JP3575835B2 - ガスセンサシステム - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、雰囲気中にガスが存在することを検知するガスセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図7は、従来の水素ガスセンサ(特開平2−35352号公報)の一例を説明するための図で、図中、1はガスセンサの主要部をなす圧電体基板、2はこの圧電体基板1の表面の一方の側に設けられた櫛型振動電極、3はこの櫛型電極2に対向して圧電体基板1の表面の他方の側に設けられた櫛型受信電極、4はこれら両電極2,3間の圧電体基板1の表面を被覆した水素ガス吸蔵合金薄膜、5は入力端子、6は出力端子である。
【0003】
図7において、大気中において、櫛型励振電極2に連なった入力端子6よりインパルス電圧を印加すると、櫛型励振電極2は、圧電効果により隣り合う電極間に互いに逆位相の歪みが生じ、弾性表面波(SAW:Surface Acoustic Wave)が励起される。この弾性表面波SAWは基板1の表面を伝播し、櫛型受信電極3に到達して電気エネルギーに変換され、出力端子6から高周波出力として取り出される。
このように動作しているセンサーを水素1%、空気99%で構成された被検ガス中に投入すると、水素吸蔵合金薄膜4は水素を吸収して発熱するため、弾性表面波SAWの伝播部が温度上昇し、弾性表面波SAWの伝播速度が変化し、出力端子6の高周波出力の周波数が変化するので、この周波数の変化より水素ガスの存在を検知することができる。
【0004】
しかし、図7に示した構成では出力端子6での出力周波数変化の検知は比較的手数が掛かるので、検知周波数の変化をより識別しやすくするために、図8に示すように櫛型励振電極2と櫛型受信電極3との間に帰還増幅回路7を設け、受信電極3で受信した信号をこの帰還増幅回路7で増幅して、再び櫛型励振電極2に帰還することによって発振回路を構成することが提案されている。
この場合にも、上述のように、被検ガス中の水素ガスが水素吸蔵合金薄膜4と反応して発熱し、弾性表面波SAWの伝播路の温度が上昇し、そのため、弾性表面波SAWの伝播速度が変化するが、その際、位相条件が変化して発振回路の発振条件が変化し、発振周波数が変化する。この発振周波数は、発振出力端子8から出力されるが、この発振回路の出力の発振周波数の帯域は図7に示した構成のものより狭いため、出力の発振周波数変化が識別しやすい。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
而して、上記SAW(Surface Acoustic Wave:弾性表面波)デバイスを用いた水素ガスセンサでは、出力端子からの周波数、もしくは、増幅器を通しての周波数を検出している。このような手法ではガス以外の出力周波数が混在しており、故意に増幅器を通して発信回路を形成しないと周波数変化を検出しにくいという問題があった。
【0006】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、ガスセンサから出力される周波数を、増幅器を使用しすることなく、(1)バンドパスフィルタで処理し、或いは、(2)短時間フーリエ変換で処理し、或いは、(3)ウェーブレット変換で処理し、或いは、(4)複数個の弾性表面波デバイスを組み合わせ、各出力をバンドパスフィルタにて処理することを目的としてなされたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、(1)弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離するバンドパスフィルタにより、混合ガス中で監視ガスの有無を検知すること、或いは、(2)弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離する短時間フーリエ変換処理により、混合ガス中で監視ガスの有無を検知すること、或いは、(3)弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離するウェーブレット変換処理により、混合ガス中で監視ガスの有無を検知すること、或いは、(4)弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、複数個の弾性表面波デバイスの各出力を特定のガス種に対しての感度特性を分離するバンドパスフィルタにて処理した後、判別回路で監視ガスの有無を判別処理すること、更には、前記(1)乃至(4)において、(5)一酸化炭素に対するガス吸着体をポリスチレン−塩化銅(I)アルミニウム錯体としたこと、或いは、(6)エチレンに対するガス吸着体を銀(I)−ゼオライト系としたこと、或いは、(7)一酸化室素に対するガス吸着体を合成ジャロサイトMgFe3(SO4)2(OH)6、または、含水酸素化鉄(III)FeOOH、もしくは、イミノニ酢酸残基をもつキレート樹脂に固定した鉄(II)錯体としたこと、或いは、(8)酸素に対するガス吸着体を高分子−鉄(II)錯体もしくは高分子−コバルト(II)としたこと、或いは、(9)水素に対するガス吸着体を水素吸蔵合金としたことを特徴とするものである。
【0008】
【作用】
センサ部にSAWデバイスを用いて、被検ガス中のガスとガス吸着体との選択的な吸着反応によって生じる出力周波数変化をバンドパスフィルタを用いて、或いは、短時間フーリエ変換にて、或いはウェーブレット変換に検知し、もって、従来の半導体式や接触式ガスセンサのように駆動温度を数百度に上げることなくガス検出を簡便にできるようにするとともに、熱によるセンサの感度低下を少なくして長寿命化を図る。
【0009】
【実施例】
図1は、本発明の実施に使用するSAWデバイス10の概略を示す図で、図中、11はガスセンサの主要部である圧電体基板である。この基板11には結合係数が大きく、伝播速度、遅延時間温度係数、伝播損失が小さく、高周波に対し信頼性の高いものが望ましい。例えば、LiNbO3、LiTaO3等が挙げられる。12はこの圧電体基板11上に設けられた櫛型励振電極、13はこの櫛型励振電極12に対向して圧電体基板11上に設けられた櫛型受信電極である。14はこれらの櫛型電極12,13に挟まれたガス吸着体で、やはり圧電体基板11上に設けられている。例えば、一酸化窒素の吸着体はイミノ二酢酸残基に鉄(II)を担持させる。ただし、鉄(II)イオンを固定化した後乾燥する前に上澄みを除去し、樹脂部をエタノールで洗浄して調整しなくては、一酸化窒素を吸着しない。
【0010】
以上のようなデバイスを一酸化窒素1ccm、水素2ccmの雰囲気中に投入し、入力端子15に高周波fを印加すると、圧電体表面には弾性表面波fが伝播する。ガス吸着体14は一酸化窒素を吸着するために質量が増大し、弾性表面波の伝播速度が変化することにより、出力端子16の高周波出力の周波数が変化する(Δfλ=Δv)、一方、このデバイスを水素1ccmの雰囲気中に置いても、ガス吸着体14が水素と反応しないため、出力端子16の高周波周波数は変化しない。
【0011】
なお、ガス吸着体として、例えば、一酸化炭素に対するガス吸着体としては、ポリスチレン−塩化銅(I)アルミニウム錯体を用い、エチレンに対するガス吸着体としては、銀(I)−ゼオライト系を用い、一酸化窒素に対するガス吸着体としては、合成ジャロサイトMgFe3(SO4)2(OH)6、または、含水酸化鉄(III)FeOOH、もしくは、イミノ二酢酸残基をもつキレート樹脂に固定した鉄(II)錯体を用い、酸素に対するガス吸着体としては、高分子−鉄(II)錯体もしくは高分子−コバルト(II)錯体を用い、水素に対するガス吸着体としては、水素吸蔵合金を用いる。
【0012】
実施例1(請求項1に対応)
図2は、本発明の第1の実施例(請求項1に対応)、すなわち、弾性表面波を伝播させる圧電体基板11上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極12とその電極12から上記圧電体基板11表面を伝播してくる弾性表面波SAWを受信する櫛型受信電極13とを有し、これら両電極間12,13の上記圧電基板11表面の少なくとも一部をガス吸着体14で被覆してなるSAWデバイス10において、前記受信電極13の出力をバンドパスフィルタ17で処理し、SAWデバイス10が複数個(101〜10n)の場合は各SAWデバイスの出力を1つにまとめたのちバンドパスフィルタ(BPF)17で処理するようにしたものである。
【0013】
而して、この実施例1では、それぞれのSAWデバイス101〜10nは、一酸化炭素、一酸化窒素、酸素、水素に対し選択的に感度を有する。1つにまとめた出力周波数をバンドパスフィルタ17にてある決められた周波数帯域のみを検出することで、監視ガス(この場合は、一酸化炭素、一酸化窒素、酸素、水素)の検出が出来る。但し、各ガスがSAWデバイスに吸着した時の出力周波数帯域が該BPF17に対応する帯域に適するようなSAWデバイスでなくてはならない。
