可燃性ガス検出装置
【課題】被検出雰囲気の絶対湿度の影響を補正して可燃性ガスの検出精度を高めるとともに、部品点数を低減してコスト低減や生産性向上を図った可燃性ガス検出装置を提供する。
【解決手段】被検出雰囲気内に曝され、被検出雰囲気中の可燃性ガスの濃度に応じて温度が変化する１つの発熱抵抗体と、発熱抵抗体が所定温度に保たれるよう該発熱抵抗体を通電制御し、該発熱抵抗体の端子間電圧を検出するガス検出部１００と、可燃性ガスの濃度と端子間電圧との間の第１関係に基づき、端子間電圧から被検出雰囲気内の可燃性ガスの濃度をガス濃度算出値として算出する濃度算出手段３ａと、被検出雰囲気の温度を検出する主温度検出手段３ａ、５０と、ガス濃度算出値又は端子間電圧と、被検出雰囲気の温度との間の第２関係に基づき、主温度検出手段によって検出された温度からガス濃度算出値又は端子間電圧を補正する補正手段３ａと、を備えた可燃性ガス検出装置１である。
【解決手段】被検出雰囲気内に曝され、被検出雰囲気中の可燃性ガスの濃度に応じて温度が変化する１つの発熱抵抗体と、発熱抵抗体が所定温度に保たれるよう該発熱抵抗体を通電制御し、該発熱抵抗体の端子間電圧を検出するガス検出部１００と、可燃性ガスの濃度と端子間電圧との間の第１関係に基づき、端子間電圧から被検出雰囲気内の可燃性ガスの濃度をガス濃度算出値として算出する濃度算出手段３ａと、被検出雰囲気の温度を検出する主温度検出手段３ａ、５０と、ガス濃度算出値又は端子間電圧と、被検出雰囲気の温度との間の第２関係に基づき、主温度検出手段によって検出された温度からガス濃度算出値又は端子間電圧を補正する補正手段３ａと、を備えた可燃性ガス検出装置１である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可燃性ガスの濃度測定や漏洩検知等に用いられる可燃性ガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護や自然保護などの社会的要求から、高効率でクリーンなエネルギ源として、燃料電池の研究が活発に行われている。特に、低温で作動し、高出力で高密度な固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）や水素内燃機関は、家庭用途や車載用途に期待されている。但し、これらのエネルギ源は水素を燃料としているため、水素漏れの有無を検知する必要がある。
【０００３】
従来、被検出雰囲気に含まれる可燃性ガス濃度の検出装置として、可燃性ガス濃度に応じて被検出雰囲気の熱伝導率が変化することを利用し、被検出雰囲気中に置いた発熱抵抗体の端子間電圧を測定するものが知られている。しかし、可燃性ガスの濃度が同一であっても、被検出雰囲気の相対湿度が変わるとその熱伝導率も変動し、可燃性ガスの検出精度に影響を与えるという問題がある。
そこで、２つの発熱抵抗体の各抵抗値を、それぞれ異なる一定温度に対応するように制御し、各発熱抵抗体の端子電圧の電圧比を求めて、被検出雰囲気の相対湿度をこの電圧比と温度との間の関係から決定する技術が開発されている（特許文献１参照）。この技術によれば、被検出雰囲気の相対湿度による被検出雰囲気の熱伝導率の変動を考慮し、可燃性ガスの検出精度を高くすることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、水の発生を伴う燃料電池のように被検出雰囲気の相対湿度が安定している環境においても、絶対湿度の影響により検出精度が低下する事がある。また、上記特許文献１記載の技術の場合、ガス検出装置に２つの発熱抵抗体を設ける必要があるため部品点数が増加し、コスト低減や生産性の点で改善の余地がある。
そこで、本発明は、被検出雰囲気の絶対湿度の影響を補正して可燃性ガスの検出精度を高めるとともに、部品点数を低減してコスト低減や生産性向上を図ることができる可燃性ガス検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の可燃性ガス検出装置は、安定した相対湿度環境下における被検出雰囲気内に曝され、前記被検出雰囲気中の可燃性ガスの濃度に応じて温度が変化する１つの発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体が所定温度に保たれるよう該発熱抵抗体を通電制御し、このときの該発熱抵抗体の端子間電圧を検出するガス検出部と、前記可燃性ガスの濃度と前記端子間電圧との間の第１関係に基づき、前記端子間電圧から前記被検出雰囲気内の前記可燃性ガスの濃度をガス濃度算出値として算出する濃度算出手段と、前記被検出雰囲気の温度を検出する主温度検出手段と、前記ガス濃度算出値又は前記端子間電圧と、前記被検出雰囲気の温度との間の第２関係に基づき、前記主温度検出手段によって検出された温度から前記ガス濃度算出値又は前記端子間電圧を補正する補正手段と、を備えている。
ここで、相対湿度が安定していれば、絶対湿度と温度には一定の関係がある為、被検出雰囲気の温度を用いて絶対湿度の影響を補正する事が可能である。そこで、安定した相対湿度環境下において検出雰囲気の温度を測定し、被検出雰囲気の温度とガス濃度算出値又は端子間電圧との間の第２関係に基づいて、可燃性ガス検出装置の出力の補正をすることでガス検出精度を向上する事ができる。
さらに、ガス検出素子の発熱抵抗体が１つで済むので、部品点数を低減してコスト低減や生産性向上を図ることができる。なお、安定した相対湿度環境下とは、相対湿度の変動が±５％以下の環境を例示できる。
【０００７】
前記発熱抵抗体の結露を防止する結露防止ヒータをさらに備えてもよい。
このような構成とすると、例えば燃料電池の水素漏れを検出する場合等、被検出雰囲気が水蒸気の飽和状態又はそれに近い状態にあるときに、被検出雰囲気に曝される発熱抵抗体の結露による検出精度の低下を防止することができる。
【０００８】
前記発熱抵抗体は、前記可燃性ガス検出装置に形成されて前記被検出雰囲気に連通する測定室内に設置され、かつ前記主温度検出手段は前記測定室の外に配置されており、前記測定室内に配置されて該測定室内の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、前記濃度算出手段は、前記第２温度検出手段によって検出された温度に基づき、前記第１関係を変更してもよい。
このような構成とすると、発熱抵抗体近傍に結露防止ヒータを設けた場合等に、発熱抵抗体近傍の温度を反映した測定室内の温度を第２温度検出手段で測定し、この温度に応じて第１関係を変更するので、端子間電圧からガス濃度算出値を精度よく算出することができる。
又、第２関係による補正は、被検出雰囲気の温度を反映した測定室外の主温度検出手段の温度に基づくので、補正の精度も向上する。
【０００９】
前記測定室を形成すると共に、前記測定室の外側に前記主温度検出手段を取り付けるための主温度検出手段取付部を一体に形成してなるケーシング部材をさらに備えてもよい。
このような構成とすると、ケーシング部材上に測定室と主温度検出手段とを容易に配置することができ、生産性が向上する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、被検出雰囲気の絶対湿度の影響を補正して可燃性ガスの検出精度を高めるとともに、部品点数を低減してコスト低減や生産性向上を図ることができる可燃性ガス検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る可燃性ガス検出装置の断面図である。
【図２】ガス検出素子の平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】制御部の構成を示す図である。
【図５】被検出雰囲気の温度と、湿度との関係を示す図である。
【図６】可燃性ガス検出装置の出力（水素ガス濃度）と、水蒸気量（湿度）との関係を示す図である。
