(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源を入力側に設け、接触燃焼式ガスセンサを出力側に設け、その出力の一部を入力側に負帰還制御して成るオペアンプを用いた接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路において、基準電圧素子を前記直流電源プラス端子と前記オペアンプの非反転入力端子との間に接続し、前記接触燃焼式ガスセンサを流れる電流を規制するセンサ抵抗を前記直流電源プラス端子と前記オペアンプの反転入力端子との間に接続し、かつ前記直流電源マイナス端子と前記オペアンプの非反転入力端子との間に抵抗素子を接続したことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路。
【請求項２】
直流電源を入力側に設け、接触燃焼式ガスセンサを出力側に設け、その出力の一部を入力側に負帰還制御して成るオペアンプを用いた接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路において、基準電圧素子と抵抗素子との直列接続回路を前記直流電源プラス端子とマイナス端子間に接続し、前記基準電圧素子に並列に分圧抵抗を接続し、前記分圧抵抗の中間部分を前記オペアンプの非反転入力端子に接続し、前記接触燃焼式ガスセンサを流れる電流を規制するセンサ抵抗を前記直流電源プラス端子と前記オペアンプの反転入力端子との間に接続したことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源電圧の変動に有効なとくに接触燃焼式ガスセンサに用いられる定電流駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
接触燃焼式センサーはガスを検知するガス検知素子を用いるもので、その素子の構造は図３−（１）のように細い白金線でコイル３１を作り、これをステム３２に熔接する。そしてパラジウムを微粒のアルミナ粉末に付けた触媒とバインダーを混合した混合触媒３３でこのコイル３１を包み、高温で焼成する。これにステンレスネット３４を被せたのが図３−（２）のガス検知素子３Ａであり、また、ステンレスネットシールキャップ３５を被せたのが図３−（３）の温度補償素子３Ｂである。
【０００３】
従来の接触燃焼式センサーの駆動回路はかかるガス検知素子を定電圧で駆動するものが圧倒的に多かった。すなわち、定電圧駆動回路はガス検知素子３Ａと温度補償素子３Ｂと２個の抵抗素子とでブリッジ回路を組み、そのブリッジの対角線間に直流定電圧電源を配置し別の対角線間から信号出力を出すようにするものである。そこで、測定すべきガス雰囲気中にそのセンサーを配置すると、ガスセンサーは通電時には約４００°Ｃにもなるので、可燃性ガスがガス検知素子に触れると触媒の働きで酸化反応が起き、この酸化反応時に発生する熱によりガス検知素子の電気抵抗値が大きくなり、このガス検知素子３Ａの電気抵抗値の変化を温度補償素子３Ｂと他の２抵抗素子とのブリッジ回路にて電圧の変化として取り出し、これを増幅器で増幅しその出力で警報ブザーを鳴動させたり、警報ランプを点滅させたり、外部出力回路を作動させたりするものである。
【０００４】
このような定電圧駆動回路は廉価なブリッジを組んで検出できるので、センサー駆動回路を安く製造できるという長所があるものの、ガス検知素子の変化をブリッジの中間点の差で捕らえるため大きな信号として取り出せず、精度に問題があった。従って定電圧駆動回路は高精度を要求されないものに対しては向いているものの、高精度が要求される測定機器等に対しては問題があった。
【０００５】
とくに、接触燃焼式ガスセンサを高精度なものに使用することにおいては定電圧駆動回路を使用するには限界があった。これに対して、定電流駆動回路はガス検知素子のインピーダンス変化がそのまま電圧の変化となって現れるので、定電圧駆動回路と比べて感度が倍も向上することが分かり、本出願人は最近この定電流駆動回路に着目し、研究・開発・特許出願をしている。本発明はこの定電流駆動回路の改良に関するものである。
【０００６】
図４には、その接触燃焼式ガスセンサー定電流駆動回路の先行従来例が示されている。同図において、直流電源をＥとし、この直流電源Ｅに直列に抵抗ＲU とＲL とを接続し、ＲU を＋電位側（ Upper )抵抗、ＲL を０電位側（ Lower )抵抗としそのＲL とＲU の接続点電位Ｖ１をオペアンプＯＰの非反転入力端子電圧に加える。一方、直流電源の＋電位側からセンサ抵抗ＲS 、トランジスタＴを介して負荷である接触燃焼式ガスセンサーに電流を供給する。接触燃焼式ガスセンサーは温度補償素子Ｒｅｆとガス検知素子Ｓｎｓの直列接続回路となっており、このガス検知素子Ｓｎｓを流れる定電流Ｉc とその時のガス検知素子Ｓｎｓの抵抗分による電圧が基準電圧と比較されて、差があるときオペアンプＯＰ２にて増幅されて次段の警報ブザー吹鳴・表示等が行われる。また、センサ抵抗ＲS の負荷側端子とオペアンプＯＰ１の非反転入力端子とを接続し、オペアンプＯＰ１を負帰還制御としている。
【０００７】
