JP7553379B2 - ガス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス検出装置に関する。

検出素子と補償素子とが設けられたブリッジ回路の出力に応じてガスを検出する接触燃焼式のガス検出装置として、検出素子と補償素子との触媒を白金とパラジウムとにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、同様のガス検出装置として、複数のブリッジ回路を備え、各ブリッジ回路において、１回のオン駆動期間中の複数のガス検出ポイントにおけるセンサ出力値をサンプリングし、複数のブリッジ回路においてサンプリングされた複数のセンサ出力値に基づいてガスの種類を識別するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８－２２６９０８号公報 特開２００１－１７５９６９号公報

特許文献１に記載のガス検出装置では、検出素子と補償素子とを備えるブリッジ回路を連続的に駆動させるので、消費電力が大きい。他方で、特許文献２に記載のガス検出装置では、ブリッジ回路を間欠的に駆動させるので、特許文献１に記載のガス検出装置に比して消費電力が小さい。しかしながら、特許文献２に記載のガス検出装置は、複数種類のガスを検知するために、複数のブリッジ回路を備えるので、ブリッジ回路の数が増える分だけ、消費電力が増加する。

本発明は、上記事情に鑑み、一個のブリッジ回路を間欠的に駆動させ、１回の駆動期間中に複数種類のガスを検出することが可能なガス検出装置を提供することを目的とする。

本発明のガス検出装置は、触媒でのガスの燃焼により出力が変化するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路をパルス駆動させると共に前記ブリッジ回路の出力値に基づいてガスの検出を判断する制御部とを備えるガス検出装置であって、前記ブリッジ回路は、第１のヒーターと、第１のガスを吸着させて前記第１のヒーターの熱で燃焼させる第１の触媒とを備える第１の検出素子と、前記第１のヒーターに接続された第２のヒーターと、第２のガスを前記第２のヒーターの熱で接触燃焼させ、前記第１のガスを吸着させない第２の触媒とを備える第２の検出素子とを備え、前記制御部は、パルスが立ち上がった後の第１の検出タイミングにおける前記ブリッジ回路の出力値に基づいて、前記第１のガスの検出を判断し、前記第１の検出タイミングより後でパルスが立ち下がる前の第２の検出タイミングにおける前記ブリッジ回路の出力値に基づいて、前記第２のガスの検出を判断する。

本発明によれば、第１の触媒に対して吸着燃焼特性を示す第１のガスの検出を、パルスが立ち上がった後の第１の検出タイミングにおけるブリッジ回路の出力値に基づいて判断し、第２の触媒に対して接触燃焼特性を示す第２のガスの検出を、第１の検出タイミングより後でパルスが立ち下がる前の第２の検出タイミングにおけるブリッジ回路の出力値に基づいて判断する。それにより、一個のブリッジ回路を間欠的に駆動させ、１回の駆動期間中に第１のガスと第２のガスとを検出することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るガス検出装置の概略構成を示す図である。 図２は、第１の検出素子において生じる第１のガスの吸着燃焼反応を模式的に示す図である。 図３は、第１のガスが第１の検出素子において吸着燃焼反応を示した時の感度の波形と、第１のガスが第１の検出素子において接触燃焼反応を示した時の感度の波形とを示すグラフである。 図４は、接触燃焼反応と吸着燃焼反応との出力特性の違いを説明するためのグラフである。 図５は、第１の検出素子において生じる第１のガスの吸着燃焼反応を模式的に示す図である。 図６は、第２の検出素子において生じる第２のガスの接触燃焼反応を模式的に示す図である。 図７は、図１に示すヒーター駆動回路がブリッジ回路に印加するパルス電圧の波形を示す図である。 図８は、図１に示す波形生成回路により生成された出力電圧の波形を示すグラフである。 図９は、ガス検出装置が混合ガスを含む環境下に設置された時のガス検出装置の感度の波形を示すグラフである。 図１０は、感度の算出方法を説明するためのグラフである。 図１１は、実験で求めた出力電圧の波形を示すグラフである。 図１２は、実験で求めた時刻ｔ１での感度を示すグラフである。 図１３は、実験で求めた出力電圧の波形を示すグラフである。 図１４は、実験で求めた時刻ｔ３での感度を示すグラフである。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す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において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用される。

