JPH1172455A

JPH1172455A - 方向決めに対して影響を受けないガスセンサ

Info

Publication number: JPH1172455A
Application number: JP10163293A
Authority: JP
Inventors: Robert L Newman; ロバート・エル・ニューマン; Patrick B Blakesley; パトリック・ビー・ブレイクスリー
Original assignee: CTS Corp
Current assignee: CTS Corp
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 1999-03-16
Also published as: US5880354A; EP0908720A1; CA2238898A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】空気流中にセンサを慎重に配置する必要性を
なくし、信号をゆがめる問題が生じる可能性をなくすよ
うにする。【解決手段】ガス流内に配置可能なガスセンサ１０で
ある。ガスセンサは、１）ガス流２７に直交する軸線１
１を有するベース１２と、２）ベースに設けられたセン
サエレメント２０と、３）センサエレメントの近くでベ
ースに設けられ、ガス流との接触により発熱反応を引き
起こし、それによって、加熱されたガス流部２９を形成
する触媒付きセンサエレメント２１と、４）ベースが軸
線を中心として回転したとき、加熱されたガス流部がセ
ンサエレメントと接触しないように、触媒付きセンサエ
レメントとセンサエレメントとがベースに位置決めされ
る。ベースは、軸線１１に対して直交し触媒付きセンサ
エレメントからセンサエレメントを分ける第２の軸線１
３を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、ガスセンサに関
し、具体的には、最も近い触媒付きセンサエレメントに
よって発生された過度の熱に基準センサエレメントをさ
らすことなしに、軸線を中心として回転できるセンサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】この出願は、以下の出願に関係してい
る。

【０００３】１）「露出される多数の能動素子を備えた
ガスセンサ（ＡＧＡＳＳＥＮＳＯＲＷＩＴＨＭ
ＵＬＴＩＰＬＥＥＸＰＯＳＥＤＡＣＴＩＶＥＥＬ
ＥＭＥＮＴＳ）」とタイトルが付けられた米国で同時係
属中の米国特許出願番号０８／８７２８１７（１９９７
年６月１１日出願、アトニードケットナンバーＣＴＳ−
１５０８）２）「多数レベルの不感受性回路構成を備えたガスセン
サ（ＡＧＡＳＳＥＮＳＯＲＷＩＴＨＭＵＬＴＩ
−ＬＥＶＥＬＩＮＳＥＮＳＩＴＩＶＩＴＹＣＩＲＣ
ＵＩＴＲＹ）」とタイトルが付けられた米国で同時係属
中の米国特許出願０８／８７２９８７（１９９７年６月
１１日出願、アトニードケットナンバーＣＴＳ−１５１
８）３）「燃料システム用の低電流加減抵抗器（ＦＵＥＬ
ＳＹＳＴＥＭＬＯＷＣＵＲＲＥＮＴＲＨＥＯＳＴＡ
Ｔ）」とタイトルが付けられた米国で同時係属中の米国
特許出願番号６０／０１７，１１２（１９９６年５月９
日出願、アトニードケットナンバーＣＴＳ−１４９１）上記出願は、本願出願に示された譲受人に譲渡されてお
り、上記出願を参照することによって、上記出願の全体
が本願に組み込まれている。

【０００４】車両エンジンで見られるような可燃性ガス
の存在を検出するために使用される可燃性ガス検出器用
の種々の装置が、周知となっている。典型的な回路は、
触媒コーティングを有するワイヤとすることができる少
なくとも１つの感知エレメントを含めるように形成され
ている。前記感知エレメントは、ホイートストンブリッ
ジ回路の４つの肢部の１つとして使用されている。他の
３つの肢部は、２つの抵抗器と１つの補償エレメントと
からなっている。前記補償エレメントは、触媒コーティ
ングを帯びていないということを除いて、前記感知エレ
メントに等しくなっている。

【０００５】電流または電圧が、前記ホイートストンブ
リッジ回路に加えられると、前記感知エレメントに付着
された前記触媒コーティングの表面が加熱される。前記
ホイートストンブリッジ回路の他の３つの肢部の抵抗値
が既知であることから、電流または電圧が前記ホイート
ストンブリッジ回路を通ったとき、前記感知エレメント
の抵抗を決定することができる。

【０００６】前記感知エレメントが、炭化水素のような
可燃性ガスにさらされたとき、前記触媒コーティングは
燃焼し始め、それによって、前記感知エレメントの温度
が高くなる。前記感知エレメントの温度が上昇したと
き、前記感知エレメントの抵抗が増える。したがって、
前記感知エレメントを通る電流が減少する。前記補償エ
レメントの抵抗レベルに対する前記感知エレメントの抵
抗レベルを比較することによって、可燃性ガスの存在を
検出できる。ガスの量は、前記感知エレメントの抵抗を
ほぼ線形的に増加あるいは減少させることから、ガスの
量は、抵抗の変化を測定することによって正確に決定す
ることができる。これは、触媒付きの（または、触媒性
の）可燃性ガスセンサの基本的な作動原理である。な
お、前記感知エレメントは、所定の高温にしなければな
らないことが多く、これによって、指定されたガスで触
媒反応を適切に引き起こすことができる。

【０００７】本願発明に関係する特許の例は、以下の通
りである。各特許は、それらの支持技術を参照すること
によって本願明細書に組み込まれている。

【０００８】米国法定発明登録ｎｏ．Ｈ４５４は、化学
薬剤漏れ検出器と、当該化学薬剤漏れ検出器を使用する
方法に関するものである。

【０００９】米国特許第５，４００，６４４３号は、半
導体酸化物に基づいた、ガス状の炭化水素測定用のガス
センサに関するものである。

【００１０】米国特許第５，３８８，４４３号は、気圧
センサと、その気圧センサを製造するための方法に関す
るものである。

【００１１】米国特許第５，３６５，２１６号は、ＥＧ
Ｏセンサを使用する触媒監視装置に関するものである。

【００１２】米国特許第５，３６３，０９１号は、ＥＧ
Ｏセンサを使用する触媒監視装置に関するものである。

【００１３】米国特許第５，２１１，０５３号は、キャ
リアプレート（ばね親板または親板）から熱的に分離で
きるように改良された熱ガスセンサ装置に関するもので
ある。

