JPH04256851A

JPH04256851A - ガス検知装置

Info

Publication number: JPH04256851A
Application number: JP3039606A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Takahashi; 高橋　一洋; Yukio Nakanouchi; 中野内　幸雄; Akira Kunimoto; 晃国元; Hiroyuki Oya; 大矢　裕之
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1991-02-08
Publication date: 1992-09-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自己加熱機構を有するガ
スセンサー素子を温度制御し得るガス検知装置に関し、
さらに詳しくは正の温度係数をもつ抵抗発熱体を徐々に
昇温することによりセンサー基板のクラッキングを防止
し得るガス検知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
ら空気中の各種のガスの濃度を測定するために、種々の
タイプのセンサーが提案され、使用されている。特に酸
素濃度は、暖房中の室内、地下設備中、マンホール中、
船倉中、サイロ中等において検知する必要があり、種々
のタイプの酸素センサーが利用されている。また、都市
ガス、プロパンガス、一酸化炭素ガス等の還元性ガスが
空気中に混入することによる事故を防止するために、こ
れらの還元性ガスを検知することも必要である。そこで
各種の還元性ガスセンサーも広く利用されてきた。

【０００３】酸素センサーとしては、限界電流式酸素セ
ンサーが広く利用されているが、限界電流式酸素センサ
ーとは、一般に酸素イオン伝導体であるＺｒＯ２　基板
の両面に電極を設け、その陰極側に内部室を形成し、そ
の内部室に通ずる微小拡散孔を少なくとも一個以上有す
る構造を持つもので、酸素は、陰極において　Ｏ２−に
イオン化し、ＺｒＯ　２　中を陽極に向かって移動し、
陽極では　Ｏ２−は電子を放出してＯ　２　ガスとなり
、放出電子は陽極を通って電源に戻るので、この電極間
の電流（ＩＬ　）を検出することにより、酸素濃度を検
出することができる。酸素は拡散孔より吸入され、Ｚｒ
Ｏ　２　基板の陽極で排出される。この時の吸入酸素量
は拡散孔のサイズ等により酸素濃度に見合った律速状態
となる。ところでＺｒＯ　２　の酸素イオン伝導率は高
温で大きくなるので、通常　３５０〜４５０　℃に加熱
して使われる。

【０００４】また、酸素以外のガスのセンサーとしては
、例えば、還元性ガスセンサーがある。これは、半導体
式ガスセンサーの一種で、一般にＳｎＯ　２　、ＺｎＯ
　、Ｉｎ２　Ｏ　３　等の導電率変化を利用して還元性
ガスを検知するもので、通常のガス警報器に使われてい
る。素子は、通常共沈法により得られたＳｎＯ　２　粒
子等をバインダーと共に混練し、ペースト状としたもの
をコイル状のヒーター（兼電極）線に焼き付けたもので
ある（バルク型と呼ばれる）。清浄エアー中では、この
半導体粒子上に酸素が吸着しているため、粒子どうしの
界面にバリア障壁が形成され、本来あるべき導電性がこ
の障壁により低下されている。ここに還元性ガスが存在
すると、その濃度に応じて吸着酸素が除去され、障壁が
低下するので、導電率は上昇する。すなわち、センサー
抵抗が減少し、電圧変動を出力として検知することがで
きる。

【０００５】このようなガスセンサーでは、加熱状態で
ガスの検出が行われるので、センサー基板にヒーター（
あるいは、ヒーターの作用を有する電極）が設けられて
いる。

【０００６】このようなヒーターを有する酸素センサー
の典型的な例を図６に示す。この酸素センサー２は、酸
素イオン伝導性を有する固体電解質からなる基板２１（
ガス拡散孔２２が形成されている。）と、基板２１の両
面に形成された多孔質電極２３ａ、２３ｂと、各多孔質
電極２３ａ、２３ｂを覆うように基板２１の両側に設け
られたカバー２４と、カバー２４上に形成されたヒータ
ー２５を有する。

【０００７】基板２１の両面にガス拡散孔２２の開口部
を覆うように形成された多孔質電極２３ａ、２３ｂは、
空気と接触する外部電極（陽極）２３ｂと、接触しない
ように密封されている内部電極（陰極）２３ａとからな
る。内部電極２３ａは、その上に内部室２６が形成され
るようにして、カバー２４により密閉される。

