(57)【要約】      （修正有）【課題】単一のヒータを備えて特定のガス成分の検知精度を向上させると共に、小型化及び省電力化を実現できるガスセンサを提供する。【解決手段】第１チャンバＣ１を備えて第１ガス成分を第２ガス成分に変換する変換部１４を備える調整ユニット１０と、第２チャンバＣ２を備えて第２ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化する検知部２４ａを備えるセンサユニット２０と、検知部が配置されるセラミック配線基板５０と、単一のヒータ２４ｂと、を備え、セラミック配線基板のうちで検知部が配置される領域５０Ａにはスルーホール３０が形成され、スルーホールには熱伝導率が高い伝熱材が充填され、調整ユニットとヒータ、及び、センサユニットとヒータがそれぞれ熱結合し、かつスルーホールの延びる方向から見たときにヒータの少なくとも一部が領域と重なる形態で、調整ユニット、センサユニット、及び、ヒータが一体化されてなるガスセンサである。【選択図】図２
2018136163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自身の内部に被測定ガスを導入するための第１チャンバが設けられるとともに、前記第１チャンバに導入された該被測定ガスに含まれる第１ガス成分を第２ガス成分に変換する変換部を備える調整ユニットと、
自身の内部に前記調整ユニットを通過した前記被測定ガスを導入するための第２チャンバが設けられるとともに、前記第２ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化する検知部を備えるセンサユニットと、
前記検知部が配置され、前記センサユニットの内部に自身の少なくとも一部が収容されるセラミック配線基板と、
前記変換部、及び、前記検知部を加熱するための単一のヒータと、
を備え、
前記セラミック配線基板のうちで前記検知部が配置される領域には、自身の板厚方向に貫通した少なくとも１つのスルーホールが形成され、前記スルーホールには、前記セラミック配線基板を構成するセラミック材料よりも熱伝導率が高い伝熱材がそれぞれ充填され、
前記調整ユニットと前記ヒータ、及び、前記センサユニットと前記ヒータがそれぞれ熱結合し、かつ前記スルーホールの延びる方向から見たときに前記ヒータの少なくとも一部が前記領域と重なる形態で、前記調整ユニット、前記センサユニット、及び、前記ヒータが一体化されてなるガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記領域の厚みは、該領域に隣接する前記セラミック配線基板の厚みよりも薄くなっているガスセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガスセンサであって、
前記セラミック材料の主成分がジルコニアであるガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記伝熱材が非伝導性であるガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定ガスに含まれる特定ガス成分の濃度を検知するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境管理、プロセス管理、健康管理などで被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定することが必要とされている。
そこで、呼気中のＮＯをＮＯ２に触媒で変換した後、このＮＯ２をセンサ素子で検知する技術が知られている（特許文献１）。この技術では、触媒による前処理を行う変換部と、センサ素子を有する検知部とを、それぞれ別個に形成すると共に、これらを一体化して１つのユニットとして構成している。そして、変換部とセンサ素子とにヒータ（発熱抵抗体）をそれぞれ別個に設けることで、変換部及びセンサ素子を加熱して安定的に動作させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第2015/0250408号明細書（図６Ｂ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ヒータの消費電力の低減や、センサの小型化の観点からは、単一のヒータで変換部及び検知部を加熱することが考えられる。この場合、例えばセラミック配線基板に実装した検知部側にヒータを設け、ヒータの熱をセラミック配線基板越しに変換部へ伝えることで、変換部及び検知部をそれぞれ加熱することが想定される。
