JP2018194409A - 熱伝導式ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】センサ素子の温度補正及び湿度補正を精度良く行い、ガス濃度の検出精度を向上させた熱伝導式ガスセンサを提供する。【解決手段】自身の温度変化により抵抗値が変化するヒータ12を半導体基板20に配置してなり、被検出雰囲気中の特定ガス成分のガス濃度を検出する熱伝導式のセンサ素子3と、センサ素子を収容すると共に、自身に形成されたガス導入口7hを介して被検出雰囲気に連通する測定室7sを有し、測定室にセンサ素子を臨ませるケーシング部材7と、を備えた熱伝導式ガスセンサ1であって、さらに測定室に臨むようにして、半導体基板に第1温度検知部17が配置されると共に、測定室に臨むようにしてケーシング部材の内部に湿度検知部8及び第2温度検知部8tが配置され、第2温度検知部は、センサ素子よりも湿度検知部に近い位置に配置されている。【選択図】図2
Description
本発明は、被検出雰囲気中に存在する可燃性ガス等のガス濃度を検出する熱伝導式ガスセンサに関する。
近年、環境・自然保護などの社会的要求から、高効率で、クリーンなエネルギー源として燃料電池の研究が活発に行われている。その中で、低温作動、高出力密度等の利点により、家庭用、車載用などのエネルギー源として固体高分子型燃料電池(PEFC)や水素内燃機関が期待されている。これらのシステムでは、例えば、可燃性ガスである水素を燃料としているため、ガス漏れの検知が重要な課題の一つとして挙げられている。
この種の被検出雰囲気中に存在する可燃性ガスのガス濃度を検出する熱伝導式ガスセンサとして、被検出雰囲気内にセンサ素子を配置し、このセンサ素子に、自身の温度変化(発熱)により抵抗値が変化する発熱抵抗体を備えた熱伝導式ガスセンサが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1の熱伝導式ガスセンサでは、それぞれ発熱抵抗体を備えたセンサ素子を2つ設け、一方のセンサ素子を基準ガスに晒し、他のセンサ素子を被検出雰囲気中に晒し、両素子の電気抵抗の差を検出している。これにより、被検出雰囲気の温度による検出値の変動を補償している。
又、特許文献1には、被検出雰囲気の湿度による検出値の変動を補正するため、相対湿度を検出する湿度センサを設けることも記載されている。
又、特許文献1には、被検出雰囲気の湿度による検出値の変動を補正するため、相対湿度を検出する湿度センサを設けることも記載されている。
一方、発熱抵抗体を備えたセンサ素子を1つとした熱伝導式ガスセンサも知られている。この熱伝導式ガスセンサでは、発熱抵抗体に通電されて発熱抵抗体が発熱した際に可燃性ガスへの熱伝導(気体熱伝導)が生じる。そのため、センサ素子の温度を一定の温度に制御する場合、熱伝導によって発熱抵抗体の温度が変化するとともに抵抗値が変化するため、その変化量に基づき、被検出雰囲気を検出することができる。
そして、センサ素子の温度による検出値の変動を補正するため、上記センサ素子には温度センサが設けられている。
そして、センサ素子の温度による検出値の変動を補正するため、上記センサ素子には温度センサが設けられている。
しかしながら、特許文献1記載の技術の場合、湿度センサが検出した相対湿度だけでは、センサ素子が検出したガス濃度を十分に補正することが困難であり、絶対湿度を求める必要がある。又、相対湿度から絶対湿度を求める際には、湿度センサ近傍の被検出雰囲気の温度を測定する必要があるのに対し、発熱抵抗体を備えたセンサ素子を1つとした熱伝導式ガスセンサでは、センサ素子の温度補正用にも温度センサが必要であり、湿度センサ近傍の温度と、センサ素子近傍の温度とを正しく測定することが重要となる。
又、センサ素子と湿度センサとが別の空間に配置されていると、被検出雰囲気の拡散状態が両者で異なるため、センサ素子が検出したガス濃度の補正が不正確になるという問題もある。
すなわち、本発明は、センサ素子の温度補正及び湿度補正を精度良く行い、ガス濃度の検出精度を向上させた熱伝導式ガスセンサの提供を目的とする。
又、センサ素子と湿度センサとが別の空間に配置されていると、被検出雰囲気の拡散状態が両者で異なるため、センサ素子が検出したガス濃度の補正が不正確になるという問題もある。
