JP5399721B2

JP5399721B2 - ガス濃度検出装置

Info

Publication number: JP5399721B2
Application number: JP2009005535A
Authority: JP
Inventors: 祐介伊東; 亜矢子齋藤; 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: JP2010164367A

Description

本発明は、ガス濃度検出装置に係り、特に、検知対象ガスとの燃焼により雰囲気中の前記検知対象ガスの濃度を検出するガスセンサを備えたガス濃度検出装置に関するものである。

上述したガスセンサとして、例えば特許文献１に記載された接触燃焼式や吸着燃焼式のガスセンサが知られている。このガスセンサは、シリコン基板に支持された薄膜ダイヤフラムと、薄膜ダイヤフラム上に形成された白金ヒータと、この白金ヒータを覆う検知対象ガスとの燃焼を促進する貴金属触媒膜と、から構成されている。上述した構成のガスセンサは、白金ヒータを通電すると雰囲気中の酸素と検知対象ガスとが貴金属触媒膜上で燃焼して、このときに発生する燃焼熱を白金ヒータの抵抗変化としてとらえることで、検知対象ガスの濃度を検出している。

エタノールやトルエンなどの極性の大きい検知対象ガスは貴金属触媒膜の表面上への吸着作用があるため、ガスセンサの白金ヒータを間欠的に通電させると、通電していない間に検知対象ガスが貴金属触媒膜に吸着する。その後、白金ヒータが通電されると吸着された検知対象ガスが一気に燃焼するため、図８（Ａ）に示すように、ガスセンサの出力は、通電開始後から数〜数十ｍｓにピークを持つ山状波形が得られる。このピークの出力に基づいて検知対象ガスの濃度を検出するものを吸着燃焼式という。

一方、メタンや水素、ＣＯなどの無極性又は低有極性の検知対象ガスは貴金属触媒膜の表面上への吸着作用がない。このため、白金ヒータを非通電状態から通電状態にしても、図８（Ｂ）に示すように、ガスセンサの出力は、山状波形が得られず、上昇した後に検知対象ガスの濃度に応じた値で一定となる。この一定の出力に基づいて検知対象ガスの濃度を検出するものを接触燃焼式という。

しかしながら、上述した従来のガスセンサでは、検出対象ガスの濃度が低い雰囲気中では貴金属触媒膜上で燃焼する検出対象ガスが少なくなるため、出力が小さくなる。よって、従来のガスセンサでは、低濃度の検出には限界があり、低濃度側の検出範囲が狭いという、問題があった。

特開２００４−６９４６５号公報

そこで、本発明は、低濃度側の検出範囲の拡大を図ったガスセンサを提供することを課題とする。

本発明者らは、低濃度側の検出範囲の拡大を図ったガスセンサを得るべく検討を重ねた結果、圧力を高くすると検知対象ガスの燃焼量が増えてガスセンサの出力が大きくなることを見出し、本発明に至った。

即ち、請求項１記載の発明は、検知対象ガスとの燃焼により雰囲気中の前記検知対象ガスの濃度を検出するガスセンサを備えたガス濃度検出装置において、前記ガスセンサを収容するセンサ室と、前記センサ室の圧力を検出する圧力センサと、前記センサ室に前記雰囲気を流入して前記センサ室を加圧する加圧手段と、前記圧力センサにより検出された圧力に基づいて前記センサ室内の圧力が前記雰囲気圧より高くなるように前記加圧手段を制御する制御手段と、前記ガスセンサの劣化度を検出する劣化検出手段と、を備え、前記制御手段が、前記劣化度に応じて前記センサ室内の圧力を制御することを特徴とするガス濃度検出装置に存する。

請求項２記載の発明は、前記制御手段が、前記センサ室内の圧力が設定値で一定になるように前記加圧手段を制御することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、制御手段が、圧力センサにより検出された圧力に基づいてセンサ室内の圧力が雰囲気圧より高くなるように加圧手段を制御するので、ガスセンサの出力が大きくなり、低濃度側の検出範囲の拡大を図ることができる。また、劣化検出手段がガスセンサの劣化度を検出し、制御手段が劣化度に応じてセンサ室内の圧力を制御するので、ガスセンサが劣化してガスセンサの感度が変動しても正確に検知対象ガスの濃度を検出することができる。

請求項２記載の発明によれば、制御手段が、センサ室内の圧力が設定値で一定になるように加圧手段を制御する。これにより、センサ室の圧力が一定となり、ガスセンサの出力が雰囲気圧の影響を受けることがないので、正確に検知対象ガスの濃度を検出することができる。

