JP2011012972A

JP2011012972A - 気体熱伝導度式ガスセンサ

Info

Publication number: JP2011012972A
Application number: JP2009154716A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Sasahara; 隆彦笹原
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-01-20

Abstract

【課題】気体熱伝導度式ガスセンサにおいて、製造が容易なガスセンサを提供する。
【解決手段】雰囲気中のガス濃度を検知する検知素子Ｒｓ、および検知素子の温度補償を行う補償素子Ｒｒがブリッジ回路に組み込まれ、検知素子の抵抗値の変化によってガス濃度を検知する気体熱伝導度式ガスセンサ１において、検知素子Ｒｓを白金コイルに高熱伝導材料でコーティングし、放熱速度によって抵抗値が変化する第一の発熱体で構成され、補償素子Ｒｒを白金コイルに低熱伝導材料でコーティングして形成して、第一の発熱体と熱伝導率の異なる材質で形成された第二の発熱体で構成されている。それらをブリッジ回路１０に組み込んで気体熱伝導度式ガスセンサ１を構成する。
【選択図】図１

Description

雰囲気中のガスの濃度を測定するガスセンサ、特に雰囲気ガスとの熱収支により抵抗値の変化する検知素子と、その検知素子と熱的に等価な補償素子と、を有する気体熱伝導度式のガスセンサに関する。

気体熱伝導度式ガスセンサは、雰囲気中に含まれるガスによる熱伝導の変化を測定することで被検ガスの濃度を検知・測定している（例えば、特許文献１ないし３を参照）。

気体熱伝導度式ガスセンサで空気中のガスによる熱伝導変化を測定する方法を説明する。まず、白金コイルなどで構成された抵抗体を温湿度の影響が比較的少ない２００〜５００℃程度に加熱し、白金コイルの発熱速度と放熱速度が等しい熱平衡状態にする。そこへ空気と熱伝導度の異なるガスが検知されると、この平衡状態が崩れ、白金コイルの抵抗値が変化することを利用して測定する。熱伝導度の高いガスに曝された場合は、白金コイルの放熱速度が大きくなるため、素子が冷却され白金コイルの抵抗値が低下する。反対に、熱伝導度の低いガスに曝された場合は、白金コイルの放熱速度が小さくなるため、素子が加熱され白金コイルの抵抗値が上昇する。

この抵抗変化をより高精度に検知するため、図４に示すようなブリッジ回路を構成する。図４に従来の気体熱伝導度式ガスセンサの回路図を示す。気体熱伝導度式ガスセンサ１００は、雰囲気に曝された白金コイルで構成された検知素子Ｒｓと、白金コイルを標準ガス（空気）とともに容器１０１に密閉した補償素子Ｒｒと、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２と、を備えている。

そして、検知素子Ｒｓと補償素子Ｒｒと固定抵抗Ｒ１、Ｒ２とで構成されたブリッジ回路の補償素子Ｒｒと固定抵抗Ｒ２との接続点に電源電圧Ｖｃｃを印加し、検知素子Ｒｓと固定抵抗Ｒ１との接続点を接地する。

図４のブリッジ回路において、予めブリッジ回路の中点電位（図４のａ−ｂ間電位）を標準ガス中でゼロ電位に調整しておき、その後、雰囲気中において高熱伝導性ガスが含まれるとブリッジ回路の中点電位は負（マイナス）の方向へ変化する。反対に、雰囲気中において低熱伝導性ガスが含まれるとブリッジ回路の中点電位は正（プラス）の方向へ変化する。

この中点電位をブリッジ回路の出力とすると、ブリッジ回路の出力は被検ガスの熱伝導率に対して直線的に変化するため、被検ガスをある特定ガスに限定すれば濃度、即ち、熱伝導率にも応じて直線的に変化する。従って、このブリッジ回路の出力と熱伝導率との関係を予め設定しておけば被検ガスの濃度を検知（測定）することができる。

特開２００１−１４１６８２号公報特開２００１−２４２１１４号公報特開平５−２４９０５７号公報

しかしながら、補償素子Ｒｒの密閉度が低いと測定精度が悪化してしまうという問題や、封入する標準ガスの純度および封入方法並びに使用するガス種やその湿度を選択し混合するなどガス調整作業が必要といった問題もあり、測定までの準備または製造に手間がかかっていた。

