特開 2023-111492 接触燃焼式ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023111492

(43)【公開日】2023-08-10

(54)【発明の名称】接触燃焼式ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/16 20060101AFI20230803BHJP

【ＦＩ】

G01N27/16 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022013368

(22)【出願日】2022-01-31

(71)【出願人】

【識別番号】000190301

【氏名又は名称】新コスモス電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼島 裕正

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 洋

(72)【発明者】

【氏名】奥田 和治

【テーマコード（参考）】

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G060AA02

2G060AB03

2G060AB17

2G060AB18

2G060AE19

2G060AF07

2G060BA03

2G060BB02

2G060BD02

2G060HB06

2G060HC02

2G060HC06

2G060JA01

2G060KA01

(57)【要約】

【課題】ＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサの即時応答性を向上させる。
【解決手段】電源部（Ｅ）より電圧が印加され、パルス駆動することで可燃性ガスを検知するＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサ（１）であって、第１固定抵抗（Ｒ１）と検知素子（２）とが直列に接続される第１回路部（１０）と、第２固定抵抗（Ｒ２）と温度補償素子（３）とが直列に接続される第２回路部（２０）と、を含み、第１回路部と第２回路部とは、電源部（Ｅ）に対して並列に接続される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源部より電圧が印加され、パルス駆動することで可燃性ガスを検知するＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサであって、
第１固定抵抗と、前記可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子とが直列に接続される第１回路部と、
第２固定抵抗と、環境温度に応じて抵抗値が変化する温度補償素子とが直列に接続される第２回路部と、を含み、
前記第１回路部と前記第２回路部とは、前記電源部に対して並列に接続される、接触燃焼式ガスセンサ。

【請求項2】

２００ミリ秒以下のパルス幅でパルス駆動する、請求項１に記載の接触燃焼式ガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、可燃性ガスを検知するガスセンサとして、例えば特許文献１に開示された接触燃焼式ガスセンサが知られている。この種の接触燃焼式ガスセンサは、可燃性ガスと反応する貴金属触媒を含む検知素子と、該貴金属触媒を含まない温度補償素子とを備え、材料が異なるこれらの素子を直列に接続してブリッジ回路に組み込んだ構成を有する。

【0003】

また近年、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。電池の電力消費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ことが望ましい。そこで、微細加工が可能なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用すれば、微小な部材加工が可能となり、小型化により消費電力が低い接触燃焼式ガスセンサを製造することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７－１９８８１６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、接触燃焼式ガスセンサでは、電圧印加時に、貴金属触媒を含む検知素子が貴金属触媒を含まない温度補償素子よりも先に温度が上昇する。このため、検知素子と温度補償素子との間で温度（抵抗値）のばらつきが生じる。

【0006】

しかしながら、従来のように検知素子と温度補償素子とが直列に接続された回路構成では、前記温度のばらつきが素子間で互いに影響し合い、電圧印加からセンサ出力が安定するまでの時間（起動安定時間）がある程度必要であった。このため、従来の接触燃焼式ガスセンサでは、より即時応答性が求められる際には適用が難しいことがあった。特に、ＭＥＭＳ技術により小型化されたＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサの場合、起動安定時間の長期化による即時応答性の低下が顕著となる。そこで、起動安定時間を短縮し、ＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサの即時応答性をより向上させる技術の開発が望まれていた。

【0007】

本発明の一態様は、前記課題に鑑みてなされたものであって、即時応答性を向上させたＭＥＭＳ型の接触燃焼式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】

【0008】

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る接触燃焼式ガスセンサは、電源部より電圧が印加され、パルス駆動することで可燃性ガスを検知するＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサであって、第１固定抵抗と、前記可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子とが直列に接続される第１回路部と、第２固定抵抗と、環境温度に応じて抵抗値が変化する温度補償素子とが直列に接続される第２回路部と、を含み、前記第１回路部と前記第２回路部とは、前記電源部に対して並列に接続される。

【0009】

前記構成では、検知素子と温度補償素子とが並列に接続されるため、検知素子と温度補償素子とが直列に接続された従来の回路構成に比べて、電圧印加時における検知素子と温度補償素子との温度（抵抗値）のばらつきが素子間で影響し難くなっている。また、第１固定抵抗と検知素子とが直列に接続され、第２固定抵抗と温度補償素子とが直列に接続されているため、電圧印加時における各素子への突入電流が減少する。これらにより、電圧印加からセンサ出力が安定するまでの時間（起動安定時間）を短縮することができる。