本発明のガス濃度検出装置の一実施の形態を示す電気構成図である。図１に示すガス濃度検出装置の構成図である。図１に示すガスセンサの構成例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。０ｐｐｍのトルエンを含んだ雰囲気をそれぞれ流入管からセンサ室内に導入して、さらにセンサ室の圧力を変化させたときの各圧力におけるセンサ出力を測定した結果を示すグラフである。９００ｐｐｍのトルエンを含んだ雰囲気をそれぞれ流入管からセンサ室内に導入して、さらにセンサ室の圧力を変化させたときの各圧力におけるセンサ出力を測定した結果を示すグラフである。図１に示すＣＰＵの検出処理手順を示すフローチャートである。図１に示すＣＰＵの設定値変更処理手順を示すフローチャートである。図１に示すガスセンサの出力を示すタイムチャートである。

参考例
以下、本発明の参考例を図面に基づいて説明する。ガス濃度検出装置１は、図１及び図２に示すように、ガスセンサ２と、駆動回路３（図１）と、差動増幅器４（図１）と、センサ室５（図２）と、圧力センサ６と、加圧手段としての吸気ポンプ７と、減圧手段としてのバルブ８と、マイクロコンピュータ（以下μＣＯＭ）９（図１）と、を備えている。

ガスセンサ２は、後述する駆動回路３にてパルス電圧が供給されて間欠的に検知対象ガスと燃焼する高温に制御される。このガスセンサ２は、図１に示すように、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、白金ヒータ２１及び白金族、たとえばパラジウム（Ｐｄ）を担持したアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなるＰｄ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒層２２を含む。上記パラジウムは、検知対象ガスとの燃焼を促進する触媒である。補償素子部Ｒｒは、白金ヒータ２３及びアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のみからなるＡｌ_２Ｏ_３層２４を含む。

詳しくは、図３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、このガスセンサ２は、シリコン（Ｓｉ）ウエハ２５の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜２６ａ、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜２６ｂ及び酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜２６ｃからなる絶縁薄膜が成膜され、その上に、感応素子部Ｒｓとして白金ヒータ２１及びＰｄ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒層２２、補償素子部Ｒｒとして白金ヒータ２３及びＡｌ_２Ｏ_３層２４が形成されている。また、図３（Ｃ）に示すように、異方性エッチングして凹部２７及び２８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。

白金ヒータ２１及び２３は、図１に示すように、固定抵抗Ｒ１及びＲ２と可変抵抗Ｒｖと共にブリッジ回路を構成している。そして、このブリッジ回路において、白金ヒータ２１及び固定抵抗Ｒ１の接続点、並びに白金ヒータ２３及び固定抵抗Ｒ２の接続点には、駆動回路３からのパルス電圧が所定のインターバルで間欠的に供給される。また、白金ヒータ２１及び白金ヒータ２３の接続点と、可変抵抗Ｒｖの可動端子は、差動増幅器４の入力にそれぞれ接続される。そして、この差動増幅器４の出力がガスセンサ２のセンサ出力として後述するμＣＯＭ９に対して供給される。

このようなガスセンサ２を使用するに際しては、まず、検出動作開始前に、μＣＯＭ９に供給されるセンサ出力が中間電位となるように可変抵抗Ｒｖを調整する。この状態において、検出対象ガスが感応素子部Ｒｓに吸着したり接触したりすると触媒作用により、この素子で燃焼する。この燃焼により発生する熱により、白金ヒータ２１の抵抗値が上昇する。一方、補償素子部Ｒｒにおいては触媒であるパラジウムが担持されていないため検出対象ガスは燃焼しない。この結果、ブリッジ回路の平衡が崩れ、μＣＯＭ９に検知対象ガスの濃度に応じたセンサ出力が供給される。この場合、白金ヒータ２３は、周囲温度の変動による白金ヒータ２１の抵抗値の変動分を相殺し、反応熱に起因する白金ヒータ２１の抵抗値の変動成分のみを取り出せるように温度補償する。

上記センサ室５は、図２に示すように、上記ガスセンサ２を収容する筐体である。このセンサ室５には、雰囲気をセンサ室５内に流入する流入管１０と、雰囲気をセンサ室５外に流出する流出管１１と、が連通されている。上記圧力センサ６は、センサ室５の圧力を検出して、μＣＯＭ９に対して出力する。上記吸気ポンプ７は、流入管１０に設けられている。吸気ポンプ７は、センサ室５に雰囲気を流入する。上記バルブ８は、流出管１１に設けられている。バルブ８は、流出管１１の開閉を行う。以上の構成により、バルブ８により流出管１１を弁閉した状態で吸気ポンプ７によりセンサ室５に雰囲気を導入すると、センサ室５内が加圧される。また、センサ室５が加圧された状態でバルブ８を弁開するとセンサ室５内の雰囲気が流出管１１から流出してセンサ室５内が減圧される。

