JP3989390B2 - ガス検知装置及びガス濃度測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサ素子と温度補償素子を備え、ガスセンサ素子の出力である検出電圧と温度補償素子の出力である補償電圧に基づいてガス検知を行うガス検知装置、及び、このガス検知装置を用いたガス濃度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記ガスセンサ素子は、例えば白金又は白金合金のコイルに可燃性ガスに対して感度を有する触媒をコーティングした接触燃焼式のセンサ素子であり、その素子表面でガスが燃焼反応を起こしてセンサ素子の温度が上昇し、その温度上昇でセンサ素子の抵抗が変化することを利用してガス濃度を測定することができる。具体的には、図９に示すように、検出対象ガスに対して感度がある上記ガスセンサ素子１と検出対象ガスに対して感度がない温度補償素子２を直列に接続してその両端に一定の電圧を印加し、ガスが反応して生じた熱によるセンサ素子１の抵抗値の変化を、センサ素子１の検出電圧の変化として検出してガス濃度を測定していた。なお、図９は、直列接続したガスセンサ素子１と温度補償素子２をブリッジ回路の一方の辺に配置し、他方の辺に直列接続した２つの抵抗Ｒａ，Ｒｂを配置した検知回路の例を示す。
【０００３】
上記温度補償素子は、ガスセンサ素子と同じコイルに触媒をコーティングしていない構造のもので、周囲温度の変化の影響を相殺するために使用する。すなわち、センサ素子のガスとの反応による温度変化は数１０℃程度と小さく、周囲温度が例えば０℃〜４０℃の範囲で変化すると、ガスとの反応によるセンサ出力変化と周囲温度の変化によるセンサ出力変化が区別できないため、センサ素子と同程度の抵抗値を有し周囲温度に対して同じような抵抗変化をする温度補償素子をセンサ素子と直列に接続して、センサ素子の検出電圧に周囲温度の影響が現れないようにしている。
【０００４】
ここで問題となるのは、上記のようにガスセンサ素子と温度補償素子を直列に接続するので、ガスセンサ素子に印加される電圧の約２倍の電源電圧が必要となることであり、具体的には１．６Ｖ〜２．５Ｖ程度の電源電圧が必要となる。そのため、従来では、携帯用のガス検出機器等で駆動電圧の低電圧化を進めて、例えば電池１セルや２セルの機器を作ろうとした場合、低電圧駆動のガス検知機器の設計が難しいという問題があった。
【０００５】
一方、別の従来技術として、上記ガスセンサ素子と温度補償素子を夫々抵抗を介して電源端子に並列接続させ、そのセンサ素子と温度補償素子の各抵抗との接続点の両電圧信号に基づいてガス検知を行うようにしたガス検知装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−８２６１１号公報（第１−４頁、図１−図５）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１には記載されていないが、ガスセンサ素子と温度補償素子に接続した各抵抗の値をガスセンサ素子や温度補償素子の抵抗値に比べて小さくすることで、電源電圧をガスセンサ素子の印加電圧の２倍の電圧よりも低くできる可能性がある。ただし、特許文献１に記載のガス検知装置では、電源部から検知回路に常時電流供給される構成であるので装置使用時の消費電力が大きくなり、例えば電池駆動する場合の電池の消耗が激しくなるおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低電圧駆動と消費電力の低減が可能となるガス検知装置、及び、このガス検知装置に適したガス濃度測定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するための本発明に係るガス検知装置の特徴構成は、ガスセンサ素子と温度補償素子とが、当該ガスセンサ素子及び当該温度補償素子よりも低い抵抗値の抵抗を介して電源部の電流供給端子に並列接続され、
前記電流供給端子から前記ガスセンサ素子への電流供給路に配置され、前記ガスセンサ素子への電流供給を非導通状態と導通状態とに切り替え可能な第１スイッチと、
前記電流供給端子から前記温度補償素子への電流供給路に配置され、前記温度補償素子への電流供給を非導通状態と導通状態とに切り替え可能な第２スイッチと、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを、一方が非導通状態のときに他方が導通状態となるように間欠的に導通状態に切り替え駆動する駆動部と、
前記第１スイッチを導通状態に切り替えたときの前記ガスセンサ素子の検出電圧及び前記第２スイッチを導通状態に切り替えたときの前記温度補償素子の補償電圧の両電圧信号を保持して、その両電圧信号に基づいてガス検知を行う検知部と、が備えられている点にある。
【００１０】
すなわち、ガスセンサ素子及び温度補償素子と電源部の電流供給端子との間に介在させた抵抗の値をガスセンサ素子や温度補償素子の抵抗値に比べて小さくして、電源部の駆動電圧を低くする。また、検知部がガス検知を行うときだけ、駆動部がスイッチ（第１スイッチ、第２スイッチ）を導通状態に切り替えてガスセンサ素子及び温度補償素子に電流を供給し、検知部がガス検知を行うとき以外は、駆動部がスイッチを非導通状態に切り替えてガスセンサ素子及び温度補償素子に電流を供給しない。
従って、低電圧駆動と消費電力の低減が可能となるガス検知装置を提供することができる。
【００１１】
また、駆動部が第１スイッチを導通状態に切り替えてガスセンサ素子へ電流供給するとともに、第２スイッチを非導通状態に切り替えて温度補償素子への電流供給を遮断し、検知部がガスセンサ素子の検出電圧信号を入力して保持する。また、駆動部が第１スイッチを非導通状態に切り替えてガスセンサ素子への電流供給を遮断するとともに、第２スイッチを導通状態に切り替えて温度補償素子へ電流供給し、検知部が温度補償素子の補償電圧信号を入力して保持する。
