JP6871192B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本開示は、ガスセンサに関する。

可燃性ガス等を検出するガスセンサとして、水分の影響を受けないガスセンサが公知である（特許文献１参照）。特許文献１のガスセンサでは、検知対象ガスに開放した空間に１つのガス検出素子が配置され、水蒸気を透過しかつ被検出ガスを透過しない膜体を介して検知対象ガスに連通する空間に別のガス検出素子が配置される。

これにより、特許文献１のガスセンサでは、１対のガス検出素子の湿度条件が同じになるため、湿度の影響を受けずにガスを検出することができる。

特開２００１−１２４７１６号公報

上記ガスセンサにおいて、上記膜体を介して検知対象ガスに連通する空間を形成する台座とキャップとの熱膨張率の差が大きいと、熱衝撃によってこれらの接着面が割れ、空間の密閉性が失われるおそれがある。

また、イオン交換膜に代表される水蒸気を透過しかつ被検出ガスを透過しない膜体は、金属イオンにより水蒸気透過性能が低下する。そのため、キャップの膜体に接する部分に金属を用いると、膜体の機能が失われ、センサ出力が湿度の影響を受けやすくなる。

本開示の一局面は、ガス検出素子が配置される空間の密閉性を高められ、かつ、膜体の水蒸気透過性能の低下を抑制できるガスセンサを提供することを目的とする。

本開示の一態様は、被検出雰囲気中のガスを検出するためのガスセンサである。ガスセンサは、第１ガス検出素子と、第１ガス検出素子が格納された第１内部空間を有する第１格納部と、第１格納部が収容されたケーシングと、を備える。ケーシングは、被検出ガスを内部に導入する開口を有する。第１格納部は、第１ガス導入口を有する。第１ガス導入口は、第１内部空間とケーシングの内部とを連通すると共に、水蒸気を透過しかつ被検出ガスを実質的に透過しない膜体で覆われる。また、第１格納部のうち少なくとも膜体に接する部分は、絶縁性セラミック製又は樹脂製である。

このような構成によれば、第１格納部の膜体に接する部分が絶縁性セラミック製又は樹脂製であるので、参照素子である第１ガス検出素子を格納する第１内部空間における密閉性が向上される。

また、第１ガス導入口が絶縁性セラミック製又は樹脂製の第１格納部に設けられると共に、水蒸気を透過しかつ被検出ガスを実質的に透過しない膜体が、第１ガス導入口を覆うように設けられる。そのため、膜体は、金属に接触せず、金属イオンによって汚染されない。したがって、膜体の水蒸気透過性能の低下が抑制される。

本開示の一態様では、第１格納部は、絶縁性セラミック製であってもよい。このような構成によれば、膜体の水蒸気透過性能の低下を抑制しつつ、第１内部空間における密閉性をより高めることができる。

本開示の一態様では、第１格納部は、第１ガス検出素子が載置される絶縁性セラミック製の台座と、第１内部空間を画定するように台座を覆う絶縁性セラミック製の保護キャップと、を有してもよい。また、台座と保護キャップとは、絶縁性接着剤により接着されてもよい。このような構成によれば、第１格納部及び第１内部空間を容易かつ確実に構成できる。

本開示の一態様では、台座及び保護キャップは、同一の絶縁性セラミックで構成されてもよい。このような構成によれば、台座と保護キャップとの熱膨張率の差が無くなるので、より確実に第１内部空間の密閉性を高めることができる。

本開示の一態様では、絶縁性接着剤は、熱硬化性樹脂を主成分としてもよい。このような構成によれば、台座と保護キャップとの密着性を高めることができる。

本開示の一態様は、第２ガス検出素子と、第２ガス検出素子が格納された第２内部空間を有する第２格納部と、をさらに備えてもよい。また、ケーシングは、第２格納部をさらに収容してもよい。第１ガス検出素子及び第２ガス検出素子は、それぞれ、温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を有してもよい。第２格納部は、ケーシングの内部から第２内部空間に被検出ガスを直接導入する第２ガス導入口を有してもよい。このような構成によれば、ガスの検出精度の高いガスセンサを得ることができる。

本開示の一態様では、台座には、第２ガス検出素子がさらに載置されてもよい。また、保護キャップは、第２内部空間を画定するように台座を覆ってもよい。このような構成によれば、第１格納部及び第２格納部の形成を同時かつ容易に行える。また、第１内部空間と第２内部空間とを近接して配置できるので、第１内部空間と第２内部空間との温度差を低減できる。その結果、ガスセンサの出力誤差を抑えることができる。

