JPH1144666A

JPH1144666A - 非選択性ガスセンサーに選択性を付与する方法

Info

Publication number: JPH1144666A
Application number: JP10134308A
Authority: JP
Inventors: Eleftherios M Logothetis; エレフテリオス、エム、ロゴテティス; Michael D Hurley; ミハエル、ディー、ハーレイ; Richard E Soltis; リチャード、イー、ソルティス
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 1999-02-16
Also published as: EP0877247A3; US5831145A; DE69839632D1; EP0877247B1; EP0877247A2

Abstract

(57)【要約】【課題】計測対象ガスの中に含まれる所望のガスだけで
はなく他の干渉ガスに対しても反応する非選択性ガスセ
ンサーに、計測対象ガスの中に含まれる所望のガス量を
計測するために選択性を付与する。【解決手段】計測対象ガス３５の流束を第１の周波数で
周期的に変化させる工程と所望ガスの流束を第２の周波
数で周期的に変化させる工程とのうちの少なくとも一つ
を行なう工程と、計測対象ガスの流束に所望ガスの流束
を加える工程とを有し、計測対象ガスの流束と所望ガス
の流束との混合気に対して非選択性ガスセンサー３１を
晒す工程と、非選択性ガスセンサーの出力を周波数がゼ
ロにおいてと、周波数がゼロ以外においてとで計測する
工程と、計測されたセンサー出力から計測対象ガスの中
の所望ガス濃度を求める工程とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非選択性ガスセンサ
ーに選択性を付与する方法に関し、より詳細にはガスセ
ンサーを反応させ、センサーの非線形反応に基づいて、
所望ガスｘと他のガスｙとを含む混合気の中の所望ガス
ｘをガスセンサーに計測させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガスセンサーは燃焼抑制、プロセ
ス制御、危険予防、健康関連などを含む種々の用途に応
用にされることが増えている。例えば自動車産業におい
ては、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を主成分とするセ
ンサーが、長年に渡り車載空燃比制御と測定用途とに用
いられてきた。酸化すず（ＳｎＯ２）を主成分とするセ
ンサーはメタン（ＣＨ４）と水素（Ｈ２）などの爆発性
気体混合物と一酸化炭素（ＣＯ）などの有毒ガスの検出
に用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】現存するガスセンサー
の主な限界の一つは、大抵のガスセンサーが選択的では
ないということである。つまり、所望のガスだけではな
く他のガスに対しても反応してしまう。この選択性の欠
如がこれらのガスセンサーを用いる上での問題点を生じ
ることになる。例えば、一酸化炭素中毒の予防にはガス
センサーが１００万分の１０から１００部（ｐｐｍ）の
範囲のＣＯに反応することが必要である。しかしなが
ら、ＳｎＯ２を主成分とするセンサーはＣＯの含量だけ
ではなくＨ２やＣＨ４などの他のガスの同レベルの含量
にも反応してしまう。この結果として、例えば人体への
悪影響の無い１０００ｐｐｍの水素を大気が含有してい
る場合に、これらＳｎＯ２センサーによって誤警報が発
生することがある。所望のガスにのみ反応する選択性ガ
スセンサーが必要となるもう一つの例として、自動車の
故障診断が挙げられる。米国の連邦および州の規則は、
いわゆる三元触媒（Ｔｈｒｅｅ−Ｗａｙ−Ｃａｔａｌｙ
ｓｔ略してＴＷＣ）が炭化水素（ＨＣ）を酸化する能力
を車上から監視することを求めている。この用途に用い
るには、ＨＣガスセンサーがＣＯに反応してはいけな
い。なぜならば、自動車の排気中のＣＯ濃度は一般的に
は炭化水素のそれよりもかなり高いからである。

【０００４】過去１０ないし２０年の間、現存するガス
センサーの選択性を向上させたり、別の新しい選択性ガ
スセンサーを開発するために、かなりの研究開発が行わ
れてきた。これらの多くは検出材料の開発や現存材料の
成分の改良に費やされてきた。例えばＳｎＯ２の種々の
改良については、その表面または内部についての報告が
なされている。内部の改良については例えば種々のイオ
ンを含浸させることによってなされる。この取り組みは
いくつかの場合には役立ったが選択性の問題は未だ残っ
ている。以下に述べるように選択性を高めるために他の
いくつかの方法が報告されている。