図１は、本発明の一実施形態に係るガス検出装置１の概略構成を示す図である。この図に示すように、ガス検出装置１は、ブリッジ回路１０と、ＭＣＵ（Micro Control Unit）２０とを備える。ブリッジ回路１０は、触媒でのガスの燃焼により出力が変化する燃焼式のガスセンサを構成する。ここで、一般的な接触燃焼式のガスセンサのブリッジ回路は、検出対象のガスが接触燃焼特性を示す検出素子と、検出対象のガスが接触燃焼特性を示さない補償素子とを備える。それに対して、本実施形態のガス検出装置１のブリッジ回路１０は、検出対象の第１のガスが吸着燃焼特性を示す第１の検出素子１１と、検出対象の第２のガスが接触燃焼特性を示す第２の検出素子１２とを備える。

ブリッジ回路１０は、一対の並列回路１０Ａ，１０Ｂを備える。この一対の並列回路１０Ａ，１０Ｂは、ＶＨ端子を介して電源（図示省略）に接続された導線から分岐する。分岐した一対の並列回路１０Ａ，１０Ｂは、ＧＮＤ端子を介してグランドに接続された導線に再結合する。一方の並列回路１０Ａにおいて、第１の検出素子１１と、第２の検出素子１２とが直列で接続されている。他方の並列回路１０Ｂでは、一対の固定回路Ｒ１，Ｒ２と、この一対の固定回路Ｒ１，Ｒ２の間に設けられた可変抵抗ＶＲとが直列で接続されている。本実施形態では、第２の検出素子１２がＶＨ端子側に配され、第１の検出素子１１がＧＮＤ端子側に配されている。

ブリッジ回路１０は、第１の検出素子１１と第２の検出素子１２との間に接続された端子１３と、可変抵抗ＶＲに接続された端子１４とを備え、端子１３と端子１４との電位差である出力電圧Ｖ_ｏｕｔをＭＣＵ２０に出力する。ＭＣＵ２０は、ブリッジ回路１０をパルス駆動させると共にブリッジ回路１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔに基づいて検出対象の第１のガス及び第２のガスの検出の有無及び濃度を判断する。

第１の検出素子１１及び第２の検出素子１２としては、ビーズ状の担体にコイルが埋め込まれ触媒が担体に担持されたビーズタイプのもの、基板上にヒーターがパターニングされ触媒が担持されたマイクロセンサタイプのもの等を例示できる。以下、ビーズタイプの第１の検出素子１１及び第２の検出素子１２を例に挙げて説明するが、これに限られるわけではない。

第１の検出素子１１は、第１のヒーター１１１と、第１の担体１１２と、第１の触媒１１３とを備える。第１のヒーター１１１は、コイルである。第１のヒーター１１１の材料としては、白金（Ｐｔ）を例示できる。第１の担体１１２は、第１のヒーター１１１が埋め込まれたビーズ状の担体である。第１の担体１１２の材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等を例示できる。

第１の触媒１１３は、第１の担体１１２に担持された触媒であり、検出対象の第１のガスが化学吸着又は物理吸着して燃焼する特性を示す触媒である。本実施形態では、第１の触媒１１３は、白金（Ｐｔ）である。ここで、第１の触媒１１３に対して化学吸着して燃焼する特性を示すガスは、無極性分子ガスあるいは低有極性分子ガスであり、これらのガスとしては、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）等を例示できる。なお、一酸化炭素、及び水素は、パラジウム（Ｐｄ）触媒に対しては、化学吸着力が白金（Ｐｔ）に比べて小さい。

第１の触媒１１３に対して物理吸着するのは極性分子ガスであり、この極性分子ガスとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトン、キシレン、スチレン等のＶＯＣ類等を例示できる。なお、一酸化炭素、メタン（ＣＨ_４）、イソブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等の無極性分子ガスあるいは低有極性分子ガスは、第１の触媒１１３に対して物理吸着力が小さい。

第２の検出素子１２は、第２のヒーター１２１と、第２の担体１２２と、第２の触媒１２３とを備える。第２のヒーター１２１は、コイルである。第２のヒーター１２１の材料としては、白金を例示できる。第２の担体１２２は、第２のヒーター１２１が埋め込まれたビーズ状の担体である。第２の担体１２２の材料としては、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素等を例示できる。

第２の触媒１２３は、第２の担体１２２に担持された触媒であり、検出対象の第２のガスが接触燃焼特性を示す触媒である。本実施形態では、第２の触媒１２３は、パラジウム（Ｐｄ）又はロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）である。ここで、第２の触媒１２３に対して接触燃焼特性を示すガスとしては、メタン、一酸化炭素等の無極性分子ガスあるいは低有極性分子ガスを例示できる。なお、上述のとおり、一酸化炭素、及び水素は、白金触媒に対して化学吸着して燃焼する特性を示す。また、メタンは、白金触媒に対しては殆ど接触燃焼特性を示さない。

