JP5154267B2

JP5154267B2 - ガス検知装置

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Publication number: JP5154267B2
Application number: JP2008052363A
Authority: JP
Inventors: 久男大西; 浩司山下; 徳美長瀬; 賢二石倉
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-03-03
Also published as: JP2009210341A

Description

本発明は、検知対象ガスに感応して電気抵抗値が変化するガス感応層、及び当該ガス感応層を加熱するヒータ層が形成されたセンサ素子を用いて、前記検知対象ガスを検出するガス検知装置に関する。

メタンや一酸化炭素や煙などの検知対象の異常状態を検知する検知手段と、その検知手段により異常状態を検知したときに、スピーカによりビープ音や音声メッセージ等の異常状態に応じた警報音を出力させる警報手段とを備えて構成された警報装置が知られている。このような警報装置には、例えば、ガス漏れ警報、不完全燃焼警報、火災警報などの機能が複合されたものがある。ガス漏れ警報は、メタンの濃度が判定用しきい値を超えたときにガス漏れの発生を通知するために発せられる。不完全燃焼警報は、一酸化炭素濃度が判定用しきい値を超えたときに不完全燃焼の発生を通知するために発せられる。火災警報は、煙が発生したとき又は室内温度が判定用しきい値を超えたときに火災の発生を通知するために発せられる。このような警報装置には、メタンや一酸化炭素などの検知対象のガスを検知するためのガス検知装置が構成されている。尚、本願において、上記ガス漏れ、不完全燃焼、及び火災を、単に「異常」と呼ぶ場合がある。

ガス検知装置においてメタンや一酸化炭素などの検知対象のガスを検知するセンサ素子は、それらガスの濃度によってその電気抵抗が変化する。そして、その電気抵抗の変化により変化する信号によりガスの有無やガスの濃度が検知される。一方、センサ素子の電気抵抗値は、ガスの濃度が同じであっても、センサ素子の動作温度によって変化する。従って、例えば、メタンの検知に適切な動作温度（一般的に高温の４２０℃）、一酸化炭素の検知に適切な動作温度（一般的に低温の８０℃）のそれぞれにセンサ素子の動作温度を制御するためのヒータが設けられている。ヒータは、ヒータに流れる電流量を制御されて、センサ素子を高温に加熱する期間と低温に加熱する期間とを交互に繰り返す（例えば、特許文献１）。

上述したように、センサ素子の電気抵抗値によって示されるガスの濃度は、センサ素子の動作温度によっても変化する。ヒータによる加熱量は一定であるから、センサ素子の周辺温度が変化するとセンサ素子の動作温度も変化し、検知されるガスの濃度に誤差を生じさせる。ガスの濃度が警報レベルの近傍であった場合には、誤判定を招く場合がある。そこで、センサ素子の周辺温度を計測し、その計測結果に基づいて警報レベルを補正する温度補正手段を備えた警報装置が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００５−３４５３８１号公報（第２−３、２３−２５段落等）特開２００２−７４５６７号公報（第１９−２０、３０−３８段落等）

温度補正手段を設けることによって、ある程度はセンサ素子の周辺温度の変化に対する温度依存性を抑制して正確な検知を行い、警報の要否を適切に判定することができる。しかし、センサ素子の感度などセンサ素子の性能そのものは温度補正手段によって補正されるのではない。従って、より検知精度を高めるためには、周辺温度に拘わらずセンサ素子の動作温度が一定の温度となるように加熱されることが好ましい。また、センサ素子が薄膜型の半導体センサのように熱容量の小さい素子の場合には、周辺温度や加熱に対して敏感に素子の温度が変化する。例えば、センサ素子の周辺温度が高い場合には、加熱により必要以上にセンサ素子の温度が上昇する。その結果、感度が低下したり、センサ素子に対する熱ストレスが大きくなってセンサ素子の寿命に影響を与えたりする可能性がある。また、センサ素子の周辺温度が低い場合には、異なる動作温度によって例えばメタンと一酸化炭素との検知を区別する、いわゆるガス選択性が低下する可能性がある。このような問題は、ガス感応層、ヒータ層をμｍオーダーの厚みとし、さらにその加熱時間を数ｍｓ〜１ｓ程度とするパルス加熱型のセンサ素子を採用する場合において著しい。

