WO2018096892A1

WO2018096892A1 - ガスセンサ

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Publication number: WO2018096892A1
Application number: PCT/JP2017/039562
Authority: WO
Inventors: 井上　剛; 上木　正聡; 七田　貴史; 賢治西尾; 貴之熊崎; 青山　惠哉
Original assignee: 日本特殊陶業株式会社
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-05-31
Also published as: JP2018084525A

Abstract

ガス透過性の変換部とケーシングとの隙間を確実にシールし、変換部の破損を抑制しつつ検知精度を向上させたガスセンサを提供する。ケーシング１２、５０、及びケーシング内に収容され、被測定ガスＧに含まれる第１ガス成分を第２ガス成分に変換するガス透過性の変換部１４を有する調整ユニット１０と、変換部を通過した第２ガス成分を検出する検知部２４ａと、変換部及び検知部を加熱するための１つ以上のヒータ２４ｂと、を備えたガスセンサ１であって、ケーシングの内面と変換部の外面との間に、金属繊維を除く無機繊維からなるシール材１４ａが介在され、シール材に対して上流から下流に向けて一定流量の空気を流したときの当該シール材単体の上下流における差圧（単位：Ｐａ）が、変換部の上流から下流に向けて一定流量の空気を流したときの当該変換部単体の上下流における差圧（単位：Ｐａ）に対して大きい。

Description

ガスセンサ

本発明は、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が知られている（特許文献１）。　このガスセンサは、チャンバ内に被測定ガスとしての大気が一定量供給されるように構成され、チャンバ内で触媒にてＣＯ等の可燃性ガスを燃焼除去する前処理を行った後、被測定ガスをセンサ素子に接触させて、ＮＯｘ濃度を検知している。

特開平10-300702号公報（図２）

特許文献１のガスセンサでは、チャンバの流路を横断するように触媒をチャンバ内に充填し、触媒を透過した被測定ガスをセンサ素子に導入している。　ところで、このようなガス透過性の触媒をチャンバ内に配置する場合、チャンバ内面と触媒の外面との隙間をシール材でシールし、被測定ガスが隙間から漏れずに触媒内を優先的に透過するように構成する必要がある。　しかしながら、シール材として一般に用いられるゴム等の弾性体は耐熱性が低く、高温の被測定ガスや、被測定ガスを触媒の活性温度に加熱した場合にシール性が低下したり、シール材から雑ガスが発生してセンサ素子のガス検知に影響を与えるという問題がある。　一方、金属製のシール材は、熱伝導率が高すぎて触媒の熱をチャンバに逃がしてしまい、触媒を活性温度に維持し難いという問題がある。又、金属製の硬いシール材でシールするためには、シール材に大きな荷重を掛けて変形させる必要があり、金属よりも強度の低い触媒が破損したり、触媒が潰れてガス透過性が低下するおそれがある。　

そこで、本発明は、ガス透過性の変換部とケーシングとの隙間を確実にシールし、変換部の破損を抑制しつつ検知精度を向上させ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、自身の内部に被測定ガスを導入可能なケーシング、及び、前記ケーシング内に収容され、該被測定ガスに含まれる第１ガス成分を第２ガス成分に変換するガス透過性の変換部を有する調整ユニットと、前記変換部を通過した前記被測定ガスに含まれる前記第２ガス成分を検出する検知部と、前記変換部、及び、前記検知部を加熱するための１つ以上のヒータと、を備えたガスセンサであって、前記ケーシングの内面と前記変換部の外面との間に、金属繊維を除く無機繊維からなるシール材が介在され、前記シール材に対して上流から下流に向けて一定流量の空気を流したときの当該シール材単体の上下流における差圧（単位：Ｐａ）が、前記変換部の上流から下流に向けて前記一定流量の空気を流したときの当該変換部単体の上下流における差圧（単位：Ｐａ）に対して大きい。　

このガスセンサによれば、シール材が金属繊維を除く無機繊維からなるため、柔軟で変形し易く、ガス透過性の変換部とケーシングとの隙間を確実にシールすることができると共に、金属製のシール材のように大きな荷重を掛けて変形させる必要がない。そのため、変換部が破損したり、変換部が潰れてガス透過性が低下することを抑制できる。　又、無機繊維は耐熱性が高いので、高温の被測定ガスや、被測定ガスを変換部の活性温度に加熱した場合にシール性が低下したり、シール材から雑ガスが発生してセンサ素子のガス検知に影響を与えることを抑制できる。　

本発明のガスセンサにおいて、前記変換部が多孔質状をなしてもよい。　変換部が多孔質状の場合、変換部の外面が平坦でなく突没し、段差を形成することがあるが、このガスセンサによれば、シール材が柔軟なため、この段差に容易に追随して変形し、シール性を高めることができる。

