごとく、ガス導入筒１１１１の小径穴部に同軸的に嵌装されており、当該円筒部材１２１０は、その先端側環状底壁１２１１（図１及び図３参照）にて、ガス導入口部１１１２にその内面側から着座している。なお、円筒部材１２１０は、図１にて示すごとく、環状底壁１２１１の中空部にて、ガス導入口部１１１２を通り外方に開口している。

また、円筒部材１２１０は、その基端側環状フランジ部１２１２にて、図１にて示すごとく、ガス導入筒１１１１の基端側大径穴部内にパッキン等の環状シール１１１３を介し気密的に嵌装されている。なお、本実施形態では、板状封止部材１１１４が、ケーシング１１００のガス導入筒１１１１の内端部に装着されて、当該ガス導入筒１１１１を封止している。

また、センサユニット１２００は、円筒部材１２１０内に設けた撥水フィルタ１２２０、ワッシャ１２３０及び両金網１２４０を備えている。撥水フィルタ１２２０は、その外周部にて、円筒部材１２１０の環状底壁１２１１とワッシャ１２３０との間に挟持されており、この撥水フィルタ１２２０は、ガス導入筒１１１１のガス導入口部１１１２及び円筒部材１２１０の環状底壁１２１１の中空部から円筒部材１２１０のうちワッシャ１２３０よりも基端側内部空間内への水滴や粉塵の侵入を防止する。

両金網１２４０は、図３にて拡大して示すごとく、その外周部にて、ワッシャ１２３０と円筒状スペーサ１２５０の環状底壁１２５１との間に挟持されており、これら金網１２４０は、次のような役割を果たす。即ち、検出素子１４００の左右両側発熱抵抗体１４３０（後述する）への通電に伴い当該左右両側発熱抵抗体１４３０に電流が流れ、これら発熱抵抗体１４３０の温度が水素ガスの下限爆発温度を上回ることで、被検出ガス中の水素ガス成分が円筒状スペーサ１２５０内で発火した場合に、両金網１２４０は、スペーサ１２５０の内部からその外方への逸火を防止する。

なお、円筒状スペーサ１２５０は、円筒部材１２１０の底壁側円筒部内に同軸的に圧入により嵌装されて、その環状底壁１２５１にて、両金網１２４０、ワッシャ１２３０及び撥水フィルタ１２２０を、円筒部材１２１０の環状底壁１２１１の内面上に固定している。

当該センサユニット１２００は、図１及び図３にて示すごとく、金属製端子台１２６０を備えており、この端子台１２６０は、図３にて拡大して示すごとく、その断面Ｌ字状外周部１２６１にて、円筒部材１２１０の環状フランジ部１２１２内にＯリング或いはパッキン等の環状シール部材１２６２を介し同軸的にかつ気密的に嵌装されている。

この端子台１２６０には、複数のターミナル１２６３が、その各基端部にて、図３にて拡大して示すごとく、各対応の管状電気絶縁部材１２６４（図３では、２つの電気絶縁部材１２６４のみを示す）を介し挿通されており、これら各ターミナル１２６３の各先端部は、図１にて示すごとく、封止部材１１１４を通り配線板１１１５に挿通されて、この配線板１１１５の配線パターン部に電気的に接続されている。また、各ターミナル１２６３は、その基端部にて、検出素子１４００（後述する）の各対応の電極膜１４５１、１４７０（後述する）にワイヤボンディングにより電気的に接続されている。

また、センサユニット１２００は、板状断熱部材１３００及び検出素子１４００を備えており、断熱部材１３００は、検出素子１４００と共に、図１及び図３にて示すごとく、円筒部材１２１０の小径部内（底壁側円筒部内）にて、端子台１２６０に支持されている。
断熱部材１３００は、図１及び図３にて示すごとく、上壁１３１０を備えており、この上壁１３１０は、その表面にて、端子台１２６０の裏面中央部に装着されている。また、当該断熱部材１３００は、十字状の溝１３２０を備えており、この溝１３２０は、断熱部材１３００にその裏面側から十字状に形成されて、４つの角柱状隅角部１３３０（図３では、２つの隅角部１３３０のみを示す）を形成している。

このように構成した断熱部材１３００は、上壁１３１０にて、端子台１２６０の裏面中央部に固着されており、この断熱部材１３００の各隅角部１３３０には、検出素子１４００の下側絶縁層１４２０（後述する）が固着されている。

また、検出素子１４００は、図１及び図３にて示すごとく、断熱部材１３００にその裏面側から設けられて、円筒状スペーサ１２５０の開口部内に位置している。この検出素子１４００は、マイクロマシニング技術を用いて製造されているもので、当該検出素子１４００は、図４にて示すごとく、珪素製半導体基板１４１０及び上下両側絶縁層１４２０を備えている。