【０００８】ヒーター２５は、白金ペーストを用いたス
クリーン印刷やフォトリソグラフィ等の方法で形成され
る。

【０００９】このような加熱機構を有するガスセンサー
の温度制御には、通常電圧制御回路が用いられている。特にセラミックで構成されているガスセンサーの中には
、熱衝撃により破壊の危険性のあるものがあり、そのた
めに設定温度に到達するまでに徐々に昇温するように制
御を行っている。

【００１０】この緩やかな昇温制御には、従来から積分
回路で徐々に電圧を上げる方式が用いられている。この
場合には、設定温度を保持するための定電圧化と電力増
幅が必要となる。通常その制御特性を上げるため、定電
圧化を行う箇所には、ＬＭ３８５等のＩＣ化された特殊
な定電圧ダイオードが用いられる。その代表的な制御回
路を図７に示す。

【００１１】図７に示す制御回路は、電圧積分回路３と
、電圧制限回路４と、電力（電圧）増幅回路５とからな
る。電圧積分回路３は、オペレーショナルアンプ３１と
、オペレーショナルアンプ３１の反転端子と出力端子と
の間に接続されたコンデンサ３２とを有し、非反転端子
に一定の参照電圧が入力されている。反転端子に入力さ
れる電圧Ｖｉは積分されて、一定速度で増大する出力電
圧Ｖｏが得られる。電圧制限回路４は、ツェナダイオー
ド４１を有し、電圧上昇の上限を定めている。また、電
力（電圧）増幅回路５は、オペレーショナルアンプ５１
とパワートランジスタ５２とを有し、端子５３ａ、５３
ｂ間にガスセンサー２用の抵抗発熱体２０１　が接続さ
れている。この電力（電圧）増幅回路５により、十分に
大きな電圧が抵抗発熱体２０１　にかかることになる。

【００１２】このような制御回路では、昇温制御での時
定数を変化させる等の利点があるが、その反面、部品数
が増え回路が煩雑、高価になることや、実際に制御対象
としている箇所での昇温特性が良くないという問題があ
る。また、瞬間停電時には、素子温度によらず、積分回
路のコンデンサの放電の状態で昇温制御を行うので、素
子温度がある程度高いのにもかかわらず、所定の昇温時
間を要するという問題がある。

【００１３】従って本発明の目的は、上記従来の問題点
を解決することで、昇温特性の良い、安価な自己発熱型
ヒーター用制御回路を有するガス検知装置を提供するこ
とである。

【００１４】上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者
は、Ｐｔ等からなる抵抗発熱体の抵抗は、温度上昇とと
もに増大することに着目し、抵抗発熱体を定電流電源に
接続することにより、オーバーシュート等の問題がない
昇温制御を行うことができることを発見し、本発明を完
成した。

【００１５】すなわち、本発明のガス検知装置は、正の
温度係数をもつ抵抗発熱体を有するガスセンサー素子と
、前記ガスセンサー素子の起動時の緩やかな昇温制御及
び設定温度での保持を行う定電流回路とを備えたことを
特徴とする。

【００１６】

【実施例及び作用】以下本発明を具体的実施例により詳
細に説明する。図１において、１は本発明において使用
する代表的な定電流回路であり、２は正の温度係数を持
つ抵抗発熱体を備えたセンサー素子である。このセンサ
ー素子２は、例えば、限界電流式酸素センサーのように
熱衝撃による破壊が最も問題となる構造のセンサーであ
る。そこで限界電流式酸素センサー２を例にとり説明す
ると、センサー２は、ジルコニア固体電解質２０３　と
、Ａｌ２　Ｏ　３　薄板からなるヒーター基板２０２　
と、ジルコニア固体電解質２０３　とヒーター基板２０
２　とを接合する封着ガラス２０４　とを有する。ヒー
ター基板２０２　上には、薄膜法により、抵抗発熱体で
あるＰｔヒーター２０１　が形成されている。このセン
サー２では、熱膨張率の違う材質で組立られていること
と、比較的熱衝撃に弱い　ＺｒＯ２　とガラス材を用い
ていることから、徐々に昇温させることが必要である。

