JP7342674B2

JP7342674B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP7342674B2
Application number: JP2019224230A
Authority: JP
Inventors: 圭田邊
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: JP2021092487A

Description

本発明は、雰囲気中に含まれるガスを検出するガスセンサに関し、特に、複数種類のガスを検出可能なガスセンサに関する。

ガスセンサは、雰囲気中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出するものであるが、検出対象ガスとは異なるガスによって測定値に誤差が生じることがある。特許文献１には、検出対象ガスとは異なるガスによる測定誤差をキャンセル可能なガスセンサが開示されている。

特開２０１９－６０８４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたガスセンサは、１種類の測定対象ガスの濃度しか検出することができなかった。

したがって、本発明は、複数種類のガスを検出可能なガスセンサを提供することを目的とする。

本発明によるガスセンサは、第１のガスの濃度に応じて第１の感度で抵抗値が変化し、第２のガスの濃度に応じて第２の感度で抵抗値が変化する第１の測温体と、第１の測温体に対して直列に接続され、第１のガスの濃度に応じて第１の感度とは異なる第３の感度で抵抗値が変化し、第２のガスの濃度に応じて第２の感度とは異なる第４の感度で抵抗値が変化する第２の測温体と、第１又は第２の測温体に対して並列に接続された抵抗と、抵抗に対して直列に接続されたスイッチ回路とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、スイッチ回路をオンさせた場合には、第２のガスの濃度に応じた電位変化が抵抗によってキャンセルされるため、第１のガスの濃度を算出することが可能となる。一方、スイッチ回路をオフさせた場合には、第２のガスの濃度に応じた電位変化がキャンセルされないことから、第１の測温体と第２の測温体の接続点の電位は、第１及び第２のガスの両方の濃度を反映したものとなる。したがって、スイッチ回路をオンさせた場合に得られる接続点の電位と、スイッチ回路をオフさせた場合に得られる接続点の電位を参照することにより、第２のガスの濃度についても算出することが可能となる。

本発明によるガスセンサは、スイッチ回路を制御する制御部をさらに備え、制御部は、スイッチ回路がオンしている期間に第１の測温体と第２の測温体の接続点に現れる第１の電位に基づいて、第１のガスの濃度を算出しても構わない。また、制御部は、第１の電位と、スイッチ回路がオフしている期間に接続点に現れる第２の電位に基づいて、第２のガスの濃度を算出しても構わない。このように、制御部を用いてスイッチ回路をオンオフさせることにより、２種類のガス濃度を算出することが可能となる。

本発明において、第１の測温体は第１のヒータによって第１の温度に加熱され、第２の測温体は第２のヒータによって第１の温度とは異なる第２の温度に加熱されるものであっても構わない。これによれば、例えば第１の測温体と第２の測温体を互いに同じ構成とすることができる。

本発明において、第４の感度は第２の感度よりも高く、抵抗は第２の測温体に対して並列に接続されていても構わない。これによれば、実効的に第４の感度が低下することから、第２のガスの濃度に応じた第１及び第２の測温体の感度を見かけ上一致させることが可能となる。

本発明において、第１及び第２の測温体は熱伝導式のセンサを構成するものであっても構わない。熱伝導式のセンサは高い検出感度を得ることが難しく、検出誤差が大きくなる傾向があるが、本発明によれば、２種類のガス濃度を高精度に検出することが可能となる。

本発明において、第１のガスはＣＯ_２ガスであり、第２のガスは水蒸気であっても構わない。これによれば、ＣＯ_２ガスの濃度と湿度の両方を検出することが可能となる。

このように、本発明によれば、簡単な構成によって複数種類のガスの濃度を測定することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態によるガスセンサ１０の構成を示す回路図である。図２はサーミスタの加熱温度と感度との関係を説明するための図であり、（ａ）はＣＯ_２ガスに対する感度を示し、（ｂ）は水蒸気に対する感度を示している。図３は、ガスセンサ１０の動作を説明するためのタイミング図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるガスセンサ１０の構成を示す回路図である。

図１に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０は、センサ部Ｓ１～Ｓ３及び制御部１１を備えている。特に限定されるものではないが、本実施形態によるガスセンサ１０は、雰囲気中におけるＣＯ_２ガスの濃度及び水蒸気の濃度（湿度）を検出するものである。センサ部Ｓ１，Ｓ２は、検出対象ガスであるＣＯ_２ガスの濃度及び湿度を検出するための熱伝導式のガスセンサである。一方、センサ部Ｓ３は温度センサである。

