ガス検知器
【課題】外部放熱によって生じる無駄な消費電力を削減しつつ、パッケージサイズの小型化を図ることができるガス検知器を提供すること。
【解決手段】本発明のガス検知器１は、空気層に挟まれた絶縁性耐熱材の基板９と、基板の表面上の発熱素子１０と、発熱素子１０に接合され発熱素子１０の加熱によって所定の温度に被検知ガスと反応するガス反応素子２と、基板１０の表面上の発熱素子１０の形成領域１０ｐ外に形成された複数の電極８と、基板９において発熱素子１０の形成領域１０ｐから電極８の形成領域８ｐを隔てる断熱溝９ｇと他の部材６、７を備えており、基板９の周辺の空気を断熱材として利用することにより発熱素子１０の形成領域１０ｐ外への放熱を防止する。
【解決手段】本発明のガス検知器１は、空気層に挟まれた絶縁性耐熱材の基板９と、基板の表面上の発熱素子１０と、発熱素子１０に接合され発熱素子１０の加熱によって所定の温度に被検知ガスと反応するガス反応素子２と、基板１０の表面上の発熱素子１０の形成領域１０ｐ外に形成された複数の電極８と、基板９において発熱素子１０の形成領域１０ｐから電極８の形成領域８ｐを隔てる断熱溝９ｇと他の部材６、７を備えており、基板９の周辺の空気を断熱材として利用することにより発熱素子１０の形成領域１０ｐ外への放熱を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス検知器に係り、特に、水素や水蒸気などの気体を検知するのに好適に用いられるガス検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力・長時間発電・小型化が容易な水素燃料電池が実用化されつつある。この水素燃料電池には、使用時の安全性を担保するため、水素ガス検知器や水蒸気検知器などのガス検知器が併設されていることが多い。
【０００３】
図４または図５に示すように、従来のガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂは、その一例として、所定の温度において被検知ガスに反応することにより電気抵抗などの物性値を変化させるガス反応素子１０２と、加熱によりガス反応素子１０２の測定温度を一定に保つ発熱素子１１０とを少なくとも備えている。これらガス反応素子１０２および発熱素子１１０は、セラミックス製の基台１１０ｂの表面上に薄膜状の金属発熱体１１０ａが形成されており、その金属発熱体１１０ａにガス反応素子１０２が金属接合されている。また、基板１０９上には電極１０８が形成されており、その電極１０８に対して発熱素子１１０およびガス反応素子１０２が金属製ワイヤなどの内部配線１０６を介して接続されている。さらに、これらガス反応素子１０２および発熱素子１１０は、内部配線１０６、電極１０８およびその電極１０８に接続された外部からの配線（以下、「外部配線」という。）１０７を介して、ガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂの外部に設置されたガス反応素子１０２のガス反応量を測定する測定手段（図示せず）および発熱素子１１０の発熱量を制御する温度制御回路（図示せず）に接続されている（特許文献１を参照）。
【０００４】
ここで、従来のガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂは、発熱素子１１０によって発生した熱が内部配線１０６および電極１０８を介して外部配線１０７から外部に放熱してしまうことを防止するため、図４に示すようなアルミナなどの断熱部材１１２や、図５に示すような空気層１１４ａを有するシリコン製の断熱基台１１４を発熱素子１１０と基板１０９との間に介在させていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８９２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図４に示すように、図５で用いられている空気層１１４ａを有する断熱基台１１４と比較して、断熱効率があまり良くない断熱部材１１２を基板１０９と発熱素子１１０との間に介在させる場合においては、外部配線１０７から外部に放熱する熱量が多いことから、ガス反応素子１０２に供給する発熱素子１１０の熱効率が悪くなり、ガス検知器１０１Ａの不必要な消費電力が大きくなるという問題があった。
【０００７】
また、断熱部材１１２を介在させると、断熱部材１１２と発熱素子１１０との接合に用いる接着剤が揮発して不要なガスを発生させてしまい、当該不要なガスによってガス反応素子１０２の反応能力や他のデバイス特性が劣化するおそれがあるという問題もあった。
【０００８】
他方、図５に示すように、空気層１１４ａを有する断熱基台１１４を基板１０９と発熱素子１１０との間に介在させる場合においては、断熱効率を向上させるために必要な空気層１１４ａの厚さ分だけ大きなスペースが必要となり、それに比例してガス検知器１０１Ｂのパッケージサイズが大きくなってしまうという問題があった。
【０００９】
さらに、従来のガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂが水素ガスを検知する水素ガス用ガス検知器の場合、水素ガスの漏洩レベルに応じて水素漏洩の警告を段階的に行なうために反応濃度の異なる同種の水素用ガス検出器を併設させることが多く、また水素用ガス検出器が湿度の影響を受けやすいことから水蒸気用ガス検出器（湿度計測器）を併設させることも多い。そのため、１つの水素ガス検出器に対して複数のガス検知器を配設しなければならず、配設スペースを余計に設ける必要があった。
【００１０】
また、複数のガス検知器が配設されると、ガス検知器の個数分だけ発熱素子１１０を発熱させる必要が生じるので、それに比例してガス検知器に必要な消費電力が大きくなってしまうという問題も生じた。
【００１１】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、外部放熱によって生じる無駄な消費電力を削減しつつ、パッケージサイズの小型化を図ることができるガス検知器を提供することを本発明の目的としている。
【００１２】
また、本発明は、発熱素子の熱効率を向上させるとともに、省スペース化を図ることができるガス検知器を提供することを他の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述した目的を達成するため、本発明のガス検知器は、その第１の態様として、絶縁性耐熱材を用いて形成されていると共に空気層に挟まれている基板と、前記基板の表面上に形成されている発熱素子と、前記発熱素子に接合されているとともに前記発熱素子の加熱によって所定の温度になると被検知ガスに反応するガス反応素子と、前記基板の表面上において前記発熱素子の形成領域外に形成されている複数の電極と、前記基板において前記発熱素子の形成領域から前記電極の形成領域を隔てる断熱溝と、前記発熱素子および前記ガス反応素子を前記電極に接続させる内部配線と、前記基板の外部に設置された前記ガス反応素子のガス反応量を測定する測定回路および前記発熱素子の温度を制御する温度制御回路を前記電極に接続させる外部配線とを備えていることを特徴としている。
【００１４】
本発明の第１の態様によって、発熱素子の発生熱が断熱溝によって発熱素子の形成領域に閉じこめられるので、発熱素子の形成領域外に形成された電極と接続された外部配線から発熱素子の発生熱が放熱することを防止することができる。また、基板の両面は断熱性の良い空気層に挟まれて覆われるので、発熱素子の形成領域外への放熱も少なく、加熱のための電力を削減することができる。つまり、発熱素子によって発生した熱が発熱素子の形成領域外に放熱することを防止しすることができる。
【００１５】
本発明の第２の態様は、発熱素子およびガス反応素子が基板の両面にそれぞれ配設されていることを特徴としている。
【００１６】
本発明の第２の態様によって、複数のガス検知器を１パッケージ化することができ、さらに基板の同一平面上にガス反応素子を配設するよりも小型化することができる。また、基板両面の発熱素子の形成領域に発生した発熱素子の発生熱を基板両面に配設されたそれぞれのガス反応素子に有効に供給することができる。
【００１７】
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様のガス検知器において、断熱溝が基板両面に貫通した通気孔となっていることを特徴としている。
【００１８】
本発明の第３の態様によって、断熱溝による断熱効果を最大限に発揮することができる。また、基板両面に存在するガスを双方向に通過させることができるので、基板両面に存在するガスの温度を均一にすることができる。
【００１９】
本発明の第４の態様は、第２または第３の態様のガス検知器において、基板両面に配設されたガス反応素子はガスの反応濃度がそれぞれ異なる同種のガス反応素子であることを特徴としている。
【００２０】
本発明の第４の態様によって、同種ガスの濃度を広範囲に若しくは段階的に検知することができる。
【００２１】
