JP2016133404A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１の感温抵抗素子と発熱体を用いたガス検出装置に於いて、第１の感温抵抗素子の経時変化の影響を、補償回路等の追加を行うこと無く簡易な構成で、低減することが可能なガス検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサからの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器でデジタル変換された値を読込み、演算処理を行うＭＰＵとを有し、前記ＭＰＵに於いては、前記ガスセンサからの出力電圧を加減算演算により雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、感温抵抗素子と発熱体を用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に関するものである。

対象ガスを検出する手段のひとつとして、大気中の熱伝導率と対象ガスの熱伝導率の差を使用したものが知られている。第１の感温抵抗素子をヒータで加熱した状態にし、第１の感温抵抗素子の抵抗値が大気中と対象ガスの熱伝導率の違いによって変化することで、その抵抗値の変化量から対象ガスを検出するものである。空間の温度検出には、例えば負の抵抗温度変化を用いたサーミスタ材料、ボロメータ材料、Ｐｔなど金属を用いた測温体を第１の感温抵抗素子としてその抵抗変化により行うことが提案されている。

特許文献１では、物理量検出センサと同等の温度依存性を有する温度検出部及び処理回路を、物理量検出センサに対する温度補償回路として使用することが提案されている。

特許文献２では、ガスセンサ出力の最小値を基準値として予め記憶しておき、ガスセンサの出力変化が基準値と比較して所定値以上になると空気清浄機を作動させる。そして、空気清浄機の動作終了時のガスセンサ出力を新たな基準値として記憶させるという空気清浄機の制御方法が提案されている。

特開２００７−３３３４３０号公報 特公平６−７８９７号公報

しかしながら、上記従来の技術には以下の課題が残されている。特許文献１の構成では、物理量検出センサの温度依存性を補償するために温度補償回路が付加されているが、回路構成が複雑となる。

特許文献２では、動作終了時のガスセンサ出力を新たな基準値として記憶させて使用しているために、初期の清浄雰囲気とは異なる雰囲気が清浄雰囲気となりうる。また、ガスセンサの基準値を常に変化させて安定させないことにより、ガスセンサからの出力にガスセンサ自体のドリフト等の誤差が生じても判別が困難となる。

従来に於けるガス検出装置の回路構成について説明する。図１３は、従来に於けるガス検出装置４１２の回路構成を示したものである。ガス検出装置４１２は、ガスセンサ４０１と制御部４１１とで構成されており、制御部４１１は、基準抵抗４０４、４０５、増幅器４０７、Ａ／Ｄ変換器４０８、バッファ４０９、ＭＰＵ４１０とで構成されている。また、ガスセンサは、ガス検出を行う感温抵抗素子４０２と、前記感温抵抗素子４０２を加熱する発熱体４０６と、環境温度を検出する感温抵抗素子４０３とで構成されている。

次にガス検出動作について説明する。ＭＰＵ４１０より、バッファ４０９を経由して、発熱体４０６に電圧が印加されて、感温抵抗素子４０２が加熱される。その加熱されるタイミングに同期して、感温抵抗素子４０２及び、基準抵抗４０５とのブリッジの中点から出力される信号Ｖｄと、基準電圧Ｖｒｅｆとの差動増幅を増幅器４０７で行い、Ａ／Ｄ変換器４０８を経由してＭＰＵ４１０に入力されている。ＭＰＵ４１０は、入力された前記信号Ｖｄを基に演算によりガス濃度を求めている。

感温抵抗素子４０３及び基準抵抗４０４とのブリッジの中点から出力される信号Ｖｓは、Ａ／Ｄ変換器４０８を経由してＭＰＵ４１０に入力される。前記信号Ｖｓは、ＭＰＵ４１０にて、雰囲気温度に換算されている。

前記基準電圧Ｖｒｅｆは、予め検出対象ガスがゼロの環境下での信号Ｖｄの出力値を求めて、ＭＰＵ４１０に近似式（図示せず）として保存されたものである。前記近似式と、前記信号Ｖｓにより求められた雰囲気温度とを演算することにより、基準電圧Ｖｒｅｆの値が求められている。この前記基準電圧Ｖｒｅｆの値と前記信号Ｖｄとの値の差分値が、感温抵抗素子４０２によって検出された出力値となっている。つまり、前記基準電圧Ｖｒｅｆにより感温抵抗素子４０２の雰囲気温度による変動分は抑えられている。

