JP2011133290A

JP2011133290A - ガス検出装置

Info

Publication number: JP2011133290A
Application number: JP2009291748A
Authority: JP
Inventors: Hajime Matsuo; 肇松尾
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-07-07

Abstract

【課題】フィルタからの微細な粉の落下を防止してガスセンサの出力特性の変化を抑制して、信頼性の高いガス検出装置を提供する。
【解決手段】キャップ４０の内径と同等の径寸法を持つ活性炭でなるフィルタ５０がキャップ４０内奥に配置され、そのフィルタ５０を封止するように、ＰＴＦＥでなる延伸多孔質シート連続多孔質シート６０が配置されている。これにより、フィルタからの微細な粉の落下を防止してガスセンサの出力特性の変化を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明はガス検出装置に関し、更に詳しくは、内蔵されたガスセンサの性能低下を抑制することができるガス検出装置に関する。

一般にガス検出装置は、ある特定のガス、例えば、メタンガス（ＣＨ_４）、プロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）などを選択的に検出して警報を発するガス漏れ警報器を始めとする広い用途で用いられている。このため、ガス検出装置はその性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性が要求される。

図７に示すように、従来のガス検出装置９０としては、ガスセンサ２０が搭載されたステム３０と、このステム３０に被せられる、フィルタ５０を有するキャップ４０を備えるものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

ガスセンサ２０としては、接触燃焼式のガスセンサが用いられている。このガスセンサ２０は、上面側に感応素子部６と補償素子部７を備えており、これらの微妙な熱的バランスを検出する方式で駆動される。感応素子部６ならびに補償素子部７は、直径が例えば１０〜５０μｍの白金コイルまたは平面的な白金パターンなどでなる一対のヒータであり、感応素子部６のみに触媒層が塗布されている。このガスセンサ２０は、ステム３０を貫通するリード端子３１にワイヤ３２でボンディングされている。

フィルタ５０としては、活性炭、白土などを粒状にしたものや、これらを不織布に付着させたものや、バインダーなどで成型されたものがある。このフィルタ５０は、１００メッシュの金網７０でキャップ４０内に保持されている。なお、キャップ４０の天板には、多数の通気孔４１が形成されている。このため、ガスセンサ２０の上面側の感応素子部６と補償素子部７は、フィルタ５０を通って導入された気体と接触できるようになっている。

特開２００９−１０３５４１号公報特開平１０−２２１２８９号公報特開平１０−１２３０８３号公報

しかしながら、図７に示した従来のガス検出装置９０では、フィルタ５０から活性炭や白土などの微細な粉が崩れ落ち、ガスセンサ２０の感応素子部６と補償素子部７に付着してガスセンサ２０の出力特性が変化するという問題があった。このようなガスセンサ２０の出力特性の変化が、ガス漏れ警報器が誤作動する原因となっている。

そこで、本発明の目的は、フィルタからの微細な粉の落下を防止してガスセンサの出力特性の変化を抑制して、信頼性の高いガス検出装置を提供することにある。

本発明の特徴は、ガス検出装置であって、ガスセンサと、内部空間にガスセンサとフィルタとを収納し、外気を前記フィルタ側へ導入可能とする開口部を有するセンサケースと、ガスセンサとフィルタとの間に介在されたフッ素樹脂でなる連続多孔質シートとを備えることを要旨とする。

ここで、連続多孔質シートは、ポリテトラフルオロエチレンでなる延伸多孔質シートであることが好ましい。

また、ガスセンサは、感応素子部と補償素子部とを備える接触燃焼式のガスセンサを適用できる。

本発明によれば、フィルタからの微細な粉の落下を防止してガスセンサの出力特性の変化を抑制して、信頼性の高いガス検出装置を実現できる。

本発明の第１の実施の形態に係るガス検出装置の断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るガスセンサの平面図である。図２のIII−III断面図である。ガスセンサの駆動を示す等価回路図である。第１の実施の形態に係るガス検出装置の落下試験の結果を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るガス検出装置の断面図である。従来のガス検出装置の断面図である。従来のガス検出装置の落下試験の断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係るガス検出装置の詳細について図面を用いて説明する。なお、図面は模式的なものであり、各部材の寸法の比率などは現実のものと異なる。

（第１の実施の形態）
[ガス検出装置の概略構成]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るガス検出装置８０Ａを示す断面図である。ガス検出装置８０Ａは、ガスセンサ２０が搭載されたステム３０と、このステム３０に被せられる、フィルタ５０を有するキャップ４０を備える。これらステム３０とキャップ４０は、結合した状態で内部空間を有するセンサケースを構成する。

ステム３０は、電気絶縁性を持つ円形の基板であり、一対のリード端子３１が貫通されている。このステム３０の上面には、ガスセンサ２０が搭載され、ガスセンサ２０の図示しないパッド部とリード端子３１とがボンディングワイヤー３２で接続されている。