【図７】可燃性ガス検出装置の出力と、温度との関係を示す図である。
【図８】発熱抵抗体の端子間電圧と、被検出雰囲気中の水素濃度との関係を示す図である。
【図９】マイクロコンピュータによる、被検出雰囲気中の水素ガス濃度の算出及び補正処理のフローを示す図である。
【図１０】補正処理を行わなかったときの、可燃性ガス検出装置の出力と、モデルガス中の水素濃度との関係を示す図である。
【図１１】補正処理を行ったときの、可燃性ガス検出装置の出力と、モデルガス中の水素濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る可燃性ガス検出装置１の断面図を示す。なお、可燃性ガス検出装置１は、後述するガス検出素子１００を実装した回路基板２を収容している。図１は、回路基板２の表面に垂直な方向で切断した断面図である。
なお、可燃性ガス検出装置１は、被検出雰囲気中の水素濃度を測定するものである。又、可燃性ガス検出装置１の側面には、外部との信号の入出力を行うための図示しないコネクタが設けられている。
【００１３】
可燃性ガス検出装置１は、プラスチック等から一体成形された略矩形箱状のケーシング部材１１と、ケーシング部材１１の背面を閉塞する背面板１２とからなるケーシング１０を備えている。ケーシング部材１１の側壁の上部には、外側に向かって広がる段部１１ｆが形成され、回路基板２の端縁を段部１１ｆに係止しつつ回路基板２がケーシング部材１１に取付けられている。回路基板２の下面（ケーシング部材１１の表側で背面板１２と反対の面）中央には、可燃性ガス検出装置１を制御する制御部３（マイコンを含む）が実装されている。制御部３については後述する。
【００１４】
ケーシング部材１１の右側内面には、略円筒状の素子固定壁１１ａが立ち上がり、素子固定壁１１ａの軸方向中心にはガス導入口１１ｂが形成されている。又、ケーシング部材１１の左側には、内側に凹む凹部１１ｃが形成されるとともに、凹部１１ｃの底面からケーシング部材１１の外側に向かって主温度センサ取付部（主温度検出手段取付部）１１ｄが突出している。
主温度センサ取付部１１ｄは、先端が半球状に閉じられた円筒状をなし、筒内には薄膜抵抗体からなる主温度センサ５０が配置されている。主温度センサ取付部１１ｄの先端は、ケーシング部材１１の表面とほぼ面一になっている。そして、主温度センサ５０から回路基板２側に向かって２本のピン状の端子５１、５２が突出し、各端子５１、５２を回路基板２のスルーホールに挿入してはんだ付けすることにより、主温度センサ５０が回路基板２に実装されている。
なお、素子固定部１１ａに後述する素子ホルダ２１を取り付けることにより、素子ホルダ２１の内部空間が測定室２１ｓを形成し、主温度センサ５０が測定室２１ｓの外側に位置することになる。つまり、この実施形態では、ケーシング部材１１自体が測定室を形成せず、素子ホルダ２１が測定室を形成しているが、本発明においてはのような場合も含め、測定室はケーシング部材に直接又は他部材（例えば素子ホルダ２１）を介して形成されるものとする。
【００１５】
素子ホルダ２１は略円筒状をなし、素子固定壁１１ａの内面に同軸に嵌るようになっている。又、素子ホルダ２１の側壁の上部には、外側に向かって広がる段部２１ｆが形成され、円板状のターミナル板４０の端縁が段部２１ｆに係止されている。ターミナル板４０の下面中央にはガス検出素子１００が固定され、ガス検出素子１００が有する後述の電極パッドに電気的に接続された３本のピン状の端子４１〜４３が突出している。各端子４１〜４３がターミナル板４０と電気的に絶縁した状態でターミナル板４０に挿通されている。そして、各端子４１〜４３を回路基板２のスルーホールに挿入してはんだ付けすることにより、ガス検出素子１００が回路基板２に実装されている。
なお、詳しくは後述するが、ガス検出素子１００は発熱抵抗体１１０と第２温度センサ（第２温度検出手段）１３０とを備えており、端子４１、４２はそれぞれ発熱抵抗体１１０と第２温度センサ１３０の正極側端子である。又、端子４３は、発熱抵抗体１１０と第２温度センサ１３０の共通のグランドとなっている。
【００１６】
そして、ターミナル板４０の背面に、端子４１〜４３の挿通孔を有する円板状の素子ホルダ背面板２２が被せられ、素子ホルダ背面板２２をターミナル板４０と共に、図示しないパッキン等を介して素子ホルダ２１の上端に気密に嵌合することにより、ターミナル板４０及びガス検出素子１００が素子ホルダ２１内に取付けられる。
【００１７】
一方、素子ホルダ２１の下面は、ガス導入口１１ｂと連通した中心開口を有する環状をなし、素子ホルダ２１の下面内側には、円板状の撥水フィルタ３１と金網３２とが積層して圧入され、撥水フィルタ３１が外側に位置している。そして、素子ホルダ２１の側壁と、金網３２と、ターミナル板４０の下面とによって囲まれる内部空間が測定室２１ｓを形成し、ガス検出素子１００が測定室２１ｓに臨むようになっている。
撥水フィルタ３１は、ガス導入口１１ｃから測定室２１ｓ内への水滴や粉塵等の侵入を防止する。金網３２は、ガス検出素子１００が有する後述の発熱抵抗体１１０に通電した際、発熱抵抗体１１０の温度が水素ガスの下限爆発温度を上回って水素ガスが測定室２１ｓ内で発火した場合に、測定室２１ｓから可燃性ガス検出装置１の外側へ引火することを防止し、防爆機能を有している。
【００１８】
さらに、この実施形態では、素子ホルダ背面板２２の上面（回路基板２に対向する面）に、発熱抵抗体からなる結露防止ヒータ６０が載置され、結露防止ヒータ６０から回路基板２側に向かって２本のピン状の端子６１、６２が突出している。各端子６１、６２を回路基板２のスルーホールに挿入してはんだ付けすることにより、結露防止ヒータ６０が回路基板２に実装される。
結露防止ヒータ６０は発熱抵抗体１１０近傍（この例では、測定室２１ｓ内）を加熱し、発熱抵抗体１１０の結露を防止する。特に、燃料電池の水素漏れを検出する場合、被検出雰囲気は水蒸気の飽和状態又はそれに近い状態にあり、被検出雰囲気に曝される発熱抵抗体１１０が結露し易くなって検出精度の低下を招くので、結露防止ヒータ６０が有効である。
【００１９】
次に、図２、図３を参照してガス検出素子１００の構成について説明する。
図２は、ガス検出素子１００の平面図を示す。ガス検出素子１００は平面視矩形状をなし、シリコン基板からなる基体１０１を備えている。基体１０１の表面の中央部には、渦巻き状の発熱抵抗体１１０が配置され、発熱抵抗体１１０から２本のリード１１０ａ、１１０ｂが延びている。基体１０１下側の両隅部には、それぞれ矩形の電極パッド１１２、１１４が表出し、リード１１０ａが電極パッド１１２に接続され、リード１１０ｂが電極パッド１１４に接続されている。
一方、基体１０１のうち発熱抵抗体１１０より上側の表面には、薄膜抵抗体からなり、基体１０１の上辺に沿って細長い矩形状の第２温度センサ（第２温度検出手段）１３０が配置され、第２温度センサ１３０から図示しない２本のリードが延びている。基体１０１上側の両隅部には、それぞれ矩形の電極パッド１３２、１３４が表出し、第２温度センサ１３０の各リードがそれぞれ電極パッド１３２、１３４に接続されている。
なお、電極パッド１１２、１３２は、例えばワイヤボンディングによりそれぞれ端子４１、４２に電気的に接続されている。電極パッド１１４、１３４は、例えばワイヤボンディングにより共通の端子４３に電気的に接続されている。
又、発熱抵抗体１１０及び第２温度センサ１３０は、基体１０１表面に形成された図示しない内側保護層１０７内に埋設されている。
【００２０】
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。基体１０１の上下面には、それぞれ上側絶縁層１０５、下側絶縁層１０３が形成されている。上側絶縁層１０５は、基体１０１の上面に形成された酸化ケイ素膜１０５ａと、酸化ケイ素膜１０５ａの上面に積層された窒化ケイ素膜１０５ｂとから構成されている。同様に、下側絶縁層１０３は、基体１０１の下面に形成された酸化ケイ素膜１０３ａと、酸化ケイ素膜１０３ａの下面に積層された窒化ケイ素膜１０３ｂとから構成されている。
