ガスセンサ
【課題】水素濃度を感度良く検知できる水素センサを提供する。
【解決手段】水素センサ１０は、水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される四角形平板の振動部２１と、振動部２１を支持する支持腕部２２，２３と、振動部２１の表裏両主面それぞれに設けられる励振電極４０，５０と、からなる輪郭振動子２０と、少なくとも励振電極４０，５０の表面に設けられる水素反応触媒膜６０，６１を備え、水素ガスと水素反応触媒膜６０，６１による触媒効果で発熱した熱が振動部２１に伝達し、振動部２１に温度上昇を生じさせ、温度上昇に伴う輪郭振動子２０の固有振動数の変化を検出する。
【解決手段】水素センサ１０は、水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される四角形平板の振動部２１と、振動部２１を支持する支持腕部２２，２３と、振動部２１の表裏両主面それぞれに設けられる励振電極４０，５０と、からなる輪郭振動子２０と、少なくとも励振電極４０，５０の表面に設けられる水素反応触媒膜６０，６１を備え、水素ガスと水素反応触媒膜６０，６１による触媒効果で発熱した熱が振動部２１に伝達し、振動部２１に温度上昇を生じさせ、温度上昇に伴う輪郭振動子２０の固有振動数の変化を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの濃度を、ガスと触媒媒質による発熱による温度上昇に伴う輪郭振動子の固有周波数変化として検出するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、用途に応じたガスを検出するガスセンサが実用化されている。特に可燃性ガスを検出するガスセンサは、使用上の安全性を確保する上での重要なセンサと位置付けられている。
例えば近年、環境負荷を低減するために自動車用、家庭用として燃料電池の開発が進んでいる。燃料電池は水素を燃料とするため、水素ガスのガス漏れを検知することが燃料電池を安全に使用する際の重要な事項である。このガス漏れの検知は水素センサによって行われ、水素ガスだけに応答し、約０．０５％から５％程度の水素濃度を定量的に検知する水素センサが必要とされる。
【０００３】
現在、水素センサとしては、金属酸化物焼結体型半導体センサ、接触燃焼式センサなどが知られている。
金属酸化物焼結体型半導体センサは、半導体表面のガスの吸着現象による電気抵抗の変化を利用し、固定抵抗と対にしたブリッジ回路を構成して、この電気抵抗の変化を電圧として検出するものである。
また、接触燃焼式センサは、ガスの検出機能を持つ物質の表面での接触燃焼現象による発熱を利用し、この温度変化から電気抵抗の変化を固定抵抗と対にしたブリッジ回路から電圧として検出するものである。
【０００４】
例えば、接触燃焼式センサの一例としては、触媒媒質としての水素反応触媒層と該水素反応触媒層の発熱温度を検知する薄膜サーミスタが絶縁層を介して積層され、この素子を用いてブリッジ回路を構成し、ブリッジ電圧を検出することで水素濃度を検知可能としている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、非特許文献１では、輪郭振動子としてラーメモード水晶振動子のカット角と一次温度係数の関係が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−９８７４２号公報
【非特許文献１】第２４回ＥＭシンポジウム、１１頁〜１６頁、「エッチング法によって形成されたラーメモード水晶振動子」、川島宏文、松山勝
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の水素センサなどのガスセンサはブリッジ回路などから検出される電圧が微小なため、ガス濃度を感度良く検知できないという問題があった。
また、ブリッジ回路を用いないガスセンサとして、機械振動子に触媒媒質を設けて発熱に伴う機械振動子の固有周波数の変化を検出するものも考えられる。しかし、機械振動子としてＡＴ振動子を用いる場合には、検出感度を高めるために厚さを薄くすると、周波数が高くなってしまい、検出感度を容易に高めることができない。
【０００８】
また、機械振動子としてＳＡＷ共振子を用いることも考えられるが、ＳＡＷ共振子は元来、高周波領域の振動子であり、高周波領域では、発信回路を含む回路側の負担が大きくなってしまうというような課題を有している。
【０００９】
本発明の目的は、ガス濃度を感度良く検知できるガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガスセンサは、水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される四角形平板の振動部と、前記振動部を支持する支持腕部と、前記振動部の表裏両主面のそれぞれに設けられる励振電極と、からなる輪郭振動子と、少なくとも前記励振電極の表面に設けられる触媒媒質膜を備え、検出対象ガスと前記触媒媒質膜による触媒効果で発熱した熱が前記振動部に伝達し、前記振動部に温度上昇を生じさせ、温度上昇に伴う前記輪郭振動子の固有振動数の変化を検出することを特徴とする。
ここで、輪郭振動子としては、例えば、ラーメモード振動子、輪郭滑り振動子、エッジモード振動子等を用いることができる。
【００１１】
この発明によれば、輪郭振動子に備えられた触媒媒質膜と検出対象ガスの接触による触媒効果によって発熱した熱が振動部に伝わり、振動部の温度を上昇させる。輪郭振動子は温度により固有振動数が変化する特性を有しているため、輪郭振動子の温度上昇に伴い固有振動数が変化し、この固有振動数の変化を検知することで、ガスの存在またはガスの濃度を検知することが可能となる。
従って、従来のブリッジ回路の電圧変化を検出してガスを検知する方法に比べて、ガス濃度を固有振動数の変化として検出するため、ガス濃度を感度良く検知できるガスセンサを実現できる。
【００１２】
また、輪郭振動子は、平面サイズによって固有振動数が律せられることから、振動部の厚さを薄くしても固有周波数は変動しない。振動部の厚さを薄くして表裏両主面に設けられる励振電極間の距離を小さくすることで電界効率を高め、さらに、触媒媒質の表裏両面からの発熱を素早く振動部全体に伝え、温度感度を高め、ガスの検出感度を高めることができる。
【００１３】
また、本発明では、前記振動部の表裏両主面に設けられる励振電極のうちの少なくとも一方が、前記振動部の表面に穿設された凹部の底面に設けられていることが好ましい。
【００１４】
先述したように、輪郭振動子において、振動部の厚さは薄いほど検出感度を高めることができる。そこで、振動部のうち、励振電極を形成する部分のみを薄くする、つまり、励振電極の周縁部は厚くしておくことで、構造的強度を維持しながら検出感度を高めることができる。
【００１５】
また、前記支持腕部に対して前記振動部が薄く形成されていることが望ましい。
【００１６】
このように、振動部全体を薄くすることで検出感度をさらに高めることができ、且つ、支持腕部の構造的強度は維持できる。
【００１７】
また、前記水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、カット角φが、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）で表される範囲に設定されていることが好ましい。
【００１８】
詳しくは、実施の形態にて後述するが、温度上昇に伴う固有周波数の変化の検出には、温度感度係数の絶対値が３０ｐｐｍ／℃以上であることが望ましく、カット角φを、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）の各範囲内に設定すれば、温度感度係数の絶対値３０ｐｐｍ／℃以上を確保することができる。このことにより、適正なガス単位濃度あたりの周波数変化量を得ることができる。
