JP2014102161A - ガス識別装置、及びガス識別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの種類を精度よく識別することのできる、安価で簡便な構成のガス識別装置を提供すること。
【解決手段】ガスを感知する感ガス部４、及び感ガス部４を加熱するヒーター５を備えたガスセンサ１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）と、ヒーター５に対して所定周期の方形波の電圧を印加する電圧印加手段と、方形波の電圧の印加により得られる、感ガス部４からの過渡応答を検出し、方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類を識別判定するガス識別判定手段（マイコン１３）とを装備する。
【選択図】 図２

Description

本発明はガス識別装置、及びガス識別方法に関し、より詳細には、ガスの種類を識別することのできるガス識別装置、及びガス識別方法に関する。

可燃性ガスや有毒ガスなどの漏れ検出などのために、ガスや臭いを検出することのできるガスセンサが開発されている。例えば、半導体、特に金属酸化物半導体が、Ｏ₂、Ｎ₂Ｏ、ＣＯなどのガスと接触すると、導電率が変化することを利用したガスセンサが実用化されている。

このようなガスセンサの感ガス部は、例えば、ＳｎＯ₂（酸化第二錫）や、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｆｅ₂Ｏ₃（三酸化二鉄）などのｎ型の半導体を主成分として構成されている。可燃性ガスのない大気中では、前記感ガス部の表面に大気中の（電子吸引性を有した）酸素が吸着され、前記感ガス部の電気抵抗は極めて高くなっている。

前記ガスセンサが可燃性ガス雰囲気中に置かれ、可燃性ガスが前記感ガス部に接触すると、可燃性ガスが前記感ガス部の表面に吸着されていた酸素と反応し、その結果、吸着酸素が減少することになる。前記感ガス部の表面から電子吸引性を有した酸素が減少すると、前記吸着酸素に捕獲されていた伝導電子が解放されるため、前記感ガス部の電気抵抗が減少することになる。換言すれば、前記吸着酸素に捕獲されていた伝導電子が自由になって導電率が上昇することになる。すなわち、前記ガスセンサは、この電気抵抗や導電率の変化を利用したものである。また、前記ガスセンサには、上記の化学反応を促進させるため、前記感ガス部を加熱するヒーターが設けられ、前記感ガス部の表面の活性化が図られている。

上記したガスセンサは、構造が比較的単純で、感度も高く、堅牢に製造でき、信頼性も高いため、使い易いガスセンサとして広く用いられており、例えば、一般家庭用のガス漏れ警報機にも採用されている。ところが、上記の動作原理から明らかなように、前記ガスセンサは、その種類を問わずほとんどの可燃性ガスに対して反応してしまうため、ガスの選択性が低いという欠点を有していた。そのため、例えば、ヘアースプレーや殺虫剤を使用した時など、ガス漏れ以外でも反応してしまい、ガス漏れ警報機の誤動作を引き起こす原因となっていた。

ガスの種類を識別する場合には、特定のガスに高感度を示す多数のガスセンサを用いる必要があった。或は、ガスクロマトグラフィーを使用すれば、ガスの種類を識別することが可能である。しかし、多数のガスセンサやガスクロマトグラフィーを用いると、装置が複雑な構成となり、また高価となる。そのためガス漏れ警報機のような低価格で簡便さが求められる用途に、多数のガスセンサやガスクロマトグラフィーを使用することは現実的ではない。

本発明者らは、複雑な構成としなくても、ガスの種類を識別することのできる技術について、これまでに、前記ガスセンサの感ガス部を加熱するヒーターの変調等によるガスの種類の識別の可能性を探ってきた。そして、前記ヒーターに対して、立ち上がり速度の異なる複数の波形電圧を印加することによって得られる、前記感ガス部からの複数の応答結果に基づいて、前記感ガス部の応答値がピーク関連値に達する遅れ時間の差からガスの種類を識別できる方法を先に発明した（下記の特許文献１参照）。

しかしながら、前記ガスセンサの前記感ガス部の応答特性については、未だ十分解明されておらず、前記ガスセンサを用いて、ガスの種類を精度よく識別判定する技術については、依然として改良する余地があった。

