WO2019138710A1 - ガスセンサ - Google Patents

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WO2019138710A1
WO2019138710A1 PCT/JP2018/043578 JP2018043578W WO2019138710A1 WO 2019138710 A1 WO2019138710 A1 WO 2019138710A1 JP 2018043578 W JP2018043578 W JP 2018043578W WO 2019138710 A1 WO2019138710 A1 WO 2019138710A1
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gas
measured
heater
base portion
base
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善明 長屋
宗之 岩田
高倉　雅博
恒嗣 大森
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日本特殊陶業株式会社
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    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath

Definitions

  • the present disclosure relates to a gas sensor.
  • a gas sensor for measuring the concentration of a specific component in a gas to be measured, it is known to measure the concentration of the gas component with a sensor element after chemically changing the component in the gas using a catalyst.
  • the catalyst converts a gas component to be measured into a component detectable by the sensor element by a chemical change, and removes miscellaneous gas components contained in the object to be measured by a chemical change such as combustion.
  • the catalyst functions by being heated by a heater.
  • the measurement gas can be efficiently brought into contact with the catalyst by supporting the catalyst on the laminated porous structure (see Patent Document 1).
  • One aspect of the present disclosure is to provide a gas sensor capable of efficiently converting a gas to be measured while enhancing the strength and heat conductivity of a catalyst unit and suppressing gas leak.
  • the gas sensor for measuring the concentration of a component contained in a measurement gas.
  • the gas sensor comprises a catalyst unit, a sensor element, and a heater.
  • the catalyst unit is configured to chemically change the components contained in the measurement gas.
  • the sensor element is configured to detect a specific component in the gas to be measured which has passed through the catalyst unit.
  • the heater has a heat transfer surface configured to heat at least the catalyst unit.
  • the catalyst unit has a base portion having an inner wall that constitutes a flow path of the measurement gas, and a catalyst layer disposed on the inner wall of the base portion.
  • the base portion is an integral product having ceramic as a main component. At least a part of the flow path of the gas to be measured in the base portion extends along the heat transfer surface of the heater.
  • the inner wall constituting the flow path includes a detour wall for detouring the measurement gas flowing from the gas introduction position of the flow path to the gas discharge position to lengthen the flow path.
  • the catalyst layer can be efficiently heated by the flow path extending along the heat transfer surface of the heater.
  • the inner wall which constitutes a channel includes a bypass wall for diverting the gas to be measured which flows from the gas introduction position of the channel to the gas discharge position to lengthen the channel.
  • the gas to be measured flowing from the gas introduction position toward the gas discharge position is detoured without flowing at the shortest distance from the gas introduction position to the gas discharge position due to the presence of the detour wall, and the measurement gas is the catalyst layer.
  • Opportunities to interact with Therefore it is possible to efficiently convert the gas to be measured together with the effect of efficiently heating the catalyst layer.
  • the base portion is an integral product made of ceramic which does not use an adhesive, it has excellent strength and high heat transfer efficiency from the heater. Furthermore, the leak of the gas to be measured can also be suppressed.
  • the base portion may be a fired body in which three or more sheets containing ceramic as a main component are stacked. According to such a configuration, it is possible to easily and reliably obtain the base including the complicated flow path. In addition, the flow path of the gas to be measured can be easily designed.
  • the catalyst unit may further include at least one sheet body to which at least one pipe is connected.
  • the sheet body may be adhered to the base portion. According to such a configuration, connection between the base portion and the pipe can be easily performed. Further, the inlet and the outlet of the gas to be measured can be provided in any direction.
  • the heater may be disposed opposite to the at least one sheet body across the base portion. According to such a configuration, the catalyst layer of the catalyst unit can be efficiently heated.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing the catalyst unit of FIG. 1
  • FIGS. 2B, 2C, and 2D are schematic cross-sectional views showing a catalyst unit of an embodiment different from FIG. 2A.
  • FIGS. 4A and 4B are each a developed view of a sheet that constitutes the base portion of the catalyst unit.
  • 5A and 5B are schematic cross-sectional views showing catalyst units of embodiments different from FIGS. 2A, 2B, 2C and 2D, respectively.
  • 6A and 6B are schematic cross-sectional views showing a catalyst unit and a sensor unit of an embodiment different from FIG. 1, respectively.
  • the gas sensor 1 shown in FIG. 1 is a gas sensor for measuring the concentration of the gas component contained in the measurement gas G.
  • gas components to be measured by the gas sensor 1 include nitrogen oxides (NOx) and carbon dioxide.
  • the gas sensor 1 can be used in fields such as environmental management, process management, and medical care.
  • the gas sensor 1 can be suitably used for measurement of a gas containing extremely low concentration of NOx, particularly at a level of several ppb to several hundreds ppb, specifically, for asthma diagnosis.
  • the gas sensor 1 is provided with the catalyst unit 2, the sensor unit 3, one heater 5, and three piping 6, 7, 8 as shown in FIG.
  • the catalyst unit 2 has a base portion 2A, a catalyst layer 2C, and one sheet 2D, as shown in FIG. 2A.
  • the base portion 2A is a box-like member having an inner wall 2B that constitutes a flow path of the measurement gas G.
  • the base portion 2A is a one-piece product mainly made of ceramic.
  • main component means a component contained at 80% by mass or more.
  • alumina Al 2 O 3
  • the ceramic constituting the base portion 2A is not limited to alumina, and aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) or the like may be used.
  • the base portion 2A is a fired body integrally fired in a state in which three or more unsintered sheets (so-called ceramic green sheets) mainly composed of ceramic are overlapped.
  • the base portion 2A has a configuration in which three or more unsintered sheets (ceramic green sheets) are simultaneously fired in a stacked state. Openings are respectively provided in some of the plurality of sheets constituting the base portion 2A. The inner surfaces of the plurality of openings are continuous to constitute the inner wall 2B of the base 2A.
  • the base portion 2A is fixed to the outer surface of a base 3B of a sensor unit 3 described later by an adhesive portion 2E.
  • the base portion 2A is disposed at a position facing the heater 5 described later, with the base 3B interposed therebetween.
  • an inorganic type adhesive agent or glass can be used as the adhesion part 2E.
  • the base portion 2A has a flow path 10 of the gas to be measured which is configured such that the gas introduced from the first pipe 6 is discharged from the second pipe 7.
  • the inner wall 2B constituting the flow path 10 of the measurement gas G bypasses the measurement gas G flowing from the gas introduction position 10A of the flow path 10 to the gas discharge position 10B to make the flow path 10 longer. It includes walls 12A, 12B.
