JP2008232884A

JP2008232884A - ガス検出装置及びガス検出方法

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Publication number: JP2008232884A
Application number: JP2007074031A
Authority: JP
Inventors: Taichi Nishimura; 太一西村; Seiji Yamagami; 盛司山上; Tatsuya Okiyama; 達也沖山; Zen Miyazawa; 禅宮澤
Original assignee: U Tec Co Ltd
Current assignee: U Tec Co Ltd
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: JP5065720B2

Abstract

【課題】複雑な演算を伴うことなく、還元性ガスを検出する。
【解決手段】ヒータコイル１２への電圧印加を電圧印加サイクルに従って１サイクル変化させた場合におけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓを取得する。この取得したセンサ素子１０の出力信号Ｖｓから極値出現時刻検知部２４によって極値出現時刻を取得する。ガス種特定部２５によって極値出現時間記憶部２３に記憶された還元性ガスのガス種毎の極値出現時間に対応した値と、極値出現時刻検知部２４が検知した最初の極値の出現時刻に対応した値とを比較して還元性ガスのガス種を特定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、還元性ガスを検出するガス検出装置及びガス検出方法に関する。

従来、金属酸化物半導体からなるセンサ素子を用いてガスを検出するガス検出装置がある。このようなガス検出装置は、ヒータを備えており、このヒータへの印加電圧を高くする期間と低くする期間とを一定周期で交互に切替えている。これにより、ヒータは高温状態と低温状態とを交互に繰り返し、高温状態で金属酸化物半導体の表面に付着した吸着ガスを取り除くクリーニングを行い、低温状態でガスの検出を行う。

この場合の検出対象となるガスに対してセンサ素子は、いずれも低温で感度ピークを持っており、例えば、酸化スズなどの金属酸化物半導体からなるセンサ素子を用いた場合、一酸化炭素に対しては約８０〜１００℃付近に感度ピークを有する。そのため、ガス検出装置は、低温側の温度を一酸化炭素に対する感度が最大となるようにヒータを制御している。

このようなガス検出装置として、特許文献１には、加熱可能なセンサ素子を予め定められた温度サイクルにしたがって加熱し、このセンサ素子の出力信号から得られる応答曲線から環境内において発生しているガスを検出するものがある。このガス検出装置においては、加熱電圧が５Ｖ（５００℃）まで連続的に増加または立ち上がり、その後、この加熱電圧が０Ｖ（室温）に減少する各種パターンの温度サイクルが繰り返される。各種の温度サイクルにおいて、センサ素子はガスの種類によって異なる応答曲線を示す。この各種の温度サイクルの１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状と予め記憶されているガスの成分の存在を特徴的に表した変化特性値とを比較することにより、環境内において発生しているガスを検出する。

特開昭５８−１８９５４７号公報（図４）

特許文献１に記載されたガス検出装置は、各種の温度サイクルの１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状を得て、その全体形状からガス種を同定するものである。したがって、ガス種を同定するためには、予めガス種毎に標準の応答曲線の全体的な形状を各種の温度サイクル毎に測定して記憶させておく必要があり、また、実際の測定時には標準の応答曲線と測定結果の曲線との類似度を求める必要があり、演算処理が複雑であり、また標準の応答曲線を記憶する為にメモリ素子等の容量が増加する。

そこで、本発明の目的は、複雑な演算を伴うことなく、還元性ガスを検出するガス検出装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のガス検出装置は、還元性ガスの存在に依存して電気的特性を変化させる金属酸化物半導体を感ガス体として用いたセンサ素子と、前記センサ素子に設けられた前記感ガス体を加熱するヒータと、前記ヒータに印加する電圧を第１の電圧値から第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させた後、前記第２の電圧値から前記第１の電圧値まで低下させる電圧印加サイクルを繰り返す印加電圧制御手段と、前記印加電圧制御手段の前記第１の電圧値から第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させる電圧印加による前記ヒータの温度変化に伴う前記感ガス体の電気的特性の時間的変化から前記還元性ガスのガス種を同定する同定手段とを備えている。前記同定手段は、前記ヒータへの電圧印加を前記第１の電圧値から前記第２の電圧値に連続的又は段階的に上昇を開始させた後に前記感ガス体の電気的特性の変化が最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、前記還元性ガスのガス種を同定する。