【００１４】米国特許第５，０１２，６７１号は、ガス
検出装置に関するものである。

【００１５】米国特許第４，９９１，４２４号は、一体
型の加熱可能なセンサに関するものである。

【００１６】米国特許第４，９８４，４４６号は、ガス
検出装置と、前記ガス検出装置を使用するガス検出シス
テムに関するものである。

【００１７】米国特許第４，９２８，５１３号は、セン
サに関するものである。

【００１８】米国特許第４，８３９，７６７号は、絶縁
ガスを充填した電気装置内での故障を検出するためのエ
レメント及び装置に関するものである。

【００１９】米国特許第４，８１６，８００号は、排気
ガスセンサに関するものである。

【００２０】米国特許第４，６７４，３１９号は、集積
回路（ＩＣ）センサに関するものである。

【００２１】米国特許第４，３７７，９４４号は、ガス
感知用の半導体エレメントと、ガス濃度測定用の抵抗体
とを備えたガス感知用の集積ユニットに関するものであ
る。

【００２２】米国特許第３，９０１，０６７号は、半導
体ガス検出器に関するものである。

【００２３】前記特許は、出願人が気づいている技術の
状態を反映している。また、前記特許は、この出願の審
査において関連するかもしれない情報を開示することに
おいて、出願人が認める誠実の義務を解放するために提
供されている。しかしながら、これらの特許は、単独
で、あるいは、これらの特許を組み合わせても、本願発
明を教示しまたは進歩性を失わせるものではないという
ことが謹んで明記される。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】図１を参照すると、本
願で今追加的に開示された好適な実施例によって解決さ
れるべき１つの問題を図示する、本願発明者による従前
の技術である。具体的に説明すると、ベース１２を有す
るセンサ１０が示されている。ベース１２には、信号調
整回路構造体１４が設けられている。信号調整回路構造
体１４は、導線部（トレース）２４及び２６を介して、
感知エレメント構造体１７及び１９から、信号を受信す
る。感知エレメント構造体１７及び１９は、長手方向軸
線１１の両側に設けられている。独自に、感知エレメン
ト構造体１７及び１９は、感知エレメント２０及び２１
からなっている。感知エレメント２０及び２１は、平行
なブリッジ２２に設けられており、空隙１８によって熱
的に分離されている。作動時、加熱された空気流２７が
まず触媒付きの感知エレメントと相互に作用し、次い
で、前記基準センサに接触した場合、当業者は、全ての
電気信号がゆがめられることを理解できるであろう。基
準センサに接触する空気は、既に触媒作用によって加熱
されており、その結果、どの信号もゆがめられる。この
問題を避けるために、多大な注意を払うことにより、加
熱された空気流２７がまず触媒付きの感知エレメントと
相互に作用し次いで前記基準センサに接触するというこ
の態様で空気流２７がセンサエレメント（すなわち、触
媒付きの感知エレメント及び基準センサ）に接触しない
ように確保しなければならない。特に、センサは、空気
が同時に両方のセンサに当たるか、あるいは、基準セン
サに最初に当たるように配置しなければならないであろ
う。どちらの場合も、センサを排気ガスの空気流に配置
する場合、センサをそのように確実に配置することは大
変困難である。しかしながら、本願発明は、空気流２７
中にセンサ１０を慎重に配置する必要性をなくし、した
がって、信号をゆがめる問題が生じる可能性をなくすよ
うにしたものである。

【００２５】この問題や他の問題は、本願発明の好適な
実施例によって解決されるものである。本願の詳細な説
明、図面、及び請求の範囲を参照することによって、好
適な実施例によって解決される他の問題が、当業者に教
示されるであろう。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本願発明の特徴は、ガス
流内に配置可能なガスセンサを提供するものである。前
記ガスセンサは、１）軸線を有するベースと、２）前記
ベースに設けられたセンサエレメントと、３）前記セン
サエレメントの最も近くで前記ベースに設けられ、前記
センサエレメントと同じ温度になることが可能な触媒付
きのセンサエレメントであって、前記ガス流に接触し
て、発熱反応を引き起こし、それによって、加熱された
ガス流部を形成する触媒付きのセンサエレメントとを備
えており、４）前記触媒付きセンサエレメントと、前記
センサエレメントとは、前記ベースが前記軸線を中心と
して回転したとき、前記加熱されたガス流部が前記セン
サエレメントに接触しないように、前記ベース上に位置
決めされている。

【００２７】本願発明の別の特徴は、第２の軸線を有す
る前記ベースを備えており、前記第２の軸線は、前記軸
線に対して直交し、前記触媒付きセンサエレメントから
前記センサエレメントを分けている（換言すれば、分離
している）。

【００２８】さらに、本願発明の特徴は、前記触媒付き
センサエレメントを、前記センサエレメントの鏡像（ミ
ラーイメージ）にしたことである。

【００２９】本願発明の別の特徴は、長手方向軸線を有
する前記触媒付きセンサエレメントと前記センサエレメ
ントとの両方を有する装置とすることである。前記触媒
付きセンサエレメントと前記センサエレメントの両方の
センサエレメントは、平行な長手方向軸線を備えること
ができる。前記触媒付きセンサエレメントと前記センサ
エレメントの両方のセンサエレメントは、前記ベースの
軸線に対して平行になっている。前記触媒付きセンサエ
レメントと前記センサエレメントの両方のセンサエレメ
ントは、同一の広がりをもって伸長する長手方向軸線を
備えることができる。