本開示の一態様では、膜体は、フッ素樹脂系のイオン交換膜であってもよい。このような構成によれば、より確実に水蒸気を透過させつつ、被検出ガスを透過させないことができる。

実施形態のガスセンサを示す模式的な断面図である。 図１のガスセンサの第１格納部及び第２格納部近傍の模式的な部分拡大断面図である。 図１のガスセンサのガス検出素子の模式的な平面図である。 図３のＶＩ−ＶＩ線での模式的な断面図である。 図１のガスセンサの模式的な回路図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示すガスセンサ１は、被検出雰囲気中のガスを検出するためのガスセンサである。ガスセンサ１の被検出ガスとしては、水素、アンモニア、一酸化炭素、炭化水素等の可燃性ガスが挙げられる。

ガスセンサ１は、図１に示すように、第１ガス検出素子２及び第２ガス検出素子３と、第１格納部４及び第２格納部５と、ケーシング６と、回路基板１０と、演算部１２とを備える。

＜第１ガス検出素子及び第２ガス検出素子＞
第１ガス検出素子２は、熱伝導式の検出素子である。
第１ガス検出素子２は、図３及び図４に示すように、発熱抵抗体２０と、絶縁層２１と、配線２２と、１対の第１電極パッド２３Ａ，２３Ｂと、測温抵抗体２４と、１対の第２電極パッド２５Ａ，２５Ｂと、基板２６とを有する。

発熱抵抗体２０は、渦巻き形状にパターン化された導体であり、絶縁層２１の中央部分に埋設されている。また、発熱抵抗体２０は、配線２２を介して第１電極パッド２３Ａ，２３Ｂに電気的に接続されている。

第１電極パッド２３Ａ，２３Ｂは、絶縁層２１の表面に形成されている。また、第１電極パッド２３Ａ，２３Ｂの一方は、グランドに接続される。

なお、絶縁層２１の第１電極パッド２３Ａ，２３Ｂと反対側の表面には、シリコン製の基板２６が積層されている。基板２６は、発熱抵抗体２０が配置される領域には存在しない。この領域は、絶縁層２１が露出する凹部２７となり、ダイアフラム構造を構成している。

測温抵抗体２４は、発熱抵抗体２０よりも絶縁層２１の外縁側に埋設され、第２電極パッド２５Ａ，２５Ｂと電気的に接続されている。具体的には、測温抵抗体２４は、絶縁層２１の１辺の近傍に配置されている。また、第２電極パッド２５Ａ，２５Ｂの一方は、グランドに接続される。

発熱抵抗体２０は、自身の温度変化により抵抗値が変化する部材であり、温度抵抗係数が大きい導電性材料で構成される。発熱抵抗体２０の材料としては、例えば白金（Ｐｔ）が使用できる。

また、測温抵抗体２４は、抵抗値が温度に比例して変化する導電性材料で構成される。測温抵抗体２４の材料としては、例えば発熱抵抗体２０と同様の白金（Ｐｔ）が使用できる。配線２２、第１電極パッド２３Ａ，２３Ｂ、及び第２電極パッド２５Ａ，２５Ｂの材料も、発熱抵抗体２０と同様とすることができる。

なお、絶縁層２１は、単一の材料で形成されてもよいし、異なる材料を用いた複数の層から構成されてもよい。絶縁層２１を構成する絶縁性材料としては、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等が挙げられる。

第２ガス検出素子３は、第１ガス検出素子２と同様、温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を有する。第２ガス検出素子３の構成は、第１ガス検出素子２と同様であるので、詳細な説明は省略する。なお、第１ガス検出素子２の発熱抵抗体と第２ガス検出素子３の発熱抵抗体とは、抵抗値が同じであることが好ましい。

＜第１格納部及び第２格納部＞
第１格納部４は、第１内部空間４Ａと、第１ガス導入口４Ｂと、膜体４Ｃとを有する。また、第１格納部４は、絶縁性セラミック製の台座７と、絶縁性セラミック製の保護キャップ８とを有する。

膜体４Ｃは、水蒸気を透過しかつ被検出ガスを実質的に透過しない性質を有する。なお、「実質的に透過しない」とは、体積ベースで、被検出ガス（例えば水素）の透過量が水蒸気の透過量の５０分の１以下であることを意味する。

このような膜体４Ｃとしては、フッ素樹脂系のイオン交換膜が好適に使用できる。具体的には、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）等が挙げられる。また、膜体４Ｃとして、被検出ガスと水蒸気とを分離できる中空糸膜を用いてもよい。