しかし、前記方法では、雰囲気温度変化による前記感温抵抗素子４０２の抵抗変化は抑えられても、経時変化による変動は抑えることが出来ない。尚、前記感温抵抗素子４０２の経時変化による変動は、発熱体４０６によって高温で加熱されるために生じているものである。経時変化の影響について、数式５、６を用いて説明する。Ｖｄ‘は、信号ＶｄのＭＰＵ４１０入力信号、Ａｖは、増幅器４０７の増幅度、Ｖｔは、雰囲気温度変化の影響分、Ｖａは、ガス検出分、Ｖｂは、経時変化分を表わしている。

数式５は、演算式を単純化したもので、前記信号Ｖｄと、基準電圧Ｖｒｅｆとの差分演算であり、数式５に雰囲気温度、経時変化の影響を加味したものを、数式６で表わしている。数式６より、経時変化分Ｖｂが、そのまま、ガス検出の誤差となってＶｄ‘に重畳されている。

図１４に従来のガス検出装置を用いてガス検出を行った結果のグラフを示す。グラフ上の“基準値”は、感温抵抗素子として用いたサーミスタの検出感度とガス検出装置を配置した箇所に流した検出対象ガスの濃度との乗算値から求めたグラフであり、従来例１は、検出対象ガスの検出を開始した後の1回目の測定結果を表わしたグラフであり、従来例２は、検出開始から２００時間経過後測定結果を表わしたグラフである。従来例１は、基準値に対して、ほとんど差が無いのに対し、従来例２は、基準値に対して、≒３ｍＶのオフセットが生じる結果となっている。これは、前記感温抵抗素子４０２に経時変化が生じたために、信号Ｖｄの出力値が低下して、基準電圧Ｖｒｅｆとの差分値が低下したために生じているものである。前記、≒３ｍＶのオフセットは、例えば感度３ｕＶ／ｐｐｍの検出感度を有するセンサを用いた場合だと、≒１０００ｐｐｍの検出誤差となってしまう。

そこで本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、感温抵抗素子と発熱体とを用いて、対象ガスを検出するガス検出装置に於いて、雰囲気温度及び発熱体の加熱による感温抵抗素子の抵抗値が経時変化によって変動していくことで生じる検出誤差による測定精度の低下を、複雑な回路ならびに処理を用いることなく、簡易な構成で低減することが可能となるガス検出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係わるガス検出装置は、空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、前記ガスセンサからの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器でデジタル変換された値を読込み、演算処理を行うＭＰＵとを有し、前記ＭＰＵに於いては、前記ガスセンサからの出力電圧に含まれる、前記出力電圧のＤＣ成分のキャンセルを加減算演算で行うことにより、雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を算出することを特徴とするガス検出装置である。

本発明の請求項２に係わる発明は、前記出力電圧の加減算演算は、前記ガスセンサからの出力電圧が、前記ＭＰＵに読み込まれた後、従前に読み込んだガスセンサからの出力電圧との差分値を求め、その差分値を従前の合算値との加算演算を実行し、新たな合算値を基に雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置である。

本発明の請求項３に係わる発明は、前記ガスセンサからの出力電圧に連続した値の変化が、一定範囲内に収まっているときは、測定対象ガスの濃度に変化がみられないとして判断する機能を有することを特徴とする、請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のガス検出装置である。

本発明の請求項４に係わる発明は、前記ガス検出装置の電源起動時に、前回動作の最後のデータと、前記ガスセンサからの出力電圧との比較を行い、値の変化幅が、一定範囲内に収まっているときは、測定対象ガスの濃度に変化がみられないとして判断する機能を有することを特徴とする、請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のガス検出装置である。

本発明の請求項５に係わる発明は、前記ガスセンサは、空間の温度変化を検出する第１の感温抵抗素子と前記第１の感温抵抗素子を加熱する発熱体とを有しており、前記第１の感温抵抗素子を加熱するために発熱体に印加する電圧は、前記ＭＰＵにて電圧の周期及び、電圧の振幅が制御されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガス検出装置である。

前記ガスセンサは、本発明の請求項６に係わる発明は、雰囲気温度を検出する第２の感温抵抗素子をさらに有し、前記第２の感温抵抗素子からの出力電圧を用いて前記ガスセンサからの出力電圧に対する温度補正を行うことを特徴とする請求項５に記載のガス検出装置である。