  • the measured gas G flowing from the gas introduction position 10A to the gas discharge position 10B is bypassed without flowing at the shortest distance from the gas introduction position 10A to the gas exhaust position 10B due to the presence of the detour walls 12A and 12B. It will be done. That is, the bypass walls 12A and 12B are disposed at positions where the measured gas G in the base 2A collides.
  • the flow path 10 constituted by the inner wall 2B including such detour walls 12A and 12B is directed from the first pipe 6 to the heater 5 along the sheet stacking direction (that is, the direction perpendicular to the outer surface of the base 3B). After being drawn, the sheet is bent in the drawing direction of the heater 5 and drawn toward the second pipe 7 so as to be separated from the heater 5 along the sheet stacking direction.
  • the structure of the flow path 10 in 2 A of base parts may be comprised in zigzag form, as shown, for example to FIG. 2B and 2C.
  • substrate parts may be branched to several branch connected in parallel.
  • the inner wall 2B for constituting the flow path 10 diverts the measurement gas G flowing from the gas introduction position 10A of the flow path 10 to the gas discharge position 10B to lengthen the flow path 10 And a plurality of bypass walls 12A, 12B, 12C, 12D, and 12E.
  • the inner wall 2B includes a plurality of similar detour walls 12A, 12B, 12C, 12D, 12E, 12F, 12G, 12H, 12I, 12J.
  • the inner wall 2B includes a plurality of similar detour walls 12A, 12B, 12C, 12D, 12E, 12F, 12G, 12H, 12I. Due to the presence of these detour walls, the flow path 10 has a zigzag shape or has a configuration in which it branches into a plurality of branches.
  • the catalyst layer 2C chemically changes the components contained in the measurement gas G.
  • the chemical change by the catalyst layer 2C includes converting one component to another component and burning one component. Specifically, the catalyst layer 2C converts a component whose concentration is to be measured by the gas sensor 1 into a component detectable by the sensor element 3A. Further, the catalyst layer 2C burns a component whose concentration is not measured by the gas sensor 1.
  • the catalyst layer 2C converts NO to be measured into NO 2 and at the same time, trace amounts of reducing gas contained in the gas to be measured G (breath) such as CO, H 2 and VOC. Burn it.
  • G trace amounts of reducing gas contained in the gas to be measured G (breath) such as CO, H 2 and VOC. Burn it.
  • the catalyst layer 2C is appropriately selected according to the application and temperature.
  • the catalyst layer 2C for example, noble metals such as platinum, rhodium, gold and the like, supports obtained by supporting particles of such noble metals on, for example, ⁇ alumina and zeolite, or metal oxides such as manganese oxide, cobalt oxide, tin oxide etc. used.
  • the catalyst layer 2C is disposed on the inner wall 2B of the base 2A as shown in FIG. 2A.
  • the entire inner surface of the inner wall 2B of the base portion 2A is covered with the catalyst layer 2C. That is, the catalyst layer 2C is in the form of a layer that covers the inner surface of the flow path 10 in the base portion 2A. In the flow path 10 in the base portion 2A, there may be a portion not covered with the catalyst layer 2C.
  • Sheet body 2D is a sheet which has a ceramic as a main component.
  • the sheet 2D is provided with a first opening 2F and a second opening 2G.
  • the first pipe 6 is connected to the first opening 2F, and the second pipe 7 is connected to the second opening 2G.
  • the sheet body 2D is adhered to the outer surface of the base portion 2A by the adhesion portion 2H.
  • the sheet body 2D is disposed such that the first opening 2F and the second opening 2G communicate with the flow path 10 of the base portion 2A.
  • alumina Al 2 O 3
  • the ceramic constituting the sheet 2D is not limited to alumina, and aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), etc. may be used.
  • seat body 2D is the same as the material of the ceramic which comprises 2 A of base
  • the base 2A and the sheet 2D are made of the same material, the thermal expansion coefficients of the base 2A and the sheet 2D are the same, and thus heating and cooling are repeatedly applied to the base 2A and the sheet 2D. Also, the sheet 2D is difficult to be separated from the base 2A.
  • the same adhesive unit 2H as the adhesive unit 2E can be used.
  • the to-be-measured gas G introduced from the first piping 6 through the first opening 2F of the sheet 2D from the gas introduction position 10A into the base 2A passes through the flow path 10 while contacting the catalyst layer 2C. It is discharged to the second pipe 7 from the discharge position 10B and the second opening 2G of the sheet 2D.
  • the sensor unit 3 stores a sensor element 3A configured to detect a specific component (that is, a component to be measured) in the measurement gas G that has passed through the catalyst unit 2, and the sensor element 3A. And a cap 3C.
  • the sensor element 3A has a mixed potential type detection body, and the detection body is mounted on a base substrate made of ceramic.
  • the sensor element 3A may further include a temperature measuring resistor.
  • the mixed potential type detection body is not described in detail because it is known, for example, has a solid electrolyte body made of zirconia and electrodes made of different materials, and outputs the potential difference between these electrodes as a sensor signal It has composition.
  • the detection body of the sensor element 3A is not limited to this, and a detection body made of a metal oxide semiconductor whose resistance changes due to the presence of a gas component to be detected, or a capacitance change type detection body is used May be
  • the detection body and the resistance for temperature measurement are electrically connected to the wiring formed on the base 3B, and power is supplied from the outside.
  • the base 3B together with the cap 3C, constitutes a casing for housing the sensor element 3A.
  • the sensor element 3A is bonded to the bottom surface surrounded by the side wall of the base 3B by a bonding portion 3D.
  • the catalyst unit 2 is fixed to the outer surface of the base 3B opposite to the bottom surface where the sensor element 3A is disposed.
  • the heater 5 is integrated with the sensor element 3A, and the heater 5 is bonded to the base 3B.
  • the cap 3C is disposed to face the sensor element 3A, and is adhered to the side wall of the base 3B by an adhesive 3E.
  • a space for storing the sensor element 3A is defined by the cap 3C and the base 3B.
  • the cap 3C is provided with two openings, and the second pipe 7 and the third pipe 8 are connected to these openings.
  • the measured gas G introduced into the sensor unit 3 from the second pipe 7 is discharged from the third pipe 8 to the outside of the sensor unit 3 (specifically, out of the system of the gas sensor 1) while being in contact with the sensor element 3A. Be done.
  • the base 3B is made of a material whose main component is ceramic.
  • alumina Al 2 O 3
  • the ceramic constituting the base 3B is not limited to alumina, and aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) or the like may be used.
  • AlN aluminum nitride
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • ZrO 2 zirconium oxide
  • the material of the ceramic which comprises the base 3B is the same as the material of the ceramic which comprises 2 A of base
  • the cap 3C may be made of, for example, a metal material such as aluminum, stainless steel (SUS) or the like, or may be made of a material whose main component is a ceramic such as alumina. Further, as the bonding parts 3D and 3E, the same ones as the bonding part 2E can be used.