しかしながら、セラミックは熱伝導率が低いため、ヒータの熱をセラミック配線基板越しに変換部へ伝えるには、ヒータの熱量を多くする必要があり、ヒータの消費電力が増大してしまう。又、セラミックの熱伝導率が低いことから、板状のセラミック配線基板の熱は板面方向に散逸する傾向にあり、この点からもヒータの熱が外部の変換部へ伝わり難く、ヒータの消費電力の増大を招く。
そこで、本発明は、単一のヒータを備えて特定のガス成分の検知精度を向上させると共に、小型化及び省電力化を実現できる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】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、自身の内部に被測定ガスを導入するための第１チャンバが設けられるとともに、前記第１チャンバに導入された該被測定ガスに含まれる第１ガス成分を第２ガス成分に変換する変換部を備える調整ユニットと、自身の内部に前記調整ユニットを通過した前記被測定ガスを導入するための第２チャンバが設けられるとともに、前記第２ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化する検知部を備えるセンサユニットと、前記検知部が配置され、前記センサユニットの内部に自身の少なくとも一部が収容されるセラミック配線基板と、前記変換部、及び、前記検知部を加熱するための単一のヒータと、を備え、前記セラミック配線基板のうちで前記検知部が配置される領域には、自身の板厚方向に貫通した少なくとも１つのスルーホールが形成され、前記スルーホールには、前記セラミック配線基板を構成するセラミック材料よりも熱伝導率が高い伝熱材がそれぞれ充填され、前記調整ユニットと前記ヒータ、及び、前記センサユニットと前記ヒータがそれぞれ熱結合し、かつ前記スルーホールの延びる方向から見たときに前記ヒータの少なくとも一部が前記領域と重なる形態で、前記調整ユニット、前記センサユニット、及び、前記ヒータが一体化されてなる。
【０００６】
このガスセンサによれば、単一のヒータで調整ユニットとセンサユニットとを加熱すればよいので、両ユニットにそれぞれ別個にヒータを設けた場合に比べ、ガスセンサの構成をシンプルにできると共に、ガスセンサの小型化を実現できる。
又、調整ユニットとヒータ、及び、センサユニットとヒータがそれぞれ熱結合し、かつスルーホールの延びる方向に見たときにヒータの少なくとも一部が上記領域と重なる。このため、両ユニットの少なくとも一方とヒータとの間で、ヒータの熱は、周囲のセラミック配線基板よりも熱伝導率が高い領域（即ち、伝熱材）を通って当該ユニットへ容易に伝わるので、単一のヒータで両ユニットを低電力で確実に加熱できる。
【０００７】
又、このようにしてセンサユニットの検知部をヒータで動作温度に加熱することで、特定成分を安定して検知でき、特定成分の検知精度を向上させることができる。
さらに、スルーホール及び伝熱材の個数や直径を調整することで、領域の熱伝導率を容易に制御することができ、両ユニットへ伝わるヒータの熱量を容易に調整することができる。その結果、単一のヒータでも、調整ユニットとセンサユニットとを異なる温度に容易に制御することができる。なお、単一のヒータで両ユニットをより低電力で加熱するには、スルーホールを複数設けると良い。
【０００８】
本発明のガスセンサであって、前記領域の厚みは、該領域に隣接する前記セラミック配線基板の厚みよりも薄くなっているとよい。
このガスセンサによれば、領域の熱伝導率がさらに高くなるので、単一のヒータで両ユニットをより低電力で確実に加熱できる。
【０００９】
本発明のガスセンサであって、前記セラミック材料の主成分がジルコニアであってもよい。
ジルコニアはセラミック材料の中でも熱伝導率が低いので、ヒータの熱が熱伝導率の高い領域により優先的に伝わり、セラミック配線基板の板面方向に熱が散逸することをさらに抑制でき、省電力化をより一層実現できる。
【００１０】
本発明のガスセンサであって、前記伝熱材が非伝導性であってもよい。
このガスセンサによれば、非伝導性の材料は高い熱伝導率を有するので、ヒータの熱が熱伝導率の高い領域により優先的に伝わり、セラミック配線基板の板面方向に熱が散逸することをさらに抑制でき、省電力化をより一層実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、特定のガス成分の検知精度を向上させると共に、小型化及び省電力化を実現できるガスセンサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るガスセンサの分解斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るガスセンサの部分断面斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係るガスセンサにおけるヒータからの伝熱経路を示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態に係るガスセンサの変形例を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態におけるガスセンサ１の分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３はガスセンサ１の部分断面斜視図、図４はヒータ２４ｂからの伝熱経路を示す模式図である。