本願発明は、上記課題に鑑みて創案されたもので、検知対象ガスに感応するセンサ素子の周辺温度の変化に拘わらず、当該センサ素子の動作温度を所定の温度に保つことのできるガス検知装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るガス検知装置の特徴構成は、
検知対象ガスに感応して電気抵抗値が変化する層厚０．１〜４０μｍのガス感応層、及び前記ガス感応層下に設けられ、層厚０．１〜４０μｍの絶縁層を挟んで前記ガス感応層を加熱する層厚０．１〜４０μｍのヒータ層が形成されたセンサ素子と、
前記ヒータ層への通電を通電状態と通電停止状態との２状態間で制御するヒータ制御手段と、
前記センサ素子の周辺温度を検出する温度検出手段と、
前記ガス感応層の前記電気抵抗値及び前記周辺温度に基づいて、前記検知対象ガスを検出するガス検出手段と、
前記周辺温度に基づいて、前記ヒータ層が前記通電状態に駆動される際の駆動電力を制御する駆動電力制御手段と、
を備え、
前記駆動電力制御手段は、前記ヒータ層に印加される電圧を制御することにより、前記駆動電力を制御し、
さらに、前記駆動電力制御手段は、前記周辺温度が所定の基準温度よりも高い場合には前記ヒータ層を駆動する駆動電圧を所定の基準電圧よりも低くし、前記周辺温度が前記所定の基準温度よりも低い場合には前記ヒータ層を駆動する前記駆動電圧を前記所定の基準電圧よりも高くすることによって前記駆動電力を制御し、
前記基準温度が、前記センサ素子の周辺温度が−１０〜５０℃の範囲で２０℃に設定された点にある。

検知対象ガスに感応するガス感応層と当該ガス感応層を加熱するヒータ層とが形成されたセンサ素子の当該ヒータ層への通電は、通電状態と通電停止状態との２状態間で制御される。ヒータ層は、通電状態において加熱され、通電停止状態において周辺温度へと放熱される。ガス感応層は、ヒータ層が加熱されることにより加熱される。本特徴構成によれば、センサ素子の周辺温度を検出する温度検出手段を備え、周辺温度に基づいてヒータ層が通電状態に駆動される際の駆動電力が制御される。ヒータ層の駆動電力が制御されると、ヒータ層が加熱されて変化する温度の幅が制御される。その結果、検知対象ガスに感応するセンサ素子の周辺温度の変化に拘わらず、当該センサ素子の動作温度を所定の温度に保つことのできるガス検知装置を提供することが可能となる。
センサ素子が薄膜型の半導体センサのように熱容量の小さい素子の場合には、周辺温度や加熱に対して敏感に素子の温度が変化する。例えば、センサ素子の周辺温度が高い場合には、必要以上にセンサ素子の温度が上昇することにより、感度が低下したり、センサ素子に対する熱ストレスが大きくなってセンサ素子の寿命に影響を与えたりする可能性がある。しかし、本特徴構成によれば、そのような感度の低下や寿命への影響を抑制することができる。また、センサ素子の周辺温度が低い場合には、いわゆるガス選択性が低下する可能性があるが、そのような可能性も抑制することができる。
ガス検出手段は、ガス感応層の電気抵抗値及びセンサ素子の周辺温度に基づいて検知対象ガスを検出する。ガス感応層の感度には温度依存性があるため、ガス検出手段は、ガス感応層の電気抵抗値に基づく検知対象ガスの検出の際に、周辺温度に基づいた補正を行うのが一般的である。この際の周辺温度は、温度検出手段５により検出される。駆動電力制御手段は、この結果を利用してヒータ層２の駆動電力を制御する。即ち、新たな温度検出手段を設けることなくヒータ層の駆動電力を制御することができるので、ガス検知装置のコストを上昇させることなく、性能を向上させることができる。

加えて、ヒータ層は、ヒータ層に供給される電流に基づき電熱変換を行うことによって加熱される。ヒータ層に印加される電圧を制御することにより、ヒータ層に供給される電流が制御されるので、本特徴構成によって良好にヒータ層の駆動電力を制御することができる。