本発明の第５の態様は、第２または第３の態様のガス検知器において、基板両面に配設されたガス反応素子は、反応するガスの種類がそれぞれ異なる異種のガス反応素子であることを特徴としている。
【００２２】
本発明の第５の態様によって、数種のガスを１のガス検知器を用いて検知することができる。
【００２３】
本発明の第６の態様は、第２から第５のいずれか１の態様のガス検知器において、基板両面に配設された発熱素子の一方には基板両面のガス反応素子のガス反応量を測定する基準となるリファレンス素子が１つ配設されており、他方の発熱素子には基板両面の発熱素子を測温する測温素子が１つ配設されていることを特徴としている。
【００２４】
本発明の第６の態様によって、複数のガス反応素子に対してリファレンス素子および測温素子を共用し、ガス検知器のパッケージサイズを小型化することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のガス検知器によって、ガス検知器に接続された外部配線および発熱素子の形成領域からの輻射による放熱を防止することができるので、無駄な消費電力を削減しつつ、パッケージサイズが小型化するという効果を奏する。
【００２６】
また、本発明のガス検知器によって、ガス検知器を１パッケージ化・小型化にしつつ、発熱素子の熱を有効に利用して広範囲もしくは段階的なガス濃度の検知や複数種のガス検知を行なうことができるので、ガス検知器に係る設置範囲の省スペース化とガス検知器の低消費電力化がなされるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図１から図３を用いて、本発明のガス検知器における２つの実施形態を説明する。
【００２８】
はじめに、図１および図２を用いて第１の実施形態のガス検知器を説明する。ここで、図１は、第１の実施形態のガス検知器の分解斜視図を示している。また、図２は、第１の実施形態のガス検知器に用いられる基板、発熱素子および電極の平面図を示している。
【００２９】
図１に示すように、第１の実施形態のガス検知器１Ａは、筐体１１の内部に、基板９、発熱素子１０、ガス反応素子２、測温素子４およびリファレンス素子５を備えている。また、基板９上の表面９ａには電極８が形成されており、当該電極８には、発熱素子１０、ガス反応素子２、測温素子４およびリファレンス素子５にそれぞれ接続された内部配線６と、外部に設置された測定回路（図示せず）および温度制御回路（図示せず）にそれぞれ接続された外部配線７とがそれぞれ接続されている。
【００３０】
ここで、ガス検知器１Ａの筐体１１は、ステンレスやアルミニウムなどの金属を用いて分割可能な円筒状に形成されている。また、その筐体１１の２つの底板１１ｂ１の少なくともどちらか一方には筐体１１の外部に存在する被検知ガスを含んだ外気を筐体１１の内部に取り入れる複数の通気孔１１ｖを有しており、他方の底板１１ｂ２には外部配線７を通す円形状の配線孔１１ｈを有している。そして、当該筐体１１の内部には、筐体１１の内部に備わる基板９の端部を部分的に支持して基板９の両面９ａ、９ｂに空気層を介在させる支持部１１ｓを有している。
【００３１】
ガス検知器１Ａの基板９は、図２（ａ）もしくは（ｂ）に示すように、アルミナなどのセラミックス製絶縁性耐熱材を用いて矩形状に形成されており、その基板９の表面９ａ上に発熱素子１０および電極８が形成されている。この発熱素子１０は、Ｐｔ、Ｍｏなどの高融点金属発熱体やＦｅＣｒＡｌ、ＮｉＣｒなどの合金系発熱体を用いてつづら折り状に形成されている。電極８は、発熱素子１０の形成領域１０ｐ外の領域において、金や銅などの導電率の良い金属を用いて矩形状に複数個形成されている。
【００３２】
また、この発熱素子１０の形成領域１０ｐ周辺には、発熱素子１０の形成領域１０ｐと電極８の形成領域８ｐとを隔てるように断熱溝９ｇが形成されている。この断熱溝９ｇは、図２（ａ）に示すように、発熱素子１０の形成領域１０ｐの両側方において発熱素子１０の形成領域１０ｐを電極８の形成領域８ｐを含む基板９上の他の領域から熱的に隔離させるような長穴状に形成されていても良いし、図２（ｂ）に示すように、発熱素子１０の形成領域１０ｐが他の形成領域に部分的に支持されながら発熱素子１０の形成領域１０ｐの周囲を取り囲む堀割状に形成されていても良い。すなわち、この断熱溝９ｇは、少なくとも発熱素子１０の形成領域１０ｐを電極８の形成領域８ｐから隔てることにより発熱素子１０の形成領域１０ｐと電極８の形成領域８ｐとの温度分布を異ならせる形状に形成されていればよい。なお、この断熱溝９ｇは、断熱効果を向上させるため、貫通させることが好ましい。
【００３３】
ガス反応素子２は、図１に示すように、チップ状に形成された半導体基台２ｂと、当該半導体基台２ｂ上に形成されたガス吸収層２ａとを有している。また、ガス吸収層２ａは、合金粉末とバインダー樹脂とを混合して形成されており、発熱素子１０に金属接合している。この金属接合としては、導電率の観点から、Ａｕ−Ｓｎ接合、Ａｕ−Ａｕ接合、Ａｕ−半田接合などを採用することが好ましい。
【００３４】
ここで、半導体基台２ｂとしては、たとえばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどの化合物半導体や、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ５、などの金属酸化物半導体等が用いられている。
【００３５】
ガス吸収層２ａの合金粉末としては、所定の使用温度およびガス濃度に到達すると急激に当該ガスを吸収して電気抵抗などの物性値を変化させる材料が用いられている。たとえばガス吸収層２ａに水素吸収材を用いることにより、ガス吸収層２ａに水素ガスを吸収させて電気抵抗を変化させる場合、当該合金粉末としては、Ｐｄを主成分とする材料、ＺｒＮｉ合金、ＺｒＣｒ合金、ＴｉＭｎ合金、ＴｉＦｅＭｎ合金、ＴｉＦｅＺｒＮｂ合金、ＦｅＴｉ０合金、ＭｇＮｉ合金、ＣａＮｉ合金、ＬａＮｉ合金、ＬａＮｉＡｌ合金などの合金粉末を用いることが好ましい。
【００３６】
また、ガス吸収層２ａのバインダー樹脂としては、ベンゾサイクロブテン樹脂とメシチレンなどの溶剤とによって形成されたものを用いることが好ましい。
【００３７】
ガス検知器１Ａの測温素子４は、アルミナ製の基台４ｂ上に白金測温抵抗体などの測温抵抗体４ａが薄膜状に形成されたものとなっており、発熱素子１０の形成領域１０ｐ内であってガス反応素子２の周辺に配設されている。
【００３８】
リファレンス素子５は、ガス反応素子２に用いられたチップ状の半導体基台２ｂと同一の材料を用いて同一形状に形成されており、発熱素子１０に金属接合されている。この金属接合としては、導電率の観点から、Ａｕ−Ｓｎ接合、Ａｕ−Ａｕ接合、Ａｕ−半田接合を採用することが好ましい。
【００３９】
なお、ガス検知器１Ａの小型化の観点から、測温素子４およびリファレンス素子５をガス検知器１Ａから省いても良い。
【００４０】
内部配線６は、金や銅などの導電率の良い金属を用いてワイヤ状に形成されている。また、内部配線６の表面積を小さくして内部配線からの放熱をできる限り阻止することで熱効率を向上させることができるため、内部配線６はできる限り短く形成されていることが好ましい。
【００４１】
また、各々の外部配線７は、各電極８および各内部配線６を介して、ガス反応素子２およびリファレンス素子５を測定回路に接続し、発熱素子１０および測温素子４を温度制御回路に接続する。ここで、測定回路とは、ガス反応素子２が反応したガス反応量を電気的に測定するために用いられる測定回路であり、ガス反応素子２の電気抵抗とリファレンス素子５の電気抵抗との相対測定に基づいて得られたガス吸収層２ａのみの電気抵抗またはリファレンス素子５を省く場合はガス反応素子２全体の電気抵抗から被検知ガスのガス濃度を測定するように形成されている。また、温度制御回路とは、測温素子４から得た温度に基づいて温度補正を行ないながら発熱素子１０に電流を供給することにより、または測温素子４を省く場合は発熱素子１０への電流供給のみにより、発熱素子１０の発熱量を適切に制御する回路である。
【００４２】
内部配線６および外部配線７は、各電極８に金属接合している。この金属接合としては、導電率の観点から、Ａｕ−Ｓｎ接合、Ａｕ−Ａｕ接合、Ａｕ−半田接合などを採用することが好ましい。
【００４３】
次に、図１を用いて、第１の実施形態のガス検知器１Ａの作用を説明する。
【００４４】
第１の実施形態のガス検知器１Ａの外部に配設された発熱素子１０の温度制御回路により発熱素子１０が発熱すると、発熱素子１０に接合されたガス反応素子２およびリファレンス素子５が加熱される。また、それに伴い、基板９に形成された発熱素子１０の形成領域１０ｐが加熱される。当該発熱素子１０の形成領域１０ｐに加えられた熱は低温側となる発熱素子１０の形成領域１０ｐ外に流れようとするが、発熱素子１０の形成領域１０ｐが断熱溝９ｇによって当該形成領域１０ｐ外の他の領域から隔離（正確には他の形成領域によって発熱素子１０の形成領域１０ｐを支持する部分を除いて隔離）されているため、放熱することができない。また、断熱溝９ｇを有する基板９は筐体１１の支持部１１ｓによって空気層に挟まれるように支持されているので、基板９に形成された発熱素子１０の形成領域１０ｐから発熱素子１０の熱が輻射して放熱することもできない。つまり、発熱素子１０によって発生した熱が発熱素子１０の形成領域１０ｐ外に放熱することを防止し、発生した熱の大部分を発熱素子１０に接合されたガス反応素子２およびリファレンス素子５に供給することができる。これによって、放熱によって生じていた不必要な消費電力を削減し、発熱素子１０の熱効率の向上を実現することができる。