半導体基板１４１０は、図４にて示すごとく、図示左右両側凹部１４１１を備えており、これら左右両側凹部１４１１は、半導体基板１４１０の裏面側から表面側にかけて、互いに間隔をおいて断面末すぼまり状に形成されている。

上側絶縁層１４２０は、半導体基板１４１０の表面に形成された上側酸化珪素膜１４２１及びこの上側酸化珪素膜１４２１の表面に沿い形成された上側窒化珪素膜１４２２でもって構成されている。

一方、下側絶縁層１４２０は、半導体基板１４１０の裏面に形成された下側酸化珪素膜１４２１及びこの下側酸化珪素膜１４２１の裏面に沿い形成された下側窒化珪素膜１４２２でもって構成されている。この下側絶縁層１４２０は、半導体基板１４１０の各凹部１４１１に対応する部位にて、それぞれ除去されて、各凹部１４１１の開口部として形成されている。

しかして、検出素子１４００は、下側絶縁層１４２０の下側窒化珪素膜１４２２にて、断熱部材１３００にその裏面側から各隅角部１３３０に亘り固着されている。これにより、上側絶縁層１４２０は、上側酸化珪素膜１４２１の裏面のうち各凹部１４１１に対する各対応裏面部にて、当該各凹部１４１１の開口部を通して断熱部材１３００の各隅角部（図３参照）に対向している。なお、半導体基板１４１０は、各凹部１４１１以外の部位にて基板部１４１２を構成する。

また、検出素子１４００は、図４及び図５にて示すごとく、左右両側発熱抵抗体１４３０及び左側、中央側及び右側の各配線膜１４４０を備えている。左側発熱抵抗体１４３０は、上側絶縁層１４２０の上側窒化珪素膜１４２２の表面のうち左側凹部１４１１に対応する部位上に渦巻き状に形成されており、一方、右側発熱抵抗体１４３０は、上側窒化珪素膜１４２２の表面のうち右側凹部１４１１に対応する部位上に渦巻き状に形成されている。

左側配線膜１４４０は、図４にて示すごとく、上側窒化珪素膜１４２２の表面の左側部上において、半導体基板１４１０の基板部１４１２に対応して位置し、図５にて示すごとく、左側発熱抵抗体１４３０の一端と一体となるように形成されている。

中央側配線膜１４４０は、図４にて示すごとく、上側窒化珪素膜１４２２の表面の中央部上にて、半導体基板１４１０の基板部１４１２に対応して位置しており、この中央側配線膜１４４０は、図５にて示すごとく、左側発熱抵抗体１４３０の他端及び右側発熱抵抗体１４３０の一端と一体となるように形成されている。また、右側配線膜１４４０は、図４にて示すごとく、上側窒化珪素膜１４２２の表面の右側部上にて、半導体基板１４１０の基板部１４１２に対応して位置しており、この右側配線膜１４４０は、図５にて示すごとく、右側発熱抵抗体１４３０の他端と一体となるように形成されている。

また、検出素子１４００は、図５にて示すごとく、測温抵抗体１４５０を備えており、この測温抵抗体１４５０は、白金（Ｐｔ）を含む測温抵抗材料でもって、左右両側発熱抵抗体１４３０の図５にて図示上側において、上側絶縁層１４２０の上側窒化珪素膜１４２２の表面上に形成されている。しかして、当該測温抵抗体１４５０は、検出素子１４００の周囲の被検出空間内の雰囲気温度を検出する。

また、当該検出素子１４００は、図４及び図５にて示すごとく、絶縁材料からなる保護層１４６０を備えており、この保護層１４６０は、各発熱抵抗体１４３０、各配線膜１４４０及び測温抵抗体１４５０を覆うように、上側絶縁層１４２０の上側窒化珪素膜１４２２の表面上に形成されている。

また、検出素子１４００は、図４及び図５にて示すごとく、左側、中央側及び右側の各電極膜１４７０を備えており、これら左側、中央側及び右側の各電極膜１４７０は、保護層１４６０に形成した左側、中央側及び右側の各コンタクトホール１４６１を通して左側、中央側及び右側の各配線膜１４４０上に形成されている。なお、測温抵抗体１４５０は、その左右両端部にて、各電極膜１４５１を介し配線板１１１５の上記配線パターン部に接続されている。

また、検出素子１４００は、酸化触媒膜１４８０を備えており、この酸化触媒膜１４８０は、保護層１４６０の表面のうち左側発熱抵抗体１４３０に対する対応部位上に形成されて、保護層１４６０の表面と共に、円筒状スペーサ１２５０の底壁１２５１の中空部に対向している。しかして、酸化触媒膜１４８０は、左側発熱抵抗体１４３０への通電時に、被検出ガス中の水素ガス成分を燃焼させる。