本発明の請求項７に係わる発明は、前記ＭＰＵは、ガスセンサからの出力電圧及び、加算演算処理を行った値を保存するためのデータ保存領域を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガス検出装置である。

本発明によれば、第１の感温抵抗素子の抵抗値が、雰囲気温度及び発熱体からの加熱による第１の感温抵抗素子の抵抗値が経時変化によって変動していくことで生じる検出誤差による測定精度の低下について、ガスセンサからの出力電圧を、従前に読み込んだガスセンサからの出力電圧との差分値を求め、その差分値を従前の合算値との加算演算を実行し、新たな合算値を基に雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を算出することにより、簡易な構成で測定精度の低下を抑制し、測定誤差の少ない安定した測定を行うことが可能となる。

実施形態に於けるガスセンサの構造断面図である。 実施形態に於けるガス検出装置の回路構成図である。 実施形態に於けるガス検出装置の演算手順を示すフローチャートである。 実施形態に於けるガス検出装置の信号処理の説明図である。 実施形態２に於けるガスセンサの構造断面図である。 実施形態２に於けるガス検出装置の回路構成図である。 実施形態２に於けるガス検出装置の演算手順を示すフローチャートである。 実施形態に於ける合算値とガス濃度との関係を示すグラフである。 実施形態に於けるデータのメモリ配列を示す説明図である。 実施形態に於けるガス検出の信号処理の過程を示すグラフである。 実施例に於けるガス検出装置の測定結果を示すグラフである。 実施例に於けるガス検出装置の測定誤差を示す説明図である。 従来のガス検出装置に於ける回路構成を示す説明図である。 従来のガス検出装置に於ける測定結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。

図１は、本実施形態のガスセンサ１を説明する構造断面図である。本実施形態によるガスセンサ１は、測定対象のガス濃度を検出する第１の感温抵抗素子２及び、発熱体７を有し、測定環境に暴露された空間に配置される。本実施例では、セラミックパッケージ３に第１の感温抵抗素子２及び、発熱体７を配置し、測定環境に暴露させるために通気孔５を備えたリッド４によりガスセンサ１を形成した。第１の感温抵抗素子２は、ダイペースト（図示せず）等でセラミックパッケージ３に固定され、その後、ボンディングワイヤ１４により第１の感温抵抗素子２の電極パッド１３と、セラミックパッケージ３に固定されたセラミックパッケージ電極１５とを接続する。次にリッド４をセラミックパッケージ３に接着剤（又は溶接等）により固定している。尚、図面は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、及びデバイス相互間の厚みの比率は、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実の構造とは異なっていてもよい。

第１の感温抵抗素子２は、基板６、薄膜サーミスタ電極９、薄膜サーミスタ膜１１、薄膜サーミスタ保護膜１２とで構成されている。また、発熱体７は、発熱体保護膜８を挟んで第１の感温抵抗素子２の背面に配置されている。発熱体７は、薄膜サーミスタ膜１１を加熱するためのものである。

基板６は、適度な機械的強度を有し、且つエッチングなどの微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではない。例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板などが好適である。

基板６には、発熱体７を高温動作させた時に、熱が基板へ伝導するのを抑制するために発熱体７の位置に対応して基板の一部を薄肉化したキャビティ１０を有している。基板を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、非常に少ない消費電力で発熱体７を高温にすることができる。また、基板７への伝導経路が数μｍの薄膜部分のみで形成された断熱構造であるため、基板６への熱伝導が小さく、効率よく発熱体７を高温にすることができる。

発熱体７の材質としては、導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。

図１に於いて、空間の熱伝導の違いによる温度変化をもとに測定対象ガスの濃度を検出する感熱体として、薄膜サーミスタ膜１１が発熱体７を覆うように形成されている。これにより薄膜サーミスタ膜１１は、発熱体７の発熱による温度を直接検出することができる。

薄膜サーミスタ膜１１を形成するサーミスタの材質は、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の温度抵抗係数を持つ材料を、薄膜プロセスを用いて形成されている。膜厚は目標とするサーミスタ抵抗値に応じて調整すればよく、例えばＭｎＮｉＣｏ系酸化物を用いて室温での抵抗値（Ｒ２５）を１４０ｋΩ程度に設定するのであれば、素子の電極間の距離にもよるが０．２〜１μｍ程度の膜厚に設定すればよい。

薄膜サーミスタ膜１１の熱を電気信号に変換して取り出す為に薄膜サーミスタ電極９が形成されている。薄膜サーミスタ電極９の材質としては、薄膜サーミスタ１１の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。