【００４５】
なお、ガス反応素子２、リファレンス素子５および測温素子４の配設に必要な配設領域と発熱素子１０の形成領域１０ｐとを同等にすることによって、発熱素子１０の熱効率を最適なものとすることができる。
【００４６】
また、第１の実施形態のガス検知器１Ａにより外部配線７から放熱することを防ぐことができることから、従来のガス検知器１０１Ａに用いられていた断熱部材を排除することができる。これによって、ガス検知器１Ａから断熱部材を排除することができ、パッケージの省コスト化に貢献する。なお、二次的な効果として、断熱部材の接合に用いられていた接着剤を排除することができることから、発熱素子１０の発熱により揮発した接着剤によるガス検知器１Ａの性能劣化を防止することができる。
【００４７】
さらに、発生した熱を発熱素子１０に接合されたガス反応素子２およびリファレンス素子５に効率よく供給させることができることから、ガス検知器１Ａの作動時間を早くすることができる。また、放熱による温度変化が生じにくく、ガス反応素子２の使用温度を一定に保つことができるので、被検知ガスを極めて正確に検知することができる。
【００４８】
なお、第１の実施形態のガス検知器１Ａにリファレンス素子５および測温素子４が配設されていると、被検知ガスの検知および発熱素子１０の温度制御を極めて正確におこなうことができる。
【００４９】
つづいて、図３を用いて、第２の実施形態のガス検知器を説明する。ここで、図３は、第２の実施形態のガス検知器を図１の３−３方向から示した断面図である。
【００５０】
図３に示すように、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、被検知ガスのガス濃度に応じて２段階の警告を発したり、２種以上の被検知ガスを１つのガス検知器１Ｂによって測定したりする場合に使用可能となるように形成されている。
【００５１】
具体的には、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、円筒状の筐体１１の内部に、アルミナなどの絶縁性耐熱材を用いて形成された基板９と、基板９の両面９ａ、９ｂに形成された発熱素子１０Ａ、１０Ｂと、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂにそれぞれ接合された同種のガス反応素子２Ａ、２Ｂもしくは異種のガス反応素子２Ａ、３と、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐ外に形成された複数の電極８Ａ、８Ｂと、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐ周辺に電極８Ａ、８Ｂの形成領域８Ａｐ、８Ｂｐを隔てるように形成された断熱溝９ｇとを備えている。また、第１の実施形態と同様、ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）のガス反応量を測定する際の基準となるリファレンス素子５と、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの周囲を測温する測温素子４と、発熱素子１０Ａ、１０Ｂ、ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）、リファレンス素子５および測温素子４を各電極８Ａ、８Ｂにそれぞれ接続する内部配線６と、基板９の外部に設置された測定回路（図示せず）および温度制御回路（図示せず）を各電極８Ａ、８Ｂに接続する外部配線７とを備えている。
【００５２】
ガス検知器１Ｂの筐体１１は、第１の実施形態と同様の材料を用いて同様の外形を有しており、筐体１１の外部に存在する被検知ガスを含んだ外気を筐体１１の内部にある基板両面９ａ、９ｂに取り入れる通気孔１１ｖや外部配線７を通す円形状の配線孔１１ｈを有している。また、筐体１１の内部に備わる基板９の端部を部分的に支持して基板９の両面９ａ、９ｂに空気層を介在させる支持部１１ｓも有している。
【００５３】
ガス検知器１Ｂの基板９は、第１の実施形態と同様の材料を用いて矩形状に形成されており、基板両面９ａ、９ｂに発熱素子１０Ａ、１０Ｂと電極８Ａ、８Ｂとをそれぞれ有している。また、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐの周辺において、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐ外に形成された電極８Ａ、８Ｂを隔てるように形成された断熱溝９ｇを有している。
【００５４】
この断熱溝９ｇは、第１の実施形態と同様に、基板両面９ａ、９ｂにそれぞれ形成された発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐを少なくとも基板両面９ａ、９ｂの電極８Ａ、８Ｂの形成領域８Ａｐ、８Ｂｐからそれぞれ隔てることによって発熱素子１０Ａ、１０Ｂの各形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐと電極８Ａ、８Ｂの各形成領域８Ａｐ、８Ｂｐとの温度分布が異なるように形成されていることを条件として、基板両面９ａ、９ｂにおいて貫通させずに個別に形成されても良いし、図３に示すように基板両面９ａ、９ｂに貫通させて一体に形成されていても良い。
【００５５】
また、基板両面９ａ、９ｂにガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）が配設されるため、当該基板９には基板両面９ａ、９ｂに存在する気体を通気させる通気孔（図示せず）が形成されているが、たとえば断熱溝９ｇを基板両面９ａ、９ｂに貫通させて形成した場合、当該断熱溝９ｇが通気孔の役割を果たすことから、当該基板９に通気孔を別個独立に形成しなくともよい。
【００５６】
発熱素子１０Ａ、１０Ｂおよび電極８Ａ、８Ｂは、基板両面９ａ、９ｂにおいて第１の実施形態と同様に形成されている。
【００５７】
ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）は、被検知ガスのガス濃度や検知数に対応して基板両面９ａ、９ｂに１個ずつ配設されている。例えば、水素ガスのガス濃度を漏洩レベルに応じて段階的に測定したい場合、検知するガス濃度が異なる同種の水素ガス用ガス反応素子を同種のガス反応素子２Ａ、２Ｂとして基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂに金属接合する。また、水素と水蒸気が混同した外気から水素ガスおよび水蒸気の両方を測定したい場合、水素ガス用ガス反応素子および水蒸気用ガス反応素子を異種のガス反応素子２Ａ、３として基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂにそれぞれ金属接合する。
【００５８】
ここで、水素ガス用ガス反応素子としては、第１の実施形態と同様、半導体基台に水素吸収材が積層されたものが用いられている。また、水蒸気用ガス反応素子としては、たとえばＭｇＣｒ２Ｏ４−ＴｉＯ２系セラミックス湿度センサなどのような、水素ガス用ガス反応素子の使用温度下（たとえば０〜１５０℃程度）において相対湿度１０％ＲＨ以下の測定が可能な湿度センサが用いられている。
【００５９】
もちろんガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）は、前述した水素ガス用ガス反応素子や水蒸気用ガス反応素子に限られず、所定の使用温度およびガス濃度において被検知ガスに反応するガス反応素子であれば、酸素、二酸化炭素、アンモニア、メタノールガスなどの被検知ガスを測定するガス反応素子であっても良い。
【００６０】
なお、ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）と発熱素子１０Ａ、１０Ｂとの金属接合は、第１の実施形態と同様にして行なう。
【００６１】
また、ガス検知器１Ｂの測温素子４およびリファレンス素子５は、第１の実施形態と同様にして形成されており、測温素子４は基板表面９ａ側にある発熱素子１０Ａの形成領域１０Ａｐに、リファレンス素子５は基板裏面９ｂ側にある発熱素子１０Ｂの形成領域１０Ｂｐに、それぞれ配設されている。もちろん、第１の実施形態と同様、ガス検知器１Ｂの小型化の観点から、測温素子４およびリファレンス素子５をガス検知器１Ｂから省いても良い。
【００６２】
