ガスセンサ
【課題】例えばマイクロマシン技術で作製した発熱する検出素子を用いた熱伝導式ガスセンサにおいて、高応答、高精度を同時に達成できるガスセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】検出素子を覆う有孔キャップと、有孔キャップの孔９と対向しない位置で孔９の中心を対称点として設けた４個の同径のガス導入口８を形成したケース４とからなり、孔９の直径をガス導入口８の直径で除した値が１．５以上３．５以下であり、かつ孔９の中心と任意のガス導入口８の中心の間の距離から孔９の半径とガス導入口８の半径を差し引いた値に対して孔９の直径で除した値が０以上０．２以下とすることにより、被検出ガスが直ちに検出素子まで拡散でき、かつガスセンサ周囲の被検出ガス流量の変化に出力が影響されない構造となるので、極めて高応答で流量依存性の少ない高精度ガスセンサを構成できる。
【解決手段】検出素子を覆う有孔キャップと、有孔キャップの孔９と対向しない位置で孔９の中心を対称点として設けた４個の同径のガス導入口８を形成したケース４とからなり、孔９の直径をガス導入口８の直径で除した値が１．５以上３．５以下であり、かつ孔９の中心と任意のガス導入口８の中心の間の距離から孔９の半径とガス導入口８の半径を差し引いた値に対して孔９の直径で除した値が０以上０．２以下とすることにより、被検出ガスが直ちに検出素子まで拡散でき、かつガスセンサ周囲の被検出ガス流量の変化に出力が影響されない構造となるので、極めて高応答で流量依存性の少ない高精度ガスセンサを構成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガスの濃度を検出するためのガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被検出ガスの濃度を検出するためのガスセンサとして、従来、ガスの持つ熱伝導率が種類によって異なる性質を利用して、熱伝導率の変化を感熱素子（発熱素子と併用）の温度変化として検出する原理のものが提案されている。例えば、被検出ガスが空気中に存在する湿気である場合、感熱素子から奪われる熱量が空気のみの時より多くなり、これにより素子の温度が湿度に応じて変化する。この温度変化を感熱素子の抵抗値の変化として電気的に検出するものである。ここで、乾燥空気中に封じ込められたもう一つの感熱素子を併用することにより、前記感熱素子からは周囲温度にのみ相関した出力が得られるため、両感熱素子の差を取ることで周囲温度の影響を除いた湿度出力が得られる。
【０００３】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特許第３５５９９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなガスセンサを可燃ガス、特に燃えやすい水素の漏洩検知に用いる場合、被検出ガスの応答性が特に重要となる。すなわち、図１３に示した特許文献１の構造の場合、確かに水素に対しても検出することは可能であるが、水素は通気孔１１３から小孔１０７を通って感熱素子１０１まで拡散していくので、水素が感熱素子１０１に到達するまで時間がかかる。実際に図１３と同様のガスセンサを構成して水素検知における９０％応答性（ガスを切り替えて出力変化の９０％に至るまでの時間）を評価したところ１分以上かかることがわかり、水素の漏洩検知に対して極めて応答性が遅いという課題があった。
【０００５】
これに対し、一般的には通気孔１１３や小孔１０７を大きくすれば応答性が速くなるが、同時にガスセンサ１０８に導入される被検出ガスの流量の影響も大きくなる。すなわち、背景技術のガスセンサのように検出原理に熱伝導式を用いたものは、ガスの種類だけでなくガス流量によっても感熱素子１０１から奪われる熱量に変化が現れ、結果的にセンサ出力に誤差が発生してしまうという課題があった。
【０００６】
以上のことから、本発明は応答性がよく流量依存性の少ない高精度ガスセンサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【０００８】
本発明の請求項１に記載の発明は、特に、被検出ガスに接触する検出素子と、この検出素子を覆う有孔キャップと、この有孔キャップの孔と対向しない位置でこの孔の中心を対称点として設けた４個の同径のガス導入口を形成したケースとからなり、前記孔の直径を前記ガス導入口の直径で除した値が１．５以上３．５以下であり、かつ前記孔の中心と任意の前記ガス導入口の中心の間の距離から前記孔の半径と前記ガス導入口の半径を差し引いた値に対して前記孔の直径で除した値が０以上０．２以下としたものであり、被検出ガスが直ちに検出素子まで拡散できて、かつガスセンサ周囲の被検出ガス流量の変化に出力が影響されない構造となるので、極めて高応答で流量依存性の少ない高精度ガスセンサを構成できるという作用効果が得られる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、検出素子をマイクロマシン技術で作成したものであり、これにより、検出素子の体積を極小にできるため、ガスセンサ内における被検出ガスの置換体積が小さくなり、さらに高応答なガスセンサを構成できるという作用効果が得られる。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、孔に金属製の網を二重に設けたものであり、これにより、ガスセンサ外部からのノイズが直接検出素子に至らず、ノイズの影響を低減できるとともに、万一水素などの可燃ガスが検出素子近傍で発火しても火炎が網より外に至らなくなるため、被検出ガスの拡散を損なわず、かつ流量の影響を受けずに安全性を確保できるという作用効果が得られる。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、有孔キャップおよびケースが金属材料からなり、両者を電気的、機械的に接続したものであり、これにより、ガスセンサ外部からのノイズの影響を低減できるので、ノイズによる応答性への影響を低減できるという作用効果が得られる。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、特に、検出素子の出力からガス濃度を検出する検出回路を設けた回路基板がケースに内蔵され、この回路基板のグランド線を前記ケースおよび有孔キャップと電気的に接続したものであり、これにより、検出回路も含めてガスセンサ外部からのノイズの影響を低減できるので、ノイズによる応答性への影響をさらに低減できるという作用効果が得られる。
