JPWO2021085182A1 - ガス検出装置、ガス検出方法及びガス検出装置を備えた装置 - Google Patents

Abstract

応答性及びガスの検出感度を高めることができるとともに、ガスの検出精度を向上することが可能なガス検出装置、ガス検出方法及びガス検出装置を備えた装置を提供する。熱伝導式ガスセンサ（１）のガス検出装置（１０）であって、少なくとも一対の電極部（２２ａ）を有するサーミスタ（２）と、前記サーミスタ（２）に接続された抵抗器（１１）とを有する接続回路と、前記接続回路に定電圧を印可するとともに、前記サーミスタ（２）に過電力を供給して前記サーミスタ（２）を熱暴走状態にする電力供給回路（Ｅｐ）と、前記接続回路における前記サーミスタ（２）の電極間の電圧を検知する電圧検知部と、を具備している。

Description

本発明は、ガス検出装置、ガス検出方法及びガス検出装置を備えた装置に関する。

従来、例えば、家電機器やＯＡ機器、食品貯蔵機器、医療機器、自動車等の輸送機器等において、湿度や特定ガスを検出するためガスセンサが用いられている。

このようなガスセンサにおいて、高濃度のガスの検知に適し、実績のあるものとして熱伝導式ガスセンサが知られている（特許文献１乃至特許文献４参照）。熱伝導式ガスセンサは、ガスの種類や濃度によって雰囲気の熱伝導率が異なる性質を利用したものである。
しかしながら、熱伝導式ガスセンサでは、微小な出力電圧は得られるものの、検出感度が低いという問題が生じる。

一方、出願人は、感熱抵抗素子と熱的に結合されるとともに、加熱により特定のガス分子が脱離される多孔性のガス分子吸着材料を用い、特定のガスの濃度を検出するガスセンサを提案した（特許文献５及び特許文献６参照）。

特許第２８８５６６１号公報 特許第３３４３８０１号公報 特許第５０７９７２３号公報 特許第６１６０６６７号公報 ＷＯ２０１７／１４５８８９号 ＷＯ２０１９／０３１２６０号

しかしながら、上記多孔性のガス分子吸着材料を用いたガスセンサでは、ガス分子吸着材料を感熱抵抗素子に熱的に結合して設ける構成であることから、ガスセンサ自体の熱容量が大きくなり、応答性が低下する問題がある。

また、多孔性のガス分子吸着材料は、加熱、冷却することにより、そのガス分子吸着材料にガス分子が脱離、吸着されるが、冷却状態において、ガス分子吸着材料に雰囲気中の水蒸気ガス（水分子）が吸着される現象が生じる場合がある。このため、特定のガスの検出にあたって、基準となる出力レベル（冷却状態の出力レベル）に変動を来し、ガスの検出精度が低下してしまうという問題が発生する。

また、他方では熱伝導式ガスセンサと、多孔性のガス分子吸着材料を用いて特定のガスを検出するガスセンサとの双方の特徴を生かした高感度のガス検出装置の実現が望まれている。

本発明の実施形態は、上記多孔性のガス分子吸着材料を用いた場合の問題を解決しようとするもので、応答性及びガスの検出感度を高めることができるとともに、ガスの検出精度を向上することが可能なガス検出装置、ガス検出方法及びガス検出装置を備えた装置を提供することを目的とする。

また、別の目的としては、熱伝導式ガスセンサと、多孔性のガス分子吸着材料を用いて特定のガスを検出するガスセンサとの双方の特徴を生かした複合的な高感度のガス検出装置、ガス検出方法及びガス検出装置を備えた装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態によるガス検出装置は、熱伝導式ガスセンサのガス検出装置であって、少なくとも一対の電極部を有するサーミスタと、前記サーミスタに接続された抵抗器とを有する接続回路と、
前記接続回路に定電圧を印可するとともに、前記サーミスタに過電力を供給して前記サーミスタを熱暴走状態にする電力供給回路と、
前記接続回路における前記サーミスタの電極間の電圧を検知する電圧検知部と、を具備することを特徴とする。

熱伝導式ガスセンサは、雰囲気のガス固有の熱伝導率により、前記サーミスタの熱放散の状態の変化を温度変化として検出し、この温度変化を前記サーミスタの抵抗変化として検出するガスセンサである。

サーミスタの熱暴走は、サーミスタ特有の物理現象であり、一般的には熱暴走はサーミスタが破壊する可能性があるので熱暴走しない条件での使用が推奨されている。
また、実施形態によるガス検出装置を備えた装置は、ガス検出装置が備えられていることを特徴とする。

ガス検出装置を備えた装置は、医療機器、自動車、家電機器やＯＡ機器、食品貯蔵機器等のガス分子や湿度検知のため各種装置に備えられ適用することができる。格別適用される装置が限定されるものではない。

さらに、実施形態によるガス検出方法は、サーミスタを有する熱伝導式ガスセンサのガス検出方法であって、前記サーミスタに過電力を供給して前記サーミスタを熱暴走状態にするステップと、前記熱暴走状態において検出対象ガスを検出するステップと、を備えることを特徴とする。

さらにまた、実施形態によるガス検出方法は、サーミスタと熱的に結合されるとともに、加熱により特定のガス分子が脱離される多孔性のガス分子吸着材料とを備え、前記サーミスタに過電力を供給して前記サーミスタを熱暴走状態するガスセンサのガス検出方法であって、前記サーミスタへの印加電圧を変えることにより、ガス分子吸着材料に特定のガス分子が脱離する反応によりガスを検出する機能と、ガス固有の熱伝導率によりガスを検出する熱伝導式ガスセンサとしての機能とを選択できるようにしたことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、応答性及びガスの検出感度を高めることができるとともに、ガスの検出精度を向上することが可能なガス検出装置、ガス検出方法及びガス検出装置を備えた装置を提供することができる。

また、熱伝導式ガスセンサと、多孔性のガス分子吸着材料を用いて特定のガスを検出するガスセンサとの双方の特徴を生かした複合的な高感度のガス検出装置、ガス検出方法及びガス検出装置を備えた装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る熱伝導式ガスセンサを示す断面図である。 図１中、Ｘ−Ｘ線に沿う断面図である。 同ガス検出装置の特性検出用の結線図である。 同ガス検出装置を示すブロック構成図である。 雰囲気温度と印加電圧との関係を示すグラフである。 ガス検出装置の出力特性を説明するための測定結果であり、濃度の異なる二酸化炭素ガス雰囲気でのセンサ温度を示すグラフである。 同濃度の異なる二酸化炭素ガス雰囲気でのセンサ電圧を示すグラフである。 気体の熱伝導率の温度依存性を示す表である。 気体の熱伝導率の温度依存性を示すグラフである。 ガス検出装置の出力特性を説明するための測定結果であり、水素ガスのセンサ出力電圧と濃度との関係を示すグラフである。 同濃度の異なる水素ガス雰囲気でのセンサ温度を示すグラフである。 同濃度の異なる水素ガス雰囲気でのセンサ出力電圧を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るガス検出装置の構成例を示す斜視図である。 同ガス検出装置の構成例における熱伝導式ガスセンサを示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るガス検出装置の構成例を示す斜視図である。 同ガス検出装置を示すブロック系統図である。 本発明の第４の実施形態に係るガス検出装置の構成例を示す斜視図である。 同ガス検出装置を示すブロック系統図である。 本発明の第５の実施形態（実施例１）に係るガス検出装置における熱伝導式ガスセンサを示す断面図である。 図１９中、Ｘ−Ｘ線に沿う断面図である。 同（実施例２）に係るガス検出装置におけるガスセンサを示す断面図である。 同じく、（実施例２）を説明するための印加電圧とセンサ出力電圧との関係を示すグラフである。 本発明の別の実施形態（実施例１）の熱伝導式ガスセンサを示す断面図である。 同（実施例１）のサーミスタを示す断面図である。 同（実施例２）の熱伝導式ガスセンサを示す断面図である。 同（実施例２）のガス検出装置の特性検出用の結線図である。 同（実施例３）のガス検出装置の特性検出用の結線図である。

＜第１の実施形態＞

以下、本発明の第１の実施形態に係るガス検出装置及びガス検出方法について図１乃至図１２を参照して説明する。図１及び図２は、熱伝導式ガスセンサを示す断面図であり、図３は本発明の基本的な構成を示すガス検出装置の特性検出用の模式的な回路図であり、図４は、ガス検出装置を示すブロック構成図であり、図５は、雰囲気温度と印加電圧との関係を示すグラフである。また、図６乃至図１２は、ガス検出装置の出力特性を説明するためのグラフ及び表である。

