JP2011052977A

JP2011052977A - ガス検出装置

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Publication number: JP2011052977A
Application number: JP2009199487A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Shoda; 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: JP5385055B2

Abstract

【課題】吸着燃焼式ガスセンサの感応素子及び補償素子における温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差を小さくして、検出対象ガスの検出感度を向上できるガス検出装置を提供する。
【解決手段】ガス検出装置１は、感応素子及び補償素子からなる吸着燃焼式ガスセンサを含むブリッジ回路２を有している。このブリッジ回路２には、一対の中点間に生じる電位差を補正する補正回路部５０が設けられている。そして、ガス検出装置１には、電圧供給源５によってブリッジ回路２に高温駆動電圧が供給されたあとの感応素子及び補償素子の温度が上昇する過渡期間において、予め設定された補正情報に基づき、感応素子と補償素子との温度上昇特性の差異によって一対の中点間に生じる誤差電位差が無くなるように、補正回路部５０を制御する補正回路部制御手段６１ａが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置に関する。

従来知られている接触燃焼式ガスセンサは、感応素子と補償素子を有し、検出対象となるガスを感応素子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。検出対象となるガスのうちトルエンや酢酸、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、メタンや水素、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出やガス種の分別などを行うことができる。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。上述したような吸着燃焼式ガスセンサは、ガス濃度検出装置やガス種別検出装置などの種々のガス検出装置において用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

吸着燃焼式ガスセンサを備えた従来のガス検出装置の構成例を図８に示す。図８に示されるガス検出装置８０１は、検出対象ガスと感応する感応素子８１１及び該感応素子８１１と直列に接続された固定抵抗器８１４からなるセンサ回路部８１０、並びに、センサ回路部８１０と並列接続されるとともに、検出対象ガスと感応しない補償素子８１２及び該補償素子８１２と直列接続された固定抵抗器８１３からなるレファレンス回路部８２０、で構成されたブリッジ回路８０２と、感応素子８１１の温度が検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、感応素子８１１の温度が感応素子８１１に吸着した検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、をブリッジ回路８０２に順次供給する電圧供給源８０５と、感応素子８１１及び固定抵抗器８１４間に生じる第１電圧Ｖ１と補償素子８１２及び固定抵抗器８１３間に生じる第２電圧Ｖ２とが入力されるように、センサ回路部８１０の中点とレファレンス回路部８２０の中点とに接続されて、これら第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との電位差（以下、「中点電位差Ｖｃ」という）を所定の増幅率で増幅する計装アンプ８０６と、計装アンプ８０６で増幅された中点電位差Ｖｃをアナログ値からデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ８０７と、Ａ／Ｄコンバータ８０７によってデジタル値に変換された中点電位差Ｖｃに基づいて、検出対象ガスの濃度を検出する周知のマイクロコンピュータ（ＭＰＵ）８６０と、を備えている。ブリッジ回路８０２は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において高温駆動電圧を供給されたときに、各素子の温度変化が収束した定常状態で平衡（即ち、中点電位差Ｖｃが０）となるように、固定抵抗器８１３、８１４の抵抗値が定められている。

この中点電位差Ｖｃは、感応素子８１１の抵抗値をＲｓ、補償素子８１２の抵抗値をＲｒ、固定抵抗器８１４の抵抗値をＲ２、固定抵抗器８１３の抵抗値をＲ１、ブリッジ回路２への供給電圧をＶｂｒｇとすると、次の式（１）で示される。

上記式（１）から明らかなように、中点電位差Ｖｃは、値が固定される抵抗値Ｒ１、抵抗値Ｒ２及び供給電圧Ｖｂｒｇの影響は受けず、つまり、中点電位差Ｖｃは、温度変化に応じて値が変化する感応素子８１１の抵抗値Ｒｓ及び補償素子８１２の抵抗値Ｒｒによって決定される。

そして、センサ回路部８１０の感応素子８１１及びレファレンス回路部８２０の補償素子８１２は、供給電圧Ｖｂｒｇが低温駆動電圧から高温駆動電圧に切り替わると温度上昇を開始するが、これら感応素子８１１と補償素子８１２とは、それぞれの熱容量や熱伝導特性、放熱特性などが異なるので、各素子の温度が安定した定常状態に至るまでの過渡状態の期間（過渡期間）における温度上昇カーブ、即ち、温度上昇特性が異なり、そのため、温度上昇に伴う抵抗値の変化に差異が生じて、過渡期間において、温度上昇特性の差異による中点電位差Ｖｃ、即ち、誤差電位差Ｖｅが生じてしまう（図９のグラフに示す）。このような各素子の温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差Ｖｅを防ぐために、各素子の製造方法の精度向上や選別等を行うことが考えられるが、完全に温度上昇特性を一致させることは不可能である。そして、このような吸着燃焼式ガスセンサは、高温駆動時の中点電位差Ｖｃの変化（即ち、応答波形）に基づいてガス検出を行うので、上述したような、温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差Ｖｅが影響して、ガス検出の精度が低下してしまう。

そこで、ガス検出装置８０１では、感応素子８１１及び補償素子８１２における温度上昇特性の差異によって生じる中点電位差Ｖｃ、即ち、誤差電位差Ｖｅの影響を回避するため、以下のようにして検出対象ガスの濃度を検出していた。

