JP6347617B2 - ガス検出器、及び、ガス検出システム - Google Patents

Description

本発明は、被検出ガスを検出するための技術に関する。

従来、角管状の固定部と、固定部の内側に配置された被検出ガスを検出する機能を有する検出素子と、固定部の上部に取り付けられた通気孔を有する遮断用蓋部と、を備えるガス検出器が知られている（例えば、特許文献１）。

特許第３３８７２７４号公報

検出素子は、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体（ガス検出部）を備えており、発熱抵抗体は予め設定された目標温度に対応する抵抗値となるように通電制御さされている。通電により生じる発熱抵抗体の熱は被検出ガスに伝導するが、被検出ガスの熱伝導率は被検出ガスに含まれる可燃性ガス濃度によって変化する。被検出ガスの熱伝導率が変化した場合、一定温度に制御される発熱抵抗体の端子間電圧が変化するため、その変化量に基づいて被検出ガス濃度を検出することができる。

ここで、ガス検出器の構造によっては、ガス検出器の起動時において、発熱抵抗体から発生した熱の多くが被検出ガスとは異なる部材（例えば、遮断用蓋部）に伝わる場合がある。これにより、被検出ガスの濃度検出の精度が低下する場合があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、上面と下面との間を貫通する空洞部を有する基板上に、前記空洞部の上面側を閉塞すると共に、被検出雰囲気に晒される薄膜部が形成され、当該薄膜部に、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を備えた検出素子と、前記検出素子が配置される絶縁性の台座と、を備える被検出ガスを検出するためのガス検出器が提供できる。このガス検出器は、前記検出素子から離間した状態で当該検出素子の少なくとも上面を覆うように前記台座に取り付けられた金属製の保護キャップを備え、前記台座は、前記検出素子が表面に実装される底部と、前記底部の外周から立設し前記検出素子を取り囲む堤部と、を有し、前記保護キャップは、前記堤部の上端面に取付けられ、前記検出素子の上面から前記保護キャップの前記検出素子に対向する面までの最短距離は０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。この形態のガス検出器によれば、最短距離が０．５ｍｍ以上であるため、発熱抵抗体から保護キャップに熱伝導によって移動する熱量を低減できる。これにより、ガス検出器を用いた被検出ガスの濃度検出の精度を向上できる。

（２）上記形態のガス検出器において、前記最短距離は、０．６ｍｍ以上であっても良い。この形態のガス検出器によれば、ガス検出器を用いた被検出ガスの濃度検出の精度をさらに向上できる。

（３）上記形態のガス検出器において、前記保護キャップは、前記台座の上端面に取り付けられる取付部と、前記取付部から突出し、前記検出素子に対向する面を含む突出部と、を有していても良い。この形態のガス検出器によれば、取付部によって、上面に垂直な方向における台座に対する保護キャップの位置決めを容易に行うことができる。ここで、台座には検出素子が配置されていることから、検出素子に対する位置決めも容易に行うことができる。よって、離間距離が０．５ｍｍ以上となるように精度良く保護キャップを配置できる。

（４）上記形態のガス検出器において、前記保護キャップは、前記被検出ガスを前記保護キャップ内に導入するための通気部を有し、前記通気部は、前記薄膜部の直上を除く位置に形成されていても良い。この形態のガス検出器によれば、通気部から異物が保護キャップの内側に侵入した場合でも、侵入した異物が薄膜部に当たる可能性を低減できる。これにより、薄膜部に形成された発熱抵抗体が破損する可能性を低減できる。また、薄膜部に異物が付着し、発熱抵抗体で生じた熱が異物に熱伝導することを抑制できる。これにより、ガス検出器を用いた被検出ガスの濃度検出の精度をさらに向上できる。

（５）上記形態のガス検出器において、前記検出素子の上面に垂直な方向における、前記検出素子の上面から前記台座の上端面までの距離は、前記検出素子の上面に垂直な方向における、前記検出素子の厚さの３倍未満であっても良い。この形態のガス検出器によれば、検出素子の上面に垂直な方向について台座を小型化できる。

（６）上記形態のガス検出器において、前記台座は、前記検出素子が表面に実装される底部と、該底部の外周から立設し、前記検出素子を取り囲む堤部と、を有していても良い。この形態のガス検出器によれば、検出素子の上面に垂直な方向について台座をさらに小型化できる。

（７）また、本発明の一形態によれば、上記形態のガス検出器を配線基板に実装し、前記被検出ガスを導入するガス導入口を備えるハウジング内に前記配線基板を収容してなるガス検出システムが提供できる。この形態のガス検出システムによれば、発熱抵抗体から保護キャップに熱伝導によって移動する熱量を低減できる。これにより、ガス検出システムの被検出ガスの濃度検出の精度を向上できる。

（８）上記ガス検出システムにおいて、前記ガス導入口には、前記被検出ガスを通過させる複数のガス流通部を備える金属部材が配置され、前記検出素子は、前記金属部材の下方に配置されており、前記保護キャップは、前記配線基板の接地配線に電気的に接続されているものとしてもよい。このガス検出システムによれば、静電気が配線基板の接地配線を介して放電されるので、静電気によって検出素子の内部配線が断線してしまう可能性を低減することが可能である。

（９）上記ガス検出システムにおいて、前記台座は、前記配線基板の接地配線に電気的に接続された接地用電極パッドを備え、前記保護キャップは、前記接地用電極パッドに電気的に接続されているものとしてもよい。このガス検出システムによれば、余分や部品を追加する必要が無く、最小限のスペースで保護キャップを接地することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガス検出器、ガス検出システム、ガス検出器の製造方法、ガス検出器又はガス検出システムを装備した車両等の態様で実現することができる。