第２のガスの第２の触媒１２３での燃焼温度は、第１のガスの第１の触媒１１３での燃焼温度に比して高い。

図２は、第１の検出素子１１において生じる第１のガスＧ１の吸着燃焼反応を模式的に示す図である。この図では、第１のガスＧ１としての一酸化炭素又は水素が第１の触媒１１３に化学吸着して燃焼する反応を示している。

図２に示すように、一酸化炭素又は水素等の無極性分子ガスあるいは低有極性分子ガスである第１のガスＧ１は、第１のヒーター１１１がＯＦＦの期間に第１の触媒１１３に化学吸着し、第１のヒーター１１１がＯＮの期間に第１の触媒１１３上で燃焼する。第１のヒーター１１１がＯＮの期間の第１のガスＧ１としての一酸化炭素の燃焼により、二酸化炭素（ＣＯ_２）が発生する。

図３は、第１のガスＧ１が第１の検出素子１１において吸着燃焼反応を示した時の感度［ｍＶ］の波形と、第１のガスＧ１が第１の検出素子１１において接触燃焼反応を示した時の感度［ｍＶ］の波形とを示すグラフである。ここで、第１のガスＧ１が、第１のヒーター１１１がＯＦＦの期間に第１の触媒１１３に対して化学吸着し、第１のヒーター１１１がパルス電圧を印加されることにより、第１のヒーター１１１がＯＮになった直後に、第１のガスＧ１が急激に燃焼する。これにより、第１のヒーター１１１による加熱直後に、第１のガスＧ１の吸着燃焼反応による感度［ｍＶ］の波形として、特徴的なピーク波形が出現する。その後、第１のガスＧ１の吸着燃焼反応による感度［ｍＶ］は下がっていき、雰囲気中の第１のガスＧ１の濃度に応じた定常的な感度［ｍＶ］となる。

ここで、定常的な感度［ｍＶ］は、ガスの接触燃焼反応による感度［ｍＶ］であり、一般的な接触燃焼式ガスセンサでは、定常的な感度［ｍＶ］に基づいて、ガスの検出を判断する。しかしながら、例えば、検出する一酸化炭素の濃度をガス警報器で警報するレベルの濃度（例えば数百ｐｐｍ）に設定するように、検出するガスの濃度の目標値を低く設定する場合には、ガスの接触燃焼反応による定常的な感度［ｍＶ］を、ガスの検出を判断するのに十分な出力として得ることは困難である。それに対して、ガスの吸着燃焼反応により出現する上記ピーク波形の感度［ｍＶ］は、検出するガスの濃度の目標値を上述のように低く設定する場合であっても、ガスの検出を判断するのに十分な出力として得ることが可能となる。

図４は、接触燃焼反応と吸着燃焼反応との出力特性の違いを説明するためのグラフである。図４の左のグラフに示すように、ガスの接触燃焼反応による感度［ｍＶ］とガス濃度とは、リニアスケール（線形スケール）において直線関係を示す。それに対して、図４の右のグラフに示すように、ガスの吸着燃焼反応による感度［ｍＶ］とガス濃度とは、対数スケールにおいて直線関係を示す。

図５は、第１の検出素子１１において生じる第１のガスＧ１の吸着燃焼反応を模式的に示す図である。この図では、第１のガスＧ１としての極性分子ガスが第１の触媒１１３及び第１の担体１１２に物理吸着して燃焼する反応を示している。この図に示すように、アルコール類やＶＯＣ類等の極性分子ガスである第１のガスＧ１は、第１のヒーター１１１がＯＦＦの期間に第１の触媒１１３及び第１の担体１１２に物理吸着し、第１のヒーター１１１がＯＮの期間に第１の触媒１１３及び第１の担体１１２上で燃焼する。第１のガスＧ１は、第１のヒーター１１１がＯＮの期間の燃焼により二酸化炭素と水（Ｈ_２Ｏ）とに分解される。

ここで、第１のガスＧ１が、第１のヒーター１１１がＯＦＦの期間に第１の触媒１１３及び第１の担体１１２に対して物理吸着し、第１のヒーター１１１がパルス電圧を印加されることにより、第１のヒーター１１１がＯＮになった直後に、第１のガスＧ１が急激に燃焼する。これにより、第１のヒーター１１１による加熱直後に、第１のガスＧ１の吸着燃焼反応による出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形として、特徴的なピーク波形が出現する。その後、第１のガスＧ１の吸着燃焼反応による感度［ｍＶ］は下がっていき、雰囲気中の第１のガスＧ１の濃度に応じた定常的な感度［ｍＶ］となる。