まず、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、ブリッジ回路８０２に低温駆動電圧を供給したのちに高温駆動電圧を供給したときの中点電位差Ｖｃ（即ち、誤差電位差Ｖｅ）を所定のサンプリング周期で計測し、この計測した複数の中点電位差Ｖｃを積算して誤差電位差積分値を算出する。次に、検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気中において、ブリッジ回路８０２に低温駆動電圧を供給したのちに高温駆動電圧を供給したときの中点電位差Ｖｃを同様に所定のサンプリング周期で計測し、この計測した複数の中点電位差Ｖｃを積算して濃度電位差積分値を算出する。そして、濃度電位差積分値から誤差電位差積分値を差し引いた値に基づいて、検出対象ガスの濃度を検出する。このようにして、温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差Ｖｅの影響を回避して、検出対象ガスの濃度検出の精度低下を防いでいた。

特開２００５−８３９５０号公報

上述した中点電位差Ｖｃは微小電圧であるので、計装アンプ８０６において所定の増幅率で増幅されたあとに、後段のＡ／Ｄコンバータ８０７に入力される。一般的に、計装アンプはその最大出力電圧（通常は電源電圧と同じ又は若干低い電圧）が定められており、そのため、計装アンプ８０６が出力する電圧がこの最大出力電圧以下になるように、その増幅率が定められる。また同様に、Ａ／Ｄコンバータについても、最大入力電圧が定められており、そのため、Ａ／Ｄコンバータ８０７に入力される電圧がこの最大入力電圧以下になるように、計装アンプ８０６の増幅率が定められる。そして、計装アンプ８０６の増幅率が高いほど、微小電圧を大きな電圧に変換できるので、検出感度を向上できる。しかしながら、中点電位差Ｖｃに上述した誤差電位差Ｖｅが含まれていると、低い増幅率でも上記最大入力電圧または上記最大出力電圧に達してしまうので、計装アンプ８０６の増幅率を高めることが出来ず、検出対象ガスの検出感度の向上が望めなかった。

本発明は、上記課題に係る問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子及び補償素子における温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差を小さくして、検出対象ガスの検出感度を向上できるガス検出装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、図１の基本構成図に示すように、（ａ）検出対象ガスと感応する感応素子及び前記検出対象ガスと感応しない補償素子からなる吸着燃焼式ガスセンサを含むブリッジ回路２と、（ｂ）前記感応素子の温度が前記検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、前記感応素子の温度が前記感応素子に吸着した前記検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、を前記ブリッジ回路に順次供給する電圧供給源５と、（ｃ）前記ブリッジ回路における一対の中点と接続されて、これら一対の中点間に生じる電位差を所定の増幅率で増幅する、増幅器６と、を有するガス検出装置１において、前記ブリッジ回路２には、前記一対の中点間に生じる電位差を補正する補正回路部５０が設けられ、そして、前記電圧供給源５によって前記ブリッジ回路２に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記感応素子及び前記補償素子の温度が上昇する過渡期間において、予め設定された補正情報に基づき、前記感応素子と前記補償素子との温度上昇特性の差異によって前記一対の中点間に生じる誤差電位差が無くなるように、前記補正回路部５０を制御する補正回路部制御手段６１ａが設けられていることを特徴とするガス検出装置１である。

請求項１に記載された発明によれば、ブリッジ回路には、その一対の中点間に生じる電位差を補正する補正回路部が設けられ、そして、電圧供給源によってブリッジ回路に高温駆動電圧が供給されたあとの感応素子及び補償素子の温度が上昇する過渡期間において、予め設定された補正情報に基づき、感応素子と補償素子との温度上昇特性の差異によって一対の中点間に生じる誤差電位差が無くなるように、補正回路部を制御するので、上記過渡期間において、ブリッジ回路の一対の中点間に生じる電位差に含まれる上記誤差電位差を取り除くことができ、そのため、増幅器における増幅率をより高めることができ、検出感度を向上できる。また、ブリッジ回路に補正回路部を設けた簡易な回路で構成されるとともに、補正回路部に対する制御も簡易であるので、検出感度を向上できるガス検出装置を低コストで提供できる。さらに、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子と補償素子との温度上昇特性を高精度で一致させる必要がないので、現状の素子が利用でき、さらに、コストを低減することができる。

本発明のガス検出装置の基本構成を示す図である。本発明のガス検出装置の一実施形態であるガス濃度検出装置を示す構成図である。（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、図２のガス濃度検出装置が備えるブリッジ回路のガスセンサユニットの平面図、背面図、及び、平面図におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２のガス濃度検出装置が備えるＣＰＵが行う補正情報取得処理の一例を示すフローチャートである。図２のガス濃度検出装置が備えるＣＰＵが行うガス濃度検出処理の一例を示すフローチャートである。図２のガス濃度検出装置及び従来の構成のガス濃度検出装置のそれぞれにおける誤差電位差（増幅率１倍）を示すグラフである。本発明のガス検出装置の他の実施形態であるガス濃度検出装置を示す構成図である。従来のガス濃度検出装置の構成図である。従来のガス濃度検出装置における誤差電位差のグラフである。

以下、本発明に係るガス検出装置の一実施形態としてのガス濃度検出装置を、図２〜図８を参照して説明する。

ガス濃度検出装置１は、図２に示すように、ブリッジ回路２と、電圧供給源５と、増幅器としての計装アンプ６と、Ａ／Ｄコンバータ７と、マイクロコンピュータ６０と、図示しない気体収容室と、図示しない表示装置と、を備えている。

ブリッジ回路２は、第１固定抵抗器１３と、第２固定抵抗器１４と、吸着燃焼式ガスセンサとしてのガスセンサユニット１５と、補正回路部５０と、を備えている。このガスセンサユニット１５は、感応素子１１と補償素子１２とを備えている。そして、第２固定抵抗器１４と感応素子１１とを互いに直列接続することでセンサ回路部１０を構成し、第１固定抵抗器１３と補償素子１２とを互いに直列接続することでレファレンス回路部２０を構成している。また、センサ回路部１０とレファレンス回路部２０とを互いに並列接続することでブリッジ回路２を構成している。ブリッジ回路２における第１固定抵抗器１３と第２固定抵抗器１４とを接続する信号線は、電圧供給源５に接続されている。ブリッジ回路２における感応素子１１と補償素子１２とを接続する信号線は接地点（ＧＮＤ）に接続されている。

