(57)【要約】【課題】  ガスセンサ素子の温度低下および温度ムラを防止でき、しかも、素子ケース内に導入される雰囲気ガスの通気性を向上できるガスセンサを提供する。【解決手段】  素子ケース１１の多孔質ヒータ材で構成されたベースプレート部１１Ａおよびキャップ部１１Ｂの多数の開気孔を雰囲気ガスが通過することにより、雰囲気ガスが所定温度に均一に加熱されて素子ケース１１内に拡散し、ガスセンサ素子１２を均一に加熱してその温度低下および温度ムラを防止する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気ガス中の特定のガスを検知するガスセンサ素子が素子ケース内に収容されたガスセンサであって、前記素子ケースは、雰囲気ガスが通過可能な多数の開気孔を有し、かつ、通電により発熱する多孔質ヒータ材で構成された部分を有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であって、前記素子ケースのキャップ部が前記多孔質ヒータ材で構成されていることを特徴するガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガスセンサであって、前記素子ケースのベース板部が前記多孔質ヒータ材で構成されていることを特徴するガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載のガスセンサであって、特定外のガスを吸着可能な触媒が前記多孔質ヒータ材に担持されていることを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雰囲気ガス中の特定のガスの濃度を検出するガスセンサに関し、詳しくは、特定のガスを検知するガスセンサ素子が素子ケース内に収容された構造のガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
雰囲気ガス中の特定のガスの濃度を検出するガスセンサとして、特定のガスを検知するガスセンサ素子が素子ケース内に収容された構造のガスセンサが従来一般に知られている。
【０００３】
この種のガスセンサにおいては、雰囲気ガスを素子ケース内に導入するための開口部、取入れ口、通気孔などが素子ケースに設けられている（例えば特許文献１〜３参照）。また、素子ケース内には、ガスセンサ素子を動作温度に加熱するためのヒータが内蔵されている（例えば特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平９−７２８７８号公報
【特許文献２】特開２００３−４３００２号公報
【特許文献３】特開２００１−２８１１９１号公報
【特許文献４】特開平５−１４２１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前述した従来例のガスセンサにおいては、ガスセンサ素子が素子ケース内のヒータにより局所的に加熱されるため、ガスセンサ素子に温度ムラが発生し易く、また、雰囲気ガスの温度の影響を受けてガスセンサ素子の温度が低下し易い。このため、ガスセンサ素子の感度が不安定となってガスの検出精度が低下し易いという問題がある。
【０００５】
また、素子ケースの限られた部分に設けられた開口部、取入れ口、通気孔などから雰囲気ガスが素子ケース内に導入されるため、雰囲気ガスの通気性が低く、ガスセンサ素子が特定のガスを検知するまでの応答速度が遅いという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、ガスセンサ素子の温度低下および温度ムラを防止でき、しかも、素子ケース内に導入される雰囲気ガスの通気性を向上できるガスセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るガスセンサは、雰囲気ガス中の特定のガスを検知するガスセンサ素子が素子ケース内に収容されたガスセンサであって、素子ケースは、雰囲気ガスが通過可能な多数の開気孔を有し、かつ、通電により発熱する多孔質ヒータ材で構成された部分を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るガスセンサの使用状態では、素子ケースの多孔質ヒータ材で構成された部分の多数の開気孔を雰囲気ガスが通過することにより、雰囲気ガスが所定温度に均一に加熱されて素子ケース内に拡散し、ガスセンサ素子を均一に加熱してその温度低下および温度ムラを防止する。
【０００９】
