JP2007285841A - ガス検知装置およびガス検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接触燃焼式ガスセンサを用い、従来に比して小型化および低コスト化を図ったガス検知装置およびガス検知方法を提供すること。
【解決手段】ガス検知装置は、吸着燃焼式ガスセンサ４０の感応素子部Ｒｓおよび補償素子部Ｒｒに、低温駆動するためのＬレベルおよび高温駆動するためのＨレベルの駆動電圧を交互に印加する駆動手段５２と、高温駆動時の感応素子部Ｒｓからの検出電圧を基準電圧と比較し、その比較結果により第１のトリガ信号を生成する第１のトリガ信号生成手段５５と、高温駆動時の補償素子部Ｒｒからの検出電圧を基準電圧と比較し、その比較結果により第２のトリガ信号を生成する第２のトリガ信号生成手段５６と、第１のトリガ信号と第２のトリガ信号の両トリガ信号の時間間隔を計数する計数手段５０とを備え、計数手段の計数結果に基づいて、ガス濃度を検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス検知装置およびガス検知方法に関し、特に、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知装置およびガス検知方法に関する。

従来知られている接触燃焼式ガスセンサは、感応素子部と補償素子部を有し、検知すべきガスを感応素子部の触媒作用により燃焼させ、この燃焼熱を白金コイルの抵抗値変化として捉えるように構成されている。検知すべきガスのうちトルエン、酢酸やエタノール等のように、極性が大きく吸着力の大きなガスは、低温駆動時に、ガス分子が感応素子部の触媒表面に吸着し、高温駆動時に、吸着したガスが瞬時に燃焼すると共に接触燃焼反応も同時に起こるので、センサ出力は、短時間でピークに達しその後徐々に減少するピーク波形を生じる。一方、メタン、水素や一酸化炭素等の無極性または極性の小さいガスは、吸着力も小さいので上記のような現象は起こらず、センサ出力は、定常値で安定するまで徐々に増加していく。

このように、トルエン等の特定種類のガスにおいて固有のピーク波形を呈することを利用して、接触燃焼式ガスセンサを用いてガス濃度の検知ばかりでなくガス種を分別することができる。このような特定種類のガスの吸着現象を利用する接触燃焼式ガスセンサは、吸着燃焼式ガスセンサとも呼ばれている。

図７は、従来の吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知装置の構成例を示すブロック図である。ガス検知装置１は、コントローラ１０、駆動電源２０、ガス検知出力手段３０および検出用のブリッジ回路を含む吸着燃焼式ガスセンサ４０を含んで構成される。コントローラ１０には、駆動電源２０、ガス検知出力手段３０および吸着燃焼式ガスセンサ４０が接続されている。

コントローラ１０は、補正手段１１、センサ駆動制御手段１２、計時手段１３、ピーク値取得手段１４、格納手段１５及び比較手段１６を含んで構成される。このコントローラ１０は、演算部、記憶部等を有するマイクロコンピュータにて具現化可能である。ピーク値取得手段１４は、計時手段１３から供給されるクロック信号を参照しつつ、通電直後の吸着燃焼式ガスセンサ４０の出力値のピーク値を取得する。詳しくは、ピーク値取得手段１４は、検知すべきガスのピーク値を検出するのに十分な通電直後の時間にわたって、補正手段１１からのセンサ出力を所定のサンプリングレートでサンプリングすると共にこれらをそれぞれ保持しておき、この時間内におけるピーク値を取得する。

上記の構成を有するガス検知装置は、センサ駆動制御手段１２により吸着燃焼式ガスセンサ４０を所定時間だけ電源断とした後に通電し、通電直後の吸着燃焼式ガスセンサ４０の出力値のピーク値をピーク値取得手段１４で取得し、このピーク値と、格納手段１５に予め格納されている、被検知ガスに対応するピーク値データを比較手段１６で比較し、比較手段１６による比較結果に基づき被検知ガスを検知してその結果を出力手段３０から出力する（たとえば、特許文献１参照。）。
特開２００４−６９４６５号公報

しかしながら、上述のガス検知回路では、次のような問題点がある。
（１）ガスセンサ４０の出力が小さいため、ピーク値取得手段１４において、補正手段１１からのセンサ出力を増幅するための高精度な増幅器と、増幅器で増幅されたセンサ出力をサンプリングしてＡ／Ｄ変換するためのＡ／Ｄ変換器を備える必要がある。
（２）上記（１）の必要性により、部品点数が増え、小型化、低コスト化が困難である。
（３）Ａ／Ｄ変換のサンプリングレートによる制約で、真のピーク値を取得することが困難である。

