(57)【要約】【課題】  昇温速度が十分に大きく、且つ、高い熱効率での加熱が可能な加熱部を備えたガスセンサを提供すること。【解決手段】  ガスを検知するセンサ部２と、センサ部２を加熱する加熱部３と、を備えるガスセンサにおいて、加熱部３は、誘導コイル５１と、誘導コイル５１内に設けられ誘導コイル５１により誘導加熱されて発熱する発熱体５２と、を有し、センサ部２と加熱部３との間に磁気遮蔽層４０が設けられているガスセンサ１。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを検知するセンサ部と、前記センサ部を加熱する加熱部と、を備えるガスセンサにおいて、
前記加熱部は、誘導コイルと、前記誘導コイル内に設けられ前記誘導コイルにより誘導加熱されて発熱する発熱体と、を有し、
前記センサ部と前記加熱部との間に磁気遮蔽層が設けられているガスセンサ。
【請求項２】
前記磁気遮蔽層が軟磁性材料からなる、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記発熱体が発熱コイルである、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素ガス、水素ガス等のガスの検知に用いるガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサとしては、固体電解質型ガスセンサや、半導体型ガスセンサ等が知られている。固体電解質型ガスセンサは、例えば、固体電解質で形成された基板上に、金属炭酸塩、金属炭酸水素塩等を含むガス検知層を有する検知極と、対極とが設けられた構成を有し、ガス検知層と検知対象ガスとの接触前後における検知極−対極間の起電力の変化等に基づいてガスを検知する。一方、半導体型ガスセンサは、例えば、酸化物半導体で構成されるガス検知層を有し、このガス検知層と検知対象ガスとの接触前後におけるガス検知層の電気抵抗の変化等に基づいて、ガスを検知する。
【０００３】
これらガスセンサは、一般に、高感度で安定してガスを検知するために、所定の温度に加熱した状態で動作させる必要がある。このため、ガスセンサには、通常、ガス検知層を有するセンサ部を加熱するための加熱部が設けられている。この加熱部としては、例えば、白金、酸化ルテニウム等の発熱抵抗体の薄膜を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、センサ部の周囲に加熱部としてコイルヒーターを設けたものも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特許第３５１８７０６号公報
【特許文献２】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】
しかしながら、加熱部として発熱抵抗体等を用いた従来のガスセンサの場合、昇温速度が十分に大きくないために、起動後昇温して所定の動作温度まで達するのに比較的長時間を要するという問題があった。また、加熱の際の熱効率が低いために、ガスセンサの消費電力が大きくなってしまうという問題もあった。
【０００５】
そこで、本発明は、昇温速度が十分に大きく、また、高い熱効率での加熱が可能な加熱部を備えたガスセンサ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、本発明は、ガスを検知するセンサ部と、センサ部を加熱する加熱部と、を備えるガスセンサにおいて、加熱部は、誘導コイルと、誘導コイル内に設けられ誘導コイルにより誘導加熱されて発熱する発熱体と、を有し、センサ部と加熱部との間に磁気遮蔽層が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明のガスセンサの加熱部は、誘導加熱によって発熱する発熱体を有し、この発熱体からの熱伝導によってセンサ部が加熱される。これにより、十分に大きな昇温速度でガス検知を行う所定温度まで加熱することができる。さらに、本発明のガスセンサにおいては、センサ部と加熱部との間に磁気遮蔽層が設けられている。単に誘導加熱による加熱部を設けた場合、誘導コイルによって生じる強い磁場のために、センサ部におけるガス検知の出力特性の乱れが生じることが懸念されるが、本発明においては、上記磁気遮蔽層を設けていることによって、磁気遮蔽層よりも加熱部側で閉磁路が形成されて、センサ部側への磁気的な影響を防止し、ガスセンサとしての正常な動作を可能とした。
【０００８】
