JP2000275202A

JP2000275202A - ガス検出装置

Info

Publication number: JP2000275202A
Application number: JP11082001A
Authority: JP
Inventors: Taro Kuroda; 太郎黒田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】コストと消費電力の低減を図ることができる
と共に、温度・湿度の変化による影響と経年変化による
影響を補償して長期間にわたって安定した出力特性を得
ることができるガス検出装置を提供すること。【解決手段】ガス検出装置１は、酸化物半導体から成
り、その表面のガス吸着量に応じて抵抗値が変化する感
ガス素子４と、感ガス素子４を加熱するヒータ５と、ヒ
ータ５を制御して感ガス素子４の温度を制御すると共
に、感ガス素子４の抵抗値を検出して検出対象ガスの濃
度の増減を判定する判定手段３とを備える。判定手段３
は、感ガス素子４の検出状態が異なる２つの検出タイミ
ングで感ガス素子４の抵抗値を検出し、２つの検出抵抗
値を比較して判定を行う。２つの検出タイミングとして
は、感ガス素子４の温度が異なる２点や、感ガス素子４
の温度変化直後からの経過時間が異なる２点などを選択
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、酸化物半導体か
ら成る感ガス素子を用いてガスの濃度の増減を判定する
ガス検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の家屋は省エネルギ等の観点から気
密性が高くなっているため、空調システムにおける空気
の質の検知、即ち汚染ガス（臭気）の検出が重要な課題
となってきている。そして、ガス検出装置では、光学
式、接触燃焼式、定電位電解式、半導体式など、様々な
方式のガスセンサが用いられている。

【０００３】しかし、光学式ガスセンサは、高価で、か
つ、メンテナンスが大変であるという問題がある。ま
た、接触燃焼式ガスセンサは、数百ｐｐｍ以上の高濃度
のガスしか検出できないという問題がある。さらに、定
電位電解式ガスセンサは、低濃度のガスも検出できる
が、電解液が経時的に変化するため、電解液の校正を定
期的に行わなければならず、メンテナンスが大変である
という問題がある。

【０００４】これに対して、半導体式ガスセンサは、低
価格で寿命が長く、かつ、メンテナンスも容易で、さら
には比較的低濃度のガスまで検出できるという利点があ
るため、多くのガス検出装置に採用されつつある。この
半導体式ガスセンサは、酸化スズなどの酸化物半導体か
ら成る感ガス素子を備え、この感ガス素子の電気抵抗値
の変化によってガス濃度を検出する。しかしながら、半
導体式ガスセンサ（感ガス素子）は、温度・湿度の影響
を受け易く、また測定雰囲気中に存在する特定の検出対
象ガス以外のガス（干渉ガス）の影響も受け易く、さら
に長期間にわたって安定した特性が得られにくいという
欠点を有している。

【０００５】そこで、上記欠点を補うものとして、複数
個の感ガス素子を使用したガスセンサが特開平１０−１
２３０８３号公報に開示されている。このガスセンサ
は、同一基板上に、感ガス特性が相互に等しく、かつ温
湿度依存性も相互に等しい複数個（例えば、２個）の感
ガス素子を設けると共に、感ガス素子を覆うようにガス
の選択的透過手段（選択的なガス透過機能を有する触媒
層、活性炭などのガス吸着手段、ガスを化学反応によっ
て除去する化学物質が充填されたフィルタ層など）を設
け、各感ガス素子が反応するガスが相互に異なるように
構成されている。そして、感ガス素子からの各出力を用
いることによって、温度・湿度の影響を受けることな
く、低濃度の検出対象ガスを検出することができると共
に、経時変化による影響も補償され、長期間にわたって
安定した出力特性を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したガスセンサ
は、複数個の感ガス素子を使用するため、単一の感ガス
素子を使用するガスセンサと比較して、コスト及び消費
電力が共に増大するという問題がある。

【０００７】この発明は上記従来の欠点を解決するため
になされたものであって、その目的は、コストと消費電
力の低減を図ることができると共に、温度・湿度の変化
による影響と経年変化による影響を補償して長期間にわ
たって安定した出力特性を得ることができるガス検出装
置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで請求項１のガス検
出装置は、酸化物半導体から成り、その表面のガス吸着
量に応じて抵抗値が変化する感ガス素子４と、この感ガ
ス素子４を加熱するヒータ５と、このヒータ５を制御し
て上記感ガス素子４の温度を制御すると共に、上記感ガ
ス素子４の抵抗値を検出して検出対象ガスの濃度の増減
を判定する判定手段３とを備えるガス検出装置におい
て、上記判定手段３は、上記感ガス素子４の検出状態が
異なる２つの検出タイミングで上記感ガス素子４の抵抗
値をそれぞれ検出し、２つの検出抵抗値を比較して判定
を行うことを特徴としている。

【０００９】ここで、「感ガス素子４の検出状態」と
は、感ガス素子４の温度と、感ガス素子４の表面への酸
素イオンやガス成分などのガス吸着量とを意味する。ま
た、「感ガス素子４の抵抗値」とは、文字通りの抵抗値
のみに限らず、ガス濃度の変化に連動して変化するもの
（例えば、感ガス素子４の両端電圧）も含むものとす
る。