薄膜サーミスタ電極９、発熱体７は、電極パッド１３と接続される。電極パッド１３は、ボンディングワイヤ１４でセラミックパッケージ電極１５を通して外部の回路と電気的接続される。電極パッド１３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）などの材料で形成され、必要に応じて積層してもよい。

素子は、ウエハ状態から個片へと切断された後、ダイペースト（図示せず）等を用いてセラミックパッケージ３に固定した後、電極パッド１３と、セラミックパッケージ電極１５を、ワイヤボンディング装置を用いて、ボンディングワイヤ１４で接続する。ボンディングワイヤ１４はＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなど、抵抗の低い金属ワイヤが好適である。

セラミックパッケージ３と外気との通気孔５を設けたリッド４を、接着剤（又は溶接等（図示せず））を用いて固定する。この際、接着剤（図示せず）の硬化の加熱時に、樹脂に含まれる物質がガスとなって発生するが、通気孔５により容易にパッケージ外へ放出されるため、素子自体に悪影響を与えることはない。以上よりガスセンサ１を得ることができる。

図２は、ガス検出装置５１の回路構成を示す図である。ガス検出装置５１は、ガスセンサ１と制御部５２とで構成されており、制御部５２は、基準抵抗５３、増幅器５４、Ａ／Ｄ変換器５５、Ｄ／Ａ変換器５６、ＭＰＵ５７、定電圧電源５８とで構成される。

第１の感温抵抗素子２と基準抵抗５３とは直列に接続されてブリッジ回路を構成しており、その中間電圧として、出力電圧Ｖｄ＿ｎを出力する。

ガス検出装置５１の回路の動作について説明する。ＭＰＵ５７は、Ａ／Ｄ変換器５５、Ｄ／Ａ変換器５６の動作について制御しており、発熱体７に対してＤ／Ａ変換器５６よりパルス電圧Ｖｐを印加する。次にＭＰＵ５７は、Ｄ／Ａ変換器５６がパルス電圧Ｖｐを発熱体７に印加することにより、第１の感温抵抗素子２が特定の温度に加熱される。第１の感温抵抗素子２の加熱温度が安定してから一定時間経過後に、第１の感温抵抗素子２の抵抗変化を電圧に変換し、増幅器５４を経由してＡ／Ｄ変換器５５に入力された値を出力電圧Ｖｄ＿ｎとして、ＭＰＵ５７に読み込む。

ＭＰＵ５７は、読み込んだ出力電圧Ｖｄ＿ｎの値について、読み込んだ出力電圧Ｖｄ＿ｎの値と、ＭＰＵ５７のメモリ（図示せず）内のデータエリアに保存してある従前に読み込んだ出力電圧Ｖｄ＿ｎ−１の値との差分値を求める。ここで出力電圧Ｖｄ＿ｎは、出力電圧ＶｄのＮ回目の読み込み値を表わしたものであり、Ｖｄ＿ｎ−１は、出力電圧Ｖｄ＿ｎの従前（１回前）の読み込み値を表わしたものである。

差分値の値を合算した従前の合算値Ｖｄｉｆ＿ｎ−１をＭＰＵ５７のメモリ（図示せず）内のデータエリアより読み出し、前記段落００３３の演算で求めた差分値との加算演算を実行し、新たな合算値Ｖｄｉｆ＿ｎをガス濃度算出式に代入して雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を算出する。

発熱体７に対してＤ／Ａ変換器５６より印加するパルス電圧Ｖｐは、ＭＰＵ５７により、印加するパルス電圧Ｖｐの振幅及び、周期を制御している。パルス電圧Ｖｐの振幅及び周期を制御することにより、第１の感温抵抗素子２に対する加熱温度を制御している。パルス電圧Ｖｐの振幅は、０．７Ｖ〜２．８Ｖの範囲で、周期は、０．２ｓｅｃ〜１０ｓｅｃの範囲で制御しており、ガス検出のタイミングと同期を取っている。

図４を用いてガス検出装置の信号処理の形態について説明する。図４は、右縦軸に雰囲気中のガス濃度を、左縦軸に出力電圧Ｖｄ＿ｎ及び合算値Ｖｄｉｆ＿ｎを、横軸は経過時間を表わしている。図中のグラフは、ガス濃度、出力電圧Ｖｄ＿ｎ及び合算値Ｖｄｉｆ＿ｎを表わしている。

