JP2000292401A - ガス測定装置、ガス警報装置及びガス測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 混合ガス中の微量成分ガスを検出することが
できるガス測定装置及びガス測定方法を提供する。 【解決手段】 正弦波電圧発生器１６とノイズ発生器１
８とにより正弦波電圧とランダム電圧とを重ね合わせた
電圧をヒータ１２Ｂに印加し、ｎ型半導体１８の導電率
を電圧として検出抵抗Ｒ_Ｌで検出し、マイコン２０で混
合ガス中の成分ガス濃度を演算する。ｎ型半導体１２Ａ
の表面のランダムな変化により一時的に検出限界を越え
る微弱出力電圧を検出抵抗Ｒ_Ｌで検出できるので、混合
ガス中の微量成分ガスの濃度を測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス測定装置及び
ガス測定方法に係り、特に混合ガス中の成分ガス濃度を
測定するガス測定装置及び該ガス測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ガスセンサ等の感ガス素子
を使用して混合ガス中の成分ガスのガス種や濃度を検出
するガス検出装置の開発がなされている。このようなガ
ス検出装置の感ガス素子としては、価格や安定性等の面
からｎ型酸化物半導体（ＳｎＯ _２、ＺｎＯ等）が多く用
いられている。通常、ｎ型酸化物半導体センサはヒータ
等の加熱素子で２００°Ｃ〜４００°Ｃに加熱されて、
メタンやＣＯ等の還元性ガスを検出する。大気中で酸素
はｎ型酸化物半導体表面に負イオン吸着しており、還元
性ガスが存在するとｎ型酸化物半導体表面で還元性ガス
による酸化反応が起こる。このとき、吸着酸素に捕捉さ
れていた電子が半導体へ移行しｎ型酸化物半導体に導電
率の変化が生じ、この導電率の変化を検出することによ
り還元性ガスの存在や濃度を検出することができる。

【０００３】半導体ガスセンサでは、ｎ型酸化物半導体
のみによる還元性ガス検出ではガス感度や選択性が不充
分であるので、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の
触媒をｎ型酸化物半導体中へ添加し、又はｎ型酸化物半
導体表面に担持触媒層を形成して検出対象ガスに対する
ガス感度及び選択性を向上させている。例えば、都市ガ
スやプロパンガスの検知に使用される半導体ガスセンサ
では主にパラジウムが添加されている。触媒活性は温度
域により異なるので、半導体ガスセンサの作動温度に適
合した触媒が選定される。

【０００４】このような半導体ガスセンサを用いて混合
ガス中の成分ガス濃度を測定する技術としては、例え
ば、特開平第９−７２８７１号公報に記載された混合ガ
ス測定方法がある。この混合ガス測定方法では、ガスセ
ンサ内蔵ヒータに正弦波等の周期的な電流を通電し、半
導体センサからの出力電圧を検出している（図１（Ａ）
参照）。この時系列に変化する出力電圧の波形には、ヒ
ータ印加周波数成分である第１成分、それぞれの混合ガ
ス中のガス構成に特徴的な周波数成分である第２成分及
び第３成分等があり（図１（Ｂ）参照）、これらの波形
を周波数空間で解析するためにフーリエ変換して各成分
のパワースペクトルを検出し（図１（Ｃ）参照）、ニュ
ーラルネットワークを利用してガス濃度を推定してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
第９−７２８７１号公報に開示された技術では、センサ
からの出力電圧を構成する成分のうち、図１（Ｂ）に示
した第４成分のように強度の低い周波数成分中にも、混
合ガス中の微量成分ガスや半導体ガスセンサが特異的な
選択性を示さないガスに関する重要な情報が含まれてい
るが、強度が検出限界以下であったり、電気回路のノイ
ズに埋もれてしまいこれまで検出が不可能であった。

【０００６】本発明は上記課題を解決するために、混合
ガス中の微量成分ガスを検出することができるガス測定
装置及びガス測定方法を提供することを目的とする。

【０００７】また、本発明の他の目的は、空気中に含ま
れる特定微量ガスに対するガス警報装置を提供すること
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の態様は、混合ガス中の成分ガス濃度
を測定するガス測定装置において、所定周波数の正弦波
電圧が印加されるヒータと、該ヒータにより前記成分ガ
スの吸脱着、酸化反応が起す電荷授受により導電率が変
化する半導体と、を有する半導体ガスセンサと、前記半
導体の導電率を電圧として検出する検出手段と、前記混
合ガス中の微量成分ガスが前記検出手段で検出されるよ
うに、前記ヒータ及び前記半導体の少なくとも一方に印
加されるノイズを発生させるノイズ発生手段と、前記検
出手段により検出された電圧に基づいて、前記混合ガス
中の成分ガス濃度を演算する演算手段と、を備えてい
る。

【０００９】本発明では、半導体ガスセンサのヒータに
所定周波数の正弦波電圧が印加され、半導体ガスセンサ
の半導体は該ヒータにより成分ガスの吸脱着、酸化反応
が起す電荷授受により導電率が変化する。請求項２及び
請求項３にも記載したように、ノイズ発生手段により混
合ガス中の微量成分ガスが検出手段で検出されるよう
に、ヒータ及び半導体の少なくとも一方にノイズが印加
される。検出手段により混合ガス中の微量成分ガスが電
圧として検出され、演算手段により検出手段で検出され
た電圧に基づいて、混合ガス中の成分ガス濃度が演算さ
れる。本発明によれば、ノイズ発生手段により混合ガス
中の微量成分ガスが検出手段で検出されるように、ヒー
タ及び半導体の少なくとも一方にノイズが印加されるの
で、混合ガス中の微量成分ガスの濃度を測定することが
できる。