そこで、本発明は、気体熱伝導度式ガスセンサにおいて、製造が容易なガスセンサを提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、雰囲気中のガス濃度を検知する検知素子および前記検知素子の温度補償を行う補償素子がブリッジ回路に組み込まれ、前記検知素子の抵抗値の変化によってガス濃度を検知する気体熱伝導度式ガスセンサにおいて、前記検知素子が、放熱速度によって抵抗値が変化する第一の発熱体で構成され、前記補償素子が、前記第一の発熱体と熱伝導率の異なる材質で形成された第二の発熱体で構成されていることを特徴とする気体熱伝導度式ガスセンサである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記検知素子が、放熱速度によって抵抗値が変化する第一の抵抗体を第一の熱伝導材料で被覆して構成され、前記補償素子が、前記第一の抵抗体と熱的に等価な第二の抵抗体を前記第一の熱伝導材料と異なる熱伝導率を有する第二の熱伝導材料で被覆して構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記補償素子が、前記第二の抵抗体が加熱される温度においても雰囲気中のガスを燃焼する触媒として機能しない無機材料で被覆されていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の発明において、前記検知素子が、前記無機材料に対して熱伝導率を変化させるとともに雰囲気中の可燃性ガスに対する燃焼活性の無い金属を添加した材質により被覆されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の発明において、少なくとも前記検知素子または前記補償素子のいずれか一方の表面に凹凸形状が形成されていることを特徴とするものである。

以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、検知素子が、放熱速度（単位時間当たりの発熱量）によって抵抗値が変化する第一の発熱体で構成され、補償素子が、第一の発熱体と熱伝導率の異なる材質の第二の発熱体で構成されているので、被検ガス濃度を検知素子の第一の発熱体を構成する熱伝導材料と補償素子の第二の発熱体を構成する熱伝導材料との熱伝導率の差によって測定することができ、また、補償素子を標準ガスとともに密閉する必要が無いので、検知素子と補償素子とを同一パッケージに収めることや基板上に集積することができ、製造が容易となる。

請求項２に記載の発明によれば、検知素子が、放熱速度によって抵抗値が変化する第一の抵抗体を第一の熱伝導材料で被覆して構成され、補償素子が、第一の抵抗体と熱的に等価な第二の抵抗体を第一の熱伝導材料と異なる熱伝導率を有する熱伝導材料で被覆して構成されているので、第一の抵抗体と第二の抵抗体を同じ材料で形成すれば、２つの異なる熱伝導材料を被覆するのみで製造することができる。

請求項３に記載の発明によれば、補償素子が、第二の抵抗体が加熱される温度においても雰囲気中のガスを燃焼する触媒として機能しない無機材料で被覆されているので、被覆された部分が酸化や分解を起こしにくくなる。

請求項４に記載の発明によれば、検知素子が、前記無機材料に対して熱伝導率を変化させるとともに雰囲気中の可燃性ガスに対する燃焼活性の無い金属を添加した材質により被覆されているので、被検ガスが可燃性ガスであっても燃焼応答を生じないため、可燃性または不燃性に関わらず検知することができる。

請求項５に記載の発明によれば、少なくとも検知素子または補償素子のいずれか一方の表面に凹凸形状が形成されているので、素子の表面での熱流断面積を大きく取ることができ、雰囲気との熱交換を容易にすることができる。

本発明の一実施形態にかかる気体熱伝導度式ガスセンサの回路図である。図１に示された気体熱伝導度式ガスセンサの検知素子の構成を示した断面図である。図１に示された気体熱伝導度式ガスセンサの補償素子の構成を示した断面図である。従来の気体熱伝導度式ガスセンサの回路図である。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるガスセンサとしての気体熱伝導度式ガスセンサ１の回路図である。

気体熱伝導度式ガスセンサ１は、検知素子Ｒｓと、補償素子Ｒｒと、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２と、電圧計Ｖと、を備えている。そして、検知素子Ｒｓと、補償素子Ｒｒと、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２と、でブリッジ回路１０を構成している。