そして、内部配線６は、第１の実施形態と同様に形成されており、基板両面９ａ、９ｂのガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂ、リファレンス素子５および測温素子４と各電極８Ａ、８Ｂとをそれぞれ接続している。また、外部配線７は、第１の実施形態と同様に形成されており、電極８Ａ、８Ｂおよび内部配線６を介して、基板両面９ａ、９ｂのガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）およびリファレンス素子５を測定回路に接続させ、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂおよび測温素子４を温度制御回路に接続させている。
【００６３】
次に、図３を用いて、第２の実施形態のガス検知器１Ｂの作用を説明する。
【００６４】
第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐと電極８Ａ、８Ｂの形成領域８Ａｐ、８Ｂｐとの間に断熱溝９ｇが形成されていると共に、基板９の両面９ａ、９ｂが空気層に挟まれているので、発熱素子１０Ａ、１０Ｂによって発生した熱が発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐ外に放熱することを防止し、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの発生熱の大部分を基板両面９ａ、９ｂのガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）、リファレンス素子５および測温素子４に供給することができる。これによって、放熱によって生じていた不必要な消費電力を削減し、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの熱効率の向上を実現することができる。
【００６５】
さらに、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、基板９の両面９ａ、９ｂにガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）、リファレンス素子５および測温素子４を配設したことにより、一方の発熱素子の形成領域（例えば基板表面９ａ側の発熱素子１０Ａの形成領域１０Ａｐ）の反対面側に伝熱した熱を他方の発熱素子の形成領域（例えば基板裏面９ｂ側の発熱素子１０Ｂの形成領域１０Ｂｐ）に発生した熱として利用することができる。これにより、各々の発熱素子１０Ａ、１０Ｂによって発生した熱を基板両面９ａ、９ｂに配設された各々のガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）およびリファレンス素子５に無駄なく供給することができる。
【００６６】
また、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、基板両面９ａ、９ｂに配設されたガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）を使用態様に応じて様々なパターンに組み合わされ、１パッケージ化されていることから、被検知ガスのガス濃度に応じて２段階の警告を発したり、２種以上の被検知ガスを１つのガス検知器１Ｂによって測定したりするといったような、複数の検知を行なうことができる。
【００６７】
たとえば、検知する水素ガスのガス濃度がそれぞれ異なる同種のガス反応素子２Ａ、２Ｂを基板両面９ａ、９ｂにそれぞれ配設した場合、外気に混入したガス濃度の高低に応じて水素ガスが検知されることになり、水素燃料電池による水素ガス漏洩の際に、「注意」・「危険」などといったような水素ガスの漏洩レベルに応じた２段階の警告を発することができる。
【００６８】
他方、水素ガス用ガス反応素子と水蒸気用ガス反応素子といったように、検知するガスの種類がそれぞれ異なる異種のガス反応素子２Ａ、３を基板両面９ａ、９ｂに配設させた場合、１のガス検知器１Ｂによって２種の被検知ガスを検知することができる。これは、水素ガス用ガス検知器が水蒸気用ガス検知器と併設されやすいといったような、複数個のガス検知器が同一範囲内に近接して設置されるような場合に大変有効である。
【００６９】
ここで、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、基板９に通気孔（図示せず）を有していること若しくは断熱溝９ｇが基板両面９ａ、９ｂに貫通した通気孔にもなっていることから、基板両面９ａ、９ｂに存在するガスを双方向に通過させることができる。これによって、基板両面９ａ、９ｂに存在する被検知ガスの温度を平衡にすることができるので、たとえばガス検知器１Ｂを配設する向きによって検知結果が異なるといったようなことを防止することができる。
【００７０】
さらに、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、基板表面９ａにリファレンス素子５が配設され、基板裏面９ｂに測温素子４が配設されており、複数のガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）および発熱素子１０Ａ、１０Ｂに対してリファレンス素子５および測温素子４を共用している。これによって、ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）および発熱素子１０Ａ、１０Ｂの配設個数に応じて複数個のリファレンス素子５および測温素子４を配設することがなくなるので、ガス検知器１Ｂのパッケージサイズをさらに小型化することができる。
【００７１】
なお、第１の実施形態のガス検知器１Ａと同様、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、従来のガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂに用いられていた断熱部材および接着剤を排除することができるので、それに伴い同様の効果を得ることができる。
【００７２】
すなわち、第１および第２の実施形態のガス検知器によって、ガス検知器に接続された外部配線および発熱素子の形成領域からの輻射による放熱を防止することができるので、無駄な消費電力を削減しつつ、パッケージサイズが小型化するという効果を奏する。さらに、第２の実施形態のガス検知器１Ｂによって、複数のガス検知器を１パッケージ化するとともに小型化し、さらに発熱素子１０Ａ、１０Ｂから発生した熱を有効に利用して複数種のガス検知や段階的なガス濃度の検知を行なうことができるので、ガス検知器１Ｂの消費電力が低減されたり、ガス検知器１Ｂの省配設スペース化がなされたりするという効果を奏する。
【００７３】
なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明のガス検知器の一実施形態を示す分解斜視図
【図２】本発明のガス検知器の一実施形態に用いられる基板、発熱素子および電極の平面図：（ａ）は、発熱素子の形成領域の側方に形成された長穴状の断熱溝を示しており、（ｂ）は、発熱素子の形成領域の周囲を取り囲むように形成された堀割状の断熱溝を示している。
【図３】本発明のガス検知器の他の実施形態を図１の３−３方向から示した断面図
【図４】従来のガス検知器の一例を示す縦断面図
【図５】従来のガス検知器の他の例を示す縦断面図
【符号の説明】
【００７５】
１Ａ、１Ｂ ガス検知器
２、２Ａ、２Ｂ、３ ガス反応素子
４ 測温素子
５ リファレンス素子
６ 内部配線
７ 外部配線
８、８Ａ、８Ｂ 電極
８ｐ、８Ａｐ、８Ｂｐ 電極の形成領域
９ 基板
９ｇ 断熱溝
１０ 発熱素子
１０ｐ 発熱素子の形成領域
１１ 筐体
１１ｂ 底板
１１ｈ 配線孔
１１ｓ 支持部
１１ｖ 通気孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス検知器に係り、特に、水素や水蒸気などの気体を検知するのに好適に用いられるガス検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力・長時間発電・小型化が容易な水素燃料電池が実用化されつつある。この水素燃料電池には、使用時の安全性を担保するため、水素ガス検知器や水蒸気検知器などのガス検知器が併設されていることが多い。
【０００３】
図４または図５に示すように、従来のガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂは、その一例として、所定の温度において被検知ガスに反応することにより電気抵抗などの物性値を変化させるガス反応素子１０２と、加熱によりガス反応素子１０２の測定温度を一定に保つ発熱素子１１０とを少なくとも備えている。これらガス反応素子１０２および発熱素子１１０は、セラミックス製の基台１１０ｂの表面上に薄膜状の金属発熱体１１０ａが形成されており、その金属発熱体１１０ａにガス反応素子１０２が金属接合されている。また、基板１０９上には電極１０８が形成されており、その電極１０８に対して発熱素子１１０およびガス反応素子１０２が金属製ワイヤなどの内部配線１０６を介して接続されている。さらに、これらガス反応素子１０２および発熱素子１１０は、内部配線１０６、電極１０８およびその電極１０８に接続された外部からの配線（以下、「外部配線」という。）１０７を介して、ガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂの外部に設置されたガス反応素子１０２のガス反応量を測定する測定手段（図示せず）および発熱素子１１０の発熱量を制御する温度制御回路（図示せず）に接続されている（特許文献１を参照）。