μＣＯＭ９は、図１に示すように、駆動回路３、差動増幅器４、圧力センサ６、吸気ポンプ７及びバルブ８に接続され、ガス濃度検出装置１全体の制御を行う。μＣＯＭ９は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）９１、ＣＰＵ９１のためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ９２、各種のデータを格納するとともにＣＰＵ９１の処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ９３等を有して構成している。

次に、上述したガス濃度検出装置１の動作を説明する前に本発明のガス濃度検出装置１の検出原理について説明する。本発明者らは、０ｐｐｍ、９００ｐｐｍのトルエン（検知対象ガス）を含んだ雰囲気をそれぞれ流入管１０からセンサ室５内に導入して、さらにセンサ室５内の圧力を変化させたときの各圧力におけるセンサ出力を測定した。結果を図４及び図５に示す。

図４に示すように、トルエン０ｐｐｍでは、センサ室５の圧力が増加してもセンサ出力は変動しないことが分かった。また、図５に示すように、トルエン９００ｐｐｍでは、センサ室５の圧力を増加するに従ってセンサ出力を大きくできることが分かった。これは、トルエンのように極性の大きい検知対象ガスの場合は、センサ室５内の圧力を増加させることにより感応素子部Ｒｓの表面に吸着するトルエンの量が増加したためと考えられる。また、無極性又は低有極性の検知対象ガスであっても、センサ室５内の圧力を増加させることにより感応素子部Ｒｓの表面に接触するトルエンの量が増加してセンサ出力が大きくなると考えられる。以上のことから、本発明者らは、ガスセンサ２を収容するセンサ室５の圧力を高くすると感温素子部Ｒｓ表面で燃焼する検知対象ガスが増えてセンサ出力が大きくなることを見出した。

次に、上記検出原理を踏まえてガス濃度検出装置１の動作について図６を参照して以下説明する。ＣＰＵ９１は、定期的に又は検出操作が行われると図６に示す検出処理を行う。検出処理において、ＣＰＵ９１は、まずバルブ８を弁閉して流出管１１を閉じる（ステップＳ１）。その後、ＣＰＵ９１は、吸気ポンプ７を駆動させて（ステップＳ２）、センサ室５内に雰囲気を導入する。これにより、センサ室５が加圧されて、センサ室５が雰囲気圧より高くなる。

次に、ＣＰＵ９１は、圧力センサ６の出力を取り込んでセンサ室５内の圧力を測定する（ステップＳ３）。その後、ＣＰＵ９１は、ステップＳ３で測定したセンサ室５の圧力が雰囲気圧より高い設定値に達したか否かを判断する（ステップＳ４）。圧力が設定値に達していなければ（ステップＳ４でＮ）、ＣＰＵ９１は、再びステップＳ２に戻って吸気ポンプ７の駆動を継続させる。これに対して、圧力が設定値に達していれば（ステップＳ４でＹ）、ＣＰＵ９１は、駆動回路３を制御してパルス電圧をガスセンサ２に対して供給する（ステップＳ５）。

次に、ＣＰＵ９１は、ガスセンサ２のセンサ出力を取り込んで検知対象ガスの濃度を検出した後（ステップＳ６）、処理を終了する。エタノールやトルエンなどの極性の大きい検知対象ガスの場合、背景技術で説明したように、図８（Ａ）に示すように、ガスセンサ２のセンサ出力は、パルス電圧供給後から数〜数十ｍｓにピークを持つ山状波形が得られる。よって、極性の大きい検知対象ガスを検出したい場合は、ステップＳ６において、ＣＰＵ９１は、ガスセンサ２の出力のピークを取り込んで検知対象ガスの濃度を検出する。一方、メタンや水素、ＣＯなどの無極性又は低有極性の検知対象ガスの濃度の場合、図８（Ｂ）に示すように、ガスセンサ２のセンサ出力は、山状波形が得られず、上昇した跡に検知対象ガスの濃度に応じた値で一定となる。よって、無極性又は低有極性の検知対象ガスを検出したい場合は、ステップＳ６において、ＣＰＵ９１は、上記一定となるセンサ出力を取り込んで検知対象ガスの濃度を検出する。