このガス検出装置によると、感ガス体の電気的特性の変化が最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、還元性ガスのガス種を同定する。そのため、１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状と予め記憶されているガスの成分の存在を特徴的に表した変化特性値とを比較することにより還元性ガスを同定する従来の場合に比べて、複雑な演算を伴うことなく、還元性ガスのガス種を同定し、還元性ガスを検出することができる。

また、前記同定手段は、前記ヒータへの電圧印加を前記第１の電圧値から連続的又は段階的に上昇を開始させた開始時刻から前記出現時刻までの所要時間に対応した情報を、前記還元性ガスのガス種ごとに予め記憶する記憶手段と、前記出現時刻を検知する検知手段と、前記記憶手段に記憶された前記還元性ガスのガス種に対応した情報と、前記検知手段が検知した前記出現時刻に対応した情報とを比較して前記還元性ガスのガス種を特定する特定手段とを備えていることが好ましい。この構成によれば、還元性ガスのガス種ごとに予め記憶している所要時間に対応した情報と検知手段が検知した出現時刻に対応した情報との比較により、迅速に還元性ガスのガス種を同定することができる。

さらに、前記印加電圧制御手段は、前記ヒータへの電圧印加を前記第１の電圧値から前記第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させた後、前記第２の電圧値のまま所定時間経過させ、その後前記第２の電圧値から前記第１の電圧値まで低下させる電圧印加サイクルを繰り返すことが好ましい。この構成によれば、第２の電圧値を印加したまま所定時間経過させることにより、センサ素子に付着した不純物を効果的に燃焼させることができる。これにより、センサ素子の感度が向上する。

加えて、前記感ガス体の電気的特性の変化の前記最初の極値と、前記最初の極値の出現時刻から所定時間経過したときの前記感ガス体の電気的特性の値との差に基づいて前記還元性ガスの濃度を判定する判定手段をさらに備えていることが好ましい。この構成によれば、還元性ガスのガス種を同定した上で、さらに同定した還元性ガスの濃度を判定することができる。

本発明のガス検出方法は、還元性ガスの存在に依存して電気的特性を変化させる金属酸化物半導体を感ガス体として用いたセンサ素子と、前記センサ素子に設けられた前記感ガス体を加熱するヒータとを備えたガス検出装置におけるガス検出方法であって、前記ヒータの温度を、第１温度から第２温度まで徐々に上昇させた後、前記第２温度から前記第１温度まで低下させる温度サイクルを繰り返す温度制御ステップと、前記ヒータの温度が前記第１温度から前記第２温度に徐々に上昇を開始した後に前記感ガス体の電気的特性変化が最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、前記還元性ガスのガス種を同定する同定ステップとを有する。

このガス検出方法によると、感ガス体の電気的特性の変化が最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、還元性ガスのガス種を同定する。そのため、１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状と予め記憶されているガスの成分の存在を特徴的に表した変化特性値とを比較することにより還元性ガスを同定する従来の場合に比べて、複雑な演算を伴うことなく、還元性ガスのガス種を同定し、還元性ガスを検出することができる。

なお、本発明における「極値」の用語は、ヒータへの印加電圧を第１の電圧値から第２の電圧値に連続的又は段階的に上昇させることにより、感ガス体の電気的特性の変化が、一旦上昇して最初にピークに達した後に下がり始める時点を意味し、また、ヒータへの印加電圧を第１の電圧値から第２の電圧値に連続的又は段階的に上昇させることにより、感ガス体の電気的特性の変化が、一旦下降して最初にボトムに達した後に上がり始める時点を意味している。更に、ピークあるいはボトムに達した後の、下降あるいは上昇の程度が緩やかな場合は、ある所定期間内に所定の値以上の下降あるいは上昇がある場合の基点を「極値」の点とみなす。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る還元性ガスを検出するガス検出装置の概略構成を示すブロック図である。

ガス検出装置１は、図１に示すように、還元性ガスの存在に依存して電気的特性を変化させる金属酸化物半導体を主成分とする感ガス体１１及びこの感ガス体１１を加熱するヒータコイル１２（ヒータ）よりなるセンサ素子１０、電源部１４及び種々の制御を行うマイクロコンピュータを含んだ制御回路２０を備えている。

本発明の実施の形態において、感ガス体１１は、還元性ガスと接触して抵抗値を変化させる金属酸化物半導体により構成し、金属酸化物半導体の一例として酸化第二スズ（ＳｎＯ_２）を主体材料として用いたエフアイエス株式会社製のガスセンサ（ＳＢ―５００−１２）を使用している。