特許第４０１６０７６号公報

課題を解決するための手段及びその効果

本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、ガスの種類を精度よく識別することのできる、安価で簡便な構成からなるガス識別装置、及びガス識別方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、これまでにガスセンサを用いたガスの種類の識別の可能性を、ガスを感知する感ガス部の表面の分子軌道計算や、前記感ガス部を加熱するヒーターの変調等によって探ってきた。そして、前記ガスセンサのヒーターに方形波の電圧を印加したときに得られる前記感ガス部からの過渡応答が、ガスの種類により異なることを見出し、その点に着目し、この過渡応答の違いに基づいて、ガスの種類を識別することを考え、本発明を完成するに至った。

後で説明する図４、図５は、前記ガスセンサのヒーターへ所定周期（８０秒、４０秒、２０秒、１０秒周期）の方形波の電圧を印加したときに得られる前記感ガス部からの過渡応答を示したグラフである。なお、図４は、濃度５０ｐｐｍ、図５は、濃度１００ｐｐｍのアルコールガス（メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール）雰囲気にしたデシケーター内にガスセンサ（半導体ガスセンサ）を配置し、前記ヒーターへ方形波の電圧を印加して、前記感ガス部からの過渡応答を調べた結果である。

図４、図５から明らかなように、方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って、前記感ガス部からの応答（出力電圧）が過渡的に変化し、特に方形波の立ち上がりや立ち下がりの直後は、その応答がガスの種類によって異なっていることが分かる。

すなわち、本発明に係るガス識別装置（１）は、ガスを感知する感ガス部、及び該感ガス部を加熱する加熱部を備えたガス検出手段と、前記加熱部に対して所定周期の方形波の電圧を印加する電圧印加手段と、前記方形波の電圧の印加により得られる、前記感ガス部からの過渡応答を検出し、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する前記過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類を識別判定するガス識別判定手段とを備えていることを特徴としている。

上記ガス識別装置（１）によれば、前記方形波の電圧の印加により得られる、前記感ガス部からの過渡応答を検出し、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する前記過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類が識別判定される。上記したように、前記加熱部に前記方形波の電圧を印加したときに、すなわち、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って、前記感ガス部からの応答（出力電圧）が過渡的に変化する。特に前記方形波の立ち上がりや立ち下がりの直後は、前記感ガス部からの過渡応答がガスの種類によって明らかに異なっているため、この過渡応答の特徴が異なることを利用することで、単一の前記ガス検出手段を用いて、精度よく、ガスの種類を識別判定可能な装置を実現することができ、複数のガスセンサやガスクロマトグラフィーを用いることなく、安価で簡便な構成のガス識別装置を提供することができる。

また、上記ガス識別装置（１）をガス漏れ警報機に適用することにより、ヘアースプレーや殺虫剤などのガスに反応するといった誤動作を防止可能なガス漏れ警報機を実現することができる。また、ガスの種類を識別判定できるので、食品製造プロセスの監視や制御といった用途にも低コストで応用することが可能となる。

また、本発明に係るガス識別装置（２）は、上記ガス識別装置（１）において、前記ガスの種類により相違する特徴には、前記方形波の立ち上がりに伴う、前記過渡応答の立ち上がりの傾き、前記過渡応答のピーク値、前記過渡応答が定常状態になるまでの時間、及び該定常状態の値のうちの少なくともいずれかの要素が含まれていることを特徴としている。

上記ガス識別装置（２）によれば、前記方形波の立ち上がりに伴い変化する前記要素のいずれか、またはこれら要素を組み合わせて判定することで、ガスの種類を識別判定する精度を高めることができる。

また、本発明に係るガス識別装置（３）は、上記ガス識別装置（１）において、前記ガスの種類により相違する特徴には、前記方形波の立ち下がり時に、前記過渡応答が一旦低下した後、上昇して低下する挙動、又は前記過渡応答が一旦低下した後、傾きが緩やかになって低下する挙動に関する要素が含まれていることを特徴としている。