【0010】

さらに、電圧印加からセンサ出力が安定するまでの時間が短縮されることにより、ガスセンサをパルス駆動させるために必要なパルス幅を短くすることができる。これにより、ガスセンサの消費電力を低下させることができる。

【0011】

従って、前記構成によれば、即時応答性を向上させると共に消費電力が低いＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサを実現することができる。

【0012】

また、本発明の一態様に係る接触燃焼式ガスセンサは、２００ミリ秒以下のパルス幅でパルス駆動させることが望ましい。

【0013】

前記構成によれば、従来よりも短いパルス幅で接触燃焼式ガスセンサをパルス駆動させるため、接触燃焼式ガスセンサの消費電力を低下させることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明の一態様によれば、即時応答性を向上させたＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態に係るガスセンサの構成例を示す回路図である。

【図2】図１に示されるセンサ素子部の平面図である。

【図3】図２に示されるセンサ素子部のＡ－Ａ断面矢視図である。

【図4】図２に示されるセンサ素子部からガス感応部および補償部を取り除いた構成例を示す平面図である。

【図5】図１に示されるガスセンサの変形例を示す回路図である。

【図6】第１実施例で用いた比較例であるガスセンサの構成を示す回路図である。

【図7】図６に示す比較例における第４電圧計の出力値を示すグラフである。

【図8】表２に示す実施例１が備える第１電圧計の出力値の割合（％）を示すグラフである。

【図9】表２に示す実施例１が備える第２電圧計の出力値の割合（％）を示すグラフである。

【図10】表２に示す実施例１～４におけるメンブレン径と起動安定時間との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の一実施形態について、図１～図４に基づいて説明する。ただし、以下の説明は本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの一例であり、本発明の技術的範囲は図示例に限定されるものではない。

【0017】

＜ガスセンサ１の概要＞
図１は、本実施形態に係るガスセンサ１の構成例を示す回路図である。ガスセンサ１は、被検知ガスである可燃性ガスを検知する接触燃焼式ガスセンサであり、ＭＥＭＳ技術を利用して形成された小型のガスセンサである。

【0018】

図１に示すように、ガスセンサ１は、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子２と、環境温度に応じて抵抗値が変化する温度補償素子３とが、電源部Ｅに対して並列に接続された回路構成を有する。検知素子２と温度補償素子３とを並列に接続することにより、検知素子２と温度補償素子３とを直列に接続した従来の回路構成に比べて、電圧印加時における検知素子２と温度補償素子３との温度のばらつきが各素子間で影響し難くなる。従って、電圧を印加してからセンサ出力が安定するまでの起動安定時間を短縮し、ガスセンサ１の即時応答性を向上させることができる。

【0019】

＜ガスセンサ１の回路構成＞
ガスセンサ１は、ガスセンサ１の駆動に必要な電力を供給する電源部Ｅに接続される。ガスセンサ１は、電源部Ｅより電圧が印加され、パルス駆動することで可燃性ガスを検知する。電源部Ｅは、例えば電池または商用電源等の電源を含み、これらの電源より印加された電圧は、例えばパルス変換器（図示省略）によってパルス電圧に変換され、第１回路部１０および第２回路部２０に印加される。なお、前記パルス変換器は、ガスセンサ１側に備えられていてもよく、または電源部Ｅ側に備えられていてもよい。

【0020】

図１に示すように、ガスセンサ１は、第１固定抵抗Ｒ１と検知素子２とが直列に接続された第１回路部１０と、第２固定抵抗Ｒ２と温度補償素子３とが直列に接続された第２回路部２０とを含む。検知素子２には、該検知素子２の電圧を計測する第１電圧計Ｖ１が並列に接続される。また、温度補償素子３には、該温度補償素子３の電圧を計測する第２電圧計Ｖ２が並列に接続される。第１回路部１０と第２回路部２０とは、電源部Ｅに対し並列に接続される。ガスセンサ１は、可燃性ガスが燃焼し易い所定温度（例えば、３００℃以上７００℃以下）に検知素子２が維持されるようにパルス駆動する。

