JP3735350B2

JP3735350B2 - ガスセンサ装置

Info

Publication number: JP3735350B2
Application number: JP2003038557A
Authority: JP
Inventors: 竜男砂山; 和弘豊田; 裕己石原; 隆彦笹原
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2023-02-17
Also published as: JP2004245796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接触燃焼式ガスセンサに所定の駆動パルスを与えたときのセンサ出力に基づいて、少なくとも特定のガスを識別する機能を有するガスセンサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のガスセンサ装置としては、例えば、下記特許文献１に示すものがある。この装置においては、矩形波からなる駆動パルスにて間欠駆動される接触燃焼式ガスセンサからのセンサ出力が、図５に示すように、エタノール（ＥｔＯＨ）等のような吸着性の強いガスに対しては、パルス立上がり直後の所定の時点Ｔ_Pにおいて固有のピーク値（センサ出力Ｖ_P）をともなう波形となるが、メタン（ＣＨ₄）や水素（Ｈ₂）等のような吸着性の弱いガスに対しては、パルス立上がりから所定時間経過した時点Ｔ_Cにおいて濃度やガス種に応じた定常値（センサ出力Ｖ_P1、Ｖ_P2）をともなう波形となる、ことを利用して、特定のガスを識別するようにしている。また、このようなピーク値と定常値との比率を利用してガス種及び煙を分別するようにしている。
【０００３】
なお、以下に本明細書中で引用する文献名を示す。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３２３４６８号公報
【特許文献２】
特開平９−２６４８６２号公報（図５）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の従来例のように、接触燃焼式ガスセンサを間欠駆動させた際の、各ガスの吸着性の差にともなう特有の波形パターンを利用して、ガス種を識別するガスセンサ装置においては、上記ピーク値を正確に検出することが非常に重要となる。すなわち、定常値はそのままにして、より大きなピーク値を取得することが、ガス毎の波形パターン差が明確になるため好ましい。ところが、従来、これを可能にする装置や方法は、特に提案されていなかった。
【０００６】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、吸着性の強いガスに対して、より大きなピーク値を得ることができるようにして、ガス種識別能力を大きく向上させるガスセンサ装置を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載のガスセンサ装置は、パルスオフ時にガス分子を吸着させてパルスオン時に吸着した該ガス分子を燃焼させるためのオンオフ駆動パルスにて間欠駆動される接触燃焼式ガスセンサを用い、パルス立ち上がり後の所定のピーク値を伴うセンサ出力のパターンに基づいてガスを識別するガスセンサ装置であって、前記接触燃焼式ガスセンサの下方に所定の冷却用素子を配置し、該冷却用素子によって前記パルスオフ時に前記接触燃焼式ガスセンサが一定温度に冷却されるようにした、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサの下方に所定の冷却用素子を配置し、接触燃焼式ガスセンサが一定温度に冷却されるように冷却用素子を制御するようにしている。このように、接触燃焼式ガスセンサを一定温度に冷却することによって吸着能が大幅に向上する。吸着能が向上すると、パルスオフ時間により多くのガス分子が吸着する。したがって、多くの吸着した分子がパルスオン時間に燃焼するため、大きなセンサ出力のピーク値を得ることができる。
【０００９】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載のガスセンサ装置は、請求項１記載のガスセンサ装置において、前記冷却用素子は、ペルチェ素子である、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、冷却用素子はペルチェ素子であるので、低コストで入手が容易である。