【００１０】この場合において、ノイズ発生手段が発生
させるノイズをカオス性を有するようにすれば、カオス
性を有するノイズには周期性がないので、演算手段で混
合ガス中の成分ガス濃度を演算する際に、周期性を持つ
ノイズ成分を混合ガス中の微量成分ガスと誤認すること
を防止することができる。また、検出手段により検出さ
れる電圧のＳ／Ｎ比が最大となるようにノイズ発生手段
で発生させるノイズの電圧を決定すれば、微量成分ガス
が適切に検出される。更に、演算手段による演算では、
検出手段で検出された電圧をフーリエ変換して混合ガス
中の成分ガスの特徴を表す極座標データを演算し、該演
算された極座標データに基づいて混合ガス中の成分ガス
濃度を求めるようにしてもよい。このとき、極座標デー
タのうち、極座標の原点から最も離れた極座標データを
ヒータへの印加周波数成分として廃棄するようにすれ
ば、桁違いに大きな成分が除外されるので、微弱な成分
同士の関係が明確になる。

【００１１】また、本発明の第２の態様は、ガス警報装
置であって、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記
載のガス測定装置を備えている。本発明によれば、混合
ガス中の微量成分ガスの濃度を測定することができるガ
ス測定装置を備えたので、微量成分ガスについてのガス
警報を行うことができる。

【００１２】そして、本発明の第３の態様は、混合ガス
中の成分ガス濃度を測定するガス測定方法であって、ヒ
ータに所定周波数の正弦波電圧を印加し、前記混合ガス
中の微量成分ガスが検出可能なように、前記ヒータ及び
半導体の少なくとも一方にノイズを加え、前記ヒータで
前記成分ガスの吸脱着、酸化反応が起す電荷授受により
導電率が変化する半導体の導電率を電圧として検出し、
前記検出された電圧に基づいて、前記混合ガス中の成分
ガス濃度を演算する、ステップを含む。

【００１３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、図面を参
照して本発明をガス測定装置に適用した第１の実施の形
態について説明する。

【００１４】図２に示すように、本実施形態のガス測定
装置１０は混合ガス中の成分ガスのガス種や濃度を検出
するための半導体ガスセンサ１２を備えている。

【００１５】図３に示すように、この半導体ガスセンサ
１２はアルミナセラミックチューブ１２Ｆの周部に酸化
スズ（ＳｎＯ_２）の微粒子を焼結した円筒状の半導体と
してのｎ型酸化物半導体（以下、ｎ型半導体という。）
１２Ａを有している。アルミナセラミックチューブ１２
Ｆは中空とされており、アルミナセラミックチューブ１
２Ｆ内にヒータとしてのヒータコイル１２Ｂが挿入され
ている。ｎ型半導体１２Ａの両端にはそれぞれ２個の図
示しない電極が印刷されており、これらの図示しない電
極にリードの一端が接合されている。電極リードの他端
及びヒータコイル１２Ｂのリードの両端は円柱状の樹脂
成形ベース１２Ｄの上面周縁部に印刷されたパッドにワ
イヤボンディングされている。

【００１６】樹脂成形ベース１２Ｄの上部には樹脂成形
ベース１２Ｄと同外径で円筒状の樹脂成形筒１２Ｇが樹
脂成形ベース１２Ｄに接着されており、ｎ型半導体１２
Ａは樹脂成形ベース１２Ｄの上面に接触しないように樹
脂成形筒１２Ｇの中央部に配置されている。樹脂成形ベ
ース１２Ｄ及び樹脂成形筒１２Ｇの外周部には筒状の樹
脂カバー１２Ｅの内周が接着されており、樹脂カバー１
２Ｅの上部には図示しないステンレス製のメッシュがは
め込まれた開口が形成されている。また、樹脂成形ベー
ス１２Ｄの各パッドからはピン１２Ｃが下方向へ立設さ
れている。

【００１７】図２に示すように、ｎ型半導体１２Ａの一
端は半導体ガスセンサ１２からの出力電圧Ｖ_ＲＬを取り
出すための検出手段としての検出抵抗Ｒ_Ｌに接続されて
おり、検出抵抗Ｒ_Ｌの他端は直流電源Ｖ_Ｃのマイナス端
子に接続されている。一方、ｎ型半導体１２Ａの他端は
直流電源Ｖ_Ｃのプラス端子に接続されている。従って、
半導体ガスセンサ１２は、直流電源Ｖ_Ｃ、ｎ型半導体１
２Ａ及び検出抵抗Ｒ_Ｌでガス種や濃度を検出するための
直流回路の一部を構成している。

【００１８】なお、本実施形態では、半導体ガスセンサ
１２にフィガロ技研株式会社製の商品名ＴＧＳ８１３タ
イプを使用した。ＴＧＳ８１３タイプは図３にも示した
ようにｎ型半導体１２Ａの両端からそれぞれ２本のピン
１２Ｃが延出されているので、これら２本のピン１２Ｃ
を共通に接続してｎ型半導体１２Ａの両端とすると共
に、ＴＧＳ８１３タイプは低電圧でも駆動するので、直
流電源Ｖｃの電圧として９Ｖを使用した。

【００１９】また、ガス測定装置１０は、一定周波数の
正弦波電圧を発生させる正弦波電圧発生器１６と、ラン
ダムな電圧を発生させるノイズ発生手段としてのノイズ
発生器１８と、を備えている。正弦波電圧発生器１６は
印加された一定の直流電圧を正弦波電圧に変換するもの
であり、正弦波電圧の周波数を所望の正弦波周波数Ｆに
変更することが可能である。本実施形態では、正弦波電
圧発生器１６に９Ｖの直流電圧を印加し、２０ｍＨｚの
正弦波電圧を発生させた。また、ノイズ発生器１８は非
線形関数ｆ（Ｘ_ｎ）を含む次式１のような簡単な差分方
程式に基づいて、パラメータａ及び初期値Ｘ_０，Ｙ_０を
適正に定めることにより時系列的にカオス性を有するラ
ンダム電圧を生成することができる。

