JP7391679B2

JP7391679B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP7391679B2
Application number: JP2020011385A
Authority: JP
Inventors: 卓朗有住; 大昌伊藤; 正聡上木; 紀彦灘浪
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2023-12-05
Anticipated expiration: 2040-01-28
Also published as: JP2021117134A

Description

本発明は、被測定ガスに含まれる特定ガスを検知するガスセンサに関する。

従来から、被測定ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検知するガスセンサとして、ヒータを備えると共に特定ガスを検知する反応部を備えたガス検知素子と、ガス検知素子を格納する筒状の金属キャップと、を備えるガスセンサが知られている（特許文献１）。

特許第４８９２５２１号公報

ところで、ガス検知素子を筒状のキャップで囲み、キャップの天面の穴からガスをキャップ内に導入した場合、反応部に向かうガスの流速が大幅に低下するという問題がある。ガス流速が低下すると、反応部近傍のガス置換に時間がかかり、応答が遅くなる。
一方、キャップを細径化すると、ガス流速は上昇するが、ヒータの伝熱によりキャップが高温になり、安全性確保のためにガスセンサ周りの筐体の寸法を大きくする必要がある。
そこで、本発明は、特定ガスを検知する際の応答性を向上させると共に、ガス検知素子を格納するハウジングの温度上昇を抑制したガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、被測定ガス中の特定ガスを検知する反応部と、該反応部を加熱するヒータと、を有するガス検知素子と、前記被測定ガスを導入するガス導入口と、前記被測定ガスを排出するガス排出口と、前記ガス導入口及び前記ガス排出口に連通して前記ガス検知素子を格納する内部空間と、を有するハウジングと、を備える素子ユニットと、前記被測定ガスの流量および移動方向を測定する流量センサと、を備えてなるガスセンサであって、前記素子ユニットはさらに、前記内部空間に配置される筒状をなし、軸方向の一端側が前記ガス導入口に臨み、他端側が前記ガス検知素子の少なくとも一部を囲むと共に前記反応部に臨むガス誘導通路であって、前記他端側が前記内部空間に連通してなり、前記一端側から導入された前記被測定ガスを前記他端側に向けて誘導するガス誘導通路と、前記ガス誘導通路と非接触に、かつ前記反応部が前記ガス導入口に対向するように前記ガス検知素子を前記ハウジングに支持する支持部材と、を備えてなることを特徴とする。

このガスセンサによれば、ハウジングの内部空間に筒状のガス誘導通路を配置している。ガス誘導通路の一端側はガス導入口に臨み、他端側はガス検知素子の少なくとも一部を囲んで前記反応部に臨んでいる。そして、ガス誘導通路は、ハウジングの内部空間に連通しており、ガス導入口から導入された被測定ガスは、ガス誘導通路内に誘導されて反応部に向かって流れ、ガス排出口から排出される。
これにより、ガス導入口から導入された被測定ガスがハウジングの内部空間全体に広がってガス流速が低下することが抑制され、ガス検知素子の応答性を向上させることができる。
又、ガス流速の低下を抑制するためにハウジングの内部空間全体を狭める必要がないので、ヒータの伝熱によるハウジングの温度上昇を抑制できる。

本発明のガスセンサにおいて、前記ハウジングが樹脂からなり、前記ガス誘導通路が金属からなり、前記ガス誘導通路の前記他端側が前記ヒータを囲んでいてもよい。
この素子ユニットによれば、ヒータを囲むガス誘導通路がヒータの輻射熱を反射してハウジングの温度上昇をさらに抑制できる。又、ガス誘導通路を金属製とすることで、輻射熱の反射効果がさらに大きくなる。

本発明のガスセンサにおいて、前記支持部材は、第１端部から第２端部にかけて延びる長尺状に形成されると共に、前記第１端部が前記ガス検知素子に接続され、前記第２端部が前記ハウジングに直接又は他部材を介して間接的に接続されて、前記ガス検知素子での検知結果を表す検知信号の信号経路を構成する複数のリードピンからなっていてもよい。
この素子ユニットによれば、ガス検知素子をハウジングに支持するリードピンを、ガス検知素子の検知信号の信号経路とするので、検知信号用の配線をリードピンで兼用でき、部品点数ひいては製造コストが低減する。

