JP3670674B2 - ガス検出方法及びガス検知装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、低温活性のガスを検知するガス検知方法及びガス検知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来金属酸化物半導体からなるガスセンサを用いてガス検知を行うものとしては特公昭５３−４３３２０号や、実公平２−２０６８２号に示されるようなものがある。これら従来例は、ガスセンサに内蔵してあるヒータの印加電圧を高くする期間と、低くする期間とを交互に一定周期で切換えて高温状態と低温状態とを交互に設定し、高温状態で半導体膜面に付着した吸着ガスを取り除くクリーニングを行い、低温側でガス検知を行うようにしたものである。
【０００３】
この場合の検知対象ガスは、いずれも低温で感度ピークを持つガスであり、例えば一般にＳｎＯ2等の半導体ガスセンサを用いた場合ＣＯに対しては約８０〜１００℃付近に最大感度を有するため、後者の従来例では低温側温度をＣＯに対する感度が最大付近となるように６０℃〜１００℃に設定している。ところが、このように低い温度に設定した場合、ガスセンサのガスレスポンスは非常に遅く、そのため後者の従来例では低温状態の期間を３０〜１８０秒としている。また現在の市場では低温状態の期間を９０秒程度としたものが主に出回っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
何れにしても上記のような高温状態の期間と、低温状態の期間とを交互に設定する従来例においては高温状態の期間が６０秒程度設定されるため、低温状態の期間と併せると、９０乃至２５０秒といった長時間のデッドタイムが生じ、ＣＯのように危険性の高いガスを検知する場合には警報遅れとなり、惨事発生の恐れがあった。
【０００５】
このような問題を解消する方法は、ガスセンサの熱容量を小さくしてガスレンスポンスを早めることが必要であったが、ヒータや電極の構造上の問題により、余り熱容量の小さなものが実現できなかった。一方混合ガスにおいてガス種を弁別する方法としては特開平１−３１３７５０号のように見られるようにガス種のレスポンスの相違で行うものがあるが、しかしながらこの場合においてもガスセンサの平衡に至るまでの時間が長くなって、その結果ＣＯのように危険性の高いガスを検知する場合には警報遅れとなり、惨事発生の恐れがあった。またこの熱容量の大きい素子では短時間でクリーニングを行うための所定温度に上昇させるには高い電圧をヒータに通電しなければならないが、熱衝撃が大きくてヒータの断線等が起きるという問題があり、しかも熱容量が大きいため加熱に必要とする電力が大きくなり小容量の電池電源等を用いる携帯用のガスセンサ等には不向きであった。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは熱容量が小さく、クリーニングの加熱時間が短く済むと共に検知のための低温状態を短時間で得られ、且つ小さな電力でクリーニング期間と、検知期間の加熱が行え、しかも検知対象のガス種をクリーニング期間終了後の短い時間内で検知することができるガス検知方法及びガス検知装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明のガスセンサでは、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの内蔵ヒータに印加する電圧を高くしガスセンサのクリーニングを行う高温状態期間と、印加電圧を低くして低温で感度ピークを持つガスの検知を行う低温状態期間とを夫々の期間を固定して交互に繰り返し、低温状態期間におけるガス種のレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別することを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明のガス検知方法では、請求項１の発明において、高温状態期間、低温状態期間の印加電圧は各期間において所定周期で断続させた電圧の平均値により設定したことを特徴とする。
請求項３の発明のガス検知方法では、請求項１の発明において、検知対象ガスのレスポンス特性が非検知対象ガスのレスポンス特性より離れるように低温状態期間の長さ及び印加電圧を設定するものである。
請求項４の発明のガス検知装置では、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの検知電極の一端が直列接続される負荷抵抗の他端と、ヒータ兼用電極コイルのグランド側端との間に定電圧を印加する定電圧電源と、ガス感応金属酸化物半導体外に導出したヒータ兼用電極コイルの両端間に直流のヒータ電圧を間歇的に印加するとともに、印加期間を周期的に変化させてガスセンサの温度を周期的に変化させ夫々の期間を固定した高温状態期間と低温状態期間とを設定する温度制御手段と、ガスセンサの検知電極の電圧をガス検出信号として取り込み、低温で感度ピークを持つガス種の、低温状態期間におけるレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するガス検出手段とを備えたことを特徴とする。
請求項５の発明のガス検知装置では、請求項４の発明において、上記ガス検出手段は、ガスセンサの高温状態期間から低温状態期間、低温状態期間から高温状態期間に切り換えてからのガス感応金属酸化物半導体の抵抗値の挙動に応じて検知ガス種の弁別を行うことを特徴とする。
【００１０】
【作用】
請求項１の発明によれば、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの内蔵ヒータに印加する電圧を高くしガスセンサのクリーニングを行う高温状態期間と、印加電圧を低くして低温で感度ピークを持つガスの検知を行う低温状態期間とを夫々の期間を固定して交互に繰り返し、低温状態期間におけるガス種のレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するので、上記ガスセンサの、熱容量が小さくて熱平衡に達する時間が短く、しかも加熱冷却による熱衝撃に強い構造となるため、高温でクリーニングを行うことが可能となり、そのためクリーニングに要する加熱期間を短くでき、更に加熱期間の終了後ガス検知のための低温状態を短時間で得ることができるという特徴を生かして、低温状態の期間を長くとることなく検知対象のガスを素早く弁別検知することができ、ＣＯ等の危険性の高いガスの素早い検知等により惨事発生の回避を可能とする。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、高温状態期間、低温状態期間の印加電圧は各期間において所定周期で断続させた電圧の平均値により設定したので、熱容量が小さく且つ熱衝撃に強い請求項１のガスセンサを用いることとあいまって、小さな電力で所定の温度のクリーニングのための期間を短時間で得ることができ、そのためガス検知を行うまでの時間を短くすることができ、更に小さい電力で加熱ができるため小容量の電池電源を使用する携帯用のガス検知装置にも使用が可能となる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明において、検知対象ガスのレスポンス特性が非検知対象ガスのレスポンス特性より離れるように低温状態期間の長さ及び印加電圧を設定するので、電圧設定及び期間の長さ設定のみで簡単に所望のガスを弁別検知するガス検知装置を実現することが可能となる。