さらに、ヒータ層に印加される駆動電圧を基準電圧よりも低くすれば、ヒータ層に供給される電流が減少する。電流が減少すると、ヒータ層における電熱変換量も減少するので、ヒータ層の加熱量も減少する。本特徴構成によれば、センサ素子の周辺温度が所定の基準温度よりも高い場合に、ヒータ層の駆動電圧が基準電圧よりも低く設定される。従って、ヒータ層の過度の加熱を抑制し、ガス感応層を適切な動作温度に加熱することができる。
一方、ヒータ層に印加される駆動電圧を基準電圧よりも高くすれば、ヒータ層に供給される電流が増加する。電流が増加すると、ヒータ層における電熱変換量も増加するので、ヒータ層の加熱量も増加する。本特徴構成によれば、センサ素子の周辺温度が所定の基準温度よりも低い場合に、ヒータ層の駆動電圧が基準電圧よりも高く設定される。従って、ヒータ層の加熱の不足を補い、ガス感応層を適切な動作温度に加熱することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る警報装置の構成の一例を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、ガス検知装置は、センサ素子１０と、センサ制御手段３と、ヒータ制御手段４と、温度検出手段５と、ガス検出手段６と、駆動電力制御手段７と、警報手段９と、内蔵電池３０とを有して構成されている。

詳細は図２を参照して後述するが、センサ素子１０は、検知対象ガスに感応して電気抵抗値が変化する薄膜状のガス感応層１、及びガス感応層１を加熱する薄膜状のヒータ層２が形成された薄膜半導体型のセンサである。センサ制御手段３と、ヒータ制御手段４と、温度検出手段５と、ガス検出手段６と、駆動電力制御手段７との各機能部は、マイクロコンピュータ２０を中核として構成されている。これら各機能部は、マイクロコンピュータ２０及びその周辺回路のハードウェア及びマイクロコンピュータ２０上で実行されるプログラムにより実現される。警報手段９は、ガス検出手段６により、検知対象のガスが所定濃度以上で存在することなどの異常状態が検出された場合に、警報を発する機能部である。内蔵電池３０は、警報装置の各回路に駆動電力を供給する電源である。当該ガス検知装置は、設置場所の制約を受けないように電池駆動型に構成されている。内蔵電池３０としては、例えばリチウム電池などの一次電池が好適である。

センサ制御手段３は、センサ素子１０のガス感応層１を駆動制御する機能部である。ヒータ制御手段４は、ヒータ層２への通電を通電状態と通電停止状態との２状態間で制御する機能部である。温度検出手段５は、センサ素子１０の周辺温度を検出する機能部である。ガス検知装置の模式的な外観図である図３を参照して後述するが、温度検出手段５を構成するサーミスタ８は、センサ素子１０の近傍に配置される。ガス検出手段６は、ガス感応層１の電気抵抗値と、温度検出手段５により検出された周辺温度とに基づいて、検知対象ガスを検出する機能部である。駆動電力制御手段７は、温度検出手段５により検出された周辺温度に基づいて、ヒータ層２が通電状態に駆動される際の駆動電力を制御する機能部である。尚、図３は、ガス検知装置が室内温度を検知する熱センサ６０を備えて、火災の発生を検知可能な火災警報機能も有する警報装置として構成されている場合を例示している。

図２は、薄膜状のセンサ素子１０の構造を模式的に示す断面図である。図に示すように、支持膜としての薄膜状の支持層１５の外周部又は両端部が、支持部材としてのＳｉ基板１１により支持されてダイヤフラム構造が形成される。検知対象ガスに感応して電気抵抗値が変化するガス感応層１、及びガス感応層１を加熱するヒータ層２は、当該ダイヤフラム構造の上に形成される。

