JPH1114580A - 多レベル感度回路を有するガス・センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多レベル感度回路を有する可燃性ガス検出器
またはセンサを提供する。 【解決手段】 ガス検出器は、ブリッジ回路１００を有
し、このブリッジ回路と接触したガス濃度を示す電圧を
出力する。ブリッジ回路の一端には、電源ノードを電気
的に結合する。ブリッジ回路と電源ノードとの間には、
電圧コントロール回路１３０を結合し、少なくとも低入
力電圧レベルおよび高入力電圧レベルをブリッジ回路に
供給する時を制御することにより、ブリッジ回路が少な
くとも２つのレベルのガス濃度識別機能を有するように
する。ブリッジ回路は、低電圧レベルを受けたことに応
答して、高ガス濃度を区別可能な電圧レベルを出力し、
高電圧レベルを受けたことに応答して、低ガス濃度を区
別可能な電圧レベルを出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可燃性ガスの検出
器またはセンサの分野に関する。本発明の検出器は、多
レベル感度回路(multi-level sensitivity circuitry)
を有する点において独特なものである。

【０００２】

【従来の技術】本願は、以下の出願に関連がある。

【０００３】１）1997年6月11日出願の、A GAS SENSOR
WITH MULTIPLE EXPOSED ACTIVE ELEMENTSと題する、弁
理士整理番号CTS-1508の同時係属中の米国特許出願番号
第08/号。

【０００４】２）1997年6月11日出願の、A GAS SENSOR
WITH ORIENTATION INSENSITIVITYと題する、弁理士整理
番号CTS-1509の同時係属中の米国特許出願番号第08/
号。

【０００５】３）1996年5月9日出願の、FUEL SYSTEM LO
W CURRENT RHEOSTATと題する、弁理士整理番号CTS-1491
の同時係属中の米国特許出願番号第60/017,112号。

【０００６】上述の出願は、本願に示す譲受人に譲渡さ
れたもので、この言及によりその全体を本願に含めるも
のとする。

【０００７】自動車のエンジンにおいて見られるような
可燃性ガスの存在を検出するために用いる可燃性ガス検
出器には、種々のデバイスが周知である。典型的な回路
は、少なくとも１つの検知素子を含むように構成し、こ
の検知素子は、触媒被覆(catalytic coating)を有する
ワイヤとすることができる。この検知素子は、ホイート
ストーン・ブリッジ回路の４本の足の１つとして用いら
れていた。他の３本の足は、２つの抵抗器および補償素
子から成るものであった。補償素子は、それが触媒被覆
を有していない点を除いて、検知素子と同一であった。

【０００８】ブリッジ回路に電流または電圧を印加し、
検知素子に塗布した触媒被覆の表面を加熱する。ブリッ
ジの他の３本の足の抵抗値は分かっているので、検知素
子の抵抗は、電流または電圧がブリッジを通過する際に
判定することができる。

【０００９】この検知素子を炭化水素のような可燃性ガ
スに曝すと、検知素子の温度上昇を含む反応が生ずる。
検知素子の温度が上昇するにつれて、この素子の抵抗も
大きくなる。したがって、この素子を通過する電流また
は電圧は減少する。検知素子の抵抗レベルを、補償素子
の抵抗レベルと比較することによって、可燃性ガスの存
在を検出することができた。ガスの量は、検知素子の抵
抗値にほぼ線形な増加または減少を発生させるので、抵
抗値の変化を較正することによって、ガスの量を精度高
く判定することができた。これは、触媒式可燃性ガスセ
ンサの基本動作原理である。

【００１０】本発明に関連する特許の例は次の通りであ
る。各特許は、裏付けの教示内容として、この言及によ
り本願に含めるものとする。米国特許第5,526,280号
は、ガス検出の方法およびシステムである。米国特許第
5,517,182号は、ＣＯ検出方法およびその装置である。
米国特許第5,379,630号は、熱伝導率検出器である。米
国特許第5,365,216号は、エゴ・センサ(ego sensor)を
用いた触媒監視である。米国特許第5,363,091号は、エ
ゴ・センサを用いた触媒監視である。米国特許第5,297,
419号は、線形化ガス分析器である。米国特許第5,225,7
86号は、可燃性ガス・センサである。米国特許第5,087,
574号は、フィードバックを有する流体成分検出方法で
ある。米国特許第5,057,436号は、有毒ガス検出の方法
および装置である。米国特許第5,055,269号は、温度制
限形触媒式ガス検出装置である。米国特許第4,938,928
号は、ガス・センサである。米国特許第4,847,783号
は、ガス検知計器である。米国特許第4,829,810号は、
フィラメント駆動回路である。米国特許第4,818,977号
は、温度安定化機能を有する可燃性ガス検出器である。
米国特許第4,804,632号は、可燃性ガス検出方法および
そのための装置である。米国特許第4,574,264号は、微
小ヒータを有する薄膜酸素センサである。米国特許第4,
533,520号は、触媒式可燃性ガス検出器の定温度動作用
回路である。