【0021】

（検知素子２）
検知素子２は、可燃性ガスの燃焼熱により抵抗値が変化することに基づいて可燃性ガスを検出する接触燃焼式の素子である。本実施形態における可燃性ガスとしては、例えば、水素、メタン、イソブタン、エタン、プロパン等が挙げられる。検知素子２は、可燃性ガスと反応する貴金属触媒を含む。検知素子２は、可燃性ガスが存在すると燃焼反応により温度が上昇し、温度の上昇に応じて抵抗が増加する。

【0022】

（温度補償素子３）
温度補償素子３は、可燃性ガスと反応する貴金属触媒を含んでおらず、ガスセンサ１が設置される環境温度等に応じて抵抗値が変化する。温度補償素子３は、検知素子２の抵抗値の変化を補償（補正）するために用いられる。つまり、検知素子２の抵抗値は、可燃性ガスとの燃焼反応以外の要因、例えば環境温度等によっても変化する。このような燃焼反応以外の要因に起因する検知素子２の抵抗値の変化を補償するために温度補償素子３が用いられる。

【0023】

ガスセンサ１では、検知素子２と温度補償素子３とは、同じ抵抗値に設定することが好ましい。また、検知素子２と第１固定抵抗Ｒ１とは同じ抵抗値に設定され、温度補償素子３と第２固定抵抗Ｒ２とは同じ抵抗値に設定されることが好ましい。つまり、検知素子２、温度補償素子３、第１固定抵抗Ｒ１および第２固定抵抗Ｒ２の各々の抵抗値（動作抵抗値）が等しいことが好ましい。これにより、検知素子２の抵抗値の変化を補正処理、可燃ガスの検出処理等を簡素化することができる。また、ガスセンサ１の計測精度および計測範囲を最大化することができる。

【0024】

ただし、検知素子２、温度補償素子３、第１固定抵抗Ｒ１および第２固定抵抗Ｒ２の抵抗値がそれぞれ異なっていても構わない。この場合であっても、制御部（図示省略）によってデータ処理を行うことで、可燃性ガスの検出が可能である。

【0025】

なお、検知素子２と温度補償素子３とは、ＭＥＭＳ技術を利用して形成されたセンサ素子部６０に含まれる。センサ素子部６０の具体的構成については後述する。

【0026】

（第１固定抵抗Ｒ１・第２固定抵抗Ｒ２）
第１固定抵抗Ｒ１および第２固定抵抗Ｒ２は、例えば表面実装タイプの小型固定抵抗器が用いられる。ガスセンサ１では、第１回路部１０において電源部Ｅの陽極側に第１固定抵抗Ｒ１が配置されるように、第１固定抵抗Ｒ１と検知素子２とが直列に接続される。また、第２回路部２０において電源部Ｅの陽極側に第２固定抵抗Ｒ２が配置されるように、第２固定抵抗Ｒ２と温度補償素子３とが直列に接続される。ただし、第１回路部１０における第１固定抵抗Ｒ１と検知素子２との接続の順番、並びに、第２回路部２０における第２固定抵抗Ｒ２と温度補償素子３との接続の順番は特に限定されない。例えば、第１回路部１０において電源部Ｅの陽極側に検知素子２が配置されてもよく、第２回路部２０において電源部Ｅの陽極側に温度補償素子３が配置されていてもよい。

【0027】

このように、ガスセンサ１では、第１回路部１０において第１固定抵抗Ｒ１と検知素子２とが直列に接続され、第２回路部２０において第２固定抵抗Ｒ２と温度補償素子３とが直列に接続されている。このため、電圧印加時における各素子２・３への突入電流が減少するため、電圧印加からセンサ出力が安定するまでの起動安定時間をより短縮することができる。

【0028】

（第１電圧計Ｖ１・第２電圧計Ｖ２）
第１電圧計Ｖ１および第２電圧計Ｖ２は、検知素子２および温度補償素子３の電圧値を測定する計測器である。第１電圧計Ｖ１は、検知素子２と並列に接続され、検知素子２の電圧値を計測する。第２電圧計Ｖ２は、温度補償素子３と並列に接続され、温度補償素子３の電圧値を計測する。第１電圧計Ｖ１および第２電圧計Ｖ２の各々は、計測した電圧値に応じた出力信号を制御部（図示省略）へ出力する。制御部は、例えば第１電圧計Ｖ１および第２電圧計Ｖ２から出力された各電圧値（出力値）の差分等に基づいて、可燃性ガスの有無を判定する。

