JPH0439029B2

JPH0439029B2 -

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Publication number: JPH0439029B2
Application number: JP58026166A
Authority: JP
Priority date: 1983-02-21
Filing date: 1983-02-21
Publication date: 1992-06-26
Also published as: US4638443A; JPS59153159A

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕本発明は、単独で飛来する特定のガスの種類お
よび濃度等のガス情報を検出するガス検出装置に
関する。〔従来技術〕従来、酸化スズ（SnO₂）、酸化鉄（Fe₂O₃）、
酸化亜鉛（ZnO）などの半導体ガス検出素子は、
その導電率がガス濃度により変化する特性を有
し、使い易く安価であるために多く用いられてき
た。その動作原理は、SnO₂、ZnOなどのｎ形半
導体の活性部に水素や炭化水素などの電子供与性
の還元気体が吸着した場合には、電子密度が増加
して導電率が増大し、また酸素などの電子吸引性
気体の吸着では、電子密度が減少し導電率が低下
する現象を利用するものである。一方NiOなどの
ｐ形半導体の場合は、ｎ形とは逆に電子供与性気
体で導電率が低下し、電子吸引性気体では導電率
が増大する現象を利用する。検出ガス濃度と素子導電率との関係は、第１図
のプロパン（C₃H₈）をSnO₂糸検出素子で検出し
た代表的な検出特性１２が示すように、ガス濃度
に対し特定の関数特性を有しているため実用的測
定に耐え得る。ところが、上記したような一般的
に使用されているガス検出素子が、ある特定種類
のガスに対してだけ選択的に感度をもつことはほ
とんどなく、第１図に示す如くメタン（CH₄）
11、水素（H₂）13、エタノール蒸気
（C₂H₅OHg）14等の種々のガスに対してそれぞ
れ異なる検出特性を有する。さらに、メタン、プ
ロパン等の可燃性ガスの検出出力が、多くの場
合、それらと同濃度のエタノール蒸気に代表され
る有機溶剤蒸気の検出出力より低いことも第１図
に示すとうりである。以上のような性質のため、
一般の半導体ガス検出素子による特定のガス、特
に可燃性ガスの選択的な検出のためには、上記特
定のガス以外のガス検出出力への配慮が従来より
大きな技術課題となつている。そこで、上記の課題を解決すべく、ガス検出特
性が各々異なる複数個のガス検出素子を具備し、
適数種類のガスの識別、定量を実現する方法、装
置が提案されている。例えば、特開昭50−80192
号公報には、ａなるガスの識別を目的とするがこ
のガスａを選択的に検出する素子がない場合に、
ガスａおよび他のガスｂのいずれも検出できる素
子Sabと、ガスｂだけを選択的に検出する素子Sb
とを併せて具備することにより、素子Sabが何ら
かのガスを検出した際に素子Sbがガスｂを検出
しているか否かを確認することでガスａの有無を
識別する方法が開示されている。また本発明者ら
の一部は、複数個のガス検出素子を具備せしめ、
あらかじめそれらガス検出素子のガス検出特性を
測定しておくことにより、既知の成分からなる混
合ガスの成分ガスの種類、濃度等のガス情報を測
定する混合ガス検出装置を特願昭55−140470号と
して既に提案した。しかしながら、上述の例に類似する方法、装置
には次の如き欠点がある。まず前者については、
第１に測定の対象とできる２種のガスの組合せが
かなり制約される。なぜなら組合わせる２種のガ
スに対するガス検出素子における検出機構が相異
なつていなければ、一方のガスだけを選択的に検
出する素子は実現されないからである。また第２
は、ガス濃度の定量的把握、特に２種のガスが同
時に飛来した場合のそれぞれのガス濃度の把握
が、簡単な信号処理回路では実現できないことで
ある。次に後者についてであるが、これは前者にみら
れる欠点を大幅に改善しその応用範囲を拡げたも
のである。しかし基本的に、得られるガス情報の
数が具備する検出素子数以下であるため、より多
くのガス情報を入手するには必然的に多数の素子
の設置が要求される。ところが、この後者の方式
はあらかじめ測定してある各素子のガス検出特性
を近似した特性関数を基盤にして、各素子のガス
検出出力を代数学的解法を以つて処理することに
より所定のガス情報を導出するものである。この
ため、素子数の増加はガス情報を導出するまでの
代数学的解法手順の飛躍的な増加をもたらし、信
号処理回路の規模の大幅な増大、マイクロプロセ
ツサを使用した場合に必要となる莫大な記憶容
量、ならびに処理過程における誤差蓄積による演
算精度の低下、等の問題を招来する。このため、
後者の方式の実現は理論的には充分可能である
が、具備する素子数の増加につれて発生する問題
を解消するために、ガス検出素子自体に要求する