ガスセンサユニット１５は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、所定厚さ（例えば、４００μｍ程度）のシリコン（Ｓｉ）ウェハ４１上に、所定厚さ（例えば、６００ｎｍ程度）の酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜４８ｃ、所定厚さ（例えば、２５０ｎｍ程度）の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜４８ｂ、および所定厚さ（例えば、３０ｎｍ程度）の酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）膜４８ａの絶縁薄膜が順次成膜され、多層絶縁膜が形成されている。

この多層絶縁膜上に、感応素子１１として、所定厚さ（例えば、２５０ｎｍ程度）の第１のヒータとしての白金（Ｐｔ）ヒータ４２が形成されていると共に、この白金ヒータ４２と熱的に接触するとともに、触媒物質として、例えば、検出対象ガスを吸着及び燃焼させるパラジウム（Ｐｄ）などの白金族を担持した酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる触媒層４３が所定厚さ（例えば、１〜４０μｍ程度）で形成されている。

また、多層絶縁膜上には、補償素子１２として、所定厚さ（例えば、２５０ｎｍ程度）の第２のヒータとしての白金（Ｐｔ）ヒータ４４と、この白金ヒータ４４と熱的に接触する酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）のみからなる非触媒層４５が所定厚さ（例えば、１〜４０μｍ程度）で形成されている。

また、図３（Ｃ）に示すように、シリコンウェハ４１を異方性エッチングして、感応素子１１及び補償素子１２に対応する位置に凹部４６、４７を形成し、それにより、上述の各絶縁薄膜による薄膜ダイヤフラムＤｓおよびＤｒが形成されている。

感応素子１１及び補償素子１２は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、後述する電圧供給源５によって低温駆動電圧及び高温駆動電圧が供給されたのちにそれらの温度変化が収束した定常状態では、感応素子１１の白金ヒータ４２と補償素子１２の白金ヒータ４４とが同一の抵抗値となるように形成されている。

また、感応素子１１は触媒層４３を備えているとともに、補償素子１２は非触媒層４５を備えている（即ち、触媒を備えていない）ので、電圧供給源５によってブリッジ回路２（センサ回路部１０及びレファレンス回路部２０）に所定の低温駆動電圧が供給されると、感応素子１１では検出対象ガスが触媒層４３に吸着され、その一方で、補償素子１２では検出対象ガスが非触媒層４５に吸着されず、そして、電圧供給源５によってブリッジ回路２に所定の高温駆動電圧が供給されると、感応素子１１では触媒により検出対象ガスが燃焼し、その一方で、補償素子１２では検出対象ガスが燃焼しない。即ち、感応素子１１は検出対象ガスと感応し、補償素子１２は検出対象ガスと感応しない。

このため、感応素子１１及び補償素子１２は、検出対象ガスを含む雰囲気中において、電圧供給源５によって低温駆動電圧が供給されたのちに高温駆動電圧が供給されると、感応素子１１に吸着した検出対象ガスが爆発的に燃焼する。すると、この燃焼エネルギーにより感応素子１１の温度が補償素子１２の温度より高くなり、感応素子１１と補償素子１２とのそれぞれに検出対象ガスの濃度に応じた温度差が生じて、この温度差によって感応素子１１の白金ヒータ４２と補償素子１２の白金ヒータ４４との抵抗値に差が生じる。そして、この抵抗値の差が、第２固定抵抗器１４及び感応素子１１間（即ち、センサ回路部１０の中点）と第１固定抵抗器１３及び補償素子１２間（即ち、レファレンス回路部２０の中点）との間、つまり、ブリッジ回路２における一対の中点間に、電位差として現れる。この一対の中点間の電位差を「中点電位差Ｖｃ」といい、この中点電位差Ｖｃに基づいてガス濃度が検出される。

ガスセンサユニット１５は、図示しない気体収容室内に設置されている。この気体収容室には、検出対象ガスを含まない雰囲気（エアベース）、及び、検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気（被検ガス）が、後述するマイクロコンピュータ６０の制御によって充填される。

第１固定抵抗器１３及び第２固定抵抗器１４は、予め定められた固定値の電気抵抗を生じる周知の電子部品である。第１固定抵抗器１３及び第２固定抵抗器１４は、複数の固定抵抗器を直列、並列、または、直列及び並列に組み合わせて構成してもよく、或いは、ガス濃度測定時に抵抗値を固定して用いるものであれば、例えば、平衡調整のためなどに抵抗値を変更できる、可変抵抗器であってもよい。第１固定抵抗器１３及び第２固定抵抗器１４は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、これら第１固定抵抗器１３、第２固定抵抗器１４及びガスセンサユニット１５のみで（即ち、補正回路部５０を含めずに）構成されたブリッジ回路２に電圧供給源５によって高温駆動電圧が供給されたときに、感応素子１１の温度及び補償素子１２の温度の変化が収束した定常状態で平衡となるように、即ち、一対の中点間に生じる中点電位差Ｖｃが０となるように、それぞれの抵抗値が定められている。本実施形態においては、第１固定抵抗器１３の抵抗値が２００Ω、第２固定抵抗器１４の抵抗値が２００Ωに設定されている。

