JP5179997B2 - ガス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス検出装置に関する。

従来、ガスセンサからの出力に応じてガス濃度を算出するガス検出装置が知られている。このようなガス検出装置には、シリコーン被毒等によってガスセンサからの出力が低下し、正確なガス濃度を算出できなくなってしまうことがある。そこで、ガスセンサの被毒量を検出し、検出した被毒量に応じてガスセンサからの出力を補正するガス検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２３２７６０号公報

しかし、特許文献１に記載のガス検出装置では、シリコーン被毒等が進行してガスセンサから得られる出力が著しく低下した場合、補正を行ったとしても正確にガス濃度を検出し難くなってしまう。すなわち、ガスセンサから得られる出力そのものが小さいと、この出力を補正した場合に補正による誤差が大きくなって、結果として正確にガス濃度を検出し難くなってしまう。特に、特許文献１に記載のガス検出装置では、シリコーン被毒等が一層進行してガスセンサから得られる出力がゼロとなってしまった場合には補正を行うことすら不可能となってしまい、ガス濃度を正確に検出できなくなってしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ガス濃度の検出精度の低下を抑制することが可能なガス検出装置を提供することにある。

本発明のガス検出装置は、接触燃焼式ガスセンサにより有極性ガスを燃焼させて得られた出力により有極性ガスの濃度を算出するガス検出装置であって、接触燃焼式ガスセンサの一部である第１領域が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサに第１電圧を印加する電圧印加手段と、接触燃焼式ガスセンサの第１領域における被毒量を検出する被毒量検出手段と、を備え、電圧印加手段は、被毒量検出手段により検出された第１領域における被毒量が所定値以上となる場合、濃度を検出するための出力を得るため、接触燃焼式ガスセンサの第１領域よりも広く第１領域を含む第２領域が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサに第１電圧よりも高い第２電圧を印加することを特徴とする。

また、本発明のガス検出装置において、被毒量検出手段は、電圧印加手段により第２電圧が印加されている場合、第２領域における被毒量を検出し、電圧印加手段は、被毒量検出手段により検出された第２領域の被毒量が所定値以上となる場合、濃度を検出するための出力を得るため、接触燃焼式ガスセンサの第２領域よりも広く第２領域を含む第３領域が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサに第２電圧よりも高い第３電圧を印加することが好ましい。

また、本発明のガス検出装置において、被毒量検出手段により検出された第１領域の被毒量が所定値未満となる場合に被毒レベルを第１レベルと記憶し、第１領域の被毒量が所定値以上となる場合に被毒レベルを第２レベルと記憶し、第２領域の被毒量が所定値以上となる場合に被毒レベルを第３レベルと記憶する記憶手段をさらに備え、被毒量検出手段は、記憶手段により記憶される被毒レベルが第１レベルのときに第１領域の被毒量を検出し、被毒レベルが第２レベルのときに第２領域の被毒量を検出し、被毒レベルが第３レベルのときに第３領域の被毒量を検出することが好ましい。

また、本発明のガス検出装置において、記憶手段は、不揮発性メモリによって構成されていることが好ましい。

本発明のガス検出装置によれば、第１領域における被毒量が所定値以上となる場合、接触燃焼式ガスセンサの第１領域よりも広く第１領域を含む第２領域が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサに第１電圧よりも高い第２電圧を印加する。このため、第１領域の被毒量が大きく、検出精度を維持できない場合に、接触燃焼式ガスセンサに印加する電圧を高めることとなる。そして、接触燃焼式ガスセンサに印加する電圧を高めることにより、第１領域よりも広く第１領域を含む第２領域においても燃焼温度以上とすることができ、被毒が進行していない第２領域をセンサ部分として機能させることができる。これにより、たとえ接触燃焼式ガスセンサから得られる出力が著しく低下したり、出力がゼロとなってしまったりしても、被毒の少ない新たな領域を使用してセンサ出力を得ることができる。従って、センサ寿命を長期化させて、ガス濃度の検出精度の低下を抑制することができる。

また、第２電圧が印加されている場合、第２領域における被毒量を検出し、検出された第２領域の被毒量が所定値以上となる場合、接触燃焼式ガスセンサの第２領域よりも広く第２領域を含む第３領域が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサに第２電圧よりも高い第３電圧を印加する。このため、第２領域の被毒が進行してしまっても、第２領域よりもさらに広く第２領域を含む第３領域を使用してセンサ出力を得ることができる。従って、センサ寿命を一層長期化させて、ガス濃度の検出精度の低下を一層抑制することができる。

また、第１領域の被毒量が所定値未満となる場合に被毒レベルを第１レベルと記憶し、第１領域の被毒量が所定値以上となる場合に被毒レベルを第２レベルと記憶し、第２領域の被毒量が所定値以上となる場合に被毒レベルを第３レベルと記憶する記憶手段をさらに備え、被毒量検出手段は、記憶手段に記憶される被毒レベルに応じて被毒量を検出する領域を決定する。このため、被毒量検出手段は、記憶手段に記憶される被毒レベルに応じて適切な領域の被毒量を検出することができる。従って、処理の適切化を図ることができる。