図４、図５から明らかなように、前記方形波の立ち下がり直後では、応答値が一旦低下した後、上昇して再度低下する挙動を示すガスや、応答値が一旦大きく低下した後、傾きが緩やかになって低下する挙動を示すガスが確認され、前記方形波の立ち上がり時よりも、前記方形波の立ち下がり時の過渡応答の変化の特徴が、ガスの種類によって大きく異なっていることが分かる。

上記ガス識別装置（３）によれば、ガスの種類によって特徴的に変化する、前記方形波の立ち下がり時における前記要素のいずれか、またはこれら要素を組み合わせて判定することで、ガスの種類を識別判定する精度を高めることができる。

また、本発明に係るガス識別装置（４）は、上記ガス識別装置（１）において、前記ガスの種類により相違する特徴には、前記方形波の１周期における前記過渡応答の波形面積が含まれていることを特徴としている。

図４、図５から明らかなように、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに応じて前記感ガス部からの応答（出力電圧）が過渡的に変化し、その応答波形がガスの種類によって明らかに異なっていることが分かる。

上記ガス識別装置（４）によれば、前記方形波の１周期における前記過渡応答の波形面積のガスの種類による相違に基づいて、ガスの種類が識別判定される。前記過渡応答の波形面積は、比較的容易に求めることができるため、識別処理の負荷を軽減することができる。従って、処理を複雑にしなくても、簡便にガスの種類を識別することができる。

また、本発明に係るガス識別装置（５）は、上記ガス識別装置（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記電圧印加手段が、前記加熱部に対して、周期が異なる複数の方形波の電圧を印加するものであり、前記ガス識別判定手段が、前記周期が異なる複数の方形波の電圧の印加により得られる、前記感ガス部からの過渡応答を検出し、これら各方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する前記過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類を識別判定するものであることを特徴としている。

上記ガス識別装置（５）によれば、前記加熱部に対して、周期が異なる複数の方形波の電圧を印加、例えば、周期が１０秒、２０秒、４０秒、８０秒の方形波の電圧を順に印加して、前記周期が異なる複数の方形波の電圧の印加により得られる、前記感ガス部からの過渡応答を検出して、これら各方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する前記過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類を識別判定するので、ガスの種類の識別精度を向上させることができる。

また、本発明に係るガス識別方法（１）は、マイクロコンピュータが、ガスを感知する感ガス部を加熱する加熱部に対して、所定周期の方形波の電圧を印加する処理を行うステップと、前記方形波の電圧の印加により得られる、前記感ガス部からの過渡応答を検出するステップと、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する前記過渡応答のガスの種類により相違する特性に基づいて、ガスの種類を識別判定するステップとを有していることを特徴としている。

上記ガス識別方法（１）によれば、前記方形波の電圧の印加により得られる、前記感ガス部からの過渡応答を検出し、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する過渡応答のガスの種類により相違する特性に基づいて、ガスの種類が識別判定される。上記したように、前記加熱部に前記方形波の電圧を印加したときに得られる、前記感ガス部からの過渡応答が、ガスの種類により異なることを利用することで、簡単かつ精度良くガスの種類を識別判定することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るガス識別装置を構成するガスセンサの要部を概略的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。 実施の形態に係るガス識別装置の要部を概略的に示した回路図である。 ガスセンサの感ガス部の出力特性を検証するための装置の要部を概略的に示した回路図である。 （ａ）〜（ｄ）は、濃度５０ｐｐｍのアルコールガス雰囲気で、ガスセンサのヒーターへ所定周期（８０、４０、２０、１０秒周期）の方形波の電圧を印加したときに得られる感ガス部からの過渡応答（出力電圧）を示したグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、濃度１００ｐｐｍのアルコールガス雰囲気で、ガスセンサのヒーターへ所定周期（８０、４０、２０、１０秒周期）の方形波の電圧を印加したときに得られる感ガス部からの過渡応答（出力電圧）を示したグラフである。 ２０秒周期の方形波の電圧を印加した際の各アルコール濃度での、各ガスの応答値の立ち上がりの傾きをまとめたグラフである。 実施の形態に係るガス識別装置のマイコンが行うガス識別判定処理を説明するための全体フローチャートである。 実施の形態に係るガス識別装置のマイコンが行うガス識別判定の割り込み処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態に係るガス識別装置のマイコンが行う割り込み処理での波形解析処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明に係るガス識別装置、及びガス識別方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態に係るガス識別装置を構成するガスセンサの要部を概略的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図を示している。