センサ部Ｓ１は、サーミスタＲｄ１及びこれを加熱するヒータ抵抗ＭＨ１を含み、センサ部Ｓ２は、サーミスタＲｄ２及びこれを加熱するヒータ抵抗ＭＨ２を含む。図１に示すように、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、電源電位Ｖｃｃが供給される配線と接地電位ＧＮＤが供給される配線との間に直列に接続されている。さらに、サーミスタＲｄ１とサーミスタＲｄ２の接続点Ｎと接地電位ＧＮＤの間には、スイッチ回路ＳＷ及び抵抗Ｒ２が直列に接続されている。スイッチ回路ＳＷは制御部１１によってオンオフ制御される。そして、スイッチ回路ＳＷがオンしている期間に接続点Ｎに現れる電位が出力電位Ｖｂとして制御部１１に取り込まれ、スイッチ回路ＳＷがオフしている期間に接続点Ｎに現れる電位が出力電位Ｖｃとして制御部１１に取り込まれる。

一方、センサ部Ｓ３は、電源電位Ｖｃｃが供給される配線と接地電位ＧＮＤが供給される配線との間に直列に接続された抵抗Ｒ１及びサーミスタＲｄ３からなり、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｄ３の接続点から出力電位Ｖａが出力される。センサ部Ｓ３から出力される出力電位Ｖａは、測定雰囲気中の現在の温度を示している。出力電位Ｖａは制御部１１に供給され、制御部１１は出力電位Ｖａに基づいて制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を生成する。制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２は、それぞれヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２に印加され、これによって、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２がそれぞれ所定の温度に加熱される。

ヒータ抵抗ＭＨ１によるサーミスタＲｄ１の加熱温度は例えば１５０℃である。サーミスタＲｄ１を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ_２ガスが存在すると、その濃度に応じてサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。かかる変化は、サーミスタＲｄ１の抵抗値の変化となって現れる。サーミスタＲｄ１の加熱温度が１５０℃である場合、サーミスタＲｄ１の抵抗値は、ＣＯ_２ガスの濃度に応じて第１の感度で変化する。第１の感度は、接続点Ｎに現れる出力電位Ｖｂ，Ｖｃを十分に変化させることが可能な感度を有している。

サーミスタＲｄ１を加熱した状態においては、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度（湿度）に応じてサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。サーミスタＲｄ１の加熱温度が１５０℃である場合、サーミスタＲｄ１の抵抗値は、湿度に応じて第２の感度で変化する。

ヒータ抵抗ＭＨ２によるサーミスタＲｄ２の加熱温度は例えば３００℃である。サーミスタＲｄ２を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ_２ガスが存在しても、サーミスタＲｄ２の抵抗値はほとんど変化しない。これは、サーミスタＲｄ２の加熱温度が３００℃である場合、サーミスタＲｄ２の抵抗値は、ＣＯ_２ガスの濃度に応じて第３の感度で変化するものの、第３の感度は第１の感度よりも大幅に低く、好ましくは第１の感度の１／１０以下、より好ましくはほぼゼロだからである。このため、ＣＯ_２ガスの濃度が変化しても、サーミスタＲｄ２の抵抗値はほとんど変化しない。

サーミスタＲｄ２を加熱した状態においては、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じてサーミスタＲｄ２の放熱特性が変化する。サーミスタＲｄ２の加熱温度が３００℃である場合、サーミスタＲｄ２の抵抗値は、湿度に応じて第４の感度で変化する。第４の感度は、上述した第２の感度よりも大きい。

サーミスタＲｄ１～Ｒｄ３は、例えば、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなる測温体である。但し、本発明において用いる測温体が負の抵抗温度係数を持つサーミスタに限定されるものではなく、正の抵抗温度係数を持つ材料からなるサーミスタものであっても構わないし、白金測温体であっても構わない。

