JP2012167954A - ガス検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス種の判定ロジックを改良し、検知性能を維持しつつ低消費電力化を実現しようとするガス検知装置を提供する。
【解決手段】通常時にあっては干渉ガスまたは検知対象ガスの有無を検知する温度となるように加熱してガス感知層の電気抵抗特性に基づいて干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれるか否かを判定し、さらに干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれる場合には干渉ガスを燃焼させる温度であってガス感知層が検知対象ガスのみを検知する温度となるように加熱してガス感知層の電気抵抗特性に基づいて検知対象ガスの有無または濃度を判定するガス検知装置とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型のガス検知装置に関するものである。

一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器等の用途に用いられ、ある特定ガス、例えば、ＣＯ，ＣＨ_４，Ｃ_３Ｈ_８，Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ等の還元性ガスに選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。
ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガスの検知を目的としたもの、燃焼機器の不完全燃焼ガスの検知を目的としたもの、または、これら両方の機能を併せ持ったもの等があるが、何れもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。
そこで、ガス漏れ警報器の普及率を向上させる観点から、設置性の改善、具体的には、ガス漏れ警報器を電池駆動としてコードレス化することが望まれている。

電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８を検知する場合は、４００℃〜５００℃の高温に加熱して検知する必要がある。このため、ガス感知膜としてＳｎＯ_２等の粉体を焼結する従来の方法では、スクリーン印刷等の方法を用いても厚みを薄くするには限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大き過ぎるという問題があった。そこで、微細加工プロセスを用いてダイヤフラム構造等により超低熱容量構造としたガスセンサが開発されている。

このようなガスセンサの従来技術としては、例えば、特許文献１（特開２００５−１６４５６６号公報）に記載されたダイヤフラム構造のガスセンサがある。
ここで、図７は、例えば特許文献１の図７に記載されたガスセンサとほぼ同様の、一般的なダイヤフラム構造のガスセンサの断面図である。

ガスセンサ１００は、図７の断面図で示すように、Ｓｉ基板１の上側に、熱酸化ＳｉＯ_２層２１、ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層２３によってダイヤフラム構造の熱絶縁支持層２が形成されている。また、ヒータ層３は、Ｎｉ−Ｃｒにより形成されており、熱絶縁支持層２の上側に設けられる。熱絶縁支持層２およびヒータ層３は、スパッタＳｉＯ_２層からなる電気絶縁層４により覆われる。Ｐｔによる一対の感知電極層５２の下側には、下地酸化膜である電気絶縁層４に対する中間層として、Ｔａによる接合層５１も形成されている。一対の感知電極層５２にはＳｂをドープしたＳｎＯ_２層からなるガス感知層５３が渡された状態で設けられる。電気絶縁層４の一部、一対の感知電極層５２およびガス感知層５３はＰｄ担持Ａｌ_２Ｏ_３焼結材であるガス選択燃焼層５４により覆われている。なお、Ｐｄ担持Ａｌ_２Ｏ_３焼結材に代えてＰｔ担持Ａｌ_２Ｏ_３焼結材やＰｄ・Ｐｔ合金担持Ａｌ_２Ｏ_３焼結材としても良い。

また、ガスセンサ１００は、図示しないヒータ駆動部からの駆動信号が導線を通じてヒータ層３に入力されてヒータ駆動を行う。そして、ヒータ層３により４００℃〜５００℃の高温に加熱された状態でガス感知層５３がガスに接触し、ガス感知層５３の変化するセンサ抵抗値を検知信号として出力することでセンサとして機能する。

このようなガスセンサ１００は、ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８等の可燃性ガスを検知する。この場合、ヒータ層３が５０〜５００ｍｓの一定時間にわたり通電され、ガス感知層５３の温度が高温（Ｈｉｇｈ４００〜５００℃）に保持される。このような高温の状態で感知電極層５２によりガス感知層５３のセンサ抵抗値が測定され、その変化からＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８等の有無や可燃性ガス濃度を検知する。このような検知は周期的（例えば３０秒毎）に行われる。（Ｈｉｇｈ−Ｏｆｆ方式）。

ここで高温時のガス選択燃焼層５４は、ＣＯ、Ｈ_２等の還元性ガスその他の雑ガスを燃焼させるが、不活性なＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８等の可燃性ガスをガス選択燃焼層５４は透過させる。可燃性ガスはガス選択燃焼層５４内を拡散してガス感知層５３のＳｎＯ_２と反応し、ＳｎＯ_２のセンサ抵抗値を変化させる。このセンサ抵抗値の変化を検知してガス機器などのガス漏れ時に発生するＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８等の可燃性ガスの有無や濃度を検知する。

また、不完全燃焼（ＣＯ）を検知する場合、一旦、ヒータ層３の温度を５０〜５００ｍｓの一定期間にわたり高温（Ｈｉｇｈ４００〜５００℃）にし、ガス感知層５３のクリーニングを行う。そして、低温（Ｌｏｗ約１００℃）に降温して不完全燃焼（ＣＯ）の検知を行う。これにより、ＣＯ感度およびガス選択性が高くなることが知られている（Ｈｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式）。

また、Ｈｉｇｈ状態で、クリーニングのみならずＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８等の可燃性ガス検知も行い、Ｌｏｗ状態でのＣＯ等の不完全燃焼ガスの検知と合わせ、ワンセンサで可燃性ガス・不完全燃焼ガスの両方を検知できるガスセンサも存在する。