【００２０】

【数１】

【００２１】このＸ_ｎとｆ（Ｘ_ｎ）との関係を、横軸に
Ｘ_ｎ、縦軸にｆ（Ｘ_ｎ）をとって模式的に表せば図４に
示すようになる。なお、ノイズ発生器１８は、図示しな
い直流電源、カオスモジュール、抵抗及び外部からのパ
ラメータａ等の命令信号を受信する制御回路を含んで構
成されており、本実施形態では図示しないカオスモジュ
ールに新日本無線株式会社製の商品名ＮＪＨ１１０１を
使用した。

【００２２】これら正弦波電圧発生器１６及びノイズ発
生器１８で発生させた正弦波電圧及びランダム電圧は、
図２の結合点１４に示すように、重ね合わされてヒータ
コイル１２Ｂに印加される。この印加電圧によりヒータ
コイル１２Ｂは加熱され、ｎ型半導体１２Ａの円筒表面
温度は２００°Ｃ以上に達する。

【００２３】ここで、半導体ガスセンサ１２の作動原理
を概説すれば、半導体ガスセンサ１２はｎ型半導体１２
Ａ表面への化学吸着現象に依存していることから、ｎ型
半導体１２Ａ表面でのガス吸脱着速度を高めるためにヒ
ータコイル１２Ｂで加熱される。ｎ型半導体１２Ａを流
れる電流は酸化スズの微粒子の接合部を通って流れ、半
導体ガスセンサ１２が清浄な大気中にあるときは、ｎ型
半導体１２Ａ表面への酸素の吸着により粒子界面のポテ
ンシャル障壁が高くなり電子の移動を妨げるので、ｎ型
半導体１２Ａは高い抵抗値を示す。そこへ還元性ガスが
到達すると、ｎ型半導体１２Ａ表面へのガス分子の吸着
や酸化反応が起こりポテンシャル障壁が低くなり電子の
移動が容易になるので、ｎ型半導体１２Ａの抵抗値が小
さくなる。従って、ｎ型半導体１２Ａの抵抗値の大きさ
を、検出抵抗Ｒ_Ｌ両端の出力電圧Ｖ_ＲＬとして取り出す
ことによりガス濃度を知ることができる。

【００２４】また、ガス測定装置１０は検出抵抗Ｒ_Ｌの
両端電圧である出力電圧Ｖ_ＲＬをアナログ信号からデジ
タル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２２を備えており、
Ａ／Ｄ変換回路２２はＡ／Ｄ変換回路２２内の図示しな
いサンプルホールド回路で量子化されたデジタル信号を
演算手段としてのマイクロコンピュータ（以下、マイコ
ンという。）２０に出力するために入出力インターフェ
ース２０Ｄに接続されている。

【００２５】マイコン２０はＣＰＵ２０Ａ、ＲＯＭ２０
Ｂ、ＲＡＭ２０Ｃ及び入出力インターフェース２０Ｄを
含んで構成されている。入出力インターフェース２０Ｄ
は、図示しない出力装置等へ接続するための入出力コネ
クタＩ／Ｏに接続されると共に、正弦波電圧発生器１６
及びノイズ発生器１８に接続されている。

【００２６】次に、フローチャートを参照して本実施形
態のガス測定装置１０の作用について説明する。マイコ
ン２０に電源が投入されると、図５に示すガス測定処理
ルーチンの実行が開始される。

【００２７】まず、ステップ１１０において、半導体ガ
スセンサ１２のヒータコイル１２Ｂに電圧を印加するた
めに、正弦波電圧発生器１６内の図示しない半導体スイ
ッチをオンとさせ正弦波電圧発生器１６に直流電圧（９
Ｖ）を印加するための信号を正弦波電圧発生器１６に送
信すると共に、ＲＯＭ２０Ｂに格納されている正弦波周
波数Ｆ（２０ｍＨｚ）の情報を正弦波電圧発生器１６へ
送信する。これにより正弦波電圧発生器１６からの出力
電圧は図８（Ａ）に示すように周波数Ｆを持つ正弦波電
圧となる。このように正弦波電圧をヒータコイル１２Ｂ
に印加するのは、上述したように半導体ガスセンサ１２
のガス検出がガスのｎ型半導体１２Ａ表面への化学吸着
に依ることから、ｎ型半導体１２Ａの表面温度を周期的
に変化させることによりその変化に対応したガス種固有
の吸脱着が起こり、その結果、ｎ型半導体１２Ａの抵抗
値が周期的に変化し、ガス種固有の抵抗変化パターンが
得られるからである。

【００２８】また、ステップ１１０では、ノイズ発生器
１８内の図示しない半導体スイッチをオンとさせノイズ
発生器１８に電圧（例えば、５．０Ｖ）を印加するため
の信号をノイズ発生器１８に送信すると共に、ＲＯＭ２
０Ｂに格納されているパラメータａ、初期値Ｘ_０，Ｙ_０
の情報をノイズ発生器１８へ送信する。これによりノイ
ズ発生器１８からの出力電圧は図８（Ｂ）に示すように
ランダムな電圧となる。結合点１４では正弦波電圧発生
器１６からの正弦波電圧とノイズ発生器１８からのラン
ダム電圧が重ね合わされて、ヒータコイル１２Ｂには図
８（Ｃ）に示すような印加電圧が印加される。

【００２９】図５のステップ１２０では、半導体ガスセ
ンサ１２の使用時（数百度）と非使用時（室温）との温
度変化が大きいことからｎ型半導体１２Ａ表面でのガス
吸脱着平衡状態を確保するために、所定時間（例えば、
１分）待機する。この所定時間はマイコン２０内の図示
しない内部時計により計測することができる。