センサ素子１０の構成について、図２を参照しつつ説明する。図２は、センサ素子１０の内部構造及び駆動・測定回路の構成を示す概略図である。図２に示すように、センサ素子１０は、外形形状を楕円球状に形成した感ガス体１１にヒータコイル１２及び電極リード線１３を埋設させるとともに、ヒータコイル１２の両端をヒータ電極１、３番端子とし、電極リード線１３の一端である２番端子とヒータ電極の１番端子を検知電極端子として構成されている。

この種のセンサ素子１０は、大気中に還元性ガスが存在しない場合、素子表面の酸素原子が感ガス体１１を構成する酸化スズ中の電子をとらえており、酸化スズ中を自由に移動できる電子の数が少ないため、感ガス体１１の抵抗値は高くなっている。大気中に還元性ガスが存在する場合、ヒータコイル１２で感ガス体１１を加熱することにより、酸化スズ中の電子をとらえていた素子表面の酸素原子が還元性ガスと酸化反応を起こし、酸化スズ中を自由に移動できる電子の数が増加するため、感ガス体１１の抵抗値は小さくなる。この感ガス体１１の抵抗値変化は、センサ素子１０の２番端子を負荷抵抗Ｒ_Ｌ(一例として２００Ω)を介して電源部１４の５Vの定電圧回路１５に接続した構成により、１、２番端子間よりセンサ出力信号Ｖｓとして出力される。

ヒータコイル１２の１、３番端子間には、図１に示すヒータ電圧(温度)制御部２１より所定のヒータ印加電圧が印加されるように、ヒータコイル１２の通電が制御されており、このヒータコイル１２への印加電圧を制御することにより感ガス体１１の温度を制御している。

本発明の実施の形態において、ヒータ電圧(温度)制御部２１によりヒータコイル１２への電圧印加が制御され、図３に示すように、０．２Ｖ（第１の電圧値）から０．９Ｖ（第２の電圧値）まで連続的に２５秒の期間で上昇させた後、０．９Ｖのまま所定時間の５秒経過させ、その後０．９Ｖから０．２Ｖまで瞬時に低下させ、その後再び０．９Ｖに連続的に上昇させる電圧印加サイクルを繰り返す電圧印加制御が成される。この電圧印加サイクルに応答して、感ガス体１１の温度は、８０度程度から４００度程度まで連続的に２５秒の期間で徐々に上昇し、４００度程度の温度を保った状態で所定時間の５秒経過した後、８０度程度に低下する１サイクル３０ｓｅｃの温度サイクルを繰り返す。感ガス体１１の温度を４００度程度で所定時間経過させることにより、感ガス体１１の表面に付着した不純物を燃焼させることができる。これにより、感ガス体１１の感度がより向上する。

次に、上記したヒータコイル１２への電圧印加サイクルに応答した、本発明の実施形態における還元性ガスのガス種に応じたセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化について、図４を参照しつつ説明する。図４は、還元性ガスのガス種に応じたセンサ素子の出力信号の変化を示す図である。縦軸はセンサ素子１０の出力信号Ｖｓ、横軸は時間となっており、電圧印加サイクルの１サイクル中の２５秒間におけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化を示している。このセンサ素子１０の出力信号Ｖｓは、図１における制御回路２０内の後述するＡＤ変換部３０において、０．０２５ｓｅｃ間隔でサンプリングしてＡＤ変換した値（１０Ｖを１２ビットの分解能でＡＤ変換した値）を示している。センサ素子１０の感ガス体１１の抵抗値が高い場合に、センサ素子１０の出力信号Ｖｓは大きくなっている。曲線Ｃ１は大気中に還元性ガスが存在しない場合の曲線であり、曲線Ｃ２は大気中にメタン（ＣＨ_４）が４００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ３は大気中に水素（Ｈ_２）が４００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ４は大気中に一酸化炭素（ＣＯ）が４００ｐｐｍ存在する場合の曲線である。

ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に２５秒の期間で上昇させた後、０．９Ｖのまま所定時間である５秒経過させ、その後０．９Ｖから０．２Ｖまで瞬時に低下させ、その後再び０．９Ｖに連続的に上昇させる電圧印加サイクルを繰り返す電圧印加サイクルにおいて、ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖに連続的に上昇させると、センサ素子１０の大気に対する出力信号Ｖｓは、図４の曲線Ｃ１に示すように、センサ素子１０を構成している金属酸化物半導体の通常の抵抗温度依存性に従って変化し、最初に急激に上昇した後、徐々に低下する。