すなわち、本発明は、センサ素子の温度補正及び湿度補正を精度良く行い、ガス濃度の検出精度を向上させた熱伝導式ガスセンサの提供を目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の熱伝導式ガスセンサは、自身の温度変化により抵抗値が変化するヒータを半導体基板に配置してなり、被検出雰囲気中の特定ガス成分のガス濃度を検出する熱伝導式のセンサ素子と、前記センサ素子を収容すると共に、自身に形成されたガス導入口を介して前記被検出雰囲気に連通する測定室を有し、該測定室に前記センサ素子を臨ませるケーシング部材と、を備えた熱伝導式ガスセンサであって、さらに、前記測定室に臨むようにして、前記半導体基板に第1温度検知部が配置されると共に、前記測定室に臨むようにして、前記ケーシング部材の内部に湿度検知部及び第2温度検知部が配置され、前記第2温度検知部は、前記センサ素子よりも前記湿度検知部に近い位置に配置されていることを特徴とする。
この熱伝導式ガスセンサによれば、センサ素子用、湿度検知部用にそれぞれ別個に第1温度検知部、第2温度検知部を設けている。これにより、センサ素子(ヒータ)近傍の温度と、湿度検知部近傍の温度とを区別して測定することができ、センサ素子が検出したガス濃度を精度よく温度補正及び湿度補正することができる。
又、センサ素子の共通の半導体基板にヒータと第1温度検知部とを配置している。このため、第1温度検知部からヒータ近傍の被検出雰囲気の正確な温度を取得することができ、センサ素子が検出したガス濃度を精度よく温度補正することができる。
又、センサ素子と同じ空間であるケーシング部材の測定室の内部に、湿度検知部が配置されているので、被検出雰囲気の拡散状態が両者で同等となり、センサ素子が検出したガス濃度を精度良く湿度補正することができる。さらに、センサ素子よりも湿度検知部に近い位置に第2温度検知部を配置しているため、第2温度検知部から湿度検知部近傍の被検出雰囲気の正確な温度を取得し、湿度検知部の検出した相対湿度を精度よく絶対湿度に換算することができ、センサ素子が検出したガス濃度をさらに精度よく湿度補正することができる。
又、センサ素子の共通の半導体基板にヒータと第1温度検知部とを配置している。このため、第1温度検知部からヒータ近傍の被検出雰囲気の正確な温度を取得することができ、センサ素子が検出したガス濃度を精度よく温度補正することができる。
又、センサ素子と同じ空間であるケーシング部材の測定室の内部に、湿度検知部が配置されているので、被検出雰囲気の拡散状態が両者で同等となり、センサ素子が検出したガス濃度を精度良く湿度補正することができる。さらに、センサ素子よりも湿度検知部に近い位置に第2温度検知部を配置しているため、第2温度検知部から湿度検知部近傍の被検出雰囲気の正確な温度を取得し、湿度検知部の検出した相対湿度を精度よく絶対湿度に換算することができ、センサ素子が検出したガス濃度をさらに精度よく湿度補正することができる。
本発明の熱伝導式ガスセンサにおいて、前記湿度検知部及び前記第2温度検知部が、一体であってもよい。
この熱伝導式ガスセンサによれば、第2温度検知部が湿度検知部近傍の被検出雰囲気の温度をより正確に取得できるため、絶対湿度をより正確に取得することができる。
この熱伝導式ガスセンサによれば、第2温度検知部が湿度検知部近傍の被検出雰囲気の温度をより正確に取得できるため、絶対湿度をより正確に取得することができる。
本発明の熱伝導式ガスセンサにおいて、前記ガス導入口と前記測定室との間に、両者間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部が配置されていてもよい。
この熱伝導式ガスセンサによれば、ガス導入口から測定室に向かい、センサ素子と湿度検知部への被検出雰囲気中の湿度の濃度拡散を均一にすることができる。その結果、ヒータ(センサ素子)近傍の被検出雰囲気の絶対湿度をより正確に取得することができるの
この熱伝導式ガスセンサによれば、ガス導入口から測定室に向かい、センサ素子と湿度検知部への被検出雰囲気中の湿度の濃度拡散を均一にすることができる。その結果、ヒータ(センサ素子)近傍の被検出雰囲気の絶対湿度をより正確に取得することができるの
本発明の熱伝導式ガスセンサにおいて、前記第1温度検知部から取得した前記被検出雰囲気の温度から、前記センサ素子が検出した前記ガス濃度を補正し、さらに、前記湿度検知部から取得した相対湿度と、前記第2温度検知部から取得した前記被検出雰囲気の温度とから、絶対湿度を算出し、該絶対湿度から前記センサ素子が検出した前記ガス濃度を補正する制御部をさらに備えてもよい。
この熱伝導式ガスセンサによれば、制御部によりセンサ素子が検出したガス濃度を温度補正及び湿度補正することができる。
この熱伝導式ガスセンサによれば、制御部によりセンサ素子が検出したガス濃度を温度補正及び湿度補正することができる。
