JP5166202B2 - ガス検出器 - Google Patents

Description

本発明は、可燃性ガスの濃度測定や漏洩検知等に用いられるガス検出器に関する。

地球規模の環境悪化が問題視されるなかで、環境保全や自然保護等の社会的要求から、高効率でクリーンなエネルギー源や動力源の研究が活発に行われている。
例えば、車両用や家庭用の新たなエネルギー源として、低温作動や高出力密度などの点で優位な固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が期待されている。

また、ガソリンエンジンに代わる動力源として、水素を燃料とする水素内燃機関が期待されている。
例えば水素内燃機関では、安全性の面から水素漏れが発生していないかを検知する必要があるが、水素を検出する装置としては、ヒータを持つガス検出素子を備え、ヒータから奪われる熱により気体の熱伝導率変化を算出して水素濃度を算出する熱伝導式ガス検出器が知られている。また、ヒータ及びヒータによって加熱される触媒を持つガス検出素子を備え、触媒上で水素が燃焼した際に発生する熱から水素濃度を算出する接触燃焼式ガス検出器が知られている。

ところで、このようなガス検出器では、ガス検出素子が設置される検出空間内の温度の方が被検出ガスの温度よりも低い場合には、被検出ガスが検出空間内で冷却され、水滴が生じる場合があることが知られている。検出空間内に水滴が生じてしまうと、その検出空間内のガスの拡散が阻害され、ガス検出素子の正確な出力を得ることができなくなってしまう。

本願出願人は、そのような点に鑑み、ガス検出素子の近傍に発熱体を設け、その発熱体に通電して発熱体を発熱させることにより検出空間内を乾燥雰囲気にして、水滴の発生（結露）を防止するガス検出器を発明するに至った（特許文献１参照）。
特開２００７−３０９９０５号公報

ところで、上記特許文献１のようなガス検出器では、性能の向上が高いレベルで望まれている。
例えば、ガスの濃度測定やガスの検知を、より精度良く、かつ、より安定的に得られるようにすることが望まれている。

また、省エネルギーの観点から、無駄な電力消費を抑えることが望ましい。
本発明は、こうした点に鑑みなされたもので、可燃性ガスの濃度測定や漏洩検知等に用いられるガス検出器であって、被検出ガスが導入される検出空間を加熱するようにしたガス検出器において、性能をより一層向上させることを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、被検出ガスを検出するガス検出素子と、ガス検出素子を内部に収容するとともに、被検出ガスを導入する導入口を備え、被検出ガスが導入される検出空間を形成する素子ケースと、素子ケースの少なくとも一部を内部に配置させる状態でその素子ケースを保持する収容ケースと、検出空間に導入された被検出ガスを加熱するための発熱体と、収容ケースに配置されるとともに、ガス検出素子及び発熱体と電気的に接続される回路基板と、を備えるガス検出器であって、ガス検出素子に設けられ、検出空間内の温度を測定するための検出空間温度測定手段と、収容ケースに形成された被検出ガスが入り込む凹部に突出するように設けられた凸状の収容部に保持され、検出空間に導入される前の被検出ガスの温度を測定するための導入前温度測定手段と、回路基板に実装され、検出空間温度測定手段の測定結果である検出空間温度と導入前温度測定手段の測定結果である導入前温度とに基づき、発熱体の発熱量を制御する発熱量制御手段と、を備えることを特徴としている。尚、本発明における「検出」とは、ガスの有無を判定することに限らず、ガスの濃度を検量することを含む趣旨である。

請求項１に係るガス検出器によれば、検出空間に導入された被検出ガスが発熱体により加熱されるようになっており、言い換えれば、検出空間に導入された被検出ガスが冷却されることを防止することができる。これにより、検出空間内の被検出ガスが結露することを防止することができる。

また、請求項１に係るガス検出器では、検出空間温度測定手段と導入前温度測定手段とを備えており、これにより、検出空間温度（検出空間内の温度）と、導入前温度（検出空間に導入される前の被検出ガスの温度）との差が把握可能となっている。そして、発熱量制御手段は、検出空間温度と導入前温度とから発熱体の発熱量を制御するため、例えば、検出空間温度が導入前温度に比して過剰に大きくなってしまったり、検出空間温度が導入前温度に比して小さくなってしまったりするようなことを防止することができる。つまり、検出空間内を安定的に加熱することができるようになって検出空間における結露を確実に防止することができ、ガス検出器の検出精度を安定させることができる。また、無用な電力消費を抑えることができる。

さらに、請求項１に係るガス検出器では、導入前温度測定手段を、ガス検出素子を保持する収容ケースに設けられた収容部に保持させるのに加え、発熱体の発熱量を制御する発熱量制御手段を、収容ケースに配置される回路基板に実装させている。これにより、ガス検出器の小型化またはコンパクト化を図ることができ、ガス検出器の設置領域の肥大化を招くことなく、一度の設置作業で導入前温度測定手段を有するガス検出器を設置することができる。また、ガス検出器自身にて発熱体の発熱量が制御されることから、外部回路にて発熱体の発熱量の制御を行うことにより当該外部回路での処理負荷が増大することを防止することもできる。