【００１０】上記請求項１のガス検出装置では、感ガス
素子４の検出状態が異なる２つの検出タイミングで当該
感ガス素子４の抵抗値を検出する。ここで、２つの検出
状態は、検出状態間で検出対象ガスに対するガス感度
（ガスの検出しやすさ）は異なるが、検出対象ガス以外
のガス（干渉ガス）に対するガス感度はほぼ等しいもの
を選択する。そのため、当然に異なる抵抗値が検出され
る訳であるが、この抵抗値は、検出対象ガスの濃度だけ
でなく、干渉ガスの濃度の影響も受けている。しかし、
上記のように２つの検出状態での干渉ガスに対するガス
感度はほぼ等しいため、２つの抵抗値が受けた干渉ガス
の影響はほぼ同程度である。従って、２つの抵抗値を比
較すれば、干渉ガスの影響を除去できることになり、検
出対象ガスの影響のみを受けた検出値を出力することが
できる。これによって、干渉ガスの影響を受けることな
く、検出対象ガスの濃度の増減を判定することができ
る。

【００１１】また請求項２のガス検出装置は、上記判定
手段３は、２つの検出タイミングとして、上記感ガス素
子４の検出状態が定常状態であるときを選択することを
特徴としている。

【００１２】さらに請求項３のガス検出装置は、上記判
定手段３は、２つの検出タイミングとして、上記感ガス
素子４の検出状態が過渡状態であるときを選択すること
を特徴としている。

【００１３】請求項４のガス検出装置は、上記判定手段
３は、２つの検出タイミングとして、上記感ガス素子４
の検出状態が定常状態であるときと過渡状態であるとき
を選択することを特徴としている。

【００１４】ここで、「定常状態」とは、感ガス素子４
の温度が一定になってから時間が充分経過し、感ガス素
子４の表面でのガス吸着量が安定している状態をいう
が、完全にガス吸着量が安定している状態だけでなく、
変化が非常に小さくガス吸着量がほぼ安定している状態
も含めるものとする。また、「過渡状態」とは、感ガス
素子４の温度が変化している状態、あるいは感ガス素子
４の温度が一定になってからの経過時間が短く、雰囲気
のガス状態が変化していない場合であっても、感ガス素
子４の表面でのガス吸着量が変化しつづけている状態を
いう。但し、上記の「変化が非常に小さくガス吸着量が
ほぼ安定してる状態」は、厳密には過渡状態であるけれ
ども、本発明では変化が比較的大きい状態を「過渡状
態」として捉えることとしているので、変化が非常に小
さい状態は「定常状態」に含めるものとする。

【００１５】上記請求項２のガス検出装置では、２つの
検出タイミングとして感ガス素子４の検出状態が定常状
態であるときが選択されるが、その一例としては感ガス
素子４の温度が異なる２つの検出タイミングが該当す
る。これは、高温の感ガス素子４に反応しやすいガス
と、低温の感ガス素子４に反応しやすいガスとがあり、
感ガス素子４は温度変化に伴ってガス感度も変化するこ
とが知られているからである。尚、温度変化直後は、感
ガス素子４の表面のガス吸着量が安定していないため、
ガス吸着量が平衡状態に到達した後のタイミングを選択
する必要がある。

【００１６】また上記請求項３のガス検出装置では、２
つの検出タイミングとして感ガス素子４の検出状態が過
渡状態であるときが選択されるが、その一例としては、
感ガス素子４の温度変化直後から感ガス素子４の表面の
ガス吸着量が平衡状態に到達するまでの期間内におい
て、温度変化直後からの経過時間が異なる２つの検出タ
イミングが該当する。これは、感ガス素子４の温度が例
えば高温から低温に変化する場合、高温側で検出しやす
いガスのガス感度は温度変化直後からの時間経過と共に
高感度から低感度に変化する一方で、低温側で検出しや
すいガスのガス感度は温度変化直後からの時間経過と共
に低感度から高感度に変化することが知られているから
である。このような現象が起こるのは、感ガス素子４の
温度が変化する場合には、大気中の還元性ガス（検出対
象ガス）と感ガス素子表面の吸着酸素との反応速度が変
化するためガス感度が変化するが、このとき感ガス素子
４の表面のガス吸着量が平衡状態に到達するまでに一定
時間を必要とするからである。

【００１７】尚、感ガス素子４の温度が低温から高温に
変化する場合は、上記の現象とは逆に、高温側で検出し
やすいガスのガス感度は温度変化直後からの時間経過と
共に低感度から高感度に変化する一方で、低温側で検出
しやすいガスのガス感度は温度変化直後からの時間経過
と共に高感度から低感度に変化する。

【００１８】さらに上記請求項４のガス検出装置では、
２つの検出タイミングとして感ガス素子４の検出状態が
定常状態であるときと過渡状態であるときが選択される
が、その一例としては感ガス素子４の温度が一定である
ときと変化しているときの２つの検出タイミングが該当
する。

【００１９】このように検出タイミングとして選択する
２つの検出状態の組合わせは、検出対象ガスの種類に応
じて最適なものを適宜選択すればよい。また、検出状態
の組合わせを変更することによって、１個の感ガス素子
４であっても数多くの検出特性を実現することができ、
検出可能なガスの種類を大幅に増やすことができる。