本実施形態のガス検出装置は、雰囲気の熱伝導率が異なる性質を利用してガスの種類や濃度を検出する熱伝導式ガスセンサを用いている。この熱伝導式ガスセンサは、サーミスタを備えていて、雰囲気のガス固有の熱伝導率により、サーミスタの熱放散の状態の変化を温度変化として検出し、この温度変化をサーミスタの抵抗変化として検出するものである。また、ガス検出装置は、サーミスタに過電力を供給、具体的には過電圧を印加してサーミスタを熱暴走状態にし、ガスの検出感度を高めることを特徴としている。
（熱伝導式ガスセンサ）

図１及び図２に示すように熱伝導式ガスセンサ１は、感熱抵抗素子としてサーミスタ２、ベース部材４及び外装ケース５を備えている。熱伝導式ガスセンサ１は、雰囲気中の水蒸気（Ｈ_２Ｏ）ガス（水分子）や二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス等を検知するセンサである。なお、各図では、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

サーミスタ２は、薄膜のサーミスタであり、検知用サーミスタである。基板２１と、この基板２１上に形成された導電層２２と、薄膜素子層２３と、保護絶縁層２４とを備えている。

基板２１は、略長方形状をなしていて、絶縁性のアルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア等のセラミックス又は半導体のシリコン、ゲルマニウム等の材料を用いて形成されている。この基板２１の一面上には、絶縁性薄膜がスパッタリング法によって成膜して形成されている。具体的には、基板２１はアルミナ材料を用いて作られていて、極薄で厚さ寸法が５０μｍ〜１５０μｍに形成されている。
このような極薄の基板２１をサーミスタ２に用いることで、熱容量が小さくなり高感度で、かつ熱応答性の優れた熱伝導式ガスセンサ１が実現可能となる。

導電層２２は、配線パターンを構成するものであり、基板２１上に形成されている。導電層２２は、金属薄膜をスパッタリング法によって成膜して形成されものであり、その金属材料には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属やこれらの合金、例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金等が適用される。また、基板２１の両端部には、導電層２２と一体的に、導電層２２と電気的に接続された一対の電極部２２ａが形成されている。

薄膜素子層２３は、サーミスタ組成物であり、負の温度係数を有する酸化物半導体から構成されている。薄膜素子層２３は、前記導電層２２の上に、スパッタリング法等によって成膜して導電層２２と電気的に接続されている。なお、薄膜素子層は、正の温度係数を有する酸化物半導体から構成してもよい。また、サーミスタは、薄膜サーミスタに限らず、金属酸化物、ケイ化物、窒化物等の半導体で構成されたサーミスタ素子であってもよい。

前記薄膜素子層２３は、例えば、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等の遷移金属元素の中から選ばれる２種又はそれ以上の元素から構成されている。保護絶縁層２４は、薄膜素子層２３及び導電層２２を被覆するように形成されている。保護絶縁層２４は、ホウケイ酸ガラスによって形成された保護ガラス層である。

また、前記電極部２２ａには、金属製のリード部２２ｂが溶接よって接合されて電気的に接続されている。具体的には、リード部２２ｂは、例えば、コンスタンタンやハステロイ（登録商標）のような熱伝導度率が低い材料から形成されていて、その熱伝導率は５Ｗ/ｍ・Ｋ〜２５Ｗ/ｍ・Ｋが好ましい。これらはレーザー溶接によって溶接された状態で接続されている。したがって、電極部２２ａとリード部２２ｂとの相互の金属が溶けて接合されている。このため、電極部２２ａとリード部２２ｂとの間には、半田付け等の場合に用いられる溶加材（ろう材）等の付加材料がなく、つまり、介在物がないので熱容量を小さくすることができ、熱時定数を小さくしてサーミスタ２の熱応答性を速くすることができる。なお、リード部２２ｂには、断面円形の線状体やフレーム状の細幅板状体を用いることができる。リード部２２ｂの形態が格別限定されるものではない。リード部２２ｂが線状体の場合は、φ３０μｍ〜φ１００μｍ、細幅板状体の箔状であって、リードフレーム形状の場合は、幅寸法が８０〜２００μｍ、厚さ寸法が１０μｍ〜６０μｍであることが好ましい。また、リード部２２の断面積は０．００１ｍｍ^２〜０．０３ｍｍ^２であることが望ましい。

このように、リード部２２ｂの材料の熱伝導率を５Ｗ/ｍ・Ｋ〜２５Ｗ/ｍ・Ｋで、かつ溶接が可能な材料を選定して、リード部２２ｂの断面積を０．００１ｍｍ^２〜０．０３ｍｍ^２にすることで、リード部２２ｂによるサーミスタ２の熱容量及び熱放散量を小さくし、高感度で、かつ熱応答性の優れた熱伝導式ガスセンサ１が実現可能となる。特に、リード部に箔状のものを用いるとその効果がより改善される。また、リード部２２ｂがサーミスタ２に溶接された状態で接続されているので、過電力による熱暴走の現象において、耐久性を確保することができる。

ベース部材４は、略円盤状に形成された金属製の部材であり、絶縁部材４１を介して導電端子部４２が挿通されている。この導電端子部４２には、サーミスタ２から導出されたリード部２２ｂが溶接、半田付け等で電気的に接続されている。絶縁部材４１は、ガラスや樹脂等の絶縁材料で形成されている。

なお、ベース部材４を絶縁材料で形成する場合には、絶縁部材４１を不要とすることができる。また、導電端子部４２は、プリント配線基板等で構成してもよい。

外装ケース５は、略円筒状に形成された熱伝導性が良好な金属製の部材であり、一端側が開口するとともに、他端側には通気部５１が設けられる円形状の開口部５２が形成されている。この外装ケース５は、その一端側が前記ベース部材４に取り付けられて、サーミスタ２を覆って保護する機能を有している。

通気部５１は、外風の影響を少なくし、ガスの流出入が可能な通気性を有する部材で形成されており、金網、不織布及び多孔性のスポンジ等の材料で構成するのが望ましい。通気部５１は、外装ケース５の内周側に圧入したり、接着したりして設けられる。また、通気部５１は、外装ケース５に設ける場合に限らない。ベース部材４に設けてもよいし、外装ケース５とベース部材４との間に隙間を形成して、この部分に設けるようにしてもよい。

なお、外装ケース５は、セラミック又は樹脂材料等で形成することができる。この場合、金属めっき等を施し、外装ケース５の内壁面に赤外線を反射する機能をもたせるようにしてもよい。
（ガス検出装置）

図３に示すように、ガス検出装置１０は、熱伝導式ガスセンサ１に電源（電圧源）Ｅが接続されて構成されている。具体的には、電源Ｅに直列に制限抵抗器１１としての固定抵抗器と熱伝導式ガスセンサ１（サーミスタ２）とが接続されて接続回路が構成され、制限抵抗器１１とサーミスタ２との中間に出力端子が接続されていて、この出力端子の電圧をセンサにかかる電圧としてセンサ電圧Ｖoutを検知する。

前記接続回路におけるサーミスタ２の電極間の電圧としてのセンサ電圧Ｖoutの検知は、図示しない電圧検知部によって行われるようになっている。この電圧検知部は、例えば、出力端子からの出力を受けセンサ電圧Ｖoutとして検知する機能を有していればよく、電子回路部などの機能的部分や部材が含まれ、格別特定の部分や部材に限定されるものではない。なお、勿論、前記接続回路におけるサーミスタ２の電極間の電流を検知するようにしてもよい。
制限抵抗器１１は、サーミスタ２が熱暴走状態のときに、回路に流れる電流を制限するための抵抗器である。

上記のような本実施形態の熱伝導式ガスセンサ１は、サーミスタ２における電極部２２ａには金属製のリード部２２ｂが溶接よって接合されているが、電極部に金属製のリード部を半田付けによって接合したものを比較例のガスセンサとして、本実施形態の熱伝導式ガスセンサ１と比較例のガスセンサとの両者の出力特性を比較測定してみた。

その結果、本実施形態の熱伝導式ガスセンサ１に対し、比較例のガスセンサは個々のガスセンサの出力特性のばらつきが大きいことが判明した。これは、比較例のガスセンサの場合、電極部とリード部との間には、溶加材（ろう材）としての介在物が存在し、この介在物の量的なばらつきが生じやすく、これが出力特性のばらつきに影響しているものと考えられる。