図中１はガスセンサを示しており、ガスセンサ１はアルミナ等からなる基板２と、基板２の表側に形成された一対のセンサ電極３Ａと、これら一対のセンサ電極３Ａを覆うように形成されたガスを感知する感ガス部４とを備えている。また、基板２の裏側には、感ガス部４を加熱するためのヒーター５が形成され、ヒーター５にはヒーター電極６が接続され、このヒーター電極６にはリード線７が接続されている。また、基板２の裏側には、センサ電極３Ａと接続されたセンサ電極３Ｂが形成され、センサ電極３Ｂにはリード線８が接続されている。感ガス部４はＳｎＯ₂を主成分として構成されている。ガスセンサ１は、図示しない筐体内に取り付けられ、ガスセンサ１のリード線７、８が、前記筐体に設けられた外部電極（図示せず）に溶接されている。

図２は、ガスセンサ１を含んで構成されるガス識別装置１０の要部を概略的に示した回路図である。ガスセンサ１を構成する感ガス部４には、感ガス部４の抵抗値を測定するための電源１１（ここでは、５Ｖ）と、負荷抵抗１２（ここでは、１０ｋΩ）とが接続されており、負荷抵抗１２の両端の電圧Ｖ_outが、マイコン１３に入力されるようになっている。また、ガスセンサ１を構成するヒーター５には、増幅器１４とマイコン１３とが接続されており、マイコン１３からヒーター５に対する所定周期の方形波が出力されるようになっている。

マイコン１３は、方形波の電圧の印加により得られる、感ガス部４からの過渡応答（電圧Ｖ_outの時間的変化）を検出し、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類を識別判定する機能（ガス識別判定手段）を備えている。

また、マイコン１３のメモリ（図示せず）には、ガスの種類を識別判定するためのプログラムや過渡応答のガスの種類により相違する特徴に関するデータ（数値化された特徴量など）が記憶されている。上記過渡応答のガスの種類により相違する特徴に関するデータは、実験により得られた過渡応答の波形データを解析して（例えば、波形の特徴部分の違い等を数値化して）求められたものである。

マイコン１３には、ガスセンサ１の感ガス部４からの出力の他、ガスセンサ１と同様の構成のガスセンサ１Ａ、１Ｂ、１Ｃが接続され、これらガスセンサ１Ａ、１Ｂ、１Ｃの感ガス部４からの出力が、マイコン１３に入力されるようになっている。なお、本発明に係るガス識別装置は、１つのガスセンサを用いることで実現可能であるが、ガスセンサを複数個利用することで、識別判定処理時間の短縮、識別判定精度を高めることが可能となる。

本実施の形態では、ガスセンサ１のヒーター５には、一定の電圧が印加されて、このガスセンサの本来の使用方法であるガスの有無の検出が行えるように構成され、他のガスセンサ１Ａ、１Ｂ、１Ｃのヒーター５には、異なる周波数の方形波電圧を印加して、これらガスセンサ１Ａ、１Ｂ、１Ｃの感ガス部４からの出力を利用して、ガスの種類を識別判定するように構成されている。

まず、ガス識別装置１０が行うガス識別判定処理について説明する前に、当該ガス識別判定処理時に利用される、ガスの種類により相違する特徴に関するデータについて説明する。

図３は、ガスセンサの感ガス部からの出力特性を検証するための実験装置の要部を概略的に示した回路図である。
ガスセンサ１を構成する感ガス部４には、感ガス部４の抵抗値を測定するための電源１１（ここでは、５Ｖ）と、負荷抵抗１２（ここでは、１０ｋΩ）とが接続されており、負荷抵抗１２の両端の電圧Ｖ_outが、データロガー１５に記録されるようになっている。また、ガスセンサ１を構成するヒーター５には、所定周期の方形波を発生する発振器１６と増幅器１４とが接続されている。