本実施形態において、酸化触媒膜１４８０は、５（μｍ）〜５００（μｍ）の範囲以内の膜厚でもって形成されている。ここで、酸化触媒膜１４８０の膜厚を５（μｍ）以上としたのは、酸化触媒膜１４８０の被毒耐性を少なくとも最低限度において確保するためである。また、酸化触媒膜１４８０の膜厚を５００（μｍ）以下としたのは、酸化触媒膜１４８０の消費電力を適正に抑制するためである。

なお、本実施形態では、当該接触燃焼式ガスセンサにおいて、左側発熱抵抗体１４３０は、検出極としての役割を果たし、また、右側発熱抵抗体１４３０は、参照極としての役割を果たす。

上述した電子回路２０００は、図１にて示すごとく、配線板１１１５の裏面に装着されて、ケーシング１１００内に支持されている。なお、電子回路２０００は、配線板１１１５の配線パターン部を介し各ターミナル１２６３に電気的に接続されている。

電子回路２０００は、図２にて示すごとく、検出極側制御回路２１００、参照極側制御回路２２００、測温抵抗体側制御回路２３００及びマイクロコンピュータ２４００でもって構成されている。

検出極側制御回路２１００は、ブリッジ回路２１１０、差動増幅回路２１２０及び定温度制御回路２１３０を備えている。ブリッジ回路２１１０は、検出用発熱抵抗体２１１１並びに各固定抵抗２１１２、２１１３及び２１１４でもって、ホイートストーンブリッジ回路を形成するように構成されている。なお、検出用発熱抵抗体２１１１は、検出素子１４００の左側発熱抵抗体１４３０でもって構成されている。

しかして、このブリッジ回路２１１０は、定温度制御回路２１３０による定温度制御のもと、検出用発熱抵抗体２１１１の抵抗値の変化に基づき、両固定抵抗２１１３、２１１４の共通端子（ブリッジ回路２１１０の一側出力端子）と検出用発熱抵抗体２１１１及び固定抵抗２１１２の共通端子（ブリッジ回路２１１０の他側出力端子）との間にて、電位差（水素ガス成分の濃度を表す）を発生する。なお、ブリッジ回路２１１０において、固定抵抗２１１２と固定抵抗２１１４との間の共通端子は接地されている。

差動増幅回路２１２０は、その各入力抵抗２１２１、２１２２にて、ブリッジ回路２１１０の一側及び他側の各出力端子から出力される電位差を入力されて、この電位差を演算増幅器２１２３でもって差動増幅し差動増幅電圧として発生し、定温度制御回路２１３０に出力するとともに、抵抗２１２４を介しマイクロコンピュータ２４００に出力する。

定温度制御回路２１３０は、トランジスタ２１３１を備えており、このトランジスタ２１３１は、そのベースにて、抵抗２１３２を介し、差動増幅回路２１２０の演算増幅器２１２３の出力端子に接続されている。また、当該トランジスタ２１３１は、そのコレクタにて、ブリッジ回路２１１０の発熱抵抗体２１１１と固定抵抗２１１３との間の共通端子に接続されおり、このトランジスタ２１３１のエミッタは、直流電源の正側端子＋Ｖｃに接続されている。

しかして、当該定温度制御回路２１３０においては、トランジスタ２１３１が、そのベースにて、抵抗２１３２を介し演算増幅器２１２３から差動増幅電圧を入力されて、上記直流電源からの直流電圧に基づき、検出用発熱抵抗体２１１１の発熱温度（抵抗値）を一定にするような制御電圧を発生し、ブリッジ回路２１１０の一側及び他側の各出力端子間に出力する。このことは、定温度制御回路２１３０が、差動増幅回路２１２０からの差動増幅電圧に応じて、ブリッジ回路２１１０の検出用発熱抵抗体２１１１の発熱温度を一定に制御することを意味する。

参照極側制御回路２２００は、ブリッジ回路２２１０、差動増幅回路２２２０及び定温度制御回路２２３０を備えている。ブリッジ回路２２１０は、参照用発熱抵抗体２２１１並びに各固定抵抗２２１２、２２１３及び２２１４でもって、ホイートストーンブリッジ回路を形成するように構成されている。なお、参照用発熱抵抗体２２１１は、検出素子１４００の右側発熱抵抗体１４３０でもって構成されている。