したがって、本実施形態の熱伝導式ガスセンサ１では、比較例のガスセンサのような介在物がないので、個々の熱伝導式ガスセンサ１の出力特性のばらつきを抑制することができ信頼性を高めることが可能となる。

次に、図４を参照してガス検出装置１０について具体的に説明する。本実施形態では、全体の制御を制御手段であるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」という）１２が実行するようになっている。マイコン１２は、概略的には、演算部及び制御部を有するＣＰＵ１３と、記憶手段であるＲＯＭ１４及びＲＡＭ１５と、入出力制御手段１６とから構成されている。そして、入出力制御手段１６には、電源回路１７が接続されている。また、電源回路１７には、図３に示す回路が接続されている。

電源回路１７は、前記電源Ｅを含んでいて、電源Ｅの電圧をサーミスタ２に印加してサーミスタ２に電力を供給制御する機能を有している。具体的には、マイコン１２の記憶手段に格納されたプログラムによって電源回路１７における電源Ｅからの供給電力が制御される。また、センサ電圧Ｖoutは、マイコン１２に入力され、演算処理されて検出出力として検出出力部O/Pに出力される。検出出力部O/Pは、表示手段や印刷手段である。さらに、入出力制御手段１６には、入力部I/Pが接続されている。入力部I/Pは、キーボード等の入力手段であり、必要に応じ電圧値や時間等の情報を入力して設定できるようになっている。

なお、本実施形態では、電源Ｅからの供給電力は、例えば、マイコン１２や電源回路１７によって構成される手段によって実行されるようになっている。この手段は、ガスセンサ１へ電力を供給する機能、具体的には電源Ｅからサーミスタ２へ電力を供給する機能を有していればよく、格別特定の部材や部分に限定されるものではない。

また、ガス検出装置１０は、サーミスタ２の薄膜サーミスタに過電力を供給してサーミスタ２を熱暴走状態にして、特定のガス（検出対象ガス）の濃度を検出するように構成されている。

熱暴走は、サーミスタに定電圧を印加した場合に、定格を守らないと急峻に温度が上昇し、電流が増加し続ける現象であり、サーミスタが破壊に至る現象である。すなわち、熱暴走状態は、サーミスタに電圧を印加すると、自己発熱していき、周囲の温度に応じた熱平衡温度に到達するが、それが定格電圧を超え過電圧である場合に、特性破壊が生じる可能性のある領域で起こる現象である。このような熱暴走状態を利用することにより、大きな検出出力を取得することができ、検出対象ガスの検出感度を高めることが可能となる。

具体的には、サーミスタ２の薄膜サーミスタに過電力を供給してサーミスタ２を熱暴走状態とするために、電源回路１７及び制限抵抗器１１から構成された電力供給回路Ｅｐが設けられている。例えば、電源回路１７によって印加される定電圧を、制限抵抗器１１の抵抗値を選択して、サーミスタ２に印加される電圧を調整し、サーミスタ２が熱暴走状態となるように過電圧を印加する。

したがって、電力供給回路Ｅｐの電源回路１７によって、制限抵抗器１１とサーミスタ２との接続回路に印加される定電圧や制限抵抗器１１の抵抗値を調整することにより、サーミスタ２を熱暴走状態とすることができる。

また、このサーミスタ２の熱暴走状態は、サーミスタ２が破壊に至らないように管理されている。つまり、サーミスタ２は、熱暴走状態の現象を生じるが、これに起因しては破壊には至らない。

サーミスタ２に接続される電力供給回路Ｅｐによって、熱暴走状態時にサーミスタ２に流れる電流が所定の電流値に制限されるようになっており、この制限は、主として制限抵抗器１１の抵抗値を調整することにより行われる。

したがって、サーミスタ２に接続される電力供給回路Ｅｐにおける電源Ｅや制限抵抗器１１等の接続要素により、サーミスタ２は破壊に至らないように管理されている。電力供給回路Ｅｐは、サーミスタ２が破壊に至らないように管理する熱暴走管理機能部としての機能を有し、サーミスタ２は熱暴走状態の現象を生じるが、破壊は防止されるようになっている。
（二酸化炭素ガス検出）

次に、図５乃至図７を参照してガス検出装置１０の動作について説明する。この実施形態では、検出対象ガスを二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスとする場合を示している。例えば、冷蔵庫内の二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを検出する例である。

まず、図５は、雰囲気（周囲）温度とサーミスタの印加電圧との関係を示している。横軸は周囲温度（℃）を示し、縦軸は印加電圧（Ｖ）示している。熱伝導式ガスセンサ１の周囲温度に対応した定電圧を印加して、サーミスタ２を熱暴走状態にする場合の測定データを表している。

この測定データから、周囲温度の上昇に従い印加電圧を低下するように印加電圧を調整することにより、熱暴走状態の制御が容易となることが分かる。例えば、周囲温度が１０℃の場合には、約３．３Ｖの電圧を印加することによりサーミスタ２を熱暴走状態とすることができる。したがって、周囲温度に対応した電圧をサーミスタ２に印加して熱暴走状態とすることにより安定した検出が可能となる。

なお、この場合、温度検知用感熱抵抗素子を設けて周囲温度を検知し、サーミスタ２に印加する電圧を決定することができる。構造的には、熱伝導式ガスセンサ１に温度検知用感熱抵抗素子を搭載し、すなわち、熱伝導式ガスセンサ１の外装ケース５内に、既述のサーミス２と、温度検知用感熱抵抗素子とを配設する。後述する図１４に示すものと同様な構造を採り得る。

図６及び図７は、ガス検出装置１０の出力特性を説明するための測定結果を示すグラフである。このガス検出にあたっては、サーミスタ２の熱暴走現象を利用している。
図６は、濃度の異なる二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス雰囲気でのセンサ温度、すなわち、サーミスタ２の温度を示し、図７は、同様にセンサ電圧を示している。

窒素（Ｎ_２）１００％（純Ｎ_２）、窒素（Ｎ_２）をベースとして二酸化炭素（ＣＯ_２）が５％、１０％、２０％含まれる雰囲気及び二酸化炭素（ＣＯ_２）１００％の雰囲気でのセンサの温度（℃）並びにセンサ電圧（Ｖ）を測定した。

図６において、横軸は時間（秒）を示し、縦軸はセンサ温度（℃）を示し、熱暴走のスタートから終了まで過程を示している。図に示すように熱暴走過程おいて、測定開始温度の２５℃から１２０℃以上に急峻に温度が上昇している。窒素（Ｎ_２）１００％を基準として、二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が高くなるに伴いセンサ温度が上昇していることが分かる。これは、窒素（Ｎ_２）の熱伝導率より二酸化炭素（ＣＯ_２）の熱伝導率が小さいことに起因している。つまり、二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が高くなると雰囲気の熱伝導率が小さくなり、サーミスタ２の熱放散が小さくなって温度の低下が少なくなるからである。

図７は、図６のセンサ温度に対応したセンサ電圧を示している。横軸は時間（秒）を示し、縦軸はセンサ電圧（Ｖ）を示している。窒素（Ｎ_２）１００％を基準として、二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が高くなるに伴いセンサ電圧が下降していることが分かる。センサ温度の変化とは逆の関係となっている。センサ温度の変化により、センサ（サーミスタ）の抵抗が変化し、この抵抗の変化がセンサ電圧として検知される。

図３及び図４を併せて参照して示すように、検出対象ガスの濃度の検出にあたっては、ガス検出装置１０を駆動し、電力供給回路Ｅｐによって、雰囲気中の熱伝導式ガスセンサ１のサーミスタ２に一定電圧の過電圧を印加する。これによりサーミスタ２は熱暴走状態となり、センサ温度が急峻に上昇し（図６参照）、センサ電圧が急峻に下降する（図７参照）。したがって、二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度に応じたセンサ電圧Ｖoutが得られる。また、このセンサ電圧Ｖoutの変化は急峻であるため、大きな電圧値として得ることができ、延いては感度を高くすることが可能となる。

センサ電圧Ｖoutは、マイコン１２に入力され、この入力に基づきセンサ出力が演算され、さらに、センサ出力から二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が算出されて、検出出力として検出出力部O/Pに出力される。なお、センサ出力（電圧）は、窒素（Ｎ_２）１００％とした場合のセンサ電圧を基準（ゼロレベル）として、これと比較した電圧差である。したがって、検出対象ガスとしての二酸化炭素（ＣＯ_２）を検出するために、予め基準となるガス（窒素１００％）の出力の測定が行われている。