この発明によれば、ガス透過性の変換部とケーシングとの隙間を確実にシールし、変換部の破損を抑制しつつ検知精度を向上させたガスセンサが得られる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの分解斜視図である。図１のＡ－Ａ線に沿う断面図である。変換部の外面に介在するシール材の断面写真を示す図である。シール材単体の差圧を測定する方法を示す模式図である。

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、本発明の実施形態におけるガスセンサ１の分解斜視図、図２は図１のＡ－Ａ線に沿う断面図である。　図１において、ガスセンサ１は、調整ユニット１０と、センサユニット２０と、パイプ状のガス流通管４０と、板状のセラミック配線基板５０と、を備え、全体として箱状に形成されている。　

調整ユニット１０は、略矩形箱状でフランジを有し上面（図１の上方に向く面）が開口する金属製のケーシング１２と、ケーシング１２のフランジに接着剤（図示せず）を介して接着される矩形枠状のパッキン１３と、ケーシング１２内に収容される変換部１４と、を有している。そして、パッキン１３の枠体にケーシング１２のフランジ及びセラミック配線基板５０の下面の外周部分が接着剤（図示せず）を介して固着することで、ケーシング１２の開口をセラミック基板５０が閉塞し、ケーシング１２の内部空間が第１チャンバＣ１を形成する。　ケーシング１２の下面には、配管の接続口となるパイプ状のインレット１２ａ及びアウトレット１２ｂがそれぞれ離間して突出しており、インレット１２ａ及びアウトレット１２ｂは第１チャンバＣ１に連通している。　

第１チャンバＣ１におけるインレット１２ａとアウトレット１２ｂとの間に、直方体形状をなすと共に、多孔質状をなしガス透過性の変換部１４が配置され、変換部１４の外表面には第１チャンバＣ１の内壁面との隙間をシールする無機繊維からなるシール材１４ａが設けられている。なお、変換部１４の対向する２面（図２における左側面と右側面）はシール材１４ａで覆われず、変換部１４の一方の面から他方の面にかけて通気可能となっている。　そして、インレット１２ａから第１チャンバＣ１に導入された被測定ガスＧが変換部１４に接触（透過）し、被測定ガスＧに含まれる第１ガス成分（具体的にはＮＯ）が第２ガス成分（具体的にはＮＯ_２）に変換された後、アウトレット１２ｂから調整ユニット１０の外部に排出される。　なお、変換部１４の外面に対向して第１チャンバＣ１の内壁面となる、調整ユニット１０のケーシング１２、及びセラミック配線基板５０の下面が、特許請求の範囲の「ケーシング」に相当する。　

センサユニット２０は、ケーシング１２と同一形状で下面が開口する金属製の第２ケーシング２２と、第２ケーシング２２のフランジに積層される矩形枠状のパッキン２３と、第２ケーシング２２内に収容されるセンサ素子部２４と、センサ素子部２４をセラミック配線基板５０の上面の所定位置に接着するための接着剤２６と、上記セラミック配線基板５０と、を有している。そして、パッキン２３の枠体に第２ケーシング２２のフランジ及びセラミック配線基板５０の上面の外周部分が接着剤（図示せず）を介して固着されることで、第２ケーシング２２の開口をセラミック配線基板５０が閉塞し、第２ケーシング２２の内部空間が第２チャンバＣ２を形成する。　

センサ素子部２４は略矩形板状をなし、図２に示すように、ベース部２４ｃの上面（図１の上方に向く面）側に検知部２４ａが配置され、ベース部２４ｃの下面側にヒータ２４ｂが配置されており、検知部２４ａとヒータ２４ｂがベース部２４ｃの上下に積層された一体構造となっている。　セラミック配線基板５０の上面の中央には凹部５０ｒが形成され、凹部５０ｒに接着剤２６が配置され、接着剤２６の上面にヒータ２４ｂ側が接するようにしてセンサ素子部２４が配置されている。　第２ケーシング２２の上面には、配管の接続口となるパイプ状のインレット２２ａ及びアウトレット２２ｂがそれぞれ離間して突出しており、インレット２２ａ及びアウトレット２２ｂは第２チャンバＣ２に連通している。　

センサ素子部２４は、第２チャンバＣ２におけるインレット２２ａとアウトレット２２ｂとの間で凹部５０ｒに配置され、インレット２２ａはガス流通管４０でアウトレット１２ｂと接続されている。そして、調整ユニット１０を通過して第２ガス成分に変換された被測定ガスＧは、ガス流通管４０を通ってインレット２２ａから第２チャンバＣ２に導入され、検知部２４ａに接触して第２ガス成分の濃度が測定された後、アウトレット２２ｂからセンサユニット２０の外部に排出される。　