ここで、Ｉc を負荷電流、ＲS をセンサ抵抗、ＶC をセンサ抵抗ＲS の両端電圧、ＶU を直流電源電圧正側−オペアンプ非反転入力端子間電圧、Ｅを直流電源電圧、Ｖ１を抵抗ＲL の両端電圧とすると図４の回路において次式が成立する。
ＶC ＝ＲS ×Ｉc
故に、Ｉc ＝ＶC ／ＲS   ・・・・・・・・・（１）
また、ＶU ＝Ｅ−Ｖ１    ・・・・・・・・・（２）
Ｖ１＝Ｅ×ＲL ／（ＲU ＋ＲL ）・・・（３）
そしてオペアンプは、
ＶC ＝ＶU         ・・・・・・・・・（４）
となるように動作するから、（１）式の右辺に（２）〜（４）式を代入すると、
Ｉc ＝〔Ｅ−｛Ｅ×ＲL ／（ＲU ＋ＲL ）｝〕／ＲS ・・・（５）
となる。（５）式から分かることは、抵抗値ＲU 、ＲL 、ＲS は一定であり、かつ、直流電源電圧Ｅは一定の電圧であるからすべて一定となり、Ｉc が一定となる。すなわち図４によると安定度の高い定電流回路が構成されることが分かる。
【０００８】
ところが、（５）式で直流電源電圧Ｅは一定の電圧であると仮定したから定電流回路が構成されたのであるが、厳密には直流電源電圧Ｅ自体が若干変動することが起こりうる。そうすると肝心の電源電圧Ｅが変動すれば、（５）式よりＩc が変動することとなる。そのためたとえガス検知素子Ｓｎｓに変化がなくても基準電圧との間に差が生じてしまい、オペアンプＯＰ２にて増幅されて次段の警報ブザー吹鳴・表示等が行われる誤動作が起こる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記欠点を解決するためのもので、たとえこのような電源電圧変動があっても、誤動作の起こらない信頼性の高い接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路に係り、直流電源を入力側に設け、接触燃焼式ガスセンサを出力側に設け、その出力の一部を入力側に負帰還制御して成るオペアンプを用いた接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路において、基準電圧素子を前記直流電源プラス端子と前記オペアンプの非反転入力端子との間に接続し、前記接触燃焼式ガスセンサを流れる電流を規制するセンサ抵抗を、前記基準電圧素子と前記直流電源プラス端子との接続点と前記オペアンプの反転入力端子との間に接続し、かつ前記直流電源マイナス端子と前記オペアンプの非反転入力端子との間に抵抗素子を接続したことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明によれば、直流電源を入力側に設け、接触燃焼式ガスセンサを出力側に設け、その出力の一部を入力側に負帰還制御して成るオペアンプを用いた接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路において、基準電圧素子と抵抗素子との直列接続回路を前記直流電源プラス端子とマイナス端子間に接続し、前記基準電圧素子に並列に分圧抵抗を接続し、前記分圧抵抗の中間部分を前記オペアンプの非反転入力端子に接続し、前記接触燃焼式ガスセンサを流れる電流を規制するセンサ抵抗を前記直流電源プラス端子と前記オペアンプの反転入力端子との間に接続したことを特徴している。
【００１１】
このように構成することにより、たとえ電源電圧変動があっても基準電圧素子が定電圧をオペアンプの非反転入力端子に供給するようになるので、誤動作の起こらない信頼性の高い接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施例である図１および図２を用いて本願発明に係る接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路を説明する。まず、図１において、図４と異なっているのは図４では直流電源Ｅに直列に抵抗ＲU とＲL とが接続されているのに対して図１では直流電源Ｅに直列に基準電圧素子Ｚと抵抗ＲL とが接続されている点である。他の点では図１は図４と同じである。すなわち、基準電圧素子Ｚと抵抗ＲL との接続点電位Ｖ１をオペアンプＯＰの非反転入力端子電圧に加え、直流電源Ｅの＋電位側からセンサ抵抗ＲS 、トランジスタＴを介して負荷の接触燃焼式ガスセンサに電流を供給する。またセンサ抵抗ＲS の負荷側端子とオペアンプＯＰ１の非反転入力端子とを接続しオペアンプＯＰ１を負帰還制御としている。
【００１３】
定電圧素子は、通常のツェーナーダイオードでもよいが、できればより温度に対して安定な基準電圧素子を使うのが良い。基準電圧素子とは、英語で Voltage Referense (ボルテージ・レファレンス) と称される素子で、温度に対して安定で最近では５ｐｐｍ／°Ｃというもの（すなわち、温度が１度変わっても１００万分の５しか変化しない素子。）まで出現している。この５ｐｐｍ基準電圧素子は高価であるのでここでは１００ｐｐｍの基準電圧素子を用いているが、基準電圧素子であればこのオーダーのもので十分であることが確認された。
【００１４】
そこで、ＶZ を基準電圧素子両端電圧とし、他は図４と同じく、Ｉc を負荷電流、ＶC をセンサ抵抗ＲS の両端電圧とすると、図１の回路において次式が成立する。