【0029】

＜センサ素子部６０の構成＞
次に、ガスセンサ１が備えるセンサ素子部６０の構成について説明する。センサ素子部６０には、上述した検知素子２および温度補償素子３等がＭＥＭＳ技術を利用して形成されたセンサユニットである。

【0030】

図２は、図１に示されるセンサ素子部６０の平面図である。図３は、図２に示されるセンサ素子部６０のＡ－Ａ断面矢視図である。図４は、図２に示されるセンサ素子部６０からガス感応部４１および補償部４３を取り除いた構成例を示す平面図である。

【0031】

図２～図４に示すように、センサ素子部６０は、シリコン（Ｓｉ）基板３１と、このシリコン基板３１上に形成された絶縁膜（絶縁層）Ｆと、を含む。検知素子２および温度補償素子３は、絶縁膜Ｆ上に互いに離間して形成される。

【0032】

シリコン基板３１は、検知素子２および温度補償素子３等を支持するための基板である。シリコン基板３１には、検知素子２および温度補償素子３のそれぞれに対応する位置に凹部状に窪んだ一対の空間Ｓが設けられる。

【0033】

絶縁膜Ｆは、薄膜状の１つの絶縁性部材を所定のパターン形状で加工した部材である。絶縁膜Ｆは、シリコン基板３１上に取り付けられる。この絶縁膜Ｆは、ガス感応部４１および貴金属線材４２を設けるための上面円形状の被支持基板部３２と、一端が被支持基板部３２に連結される複数（本実施形態では４本）の架橋部３３と、該架橋部３３の他端が連結される支持基板部３４と、を含む。

【0034】

２つの被支持基板部３２は、シリコン基板３１の空間Ｓの上方に各々が配置され、複数の架橋部３３によって吊橋状に保持される。これにより、検知素子２および温度補償素子３の各々は、空間Ｓの上方に位置した状態、すなわちシリコン基板３１に中空状態で支持される。なお、被支持基板部３２の上面視の形状は、円形に限られず、矩形または楕円形等の形状でもよい。

【0035】

検知素子２は、ガス感応部４１と、当該ガス感応部４１を加熱する貴金属線材４２とを含む。ガス感応部４１は、貴金属線材４２を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とする焼結体である。ガス感応部４１は、触媒担体に貴金属触媒を担持して構成される。貴金属触媒としては、例えば、白金、パラジウム等が挙げられる。また、触媒担体としては、例えば、アルミナ、シリカアルミナ等が挙げられる。

【0036】

貴金属線材４２は、貴金属線が平面螺旋（平面コイル）状に形成されたヒーター（加熱部）である（図４参照）。貴金属線材４２を形成する貴金属としては、例えばＰｔ（白金）等が挙げられる。貴金属線材４２は、電源部Ｅから印加される電圧に応じてガス感応部４１を所定温度に加熱するヒータ部としての機能を有する。また、貴金属線材４２は、ガス感応部４１と可燃性ガスとの燃焼反応による温度上昇に応じて抵抗値が変化する。この貴金属線材４２の抵抗値の変化が、第１電圧計Ｖ１によって計測され、可燃性ガスの有無の判定に用いられる。

【0037】

本実施形態では、平面螺旋状の貴金属線材４２のうち最も外側に配置される部分（線材）は、円形の被支持基板部３２の外周部分に沿って配置される（図４参照）。例えば、円形の被支持基板部３２の直径（以下、メンブレン径と称する場合がある）Ｄと平面螺旋状の貴金属線材４２の直径とは概ね一致してもよい。ただし、検知素子２は、貴金属線材４２によって被支持基板部３２全体を均一な温度に効率的に上昇させることができるような設計であればよい。そのため、メンブレン径Ｄが貴金属線材４の直径と一致しておらず、メンブレン径Ｄに比べて貴金属線材４２の直径が小さく設計されていても構わない。

【0038】

被支持基板部３２、貴金属線材４２、およびガス感応部４１は、シリコン基板３１側からこの順に積層され、積層体を構成している。この積層体のうち、ガス感応部４１を除いた各部はＭＥＭＳ技術を利用して作製されている。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。当該積層体は、ＭＥＭＳ技術を利用して公知の方法により形成できる。なお、被支持基板部３２と貴金属線材４２とが面一になるように、貴金属線材４２が被支持基板部３２に埋め込まれていてもよい。