しかして、このブリッジ回路２２１０は、定温度制御回路２２３０による定温度制御のもと、参照用発熱抵抗体２２１１の抵抗値の変化に基づき、両固定抵抗２２１３、２２１４の共通端子（ブリッジ回路２２１０の一側出力端子）と参照用発熱抵抗体２２１１及び固定抵抗２２１２の共通端子（ブリッジ回路２２１０の他側出力端子）との間にて、電位差を発生する。なお、ブリッジ回路２２１０において、固定抵抗２２１２と固定抵抗２２１４との間の共通端子は接地されている。

差動増幅回路２２２０は、その各入力抵抗２２２１、２２２２にて、ブリッジ回路２２１０の一側及び他側の各出力端子から出力される電位差を入力されて、この電位差を演算増幅器２２２３でもって差動増幅し差動増幅電圧として発生し、定温度制御回路２２３０に出力するとともに、抵抗２２２４を介しマイクロコンピュータ２４００に出力する。

定温度制御回路２２３０は、トランジスタ２２３１を備えており、このトランジスタ２２３１は、そのベースにて、抵抗２２３２を介し、差動増幅回路２２２０の演算増幅器２２２３の出力端子に接続されている。また、当該トランジスタ２２３１は、そのコレクタにて、ブリッジ回路２２１０の発熱抵抗体２２１１と固定抵抗２２１３との間の共通端子に接続されおり、このトランジスタ２２３１のエミッタは、上記直流電源の正側端子＋Ｖｃに接続されている。

しかして、当該定温度制御回路２２３０においては、トランジスタ２２３１が、そのベースにて、抵抗２２３２を介し演算増幅器２２２３から差動増幅電圧を入力されて、上記直流電源からの直流電圧に基づき、参照用発熱抵抗体２２１１の発熱温度（抵抗値）を一定にするような制御電圧を発生し、ブリッジ回路２２１０の一側及び他側の各出力端子間に出力する。このことは、定温度制御回路２２３０が、差動増幅回路２２２０からの差動増幅電圧に応じて、ブリッジ回路２２１０の参照用発熱抵抗体２２１１の発熱温度を一定に制御することを意味する。

測温抵抗体側制御回路２３００は、ブリッジ回路２３１０及び差動増幅回路２３２０を備えている。ブリッジ回路２３１０は、測温抵抗体２３１４並びに各固定抵抗２３１１、２３１２及び２３１３でもって、ホイートストーンブリッジ回路を形成するように構成されており、当該ブリッジ回路２３１０は、両固定抵抗２３１１、２３１３の間の共通端子にて、上記直流電源の正側端子＋Ｖｃに接続されている。なお、測温抵抗体２３１４は、検出素子１４００の測温抵抗体１４５０でもって構成されている。

しかして、このブリッジ回路２３１０は、上記直流電源から直流電圧を定電圧として受けて、定電圧制御され、固定抵抗２３１３及び測温抵抗体２３１４の共通端子（ブリッジ回路２３１０の一側出力端子）と、両固定抵抗２３１１、２３１２の共通端子（ブリッジ回路２３１０の他側出力端子）との間に、測温抵抗体２３１４の抵抗値（温度）に応じて電位差を発生する。なお、固定抵抗２３１２及び測温抵抗体２３１４の共通端子は接地されている。

差動増幅回路２３２０は、その各入力抵抗２３２１、２３２２にて、ブリッジ回路２３１０の一側及び他側の各出力端子から出力される電位差を入力されて、この電位差を演算増幅器２３２３でもって差動増幅し差動増幅電圧として発生しマイクロコンピュータ２４００に出力する。

マイクロコンピュータ２４００は、図６にて示すフローチャートに従い、コンピュータプログラムを実行し、この実行中において、各差動増幅回路２１２０、２２２０及び２３２０の出力電位差に基づき温度補正に要する各種の処理を行う。なお、上記コンピュータプログラムは、マイクロコンピュータ２４００のＲＯＭに当該マイクロコンピュータにより読み出し可能に予め記憶されている。

以上のように構成した本実施形態において、当該接触燃焼式ガスセンサが、燃料電池から水素ガス成分を含む被検出ガスとして漏洩するガスの雰囲気内に配置されているものとする。

このような状態にて、燃料電池からの被検出ガスが、当該接触燃焼式ガスセンサのケーシング部材１１１０のガス導入筒１１１１内にそのガス導入口部１１１２から流入すると、当該被検出ガスは、センサユニット１２００の撥水フィルタ１２２０、ワッシャ１２３０及び両金網１２４０を通り円筒状スペーサ１２５０内にその底壁１２５１の中空部から流入して、検出素子１４００に到達する。