そこで、本発明は、上記のような課題に着目し、接触燃焼式ガスセンサを用い、従来に比して小型化および低コスト化を図ったガス検知装置およびガス検知方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知装置であって、前記吸着燃焼式ガスセンサの感応素子部および補償素子部に、低温駆動するためのＬレベルおよび高温駆動するためのＨレベルの駆動電圧を交互に印加する駆動手段と、前記高温駆動時の前記感応素子部からの検出電圧を基準電圧と比較し、その比較結果により第１のトリガ信号を生成する第１のトリガ信号生成手段と、前記高温駆動時の前記補償素子部からの検出電圧を前記基準電圧と比較し、その比較結果により第２のトリガ信号を生成する第２のトリガ信号生成手段と、前記第１のトリガ信号生成手段からの前記第１のトリガ信号と前記第２のトリガ信号生成手段からの前記第２のトリガ信号が入力され、両トリガ信号の時間間隔を計数する計数手段とを備え、前記計数手段の計数結果に基づいて、ガス濃度を検知することを特徴とするガス検知装置に存する。

上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、請求項１記載のガス検知装置において、前記高温駆動時の前記感応素子部からの検出電圧が高くなった場合に、前記検出電圧を所定の制限値以内に制限する第１の制限手段と、前記高温駆動時の前記補償素子部からの検出電圧が高くなった場合に、前記検出電圧を所定の制限値以内に制限する第２の制限手段とをさらに備えたことを特徴とするガス検知装置に存する。

上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知方法であって、前記吸着燃焼式ガスセンサの感応素子部および補償素子部に、低温駆動するためのＬレベルおよび高温駆動するためのＨレベルの駆動電圧を交互に印加し、前記高温駆動時の前記感応素子部からの検出電圧が基準電圧を超えた時に発生する第１のトリガ信号と、前記高温駆動時の前記補償素子部からの検出電圧が前記基準電圧を超えた時に発生する第２のトリガ信号の時間間隔を計数し、その計数結果に基づいて、ガス濃度を検知することを特徴とするガス検知方法に存する。

請求項１記載の発明によれば、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知装置であって、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子部および補償素子部に、低温駆動するためのＬレベルおよび高温駆動するためのＨレベルの駆動電圧を交互に印加する駆動手段と、高温駆動時の感応素子部からの検出電圧を基準電圧と比較し、その比較結果により第１のトリガ信号を生成する第１のトリガ信号生成手段と、高温駆動時の補償素子部からの検出電圧を基準電圧と比較し、その比較結果により第２のトリガ信号を生成する第２のトリガ信号生成手段と、第１のトリガ信号生成手段からの第１のトリガ信号と第２のトリガ信号生成手段からの第２のトリガ信号が入力され、両トリガ信号の時間間隔を計数する計数手段とを備え、計数手段の計数結果に基づいて、ガス濃度を検知するので、以下の利点が得られる。
（１）高価な高精度の増幅器やＡ／Ｄ変換器が不要であるため、コストを低減できる。
（２）部品点数が減り、小型化が可能になる。
（３）時間の計測は、アナログ電圧を扱うよりも安定性がよく、高精度な検出ができる。

請求項２記載の発明によれば、高温駆動時の感応素子部からの検出電圧が高くなった場合に、検出電圧を所定の制限値以内に制限する第１の制限手段と、高温駆動時の補償素子部からの検出電圧が高くなった場合に、検出電圧を所定の制限値以内に制限する第２の制限手段とをさらに備えているので、第１のトリガ信号と第２のトリガ信号それぞれにおいて、トリガを検出後に各センサ電圧の制限を行うため、センサの過度な昇温を抑制することが可能で、消費電力とセンサ劣化を抑えることができる。

請求項３記載の発明によれば、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知方法であって、前記吸着燃焼式ガスセンサの感応素子部および補償素子部に、低温駆動するためのＬレベルおよび高温駆動するためのＨレベルの駆動電圧を交互に印加し、前記高温駆動時の前記感応素子部からの検出電圧が基準電圧を超えた時に発生する第１のトリガ信号と、前記高温駆動時の前記補償素子部からの検出電圧が前記基準電圧を超えた時に発生する第２のトリガ信号の時間間隔を計数し、その計数結果に基づいて、ガス濃度を検知するので、以下の利点が得られる。
（１）高価な高精度の増幅器やＡ／Ｄ変換器が不要であるため、コストを低減できる。
（２）部品点数が減り、小型化が可能になる。
（３）時間の計測は、アナログ電圧を扱うよりも安定性がよく、高精度な検出ができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。

