JP4891151B2

JP4891151B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP4891151B2
Application number: JP2007138930A
Authority: JP
Inventors: 敬正大澤; 一人平井
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2027-05-25
Also published as: JP2008292344A

Description

本発明はガスセンサに関する。

特許文献１に、従来のガスセンサが開示されている。このガスセンサは、環境気体中の複数の特定ガス成分の濃度変化に応じて個々にインピーダンスが変化する複数の感ガス膜と、内部に複数の感ガス膜を収容し、内部に環境気体を導入可能なガス導入口が形成されたケースと、通気性及び撥水性を有してガス導入口を閉塞するフィルタ膜とを備えている。

このような構成である従来のガスセンサは、例えば、自動車のボディや車両用空調装置のダクトに取り付けられる。そして、環境気体としての外気がガス導入口からフィルタ膜を介して内部に導入されることにより、複数の感ガス膜は、外気に含まれる複数の特定ガス成分（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ、臭気性が高いガス等）の濃度変化に応じて、インピーダンスが個々に変化する。こうして、このガスセンサは、複数の特定ガス成分の濃度変化を検出することが可能となっている。車両用空調装置は、この検出結果に基づいて、ダクトに配設されたフラップの開閉を自動的に切り替えて、内外気モードを制御することにより、外気の中の特定ガスが車両内に流入して搭乗者に不快感を与えることを低減することが可能となっている。

特開２００６−５８０９８号公報

ところで、上記従来のガスセンサでは、下記の通り、複数の特定ガス成分のうち、ある一つの特定ガス成分を他の特定ガス成分より優先的に検出可能とすることが求められている。具体例としては、家畜臭、農業臭等の臭気性が高いガスの方が排気ガス成分よりも車両の搭乗者に特に不快感を与えやすいことから、排気ガス成分よりも臭気性が高いガスを優先的に検出して、車両用空調装置のフラップを制御すれば、搭乗者の不快感を効果的に低減することが可能になる。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、複数の特定ガス成分のうち、ある一つの特定ガス成分を他の特定ガス成分より優先的に検出可能なガスセンサを提供することを解決すべき課題としている。

本発明のガスセンサは、環境気体中の複数の特定ガス成分の濃度変化に応じてそれぞれインピーダンスが変化する複数の感ガス膜と、
内部に該複数の感ガス膜を収容し、該内部に環境気体を導入可能なガス導入口が形成されたケースと、
通気性及び撥水性を有して該ガス導入口を閉塞するフィルタ膜とを備えたガスセンサにおいて、
前記複数の特定ガス成分のうち他に対して検出優先度が求められる前記特定ガス成分を第１ガス成分とし、該第１ガス成分に対応した前記感ガス膜を第１感ガス膜とし、
前記環境気体が前記ガス導入口の重心を通過してからそれぞれの該感ガス膜に達するまでの距離を通気最短距離としたとき、
該第１感ガス膜の該通気最短距離は、他の該感ガス膜の該通気最短距離よりも短い関係を満たすことを特徴とする。

このような構成である本発明のガスセンサでは、環境気体中の複数の特定ガス成分の濃度変化に応じて、複数の感ガス膜のインピーダンスがそれぞれに変化することにより、複数の特定ガス成分の濃度変化を検出することができる。

ここで、このガスセンサでは、複数の特定ガス成分のうち他に対して検出優先度が求められる特定ガス成分を第１ガス成分とし、第１ガス成分に対応した感ガス膜を第１感ガス膜とし、環境気体がガス導入口の重心を通過してからそれぞれの感ガス膜に達するまでの距離を通気最短距離としたとき、第１感ガス膜の通気最短距離は、他の感ガス膜の通気最短距離よりも短い関係を満たすものである。このため、ガス導入口からケースの内部に導入される環境気体は、他のガス膜よりも優先的に第１感ガス膜に到達することとなる。

したがって、本発明のガスセンサは、複数の特定ガス成分のうち、ある一つの特定ガス成分を他の特定ガス成分より優先的に検出可能である。

感ガス膜としては、特定のガス種に反応してその電気的特性が変化するものであれば使用することができるが、例えば、酸化物半導体膜を挙げることができる。感ガス膜に用いられ得る酸化物半導体としては、例えば、ＺｎＯ、ＳｎＯ₂、ＷＯ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂Ｖ₂Ｏ₅等が挙げられる。検出したいガス種に応じて、適宜その主体となる酸化物半導体の組成を選択すればよい。また、酸化物半導体の主体となる組成を共通とした上で、それに添加する触媒の種類を検出したいガス種に応じて適宜変更するようにしても良い。

本発明のガスセンサにおいて、複数の特定ガス成分のうち他に対して検出優先度が求められる第１ガス成分とは、他に対して臭気性が高い前記特定ガス成分であることが好ましい。このような構成であるガスセンサは、上記課題に示した具体例の場合に、ユーザの不快感を効果的に低減することができる。

