(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、
前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離するバンドパスフィルタにより、混合ガス中で監視ガスの有無を検知することを特徴としたガスセンサシステム。
【請求項２】
弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、
前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離する短時間フーリエ変換処理により、混合ガス中で監視ガスの有無を検知することを特徴としたガスセンサシステム。
【請求項３】
弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、
前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離するウェーブレット変換処理により、混合ガス中で監視ガスの有無を検知することを特徴としたガスセンサシステム。
【請求項４】
弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、
複数個の弾性表面波デバイスの各出力を特定のガス種に対しての感度特性を分離するバンドパスフィルタにて処理した後、判別回路で監視ガスの有無を判別処理することを特徴としたガスセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、雰囲気中にガスが存在することを検知するガスセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来の水素ガスセンサ（特開平２−３５３５２号公報）の一例を説明するための図で、図中、１はガスセンサの主要部をなす圧電体基板、２はこの圧電体基板１の表面の一方の側に設けられた櫛型振動電極、３はこの櫛型電極２に対向して圧電体基板１の表面の他方の側に設けられた櫛型受信電極、４はこれら両電極２，３間の圧電体基板１の表面を被覆した水素ガス吸蔵合金薄膜、５は入力端子、６は出力端子である。
【０００３】
図７において、大気中において、櫛型励振電極２に連なった入力端子６よりインパルス電圧を印加すると、櫛型励振電極２は、圧電効果により隣り合う電極間に互いに逆位相の歪みが生じ、弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）が励起される。この弾性表面波ＳＡＷは基板１の表面を伝播し、櫛型受信電極３に到達して電気エネルギーに変換され、出力端子６から高周波出力として取り出される。
このように動作しているセンサーを水素１％、空気９９％で構成された被検ガス中に投入すると、水素吸蔵合金薄膜４は水素を吸収して発熱するため、弾性表面波ＳＡＷの伝播部が温度上昇し、弾性表面波ＳＡＷの伝播速度が変化し、出力端子６の高周波出力の周波数が変化するので、この周波数の変化より水素ガスの存在を検知することができる。
【０００４】
しかし、図７に示した構成では出力端子６での出力周波数変化の検知は比較的手数が掛かるので、検知周波数の変化をより識別しやすくするために、図８に示すように櫛型励振電極２と櫛型受信電極３との間に帰還増幅回路７を設け、受信電極３で受信した信号をこの帰還増幅回路７で増幅して、再び櫛型励振電極２に帰還することによって発振回路を構成することが提案されている。
この場合にも、上述のように、被検ガス中の水素ガスが水素吸蔵合金薄膜４と反応して発熱し、弾性表面波ＳＡＷの伝播路の温度が上昇し、そのため、弾性表面波ＳＡＷの伝播速度が変化するが、その際、位相条件が変化して発振回路の発振条件が変化し、発振周波数が変化する。この発振周波数は、発振出力端子８から出力されるが、この発振回路の出力の発振周波数の帯域は図７に示した構成のものより狭いため、出力の発振周波数変化が識別しやすい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