出力電圧Ｖｄ＿４を読み込んだとすると、データエリアより従前の出力電圧の値であるＶｄ＿３及び、従前の合算値Ｖｄｉｆ＿３を読み出してきて、下記演算（数式１）を行い、ガス濃度を算出するための合算値を求める。

また、 出力電圧Ｖｄ＿７を読み込んだとすると、データエリアより従前の出力電圧の値であるＶｄ＿６及び、従前の合算値Ｖｄｉｆ＿６を読み出してきて、下記演算（数式２）を行い、ガス濃度を算出するための合算値を求める。

数式１の演算結果であるＶｄｉｆ＿４は、ガス濃度の増加分を表わす出力電圧Ｖｄ＿４と出力電圧Ｖｄ＿３の差分が加算されたものである。また、数式２の演算結果であるＶｄｉｆ＿７は、ガス濃度の減少分を表わす出力電圧Ｖｄ＿７と出力電圧Ｖｄ＿６の差分が加算されたものであり、一定時間間隔で、前後の出力電圧値Ｖｄ＿ｎの差分を求めて加減算演算を行っている。前後の出力電圧値Ｖｄ＿ｎの差分を求めることにより、第１の感温抵抗素子２が有する経時変化・抵抗ドリフトの影響等、直流成分を排除して、ガス濃度の増減による電圧の変化分のみを演算により取り出している。この演算方法により、第１の感温抵抗素子２により検出された電圧の変化分のみを用いて、ガス濃度の増減を算出することが出来るため、高精度の演算が可能となる。

ガス濃度の算出は、数式３に示す演算式を用いて求める。数式３の“ａ，ｂ，ｃ”は、係数であり、予め係数の値が決められてデータエリアに格納されており、数式３を使用する際にデータエリアから読み出される。

図８は、横軸に出力電圧Ｖｄ＿ｎの加減算演算の合算値を、縦軸にガス濃度を取り、ガス濃度の変化と、出力電圧Ｖｄ＿ｎの合算値との関係を表わしたグラフである。図８のグラフより求められた近似式を数式１として使用することにより、雰囲気中に含まれる特定のガス濃度が算出される。前記数式１に使用する係数“ａ，ｂ，ｃ”は、図８の近似式より得られたものである。また、“ｘ”は、合算値であり、“ｙ”は、求める対象のガス濃度である。

図９は、ガス濃度を算出するために用いられるパラメータ係数“ａ，ｂ，ｃ”及び、第１の感温抵抗素子２の抵抗変化を電圧値に変換した出力電圧Ｖｄ＿ｎのＭＰＵ５７への読み込み値及び、出力電圧Ｖｄ＿ｎの合算値であるＶｄｉｆ＿ｎを保存するためのデータエリアとしてのメモリ配列を表わしたものである。このメモリ配列は、ＭＰＵ５７のメモリ（図示せず）に設けられている。

図３は、ガス検出装置５１に於いて、ガスセンサ１からの信号をＭＰＵ５７に取り込み、ＭＰＵ５７内の演算部（図示せず）で演算処理を行い、ガス濃度を求める手順についての測定・演算のフローチャートを示したものである。

ステップ１０１で、ＭＰＵ５７よりＤ／Ａ変換器５６に指令を出し発熱体７にパルス電圧Ｖｐを印加することにより第１の感温抵抗素子２を特定の温度に加熱して、空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を第１の感温抵抗素子２の抵抗値変化に換えて検出する。

ステップ１０２で、第１の感温抵抗素子２の抵抗値変化を電圧値に変換して、増幅器５４、Ａ／Ｄ変換器５５を経由して、出力電圧Ｖｄ＿ｎをＭＰＵ５７に取り込む。

ステップ１０３で、今回のガス濃度検出が初回の測定なのか判定を行う。初回測定であれば、予め測定対象ガスがゼロ濃度の環境で測定した値をＭＰＵ５７のメモリ領域であるデータエリアから値Ｖｄ＿0を読み出す。初回測定でなければ従前に読み込んだ出力電圧Ｖｄ＿ｎ−１をデータエリアから読み出す。

ステップ１０４で、ステップ１０１で読み込んだ出力電圧Ｖｄ＿ｎと、データエリアから読み出した出力電圧Ｖｄ＿ｎ−１との差分値を求め、その差分値を従前の合算値Ｖｄｉｆ＿ｎ−１との加算演算を実行し、新たな合算値Ｖｄｉｆ＿ｎを求める。