一方、基体１０１の下面の中央部は、厚み方向に沿った断面で見たときに台形状に除去されて開口部１０１ａが形成され、開口部１０１ａから上側絶縁層１０５が露出している。即ち、基体１０１は、開口部１０１ａと上側絶縁層１０５とにより、ダイヤフラム構造を形成している。そして、開口部１０１ａの上に位置する上側絶縁層１０５の上面に発熱抵抗体１１０を配置することで、発熱抵抗体１１０が周囲と熱的に遮断され、発熱抵抗体１１０の昇温や降温を短時間で行うことができ、発熱抵抗体１１０の消費電力を低減することができる。
【００２１】
上側絶縁層１０５の上面には絶縁性の内側保護層１０７が形成され、内側保護層１０７の内部には、発熱抵抗体１１０、各リード部１１０ａ、１１０ｂ（図示せず）、及び各リード部１１０ａ、１１０ｂの先端に接続されたコンタクト部１１２ａ、１１４ａが埋設されている。内側保護層１０７上にこれら構成部分を形成した後、さらに内側保護層１０７の成分を成膜することで、各構成部分が内側保護層１０７内に埋設される。さらに、内側保護層１０７の表面に外側保護層１０９が積層されている。
なお、内側保護層１０７及び外側保護層１０９のうち、コンタクト部１１２ａ、１１４ａの上側部分がエッチング等によって除去され、除去部分にそれぞれ電極パッド１１２、１１４が堆積されている。これにより、コンタクト部１１２ａ、１１４ａと電極パッド１１２、１１４とがそれぞれ電気的に接続され、電極パッド１１２、１１４を介して発熱抵抗体１１０に通電可能になっている。
【００２２】
発熱抵抗体１１０、第２温度センサ１３０、主温度センサ５０、これらのリード部、及び電極パッド１１２、１１４、１３２、１３４は、白金（Ｐｔ）やＰｔ合金等の導電材料から形成することができる。
又、基体１０１は、シリコン基板に限られず、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や半導体材料から作製してもよい。
内側保護層１０７及び外側保護層１０９は、酸化ケイ素や窒化ケイ素等から形成することができる。
【００２３】
次に、図４を参照して制御部３の構成について説明する。制御部３は、ガス検出素子回路（特許請求の範囲の「ガス検出部」に相当）３１０、第２温度測定回路３２０、主温度測定回路３３０、及びこれら回路からの信号が入力されるマイクロコンピュータ３ａを備えている。マイクロコンピュータ３ａは、公知のＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を備え、ＲＯＭ等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行され、ガス濃度信号として外部に出力される。マイクロコンピュータ３ａ（のＣＰＵ）が、特許請求の範囲の「濃度算出手段」、「主温度検出手段」、「補正手段」に相当する。
なお、制御部３は、上記した端子４１〜４３、５１、５２、６１、６２を介して発熱抵抗体１１０、第２温度センサ１３０、主温度センサ５０に接続されている。
【００２４】
ガス検出素子回路３１０は、発熱抵抗体１１０、及び固定抵抗ａ１〜ａ３で構成されるホイートストーンブリッジ回路３１１と、ホイートストーンブリッジ回路３１１から得られる電位差を増幅するオペアンプ３１２と、トランジスタからなる一定温度制御回路３１４とを備える。ホイートストーンブリッジ回路３１１において、固定抵抗ａ２の一端と固定抵抗ａ３の一端とが接続され、固定抵抗ａ１の一端と発熱抵抗体１１０の一端とが接続されている。又、固定抵抗ａ３の他端と発熱抵抗体１１０の他端とがグランドに接続され、固定抵抗ａ２の他端と固定抵抗ａ１の他端とが一定温度制御回路３１４（トランジスタ）のコレクタに接続されている。
固定抵抗ａ２と固定抵抗ａ３の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３１２の反転入力端子（-）に入力される。発熱抵抗体１１０と固定抵抗ａ１の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３１２の非反転入力端子（+）に入力されると共に、マイクロコンピュータ３ａに図示しないＡ／Ｄコンバータを介して入力される。オペアンプ３１２の出力はネガティブフィードバックされると共に、一定温度制御回路３１４のベースに入力される。一定温度制御回路３１４のエミッタには定電圧Ｖｃｃが印加されている。
このように、オペアンプ３１２の出力に応じ、一定温度制御回路３１４は、発熱抵抗体１１０が一定温度に保たれるように電圧を制御する。又、このときの制御電圧がマイクロコンピュータ３ａに出力され、発熱抵抗体１１０の端子間電圧（被検出雰囲気中の水素濃度に対応）が検出される。なお、この実施形態では、発熱抵抗体１１０が２００℃に保たれるようにガス検出素子回路３１０が設定されている。
【００２５】
第２温度測定回路３２０は、抵抗体からなる第２温度センサ１３０、及び固定抵抗ｂ１〜ｂ３で構成されるホイートストーンブリッジ回路３２１と、ホイートストーンブリッジ回路３２１から得られる電位差を増幅するオペアンプ３２２とを備える。ホイートストーンブリッジ回路３２１において、第２温度センサ１３０の一端と固定抵抗ｂ３の一端とが接続され、固定抵抗ｂ１の一端と固定抵抗ｂ２の一端とが接続されている。又、第２温度センサ１３０の他端と固定抵抗ｂ２の他端とがグランドに接続され、固定抵抗ｂ３の他端と固定抵抗ｂ１の他端とに定電圧Ｖｃｃが印加されている。
第２温度センサ１３０と固定抵抗ｂ３の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３２２の反転入力端子（-）に入力される。固定抵抗ｂ１と固定抵抗ｂ２の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３２２の非反転入力端子（+）に入力される。オペアンプ３２２の出力はネガティブフィードバックされると共に、マイクロコンピュータ３ａに図示しないＡ／Ｄコンバータを介して入力される。
このようにして、第２温度センサ１３０の温度変化による電圧変化がオペアンプ３２２から出力され、第２温度センサ１３０の周囲の温度（測定室２１ｓ内の温度）が測定される。
【００２６】
主温度測定回路３３０は、抵抗体からなる主温度センサ５０、及び固定抵抗ｃ１〜ｃ３で構成されるホイートストーンブリッジ回路３３１と、ホイートストーンブリッジ回路３３１から得られる電位差を増幅するオペアンプ３３２とを備える。ホイートストーンブリッジ回路３３１において、主温度センサ５０の一端と固定抵抗ｃ３の一端とが接続され、固定抵抗ｃ１の一端と固定抵抗ｃ２の一端とが接続されている。又、主温度センサ５０の他端と固定抵抗ｃ２の他端とがグランドに接続され、固定抵抗ｃ３の他端と固定抵抗ｃ１の他端とに定電圧Ｖｃｃが印加されている。
主温度センサ５０と固定抵抗ｃ３の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３３２の反転入力端子（-）に入力される。固定抵抗ｃ１と固定抵抗ｃ２の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３３２の非反転入力端子（+）に入力される。オペアンプ３３２の出力はネガティブフィードバックされると共に、マイクロコンピュータ３ａに図示しないＡ／Ｄコンバータを介して入力される。
このようにして、主温度センサ５０の温度変化による電圧変化がオペアンプ３３２から出力され、主温度センサ５０の周囲の温度（被検出雰囲気の温度、つまりケーシング部材１１周囲の温度）が測定される。
【００２７】