また、大気中に還元性ガスが存在している場合、センサ素子１０の出力信号Ｖｓは、図４の曲線Ｃ２〜Ｃ４に示すように、最初に急激に上昇した後、低下することになるが、その出力信号Ｖｓが最初に極値になる時刻は大気に還元性ガスが存在していない場合に比べて早くなる。また、その出力信号Ｖｓが最初に極値になる時刻は大気中に存在する還元性ガスの種類によって異なる。それぞれの曲線Ｃ２〜Ｃ４において出力信号が最初に極値になる時刻は、曲線Ｃ２は時刻ｔ３（５．７５ｓｅｃ）、曲線Ｃ３は時刻ｔ２（１．７５ｓｅｃ）、曲線Ｃ４は時刻ｔ１（０．７５ｓｅｃ）となっている。ここで、曲線Ｃ２については、曲線Ｃ２の下降の程度が緩やかであるため、ある所定期間（１秒間）以上連続して低下し、その低下の程度が所定の値（１％）以上の下降がある場合の基点「ｔ３（５．７５ｓｅｃ）」を「極値」の点とみなしている。

このように、センサ素子１０の出力信号Ｖｓが最初に極値になる時刻は、曲線Ｃ４＜曲線Ｃ３＜曲線Ｃ２の順に遅くなっている。

次に、同一の還元性ガスで濃度が異なる場合におけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化について、一酸化炭素を例に図５を参照しつつ説明する。図５は、一酸化炭素ガスで濃度が異なる場合におけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化を示す図である。縦軸及び横軸は、図４と同様となっており、１サイクルにおけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの変化を示している。曲線Ｃ５は大気中に一酸化炭素が３００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ６は大気中に一酸化炭素が５００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ７は大気中に一酸化炭素が７００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ８は大気中に一酸化炭素が９００ｐｐｍ存在する場合の曲線であり、曲線Ｃ９は大気中に一酸化炭素が１０００ｐｐｍ存在する場合の曲線である。

ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖに連続的に上昇させて、ヒータコイル１２の温度を８０度程度から４００度程度に徐々に上昇させると、センサ素子１０の出力信号Ｖｓは、図5に示すように、急激に上昇して最初の極値に達して下がる。このとき、最初に極値になる時刻をｔ５として、時刻ｔ５から所定時間（１．５ｓｅｃ）経過したときの時刻をｔ６とすると、発明者等は、時刻ｔ５から時刻ｔ６までにおけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配が一酸化炭素の濃度によって異なっていることを知見した。この勾配は、曲線Ｃ５＜曲線Ｃ６＜曲線Ｃ７＜曲線Ｃ８＜曲線Ｃ９の順に急になっており、一酸化炭素の濃度が高い方がより急な勾配となっている。また同様に、時刻ｔ５から所定時間（２．５ｓｅｃ）経過したときの時刻をｔ７として、この間での勾配を確認しても、曲線Ｃ５＜曲線Ｃ６＜曲線Ｃ７＜曲線Ｃ８＜曲線Ｃ９の順に急になっており、一酸化炭素の濃度が高い方がより急な勾配となっている。

この濃度変化に対応した勾配の変化について、図６を参照しつつ説明する。図６は、前述の図５に示した一酸化炭素の濃度別センサ出力データに基づいた、一酸化炭素の濃度に対する勾配の変化を示す図で、縦軸はセンサ素子１０の出力信号の勾配（相対値変化Ｖｓ）、横軸は濃度（ｐｐｍ）となっている。図６に示すように、センサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配は、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの１．５ｓｅｃ、もしくは時刻ｔ５から時刻ｔ７までの２．５ｓｅｃのどちらの間においても、一酸化炭素の濃度が高くなるにつれて急になっており、その濃度変化に応じてセンサ素子１０の出力信号の勾配が略線形的に変化している。

図１に戻って、ガス検出装置１の制御回路２０の各種動作について説明する。制御回路２０には、各種動作を制御するプログラムやデータなどが格納されたハードディスク、各種動作を制御する信号を生成するために各種演算を実行するＣＰＵ、ＣＰＵでの演算結果などのデータを一時保管するＲＡＭなどが含まれている。