【００１１】上述の特許は、本出願人が知っている技術
的現状を反映するものであり、本願の審査において関連
し得る情報を開示するという、本出願人が認めた誠実の
義務(duty of candor)を履行する目的のために提示する
ものである。しかしながら、これらの特許は、単一で
も、組み合わせて検討した場合でも、本出願人が保護を
請求する発明を教示するものでも、またそれを自明にす
るものでもないことを謹んで明記する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】炭化水素センサは、排
出流環境におけるガス濃度を測定しなければならず、そ
のレンジは、ガス濃度の比較的低いレベルから非常に高
いレベルまで、即ち、１００ｐｐｍから１０００ｐｐｍ
以上におよぶ可能性がある。設計者が、高レベルまたは
低レベルのいずれかのガス濃度センサを構築することを
選択しなければならないときに、問題が生じる。センサ
を高濃度を検知するように構築すると、分解能は典型的
に約５０ｐｐｍとなる可能性があり、低濃度のガスを検
知するのに非常に有用であるとは言えない。低濃度セン
サを構築すると、分解能は１ｐｐｍ程度になるが、セン
サは飽和し易く、高濃度のガスを検知することができな
い。したがって、多くの異なるレンジのガス濃度に精度
高く対処可能なセンサに対する要望がある。

【００１３】この問題およびその他の問題は、本発明の
好適な実施形態によって解決する。本明細書、図面、お
よび特許請求の範囲を検討することにより、好適実施形
態が解決する他の問題についての一層明確な教示が、当
業者には得られよう。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、多レベ
ル感度回路を有する可燃性ガス検出器またはセンサを提
供することである。本ガス検出器は、ブリッジ回路を有
し、このブリッジ回路に接触したガスの濃度を示す電圧
を出力する。前記ブリッジ回路の一端には、電源ノード
を電気的に結合する。また、前記ブリッジ回路および前
記電源ノード間には、電圧制御回路も結合して、少なく
とも低入力電圧レベルまたは高入力電圧レベルを前記ブ
リッジ回路に供給する時を制御し、これによって前記ブ
リッジ回路が少なくとも２レベルのガス濃度識別能力を
有するようにする。

【００１５】本発明の別の特徴は、前記ブリッジ回路
が、低電圧レベルを受け取ったことに応答して、高ガス
濃度のための区別可能電圧レベルを出力するようにした
ことである。加えて、前記ブリッジ回路は、高電圧レベ
ルを受け取ったことに応答して、低ガス濃度のための区
別可能電圧レベルを出力する。

【００１６】本発明の更に別の特徴は、前記ブリッジ回
路の出力に結合した制御回路を含み、前記ブリッジ回路
に低入力電圧および高入力電圧を印加する時を制御し、
低入力電圧レベルおよび高入力電圧レベルを前記ブリッ
ジ回路に供給したときに検出されたガス濃度を示す第１
および第２の最終電圧を計算することである。

【００１７】本発明の更に別の特徴は、前記ブリッジ回
路および前記制御回路間に電気的に結合した保持回路を
有して、第１および第２の最終電圧レベルを保持するよ
うにしたことである。

【００１８】本発明の更に追加の特徴は、前記ブリッジ
回路上に配置した、第１および第２の触媒式センサ素子
を含むことである。加えて、前記ブリッジ回路上に配置
し、第１および第２の触媒式センサ素子とそれぞれ直列
の第１および第２の基準センサ素子を含む。この場合、
第１および第２の基準センサ素子は、第１および第２の
触媒式センサ素子と同じガス流を受けるように配置す
る。

【００１９】加えて、ガス検出器の動作の間一端が加熱
され、前記ブリッジ回路を他端に配置したベースを有す
ることも、本発明の特徴である。ガス検出器の動作の
間、ガス流が第１および第２の触媒式センサ素子上を通
過すると、加熱されたガス流部分が生ずる。ベースが軸
を中心に回転する際に加熱ガス流が第１または第２のセ
ンサ素子には接触しないように、第１および第２の触媒
式センサ素子ならびに第１および第２のセンサ素子をベ
ース上に位置付ける。

【００２０】更に、本発明の特徴は、ベースが触媒式セ
ンサ部分を含み、第１および第２の触媒式センサ素子双
方をその互いに対向する側に装着することである。加え
て、ベースは、センサ部分も含み、第１および第２のセ
ンサ素子双方をその互いに対向する側に取り付ける。こ
の場合、触媒式センサ部分およびセンサ部分は、少なく
ともその２つの側にボイドを有する。