次に、図５〜図７を参照して、被検出雰囲気の絶対湿度による可燃性ガス検出装置１の出力への影響について説明する。なお、絶対湿度は水蒸気量（ｖｏｌ．％）と同義として捉える事ができる為、以下は水蒸気量という記載も用いる。
図５は、被検出雰囲気の温度と、９０％ＲＨでの水蒸気量との関係を示す。なお、この実施形態では、可燃性ガス検出装置１が水の発生を伴う燃料電池へ適用されることを想定しているため、相対湿度が高い状態として、９０％ＲＨでの水蒸気量を用いている。
図６は、可燃性ガス検出装置１の出力に与える影響（具体的には発熱抵抗体１１０の端子間電圧から算出した水素ガス濃度）と、水蒸気量との関係を示す。この関係は、水蒸気量を変動させた時に、可燃性ガス検出装置１の出力の理想出力に対する誤差を測定し作成したものである。ここで、理想出力に対する誤差とは、例えば水素濃度が０％の環境において測定を行ったとすると、理想出力は水素濃度０％であるのに対し、実際の可燃性ガス検出装置１の出力が水素濃度１％であれば、理想出力に対する誤差（つまり出力に与える影響）が１％と規定される値である。
図６から、水蒸気量が変動すると可燃性ガス検出装置１の出力の誤差が変動することがわかる。
【００２８】
図７は、図５の関係（温度と水蒸気量）と図６の関係（出力と水蒸気量）とから、可燃性ガス検出装置１の出力に与える影響と温度との関係を求めたグラフを示す。図７より、主温度センサ５０によって被検出雰囲気の温度を測定することで、水蒸気量による可燃性ガス検出装置１の出力変動を見積もることができる。
ここで、被検出雰囲気の温度と、可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係（より正確には、被検出雰囲気の水蒸気量（絶対湿度）と可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係を、温度で表したもの）が、特許請求の範囲の「第２関係」に相当する。
そして、図７の関係、つまり、被検出雰囲気の温度と、可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係から、実際の被検出雰囲気中の水素ガス（可燃性ガス）濃度を測定する際、被検出雰囲気の温度（絶対湿度）による出力への影響を補正することができる。なお、この実施例では、被検出雰囲気の温度と９０％ＲＨでの水蒸気量との関係と、可燃性ガス検出装置１の出力（具体的には発熱抵抗体１１０の端子間電圧から算出した水素ガス濃度）と水蒸気量との関係を元に、被検出雰囲気の温度と、可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係である第２関係を求めたが、被検出雰囲気の温度と可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係を直接求めたものを第２関係としても良い。
【００２９】
図８は、発熱抵抗体１１０の端子間電圧と、被検出雰囲気中の水素濃度との関係（特許請求の範囲の「第１関係」に相当）を示す。第１関係は、例えば、予め水素濃度が既知のモデルガスを被検出雰囲気として用いて得られる検量線である。
ここで、第１関係は、発熱抵抗体１１０の周囲の温度（具体的には、第２温度センサ１３０で測定する測定室２１ｓ内の温度）によって変化し、測定室２１ｓ内の温度が高いほど、発熱抵抗体１１０の温度を一定に保つための電圧が少なくて済むので、第１関係も変化する。
このように、発熱抵抗体１１０に近接した第２温度センサ１３０の温度に基づき、第１関係を変更することにより、発熱抵抗体１１０の周囲の温度に応じた適切な第１関係を用いることができ、水素（可燃性ガス）の検出精度が向上する。
特に、結露防止ヒータ６０を用いて発熱抵抗体１１０近傍（この例では、測定室２１ｓ内）を加熱する場合、発熱抵抗体１１０近傍の温度が主温度センサ５０の温度と異なる。このため、測定室２１ｓ内の温度を反映した第２温度センサ１３０の温度に基づき、第１関係を変更することが有効である。
【００３０】
一方、この場合、発熱抵抗体１１０近傍（測定室２１ｓ内）の温度は被検出雰囲気の温度を必ずしも反映しない。従って、第２関係による出力補正を行う際には、測定室２１ｓの外部に配置され、被検出雰囲気の温度を反映した主温度センサ５０の温度に基づくことが好ましい。
【００３１】
図９は、マイクロコンピュータ（のＣＰＵ、以下、単に「ＣＰＵ」と称する）３ａによる、被検出雰囲気中の水素ガス（可燃性ガス）濃度の算出及び補正処理のフローを示す。
ＣＰＵは、第２温度センサ１３０から測定室２１ｓ内の温度を取得し（ステップＳ２）、さらに発熱抵抗体１１０の端子間電圧を取得する（ステップ４）。次に、ＣＰＵは、マイクロコンピュータ３ａのＲＯＭ（以下、単に「ＲＯＭ」と称する）に格納された第１関係テーブル３ａから、測定室２１ｓ内の温度に応じた第１関係を参照し、上記端子間電圧に基づいて水素ガス濃度を算出する（ステップＳ６）。第１関係テーブル３ａに基づき、ステップＳ６で算出された水素ガス濃度が、特許請求の範囲の「ガス濃度算出値」に相当する。
なお、この実施形態では、いくつかの温度（例えば、３０℃と８０℃）における発熱抵抗体１１０の端子間電圧と水素ガス濃度との間の第１関係が、第１関係テーブル３ａに格納されている。第１関係は、いくつかの温度毎に、端子間電圧と水素ガス濃度を対応付けたテーブルであってもよく、又、例えば温度と端子間電圧を変数とする所定の数式であってもよい。
【００３２】
次に、ＣＰＵは、主温度センサ５０から被検出雰囲気の温度を取得する（ステップＳ８）。次に、ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された第２関係テーブル３ａを参照し、被検出雰囲気の温度に基づいてガス濃度算出値を補正する（ステップＳ１０）。
なお、この実施形態では、第２関係は、いくつかの温度毎に、基準温度（-１０℃）に対するガス濃度算出値の変化率を対応付けたテーブルであり、この変化率をステップＳ６で算出されたガス濃度算出値に乗ずることにより、補正値が得られる。第２関係を、例えば温度を変数とする所定の数式としてもよい。
さらに、ＣＰＵは、ステップＳ１０で補正したガス濃度算出値を、ガス濃度信号として外部に出力する（ステップＳ１２）。
【００３３】
なお、この実施形態では、被検出雰囲気の温度と、可燃性ガス検出装置１の出力（端子間電圧を水素ガス濃度に換算した値）との関係を第２関係としているが、被検出雰囲気の温度と、発熱抵抗体１１０の端子間電圧との関係を第２関係としてもよい。この場合、ＣＰＵは、ステップＳ４で端子間電圧を取得すると、被検出雰囲気の温度に基づいて第２関係テーブル３ａ（但し、温度に対する端子間電圧の変化率のテーブル）を参照し、ステップＳ４の端子間電圧を補正する。そして、補正された端子間電圧に基づいて第１関係テーブル３ａを参照し、上記ステップＳ６と同様に、ガス濃度算出値を算出し、この値をそのままガス濃度信号として外部に出力する。
【００３４】
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、上記実施形態においては、主温度センサ５０と第２温度センサ１３０の２個の温度センサ（温度検出手段）を設けたが、いずれか１つの温度センサのみを設け、この温度センサの温度に基づいて第２関係から補正を行ってもよい。但し、上述のように、結露防止のために発熱抵抗体１１０近傍の温度と被検出雰囲気の温度とが異なる場合には、主温度センサ５０と第２温度センサ１３０の２個の温度センサを設けると、可燃性ガスの検出精度が向上する。
【実施例】
【００３５】
次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３６】
図１〜図４に示した可燃性ガス検出装置１を製造した。この可燃性ガス検出装置１を用い、以下の測定条件で、水素ガス濃度が既知のいくつかのモデルガスを測定した。
測定条件
ガス組成：H2=0,2,4％、Air=bal.
