(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータ兼用電極コイルの中心透孔内に貫挿するよう検知電極を配置するとともに、ガス感応金属酸化物半導体内にヒータ兼用電極コイルと検知電極とを埋設して構成されたガスセンサを用い、ガス感応金属酸化物半導体外に導出したヒータ兼用電極コイルの両端間にマイナス極を回路のグランドに接続した単一の直流電源から供給されるヒータ電圧をグランドをマイナスとして印加するとともに、ヒータ電圧を制御することで高温状態期間と低温状態期間とを交互に作り出すものであって、ガス感応金属酸化物半導体外に導出した検知電極の一端に負荷抵抗を介して上記直流電源のプラス極を接続し、上記直流電源のマイナス極に接続されているヒータ兼用電極コイルの一端をグランドとして上記検知電極の電圧をガス検出信号として取り出すことを特徴とするガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温活性のガスを検出する金属酸化物半導体を用いたガス検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヒータ兼用電極コイルの中心透孔内に貫挿するよう検知電極を配置するとともに、ガス感応金属酸化物半導体内にヒータ兼用電極コイルと検知電極とを埋設して構成される金属酸化物半導体からなるガスセンサは、金属酸化物半導体に埋設した電極を構成する金属と、金属酸化物半導体との接合状態が、ヒータ兼用電極コイル側と、検知電極とでは、温度や接触面積（検知電極側が面積小）においてアンバランスとなるため、電子の流れに順方向、逆方向の極性が出る。
【０００３】
またＯ2、ガスの吸着状態が、中心の検知電極と、周囲のヒータ兼用電極コイルとの間に、印加される直流電圧の電位勾配の影響を受けてガスの吸着、反応の状態が変わりやすいという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは安定良く、ガス検出信号を取り出すことができるガス検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、ヒータ兼用電極コイルの中心透孔内に貫挿するよう検知電極を配置するとともに、ガス感応金属酸化物半導体内にヒータ兼用電極コイルと検知電極とを埋設して構成されたガスセンサを用い、ガス感応金属酸化物半導体外に導出したヒータ兼用電極コイルの両端間にマイナス極を回路のグランドに接続した単一の直流電源から供給されるヒータ電圧をグランドをマイナスとして印加するとともに、ヒータ電圧を制御することで高温状態期間と低温状態期間とを交互に作り出すものであって、ガス感応金属酸化物半導体外に導出した検知電極の一端に負荷抵抗を介して上記直流電源のプラス極を接続し、上記直流電源のマイナス極に接続されているヒータ兼用電極コイルの一端をグランドとして上記検知電極の電圧をガス検出信号として取り出すことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
まず本発明に用いるガスセンサについて説明する。
【０００７】
本発明に用いるガスセンサ２は、図２（ａ）（ｂ）に示すように外形形状がラクビーボール状若しくは楕円球状に形成したＳｎＯ2に貴金属触媒を加えたガス感応金属酸化物半導体２ｃ中に貴金属線（２５μφ以下）からなるヒータ兼用電極コイル２ａを埋設し、このヒータ兼用電極コイル２ａの内部に貴金属線（２５μφ以下）からなる検知電極２ｂを貫挿させた構造のものであり、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約０．４ｍｍとするとともに、長手方向に対して直交する方向の断面の直径ｂを約０．４ｍｍとし、またヒータ兼用電極コイル２ａの内径ｒと、ヒータ兼用コイル電極２ａの長さｌとの関係を１：１乃至４の範囲に設定したものである。
【０００８】
而して上記ガスセンサ２は図２（ｃ）に示すように樹脂ベース６に横一列に植設した端子７に接続してあるヒータ兼用電極コイル２ａの両端及び検知電極２ｂをワイヤボンディングにより接続することにより保持されるとともに樹脂ベース６に被着した金属製パッケージ８で被蔽され、金属製パッケージ８の上面の開口よりメッシュ９を介して金属パッケージ８内に浸入するガスと接触するようになっている。
【０００９】
更にガスセンサ２としては、構造的には図２の例と同じであるが、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約０．６ｍｍとし、且つ長手方向に対して直交する方向の断面の直径を約０．５ｍｍとした第二の例のも適用できる。