制御回路２０は、ＡＤ変換部３０、ヒータ電圧（温度）制御部２１（印加電圧制御手段）、ガス種同定部２２（同定手段）及びガス濃度判定部２６（判定手段）を有している。ＡＤ変換部３０は、アナログ値であるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓを例えば、０．０２５ｓｅｃ間隔でサンプリングしてデジタル値に変換（１０Ｖの値を１２ビットの分解能でデジタル値に変換）して出力する。ヒータ電圧（温度）制御部２１は、ヒータコイル１２が前述した電圧印加サイクルを繰り返すように電圧印加制御する。ガス種同定部２２は、大気中に還元性ガスが存在するか、または存在する場合にガス種が何であるかを同定する。ガス種同定部２２は、極値出現時間記憶部２３（記憶手段）、極値出現時刻検知部２４（検知手段）及びガス種特定部２５（特定手段）を有すると共に、大気の存在の下でのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓ（ＡＤ変換値）を記憶する記憶部（図示せず）を有している。ガス濃度判定部２６は、ガス種同定部２２によって、還元性ガスが同定された場合に、同定された還元性ガスの濃度を判定する。ガス濃度判定部２６は、勾配記憶部２７、勾配検知部２８及びガス濃度抽出部２９を有している。

極値出現時間記憶部２３は、ヒータコイル１２への電圧印加を、０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に２５秒の期間で上昇させた開始時刻から最初の極値の出現時刻までの極値出現時間に対応した値を還元性ガスのガス種ごとに予め記憶している。極値出現時間記憶部２３が記憶している還元性ガスのガス種ごとの極値出現時間に対応した値を測定する方法については後述する。極値出現時刻検知部２４は、センサ素子１０の出力信号Ｖｓから最初の極値の出現時刻に対応した値を検知する。ガス種特定部２５は、極値出現時間記憶部２３に記憶された還元性ガスのガス種毎の極値出現時間に対応した値と、極値出現時刻検知部２４が検知した最初の極値の出現時刻に対応した値とを比較して還元性ガスのガス種を特定する。

勾配記憶部２７は、還元性ガスのガス種それぞれに対する極値出現時刻から所定時間経過したときまでのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配を、極値出現時間記憶部２３に極値出現時間が記憶された還元性ガスのガス種それぞれに対して濃度ごとに予め記憶している。勾配記憶部２７に予め記憶させる還元性ガスのガス種それぞれに対する濃度ごとの勾配を測定する方法については一酸化炭素を例に後述する。勾配検知部２８は、還元性ガスのガス種それぞれに対する極値出現時刻から所定時間経過したときまでのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配を検知する。一酸化炭素を例にすれば、図5における時刻ｔ５（０．７５ｓｅｃ）から１．５ｓｅｃ経過したときの時刻ｔ6までのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの勾配を検知する。ガス濃度抽出部２９は、ガス種同定部２２によって同定された還元性ガスの濃度ごとの勾配から、勾配検知部２８が検知した勾配に対応した還元性ガスの濃度を決定し出力する。

次に、極値出現時間記憶部２３が予め記憶している還元性ガスのガス種ごとの極値出現時間に対応した値、及び、勾配記憶部２７が予め記憶している還元性ガスの濃度ごとの勾配を測定する方法について、図７を参照しつつ説明する。図７は、記憶部に予め記憶させる大気の存在の下でのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓ、極値出現時間に対応した値及び勾配を測定する測定装置の概略構成図である。

図７に示すように、測定装置は、環境槽４１、ガス注入部４２及び空気注入部４３を有している。環境槽４１は、開閉自在な弁を介して排気口、ガス注入部４２及び空気注入部４３と連通している。環境槽４１は、内部にファン４５を備えており、注入された還元性ガスまたは空気をファン４５によって環境槽４１内に十分に攪拌させる。ガス注入部４２は、ガス検出装置１によって検出したい還元性ガスの濃度を調整して環境槽４１内に注入する。空気注入部４３は、空気を環境槽４１内に注入する。環境槽４１内には、センサ素子１０が設置されている。センサ素子１０は、制御装置４６に接続されており、環境槽４１内に十分に攪拌された還元性ガスまたは空気によって変化した出力信号Ｖｓを制御装置４６に出力する。制御装置４６は、センサ素子１０の出力信号Ｖｓから大気の存在の下でのセンサ素子１０出力変化（センサ素子１０を構成している金属酸化物半導体の通常の抵抗温度依存特性）、極値出現時間に対応した値及び勾配を測定する。