請求項４及び請求項５の発明によれば、請求項１乃至３の検知方法の特徴を生かしたガス検知装置を提供することができる。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
本実施例のガスセンサ２は、図１（ａ）（ｂ）に示すように外形形状がラクビーボール状若しくは楕円球状に形成したＳｎＯ2に貴金属触媒を加えたガス感応金属酸化物半導体２ｃ中に貴金属線（２５μφ以下）からなるヒータ兼用電極コイル２ａを埋設し、このヒータ兼用電極コイル２ａの内部に貴金属線（２５μφ以下）からなる検知電極２ｂを設けた構造のものであり、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約０．４ｍｍとするとともに、長手方向に対して直交する方向の断面の直径ｂを約０．４ｍｍとし、また電極コイル２ａの内径ｒと、ヒータ兼用電極コイル２ａの長さｌとの関係を１：１乃至４の範囲に設定したものである。
【００１５】
而して本実施例のガスセンサ２は図１（ｃ）に示すように樹脂ベース６に横一列に植設した端子７に接続してあるヒータ兼用電極コイル２ａの両端及び検知電極２ｂをワイヤボンディングにより接続することにより保持されるとともに樹脂ベース６に被着した金属製パッケージ８で被蔽され、金属製パッケージ８の上面の開口よりメッシュ９を介して金属パッケージ８内に浸入するガスと接触するようになっている。
【００１６】
（実施例２）
本実施例のガスセンサ２は、構造的には実施例１と同じであるが、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約０．６ｍｍとし、且つ長手方向に対して直交する方向の断面の直径ｂを約０．５ｍｍとしたものである。
【００１７】
（実施例３）
本実施例のガスセンサ２は、構造的には実施例１、２と同じであるが、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約０．８ｍｍとし、且つ長手方向に対して直交する方向の断面の直径ｂを約０．６５ｍｍとしたものである。
【００１８】
以上のように構成した実施例１〜３のガスセンサ２の電極コイル２ａに０．９Ｖの直流電圧を所定時間印加した後、印加電圧をオフしてそのオフ時から各ガスセンサ２の検知電極２ｂとヒータ兼用電極コイル２ａとの間の抵抗値Ｒｓの変化を各ガス種（空気（ａｉｒ）、Ｈ2 、ＣＯ）毎に測定してみたところ、図２（ａ）〜（ｃ）のような特性が得られた。
尚上記電圧印加時間は夫々のガスセンサ２の熱平衡時間の略３倍とし、実施例１，２のガスセンサ２では３秒間、実施例３のガスセンサ２では５秒間となった。
【００１９】
さて図２（ａ）（ｂ）の特性から分かるように実施例１、２のガスセンサ２は空気に対しては電圧印加のオフ直後から抵抗値Ｒｓが高抵抗値となって数秒後には最大値を示し、その後徐々に低下するが、ＣＯに対しては印加電圧のオフ直後から抵抗値Ｒｓが高抵抗値となってその後急速に低下し、６〜７秒後には空気に対して示す抵抗値Ｒｓとの比が最大となる。またＨ2に対しては印加電圧のオフから数秒経過した後最大となってその後徐々に低下し、途中２〜３秒でＣＯに対して示す抵抗値Ｒｓと逆転する。
【００２０】
また図２（ｃ）から分かるように実施例３のガスセンサ２は実施例１，２とはやや異なり空気に対しては印加電圧のオフから１〜２秒で抵抗値Ｒｓが急速に増加し、以後は徐々に増加して行き１５秒経過迄には最大値は現れてこない。またＣＯに対しては印加電圧のオフから１〜２秒で抵抗値Ｒｓが最大値に達するが、その変化は実施例１，２のガスセンサ２に比べて少なく、最大値を経過した後は徐々に低下する。またＨ2に対しては実施例１、２のガスセンサ２のように印加電圧のオフ直後の抵抗値Ｒｓの急速な増加はなく、始めから徐々に増加して行き、ＣＯに対する抵抗値Ｒｓとの逆転は略１０秒経過後に起き、実施例１、２のガスセンサ２の２秒〜３秒経過後に比べて遅い。従って実施例３のガスセンサ２の場合、Ｈ2に対する抵抗値Ｒｓは印加電圧のオフから数秒で空気に対する抵抗値Ｒｓとの比が最大となり、またＣＯに対する抵抗値Ｒｓとの差も大きく、この時点で検出すればＨ2を選択的に検知できることになる。
【００２１】
次に構造的には実施例１〜３のガスセンサ２と同じであるが、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約１．０ｍｍとして且つ長手方向に対して直交する方向の断面の直径を０．９ｍｍとしたものを比較例として作成し、上記実施例１〜３のガスセンサ２と同様な特性を測定してみたところ、約４００℃に達する迄に１０秒程度の電圧印加を必要とし、また印加電圧のオフ後の特性も図２（ｄ）に示すように従来からある、例えば後述する図３のガスセンサ２’と同様な特性となった。つまり比較例の場合、ＣＯの検知を感度良く行おうとすれば、空気に対する抵抗値Ｒｓができるだけ高抵抗値で、Ｈ2に対する抵抗値Ｒｓと逆転する時点以後ということになり、結果少なくとも印加電圧のオフから１０秒経過後の検知動作ということになり、デッドタイムが２０秒以上となる。
【００２２】
このような実験を繰り返すことにより、ヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体２ｃの外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下とすれば、所定温度まで加熱するために直流電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに印加する時間が短く、また加熱停止から低温状態で熱平衡するまでの時間が短い所望する特性のガスセンサ２が得られることが分かった。
【００２３】
更に図１に示す実施例１のガスセンサ２は０．９Ｖの直流電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに印加して熱平衡した時点で電圧印加をオフした時から室温まで低下する時間と、図３に示すようにヒータコイル２ａ’と検知電極２ｂ’とを別体にガス感応金属酸化物半導体２ｃに埋設した従来構造のガスセンサ２’のヒータコイル２ａ’に約１．２Ｖの電圧を印加して熱平衡した時点で電圧印加をオフしたときから室温まで低下する時間とを測定したところ図４に示すような結果（イ）、（ロ）が得られた。この結果（イ）、（ロ）から図４の従来例構造に比べて加熱時、冷却時における熱平衡に要する時間が実施例１の場合極めて短いことが分かった。
【００２４】
尚上記実施例１乃至３について６５０℃に加熱する電圧を３秒間印加し、略室温に戻るまでに要する略７秒間電圧の印加を停止することにより加熱冷却の熱衝撃実験を繰り返したところ、１３０万回以上の繰り返しでも何等トラブルが生じなかった。上記実施例１乃至３で示された請求項１の発明に対応するガスセンサ２は、加熱を終了した後熱平衡するまでに各種ガスに対する相対的な感度差が大きい点に特徴があり、この点に注目し、ガス種のレスポンス特性の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するようにしたものが請求項２乃至４記載のガス検知方法にかかわる発明であり、以下これら発明の実施例について説明する。
【００２５】
（実施例４）