従って、ガスセンサ素子と温度補償素子に同時に電流供給せず、片方だけに電流供給するので、電源部からの供給電流が少なくなり、一層の消費電力の低減が可能となる。そして、供給電流が少なくなると、電源部に電池を使用したときの電池出力端子での電圧降下も小さくなり、電池の消耗も少なくなって電池の使用可能期間も長くなるため、ガス検知装置の好適な実施形態が提供される。
【００１２】
本発明に係るガス検知装置の他の特徴構成は、上記特徴構成において、前記ガスセンサ素子と前記温度補償素子が、共通の抵抗を介して前記電流供給端子に並列接続されている点にある。
【００１３】
すなわち、検知部がガスセンサ素子の検出電圧信号を入力するときは、駆動部が第１スイッチを導通状態に第２スイッチを非導通状態に夫々切り替えて、共通の抵抗を介してガスセンサ素子だけに電流供給し、また、検知部が温度補償素子の補償電圧信号を入力するときは、駆動部が第１スイッチを非導通状態に第２スイッチを導通状態に夫々切り替えて、共通の抵抗を介して温度補償素子だけに電流供給する。
従って、ガスセンサ素子及び温度補償素子と電源部の電流供給端子との間に介在させる抵抗が１個の共通抵抗になるので、回路構成が簡素化され、同時に、両素子と電源部の電流供給端子との間に別々の抵抗を介在させた場合に、両抵抗の特性の違いが、ガスセンサ素子の検出電圧と温度補償素子の補償電圧に異なる影響を及ぼすおそれを有効に回避することが可能となり、ガス検知装置の好適な実施形態が提供される。
【００１４】
本発明に係るガス検知装置の他の特徴構成は、上記特徴構成のいずれかにおいて、前記電源部が、前記ガスセンサ素子及び前記温度補償素子に対して定電流状態で電流供給する点にある。 すなわち、定電流で電流供給する場合は、電源部をオンしてガスセンサ素子及び温度補償素子に電圧印加する電源投入時に一定電流しか流れないので、ガスセンサ素子等に過大電流が流れるのを抑制して、素子の特性劣化を起こり難くすることができる。また、電源投入時の検知回路側の突入電流が一定であるので、電源部に電池を使用した場合でも、電源投入時に電源電圧が一時的に大きく低下するような不都合も発生しない。
従って、電源部が定電流で電流供給することにより、ガスセンサ素子及び温度補償素子の特性劣化を防止するとともに、電池使用に適したガス検知装置の好適な実施形態が提供される。
【００１５】
本発明に係るガス検知装置の他の特徴構成は、上記特徴構成のいずれかにおいて、前記電源部が、前記ガスセンサ素子及び前記温度補償素子に対して定電圧状態で電流供給する点にある。すなわち、定電圧で電流供給する場合は、電源部をオンしてガスセンサ素子及び温度補償素子に電圧印加する電源投入時に各素子が冷えていて大きな電流が流れるため、定電流で小さな電流を供給する場合に比べて、各素子の立ち上がり特性を早くすることが可能となる。
従って、電源部が定電流で電流供給することにより、立ち上がり特性が良好なガス検知装置の好適な実施形態が提供される。
【００１６】
本発明に係るガス検知装置の他の特徴構成は、上記特徴構成のいずれかのガス検知装置を用いたガス濃度測定方法であって、前記ガスセンサ素子及び前記温度補償素子に対して電流供給を開始した後、電圧値が安定化する前の前記ガスセンサ素子の検出電圧及び前記温度補償素子の補償電圧に基づいてガス濃度を測定する点にある。
【００１７】
すなわち、電源部から抵抗を介してガスセンサ素子及び温度補償素子に電流が流れると、各素子の温度は上昇して素子の抵抗値が変化し、ガスセンサ素子の検出電圧及び温度補償素子の補償電圧の各電圧値は安定状態に達するまで変化する。しかし、抵抗と接続されたガスセンサ素子側と温度補償素子側の各検知回路が同一構成であって電源部に並列接続されているので、上記検出電圧と補償電圧は同じ傾向で変化し、ガス濃度に対応する両電圧の差は各素子への電流供給開始時点と安定状態に達した時点とでほぼ等しくなる。その結果、両電圧が安定状態に達する前の段階でガス濃度の測定を行うことができる。
従って、上記特徴構成のいずれかのガス検知装置を用いて、検知動作開始後の早い段階で迅速にガス濃度を測定することができるガス濃度測定方法が提供される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係るガス検知装置及びガス濃度測定方法の実施の形態を、基本となる構成から順次、図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１に示すように、本発明のガス検知装置では、ガスセンサ素子１と温度補償素子２が抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して電源部３００の電流供給端子３００ａに並列接続され、前記電流供給端子３００ａからガスセンサ素子１及び温度補償素子２への電流供給路７に配置され且つ非導通状態と導通状態とに切り替え可能なスイッチ３と、前記スイッチ３を間欠的に導通状態に切り替え駆動する駆動部１００と、前記スイッチ３を導通状態に切り替えたときの前記ガスセンサ素子１の検出電圧Ｖ１及び前記温度補償素子２の補償電圧Ｖ２に基づいてガス検知を行う検知部２００が備えられている。
【００１９】
前記電源部３００には、電池６と電池出力をバッファーするオペアンプ５が設けられ、オペアンプ５の出力端子が電流供給端子３００ａに対応する。具体的には、電池６として１セル又は２セルが使用され、電源部３００からは０．８Ｖ〜１．３Ｖ程度の電源電圧が検知回路側に供給される。
【００２０】
なお、上記ガスセンサ素子１及び温度補償素子２は従来技術で説明した構造のものである。また、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は、同一の抵抗値で、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２の抵抗値の数分の１から１０分の１程度に設定する。