これらガスセンサのヒータ駆動方式は、上記のように（１）Ｈｉｇｈ−Ｏｆｆ方式による駆動、または（２）Ｈｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式による駆動、を所定の周期（例えば１５０秒周期）で繰り返す間欠駆動としており、低消費電力化を図っている。
前述した特許文献１のガスセンサでも同様な原理によりセンシングを行う。従来技術はこのようなものである。

特開２００５−１６４５６６号公報（段落［００４９］，［００５０］、図１等）

一般にガスセンサが搭載されたガス検知装置の設置環境の雰囲気においては、検知対象ガスに加え、他の雑ガスも共存する。雑ガスは、検知対象外の可燃性ガス、酸素、窒素、炭酸ガス、水蒸気などのガス種である。このようなガスの一部には、ガスセンサにとって干渉ガスとなり、ガスセンサの抵抗値が一時的に変化し、あたかも検知対象ガスが存在するかのように振舞い、誤検知を誘発する場合がある。

このような干渉ガスの影響を排除し、検知対象ガスの有無および濃度を正確に検知するためには、干渉ガスをガス選択燃焼層で除去し、さらに検知対象ガスが検知可能な高温で十分な時間通電する必要がある。しかしながら、このような加熱が、低消費電力化の妨げになっているという課題があった。

そこで、本発明は上記した課題を解決しようとするものであり、その目的は、ガス種の判定ロジックを改良し、検知性能を維持しつつ低消費電力化を実現しようとするガス検知装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、
検知対象ガスとの接触により電気抵抗特性が変化するガス感知層、および、前記ガス感知層を加熱するヒータ層を有するガスセンサと、
前記ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
前記ガス感知層および前記ヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
を備え、前記信号処理・駆動部は、
通常時にあっては前記ヒータ層からの加熱により前記ガス感知層が干渉ガスまたは検知対象ガスの有無を検知する温度となるように前記ヒータ層駆動部を制御する第１モード駆動手段と、
前記ガス感知層の電気抵抗特性に基づいて干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれるか否かを判定する第１モード判定手段と、
干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれる場合に前記ヒータ層からの加熱により干渉ガスを燃焼させる温度であって前記ガス感知層が検知対象ガスのみを検知する温度となるように前記ヒータ層駆動部を制御する第２モード駆動手段と、
前記ガス感知層の電気抵抗特性に基づいて検知対象ガスの有無または濃度を判定する第２モード判定手段と、
として機能することを特徴とするガス検知装置である。

また、請求項２に記載した発明は、
検知対象ガスとの接触により電気抵抗特性が変化するガス感知層、および、前記ガス感知層を加熱するヒータ層を有するガスセンサと、
前記ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
前記ガス感知層および前記ヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
を備え、前記信号処理・駆動部は、
通常時にあっては前記ヒータ層からの加熱により前記ガス感知層が検知対象ガスの電気抵抗特性と干渉ガスの電気抵抗特性とを異ならせる温度となるように前記ヒータ層駆動部を制御する第１モード駆動手段と、
前記ガス感知層の電気抵抗特性に基づいて検知対象ガスが含まれるか否かを判定する第１モード判定手段と、
検知対象ガスである場合にのみ前記ヒータ層からの加熱により前記ガス感知層が検知対象ガスのみを検知する温度となるように前記ヒータ層駆動部を制御する第２モード駆動手段と、
前記ガス感知層の電気抵抗特性に基づいて検知対象ガスの有無または濃度を判定する第２モード判定手段と、
として機能することを特徴とするガス検知装置である。

また、請求項３に記載した発明は、
請求項２に記載のガス検知装置において、
前記第１モード判定手段では、前記第１モード駆動手段により前記ヒータ層が駆動されてから複数時点における前記ガス感知層のセンサ抵抗値を用いて複数の差分値を取得し、これら差分値が０に近い所定の値以下のときは検知対象ガスが含まれると判定し、所定の値より大きいときは干渉ガスが含まれると判定することを特徴とするガス検知装置である。

また、請求項４に記載した発明は、
請求項２に記載のガス検知装置において、
前記第１モード判定手段では、前記第１モード駆動手段により前記ヒータ層が駆動されてから複数時点における前記ガス感知層のセンサ抵抗値を用いて複数の微分値を取得し、これら微分値が０に近い所定の値以下のときは検知対象ガスが含まれると判定し、所定の値より大きいときは干渉ガスが含まれると判定することを特徴とするガス検知装置である。

また、請求項５に記載した発明は、
請求項２に記載のガス検知装置において、
前記第１モード判定手段では、前記第１モード駆動手段により前記ヒータ層が駆動されてから複数時点における前記ガス感知層のセンサ抵抗値による時間状態変化特性を取得し、この時間変化状態特性のうち極小値が出現したときは干渉ガスが含まれると判定し、時間変化状態特性のうち極小値が出現しないときは検知対象ガスが含まれると判定することを特徴とするガス検知装置である。

また、請求項６に記載した発明は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のガス検知装置において、
前記第１モード判定手段または前記第２モード判定手段による判定内容に基づいて、検知対象ガスに関係したガス情報を出力する出力制御手段と、
を備えたことを特徴とするガス検知装置である。

また、請求項７に記載した発明は、
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のガス検知装置において、
内蔵された電池による電源回路からの電力供給により駆動されることを特徴とするガス検知装置である。

また、請求項８に記載した発明は、
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のガス検知装置において、
前記信号処理・駆動部は所定の周期で前記ヒータ層を通電して駆動し、
前記ガス感知層は所定の周期で加熱されることを特徴とするガス検知装置である。

