JP2575503Y2

JP2575503Y2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2575503Y2
Application number: JP1993028057U
Authority: JP
Inventors: 弘和三橋; 宏二小松
Original assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 1993-05-27
Filing date: 1993-05-27
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2008-05-27
Also published as: JPH0686066U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、ガスに対する選択性を
向上させ、特に例えば妨害ガスとしてのアルコールガス
等による誤報をなくするガスセンサに関するものであ
り、さらに詳細には、ハウジング外部と内部との間でガ
スが流通可能な通気孔を備えた気密性ハウジング内に、
金属酸化物半導体よりなるガス検知素子を備えたガスセ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のガスセンサとして、メタン等を
検知対象ガスとするガスセンサを例に採って説明する。
金属酸化物半導体式ガスセンサにおいて、ガス種に対す
る選択性を付与するためには、使用する金属酸化物半導
体に種々の添加物（触媒等）を加えたり、表面にコーテ
ィングしたり、またガス検知素子の使用温度を変えたり
して、その選択性を確保することがおこなわれている。
一方、焼結金属又は金網を用いてハウジングを構成し、
その目の粗さを規制することにより、ハウジング内への
周囲外気の供給を制限し、易燃性の気体（例えば水素、
アルコール等）の感度を抑え、難燃性の気体（例えばメ
タン）に対する相対感度をあげて、検知対象ガスに対す
る選択性を確保することがおこなわれている（特公平２
−３５２５７）。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には、夫々以下のような欠点がある。前者のもの
においては、金属酸化物半導体自体の構成を変更した
り、使用条件を規制したりする必要があるため、センサ
自体がコスト高となったり、様々な条件、環境下で使用
しずらいという問題がある。さらに、特定の検知対象ガ
スに対しては、添加物を添加したりコーティング層を形
成したりして選択性を備えされることが容易且つ安価に
おこなえるが、この選択性を得られるべき検知対象ガス
が複数種あったり、感度を低下させたい妨害ガスが複数
種ある場合に、この手法のみでは充分に対応できない場
合がある。一方、後者のものは、金属酸化物半導体を収
納するハウジング内へのガス流入量を一定量に制限する
ことが非常に困難で実用的でない。即ち、焼結金属・金
網の目の粗さや厚みを調整し通気量を一定に制御する必
要があるが、これは難しく、厳格な品質管理を必要とす
る。又、通気量の異なる焼結金属製ハウジングを種々用
意し、テストして最適のものを選ぶ場合は、作業量が多
く実用的でない。以上のことから、この構成のガスセン
サは、たとえ実施したとしても非常に高価となり市場性
はない。

【０００４】従って、本考案の目的は、センサに装備さ
れる金属酸化物半導体として、比較的製作容易なものを
も採用できるとともに、ハウジング構成の改良により、
製作容易、且つ廉価で、検知対象のガスを選択的に検知
できるガスセンサを得ることにある。さらに、複数種の
検知対象ガス、妨害ガスに対応して、選択性付加方法
（もしくは構成）を選別して採用し、センサ全体として
充分な選択性を備えたセンサを得ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本考案によるガスセンサの特徴構成は、ハウジング外
部と内部との間で、ガスが流通可能な通気孔を備えた気
密性ハウジング内に金属酸化物半導体よりなり、可燃性
ガスに対する燃焼活性を有する検知素子を備え、前記通
気孔に、検知対象ガスに対するガス検知状態において、
前記通気孔を流通するガスの流量を、前記検知対象ガス
に対する選択性が得られる流量に制限する流量制限能を
備えて構成するとともに、前記通気口の内側に防爆用構
造材を配設した点にあり、その作用効果は、次の通りで
ある。