このような臭気性が高いガスとしては、具体的には、アンモニア、硫化水素、芳香族ガス（トルエン、キシレン、スチレン）等のガス成分が挙げられる。

本発明のガスセンサにおいて、複数の感ガス膜のそれぞれはフィルタ膜に対して対向して配設されていることが好ましい。この場合、フィルタ膜を通過したガス（環境気体）が、複数の感ガス膜上に迅速に拡散するので、感ガス膜のガス感度が向上する。また、フィルタ膜からのガスの拡散方向と感ガス膜とが略直交することにもなるので、感ガス膜のガス感度がより一層向上する。

本発明のガスセンサにおいては、ガス導入口を複数の感ガス膜に向かって投影した場合、複数の感ガス膜のそれぞれの少なくとも一部が、ガス導入口の投影範囲内に配置されていることが好ましい。この場合、第１感ガス膜の通気最短距離と比較して、他のガス膜の通気最短距離が長くなり過ぎないため、第１ガス成分以外の他の特定ガス成分についても迅速に検出可能となる。

本発明のガスセンサにおいて、第１感ガス膜が前記投影範囲の中心を含むように配置されていることが好ましい。この場合、第１感ガス膜の通気最短距離をより一層短縮できるので、本発明の作用効果を確実に奏することができる。

ガス導入口の投影範囲の中心とは、ガス導入口の輪郭図形の中心を感ガス膜に厚さ方向で投影したものをいう。

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３に示すように、実施例のガスセンサ１は、ケース９０と、フィルタ膜８０と、第１ガスセンサ素子１１と、第２ガスセンサ素子１２と、第３ガスセンサ素子１３とを備えている。

ケース９０は、内部に収容空間９０ａを有する箱体であり、上面側（図２及び図３中、上方）の一方には、収容空間９０ａ内に環境気体を導入可能な円形のガス導入口９１が形成されている。収容空間９０ａ内には、板状の配線基板７０がケース９０の上面と平行な姿勢で配置固定されている。ケース９０の上面側の他方には、配線基板７０から上方に向けて突設された複数本の端子ピン７９を囲うようにコネクタ部９２が形成されている。

フィルタ膜８０は、ガス導入口９１を閉塞するように、収容空間９０ａ内に固着された円形状の膜であり、通気性及び撥水性を有している。フィルタ膜８０としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンの多孔質繊維構造体をシート状にしたものを採用することができる。

配線基板７０の内部や上面又は下面には、配線や端子パッド（図示しない）が複数設けられている。そして、配線基板７０の上面におけるガス導入口９１に対面する位置には、センサ支持体６０が固定されている。センサ支持体６０は直方体形状をなし、上面側には、キャビティ６０ａが凹設されている。センサ支持体６０は複数のセラミック層が積層されており、その内部や外部には、配線や端子パッド（図示しない）が複数形成されている。

第１〜３ガスセンサ素子１１、１２、１３は、上面から見て細長いキャビティ６０ａ内に一列に配列された状態で収容されている。そして、第１ガスセンサ素子１１は、列の中央に配置されている。言い換えれば、第２、３ガスセンサ素子１２、１３は、第１ガスセンサ素子１１の両側に配置されている。各第１〜３ガスセンサ素子１１、１２、１３の複数の端子パッド（図示しない）と、センサ支持体６０の複数の端子パッド（図示しない）とは、ボンディングワイヤ（図示しない）により電気的に接続されている。

第１〜３ガスセンサ素子１１、１２、１３は、図３に拡大して示すように、下方向に向かって開口する開口部１１ｋ、１２ｋ、１３ｋを有するＳｉ基板１１ａ、１２ａ、１３ａと、この開口部１１ｋ、１２ｋ、１３ｋの底部に対応するようにＳｉ基板１１ａ、１２ａ、１３ａ上に形成された薄膜状の支持膜１１ｃ、１２ｃ、１３ｃとを有するダイアフラムの表面に、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂを形成した構成をなしている。また、第１〜３ガスセンサ素子１１、１２、１３には、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂと電気的に接続される一対の検出電極（図示しない）や、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂを活性化させるためのヒータ（図示しない）等が設けられている。第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂは、フィルタ膜８０に対して対向して（略平行に）配設されている。

ガス導入口９１と第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂとの間には、複数個の通気孔６５ａが形成されたキャップ６５が設けられている。キャップ６５は、薄板状のものであり、キャビティ６０ａの開口全体を覆った状態でセンサ支持体６０の上面に固定されており、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂを保護している。

