JP4817305B2 - 可燃性ガスセンサ、及び可燃性ガス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、可燃性ガスと触媒層の触媒反応による発熱を電気信号として出力するガス検出センサー、及びこのセンサを用いた可燃性ガス検出装置に関する。

燃料電池の普及に伴ない、水素等の可燃性ガス用のセンサーとして、特許文献１に記載されているように基板に、可燃性ガスとの接触により発熱する触媒層と、発熱部と、触媒層での温度変化を検出する検出部とを形成したものが提案されている。
このセンサーは、発熱部により触媒層を可燃性ガスとの反応が可能な程度に加熱する必要があるばかりでなく、可燃性ガスの濃度を温度変化として検出する関係上、環境温度の変化により触媒層の温度も変化するため、環境温度に対応して発熱部に供給する電力を制御して環境温度による影響を防止する必要がある。

このため、サーミスタや測温抵抗体などの温度センサーにより発熱部、または触媒層の温度を検出して発熱部の電力を制御することが行われている。

しかしながら、発熱部は通常、蒸着により形成されていて層状であるため、外付けの温度センサーを近接させて位置させることが困難で発熱部の温度を適切に検出することができないという問題の他に、回路部品として温度センサーを余分に必要としてコストの上昇や、装置の大型化、複雑化を招くという問題もある。
このような問題を解消するため、発熱部の近傍、つまり発熱部と熱伝導関係を形成できる位置に温度抵抗係数の大きな材料で測温抵抗体を蒸着などにより形成し、発熱部の温度を監視することも考えられる。

しかしながら、電源投入からの立ち上がりや、発熱部Ｅや検出部Ｂの熱放散を防止することを目的としてセンサを構成する基板Ａの検出部Ｂ、発熱部Ｅの領域は、その裏面を凹部Ｃとして薄肉部Ｃ’に形成されているため、検出部Ｂや発熱部Ｅと熱伝導関係を形成するように測温抵抗体Ｄを造りつけると、図５（イ）、（ロ）に示したように検出部Ｂと測温抵抗体Ｄとを同一面の薄肉部Ｃ’に収容する必要上、薄肉部Ｃ’の面積、もしくは領域が拡大して薄肉部の強度が、検出部及び発熱部だけを収容する場合よりも低下し、センサ製造工程での取り扱いを慎重に行う必要上、熟練を要する。
また、発熱部Ｅは通常数百℃に発熱し、またこれの近傍に配置される測温抵抗体も同程度まで加熱されるため、長年の使用により温度抵抗係数や抵抗値が変化し、発熱部Ｅの温度を正確に制御することが困難となる。
さらには、検出部Ｂが発熱部Ｅと良好な熱伝導関係を形成するように構成されているため、たとえ発熱部Ｅの温度抵抗係数や抵抗値等の特性が変化していても検出部Ｂにより検出される温度に基づいて規定温度となるように発熱部Ｅへの電力を制御する関係上、規定温度に維持され、発熱部Ｅの劣化を早期に検出することが不可能であるという問題がある。
特開2003-156461号公報

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであってその目的とするところは、センサの強度低下を招くことなく、しかも外付けの新たな温度センサーを不要するとともに、発熱部を構成する部材の経時変化を監視して高い信頼性を確保することができる可燃性ガスセンサを提供することである。

本発明の他の目的は、上記可燃性ガスセンサを用いた可燃性ガス検出装置を提供することである。

このような課題を達成するために請求項１の発明は、熱電変換手段に、可燃性被検ガスの酸化反応を促進する酸化触媒層を形成した検出部、及び検出部をジュール熱により所定温度に加熱する第１の抵抗層と、第１の抵抗層の熱的影響を受けず、かつ環境の温度影響を受ける第２の抵抗層とが、それぞれ基板の独立の凹部により形成された薄肉部に設けられ、可燃性被検ガスと接触して電気信号を発生するように構成されている。