【0039】

下記表１に、被支持基板部３２のメンブレン径Ｄ、並びにメンブレン径Ｄに応じた貴金属線材(Ｐｔ線)４２の幅および検知素子２の室温抵抗値の数値例を示す。

【0040】

【表1】

被支持基板部３２が円形である場合、表１に示すように、被支持基板部３２のメンブレン径Ｄは例えば１０２μｍ以上１５８μｍ以下程度に設定される。また、この被支持基板部３２上に形成される貴金属線材（Ｐｔ線）４２の幅は、メンブレン径Ｄに応じて例えば４μｍ以上１０μｍ以下程度に設定される。つまり、メンブレン径Ｄが小さくなるに応じて形成される貴金属線材４２の幅も小さくなり、それに伴い検知素子２の室温抵抗値が大きくなる。

【0041】

具体的には、メンブレン径Ｄが１５８μｍの被支持基板部３２には幅が１０μｍの貴金属線材４２が形成され、この場合の検知素子２の室温抵抗値は５７Ω程度となる。また、メンブレン径Ｄが１０２μｍの被支持基板部３２には幅が４μｍの貴金属線材４２が形成され、この場合の検知素子２の室温抵抗値は８９Ω程度となる。

【0042】

温度補償素子３は、検知素子２と略同じ構成であり、検知素子２のガス感応部４１において貴金属触媒を含まない構成となる補償部４３を有している。すなわち、補償部４３は、検知素子２で用いられるものと同じ触媒担体のみで構成されている。

【0043】

貴金属線材４２は、架橋部３３上に形成される薄膜配線５１を介して支持基板部３４上に配置されたパッド５２、５３、５４に接続される。これらのパッド５２、５３、５４には、リード（図示せず）がワイヤボンディングされることにより、ガスセンサ１に搭載される。

【0044】

＜ガスセンサ１の動作＞
次に、ガスセンサ１の動作について説明する。ガスセンサ１の電源がＯＮされると、検知素子２および温度補償素子３には一定のパルス周期で間欠的に電圧が印加され、可燃性ガスが燃焼し易い所定温度まで各素子２・３の温度が上昇する。ガスセンサ１は、例えば、５秒以上１５秒以下のパルス周期、２００ミリ秒以下のパルス幅のパルス電圧でパルス駆動する。

【0045】

ここで、ガスセンサ１では検知素子２と温度補償素子３とが並列に接続されるため、電圧印加時における検知素子２と温度補償素子３との温度（抵抗値）のばらつきが素子間で影響し難くなっている。また、ガスセンサ１では、第１固定抵抗Ｒ１と検知素子２とが直列に接続され、第２固定抵抗Ｒ２と温度補償素子３とが直列に接続されているため、電圧印加時における各素子への突入電流が減少する。従って、検知素子２と温度補償素子３とが直列に接続された従来の回路構成に比べて、素子間における温度のばらつきが収束し易く、電圧印加からセンサ出力が安定するまでの時間である起動安定時間を短縮することができる。さらに、起動安定時間が短縮されることにより、ガスセンサ１をパルス駆動させるために必要なパルス幅を短くすることができる。これにより、ガスセンサ１の消費電力を低下させることができる。

【0046】

ガスセンサ１の周囲に可燃性ガスが存在しない場合、検知素子２の抵抗値と温度補償素子３の抵抗値とは同値であり差が生じない。このため、第１電圧計Ｖ１によって計測された検知素子２の電圧値と、第２電圧計Ｖ２によって計測された温度補償素子３の電圧値との差分は、可燃性ガスが存在しないことを示す０またはこれに近い値となる。

【0047】

一方、ガスセンサ１の周囲に可燃性ガスが存在する場合、可燃性ガスが検知素子２のガス感応部４１と接触する。これにより、貴金属触媒上で可燃性ガスと空気中の酸素とが反応（燃焼反応）し、燃焼熱（反応熱）が生じる。この燃焼熱は可燃性ガスの濃度に比例し、濃度に応じて検知素子２の貴金属線材４２の温度が上昇し、これに伴って検知素子２の抵抗値が変化する。これに対し、温度補償素子３は、可燃性ガスと反応せず、環境温度に応じて抵抗値が変化する。これらの検知素子２および温度補償素子３は、電気特性が等しく、互いの温度が影響しない程度に離間して設けられる。このため、可燃性ガスの濃度に応じて検知素子２の温度が上昇した分だけ、検知素子２の抵抗値と温度補償素子３の抵抗値との間に差が生じる。