本発明の第１実施形態としてのガス検出器の上面図である。 図１の２Ｆ−２Ｆ断面図である。 図１の３Ｆ−３Ｆ断面図である。 ガス検出器が備える検出素子の上面図である。 図４の５Ｆ−５Ｆ断面図である。 性能評価試験の結果を表すグラフである。 図６のグラフの評価結果である。 第２実施形態の保護キャップを説明するための図である。 第３実施形態の保護キャップを説明するための図である。 第４実施形態の保護キャップを説明するための図である。 第５実施形態のガス検出器を説明するための図である。 第６実施形態としてのガス検出システムを説明するための図である。 第７実施形態のガス検出器の上面図である。 第７実施形態のガス検出器の素子台座の底面図である。 第８実施形態としてのガス検出システムの一部を示す図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．ガス検出器の構成：
図１は、本発明の第１実施形態としてのガス検出器１０の上面図である。図２は、図１の２Ｆ−２Ｆ断面図である。図３は、図１の３Ｆ−３Ｆ断面図である。図４は、ガス検出器１０が備える検出素子２０の上面図である。図５は、図４の５Ｆ−５Ｆ断面図である。図１は、理解の容易のために、保護キャップ５０で覆われた部分（例えば発熱抵抗体２１）も図示している。なお、図２、図３、図５の紙面上側を、ガス検出器１０の上側とし、紙面下側をガス検出器１０の下側とする。図１〜図５を用いて、ガス検出器１０の構成について説明する。

図１に示すガス検出器１０は、被検出ガスへの熱伝導を利用して被検出ガスの濃度を検出する熱伝導式ガス検出器である。このガス検出器１０は、例えば、エネルギー源として水素ガスを利用した燃料電池を搭載するシステム（例えば、燃料電池自動車や、家庭用燃料電池システム）に配置され、可燃性ガスである水素ガスを検出する。これにより、システム内における水素ガスの漏れを検出できる。

図２及び図３に示すように、ガス検出器１０は、検出素子２０と、検出素子２０が配置された素子台座４０と、検出素子２０を覆うように素子台座４０に取り付けられた保護キャップ５０とを備える。

図４及び図５に示すように、検出素子２０は、上面２０ｆａ側から見た場合に外形が略矩形状である。検出素子２０は、シリコン（Ｓｉ）製の基板３４と、基板３４上に配置された絶縁層３２と、絶縁層３２内に埋め込まれた発熱抵抗体２１と、絶縁層３２内に埋め込まれた測温抵抗体３６と、第１〜第４の電極２２〜２５とを備える。

図５に示すように、基板３４は板状であり、絶縁層３２が配置された第１面３４ｆａと、第１面３４ｆａとは反対側の第２面３４ｆｂとを有する。第２面３４ｆｂは、上面２０ｆａとは反対側の検出素子２０の裏面（下面）２０ｆｂを形成する。上面２０ｆａ側から検出素子２０を見た場合に、基板３４は、中央部分に第１面３４ｆａから第２面３４ｆｂにまで至る貫通孔としての空洞部３０（開口部３０）を備える。

絶縁層３２は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）や窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの絶縁性材料によって形成される。また、絶縁層３２は、単一の材料によって形成しても良いし、異なる材料によって形成された層を複数積層することで形成しても良い。

発熱抵抗体２１は、被検出ガスの温度（詳細には、可燃性ガスへの気体熱伝導）に伴う自身の温度変化により抵抗値が変化する抵抗体である。発熱抵抗体２１は、温度抵抗係数が大きい導電性材料で形成される。第１実施形態では、発熱抵抗体２１は白金（Ｐｔ）で形成されている。図４に示すように、発熱抵抗体２１は、渦巻き状に形成されている。

可燃性ガスとしての水素ガスを検出する場合、水素ガスへの熱伝導によって発熱抵抗体２１から奪われる熱量の大きさは、水素ガス濃度に応じた大きさとなる。このことから、発熱抵抗体２１における抵抗値の変化に基づいて、水素ガス濃度を検出することが可能となる。

また、発熱抵抗体２１は、絶縁層３２のうち、空洞部３０と接する部分である薄膜部２７に配置されている。すなわち、発熱抵抗体２１の真下には空洞部３０が位置する。このように、薄膜部２７に発熱抵抗体２１を配置することで、発熱抵抗体２１が周囲から断熱される。すなわち、発熱抵抗体２１から基板３４へと熱伝導する熱の容量を低減できる。これにより、発熱抵抗体２１を短時間で昇温、又は、降温できるため、発熱抵抗体２１の消費電力を低減できる。また、薄膜部２７は被検出ガスを含む被検出雰囲気（被検出ガスを含む流体）に晒される部分である。

図４に示すように、発熱抵抗体２１の一端側（図中左側）は、絶縁層３２の内部に配置された発熱抵抗体２１と一体に形成された配線２１ａに接続されている。また、発熱抵抗体２１の他端側（図中右側）は、絶縁層３２の内部に配置された発熱抵抗体２１と一体に形成された配線２１ｂに接続されている。

測温抵抗体３６は、検出素子２０上に存在する被検出ガスを含む流体（雰囲気ガス）の温度を検出するための部材である。図４に示すように、測温抵抗体３６は、発熱抵抗体２１の周囲の一部を取り囲むように、発熱抵抗体２１の外側に配置されている。測温抵抗体３６は、発熱抵抗体２１と同様に絶縁層３２の内部に形成されている。測温抵抗体３６は、抵抗値が温度に比例して変化する導電性材料によって形成されている。第１実施形態では、測温抵抗体３６は白金を用いて形成されている。第１実施形態の測温抵抗体３６は、温度の上昇に伴って抵抗値が増大する。なお、測温抵抗体３６は、符号３６で示す領域中に細い白金パターンが形成されることで構成されているが図示は省略する。