【００１９】
また、前記水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、カット角φが、２３≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦４９（°）、または９９≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１５６（°）で表される範囲に設定されていることが好ましい。
【００２０】
検出感度を高めるためには、上述したように温度感度係数が大きいほどよい。しかし、温度感度係数が大きくなると周波数の変動も大きくなり、スプリアスとの結合も予測される。そこで、温度感度係数の絶対値を３０〜６０ｐｐｍ／℃の範囲内に設定することで、ガス検出に要する温度範囲において、スプリアスを回避しながら適正なガス単位濃度あたりの周波数変化量が得られる。
【００２１】
また、本発明は、前記検出対象ガスが水素ガスを主体とするガスあって、前記触媒媒質膜が、水素ガスに反応して発熱する水素反応触媒膜であることを要旨とする。
ここで、水晶反応触媒膜としては、例えば、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）から選択される。
【００２２】
輪郭振動子は、周波数温度特性をもち、温度に応じた周波数を発振する。そして、水素反応触媒膜に水素を含む空気を接触させると触媒燃焼が生じ発熱する。この発熱量は水素濃度に比例している。これらの特性および性質を利用して、本発明のガスセンサ、つまり水素センサが構成されている。このように、本発明のガスセンサは輪郭振動子の温度に起因する周波数信号を検出して水素ガスの濃度を検知することができることから、従来の電圧を検出して水素ガスの濃度を検知する方法に比べて、水素濃度を感度良く検知できる水素センサを提供することができる。
【００２３】
また、水素反応触媒膜として白金またはパラジウムを利用することで高い水素選択性を持ち、他の可燃性ガスにほとんど応答しない水素反応触媒膜を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は実施形態１に係るガスセンサの構造及び特性を示す、図６，７は実施形態２及びその変形例、図８は実施形態３、図９は水素濃度検出システムの構成の１例を示している。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）
【００２５】
図１は、本発明の実施形態１に係るガスセンサの構成を示す平面図、図２は、図１におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図である。なお、本実施形態では、検出対象ガスを水素ガスを主成分とする水素センサを例示して説明する。図１，２において、ガスセンサとしての水素センサ１０は、圧電振動子としての輪郭振動子２０と、輪郭振動子２０をパッケージ（図示せず）に支持する支持体３０とを含んで構成されている。
【００２６】
輪郭振動子２０は、水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される正方形の振動部２１と、振動部２１の対向する２隅からそれぞれ対角方向に延在され、振動部２１を支持する支持腕部２２，２３と、支持腕部２２，２３とを振動部２１から離間した位置で連結する支持部２４とから構成される。
【００２７】
振動部２１の表裏両主面のそれぞれには励振電極４０，５０が設けられている。励振電極４０と励振電極５０とは、互いに正方形であり、振動部２１を挟んで対向するように形成される。励振電極４０は、支持腕部２２の表面側の接続電極４１を介して支持部２４表面のリード接続電極４２に接続されている。
一方、励振電極５０は、支持腕部２３の裏面側の接続電極５１を介して支持部２４表面のリード接続電極５２に接続されている。
【００２８】
励振電極４０，５０、接続電極４１，５１、及びリード接続電極４２，５２は、Ｃｒなどの下地膜（図示せず）とＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌなどの電気抵抗の小さい電極膜から構成され、真空蒸着あるいはスパッタなどの手法により形成されている。
さらに、励振電極４０，５０それぞれの表面には白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）からなる触媒媒質膜としての水素反応触媒膜６０，６１が３００ｎｍ〜６００ｎｍの厚さで、真空蒸着あるいはスパッタなどの手法により形成されている。
【００２９】
そして、支持体３０にはリードが貫通し、支持体３０の一方から伸びるインナーリード３１，３２と輪郭振動子２０のリード接続電極４２，５２とが、導電性接着剤７１を介して接着固定されている。また、支持体３０の他方から伸びるアウターリード３３，３４は、輪郭振動子２０を励振させる発振回路（図示せず）に接続されている。
【００３０】
ここで、輪郭振動子２０のカット角（切断方位）について説明する。水晶にはカット角に依存する周波数温度特性があり、このカット角を適宜選択することで所望の温度感度係数が得られる。本実施形態では輪郭振動を励振する水晶基板を用いる。この理由は、水素センサ１０が常圧中に配置されるため、屈曲振動を励振する水晶振動片では空気抵抗が振動に影響を及ぼし、抵抗値が高くなり良好な振動を保てないためである。
【００３１】
他の理由としては、ラーメモード振動に代表される輪郭振動子は、その板厚を薄くしても固有周波数が変化せず、薄くできることから、触媒効果による発熱を素早く振動部２１に伝達することができるためである。
【００３２】
図３は、本実施形態に用いる水晶基板のカット角（切断方位）を説明する説明図である。
α水晶である水晶原石１のそれぞれ直交する３つの結晶軸において、電気軸をｘ軸、機械軸をｙ軸、光学軸をｚ軸とする。
まず、ｘ軸を軸として反時計方向（矢印方向）に所定の角度φ（°）回転させてｙ’、ｚ’とする。さらにｙ’軸を軸にして時計方向（矢印方向）に所定の角度θ（°）回転させる。このように切り出される水晶基板２は、ＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される水晶基板のカット角の座標系ｘ’，ｙ’，ｚ”で表されるｙ板であって、この水晶基板２からフォトリソグラフィ技術を用いて輪郭振動子２０が形成される。
【００３３】
次に、上述したように形成された輪郭振動子２０の振動姿態について図面を参照して説明する。図２も参照する。
図４（ａ），（ｂ）は、本実施形態による輪郭振動子の振動姿態を模式的に示す平面図である。まず、図４（ａ）は、励振電極４０に＋電位、励振電極５０に−電位を印加したときを表す。このとき、振動部２１は、４隅を振動の節として二点差線Ｒで示すような面内振動をする。
【００３４】
また、（ｂ）は、（ａ）とは逆位相の信号を印加したときを表している。つまり、励振電極４０に−電位、励振電極５０に＋電位を印加する。すると、振動部２１は、４隅を振動の節として二点差線Ｒ’で示すような面内振動をする。このようにして、（ａ）と（ｂ）の振動姿態を所定の周波数にて繰り返し、継続する。
このような面内振動はラーメモード振動であり、このような振動モードを有する輪郭振動子をラーメモード水晶振動子と呼ぶ。
【００３５】
なお、本実施形態では、輪郭振動子２０は、ＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、カット角φが、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）で表される範囲で切り出された水晶基板２から形成されている。このようにカット角φを設定した経緯について説明する。