補正回路部５０は、デジタルポテンショメータ５１と、第３固定抵抗器５２と、第４固定抵抗器５３と、を備えている。

デジタルポテンショメータ５１は、所定の抵抗値調整信号を与えることにより可変抵抗のデジタル制御を行う方式の周知の可変抵抗器である。デジタルポテンショメータ５１は、端子Ａ、端子Ｂ、及び、ワイパ端子Ｗ、を備えている。デジタルポテンショメータ５１は、ＭＰＵ６０に接続されており、ＭＰＵ６０から受信する抵抗値調整信号に基づいて、ワイパ端子Ｗが位置を移動することにより、端子Ａ及びワイパ端子Ｗ間の抵抗値Ｒｐ１、及び、端子Ｂ及びワイパ端子Ｗ間の抵抗値Ｒｐ２、を所定の値幅で（即ち、連続した値の変化ではなくデジタル的に）変化させる。また、抵抗値Ｒｐ１及び抵抗値Ｒｐ２は、それぞれの抵抗値が変化した場合においても、これら抵抗値の和は常に一定である（Ｒｐ１＋Ｒｐ２＝Ｋ（定数））。

第３固定抵抗器５２及び第４固定抵抗器５３は、予め定められた固定値の電気抵抗を生じる周知の電子部品である。第３固定抵抗器５２及び第４固定抵抗器５３は、複数の固定抵抗器を直列、並列、または、直列及び並列に組み合わせて構成してもよい。第３固定抵抗器５２の抵抗値及び第４固定抵抗器５３の抵抗値は同一に設定されている。本実施形態においては、第３固定抵抗器５２の抵抗値が１０ｋΩ、第４固定抵抗器５３の抵抗値が１０ｋΩに設定されている。

第３固定抵抗器５２の一端子は、デジタルポテンショメータ５１の端子Ａに接続され、且つ、他端子は、レファレンス回路部２０の中点に接続されている。第４固定抵抗器５３の一端子は、デジタルポテンショメータ５１の端子Ｂに接続され、且つ、他端子は、センサ回路部１０の中点に接続されている。デジタルポテンショメータ５１のワイパ端子Ｗは、ブリッジ回路２における電圧供給源５に接続される点（即ち、第１固定抵抗器１３と第２固定抵抗器１４とを接続する信号線）に接続されている。

感応素子１１の抵抗値をＲｓ、補償素子１２の抵抗値をＲｒ、第１固定抵抗器１３の抵抗値をＲ１、第２固定抵抗器１４の抵抗値をＲ２、第３固定抵抗器５２の抵抗値をＲ３、第４固定抵抗器５３の抵抗値をＲ４、デジタルポテンショメータ５１の端子Ａ及びワイパ端子Ｗ間の抵抗値をＲｐ１、デジタルポテンショメータ５１の端子Ｂ及びワイパ端子Ｗ間の抵抗値をＲｐ２、ブリッジ回路２への供給電圧をＶｂｒｇ、とすると、上記中点電位差Ｖｃは、以下の式（２）で表される。

電圧供給源５は、ブリッジ回路２に所定の電圧を供給する電圧供給回路である。電圧供給源５は、後述するＭＰＵ６０に接続されるとともに、該ＭＰＵ６０からの電圧制御信号に応じて、感応素子１１の温度が検出対象ガスを吸着する低温（例えば、２００度）となる低温駆動電圧、及び、感応素子１１の温度が感応素子１１に吸着した検出対象ガスを燃焼させる高温（例えば、４００度）となる高温駆動電圧、などのパルス状の供給電圧Ｖｂｒｇをブリッジ回路２に供給する。

計装アンプ６は、差動入力・シングルエンド出力の平衡入力アンプであり、同相信号除去比（ＣＭＲＲ）を大きくとれるという特徴を有する周知の増幅器である。計装アンプ６は、それぞれ高インピーダンスの一対の差動入力端子に入力された信号の電位差を、所定の増幅率で増幅して出力する。計装アンプ６の差動入力端子の一方（Ｖ＋）には、センサ回路部１０の第２固定抵抗器１４及び感応素子１１間（中点）の信号線が接続されており、他方（Ｖ−）には、レファレンス回路部２０の第１固定抵抗器１３及び補償素子１２間（中点）の信号線が接続されている。つまり、計装アンプ６は、センサ回路部１０の中点の電位（以下、「第１電圧Ｖ１」という）と、レファレンス回路部２０の中点の電位（以下、「第２電圧Ｖ２」という）と、が入力されて、これら第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２の電位差（即ち、中点電位差Ｖｃ）を、所定の増幅率で増幅して出力端子から出力する。計装アンプ６には出力可能な最大電圧（最大出力電圧）が定められており、計装アンプ６の増幅率は、中点電位差Ｖｃを増幅したときに、この最大出力電圧を超えないように定められている。

Ａ／Ｄコンバータ７は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する周知のアナログ−デジタル変換器である。Ａ／Ｄコンバータ７の入力部には、計装アンプ６において増幅された中点電位差Ｖｃが入力される。また、Ａ／Ｄコンバータ７の出力部は、ＭＰＵ６０に接続されており、デジタル信号に変換された中点電位差ＶｃがＭＰＵ６０に向けて出力される。また、Ａ／Ｄコンバータ７には、入力可能な最大電圧（最大入力電圧）が定められており、この最大入力電圧を超えないように、計装アンプ６の増幅率が定められている。

マイクロコンピュータ（ＭＰＵ）６０は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）６１、ＣＰＵ６１のためのプログラムや各種パラメータ（例えば、低温駆動電圧値、高温駆動電圧値、サンプリング上限数など）を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ６２、各種データを格納するとともにＣＰＵ６１の処理作業に必要なエリア（例えば、ループ変数、誤差電位差積分値１、濃度電位差積分値など）を有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ６３、及び、電力供給が断たれた場合でも、格納された各種データの保持が可能であり、ＣＰＵ６１の処理作業に必要な各種格納エリア（例えば、補正情報格納領域、誤差電位差積分値など）を有するＥＥＰＲＯＭ６４等を備えている。ＣＰＵ６１は、ＲＯＭ６２に格納された各種プログラムを実行することにより、補正回路部制御手段として機能する。