センサ素子１０は、Ｓｉ基板１１上に、支持層１５、ヒータ層２及び絶縁層１７、一対の電極１９及びガス感応層１、選択触媒層１６が、半導体プロセスにより順次積層されて製造される。その各々の層厚は０．１〜４０μｍ程度である。支持層１５は、熱酸化膜１２、Ｓｉ₃Ｎ₄膜１３、ＳｉＯ₂膜１４が順次積層されて構成される。そして、支持層１５の上にヒータ層２が設けられ、ヒータ層２の全体を覆う状態でＳｉＯ₂膜からなる絶縁層１７が設けられる。絶縁層１７の上には、一対の電極層１９が設けられ、当該一対の電極層１９上及びこれら電極層１９に渡ってガス感応層１が設けられる。さらに、本実施形態においては、図２に示すよう、一対の電極層１９およびガス感応層１の全体を覆って、選択触媒層１６が設けられる。

より具体的には、センサ素子１０は、例えば以下のような手順で製造される。初めに、後にエッチングにより除去される部分を含む１枚のＳｉ基板１１上に、熱酸化膜１２、Ｓｉ₃Ｎ₄膜１３、ＳｉＯ₂膜１４が、順次プラズマＣＶＤ法にて積層され、後にダイヤフラム構造となる支持層１５が形成される。次にスパッタリング法により、支持層１５上のダイヤフラム構造の中央となる部分にヒータ層２が形成され、このヒータ層２を覆うようにＳｉＯ₂絶縁層１７が順に形成される。そして、絶縁層１７の上に一対の接合層１８が形成され、これらの接合層１８を介して一対の電極層１９が形成される。成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて一般的なスパッタリング法によって行われる。成膜条件は接合層１８（ＴａまたはＴｉ）、電極層１９（ＰｔまたはＡｕ）とも同じで、Ａｒガス圧力１Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ²である。また、膜厚は、一例として、接合層１８が５００Å、電極層１９が２０００Åである。

次に、一対の電極層１９が積層されたＳｉＯ₂絶縁層１７の上に、電極層１９の一部を含んで、酸化スズ（ＳｎＯ₂）などのｎ型半導体膜がガス感応層１として成膜される。成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて、反応性スパッタリング法によって行われる。ターゲットにはＳｂを０．５質量％有するＳｎＯ₂を用いる。成膜条件はＡｒガス圧力２Ｐａ、基板温度１５０〜３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ²である。ガス感応層１の大きさは５０〜２００μｍ角程度、厚さは、例えば、０．２〜１．６μｍ程度が望ましい。

ガス感応層１の上には、ガス感応層１の全体を覆うように選択触媒層１６が形成される。選択触媒層１６は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などの多孔質金属酸化物からなる担体にパラジウム（Ｐｄ）などの貴金属酸化触媒を担持して構成される。選択触媒層１６は、触媒を担持した金属酸化物がバインダーを介して互いに結合されることによって、層状に構成される。具体的には、無機バインダーと溶剤でペースト状にした選択触媒層材料がスクリーン印刷法により塗布され、５００℃で１時間以上焼成されることによって、ガス感応層１の全体を覆うように選択触媒層１６が形成される。選択触媒層１６は、ガス感応層１の全体を十分に覆うことができる大きさに形成される必要がある。

最後に、Ｓｉ基板１１の裏面よりエッチングによりＳｉ（シリコン）を除去し、図２に示すように、ダイヤフラム構造が形成される。

選択触媒層１６の役割は、検知対象ガスであるメタンガス、一酸化炭素ガス以外の水素ガス、アルコールガスなどの還元性（妨害）ガスを燃焼してガス感応層１に到達しないようにし、薄膜状のセンサ素子１０にガス選択性を持たせることにある。さらに、ガス感応層１の表面に酸素を供給することにより、感度を向上する役割をも果たしている。
この選択触媒層１６に含まれるＰｄまたはＰｔなどの貴金属酸化触媒の担持量は、５〜９質量％（触媒質量／（触媒＋担体）質量×１００）とする。

検知対象ガスに対して妨害ガスともなる還元性ガスを酸化除去できる触媒としては、上述したパラジウム（Ｐｄ）の他、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等が使用される。
担体を構成する金属酸化物としては、上述したアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の他、例えば、３酸化２クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化インジュウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化タングステン（ＷＯ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化銅（ＣｕＯ）あるいはこれらの混合物等が使用可能である。
また、上記の金属酸化物（触媒を担持する金属酸化物）同士を結合させるバインダーとしては、例えばアルミナ微粉末、アルミナゾル、シリカ微粉末、シリカゾル、マグネシアを使用することができる。