本発明の水素センサは接触燃焼式であることから、水素反応触媒膜６０，６１に空気を含む水素ガスが接触した際に生ずる触媒効果による発熱を利用している。この発熱により発生する熱量は微量であるため、温度変化を効率よく検出する必要があり、周波数における温度依存性の高い水晶基板２（輪郭振動子２０）が望まれる。
【００３６】
輪郭振動子における固有周波数の温度依存性は、輪郭振動子の形状の熱膨張による変化、弾性定数の温度依存性、熱膨張による密度変化に関係し、これらを考慮して水晶基板２のカット角を選択することにより決定した。
【００３７】
さらに、水晶のカット角を選定するにあたり以下の点について考慮した。まず、水素濃度の検出感度を０．１％以下とした場合、水素濃度５％を検出する際の温度変化は２℃〜３℃であり、水素濃度０．１％あたり０．０４℃〜０．０６℃の温度変化となる。ここで、周波数の検出限界は１ｐｐｍ程度であり、輪郭振動子の温度感度（温度感度係数）の絶対値が３０ｐｐｍ／℃以上あれば、水素濃度０．１％あたり１．２ｐｐｍ以上の周波数変化を得ることができる。なお、１℃の温度変化における周波数変化を周波数偏差で表した値を温度感度係数（ｐｐｍ／℃）と呼ぶ。
【００３８】
ここで、温度感度係数３０ｐｐｍ／℃以上となるカット角φが、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）で表される範囲である。
【００３９】
また一方、この温度感度係数を大きくすることは、水素濃度の検出感度を向上させるが、温度感度係数が大きいと周波数の変動も大きくなり、スプリアスとの結合が心配される。一般に、主振動に対して±５０００ｐｐｍ程度の変動であればスプリアスを回避できる設計が可能であり、水素センサの使用温度範囲を５０℃〜２２０℃とすると、１７０℃の温度変化で約１００００ｐｐｍの周波数変動の得られる温度感度係数６０ｐｐｍ／℃が上限であると考えられる。
このことから、温度感度係数が３０〜６０ｐｐｍ／℃となる水晶のカット角を選ぶことが、水素センサに用いる輪郭振動子に適しているといえる。
【００４０】
従って、水素濃度０．１％あたり１．２ｐｐｍ以上の周波数変化を得ることができる温度感度係数３０ｐｐｍ／℃からスプリアスを回避できる温度感度係数６０ｐｐｍ／℃までの範囲となるカット角φを設定することが重要であり、そのカット角φが、２３≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦４９（°）、または９９≦φ≦１１５（°）、１４３≦φ≦１５７（°）で表される範囲である。
【００４１】
以上のような構成の水素センサ１０において、水素反応触媒膜６０，６１に水素を含む空気が接触して発熱し、その熱が振動部２１に伝わり、振動部２１の温度が上昇する。発振回路により励振された輪郭振動子２０はこの温度に対応する周波数を発振する。そして、例えば、この検出された周波数と水素が存在しない状態で励振された周波数との差（周波数シフトから水素濃度を検知することが可能となる。
図５は、輪郭振動子２０の周波数シフトと水素濃度の相関を説明する説明図であり、図５（ａ）は動作温度２９℃の場合であり、図５（ｂ）は動作温度１００℃の場合である。この図５では輪郭振動子２０の温度感度係数が４０ｐｐｍ／℃のときの一例を示している。
【００４２】
従って、上述した実施形態１によれば、輪郭振動子２０に備えられた水素反応触媒膜６０，６１と水素ガスによって発熱した熱が振動部２１に伝わり、振動部２１の温度が上昇する。輪郭振動子２０は温度により固有振動数が変化する特性を有しているため、輪郭振動子２０の温度上昇に伴い固有振動数が変化し、この固有振動数の変化を検知することで水素ガスの存在、または水素ガスの濃度を検知することが可能となる。
従って、従来のブリッジ回路の電圧変化を検出してガスを検知する方法に比べて、ガス濃度を感度良く検知できるガスセンサを提供することができる。
【００４３】
また、輪郭振動子２０は、平面サイズによって固有振動数が律せられることから、振動部２１の厚さを薄くしても固有周波数は変動しない。振動部２１の厚さを薄くして表裏両主面に設けられる励振電極４０，５０間の距離を小さくすることで電界効率を高め、さらに、水素反応触媒膜６０，６１が振動部２１の表裏両主面に設けられているため、水素反応触媒膜６０，６１の発熱を素早く振動部２１全体に伝え温度感度を高めることにより、水素ガスの検出感度を高めることができる。
【００４４】
温度上昇に伴う固有周波数の変化の検出には、温度感度係数の絶対値が３０ｐｐｍ／℃以上であることが望ましく、カット角φを、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）の各範囲内に設定すれば、温度感度係数の絶対値を３０ｐｐｍ／℃を確保することができる。このことにより、水素濃度０．１％あたり１．２ｐｐｍ以上の周波数変化を得ることができる。
【００４５】
また、カット角φを、２３≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦４９（°）、または９９≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１５６（°）で表される範囲に設定することにより温度感度係数の絶対値を３０ｐｐｍ／℃〜６０ｐｐｍ／℃の範囲に抑え、スプリアスを回避しながら水素濃度０．１％あたり１．２ｐｐｍ以上の周波数変化を得ることができる。
【００４６】
さらに水素反応触媒膜６０，６１として白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）を利用することで高い水素選択性を持ち、他の可燃性ガスにほとんど応答しない水素反応触媒膜を構成することができる。
（実施形態２）
【００４７】
続いて、本発明の実施形態２に係るガスセンサの構造について図面を参照して説明する。実施形態２は、検出感度をさらに高めるために輪郭振動子の振動部の一部を薄くしているところに特徴を有する。従って、前述した実施形態１との相違個所を中心に説明する。
図６は、実施形態２に係る輪郭振動子の一部を示し、（ａ）は振動部の部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図である。図６（ａ），（ｂ）において、振動部２１の表裏両主面の励振電極形成領域に凹部２０ａ，２０ｂを穿設し、この凹部２０ａ，２０ｂそれぞれの底面に励振電極４０，５０が設けられている。そして、励振電極４０，５０の上面に触媒媒質膜としての水素反応触媒膜６０，６１が形成されている。
【００４８】
従って、振動部２１では、励振電極４０，５０が形成される部分のみが薄く、励振電極４０，５０の周縁部が厚い（水晶基板２の厚さのまま）構造となる。
【００４９】
輪郭振動子２０において、振動部２１の厚さは薄いほど電界効率が高く、また、水素ガスによって発熱した熱が振動部２１に素早く伝わり、振動部２１の温度が素早く上昇することから検出感度を高めることができる。また、振動部２１の周縁部を厚くしておくことで構造的強度を維持することができる。
【００５０】
なお、振動部２１に穿設する凹部は、表面主面または裏面主面側のどちらか一方に設ける構造としてもよく、これを実施形態２の変形例として図面を参照して説明する。
図７は、実施形態２の変形例を示す断面図である。図７において、振動部２１の表主面側に凹部２０ａが穿設され、この凹部２０ａの底面に励振電極４０、励振電極４０の上面に水素反応触媒膜６０が形成されている。