ＭＰＵ６０は、図示しない入出力ポートや各種インタフェース機能を備えた外部接続部をさらに備えている。ＭＰＵ６０は、この外部接続部を介して、Ａ／Ｄコンバータ７、電圧供給源５及び補正回路部５０のデジタルポテンショメータ５１と接続されている。ＭＰＵ６０は、Ａ／Ｄコンバータ７からデジタル信号に変換された中間電位差Ｖｃを受信して、この中間電位差Ｖｃに基づいてガス濃度を検出する。ＭＰＵ６０は、処理に応じて、例えば、低温駆動電圧を所定のガス吸着期間供給した後、高温駆動電圧を所定のガス燃焼期間供給するように、電圧供給源５に向けて電圧制御信号を送信する。ＭＰＵ６０は、処理に応じて、デジタルポテンショメータ５１のワイパ端子Ｗの位置を移動して所望の抵抗値に変更するために、デジタルポテンショメータ５１に向けて抵抗値調整信号を送信する。また、ＭＰＵ６０は、この外部接続部を介して、図示しない表示装置に接続されており、例えば、検出した検出対象ガスの濃度に関する情報を含む表示制御信号を、該表示装置に向けて送信する。そして、表示装置は、この表示制御信号に応じた情報、即ち、検出対象ガスの濃度などを表示する。また、ＭＰＵ６０は、この外部接続部を介して、ポンプなどを備えた気体収容室に接続されており、処理に応じて各種気体を該気体収容室に充填する。

次に、上述したＣＰＵ６１が実行する本発明に係る処理（補正情報取得処理）の一例を、図４に示すフローチャートを参照して、以下に説明する。

ガス濃度検出装置１に電源が投入されると、ＣＰＵ６１は、気体収容室内に検出対象ガスを含まない雰囲気を充填した後、その処理をステップＳ１１０に進める。

ステップＳ１１０では、本フローチャートの処理に用いられる、ＲＡＭ６３上に設けられたループ変数を初期化する（サンプリングループ回数ｎ＝１）。そして、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に低温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、感応素子１１の温度及び補償素子１２の温度が安定するまで（温度安定期間、例えば、６０秒）待つ。そして、ステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１４０では、デジタルポテンショメータ５１に対して、ワイパ端子Ｗの位置を中間点に移動させる（即ち、端子Ａ及びワイパ端子Ｗ間の抵抗値Ｒｐ１と、端子Ｂ及びワイパ端子Ｗ間の抵抗値Ｒｐ２と、を同一にする）ための抵抗値調整信号を送信する。そして、ステップＳ１５０に進む。

ステップＳ１５０では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に、高温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１６０では、計装アンプ６で増幅されるとともにＡ／Ｄコンバータ７でデジタル信号に変換された中点電位差Ｖｃを、誤差電位差Ｖｅとして取得する。そして、上述した式（１）を用いて、この誤差電位差Ｖｅが０又は０に最も近い正数となる上記抵抗値Ｒｐ１及び抵抗値Ｒｐ２の値（Ｒｐ１ｚ及びＲｐ２ｚ）を算出して、デジタルポテンショメータ５１の抵抗値Ｒｐ１及び抵抗値Ｒｐ２をこれら算出した値（Ｒｐ１ｚ及びＲｐ２ｚ）にするためのワイパ端子位置を、補正情報としてＥＥＰＲＯＭ６４上に設けられた補正情報格納領域［ｎ］に格納する（即ち、補正情報の取得）。この補正情報格納領域［ｎ］は一次元配列データ構造を有しており、サンプリングループ回数ｎをインデックスとして、上記補正情報の格納位置が指定される。例えば、サンプリングループ回数ｎ＝３のときは、補正情報は補正情報格納領域［３］に格納される。その後、サンプリングループ回数ｎを１増加する。そして、ステップＳ１７０に進む。

ステップＳ１７０では、所定のサンプリング間隔時間が経過するまで待つ。このサンプリング間隔時間とは、一例を挙げると、サンプリングが行われる期間（過渡期間、例えば、４００ｍｓ）をＲＯＭ６２に格納された所定のサンプリング上限数（例えば、４００回）で除した値（例えば、１ｍｓ）などが用いられる。サンプリング間隔時間は、概ね、数百μｓ〜数ｍｓの範囲で設定される。そして、ステップＳ１８０に進む。

ステップＳ１８０では、サンプリングループ回数ｎがサンプリング上限数を超えたか否かを判定し、サンプリング上限数を超えていたときは、補正情報の取得が終了したものとして、ステップＳ１９０に進み（Ｓ１８０でＹ）、サンプリング上限数以下のときは、補正情報の取得を継続するものとして、ステップＳ１６０に戻る（Ｓ１８０でＮ）。

ステップＳ１９０では、ループ変数等を初期化する（サンプリングループ回数ｎ＝１、誤差電位差積分値１＝０）。そして、ステップＳ２００に進む。

ステップＳ２００では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に低温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０では、感応素子１１の温度及び補償素子１２の温度が安定するまで（温度安定期間、例えば、６０秒）待つ。そして、ステップＳ２２０に進む。

ステップＳ２２０では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に、高温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＳ２３０に進む。

ステップＳ２３０では、当該サンプリングタイミング（即ち、サンプリングループ回数ｎ）に対応する補正情報切換情報［ｎ］に格納された、デジタルポテンショメータ５１のワイパ端子位置（即ち、補正情報）を読み出す。そして、ステップＳ２４０に進む。