そして、このようなガス検出器では、請求項２に記載のように、発熱量制御手段は、検出空間温度が、少なくとも導入前温度以上となるように、発熱体の発熱量を制御するように構成すると良い。

これによれば、検出空間温度が少なくとも導入前温度以上となるため、検出空間に導入された被検出ガスがその検出空間内において冷却されることを確実に防止することができる。したがって、検出空間において結露が生じることを確実に防止することができ、ガス検出器の検出精度の安定性に寄与することができる。

また、請求項３に記載のように、発熱量制御手段は、検出空間温度から導入前温度を減じた差が、５〜２０［℃］の範囲となるように、発熱体の発熱量を制御するように構成すると良い。

このような制御ならば、発熱体による過剰な加熱を抑制し、より効率的に、検出空間内の結露を防止することができる。
次に、請求項４のガス検出器では、導入前温度測定手段は、次のような条件を満たす位置に配設される。具体的に、周囲温度をＴ［℃］とし、検出対象として流れるガスの温度がＴ＋Ｔａ［℃］であって、かつ発熱体を発熱させない状況下で、その導入前温度測定手段により測定される箇所の温度がＴ＋Ｔａ±Ｔａ／３［℃］の範囲に収まるような位置である。

検出対象として流れるガスの実際の温度（以下、対象ガス温度とも言う）が、ガス検出器が設置されている周囲温度（外気温）より高い場合、言い換えれば、ガス検出器が設置されている周囲温度が対象ガス温度より低い場合、導入前温度測定手段から得られる導入前温度は、周囲温度の影響を受けてしまって、対象ガス温度（つまり、ガスの実際の温度）より低い値となることが考えられる。このような場合でも、そのような検出誤差は極力小さいほうが良い。

そこで、請求項４のように導入前温度測定手段が配設されれば、導入前温度の検出誤差を小さくすることができ、ひいては発熱体の発熱量を効率的に制御できるようになるとともに、ガス検出器の検出精度をより安定させることができる。

次に、請求項５のガス検出器では、収容ケースは、回路基板を内部に収容する収容空間を有し、素子ケースの少なくとも一部がその収容空間内に収容され、発熱体は、収容空間内において素子ケースの外側面に配設されていることを特徴としている。

発熱体が素子ケースの外側面に配設されていることによって、素子ケースに発熱体の熱が伝導しやすくなり、検出空間を効率的に加熱することができるようになる。しかも、発熱体は収容空間に囲まれるようになっており、これにより、発熱体の熱が外部に逃げてしまうことが抑制され、発熱体の熱がより効率的に素子ケースに伝導するようになる。

また、発熱体は、請求項６に記載のように、複数配設するようにすると良い。発熱体を複数配設することによって、素子ケースを均一に加熱し得るようになる。したがって、素子ケース、ひいては検出空間をより効率的に加熱し得るようになる。

また、検出空間をより効率的に加熱するためには、請求項７に記載のように、素子ケースの外側面に断熱材が設けられるようにすると良い。
これによれば、素子ケースの外側面から外部に熱が逃げることが抑制されるため、発熱体の熱がより効率的に素子ケースに伝導するようになる。したがって、検出空間をより効率的に加熱することができるようになる。尚、素子ケースの外側面に発熱体が設けられている場合においては、その素子ケースの外側面のうち発熱体が設けられていない領域に断熱材が設けられるようにすると良い。また、発熱体を覆うように、断熱材が設けられていても良い。

また、請求項８に記載のように、ガス検出素子は、熱伝導式ガス検出素子であっても良く、また、接触燃焼式ガス検出素子であっても良い。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明が適用されたガス検出器１０が配設された状態を表す縦断面図である。ガス検出器１０は、例えば自動車の燃料電池ユニットが備える配管２００に搭載され、矢印３００の方向に排出される被検出ガス中に含まれる水素を検出する目的で使用される。

被検出ガス中に含まれる水素ガスは、ガス検出器１０内の後述する検出空間３９に流入し、然る後、水素ガスを検出するための後述するガス検出素子６０に到達する。
図２〜図４を用いて、ガス検出器１０について詳しく説明する。図２はガス検出器１０の平面図（図１の下方から見たときの平面図）であり、図３はガス検出素子１０のＡ−Ａ断面図であり、図４はガス検出器１０のＢ−Ｂ断面図である。尚、Ａ−Ａライン及びＢ−Ｂラインについては、図２に示す通りである。以下、図３，４を中心に説明を展開する。

図３，４に示すが、ガス検出器１０は、素子ケース２０と、この素子ケース２０を支持する収容ケース４０と、を備えて構成される。
また、ガス検出器１０は、熱伝導式ガス検出素子であるガス検出素子６０と、サーミスタ２８と、そのガス検出素子６０及びサーミスタ２８と電気的に接続される回路基板１１とを有している。回路基板１１には、図示は省略するが、マイクロコンピュータ（以下、マイコンともいう）などが実装されている。