【００３０】本願発明の別の特徴は、両方のセンサエレ
メントの形状を弧状にすることができることである。

【００３１】さらに、別の特徴は、前記センサエレメン
トと前記触媒付きセンサエレメントの両方のセンサエレ
メントを、前記軸線に対してある角度を付けることがで
きることである。

【００３２】さらに、本願発明の別の特徴は、前記ベー
スに、少なくとも１つの空隙を設けることである。前記
センサエレメントと前記触媒付きセンサエレメントは、
両方とも、少なくとも１つの空隙と同一の広がりをもっ
て伸長する２つあるいは３つの側部とを備えることがで
きることである。

【００３３】本願発明の別の特徴は、前記ベースがブリ
ッジを備えることができるということである。前記ブリ
ッジは、前記センサエレメント及び前記触媒付きセンサ
エレメントの少なくとも１つの側部を、前記ベースに接
続している。

【００３４】本願発明の別の特徴は、セラミック基板
と、触媒支持層を前記基板に接着させるためのガラス層
とを備える装置を提供することである。前記触媒支持構
造体は、高表面積のセラミック粒子を備えている。触媒
材料は、感知されるガスに反応できるように、前記触媒
支持構造体に付着させられている。

【００３５】本願発明は、それ自体では、これらの特徴
の任意の１つにあるのではなく、むしろ、本願明細書に
開示され請求の範囲で請求されたそれらの全ての特定の
組合せにある。当業者は、本願発明のいくつかの目的を
実行するために、他の構造、方法及びシステムを設計す
るための基礎として、この開示が基づいている考えを容
易に用いることができるということを理解するであろ
う。要約書は、特許請求範囲によって決定される本願発
明を定義する意図はないし、本願発明の範囲を任意の態
様で限定する意図もない。

【００３６】なお、本願発明の図面は、縮尺で図示され
ていない。図面は、単に概略的に表されており、本願発
明の具体的なパラメータ描く意図はない。図面は、本願
発明の典型的な実施例のみを描くように意図されてお
り、そのため、本願発明の範囲を限定して解釈すべきで
ない。図面において、同様な参照符号は、図面間で同様
なエレメント（すなわち、要素）を表している。

【００３７】

【発明の実施の形態】本願発明は、空気流中のガスの濃
度を決定するためのガスセンサを提供するものである。
図２を参照すると、好適な実施例のガスセンサ１０が示
されている。より具体的に説明すると、ガスセンサ１０
は、ベース１２を備えている。ベース１２は、長手方向
軸線１１を備えている。長手方向軸線１１は、ガス流２
７に対して、ほぼ垂直となるような角度に方向決めされ
ている。基準センサエレメント２０が、ベース１２に設
けられている。触媒付きセンサエレメント２１が、基準
センサエレメント２０の近くに設けられている。当該技
術において公知なように、触媒付きセンサエレメント２
１は、ガス流に接触して発熱反応を引き起こし、それに
よって、加熱されたガス流部２９が形成される。基準セ
ンサエレメント２０を通り越して流れるガス流は、加熱
されたガス流部２９’を生成しない。ベース１２は、ま
た、伸長部１６を備えている。伸長部１６は、信号調整
回路構造体１４とセンサ領域部１７及び１９との間に設
けられ、信号調整回路構造体１４と加熱されるセンサ領
域部１７及び１９との間に距離を形成している。伸長部
１６は、比較的に短く図示されているが、実際に、伸長
部１６を比較的に長くすることによって、基準センサエ
レメント２０及び触媒付きセンサエレメント２１の作動
温度領域に関連する有害な高温から、信号調整回路構造
体１４を保護できるようになっている。センサ領域部１
７及び１９は、適切に作動するために、例えば、プラス
摂氏２００°ないし５００°（プラス２００°Ｃないし
５００°Ｃ）で、作動する。しかしながら、信号調整回
路構造体１４は、最適な信号処理を行うために、最大で
１５０°Ｃのあたりで作動させる必要があるであろう。
したがって、伸長部１６の長さを調節することによっ
て、信号調整回路構造体１４を適切な作動温度領域に維
持することが可能になる。

【００３８】本願発明の実施例において、基準センサエ
レメント２０及び触媒付きセンサエレメント２１は、両
方とも、２つの離れたブリッジセクション２２ａ及び２
２ｂ上に設けられている。さらに、これらのブリッジセ
クション２２ａ及び２２ｂは、ブリッジセクション２２
ａ及び２２ｂの少なくとも両側に設けられた空隙１８に
よって、ベース１２からのヒートシンク効果から、隔離
されている。この構造によって、基準センサエレメント
２０及び触媒付きセンサエレメント２１を両方とも温度
的により近づけることが可能である。その結果、周囲ガ
ス流の熱の影響によって、電気抵抗は、変化しないであ
ろう。したがって、測定用の触媒付きセンサエレメント
２１上での触媒反応による発熱のみによって、基準セン
サエレメント２０及び触媒付きセンサエレメント２１の
２つの抵抗の間の相違は、著しくなる。基準センサエレ
メント２０及び触媒付きセンサエレメント２１の両方の
センサを温度的に近づけて、補償回路構造体や温度差を
調節するための他の手段を設けることを避けることが、
効果的である。ブリッジセクション２２ａ及び２２ｂ、
空隙１８、基準センサエレメント２０、及び触媒付きセ
ンサエレメント２１を種々に設計することによって、２
００°Ｃないしは６００°Ｃあるいはそれ以上で作動さ
せるときに、８０°Ｃ（最適には、５０°Ｃ）より低い
温度差を持たせることが可能になる。なお、理想的な状
態は、触媒反応による発熱効果を除いて、基準センサエ
レメント２０と触媒付きセンサエレメント２１との間に
温度差がないようにすることである。