ステップ１０５は、初回の出力電圧Ｖｄ＿ｎに対する処理である。ステップ１０１で読み込んだ出力電圧Ｖｄ＿ｎと、データエリアから読み出した出力電圧Ｖｄ＿０との差分値を求めて、その結果を合算値Ｖｄｉｆ＿１とする。

ステップ１０６で、ステップ１０４又はステップ１０５で求めた合算値Ｖｄｉｆ＿ｎ又はＶｄｉｆ＿１及び、データエリアより読み出した係数ａ，ｂ，ｃをガス濃度算出式（数式１）に代入して、ガス濃度を求める。

図１０は、実施形態に於けるガス検出の演算処理過程を示したグラフであり、図１０−ａは、一定時間経過毎にガス検出装置５１が配置された雰囲気中のガス濃度を段階的に上げていったときの時間経過に対する雰囲気中に含まれるガス濃度の変化を表わしたものであり、図１０−ｂは、出力電圧Ｖｄ＿ｎの減算による差分値を表わしたものであり、図１０−ｃは、合算値Ｖｄｉｆ＿ｎを表わしたものである。

図１０−ｂは、第１の感温抵抗素子２で検出された出力電圧Ｖｄ＿ｎを従前の出力電圧Ｖｄ＿ｎ−１とで減算を行った結果である。図１０−ａに示すガス濃度の変化点で、グラフの減算演算値の振幅が変化しているのがわかる。また、図１０−ａのガス濃度に変化がない時間帯では、出力電圧Ｖｄ＿ｎと出力電圧Ｖｄ＿ｎ−１との値に差がないために減算結果はゼロとなるため、グラフの減算演算値の振幅がほぼゼロとなる。

図１０−ｃは、図１０−ｂに於いて出力電圧Ｖｄ＿ｎの減算演算値を、加算演算を行った結果である。図１０−ｂの減算演算によって得られた値について、加算演算を行い合算していくことにより、ガス検出装置５１が設置された雰囲気中のガス濃度の変化に対応した第１の感温抵抗素子２で検出された出力電圧Ｖｄ＿ｎの変化値の合算値が得られる。

図１１は、横軸にガス濃度を、縦軸にガスの検出誤差を取り、実施例に於けるガス検出装置の測定結果を示したグラフである。尚、検出対象として用いたガスは、水素ガスである。実施形態に於けるガス検出装置を用いて測定した値（実施）と、従来の値（比較）とを示している。図１１のグラフより、本実施形態を用いていない従来の値では、検出対象のガス濃度値が低いほどガス検出誤差が大きくなっていることがわかる。例えば検出対象のガス濃度が２０００ｐｐｍでは、約４５％の検出誤差が、１００００ｐｐｍでは、約１５％の検出誤差が生じている。本実施の値では、検出対象のガス濃度に関係なく、ガス検出誤差が小さく抑えられている。

図１２は、図１１のグラフに於ける検出対象のガス濃度の特定の測定点を表にしたものである。従来の値では、検出対象のガス濃度が１００ｐｐｍの時に、６５．５％の検出誤差が生じている。一方、本実施の値では、検出対象のガス濃度が１００ｐｐｍから１００００ｐｐｍの範囲でガス検出誤差が０．６９％以下に抑えられている。

図１１、図１２より、従来のガス検出装置では、検出対象のガスが低濃度の場合に於いては、高精度の測定が困難であり、本実施形態に於けるガス検出装置を用いることにより、検出対象のガスが低濃度から高濃度の範囲に於いて、高精度の検出を可能にするものである。

図５は、第２の実施形態に於けるガスセンサ２０１を説明する構造断面図である。ガスセンサ２０１は、第１の感温抵抗素子２０２を有する部分は、第１の感温抵抗素子２を有するガスセンサ１と同じであり、同一基板上に周囲の雰囲気温度を検出するための第２の感温抵抗素子２１６を備えたことが異なる。また、第２の感温抵抗素子２１６は、雰囲気温度を検出するためのものであるため、第１の感温抵抗素子２０２のように薄膜サーミスタ膜の背面に発熱体を有していない構造となっている。