これに伴い、上述のようにスペーサ１２５０内に流入した被検出ガスが、酸化触媒膜１４８０に接触するようにして保護層１４６０の表面付近にて流動する。このとき、両発熱抵抗体１４３０（２１１１、２２１１）が電子回路２０００の定温度制御回路２１３０、２２３０による制御のもとに通電されて発熱しているものとする。また、測温抵抗体２３１４（１４５０）は、その抵抗値に応じ、ケーシング１１００内の検出素子１４００の周囲における雰囲気温度を検出する。

このような状態において、当該電子回路２０００が作動状態におかれると、検出極側制御回路２１００においては、ブリッジ回路２１１０が発熱抵抗体２１１１（左側発熱抵抗体１４３０）の抵抗値に応じて電位差を発生し、差動増幅回路２１２０が、当該ブリッジ回路２１１０からの電位差を差動増幅して差動増幅電圧を発生し、定温度制御回路２１３０が、差動増幅回路２１２０からの差動増幅電圧に基づき発熱抵抗体２１１１の温度を一定にするようにブリッジ回路２１１０を制御する。

このとき、ブリッジ回路２１１０は、その両出力端子から発熱抵抗体２１１１の抵抗値に応じて電位差（水素ガス成分の濃度を表す）を発生し、差動増幅回路２１２０は、ブリッジ回路２１１０からの電位差を差動増幅して差動増幅電圧を発生し、定温度制御回路２１３０は、差動増幅回路２１２０からの差動増幅電圧に基づき制御電圧を発生してブリッジ回路２１１０に出力する。

また、上述のように電子回路２０００が作動状態になると、参照極側制御回路２２００においては、ブリッジ回路２２１０が発熱抵抗体２２１１（右側発熱抵抗体１４３０）の抵抗値に応じて電位差を発生し、差動増幅回路２２２０が、当該ブリッジ回路２２１０からの電位差を差動増幅して差動増幅電圧を発生し、定温度制御回路２２３０が、差動増幅回路２２２０からの差動増幅電圧に基づき発熱抵抗体２２１１の温度を一定にするようにブリッジ回路２２１０を制御する。

このとき、ブリッジ回路２２１０は、その両出力端子から発熱抵抗体２２１１の抵抗値に応じて電位差を発生し、差動増幅回路２２２０は、ブリッジ回路２２１０からの電位差を差動増幅して差動増幅電圧を発生し、定温度制御回路２２３０は、差動増幅回路２２２０からの差動増幅電圧に基づき制御電圧を発生してブリッジ回路２２１０に出力する。

また、測温抵抗体側制御回路２３００においては、ブリッジ回路２３１０が、上記直流電源からの直流電圧に基づき、測温抵抗体２３１４の抵抗値に応じて定電圧制御される。

このとき、ブリッジ回路２３１０は、その両出力端子間にて測温抵抗体２３１４の抵抗値に応じて電位差を発生し、差動増幅回路２３２０は、当該電位差を差動増幅して差動増幅電圧を発生する。

また、上述のように電子回路２０００が作動状態になると、マイクロコンピュータ２４００が、図６のフローチャートに従い上記コンピュータプログラムの実行を開始する。これに伴い、マイクロコンピュータ２４００は、ステップ２５００において、各差動増幅回路２１２０、２２２０及び２３２０の差動増幅電圧が検出極電圧Ｖｈ、参照極電圧Ｖｓ及び測温抵抗体電圧Ｖ_Tとして入力される。

然る後、ステップ２５１０において、検出素子１４００の被検出ガス中の水素ガス成分の濃度に対する感度を表す電圧ΔＶ（以下、感度電圧ΔＶともいう）が、次の式（１）に基づき、ステップ２５００における検出極電圧Ｖｓ及び参照極電圧Ｖｈに応じて算出される。

ΔＶ＝Ｖｓ−Ｖｈ ・・・（１）
ついで、ステップ２５２０において、雰囲気温度Ｔが、次の式（２）に基づいて、ステップ２５００における測温抵抗体電圧Ｖ_Tに応じて算出される。なお、雰囲気温度Ｔは、センサユニット１２００内における検出素子１４００の周囲の温度をいう。

Ｔ＝Ｐ・Ｖ_T ・・・（２）
この式（２）において、Ｐは、正の定数である。

次に、ステップ２５３０において、零点補正電圧Ｖｚが、次の式（３）に基づいて、検出素子１４００の零点（水素ガス成分の濃度が零である座標点）の感度を表す電圧ΔＶ₀（以下、零点感度電圧ΔＶ₀ともいう）及び感度電圧ΔＶに応じて、算出される。