【００１０】
更にガスセンサ２としては、構造的には図２の例と同じであるが、ガス感応金属酸化物半導体２ｃのヒータ兼用電極コイル２ａの長手方向の寸法ａを約０．８ｍｍとし、且つ長手方向に対して直交する方向の断面の直径を約０．６５ｍｍとした第三の例のも適用できる。
【００１１】
このように構成したガスセンサ２を用いて本発明によるガス検出信号方法を以下の実施形態により説明する。
（実施形態１）
図１は本実施形態の基本的な構成を示しており、図示するように直流電源電圧Ｖｃｃのマイナス極をグランドとし、そのグランドとヒータ電源たる直流電圧ＶHのプラス極との間にヒータ兼用電極コイル２ａを接続するとともに、検知電極２ｂと直流電源電圧Ｖｃｃのプラス極との間に負荷抵抗Ｒを接続し、検知電極２ｂの電圧がガスセンサ２のガス感応金属酸化物半導体２ｃの抵抗値Ｒｓの変化として、つまりガス検出信号として取り出されるのである。
【００１２】
上記ガスセンサ２の温度が約４００℃となるように図３に示す如く０．９Ｖの直流電圧ＶHをガスセンサ２の内蔵ヒータ兼用電極コイル２ａに３秒間印加した後に、０．２Ｖの直流電圧ＶHに切り換えて約６０℃の温度となるように設定した時の、空気及びＨ2、Ｃ2Ｈ5ＯＨ、ＣＯの一定量（１００ｐｍｍ）の各種ガスに対するガスセンサ２の抵抗値Ｒｓ変化を測定してみたところ、図４に示すようにガスセンサ２の空気に対する抵抗値変化は（イ）、Ｈ2に対する抵抗値変化は（ロ）、Ｃ2Ｈ5ＯＨに対する抵抗値変化は（ハ）、ＣＯに対する抵抗値変化は（ニ）のようになった。この測定結果から低温状態に切り換えた時点から数秒乃至十数秒迄のレスポンス変化は夫々のガス特有の変化が見られることが分かった。
【００１３】
そして高温状態（４００℃）の期間（３秒間）と、低温状態（６０℃）の期間（７秒）とを交互に繰り返して空気、Ｈ2（１００ｐｍｍ）、ＣＯ（１００ｐｍｍ）、Ｈ2Ｓ（１００ｐｍｍ）、Ｈ2（１０００ｐｍｍ）、ＣＯ（１０００ｐｍｍ）、Ｈ2Ｓ（１０００ｐｍｍ）の場合についてガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａのグランド側端と検知電極２ｂ間の両端電圧を測定してみたところ図５（ａ）乃至（ｇ）に示すような結果が得られ、この結果からレスポンスパターンの再現性が良好であることが確認できた。
【００１４】
また空気、ＣＯ（１０００ｐｐｍ）、Ｈ2Ｓ（１０ｐｐｍ）、ＮＯ2 （１０ｐｐｍ）、ＣＨ4（１０００ｐｐｍ）、Ｃ2Ｈ5ＯＨ（１０００ｐｐｍ）を検出する場合のガスセンサ２の温度とガスセンサ２の抵抗値Ｒｓの関係を測定したものが図６である。測定方法は各々の温度で抵抗値Ｒｓが安定するまで待って測定したもので、低温では空気の場合３０分後に、その他のガス場合各々５分後に、中高温では２分後に夫々測定したものである。
【００１５】
この図６からＨ2Ｓ、ＣＯ等のガスは低温度側に感度ピークが存在し、また各ガスによって感度ピークを示す温度の異なっていることが分かる。
【００１６】
しかし低温に感度ピークを有するガスを検出する場合、平衡状態に達してから測定すると、レスポンスが遅く長時間かかるため実用的でない。ところで図５に示したように高温状態から低温状態に切り換えた時のレスポンス変化は図７に示すオフ時のレスポンス変化に近く、図６の温度変化とは必ずしも一致しないが、この両者が組み合わされてガス特有の特性を発現することが判明した。
【００１７】
尚図７（ａ）〜（ｃ）は、上記のガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａに０．９Ｖの直流電圧を所定時間印加した後、印加電圧をオフしてそのオフ時から各ガスセンサ２の検知電極２ｂとヒータ兼用電極コイル２ａとの間の抵抗値Ｒｓの変化を各ガス種（空気（ａｉｒ）、Ｈ2、ＣＯ）毎に測定して得られた特性を示す。上記電圧印加時間は夫々のガスセンサ２の熱平衡時間の略３倍とし、第一、二の例では３秒間、第三の例では５秒間となった。
【００１８】
また図２（ａ）（ｂ）の特性から分かるように第一、第二の例のガスセンサ２は空気に対しては電圧印加のオフ直後から抵抗値Ｒｓが高抵抗値となって数秒後には最大値を示し、その後徐々に低下するが、ＣＯに対しては印加電圧のオフ直後から抵抗値Ｒｓが高抵抗値となってその後急速に低下し、６〜７秒後には空気に対して示す抵抗値Ｒｓとの比が最大となる。またＨ2に対しては印加電圧のオフから数秒経過した後最大となってその後徐々に低下し、途中２〜３秒でＣＯに対して示す抵抗値Ｒｓと逆転する。
【００１９】