本実施例では、図９に示す回路を用いて実施例１におけるガスセンサ２の温度が約４００℃となるように図８に示す如く０．９Ｖの直流電圧ＶHをガスセンサ２の内蔵ヒータ兼用電極コイル２ａに３秒間印加した後に、０．２Ｖの直流電圧ＶHに切り換えて約６０℃の温度となるように設定した時の、空気及びＨ2、Ｃ2Ｈ5ＯＨ、ＣＯの一定量（１００ｐｍｍ）の各種ガスに対するガスセンサ２の抵抗値Ｒｓ変化を測定してみたところ、図１０に示すようにガスセンサ２の空気に対する抵抗値変化は（イ）、Ｈ2に対する抵抗値変化は（ロ）、Ｃ2Ｈ5ＯＨに対する抵抗値変化は（ハ）、ＣＯに対する抵抗値変化は（ニ）のようになった。この測定結果から低温状態に切り換えた時点から数秒乃至十数秒迄のレスポンス変化は夫々のガス特有の変化が見られることが分かった。
【００２６】
そして高温状態（４００℃）の期間（３秒間）と、低温状態（６０℃）の期間（７秒）とを交互に繰り返して空気、Ｈ2（１００ｐｍｍ）、ＣＯ（１００ｐｍｍ）、Ｈ2Ｓ（１００ｐｍｍ）、Ｈ2（１０００ｐｍｍ）、ＣＯ（１０００ｐｍｍ）、Ｈ2Ｓ（１０００ｐｍｍ）の場合についてガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａのグランド側端と検知電極２ｂ間の両端電圧を測定してみたところ図１１（ａ）乃至（ｇ）に示すような結果が得られ、この結果からレスポンスパターンの再現性が良好であることが確認できた。
【００２７】
また空気、ＣＯ（１０００ｐｐｍ）、Ｈ2Ｓ（１０ｐｐｍ）、ＮＯ2 （１０ｐｐｍ）、ＣＨ4（１０００ｐｐｍ）、Ｃ2Ｈ5ＯＨ（１０００ｐｐｍ）を検知する場合のガスセンサ２の温度とガスセンサ２の抵抗値Ｒｓの関係を測定したものが図１２である。測定方法は各々の温度で抵抗値Ｒｓが安定するまで待って測定したもので、低温では空気の場合３０分後に、その他のガス場合各々５分後に、中高温では２分後に夫々測定したものである。
【００２８】
この図１２からＨ2Ｓ、ＣＯ等のガスは低温度側に感度ピークが存在し、また各ガスによって感度ピークを示す温度の異なっていることが分かる。しかし低温に感度ピークを有するガスを検出する場合、平衡状態に達してから測定すると、レスポンスが遅く長時間かかるため実用的でない。ところが、実施例４の場合、図１１に示したように高温状態から低温状態に切り換えた時のレスポンス変化は図２に示したオフ時のレスポンス変化に近く、図１２の温度変化とは必ずしも一致しないが、この両者が組み合わされてガス特有の特性を発現することが判明した。
【００２９】
従って、高温状態下での温度、時間、低温状態下での温度、時間を適宜に選ぶことにより、簡単にガス弁別が行える上に、短時間で検知対象ガスを検知することができる。図５は上記結果に基づいて実現したガス検知装置の一例を示しており、この装置では、交流電源電圧を一定の直流電圧Ｖｃｃに定電圧回路１で変換したのち、この直流電圧Ｖｃｃをスイッチング素子たるトランジスタＱとガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａとの直列回路に印加するとともに、負荷抵抗Ｒとガスセンサ２との直列回路に印加し、更にガスセンサ２の検知状態の監視とヒータ兼用電極コイル２ａに印加する電圧ＶHのスイッチング制御とを行う信号処理部３に印加している。
【００３０】
信号処理部３はタイマ３２と、ガスセンサ２の温度が高温状態となる期間とガスセンサ２の温度が低温状態となる期間とをタイマ３２の計時出力により交互に設定し且つ高温状態期間でのトランジスタＱのオンデュティと低温状態期間でのトランジスタＱのオンデュティとを駆動回路３３を通じて制御する機能及び低温状態期間の所定タイミングで取り込んだガスセンサ２の電圧値と予め設定してある基準値とから汚染度を判定するとともに汚染度と予め設定してある警報動作閾値とを比較して汚染度が警報動作閾値を越えたときに警報制御出力回路３７を通じて外部に警報信号を出力する機能を備えた演算制御回路３４と、負荷抵抗Ｒの両端電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路３１と、デジタル変換された負荷抵抗Ｒの両端電圧値を再度Ｄ／Ａ変換してアナログ出力として外部に出力するＤ／Ａ変換回路３５と、上記基準値や警報動作閾値を格納するメモリ２６と、実際には１チップのマイクロコンピュータにより構成される。
【００３１】
警報信号は外付けのブザー３の駆動制御や警報表示用の発光素子ＬＥＤの駆動制御等に用いられ、また換気装置等の外部機器の制御のための接点出力となる。信号処理部３の外付け回路として設けた温度補償回路４はＡ／Ｄ変換される負荷抵抗Ｒの両端電圧をガスセンサ２の温度特性に対応して補正し、温度の影響を無くすためのものである。
【００３２】
而して検知対象ガスをＣＯとした場合、所定量のＣＯに対応してガスセンサ２が示す抵抗値Ｒｓが最小値付近となり且つ非検知対象ガスを検知した時に示すガスセンサ２の抵抗値Ｒｓからかけ離れるガスセンサ２の温度を図１０の温度−抵抗値特性から求めて、高温状態期間の長さ及び低温状態期間の長さと各期間におけるトランジスタＱのオンデュティを定めて、演算制御回路２４の動作プログラムにセットしておく。
【００３３】
ここでは実際には高温状態期間では、約０．９Ｖの電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに連続的に印加した場合と同じ温度（約４００℃）でガスセンサ２を加熱することができるように、図６（ａ）の如くオンデュティが０．４ｍｓｅｃで周期が１０ｍｓｅｃのパルス信号でトランジスタＱをオンオフしてヒータ兼用電極コイル２ａの印加電力の平均値が電圧換算で約０．９Ｖになるようにし、且つその期間を３秒としてある。
【００３４】
また低温状態期間では、約０．２Ｖの電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに連続的に印加した場合と同じ温度（約６０℃）でガスセンサ２を加熱することができるように、図６（ｂ）の如くオンデュティが０．０３ｍｓｅｃで周期が１０ｍｓｅｃのパルス信号でトランジスタＱをオンオフしてヒータ兼用電極コイル２ａの印加電力の平均値が電圧換算で約０．２Ｖになるようにし、且つその期間を７秒としてある。
【００３５】
かように構成された図５の装置では、高温状態期間と低温状態期間とが交互に切り換えられ、低温状態期間において、ガスセンサ２の温度がＣＯの感度ピークになる時点、つまり約７秒後に演算制御回路３４がＡ／Ｄ変換した負荷抵抗Ｒの両端電圧を取り込み汚染度を判定するとともに警報動作閾値と比較し、警報動作閾値を越えている場合には警報信号を出力するのである。
【００３６】
このようにして検知対象ガスに応じて低温状態期間の長さとトランジスタＱのオンデュティの長さを設定することにより、短時間で且つ確実に検知対象ガスを検知することができるのである。
（実施例５）
上記実施例４に用いる装置はガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａに印加する電圧をスイッチング制御により設定しているが、連続制御により設定するようにしても良い。
【００３７】
図７はこの連続制御を行う装置の回路を示しており、この装置では定電圧回路１の出力端間にヒータ兼用電極コイル２ａと直列制御用のトランジスタＱ2との直列回路を接続し、トランジスタＱ2の基準電圧を決めるオペアンプＯＰの非反転入力端の電圧値をトランジスタＱ1のオン／オフで切り換えてトランジスタＱ2の基準電圧を２段階に切り換えるようになっている。
【００３８】
トランジスタＱ1のオン／オフ制御は演算制御部３４から駆動回路３３を介して出力される制御信号により行われ、トランジスタＱ1をオンする期間とオフ期間は高温状態期間と低温状態期間に対応しており、その設定はタイマ３２の計時出力に基づいて行なわれる。