【００２１】本発明は、これらの特徴自体の任意の１つ
に存在するものではなく、ここに開示し特許請求の範囲
に記載した全ての特徴の特定の組み合わせにある。本開
示の基本となる概念は、本発明のいくつかの目的を実施
するための他の構造、方法、およびシステムの設計に
も、ベースとして容易に用いられ得ることは、当業者に
は分かるであろう。更に、要約書は、特許請求の範囲が
その尺度となる本願の発明を定めることを意図するもの
ではなく、しかもあらゆる点からも本発明の範囲を限定
することを意図するものではない。

【００２２】尚、本発明の図面は同じ縮尺で描いたもの
ではないことを注記しておく。図面は、単なる概略表現
であり、本発明の詳細なパラメータを描出することを意
図するのではない。図面は、本発明の典型的な実施形態
のみを図示することを意図しており、したがって、本発
明の範囲を限定するものと見做すべきではない。図面に
おいては、同様の番号は、図面間で同様の要素を表すも
のとする。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明は、空気流におけるガス濃
度を判定するガス・センサを提供する。図１を参照する
と、これはガス・センサ１０の好適な実施形態を示して
いる。即ち、ガス・センサ１０は、セラミック製のベー
ス１２を有し、その長手方向軸１１はガス流２７に対し
てある角度に配向してある。図では、直角となってい
る。また、ベース１２上には、基準センサ素子２０、お
よびこの基準センサ素子２０に隣接した触媒式センサ素
子２１もある。当技術分野では公知のように、触媒式セ
ンサ素子２１は、ガス流との接触時に発熱反応を生じる
ことによって、加熱ガス流部分２９を形成する。センサ
素子２０を通過するガス流は、加熱ガス流部分２９'を
形成しない。また、ベースは、信号調整回路１４とセン
サ領域１７，１９との間に位置する延長部１６を有して
いて、回路１４および加熱センサ領域１７，１９間に距
離をもたせている。延長部１６は比較的短く図示してあ
るが、実際には、センサ素子２０，２１の動作温度レン
ジに伴う有害な高温から回路１４を保護するには、比較
的長くなる可能性もある。センサ領域１７，１９は、例
えば、適正な動作のためには、摂氏２００℃から５００
℃以上で動作させる場合もあり得る。しかしながら、調
整回路１４は、最適な信号処理のためには、最大約１５
０℃程度で動作させる必要がある。したがって、延長部
１６の長さを調整することによって、信号調整回路１４
を適正な動作温度レンジに維持することが可能となる。

【００２４】本実施形態では、センサ素子２０，２１は
双方とも、２つの別個のブリッジ部分２２ａ，２２ｂに
配置している。加えて、ブリッジの少なくともいずれか
の側にあるボイド１８によって、これらのブリッジ部分
は、ベース１２からのあらゆるヒート・シンク効果から
分離している。この配列では、センサ素子２０，２１双
方を近い温度にすることができるので、どのような電気
抵抗の変化があっても、周囲のガス流の熱によるもので
はない。つまり、測定用センサ素子上の触媒反応からの
発熱のみが、２つのセンサ素子の２つの抵抗値間の顕著
な差の原因となる。両方のセンサ素子を温度的に密接さ
せることにより、補償用回路やその他の温度差調節用手
段をもたせることを回避できるという利点がある。ブリ
ッジ、ボイド、およびセンサ素子の種々の設計により、
２００ないし６００℃あるいはそれ以上で動作する場合
に、温度差を８０℃未満、最適には５０℃未満とするこ
とができる。理想的な状況とは、発熱触媒反応効果を除
いて、センサ素子間に温度差がない場合であることを注
記しておく。

【００２５】特に注記すべきは、水平軸１３が、センサ
領域１７，１９を分離することである。配向不感性の利
点をもたらすのは、この分離である。即ち、センサ１０
は、軸１１を中心として回転させてもよく、どの位置で
も、基準の非触媒式センサ２０は加熱ガス流部分の影響
を受けない。勿論、この状況は、ガス流が長手方向軸１
１に対して実質的に垂直となる場合にのみ得られるもの
である。また、念頭に入れておくべきことは、ガス流は
既に加熱されている可能性が非常に高いことであるが、
ガスとの触媒反応が更にガス流を加熱させるので、「追
加分の」即ち触媒による加熱ガス流部分２９を形成する
ことは、当業者には分かるであろう。