【０００４】
ここで、従来のガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂは、発熱素子１１０によって発生した熱が内部配線１０６および電極１０８を介して外部配線１０７から外部に放熱してしまうことを防止するため、図４に示すようなアルミナなどの断熱部材１１２や、図５に示すような空気層１１４ａを有するシリコン製の断熱基台１１４を発熱素子１１０と基板１０９との間に介在させていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８９２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図４に示すように、図５で用いられている空気層１１４ａを有する断熱基台１１４と比較して、断熱効率があまり良くない断熱部材１１２を基板１０９と発熱素子１１０との間に介在させる場合においては、外部配線１０７から外部に放熱する熱量が多いことから、ガス反応素子１０２に供給する発熱素子１１０の熱効率が悪くなり、ガス検知器１０１Ａの不必要な消費電力が大きくなるという問題があった。
【０００７】
また、断熱部材１１２を介在させると、断熱部材１１２と発熱素子１１０との接合に用いる接着剤が揮発して不要なガスを発生させてしまい、当該不要なガスによってガス反応素子１０２の反応能力や他のデバイス特性が劣化するおそれがあるという問題もあった。
【０００８】
他方、図５に示すように、空気層１１４ａを有する断熱基台１１４を基板１０９と発熱素子１１０との間に介在させる場合においては、断熱効率を向上させるために必要な空気層１１４ａの厚さ分だけ大きなスペースが必要となり、それに比例してガス検知器１０１Ｂのパッケージサイズが大きくなってしまうという問題があった。
【０００９】
さらに、従来のガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂが水素ガスを検知する水素ガス用ガス検知器の場合、水素ガスの漏洩レベルに応じて水素漏洩の警告を段階的に行なうために反応濃度の異なる同種の水素用ガス検出器を併設させることが多く、また水素用ガス検出器が湿度の影響を受けやすいことから水蒸気用ガス検出器（湿度計測器）を併設させることも多い。そのため、１つの水素ガス検出器に対して複数のガス検知器を配設しなければならず、配設スペースを余計に設ける必要があった。
【００１０】
また、複数のガス検知器が配設されると、ガス検知器の個数分だけ発熱素子１１０を発熱させる必要が生じるので、それに比例してガス検知器に必要な消費電力が大きくなってしまうという問題も生じた。
【００１１】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、外部放熱によって生じる無駄な消費電力を削減しつつ、パッケージサイズの小型化を図ることができるガス検知器を提供することを本発明の目的としている。
【００１２】
また、本発明は、発熱素子の熱効率を向上させるとともに、省スペース化を図ることができるガス検知器を提供することを他の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述した目的を達成するため、本発明のガス検知器は、その第１の態様として、絶縁性耐熱材を用いて形成されていると共に空気層に挟まれている基板と、前記基板の表面上に形成されている発熱素子と、前記発熱素子に接合されているとともに前記発熱素子の加熱によって所定の温度になると被検知ガスに反応するガス反応素子と、前記基板の表面上において前記発熱素子の形成領域外に形成されている複数の電極と、前記基板において前記発熱素子の形成領域から前記電極の形成領域を隔てる断熱溝と、前記発熱素子および前記ガス反応素子を前記電極に接続させる内部配線と、前記基板の外部に設置された前記ガス反応素子のガス反応量を測定する測定回路および前記発熱素子の温度を制御する温度制御回路を前記電極に接続させる外部配線とを備えていることを特徴としている。
【００１４】
本発明の第１の態様によって、発熱素子の発生熱が断熱溝によって発熱素子の形成領域に閉じこめられるので、発熱素子の形成領域外に形成された電極と接続された外部配線から発熱素子の発生熱が放熱することを防止することができる。また、基板の両面は断熱性の良い空気層に挟まれて覆われるので、発熱素子の形成領域外への放熱も少なく、加熱のための電力を削減することができる。つまり、発熱素子によって発生した熱が発熱素子の形成領域外に放熱することを防止しすることができる。
【００１５】
本発明の第２の態様は、発熱素子およびガス反応素子が基板の両面にそれぞれ配設されていることを特徴としている。
【００１６】
本発明の第２の態様によって、複数のガス検知器を１パッケージ化することができ、さらに基板の同一平面上にガス反応素子を配設するよりも小型化することができる。また、基板両面の発熱素子の形成領域に発生した発熱素子の発生熱を基板両面に配設されたそれぞれのガス反応素子に有効に供給することができる。
【００１７】
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様のガス検知器において、断熱溝が基板両面に貫通した通気孔となっていることを特徴としている。
【００１８】
本発明の第３の態様によって、断熱溝による断熱効果を最大限に発揮することができる。また、基板両面に存在するガスを双方向に通過させることができるので、基板両面に存在するガスの温度を均一にすることができる。
【００１９】
本発明の第４の態様は、第２または第３の態様のガス検知器において、基板両面に配設されたガス反応素子はガスの反応濃度がそれぞれ異なる同種のガス反応素子であることを特徴としている。
【００２０】
本発明の第４の態様によって、同種ガスの濃度を広範囲に若しくは段階的に検知することができる。
【００２１】
本発明の第５の態様は、第２または第３の態様のガス検知器において、基板両面に配設されたガス反応素子は、反応するガスの種類がそれぞれ異なる異種のガス反応素子であることを特徴としている。
【００２２】
本発明の第５の態様によって、数種のガスを１のガス検知器を用いて検知することができる。
【００２３】
本発明の第６の態様は、第２から第５のいずれか１の態様のガス検知器において、基板両面に配設された発熱素子の一方には基板両面のガス反応素子のガス反応量を測定する基準となるリファレンス素子が１つ配設されており、他方の発熱素子には基板両面の発熱素子を測温する測温素子が１つ配設されていることを特徴としている。
【００２４】
本発明の第６の態様によって、複数のガス反応素子に対してリファレンス素子および測温素子を共用し、ガス検知器のパッケージサイズを小型化することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のガス検知器によって、ガス検知器に接続された外部配線および発熱素子の形成領域からの輻射による放熱を防止することができるので、無駄な消費電力を削減しつつ、パッケージサイズが小型化するという効果を奏する。
【００２６】
また、本発明のガス検知器によって、ガス検知器を１パッケージ化・小型化にしつつ、発熱素子の熱を有効に利用して広範囲もしくは段階的なガス濃度の検知や複数種のガス検知を行なうことができるので、ガス検知器に係る設置範囲の省スペース化とガス検知器の低消費電力化がなされるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図１から図３を用いて、本発明のガス検知器における２つの実施形態を説明する。
【００２８】
はじめに、図１および図２を用いて第１の実施形態のガス検知器を説明する。ここで、図１は、第１の実施形態のガス検知器の分解斜視図を示している。また、図２は、第１の実施形態のガス検知器に用いられる基板、発熱素子および電極の平面図を示している。
【００２９】
図１に示すように、第１の実施形態のガス検知器１Ａは、筐体１１の内部に、基板９、発熱素子１０、ガス反応素子２、測温素子４およびリファレンス素子５を備えている。また、基板９上の表面９ａには電極８が形成されており、当該電極８には、発熱素子１０、ガス反応素子２、測温素子４およびリファレンス素子５にそれぞれ接続された内部配線６と、外部に設置された測定回路（図示せず）および温度制御回路（図示せず）にそれぞれ接続された外部配線７とがそれぞれ接続されている。
【００３０】
ここで、ガス検知器１Ａの筐体１１は、ステンレスやアルミニウムなどの金属を用いて分割可能な円筒状に形成されている。また、その筐体１１の２つの底板１１ｂ１の少なくともどちらか一方には筐体１１の外部に存在する被検知ガスを含んだ外気を筐体１１の内部に取り入れる複数の通気孔１１ｖを有しており、他方の底板１１ｂ２には外部配線７を通す円形状の配線孔１１ｈを有している。そして、当該筐体１１の内部には、筐体１１の内部に備わる基板９の端部を部分的に支持して基板９の両面９ａ、９ｂに空気層を介在させる支持部１１ｓを有している。