本発明のガスセンサにおいて、前記素子ユニットに電気的に接続される回路部をさらに備えてもよい。

この発明によれば、特定ガスを検知する際の応答性を向上させると共に、ガス検知素子を格納するハウジングの温度上昇を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る呼気ガス検知装置の内部構成を示す斜視図である。ガス検知部をハウジングの軸方向に沿って切断した断面図である。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。本発明の別の実施形態に係るガス検知部をハウジングの軸方向に沿って切断した断面図である。本発明のさらに別の実施形態に係るガス検知部をハウジングの軸方向に沿って切断した断面図である。

以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る呼気ガス検知装置（ガスセンサ）１の内部構成を示す斜視図、図２はガス検知部２３をハウジング４９の軸方向に沿って切断した断面図、図３は図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。
図１に示す本実施形態の呼気ガス検知装置１は、被験者の呼気に含まれる特定ガス（特定成分）を検知するための装置である。呼気ガス検知装置１の検知対象となる特定ガスとしては、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ_２といったＮＯｘ）が挙げられる。

呼気ガス検知装置１は、医療等の分野に使用してもよい。呼気ガス検知装置１は、特に数ｐｐｂから数百ｐｐｂレベルの極低濃度のＮＯｘを含むガスの測定、具体的には喘息診断（呼気に含まれるＮＯの検出）に好適に使用できる。

呼気ガス検知装置１は、図１に示すように、マウスピース１１と、本体部１３と、キャップ１５と、流量センサ２１と、ガス検知部２３と、異物除去部２５と、第１制御部３１と、第２制御部３３と、を備え、全体として細長い円筒状に形成されている。
呼気ガス検知装置１、ガス検知部２３が、それぞれ特許請求の範囲の「ガスセンサ」、「素子ユニット」に相当する。

なお、図１では、呼気ガス検知装置１の内部構造を表すために、マウスピース１１および本体部１３を半分に切断した状態での内部構造を表している。本明細書などでは、呼気ガス検知装置１の長手方向における両端部のうち、マウスピース１１が設けられる端部を先端とし、キャップ１５が設けられる端部を後端とする。

マウスピース１１は、被験者による呼気の吹き込み動作および被験者による吸気動作が可能となるように、被験者が口をあてること可能な形状に構成されている。マウスピース１１は、開口部１１ａと、内部空間１１ｂと、連結部１１ｃと、を備える。マウスピース１１は、開口部１１ａから内部空間１１ｂを介して連結部１１ｃに至るガス経路を内部に備えている。連結部１１ｃは、本体部１３の先端側端部に対して着脱自在に嵌合できるように構成されている。

本体部１３は、先端から後端にかけて延びる長尺形状である。本体部１３は、呼気の流路となるガス流路１３ａを内部に備える。ガス流路１３ａは、本体部１３の先端に設けられた第１開口部１３ｂと、本体部１３の後端に設けられた第２開口部１３ｃと、を備えたガス流路である。ガス流路１３ａは、第１開口部１３ｂから第２開口部１３ｃまで繋がる１本のガス流路として形成されている。

本体部１３は、流量センサ２１、ガス検知部２３、異物除去部２５、第１制御部３１、第２制御部３３を収容している。
マウスピース１１の連結部１１ｃが本体部１３の先端側端部と嵌合することで、マウスピース１１は、ガス流路１３ａの第１開口部１３ｂに繋がるように設けられる。

流量センサ２１は、流体の流量および流体の移動方向を測定可能に構成されたセンサである。流量センサ２１は、ガス流路１３ａに流れるガス（呼気、大気）の流量および移動方向を測定できる。