この発明によれば、熱伝導式ガスセンサにおけるセンサ素子の温度補正及び湿度補正を精度良く行い、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る熱伝導式ガスセンサ1の斜視図、図2は図1のA−A線に沿う断面図、図3は、熱伝導式ガスセンサ1の全体構成図、図4は、熱伝導式ガスセンサ1の主要部となるセンサ素子3の構成を示す平面図(但し、内部構成も一部示す)である。
図1は、本発明の実施形態に係る熱伝導式ガスセンサ1の斜視図、図2は図1のA−A線に沿う断面図、図3は、熱伝導式ガスセンサ1の全体構成図、図4は、熱伝導式ガスセンサ1の主要部となるセンサ素子3の構成を示す平面図(但し、内部構成も一部示す)である。
熱伝導式ガスセンサ1は、熱伝導式のセンサ素子3を用いて、可燃性ガスの濃度を検出するものであり、例えば、燃料電池自動車のスタック周辺うや水素タンク周辺などに設置され、水素の漏れを検出する目的等に用いられる。可燃性ガスが特許請求の範囲の「特定ガス成分」に相当する。
図1に示すように、熱伝導式ガスセンサ1は、図示しないセンサ素子等を収容すると共に、自身の下面に形成されたガス導入口7h(図2参照)を介して前記被検出雰囲気に連通する測定室7s(図2参照)を有する略箱状のケーシング部材7を備えている。
ケーシング部材7は、有底矩形枠状の下ケース72と、下ケース72の上面開口を閉塞する矩形板状の蓋部71とを備えている。下ケース72の一側面(図1の右側面)から外側に向かって、外部との信号の入出力を行うための筒状のコネクタ部7cが一体に延びている。又、下ケース72のうちコネクタ部7cに隣接する2つの側面(図1の上下の側面)から外側に向かって、それぞれ1つのフランジ部72fが延び、フランジ部72fの中央にはボルト孔72bが開口している。そして、ボルト孔72bに挿通したボルト(図示せず)を、熱伝導式ガスセンサ1の取付対象体(例えば車両の所定部位)にネジ止めすることで、熱伝導式ガスセンサ1を取付対象体に取付けるようになっている。
ケーシング部材7は、有底矩形枠状の下ケース72と、下ケース72の上面開口を閉塞する矩形板状の蓋部71とを備えている。下ケース72の一側面(図1の右側面)から外側に向かって、外部との信号の入出力を行うための筒状のコネクタ部7cが一体に延びている。又、下ケース72のうちコネクタ部7cに隣接する2つの側面(図1の上下の側面)から外側に向かって、それぞれ1つのフランジ部72fが延び、フランジ部72fの中央にはボルト孔72bが開口している。そして、ボルト孔72bに挿通したボルト(図示せず)を、熱伝導式ガスセンサ1の取付対象体(例えば車両の所定部位)にネジ止めすることで、熱伝導式ガスセンサ1を取付対象体に取付けるようになっている。
図2に示すように、下ケース72の下面の中央には環状の外側突出部7w1が形成され、外側突出部7w1の内側にはガス導入口7hが開口し、ガス導入口7hを介して被検出雰囲気がケーシング部材7の内外に流通するようになっている。又、下ケース72の下面の内側部分にも、ガス導入口7hを囲むように環状の内側突出部7w2が形成されている。
下ケース72の内部には、環状のシール部材7gを介して内側突出部7w2を上から閉塞するようにプリント基板6が配置されている。そして、プリント基板6の下面と、シール部材7gの内側面と、下ケース72の内面とで囲まれたケーシング部材7の内部空間が測定室7sを形成している。測定室7sは、ガス導入口7hを介して被検出雰囲気に連通している。
下ケース72の内部には、環状のシール部材7gを介して内側突出部7w2を上から閉塞するようにプリント基板6が配置されている。そして、プリント基板6の下面と、シール部材7gの内側面と、下ケース72の内面とで囲まれたケーシング部材7の内部空間が測定室7sを形成している。測定室7sは、ガス導入口7hを介して被検出雰囲気に連通している。
さらに、測定室7sに面した(シール部材7gで囲まれた)プリント基板6の下面に、センサ素子3及び湿度センサ(湿度検知部)8が、それぞれ離間して配置されている。これにより、測定室7sにセンサ素子3及び湿度センサ8を臨ませつつ、測定室7s内の被検出雰囲気中の水素ガス濃度をセンサ素子3にて検出し、測定室7s内の被検出雰囲気中の湿度を湿度センサ8にて検出するようになっている。
一方、プリント基板6の上面には熱伝導式ガスセンサ1を制御するマイコン4が実装されている。そして、プリント基板6のコネクタ部7cの一辺には、コネクタ部7c内に収容された雄コネクタピン7p(本例では3本)のそれぞれ一端が図示しないスルーホールに挿通されて半田付けされている。
マイコン4が特許請求の範囲の「制御部」に相当する。