【０００５】現在大規模に研究中の一つの方法は、「物
理的」フィルターを用いて所望の気体分子を分離するも
のである。種々の材料が開発されているが、それらは数
オングストローム・レベルの気孔や同じく数オングスト
ローム・レベルの溝の気孔率が調整されたものである。
後者の型の材料の例として良く知られているのはゼオラ
イトである。

【０００６】もう一つの方法は「化学的」フィルターを
用いて干渉ガスが非選択性センサーにまで到達する前に
それを取り除くものである。例えばロゴテティスほか：
化学センサーに関する第２回国際会議の発表，１７５
頁，フランス，ボルドー（１９８６）（Ｌｏｇｏｔｈｅ
ｔｉｓｅｔａｌ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ２ｎｄＩｎ
ｔｅｒｎ．ＭｅｅｔｉｎｇｏｎＣｈｅｍｉｃａｌ
Ｓｅｎｓｏｒｓ，ｐ．１７５，Ｂｏｒｄｅｕｘ，
Ｆｒａｎｃｅ１９８６）には、ＣＨ４用のセンサーで
ＣＯ、Ｈ２、アルコール、アルカンなどのＨＣ及び他の
酸化可能なガスには反応しないものが開示されている。
このセンサーは白金（Ｐｔ）触媒を用い、触媒をＳｎＯ
２センサーなどの非選択性センサーの前段に置いて、５
００度Ｃを超えないように加熱される。この温度におい
ては、ＣＨ４以外の上述の全てのガスはＰｔ触媒により
酸化され、そして取り除かれる。なおＣＨ４のＰｔにお
ける触媒酸化反応にはもっと高い温度が必要である。結
果として、雰囲気がＣＨ４と他の酸化可能ガスを含んで
いると、これら干渉ガスがＰｔ触媒の中で拡散するにつ
れて取り除かれ、ＣＨ４のみがＳｎＯ２センサーに到達
する。この方法は効果的ではあるものの、適用できる場
合が限られている。現在大規模に研究中の他の方法は、
所望のガスｘといくつかの他のガスｙとに反応し、各々
異なった感度を有する複数の非選択性ガスセンサーを並
べて用いるものである。充分な数のガスセンサーを並べ
て用いることによって、原理的には、ガスｘとｙに対す
る各センサーの反応を表す一組の数式を解くことで雰囲
気中の原子ｘの含量を検出することができる。しかしな
がら、現実にはこの解析は明確なものではない可能性が
ある。それで、選択性センサーを成立させる他の方法を
開発する技術的要求が存在する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】従って本発明は、計測対
象ガスの中に含まれる所望のガスだけではなく他の干渉
ガスに対しても反応する非選択性ガスセンサーに、計測
対象ガスの中に含まれる所望のガス量を計測するために
選択性を付与する方法である。この方法は、計測対象ガ
スの流束を第１の周波数で周期的に変化させる工程と所
望ガスの流束を第２の周波数で周期的に変化させる工程
とのうちの少なくとも一つを行なう工程と、計測対象ガ
スの流束に所望ガスの流束を添加する工程とを有する。
この方法はさらに計測対象ガスの流束と所望ガスの流束
との混合気に対して非選択性ガスセンサーを晒す工程
と、非選択性ガスセンサーの出力を周波数がゼロにおい
てと、周波数が第１と第２の周波数に関連する周波数に
おいてとで計測する工程と、計測されたセンサー出力か
ら計測対象ガスの中の所望ガス濃度を求める工程とを有
している。