【００１３】
本発明の請求項６に記載の発明は、特に、有孔キャップおよびケースを、はめ合いにより接続したものであり、これにより、有孔キャップとケースの隙間から侵入するノイズの影響を低減できるので、ノイズによる応答性への影響をさらに低減できるという作用効果が得られる。
【００１４】
本発明の請求項７に記載の発明は、特に、有孔キャップとケースの隙間を接着剤で埋めたものであり、これにより、有孔キャップとケースの隙間から被検出ガスが漏れて検出素子に至るのに時間がかかるということがなくなるため、高応答なガスセンサを構成できるという作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガスセンサは、上記のような構成の口数、寸法規定にすることにより、被検出ガスが直ちに検出素子まで拡散でき、かつ、ガスセンサ周囲の被検出ガス流量の変化に出力が影響されない構造となるので、極めて高応答で流量依存性の少ない高精度ガスセンサを構成できるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について説明する。なお、本実施の形態では被検出ガスとして水素を検出するものとして、以下、説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態におけるガスセンサの分解斜視図である。図２は同実施の形態におけるガスセンサのガス検出部および検出素子の概略斜視図である。図３は同実施の形態におけるガスセンサのガス検出部近傍の概略断面図である。図４は同実施の形態におけるガスセンサの９０％応答性の定義図である。図５は同実施の形態におけるガスセンサの流量依存性の定義図である。図６は同実施の形態におけるガスセンサの孔の直径／ガス導入口の直径に対する９０％応答性の相関図である。図７は同実施の形態におけるガスセンサの孔の直径／ガス導入口の直径に対する流量依存性の相関図である。図８は同実施の形態におけるガスセンサの孔の中心とガス導入口の中心の間の距離から孔の半径とガス導入口の半径を差し引いた値を孔の直径で除した値（以下、ピッチという）に対する９０％応答性の相関図である。図９は同実施の形態におけるガスセンサのピッチに対する流量依存性の相関図である。図１０は同実施の形態におけるガスセンサのガス導入口の数に対する９０％応答性の相関図である。図１１は同実施の形態におけるガスセンサのガス導入口の穴数に対する流量依存性の相関図である。図１２は同実施の形態におけるガスセンサのノイズ有無による応答性への影響を示す特性図である。
【００１８】
図１において、１はガス検出部であり、その端子は回路基板２に半田付けにより実装されている。なお、ガス検出部１の外周は全周に渡って回路基板２の上に設けたグランドパターンとも半田３により固着されている。これにより、ガス検出部１は電気的かつ機械的に回路基板２に固定されることになる。回路基板２はアルミダイキャストにより形成されたケース本体４と同じくアルミダイキャストで形成されたケース蓋５とともに４本の金属製ネジ６で固定される。この際、回路基板２でケース本体４およびケース蓋５が接触する部分は全てグランドパターンにしてあるので、回路基板２をケース本体４およびケース蓋５内に固定することでケース本体４およびケース蓋５もグランド共通になる。
【００１９】
ケース本体４には突起部７が設けられており、ガス検出部１を実装した回路基板２をケース本体４に取り付けることでガス検出部１の一部が突起部７にちょうど挿入される。挿入する際にはガス検出部１の突起部７に挿入される外周部分に接着剤を塗布している。これにより挿入することでガス検出部１と突起部７の隙間が接着剤で埋まり、この部分からのガス漏れを防ぐことができる。突起部７の底面にはガス検出部１に設けた孔９の中心（すなわち、突起部７の中心）が対称点となるように４つのガス導入口８が形成されている。ガス導入口８はガス検出部１が突起部７に挿入されても孔９と対向しない位置に設けられている。
【００２０】
ケース本体４には、さらに回路基板２の信号のやり取りを行うための貫通コンデンサ１０が固定されており、その端子は回路基板２をケース本体４に挿入することでＵ字形状に曲げた部分を介して回路基板２と接続される。接続部分は半田付けにより固定される。
【００２１】
このような構造とすることにより、回路基板２はケース本体４およびケース蓋５とグランドを共通にしたシールド構造の中に固定されるので、外乱ノイズに強いガスセンサが構成される。
【００２２】
次に、ガス検出部１の詳細構造について図２を用いて説明する。ガス検出部１は、ベース１１の上に検出素子１２を接着し、金製のワイヤ１３でベース１１に設けたピン１４と検出素子１２を配線し、有孔キャップ１５をベース１１に被せて溶接することで構成されている。なお、有孔キャップ１５の孔９の部分にはステンレス製の網１６が二重に設けられている。網１６は有孔キャップ１５と溶接により接合されているので、網１６もグランドに接続されることになる。従って、網１６の部分に到達した外乱ノイズが検出素子１２に至ることはなくなり、ノイズの影響を低減できる。
【００２３】