一方、プリント基板6の上面には熱伝導式ガスセンサ1を制御するマイコン4が実装されている。そして、プリント基板6のコネクタ部7cの一辺には、コネクタ部7c内に収容された雄コネクタピン7p(本例では3本)のそれぞれ一端が図示しないスルーホールに挿通されて半田付けされている。
マイコン4が特許請求の範囲の「制御部」に相当する。
さらに、内側突出部7w2の上面には、測定室7sとガス導入口7hとを区切るように、撥水フィルタ(拡散律速部)7tがガス導入口7h側からこの順で積層して配置されている。
撥水フィルタ7tは、ガス導入口7hから熱伝導式ガスセンサ1内に水が浸入することを防止すると共に、ガス導入口7hと測定室7sとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速機能を有する。
撥水フィルタ7tは、ガス導入口7hから熱伝導式ガスセンサ1内に水が浸入することを防止すると共に、ガス導入口7hと測定室7sとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速機能を有する。
図3に示すように、熱伝導式ガスセンサ1は、センサ素子3(図4参照)と、センサ素子3を駆動制御する制御回路3及びマイコン4と、湿度センサ8とを備えている。又、制御回路3は、ガス検出回路31、及び温度測定回路32を備えている。なお、制御回路3(但し、後述するヒータ12および第1温度センサ17を除く),マイコン4はプリント基板6上に構成され、このプリント基板6とは別体にセンサ素子3は構成されている。
ガス検出回路31は、センサ素子3に備えられたヒータ12と、固定抵抗52,53,51とによって構成されるホイートストーンブリッジ41、及び、ホイートストーンブリッジ41から得られる電位差を増幅するオペアンプ81を備えている。
ヒータ12として、自身の温度の上昇に伴い抵抗値が上昇する抵抗体を用いた場合、このオペアンプ81は、ヒータ12の温度が所定の温度に保たれるように、ヒータ12の温度が上昇した場合には出力する電圧を低くし、ヒータ12の温度が下降した場合には出力する電圧を高くするように作動する。
ガス検出回路31は、センサ素子3に備えられたヒータ12と、固定抵抗52,53,51とによって構成されるホイートストーンブリッジ41、及び、ホイートストーンブリッジ41から得られる電位差を増幅するオペアンプ81を備えている。
ヒータ12として、自身の温度の上昇に伴い抵抗値が上昇する抵抗体を用いた場合、このオペアンプ81は、ヒータ12の温度が所定の温度に保たれるように、ヒータ12の温度が上昇した場合には出力する電圧を低くし、ヒータ12の温度が下降した場合には出力する電圧を高くするように作動する。
そして、このオペアンプ81の出力は、ホイートストーンブリッジ41に接続されているので、ヒータ12の温度が所定の温度より上昇すると、ヒータ12の温度を下げるためにオペアンプ81から出力される電圧は低くなり、ホイートストーンブリッジ41に印加される電圧が低下する。このときの、ホイートストーンブリッジ41の端部を構成する電極P3の電圧はガス検出回路31の出力としてマイコン4により検出され、マイコン4により検出された出力値は、被検出雰囲気に含まれる可燃性ガス(特定ガス成分)の濃度を検出するための演算処理に供される。
温度測定回路32は、センサ素子3に備えられた第1温度センサ17(後述する)と、固定抵抗101,102,103によって構成されるホイートストーンブリッジ91と、ホイートストーンブリッジ91から得られる電位差を増幅するオペアンプ111とを備えている。このオペアンプ111の出力はマイコン4により検出され、マイコン4により検出された出力値は、被検出雰囲気の温度を測定するのに用いられ、さらに、被検出雰囲気に含まれる可燃性ガス(特定ガス成分)の濃度を検出する(濃度の温度補正をする)ための演算処理に供される。
一方、湿度センサ8は静電容量式で相対湿度を検出する半導体素子等からなり、第2温度センサ8tが素子内に配置されている。
温度測定回路32は、センサ素子3に備えられた第1温度センサ17(後述する)と、固定抵抗101,102,103によって構成されるホイートストーンブリッジ91と、ホイートストーンブリッジ91から得られる電位差を増幅するオペアンプ111とを備えている。このオペアンプ111の出力はマイコン4により検出され、マイコン4により検出された出力値は、被検出雰囲気の温度を測定するのに用いられ、さらに、被検出雰囲気に含まれる可燃性ガス(特定ガス成分)の濃度を検出する(濃度の温度補正をする)ための演算処理に供される。
一方、湿度センサ8は静電容量式で相対湿度を検出する半導体素子等からなり、第2温度センサ8tが素子内に配置されている。
