(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスセンサにおいて検出対象ガスの検出感度を低下させることなく非検出対象ガスの影響を低減するガスセンサを提供する。【解決手段】ガスが流通する開口２１が形成されているケース２０と、ケースに覆われて検出対象ガスを検出するガス検出素子１０と、開口と前記ガス検出素子との間に設けられて非検出対象ガスを吸着するフィルタ体４０と、を有し、フィルタ体は、ガス検出素子側よりも前記開口側の方が、ガス拡散性が高いガスセンサ１。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが流通する開口が形成されているケースと、
前記ケースに覆われて検出対象ガスを検出するガス検出素子と、
前記開口と前記ガス検出素子との間に設けられて非検出対象ガスを吸着するフィルタ体と、を有し、
前記フィルタ体は、前記ガス検出素子側よりも前記開口側の方が、ガス拡散性が高い
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記フィルタ体は、前記非検出対象ガスを吸着する第１フィルタと、前記第１フィルタの前記ガス検出素子側に積層されて前記非検出対象ガスを吸着する第２フィルタと、を有し、
前記第１フィルタは、前記第２フィルタよりもガス拡散性が高い
ことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記第１フィルタは、前記非検出対象ガスを吸着する粒状の第１吸着材を含み、
前記第２フィルタは、前記非検出対象ガスを吸着する粒状の第２吸着材を含み、
前記第１吸着材の平均粒径は、前記第２吸着材の平均粒径よりも大きい
ことを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記第１フィルタは、前記非検出対象ガスを吸着する粒状の第１吸着材を含み、
前記第２フィルタは、前記非検出対象ガスを吸着する粒状の第２吸着材を含み、
前記第１吸着材の最小粒径は、前記第２吸着材の最大粒径よりも大きい
ことを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記第１フィルタは、前記非検出対象ガスを吸着する粒状の第１吸着材を含み、
前記第２フィルタは、前記非検出対象ガスを吸着する粒状の第２吸着材を含み、
前記第１フィルタの空隙率は、前記第２フィルタの空隙率よりも大きい
ことを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記第１吸着材及び前記第２吸着材は、活性炭であることを特徴とする請求項３から５の何れか一項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一項に記載のガスセンサと、
前記ガスセンサから得られる検出信号に基づいて前記検出対象ガスの検出処理を行う検出処理部と、を有する
ことを特徴とするガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ及びガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガス警報器等に設けられて、燃料用ガスや、燃料用ガスが不完全燃焼することで生じた一酸化炭素ガス等を検出するガスセンサが知られている。このようなガスセンサに用いられるガス検出素子は、例えば、湿度（水分）や環境由来のアルコール等の非検出対象ガスにも反応する場合がある。
【０００３】
そこで、感応部と、非検出対象ガスを除去するシリカゲルフィルタと、雰囲気の温度上昇によりシリカゲルフィルタから放出される非検出対象ガスの感応部への流入を制限する流入制限板とを有する検知素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１９７４７０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、上記した特許文献１に係る検知素子では、流入制限板により非検出対象ガスと共に検出対象ガスの感応部への流入も制限されるため、検出対象ガスの検出感度が低下する可能性がある。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、ガスセンサにおいて検出対象ガスの検出感度を低下させることなく非検出対象ガスの影響を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様におけるガスセンサよれば、ガスが流通する開口が形成されているケースと、前記ケースに覆われて検出対象ガスを検出するガス検出素子と、前記開口と前記ガス検出素子との間に設けられて非検出対象ガスを吸着するフィルタ体と、を有し、前記フィルタ体は、前記ガス検出素子側よりも前記開口側の方が、ガス拡散性が高い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、ガスセンサにおいて検出対象ガスの検出感度を低下させることなく非検出対象ガスの影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態におけるガス検出装置の概略構成を例示する図である。