【０００８】

【発明の効果】本発明によれば、非選択性ガスセンサー
に選択性が付与される。本発明の非選択性ガスセンサー
は非線形反応を起こして、選択性ガス検出を実現する。

【０００９】本発明の他の観点および利点は図面を参照
しつつこの後の明細書を読むことでより良く理解でき、
正しく理解できるものと思われる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、所望のガスだけでなく
計測対象ガスの中に存在する他の干渉ガスのいくつかに
も反応する非選択性センサーを用いて、計測対象ガス中
の所望ガスの量を明確に決定する方法に関する。この方
法を適用するための条件は、非選択性センサーの反応が
所望ガス濃度の非線形関数であることである。その様な
非選択性ガスセンサーの例としてはフィガロ社製ＳｎＯ
２センサーが良く知られている。

【００１１】ここで非選択性ガスセンサーが、次式に従
って計測対象ガスに含まれる所望ガスＸ１のみではな
く、干渉ガスＸ１，Ｘ２，．．，Ｘｑにも反応するもの
と仮定する。

【００１２】

【数１】

【００１３】ここでＣｉは計測対象ガス中のガスＸｉの
濃度であってｆ（Ｃｉ）はＣ１の非線形関数である。

【００１４】本発明によれば、計測対象ガスの特定の流
束Ｆ０は非選択性ガスセンサーに到達する前にある周波
数ｗで周期的に変調される。所望ガスＸ１の特定の流束
Ｆ１はある周波数ｗ’で変調され、変調された流束Ｆ０
に添加される。非選択性ガスセンサーの２つの流束Ｆ０
とＦ１とに対する反応が計測され、周波数ゼロ（ＤＣ）
成分と種々の周波数（ＡＣ）成分とが、一般的で公知な
電気回路の適切なものによって分離される。計測対象ガ
ス中のガスＸ１の元の濃度Ｃ１は、非選択性センサー出
力のＤＣ成分とＡＣ成分から計算される。

【００１５】本発明に基づく装置３０の一実施例を図１
に示す。装置３０は、構造物５０の一部をなすチャンバ
ー３２に置かれた非選択性ガスセンサー３１を有してい
る。構造物５０は、計測対象ガス３５を構造物５０の中
に入れ、ガスセンサー３５に到達させ、構造物５０から
出す入口３３と出口３４とを有している。入口３３から
入る計測対象ガス３５の流束Ｆ０は、流量制御弁３６に
より制御することができる。別の実施例においては、計
測対象ガス３５は、構造物５０（チャンバー３２、入口
３３および出口３４を含む）の幾何学的形状と寸法とに
よって決まる拡散流束によって、構造物５０の中で拡散
される。構造物５０に入る計測対象ガス３５の流束Ｆ０
は、モジュレーター４２によって、時間変調される。モ
ジュレーター４２はある所望の周波数ｗで周期的に開閉
させるソレノイドバルブで構成することができる。

【００１６】モジュレーター４２より下流側で、計測対
象ガス３５がチャンバー３２に入る前に、構造物５０へ
の第２入口３７を通して、所望ガスＸ１の既知の流束Ｆ
１が計測対象ガス３５の流束Ｆ０に添加されて混合され
る。例えばガスシリンダーなどの、ガスＸ１を貯蔵する
適切な供給源３８から、ガスＸ１の流束Ｆ１が得られ
る。流束Ｆ１は、流量制御弁３９により制御されて、モ
ジュレーター４０によって時間変調される。モジュレー
ター４０は、モジュレーター４２の周波数ｗとは異なる
ように選択された周波数ｗ’で周期的に開閉させるソレ
ノイドバルブで構成することができる。ガスセンサー３
１の出力が計測されてＤＣ成分とＡＣ成分とに分離され
る。計測対象ガス３５中のガスＸ１の未知の濃度Ｃ１
は、装置３５を校正した後で、計算することができる。

【００１７】本発明が、非選択性センサー３１を用い
て、どのようにして所望ガスＸ１の濃度を明確に判断で
きるのかを示すために、以下にいくつかの例を述べる。
しかしながら、これらの実施例は説明目的のためにのみ
述べられているものであって、本発明を限定解釈する意
図がないことを明記しておく。これらの実施例はまた、
センサーの非線型性の種類によっては、計測対象ガスＦ
０と添加ガスＦ１の両方を変調することは必要ないこと
も示している。これらの場合においては、流束Ｆ０のみ
を変調して流束Ｆ１を添加しない、または添加流束Ｆ１
のみを変調することでも充分である。