Ｖｚ＝ΔＶ−ΔＶ₀ ・・・（３）
この式（３）において、零点感度電圧ΔＶ₀は、次の式（４）でもって与えられる。

ΔＶ₀＝Ｖｓ₀−Ｖｈ₀・・・（４）
ここで、Ｖｓ₀は、参照極電圧Ｖｓの零点を表す電圧であり、Ｖｈ₀は、検出極電圧Ｖｓの零点を表す電圧である。

さらに、零点感度電圧ΔＶ₀が雰囲気温度Ｔに依存することを考慮して、この零点感度電圧ΔＶ₀と雰囲気温度Ｔとの間の関係について調べてみたところ、図７にて示すグラフが得られた。

このグラフによれば、当該零点感度電圧ΔＶ₀は、雰囲気温度Ｔとの間にて、この雰囲気温度Ｔの低下（或いは上昇）に伴い増大（或いは減少）するという比例関係を有することが分かる。そこで、本実施形態では、当該零点感度電圧ΔＶ₀と雰囲気温度Ｔとの関係が、ΔＶ₀−Ｔ特性として、マイクロコンピュータのＲＯＭに予め記憶されている。

従って、ステップ２５３０においては、零点感度電圧ΔＶ₀が、ΔＶ₀−Ｔデータに基づき雰囲気温度Ｔ（式（２）参照）に応じて決定される。ついで、零点補正電圧Ｖｚが、上述のように決定された零点感度電圧ΔＶ₀及び感度電圧ΔＶ（式（１）参照）に応じて、式（３）を用いて算出される。このようにして得た零点補正電圧Ｖｚは、雰囲気温度Ｔの変動に応じて検出素子１４００の感度の零点を補正した電圧に相当する。

次に、ステップ２５４０において、水素ガス成分の濃度を表す電圧Ｖ（以下、濃度電圧Ｖともいう）が、次の式（５）に基づいて、零点補正電圧Ｖｚに応じて算出される。

Ｖ＝Ｇ・Ｖｚ・・・（５）
この式（５）において、Ｇは、零点補正電圧Ｖｚの水素ガス成分の濃度に対する傾き（以下、ゲインともいう）であって、次の式（６）にて表される。

Ｇ＝Ｃ／Ｖｚｃ・・・（６）
この式（６）において、Ｃは、検出素子１４００の検出濃度範囲内における所定濃度であり、Ｖｚｃは、検出素子１４００の検出濃度範囲における零点補正電圧Ｖｚの所定濃度Ｃに対応する値である。

ここで、ゲインＧは、雰囲気温度Ｔに依存することを考慮して、このゲインＧと雰囲気温度Ｔとの関係を調べたところ、図８にて示すグラフが得られた。

このグラフによれば、ゲインＧは、雰囲気温度Ｔとの間にて、この雰囲気温度Ｔの低下（或いは上昇）に伴い増大（或いは減少）するという比例関係を有することが分かる。そこで、本実施形態では、当該ゲインＧと雰囲気温度Ｔとの関係が、Ｇ−Ｔ特性として、マイクロコンピュータのＲＯＭに予め記憶されている。

従って、ステップ２５４０においては、ゲインＧが、上記Ｇ−Ｔ特性に基づき雰囲気温度Ｔに応じて決定される。ついで、濃度電圧Ｖが、上述のように決定されたゲインＧ及び感度電圧Ｖｚ（式（３）参照）に応じて、式（５）に基づき算出される。

このようにして得られた濃度電圧Ｖは、雰囲気温度Ｔで決まる零点及びゲインでもって補正した値である。このことは、当該ガスセンサは、雰囲気温度Ｔとはかかわりなく、任意の水素ガス成分の濃度をばらつきなくほぼ一義的に検出し得ることを意味する。

ステップ２５４０の処理後、ステップ２５５０において、当該ガスセンサとしての出力電圧Ｖｏｕｔが、次の式（７）に基づいて算出される。

Ｖｏｕｔ＝Ｖ＋Ｖｏｆｆｓｅｔ・・・（７）
この式において、Ｖｏｆｆｓｅｔは、オフセット量を表す。

以上説明したように、本実施形態では、各ブリッジ回路２１１０、２２１０における検出極及び参照極の一定温度制御のもと、検出極電圧Ｖｈと参照極電圧Ｖｓとの差ΔＶ、即ち差分出力が、ΔＶ₀−Ｔ特性に基づき雰囲気温度Ｔに応じて得られる零点感度電圧ΔＶ₀でもって、零点補正電圧Ｖｚとして零点補正される。

また、この零点補正電圧Ｖｚが、Ｇ−Ｔ特性に基づき雰囲気温度Ｔに応じて得られるゲインＧでもって、濃度電圧Ｖとしてゲイン補正される。

これにより、酸化触媒膜１４８０が上述のように厚くても、検出素子の水素ガス成分の濃度に対する感度及び零点の各ばらつきがなくなり、その結果、雰囲気温度Ｔが変動しても、この変動とはかかわりなく、上記差分出力が水素ガス成分の濃度に対しほぼ一義的に得られる。