【0048】

ガスセンサ１は、この燃焼熱に起因する抵抗値の差を、第１電圧計Ｖ１によって計測された検知素子２の電圧値と、第２電圧計Ｖ２によって計測された温度補償素子３の電圧値との差分に基づいて検知する。例えば、ガスセンサ１の制御部は、検知素子２と温度補償素子３の電圧値の差分が所定閾値以上である場合、可燃性ガスが存在すると判定する。そして、可燃性ガスが存在することを、警報音または警告灯等によって周囲に警報する警報動作を実行したり、ガス濃度に換算した値を表示したりする。

【0049】

＜ガスセンサ１のまとめ＞
以上のように、本実施形態に係るガスセンサ１は、電源部Ｅより電圧が印加され、パルス駆動することで可燃性ガスを検知するＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサである。ガスセンサ１は、第１固定抵抗Ｒ１と、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子２とが直列に接続される第１回路部１０と、第２固定抵抗Ｒ２と、環境温度に応じて抵抗値が変化する温度補償素子３とが直列に接続される第２回路部２０とを含み、第１回路部１０と第２回路部２０とは、電源部Ｅに対して並列に接続される。

【0050】

ガスセンサ１では、検知素子２と温度補償素子３とが並列に接続されるため、検知素子２と温度補償素子３とが直列に接続された従来の回路構成に比べて、電圧印加時における検知素子２と温度補償素子３との温度（抵抗値）のばらつきが素子間で影響し難くなっている。また、第１固定抵抗Ｒ１と検知素子２とが直列に接続され、第２固定抵抗Ｒ２と温度補償素子３とが直列に接続されているため、電圧印加時における各素子２・３への突入電流が減少する。これらにより、電圧印加からセンサ出力が安定するまでの時間（起動安定時間）を短縮することができ、特に、ＭＥＭＳ技術により小型化されたＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサの即時応答性を向上させることができる。

【0051】

さらに、電圧印加からセンサ出力が安定するまでの時間が短縮されることにより、ガスセンサ１をパルス駆動させるために必要なパルス幅を短くすることができる。これにより、ガスセンサ１の消費電力を低下させることができる。

【0052】

従って、本実施形態によれば、即時応答性を向上させると共に消費電力が低いＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサを実現することができる。

【0053】

＜変形例＞
図５は、本実施係形態に係るガスセンサ１の変形例であるガスセンサ１ａを示す回路図である。図５に示すように、ガスセンサ１ａは、第１電圧計Ｖ１および第２電圧計Ｖ２に代えて第３電圧計Ｖ３を備え、ブリッジ回路を構成している点においてガスセンサ１と異なっている。

【0054】

図５に示されるように、ガスセンサ１ａでは、第１回路部１０と第２回路部２０とは電源部Ｅに対して並列に接続され、第１固定抵抗Ｒ１と検知素子２との接続点Ｐ１と、第２固定抵抗Ｒ２と温度補償素子３との接続点Ｐ２との間に第３電圧計Ｖ３が接続される。可燃性ガスが存在しない場合、ブリッジ回路が平衡状態となり、第３電圧計Ｖ３の出力は０となる。対して、可燃性ガスが存在する場合、ブリッジ回路の平衡状態が崩れ、第３電圧計Ｖ３はガスの濃度に比例した出力信号を制御部へ出力する。

【0055】

ガスセンサ１ａにおいても、検知素子２と温度補償素子３とが並列に接続されるため、即時応答性を向上させると共に消費電力が低いＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサを実現することができる。

【実施例0056】

＜実施例および比較例の構成＞
本実施例では、本発明に係る回路構成を備えるガスセンサ(実施例)と、検知素子と温度補償素子とが直列に接続された従来の回路構成を備えるガスセンサ(比較例)とを作製した。

【0057】

（実施例の構成）
表２に、本実施例で用いた本発明の実施例１～４の構成および駆動条件を示す。

【0058】

【表2】

表２に示すように、本発明の実施例１～４として、検知素子２および温度補償素子３のメンブレン径Ｄが異なる４つのガスセンサを作製した。各実施例１～４は、図１に示す回路構成とした。