【００２６】図２を参照すると、これは好適なホイート
ストーン・ブリッジの多レベル感度回路の実施形態を示
している。具体的には、本発明の心臓部には、第１およ
び第２の触媒式センサ素子１０２，１０４、第１および
第２の非触媒式センサ素子１０６，１０８、電圧源Ｖｓ
１１０、および接地Ｖｇ１１２を有する、ホイートスト
ーン・ブリッジ回路１００がある。ホイートストーン回
路１００の各ブリッジに結合しているのは、アナログ信
号を増幅する増幅器１１４である。コントロール回路１
２０は多くの機能を有し、その１つは、まず増幅された
信号を受け取り、そしてそれらを、サンプル／ホールド
回路１２２または１２４により保持すべくデジタル信号
に変換することである。

【００２７】コントロール回路１２０の別の機能に、ホ
イートストーン・ブリッジ１００に結合した電圧源コン
トロール回路１３０を制御することがある。電圧源コン
トロール回路１３０は、少なくとも２つの同様の並列ブ
リッジを含み、各並列ブリッジは、トランジスタ１３
２，１３４、および抵抗器１３６，１３８を含み、これ
らは直列に結合すると共に、電源ノードＶｓ１１０およ
びホイートストーン・ブリッジ回路１００の間に結合し
ている。

【００２８】当業者には、多段電圧供給コントロール回
路１３０を備えることの利点が分かるであろう。即ち、
デバイス、トランジスタ、そして特に抵抗器のサイズを
調整することによって、異なる量の電圧を、ホイートス
トーン・ブリッジ回路１００である検出回路に供給可能
とし、これによって通常のガス・センサ回路の出力レン
ジを得る。例えば、それら抵抗器の選択は、ブリッジ１
００に印加される電圧が、トランジスタを付勢したとき
に印加される電圧のある特定の分数となるように行う
（例えば、１０ボルトに対して１ボルト）。増幅器１１
４の出力はブリッジ電圧に比例するので、その出力は、
トランジスタ（１３２または１３４）を付勢すると、１
／１０に減少する。これによって、増幅器の出力を最大
化することなく、センサは事実上１０倍大きなガス濃度
の測定が可能となる。この利点は、差の読み取りに低価
格の固定利得増幅器１１４を用いつつ、ブリッジ１００
の電圧を順次変化させることにより、マルチレンジ・セ
ンサの設計が可能となることである。

【００２９】図３を参照すると、これは図２の回路のた
めの２レンジ・センサ制御方法のフローチャートを示し
ている。即ち、回路に給電し、パラメータの初期化を終
了した後、トランジスタ１３４を付勢し、抵抗器１３８
を介して比較的高い電圧をブリッジ１００に供給する。
同時に、コントローラ１２０は、加熱タイミング・シー
ケンスを開始し（Ｈｔｉｍｅｒ起動）、微細分解能の読
み取りのためにブリッジ１００に高電圧を維持し、かつ
ブリッジ１００の素子を加熱して、触媒がより高い反応
温度に到達できるようにする。コントローラ１２０は、
ノード１３５の電圧、およびブリッジのノード１３７と
１３９との間の電圧を監視して、所望のブリッジ温度に
到達したときを判定する。コントローラ１２０は、ブリ
ッジ１００を加熱するのに必要な時間を監視し、そして
適切な時点ｔ０で加熱タイミング・シーケンスを停止し
て（Ｈｔｉｍｅｒ停止）、このシーケンスの冷却部分を
開始する。

【００３０】ブリッジ１００の加熱が終了した後、微細
分解能および粗大分解能のためのサンプルを得る。次
に、微細分解能のためのサンプリングを行う。これは、
低ガス濃度を最良に示すものである。このサンプリング
の間、トランジスタ１３４は活性化状態に維持し、コン
トローラ１２０は、増幅器１１４からの増幅電圧、およ
びブリッジのノード１３７，１３９間の電圧を、後の使
用のために格納する。

【００３１】コントローラ１２０は、次に、トランジス
タ１３４を消勢し、トランジスタ１３２を付勢すること
により、ブリッジ１００間に低い電圧を設定する。次
に、低分解能即ち粗大分解能のためのサンプリングを行
う。これは、高ガス濃度を最良に示すものである。コン
トローラ１２０は、増幅電圧およびブリッジ１００間の
電圧を格納し、次いでトランジスタ１３２を消勢する。

【００３２】コントローラ１２０が２つの電圧レベル入
力から適切なサンプルを捕獲した後、２つの最終電圧レ
ベルを計算し、ガス濃度を示す。勿論、異なるガス濃度
に対して分解能に固有の差があるために、一方の最終電
圧を他方のものとして識別することはない。これら２つ
の最終電圧は、それぞれ、高ガス濃度出力ピン１２２お
よび低ガス濃度出力ピン１２４上に設定する。高出力お
よび低出力は、増幅器出力の測定値から計算する。デバ
イスの製造の間に確立したオフセットおよび利得値を用
いて、微細出力および粗大出力の較正を行う。較正の前
では、増幅器の出力は、任意のゼロ値およびフルスケー
ル値を有することがある。その後、加熱および冷却シー
ケンス（Ｈｔｉｍｅｒ即ち加熱タイマ）に必要な時間量
に基づく遅延が終了した後に、本サイクルを再び開始す
る。例えば、以下の表１は、ｐｐｍ単位のガス濃度を示
す所望の出力を得るために必要な増幅器出力を示す。
［注：所望の出力＝（増幅器出力＋オフセット）＊利
得］