検出素子１２はシリコンからなる台座１７をマイクロマシンで加工技術により厚み約１０マイクロメートルの極薄に加工した窪み部の表面上に、図示しない絶縁層と、その上につづら折れ状に形成した白金薄膜からなる発熱体１８からなる。これにより発熱体１８の熱容量を極めて低減され、応答性のよいガスセンサを構成することができる。発熱体１８の両端はワイヤ１３をボンディングするためのランド１９が設けられている。なお、発熱体１８やランド１９の下面には図示しない絶縁層が形成されている。さらに、発熱体１８の上面にも図示しない保護層が形成されている。
【００２４】
次にガスセンサに被検出ガスが到達する様子を図３で説明する。被検出ガスは図３の矢印で示したようにガス導入口８を通って突起部７と有孔キャップ１５の隙間に至る。被検出ガスはさらに孔９、網１６を通り有孔キャップ１５内に導入される。その後、検出素子１２に到達することでガス濃度を検出している。
【００２５】
このような基本構造のガスセンサを用いて、ガス導入口８や孔９の大きさ、ピッチ、ガス導入口８の数を変えることにより、応答性に対する影響を調べた。応答性は流量５００ｃｃ／分の空気から同流量の１％水素含有の空気に切り替えて測定した。ガスの切り替えに要する時間は０．３秒であった。図４に応答性の定義図を示す。空気から１％水素に切り替えて流したとき、出力が飽和値である１％Ｈ2（％Ｈ2は「％水素濃度」の意味、以下同様）の９０％に相当する０．９％Ｈ2となるまでの時間を応答性（以下、９０％応答性）と定義する。図４の例では９０％応答性は８秒になる。なお、水素漏洩検知のための応答性の目標値は５秒以下とした。
【００２６】
また、前記のようにガス導入口８や孔９の大きさ、ピッチ、ガス導入口８の数を変えると、ガスセンサに導入される被検出ガスの流量の影響も大きくなる。そこで、流量に対する影響も調べた。流量は０から３０Ｌ／分（発明者の測定系では流速１０ｍ／秒に相当）までを１０Ｌ／分刻みで１００秒毎に上下して測定した。これにより、図５に示すように流量に応じてノイズ状にランダムにセンサ出力が変動した。その最大変動幅（単位：％Ｈ2ｐ−ｐ、ｐ−ｐはピーク・トゥ・ピークの意味、以下同様）を流量依存性と定義して評価した。図５の例では流量依存性は０．１４４％Ｈ2ｐ−ｐになる。なお、流量依存性は小さいほど高精度となるので、流量依存性の目標値は０．０５％Ｈ2ｐ−ｐ以下とした。
【００２７】
評価結果を以下に説明する。
【００２８】
まず、ガス導入口８や孔９の穴径に対する９０％応答性および流量依存性の結果であるが、予備検討の結果、ガス導入口８と孔９がオーバーラップする構造、すなわち図３で定義を示したピッチがマイナスの構造では、流量依存性が著しく大きくなることがわかったので、ピッチが必ず０以上になるようにそれぞれの穴径を設計した。従って、ガス導入口８を大きくすると孔９は小さくした。逆の場合も同様である。
【００２９】
このことから、穴径はガス導入口８と孔９の２種類のパラメータを持つので、これを一元的に表現するために、孔９の直径をガス導入口８の直径で除した値（以下、穴径比）で取り扱う。なお、他のパラメータはピッチが０、ガス導入口８の穴数は４とした。
【００３０】
結果を図６、図７に示す。図６より、９０％応答性は穴径比に対し下に凸のカーブを示すことがわかる。これは、ガス導入口８または孔９のいずれかの直径が小さいと９０％応答性が悪くなることを示す。従って、９０％応答性を最速とする構造があることがわかる。図６の結果から、目標値５秒以下を達成する穴径比は１．５以上３．５以下であることがわかった。従って、この範囲内の組み合わせでそれぞれの穴径を設計すればよい。
【００３１】
一方、流量依存性は図７の結果より、今回評価した範囲では穴径比に大きく依存せず、どの組み合わせでも目標０．０５％Ｈ2ｐ−ｐを満たすことがわかった。これは前述のように流量依存性が大きくなる条件であるピッチがマイナスとなる構造にしなかったためである。
【００３２】
次に、ピッチに対する９０％応答性および流量依存性の結果を図８、図９にそれぞれ示す。なお、ピッチは穴径の組み合わせを変えることで可変した。他のパラメータとしてガス導入口８の穴数は８つとした。
【００３３】
図８より、ピッチが大きくなると９０％応答性は遅くなり、目標を満たすにはピッチが０．２以下でなければならないことがわかる。
【００３４】
一方、図９より、ピッチが小さいほど流量依存性が悪くなることがわかる。この結果からは目標を満たすピッチの下限は約０．１５となる。従って、図８、図９の結果からピッチの範囲は０．１５以上０．２以下となる。しかし、これはガス導入口８が８個の場合の結果であり、穴数による影響を加味していない。
【００３５】
そこで、次にガス導入口８の穴数に対する９０％応答性および流量依存性の結果を図１０、図１１にそれぞれ示す。なお、他のパラメータとして穴径比は２、ピッチは０とした。
【００３６】
図１０より、穴数が４個から８個まで変わっても９０％応答性にはほとんど影響せず約４秒であるので、穴数はいくつでも目標を達成できることがわかる。
【００３７】
一方、図１１より、穴数が増えると流量依存性が悪くなることがわかる。従って、たとえピッチが０でも穴数が多くなると流量依存性が発現し、目標を満たすには穴数を４個にしなければならないことがわかる。
【００３８】
以上のことから、ピッチの結果を再考すると、ピッチの評価は穴数を８個として行ったが、図１０の結果から穴数による９０％応答性への影響はないため、穴数が４個でもピッチの９０％応答性への影響はないと考える。従って、前述の通り、穴数が４個の場合も目標達成にはピッチが０．２以下でなければならない。一方、流量依存性については穴数の影響が大きく、穴数が４個であれば、たとえピッチが０でも流量依存性は図１１の結果より目標を達成できる。ゆえに、穴数が４個の場合はピッチの下限は０でもよいことになる。
【００３９】