請求項３の発明は、熱電変換手段に、可燃性被検ガスの酸化反応を促進する酸化触媒層を形成した検出部、及び検出部をジュール熱により所定温度に加熱する第１の抵抗層と、第１の抵抗層の熱的影響を受けず、かつ環境の温度影響を受ける第２の抵抗層とが、それぞれ基板の独立の凹部により形成された薄肉部に設けられ、可燃性被検ガスと接触して電気信号を発生する可燃性ガスセンサと、前記第１の抵抗層の抵抗値が一定となるように調整する定抵抗制御手段と、前記第２の抵抗層の抵抗値により環境温度を検出する温度検出手段と、前記第１の抵抗層への電流を検出する電流検出手段と、前記第１の抵抗層が可燃性ガスを検出するのに適した温度となる場合の電流値と環境温度との関係を規定したデータを格納したデータ記憶手段と、前記第１の抵抗層の電流と環境温度に対応する電流値とを比較する比較判定手段と、前記比較手段により所定偏差が検出された場合に作動する異常表示手段とからなる。

請求項４の発明は、熱電変換手段に、可燃性被検ガスの酸化反応を促進する酸化触媒層を形成した検出部、及び検出部をジュール熱により所定温度に加熱する第１の抵抗層と、第１の抵抗層の熱的影響を受けず、かつ環境の温度影響を受ける第２の抵抗層とが、それぞれ基板の独立の凹部により形成された薄肉部に設けられ、可燃性被検ガスと接触して電気信号を発生する可燃性ガスセンサと、前記第１の抵抗層の負荷電圧が一定となるように調整する定電圧制御手段と、前記第２の抵抗層の抵抗値により環境温度を検出する温度検出手段と、前記第１の抵抗層への電流を検出する電流検出手段と、前記第１の抵抗層が可燃性ガスを検出するのに適した温度となる場合の電流値と環境温度との関係を規定したデータを格納したデータ記憶手段と、前記第１の抵抗層の電流と環境温度に対応する電流値とを比較する比較判定手段と、前記比較手段により所定偏差が検出された場合に作動する異常表示手段とからなる。

請求項５の発明は、熱電変換手段に、可燃性被検ガスの酸化反応を促進する酸化触媒層を形成した検出部、及び検出部をジュール熱により所定温度に加熱する第１の抵抗層と、第１の抵抗層の熱的影響を受けず、かつ環境の温度影響を受ける第２の抵抗層とが、それぞれ基板の独立の凹部により形成された薄肉部に設けられ、可燃性被検ガスと接触して電気信号を発生する可燃性ガスセンサと、前記第１の抵抗層への電流が一定となるように調整する定電流制御手段と、前記第２の抵抗層の抵抗値により環境温度を検出する温度検出手段と、前記第１の抵抗層の負荷電圧を検出する電圧検出手段と、前記第１の抵抗層が可燃性ガスを検出するのに適した温度となる場合の電圧値と環境温度との関係を規定したデータを格納したデータ記憶手段と、前記第１の抵抗層の負荷電圧と環境温度に対応する電圧値とを比較する比較判定手段と、前記比較手段により所定偏差が検出された場合に作動する異常表示手段とからなる。

請求項１の発明によれば、第１の抵抗層による熱損失を抑えつつ、第２の抵抗層の劣化を防止して第１の抵抗層を劣化を確実に検出でき、さらに基板の強度低下を防止して、組立作業や使用時の衝撃に対する耐力を向上することができる。

請求項２の発明によれば、第１、第２の抵抗層が温度抵抗係数の直線性と、抵抗温度係数とが大きい材料により構成されているので、雰囲気温度による第１の抵抗層、及び第２の抵抗層の温度変化を高い精度で検出でき、第１の抵抗層の劣化を確実に検出することができる。

請求項３の発明によれば、熱伝導による第１の抵抗層の熱損失を抑え、かつ第１の抵抗層からの熱影響を防止して第２の抵抗層により環境温度を正確に検出して環境温度にかかわり無く第１の抵抗層の温度が一定となるように発熱量を調整して酸化触媒層の温度を一定に維持するため、環境温度にかかわりなく可燃性ガスの濃度を高い精度で検出できる。
また第１の抵抗層の熱が第２の抵抗層に伝達するのを可及的に防止して第２の抵抗層により第１の抵抗層に作用する環境温度の影響を考慮して第１の抵抗層に供給する電力の変化から第１の抵抗層の劣化を確実に検出することができる。