このため、流量センサ２１によるガス流量の測定結果に基づいて、被験者により吹き込まれた呼気の流量を判定できる。また、流量センサ２１によるガス流量の測定結果に基づいて、被験者による呼気吹き込み開始時期や、呼気吹き込みの継続時間を判定できる。さらに、流量センサ２１によるガス移動方向の測定結果に基づいて、被験者による呼気の吹き込み動作中であるか、被験者による吸気動作中であるかを、判定できる。

流量センサ２１を備えることで、呼気の吹き込み動作および吸気動作のそれぞれが、適正な流速で適正な時間にわたり実施されたか否かを判定可能となる。
ガス検知部２３は、一酸化窒素（ＮＯ）を検知するガス検知素子４１（図２）を内部に備えている。被験者による呼気吹き込み動作時には、呼気がマウスピース１１を介して第１開口部１３ｂからガス流路１３ａに導入されてガス検知部２３に到達するため、このときのガス検知部２３による検知結果は、呼気における特定ガス（ＮＯ）の含有状態に対応したものとなる。つまり、このときの検知結果に対応する状態量（検知結果信号）は、被験者の呼気における特定ガスの含有状態に応じた検知ガス値として利用できる。

異物除去部２５は、少なくとも過マンガン酸カリウムを含む吸着剤を内蔵して構成されている。これにより、被験者による吸気動作時に、第２開口部１３ｃからガス流路１３ａに導入された大気は、異物除去部２５を通過する際に、大気に含まれるＮＯｘ成分が異物除去部２５で除去された上で、ガス検知部２３に到達する。このときのガス検知部２３での検知結果は、ＮＯｘを含まないガスに対する検知結果であり、この検知結果に対応した状態量（検知結果信号）は、一酸化窒素の検知に際して基準ガス値として利用できる。

キャップ１５は、本体部１３の後端側端部と嵌合可能に構成されている。キャップ１５は、ガス（呼気、大気など）が通過可能な通気穴１５ａを備えている。キャップ１５は、本体部１３の後端側端部と嵌合することで、通気穴１５ａがガス流路１３ａの第２開口部１３ｃに繋がるように設けられる。

次に、第１制御部３１、第２制御部３３は、それぞれ、電気回路部、および、各種演算処理を行うマイクロコンピュータ（以下、マイコンともいう。図示省略。）を備えて構成されている。
マイコンは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備える。マイコンの各種機能は、非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。この例では、ＲＯＭが、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。なお、第１制御部３１、第２制御部３３は、それぞれ、備えるマイコンの数は１つでも複数でもよい。また、マイコンが実行する機能の一部または全部を、一つあるいは複数のＩＣ等によりハードウェア的に構成してもよい。

第１制御部３１は、流量センサ２１から測定結果信号を受信するように構成されている。第１制御部３１は、測定結果信号に基づいて各種判定処理を実行するように構成されている。各種判定処理としては、例えば、ガス移動判定処理、呼気・吸気動作判定処理、呼気流量判定処理、呼気時間判定処理などが挙げられる。

ガス移動判定処理は、測定結果信号に基づいて、ガス流路１３ａにおいてガス移動が発生しているか否かを判定する処理である。呼気・吸気動作判定処理は、測定結果信号に基づいて、被験者による呼気の吹き込み動作中であるか、被験者による吸気動作中であるかを判定する処理である。呼気流量判定処理は、測定結果信号に基づいて、被験者により吹き込まれた呼気の流量を判定する処理である。呼気時間判定処理は、測定結果信号に基づいて、被験者による呼気吹き込み開始時期や、呼気吹き込みの継続時間を判定する処理である。

第２制御部３３は、ガス検知部２３から検知結果信号を受信するように構成されている。第２制御部３３は、第１制御部３１との間で各種情報を送受信するように構成されている。第２制御部３３は、第１制御部３１から各種判定処理の判定結果を受信するように構成されている。第２制御部３３は、検知結果信号および各種判定処理の判定結果に基づいて、ガス検知処理を実行するように構成されている。