ガス検出素子６０は、素子ケース２０に収容される。また、回路基板１１及びサーミスタ２８は、素子ケース２０とともに収容ケース４０に一体的に収容される。
まず、収容ケース４０の構成について説明する。

収容ケース４０は、ケース本体４２と、ケース本体４２の上端部に設けられた開口を覆う蓋であるケース蓋４４と、を備えて構成されている。
ケース本体４２は、上面及び下面に開口を有するとともに、所定の高さを有する容器であり、回路基板１１の周縁部を保持する回路基板保持部４５と、素子ケース２０の鍔部３８を保持する保持部４６と、サーミスタ２８を収容する収容部２７と、を備えている。

ケース本体４２の上面に備えられる開口は、この開口を塞ぐための合成樹脂からなるケース蓋４４を配置可能に構成されている。
ケース本体４２に備えられる収容部２７は、配管２００における被検出ガスの流路において検出空間３９よりも上流側に位置するように設けられている（図１も参照）。加えて、収容部２７は、その収容部２７の外側の領域に空間２３が形成されるように構成されている。尚、サーミスタ２８を収容する収容部２７を設けるにあたり、収容ケース４０（詳細にはケース本体４２）に被検出ガスが入り込む空間２３を形成するための凹部を設け、この凹部に突出するように凸状の収容部２７を設けることで、収容ケース４０を大型化することなく、収容部２７の外周全体に被検出ガスを接触させることができる。

また、ケース本体４２は、ケース本体４２の下部中央に形成された流路形成部４３と、ケース本体４２の側部に形成され、外部給電するためのコネクタ５５（図１参照）と、を備えている。

流路形成部４３の内部には、被検出ガスを導入及び排出するための素子ケース２０の導入部３５が収納されている。このように、素子ケース２０は、収容ケース４０内部に配置されるような形態で保持部４６により保持されている。尚、素子ケース２０の鍔部３８とケース本体４２との間には、これらの隙間をシール（密閉）するシール部材が配置されている。

コネクタ５５（図１参照）は、回路基板１１（およびマイコン）に電気を供給するためのものであり、ケース本体４２の外側面に組み付けられている。このコネクタ５５の内部には、ケース本体４２の側壁から突出する複数のコネクタピン５６，５７（図１参照）が設けられている。コネクタピン５６，５７はそれぞれ、ケース本体４２の側壁に埋め込まれた配線（図示せず）を介して回路基板１１（およびマイコン）に電気的に接続されている。

次に、素子ケース２０について説明する。
素子ケース２０は、ガス検出素子６０が設置される接続端子取出台２１と、接続端子取出台２１の周縁部を挟持するとともに、被検出ガスを導入するガス導入口１３に向かって突設された円筒状の壁面を有する検出空間形成部材２２と、を備えている。尚、素子ケース２０の接続端子取出台２１の周縁部には、検出空間形成部材２２との間の隙間をシール（密閉）するシール部材が配置されている。接続端子取出台２１及び検出空間形成部材２２により囲まれた空間は、被検出ガスを導入するための検出空間３９となっている。

接続端子取出台２１はガス検出素子６０を支持するための部材である。具体的に、接続端子取出台２１の内側面に、ガス検出素子６０が設けられている。また、接続端子取出台２１には、接続端子２４，２５を個別に挿入するための挿入孔がそれぞれ設けられており、各挿入孔の周縁部は絶縁性部材により覆われている。尚、接続端子取出台２１の少なくとも一部は、熱伝導性を有する部材にて形成されることが好ましい。

接続端子２４，２５は、ガス検出素子６０と回路基板１１に備えられた回路とを電気的に接続するための部材であり、導電性部材により棒状に形成されている。接続端子２４，２５の一端は、接続端子取出台２１に設けられた挿入孔にそれぞれ挿通され、これにより接続端子２４，２５は接続端子取出台２１に対して垂直に支持されている。

検出空間形成部材２２は、外筒３６，接続端子取出台２１の周縁部を挟持する取出台支持部３７、収容ケース４０の保持部４６により支持される鍔部３８を備えている。また、検出空間形成部材２２の下端部には、被検出ガスを検出空間３９に導入する開口である導入口３４が設けられている。

この導入口３４の近傍には、被検出ガスをガス検出素子６０に対して導入及び排出するための流路を形成する導入部３５が設けられている。導入部３５には、導入口３４から近い順に、撥水フィルタ２９，スペーサ３０、金網３１がそれぞれ装填されている。そして、これらの部材は、検出空間形成部材２２とフィルタ固定部材３３とにより挟持固定されている。以下、導入部３５を構成する部材について詳述する。

撥水フィルタ２９は、導入口３４に最も近い位置に取り付けられるフィルタであり、被検出ガス中に含まれている水滴を除去する撥水性を有する薄膜である。これより、水滴などが飛来する多湿環境下においても、ガス検出素子６０が被水するのを防止することができる。撥水フィルタ２９は、物理的吸着により水滴を除去するものであればよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を利用したフィルタを適用することができる。