第１感ガス膜１１ｂは、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｉｒから構成されるペーストを厚膜印刷して形成されており、環境気体中の特定のガス成分（具体的には、アンモニア）の濃度変化に応じて、インピーダンスが変化するようになっている。第２感ガス膜１２ｂは、ＳｎＯ₂薄膜上に触媒としてＡｕ粒子が分散して形成されており、環境気体中の特定のガス成分（具体的には、ＮＯｘ）の濃度変化に応じて、インピーダンスが変化するようになっている。第３感ガス膜１３ｂは、ＳｎＯ₂薄膜上に触媒としてＰｄ粒子が分散して形成されており、環境気体中の特定のガス成分（具体的には、ＣＯ）の濃度変化に応じて、インピーダンスが変化するようになっている。

本実施例では、環境気体中のガス成分の中で、他に対して優先させるべき第１ガス成分として、第１感ガス膜１１ｂの検出対象である臭気性が高いガスとしてのアンモニアを選定している。このため、これに対応して、ガス導入口９１に対する第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの位置関係が下記のように定められている。

図４に示すように、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂは、キャビティ６０ａ内に、一列に配列されている。そして、第１感ガス膜１１ｂは、列の中央に配置されている。言い換えれば、第２、３感ガス膜１２ｂ、１３ｂは、第１感ガス膜１１ｂの両側に配置されている。

そして、第１感ガス膜１１ｂの中心Ｃ１は、図３に示すように、ガス導入口９１の重心Ｃ０から、厚み方向に延在する中心軸Ｘ上に配置されている。また、図４に示すように、ガス導入口９１を各第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂに向かって投影した場合、ガス導入口９１の投影範囲Ｅは円形の範囲となっている。そして、第１感ガス膜１１ｂの全部は投影範囲Ｅ内に配置され、第２、３感ガス膜１２ｂ、１３ｂの一部も投影範囲Ｅ内に配置されている。また、第１感ガス膜１１ｂは、投影範囲Ｅの中心を含むように配置されている（本実施例では、図４に示すように、第１感ガス膜１１ｂの中心Ｃ１が投影範囲Ｅの中心と一致している。）。

さらに、図３に示すように、環境気体がガス導入口９１の重心を通過してから各第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂに達するまでの距離を通気最短距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３とすると、通気最短距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、図３に示す各経路の距離となっている。この際、通気最短距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の始点は、最も環境気体が通過し易いため、ガス導入口９１の重心Ｃ０としている。また、環境気体がキャップ６５の複数個の通気孔６５ａを通過することを考慮して、通気最短距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を示す各経路は屈曲している。

上記のように、ガス導入口９１に対する第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの位置関係が定められたガスセンサ１においては、第１感ガス膜１１ｂの通気最短距離Ｄ１は、第２、３感ガス膜１２ｂ、１３ｂの通気最短距離Ｄ２、Ｄ３よりも短くされている。

このような構成である実施例１のガスセンサ１は、図５に示すように、ガス導入路９５を介して、例えば、自動車のボディや車両用空調装置のダクトに取り付けられる。そして、環境気体としての外気がガス導入口９１からフィルタ膜８０を介して収容空間９０ａ内に導入されることにより、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂは、外気に含まれる第１ガス成分としてのアンモニア及び他の特定ガス成分としてのＮＯｘ、ＣＯの濃度変化に応じて、インピーダンスが個々に変化する。こうして、このガスセンサ１は、複数の特定ガス成分の濃度変化を検出することが可能となっている。車両用空調装置は、この検出結果に基づいて、ダクトに配設されたフラップの開閉を自動的に切り替えて、内外気モードを制御することにより、外気の中のアンモニア、ＮＯｘ及びＣＯ等が車両内に流入して搭乗者に不快感を与えることを低減することが可能となっている。

ここで、実施例１のガスセンサ１では、第１ガス成分としてのアンモニアに対応する第１感ガス膜１１ｂの通気最短距離Ｄ１が第２、３感ガス膜１２ｂ、１３ｂの通気最短距離Ｄ２、Ｄ３よりも短い関係を満たしている。このため、ガス導入口９１から収容空間９０ａ内に導入される環境気体は、第２、３感ガス膜１２ｂ、１３ｂよりも優先的に第１感ガス膜１１ｂに到達することとなる。

したがって、実施例１のガスセンサ１は、第１ガス成分としてのアンモニアを他の特定ガス成分より優先的に検出可能となっている。その結果に基づいて、車両用空調装置のフラップを制御すれば、搭乗者が不快感を感じる前に、迅速に内気と外気とを切替えることができ、搭乗者の不快感を効果的に低減することが可能になっている。

また、このガスセンサ１において、第１ガス成分はアンモニアである。アンモニアの方が排気ガス成分であるＮＯｘ、ＣＯよりも臭気性が高いため、車両の搭乗者に特に不快感を与えやすいので、検出優先度がＮＯｘ、ＣＯよりも求められる。従って、このような構成により、ユーザの不快感を効果的に低減することができている。