ガス温度と湿度：25℃-0%RH, 20℃-90%RH(2.1%H2O), 52℃-90%RH(12.1%H2O), 66℃-90%RH(23.2%H2O)
ガス流量：5L/min
【００３７】
図１０は、ステップＳ１０の補正処理を行わなかったときの、可燃性ガス検出装置１の出力（ガス濃度算出値）と、モデルガス中の水素濃度（既知の値）との関係を示す。モデルガスの温度（つまり絶対湿度）が変化すると、同じ水素濃度であってもセンサ出力（ガス濃度算出値）が変動し、絶対湿度の影響を受けていることがわかる。
一方、図１１は、ステップＳ１０の補正処理を行ったときの、可燃性ガス検出装置１の出力（ガス濃度算出値）と、モデルガス中の水素濃度（既知の値）との関係を示す。モデルガスの温度（つまり絶対湿度）が変化しても、同じ水素濃度であればセンサ出力（ガス濃度算出値）はほぼ同一であり、絶対湿度の影響を補正できることがわかる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 可燃性ガス検出装置
３ 制御部（ガス検出部）
３ａ マイクロコンピュータ（濃度算出手段、主温度検出手段、補正手段）
１１ ケーシング部材
２１ｓ 測定室
５０ 主温度センサ（主温度検出手段）
６０ 結露防止ヒータ
１１０ 発熱抵抗体
１３０ 第２温度センサ（第２温度検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可燃性ガスの濃度測定や漏洩検知等に用いられる可燃性ガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護や自然保護などの社会的要求から、高効率でクリーンなエネルギ源として、燃料電池の研究が活発に行われている。特に、低温で作動し、高出力で高密度な固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）や水素内燃機関は、家庭用途や車載用途に期待されている。但し、これらのエネルギ源は水素を燃料としているため、水素漏れの有無を検知する必要がある。
【０００３】
従来、被検出雰囲気に含まれる可燃性ガス濃度の検出装置として、可燃性ガス濃度に応じて被検出雰囲気の熱伝導率が変化することを利用し、被検出雰囲気中に置いた発熱抵抗体の端子間電圧を測定するものが知られている。しかし、可燃性ガスの濃度が同一であっても、被検出雰囲気の相対湿度が変わるとその熱伝導率も変動し、可燃性ガスの検出精度に影響を与えるという問題がある。
そこで、２つの発熱抵抗体の各抵抗値を、それぞれ異なる一定温度に対応するように制御し、各発熱抵抗体の端子電圧の電圧比を求めて、被検出雰囲気の相対湿度をこの電圧比と温度との間の関係から決定する技術が開発されている（特許文献１参照）。この技術によれば、被検出雰囲気の相対湿度による被検出雰囲気の熱伝導率の変動を考慮し、可燃性ガスの検出精度を高くすることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、水の発生を伴う燃料電池のように被検出雰囲気の相対湿度が安定している環境においても、絶対湿度の影響により検出精度が低下する事がある。また、上記特許文献１記載の技術の場合、ガス検出装置に２つの発熱抵抗体を設ける必要があるため部品点数が増加し、コスト低減や生産性の点で改善の余地がある。
そこで、本発明は、被検出雰囲気の絶対湿度の影響を補正して可燃性ガスの検出精度を高めるとともに、部品点数を低減してコスト低減や生産性向上を図ることができる可燃性ガス検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の可燃性ガス検出装置は、安定した相対湿度環境下における被検出雰囲気内に曝され、前記被検出雰囲気中の可燃性ガスの濃度に応じて温度が変化する１つの発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体が所定温度に保たれるよう該発熱抵抗体を通電制御し、このときの該発熱抵抗体の端子間電圧を検出するガス検出部と、前記可燃性ガスの濃度と前記端子間電圧との間の第１関係に基づき、前記端子間電圧から前記被検出雰囲気内の前記可燃性ガスの濃度をガス濃度算出値として算出する濃度算出手段と、前記被検出雰囲気の温度を検出する主温度検出手段と、前記ガス濃度算出値又は前記端子間電圧と、前記被検出雰囲気の温度との間の第２関係に基づき、前記主温度検出手段によって検出された温度から前記ガス濃度算出値又は前記端子間電圧を補正する補正手段と、を備えている。
ここで、相対湿度が安定していれば、絶対湿度と温度には一定の関係がある為、被検出雰囲気の温度を用いて絶対湿度の影響を補正する事が可能である。そこで、安定した相対湿度環境下において検出雰囲気の温度を測定し、被検出雰囲気の温度とガス濃度算出値又は端子間電圧との間の第２関係に基づいて、可燃性ガス検出装置の出力の補正をすることでガス検出精度を向上する事ができる。
さらに、ガス検出素子の発熱抵抗体が１つで済むので、部品点数を低減してコスト低減や生産性向上を図ることができる。なお、安定した相対湿度環境下とは、相対湿度の変動が±５％以下の環境を例示できる。
【０００７】
前記発熱抵抗体の結露を防止する結露防止ヒータをさらに備えてもよい。
このような構成とすると、例えば燃料電池の水素漏れを検出する場合等、被検出雰囲気が水蒸気の飽和状態又はそれに近い状態にあるときに、被検出雰囲気に曝される発熱抵抗体の結露による検出精度の低下を防止することができる。
【０００８】
前記発熱抵抗体は、前記可燃性ガス検出装置に形成されて前記被検出雰囲気に連通する測定室内に設置され、かつ前記主温度検出手段は前記測定室の外に配置されており、前記測定室内に配置されて該測定室内の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、前記濃度算出手段は、前記第２温度検出手段によって検出された温度に基づき、前記第１関係を変更してもよい。
このような構成とすると、発熱抵抗体近傍に結露防止ヒータを設けた場合等に、発熱抵抗体近傍の温度を反映した測定室内の温度を第２温度検出手段で測定し、この温度に応じて第１関係を変更するので、端子間電圧からガス濃度算出値を精度よく算出することができる。
又、第２関係による補正は、被検出雰囲気の温度を反映した測定室外の主温度検出手段の温度に基づくので、補正の精度も向上する。
【０００９】
前記測定室を形成すると共に、前記測定室の外側に前記主温度検出手段を取り付けるための主温度検出手段取付部を一体に形成してなるケーシング部材をさらに備えてもよい。
このような構成とすると、ケーシング部材上に測定室と主温度検出手段とを容易に配置することができ、生産性が向上する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、被検出雰囲気の絶対湿度の影響を補正して可燃性ガスの検出精度を高めるとともに、部品点数を低減してコスト低減や生産性向上を図ることができる可燃性ガス検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る可燃性ガス検出装置の断面図である。
【図２】ガス検出素子の平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】制御部の構成を示す図である。
【図５】被検出雰囲気の温度と、湿度との関係を示す図である。
【図６】可燃性ガス検出装置の出力（水素ガス濃度）と、水蒸気量（湿度）との関係を示す図である。
【図７】可燃性ガス検出装置の出力と、温度との関係を示す図である。
【図８】発熱抵抗体の端子間電圧と、被検出雰囲気中の水素濃度との関係を示す図である。
【図９】マイクロコンピュータによる、被検出雰囲気中の水素ガス濃度の算出及び補正処理のフローを示す図である。
【図１０】補正処理を行わなかったときの、可燃性ガス検出装置の出力と、モデルガス中の水素濃度との関係を示す図である。
【図１１】補正処理を行ったときの、可燃性ガス検出装置の出力と、モデルガス中の水素濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る可燃性ガス検出装置１の断面図を示す。なお、可燃性ガス検出装置１は、後述するガス検出素子１００を実装した回路基板２を収容している。図１は、回路基板２の表面に垂直な方向で切断した断面図である。
なお、可燃性ガス検出装置１は、被検出雰囲気中の水素濃度を測定するものである。又、可燃性ガス検出装置１の側面には、外部との信号の入出力を行うための図示しないコネクタが設けられている。
【００１３】
可燃性ガス検出装置１は、プラスチック等から一体成形された略矩形箱状のケーシング部材１１と、ケーシング部材１１の背面を閉塞する背面板１２とからなるケーシング１０を備えている。ケーシング部材１１の側壁の上部には、外側に向かって広がる段部１１ｆが形成され、回路基板２の端縁を段部１１ｆに係止しつつ回路基板２がケーシング部材１１に取付けられている。回路基板２の下面（ケーシング部材１１の表側で背面板１２と反対の面）中央には、可燃性ガス検出装置１を制御する制御部３（マイコンを含む）が実装されている。制御部３については後述する。
