(57)【要約】【課題】高温使用および長期使用における耐久性を向上させ、かつガス検知感度を安定させることができるガス検知素子の駆動方法およびガス検知装置を提供する。【解決手段】貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子Ｘに対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加するガス検知素子の駆動方法、および、ガス検知素子Ｘと、ガス検知素子Ｘに対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加する極性反転手段４０と、ガス検知素子Ｘに対してパルス電流を供する電流発生装置５０と、を備えたガス検知装置Ｙ。【選択図】図２
2015004537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加するガス検知素子の駆動方法。
【請求項２】
所定の時間毎に極性を入れ替える請求項１に記載のガス検知素子の駆動方法。
【請求項３】
パルス電流を供して実行される請求項１または２に記載のガス検知素子の駆動方法。
【請求項４】
貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子と、
前記ガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加する極性反転手段と、
前記ガス検知素子に対してパルス電流を供する電流発生装置と、を備えたガス検知装置。
【請求項５】
前記ガス感応部を被支持基板部に形成し、前記被支持基板部をＭＥＭＳ技術により形成してある請求項４に記載のガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子の駆動方法および当該ガス検知素子を備えたガス検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結体のガス感応部を持つガス検知素子は、例えば半導体式が公知である。このようなガス検知素子は、通常、ガス感応部を３００℃〜７００℃に維持した状態でガス検知を行うため、その消費電力は数百ｍＷ以上必要であった。
【０００３】
近年、電池でガスセンサを長期間駆動するという要望が高まっている。電池代を抑えると共に電池の交換の頻度をできるだけ少なくするには、ガスセンサの消費電力を低下させるのが望ましい。
微細加工が可能なＭＥＭＳ（Micro  Electro Mechanical System）技術を利用すれば、微小な部材を加工でき、小型化されて消費電力の低いガス検知素子を製造することができる。この小型化したガス検知素子をパルス駆動して間欠的にガス検知することで、平均消費電力をさらに低下させることができる。ＭＥＭＳ技術を利用することでガス検知素子を大量生産できるため、ガス検知素子のコストダウンを実現できる。
【０００４】
しかし、このようなガス検知素子の実用化には、耐熱衝撃性・耐久性などの特性を向上させることが必要である。
ＭＥＭＳ技術によって作製された被支持基板部を有するガス検知素子としては、特許文献１に示されるものがある。このタイプの素子は、ガス感応部および加熱手段を設けた被支持基板部が複数の架橋部によって支持基板部に支持してあり、熱絶縁に優れる。
【０００５】
このガス検知素子に対して、室温と駆動温度（例えば５００℃）とに亘って熱サイクルを作用させると、ガス検知素子には熱衝撃が繰返し与えられることになる。この熱衝撃は、ガス検知素子を構成する部材の熱劣化の原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１３２８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えばメタン検知用センサの場合、５００℃程度の高温まで基板の温度を昇温する必要があるため、当該メタン検知用センサは、基板の耐熱性を図ることが重要である。例えば特許文献１に記載のＭＥＭＳ型センサは、連続して電圧を印加した場合は基板の耐久性は低いため、断続して電圧を印加して長寿命化を図っている。しかし、メタン検知用センサのように基板を高温にする必要がある場合、高温に対する更なる対策が必要であった。
【０００８】
また、２端子型の熱線形半導体式センサの場合、ＤＣ電圧印加によるガス検知素子の温度分布は、プラス側の半導体部分が高く、マイナス側の半導体部分では低くなっており、ガス検知素子内に温度差が生じている。これにより、当該熱線形半導体式センサを長期使用することによってプラス側の半導体部分において粒成長が発生しやすくなり、また、貴金属触媒などがガス検知素子全体に均一に添加されていても、プラス側の半導体部分における凝集が起こり易くなっていた。そのため、当該熱線形半導体式センサを長期使用することによって触媒活性が劣化し、ガス検知感度が変化する一因となっていた。
【０００９】
従って、本発明の目的は、高温使用および長期使用における耐久性を向上させ、かつガス検知感度を安定させることができるガス検知素子の駆動方法およびガス検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係るガス検知素子の駆動方法の第一特徴手段は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加する点にある。