図１は、本発明のガス検知装置で使用される吸着燃焼式ガスセンサの構造を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図および（Ｃ）は平面図におけるＡ−Ａ線断面図である。吸着燃焼式ガスセンサ４０は、図１に示すように、感応素子部Ｒｓおよび補償素子部Ｒｒから構成されている。感応素子部Ｒｓは、白金（Ｐｔ）からなるヒータ４２および白金族、たとえばパラジウム（Ｐｄ）を担持したアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）からなるＰｄ／Ａｌ₂ Ｏ₃ 触媒層４３を含み、補償素子部Ｒｒは、白金（Ｐｔ）からなるヒータ４４およびアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）層４５を含む。詳しくは、この吸着燃焼式ガスセンサ４０は、シリコン（Ｓｉ）ウエハ４１の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜４８ｃ、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜４８ｂおよび酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂ ）膜４８ａからなる絶縁薄膜が成膜され、その上に、感応素子部Ｒｓとして白金（Ｐｔ）からなるヒータ４２およびＰｄ／Ａｌ₂ Ｏ₃ 触媒層４３、補償素子部Ｒｒとして白金（Ｐｔ）ヒータ４２およびアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）層４５が形成されている。また、吸着燃焼式ガスセンサ４０は、異方性エッチングにより凹部４６及び４７を形成して、それぞれ、薄膜ダイアフラムＤｓ及びＤｒを形成することにより熱容量を小さくしている。

接触燃焼式ガスセンサ４０は、固定抵抗とヒータ４２および４４とのブリッジ接続によるセンサブリッジ回路に駆動電圧を印加することにより駆動される。まず、Ｌレベルの駆動電圧を所定の時間だけ印加して低温で駆動し、雰囲気中のガスを感応素子部Ｒｓの触媒層４３に吸着させる。次に、駆動電圧をＬレベルからＨレベルに切り替えて所定の時間だけ印加することにより高温で駆動し、吸着したガスを燃焼させる。低温駆動から高温駆動に切り替えた際、吸着燃焼式ガスセンサ４０の温度上昇は、センサへ供給されるエネルギーに依存し、ガスのない雰囲気中で感応素子部Ｒｓおよび補償素子部Ｒｒを同じ駆動電圧で駆動すれば、所定の温度に達するまでの時間は等しくなる。また、ガスの存在する雰囲気中で同様の駆動を行えば、吸着されたガスが燃焼する感応素子部Ｒｓ側はその燃焼エネルギーにより補償素子部Ｒｒ側よりも早く所定温度に達する。

以上のことにより、感応素子部Ｒｓと補償素子部Ｒｒでは、所定温度に達するまでの時間の差が発生する。そこで、発生する昇温時間の差を計数することで、ガス濃度の検出が可能である。また、検出対象が時間であるため、マイコン等に内蔵のカウンタ等を利用して簡単にガス検知回路を構成することができる。

図２は、上述の吸着燃焼式ガスセンサを用いた本発明の実施の形態に係るガス検知方法を実施するガス検知装置の構成を示すブロック図、図３は、図１のガス検知装置の具体的構成例を示す回路図、図４は、図１のガス検知装置で用いられる駆動電圧の波形例を示すタイミングチャート、図５は、図１のガス検知装置の動作を説明するフローチャートである。

本発明のガス検知装置１は、マイコン５０、電源５１、ブリッジ駆動回路５２、分圧回路５３、センサブリッジ回路５４、比較回路５５および５６、Ｒｓ保護用リミット回路５７およびＲｒ保護用リミット回路５８から構成されている。マイコン５０は、請求項における計数手段に相当し、比較回路５５は、請求項における第１のトリガ信号生成手段に相当し、比較回路５６は、請求項における第２のトリガ信号生成手段に相当し、Ｒｓ保護用リミット回路５７は、請求項における第１の制限手段に相当し、Ｒｒ保護用リミット回路５８は、請求項における第２の制限手段に相当する。

マイコン（以下、ＭＣＵという）５０は、ブリッジ駆動基準電圧Ｖｒｅｆ（Ｄ／Ａ出力）と駆動パルスを出力し、ブリッジ駆動回路５２は、電源５１からの電源電圧を調整し、ブリッジ駆動基準電圧Ｖｒｅｆ信号に応じた電圧Ｖｂがセンサブリッジ回路５４に印加されるように制御を行う。また、駆動パルスのＬレベル／Ｈレベルに同期して、電圧Ｖｂを低温駆動用のＬレベル、高温駆動用のＨレベルに変化させている。ブリッジ駆動回路５２から供給された電圧Ｖｂは、センサブリッジ回路５４と分圧回路５３へ供給される。

センサブリッジ回路５４は、固定抵抗Ｒ１と吸着燃焼式ガスセンサ４０における感応素子部Ｒｓのヒータ４２との直列接続と、固定抵抗Ｒ２と吸着燃焼式ガスセンサ４０における補償素子部Ｒｒのヒータ４４との直列接続で構成されている。また、分圧回路５３は、抵抗Ｒ３，Ｒ４およびＲ５からなり、電圧Ｖｂを分圧し、制限値Ｖｒｅｆ１および基準電圧Ｖｒｅｆ２を出力する。