ステップＳ２４０では、デジタルポテンショメータ５１に対して、ワイパ端子ＷをステップＳ２３０で読み出したワイパ端子位置に移動させるための抵抗値調整信号を送信する。これにより、デジタルポテンショメータ５１は、ワイパ端子Ｗを、抵抗値調整信号に含まれるワイパ端子位置に移動させる。そして、ステップＳ２５０に進む。

ステップＳ２５０では、計装アンプ６で増幅されるとともにＡ／Ｄコンバータ７でデジタル信号に変換された中点電位差Ｖｃを、誤差電位差として取得して、ＲＡＭ６３上に設けた誤差電位差積分値１に積算する。その後、サンプリングループ回数ｎを１増加する。そして、Ｓ２６０に進む。

ステップＳ２６０では、上述した所定のサンプリング間隔時間が経過するまで待つ。そして、ステップＳ２７０に進む。

ステップＳ２７０では、サンプリングループ回数ｎがサンプリング上限数を超えたか否かを判定し、サンプリング上限数を超えていたときは、誤差電位差積分値の算出が終了したものとして、ステップＳ２８０に進み（Ｓ２７０でＹ）、サンプリング上限数以下のときは、誤差電位差積分値の算出途中として、ステップＳ２３０に戻る（Ｓ２７０でＮ）。

ステップＳ２８０では、ステップＳ２５０で積算した誤差電位差積分値１を、ＥＥＰＲＯＭ６４上に設けられた誤差電位差積分値に格納する。そして、本フローチャートの処理を終了する。

次に、上述したＣＰＵ６１が実行する本発明に係る処理（ガス濃度検出処理）の一例を、図５に示すフローチャートを参照して、以下に説明する。

上述した、補正情報取得処理が終了した後、ＣＰＵ６１は、気体収容室内に検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気（被検ガス）を充填した後、その処理をステップＴ１１０に進める。

ステップＴ１１０では、本フローチャートの処理に用いられる、ＲＡＭ６３上に設けられたループ変数等を初期化する（サンプリングループ回数ｎ＝１、濃度電位差積分値＝０）。そして、ステップＴ１２０に進む。

ステップＴ１２０では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に低温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＴ１３０に進む。

ステップＴ１３０では、感応素子１１の温度及び補償素子１２の温度が安定するとともに、感応素子１１に検出対象ガスを吸着させるための所定のガス吸着期間が経過するまで（例えば、６０秒）待つ。そして、ステップＴ１４０に進む。

ステップＴ１４０では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に、高温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＴ１５０に進む。

ステップＴ１５０では、当該サンプリングタイミング（即ち、サンプリングループ回数ｎ）に対応する補正情報格納領域［ｎ］に格納された、デジタルポテンショメータ５１のワイパ端子位置（即ち、補正情報）を読み出す。そして、ステップＴ１６０に進む。

ステップＴ１６０では、デジタルポテンショメータ５１に対して、ワイパ端子ＷをステップＴ１５０で読み出したワイパ端子位置に移動させるための抵抗値調整信号を送信する。これにより、デジタルポテンショメータ５１は、ワイパ端子Ｗを、抵抗値調整信号に含まれるワイパ端子位置に移動させる。そして、ステップＴ１７０に進む。

ステップＴ１７０では、計装アンプ６で増幅されるとともにＡ／Ｄコンバータ７でデジタル信号に変換された中点電位差Ｖｃを、ガス濃度電位差として取得して、ＲＡＭ６３上に設けた濃度電位差積分値に積算する。その後、サンプリングループ回数ｎを１増加する。そして、Ｔ１８０に進む。

ステップＴ１８０では、上述した所定のサンプリング間隔時間が経過するまで待つ。そして、ステップＴ１９０に進む。

ステップＴ１９０では、サンプリングループ回数ｎがサンプリング上限数を超えたか否かを判定し、サンプリング上限数を超えていたときは、濃度電位差積分値の算出が終了したものとして、ステップＴ２００に進み（Ｔ１９０でＹ）、サンプリング上限数以下のときは、濃度電位差積分値の算出途中として、ステップＴ１５０に戻る（Ｔ１９０でＮ）。

ステップＴ２００では、ステップＴ１７０で積算した濃度電位差積分値から、ＥＥＰＲＯＭ６４に格納された誤差電位差積分値を差し引いた値を算出し、ＲＯＭ６２上に予め格納された、電位差積分値及びガス濃度の関係についての変換テーブルに基づいて、当該算出した値からガス濃度を求め、このガス濃度についての情報を含む表示情報を生成して、表示装置に対して送信する。そして、再度ガス濃度を測定するため、ステップＴ１１０に戻る（フローチャート終了）。

なお、上述したステップＴ１５０、Ｔ１６０が、請求項中の補正回路制御手段に相当する。また、上記では補正情報取得処理及びガス濃度検出処理を別々に説明するものであったが、これら処理は別々に行われてもよく、又は、補正情報取得処理に連続してガス濃度検出処理を行ってもよい。

次に、上述したガス濃度検出装置１における本発明に係る動作（作用）について説明する。

ガス濃度検出装置１は、気体収容室内に検出対象ガスを含まない雰囲気を充填したのち、補正情報取得処理のための初期化処理を実行する。（Ｓ１１０）。そして、ブリッジ回路２に対して低温駆動電圧を供給し（Ｓ１２０、Ｓ１３０）、デジタルポテンショメータ５１のワイパ端子Ｗを中間点に移動した後（Ｓ１４０）、ブリッジ回路２に対して高温駆動電圧を供給して（Ｓ１５０）、所定のサンプリングタイミング毎に、中間電位差Ｖｃ（即ち、誤差電位差Ｖｅ）を取得するとともに、この誤差電位差Ｖｅが０又は０に最も近い正数となるデジタルポテンショメータ５１のワイパ端子位置を求めて、補正情報としてＥＥＰＲＯＭ６４に格納（記憶）する（Ｓ１６０〜Ｓ１８０）。