本発明に係るガスセンサにおいては、素子ケースの少なくともキャップ部を多孔質ヒータ材で構成するのが好ましいが、素子ケースのベース板部を多孔質ヒータ材で構成してもよい。また、特定外のガスを吸着可能な触媒が多孔質ヒータ材に担持されていると、特定ガスの検出精度を向上できるので好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るガスセンサにおいては、素子ケースの多孔質ヒータ材で構成された部分の多数の開気孔を雰囲気ガスが通過することにより、雰囲気ガスが所定温度に均一に加熱されて素子ケース内に拡散し、ガスセンサ素子を均一に加熱する。従って、本発明のガスセンサによれば、ガスセンサ素子の温度低下および温度ムラを防止でき、しかも、素子ケース内に導入される雰囲気ガスの通気性を向上することができる。その結果、ガスセンサ素子によるガスの検出精度を向上できると共に、ガスセンサ素子の応答速度を速くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係るガスセンサの実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は第１実施形態に係るガスセンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【００１２】
図１に示す第１実施形態に係るガスセンサ１０は、雰囲気ガス中の特定ガスとして、例えば二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度を検出するセンサであって、素子ケース１１内には二酸化炭素（ＣＯ２）を検知するガスセンサ素子１２が収容されている。
【００１３】
素子ケース１１は、ガスセンサ素子１２が設置されたベースプレート部１１Ａと、このベースプレート部１１Ａに被着されてガスセンサ素子１２を覆うキャップ部１１Ｂとで構成されている。
【００１４】
ガスセンサ素子１２は、一対の端子１３がベースプレート部１１Ａを貫通する状態でベースプレート部１１Ａ上に縦向きに固定されており、一対の端子１３は図示しない電位差計に接続される。
【００１５】
なお、ガスセンサ素子１２は、必要に応じてベースプレート部１１Ａに対し横向きに設置してもよい。この場合、ベースプレート部１１Ａにガスセンサ素子１２の底面が密着するようにガスセンサ素子１２を設置することができる。また、ガスセンサ素子１２とベースプレート部１１Ａとは必ずしも接触する必要はないが、図１に示すように両者を接触させることによりガスセンサ素子１２を加熱することができる。
【００１６】
ガスセンサ素子１２とベースプレート部１１Ａとを接触させない状態で固定する場合には、ガスセンサ素子１２の裏面に別途ヒータを設けてもよい。ガスセンサ素子１２とベースプレート部１１Ａとを接触させた場合でも、ガスセンサ素子１２の裏面へヒータを設置すると、ガスセンサ素子１２の作動温度の精度を向上させることができるため好ましい。
【００１７】
ガスセンサ素子１２は、例えば図２の（Ａ）に示すように、固体電解質基板１２Ａの片面に検知極１２Ｂと対極１２Ｃとが配置された構造を有する。なお、ガスセンサ素子１２は、図２の（Ｂ）に示すように、固体電解質基板１２Ａの片面に検知極１２Ｂが配置され、他方の片面に対極１２Ｃが配置された構造であってもよい。
【００１８】
固体電解質基板１２Ａは、イオン伝導性を有する例えばＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｐ複合酸化物）、ＬＩＳＩＣＯＮあるいはリチウムイオン伝導体などで構成される。この固体電解質基板１２Ａはゾルゲル法により作成するのが好ましいが、固相法や共沈法によって作成してもよい。
【００１９】
検知極１２Ｂは、固体電解質基板１２Ａの片面上に形成された集電体１２Ｂ１と、この集電体１２Ｂ１を覆って形成された検知層１２Ｂ２とで構成される。また、対極１２Ｃは、固体電解質基板１２Ａの片面上に形成された基準層１２Ｃ１と、この基準層１２Ｃ１を覆って形成された保護層１２Ｃ２とで構成される。
【００２０】
検知極１２Ｂの集電体１２Ｂ１および対極１２Ｃの基準層１２Ｃ１は、有機溶媒中に金属粉末を混合した金属ペーストを固体電解質基板１２Ａの片面上にスクリーン印刷し、これを８５０〜９００℃の温度で焼成して形成される。使用される金属ペーストは、例えば、α−テルピネオールにエチルセルロースを５質量％添加した有機溶媒中に金（Ａｕ）粉末を混合して調製される。
【００２１】
検知極１２Ｂの検知層１２Ｂ２は、前述のようにα−テルピネオールにエチルセルロースを５質量％添加した有機溶媒中に金属酸化物や金属炭酸塩の粉末を分散させた材料ペーストを集電体１２Ｂ１の上から塗布し、これを６００℃程度の温度で焼成して形成される。一方、対極１２Ｃの保護層１２Ｃ２は、例えばガラス、フッ素系樹脂、無機セラミックス、コバルト酸塩などの材料で形成されており、湿度の影響を排除する機能を有する。
【００２２】
ここで、図１に示した素子ケース１１のベースプレート部１１Ａおよびキャップ部１１Ｂは、雰囲気ガスが通過可能な多数の開気孔を有し、かつ、通電により発熱する多孔質ヒータ材により構成されている。この多孔質ヒータ材の気孔率は、小さすぎると雰囲気ガスの通過性が低下し、大きすぎるとベースプレート部１１Ａおよびキャップ部１１Ｂの強度が低下するため、６０〜９５％、好ましくは７５〜８５％とされている。そして、この多孔質ヒータ材からなるベースプレート部４１Ａには、特定外のガスなどを吸着可能な触媒が担持されている。