吸着燃焼式ガスセンサ４０における感応素子部Ｒｓと補償素子部Ｒｒのヒータ４２および４４は、それぞれ、白金抵抗体で構成されているため、電流が流れることにより発熱し、自身の抵抗値が上昇する。つまり、感応素子部Ｒｓと補償素子部Ｒｒのヒータ４２および４４の抵抗値は、その温度を表している。感応素子部Ｒｓのヒータ４２の抵抗値変化は、固定抵抗Ｒ１との接続点電圧Ｖ＋として出力され、比較回路５５に入力される。補償素子部Ｒｒのヒータ４４の抵抗値変化は、固定抵抗Ｒ２との接続点電圧Ｖ−として出力され、比較回路５６に入力される。

比較回路５５は、電圧Ｖｂを分圧した基準電圧Ｖｒｅｆ２とセンサブリッジ回路５４の電圧Ｖ＋を比較し、感応素子部Ｒｓの抵抗値が所定値（所定温度）になったことを判定し、Ｈレベルのトリガ信号Ｔ１を出力する。比較回路５６も、同様に、電圧Ｖｂを分圧した基準電圧Ｖｒｅｆ２とセンサブリッジ回路５４の電圧Ｖ−を比較し、補償素子部Ｒｒの抵抗値が所定値（所定温度）になったことを判定し、Ｈレベルのトリガ信号Ｔ２を出力する。

以上より、比較回路のトリガ信号Ｔ１，Ｔ２は、感応素子部Ｒｓと補償素子部Ｒｒが、それぞれ、所定温度に達したときに出力されるように構成されている。

低温駆動により、ガス吸着が行われた吸着燃焼式ガスセンサ４０は、高温駆動に切り替わると、触媒層４３が設けられている感応素子部Ｒｓのみのガスが燃焼し、その温度上昇が補償素子部Ｒｒ側よりも早くなる。したがって、トリガ信号Ｔ２よりも早く、トリガ信号Ｔ１がＨレベルになる。つまり、Ｈレベルのトリガ信号Ｔ１の発生時点からＨレベルのトリガ信号Ｔ２の発生時点までの時間間隔は、ガス濃度に依存し、その濃度が高くなるほど上記時間間隔が広くなる。この時間間隔を、ＭＣＵ５０の内蔵カウンタで計数することにより、ガス濃度を取得する。すなわち、計数値を、ＭＣＵ５０の内部メモリに予め格納されている計数値対ガス濃度テーブルを参照して、対応するガス濃度値を取得する。

なお、図２では、トリガ信号Ｔ１およびＴ２を別々にＭＣＵ５０に入力しているが、後述するようにロジック回路５９（図３参照）でＴ１・／Ｔ２のロジックを構成することで、トリガ信号Ｔ１がＨレベルになってからトリガ信号Ｔ２がＨレベルになるまでの期間だけ、上記時間間隔を表すＨレベルの論理出力をロジック回路５９からＭＣＵ５０に入力することも可能である。この場合、ＭＣＵ５０は、Ｈレベルの論理出力のＨ期間の長さを計数すればよい。

トリガ信号Ｔ１およびＴ２が発生した後、ＭＣＵ５０が駆動パルスをＬレベルに切り替えるまでの期間は、吸着燃焼式ガスセンサ４０は、電圧Ｖｂによって自身に流れる電流と、その発熱による抵抗値の増加が平衡するまで温度が上昇する。この温度上昇は、センサ劣化の原因になる。そこで、過剰な温度上昇を抑えるために、Ｒｓ保護用リミット回路５７は、分圧回路５３でＶｒｅｆ１＞Ｖｒｅｆ２が成立するように設定された制限値Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖ＋を比較し、電圧Ｖ＋が制限値Ｖｒｅｆ１を超えないように制御している。Ｒｒ保護用リミット回路５８も、同様に、制限値Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖ−を比較し、電圧Ｖ−が制限値Ｖｒｅｆ１を超えないように制御している。

次に、図３は、図２のガス検知装置の具体的構成を示す回路図である。

ブリッジ駆動回路５２は、オペアンプＵ５、ｐｎｐ型トランジスタＱ１、ｎｐｎ型トランジスタＱ２および抵抗Ｒ６〜Ｒ１２からなり、電源５１としての＋Ｖｃｃ電圧が供給されている。ブリッジ駆動回路５２は、ＭＣＵ５０から出力されるブリッジ駆動基準電圧Ｖｒｅｆ（Ｄ／Ａ出力）と駆動パルスにより制御され、ブリッジ駆動基準電圧Ｖｒｅｆ信号に応じた電圧Ｖｂをセンサブリッジ回路５４に印加する。駆動パルスのＬレベル／Ｈレベルに同期して、電圧Ｖｂを低温駆動用のＬレベル、高温駆動用のＨレベルに変化させている。