第１内部空間４Ａには、第１ガス検出素子２が格納されている。また、第１ガス導入口４Ｂは、第１内部空間４Ａとケーシング６の内部とを連通する。さらに、膜体４Ｃは、第１ガス導入口４Ｂの全体を覆って塞ぐように配置されている。

したがって、第１内部空間４Ａには被検出ガスが供給されない。そのため、第１ガス検出素子２は、被検出ガス雰囲気に晒されない参照素子として機能するが、膜体４Ｃが水蒸気を透過するので、湿度条件は第２ガス検出素子３と同じになる。なお、第１格納部４は、第１ガス導入口４Ｂ以外に開口を有さない。

第２格納部５は、第２内部空間５Ａと、第２ガス導入口５Ｂとを有する。また、第２格納部５は、絶縁性セラミック製の台座７と、絶縁性セラミック製の保護キャップ８とを、第１格納部４と共有している。

第２内部空間５Ａには、第２ガス検出素子３が格納されている。また、第２ガス導入口５Ｂは、第２内部空間５Ａとケーシング６の内部とを連通する。第２ガス導入口５Ｂには膜体４Ｃが配置されておらず、開放されている。そのため、ケーシング６の内部から第２ガス導入口５Ｂを介して第２内部空間５Ａに被検出ガスが供給される。つまり、第２ガス導入口５Ｂは、第２内部空間５Ａに被検出ガスを直接導入する。なお、第２格納部５は、第２ガス導入口５Ｂ以外に開口を有さない。

第１内部空間４Ａ及び第２内部空間５Ａは、それぞれ、台座７に保護キャップ８を被せることで形成されている。つまり、台座７及び保護キャップ８は、第１格納部４を構成すると共に第２格納部５も構成している。

また、第１内部空間４Ａ及び第２内部空間５Ａは、台座７及び保護キャップ８を連結することで構成される壁によって仕切られている。つまり、第１格納部４及び第２格納部５は、１枚の壁を共有するように隣接して設けられている。

（台座）
台座７は、第１ガス検出素子２が載置される凹部と、第２ガス検出素子３が載置される凹部とを有する。また、台座７は、回路基板１０の表面に設置されている。

台座７の材質は、絶縁性セラミックである。台座７を構成する好適な絶縁性セラミックとしては、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア等が挙げられる。本実施形態では、台座７は保護キャップ８と同一の絶縁性セラミックで構成される。

（保護キャップ）
保護キャップ８は、第１内部空間４Ａ及び第２内部空間５Ａを画定する２つの凹部を有する。保護キャップ８の２つの凹部は、台座７の２つの凹部とそれぞれ突き合わせられる。保護キャップ８は、台座７と、台座７の２つの凹部に載置された第１ガス検出素子２及び第２ガス検出素子３とを覆うように台座７に接着されている。

保護キャップ８の２つの凹部には、それぞれ第１ガス導入口４Ｂ及び第２ガス導入口５Ｂが設けられている。また、第１ガス導入口４Ｂの第１内部空間４Ａ側の開口部分には膜体４Ｃが固定されている。具体的には、保護キャップ８の第１ガス検出素子２と対向する内面に、膜体４Ｃが接着されている。

保護キャップ８の材質は、絶縁性セラミックである。保護キャップ８を構成する好適な絶縁性セラミックとしては、例えばアルミナが挙げられる。上述のように、本実施形態では、台座７と保護キャップ８とは同一の絶縁性セラミックで構成される。

（絶縁性接着剤）
台座７と保護キャップ８とは絶縁性接着剤９Ａにより接着されている。この絶縁性接着剤９Ａとしては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等を主成分とするものが使用できる。これらの中でも台座７と保護キャップ８との密着性を高める観点から、熱硬化性樹脂を主成分とする絶縁性接着剤が好ましい。熱硬化性樹脂の具体例としては、例えばエポキシ樹脂、ポリオレフィン樹脂等を挙げることができる。なお、「主成分」とは、８０質量％以上含有される成分を意味する。

また、本実施形態では、膜体４Ｃも絶縁性接着剤９Ｂにより保護キャップ８の内面に接着されている。膜体４Ｃを接着する絶縁性接着剤９Ｂは、台座７と保護キャップ８とを接着する絶縁性接着剤９Ａと同じものを使用することができる。

＜ケーシング＞
ケーシング６は、第１格納部４及び第２格納部５を収容する。ケーシング６は、被検出ガスを内部に導入する開口６Ａと、開口６Ａに配置されたフィルタ６Ｂとを有する。