【００１１】
電圧印加によるガス検知素子の温度分布は、通常、プラス側の半導体部分が高く、マイナス側の半導体部分では低くなっている。そのため、仮にガス検知素子に対して極性を固定して駆動電圧を印加した場合、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るため、ガス検知素子において偏って加熱された部位は熱によって劣化し易くなる。
一方、本手段のように、ガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加することにより、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るのを防止することができる。そのため、ガス検知素子において偏って加熱される部位は発生し難くなり、ガス検知素子が熱によって劣化するのを未然に防止できる。よって、本発明のガス検知素子の駆動方法では、当該ガス検知素子を高温使用および長期使用した場合であっても優れた耐久性を有するものとなる。
【００１２】
また、本手段では、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るのを防止することができるため、粒成長の偏りも防止することができる。
【００１３】
さらに、後述の実施例で示したように、本手段では、ガス検知素子を高温使用および長期使用した場合であっても、ガス検知感度の変化を抑制できるため、安定したガス検知を行なうことができる。
【００１４】
本発明に係るガス検知素子の駆動方法の第二特徴手段は、所定の時間毎に極性を入れ替える点にある。
【００１５】
本手段によれば、周期的にガス検知素子に印加する印加電圧の極性を反転するため、ガス検知素子において偏って加熱された部位がより発生し難くなる。そのため、ガス検知素子が熱によって劣化するのを効果的に防止できる。
【００１６】
本発明に係るガス検知素子の駆動方法の第三特徴手段は、パルス電流を供して実行する点にある。
【００１７】
本手段によれば、パルス駆動して間欠的にガス検知することができるため、平均消費電力を低下させることができる。
【００１８】
本発明に係るガス検知装置の第一特徴構成は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子と、前記ガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加する極性反転手段と、前記ガス検知素子に対してパルス電流を供する電流発生装置と、を備えた点にある。
【００１９】
本構成によれば、ガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加することにより、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るのを防止することができる。そのため、ガス検知素子において偏って加熱される部位は発生し難くなり、ガス検知素子が熱によって劣化するのを未然に防止できる。よって、本発明のガス検知装置では、当該ガス検知素子を高温使用および長期使用した場合であっても優れた耐久性を有するものとなる。
【００２０】
さらに、本発明のガス検知装置では、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るのを防止することができるため、粒成長の偏りも防止することができ、ガス検知素子を高温使用および長期使用した場合であっても、ガス検知感度の変化を抑制できる。
【００２１】
本発明に係るガス検知装置の第二特徴構成は、前記ガス感応部を被支持基板部に形成し、前記被支持基板部をＭＥＭＳ技術により形成した点にある。
【００２２】
本構成によれば、微細加工が可能なＭＥＭＳ技術を適用するため、極めて小さなガス検知素子の製造が可能となる。これにより、平均消費電力の少ないガス検知素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のガス検知装置におけるガス検知素子の断面図である。
【図２】本発明のガス検知装置の概略図である。
【図３】ガス検知装置の耐久性を調べた結果を示したグラフである。
【図４】ガス検知装置のガス検知感度の安定性を調べた結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明のガス検知素子の駆動方法は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加するように駆動する。
【００２５】
本方法は、図１〜２に示したガス検知装置Ｙにより実施することができる。本実施形態では、ガス感応部１１を被支持基板部１０に形成し、当該被支持基板部１０をＭＥＭＳ技術により形成してある態様について説明する。
即ち、ガス検知素子Ｘは、ガス感応部１１を設けた被支持基板部１０が支持基板部３０に支持してある。これら被支持基板部１０・支持基板部３０は１つの部材で構成してあり、別のＳｉ基材３１に取り付けてある。
【００２６】