図４に示すように、第１〜第４の電極２２〜２５は、上面２０ｆａの一辺に沿って、上面２０ｆａ上に配置されている。第１〜第４の電極２２〜２５は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）で形成されている。第１の電極２２は、配線２１ａを介して発熱抵抗体２１と電気的に接続されている。第２の電極２３は、配線２１ｂを介して発熱抵抗体２１と電気的に接続されている。第３の電極２４は、配線３６ａを介して測温抵抗体３６と電気的に接続されている。第４の電極２５は、配線３６ｂを介して測温抵抗体３６と電気的に接続されている。第１の電極２２と第２の電極２３と発熱抵抗体２１とは、後述するプリント配線基板が備えるガス検出回路の一部を構成する。詳細には、ガス検出回路は、発熱抵抗体２１と、３つの固定抵抗とによって構成されるホイートストーンブリッジを含む。発熱抵抗体２１の温度は一定となるようにガス検出回路によって制御される。第１の電極２２は被検出ガスの濃度を表す電圧値を出力し、第２の電極２３と第４の電極２５は接地されている。また、第３の電極２４と第４の電極２５と測温抵抗体３６とは、プリント配線基板が備える温度測定回路の一部を構成する。詳細には、温度測定回路は、測温抵抗体３６と、３つの固定抵抗とによって構成されるホイートストーンブリッジを含む。第３の電極２４は雰囲気ガスの温度を表す電圧値を出力し、第４の電極２５は接地されている。

図２及び図３に示すように、絶縁性の素子台座４０は略直方体形状で形成されている。素子台座４０は検出素子２０を収容するための凹部４７が形成されている。素子台座４０は、４つのアルミナ製の第１〜第４のセラミック絶縁層４１〜４４をこの順に積層することで形成された多層基板である。第１〜第４のセラミック絶縁層４１〜４４は略直方体形状であり、それぞれ約０．４ｍｍの厚さを有する。

第２のセラミック絶縁層４２上には検出素子２０が配置される。具体的には、検出素子２０はエポキシ樹脂等の接着剤によって第２のセラミック絶縁層４２に対し固定されている。第１実施形態では、第２のセラミック絶縁層４２の上面が特許請求の範囲における「台座の底部」に対応する。

図２及び図３に示すように、第２のセラミック絶縁層４２には、基板３４の空洞部３０とガス検出器１０の外部とを連通させるための連通溝４６が形成されている。詳細には、空洞部３０と外部とは素子台座４０と検出素子２０との隙間を通って連通する。連通溝４６は直線状に延び、空洞部３０の真下に形成されている。素子台座４０が連通溝４６を有することで、空洞部３０が密閉されることを防止できる。これにより、接着剤の塗布量が多くなり空洞部３０が接着剤によって充填される可能性を低減できる。また、空洞部３０の圧力変化を抑制できるので薄膜部２７が破損する可能性を低減できる。

第３のセラミック絶縁層４３は、第２のセラミック絶縁層４２上に配置されている。第３のセラミック絶縁層４３には凹部４７を構成する略直方体形状の第１の貫通孔４７ａが形成されている。この第１の貫通孔４７ａ内には、第３のセラミック絶縁層４３と同じ厚みを有する検出素子２０が配置されている。

第３のセラミック絶縁層４３上には検出素子２０の第１〜第４の電極２２〜２５に対応する第１〜第４の電極パッド７２〜７５（図１）が配置されている。第１〜第４の電極パッド７２〜７５は、例えば、Ａｌ又はＡｕで形成されている。第１〜第４の電極２２〜２５と対応する第１〜第４の電極パッド７２〜５とは、第１〜第４のボンディングワイヤ８２〜８５によって電気的に接続されている。第１〜第４の電極パッド７２〜７５は、それぞれ図示しない内部配線を介して素子台座４０の裏面４０ｆｂ（図２）まで引き回されている。これにより、第１〜第４の電極パッド７２〜７５は、半田付けなどによって被検出ガスの濃度を検出するための回路を備えるプリント配線基板に電気的に接続される。

図２及び図３に示すように、第４のセラミック絶縁層４４には凹部４７を構成する略直方体形状の第２の貫通孔４７ｂが形成されている。第４のセラミック絶縁層４４の上面は、素子台座４０の上端面４０ｆａを形成する。ここで、図３に示すように、上面２０ｆａに垂直な方向（図３の上下方向）における上面２０ｆａから素子台座４０の上端面４０ｆａまでの距離Ｔｂ（素子−台座間距離Ｔｂ）は、上面２０ｆａに垂直な方向における検出素子２０の長さ（寸法）Ｔａ（すなわち、検出素子２０の厚みＴａ）の３倍未満であることが好ましい。こうすることで、検出素子２０の上面２０ｆａに垂直な方向について素子台座４０を小型化できる。第１実施形態のガス検出器１０は、ＴｂとＴａは共に約０．４ｍｍであり、同一である。なお、第１実施形態では、第３のセラミック絶縁層４３と第４のセラミック絶縁層４４が、特許請求の範囲における「堤部」に対応する。

図２及び図３に示すように、保護キャップ５０は素子台座４０の表面を構成する上端面４０ｆａにエポキシ樹脂等の接着剤等によって取り付けられている。保護キャップ５０は、金属によって形成されている。保護キャップ５０に用いられる金属としては、素子台座４０と線膨張係数が近い金属（例えば、コバールや４２アロイ）を用いることが好ましい。これにより、素子台座４０及び保護キャップ５０の加熱と冷却とが繰り返し実行された場合でも、両部材４０，５０の線膨張係数の差に起因して接着部が破損する可能性を低減できる。