具体的には、第１格納部４及び第２格納部５（つまり台座７及び保護キャップ８）は、ケーシング６と回路基板１０との間に設けられた内部空間６Ｃに収容されている。内部空間６Ｃは、ケーシング６の内部に突出した内枠６Ｄにシール部材１１を介して回路基板１０を固定することで形成されている。

また、開口６Ａは、被検出雰囲気と内部空間６Ｃとを連通するように形成されている。開口６Ａから内部空間６Ｃに取り入れられた被検出ガスは、第２ガス導入口５Ｂを通じて第２内部空間５Ａのみに供給される。一方、内部空間６Ｃ内の水蒸気は、第１内部空間４Ａ及び第２内部空間５Ａの双方に拡散可能である。

フィルタ６Ｂは、被検出ガスを透過しかつ液状の水を透過しない（つまり、被検出ガスに含まれている水滴を除去する）撥水フィルタである。フィルタ６Ｂにより、開口６Ａから内部空間６Ｃに水滴が侵入することが抑制される。なお、本実施形態では、フィルタ６Ｂは、開口６Ａを塞ぐようにケーシング６の内面に取り付けられている。

＜回路基板＞
回路基板１０は、ケーシング６内に配置される板状の基板であり、図５に示す回路を備えている。この回路は、第１ガス検出素子２及び第２ガス検出素子３の第１電極パッド２３Ａ，２３Ｂ及び第２電極パッド２５Ａ，２５Ｂと、それぞれ電気的に接続されている。

＜演算部＞
演算部１２は、被検出雰囲気中のガスの濃度を演算する。具体的には、図５に示すように、演算部１２は、直列に接続された第１ガス検出素子２の発熱抵抗体２０及び第２ガス検出素子３の発熱抵抗体３０に一定の電圧Ｖｃｃを印加したときの、第１ガス検出素子２の発熱抵抗体２０と第２ガス検出素子３の発熱抵抗体３０との間の電位から濃度を演算する。

より詳細には、第１ガス検出素子２の発熱抵抗体２０と第２ガス検出素子３の発熱抵抗体３０との間の電位との間の電位と、固定抵抗Ｒ３と固定抵抗Ｒ４との間の電位との電位差を作動増幅回路により増幅させた電位差Ｖｄが出力され、Ｖｄから算出された被検出ガスの濃度Ｄが演算部１２により出力される。なお、演算部１２及び回路基板１０には直流電源４０から電流が供給される。

［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）第１内部空間４Ａを構成する台座７と保護キャップ８とが共に絶縁性セラミック製であるので、両者の熱膨張率の差が小さい。そのため、熱衝撃によって台座７と保護キャップ８との密着性が低下することが抑制され、参照素子である第１ガス検出素子２を格納する第１内部空間４Ａの密閉性が向上される。

（１ｂ）第１ガス導入口４Ｂが絶縁性セラミック製の保護キャップ８に設けられると共に、膜体４Ｃが第１ガス導入口４Ｂを覆うように保護キャップ８に設けられる。そのため、膜体４Ｃは、金属に接触せず、金属イオンによって汚染されない。したがって、膜体４Ｃの水蒸気透過性能の低下が抑制される。

（１ｃ）台座７と保護キャップ８とが同一の絶縁性セラミックで構成されることで、両者の熱膨張率の差を無くすことができる。そのため、より確実に第１内部空間４Ａの密閉性を高めることができる。

（１ｄ）台座７及び保護キャップ８は、第１格納部４を構成すると共に第２格納部５も構成しているので、第１格納部４及び第２格納部５の形成が同時かつ容易に行える。また、第１内部空間４Ａと第２内部空間５Ａを近接して配置できるので、第１内部空間４Ａと第２内部空間５Ａとの温度差を低減できる。その結果、ガスセンサ１の出力誤差を抑えることができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態のガスセンサ１において、台座７と保護キャップ８とは、必ずしも同一の絶縁性セラミックで構成される必要はない。台座７と保護キャップ８とで異なる絶縁性セラミックを用いても、熱膨張率の差が小さいため、本開示の効果が奏される。

（２ｂ）上記実施形態のガスセンサ１において、第１格納部４を構成する台座及び保護キャップと、第２格納部５を構成する台座及び保護キャップとは、別部材であってもよい。つまり、第１格納部４の台座及び保護キャップと、第２格納部５の台座及び保護キャップとを別々に設けてもよい。また、第１格納部４と第２格納部５とは離間して配置されてもよい。

さらに、第１格納部４及び第２格納部５は、必ずしも絶縁性セラミック製の台座や保護キャップを有さなくてもよい。つまり、第１格納部４及び第２格納部５は、それぞれ、１つの部材で構成されてもよい。また、台座と保護キャップとによって各格納部を構成する場合に、台座と保護キャップとが絶縁性接着剤９Ａにより接着されなくてもよい。