【００３１】
ガス検知器１Ａの基板９は、図２（ａ）もしくは（ｂ）に示すように、アルミナなどのセラミックス製絶縁性耐熱材を用いて矩形状に形成されており、その基板９の表面９ａ上に発熱素子１０および電極８が形成されている。この発熱素子１０は、Ｐｔ、Ｍｏなどの高融点金属発熱体やＦｅＣｒＡｌ、ＮｉＣｒなどの合金系発熱体を用いてつづら折り状に形成されている。電極８は、発熱素子１０の形成領域１０ｐ外の領域において、金や銅などの導電率の良い金属を用いて矩形状に複数個形成されている。
【００３２】
また、この発熱素子１０の形成領域１０ｐ周辺には、発熱素子１０の形成領域１０ｐと電極８の形成領域８ｐとを隔てるように断熱溝９ｇが形成されている。この断熱溝９ｇは、図２（ａ）に示すように、発熱素子１０の形成領域１０ｐの両側方において発熱素子１０の形成領域１０ｐを電極８の形成領域８ｐを含む基板９上の他の領域から熱的に隔離させるような長穴状に形成されていても良いし、図２（ｂ）に示すように、発熱素子１０の形成領域１０ｐが他の形成領域に部分的に支持されながら発熱素子１０の形成領域１０ｐの周囲を取り囲む堀割状に形成されていても良い。すなわち、この断熱溝９ｇは、少なくとも発熱素子１０の形成領域１０ｐを電極８の形成領域８ｐから隔てることにより発熱素子１０の形成領域１０ｐと電極８の形成領域８ｐとの温度分布を異ならせる形状に形成されていればよい。なお、この断熱溝９ｇは、断熱効果を向上させるため、貫通させることが好ましい。
【００３３】
ガス反応素子２は、図１に示すように、チップ状に形成された半導体基台２ｂと、当該半導体基台２ｂ上に形成されたガス吸収層２ａとを有している。また、ガス吸収層２ａは、合金粉末とバインダー樹脂とを混合して形成されており、発熱素子１０に金属接合している。この金属接合としては、導電率の観点から、Ａｕ−Ｓｎ接合、Ａｕ−Ａｕ接合、Ａｕ−半田接合などを採用することが好ましい。
【００３４】
ここで、半導体基台２ｂとしては、たとえばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどの化合物半導体や、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ５、などの金属酸化物半導体等が用いられている。
【００３５】
ガス吸収層２ａの合金粉末としては、所定の使用温度およびガス濃度に到達すると急激に当該ガスを吸収して電気抵抗などの物性値を変化させる材料が用いられている。たとえばガス吸収層２ａに水素吸収材を用いることにより、ガス吸収層２ａに水素ガスを吸収させて電気抵抗を変化させる場合、当該合金粉末としては、Ｐｄを主成分とする材料、ＺｒＮｉ合金、ＺｒＣｒ合金、ＴｉＭｎ合金、ＴｉＦｅＭｎ合金、ＴｉＦｅＺｒＮｂ合金、ＦｅＴｉ０合金、ＭｇＮｉ合金、ＣａＮｉ合金、ＬａＮｉ合金、ＬａＮｉＡｌ合金などの合金粉末を用いることが好ましい。
【００３６】
また、ガス吸収層２ａのバインダー樹脂としては、ベンゾサイクロブテン樹脂とメシチレンなどの溶剤とによって形成されたものを用いることが好ましい。
【００３７】
ガス検知器１Ａの測温素子４は、アルミナ製の基台４ｂ上に白金測温抵抗体などの測温抵抗体４ａが薄膜状に形成されたものとなっており、発熱素子１０の形成領域１０ｐ内であってガス反応素子２の周辺に配設されている。
【００３８】
リファレンス素子５は、ガス反応素子２に用いられたチップ状の半導体基台２ｂと同一の材料を用いて同一形状に形成されており、発熱素子１０に金属接合されている。この金属接合としては、導電率の観点から、Ａｕ−Ｓｎ接合、Ａｕ−Ａｕ接合、Ａｕ−半田接合を採用することが好ましい。
【００３９】
なお、ガス検知器１Ａの小型化の観点から、測温素子４およびリファレンス素子５をガス検知器１Ａから省いても良い。
【００４０】
内部配線６は、金や銅などの導電率の良い金属を用いてワイヤ状に形成されている。また、内部配線６の表面積を小さくして内部配線からの放熱をできる限り阻止することで熱効率を向上させることができるため、内部配線６はできる限り短く形成されていることが好ましい。
【００４１】
また、各々の外部配線７は、各電極８および各内部配線６を介して、ガス反応素子２およびリファレンス素子５を測定回路に接続し、発熱素子１０および測温素子４を温度制御回路に接続する。ここで、測定回路とは、ガス反応素子２が反応したガス反応量を電気的に測定するために用いられる測定回路であり、ガス反応素子２の電気抵抗とリファレンス素子５の電気抵抗との相対測定に基づいて得られたガス吸収層２ａのみの電気抵抗またはリファレンス素子５を省く場合はガス反応素子２全体の電気抵抗から被検知ガスのガス濃度を測定するように形成されている。また、温度制御回路とは、測温素子４から得た温度に基づいて温度補正を行ないながら発熱素子１０に電流を供給することにより、または測温素子４を省く場合は発熱素子１０への電流供給のみにより、発熱素子１０の発熱量を適切に制御する回路である。
【００４２】
内部配線６および外部配線７は、各電極８に金属接合している。この金属接合としては、導電率の観点から、Ａｕ−Ｓｎ接合、Ａｕ−Ａｕ接合、Ａｕ−半田接合などを採用することが好ましい。
【００４３】
次に、図１を用いて、第１の実施形態のガス検知器１Ａの作用を説明する。
【００４４】
第１の実施形態のガス検知器１Ａの外部に配設された発熱素子１０の温度制御回路により発熱素子１０が発熱すると、発熱素子１０に接合されたガス反応素子２およびリファレンス素子５が加熱される。また、それに伴い、基板９に形成された発熱素子１０の形成領域１０ｐが加熱される。当該発熱素子１０の形成領域１０ｐに加えられた熱は低温側となる発熱素子１０の形成領域１０ｐ外に流れようとするが、発熱素子１０の形成領域１０ｐが断熱溝９ｇによって当該形成領域１０ｐ外の他の領域から隔離（正確には他の形成領域によって発熱素子１０の形成領域１０ｐを支持する部分を除いて隔離）されているため、放熱することができない。また、断熱溝９ｇを有する基板９は筐体１１の支持部１１ｓによって空気層に挟まれるように支持されているので、基板９に形成された発熱素子１０の形成領域１０ｐから発熱素子１０の熱が輻射して放熱することもできない。つまり、発熱素子１０によって発生した熱が発熱素子１０の形成領域１０ｐ外に放熱することを防止し、発生した熱の大部分を発熱素子１０に接合されたガス反応素子２およびリファレンス素子５に供給することができる。これによって、放熱によって生じていた不必要な消費電力を削減し、発熱素子１０の熱効率の向上を実現することができる。
【００４５】
なお、ガス反応素子２、リファレンス素子５および測温素子４の配設に必要な配設領域と発熱素子１０の形成領域１０ｐとを同等にすることによって、発熱素子１０の熱効率を最適なものとすることができる。
【００４６】
また、第１の実施形態のガス検知器１Ａにより外部配線７から放熱することを防ぐことができることから、従来のガス検知器１０１Ａに用いられていた断熱部材を排除することができる。これによって、ガス検知器１Ａから断熱部材を排除することができ、パッケージの省コスト化に貢献する。なお、二次的な効果として、断熱部材の接合に用いられていた接着剤を排除することができることから、発熱素子１０の発熱により揮発した接着剤によるガス検知器１Ａの性能劣化を防止することができる。
【００４７】
さらに、発生した熱を発熱素子１０に接合されたガス反応素子２およびリファレンス素子５に効率よく供給させることができることから、ガス検知器１Ａの作動時間を早くすることができる。また、放熱による温度変化が生じにくく、ガス反応素子２の使用温度を一定に保つことができるので、被検知ガスを極めて正確に検知することができる。
【００４８】
なお、第１の実施形態のガス検知器１Ａにリファレンス素子５および測温素子４が配設されていると、被検知ガスの検知および発熱素子１０の温度制御を極めて正確におこなうことができる。
【００４９】
つづいて、図３を用いて、第２の実施形態のガス検知器を説明する。ここで、図３は、第２の実施形態のガス検知器を図１の３−３方向から示した断面図である。
【００５０】
図３に示すように、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、被検知ガスのガス濃度に応じて２段階の警告を発したり、２種以上の被検知ガスを１つのガス検知器１Ｂによって測定したりする場合に使用可能となるように形成されている。
【００５１】
