JP3236313B2 - センサー駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、感応物質の電気抵抗値が該感応
物質に吸脱着する感応対象物によって変化することを利
用したセンサーの駆動回路に関し、例えば、ガスセンサ
ー、温度センサー、湿度センサー、アルコールセンサー
等に応用可能なものである。

【０００２】

【従来技術】図６は、従来のセンサー駆動回路の一例を
説明するための図で、図中、１０は定電流源、１１は金
属酸化物半導体等から成る感応物質、２０は電熱器用の
定電圧電源、２１は該定電圧電源２０より一定電圧が供
給される電熱器であり、周知のように、電熱器２１を定
電圧源２０にて所定温度に加熱するとともに、感応物質
１１に定電流源１０より一定電流を流しておくと、感応
物質１１の電気抵抗が、感応対象物である、例えば、ガ
ス、湿度、アルコール等の脱着によって変化するので、
この感応物質の両端間の電圧Ｖｓを検出して感応対象物
の存在あるいはその量を検出することができる。

【０００３】感応物質Ｉ側の一方の電源端子Ａ点と電熱
器II側の一方の電源端子Ｂ点を共通にしたもので、この
ようにすると、感応物質Ｉ側の電源と電熱器II側の電源
とを共通にして、単一の電源３０を使用することができ
る。

【０００４】図６に示した従来例は、感応物質１１が電
熱器２１と近接させて配設されている例であるが、他方
電気的に短絡するようにして、図７，図８に示すよう
に、感応物質１１が電熱器２１の上にも直接接触させて
熱伝導効率を向上させるようにすることも行われてい
る。図８の回路で説明すると、空気中でのセンサー出力
電圧Ｖ_Sはその値が小さく（すなわち、感応物質１１の
抵抗値Ｒ_Sが小さく）、所定のガス濃度、例えば、ガス
漏れ警報器として検出しなければならないために必要
な、０.４％濃度のイソブタンガス中においても空気中
と大差ない値しか得ることができなかった。なお、前記
感応物質抵抗値Ｒ_Sは、 抵抗値Ｒ_S＝センサー出力電圧Ｖ_S／定電流回路の電流値
Ｉ_S で決まる。

【０００５】而して、上記従来のガス検出回路では、感
応対象物質の吸脱着現象に応じた変化をする前記感応対
象物質の抵抗値変化が小さいため、増幅回路を用いる
が、単純な増幅回路では回路素子自体の温度特性や精度
の誤差によりセンサーの状態を正確に伝えることが出来
なくなる。そのため、増幅回路は精度の高いものを使用
することが望ましいが、回路が複雑になりコストも高く
なる。

【０００６】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、特に、センサーからの出力電圧を大きくするこ
とにより、複雑かつ高精度の増幅回路を用いる必要をな
くし、コストが安く、しかも精度の高いガス検出装置等
を提供することを目的としてなされたものである。

【０００７】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、電熱器
と該電熱器に一定電圧もしくは一定電流を印加する第一
の電源部である定電圧源もしくは定電流源と、前記電熱
器と電気的な結合状態を有するように近接して配設され
た感応物質と、該感応物質に一定電流を印加する第二の
電源部である定電流源とから成り、前記第一の電源部の
一端と前記第二の電源部の一端とが電源が流れる下流側
において電気的に接続され、且つ、前記感応物質を前記
電熱器にて所定温度に加熱して前記感応物質の抵抗を感
応対象物の吸脱着現象に応じて変化させるようにしたセ
ンサー駆動回路において、前記感応物質の前記下流側に
直列にバイアス電圧発生素子を有せしめることにより、
前記電熱器の前記下流側の電位よりも前記感応物質の前
記下流側の電位を高く設定させることを特徴としたもの
である。以下、本発明の実施例に基づいて説明する。