マイコン１２の記憶手段には、二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度に応じたセンサ出力の変化のパターンが予め記憶され格納されていて、マイコン１２は、得られたセンサ出力のパターンと予め記憶され格納されている濃度のパターンとを比較演算する動作を行い、検出出力として二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度を算出し出力する。このようにサーミスタ２の熱暴走現象を利用することにより、センサ出力の変化を大きく取ることができ、二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度を高感度で検出することができる。

したがって、上記のようなガス検出方法は、サーミスタ２に過電力を供給してサーミスタ２を熱暴走状態にするステップと、熱暴走状態において検出対象ガスを検出するステップと、を有している。また、熱暴走状態にするステップの後に、サーミスタ２を冷却するステップを有し、熱暴走過程及び冷却過程を１サイクルとして間欠運転が可能となっている。

再び図６及び図７を参照して、検出対象ガスの濃度に応じた最適な条件の設定について説明する。測定（検出）開始時のサーミスタ２の温度（測定開始温度：本例では２５℃）と測定開始時からの経過時間（検出時間）を設定することで、検出対象ガスの濃度範囲に応じた感度の高い検出をすることができる。

図７に示すように、窒素（Ｎ_２）１００％（純Ｎ_２）のセンサ電圧の変化を示す曲線を基準として、この曲線との電圧差が大きい時点が、感度の良好な検出時間といえる。したがって、例えば、検出時間を１０秒と設定すると二酸化炭素（ＣＯ_２）濃度２０％〜１００％の範囲を正確に精度よく検出できる。また、検出時間を３０秒と設定すると二酸化炭素（ＣＯ_２）濃度０％〜５％の範囲を正確に精度よく検出できる。

いずれの場合も熱暴走過程での温度差及び電圧差が最も大きくなる検出時間であり、高感度となる最適な条件であることが分かる。検出時間の最適な条件の設定は、マイコン１２に接続された入力部I/Pから行うことができ、この設定に基づいて検出出力が検出出力部O/Pから出力される。また、測定開始温度は、後述する温度コントロールユニット等で設定することができる。

以上のように熱暴走状態では、測定開始時から４５秒以降の定常状態よりも温度差及び電圧差が大きくなり高感度となる。したがって、前記検出の開始時からの経過時間としての検出時間を設定することにより検出対象ガスを高感度で検出することができる。このような熱暴走状態特有の特性を活用することで高感度と濃度検出の範囲が広いワイドレンジ検出の両立が可能となる。また、熱暴走過程及び冷却過程を１サイクルとして間欠運転による検出ができ、消費電力を抑えることが可能となる。
（混在ガス中の検出対象ガス検出）

サーミスタ２の熱暴走現象を利用する熱伝導式ガスセンサ１を有するガス検出装置１０は、熱伝導の大きいガスと熱伝導が小さいガスが混在している場合であっても、熱暴走状態となる動作温度を設定することで検出対象ガスの濃度を正確に検出することができる。

図８及び図９を参照して、大気中の水素（Ｈ_２）ガスを検出対象ガスとして濃度を検出する場合について説明する。図８は、気体の熱伝導率の温度依存性を示す表であり、図９は、同グラフである。窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水素（Ｈ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）について、０℃〜３００℃までの熱伝導率の変化を示している。水素（Ｈ_２）は熱伝導の大きいガスに相当し、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）は熱伝導の小さいガスに相当する。

図９において、横軸は温度（℃）を示し、縦軸は熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を示している。図９に示すように、各ガスともに温度が上昇するに従い熱伝導率が大きくなる傾向にあることが分かる。

ここで、温度０℃〜３００℃の範囲で大気の主成分である窒素（Ｎ_２）を基準として、各ガスとの熱伝導率の比率を検討してみる。水素（Ｈ_２）の場合は、窒素（Ｎ_２）との比率は僅かながら大きくなるが大きな変化はない。一方、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）は、温度が上昇するに従い窒素（Ｎ_２）との比率は小さくなり、熱伝導率の差異が小さくなる傾向にある。温度が３００℃の付近では、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の熱伝導率は、窒素（Ｎ_２）の熱伝導率に近い値となる。

したがって、水素（Ｈ_２）ガスの濃度を検出する場合、雰囲気温度の３００℃付近でサーミスタ２が熱暴走状態となるように、過電圧を印可してサーミスタ２の動作温度を設定する。これにより、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の影響を極めて小さくでき、水素（Ｈ_２）の濃度を精度よく検出することが可能となる。

具体的な検出方法は、既述と同様であり、窒素（Ｎ_２）をベースとして、温度が３００℃の付近の窒素（Ｎ_２）のセンサ電圧を基準に、これと水素（Ｈ_２）のセンサ電圧とを比較した電圧差であるセンサ出力により、水素（Ｈ_２）の濃度を算出し出力する。

したがって、このガス検出方法は、検出対象ガスと、複数の検出対象以外のガスとが混在する雰囲気であって、複数の検出対象以外のガスの熱伝導率が近い値になる雰囲気の温度において、サーミスタ２が熱暴走状態となるように、過電圧を印可してサーミスタ２の動作温度を設定して検出対象ガスの濃度を検出するものである。

また、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）熱伝導率は１００℃〜３００℃の範囲で差異が小さくほぼ同じ傾向にあるので、この２つのガスを識別して濃度を検出することは困難である。しかしながら、例えば、雰囲気温度を０℃に設定し、この場合にサーミスタ２が熱暴走状態となるように印可電圧を設定することにより、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の影響を低減できるので二酸化炭素（ＣＯ_２）の検出が容易となる。雰囲気温度が０℃の状態では、飽和水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の濃度は６，０２５ｐｐｍとなり極めて微量となるからである。

以上のようにサーミスタ２の熱暴走現象を利用することにより、センサ出力の変化を大きく取ることができ、検出対象ガス以外のガスが混在する場合であっても、外乱ガスの影響を小さくして、検出対象ガスの濃度を高感度で検出することができる。
（水素ガス検出）
図１０乃至図１２を参照して水素（Ｈ_２）ガスの濃度を検出する場合について説明する。

図１０乃至図１２は、ガス検出装置１０の出力特性を説明するための測定結果を示すグラフであり、図１０は、水素（Ｈ_２）ガスのセンサ出力電圧と濃度との関係、図１１は、濃度の異なる水素（Ｈ_２）ガス雰囲気でのセンサ温度、図１２は、濃度の異なる水素（Ｈ_２）ガス雰囲気でのセンサ出力電圧を示している。ガスの濃度の検出は、サーミスタ２の熱暴走現象を利用している。

図１０において、横軸は水素（Ｈ_２）ガス濃度（ｐｐｍ）を示し、縦軸はセンサ出力電圧（ｍＶ）を示している。水素（Ｈ_２）ガス濃度が上昇するに従いセンサ出力電圧が大きくなる。この場合、熱暴走現象を利用しているので、センサ出力の変化を大きく取ることができ、検出対象ガスとしての水素（Ｈ_２）ガスの濃度を高感度で検出することができる。また、水素（Ｈ_２）ガス濃度検出の範囲が広く１００ｐｐｍ〜１３，０００ｐｐｍのワイドレンジ検出が可能となる。

図１１及び図１２に示すように、窒素（Ｎ_２）１００％（純Ｎ_２）、窒素（Ｎ_２）をベースとして水素（Ｈ_２）が０．７％〜４％含まれる雰囲気でのセンサの温度（℃）及びセンサ出力電圧（Ｖ）を測定した。

図１１において、横軸は時間（秒）を示し、縦軸はセンサ温度（℃）を示している。図に示すように熱暴走状態において、急峻に温度が上昇している。窒素（Ｎ_２）１００％を基準として、水素（Ｈ_２）の濃度が高くなるに伴いセンサ温度が下降していることが分かる。これは、窒素（Ｎ_２）の熱伝導率より水素（Ｈ_２）の熱伝導率が大きいことに起因している。つまり、水素（Ｈ_２）の濃度が高くなると雰囲気の熱伝導率が大きくなり、サーミスタ２の熱放散が大きくなって温度の低下の度合いが大きくなるからである。

図１２は、図１１のセンサ温度に対応したセンサ出力電圧を示している。横軸は時間（秒）を示し、縦軸はセンサ出力電圧（Ｖ）を示している。窒素（Ｎ_２）１００％を基準（ゼロレベル）として、水素（Ｈ_２）の濃度が高くなるに伴いセンサ出力電圧が上昇していることが分かる。センサ温度の変化とは逆の関係となっている。センサ温度の変化により、センサ（サーミスタ）の抵抗が変化し、この抵抗の変化がセンサ電圧として検知され、さらに、窒素（Ｎ_２）１００％を基準（ゼロレベル）とするセンサ電圧の電圧差がセンサ出力電圧として検出されている。