請求項４、請求項５の発明によれば、熱電変換手段による可燃性ガスの検出信号がその両端の温度差に比例することに着目して、熱電変換手段を所定の温度範囲に維持できる一定電圧、または一定電流を供給し、その際の負荷電流、または端子電圧が、環境温度の影響を受けて温度変化する第１の抵抗層が、正常な範囲な場合の抵抗値に基づくものであるか、否かを判定して第１の抵抗層の劣化を検出することができる。

そこで以下に本発明の詳細を実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明に使用するセンサの一実施例を示すものであって、センサー１０は、電気絶縁性材料の基板１１の表面に蒸着などにより直線状に熱電変換素子部１２を形成し、その一端側に偏した領域に可燃性ガスを酸化させるための酸化触媒層１３を形成して検出部が構成されている。

検出部と熱伝導関係を形成できる領域には検出部の酸化触媒層１３により被検出ガスを酸化反応させるのに適した温度に加熱するためのヒータとなる第１の抵抗層１４が設けられている。第１の抵抗層１４は、好ましくは白金もしくは白金の温度−抵抗係数よりも大きく、かつセンサーが使用される温度範囲において高い直線性の温度抵抗係数を有する材料を蒸着して形成されている。

熱電変換部１２の両端は、リード部を介して信号端子１５、１５’に、また第１の抵抗層１４は導電パターンにより直列に接続された上でリード部を介して給電端子１６、１６’に接続されている。

ヒータである第１の抵抗層１４の消費電力を可及的に少なくするために、センサーを構成する基板１１のセンサー領域の裏面に第１の凹部１１ａを形成して、熱電変換部１２及び第１の抵抗層１４の領域を薄肉部１１ａ’とするように構成されている。

第１の凹部１１ａとは独立、つまり厚肉部１１ｃを隔てた位置に第２の凹部１１ｂを設けて第２の薄肉部１１ｂ’を形成し、これの表面に第２の抵抗層１７が第１の抵抗層１４と同一の材料を使用して同一の手法で形成されている。すなわち、第２の抵抗層１７は、例えば白金の温度−抵抗係数よりも大きく、かつセンサーが使用される温度範囲において高い直線性の温度抵抗係数を有する材料を蒸着して形成されている。

この実施例によれば、基準抵抗である第２の抵抗層１７が、薄肉部１１ｂ’に形成されているため、環境温度に速やかに追従する一方、第１の凹部１１ａと第２の凹部１１ｂとに存在する厚肉部１１ｃにより可及的に熱の伝達を防止できるため、第２の抵抗層１７はセンサ領域の温度の影響を受けることなく、環境温度に追従することになる。

また、第１の薄肉部１１ａ’は検出部、及び発熱部を収容できる程度の面積であり、また第２の薄肉部１１ｂ’は第２の抵抗層１７を収容できる程度の面積で、しかもその間には厚肉部１１ｃが存在するため、それぞれの薄肉部１１ａ’、１１ｂ’は、その強度が低下することがなく、製造工程での取り扱いが容易となり、また使用時における振動や衝撃に対する耐久性の向上を図ることができる。

図２は、上述したセンサー１０を使用した本発明のガス検出装置の第１の実施例を示すものであって、給電端子１６、１６には定抵抗回路２０が接続されていて、検出部を規定の温度に加熱した場合の第１の抵抗層１４の抵抗値と同一の基準抵抗ＲSとなるようにトランジスタＱにより電流を制御するように構成されている。

また、第１の抵抗層１４の給電路に直列に接続された負荷抵抗ＲLには電流検出回路３０が接続されている。
また、端子１６’、１８には温度検出回路４０が接続され、第２の抵抗層１７により環境温度を検出するようになっている。

この実施例において、第１の抵抗層１４には定抵抗回路２０により酸化触媒層１３がその表面で可燃性ガスと酸化反応するのに適した温度となる抵抗値となる電流が供給されて加熱される。

この状態で、水素などの可燃性ガスが酸化触媒層１３に接触した場合には可燃性ガスが酸化触媒層１３の表面で接触燃焼し、熱電変換部１２の一端部、つまり酸化触媒層１３の領域の温度が上昇して他端部、つまり信号端子１５’の領域との間に温度差が生じる。
この温度差は、可燃性ガスの濃度に比例し、かつ起電力は温度差に比例するから信号端子１５、１５’から図示しない信号処理部に出力させることにより可燃性ガスの濃度を知ることができる。