【００２０】請求項５のガス検出装置は、上記判定手段
３は、上記感ガス素子４の水蒸気感度がほぼ等しくなる
ような２つの検出タイミングを選択することを特徴とし
ている。

【００２１】上記請求項５のガス検出装置では、上記感
ガス素子４の水蒸気感度がほぼ等しい２つの検出状態で
抵抗値を検出して比較するので、水蒸気、即ち絶対湿度
（温度・相対湿度）の変化の影響を除去した形で、検出
値を出力できる。これによって、水蒸気（絶対湿度）の
変化の影響を受けることなく、検出対象ガスの濃度の増
減を判定することができる。

【００２２】請求項６のガス検出装置は、上記判定手段
３は、検出した２つの抵抗値の比を求め、求めた比に基
づいて判定を行うことを特徴としている。

【００２３】上記請求項６のガス検出装置では、ガス雰
囲気下において第１の検出状態（タイミング）での抵抗
値Ｒｓ１（ガス）と第２の検出状態での抵抗値Ｒｓ２
（ガス）との比Ｒｘ（ガス）が求められる。ここで、第
１の検出状態におけるガス雰囲気下での抵抗値Ｒｓ１
（ガス）と清浄雰囲気下での抵抗値Ｒｓ１（清浄）との
出力比をＳｘ１とし、第２の検出状態におけるガス雰囲
気下での抵抗値Ｒｓ２（ガス）と清浄雰囲気下での抵抗
値Ｒｓ２（清浄）との出力比をＳｘ２とすると、上記Ｒ
ｘ（ガス）は、Ｒｘ（ガス）＝Ｒｓ１（ガス）／Ｒｓ２（ガス）＝Ｓｘ１／Ｓｘ２×Ｒｓ１（清浄）／Ｒｓ２（清浄）＝Ｓｘ１／Ｓｘ２×α と変形できる。ここで、α＝Ｒｓ１（清浄）／Ｒｓ２
（清浄）は検出状態（タイミング）に依存する定数であ
るため、検出状態が異なっても出力比Ｓｘが変化しない
ガスについてのＲｘの変化は相殺され、検出状態が異な
ると出力比Ｓｘも変化するガスについての変化のみをＲ
ｘ（ガス）の値として取り出すことができる。これによ
って、干渉ガスの影響を受けることなく、検出対象ガス
の濃度の増減を判定することができる。

【００２４】また、感ガス素子４単体の抵抗値の経年変
化は大きいが、上記定数αは同一の感ガス素子４の抵抗
値の比であるので経年変化は小さい。そのため、比Ｒｘ
（ガス）は、抵抗値の経年変化による影響をほとんど受
けることがなく、ガス濃度変化に対応した値として出力
させることができる。従って、長期間にわたって安定し
た出力特性を得ることができる。

【００２５】請求項７のガス検出装置は、上記判定手段
３は、検出対象ガスの濃度と抵抗値の比との相関関係を
予め記憶しており、求めた検出抵抗値の比と上記相関関
係とに基づいてガス濃度を求めることを特徴としてい
る。

【００２６】上記請求項７のガス検出装置では、検出抵
抗値の比Ｒｘ（ガス）と予め記憶している相関関係とに
基づいて検出対象ガスの濃度が求められる。従って、ガ
ス濃度の増減だけでなく、ガス濃度の絶対値、即ち雰囲
気中のガスの絶対量を検出することができ、ガス検出装
置の性能の向上を図ることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】次に、この発明のガス検出装置の
具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に
説明する。

【００２８】図１は、本発明の一実施の形態であるガス
検出装置１の概略的な構成を示すブロック図である。ガ
ス検出装置１は、半導体式のガスセンサ２が設置された
雰囲気中の検出対象ガスの濃度又は濃度の増減を判定出
力として出力するものであり、ガスセンサ２と判定手段
３とで構成される。

【００２９】ガスセンサ２は様々な形態を有するが、基
本的には感ガス素子４と感ガス素子４を加熱するための
ヒータ５とによって構成されており、その構成の一例を
図２に示す。ガスセンサ２は、図２に示すように、セラ
ミックスやアルミナ製の絶縁基板６の一方の表面に感ガ
ス素子４が上部電極７及び下部電極８に挟まれる形で固
定されている。さらに、感ガス素子４の外側には、粉塵
等から素子を保護するために、例えば多孔質セラミック
スからなる保護膜９が形成されている。また、絶縁基板
６の他方側の表面には、感ガス素子４を加熱するための
ヒータ５が配置されており、感ガス素子４への通電開始
後速やかに所定の温度まで加熱する。ヒータ５は、判定
手段３によって制御される。

【００３０】感ガス素子４は、検出対象ガスに鋭敏に反
応する酸化スズ（ＳｎＯ₂）や酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）等
を基材とする酸化物半導体により構成されており、水素
（Ｈ ₂）や一酸化炭素（ＣＯ）、アルコール等の還元性
ガスに反応する。感ガス素子４は、例えば、清浄な大気
中では酸化物半導体の表面に酸素が吸着し、酸素の電子
親和力によって酸化物半導体中の自由電子の流れが妨げ
られ、電気抵抗が増大する。従って、感ガス素子の電気
抵抗値が大きいということは雰囲気が清浄であることを
示し、また電気抵抗値が増大する方向に変化していると
いうことは雰囲気が清浄になりつつあることを示してい
る。一方、検出対象ガスとして還元性ガスであるＨ₂や
ＣＯに感ガス素子４が曝されると、酸化物半導体の表面
では上記のガスと吸着酸素との酸化反応が起こり、酸化
物半導体の表面に吸着していた酸素が減少するため、電
子が動きやすくなり、電気抵抗が減少する。従って、感
ガス素子４の電気抵抗値が小さいということは雰囲気が
汚れていることを示し、また電気抵抗値が減少する方向
に変化しているということは雰囲気が汚れつつあること
を示している。