【００２１】
上記スイッチ３はトランジスタで構成され、そのトランジスタを非導通状態と導通状態に切り替えるために制御回路４から矩形波状の駆動信号が出力されている。従って、制御回路４内に前記駆動部１００が構成されている。
【００２２】
また、上記制御回路４内に前記検知部２００が構成され、検知部２００は、ガスセンサ素子１の検出電圧Ｖ１と温度補償素子２の補償電圧２の補償電圧Ｖ２の差から検知対象ガスの濃度を測定する。ここで、一定濃度のガスがある状態での検出電圧Ｖ１及び補償電圧Ｖ２は、図２に示すように、ガス検知装置の電源スイッチ（図示せず）をオンして測定動作を開始した後、または間欠駆動でセンサ駆動動作を開始した後、安定するまで時間がかかるが、抵抗と接続された同一構成のガスセンサ素子１側と温度補償素子２側の各回路を電源部３００に並列接続している（図１参照）ので、両電圧Ｖ１，Ｖ２は同じ傾向で変化し、そのガス濃度に対応する差電圧ΔＶはセンサの電源オン時点またはセンサ駆動動作の開始時点と安定状態に達した時点とでほぼ等しくなる。その結果、両電圧Ｖ１，Ｖ２が安定状態に達する前の早い段階でガス濃度の測定を行うことができる。
【００２３】
〔第１実施形態〕
第１実施形態では、図３に示すように、前記スイッチ３が、前記ガスセンサ素子１への電流供給を断続する第１スイッチ３ａと、前記温度補償素子２への電流供給を断続する第２スイッチ３ｂとからなり、前記駆動部１００が、前記第１スイッチ３ａ及び第２スイッチ３ｂを一方が導通状態のときに他方が非導通状態となるように駆動し、前記検知部２００が、前記第１スイッチ３ａを導通状態に切り替えたときの前記ガスセンサ素子１の検出電圧Ｖ１及び前記第２スイッチ３ｂを導通状態に切り替えたときの前記温度補償素子２の補償電圧Ｖ２の両電圧信号Ｖ１，Ｖ２を保持して、その両電圧信号Ｖ１，Ｖ２に基づいてガス検知を行う。なお、図中、７ａはガスセンサ素子１への電流供給路であり、７ｂは温度補償素子２への電流供給路である。
【００２４】
上記検知部２００における検出電圧信号Ｖ１と補償電圧信号Ｖ２の保持は、前記制御回路４に所謂サンプルホールド回路を備えて、アナログ信号として保持することが実現できる。また、前記制御回路４がマイクロコンピュータを備える場合は、マイクロコンピュータ内のメモリー部に、ＡＤ変換された検出電圧信号Ｖ１と補償電圧信号Ｖ２のデジタルデータを記憶させることで実現できる。
【００２５】
〔第２実施形態〕
第２実施形態は、第２実施形態（図３）の変形構成であり、図４に示すように、前記ガスセンサ素子１と前記温度補償素子２が、共通の抵抗Ｒ３を介して前記電流供給端子３００ａに並列接続されている点が異なる。即ち、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２と電源部３００の電流供給端子３００ａとの間に介在させる抵抗が個別の抵抗Ｒ１，Ｒ２ではなく、１個の共通抵抗Ｒ３に置き換えられている。
【００２６】
そして、図４においては、前記第１スイッチ３ａを導通状態に切り替え、前記第２スイッチ３ｂを非導通状態に切り替えたときの入力電圧Ｖ３を前記ガスセンサ素子１の検出電圧信号Ｖ３ａとして保持し、前記第１スイッチ３ａを非導通状態に切り替え、前記第２スイッチ３ｂを導通状態に切り替えたときの入力電圧Ｖ３を前記温度補償素子２の補償電圧信号Ｖ３ｂとして保持し、その両電圧信号Ｖ３ａ，Ｖ３ｂに基づいてガス検知を行う。
【００２７】
〔第３実施形態〕
第３実施形態は、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２自身に一定電圧が印加される定電圧駆動の電源部３００の回路例である。
具体的には、図５に示す回路において、オペアンプ５の反転入力端子と非反転入力端子が同電位になるように動作するので、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２に加わる電圧は電池６の出力電圧ＶＢと同じになる。検知回路側には、オペアンプ５の出力端子から抵抗Ｒ５を通して電流供給され、この抵抗Ｒ５に生じる電圧降下Ｖ４をガスセンサ素子１の検出電圧信号Ｖ４ａ及び温度補償素子２の補償電圧信号Ｖ４ｂとして制御回路４に入力する。なお、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２に過大な電流が流れないように、抵抗Ｒ５の抵抗値を設定する必要がある。
【００２８】
また、図５の回路の変形例として、図示はしないが、オペアンプ５の出力端子側に抵抗Ｒ５を設けずに出力端子と非反転端子間を短絡させ、代わりにオペアンプ５の電源端子側に抵抗Ｒ５に相当する抵抗Ｒ５ａを配置し、センサ素子１の抵抗変化による電流変化を上記抵抗Ｒ５ａでの電圧降下として取り出し、ガスセンサ素子１の検出電圧及び温度補償素子２の補償電圧を入力する構成でもよい。
【００２９】
〔第４実施形態〕
上記第１〜第３の実施形態では、電源部３００が検知回路側に定電圧状態で電流供給していたが、第４実施形態では、電源部３００Ａが、前記ガスセンサ素子１及び前記温度補償素子２に対して定電流状態で電流供給する。
具体的には、図６に示すように、電池６の出力がオペアンプ５Ａの非反転入力端子に接続され、オペアンプ５Ａの出力端子と反転入力端子との間に、ガスセンサ素子１と第１スイッチ３ｃ及び温度補償素子２と第２スイッチ３ｄを並列接続させて配置し、オペアンプ５Ａの非反転入力端子を抵抗Ｒ４によって接地する。この回路において、オペアンプ５Ａの非反転入力端子は電池６の出力電圧ＶＢと等しくなるように動作するので、抵抗Ｒ４には電池６の出力電圧ＶＢが印加され、抵抗Ｒ４を流れる電流、即ち、上記ガスセンサ素子１及び温度補償素子２を流れる電流は一定値（ＶＢ／Ｒ４）となる。ここで、各素子１，２を流れる電流が一定であるので、電池６の出力電圧ＶＢを低くして、抵抗Ｒ４の抵抗値を小さくすることができる。なお、この図６では、第１及び第２スイッチ３ａ，３ｂはリレー等で構成する。