なお、臭気性が高いか否かについては、「臭気指数」又は「特定悪臭物質の濃度」等で判定することができる。ここで、「臭気指数」とは臭気の強さを表す数値であり、においのついた空気や水をにおいが感じられなくなるまで無臭空気（無臭水）で薄めたときの希釈倍数（臭気濃度）を求め、その常用対数を１０倍した数値である（臭気指数＝１０×Loｇ（臭気濃度））。

さらに、このガスセンサ１では、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂがフィルタ膜８０に対して対向して配設されている。このため、フィルタ膜８０を通過したガス（環境気体）が、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ上に迅速に拡散するので、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂのガス感度が向上する。また、フィルタ膜８０からのガスの拡散方向と第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂとが略直交することにもなるので、第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂのガス感度がより一層向上する

また、このガスセンサ１では、ガス導入口９１を第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂに向かって投影した投影範囲Ｅ内に、各第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂの少なくとも一部が配置されている。このような構成により、第１感ガス膜１１ｂの通気最短距離Ｄ１と比較して、第２、３感ガス膜１２ｂ、１３ｂの通気最短距離Ｄ２、Ｄ３が長くなり過ぎないようにすることができている。

さらに、このガスセンサ１では、第１感ガス膜１１ｂが投影範囲Ｅの中心を含むように配置されていることから、第１感ガス膜１１ｂの通気最短距離Ｄ１をより一層短縮できており、本発明の作用効果を確実に奏することができている。

また、このガスセンサ１において、ガス導入口９１と第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂとの間には複数個の通気孔６５ａが形成されたキャップ６５が設けられ、通気最短距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は通気孔６５ａの通過距離も含むものである。このため、このガスセンサでは、キャップ６５により各第１〜３感ガス膜１１ｂ、１２ｂ、１３ｂを効果的に保護するとともに、本発明の作用効果を奏することができている。

さらに、このガスセンサ１では、ガス導入口９１の上流側に環境気体をガス導入口９１に案内するガス導入路９５が形成されている。このため、ガスセンサ１は、そのガス導入路９５により環境気体を効果的にガス導入口９１に案内することができるので、本発明の作用効果を確実に奏することができている。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明はガスセンサに利用可能である。

実施例のガスセンサの上面図である。実施例のガスセンサに係り、図１のＩＩ−ＩＩ断面を示す断面図である。実施例のガスセンサに係り、図２の拡大断面図である。実施例のガスセンサに係り、ガス導入口に対する第１〜３感ガス膜の位置関係を示す説明図である。実施例のガスセンサに係り、ガス導入口にガス導入路が付設されている状態を示す断面図である。

符号の説明

１…ガスセンサ
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ…感ガス膜（１１ｂ…第１感ガス膜、１２ｂ…第２感ガス膜、１３ｂ…第３感ガス膜）
６５…キャップ
６５ａ…通気孔
８０…フィルタ膜
９０…ケース
９０ａ…収容空間
９１…ガス導入口
９５…ガス導入路
Ｃ０…ガス導入口の重心
Ｃ１…第１感ガス膜の中心（投影範囲の中心）
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…通気最短距離
Ｅ…投影範囲

Claims

環境気体中の複数の特定ガス成分の濃度変化に応じてそれぞれインピーダンスが変化する複数の感ガス膜と
内部に該複数の感ガス膜を収容し、該内部に環境気体を導入可能なガス導入口が形成されたケースと、
通気性及び撥水性を有して該ガス導入口を閉塞するフィルタ膜とを備えたガスセンサにおいて、
前記複数の特定ガス成分のうち他に対して検出優先度が求められる前記特定ガス成分を第１ガス成分とし、該第１ガス成分に対応した前記感ガス膜を第１感ガス膜とし、
前記環境気体が前記ガス導入口の重心を通過してからそれぞれの該感ガス膜に達するまでの距離を通気最短距離としたとき、
該第１感ガス膜の該通気最短距離は、他の該感ガス膜の該通気最短距離よりも短い関係を満たすことを特徴とするガスセンサ。
前記複数の特定ガス成分のうち他に対して検出優先度が求められる前記第１ガス成分とは、他に対して臭気性が高い前記特定ガス成分である請求項１記載のガスセンサ。
前記複数の感ガス膜のそれぞれが前記フィルタ膜に対して対向して配設されている請求項１又は２記載のガスセンサ。
前記ガス導入口を前記複数の感ガス膜に向かって投影した場合、該複数の感ガス膜のそれぞれの少なくとも一部が、該ガス導入口の投影範囲内に配置されている請求項３記載のガスセンサ。
前記第１感ガス膜が前記投影範囲の中心を含むように配置されている請求項３又は４記載のガスセンサ。