【００３１】図３は、感ガス素子４の抵抗値を測定する
ための測定回路を示す回路図である。感ガス素子４の抵
抗値Ｒｓは、負荷抵抗Ｒａの両端電圧Ｖｏｕｔに基づい
て次式によって算出される。Ｒｓ＝Ｒａ×（Ｖｃ−Ｖｏｕｔ）／Ｖｏｕｔ

【００３２】ここで、Ｖｃは、ガスセンサ２に印加され
る回路電圧である。尚、図３において、Ｒｈはヒータ５
の抵抗値であり、Ｖｈはヒータ５に印加されるヒータ電
圧である。

【００３３】ガスセンサ２の出力電圧であるＶｏｕｔ
は、判定手段３に与えられる。判定手段３は、出力電圧
Ｖｏｕｔから上記数式に従って感ガス素子４の抵抗値Ｒ
ｓを求め、さらに、この抵抗値Ｒｓに基づいてガス濃度
及びその増減を求める。

【００３４】上記ガス検出装置１は、感ガス素子４の検
出状態が異なる２つの検出タイミングで感ガス素子４の
抵抗値をそれぞれ検出し、２つの検出抵抗値を比較して
検出対象ガスの濃度の増減又は濃度自体を判定すること
を特徴としている。以下に、具体的な判定手順を説明す
る。

【００３５】まず、感ガス素子４の温度が異なる２つの
検出タイミングで抵抗値を検出して比較する場合を説明
する。これは、２つの検出タイミングとして感ガス素子
４の検出状態が共に定常状態であるときを選択した場合
に相当する（請求項２）。一般に、感ガス素子４の温度
が異なると、感ガス素子４に反応するガスの種類も異な
ることが知られている。即ち、高温の感ガス素子４に反
応しやすいガスと、低温の感ガス素子４に反応しやすい
ガスとがあり、感ガス素子４は温度変化に伴ってガス感
度も変化することが知られている。従って、雰囲気中の
検出対象ガスの濃度が一定であっても、異なる温度で測
定すれば異なる抵抗値が得られることになる。

【００３６】（検出タイミングの選択方法）図４は、感
ガス素子４のガス感度の温度依存性の一例を示すグラフ
である。尚、温度依存性は感ガス素子４の仕様、即ち、
感ガス素子４の基材、形状、表面処理方法、触媒の種
類、担持方法等によって異なるものである。グラフにお
いて、横軸に感ガス素子４の温度（℃）をとり、縦軸に
ガス感度として清浄雰囲気下での抵抗値Ｒｓ（空気）と
ガス濃度が１００ｐｐｍの雰囲気下での抵抗値Ｒｓ（ガ
ス１００ｐｐｍ）との比Ｓｘをとっている。また、実線
Ｌ１はＣＯ（一酸化炭素）のガス感度Ｓｘ（ＣＯ１００
ｐｐｍ）を、破線Ｌ２はエタンのガス感度Ｓｘ（エタン
１００ｐｐｍ）を、点線Ｌ３はメタンのガス感度Ｓｘ
（メタン１００ｐｐｍ）を、破線Ｌ４ａ及び実線Ｌ４ｂ
は水蒸気のガス感度Ｓｘ（水蒸気）を、それぞれ示して
いる。

【００３７】ここで、２００℃と５００℃でガス感度を
比較すると、５００℃から２００℃に変化した際に、上
記３種類のガスに対するガス感度Ｓｘはいずれも上昇し
ていることがわかる（ガス感度Ｓｘは数値が小さいほど
高感度である）。従って、２００℃と５００℃でそれぞ
れ抵抗値を検出した場合、抵抗値が各ガスから受ける影
響は温度によって異なるため、２つの抵抗値を比較した
としても、検出対象ガス以外の干渉ガスの影響を取り除
くことはできない。

【００３８】一方、３００℃と５００℃でガス感度を比
較すると、５００℃から３００℃に変化した際に、ＣＯ
とエタンに対するガス感度は共に上昇しているが（Ｌ
１、Ｌ２参照）、メタンに対するガス感度はほぼ等しい
ことがわかる（Ｌ３参照）。従って、３００℃と５００
℃でそれぞれ抵抗値を検出した場合、抵抗値がメタンか
ら受ける影響はどちらの温度でもほぼ等しいため、２つ
の抵抗値を比較すれば、メタンの影響を取り除くことが
できることになる。即ち、感ガス素子４の温度を５００
℃と３００℃に周期的に切り換えるパルス駆動方式でガ
スセンサ２を制御すればよい。尚、パルス駆動方式につ
いては、例えば特許第２７９１４７３号公報、特開平９
−１３８２０９号公報に記載されている。