  • the heater 5 is a single heater, and heats the catalyst unit 2 and the sensor unit 3 simultaneously.
  • the heater 5 is disposed in the sensor element 3A.
  • temperature control of the sensor element 3A that needs to be temperature controlled at a temperature higher than that of the catalyst unit 2 becomes possible.
  • the heater 5 is formed of, for example, metal wiring such as platinum (that is, load resistance).
  • the heater 5 is electrically connected to the wiring formed on the base 3B, and generates heat when power is supplied from the outside.
  • the heater 5 has a heat transfer surface 5A configured to heat the catalyst unit 2 and the sensor unit 3.
  • the “heat transfer surface” is, for example, the surface of the base on which the metal wiring forming the heater 5 is disposed.
  • the heater 5 is arrange
  • the portion closest to the heater 5 of the flow path 10 in the base portion 2A (uppermost portion in FIGS. 2A, 2B, 2C, 2D) is along the heat transfer surface 5A of the heater 5 (that is, the heat transfer surface 5A). Parallel to the direction).
  • the flow passage 10 in the base portion 2A is provided at a position overlapping the heater 5 as viewed from a direction perpendicular to the heat transfer surface 5A of the heater 5 (that is, the heat transfer direction with respect to the base portion 2A). Therefore, the catalyst layer 2C can be efficiently heated.
  • the catalyst unit 2 and the sensor unit 3 can be simultaneously heated by one heater 5, the power consumption of the gas sensor 1 can be reduced.
  • the structure of the gas sensor 1 can be simplified.
  • the first pipe 6 supplies the measurement gas G to the catalyst unit 2.
  • the second pipe 7 supplies the gas to be measured G which has passed through the catalyst unit 2 into the sensor unit 3.
  • the third pipe 8 discharges the measured gas G in the sensor unit 3.
  • the gas to be measured G in the present embodiment is exhalation.
  • the method of manufacturing the gas sensor 1 includes an overlapping step S10, a firing step S20, a catalyst layer forming step S30, a sheet bonding step S40, and an assembling step S50.
  • each ceramic green sheet 21 to 31 shown in FIG. 4A is prepared and stacked in the thickness direction.
  • the opening of each sheet is a part of the flow path 10, respectively.
  • the catalyst layer 2C is disposed on the inner wall 2B of the base portion 2A.
  • the catalyst layer 2C is applied to the inner wall 2B by dipping or the like of the base portion 2A in a liquid containing a catalyst. Thereafter, the catalyst layer 2C is fixed to the inner wall 2B by heating.
  • the catalyst layer 2C can be efficiently heated by the base portion 2A including the flow path extending along the heat transfer surface 5A of the heater 5. Further, in the gas sensor 1, the measured gas G flowing from the gas introduction position 10A toward the gas discharge position 10B flows at the shortest distance from the gas introduction position 10A to the gas discharge position 10B due to the presence of the detour walls 12A and 12B. Without bypassing, the opportunity for the measured gas G to contact the catalyst layer 2C is increased. Therefore, combined with the effect that the catalyst layer 2C is efficiently heated, the measurement gas G can be efficiently converted.
  • the base portion 2A is an integral product made of ceramic that does not use an adhesive, it has excellent strength and high heat transfer efficiency from the heater 5. Furthermore, the leak of the measurement gas G can also be suppressed.
  • the base body 2A including the complicated flow path 10 can be easily and surely obtained by the fired body in which the three or more sheets composed mainly of the ceramic are overlapped. Further, the flow path 10 of the measurement gas G can be easily designed.
  • base part 2A may have openings other than the 1st opening 2F and the 2nd opening 2G.
  • the openings other than the first opening 2F and the second opening 2G of the base 2A are closed by other members. That is, the base portion 2A may partially constitute the flow path 10 of the measurement gas G of the catalyst unit 2.
  • a plurality of openings communicating with the outer surface (that is, the side surface of the base 2A) of the outer surface of the base 2A extending in the direction intersecting the heat transfer surface 5A of the heater 5 is provided. It may be
  • the two auxiliary sheets 2I and 2J are bonded to the side surface of the base 2A by the bonding part 2K, and constitute the flow path 10 of the measurement gas G.
  • the bonding portion 2 K extends in a direction perpendicular to the heat transfer surface 5 A of the heater 5 and is disposed outside the flow path 10, so the heat transfer of the heater 5 is not inhibited.
  • the method of forming the base portion 2A of FIG. 5A is as follows. First, eleven ceramic green sheets 21 to 31 shown in FIG. 4B are prepared, stacked in the thickness direction and fired. Thereafter, the catalyst layer 2C is formed, and the two auxiliary sheets 2I and 2J separately fired are adhered to the side surface.
  • the material of the two auxiliary sheets 2I and 2J may be the same as that of the base 2A.
  • As the bonding portion 2K the same one as the bonding portion 2E can be used.
  • the sheet 2D may be disposed on the side surface of the base 2A.
  • a plurality of sheet members 2D may be adhered to the base portion 2A.
  • the first sheet body 2L to which the first pipe 6 is connected is bonded to the base portion 2A at a position facing the heater 5, and the second sheet body 2M to which the second pipe 7 is connected. May be adhered to the side surface of the base portion 2A. Thereby, the introduction direction and the discharge direction of the measurement gas G can be made different.
  • the sheet 2D is not a component essential to the present disclosure, and may be omitted. That is, the first pipe 6 and the second pipe 7 may be directly connected to the opening constituting the gas introduction position 10A of the base portion 2A and the opening constituting the gas discharge position 10B.
  • the heater 5 may not necessarily be integrated with the sensor element 3A.
  • the heater 5 may be disposed inside the base 3B.
  • the heater 5 may be disposed on the outer surface of the base 2A facing the base 3B.
  • the heater 5 may be disposed on the outer surface of the base 3B facing the sensor element 3A, the outer surface of the base 3B facing the base 2A, the inside of the base 2A, or the like.
  • the gas sensor 1 may also include a plurality of heaters 5 for heating the catalyst layer 2C, a first heater for heating the catalyst layer 2C, and a second heater for heating the sensor element 3A. May be provided.
  • the function of one component in the above embodiment may be distributed as a plurality of components, or the function of a plurality of components may be integrated into one component.
  • part of the configuration of the above embodiment may be omitted.
  • at least a part of the configuration of the above-described embodiment may be added to or replaced with the configuration of the other above-described embodiment.
  • all the aspects contained in the technical thought specified from the wording as described in a claim are an embodiment of this indication.
  • SYMBOLS 1 Gas sensor, 2 ... Catalyst unit, 2A ... Base part, 2B ... Inner wall, 2C ... Catalyst layer, 2D ... Sheet body, 2E ... Bonding part, 2F ... 1st opening, 2G ... 2nd opening, 2H ... Bonding part, 2I, 2J ... auxiliary sheet, 2K ... adhesive section, 2L ... first sheet body, 2M ... second sheet body, 3 ... sensor unit, 3A ... sensor element, 3B ... base, 3C ... cap, 3D, 3E ... adhesive section 5, 5 heater, 5A heat transfer surface, 6 first pipe, 7 second pipe, 8 third pipe, 10 flow path, 10A gas introduction position, 10B gas discharge position, 12A to 12J Detour wall, 21 to 31: ceramic green sheet.