マイコン4は、CPU(中央演算処理装置)131と、記憶装置であるROM132と、一時記憶装置であるRAM133と、湿度センサ8からの出力信号を受信する信号入出力部134とを備える。外部回路はコネクタ部7cに接続され、外部回路の直流電源5からの電力がコネクタ部7cを介してマイコン4に供給され、マイコン4の出力がコネクタ部7cを介して外部回路に供給される。
次に、図4を参照し、センサ素子3の構成について説明する。
センサ素子3は、平板形状(平面視四角形状)のシリコン半導体からなる半導体基板20から構成され、その表面の四隅にそれぞれ電極P1〜P4が形成され、他方の面(裏面)の中心付近に、表面に向かって凹む平面視矩形の凹部21が形成されている。又、半導体基板20の上下両側に絶縁層(図示せず)を備えている。
そして、半導体基板20の下側の中央部を除去することで開口した部位に介在する絶縁層が、凹部21となる薄膜状のダイヤフラム構造をなしている。
センサ素子3は、縦横ともに数mm(例えば3mm×3mm)程度の大きさであり、例えば、シリコン半導体基板を用いたマイクロマシニング技術(マイクロマシニング加工)により製造される。
センサ素子3は、平板形状(平面視四角形状)のシリコン半導体からなる半導体基板20から構成され、その表面の四隅にそれぞれ電極P1〜P4が形成され、他方の面(裏面)の中心付近に、表面に向かって凹む平面視矩形の凹部21が形成されている。又、半導体基板20の上下両側に絶縁層(図示せず)を備えている。
そして、半導体基板20の下側の中央部を除去することで開口した部位に介在する絶縁層が、凹部21となる薄膜状のダイヤフラム構造をなしている。
センサ素子3は、縦横ともに数mm(例えば3mm×3mm)程度の大きさであり、例えば、シリコン半導体基板を用いたマイクロマシニング技術(マイクロマシニング加工)により製造される。
この凹部21には、渦巻き状にパターン形成されたヒータ12が埋設されている。
ヒータ12は、被検出雰囲気の温度(詳細には、可燃性ガスへの気体熱伝導)に伴う自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体である。ヒータ12は、温度抵抗係数が大きい導電性材料で構成され、本実施形態では白金(Pt)で形成されている。可燃性ガスとしての水素ガスを検出する場合、水素ガスへの熱伝導によってヒータ12から奪われる熱量の大きさは、水素ガス濃度に応じた大きさとなる。このことから、ヒータ12における抵抗値の変化に基づいて、水素ガス濃度を検出することが可能となる。
そして、凹部21に対応する領域(薄膜部)の内部にヒータ12を設けることにより、ヒータ12が周囲から断熱されるため、短時間にて昇温又は降温する。このため、センサ素子3の熱容量を小さくすることができる。
ヒータ12は、被検出雰囲気の温度(詳細には、可燃性ガスへの気体熱伝導)に伴う自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体である。ヒータ12は、温度抵抗係数が大きい導電性材料で構成され、本実施形態では白金(Pt)で形成されている。可燃性ガスとしての水素ガスを検出する場合、水素ガスへの熱伝導によってヒータ12から奪われる熱量の大きさは、水素ガス濃度に応じた大きさとなる。このことから、ヒータ12における抵抗値の変化に基づいて、水素ガス濃度を検出することが可能となる。
そして、凹部21に対応する領域(薄膜部)の内部にヒータ12を設けることにより、ヒータ12が周囲から断熱されるため、短時間にて昇温又は降温する。このため、センサ素子3の熱容量を小さくすることができる。
ヒータ12の左端は、配線12aおよび所定の配線膜を介して電極P3に接続されている。又、ヒータ12の右端は、配線12bおよび所定の配線膜を介してグランド電極P4に接続されている。電極P3、P4は、ヒータ12に接続される配線の引き出し部位であり、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
第1温度センサ(第1温度検知部)17は、熱伝導式ガスセンサ1の検出空間内に存在する被検出雰囲気の温度を検出するためのものであり、センサ素子3の上辺(一辺)に沿って所定の絶縁層内に埋設されている。第1温度センサ17は、抵抗値が温度に比例して変化(本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大)する導電性材料で構成された抵抗体であって、本実施形態では白金(Pt)で形成されている。