検知素子Ｒｓは、図２に示すように、第一の抵抗体としての直径が２０〜５０μｍの白金線１１をコイル状に形成したもの（以降、白金コイル１１と記載する）に対して、第一の熱伝導材料としての高熱伝導材料１２でコーティング（被覆）している。また、検知素子Ｒｓは長さが０．５〜１．５ｍｍ程度である。すなわち、白金コイル１１と高熱伝導材料１２とで第一の発熱体を構成している。

検知素子Ｒｓは、通常、表面温度が２００〜５００℃程度に加熱され、中心部はさらに温度が高くなる。このため高熱伝導材料１２はこのような温度において、僅かでも酸化や分解を起こさないことが望ましく、熱安定性を有し、高伝導性セラミックスであるアルミナを用いている。さらに、熱伝導率を上げるため、酸化などの影響が少ない貴金属をアルミナに添加している。貴金属の多くは被検ガスが可燃性ガスである場合に燃焼触媒として働き、燃焼熱を生じることで白金コイル１１の抵抗変化に影響を与えるために、５００℃程度まで燃焼活性を全く示さない貴金属として金（Ａｕ）を添加している。添加量としては、空気中でのブリッジ回路１０のゼロ点が大きくずれ過ぎることを防ぐために、後述する補償素子Ｒｒもアルミナベースで被覆する場合であれば５０ｗｔ％程度以下が適当である。

補償素子Ｒｒも、図３に示すように基本的な構成は図２と同様である。但し、第二の抵抗体としての白金コイル１１を第二の熱伝導材料としての低熱伝導材料１３でコーティングしている。即ち、白金コイル１１と低熱伝導材料１３とで第二の発熱体を構成している。この低熱伝導材料１３は、アルミナを用いている。つまり、白金コイル１１が加熱される温度においても雰囲気中のガスを燃焼する触媒として機能しない無機材料で被覆されている。補償素子Ｒｒは、熱伝導率を上げる必要が無いので貴金属は添加しない。このように構成することで、検知素子Ｒｓと補償素子Ｒｒとの間に熱伝導率の差が生じる（第一の熱伝導材料と異なる熱伝導率を有する）こととなる。

なお、本実施形態では、補償素子Ｒｒ、検知素子Ｒｓをコーティングする材料としてアルミナを用いているが、シリカなど白金コイル１１が加熱される温度においても雰囲気中のガスを燃焼する触媒として機能しない無機材料であれば良い。また、本実施形態では、補償素子Ｒｒ、検知素子Ｒｓを独立した部品として記載しているが、基板上に白金コイル１１や抵抗Ｒ１、Ｒ２等を形成して、白金コイル１１上に高熱伝導材料１２または低熱伝導材料１３を積層した集積回路としても良い。

固定抵抗Ｒ１およびＲ２は、検知素子Ｒｓおよび補償素子Ｒｒの特性に合わせて所定の抵抗値が選択される。また、ブリッジ回路１０のゼロ点を調整するためにいずれか一方を可変抵抗器としてもよい。

そして、検知素子Ｒｓと補償素子Ｒｒを直列に接続し、固定抵抗Ｒ１とＲ２を直列に接続して、双方の直列回路を並列に接続することで周知のホイートストンブリッジ回路であるブリッジ回路１０を構成している。また、ブリッジ回路１０は、補償素子Ｒｒと固定抵抗Ｒ２の接続点に電源電圧Ｖｃｃを印加し、検知素子Ｒｓと固定抵抗Ｒ１の接続点を接地している。

電圧計Ｖは、ブリッジ回路１０の中点である検知素子Ｒｓと補償素子Ｒｒの間と、固定抵抗Ｒ１とＲ２の間である図１のａ−ｂ間に接続され、予め空気中で、この電圧計Ｖが０Ｖとなるように調整される。なお、電圧計Ｖは、ブリッジ回路１０に設けなくても良く、気体熱伝導度式ガスセンサ１の出力となる図１のａ−ｂ間の電位差を計測できればブリッジ回路１０外に設けても良いし、直接図１のａ−ｂ間の電位差をアンプなどで増幅後にコンピュータなどで濃度に変換する場合は設けなくても良い。