上述したガス濃度検出装置１によれば、ＣＰＵ９１が、圧力センサ６により検出された圧力に基づいてセンサ室５内の圧力が雰囲気圧より高い設定値になるように吸気ポンプ７及びバルブ８を制御するので、ガスセンサ２の出力が大きくなり、低濃度側の検出範囲の拡大を図ることができる。

また、上述したガス濃度検出装置１によれば、ＣＰＵ９１が、センサ室５内の圧力が設定値で一定になるように吸気ポンプ７及びバルブ８を制御する。これにより、センサ室５の圧力が一定となり、ガスセンサ２の出力が雰囲気圧の影響を受けることがないので、正確に検知対象ガスの濃度を検出することができる。

実施形態
ところで、上述したガスセンサ２の感応素子部Ｒｓを構成するＰｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒層２２が経年的に劣化する。このＰｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒層２２の劣化により感応素子部Ｒｓの熱容量が変化して、検知対象ガスの濃度に対するセンサ出力の感度が劣化する、という問題がある。そこで、このような問題を解決するために本発明の実施形態では、ＣＰＵ９１は、ガスセンサ２の劣化度を検出して、劣化度に応じて設定値を変更する設定値変更処理を行うようにした。

上記設定値変更処理の詳細について図７を参照して説明する。まず、ＣＰＵ９１は、ガスセンサ２のセンサ出力が所定時間以上、変動していないか否かを判断する（ステップＳ１１）。変動していれば（ステップＳ１１でＮ）、ＣＰＵ９１は、検知対象ガスが存在していないエアベースではなく、劣化検出が行えないと判断して設定値の変更を行うことなく設定値変更処理を終了して、上記検出処理を行う。これに対して、変動していなければ（ステップＳ１１でＹ）、ＣＰＵ９１は、エアベースであると判断して駆動回路３を制御してパルス電圧をガスセンサ２に対して供給する（ステップＳ１２）。その後、ＣＰＵ９１は、感応素子部Ｒｓの両端電圧を取り込む（ステップＳ１３）。

次に、ＣＰＵ９１は、劣化度検出手段として働き、予めＲＯＭ９２内に記憶されている劣化していない感応素子部Ｒｓのエアベース時の両端電圧と、ステップＳ１３で取り込んだ感応素子部Ｒｓの両端電圧と、を比較してガスセンサ２の劣化度を検出する（ステップＳ１４）。次に、ＣＰＵ９１は、ステップＳ１４で検出した劣化度に応じて設定値を変更した後（ステップＳ１５）に設定値変更処理を終了して、上記検出処理を行う。

ステップＳ１４で劣化していないと検出した場合、ステップＳ１５においてＣＰＵ９１は、上記設定値の変更は行わない。一方、ステップＳ１４で劣化していると検出した場合、ステップＳ１５においてＣＰＵ９１は、上記設定値の変更を行う。具体的には、ＣＰＵ９１は、ステップＳ１４で検出した劣化度が高くガスセンサ２の感度が低下するほど上記設定値が高くなるように設定する。

上述した本実施形態によれば、ＣＰＵ９１がガスセンサ２の劣化度を検出し、設定値を変更することにより劣化度に応じてセンサ室５内の圧力を制御するので、ガスセンサ２が劣化してガスセンサ２の感度が変動しても正確に検知対象ガスの濃度を検出することができる。

なお、本実施形態では、感応素子部Ｒｓの両端電圧に基づいてガスセンサ２の劣化度を検出していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、劣化度を検出する方法としては、他に公知の方法であってもよく、例えばガスセンサ２のセンサ出力に基づいて劣化を検出しても良いし、単に使用時間から劣化度を予測してもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ガス濃度検出装置
２ガスセンサ
５センサ室
６圧力センサ
７吸気ポンプ（加圧手段）
８バルブ（減圧手段）
９１ＣＰＵ（制御手段、劣化検出手段）

Claims

検知対象ガスとの燃焼により雰囲気中の前記検知対象ガスの濃度を検出するガスセンサを備えたガス濃度検出装置において、
前記ガスセンサを収容するセンサ室と、
前記センサ室の圧力を検出する圧力センサと、
前記センサ室に前記雰囲気を流入して前記センサ室を加圧する加圧手段と、
前記圧力センサにより検出された圧力に基づいて前記センサ室内の圧力が前記雰囲気圧より高くなるように前記加圧手段を制御する制御手段と、
前記ガスセンサの劣化度を検出する劣化検出手段と、を備え、
前記制御手段が、前記劣化度に応じて前記センサ室内の圧力を制御する
ことを特徴とするガス濃度検出装置。
前記制御手段が、前記センサ室内の圧力が設定値で一定になるように前記加圧手段を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。