【0014】
実施例2(請求項2に対応)
図3は、本発明の第2の実施例(請求項2に対応)、すなわち、弾性表面波を伝播させる圧電体基板11上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極12とその電極12から上記圧電体基板11表面を伝播してくる弾性表面波SAWを受信する櫛型受信電極13とを有し、これら両電極間12,13の上記圧電基板11表面の少なくとも一部をガス吸着体14で被覆してなるSAWデバイス10において、前記受信電極13の出力を短時間フーリエ変換器18にて処理し、SAWデバイス10が複数個(101〜10n)の場合は、各SAWデバイスの出力を1つにまとめたのち短時間フーリエ変換器18で処理するようにしたものである。
【0015】
而して、この実施例2では、それぞれのデバイス101〜10nは、一酸化炭素、エチレン、一酸化窒素、酸素、水素に対し選択的に感度を有する。1つにまとめた出力周波数を短時間フーリエ変換器18にて周波数分析を行うことで、周波数変化が検出され、ガス種の同定が出来る。このように、フーリエ変換では周期関数(正弦波)を基本関数としてデータを展開し、周波数分析を行うので、ノイズ等が含まれていても従来のように増幅器を使わずに、周波数成分とその強度を分離することで、ガス検知が正確に出来る。また、前記実施例1バンドパスフフィルタのように周波数帯域が限定されず、あらゆる帯域の分析が可能である。
【0016】
実施例3(請求項3に対応)
図4は、本発明の第3の実施例(請求項3に対応)、すなわち、弾性表面波を伝播させる圧電体基板11上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極12とその電極12から上記圧電体基板11表面を伝播してくる弾性表面波SAWを受信する櫛型受信電極13とを有し、これら両電極間12,13の上記圧電基板11表面の少なくとも一部をガス吸着体14で被覆してなるSAWデバイス10において、前記受信電極13の出力をウェーブレット変換器19にて処理し、SAWデバイス10が複数個(101〜10n)の場合は各SAWデバイスの出力を1つにまとめたのちウェーブレット変換器19で処理するようにしたものである。
【0017】
而して、この実施例3によると、それぞれのデバイス101〜10nは一酸化炭素、エチレン、一酸化窒素に対し選択的に感度を有する。1つにまとめた出力周波数をウォーブレット変換器19で時間周波数分析を行うことで、各時間における周波数変化が検出され、ガス種が何時に発生したかがわかる。
この実施例のように、ウェーブレット変換を用いる方式では、図5にフーリエ変換(a)とウェーブレット変換(b)を比較して示すように、基本関数に時間的・周波数的に局在する関数を使用するため、周波数を解析する際に基本関数を時間軸に沿って拡大することで低周波成分を縮小して高周波成分を検出することができ、変化を起こった時間や位置は基本関数を時間軸に平行移動することで解析することができる。従来の方法やバンドパスフィルタ、フーリエ変換では周波数の時間的推移を分析することは不可能であったが、このウェーブレット変換を用いることにより、出力信号の時間周波分析が可能になり、短時間フーリエ変換と比較して、時間分解能と周波数分解を析衷することが出来る。また、出力される波形の中の不連続波形を検出する能力が高いという特徴をもつために、フーリエ変換では出来なかった突発的な異常信号の除去を可能である。
【0018】
実施例4(請求項4に対応)
図6は、本発明の第4の実施例(請求項4に対応)、すなわち、弾性表面波を伝播させる圧電体基板11上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極12とその電極12から上記圧電体基板11表面を伝播してくる弾性表面波SAWを受信する櫛型受信電極13とを設けると共に、これら両電極間12,13の上記圧電基板11表面の少なくとも一部をガス吸着体14を被覆してなるSAWデバイス10において、複数個のSAWデバイス(101〜10n)を組合せ、各出力をバンドパスフィルタ211〜21nにて処理した後、OR回路22を通して判別処理するようにしたものである。
【0019】
而して、この実施例4によると、それぞれのデバイス101〜10nは、一酸化炭素、エチレン、一酸化窒素、酸素、水素に対し選択的に感度を有する。バンドパスフィルタ211〜21nからの出力を1つにまとめ、判別処理にOR回路22を用いることで、監視ガス(この場合は、一酸化炭素、エチレン、一酸化窒素、酸素、水素)の検出が出来る。