而して図７の装置においても検知対象ガスがＣＯの場合には図８に示すように高温状態期間を３秒とするとともにヒータ兼用電極コイル２ａの印加電圧を約０．９Ｖとし、低温状態期間を７秒とするとともにヒータ兼用電極コイル２ａの印加電圧を約０．２Ｖとすれば、他のガスと弁別して短時間で検知することができることになる。
【００３９】
また夫々の期間と印加電圧を設定することにより、他のガスの検知も行えるのは言うまでもない。尚上記各装置は検知対象ガスを一種としているが、ガス種によってレスポンスのパターンが異なっていることを利用し、予め各ガスに対するガスセンサ２の抵抗値Ｒｓレスポンスパターンを記憶しておき、低温状態期間に切り換わった時に呈するガスセンサ２の抵抗値変化と比較することによりガス弁別と検知を行うようにすれば、多種のガスに１台の装置で対応させることができる。
【００４０】
またガスセンサ２に熱時定数の小さい素子を用いれば検知時間をより短くすることができる。またＦｅ2Ｏ3，ＺｎＯ2系のガスセンサ２を使用しても良い。更に耐久性から言えばヒータ兼用電極コイル２ａと電極を半導体チップ内に埋め込んだ一体構造型のものが望ましいが平板積層型のガスセンサ２を使用しても良い。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの内蔵ヒータに印加する電圧を高くしガスセンサのクリーニングを行う高温状態期間と、印加電圧を低くして低温で感度ピークを持つガスの検知を行う低温状態期間とを夫々の期間を固定して交互に繰り返し、低温状態期間におけるガス種のレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するので、上記ガスセンサの、熱容量が小さくて熱平衡に達する時間が短く、しかも加熱冷却による熱衝撃に強い構造となるため、高温でクリーニングを行うことが可能となり、そのためクリーニングに要する加熱期間を短くでき、更に加熱期間の終了後ガス検知のための低温状態を短時間で得ることができるという特徴を生かして、低温状態の期間を長くとることなく検知対象のガスを素早く弁別検知することができるという効果がある。
【００４３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、高温状態期間、低温状態期間の印加電圧は各期間において所定周期で断続させた電圧の平均値により設定したので、熱容量が小さく且つ熱衝撃に強い請求項１のガスセンサを用いることとあいまって、小さな電力で所定の温度のクリーニングのための期間を短時間で得ることができ、そのためガス検知を行うまでの時間を短くすることができ、更に小さい電力で加熱ができるため小容量の電池電源を使用する携帯用のガス検知装置にも使用が可能となるという効果がある。
【００４４】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、検知対象ガスのレスポンス特性が非検知対象ガスのレスポンス特性より離れるように低温状態期間の長さ及び印加電圧を設定するので、電圧設定及び期間の長さ設定のみで簡単に所望のガスを弁別検知するガス検知装置を実現することが可能となるという効果がある。
請求項４の発明は、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの検知電極の一端が直列接続される負荷抵抗の他端と、ヒータ兼用電極コイルのグランド側端との間に定電圧を印加する定電圧電源と、ガス感応金属酸化物半導体外に導出したヒータ兼用電極コイルの両端間に直流のヒータ電圧を間歇的に印加するとともに、印加期間を周期的に変化させてガスセンサの温度を周期的に変化させ夫々の期間を固定した高温状態期間と低温状態期間とを設定する温度制御手段と、ガスセンサの検知電極の電圧をガス検出信号として取り込み、低温で感度ピークを持つガス種の、低温状態期間におけるレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するガス検出手段とを備えたので、熱容量が小さく且つ熱衝撃に強い上記ガスセンサを用いることとあいまって、小さな電力で所定の温度のクリーニングのための期間を短時間で得ることができ、そのため低温状態の期間を長くとることなく検知対象のガスを素早く弁別検知することができ、更に小さい電力で加熱ができるため小容量の電池電源を使用する携帯用のガス検知装置を提供することも可能となるという効果がある。
請求項５の発明のガス検知装置では、請求項４の発明において、上記ガス検出手段は、ガスセンサの高温状態期間から低温状態期間、低温状態期間から高温状態期間に切り換えてからのガス感応金属酸化物半導体の抵抗値の挙動に応じて検知ガス種の弁別を行うので、電圧設定及び期間の長さ設定のみで簡単に所望のガスを弁別検知するガス検知装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は請求項１の発明の各実施例１〜３に対応するガスセンサの概略構成図である。
（ｂ）は同上のヒータ兼用電極コイルと検知電極の概略構成図である。
（ｃ）は同上の外観斜視図である。
【図２】同上の各実施例１〜３の抵抗値変化の測定説明図である。
【図３】同上の実施例と比較する従来例の概略構成図である。
【図４】同上の実施例と同上従来例の熱平衡の比較説明図である。
【図５】請求項２の発明に対応する実施例４のガス検知方法を用いたガス検知装置の回路構成図である。
【図６】同上のガスセンサのヒータの電圧制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図７】請求項３の発明に対応する実施例５のガス検知方法を用いた別のガス検知装置の回路構成図である。
【図８】同上のガスセンサのヒータの電圧制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】本発明の原理説明用のレスポンス測定用の回路図である。
【図１０】同上で測定して得られた各種ガスのレスポンスパターン図である。
【図１１】同上で測定して得られた各種ガスのレスポンスの再現性の説明図である。
【図１２】各ガスに対応するガスセンサの温度と抵抗値との関係説明図である。
【符号の説明】
２ ガスセンサ
２ａヒータ兼用電極コイル
２ｂ 検知電極
２ｃ ガス感応金属酸化物半導体
【産業上の利用分野】
本発明は、低温活性のガスを検知するガス検知方法及びガス検知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来金属酸化物半導体からなるガスセンサを用いてガス検知を行うものとしては特公昭５３−４３３２０号や、実公平２−２０６８２号に示されるようなものがある。これら従来例は、ガスセンサに内蔵してあるヒータの印加電圧を高くする期間と、低くする期間とを交互に一定周期で切換えて高温状態と低温状態とを交互に設定し、高温状態で半導体膜面に付着した吸着ガスを取り除くクリーニングを行い、低温側でガス検知を行うようにしたものである。
【０００３】
この場合の検知対象ガスは、いずれも低温で感度ピークを持つガスであり、例えば一般にＳｎＯ2等の半導体ガスセンサを用いた場合ＣＯに対しては約８０〜１００℃付近に最大感度を有するため、後者の従来例では低温側温度をＣＯに対する感度が最大付近となるように６０℃〜１００℃に設定している。ところが、このように低い温度に設定した場合、ガスセンサのガスレスポンスは非常に遅く、そのため後者の従来例では低温状態の期間を３０〜１８０秒としている。また現在の市場では低温状態の期間を９０秒程度としたものが主に出回っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