また、請求項９に記載した発明は、
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のガス検知装置において、
前記ガスセンサは、
貫通孔を有するＳｉ基板と、
前記貫通孔の開口部に張られるダイヤフラム様の熱絶縁支持層と、
前記熱絶縁支持層上に設けられる前記ヒータ層と、
前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
前記電気絶縁層上に設けられる一対の感知電極層と、
前記電気絶縁層および前記一対の感知電極層の上であって前記ヒータ層の近傍に設けられ、接触したガスによりそのセンサ抵抗値が変化する酸化物半導体からなる前記ガス感知層と、
を備えるセンサであることを特徴とするガス検知装置である。

また、請求項１０に記載した発明は、
請求項９に記載のガス検知装置において、
前記ガスセンサは、更に前記ガス感知層の表面を覆うように設けられ、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、または、ＰｄとＰｔとを含む合金を触媒として担持したＡｌ_２Ｏ_３焼結材によるガス選択燃焼層を備えることを特徴とするガス検知装置である。

本発明によれば、ガス種の判定ロジックを改良し、検知性能を維持しつつ低消費電力化を実現しようとするガス検知装置を提供することができる。

本発明の実施形態を示すガス検知装置のブロック構成図である。 ２５０℃に加熱したガスセンサの応答波形を示す特性図である。 ４５０℃に加熱したガスセンサの応答波形を示す特性図である。 ３００℃に加熱したガスセンサの応答波形を示す特性図である。 干渉ガス判定ロジックの説明図である。 干渉ガス判定ロジックの説明図である。 ガスセンサの断面図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。本形態のガス検知装置１０００は、図１で示すように、ガスセンサ１００、ヒータ層駆動部２００、警報表示回路３００、警報音出力回路４００、外部出力回路５００、記憶回路６００、信号処理・駆動部７００、電源回路８００を備えている。

ガスセンサ１００は、先に図７を用いて説明したセンサであり同じ符号を付すとともに重複する説明を省略する。また、ガスセンサ１００に代えて、ガスセンサ１００に周辺回路を加えたガス検知回路としても良い。このガスセンサ１００（またはガス検知回路）のヒータ層３にはヒータ層駆動部２００が電気的に通電できるように接続されており、ヒータ層駆動部２００がヒータ層３に通電して加熱するようになされている。また、ガスセンサ１００（またはガス検知回路）の一対の感知電極層５２には信号処理・駆動部７００が接続されており、ガス感知層５３のガス検知によるセンサ抵抗値の変化を検知する。この検知の詳細については後述する検知処理にて説明する。

ヒータ層駆動部２００は、電源回路８００から電源が供給されており、後述するように第１モード駆動や第２モード駆動でヒータ層３を通電により駆動するような回路部である。ヒータ層駆動部２００は、信号処理・駆動部７００に接続されて各種制御が行われる。これら駆動の詳細についても後述する検知処理にて説明する。

警報表示回路３００は、例えばＬＥＤ、ランプ、ＬＣＤディスプレイなどの表示部とそのドライバで構成されており、異常検知時等に警報表示としてこの表示部により表示することが可能である。警報表示回路３００は、信号処理・駆動部７００に接続されて各種制御が行われる。なお、図示しないが、警報表示回路３００は、電源回路８００から電源が供給されている。

警報音出力回路４００は、例えばスピーカとそのドライバで構成されており、異常検知時等に警報音としてスピーカにより出力することが可能である。警報音出力回路４００は、信号処理・駆動部７００に接続されて各種制御が行われる。なお、図示しないが、警報音出力回路４００は、電源回路８００から電源が供給されている。

外部出力回路５００は、例えば接点回路や通信回路などであり、ガス検知装置１０００による異常検知時等に、これらの検知内容を電圧等の出力信号として外部へ出力することが可能である。外部出力回路５００は、信号処理・駆動部７００に接続されて各種制御が行われる。なお、図示しないが、外部出力回路５００は、電源回路８００から電源が供給されている。

記憶回路６００は、信号処理・駆動部７００に接続されて各種データの読み出しや書き込みがなされる。記憶回路６００は、各種の警報を発生するための閾値等の設定値や後述する第１モード駆動および第２モード駆動の判定条件やガス検知装置が警報を発した時の状態データ等の履歴データを記憶している。なお、図示しないが、記憶回路６００は、電源回路８００から電源が供給されている。

信号処理・駆動部７００は、マイクロコンピュータ等のＣＰＵおよびその周辺回路によって構成されており、上記した各部の制御駆動を行う。ガスセンサ１００のガス感知層５３からのセンサ抵抗値による出力はアナログ信号であるため、信号処理・駆動部７００はこれらのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を備えている。このような信号処理・駆動部７００は、電源回路８００から電源が供給されている。

電源回路８００は、電源を供給する。この電源回路としては、内蔵される乾電池や充電池などの消耗電池を想定しているが、ＡＣ１００Ｖ等の商用電源と定電圧回路により構成しても良い。

続いて、信号処理・駆動部７００のプログラム処理により行われるガス検知について以下に説明する。
まず、信号処理・駆動部７００は、通常時にあってはガスセンサ１００のヒータ層３からの加熱によりガス感知層５３が干渉ガスまたは検知対象ガスの有無を検知する温度（２５０℃）となるようにヒータ層駆動部２００を制御する手段として機能する（第１モード駆動手段７０１）。詳しくは、２００ｍｓにわたりヒータ層３の温度が２５０℃となるようなパルスを通電する。

続いて、信号処理・駆動部７００は、ガス感知層５３の電気抵抗特性に基づいて干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれるか否かを判定する手段として機能する（第１モード判定手段７０２）。