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Abstract

触媒ユニットの強度及び伝熱性を高め、かつガスのリークを抑制しながら、被測定ガスを効率よく変換することができるガスセンサを提供する。本開示は、被測定ガスに含まれる成分の濃度を測定するためのガスセンサである。ガスセンサは、被測定ガスに含まれる成分を化学変化させる触媒ユニットと、触媒ユニットを通過した被測定ガス中の特定成分を検知するセンサ素子と、少なくとも触媒ユニットを加熱するように構成された伝熱面を有するヒータとを備える。触媒ユニットは、被測定ガスの流路を構成する内壁を有する基体部と、基体部の内壁に配置された触媒層とを有する。基体部は、セラミックを主成分とする一体品である。基体部における被測定ガスの流路の少なくとも一部は、ヒータの伝熱面に沿って延伸する。流路を構成する内壁は、流路のガス導入位置からガス排出位置に流れる被測定ガスを迂回させて流路を長くするための迂回壁を含む。

Description

ガスセンサ
本開示は、ガスセンサに関する。
被測定ガス中の特定成分の濃度を測定するガスセンサとして、触媒を用いて、ガス中の成分を化学変化させた後に、センサ素子によってガス成分濃度を測定するものが公知である。　
このようなガスセンサでは、触媒によって測定対象のガス成分を化学変化によってセンサ素子が検知可能な成分に変換すると共に、被測定対象に含まれる雑ガス成分を燃焼等の化学変化によって除去する。触媒は、ヒータによって加熱されることで機能する。　
上記ガスセンサにおいては、積層多孔構造体に触媒を担持させることで（特許文献１参照）、被測定ガスを触媒に効率よく接触させることができる。
特開２００９－１１９４４７号公報
上述の積層多孔構造体では、複数のプレートを接着剤で積層する必要がある。そのため、プレート間の強度が不十分である。また、接着剤によってヒータの伝熱性が低下する。さらに、接着剤の塗布のバラツキによって、ガスのリークが発生するおそれがある。　
本開示の一局面は、触媒ユニットの強度及び伝熱性を高め、かつガスのリークを抑制しながら、被測定ガスを効率よく変換することが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、被測定ガスに含まれる成分の濃度を測定するためのガスセンサである。ガスセンサは、触媒ユニットと、センサ素子と、ヒータと、を備える。触媒ユニットは、被測定ガスに含まれる成分を化学変化させるように構成される。センサ素子は、触媒ユニットを通過した被測定ガス中の特定成分を検知するように構成される。ヒータは、少なくとも触媒ユニットを加熱するように構成された伝熱面を有する。また、触媒ユニットは、被測定ガスの流路を構成する内壁を有する基体部と、基体部の内壁に配置された触媒層と、を有する。基体部は、セラミックを主成分とする一体品である。基体部における被測定ガスの流路の少なくとも一部は、ヒータの伝熱面に沿って延伸する。また、流路を構成する内壁は、流路のガス導入位置からガス排出位置に流れる被測定ガスを迂回させて当該流路を長くするための迂回壁を含む。　
このような構成によれば、ヒータの伝熱面に沿って延伸する流路により、触媒層を効率よく加熱することができる。そして、本構成では、流路を構成する内壁が、流路のガス導入位置からガス排出位置に流れる被測定ガスを迂回させて当該流路を長くするための迂回壁を含んでいる。これにより、ガス導入位置からガス排出位置に向かって流れてゆく被測定ガスが、迂回壁の存在によってガス導入位置からガス排出位置までの最短距離で流れずに迂回し、被測定ガスが触媒層と接する機会が増大する。そのため、触媒層が効率よく加熱される効果と相俟って、被測定ガスを効率よく変換することができる。また、基体部が接着剤を使用しないセラミック製の一体品であるため、強度に優れ、かつヒータからの伝熱効率が高い。さらに、被測定ガスのリークも抑制することができる。　
本開示の一態様では、基体部は、セラミックを主成分とする３以上のシートが重ね合わされた焼成体であってもよい。このような構成によれば、複雑な流路を含む基体部を、容易かつ確実に得ることができる。また、被測定ガスの流路の設計を容易に行うことができる。　
本開示の一態様では、触媒ユニットは、少なくとも１つの配管が接続された少なくとも１つのシート体をさらに有してもよい。シート体は、基体部に接着されてもよい。このような構成によれば、基体部と配管との接続が容易に行える。また、任意の向きに被測定ガスの導入口及び排出口を設けることができる。　
本開示の一態様では、ヒータは、基体部を挟んで少なくとも１つのシート体とは反対側に配置されてもよい。このような構成によれば、触媒ユニットの触媒層を効率よく加熱することができる。