ここで、上述のように被検出ガスが円筒状スペーサ１２５０内にて流動すると、この被検出ガスに含まれる水素ガス成分が、円筒状スペーサ１２５０内の空気中において、酸化触媒膜１４８０と接触燃焼反応を起こして、水蒸気を発生する。

しかしながら、上述のように、合成樹脂材料からなる断熱部材１３００が、端子台１２６０と検出素子１４００との間に設けられているため、当該断熱部材１３００が検出素子１４００を端子台１２６０から良好に断熱する。従って、両発熱抵抗体１４３０の発熱により検出素子１４００に生じた熱が、端子台１２６０に伝わることなく、断熱部材１３００により遮断されて、検出素子１４００にとどまる。

このため、上述のように被検出ガスの温度が低くても、検出素子１４００の表面部位を構成する酸化触媒膜１４８０や保護層１４６０が、その表面側から被検出ガスにより冷却されることがない。その結果、上述のように発生した水蒸気が検出素子１４００の上記表面部位で結露することがなく、当該接触燃焼式ガスセンサとしての検出出力である濃度電圧Ｖが正常に確保され得る。

ちなみに、上述のような温度補正を行う前において、当該ガスセンサの出力電圧と水素ガス成分の濃度との関係につき、雰囲気温度Ｔをパラメータとして、調べてみたところ、図９にて示すような各グラフ１〜４が得られた。

ここで、グラフ１は、雰囲気温度Ｔ＝０（℃）のときの当該ガスセンサの出力電圧と水素ガス成分の濃度との関係を表し、グラフ２は、雰囲気温度Ｔ＝２５（℃）のときの当該ガスセンサの出力電圧と水素ガス成分の濃度との関係を表す。また、グラフ３は、雰囲気温度Ｔ＝５０（℃）のときの当該ガスセンサの出力電圧と水素ガス成分の濃度との関係を表し、グラフ４は、雰囲気温度Ｔ＝８０（℃）のときの当該ガスセンサの出力電圧と水素ガス成分の濃度との関係を表す。

これら各グラフ１〜４によれば、当該ガスセンサの出力電圧は、同一の水素ガス成分の濃度に対して、雰囲気温度Ｔの変動に伴いばらつくことが分かる。

これに対して、上述のような温度補正を行った後において、当該ガスセンサの出力電圧と水素ガス成分の濃度との関係につき、雰囲気温度Ｔをパラメータとして、調べてみたところ、図１０にて示すようなグラフが得られた。

これによれば、上述のような温度補正を行う前とは異なり、温度補正を行った後においては、当該ガスセンサの出力電圧は、同一の水素ガス成分の濃度に対して、雰囲気温度Ｔの変動とはかかわりなく一致することが分かる。

なお、本発明の実施にあたり、上記各実施形態に限ることなく、次のような種々の変形例が挙げられる。
（１）測温抵抗体１４５０は、検出素子１４００とは別体にて、当該検出素子１４００と同一の被検出空間内に配設するようにしてもよい。
（２）上述した被検出ガスは、水素ガス成分に限ることなく、可燃性ガスであればよい。
（３）検出素子１４００のうち左側発熱抵抗体１４３０及びこれに対応する部位と、検出素子１４００のうち右側発熱抵抗体１４３０及びこれに対応する部位とを、互いに別体となるように構成し、第１及び第２の検出素子としてもよい。ここで、検出素子１４００或いは上記第１及び第２の検出素子を検出部として把握するようにしてもよい。

本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの一実施形態を示す概略断面図である。 図１の電子回路の回路構成図である。 図１のセンサユニットの拡大断面図である。 図５の４−４線に沿う断面図である。 図３の検出素子の拡大平面図である。 図２のマイクロコンピュータの作用を示すフローチャートである。 上記実施形態において、ΔＶ０と雰囲気温度との関係を示すグラフである。 上記実施形態において、ゲインと雰囲気温度との関係を示すグラフである。 上記実施形態において、温度補正前の出力電圧と水素ガス成分の濃度との関係を示すグラフである。 上記実施形態において、温度補正後の出力電圧と水素ガス成分の濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１４００…検出素子、１４１０…半導体基板、１４１１…凹部、
１４２０…絶縁層、１４６０…保護層、
１４３０、２１１１、２２１１…発熱抵抗体、
１４５０、２３１４…測温抵抗体、１４８０…酸化触媒膜、
２０００…電子回路、２１１０、２２１０…ブリッジ回路、
２１２０、２２２０…差動増幅回路、２４００…マイクロコンピュータ。

