JPH06300726A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装備される金属酸化物半導体の検知素子とし
て、比較的製作容易な複数ガスの検知を対象とするもの
をも採用でき、ハウジング構成の改良により、製作容易
且つ廉価で、検知対象のガスを選択的に検知できるガス
センサを得る。 【構成】 検知対象ガスに対するガス検知状態におい
て、検知素子３を収納する気密性ハウジング２に設けら
れる通気孔６を流通するガスの流量が検知対象ガスに対
する選択性が得られる流量に制限される流量制限通気孔
として通気孔６を構成し、通気孔６の外側に金網等の防
爆用構造材５を配設し、ハウジング外部と通気孔６との
間に防爆用構造材５を介する通気路Ｆを備え、防爆用構
造材５の外側通気面積を通気孔６の通気面積より大きく
設定して、ガスセンサを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスに対する選択性を
向上させ、特にアルコールによる誤報をなくするガスセ
ンサに関するものであり、さらに詳細には、ハウジング
外部と内部との間でガスが流通可能な通気孔を備えた気
密性ハウジング内に、金属酸化物半導体よりなるガス検
知素子を備えたガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のガスセンサとして、メタンを検
知対象ガスとするガスセンサを例に採って説明する。金
属酸化物半導体式ガスセンサにおいて、ガス種に対する
選択性を付与するためには、使用する金属酸化物半導体
に種々の添加物（触媒等）を加えたり、表面にコーティ
ングしたり、またガス検知素子の使用温度を変えたりし
て、その選択性を確保することがおこなわれている。一
方、焼結金属又は金網を用いてハウジングを構成し、そ
の目の粗さを規制することにより、ハウジング内への周
囲外気の供給を制限し、易燃性の気体（例えば水素、ア
ルコール等）の感度を抑え、難燃性の気体（例えばメタ
ン）に対する相対感度をあげて、検知対象ガスに対する
選択性を確保することがおこなわれている（特公平２−
３５２５７）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には、夫々以下のような欠点がある。前者のもの
においては、金属酸化物半導体自体の構成を変更した
り、使用条件を規制したりする必要があるため、センサ
自体がコスト高となったり、様々な条件、環境下で使用
しずらいという問題がある。後者のものは、金属酸化物
半導体を収納するハウジング内へのガス流入量を一定量
に制限することが非常に困難で実用的でない。即ち、焼
結金属・金網の目の粗さや厚みを調整し、通気量を一定
に制御する必要があるが、これは難しく、厳格な品質管
理を必要とする。又、通気量の異なる焼結金属製ハウジ
ングを種々用意し、テストして最適のものを選ぶ場合
は、作業量が多く実用的でない。以上のことから、この
構成のガスセンサは、たとえ実施したとしても非常に高
価となり市場性はない。

【０００４】従って、本発明の目的は、センサに装備さ
れる金属酸化物半導体として、比較的製作容易なガス選
択性のないものをも採用できるとともに、ハウジング構
成の改良により、製作容易、且つ廉価で、検知対象のガ
スを選択的に検知できるガスセンサを得ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明によるガスセンサの特徴構成は、検知対象ガス
に対するガス検知状態において、通気孔を流通するガス
の流量を、検知対象ガスに対する選択性が得られる流量
に制限する流量制限通気孔として通気孔を構成するとと
もに、通気孔の外側に防爆用構造材を配設し、ハウジン
グ外部と通気孔との間に防爆用構造材を介する通気路を
備え、防爆用構造材の外側通気面積が通気孔の通気面積
より大きく設定されていることにあり、その作用・効果
は次の通りである。