【0020】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、センサ部にSAWデバイスを用いることにより、被検ガス中のガスとガス吸着体との選択的な吸着反応によって生じる出力周波数変化で検知することが出来るため、従来の半導体式や接触式ガスセンサのように駆動温度を数百度に上げることなく検出が可能となり、熱によるセンサの感度低下が少ないために長寿命化が図れる。また、SAWデバイスのそれぞれのガス種に対応した吸着体にすることにより、それぞれ固有のガス種が検出できる。
請求項1,4に対応する効果:出力周波数をバンドパスフィルタを用いることにより、ある決められた周波数帯域を簡単に取り出せ、ガスを選択的に検出出来る。また、請求項4では、各ガスを選択的に吸着するガス吸着体をもつSAWデバイスを組み合わせ、バンドパスフィルタで検出した出力を判別回路で処理することにより、監視ガスの有無を簡便に、かつ明確に出来る。
請求項2に対応する効果:出力周波数を短時間フーリエ変換処理することにより、周波数分解が出来る。設置環境が安定したところにおいては、周波数変動が大きくないので、固有の周期で取り込む、本処理方法が簡便で有効である。また、ガスを選択的に吸着するガス吸着体をもつSAWデバイスを組み合わせることにより、混合ガス中の検出が簡便に出来る。
請求項3に対応する効果:出力周波数をウェーブレット変換で時間周波数分析することにより、ノイズ等の異常波形と分離出来、より信頼性が高く、しかもセンサ出力の時間的推移が見られる。また、各ガスを選択的に吸着するガス吸着体をもつSAWデバイスを組み合わせ、混合ガス中の検出が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用されるSAWデバイスの一例を説明するための斜視図である。
【図2】本発明の第1の実施例を説明するための要部構成図である。
【図3】本発明の第2の実施例を説明するための要部構成図である。
【図4】本発明の第3の実施例を説明するための要部構成図である。
【図5】フーリエ変換とウェーブレット変換の例を示す図である。
【図6】本発明の第4の実施例を説明するための要部構成図である。
【図7】従来のSAWデバイスの一例を説明するための斜視図である。
【図8】従来のSAWデバイスの一例を説明するための図である。
【符号の説明】
10,101〜10n…SAWデバイス、11…圧電体基板、12…励振電極、13…受信電極、14…ガス吸着体、15…入力端子、16…出力端子、17…バンドパスフィルタ、18…短時間フーリエ変換器、19…ウェーブレット変換器、211〜21n…バンドパスフィルタ、22…OR回路。
Claims (4)
- 弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、
前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離するバンドパスフィルタにより、混合ガス中で監視ガスの有無を検知することを特徴としたガスセンサシステム。 - 弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、
前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離する短時間フーリエ変換処理により、混合ガス中で監視ガスの有無を検知することを特徴としたガスセンサシステム。 - 弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、
前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離するウェーブレット変換処理により、混合ガス中で監視ガスの有無を検知することを特徴としたガスセンサシステム。 - 弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、
複数個の弾性表面波デバイスの各出力を特定のガス種に対しての感度特性を分離するバンドパスフィルタにて処理した後、判別回路で監視ガスの有無を判別処理することを特徴としたガスセンサシステム。
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