【００３０】
〔第５実施形態〕
第５実施形態は、定電流状態で電流供給する電源部３００Ａの別の回路例であり、電流制限抵抗を電源側に配置して、前記ガスセンサ素子１及び前記温度補償素子２をグランド（接地）側に配置するようにしている。
具体的には、図７に示すように、電源電圧端子から抵抗Ｒ６及びトランジスタ８を通して検知回路側に電流供給されるが、出力端子がトランジスタ８のベースに接続されたオペアンプ９の非反転入力端子と電源電圧端子の間に比較電圧源１０が配置され、オペアンプ９の反転入力端子とトランジスタ８のエミッタの間が短絡されている。この回路においても、オペアンプ９の反転入力端子と非反転入力端子は同電位になるように動作するので、抵抗Ｒ６による電圧降下が比較電圧源１０の電圧Ｖｒｅｆと等しくなり、上記ガスセンサ素子１及び温度補償素子２には、Ｖｒｅｆ／Ｒ６で定まる値の一定電流が供給される。
そして、図７の回路では、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２がグランド側に配置されているので、第１スイッチ３ａ及び第２スイッチ３ｂとして、トランジスタやＦＥＴ等のスイッチ素子が使用できる。
【００３１】
〔第６実施形態〕
第６実施形態は、第６実施形態と基本的には同じであるが、比較電圧源１０を電源端子側を基準とするのではなく、グランドを基準とする点が相異する。そして、一般的な電子回路の場合、グランドを基準とすることで、比較電圧源１０として汎用の電源基準ＩＣ等を使用して簡単に構成することができ、より実用的な回路が得られる。
具体的には、図８に示すように、電源電圧端子から抵抗Ｒ７及びトランジスタ８を通して検知回路側に電流供給されるが、出力端子がトランジスタ８のベースに接続されたオペアンプ９の非反転入力端子は、電源電圧を抵抗値が等しい２つの抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１で分圧した電圧が入力され、電源電圧の１／２に固定される。オペアンプ９の反転入力端子は、抵抗Ｒ８を介してトランジスタ８のエミッタに接続されるとともに、抵抗Ｒ８と同じ抵抗値の抵抗Ｒ９及び比較電圧源１０を介して接地されている。
【００３２】
図８の回路においても、オペアンプ９の反転入力端子の電位が非反転入力端子の電位（電源電圧の１／２）と同電位になるように動作するので、抵抗Ｒ８，Ｒ９の抵抗値が抵抗Ｒ７の抵抗値に対して十分大きい条件、又は、比較電圧源１０の内部抵抗が抵抗Ｒ７と同じである条件が成立する場合には、抵抗Ｒ７を流れる電流で生じる電圧降下が比較電圧源１０の電圧Ｖｒｅｆと等しくなり、上記ガスセンサ素子１及び温度補償素子２には、Ｖｒｅｆ／Ｒ７定まる値の一定電流が供給される。
なお、図８の回路では、オペアンプ９の反転入力端子と非反転入力端子が電源電圧の１／２の電位になるように動作するので、電源電圧の値とは無関係にセンサ素子等に定電流が供給できる。
【００３３】
〔別実施の形態〕
上記実施形態では、ガスセンサ素子１を温度で抵抗値が変化する接触燃焼式のガスセンサ素子で構成したが、接触燃焼式以外の各種ガスセンサ素子を用いることができる。
【００３４】
上記実施形態では、電源部３００，３００Ａの電圧源として電池６を用いたが、電池ではなく、商用電源を整流した直流回路の出力を用いてもよい。
【００３５】
上記実施形態では、スイッチ３，３ａ〜３ｄとして、トランジスタやＦＥＴやリレーを用いたが、これ以外の各種導通・非導通の切り替え可能なスイッチを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガス検知装置の全体的な基本構成を示す電気回路図
【図２】 ガスセンサの出力電圧特性を示すグラフ
【図３】 第１実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図４】 第２実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図５】 第３実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図６】 第４実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図７】 第５実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図８】 第６実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図９】 従来のガス検知装置の構成を示す電気回路図
【符号の説明】
１ ガスセンサ素子
２ 温度補償素子
３ スイッチ
３ａ 第１スイッチ
３ｂ 第２スイッチ
３ｃ 第１スイッチ
３ｄ 第２スイッチ
７ 電流供給路
１００ 駆動部
２００ 検知部
３００ 電源部
３００Ａ 電源部
３００ａ 電流供給端子
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
Ｒ４ 抵抗
Ｒ５ 抵抗
Ｒ６ 抵抗
Ｒ７ 抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサ素子と温度補償素子を備え、ガスセンサ素子の出力である検出電圧と温度補償素子の出力である補償電圧に基づいてガス検知を行うガス検知装置、及び、このガス検知装置を用いたガス濃度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記ガスセンサ素子は、例えば白金又は白金合金のコイルに可燃性ガスに対して感度を有する触媒をコーティングした接触燃焼式のセンサ素子であり、その素子表面でガスが燃焼反応を起こしてセンサ素子の温度が上昇し、その温度上昇でセンサ素子の抵抗が変化することを利用してガス濃度を測定することができる。具体的には、図９に示すように、検出対象ガスに対して感度がある上記ガスセンサ素子１と検出対象ガスに対して感度がない温度補償素子２を直列に接続してその両端に一定の電圧を印加し、ガスが反応して生じた熱によるセンサ素子１の抵抗値の変化を、センサ素子１の検出電圧の変化として検出してガス濃度を測定していた。なお、図９は、直列接続したガスセンサ素子１と温度補償素子２をブリッジ回路の一方の辺に配置し、他方の辺に直列接続した２つの抵抗Ｒａ，Ｒｂを配置した検知回路の例を示す。