以上の結果をまとめると、穴数は４個とし、穴径比は１．５以上３．５以下、ピッチは０以上０．２以下とすれば目標を達成できることがわかった。なお、具体的には穴数４、穴径比２．５７、ピッチ０の構成が最適であり、その９０％応答性は最速の３．８秒、流量依存性は０．０４６％Ｈ2ｐ−ｐであることを確認した。
【００４０】
次に回路基板２に設けた検出回路のノイズの影響について述べる。
【００４１】
ノイズと応答性には関係がないように思われるが、本実施の形態のガスセンサに関しては駆動方法に起因して大きく影響する。
【００４２】
前述のように、検出素子１２はマイクロマシン技術で作製されているので、極めて熱容量が小さい。また、熱伝導式ガスセンサの場合、熱伝導率が周囲温度によって変化するため、温度補正が必須である。これらのことから、検出素子１２をほとんど発熱させない条件で検出素子１２の抵抗値を測定すると周囲温度を得ることができるので、まず検出素子１２の抵抗値を微弱電流で測定し、次に発熱させる電流を流して瞬時に加熱し熱伝導率を測定することで、１つの検出素子１２で２つの出力を得ることができる。その後電流を切り検出素子１２を冷却し、その間に温度補正したガス濃度を演算して出力する。これを一定の周期で繰り返す。この方法の特徴は、素子が１つなので背景技術のように２つの感熱素子を使うことによる素子ばらつきの影響を受けない、温度と熱伝導率を同一の場所で測定できるため場所による誤差がない、超小型なのでガス置換体積が小さく応答性向上に寄与する、といった点が挙げられる。
【００４３】
これらの特徴を活かすために、検出素子１２にはパルス状に電流が繰り返し印加されるので、パルス周期毎にしか出力が得られない。なお、本実施の形態ではパルス周期を２秒としたので、回路基板２に設けた検出回路で２秒毎に出力が更新されるようにした。
【００４４】
ここで、回路基板２に設けた検出回路に外乱ノイズが乗ると、出力が２秒毎に大きく変動することになる。この様子を図１２（ａ）に示す。同図は９０％応答性測定時の時間によるセンサ出力の変化を示し、図中の矢印が９０％応答性に相当する。また、各プロットは２秒毎の出力を表す。出力がノイズによって変動した場合の９０％応答性は図１２（ａ）より約５秒であるが、本実施の形態で述べたように外乱ノイズに対してシールド構造にすることでノイズを除去した場合の９０％応答性は図１２（ｂ）に示すように４秒弱であった。これは、本来の９０％応答性の実力は約４秒であるのに、ノイズにより出力が実際より小さくなってしまった場合、結果的に９０％応答性が遅く見えてしまうためである。このことから、本実施の形態で述べた回路基板２に設けた外乱ノイズに対するシールド構造が高応答性実現に必要であることがわかる。
【００４５】
以上の構成、動作により、応答性がよく流量依存性の少ない高精度なガスセンサを得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明にかかるガスセンサは、ガス導入口や孔の口数、寸法を最適範囲に規定したことにより、高応答、高精度を同時に達成できるという効果を有し、特にマイクロマシン技術で作製した発熱する検出素子を用いた熱伝導式ガスセンサへの適用に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態におけるガスセンサの分解斜視図
【図２】同実施の形態におけるガスセンサのガス検出部および検出素子の概略斜視図
【図３】同実施の形態におけるガスセンサのガス検出部近傍の概略断面図
【図４】同実施の形態におけるガスセンサの９０％応答性の定義図
【図５】同実施の形態におけるガスセンサの流量依存性の定義図
【図６】同実施の形態におけるガスセンサの孔の直径／ガス導入口の直径に対する９０％応答性の相関図
【図７】同実施の形態におけるガスセンサの孔の直径／ガス導入口の直径に対する流量依存性の相関図
【図８】同実施の形態におけるガスセンサのピッチに対する９０％応答性の相関図
【図９】同実施の形態におけるガスセンサのピッチに対する流量依存性の相関図
【図１０】同実施の形態におけるガスセンサのガス導入口の数に対する９０％応答性の相関図
【図１１】同実施の形態におけるガスセンサのガス導入口の数に対する流量依存性の相関図
【図１２】同実施の形態におけるガスセンサのノイズ有無による応答性への影響を示す特性図
【図１３】背景技術における湿度センサの断面図
【符号の説明】
【００４８】
１ ガス検出部
２ 回路基板
３ 半田
４ ケース本体
５ ケース蓋
６ ネジ
７ 突起部
８ ガス導入口
９ 孔
１０ 貫通コンデンサ
１１ ベース
１２ 検出素子
１３ ワイヤ
１４ ピン
１５ 有孔キャップ
１６ 網
１７ 台座
１８ 発熱体
１９ ランド
２０ 接着剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガスの濃度を検出するためのガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被検出ガスの濃度を検出するためのガスセンサとして、従来、ガスの持つ熱伝導率が種類によって異なる性質を利用して、熱伝導率の変化を感熱素子（発熱素子と併用）の温度変化として検出する原理のものが提案されている。例えば、被検出ガスが空気中に存在する湿気である場合、感熱素子から奪われる熱量が空気のみの時より多くなり、これにより素子の温度が湿度に応じて変化する。この温度変化を感熱素子の抵抗値の変化として電気的に検出するものである。ここで、乾燥空気中に封じ込められたもう一つの感熱素子を併用することにより、前記感熱素子からは周囲温度にのみ相関した出力が得られるため、両感熱素子の差を取ることで周囲温度の影響を除いた湿度出力が得られる。