振動部２１の裏主面側は凹部はなく、同一平面上に励振電極５０が形成され、励振電極５０の上面に水素反応触媒膜６１が形成されている。
【００５１】
凹部２０ａ底部の残り厚さは、図６（ｂ）にて示した凹部２０ａと凹部２０ｂとの交差部の残り厚さとほぼ同じにすることができることから、この変形例においても、先述した実施形態２と同様な効果を奏することができる。
（実施形態３）
【００５２】
続いて、本発明の実施形態３に係るガスセンサの構造について図面を参照して説明する。実施形態３は、検出感度をさらに高めるために輪郭振動子の振動部全体の厚さを薄くしているところに特徴を有する。従って、前述した実施形態２との相違個所を中心に説明する。
図８は、実施形態３に係る輪郭振動子の一部を示し、（ａ）は振動部の部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図である。図８（ａ），（ｂ）において、振動部２１の表主面側全体が支持腕部２２，２３よりも薄く形成されている。
【００５３】
そして、振動部２１の薄くなっている面２０ｃに励振電極４０、励振電極４０の上面に水素反応触媒膜６０が形成されている。
なお、振動部２１は、支持腕部２２，２３に対して、表裏両面側から薄くする構造としてもよい。
【００５４】
このように、振動部２１全体を薄くすることで、電界効率をさらに高めるとともに、水素ガスによって発熱した熱が振動部２１に素早く伝わり、振動部２１の温度が素早く上昇することから検出感度を高めることができる。
（水素濃度検出システム）
【００５５】
次に、前述した実施形態による水素センサを用いた水素濃度検出システムの一例を説明する。
図９は水素センサを用いた水素濃度検出システムの構成を示す概略構成図である。図９において、水素センサ１０は水素反応検出素子としての輪郭振動子２０と発振回路８０を備えている。輪郭振動子２０には帰還抵抗６、インバータ７が並列に接続され、ゲート側にはゲート容量８、ドレイン側にはドレイン容量９が接続され、輪郭振動子２０を励振させる発振回路８０を構成している。
【００５６】
発振回路８０は整流器８１に接続され、整流器８１は周波数カウンタ８２に接続されている。さらに、周波数カウンタ８２は演算器８３に接続され、演算器８３から所望の信号を出力する。
【００５７】
このような構成の水素濃度検出システムにおいて、発振回路８０により輪郭振動子２０の周波数信号が整流器８１に出力される。整流器８１において周波数信号が整流され、周波数カウンタ８２に出力される。周波数カウンタ８２にて周波数が計測され演算器８３に出力される。演算器８３では、例えば、計測された周波数と基準となる周波数とから水素濃度を演算し、水素濃度の値、規格値を超えた場合のアラーム信号、電磁弁制御の信号などを生成して出力する。
【００５８】
このように、水素濃度検出システムでは、水素センサ１０から出力される周波数信号を用いて水素濃度を検知することができ、この得られた水素濃度を基に様々な機器へ制御信号などを出力することができる。
【００５９】
なお、上記の回路のうち一部をＩＣ化することも可能であり、周波数カウンタ８２、演算器８３を１チップマイコンとして構成することもできる。また、信号処理はアナログ処理、ディジタル処理のどちらを用いても実施は可能である。
【００６０】
なお、本実施形態の水素センサにおいて、輪郭振動子と水素反応触媒膜の温度を制御する温度制御手段を備えていても良い。例えば、水素反応触媒膜を振動部の励振電極以外の部分に設け、この水素反応触媒膜に通電することにより発熱が生じ振動部の温度が上昇することから、適宜電流の大きさ、通電時間を制御することで輪郭振動子の温度をガス雰囲気温度よりも高い温度で制御することができる。
このようにすれば、ガス雰囲気温度の変化、またはガスと反応して触媒媒質が発熱の際に生じる水の影響を排除することができ、感度に優れたガスセンサを提供することができる。
【００６１】
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述した実施形態では、輪郭振動子としてラーメモード振動子を例示して説明したが、輪郭滑りモード振動子にも適合できる。
【００６２】
従って、本発明によれば、触媒媒質膜と検出対象ガスによって発熱した熱が輪郭振動子に伝わり、温度上昇に伴う輪郭振動子の固有振動数の変化を検出するため、ガスの存在またはガスの濃度を感度よく検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態１に係るガスセンサの構成を示す平面図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図。
【図３】本発明の実施形態１に用いる水晶基板のカット角を説明する説明図。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本実施形態による輪郭振動子の振動姿態を模式的に示す平面図。
【図５】本発明の実施形態１に係る輪郭振動子の周波数シフトと水素濃度の相関を説明する説明図、（ａ）は動作温度２９℃の場合、（ｂ）は動作温度１００℃の場合を示す説明図。
【図６】本発明の実施形態２に係る輪郭振動子の一部を示し、（ａ）は振動部の部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図。
【図７】本発明の実施形態２の変形例を示す断面図。
【図８】本発明の実施形態３に係る輪郭振動子の一部を示し、（ａ）は振動部の部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図。
【図９】水素センサを用いた水素濃度検出システムの構成を示す概略構成図。
【符号の説明】
【００６４】
１０…ガスセンサとしての水素センサ、２０…輪郭振動子、２１…振動部、２２，２３…支持腕部、４０，５０…励振電極、６０，６１…水素反応触媒膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの濃度を、ガスと触媒媒質による発熱による温度上昇に伴う輪郭振動子の固有周波数変化として検出するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、用途に応じたガスを検出するガスセンサが実用化されている。特に可燃性ガスを検出するガスセンサは、使用上の安全性を確保する上での重要なセンサと位置付けられている。
例えば近年、環境負荷を低減するために自動車用、家庭用として燃料電池の開発が進んでいる。燃料電池は水素を燃料とするため、水素ガスのガス漏れを検知することが燃料電池を安全に使用する際の重要な事項である。このガス漏れの検知は水素センサによって行われ、水素ガスだけに応答し、約０．０５％から５％程度の水素濃度を定量的に検知する水素センサが必要とされる。
【０００３】
現在、水素センサとしては、金属酸化物焼結体型半導体センサ、接触燃焼式センサなどが知られている。
金属酸化物焼結体型半導体センサは、半導体表面のガスの吸着現象による電気抵抗の変化を利用し、固定抵抗と対にしたブリッジ回路を構成して、この電気抵抗の変化を電圧として検出するものである。
また、接触燃焼式センサは、ガスの検出機能を持つ物質の表面での接触燃焼現象による発熱を利用し、この温度変化から電気抵抗の変化を固定抵抗と対にしたブリッジ回路から電圧として検出するものである。
【０００４】
例えば、接触燃焼式センサの一例としては、触媒媒質としての水素反応触媒層と該水素反応触媒層の発熱温度を検知する薄膜サーミスタが絶縁層を介して積層され、この素子を用いてブリッジ回路を構成し、ブリッジ電圧を検出することで水素濃度を検知可能としている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、非特許文献１では、輪郭振動子としてラーメモード水晶振動子のカット角と一次温度係数の関係が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−９８７４２号公報