【００１１】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載のガスセンサ装置は、請求項１又は２記載のガスセンサ装置において、前記接触燃焼式ガスセンサは、ステム上に取り付けられた台座の上に配置され、かつ、前記接触燃焼式ガスセンサとリード線により電気的に接続したリード端子が、備えられたガスセンサ装置であって、前記冷却用素子は、前記ステムの下部に配置される、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、冷却用素子はセンサモジュールの下部に配置されるので、既に接触燃焼式ガスセンサがパッケージ化されていても、容易に高性能化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、図１及び図２を用いて、本発明のガスセンサ装置の基本構成及び本発明で用いられる接触燃焼式ガスセンサについて説明する。図１は、本発明のガスセンサ装置の基本構成を示すブロック図である。図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）はそれぞれ、本発明で用いられる接触燃焼式ガスセンサの平面図、ＡＡ線断面図及びＢＢ線断面図である。
【００１６】
図１に示すように、コントローラ１０には、電源２０、出力部３０、検出用のブリッジ回路を含む接触燃焼式ガスセンサ４０及びペルチェ素子５０が接続されている。この装置では、例えば、上記特許文献１の図２で示すような矩形波の駆動パルスが供給されて接触燃焼式ガスセンサ４０が通電制御され、このセンサ４０のセンサ出力に基づいてコントローラ１０にて特定のガスが識別される。
【００１７】
コントローラ１０は、ガス識別や警報に関する処理動作を司り、センサ駆動制御部１１、センサ出力検出部１２、ガス識別部１３及びペルチェ素子制御部１４を含んで構成される。図示しないがコントローラ１０は、記憶部やタイマ部等も有している。
【００１８】
センサ駆動制御部１１は、接触燃焼式ガスセンサ４０に対して、上記駆動パルスを所定周期で接触燃焼式ガスセンサ４０に与える。駆動パルスのオン期間は例えば４００ｍｓ程度であり、３０ｓ毎に周期的に発生される。但し、上記駆動パルスは、接触燃焼式ガスセンサ４０に少なくとも一回だけ与えられればよい。
【００１９】
センサ出力検出部１２は、接触燃焼式ガスセンサ４０が駆動されたときのセンサ出力からピーク値や定常値を検出する。ピーク値とは、図５を用いて説明したように、駆動パルスの立上がり時点から例えば３０ｍｓ程度経過したピーク時点Ｔ_Pにて取得されたセンサ出力であり、一方、定常値は、駆動パルスの立上がり時点から３００ｍｓ程度経過した定常時点Ｔ_Cにて取得されたセンサ出力である。但し、時点Ｔ_P、Ｔ_Cは、想定されるガス種類等によって、適宜変更可能である。
【００２０】
ガス識別部１３は、例えば、予め実験等により取得され記憶部に記憶されている、図５に示すような識別すべきガスの波形パターンを参照しつつ、センサ出力検出部１２にて検出された各ピーク値や定常値から特定のガスを識別する。識別方法は、上記特許文献１で示した方法と同等であるので、詳細な説明は省略する。なお、識別とは、複数種のガスをそれぞれ識別する場合もあるし、特定のガスのみを検出する場合もある。
【００２１】
ペルチェ素子制御部１４は、接触燃焼式ガスセンサ４０を一定の温度に冷却するために、ペルチェ素子５０に所定の駆動電力を与えるように制御する。
【００２２】
電源２０は、接触燃焼式ガスセンサ４０やペルチェ素子５０等に電力を供給するもので、周知の電池等が用いられる。また、出力部３０は、上記コントローラ１０のガス識別部１３からの識別結果を受けてガス識別情報として出力する。この出力部３０は、例えば、ガス識別情報としてガス種をＬＣＤ等で表示するようにしてもよいし、ＬＥＤ等で色分表示するようにしてもよい。また、音声にて識別情報を出力するようにしてもよい。
【００２３】
接触燃焼式ガスセンサ４０は、本実施形態では上記駆動パルスが供給されて間欠的に駆動する。この接触燃焼式ガスセンサ４０は、基本的に、感応素子部Ｒｓ及び補償素子部Ｒｒから構成されている。感応素子部ＲｓはＰｔヒータ４２（ガス検出部４２ａと電極部４２ｂとからなる）及びＰｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒層４３を含み、補償素子部ＲｒはＰｔヒータ４４及びＡｌ₂Ｏ₃層４５を含む。詳しくは、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、接触燃焼式ガスセンサ４０は、Ｓｉウエハ４１の上に、酸化膜であるＳｉＯ₂膜４８ｃ、窒化膜であるＳｉＮ膜４８ｂ、及びＨｆＯ₂膜４８ａからなる絶縁薄膜が生膜され、その上に、感応素子部ＲｓとしてＰｔヒータ４２及びＰｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒層４３、補償素子部ＲｒとしてＰｔヒータ４４及びＡｌ₂Ｏ₃層４５が形成されている。特に、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、異方性エッチングして凹部４６及び４７を形成して、それぞれ薄膜ダイヤフラムＤｓ及びＤｒを形成することにより熱容量を小さくしている。このような構成にすることにより、高速反応可能でかつ測定精度が向上した接触燃焼式ガスセンサが得られる。また、熱容量が小さくなるので、消費電力が低減される。なお、上記Ｐｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒層４３に替えて、Ｐｔ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒層やその他の酸化触媒層を使用するようにしてもよい。