【００３９】格別注意することは、水平軸線１３が、セ
ンサ領域部１７及び１９を分けている（換言すれば、分
離している）ことである。この分離によって、方向決め
に関して不感受的になる（換言すれば、影響を受けづら
くなる）という効果を生じる。より具体的に説明する
と、ガスセンサ１０を、長手方向軸線１１を中心として
回転させて任意の位置に位置決めしても、加熱されたガ
ス流部２９が、触媒が付着されていない基準センサエレ
メント２０に影響を及ぼすことはない。これは、図１の
発明者によって案出された従前の設計に比較して大変効
果的である。図１に示す従来技術では、ガスセンサ１０
を適切に作動させるために、ガスセンサ１０は、その方
向決めに関して、大変に敏感になっている（すなわち、
影響を受けやすくなっている）。もちろん、この事態
は、ガス流が、長手方向軸線１１に対して実質的に垂直
になっている場合にのみ機能する。また、次のこと記憶
に留めておかなければならない。すなわち、ほとんどの
ガス流は、おそらく事前に加熱されているであろうが、
当業者は、このガス流と触媒反応によって、ガス流はさ
らに加熱され、「特別に」すなわち触媒反応により加熱
されたガス流部２９が形成されるということを理解する
であろう。

【００４０】図３を参照すると、図３には、センサに関
していくつかの可能性のある実施例が図示されている。
特に、センサ４０、５０、６０、７０、８０、９０、１
００、１１０、及び１２０は、全て、基板１２と、セン
サエレメント２０と、触媒付きセンサエレメント２１
と、長手方向軸線１１と、水平軸線１３と、いくつかの
タイプの空隙とを備えている。前記空隙は、センサエレ
メント２０及び触媒付きセンサエレメント２１を、基板
すなわちベース１２から熱的に隔離（ないしは、分離）
している。

【００４１】前記種々のタイプのセンサ形状を分けるた
めに、いくつかの分類に分けることができる。まず、単
一のブリッジセンサとして、典型的にセンサ７０及び８
０を分けることができる。単一のブリッジセンサ、典型
的にはセンサ７０及び８０は、それぞれ、単一のブリッ
ジ７２または８２を備えている。単一のブリッジ７２ま
たは８２は、それぞれ、基準センサエレメント２０と触
媒付きセンサエレメント２１とを単一のブリッジを介し
てベース１２の本体に接続している。次に、別の単一の
ブリッジセンサとして、ブリッジセンサ４０、５０、１
１０、及び１２０を分けることができる。単一のブリッ
ジセンサ４０、５０、１１０、及び１２０は、単一のブ
リッジに設けられた基準センサエレメント２０及び触媒
付きセンサエレメント２１の両方のセンサを備えてい
る。しかし、基準センサエレメント２０及び触媒付きセ
ンサエレメント２１は、２またはそれ以上の経路に沿っ
て、ベース１２の本体に電気的に接続できるようになっ
ている。また、２つのブリッジセンサとしてブリッジセ
ンサ６０、９０、及び１００を分けることができる。２
つのブリッジセンサ６０、９０、及び１００は、離隔さ
れた２つのブリッジに設けられた基準センサエレメント
２０及び触媒付きセンサエレメント２１の２つのセンサ
エレメントを備えている。前記２つのブリッジは、基本
的に、互いから離れている。また、軸線方向に平衡が保
たれたセンサとして、センサ４０、５０、６０、８０及
び１００を分けることができる。軸線方向に平衡が保た
れたセンサ４０、５０、６０、８０及び１００では、長
手方向軸線１１の両側に設けられたセンサエレメントの
質量が、等しい量になっている。また、オフセットされ
たセンサとして、オフセットセンサ９０を分けることが
できる。オフセットセンサ９０は、長手方向軸線１１の
一方の側に設けられたセンサエレメントと、他方の側に
設けられたセンサエレメントとを備えている。さらに、
非対称のセンサとして、非対称センサ７０、１１０、及
び１２０を分けることができる。非対称センサ７０、１
１０、及び１２０では、基準センサエレメント２０及び
触媒付きセンサエレメント２１の両方のセンサエレメン
トが、長手方向軸線１１の一方の側部に設けられてい
る。全ての実施例のセンサにおいては、センサが水平方
向において平衡が保たれており、各センサエレメント
は、水平軸線１３の両側に設けられている。

【００４２】図４を参照すると、ガスセンサ１０を保持
するためのハウジングが図示されている。特に、感知エ
レメントとしての基準センサエレメント２０と感知エレ
メントとしての触媒付きセンサエレメント２１とを内部
に封入する（または、カプセル化する）ための、中空で
空気透過性の多孔性キャップ３０が設けられている。ま
た、多孔性キャップ３０をスペーサー３４に連結するた
めの連結装置（アタッチメント）３２が設けられてい
る。スペーサー３４は、多孔性キャップ３０から十分に
離して、エレクトロニクスハウジング３６を伸長させる
目的を果たしている。というのは、多孔性キャップ３０
の領域は、最も熱い領域であり、エレクトロニクスハウ
ジング３６は、適切に作動させるために低温度を要求す
る、信号調整回路構造体１４を保持しているからであ
る。エレクトロニクスハウジング３６は、信号調整回路
構造体１４を保護し、センサを出力ワイヤ（出力電線）
に連結して、遠隔の分析回路（図示せず）と伝達できる
ように信号調整回路構造体１４を支持している。全体的
なアセンブリは、触媒コンバーターの直後に設けられた
排気パイプに取り付けられる。勿論、多孔性キャップ３
０のみを排気パイプに配置して、電子装置（すなわち、
信号調整回路構造体１４）を高温状態から隔てて配置す
べきである。