【００１８】（例１）次式に示すように、センサーがガ
スＸ１には非線形に、他のガスＸ２，Ｘ３，．．．，に
は線形に反応する場合を考察する。

【００１９】

【数２】

【００２０】計測対象ガスの流束が周波数ｗで変調され
るとすると、各ガスＸ１，Ｘ２，．．．，Ｘｑの濃度も
変調される。例えば、その変調が１００％の正弦関数の
場合には、計測対象ガス中のモジュレーター４２より下
流側のガスＸ１，Ｘ２，．．．，Ｘｑの濃度は時間とと
もに次式に示すように変化する。

【００２１】

【数３】

【００２２】この例において、ガスＸ１の変調流束Ｆ１
の添加は必要ない。変調された計測対象ガス３５に対す
るガスセンサー３１の反応は次式のとおりである。

【００２３】

【数４】

【００２４】（１−ｓｉｎｗｔ）の２乗の項を展開す
ると次式のようになる。

【００２５】

【数５】

【００２６】この結果Ｓは次式のように表される。

【００２７】

【数６】

【００２８】周波数２ｗにおけるガスセンサー３１の出
力Ｓ（２ｗ）が検出されると、計測対象ガス３５中のガ
スＸ１の未知の濃度Ｃ１は次式のように明確に求められ
る。

【００２９】

【数７】

【００３０】（例２）再び例１を例に採る。計測対象ガ
ス３５の流束Ｆ０を変調させる代わりに、周波数ｗ’で
変調したガスＸ１の流束Ｆ１を変調した流束Ｆ０に添加
させることができる。変調する際に便利なのは次式に示
す単純な正弦変調である。

【００３１】

【数８】

【００３２】ここでＣ１０とＣ１１とが所望される。ガ
スセンサー３１の出力は数９または数１０のように与え
られる。

【００３３】

【数９】

【００３４】

【数１０】

【００３５】計測された値Ｓ（Ｗ’）から次式に基づい
て未知の濃度Ｃ１を求めることができる。

【００３６】

【数１１】

【００３７】（例３）より一般的なセンサーの反応を次
式のように仮定する。ここで、ｂ１は１ではなく、ｆ
（Ｃ２，Ｃ３，．．．，Ｃｑ）はＣ２，Ｃ３，．．．，
Ｃｑの線形関数である。

【００３８】

【数１２】

【００３９】例２のように周波数ｗ’で次式に示すよう
に変調されたガスＸ１の流束Ｆ１を計測対象ガス３５の
変調されていない流束Ｆ０に添加することができる。

【００４０】

【数１３】

【００４１】そうするとガスセンサー３１の出力は次式
のように与えられる。

【００４２】

【数１４】

【００４３】計算を簡単にするために、Ｃ１０とＣ１１
とはＣ１よりもかなり小さいと仮定すると、数１４の第
１項は次式に示すようにＣ１１／Ｃ１の累乗で展開する
ことができる。

【００４４】

【数１５】

【００４５】Ｃ１０／Ｃ１を無視してＣ１１／Ｃ１のゼ
ロ乗および一乗を含む項のみを残すと次式のようにな
る。

【００４６】

【数１６】

【００４７】結果としてガスセンサー３１の出力はＤＣ
成分Ｓ（０）と周波数ｗ’でのＡＣ成分Ｓ（ｗ’）とか
ら構成される。計測された値Ｓ（ｗ’）に基づいて、ガ
スＸ１の未知の濃度Ｃ１を次式に示すように求めること
ができる。

【００４８】

【数１７】

【００４９】（例４）ガスセンサー３１がガスＸ１だけ
ではなく他のガスＸ２，Ｘ３，．．．，Ｘｑのいくつか
にも非線形に反応する場合には、計測対象ガス３５のみ
を変調するだけでは、他のガスの干渉を避けてガスＸ１
の濃度Ｃ１を決定するには不十分である。例えば、数２
ではなく以下の数１８に応じて反応する場合を考察す
る。