スペーサ３０は、フィルタ固定部材３３の内周壁に備えられ、被検出ガスが導入される開口を有する形状（平面視ではリング状）の部材であり、所定の厚みを有することにより、撥水フィルタ２９と金網３１との位置を調整している。

金網３１は、所定の厚みと所定の開口部を有しており、ガス検出素子６０に設けられた発熱抵抗体の温度が被検出ガスに含まれる水素ガスの発火温度よりも上昇して発火した場合であっても、火炎が外部に出るのを防止するフレームアレスタとしての機能を果たす。

フィルタ固定部材３３は、撥水フィルタ２９，スペーサ３０、金網３１を検出空間形成部材２２との間で挟持固定するための部材である。フィルタ固定部材３３は、検出空間形成部材２２の内壁面と当接する筒状の壁面を有すると共に、その壁面の内面から内向きに突出する凸部を備えている。なお、凸部は、撥水フィルタ２９，スペーサ３０、金網３１を検出空間形成部材２２との間で挟持固定するために備えられている。

次に、回路基板１１について説明する。
回路基板１１は、所定の厚みを有する板状の基板であり、被検出ガス中に含まれる可燃性ガスを検出するための制御回路９０と、発熱体５０，５１の温度を制御するための温度制御回路（図示せず）と、をそれぞれ備えている。尚、制御回路９０、発熱体５０，５１については後述する。

回路基板１１における制御回路９０は、接続端子２４，２５により、ガス検出素子６０と電気的に接続されている。また、回路基板１１における温度制御回路は、リード線５２，５３により、発熱体５０，５１と電気的に接続されている。尚、リード線５２，５３は、それぞれ２本ずつ備えられている。

回路基板１１に搭載されたマイコンは、同じく回路基板１１に設けられた制御回路９０の出力に基づき、被検出ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を演算する処理（センサ出力演算処理）を実行する。また、温度制御回路の出力に基づき、発熱体５０，５１の発熱量（温度）を制御する処理（温度制御処理）を実行する。マイコンは、少なくとも、これらのセンサ出力演算処理や発熱体５０，５１の温度制御処理を実行するためのプログラムを格納する記憶装置と、この記憶装置に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵと、を備えて構成されている。

次に、サーミスタ２８について説明する。
サーミスタ２８は、温度変化によって電気抵抗が変化する素子であり、前述の収容ケース４０における収容部２７に収容され、リード線２６により回路基板１１と電気的に接続される。このサーミスタ２８は、配管２００（図１参照）を流れる被検出ガスの温度、つまり検出空間３９に導入される前の被検出ガスの温度を検出するためのものである。

本実施形態では、サーミスタ２８は、収容部２７によって、次の条件を満たすような位置に収容される。具体的に、配管２００（図１参照）を流れる被検出ガスの温度が、例えばガス検出器１０の周囲温度（配管２００の外部の温度）よりも６０［℃］高い場合で、発熱体５０，５１を発熱させない状況下で、その被検出ガスの実際の温度とサーミスタ２８により検出される箇所の雰囲気の温度との差の絶対値が、２０［℃］（６０［℃］／３）となるような位置である。言い換えると、周囲温度をＴとすると被検出ガスの温度はＴ＋６０［℃］となるが、このような場合で発熱体５０，５１を発熱させない状況下で、サーミスタ２８により検出される箇所の雰囲気の温度がＴ＋６０±２０［℃］となるような位置に、サーミスタ２８は配設される（収容される）。

例えば、周囲温度が、配管２００（図１参照）を流れる被検出ガスの実際の温度よりも低い場合、サーミスタ２８の出力（温度）は周囲温度の影響を受けて小さくなる可能性がある。つまり誤差が生じる可能性がある。本実施形態では、その誤差が小さくなるような位置、言い換えれば周囲温度の影響が小さいような位置に、サーミスタ２８が収容される。

次に、発熱体５０，５１について説明する。
発熱体５０，５１は、素子ケース２０を加熱し、素子ケース２０の内側面の温度或いは検出空間３９内を所定温度より高い温度（少なくとも露点より高い温度）に保つためのものである。本実施形態では、検出空間３９を形成する素子ケース２０の内側面の温度或いは検出空間３９内の温度が、被検出ガスの温度以上（配管２００を流れる被検出ガスの温度以上）となるように、発熱体５０，５１の発熱量が設定される。尚、発熱体５０，５１の発熱量の制御方法については後述する。発熱体５０，５１は、例えば、電子部品等で用いられる抵抗体や、フィルムヒータなどを用いて構成される。

そして、発熱体５０，５１は、素子ケース２０の内側面或いは検出空間３９内を効率的に加熱するために、その素子ケース２０に配置されるのが好ましいが、本実施形態では、収容空間５９を取り囲む収容空間形成面５８を形成している素子ケース２０の外側面に、発熱体５０，５１が配置されている。