また、記憶手段は、不揮発性メモリによって構成されているため、ガス検出装置の電源を一旦切ったとしても、被毒レベルの情報は保持されることとなり、電源投入時から適切な領域でガス濃度の検出と被毒量の検出とをすることができる。従って、一層処理の適切化を図ることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係るガス検出装置を示す構成図である。図１に示すように、ガス検出装置１は、センサ出力をもとに有極性ガスの濃度を算出するものであって、制御部１０と、接触燃焼式ガスセンサ２１を有するガスセンサ部２０とを備えている。ここで、有極性ガスとは、分子内で正電荷と負電荷との重心が一致しないため、分子が電気的な双極子を有するガスであって、単に極性ガスともいう。このような有極性ガスは、例えば、エタノール、酢酸、ホルムアルデヒド及びトルエンなどが該当する。

制御部１０は、ガスセンサ部２０の駆動制御、及び、ガス濃度の算出等を行うものであって、例えばＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ）により構成されている。この制御部１０は、センサ駆動制御部１１、センサ出力取得部１２、記憶部（記憶手段）１３、被毒量検出部（被毒量検出手段）１４、及び、濃度算出部１５を有している。

センサ駆動制御部１１は、駆動信号を出力して接触燃焼式ガスセンサ２１を駆動制御するものである。センサ出力取得部１２は、センサ駆動制御部１１により駆動制御された接触燃焼式ガスセンサ２１の出力電圧の情報を取得するものである。記憶部１３は、後述の被毒量及び被毒レベルを記憶する不揮発性メモリである。被毒量検出部１４は、接触燃焼式ガスセンサ２１の被毒量を検出するものである。濃度算出部１５は、センサ出力取得部１２により取得された接触燃焼式ガスセンサ２１の出力電圧の値に基づいて有極性ガスの濃度を算出するものである。また、濃度算出部１５は、補正部１５ａを有している。補正部１５ａは、被毒量検出部１４により検出され記憶部１３に記憶された被毒量に応じてセンサ出力取得部１２からの出力を補正するものである。このため、濃度算出部１５は、補正部１５ａにより補正された出力電圧に基づいて正確なガス濃度を算出することとなる。

ガスセンサ部２０は、接触燃焼式ガスセンサ２１に加えて、各種抵抗Ｒ１〜Ｒ３、ブリッジ駆動回路２２、計装アンプ２３、及びＡ／Ｄ変換器２４を有している。

接触燃焼式ガスセンサ２１は、図１に示すように、２つの抵抗Ｒｒ，Ｒｓを有し、これら抵抗Ｒｒ，Ｒｓが抵抗Ｒ１，Ｒ２と共にブリッジ回路を構成している。抵抗Ｒ１は、一端がブリッジ駆動回路２２側に接続され、他端が接続点Ｂにつながっている。抵抗Ｒ２は、一端がブリッジ駆動回路２２側に接続され、他端が接続点Ａにつながっている。センサ抵抗Ｒｓは、抵抗Ｒ２と直列接続され、一端が接続点Ａにつながっており、他端がグランド接続されている。リファレンス抵抗Ｒｒは、抵抗Ｒ１と直列接続され、一端が接続点Ｂにつながっており、他端がグランド接続されている。

ブリッジ駆動回路２２は、センサ駆動制御部１１からの駆動信号に基づいて、ブリッジ回路に印加する電圧を制御するものである。このため、ブリッジ駆動回路２２は、センサ駆動制御部１１と共に、接触燃焼式ガスセンサ２１に印加する電圧を制御する電圧印加手段を構成している。

図２は、図１に示した接触燃焼式ガスセンサ２１の詳細を示す外観図であり、（ａ）は上面図を示し、（ｂ）は断面図を示している。なお、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面を示している。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す接触燃焼式ガスセンサ２１は、半導体製造プロセス技術を用いて製造された超小型センサである。この接触燃焼式ガスセンサ２１は、シリコンウェハ２１ａ上に、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、及び酸化ハフニウム膜等からなる絶縁膜２１ｂが形成されており、絶縁膜２１ｂ上にセンサ抵抗Ｒｓとリファレンス抵抗Ｒｒが設けられている。

センサ抵抗Ｒｓは、白金からなる抵抗体であって、この抵抗体を包むように触媒層２１ｓが設けられている。触媒層２１ｓは、例えばパラジウムを担持したアルミナからなるＰｄ／Ａｌ_２Ｏ_３によって構成されている。また、リファレンス抵抗Ｒｒは、センサ抵抗Ｒｓと同様に白金からなる抵抗体であって、この抵抗体を包むようにアルミナ層２１ｒが設けられている。

また、シリコンウェハ２１ａ上には３つのボンディングパッド２１ｃ〜２１ｅが形成されている。第１ボンディングパッド２１ｃは接続点Ａとなる。第２ボンディングパッド２１ｄはグランド接続される。また、第３ボンディングパッド２１ｅは、接続点Ｂとなる。

さらに、シリコンウェハ２１ａは、センサ抵抗Ｒｓ及びリファレンス抵抗Ｒｒに対応する位置に、裏面から異方性エッチングによって凹部２１ｆ，２１ｇが形成されている。接触燃焼式ガスセンサ２１は、これらの凹部２１ｆ，２１ｇによって熱容量が小さくなっている。

再度、図１を参照する。計装アンプ２３は、非反転入力端子と反転入力端子に入力する電圧の差を増幅するものである。この計装アンプ２３は、非反転入力端子が接続点Ａにつながっており、反転入力端子が接続点Ｂにつながっている。このため、計装アンプ２３は、接続点Ａと接続点Ｂとの電圧差を増幅することとなる。また、計装アンプ２３には、可変抵抗Ｒ３が接続されている。可変抵抗Ｒ３はオフセット調整するためのものである。Ａ／Ｄ変換器２４は、計装アンプ２３から出力されたアナログの電圧を入力し、Ａ／Ｄ変換したうえで、センサ出力取得部１２に出力するものである。

次に、本実施形態に係るガス検出装置１の基本動作を説明する。まず、センサ駆動制御部１１はブリッジ駆動回路２２に駆動信号を出力し、ブリッジ駆動回路２２は接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させる。これにより、接触燃焼式ガスセンサ２１は有極性ガスの燃焼温度未満となり、有極性ガスが存在する雰囲気においては、センサ抵抗Ｒｓを包んで設けられる触媒層２１ｓに有極性ガスが付着することとなる。その後、ブリッジ駆動回路２２は、センサ駆動制御部１１からの駆動信号により、接触燃焼式ガスセンサ２１を高温駆動させる。これにより、接触燃焼式ガスセンサ２１は有極性ガスの燃焼温度にまで達し、有極性ガスが存在する雰囲気においては、低温駆動時に触媒層２１ｓに付着していた有極性ガスが燃焼することとなる。

低温駆動から高温駆動に切り替えた際、接触燃焼式ガスセンサ２１の温度上昇は接触燃焼式ガスセンサ２１に供給されるエネルギに依存する。このため、有極性ガスの無い雰囲気で両抵抗Ｒｓ，Ｒｒを同電圧で駆動すれば、両抵抗Ｒｓ，Ｒｒが所定温度まで達する時間は等しくなる。一方、有極性ガスが存在する雰囲気において両抵抗Ｒｓ，Ｒｒを同電圧で駆動すると、センサ抵抗Ｒｓは、有極性ガスの燃焼時のエネルギによって、リファレンス抵抗Ｒｒよりも早くに所定温度に達する。そして、温度に差が生じることから、両抵抗Ｒｓ，Ｒｒの抵抗値にも差が生じてブリッジ回路のバランスが崩れる。これにより、計装アンプ２３からの出力は、付着していた有極性ガスの分子量（すなわち濃度）に応じた値を示すこととなる。そして、濃度算出部１５は、得られた出力に基づいて有極性ガスの濃度を算出することとなる。

なお、上記では、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させる際に、接触燃焼式ガスセンサ２１に電圧を印加しているが、これに限らず、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させる際に電圧を遮断する構成であってもよい。

次に、本実施形態に係るガス検出装置１の特徴的動作の詳細について説明する。図３は、センサ抵抗Ｒｓを包む触媒層２１ｓの温度等を示す概念図であり、（ａ）は低温駆動及び高温駆動時の温度等を示し、（ｂ）はセンサ部分として機能する領域を示している。上記したように、接触燃焼式ガスセンサ２１は、低温駆動を行って触媒層２１ｓに付着した有極性ガスを、高温駆動時に燃焼させて出力を得る。このため、触媒層２１ｓのうち、低温駆動時に燃焼温度未満の吸着温度となり、高温駆動時に燃焼温度以上となる領域のみがセンサ部分として機能することとなる。

具体的に本実施形態に係るガス検出装置１は、図３に示すように、触媒層２１ｓの中央部にある第１領域３１のみを、低温駆動時に吸着温度とし、高温駆動時に燃焼温度以上としている。このため、第１領域３１のみがセンサ部分として機能することとなる。すなわち、センサ抵抗Ｒｓによって触媒層２１ｓの中央部分が温められ易くなり、第１領域３１の外側の領域が温められ難くなるため、第１領域３１のみがセンサ部分として機能することとなる。

ここで、接触燃焼式ガスセンサ２１は、３つの条件が成立する場合にシリコーン被毒してしまう。具体的に、接触燃焼式ガスセンサ２１は、（１）被検ガス中にシロキサンが存在すること、（２）触媒層２１ｓを有すること、及び（３）触媒温度が高温となること、を条件としてＳｉＯ_２が形成され、シリコーン被毒が発生してしまう。従って、３条件を満たす触媒層２１ｓ上の第１領域３１は、長期の使用によりシリコーン被毒してしまう。