キャップ４０は円筒容器形状であり、その下部開口部がステム３０の上面周縁と当接もしくは嵌合した状態で結合されるようになっている。キャップ４０の上壁には、複数の通気孔４１が形成されている。また、この上壁の内側空間には、キャップ４０の内径と同等の径寸法を持つフィルタ５０が配置され、その下方に連続多孔質シート６０が配置されている。したがって、この連続多孔質シート６０は、キャップ４０の上部の空間に配置されたフィルタ５０を封止するように配置されている。

本実施の形態で用いるフィルタ５０は、従来と同様に、活性炭フィルタを用いている。なお、フィルタ５０としては、活性炭以外に、白土などを粒状にしたもの、不織布に付着させたもの、バインダーなどで成型したものなどを適用してもよい。

連続多孔質シート６０は、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)でなる延伸多孔質シートを用いる。本実施の形態において、ＰＴＦＥでなる延伸多孔質シートは、厚さ３〜５００μｍのｅＰＴＦＥ(四フッ化エチレン)を延伸加工しなるものであり、例えば平均孔径３０ｎｍの微細な多孔質構造を持つ。

本実施の形態のガスセンサ２０は、図３に示すように、シリコン基板１と、このシリコン基板１上に順次、形成された酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜２，窒化シリコン（ＳｉＮ）膜３，酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜４の積層構造でなる絶縁膜５と、この絶縁膜５上の互いに離れた領域に設けられた感応素子部６，補償素子部７と、を備えた接触燃焼式のガスセンサで構成されている。

図２および図３に示すように、感応素子部６は、絶縁膜５上にジグザグ状に屈曲した形状に形成されセンサ抵抗８Ｒｓと、センサ抵抗８Ｒｓの両端に一体に形成された接続用パッド部８ａ，８ｂと、センサ抵抗８Ｒｓを覆うように形成された多孔質触媒層９と、を備えてなる。感応素子部６では、触媒層９がパラジウム（Ｐｄ）などの触媒を担持している。

図２および図３に示すように、補償素子部７は、多孔質体層１１の構成を除いて感応素子部６とほぼ同様の構成である。この補償素子部７は、絶縁膜５上に形成されたリファレンス抵抗１０Ｒｒと、リファレンス抵抗１０Ｒｒの両端に一体に形成された接続用パッド部１０ａ，１０ｂと、リファレンス抵抗１０Ｒｒを覆うように形成された多孔質体層１１と、を備えなる。

リファレンス抵抗１０Ｒｒは、上記感応素子部６のセンサ抵抗８Ｒｓと同一形状に形成されている。接続用パッド部１０ａ，１０ｂは、上記感応素子部６の接続用パッド部８ａ，８ｂと同一形状に形成されている。また、多孔質体層１１は、上記感応素子部６の多孔質体触媒層９と同一形状に形成されている。

感応素子部６におけるセンサ抵抗８Ｒｓと接続用パッド部８ａ，８ｂでなる一体のパターンや、補償素子部７におけるリファレンス抵抗１０Ｒｒと接続用パッド部１０ａ，１０ｂでなる一体のパターンは、例えば、印刷法やフォトリソグラフィー技術などを用いて形成することができる。

図３に示すように、シリコン基板１には、多孔質体触媒層９と多孔質体層１１とにそれぞれ対応する領域に、下面側から酸化シリコン膜２を露呈させるような開口部１ａ，１ｂが形成されている。このガスセンサ２０では、これら開口部１ａ，１ｂを形成することにより熱容量を小さくしている。

図２および図３に示すように、このガスセンサ２０は、上面側に感応素子部６と補償素子部７を備えており、これらの微妙な熱的バランスを検出する方式で駆動される。感応素子部６ならびに補償素子部７は、平面的にジグザグに屈曲する白金パターンでなる一対のヒータで構成したが、直径が例えば１０〜５０μｍの白金コイルを用いたガスセンサ構成としてもよい。

図３に示すように、本実施の形態のガス検出装置８０Ａでは、ガスセンサ２０を含めて、４つの抵抗１０Ｒｒ，８Ｒｓ，Ｒ１，Ｒ２からなるブリッジ回路を有している。リファレンス抵抗１０Ｒｒ（補償素子部７）は、一端が電源電圧側に接続され、他端がセンサ抵抗８Ｒｓ側に接続されている。センサ抵抗８Ｒｓ（感応素子部６）は、リファレンス抵抗１０Ｒｒと直列接続され、他端が電源電圧側に接続されている。

抵抗Ｒ１は、リファレンス抵抗１０Ｒｒと並列接続され、一端が電源電圧側に接続され、他端が抵抗Ｒ２に接続されている。抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ１と直列接続され、他端が電源電圧側に接続されている。