である。
図１において、ガスセンサ１は、調整ユニット１０と、センサユニット２０と、パイプ状のガス流通管４０と、板状のセラミック配線基板５０と、を備え、全体として箱状に形成されている。
【００１４】
調整ユニット１０は、略矩形箱状でフランジを有し上面（図１の上方に向く面）が開口する金属製のケース１２と、ケース１２のフランジに接着剤（図示せず）を介して接着される矩形枠状のパッキン１３と、ケース１２内に収容される変換部１４と、を有している。そして、パッキン１３の枠体にケース１２のフランジ及びセラミック配線基板５０の下面の外周部分が接着剤（図示せず）を介して固着することで、ケース１２の開口をセラミック基板５０が閉塞し、ケース１２の内部空間が第１チャンバＣ１を形成する。
ケース１２の下面には、配管の接続口となるパイプ状のインレット１２ａ及びアウトレット１２ｂがそれぞれ離間して突出しており、インレット１２ａ及びアウトレット１２ｂは第１チャンバＣ１に連通している。
【００１５】
第１チャンバＣ１におけるインレット１２ａとアウトレット１２ｂとの間に、直方体形状をなすと共に、多孔質状をなしガスを透過可能な変換部１４が配置され、変換部１４の表面には第１チャンバＣ１の壁面との隙間をシールする無機繊維（例えば、アルミナ繊維）からなるシール材１４ａが設けられている。
そして、インレット１２ａから第１チャンバＣ１に導入された被測定ガスＧが変換部１４に接触し、被測定ガスＧに含まれる第１ガス成分が第２ガス成分に変換された後、アウトレット１２ｂから調整ユニット１０の外部に排出される。変換部１４は、呼気Ｇに含まれる第１ガス成分（具体的にはＮＯ）を第２ガス成分（具体的にはＮＯｘ２）に変換するＰｔを担持したゼオライト等の触媒を含む。
【００１６】
センサユニット２０は、ケース１２と同一もしくは類似形状で下面が開口する金属製のケース２２と、ケース２２のフランジに積層される矩形枠状のパッキン２３と、ケース２２内に収容されるセンサ素子部２４と、センサ素子部２４をセラミック配線基板５０の所定位置（後述する凹部５０ｒ）に接着するための接着層２６と、上記セラミック配線基板５０と、を有している。そして、パッキン２３の枠体にケース２２のフランジ及びセラミック配線基板５０の上面の外周部分が接着剤（図示せず）を介して固着されることで、ケース２２の開口をセラミック配線基板５０が閉塞し、ケース２２の内部空間が第２チャンバＣ２を形成する。
【００１７】
センサ素子部２４は略矩形板状をなし、図２に示すように、ベース部２４ｃの上面（図１の上方に向く面）側に検知部２４ａが配置され、ベース部２４ｃの下面側に単一のヒータ２４ｂが配置されており、検知部２４ａとヒータ２４ｂがベース部２４ｃの上下に積層された一体構造となっている。
セラミック配線基板５０の上面の中央には凹部５０ｒが形成され、凹部５０ｒに接着層２６を介してヒータ２４ｂ側が接するようにしてセンサ素子部２４が配置されている。
ケース２２の上面には、配管の接続口となるパイプ状のインレット２２ａ及びアウトレット２２ｂがそれぞれ離間して突出しており、インレット２２ａ及びアウトレット２２ｂは第２チャンバＣ２に連通している。
【００１８】
センサ素子部２４は、セラミック配線基板５０の長手方向に沿って見たときに、第２チャンバＣ２におけるインレット２２ａとアウトレット２２ｂとの間に配置され、インレット２２ａはガス流通管４０でアウトレット１２ｂと接続されている。そして、調整ユニット１０を通過して第２ガス成分に変換された被測定ガスＧは、ガス流通管４０を通ってインレット２２ａから第２チャンバＣ２に導入され、検知部２４ａに接触して第２ガス成分の濃度が測定された後、アウトレット２２ｂからセンサユニット２０の外部に排出される。
【００１９】
検知部２４ａは第２ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化し、その変化した電気信号を検知することで第２ガス成分の濃度を検出する。又、ヒータ２４ｂは通電加熱により、検知部２４ａを動作温度に加熱する。そして、検知部２４ａの出力端子、及びヒータ２４ｂの通電端子はセラミック配線基板５０に図示しないワイヤボンディングで電気的に接続されている。
ベース部２４ｃは例えば絶縁性のセラミック基板を用いて構成することができる。又、検知部２４ａは、例えば固体電解質体と一対の電極を備えた公知の混成電位型センサからなるＮＯｘセンサ素子とすることができる。ヒータ２４ｂは例えばベース部２４ｃの表面に形成されたミアンダ状の導電パターンからなる発熱抵抗体を採用することができる。
【００２０】
ここで、セラミック基板５０の端部５０ｅ（図１の左側）はケース１２、２２よりも狭幅とされて、ケース１２、２２の外側（図１の左側）へ延びており、端部５０ｅの表裏面には、検知部２４ａ及びヒータ２４ｂに対して上記ワイヤボンディング及びセラミック配線基板５０の表面上に形成された配線（リード導体）を介して電気的に接続された、複数の電極パッド５０ｐが配置されている。そして、検知部２４から出力された電気信号はセラミック配線基板５０の電極パッド５０ｐを介して外部に出力され、電極パッド５０ｐを介して外部から供給された電力によりヒータ２４ｂが通電加熱する。
【００２１】
次に、図３、図４を参照し、本発明の特徴部分であるスルーホール及び伝熱材３０について説明する。なお、図３、図４では煩雑を避けるためにスルーホールに符号を付していないが、伝熱材３０の外縁部分がスルーホールの壁面を表すであることはいうまでもない。
セラミック配線基板５０の凹部５０ｒの中央の領域５０Ａに検知部２４ａを含むセンサ素子部２４が配置されている。そして、領域５０Ａには、自身の板厚方向に貫通した複数のスルーホール（図３では縦横４×８個で合計３２個）が形成され、各スルーホールに伝熱材３０がそれぞれ充填されている。
この伝熱材３０は、セラミック配線基板５０を構成するセラミック材料よりも熱伝導率が高い。例えば、本実施形態では、セラミック配線基板５０はジルコニアから構成されており、セラミック配線基板５０を構成するセラミック材料の主成分はジルコニアとなっている。なお、セラミック配線基板５０は、ジルコニアを主成分としつつ、副成分としてセラミック材料が含有されていてもよい。また、伝熱材３０はＷ（タングステン）からなる。Ｗはジルコニアよりも熱伝導率が高い。
このため、領域５０Ａにおける熱伝導率は、領域５０Ａに隣接するセラミック配線基板５０における熱伝導率よりも高くなる。なお、セラミック配線基板５０には配線（リード導体）等の導電部材も含まれるが、これらは「セラミック配線基板５０を構成するセラミック材料」に相当しない。
【００２２】
伝熱材３０としては、Ｃｕ、Ｗといった金属材料が例示される。又、伝熱材３０は、これらの材料を含むペーストを、未焼成のセラミック配線基板５０のグリーンシートに開口したスルーホールに充填し、セラミック配線基板５０と同時に焼成して形成することができる。
又、伝熱材３０は例えば直径０．１〜０．５ｍｍ程度の円柱状とすることができ、各伝熱材３０は例えば１ｍｍ程度の間隔で配置することができる。
セラミック配線基板５０を構成するセラミック材料の主成分としては、ジルコニアの他、ムライト、アルミナが挙げられる。
【００２３】
ここで、図４に示すように、センサユニット２０とヒータ２４ｂとは、ヒータ２４ｂがセンサユニット２０内の検知部２４ａとベース部２４ｃを介して積層されて一体化されていることにより、矢印Ｈ１のように熱結合している。
一方、積層方向（スルーホールの延びる方向）から見たとき、ヒータ２４ｂが領域５０Ａに完全に重なっている。このため、調整ユニット１０とヒータ２４ｂとは、ヒータ２４ｂが調整ユニット１０内の変換部１４と、接着層２６及び領域５０Ａを介して積層されて一体化されていることにより、矢印Ｈ２のように熱結合している。
なお、「センサユニット２０とヒータ２４ｂとが熱結合している」とは、センサユニット２０を構成する何らかの部材とヒータ２４ｂとが空気を挟まずに（隙間を介さずに）結合し、熱伝導が可能な状態になっていることをいう。「調整ユニット１０とヒータ２４ｂとが熱結合している」の意味も同様である。
【００２４】
以上により、単一のヒータ２４ｂで調整ユニット１０とセンサユニット２０とを加熱すればよいので、両ユニットにそれぞれ別個にヒータを設けた場合に比べ、ガスセンサ１の小型化及び省電力化を実現できる。
又、センサユニット２０とヒータ２４ｂが一体化されているので、センサユニット２０内に配置されたヒータ２４ｂの熱は図２の矢印Ｈ１のように検知部２４ａに容易に伝わる。
さらに、センサユニット２０と調整ユニット１０とは、領域５０Ａを介して熱結合しているため、ヒータ２４ｂの熱は、周囲のセラミック配線基板５０よりも熱伝導率が高い領域５０Ａを図４の矢印Ｈ２のように通って調整ユニット１０（変換部１４）へ容易に伝わる。その結果、単一のヒータ２４ｂで両ユニット１０、２０を低電力で確実に加熱できる。
又、このようにしてセンサユニット２０の検知部２４ａをヒータ２４ｂで動作温度に加熱することで、第２ガス成分を安定して検知でき、検知精度を向上させることができる。