ところで第１の抵抗層１４は、通常数百℃に加熱されるため長年の使用により第１の抵抗層１４の比抵抗が変化する。この結果、第１の抵抗層１４の抵抗値が水素の検出に適した設定値となるように電流が供給されていても、第１の抵抗層１４の抵抗値が変化しているため発熱量が変化し検出部の温度が設定値からずれることになる。

他方、第２の抵抗層１７は、第１の抵抗層１４が形成されている薄肉部１１ａ’とは独立した薄肉部１１ｂ’に形成されていて第１の抵抗層１４による加熱を受けることがなく、環境温度に維持されているから比抵抗は環境温度につれて変化するものの規定温度では一定値を維持している。

したがって温度検出回路４０により第２の抵抗層１７に基づいて環境温度を検出し、第１の抵抗層１４への電流値を電流検出回路３０により検出し、両者を比較判定手段５１により比較する。

すなわち、比較判定手段５１は、読み出し書き込み手段５２を介して環境温度に対する第１の抵抗層１４への最適な電流値を格納したデータ記憶手段５３にアクセス可能に構成されていて、環境温度に対応する第１の抵抗層１４への電流値を算出するとともに、電流検出回路３０により検出された電流値と比較し、予め設定された偏差分が検出された場合には、異常表示手段５５により警報等を報知する。

なお、図中符号５４は、動作切換手段で、センサ１１０により被検ガスの存在が検知された場合には、比較判定手段５１の信号が異常判定手段５５に出力するのを阻止して誤報を防止するものである。

上述の実施例においては、第１の抵抗層１４の抵抗値が規定値となるように電流を制御しているが、図３示したように定電圧回路２０’を使用して第１の抵抗層１４の端子電圧を、第１の抵抗層１４の温度が環境温度の変化に対して水素を検出するのに適した温度範囲となるように制御する。
一方、第２の抵抗層１７により検出した環境温度の影響を受けた第１の抵抗層１４の温度に対応する負荷電流が、データ記憶手段５３に予め格納されている各環境温度ごとの電流値との差分が規定の範囲であるか否かを比較判定手段５１により判定する。
いうまでもなく、第１の抵抗層１４が特性が変化している場合には規定の電圧を印加しても負荷電流が規定以上に変化するので、劣化を検出することができる。
なお、熱電変換部１２の全体の温度が規定値に維持するのが望ましいが、ガスの濃度は熱電変換部１２の両端で生じる温度差に比例するから或る一定の温度範囲に維持されているなら、水素などの可燃性ガスを高い精度で検出できることは言うまでもない。

また、図４に示したように定電流回路２０”を使用して第１の抵抗層１４の温度が環境温度の変化に対し水素を検出するのに適した温度範囲となるように制御する。
一方、第２の抵抗層１７により検出した環境温度の影響を受けた第１の抵抗層１４の温度に対応する端子電圧が、データ記憶手段５３”に予め格納されている各環境温度ごとの電圧との差分が規定の範囲であるか否かを比較判定手段５１により判定する。
いうまでもなく、第１の抵抗層１４が特性が変化している場合には規定の一定電流を印加しても端子電圧が規定以上に変化するので、劣化を検出することができる。
なお、熱電変換部１２の全体の温度が規定値に維持するのが望ましいが、ガスの濃度は熱電変換部１２の両端で生じる温度差に比例するから或る一定の温度範囲に維持されているなら、水素などの可燃性ガスを高い精度で検出できることは言うまでもない。
この実施例においては、第１の抵抗層１４の電圧を検出する関係上、第１の抵抗層１４の両端にはそれぞれ独立の端子１６、１６’が接続され、また第２の抵抗層１７には同じく独立する端子１８、１８’が接続されている。

図(イ)、(ロ)は、それぞれ本発明の可燃性ガス検出装置に使用するセンサーの一実施例を示す上面図と断面図である。 本発明の可燃性ガス検出装置の第１実施例を示すブロック図である。 本発明の可燃性ガス検出装置の第２実施例を示すブロック図である。 本発明の可燃性ガス検出装置の第３実施例を示すブロック図である。 図(イ)、(ロ)は、加熱部の温度を一定に制御するのに適したガスセンサーの一例を示す上面図と、基板の断面図である。

