JP2019128325A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサユニットに金属製のケーシングを使用しつつ、測定精度を高められるガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサ１は、触媒ユニット２と、センサユニット３と、少なくとも１つのヒータと、を備える。触媒ユニットは、被測定ガスに含まれる成分を化学変化させるための触媒と、触媒を格納する第１ケーシング２Ｂとを有する。センサユニットは、触媒ユニットを通過した被測定ガス中の特定成分を検知するように構成されたセンサ素子３Aと、センサ素子を格納する金属製の第２ケーシング３Ｂとを有する。少なくとも１つのヒータ５は、触媒ユニットとセンサユニットとを加熱するように構成される。第２ケーシングの内面は、被測定ガス中の特定成分を吸着せず、かつ被測定ガス中の特定成分と化学反応しない不活性コーティング材によって被覆される。【選択図】図１

Description

本開示は、ガスセンサに関する。

被測定ガス中の特定成分の濃度を測定するガスセンサとして、触媒を用いてガス中の成分を化学変化させた後に、センサ素子によってガス成分濃度を測定するものが公知である（特許文献１参照）。

特許文献１のガスセンサでは、触媒によって測定対象のガス成分を化学変化によってセンサ素子が検知可能な成分に変換すると共に、被測定対象に含まれる雑ガス成分を燃焼等の化学変化によって除去する。

特開平１０−３００７０２号公報

上述のガスセンサにおいて、センサ素子は測定時にヒータによって加熱される。また、センサ素子が配置されるケーシングは、コスト、成型性、強度、耐熱性等の観点から金属で形成される。

このようなガスセンサでは、ヒータによってセンサ素子と共にケーシングが加熱されると、ケーシングが還元剤として働いてしまい、触媒による化学変化を経た被測定ガスの成分と化学反応するおそれがある。例えば、被測定ガスがＮＯ_２を含む場合、加熱されたケーシングによってＮＯ_２がＮＯに還元される。

このような化学反応がセンサのケーシング内において生じると、化学反応によって被測定ガス中の成分比（例えばＮＯ_２に対するＮＯの比）が変化するため、センサ素子による測定対象成分の測定精度が低下する。

本開示の一局面は、センサユニットに金属製のケーシングを使用しつつ、測定精度を高められるガスセンサを提供することを目的とする。

本開示の一態様は、被測定ガスに含まれる成分の濃度を測定するためのガスセンサである。ガスセンサは、触媒ユニットと、センサユニットと、少なくとも１つのヒータと、を備える。触媒ユニットは、被測定ガスに含まれる成分を化学変化させるための触媒と、触媒を格納する第１ケーシングとを有する。センサユニットは、触媒ユニットを通過した被測定ガス中の特定成分を検知するように構成されたセンサ素子と、センサ素子を格納する金属製の第２ケーシングとを有する。少なくとも１つのヒータは、触媒ユニットとセンサユニットとを加熱するように構成される。第２ケーシングの内面は、被測定ガス中の特定成分を吸着せず、かつ被測定ガス中の特定成分と化学反応しない不活性コーティング材によって被覆される。

このような構成によれば、金属製の第２ケーシングの内面が、被測定ガス中の特定成分を吸着せず、かつ被測定ガス中の特定成分と化学反応しない不活性コーティング材によって被覆されるため、第２ケーシング内で被測定ガス中の特定成分が化学反応することを抑制できる。その結果、被測定ガス中の特定成分の測定精度を高めることができる。

本開示の一態様では、第２ケーシングには、第２ケーシング内に被測定ガスを導入するための導入口と、第２ケーシング内の被測定ガスを排出するための排出口と、が設けられてもよい。少なくとも導入口の内面は、不活性コーティング材によって被覆されてもよい。このような構成によれば、第２ケーシングに被測定ガスを導入する流路内における被測定ガス中の特定成分の化学反応も抑制できるため、被測定ガス中の特定成分の測定精度をさらに高めることができる。

