JP7055680B2

JP7055680B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP7055680B2
Application number: JP2018064124A
Authority: JP
Inventors: 佑介松倉; 昇治北野谷; 昌哉渡辺; 大祐市川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2022-04-18
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: JP2019174332A

Description

本開示は、ガスセンサに関する。

水素やメタン等の可燃性ガスを検出するガスセンサとして、水分（つまり湿度）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一方の空間に検知用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で開口部が覆われた他方の空間に参照用のガス検出素子が配置される。

これにより、１対のガス検出素子の湿度条件が同じになるため、特許文献１のガスセンサでは、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、検知対象ガスの湿度が大きく変化した場合、検知対象ガスに開放した空間内の湿度は検知対象ガスの湿度変化に応じてすぐに変化する。一方、水蒸気を透過しかつ被検出ガスを透過しない膜体で開口部が覆われた空間には、直接ではなく膜体を介して水蒸気が導入されるため、空間内の湿度は検知対象ガスの湿度変化に応じてすぐに変化することができず、検知対象ガスの湿度変化に遅れて変化する。その結果、一対のガス検知素子が配置された２つの空間内の湿度すなわち水蒸気濃度に差が生じてしまう。このような現象が発生すると、水素ガス濃度を正しく得ることができない。

本開示の一局面は、検知対象ガスの湿度が大きく変化した場合においても、水素ガス濃度を精度よく測定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、被検出雰囲気中の検知対象ガスを検出するためのガスセンサである。１対のガス検出素子の一方が第１内部空間に配置され、他方が第２内部空間に配置されるとともに、前記第１内部空間の第１開口部を被検出雰囲気に開放し、前記第２内部空間の第２開口部を水蒸気を透過する固体高分子電解質の部材で閉塞してなり、前記１対のガス検出素子の出力に基づいて前記被検出雰囲気中の検知対象ガスの濃度を検知するガスセンサであって、前記第１開口部の最小開口面積が前記第２開口部の最小開口面積よりも小さい。

このような構成によれば、前記第１開口部の最小開口面積が前記第２開口部の最小開口面積よりも小さいことで、第１内部空間に導入されるガスが律速される。つまり、第１内部空間における水蒸気濃度の時間変化が緩やかになる。その結果、第２内部空間との間での水蒸気濃度の差を小さくすることができる。これにより、検知対象ガスの湿度が短期間に大きく変化する湿度過渡期においても、水素ガス濃度を精度よく測定できる。

本開示の一態様では、水蒸気を透過する固体高分子電解質からなり、前記第１内部空間の少なくとも一部を形成する内部空間形成部材を備え、前記内部空間形成部材は前記第１開口部を有していてもよい。固体高分子電解質は一般的に吸湿性があることが知られている。このような構成によれば、第１開口部付近にて、固体高分子電解質により被検出雰囲気中の水蒸気の一部が吸収される。これにより、第１内部空間に導入される水蒸気がさらに制限される。その結果、一対のガス検知素子が配置された２つの空間内の水蒸気濃度の差をより小さくすることができ、被検出雰囲気の湿度が短期間に大きく変化する湿度過渡期において、水素ガス濃度をより精度よく測定できる。

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。図２とは異なる実施形態のガスセンサにおける第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。

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、被検出雰囲気中の水素ガスを検出するためのガスセンサである。

ガスセンサ１は、図１及び図２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３は、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を有する熱伝導式の検出素子である。
第１ガス検出素子３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、図４に示すように、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、酸化珪素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等が挙げられる。

第２ガス検出素子２は、第１ガス検出素子３と同様、自身の温度変化により抵抗値が変化する発熱抵抗体を有する熱伝導式の検出素子である。第２ガス検出素子２の構成は、第１ガス検出素子３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３の発熱抵抗体と第２ガス検出素子２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２格納部４は、図２に示すように、第２内部空間４Ａと、第２ガス導入口４Ｂと、膜体４Ｃとを有する。また、第２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、水蒸気に比べ可燃性ガスを透過しにくい性質（つまり可燃性ガスの透過を阻害する性質）を有する固体高分子電解質からなる。可燃性ガスとしては、例えば水素ガスやメタンガスが挙げられる。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２内部空間４Ａには、第２ガス検出素子２が格納されている。また、第２ガス導入口４Ｂは、第２内部空間４Ａと被検出雰囲気（つまり第２内部空間４Ａの外部であるケーシング６の内部）とを連通する。さらに、膜体４Ｃは、第２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。なお、第２ガス導入口４Ｂにおいて、開口面積がもっとも小さい部分の面積を最小開口面積という。図２に示した本実施形態では、第２ガス導入口４Ｂのうちケーシング６の内部（後述する内部空間６Ｃ）から第２内部空間４Ａまで、開口面積は一定である。そこで、図２に示した本実施形態では、第２ガス導入口４Ｂのうち膜体４Ｃに面する部分の開口の面積を、第２ガス導入口４Ｂの最小開口面積とする。