【００５０】

【数１８】

【００５１】周波数２ｗにおけるセンサーの信号出力Ｓ
（２ｗ）はガスＸ１からばかりではなく、他のガス全て
からの影響を受ける。例２と同じように周波数ｗ’で次
式に示すように変調されたガスＸ１の流束を、計測対象
ガスの流束Ｆ０に添加することで、ガスＸ１の濃度Ｃ１
を明確に計測することができる。

【００５２】

【数１９】

【００５３】ここでガスセンサー３１の出力は次式のよ
うになる。

【００５４】

【数２０】

【００５５】数１１と同じ計算式を用いて周波数ｗ’に
おける出力Ｓ（ｗ’）より未知の濃度Ｃ１を求めること
ができる。

【００５６】（例５）ガスＸ１とガスＸ２の次式に示す
関数である出力をする非選択性ガスセンサー３１につい
て考察する。

【００５７】

【数２１】

【００５８】ここでｎは１以外である。数８で与えられ
るガスＸ１変調流束Ｆ１を計測対象ガス３５の流束Ｆ０
に添加するとガスセンサー３１の反応は次式のようにな
る。

【００５９】

【数２２】

【００６０】再び簡略化のためにＣ１０とＣ１１とがＣ
１よりもかなり小さいと仮定して例３におけるのと同様
の解析を用いると、ガスセンサー３１の反応は次式の様
になる。

【００６１】

【数２３】

【００６２】センサー３１の出力のＤＣ成分とＡＣ成分
であるＳ（０）とＳ（ｗ’）とから、次式に示すように
ガスＸ１の濃度を求めることができる。

【００６３】

【数２４】

【００６４】この例においては、濃度Ｃ１が判れば、ガ
スＸ２の濃度Ｃ２はＳ（０）から求めることができる。

【００６５】（例６）上記例５のガスセンサー３１につ
いて考えるが、ガスセンサー３１は他のガスＸ３，Ｘ
４，．．．，Ｘｑに対して次式に示すように反応する場
合を考察する。

【００６６】

【数２５】

【００６７】数８によって示される変調流束Ｘ１が添加
されると、ガスセンサー３１の反応は次式のようにな
る。

【００６８】

【数２６】

【００６９】ここでＣ１は次式のように与えられる。

【００７０】

【数２７】

【００７１】しかしながらこの例においては、比率Ｓ
（０）／Ｓ（ｗ’）が未知の濃度Ｃ２と未知の項ｆ（Ｃ
３，Ｃ４，．．．，Ｃｑ）を含んでいるので、数２７か
ら濃度Ｃ１を求めることができない。しかしながらこの
例においても、他のある周波数ｗにおける計測対象ガス
３５の流束Ｆ０も変調すれば、濃度Ｃ１を求めることが
できる。解析を簡略化するために、ｎ＝２でｍ＝２であ
る場合を次式に示すように考える。

【００７２】

【数２８】

【００７３】例１のように計測対象ガスの流束Ｆ０が変
調される場合には、計測対象ガス中のガスの濃度Ｃｉは
時間の関数として以下のように表される。

【００７４】

【数２９】

【００７５】次式に示すように添加されるガスＸ１の流
束Ｆ１が変調されると

【００７６】

【数３０】

【００７７】ガスセンサー３１の流束Ｆ０とＦ１との混
合気に対する反応は次式のようになる。

【００７８】

【数３１】

【００７９】Ｌ＝（１＋２Ｃ１０／Ｃ１）を用いて数３
１を展開すると、ガスセンサー３１を次式のように示す
ことができる。

【００８０】

【数３２】

【００８１】数３２は、ガスセンサー３１の出力はＤＣ
成分と、いくつかの周波数つまりｗ，ｗ’、ｗの積、
ｗ’の積およびｗとｗ’の組み合わせにおけるＡＣ成分
とを有することを表している。干渉ガスＸ３，．．．，
Ｘｑの関数であるｆ（Ｃ３，．．．，Ｃｑ）はＤＣ、ｗ
及びｗの積における成分を有している。結果として、Ｃ
１を計算するためには、周波数が０、ｗ及びｗの積以外
の周波数における項が必要である。例えば数３２の（２
ｗ＋ｗ’）と（３ｗ＋ｗ’）を含む項つまり第８項と第
１０項とについて考えると、まず第８項については次式
のようになる。