上述した、デジタルポテンショメータ５１の抵抗値Ｒｐ１及び抵抗値Ｒｐ２はデジタル的に変化するので、上記誤差電位差Ｖｅを完全に取り除くことができない場合がある。そこで、次に、誤差電位差Ｖｅによって生じる誤差電位差積分値を算出する。ＣＰＵ６１は、上述した処理に引き続き、一部変数の初期化処理を実行し（Ｓ１９０）、ブリッジ回路２に対して低温駆動電圧を供給したあと（Ｓ２００、Ｓ２１０）、ブリッジ回路２に対して高温駆動電圧をサンプリングが行われる期間（即ち、ガス燃焼期間）供給して（Ｓ２２０）、所定のサンプリングタイミング毎に、ＥＥＰＲＯＭ６４から読み出した当該サンプリングタイミングに対応する補正情報に基づいて（Ｓ２３０）、デジタルポテンショメータ５１のワイパ端子Ｗの位置を移動して、デジタルポテンショメータ５１の抵抗値Ｒｐ１及び抵抗値Ｒｐ２に誤差電位Ｖｅが０又は０に最も近い正数となる抵抗値を設定する（Ｓ２４０）。そして、中間電位差Ｖｃを誤差電位差として取得するとともに積算（即ち、積分）する（Ｓ２５０）。このようにして、すべてのサンプリングタイミングについて、上記誤差電位差を取得及び積算して、誤差電位差積分値を算出する。そして、算出した誤差電位差積分値を、ＥＥＰＲＯＭ６４に格納する（Ｓ２８０）。

次に、ガス濃度検出装置１は、気体収容室内に検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気を充填したのち、ガス濃度検出処理のための初期化処理を実行する（Ｔ１１０）。そして、ブリッジ回路２に対して低温駆動電圧を所定のガス吸着期間供給して感応素子１１に検出対象ガスを吸着させた後（Ｔ１２０、Ｔ１３０）、ブリッジ回路２に対して高温駆動電圧をサンプリングが行われる期間（即ち、ガス燃焼期間）供給して（Ｔ１４０）、所定のサンプリングタイミング毎に、ＥＥＰＲＯＭ６４から読み出した当該サンプリングタイミングに対応する補正情報に基づいて（Ｔ１５０）、デジタルポテンショメータ５１のワイパ端子Ｗの位置を移動して、デジタルポテンショメータ５１の抵抗値Ｒｐ１及び抵抗値Ｒｐ２に誤差電位差Ｖｅが０又は０に最も近い正数となる抵抗値を設定する（Ｔ１６０）。そして、中間電位差Ｖｃをガス濃度電位差として取得するとともに積算（即ち、積分）する（Ｔ１７０）。このようにして、すべてのサンプリングタイミングについて、上記ガス濃度電位差を取得及び積算して、濃度電位差積分値を算出する。そして、最後に、濃度電位差積分値から誤差電位差積分値を差し引いて誤差電位差を取り除いた値を、変換テーブルと照らし合わせてガス濃度を求め、表示装置に表示する（Ｔ２００）。

図６に、本発明に係るガス濃度検出装置１で測定した誤差電位差Ｖｅ（増幅率１倍）、及び、図２のガス濃度検出装置１において補正回路部５０を備えない従来の構成のガス濃度検出装置（従来構成）で測定した誤差電位差Ｖｅ（増幅率１倍）のグラフを示す。

図６のグラフから、従来の構成のガス濃度検出装置では、サンプリングが行われる期間（過渡期間、０〜４００ｍｓ）において誤差電位差Ｖｅが山形の波形を示しているのに対して、本発明におけるガス濃度検出装置１は、サンプリングが行われる期間の全体に亘って誤差電位差Ｖｅがほぼ０である。つまり、本発明に係るガス濃度検出装置１は、ＣＰＵ６１（補正回路部制御手段）によって補正回路部５０を制御することによって、サンプリングが行われる期間における任意の時点で適切な補正量を与えることができ、誤差電位差Ｖｅを取り除くことができる。

以上より、本発明によれば、ブリッジ回路２には、その一対の中点間に生じる電位差を補正する補正回路部５０が設けられ、そして、電圧供給源５によってブリッジ回路２に高温駆動電圧が供給されたあとの感応素子１１及び補償素子１２の温度が上昇する過渡期間において、予め設定された補正情報に基づき、感応素子１１と補償素子１２との温度上昇特性の差異によって一対の中点間に生じる誤差電位差Ｖｅが無くなる（ほぼ無くなる場合を含む）ように、補正回路部５０を制御するので、上記過渡期間において、ブリッジ回路２の一対の中点間に生じる電位差に含まれる上記誤差電位差Ｖｅを取り除くことができ、そのため、計装アンプ６における増幅率をより高めることができ、検出感度を向上できる。また、ブリッジ回路２に補正回路部５０を設けた簡易な回路で構成されるとともに、補正回路部５０に対する制御も簡易であるので、検出感度を向上できるガス濃度検出装置１を低コストで提供できる。さらに、ガスセンサユニット１５の感応素子１１と補償素子１２との温度上昇特性を高精度で一致させる必要がないので、現状の素子が利用でき、さらに、コストを低減することができる。