保護キャップ５０は、上側に凸を形成する凸形状である。保護キャップ５０は、周縁部分にある枠状の取付部５２と、取付部５２から上方向（上端面４０ｆａから離れる方向）に突出した突出部５３とを備える。突出部５３は、取付部５２から垂直上方に延びる立設部５４と、立設部５４に接続され上面２０ｆａに平行な矩形板状の上面部５６とを備える。取付部５２は、上端面４０ｆａに対応した形状である。取付部５２は、上端面４０ｆａに取り付けられている。また、取付部５２は、上端面４０ｆａと面接触している。ここで、「面接触」とは、直接に接触している場合と、接着剤などを介して接触している場合とを含む。立設部５４は、上面２０ｆａと上面部５６（詳細には、上面部５６のうち上面２０ｆａと対向する裏面）との距離（上面２０ｆａに垂直な方向における距離）を調整するための部分である。上面部５６は、上面２０ｆａの上方に配置されている。なお、上面２０ｆａに垂直な方向とは、図２及び図３における紙面の上下方向である。

保護キャップ５０の上面部５６には、被検出ガスを含む雰囲気ガスを保護キャップ５０の内側に導入するための６つの通気孔６１（図１）が形成されている。なお、図１では、図示の便宜上、保護キャップ５０の上面部５６を透視した状態を描いている。各通気孔６１は、薄膜部２７（発熱抵抗体２１が埋め込まれている絶縁層３２の中央部分）の直上には配置されていない。すなわち、ガス検出器１０を上面２０ｆａ側から見た場合に、各通気孔６１は薄膜部２７とは重ならない位置に形成されている。こうすることで、雰囲気ガス中などに異物（例えば、埃や、配管の欠片）が混入している場合に、異物が通気孔６１を介して保護キャップ５０の内側に侵入した場合でも、侵入した異物が薄膜部２７に当たる可能性を低減できる。これにより、薄膜部２７に形成された発熱抵抗体２１が破損する可能性を低減できる。また、薄膜部２７に異物が付着し、発熱抵抗体２１で生じた熱が異物に熱伝導することを抑制できる。これにより、ガス検出器１０を用いた被検出ガスの濃度検出の精度をさらに向上できる。

ここで、図２に示すように検出素子２０の上面２０ｆａから、保護キャップ５０のうち検出素子２０の直上に位置する直上部分５６ｐ（詳細には、直上部分５６ｐのうち上面２０ｆａと向かい合う面）までの上面２０ｆａに垂直な方向における最短距離である離間距離Ｔは０．５ｍｍ以上である。こうすることで、発熱抵抗体２１から保護キャップ５０に移動する熱量を低減できる。これにより、ガス検出器１０を用いた被検出ガスの濃度検出の精度を向上できる。

Ａ−２．ガス検出器のガス検出方法：
第１実施形態のガス検出器１０は、第１〜第４の電極２２〜２５（図１）に電気的に接続されるプリント配線基板を備える。このプリント配線基板は、被検出ガスの濃度を検出するための回路（ガス検出回路及び温度測定回路）を備える。被検出ガスの濃度の検出方法は公知の技術（例えば、特許第５１０２１７２号公報）を用いている。すなわち、測温抵抗体３６が抵抗の一部を構成する温度測定回路から出力される温度情報と、発熱抵抗体２１が抵抗の一部を構成するガス検出回路から出力される濃度情報（発熱抵抗体２１の電極２２，２３間の電圧値）との関係に基づき保護キャップ５０内に導入された被検出ガスの濃度を検出する。

例えば、被検出ガスとして水素ガスの濃度を検出する場合、水素ガスへの熱伝導によって発熱抵抗体２１から奪われる熱量の大きさは、水素ガス濃度に応じた大きさとなる。このことから、一定温度に制御される発熱抵抗体２１の端子間電圧の変化に基づいて水素ガス濃度を検出できる。ここで、発熱抵抗体の端子間電圧は、被検出ガスの温度の影響を受けるため、測温抵抗体３６の抵抗値に基づき検出される温度を用いて、発熱抵抗体２１の端子間電圧に基づき検出した水素ガスの濃度を補正する。

Ａ−３．試験結果：
次に、図６及び図７を用いて、第１実施形態のガス検出器１０及び比較例のガス検出器を用いて行った性能評価試験について述べる。各サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．７は、上面２０ｆａと直上部分５６ｐとの離間距離Ｔ（図２）が異なる。サンプルＮｏ．１は、比較例のガス検出器であり、離間距離Ｔが０．４ｍｍである。サンプルＮｏ．１に用いる保護キャップの形状は、第１実施形態における保護キャップ５０（図２）の形状（凸形状）とは異なり平板状である。サンプルＮｏ．２〜Ｎｏ．７は、第１実施形態のガス検出器１０であり、離間距離Ｔがそれぞれ０．５ｍｍ，０．６ｍｍ，０．９ｍｍ，１．４ｍｍ，１．９ｍｍ，２．４ｍｍである。

各サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．７を雰囲気ガスを流通させるための管内に設置し、以下の測定条件下で水素ガス濃度を検出した。
＜測定条件＞
（１）保護キャップ５０内に流通させる雰囲気ガス：空気（相対湿度は０％）
（２）被検出ガス：水素ガス
（３）雰囲気ガス温度：２５℃
（４）雰囲気ガス流量：５Ｌ／ｍｉｎ
（５）管内圧力：大気圧