何れにしても上記のような高温状態の期間と、低温状態の期間とを交互に設定する従来例においては高温状態の期間が６０秒程度設定されるため、低温状態の期間と併せると、９０乃至２５０秒といった長時間のデッドタイムが生じ、ＣＯのように危険性の高いガスを検知する場合には警報遅れとなり、惨事発生の恐れがあった。
【０００５】
このような問題を解消する方法は、ガスセンサの熱容量を小さくしてガスレンスポンスを早めることが必要であったが、ヒータや電極の構造上の問題により、余り熱容量の小さなものが実現できなかった。一方混合ガスにおいてガス種を弁別する方法としては特開平１−３１３７５０号のように見られるようにガス種のレスポンスの相違で行うものがあるが、しかしながらこの場合においてもガスセンサの平衡に至るまでの時間が長くなって、その結果ＣＯのように危険性の高いガスを検知する場合には警報遅れとなり、惨事発生の恐れがあった。またこの熱容量の大きい素子では短時間でクリーニングを行うための所定温度に上昇させるには高い電圧をヒータに通電しなければならないが、熱衝撃が大きくてヒータの断線等が起きるという問題があり、しかも熱容量が大きいため加熱に必要とする電力が大きくなり小容量の電池電源等を用いる携帯用のガスセンサ等には不向きであった。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは熱容量が小さく、クリーニングの加熱時間が短く済むと共に検知のための低温状態を短時間で得られ、且つ小さな電力でクリーニング期間と、検知期間の加熱が行え、しかも検知対象のガス種をクリーニング期間終了後の短い時間内で検知することができるガス検知方法及びガス検知装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明のガスセンサでは、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの内蔵ヒータに印加する電圧を高くしガスセンサのクリーニングを行う高温状態期間と、印加電圧を低くして低温で感度ピークを持つガスの検知を行う低温状態期間とを夫々の期間を固定して交互に繰り返し、低温状態期間におけるガス種のレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別することを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明のガス検知方法では、請求項１の発明において、高温状態期間、低温状態期間の印加電圧は各期間において所定周期で断続させた電圧の平均値により設定したことを特徴とする。
請求項３の発明のガス検知方法では、請求項１の発明において、検知対象ガスのレスポンス特性が非検知対象ガスのレスポンス特性より離れるように低温状態期間の長さ及び印加電圧を設定するものである。
請求項４の発明のガス検知装置では、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの検知電極の一端が直列接続される負荷抵抗の他端と、ヒータ兼用電極コイルのグランド側端との間に定電圧を印加する定電圧電源と、ガス感応金属酸化物半導体外に導出したヒータ兼用電極コイルの両端間に直流のヒータ電圧を間歇的に印加するとともに、印加期間を周期的に変化させてガスセンサの温度を周期的に変化させ夫々の期間を固定した高温状態期間と低温状態期間とを設定する温度制御手段と、ガスセンサの検知電極の電圧をガス検出信号として取り込み、低温で感度ピークを持つガス種の、低温状態期間におけるレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するガス検出手段とを備えたことを特徴とする。
請求項５の発明のガス検知装置では、請求項４の発明において、上記ガス検出手段は、ガスセンサの高温状態期間から低温状態期間、低温状態期間から高温状態期間に切り換えてからのガス感応金属酸化物半導体の抵抗値の挙動に応じて検知ガス種の弁別を行うことを特徴とする。
【００１０】
【作用】
請求項１の発明によれば、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの内蔵ヒータに印加する電圧を高くしガスセンサのクリーニングを行う高温状態期間と、印加電圧を低くして低温で感度ピークを持つガスの検知を行う低温状態期間とを夫々の期間を固定して交互に繰り返し、低温状態期間におけるガス種のレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するので、上記ガスセンサの、熱容量が小さくて熱平衡に達する時間が短く、しかも加熱冷却による熱衝撃に強い構造となるため、高温でクリーニングを行うことが可能となり、そのためクリーニングに要する加熱期間を短くでき、更に加熱期間の終了後ガス検知のための低温状態を短時間で得ることができるという特徴を生かして、低温状態の期間を長くとることなく検知対象のガスを素早く弁別検知することができ、ＣＯ等の危険性の高いガスの素早い検知等により惨事発生の回避を可能とする。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、高温状態期間、低温状態期間の印加電圧は各期間において所定周期で断続させた電圧の平均値により設定したので、熱容量が小さく且つ熱衝撃に強い請求項１のガスセンサを用いることとあいまって、小さな電力で所定の温度のクリーニングのための期間を短時間で得ることができ、そのためガス検知を行うまでの時間を短くすることができ、更に小さい電力で加熱ができるため小容量の電池電源を使用する携帯用のガス検知装置にも使用が可能となる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明において、検知対象ガスのレスポンス特性が非検知対象ガスのレスポンス特性より離れるように低温状態期間の長さ及び印加電圧を設定するので、電圧設定及び期間の長さ設定のみで簡単に所望のガスを弁別検知するガス検知装置を実現することが可能となる。
請求項４及び請求項５の発明によれば、請求項１乃至３の検知方法の特徴を生かしたガス検知装置を提供することができる。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
本実施例のガスセンサ２は、図１（ａ）（ｂ）に示すように外形形状がラクビーボール状若しくは楕円球状に形成したＳｎＯ2に貴金属触媒を加えたガス感応金属酸化物半導体２ｃ中に貴金属線（２５μφ以下）からなるヒータ兼用電極コイル２ａを埋設し、このヒータ兼用電極コイル２ａの内部に貴金属線（２５μφ以下）からなる検知電極２ｂを設けた構造のものであり、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約０．４ｍｍとするとともに、長手方向に対して直交する方向の断面の直径ｂを約０．４ｍｍとし、また電極コイル２ａの内径ｒと、ヒータ兼用電極コイル２ａの長さｌとの関係を１：１乃至４の範囲に設定したものである。
【００１５】