上記したガスセンサ１と、これと同様の構成のガスセンサ１Ａ、１Ｂ、１Ｃをデシケーター（図示せず）内に取り付け、これらガスセンサ１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃに、上記した電源１１、増幅器１４、発振器１６、データロガー１５などを接続する。その後、前記デシケーター内に設置した攪拌用のファンを回転させて、前記デシケーター上部に設けられたガス注入孔から所定のアルコールを注入し、前記デシケーター内部のアルコール濃度を均一に保つ。

その後、発振器１６で発生させた方形波電圧を各ガスセンサ１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃのヒーター５に印加し、そのときに得られる感ガス部４からの過渡応答（出力電圧）をデータロガー１５で記録した。なお、この実験では、４つのガスセンサガスセンサ１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃを使用し、データは、これらガスセンサからの出力の平均値を示している。

図４は、濃度５０ppm、図５は、濃度１００ppmのアルコール雰囲気にしたデシケーター（図示しない）内に、上記したガスセンサ１を配置し、（ａ）８０秒周期、（ｂ）４０秒周期、（ｃ）２０秒周期、（ｄ）１０秒周期の方形波電圧をヒーター５に印加して得られた、感ガス部４からの過渡応答を示したグラフである。

横軸は、ヒーター５に対して電力が供給され始めてからの時間（sec）を示し、縦軸は、電圧Ｖ_out（Ｖ）を示している。図中の応答結果Ｒ１〜Ｒ４それぞれは、メタノール（CH₃OH）、エタノール（CH₃CH₂OH）、プロパノール（CH₃(CH₂)₂OH）、ブタノール（CH₃(CH₂)₃OH）雰囲気での応答結果を示している。Ｒ０は、Ａｉｒ雰囲気での応答結果を示している。また、inputは、ヒーター５に印加された方形波を示している。

なお、図示していないが、濃度１０ppm、濃度２００ppmのアルコール雰囲気にしたデシケーター内に、上記したガスセンサ１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃを配置し、上記と同様に、８０秒周期、４０秒周期、２０秒周期、１０秒周期の方形波電圧をヒーター５に印加して得られた、感ガス部４からの出力電圧（応答値）も取得した。

また、図６は、２０秒周期の方形波電圧を印加した際の各ガスの応答値の立ち上がりの傾きをまとめた結果を示している。なお、１０ppmの結果が、他の濃度の結果と大きく異なるのは、使用したガスセンサ１等が１０ppmの濃度に対応していなかったためと考えられる。

図６を見れば、少しバラツキがあるものの、アルコールの分子量が小さい方が、傾きの値（V/s）が大きくなる傾向が分かる。また、アルコール濃度が高くなるについて、傾きの値が小さくなる傾向が分かる。これら過渡応答の立ち上がりの傾きの違いを数値化し、ガス識別判定の識別要素の一つとして利用することで、ガスの濃度を判定することが可能となる。

また、図４、図５から明らかなように、ヒーター５に印加される方形波電圧の立ち下がり、及び立ち下がりに伴って、感ガス部４からの応答値（出力電圧）が変化し、しかもガスの種類によって、方形波の立ち上がり、及び立ち下がり時の応答波形の挙動が異なっていることが分かる。

例えば、応答波形の立ち上がり方、立ち下がり方の違いとして、ガスの分子量が大きい方が、ピーク値が高くなる傾向が見られ、また、メタノールとエタノールは、プロパノールとブタノールに比べて出力の減少が早く、定常状態でも少し低い値を示している。

すなわち、方形波の立ち上がりに伴う、過渡応答の立ち上がりの傾き、過渡応答のピーク値、過渡応答が定常状態になるまでの時間、及び該定常状態の値などの特徴的な要素がガスの種類によって異なっている。