【０００３】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特許第３５５９９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなガスセンサを可燃ガス、特に燃えやすい水素の漏洩検知に用いる場合、被検出ガスの応答性が特に重要となる。すなわち、図１３に示した特許文献１の構造の場合、確かに水素に対しても検出することは可能であるが、水素は通気孔１１３から小孔１０７を通って感熱素子１０１まで拡散していくので、水素が感熱素子１０１に到達するまで時間がかかる。実際に図１３と同様のガスセンサを構成して水素検知における９０％応答性（ガスを切り替えて出力変化の９０％に至るまでの時間）を評価したところ１分以上かかることがわかり、水素の漏洩検知に対して極めて応答性が遅いという課題があった。
【０００５】
これに対し、一般的には通気孔１１３や小孔１０７を大きくすれば応答性が速くなるが、同時にガスセンサ１０８に導入される被検出ガスの流量の影響も大きくなる。すなわち、背景技術のガスセンサのように検出原理に熱伝導式を用いたものは、ガスの種類だけでなくガス流量によっても感熱素子１０１から奪われる熱量に変化が現れ、結果的にセンサ出力に誤差が発生してしまうという課題があった。
【０００６】
以上のことから、本発明は応答性がよく流量依存性の少ない高精度ガスセンサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【０００８】
本発明の請求項１に記載の発明は、特に、被検出ガスに接触する検出素子と、この検出素子を覆う有孔キャップと、この有孔キャップの孔と対向しない位置でこの孔の中心を対称点として設けた４個の同径のガス導入口を形成したケースとからなり、前記孔の直径を前記ガス導入口の直径で除した値が１．５以上３．５以下であり、かつ前記孔の中心と任意の前記ガス導入口の中心の間の距離から前記孔の半径と前記ガス導入口の半径を差し引いた値に対して前記孔の直径で除した値が０以上０．２以下としたものであり、被検出ガスが直ちに検出素子まで拡散できて、かつガスセンサ周囲の被検出ガス流量の変化に出力が影響されない構造となるので、極めて高応答で流量依存性の少ない高精度ガスセンサを構成できるという作用効果が得られる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、検出素子をマイクロマシン技術で作成したものであり、これにより、検出素子の体積を極小にできるため、ガスセンサ内における被検出ガスの置換体積が小さくなり、さらに高応答なガスセンサを構成できるという作用効果が得られる。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、孔に金属製の網を二重に設けたものであり、これにより、ガスセンサ外部からのノイズが直接検出素子に至らず、ノイズの影響を低減できるとともに、万一水素などの可燃ガスが検出素子近傍で発火しても火炎が網より外に至らなくなるため、被検出ガスの拡散を損なわず、かつ流量の影響を受けずに安全性を確保できるという作用効果が得られる。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、有孔キャップおよびケースが金属材料からなり、両者を電気的、機械的に接続したものであり、これにより、ガスセンサ外部からのノイズの影響を低減できるので、ノイズによる応答性への影響を低減できるという作用効果が得られる。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、特に、検出素子の出力からガス濃度を検出する検出回路を設けた回路基板がケースに内蔵され、この回路基板のグランド線を前記ケースおよび有孔キャップと電気的に接続したものであり、これにより、検出回路も含めてガスセンサ外部からのノイズの影響を低減できるので、ノイズによる応答性への影響をさらに低減できるという作用効果が得られる。
【００１３】
本発明の請求項６に記載の発明は、特に、有孔キャップおよびケースを、はめ合いにより接続したものであり、これにより、有孔キャップとケースの隙間から侵入するノイズの影響を低減できるので、ノイズによる応答性への影響をさらに低減できるという作用効果が得られる。
【００１４】
本発明の請求項７に記載の発明は、特に、有孔キャップとケースの隙間を接着剤で埋めたものであり、これにより、有孔キャップとケースの隙間から被検出ガスが漏れて検出素子に至るのに時間がかかるということがなくなるため、高応答なガスセンサを構成できるという作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガスセンサは、上記のような構成の口数、寸法規定にすることにより、被検出ガスが直ちに検出素子まで拡散でき、かつ、ガスセンサ周囲の被検出ガス流量の変化に出力が影響されない構造となるので、極めて高応答で流量依存性の少ない高精度ガスセンサを構成できるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について説明する。なお、本実施の形態では被検出ガスとして水素を検出するものとして、以下、説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態におけるガスセンサの分解斜視図である。図２は同実施の形態におけるガスセンサのガス検出部および検出素子の概略斜視図である。図３は同実施の形態におけるガスセンサのガス検出部近傍の概略断面図である。図４は同実施の形態におけるガスセンサの９０％応答性の定義図である。図５は同実施の形態におけるガスセンサの流量依存性の定義図である。図６は同実施の形態におけるガスセンサの孔の直径／ガス導入口の直径に対する９０％応答性の相関図である。図７は同実施の形態におけるガスセンサの孔の直径／ガス導入口の直径に対する流量依存性の相関図である。図８は同実施の形態におけるガスセンサの孔の中心とガス導入口の中心の間の距離から孔の半径とガス導入口の半径を差し引いた値を孔の直径で除した値（以下、ピッチという）に対する９０％応答性の相関図である。図９は同実施の形態におけるガスセンサのピッチに対する流量依存性の相関図である。図１０は同実施の形態におけるガスセンサのガス導入口の数に対する９０％応答性の相関図である。図１１は同実施の形態におけるガスセンサのガス導入口の穴数に対する流量依存性の相関図である。図１２は同実施の形態におけるガスセンサのノイズ有無による応答性への影響を示す特性図である。