【０００３】
上記温度補償素子は、ガスセンサ素子と同じコイルに触媒をコーティングしていない構造のもので、周囲温度の変化の影響を相殺するために使用する。すなわち、センサ素子のガスとの反応による温度変化は数１０℃程度と小さく、周囲温度が例えば０℃〜４０℃の範囲で変化すると、ガスとの反応によるセンサ出力変化と周囲温度の変化によるセンサ出力変化が区別できないため、センサ素子と同程度の抵抗値を有し周囲温度に対して同じような抵抗変化をする温度補償素子をセンサ素子と直列に接続して、センサ素子の検出電圧に周囲温度の影響が現れないようにしている。
【０００４】
ここで問題となるのは、上記のようにガスセンサ素子と温度補償素子を直列に接続するので、ガスセンサ素子に印加される電圧の約２倍の電源電圧が必要となることであり、具体的には１．６Ｖ〜２．５Ｖ程度の電源電圧が必要となる。そのため、従来では、携帯用のガス検出機器等で駆動電圧の低電圧化を進めて、例えば電池１セルや２セルの機器を作ろうとした場合、低電圧駆動のガス検知機器の設計が難しいという問題があった。
【０００５】
一方、別の従来技術として、上記ガスセンサ素子と温度補償素子を夫々抵抗を介して電源端子に並列接続させ、そのセンサ素子と温度補償素子の各抵抗との接続点の両電圧信号に基づいてガス検知を行うようにしたガス検知装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−８２６１１号公報（第１−４頁、図１−図５）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１には記載されていないが、ガスセンサ素子と温度補償素子に接続した各抵抗の値をガスセンサ素子や温度補償素子の抵抗値に比べて小さくすることで、電源電圧をガスセンサ素子の印加電圧の２倍の電圧よりも低くできる可能性がある。ただし、特許文献１に記載のガス検知装置では、電源部から検知回路に常時電流供給される構成であるので装置使用時の消費電力が大きくなり、例えば電池駆動する場合の電池の消耗が激しくなるおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低電圧駆動と消費電力の低減が可能となるガス検知装置、及び、このガス検知装置に適したガス濃度測定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するための本発明に係るガス検知装置の特徴構成は、ガスセンサ素子と温度補償素子とが、当該ガスセンサ素子及び当該温度補償素子よりも低い抵抗値の抵抗を介して電源部の電流供給端子に並列接続され、
前記電流供給端子から前記ガスセンサ素子への電流供給路に配置され、前記ガスセンサ素子への電流供給を非導通状態と導通状態とに切り替え可能な第１スイッチと、
前記電流供給端子から前記温度補償素子への電流供給路に配置され、前記温度補償素子への電流供給を非導通状態と導通状態とに切り替え可能な第２スイッチと、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを、一方が非導通状態のときに他方が導通状態となるように間欠的に導通状態に切り替え駆動する駆動部と、
前記第１スイッチを導通状態に切り替えたときの前記ガスセンサ素子の検出電圧及び前記第２スイッチを導通状態に切り替えたときの前記温度補償素子の補償電圧の両電圧信号を保持して、その両電圧信号に基づいてガス検知を行う検知部と、が備えられている点にある。
【００１０】
すなわち、ガスセンサ素子及び温度補償素子と電源部の電流供給端子との間に介在させた抵抗の値をガスセンサ素子や温度補償素子の抵抗値に比べて小さくして、電源部の駆動電圧を低くする。また、検知部がガス検知を行うときだけ、駆動部がスイッチ（第１スイッチ、第２スイッチ）を導通状態に切り替えてガスセンサ素子及び温度補償素子に電流を供給し、検知部がガス検知を行うとき以外は、駆動部がスイッチを非導通状態に切り替えてガスセンサ素子及び温度補償素子に電流を供給しない。
従って、低電圧駆動と消費電力の低減が可能となるガス検知装置を提供することができる。
【００１１】
また、駆動部が第１スイッチを導通状態に切り替えてガスセンサ素子へ電流供給するとともに、第２スイッチを非導通状態に切り替えて温度補償素子への電流供給を遮断し、検知部がガスセンサ素子の検出電圧信号を入力して保持する。また、駆動部が第１スイッチを非導通状態に切り替えてガスセンサ素子への電流供給を遮断するとともに、第２スイッチを導通状態に切り替えて温度補償素子へ電流供給し、検知部が温度補償素子の補償電圧信号を入力して保持する。
従って、ガスセンサ素子と温度補償素子に同時に電流供給せず、片方だけに電流供給するので、電源部からの供給電流が少なくなり、一層の消費電力の低減が可能となる。そして、供給電流が少なくなると、電源部に電池を使用したときの電池出力端子での電圧降下も小さくなり、電池の消耗も少なくなって電池の使用可能期間も長くなるため、ガス検知装置の好適な実施形態が提供される。
【００１２】
本発明に係るガス検知装置の他の特徴構成は、上記特徴構成において、前記ガスセンサ素子と前記温度補償素子が、共通の抵抗を介して前記電流供給端子に並列接続されている点にある。
【００１３】
すなわち、検知部がガスセンサ素子の検出電圧信号を入力するときは、駆動部が第１スイッチを導通状態に第２スイッチを非導通状態に夫々切り替えて、共通の抵抗を介してガスセンサ素子だけに電流供給し、また、検知部が温度補償素子の補償電圧信号を入力するときは、駆動部が第１スイッチを非導通状態に第２スイッチを導通状態に夫々切り替えて、共通の抵抗を介して温度補償素子だけに電流供給する。