このような第１モード駆動により、各雰囲気ガス中でガス感知層５３が２５０℃で２００ｍｓにわたり加熱されたときのセンサ抵抗値の変化は図２に示すようになる。図２からも明らかなように、通電時間とセンサ抵抗値との関係を表す電気抵抗特性は、時間が経過するに従い、全てのガス（エア、メタンガス、一酸化炭素、水素）についてセンサ抵抗値が減少する特性を示している。このような傾向はヒータ層３の加熱温度が２５０℃と低いときに発生する。特にメタンガス、一酸化炭素、水素についてのガス特性は傾向が似通っており、判別は不可能である。一方、エアの抵抗に対してメタンガス、一酸化炭素、水素についての抵抗は低いため充分な感度がある。つまり、干渉ガスまたは検知対象ガスの有無については検知が可能である。

そこでエアについての通電時間とセンサ抵抗値との関係を表す電気抵抗特性（または簡略化し、エアについての例えば１５０ｍｓという所定時間経過時のセンサ抵抗値など）を記憶回路６００に登録して比較することで判定される。例えば所定時間経過時のセンサ抵抗値を登録しているものとすると、この登録したエアの所定時間（例えば１５０ｍｓ）経過時のセンサ抵抗値と、通電から所定時間（例えば１５０ｍｓ）経過時に検知したセンサ抵抗値と、を比較し、登録したエアの所定時間（例えば１５０ｍｓ）経過時のセンサ抵抗値よりも充分低いセンサ抵抗値（例えばメタン１０００ｐｐｍレベルとなる抵抗値（Ａｉｒ中抵抗値の約８０％以下））を検知したときには、干渉ガスまたは検知対象ガスがあると判定できる。そして第２モード駆動へ変更することが可能になる。なお、登録したエアの所定時間（例えば１５０ｍｓ）経過時のセンサ抵抗値と、検知したセンサ抵抗値がほぼ同じであるとき（例えばＡｉｒ中抵抗値の約８０％より大きいとき）は干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれないエアであるとして検知を終了する。通常はこのような２５０℃という比較的低温の第１駆動モード・第１判定モードで終了することが多く、低消費電力化に寄与している。

続いて、信号処理・駆動部７００は、干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれる場合にガスセンサ１００のヒータ層３からの加熱により干渉ガスを燃焼させる温度であってガス感知層５３が検知対象ガスのみを検知する温度となるようにヒータ層駆動部２００を制御する手段として機能する（第２モード駆動手段７０３）。
詳しくは、第１モード駆動手段７０１よりも高い温度であり、２００ｍｓにわたりヒータ層３の温度が４５０℃となるようにパルスを通電する。
なお、第２モード駆動のパルスは、第１駆動モードのパルスに連続して通電しても、第１駆動モードのパルスに間隔をあけて通電してもよい。

続いて、信号処理・駆動部７００は、ガス感知層５３の抵抗特性に基づいて検知対象ガスの有無または濃度を判定する手段として機能する（第２モード判定手段７０４）。

このような第２モード駆動により、各雰囲気ガス中でのガス感知層５３が４５０℃となるときのガス感知層５３のセンサ抵抗値の変化は図３に示すようになる。図３からも明らかなように、通電時間とセンサ抵抗値との関係を表す電気抵抗特性は、通電時間が経過するに従い、検知対象ガス（メタンガス）について、ガス感知層５３のセンサ抵抗値が通電時間のが経過するにつれて減少の後に一定値に近づくが、他の干渉ガス（一酸化炭素、水素）について、通電時間が経過するにつれてセンサ抵抗値が増大する特性を示している。
また、検知対象ガスについて、ガス感知層５３のセンサ抵抗値は、図２の２５０℃の時のセンサ抵抗値と比較したときは濃度が高くなるにつれて一定値は低下していく傾向にある。

例えば、検知対象ガス（メタンガス）の場合の通電時間とセンサ抵抗値との関係は、時間が経過するに従い、センサ抵抗値が減少し、約１００ｍｓ以降で所定の値に安定する。エアのセンサ抵抗値に対してメタンガス（１０００ｐｐｍ）のセンサ抵抗値が低く、さらにメタンガス（１０００ｐｐｍ）のセンサ抵抗値に対してメタンガス（４０００ｐｐｍ）のセンサ抵抗値が低いため感度がある。したがって、検知対象ガス（メタンガス）の有無については検知が容易であり、また、メタンガスについてはセンサ抵抗値と濃度とがほぼ比例関係にあり、記憶回路６００にあるセンサ抵抗値における濃度を算出する算出式を登録しておけば、濃度の検知についても可能となっている。
一方、他の干渉ガス（一酸化炭素、水素）の場合の通電時間とセンサ抵抗値との関係は、時間が経過するに従いセンサ抵抗値が一旦低下し、その後、５０ｍｓ付近で増加に転じエアのセンサ抵抗値へと近づいていく。これは燃焼により干渉ガスがなくなっていくからである。したがってこの傾向を検知すれば干渉ガス（一酸化炭素、水素）の有無の検知は可能である。したがって干渉ガスについて判定結果を出力するようにしても良い。

したがって、第１モード判定手段，第２モード判定手段により、ガス種がエア、検知対象ガス（メタンガス）、干渉ガス（一酸化炭素、水素）であるかが判定される。検知対象ガス（メタンガス）については濃度も判定される。