このような構成により、被検出ガスが、素子ケース２０の内側面或いは検出空間３９内で冷却されてしまって、その素子ケース２０の内側面或いは検出空間３９内が結露するような事態を防止することができる。また、被検出ガスが素子ケース２０の内側面或いは検出空間３９内にて冷却され、被検出ガスの温度が不安定になることを防止することができる。

次に、上述したガス検出素子６０の構成について説明する。図５に、ガス検出素子６０の平面図を示す。また、図６に、ガス検出素子６０の断面図を示す。尚、図５の平面図において、紙面の左右方向をその平面図の左右方向とする。また、図６の断面図において、紙面の上下方向をその断面図の上下方向とする。

図５に示すが、ガス検出素子６０は、長方形の平面形状を有する接触燃焼式ガス検出素子である。
また、図６に示すように、ガス検出素子６０は、板状のシリコン基板６１と、シリコン基板６１の表面に形成され、発熱抵抗体７１を内包する絶縁層６５と、絶縁層６５上に所定の厚みで形成される保護層６４とを備えている。このガス検出素子６０は、例えば、マイクロマシニング技術により形成される。以下、ガス検出素子６０を構成する各部材について詳述する。

シリコン基板６１は、所定の厚みを有するシリコン製の平板である。このシリコン基板６１は、発熱抵抗体７１の下方に位置する部位に、シリコン基板６１の一部が開口状に除去された空洞６２を備えており、当該空洞６２の上部は、絶縁層６５の一部が露出している。このような構成にすることにより、発熱抵抗体７１は、空洞６２により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、ガス検出素子６０の熱容量を小さくすることができる。

このシリコン基板６１の上面には、絶縁性を有する絶縁層６５が、所定の厚みで層状に形成されている。この絶縁層６５の下面の一部は、シリコン基板６１の一部が開口状に除去されている空洞６２に露呈している。この空洞６２に対応する領域には発熱抵抗体７１が内包されている。また、発熱抵抗体７１が形成された平面と同じ平面に形成された配線膜７１１，７１２、及び、配線７１３，７１４（配線７１３，７１４については図５参照）がそれぞれ絶縁層６５に内包されている。この絶縁層６５は、絶縁性を有する材料により形成され、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）が用いられる。絶縁層６５は単一の材料により形成される場合の他、異なる材料を用いて複数の層を形成するようにしてもよい。

保護層６４は、絶縁層６５の上面に所定の厚みを有する層状に形成され、絶縁層６５と同様の材質により形成される。この保護層６４は、発熱抵抗体７１、配線膜７１１，７１２、配線７１３，７１４の汚染や損傷を防止すべくそれらを覆うように設けられている。

絶縁層６５に内包された発熱抵抗体７１は、自身の温度変化により抵抗値が変化する抵抗体であり、その上部を後述する触媒層７２（図５参照）に覆われている。そして、被検出ガスの温度と、被検出ガス中に含まれる可燃性ガスが触媒の作用により燃焼したときに生じる熱量とにより、発熱抵抗体７１が加熱又は冷却され、その発熱抵抗体７１の抵抗値が変化する。即ち、発熱抵抗体７１は、被検出ガスの温度と、可燃性ガスが触媒の作用により燃焼したときに生じる熱量とに基づいて、自身の抵抗値が変化するので、この発熱抵抗体７１の抵抗値の変化に応じて変化する出力値を用いれば、被検出ガス中に含まれる可燃性ガスを検出することが可能である。

発熱抵抗体７１は、シリコン基板６１と平行な平面の空洞６２の上部に対応する部位に平面視渦巻き状に形成され、絶縁層６５に内包されている。また、発熱抵抗体７１は、温度抵抗係数が大きい導電性部材によって形成され、例えば、白金（Ｐｔ）等により形成される。

触媒層７２は、発熱抵抗体７１により加熱されるとともに、可燃性ガスの燃焼を促す触媒を含んでおり、被検出対象となる可燃性ガスによって適宜材質を選択することができる。例えば、水素ガス等の多くの可燃性ガスに適用する触媒として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ），イリジウム（Ｉｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属を採用でき、また、触媒層７２として、触媒の単層又は、触媒を酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）又はジルコニア（ＺｒＯ₂）に担持させたものを用いることができる。尚、保護層６４と触媒層７２との密着強度を向上させるために、密着層を触媒層７２の下層に設けることもできる。密着層を形成する材料としては、例えば、ガラス又はガラスと触媒層材料の混合物が用いられる。

次に、発熱抵抗体７１の左端は、絶縁層６５に内包され、発熱抵抗体７１と一体に形成された配線７１３及び配線膜７１１を介し、電極８５と電気的に接続されている。一方、発熱抵抗体７１の右端は、絶縁層６５に内包され、発熱抵抗体７１と一体に形成された配線７１４及び配線膜７１２を介し、グランド電極８６と電気的に接続されている。この電極８５及びグランド電極８６は、発熱抵抗体７１に接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホールを介して露出している。この電極８５及びグランド電極８６の材質は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）が用いられる。