【００２５】
又、ヒータ２４ｂの熱が熱伝導率の高い領域５０Ａを介して板厚方向に伝わるので、セラミック配線基板５０の板面方向に熱が散逸する割合が減少し、ヒータ２４ｂの熱量を有効に利用して省電力化をより一層実現できる。
さらに、スルーホール及び伝熱材３０の個数や直径を調整することで、領域５０Ａの熱伝導率を容易に制御することができ、例えば矢印Ｈ２によって調整ユニット１０（変換部１４）へ伝わるヒータ２４ｂの熱量を容易に調整することができる。
【００２６】
なお、図２に示すように、本実施形態においては、ヒータ２４ｂは板状であり、対向する下面と上面と、を有し、下面側に変換部１４が配置され、上面側に検知部２４ａが配置されている。
これにより、ヒータ２４ｂの両面に変換部１４及び検知部２４ａがそれぞれ配置されるので、ヒータ２４ｂの熱を変換部１４及び検知部２４ａに無駄なく伝えることができ、省電力化をさらに実現できる。
又、調整ユニット１０の第１チャンバＣ１を構成するための構成部材の一部と、センサユニット２０の第２チャンバＣ２を構成するための構成部材の一部とは、共通の部材であるセラミック薄板部５０ｒからなっている。
これにより、共通の部材であるセラミック薄板部５０ｒによってガスセンサ１Ａの部品点数を削減できると共に、ガスセンサ１Ａをより小型化できる。
【００２７】
本実施形態においては、領域５０Ａの厚みは、領域５０Ａに隣接するセラミック配線基板５０の厚みよりも薄くなっている。これにより、領域５０Ａの熱伝導率がさらに高くなるので、単一のヒータ２４ｂで両ユニット１０、２０をより低電力で確実に加熱できる。
さらに、本実施形態においては、セラミック配線基板５０を構成するセラミック材料の主成分（セラミック材料のうち５０質量％を超える成分）がジルコニアである。ジルコニアはセラミック材料の中でも熱伝導率が低いので、ヒータ２４ｂの熱が熱伝導率の高い領域５０Ａにより優先的に伝わり、セラミック配線基板５０の板面方向に熱が散逸することをさらに抑制でき、省電力化をより一層実現できる。
【００２８】
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。
【００２９】
例えば、図５に示すように、調整ユニット１０側にヒータ２４ｂを積層して設けてもよい。この場合、図４の場合と逆に、調整ユニット１０とヒータ２４ｂとは、ヒータ２４ｂが調整ユニット１０内の変換部１４と積層されて一体化されていることにより、矢印Ｈ２のように熱結合している。
一方、積層方向（スルーホールの延びる方向）から見たとき、ヒータ２４ｂが領域５０Ａに完全に重なっている。このためセンサユニット２０とヒータ２４ｂとは、ヒータ２４ｂがセンサユニット２０内の検知部２４ａと、ベース部２４ｃ、接着層２６及び領域５０Ａを介して積層されて一体化されていることにより、矢印Ｈ１のように熱結合している。
【００３０】
また、上記実施形態では、伝熱材３０として金属材料（具体的にはＷ）を用いたが、伝熱材３０の材質はこれに限定されない。例えば、ダイヤモンドや窒化アルミニウム等の非伝導性の材質を用いるようにしても良い。非伝導性の材質は熱伝導率が高い傾向にあり、また、絶縁性であることから、伝熱材３０の設置によってセラミック配線基板５０の配線間の短絡が生じるおそれもない。このように、熱伝導材３０が非伝導性である場合にも、単一のヒータ２４ｂで調整ユニット１０とセンサユニット２０の双方をより低電力で加熱することが可能となる。
【００３１】
ガスセンサ、及びそれを構成する調整ユニット、センサユニットの形状等は上記実施形態に限定されない。変換部及び検知部の種類等も限定されない。
スルーホール及び伝熱材の形状、個数や直径も限定されない。
また、スルーホールの延びる方向から見たときに、ヒータ２４ｂの少なくとも一部が領域５０Ａと重なればよく、重なりの割合は、ヒータ２４ｂの発熱量や、調整ユニット１０（変換部１４）及びセンサユニット２０（検知部２４ａ）の制御温度によって変わる。但し、重なりの割合があまり小さいと、領域５０Ａを伝わる熱が少なくなるので、領域５０Ａの４０％以上が重なることが好ましく、１００％重なることがさらに好ましい。
【符号の説明】
【００３２】
１    ガスセンサ
１０    調整ユニット
１４    変換部
２０    センサユニット
３０    スルーホール、伝熱材
２４ａ  検知部
２４ｂ  ヒータ
５０    セラミック配線基板
５０Ａ    領域
Ｃ１    第１チャンバ
Ｃ２    第２チャンバ
Ｇ    被測定ガス
【図１】
2018136163.tif 000003
【図２】
2018136163.tif 000004
【図３】
2018136163.tif 000005
【図４】
2018136163.tif 000006
【図５】
2018136163.tif 000007