上記磁気遮蔽層は、軟磁性材料からなることが好ましい。磁気遮蔽層として軟磁性材料を用いることにより、センサ部への磁気的影響を特に小さくすることができる。
【０００９】
加熱部が有する発熱体は、発熱コイルであることが好ましい。発熱コイルは、印刷法等によって容易に薄膜状に形成することができるため、装置の小型化に対して有利であり、また、ガス検知層等の特定の部分を局所的に加熱するような構成とすることも容易にできる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、昇温速度が十分に大きく、また、高い熱効率での加熱が可能な加熱部を備えたガスセンサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１及び図２は、本発明によるガスセンサの一実施形態を示す平面図であり、図３は、図１及び図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った端面図である。図１、図２及び図３に示すガスセンサ１は、磁気遮蔽層４０と、磁気遮蔽層４０の一方面上に設けられたセンサ部２と、磁気遮蔽層４０の他方面上に設けられた加熱部３とで構成される。
【００１３】
図１は、ガスセンサ１をセンサ部２側から見た平面図である。センサ部２は、磁気遮蔽層４０と隣接し固体電解質を含んだ基板１０と、基板１０の磁気遮蔽層４０と反対側の面上で基板１０に接し、互いに離間して設けられた検知極２０及び対極３０とで構成されている。すなわち、ガスセンサ１はいわゆる固体電解質型のガスセンサであり、二酸化炭素ガスセンサ等として好適に用いることのできるものである。また、図３に示すように、検知極２０は、基板１０に接する集電体としての金属層２１と、ガス検知材料で形成され、金属層２１を覆うように設けられたガス検知層２２とを有している。
【００１４】
基板１０を構成する固体電解質は、固体状の金属イオン導電体である。金属イオン導電体としては、例えば、アルカリ金属イオン導電体、アルカリ土類金属イオン導電体等が挙げられ、好ましくはナトリウムイオン導電体が用いられる。このような固体電解質を用いたガスセンサの場合、外部磁場による影響を特に受けやすく、誘導加熱による加熱を行うと、出力特性が乱れるばかりでなく、ガスセンサとして機能しなくなることも予想されるが、ガスセンサ１においては、センサ部２と加熱部３との間に磁気遮蔽層４０を設けたことにより、磁気によるセンサ部への影響を防止しながら、効率的な加熱を可能としている。
【００１５】
金属イオン導電体の具体例としては、例えば、Ｎａ１＋ｘＺｒ２ＳｉＸＰ３−ＸＯ１２（ｘ＝０〜３）で表されるＮＡＳＩＣＯＮ、Ｎａ−β″アルミナ、Ｎａ−βアルミナ、Ｎａ−βＧａ２Ｏ３、Ｎａ−Ｆｅ２Ｏ３、Ｎａ３Ｚｒ２ＰＳｉ２Ｐ２Ｏ１２、Ｌｉ−βアルミナ、Ｌｉ１４Ｚｎ（ＣｅＯ４）、Ｌｉ５ＡｌＯ４、Ｌｉ１．４Ｔｉ１．６Ｉｎ０．４Ｐ３Ｏ１２、Ｋ−βアルミナ、Ｋ１．６Ａｌ０．８Ｔｉ７．２Ｏ１６、Ｋ２ＭｇＴｉ７Ｏ１６、ＣａＳ等が挙げられ、これらは化学量論組成から多少偏倚していてもよい。これらの中でもＮＡＳＩＣＯＮが好ましく、ＮＡＳＩＣＯＮの中でも、Ｎａ３Ｚｒ２Ｓｉ２ＰＯ１２で表されるものが特に好ましい。
【００１６】
基板１０は、通常、その厚さが１μｍ〜１ｍｍ程度であり、主面の面積が１μｍ２〜２００ｍｍ２程度である。このような基板１０は、固相法、ゾルゲル法、共沈法等の通常用いられている方法で作製すればよく、好ましくは固相法で作製される。
【００１７】
検知極２０を構成する金属層２１は、集電体として機能し得る程度の導電性を有する金属材料で形成されている。金属層２１を形成する金属材料としては、例えば、金、白金、銀、ルビジウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、ニッケル、銅、クロムやこれらの合金等を好適に用いることができる。
【００１８】
金属層２１は、通常、その厚みが０．０１〜１０μｍ程度であり、主面の面積が０．１μｍ２〜２００ｍｍ２程度である。また、金属層２１は、検知極２０内で二酸化炭素ガスを効率よく分散させるため、多孔質であることが好ましい。このような金属層２１は、例えば、金属粉末をペースト状にした混合液をスクリーン印刷等により塗布する方法や、スパッタリング等により形成することができる。
【００１９】
ガス検知層２２は、金属炭酸塩、金属炭酸水素塩、金属酸化物等の金属化合物を含有するガス検知材料で形成されている。ガス検知層２２は、層内でのガスの拡散効率を高くするため、粒子状の金属化合物で形成される多孔質体からなることが好ましい。ガス検知層２２が金属炭酸塩、金属炭酸水素塩、金属酸化物等の金属化合物の粒子で構成される場合、その平均粒径は１０〜１００μｍであることが好ましい。