【００３９】このように２つの温度としては、２つの温
度間で検出対象ガスに対するガス感度は異なるが、他の
ガス（干渉ガス）に対するガス感度はほぼ等しいものを
選択すればよい。従って、図４のグラフに示す特性を持
つ感ガス素子４においては、ＣＯ又はエタンを検出対象
ガスとして、メタンを干渉ガスとした場合は、３００℃
と５００℃で抵抗値を検出して比較すればメタンの影響
を取り除くことができる。尚、上記のように温度依存性
は感ガス素子４の仕様によって異なるため、異なる仕様
の感ガス素子４の場合は、別の温度を選択する必要があ
る。また、ＣＯを検出対象ガスとして、エタンを干渉ガ
スとした場合は、３００℃と５００℃という条件では、
エタンの影響を取り除くことができないため、他の温度
条件、あるいは温度以外の他の検出状態を選択する必要
がある。

【００４０】また、図４において、水蒸気に対する感度
が破線Ｌ４ａに示すように変化する場合は、ほとんど温
度変化の影響を受けていないことがわかる。従って、３
００℃と５００℃で抵抗値を検出して比較すれば水蒸気
の影響、即ち絶対湿度（温度・相対湿度）の変化による
影響を取り除くことができる。また、水蒸気に対する感
度が実線Ｌ４ｂに示すように変化する場合は、３５０℃
以上では温度変化の影響をほとんど受けていないので、
３５０℃以上の２つの温度で抵抗値を検出すればよい。
このように、水蒸気を含めた干渉ガスの影響を取り除け
るような２つの温度を選択すれば、検出対象ガスの濃度
変化のみを反映した出力（抵抗値）を得ることができ
る。

【００４１】（センサ出力の比較方法）ガスセンサ２か
らは、上述したように３００℃での抵抗値Ｒｓ（３００
℃，ガス）と５００℃での抵抗値Ｒｓ（５００℃，ガ
ス）とが出力される。ここで、ガス濃度の判定は、清浄
雰囲気下での抵抗値を基準として行うものであるため、
３００℃におけるガス雰囲気下での抵抗値Ｒｓ（３００
℃，ガス）と清浄雰囲気下での抵抗値Ｒｓ（３００℃，
清浄）との出力比をＳｘ（３００℃）とし、５００℃に
おけるガス雰囲気下での抵抗値Ｒｓ（５００℃，ガス）
と清浄雰囲気下での抵抗値Ｒｓ（５００℃，清浄）との
出力比をＳｘ（５００℃）する。

【００４２】最も単純な比較方法としては、出力比の引
き算を行う方法がある。即ち、Ｓｘ（３００℃）−Ｓｘ
（５００℃）を求めることによって、温度が変化しても
出力比Ｓｘが変化しないガスの影響成分が相殺されるた
め、温度が変化すると出力比Ｓｘも変化するガスの影響
のみを反映した値を得ることができる。そして、この値
に基づいて、検出対象ガスの濃度の増減を判定する。こ
れによって、干渉ガスの影響を受けることなく、精度の
高い判定を行うことができる。

【００４３】別の比較方法としては、抵抗値の比をとる
方法がある。即ち、抵抗値Ｒｓ（３００℃，ガス）と抵
抗値Ｒｓ（５００℃，ガス）との比をＲｘ（ガス）とす
ると、このＲｘ（ガス）は上記出力比Ｓｘを用いて下記
のように変形できる。Ｒｘ（ガス）＝Ｒｓ（３００℃，ガス）／Ｒｓ（５００℃，ガス）＝Ｓｘ（３００℃，ガス）／Ｓｘ（５００℃，ガス） ×Ｒｓ（３００℃，清浄）／Ｒｓ（５００℃，清浄）＝Ｓｘ（３００℃，ガス）／Ｓｘ（５００℃，ガス）×α

【００４４】ここで、α＝Ｒｓ（３００℃，清浄）／Ｒ
ｓ（５００℃，清浄）は検出タイミング（温度）に依存
する定数であるため、温度が変化しても出力比Ｓｘが変
化しないガスの影響成分が相殺され、温度が変化すると
出力比Ｓｘも変化するガスの影響のみを反映した値を得
ることができる。そして、この値に基づいて、検出対象
ガスの濃度の増減を判定する。これによって、干渉ガス
の影響を受けることなく、精度の高い判定を行うことが
できる。

【００４５】また、感ガス素子４の抵抗値の経年変化は
大きいが、上記定数αは同一の感ガス素子４の抵抗値の
比であるので経年変化は小さい。そのため、比Ｒｘ（ガ
ス）は、抵抗値の経年変化による影響をほとんど受ける
ことがなく、ガス濃度変化に対応した値として出力させ
ることができる。従って、長期間にわたって安定した出
力特性を得ることができる。これによって、ガスセンサ
２の長寿命化を図ることができる。