【図２】実施形態におけるガスセンサの断面概略図である。
【図３】実施形態におけるガス検出素子の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１１】
図１は、実施形態におけるガス検出装置１００の構成を例示する図である。
【００１２】
図１に示されるように、ガス検出装置１００は、ガスセンサ１、駆動部２、検出処理部３を有する。
【００１３】
ガスセンサ１は、ガス検出素子１０を有し、検出対象ガスを検出する。検出対象ガスは、例えば、燃料用ガス（主成分はメタン、プロパン、ブタン）、燃料用ガスが不完全燃焼時に発生する一酸化炭素ガス、水素ガス等である。駆動部２は、ガスセンサ１のガス検出素子１０に接続されており、ガス検出素子１０を駆動させる。検出処理部３は、ガスセンサ１のガス検出素子１０に接続されており、ガス検出素子１０から得られる検出信号に基づいて検出対象ガスの検出処理を行う。駆動部２及び検出処理部３が有する機能は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭから読み出してＲＡＭと協働して実行するプログラムや、複数の回路等により実現される。
【００１４】
なお、ガス検出装置１００には、操作入力を行う操作入力部、検出処理部３による検出結果を表示する表示部、検出結果に応じて警報を発する音出力部等が設けられてもよい。
【００１５】
図２は、実施形態におけるガスセンサ１の断面概略図である。
【００１６】
図２に示されるように、ガスセンサ１は、ガス検出素子１０、ケース２０、フィルタ体４０、リード端子５０を有する。以下では、ガスセンサ１におけるケース２０の開口２１側を上、リード端子５０側を下として説明する。
【００１７】
ガス検出素子１０は、段付き円板状のセンサベース１１の上面に固定されている。ガス検出素子１０の構成は後述する。リード端子５０は、センサベース１１から下方に突出し、ガス検出素子１０と、ガス検出装置１００の駆動部２及び検出処理部３とを接続する。
【００１８】
ケース２０は、筒状に形成されており、下端側がセンサベース１１の周縁に固定されてガス検出素子１０の周囲を覆っている。ケース２０の上端面には、ガスが流通する開口２１が形成されており、例えば円形状である。ケース２０は、例えば、直径が８ｍｍであり、高さが１３ｍｍである。また、開口２１の直径は、例えば、５ｍｍである。
【００１９】
第１メッシュ３１は、開口２１を覆うようにケース２０の内部に取り付けられている。第２メッシュ３２は、第１メッシュ３１の下方に所定の間隔を空けてケース２０の内部に取り付けられている。第３メッシュ３３は、第２メッシュの下方に所定の間隔を空けてケース２０の内部に取り付けられている。第３メッシュ３３は、防爆のために２重メッシュとなっている。
【００２０】
第１メッシュ３１、第２メッシュ３２、及び第３メッシュ３３は、それぞれステンレス製のネットであり、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂの押さえとして機能する。また、第２メッシュ３２は、第１フィルタ４０ａと第２フィルタ４０ｂとの仕切りとして機能する。
【００２１】
フィルタ体４０は、ケース２０の開口２１とガス検出素子１０との間に設けられている。フィルタ体４０は、開口２１から流入する検出対象ガスを通過させ、非検出対象ガスを吸着する。フィルタ体４０は、第１フィルタ４０ａ、第２フィルタ４０ｂを有する。
【００２２】
第１フィルタ４０ａは、第１メッシュ３１と第２メッシュ３２との間に設けられており、開口２１から流入する検出対象ガスを通過させて非検出対象ガスを吸着する。第１フィルタ４０ａは、外径がケース２０の内径に等しく無数の通気孔が形成されているフィルタケース（不図示）と、吸着材としてフィルタケースに充填されている粒状（粉状、球状、破砕状）の活性炭とを有する。第１フィルタ４０ａの厚さは、例えば、１ｍｍ〜３ｍｍである。
【００２３】
第２フィルタ４０ｂは、第１フィルタ４０ａの下側に積層されるように、第２メッシュ３２と第３メッシュ３３との間に設けられている。第２フィルタ４０ｂは、開口２１から流入する検出対象ガスを通過させ、第１フィルタ４０ａを通過した非検出対象ガスを吸着する。第２フィルタ４０ｂは、外径がケース２０の内径に等しく無数の通気孔が形成されているフィルタケース（不図示）と、吸着材としてフィルタケースに充填されている粒状（粉状、球状、破砕状）の活性炭とを有する。第２フィルタ４０ｂの厚さは、例えば、１ｍｍ〜３ｍｍである。
【００２４】