性能を非常に高度化しなければならなくなる。す
なわち、後者の実現において具備することのでき
るガス検出素子数には限界があり、その限界値は
素子に要求される性能を満足するための技術的難
易度によつて決定され、この限界の存在のために
本方式の有効性は甚だ減退する。〔発明の目的〕本発明の目的は、具備するガス検出素子が必要
最小限であるにもかかわらず、素子数を大幅に上
回る数量にのぼる単独で飛来する特定のガスの種
類および濃度等のガス情報を、迅速かつ高精度に
検出する小形、低価格なガス検出装置を提供する
ことにある。〔発明の概要〕本発明は、多様なガスに反応するとともにガス
感度がガス種に応じて相異なるガス検出素子を適
数個具備し、これらのガス検出出力を量子化して
得られる検出パターンと、予め成分ガスの種類及
び濃度の組合せを想定して記憶手段に記憶してお
いた複数個の標準パターンとを比較し、同一又は
最も類似した標準パターンから成分ガスの種類を
識別するようになしたことを特徴とする。これに
より具備する素子数を上回る多種類のガスに関す
るガス種別の検出を実現せしめたことを特徴とす
る。また、ガスの種類を識別した後、そのガス種
に最も感度の高い素子の出力から、濃度等の正確
な定量が可能となる。実施例を説明する前に、本
発明の原理について簡単に説明する。いま、一般的な酸化スズ（SnO₂）糸検出素子
のガス検出特性は第２図の如くである。本図に示
すように、縦軸に示した素子導電率比Ｇ／G₀（対
数座標）は横軸に示したガス濃度Ｃ（ppm）（対数
座標）に対して直線的に変化し、この直線の傾き
はガス種によつて異なる。また、これらの直線の
傾きはそれぞれのガス種に対する感度を与える。
このような特性を関数式で表現すると式(1)の如く
となる。Ｇ／G₀＝ｂ（Ｃ＋１）^m (1) ただし、ｍはガス感度を示す特性値、ｂ、１は
座標原点を調整する補正値である。ここで、式(2)
に示す境界条件を満足するｂは式(3)の如くとＧ／G₀＝１；Ｃ＝０ (2) ｂ＝1^-m (3) なり、このことから式(1)を変形すると式(4)とな
る。ただし、αは座標原点を調整する補正係数で
あり、Ｇ／G₀＝（αC＋１）^m (4) 素子材料には無関係にガスの種類によつて相異な
る数値をとるものとする。また、ｍのとる数値
は、素子材料とガス種のいずれについても相異な
ることとする。以上のような特性は、SnO₂に代表される金属
酸化物半導体ガス検出素子において一般的にみら
れるものである。そのため、上述のガス検出特性
を有し、また相異なるｍ値をもつ検出素子の実現
は、素子材料の変更｛例えば、酸化亜鉛（ZnO）、
酸化タングステン（WO₃）等｝、素子材料への触
媒添加および添加量の変更｛白金（Pt）、パラジ
ユーム（Pd）｝、あるいは製造方法、製造条件の
変更等の操作により容易である。そこで、ガス検出特性、つまり各々のｍ値が異
なるＮ個のガス検出素子を具備し、Ｍ種類のガス
の識別を目的とする場合を例に挙げて本発明の原
理を簡単に説明する。まず、本発明の技術的思想は、ガスを検知した
際に見られる素子それぞれ検出出力によつて描か
れるパターンがガス種、濃度により相異なること
を利用し、この検出パターンをパターン認識技術
に基づいて解析することにより、飛来したガスの
種類、濃度等のガス情報を定める点にある。すな
わち、式(4)に従い濃度Ｃ（ppm）の被検出ガスｉ
を検知した際の検出素子ｊの検出出力x_jは式(5)と
なる。ただし、ｘは式(4)におけるＧ／G₀を略記
したものであり、α_iは被検出ガスｉに対する補正
係数、またm_ijは検出素子ｊの被検 x_j＝（α_iＣ＋１）^mij (5) （ｉ＝１，２，…Ｍ、ｊ＝１，２，
…，Ｎ）出ガスｉに対する特性値である。ここで、式(5)両
辺の対数をとり式(6)以降に示す如く操作すると、
式(7)のように濃度Ｃに関係しない数値Pⁱ _jが得られ
る。ただし、式(7)よりPⁱ _jは式(8)を満たす。 _N Σ^j=1 Pⁱ _j＝１ (8) つまり、上記の操作とは数値データ処理の一般
的な方法における数値の標準化を意味し、得られ
たPⁱ _jを第ｊ要素とするベクトルPⁱは、被検出ガス
に対するＮ個の素子の検出出力によつて描かれる
標準パターンと称することができる。また、この
標準パターンとして取り挙げることのできる種類
の数、すなわち検出対象とできる被検出ガスの種
類数は、具備する検出素子数に無関係であり、取
り挙げる標準パターンが相互に異なつている限り
幾種類でも設定することができる。このようにして設定された標準パターン各々
と、Ｎ個の素子の検出出力によつて描かれる検出
パターンとを比較することにより、検出パターン
に最も類似している標準パターンに対応するガス
種を飛来しているガス種として識別するのであ
る。上記の識別にはＮ次元ユークリツド空間にお
ける距離の概念を導入し、式(9)に従つて２つのパ
ターン間の距離dⁱを算出する。ただし、Ｘは検出
パターンを表現するＮ次元スペクトルであり、x_j