【００２３】
多孔質ヒータ材は、例えば、チタン酸バリウムを主成分とした自己温度制御性のあるセラミックスＰＴＣ（Positive Temprature Coefficien）の他、導電性のある多孔質セラミックスや発泡金属からなる。なお、材料自体に導電性がない場合には、メッキにより導電性を付与してヒータ材とすることができる。
【００２４】
多孔質ヒータ材の製造に使用できるセラミックス粉末としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３＋２ＳｉＯ２）、コージェライト（２ＭｇＯ＋２Ａｌ２Ｏ３＋５ＳｉＯ２）、リチア系セラミックス（ＬＡＳ）、ケイ酸モリブデン（ＭｏＳｉ２）、クロム酸ランタン（ＬａＣｒＯ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２＋ＨｆＯ２＋Ｙ２Ｏ３）などが挙げられる。
【００２５】
また、多孔質ヒータ材の製造に使用できる金属粉末としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ステンレス鋼（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ）、クローム鋼（Ｆｅ−Ｃｒ）、カンタル（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ）、鉄アルミ合金（Ｆｅ−Ａｌ）、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、タングステンコバルト合金（Ｗ−Ｃｏ）、ニッケルクローム（Ｎｉ−Ｃｒ）、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ）、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）などが挙げられる。
【００２６】
ここで、多孔質ヒータ材は、例えば以下の方法によって製造することができる。すなわち、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの前述した適宜のセラミックス粉末と適宜の金属粉末とを混合し、これにポリエチレングリコールやメタノール等の成型助剤およびステアリン酸などの溶剤を添加して更に混合し、その後、乾燥して得られた造粒粉を金型によりプレス成型し、これを非酸素雰囲気下において１０００〜１５００℃で焼成する。
【００２７】
適宜の方法によって製造された多孔質ヒータ材は、ベースプレート部１１Ａおよびキャップ部１１Ｂの形状にそれぞれ加工される。そして、このベースプレート部１１Ａおよびキャップ部１１Ｂには、粘度の低いスラリー状の触媒中に浸漬（ディッピング）されることで触媒が塗布され、この触媒が乾燥されることで触媒が担持される。なお、流動化された触媒をベースプレート部４１Ａにスプレー噴霧し、この触媒を乾燥させて触媒を担持させるようにしてもよい。
【００２８】
多孔質ヒータ材に担持させる触媒としては、吸着するガスの種類に応じた種々の貴金属触媒が使用される。例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）などが使用される。
【００２９】
このような触媒が担持された多孔質ヒータ材からなるベースプレート部１１Ａおよびキャップ部１１Ｂは、ベースプレート部１１Ａ上にキャップ部１１Ｂが接着などの手段で被着されることで素子ケース１１を構成している。そして、これらのベースプレート部１１Ａおよびキャップ部１１Ｂは、図示しないリード線を介して通電用の電源に接続されている。
【００３０】
以上のように構成された第１実施形態のガスセンサ１０は、その周囲の雰囲気ガス中の特定ガスである二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度を検出するために使用される。この使用状態において、多孔質ヒータ材で構成された素子ケース１１のベースプレート部１１Ａおよびキャップ部１１Ｂは、図示しないリード線を介して電源に接続されることにより通電されて発熱する。そして、ベースプレート部１１Ａ上に接触して固定されたガスセンサ素子１２がベースプレート部１１Ａの発熱によって直接的に加熱される。
【００３１】
ここで、ガスセンサ１０の周囲の二酸化炭素（ＣＯ２）を含む雰囲気ガスは、素子ケース１１のベースプレート部１１Ａおよびキャップ部１１Ｂの多数の開気孔を通過することで、所定温度に均一に加熱されて素子ケース１１内に拡散し、ガスセンサ素子１２の固体電解質基板１２Ａの両面を均一に加熱してその温度低下および温度ムラを防止する。
【００３２】
従って、第１実施形態のガスセンサ１０によれば、ガスセンサ素子１２の温度低下および温度ムラを防止でき、しかも、素子ケース１１内に導入される雰囲気ガスの通気性を向上することができる。その結果、ガスセンサ素子１２による二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度の検出精度を向上できると共に、ガスセンサ素子１２の応答速度を速くすることができる。