オペアンプＵ５の反転入力端子には、ブリッジ駆動基準電圧Ｖｒｅｆ信号が入力され、非反転入力端子には、電圧Ｖｂを抵抗Ｒ９，Ｒ１１，Ｒ１２で分圧し、抵抗Ｒ１１およびＲ１２に発生する電圧が入力される。上記両電圧が比較され、反転入力端子より非反転入力端子の電位が高い場合、オペアンプＵ５の出力電圧が高くなる。オペアンプＵ５の出力電圧は、トランジスタＱ１のベースに供給され、その電圧が高くなるにしたがい、トランジスタＱ１のエミッタ−コレクタ間の抵抗が増加し、電圧Ｖｂが低下する。以上により、電圧Ｖｂは、抵抗Ｒ９，Ｒ１１，Ｒ１２とブリッジ駆動基準電圧Ｖｒｅｆ信号により任意の電圧に定電圧制御される。
Ｖｂ＝（Ｒ９＋Ｒ１１＋Ｒ１２）／（Ｒ１１＋Ｒ１２）×Ｖｒｅｆ・・・（１）

駆動パルスがＨレベルの場合、トランジスタＱ２がオン状態になるため、上記（１）式の抵抗Ｒ１２は短絡され、ゼロオームとなる。この状態は、駆動パルスがＬレベルの場合と比較して、電圧Ｖｂが高い電圧に制御される。したがって、駆動パルスをＬ／Ｈレベルに切り替えることで、電圧ＶｂをＬ／Ｈレベルに切り替えることができ、低温駆動状態と高温駆動状態を選択することができる。

ブリッジ駆動基準電圧Ｖｒｅｆを一意的に決めた場合、抵抗Ｒ９と（Ｒ１１＋Ｒ１２）の抵抗比は、低温駆動時の電圧Ｖｂを決定し、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２の抵抗比は、高温駆動時の電圧Ｖｂを決定する。ブリッジ駆動回路５２からの電圧Ｖｂは、センサブリッジ回路５４と分圧回路５３に供給される。

センサブリッジ回路５４は、固定抵抗Ｒ１と感応素子部Ｒｓのヒータ４２の直列接続、固定抵抗Ｒ２と補償素子部Ｒｒのヒータ４４の直列接続で構成されている。また、分圧回路５３は、電圧Ｖｂを抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５で分圧し、第１および基準電圧Ｖｒｅｆ１およびＶｒｅｆ２を出力する。

吸着燃焼式ガスセンサ４０における感応素子部Ｒｓと補償素子部Ｒｒのヒータ４２および４４は、それぞれ、白金抵抗体で構成されているため、電流が流れることにより発熱し、自身の抵抗値が上昇する。つまり、感応素子部Ｒｓと補償素子部Ｒｒのヒータ４２および４４の抵抗値は、その温度を表していることになる。感応素子部Ｒｓのヒータ４２の抵抗値変化は、固定抵抗Ｒ１との接続点電圧Ｖ＋として出力され、比較回路５５に入力される。補償素子部Ｒｒのヒータ４４の抵抗値変化は、固定抵抗Ｒ２との接続点電圧Ｖ−として出力され、比較回路５６に入力される。

比較回路５５は、オペアンプからなるコンパレータＵ１と抵抗Ｒ１３，Ｒ１４から構成され、比較回路５６は、オペアンプからなるコンパレータＵ２と抵抗Ｒ１５，Ｒ１６から構成されている。

コンパレータＵ１は、電圧Ｖｂを抵抗分圧した基準電圧Ｖｒｅｆ２とセンサブリッジ回路５４の電圧Ｖ＋を比較し、Ｖ＋＞Ｖｒｅｆ２の状態でＨレベルのトリガ信号Ｔ１を出力する。たとえば、電圧Ｖｂが低温駆動から高温駆動に切り替わると、感応素子部Ｒｓに流れる電流が増加し、その温度上昇に伴って感応素子部Ｒｓの抵抗値が大きくなり、Ｖ＋電位が上昇する。Ｖ＋とＶｒｅｆ２の電圧が等しくなる感応素子部Ｒｓの抵抗値の条件は、以下の（２）式で表される。
Ｒｓ＝Ｒ１・Ｒ５／（Ｒ３＋Ｒ４）・・・（２）