従って、ガスセンサ素子及び温度補償素子と電源部の電流供給端子との間に介在させる抵抗が１個の共通抵抗になるので、回路構成が簡素化され、同時に、両素子と電源部の電流供給端子との間に別々の抵抗を介在させた場合に、両抵抗の特性の違いが、ガスセンサ素子の検出電圧と温度補償素子の補償電圧に異なる影響を及ぼすおそれを有効に回避することが可能となり、ガス検知装置の好適な実施形態が提供される。
【００１４】
本発明に係るガス検知装置の他の特徴構成は、上記特徴構成のいずれかにおいて、前記電源部が、前記ガスセンサ素子及び前記温度補償素子に対して定電流状態で電流供給する点にある。 すなわち、定電流で電流供給する場合は、電源部をオンしてガスセンサ素子及び温度補償素子に電圧印加する電源投入時に一定電流しか流れないので、ガスセンサ素子等に過大電流が流れるのを抑制して、素子の特性劣化を起こり難くすることができる。また、電源投入時の検知回路側の突入電流が一定であるので、電源部に電池を使用した場合でも、電源投入時に電源電圧が一時的に大きく低下するような不都合も発生しない。
従って、電源部が定電流で電流供給することにより、ガスセンサ素子及び温度補償素子の特性劣化を防止するとともに、電池使用に適したガス検知装置の好適な実施形態が提供される。
【００１５】
本発明に係るガス検知装置の他の特徴構成は、上記特徴構成のいずれかにおいて、前記電源部が、前記ガスセンサ素子及び前記温度補償素子に対して定電圧状態で電流供給する点にある。すなわち、定電圧で電流供給する場合は、電源部をオンしてガスセンサ素子及び温度補償素子に電圧印加する電源投入時に各素子が冷えていて大きな電流が流れるため、定電流で小さな電流を供給する場合に比べて、各素子の立ち上がり特性を早くすることが可能となる。
従って、電源部が定電流で電流供給することにより、立ち上がり特性が良好なガス検知装置の好適な実施形態が提供される。
【００１６】
本発明に係るガス検知装置の他の特徴構成は、上記特徴構成のいずれかのガス検知装置を用いたガス濃度測定方法であって、前記ガスセンサ素子及び前記温度補償素子に対して電流供給を開始した後、電圧値が安定化する前の前記ガスセンサ素子の検出電圧及び前記温度補償素子の補償電圧に基づいてガス濃度を測定する点にある。
【００１７】
すなわち、電源部から抵抗を介してガスセンサ素子及び温度補償素子に電流が流れると、各素子の温度は上昇して素子の抵抗値が変化し、ガスセンサ素子の検出電圧及び温度補償素子の補償電圧の各電圧値は安定状態に達するまで変化する。しかし、抵抗と接続されたガスセンサ素子側と温度補償素子側の各検知回路が同一構成であって電源部に並列接続されているので、上記検出電圧と補償電圧は同じ傾向で変化し、ガス濃度に対応する両電圧の差は各素子への電流供給開始時点と安定状態に達した時点とでほぼ等しくなる。その結果、両電圧が安定状態に達する前の段階でガス濃度の測定を行うことができる。
従って、上記特徴構成のいずれかのガス検知装置を用いて、検知動作開始後の早い段階で迅速にガス濃度を測定することができるガス濃度測定方法が提供される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係るガス検知装置及びガス濃度測定方法の実施の形態を、基本となる構成から順次、図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１に示すように、本発明のガス検知装置では、ガスセンサ素子１と温度補償素子２が抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して電源部３００の電流供給端子３００ａに並列接続され、前記電流供給端子３００ａからガスセンサ素子１及び温度補償素子２への電流供給路７に配置され且つ非導通状態と導通状態とに切り替え可能なスイッチ３と、前記スイッチ３を間欠的に導通状態に切り替え駆動する駆動部１００と、前記スイッチ３を導通状態に切り替えたときの前記ガスセンサ素子１の検出電圧Ｖ１及び前記温度補償素子２の補償電圧Ｖ２に基づいてガス検知を行う検知部２００が備えられている。
【００１９】
前記電源部３００には、電池６と電池出力をバッファーするオペアンプ５が設けられ、オペアンプ５の出力端子が電流供給端子３００ａに対応する。具体的には、電池６として１セル又は２セルが使用され、電源部３００からは０．８Ｖ〜１．３Ｖ程度の電源電圧が検知回路側に供給される。
【００２０】
なお、上記ガスセンサ素子１及び温度補償素子２は従来技術で説明した構造のものである。また、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は、同一の抵抗値で、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２の抵抗値の数分の１から１０分の１程度に設定する。
【００２１】
上記スイッチ３はトランジスタで構成され、そのトランジスタを非導通状態と導通状態に切り替えるために制御回路４から矩形波状の駆動信号が出力されている。従って、制御回路４内に前記駆動部１００が構成されている。
【００２２】
また、上記制御回路４内に前記検知部２００が構成され、検知部２００は、ガスセンサ素子１の検出電圧Ｖ１と温度補償素子２の補償電圧２の補償電圧Ｖ２の差から検知対象ガスの濃度を測定する。ここで、一定濃度のガスがある状態での検出電圧Ｖ１及び補償電圧Ｖ２は、図２に示すように、ガス検知装置の電源スイッチ（図示せず）をオンして測定動作を開始した後、または間欠駆動でセンサ駆動動作を開始した後、安定するまで時間がかかるが、抵抗と接続された同一構成のガスセンサ素子１側と温度補償素子２側の各回路を電源部３００に並列接続している（図１参照）ので、両電圧Ｖ１，Ｖ２は同じ傾向で変化し、そのガス濃度に対応する差電圧ΔＶはセンサの電源オン時点またはセンサ駆動動作の開始時点と安定状態に達した時点とでほぼ等しくなる。その結果、両電圧Ｖ１，Ｖ２が安定状態に達する前の早い段階でガス濃度の測定を行うことができる。