【００２０】
ガスセンサ１を二酸化炭素ガスセンサとして用いる場合などには、ガス検知層２２は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも１種の金属で形成される金属炭酸塩及び／又は金属炭酸水素塩を含むことが好ましい。金属炭酸塩としては、例えば、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）等が挙げられる。また、金属炭酸水素塩としては、例えば、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）、炭酸水素ルビジウム（ＲｂＨＣＯ３）及び炭酸水素セシウム（ＣｓＨＣＯ３）等のアルカリ金属の炭酸水素塩等が挙げられる。
【００２１】
ガス検知層２２を構成する金属酸化物は、酸化スズ（ＳｎＯ，ＳｎＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３，ＦｅＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化マンガン（ＭｎＯ２，Ｍｎ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化プラセオジム（Ｐｒ６Ｏ１１）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）、酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）、酸化ルビジウム（Ｒｂ２Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）及び酸化バリウム（ＢａＯ）からなる群のうちの少なくとも１種であることが好ましい。
【００２２】
なお、これら金属酸化物においては、その組成が化学量論組成とは多少異なっていてもよく、２種以上の金属元素を有する複合酸化物を形成していてもよい。複合酸化物を形成する場合、ガス検知層２２の導電性を高くすることができる点から、スズ及びインジウムを有する複合酸化物が形成していてもよい。
【００２３】
ガス検知層２２の厚みは通常０．１μｍ〜１００μｍ程度であり、例えば、金属化合物の粒子を溶剤に分散したペーストを金属層２１に接するように塗布してペースト層形成し、このペースト層を加熱して溶剤を除去するペースト法など、従来公知の方法を採用して形成することができる。
【００２４】
対極３０は、通常、０．１μｍ〜１００μｍ程度の厚みを有し、金属層２１について上述したのと同様の金属材料、方法を採用して形成することができる。対極３０には、大気中の湿気による性能低下を抑制するため、金属材料からなる層を被覆する保護層を更に設けることが好ましい。この保護層は、フッ素系の樹脂、セラミックス、コバルト酸塩等で形成されることが好ましい。
【００２５】
図２は、ガスセンサ１を加熱部３側から見た平面図である。磁気遮蔽層４０のセンサ部２と反対側の面上に、磁気遮蔽層４０と隣接して絶縁層５５が設けられており、絶縁層５５内には、螺旋状に巻かれた誘導コイル５１と、誘導コイル５１内で誘導コイル５１と非接触で渦巻状に形成された導線からなる発熱コイル５２とが埋設されている。
【００２６】
誘導コイル５１は、銅などの導電性材料からなる導線で形成されており、誘導コイル５１の両端部には、外部回路と接続するための外部端子５１ａが設けられている。誘導コイル５１を構成する導線の断面積は特に制限はないが、通常、５０〜５００μｍ２程度であればよい。
【００２７】
誘導コイル５１は、外部端子５１ａを通じて高周波の交流電流を通電したときに磁場を発生して、発熱体である発熱コイル５２を発熱させる。誘導コイル５１のコイルパターン、巻き数等は、所定の大きさのセンサ部を所定の動作温度に加熱できる程度の磁場を発生できれば特に制限はないが、例えば、センサ部２の加熱すべき部分の大きさが３ｍｍ角であれば、内径が３．５〜４．０ｍｍの螺旋状で、巻き数が１〜６程度であればよい。
【００２８】