而して本実施例のガスセンサ２は図１（ｃ）に示すように樹脂ベース６に横一列に植設した端子７に接続してあるヒータ兼用電極コイル２ａの両端及び検知電極２ｂをワイヤボンディングにより接続することにより保持されるとともに樹脂ベース６に被着した金属製パッケージ８で被蔽され、金属製パッケージ８の上面の開口よりメッシュ９を介して金属パッケージ８内に浸入するガスと接触するようになっている。
【００１６】
（実施例２）
本実施例のガスセンサ２は、構造的には実施例１と同じであるが、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約０．６ｍｍとし、且つ長手方向に対して直交する方向の断面の直径ｂを約０．５ｍｍとしたものである。
【００１７】
（実施例３）
本実施例のガスセンサ２は、構造的には実施例１、２と同じであるが、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約０．８ｍｍとし、且つ長手方向に対して直交する方向の断面の直径ｂを約０．６５ｍｍとしたものである。
【００１８】
以上のように構成した実施例１〜３のガスセンサ２の電極コイル２ａに０．９Ｖの直流電圧を所定時間印加した後、印加電圧をオフしてそのオフ時から各ガスセンサ２の検知電極２ｂとヒータ兼用電極コイル２ａとの間の抵抗値Ｒｓの変化を各ガス種（空気（ａｉｒ）、Ｈ2 、ＣＯ）毎に測定してみたところ、図２（ａ）〜（ｃ）のような特性が得られた。
尚上記電圧印加時間は夫々のガスセンサ２の熱平衡時間の略３倍とし、実施例１，２のガスセンサ２では３秒間、実施例３のガスセンサ２では５秒間となった。
【００１９】
さて図２（ａ）（ｂ）の特性から分かるように実施例１、２のガスセンサ２は空気に対しては電圧印加のオフ直後から抵抗値Ｒｓが高抵抗値となって数秒後には最大値を示し、その後徐々に低下するが、ＣＯに対しては印加電圧のオフ直後から抵抗値Ｒｓが高抵抗値となってその後急速に低下し、６〜７秒後には空気に対して示す抵抗値Ｒｓとの比が最大となる。またＨ2に対しては印加電圧のオフから数秒経過した後最大となってその後徐々に低下し、途中２〜３秒でＣＯに対して示す抵抗値Ｒｓと逆転する。
【００２０】
また図２（ｃ）から分かるように実施例３のガスセンサ２は実施例１，２とはやや異なり空気に対しては印加電圧のオフから１〜２秒で抵抗値Ｒｓが急速に増加し、以後は徐々に増加して行き１５秒経過迄には最大値は現れてこない。またＣＯに対しては印加電圧のオフから１〜２秒で抵抗値Ｒｓが最大値に達するが、その変化は実施例１，２のガスセンサ２に比べて少なく、最大値を経過した後は徐々に低下する。またＨ2に対しては実施例１、２のガスセンサ２のように印加電圧のオフ直後の抵抗値Ｒｓの急速な増加はなく、始めから徐々に増加して行き、ＣＯに対する抵抗値Ｒｓとの逆転は略１０秒経過後に起き、実施例１、２のガスセンサ２の２秒〜３秒経過後に比べて遅い。従って実施例３のガスセンサ２の場合、Ｈ2に対する抵抗値Ｒｓは印加電圧のオフから数秒で空気に対する抵抗値Ｒｓとの比が最大となり、またＣＯに対する抵抗値Ｒｓとの差も大きく、この時点で検出すればＨ2を選択的に検知できることになる。
【００２１】
次に構造的には実施例１〜３のガスセンサ２と同じであるが、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約１．０ｍｍとして且つ長手方向に対して直交する方向の断面の直径を０．９ｍｍとしたものを比較例として作成し、上記実施例１〜３のガスセンサ２と同様な特性を測定してみたところ、約４００℃に達する迄に１０秒程度の電圧印加を必要とし、また印加電圧のオフ後の特性も図２（ｄ）に示すように従来からある、例えば後述する図３のガスセンサ２’と同様な特性となった。つまり比較例の場合、ＣＯの検知を感度良く行おうとすれば、空気に対する抵抗値Ｒｓができるだけ高抵抗値で、Ｈ2に対する抵抗値Ｒｓと逆転する時点以後ということになり、結果少なくとも印加電圧のオフから１０秒経過後の検知動作ということになり、デッドタイムが２０秒以上となる。
【００２２】
このような実験を繰り返すことにより、ヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体２ｃの外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下とすれば、所定温度まで加熱するために直流電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに印加する時間が短く、また加熱停止から低温状態で熱平衡するまでの時間が短い所望する特性のガスセンサ２が得られることが分かった。
【００２３】
更に図１に示す実施例１のガスセンサ２は０．９Ｖの直流電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに印加して熱平衡した時点で電圧印加をオフした時から室温まで低下する時間と、図３に示すようにヒータコイル２ａ’と検知電極２ｂ’とを別体にガス感応金属酸化物半導体２ｃに埋設した従来構造のガスセンサ２’のヒータコイル２ａ’に約１．２Ｖの電圧を印加して熱平衡した時点で電圧印加をオフしたときから室温まで低下する時間とを測定したところ図４に示すような結果（イ）、（ロ）が得られた。この結果（イ）、（ロ）から図４の従来例構造に比べて加熱時、冷却時における熱平衡に要する時間が実施例１の場合極めて短いことが分かった。
【００２４】
尚上記実施例１乃至３について６５０℃に加熱する電圧を３秒間印加し、略室温に戻るまでに要する略７秒間電圧の印加を停止することにより加熱冷却の熱衝撃実験を繰り返したところ、１３０万回以上の繰り返しでも何等トラブルが生じなかった。上記実施例１乃至３で示された請求項１の発明に対応するガスセンサ２は、加熱を終了した後熱平衡するまでに各種ガスに対する相対的な感度差が大きい点に特徴があり、この点に注目し、ガス種のレスポンス特性の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するようにしたものが請求項２乃至４記載のガス検知方法にかかわる発明であり、以下これら発明の実施例について説明する。
【００２５】
（実施例４）
本実施例では、図９に示す回路を用いて実施例１におけるガスセンサ２の温度が約４００℃となるように図８に示す如く０．９Ｖの直流電圧ＶHをガスセンサ２の内蔵ヒータ兼用電極コイル２ａに３秒間印加した後に、０．２Ｖの直流電圧ＶHに切り換えて約６０℃の温度となるように設定した時の、空気及びＨ2、Ｃ2Ｈ5ＯＨ、ＣＯの一定量（１００ｐｍｍ）の各種ガスに対するガスセンサ２の抵抗値Ｒｓ変化を測定してみたところ、図１０に示すようにガスセンサ２の空気に対する抵抗値変化は（イ）、Ｈ2に対する抵抗値変化は（ロ）、Ｃ2Ｈ5ＯＨに対する抵抗値変化は（ハ）、ＣＯに対する抵抗値変化は（ニ）のようになった。この測定結果から低温状態に切り換えた時点から数秒乃至十数秒迄のレスポンス変化は夫々のガス特有の変化が見られることが分かった。
【００２６】
そして高温状態（４００℃）の期間（３秒間）と、低温状態（６０℃）の期間（７秒）とを交互に繰り返して空気、Ｈ2（１００ｐｍｍ）、ＣＯ（１００ｐｍｍ）、Ｈ2Ｓ（１００ｐｍｍ）、Ｈ2（１０００ｐｍｍ）、ＣＯ（１０００ｐｍｍ）、Ｈ2Ｓ（１０００ｐｍｍ）の場合についてガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａのグランド側端と検知電極２ｂ間の両端電圧を測定してみたところ図１１（ａ）乃至（ｇ）に示すような結果が得られ、この結果からレスポンスパターンの再現性が良好であることが確認できた。
【００２７】