測温抵抗体８０は、検出空間３９内に存在する被検出ガスの温度を検出するためのものであり、絶縁層６５と保護層６４との間で、かつ、シリコン基板６１と平行な平面上に形成されている。測温抵抗体８０は、電気抵抗値が温度に比例して変化する金属が用いられ、例えば、白金（Ｐｔ）が用いられる。測温抵抗体８０がガス検出素子６０に内包されるように設けられる構成により、被検出ガスの温度を検出するための測温抵抗体をガス検出素子６０とは別に設ける場合に比べ、検出空間３９を小型化することが可能である。

また、測温抵抗体８０は、電極８８及びグランド電極８９と電気的に接続されている。この電極８８及びグランド電極８９は、コンタクトホールを介して露出している。この電極８８及びグランド電極８９の材質は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）が用いられる。

次に、ガス検出素子６０の検出信号を処理して被検出ガス中の可燃性ガスを検出するために回路基板１１に備えられる制御回路９０の概略について、図７を参照して説明する。
図７に示すように、制御回路９０は、ガス検出回路９１、及び温度測定回路９３を備えている。

ガス検出回路９１は、ガス検出素子６０に備えられた発熱抵抗体７１と、回路基板１１に備えられた固定抵抗９５，９６，９７とによって構成されるホイートストーンブリッジ９１１、及び、回路基板１１に備えられ、このホイートストーンブリッジ９１１から得られる電位差を増幅するオペアンプ９１２を備えている。

発熱抵抗体７１として、自身の温度が上昇すると、抵抗値が温度の上昇に伴い上昇する抵抗体を用いた場合、このオペアンプ９１２は、発熱抵抗体７１の温度が所定の温度（例えば、２００［℃］）に保たれるように、発熱抵抗体７１の温度が上昇した場合には、出力する電圧を低くし、発熱抵抗体７１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９１２の出力は、ホイートストーンブリッジ９１１に接続されているので、被検出ガスに含まれる可燃性ガスが触媒の作用により燃焼して発熱抵抗体７１の温度が上昇すると、発熱抵抗体７１の温度を下げるためにオペアンプ９１２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９１１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９１１の端部を構成する電極８５の電圧はガス検出回路９１の出力としてマイコンにより検出され、マイコンにより検出された出力値は、被検出ガスに含まれ可燃性ガスを検出するための演算処理に供される。

温度測定回路９３は、ガス検出素子６０に備えられた測温抵抗体８０と、回路基板１１に備えられた固定抵抗１０１，１０２，１０３によって構成されるホイートストーンブリッジ９３１と、回路基板１１に備えられ、このホイートストーンブリッジ９３１から得られる電位差を増幅するオペアンプ９３３とを備えている。このオペアンプ９３３の出力はマイコンにより検出され、マイコンにより検出された出力値は、被検出ガスの温度を測定するのに用いられ、さらに、被検出ガスに含まれ可燃性ガスを検出するための演算処理に供される。

以上のような構成を有する制御回路９０の出力値に基づき、マイコンにより実行される可燃性ガスの濃度を演算する処理は、次のようなものである。まず、マイコンが備えるＣＰＵ（図示せず）は、同じくマイコンが備える記憶装置（図示せず）に記憶されたプログラムに基づき、ガス検出回路９１の出力値から、可燃性ガス濃度にほぼ比例した第１の出力値を出力する。この第１の出力値は検出空間３９の雰囲気温度変化による出力変化を含んでいるので、続いて、温度測定回路９３からの出力に基づき第１の出力値を補正した第２の出力値を出力する。さらに、マイコンは、そのマイコンの記憶装置（図示せず）に記憶された第２の出力値と可燃性ガスの濃度との関係に基づき、被検出ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を出力する。このように、第１の出力値を温度測定回路９３の出力に基づき補正しているので、精度よく可燃性ガスを検出できる。

次に、マイコンにより実行される発熱体５０，５１の通電制御について説明する。図８は、その通電制御の処理を表すフローチャートである。
マイコンは、図示しない電源スイッチがオンされて直流電源から給電されることで作動し、図８の処理を開始する。

図８の処理では、まずＳ１１０にて、温度測定回路９３により、検出空間３９内の温度Ｔ１を測定する。
次に、Ｓ１２０に進み、サーミスタ２８により被検出ガスの温度Ｔ２を測定する。

次に、Ｓ１３０に進み、温度Ｔ１と温度Ｔ２との温度差ΔＴを算出する。具体的に、ΔＴ＝温度Ｔ１−温度Ｔ２である。
次に、Ｓ１４０に進み、ΔＴが５［℃］未満か否かを判定し、ΔＴが５［℃］未満であると判定すると（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、Ｓ１５０に移行し、発熱体５０，５１に所定の電圧を印加してその発熱体５０，５１を発熱させる。その後、Ｓ１６０に移行する。