第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂに吸着材として設けられている活性炭は、気相においてファンデルワールス力による物理的吸着を行う。活性炭は、例えば、アルコール蒸気、シロキサン化合物、ＳＯｘ、ＮＯｘ、ＶＯＣ類等といった非検出対象ガスを吸着し、燃料用ガスの主成分であるメタン、プロパン、ブタン、一酸化炭素、水素等の検出対象ガスは吸着しない。
【００２５】
このため、開口２１からケース２０の内部に流入した非検出対象ガスは、大部分が第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂに吸着し、ガス検出素子１０に到達するのは極微量となる。また、開口２１からケース２０の内部に流入した検出対象ガスは、極微量が第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂに吸着するものの、大部分が第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂを通過してガス検出素子１０に到達する。
【００２６】
このように、ガスセンサ１では、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂによって非検出対象ガスが除去されることで、ガス検出素子１０が検出対象ガスを高精度に検出することが可能になっている。
【００２７】
ここで、ガスセンサ１の周囲の温湿度等の環境が変化すると、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂに吸着していた非検出対象ガスが脱離し、ガス検出素子１０に到達する場合がある。ガス検出素子１０の周囲において非検出対象ガスの濃度が上昇すると、ガス検出素子１０が非検出対象ガスに反応して誤検出する可能性がある。
【００２８】
そこで、本実施形態におけるガスセンサ１では、第１フィルタ４０ａのガス拡散性が、第２フィルタ４０ｂのガス拡散性よりも高くなっている。このため、第２フィルタ４０ｂから脱離した非検出対象ガスは、ガス拡散性が高い第１フィルタ４０ａを通じて開口２１から外部に排出される。また、第１フィルタ４０ａから脱離した非検出対象ガスは、ガス拡散性が低い第２フィルタ４０ｂには向かわずに開口２１を通って外部に排出される。
【００２９】
このように、第１フィルタ４０ａのガス拡散性を第２フィルタ４０ｂよりも高くすることで、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂから脱離した非検出対象ガスは、ガス検出素子１０側への放出が抑えられて開口２１から外部に排出される。このため、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂから脱離した非検出対象ガスによってガス検出素子１０の検出精度が低下するのを抑えることができる。
【００３０】
第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂのガス拡散性は、例えば、吸着剤として設けられている活性炭の粒径により調整できる。
【００３１】
例えば、第１フィルタ４０ａの活性炭の平均粒径を、第２フィルタ４０ｂの活性炭の平均粒径より大きくすることで、第１フィルタ４０ａのガス拡散性を第２フィルタ４０ｂよりも高くすることができる。
【００３２】
また、例えば、第１フィルタ４０ａの活性炭の最小粒径を、第２フィルタ４０ｂの活性炭の最大粒径より大きくすることで、第１フィルタ４０ａのガス拡散性を第２フィルタ４０ｂよりも高くすることができる。例えば、第１フィルタ４０ａの活性炭の粒度分布を４５０μｍ〜５５０μｍとし、第２フィルタ４０ｂの活性炭の粒度分布を２５０μｍ〜３５０μｍとする。このように粒度分布を変えることで、第１フィルタ４０ａのガス拡散性を第２フィルタ４０ｂよりも高くすることができる。
【００３３】
上記したように、第１フィルタ４０ａのガス拡散性を第２フィルタ４０ｂよりも高くすることで、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂから脱離してガス検出素子１０側に放出される非検出対象ガスを低減し、ガス検出素子１０の検出精度を保つことができる。
【００３４】
また、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂにおける非検出対象ガスの拡散性は、例えば、各フィルタに充填されている活性炭の空隙率により調整できる。
【００３５】
例えば、第１フィルタ４０ａの空隙率を、第２フィルタ４０ｂの空隙率より大きくすることで、第１フィルタ４０ａの拡散性を第２フィルタ４０ｂよりも高くすることができる。例えば、空隙率は吸着材を成形体にして加圧条件を変えることで任意に調製することができる。このように第１フィルタ４０ａの拡散性を第２フィルタ４０ｂよりも高くすることで、上記したように第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂから脱離してガス検出素子１０側に放出される非検出対象ガスを低減し、ガス検出素子１０の検出精度を保つことができる。