図４は、センサ抵抗Ｒｓを包む触媒層２１ｓの温度等を示す第２の概念図であり、（ａ）は低温駆動及び高温駆動時の温度等を示し、（ｂ）はセンサ部分として機能する領域を示している。触媒層２１ｓの第１領域３１がシリコーン被毒してしまった場合、本実施形態に係るガス検出装置１は、接触燃焼式ガスセンサ２１の高温駆動時の温度を上昇させる（図４（ａ）参照）。これにより、第１領域３１を含む第２領域３２をセンサ部分として機能させることができる（図４（ｂ）参照）。さらに、第２領域３２がシリコーン被毒してしまった場合、ガス検出装置１は、接触燃焼式ガスセンサ２１の高温駆動時の温度をさらに上昇させる。これにより、第１領域３１及び第２領域３２を含む第３領域３３をセンサ部分として機能させることができる（図４（ｂ）参照）。以後、センサ部分として機能している領域がシリコーン被毒する度に、高温駆動時の温度を上昇させることで、さらに外側の領域をセンサ部分として機能させることができる。

なお、図４に示す例の場合において、ガス検出装置１は高温駆動時の温度を高めることにあわせて、低温駆動時の温度を高めているが、これに限らず、低温駆動時の温度を一定としたまま、高温駆動時の温度を高めるようにしてもよい。なお、高温駆動時の温度を高めることにあわせて、低温駆動時の温度を高めた場合、被毒した領域に対し低温駆動時に燃焼温度以上の温度をかけることが可能となり、被毒した領域でのガス吸着を防ぐことができる。すなわち、被毒した領域にガス感度が僅かに残っているような場合に、その僅かなガス感度によって影響を受けないようにすることができる。そして、どの検出領域をセンサ部分として機能させた場合においても吸着量のバラツキを抑えることができる。一方、低温駆動時の温度を一定とした場合、高温駆動時の温度のみを上昇させればよいため、制御の容易化を図ることができる。なお、この場合、センサ部分として機能させる領域が外側の領域となるにつれて、内側の領域にも有極性ガスが吸着し、有極性ガスの吸着が多くなるため、検出領域の調整を行うことが望ましい。

また、低温駆動及び高温駆動を行うことなく、接触燃焼式ガスセンサ２１に常時電圧を印加するタイプのものであっても、上記の如く接触燃焼式ガスセンサ２１に印加する電圧を順次上げていくことにより、シリコーン被毒していない領域をセンサ部分として機能させることもできる。

加えて、本実施形態では、第１領域３１と第２領域３２とを利用することにより、第１領域３１の被毒量を検出できるようになっている。まず、第１領域３１が被毒してしないと仮定する。この場合、第１領域３１のみが燃焼温度以上となるように制御したときの出力から、第１領域を含む第２領域３２が燃焼温度以上となるように制御したときの出力を除算した値は、Ｃ１（Ｃ１は定数）となる。

一方、第１領域３１が被毒してしまってセンサ機能を殆ど果たしていないと仮定する。この場合、第１領域３１のみが燃焼温度以上となるように制御したときの出力から、第１領域を含む第２領域３２が燃焼温度以上となるように制御したときの出力を除算した値は、Ｃ２（Ｃ２はＣ１よりも小さい定数）となる。

従って、本実施形態に係る被毒量検出部１４は、第１領域３１のみが燃焼温度以上となるように制御したときの出力電圧と、第１領域を含む第２領域３２が燃焼温度以上となるように制御したときの出力電圧との比較から、第１領域３１の被毒量を検出できることとなる。なお、この理論は第２領域３２の被毒量が少ない場合のみに成立するものである。このため、ガス検出装置１は、例えば第１領域３１で一定期間繰り返して濃度検出を行った後に、１回だけ第２領域３２で出力電圧を取得して第１領域３１の被毒量を検出することが望ましい。これにより、第２領域３２の使用回数が、第１領域３１の使用回数よりも少なくなり、第２領域３２の被毒の進行が抑えられるからである。

また、上記では、第１領域３１と第２領域３２とで説明したが、これに限らず、第２領域３２と第３領域３３とであっても、同様に第２領域３２の被毒量を検出することができる。さらに、第３領域３３や第３領域よりも外側の領域についても同様に被毒量を検出することができる。

次に、本実施形態に係るガス検出装置１の処理の概略について説明する。まず、センサ駆動部１１及びブリッジ駆動回路２２は、接触燃焼式ガスセンサ２１の第１領域３１が有極性ガスの燃焼温度未満となるように、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させる。そして、所定時間経過後にセンサ駆動部１１及びブリッジ駆動回路２２は、第１領域３１が有極性ガスの燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサ２１に第１電圧を印加して、高温駆動させる。

次に、ガス検出装置１が上記動作を一定期間繰り返して実行した後、被毒量検出部１４は、第１領域３１の被毒量を検出する。このとき、センサ駆動部１１及びブリッジ駆動回路２２は、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させた後に、第２領域３２が有極性ガスの燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサ２１に第１電圧よりも高い第２電圧を印加して、高温駆動させる。これにより、被毒量検出部１５は、上記した理論に基づいて、第１領域３１の被毒量を検出する。なお、被毒量を検出するにあたっては、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させた後に第２電圧を印加する一連の動作を２回繰り返し、２回目の出力を利用することが望ましい。１回目の出力を利用した場合、第２領域３２には、第１領域３１で検出を行っていた間に有極性ガスが吸着し続けていたこととなり、第１領域３１と第２領域３２との吸着時間に大きな差が出てしまうからである。