一方、Ｓ１４０において、ΔＴが５［℃］未満でないと判定すると（Ｓ１４０：ＮＯ）、Ｓ１６０に移行する。
Ｓ１６０では、ΔＴが２０［℃］より大きいか否かを判定し、ΔＴが２０［℃］より大きいと判定すると（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、Ｓ１７０に移行し、発熱体５０，５１に電圧を印加中か否かを判定する。そして、Ｓ１６０にて電圧を印加中であると判定すると（Ｓ１７０：ＹＥＳ）、Ｓ１８０に移行し、電圧の印加を中断する。そして再びＳ１１０に戻る。

一方、Ｓ１７０において、電圧を印加中でないと判定すると（Ｓ１７０：ＮＯ）、再びＳ１１０に戻る。
また、Ｓ１６０において、ΔＴが２０［℃］以下であると判定すると（Ｓ１６０：ＮＯ）、再びＳ１１０に戻る。

尚、マイコンは、さらに、温度測定回路９３により検出される検出空間３９内の温度や、ガス検出回路９１の出力値などに基づき、水素ガス濃度の演算に要する各種の処理を行う。マイコンが実行するプログラムはそのマイコンが備えるＲＯＭに記憶されており、処理実行時には演算処理装置（ＣＰＵなど）がＲＯＭからプログラムを読み出す。

以上説明したガス検出器１０によれば、被検出ガスの温度がガス検出器１０の外気等の温度よりも高い場合でも、発熱体５０，５１により、素子ケース２０を加熱し、素子ケース２０の内側面を構成する部材、即ち、素子ケース２０の接続端子取出台２１，検出空間形成部材２２及び、導入部３５を構成する撥水フィルタ２９，スペーサ３０，金網３１並びに、フィルタ固定部材３３が外部の外気等により被検出ガスの露点以下に冷却されることを防いでいる。このため、被検出ガスがガス検出器１０により露点以下に冷却されることを防止することができる。このため、被検出ガスが、ガス検出器１０により露点以下に冷却され、検出空間３９内で結露することを防止することができる。

しかも、本実施形態のガス検出器１０では、温度測定回路９３により検出空間３９内の温度Ｔ１を検出するとともに、サーミスタ２８により、検出空間３９内に導入される前の被検出ガスの温度Ｔ２を検出して、温度Ｔ１が温度Ｔ２よりも５〜２０［℃］の範囲で大きくなるように、発熱体５０，５１の発熱量（印加電圧）を制御している。このように発熱体５０，５１の発熱量を調整することにより、検出空間３９内の被検出ガスが所定の温度となるように制御することが可能であり、被検出ガスの温度を安定させることができる。また、例えば発熱体５０，５１が過剰に発熱してしまい、その熱がガス検出素子６０のヒータ或いは触媒に影響してしまうような事態を防止することができる。したがって、検出感度を良好に保つことができる。また、無用な電力消費を抑えることもできる。

また、発熱体５０，５１が収容空間形成面５８を構成する素子ケース２０の外側面に設けられているため、検出空間３９を形成する素子ケース２０の内側面に発熱体の熱が伝導しやすく、その内側面を効率的に加熱することができる。

さらに、収容空間形成面５８を構成する素子ケース２０の外側面であって、発熱体５０，５１が設けられた側と反対側の面（回路基板１１と対向する面）に、断熱材１２が設けられており、これにより、素子ケース２０の外側面から熱が逃げてしまうことを防止することができる。したがって、より効率的に、素子ケース２０に熱が伝導するようになる。また、断熱材１２により、発熱体５０，５１からの熱が回路基板１１に伝導することを抑制或いは防止することができるようになる。このため、熱による回路基板１１の損傷、異常動作、或いは誤動作などを防止することができる。

尚、本実施形態において、測温抵抗体６０が検出空間温度測定手段に相当し、サーミスタ２８が導入前温度測定手段に相当し、回路基板１１に実装されるマイコンが発熱量制御手段に相当している。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるもではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の形態を採ることができる。
例えば、上記実施形態では、ガス検出器１０の一例として、ガス検出素子６０が接触燃焼式ガス検出素子である場合について説明したが、これに限定されない。例えば、ガス検出素子６０は、熱伝導式ガス検出素子であっても良い。また、接触燃焼式ガス検出素子と熱伝導式ガス検出素子との両方を備えたものであっても良い。さらに、他の形態の検出素子であってもよい。

また、接触燃焼式ガス検出素子であるガス検出素子６０の構成は、可燃性ガスの燃焼に伴って電気抵抗値が変化することを利用して可燃性ガスの濃度を検出するものであればよく、本実施形態に限定されない。

また、上記実施形態において、素子ケース２０を構成する検出空間形成部材２２の外側面が、被検出ガスと接するように構成しても良い。これによれば、素子ケース２０の被検出ガスと接触する面の面積を大きくすることができる。このため、素子ケース２０から被検出ガスに伝導する熱量が大きくなるので、被検出ガスを容易に加熱することができる。したがって、被検出ガスが結露することをより確実に防止することができる。また、被検出ガスの温度を安定させることができるようになり、ひいてはガス検出器の感度を安定させることができる。