【００３０】次にステップ１３０では、次のステップ１
４０において所定時間が経過したと判断されるまで、検
出抵抗Ｒ_Ｌ両端の出力電圧Ｖ_ＲＬをＡ／Ｄ変換回路２２
を介して取り込み、ＲＡＭ２０Ｃに一旦格納する。ここ
で、ｎ型半導体１２Ａの抵抗値をＲ_Ｓ、検出抵抗Ｒ_Ｌの
抵抗値をＲ_Ｌ、直流電源Ｖ_Ｃの電圧をＶ_Ｃとすれば、Ａ
／Ｄ変換回路２２で量子化される前の、検出抵抗Ｒ_Ｌか
ら出力される出力電圧Ｖ_ＲＬは次式２で表すことができ
る。

【００３１】

【数２】

【００３２】なお、本実施形態では、２０ｍＨｚで変化
する出力電圧Ｖ_ＲＬを４波形分取り込むために、ステッ
プ１４０での所定時間を２００秒とした。

【００３３】次のステップ１５０では、図６に示す極座
標データ処理サブルーチンが実行される。ステップ１５
１では、後述する高速フーリエ変換上の要求からデータ
ポイント数が２の累乗でなければならず、また、離散デ
ータの周期と一致させることが困難であるので、ステッ
プ１３０でＲＡＭ２０Ｃに格納した４波形分の波形から
適当な長さで波形を切り出し、切り出した波形のデータ
をＲＡＭ２０Ｃに格納する。なお、本実施形態では２波
形分の波形を切り出した。図９（Ａ）は切り出された波
形を模式的に示したものである。

【００３４】次のステップ１５２では、切り出した２波
形分について高速フーリエ変換を行う。ここで行う高速
フーリエ変換は離散的フーリエ変換であり、この離散的
フーリエ変換について概説すれば、ｎ個の複素信号配列
x[0], x[1], ・・・ x[n-1]をフーリエ変換したときの
出力Ｆ_ｘ[k]は次式３で求めることができる。

【００３５】

【数３】

【００３６】このように、ｆ_ｓ／ｎを基本周波数とし
て、その整数倍の周波数ｋｆ_ｓ／ｎに対するパワースペ
クトル（強度Ｉ）を求めることができる。図９（Ｂ）
は、図９（Ａ）に示した波形をフーリエ変換したときの
周波数と強度Ｉとの関係を模式的に表したものである。
図９（Ｂ）に示すように、フーリエ変換によりヒータコ
イル１２Ｂへの印加周波数成分である第１成分（周波数
ｆ_１）、それぞれ混合ガス中のガス構成に特徴的な周波
数成分である第２成分乃至第４成分（周波数ｆ_２〜
ｆ_４）の周波数及び強度Ｉを把握することができる。

【００３７】一般に、x[j]をフーリエ変換した出力Ｆ_ｘ
[k]は複素数であるから、上記式３は次式４のようにも
表現することができる。なお、式４においてＲｅは実部
を、Ｉｍは虚部を表す。

【００３８】

【数４】

【００３９】このように、出力Ｆ_ｘ[k]は複素平面上で
実軸からθ[k]の位相角を有し、スカラ量としてＦ_ｘ[k]
の絶対値、すなわち、ｒ[k]を持つ極座標ベクトルとし
て表すことができる。そこで、図６に示す次のステップ
１５３では上記式４に示した関係を利用して極座標デー
タ（ｒ，θ）を算出する。図１０は図９（Ｂ）に示した
パワースペクトルを極座標データ（ｒ，θ）として算出
し複素平面上にプロットしたときの様子を模式的に示し
たものである。なお、図９（Ｂ）に示した各成分のパワ
ースペクトル（ｆ_１，Ｉ_１）〜（ｆ_４，Ｉ_４）は、それ
ぞれ図１０に示した極座標データ（ｒ_１，θ_１）〜（ｒ
_４，θ_４）に対応している。

【００４０】次のステップ１５４では、極座標の原点か
ら最も離れた、ヒータコイル１２Ｂへの印加周波数成分
を持つ極座標データ（ｒ_１，θ_１）を廃棄して、図１０
に模式的に示した例に即して換言すれば、極座標
（ｒ_２，θ_２）、（ｒ_３，θ_３）、（ｒ_４，θ_４）のデ
ータをＲＡＭ２０Ｃのワークエリアに残して、極座標デ
ータ処理サブルーチンを終了し、図５のステップ１５０
へ戻る。

【００４１】次のステップ１６０では、ＲＯＭ２０Ｂに
格納され予め成熟させたニューラルネットワークのプロ
グラムを呼び出す。ガス測定におけるニューラルネット
ワークの構築については、特開平第９−７２８７１号公
報に詳細に開示されており公知技術であるので、本明細
書では詳しくは触れないが、一言すれば入力層、中間層
及び出力層からなる３層構造を有し、極座標データ
（ｒ，θ）を入力層に入力することにより出力層からガ
ス種及び濃度値を出力するものである。なお、本実施形
態のニューラルネットワークでは、パソコンにより入力
層から中間層、並びに、中間層から出力層の重み係数を
２０，０００回以上に亘って反復修正し習熟させたニュ
ーラルネットワークを移植した。

【００４２】次のステップ１７０では、呼び出したニュ
ーラルネットワークの入力層に、ステップ１５４でＲＡ
Ｍ２０Ｃのワークエリアに確保した極座標データ
（ｒ_２，θ _２）、（ｒ_３，θ_３）、（ｒ_４，θ_４）を入
力することにより、出力層から極座標データ（ｒ_２，θ
_２）、（ｒ_３，θ_３）、（ｒ_４，θ_４）に対応するガス
種及び濃度値を得る。なお、個々の極座標データがある
ガスの種類や濃度に対応しているのではなく、３つの極
座標データの組み合わせが１つの混合ガス中のガス雰囲
気（ガス構成）に対応している。