まず、空気注入部４３から環境槽４１内に空気を注入する。そして、ファン４５を回して環境槽４１内に空気を十分に攪拌させる。そして、ヒータコイル１２への電圧印加を電圧印加サイクルに従って変化させる。このときのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓから空気すなわち大気におけるセンサ素子１０を構成している金属酸化物半導体の通常の抵抗温度依存特性を制御装置４６により測定して、記憶部に記憶させる。具体的には図４に示す大気に対する測定結果Ｃ１を０．０２５ｓｅｃ間隔でサンプリングし、２５秒間１０００点のＡＤ変換値を記憶する。

次に、ガス検出装置１によって検出したい還元性ガスの濃度を調整してガス注入部４２から環境槽４１内に注入する。そして、空気を注入した場合と同様に、ファン４５を回して環境槽４１内に還元性ガスを十分に攪拌させる。そして、ヒータコイル１２への電圧印加を電圧印加サイクルに従って変化させる。このときのセンサ素子１０の出力信号Ｖｓからガス注入部４２から注入した還元性ガスにおける極値出現時間に対応した値及び勾配を制御装置４６により測定する。そして、測定が終了すると、排気口より環境槽４１内の還元性ガスを排気し、再度、ガス検出装置１によって検出したい還元性ガスの濃度を調整して、センサ素子１０の出力信号Ｖｓからガス注入部４２から注入した還元性ガスにおける極値出現時間に対応した値及び勾配を制御装置４６により測定する。このようにして、ガス検出装置１によって検出したい還元性ガスの濃度ごとに極値出現時間に対応した値及び勾配を測定し、これらの極値出現時間に対応した値及び勾配を極値出現時間記憶部２３及び勾配記憶部２７に記憶させている。具体的には、例えば図４に示す例に従い、メタン、水素、一酸化炭素の各ガスのセンサ出力データＣ２〜Ｃ４より各ガスに対する極値出現時間ｔ３（５．７５ｓｅｃ）、ｔ２（１．７５ｓｅｃ）、ｔ１（０．７５ｓｅｃ）を測定し、各ガスに対する極値出現時間に対応した値として、極値出現時間記憶部２３に「メタン１８０〜２４０」、「水素５０〜１００」、「一酸化炭素１０〜４０」の極値の出現するＸ軸の値を記憶させる。また勾配記憶部２７へは、例えば図５に示す例に従い、一酸化炭素の３００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの各濃度に対するｔ５〜ｔ６の期間の勾配を測定し、図６に示すその測定結果の判定データを濃度対勾配のテーブルとして記憶させる。

ガス検出装置１の動作について、図８を参照しつつ説明する。図８は、本発明に従い、大気中に所定量以上のメタン、水素あるいは一酸化炭素ガスが存在しているか否かを判断するとともに、一酸化炭素ガスの濃度を判定するガス検出装置１の制御シーケンスを示すフローチャートである。

まず、ヒータコイル１２への電圧印加を電圧印加サイクルに従って変化させてセンサ素子１０の出力信号Ｖｓを取得する（Ａ１）。そして、空気のみ、あるいはその他のガスを含んでいるかを解析する（Ａ２）。解析方法としては、例えば、この取得したセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの２５秒間１０００点の時間的変化データと予め記憶されている大気におけるセンサ素子１０の出力信号Ｖｓの２５秒間１０００点の時間的変化データとのユークリッド距離を算出し、ある閾値以上の例えば図４の例では６０００以上の値になれば空気以外のガスを含んでいると解析する。空気以外のガスを含んでいないと判断した場合には、センサ素子１０の出力信号Ｖｓを取得する（Ａ１）ルーチンに戻る。