本実施形態では、ブリッジ回路２は、感応素子１１及び第１固定抵抗器１３からなるセンサ回路部１０、並びに、補償素子１２及び第２固定抵抗器１４からなるレファレンス回路部２０、で構成されているものであったが、これに限らず、ブリッジ回路２の構成は、ガス濃度に応じてブリッジ回路２の一対の中点間に電位差が生じるものであれば、本発明の目的に反しない限り任意である。本発明に係るガス検出装置の他の構成例を図７に示す。

図７に示すガス濃度検出装置１Ａは、上述したガス濃度検出装置１（図２に示す）が備えるブリッジ回路２に代えて、以下に説明するブリッジ回路２Ａを備えている。このブリッジ回路２Ａ以外の構成要素については、上述したガス濃度検出装置１と同一であるため、それらには同一の符号を付して説明を省略する。

ブリッジ回路２Ａは、第１固定抵抗器１３と、第２固定抵抗器１４と、吸着燃焼式ガスセンサとしてのガスセンサユニット１５と、補正回路部５０と、を備えている。このガスセンサユニット１５は、感応素子１１と補償素子１２とを備えている。そして、感応素子１１と補償素子１２とを互いに直列接続することでセンサ回路部１０を構成し、第１固定抵抗器１３と第２固定抵抗器１４とを互いに直列接続することでレファレンス回路部２０を構成している。また、センサ回路部１０とレファレンス回路部２０とを互いに並列接続することでブリッジ回路２Ａを構成している。

補正回路部５０は、デジタルポテンショメータ５１と、第３固定抵抗器５２と、第４固定抵抗器５３と、を備えている。そして、第３固定抵抗器５２の一端子は、デジタルポテンショメータ５１の端子Ａに接続され、且つ、他端子は、ブリッジ回路２における電圧供給源５に接続される点（即ち、補償素子１２と第１固定抵抗器１３とを接続する信号線）に接続されている。第４固定抵抗器５３の一端子は、デジタルポテンショメータ５１の端子Ｂに接続され、且つ、他端子は、ブリッジ回路における接地点（ＧＮＤ、即ち、感応素子１１と第２固定抵抗器１４とを接続する信号線）に接続されている。デジタルポテンショメータ５１のワイパ端子Ｗは、センサ回路部１０の中点（即ち、感応素子１１と補償素子１２との間の信号線）に接続されている。

そして、感応素子１１の抵抗値をＲｓ、補償素子１２の抵抗値をＲｒ、第１固定抵抗器１３の抵抗値をＲ１、第２固定抵抗器１４の抵抗値をＲ２、第３固定抵抗器５２の抵抗値をＲ３、第４固定抵抗器５３の抵抗値をＲ４、デジタルポテンショメータ５１の端子Ａ及びワイパ端子Ｗ間の抵抗値をＲｐ１、デジタルポテンショメータ５１の端子Ｂ及びワイパ端子Ｗ間の抵抗値をＲｐ２、ブリッジ回路２への供給電圧をＶｂｒｇ、とすると、このブリッジ回路２Ａにおける中点電位差Ｖｃは、以下の式（３）で表される。

そして、上述したガス濃度検出装置１で行う処理を、式（２）に代えて式（３）を用いてこのガス濃度検出装置１Ａで行うことにより、ガス濃度検出装置１と同様の効果、即ち、上記過渡期間において、ブリッジ回路２の一対の中点間に生じる電位差に含まれる上記誤差電位差Ｖｅを取り除くことができ、そのため、計装アンプ６における増幅率をより高めることができ、検出感度を向上できる。

また、本実施形態は検出対象ガスの濃度を検出するものであったが、これに限らず、本発明は、成分不明の被検ガスに含まれるガスの種別を検出するガス種別検出装置など、他の種類のガス検出装置に適用してもよい。また、例えば、照度測定用のフォトトランジスタ（即ち、感応素子）と、温度補償のためのフォトトランジスタ（即ち、補償素子）と、を備えたブリッジ回路を有する照度測定装置など、感応素子と補償素子とを備えたブリッジ回路を用いて測定を行う測定装置などであれば、どのような装置でも本発明を適用することができる。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１、１Ａガス濃度検出装置（ガス検出装置）
２、２Ａブリッジ回路
５電圧供給源
６計装アンプ（増幅器）
１０センサ回路部
１１感応素子
１２補償素子
１３第１固定抵抗器
１４第２固定抵抗器
１５ガスセンサユニット（吸着燃焼式ガスセンサ）
２０レファレンス回路部
５０補正回路部
５１デジタルポテンショメータ
５２第３固定抵抗器
５３第４固定抵抗器
６０ＭＰＵ
６１ＣＰＵ（回路切換手段）

Claims

（ａ）検出対象ガスと感応する感応素子及び前記検出対象ガスと感応しない補償素子からなる吸着燃焼式ガスセンサを含むブリッジ回路と、（ｂ）前記感応素子の温度が前記検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、前記感応素子の温度が前記感応素子に吸着した前記検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、を前記ブリッジ回路に順次供給する電圧供給源と、（ｃ）前記ブリッジ回路における一対の中点と接続されて、これら一対の中点間に生じる電位差を所定の増幅率で増幅する、増幅器と、を有するガス検出装置において、
前記ブリッジ回路には、前記一対の中点間に生じる電位差を補正する補正回路部が設けられ、そして、
前記電圧供給源によって前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記感応素子及び前記補償素子の温度が上昇する過渡期間において、予め設定された補正情報に基づき、前記感応素子と前記補償素子との温度上昇特性の差異によって前記一対の中点間に生じる誤差電位差が無くなるように、前記補正回路部を制御する補正回路部制御手段が設けられている
ことを特徴とするガス検出装置。