【００４３】本願発明は、多層構造を持つガスセンサを
提供する。この構造は、理想的には、自動車の排気シス
テム中の炭化水素及び窒素酸化物の感知に適している。
図５に関し、この図には、基板（ベース）１２の一部を
示すガスセンサ１０の平面図が示してある。基板１２
は、セラミック材料から構成されることが好ましいが、
他の適当な誘電体を使用してもよい。図５には、触媒支
持構造体５０及びガラス接着層４６を含む基板１２の一
部だけが示してある。

【００４４】基板１２の残りの部分は、センサにとって
必要な構造的性質及び熱的性質を供給する任意の所望の
形体をとることができる。例えば、構造は、自動車の排
気システムに伴う衝撃及び振動に耐えるのに十分強固で
なければならない。更に、熱的性質は、触媒支持構造体
５０上で起こる全ての触媒反応が、基板１２上に配置さ
れた感熱抵抗体エレメント４２によって検出できるよう
な性質でなければならない（即ち、基板は、感熱抵抗体
エレメント４２の温度上昇を妨げる程大量の熱を触媒反
応から奪うものであってはならない）。

【００４５】導体４４及び４５が、基板１２に設けられ
ており、感熱抵抗体エレメント４２に電気的に接続され
ている。導体４４及び４５は、感熱抵抗体エレメント４
２の長さに沿った抵抗の変化をこれに伴う電圧降下から
検出できる回路（図示せず）に接続されている。

【００４６】図６には、感熱抵抗体エレメント４２に沿
った断面が示してある。感熱抵抗体エレメント４２は、
任意の従来の厚膜技術又は薄膜技術を使用して基板１２
上に付着できる。かかる厚膜技術又は薄膜技術を使用し
た付着は、自動車の排気システムの環境に耐えるのに十
分に強固になっている限り、また、熱抵抗率が十分に高
く、その結果、抵抗体が触媒反応による温度変化に応答
できる限り使用される。抵抗体エレメント４２を形成す
るのに使用される材料は、これらの同じ判断基準を使用
して選択できる。好ましい実施例では、抵抗体エレメン
ト４２に対してはプラチナ（白金）が適しており、スク
リーン印刷が適当な付着方法であるということがわかっ
ている。

【００４７】導体４４及び４５は、同様に、任意の従来
の厚膜技術又は薄膜技術を使用して付着できる。好まし
い実施例の導体材料として金が選択される。

【００４８】ガラス層４６が、感熱抵抗体エレメント４
２を覆って付着されている。ガラス層４６を形成する一
つの方法は、粉末ガラスに有機溶剤を混合して混合物を
形成し、前記混合物を基板１２にスクリーン印刷するこ
とである。ガラス層は、ドクターブレードを使用して又
ははけ塗り（ブラッシング）により混合物を基板上で拡
げることによっても形成できる。次いで、ガラス層４６
を乾燥させるが、この場合は未だ焼成は行わない。これ
によって、触媒支持構造体５０を上側に付着させるしっ
かりとした表面が形成される。しかも、それによって、
前記構造体を実質的に焼成するとき、ガラスを定着剤と
して作用させることができる。

【００４９】触媒支持構造体５０は、粉末アルミナ等の
高表面積粒子を備えている。これらの粒子は、か焼し
て、その後、センサ構造体に付けられる。これによっ
て、触媒コーティングを受け入れるための大きな表面積
をこれらの粒子が確実に備えているようにするのを補助
することができる。アルミナ粒子は、水酸化アルミニウ
ム又は同様の物質と組み合わせられ、これによって、塗
布用のペーストを形成することができる。このペースト
は、スクリーン印刷等の厚膜技術で付ける（換言すれ
ば、塗布する）ことができる。

【００５０】触媒支持構造体５０を付けた後、使用され
たガラスについて適当な焼成輪郭で、アッセンブリ全体
を焼成する。これによって、ガラスを再流動化（また
は、再溶融化）し、ガラスをアルミナ粒子及び基板１２
の両方にしっかりと接着させる。ガラスが、基板１２及
び触媒支持構造体５０の両方に非常にしっかりと結合し
ていることが重要である。といのは、アルミナ粒子が剥
がれるとセンサがもはや機能しないためである。基板１
２及び触媒支持構造体５０の両方に接着する性質を持っ
ているのであれば、主として、ニッポン電気ガラス社の
ＧＡ−４等の多くの商業的に入手できる様々なガラスを
含む任意のガラスフィルム形成物を、上述したように使
用できる。ＧＡ−４ガラスの再流動化（または、再溶融
化）には、１時間に亘る７００°Ｃの温度で十分であ
る。

【００５１】最終工程は、触媒を触媒支持構造体５０に
付ける工程である。炭化水素センサに関しての好ましい
実施例では、触媒としてプラチナ（白金）を使用する。
プラチナは、スポイト又は他の適当な技術を使用して、
塩化白金酸（例えば、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸）溶
液として付けられる。その後、構造全体を約５００°Ｃ
で１時間に亘って再焼成し、その酸をプラチナに還元す
る。

【００５２】図７の拡大図に示すように、最終的な触媒
支持構造体５０は、ガラス層４６に接着したアルミナ粒
子５４を備えている。これらの粒子は、様々な大きさ及
び形状を持ち、表面に孔５６を備えることができる。塩
化白金酸（例えば、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸）を加
え、これを上文中に説明したように乾燥させると、孔５
６の表面を含む粒子５４の表面は、非常に薄いプラチナ
層で覆われる。

【００５３】図８において、感熱抵抗体エレメント４２
を破断した断面図が図示されている。感熱抵抗体エレメ
ント４２は、任意の従来の厚膜技術又は薄膜技術を使用
して基板１２上に付着できる。厚膜技術又は薄膜技術を
使用したかかる付着は、自動車の排気システムの環境に
耐えるのに十分に強固になっている限り、また、熱抵抗
率が十分に高く、その結果、抵抗体が、重ね合わされた
支持構造体上で、触媒反応による温度変化に応答できる
限り使用される。抵抗体エレメント４２を形成するのに
使用される材料は、これらの同じ判断基準を使用して選
択できる。好ましい実施例では、抵抗体エレメント４２
に対してはプラチナ（白金）が適しており、スクリーン
印刷が適当な付着方法であるということがわかってい
る。