検知部２４ａは第２ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化し、その変化した電気信号を検知することで第２ガス成分の濃度を検出する。又、ヒータ２４ｂは通電加熱により、検知部２４ａを動作温度に加熱する。そして、検知部２４ａの出力端子、及びヒータ２４ｂの通電端子はセラミック配線基板５０に図示しないワイヤボンディングで電気的に接続されている。　ベース部２４ｃは例えば絶縁性のセラミック基板を用いて構成することができる。又、検知部２４ａは例えば金属酸化物半導体を用いて構成することができる。ヒータ２４ｂは例えばベース部２４ｃの表面に形成されたミアンダ状の導電パターンからなる発熱抵抗体を採用することができる。なお、検知部２４ａは、固体電解質体に一対の電極を設けた公知の構成をなす混成電位式の検知部等を採用してもよい。　

ここで、セラミック基板５０の端部５０ｅ（図１の左側）はケーシング１２、２２よりも狭幅とされて、ケーシング１２、２２の外側（図１の左側）へ延びており、端部５０ｅの表裏面には、検知部２４ａ及びヒータ２４ｂに対して上記ワイヤボンディング及びセラミック配線基板５０の表面上に形成された配線（リード導体）を介して電気的に接続された、複数の電極パッド５０ｐが配置されている。そして、検知部２４から出力された電気信号はセラミック配線基板５０の電極パッド５０ｐを介して外部に出力され、電極パッド５０ｐを介して外部から供給された電力によりヒータ２４ｂが通電加熱する。　

ここで、図２に示すように、ヒータ２４ｂがセンサユニット２０内の検知部２４ａとベース部２４ｃを介して積層されている（熱結合されている）ことにより、ヒータ２４ｂの熱は矢印Ｈ１のように検知部２４ａに伝わる。一方、ヒータ２４ｂは、接着剤２６及びセラミック配線基板５０の凹部５０ｒを介して調整ユニット１０内の変換部１４に積層されている（熱結合されている）。これにより、ヒータ２４ｂの熱は矢印Ｈ２のように変換部１４に伝わる。　このように、ヒータ２４ｂにより、検知部２４ａと変換部１４とをそれぞれ活性温度に加熱している。そして、本実施形態では、単一のヒータ２４ｂで検知部２４ａと変換部１４とを加熱するので、両者にそれぞれ別個にヒータを設けた場合に比べ、ガスセンサ１が小型化するという利点がある。但し、両者にそれぞれ別個にヒータを設けても構わない。　

なお、本実施形態においては、ヒータ２４ｂとセラミック配線基板５０の間に接着剤２６を配置しているが、無機繊維の不織物からなる断熱シートを介在させても良い。断熱シートを介在させることで、単一のヒータ２４ｂで検知部２４ａと変換部１４とをそれぞれ別の活性温度に加熱させられ、例えば検知部２４ａを変換部１４よりも高い温度に加熱することができる。　

次に、図３を参照し、シール材１４ａについて説明する。図３は、変換部１４の外面に介在するシール材１４ａの断面写真を示す図である。　図３において、シール材１４ａは、無機繊維（具体的には、アルミナ繊維からなる不織布）からなる。　又、変換部１４は、例えば呼気Ｇ中のＮＯをＮＯ_２に変換する触媒となるＰｔをゼオライトに担持させた多孔質状のバルク体である。この多孔質は、Ｐｔが担持されたゼオライト粒子を含むペーストを塗布した後、焼成して形成することができ、
各ゼオライト粒子が隙間を設けて結合して多孔質状となり、ガス透過性を有する。　なお、図３では、断面写真を撮影するため、変換部１４の外側に治具２００を配置し、治具２００の内面と変換部１４の外面との間に、シール材１４ａを挟み込んで治具２００を変換部１４側に押圧することで、シール材１４ａを圧縮している。　

図３に示すように、シール材１４ａは多数の無機繊維の集合体からなるため柔軟で変形し易く、ガス透過性（多孔質状）の変換部１４とケーシング（ケーシング１２、セラミック配線基板５０）との隙間を確実にシールすることができると共に、金属製のシール材のように大きな荷重を掛けて変形させる必要がない。そのため、シール材１４の設置によって、ガス透過性の変換部１４が破損したり、変換部１４が潰れてガス透過性が低下することを抑制できる。　又、無機繊維は耐熱性が高いので、高温の被測定ガスや、被測定ガスを変換部１４の活性温度に加熱した場合にシール性が低下したり、シール材１４から雑ガスが発生してセンサ素子部２４（検知部２４ａ）のガス検知に影響を与えることを抑制できる。　特に、図３に示すように変換部１４が多孔質状の場合、変換部１４の外面が平坦でなく突没し、段差Ｄを形成することがあるが、シール材１４ａが柔軟なため、この段差Ｄに容易に追随して変形し、セラミック配線基板５０と変換部１４との間、及び、ケーシング１２と変換部１４との間を確実にシールすることができる。　