更にまた図２（ｃ）から分かるように第三の例のガスセンサ２は第一、第二の例のガスセンサ２とはやや異なり空気に対しては印加電圧のオフから１〜２秒で抵抗値Ｒｓが急速に増加し、以後は徐々に増加して行き１５秒経過迄には最大値は現れてこない。またＣＯに対しては印加電圧のオフから１〜２秒で抵抗値Ｒｓが最大値に達するが、その変化は第一、第二の例のガスセンサ２に比べて少なく、最大値を経過した後は徐々に低下する。またＨ2 に対しては第一、第二のガスセンサ２のように印加電圧のオフ直後の抵抗値Ｒｓの急速な増加はなく、始めから徐々に増加して行き、ＣＯに対する抵抗値Ｒｓとの逆転は略１０秒経過後に起き、第一、第二の例のガスセンサ２の２秒〜３秒経過後に比べて遅い。従って実施形態３のガスセンサ２の場合、Ｈ2に対する抵抗値Ｒｓは印加電圧のオフから数秒で空気に対する抵抗値Ｒｓとの比が最大となり、またＣＯに対する抵抗値Ｒｓとの差も大きく、この時点で検出すればＨ2を選択的に検出できることになる。
【００２０】
図８は上記結果に基づいて実現した本実施形態の具体例を示しており、この装置では、交流電源電圧を一定の直流電圧Ｖｃｃに定電圧回路１で変換したのち、この直流電圧Ｖｃｃをスイッチング素子たるトランジスタＱとガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａとの直列回路に印加するとともに、負荷抵抗Ｒとガスセンサ２との直列回路に印加し、更にガスセンサ２の検出状態の監視とヒータ兼用電極コイル２ａに印加する電圧ＶHのスイッチング制御とを行う信号処理部３に印加している。
【００２１】
信号処理部３はタイマ３２と、ガスセンサ２の温度が高温状態となる期間とガスセンサ２の温度が低温状態となる期間とをタイマ３２の計時出力により交互に設定し且つ高温状態期間でのトランジスタＱのオンデュティと低温状態期間でのトランジスタＱのオンデュティとを駆動回路３３を通じて制御する機能及び低温状態期間の所定タイミングで取り込んだガスセンサ２の電圧値と予め設定してある基準値とから汚染度を判定するとともに汚染度と予め設定してある警報動作閾値とを比較して汚染度が警報動作閾値を越えたときに警報制御出力回路３７を通じて外部に警報信号を出力する機能を備えた演算制御回路３４と、負荷抵抗Ｒの両端電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路３１と、デジタル変換された負荷抵抗Ｒの両端電圧値を再度Ｄ／Ａ変換してアナログ出力として外部に出力するＤ／Ａ変換回路３５と、上記基準値や警報動作閾値を格納するメモリ２６と、実際には１チップのマイクロコンピュータにより構成される。
【００２２】
警報信号は外付けのブザー３の駆動制御や警報表示用の発光素子ＬＥＤの駆動制御等に用いられ、また換気装置等の外部機器の制御のための接点出力となる。信号処理部３の外付け回路として設けた温度補償回路４はＡ／Ｄ変換される負荷抵抗Ｒの両端電圧をガスセンサ２の温度特性に対応して補正し、温度の影響を無くすためのものである。
【００２３】
而して検出対象ガスをＣＯとした場合、所定量のＣＯに対応してガスセンサ２が示す抵抗値Ｒｓ最小値付近となり且つ非検出対象ガスを検出した時に示すガスセンサ２の抵抗値Ｒｓからかけ離れるガスセンサ２の温度を図４の温度−抵抗値特性から求めて、高温状態期間の長さ及び低温状態期間の長さと各期間におけるトランジスタＱのオンデュティを定めて、演算制御回路２４の動作プログラムにセットしておく。
【００２４】
ここでは実際には高温状態期間では、約０．９Ｖの電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに連続的に印加した場合と同じ温度（約４００℃）でガスセンサ２を加熱することができるように、図９（ａ）の如くオンデュティが０．４ｍｓｅｃで周期が１０ｍｓｅｃのパルス信号でトランジスタＱをオンオフしてヒータ兼用電極コイル２ａの印加電力の平均値が電圧換算で約０．９Ｖになるようにし、且つその期間を３秒としてある。
【００２５】
また低温状態期間では、約０．２Ｖの電圧をヒータ兼用電極コイル２ａに連続的に印加した場合と同じ温度（約６０℃）でガスセンサ２を加熱することができるように、図９（ｂ）の如くオンデュティが０．０３ｍｓｅｃで周期が１０ｍｓｅｃのパルス信号でトランジスタＱをオンオフしてヒータ兼用電極コイル２ａの印加電力の平均値が電圧換算で約０．２Ｖになるようにし、且つその期間を７秒としてある。
【００２６】
かように構成された図８の装置では、高温状態期間と低温状態期間とが交互に切り換えられ、低温状態期間において、ガスセンサ２の温度がＣＯの感度ピークになる時点、つまり約７秒後に演算制御回路３４がＡ／Ｄ変換した負荷抵抗Ｒの両端電圧を取り込み汚染度を判定するとともに警報動作閾値と比較し、警報動作閾値を越えている場合には警報信号を出力するのである。