実施形態のガスセンサを示す模式的な断面図である。 図１とは異なる実施形態のガスセンサを示す模式的な断面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示すガスセンサ１は、被測定ガスＧに含まれるガス成分の濃度を測定するためのガスセンサである。ガスセンサ１の測定対象のガス成分としては、窒素酸化物（ＮＯｘ）、二酸化炭素等が挙げられる。

ガスセンサ１は、環境管理、プロセス管理、医療等の分野に使用できる。ガスセンサ１は、特に数ｐｐｂから数百ｐｐｂレベルの極低濃度のＮＯｘを含むガスの測定、具体的には喘息診断に好適に使用できる。

ガスセンサ１は、図１に示すように、触媒ユニット２と、センサユニット３と、流通路４と、１つのヒータ５と、隔壁６と、シール材７とを備える。なお、本実施形態での被測定ガスＧは呼気である。

＜触媒ユニット＞
触媒ユニット２は、被測定ガスＧが含む成分を化学変化させる触媒部２Ａと、触媒部２Ａを格納する第１ケーシング２Ｂとを有する。

触媒部２Ａによる化学変化には、ある成分を他の成分に変換することや、ある成分を燃焼させることが含まれる。具体的には、触媒部２Ａは、ガスセンサ１が濃度を測定する成分をセンサ素子３Ａが検知可能な成分に変換する。また、触媒部２Ａは、ガスセンサ１が濃度を測定しない成分を燃焼する。例えば、喘息診断の場合では、触媒部２Ａは、測定対象であるＮＯをＮＯ_２に変換すると共に、ＣＯ、Ｈ_２、ＶＯＣ等の被測定ガスＧ（呼気）中に含まれる微量の還元ガスを燃焼させる。

触媒部２Ａは、被測定ガスＧが含む成分を化学変化させるための触媒と、触媒を担持する基体部とを有する。基体部内には、被測定ガスＧの流路が形成されている。触媒は、基体部の少なくともガス流路の内面に配置されている。

触媒部２Ａの基体部は、例えばアルミナ等のセラミックを主成分とする。触媒部２Ａの触媒は、用途や温度に応じて適宜選択される。触媒としては、例えば白金、ロジウム、金等の貴金属、それら貴金属の粒子を例えばγアルミナやゼオライトに担持させた担持体、又は、例えば酸化マンガン、酸化コバルト、酸化錫等の金属酸化物が使用される。

第１ケーシング２Ｂは、センサユニット３と対向する面が開口しており、この開口面が後述する隔壁６によって塞がれている。触媒部２Ａは、第１ケーシング２Ｂと隔壁６とによって画定される内部空間に配置されている。具体的には、触媒部２Ａは、隔壁６と、第１ケーシング２Ｂの内面のうち隔壁６と対向する面とに固定されている。

第１ケーシング２Ｂは、隔壁６と対向するフランジ２Ｃを有する。また、第１ケーシング２Ｂには、第１ケーシング２Ｂの内部空間と外部とをそれぞれ連通する導入口２Ｄ及び排出口２Ｅが設けられている。排出口２Ｅには、後述する流通路４が接続されている。第１ケーシング２Ｂは、例えば、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属で形成される。

導入口２Ｄから第１ケーシング２Ｂ内に導入された被測定ガスＧは、触媒部２Ａの触媒に接触しながら、排出口２Ｅから第１ケーシング２Ｂの外（具体的には第２ケーシング３Ｂ内）に排出される。

＜センサユニット＞
センサユニット３は、触媒ユニット２を通過した被測定ガスＧ中の特定成分（つまり測定対象成分）を検知するように構成されたセンサ素子３Ａと、センサ素子３Ａを格納する第２ケーシング３Ｂとを有する。