次に、この取得したセンサ素子１０の出力信号Ｖｓから極値出現時刻検知部２４によって極値出現時刻に対応した値（極値が出現するＸ軸の値）を検知し、この極値出現時刻に対応した値が１０〜４０の間であるか判定する（Ａ３）。測定ガス中に一酸化炭素が存在すれば、前述の図４に示すようにＸ軸の値が「３０」付近に極値が出現することになり、極値出現時刻に対応した値が１０〜４０の間であると判断して（Ａ３：Ｙｅｓ）、ガス種特定部２５によって一酸化炭素であると特定する（Ａ４）。そして、取得したセンサ素子１０の出力信号Ｖｓから勾配検知部２８によって勾配（時間に対応したＸ軸の値が３０〜９０の間の勾配）を検知し、ガス濃度抽出部２９によって、勾配検知部２８が検知した勾配に対応した一酸化炭素の濃度が勾配記憶部２７の濃度対勾配のテーブルより抽出する（Ａ６）。例えば勾配検知部２８が「３６０」の勾配を検知した場合、濃度３５０ｐｐｍの一酸化炭素と判定する。また、Ａ３において、極値出現時刻に対応した値が１０〜４０の間でない場合（Ａ３：Ｎｏ）、５０〜１００の間であるか判定する（Ａ７）。測定ガス中に水素が存在すれば、前述の図４に示すようにＸ軸の値が「７０」付近に極値が出現することになり、極値出現時刻に対応した値が５０〜１００の間であると判断して（Ａ７：Ｙｅｓ）、ガス種特定部２５によって水素であると特定する（Ａ８）。極値出現時刻に対応した値が５０〜１００の間でない場合（Ａ７：Ｎｏ）、１８０〜２４０の間であるか判定する（Ａ９）。測定ガス中にメタンが存在すれば、前述の図４に示すようにＸ軸の値が「２７０」付近に極値が出現することになり、極値出現時刻に対応した値が１８０〜２４０の間であると判断して（Ａ９：Ｙｅｓ）、ガス種特定部２５によってメタンであると特定する（Ａ１０）。極値出現時刻に対応した値が１８０〜２４０の間でない場合（Ａ１０：Ｎｏ）、その他のガスであると特定する（Ａ１１）。そして、外部報知を行う（Ａ１２）。以上の動作により、還元性ガスのガス種及び濃度を検出する。

以上のように、本実施形態に係るガス検出装置１及びガス検出方法によると、センサ素子１０の出力信号Ｖｓが最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、還元性ガスのガス種を同定する。そのため、１サイクルにおける応答曲線の全体的な形状と予め記憶されているガスの成分の存在を特徴的に表した変化特性値とを比較することにより還元性ガスを同定する従来の場合に比べて、複雑な演算を伴うことなく、還元性ガスのガス種を同定し、還元性ガスを検出することができる。

また、極値出現時間記憶部２３に還元性ガスのガス種ごとに極値出現時間を予め記憶している所要時間に対応した情報と極値出現時刻検知部２４が検知した出現時刻に対応した情報との比較により、迅速に還元性ガスのガス種を同定することができる。

さらに、ガス濃度判定部２６を備えていることにより、ガス種同定部２２によって還元性ガスを同定した上で、さらに同定した還元性ガスの濃度も判定することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、本実施形態においては、ガス種同定部２２によって還元性ガスのガス種を同定した上で、さらにガス濃度判定部２６によって還元性ガスの濃度も判定していたが、還元性ガスの存在のみを検出するのであれば、ガス濃度判定部２６を備えていなくてもよい。

また、本実施形態においては、極値出現時間記憶部２３によって極値出現時間を還元性ガスのガス種ごとに記憶していたが、極値出現時間記憶部２３を備えずに、無線または有線通信などにより、外部装置に記憶された還元性ガスのガス種ごとの極値出現時間からガス種特定部２５によって還元性ガスのガス種を抽出してもよい。

さらに、本実施形態においては、ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に２５秒の期間で上昇させた後、０．９Ｖのまま所定時間の５秒経過させ、その後０．９Ｖから０．２Ｖまで瞬時に低下させ、その後再び０．９Ｖに連続的に上昇させる電圧印加サイクルを繰り返していたが、０．９Ｖのまま所定時間の５秒経過させずに、０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に２５秒の期間で上昇させた後、０．９Ｖから０．２Ｖまで瞬時に低下させる電圧印加サイクルを繰り返してもよい。

加えて、本実施形態においては、ヒータコイル１２への電圧印加を０．２Ｖから０．９Ｖまで連続的に上昇させていたが、段階的に、例えば階段状に上昇させてもよい。

また、本実施形態において、センサ素子１０の出力信号Ｖｓを端子１−２間より得るようにしているが、負荷抵抗Ｒ_Ｌの両端の電圧を出力信号としてもよい。この場合センサ素子の電気的特性変化が導電率の変化として得られ、ガス種に対応した極値が極小値として出現する。