【００２３】
〔第１実施形態〕
第１実施形態では、図３に示すように、前記スイッチ３が、前記ガスセンサ素子１への電流供給を断続する第１スイッチ３ａと、前記温度補償素子２への電流供給を断続する第２スイッチ３ｂとからなり、前記駆動部１００が、前記第１スイッチ３ａ及び第２スイッチ３ｂを一方が導通状態のときに他方が非導通状態となるように駆動し、前記検知部２００が、前記第１スイッチ３ａを導通状態に切り替えたときの前記ガスセンサ素子１の検出電圧Ｖ１及び前記第２スイッチ３ｂを導通状態に切り替えたときの前記温度補償素子２の補償電圧Ｖ２の両電圧信号Ｖ１，Ｖ２を保持して、その両電圧信号Ｖ１，Ｖ２に基づいてガス検知を行う。なお、図中、７ａはガスセンサ素子１への電流供給路であり、７ｂは温度補償素子２への電流供給路である。
【００２４】
上記検知部２００における検出電圧信号Ｖ１と補償電圧信号Ｖ２の保持は、前記制御回路４に所謂サンプルホールド回路を備えて、アナログ信号として保持することが実現できる。また、前記制御回路４がマイクロコンピュータを備える場合は、マイクロコンピュータ内のメモリー部に、ＡＤ変換された検出電圧信号Ｖ１と補償電圧信号Ｖ２のデジタルデータを記憶させることで実現できる。
【００２５】
〔第２実施形態〕
第２実施形態は、第２実施形態（図３）の変形構成であり、図４に示すように、前記ガスセンサ素子１と前記温度補償素子２が、共通の抵抗Ｒ３を介して前記電流供給端子３００ａに並列接続されている点が異なる。即ち、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２と電源部３００の電流供給端子３００ａとの間に介在させる抵抗が個別の抵抗Ｒ１，Ｒ２ではなく、１個の共通抵抗Ｒ３に置き換えられている。
【００２６】
そして、図４においては、前記第１スイッチ３ａを導通状態に切り替え、前記第２スイッチ３ｂを非導通状態に切り替えたときの入力電圧Ｖ３を前記ガスセンサ素子１の検出電圧信号Ｖ３ａとして保持し、前記第１スイッチ３ａを非導通状態に切り替え、前記第２スイッチ３ｂを導通状態に切り替えたときの入力電圧Ｖ３を前記温度補償素子２の補償電圧信号Ｖ３ｂとして保持し、その両電圧信号Ｖ３ａ，Ｖ３ｂに基づいてガス検知を行う。
【００２７】
〔第３実施形態〕
第３実施形態は、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２自身に一定電圧が印加される定電圧駆動の電源部３００の回路例である。
具体的には、図５に示す回路において、オペアンプ５の反転入力端子と非反転入力端子が同電位になるように動作するので、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２に加わる電圧は電池６の出力電圧ＶＢと同じになる。検知回路側には、オペアンプ５の出力端子から抵抗Ｒ５を通して電流供給され、この抵抗Ｒ５に生じる電圧降下Ｖ４をガスセンサ素子１の検出電圧信号Ｖ４ａ及び温度補償素子２の補償電圧信号Ｖ４ｂとして制御回路４に入力する。なお、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２に過大な電流が流れないように、抵抗Ｒ５の抵抗値を設定する必要がある。
【００２８】
また、図５の回路の変形例として、図示はしないが、オペアンプ５の出力端子側に抵抗Ｒ５を設けずに出力端子と非反転端子間を短絡させ、代わりにオペアンプ５の電源端子側に抵抗Ｒ５に相当する抵抗Ｒ５ａを配置し、センサ素子１の抵抗変化による電流変化を上記抵抗Ｒ５ａでの電圧降下として取り出し、ガスセンサ素子１の検出電圧及び温度補償素子２の補償電圧を入力する構成でもよい。
【００２９】
〔第４実施形態〕
上記第１〜第３の実施形態では、電源部３００が検知回路側に定電圧状態で電流供給していたが、第４実施形態では、電源部３００Ａが、前記ガスセンサ素子１及び前記温度補償素子２に対して定電流状態で電流供給する。
具体的には、図６に示すように、電池６の出力がオペアンプ５Ａの非反転入力端子に接続され、オペアンプ５Ａの出力端子と反転入力端子との間に、ガスセンサ素子１と第１スイッチ３ｃ及び温度補償素子２と第２スイッチ３ｄを並列接続させて配置し、オペアンプ５Ａの非反転入力端子を抵抗Ｒ４によって接地する。この回路において、オペアンプ５Ａの非反転入力端子は電池６の出力電圧ＶＢと等しくなるように動作するので、抵抗Ｒ４には電池６の出力電圧ＶＢが印加され、抵抗Ｒ４を流れる電流、即ち、上記ガスセンサ素子１及び温度補償素子２を流れる電流は一定値（ＶＢ／Ｒ４）となる。ここで、各素子１，２を流れる電流が一定であるので、電池６の出力電圧ＶＢを低くして、抵抗Ｒ４の抵抗値を小さくすることができる。なお、この図６では、第１及び第２スイッチ３ａ，３ｂはリレー等で構成する。
【００３０】
〔第５実施形態〕
第５実施形態は、定電流状態で電流供給する電源部３００Ａの別の回路例であり、電流制限抵抗を電源側に配置して、前記ガスセンサ素子１及び前記温度補償素子２をグランド（接地）側に配置するようにしている。
具体的には、図７に示すように、電源電圧端子から抵抗Ｒ６及びトランジスタ８を通して検知回路側に電流供給されるが、出力端子がトランジスタ８のベースに接続されたオペアンプ９の非反転入力端子と電源電圧端子の間に比較電圧源１０が配置され、オペアンプ９の反転入力端子とトランジスタ８のエミッタの間が短絡されている。この回路においても、オペアンプ９の反転入力端子と非反転入力端子は同電位になるように動作するので、抵抗Ｒ６による電圧降下が比較電圧源１０の電圧Ｖｒｅｆと等しくなり、上記ガスセンサ素子１及び温度補償素子２には、Ｖｒｅｆ／Ｒ６で定まる値の一定電流が供給される。