また空気、ＣＯ（１０００ｐｐｍ）、Ｈ2Ｓ（１０ｐｐｍ）、ＮＯ2 （１０ｐｐｍ）、ＣＨ4（１０００ｐｐｍ）、Ｃ2Ｈ5ＯＨ（１０００ｐｐｍ）を検知する場合のガスセンサ２の温度とガスセンサ２の抵抗値Ｒｓの関係を測定したものが図１２である。測定方法は各々の温度で抵抗値Ｒｓが安定するまで待って測定したもので、低温では空気の場合３０分後に、その他のガス場合各々５分後に、中高温では２分後に夫々測定したものである。
【００２８】
この図１２からＨ2Ｓ、ＣＯ等のガスは低温度側に感度ピークが存在し、また各ガスによって感度ピークを示す温度の異なっていることが分かる。しかし低温に感度ピークを有するガスを検出する場合、平衡状態に達してから測定すると、レスポンスが遅く長時間かかるため実用的でない。ところが、実施例４の場合、図１１に示したように高温状態から低温状態に切り換えた時のレスポンス変化は図２に示したオフ時のレスポンス変化に近く、図１２の温度変化とは必ずしも一致しないが、この両者が組み合わされてガス特有の特性を発現することが判明した。
【００２９】
従って、高温状態下での温度、時間、低温状態下での温度、時間を適宜に選ぶことにより、簡単にガス弁別が行える上に、短時間で検知対象ガスを検知することができる。図５は上記結果に基づいて実現したガス検知装置の一例を示しており、この装置では、交流電源電圧を一定の直流電圧Ｖｃｃに定電圧回路１で変換したのち、この直流電圧Ｖｃｃをスイッチング素子たるトランジスタＱとガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａとの直列回路に印加するとともに、負荷抵抗Ｒとガスセンサ２との直列回路に印加し、更にガスセンサ２の検知状態の監視とヒータ兼用電極コイル２ａに印加する電圧ＶHのスイッチング制御とを行う信号処理部３に印加している。
【００３０】
信号処理部３はタイマ３２と、ガスセンサ２の温度が高温状態となる期間とガスセンサ２の温度が低温状態となる期間とをタイマ３２の計時出力により交互に設定し且つ高温状態期間でのトランジスタＱのオンデュティと低温状態期間でのトランジスタＱのオンデュティとを駆動回路３３を通じて制御する機能及び低温状態期間の所定タイミングで取り込んだガスセンサ２の電圧値と予め設定してある基準値とから汚染度を判定するとともに汚染度と予め設定してある警報動作閾値とを比較して汚染度が警報動作閾値を越えたときに警報制御出力回路３７を通じて外部に警報信号を出力する機能を備えた演算制御回路３４と、負荷抵抗Ｒの両端電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路３１と、デジタル変換された負荷抵抗Ｒの両端電圧値を再度Ｄ／Ａ変換してアナログ出力として外部に出力するＤ／Ａ変換回路３５と、上記基準値や警報動作閾値を格納するメモリ２６と、実際には１チップのマイクロコンピュータにより構成される。
【００３１】
警報信号は外付けのブザー３の駆動制御や警報表示用の発光素子ＬＥＤの駆動制御等に用いられ、また換気装置等の外部機器の制御のための接点出力となる。信号処理部３の外付け回路として設けた温度補償回路４はＡ／Ｄ変換される負荷抵抗Ｒの両端電圧をガスセンサ２の温度特性に対応して補正し、温度の影響を無くすためのものである。
【００３２】
而して検知対象ガスをＣＯとした場合、所定量のＣＯに対応してガスセンサ２が示す抵抗値Ｒｓが最小値付近となり且つ非検知対象ガスを検知した時に示すガスセンサ２の抵抗値Ｒｓからかけ離れるガスセンサ２の温度を図１０の温度−抵抗値特性から求めて、高温状態期間の長さ及び低温状態期間の長さと各期間におけるトランジスタＱのオンデュティを定めて、演算制御回路２４の動作プログラムにセットしておく。
【００３３】
ここでは実際には高温状態期間では、約０．９Ｖの電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに連続的に印加した場合と同じ温度（約４００℃）でガスセンサ２を加熱することができるように、図６（ａ）の如くオンデュティが０．４ｍｓｅｃで周期が１０ｍｓｅｃのパルス信号でトランジスタＱをオンオフしてヒータ兼用電極コイル２ａの印加電力の平均値が電圧換算で約０．９Ｖになるようにし、且つその期間を３秒としてある。
【００３４】
また低温状態期間では、約０．２Ｖの電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに連続的に印加した場合と同じ温度（約６０℃）でガスセンサ２を加熱することができるように、図６（ｂ）の如くオンデュティが０．０３ｍｓｅｃで周期が１０ｍｓｅｃのパルス信号でトランジスタＱをオンオフしてヒータ兼用電極コイル２ａの印加電力の平均値が電圧換算で約０．２Ｖになるようにし、且つその期間を７秒としてある。
【００３５】
かように構成された図５の装置では、高温状態期間と低温状態期間とが交互に切り換えられ、低温状態期間において、ガスセンサ２の温度がＣＯの感度ピークになる時点、つまり約７秒後に演算制御回路３４がＡ／Ｄ変換した負荷抵抗Ｒの両端電圧を取り込み汚染度を判定するとともに警報動作閾値と比較し、警報動作閾値を越えている場合には警報信号を出力するのである。
【００３６】
このようにして検知対象ガスに応じて低温状態期間の長さとトランジスタＱのオンデュティの長さを設定することにより、短時間で且つ確実に検知対象ガスを検知することができるのである。
（実施例５）
上記実施例４に用いる装置はガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａに印加する電圧をスイッチング制御により設定しているが、連続制御により設定するようにしても良い。
【００３７】
図７はこの連続制御を行う装置の回路を示しており、この装置では定電圧回路１の出力端間にヒータ兼用電極コイル２ａと直列制御用のトランジスタＱ2との直列回路を接続し、トランジスタＱ2の基準電圧を決めるオペアンプＯＰの非反転入力端の電圧値をトランジスタＱ1のオン／オフで切り換えてトランジスタＱ2の基準電圧を２段階に切り換えるようになっている。
【００３８】
トランジスタＱ1のオン／オフ制御は演算制御部３４から駆動回路３３を介して出力される制御信号により行われ、トランジスタＱ1をオンする期間とオフ期間は高温状態期間と低温状態期間に対応しており、その設定はタイマ３２の計時出力に基づいて行なわれる。
而して図７の装置においても検知対象ガスがＣＯの場合には図８に示すように高温状態期間を３秒とするとともにヒータ兼用電極コイル２ａの印加電圧を約０．９Ｖとし、低温状態期間を７秒とするとともにヒータ兼用電極コイル２ａの印加電圧を約０．２Ｖとすれば、他のガスと弁別して短時間で検知することができることになる。
【００３９】
また夫々の期間と印加電圧を設定することにより、他のガスの検知も行えるのは言うまでもない。尚上記各装置は検知対象ガスを一種としているが、ガス種によってレスポンスのパターンが異なっていることを利用し、予め各ガスに対するガスセンサ２の抵抗値Ｒｓレスポンスパターンを記憶しておき、低温状態期間に切り換わった時に呈するガスセンサ２の抵抗値変化と比較することによりガス弁別と検知を行うようにすれば、多種のガスに１台の装置で対応させることができる。
【００４０】