発熱コイル５２は、誘導コイル５１と同様の導線で渦巻状に形成されている。発熱コイル５２は、誘導コイル５１に交流通電したときに発生する高周波の磁場によって誘導発熱し、磁気遮蔽層４０を介して熱伝導によりセンサ部２を加熱する。このように、発熱体である発熱コイル５２は、リード線、はんだ等を介して外部回路と接続された接続部分を有しておらず、接続部分への熱拡散がないため、加熱の際の熱効率が高い。また、ガスセンサは２００℃以上の高温で動作させる場合が多いため、発熱抵抗体に通電して加熱していた従来のガスセンサの場合、通電のための外部回路との接続部分の耐熱性が不足するという問題があったが、ガスセンサ１の場合、発熱体である発熱コイル５２と外部回路との接続部分自体が存在しないため、接続部分の耐熱性の不足といった問題が生じない。
【００２９】
発熱コイル５２のコイルパターン、巻き数等は、センサ部を所定の動作温度に加熱できる程度の所定温度に発熱すれば特に制限はない。例えば、二酸化炭素ガスセンサの場合、ガスセンサとして安定して動作させるためには発熱コイル５２が２００〜８００℃に発熱することが好ましいが、この場合、発熱コイルは、巻き数が３〜８程度の渦巻き状のコイルパターンを有していることが好ましい。
【００３０】
また、ガスセンサ１においては、発熱コイル５２は一つのコイルパターンでセンサ部２全体を加熱できるような位置に形成されているが、これに代えて、例えば、検知極２０直下の領域においてコイルパターンを形成して、検知極２０を局所的に加熱できるようにしてもよい。これにより、加熱が必要な箇所のみを加熱することが可能になり、消費電力がより抑えられるとともに、他の部材への不必要な熱履歴が加わることを防止できる。あるいは、センサ部内に加熱が必要な箇所が複数ある場合、これら加熱が必要な箇所のそれぞれの直下の領域に、複数のコイルパターンを発熱コイルとして形成してもよい。
【００３１】
さらに、ガスセンサ１においては、発熱コイル５２が全体として一つのコイルパターンを形成するのに代えて、複数のコイルパターンが、互いの間に絶縁層を介して積層されて発熱コイル５２を構成していてもよい。発熱コイル５２で生じる熱は、外部への放冷や絶縁層５５による熱伝導の阻害により損失を生じる場合があるが、上記のように複数のコイルパターンを絶縁層を介して積層した場合、上下のコイルパターンで相互に熱損失を補填しつつ積層方向へ熱伝播されるため、加熱が必要な箇所のみを、より効果的に集中加熱することが可能となる。このような構成は、上記のように、検知極２０直下の領域において検知極２０を局所的に加熱する必要がある場合に特に有効である。
【００３２】
絶縁層５５は、例えば、アルミナ等の電気絶縁性の材料で形成されていればよく、その厚みは５〜２０μｍ程度であればよい。
【００３３】
図３に示すように、センサ部２と加熱部３との間に設けられた磁気遮蔽層４０は、誘導コイル５１において発生した磁気のセンサ部２側への漏洩を防止することが可能な材料で形成された層である。磁気遮蔽層４０は、ガスセンサ１をセンサ部２側から見たときに、加熱部３が磁気遮蔽層４０の裏面に完全に隠れるように設けられている。
【００３４】
磁気遮蔽層４０を構成する材料としては、磁気の遮蔽が可能な程度の磁性を有する材料であれば特に制限はないが、軟磁性材料が好ましい。そして、軟磁性材料の中でも、熱伝導性が高いパーマロイ又はセンダストが好ましく、パーマロイが最も好ましい。
【００３５】
磁気遮蔽層４０の厚みは、用いる材料に応じて、磁気遮蔽性及び熱伝導性を考慮して適宜決定すればよい。具体的には、磁気遮蔽層４０の厚みは、パーマロイの場合０．５〜５．０μｍであることが好ましく、センダストの場合、２．０〜１０μｍであることが好ましい。
【００３６】
ガスセンサ１には、更に、加熱部３の磁気遮蔽層４０と反対側の面上にも他の磁気遮蔽層が設けられていることが好ましい。これにより、ガスセンサ１を用いるときに、周辺の部材への磁気的な影響を防止することができる。同様の理由から、加熱部３の側面を覆うような磁気遮蔽層を更に設けることが、より好ましい。
【００３７】
ガスセンサ１は、誘導コイル５１に交流通電するための外部回路が外部端子５１ａに接続され、検知極２０と対極３０との間の起電力を測定するための外部回路がそれぞれの電極に接続された状態で使用される。また、ガスセンサ１全体を、通気のための開口部を有する筐体内に搭載してもよい。
【００３８】
以上説明したようなガスセンサ１は、例えば、導電性の材料からなるコイルパターンが形成された複数の絶縁シートを積層して加熱部を得る加熱部形成工程と、加熱部に隣接する磁気遮蔽層を形成する磁気遮蔽層形成工程と、磁気遮蔽層の加熱部と反対側の面上にセンサ部を形成するセンサ部形成工程と、を備える製造方法で好適に得ることができる。上記の加熱部形成工程において、コイルパターンが形成された絶縁シートを積層して加熱部３を形成することによって、加熱部３を、小さいサイズで容易に薄膜状に形成するでき、また、ガス検知層等の特定の部分を局所的に加熱するような構成とすることも容易にできる。