これらのガスの種類によって異なる、方形波の立ち上がりに伴う応答波形の特徴を数値化し、ガスの種類毎にデータベース化し、これらをガス識別判定の識別要素として利用することで、ガスの種類を識別判定することが可能となる。

また、方形波の立ち下がり時には、過渡応答が一旦低下した後、上昇して再度緩やかに低下する挙動、及び過渡応答が一旦低下した後、傾きが緩やかになって低下する挙動などが、ガスの種類によって異なっていることが分かる。特にこれらの挙動は、方形波の周期が長い場合に顕著に確認された。

なお、上記方形波の立ち下がり時における過渡応答の挙動から数値化可能な要素には、過渡応答が一旦低下した後、上昇して再度低下する挙動における、最初の低下の大きさ（初期低下率）、その後の上昇度合い（上昇率）、その上昇時の傾き、また、その後、低下してゆく時の傾きなどが含まれる。

これらのガスの種類によって異なる、方形波の立ち下がり時の応答波形の特徴を数値化し、ガスの種類や濃度毎にデータベース化し、これらをガス識別判定の識別要素として利用することで、ガスの種類を識別判定することが可能となる。

また、さらに方形波の１周期における過渡応答の波形面積が、ガスの種類により異なっていることが分かる。これらのガスの種類によって異なる、方形波の１周期における各ガスの応答波形の面積を数値化し、ガスの種類や濃度毎にデータベース化し、これらをガス識別判定の識別要素として利用することで、ガスの種類を識別判定することが可能となる。

次に、実施の形態に係るガス識別装置１０のマイコン１３が行うガス識別判定処理動作を、図７に示したフローチャートに基づいて説明する。
まず、初期化を行い（ステップＳ１）、全てのガスセンサ１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃのヒーター５に５Ｖ電圧を印加し（ステップＳ２）、感ガス部４からの出力を安定させるために所定時間（例えば、５秒間）待機する（ステップＳ３）。所定時間の経過後、全てのガスセンサ１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃの感ガス部４からの出力が２．５Ｖ未満であるか否かを判断し（ステップＳ４）、２．５Ｖ以上である場合は、誤作動を回避するため、全ての出力が２．５Ｖ未満になるまで待機する一方、全ての出力が２．５Ｖ未満である場合、待機状態に移行する（ステップＳ５）。

待機状態において、ガスセンサ１の感ガス部４から２．５Ｖ以上の出力が１秒以上継続したか否かを判断し（ステップＳ６）、前記出力が１秒以上継続したと判断すれば、ガスセンサ１Ａ，１Ｂ、１Ｃのヒーター５への出力を１０秒間オフする処理を行う（ステップＳ７）。
その後、ガスセンサ１Ａのヒーター５に８０秒周期、ガスセンサ１Ｂのヒーター５に４０秒周期、ガスセンサ１Ｃのヒーター５に２０秒周期の方形波電圧を印加する処理を行う（ステップＳ８）。
その後、ガスセンサ１の感ガス部４から２．５Ｖ未満の出力が１秒以上継続したか否かを判断し（ステップＳ９）、感ガス部４から２．５Ｖ未満の出力が１秒以上継続した（すなわち、ガス濃度が所定濃度以下になった）と判断すれば、すべての係数等をリセットしてステップＳ５の待機状態に戻り、処理を繰り返す。

次に、実施の形態に係るガス識別装置１０のマイコン１３が行うガス識別判定処理の割り込み処理動作を、図８に示したフローチャートに基づいて説明する。なお、本処理動作は、上記した図７のステップＳ８において、所定周期の方形波が出力されているときに、２５ｍｓ毎に実行される。