ガス検知処理は、検知結果信号および各種判定処理の判定結果に基づいて、被験者の呼気から特定ガス（本実施形態では、一酸化窒素）を検知したか否かを判定する処理である。第２制御部３３は、呼気ガス検知装置１が起動するとガス検知処理を開始する。

ガス検知部２３は、図２に示すように、ガス検知素子４１と、複数のリードピン４３と、台座４５と、ハウジング４９と、を備える。

ガス検知素子４１は、反応部４１ａと、ヒータ４１ｂと、を備える。反応部４１ａは、特定ガスに反応して電気的特性が変化すると共に、特定ガスの検知結果を表す検知信号Ｓａを出力するように構成されている。ヒータ４１ｂは、反応部４１ａを活性化状態とするために反応部４１ａを加熱するように構成されている。つまり、ガス検知素子４１は、ヒータ４１ｂを備えると共に、特定ガスを検知するように構成されている。ガス検知素子４１は、例えば、公知の混成電位式センサを用いて構成することができる。
なお、本例では、ガス検知素子４１は略矩形の板状であり、ガス検知素子４１の先端側の表面に反応部４１ａが配置され、後端側の表面にヒータ４１ｂが埋設して配置されている。

リードピン４３は、第１端部４３ａから第２端部４３ｂにかけて延びる長尺状に形成された導電性金属材料（例えば、KOVAR）で構成されている。複数のリードピン４３は、それぞれ、第１端部４３ａがガス検知素子４１に接続されて、ガス検知素子４１での検知結果を表す検知信号Ｓａの信号経路を構成する。

台座４５は、板状に形成された材料（例えば、42Ni-Fe）で構成されている。台座４５は、外径寸法が異なる二段の円柱状に形成されている。台座４５は、複数のリードピン４３を挿通するとともに支持するための複数の貫通穴（図示省略）を備えている。つまり、台座４５は、複数のリードピン４３をガラスにより相互に電気的に絶縁した状態で、複数のリードピン４３をそれぞれ支持するように構成されている。

ハウジング４９は、樹脂（例えば、HDPE）で構成された有底円筒状部材である。ハウジング４９は、ガス検知素子４１を格納する内部空間４９ａを有している。ハウジング４９は、被測定ガスＧを取り込むガス導入口４９ｃと、被測定ガスを排出するガス排出口４９ｄとを備える。
ここで、図２のハウジング４９の上側（後端側）は縮径段部４９ｐとなっていて、この段部４９ｐの周方向に離間して、軸方向に延びるスリット状のガス導入口４９ｃが複数個開口している。又、ハウジング４９の下側（先端側）の端部は底面を有さない開放端となっており、この開放端を閉塞するように素子側基板４７がハウジング４９に固定されている。
さらに、ハウジング４９の下側（先端側）の開放端の一部が上側に向かって切り欠かれて、素子側基板４７で閉塞されずにガス排出口４９ｄを形成している。

ハウジング４９は、樹脂製であることで電気的絶縁が良好となるため、複数のリードピン４３どうしの電気的絶縁や、ハウジング４９と複数のリードピン４３との電気的絶縁を確実に図ることができる。

素子側基板４７は、リードピン４３を保持可能な複数の挿通穴４７ｂを有している。そして、素子側基板４７は、リードピン４３のうち台座４５との当接部分４３ｃから第２端部４３ｂまでの領域における少なくとも一部と、挿通穴４７ｂで直接的に結合されている。つまり、複数のリードピン４３は、素子側基板４７を介してガス検知素子４１をハウジング４９に支持する。
なお、素子側基板４７に挿通されたリードピン４３は、詳細は図示しないが、第１制御部３１及び第２制御部３３に電気的に接続されている。
第１制御部３１及び第２制御部３３が、特許請求の範囲の「回路部」に相当する。