【００５４】図９及び図１０に示されているように、触
媒支持構造体６４は、アルミナ粒子７４と粉末ガラス７
２とを有する混合物を備えている。好適な実施例におい
て、前記混合物は、２０％のＬａＲｏｃｈｅＶ７００
のアルミナと、ニッポン電気ガラス社（Ｎｉｐｐｏｎ
ＥｌｅｃｔｒｉｃＧｌａｓｓ）から提供されている８
０％のＧＡ−４ガラスとを有している。前記アルミナ
は、１時間の間、約６００°Ｃでか焼して、その後、前
記混合物に加えられる。これによって、前記アルミナ
が、触媒コーティング用の大きな表面積を確実に備えて
いるようにするのを補助することができる。十分なスク
リーニング剤を前記混合物に加えて、ペースト状のコン
システンシーを得ることができる。本願の好適な実施例
において使用されるスクリーニング剤は、有機溶剤、レ
オロジー特性（ｒｈｅｏｌｏｇｙ）を変更した固体、及
び湿潤剤を備えている。

【００５５】前記混合物は、感熱抵抗体エレメント４２
上に付着される。スクリーン印刷が、前記混合物を付着
させるための１つの適切な方法である。しかし、前記混
合物は、ドクターブレードやはけ塗り（ブラッシング）
を用いることによっても付着させることができる。触媒
支持構造体６４を加えた後、アセンブリ全体が、採用さ
れた前記ガラスを再流動化（再溶融化）させる温度で加
熱される。ＧＡー４ガラス７２を再流動化（再溶融化）
するには、１時間の間、７００°Ｃの温度で加熱すれば
十分である。１時間の間、７００°Ｃの温度で加熱する
ことによって、図１０に示されているように、ＧＡー４
ガラス７２は、アルミナ粒子７４及び基板１２の両方に
強固に接着される。ガラスを基板１２及び触媒支持構造
体６４の両方に強固に結合させることが重要である。と
いのは、アルミナ粒子７４がが剥がれるとセンサがもは
や機能しないためである。

【００５６】最終工程は、触媒を触媒支持構造体６４に
付ける工程である。炭化水素センサに関しての好ましい
実施例では、触媒としてプラチナ（白金）が使用され
る。プラチナは、スポイト又は他の適当な技術を使用し
て塩化白金酸（例えば、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸）
溶液として付けられる。その後、構造全体を十分な温度
で再加熱して、その酸をプラチナに還元する。好適な実
施例においては、５００°Ｃの温度が用いられた。

【００５７】アルミナ粒子７４は、様々な大きさ及び形
状を持ち、表面に孔７６を備えることができる。塩化白
金酸（例えば、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸）を加え、
これを上文中に説明したように乾燥させると、孔７６の
表面を含む粒子７４の表面は、非常に薄いプラチナ層で
覆われる。もちろん、いくらかのプラチナも、ＧＡー４
ガラス７２の表面に接着される。

【００５８】センサの作動センサの作動にとって重要なことは、感知されるべきガ
スの触媒反応と、この反応に対して抵抗が結果的に変化
することによる抵抗体エレメントの応答能力である。例
えば、炭化水素ガスがプラチナ触媒と接触すると化学反
応が起こり、その化学反応において、炭化水素が燃焼
し、熱が発生する。炭化水素の量が多ければ多い程、大
量の熱が発生し、このようにして、抵抗体エレメント４
２の抵抗がこれに従って上昇する。次いで、抵抗体エレ
メント４２の抵抗を、同じ環境にあり同じ設計になって
いるが、触媒で被覆されていない基準センサ（図示せ
ず）の抵抗と比較する。抵抗体エレメント４２と基準セ
ンサ（図示せず）との間の抵抗の差は、触媒反応によっ
て発生した熱によるものである。その抵抗の差は、排気
流中の炭化水素濃度を示す。

【００５９】好適な実施例の変形例図示された実施例は、センサ及び信号調整回路構造体１
４が単一のベース１２に配置された構造を説明したが、
当業者は、好適な実施例がほとんどの任意の配置構造で
機能するであろうということを理解できるであろう。例
えば、信号調整回路構造体１４は、別体のベースに設け
ることができる。この例では、センサエレメントを含む
ベースは、例えば、その信号調整回路構造体を含むベー
スにろう(鑞)付けされる。したがって、信号調整回路構
造体を含む第２のベースは、プリント回路基板とするこ
とができ、センサエレメントを含むベースのようセラミ
ック材料とはなっていない。

【００６０】センサに関して９つの実施例のみが図３に
おいて図示されたが、当業者は、多くの実施例を想像で
きるであろう。さらに、好適な実施例では水平方向軸線
と長手方向軸線とが説明されたが、当業者は、その水平
方向及び長手方向の記述的な言い方によって強制されな
いであろう。実際、前記センサは、他方の軸線よりも長
い一方の軸線すら有していないかもしれず、一方の軸線
は他方の軸線よりも短くできる。その場合、長手方向と
いう言い方は、不正確となるであろう。もちろん、当業
者は、前記好適な実施例を用いて、種々の触媒と加熱方
法を用いることにより、多数のタイプのガスを検出する
ことができる。