また、第１のガスＧ１が第１の触媒１１３のみならず第１の担体１１２に対しても物理吸着していることにより、第１のヒーター１１１がＯＮになった直後に、第１のガスＧ１が第１の触媒１１３上のみならず第１の担体１１２上においても燃焼する。従って、第１の触媒１１３及び第１の担体１１２に物理吸着した第１のガスＧ１の燃焼は、第１の触媒１１３に化学吸着した第１のガスＧ１の燃焼に比して広範囲に伝播する。

図６は、第２の検出素子１２において生じる第２のガスＧ２の接触燃焼反応を模式的に示す図である。この図に示すように、メタン等の無極性分子ガスあるいは低有極性分子ガスである第２のガスＧ２は、第２のヒーター１２１がＯＦＦの期間に第２の触媒１２３に対して、衝突することはあるものの、吸着してはいない。このため、第２のヒーター１２１がＯＮの期間に、第２の触媒１２３に衝突した第２のガスＧ２が第２の触媒１２３上で燃焼する。第２のガスＧ２は、第２のヒーター１２１がＯＮの期間の燃焼により二酸化炭素と水とに分解される。

ここで、第２のガスＧ２が、第２のヒーター１２１がＯＦＦの期間に第２の触媒１２３に対して吸着していないことにより、第２のヒーター１２１がＯＮになった直後に、ガスの吸着燃焼反応のような急激な燃焼が生じない。

図１に示すように、ＭＣＵ２０は、ヒーター駆動回路２１と、出力検出器２２と、波形生成回路２３と、メモリ２４と、判断回路２５とを備える。ヒーター駆動回路２１は、ブリッジ回路１０にパルス状の駆動電圧を生成して印加する。

図７は、図１に示すヒーター駆動回路２１がブリッジ回路１０に印加するパルス電圧の波形を示す図である。この図に示すように、ヒーター駆動回路２１は、第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１のＯＮとＯＦＦとを繰り返す。第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１のＯＮの時間は、短時間であり、例えば、図示するように１００［ｍｓｅｃ］である。第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１のＯＦＦの時間は、ＯＮの時間に比して長時間であり、例えば、図示するように３０［ｓｅｃ］である。第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１のＯＮ時の最高温度は、第２のガスＧ２の第２の触媒１２３での燃焼温度よりも高い温度（例えば、４６０℃）である。第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１のＯＦＦ時の最低温度は、室温（ＲＴ）である。

図１に示すように、出力検出器２２は、ブリッジ回路１０の端子１３，１４に接続されている。この出力検出器２２は、上記の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを増幅して波形生成回路２３に出力する。波形生成回路２３は、出力検出器２２から出力された出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形を生成する。

図８は、図１に示す波形生成回路２３により生成された出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形を示すグラフである。このグラフには、第１のガスＧ１の一例である一酸化炭素と第２のガスＧ２の一例であるメタンとの混合ガスが検出された時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形（以下、混合ガス波形という）が実線で示されている。また、このグラフには、ガス検出装置１が、第１のガスＧ１と第２のガスＧ２とが検出されない大気中に設置された時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形（以下、基準波形という）が破線で示されている。

ガス検出装置１が、第１のガスＧ１と第２のガスＧ２とが検出されない大気中に設置された時、図８のグラフに破線で示す出力電圧Ｖ_ｏｕｔの基準波形が生成される。出力電圧Ｖ_ｏｕｔの基準波形は、ガス検出装置１の電源がＯＮになった時等の所定のタイミングで生成されてメモリ２４（図１参照）に記憶される。

出力電圧Ｖ_ｏｕｔの基準波形は、第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１がＯＮになる時刻ｔ０から、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのピーク値まで立ち上がり、ピーク値を示した時刻ｔ１から第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１がＯＦＦになる時刻ｔ２まで次第に低下し、時刻ｔ２から立ち下がる。なお、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、ガス検出装置１の設定によってプロファイルが変わる。本実施形態では、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのピークと吸着燃焼におけるピークとが重なっているが、必ずしもそのようになるわけではない。

出力電圧Ｖ_ｏｕｔの基準波形がピーク値を示す時刻ｔ１は、下記（１）式を満足する。例えば、第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１のＯＮの時間（ｔ２－ｔ０）が１００［ｍｓｅｃ］の場合、時刻ｔ１は、２５［ｍｓｅｃ］以下である。
ｔ０＜ｔ１＜（１/２）×（ｔ２－ｔ０） …（１）