まず、ガスセンサ１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃの感ガス部４からの出力電圧を入力し、該入力をＡ／Ｄ変換し（ステップＳ１１）、ガスセンサ１の感ガス部４から２．５Ｖ以上の出力が１秒以上継続しているか否かを判断し（ステップＳ１２）、当該出力が１秒以上継続していないと判断すれば、処理を終える。一方、当該出力が１秒以上継続している（すなわち、ガスを検知している状態にある）と判断すれば、ガスセンサ１Ａ、１Ｂ、１Ｃの各感ガス部４からの出力電圧（応答波形）の解析処理を行い（ステップＳ１３）、該解析処理の後、ガスの種類の識別判定結果を出力する（ステップＳ１４）。例えば、ステップＳ１３における前記応答波形の解析において、解析する波形の識別要素毎に、可能性が高いガスを判定し、該判定したガスに対する係数を加算してゆき、すべての識別要素を解析した結果、最も係数が高いガスを判定結果として出力し（ステップＳ１４）、処理を終える。

次に、実施の形態に係るガス識別装置１０のマイコン１３が行う前記割り込み処理動作における波形解析処理動作を、図９に示したフローチャートに基づいて説明する。本処理では、解析する波形の識別要素Ｉが１〜ｎ個（ｎ≧１）設定されているものとして説明する。

なお、前記解析する波形の識別要素Ｉは、上述した方形波の立ち上がりに伴う、過渡応答の立ち上がりの傾き、過渡応答のピーク値、過渡応答が定常状態になるまでの時間、及び該定常状態の値などの他、方形波の立ち下がり時における、過渡応答が一旦低下した後、上昇して再度緩やかに低下する挙動、及び過渡応答が一旦低下した後、傾きが緩やかになって低下する挙動などから数値化可能な要素、例えば、過渡応答が一旦低下した後、上昇して再度低下する挙動における、最初の低下の大きさ（初期低下率）、その後の上昇度合い（上昇率）、その上昇時の傾き、また、その後、低下していく時の傾きなど、さらに、方形波の１周期における過渡応答の波形面積などから適宜選択される。

まず、ガスセンサ１Ａ、１Ｂ、１Ｃの各感ガス部４からの出力電圧を入力し、該入力をＡ／Ｄ変換し、電圧を読み取る（ステップＳ２１）。次に、解析する最初の要素Ｉを読み出し（ステップＳ２２）、その後、前記読み取った出力電圧（過渡応答波形）に基づいて、要素Ｉについての解析（算出・抽出）を行う（ステップＳ２３）。

次に、当該解析値を、識別対象となるガスの要素Ｉに対応するガス識別式に当てはめて（例えば、比較、照合等して）（ステップＳ２４）、該当する可能性の高いガスの種類を判定し（ステップＳ２５）、当該判定されたガスの係数に、解析した要素Ｉに対応する係数を加算して記録する（ステップＳ２６）。

次に、解析した要素の数がｎ個になったか否かを判断し（ステップＳ２７）、解析した要素の数がｎ個ではないと判断すれば、次の要素Ｉを読み出して（ステップＳ２８）、ステップＳ２３に戻り、解析処理を繰り返す一方、解析した要素Ｉがｎ個になったと判断すれば、加算された係数が最も大きいガスを、識別したガスとして結果を出力し（ステップＳ２９）、解析処理を終える。

なお、上記処理の他の形態では、加算された係数が、所定値に達した場合に、当該所定値に達した係数のガスを、識別したガスとして結果を出力する構成とすることもできる。

また、上記実施の形態に係るガス識別装置１０では、ガスセンサ１Ａのヒーター５に８０秒周期、ガスセンサ１Ｂのヒーター５に４０秒周期、ガスセンサ１Ｃのヒーター５に２０秒周期の方形波電圧を印加して得られる、各ガスセンサ１Ａ、１Ｂ、１Ｃの感ガス部４からの過渡応答を検出し、ガスの種類を識別判定するようになっているが、次のような別の実施の形態も採用され得る。

すなわち、ガスの種類の識別判定用のガスセンサを１つとし、当該ガスセンサのヒーターに対して、周期が異なる複数の方形波の電圧を順に印加する。例えば、単一のガスセンサのヒーターに対して、１０秒周期、２０秒周期、４０秒周期、８０秒周期の方形波の電圧を順に印加したり、或は、方形波の立ち上がりから立ち下がりまでの時間幅を５秒、１０秒、２０秒、４０秒といった異なる幅とし、方形波の立ち下がりから立ち上がりまでの時間幅を一定時間としたような、周期が異なる複数の方形波の電圧を印加する。