【０００６】

【作用】つまり、このガスセンサにおいては、ハウジン
グ内部と外部とのガスの流通は、外部側から通気孔、防
爆用構造材を経る通気路を介して行われる。そして、ガ
スの流量は、通気孔によって規制され、これにより、従
来、金網、焼結金属等でおこなわれてきた拡散制限効果
が得られ、検知対象ガスに対する選択性が得られる。こ
こで、この拡散制限効果とは、複数のガス種において、
夫々のガスが有している燃焼速度に差があるため、ハウ
ジング内へ供給される外気の量が規制されると、ハウジ
ング内に配設される金属酸化物半導体に於けるガス種に
よる感度差（選択性）が得られることをいう。本願の構
成の場合は、通気孔の形状を特定すれば、この効果が得
られるため、ハウジング内へのガス流入量を一定量に制
限することが正確に行え、確実なガス選択性能を得るこ
とができる。そして、この通気孔の内部側に、金網、焼
結体等の防爆用構造材を配設することにより、センサの
防爆性が確保される。ここで、この防爆用構造材におい
ては、必ずしも拡散制限能を期待する必要はないため、
一般に採用されているものを使用するだけでよい。さら
に、センサを構成する場合に、通気孔によって第一検知
対象ガスに対して選択性を備えるとともに、金属酸化物
半導体に添加物を添加するもしくは金属酸化物半導体に
表面コーティング層を形成することにより、第一検知対
象ガスと異なった第二検知対象ガスに対して選択性を備
えさせたものとすると、燃焼速度の差に基づいて通気量
により選択性を備えることが容易な第一検知対象ガスに
対しては、この孔径等をコントロールすることにより選
択性を確保することが可能となり、複数のガス種間で似
通った燃焼速度を有しているものの金属酸化物半導体側
の操作で選択性を備えることが可能な第二検知対象ガス
に対しては、後者の手法で選択性を確保することが可能
となる。即ち、このセンサにおいては、ガス種に対応し
て選択性を付与する方法（構成）を選択して、全体として充分な選択性と応答速
度を確保できる。また、ハウジング内に流入するガス量
が制限されているため、高濃度ガスにより接触燃焼を起
こして損傷したり、被毒性ガスによるセンサの被毒も少
ない。

【０００７】

【考案の効果】従って、本願のガスセンサにおいては拡
散制限効果を発揮するための流通路を前述の通気孔で確
保するため、確実な効果を期待できるとともに、センサ
自体の製作も簡単かつ容易で、安価なガスセンサとして
製作できる。さらに、通気孔の利用により、ガス選択性
が向上するほか、長期安定性、耐被毒性、出力の濃度依
存性、高濃度ガスに対する耐久性を改善できる。従っ
て、センサに装備される金属酸化物半導体として、比較
的製作容易な複数ガスの検知を対象とするものをも採用
できるとともに、ハウジング構成の改良により、製作容
易、且つ廉価で、検知対象のガスを選択的に検知できる
ガスセンサを得ることができた。ここで、金属酸化物半
導体に触媒等を添加し、また被覆層を設けたりしたガス
選択性検知素子を用い、本考案の構成にすれば更にガス
選択性は向上することはいうまでもない。

【０００８】

【実施例】本願の実施例を図面に基づいて説明する。図
１には本願のガスセンサ１の縦断面図が示されている。
図示するように、このガスセンサ１は円筒形状のハウジ
ング２内部に金属酸化物半導体よりなるガス検知素子３
を備えた構成のものであり、その頂部部位において、ハ
ウジング外部４ａと内部４ｂとの間でガスが流通可能な
構成が採用されている。即ち、ハウジング２自体は気密
性の材料で構成されており、以下に詳述する通気孔６、
金網５を介してガスセンサ周部のガスがハウジング内部
と流通可能な構成が採用されている。このガスセンサ１
の実施例は、メタンガス、ブタンガスのガス選択性を確
保することにより、低級炭化水素ガスセンサとして使用
できるものである。

【０００９】以下さらに詳細に説明する。前述の気密性
ハウジング２は、円筒状のハウジング本体２ａを備えて
構成されている。そして、ハウジング本体２ａの頂部に
は通気孔６が備えられている。このハウジング本体２ａ
の内部で上端部側に防爆用構造材としての金網５が配設
されている。従って、外気はこの通気孔６、金網５を介
してハウジング外部４ａと内部４ｂ間を流通する。

【００１０】つぎに、前述の通気孔６の構成について説
明する。この通気孔６は特定の通気面積（断面積）と特
定の流路長さとを備えて構成されており、結果的に、メ
タンガスに対するガス検知状態（例えば素子温度４５０
℃程度）において、この通気孔６を流通するガス（検知
対象ガスと妨害ガスとの総量）の流量が、メタンガスの
選択性を確保できる流量に制限されるように構成されて
いる。実際の寸法関係については、以下に示す具体例で
示す。