【００３３】
図３は第２実施形態のガスセンサ２０を示している。このガスセンサ２０は、図１に示した第１実施形態のガスセンサ１０における素子ケース１１、ガスセンサ素子１２および端子１３に対応した素子ケース２１、ガスセンサ素子２２および端子２３を備えており、素子ケース２１のキャップ部２１Ｂ、ガスセンサ素子２２および端子２３は、図１に示したキャップ部１１Ｂ、ガスセンサ素子１２および端子１３と同様に構成されている。
【００３４】
ここで、第２実施形態のガスセンサ２０における素子ケース２１のベースプレート部２１Ａは、図１に示したベースプレート部１１Ａと異なり、ケース材料に適した適宜の金属製またはセラミックス製の板材により構成されている。そして、ガスセンサ素子２２は、ベースプレート部２１Ａの上方に離れて配置されている。
【００３５】
このように構成された第２実施形態のガスセンサ２０においては、キャップ部２１Ｂの多数の開気孔を雰囲気ガスが通過することにより、所定温度に均一に加熱された雰囲気ガスが素子ケース２１内に導入されて拡散する。従って、第２実施形態のガスセンサ２０においても第１実施形態のガスセンサ１０と略同様の作用効果が得られる。
【００３６】
図４は第３実施形態のガスセンサ３０を示している。このガスセンサ３０は、図１に示した第１実施形態のガスセンサ１０における素子ケース１１、ガスセンサ素子１２および端子１３に対応した素子ケース３１、ガスセンサ素子３２および端子３３を備えており、素子ケース３１のキャップ部３１Ｂ、ガスセンサ素子３２および端子３３は、図１に示したキャップ部１１Ｂ、ガスセンサ素子１２および端子１３と同様に構成されている。
【００３７】
ここで、第３実施形態のガスセンサ３０における素子ケース３１のベースプレート部３１Ａは、図１に示したベースプレート部１１Ａと異なり、雰囲気ガスが通過可能な多数のハニカム状通路を有し、かつ、通電により発熱するハニカムヒータ材により構成されている。このハニカムヒータ材のハニカム状通路の気孔率は、小さすぎると雰囲気ガスの通過性が低下し、大きすぎるとベースプレート部３１Ａの強度が低下するため、６０〜９５％、好ましくは７５〜８５％とされている。そして、このハニカムヒータ材からなるベースプレート部３１Ａには、特定外のガスなどを吸着可能な触媒が担持されている。
【００３８】
ハニカムヒータ材は、例えば、所定の材料粉末とバインダーとその他の添加物との混合物を多数のハニカム状通路を有するハニカム状断面構造に押出し成形し、これを非酸素雰囲気下において１０００〜１５００℃で焼成したものであり、導電性のある材料粉末が使用されることでヒータ材を構成する。なお、材料粉末に導電性がない場合には、メッキにより導電性を付与してヒータ材とすることができる。
【００３９】
ハニカムヒータ材を成形するための材料粉末としては、前述した多孔質ヒータ材の製造に使用する銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などの金属粉末や、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミックスが使用できる。
【００４０】
ハニカムヒータ材を成形するためのバインダーとしては、メチルセルロース、ポリビニルアルコール等の水溶性の有機バインダーが使用される。また、その他の添加物としては、水、グリセリンなどの可塑剤、アクリル系の分散材などが使用される。
【００４１】
焼成されたハニカムヒータ材には、例えばスラリー状にされた触媒粉末あるいは触媒材料のコロイド溶液などの流動化された触媒が流し込み法によって塗布される。すなわち、ハニカムヒータ材のハニカム状通路の一端部側から流動化された触媒を流し込み、これをハニカム状通路の他端部側から吸引し、あるいは吹き出すことでハニカムヒータ材の各ハニカム状通路内に触媒が塗布される。そして、このように塗布された触媒が乾燥されることで、ハニカムヒータ材の各ハニカム状通路内に触媒が担持される。
【００４２】
なお、焼成されたハニカムヒータ材を予め素子ケース３１のベースプレート部３１Ａの所定形状に加工する場合には、所定形状に加工されたハニカムヒータ材を粘度の低いスラリー状の触媒中に浸漬（ディッピング）させて触媒を塗布し、この触媒を乾燥させて触媒を担持させるようにしてもよい。また、所定形状のハニカムヒータ材に流動化された触媒をスプレー噴霧し、この触媒を乾燥させて触媒を担持させるようにしてもよい。
【００４３】
ベースプレート部３１Ａに担持される触媒は、前述した多孔質ヒータ材に担持される触媒と同様の白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）などであって、多孔質ヒータ材からなるキャップ部３１Ｂに担持される触媒と同種の触媒がベースプレート部３１Ａに担持される。
【００４４】