【００３３】

【表１】 表１ガス濃度 増幅器出力（ｖ） 所望の出力（ｖ） （ｐｐｍ） 微細 粗大 微細 粗大 ０ ０．５ ０．０５ ０ ０ １００ ７ ０．７ １０（最大）１ １０００ １０（最大） ６．５５ Ｎ／Ａ １０（最大） オフセット 利 得 微細 −０．５ １．５３８ 粗大 −０．０５ １．５３８

【００３４】図４ないし図８を参照すると、これらには
センサ１０の動作の一例を示している。即ち、微細分解
能出力レンジは０から１００ｐｐｍ(parts per millio
n)までで最良に動作し、粗大分解能出力レンジは、１０
０ないし１０００ｐｐｍまでで最良に動作する。図４
は、１０個の時間周期にわたる、可能性のあるガス濃度
を示す。

【００３５】図５は、２つの電圧、即ち１Ｖと１０Ｖを
示し、これらは、周期的かつ順次に、電圧コントロール
回路１３０によってブリッジ１００に印加して、読み取
りに１０倍の差、即ち、１００ｐｐｍおよび１０００ｐ
ｐｍの最大読み取りレベルを得る。

【００３６】図６は、増幅器１１４からの出力を示す。
これは、ブリッジ１００への１Ｖおよび１０Ｖ入力から
得られる、ガス濃度を反映している。尚、１０ボルト入
力から得られる微細分解能出力は、ガス濃度が１００ｐ
ｐｍを超過した場合、１０ボルトに張り付く(rail)こと
に注意されたい。しかしながら、粗大分解能入力は、１
ボルトのパルス入力から得られ、この例では１０００ｐ
ｐｍに到達するまでは張り付かない。

【００３７】図７は、高ガス濃度粗分解能サンプル／ホ
ールド回路１２２における電圧を示す。尚、１００ｐｐ
ｍ未満の読み取り値は、比較的識別しにくいが、一旦１
００ｐｐｍを超えると、電圧は読み取り可能となること
を注記しておく。

【００３８】図８は、低ガス濃度微細分解能サンプル／
ホールド回路１２４における電圧を示す。尚、１００ｐ
ｐｍ未満の読み取り値は読み取り可能であるが、１００
ｐｐｍ以上のガス濃度では、読み取り値は区別不可能で
あり、張り付いている。

【００３９】好適実施形態についての説明 ２つの触媒式センサ素子１０２，１０４は、ベースの互
いに対向する側であるが、同一ブリッジ、例えば、２２
ｂ上に配置する。基準センサ素子１０６，１０８は、同
様に、ブリッジ、例えば、ブリッジ２２ａの互いに対向
する側に配置する。したがって、４つのセンサ素子は全
て、ガス流２７からの直接的な影響を受ける、センサ１
０の端部に位置することになる。勿論、本明細書は、セ
ンサ素子の使用について説明しているが、各センサ１０
２，１０４，１０６，１０８は抵抗器としてもよいこと
は、当業者には分かるであろう。

【００４０】センサ回路の設計に携わる当業者には、回
路１００が増幅器１１４への出力を２倍にすることが分
かるであろう。動作において、２つの基本的状態、イン
アクティブおよびアクティブがある。回路１００がイン
アクティブ、即ち、起動状態にある場合、４つの抵抗器
に等しく充填して、バランスしたグリッドが得られる設
定になっている。したがって、ホイートストーン・ブリ
ッジ１００の各辺に電流を印加すると、ノード１２６，
１２８における電圧は互いに等しくなる。

【００４１】回路１００がアクティブのとき、即ち、ガ
ス流を回路１００に適用したとき、抵抗器１０２，１０
４上では温度上昇が生ずるが、１０６，１０８には何等
変化はない。先に説明したように、温度が上昇するにつ
れて、抵抗も増大する。したがって、触媒式抵抗器の抵
抗値は、非触媒式抵抗器の抵抗値よりも大きくなる。理
想的な設定では、触媒式抵抗器間の抵抗値は等しく、丁
度、非触媒式抵抗器の場合と同様である。抵抗値の増大
のために、ノード１２８における電圧は、ガスを適用す
る前よりも低下する。しかしながら、ノード１２６上の
電圧は、ガスを適用する前よりも上昇する。何故なら、
抵抗器１０２の抵抗値は抵抗器１０６よりも大きいから
である。理想的な設定では、双方のノードは同じ量だけ
変化するが、方向は逆である。