次いで、制御部１０は、検出した被毒量を記憶部１３に記憶させる。さらに、制御部１０は、検出した被毒量が所定値未満である場合、記憶部１３に被毒レベルを第１レベルであると記憶させる。一方、検出した被毒量が所定値以上である場合、制御部１０は、記憶部１３に被毒レベルを第２レベルであると記憶させる。

そして、検出した被毒量が所定値未満である場合、すなわち被毒レベルが第１レベルである場合、センサ駆動部１１及びブリッジ駆動回路２２は、第１領域３１を対象に低温駆動させる動作と、第１領域３１を対象に高温駆動させる動作とを繰り返し実行することとなる。

一方、検出した被毒量が所定値以上である場合、すなわち被毒レベルが第２レベルである場合、センサ駆動部１１及びブリッジ駆動回路２２は、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させた後に、第２領域３２が有極性ガスの燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサ２１に第２電圧を印加して、高温駆動させる。そして、ガス検出装置１は、今後第２領域３２をセンサ部分として機能させ、被毒が進行した第１領域３１のみによる検出を行わないようにする。

次いで、被毒量検出部１４は、第２領域３２をセンサ部分として機能させ、低温駆動と高温駆動とを一定期間繰り返して実行した後に、第２領域３２の被毒量を検出する。このとき、センサ駆動部１１及びブリッジ駆動回路２２は、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させた後に、第３領域３３が有極性ガスの燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサ２１に第２電圧よりも高い第３電圧を印加して、高温駆動させる。これにより、被毒量検出部１５は、上記した理論に基づいて、第２領域３２の被毒量を検出する。なお、この場合においても、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させた後に第３電圧を印加する一連の動作を２回繰り返し、２回目の出力を利用することが望ましい。吸着時間に大きな差が出てしまうからである。

次いで、制御部１０は、検出した被毒量を記憶部１３に記憶させる。さらに、制御部１０は、検出した被毒量が所定値未満である場合、記憶部１３に被毒レベルを第２レベルであると記憶させる。一方、検出した被毒量が所定値以上である場合、制御部１０は、記憶部１３に被毒レベルを第３レベルであると記憶させる。

以後、ガス検出装置１は、上記の如く、被毒量の検出を行うと共に被毒が進行していると判断できる場合には、現在センサ部分として機能させている領域の外側の領域がセンサ部分として機能するように、印加電圧を調整することとなる。

次に、本実施形態に係るガス検出装置１の詳細動作をフローチャートを参照して説明する。図５及び図６は、本実施形態に係るガス検出装置１の詳細動作を示すフローチャートである。

まず、制御部１０は、記憶部１３に記憶されている被毒レベルと被毒量との情報を読み込む（Ｓ１）。次に、制御部１０は、接触燃焼式ガスセンサ２１を高温駆動させる際の電圧を設定する（Ｓ２）。この際、制御部１０は、ステップＳ１において読み込まれた被毒レベルが第１レベルである場合、設定する電圧を第１電圧とし、被毒レベルが第２レベルである場合、設定する電圧を第２電圧とし、被毒レベルが第３レベルである場合、設定する電圧を第３電圧とする。なお、ステップＳ２において設定された電圧により接触燃焼式ガスセンサ２１が駆動されたときの温度を「現検出温度」とする。

その後、制御部１０は、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させる際の電圧を設定する（Ｓ３）。そして、センサ駆動制御部１１及びブリッジ駆動回路２２は、制御部１０により設定された電圧をブリッジ回路に印加し、接触燃焼式ガスセンサ２１を低温駆動させる（Ｓ４）。なお、ステップＳ３及びステップＳ４の処理において制御部１０は、被毒レベルに応じて低温駆動させる際の電圧を変化させてもよいし、変化させなくてもよい。

ステップＳ４の処理後、制御部１０は、所定時間経過したか否かを判断する（Ｓ５）。所定時間経過していないと判断された場合（Ｓ５：ＮＯ）、経過したと判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、所定時間経過したと判断された場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、処理はステップＳ６に移行する。このように、ガス検出装置１は、所定時間経過したか否かを判断することにより、接触燃焼式ガスセンサ２１に有極性ガスを吸着させる吸着期間を実現している。