このようにサーミスタ２の熱暴走現象を利用することにより、センサ出力の変化を大きく取ることができ、水素（Ｈ_２）の濃度を高感度で検出することができる。
なお、以降の実施形態の図において、本実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し重複する説明は省略する。
＜第２の実施形態＞

図１３及び図１４を参照して第２の実施形態について説明する。本実施形態は、熱伝導式ガスセンサ１を一定の温度に温度調節し保持した状態で、サーミスタ２に定電圧を印加して熱暴走状態とするガス検出方法である。したがって、サーミスタ２を熱暴走状態にするステップの前に、熱伝導式ガスセンサ１を一定の温度にするステップを含んでいる。

熱伝導式ガスセンサ１の温度を一定にすることで雰囲気温度の影響を抑制できる。したがって、熱暴走状態の制御が容易となり安定した検出ができ、高感度とワイドレンジ検出の両立が可能となる。熱伝導式ガスセンサ１の一定の温度の制御は±０．１℃以下にすることが望ましい。

図１３及び図１４に示すように熱伝導式ガスセンサ１を一定の温度に温度調節する方法には、温度調節素子が用いられる。温度調節素子は、例えば、熱電素子としてのペルチェ素子や加熱素子としてのヒータがある。
（熱電素子）

図１３には熱伝導式ガスセンサ１を一定の温度に保持する温度調節素子として熱電素子Ｔｅが備えられたガス検出装置１０の構成例が示されている。この構成例では、ガスセンサ１を一定の温度に保持する加熱及び／又は冷却装置として、熱電素子Ｔｅを内蔵する温度コントロールユニット１８を示している。具体的には、このガス検出装置１０は、図４に示されたマイコン１２や電源回路１７が収容された検出回路部１０ａと、温度コントロールユニット１８とを備えている。

検出回路部１０ａは、筐体の中に回路部品が収納されており、前面側には表示パネル１０ｐや操作ボタン１０ｍが設けられていて、電線によって熱伝導式ガスセンサ１が接続されている。

温度コントロールユニット１８は、冷却、加熱制御が可能な温度調節器であり、熱電素子Ｔｅとしてペルチェ素子が内蔵されており、−２０℃〜＋８０℃の範囲で温度設定が可能となっている。ペルチェ素子は、加熱及び／又は冷却素子として機能する。

また、温度コントロールユニット１８の上面の図示しないプレート上には、銅等の熱伝導が良好な材料から形成された設置部材１８ａが配置されている。この設置部材１８ａには、熱伝導式ガスセンサ１の挿入孔１８ｂ及び雰囲気のガスが流通可能な流通孔１８ｃが形成されている。

前記挿入孔１８ｂには、熱伝導式ガスセンサ１が挿入され、挿入された状態では流通孔１８ｃによって、熱伝導式ガスセンサ１の通気部５１からガスが流出入し、ガスを検出できるようになっている。
以上の構成によれば、温度コントロールユニット１８を駆動して熱電素子Ｔｅにより熱伝導式ガスセンサ１を一定の温度に温度調節することができる。
（加熱素子）

図１４には熱伝導式ガスセンサ１を一定の温度に保持する温度調節素子として加熱素子であるヒータコイルを設けた構成例が示されている。図１４は、熱伝導式ガスセンサを示す断面図である。

図１１に示すように、外装ケース５の周囲には加熱素子としてヒータコイルＨｃが巻回されている。また、熱伝導式ガスセンサ１には温度検知用感熱抵抗素子２ｔが搭載されていて、外装ケース５内には、既述のサーミスタ２と、温度検知用感熱抵抗素子２ｔが配設されている。温度検知用感熱抵抗素子２ｔは、ヒータコイルＨｃの加熱温度を制御する。また、温度調節用感熱抵抗素子２ｔは、サーミスタ２と同様に薄膜のサーミスタである。

このような構成により、熱伝導式ガスセンサ１のサーミスタ２は、温度検知用感熱抵抗素子２ｔにより加熱温度が制御されたヒータコイルＨｃによって、一定の温度に温度調節される。
＜第３の実施形態＞

図１５及び図１６を参照して第３の実施形態のガス検出装置について説明する。図１５は、ガス検出装置を示す構成例であり、図１６は、ガス検出装置を示すブロック系統図である。

本実施形態は、熱伝導式ガスセンサ及び検出対象ガスを同一空間内に収容する密閉空間形成部を備えていて、密閉空間形成部内の検出対象ガスの熱伝導率により、サーミスタの抵抗変化を検出し、検出対象ガスの濃度を検出する。

図に示すようにガス検出装置１０は、熱伝導式ガスセンサ１、温度コントロールユニット１８、検出回路部１０ａ、データ処理部１９、密閉空間形成部２０を備えている。なお、検出回路部１０ａ及びデータ処理部１９は、温度コントロールユニット１８内に設けられている。

温度コントロールユニット１８は、熱伝導式ガスセンサ１を一定の温度に保持するものであり、加熱及び／又は冷却装置として、温度調節素子である熱電素子Ｔｅが内蔵されている。温度コントロールユニット１８は、冷却、加熱制御が可能な温度調節器であり、熱電素子Ｔｅとしてペルチェ素子が内蔵されており、−２０℃〜＋８０℃の範囲で温度設定が可能となっている。なお、加熱素子としてはヒータ等が適用できる。また、一定の温度は±０．１℃以下の精度であることが望ましい。

さらに、温度コントロールユニット１８の上面の図示しないプレート上には、銅等の熱伝導が良好な材料から形成された熱伝導式ガスセンサ１の設置部が設けられており、この設置部からの熱が熱伝導式ガスセンサ１に伝導されるようになっている。

検出回路部１０ａは、回路部品を有して電線によって熱伝導式ガスセンサ１が接続されている。また、検出回路部１０ａには、検出回路部１０ａからの検出出力データを処理するためにデータ処理部１９が接続されている。

密閉空間形成部２０は、箱型容器状の金属製又は樹脂製の密閉収容体２０ａで形成されており、本実施形態では、温度コントロールユニット１８の上面に設けられている。この密閉収容体２０ａは、内部空間を密閉的に確保できるものであり、内部に熱伝導式ガスセンサ１及び検知対象物Ｇが収容され配置されるようになっている。

また、密閉収容体２０ａの一側面側は、蓋部２１ｃとなっていて、ヒンジ機構２１ｂにより開閉可能であり、クランプ機構２１ｄで閉塞状態を保持できるようになっている。つまり、蓋部２１ｃの開閉により密閉収容体２０ａは開閉でき、検知対象物Ｇを密閉状態で収容したり、取り出したりすることが可能となっている。なお、蓋部２１ｃは複数箇所に設けるようにしてもよい。

さらに、密閉収容体２０ａの前面側には、熱伝導式ガスセンサ１が密閉収容体２０ａの内部空間に配置されるように取付けられている。したがって、密閉空間形成部２０である密閉収容体２０ａに熱伝導式ガスセンサ１及び検知対象物Ｇが収容された状態においては、熱伝導式ガスセンサ１及び検知対象物Ｇは密閉された同一空間に配置され、検知対象物Ｇからリークする微量のガス（検出対象ガス）は、密閉収容体２０ａによって区画された内部に拡散し、そのガスの熱伝導率に従い熱伝導式ガスセンサ１によってガスの濃度が検出される。なお、密閉空間形成部２０の密閉が真空引きした時の真空度１０００Ｐａ以下であることが望ましい。ガスの検出には密閉度を一定のレベルにすることが必要である。

次に、ガス検出装置１０の動作について説明する。本実施形態では、密閉空間形成部２０に収容された検知対象物Ｇからリークする特定の微量のガスの濃度を検出する場合について説明する。基本的な動作は、第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は省略する場合がある。

ガスの検出測定にあたっては、熱伝導式ガスセンサ１を温度コントロールユニット１８によって一定の温度に保持する。次いで、密閉空間形成部２０である密閉収容体２０ａに検知対象物Ｇを収容し配置すると、検知対象物Ｇからリークする特定のガスは、密閉収容体２０ａの内部に拡散する。