ガス検出装置１が、上記の混合ガスを含む環境下に設置された時、図８のグラフに実線で示す出力電圧Ｖ_ｏｕｔの混合ガス波形が生成される。この出力電圧Ｖ_ｏｕｔの混合ガス波形は、上述の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの基準波形に近似したプロファイルになる。

ここで、時刻ｔ１における出力電圧Ｖ_ｏｕｔを基準波形と混合ガス波形とで比較した場合、混合ガス波形の出力値が、基準波形の出力値よりも低くなる。他方で、時刻ｔ２における出力電圧Ｖ_ｏｕｔを基準波形と混合ガス波形とで比較した場合、混合ガス波形の出力値が、基準波形の出力値よりも高くなる。

ガス検出装置１が混合ガスを含む環境下に設置された場合、第１のガスＧ１の一例である一酸化炭素が第１の触媒１１３に吸着した状態で第１のヒーター１１１がＯＮになる。そのため、時刻ｔ１において、第１の触媒１１３上で一酸化炭素の吸着燃焼が生じ、第１の検出素子１１の抵抗が増加し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが増加する。それにより、時刻ｔ１において、混合ガス波形の出力値が基準波形の出力値よりも低くなる。

他方で、一酸化炭素の吸着燃焼が生じた後、第２のガスＧ２の一例であるメタンが、第２の触媒１２３に衝突することにより、第２の触媒１２３上でメタンの接触燃焼が生じ、第２の検出素子１２の抵抗が増加し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが上昇する。それにより、時刻ｔ２において、混合ガス波形の出力値が基準波形の出力値よりも高くなる。

図９は、ガス検出装置１が混合ガスを含む環境下に設置された時のガス検出装置１の感度［ｍＶ］の波形を示すグラフである。このグラフに示す感度［ｍＶ］の波形は、図８のグラフに実線で示す出力電圧Ｖ_ｏｕｔの混合ガス波形から図８のグラフに破線で示す出力電圧_ｏｕｔの基準波形を差し引いた合成波形である。

図９に示す感度［ｍＶ］の波形は、第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１がＯＮになる時刻ｔ０の０[ｍＶ]から、感度［ｍＶ］の負の方向の最大値まで立ち下がり、負の方向の最大値を示す時刻ｔ１から第１のヒーター１１１及び第２のヒーター１２１がＯＦＦになる時刻ｔ２の正の方向の最大値まで次第に上昇し、時刻ｔ２から０[ｍＶ]まで立ち下がる。

ここで、時刻ｔ１における感度［ｍＶ］が、負の方向に大きくなるほど、第１の検出素子１１の抵抗の増加が大きくなる。そのため、時刻ｔ１における感度［ｍＶ］の負の方向の大きさに基づいて、第１の触媒１１３での一酸化炭素の吸着燃焼の有無やその程度を判断できる。

他方で、下記（２）式を満足する時刻ｔ３における感度［ｍＶ］が、正の方向に大きくなるほど、第２の検出素子１２の抵抗の増加が大きくなる。そのため、時刻ｔ３における感度［ｍＶ］の正の方向の大きさに基づいて、第２の触媒１２３でのメタンの接触燃焼の有無やその程度を判断できる。
（１／２）×（ｔ２－ｔ０）≦ｔ３≦ｔ２ …（２）

そこで、本実施形態の判断回路２５（図１参照）は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形からメモリ２４に記憶された出力電圧Ｖ_ｏｕｔの基準波形を差し引いた合成波形、即ち、感度［ｍＶ］の波形を生成する。そして、判断回路２５は、時刻ｔ１における感度［ｍＶ］の負の方向の大きさに基づいて、一酸化炭素等の第１の触媒１１３に対して吸着燃焼特性を示す第１のガスＧ１の検出の有無及び濃度を判断し、時刻ｔ３における感度［ｍＶ］の正の方向の大きさに基づいて、第２の触媒１２３に対して接触燃焼特性を示す第２のガスＧ２の検出の有無及び濃度を判断する。

図１０は、感度［ｍＶ］の算出方法を説明するためのグラフである。この図に示すように、一酸化炭素とメタンとを同時に検出する場合、一酸化炭素の吸着燃焼反応による感度［ｍＶ］の立ち上がりとメタンの接触反応による感度［ｍＶ］の立ち上がりとはほぼ同時となる。

ここで、白金触媒の場合、メタンの燃焼活性は、殆ど無いので、感度［ｍＶ］の基準電圧に対してマイナス側への挙動には、メタンの燃焼反応は殆ど影響しない。また、白金触媒とパラジウム触媒との双方に対して、一酸化炭素は燃焼活性があるが、両触媒における一酸化炭素の接触燃焼反応による感度［ｍＶ］は、正負が逆でほぼ同じ大きさであることから相殺される。従って、時刻ｔ３では、メタンの接触燃焼反応による感度［ｍＶ］のみを読み取ることが可能である。