ステップＳ６において、制御部１０は、被毒量を検出する被毒判定処理を実行するか否かを判断する（Ｓ６）。このとき、制御部１０は、（１）現検出温度で一定期間ガス濃度の検出が行われ、且つ、（２）前回のガス濃度の検出値からガス反応があった場合に、被毒判定処理を実行すると判断する。現検出温度で一定期間ガス濃度の検出が行われていない場合に、被毒判定処理を実行してしまうと、頻繁に被毒判定処理を実行することとなってしまい、不都合だからである。すなわち、頻繁に被毒量を検出してしまうと、上記したように、被毒量を検出したい領域（例えば第１領域３１）の外側の領域（例えば第２領域３２）の使用回数が多くなり、外側の領域の被毒が進行してしまう可能性が高まるからである。また、前回のガス濃度の検出値からガス反応がない場合に被毒量を検出してしまうと、前回と今回との出力電圧から被毒量を求めることができなくなってしまうからである。

被毒判定処理を実行すると判断した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、制御部１０は、ステップＳ２において設定した電圧に上書きするようなかたちで、新たな電圧を設定する（Ｓ７）。このとき、制御部１０は、被毒レベルが第１レベルである場合、設定する電圧を第１電圧よりも高い第２電圧とする。また、制御部１０は、被毒レベルが第２レベルである場合、設定する電圧を第２電圧よりも高い第３電圧とし、被毒レベルが第３レベルである場合、設定する電圧を第３電圧よりも高い第４電圧とする。これにより、制御部１０は、現検出温度によりセンサ部分として機能させている領域の外側の領域をセンサ部分として機能させることとなる。なお、ステップＳ７において設定された電圧により接触燃焼式ガスセンサ２１が駆動されたときの温度を「次期検出温度」とする。

一方、被毒判定処理を実行しないと判断した場合（Ｓ６：ＮＯ）、処理はステップＳ８に移行する。ステップＳ８においてセンサ駆動制御部１１及びブリッジ駆動回路２２は、制御部１０により設定された電圧をブリッジ回路に印加し、接触燃焼式ガスセンサ２１を高温駆動させる（Ｓ８）。すなわち、ステップＳ６の処理において被毒判定処理を実行すると判断された場合、接触燃焼式ガスセンサ２１は次期検出温度で駆動され、被毒判定処理を実行しないと判断された場合、接触燃焼式ガスセンサ２１は現検出温度で駆動されることとなる。

その後、制御部１０は、現在被毒判定実行中であって、且つ、ステップＳ８におけるＨ温度駆動が１回目の駆動であるか否かを判断する（Ｓ９）。そして、現在被毒判定実行中であって、且つ、ステップＳ８におけるＨ温度駆動が１回目の駆動である場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、処理はステップＳ３に移行する。一方、現在被毒判定実行中でない場合、又は、現在被毒判定実行中であるが、ステップＳ８におけるＨ温度駆動が２回目の駆動である場合（Ｓ９：ＮＯ）、制御部１０は、ステップＳ８における高温駆動によって得られるセンサ出力を最低１回サンプリグし、得られたデータをＧＡＳ_ｎとして記憶部１３に記憶させる（Ｓ１０）。

そして、制御部１０は、高温駆動時の温度が次期検出温度であったか否かを判断する（図６：Ｓ１１）。すなわち、制御部１０は、ステップＳ６において被毒判定処理が実行されたか否かを判断することとなる。高温駆動時の温度が次期検出温度でなかったと判断した場合（Ｓ１１：ＮＯ）、被毒判定処理の実行中でないことから、ガス検出装置１は、ステップＳ１２以降の被毒量及び被毒レベルの検出処理を実行することなく、処理はステップＳ１８に移行する。

一方、高温駆動時の温度が次期検出温度であったと判断した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、被毒判定処理の実行中であることから、ガス検出装置１は、ステップＳ１２以降の被毒量及び被毒レベルの検出処理を実行する。この検出処理において被毒量検出部１４は、まず記憶部１３に記憶される前回のサンプリングデータであるＧＡＳ_ｎ−１から、今回のサンプリグデータであるＧＡＳ_ｎを除算して、被毒量を求める（Ｓ１２）。次いで、制御部１０は、被毒量が予め設定された設定値α未満であるか否かを判断する（Ｓ１３）。

被毒量が予め設定された設定値α未満であると判断した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、すなわち現検出温度によりセンサ部分として機能している領域の被毒が進行している場合、制御部１０は、次期検出温度が現検出温度となるように被毒レベルをインクリメントして記憶部１３に記憶させる（Ｓ１４）。この処理により、今までセンサ部分として機能させていた領域の外側の領域をセンサ部分として機能させることとなる。そして、制御部１０は、記憶部１３に記憶させていた被毒量の情報をリセットし（Ｓ１５）、処理はステップＳ１８に移行する。