次に、上述した構成の気体熱伝導度式ガスセンサ１の動作を説明する。白金コイル１１を高熱伝導材料１２や低熱伝導材料１３でコーティングすると、発熱は白金コイル１１からコーティング層（高熱伝導材料１２の層や低熱伝導材料１３の層）を通って空気へ放熱される。コーティング層を厚く形成すると、白金と比較してコーティング材（高熱伝導材料１２や低熱伝導材料１３）の熱伝導率が高くないため、白金コイル１１中心部とコーティング層表面（検知素子Ｒｓや補償素子Ｒｒの表面）では温度差が生じる。コーティング層の表面では層を通ってくる白金コイル１１からの熱の伝熱速度と空気への放熱速度が熱平衡に達しており、白金コイル１１の中心より低い温度となっている。

また、空気中で単位時間当たりに雰囲気へ放出される熱量は白金コイル１１が高熱伝導性材料１２でコーティングされた検知素子Ｒｓの方が、低熱伝導性材料１３でコーティングされた補償素子Ｒｒより大きい。当然、高熱伝導性材料１２のほうが白金コイル１１からコーティング層表面へ、あるいはコーティング層表面から白金コイル１１への伝熱速度も大きい。このため、検知素子Ｒｓおよび補償素子Ｒｒの室温での白金コイル１１の抵抗値が完全に等しくても、加熱された両素子の表面放熱速度および伝熱速度の差から中心付近の温度に差が生じるため、白金コイル１１の抵抗値も異なることとなる。

これらを空気より熱伝導性の高いガスに曝した場合、検知素子Ｒｓの表面温度の低下率は補償素子Ｒｒの表面温度の低下率より大きくなる。このため、検知素子Ｒｓの白金コイル１１の抵抗低下は補償素子Ｒｒの白金コイル１１の抵抗低下より大きい。つまりブリッジ回路１０の中点電位は負（マイナス）方向へ変化する。反対に、空気より熱伝導性の低いガスに曝した場合、検知素子Ｒｓの表面温度の上昇率は補償素子Ｒｒの表面温度の上昇率より大きくなる。このため、検知素子Ｒｓの白金コイル１１の抵抗増加は補償素子Ｒｒの白金コイル１１の抵抗増加より大きい。つまりブリッジ回路１０の中点電位は正（プラス）方向へ変化する。

このように、高熱伝導性材料１２によるコーティングは低熱伝導性材料１３によるコーティングより、雰囲気の気体との熱の授受に敏感に応答するようにできるため、これら熱伝導性（熱伝導率）の異なる材料でコーティングした２つの素子（または熱伝導性の異なる材料で形成された２つの発熱体）を検知素子Ｒｓ、補償素子Ｒｒとしてそれぞれブリッジ回路１０に組み込むことで、ガスの熱伝導に対して精度良く応答する気体熱伝導度式ガスセンサ１とすることができる。

上述した構成の気体熱伝導度式ガスセンサ１は、ガスに対する応答感度は検知素子Ｒｓの熱伝導率が高ければ高いほど、または補償素子Ｒｒの熱伝導が低ければ低いほど良く、また、素子の熱流断面積（表面積）が大きければ大きいほど良い。ただし、両者の熱伝導率があまりに異なると両素子の表面温度に著しい差が生じるため、２つの素子の抵抗値に大きな差ができ、空気中でのブリッジ回路１０の出力（ゼロベース）がゼロ点から大きくずれる。このため、この差、即ち、気体熱伝導度式ガスセンサ１の出力となる図１のａ−ｂ間の電位差（電圧計Ｖの値）を増幅する図示しないアンプの増幅率が大きくとれないため結果的に高感度検知ができなくなってしまうことから適宜調整することが望ましい。

なお、本実施形態において、検知素子Ｒｓと補償素子Ｒｒはブリッジ回路１０での配置が逆でも良く、また、それぞれの素子の構成材料が逆になっても良い。例えば、検知素子Ｒｓが低熱伝導材料１３でコーティングされ、補償素子Ｒｒが高熱伝導性材料１２でコーティングされていた場合は、空気と被検ガスの熱伝導率の差によって変動するブリッジ回路１０の出力が空気より熱伝導性の高いガスに曝した場合は正（プラス）方向へ変化し、空気より熱伝導性の低いガスに曝した場合は負（マイナス）方向へ変化する。