さらに、ハウジング４９の内部空間４９ａには、金属製筒状のガス誘導通路５０が配置されている。
ガス誘導通路５０の軸方向の一端５０ａから径方向外側に向かって円形のフランジ部５０ｆが延びている。フランジ部５０ｆの外径は、ハウジング４９の内径よりわずかに大きく、フランジ部５０ｆをハウジング４９の内側に圧入することで、フランジ部５０ｆ（ガス誘導通路５０）がハウジング４９にしっかりと固定される。
又、ガス誘導通路５０の内径は、ハウジング４９の縮径段部４９ｐの内径とほぼ同一である。

そして、ガス誘導通路５０の一端５０ａ側が縮径段部４９ｐ側に向き、ガス誘導通路５０の軸方向をハウジング４９の軸方向に揃った状態で、フランジ部５０ｆをハウジング４９に圧入する。これにより、ガス誘導通路５０の軸方向の一端５０ａ側がガス導入口４９ｃに臨み、ガス導入口４９ｃから導入された被測定ガスＧは、ガス誘導通路５０の一端５０ａ側から、ガス誘導通路５０内に導入される。
一方、ガス誘導通路５０の他端５０ｂ側は、反応部４１ａの表面（後端向き面）４１ｓよりも先端側にまで延びており、図３に示すように、他端５０ｂ側がガス検知素子４１の少なくとも一部を径方向外側から囲んで反応部４１ａに臨んでいる。
又、ガス誘導通路５０の他端５０ｂ側の内周面は、ガス検知素子４１の側周面との間に環状の隙間を有しており、ガス誘導通路５０はハウジング４９の内部空間４９ａに連通している。また、ガス誘導通路５０の他端５０ｂ側は、ガス排出口４９ｄと非接触になっている。
なお、支持部材４３はガス誘導通路５０と非接触であり、支持部材４３はガス検知素子４１の反応部４１ａがガス導入口４９ｃに対向するようにガス検知素子４１をハウジング４９に支持する。

このような形態のガス誘導通路５０をハウジング４９の内部空間４９ａに配置したことにより、ガス導入口４９ｃから導入された被測定ガスＧは、ガス誘導通路５０内に誘導されて反応部４１ａに向かって流れ、ガス排出口４９ｄから排出される。
これにより、被測定ガスＧが内部空間４９ａ全体に広がってガス流速が低下することが抑制され、ガス検知素子４１の応答性を向上させることができる。
又、ガス流速の低下を抑制するためにハウジング４９の内部空間４９ａ全体を狭める必要がないので、ヒータ４１ｂの伝熱によるハウジング４９の温度上昇を抑制できる。

さらに、図４に示すように、ガス誘導通路５０の他端５０ｂがヒータ４１ｂを囲むようにすれば、ガス誘導通路５０がヒータ４１ｂの輻射熱を反射してハウジング４９の温度上昇をさらに抑制できる。
特に、ガス誘導通路５０を金属製とすれば、輻射熱の反射効果がさらに大きくなる。ガス誘導通路５０の材質としては、例えばアルミ材料が例示できる。
又、複数のリードピン４３にてガス検知素子４１をハウジング４９に支持し、ガス検知素子４１での検知結果を表す検知信号の信号経路とすれば、検知信号用の配線をリードピン４３で兼用でき、部品点数ひいては製造コストが低減する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、図４に示すように、台座４５を省略し、リードピン４３のみでガス検知素子４１を支持してもよい。又、ハウジング４９の縮径段部４９ｐ側の底面の厚みを厚くし、この底面の内壁５０ｒを縮径段部４９ｐの内壁よりも径大の段部に形成し、この内壁５０ｒの内側にガス誘導通路５０の一端５０ａを直接圧入してもよい。この場合、ガス誘導通路５０にフランジ部５０ｆを形成する必要がない。

又、ガス検知素子４１を支持する支持部材はリードピン４３に限らず、図５に示すように、メッシュや多孔質性の通気部材１４３を、ハウジング４９の内部空間４９ａを先後に横断する（ハウジング４９の軸方向と交差する）方向に延びるように配置してハウジング４９の内壁に接続させてもよい。
そして、通気部材１４３の後端向き面（縮径段部４９ｐ側）にガス検知素子４１を固定すれば、ガス誘導通路５０内を反応部４１ａに向かって流れた被測定ガスＧが通気部材１４３を通ってガス排出口４９ｄから排出される。