【００１４】
ケーシング部材１１の右側内面には、略円筒状の素子固定壁１１ａが立ち上がり、素子固定壁１１ａの軸方向中心にはガス導入口１１ｂが形成されている。又、ケーシング部材１１の左側には、内側に凹む凹部１１ｃが形成されるとともに、凹部１１ｃの底面からケーシング部材１１の外側に向かって主温度センサ取付部（主温度検出手段取付部）１１ｄが突出している。
主温度センサ取付部１１ｄは、先端が半球状に閉じられた円筒状をなし、筒内には薄膜抵抗体からなる主温度センサ５０が配置されている。主温度センサ取付部１１ｄの先端は、ケーシング部材１１の表面とほぼ面一になっている。そして、主温度センサ５０から回路基板２側に向かって２本のピン状の端子５１、５２が突出し、各端子５１、５２を回路基板２のスルーホールに挿入してはんだ付けすることにより、主温度センサ５０が回路基板２に実装されている。
なお、素子固定部１１ａに後述する素子ホルダ２１を取り付けることにより、素子ホルダ２１の内部空間が測定室２１ｓを形成し、主温度センサ５０が測定室２１ｓの外側に位置することになる。つまり、この実施形態では、ケーシング部材１１自体が測定室を形成せず、素子ホルダ２１が測定室を形成しているが、本発明においてはのような場合も含め、測定室はケーシング部材に直接又は他部材（例えば素子ホルダ２１）を介して形成されるものとする。
【００１５】
素子ホルダ２１は略円筒状をなし、素子固定壁１１ａの内面に同軸に嵌るようになっている。又、素子ホルダ２１の側壁の上部には、外側に向かって広がる段部２１ｆが形成され、円板状のターミナル板４０の端縁が段部２１ｆに係止されている。ターミナル板４０の下面中央にはガス検出素子１００が固定され、ガス検出素子１００が有する後述の電極パッドに電気的に接続された３本のピン状の端子４１〜４３が突出している。各端子４１〜４３がターミナル板４０と電気的に絶縁した状態でターミナル板４０に挿通されている。そして、各端子４１〜４３を回路基板２のスルーホールに挿入してはんだ付けすることにより、ガス検出素子１００が回路基板２に実装されている。
なお、詳しくは後述するが、ガス検出素子１００は発熱抵抗体１１０と第２温度センサ（第２温度検出手段）１３０とを備えており、端子４１、４２はそれぞれ発熱抵抗体１１０と第２温度センサ１３０の正極側端子である。又、端子４３は、発熱抵抗体１１０と第２温度センサ１３０の共通のグランドとなっている。
【００１６】
そして、ターミナル板４０の背面に、端子４１〜４３の挿通孔を有する円板状の素子ホルダ背面板２２が被せられ、素子ホルダ背面板２２をターミナル板４０と共に、図示しないパッキン等を介して素子ホルダ２１の上端に気密に嵌合することにより、ターミナル板４０及びガス検出素子１００が素子ホルダ２１内に取付けられる。
【００１７】
一方、素子ホルダ２１の下面は、ガス導入口１１ｂと連通した中心開口を有する環状をなし、素子ホルダ２１の下面内側には、円板状の撥水フィルタ３１と金網３２とが積層して圧入され、撥水フィルタ３１が外側に位置している。そして、素子ホルダ２１の側壁と、金網３２と、ターミナル板４０の下面とによって囲まれる内部空間が測定室２１ｓを形成し、ガス検出素子１００が測定室２１ｓに臨むようになっている。
撥水フィルタ３１は、ガス導入口１１ｃから測定室２１ｓ内への水滴や粉塵等の侵入を防止する。金網３２は、ガス検出素子１００が有する後述の発熱抵抗体１１０に通電した際、発熱抵抗体１１０の温度が水素ガスの下限爆発温度を上回って水素ガスが測定室２１ｓ内で発火した場合に、測定室２１ｓから可燃性ガス検出装置１の外側へ引火することを防止し、防爆機能を有している。
【００１８】
さらに、この実施形態では、素子ホルダ背面板２２の上面（回路基板２に対向する面）に、発熱抵抗体からなる結露防止ヒータ６０が載置され、結露防止ヒータ６０から回路基板２側に向かって２本のピン状の端子６１、６２が突出している。各端子６１、６２を回路基板２のスルーホールに挿入してはんだ付けすることにより、結露防止ヒータ６０が回路基板２に実装される。
結露防止ヒータ６０は発熱抵抗体１１０近傍（この例では、測定室２１ｓ内）を加熱し、発熱抵抗体１１０の結露を防止する。特に、燃料電池の水素漏れを検出する場合、被検出雰囲気は水蒸気の飽和状態又はそれに近い状態にあり、被検出雰囲気に曝される発熱抵抗体１１０が結露し易くなって検出精度の低下を招くので、結露防止ヒータ６０が有効である。
【００１９】
次に、図２、図３を参照してガス検出素子１００の構成について説明する。
図２は、ガス検出素子１００の平面図を示す。ガス検出素子１００は平面視矩形状をなし、シリコン基板からなる基体１０１を備えている。基体１０１の表面の中央部には、渦巻き状の発熱抵抗体１１０が配置され、発熱抵抗体１１０から２本のリード１１０ａ、１１０ｂが延びている。基体１０１下側の両隅部には、それぞれ矩形の電極パッド１１２、１１４が表出し、リード１１０ａが電極パッド１１２に接続され、リード１１０ｂが電極パッド１１４に接続されている。
一方、基体１０１のうち発熱抵抗体１１０より上側の表面には、薄膜抵抗体からなり、基体１０１の上辺に沿って細長い矩形状の第２温度センサ（第２温度検出手段）１３０が配置され、第２温度センサ１３０から図示しない２本のリードが延びている。基体１０１上側の両隅部には、それぞれ矩形の電極パッド１３２、１３４が表出し、第２温度センサ１３０の各リードがそれぞれ電極パッド１３２、１３４に接続されている。
なお、電極パッド１１２、１３２は、例えばワイヤボンディングによりそれぞれ端子４１、４２に電気的に接続されている。電極パッド１１４、１３４は、例えばワイヤボンディングにより共通の端子４３に電気的に接続されている。
又、発熱抵抗体１１０及び第２温度センサ１３０は、基体１０１表面に形成された図示しない内側保護層１０７内に埋設されている。
【００２０】
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。基体１０１の上下面には、それぞれ上側絶縁層１０５、下側絶縁層１０３が形成されている。上側絶縁層１０５は、基体１０１の上面に形成された酸化ケイ素膜１０５ａと、酸化ケイ素膜１０５ａの上面に積層された窒化ケイ素膜１０５ｂとから構成されている。同様に、下側絶縁層１０３は、基体１０１の下面に形成された酸化ケイ素膜１０３ａと、酸化ケイ素膜１０３ａの下面に積層された窒化ケイ素膜１０３ｂとから構成されている。
一方、基体１０１の下面の中央部は、厚み方向に沿った断面で見たときに台形状に除去されて開口部１０１ａが形成され、開口部１０１ａから上側絶縁層１０５が露出している。即ち、基体１０１は、開口部１０１ａと上側絶縁層１０５とにより、ダイヤフラム構造を形成している。そして、開口部１０１ａの上に位置する上側絶縁層１０５の上面に発熱抵抗体１１０を配置することで、発熱抵抗体１１０が周囲と熱的に遮断され、発熱抵抗体１１０の昇温や降温を短時間で行うことができ、発熱抵抗体１１０の消費電力を低減することができる。
【００２１】
上側絶縁層１０５の上面には絶縁性の内側保護層１０７が形成され、内側保護層１０７の内部には、発熱抵抗体１１０、各リード部１１０ａ、１１０ｂ（図示せず）、及び各リード部１１０ａ、１１０ｂの先端に接続されたコンタクト部１１２ａ、１１４ａが埋設されている。内側保護層１０７上にこれら構成部分を形成した後、さらに内側保護層１０７の成分を成膜することで、各構成部分が内側保護層１０７内に埋設される。さらに、内側保護層１０７の表面に外側保護層１０９が積層されている。
なお、内側保護層１０７及び外側保護層１０９のうち、コンタクト部１１２ａ、１１４ａの上側部分がエッチング等によって除去され、除去部分にそれぞれ電極パッド１１２、１１４が堆積されている。これにより、コンタクト部１１２ａ、１１４ａと電極パッド１１２、１１４とがそれぞれ電気的に接続され、電極パッド１１２、１１４を介して発熱抵抗体１１０に通電可能になっている。
【００２２】
発熱抵抗体１１０、第２温度センサ１３０、主温度センサ５０、これらのリード部、及び電極パッド１１２、１１４、１３２、１３４は、白金（Ｐｔ）やＰｔ合金等の導電材料から形成することができる。
又、基体１０１は、シリコン基板に限られず、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や半導体材料から作製してもよい。
内側保護層１０７及び外側保護層１０９は、酸化ケイ素や窒化ケイ素等から形成することができる。
【００２３】
次に、図４を参照して制御部３の構成について説明する。制御部３は、ガス検出素子回路（特許請求の範囲の「ガス検出部」に相当）３１０、第２温度測定回路３２０、主温度測定回路３３０、及びこれら回路からの信号が入力されるマイクロコンピュータ３ａを備えている。マイクロコンピュータ３ａは、公知のＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を備え、ＲＯＭ等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行され、ガス濃度信号として外部に出力される。マイクロコンピュータ３ａ（のＣＰＵ）が、特許請求の範囲の「濃度算出手段」、「主温度検出手段」、「補正手段」に相当する。