第1温度センサ17は、所定の配線膜を介して電極P1及びグランド電極P2に接続されている。電極P1,P2は、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
第1温度センサ17は、所定の配線膜を介して電極P1及びグランド電極P2に接続されている。電極P1,P2は、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
次に、図5を参照し、制御回路3の出力値に基づき、マイコン4により実行される可燃性ガスの濃度を演算する処理について説明する。マイコン4のCPU131は、ROM132に記憶されたプログラムに基づき、以下の処理を行う。
まず、マイコン4のCPU131は、センサ素子3及び湿度センサ8への通電を開始する(ステップS2)。なお、センサ素子3及び湿度センサ8へ通電されると、それぞれセンサ素子3及び湿度センサ8に配置された第1温度センサ17及び第2温度センサ8tへも通電される。
次に、CPU131は、ヒータ12を含むガス検出回路31の出力値から、可燃性ガス濃度にほぼ比例したヒータ電圧Vhを取得すると共に、温度測定回路32からの第1温度センサ17の出力値である電圧V1を取得する(ステップS4)。
まず、マイコン4のCPU131は、センサ素子3及び湿度センサ8への通電を開始する(ステップS2)。なお、センサ素子3及び湿度センサ8へ通電されると、それぞれセンサ素子3及び湿度センサ8に配置された第1温度センサ17及び第2温度センサ8tへも通電される。
次に、CPU131は、ヒータ12を含むガス検出回路31の出力値から、可燃性ガス濃度にほぼ比例したヒータ電圧Vhを取得すると共に、温度測定回路32からの第1温度センサ17の出力値である電圧V1を取得する(ステップS4)。
ここで、ヒータ電圧Vhは、熱伝導式ガスセンサ1の検出空間の雰囲気温度及び絶対湿度の変化に依存して変化する。このため、CPU131は、電圧V1より第1補正値Vh0を算出して温度補正を行う(ステップS6)。
ROM132には、第1補正値Vh0を算出するための基準電圧換算データ141が記憶されており、このデータは図6に示すように、ヒータ電圧Vhと温度Tとの関係(図6(a))と、ヒータ電圧Vhと絶対湿度Ahとの関係(図6(b))を含む。従って、ヒータ12近傍の被検出雰囲気の温度を示す第1温度センサ17の電圧V1(温度T1に相当)から、図6(a)の関係を用いて第1補正値Vh0を算出することができる。
なお、温度Tが高くなるほどヒータ電圧Vhが低下する傾向にあり、絶対湿度Ahが高くなるほどヒータ電圧Vhも高くなる傾向にある。
又、ヒータ電圧Vhと温度Tとの関係、及びヒータ電圧Vhと絶対湿度Ahとの関係としては、所定の関係式やテーブル等を用いることができる。
ROM132には、第1補正値Vh0を算出するための基準電圧換算データ141が記憶されており、このデータは図6に示すように、ヒータ電圧Vhと温度Tとの関係(図6(a))と、ヒータ電圧Vhと絶対湿度Ahとの関係(図6(b))を含む。従って、ヒータ12近傍の被検出雰囲気の温度を示す第1温度センサ17の電圧V1(温度T1に相当)から、図6(a)の関係を用いて第1補正値Vh0を算出することができる。
なお、温度Tが高くなるほどヒータ電圧Vhが低下する傾向にあり、絶対湿度Ahが高くなるほどヒータ電圧Vhも高くなる傾向にある。
又、ヒータ電圧Vhと温度Tとの関係、及びヒータ電圧Vhと絶対湿度Ahとの関係としては、所定の関係式やテーブル等を用いることができる。
次に、CPU131は、湿度センサ8及び第2温度センサ8tより、それぞれ相対湿度値(RH)、温度値(T2)を取得する(ステップS8)。温度値(T2)は湿度センサ8近傍の被検出雰囲気の温度を示している。従って、CPU131は、相対湿度値(RH)と温度値(T2)から、公知の方法に従って絶対湿度値(AH)を算出する(ステップS10)。
次に、CPU131は、ステップS10で算出した絶対湿度値(AH)が負(<0)であるか否かを判定する(ステップS12)。ステップS12で「No」であればステップS16に移行し、ステップS12で「Yes」であれば、ステップS14で絶対湿度値(AH)=0に設定してからステップS16に移行する。ここで、湿度センサ8によってはマイナス値(現実には存在しない値)を出力する場合を考慮し、絶対湿度値(AH)が負(<0)であるか否かを判定している。
次に、CPU131は、ステップS10で算出した絶対湿度値(AH)が負(<0)であるか否かを判定する(ステップS12)。ステップS12で「No」であればステップS16に移行し、ステップS12で「Yes」であれば、ステップS14で絶対湿度値(AH)=0に設定してからステップS16に移行する。ここで、湿度センサ8によってはマイナス値(現実には存在しない値)を出力する場合を考慮し、絶対湿度値(AH)が負(<0)であるか否かを判定している。