【００８２】

【数３３】

【００８３】以下の公式を用いると

【００８４】

【数３４】

【００８５】周波数２ｗ＋ｗ’における項は次式のよう
に得られる。

【００８６】

【数３５】

【００８７】第１０項は次式のようになる。

【００８８】

【数３６】

【００８９】以下の公式を用いると

【００９０】

【数３７】

【００９１】周波数３ｗ＋ｗ’における項は次式のよう
に得られる。

【００９２】

【数３８】

【００９３】数３５と数３８とから濃度Ｃ１を以下のよ
うに求めることができる。

【００９４】

【数３９】

【００９５】（例７）次式のように例６のガスセンサー
３１について再び考察する。なおここでｎは１以外であ
る。

【００９６】

【数４０】

【００９７】例６において述べたように、計測対象ガス
３５の流束Ｆ０に対してガスＸ１の変調した流束Ｆ１を
添加すると、未知の濃度Ｃ１を求めることができる。し
かしながら、ガスＸ２に対するセンサー３１の反応も非
線形である（つまりｎが１以外である）と、ガスＸ２に
対しても変調を適用することができる。つまり、最初に
ガスＸ１の変調した流束Ｆ１が上述のように添加され次
式に示すようにセンサーが反応する。

【００９８】

【数４１】

【００９９】

【数４２】

【０１００】続いて、流束Ｆ１が取り除かれてガスＸ２
の流束Ｆ２が添加され、次式に示すように同じ周波数ｗ
（または他の周波数）で変調されてセンサーが反応す
る。

【０１０１】

【数４３】

【０１０２】

【数４４】

【０１０３】計測された値Ｓ１（ｗ）とＳ２（ｗ）とを
用いて、濃度Ｃ１とＣ２とが数４２と数４４とから求め
られる。ここで記すべきことは、上述の例においては、
２つの変調された流束Ｆ１とＦ２とを一緒に添加して２
つの異なった周波数ｗとｗ’とで変調すると、周波数ｗ
とｗ’とにおけるＡＣセンサー出力Ｓ１（ｗ）とＳ２
（ｗ）とを計測することで濃度Ｃ１とＣ２とが求められ
るということである。

【０１０４】（例８）ガスＸ１に対してだけではなく他
のガスＸ２，Ｘ３，．．．，Ｘｑに対しても非線形の反
応をする非選択性センサーについて考察する。例えば、
ｂ１，ｂ２，．．．，ｂｑが１以外であるとすると、次
式のように表される。

【０１０５】

【数４５】

【０１０６】これらのガスＸｉが計測対象ガスの中に存
在すれば、その濃度は各ガスＸｉの変調された流束Ｆｉ
を導入することによって求めることができる。この変調
は各流束Ｆｉを異なった周波数ｗｉで順にまたは同時に
行なうことができる。

【０１０７】例１から８は本発明の内容と本発明が個別
の条件に対してどのように適用されるかを示している。
本発明がどのように実現されるかはその応用分野によっ
て変わってくるのも明らかであろう。

【０１０８】ガスＸ１に対するガスセンサーの非線形反
応の種類に応じて、ガスセンサー３１のＡＣ信号出力は
添加流束Ｆ１の変調時の周波数ｗ’ではなく、ｗ’に関
連（調波か低調波）する他の周波数ｗｓである場合も有
り得る。この周波数ｗｓはガスセンサー３１の校正中に
予め求めることができる。ガスセンサー３１の使用中に
おいては、センサー出力は周波数ゼロ（つまりＤＣ）と
周波数ｗｓとにおいて計測される。さらに複雑な場合に
おいては、一つ以上の調波または低調波周波数における
センサーのＡＣ成分を計測する必要がある。