またガスセンサ２に熱時定数の小さい素子を用いれば検知時間をより短くすることができる。またＦｅ2Ｏ3，ＺｎＯ2系のガスセンサ２を使用しても良い。更に耐久性から言えばヒータ兼用電極コイル２ａと電極を半導体チップ内に埋め込んだ一体構造型のものが望ましいが平板積層型のガスセンサ２を使用しても良い。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの内蔵ヒータに印加する電圧を高くしガスセンサのクリーニングを行う高温状態期間と、印加電圧を低くして低温で感度ピークを持つガスの検知を行う低温状態期間とを夫々の期間を固定して交互に繰り返し、低温状態期間におけるガス種のレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するので、上記ガスセンサの、熱容量が小さくて熱平衡に達する時間が短く、しかも加熱冷却による熱衝撃に強い構造となるため、高温でクリーニングを行うことが可能となり、そのためクリーニングに要する加熱期間を短くでき、更に加熱期間の終了後ガス検知のための低温状態を短時間で得ることができるという特徴を生かして、低温状態の期間を長くとることなく検知対象のガスを素早く弁別検知することができるという効果がある。
【００４３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、高温状態期間、低温状態期間の印加電圧は各期間において所定周期で断続させた電圧の平均値により設定したので、熱容量が小さく且つ熱衝撃に強い請求項１のガスセンサを用いることとあいまって、小さな電力で所定の温度のクリーニングのための期間を短時間で得ることができ、そのためガス検知を行うまでの時間を短くすることができ、更に小さい電力で加熱ができるため小容量の電池電源を使用する携帯用のガス検知装置にも使用が可能となるという効果がある。
【００４４】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、検知対象ガスのレスポンス特性が非検知対象ガスのレスポンス特性より離れるように低温状態期間の長さ及び印加電圧を設定するので、電圧設定及び期間の長さ設定のみで簡単に所望のガスを弁別検知するガス検知装置を実現することが可能となるという効果がある。
請求項４の発明は、円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの検知電極の一端が直列接続される負荷抵抗の他端と、ヒータ兼用電極コイルのグランド側端との間に定電圧を印加する定電圧電源と、ガス感応金属酸化物半導体外に導出したヒータ兼用電極コイルの両端間に直流のヒータ電圧を間歇的に印加するとともに、印加期間を周期的に変化させてガスセンサの温度を周期的に変化させ夫々の期間を固定した高温状態期間と低温状態期間とを設定する温度制御手段と、ガスセンサの検知電極の電圧をガス検出信号として取り込み、低温で感度ピークを持つガス種の、低温状態期間におけるレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するガス検出手段とを備えたので、熱容量が小さく且つ熱衝撃に強い上記ガスセンサを用いることとあいまって、小さな電力で所定の温度のクリーニングのための期間を短時間で得ることができ、そのため低温状態の期間を長くとることなく検知対象のガスを素早く弁別検知することができ、更に小さい電力で加熱ができるため小容量の電池電源を使用する携帯用のガス検知装置を提供することも可能となるという効果がある。
請求項５の発明のガス検知装置では、請求項４の発明において、上記ガス検出手段は、ガスセンサの高温状態期間から低温状態期間、低温状態期間から高温状態期間に切り換えてからのガス感応金属酸化物半導体の抵抗値の挙動に応じて検知ガス種の弁別を行うので、電圧設定及び期間の長さ設定のみで簡単に所望のガスを弁別検知するガス検知装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は請求項１の発明の各実施例１〜３に対応するガスセンサの概略構成図である。
（ｂ）は同上のヒータ兼用電極コイルと検知電極の概略構成図である。
（ｃ）は同上の外観斜視図である。
【図２】同上の各実施例１〜３の抵抗値変化の測定説明図である。
【図３】同上の実施例と比較する従来例の概略構成図である。
【図４】同上の実施例と同上従来例の熱平衡の比較説明図である。
【図５】請求項２の発明に対応する実施例４のガス検知方法を用いたガス検知装置の回路構成図である。
【図６】同上のガスセンサのヒータの電圧制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図７】請求項３の発明に対応する実施例５のガス検知方法を用いた別のガス検知装置の回路構成図である。
【図８】同上のガスセンサのヒータの電圧制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】本発明の原理説明用のレスポンス測定用の回路図である。
【図１０】同上で測定して得られた各種ガスのレスポンスパターン図である。
【図１１】同上で測定して得られた各種ガスのレスポンスの再現性の説明図である。
【図１２】各ガスに対応するガスセンサの温度と抵抗値との関係説明図である。
【符号の説明】
２ ガスセンサ
２ａヒータ兼用電極コイル
２ｂ 検知電極
２ｃ ガス感応金属酸化物半導体
Claims (5)
- 円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの内蔵ヒータに印加する電圧を高くしガスセンサのクリーニングを行う高温状態期間と、印加電圧を低くして低温で感度ピークを持つガスの検知を行う低温状態期間とを夫々の期間を固定して交互に繰り返し、低温状態期間におけるガス種のレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別することを特徴とするガス検知方法。
- 高温状態期間、低温状態期間の印加電圧は各期間において所定周期で断続させた電圧の平均値により設定したことを特徴とする請求項１記載のガス検知方法。
- 検知対象ガスのレスポンス特性が非検知対象ガスのレスポンス特性より離れるように低温状態期間の長さ及び印加電圧を設定することを特徴とする請求項１記載のガス検知方法。
- 円球、楕円球等の略球体状に形成されたガス感応金属酸化半導体中に貴金属線からなるヒータ兼用電極コイルを埋設するとともにヒータ兼用電極コイルの内部に貴金属からなる検知電極を設けて形成され、ヒータ兼用電極コイルの長手方向に対応するガス感応金属酸化半導体の外形寸法を約０．８ｍｍ以下とし且つ上記長手方向に直交する外形寸法を約０．７ｍｍ以下としたガスセンサを用い、該ガスセンサの検知電極の一端が直列接続される負荷抵抗の他端と、ヒータ兼用電極コイルのグランド側端との間に定電圧を印加する定電圧電源と、ガス感応金属酸化物半導体外に導出したヒータ兼用電極コイルの両端間に直流のヒータ電圧を間歇的に印加するとともに、印加期間を周期的に変化させてガスセンサの温度を周期的に変化させ夫々の期間を固定した高温状態期間と低温状態期間とを設定する温度制御手段と、ガスセンサの検知電極の電圧をガス検出信号として取り込み、低温で感度ピークを持つガス種の、低温状態期間におけるレスポンス特性の変化の相違に基づいて検知対象ガスを弁別するガス検出手段とを備えたことを特徴とするガス検知装置。
- 上記ガス検出手段は、ガスセンサの高温状態期間から低温状態期間、低温状態期間から高温状態期間に切り換えてからのガス感応金属酸化物半導体の抵抗値の挙動に応じて検知ガス種の弁別を行うことを特徴とする請求項４記載のガス検知装置。
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