而して、上記ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ：弾性表面波）デバイスを用いた水素ガスセンサでは、出力端子からの周波数、もしくは、増幅器を通しての周波数を検出している。このような手法ではガス以外の出力周波数が混在しており、故意に増幅器を通して発信回路を形成しないと周波数変化を検出しにくいという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、ガスセンサから出力される周波数を、増幅器を使用しすることなく、（１）バンドパスフィルタで処理し、或いは、（２）短時間フーリエ変換で処理し、或いは、（３）ウェーブレット変換で処理し、或いは、（４）複数個の弾性表面波デバイスを組み合わせ、各出力をバンドパスフィルタにて処理することを目的としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、（１）弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離するバンドパスフィルタにより、混合ガス中で監視ガスの有無を検知すること、或いは、（２）弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離する短時間フーリエ変換処理により、混合ガス中で監視ガスの有無を検知すること、或いは、（３）弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、前記弾性表面波デバイスを複数個設け、該複数個の弾性表面波デバイスの出力を一つにまとめたのち、特定のガス種に対しての感度特性を分離するウェーブレット変換処理により、混合ガス中で監視ガスの有無を検知すること、或いは、（４）弾性表面波を伝播させる圧電体基板上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極と、該電極から上記圧電体基板表面を伝播してくる弾性表面波を受信する櫛型受信電極とを有し、これら両電極間の上記圧電基板表面の少なくとも一部をガス吸着体で被覆してなる弾性表面波デバイスを用いたガスセンサシステムにおいて、複数個の弾性表面波デバイスの各出力を特定のガス種に対しての感度特性を分離するバンドパスフィルタにて処理した後、判別回路で監視ガスの有無を判別処理すること、更には、前記（１）乃至（４）において、（５）一酸化炭素に対するガス吸着体をポリスチレン−塩化銅（Ｉ）アルミニウム錯体としたこと、或いは、（６）エチレンに対するガス吸着体を銀（Ｉ）−ゼオライト系としたこと、或いは、（７）一酸化室素に対するガス吸着体を合成ジャロサイトＭｇＦｅ3(ＳＯ4)2(ＯＨ)6、または、含水酸素化鉄（III）ＦｅＯＯＨ、もしくは、イミノニ酢酸残基をもつキレート樹脂に固定した鉄（II）錯体としたこと、或いは、（８）酸素に対するガス吸着体を高分子−鉄（II）錯体もしくは高分子−コバルト（II）としたこと、或いは、（９）水素に対するガス吸着体を水素吸蔵合金としたことを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】
センサ部にＳＡＷデバイスを用いて、被検ガス中のガスとガス吸着体との選択的な吸着反応によって生じる出力周波数変化をバンドパスフィルタを用いて、或いは、短時間フーリエ変換にて、或いはウェーブレット変換に検知し、もって、従来の半導体式や接触式ガスセンサのように駆動温度を数百度に上げることなくガス検出を簡便にできるようにするとともに、熱によるセンサの感度低下を少なくして長寿命化を図る。
【０００９】
【実施例】
図１は、本発明の実施に使用するＳＡＷデバイス１０の概略を示す図で、図中、１１はガスセンサの主要部である圧電体基板である。この基板１１には結合係数が大きく、伝播速度、遅延時間温度係数、伝播損失が小さく、高周波に対し信頼性の高いものが望ましい。例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等が挙げられる。１２はこの圧電体基板１１上に設けられた櫛型励振電極、１３はこの櫛型励振電極１２に対向して圧電体基板１１上に設けられた櫛型受信電極である。１４はこれらの櫛型電極１２，１３に挟まれたガス吸着体で、やはり圧電体基板１１上に設けられている。例えば、一酸化窒素の吸着体はイミノ二酢酸残基に鉄（ＩＩ）を担持させる。ただし、鉄（ＩＩ）イオンを固定化した後乾燥する前に上澄みを除去し、樹脂部をエタノールで洗浄して調整しなくては、一酸化窒素を吸着しない。
【００１０】