具体的には、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、円筒状の筐体１１の内部に、アルミナなどの絶縁性耐熱材を用いて形成された基板９と、基板９の両面９ａ、９ｂに形成された発熱素子１０Ａ、１０Ｂと、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂにそれぞれ接合された同種のガス反応素子２Ａ、２Ｂもしくは異種のガス反応素子２Ａ、３と、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐ外に形成された複数の電極８Ａ、８Ｂと、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐ周辺に電極８Ａ、８Ｂの形成領域８Ａｐ、８Ｂｐを隔てるように形成された断熱溝９ｇとを備えている。また、第１の実施形態と同様、ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）のガス反応量を測定する際の基準となるリファレンス素子５と、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの周囲を測温する測温素子４と、発熱素子１０Ａ、１０Ｂ、ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）、リファレンス素子５および測温素子４を各電極８Ａ、８Ｂにそれぞれ接続する内部配線６と、基板９の外部に設置された測定回路（図示せず）および温度制御回路（図示せず）を各電極８Ａ、８Ｂに接続する外部配線７とを備えている。
【００５２】
ガス検知器１Ｂの筐体１１は、第１の実施形態と同様の材料を用いて同様の外形を有しており、筐体１１の外部に存在する被検知ガスを含んだ外気を筐体１１の内部にある基板両面９ａ、９ｂに取り入れる通気孔１１ｖや外部配線７を通す円形状の配線孔１１ｈを有している。また、筐体１１の内部に備わる基板９の端部を部分的に支持して基板９の両面９ａ、９ｂに空気層を介在させる支持部１１ｓも有している。
【００５３】
ガス検知器１Ｂの基板９は、第１の実施形態と同様の材料を用いて矩形状に形成されており、基板両面９ａ、９ｂに発熱素子１０Ａ、１０Ｂと電極８Ａ、８Ｂとをそれぞれ有している。また、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐの周辺において、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐ外に形成された電極８Ａ、８Ｂを隔てるように形成された断熱溝９ｇを有している。
【００５４】
この断熱溝９ｇは、第１の実施形態と同様に、基板両面９ａ、９ｂにそれぞれ形成された発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐを少なくとも基板両面９ａ、９ｂの電極８Ａ、８Ｂの形成領域８Ａｐ、８Ｂｐからそれぞれ隔てることによって発熱素子１０Ａ、１０Ｂの各形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐと電極８Ａ、８Ｂの各形成領域８Ａｐ、８Ｂｐとの温度分布が異なるように形成されていることを条件として、基板両面９ａ、９ｂにおいて貫通させずに個別に形成されても良いし、図３に示すように基板両面９ａ、９ｂに貫通させて一体に形成されていても良い。
【００５５】
また、基板両面９ａ、９ｂにガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）が配設されるため、当該基板９には基板両面９ａ、９ｂに存在する気体を通気させる通気孔（図示せず）が形成されているが、たとえば断熱溝９ｇを基板両面９ａ、９ｂに貫通させて形成した場合、当該断熱溝９ｇが通気孔の役割を果たすことから、当該基板９に通気孔を別個独立に形成しなくともよい。
【００５６】
発熱素子１０Ａ、１０Ｂおよび電極８Ａ、８Ｂは、基板両面９ａ、９ｂにおいて第１の実施形態と同様に形成されている。
【００５７】
ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）は、被検知ガスのガス濃度や検知数に対応して基板両面９ａ、９ｂに１個ずつ配設されている。例えば、水素ガスのガス濃度を漏洩レベルに応じて段階的に測定したい場合、検知するガス濃度が異なる同種の水素ガス用ガス反応素子を同種のガス反応素子２Ａ、２Ｂとして基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂに金属接合する。また、水素と水蒸気が混同した外気から水素ガスおよび水蒸気の両方を測定したい場合、水素ガス用ガス反応素子および水蒸気用ガス反応素子を異種のガス反応素子２Ａ、３として基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂにそれぞれ金属接合する。
【００５８】
ここで、水素ガス用ガス反応素子としては、第１の実施形態と同様、半導体基台に水素吸収材が積層されたものが用いられている。また、水蒸気用ガス反応素子としては、たとえばＭｇＣｒ２Ｏ４−ＴｉＯ２系セラミックス湿度センサなどのような、水素ガス用ガス反応素子の使用温度下（たとえば０〜１５０℃程度）において相対湿度１０％ＲＨ以下の測定が可能な湿度センサが用いられている。
【００５９】
もちろんガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）は、前述した水素ガス用ガス反応素子や水蒸気用ガス反応素子に限られず、所定の使用温度およびガス濃度において被検知ガスに反応するガス反応素子であれば、酸素、二酸化炭素、アンモニア、メタノールガスなどの被検知ガスを測定するガス反応素子であっても良い。
【００６０】
なお、ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）と発熱素子１０Ａ、１０Ｂとの金属接合は、第１の実施形態と同様にして行なう。
【００６１】
また、ガス検知器１Ｂの測温素子４およびリファレンス素子５は、第１の実施形態と同様にして形成されており、測温素子４は基板表面９ａ側にある発熱素子１０Ａの形成領域１０Ａｐに、リファレンス素子５は基板裏面９ｂ側にある発熱素子１０Ｂの形成領域１０Ｂｐに、それぞれ配設されている。もちろん、第１の実施形態と同様、ガス検知器１Ｂの小型化の観点から、測温素子４およびリファレンス素子５をガス検知器１Ｂから省いても良い。
【００６２】
そして、内部配線６は、第１の実施形態と同様に形成されており、基板両面９ａ、９ｂのガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂ、リファレンス素子５および測温素子４と各電極８Ａ、８Ｂとをそれぞれ接続している。また、外部配線７は、第１の実施形態と同様に形成されており、電極８Ａ、８Ｂおよび内部配線６を介して、基板両面９ａ、９ｂのガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）およびリファレンス素子５を測定回路に接続させ、基板両面９ａ、９ｂの発熱素子１０Ａ、１０Ｂおよび測温素子４を温度制御回路に接続させている。
【００６３】
次に、図３を用いて、第２の実施形態のガス検知器１Ｂの作用を説明する。
【００６４】
第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐと電極８Ａ、８Ｂの形成領域８Ａｐ、８Ｂｐとの間に断熱溝９ｇが形成されていると共に、基板９の両面９ａ、９ｂが空気層に挟まれているので、発熱素子１０Ａ、１０Ｂによって発生した熱が発熱素子１０Ａ、１０Ｂの形成領域１０Ａｐ、１０Ｂｐ外に放熱することを防止し、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの発生熱の大部分を基板両面９ａ、９ｂのガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）、リファレンス素子５および測温素子４に供給することができる。これによって、放熱によって生じていた不必要な消費電力を削減し、発熱素子１０Ａ、１０Ｂの熱効率の向上を実現することができる。
【００６５】
さらに、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、基板９の両面９ａ、９ｂにガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）、リファレンス素子５および測温素子４を配設したことにより、一方の発熱素子の形成領域（例えば基板表面９ａ側の発熱素子１０Ａの形成領域１０Ａｐ）の反対面側に伝熱した熱を他方の発熱素子の形成領域（例えば基板裏面９ｂ側の発熱素子１０Ｂの形成領域１０Ｂｐ）に発生した熱として利用することができる。これにより、各々の発熱素子１０Ａ、１０Ｂによって発生した熱を基板両面９ａ、９ｂに配設された各々のガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）およびリファレンス素子５に無駄なく供給することができる。
【００６６】
また、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、基板両面９ａ、９ｂに配設されたガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）を使用態様に応じて様々なパターンに組み合わされ、１パッケージ化されていることから、被検知ガスのガス濃度に応じて２段階の警告を発したり、２種以上の被検知ガスを１つのガス検知器１Ｂによって測定したりするといったような、複数の検知を行なうことができる。