図６は第２の実施形態に於けるガス検出装置２５１の回路構成を示す図である。ガス検出装置２５１は、ガスセンサ２０１と制御部２５２とで構成されており、制御部２５２は、基準抵抗２５３、２５４、増幅器２５５、Ａ／Ｄ変換器２５６、Ｄ／Ａ変換器２５７、ＭＰＵ２５８、定電圧電源２５９とで構成される。図６に示すようにガス検出装置２５１は、ガス検出装置５１に比べて、第２の感温抵抗素子２１６及び基準抵抗２５４を、新たに有している。第２の感温抵抗素子２１６及び基準抵抗２５４とのブリッジの中点から出力される出力ＶｓがＡ／Ｄ変換器２５６を経由してＭＰＵ２５８に入力される。前記出力Ｖｓは、ＭＰＵ２５８にて、雰囲気温度値に換算されて、感温抵抗素子２０２及び、基準抵抗２５３とのブリッジの中点から出力される出力Ｖｄ＿ｎとの差動増幅を行う、基準電圧Ｖｒｅｆの算出と、発熱体２０７に印加するパルス電圧の振幅を制御するための補正に用いられる。発熱体２０７に印加するパルス電圧を雰囲気温度を用いて制御することにより、第１の感温抵抗素子２０２の薄膜サーミスタ膜２１１を、雰囲気温度の変化に関係なく常に高精度に一定の温度で加熱することが可能となっている。

第１の感温抵抗素子２０２及び基準抵抗２５３とのブリッジの中点から出力される出力電圧Ｖｄ＿ｎと、前記出力Ｖｓより求めた雰囲気温度を基にして算出した基準電圧Ｖｒｅｆとを増幅器２５５に入力して差動増幅を行い、ガス検出による変化量を増幅して取り出す。これにより微小な変化を扱えるようになり、数ｐｐｍ未満の非常に低濃度のガスの検出も可能である。基準電圧Ｖｒｅｆは、ガス濃度ゼロの時の出力電圧Ｖｄ＿ｎの値を基にして、雰囲気温度による出力電圧Ｖｄ＿ｎへの影響の補正を前記出力Ｖｓより求めた雰囲気温度値で行い算出している。この補正により雰囲気温度の影響を抑えることが可能となっている。

ガス濃度の算出は、前記数式３に示す演算式を用いて求めている。前記数式３の“ａ，ｂ，ｃ”は、係数であり、予め係数の値が決められてデータエリアに格納されており、数式３を使用する際にデータエリアから読み出される。

前記数式３に用いられるパラメータ、出力電圧Ｖｄ＿ｎ及び、合算値Ｖｄｉｆ＿ｎは、ＭＰＵ２５８のメモリ（図示せず）に図９に示すメモリ配列を形成して設けられている。

図７は、第２の実施形態のガス検出装置２５１に於いて、ガスセンサ２０１からの信号をＭＰＵ２５８に取り込み、ＭＰＵ２５８内の演算部（図示せず）で演算処理を行い、ガス濃度を求める手順についての測定・演算のフローチャートを示したものである。前記実施形態に於いて、処理手順は、図３を基に段落００４７から００５３で説明したものいと雰囲気温度検出及び、温度補正以外は同じであるため、異なる部分以外の説明は省略する。雰囲気温度は、出力ＶｓをＭＰＵ２５７に取り込んだのち、雰囲気温度を算出する。雰囲気温度の算出は、数式４を用いて行う。前記算出した雰囲気温度の値を基に、パルス電圧を制御して発熱体２０７に印加する。これに同期して、第１の感温抵抗素子２０２の抵抗変化を、電圧の変化に変換して出力電圧Ｖｄ＿ｎとしてＭＰＵ２５７に取り込み、演算により雰囲気中のガス濃度を求める。

前記式中のＶｃｃはガス検出装置の電源電圧、Ｖｓは第２の感温抵抗素子２１６と基準抵抗２５４との中間電圧、Ｒ２は、基準抵抗２５４の抵抗値であり、Ｂは第１の感温抵抗素子の温度に対する感度である。

出力電圧Ｖｄ＿ｎは、常に前後の値を比較して差を求め、前記差分の値を加算した値を用いてガス濃度を求めるための合算値としている。また、出力電圧Ｖｄ＿ｎの検出間隔についても０．２ｓｅｃから１０ｓｅｃの範囲に設定している。このため、第１の感温抵抗素子２又は２０２のドリフト及び、雰囲気温度の変化による合算値に与える影響が抑えられる方式となっている。