【００３９】
図４は、加熱部３を形成する方法を示すための説明図である。加熱部形成工程において、加熱部３は、アルミナ等の絶縁性材料からなる絶縁シート１０１と、同様の絶縁性材料のシート中にコイルパターンが形成されたコイルシート１０２、１０３、１０４、１０５及び１０６と、絶縁シート１０７とを、この順に積層して形成する。上記コイルシートにおいて、コイルパターンは各シートの両面において露出するように形成されており、コイルシートのうちコイルパターン以外の部分は絶縁性材料で構成されている。
【００４０】
コイルシート１０２、１０３、１０４、１０５及び１０６には、これらシートを積層したときに、全体として螺旋状の誘導コイル５１を構成するコイルパターン６２、６３、６４、６５及び６６がそれぞれ形成されている。これらコイルパターンは、コイルシートを積層したときに、隣接するコイルシートのコイルパターンと、互いに約１／４周分重なるような半円状部分を有しており、更に、コイルパターン６２及び６５は、上記半円状部分の片端部から延びた直線状部分を有し、この直線状部分の先端部には外部端子５１ａが形成されている。
【００４１】
上記コイルシートのうち、１０３、１０４及び１０５には、さらに、上記半円状のコイルパターン６３、６４及び６５の内側に渦巻状のコイルパターン７３、７４及び７５が形成されており、シートを積層したときに、これらコイルパターン７３、７４及び７５が全体として渦巻状の発熱コイル５２を構成する。
【００４２】
上記のようなコイルシートは、アルミナ等の絶縁性材料及び銅等の導電性の材料を用いて、例えば、スクリーン印刷等の印刷法により容易に形成することができる。なお、コイルパターンの形状、絶縁シートの枚数等は、加熱しようとする部分や、必要とする発熱量等に応じて適宜変更することができる。
【００４３】
加熱部３は、これら複数の絶縁シート及びコイルシートを積層した積層体を、好ましくは８００〜１０００℃で焼成して得られる。
【００４４】
続いて、磁気遮蔽層形成工程において、加熱部３の少なくとも一方面上に磁気遮蔽層を形成する。磁気遮蔽層の形成は、ペースト法、スパッタリング法等により別途準備したシート状の磁気遮蔽層を加熱部３に積層し、これを焼成する等して一体化して形成できる。若しくは、焼成前の積層体上に別途準備した磁気遮蔽層を積層た状態で全体を加熱処理して、積層体と同時に焼成してもよい。あるいは、加熱部３上にペースト法等により磁気遮蔽層を直接形成してもよい。
【００４５】
センサ部形成工程においては、磁気遮蔽層４０の加熱部３と反対側の面上に、センサ部２を形成する。センサ部２の形成は、基板１０、検知極２０及び対極３０を、それぞれ既に上述したような方法を採用するなどして行うことができる。
【００４６】
本発明のガスセンサは、以上説明したような実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、本発明のガスセンサは、絶縁性基板と、絶縁性基板の一方面上に設けられ金属半導体を含んだガス検知層及びこれと電気的に接続された１対の電極と、を有するセンサ部を備える半導体型ガスセンサにおいて、上記と同様の誘導加熱による加熱部を適用し、加熱部とセンサ部との間に磁気遮蔽層が設けられたような半導体型ガスセンサであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明によるガスセンサの一実施形態を示す平面図である。
【図２】本発明によるガスセンサの一実施形態を示す平面図である。
【図３】図１及び図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った端面図である。
【図４】ガスセンサの加熱部を形成する方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…ガスセンサ、２…センサ部、３…加熱部、１０…基板、２０…検知極、２１…金属層、２２…ガス検知層、３０…対極、４０…磁気遮蔽層、５１…誘導コイル、５２…発熱コイル、５５…絶縁層。
【図１】
2006098224.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006098224.tif 000005
【図４】
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