【００４３】次のステップ１８０では、ニューラルネッ
トワークプログラムを終了させ、ガス種及び濃度値の演
算結果をＲＡＭ２０Ｃに残してガス測定処理ルーチンを
終了する。

【００４４】そして、ガス測定処理ルーチンで演算され
たガス種及び濃度値は、図７に示すように、入出力コネ
クタＩ／Ｏに接続された図示しない出力装置からの出力
命令信号を受信すると（ステップ１９０）、図示しない
出力装置にガス種及び濃度値のデータを出力する（ステ
ップ１９１）。これにより、混合ガス中のガス種及びガ
ス濃度値を知ることができる。

【００４５】本実施形態のガス測定装置１０では、図８
（Ｂ）に示したランダム電圧を図８（Ａ）に示した正弦
波電圧に対するノイズとして発生させ、図８（Ｃ）に示
したように、ヒータコイル１２Ｂに印加する印加電圧を
ランダムに変化させている。従って、ｎ型半導体１２Ａ
の表面温度がランダムに変化し、ｎ型半導体１２Ａ表面
でのガスの吸着、酸化反応が多様化する。これにより、
ｎ型半導体１２Ａの抵抗値も変化し、測定ガス雰囲気に
固有の抵抗値変化パターンが得られる。本ガス測定装置
１０では、図１（Ｂ）に示したような混合ガス中の検出
限界に達しない微弱な波形成分（第４成分）でも、ｎ型
半導体１２Ａの表面温度のランダムな変化により、図１
１に示すように、一時的に検出限界を越える微弱出力電
圧を出力することができる。また、この微弱出力電圧の
検出頻度により、微量成分ガス種等の影響で発生する微
弱な波形成分の周波数の情報を得ることができる。この
微弱な波形成分の周波数は、微量成分ガス種や濃度と高
い相関を有しているので、混合ガス中の微量成分ガスの
ガス種・濃度を演算することができる。このように、本
実施形態のガス測定装置１０では、現在各分野で研究開
発が進められている確率共鳴 (Stochastic Resonance)
理論を利用して、検出限界外の成分ガスのガス種・濃度
値を顕在化している。

【００４６】また、本ガス測定装置１０では、パラメー
タａ及び初期値Ｘ_０，Ｙ_０を適正に定めることによりノ
イズ発生器１８で発生させるランダム電圧にカオス性を
持たせると共に、２波形分の波形を切り出し（ステップ
１５０）高速フーリエ変換したので、正確に混合ガス中
のガス種及び該濃度値を測定することができる。

【００４７】更に、図１２に示すように、ノイズ強度を
変化させたときのＳ／Ｎ比はノイズ強度Ｎ_Ｑのところで
最大となる。本実施形態では、この最大Ｓ／Ｎ比となる
ノイズ強度Ｎ_Ｑをとる電圧をノイズ発生器１８に印加し
ているので、適切なノイズが微弱な出力電圧を高め微量
成分ガスの測定を更に可能ならしめている。

【００４８】上述したように本実施形態のガス測定装置
１０によれば、混合ガス中のガス種及び濃度を単一のガ
スセンサで測定することができ、特に、これまで測定す
ることができなかった検出限界以下の微量の同系のガス
種（例えば、メタノール、エタノール等）の測定が可能
となる。

【００４９】また、本ガス測定装置１０では、市販の半
導体ガスセンサ１２を用い、確率共鳴理論を応用したの
で、低コストにも拘わらず高精度のガス測定装置を実現
することができる。

【００５０】なお、本実施形態では、混合ガス中のガス
種及び濃度値をニューラルネットワークを用いて演算し
たが、ニューラルネットワークに限らず例えばカオスア
トラクタによる解析等他の演算方法を使用してもよい。

【００５１】また、本実施形態は微量ガス成分を検出す
るために桁違いに大きい極座標（ｒ _１，θ_１）を廃棄し
たが、極座標の原点から最も離れた極座標データは、ガ
ス種及び濃度の情報を含むので、（ｒ_１，θ_１）の組み
合わせだけからガス種・濃度を演算することも可能であ
る。更に、ｒ_１を廃棄して、θ_１を残すようにしてもよ
く、また、適正な正規化を行えばｒ_１も残しても良い。

【００５２】更に、本実施形態では、ステップ１５１で
波形を切り出したが、波形切り出しの際一般的に使用さ
れるハミング窓(Hamming window)やハニング窓(Hanning
window)等の時間窓(Time window)を用いるようにして
もよい。このようにすれば、切り出し開始端の誤差を減
少させることができる。

【００５３】また、本実施形態では、測定対象の混合ガ
スを室温としたが、混合ガスを例えば０°Ｃ等の低い温
度に保つようにすれば、ｎ型半導体１２Ａ表面の表面温
度と混合ガスとの温度差が大きくなり、ｎ型半導体１２
Ａの導電率の変化レスポンスが向上してコイルヒータ１
２Ｂへの印加電圧の周波数を高くすることができるの
で、測定時間を短縮することができる。

【００５４】また、本実施形態の半導体ガスセンサ１２
に対し、測定開始前に、例えばオイルコンプレッサの圧
縮空気等を樹脂カバー１２Ｅ上部の図示しないメッシュ
がはめ込まれた開口から直接送風してエアブラシングを
行えば、ｎ型半導体１２Ａ表面が早く平衡状態に到達す
るので、ステップ１２０での待機時間を短縮することが
できる。特に、アミン系ガスを測定する場合には、エア
ブラシングを行うことが好ましい。

【００５５】（第２実施形態）次に、本発明をガス測定
装置に適用した第２の実施の形態について説明する。本
実施形態は、異なる複数の周波数電圧をヒータコイル１
２Ｂに与え、異なる測定条件下で測定データを採取する
ことにより、混合ガス中のガス種及び濃度の測定精度を
更に高めるものである。なお、本実施形態以下の実施形
態において第１実施形態と同一部分は同一の符号を付し
その説明を省略し、異なる箇所について説明する。