はその第ｊ要素で式(10)を満足するものとする。 dⁱ＝（‖Ｘ−Pⁱ‖₂）²＝_N Σ^j=1 （x_j−Pⁱ _j）² (9)_N Σ^j=1 x_j＝１ (10) そこで、式(11)を満たすdminを与えるｉが確定
す dmin＝^min _i｛dⁱ｝ (11) れば飛来したガス種を決定できるのである。また、式(7)に示す濃度に無関係な標準パターン
Pⁱが得られない、つまり濃度の変化によつて検出
パターンが変動するようなガス種が存在する場合
には、次のいずれか措置をとればよい。 (1) 多少変動するが他の標準パターンとは明確に
異なる場合。いま表題の如き性質を有するガス種を示す添
字をｉとする。このガス種ｉについて濃度をLⁱ
通りに定めることによつて得られる検出パター
ン集合｛Pⁱ _k｝、（ｋ＝１，２，…，Lⁱ）を一つの
クラスとし、後述する手順に従つて距離を算出
し類似度を解析する。 (2) 著しく変動する場合。濃度の全変域を、検出されるパターンが相互
に特異的となるようなＱ個の領域ｒ（ｒ＝１，
２，…，Ｑ）に区分し、それぞれの領域ｒにお
いて(1)項と同様にL^r通りの濃度に対する検出パ
ターン集合｛P^r _k｝、（ｋ＝１，２，…，L^r）を
一つのクラスとし、次に述べる手順に従つて類
似度を解析する。いま、Ｎ次元検出パターンをＸ、あるガス種ｉ
に対応するクラスに属するLⁱ個のＮ次元パターン
の集合を｛Pⁱ _k｝、（ｋ＝１，２，…，Lⁱ）とする。
このとき、このクラスと検出パターンＸとの類似
の度合を距離の関数として式(12)のように定義し、
これを類似度Sⁱと称すことにする。 Sⁱ＝１／Lⁱ _Li Σ^k=1 _N Σ^j=1 ωⁱ _j（x_j−Pⁱ _kj）² (12) ただし、x_j、Pⁱ _kjはそれぞれパターンＸ、Pⁱ _kの
第ｊ要素であり、ωⁱ _j第ｊ要素にかける重みであ
る。ここでωⁱ _jは式(13)で定められ、クラス内のク
ラスタ化すなわちあるクラスに属するパターンの
集まりをより密なかたまりにする操作を行なうも
のであり、式(13)より式（15）を満たす。ただし、
σⁱ _jは式(14)に示す如く分散を意味する。（σⁱ _j）²＝｛１／Lⁱ _Li Σ^k=1 （Pⁱ _kj）²−（１／Lⁱ _Li Σ^k=1 pⁱ _kj）²｝ (14) _N Σ^j=1 ωⁱ _j＝１ (15) このとき、式(12)によつて導出される類似度Sⁱに
ついて式（16）を満足するSminを与えるｉが確
定するならば、飛来したガス種が第ｉクラス Smin＝^min _i｛Sⁱ｝（16）に対応するガス種であると識別することができる
のである。さらに、ガス種が識別されれば、そのガス種に
対する感度が相対的に高い素子の検出出力を解析
することにより、このガスの濃度を容易に導出で
きる。以上述べたことから明らかなように、ガス検出
素子における検出特性の操作により、ガス検知時
に得られる検出パターンを、検出対象ガス種のそ
れぞれに対して特異的なものとすることが技術的
に可能である限り、具備する素子数とは無関係に
任意数のガス種に対して、それぞれを識別、定量
することが可能となる。〔発明の実施例〕以下本発明にかかるガス検出装置の実施例につ
いて図面を用いて詳細に説明する。なお実施例の
内容は次の如くである。実験：３素子センサ体を使用したガス検出装置に
おけるセンサ体の製法、ガス検出特性、演算処
理方法および装置構成。実施例１６素子センサ体を使用した臭いおよび有機溶剤
蒸気検出装置におけるセンサ体の製法、ガス検出
特性、演算処理方法および装置構成。実施例２実施例１における演算処理方法の他の実施例。実施例３実施例２と同様の臭いおよび有機溶剤蒸気検出
装置における学機能を実現する装置構成。（実験） (1‐1) ペーストの作製本実験で使用した材料は、SnO₂材料、酸化
タングステン（WO₃）材料、ニツケル酸ラン
タン（LaNiO₃）材料の３種類であり、WO₃材
料は一酸化炭素検知用として、LaNiO₃材料は
アルコール蒸気検知用としてそれぞれ有効であ
る。ここでLaNiO₃材料の検出特性について説
明を加えておくと、該材料は300℃前後の加熱
下でアルコール蒸気等の強い還元性ガスに触れ
ると組成中の酸素が奪われ、Ｍ−Ｏ−Ｍ連結が
切断され導電率が減少する。しかしアルコール
蒸気を除去すると再び元の酸化物組成比をとる
ため、初期の導電率を回復する。さらに
LaNiO₃材料の特徴として、上記の減少がアル
コール蒸気に対してだけ発生し、水素、メタ
ン、プロパン、イソブタン、一酸化炭素などの
ガスに対しては全く反応を示さない。以上の原
理によりLaNiO₃材料はアルコール蒸気専用検
出素子として実用に耐える。 (1‐1‐1) LaNiO₃ペーストの作製濃縮・乾固したLaおよびNiの酢酸塩を600
℃の空気中で加熱分解し、1000℃の空気中で
焼成してLaNiO₃組成の多結晶固形物とな
し、これを粉砕して黒色のLaNiO₃微粉末を
得る。この微粉末10ｇに有機ベヒクルを６c.c.