図６は、性能評価試験の結果を表すグラフである。図６の横軸は、各サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．７について起動時からの経過時間を表し、縦軸は各サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．７の水素ガス濃度出力値（Ｈ₂％）を表す。水素ガス濃度出力値（Ｈ₂％）は、それぞれのサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．７について、起動時から６０秒後の水素ガス濃度出力値Ｖａと現時点における水素ガス濃度出力値Ｖｎとの差であり、具体的には以下の式に基づき算出される。
水素ガス濃度出力値（Ｈ₂％）＝Ｖｎ−Ｖａ （１）

図７は、図６のグラフの評価結果である。評価方法は、水素ガス濃度出力差が±０．０２５％以内に収束する時間（収束時間）が、各サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．７の起動後から３秒以内であれば判定結果を「ＯＫ」とし、３秒以上であれば評価結果を「ＮＧ」とした。図７に示すように、離間距離Ｔが０．５ｍｍ以上のサンプルＮｏ．２〜Ｎｏ．７は、収束時間が３．０秒以下である。すなわち、ガス検出器１０の起動時および起動直後において、水素ガスの濃度を表す出力値の変動が不安定になること（オーバーシュートの発生）を抑制できる。これにより、ガス検出器１０を用いた被検出ガスの濃度検出の制度を向上できる。また、離間距離Ｔは、０．６ｍｍ以上が好ましい。こうすることで、収束時間を大幅に短縮できる。なお、ガス検出器１０の小型化及びコスト低減の観点から、離間距離Ｔは１０ｍｍ以下であることが好ましく、５．０ｍｍ以下であることが更に好ましく、３．０ｍｍ以下であることがより一層好ましい。

Ｂ．第２〜第４実施形態：
上記第１実施形態の保護キャップ５０（図２及び図３）は、角張った凸形状であったが離間距離Ｔが０．５ｍｍ以上であれば保護キャップ５０の形状は上記第１実施形態に限定されるものではない。また、上記第１実施形態の保護キャップ５０は素子台座４０の上端面４０ｆａに取り付けられていたが、素子台座４０の他の部分に取り付けられていても良い。以下に、保護キャップの形状についての変形例としての実施形態、及び、保護キャップの取付位置についての変形例としての実施形態について説明する。

図８は、第２実施形態の保護キャップ５０ａを説明するための図である。図９は、第３実施形態の保護キャップ５０ｂを説明するための図である。図１０は、第４実施形態の保護キャップ５０ｃを説明するための図である。図８〜図１０はそれぞれ、上記第１実施形態の図２に相当する図である。上記第１実施形態のガス検出器１０と、第２及び第３実施形態のガス検出器１０ａ，１０ｂとの異なる点は、保護キャップ５０ａ，５０ｂ及びその取付位置である。また上記第１実施形態のガス検出器１０と、第４実施形態のガス検出器１０ｃとの異なる点は、保護キャップ５０ｃの形状である。その他の構成（例えば、検出素子２０）については、上記第１実施形態と第２〜第４実施形態とで同一であるため、同一の構成については同一の符号を付すと共に説明を省略する。

図８に示すように、第２実施形態の保護キャップ５０ａは、上側に凸を形成する凸形状であり、上面部５６ａが曲面である。上面部５６ａは取付部５２ａに接続されている。取付部５２ａは、素子台座４０の側面４０ｓａに沿った形状である。取付部５２ａは、素子台座４０の側面４０ｓａに接着剤などによって取り付けられている。検出素子２０の上面２０ｆａから保護キャップ５０ａの直上部分５６ｐａまでの離間距離Ｔは、０．５ｍｍ以上である。なお、第２実施形態のように、上面部５６ａが平面でなく、曲面や、凹凸を有する面である場合には、離間距離Ｔは、検出素子２０の上面２０ｆａと保護キャップ５０ａの直上部分５６ｐａとの間の最短距離として定義される。

図９に示すように、第３実施形態の保護キャップ５０ｂは、底面が開放された直方体形状であり、その上面部５６ｂは平坦である。但し、上面部５６ｂは，素子台座４０の上面よりも上方に突出している。立設部５４は素子台座４０に取り付けられる部分（図２に示す取付部５２）も兼ねている。立設部５４は、第２実施形態と同様に素子台座４０の側面４０ｓａに接着剤などによって取り付けられている。検出素子２０の上面２０ｆａから保護キャップ５０の直上部分５６ｐまでの離間距離Ｔは、０．５ｍｍ以上である。

図１０に示すように、第４実施形態の保護キャップ５０ｃは、上側に凸を形成する凸形状であり、上面部５６ｃが曲面である。上面部５６ｃは取付部５２ｃに接続されている。取付部５２ｃは、上記第１実施形態の取付部５２（図２）と同一の形状であり、素子台座４０の上端面４０ｆａに接着剤などによって取り付けられている。検出素子２０の上面２０ｆａから保護キャップ５０ｃの直上部分５６ｐｃまでの離間距離Ｔは、０．５ｍｍ以上である。

上記の第２〜第４実施形態の保護キャップ５０ａ〜５０ｃを用いたガス検出器１０ａ〜１０ｃは、離間距離Ｔが０．５ｍｍ以上であることから、上記第１実施形態と同様に、発熱抵抗体２１から保護キャップ５０ａ〜５０ｃに熱伝導によって移動する熱量を低減できる。これにより、ガス検出器１０ａ〜１０ｃを用いた被検出ガスの濃度検出の精度を向上できる。