【００４２】従来技術では、典型的に、基準センサ素子
および触媒式センサ素子はそれぞれ１つのみであり、他
の２つの抵抗器は固定であることを注記しておく。これ
では、固定の抵抗器が底部にあっても、上部にあって
も、またブリッジのどの辺にあっても関係なく、それで
も電圧のシフトは生ずるが、好適実施形態によって得ら
れるシフトの半分に過ぎない。

【００４３】従来技術では、ホイートストーン・ブリッ
ジの抵抗器の内２つが固定とされていたことを注記して
おく。言い換えると、固定抵抗器はガスから離れている
か、加熱環境の外側にある別のチャンバまたは回路基板
上にある場合さえもある。したがって、従来技術は、ブ
リッジをバランスさせるために、非常に正確な温度補償
回路を必要とする。

【００４４】本好適実施形態では、温度補償回路をセン
サ１０に追加する必要はない。４つの抵抗器１０２，１
０４，１０６，１０８全てを加熱ガス流内に有すること
によって、４つの抵抗器全てについての温度制御を一群
として実施する。温度コントロール回路を用いるが、ホ
イートストーン・ブリッジ回路上の抵抗器を用いて、そ
れに流れる電流の量を制御することによって、熱を発生
させる。この設計では、センサ素子の温度は、従来技術
の設計程精度高く制御する必要はない。本発明は温度を
設定し、高温を有することは重要であるが、４００℃か
４０１℃かというように、温度を正確に制御する必要は
ない。例えば、４００℃、４１０℃または４２０℃とし
ても許容可能であり、それでもなお精度の高い読み取り
値が得られる。何故なら、抵抗器は全て寸法が等しく、
化学的に同等であるからである。従来技術では、バラン
スしたブリッジを有するためには、２つの非固定の抵抗
器、即ち、触媒式抵抗器および基準抵抗器の温度を精度
高く制御することは必須である。したがって、従来技術
は、その設計にヒータを用いている。

【００４５】好適実施形態は、検知対象ガスのライト・
オフ温度(light off temperature)のように低い温度か
ら、ホイートストーン・ブリッジ内の抵抗器の抵抗を破
壊する程の高さのあらゆる温度までの温度レンジで動作
する。ライト・オフ温度とは、ガスが触媒と相互作用を
行って、発熱反応を生ずるのに必要な温度のことであ
る。

【００４６】動作において、好適実施形態は、勿論セン
サが高温で動作するための設定温度を用いる。特に、周
囲温度よりも高い温度で動作することが最良である。周
囲よりも高く制御した温度によって、安定な出力が得ら
れる。当業者には、抵抗器が、上昇する温度の関数とし
て線形に変化する抵抗値を有することが分かるであろ
う。しかしながら、高い温度では、線形関数にわずかに
曲線がある。所与の温度変化について得られる抵抗差
は、温度が上昇するにしたがって、少なくなっていく。
したがって、予測周囲温度よりも高く、固定温度を選択
する。何故なら、温度が高温になっていくにつれて、高
い周囲温度の変化に追従することによって、徐々に出力
信号が小さくなるからである。したがって、センサ素子
の温度をボルト／ｐｐｍの一貫性のある出力に設定する
ことによって、予測可能な出力信号が得られる。

【００４７】比較的高い固定温度を得るために、好適実
施形態は、ブリッジ１００を通過する電流を調整し、選
択した温度にそれを維持するようにした。具体的には、
電流が通過するとヒータとして機能する抵抗器を、比例
した時間量だけ、オンおよびオフにする。当業者であれ
ば、ブリッジ１００のいずれかの辺のノードの電圧読み
取り値を得、そしてブリッジ１００の全抵抗をこれを直
列抵抗器１３６，１３８と比較して設定することによ
り、温度を調整する方法について知っているであろう。

【００４８】好適実施形態の利点の１つは、ハードウエ
ア、即ち、抵抗器を全く変更することなく、選択した温
度を変えることができる点にある。したがって、加熱用
電流のタイミングのプログラミングを単に変更すること
によって、ほとんど任意の温度を同一センサおよびホイ
ートストーン・ブリッジに用いることができる。これ
は、物理的な抵抗器の変更を必要とする従来技術とは、
全く異なることである。以前には見出されなかったこの
柔軟性を可能にする鍵は、本好適実施形態が各抵抗器に
同じ材料を用いており、全ての抵抗器を同様に加熱し
（加熱ガス流２７において）、また寸法を全て同じにト
リムしたことにある。