本実施の形態に係るガス検出装置８０Ａでは、外部から通気孔４１を介してキャップ４０内に進入したガスがフィルタ５０で被検知ガス以外のガスが吸着され、検知用ガスが連続多孔質シート６０の連続多孔質構造内を通過してガスセンサ２０の検知面に到達することができる。

フィルタ５０に含まれる微細な粉などは、連続多孔質シート６０を通過することができないため、ガスセンサ２０の検知面に微細な粉が堆積することを抑制できる。このため、本実施の形態に係るガス検出装置８０Ａでは、フィルタ５０からの微細な粉の落下を防止してガスセンサ２０の出力特性の変化を抑制することができ誤作動が発生することを抑制できる。したがって、長期間に亘って検知性能の劣化の少ない信頼性の高いガス検出装置８０Ａを提供することが可能となる。

このような構成の本実施の形態に係るガス検出装置８０Ａは、ガス漏れ警報器意外に各種のガス種検出装置、ガス濃度測定装置など各種のガス検出装置に適用して長期間信頼性を保つことを可能にする。
(実験例)
図５は、上記第１の実施の形態に係るガス検出装置８０Ａを作製し、そのガス検出装置８０Ａを落下させるときの向き姿勢をそれぞれ変え、素子(活性炭などの粒状体の)粒径０．１ｍｍとして落下試験を３回行ったときの、ガス検出装置８０Ａの出力変化量を測定したものである。なお、図５に示すガス検出装置の模式図は落下方向に対する姿勢を示している。

比較例の落下による実験例の結果は、図８に示す。この比較例では、図７に示す従来のガス検出装置９０を用いた。ガス検出装置９０のサイズは、第１の実施の形態に係るガス検出装置８０Ａと同等である。

図５および図８に示した実験例の結果から、本実施の形態に係るガス検出装置８０Ａでは、粒径０．１ｍｍの粒状体がフィルタ５０側に存在しても、連続多孔質シート６０でガスセンサ２０側へ落下することが防止できることが判る。すなわち、あらゆる角度の姿勢で落下させた測定結果においても、出力変化の範囲が、規格範囲すなわち０±５ｍＶ以内であった。

これに対して、比較例では、素子粒径１ｍｍの場合は、出力特性の変化が規格範囲すなわち０±５ｍＶ以内の範囲であるが、素子粒径０．１ｍｍの場合では、ほとんどの姿勢での落下でも規格範囲すなわち０±５ｍＶ以内の範囲を越えて出力が低下してしまうことが判る。

(第２の実施の形態)
図６は、本発明の第２の実施の形態に係るガス検出装置８０Ｂを示している。本実施の形態のガス検出装置８０Ｂの構成は、上記第１の実施の形態に係るガス検出装置８０Ａの連続多孔質シート６０の直下に、１００メッシュ程度の金網７０を配置した点が異なるだけである。

本発明では、金網７０を連続多孔質シート６０の直下に配置しておくことにより、撓みやすい連続多孔質シート６０を金網７０で支持することができ、落下時や振動時などに連続多孔質シート６０が損傷することを抑制できる。

なお、本実施の形態では、１００メッシュ程度の金網７０を連続多孔質シート６０の直下に配置したが、それよいも粗い隙間を持つ金網や、枠構造体を配置する構成としてもよい。

(その他の実施の形態)
以上、本発明の第１および第２の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、構成の要旨に付随する各種の設計変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、連続多孔質シート６０として、ＰＴＦＥでなる延伸多孔質シートを用いたが、他のフッ素樹脂でなる連続多孔質シートを用いても勿論よい。

また、上記第１の実施の形態では、平面的な白金ヒータを持つガスセンサ２０を本発明に適用したが、これに限定されるものではなく、センサ面を持つ各種のガスセンサが適用できることは云うまでもない。

さらに、図１および図６に示したガス検出装置８０Ａ、８０Ｂにおいては、フィルタ５０と連続多孔質シート６０とを僅かに離間させて示したが、接合するように配置させても勿論よい。

２０…ガスセンサ
３０…ステム
４０…キャップ
４１…通気孔
５０…フィルタ
８０Ａ、８０Ｂ…ガス検出装置

Claims

ガスセンサと、
前記内部空間に前記ガスセンサとフィルタとを収納し、外気を前記フィルタ側へ導入可能とする開口部を有するセンサケースと、
前記ガスセンサと前記フィルタとの間に介在されたフッ素樹脂でなる連続多孔質シートと、
を備えることを特徴とするガス検出装置。
前記連続多孔質シートは、ポリテトラフルオロエチレンでなる延伸多孔質シートであることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
前記ガスセンサは、感応素子部と補償素子部とを備える接触燃焼式のガスセンサであることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。