【００１１】さて、前述のように拡散制限効果とは、複
数種のガスにおいて、夫々のガスが有している燃焼速度
に差があるため、ハウジング２内へ供給される外気の量
が規制されると、ハウジング２内に配設される検知素子
３に於けるガス種による感度差（選択性）が得られるこ
とであるが、この原理を簡単に、検知対象ガスとしての
メタン及びブタンとこれに対する妨害ガスとしてのアル
コールの場合を例に採って説明する。金属酸化物半導体
を検知素子３として用いる場合、通常、特定の検知温度
範囲でセンサは作動する。このような温度に保たれた検
知素子３にガス（複数のガスが混在するガス）が接触す
ると、その一部が燃焼（酸化）する。そして、この燃焼
の度合いはガス種によって異なる。即ち、メタン、ブタ
ンの場合はアルコールと比較すると、これが少ない。こ
こで検知素子３の周囲雰囲気（ハウジング内部にあるガ
ス）への外気（ハウジング外部のガス）の供給がある一
定量以下に制限されると、アルコールのように燃焼の速
いガスの場合には検知素子３の周囲雰囲気（ハウジング
内部４ｂにあるガス）のガス濃度は上昇しない。何故な
ら、周囲雰囲気に供給された外気中のガスは検知素子３
によって燃焼され、かつつぎつぎと供給されるガスはそ
の供給量と釣合って燃焼に消費されるために、検知素子
３の周囲雰囲気は低濃度に維持される。これに対してメ
タン、ブタンのように燃焼速度の遅い、すなわち燃焼さ
れにくいガスの場合には、例えばハウジング外部４ａの
濃度が上昇するとそれに応じて検知素子３の周囲雰囲気
へのガスの供給が増大し、これに対して燃焼による消費
は少ないために比較的短時間で周囲雰囲気は高濃度に達
する。従って、ガス種によるセンサ構造起因の選択性
を、ガスの燃焼速度との関係から得ることが可能であ
り、これはハウジング外部４ａと内部４ｂとの間の流通
ガス流量によって決定される。この状態を定性的に図２
に示した。同図において横軸はガス流通流量を、縦軸は
ガス種による感度を示している。結果、流量を制限する
にしたがって、アルコールに対するメタン、ブタンの選
択性が比較的大きくなる流量域が存在していることが判
る。即ち、上述の通気孔６は、拡散制限効果を得るため
の流量制限通気孔として構成されているのである。この
流通流量の調節は、孔径の設定、流路に沿った孔長さの
設定等によっても調節可能である。

【００１２】以下、具体例について説明するとともに、
関連するガス選択性能の実験結果について説明する。ガスセンサの構成１金属酸化物半導体の検知素子３型式熱線型金属酸化物半導体式（低級炭化水素用）主成分ＳｎＯ₂ 半導体部径約０．５ｍｍエチルアルコールとの感度比（５０００ｐｐｍ）メタンガス２．６２ブタンガス２．７５エチルアルコール１．００２ハウジング本体２ａ筒外径５．７〜５．８ｍｍ内容積１５８．５ｍｍ³ ３通気孔６通気孔径１ｍｍ通気孔長さ０．２５ｍｍ４金網５１００Ｍ、網２枚、０．２〜０．３ｍｍ厚

【００１３】ガス選択性に関する実験結果本願のガスセンサ１に関して、通気孔６の径を変化させ
た場合のセンサのメタンに対する９０％応答、イソブタ
ンに対する９０％応答、さらに、同一濃度のエチルアル
コールに対するメタン、イソブタン夫々に対する感度比
を表１に示した。表中、Ｎｏ１〜８に示すものが図３
（イ）に示すガスセンサの頂部に単一の通気孔６を設け
たもの、Ｎｏ９に示すものが図３（ロ）に示すハウジン
グ本体２ａの頂部に一対の通気孔６を設けたもの、さら
にＮｏ１０に示すものが図３（ハ）に示すハウジング本
体３ａの側部と頂部に各一個の通気孔６を設けたもの、
それぞれの結果を示している。