実施形態のガスセンサを示す模式的な断面図である。 図２Ａは、図１の触媒ユニットを示す模式的な断面図であり、図２Ｂ，２Ｃ，２Ｄは、それぞれ、図２Ａとは異なる実施形態の触媒ユニットを示す模式的な断面図である。 図１の触媒ユニットの製造方法を示すフローチャートである。 図４Ａ，４Ｂは、それぞれ、触媒ユニットの基体部を構成するシートの展開図である。 図５Ａ，５Ｂは、それぞれ、図２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄとは異なる実施形態の触媒ユニットを示す模式的な断面図である。 図６Ａ，６Ｂは、それぞれ、図１とは異なる実施形態の触媒ユニット及びセンサユニットを示す模式的な断面図である。
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、被測定ガスＧに含まれるガス成分の濃度を測定するためのガスセンサである。ガスセンサ１の測定対象のガス成分としては、窒素酸化物（ＮＯｘ）、二酸化炭素等が挙げられる。　
ガスセンサ１は、環境管理、プロセス管理、医療等の分野に使用できる。ガスセンサ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に好適に使用できる。　
ガスセンサ１は、図１に示すように、触媒ユニット２と、センサユニット３と、１つのヒータ５と、３つの配管６，７，８とを備える。　
＜触媒ユニット＞















　触媒ユニット２は、図２Ａに示すように、基体部２Ａと、触媒層２Ｃと、１つのシート体２Ｄとを有する。　
（基体部）















　基体部２Ａは、被測定ガスＧの流路を構成する内壁２Ｂを有する箱状の部材である。基体部２Ａは、セラミックを主成分とする一体品である。ここで、「主成分」とは、８０質量％以上含有される成分を意味する。本実施形態では、基体部２Ａを構成するセラミックとして、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を使用している。なお、基体部２Ａを構成するセラミックは、アルミナに限られることなく、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等を使用してもよい。　
具体的には、基体部２Ａは、セラミックを主成分とする３以上の未焼結のシート（いわゆるセラミックグリーンシート）が重ね合わされた状態で一体焼成された焼成体である。換言すれば、基体部２Ａは、３以上の未焼結のシート（セラミックグリーンシート）が重ね合わされた状態で同時に焼成された構成を有する。基体部２Ａを構成する複数のシートの幾つかには、それぞれ開口が設けられている。この複数の開口の内面が連続することで、基体部２Ａの内壁２Ｂを構成している。　
基体部２Ａは、接着部２Ｅによって、後述するセンサユニット３のベース３Ｂの外面に固定されている。基体部２Ａは、後述するヒータ５に対し、ベース３Ｂを挟んで対向する位置に配置されている。なお、接着部２Ｅとしては、無機系接着剤又はガラスが使用できる。　
基体部２Ａは、第１配管６から導入されたガスが第２配管７から排出されるように構成された被測定ガスの流路１０を有する。被測定ガスＧの流路１０を構成する内壁２Ｂは、流路１０のガス導入位置１０Ａからガス排出位置１０Ｂに流れる被測定ガスＧを迂回させて当該流路１０を長くするための複数の迂回壁１２Ａ，１２Ｂを含んでいる。これにより、ガス導入位置１０Ａからガス排出位置１０Ｂに向かって流れてゆく被測定ガスＧは、迂回壁１２Ａ，１２Ｂの存在によってガス導入位置１０Ａからガス排出位置１０Ｂまでの最短距離で流れずに迂回することになる。つまり、迂回壁１２Ａ，１２Ｂは、基体部２Ａ内の被測定ガスＧが衝突する位置に配置されている。　
このような迂回壁１２Ａ，１２Ｂを含む内壁２Ｂによって構成される流路１０は、シートの積層方向（つまり、ベース３Ｂの外面と垂直な方向）に沿って第１配管６からヒータ５に向かって延伸した後、ヒータ５の延伸方向に折れ曲がり、シートの積層方向に沿ってヒータ５から離間するように第２配管７に向かって延伸するように構成される。　
なお、基体部２Ａ内の流路１０の構成は、例えば図２Ｂ，２Ｃに示すように、ジグザグ状に構成されてもよい。また、図２Ｄに示すように、基体部２Ａ内の流路１０は、並列接続された複数の支流に分岐していてもよい。図２Ｂの流路１０では、流路１０を構成するための内壁２Ｂが、流路１０のガス導入位置１０Ａからガス排出位置１０Ｂに流れる被測定ガスＧを迂回させて当該流路１０を長くするための複数の迂回壁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅを含んでいる。図２Ｃの流路１０では、内壁２Ｂが、同様の複数の迂回壁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆ，１２Ｇ，１２Ｈ，１２Ｉ，１２Ｊを含んでいる。図２Ｄの流路１０では、内壁２Ｂが、同様の複数の迂回壁１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆ，１２Ｇ，１２Ｈ，１２Ｉを含んでいる。これらの迂回壁の存在によって、流路１０がジグザグ状を呈したり、複数の支流に分岐される構成を有したりしている。　
（触媒層）