なお、制御部３は、上記した端子４１〜４３、５１、５２、６１、６２を介して発熱抵抗体１１０、第２温度センサ１３０、主温度センサ５０に接続されている。
【００２４】
ガス検出素子回路３１０は、発熱抵抗体１１０、及び固定抵抗ａ１〜ａ３で構成されるホイートストーンブリッジ回路３１１と、ホイートストーンブリッジ回路３１１から得られる電位差を増幅するオペアンプ３１２と、トランジスタからなる一定温度制御回路３１４とを備える。ホイートストーンブリッジ回路３１１において、固定抵抗ａ２の一端と固定抵抗ａ３の一端とが接続され、固定抵抗ａ１の一端と発熱抵抗体１１０の一端とが接続されている。又、固定抵抗ａ３の他端と発熱抵抗体１１０の他端とがグランドに接続され、固定抵抗ａ２の他端と固定抵抗ａ１の他端とが一定温度制御回路３１４（トランジスタ）のコレクタに接続されている。
固定抵抗ａ２と固定抵抗ａ３の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３１２の反転入力端子（-）に入力される。発熱抵抗体１１０と固定抵抗ａ１の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３１２の非反転入力端子（+）に入力されると共に、マイクロコンピュータ３ａに図示しないＡ／Ｄコンバータを介して入力される。オペアンプ３１２の出力はネガティブフィードバックされると共に、一定温度制御回路３１４のベースに入力される。一定温度制御回路３１４のエミッタには定電圧Ｖｃｃが印加されている。
このように、オペアンプ３１２の出力に応じ、一定温度制御回路３１４は、発熱抵抗体１１０が一定温度に保たれるように電圧を制御する。又、このときの制御電圧がマイクロコンピュータ３ａに出力され、発熱抵抗体１１０の端子間電圧（被検出雰囲気中の水素濃度に対応）が検出される。なお、この実施形態では、発熱抵抗体１１０が２００℃に保たれるようにガス検出素子回路３１０が設定されている。
【００２５】
第２温度測定回路３２０は、抵抗体からなる第２温度センサ１３０、及び固定抵抗ｂ１〜ｂ３で構成されるホイートストーンブリッジ回路３２１と、ホイートストーンブリッジ回路３２１から得られる電位差を増幅するオペアンプ３２２とを備える。ホイートストーンブリッジ回路３２１において、第２温度センサ１３０の一端と固定抵抗ｂ３の一端とが接続され、固定抵抗ｂ１の一端と固定抵抗ｂ２の一端とが接続されている。又、第２温度センサ１３０の他端と固定抵抗ｂ２の他端とがグランドに接続され、固定抵抗ｂ３の他端と固定抵抗ｂ１の他端とに定電圧Ｖｃｃが印加されている。
第２温度センサ１３０と固定抵抗ｂ３の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３２２の反転入力端子（-）に入力される。固定抵抗ｂ１と固定抵抗ｂ２の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３２２の非反転入力端子（+）に入力される。オペアンプ３２２の出力はネガティブフィードバックされると共に、マイクロコンピュータ３ａに図示しないＡ／Ｄコンバータを介して入力される。
このようにして、第２温度センサ１３０の温度変化による電圧変化がオペアンプ３２２から出力され、第２温度センサ１３０の周囲の温度（測定室２１ｓ内の温度）が測定される。
【００２６】
主温度測定回路３３０は、抵抗体からなる主温度センサ５０、及び固定抵抗ｃ１〜ｃ３で構成されるホイートストーンブリッジ回路３３１と、ホイートストーンブリッジ回路３３１から得られる電位差を増幅するオペアンプ３３２とを備える。ホイートストーンブリッジ回路３３１において、主温度センサ５０の一端と固定抵抗ｃ３の一端とが接続され、固定抵抗ｃ１の一端と固定抵抗ｃ２の一端とが接続されている。又、主温度センサ５０の他端と固定抵抗ｃ２の他端とがグランドに接続され、固定抵抗ｃ３の他端と固定抵抗ｃ１の他端とに定電圧Ｖｃｃが印加されている。
主温度センサ５０と固定抵抗ｃ３の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３３２の反転入力端子（-）に入力される。固定抵抗ｃ１と固定抵抗ｃ２の間の電位は、所定の抵抗を介してオペアンプ３３２の非反転入力端子（+）に入力される。オペアンプ３３２の出力はネガティブフィードバックされると共に、マイクロコンピュータ３ａに図示しないＡ／Ｄコンバータを介して入力される。
このようにして、主温度センサ５０の温度変化による電圧変化がオペアンプ３３２から出力され、主温度センサ５０の周囲の温度（被検出雰囲気の温度、つまりケーシング部材１１周囲の温度）が測定される。
【００２７】
次に、図５〜図７を参照して、被検出雰囲気の絶対湿度による可燃性ガス検出装置１の出力への影響について説明する。なお、絶対湿度は水蒸気量（ｖｏｌ．％）と同義として捉える事ができる為、以下は水蒸気量という記載も用いる。
図５は、被検出雰囲気の温度と、９０％ＲＨでの水蒸気量との関係を示す。なお、この実施形態では、可燃性ガス検出装置１が水の発生を伴う燃料電池へ適用されることを想定しているため、相対湿度が高い状態として、９０％ＲＨでの水蒸気量を用いている。
図６は、可燃性ガス検出装置１の出力に与える影響（具体的には発熱抵抗体１１０の端子間電圧から算出した水素ガス濃度）と、水蒸気量との関係を示す。この関係は、水蒸気量を変動させた時に、可燃性ガス検出装置１の出力の理想出力に対する誤差を測定し作成したものである。ここで、理想出力に対する誤差とは、例えば水素濃度が０％の環境において測定を行ったとすると、理想出力は水素濃度０％であるのに対し、実際の可燃性ガス検出装置１の出力が水素濃度１％であれば、理想出力に対する誤差（つまり出力に与える影響）が１％と規定される値である。
図６から、水蒸気量が変動すると可燃性ガス検出装置１の出力の誤差が変動することがわかる。
【００２８】
図７は、図５の関係（温度と水蒸気量）と図６の関係（出力と水蒸気量）とから、可燃性ガス検出装置１の出力に与える影響と温度との関係を求めたグラフを示す。図７より、主温度センサ５０によって被検出雰囲気の温度を測定することで、水蒸気量による可燃性ガス検出装置１の出力変動を見積もることができる。
ここで、被検出雰囲気の温度と、可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係（より正確には、被検出雰囲気の水蒸気量（絶対湿度）と可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係を、温度で表したもの）が、特許請求の範囲の「第２関係」に相当する。
そして、図７の関係、つまり、被検出雰囲気の温度と、可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係から、実際の被検出雰囲気中の水素ガス（可燃性ガス）濃度を測定する際、被検出雰囲気の温度（絶対湿度）による出力への影響を補正することができる。なお、この実施例では、被検出雰囲気の温度と９０％ＲＨでの水蒸気量との関係と、可燃性ガス検出装置１の出力（具体的には発熱抵抗体１１０の端子間電圧から算出した水素ガス濃度）と水蒸気量との関係を元に、被検出雰囲気の温度と、可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係である第２関係を求めたが、被検出雰囲気の温度と可燃性ガス検出装置１の出力変動との関係を直接求めたものを第２関係としても良い。
【００２９】
図８は、発熱抵抗体１１０の端子間電圧と、被検出雰囲気中の水素濃度との関係（特許請求の範囲の「第１関係」に相当）を示す。第１関係は、例えば、予め水素濃度が既知のモデルガスを被検出雰囲気として用いて得られる検量線である。
ここで、第１関係は、発熱抵抗体１１０の周囲の温度（具体的には、第２温度センサ１３０で測定する測定室２１ｓ内の温度）によって変化し、測定室２１ｓ内の温度が高いほど、発熱抵抗体１１０の温度を一定に保つための電圧が少なくて済むので、第１関係も変化する。
このように、発熱抵抗体１１０に近接した第２温度センサ１３０の温度に基づき、第１関係を変更することにより、発熱抵抗体１１０の周囲の温度に応じた適切な第１関係を用いることができ、水素（可燃性ガス）の検出精度が向上する。
特に、結露防止ヒータ６０を用いて発熱抵抗体１１０近傍（この例では、測定室２１ｓ内）を加熱する場合、発熱抵抗体１１０近傍の温度が主温度センサ５０の温度と異なる。このため、測定室２１ｓ内の温度を反映した第２温度センサ１３０の温度に基づき、第１関係を変更することが有効である。
【００３０】
一方、この場合、発熱抵抗体１１０近傍（測定室２１ｓ内）の温度は被検出雰囲気の温度を必ずしも反映しない。従って、第２関係による出力補正を行う際には、測定室２１ｓの外部に配置され、被検出雰囲気の温度を反映した主温度センサ５０の温度に基づくことが好ましい。
【００３１】