【００１７】定電流回路１は、オペレーショナルアンプ
１０１　と、その反転端子に定電圧を入力させるための
抵抗Ｒ１、Ｒ２と、抵抗Ｒ３を介してオペレーショナル
アンプ１０１　の出力側と接続されているパワートラン
ジスタ１０２　と、パワートランジスタ１０２　のコレ
クタ側と接続している端子１０５　ａと、オペレーショ
ナルアンプ１０１　の非反転端子と接続している端子１
０５　ｂと、オペレーショナルアンプ１０１　の非反転
端子とアースとの間の抵抗Ｒ４とからなる。端子１０５
　ａ、１０５ｂの間に抵抗発熱体２０１　が接続されて
いる。

【００１８】図１において、定電流回路１では、　　　
　Ｉ＝｛Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝・Ｖｃｃ／Ｒ４　　　
　　　　　（１）　（ただし、Ｒはオペレーショナルア
ンプ１０１　の抵抗である。）の定電流Ｉを流すように
オペレーショナルアンプ１０１　の出力電圧Ｖを制御す
る。オペレーショナルアンプ１０１　の出力電圧Ｖはオ
ームの法則により　　　　　　Ｖ＝（Ｒｈ＋Ｒ４）・Ｉ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（２）　（ただし、Ｒｈは抵抗発熱体２０１　の抵抗
である。）となる。ガスセンサー２の温度は、素子の大
きさとヒーター２０１　への供給電力量Ｗによって決ま
り、その供給電力量Ｗは、　　　　　　Ｗ＝Ｖ・Ｉ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（
３）　で与えられる。（３）　式を書き換えると　　　
　　　Ｗ＝（Ｒｈ＋Ｒ４）・Ｉ２　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　（４）　となる。本実
施例のＰｔのように正の温度係数を持つ抵抗発熱体では
、発熱体自身の温度が上がるに従い、その抵抗Ｒｈも上
がっていく。Ｒｈの時間当たりの増加分をΔＲｈとする
と、電力量の時間当たりの増加分ΔＷは、　　　　　　
ΔＷ＝ΔＲｈ・Ｉ２　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　（５）　となり、Ｒｈ
の増分に応じて徐々に昇温させることが可能となる。ま
たＰｔでは、温度が上昇するに従い、温度による抵抗変
化量が少しづつ減少するので、温度が上がるほど時間当
たりの増加分ΔＲｈが減少し、それに従い電力量の時間
当たりの増加分ΔＷも少しづつ減少する。ΔＷが小さく
なるとΔＲｈも小さくなり、その相乗効果で非常に好ま
しい制御となる。

【００１９】ところで、図１の抵抗発熱体２０１　にお
いては、温度の設定点は電圧値で決まるので、図２（ａ
）　に示すように（１）　式の電流Ｉによる設定温度ま
で昇温し、その温度で保持することになっている。従っ
て、定電流回路による制御では、この回路だけで緩やか
な昇温制御と温度保持を行うことができる。

【００２０】以下本発明による制御特性を、従来技術の
電圧積分回路による特性と比較しながら説明する。図３
は、制御対象部であるジルコニア固体電解質２０３　で
の昇温特性を示している。従来の電圧積分回路を用いた
電圧制御では、立上がりの温度上昇が遅く、逆に熱衝撃
が問題となる温度付近では温度上昇の勾配が急になって
いる（Ｂ、Ｃ）。ただし、Ｂ、Ｃは、図２（ｂ）　中の
Ｂ、Ｃに対応する。一方、本発明による定電流制御（Ａ
）では、立上りから設定温度付近までの勾配はほぼ一定
に近く、従来の電圧制御と比較すると熱衝撃がかなり緩
和された昇温制御を行っていることがわかる。

【００２１】図２は、従来の電圧制御と本発明の定電流
制御双方の電圧、電流の時間変化を示した図である。図
２（ｂ）　中Ｂは印加電圧の昇圧速度が大きい場合を示
し、Ｃは小さい場合を示す。電圧制御では昇圧速度を自
由に設定できるが、昇圧速度を早めても抵抗発熱体の温
度が追従していないことが電流変化からわかる。また昇
圧速度がＢ、Ｃいずれの場合も、電流変化にいわゆるオ
ーバーシュートが認められる。作動温度到達時間に関し
ても、図３に示すように、定電流制御の方が僅かではあ
るが有利になる。