【０００８】図１、図２はそれぞれ、本発明によるセン
サー駆動回路の実施例を説明するための図で、図中、図
６〜図８に示した従来回路と同様の作用をする部分に
は、図６〜図８と同一の参照番号が付してある。而し
て、図１に示す実施例においては、電熱器２１と電気的
な結合状態を有するように近接して配設された感応物質
１１に印加する電源の一端と、電熱器２１に印加する電
源の一端とが電源が流れる下流側において電気的に接続
されていること、及び、感応物質１１の前記下流側に直
列にバイアス電圧発生素子（例えば、抵抗器、ダイオー
ド、トランジスタ、交流電源を使用した場合にはコイル
など）１２が設けられている点に特徴を有する。また、
図２に示す実施例においては、図１に示す実施例と異な
り、両者の電源の一端同士が接続されずに、互に分離さ
れている例を示すものであり、かかる場合においては感
応物質Ｉ側の回路部全体の電位を、電熱器II側の回路部
の電位よりも高く設定させるべく、前者の回路部全体と
後者の回路部全体とを、図示していないバイアス電圧発
生素子を用いて接続している。感応物質１１は、例え
ば、感応対象物がガスである場合、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｓｎ
Ｏ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＺｎＯ等の金属酸化物半導体
から成り、熱容量を小さくすべく微小薄膜状に形成され
ており、前記電熱器２１により３００〜４５０℃に加熱
されると、ガスに対して吸着・離脱の作用を行う。従っ
て、ガス感応物質１１の抵抗値は、雰囲気中にガスが存
在する場合は、ガス分子を吸着して小さくなり、ガスが
なくなるとガス分子を離脱させて大きくなる。而して、
本発明は、上述のごとき従来のセンサー駆動回路におい
て、感応物質１１に対してバイアス電圧Ｖ_Bを加えて、
電熱器２１よりも感応物質１１の電位を高く設定させる
ことにより、空気中における該感応物質の抵抗値が増大
することを発見し、これを利用して感応物質１１の出力
電圧の増大を図ったものである。すなわち、本出願人
は、これまで、ガス洩れ警報器や温湿度・アルコール検
出装置として、図６に示したセンサー駆動回路を用いて
センサーの特性評価を行ってきたが、今回、図１に示す
ような駆動回路での特性評価を行ったところ、センサー
出力電圧Ｖ_Sが異なる値を示し、特に、バイアス電圧Ｖ_B
を増大させると更に大きなセンサー出力電圧Ｖ_Sを示す
ことを発見した。

【０００９】図３は、図１の回路において、バイアス電
圧Ｖ_Bの大きさを、変化させた時の感応物質１１の抵抗
値を示す実験結果図で、図中、Ａは空気中、Ｂは２０
℃、９０％の温湿度雰囲気中、Ｃは０.４％のイソブタ
ンガス中の特性図で、曲線Ａから、バイアス電圧Ｖ_Bを
追加することによって、空気中でのＶ_Sが非常に大きく
なること（感応物質１１の抵抗値Ｒ_Sが大きくなるこ
と）が解る。一方、所定のガス濃度（曲線Ｃ）において
は、Ｖ_Bの大きさに関係なくほぼ同じＲ_Sを示すことから
空気中とガス中の割合（ガス感度）は大きく、結果とし
てセンサー検出回路での信号処理が容易かつ簡単にな
り、信頼性の高いものとなる。そして、温湿度の影響
（曲線Ｂ）においても多少の影響を受けるが（温湿度の
影響があっても、ガス検出にはＬの余裕がある）、信号
処理レベルのしきい値を、その影響以下に容易に設定す
ることができるので、バイアス電圧Ｖ_Bの効果は大き
い。なお、Ｖ_B＝０（Ｖ）の時は、従来技術と同様で図
６の場合に相当し、それぞれの雰囲気において、あまり
選択性を示していない。

【００１０】図３は、図１の回路において、電熱器２１
の両端にＶ_H＝１.２０（Ｖ）の電圧を印加した場合の例
を示したが、図４には、この電圧Ｖ_Hを変えた場合の特
性を示し、曲線Ａ，Ｂ，Ｃは空気中の特性を示し、Ａは
Ｖ_H＝１.２０（Ｖ）、ＢはＶ_H＝１.０（Ｖ）、ＣはＶ_H
＝０.８（Ｖ）に設定した場合の感応物質抵抗値Ｒ_Sの特
性を示す。図４から明らかなように、バイアス電圧Ｖ_B
を変えていくと、感応物質抵抗値Ｒ_Sが急激に増大して
平衡状態になり、平衡状態になる時のＶ_B は、電熱器の
電圧Ｖ_H を超えた場合であることが分かる。図１に示し
た実施例では、感応物質１１が微細構造であり、かつ、
電熱器２１と電気的な結合状態を有する程近接している
ため、電熱器の設定電圧の影響を感応物質が受けて、Ｖ
_H＞Ｖ_Bの時、空気中におけるＶ _S の値が小さい。ところ
が、Ｖ_H＜Ｖ_Bの時、空気中におけるＶ _S の値が大きくな
る。図１の実施例では、回路の一端が共通になっている
が、感応物質１１側の電位が、電熱器２１側の電位より
も高い状態に設定させているため、そのような電位の影
響が出る。図７の従来技術においては、電源部が二つに
分離されていても感応物質と電熱器が電気的に短絡され
ているが、図２に示した実施例では、感応物質と電熱器
とが電気的に結合状態を有する程近接させて配設されて
いて、かつ、感応物質Ｉ側の回路部全体の電位を電熱器
II側の回路部全体の電位よりも高く設定させ、かつ、電
熱器側の電圧値よりも高い電位差となるように設定すれ
ば、図１の実施例におけるＶ_H＜Ｖ_Bとほぼ同様な特性を
示し、この場合、図１の実施例における前記バイアス電
圧発生素子は不要である。ここで二つの分離された電源
部を構成する場合、ＡＣ１００（Ｖ）から引込むと分離
電源は大変複雑になり容易でないが、個別の電池により
電源回路を作る方法はなお一層簡単で都合良い。さら
に、図には示さないが、電熱器の駆動回路が定電圧源に
よらず定電流源でも良い。感応物質およびバイアス電圧
発生素子には、定電流源によらず定電圧源でも可能であ
り、Ｖ_H，Ｖ_Bの大小関係において、センサー出力電圧Ｖ
_Sは前記図１の実施例と同様の特性を示す。なお、図４
でＶ_BがＶ_H＜Ｖ_Bの領域でＶ_H＝０.８（Ｖ）および１.０
（Ｖ）での空気中の場合におけるＲ_SがＶ_H＝１.２０
（Ｖ）よりかなり小さくなるのは、図５に示すように、
金属酸化物半導体を用いたセンサー特有の典型的な性質
であって、上述の説明に矛盾はない。なお、図５におい
て、曲線Ａ，Ｂは空気中、Ｃはガス中の特性を示す。