【００１８】
図１において、１はガス検出部であり、その端子は回路基板２に半田付けにより実装されている。なお、ガス検出部１の外周は全周に渡って回路基板２の上に設けたグランドパターンとも半田３により固着されている。これにより、ガス検出部１は電気的かつ機械的に回路基板２に固定されることになる。回路基板２はアルミダイキャストにより形成されたケース本体４と同じくアルミダイキャストで形成されたケース蓋５とともに４本の金属製ネジ６で固定される。この際、回路基板２でケース本体４およびケース蓋５が接触する部分は全てグランドパターンにしてあるので、回路基板２をケース本体４およびケース蓋５内に固定することでケース本体４およびケース蓋５もグランド共通になる。
【００１９】
ケース本体４には突起部７が設けられており、ガス検出部１を実装した回路基板２をケース本体４に取り付けることでガス検出部１の一部が突起部７にちょうど挿入される。挿入する際にはガス検出部１の突起部７に挿入される外周部分に接着剤を塗布している。これにより挿入することでガス検出部１と突起部７の隙間が接着剤で埋まり、この部分からのガス漏れを防ぐことができる。突起部７の底面にはガス検出部１に設けた孔９の中心（すなわち、突起部７の中心）が対称点となるように４つのガス導入口８が形成されている。ガス導入口８はガス検出部１が突起部７に挿入されても孔９と対向しない位置に設けられている。
【００２０】
ケース本体４には、さらに回路基板２の信号のやり取りを行うための貫通コンデンサ１０が固定されており、その端子は回路基板２をケース本体４に挿入することでＵ字形状に曲げた部分を介して回路基板２と接続される。接続部分は半田付けにより固定される。
【００２１】
このような構造とすることにより、回路基板２はケース本体４およびケース蓋５とグランドを共通にしたシールド構造の中に固定されるので、外乱ノイズに強いガスセンサが構成される。
【００２２】
次に、ガス検出部１の詳細構造について図２を用いて説明する。ガス検出部１は、ベース１１の上に検出素子１２を接着し、金製のワイヤ１３でベース１１に設けたピン１４と検出素子１２を配線し、有孔キャップ１５をベース１１に被せて溶接することで構成されている。なお、有孔キャップ１５の孔９の部分にはステンレス製の網１６が二重に設けられている。網１６は有孔キャップ１５と溶接により接合されているので、網１６もグランドに接続されることになる。従って、網１６の部分に到達した外乱ノイズが検出素子１２に至ることはなくなり、ノイズの影響を低減できる。
【００２３】
検出素子１２はシリコンからなる台座１７をマイクロマシンで加工技術により厚み約１０マイクロメートルの極薄に加工した窪み部の表面上に、図示しない絶縁層と、その上につづら折れ状に形成した白金薄膜からなる発熱体１８からなる。これにより発熱体１８の熱容量を極めて低減され、応答性のよいガスセンサを構成することができる。発熱体１８の両端はワイヤ１３をボンディングするためのランド１９が設けられている。なお、発熱体１８やランド１９の下面には図示しない絶縁層が形成されている。さらに、発熱体１８の上面にも図示しない保護層が形成されている。
【００２４】
次にガスセンサに被検出ガスが到達する様子を図３で説明する。被検出ガスは図３の矢印で示したようにガス導入口８を通って突起部７と有孔キャップ１５の隙間に至る。被検出ガスはさらに孔９、網１６を通り有孔キャップ１５内に導入される。その後、検出素子１２に到達することでガス濃度を検出している。
【００２５】
このような基本構造のガスセンサを用いて、ガス導入口８や孔９の大きさ、ピッチ、ガス導入口８の数を変えることにより、応答性に対する影響を調べた。応答性は流量５００ｃｃ／分の空気から同流量の１％水素含有の空気に切り替えて測定した。ガスの切り替えに要する時間は０．３秒であった。図４に応答性の定義図を示す。空気から１％水素に切り替えて流したとき、出力が飽和値である１％Ｈ2（％Ｈ2は「％水素濃度」の意味、以下同様）の９０％に相当する０．９％Ｈ2となるまでの時間を応答性（以下、９０％応答性）と定義する。図４の例では９０％応答性は８秒になる。なお、水素漏洩検知のための応答性の目標値は５秒以下とした。
【００２６】
また、前記のようにガス導入口８や孔９の大きさ、ピッチ、ガス導入口８の数を変えると、ガスセンサに導入される被検出ガスの流量の影響も大きくなる。そこで、流量に対する影響も調べた。流量は０から３０Ｌ／分（発明者の測定系では流速１０ｍ／秒に相当）までを１０Ｌ／分刻みで１００秒毎に上下して測定した。これにより、図５に示すように流量に応じてノイズ状にランダムにセンサ出力が変動した。その最大変動幅（単位：％Ｈ2ｐ−ｐ、ｐ−ｐはピーク・トゥ・ピークの意味、以下同様）を流量依存性と定義して評価した。図５の例では流量依存性は０．１４４％Ｈ2ｐ−ｐになる。なお、流量依存性は小さいほど高精度となるので、流量依存性の目標値は０．０５％Ｈ2ｐ−ｐ以下とした。
【００２７】
評価結果を以下に説明する。
【００２８】
まず、ガス導入口８や孔９の穴径に対する９０％応答性および流量依存性の結果であるが、予備検討の結果、ガス導入口８と孔９がオーバーラップする構造、すなわち図３で定義を示したピッチがマイナスの構造では、流量依存性が著しく大きくなることがわかったので、ピッチが必ず０以上になるようにそれぞれの穴径を設計した。従って、ガス導入口８を大きくすると孔９は小さくした。逆の場合も同様である。