【非特許文献１】第２４回ＥＭシンポジウム、１１頁〜１６頁、「エッチング法によって形成されたラーメモード水晶振動子」、川島宏文、松山勝
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の水素センサなどのガスセンサはブリッジ回路などから検出される電圧が微小なため、ガス濃度を感度良く検知できないという問題があった。
また、ブリッジ回路を用いないガスセンサとして、機械振動子に触媒媒質を設けて発熱に伴う機械振動子の固有周波数の変化を検出するものも考えられる。しかし、機械振動子としてＡＴ振動子を用いる場合には、検出感度を高めるために厚さを薄くすると、周波数が高くなってしまい、検出感度を容易に高めることができない。
【０００８】
また、機械振動子としてＳＡＷ共振子を用いることも考えられるが、ＳＡＷ共振子は元来、高周波領域の振動子であり、高周波領域では、発信回路を含む回路側の負担が大きくなってしまうというような課題を有している。
【０００９】
本発明の目的は、ガス濃度を感度良く検知できるガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガスセンサは、水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される四角形平板の振動部と、前記振動部を支持する支持腕部と、前記振動部の表裏両主面のそれぞれに設けられる励振電極と、からなる輪郭振動子と、少なくとも前記励振電極の表面に設けられる触媒媒質膜を備え、検出対象ガスと前記触媒媒質膜による触媒効果で発熱した熱が前記振動部に伝達し、前記振動部に温度上昇を生じさせ、温度上昇に伴う前記輪郭振動子の固有振動数の変化を検出することを特徴とする。
ここで、輪郭振動子としては、例えば、ラーメモード振動子、輪郭滑り振動子、エッジモード振動子等を用いることができる。
【００１１】
この発明によれば、輪郭振動子に備えられた触媒媒質膜と検出対象ガスの接触による触媒効果によって発熱した熱が振動部に伝わり、振動部の温度を上昇させる。輪郭振動子は温度により固有振動数が変化する特性を有しているため、輪郭振動子の温度上昇に伴い固有振動数が変化し、この固有振動数の変化を検知することで、ガスの存在またはガスの濃度を検知することが可能となる。
従って、従来のブリッジ回路の電圧変化を検出してガスを検知する方法に比べて、ガス濃度を固有振動数の変化として検出するため、ガス濃度を感度良く検知できるガスセンサを実現できる。
【００１２】
また、輪郭振動子は、平面サイズによって固有振動数が律せられることから、振動部の厚さを薄くしても固有周波数は変動しない。振動部の厚さを薄くして表裏両主面に設けられる励振電極間の距離を小さくすることで電界効率を高め、さらに、触媒媒質の表裏両面からの発熱を素早く振動部全体に伝え、温度感度を高め、ガスの検出感度を高めることができる。
【００１３】
また、本発明では、前記振動部の表裏両主面に設けられる励振電極のうちの少なくとも一方が、前記振動部の表面に穿設された凹部の底面に設けられていることが好ましい。
【００１４】
先述したように、輪郭振動子において、振動部の厚さは薄いほど検出感度を高めることができる。そこで、振動部のうち、励振電極を形成する部分のみを薄くする、つまり、励振電極の周縁部は厚くしておくことで、構造的強度を維持しながら検出感度を高めることができる。
【００１５】
また、前記支持腕部に対して前記振動部が薄く形成されていることが望ましい。
【００１６】
このように、振動部全体を薄くすることで検出感度をさらに高めることができ、且つ、支持腕部の構造的強度は維持できる。
【００１７】
また、前記水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、カット角φが、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）で表される範囲に設定されていることが好ましい。
【００１８】
詳しくは、実施の形態にて後述するが、温度上昇に伴う固有周波数の変化の検出には、温度感度係数の絶対値が３０ｐｐｍ／℃以上であることが望ましく、カット角φを、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）の各範囲内に設定すれば、温度感度係数の絶対値３０ｐｐｍ／℃以上を確保することができる。このことにより、適正なガス単位濃度あたりの周波数変化量を得ることができる。
【００１９】
また、前記水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、カット角φが、２３≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦４９（°）、または９９≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１５６（°）で表される範囲に設定されていることが好ましい。
【００２０】
検出感度を高めるためには、上述したように温度感度係数が大きいほどよい。しかし、温度感度係数が大きくなると周波数の変動も大きくなり、スプリアスとの結合も予測される。そこで、温度感度係数の絶対値を３０〜６０ｐｐｍ／℃の範囲内に設定することで、ガス検出に要する温度範囲において、スプリアスを回避しながら適正なガス単位濃度あたりの周波数変化量が得られる。
【００２１】
また、本発明は、前記検出対象ガスが水素ガスを主体とするガスあって、前記触媒媒質膜が、水素ガスに反応して発熱する水素反応触媒膜であることを要旨とする。
ここで、水晶反応触媒膜としては、例えば、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）から選択される。
【００２２】
輪郭振動子は、周波数温度特性をもち、温度に応じた周波数を発振する。そして、水素反応触媒膜に水素を含む空気を接触させると触媒燃焼が生じ発熱する。この発熱量は水素濃度に比例している。これらの特性および性質を利用して、本発明のガスセンサ、つまり水素センサが構成されている。このように、本発明のガスセンサは輪郭振動子の温度に起因する周波数信号を検出して水素ガスの濃度を検知することができることから、従来の電圧を検出して水素ガスの濃度を検知する方法に比べて、水素濃度を感度良く検知できる水素センサを提供することができる。
【００２３】
また、水素反応触媒膜として白金またはパラジウムを利用することで高い水素選択性を持ち、他の可燃性ガスにほとんど応答しない水素反応触媒膜を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は実施形態１に係るガスセンサの構造及び特性を示す、図６，７は実施形態２及びその変形例、図８は実施形態３、図９は水素濃度検出システムの構成の１例を示している。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）
【００２５】
図１は、本発明の実施形態１に係るガスセンサの構成を示す平面図、図２は、図１におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図である。なお、本実施形態では、検出対象ガスを水素ガスを主成分とする水素センサを例示して説明する。図１，２において、ガスセンサとしての水素センサ１０は、圧電振動子としての輪郭振動子２０と、輪郭振動子２０をパッケージ（図示せず）に支持する支持体３０とを含んで構成されている。
【００２６】