【００１４】

【表１】

【００１５】本実験に用いたガス検知素子は、低級炭化
水素用の熱線型金属酸化物半導体式であるため、メタ
ン、ブタンに対して高感度で、アルコールに対して夫々
２．６２倍、２．７５倍（表１にＮｏ８で示す）であ
る。この場合、通気孔６の径が２．３ｍｍより大きい場
合は、応答速度、感度比とも変わらない。即ち、通気量
の制限効果は現れない。そして、通気孔６の径を２．３
ｍｍより小さくするに従って、妨害ガスとしてのアルコ
ールに対する夫々のガスの選択性が良化されている。た
だし、孔径が小さくなるに伴ってガスに対する応答速度
は遅くなる。従って、上述の具体例に示すものは、選択
性において好ましい結果を与えることとなっている。さ
らに、応答速度を勘案するとＮｏ４〜６に示すものが実
用的である。

【００１６】〔別実施例〕上記の実施例においては、熱線型金属酸化物半導体式ガ
ス検知素子を用いたが、これに限定するものではなく、
金属酸化物半導体を用いたガス検知素子であれば、型式
を問わない。また、メタン、ブタン、アルコールの各ガ
ス間での選択性を問題としたが、燃焼速度に差のあるガ
ス間であればいかなるガスに対しても本願の構成は適応
できる。即ち、炭素数が４以下の低級炭化水素ガス、さ
らにこれらの一種以上のガスを混合した混合ガスにおい
ても、例えばアルコールガスに対して選択性を持たせて
適応可能である。さらに、前記通気孔６によって特定種
の第一検知対象ガスに対して選択性を得、前記第一検知
対象ガス以外の第二検知対象ガスに対して金属酸化物半
導体側を操作することにより、センサに選択性を付与す
るものとしてもよい。この場合、金属酸化物半導体側の
操作としては、金属酸化物半導体に添加物を添加する、
もしくは金属酸化物半導体に表面コーティング層を形成
する等が考えられる。このようなガス種の例としては、
第一検知対象ガスとしてメタン・イソブタンを、第二検
知対象ガスとして水素ガスを、さらに妨害ガスとしてア
ルコールガス等を挙げることが可能である。この場合、
金属酸化物半導体に添加されるべき添加物としては、一
例として銀を挙げることができる。しかも、この場合に
おいても、応答速度は１０秒前後とでき、良好なメタン
選択性ガスセンサが得られる。さらに、通気孔６の個数
はいかなる個数でもよく、ハウジング内部と外部間にお
いて、検知状態において流通するガスの流量を制御でき
れば、本願の目的は達成される。また、防爆用構造材と
して金網等の固定構成としては図４に示すような構成も
可能である。

【００１７】また、実用新案登録請求の範囲の項に図面
との対照を便利にするために符号を記すが、該記入によ
り本考案は添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスセンサの縦断面図

【図２】各種ガスに対する感度とガス流量との関係を示
す図

【図３】実験対象のガスセンサの構成を示す図

【図４】ガスセンサの別実施例を示す図

【符号の説明】

１ガスセンサ２ハウジング２ａハウジング本体３検知素子５防爆用構造材６通気孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/12

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】ハウジング外部と内部との間で、ガスが
流通可能な通気孔（６）を備えた気密性ハウジング
（２）内に金属酸化物半導体よりなり、可燃性ガスに対
する燃焼活性を有する検知素子を備えたガスセンサであ
って、前記通気孔（６）に、検知対象ガスに対するガス検知状
態において、前記通気孔（６）を流通するガスの流量
を、前記検知対象ガスに対する選択性が得られる流量に
制限する流量制限能を備えて構成するとともに、前記通
気口（６）の内側に防爆用構造材（５）を配設したガス
センサ。
【請求項２】前記検知対象ガスが低級炭化水素ガスで
あり、前記検知対象ガスに対する妨害ガスがアルコール
ガスである請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】前記通気孔（６）に第一検知対象ガスに
対する選択性付与機能を備えさせるとともに、前記第一
検知対象ガスとは異なった第二検知対象ガスに対して選
択性を備えさせる添加物を前記金属酸化物半導体に添加
する、もしくは前記第一検知対象ガスとは異なった第二
検知対象ガスに対して選択性を備えさせる表面コーティ
ング層を前記金属酸化物半導体に形成してある請求項１
記載のガスセンサ。