【００２４】
上記Ｐｔヒータ４２、４４は、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２及び可変抵抗Ｒｖと共にブリッジ回路を構成している。そして、このブリッジ回路のＰｔヒータ４４及び固定抵抗Ｒ１の接続点、並びにＰｔヒータ４２及び固定抵抗Ｒ２の接続点には、上記コントローラ１０を介して駆動パルスが所定のインターバルで間欠的に供給される。また、Ｐｔヒータ４２及び４４の接続点、並びに可変抵抗Ｒｖからは、センサ出力としての電圧値がコントローラ１０に供給される。
【００２５】
なお、ペルチェ素子５０は、２種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方の金属へ熱が移動するというペルチェ効果を利用した、周知の電子部品である。このペルチェ素子５０により、接触燃焼式ガスセンサ４０は所定温度に冷却される。ペルチェ素子５０の配置例については、図３を用いて後述する。ペルチェ素子は、コンピュータのＣＰＵの冷却等も使われるものであり、低コストで入手が容易であるので、センサ装置の高性能化にともなうコスト増を抑制することができる。なお、ペルチェ素子５０は、請求項中の冷却素子に対応する。
【００２６】
このような接触燃焼式ガスセンサ４０を使用するに際しては、まず、検出動作開始前に、センサ清浄空気中にてセンサ４０を駆動させ、このときのセンサ出力波形を記憶部１２に記憶させ、濃度０の校正値として使用する。この状態において、エタノール等の可燃性ガスが感応素子部Ｒｓに触れると触媒作用により、素子表面で酸化されて反応熱が生じる。この反応熱により、Ｐｔヒータ４２の抵抗値が上昇し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡が崩れ、コントローラ１０に上記センサ出力が供給される。この場合、Ｐｔヒータ４４は周囲温度の変動によるＰｔヒータ４２の抵抗値の変動を相殺し、反応熱に起因するＰｔヒータ４２の抵抗値の変動成分のみを取り出せるように補償する。そして、検出時には、接触燃焼式ガスセンサ４０は、ペルチェ素子５０にて一定温度に冷却されている。
【００２７】
次に、図３及び図４を用いて、本発明の一実施形態に係る、ペルチェ素子の配置例及びその効果について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る、ペルチェ素子の配置例を示す断面図である。図４は、図３に示したペルチェ素子の配置による効果を説明するための、センサ出力の温度特性を示す示すグラフである。なお、図３に示す接触燃焼式ガスセンサ４０の断面は、上記図２（Ｂ）に示した断面と同等なので、同一の符号を付して繰り返し説明を省略する。
【００２８】
図３に示すように、接触燃焼式ガスセンサ４０は、円盤状のステム６０上に取り付けられた台座６１の上に配置され、円筒状で上面が閉ざされた図示しないキャップに覆われてモジュール化される。また、接触燃焼式ガスセンサ４０の電極部４２ｂとリード端子６３とはリード線６３にて電気的に接続されている。但し、本実施形態においては、接触燃焼式ガスセンサ４０の下方には、詳しくは、ガスセンサ４０と台座６１との間には、上記ペルチェ素子５０が重着されている。このようにペルチェ素子５０を配置することにより、より大きなセンサ出力が得られるようになる。
【００２９】
例えば、図３に示すような構成に対して、上述のような駆動パルスを与えて時点Ｔ_Pで取得したエタノール１０００ｐｐｍのピーク値は、図４に示すような温度特性になる。すなわち、接触燃焼式ガスセンサ４０が冷却されるとピーク値は増大し、−１０℃まで冷却されると、ピーク値はペルチェ素子５０を配置しない場合（図３においてガスセンサ４０を直接台座６１上に配置した場合）よりも５０％程度増大する。
【００３０】
このように、接触燃焼式ガスセンサを一定温度に冷却することによって吸着能が大幅に向上する。吸着能が向上すると、間欠駆動におけるオフ時間により多くのガス分子が吸着する。したがって、多くの吸着した分子がオン時間初期に燃焼するため、大きなセンサ出力のピーク値を得ることができる。なお、吸着した分子の燃焼が終了した時点でのセンサ出力、すなわち、定常値は、ペルチェ素子５０を配置した場合と配置しない場合とでは当然同等になる。また、メタンや水素等のような吸着性の弱いガスの定常値も、ペルチェ素子５０を配置した場合と配置しない場合とでは同等になる。すなわち、吸着性の強いガスのピーク値のみが増大するので、ガス毎の波形パターン差が明確になり、各ガスの識別が容易になる。更に、センサは一定温度に保たれるので、雰囲気温度の影響を受けることもなくセンサ出力が安定する。この結果、識別能力が大きく向上したガスセンサ装置が得られる。