図９は、マイクロコンピュータ（のＣＰＵ、以下、単に「ＣＰＵ」と称する）３ａによる、被検出雰囲気中の水素ガス（可燃性ガス）濃度の算出及び補正処理のフローを示す。
ＣＰＵは、第２温度センサ１３０から測定室２１ｓ内の温度を取得し（ステップＳ２）、さらに発熱抵抗体１１０の端子間電圧を取得する（ステップ４）。次に、ＣＰＵは、マイクロコンピュータ３ａのＲＯＭ（以下、単に「ＲＯＭ」と称する）に格納された第１関係テーブル３ａから、測定室２１ｓ内の温度に応じた第１関係を参照し、上記端子間電圧に基づいて水素ガス濃度を算出する（ステップＳ６）。第１関係テーブル３ａに基づき、ステップＳ６で算出された水素ガス濃度が、特許請求の範囲の「ガス濃度算出値」に相当する。
なお、この実施形態では、いくつかの温度（例えば、３０℃と８０℃）における発熱抵抗体１１０の端子間電圧と水素ガス濃度との間の第１関係が、第１関係テーブル３ａに格納されている。第１関係は、いくつかの温度毎に、端子間電圧と水素ガス濃度を対応付けたテーブルであってもよく、又、例えば温度と端子間電圧を変数とする所定の数式であってもよい。
【００３２】
次に、ＣＰＵは、主温度センサ５０から被検出雰囲気の温度を取得する（ステップＳ８）。次に、ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された第２関係テーブル３ａを参照し、被検出雰囲気の温度に基づいてガス濃度算出値を補正する（ステップＳ１０）。
なお、この実施形態では、第２関係は、いくつかの温度毎に、基準温度（-１０℃）に対するガス濃度算出値の変化率を対応付けたテーブルであり、この変化率をステップＳ６で算出されたガス濃度算出値に乗ずることにより、補正値が得られる。第２関係を、例えば温度を変数とする所定の数式としてもよい。
さらに、ＣＰＵは、ステップＳ１０で補正したガス濃度算出値を、ガス濃度信号として外部に出力する（ステップＳ１２）。
【００３３】
なお、この実施形態では、被検出雰囲気の温度と、可燃性ガス検出装置１の出力（端子間電圧を水素ガス濃度に換算した値）との関係を第２関係としているが、被検出雰囲気の温度と、発熱抵抗体１１０の端子間電圧との関係を第２関係としてもよい。この場合、ＣＰＵは、ステップＳ４で端子間電圧を取得すると、被検出雰囲気の温度に基づいて第２関係テーブル３ａ（但し、温度に対する端子間電圧の変化率のテーブル）を参照し、ステップＳ４の端子間電圧を補正する。そして、補正された端子間電圧に基づいて第１関係テーブル３ａを参照し、上記ステップＳ６と同様に、ガス濃度算出値を算出し、この値をそのままガス濃度信号として外部に出力する。
【００３４】
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、上記実施形態においては、主温度センサ５０と第２温度センサ１３０の２個の温度センサ（温度検出手段）を設けたが、いずれか１つの温度センサのみを設け、この温度センサの温度に基づいて第２関係から補正を行ってもよい。但し、上述のように、結露防止のために発熱抵抗体１１０近傍の温度と被検出雰囲気の温度とが異なる場合には、主温度センサ５０と第２温度センサ１３０の２個の温度センサを設けると、可燃性ガスの検出精度が向上する。
【実施例】
【００３５】
次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３６】
図１〜図４に示した可燃性ガス検出装置１を製造した。この可燃性ガス検出装置１を用い、以下の測定条件で、水素ガス濃度が既知のいくつかのモデルガスを測定した。
測定条件
ガス組成：H2=0,2,4％、Air=bal.
ガス温度と湿度：25℃-0%RH, 20℃-90%RH(2.1%H2O), 52℃-90%RH(12.1%H2O), 66℃-90%RH(23.2%H2O)
ガス流量：5L/min
【００３７】
図１０は、ステップＳ１０の補正処理を行わなかったときの、可燃性ガス検出装置１の出力（ガス濃度算出値）と、モデルガス中の水素濃度（既知の値）との関係を示す。モデルガスの温度（つまり絶対湿度）が変化すると、同じ水素濃度であってもセンサ出力（ガス濃度算出値）が変動し、絶対湿度の影響を受けていることがわかる。
一方、図１１は、ステップＳ１０の補正処理を行ったときの、可燃性ガス検出装置１の出力（ガス濃度算出値）と、モデルガス中の水素濃度（既知の値）との関係を示す。モデルガスの温度（つまり絶対湿度）が変化しても、同じ水素濃度であればセンサ出力（ガス濃度算出値）はほぼ同一であり、絶対湿度の影響を補正できることがわかる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 可燃性ガス検出装置
３ 制御部（ガス検出部）
３ａ マイクロコンピュータ（濃度算出手段、主温度検出手段、補正手段）
１１ ケーシング部材
２１ｓ 測定室
５０ 主温度センサ（主温度検出手段）
６０ 結露防止ヒータ
１１０ 発熱抵抗体
１３０ 第２温度センサ（第２温度検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定した相対湿度環境下における被検出雰囲気内に曝され、前記被検出雰囲気中の可燃性ガスの濃度に応じて温度が変化する１つの発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体が所定温度に保たれるよう該発熱抵抗体を通電制御し、このときの該発熱抵抗体の端子間電圧を検出するガス検出部と、
前記可燃性ガスの濃度と前記端子間電圧との間の第１関係に基づき、前記端子間電圧から前記被検出雰囲気内の前記可燃性ガスの濃度をガス濃度算出値として算出する濃度算出手段と、
前記被検出雰囲気の温度を検出する主温度検出手段と、
前記ガス濃度算出値又は前記端子間電圧と、前記被検出雰囲気の温度との間の第２関係に基づき、前記主温度検出手段によって検出された温度から前記ガス濃度算出値又は前記端子間電圧を補正する補正手段と、
を備えた可燃性ガス検出装置。
【請求項２】
前記発熱抵抗体の結露を防止する結露防止ヒータをさらに備えた請求項１記載の可燃性ガス検出装置。
【請求項３】
前記発熱抵抗体は、前記可燃性ガス検出装置に形成されて前記被検出雰囲気に連通する測定室内に設置され、かつ前記主温度検出手段は前記測定室の外に配置されており、
前記測定室内に配置されて該測定室内の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、
前記濃度算出手段は、前記第２温度検出手段によって検出された温度に基づき、前記第１関係を変更する請求項１又は２記載の可燃性ガス検出装置。
【請求項４】
前記測定室を形成すると共に、前記測定室の外側に前記主温度検出手段を取り付けるための主温度検出手段取付部を一体に形成してなるケーシング部材をさらに備えた請求項３記載の可燃性ガス検出装置。
【請求項１】
安定した相対湿度環境下における被検出雰囲気内に曝され、前記被検出雰囲気中の可燃性ガスの濃度に応じて温度が変化する１つの発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体が所定温度に保たれるよう該発熱抵抗体を通電制御し、このときの該発熱抵抗体の端子間電圧を検出するガス検出部と、
前記可燃性ガスの濃度と前記端子間電圧との間の第１関係に基づき、前記端子間電圧から前記被検出雰囲気内の前記可燃性ガスの濃度をガス濃度算出値として算出する濃度算出手段と、
前記被検出雰囲気の温度を検出する主温度検出手段と、
前記ガス濃度算出値又は前記端子間電圧と、前記被検出雰囲気の温度との間の第２関係に基づき、前記主温度検出手段によって検出された温度から前記ガス濃度算出値又は前記端子間電圧を補正する補正手段と、
を備えた可燃性ガス検出装置。
【請求項２】
前記発熱抵抗体の結露を防止する結露防止ヒータをさらに備えた請求項１記載の可燃性ガス検出装置。
【請求項３】
前記発熱抵抗体は、前記可燃性ガス検出装置に形成されて前記被検出雰囲気に連通する測定室内に設置され、かつ前記主温度検出手段は前記測定室の外に配置されており、
前記測定室内に配置されて該測定室内の温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、
前記濃度算出手段は、前記第２温度検出手段によって検出された温度に基づき、前記第１関係を変更する請求項１又は２記載の可燃性ガス検出装置。
【請求項４】
前記測定室を形成すると共に、前記測定室の外側に前記主温度検出手段を取り付けるための主温度検出手段取付部を一体に形成してなるケーシング部材をさらに備えた請求項３記載の可燃性ガス検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２６６２６５（Ｐ２０１０−２６６２６５Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１６３１１（Ｐ２００９−１１６３１１）
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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