ここで、上述のように、ヒータ電圧Vhは、熱伝導式ガスセンサ1の検出空間の絶対湿度の変化によっても変化する。このため、ステップS16で、CPU131は、絶対湿度値(AH)より第2補正値Vhhumを算出して湿度補正を行う。この補正は、上述の基準電圧換算データ141から図6(b)に示すヒータ電圧Vhと絶対湿度Ahとの関係を読み取って算出することができる。
次に、CPU131は、式:ΔVh=Vh−Vh0−Vhhumにより、ヒータ電圧Vhがそれぞれ温度補正(Vh0)及び湿度補正(Vhhum)された値ΔVhを算出する(ステップS18)。
次に、CPU131は、式:ΔVh=Vh−Vh0−Vhhumにより、ヒータ電圧Vhがそれぞれ温度補正(Vh0)及び湿度補正(Vhhum)された値ΔVhを算出する(ステップS18)。
次に、CPU131は、ΔVhと可燃性ガスの濃度との関係から可燃性ガスの濃度を算出し(ステップS20)、このガス濃度を外部回路に出力する(ステップS22)。
ROM132には、可燃性ガスの濃度を算出するための濃度換算データ142が記憶されており、このデータは図7に示すように、温度及び湿度補正されたヒータ電圧ΔVhとガス濃度との関係を含む。ヒータ電圧ΔVhとガス濃度との関係としては、所定の関係式やテーブル等を用いることができる。
ROM132には、可燃性ガスの濃度を算出するための濃度換算データ142が記憶されており、このデータは図7に示すように、温度及び湿度補正されたヒータ電圧ΔVhとガス濃度との関係を含む。ヒータ電圧ΔVhとガス濃度との関係としては、所定の関係式やテーブル等を用いることができる。
ここで、本発明の実施形態に係る熱伝導式ガスセンサ1においては、センサ素子3用、湿度センサ8用にそれぞれ別個に第1温度センサ17、第2温度センサ8sを設けている。これにより、センサ素子3(ヒータ12)近傍の温度と、湿度センサ8近傍の温度とを区別して測定することができ、センサ素子3が検出したガス濃度を精度よく温度補正及び湿度補正することができる。
又、センサ素子3の共通の半導体基板20にヒータ12と第1温度センサ17とを配置している。このため、第1温度センサ17からヒータ12近傍の被検出雰囲気の正確な温度を取得することができ、センサ素子3が検出したガス濃度を精度よく温度補正することができる。
又、センサ素子3と同じ空間であるケーシング部材7の測定室7sの内部に、湿度センサ8が配置されているので、被検出雰囲気の拡散状態が両者で同等となり、センサ素子3が検出したガス濃度を精度良く湿度補正することができる。さらに、センサ素子3よりも湿度センサ8に近い位置に第2温度センサ8sを配置しているため、第2温度センサ8sから湿度センサ8近傍の被検出雰囲気の正確な温度を取得し、湿度センサ8の検出した相対湿度を精度よく絶対湿度に換算することができ、センサ素子3が検出したガス濃度をさらに精度よく湿度補正することができる。
又、センサ素子3の共通の半導体基板20にヒータ12と第1温度センサ17とを配置している。このため、第1温度センサ17からヒータ12近傍の被検出雰囲気の正確な温度を取得することができ、センサ素子3が検出したガス濃度を精度よく温度補正することができる。
又、センサ素子3と同じ空間であるケーシング部材7の測定室7sの内部に、湿度センサ8が配置されているので、被検出雰囲気の拡散状態が両者で同等となり、センサ素子3が検出したガス濃度を精度良く湿度補正することができる。さらに、センサ素子3よりも湿度センサ8に近い位置に第2温度センサ8sを配置しているため、第2温度センサ8sから湿度センサ8近傍の被検出雰囲気の正確な温度を取得し、湿度センサ8の検出した相対湿度を精度よく絶対湿度に換算することができ、センサ素子3が検出したガス濃度をさらに精度よく湿度補正することができる。
なお、ガス導入口7hと測定室7sとの間に撥水フィルタ(拡散律速部)7tを設けると、ガス導入口7hから測定室7sに向かい、センサ素子3と湿度センサ8への被検出雰囲気中の湿度の濃度拡散を均一にすることができる。その結果、ヒータ12(センサ素子3)近傍の被検出雰囲気の絶対湿度をより正確に取得することができるので好ましい。
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、水素ガスを検出する場合について説明したが、本発明の熱伝導式ガスセンサは他の種類の可燃性ガスも検出可能である。ケーシング部材7の構成等も限定されない。