Ｃ．第５実施形態：
図１１は、第５実施形態のガス検出器１０ｄを説明するための図である。図１１は、上記第１実施形態の図２に相当する図である。上記第１実施形態のガス検出器１０と、第５実施形態のガス検出器１０ｄとの異なる点は、素子台座４０ｄの構成である。その他の構成（例えば、保護キャップ５０）については、上記第１実施形態と第５実施形態とで同一であるため、同一の構成については同一の符号を付すと共に説明を省略する。

素子台座４０ｄは、第１のセラミック絶縁層４１と第２のセラミック絶縁層４２とを備え、第３と第４のセラミック絶縁層４３，４４（図２）を備えていない。すなわち、素子台座４０ｄは、検出素子２０を配置できる構成であれば良い。第５実施形態においても、検出素子２０の上面２０ｆａから保護キャップ５０の直上部分５６ｐまでの離間距離Ｔは、０．５ｍｍ以上である。このようにしても、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。なお、第５実施形態では、上記第１実施形態において第３のセラミック絶縁層４３上に設けていた電極パッド７２〜７５を、第２のセラミック絶縁層４２上に設けることが好ましい。

Ｄ．第６実施形態：
図１２は、第６実施形態としてのガス検出システム９０を説明するための図である。上記第１〜第５実施形態のガス検出器１０〜１０ｄは、図１２に示すようなガス検出システム９０に適用することができる。ガス検出システム９０は、被検出ガスへの熱伝導を利用して被検出ガスの濃度を検出する熱伝導式ガス検出器を備えるガス検出システムである。ガス検出システム９０は、ガス検出器１０が実装された配線基板９３をハウジング９２内に収容している。ハウジング９２は、非導電性の樹脂で形成されている。ハウジング９２を「収容ケース９２」とも呼び、配線基板９３を「回路基板９３」とも呼ぶ。配線基板９３上には、検出素子２０を駆動制御するための電子部品（温度測定回路やガス検出回路を含む）がハンダ付けにより実装される。但し、これらの電子部品の全部又は一部は、図１２のガス検出システム９０の外部に実装してもよい。ガス検出システム９０のハウジング９２は、被検出ガスをハウジング９２内に導入するガス導入部９４を備える。ガス導入部９４を「ガス導入口９４」とも呼ぶ。ガス導入口９４には、被検出ガスを通過させる複数のガス流通部を有する金属部材９５（「金属製網部材９５」とも呼ぶ）が設けられている。本実施形態では、金属部材９５は、金属メッシュである。この金属部材９５は、検出素子２０の発熱抵抗体２１が高温になって可燃性の被検出ガスが発火した場合にも、その火炎がガス検出システム９０の外部に出るのを防止する機能（フレームアレスタ機能）を目的として設置された部材である。この目的を達成するために、金属部材９５は、ガス導入口９４を覆っていること（すなわち、ガス導入口９４の全域に亘って設けられていること）が好ましい。金属部材９５は、板状であるとともに外部に露出しており、検出素子２０は、板状の金属部材９５の主面の下方に配置されていている。すなわち、検出素子２０は、金属部材９５の下方又は直下に配置されている。ここで、「金属部材９５の下方に配置されている」とは、配線基板９３の表面に垂直な方向を上下方向とし、金属部材９５から配線基板９３に向かう方向を下方向としたときに、金属部材９５を下方向に投影した領域に存在することを意味する。従って、「下方」とは、必ずしも鉛直下方であることを意味していない。検出素子２０を金属部材９５の下方に配置した理由は、被検出ガスがガス導入口９４から導入されたときに、直ちに検出素子２０に到達するので、ガス検出の応答性が高くなるからである。なお、金属部材９５は、被検出ガスを通過させる複数のガス流通部を有する部材であれば良く、金属メッシュの他に例えば金属多孔体などを金属部材９５として採用することができる。金属部材９５の下方には、撥水フィルタ９６がガス導入口９４を覆うように設けられている。この撥水フィルタ９６は、ガス導入口９４から水が浸入することを防止するための部材である。ハウジング９２の端部には、ハウジング９２の一端から外側に向かうコネクタ部９７が設けられている。このコネクタ部９７は、外部回路との電気的接続用の部材である。コネクタ部９７の内部には、複数のコネクタピン９８が設けられている。配線基板９３には、複数のコネクタピン９８を接続するための複数のスルーホール９３ｔが形成されている。個々のコネクタピン９８は、スルーホール９３ｔを貫通した状態で、配線基板９３上にハンダ付けにより固定される。

このガス検出システム９０は、例えば、エネルギー源としての水素ガスを利用した燃料電池を搭載するシステム（例えば、燃料電池自動車や、家庭用燃料電池システム）に配置され、可燃性ガスである水素ガスを検出する。これにより、システム内における水素ガスの漏れを検出できる。このようなガス検出システム９０によれば、上述した通り、被検出ガスの濃度検出の精度を向上したガス検出器１０を備えているため、被検出ガスの濃度検出の精度を向上できる。

Ｅ．第７実施形態：
図１３は、第７実施形態におけるガス検出器１０ｅの上面図であり、第１実施形態の図１に対応する図である。図１との違いは、素子台座４０の上端面に保護キャップ５０を接地するための接地用電極パッド１００が設けられている点だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。また、このガス検出器１０ｅは、図１２に示したガス検出システム９０を構成する部品として使用される。以下で詳述するように、第７実施形態では、保護キャップ５０を接地することによって、静電気により検出素子２０の内部配線が断線してしまう可能性を低減している。

接地用電極パッド１００は、第３のセラミック絶縁層４３上の第２の電極パッド７３と電気的に接続されている。第１実施形態で説明したように、第２の電極パッド７３は検出素子２０の第２の電極２３と接続されており、第２の電極２３は接地されている。具体的には、第２の電極２３は、素子台座４０の底面に設けられた電極パッドを介して配線基板９３（図１２）の表面に設けられた接地配線に接続されている。図１３において、接地用電極パッド１００が接地されたものとして描かれているのは、このような接続状態を意味している。