被毒量が予め設定された設定値α未満でないと判断した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、すなわち現検出温度によりセンサ部分として機能している領域の被毒がそれほど進行していない場合、制御部１０は、ステップＳ２と同様に接触燃焼式ガスセンサ２１を高温駆動させる際の電圧を設定する（Ｓ１６）。次に、制御部１０は、ステップＳ１２において求められた被毒量の情報を記憶部１３に記憶させる（Ｓ１７）。その後、処理はステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１８において濃度算出部１５の補正部１５ａは、被毒補正を実行する（Ｓ１８）。この処理において補正部１５ａは、センサ出力取得部１２により取得された出力電圧を記憶部１３に記憶されている被毒量で除する。これにより、濃度算出部１５は、出力電圧が補正されて被毒の影響が排除されたガス濃度を求めることができる。但し、ステップＳ１１において「ＹＥＳ」と判断され、被毒判定実行中である場合、濃度算出部１５は、次期検出温度で駆動されて得られた出力電圧をそのまま用いてガス濃度を求める。これにより、出力電圧の補正を行うことなく、処理が簡素化されると共に、使用回数が少ない外側の領域によって検出された出力電圧からガス濃度を求めることができ、ガス濃度の算出精度を高めることができるからである。

その後、制御部１０は、ステップＳ１８において算出されたガス濃度を、必要に応じて外部機器（例えばガス警報器等）に出力する（Ｓ１９）。そして、図５及び図６に示した処理は終了する。なお、図５及び図６に示す処理は、ガス検出装置１の電源がオフされるまで、繰り返し実行される。

図７は、本実施形態に係るガス検出装置１において、触媒層２１ｓを５つの領域に分け、被毒が進行する毎に外側の領域をセンサ部分として機能させた場合のセンサ出力を示すグラフである。なお、図７における縦軸のセンサ出力の値は、以下のようにして取得した。まず、一定濃度の有極性ガスが存在する雰囲気において、接触燃焼式ガスセンサ２１からの出力を１１ビットのＡ／ＤコンバータでＡＤ変換し、得られたＡＤ値を所定タイミングでサンプリングし、サンプリングされたＡＤ値を積算する。その後、有極性ガスが存在しない状況下で、接触燃焼式ガスセンサ２１からの出力を１１ビットのＡ／ＤコンバータでＡＤ変換し、得られたＡＤ値を上記と同じタイミングでサンプリングし、サンプリングされたＡＤ値を積算する。次いで、前者において得られた積算ＡＤ値を、後者の積算ＡＤ値で減算する。以上により、図７に示す縦軸の値を取得した。

図７に示すように、第１領域３１において初期感度、すなわち被毒がない状態では、センサ出力の値は約「１６０００」を示している。そして、第１領域３１が被毒してしまうと、センサ出力の値はほぼ「０」となってしまう。

しかし、本実施形態に係るガス検出装置１のように、第２領域３２を新たにセンサ部分として機能させることにより、センサ出力の値は再び約「１６０００」を示すこととなる（第２領域３２の初期感度参照）。このように、本実施形態では、実験からもセンサ出力が回復し、センサの超寿命化に寄与できることが明らかである。

そして、第２領域３２が被毒してしまうと、センサ出力の値はほぼ「０」となってしまう。ところが、第３領域３３を新たにセンサ部分として機能させることにより、センサ出力の値は再び約「１６０００」を示すこととなる（第３領域３３の初期感度参照）。すなわち、領域を２つだけでなく３つ以上に分けて、被毒が進行するごとに順次センサ機能部分を変更することで、より一層センサの超寿命化に寄与できることが実験からも明らかとなっている。

以後、同様に、被毒が進行してセンサ出力の値がほぼ「０」となる毎に、センサ機能部分を変更することで、センサ出力の値は再び約「１６０００」に回復し、センサの超寿命化に寄与できる。

このようにして、本実施形態に係るガス検出装置１によれば、第１領域３１における被毒量が所定値以上となる場合、接触燃焼式ガスセンサ２１の第１領域３１よりも広く第１領域３１を含む第２領域３２が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサ２１に第１電圧よりも高い第２電圧を印加する。このため、第１領域３１の被毒量が大きく、検出精度を維持できない場合に、接触燃焼式ガスセンサ２１に印加する電圧を高めることとなる。そして、接触燃焼式ガスセンサ２１に印加する電圧を高めることにより、第１領域３１よりも広く第１領域３１を含む第２領域３２においても燃焼温度以上とすることができ、被毒が進行していない第２領域３２をセンサ部分として機能させることができる。これにより、たとえ接触燃焼式ガスセンサ２１から得られる出力が著しく低下したり、出力がゼロとなってしまったりしても、被毒の少ない新たな領域を使用してセンサ出力を得ることができる。従って、センサ寿命を長期化させて、ガス濃度の検出精度の低下を抑制することができる。

また、第２電圧が印加されている場合、第２領域３２における被毒量を検出し、検出された第２領域３２の被毒量が所定値以上となる場合、接触燃焼式ガスセンサ２１の第２領域３２よりも広く第２領域３２を含む第３領域３３が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、接触燃焼式ガスセンサに第２電圧よりも高い第３電圧を印加する。このため、第２領域３２の被毒が進行してしまっても、第２領域３２よりもさらに広く第２領域３２を含む第３領域３３を使用してセンサ出力を得ることができる。従って、センサ寿命を一層長期化させて、ガス濃度の検出精度の低下を一層抑制することができる。