とSi−Pd−Zn−Ti系結晶化ガラスを約10wt
％加えて混練し、LaNiO₃ペーストとなす。 (1‐1‐2) WO₃ペーストの作製粒径1μｍ以下に粉砕した純度99.99％の
WO₃粉末18ｇに、Pd粉末0.2ｇとバインダガ
ラス２ｇと10cpsエチルセルロースの９％ト
リデカノール溶液７c.c.とを加えて混練し、感
ガスペーストとなす。 (1‐1‐3) SnO₂ペーストの作製純度99.99％の金属スズSnを濃硝酸で処理
し、水洗後スズ酸の白色沈澱物を蒸発・乾固
し、粉砕後700℃の空気中で焙焼してSnO₂粉
末とし、この粉末にPdCl₂水溶液を加え混練
してSnO₂1％Pd混合の粉末を得る。この粉
末を前記LaNiO₃ペースト作製と同様の方法
で処理し、感ガスペーストとなす。 (1‐2) センサ体の構成上述の如く作製した３種類の感ガスペースト
を使用して構成したガス検出素子部（以下セン
サ体と称す）について説明する。第３図は本実験の要部であるセンサ体の概略
構成図であり、同図ａは平面図、同図ｂは裏面
図、同図ｃは同図ａのAA′断面図である。同図
ａに示す如く上述のLaNiO₃、WO₃、SnO₂ペ
ーストを使用した３個のガス検出素子（以下セ
ンサと称す）３０１，３０２，３０３が配置さ
れている。個々のセンサの構成順序を説明する
と、まず共通の耐熱絶縁基板３１１上に金導体
ペースト（例えばDupont社製No.8760ペースト）
を用いて共通の下部電極３１２、接続導体３１
３，３１４をよく知られた厚膜印刷技術を用い
て所定の位置に形成し、乾燥する。また同時
に、同図ｂに示すように耐熱絶縁基板３１１の
裏面に金導体ペースト（同No.8760ペースト）を
用いて加熱用ヒータのパターン３１６を形成し
乾燥する。これを焼成温度1200℃、保持時間２
時間で焼成してセンサ体用基板を準備する。次
に、LaNiO₃ペースト３２１、WO₃ペースト３
２２、SnO₂ペースト３２３を下部電極３１２
等の場合と同様の厚膜印刷技術を用いて所定の
位置に形成し、これを乾燥した後に金導体ペー
スト（同No.8760ペースト）を用いて上部電極３
２４，３２５を所定の形状に印刷形成し乾燥す
る。これを焼成温度900℃、保持時間10分で焼
成する。さらに、本実施例において特にセンサ
３０３に対して実施したフイルタ形成作業を施
す。つまり該フイルタ材料である前述の
LaNiO₃ペーストを使用してフイルタ３３１を
センサ３０３における所定の位置に印刷形成
し、これを乾燥した後に焼成温度900℃、保持
時間10分で焼成する。以上の如くして、各々に
サンドイツチ構造あるいはシート構造を有した
センサ体が完成する。 (1‐3) ガス検出特性上述の如くに構成したセンサ体のガス検出特
性を説明する。第４図はLaNiO₃素子の特性であり、アルコ
ール蒸気だけを感知し、一酸化炭素、プロパ
ン、水素には反応しないことを示している。た
だし、該素子はＰ型半導体でありガス感知によ
り導電率が減少するため、第４図では縦座標を
便宜上G₀／Ｇの対数値として特性を表わして
いる。また第５図、第６図はそれぞれWO₃素
子、SnO₂素子の特性である。ここで、第４図ないし第６図に示した特性が
ほぼ直線状となつているのは、前述の(4)式に従
つて測定データを処理したためである。いま、第４図ないし第６図から一酸化炭素、
プロパン、水素、アルコール蒸気のそれぞれの
単独ガスに対する標準パターンが得られ、それ
らを図示するとそれぞれ第１６図ａ，ｅ，ｊ，
ｄとなる。また、混合ガスに対する標準パターンについ
ては、ここでは一酸化炭素とアルコール蒸気、
プロパンとアルコール蒸気、一酸化炭素と水素
の３通りの組合せからなる混合ガスに対して例
示しており、それらの混合比率をパラメータと
してガス検出特性を測定し標準パターンを算出
した。それらの混合ガスに対する標準パターン
は次の如くである。まず、一酸化炭素とアルコール蒸気の混合ガ
スにおいて、混合比率をパラメータとしたガス
検出特性によつて導出した標準パターンについ
て説明する。３素子のそれぞれのガス検出特性
は、それぞれ第７図ないし第９図に示す如く混
合比率に依存して変動する。そこで本実験で
は、できるだけ顕著な特徴をもつ標準パターン
を得る目的で、一酸化炭素とアルコール蒸気の