又、支持部材として、通気部材１４３に代え、例えばガス検知素子４１を側方（図２の左右方向）からリードピンで支持することも可能である。この場合、図２と同様、ガス検知素子４１の後端側にリードピンの一端を接続し、リードピンがこの一端から側方に曲がった後、その他端がハウジング４９の側壁の図示しない挿通孔に挿通固定されることになる。

ハウジングの形状も筒状に限定されない。又、ハウジングが筒状の場合に、ハウジングの軸方向とガス誘導通路の軸方向が完全に平行でなくてもよく、両者の方向が角度を持っていてもよい。
ガス検知素子の種類も限定されず、ＮＯｘ以外の他のガス成分を検知する素子でもよい。

さらに、呼気ガス検知装置１の形態は、上記実施形態に限らず、例えば、本体部のうちでガス検知部の上流側に、呼気（被測定ガスＧ）の吹き込み通路と大気の取り込み通路とを分岐する分岐機構を設けると共に、上記分岐機構とガス検知部との間にガスの流れを阻害しない形態でポンプを設置する形態を採ってもよい。このような形態では、呼気の吹き込み以外の期間に、ポンプを駆動させて大気をガス検知部に向けて取り込むようにする一方、呼気の吹き込み期間には、分岐機構を作動させて大気の取り込み通路を閉じ、呼気の吹き込み通路を通じてガス検知部に呼気を導くようにすればよい。

１呼気ガス検知装置（ガスセンサ）
２３ガス検知部（素子ユニット）
１４、１４０濃度調整部
３１、３３、４７回路部
４１ガス検知素子
４１ａ反応部
４１ｂヒータ
４３、１４３リードピン、通気部材（支持部材）
４９ハウジング
４９ａ内部空間
４９ｃガス導入口
４９ｄガス排出口
５０ガス誘導通路
５０ａガス誘導通路での一端
５０ｂガス誘導通路での他端
Ｇ被測定ガス

Claims

被測定ガス中の特定ガスを検知する反応部と、該反応部を加熱するヒータと、を有するガス検知素子と、
前記被測定ガスを導入するガス導入口と、前記被測定ガスを排出するガス排出口と、前記ガス導入口及び前記ガス排出口に連通して前記ガス検知素子を格納する内部空間と、を有するハウジングと、
を備える素子ユニットと、
前記被測定ガスの流量および移動方向を測定する流量センサと、
を備えてなるガスセンサであって、
前記素子ユニットはさらに、前記内部空間に配置される筒状をなし、軸方向の一端側が前記ガス導入口に臨み、他端側が前記ガス検知素子の少なくとも一部を囲むと共に前記反応部に臨むガス誘導通路であって、前記他端側が前記内部空間に連通してなり、前記一端側から導入された前記被測定ガスを前記他端側に向けて誘導するガス誘導通路と、
前記ガス誘導通路と非接触に、かつ前記反応部が前記ガス導入口に対向するように前記ガス検知素子を前記ハウジングに支持する支持部材と、
を備えてなることを特徴とするガスセンサ。
前記ハウジングが樹脂からなり、前記ガス誘導通路が金属からなり、
前記ガス誘導通路の前記他端側が前記ヒータを囲んでいる請求項１に記載のガスセンサ。
前記支持部材は、第１端部から第２端部にかけて延びる長尺状に形成されると共に、前記第１端部が前記ガス検知素子に接続され、前記第２端部が前記ハウジングに直接又は他部材を介して間接的に接続されて、前記ガス検知素子での検知結果を表す検知信号の信号経路を構成する複数のリードピンからなる請求項１又は２に記載のガスセンサ。
前記素子ユニットに電気的に接続される回路部をさらに備えてなる請求項１～３のいずれか一項に記載のガスセンサ。