Claims (5)

1. 酸化触媒を有する検出極及び参照極を一体に或いは別体にて備えてなる検出部と、
   この検出部と共に同一の被検出空間内に配設されて当該被検出空間内の雰囲気温度を検出する温度検出手段と、
   前記検出極を一定の温度に制御する検出極用制御手段と、
   前記参照極を一定の温度に制御する参照極用制御手段と、
   前記検出極及び前記参照極の各出力の差を、可燃性被検出ガスの濃度を表す差分出力として発生する差分出力発生手段とを備える接触燃焼式ガスセンサにおいて、
   前記温度検出手段の検出雰囲気温度に応じて前記差分出力を補正する補正手段を具備するようにしたことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
2. 酸化触媒を有する検出極及び参照極を一体に或いは別体にて備えてなる検出部と、
   この検出部と共に同一の被検出空間内に配設されて当該被検出空間内の雰囲気温度を検出する温度検出手段と、
   前記検出極と共に構成される検出極用ブリッジ手段であって前記検出極の抵抗値の変化に応じて出力を発生する検出極用ブリッジ手段と、
   前記参照極と共に構成される参照極用ブリッジ手段であって前記参照極の抵抗値の変化に応じて出力を発生する参照極用ブリッジ手段と、
   前記検出極を一定温度に維持するように前記検出極用ブリッジ手段を制御する検出極用制御手段と、
   前記参照極を一定温度に維持するように前記参照極用ブリッジ手段を制御する参照極用制御手段と、
   前記検出極用及び参照極用の両ブリッジ手段の各出力の差を、可燃性被検出ガスの濃度を表す差分出力として発生する差分出力発生手段とを備える接触燃焼式ガスセンサにおいて、
   前記温度検出手段の検出雰囲気温度に応じて前記差分出力を補正する補正手段を具備するようにしたことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
3. 検出素子と、電子回路手段とを備え、
   前記検出素子は、
   複数の凹部を形成してなる半導体基板と、複数の発熱抵抗体と、前記半導体基板の表面に沿い前記複数の発熱抵抗体を互いに間隔をおいて前記各凹部に対応して内包するように形成される絶縁部材と、この絶縁部材のうち前記複数の発熱抵抗体のうちの１つの発熱抵抗体に対する対応部位に設けられる所定の厚さの酸化触媒とを有しており、
   前記電子回路手段は、
   前記検出素子と共に同一の被検出空間内に配設されて当該被検出空間内の雰囲気温度を検出する温度検出手段と、
   前記１つの発熱抵抗体を検出極としてこの検出極と共に構成される検出極用ブリッジ手段であって前記検出極の抵抗値の変化に応じて出力を発生する検出極用ブリッジ手段と、
   前記複数の発熱抵抗体のうちの他の１つの発熱抵抗体を参照極としてこの参照極と共に構成される参照極用ブリッジ手段であって前記参照極の抵抗値の変化に応じて出力を発生する参照極用ブリッジ手段と、
   前記検出極を一定温度に維持するように前記検出極用ブリッジ手段を制御する検出極用制御手段と、
   前記参照極を一定温度に維持するように前記参照極用ブリッジ手段を制御する参照極用制御手段と、
   前記検出極用及び参照極用の両ブリッジ手段の各出力の差を、可燃性被検出ガスの濃度を表す差分出力として発生する差分出力発生手段とを備える接触燃焼式ガスセンサにおいて、
   前記温度検出手段の検出雰囲気温度に応じて前記差分出力を補正する補正手段を具備するようにしたことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
4. 前記被検出ガスの濃度が零のときの零点出力における前記雰囲気温度の特性を表す零点出力−雰囲気温度データ、及び前記零点出力の前記被検出ガスの濃度に対する傾きにおける前記雰囲気温度の特性を表す傾き−雰囲気温度データを記憶する記憶手段を備えて、
   前記補正手段は、
   前記記憶手段に記憶済みの前記零点出力−雰囲気温度データに基づき前記検出雰囲気温度に応じて前記零点出力を算出し、前記差分出力を、前記零点出力に基づいて零点補正する零点補正手段と、
   前記記憶手段に記憶済みの前記傾き−雰囲気温度データに基づき前記検出雰囲気温度に応じて前記傾きを算出し、前記零点補正手段で補正済みの差分出力を、前記傾きに基づいて傾き補正する傾き補正手段とを具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の接触燃焼式ガスセンサ。
5. 前記酸化触媒の厚さは、５（μｍ）〜５００（μｍ）の範囲以内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の接触燃焼式ガスセンサ。
   

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