混合比率を95対５、75対25とした２通りの場合
について標準パターンを導出した。これらの標
準パターンを図示するとそれぞれ第１６図ｂ，
ｃとなる。つぎに、プロパンとアルコール蒸気の混合ガ
スに対する３素子それぞれのガス検出特性を示
すと第１０図ないし第１２図の如くとなり、前
述と同様に混合比率を95対５、75対25とした場
合の標準パターンを図示するとそれぞれ第１６
図ｆ，ｇとなる。同様にして、一酸化炭素と水素の混合ガスに
対する３素子のガス検出特性を第１３図ないし
第１５図に示し、混合比率を95対５、75対25と
した場合の標準パターンをそれぞれ第１６図
ｎ，ｉに示す。 (1‐4) 検出ガスの識別、定量前述のように導出した10種類の標準パターン
に基づいてクラスを構成する。特に混合ガスに
対する場合には、ガス濃度によつてパターンに
多少の変動がみられるため、各々のクラスに属
する標準パターン数を３例ないし７例増加させ
ている。また、それぞれのクラスに対する重み
を式(13)に従つて算出する。第１表に各クラスに
属する標準パターン、および重みを示す。

【表】

【表】以上のようにして準備したクラス群に準拠し
て、任意のガスの識別を試行した計算例を第２
表に示す。計算例は20件であり、各々は一酸化
炭素、プロパン、水素およびアルコール蒸気の
単独ガス、あるいはそれらを適宜に混合した混
合ガスに対するLaNiO₃、WO₃、SnO₂それぞ
れの素子導電率を測定し、それらから式(6)に従
つて検出パターンを算出しており、さらにこの
検出パターンの10種類のクラスに対する類似度
をすべて算出し、これらの中で最小の値を与え
るクラスを見出し、こうして推定されたクラス
と実際に設定されたガス濃度から分類した場合
のクラスとの符号を検証したものである。第２
表に示す如く、推定したクラスと実際のクラス
とは20件の計算例すべてについて一致してお
り、特に一酸化炭素およびプロパンの単独ガス
に対して算出される類似度には、顕著な差異が
みられる。また、上述のように検出ガスが属するクラス
を推定することが、すなわち検出ガスの識別が
可能であれば、検出ガスの濃度定量をある特定
素子の検出出力から実施できることは、特に例
を挙げないが明らかである。 (1‐5) 装置構成ここでは、前述したセンサ体を使用したガス
検出装置の構成および該センサ体からの検出信
号の演算処理方法について説明する。 (1‐5‐1) 処理回路第１７図は本実験で説明するガス検出装置
の概略構成図である。センサ体１７１には前
述のLaNiO₃、WO₃、SnO₂材料からなる３
個のセンサ１７１１（301）、１７１２（302）
及び１７１３（303）が具備されており、こ
れらのセンサ１１７１，１７１２，１７１３
に対し直列に設けてある固定抵抗体１７２
１，１７２２，１７２３における電圧降下値
を、センサそれぞれに設けてある演算増幅器
１７２７、１７２８，１７２９により適宜に
増幅しアナログ信号１７３１，１７３２，１
７３３を得る。これらのアナログ信号は、マ
イクロコンピユータ１７４からの制御信号１
７５１で動作するマルチプレクサ１７３によ
り適宜に選択され、演算増幅器１７６１で増
幅された後、マイクロコンピユータ１７４か
らの制御信号１７５２で動作するＡ／Ｄコン
バータ１７６においてアナログ・デイジタル
変換を施され、デイジタル信号１７６２とな
る。ここで、該デイジタル信号１７６２の演
算処理の詳細は後述することとする。また、
マイクロコンピユータ１７４にはMPU１７
４１、RAM１７４４、ROM１７４２、信
号バスライン１７４３、およびＩ／Ｏポート
１７４５，１７４６，１７４７が内蔵されて
いるため後述する演算処理を実施し得るので
ある。また、マイクロコンピユータ１７４での演
算結果によつて発生されるガス供給径路遮
断、警報発生等の指令は、制御信号１７５
３，１７５４，１７５５として出力される。
制御信号１７５３はガス供給径路遮断弁１７
７を駆動する電源回路１７７１中の電磁リレ
ー１７７２の入切を制御し、遮断弁１７７、
を通常は開放、ガス漏洩時には閉鎖するよう
に動作させる。一方制御信号１７５４は、一
酸化炭素警報ブザー１７８１を一酸化炭素検
知時に発音させ、また制御信号１７５５はプ
ロパン警報ブザー１７８２をプロパン漏洩時