ガス検出装置１０の駆動により、サーミスタ２に過電圧が印加され、サーミスタ２が熱暴走状態となり、この熱暴走状態において、リークする検出対象ガスの固有の熱伝導率により、サーミスタ２の熱放散の状態の変化を温度変化として検出し、この温度変化をサーミスタ２の抵抗変化として検出し、リークする検出対象ガスの濃度を検出する。なお、サーミスタ２に過電力を供給して、熱暴走状態にすることにより、微量の検出対象ガスの濃度であっても、センサ出力の変化を大きくとることができ、検出対象ガスの濃度検出の向上が期待できる。

上記の検知対象物Ｇとしては、例えば、リチウムイオンポリマー電池Ｂｔが適用でき、リチウムイオンポリマー電池Ｂｔの検査に関係する測定を行うことができる。具体的には、リチウムイオンポリマー電池Ｂｔの水素（Ｈ_２）ガスのリークに関する測定である。図１６に示すようにリチウムイオンポリマー電池Ｂｔを密閉収容体２０ａ内に配置し、拡散する水素（Ｈ_２）ガスのリークを固有の熱伝導率に基づき検出する。

以上のように本実施形態によれば、密閉空間形成部２０の同一空間内に熱伝導式ガスセンサ１及び検出対象ガスを収容する構成である。したがって、密閉空間形成部２０に検知対象物Ｇを収容し、検知対象物Ｇからリークする特定のガスを密閉空間形成部２０内に拡散させて、特定のガスを検出する。よって、格別に強制的に特定のガスを導入する手段を用いることなく、特定のガスの拡散現象、熱伝導率及びサーミスタ２の熱暴走現象を利用して、微量の特定のガスについて高感度で濃度の検出を行うことができる。
＜第４の実施形態＞

図１７及び図１８を参照して第４の実施形態のガス検出装置について説明する。図１７は、ガス検出装置を示す構成例であり、図１８は、ガス検出装置を示すブロック系統図である。なお、第３の実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し重複する説明は省略する。

本実施形態と第３の実施形態のガス検出装置１０とは、密閉空間形成部２０の構成が異なっている。本実施形態の密閉空間形成部２０は、検知対象物Ｇが配置される密閉収容体２０ａと、密閉収容体２０ａと熱伝導式ガスセンサ１側とを密閉的に連通状態に繋ぐパイプ部２０ｂとを有して形成されている。

さらに、温度コントロールユニット１８の上面の図示しないプレート上には、銅等の熱伝導が良好な材料から形成された熱伝導式ガスセンサ１の設置部として設置部材１８ａが配置されている。この設置部材１８ａには、熱伝導式ガスセンサ１の挿入孔１８ｂ及び雰囲気のガスが流通可能な流通孔１８ｃが形成されている。

前記挿入孔１８ｂには、熱伝導式ガスセンサ１が挿入され、挿入された状態では流通孔１８ｃによって、熱伝導式ガスセンサ１の通気部５１からガスが流出入し、ガスを検出できるようになっている。

具体的には、密閉空間形成部２０は、熱伝導式ガスセンサ１が設置される設置部として設置部材１８ａと、検知対象物Ｇが収容され配置される密閉収容体２０ａと、熱伝導式ガスセンサ１側である設置部材１８ａと密閉収容体２０ａとを密閉的に連通するパイプ部２０ｂと、から構成されている。

詳しくは、設置部材１８ａの流通孔１８ｃと、密閉収容体２０ａの内部空間と、パイプ部２０ｂの内側連通路が連通されて密閉空間が形成される。密閉収容体２０ａは、金属又は樹脂材料で作られた箱型容器であり、内部空間を密閉的に確保できるものである。内部に検知対象物Ｇ、例えば、リチウムイオンポリマー電池Ｂｔ等が収容され配置されるようになっている。また、密閉収容体２０ａの上面は、蓋部２１ｃとなっていて、ねじ等の取り外し可能な固定手段２１ａによって蓋部２１ｃは着脱できるようになっている。つまり、蓋部２１ｃの着脱により密閉収容体２０ａは開閉でき、検知対象物Ｇを密閉状態で収容したり、取り出したりすることが可能となっている。

パイプ部２０ｂは、金属製又は樹脂製の細長い管であり、一端側が設置部材１８ａの流通孔１８ｃに接続され、他端側が密閉収容体２０ａに接続されるようになっている。したがって、流通孔１８ｃと密閉収容体２０ａの内部空間とは、パイプ部２０ｂによって連通し、密閉収容体２０ａに検知対象物Ｇが収容された状態においては、ガスセンサ１と密閉収容体２０ａの内部空間に収容された検知対象物Ｇとは、連通した同一空間の密閉空間形成部２０に収容され配置されるようになる。また、パイプ部２０ｂの連通路の途中には、連通路を開閉可能な開閉部２０ｃが設けられている。この開閉部２０ｃには開閉コック等が適用できる。なお、開閉部２０ｃは、パイプ部２０ｂの連通路の途中に複数箇所に設けるようにしてもよい。

ガスの検出測定は、第３の実施形態と同様である。検知対象物Ｇを密閉収容体２０ａ内に配置する。パイプ部２０ｂを連通状態とし、熱伝導式ガスセンサ１と検知対象物Ｇとを連通した同一空間に配置されるようにする。

検知対象物Ｇからリークする検出対象ガスは、拡散して、パイプ部２０ｂの連通路を通過して、設置部材１８ａの流通孔１８ｃを経て、熱伝導式ガスセンサ１に接触するようになる。ガス検出装置１０の駆動により、サーミスタ２が熱暴走状態となり、この熱暴走状態において、リークする検出対象ガスの固有の熱伝導率により、サーミスタ２の熱放散の状態の変化を温度変化として検出し、リークする検出対象ガスの濃度を検出する。

以上のように本実施形態によれば、第３の実施形態と同様な効果を奏することができる。また、検出対象ガスの種類によって、そのガスの拡散速度が異なることから、拡散速度が異なることを利用して、パイプ部２０ｂにおける開閉部２０ｃの開閉のタイミングを調節し、特定のガスの濃度を検出することが可能となる。
＜第５の実施形態＞

図１９乃至図２２を参照して第５の実施形態のガス検出装置について説明する。本実施形態は、熱伝導式ガスセンサと、特定のガス分子が吸着、脱離される多孔性のガス分子吸着材料を用いたガスセンサ（以下「多孔性吸着式ガスセンサ」という。）との双方の機能を兼ね備える複合的ガスセンサに関するものである。また、サーミスタに過電力を印加して、サーミスタの熱暴走現象を利用して、高感度で検出対象ガスの濃度の検出を行うことができる。
したがって、熱伝導式ガスセンサと、多孔性吸着式ガスセンサとの双方の特徴を生かした高感度のガス検出装置の実現が可能となる。
また、熱伝導式ガスセンサと、多孔性吸着式ガスセンサとの２つのガスセンサを使用することで、より多くの種類のガスを検知することも可能となる。
（実施例１）
図１９及び図２０を参照して説明する。図１９及び図２０は、ガスセンサを示す断面図である。

図１９に示すようにガスセンサ１の外装ケース５内には、熱伝導式ガスセンサとして機能するサーミスタ２、及び多孔性吸着式ガスセンサとして機能するサーミスタ２ｐが配設され搭載されている。熱伝導式ガスセンサ側のサーミスタ２は、第１の実施形態の構成と同様（図１及び図２参照）であるので、その説明は省略する。

一方、多孔性吸着式ガスセンサ側のサーミスタ２ｐは、図２０に示すように熱伝導式ガスセンサ側のサーミスタ２とは、ガス分子吸着材料３がサーミスタ２ｐに熱的に結合されて設けられている点が異なっている。

ガス分子吸着材料３は、サーミスタ２ｐの表面に膜状に成膜されて形成されている。詳しくは、ガス分子吸着材料３は、保護絶縁層２４の表面及び基板２１の他面側（裏面側）の表面に成膜された状態で保持されている。したがって、サーミスタ２ｐとガス分子吸着材料３とは、保護絶縁層２４及び基板２１を介して薄膜素子層２３と熱的に結合されている。つまり、サーミスタ２ｐとガス分子吸着材料３との間は、相互に熱が伝導されるようになっている。

ガス分子吸着材料３は、多孔性の吸着材料であり、例えば、Ａ型ゼオライトのモレキュラーシーブ３Ａ（細孔の直径０．３ｎｍ）がサーミスタ２の表面に膜状に成膜されて形成されている。このガス分子吸着材料３の厚さ寸法は１μｍ〜５μｍとなっている。このように極めて薄い機能膜をサーミスタ２ｐに成膜が可能となることで、熱容量が小さくなり高感度で、かつ熱応答性の優れた多孔性吸着式ガスセンサが実現可能となる。