【００６１】好適な実施例は、触媒付きのセンサエレメ
ント２１（すなわち、センサ２１）をガスセンサ１０の
遠方端近くに設けるように説明したが、触媒付きのセン
サ２１を、ガスセンサのベース１２の頂部からより離れ
た位置（すなわち、基準センサエレメント２０の位置）
に設けるようにしても同様に作動可能できる。このよう
に、センサエレメントの位置を逆にすることも、ガス流
内でのガスセンサの全体的な方向決めに応じて、しばし
ば必要となる。これらの変形例において、さらに、方向
決めの設計に応じて、加熱されたガス流部２９が基準セ
ンサエレメント２０または触媒付きセンサエレメント２
１に接触させないようにすることも可能である。

【００６２】好適な実施例のさらに別の変形例は、長手
方向軸線を中心にして回転させても、触媒作用が及ぼさ
れ加熱されたガス流部が基準センサエレメント２０に接
触しないように、長手方向軸線をガス流に対してほとん
どの任意の角度に設定することである。ガスセンサ全体
をガス流に対して直角に挿入した場合に、この配置構造
は、特に申し分なく機能する。しかしながら、例えば、
センサハウジングは、どんな方法でも、ガス流内で鋭角
に方向決めすることもできる。ガス流に向けて方向決め
された場合、もちろん、触媒付きセンサエレメントは、
触媒の付いてないセンサエレメントより下に（すなわ
ち、ベースの一端からより離れて）設けられるであろ
う。この配置構造においては、加熱されたガス流部２９
を基準センサエレメントに接触させることなく、ガスセ
ンサのベース１２を、長手方向軸線を中心にして回転さ
せることができる。

【００６３】本願発明をこれらの実施例を具体的に参照
して教示したが、当業者は、本願発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなく、形態及び詳細に変更を施すことが
できるということを理解するであろう。上文中に説明し
た実施例は、全ての点に関し、単なる例示であって限定
を行うものではないと考えられるべきである。従って、
本願発明の範囲は、以上の説明よりむしろ、特許請求の
範囲によって示される。特許請求の範囲の意味するとこ
ろ及び均等の範囲に入る全ての変更は、特許請求の範囲
内に含まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、好適な実施例によって解決される１つ
の問題を図示する、発明者によって設計されたガスセン
サの一実施例である。

【図２】図２は、本願発明の一実施例である。

【図３】図３は、本願発明の他のいくつかの設計した実
施例を図示している。

【図４】図４は、ガスセンサを保持するためのハウジン
グを図示ている。

【図５】図５は、センサエレメントの領域を拡大して図
示した平面図である。

【図６】図６は、多層構造体の一実施例を示す、線ａ−
ａで破断した図５の断面図である。

【図７】図７は、触媒支持構造体を示す図６の一部の拡
大図である。

【図８】図８は、焼成を行う前の、配合された触媒構造
体の他の実施例を示す、線ａ−ａで破断した図５の断面
図である。

【図９】図９は、触媒支持構造体のより詳細を図示して
いる、図８の円で囲んだ部分の拡大図である。

【図１０】図１０は、図９の触媒支持構造体が焼成さ
れ、そして、ガラスが再溶融（すなわち、リフロー）し
た後の、図９の触媒支持構造体がどのように見えるかを
示している。