　触媒層２Ｃは、被測定ガスＧが含む成分を化学変化させる。触媒層２Ｃによる化学変化には、ある成分を他の成分に変換することや、ある成分を燃焼させることが含まれる。具体的には、触媒層２Ｃは、ガスセンサ１が濃度を測定する成分をセンサ素子３Ａが検知可能な成分に変換する。また、触媒層２Ｃは、ガスセンサ１が濃度を測定しない成分を燃焼する。　
例えば、喘息診断の場合では、触媒層２Ｃは、測定対象であるＮＯをＮＯ２に変換すると共に、ＣＯ、Ｈ２、ＶＯＣ等、被測定ガスＧ（呼気）中に含まれる微量の還元ガスを燃焼させる。　
触媒層２Ｃは、用途や温度に応じて適宜選択される。触媒層２Ｃとしては、例えば白金、ロジウム、金等の貴金属、それら貴金属の粒子を例えばγアルミナやゼオライトに担持させた担持体、又は、例えば酸化マンガン、酸化コバルト、酸化錫等の金属酸化物が使用される。　
触媒層２Ｃは、図２Ａに示すように、基体部２Ａの内壁２Ｂに配置されている。本実施形態では、基体部２Ａの内壁２Ｂは、表面全体が触媒層２Ｃで被覆されている。つまり、触媒層２Ｃは、基体部２Ａ内の流路１０の内面を被覆する層状をなしている。なお、基体部２Ａ内の流路１０において、触媒層２Ｃで被覆されていない箇所があってもよい。　
（シート体）















　シート体２Ｄは、セラミックを主成分とするシートである。シート体２Ｄには、第１開口２Ｆ及び第２開口２Ｇが設けられている。第１開口２Ｆには第１配管６が接続され、第２開口２Ｇには第２配管７が接続されている。　
シート体２Ｄは、接着部２Ｈによって、基体部２Ａの外面に接着されている。シート体２Ｄは、第１開口２Ｆ及び第２開口２Ｇが、基体部２Ａの流路１０と連通するように配置されている。　
本実施形態では、シート体２Ｄを構成するセラミックとして、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を使用している。なお、シート体２Ｄを構成するセラミックは、アルミナに限られることなく、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等を使用してもよい。ただし、シート体２Ｄを構成するセラミックの材質は、基体部２Ａを構成するセラミックの材質と同一であることが好ましい。基体部２Ａ及びシート体２Ｄの材質が同じであると、基体部２Ａとシート体２Ｄとの熱膨張率が同じとなるため、基体部２Ａ及びシート体２Ｄに加熱及び冷却が繰り返し及んだ場合にも、シート体２Ｄが基体部２Ａから接着離れし難くなるからである。接着部２Ｈは、接着部２Ｅと同様のものが使用できる。　
第１配管６からシート体２Ｄの第１開口２Ｆを通ってガス導入位置１０Ａから基体部２Ａ内に導入された被測定ガスＧは、触媒層２Ｃに接触しながら流路１０を通過し、ガス排出位置１０Ｂ及びシート体２Ｄの第２開口２Ｇから第２配管７に排出される。　
＜センサユニット＞















　センサユニット３は、図１に示すように、触媒ユニット２を通過した被測定ガスＧ中の特定成分（つまり測定対象成分）を検知するように構成されたセンサ素子３Ａと、センサ素子３Ａを格納するベース３Ｂと、キャップ３Ｃとを有する。　
センサ素子３Ａは、混成電位式の検知体を有し、検知体はセラミックからなるベース基板に搭載されている。センサ素子３Ａは、さらに測温用抵抗体を有してもよい。混成電位式の検知体は、公知であるため詳述はしないが、例えば、ジルコニアからなる固体電解質体と、それぞれ異なる材料からなる電極とを有し、これら電極間の電位差をセンサ信号として出力する構成を有する。なお、センサ素子３Ａの検知体としては、これに限定されず、検知対象のガス成分の存在により自身の抵抗が変化する金属酸化物半導体からなる検知体や、容量変化型の検知体を使用してもよい。　
検知体及び測温用抵抗体は、ベース３Ｂに形成された配線に電気的に接続され、外部から電力が供給される。　
ベース３Ｂは、キャップ３Ｃと共に、センサ素子３Ａを格納するケーシングを構成する。センサ素子３Ａは、ベース３Ｂの側壁に囲まれた底面に接着部３Ｄによって接着されている。　
また、ベース３Ｂのセンサ素子３Ａが配置された底面と反対側の外面には、上述の通り、触媒ユニット２が固定されている。　本実施形態では、ヒータ５がセンサ素子３Ａと一体化されており、ヒータ５がベース３Ｂに接着されている。　
キャップ３Ｃは、センサ素子３Ａと対向するように配置され、ベース３Ｂの側壁に接着部３Ｅによって接着されている。キャップ３Ｃとベース３Ｂとによって、センサ素子３Ａを格納する空間が画定されている。　
キャップ３Ｃには、２つの開口が設けられ、これらの開口に第２配管７と第３配管８とが接続されている。第２配管７からセンサユニット３内に導入された被測定ガスＧは、センサ素子３Ａに接触しながら、第３配管８からセンサユニット３の外（具体的にはガスセンサ１の系外）に排出される。　
ベース３Ｂは、セラミックを主成分とする材料で構成されている。本実施形態では、ベース３Ｂを構成するセラミックとして、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を使用している。なお、ベース３Ｂを構成するセラミックは、アルミナに限られることなく、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等を使用してもよい。ただし、ベース３Ｂを構成するセラミックの材質は、基体部２Ａを構成するセラミックの材質と同一であることが好ましい。基体部２Ａ及びベース３Ｂの材質が同じであると、基体部２Ａとベース３Ｂとの熱膨張率が同じとなるため、基体部２Ａ及びベース３Ｂに加熱及び冷却が繰り返し及んだ場合にも、ベース３Ｂが基体部２Ａから接着離れし難くなるからである。キャップ３Ｃは、例えば、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属材料で構成されてもよいし、アルミナ等のセラミックを主成分とする材料で構成されてもよい。また、接着部３Ｄ，３Ｅは、接着部２Ｅと同様のものが使用できる。　
＜ヒータ＞