【００５６】図１３に示すように、本実施形態のガス測
定処理ルーチンでは、ステップ１２０において所定時間
を経過したと判断すると、次のステップ２１０でＲＯＭ
２０Ｂ内に格納された正弦波周波数Ｆ_１（２０ｍＨｚ）
の情報を正弦波電圧発生器１６に送信し、ステップ１４
０で所定時間が経過したと判断されるまでステップ１３
０において出力電圧Ｖ_ＲＬを取り込むので、第１実施形
態のガス測定装置の動作と同じである。

【００５７】次のステップ２２０では、正弦波周波数Ｆ
_１（２０ｍＨｚ）での出力電圧取り込みが終了したの
で、次の正弦波周波数Ｆ_２（例えば、４０ｍＨｚ）での
出力電圧Ｖ_ＲＬを取り込むために、正弦波周波数Ｆ_ｎの
ｎが３であるか否かを判断し、否定判断の場合には、ス
テップ２３０においてｎを１インクリメントし、すなわ
ち、ｎを２として、ステップ２１０へ戻り、ＲＯＭ２０
Ｂに格納されている正弦波周波数Ｆ_２の情報を正弦波電
圧発生器１６に送信する。これによりヒータコイル１２
Ｂに印加される印加電圧は周波数が異なるので、ステッ
プ１３０において異なった周波数電圧での出力電圧Ｖ
_ＲＬを取り込むことができる。ステップ２２０におい
て、肯定判断された場合には、正弦波周波数Ｆ_３（例え
ば、５０ｍＨｚ）までの測定すべきすべての出力電圧Ｖ
_ＲＬを取り込んだので、次のステップ１５０へ進む。

【００５８】このように本実施形態のガス測定装置で
は、異なる正弦波周波数Ｆ_１〜Ｆ_３の出力電圧Ｖ_ＲＬを
取り込んでこれらの正弦波周波数の極座標（ｒ，θ）の
組み合わせをニューラルネットワークの入力層へ入力す
ることにより、ニューラルネットワークへの入力情報が
多くなるので、第１実施形態のガス測定装置１０より精
度の高いガス種及び濃度の演算を行うことができる。

【００５９】なお、本実施形態では、これら正弦波周波
数Ｆ_２、Ｆ_３に対応して各ガス種、濃度でのニューラル
ネットワークを十分に成熟させる必要があることはいう
までもなく、また、本実施形態では３種類の正弦波周波
数Ｆ_１〜Ｆ_３で測定する例を示したが、異なる正弦波周
波数は３種類に限定されるものでないこともいうまでも
ない。

【００６０】（第３実施形態）次に、本発明をガス測定
装置に適用した第３の実施の形態について説明する。本
実施形態は、第１実施形態のようにヒータコイル１２Ｂ
側にノイズを入れるのではなく、ｎ型半導体に直接ノイ
ズを加えるものである。

【００６１】図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本
実施形態に使用される半導体５２Ａは、半導体又はｎ型
酸化物半導体としてのｎ型半導体３０２中にノイズ発生
手段の一部としてのｐ型半導体３０４が埋め込まれてい
る。このｎ型半導体３０２は、アルミナセラミックチュ
ーブ３０８の周部にｐ型半導体３０２を埋め込むことが
できるように一部欠落させて円筒状に酸化スズの微粒子
を焼結したしたものである。ｐ型半導体３０４の中央部
からは端部がワイヤボンディングされたリードが延出さ
れており、このリードの他端は図示しないパッドにワイ
ヤボンディングされると共に、下方向へ立設された図示
しないピンに接続されている。

【００６２】図１５に示すように、ｐ型半導体３０４は
ノイズ発生手段の一部としての微少直流電源ｖ_ｐのマイ
ナス端子に接続され、微少直流電源ｖ_ｐのプラス端子は
直流電源Ｖｃに接続されている。また、半導体ガスセン
サ５２のヒータとしてのヒータコイル５２Ｂは正弦波発
生器１６に接続されている。従って、ヒータコイル５２
Ｂには正弦波発生器１６で発生した正弦波電圧が印加さ
れる。この微少直流電源ｖ_ｐは、例えば、図１６に示す
ように、ノイズ発生器１８のプラス側に抵抗Ｒ _１及び抵
抗Ｒ_３の一端が接続され、抵抗Ｒ_１の他端がＮＰＮ型ト
ランジスタＴｒのベース及び抵抗Ｒ_２の一端に接続さ
れ、抵抗Ｒ_３の他端はＮＰＮ型トランジスタＴｒのコレ
クタに接続され、抵抗Ｒ_２の他端は抵抗Ｒ_５の一端及び
ノイズ発生器１８のマイナス側に接続され、抵抗Ｒ_５の
他端に一端が接続され、ＮＰＮ型トランジスタＴｒのエ
ミッタに他端が接続された抵抗Ｒ_４の両端として作製す
ることができる。

【００６３】このように、第３実施形態では、第１実施
形態のｎ型半導体１２Ａに代えてｐ型半導体を埋め込ん
だ半導体５２Ａを使用する点、半導体５２Ａのｐ型半導
体にノイズを通電させる点、及び、ヒータコイル１２Ｂ
にノイズを加えない点で第１実施形態と異なっている。

【００６４】本実施形態では、ｐ型半導体３０４には微
少直流電源ｖ_ｐにより順方向バイアス電圧が印加されノ
イズ発生器１８によりノイズが加えられるので、半導体
５２Ａに直接ノイズを与えることができる。従って、第
１実施形態のようにヒータコイルにランダム電圧を加え
なくても第１実施形態のガス測定装置１０と同様の効果
を得ることができる。