【００２７】
以上のようにして検出対象ガスに応じて低温状態期間の長さとトランジスタＱのオンデュティの長さを設定することにより、短時間で且つ確実に検出対象ガスを検出することができるのである。
【００２８】
上述の装置はガスセンサ２のヒータ兼用電極コイル２ａに印加する電圧をスイッチング制御により設定しているが、連続制御により設定するようにしても良い。
【００２９】
（実施形態２）
図１０は上述の連続制御を行う本実施形態の具体回路を示しており、本実施形態の装置では定電圧回路１の出力端間にヒータ兼用電極コイル２ａと直列制御用のトランジスタＱ2との直列回路を接続し、トランジスタＱ2の基準電圧を決めるオペアンプＯＰの非反転入力端の電圧値をトランジスタＱ1のオン／オフで切り換えてトランジスタＱ2の基準電圧を２段階に切り換えるようになっている。
【００３０】
トランジスタＱ1のオン／オフ制御は演算制御部３４から駆動回路３３を介して出力される制御信号により行われ、トランジスタＱ1をオンする期間とオフ期間は高温状態期間と低温状態期間に対応しており、その設定はタイマ３２の計時出力に基づいて行なわれる。
【００３１】
而して図１０の装置においても検出対象ガスがＣＯの場合には図３に示すように高温状態期間を３秒とするとともにヒータ兼用電極コイル２ａの印加電圧を約０．９Ｖとし、低温状態期間を７秒とするとともにヒータ兼用電極コイル２ａの印加電圧を約０．２Ｖとすれば、他のガスと弁別して短時間で検出することができることになる。
【００３２】
また夫々の期間と印加電圧を設定することにより、他のガスの検出も行えるのは言うまでもない。尚上記各装置は検出対象ガスを一種としているが、ガス種によってレスポンスのパターンが異なっていることを利用し、予め各ガスに対するガスセンサ２の抵抗値Ｒｓレスポンスパターンを記憶しておき、低温状態期間に切り換わった時に呈するガスセンサ２の抵抗値変化と比較することによりガス弁別と検出を行うようにすれば、多種のガスに１台の装置で対応させることができる。
【００３３】
またガスセンサ２に熱時定数の小さい素子を用いれば検出時間をより短くすることができる。またＦｅ2Ｏ3，ＺｎＯ2系のガスセンサ２を使用しても良い。
【００３４】
請求項１の発明は、ヒータ兼用電極コイルの中心透孔内に貫挿するよう検知電極を配置するとともに、ガス感応金属酸化物半導体内にヒータ兼用電極コイルと検知電極とを埋設して構成されたガスセンサを用い、ガス感応金属酸化物半導体外に導出したヒータ兼用電極コイルの両端間にマイナス極を回路のグランドに接続した単一の直流電源から供給されるヒータ電圧をグランドをマイナスとして印加するとともに、ヒータ電圧を制御することで高温状態期間と低温状態期間とを交互に作り出すものであって、ガス感応金属酸化物半導体外に導出した検知電極の一端に負荷抵抗を介して上記直流電源のプラス極を接続し、上記直流電源のマイナス極に接続されているヒータ兼用電極コイルの一端をグランドとして上記検知電極の電圧をガス検出信号として取り出すものであって、単一電源で高温状態期間と低温状態期間とを交互にガスセンサを駆動するガス検知装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の基本的な回路図である。
【図２】（ａ）は同上に用いるガスセンサの概略構成図である。
（ｂ）は同上のガスセンサの電極コイルと検知電極の概略構成図である。（ｃ）は同上の外観斜視図である。
【図３】同上のガスセンサのヒータの電圧制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】同上で測定して得られた各種ガスのレスポンスパターン図である。
【図５】同上で測定して得られた各種ガスのレスポンスの再現性の説明図である。
【図６】各ガスに対応するガスセンサの温度と抵抗値との関係説明図である。
【図７】同上に用いるガスセンサの各例の抵抗値変化の測定説明図である。
【図８】同上のガス検出装置の具体回路構成図である。
【図９】同上のガスセンサのヒータの電圧制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】本発明の実施形態２の具体回路図である。
【符号の説明】
２    ガスセンサ
２ａ  ヒータ兼用電極コイル
２ｂ  検知電極
Ｒ    負荷抵抗
ＶH     直流電圧
Ｖｃｃ  直流電源電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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