続いて、信号処理・駆動部７００は、第１モード判定手段７０２または第２モード判定手段７０４による判定内容に基づいて、検知対象ガスに関係したガス情報（例えば検知対象ガスがあることを通知する情報）を出力する手段として機能する（出力制御手段７０５）。信号処理・駆動部７００は、検知対象ガスが検知された場合に警報表示回路３００に警報表示をさせたり、警報音出力回路４００に警報音出力をさせたり、外部出力回路５００に外部出力をさせるように機能する。なお、干渉ガス検出時にもこれらのような出力をしても良い。これらのような第１モード駆動手段７０１、第１モード判定手段７０２、第２モード駆動手段７０３、第２モード判定手段７０４、出力制御手段７０５からなる一連の駆動が所定の周期（３０ｓや１２０ｓなど）毎に繰り返し行われる。

このような本形態のガス検知装置１０００によれば、通常は温度を２５０℃程度に加熱する第１モード駆動として消費電力を少ないモードとし、検知対象ガスまたは干渉ガスを検知したときに初めて温度を４５０℃程度に加熱する第２モード駆動とすることで、通常運転時の消費電力を大幅に抑えることが可能となる。通常は消費電力が少ない第１モードのみの検知が続くというものであり、長期的に視ると消費電力の低減に寄与する。

続いて他の形態について説明する。本形態では先に図１を用いて説明した構成はそのままに、信号処理・駆動部７００によるガス検知の判定ロジックを改良した形態である。この形態では特に第１モード駆動にてエアおよび干渉ガスを検知できるようにして第２モード駆動の駆動をさらに抑止することでより効果的な低消費電力化を実現する。

続いて、信号処理・駆動部７００のプログラム処理により行われるガス検知について以下に説明する。
まず、信号処理・駆動部７００は、通常時にあってはガスセンサ１００のヒータ層３からの加熱によりガス感知層５３が検知対象ガスの電気抵抗特性と干渉ガスの電気抵抗特性とを異ならせる温度（３００℃）となるようにヒータ層駆動部２００を制御する手段として機能する（第１モード駆動手段７０１）。詳しくは、２００ｍｓにわたりヒータ層３の温度が３００℃となるように通電する。

続いて、信号処理・駆動部７００は、ガス感知層５３の電気抵抗特性に基づいて検知対象ガスが含まれるか否かを判定する手段として機能する（第１モード判定手段７０２）。

このような第１モード駆動により、各雰囲気ガス中でのガス感知層５３が３００℃となるときのセンサ抵抗値の変化は図４に示すようになる。図４からも明らかなように、通電時間とセンサ抵抗値との関係を表す電気抵抗特性は、時間が経過するに従い、エアや検知対象ガス（メタンガス）についてはセンサ抵抗値は通電時間経過につれて一旦減少した後で所定の値に安定する軌跡を描くものであるが、他の干渉ガス（一酸化炭素、水素）について通電時間経過につれてセンサ抵抗値が一旦低下し、所定の極小値を経て増加に転じる軌跡を描くものである。また、エア中のセンサ抵抗値に対してメタンガス、一酸化炭素、水素についてのセンサ抵抗値は低いため感度がある。したがって、通電時間とセンサ抵抗値との軌跡がどのような軌跡を描くかを調べることにより、正確かつ簡便にガス種の判定をすることができる。

つまり、エア、干渉ガス、検知対象ガスの何れかであるかが判定可能である。そこでエアについての通電時間とセンサ抵抗値との関係を表す電気抵抗特性（または簡略化し、エアについての例えば１５０ｍｓという所定時間経過時のセンサ抵抗値など）を記憶回路６００に登録して比較することで判定される。例えばエアについての所定時間経過時のセンサ抵抗値を登録しているものとすると、この登録したエアの所定時間（例えば１５０ｍｓ）経過時のセンサ抵抗値と、通電から所定時間（例えば１５０ｍｓ）経過時に検知したセンサ抵抗値と、を比較し、登録したエアの所定時間（例えば１５０ｍｓ）経過時のセンサ抵抗値よりも充分低い抵抗値（例えばメタン１０００ｐｐｍレベルとなる抵抗値（Ａｉｒ中抵抗値の約８０％以下））を検知したときには、干渉ガスまたは検知対象ガスがあると判定され、さらに所定の干渉ガスか検知対象ガスであるかが以下の判定方法に基づいて判定されて検知対象ガスであるときに第２モード駆動へ変更することが可能である。なお、登録したエアの所定時間（例えば１５０ｍｓ）経過時のセンサ抵抗値と、検知したセンサ抵抗値がほぼ同じであるとき（例えばＡｉｒ中抵抗値の約８０％より大きいとき）は干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれないエアであるとして検知を終了する。そして、後述するが干渉ガスであるときにも検知を終了する。先の形態では干渉ガスでも第２モード駆動に移行していたが、本形態ではエアや干渉ガスでも終了するためさらに低消費電力化に寄与している。

なお、第１モード判定手段７０２では、第１モード駆動手段７０１によりヒータ層３が駆動されてから複数時点におけるガス感知層５３のセンサ抵抗値を用いて複数の差分値を取得し、これら差分値が０に近い所定の値以下（例えば短い時刻の抵抗値の１０％以下、より好ましくは５％以下）のときは検知対象ガスが含まれると判定し、所定の値（例えば短い時刻の抵抗値の１０％、より好ましくは５％以下）より大きいときは干渉ガスが含まれると判定する。