断続的に発生するノイズに対しては、出力電圧Ｖｄ＿ｎの連続した値の変化が、一定の範囲（例えば３ｕＶ以下）に収まっている又は、従前の出力電圧Ｖｄ＿ｎの値に対して、増減を繰り返す場合には、ノイズとして、測定対象のガス濃度に変化が見られないとして、誤検出の抑制を行っている。

前記ガス検出装置を常時連続して使用している時は問題ないが、一度電源を遮断した後に、再度、前記ガス検出装置の電源を起動した時は、電源遮断前に検出した出力電圧Ｖｄ＿ｎ−１と、電源起動後に検出した出力電圧Ｖｄ＿ｎとの値を減算演算している。この時の値が、一定の範囲（例えば３ｕＶ以下）に収まっている時は、測定対象ガスの濃度に変化がみられないとして、誤検出の抑制を行っている。

前記誤検出の抑制を行うことにより、前記合算値にノイズ成分が重畳し、誤ったガス濃度の算出を行うことを防いでいる。

以上により、常に前後の出力電圧Ｖｄ＿ｎの値の差分を求めて加算演算を行うことにより、第１の感温抵抗素子が有する経時変化・抵抗ドリフトの影響等、直流成分を排除して、ガス濃度の増減による電圧の変化分のみを演算により取り出している。この演算方法により、第１の感温抵抗素子により検出された電圧の変化分のみを用いて、ガス濃度の増減を算出することが出来るため、高精度の演算が可能となる。これにより、ガス検出装置の測定精度の低下を抑制し、ガス濃度の変化を精度よく測定を行うガス検出装置を提供することを示したものである。

本発明は、産業機器や環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検出する用途に用いられる。

１、２０１ ガスセンサ
２、２０２ 第１の感温抵抗素子
２１６ 第２の感温抵抗素子
３、２０３ セラミックパッケージ
４、２０４ リッド
５、２０５ 通気口
６、２０６ 基板
７、２０７ 発熱体
８、２０８ 発熱体保護膜
９、２０９ 薄膜サーミスタ電極
１０、２１０ キャビティ
１１、２１１ 薄膜サーミスタ膜
１２、２１２ 薄膜サーミスタ保護膜
１３、２１３ 電極パッド
１４、２１４ ワイヤ
１５、２１５ セラミックパッケージ電極
５１、２５１ ガス検出装置
５２、２５２ 制御部
５３、２５３、２５４ 基準抵抗

Claims (7)

1. 空間の熱伝導の違いによる温度変化を基に測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサと、
   前記ガスセンサからの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器でデジタル変換された値を読込み、演算処理を行うＭＰＵとを有し、
   前記ＭＰＵに於いては、前記ガスセンサからの出力電圧に含まれる、前記出力電圧のＤＣ成分のキャンセルを加減算演算で行うことにより、雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を算出することを特徴とするガス検出装置。
2. 前記出力電圧の加減算演算は、前記ガスセンサからの出力電圧が、前記ＭＰＵに読み込まれた後、従前に読み込んだガスセンサからの出力電圧との差分値を求め、その差分値を従前の合算値との加算演算を実行し、新たな合算値を基に雰囲気中に含まれる特定のガス濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
3. 前記ガスセンサからの出力電圧に連続した値の変化が、一定範囲内に収まっているときは、測定対象ガスの濃度に変化がみられないとして判断する機能を有することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のガス検出装置。
4. 前記ガス検出装置の電源起動時に、前回動作の最後のデータと、前記ガスセンサからの出力電圧との比較を行い、値の変化幅が、一定範囲内に収まっているときは、測定対象ガスの濃度に変化がみられないとして判断する機能を有することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のガス検出装置。
5. 前記ガスセンサは、空間の温度変化を検出する第１の感温抵抗素子と前記第１の感温抵抗素子を加熱する発熱体とを有しており、前記第１の感温抵抗素子を加熱するために発熱体に印加する電圧は、前記ＭＰＵにて電圧の周期及び、電圧の振幅が制御されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガス検出装置。
6. 前記ガスセンサは、雰囲気温度を検出する第２の感温抵抗素子をさらに有し、前記第２の感温抵抗素子からの出力電圧を用いて前記ガスセンサからの出力電圧に対する温度補正を行うことを特徴とする請求項５に記載のガス検出装置。
7. 前記ＭＰＵは、ガスセンサからの出力電圧及び、加算演算処理を行った値を保存するためのデータ保存領域を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガス検出装置。

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