に発音させる。さらに、外部入力手段１７９によりバスラ
イン１７５６を介してマイクロコンピユータ
１７４に送る制御信号を設定することによ
り、検知対象とするガス種の変更、濃度の変
更等が容易に実施できる。 (1‐5‐2) 演算処理フローチヤート第１８図を用いて本実施例におけるマイク
ロコンピユータ１７４内部で実行される演算
プログラムについて説明する。ステツプ1811
にて「始め」が指示されると、まず外部入力
手段の１７９の設定に従いステツプ1812にて
「検出対象特定」を実施する。ここで検出対
象特定とは、検出対象ガスの特定、或いは混
合ガス中の検出対象ガスの濃度の特定等、ガ
ス検出装置の使用目的に応じて検出対象を特
定するものである。この特定情報は、Ｉ／Ｏ
ポート１７４７、信号バスライン１７４３を
介してRAM１７４４に書込まれる。つぎにマルチプレクサ１７３およびＡ／Ｄ
コンバータ１７６を制御してLaNiO₃、
WO₃、SnO₂の３素子のそれぞれについて
「検出電圧取り込み」1821を行い、これらの
値とあらかじめROM１７４２に記憶されて
いる「電圧→導電率変換テーブル」1801から
引用した数値とから「３素子の導電率比の算
出」1822を実施する。その後、該導電率比を
ROM１７４２に記憶されている「対数変換
テーブル」1802を使用して「３素子の導電率
比の対数値算出」1823を行い、さらに「検出
パターンＸ算出」1824を実施する。つぎに、ROM１７４２に記憶されている
「標準パターンＰテーブル」1803、および
「重みωテーブル」1804から適宜な数値を引
用しながら、上述の如くに算出した検出パタ
ーンＸと各クラスとの「類似度Ｓの算出」
1831を行い、それらから最小の類似度を見い
出すことにより、「ガス種識別」1832を実施
する。さらにガス種識別が終了したところ
で、濃度定量に用いる素子についてこれまで
求めてきた導電率比等の数値を適宜に使用し
て「濃度テーブル引数算出」1841を行い、こ
れによりROM１７４２に記憶されている
「濃度テーブル」1805から適宜な数値を引用
して「検出ガス濃度定量」1842を実施する。最後に、上述のガス種識別、濃度定量の結
果及び上記RAM１７４４に書込まれた特定
情報とから「警報あるいは制御の要否判断」
185を行い、「NO」ならばステツプ1821から
再実行し、「YES」ならば「出力制御」1861
を経て例えば「一酸化炭素警報」1862、もし
くは「プロパン警報」1863を発生するか、あ
るいは「ガス供給径路遮断」1864を実施す
る。また上記の警報、制御については「繰返
し制御」187によつて継続され、再びステツ
プ1821から演算を開始するのである。以上に述べた構成、および演算処理方法に
より、従来半導体ガス検出素子を用いては実
現し得なかつたアルコール蒸気に妨害される
ことのない一酸化炭素およびプロパンの濃度
定量を可能にしたばかりでなく、具備するガ
ス検出素子数を上回る種類数のガスについて
も、その識別、定量を可能にした。しかも該
識別、定量演算を迅速に、かつリアルタイム
で実施できる装置構成を実現しており、これ
らの効果は斯界において極めて大である。さらに、外部入力手段による多様な検出対
象の特定が可能であるため、検出対象ガスの
変更あるいは成分ガスの様々な組合せからな
る混合ガス、例えば各地で使用されている
種々の都市ガスの濃度定量についても、簡単
なスイツチ切換操作で対応することが可能と
なるため、汎用性および量産性等の点で大い
に効果がある。実施例１ (2‐1) ペーストの作製本実施例で使用した材料は、ZnO材料、ZnO
＋Pt材料（ZnO材料に適量のPtを添加したも
の、以下同様）、WO₃材料、WO₃＋Pt材料、
SnO₂材料、およびSnO₂＋Pd材料の６種類であ
る。ただし、上記６種類の材料の作成工程はほ
ぼ同様であるため、ここではZnOおよびZnO＋
Pt材料の作成工程についてだけ説明する。まず、市販のZnO粉末（例えば、高純度化学
製99.9％、レアメタリツク社製99.9％）を適当
量秤量する。ただし、この粉末の原料粉体粒径
はあらかじめ造粒しておく。次に、貴金属触媒
として例えばPt粉末あるいはPtcl₂を、それに
含まれるPt重量が上記Znに対し1wt％となるよ
うに粉砕混合して原料粉末とする。また、添加