具体的には、図４において、干渉ガス（ＣＯ、Ｈ_２）である場合は、通電時間経過につれて４０ｍｓ程度までセンサ抵抗値が低下し、その後、増加に転じ２００ｍｓまで増加していることから、例えば、図５（ａ）で示すように、この４０ｍｓ〜２００ｍｓ間の任意の２点のセンサ抵抗値を比較し、通電時間の長い時刻のセンサ抵抗値（例えば１５０ｍｓの黒丸のＢ点）から短い時刻のセンサ抵抗値（例えば１００ｍｓの黒丸のＡ点）を引いた差分値が０に近い所定の値（例えば短い時刻の抵抗値の１０％、より好ましくは５％以下）より大きいときは干渉ガスが存在すると判定することができる。なお、検知対象ガスであるならばセンサ抵抗値は低下後に安定しており、通電時間の長い時刻のセンサ抵抗値（例えば１５０ｍｓの白丸のＢ点）から短い時刻のセンサ抵抗値（例えば１００ｍｓの白丸のＡ点）を引いた差分値はほぼ０に近い値となり、上記差分が０に近い所定値以下（例えば短い時刻の抵抗値の１０％以下、より好ましくは５％以下）である場合には、検知対象ガス（メタンガス）が存在すると判定することができる。したがって干渉ガスと検知対象ガスとの判別は容易である。

なお、上記では、２点のセンサ抵抗値を用いているが、図５（ｂ）のように３点でＣ点−Ｂ点間の差分とＢ点−Ａ点間の差分とをとってもよい。この場合、干渉ガスではＣ点−Ｂ点間（黒丸）の差分値とＢ点−Ａ点間（黒丸）の差分値との両者とも極性は正となり上昇傾向が確実に捉えられ、干渉ガスであると判別できる。また、検知対象ガスではＢ点−Ａ点間（白丸）の差分値は負であるがＣ点−Ｂ点間（白丸）の差分値は０に近い値であって傾斜がない傾向が捉えられ、検知対象ガスであると判別できる。

また、図５（ｃ）のように４点でＤ点−Ｃ点間の差分とＣ点−Ｂ点間の差分とＢ点−Ａ点間の差分とをそれぞれとってもよい。この場合、干渉ガスではＢ点−Ａ点間（黒丸）の差分値は負となるが、Ｄ点−Ｃ点間（黒丸）の差分値とＣ点−Ｂ点間（黒丸）の差分値との両者とも極性は正となり上昇傾向が確実に捉えられ、干渉ガスであると判別できる。また、検知対象ガスではＢ点−Ａ点間（白丸）の差分値は負となるが、Ｄ点−Ｃ点間（白丸）の差分値とＣ点−Ｂ点間（白丸）の差分値との両者とも０に近い値となり傾斜がない傾向が確実に捉えられ、検知対象ガスであると判別できる。

また、第１モード判定手段７０２では、詳しくは、第１モード駆動手段７０１によりヒータ層３が駆動されてから複数時点におけるガス感知層５３のセンサ抵抗値を用いて複数の微分値を取得し、これら微分値差分値が０に近い所定の値より大きいときは干渉ガスが含まれると判定し、微分値が０に近い所定値以下であるときは検知対象ガスが含まれると判定する。

具体的には、図４において、干渉ガス（ＣＯ、Ｈ_２）である場合は、４０ｍｓ程度までセンサ抵抗値が低下し、その後、増加に転じ２００ｍｓまで増加していることから、例えば、図５（ａ）で示すように、この４０ｍｓ〜２００ｍｓ間の任意の２点のセンサ抵抗値を比較し、通電時間の長い時刻のセンサ抵抗値（例えば１５０ｍｓの黒丸のＢ点）から短い時刻のセンサ抵抗値（例えば１００ｍｓの黒丸のＡ点）を引いた差分値を時間（ｔ２−ｔ１＝５０ｍｓ）で除して微分値を取得し、微分値差分値が０に近い所定の値より大きいときは干渉ガスが存在すると判定することができる。なお検知対象ガスであるならばセンサ抵抗値は低下後に安定しており、通電時間の長い時刻のセンサ抵抗値（例えば１５０ｍｓの白丸のＢ点）から短い時刻のセンサ抵抗値（例えば１００ｍｓの白丸のＡ点）を引いた差分値を時間（ｔ２−ｔ１＝５０ｍｓ）で除して得た微分値もほぼ０となり、上記微分値が０に近い所定値以下である場合には、検知対象ガス（メタンガス）が存在すると判定することができる。したがって干渉ガスと検知対象ガスとの判別は容易である。
なお、この所定の値は、実験等により適宜決定され、例えば１０ｋΩのセンサ抵抗値が１００ｍｓ〜１５０ｍｓ間に１０％以内と規定した場合、所定の値は２０Ω／ｍｓとなる。

なお、上記では、２点のセンサ抵抗値を用いているが、図５（ｂ）のように３点でＣ点−Ｂ点間の微分とＢ点−Ａ点間の微分とをとってもよい。この場合、干渉ガスではＣ点−Ｂ点間（黒丸）の微分値とＢ点−Ａ点間（黒丸）の微分値との両者とも極性は正となり上昇傾向が確実に捉えられ、干渉ガスであると判別できる。また、検知対象ガスではＢ点−Ａ点間（白丸）の微分値は負であるがＣ点−Ｂ点間（白丸）の微分値は０に近い値であって傾斜がない傾向が捉えられ、検知対象ガスであると判別できる。