被支持基板部１０の上には絶縁膜１３が形成してあり、ガス感応部１１・検出電極（貴金属線材：ヒータ兼用）１２が積層された積層体Ａを形成してある。尚、被支持基板部１０が絶縁膜の機能を有する場合は、当該絶縁膜１３は設けなくてもよい。積層体Ａのうち、ガス感応部１１を除いた各構成はＭＥＭＳ技術を利用して作製してある。ＭＥＭＳ技術は、超微小構造の電子機器システムの製造技術である。当該技術により微細な回路の加工を行うことができる。積層体Ａは、ＭＥＭＳ技術を利用して公知の方法により形成できる。
【００２７】
ガス検知素子Ｘはリード線ａにより極性反転手段４０と接続し、当該極性反転手段４０はリード線ｂにより電流発生装置５０と接続している。
【００２８】
極性反転手段４０は、電流発生装置５０にて印加される駆動電圧の極性を所望のタイミングで反転させる機能を有するものであれば、どのような態様であってもよい。
【００２９】
電圧印加によるガス検知素子Ｘの温度分布は、通常、プラス側の半導体部分が高く、マイナス側の半導体部分では低くなっている。そのため、仮にガス検知素子Ｘに対して極性を固定して駆動電圧を印加した場合、ガス検知素子Ｘの温度分布がガス検知素子Ｘの一方の側のみに偏るため、ガス検知素子Ｘにおいて偏って加熱された部位は熱によって劣化し易くなる。
一方、本構成のように、ガス検知素子Ｘに対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加することにより、ガス検知素子Ｘの温度分布がガス検知素子Ｘの一方の側のみに偏るのを防止することができる。そのため、ガス検知素子Ｘにおいて偏って加熱される部位は発生し難くなり、ガス検知素子Ｘが熱によって劣化するのを未然に防止できる。よって、本発明のガス検知素子Ｘの駆動方法では、当該ガス検知素子Ｘを高温使用および長期使用した場合であっても優れた耐久性を有するものとなる。
【００３０】
極性反転のタイミングは、所定の時間毎（例えば３０秒〜１０分毎）に反転が行われるよう制御するのがよい。本構成では、周期的にガス検知素子Ｘに印加する印加電圧の極性を反転するため、ガス検知素子Ｘにおいて偏って加熱された部位がより発生し難くなる。そのため、ガス検知素子Ｘが熱によって劣化するのを効果的に防止できる。
【００３１】
電流発生装置５０は、バッテリーからの電力供給を受けると、これをパルス電流に変換して供給するように構成するとよい。本構成のようにパルス電流を供してガス検知素子Ｘを印加することにより、パルス駆動して間欠的にガス検知することができるため、平均消費電力を低下させることができる。
【実施例】
【００３２】
〔実施例１〕
本発明の実施例について説明する。
本発明のガス検知装置Ｘの耐久性を調べた。即ち、ガス検知素子Ｘに対して、パルス電圧（印加周期０．３秒、印加時間０．１秒）を印加し、極性を入れ替えて駆動した場合の被支持基板部１０の耐久性を評価した。ガス検知素子Ｘに対する印加時の温度は５５０℃であった。この調査では、通常使用時に比べて１００倍加速印加を行い、２５のガス検知装置において断線が発生するまでに要する日数を調べた。結果を図３に示した。
【００３３】
この結果、従来のガス検知装置（極性を反転しない）では、３０日経過後より断線が発生したが、本発明のガス検知装置では、８０日経過後より断線が発生したことが確認できた。即ち、本発明のガス検知素子の駆動方法では、２．７倍程度、耐久性が向上したものと認められた。
【００３４】
〔実施例２〕
本発明のガス検知装置Ｘのガス検知感度の安定性を調べた。本実施例では、ガス検知素子Ｘに対して、通常使用時に比べて１０倍加速印加（印加周期３秒、印加時間０．１秒）を行い、メタンガスおよび水素ガスに対する警報濃度がどのように変化するかを評価した。結果を図４（（ａ）従来のガス検知装置（ｂ）本発明のガス検知装置）に示した。
【００３５】
この結果、従来のガス検知装置では、印加日数が経過してもメタンガスの警報濃度は殆ど変化しないが、水素ガスの警報濃度は２００日経過後には半分程度まで徐々に低下した。一方、本発明のガス検知装置では、印加日数が経過しても、メタンガスの警報濃度は殆ど変化せず、水素ガスの警報濃度は、１５％程度の減少幅に抑制できることが判明した。
このようにガス検知素子の駆動方法では、高温使用および長期使用した場合であってもガス検知感度を安定させることができるものと認められた。
【００３６】
〔別実施の形態〕
本発明のガス検知素子の駆動方法およびガス検知装置は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を有するガス検知素子であれば、上述した態様に限定されるものではない。例えば、ガス検知素子として、白金・白金−ロジウム合金等の貴金属線材に、酸化インジウム・酸化タングステン・酸化スズ等の金属酸化物を主成分とする金属酸化物半導体を塗布して覆い、乾燥後焼結成形してあるガス感応部を備えた熱線型半導体式センサなどが使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子の駆動方法および当該ガス検知素子を備えたガス検知装置に利用できる。
【符号の説明】
【００３８】
Ｘ          ガス検知素子
１０        被支持基板部
１１        ガス感応部
４０        極性反転手段
５０        電流発生装置
【図１】
2015004537.tif 000003
【図２】
2015004537.tif 000004
【図３】
2015004537.tif 000005
【図４】
2015004537.tif 000006