このように、第２内部空間４Ａは膜体４Ｃによって被検出ガスの流入が規制されている。そのため、第２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。ここで、膜体４Ｃが水蒸気を透過させるので第２内部空間４Ａの湿度は被検出ガス雰囲気の湿度に応じて変化するものの、膜体４Ｃによって第２ガス導入口４Ｂが覆われているために、被検出雰囲気の湿度が短期間に大きく変化する湿度過渡期においては、被検出雰囲気の湿度変化に追随できず第２内部空間４Ａの湿度と被検出雰囲気の湿度との間で差が生じる恐れがある。なお、第２格納部４は、第２ガス導入口４Ｂ以外に開口を有さない。

本実施形態では、膜体４Ｃは、第２内部空間４Ａの外側から第２ガス導入口４Ｂを覆うように配置されている。これにより、台座７及び保護キャップ８のリフローによって第２内部空間４Ａを形成してから膜体４Ｃを配置することができる。そのため、リフロー時の第２内部空間４Ａ内の空気の膨張によって膜体４Ｃが変形することが防止できる。ただし、第２内部空間４Ａ側から第２ガス導入口４Ｂを覆うように膜体４Ｃを配置してもよい。

膜体４Ｃは、保護キャップ８に設けられた凹部に配置され、絶縁性の接着剤により保護キャップ８に接着されている。膜体４Ｃは、周縁が接着剤によって封止されている。

第１格納部５は、第１内部空間５Ａと、第１ガス導入口５Ｂとを有する。また、第１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１内部空間５Ａには、第１ガス検出素子３が格納されている。また、第１ガス導入口５Ｂは、第１内部空間５Ａとケーシング６の内部（つまり第１内部空間５Ａの外部）とを連通する。なお、第１ガス導入口５Ｂにおいて、開口面積がもっとも小さい部分の面積を最小開口面積という。図２に示した本実施形態では、第１ガス導入口５Ｂのうちケーシング６の内部（後述する内部空間６Ｃ）から第１内部空間５Ａまで、開口面積は一定である。そこで、図２に示した本実施形態では、第１ガス導入口５Ｂのうちケーシング６の内部（後述する内部空間６Ｃ）に面する部分の開口の面積を第１ガス導入口５Ｂの最小開口面積という。第１ガス導入口５Ｂの最小開口面積は第２ガス導入口４Ｂの最小開口面積よりも小さい。本実施形態では、ケーシング６の内部から第１ガス導入口５Ｂを介して第１内部空間５Ａに被検出ガスが供給される。つまり、第１ガス導入口５Ｂは、第１内部空間５Ａに被検出ガスを直接導入する。なお、第１格納部５は、第１ガス導入口５Ｂ以外に開口を有さない。

第２内部空間４Ａ及び第１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２格納部４を構成すると共に第１格納部５も構成している。

また、第２内部空間４Ａ及び第１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２格納部４及び第１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。このように第２内部空間４Ａと第１内部空間５Ａとを近接して配置することで、第２内部空間４Ａと第１内部空間５Ａとの温度差を低減できる。その結果、温度変化に対するガスセンサ１の出力変動が小さくなり、センサ出力の誤差を低減することができる。
ここで、第１ガス導入口５Ｂが特許請求の範囲における第１開口部に相当し、第２ガス導入口４Ｂが第２開口部に相当する。さらに、膜体４Ｃが特許請求の範囲における固体高分子電解質の部材に相当する。

（台座）
台座７は、第２ガス検出素子２が載置される凹部と、第１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、台座７と、台座７の２つの凹部に載置された第２ガス検出素子２及び第１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には、第２ガス導入口４Ｂ及び第１ガス導入口５Ｂが設けられている。また、第２ガス導入口４Ｂにおける第２内部空間４Ａの外側の開口部分には膜体４Ｃが接着剤等によって固定されている。

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。

台座７と保護キャップ８とは絶縁性接着剤により接着されている。この絶縁性接着剤としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、紫外線硬化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。

＜ケーシング＞
ケーシング６は、第２格納部４及び第１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２格納部４及び第１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内部空間４Ａ及び第１内部空間５Ａの双方に供給される。