【００４６】さらに、Ｒｘ（ガス）の値は、温度が変化
すると出力比Ｓｘも変化するガスの濃度変化に伴って変
化する。従って、検出対象ガスの濃度と比Ｒｘ（ガス）
との相関関係を予め判定手段３に記憶させておくことに
よって、求めた比Ｒｘ（ガス）から雰囲気中の検出対象
ガスの濃度を求めることができる。但し、雰囲気中には
検出対象ガス以外のガスも含まれており、これらのガス
の影響を全て検出抵抗値から取り除いている訳ではない
ので、雰囲気中のガス濃度を検出対象ガスの濃度に換算
した形で求めたことになる。尚、上記相関関係は、数式
で記憶してもよいし、表形式で記憶してもよい。

【００４７】以上のように本実施の形態によれば、温度
が異なる２つの検出タイミングで感ガス素子４の抵抗値
を検出し、検出した２つの抵抗値を比較することによっ
て干渉ガスの影響を取り除くことができるので、干渉ガ
スの影響を受けることなく、検出対象ガスの濃度の増減
を判定することができる。これによって、検出対象ガス
の濃度変化が小さい場合であっても検出可能となり、検
出精度を向上させることができる。また、感ガス素子４
は１個であるので、複数個の感ガス素子４を用いる場合
に比べて、低コストで実現することができると共に、構
成の小型化及び消費電力の低減も図ることができる。さ
らに、感ガス素子４の温度を低温と高温との間で周期的
に変化させて駆動するため、常時高温で維持して駆動す
る場合と比べて、消費電力を低減させることができる。

【００４８】また、検出タイミングとして選択する２つ
の温度の組合わせは、検出対象ガスの種類に応じて最適
なものを適宜選択すればよい。また、温度の組合わせを
変更することによって、１個の感ガス素子４であっても
数多くの検出特性を実現することができ、検出可能なガ
スの種類を大幅に増やすことができる。これによって、
ガス検出装置１の性能向上を図ることができる。

【００４９】さらに、絶対湿度（水蒸気）の変化の影響
を受けることなく、検出対象ガスの濃度の増減を判定す
ることができるので、空調装置が据え付けられた室内の
ように温度や相対湿度が変化する雰囲気中のガス検出に
特に有効である。

【００５０】また、２つの抵抗値の比に基づいて判定を
行うことによって、干渉ガスの影響と共に、経年変化に
よる抵抗値変化の影響も受けることなく、長期間にわた
って安定した出力特性を得ることができる。これによっ
て、ガス検出装置１の長寿命化を図ることができる。さ
らに、比に基づいて雰囲気中のガス濃度の絶対値を検出
できるので、検出性能の向上を図ることができる。

【００５１】以上にこの発明の具体的な実施の形態につ
いて説明したが、この発明は上記形態に限定されるもの
ではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施するこ
とができる。上記実施形態においては、感ガス素子４の
検出状態が異なる２つの検出タイミングとして、感ガス
素子４の温度が異なる２つの検出タイミングを選択した
けれども、他の実施形態として、感ガス素子４の温度変
化直後から感ガス素子４の表面のガス吸着量が平衡状態
に到達するまでの期間内において、温度変化直後からの
経過時間が異なる２つの検出タイミングを選択してもよ
い。この検出タイミングは、感ガス素子４の検出状態が
共に過渡状態であるときを選択した場合に相当する（請
求項３）。

【００５２】このような検出タイミングを選択できるの
は、図５のタイミングチャートに示すように、感ガス素
子４の温度が高温から低温に変化する場合、高温側で検
出しやすいメタンのガス感度（センサ出力）は温度変化
直後（時刻ｔ２）からの時間経過と共に高感度から低感
度に変化する一方で（実線Ｌ５参照）、低温側で検出し
やすい一酸化炭素のガス感度は温度変化直後（時刻ｔ
２）からの時間経過と共に低感度から高感度に変化する
からであり（破線Ｌ６参照）、また逆に、感ガス素子４
の温度が低温から高温に変化する場合は、高温側で検出
しやすいメタンのガス感度は温度変化直後（時刻ｔ１）
からの時間経過と共に低感度から高感度に変化する一方
で（実線Ｌ５参照）、低温側で検出しやすい一酸化炭素
のガス感度は温度変化直後（時刻ｔ１）からの時間経過
と共に高感度から低感度に変化するからである（破線Ｌ
６参照）。

【００５３】ここで、図５のタイミングチャートは、感
ガス素子４を加熱するヒータ５にヒータ電圧としてパル
ス状の電圧を印加してガスセンサ２をパルス駆動したと
きのセンサ出力を示すものであり、パルス状電圧は高温
側として０．９Ｖ、５秒間と、低温側として０．２Ｖ、
１０秒間とを１周期としている。そして、期間Ｗ１、Ｗ
３においては清浄大気中でのセンサ出力を示し、期間Ｗ
２においては一酸化炭素中又はメタン中でのセンサ出力
を示している。

【００５４】そこで、図５に示す態様でガスセンサ２を
パルス駆動する場合は、感ガス素子４が低温から高温に
変化した直後（時刻ｔ１）からの時間が短いタイミング
Ｔ１ａと時間が長いタイミングＴ１ｂ、又は感ガス素子
４が高温から低温に変化した直後（時刻ｔ２）からの時
間が短いタイミングＴ２ａと時間が長いタイミングＴ２
ｂにおいて、センサ出力を検出するようにする。そし
て、検出した２つのセンサ出力を比較することによっ
て、低温側と高温側とでガス感度が変化するガスのみを
検出できる。