【００２９】
このことから、穴径はガス導入口８と孔９の２種類のパラメータを持つので、これを一元的に表現するために、孔９の直径をガス導入口８の直径で除した値（以下、穴径比）で取り扱う。なお、他のパラメータはピッチが０、ガス導入口８の穴数は４とした。
【００３０】
結果を図６、図７に示す。図６より、９０％応答性は穴径比に対し下に凸のカーブを示すことがわかる。これは、ガス導入口８または孔９のいずれかの直径が小さいと９０％応答性が悪くなることを示す。従って、９０％応答性を最速とする構造があることがわかる。図６の結果から、目標値５秒以下を達成する穴径比は１．５以上３．５以下であることがわかった。従って、この範囲内の組み合わせでそれぞれの穴径を設計すればよい。
【００３１】
一方、流量依存性は図７の結果より、今回評価した範囲では穴径比に大きく依存せず、どの組み合わせでも目標０．０５％Ｈ2ｐ−ｐを満たすことがわかった。これは前述のように流量依存性が大きくなる条件であるピッチがマイナスとなる構造にしなかったためである。
【００３２】
次に、ピッチに対する９０％応答性および流量依存性の結果を図８、図９にそれぞれ示す。なお、ピッチは穴径の組み合わせを変えることで可変した。他のパラメータとしてガス導入口８の穴数は８つとした。
【００３３】
図８より、ピッチが大きくなると９０％応答性は遅くなり、目標を満たすにはピッチが０．２以下でなければならないことがわかる。
【００３４】
一方、図９より、ピッチが小さいほど流量依存性が悪くなることがわかる。この結果からは目標を満たすピッチの下限は約０．１５となる。従って、図８、図９の結果からピッチの範囲は０．１５以上０．２以下となる。しかし、これはガス導入口８が８個の場合の結果であり、穴数による影響を加味していない。
【００３５】
そこで、次にガス導入口８の穴数に対する９０％応答性および流量依存性の結果を図１０、図１１にそれぞれ示す。なお、他のパラメータとして穴径比は２、ピッチは０とした。
【００３６】
図１０より、穴数が４個から８個まで変わっても９０％応答性にはほとんど影響せず約４秒であるので、穴数はいくつでも目標を達成できることがわかる。
【００３７】
一方、図１１より、穴数が増えると流量依存性が悪くなることがわかる。従って、たとえピッチが０でも穴数が多くなると流量依存性が発現し、目標を満たすには穴数を４個にしなければならないことがわかる。
【００３８】
以上のことから、ピッチの結果を再考すると、ピッチの評価は穴数を８個として行ったが、図１０の結果から穴数による９０％応答性への影響はないため、穴数が４個でもピッチの９０％応答性への影響はないと考える。従って、前述の通り、穴数が４個の場合も目標達成にはピッチが０．２以下でなければならない。一方、流量依存性については穴数の影響が大きく、穴数が４個であれば、たとえピッチが０でも流量依存性は図１１の結果より目標を達成できる。ゆえに、穴数が４個の場合はピッチの下限は０でもよいことになる。
【００３９】
以上の結果をまとめると、穴数は４個とし、穴径比は１．５以上３．５以下、ピッチは０以上０．２以下とすれば目標を達成できることがわかった。なお、具体的には穴数４、穴径比２．５７、ピッチ０の構成が最適であり、その９０％応答性は最速の３．８秒、流量依存性は０．０４６％Ｈ2ｐ−ｐであることを確認した。
【００４０】
次に回路基板２に設けた検出回路のノイズの影響について述べる。
【００４１】
ノイズと応答性には関係がないように思われるが、本実施の形態のガスセンサに関しては駆動方法に起因して大きく影響する。
【００４２】
前述のように、検出素子１２はマイクロマシン技術で作製されているので、極めて熱容量が小さい。また、熱伝導式ガスセンサの場合、熱伝導率が周囲温度によって変化するため、温度補正が必須である。これらのことから、検出素子１２をほとんど発熱させない条件で検出素子１２の抵抗値を測定すると周囲温度を得ることができるので、まず検出素子１２の抵抗値を微弱電流で測定し、次に発熱させる電流を流して瞬時に加熱し熱伝導率を測定することで、１つの検出素子１２で２つの出力を得ることができる。その後電流を切り検出素子１２を冷却し、その間に温度補正したガス濃度を演算して出力する。これを一定の周期で繰り返す。この方法の特徴は、素子が１つなので背景技術のように２つの感熱素子を使うことによる素子ばらつきの影響を受けない、温度と熱伝導率を同一の場所で測定できるため場所による誤差がない、超小型なのでガス置換体積が小さく応答性向上に寄与する、といった点が挙げられる。
【００４３】
これらの特徴を活かすために、検出素子１２にはパルス状に電流が繰り返し印加されるので、パルス周期毎にしか出力が得られない。なお、本実施の形態ではパルス周期を２秒としたので、回路基板２に設けた検出回路で２秒毎に出力が更新されるようにした。
【００４４】
ここで、回路基板２に設けた検出回路に外乱ノイズが乗ると、出力が２秒毎に大きく変動することになる。この様子を図１２（ａ）に示す。同図は９０％応答性測定時の時間によるセンサ出力の変化を示し、図中の矢印が９０％応答性に相当する。また、各プロットは２秒毎の出力を表す。出力がノイズによって変動した場合の９０％応答性は図１２（ａ）より約５秒であるが、本実施の形態で述べたように外乱ノイズに対してシールド構造にすることでノイズを除去した場合の９０％応答性は図１２（ｂ）に示すように４秒弱であった。これは、本来の９０％応答性の実力は約４秒であるのに、ノイズにより出力が実際より小さくなってしまった場合、結果的に９０％応答性が遅く見えてしまうためである。このことから、本実施の形態で述べた回路基板２に設けた外乱ノイズに対するシールド構造が高応答性実現に必要であることがわかる。
【００４５】