また、第１領域３１の被毒量が所定値未満となる場合に被毒レベルを第１レベルと記憶し、第１領域３１の被毒量が所定値以上となる場合に被毒レベルを第２レベルと記憶し、第２領域３２の被毒量が所定値以上となる場合に被毒レベルを第３レベルと記憶する記憶部１３をさらに備え、被毒量検出部１４は、記憶部１３に記憶される被毒レベルに応じて被毒量を検出する領域を決定する。このため、被毒量検出部１４は、記憶部１３に記憶される被毒レベルに応じて適切な領域の被毒量を検出することができる。従って、処理の適切化を図ることができる。

また、記憶部１３は、不揮発性メモリによって構成されているため、ガス検出装置１の電源を一旦切ったとしても、被毒レベルの情報は保持されることとなり、電源投入時から適切な領域でガス濃度の検出と被毒量の検出とをすることができる。従って、一層処理の適切化を図ることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、上記実施形態において接触燃焼式ガスセンサ２１は、リファレンス抵抗Ｒｒとセンサ抵抗Ｒｓと固定抵抗Ｒ１，Ｒ２とによってブリッジ回路を形成しているが、これら配置は適宜変更可能である。

本発明の実施形態に係るガス検出装置を示す構成図である。 図１に示した接触燃焼式ガスセンサの詳細を示す外観図であり、（ａ）は上面図を示し、（ｂ）は断面図を示している。 センサ抵抗を包む触媒層の温度等を示す概念図であり、（ａ）は低温駆動及び高温駆動時の温度等を示し、（ｂ）はセンサ部分として機能する領域を示している。 センサ抵抗を包む触媒層の温度等を示す第２の概念図であり、（ａ）は低温駆動及び高温駆動時の温度等を示し、（ｂ）はセンサ部分として機能する領域を示している。 本実施形態に係るガス検出装置１の詳細動作を示すフローチャートであり、前半部分を示している。 本実施形態に係るガス検出装置１の詳細動作を示すフローチャートであり、後半部分を示している。 本実施形態に係るガス検出装置において、触媒層を５つの領域に分け、被毒が進行する毎に外側の領域をセンサ部分として機能させた場合のセンサ出力を示すグラフである。

符号の説明

１…ガス検出装置
１０…制御部
１１…センサ駆動制御部（電圧印加手段）
１２…センサ出力取得部
１３…記憶部（記憶手段）
１５…被毒量検出部（被毒量検出手段）
１５…濃度算出部
１５ａ…補正部
２０…ガスセンサ部
２１…接触燃焼式ガスセンサ
２１ａ…シリコンウェハ
２１ｂ…絶縁膜
２１ｃ〜２１ｅ…ボンディングパッド
２１ｆ，２１ｇ…凹部
２１ｓ…触媒層
２１ｒ…アルミナ層
２２…ブリッジ駆動回路（電圧印加手段）
２３…計装アンプ
２４…Ａ／Ｄ変換器
Ｒｓ…センサ抵抗
Ｒｒ…リファレンス抵抗
Ｒ１〜Ｒ３…抵抗

Claims (4)

1. 接触燃焼式ガスセンサにより有極性ガスを燃焼させて得られた出力により有極性ガスの濃度を算出するガス検出装置であって、
   前記接触燃焼式ガスセンサの一部である第１領域が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、前記接触燃焼式ガスセンサに第１電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記接触燃焼式ガスセンサの第１領域における被毒量を検出する被毒量検出手段と、を備え、
   前記電圧印加手段は、前記被毒量検出手段により検出された第１領域における被毒量が所定値以上となる場合、濃度を検出するための出力を得るため、前記接触燃焼式ガスセンサの第１領域よりも広く第１領域を含む第２領域が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、前記接触燃焼式ガスセンサに第１電圧よりも高い第２電圧を印加する
   ことを特徴とするガス検出装置。
2. 前記被毒量検出手段は、前記電圧印加手段により第２電圧が印加されている場合、第２領域における被毒量を検出し、
   前記電圧印加手段は、前記被毒量検出手段により検出された第２領域の被毒量が所定値以上となる場合、濃度を検出するための出力を得るため、前記接触燃焼式ガスセンサの第２領域よりも広く第２領域を含む第３領域が有極性ガスを燃焼させる燃焼温度以上となるように、前記接触燃焼式ガスセンサに第２電圧よりも高い第３電圧を印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
3. 前記被毒量検出手段により検出された第１領域の被毒量が所定値未満となる場合に被毒レベルを第１レベルと記憶し、第１領域の被毒量が所定値以上となる場合に被毒レベルを第２レベルと記憶し、第２領域の被毒量が所定値以上となる場合に被毒レベルを第３レベルと記憶する記憶手段をさらに備え、
   前記被毒量検出手段は、前記記憶手段により記憶される被毒レベルが第１レベルのときに第１領域の被毒量を検出し、被毒レベルが第２レベルのときに第２領域の被毒量を検出し、被毒レベルが第３レベルのときに第３領域の被毒量を検出する
   ことを特徴とする請求項２に記載のガス検出装置。
4. 前記記憶手段は、不揮発性メモリによって構成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載のガス検出装置。
   

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