輪郭振動子２０は、水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される正方形の振動部２１と、振動部２１の対向する２隅からそれぞれ対角方向に延在され、振動部２１を支持する支持腕部２２，２３と、支持腕部２２，２３とを振動部２１から離間した位置で連結する支持部２４とから構成される。
【００２７】
振動部２１の表裏両主面のそれぞれには励振電極４０，５０が設けられている。励振電極４０と励振電極５０とは、互いに正方形であり、振動部２１を挟んで対向するように形成される。励振電極４０は、支持腕部２２の表面側の接続電極４１を介して支持部２４表面のリード接続電極４２に接続されている。
一方、励振電極５０は、支持腕部２３の裏面側の接続電極５１を介して支持部２４表面のリード接続電極５２に接続されている。
【００２８】
励振電極４０，５０、接続電極４１，５１、及びリード接続電極４２，５２は、Ｃｒなどの下地膜（図示せず）とＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌなどの電気抵抗の小さい電極膜から構成され、真空蒸着あるいはスパッタなどの手法により形成されている。
さらに、励振電極４０，５０それぞれの表面には白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）からなる触媒媒質膜としての水素反応触媒膜６０，６１が３００ｎｍ〜６００ｎｍの厚さで、真空蒸着あるいはスパッタなどの手法により形成されている。
【００２９】
そして、支持体３０にはリードが貫通し、支持体３０の一方から伸びるインナーリード３１，３２と輪郭振動子２０のリード接続電極４２，５２とが、導電性接着剤７１を介して接着固定されている。また、支持体３０の他方から伸びるアウターリード３３，３４は、輪郭振動子２０を励振させる発振回路（図示せず）に接続されている。
【００３０】
ここで、輪郭振動子２０のカット角（切断方位）について説明する。水晶にはカット角に依存する周波数温度特性があり、このカット角を適宜選択することで所望の温度感度係数が得られる。本実施形態では輪郭振動を励振する水晶基板を用いる。この理由は、水素センサ１０が常圧中に配置されるため、屈曲振動を励振する水晶振動片では空気抵抗が振動に影響を及ぼし、抵抗値が高くなり良好な振動を保てないためである。
【００３１】
他の理由としては、ラーメモード振動に代表される輪郭振動子は、その板厚を薄くしても固有周波数が変化せず、薄くできることから、触媒効果による発熱を素早く振動部２１に伝達することができるためである。
【００３２】
図３は、本実施形態に用いる水晶基板のカット角（切断方位）を説明する説明図である。
α水晶である水晶原石１のそれぞれ直交する３つの結晶軸において、電気軸をｘ軸、機械軸をｙ軸、光学軸をｚ軸とする。
まず、ｘ軸を軸として反時計方向（矢印方向）に所定の角度φ（°）回転させてｙ’、ｚ’とする。さらにｙ’軸を軸にして時計方向（矢印方向）に所定の角度θ（°）回転させる。このように切り出される水晶基板２は、ＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される水晶基板のカット角の座標系ｘ’，ｙ’，ｚ”で表されるｙ板であって、この水晶基板２からフォトリソグラフィ技術を用いて輪郭振動子２０が形成される。
【００３３】
次に、上述したように形成された輪郭振動子２０の振動姿態について図面を参照して説明する。図２も参照する。
図４（ａ），（ｂ）は、本実施形態による輪郭振動子の振動姿態を模式的に示す平面図である。まず、図４（ａ）は、励振電極４０に＋電位、励振電極５０に−電位を印加したときを表す。このとき、振動部２１は、４隅を振動の節として二点差線Ｒで示すような面内振動をする。
【００３４】
また、（ｂ）は、（ａ）とは逆位相の信号を印加したときを表している。つまり、励振電極４０に−電位、励振電極５０に＋電位を印加する。すると、振動部２１は、４隅を振動の節として二点差線Ｒ’で示すような面内振動をする。このようにして、（ａ）と（ｂ）の振動姿態を所定の周波数にて繰り返し、継続する。
このような面内振動はラーメモード振動であり、このような振動モードを有する輪郭振動子をラーメモード水晶振動子と呼ぶ。
【００３５】
なお、本実施形態では、輪郭振動子２０は、ＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、カット角φが、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）で表される範囲で切り出された水晶基板２から形成されている。このようにカット角φを設定した経緯について説明する。
本発明の水素センサは接触燃焼式であることから、水素反応触媒膜６０，６１に空気を含む水素ガスが接触した際に生ずる触媒効果による発熱を利用している。この発熱により発生する熱量は微量であるため、温度変化を効率よく検出する必要があり、周波数における温度依存性の高い水晶基板２（輪郭振動子２０）が望まれる。
【００３６】
輪郭振動子における固有周波数の温度依存性は、輪郭振動子の形状の熱膨張による変化、弾性定数の温度依存性、熱膨張による密度変化に関係し、これらを考慮して水晶基板２のカット角を選択することにより決定した。
【００３７】
さらに、水晶のカット角を選定するにあたり以下の点について考慮した。まず、水素濃度の検出感度を０．１％以下とした場合、水素濃度５％を検出する際の温度変化は２℃〜３℃であり、水素濃度０．１％あたり０．０４℃〜０．０６℃の温度変化となる。ここで、周波数の検出限界は１ｐｐｍ程度であり、輪郭振動子の温度感度（温度感度係数）の絶対値が３０ｐｐｍ／℃以上あれば、水素濃度０．１％あたり１．２ｐｐｍ以上の周波数変化を得ることができる。なお、１℃の温度変化における周波数変化を周波数偏差で表した値を温度感度係数（ｐｐｍ／℃）と呼ぶ。
【００３８】
ここで、温度感度係数３０ｐｐｍ／℃以上となるカット角φが、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）で表される範囲である。
【００３９】
また一方、この温度感度係数を大きくすることは、水素濃度の検出感度を向上させるが、温度感度係数が大きいと周波数の変動も大きくなり、スプリアスとの結合が心配される。一般に、主振動に対して±５０００ｐｐｍ程度の変動であればスプリアスを回避できる設計が可能であり、水素センサの使用温度範囲を５０℃〜２２０℃とすると、１７０℃の温度変化で約１００００ｐｐｍの周波数変動の得られる温度感度係数６０ｐｐｍ／℃が上限であると考えられる。
このことから、温度感度係数が３０〜６０ｐｐｍ／℃となる水晶のカット角を選ぶことが、水素センサに用いる輪郭振動子に適しているといえる。
【００４０】
従って、水素濃度０．１％あたり１．２ｐｐｍ以上の周波数変化を得ることができる温度感度係数３０ｐｐｍ／℃からスプリアスを回避できる温度感度係数６０ｐｐｍ／℃までの範囲となるカット角φを設定することが重要であり、そのカット角φが、２３≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦４９（°）、または９９≦φ≦１１５（°）、１４３≦φ≦１５７（°）で表される範囲である。
【００４１】
以上のような構成の水素センサ１０において、水素反応触媒膜６０，６１に水素を含む空気が接触して発熱し、その熱が振動部２１に伝わり、振動部２１の温度が上昇する。発振回路により励振された輪郭振動子２０はこの温度に対応する周波数を発振する。そして、例えば、この検出された周波数と水素が存在しない状態で励振された周波数との差（周波数シフトから水素濃度を検知することが可能となる。