そして、周期が異なる複数の方形波の電圧の印加により得られる、前記ガスセンサの感ガス部からの過渡応答を検出し、これら各方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類を識別判定する構成とすることができる。

かかる実施の形態に係るガス識別装置によれば、１つのガスセンサのヒーターを、周期が異なる複数の方形波の電圧を印加して変調（すなわち、前記ガスセンサの感ガス部の表面温度を変調）することで、単一のガスセンサで、しかも精度よくガスの種類を識別判定可能な装置を低コストで実現することもできる。

上記実施の形態に係るガス識別装置１０によれば、方形波の電圧の印加により得られる、感ガス部４からの過渡応答を検出し、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する前記過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類が識別判定される。上記したように、ヒーター５に前記方形波の電圧を印加したときに、すなわち、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って、感ガス部４からの応答（出力電圧）が過渡的に変化する。特に前記方形波の立ち上がりや立ち下がりの直後は、感ガス部４からの過渡応答がガスの種類によって明らかに異なっているため、この過渡応答の特徴が異なることを利用することで、従来ガスの種類の判別まではできなかったガスセンサを用いて、精度よく、ガスの種類を識別判定可能な装置を実現することができる。

また、上記ガス識別装置１０をガス漏れ警報機に適用することにより、ヘアースプレーや殺虫剤などのガスに反応するといった誤動作を防止可能なガス漏れ警報機を実現することができる。また、ガスの種類を識別判定できるので、食品製造プロセスの監視や制御といった用途にも低コストで応用することが可能となる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ ガスセンサ
２ 基板
３Ａ、３Ｂ センサ電極
４ 感ガス部
５ ヒーター
６ ヒーター電極
７、８ リード線
１０ ガス識別装置
１１ 電源
１２ 負荷抵抗
１３ マイコン

Claims (6)

1. ガスを感知する感ガス部、及び該感ガス部を加熱する加熱部を備えたガス検出手段と、
   前記加熱部に対して所定周期の方形波の電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記方形波の電圧の印加により得られる、前記感ガス部からの過渡応答を検出し、前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する前記過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類を識別判定するガス識別判定手段とを備えていることを特徴とするガス識別装置。
2. 前記ガスの種類により相違する特徴には、
   前記方形波の立ち上がりに伴う、前記過渡応答の立ち上がりの傾き、前記過渡応答のピーク値、前記過渡応答が定常状態になるまでの時間、及び該定常状態の値のうちの少なくともいずれかの要素が含まれていることを特徴とする請求項１記載のガス識別装置。
3. 前記ガスの種類により相違する特徴には、
   前記方形波の立ち下がり時に、前記過渡応答が一旦低下した後、上昇して低下する挙動、又は前記過渡応答が一旦低下した後、傾きが緩やかになって低下する挙動に関する要素が含まれていることを特徴とする請求項１記載のガス識別装置。
4. 前記ガスの種類により相違する特徴には、
   前記方形波の１周期における前記過渡応答の波形面積が含まれていることを特徴とする請求項１記載のガス識別装置。
5. 前記電圧印加手段が、前記加熱部に対して、周期が異なる複数の方形波の電圧を印加するものであり、
   前記ガス識別判定手段が、前記周期が異なる複数の方形波の電圧の印加により得られる、前記感ガス部からの過渡応答を検出し、これら各方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する前記過渡応答のガスの種類により相違する特徴に基づいて、ガスの種類を識別判定するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載のガス識別装置。
6. マイクロコンピュータが、ガスを感知する感ガス部を加熱する加熱部に対して、所定周期の方形波の電圧を印加する処理を行うステップと、
   前記方形波の電圧の印加により得られる、前記感ガス部からの過渡応答を検出するステップと、
   前記方形波の立ち上がり、及び立ち下がりに伴って変化する前記過渡応答のガスの種類により相違する特性に基づいて、ガスの種類を識別判定するステップとを有していることを特徴とするガス識別方法。

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