　ヒータ５は、単体のヒータであり、触媒ユニット２とセンサユニット３とを同時に加熱する。本実施形態では、ヒータ５は、センサ素子３Ａ内に配置されている。ヒータ５をセンサ素子３Ａ内に配置することで、触媒ユニット２よりも高温で温度制御を行う必要のあるセンサ素子３Ａの温度制御が可能となる。なお、測温用抵抗体からの出力を用いてヒータ５の通電制御を行うことで、センサ素子３Ａの温度制御を精度の高いものにすることも可能である。　
ヒータ５は、例えば白金等の金属配線（つまり負荷抵抗）によって構成される。ヒータ５は、ベース３Ｂに形成された配線に電気的に接続され、外部から電力が供給されることで発熱する。　
ヒータ５は、触媒ユニット２とセンサユニット３とを加熱するように構成された伝熱面５Ａを有する。「伝熱面」とは、例えばヒータ５を構成する金属配線が配置された基材の表面である。また、ヒータ５は、図２Ａに示すように、基体部２Ａを挟んでシート体２Ｄとは反対側に配置されている。　
したがって、基体部２Ａにおける流路１０の最もヒータ５に近い部分（図２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ中の最も上側の部分）は、ヒータ５の伝熱面５Ａに沿って（つまり伝熱面５Ａと平行な方向に）延伸している。　
また、基体部２Ａにおける流路１０は、ヒータ５の伝熱面５Ａと垂直な方向（つまり基体部２Ａに対する伝熱方向）から視て、ヒータ５と重なる位置に設けられている。したがって、効率よく触媒層２Ｃを加熱することができる。　
本実施形態では、１つのヒータ５で触媒ユニット２とセンサユニット３とを同時に加熱できるため、ガスセンサ１の消費電力を低減できる。また、ガスセンサ１の構造を簡素化することができる。　
＜配管＞















　第１配管６は、触媒ユニット２に被測定ガスＧを供給する。第２配管７は、触媒ユニット２を通過した被測定ガスＧを、センサユニット３内に供給する。第３配管８は、センサユニット３内の被測定ガスＧを排出する。なお、本実施形態での被測定ガスＧは呼気である。　
［１－２．製造方法］















　以下、図１のガスセンサ１の製造方法について説明する。ガスセンサ１の製造方法は、図３に示すように、重ね合わせ工程Ｓ１０と、焼成工程Ｓ２０と、触媒層形成工程Ｓ３０と、シート体接着工程Ｓ４０と、組立工程Ｓ５０とを備える。　
＜重ね合わせ工程＞















　本工程では、触媒ユニット２を形成する工程として、それぞれ開口が形成された複数のセラミックグリーンシートと、開口が形成されていない１枚のセラミックグリーンシートとを重ね合わせる。　
例えば、図２Ｄに示す触媒ユニット２の場合は、図４Ａに示す１１枚のセラミックグリーンシート２１～３１を用意し、厚み方向に重ね合わせる。各シートの開口（図４Ａ中の白抜き部分）は、それぞれ、流路１０の一部となる。　
＜焼成工程＞















　本工程では、重ね合わせた複数のセラミックグリーンシートを焼成する。これにより、接着剤を介さずに複数のセラミックシートが互いに接合し、一体化された基体部２Ａが得られる。　
＜触媒層形成工程＞















　本工程では、基体部２Ａの内壁２Ｂに触媒層２Ｃを配置する。まず、触媒を含む液体中への基体部２Ａのディップ等によって、内壁２Ｂに触媒層２Ｃを塗布する。その後、加熱により、触媒層２Ｃを内壁２Ｂに固定する。　
＜シート体接着工程＞















　本工程では、予め第１配管６及び第２配管７を接続したシート体２Ｄを、無機系接着剤又はガラスによって基体部２Ａに接着する。これにより、触媒ユニット２が得られる。　
＜組立工程＞















　本工程では、触媒ユニット２、センサユニット３、及びヒータ５を接着し、ガスセンサ１を組み立てる。　
［１－３．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。