図２はサーミスタの加熱温度と感度との関係を説明するための図であり、（ａ）はＣＯ_２ガスに対する感度を示し、（ｂ）は水蒸気に対する感度を示している。図２（ａ）は、加熱温度が１５０℃である場合におけるＣＯ_２ガスに対する感度（第１の感度）と、加熱温度が３００℃である場合におけるＣＯ_２ガスに対する感度（第３の感度）を比較するための相対グラフであり、図２（ｂ）は、加熱温度が１５０℃である場合における水蒸気に対する感度（第２の感度）と、加熱温度が３００℃である場合における水蒸気に対する感度（第４の感度）を比較するための相対グラフである。図２（ａ）の縦軸スケールと図２（ｂ）の縦軸スケールは無関係である。

図２（ａ）に示すように、サーミスタの加熱温度が１５０℃である場合は、ＣＯ_２ガスに対する感度は第１の感度であるのに対し、サーミスタの加熱温度が３００℃である場合は、ＣＯ_２ガスに対する感度は第１の感度よりも低い第３の感度である。上述の通り、第３の感度は第１の感度よりも大幅に低く、好ましくは第１の感度の１／１０以下、より好ましくはほぼゼロである。

図２（ｂ）に示すように、サーミスタの加熱温度が１５０℃である場合は、湿度に対する感度は第２の感度であるのに対し、サーミスタの加熱温度が３００℃である場合は、湿度に対する感度は第２の感度よりも高い第４の感度である。第４の感度は、第２の感度の２倍程度である。

上述の通り、本実施形態によるガスセンサ１０は、サーミスタＲｄ２に対して並列接続された抵抗Ｒ２を備えている。抵抗Ｒ２は、サーミスタＲｄ１の湿度に対する感度（第２の感度）とサーミスタＲｄ２の湿度に対する感度（第４の感度）の差をキャンセルするために設けられる。

次に、本実施形態によるガスセンサ１０の動作について説明する。

図３は、本実施形態によるガスセンサ１０の動作を説明するためのタイミング図である。

図３に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０は、センサ部Ｓ３から制御部１１に出力電位Ｖａが供給されている状態で、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を間欠的に生成することによってサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２を加熱する。制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２のレベルは、出力電位Ｖａによって調整され、これにより現在の環境温度に関わらず、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２が所定の温度（例えば１５０℃、３００℃）に加熱される。

さらに、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２を加熱している間、スイッチ回路ＳＷのオンオフを行うことにより、出力電位Ｖｂ，Ｖｃを取得する。上述の通り、出力電位Ｖｂは、スイッチ回路ＳＷがオンしている期間に接続点Ｎに現れる電位であり、出力電位Ｖｃは、スイッチ回路ＳＷがオフしている期間に接続点Ｎに現れる電位である。

上述の通り、サーミスタＲｄ１は１５０℃に加熱されるためＣＯ_２ガスの濃度に対する感度（第１の感度）は十分に高い一方、サーミスタＲｄ２は３００℃に加熱されるため、ＣＯ_２ガスの濃度に対する感度（第３の感度）をほぼゼロである。そして、サーミスタＲｄ１とサーミスタＲｄ２は直列に接続されていることから、湿度の影響がなければ、接続点Ｎに現れる電位はＣＯ_２ガスの濃度を示すことになる。

一方、サーミスタＲｄ１の加熱温度が１５０℃である場合の湿度に対する感度（第２の感度）と、サーミスタＲｄ２の加熱温度が３００℃である場合の湿度に対する感度（第４の感度）は互いに異なっている。したがって、サーミスタＲｄ１とサーミスタＲｄ２を単に直列に接続しただけでは、接続点Ｎに現れる電位には湿度の影響が反映されてしまう。

しかしながら、本実施形態によるガスセンサ１０は、サーミスタＲｄ２に対して抵抗Ｒ２が並列に接続されていることから、湿度の影響をキャンセルすることができる。つまり、サーミスタＲｄ２に対して抵抗Ｒ２を並列に接続することにより、湿度に対するサーミスタＲｄ２の感度（第４の感度）を見かけ上低下させ、これにより湿度に対するサーミスタＲｄ１の感度（第２の感度）と一致させれば、出力電位Ｖｂから湿度の影響が取り除かれる。例えば、第４の感度が第２の感度の２倍である場合、抵抗Ｒ２の抵抗値をサーミスタＲｄ２の抵抗値と同じとすれば、第４の感度が見かけ上半分になるため、第２の感度と一致する。このように、湿度に対するサーミスタＲｄ１の感度（第２の感度）と、サーミスタＲｄ２と抵抗Ｒ２からなる並列回路の湿度に対する感度が一致するよう、抵抗Ｒ２の抵抗値を選択すれば、湿度に応じた出力電位Ｖｂの変化がほぼキャンセルされる。