【００４９】好適実施形態の変更例 例示した実施形態では、センサおよび信号調整回路１４
を単一ベース上に構成する場合について説明したが、好
適実施形態は、ほとんどあらゆる構成においても機能す
ることが当業者には分かるであろう。例えば、信号調整
回路１４を別個のベース上に配することも可能であり、
この場合、センサ素子を内蔵するベースを、例えば、ハ
ンダで信号処理回路を内蔵するベースに接続する。加え
て、調整回路を内蔵するその第２のベースは、センサ素
子ベースと同様のセラミック材料ではなく、プリント回
路ボードとすることも可能である。

【００５０】本開示は、炭化水素の検知について説明し
たが、ガス・センサの当業者であれば、本発明が、検出
を必要とするあらゆるガスに適用可能であることが分か
るであろう。例えば、炭化水素を検出しようとする場
合、センサ素子のための目標の加熱固定温度は１００℃
辺りとすることができる。水素センサに応用する場合
は、バッテリ用エンクロージャ周囲に配することになろ
う。電気自動車上の１組のバッテリにセンサを用いれ
ば、爆発性フュームを監視することができる。

【００５１】好適実施形態では、触媒式センサ素子の位
置は、センサの遠端に最も近い所即ちセンサ素子２１と
して説明したが、触媒式センサを、センサ・ベースの上
面から最も遠く即ちセンサ素子２０の位置に配置して
も、同様に動作することができる。つまり、ガス流内の
ガス・センサ全体の配向によっては、センサ素子の位置
を逆にしなくてはならないことがしばしばある。このよ
うな変更例においてもなお、配向設計に依存して、加熱
ガス流部分２９を基準センサ素子２０または２１に接触
させないようにすることが可能である。

【００５２】好適実施形態の更に別の変更例として、長
手方向軸をガス流に対してほとんどあらゆる角度に向け
て、この軸を中心とする回転を可能にし、しかも触媒作
用によって加熱したガス流部分を基準センサに接触させ
ないようにすることがあげられる。しかしながら、本発
明は、センサ全体をガス流に直角に挿入するときに、特
に良好に作用する。しかしながら、例えば、センサ・ハ
ウジングを、ガス流内のいずれかの方向に、鋭角に配向
することも可能である。ガス流に向かって配向した場
合、勿論、触媒式センサは、非触媒式センサより下に配
置することになる（即ち、ベースの一端から更に離れ
る）。この構成では、加熱ガス流部分２９を基準センサ
素子に接触させることなく、長手方向軸を中心としてセ
ンサ・ベース１２を回転させることができる。しかしな
がら、鋭角に配したセンサ・ハウジングが下流側を向い
ている場合、触媒式センサ素子を上位の素子とし、基準
センサがガス流２７を最初に受けるようにしなければな
らない。

【００５３】当業者であれば、開示した電圧コントロー
ル回路１３０を変更し、任意の数のガス感度段を含ませ
るようにすることも容易であろう。これは、比例する抵
抗値または異なる抵抗値の抵抗と直列な別個の制御用ト
ランジスタを各々備えた、数個の並列回路を設けること
により実現できる。

【００５４】好適実施形態では、ガス濃度が低い場合に
のみ、ブリッジ回路１００が、高入力電圧に応答して、
識別可能な電圧を出力すると教示したが、この回路を変
更して、低入力電圧を用いて同じ結果を得るようにする
ことも、当業者の範囲内のことである。この変更例は、
高入力電圧を用いて高ガス濃度を精度高く検知する場合
にも同様に該当する。電圧の選択は、単に形式的な設計
に過ぎない。

【００５５】以上、これらの実施形態を具体的に参照し
ながら本発明について教示したが、本発明の精神および
範囲から逸脱することなく、形態および詳細において変
更が可能なことは当業者には分かる。記述した実施形態
は、どの面においても限定的ではなく、単に例示として
解釈すべきである。したがって、本発明の範囲は、これ
までの記述ではなく、特許請求の範囲によって示される
ものである。特許請求の範囲の均等の意味および範囲に
該当する全ての変更は、それらの範囲内に含まれるもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガス・センサ回路設計の構造の好適な実施形態
を示す図。