ここで、上記のような触媒、金属酸化物、バインダーはいずれも、１種類を単独で使用してもよいし、２種以上を併用することもできるが、選択触媒層１６全体に対してシリカ（ＳｉＯ₂）の量は５質量％以下とすることが好ましい。５質量％を超えると、雰囲気湿度に応じてガス感応層１の電気抵抗値が大きくばらつくといった湿度依存性の問題が生じる場合がある。

センサ素子１０のガス感応層１は、メタンや一酸化炭素などの検知対象のガスの濃度によってその電気抵抗が変化する。そして、電気抵抗の変化に応じて変化する信号によりガスの有無やガスの濃度が検出される。センサ素子１０の動作温度には、メタンの検知に適切な動作温度（一般的に高温の４００〜４５０℃）、一酸化炭素の検知に適切な動作温度（一般的に低温の８０℃）などがある。ヒータ層２は、センサ素子１０のガス感応層１の動作温度をこれらの温度に設定するために設けられている。

ヒータ制御手段４は、ヒータ層２への通電を通電状態と通電停止状態との２状態間で制御して、ガス検知層１の温度を高温状態（動作温度）と低温状態（室温）との間で変化させる。この低温状態と高温状態とは、特許文献１を引用して上述した低い動作温度と、高い動作温度とは異なるものである。低温状態とはガス感応層１を室温とする状態であり、高温状態とはガス感応層１を動作温度に加熱する状態である。例えば、検出対象ガスが一酸化炭素であれば８０℃程度、メタンであれば４００〜４５０℃程度である。

ガス感応層１は、センサ制御手段３により、例えば３０秒間隔等の所定の検知間隔で駆動される。ヒータ制御手段４は、この検知間隔に同期してヒータ層２を所定の動作温度へと加熱する。上述したように、センサ素子１０は薄膜型のセンサであり、ガス感応層１及びヒータ層２は、非常に薄く形成されている。従って、ガス感応層１、ヒータ層２共に熱容量は非常に小さい。また、ガス感応層１とヒータ層２との距離も近いので、非常に少ない電力で、ガス感応層１を動作温度まで加熱することが可能である。

ヒータ制御手段４は、マイクロコンピュータ２０に実装されたヒータ駆動部２２を中核として構成されている。ヒータ駆動部２２は、ヒータ層２が直列接続されるトランジスタＱ２に対して、１０ｍｓ〜１ｓ程度、好適には５０ｍｓ〜２００ｍｓ程度のアクティブ期間を有する狭幅のヒータ駆動パルスＨＤを出力して、ヒータ層２をパルス駆動する。図１に記載された抵抗器Ｒ２は、トランジスタＱ２のベース端子の保護抵抗である。

図１に示すように、ヒータ層２には、定電圧電源７１を介してヒータ駆動電圧ＶＨが印加される。ヒータ駆動部２２がトランジスタＱ２をオン状態に制御すると、ヒータ層２にヒータ駆動電圧ＶＨが印加される。そして、ヒータ駆動電圧ＶＨと、ヒータ層２を含む直列回路の抵抗分より定められる電流がヒータ層２に流れてヒータ層２が加熱され、ガス感応層１が動作温度に加熱される。ヒータ駆動部２２がトランジスタＱ２をオフ状態に制御すると、ヒータ層２に電流が流れなくなる。薄膜状で熱容量の小さいヒータ層２は、放熱により直ちにセンサ素子１０の周辺温度（室温）まで冷却される。同様に薄膜状で熱容量の小さいガス感応層１も放熱により周辺温度まで冷却される。

このように、センサ素子１０のガス感応層１、ヒータ層２共に熱容量が小さいため、少ない電流で短時間のうちに加熱することが可能であり、また、短時間のうちに周辺温度まで冷却させることが可能である。上述したように、ガス検知装置は内蔵電池３０から駆動電力の供給を受けて動作するが、センサ素子１０が薄膜型であることにより、ガス感応層１の加熱を含むセンサ駆動のための電力を省電力化することができる。