ＶC ＝ＲS ×Ｉc
故に、Ｉc ＝ＶC ／ＲS   ・・・・・・・・・（６）
オペアンプは、ＶC ＝ＶZ となるように動作するから、
Ｉc ＝ＶZ ／ＲS   ・・・・・・・・・（７）
（７）式を見ると、抵抗値ＲS は一定であり、かつ、ＶZ は上述した高安定な基準電圧素子Ｚによる定電圧であるから、Ｉc が一定となる。すなわち、図１によると安定度の高い定電流回路が構成されることが分かる。
【００１５】
図２は図１を更に改良した本願発明に係る接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路である。図２において、図１と異なっているのは図１では直流電源Ｅに直列に基準電圧素子Ｚと抵抗ＲL とが接続されているのに対して、図２では基準電圧素子Ｚに並列に分圧抵抗ＲU 、ＲV 、ＲL を接続し、その分圧抵抗の中間抵抗ＲV を中間タップ付き可変抵抗とし、その中間タップとオペアンプＯＰ１の非反転入力端子とを接続するものである。その他の点では図２は図１と同じである。
【００１６】
図２において、基準電圧素子Ｚに並列に分圧抵抗ＲU 、ＲV 、ＲL を接続し、その分圧抵抗の中間抵抗ＲV を中間タップ付き可変抵抗としその中間タップの値をオペアンプＯＰ１の非反転入力としたのは、基準電圧素子Ｚのバラツキを中間タップを調整することにより吸収するためである。接触燃焼式ガスセンサを単独で用いるときには必要ないが、複数個用いる場合には、この中間タップを調整することにより接触燃焼式ガスセンサ相互の出力を揃えることができる。
【００１７】
ここで、中間タップ付き可変抵抗値ＲV を中間タップの上下に分け、ＲVUを中間タップ付き可変抵抗のプラス電位側抵抗値とし、ＲVLを中間タップ付き可変抵抗の０電位側抵抗値とし、ＶU を直流電源電圧プラス側−オペアンプ非反転入力端子間電圧とし、他は図１と同じくＩc を負荷電流、ＶZ を基準電圧素子両端電圧、ＶC をセンサ抵抗両端電圧、とすると、図２の回路において、次式が成立する。
ＶC ＝ＲS ×Ｉc
故に、Ｉc ＝ＶC ／ＲS   ・・・・・・・・・（８）
また、
ＶU ＝〔（ＲU ＋ＲVU )／（ＲU ＋ＲVU  ＋ＲVL  ＋ＲL ）〕×ＶZ ・・・・・・・・・・・・（９）
そしてオペアンプは、
ＶC ＝ＶU         ・・・・・・・・（１０）
となるように動作するから（８）式の右辺に（９）と（１０）式を代入すると、
Ｉc ＝〔（ＲU ＋ＲVU )／（ＲU ＋ＲVU  ＋ＲVL  ＋ＲL ）〕×ＶZ ／ＲS ・・・・・・・・・・・（１１）
（１１）式を見ると、抵抗値ＲU 、ＲVU、ＲVL、ＲL 、ＲS は一定であり、かつ、ＶZ は高安定な基準電圧素子Ｚによる定電圧であるから、すべて一定となり、Ｉc が一定となる。すなわち、図２によると、たとえ直流電源電圧Ｅに変動が生じても、もはやＩc は直流電源電圧Ｅの関数ではないので直流電源電圧Ｅに影響されなくなり、安定度の高い定電流回路が構成されることが分かる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、接触燃焼式ガスセンサを高精度が必要とされる用途に用いようとする時、ガス検知素子の変化をブリッジの中間点の差で捕らえた精度の落ちる定電圧駆動回路と違って検知素子のインピーダンス変化がそのまま電圧の変化となって現れる定電流駆動回路を用いた方が有利である。そしてその場合、基準電圧素子が定電圧をオペアンプの非反転入力端子に供給するようになっているので、たとえ電源電圧変動があっても誤動作の起こらない信頼性の高い接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路を提供することができることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施例である接触燃焼式ガスセンサ定電流駆動回路。
【図２】図２は図１を改良した本願発明の第２実施例。
【図３】接触燃焼式センサーのガス検知素子。
【図４】接触燃焼式ガスセンサー定電流駆動回路の先行従来例。
【符号の説明】
３    素子
３Ａ  ガス検知素子
３Ｂ  温度補償素子
３１  白金線コイル
３２  ステム
３３  混合触媒
３４  ステンレスネット
３５  ステンレスネットシールキャップ
Ｅ    直流電源電圧
ＲU   ＋電位側抵抗
ＲL   ０電位側抵抗
ＲS   センサ抵抗
ＲV   中間タップ付き可変抵抗
ＲVU  中間タップ付き可変抵抗の＋電位側抵抗値
ＲVL  中間タップ付き可変抵抗の０電位側抵抗値
ＲB   バイアス抵抗
Ｔ    トランジスタ
Ｒｅｆ  温度補償素子
Ｓｎｓ  ガス検知素子
Ｉc     負荷電流
ＯＰ１  オペアンプ
ＯＰ２  オペアンプ
Ｚ      基準電圧素子
ＶZ     基準電圧素子両端電圧
ＶC     センサ抵抗両端電圧
ＶU     直流電源電圧＋側−オペアンプ非反転入力端子間電圧
Ｖ１    ＲL 両端電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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