　（１ａ）ヒータ５の伝熱面５Ａに沿って延伸する流路を含む基体部２Ａにより、触媒層２Ｃを効率よく加熱することができる。また、ガスセンサ１では、ガス導入位置１０Ａからガス排出位置１０Ｂに向かって流れてゆく被測定ガスＧが、迂回壁１２Ａ，１２Ｂの存在によってガス導入位置１０Ａからガス排出位置１０Ｂまでの最短距離で流れずに迂回することで、被測定ガスＧが触媒層２Ｃと接する機会が増大する。そのため、触媒層２Ｃが効率よく加熱される効果と相俟って、被測定ガスＧを効率よく変換することができる。　
（１ｂ）基体部２Ａが接着剤を使用しないセラミック製の一体品であるため、強度に優れ、かつヒータ５からの伝熱効率が高い。さらに、被測定ガスＧのリークも抑制することができる。　
（１ｃ）セラミックを主成分とする３以上のシートが重ね合わされた焼成体によって、複雑な流路１０を含む基体部２Ａを容易かつ確実に得ることができる。また、被測定ガスＧの流路１０の設計を容易に行うことができる。　
（１ｄ）シート体２Ｄを基体部２Ａに接着することで、基体部２Ａと配管６，７との接続が容易に行える。また、任意の向きに被測定ガスＧの導入口及び排出口を設けることができる。　
（１ｅ）ヒータ５が、基体部２Ａを挟んでシート体２Ｄとは反対側に配置されるので、触媒ユニット２の触媒層２Ｃを効率よく加熱することができる。　
［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、基体部２Ａは、第１開口２Ｆ及び第２開口２Ｇ以外の開口を有してもよい。この場合、基体部２Ａの第１開口２Ｆ及び第２開口２Ｇ以外の開口は、他の部材によって閉塞される。つまり、基体部２Ａは、触媒ユニット２の被測定ガスＧの流路１０を部分的に構成してもよい。　
例えば、図５Ａに示すように、基体部２Ａの外面のうち、ヒータ５の伝熱面５Ａと交差する方向に延伸する外面（つまり、基体部２Ａの側面）に連通する複数の開口が設けられていてもよい。　
図５Ａの触媒ユニット２では、２つの補助シート２Ｉ，２Ｊが接着部２Ｋによって基体部２Ａの側面に接着され、被測定ガスＧの流路１０を構成している。接着部２Ｋは、ヒータ５の伝熱面５Ａに対して垂直な方向に延伸し、かつ流路１０よりも外側に配置されているため、ヒータ５の伝熱を阻害しない。　
図５Ａの基体部２Ａの形成方法は以下の通りである。まず、図４Ｂに示す１１枚のセラミックグリーンシート２１～３１を用意し、厚み方向に重ね合わせて焼成する。その後、触媒層２Ｃを形成した上で、側面に別途焼成した２つの補助シート２Ｉ，２Ｊを接着する。２つの補助シート２Ｉ，２Ｊの材料は、基体部２Ａと同様のものが使用できる。接着部２Ｋは、接着部２Ｅと同様のものが使用できる。　
（２ｂ）上記実施形態のガスセンサ１において、シート体２Ｄは、基体部２Ａの側面に配置されてもよい。また、複数のシート体２Ｄを基体部２Ａに接着してもよい。　例えば、図５Ｂに示すように、第１配管６が接続された第１シート体２Ｌを基体部２Ａにおけるヒータ５と対向する位置に接着し、第２配管７が接続された第２シート体２Ｍを基体部２Ａの側面に接着してもよい。これにより、被測定ガスＧの導入方向と排出方向とを異ならせることができる。　
なお、シート体２Ｄは本開示に必須の構成要素ではなく、省略することもできる。つまり、第１配管６及び第２配管７を基体部２Ａのガス導入位置１０Ａを構成する開口及びガス排出位置１０Ｂを構成する開口に直接接続してもよい。　
（２ｃ）上記実施形態のガスセンサ１において、ヒータ５は、必ずしもセンサ素子３Ａと一体化されなくてもよい。例えば、図６Ａに示すように、ヒータ５はベース３Ｂの内部に配置されてもよい。また、図６Ｂに示すように、ヒータ５は、基体部２Ａにおけるベース３Ｂと対向する外面に配置されてもよい。さらに、ヒータ５は、ベース３Ｂにおけるセンサ素子３Ａと対向する外面、ベース３Ｂにおける基体部２Ａと対向する外面、基体部２Ａの内部等に配置されてもよい。　
また、ガスセンサ１は、触媒層２Ｃを加熱するための複数のヒータ５を備えてもよいし、触媒層２Ｃを加熱するための第１ヒータと、センサ素子３Ａを加熱するための第２ヒータとを備えてもよい。　
（２ｄ）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…触媒ユニット、２Ａ…基体部、２Ｂ…内壁、２Ｃ…触媒層、　２Ｄ…シート体、２Ｅ…接着部、２Ｆ…第１開口、２Ｇ…第２開口、２Ｈ…接着部、　２Ｉ，２Ｊ…補助シート、２Ｋ…接着部、２Ｌ…第１シート体、２Ｍ…第２シート体、　３…センサユニット、３Ａ…センサ素子、３Ｂ…ベース、３Ｃ…キャップ、　３Ｄ，３Ｅ…接着部、５…ヒータ、５Ａ…伝熱面、６…第１配管、７…第２配管、　８…第３配管、１０…流路、１０Ａ…ガス導入位置、１０Ｂ…ガス排出位置、　１２Ａ～１２Ｊ…迂回壁、２１～３１…セラミックグリーンシート。

Claims (4)

  1. 被測定ガスに含まれる成分の濃度を測定するためのガスセンサであって、















    　被測定ガスに含まれる成分を化学変化させるように構成された触媒ユニットと、















    　前記触媒ユニットを通過した前記被測定ガス中の特定成分を検知するように構成されたセンサ素子と、















    　少なくとも前記触媒ユニットを加熱するように構成された伝熱面を有するヒータと、















    　を備え、















    　前記触媒ユニットは、















    　前記被測定ガスの流路を構成する内壁を有する基体部と、















    　前記基体部の前記内壁に配置された触媒層と、















    　を有し、















    　前記基体部は、セラミックを主成分とする一体品であり、















    　前記基体部における前記被測定ガスの流路の少なくとも一部は、前記ヒータの前記伝熱面に沿って延伸し、















    　前記流路を構成する前記内壁は、前記流路のガス導入位置からガス排出位置に流れる前記被測定ガスを迂回させて当該流路を長くするための迂回壁を含む、ガスセンサ。














  2. 前記基体部は、セラミックを主成分とする３以上のシートが重ね合わされた焼成体である、請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 前記触媒ユニットは、少なくとも１つの配管が接続された少なくとも１つのシート体をさらに有し、　前記シート体は、前記基体部に接着される、請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
  4. 前記ヒータは、前記基体部を挟んで前記少なくとも１つのシート体とは反対側に配置される、請求項３に記載のガスセンサ。
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