図１４は、素子台座４０の底面、すなわち、第１のセラミック絶縁層４１の底面を示している。第１のセラミック絶縁層４１の底面には、４つの電極パッド１１２〜１１５が形成されている。これらの電極パッド１１２〜１１５は、検出素子２０の電極２２〜２５にそれぞれ接続されているとともに、配線基板９３（図１２）の表面に設けられた配線パターンに接続されている。なお、第２の電極パッド１１３と第４の電極パッド１１５は、配線基板９３上の接地配線に接続されている。このように、第７実施形態では、検出素子２０の金属製の保護キャップ５０が、接地用の電極部材１００，７３，２３，１１３を介して、配線基板９３上の接地配線に電気的に接続されている。

第７実施形態のガス検出システムについて、静電気により検出素子２０に断線が発生しないか否かを調べるために、以下に説明する静電気放電イミュニティ試験を実施した。
＜静電気放電イミュニティ試験＞
（１）試験規格
ISO 10605 Ed2.0:2008の規格に従って静電気放電イミュニティ試験を実施した。
（２）試験条件
・出力電圧：±25Kv（気中放電）
・電流波形の立ち上がり時間：0.7〜1.0ns
・充電コンデンサ容量：330pF
・放電抵抗：2kΩ
・試験回数：両極性で3回
・試験周期：1秒
・環境温度：25±10℃、環境湿度：20〜60%RH、
・ガス検出システムへの電源供給：有り
・静電気放電位置：ガス導入口９４の金属部材９５（図１２）近傍
（３）判定条件
静電気放電後にガス検出システムが故障するか否かにより判断する。
（４）試験結果
第７実施形態のガス検出器１０ｅを用いたガス検出システム（保護キャップ５０を接地したシステム）では、何も異常は確認されなかった。一方、保護キャップ５０を接地していない比較例としてのガス検出システムでは、検出素子２０の内部配線に断線が発生した。

この試験により、保護キャップ５０を接地すれば、保護キャップ５０が接地されていない場合に比べて、静電気によって検出素子２０の内部配線が断線してしまう可能性を低減できることが実験的に確かめられた。なお、静電気放電イミュニティ試験の試験対象とした第７実施形態のガス検出システムと、比較例のガス検出システムは、いずれも図１２で説明したように、ガス導入口９４を覆う金属部材９５が設けられており、金属部材９５の下方に検出素子２０が配置された構成を有している。このような構成では、ガス導入口９４の近傍において放電された静電気が金属部材９５に到達しやすく、更に、金属部材９５から検出素子２０に到達しやすい傾向にある。ガス検出システムは、静電気がガス検出システムに放電された場合でも、故障することなく精度良くガス濃度を検出することが望ましい。しかしながら、上述のように、ガス検出システム９０のガス導入口９４の下方に検出素子２０を配置した構成を採用した場合には、ガス導入口９４付近で放電された静電気が検出素子２０に到達して、検出素子２０の内部配線（例えば抵抗体２１，３６のいずれか）が断線してしまい、ガス検出システム９０に故障が発生する可能性があった。第７実施形態のガス検出システムでは、このような条件下でも、静電気によって検出素子２０の内部配線が断線してしまう可能性を低減できるという格別の効果を有する。

なお、接着剤を用いて保護キャップ５０を素子台座４０上に固定する場合には、保護キャップ５０と接地用電極パッド１００との電気的接続を確実にするために、導電性の接着剤を用いることが好ましい。一方、非導電性の接着剤を用いる場合には、接地用電極パッド１００の上に接着剤を塗布せずに、素子台座４０の上面のうちで接地用電極パッド１００が存在しない部分のみに接着剤を塗布することが好ましい。この場合には、保護キャップ５０と接地用電極パッド１００との間に或る程度の接触抵抗が発生する可能性がある。但し、この場合にも、保護キャップ５０と配線基板９３上の接地配線との間の電気抵抗が、発熱抵抗体２１の抵抗値と測温抵抗体３６の抵抗値のうちのより小さい方の抵抗値の１／１０以下であれば、上述したような静電気による検出素子２０の内部配線の断線の可能性を十分に低減することが可能である。本明細書において、「保護キャップ５０が接地されている」或いは「保護キャップ５０が接地配線に電気的に接続されている」とは、保護キャップ５０と配線基板９３の接地配線との間の電気抵抗がこの程度に小さい状態であることを意味する。このような接続状態を実現できるのであれば、非導電性の接着剤を、接地用電極パッド１００の部分を含む素子台座４０の上面の全体に塗布しても良い。但し、保護キャップ５０と配線基板９３の接地配線との間が短絡していると見なせる接続状態（両者の間の電気抵抗が１０Ω未満の状態）であることが好ましい。

Ｆ．第８実施形態：
図１５は、第８実施形態におけるガス検出システムの一部を示す説明図である。ここでは、第１実施形態で説明したガス検出器１０が、ガス検出システム９０（図１２）の配線基板９３上に固定された状態を示している。ガス検出システムの他の部分は図示が省略されているが、図１２と同様の構成を有している。ガス検出器１０自身の構成は第１実施形態と同じであり、図１５の断面は、図３で説明したものに対応している。