【００３６】
なお、本実施形態におけるガスセンサ１では、フィルタ体４０が第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂの２つのフィルタで構成されているが、３つ以上のフィルタで構成されてもよい。フィルタ体４０が３つ以上のフィルタで構成される場合には、ケース２０の開口２１側ほど拡散性が高くなるように各フィルタの吸着材の粒径や、各フィルタの空隙率を調整する。また、フィルタ体４０は、ケース２０の開口２１側がガス検出素子１０側よりもガス拡散性が高くなるように形成された単一のフィルタであってもよい。例えば、フィルタ体４０は、ガス検出素子１０側からケース２０の開口２１に向かって徐々にガス拡散性が高くなるように形成された単一のフィルタであってもよい。
【００３７】
また、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂの吸着材は、活性炭に限られるものではなく、例えばシリカゲル等であってもよい。また、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂは、それぞれ異なる吸着材で形成されてもよい。
【００３８】
図３は、実施形態におけるガス検出素子１０の断面概略図である。
【００３９】
図３に示されるように、ガス検出素子１０は、シリコン基板１０１、熱絶縁支持層１０２、ヒータ層１０３、電気絶縁層１０４、ガス検出部１０５を有する。なお、図３に示されているガス検出素子１０は、説明のために各部の大きさや厚さが適宜変更されている。
【００４０】
シリコン基板１０１は、ガス検出部１０５が設けられる部分に貫通孔が形成されている。
【００４１】
熱絶縁支持層１０２は、シリコン基板１０１の貫通孔の開口部を覆ってダイアフラム構造となるように、シリコン基板１０１の上面に形成されている。熱絶縁支持層１０２は、熱酸化ＳｉＯ２層１０２ａ、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１０２ｂ、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層１０２ｃの三層構造となっている。
【００４２】
熱酸化ＳｉＯ２層１０２ａは、熱絶縁層であり、ヒータ層１０３において生じた熱をシリコン基板１０１に伝わりにくくする。また、熱酸化ＳｉＯ２層１０２ａは、プラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、プラズマエッチングによるシリコン基板１０１の貫通孔の形成を容易にする。
【００４３】
ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１０２ｂは、熱酸化ＳｉＯ２層１０２ａの上側に形成されている。ＣＶＤ−ＳｉＯ２層１０２ｃは、電気絶縁層であり、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１０２ｂの上側に形成されている。
【００４４】
ヒータ層１０３は、Ｐｔ−Ｗ膜であり、熱絶縁支持層１０２の上面に形成されている。ヒータ層１０３は、リード端子５０を通じてガス検出装置１００の駆動部２に接続され、駆動部２から給電されて発熱する。
【００４５】
電気絶縁層１０４は、熱絶縁支持層１０２の上面にヒータ層１０３を覆うように形成されている。電気絶縁層１０４は、ヒータ層１０３と感知層電極１０５ｂとの間を電気的に絶縁する。
【００４６】
ガス検出部１０５は、一対の接合層１０５ａ、一対の感知層電極１０５ｂ、ガス感知層１０５ｃ、ガス選択燃焼層１０５ｄを有する。
【００４７】
接合層１０５ａは、例えば、Ｔａ膜（タンタル膜）又はＴｉ膜（チタン膜）であり、電気絶縁層１０４の上面に形成されている。接合層１０５ａは、感知層電極１０５ｂと電気絶縁層１０４との接合強度を高める。
【００４８】
感知層電極１０５ｂは、例えば、Ｐｔ膜（白金膜）又はＡｕ膜（金膜）であり、リード端子５０を通じてガス検出装置１００の検出処理部３に接続されている。
【００４９】
ガス感知層１０５ｃは、ＳｎＯ２層であり、一対の感知層電極１０５ｂの少なくとも一部を覆うように電気絶縁層１０４の上面に形成されている。なお、ガス感知層１０５ｃは、例えば、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３、ＺｎＯ、ＴｉＯ２等の金属酸化物を主成分として形成されてもよい。
【００５０】
ガス選択燃焼層１０５ｄは、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、又は酸化パラジウム（ＰｄＯ）等の少なくとも一種の触媒を担持した焼結体であり、触媒担持Ａｌ２Ｏ３焼結材である。ガス選択燃焼層１０５ｄは、接合層１０５ａ、感知層電極１０５ｂ、及びガス感知層１０５ｃを覆うように電気絶縁層１０４の上面に形成されている。