【００１１】また、図４は、空気中（曲線Ａ，Ｂ，Ｃ）
及び０.４％イソブタンガス中（曲線ａ，ｂ，ｃ）にお
けるバイアス電圧Ｖ_Bと感応物質抵抗値Ｒ_Sの特性をも示
す図で、同図において、電熱器電圧Ｖ_Hを１.２０（Ｖ）
に設定すると感度を充分大きく取ることができるが、Ｖ
_Hを小さくしていくに従い、感度が小さくなることがわ
かる。ここでＶ_Hが０.８（Ｖ）程度であるとかなり選別
が難しくなる。

【００１２】

【効果】電熱器と電気的な結合状態を有する程近接して
配設された感応物質を有し、該感応物質の下流側の電位
を電熱器側の電位よりも高く設定させることにより、空
気中における感応物質の抵抗値を対象感応物中における
場合と大きく変えることができるので、検出感度を高め
ることが出来、而して感応物質の抵抗値の大きさを一定
の範囲内であれば任意に設定することが出来、従って、
周辺回路部で容易に処理でき、その結果、回路の簡素化
を図ることができ、また、対象感応物に対する検出精度
を上げることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を説明するための電気回路
図である。

【図２】 本発明の他の実施例を説明するための電気回
路図である。

【図３】 バイアス電圧と感応物質抵抗値との関係を、
雰囲気をパラメータとして求めた時の特性図である。

【図４】 バイアス電圧と感応物質抵抗値との関係を、
電熱器電圧をパラメータとして求めた時の特性図であ
る。

【図５】 電熱器へ印加した電圧Ｖ_Hによる感応物質抵
抗値Ｒ_Sの特性を示す図である。

【図６】 従来のセンサー駆動回路の一例を説明するた
めの電気回路図である。

【図７】 従来のセンサー駆動回路の他の例を説明する
ための電気回路図である。

【図８】 従来のセンサー駆動回路の他の例を説明する
ための電気回路図である。

【符号の説明】

１０…定電流源、１１…感応物質、１２…バイアス電圧
発生素子、２０…定電圧源、２１…電熱器、３０，３０
₁，３０₂…電源。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電熱器と該電熱器に一定電圧もしくは一
   定電流を印加する第一の電源部である定電圧源もしくは
   定電流源と、前記電熱器と電気的な結合状態を有するよ
   うに近接して配設された感応物質と、該感応物質に一定
   電流を印加する第二の電源部である定電流源とから成
   り、前記第一の電源部の一端と前記第二の電源部の一端
   とが電源が流れる下流側において電気的に接続され、且
   つ、前記感応物質を前記電熱器にて所定温度に加熱して
   前記感応物質の抵抗を感応対象物の吸脱着現象に応じて
   変化させるようにしたセンサー駆動回路において、前記
   感応物質の前記下流側に直列にバイアス電圧発生素子を
   有せしめることにより、前記電熱器の前記下流側の電位
   よりも前記感応物質の前記下流側の電位を高く設定させ
   ることを特徴とするセンサー駆動回路。