そして、図７の回路では、ガスセンサ素子１及び温度補償素子２がグランド側に配置されているので、第１スイッチ３ａ及び第２スイッチ３ｂとして、トランジスタやＦＥＴ等のスイッチ素子が使用できる。
【００３１】
〔第６実施形態〕
第６実施形態は、第６実施形態と基本的には同じであるが、比較電圧源１０を電源端子側を基準とするのではなく、グランドを基準とする点が相異する。そして、一般的な電子回路の場合、グランドを基準とすることで、比較電圧源１０として汎用の電源基準ＩＣ等を使用して簡単に構成することができ、より実用的な回路が得られる。
具体的には、図８に示すように、電源電圧端子から抵抗Ｒ７及びトランジスタ８を通して検知回路側に電流供給されるが、出力端子がトランジスタ８のベースに接続されたオペアンプ９の非反転入力端子は、電源電圧を抵抗値が等しい２つの抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１で分圧した電圧が入力され、電源電圧の１／２に固定される。オペアンプ９の反転入力端子は、抵抗Ｒ８を介してトランジスタ８のエミッタに接続されるとともに、抵抗Ｒ８と同じ抵抗値の抵抗Ｒ９及び比較電圧源１０を介して接地されている。
【００３２】
図８の回路においても、オペアンプ９の反転入力端子の電位が非反転入力端子の電位（電源電圧の１／２）と同電位になるように動作するので、抵抗Ｒ８，Ｒ９の抵抗値が抵抗Ｒ７の抵抗値に対して十分大きい条件、又は、比較電圧源１０の内部抵抗が抵抗Ｒ７と同じである条件が成立する場合には、抵抗Ｒ７を流れる電流で生じる電圧降下が比較電圧源１０の電圧Ｖｒｅｆと等しくなり、上記ガスセンサ素子１及び温度補償素子２には、Ｖｒｅｆ／Ｒ７定まる値の一定電流が供給される。
なお、図８の回路では、オペアンプ９の反転入力端子と非反転入力端子が電源電圧の１／２の電位になるように動作するので、電源電圧の値とは無関係にセンサ素子等に定電流が供給できる。
【００３３】
〔別実施の形態〕
上記実施形態では、ガスセンサ素子１を温度で抵抗値が変化する接触燃焼式のガスセンサ素子で構成したが、接触燃焼式以外の各種ガスセンサ素子を用いることができる。
【００３４】
上記実施形態では、電源部３００，３００Ａの電圧源として電池６を用いたが、電池ではなく、商用電源を整流した直流回路の出力を用いてもよい。
【００３５】
上記実施形態では、スイッチ３，３ａ〜３ｄとして、トランジスタやＦＥＴやリレーを用いたが、これ以外の各種導通・非導通の切り替え可能なスイッチを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガス検知装置の全体的な基本構成を示す電気回路図
【図２】 ガスセンサの出力電圧特性を示すグラフ
【図３】 第１実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図４】 第２実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図５】 第３実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図６】 第４実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図７】 第５実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図８】 第６実施形態のガス検知装置の全体構成を示す電気回路図
【図９】 従来のガス検知装置の構成を示す電気回路図
【符号の説明】
１ ガスセンサ素子
２ 温度補償素子
３ スイッチ
３ａ 第１スイッチ
３ｂ 第２スイッチ
３ｃ 第１スイッチ
３ｄ 第２スイッチ
７ 電流供給路
１００ 駆動部
２００ 検知部
３００ 電源部
３００Ａ 電源部
３００ａ 電流供給端子
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
Ｒ４ 抵抗
Ｒ５ 抵抗
Ｒ６ 抵抗
Ｒ７ 抵抗
Claims (5)
- ガスセンサ素子と温度補償素子とが、当該ガスセンサ素子及び当該温度補償素子よりも低い抵抗値の抵抗を介して電源部の電流供給端子に並列接続され、
前記電流供給端子から前記ガスセンサ素子への電流供給路に配置され、前記ガスセンサ素子への電流供給を非導通状態と導通状態とに切り替え可能な第１スイッチと、
前記電流供給端子から前記温度補償素子への電流供給路に配置され、前記温度補償素子への電流供給を非導通状態と導通状態とに切り替え可能な第２スイッチと、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを、一方が非導通状態のときに他方が導通状態となるように間欠的に導通状態に切り替え駆動する駆動部と、
前記第１スイッチを導通状態に切り替えたときの前記ガスセンサ素子の検出電圧及び前記第２スイッチを導通状態に切り替えたときの前記温度補償素子の補償電圧の両電圧信号を保持して、その両電圧信号に基づいてガス検知を行う検知部と、が備えられているガス検知装置。 - 前記ガスセンサ素子と前記温度補償素子とが、共通の抵抗を介して前記電流供給端子に並列接続されている請求項１記載のガス検知装置。
- 前記電源部が、前記ガスセンサ素子及び前記温度補償素子に対して定電流状態で電流供給する請求項１又は２に記載のガス検知装置。
- 前記電源部が、前記ガスセンサ素子及び前記温度補償素子に対して定電圧状態で電流供給する請求項１又は２に記載のガス検知装置。
- 請求項１〜４の何れか一項に記載のガス検知装置を用いたガス濃度測定方法であって、前記ガスセンサ素子及び前記温度補償素子に対して電流供給を開始した後、電圧値が安定化する前の前記ガスセンサ素子の検出電圧及び前記温度補償素子の補償電圧に基づいてガス濃度を測定するガス濃度測定方法。
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