【００５１】
ガス選択燃焼層１０５ｄは、検出対象ガスよりも酸化活性の強い還元性の非検出対象ガスの燃焼反応を促進させることで、非検出対象ガスを酸化除去できる。ガス選択燃焼層１０５ｄによってガス感知層１０５ｃに到達する検出対象ガスの濃度が高まり、より高感度に検出を行うことが可能になる。なお、ガス選択燃焼層１０５ｄは、例えば、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎｉ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ゼオライト等の金属酸化物を主成分として形成されてもよい。
【００５２】
ガス感知層１０５ｃは、ｎ型金属酸化物半導体のＳｎＯ２層であり、表面に酸素を吸着する。酸素は、電子受容性が強く負電荷吸着するため、ガス感知層１０５ｃの表面に吸着する際に、ガス感知層１０５ｃ内から電子を取り込む。このため、ガス感知層１０５ｃは、表面に酸素が吸着すると内部の電子密度が減少し、導電率が低下して高抵抗化する。
【００５３】
酸素が吸着したガス感知層１０５ｃがヒータ層１０３により３００℃〜５００℃程度に加熱されると、検出対象ガスのＣＨ４、Ｈ２、ＣＯ等の燃焼反応が起こる。これらの可燃性ガスの燃焼反応により、ガス感知層１０５ｃの表面に吸着している酸素（Ｏ２−）が消費され、吸着酸素にトラップされていた吸着酸素電子が自由電子としてガス感知層１０５ｃ内に戻される。このため、ガス感知層１０５ｃは、内部の電子密度が増加し、導電率が増大して低抵抗化する。
【００５４】
検出対象ガス（ＣＨ４、Ｈ２、ＣＯ）の燃焼反応式は以下の通りである。
【００５５】
ＣＨ４＋４Ｏ２−（ａｄ）⇒ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋８ｅ
Ｈ２＋Ｏ２−（ａｄ）⇒Ｈ２Ｏ＋２ｅ
ＣＯ＋Ｏ２−（ａｄ）⇒ＣＯ２＋２ｅ
ガス検出装置１００の駆動部２は、ヒータ層１０３に間欠的に給電して、ガス感知層１０５ｃを所定の周期で加熱する。検出処理部３は、感知層電極１０５ｂを通じてガス感知層１０５ｃの電気抵抗値（以下、センサ抵抗値という）を検出信号として取得し、センサ抵抗値に基づいて検出対象ガスの濃度を求める。
【００５６】
ガス選択燃焼層１０５ｄは、ガス感知層１０５ｃを覆い、ヒータ層１０３に加熱されて非検出対象ガスを燃焼することで、ガス感知層１０５ｃに到達する検出対象ガスの濃度を高める。ガス選択燃焼層１０５ｄは、例えば、高沸点の炭化水素系ガス、エタノールやＶＯＣ等の非検出対象ガスを選択的に燃焼し、ＣＨ４等の検出対象ガスは通過させる。
【００５７】
ガスセンサ１は、上記したように、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂにおいて検出対象ガスを吸着除去する。また、第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂを通過した非検出対象ガスはガス選択燃焼層１０５ｄにおいて燃焼される。このため、ガスセンサ１は、ガス検出素子１０のガス感知層１０５ｃに到達する非検出対象ガスが低減され、検出対象ガスを高精度に検出することが可能になっている。
【００５８】
以上で説明したように、本実施形態におけるガスセンサ１では、フィルタ体４０によって非検出対象ガスが吸着除去される。また、フィルタ体４０は、第１フィルタ４０ａのガス拡散性が第２フィルタ４０ｂよりも高く、ケース２０の開口２１側がガス検出素子１０側よりもガス拡散性が高い。このため、ガスセンサ１の周囲の温度上昇により第１フィルタ４０ａ及び第２フィルタ４０ｂから脱離した非検出対象ガスは、ガス検出素子１０側への放出が抑えられてケース２０の開口２１から排気される。したがって、ガスセンサ１の周囲の温度変化による非検出対象ガスの影響が低減され、ガス検出素子１０により検出対象ガスを高精度に検出することが可能になる。
【００５９】
以上、実施形態に係るガスセンサ及びガス検出装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【００６０】
例えば、ガスセンサ１に設けられるガス検出素子１０は、検出対象ガスを検出可能であれば、上記した実施形態とは異なる構成であってもよい。また、ガスセンサ１には、上記した実施形態におけるガス検出素子１０とは異なる方式のガス検出素子が設けられてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１  ガスセンサ
２  駆動部
３  検出処理部
１０  ガス検出素子
２０  ケース
２１  開口
４０  フィルタ体
４０ａ  第１フィルタ
４０ｂ  第２フィルタ
１００  ガス検出装置
【図１】
2017198604.tif 000003
【図２】
2017198604.tif 000004
【図３】
2017198604.tif 000005