【０１０９】上述の本発明の方法の適用例においては、
変調は正弦波で行われていた。添加ガスの正確な正弦波
変調が必要ではないことは明らかである。他の型の時間
変化波形、例えば方形（ＯＮ−ＯＦＦ）波を用いること
もできる。

【０１１０】上述の例のいくつかにおいては、Ｃ１０と
Ｃ１１とがＣ１よりもかなり小さいという仮定を用い
て、解析を簡単にした。しかしながら、この仮定が満足
されないとしても、本発明の方法は有効である。

【０１１１】本発明の方法を有効なものとするために
は、ガスセンサー３１が、ガスＸ１の添加流束Ｆ１にお
ける変調を充分に速く検出しなければならない。ｔをセ
ンサーの反応時間とすると、変調周波数ｗと先に規定し
たセンサー出力のＡＣ周波数ｗ、ｗ’、ｗｓが全て１／
ｔよりも小さくなければならない。反応が遅いセンサー
の極端な例では、周波数はゼロに近いように非常に小さ
くなければならない。現実には、このような場合にはガ
スＸ１の添加流束Ｆ１が有りと無しの状態の各々でセン
サーの反応Ｓを計測することになる。（必要に応じて繰
り返し行なう）数２で示される例１においては、センサ
ーの出力は次式のようになる。

【０１１２】

【数４６】

【０１１３】

【数４７】

【０１１４】これらに基づいてＣ１は次式のように求め
られる。

【０１１５】

【数４８】

【０１１６】ガス３５全体の中や構造物５０の中でのガ
ス流動がセンサーの反応時間ｔよりも遅いことが有り得
る。この場合にも変調周波数は１／ｔよりも小さくなけ
ればならない。一方で、ガス圧力全体を低くすることで
より速いガス流動を得ても良い。

【０１１７】計測対象ガス３５中のガスＸ１の存在と濃
度を連続的にかつ素早く（つまりセンサー反応時間内
に）計測しなければならない場合には、ガスＸ１の変調
流束Ｆ１の添加または計測対象ガス３５の流入流束Ｆ０
の変調を連続して実行しなければならない。しかしなが
ら、このことが全ての適用例について必要な訳ではな
い。例えば、計測対象ガス３５の中にガスＸ１と干渉ガ
スＸ２，Ｘ３，．．．，Ｘｑが定常的に存在していない
場合には、ガスセンサー３１は変調なしに機能できる。
計測対象ガス３５の中のガスＸ１，Ｘ２，Ｘ
３，．．．，Ｘｑの中の一つがセンサーの出力に大きな
影響を与える場合には、ガスＸ１が計測対象ガス３５中
に存在するのか、当初のセンサー信号は干渉ガスＸ２，
Ｘ３，．．．，Ｘｑの中の一つの存在に起因するものか
を確かめるために変調手法が用いられる。変調を間欠的
に用いるこの手法は、添加ガスＸ１をの使用量を削減で
きるという結果をもたらすので好ましい。このようにし
て、ガスＸ１の供給源３８を長時間使用することができ
る。

【０１１８】図１の実施例を構成する一般的なバルブや
流量制御弁などの個々の部品を使用する際に、嵩張った
り、複雑になったり、コストがかかったりして、適用分
野によっては適切でない場合がある。例えば、自動車な
どの移動体へ適用する場合に、小振りで単純な構造が強
く求められる。そのような構造は、この分野において良
く知られているマイクロファブリケーションを用いて実
現することができる。例えば、シリコン精密加工を用い
て、バルブと流量制御器を有する精密機械構造を製作す
ることができる。この技術は近年非常な進歩を遂げてお
り、シリコン（Ｓｉ）ウェハー上にガス・クロマトグラ
フなどの機器を完全に実現することができる段階に到達
している。