電圧Ｖ＋と基準電圧Ｖｒｅｆ２の関係をコンパレータＵ１で比較することにより、感応素子部Ｒｓが所定値（所定温度）になったことを判定することができる。さらに、この所定値は、抵抗Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４およびＲ５の抵抗値のみに依存するため、容易に決めることが可能である。同様に、電圧Ｖ−と基準電圧Ｖｒｅｆ２が等しくなる補償素子部Ｒｒの抵抗値の条件は以下の（３）式で表される。
Ｒｒ＝Ｒ２・Ｒ５／（Ｒ３＋Ｒ４）・・・（３）

以上により、コンパレータＵ１、Ｕ２の出力は、感応素子部Ｒｓと補償素子部Ｒｒが、それぞれ、所定温度に達した時にＨレベルのトリガ信号Ｔ１，Ｔ２の出力を行うように構成されている。

高温駆動時には、感応素子部Ｒｓおよび補償素子部Ｒｒの抵抗値が、上記（２）および（３）式の右辺よりも大きくなるように、低温駆動時には、感応素子部Ｒｓおよび補償素子部Ｒｒの抵抗値が上記（２）および（３）式の右辺よりも小さくなるように、電圧Ｖｂまたは抵抗Ｒ１〜Ｒ５を設定する必要がある。

Ｒｓ保護用リミット回路５７は、オペアンプＵ３、ｎｐｎ型トランジスタＱ３および抵抗Ｒ１７〜Ｒ２０から構成される。Ｒｒ保護用リミット回路５８は、オペアンプＵ４、ｎｐｎ型トランジスタＱ４および抵抗Ｒ２１〜Ｒ２４から構成される。

トリガ信号Ｔ１およびＴ２が発生した後、ＭＣＵ５０が駆動パルスをＬレベルに切り替えるまでの期間に、吸着燃焼式ガスセンサ４０は、高温駆動された電圧Ｖｂによって自身に流れる電流と、その発熱による抵抗値の増加が平衡するまで温度上昇する。この温度上昇は、センサ劣化の原因となるため、電圧Ｖｂは必要以上に上げないか、または、ＭＣＵ５０がトリガ信号Ｔ２を検出後すぐに駆動パルスをＬレベルに切り替える必要がある。しかし、電圧Ｖｂをあまり低く設定すると、基準電圧Ｖｒｅｆ２付近でセンサ温度が平衡してしまい、コンパレータによる基準電圧Ｖｒｅｆ２との比較が困難である。また、ガス濃度が高い場合には、トリガ信号Ｔ１の出力後トリガ信号Ｔ２出力までの期間が長くなり、ＭＣＵ５０が駆動パルスをＬレベルに切り替える前に、感応素子部Ｒｓ側の温度が上昇してしまう。

そこで、分圧回路５３によりＶｒｅｆ１＞Ｖｒｅｆ２が成立するように制限値Ｖｒｅｆ１を設定し、この制限値Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖ＋をＲｓ保護用リミット回路５７で監視している。Ｒｓ保護用リミット回路５７は、制限値Ｖｒｅｆ１より電圧Ｖ＋が高くなると、オペアンプＵ３の出力電圧が高くなり、トランジスタＱ３のベース電圧を上昇させる。トランジスタＱ３は、ベース電圧の上昇に伴い、コレクタ−エミッタ間の抵抗値が下がり、Ｖ＋電位を接地電位ＧＮＤへバイパスさせるように作用する。つまり、感応素子部Ｒｓの温度が、制限値Ｖｒｅｆ１で設定される温度を超えようとした場合に、電圧Ｖ＋を制限値Ｖｒｅｆ１に固定する制御をしている。Ｒｒ保護用リミット回路５８も、同様に、制限値Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖ−を監視している。Ｒｒ保護用リミット回路５８は、制限値Ｖｒｅｆ１より電圧Ｖ−が高くなると、オペアンプＵ４の出力電圧が高くなり、トランジスタＱ４のベース電圧を上昇させる。トランジスタＱ４は、ベース電圧の上昇に伴い、コレクタ−エミッタ間の抵抗値が下がり、Ｖ＋電位を接地電位ＧＮＤへバイパスさせ、電圧Ｖ−を制限値Ｖｒｅｆ１に固定する制御をしている。

以上により、感応素子部Ｒｓの最大許容温度は、制限値Ｖｒｅｆ１により制御することができ、感応素子部Ｒｓは、抵抗Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５の抵抗値のみに依存する下記（４）式で制限されることになる。同様に、補償素子部Ｒｒは、抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５の抵抗値のみに依存する下記（５）式の値で制限されることになる。
Ｒｓ＝（Ｒ４＋Ｒ５）・Ｒ１／Ｒ３・・・（４）
Ｒｒ＝（Ｒ４＋Ｒ５）・Ｒ２／Ｒ３・・・（５）