する貴金属触媒がPdである場合についても作
成工程は同様であり、貴金属の添加量について
もその一例を示したに過ぎず、添加量が異なる
場合でも作成工程は同様である。ただしZnO材
料作成の場合には、上述した貴金属添加は実施
しない。さらに、上記原材料粉末90wt％に対しPbO
−TiO₂−SiO₂系ガラス粉末10wt％を混合し、
この混合粉末10ｇに対しニトロセルロース−α
−テルピネオールからなるビヒクル３mlを加え
て混練し、感ガスペーストとなす。 (2‐2) センサ体の構成上述の如く作製した６種類の感ガスペースト
によつて構成したセンサ体について説明する。第１９図ａおよびｂは本実施例におけるセン
サ体の概略構造を示す平面図、およびAA′断面
図である。該センサ体には上述の６種類の感ガ
スペーストのそれぞれを使用したセンサ１９０
１ないし１９０６が配置されている。個々のセ
ンサは、まず共通の耐熱絶縁基板１９１上に、
白金導体ペースト（例えば、田中マツセイ社製
TR760A）を用いて６個の下部電極１９２を所
定の位置に形成し、同時に下部電極１９２の接
続導体１９３，１９６も形成して乾燥し、さら
に該基板１９１の裏面に白金ペースト（同
TR760A）を用いて加熱用ヒータのパターン１
９７を形成し乾燥する。これを焼成温度1200
℃、保持時間２時間で焼成してセンサ体用基板
を準備する。次に、下部電極１９２ごとに前述
の６種類の感ガスペースト１９４１〜１９４６
を所定膜厚（約50μｍ）となるよう印刷形成
し、これを乾燥した後に白金ペースト（同
TR760A）を用いて上部電極１９５及び端子１
９５１〜１９５６を所定の形状に形成し乾燥す
る。これを最高温度900℃、保持時間10分で焼
成し、各々にサンドイツチ構造を有したセンサ
体が完成する。また、第２０図ａはセンサ体の構成における
他の実施例による場合の概略構造平面図を示す
ものであり、第２０図ｂはそのAA′断面図であ
る。これらの図から明らかなように、本実施例
において共通の基板上に配置されている６個の
センサ２００１ないし２００６は、検出面が露
出しているシート形構造をなしている。本実施
例の製造方法は第１９図に示す実施例の場合と
類似しており、まず共通の耐熱絶縁基板２０１
上に金属体ペースト（例えば、Dupont社製No.
8760ペースト）を用いて12個の下部電極２０
２、その接続導体２０３端子２０２１〜２０２
６および２０３１を所定の位置に印刷形成し、
同時に該基板２０１の裏面に白金ペースト（前
記TR760A）を用いて加熱用ヒータのパターン
２０５を形成し焼成してセンサ体用基板を準備
し、つぎに第１９図に示した実施例の場合と同
様の感ガスペーストを使用して個々のセンサご
とにスパツタ法によりガスセンサ層２０４１〜
２０４６を構成したものである。上述の如く、センサのガス検出特性を相異な
らしめる目的のために、第１９図および第２０
図に示した実施例では感ガスペースト自体を異
なるものとした。しかしこの他にも、センサに
使用する感ガスペーストが同一であつてもその
製造法や製造条件を変化させればよく、また絶
縁性基体上にすべてのセンサを同様の構造で配
置せず一部を一体化しても、ガス検出特性を相
異ならしめ得ることは特に実施例を挙げないが
明らかである。 (2‐3) ガス検出特性前述の６種類の感ガスペーストを用い第１９
図の如くに構成したセンサ体については、以下
７種類の臭いおよび有機溶剤蒸気、すなわちア
ニソール、シクロペンタン、オクタン、トリメ
チルペンタン、硫化水素、１−メンソールおよ
びアンモニアに対する６個のセンサの検出出力
から導出した標準パターンを第２１図に示す。
本図の如く、どのセンサ１９０１〜１９０６
も、７種類のすべてかもしくはほとんどのガス
に反応し、一部の例外としてトリメチルペンタ
ンにはZnOおよびZnO＋Pt材料が反応せず、ま
た１−メンソールにはWO₃材料が反応しない
ことがわかる。また、第２１図に示した標準パ
ターンを数値比したものを第３表に示す。さらに、上記７種類の臭いおよび有機溶剤蒸
気の濃度を定量するため、それぞれのガスに対
して最も感度の高いセンサの検出出力を利用す
るので、それら定量用センサの各ガス濃度に対
する素子導電率比をあらかじめ測定している。