図５は、輪郭振動子２０の周波数シフトと水素濃度の相関を説明する説明図であり、図５（ａ）は動作温度２９℃の場合であり、図５（ｂ）は動作温度１００℃の場合である。この図５では輪郭振動子２０の温度感度係数が４０ｐｐｍ／℃のときの一例を示している。
【００４２】
従って、上述した実施形態１によれば、輪郭振動子２０に備えられた水素反応触媒膜６０，６１と水素ガスによって発熱した熱が振動部２１に伝わり、振動部２１の温度が上昇する。輪郭振動子２０は温度により固有振動数が変化する特性を有しているため、輪郭振動子２０の温度上昇に伴い固有振動数が変化し、この固有振動数の変化を検知することで水素ガスの存在、または水素ガスの濃度を検知することが可能となる。
従って、従来のブリッジ回路の電圧変化を検出してガスを検知する方法に比べて、ガス濃度を感度良く検知できるガスセンサを提供することができる。
【００４３】
また、輪郭振動子２０は、平面サイズによって固有振動数が律せられることから、振動部２１の厚さを薄くしても固有周波数は変動しない。振動部２１の厚さを薄くして表裏両主面に設けられる励振電極４０，５０間の距離を小さくすることで電界効率を高め、さらに、水素反応触媒膜６０，６１が振動部２１の表裏両主面に設けられているため、水素反応触媒膜６０，６１の発熱を素早く振動部２１全体に伝え温度感度を高めることにより、水素ガスの検出感度を高めることができる。
【００４４】
温度上昇に伴う固有周波数の変化の検出には、温度感度係数の絶対値が３０ｐｐｍ／℃以上であることが望ましく、カット角φを、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）の各範囲内に設定すれば、温度感度係数の絶対値を３０ｐｐｍ／℃を確保することができる。このことにより、水素濃度０．１％あたり１．２ｐｐｍ以上の周波数変化を得ることができる。
【００４５】
また、カット角φを、２３≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦４９（°）、または９９≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１５６（°）で表される範囲に設定することにより温度感度係数の絶対値を３０ｐｐｍ／℃〜６０ｐｐｍ／℃の範囲に抑え、スプリアスを回避しながら水素濃度０．１％あたり１．２ｐｐｍ以上の周波数変化を得ることができる。
【００４６】
さらに水素反応触媒膜６０，６１として白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）を利用することで高い水素選択性を持ち、他の可燃性ガスにほとんど応答しない水素反応触媒膜を構成することができる。
（実施形態２）
【００４７】
続いて、本発明の実施形態２に係るガスセンサの構造について図面を参照して説明する。実施形態２は、検出感度をさらに高めるために輪郭振動子の振動部の一部を薄くしているところに特徴を有する。従って、前述した実施形態１との相違個所を中心に説明する。
図６は、実施形態２に係る輪郭振動子の一部を示し、（ａ）は振動部の部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図である。図６（ａ），（ｂ）において、振動部２１の表裏両主面の励振電極形成領域に凹部２０ａ，２０ｂを穿設し、この凹部２０ａ，２０ｂそれぞれの底面に励振電極４０，５０が設けられている。そして、励振電極４０，５０の上面に触媒媒質膜としての水素反応触媒膜６０，６１が形成されている。
【００４８】
従って、振動部２１では、励振電極４０，５０が形成される部分のみが薄く、励振電極４０，５０の周縁部が厚い（水晶基板２の厚さのまま）構造となる。
【００４９】
輪郭振動子２０において、振動部２１の厚さは薄いほど電界効率が高く、また、水素ガスによって発熱した熱が振動部２１に素早く伝わり、振動部２１の温度が素早く上昇することから検出感度を高めることができる。また、振動部２１の周縁部を厚くしておくことで構造的強度を維持することができる。
【００５０】
なお、振動部２１に穿設する凹部は、表面主面または裏面主面側のどちらか一方に設ける構造としてもよく、これを実施形態２の変形例として図面を参照して説明する。
図７は、実施形態２の変形例を示す断面図である。図７において、振動部２１の表主面側に凹部２０ａが穿設され、この凹部２０ａの底面に励振電極４０、励振電極４０の上面に水素反応触媒膜６０が形成されている。
振動部２１の裏主面側は凹部はなく、同一平面上に励振電極５０が形成され、励振電極５０の上面に水素反応触媒膜６１が形成されている。
【００５１】
凹部２０ａ底部の残り厚さは、図６（ｂ）にて示した凹部２０ａと凹部２０ｂとの交差部の残り厚さとほぼ同じにすることができることから、この変形例においても、先述した実施形態２と同様な効果を奏することができる。
（実施形態３）
【００５２】
続いて、本発明の実施形態３に係るガスセンサの構造について図面を参照して説明する。実施形態３は、検出感度をさらに高めるために輪郭振動子の振動部全体の厚さを薄くしているところに特徴を有する。従って、前述した実施形態２との相違個所を中心に説明する。
図８は、実施形態３に係る輪郭振動子の一部を示し、（ａ）は振動部の部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図である。図８（ａ），（ｂ）において、振動部２１の表主面側全体が支持腕部２２，２３よりも薄く形成されている。
【００５３】
そして、振動部２１の薄くなっている面２０ｃに励振電極４０、励振電極４０の上面に水素反応触媒膜６０が形成されている。
なお、振動部２１は、支持腕部２２，２３に対して、表裏両面側から薄くする構造としてもよい。
【００５４】
このように、振動部２１全体を薄くすることで、電界効率をさらに高めるとともに、水素ガスによって発熱した熱が振動部２１に素早く伝わり、振動部２１の温度が素早く上昇することから検出感度を高めることができる。
（水素濃度検出システム）
【００５５】
次に、前述した実施形態による水素センサを用いた水素濃度検出システムの一例を説明する。
図９は水素センサを用いた水素濃度検出システムの構成を示す概略構成図である。図９において、水素センサ１０は水素反応検出素子としての輪郭振動子２０と発振回路８０を備えている。輪郭振動子２０には帰還抵抗６、インバータ７が並列に接続され、ゲート側にはゲート容量８、ドレイン側にはドレイン容量９が接続され、輪郭振動子２０を励振させる発振回路８０を構成している。
【００５６】
発振回路８０は整流器８１に接続され、整流器８１は周波数カウンタ８２に接続されている。さらに、周波数カウンタ８２は演算器８３に接続され、演算器８３から所望の信号を出力する。
【００５７】
このような構成の水素濃度検出システムにおいて、発振回路８０により輪郭振動子２０の周波数信号が整流器８１に出力される。整流器８１において周波数信号が整流され、周波数カウンタ８２に出力される。周波数カウンタ８２にて周波数が計測され演算器８３に出力される。演算器８３では、例えば、計測された周波数と基準となる周波数とから水素濃度を演算し、水素濃度の値、規格値を超えた場合のアラーム信号、電磁弁制御の信号などを生成して出力する。
【００５８】
このように、水素濃度検出システムでは、水素センサ１０から出力される周波数信号を用いて水素濃度を検知することができ、この得られた水素濃度を基に様々な機器へ制御信号などを出力することができる。
【００５９】
なお、上記の回路のうち一部をＩＣ化することも可能であり、周波数カウンタ８２、演算器８３を１チップマイコンとして構成することもできる。また、信号処理はアナログ処理、ディジタル処理のどちらを用いても実施は可能である。
【００６０】