時刻ｔ１では、メタンの出力波形と、一酸化炭素の出力波形とが重なるが、時刻ｔ３における感度［ｍＶ］から時刻ｔ１におけるメタンのプラス側への感度［ｍＶ］を割り出すことができる。従って、時刻ｔ１での感度［ｍＶ］から一酸化炭素の濃度を算出することができる。

以下、本願の発明者が実施した実験について説明する。本実験では、一酸化炭素が検出されない大気中及び一酸化炭素の濃度が１００ｐｐｍ，３００ｐｐｍ，５００ｐｐｍ，１０００ｐｐｍの雰囲気中にガス検出装置１を設置し、それぞれの条件での出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形及び時刻ｔ１での感度［ｍＶ］を求めた。

図１１は、本実験で求めた出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形を示すグラフである。図１２は、本実験で求めた時刻ｔ１での感度［ｍＶ］を示すグラフである。図１１のグラフから、一酸化炭素の濃度が高くなるほど、時刻ｔ１における出力電圧Ｖ_ｏｕｔが低くなることを確認できる。また、図１１のグラフから、一酸化炭素の濃度の変化にかかわらず、時刻ｔ３における出力電圧Ｖ_ｏｕｔは一定であることを確認できる。さらに、図１２のグラフから、一酸化炭素の濃度が高くなるほど、時刻ｔ１での感度［ｍＶ］が負の方向に大きくなることを確認できる。

また、本実験では、メタンが検出されない大気中及びメタンの濃度が１０００ｐｐｍ，３０００ｐｐｍ，５０００ｐｐｍの雰囲気中にガス検出装置１を設置し、それぞれの条件での出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形及び時刻ｔ３での感度［ｍＶ］を求めた。

図１３は、本実験で求めた出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形を示すグラフである。図１４は、本実験で求めた時刻ｔ３での感度［ｍＶ］を示すグラフである。図１３のグラフから、メタンの濃度が高くなるほど、時刻ｔ３における出力電圧Ｖ_ｏｕｔが高くなることを確認できる。また、図１３のグラフから、メタンの濃度の変化により時刻ｔ１における出力電圧Ｖｏｕｔも多少の増加が確認できるが、時刻ｔ３における出力電圧Ｖｏｕｔより時刻ｔ１における増加分は割り出すことが可能である。従って、メタンガスとの混合状態でも時刻ｔ１の一酸化炭素の吸着燃焼反応による出力電圧Ｖｏｕｔ変化分を算出することが可能である。さらに、図１４のグラフから、メタンの濃度が高くなるほど、時刻ｔ３での感度［ｍＶ］が正の方向に大きくなることを確認できる。

ここで、第１の触媒１１３と第２の触媒１２３と第１のガスＧ１と第２のガスＧ２との組み合わせとしては、以下の４組の組み合わせを例示できる。なお、第１の触媒１１３と第２の触媒１２３と第１のガスＧ１と第２のガスＧ２との組み合わせは、以下に例示する３組の組み合わせに限定されるわけではなく、第１のガスＧ１が第１の触媒１１３に対しては吸着燃焼特性を示すが第２の触媒１２３に対しては吸着燃焼特性を示さず、第２のガスＧ２が第２の触媒１２３に対しては接触燃焼特性を示すが第１の触媒１１３に対しては吸着燃焼特性も接触燃焼特性も示さないという組み合わせであればよい。

第１の組み合わせは、第１の触媒１１３が白金であり、第１のガスＧ１が一酸化炭素、水素であり、第２の触媒１２３がパラジウムであり、第２のガスＧ２がメタンであるという組み合わせである。一酸化炭素、水素は、白金触媒に対しては吸着燃焼特性を示すが、パラジウム触媒に対しては吸着燃焼特性を示さない。メタンは、パラジウム触媒に対しては接触燃焼特性を示すが吸着燃焼特性を示さず、白金触媒に対しては接触燃焼特性も吸着燃焼特性も示さない。

第２の組み合わせは、第１の触媒１１３が白金であり、第１のガスＧ１が一酸化炭素、水素であり、第２の触媒１２３がロジウムであり、第２のガスＧ２がメタンであるという組み合わせである。一酸化炭素、水素は、白金触媒に対しては吸着燃焼特性を示すが、ロジウム触媒に対しては吸着燃焼特性を示さない。メタンは、ロジウム触媒に対しては接触燃焼特性を示すが吸着燃焼特性を示さず、白金触媒に対しては接触燃焼特性も吸着燃焼特性も示さない。