【０００６】

【作用】つまり、このガスセンサにおいては、ハウジン
グ内部と外部とのガスの流通は、外部側から防爆用構造
材、通気孔を経る通気路を介して行われる。そして、ガ
スの流量は、通気孔によって規制され、これにより、従
来、金網、焼結金属等でおこなわれてきた拡散制限効果
が得られ、検知対象ガスに対する選択性が得られる。こ
こで、この拡散制限効果とは、複数のガス種において、
夫々のガスが有している燃焼速度に差があるため、ハウ
ジング内へ供給される外気の量が規制されると、ハウジ
ング内に配設される金属酸化物半導体に於けるガス種に
よる感度差（選択性）が得られることをいう。本願の構
成の場合は、通気孔の形状を特定すれば、この効果が得
られるため、ハウジング内へのガス流入量を一定量に制
限することが正確に行え、確実なガス選択性能を得るこ
とができる。そして、この通気孔の外部側に、金網、焼
結体等の防爆用構造材を配設することにより、センサの
防爆が確保される。ここで、この防爆用構造材において
は、必ずしも拡散制限能を期待する必要はないため、一
般に採用されているものを使用するだけでよい。さて、
前述の通気孔であるが、上述のような拡散制限能を備え
たものは、その孔径が比較的小さくなる。従って、この
通気孔を外部に露出させ、その内側に防爆用構造材を配
設する場合は、この孔のダスト等による目詰まりを起こ
す可能性が高い。例えば、検知対象ガスがブタンの場
合、ガスセンサは例えば台所の床近傍部位に配設される
こととなるため、こういった問題は発生しやすい。しか
しながら、本願のガスセンサにおいては、防爆用構造材
の外側通気面積が通気孔の通気面積より大きく設定され
ていることにより、例え防爆用構造材の一部が目詰まり
をおこした場合においても、他の開口部位からの通気が
確保される。更に、防爆用構造材と通気制限部材との間
に隙間を設ければ、より前述の通気孔の効果が確実に発
揮されることとなる。

【０００７】

【発明の効果】従って、この構成のガスセンサにおいて
は拡散制限効果を発揮するための流通路を前述の通気孔
で確保するため、確実な効果を期待できるとともに、セ
ンサ自体の製作も簡単かつ容易で、安価なガスセンサと
して製作できる。さらに、通気孔の利用により、ガス選
択性が向上するほか、長期安定性、耐被毒性、出力の濃
度依存性、高濃度ガスに対する耐久性を改善できる。従
って、センサに装備される金属酸化物半導体として、比
較的製作容易な複数ガスの検知を対象とするものをも採
用できるとともに、ハウジング構成の改良により、製作
容易、且つ廉価で、検知対象のガスを選択的に検知でき
るガスセンサを得ることができた。ここで、金属酸化物
半導体に触媒等を添加し、また被覆層を設けたりしたガ
ス選択性検知素子を用い、本発明の構成にすれば更にガ
ス選択性は向上することはいうまでもない。

【０００８】

【実施例】本願の実施例を図面に基づいて説明する。図
１には本願のガスセンサ１の縦断面図が示されている。
図示するように、このガスセンサ１は円筒形状のハウジ
ング２内部に金属酸化物半導体よりなるガス検知素子３
を備えた構成のものであり、その頂部部位において、ハ
ウジング外部と内部との間でガスが流通可能な構成が採
用されている。即ち、ハウジング２自体は気密性の材料
で構成されており、以下に詳述する外気流通開口４、金
網５、通気孔６を介してガスセンサ周部のガスがハウジ
ング内部と流通可能な構成が採用されている。以下に示
すガスセンサ１の実施例は、メタンガスのガス選択性を
確保することにより、メタンガスセンサとして使用でき
るものである。

【０００９】以下さらに詳細に説明する。前述の気密性
ハウジング２は、円筒状のハウジング本体２ａと、この
ハウジング本体２ａの頂部内側に内嵌係止される通気制
限部材２ｂから構成されている。そして、ハウジング本
体２ａの頂部には外気流通開口４が備えられ、通気制限
部材２ｂの頂部には通気孔６が設けられている。前記ハ
ウジング本体２ａと前記通気制限部材２ｂとの間に防爆
用構造材としての金網５が配設されている。従って、外
気流通開口４、金網５、通気孔６に渡って、ハウジング
外部と内部とを連通させる通気路Ｆが形成されているこ
ととなる。ここで、図示するように外気流通開口４の面
積は通気孔６の通気面積より大きく設定されている。

【００１０】つぎに、前述の通気孔６の構成について説
明する。この通気孔６は特定の通気面積（断面積）と特
定の流路長さとを備えて構成されており、結果的に、メ
タンガスに対するガス検知状態（例えば素子温度４５０
℃程度）において、この通気孔６を流通するガス（検知
対象ガスと妨害ガスとの総量）の流量が、メタンガスの
選択性を確保できる流量に制限されるように構成されて
いる。実際の寸法関係については、以下に示す具体例で
示す。