【００６７】
たとえば、検知する水素ガスのガス濃度がそれぞれ異なる同種のガス反応素子２Ａ、２Ｂを基板両面９ａ、９ｂにそれぞれ配設した場合、外気に混入したガス濃度の高低に応じて水素ガスが検知されることになり、水素燃料電池による水素ガス漏洩の際に、「注意」・「危険」などといったような水素ガスの漏洩レベルに応じた２段階の警告を発することができる。
【００６８】
他方、水素ガス用ガス反応素子と水蒸気用ガス反応素子といったように、検知するガスの種類がそれぞれ異なる異種のガス反応素子２Ａ、３を基板両面９ａ、９ｂに配設させた場合、１のガス検知器１Ｂによって２種の被検知ガスを検知することができる。これは、水素ガス用ガス検知器が水蒸気用ガス検知器と併設されやすいといったような、複数個のガス検知器が同一範囲内に近接して設置されるような場合に大変有効である。
【００６９】
ここで、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、基板９に通気孔（図示せず）を有していること若しくは断熱溝９ｇが基板両面９ａ、９ｂに貫通した通気孔にもなっていることから、基板両面９ａ、９ｂに存在するガスを双方向に通過させることができる。これによって、基板両面９ａ、９ｂに存在する被検知ガスの温度を平衡にすることができるので、たとえばガス検知器１Ｂを配設する向きによって検知結果が異なるといったようなことを防止することができる。
【００７０】
さらに、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、基板表面９ａにリファレンス素子５が配設され、基板裏面９ｂに測温素子４が配設されており、複数のガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）および発熱素子１０Ａ、１０Ｂに対してリファレンス素子５および測温素子４を共用している。これによって、ガス反応素子２Ａ、２Ｂ（もしくは３）および発熱素子１０Ａ、１０Ｂの配設個数に応じて複数個のリファレンス素子５および測温素子４を配設することがなくなるので、ガス検知器１Ｂのパッケージサイズをさらに小型化することができる。
【００７１】
なお、第１の実施形態のガス検知器１Ａと同様、第２の実施形態のガス検知器１Ｂは、従来のガス検知器１０１Ａ、１０１Ｂに用いられていた断熱部材および接着剤を排除することができるので、それに伴い同様の効果を得ることができる。
【００７２】
すなわち、第１および第２の実施形態のガス検知器によって、ガス検知器に接続された外部配線および発熱素子の形成領域からの輻射による放熱を防止することができるので、無駄な消費電力を削減しつつ、パッケージサイズが小型化するという効果を奏する。さらに、第２の実施形態のガス検知器１Ｂによって、複数のガス検知器を１パッケージ化するとともに小型化し、さらに発熱素子１０Ａ、１０Ｂから発生した熱を有効に利用して複数種のガス検知や段階的なガス濃度の検知を行なうことができるので、ガス検知器１Ｂの消費電力が低減されたり、ガス検知器１Ｂの省配設スペース化がなされたりするという効果を奏する。
【００７３】
なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明のガス検知器の一実施形態を示す分解斜視図
【図２】本発明のガス検知器の一実施形態に用いられる基板、発熱素子および電極の平面図：（ａ）は、発熱素子の形成領域の側方に形成された長穴状の断熱溝を示しており、（ｂ）は、発熱素子の形成領域の周囲を取り囲むように形成された堀割状の断熱溝を示している。
【図３】本発明のガス検知器の他の実施形態を図１の３−３方向から示した断面図
【図４】従来のガス検知器の一例を示す縦断面図
【図５】従来のガス検知器の他の例を示す縦断面図
【符号の説明】
【００７５】
１Ａ、１Ｂ ガス検知器
２、２Ａ、２Ｂ、３ ガス反応素子
４ 測温素子
５ リファレンス素子
６ 内部配線
７ 外部配線
８、８Ａ、８Ｂ 電極
８ｐ、８Ａｐ、８Ｂｐ 電極の形成領域
９ 基板
９ｇ 断熱溝
１０ 発熱素子
１０ｐ 発熱素子の形成領域
１１ 筐体
１１ｂ 底板
１１ｈ 配線孔
１１ｓ 支持部
１１ｖ 通気孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性耐熱材を用いて形成されていると共に空気層に挟まれている基板と、
前記基板の表面上に形成されている発熱素子と、
前記発熱素子に接合されているとともに前記発熱素子の加熱によって所定の温度になると被検知ガスに反応するガス反応素子と、
前記基板の表面上において前記発熱素子の形成領域外に形成されている複数の電極と、
前記基板において前記発熱素子の形成領域から前記電極の形成領域を隔てる断熱溝と、
前記発熱素子および前記ガス反応素子を前記電極に接続させる内部配線と、
前記基板の外部に設置された前記ガス反応素子のガス反応量を測定する測定回路および前記発熱素子の温度を制御する温度制御回路を前記電極に接続させる外部配線と
を備えていることを特徴とするガス検知器。
【請求項２】
前記発熱素子および前記ガス反応素子は、前記基板の両面にそれぞれ配設されている
ことを特徴とする請求項１に記載のガス検知器。
【請求項３】
前記断熱溝は、前記基板両面に貫通した通気孔となっている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検知器。
【請求項４】
前記基板の両面に配設された前記ガス反応素子は、被検知ガスの反応濃度がそれぞれ異なる同種のガス反応素子である
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のガス検知器。
【請求項５】
前記基板の両面に配設された前記ガス反応素子は、反応する被検知ガスの種類がそれぞれ異なる異種のガス反応素子である
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のガス検知器。
【請求項６】
基板両面に配設された前記発熱素子の一方には基板両面の前記ガス反応素子のガス反応量を測定する基準となるリファレンス素子が１つ配設されており、他方の発熱素子には基板両面の前記発熱素子を測温する測温素子が１つ配設されている
ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のガス検知器。
【請求項１】
絶縁性耐熱材を用いて形成されていると共に空気層に挟まれている基板と、
前記基板の表面上に形成されている発熱素子と、
前記発熱素子に接合されているとともに前記発熱素子の加熱によって所定の温度になると被検知ガスに反応するガス反応素子と、
前記基板の表面上において前記発熱素子の形成領域外に形成されている複数の電極と、
前記基板において前記発熱素子の形成領域から前記電極の形成領域を隔てる断熱溝と、
前記発熱素子および前記ガス反応素子を前記電極に接続させる内部配線と、
前記基板の外部に設置された前記ガス反応素子のガス反応量を測定する測定回路および前記発熱素子の温度を制御する温度制御回路を前記電極に接続させる外部配線と
を備えていることを特徴とするガス検知器。
【請求項２】
前記発熱素子および前記ガス反応素子は、前記基板の両面にそれぞれ配設されている
ことを特徴とする請求項１に記載のガス検知器。
【請求項３】
前記断熱溝は、前記基板両面に貫通した通気孔となっている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検知器。
【請求項４】
前記基板の両面に配設された前記ガス反応素子は、被検知ガスの反応濃度がそれぞれ異なる同種のガス反応素子である
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のガス検知器。
【請求項５】
前記基板の両面に配設された前記ガス反応素子は、反応する被検知ガスの種類がそれぞれ異なる異種のガス反応素子である
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のガス検知器。
【請求項６】
基板両面に配設された前記発熱素子の一方には基板両面の前記ガス反応素子のガス反応量を測定する基準となるリファレンス素子が１つ配設されており、他方の発熱素子には基板両面の前記発熱素子を測温する測温素子が１つ配設されている
ことを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のガス検知器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−１０８０４７（Ｐ２００７−１０８０４７Ａ）
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３００００７（Ｐ２００５−３００００７）
【出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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