次に、上記の構成を有するガス検知装置の動作原理を説明する。まず、ガスが存在しない雰囲気に吸着燃焼式ガスセンサ４０が置かれている場合の動作を考える。ＭＣＵ５０の指示により低温駆動を開始すると、吸着燃焼式ガスセンサ４０は、吸着期間として動作する。しかし、雰囲気中にガスが存在しないため、吸着燃焼式ガスセンサ４０へのガス吸着は発生しない。

次に、ガスが存在する雰囲気中に吸着燃焼式ガスセンサ４０が置かれている場合を考える。ＭＣＵ５０の指示により低温駆動を開始すると、吸着燃焼式ガスセンサ４０は吸着期間として動作する。雰囲気中にガスが存在するため、吸着燃焼式ガスセンサ４０へのガス吸着が発生する。次に、高温駆動に切り替えると、吸着燃焼式ガスセンサ４０は燃焼期間として動作する。上記により吸着燃焼式ガスセンサ４０へのガス吸着が行われているため、触媒層４３が設けられている感応素子部Ｒｓ側のみガスが燃焼し、その温度上昇が補償素子部Ｒｒ側よりも早くなる。したがって、トリガ信号Ｔ２よりも早くトリガ信号Ｔ１がＨレベルになる。雰囲気中のガス濃度が高くなるほど、燃焼熱が多く発生するため、トリガ信号Ｔ１が、より早くＨレベルになる。

つまり、トリガ信号Ｔ１の発生時点からトリガ信号Ｔ２の発生時点までの時間間隔は、ガス濃度に依存し、その濃度が高くなるほど時間間隔が広くなる。

ＭＣＵ５０は、このトリガ間隔をカウンタで計数することにより、ガス濃度を取得することができる。すなわち、計数値を、ＭＣＵ５０の内部メモリに予め格納されている計数値対ガス濃度テーブルを参照して、対応するガス濃度値を取得する。

図３の回路では、トリガ信号Ｔ１，Ｔ２に対してＴ１・／Ｔ２のロジックを構成するためのロジック回路５９をさらに備えている。ロジック回路５９は、ＮＡＮＤゲートＮ１〜Ｎ３からなる。ＮＡＮＤゲートＮ１は、両入力端子にトリガ信号Ｔ１が入力され、インバータとして動作する。ＮＡＮＤゲートＮ２は、一方の入力端子にトリガ信号、他方の入力端子にＮＡＮＤゲートＮ１の出力が入力される。ＮＡＮＤゲートＮ３は、両入力端子にＮＡＮＤゲートＮ２の出力が入力され、インバータとして動作する、ＮＡＮＤゲートＮ３の出力として、トリガ信号Ｔ１がＨレベルになってからトリガ信号Ｔ２がＨレベルになるまでの期間だけＨレベルとなるＴ１・／Ｔ２のロジックがＭＣＵ５０に入力される。この場合、ＭＣＵ５０は、Ｔ１・／Ｔ２のロジック出力のＨ期間の長さを計数すればよい。

たとえば、本発明のガス検知装置で検知されるトルエンガスのガス濃度とトリガ信号Ｔ１およびＴ２の時間間隔の関係は、図６に示す特性図の通りである。

次に、ガス検知装置１のＭＣＵ５０の動作処理について図５のフローチャートを参照しながら説明する。まず、ブリッジ駆動基準電圧Ｖｒｅｆを既定値に設定し、Ｄ／Ａ変換してブリッジ駆動回路５２へ出力する（ステップＳ１）。次に、停止（電源オフ）期間中吸着燃焼式ガスセンサ４０に吸着されたガスを燃焼させるため、駆動パルス（図４）をＨレベルにして所定の期間Ｐ１（たとえば、数１０秒〜数分程度であるが、ここでは３分とする）だけ高温駆動する（ステップＳ２）。

次に、駆動パルスをＬレベルにして、所定期間Ｐ２だけ低温駆動し、センサにガスを吸着させる（ステップＳ３）。なお、低温駆動する所定期間Ｐ２は、１秒〜３０秒程度であるが、対象とするガスや濃度範囲により異なり、低濃度の検出ほど長く設定する。ここでは、所定期間Ｐ２は、３０秒とする。

次に、トリガ信号Ｔ１の発生時点からトリガ信号Ｔ２の発生時点までの期間（時間間隔）を計数するカウンタをリセットする（ステップＳ４）。次に、駆動パルスをＨレベルにして高温駆動する（ステップＳ５）。この、ステップＳ５における高温駆動状態は、後述するようにステップＳ５〜Ｓ１０の間維持される。次に、感応素子部Ｒｓの温度が基準電圧Ｖｒｅｆ２で設定した値になり、Ｔ１が入力されるまで待機する（ステップＳ６）。