本発明の一実施形態に係るガス検出装置の概略構成を示すブロック図である。センサ素子の内部構造及び駆動・測定回路の構成を示す概略図である。ヒータコイルの温度サイクルを示す図である。還元性ガスのガス種に応じたセンサ素子の出力信号の変化を示す図である。一酸化炭素ガスで濃度が異なる場合におけるセンサ素子の出力信号Ｖｓの変化を示す図である。一酸化炭素の濃度に対する勾配の変化を示す図である。記憶部が記憶している極値出現時間及び勾配を測定する測定装置の概略構成図である。ガス検出装置の制御シーケンスを示すフローチャートである。

符号の説明

１ガス検出装置
１０センサ素子
１１感ガス体
１２ヒータコイル
２１ヒータ電圧（温度）制御部
２２ガス種同定部
２３極値出現時間記憶部
２４極値出現時刻検知部
２５ガス種特定部
２６ガス濃度判定部

Claims

還元性ガスの存在に依存して電気的特性を変化させる金属酸化物半導体を感ガス体として用いたセンサ素子と、
前記センサ素子に設けられた前記感ガス体を加熱するヒータと、
前記ヒータに印加する電圧を第１の電圧値から第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させた後、前記第２の電圧値から前記第１の電圧値まで低下させる電圧印加サイクルを繰り返す印加電圧制御手段と、
前記印加電圧制御手段の前記第１の電圧値から第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させる電圧印加による前記ヒータの温度変化に伴う前記感ガス体の電気的特性の時間的変化から前記還元性ガスのガス種を同定する同定手段とを備えており、
前記同定手段は、前記ヒータへの電圧印加が前記第１の電圧値から前記第２の電圧値に連続的又は段階的に上昇を開始させた後に前記感ガス体の電気的特性の変化が最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、前記還元性ガスのガス種を同定することを特徴とするガス検出装置。
前記同定手段は、
前記ヒータへの電圧印加を前記第１の電圧値から連続的又は段階的に上昇を開始させた開始時刻から前記出現時刻までの所要時間に対応した情報を、前記還元性ガスのガス種ごとに予め記憶する記憶手段と、
前記出現時刻を検知する検知手段と、
前記記憶手段に記憶された前記還元性ガスのガス種に対応した情報と、前記検知手段が検知した前記出現時刻に対応した情報とを比較して前記還元性ガスのガス種を特定する特定手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
前記印加電圧制御手段は、前記ヒータへの電圧印加を前記第１の電圧値から前記第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させた後、前記第２の電圧値のまま所定時間経過させ、その後前記第２の電圧値から前記第１の電圧値まで低下させる電圧印加サイクルを繰り返すことを特徴とする請求項１または２に記載のガス検出装置。
還元性ガスの存在に依存して電気的特性を変化させる金属酸化物半導体を感ガス体として用いたセンサ素子と、
前記センサ素子に設けられた前記感ガス体を加熱するヒータと、
前記ヒータへの電圧印加を第１の電圧値から第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させた後、前記第２の電圧値から前記第１の電圧値まで低下させる電圧印加サイクルを繰り返す印加電圧制御手段と、
前記印加電圧制御手段の前記第１の電圧値から第２の電圧値まで連続的又は段階的に上昇させる電圧印加による前記ヒータの温度変化に伴う前記感ガス体の電気的特性の時間的変化から前記還元性ガスのガス種を同定する同定手段と、
前記還元性ガスの濃度を判定する判定手段とを備えており、
前記同定手段は、前記ヒータへの電圧印加を前記第１の電圧値から前記第２の電圧値に連続的又は段階的に上昇を開始させた後に前記感ガス体の電気的特性の変化が最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、前記還元性ガスのガス種を同定し、
前記判定手段は、前記感ガス体の電気的特性の時間的変化の前記最初の極値と、前記最初の極値の出現時刻から所定時間経過したときの前記感ガス体の電気的特性の値との差に基づいて前記還元性ガスの濃度を判定することを特徴とするガス検出装置。
還元性ガスの存在に依存して電気的特性を変化させる金属酸化物半導体を感ガス体として用いたセンサ素子と、前記センサ素子に設けられた前記感ガス体を加熱するヒータとを備えたガス検出装置におけるガス検出方法であって、
前記ヒータの温度を、第１温度から第２温度まで徐々に上昇させた後、前記第２温度から前記第１温度まで低下させる温度サイクルを繰り返す温度制御ステップと、
前記ヒータの温度が前記第１温度から前記第２温度に徐々に上昇を開始した後に前記感ガス体の電気的特性変化が最初に極値となったときの出現時刻に基づいて、前記還元性ガスのガス種を同定する同定ステップとを有することを特徴とするガス検出方法。