その結果を第４表に示す。

【表】

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明になるガス検出装置に
より、種々のガス、臭い、あるいは有機溶剤蒸気
等の識別および定量を実現することができる。また、具備するガス検出素子に対しては例えば
ある特定種類のガスにだけ反応するといつた特殊
な仕様を要求する必要はなく、各々のガス検出素
子のガス検出特性間に何らかの相対的差異が存在
すれば実用に適うため、安価なセンサ材料を使用
することが可能になると同時に、特殊仕様を満足
するガス検出素子の開発を待つことなく装置の実
用化、製品化を可能とすることができる。さらに、同一仕様の装置においても、演算処理
過程で引用する特性値あるいは設定信号を外部か
ら変更することにより、同一仕様の装置において
も種々のガス、臭い、有機溶剤蒸気等を識別、定
量することが可能であるため、広範な応用分野を
有する安価なガス検出装置を実現することがで
き、斯界に対し大なる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は半導体ガス検出素子の検出
特性の実測例を示す図、第３図は３素子集積セン
サ体の一実験を示す概略構造図であつて同図ａは
平面図、同図ｂは裏面図、同図ｃは同図ａの
AA′断面図、第４図ないし第６図は単独のガスに
対する検出特性の実測例を示す図、第７図ないし
第１５図は混合ガスに対する混合比率をパラメー
タとした検出特性の実測例を示す図、第１６図は
第４図ないし第１５図の実測例から導出した標準
パターンを示す図、第１７図は本発明による実験
のガス検出装置における演算処理回路の概略回路
図、第１８図は実験における演算処理過程を示す
フローチヤート、第１９図は６素子集積センサ体
の一実施例を示す概略構造図であつて同図ａは平
面図、同図ｂは同図ａのAA′断面図、第２０図は
６素子集積センサ体の他の実施例を示す概略構造
図であつて同図ａは平面図、同図ｂは同図ａの
AA′断面図、第２１図は第１９図に示したセンサ
体のガス検出特性の実測値から導出した標準パタ
ンを示す図、第２２図は実施例１のガス検出装置
における演算処理回路の概略構造図、第２３図は
実施例１における演算処理過程を示すフローチヤ
ート、第２４図は実施例１における演算処理過程
のパターン認識演算部を示すフローチヤート、第
２５図及び第２６図は実施例２におけるパターン
認識演算部の他の実施例を示すフローチヤート、
第２７図は実施例３のガス検出装置における演算
処理回路の概略構成図、第２８図は実施例３にお
ける演算処理過程を示すフローチヤートである。１７１……センサ体、１７１１……LaNiO₃検
出素子、１７１２……WO₃検出素子、１７１３
……SnO₂検出素子、１７２６……検出出力測定
用電源、１７３……マルチプレクサ、１７４……
マイクロコンピユータ、１７４１……MPU、１
７４２……ROM、１７４４……RAM。

Claims

【特許請求の範囲】１単独ガス及び混合ガスの種類を識別するガス
検出装置であつて、ガス検出特性が互いに異なる
複数個の半導体ガス検出素子と、複数個のガスに
対する該複数個の半導体ガス検出素子の検出出力
を標準化して得られる標準パターンを複数個記憶
する記憶手段と、該記憶手段に記憶された複数個
の標準パターンと該複数個の半導体ガス検出素子
からのガス検出出力を標準化して導出されるガス
検出パターンとを比較して同一又は最も類似した
標準パターンを算出することにより検出ガスの種
類を識別する演算手段とを備えることを特徴とす
るガス検出装置。２単独ガス及び混合ガスの種類を識別するガス
検出装置であつて、ガス検出特性が互いに異なる
複数個の半導体ガス検出素子と、複数個のガスに
対する複数個の半導体ガス検出素子の検出出力を
標準化して得られる標準パターンを複数個記憶す
る記憶手段と、該記憶手段に記憶された複数個の
標準パターンと該複数個の半導体ガス検出素子か
らのガス検出出力を標準化して導出されるガス検
出パターンとを比較して同一又は最も類似した標
準パターンを算出することにより検出ガスの種類
を識別して該複数個の半導体ガス検出素子該識別
された検出ガスの濃度を算出する演算手段とを備
えることを特徴とするガス検出装置。