【００１１】さて、前述のように拡散制限効果とは、複
数種のガスにおいて、夫々のガスが有している燃焼速度
に差があるため、ハウジング２内へ供給される外気の量
が規制されると、ハウジング２内に配設される検知素子
３に於けるガス種による感度差（選択性）が得られるこ
とであるが、この原理を簡単に、検知対象ガスとしての
メタン及びブタンとこれに対する妨害ガスとしてのアル
コールの場合を例に採って説明する。金属酸化物半導体
を検知素子３として用いる場合、通常、特定の検知温度
範囲でセンサは作動する。このような温度に保たれた検
知素子３にガス（複数のガスが混在するガス）が接触す
ると、その一部が燃焼（酸化）する。そして、この燃焼
の度合いはガス種によって異なる。即ち、メタン、ブタ
ンの場合はアルコールと比較すると、これが少ない。こ
こで検知素子３の周囲雰囲気（ハウジング内部にあるガ
ス）への外気（ハウジング外部のガス）の供給が、ある
一定量以下に制限されると、アルコールのように燃焼の
速いガスの場合には検知素子３の周囲雰囲気（ハウジン
グ内部にあるガス）のガス濃度は上昇しない。何故な
ら、周囲雰囲気に供給された外気中のガスは検知素子３
によって燃焼され、かつつぎつぎと供給されるガスはそ
の供給量と釣合って燃焼に消費されるために、検知素子
３の周囲雰囲気は低濃度に維持される。これに対してメ
タン、ブタンのように燃焼速度の遅い、すなわち燃焼さ
れにくいガスの場合には、例えば外部の濃度が上昇する
とそれに応じて検知素子３の周囲雰囲気へのガスの供給
が増大し、これに対して燃焼による消費は少ないために
比較的短時間で周囲雰囲気は高濃度に達する。従って、
ガス種によるセンサ構造起因の選択性を、ガスの燃焼速
度との関係から得ることが可能であり、これはハウジン
グ外部と内部との間の流通ガス流量によって決定され
る。この状態を定性的に図２に示した。同図において横
軸はガス流通流量を、縦軸はガス種による感度を示して
いる。結果、流量を制限するにしたがって、アルコール
に対するメタン、ブタンの選択性が比較的大きくなる流
量域が存在していることが判る。即ち、上述の通気孔６
は、拡散制限効果を得るための流量制限通気孔として構
成されているのである。この流通流量の調節は、孔径の
設定、流路に沿った孔長さの設定等によっても調節可能
である。

【００１２】以下、具体例について説明するとともに、
関連するガス選択性能の実験結果について説明する。 ガスセンサの構成 １ 金属酸化物半導体の検知素子３ 型式 熱線型金属酸化物半導体式（低級炭化水
素用） エチルアルコールとの感度比（５０００ｐｐｍ） メタンガス ２．６２ ブタンガス ２．７５ エチルアルコール １．００ ２ ハウジング本体２ａ 筒外径 ５．７〜５．８ｍｍ 内容積 １５８．５ ｍｍ³ ３ 通気孔６ 通気孔径 １ｍｍ 通気孔長さ ０．２５ｍｍ ４ 金網５ １００Ｍ、網２枚、０．２〜０．３ｍｍ厚 ５ 外気流通開口４ 開口径 ５．７〜５．８ｍｍ 従って、通気孔６の通気面積は外気流通開口４の開口面
積より小さく、金網５は外気と広い面積で接触し、例え
ば、ダスト等の夾雑物がハウジング２内に侵入しようと
した場合においても、通気孔６が閉塞されることはな
い。

【００１３】ガス選択性に関する実験結果 本願のガスセンサ１に関して、通気孔６の径を変化させ
た場合のセンサのメタンに対する９０％応答、イソブタ
ンに対する９０％応答、さらに、同一濃度のエチルアル
コールに対するメタン、イソブタン夫々に対する感度比
を表１に示した。表中、Ｎｏ１〜８に示すものが図３
（イ）に示すガスセンサの頂部に単一の通気孔６を設け
たもの、Ｎｏ９に示すものが図３（ロ）に示すハウジン
グ本体２ａの頂部に一対の通気孔６を設けたもの、さら
にＮｏ１０に示すものが図３（ハ）に示すハウジング本
体３ａの側部と頂部に各一個の通気孔６を設けたもの、
それぞれの結果を示している。

【００１４】

【表１】

【００１５】本実験に用いたガス検知素子は、低級炭化
水素用の熱線型金属酸化物半導体式であるため、メタ
ン、ブタンに対して高感度で、アルコールに対して夫々
２．６２倍、２．７５倍（表１にＮｏ８で示す）であ
る。この場合、通気孔６の径が２．３ｍｍより大きい場
合は、応答速度、感度比とも変わらない。即ち、通気量
の制限効果は現れない。そして、通気孔６の径を２．３
ｍｍより小さくするに従って、妨害ガスとしてのアルコ
ールに対する夫々のガスの選択性が良化されている。た
だし、孔径が小さくなるに伴ってガスに対する応答速度
はおそくなる。従って、上述の具体例に示すものは、選
択性において好ましい結果を与えることとなっている。
さらに、応答速度を勘案するとＮｏ４〜６に示すものが
実用的である。