第３の組み合わせは、第１の触媒１１３がパラジウムであり、第１のガスＧ１がＶＯＣ類、アルコール類であり、第２の触媒１２３が金（Ａｕ）であり、第２のガスＧ２が一酸化炭素であるという組み合わせである。ＶＯＣ類、アルコール類は、パラジウム触媒に対しては吸着燃焼特性を示すが、金触媒に対しては吸着燃焼特性も接触燃焼特性も示さない。一酸化炭素は、金触媒に対して接触燃焼特性を示すが吸着燃焼特性を示さず、パラジウム触媒に対しては接触燃焼特性も吸着燃焼特性も示さない。

以上説明したように、本実施形態のガス検出装置１は、第１の触媒１１３に対して吸着燃焼特性を示す第１のガスＧ１の検出を、パルスが立ち上がった後の時刻ｔ１におけるブリッジ回路１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔに基づいて判断し、第２の触媒１２３に対して接触燃焼特性を示す第２のガスＧ２の検出を、時刻ｔ１より後でパルスが立ち下がる前の時刻ｔ３におけるブリッジ回路１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔに基づいて判断する。それにより、一個のブリッジ回路１０を間欠的に駆動させ、１回の駆動期間中に、一酸化炭素、水素、ＶＯＣ類、アルコール類等の第１のガスＧ１と、メタン等の第２のガスＧ２とを検出することができる。従って、ブリッジ回路を複数備える場合やブリッジ回路を連続的に駆動させる場合に比して、消費電力を抑えることができる。

また、本実施形態のガス検出装置１は、予め記憶した出力電圧Ｖ_ｏｕｔの基準波形とブリッジ回路１０の出力波形との時刻ｔ１における差（感度［ｍＶ］）に基づいて、第１のガスＧ１の検出を判断し、上記基準波形とブリッジ回路１０の出力波形との時刻ｔ３における差（感度［ｍＶ］）に基づいて、第２のガスＧ２の検出を判断する。それにより、第１のガスＧ１と第２のガスＧ２との検出の有無を判断できると共に、第１のガスＧ１と第２のガスＧ２との濃度を判断できる。特に、本実施形態では、第１のガスＧ１と第２のガスＧ２とが検出されない大気中にガス検出装置１が設置された場合におけるブリッジ回路１０の出力波形を基準波形としていることにより、大気との比較で、第１のガスＧ１と第２のガスＧ２との検出の有無と濃度とを判断できる。

また、第２のガスＧ２の燃焼温度が、第１のガスＧ１の燃焼温度よりも高いことにより、第１のガスＧ１の第１の触媒１１３での吸着燃焼反応を、第２のガスＧ２の第２の触媒１２３での接触燃焼反応に先行して発生させることができる。従って、時刻ｔ１における感度［ｍＶ］に基づいて第１のガスＧ１の検出を判断でき、時刻ｔ３における感度［ｍＶ］に基づいて第２のガスＧ２の検出を判断できる。

また、第１の検出タイミングとしての時刻ｔ１は、上記（１）式を満足するので、感度［ｍＶ］の負の方向の最大値、若しくはその近似値に基づいて、第１のガスＧ１の検出を判断できる。また、第２の検出タイミングとしての時刻ｔ３は、上記（２）式を満足するので、感度［ｍＶ］の正の方向の最大値、若しくはその近似値に基づいて、第２のガスＧ２の検出を判断できる。

また、第１のガスＧ１は、一酸化炭素、又は水素であり、第２のガスＧ２は、メタンであり、第１の触媒１１３は、白金であり、第２の触媒１２３は、パラジウム、又はロジウムである。これにより、第１のガスＧ１が第１の触媒１１３において吸着燃焼することによるセンサ出力を得ることができると共に、第２のガスＧ２が第１の触媒１１３において燃焼することによるセンサ出力を防止できる。また、第２のガスＧ２が第２の触媒１２３において接触燃焼することによるセンサ出力を得ることができると共に、第２のガスＧ２が第１の触媒１１３において燃焼することによるセンサ出力を防止できる。なお、第２のガスＧ２としてのメタンは、第１の触媒１１３としての白金触媒では燃焼しないのに対して、第１のガスＧ１としての一酸化炭素は、白金触媒と第２の触媒１２３としてのパラジウム触媒との双方で接触燃焼する。但し、一酸化炭素の吸着燃焼は白金触媒でしか発生せず、白金触媒とパラジウム触媒とで発生する接触燃焼は同程度で相殺されるため、結果として、一酸化炭素は、吸着燃焼の感度のみにより検出できる。