【０１１９】本発明の方法を実施する上での制約条件は
ガスＸ１の供給源３８を有する必要があるということで
ある。もし本発明の方法を固定的に用いる場合には、ガ
スＸ１を収納した一般的なガスシリンダーを用いること
ができる。移動体に用いる場合には、一般的なガスシリ
ンダーを用いることは都合が悪い。しかしながら、精密
加工構造を用いた例に本発明の方法を用いる場合には、
ガスＸ１の流量は非常に小さいものとなる。この場合に
は小型ガスシリンダーや他の小型ガス供給源が適当であ
る。なお、そのような機器はこの分野においては良く知
られている。例えば、ガスＸ１が吸着によって格納され
る高表面積材料から、ガスＸ１を取り出したり、または
特殊原料の分解反応によってや、構造物に格納される非
常に少量の２つの物質の反応によって、ガスＸ１を得て
も良い。さらにまたガスＸ１を発生することのできる活
性機器を構造物の中に設けることもできる。例えば、酸
化ジルコニウム（ＺｅＯ２）の電気化学セルは、適切な
極性の電流を流すことで大気から酸素（Ｏ２）を構造物
の中に導入するのに用いることができる。水（Ｈ２Ｏ）
の電気分解によって水素Ｈ２を導入したり、二酸化炭素
（ＣＯ２）の電気分解によりＣＯを導入することもでき
る。この種の供給源を用いる際には、ガスＸ１の変調流
束Ｆ１をガスＸ１の発生を変調することで行なえるので
便利である。例えば、ＺｒＯ２セルの場合には、セルに
直流を流すのではなく交流を流すことでこれが行なえ
る。また、直流と交流との組み合わせでも良い。

【０１２０】本発明を実施するにあたり、当業者であれ
ば種々の変形が可能である。例えば、変調周波数やセン
サー出力が計測される時の周波数は、用いられるセンサ
ーの型と種々のガスに対する反応に応じて変わってく
る。正弦波以外の変調も用いることができる。計測対象
ガスには、複数のガスを添加しても良い。適切に変形さ
れた変調方法は、例えガスＸ１に対するセンサーＸ１の
反応が線形であっても、干渉ガスに対する反応が非線形
であれば用いることができる。図１に示す実施例もま
た、所望の適用例に対して最も適切となるように変形す
ることができる。

【０１２１】本発明は、上述の実施例に沿って説明して
きた。今まで用いてきた用語は、説明中の言葉の本質を
表すために用いてきたものであって、限定的に解釈する
意図がないことを理解されたい。

【０１２２】上記の示唆に基づいて、本発明の種々の改
良と変形が可能である。添付の特許請求の範囲内であれ
ば、明細書に記載以外の方法で本発明を実施しても良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】計測対象ガスを変調し、変調された計測対象ガ
スに添加する既知量のガスを変調することで、非選択性
ガスセンサーに選択性を付与する本発明の方法を実施す
るために用いられる一実施例の概略図である。

【符号の説明】

３１非選択性ガスセンサー３５計測対象ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ミハエル、ディー、ハーレイアメリカ合衆国ミシガン州アナーバー、イエローストン・ドライブ、3343 (72)発明者リチャード、イー、ソルティスアメリカ合衆国ミシガン州サリン、ケンブリッジ・ドライブ、9663

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測対象ガスの中に含まれる所望のガスだ
けではなく他のガスに対しても反応する非選択性ガスセ
ンサーに、上記計測対象ガスの中に含まれる上記所望の
ガス量を計測するために選択性を付与する方法であっ
て、上記計測対象ガスの流束を第１の周波数で周期的に
変調する工程と、上記所望ガスの流束を第２の周波数で
周期的に変調する工程との少なくとも一つを行なう工程
と、上記計測対象ガスの流束に上記所望ガスの流束を添
加する工程と、該計測対象ガスの流束と所望ガスの流束
との混合気に対して上記非選択性ガスセンサーを晒す工
程と、上記非選択性ガスセンサーの出力を上記周波数が
ゼロにおいてと、上記周波数がゼロ以外とにおいて計測
する工程と、該計測されたセンサー出力から計測対象ガ
スの中の所望ガス濃度を求める工程とからなることを特
徴とする方法。