【図２】ガス・センサ回路の好適な実施形態の電気回路
図。

【図３】図２の回路の動作を示すフローチャート。

【図４】可能性のあるガス濃度を示すグラフ。

【図５】好適実施形態への電圧入力を示すグラフ。

【図６】好適実施形態からの出力電圧を示すグラフ。

【図７】高ガス濃度に対する、好適実施形態からの出力
電圧を示すグラフ。

【図８】低ガス濃度に対する、好適実施形態からの出力
電圧を示すグラフ。

【符号の説明】

１０ ガス・センサ １１ 長手方向軸 １２ ベース １３ 水平軸 １４ 信号調整回路 １６ 延長部 １７，１９ センサ領域 １８ ボイド ２０ 基準センサ素子 ２１ 触媒式センサ素子 ２２ａ，２２ｂ ブリッジ部分 ２７ ガス流 ２９ 加熱ガス流部分 １００ ホイートストーン・ブリッジ回路 １０２，１０４ 触媒式センサ素子 １０６，１０８ 非触媒式センサ素子 １１０ 電圧源Ｖｓ １１２ 接地Ｖｇ １２０ コントロール回路 １２２，１２４ サンプル／ホールド回路 １３０ 電圧源コントロール回路 １３２，１３４ トランジスタ １３６，１３８ 抵抗器 １３７，１３９ ノード

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数のガス検出レベルを有するガス検出
   器であって、 ａ）ブリッジ回路であって、該ブリッジ回路に接触した
   ガス濃度を示す電圧を出力する、前記のブリッジ回路
   と、 ｂ）該ブリッジ回路の一端に電気的に結合した電源ノー
   ドと、 ｃ）前記ブリッジ回路と前記電源ノードとの間に結合し
   た電圧制御回路であって、少なくとも低入力電圧レベル
   および高入力電圧レベルを前記ブリッジ回路に供給する
   時を制御することによって、前記ブリッジ回路が、少な
   くとも２レベルのガス濃度識別機能を有するようにす
   る、前記の電圧制御回路と、から成るガス検出器。
2. 【請求項２】 請求項１記載のガス検出器において、前
   記ブリッジ回路は、前記低電圧レベルを受けたことに応
   答して、高ガス濃度の区別可能な電圧レベルを出力する
   こと、を特徴とするガス検出器。
3. 【請求項３】 請求項２記載のガス検出器において、前
   記ブリッジ回路は、前記高電圧レベルを受けたことに応
   答して、低ガス濃度の区別可能な電圧レベルを出力する
   こと、を特徴とするガス検出器。
4. 【請求項４】 請求項１記載のガス検出器であって、更
   に、 前記ブリッジ回路の出力に結合した制御回路であって、
   前記低入力電圧および高入力電圧を前記ブリッジ回路に
   印加する時を制御し、更に、前記低入力電圧レベルおよ
   び高入力電圧レベルを前記ブリッジ回路に供給したとき
   に検出したガス濃度を示す第１および第２の最終電圧を
   計算する前記の制御回路を備えること、を特徴とするガ
   ス検出器。
5. 【請求項５】 請求項４記載のガス検出器であって、更
   に、 前記ブリッジ回路と前記制御回路との間に電気的に結合
   しており、前記第１および第２の最終電圧レベルを保持
   する保持回路を備えること、を特徴とするガス検出器。
6. 【請求項６】 請求項５記載のガス検出器であって、更
   に、 ａ）前記ブリッジ回路上に配置した第１および第２の触
   媒式センサ素子と、 ｂ）前記ブリッジ回路上に、各々前記第１および第２の
   触媒式センサ素子とそれぞれ直列に配置した第１および
   第２の基準センサ素子と、を備えること、を特徴とする
   ガス検出器。
7. 【請求項７】 請求項６記載のガス検出器において、前
   記第１および第２の基準センサ素子は、前記第１および
   第２の触媒式センサ素子と同じガス流を受けるように配
   置したこと、を特徴とするガス検出器。
8. 【請求項８】 請求項７記載のガス検出器において、前
   記ガス検出器は、更に、該ガス検出器の動作の間加熱さ
   れる一端を有するベースを備え、前記ブリッジ回路はそ
   の他端に配置したこと、を特徴とするガス検出器。
9. 【請求項９】 請求項８記載のガス検出器において、該
   ガス検出器の動作の間、前記ガス流が前記第１および第
   ２の触媒式センサ素子上を通過する際に、加熱ガス流を
   発生し、前記第１および第２の触媒式センサ素子ならび
   に前記第１および第２センサ素子を前記ベース上に位置
   付け、該ベースが軸を中心として回転する際、前記加熱
   ガス流部分が前記第１または第２のセンサ素子と接触し
   ないようにしたこと、を特徴とするガス検出器。
10. 【請求項１０】 請求項９記載のガス検出器において、
    前記ベースは、前記第１および第２の触媒式センサ素子
    双方を、その互いに対向する側に装着するための触媒式
    センサ部分を含むこと、を特徴とするガス検出器。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載のガス検出器におい
    て、前記ベースは、前記第１および第２のセンサ素子双
    方を、その互いに対向する側に装着するためのセンサ部
    分を含むこと、を特徴とするガス検出器。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載のガス検出器におい
    て、前記触媒式センサ部分および前記センサ部分は、少
    なくともその２つの側にボイドを有すること、を特徴と
    するガス検出器。