第８実施形態では、金属製の保護キャップ５０が、素子台座４０の側面に沿って塗布された導電性ペースト１２０によって、配線基板９３上の接地配線９３ｇに電気的に接続されている点に特徴がある。この構成によっても、保護キャップ５０を接地することができ、この結果、静電気によって検出素子２０の内部配線が断線してしまう可能性を低減することが可能である。この例からも理解できるように、保護キャップ５０は、何らかの経路を介して接地されていることが好ましい。但し、図１３に示した第７実施形態の構成では、接地用電極パッド１００を素子台座４０上に設ければ良く、接地用の部材を過度に追加する必要が無いので、最小限の部材及びスペースで保護キャップ５０を接地することができる点で好ましい。

Ｇ．変形例：
・変形例１：
上記第１実施形態では、保護キャップ５０には、被検出ガスを含む雰囲気ガスを内側に導入するための通気孔６１が形成されていたが、通気孔６１に限らず、雰囲気ガスを内側に導入するための通気部であれば良い。例えば、保護キャップ５０の一部を切り欠いて形成した開口を通気部として用いても良いし、保護キャップ５０の一部を金属製の網を用いて形成し、その網を通気部として用いても良い。

・変形例２：
上記第１実施形態では、素子台座４０は、セラミック製の素子台座であったが、これに限られず、素子台座４０は絶縁性を有する部材からなればよい。例えば、耐熱性を有する樹脂製の素子台座を用いてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０〜１０ｅ…ガス検出器
２０…検出素子
２０ｆａ…上面
２０ｆｂ…裏面
２１…発熱抵抗体
２１ａ…配線
２１ｂ…配線
２２…第１の電極
２３…第２の電極
２４…第３の電極
２５…第４の電極
２７…薄膜部
３０…空洞部（開口部）
３２…絶縁層
３４…基板
３４ｆａ…第１面
３４ｆｂ…第２面
３６…測温抵抗体
３６ａ…配線
３６ｂ…配線
４０，４０ｄ…素子台座
４０ｆａ…上端面
４０ｆｂ…裏面
４０ｓａ…側面
４１…第１のセラミック絶縁層
４２…第２のセラミック絶縁層
４３…第３のセラミック絶縁層
４４…第４のセラミック絶縁層
４６…連通溝
４７…凹部
４７ａ…第１の貫通孔
４７ｂ…第２の貫通孔
５０〜５０ｃ…保護キャップ
５２，５２ａ，５２ｃ…取付部
５３…突出部
５４…立設部
５６，５６ａ，５６ｃ…上面部
５６ｐ，５６ｐａ，５６ｐｃ…直上部分
６１…通気孔
７２…第１の電極パッド
７３…第２の電極パッド
７４…第３の電極パッド
７５…第４の電極パッド
８２…第１のボンディングワイヤ
８３…第２のボンディングワイヤ
８４…第３のボンディングワイヤ
８５…第４のボンディングワイヤ
９０…ガス検出システム
９２…ハウジング（収容ケース）
９３…配線基板（回路基板）
９３ｔ…スルーホール
９４…ガス導入部（ガス導入口）
９５…金属部材（金属製網部材）
９６…撥水フィルタ
９７…コネクタ部
９８…コネクタピン
１００…接地用電極パッド
１１２〜１１５…電極パッド
Ｔａ…検出素子の厚み
Ｔｂ…距離

Claims (8)

1. 上面と下面との間を貫通する空洞部を有する基板上に、前記空洞部の上面側を閉塞すると共に、被検出雰囲気に晒される薄膜部が形成され、当該薄膜部に、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を備えた検出素子と、
   前記検出素子が配置される絶縁性の台座と、を備える被検出ガスを検出するためのガス検出器であって、
   前記検出素子から離間した状態で当該検出素子の少なくとも上面を覆うように前記台座に取り付けられた金属製の保護キャップを備え、
   前記台座は、前記検出素子が表面に実装される底部と、前記底部の外周から立設し前記検出素子を取り囲む堤部と、を有し、前記保護キャップは、前記堤部の上端面に取付けられ、
   前記検出素子の上面から前記保護キャップの前記検出素子に対向する面までの最短距離は０．５ｍｍ以上である、ことを特徴とするガス検出器。
2. 請求項１に記載のガス検出器であって、
   前記最短距離は、０．６ｍｍ以上である、ことを特徴とするガス検出器。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガス検出器であって、
   前記保護キャップは、
   前記台座の上端面に取り付けられる取付部と、
   前記取付部から突出し、前記検出素子に対向する面を含む突出部と、を有する、ことを特徴とするガス検出器。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のガス検出器であって、
   前記保護キャップは、
   前記被検出ガスを前記保護キャップ内に導入するための通気部を有し、
   前記通気部は、前記薄膜部の直上を除く位置に形成されている、ことを特徴とするガス検出器。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のガス検出器であって、
   前記検出素子の上面に垂直な方向における、前記検出素子の上面から前記台座の上端面までの距離は、前記検出素子の上面に垂直な方向における、前記検出素子の厚さの３倍未満である、ことを特徴とするガス検出器。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のガス検出器を配線基板に実装し、前記被検出ガスを導入するガス導入口を備えるハウジング内に前記配線基板を収容してなるガス検出システム。
7. 請求項６に記載のガス検出システムであって、
   前記ガス導入口には、前記被検出ガスを通過させる複数のガス流通部を備える金属部材が配置され、
   前記検出素子は、前記金属部材の下方に配置されており、
   前記保護キャップは、前記配線基板の接地配線に電気的に接続されている、ことを特徴とするガス検出システム。
8. 請求項７に記載のガス検出システムであって、
   前記台座は、前記配線基板の前記接地配線に電気的に接続された接地用電極パッドを備え、
   前記保護キャップは、前記接地用電極パッドに電気的に接続されている、ことを特徴とするガス検出システム。

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