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、水滴及びその他の異物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２ガス検出素子２及び第１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２ガス検出素子２の発熱抵抗体２０及び第１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２ガス検出素子２の発熱抵抗体２０と第１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、演算部１２は、第２ガス検出素子２の発熱抵抗体２０と第１ガス検出素子３の発熱抵抗体３０との間の電位と、発熱抵抗体２０，３０と並列に配置された固定抵抗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を取得する。演算部１２は、電位差Ｖｄから水素ガスの濃度Ｄを算出し、出力する。

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。直流電源４０は、第２ガス検出素子２の発熱抵抗体２０及び第１ガス検出素子３の発熱抵抗体３０に電圧を印加する。

［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。第１ガス導入口５Ｂの最小開口面積が第２ガス導入口４Ｂの最小開口面積よりも小さいことで、第１内部空間５Ａに導入されるガスが律速される。つまり、第１内部空間５Ａにおける水蒸気濃度の時間変化が緩やかになる。その結果、被検出雰囲気の湿度が短期間に大きく変化する湿度過渡期においても、過渡期膜体４Ｃを介して水蒸気が供給される第２内部空間４Ａと被検出雰囲気が直接導入される第１内部空間５Ａとの間での水蒸気濃度の差が生じにくくなる。よって、湿度過渡期においても、検知対象ガス濃度を精度よく測定することができる。

［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、図６に示すように、第１内部空間５Ａの少なくとも一部を形成する内部空間形成部材５Ｃが、水蒸気を透過する固体高分子電解質からなり、内部空間形成部材５Ｃが第１ガス導入口５Ｂを備えていても良い。内部空間形成部材５Ｃは、膜体４Ｃと同様に、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）等からなる。図６で示した実施形態において、内部空間形成部材５Ｃに形成された第１ガス導入口５Ｂは、ケーシング６の内部から第１内部空間５Ａまで、開口面積は一定である。そこで、図６に示した実施形態では、第１ガス導入口５Ｂのうちケーシング６の内部側の開口の面積を最小開口面積とする。

第１ガス導入口５Ｂが、水蒸気を透過する固体高分子電解質からなる内部空間形成部材５Ｃに形成されたガスセンサ１と、第１ガス導入口５Ｂが、保護キャップ８に形成されたガスセンサ１と、を使用して次の試験を行った。すなわち、水素０％の状態で被検出雰囲気の水蒸気濃度を６０℃１０％ＲＨから６０℃９０％ＲＨに急峻に切り替えた際の水素ガス濃度の測定結果を確認した。この結果、第１ガス導入口５Ｂが、水蒸気を透過する固体高分子電解質からなる内部空間形成部材５Ｃに形成されたガスセンサでは、第１ガス導入口５Ｂが、保護キャップ８に形成されたガスセンサに比べ、実際の水素濃度（０％）とガスセンサの測定結果との間の誤差を５０％以上減少することができた。

（２ｃ）上記実施形態のガスセンサ１において、第２格納部４を構成する台座及び保護キャップと、第１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２格納部４の台座及び保護キャップと、第１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２格納部４と第１格納部５とは離間して配置されてもよい。

さらに、第２格納部４及び第１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２格納部４及び第１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、第１ガス導入口５Ｂおよび第２ガス導入口４Ｂは、それぞれ開口面積が一定である必要はない。例えば、第１ガス導入口５Ｂにおいて、ケーシング６の内部（内部空間６Ｃ）から第１内部空間５Ａに近づくにつれて、段階的に開口面積が小さくなるような第１ガス導入口５Ｂの形状であってもよい。第２ガス導入口４Ｂについても同様である。

（２ｄ）上記実施形態のガスセンサ１において、第２ガス検出素子２及び第１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２格納部４及び第１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。

（２ｆ）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２格納部、４Ａ…第２内部空間、４Ｂ…第２ガス導入口、
４Ｃ…膜体、５…第１格納部、
５Ａ…第１内部空間、５Ｂ…第１ガス導入口、５Ｃ…内部空間形成部材、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、
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

１対のガス検出素子の一方が第１内部空間に配置され、他方が第２内部空間に配置されるとともに、前記第１内部空間の第１開口部を被検出雰囲気に開放し、前記第２内部空間の第２開口部を水蒸気を透過する固体高分子電解質の部材で閉塞してなり、前記１対のガス検出素子の出力に基づいて前記被検出雰囲気中の検知対象ガスの濃度を検知するガスセンサであって、
前記第１開口部の最小開口面積が前記第２開口部の最小開口面積よりも小さいことを特徴とするガスセンサ。
水蒸気を透過する固体高分子電解質からなり、前記第１内部空間の少なくとも一部を形成する内部空間形成部材を備え、前記内部空間形成部材は前記第１開口部を有することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。