【００５５】この場合、感ガス素子４が過渡状態から定
常状態に到達するまでの期間におけるガス感度の変化パ
ターン（変化速度）はガスの種類によって異なるので、
感ガス素子４の温度設定を変更することなく、検出タイ
ミングを変更するだけで検出対象ガスの種類を変更する
ことができる。従って、上記の実施形態では検出対象ガ
スの種類を変更するにはヒータ５の駆動方法（電圧や印
加時間など）を変更する必要があるのに対し、本実施形
態ではヒータ５の駆動方法はそのままで検出タイミング
だけを変更すればよいので、簡単な処理で数多くのガス
の検出が可能となる。

【００５６】さらに他の実施形態として、感ガス素子４
の検出状態が異なる２つの検出タイミングとして、感ガ
ス素子４の温度と、感ガス素子４の温度変化後からの経
過時間との少なくとも一方が異なる２つの検出タイミン
グを選択してもよい。検出タイミングの組合わせ例とし
ては、感ガス素子４の温度が変化している期間内の２点
を選択する場合と、感ガス素子４の温度が変化している
期間内と変化していない期間内の２点を選択する場合と
がある。

【００５７】温度が変化している期間内の２点を選択す
る場合は、例えば図６（ｂ）に示すヒータ電圧を印加し
てガスセンサ２を駆動して、感ガス素子４の温度が図６
（ａ）に示すように変化するときを例にとると、温度
上昇期間の２点（タイミングＴ１１とタイミングＴ１
２）、温度上昇期間と最高温度時の２点（タイミング
Ｔ１１又はＴ１２とタイミングＴ１３）、温度下降期
間の２点（タイミングＴ１４とタイミングＴ１５）、
温度下降期間と最高温度時の２点（タイミングＴ１４又
はＴ１５とタイミングＴ１３）、温度上昇期間と温度
下降期間との２点（タイミングＴ１１又はＴ１２とタイ
ミングＴ１４又はＴ１５）などを選択することができ
る。

【００５８】また、温度が変化している期間内と変化し
ていない期間の２点を選択する場合は、例えば図７
（ｂ）に示すヒータ電圧を印加してガスセンサ２を駆動
して、感ガス素子４の温度が図７（ａ）に示すように変
化するときを例にとると、温度非変化期間とこの温度
非変化期間での温度よりも高温側の温度変化期間（タイ
ミングＴ２６又はＴ２７とタイミングＴ２１、Ｔ２２、
Ｔ２４又はＴ２５）、温度非変化期間とこの温度非変
化期間での温度よりも低温側の温度変化期間（タイミン
グＴ２３、Ｔ２８又はＴ２９とタイミングＴ２１、Ｔ２
２、Ｔ２４又はＴ２５）などを選択することができる。
ここで、感ガス素子４は、温度変化期間においては過渡
状態であり、温度非変化期間においては定常状態である
ので、上記、の検出タイミングは本発明の請求項４
に相当するものである。

【００５９】上記のように感ガス素子４の温度変化の途
中でガスセンサ２の出力を検出することによって、出力
検出時の感ガス素子４の温度を、高温側と低温側との間
で自由に設定できる。また、感ガス素子４の温度変化に
伴うガス感度の変化は遅延時間を有するため、出力検出
時の感ガス素子４の温度が同一でも、温度の変化速度を
変更することによって、異なるセンサ特性を得ることが
できる。これによって、ガスセンサ２のセンサ特性を大
幅に変更できることになり、ガスセンサ２の性能向上を
図ることができる。

【００６０】このようなガス検出装置１は、様々な製品
に適用可能である。例えば、ガスレベルを検出して空気
清浄運転を行う空調装置、ガスレベルを検出して出力す
るガスモニタ、ガスレベルを検出して警報を発するガス
警報機、空燃比を検出して燃焼状態（運転状態）を制御
する燃焼機（内燃焼機関を含む）などに適用できる。こ
の場合、雰囲気中のガスレベル（絶対量）を正確に検出
できるので、上記各製品の正確な運転・制御が可能とな
る。

【００６１】また、ガス検出装置１は、雰囲気中のガス
の種類や濃度を検出するガス分析機に適用することもで
きる。ガス分析機では、センサ特性の異なる複数個のガ
スセンサを用いているので、各ガスセンサから異なる２
つの検出タイミングで検出した抵抗値をそれぞれ出力さ
せ、これらを比較することによって、様々なガスに対し
て、精度よくガスレベルを検出できる。これによって、
ガス分析機が検出対象としているガスを精度よく検出で
きるようになると共に、従来機と同程度の精度でガスを
分析する場合でも、必要なセンサ数を削減することがで
き、ガス分析機の小型化、低消費電力化、低価格化が可
能となる。さらに、ガスセンサ個々のセンサ特性の経年
変化はセンサ出力を比較することによって互いに相殺さ
れるため、ガスセンサのセンサ特性の経年変化に伴う機
器調節の手間も低減できる。