また、図５（ｃ）のように４点でＤ点−Ｃ点間の微分とＣ点−Ｂ点間の微分とＢ点−Ａ点間の微分とをそれぞれとってもよい。この場合、干渉ガスではＢ点−Ａ点間（黒丸）の微分値は負となるが、Ｄ点−Ｃ点間（黒丸）の微分値とＣ点−Ｂ点間（黒丸）の微分値との両者とも極性は正となり上昇傾向が確実に捉えられ、干渉ガスであると判別できる。また、検知対象ガスではＢ点−Ａ点間（白丸）の微分値は負となるが、Ｄ点−Ｃ点間（白丸）の微分値とＣ点−Ｂ点間（白丸）の微分値との両者とも０に近い値となり傾斜がない傾向が確実に捉えられ、検知対象ガスであると判別できる。なお、微分値を計算する点は、測定時のノイズに影響されないよう十分な間隔を持って、設定することはいうまでもない。また、処理時にデータを移動平均して瞬時的な変化を除いたデータを用いるなどしてノイズの影響を除去するようにしても良い。

また、第１モード判定手段７０２では、詳しくは、第１モード駆動手段７０１によりヒータ層３が駆動されてから複数時点におけるガス感知層５３のセンサ抵抗値による時間状態変化特性を取得し、この時間変化状態特性のうち極小値が出現したときは干渉ガスが含まれると判定し、時間変化状態特性のうち極小値が出現しないときは検知対象ガスが含まれると判定する。

具体的には、図６で示すように、通電開始から０ｍｓ〜２００ｍｓの間に極小値が出現する特性であることから、極小値が出現する特性である場合には干渉ガスが存在し、極小値が出現しない特性である場合には検知対象ガス（メタンガス）が存在すると判定することができる。このような検出手法でも干渉ガスの電気抵抗特性が確実に捉えられ、干渉ガスであると判別できる。第１モード判定はこのように行われる。
そして、第１モード判定ではエアと判定されたときに加え、検知対象ガスではなく干渉ガスであると判定されたときもそのまま終了する。

続いて、信号処理・駆動部７００は、検知対象ガスである場合にのみヒータ層３からの加熱によりガス感知層５３が検知対象ガスのみを検知する温度となるようにヒータ層駆動部を制御する手段として機能する（第２モード駆動手段７０３）。
詳しくは、第１モード駆動手段７０１よりも高い温度であり、２００ｍｓにわたりヒータ温度が４５０℃となるパルスを通電する。

続いて、信号処理・駆動部７００は、ガス感知層５３の抵抗特性に基づいて検知対象ガスの有無または濃度を判定する手段として機能する（第２モード判定手段７０４）。

このような第２モード駆動により、ガス感知層５３が４５０℃となるときの各雰囲気ガス中でのガス感知層５３のセンサ抵抗値の変化は図３に示すようになる。図３からも明らかなように、通電時間とセンサ抵抗値との関係を表す電気抵抗特性は、時間が経過するに従って、検知対象ガス（メタンガス）についてはセンサ抵抗値が減少する特性を示している。

例えば、検知対象ガス（メタンガス）の場合の通電時間とセンサ抵抗値との関係は、時間が経過するに従い、センサ抵抗値が減少し、約１００ｍｓ以降で所定の値に安定する。エアのセンサ抵抗値に対してメタンガス（１０００ｐｐｍ）のセンサ抵抗値が低く、さらにメタンガス（１０００ｐｐｍ）のセンサ抵抗値に対してメタンガス（４０００ｐｐｍ）のセンサ抵抗値が低いため感度がある。したがって、検知対象ガス（メタンガス）の有無については検知が容易であり、また、メタンガスについてはセンサ抵抗値と濃度とがほぼ比例関係にあり、記憶回路６００にあるセンサ抵抗値における濃度を算出する算出式を登録しておけば、濃度の検知についても可能となっている。

したがって、第１モード判定手段，第２モード判定手段により、ガス種がエア、検知対象ガス（メタンガス）、干渉ガス（一酸化炭素、水素）であるかが判定される。検知対象ガス（メタンガス）については濃度も判定される。

続いて、信号処理・駆動部７００は、第１モード判定手段７０２または第２モード判定手段７０４による判定内容に基づいて、検知対象ガスに関係したガス情報（例えば検知対象ガスがあることを通知する情報）を出力する手段として機能する（出力制御手段７０５）。信号処理・駆動部７００は、警報表示回路３００に警報表示をさせたり、警報音出力回路４００に警報音出力をさせたり、外部出力回路５００に外部出力をさせるように機能する。
これらのような第１モード駆動手段７０１、第１モード判定手段７０２、第２モード駆動手段７０３、第２モード判定手段７０４、出力制御手段７０５からなる一連の駆動が所定の周期（ここでは３０ｓまたは１２０ｓ）毎に繰り返し行われる。

このような本実施形態のガス検知装置１０００によれば、通常は温度を３００℃程度に加熱する第１モード駆動という消費電力を少ないモードとして検知対象ガスの有無の検知を行い、検知対象ガスを検知したときにのみ初めて温度を４５０℃程度に加熱する第２モード駆動とすることで、通常運転時の消費電力を大幅に抑えることが可能となる。特に干渉ガスのみのときは第２モード駆動とならないため、この点で低消費電力化に寄与する。
なお、本実施例で示したヒータ温度や周期は、使用したセンサの特性によるものであり、異なるヒータ温度や周期を使用しても本発明の内容を逸脱するものではない。また、上述した実施形態は、ガスセンサとして薄膜ガスセンサを用いた場合を説明したが、本発明は薄膜ガスセンサに限定されるものではない。

以上、本実施形態のガス検知装置について図を参照しつつ説明した。これら形態によれば、従来技術のように全て高温（４５０℃）で燃焼しないで、対象ガス又は干渉ガスが存在すると判断された場合にのみ燃焼するようにすれば低消費電力化に寄与する。