また、第１のガスＧ１は、ＶＯＣ類、又はアルコール類であり、第２のガスＧ２は、一酸化炭素であり、第１の触媒１１３は、パラジウムであり、第２の触媒１２３は、金である。ここで、一酸化炭素は、金触媒に対して接触燃焼反応のみ示し、吸着燃焼反応を示さない。これにより、第１のガスＧ１が第１の触媒１１３において吸着燃焼することによるセンサ出力を得ることができると共に、第２のガスＧ２が第１の触媒１１３において燃焼することによるセンサ出力を防止できる。また、第２のガスＧ２が第２の触媒１２３において接触燃焼することによるセンサ出力を得ることができると共に、第２のガスＧ２が第１の触媒１１３において燃焼することによるセンサ出力を防止できる。なお、一酸化炭素の燃焼温度は、ＶＯＣ類、アルコール類の燃焼温度よりも低い。

以上、上記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し、適宜公知や周知の技術を組み合わせてもよい。

１ ガス検出装置
１０ ブリッジ回路
１１ 第１の検出素子
１１１ 第１のヒーター
１１３ 第１の触媒
１２ 第２の検出素子
１２１ 第２のヒーター
１２３ 第２の触媒
２０ ＭＣＵ（制御部）
Ｇ１ 第１のガス
Ｇ２ 第２のガス
ｔ１ 時刻（第１の検出タイミング）
ｔ３ 時刻（第２の検出タイミング）
Ｖ_ｏｕｔ 出力電圧（出力値）

Claims (7)

1. 触媒でのガスの燃焼により出力が変化するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路をパルス駆動させると共に前記ブリッジ回路の出力値に基づいてガスの検出を判断する制御部とを備えるガス検出装置であって、
   前記ブリッジ回路は、
   第１のヒーターと、第１のガスを吸着させて前記第１のヒーターの熱で燃焼させる第１の触媒とを備える第１の検出素子と、
   前記第１のヒーターに接続された第２のヒーターと、第２のガスを前記第２のヒーターの熱で接触燃焼させ、前記第１のガスを吸着させない第２の触媒とを備える第２の検出素子と
   を備え、
   前記制御部は、
   パルスが立ち上がった後の第１の検出タイミングにおける前記ブリッジ回路の出力値に基づいて、前記第１のガスの検出を判断し、前記第１の検出タイミングより後でパルスが立ち下がる前の第２の検出タイミングにおける前記ブリッジ回路の出力値に基づいて、前記第２のガスの検出を判断するガス検出装置。
2. 前記制御部は、
   予め記憶した基準波形と前記ブリッジ回路の出力波形との前記第１の検出タイミングにおける差に基づいて、前記第１のガスの検出を判断し、
   前記基準波形と前記ブリッジ回路の出力波形との前記第２の検出タイミングにおける差に基づいて、前記第２のガスの検出を判断する請求項１に記載のガス検出装置。
3. 前記制御部は、
   大気中での前記ブリッジ回路の出力波形を前記基準波形として記憶する請求項２に記載のガス検出装置。
4. 前記第２のガスの燃焼温度は、前記第１のガスの燃焼温度よりも高い請求項１～３の何れか１項に記載のガス検出装置。
5. 前記第１の検出タイミングは、下記（１）式を満足し、前記第２の検出タイミングは、下記（２）式を満足する請求項１～４の何れか１項に記載のガス検出装置。
   ｔ０＜ｔ１＜（１/２）×（ｔ２－ｔ０） …（１）
   （１／２）×（ｔ２－ｔ０）≦ｔ３≦ｔ２ …（２）
   但し、ｔ０は、前記パルスが立ち上がる時刻であり、ｔ１は、前記第１の検出タイミングに相当する時刻であり、ｔ２は、前記パルスが立ち下がる時刻であり、ｔ３は、前記第２の検出タイミングに相当する時刻である。
6. 前記第１のガスは、一酸化炭素、又は、水素であり、
   前記第２のガスは、メタンであり、
   前記第１の触媒は、白金であり、
   前記第２の触媒は、パラジウム、又はロジウムである請求項１～５の何れか１項に記載のガス検出装置。
7. 前記第１のガスは、ＶＯＣ類、又は、アルコール類であり、
   前記第２のガスは、一酸化炭素であり、
   前記第１の触媒は、パラジウムであり、
   前記第２の触媒は、金である請求項１～３、及び、請求項４を引用しない請求項５の何れか１項に記載のガス検出装置。

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