センサ素子３Ａは、混成電位式の検知体を有し、検知体はセラミックからなるベース基板に搭載されている。センサ素子３Ａは、さらに測温用抵抗体を有してもよい。混成電位式の検知体は、公知であるため詳述はしないが、例えば、ジルコニアからなる固体電解質体と、それぞれ異なる材料からなる電極とを有し、これら電極間の電位差をセンサ信号として出力する構成を有する。なお、センサ素子３Ａの検知体としては、これに限定されず、検知対象のガス成分の存在により自身の抵抗が変化する金属酸化物半導体からなる検知体や、容量変化型の検知体を使用してもよい。検知体及び測温用抵抗体は、隔壁６に形成された配線に電気的に接続され、外部から電力が供給される。

第２ケーシング３Ｂは、触媒ユニット２と対向する面が開口しており、この開口面が隔壁６によって塞がれている。センサ素子３Ａは、第２ケーシング３Ｂと隔壁６とによって画定される内部空間に配置されている。具体的には、センサ素子３Ａは、隔壁６に固定されている。

第２ケーシング３Ｂは、隔壁６と対向するフランジ３Ｃを有する。また、第２ケーシング３Ｂには、第２ケーシング３Ｂの内部空間と外部とをそれぞれ連通する導入口３Ｄ及び排出口３Ｅが設けられている。

導入口３Ｄは、第２ケーシング３Ｂ内に被測定ガスＧを導入する。また、導入口３Ｄには、流通路４が接続されている。排出口３Ｅは、第２ケーシング３Ｂ内の被測定ガスＧを排出する。第２ケーシング３Ｂは、例えば、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属で形成される。

第２ケーシング３Ｂの内面は、被測定ガス中Ｇの特定成分を吸着せず、かつ被測定ガス中の特定成分と化学反応しない不活性コーティング材によって被覆されている。つまり、第２ケーシング３Ｂは、不活性コーティング材で形成されたコーティング層３Ｆを有する。なお、不活性コーティング材は、被測定ガスＧが含む成分に対する触媒作用も有しないか、少なくとも第２ケーシング３Ｂを構成する金属に比べて被測定ガスＧが含む成分に対する触媒作用が小さいとよい。

コーティング層３Ｆは、第２ケーシング３Ｂの内面に積層されている。コーティング層３Ｆは、被測定ガスＧの特定成分を通過させないように緻密に形成されている。つまり、コーティング層３Ｆは、被測定ガスＧの特定成分が第２ケーシング３Ｂに接触することを阻止する。

不活性コーティング材としては、ガスセンサ１の使用時、つまりヒータ５によって加熱された状態で化学的に安定した物質のうち、この加熱状態において被測定ガス中Ｇの特定成分を吸着せず、かつ被測定ガス中の特定成分と化学反応しない物質であれば、特に限定されない。

不活性コーティング材としては、アルミナ、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂などが例示される。また、コーティング層３Ｆは、例えば、スパッタリング、ゾルゲル法、ゾル液の塗布等の手法によって形成することができる。

導入口３Ｄ（つまり流通路４）から第２ケーシング３Ｂ内に導入された被測定ガスＧは、センサ素子３Ａに接触しながら、排出口３Ｅから第２ケーシング３Ｂの外（具体的にはガスセンサ１の系外）に排出される。

＜流通路＞
流通路４は、第１ケーシング２Ｂ内の被測定ガスＧを、第２ケーシング３Ｂ内に供給する。流通路４は、第１ケーシング２Ｂの排出口２Ｅと、第２ケーシング３Ｂの導入口３Ｄとを連結する配管である。

＜ヒータ＞
ヒータ５は、触媒ユニット２とセンサユニット３とを同時に加熱する。本実施形態では、ヒータ５は、センサ素子３Ａ内に配置されている。ヒータ５をセンサ素子３Ａ内に配置することで、触媒ユニット２よりも高温で温度制御を行う必要のあるセンサ素子３Ａの温度制御が可能となる。なお、測温用抵抗体からの出力を用いてヒータ５の通電制御を行うことで、センサ素子３Ａの温度制御を精度の高いものにすることも可能である。