以上の構成、動作により、応答性がよく流量依存性の少ない高精度なガスセンサを得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明にかかるガスセンサは、ガス導入口や孔の口数、寸法を最適範囲に規定したことにより、高応答、高精度を同時に達成できるという効果を有し、特にマイクロマシン技術で作製した発熱する検出素子を用いた熱伝導式ガスセンサへの適用に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態におけるガスセンサの分解斜視図
【図２】同実施の形態におけるガスセンサのガス検出部および検出素子の概略斜視図
【図３】同実施の形態におけるガスセンサのガス検出部近傍の概略断面図
【図４】同実施の形態におけるガスセンサの９０％応答性の定義図
【図５】同実施の形態におけるガスセンサの流量依存性の定義図
【図６】同実施の形態におけるガスセンサの孔の直径／ガス導入口の直径に対する９０％応答性の相関図
【図７】同実施の形態におけるガスセンサの孔の直径／ガス導入口の直径に対する流量依存性の相関図
【図８】同実施の形態におけるガスセンサのピッチに対する９０％応答性の相関図
【図９】同実施の形態におけるガスセンサのピッチに対する流量依存性の相関図
【図１０】同実施の形態におけるガスセンサのガス導入口の数に対する９０％応答性の相関図
【図１１】同実施の形態におけるガスセンサのガス導入口の数に対する流量依存性の相関図
【図１２】同実施の形態におけるガスセンサのノイズ有無による応答性への影響を示す特性図
【図１３】背景技術における湿度センサの断面図
【符号の説明】
【００４８】
１ ガス検出部
２ 回路基板
３ 半田
４ ケース本体
５ ケース蓋
６ ネジ
７ 突起部
８ ガス導入口
９ 孔
１０ 貫通コンデンサ
１１ ベース
１２ 検出素子
１３ ワイヤ
１４ ピン
１５ 有孔キャップ
１６ 網
１７ 台座
１８ 発熱体
１９ ランド
２０ 接着剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出ガスに接触する検出素子と、この検出素子を覆う有孔キャップと、この有孔キャップの孔と対向しない位置でこの孔の中心を対称点として設けた４個の同径のガス導入口を形成したケースとからなり、前記孔の直径を前記ガス導入口の直径で除した値が１．５以上３．５以下であり、かつ前記孔の中心と任意の前記ガス導入口の中心の間の距離から前記孔の半径と前記ガス導入口の半径を差し引いた値に対して前記孔の直径で除した値が０以上０．２以下であるガスセンサ。
【請求項２】
検出素子をマイクロマシン技術で作成した請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
孔に金属製の網を二重に設けた請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
有孔キャップおよびケースが金属材料からなり、両者を電気的、機械的に接続した請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
検出素子の出力からガス濃度を検出する検出回路を設けた回路基板がケースに内蔵され、この回路基板のグランド線を前記ケースおよび有孔キャップと電気的に接続した請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
有孔キャップおよびケースを、はめ合いにより接続した請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】
有孔キャップとケースの隙間を接着剤で埋めた請求項６に記載のガスセンサ。
【請求項１】
被検出ガスに接触する検出素子と、この検出素子を覆う有孔キャップと、この有孔キャップの孔と対向しない位置でこの孔の中心を対称点として設けた４個の同径のガス導入口を形成したケースとからなり、前記孔の直径を前記ガス導入口の直径で除した値が１．５以上３．５以下であり、かつ前記孔の中心と任意の前記ガス導入口の中心の間の距離から前記孔の半径と前記ガス導入口の半径を差し引いた値に対して前記孔の直径で除した値が０以上０．２以下であるガスセンサ。
【請求項２】
検出素子をマイクロマシン技術で作成した請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
孔に金属製の網を二重に設けた請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
有孔キャップおよびケースが金属材料からなり、両者を電気的、機械的に接続した請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
検出素子の出力からガス濃度を検出する検出回路を設けた回路基板がケースに内蔵され、この回路基板のグランド線を前記ケースおよび有孔キャップと電気的に接続した請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
有孔キャップおよびケースを、はめ合いにより接続した請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】
有孔キャップとケースの隙間を接着剤で埋めた請求項６に記載のガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−２０８０７９（Ｐ２００６−２０８０７９Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８０６０（Ｐ２００５−１８０６０）
【出願日】平成１７年１月２６日（２００５．１．２６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２６日（２００５．１．２６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]