また、上記本実施形態において、ガス検出器１０は、例えば、自動車の燃料電池ユニットに搭載され、水素を検出する目的等に用いられると例示したが、ガス検出器１０の設置場所や用途は、種々選択可能であり、これに限定されない。例えば、都市ガス等の可燃性ガスの漏洩検出や濃度検出に用いるガス検出装置に本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態において、素子ケース２０に配設された発熱体は、発熱体５０，５１の２つであったが、発熱体の個数は、発熱体の発熱特性や、所望の温度等により適宜変更可能であり、これに限定されない。また、発熱体５０，５１の配設位置は、本実施形態で例示した位置に限定されるものではない。例えば、収容空間形成面５８を構成する面において、どのような位置にも配設し得る。尚、発熱体５０，５１を素子ケース２０の面以外に配設する場合には、検出空間３９を形成するその素子ケース２０に発熱体５０，５１の熱が効率的に伝導されるようにするために、その発熱体５０，５１が素子ケース２０に近い位置に配設されることが好ましい。

また、上記実施形態において、発熱体５０，５１は、例えば熱源から熱量を受け取って発熱するような構成のものでも良い。
また、上記実施形態において、サーミスタ２８は、導入口１３内に設けられても良い。このような構成でも、検出空間３９内に導入される前の被検出ガスの温度を測定することができる。

ガス検出器１０が配設された状態を表す図である。 ガス検出器１０の平面図である。 ガス検出器１０の断面図である（その１）。 ガス検出器１０の断面図である（その２）。 ガス検出素子６０の平面図である。 ガス検出素子６０の断面図である。 回路基板１１に設けられる制御回路９０を表す図面である。 マイコンにより実行される発熱体５０，５１の通電制御の処理を表すフローチャートである。

符号の説明

１０…ガス検出器、１１…回路基板、１２…断熱材、２０…素子ケース、２８…サーミスタ、３９…検出空間、４０…収容ケース、４２…ケース本体、４４…ケース蓋、５０，５１…発熱体、５５…コネクタ、６０…ガス検出素子、６１…シリコン基板、６４…保護層、６５…絶縁層、７０…検出素子、７１…発熱抵抗体、７２…触媒層、９０…制御回路、９１…ガス検出回路、９３…温度測定回路、２００…配管。

Claims (8)

1. 被検出ガスを検出するガス検出素子と、
   前記ガス検出素子を内部に収容するとともに、前記被検出ガスを導入する導入口を備え、前記被検出ガスが導入される検出空間を形成する素子ケースと、
   前記素子ケースの少なくとも一部を内部に配置させる状態でその素子ケースを保持する収容ケースと、
   前記検出空間に導入された被検出ガスを加熱するための発熱体と、
   前記収容ケースに配置されるとともに、前記ガス検出素子及び前記発熱体と電気的に接続される回路基板と、
   を備えるガス検出器であって、
   前記ガス検出素子に設けられ、前記検出空間内の温度を測定するための検出空間温度測定手段と、
   前記収容ケースに形成された被検出ガスが入り込む凹部に突出するように設けられた凸状の収容部に保持され、前記検出空間に導入される前の被検出ガスの温度を測定するための導入前温度測定手段と、
   前記回路基板に実装され、前記検出空間温度測定手段の測定結果である検出空間温度と前記導入前温度測定手段の測定結果である導入前温度とに基づき、前記発熱体の発熱量を制御する発熱量制御手段と、
   を備えることを特徴とするガス検出器。
2. 前記発熱量制御手段は、前記検出空間温度が、少なくとも前記導入前温度以上となるように、前記発熱体の発熱量を制御することを特徴とする請求項１に記載のガス検出器。
3. 前記発熱量制御手段は、前記検出空間温度から前記導入前温度を減じた差が、５〜２０［℃］の範囲となるように、前記発熱体の発熱量を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス検出器。
4. 前記導入前温度測定手段は、
   周囲温度をＴ［℃］とし、検出対象として流れるガスの温度がＴ＋Ｔａ［℃］であって、かつ前記発熱体を発熱させない状況下で、その導入前温度測定手段により測定される箇所の温度がＴ＋Ｔａ±Ｔａ／３［℃］の範囲に収まるような位置に配設されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載のガス検出器。
5. 前記収容ケースは、前記回路基板を内部に収容する収容空間を有し、前記素子ケースの少なくとも一部がその収容空間内に収容され、
   前記発熱体は、前記収容空間内において前記素子ケースの外側面に配設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載のガス検出器。
6. 前記発熱体が複数配設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載のガス検出器。
7. 前記素子ケースの外側面に断熱材が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載のガス検出器。
8. 前記ガス検出素子は、熱伝導式ガス検出素子又は接触燃焼式ガス検出素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載のガス検出器。

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