以上の実施形態によれば、検知素子Ｒｓを白金コイル１１に高熱伝導材料１２でコーティングし、補償素子Ｒｒを白金コイル１１に低熱伝導材料１３でコーティングして形成して、それらをブリッジ回路１０に組み込んで気体熱伝導度式ガスセンサ１を構成しているので、被検ガス濃度を検知素子Ｒｓの高熱伝導材料１２と補償素子Ｒｒの低熱伝導材料１３との熱伝導率の差によって発生する抵抗値によって測定することができ、また、補償素子Ｒｒを標準ガスとともに密閉する必要が無く、２つの異なる伝導材料を各白金コイル１１に塗り分けるだけであるので、検知素子Ｒｓと補償素子Ｒｓとを同一パッケージに収めることや基板上に集積することができ、製造が容易となる。そのため、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）などの加工技術を用いた基板上へ形成することも可能となる。

また、補償素子Ｒｒが、白金コイル１１が加熱される温度においても雰囲気中のガスを燃焼する触媒として機能しない無機材料としてアルミナで被覆されているので、被覆された部分が酸化や分解を起こしにくくなる。

また、検知素子Ｒｓが、前記アルミナへ可燃性ガスに対する燃焼活性の無い金属として金を添加した材質により被覆されているので、被検ガスが可燃性ガスであっても燃焼応答を生じないため、可燃性または不燃性に関わらず検知することができる。

なお、上述し検知素子Ｒｓや補償素子Ｒｒにおいて、素子の表面での熱流断面積を大きく取ることができ、雰囲気との熱交換を容易にするために、表面に凹凸を形成しても良い。また、この凹凸は各素子表面に金属やセラミックスのポーラス皮膜やウィスカーなどでヒートシンクを形成することでも良い。さらに、凹凸を形成する素子は、両方ではなく検知素子Ｒｓの補償素子Ｒｒいずれか一方でも良い。

また、湿度や室温の変動などを受けにくい環境でセンサを動作させる場合は、駆動温度が１００〜２００℃程度に設定でき、補償素子Ｒｒのコーティング材料も酸化や熱分解の影響が無いため、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Diamond Like Carbon）、窒化アルミニウム、窒化珪素などといった炭素を含む材料や、高温酸化によって酸化物を形成するような材料を用いても良い。

また、上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１気体熱伝道度式ガスセンサ
１０ブリッジ回路
１１白金コイル（第一の抵抗体、第二の抵抗体）
１２高熱伝導材料（第一の熱伝導材料）
１３低熱伝導材料（第二の熱伝導材料）
Ｒｓ検知素子（第一の発熱体）
Ｒｒ補償素子（第二の発熱体）

Claims

雰囲気中のガス濃度を検知する検知素子および前記検知素子の温度補償を行う補償素子がブリッジ回路に組み込まれ、前記検知素子の抵抗値の変化によってガス濃度を検知する気体熱伝導度式ガスセンサにおいて、
前記検知素子が、放熱速度によって抵抗値が変化する第一の発熱体で構成され、
前記補償素子が、前記第一の発熱体と熱伝導率の異なる材質で形成された第二の発熱体で構成されている
ことを特徴とする気体熱伝導度式ガスセンサ。
前記検知素子が、放熱速度によって抵抗値が変化する第一の抵抗体を第一の熱伝導材料で被覆して構成され、
前記補償素子が、前記第一の抵抗体と熱的に等価な第二の抵抗体を前記第一の熱伝導材料と異なる熱伝導率を有する第二の熱伝導材料で被覆して構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の気体熱伝導度式ガスセンサ。
前記補償素子が、前記第二の抵抗体が加熱される温度においても雰囲気中のガスを燃焼する触媒として機能しない無機材料で被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載の気体熱伝導度式ガスセンサ。
前記検知素子が、前記無機材料に対して熱伝導率を変化させるとともに雰囲気中の可燃性ガスに対する燃焼活性の無い金属を添加した材質により被覆されていることを特徴とする請求項３に記載の気体熱伝導度式ガスセンサ。
少なくとも前記検知素子または前記補償素子のいずれか一方の表面に凹凸形状が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の気体熱伝導度式ガスセンサ。