熱線式ガスセンサや薄膜型ではない半導体型のガスセンサを用いた従来のガス検知装置では、センサ素子の熱容量が大きい。従って、ヒータは常時通電、あるいは、パルス駆動されてもヒータ駆動パルスのアクティブ期間が本実施形態の５０ｍｓ〜２００ｍｓと比べて非常に長い３〜１０秒程度であった。このような従来型のガス検知装置に比べて、センサ素子１０が薄膜型である本実施形態のガス検知装置は、大きく省電力化されている。

尚、ヒータ制御手段４がヒータ層２を所定の温度にまで加熱する際には、センサ素子１０の周辺温度に応じて、駆動電力が制御されると好ましい。上述したように、薄膜状のヒータ層２は熱容量が小さく、周辺温度の変動に応じてヒータ層２の温度が敏感に変動する。例えば、周辺温度２０℃の場合にヒータ層２を４２０℃に加熱するように標準的な駆動電力が設定されており、周辺温度が５０℃であると、ヒータ層２は４５０℃まで加熱される。ガス感応層１は、ヒータ層２により加熱されるので、同様に最適な動作温度から３０℃高い温度に加熱され、感度が低下する可能性が生じる。図３に示すように、センサ素子１０の近傍には温度検出手段５としてのサーミスタ８が備えられており、周辺温度（雰囲気温度）に対する感度の温度依存性については、後述するようにガス検出手段６において補正される。しかし、ガス感応層１自体の感度が著しく低下した場合には、補正することは困難である。また熱ストレスにより、ガス感応層１やヒータ層２の耐久性を低下させ、センサ素子１０やガス検知装置の寿命に影響を与える可能性もある。

従って、ヒータ制御手段４がヒータ層２を所定の温度にまで加熱する際に、センサ素子１０の周辺温度に応じて、駆動電力が制御されると好ましく、本発明に係るガス検知装置では、そのようにヒータ制御手段４が構成される。センサ素子１０の周辺温度は、ガス検出手段６における補正演算に利用するために、温度検出手段５によって検出されている。ヒータ制御手段４は、この温度検出手段５による検出結果を利用して、ヒータ層２の駆動電力を制御する。この構成の場合、新たな温度検出手段を設けることなくヒータ層２の駆動電力が制御されるので、ガス検知装置のコストを上昇させることなく、性能を向上させることができる。

温度検出手段５は、一例として図１に示すようにサーミスタ８と抵抗器Ｒ４とによって構成される。図３に示すように、サーミスタ８は、ガス検知装置の筐体５０の中に設けられるセンサ素子１０の近傍に配置される。センサ素子１０は、ガス検知装置の筐体５０の全面に形成された通気孔５１を介して流入する外気に含まれるメタンや一酸化炭素などの検知対象となるガスを検知する。ガス検知装置の筐体５０内において、センサ素子１０の近傍に配置されるサーミスタ８は、センサ素子１０の周辺温度とほぼ等価な温度を検出する。理想的には、ガス感応層１が形成されたセンサ素子１０の内部の温度を直接検出することが望ましいが、これは困難であるため、センサ素子１０の周辺温度が計測される。図１に示した回路部４０は、回路基板４１に実装されて筐体５０内に収納されている。抵抗器Ｒ４は、回路基板４１上に実装されている。

サーミスタ８は、温度に応じて抵抗値が変化する素子である。サーミスタ８と抵抗器Ｒ４とにより分圧された電圧は、サーミスタ８の抵抗値によって変化するので、この電圧値により周辺温度が検出できる。図１では、特に定電圧回路を介することなく分圧回路を構成しているが、内蔵電池３０の電圧変動による影響を抑制する必要があれば、定電圧回路を介して分圧回路を構成してもよい。

サーミスタ８と抵抗器Ｒ４とにより分圧された電圧は、周辺温度の検出結果としてマイクロコンピュータ２０に入力され、内蔵のＡ／Ｄコンバータ２６によりデジタル変換される。駆動電力制御手段７を構成する駆動電圧演算部２４は、デジタル変換された周辺温度に基づいて、所望の温度までヒータ層２を加熱するために必要な電力を演算する。本例では、ヒータ層２に印加するヒータ駆動電圧ＶＨを設定するための演算が実施される。