ここで、焼成されて予め触媒が担持されたハニカムヒータ材をハニカム状通路と直交する方向に板状に切断し、これを円板状に加工することで図４に示した素子ケース３１のベースプレート部３１Ａが作製される。作製されたベースプレート部３１Ａの各ハニカム状通路は、ベースプレート部３１Ａの板厚方向に貫通している。なお、各ハニカム状通路の断面形状は、通常の六角形に限らず、その他の多角形、四角形、円形、楕円形であってもよい。
【００４５】
このように構成された第３実施形態のガスセンサ３０においては、多孔質ヒータ材からなるキャップ部３１Ｂの多数の開気孔を雰囲気ガスが通過することにより、所定温度に均一に加熱された雰囲気ガスが素子ケース３１内に導入されて拡散する。また、ハニカムヒータ材からなるベースプレート部３１Ａの板厚方向に貫通する多数のハニカム状通路を雰囲気ガスが通過することにより、所定温度に加熱された雰囲気ガスが素子ケース３１内に導入される。その際、圧力損失の少ない各ハニカム状通路の整流作用により、雰囲気ガスは良好な通気性をもって素子ケース３１内に導入される。従って、第４実施形態のガスセンサ４０においても第１実施形態のガスセンサ１０と略同様の作用効果が得られる。
【００４６】
図５は第４実施形態のガスセンサ４０を示している。このガスセンサ４０は、図１に示した第１実施形態のガスセンサ１０における素子ケース１１、ガスセンサ素子１２および端子１３に対応した素子ケース４１、ガスセンサ素子４２および端子４３を備えており、素子ケース４１のベースプレート部４１Ａ、ガスセンサ素子４２および端子４３は、図１に示したベースプレート部１１Ａ、ガスセンサ素子１２および端子１３と同様に構成されている。
【００４７】
ここで、第４実施形態のガスセンサ４０における素子ケース４１のキャップ部４１Ｂは、図１に示したキャップ部１１Ｂと異なり、図４に示したベースプレート部３１Ａと同様のハニカムヒータ材で構成されている。そして、このハニカムヒータ材からなるキャップ部４１Ｂには、ハ多孔質ヒータ材からなるベースプレート部４１Ａに担持された触媒と同種の触媒が担持されている。
【００４８】
このキャップ部４１Ｂは、前述のように焼成されて予め触媒が担持されたハニカムヒータ材をハニカム状通路と直交する方向にブロック状に切断し、これをハニカム状通路が直径方向に貫通するキャップ状に加工することで作製される。そして、このキャップ部４１Ｂの各ハニカム状通路は、キャップ部４１Ｂの直径方向に沿う一方向に貫通してキャップ部１１Ｂの対向する部位に開口している。
【００４９】
このように構成された第４実施形態のガスセンサ４０においては、多孔質ヒータ材からなるベースプレート部４１Ａの多数の開気孔を雰囲気ガスが通過することにより、所定温度に均一に加熱された雰囲気ガスが素子ケース４１内に導入されて拡散する。また、ハニカムヒータ材からなるキャップ部４１Ｂの直径方向に沿って一方向に貫通する多数のハニカム状通路を雰囲気ガスが通過することにより、所定温度に加熱された雰囲気ガスが素子ケース４１内に導入される。その際、圧力損失の少ない各ハニカム状通路の整流作用により、雰囲気ガスは良好な通気性をもって素子ケース３１内に導入される。従って、第４実施形態のガスセンサ４０においても第１実施形態のガスセンサ１０と略同様の作用効果が得られる。
【００５０】
本発明に係るガスセンサは、ガスセンサ素子の機能を変更することにより、前述した二酸化炭素の濃度を検出するセンサに限らず、可燃性ガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、アルコールなどの濃度を検出する各種のガスセンサとして構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスセンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１に示したガスセンサ素子の構造の異なる例を模式的に示す縦断面図であって、（Ａ）は片面型ガスセンサ素子の縦断面図、（Ｂ）は両面型ガスセンサ素子の縦断面図ある。
【図３】第２実施形態に係るガスセンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【図４】第３実施形態に係るガスセンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【図５】第４実施形態に係るガスセンサの構造を模式的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０    ガスセンサ
１１    素子ケース
１１Ａ  ベースプレート部
１１Ｂ  キャップ部
１２    ガスセンサ素子
１２Ａ  固体電解質基板
１２Ｂ  検知極
１２Ｃ  対極
１３    端子
【図１】
2006098132.tif 000003
【図２】
2006098132.tif 000004
【図３】
2006098132.tif 000005
【図４】
2006098132.tif 000006
【図５】
2006098132.tif 000007