本発明のガス検知装置は、特にガス漏れ警報器等の用途に適用することができる。

１０００：ガス検知装置
１００：ガスセンサ
１：Ｓｉ基板
２：熱絶縁支持層
２１：熱酸化ＳｉＯ_２層
２２：ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層
２３：ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層
３：ヒータ層
４：電気絶縁層
５：ガス検出部
５１：接合層
５２：感知電極層
５３：ガス感知層
５４：選択燃焼層
２００：ヒータ層駆動部
３００：警報表示回路
４００：警報音出力回路
５００：外部出力回路
６００：記憶回路
７００：信号処理・駆動部
７０１：第１モード駆動手段
７０２：第１モード判定手段
７０３：第２モード駆動手段
７０４：第２モード判定手段
７０５：出力制御手段
８００：電源回路

Claims (10)

1. 検知対象ガスとの接触により電気抵抗特性が変化するガス感知層、および、前記ガス感知層を加熱するヒータ層を有するガスセンサと、
   前記ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
   前記ガス感知層および前記ヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
   を備え、前記信号処理・駆動部は、
   通常時にあっては前記ヒータ層からの加熱により前記ガス感知層が干渉ガスまたは検知対象ガスの有無を検知する温度となるように前記ヒータ層駆動部を制御する第１モード駆動手段と、
   前記ガス感知層の電気抵抗特性に基づいて干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれるか否かを判定する第１モード判定手段と、
   干渉ガスまたは検知対象ガスが含まれる場合に前記ヒータ層からの加熱により干渉ガスを燃焼させる温度であって前記ガス感知層が検知対象ガスのみを検知する温度となるように前記ヒータ層駆動部を制御する第２モード駆動手段と、
   前記ガス感知層の電気抵抗特性に基づいて検知対象ガスの有無または濃度を判定する第２モード判定手段と、
   として機能することを特徴とするガス検知装置。
2. 検知対象ガスとの接触により電気抵抗特性が変化するガス感知層、および、前記ガス感知層を加熱するヒータ層を有するガスセンサと、
   前記ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
   前記ガス感知層および前記ヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
   を備え、前記信号処理・駆動部は、
   通常時にあっては前記ヒータ層からの加熱により前記ガス感知層が検知対象ガスの電気抵抗特性と干渉ガスの電気抵抗特性とを異ならせる温度となるように前記ヒータ層駆動部を制御する第１モード駆動手段と、
   前記ガス感知層の電気抵抗特性に基づいて検知対象ガスが含まれるか否かを判定する第１モード判定手段と、
   検知対象ガスである場合にのみ前記ヒータ層からの加熱により前記ガス感知層が検知対象ガスのみを検知する温度となるように前記ヒータ層駆動部を制御する第２モード駆動手段と、
   前記ガス感知層の電気抵抗特性に基づいて検知対象ガスの有無または濃度を判定する第２モード判定手段と、
   として機能することを特徴とするガス検知装置。
3. 請求項２に記載のガス検知装置において、
   前記第１モード判定手段では、前記第１モード駆動手段により前記ヒータ層が駆動されてから複数時点における前記ガス感知層のセンサ抵抗値を用いて複数の差分値を取得し、これら差分値が０に近い所定の値以下のときは検知対象ガスが含まれると判定し、所定の値より大きいときは干渉ガスが含まれると判定することを特徴とするガス検知装置。
4. 請求項２に記載のガス検知装置において、
   前記第１モード判定手段では、前記第１モード駆動手段により前記ヒータ層が駆動されてから複数時点における前記ガス感知層のセンサ抵抗値を用いて複数の微分値を取得し、これら微分値が０に近い所定の値以下のときは検知対象ガスが含まれると判定し、所定の値より大きいときは干渉ガスが含まれると判定することを特徴とするガス検知装置。
5. 請求項２に記載のガス検知装置において、
   前記第１モード判定手段では、前記第１モード駆動手段により前記ヒータ層が駆動されてから複数時点における前記ガス感知層のセンサ抵抗値による時間状態変化特性を取得し、この時間変化状態特性のうち極小値が出現したときは干渉ガスが含まれると判定し、時間変化状態特性のうち極小値が出現しないときは検知対象ガスが含まれると判定することを特徴とするガス検知装置。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のガス検知装置において、
   前記第１モード判定手段または前記第２モード判定手段による判定内容に基づいて、検知対象ガスに関係したガス情報を出力する出力制御手段と、
   を備えたことを特徴とするガス検知装置。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のガス検知装置において、
   内蔵された電池による電源回路からの電力供給により駆動されることを特徴とするガス検知装置。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のガス検知装置において、
   前記信号処理・駆動部は所定の周期で前記ヒータ層を通電して駆動し、
   前記ガス感知層は所定の周期で加熱されることを特徴とするガス検知装置。
9. 請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のガス検知装置において、
   前記ガスセンサは、
   貫通孔を有するＳｉ基板と、
   前記貫通孔の開口部に張られるダイヤフラム様の熱絶縁支持層と、
   前記熱絶縁支持層上に設けられる前記ヒータ層と、
   前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
   前記電気絶縁層上に設けられる一対の感知電極層と、
   前記電気絶縁層および前記一対の感知電極層の上であって前記ヒータ層の近傍に設けられ、接触したガスによりそのセンサ抵抗値が変化する酸化物半導体からなる前記ガス感知層と、
   を備えるセンサであることを特徴とするガス検知装置。
10. 請求項９に記載のガス検知装置において、
    前記ガスセンサは、更に前記ガス感知層の表面を覆うように設けられ、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、または、ＰｄとＰｔとを含む合金を触媒として担持したＡｌ_２Ｏ_３焼結材によるガス選択燃焼層を備えることを特徴とするガス検知装置。

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