【符号の説明】

１０ガスセンサ１１長手方向軸
線１２基板（ベース）１３水平軸線１４信号調整回路構造体１６伸長部１７センサ領域部１８空隙１９センサ領域部２０基準センサエレメント（感知エレメント）２１触媒付きセンサエレメント（感知エレメント）２２平行なブリッジ２２ａブリッジ
セクション２２ｂブリッジセクション２４トレース２６トレース２７ガス流（空
気流）２９加熱されたガス流部３０中空で空気
透過性の多孔性キャップ３２連結装置（アタッチメント）３４スペーサー３６エレクトロニクスハウジング４０センサ４２感熱抵抗体エレメント４４導体４５導体４６ガラス接着
層５０触媒支持構造体５４粒子５６孔６０センサ６４触媒支持構造体７０センサ７２粉末ガラス（ＧＡー４ガラス）７４アルミナ粒子７６孔８０センサ８２単一ブリッ
ジ９０センサ１００センサ１１０センサ１２０センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス流内に配置可能なガスセンサであっ
て、ａ）前記ガス流に対してある角度が付けられている軸線
を有するベースと、ｂ）前記ベースに設けられたセンサエレメントと、ｃ）前記センサエレメントと実質的に同じ温度を有する
ように前記ベースに位置決めされた触媒付きセンサエレ
メントであって、前記ガス流との接触により発熱反応を
引き起こし、それによって、加熱されたガス流部を形成
する触媒付きセンサエレメントと、ｄ）前記ベースが前記軸線を中心として回転したとき、
前記加熱されたガス流部が前記センサエレメントと接触
しないように、前記触媒付きセンサエレメントと前記セ
ンサエレメントとを前記ベースに位置決めしたことを特
徴とするガスセンサ。
【請求項２】請求項１に記載のガスセンサにおいて、前記ベースは、第２の軸線を備えており、前記第２の軸
線は、前記軸線に直交し、前記センサエレメントを前記
触媒付きセンサエレメントから分けていることを特徴と
するガスセンサ。
【請求項３】請求項２に記載のガスセンサにおいて、前記触媒付きセンサエレメントの形状は、前記センサエ
レメントの形状の鏡像になっていることを特徴とするガ
スセンサ。
【請求項４】請求項３に記載のガスセンサにおいて、前記センサエレメントと前記触媒付きセンサエレメント
とは、両方とも、長手方向軸線を備えていることを特徴
とするガスセンサ。
【請求項５】請求項４に記載のガスセンサにおいて、前記センサエレメントと前記触媒付きセンサエレメント
とは、両方とも、平行な長手方向軸線を備えていること
を特徴とするガスセンサ。
【請求項６】請求項５に記載のガスセンサにおいて、前記センサエレメントと前記触媒付きセンサエレメント
とは、両方とも、前記ベースの前記軸線に平行になって
いることを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】請求項５に記載のガスセンサにおいて、前記センサエレメントと前記触媒付きセンサエレメント
とは、両方とも、同一の広がりをもって伸長する長手方
向軸線を備えていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項８】請求項２に記載のガスセンサにおいて、前記センサエレメントと前記触媒付きセンサエレメント
とは、両方とも、弧状の形状になっていることを特徴と
するガスセンサ。
【請求項９】請求項２に記載のガスセンサにおいて、前記センサエレメントと前記触媒付きセンサエレメント
とは、両方とも、前記軸線に対してある角度が付けられ
ていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１０】請求項１に記載のガスセンサにおい
て、前記ベースには、少なくとも１つの空隙が設けられてい
ることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１１】請求項１０に記載のガスセンサにおい
て、前記センサエレメントと前記触媒付きセンサエレメント
とは、両方とも、少なくとも１つの空隙と同一の広がり
をもって伸長する２つの側部を備えていることを特徴と
するガスセンサ。
【請求項１２】請求項１１に記載のガスセンサにおい
て、前記センサエレメントと前記触媒付きセンサエレメント
とは、両方とも、少なくとも１つの空隙と同一の広がり
をもって伸長する３つの側部を備えていることを特徴と
するガスセンサ。
【請求項１３】請求項１１に記載のガスセンサにおい
て、前記ベースは、ブリッジを備えており、前記ブリッジ
は、前記センサエレメント及び前記触媒付きセンサエレ
メントのうちの少なくとも一方の側部を、前記ベースに
接続していることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１４】請求項１２に記載のガスセンサにおい
て、前記ベースは、ブリッジを備えており、前記ブリッジ
は、前記センサエレメント及び前記触媒付きセンサエレ
メントのうちの少なくとも一方の側部を、前記ベースに
接続していることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１５】請求項１に記載のガスセンサにおい
て、さらに、前記触媒付きセンサエレメントと前記センサエレメント
からの信号を調整するための信号調整回路構造体を備え
ていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１６】請求項１５に記載のガスセンサにおい
て、前記ベースは、前記触媒付きセンサエレメントと前記セ
ンサエレメントとから前記信号調整回路構造体を分離す
るための伸長部を備えていることを特徴とするガスセン
サ。
【請求項１７】請求項１６に記載のガスセンサにおい
て、前記触媒付きセンサエレメントと前記センサエレメント
とは、ガス温度が高められたガス高温領域に設けられて
おり、前記信号調整回路構造体は、前記ガス流から離れた低温
領域に設けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１８】請求項１に記載のガスセンサにおい
て、前記触媒付きセンサエレメントと前記センサエレメント
とは、前記ガスセンサが作動する間、お互いに、５０°
Ｃか、または、５０°Ｃよりも低いことを特徴とするガ
スセンサ。
【請求項１９】ガス流内に配置可能なガスセンサであ
って、ａ）前記ガス流に対して直交する軸線を有するベース
と、ｂ）前記ベースに設けられたセンサエレメントと、ｃ）前記ガス流との接触により発熱反応を引き起こし、
それによって、加熱されたガス流部を形成できるよう
に、前記センサエレメントに近い位置で前記ベースに設
けられた触媒付きセンサエレメントとを備え、ｄ）前記ベースが前記軸線を中心として回転したとき、
前記加熱されたガス流部が前記センサエレメントと接触
しないように、前記触媒付きセンサエレメントと前記セ
ンサエレメントとが前記ベースに位置決めされており、ｅ）前記センサエレメントに設けられた第１の抵抗体エ
レメントと、前記触媒付きセンサエレメントに設けられ
た第２の抵抗体エレメントとを備え、前記第１の抵抗体
エレメントと前記第２の抵抗体エレメントとは、各々、
当該それぞれの抵抗体エレメントの温度変化に基づいて
変化する電気抵抗を備えており、ｆ）セラミック粒子とガラスからなる混合物を有し、前
記ベースと前記第１の抵抗体エレメントと前記第２の抵
抗体エレメントのそれぞれに接着された配合触媒支持構
造体と、ｇ）前記配合触媒支持構造体に設けられ、前記ガスの発
熱反応を促進させ、それによって、前記触媒付きセンサ
エレメントの温度のみを上昇させる触媒とを備えたこと
を特徴とするガスセンサ。
【請求項２０】ガス流内に配置可能なガスセンサであ
って、ａ）前記ガス流に対して直交する軸線を有するベース
と、ｂ）前記ベースに設けられたセンサエレメントと、ｃ）前記ガス流との接触により発熱反応を引き起こし、
それによって、加熱されたガス流部を形成できるよう
に、前記センサエレメントに近い位置で前記ベースに設
けられた触媒付きセンサエレメントとを備え、ｄ）前記ベースが前記軸線を中心として回転したとき、
前記加熱されたガス流部が前記センサエレメントと接触
しないように、前記触媒付きセンサエレメントと前記セ
ンサエレメントとが前記ベースに位置決めされており、ｅ）前記センサエレメントに設けられた第１の抵抗体エ
レメントと、前記触媒付きセンサエレメントに設けられ
た第２の抵抗体エレメントとを備え、前記第１の抵抗体
エレメントは、当該第１の抵抗体エレメントの温度変化
に基づいて変化する電気抵抗を備えており、前記第２の
抵抗体エレメントは、当該第２の抵抗体エレメントの温
度変化に基づいて変化する電気抵抗を備えており、ｆ）前記第１の抵抗体エレメントと前記第２の抵抗体エ
レメントの各々の上に亘って、前記ベースに設けられた
ガラス材料と、ｇ）前記ガラス材料の頂部に接着された触媒支持構造体
と、ｈ）前記触媒支持構造体に付着され、前記ガスの発熱反
応を促進させ、それによって、前記触媒付きセンサエレ
メントの温度を上昇させる触媒とを備えたことを特徴と
するガスセンサ。