ここで、シール材１４ａに対して上流から下流に向けて一定流量の空気を流したときの当該シール材１４ａ単体の上下流における差圧（単位：Ｐａ）が、変換部１４の上流から下流に向けて上記一定流量の空気を流したときの変換部１４単体の上下流における差圧（単位：Ｐａ）に対して大きいことが必要である。　これにより、被測定ガスＧは、シール材１４ａに比べて差圧（圧損）が小さい変換部１４を優先的に透過し、第１ガス成分が第２ガス成分に確実に変換される。　

上記した差圧（圧損）は図４に示すようにして測定することができる。図４は、シール材１４ａ単体の差圧を測定する方法を示した模式図である。なお、この測定方法では、実際のケーシング（ケーシング１２、セラミック配線基板５０）内で隣接するシール材１４ａと変換部１４に実際に流れるガス流を再現すべく、シール材１４ａと変換部１４のうち、一方を同一寸法で中実（ガス不透過性）の金属材に代えて、差圧（圧損）を測定している。　まず、シール材１４ａ単体の差圧を測定する場合、変換部１４に代えて変換部１４と同一寸法で中実（ガス不透過性）の金属材３０１を準備する。金属体３０１を所定のガス流通部（流路）３００の内側に配置し、ガス流通部（好ましくはケーシング内面と同寸）３００の内面と金属体３０１の外面との間に無機繊維からなるシール材１４ａを介在させる。　そして、シール材１４ａの上流側のガス流通管３００から下流に向けて一定流量（例えば、２００ｓｃｃｍ）に設定した空気を流し、差圧計３０２により、上流側の圧力Ｐ１と下流側の圧力Ｐ１との差圧ΔＰ＝Ｐ１－Ｐ２（単位：Ｐａ）を測定し、シール材１４ａの差圧とする。　

差圧計３０２は例えば、ダイヤフラム式の圧力センサであり、背圧側が配管３０１ａにより上流側に連通し、圧力測定側が配管３０１ｂにより下流側に連通することで、上下流の圧力差（差圧）を測定する。　なお、変換部１４単体の差圧を測定する場合、シール材１４ａに代えてシール材１４ａと同一寸法で中実（ガス不透過性）のラバー材をガス流通管３００の内面と変換部１４の外面との間に介在させるか、もしくは接着剤で変換部１４とガス流通部３００との隙間を埋めて、上記と同様にして一定流量に設定した空気を流し、差圧計３０２を用いて差圧ΔＰ（単位：Ｐａ）を測定する。　

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。　シール材は金属繊維を除く無機繊維の集合体（成形体）であれば、不織布や織物である必要はない。また、無機繊維として、上記実施形態で用いたアルミナ繊維やシリカ繊維に代表されるセラミック繊維以外に、ガラス繊維等を用いることもできる。　また、上記実施形態では、ケーシング１２、パッキン２３、セラミック配線基板５０、パッキン１３、第２ケーシング２２の各部材を接着剤を用いて固着するようにしたが、接着剤を用いずに、ケーシング１２及び第２ケーシング２２の外側から他部材を用いてセラミック配線基板５０に向かう力（付勢力）を付与し、各部材が位置ずれしないよう固定してガスセンサ１を構成するようにしてもよい。　ガスセンサ、及びそれを構成する調整ユニット、検知部およびヒータの形状等は上記実施形態に限定されない。変換部、シール材及び検知部の種類、ヒータの個数等も限定されない。　又、変換部はガス透過性であればよく、多孔質状の他、セラミック基体の一定方向に貫通するスリットを多数設けた形態、メッシュ、ハニカム構造等を用いてもよい。

１　　ガスセンサ　１０　　調整ユニット　１２　　ケーシング　５０　　セラミック配線基板　１４　　変換部　１４ａ　シール材　２４　　センサ素子部　２４ａ　検知部　２４ｂ　ヒータ　Ｇ　　被測定ガス

Claims

自身の内部に被測定ガスを導入可能なケーシング、及び、前記ケーシング内に収容され、該被測定ガスに含まれる第１ガス成分を第２ガス成分に変換するガス透過性の変換部を有する調整ユニットと、

　前記変換部を通過した前記被測定ガスに含まれる前記第２ガス成分を検出する検知部と、

　前記変換部、及び、前記検知部を加熱するための１つ以上のヒータと、を備えたガスセンサであって、

　前記ケーシングの内面と前記変換部の外面との間に、金属繊維を除く無機繊維からなるシール材が介在され、

　前記シール材に対して上流から下流に向けて一定流量の空気を流したときの当該シール材単体の上下流における差圧（単位：Ｐａ）が、前記変換部の上流から下流に向けて前記一定流量の空気を流したときの当該変換部単体の上下流における差圧（単位：Ｐａ）に対して大きいガスセンサ。
前記変換部が多孔質状をなす請求項１に記載のガスセンサ。