符号の説明

１０ センサー １１ 基板 １１ａ、１１ｂ メンブレン部を形成する凹部 １２ 熱電変換素子部 １３ 酸化触媒層 １４ ヒータとなる第１の抵抗層 １５ 信号端子 １６ 給電端子 １７ 基準抵抗となる第２の抵抗層１７ ２０ 温度制御手段

Claims (5)

1. 熱電変換手段に、可燃性被検ガスの酸化反応を促進する酸化触媒層を形成した検出部、及び検出部をジュール熱により所定温度に加熱する第１の抵抗層と、第１の抵抗層の熱的影響を受けず、かつ環境の温度影響を受ける第２の抵抗層とが、それぞれ基板の独立の凹部により形成された薄肉部に設けられ、可燃性被検ガスと接触して電気信号を発生する可燃性ガスセンサ。
2. 前記第１、第２の抵抗層が、ともに白金、または白金の温度−抵抗係数よりも大きな同一の材料の膜により構成されている請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
3. 熱電変換手段に、可燃性被検ガスの酸化反応を促進する酸化触媒層を形成した検出部、及び検出部をジュール熱により所定温度に加熱する第１の抵抗層と、第１の抵抗層の熱的影響を受けず、かつ環境の温度影響を受ける第２の抵抗層とが、それぞれ基板の独立の凹部により形成された薄肉部に設けられ、可燃性被検ガスと接触して電気信号を発生する可燃性ガスセンサと、
   前記第１の抵抗層の抵抗値が一定となるように調整する定抵抗制御手段と、前記第２の抵抗層の抵抗値により環境温度を検出する温度検出手段と、前記第１の抵抗層への電流を検出する電流検出手段と、前記第１の抵抗層が可燃性ガスを検出するのに適した温度となる場合の電流値と環境温度との関係を規定したデータを格納したデータ記憶手段と、前記第１の抵抗層の電流と環境温度に対応する電流値とを比較する比較判定手段と、前記比較手段により所定偏差が検出された場合に作動する異常表示手段とからなる可燃性ガス検出装置。
4. 熱電変換手段に、可燃性被検ガスの酸化反応を促進する酸化触媒層を形成した検出部、及び検出部をジュール熱により所定温度に加熱する第１の抵抗層と、第１の抵抗層の熱的影響を受けず、かつ環境の温度影響を受ける第２の抵抗層とが、それぞれ基板の独立の凹部により形成された薄肉部に設けられ、可燃性被検ガスと接触して電気信号を発生する可燃性ガスセンサと、
   前記第１の抵抗層の負荷電圧が一定となるように調整する定電圧制御手段と、前記第２の抵抗層の抵抗値により環境温度を検出する温度検出手段と、前記第１の抵抗層への電流を検出する電流検出手段と、前記第１の抵抗層が可燃性ガスを検出するのに適した温度となる場合の電流値と環境温度との関係を規定したデータを格納したデータ記憶手段と、前記第１の抵抗層の電流と環境温度に対応する電流値とを比較する比較判定手段と、前記比較手段により所定偏差が検出された場合に作動する異常表示手段とからなる可燃性ガス検出装置。
5. 熱電変換手段に、可燃性被検ガスの酸化反応を促進する酸化触媒層を形成した検出部、及び検出部をジュール熱により所定温度に加熱する第１の抵抗層と、第１の抵抗層の熱的影響を受けず、かつ環境の温度影響を受ける第２の抵抗層とが、それぞれ基板の独立の凹部により形成された薄肉部に設けられ、可燃性被検ガスと接触して電気信号を発生する可燃性ガスセンサと、
   前記第１の抵抗層への電流が一定となるように調整する定電流制御手段と、前記第２の抵抗層の抵抗値により環境温度を検出する温度検出手段と、前記第１の抵抗層の負荷電圧を検出する電圧検出手段と、前記第１の抵抗層が可燃性ガスを検出するのに適した温度となる場合の電圧値と環境温度との関係を規定したデータを格納したデータ記憶手段と、前記第１の抵抗層の負荷電圧と環境温度に対応する電圧値とを比較する比較判定手段と、前記比較手段により所定偏差が検出された場合に作動する異常表示手段とからなる可燃性ガス検出装置。

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