【００２２】次に実際に使用する場面を想定して両者を
比較してみる。通常、システム機器に組み込む場合、シ
ステムの持つ電源からの制約で、一定の電圧が与えられ
て、電流値を何ｍＡ以下というように規制されることが
ほとんどである。この場合、電圧制御では図２（ｂ）　
に見られる電流のオーバーシュートを見込んでの設定が
必要となるが、定電流制御では図２（ａ）　でわかるよ
うに電流のオーバーシュートはなく、実際に必要な最小
限の電流量での設定ができる。この利点は、システム機
器側の制約だけでなく、センサーを動作させるための電
力増幅用のトランジスタの規格面に対しても、同様の利
点となる。

【００２３】また実用場面では、瞬時停電の考慮を必要
とするケースが少なくない。図４は、瞬時停電の定電流
制御と電圧制御の時間と温度の関係を示している。電圧
制御ではその昇温制御の主体が積分回路であり、積分回
路のコンデンサの放電状態が制御パラメータとなるため
に、図４のＢに示すように、起動時と同等の時間が回復
時間としてかかってしまう。すなわち電圧制御の場合、
当初の供給電力量は少ないので、発熱体の温度は大きく
低下し、ある時点で上昇するようになる。これに対して
定電流制御では、その昇温制御の主体が抵抗発熱体であ
り、抵抗発熱体の温度そのものが制御パラメータとなる
ので（温度に応じて抵抗が変化し、その抵抗値が制御回
路にフィードバックされるので）、図４のＡに示すよう
に回復時間が非常に短くてすむ。すなわち、発熱体の温
度低下は僅かですむ。このように瞬時停電を考慮しなけ
ればならない場合には、電圧制御ではそれなりの対策が
必要となるのに対し、定電流制御では特別のケースを除
いてその必要がない。

【００２４】実用上必ず対策が必要な電圧変動に対して
は、本発明の装置においては、図５に示すような方式が
挙げられる。これは、参照電圧設定部に温度係数の小さ
い一般のツェナダイオード１０３　を入れ、電源電圧が
変動しても、参照電圧部の電圧値が動かないようにした
ものである。図７の電圧制御方式においては昇圧制御特
性上の問題から定電圧化のために高価なダイオードが必
要とされるのに対して、昇圧制御の特性に全く影響を与
えない定電流制御では、前記の安価なツェナダイオード
でよいことになる。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明のように、本発明によれば、
その回路構成の簡易さと部品規格の面から、従来方式よ
りも安価に作ることができるばかりでなく、信頼性も向
上でき、また制御特性の面からも、昇温特性及び瞬時停
電の回復特性を良くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるガス検知装置の温度制
御回路を示す図である。

【図２】従来技術と本発明の起動時の制御特性の相違を
説明するための電圧及び電流の時間変化を表す特性図で
あり、（ａ）　は本発明の定電流制御の場合を示し、（
ｂ）　は従来の電圧制御の場合を示す。

【図３】従来技術と本発明の起動時の制御特性の相違を
説明するためのガスセンサー素子の温度の時間変化を表
す特性図であり、Ａは図２（ａ）　の制御に対応し、Ｂ
、Ｃはそれぞれ図２（ｂ）　中のＢ、Ｃに対応する。

【図４】従来技術と本発明の瞬時停電時の回復特性の相
違を説明するためのガスセンサー素子の温度の時間変化
を表す特性図であり、Ａは本発明の場合を示し、Ｂは従
来の電圧制御の場合を示す。

【図５】本発明の電源変動の対応を行った温度制御回路
の一例を示す回路図である。

【図６】本発明を適用し得る限界電流式酸素センサーを
示す断面図である。

【図７】従来の電圧制御方式の一例を示す温度制御回路
図である。

【符号の説明】

１　　　　　　定電流回路２　　　　　　限界電流式酸素センサー３　　　　　　
電圧積分回路４　　　　　　電圧制限回路５　　　　　　電力（電圧）増幅回路２０１　　　　　抵抗発熱体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　正の温度係数をもつ抵抗発熱体を有す
るガスセンサー素子と、前記ガスセンサー素子の起動時
の緩やかな昇温制御及び設定温度での保持を行う定電流
回路とを備えたことを特徴とするガス検知装置。
【請求項２】　　請求項１に記載のガス検知装置におい
て、Ｐｔを抵抗発熱体として用いることを特徴とするガ
ス検知装置。
【請求項３】　　請求項１又は２に記載のガス検知装置
において、前記抵抗発熱体がセラミック基板上に形成さ
れていることを特徴とするガス検知装置。