なお、本実施形態の水素センサにおいて、輪郭振動子と水素反応触媒膜の温度を制御する温度制御手段を備えていても良い。例えば、水素反応触媒膜を振動部の励振電極以外の部分に設け、この水素反応触媒膜に通電することにより発熱が生じ振動部の温度が上昇することから、適宜電流の大きさ、通電時間を制御することで輪郭振動子の温度をガス雰囲気温度よりも高い温度で制御することができる。
このようにすれば、ガス雰囲気温度の変化、またはガスと反応して触媒媒質が発熱の際に生じる水の影響を排除することができ、感度に優れたガスセンサを提供することができる。
【００６１】
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述した実施形態では、輪郭振動子としてラーメモード振動子を例示して説明したが、輪郭滑りモード振動子にも適合できる。
【００６２】
従って、本発明によれば、触媒媒質膜と検出対象ガスによって発熱した熱が輪郭振動子に伝わり、温度上昇に伴う輪郭振動子の固有振動数の変化を検出するため、ガスの存在またはガスの濃度を感度よく検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態１に係るガスセンサの構成を示す平面図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図。
【図３】本発明の実施形態１に用いる水晶基板のカット角を説明する説明図。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本実施形態による輪郭振動子の振動姿態を模式的に示す平面図。
【図５】本発明の実施形態１に係る輪郭振動子の周波数シフトと水素濃度の相関を説明する説明図、（ａ）は動作温度２９℃の場合、（ｂ）は動作温度１００℃の場合を示す説明図。
【図６】本発明の実施形態２に係る輪郭振動子の一部を示し、（ａ）は振動部の部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図。
【図７】本発明の実施形態２の変形例を示す断面図。
【図８】本発明の実施形態３に係る輪郭振動子の一部を示し、（ａ）は振動部の部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面図。
【図９】水素センサを用いた水素濃度検出システムの構成を示す概略構成図。
【符号の説明】
【００６４】
１０…ガスセンサとしての水素センサ、２０…輪郭振動子、２１…振動部、２２，２３…支持腕部、４０，５０…励振電極、６０，６１…水素反応触媒膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される四角形平板の振動部と、前記振動部を支持する支持腕部と、前記振動部の表裏両主面のそれぞれに設けられる励振電極と、からなる輪郭振動子と、
少なくとも前記励振電極の表面に設けられる触媒媒質膜を備え、
検出対象ガスと前記触媒媒質膜による触媒効果で発熱した熱が前記振動部に伝達し、前記振動部に温度上昇を生じさせ、
温度上昇に伴う前記輪郭振動子の固有振動数の変化を検出することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記振動部の表裏両主面に設けられる励振電極のうちの少なくとも一方が、前記振動部の表面に穿設された凹部の底面に設けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記支持腕部に対して前記振動部が薄く形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
前記水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、
カット角φが、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）で表される範囲に設定されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
前記水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、
カット角φが、２３≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦４９（°）、または９９≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１５６（°）で表される範囲に設定されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
前記検出対象ガスが水素ガスを主体とするガスあって、
前記触媒媒質膜が、水素ガスに反応して発熱する水素反応触媒膜であることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１】
水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表される四角形平板の振動部と、前記振動部を支持する支持腕部と、前記振動部の表裏両主面のそれぞれに設けられる励振電極と、からなる輪郭振動子と、
少なくとも前記励振電極の表面に設けられる触媒媒質膜を備え、
検出対象ガスと前記触媒媒質膜による触媒効果で発熱した熱が前記振動部に伝達し、前記振動部に温度上昇を生じさせ、
温度上昇に伴う前記輪郭振動子の固有振動数の変化を検出することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記振動部の表裏両主面に設けられる励振電極のうちの少なくとも一方が、前記振動部の表面に穿設された凹部の底面に設けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記支持腕部に対して前記振動部が薄く形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
前記水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、
カット角φが、０≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１８０（°）で表される範囲に設定されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
前記水晶基板のカット角がＩＥＥＥ表示のＹＸｌｔφ／θで表され、
カット角φが、２３≦φ≦３０（°）、または４２≦φ≦４９（°）、または９９≦φ≦１１５（°）、または１４３≦φ≦１５６（°）で表される範囲に設定されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のガスセンサにおいて、
前記検出対象ガスが水素ガスを主体とするガスあって、
前記触媒媒質膜が、水素ガスに反応して発熱する水素反応触媒膜であることを特徴とするガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２６１６３５（Ｐ２００８−２６１６３５Ａ）
【公開日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０２４１７（Ｐ２００７−１０２４１７）
【出願日】平成１９年４月１０日（２００７．４．１０）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月１０日（２００７．４．１０）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
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