次に、トリガ信号Ｔ１からトリガ信号Ｔ２までの期間を計数するカウンタをスタートさせる（ステップＳ７）。次に、補償素子部Ｒｒの温度が基準電圧Ｖｒｅｆ２で設定した値になり、トリガ信号Ｔ２が入力されるまで待機する（ステップＳ８）。次に、トリガ信号Ｔ１からトリガ信号Ｔ２までの期間を計数するカウンタをストップする（ステップＳ９）。次に、カウンタで計数したカウント値を出力し（ステップＳ１０）、次いでステップＳ３に戻り、再び、駆動パルスをＬレベルにして、所定期間Ｐ２だけ低温駆動し、センサにガスを吸着させ、以後、ステップＳ４〜Ｓ１０の動作を繰り返す。なお、ステップ５のＨレベル高温駆動は、ステップＳ５〜Ｓ１０を経てステップＳ３に戻りＬレベル低温駆動を開始するまで維持され、図４で示す期間Ｐ３となるが、この期間Ｐ３は、ガス濃度に応じてトリガ信号Ｔ１からトリガ信号Ｔ２までの期間が変わるので、ガス濃度により変化する期間である。

以上説明したように、本発明によれば、以下の利点が得られる。
（１）高価な増幅器やＡ／Ｄ変換器が不要であるため、コストを低減できる。
（２）部品点数が減り、小型化が可能になる。
（３）時間の計測は、アナログ電圧を扱うよりも安定性がよく、高精度な検出ができる。
（４）センサの昇温中に検出が完了するため、高温駆動する時間を最低限に抑えることが可能で、消費電力とセンサ劣化を抑えることができる。

以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

発明のガス検知装置で使用される吸着燃焼式ガスセンサの構造を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図および（Ｃ）は平面図におけるＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施の形態に係るガス検知方法を実施するガス検知装置の構成を示すブロック図である。 図１のガス検知装置の具体的構成例を示す回路図である。 図１のガス検知装置で用いられる駆動電圧の波形例を示すタイミングチャートである。 図１のガス検知装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明のガス検知装置で検知されるトルエンガスのガス濃度とトリガ信号Ｔ１およびＴ２の時間間隔の関係を示す特性図である。 従来の吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知装置の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ ガス検知装置
４０ 吸着燃焼式ガスセンサ
Ｒｓ 感応素子部
Ｒｒ 補償素子部
５０ ＭＣＵ（マイコン）（計数手段）
５２ ブリッジ駆動回路（駆動手段）
５３ 分圧回路
５４ センサブリッジ回路
５５ 比較回路（第１のトリガ信号生成手段）
５６ 比較回路（第２のトリガ信号生成手段）
５７ Ｒｓ保護用リミット回路（第１の制限手段）
５８ Ｒｒ保護用リミット回路（第２の制限手段）

Claims (3)

1. 吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知装置であって、
   前記吸着燃焼式ガスセンサの感応素子部および補償素子部に、低温駆動するためのＬレベルおよび高温駆動するためのＨレベルの駆動電圧を交互に印加する駆動手段と、
   前記高温駆動時の前記感応素子部からの検出電圧を基準電圧と比較し、その比較結果により第１のトリガ信号を生成する第１のトリガ信号生成手段と、
   前記高温駆動時の前記補償素子部からの検出電圧を前記基準電圧と比較し、その比較結果により第２のトリガ信号を生成する第２のトリガ信号生成手段と、
   前記第１のトリガ信号生成手段からの前記第１のトリガ信号と前記第２のトリガ信号生成手段からの前記第２のトリガ信号が入力され、両トリガ信号の時間間隔を計数する計数手段とを備え、
   前記計数手段の計数結果に基づいて、ガス濃度を検知することを特徴とするガス検知装置。
2. 請求項１記載のガス検知装置において、
   前記高温駆動時の前記感応素子部からの検出電圧が高くなった場合に、前記検出電圧を所定の制限値以内に制限する第１の制限手段と、
   前記高温駆動時の前記補償素子部からの検出電圧が高くなった場合に、前記検出電圧を所定の制限値以内に制限する第２の制限手段とをさらに備えたことを特徴とするガス検知装置。
3. 吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知方法であって、
   前記吸着燃焼式ガスセンサの感応素子部および補償素子部に、低温駆動するためのＬレベルおよび高温駆動するためのＨレベルの駆動電圧を交互に印加し、
   前記高温駆動時の前記感応素子部からの検出電圧が基準電圧を超えた時に発生する第１のトリガ信号と、前記高温駆動時の前記補償素子部からの検出電圧が前記基準電圧を超えた時に発生する第２のトリガ信号の時間間隔を計数し、
   その計数結果に基づいて、ガス濃度を検知することを特徴とするガス検知方法。

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