本実施形態では、１つのヒータ５で触媒ユニット２とセンサユニット３とを同時に加熱できるため、ガスセンサ１の消費電力を低減できる。また、ガスセンサ１の構造を簡素化することができる。

ヒータ５は、例えば白金等の金属配線（つまり負荷抵抗）によって構成される。ヒータ５は、隔壁６に形成された配線に電気的に接続され、外部から電力が供給されることで発熱する。

＜隔壁及びシール材＞
隔壁６は、第１ケーシング２Ｂと第２ケーシング３Ｂとに挟持され、触媒部２Ａが配置される空間と、センサ素子３Ａが配置される空間とを仕切るように配置されている。

具体的には、隔壁６は、第１ケーシング２Ｂのフランジ２Ｃと、第２ケーシング３Ｂのフランジ３Ｃとの間に配置されている。また、隔壁６と２つのフランジ２Ｃ，３Ｃとの間には、それぞれリング状のシール材７が配置され、気密が確保されている。

つまり、隔壁６は、２つのシール材７を介して、第１ケーシング２Ｂのフランジ２Ｃと、第２ケーシング３Ｂのフランジ３Ｃとによって厚み方向に挟持されている。第１ケーシング２Ｂのフランジ２Ｃと、第２ケーシング３Ｂのフランジ３Ｃとは、例えば、厚み方向の締結によって固定されている。シール材７としては、例えばポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂を主成分とするガスケットが使用される。

隔壁６の一部は、フランジ２Ｃ，３Ｃの外側まで延伸している。隔壁６は、その表面又は内部に配置された配線を有する。この配線は、センサ素子３Ａ及びヒータ５と外部回路とを接続するためのものであり、電極パッドを有する。電極パッドには、センサ素子３Ａ及びヒータ５が、抵抗溶接、ボンディング等によって電気的に接続されている。

隔壁６の材質は特に限定されないが、隔壁６は例えばセラミックを主成分とする。ここで、「主成分」とは、８０質量％以上含有される成分を意味する。また、隔壁６に用いるセラミックとしては絶縁性セラミック（例えば、アルミナ）が好ましい。

隔壁６は、触媒部２Ａ及びセンサ素子３Ａが配置された配置部６Ａの厚みが他の部分の厚みよりも小さい。換言すれば、触媒部２Ａ及びセンサ素子３Ａは、隔壁６において他の部分よりも薄肉化された配置部６Ａに固定されている。

［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）金属製の第２ケーシング３Ｂの内面が、不活性コーティング材によって被覆されるため、第２ケーシング３Ｂ内で被測定ガスＧ中の特定成分が化学反応することを抑制できる。その結果、被測定ガスＧ中の特定成分の測定精度を高めることができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
図２に示すガスセンサ１１は、図１に示すガスセンサ１と同様、被測定ガスＧに含まれるガス成分の濃度を測定するためのガスセンサである。

ガスセンサ１１は、触媒ユニット２と、センサユニット１３と、流通路４と、１つのヒータ５と、隔壁６と、シール材７とを備える。
触媒ユニット２、流通路４、ヒータ５、隔壁６、及びシール材７は、図１のガスセンサ１と同じものであるため、同一符号を付して説明を省略する。

センサユニット１３は、コーティング層１３Ｆを除いて、図１のセンサユニット３と同じものである。
本実施形態のコーティング層１３Ｆは、第２ケーシング３Ｂの内面に加えて、第２ケーシング３Ｂの導入口３Ｄ及び排出口３Ｅの内面にも積層されている。つまり、導入口３Ｄ及び排出口３Ｅは、不活性コーティング材によって被覆されている。

［２−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）第２ケーシング３Ｂの導入口３Ｄ及び排出口３Ｅの内面が不活性コーティング材によって被覆されることで、第２ケーシング３Ｂに連通する流路内における被測定ガスＧ中の特定成分の化学反応も抑制できる。そのため、被測定ガスＧ中の特定成分の測定精度をさらに高めることができる。