このように、スイッチ回路ＳＷがオンしている期間に接続点Ｎに現れる出力電位Ｖｂは、ＣＯ_２ガスの濃度によって決まる。制御部１１は、出力電位Ｖｂに基づいてＣＯ_２ガスの濃度を示すガス濃度信号Ｇを生成し、外部に出力する。

これに対し、スイッチ回路ＳＷがオフしている期間においては、湿度の影響がキャンセルされないため、接続点Ｎに現れる出力電位Ｖｃは、ＣＯ_２ガスの濃度と湿度の両方によって決まる。しかしながら、ＣＯ_２ガスの濃度は、出力電位Ｖｂに基づく演算によって既知であることから、制御部１１は出力電位Ｖｃ－Ｖｂに基づいて湿度を算出することができる。算出の結果得られた湿度信号Ｈは、外部に出力される。

このように、本実施形態によるガスセンサ１０は、加熱温度の異なる２つのサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２を直列に接続するとともに、サーミスタＲｄ２に対して並列に抵抗Ｒ２を接続していることから、スイッチ回路ＳＷをオンさせることによって、湿度の影響を受けることなく、ＣＯ_２ガスの濃度を正確に測定することができる。さらに、スイッチ回路ＳＷをオフさせれば、ＣＯ_２ガスの濃度と湿度の両方が混在した情報が得られるため、ここからＣＯ_２ガスの濃度を減算すれば、湿度を算出することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１０は、簡単な構成によってＣＯ_２ガスの濃度と湿度の両方を測定することが可能となる。さらに、必要に応じて、出力電位Ｖａに基づいて算出した温度信号Ｔを外部に出力しても構わない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、第１のガスがＣＯ_２ガスであり、第２のガスが水蒸気である場合を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。また、本発明において使用するセンサ部Ｓ１，Ｓ２が熱伝導式のセンサであることは必須でなく、接触燃焼式など他の方式のセンサであっても構わない。

１０ガスセンサ
１１制御部
Ｇガス濃度信号
Ｈ湿度信号
ＭＨ１，ＭＨ２ヒータ抵抗
Ｎ接続点
Ｒ１，Ｒ２抵抗
Ｒｄ１～Ｒｄ３サーミスタ
Ｓ１～Ｓ３センサ部
ＳＷスイッチ回路
Ｔ温度信号
Ｖａ～Ｖｃ出力電位
Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２制御電圧

Claims

第１のガスの濃度に応じて第１の感度で抵抗値が変化し、第２のガスの濃度に応じて第２の感度で抵抗値が変化する第１の測温体と、
前記第１の測温体に対して直列に接続され、前記第１のガスの濃度に応じて前記第１の感度とは異なる第３の感度で抵抗値が変化し、前記第２のガスの濃度に応じて前記第２の感度とは異なる第４の感度で抵抗値が変化する第２の測温体と、
前記第１の測温体と前記第２の測温体の接続点に接続され、且つ、前記第１又は第２の測温体に対して並列に接続された抵抗と、
前記抵抗に対して直列に接続されたスイッチ回路と、を備えることを特徴とするガスセンサ。
前記スイッチ回路を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記スイッチ回路がオンしている期間に前記接続点に現れる第１の電位に基づいて、前記第１のガスの濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記制御部は、前記第１の電位と、前記スイッチ回路がオフしている期間に前記接続点に現れる第２の電位に基づいて、前記第２のガスの濃度を算出することを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
前記第１の測温体は第１のヒータによって第１の温度に加熱され、前記第２の測温体は第２のヒータによって前記第１の温度とは異なる第２の温度に加熱されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
前記第４の感度は前記第２の感度よりも高く、前記抵抗は前記第２の測温体に対して並列に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。
前記第１及び第２の測温体は、熱伝導式のセンサを構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ。
前記第１のガスはＣＯ_２ガスであり、前記第２のガスは水蒸気であることを特徴とする請求項６に記載のガスセンサ。