ヒータ駆動電圧ＶＨは、駆動電力制御手段７を構成する定電圧電源７１によって生成される。定電圧電源７１は、一例として可変出力型のレギュレータＩＣを用いることができる。駆動電圧演算部２４は、定電圧電源７１にヒータ駆動電圧ＶＨを出力させるために定電圧電源７１に与える制御信号ＲＥＦのデジタル値を演算する。このデジタル値は、マイクロコンピュータ２０に内蔵されたＤ／Ａコンバータ２８によりアナログ変換され、制御信号ＲＥＦとして定電圧電源７１に入力される。

定電圧電源７１は、駆動電圧演算部２４により演算された制御信号ＲＥＦに基づいてヒータ駆動電圧ＶＨを出力し、ヒータ層２はこのヒータ駆動電圧ＶＨを印加されて加熱される。このように、ヒータ駆動電圧ＶＨは、駆動電力制御手段７により周辺温度に基づいて制御される。尚、図１に示すように、ヒータ駆動電圧ＶＨは、マイクロコンピュータ２０に内蔵されたＡ／Ｄコンバータ２７を介して駆動電圧演算部２４にフィードバックされてもよい。この場合、駆動電圧演算部２４は、ヒータ駆動電圧ＶＨが適切に出力されているか否かを確認し、制御信号ＲＥＦの値を調整する。

図４は、センサ素子１０の周辺温度とヒータ駆動電圧ＶＨとの関係を模式的に示す波形図であり、図５は、センサ素子１０の周辺温度とヒータ層２の温度との関係を模式的に示す波形図である。図４に実線で示すように、周辺温度２０℃を基準温度として、周辺温度が高くなると相対的にヒータ駆動電圧ＶＨが低く設定され、周辺温度が低くなると相対的にヒータ駆動電圧ＶＨが高く設定される。つまり、周辺温度２０℃を基準温度として、周辺温度が高くなると相対的にヒータ駆動のための電力が低くなるように制御され、周辺温度が低くなると相対的にヒータ駆動のための電力が高くなるように制御される。このようにヒータ駆動電圧ＶＨが制御されることにより、図５に実線で示すように、周辺温度に拘わらず、ヒータ層２の温度が一定に保たれる。

周辺温度に応じてヒータ駆動電圧ＶＨが制御されない場合、図４に破線で示すように、周辺温度に拘わらずヒータ駆動電圧ＶＨは一定となる。その結果、図５に破線で示すように、周辺温度に応じてヒータ層２の温度が変動する。本発明によれば、このような問題を良好に解決することができる。

センサ制御手段３は、ガス感応層１の動作温度が検出対象ガスを良好に検出可能な上記所定の温度（高温状態）になった状態に合わせてガス感応層１を通電駆動する。ガス感応層１を加熱するヒータ層２は、ヒータ駆動信号ＨＤにより駆動されるので、ヒータ駆動信号ＨＤと同期したセンサ駆動信号ＳＤにより、ガス感応層１が駆動される。センサ制御手段３としてマイクロコンピュータ２０により構成されるセンサ駆動部２１は、ガス感応層１に直列に接続されたトランジスタＱ１に対して、狭幅のアクティブ区間を有するセンサ駆動パルスＳＤを出力する。アクティブ区間のパルス幅は、１０ｍｓ〜１ｓ程度、好適には５０ｍｓ〜２００ｍｓ程度である。図１に記載された抵抗器Ｒ１は、トランジスタＱ１のベース端子の保護抵抗である。

ガス感応層１の電気抵抗は、既に説明したように検知対象ガスの濃度に応じて変化する。図１に示すようにガス感応層１には、抵抗器Ｒ３が直列接続されている。ガス感応層１と抵抗器Ｒ３とにより分圧された電圧は、ガス感応層１の電気抵抗の変化によって変化するため、当該分圧電圧はガス検知信号ＳＲである。このガス検知信号ＳＲは、マイクロコンピュータ２０に入力され、内蔵のＡ／Ｄコンバータ２５によりデジタル変換されて、ガス検出手段６として構成されたガス検知部２３に入力される。ガス検知部２３は、ガス検知信号ＳＲに基づいて、検知対象ガスのガス濃度を演算する。