【0059】

表２において、「メンブレン径φ」は、検知素子２および温度補償素子３の各々の被支持基板部３２の直径を示す。また、「素子温度」は可燃性ガスが燃焼し易い所定温度を示し、検知素子２および温度補償素子３の表面温度が５５０℃になるように設定した。また「動作抵抗値」は所定温度（５５０℃）における検知素子２および温度補償素子３の抵抗値を示し、「固定抵抗値」は所定温度（５５０℃）における第１固定抵抗Ｒ１および第２固定抵抗Ｒ２の各々の抵抗値を示す。また「印加電圧」は電源部Ｅから印加される電圧値を示し、「第１電圧計出力」および「第２電圧計出力」は可燃性ガスが存在しない場合の第１電圧計Ｖ１および第２電圧計Ｖ２の出力値（電圧値）を示す。

【0060】

なお、検知素子２のガス感応部４１には、アルミナ中に２０質量％の割合でパラジウムを混合した。また、温度補償素子３の補償部４３には、アルミナ中に２０質量％の割合で二酸化ケイ素を混合した。

【0061】

（比較例の構成）
図６は、本実施例で用いた比較例であるガスセンサ１００の構成を示す回路図である。図６に示すように、比較例として、直列に接続された検知素子２および温度補償素子３と、直列に接続された第３固定抵抗Ｒ３および第４固定抵抗Ｒ４とが、電源部Ｅに対して並列に接続されたブリッジ回路を有するガスセンサ１００を作製した。比較例では、検知素子２と温度補償素子３の接続点Ｐ３と、第３固定抵抗Ｒ３と第４固定抵抗Ｒ４との接続点Ｐ４との間に第４電圧計Ｖ４を接続した。

【0062】

なお、比較例では、実施例１と同様に、表２に示す検知素子２および温度補償素子３を用いた。また、比較例では、第３固定抵抗Ｒ３および第４固定抵抗Ｒ４の抵抗値を５１０Ωに設定した。第３固定抵抗Ｒ３および第４固定抵抗Ｒ４の抵抗値を検知素子２および温度補償素子３の動作抵抗値（１５０Ω）より大きい５１０Ωの値に設定したのは、検知素子と温度補償素子３とが直列に接続されたブリッジ回路において、第４電圧計Ｖ４の計測に支障がない範囲内で第３固定抵抗Ｒ３および第４固定抵抗Ｒ４に流れる電流を小さくし、消費電流を抑えるためである。

【0063】

＜第１実施例＞
第１実施例では、表２に示す実施例１と前記比較例とについて、即時応答性および消費電力を検証した。

【0064】

（起動安定時間の検証）
図７は、図６に示す比較例における第４電圧計Ｖ４の出力値（ブリッジ出力）を示すグラフである。図７の７００１は空気中に可燃性ガスが存在しない場合、図７の７００２は空気中にメタンが５０％ＬＥＬ（若しくは２．５ｖｏｌ％）存在する場合、図７の７００３は空気中にイソブタンが５０％ＬＥＬ（若しくは０，９ｖｏｌ％）存在する場合のグラフである。図７の７００４は空気中に水素が２５％ＬＥＬ（若しくは１．０ｖｏｌ％）存在する場合における第４電圧計Ｖ４の出力値を示す。なお、図７の７００１～７００４は、５.０Ｖの電圧を印加し、素子温度が所定温度（５５０℃）における第４電圧計Ｖ４の出力値をガスごとに３個の異なるガスセンサ１００で計測した結果を示す。

【0065】

図７に示すように、比較例では、可燃性ガスの有無および可燃性ガスの種類に関わらず、電圧印加から検知素子２と温度補償素子３の温度のばらつきが収束し、センサ出力が安定するまでに２００ミリ秒程度を要した。これは、検知素子２と温度補償素子３とが直列に接続された比較例の回路では、各素子の温度のばらつきが素子間で互いに影響し合い、電圧印加からセンサ出力が安定するまでの時間がある程度必要であったためであると考えられる。

【0066】

図８は、表２に示す実施例１が備える第１電圧計Ｖ１の出力値の割合（％）を示すグラフである。図９は、表２に示す実施例１が備える第２電圧計Ｖ２の出力値の割合（％）を示すグラフである。図８および図９は、５.０Ｖの電圧印加後４００ミリ秒経過時点における第１電圧計Ｖ１または第２電圧計Ｖ２の出力値を１００％とした場合の電圧値の割合（％）を縦軸に、横軸に時間をとっている。図８の８００１および図９の９００１は空気中に可燃性ガスが存在しない場合、図８の８００２および図９の９００２は空気中にメタンが５０％ＬＥＬ存在する場合、図８の８００３および図９の９００３は空気中にイソブタンが５０％ＬＥＬ存在する場合、図８の８００４および図９の９００４は空気中に水素が２５％ＬＥＬ存在する場合のグラフである。