1 熱伝導式ガスセンサ
3 センサ素子
4 制御部
7 ケーシング部材
7h ガス導入口
7s 測定室
7t 拡散律速部
8 湿度検知部
8t 第2温度検知部
12 ヒータ
17 第1温度検知部
20 半導体基板
3 センサ素子
4 制御部
7 ケーシング部材
7h ガス導入口
7s 測定室
7t 拡散律速部
8 湿度検知部
8t 第2温度検知部
12 ヒータ
17 第1温度検知部
20 半導体基板
Claims (4)
- 自身の温度変化により抵抗値が変化するヒータを半導体基板に配置してなり、被検出雰囲気中の特定ガス成分のガス濃度を検出する熱伝導式のセンサ素子と、
前記センサ素子を収容すると共に、自身に形成されたガス導入口を介して前記被検出雰囲気に連通する測定室を有し、該測定室に前記センサ素子を臨ませるケーシング部材と、
を備えた熱伝導式ガスセンサであって、
さらに、前記測定室に臨むようにして、前記半導体基板に第1温度検知部が配置されると共に、
前記測定室に臨むようにして、前記ケーシング部材の内部に湿度検知部及び第2温度検知部が配置され、
前記第2温度検知部は、前記センサ素子よりも前記湿度検知部に近い位置に配置されていることを特徴とする熱伝導式ガスセンサ。 - 前記湿度検知部及び前記第2温度検知部が、一体である請求項1記載の熱伝導式ガスセンサ。
- 前記ガス導入口と前記測定室との間に、両者間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部が配置されている請求項1又は2記載の熱伝導式ガスセンサ。
- 前記第1温度検知部から取得した前記被検出雰囲気の温度から、前記センサ素子が検出した前記ガス濃度を補正し、
さらに、前記湿度検知部から取得した相対湿度と、前記第2温度検知部から取得した前記被検出雰囲気の温度とから、絶対湿度を算出し、該絶対湿度から前記センサ素子が検出した前記ガス濃度を補正する制御部をさらに備えてなる請求項1ないし3のいずれかに記載の熱伝導式ガスセンサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017097821A JP2018194409A (ja) | 2017-05-17 | 2017-05-17 | 熱伝導式ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2018194409A true JP2018194409A (ja) | 2018-12-06 |
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Family Applications (1)
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JP2017097821A Pending JP2018194409A (ja) | 2017-05-17 | 2017-05-17 | 熱伝導式ガスセンサ |
Country Status (1)
Country | Link |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020262133A1 (ja) * | 2019-06-28 | 2020-12-30 | 日本特殊陶業株式会社 | 燃料蒸発ガスセンサ |
JP2021018153A (ja) * | 2019-07-22 | 2021-02-15 | 日本特殊陶業株式会社 | ガス検出器 |
CN113533448A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-10-22 | 北京机械设备研究所 | 一种气体传感器测试系统、测试方法及上位机 |
KR20230084921A (ko) * | 2021-12-06 | 2023-06-13 | 주식회사 현대케피코 | 열전도식 가스감지센서 및 이를 이용한 가스 측정방법 |
-
2017
- 2017-05-17 JP JP2017097821A patent/JP2018194409A/ja active Pending
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KR102641537B1 (ko) * | 2021-12-06 | 2024-02-27 | 주식회사 현대케피코 | 열전도식 가스감지센서 및 이를 이용한 가스 측정방법 |
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