【００６５】また、本実施形態では、微少直流電源ｖ_ｐ
の電圧が極めて小さいので、第１実施形態のガス測定装
置１０に比べ消費電力を低減させることができる。

【００６６】更に、本実施形態では、半導体５２Ａに直
接ノイズを加えているので、Ｓ／Ｎ比が最大となるよう
にノイズ強度である微少直流電源ｖ_ｐの電圧を容易に定
めることができる。

【００６７】なお、本実施形態では、ｐ型半導体３０４
をｎ型半導体３０２に埋め込んだが、ｎ型半導体３０２
の表面をノイズ電流が流れればよいので、ｐ型半導体３
０４をｎ型半導体３０２表面に焼結するようにしてもよ
い。

【００６８】（第４実施形態）次に、本発明をガス警報
装置に適用した第４の実施の形態について説明する。本
実施形態は、空気中のガスを測定して、特定ガス種の濃
度値が所定値を越えるときにトリガ信号をブザー等の報
知器に送出するものである。

【００６９】本実施形態のガス警報装置のマイコン２０
は、書き込み、書き換え可能なＥＰＲＯＭ２０Ｅを有し
ており、マイコン２０内のバスに接続されている（図１
参照）。また、入出力コネクタＩ／Ｏには、ブザー等の
図示しない報知器に接続されている。

【００７０】本実施形態では、図示しない報知器を入出
力コネクタＩ／Ｏに接続する前に、入出力コネクタＩ／
Ｏに図示しないロムライタを接続し、図示しないロムラ
イタで警報を希望するガス種及びその濃度値のデータ
を、例えばデフォルト値で入力し、ＥＰＲＯＭ２０Ｅに
は図示しないロムライタで入力されたガス種及びその濃
度値（設定ガス種及び設定濃度値）が書き込まれいる。

【００７１】図１７に示すように、本実施形態のガス警
報処理ルーチンでは、ステップ１７０でガス種及び濃度
値を演算した後、次のステップ４１０においてＥＰＲＯ
Ｍ２０Ｅに格納された設定ガス種及び設定濃度値を読み
出す。

【００７２】次に、ステップ４２０では、演算されたガ
ス種のうち設定ガス種が含まれているか否かを判断し、
含まれていると判断した場合には、次のステップ４３０
においてステップ１７０で演算されたガス種の濃度値が
設定濃度値より大きいか否かを判断する。肯定判断の場
合には、次のステップ４４０において、図示しない報知
器へトリガ信号を送出する。図示しない報知器は、ガス
警報装置からのトリガ信号を受けて内蔵した図示しない
ラッチ回路等を作動させブザー等の音声を出力し続け
る。これにより、空気中に特定のガス種が含まれてお
り、その濃度値が設定値を越えていることが報知され
る。

【００７３】次のステップ４５０では、図示しないラッ
チ回路等のラッチが解除されるまで、すなわち、ブザー
等が解除されるまで待機するために、図示しない報知器
からの解除信号を受信したか否かを判断する。否定判断
の場合には待機を続け、肯定判断の場合には、ステップ
１１０へ戻る。

【００７４】一方、ステップ４２０及びステップ４３０
で否定判断された場合には、次のステップ４６０で所定
時間を経過するまで待機してステップ１１０へ戻る。

【００７５】本実施形態のガス警報装置では、第１実施
形態のガス測定装置と同様に、大気中の微量ガス及び微
量ガスの濃度値を測定することができるので、微量ガス
についての警報を行うことができる。

【００７６】また、本実施形態ではＥＰＲＯＭ２０Ｅを
マイコン２０内に備えたので、警報を希望する場所毎に
ガス種及びそのガス種の濃度値を設定することができ
る。

【００７７】更に、本実施形態ではステップ４６０で待
機している間は正弦波発生器１６及びノイズ発生器１８
への電源供給を停止してもよく、この場合にはガス警報
装置の消費電力を低減させることができる。また、以上
の実施形態では直流電源Ｖｃのプラス端子をｎ型半導体
１２Ａに直接接続したが、この間にマイコン２０からの
信号でオンオフする半導体スイッチを挿入すれば、測定
時間以外にはｎ型半導体１２Ａに電流が流れないので、
更に消費電力を低減させることができる。

【００７８】なお、警報対象のガス種は必ずしも１種で
ある必要はなく、希望する複数のガス種を警報対象とす
るようにしてもよい。

【００７９】また、以上の実施形態ではガス測定につい
て述べたが、本発明は微量ガスを測定できることから、
香りセンシングシステムへの適用が可能である。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ノ
イズ発生手段により混合ガス中の微量成分ガスが検出手
段で検出されるように、ヒータ及び半導体の少なくとも
一方にノイズが印加されるので、混合ガス中の微量成分
ガスの濃度を測定することができる、という効果を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は従来技術の半導体センサからの出力電
圧の波形を示す波形図であり、（Ｂ）は（Ａ）の波形成
分を示す成分特性図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の波形をフ
ーリエ変換したときのパワースペクトルを示す特性図で
ある。

【図２】本発明を適用した第１実施形態のガス測定装置
の概略構成を示すブロック図である。

【図３】第１実施形態のガス測定装置の半導体ガスセン
サの構造を示す一部破断外観斜視図である。

【図４】第１実施形態のガス測定装置のカオスモジュー
ルの差分方程式を模式的に示した説明図である。

【図５】第１実施形態のガス測定装置のガス測定処理ル
ーチンを示すフローチャートである。

【図６】図５の極座標データ処理サブルーチンの詳細を
示すフローチャートである。

【図７】第１実施形態のガス測定装置の演算結果出力ル
ーチンを示すフローチャートである。

【図８】（Ａ）は正弦波電圧発生器からの出力電圧の波
形を模式的に示した波形図であり、（Ｂ）はカオスモジ
ュールからの出力電圧の波形を模式的に示した波形図で
あり、（Ｃ）はコイルヒータに印加される印加電圧の波
形を模式的に示した波形図である。