【００６２】さらに、ガス検出装置１で行っている感ガ
ス素子４の検出状態が異なる２つの検出タイミングで抵
抗値を検出するという検出方法は、半導体式絶対湿度セ
ンサに適用することも可能である。つまりガスセンサの
ガス感度は、感ガス素子の基材、形状、表面処理方法、
触媒の種類・担持方法などの製造条件によって変化する
と共に温度によっても変化するため、製造条件を還元性
ガスに反応しないように調整して製造し、かつ還元性ガ
スが反応しにくい温度で使用するようにしたものが半導
体式絶対湿度センサとなるからである。従って、上述し
たように温度などの検出状態を変化させれば、感ガス素
子は還元性ガスにも反応するため、絶対湿度センサを利
用して還元性ガスを検出することができる。これによっ
て、空調装置に絶対湿度センサが備えられているような
場合には、新たに臭気センサ（ガスセンサ）を設けるこ
となく、臭気検出が可能となり、低コストで臭気検出及
び空気清浄運転などを実現できる。

【００６３】

【発明の効果】以上のように請求項１のガス検出装置に
よれば、検出状態が異なる２つの検出タイミングで感ガ
ス素子の抵抗値を検出し、検出した２つの抵抗値を比較
することによって干渉ガスの影響を取り除くことができ
るので、干渉ガスの影響を受けることなく、検出対象ガ
スの濃度の増減を判定することができる。これによっ
て、検出対象ガスの濃度変化が小さい場合であっても検
出可能となり、検出精度を向上させることができる。ま
た感ガス素子は１個であるので、複数個の感ガス素子を
用いる場合に比べて、低コストで実現することができる
と共に、構成の小型化及び消費電力の低減も図ることが
できる。

【００６４】さらに、検出タイミングとして選択する２
つの検出状態の組合わせは、請求項２〜請求項４のよう
に検出対象ガスの種類に応じて最適なものを適宜選択す
ればよい。また、検出状態の組合わせを変更することに
よって、１個の感ガス素子で数多くの検出特性を実現す
ることができ、検出可能なガスの種類を大幅に増やすこ
とができる。これによって、ガス検出装置の性能向上を
図ることができる。

【００６５】また請求項５のガス検出装置によれば、絶
対湿度（水蒸気）の変化の影響を受けることなく、検出
対象ガスの濃度の増減を判定することができる。

【００６６】さらに請求項６のガス検出装置によれば、
検出した２つの抵抗値の比を求め、この比に基づいて判
定を行うので、干渉ガスの影響と共に、経年変化による
抵抗値変化の影響も受けることなく、長期間にわたって
安定した出力特性を得ることができる。これによって、
ガス検出装置の長寿命化を図ることができる。

【００６７】請求項７のガス検出装置によれば、ガス濃
度の増減だけでなく、ガス濃度の絶対値、即ち雰囲気中
のガスの絶対量を検出できるので、検出性能の向上を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態であるガス検出装置の概
略的構成を示すブロック図である。

【図２】上記ガス検出装置が備えるガスセンサの構造を
示す断面図である。

【図３】上記ガスセンサの等価回路図である。

【図４】上記ガスセンサの出力を検出するタイミングを
説明するためのグラフである。

【図５】上記ガスセンサの出力を検出するタイミングを
説明するためのタイミングチャートである。

【図６】上記ガスセンサの出力を検出するタイミングを
説明するためのタイミングチャートである。

【図７】上記ガスセンサの出力を検出するタイミングを
説明するためのタイミングチャートである。

【符号の説明】

１ガス検出装置２ガスセンサ３判定手段４感ガス素子５ヒータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化物半導体から成り、その表面のガス
吸着量に応じて抵抗値が変化する感ガス素子（４）と、
この感ガス素子（４）を加熱するヒータ（５）と、この
ヒータ（５）を制御して上記感ガス素子（４）の温度を
制御すると共に、上記感ガス素子（４）の抵抗値を検出
して検出対象ガスの濃度の増減を判定する判定手段
（３）とを備えるガス検出装置において、上記判定手段
（３）は、上記感ガス素子（４）の検出状態が異なる２
つの検出タイミングで上記感ガス素子（４）の抵抗値を
それぞれ検出し、２つの検出抵抗値を比較して判定を行
うことを特徴とするガス検出装置。
【請求項２】上記判定手段（３）は、２つの検出タイ
ミングとして、上記感ガス素子（４）の検出状態が定常
状態であるときを選択することを特徴とする請求項１の
ガス検出装置。
【請求項３】上記判定手段（３）は、２つの検出タイ
ミングとして、上記感ガス素子（４）の検出状態が過渡
状態であるときを選択することを特徴とする請求項１の
ガス検出装置。
【請求項４】上記判定手段（３）は、２つの検出タイ
ミングとして、上記感ガス素子（４）の検出状態が定常
状態であるときと過渡状態であるときを選択することを
特徴とする請求項１のガス検出装置。
【請求項５】上記判定手段（３）は、上記感ガス素子
（４）の水蒸気感度がほぼ等しくなるような２つの検出
タイミングを選択することを特徴とする請求項１〜請求
項４のいずれかのガス検出装置。
【請求項６】上記判定手段（３）は、検出した２つの
抵抗値の比を求め、求めた比に基づいて判定を行うこと
を特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかのガス検出
装置。
【請求項７】上記判定手段（３）は、検出対象ガスの
濃度と抵抗値の比との相関関係を予め記憶しており、求
めた検出抵抗値の比と上記相関関係とに基づいてガス濃
度を求めることを特徴とする請求項６のガス検出装置。