ガス検知部２３には、上述したようにマイクロコンピュータ２０に内蔵されたＡ／Ｄコンバータ２６を介して、センサ素子１０の周辺温度も入力されている。ガス感応層１の感度には温度依存性があるため、周辺温度に基づいてガス濃度が補正される。このように、ガス検知部２３は、ガス検知信号ＳＲと周辺温度とに基づいて検知対象ガスを検出する。ガス検知信号ＳＲは、ガス感応層１の電気抵抗に基づいているので、ガス検知部２３（ガス検出手段６）は、ガス感応層１の電気抵抗と周辺温度とに基づいて検知対象ガスを検出する。

ガス検知部２３は、さらに、演算したガス濃度と所定の濃度しきい値とを比較して、警報が必要な異常状態であるか否かを判定する。そして、警報が必要な異常状態であると判定された場合には、警報回路９に対して警報信号ＷＳを出力する。

警報回路９は、一例としてスピーカ（不図示）と、当該スピーカから各種音声を出力可能な音声回路（不図示）とを有して構成されている。音声回路は、ガス検知部２３から入力された警報信号ＷＳに基づいて、スピーカからビープ音や音声メッセージを出力させる。また、警報回路９は、警報信号ＷＳに応じて、ＬＥＤやＬＣＤ等を用いた表示部に所定の表示を出力する表示手段（不図示）を有して構成されてもよい。また、警報回路９は、屋外等に対して異常の発生を通報するべく玄関等で音声を出力するような集中監視盤やインターホン親機等の外部機器（不図示）に対して所定の外部信号を出力する外部出力手段（不図示）等を有して構成されてもよい。警報回路９は、図３に示すように回路基板４１に実装され、ビープ音や音声メッセージは筐体５０に設けられた音孔５２を介して出力される。

本発明は、検知対象ガスに感応して電気抵抗値が変化するガス感応層、及び当該ガス感応層を加熱するヒータ層が形成されたセンサ素子を用いて、前記検知対象ガスを検出するガス検知装置に適用することができる。また、このようなガス検知装置と、火災の発生を検知する火災警報装置とが複合された警報装置に適用することができる。

本発明に係る警報装置の構成の一例を模式的に示すブロック図センサ素子の構造を模式的に示す断面図警報装置の模式的な外観図センサ素子の周辺温度とヒータ駆動電圧との関係を模式的に示す波形図センサ素子の周辺温度とヒータ温度との関係を模式的に示す波形図

符号の説明

１：ガス感応層
２：ヒータ層
４：ヒータ制御手段
５：温度検出手段
６：ガス検出手段
７：駆動電力制御手段
１０：センサ素子

Claims

検知対象ガスに感応して電気抵抗値が変化する層厚０．１〜４０μｍのガス感応層、及び前記ガス感応層下に設けられ、層厚０．１〜４０μｍの絶縁層を挟んで前記ガス感応層を加熱する層厚０．１〜４０μｍのヒータ層が形成されたセンサ素子と、
前記ヒータ層への通電を通電状態と通電停止状態との２状態間で制御するヒータ制御手段と、
前記センサ素子の周辺温度を検出する温度検出手段と、
前記ガス感応層の前記電気抵抗値及び前記周辺温度に基づいて、前記検知対象ガスを検出するガス検出手段と、
前記周辺温度に基づいて、前記ヒータ層が前記通電状態に駆動される際の駆動電力を制御する駆動電力制御手段と、を備え、
前記駆動電力制御手段は、前記ヒータ層に印加される電圧を制御することにより、前記駆動電力を制御し、
さらに、前記駆動電力制御手段は、前記周辺温度が所定の基準温度よりも高い場合には前記ヒータを駆動する駆動電圧を所定の基準電圧よりも低くし、前記周辺温度が前記所定の基準温度よりも低い場合には前記ヒータ層を駆動する前記駆動電圧を前記所定の基準電圧よりも高くすることによって前記駆動電力を制御し、
前記基準温度が、前記センサ素子の周辺温度が−１０〜５０℃の範囲で２０℃に設定されたガス検知装置。