【００１６】〔別実施例〕上記の実施例においては、熱
線型金属酸化物半導体式ガス検知素子を用いたが、これ
に限定するものではなく、金属酸化物半導体を用いたガ
ス検知素子であれば、型式を問わない。また、メタン、
ブタン、アルコールの各ガス間での選択性を問題とした
が、燃焼速度に差のあるガス間であればいかなるガスに
対しても本願の構成は適応できる。即ち、炭素数が４以
下の低級炭化水素ガス、さらにこれらの一種以上のガス
を混合した混合ガスをも、例えばアルコールガスに対し
て選択性を持たせて適応可能である。さらに、通気孔６
の個数はいかなる個数でもよく、ハウジング内部と外部
間において、検知状態において流通するガスの流量を制
御できれば、本願の目的は達成される。さらに、上記の
実施例においては、通気制限部材２ｂがハウジング本体
２ａに下方側より近接している構成を示したが、図４
（イ）（ロ）（ハ）に示すように、防爆用構造材５の通
気孔側面と通気孔６の防爆用構造材側開口端６ａの間
に、ガスが流通可能な隙間６０を設けてもよい。さら
に、図４（イ）に示す通気制限部材２ｂをハウジング内
部側に離間して位置させてもよい。さらに、金網５の取
付構成としては、単に金網を図４（ロ）に示すようにハ
ウジング本体２ａの頂部で中高にして隙間を設け位置保
持する構成を採用してもよい。さらに、図４（ハ）に示
すように金網５と通気制限部材２ｂ（この例の場合は、
これがハウジング本体２ａともなっている）とをほぼ同
一の形状で後者が前者に内嵌される構成を採ってもよ
い。

【００１７】また、特許請求の範囲の項に図面との対照
を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明
は添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスセンサの縦断面図

【図２】各種ガスに対する感度とガス流量との関係を示
す図

【図３】実験対象のガスセンサの構成を示す図

【図４】ガスセンサの別実施例を示す図

【符号の説明】

１ ガスセンサ ２ ハウジング ２ａ ハウジング本体 ２ｂ 通気制限部材 ３ 検知素子 ４ 外気流通開口 ５ 防爆用構造材 ６ 通気孔 Ｆ 通気路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジング外部と内部との間でガスが流
   通可能な通気孔（６）を備えた気密性ハウジング（２）
   内に、金属酸化物半導体よりなる検知素子（３）を備え
   たガスセンサであって、 検知対象ガスに対するガス検知状態において、前記通気
   孔（６）を流通するガスの流量を、前記検知対象ガスに
   対する選択性が得られる流量に制限する流量制限通気孔
   として前記通気孔（６）を構成するとともに、前記通気
   孔（６）の外側に防爆用構造材（５）を配設し、前記ハ
   ウジング外部と前記通気孔（６）との間に前記防爆用構
   造材（５）を介する通気路（Ｆ）を備え、前記防爆用構
   造材（５）の外側通気面積が前記通気孔（６）の通気面
   積より大きく設定されているガスセンサ。
2. 【請求項２】 前記防爆用構造材（５）の前記通気孔側
   面と前記通気孔（６）の前記防爆用構造材側開口端（６
   ａ）との間にガスが流通可能な隙間（６０）が設けられ
   ている請求項１記載のガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記検知対象ガスが低級炭化水素ガスで
   あり、前記検知対象ガスに対する妨害ガスがアルコール
   ガスである請求項１記載のガスセンサ。
4. 【請求項４】 前記気密性ハウジング（２）が、頂部に
   外気流通開口（４）を備えた筒状のハウジング本体（２
   ａ）と、前記ハウジング本体（２ａ）の頂部に密着係止
   されるとともに前記通気孔（６）を備えた通気制限部材
   （２ｂ）とから構成され、前記ハウジング本体（２ａ）
   と前記通気制限部材（２ｂ）との間に前記防爆用構造材
   （５）としての金網が配設され、前記外気流通開口
   （４）の面積が前記通気孔（６）の通気面積より大きく
   設定されている請求項１記載のガスセンサ。