（２ｃ）上記実施形態のガスセンサ１において、膜体４Ｃは、第１ガス導入口４Ｂを塞ぐように保護キャップ８の外側に配置されてもよい。また、膜体４Ｃは、絶縁性接着剤以外の手段で保護キャップ８に取り付けられてもよい。

（２ｄ）上記実施形態のガスセンサ１において、第１格納部４は、少なくとも膜体４Ｃに接する部分が絶縁性セラミック製又は樹脂製であればよい。したがって、保護キャップ８は、金属製のキャップの外表面を絶縁性セラミック又は樹脂でコーティングしたものであってもよい。

（２ｅ）上記実施形態のガスセンサ１において、ケーシング６は必ずしもフィルタ６Ｂを備えなくてもよい。また、図１及び図２に示すケーシング６の形状は一例であり、適宜変更が可能である。

（２ｆ）上記実施形態のガスセンサ１において、第１ガス検出素子２及び第２ガス検出素子３は、測温抵抗体２４を備えなくてもよい。また、第１格納部４及び第２格納部５に測温抵抗体２４以外の測温手段が設けられてもよい。

（２ｇ）上記実施形態のガスセンサ１において、第１ガス検出素子２及び第２ガス検出素子３は、熱伝導式に限定されない。したがって、第１ガス検出素子２及び第２ガス検出素子３は、貴金属等の燃焼触媒により被検出ガスを燃焼させる接触燃焼式の検出素子であってもよい。

（２ｈ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…ガスセンサ、２…第１ガス検出素子、３…第２ガス検出素子、
４…第１格納部、４Ａ…第１内部空間、４Ｂ…第１ガス導入口、
４Ｃ…膜体、５…第２格納部、５Ａ…第２内部空間、５Ｂ…第２ガス導入口、
６…ケーシング、６Ａ…開口、６Ｂ…フィルタ、６Ｃ…内部空間、６Ｄ…内枠、
７…台座、８…保護キャップ、９Ａ…絶縁性接着剤、９Ｂ…絶縁性接着剤、
１０…回路基板、１１…シール部材、１２…演算部、２０…発熱抵抗体、
２１…絶縁層、２２…配線、２３Ａ，２３Ｂ…第１電極パッド、２４…測温抵抗体、
２５Ａ，２５Ｂ…第２電極パッド、２６…基板、２７…凹部、３０…発熱抵抗体、
４０…直流電源。

Claims (8)

1. 被検出雰囲気中のガスを検出するためのガスセンサであって、
   第１ガス検出素子と、
   前記第１ガス検出素子が格納された第１内部空間を有する第１格納部と、
   第２ガス検出素子と、
   前記第２ガス検出素子が格納された第２内部空間を有する第２格納部と、
   前記第１格納部及び前記第２格納部が収容されたケーシングと、
   を備え、
   前記ケーシングは、被検出ガスを内部に導入する開口を有し、
   前記第１格納部は、前記第１内部空間と前記ケーシングの内部とを連通すると共に、水蒸気を透過しかつ被検出ガスを実質的に透過しない膜体で覆われた第１ガス導入口を有し、
   前記第１格納部のうち少なくとも前記膜体に接する部分は、絶縁性セラミック製又は樹脂製であり、
   前記第１格納部及び前記第２格納部は、１枚の壁を共有するように隣接して設けられる、ガスセンサ。
2. 前記第１格納部は、絶縁性セラミック製である、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記第１格納部は、
   前記第１ガス検出素子が載置される絶縁性セラミック製の台座と、
   前記第１内部空間を画定するように前記台座を覆う絶縁性セラミック製の保護キャップと、
   を有し、
   前記台座と前記保護キャップとは、絶縁性接着剤により接着される、請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記台座及び前記保護キャップは、同一の絶縁性セラミックで構成される、請求項３に記載のガスセンサ。
5. 前記絶縁性接着剤は、熱硬化性樹脂を主成分とする、請求項３又は請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記第１ガス検出素子及び前記第２ガス検出素子は、それぞれ、温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を有し、
   前記第２格納部は、前記ケーシングの内部から前記第２内部空間に被検出ガスを直接導入する第２ガス導入口を有する、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 前記台座には、前記第２ガス検出素子がさらに載置され、
   前記保護キャップは、前記第２内部空間を画定するように前記台座を覆う、請求項６に記載のガスセンサ。
8. 前記膜体は、フッ素樹脂系のイオン交換膜である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のガスセンサ。

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