【００３１】
なお、参照番号５０′で示すように、ペルチェ素子は、接触燃焼式ガスセンサ４０がパッケージ化されたセンサモジュールの下部に配置してもよい。これにより、既に接触燃焼式ガスセンサがパッケージ化されていても、容易に高性能化することができる。
【００３２】
また、ここでは、エタノールを例示したが、吸着性の強いガスである酢酸等も同様の効果を有することが確認されている。すなわち、エタノールや酢酸を確実に識別できるようになるので、日常的に酒や調味料等を起因として多発する無害ガスを検出することが可能になる。これを利用して、上記無害ガスに応答して誤警報を出すことのない、高信頼度の警報機能を有するガスセンサ装置を提供することも可能になる。
【００３３】
以上のように本実施形態によれば、ペルチェ素子を配置して冷却制御しただけの簡単な付加的構成で、吸着性の強いガスのみに対してのみ、より大きなピーク値を得ることができるようになる。したがって、ガス種識別能力を大きく向上させるガスセンサ装置を提供することが可能になる。
【００３４】
なお、本発明は、接触燃焼式ガスセンサを間欠駆動させた際の各ガスの吸着性の差にともなう波形パターンを利用したものであれば、ガス種識別のみならず、同様に適用可能である。例えば、上記波形パターンを利用して、ガス種を識別した後にガス濃度測定も行うことができる装置や方法にも、本発明は適用可能である。本発明は、その要旨を変更しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、冷却用素子を配置して冷却制御しただけの簡単な付加的構成で、接触燃焼式ガスセンサの吸着能が大幅に向上する。吸着能が向上すると、パルスオフ時間により多くのガス分子が吸着する。したがって、多くの吸着した分子がパルスオン時間に燃焼するため、大きなセンサ出力のピーク値を得ることができる。また、センサは一定温度に保たれるので、雰囲気温度の影響を受けることもなくセンサ出力が安定する。この結果、識別能力が大きく向上したガスセンサ装置を提供できる。
【００３６】
請求項２記載の発明によれば、冷却用素子はペルチェ素子であるので、低コストで入手が容易であり、上記高性能化にともなうコスト増を抑制することができる。
【００３７】
請求項３記載の発明によれば、冷却用素子はセンサモジュールの下部に配置されるので、既に接触燃焼式ガスセンサがパッケージ化されていても、容易に高性能化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサ装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）はそれぞれ、本発明で用いられる接触燃焼式ガスセンサの平面図、ＡＡ線断面図及びＢＢ線断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、ペルチェ素子の配置例を示す断面図である。
【図４】センサ出力の温度特性を示す示すグラフである。
【図５】矩形波駆動時の吸着性の強いガス及び弱いガスの出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０コントローラ
２０電源
３０出力部
４０接触燃焼式ガスセンサ
４２、４４Ｐｔヒータ
４３Ｐｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒層
４５Ａｌ₂Ｏ₃層
５０ペルチェ素子（冷却用素子）
Ｒｓ感応素子部
Ｒｒ補償素子部

Claims

パルスオフ時にガス分子を吸着させてパルスオン時に吸着した該ガス分子を燃焼させるためのオンオフ駆動パルスにて間欠駆動される接触燃焼式ガスセンサを用い、パルス立ち上がり後の所定のピーク値を伴うセンサ出力のパターンに基づいてガスを識別するガスセンサ装置であって、
前記接触燃焼式ガスセンサの下方に所定の冷却用素子を配置し、該冷却用素子によって前記パルスオフ時に前記接触燃焼式ガスセンサが一定温度に冷却されるようにした、
ことを特徴とするガスセンサ装置。
請求項１記載のガスセンサ装置において、
前記冷却用素子は、ペルチェ素子である、
ことを特徴とするガスセンサ装置。
請求項１又は２記載のガスセンサ装置において、
前記接触燃焼式ガスセンサは、ステム上に取り付けられた台座の上に配置され、かつ、前記接触燃焼式ガスセンサとリード線により電気的に接続したリード端子が、備えられたガスセンサ装置であって、
前記冷却用素子は、前記ステムの下部に配置される、
ことを特徴とするガスセンサ装置。