また、ガス分子吸着材料３には、検出対象ガスに応じてモレキュラーシーブ４Ａ、５Ａ、１３Ｘ、ハイシリカタイプのゼオライト、金属イオンを置換した銀ゼオライト等や多孔性金属錯体を用いることができる。

ガス分子吸着材料３は、Ａ型ゼオライトのモレキュラーシーブ３Ａ（細孔の直径０．３ｎｍ）が用いられている。このガス分子吸着材料３は、分子ふるい効果を生じ、分子の直径が細孔の直径より小さい分子しか吸着しない。したがって、雰囲気中の水素（Ｈ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、水蒸気（水分子）（Ｈ_２Ｏ）及びアンモニア（ＮＨ_３）を吸着するが、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）は吸着しない。したがって、分子の大きさによって選択的にガスを検出することができ、検出対象ガスの選択性を高めることが可能となる。

また、ガス分子吸着材料３は、分子を吸着、脱離することにより反応熱を伴い温度が変化する。したがって、ガス分子が水素（Ｈ_２）の場合、ガス分子吸着材料３を加熱して水素（Ｈ_２）を脱離させると温度が上昇して変化する現象が生じる。

サーミスタ２ｐに過電圧が印加され電力が供給されると、サーミスタ２ｐに通電されて電力が供給され、サーミスタ２ｐは自己加熱し、熱暴走状態となり、サーミスタ２ｐと熱的に結合されたガス分子吸着材料３は加熱状態となる。なお、ガス分子吸着材料３はサーミスタ２ｐと熱的に結合されているが、電気的には接続されておらず、非通電の状態である。

ガス分子吸着材料３が加熱状態となると、ガス分子吸着材料３に吸着していた水素（Ｈ_２）は脱離してガス分子吸着材料３自体の温度が濃度に応じて変化する。このため、水素（Ｈ_２）の濃度に従ってサーミスタ２ｐの温度（センサ温度）が変化し、水素（Ｈ_２）濃度に従ってセンサ電圧が変化する。このように水素（Ｈ_２）の濃度に従って、センサ温度、センサ電圧、センサ出力が変化するため、水素（Ｈ_２）の濃度を検出することが可能となる。

以上のようなガスセンサ１を有するガス検出装置において、熱伝導式ガスセンサとして機能するサーミスタ２と多孔性吸着式ガスセンサとして機能するサーミスタ２ｐとを回路上切換えて駆動できるように構成されている。

したがって、熱伝導式ガスセンサと、多孔性吸着式ガスセンサとの双方の特徴を生かした高感度のガス検出装置の実現が可能となり、例えば、検出対象ガスが低濃度の１ｐｐｍ〜１００ｐｐｍの場合は多孔性吸着式ガスセンサで検出し、高濃度の１００ｐｐｍ〜数％の場合は熱伝導式ガスセンサで検出する。よって、熱伝導式ガスセンサ又は多孔性吸着式ガスセンサに適したガス検出方法を採ることができる。
（実施例２）
図２１及び図２２を参照して説明する。図２１は、ガスセンサを示す断面図であり、図２２は、印加電圧とセンサ出力電圧との関係を示している。

図２１は、多孔性吸着式ガスセンサ１を示している。この多孔性吸着式ガスセンサ１は、前述の実施例１において説明した多孔性吸着式ガスセンサとして機能する検知用サーミスタ２ｐを備えている。

図２２においては、サーミスタ２ｐの印加電圧と窒素（Ｎ_２）をベースとして水素（Ｈ_２）が濃度１００ｐｐｍの場合のセンサ出力電圧との関係を示しており、横軸は印加電圧（Ｖ）を示し、縦軸はセンサ出力電圧（ｍＶ）示している。印加電圧は、サーミスタ２ｐが熱暴走状態となる過電圧である。

図に示すように、印加電圧５．３Ｖ以上の範囲はセンサ出力電圧が大きく表れず、これに対し印加電圧５．３Ｖ未満の範囲はセンサ出力電圧が大きく表れている。これは、印加電圧５．３Ｖ未満の範囲では、多孔性吸着式ガスセンサとしてガスを検出する機能が支配的であり、印加電圧５．３Ｖ以上の範囲では、熱伝導式ガスセンサとしてガスを検出する機能が支配的になるためであると考えられる。つまり、印加電圧５．３Ｖ未満の範囲では熱暴走状態の時間が長く、このためガス分子吸着材料３の表面のみならず、中に深く吸着したガスを含めて反応に寄与する。一方、印加電圧５．３Ｖ以上の範囲では、熱暴走状態の時間が短く、ガス分子吸着材料３の表面のみの反応にとどまり、ガスの熱伝導率に基づく熱伝導式ガスセンサとしての機能が優先され支配的になるからであると考えられる。

したがって、サーミスタ２ｐの印加電圧を変えることにより、例えば、検出対象ガスが低濃度の１ｐｐｍ〜１００ｐｐｍの場合は多孔性吸着式ガスセンサとして機能させて検出し、高濃度の１００ｐｐｍ〜数％の場合は熱伝導式ガスセンサとして機能させて検出することができる。

このようなガス検出方法は、サーミスタ２ｐと熱的に結合されるとともに、加熱により特定のガス分子が脱離される多孔性のガス分子吸着材料３とを備え、サーミスタ２ｐに過電力を供給してサーミスタ２ｐを熱暴走状態する多孔性吸着式ガスセンサ１のガス検出方法であって、サーミスタ２ｐの印加電圧を変えることにより、ガス分子吸着材料３に特定のガス分子が脱離する反応によりガスを検出する機能と、ガス固有の熱伝導率によりガスを検出する熱伝導式ガスセンサとしての機能を選択できるようにしたものである。

以上のように本実施形態のガス検出装置では、サーミスタ２ｐの熱暴走現象を利用して、高感度で検出対象ガスの濃度を検出できるとともに、サーミスタ２ｐの印加電圧を変えることにより、熱伝導式ガスセンサと多孔性吸着式ガスセンサとの双方の機能を選択的に備える多孔性吸着式ガスセンサ１、ガス検出装置及びガス検出方法を提供することが可能となる。
＜別の実施形態＞

図２３乃至図２７を参照して熱伝導式ガスセンサ及びガス検出装置の別の実施形態について説明する。なお、上記各実施形態と同様に、サーミスタを熱暴走状態として高感度のガス検出を行うものである。また、上記各実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し重複する説明は省略する。
（実施例１）

図２３及び図２４に示す熱伝導式ガスセンサ１は、ＭＥＭＳ構造のガスセンサである。サーミスタ２を構成するＭＥＭＳチップは、シリコン（Ｓｉ）基板２１の空洞部２１ａ上に形成された絶縁膜２１ｂに自己加熱可能なサーミスタ２が設けられて構成されている。

このようなＭＥＭＳ構造のガスセンサ１によれば、さらなる消費電力の低減と応答性の良好なセンサを実現できる。電池駆動のガス検知器に用いるのに最適である。
（実施例２）
図２５は、熱伝導式ガスセンサを示す断面図であり、図２６は、ガス検出装置の特性検出用の模式的な結線図である。

図２５に示すように、本実施例の熱伝導式ガスセンサ１は、一対のサーミスタを備えている。つまり、検知用サーミスタ２と補償用サーミスタ２ｃとが外装ケース５に覆われて設けられている。また、補償用サーミスタ２ｃ側を外装ケース５によって密閉状態にし、この密閉空間に補償用サーミスタ２ｃを収容したものである。これにより、検知用サーミスタ２側と補償用サーミスタ２ｃ側とを略同一の構成とすることができ、補償用サーミスタ２ｃは雰囲気の検出対象ガスの影響を受けることがないので、良好な温度補償が実現でき高精度の検出が可能となる。

図２６に示すように、ガス検出装置１０は、熱伝導式ガスセンサ１に電源（電圧源）Ｅが接続されてブリッジ回路が構成されている。出力電圧Ｖout１とＶout２との差動出力を検出できるようになっている。

検知用サーミスタ２及び固定抵抗器１１ａの直列回路と、補償用サーミスタ２ｃ及び可変抵抗器１１ｂの直列回路とが電源Ｅに対して制限抵抗器１１を介して並列に接続されている。また、各直列回路の中間に出力端子が接続されていて、出力電圧Ｖout１及びＶout２としてその差動出力を検出できるようになっている。したがって、検知用サーミスタ２の電極間の電圧としてのセンサ電圧Ｖout１及び補償用サーミスタ２ｃの電極間の電圧としてのセンサ電圧Ｖout２の検知は、既述の電圧検知部によって行われる。
なお、可変抵抗器１１ｂは、検知用サーミスタ２及び補償用サーミスタ２ｃの抵抗値にばらつきがある場合のブリッジバランスを調整する機能を有している。
（実施例３）