【図９】（Ａ）は波形切り出し後の出力電圧の波形を模
式的に示した説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）の波形をフ
ーリエ変換したときのパワースペクトルを模式的に示し
た説明図である。

【図１０】複素平面上に極座標データ（ｒ，θ）をプロ
ットしたときの説明図である。

【図１１】波形成分４のパワースペクトルを模式的に示
した説明図である。

【図１２】ノイズ強度とＳ／Ｎ比との関係を示す説明図
である。

【図１３】第２実施形態のガス測定装置のガス測定処理
ルーチンを示すフローチャートである。

【図１４】（Ａ）は第３実施形態のガス測定装置の半導
体５２Ａの構造を示す外観斜視図であり、（Ｂ）は
（Ａ）のＢ−Ｂ線断面を示す断面図である。

【図１５】第３実施形態のガス測定装置の一部の概略構
成を示すブロック図である。

【図１６】図１５の微少直流電源ｖ_ｐの詳細を示す回路
図である。

【図１７】第４実施形態のガス警報装置の警報処理ルー
チンを示すフローチャートである。

【符号の説明】

１０ ガス測定装置 １２ 半導体ガスセンサ １２Ａ、５２Ａ、３０２ ｎ型半導体（半導体、ｎ型酸
化物半導体） １２Ｂ、５２Ｂ ヒータコイル（ヒータ） １６ 正弦波電圧発生器 １８ ノイズ発生器（ノイズ発生手段） ２０ マイコン（演算手段） ２２ Ａ／Ｄ変換回路 ３０４ ｐ型半導体（ノイズ発生手段の一部） Ｒ_Ｌ 検出抵抗（検出手段） ｖ_ｐ 微少直流電源（ノイズ発生手段の一部）

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 混合ガス中の成分ガス濃度を測定するガ
   ス測定装置において、 所定周波数の正弦波電圧が印加されるヒータと、該ヒー
   タにより前記成分ガスの吸脱着、酸化反応が起す電荷授
   受により導電率が変化する半導体と、を有する半導体ガ
   スセンサと、 前記半導体の導電率を電圧として検出する検出手段と、 前記混合ガス中の微量成分ガスが前記検出手段で検出さ
   れるように、前記ヒータ及び前記半導体の少なくとも一
   方に印加されるノイズを発生させるノイズ発生手段と、 前記検出手段により検出された電圧に基づいて、前記混
   合ガス中の成分ガス濃度を演算する演算手段と、 を備えたガス測定装置。
2. 【請求項２】 混合ガス中の成分ガス濃度を測定するガ
   ス測定装置において、 所定周波数の正弦波電圧と該正弦波電圧に対しノイズと
   なり電圧がランダムに変化するランダム電圧とを重ね合
   わせた電圧が印加されるヒータと、該ヒータにより加熱
   され前記成分ガスの吸脱着、酸化反応が起す電荷授受に
   より導電率が低下するｎ型酸化物半導体と、を有する半
   導体ガスセンサと、 前記ｎ型酸化物半導体の導電率を電圧として検出する検
   出抵抗と、 前記検出抵抗で検出された電圧に基づいて、前記混合ガ
   ス中の成分ガス濃度を演算する演算手段と、 を備えたガス測定装置。
3. 【請求項３】 混合ガス中の成分ガス濃度を測定するガ
   ス測定装置において、 所定周波数の正弦波電圧が印加されるヒータと、該ヒー
   タにより加熱され前記成分ガスの吸脱着、酸化反応が起
   す電荷授受により導電率が低下するｎ型酸化物半導体
   と、該ｎ型酸化物半導体を流れる電流に対しノイズとな
   るバイアス電流が通電されるｐ型半導体と、を有する半
   導体ガスセンサと、 前記ｎ型酸化物半導体の導電率を電圧として検出する検
   出抵抗と、 前記検出抵抗で検出された電圧に基づいて、前記混合ガ
   ス中の成分ガス濃度を演算する演算手段と、 を備えたガス測定装置。
4. 【請求項４】 前記ノイズ発生手段が発生させるノイズ
   は、カオス性を有することを特徴とする請求項１に記載
   のガス測定装置。
5. 【請求項５】 前記ノイズ発生手段が発生させるノイズ
   の電圧は、前記検出手段により検出される電圧のＳ／Ｎ
   比が最大となるように電圧が決定されることを特徴とす
   る請求項１又は請求項４に記載のガス測定装置。
6. 【請求項６】 前記演算手段は、前記検出手段で検出さ
   れた電圧をフーリエ変換して前記混合ガス中の成分ガス
   の特徴を表す極座標データを演算し、該演算された極座
   標データに基づいて前記混合ガス中の成分ガス濃度を演
   算することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれ
   か１項に記載のガス測定装置。
7. 【請求項７】 前記演算手段は、前記極座標データのう
   ち該極座標の原点から最も離れた極座標データを前記ヒ
   ータへの印加周波数成分として廃棄することを特徴とす
   る請求項６に記載のガス測定装置。
8. 【請求項８】 前記ヒータには周波数の異なる複数の正
   弦波電圧が印加されることを特徴とする請求項１乃至請
   求項７のいずれか１項に記載のガス測定装置。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に
   記載のガス測定装置を備えたガス警報装置。
10. 【請求項１０】 混合ガス中の成分ガス濃度を測定する
    ガス測定方法であって、 ヒータに所定周波数の正弦波電圧を印加し、 前記混合ガス中の微量成分ガスが検出可能なように、前
    記ヒータ及び半導体の少なくとも一方にノイズを加え、 前記ヒータで前記成分ガスの吸脱着、酸化反応が起す電
    荷授受により導電率が変化する半導体の導電率を電圧と
    して検出し、 前記検出された電圧に基づいて、前記混合ガス中の成分
    ガス濃度を演算する、 ステップを含むガス測定方法。