［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（３ａ）上記実施形態のガスセンサ１，１１において、第１ケーシング２Ｂと第２ケーシング３Ｂとを配管ではなく、隔壁６に設けた貫通孔で接続してもよい。つまり、流通路４を第１ケーシング２Ｂと第２ケーシング３Ｂとを貫通する貫通孔で構成してもよい。

また、ガスセンサ１，１１は、必ずしも隔壁６及びシール材７を備えなくてもよい。第１ケーシング２Ｂと第２ケーシング３Ｂとは、離間して配置されてもよいし、隔壁６を介さずに接合されていてもよい。

（３ｂ）上記実施形態のガスセンサ１，１１において、ヒータ５は、センサ素子３Ａと隔壁６との間、触媒部２Ａの内部、又は触媒部２Ａと隔壁６との間に配置されてもよい。また、ガスセンサ１，１１は、触媒部２Ａを加熱する第１ヒータと、センサ素子３Ａを加熱する第２ヒータとを備えてもよい。

（３ｃ）上記実施形態のガスセンサ１，１１において、第１ケーシング２Ｂ及び第２ケーシング３Ｂは、それぞれ配管によって構成されてもよい。つまり、触媒部２Ａ及びセンサ素子３Ａは、それぞれ配管の内部に配置されてもよい。

（３ｄ）上記実施形態のガスセンサ１，１１において、触媒ユニット２の第１ケーシング２Ｂの内面に不活性コーティング材を被覆してもよい。これによって、被測定ガスＧ中の特定成分の化学反応をより確実に抑制できる。

（３ｅ）上記第２実施形態のガスセンサ１１では、コーティング層１３Ｆを第２ケーシング３Ｂの導入口３Ｄ及び排出口３Ｅの内面の双方に設けたが、ガスセンサ１１において、コーティング層１３Ｆを、第２ケーシング３Ｂの導入口３Ｄの内面にのみ設ける構成としてもよい。導入口３Ｄ側にコーティング層１３Ｆを設けておくことで、触媒による化学変化を経た被測定ガスの成分と導入口３Ｄの内面との間での化学反応を抑制する効果をもたらすことができるからである。

（３ｆ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…ガスセンサ、２…触媒ユニット、２Ａ…触媒部、２Ｂ…第１ケーシング、
２Ｃ…フランジ、２Ｄ…導入口、２Ｅ…排出口、３…センサユニット、
３Ａ…センサ素子、３Ｂ…第２ケーシング、３Ｃ…フランジ、３Ｄ…導入口、
３Ｅ…排出口、３Ｆ…コーティング層、４…流通路、５…ヒータ、６…隔壁、
６Ａ…配置部、７…シール材、１１…ガスセンサ、１３…センサユニット、
１３Ｆ…コーティング層。

Claims (2)

1. 被測定ガスに含まれる成分の濃度を測定するためのガスセンサであって、
   被測定ガスに含まれる成分を化学変化させるための触媒と、前記触媒を格納する第１ケーシングとを有する触媒ユニットと、
   前記触媒ユニットを通過した前記被測定ガス中の特定成分を検知するように構成されたセンサ素子と、前記センサ素子を格納する金属製の第２ケーシングとを有するセンサユニットと、
   前記触媒ユニットと前記センサユニットとを加熱するように構成された少なくとも１つのヒータと、
   を備え、
   前記第２ケーシングの内面は、前記被測定ガス中の特定成分を吸着せず、かつ前記被測定ガス中の特定成分と化学反応しない不活性コーティング材によって被覆される、ガスセンサ。
2. 前記第２ケーシングには、前記第２ケーシング内に前記被測定ガスを導入するための導入口と、前記第２ケーシング内の前記被測定ガスを排出するための排出口と、が設けられ、
   少なくとも前記導入口の内面は、前記不活性コーティング材によって被覆される、請求項１に記載のガスセンサ。