図２７は、ガス検出装置の特性検出用の模式的な結線図である。図２７に示すように、ガス検出装置１０は、熱伝導式ガスセンサ１に電源（電圧源）Ｅが接続されてフルブリッジ回路が構成されている。出力電圧Ｖout１とＶout２との差動出力を検出できるようになっている。

検知用サーミスタ２-1及び補償用サーミスタ２ｃ-1の直列回路と補償用サーミスタ２ｃ-2及び検知用サーミスタ２-2の直列回路とが電源Ｅに対して制限抵抗器１１を介して並列に接続されている。また、センサ電圧Ｖout１及びセンサ電圧Ｖout２の検知は、電圧検知部によって行われる。
このようにフルブリッジ回路を構成することにより、出力を概ね２倍にすることができ、さらに高感度化して高精度の検出が可能となる。

上記各実施形態のガスセンサ及びガス検出装置は、検出対象ガスが限定されるものではなく、水素（Ｈ_２）、水蒸気（水分子）（Ｈ_２Ｏ）、ヘリウム（Ｈｅ）及びアンモニア（ＮＨ_３）等を検出することができ、医療機器、自動車、家電機器やＯＡ機器、食品貯蔵機器等の各種装置に備えられ適用することができる。格別適用される装置が限定されるものではない。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・・熱伝導式ガスセンサ
２・・・・検知用サーミスタ
２ｃ・・・補償用サーミスタ
２ｐ・・・検知用サーミスタ（多孔性吸着式ガスセンサ）
２ｔ・・・温度検知用感熱抵抗素子
３・・・・ガス分子吸着部材
４・・・・ベース部材
５・・・・外装ケース
１０・・・ガス検出装置
１０ａ・・検出回路部
１１・・・制限抵抗器
１２・・・マイコン
１７・・・電源回路
１８・・・温度コントロールユニット
１９・・・データ処理部
２０・・・密閉空間形成部
２０ａ・・密閉収容体
２０ｂ・・パイプ部
２０ｃ・・開閉部
２１・・・基板
２２・・・導電層
２２ａ・・電極部
２２ｂ・・リード部
２３・・・薄膜素子層
２４・・・保護絶縁層
４２・・・導電端子部
５１・・・通気部
Ｅｐ・・・電力供給回路
Ｇ・・・・検知対象物
Ｈｃ・・・ヒータコイル
Ｔｅ・・・熱電素子

本発明の実施形態によるガス検出装置は、熱伝導式ガスセンサのガス検出装置であって、少なくとも一対の電極部を有するサーミスタと、前記サーミスタに接続された抵抗器とを有する接続回路と、
前記接続回路に定電圧を印加するとともに、前記サーミスタに過電力を供給して前記サーミスタを熱暴走状態にする電力供給回路と、
前記接続回路における前記サーミスタの電極間の電圧を検知する電圧検知部と、を具備することを特徴とする。

したがって、水素（Ｈ_２）ガスの濃度を検出する場合、雰囲気温度の３００℃付近でサーミスタ２が熱暴走状態となるように、過電圧を印加してサーミスタ２の動作温度を設定する。これにより、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の影響を極めて小さくでき、水素（Ｈ_２）の濃度を精度よく検出することが可能となる。

したがって、このガス検出方法は、検出対象ガスと、複数の検出対象以外のガスとが混在する雰囲気であって、複数の検出対象以外のガスの熱伝導率が近い値になる雰囲気の温度において、サーミスタ２が熱暴走状態となるように、過電圧を印加してサーミスタ２の動作温度を設定して検出対象ガスの濃度を検出するものである。

また、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）熱伝導率は１００℃〜３００℃の範囲で差異が小さくほぼ同じ傾向にあるので、この２つのガスを識別して濃度を検出することは困難である。しかしながら、例えば、雰囲気温度を０℃に設定し、この場合にサーミスタ２が熱暴走状態となるように印加電圧を設定することにより、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の影響を低減できるので二酸化炭素（ＣＯ_２）の検出が容易となる。雰囲気温度が０℃の状態では、飽和水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の濃度は６，０２５ｐｐｍとなり極めて微量となるからである。

Claims (20)

1. 熱伝導式ガスセンサのガス検出装置であって、
   少なくとも一対の電極部を有するサーミスタと、前記サーミスタに接続された抵抗器とを有する接続回路と、
   前記接続回路に定電圧を印可するとともに、前記サーミスタに過電力を供給して前記サーミスタを熱暴走状態にする電力供給回路と、
   前記接続回路における前記サーミスタの電極間の電圧を検知する電圧検知部と、
   を具備することを特徴とするガス検出装置。
2. 前記サーミスタの電極部には、リード部が溶接された状態で接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
3. 前記サーミスタは、ＭＥＭＳ構造であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス検出装置。
4. 前記電力供給回路は、前記サーミスタが破壊に至らないように管理する熱暴走管理機能部としての機能を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のガス検出装置。
5. 前記熱伝導式ガスセンサには、温度検知用感熱抵抗素子が搭載されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のガス検出装置。
6. 前記熱伝導式ガスセンサ及び検出対象ガスを同一空間内に収容する密閉空間形成部を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項にガス検出装置。
7. 前記密閉空間形成部は、検知対象物が収容される少なくとも一つの密閉収容体と、前記密閉収容体と前記熱伝導式ガスセンサ側とを密閉的に連通状態に繋ぐパイプ部とを有していることを特徴とする請求項６に記載のガス検出装置。
8. 前記密閉空間形成部には、検知対象物を収容するための開閉可能な少なくとも一つの蓋部が設けられていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のガス検出装置。
9. 前記パイプ部の連通路には、連通路を開閉可能な少なくとも一つの開閉部が設けられていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のガス検出装置。
10. 前記熱伝導式ガスセンサを一定の温度にする温度調節素子を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載のガス検出装置。
11. 前記熱伝導式ガスセンサの一定の温度の制御は±０．１℃以下であることを特徴とする請求項１０に記載のガス検出装置。
12. 前記熱伝導式ガスセンサには、加熱により特定のガス分子が脱離される多孔性のガス分子吸着材料が熱的に結合されたサーミスタが搭載されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載のガス検出装置。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載のガス検出装置が備えられていることを特徴とするガス検出装置を備えた装置。
14. サーミスタを有する熱伝導式ガスセンサのガス検出方法であって、
    前記サーミスタに過電力を供給して前記サーミスタを熱暴走状態にするステップと、
    前記熱暴走状態において検出対象ガスを検出するステップと、
    を備えることを特徴とするガス検出方法。
15. 前記熱暴走状態にするステップの前に、前記熱伝導式ガスセンサを一定の温度にするステップを有することを特徴とする請求項１４に記載のガス検出方法。
16. 前記熱暴走状態にするステップの後に、前記サーミスタを冷却するステップを有し、
    熱暴走過程及び冷却過程を１サイクルとして間欠運転が可能であることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載のガス検出方法。
17. 前記熱暴走状態にするステップでは、雰囲気温度に対応した電圧をサーミスタに印加して熱暴走状態にすることを特徴とする請求項１４乃至請求項１６のいずれか一項に記載のガス検出方法。
18. 前記検出の開始時からの経過時間としての検出時間を設定して検出対象ガスを検出することを特徴とする請求項１４乃至請求項１７のいずれか一項に記載のガス検出方法。
19. 検出対象ガスと、複数の検出対象以外のガスとが混在する雰囲気において、
    前記複数の検出対象以外のガスの熱伝導率が近い値になる雰囲気の温度に、前記サーミスタが熱暴走状態となる動作温度を設定することを特徴とする請求項１４乃至請求項１６のいずれか一項に記載のガス検出方法。
20. サーミスタと熱的に結合されるとともに、加熱により特定のガス分子が脱離される多孔性のガス分子吸着材料とを備え、前記サーミスタに過電力を供給して前記サーミスタを熱暴走状態するガスセンサのガス検出方法であって、
    前記サーミスタの印加電圧を変えることにより、ガス分子吸着材料に特定のガス分子が脱離する反応によりガスを検出する機能と、ガス固有の熱伝導率によりガスを検出する熱伝導式ガスセンサとしての機能とを選択できるようにしたことを特徴とするガス検出方法。

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