【0067】

なお、図８は、第１電圧計Ｖ１の出力値をガスの種類ごとに６個の異なるガスセンサ１で計測した結果を示す。また、図９は、第２電圧計Ｖ２の出力値をガスの種類ごとに４個の異なるガスセンサ１で計測した結果を示す。

【0068】

図８および図９に示すように、実施例１は、可燃性ガスの有無および可燃性ガスの種類に関わらず、電圧印加から検知素子２と温度補償素子３の温度のばらつきが収束し、センサ出力が安定するまでの時間が１００ミリ秒以下であった。これは、検知素子２と温度補償素子３とが並列に接続された比較例１の回路では、電圧印加時における検知素子２と温度補償素子３との温度（抵抗値）のばらつきが素子間で影響し難いためであると考えられる。また、第１固定抵抗Ｒ１と検知素子２とが直列に接続され、第２固定抵抗Ｒ２と温度補償素子３とが直列に接続されているため、電圧印加時における各素子２・３への突入電流が減少したたことも一因であると考えられる。

【0069】

（消費電力の検証）
次に、表２に示す実施例１と前記比較例とについて、消費電力の違いを検証した。表３は、実施例１および比較例の駆動条件および消費電力等を示す表である。

【0070】

【表3】

前記第１実施例で検証したように、比較例では、センサ出力が安定する起動安定時間に２００ミリ秒程度必要であった。このため、比較例のパルス駆動には２００ミリ秒程度のパルス幅で電圧を供給する必要性がある。従って、例えば７秒のパルス周期、２００ミリ秒のパルス幅で比較例を駆動したとき、消費電力は約３．１７ｍＷとなる。対して、実施例１では、センサ出力が安定する起動安定時間が１００ミリ秒以下に短縮することができた。このため、例えばパルス周期７秒、１００ミリ秒のパルス幅で実施例１を駆動することが可能とであり、このときの消費電力は約２．３８ｍＷとなった。

【0071】

このように、本発明の実施例１によれば、検知素子２と温度補償素子３とが直列に接続された回路構成に比べて即時応答性が向上し、これによりＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサの消費電力を低くすることができる。

【0072】

＜第２実施例＞
次に、第２実施例では、表２に示す実施例１～４を用いて、メンブレン径Ｄと起動安定時間との関係性に関して検証した。図１０は、表２に示す実施例１～４におけるメンブレン径Ｄと起動安定時間との関係を示すグラフである。なお、図１０は、５個の異なるガスセンサ１で計測した起動安定時間の平均値をプロットしたものである。また、図１０では、メンブレン径Ｄごとに、エラーバーにて計測結果の最大・最小値を示した。

【0073】

図１０に示すように、メンブレン径Ｄが小さくなるほど起動安定時間が短くなった。例えば、メンブレン径Ｄが最も大きい１５８μｍである実施例１の場合、センサ出力の起動安定時間は約６０ミリ秒程度であった。また、メンブレン径Ｄが１４２μｍである実施例２の場合、センサ出力の起動安定時間は約５０ミリ秒程度であった。また、メンブレン径Ｄが１２４μｍである実施例３の場合、センサ出力の起動安定時間は約４０ミリ秒であった。さらに、メンブレン径Ｄが最も小さい１０２μｍである実施例４の場合、センサ出力の起動安定時間は約３０ミリ秒であった。

【0074】

このように、メンブレン径Ｄを小さくすることによってセンサ出力の起動安定時間を短縮することができ、これによりＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサの消費電力を低減させることができる。

【0075】

メンブレン径Ｄは、実施例１～４に限定されない。特に、メンブレン径Ｄを実施例４（メンブレン径Ｄが１０２μｍ）よりも小さくした場合、起動安定時間をさらに短くできる可能性もあり、起動安定時間を約３０ミリ秒未満に短縮し得る。

【0076】

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0077】

１ ガスセンサ
２ 検知素子
３ 温度補償素子
１０ 第１回路部
２０ 第２回路部
Ｅ 電源部
Ｒ１ 第１固定抵抗
Ｒ２ 第２固定抵抗

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】