以上のようなデバイスを一酸化窒素１ｃｃｍ、水素２ｃｃｍの雰囲気中に投入し、入力端子１５に高周波ｆを印加すると、圧電体表面には弾性表面波ｆが伝播する。ガス吸着体１４は一酸化窒素を吸着するために質量が増大し、弾性表面波の伝播速度が変化することにより、出力端子１６の高周波出力の周波数が変化する（Δｆλ＝Δｖ）、一方、このデバイスを水素１ｃｃｍの雰囲気中に置いても、ガス吸着体１４が水素と反応しないため、出力端子１６の高周波周波数は変化しない。
【００１１】
なお、ガス吸着体として、例えば、一酸化炭素に対するガス吸着体としては、ポリスチレン−塩化銅（Ｉ）アルミニウム錯体を用い、エチレンに対するガス吸着体としては、銀（Ｉ）−ゼオライト系を用い、一酸化窒素に対するガス吸着体としては、合成ジャロサイトＭｇＦｅ３（ＳＯ４）２（ＯＨ）６、または、含水酸化鉄（ＩＩＩ）ＦｅＯＯＨ、もしくは、イミノ二酢酸残基をもつキレート樹脂に固定した鉄（ＩＩ）錯体を用い、酸素に対するガス吸着体としては、高分子−鉄（ＩＩ）錯体もしくは高分子−コバルト（ＩＩ）錯体を用い、水素に対するガス吸着体としては、水素吸蔵合金を用いる。
【００１２】
実施例１（請求項１に対応）
図２は、本発明の第１の実施例（請求項１に対応）、すなわち、弾性表面波を伝播させる圧電体基板１１上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極１２とその電極１２から上記圧電体基板１１表面を伝播してくる弾性表面波ＳＡＷを受信する櫛型受信電極１３とを有し、これら両電極間１２，１３の上記圧電基板１１表面の少なくとも一部をガス吸着体１４で被覆してなるＳＡＷデバイス１０において、前記受信電極１３の出力をバンドパスフィルタ１７で処理し、ＳＡＷデバイス１０が複数個（１０１〜１０ｎ）の場合は各ＳＡＷデバイスの出力を１つにまとめたのちバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１７で処理するようにしたものである。
【００１３】
而して、この実施例１では、それぞれのＳＡＷデバイス１０１〜１０ｎは、一酸化炭素、一酸化窒素、酸素、水素に対し選択的に感度を有する。１つにまとめた出力周波数をバンドパスフィルタ１７にてある決められた周波数帯域のみを検出することで、監視ガス（この場合は、一酸化炭素、一酸化窒素、酸素、水素）の検出が出来る。但し、各ガスがＳＡＷデバイスに吸着した時の出力周波数帯域が該ＢＰＦ１７に対応する帯域に適するようなＳＡＷデバイスでなくてはならない。
【００１４】
実施例２（請求項２に対応）
図３は、本発明の第２の実施例（請求項２に対応）、すなわち、弾性表面波を伝播させる圧電体基板１１上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極１２とその電極１２から上記圧電体基板１１表面を伝播してくる弾性表面波ＳＡＷを受信する櫛型受信電極１３とを有し、これら両電極間１２，１３の上記圧電基板１１表面の少なくとも一部をガス吸着体１４で被覆してなるＳＡＷデバイス１０において、前記受信電極１３の出力を短時間フーリエ変換器１８にて処理し、ＳＡＷデバイス１０が複数個（１０１〜１０ｎ）の場合は、各ＳＡＷデバイスの出力を１つにまとめたのち短時間フーリエ変換器１８で処理するようにしたものである。
【００１５】
而して、この実施例２では、それぞれのデバイス１０１〜１０ｎは、一酸化炭素、エチレン、一酸化窒素、酸素、水素に対し選択的に感度を有する。１つにまとめた出力周波数を短時間フーリエ変換器１８にて周波数分析を行うことで、周波数変化が検出され、ガス種の同定が出来る。このように、フーリエ変換では周期関数（正弦波）を基本関数としてデータを展開し、周波数分析を行うので、ノイズ等が含まれていても従来のように増幅器を使わずに、周波数成分とその強度を分離することで、ガス検知が正確に出来る。また、前記実施例１バンドパスフフィルタのように周波数帯域が限定されず、あらゆる帯域の分析が可能である。
【００１６】
実施例３（請求項３に対応）
図４は、本発明の第３の実施例（請求項３に対応）、すなわち、弾性表面波を伝播させる圧電体基板１１上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極１２とその電極１２から上記圧電体基板１１表面を伝播してくる弾性表面波ＳＡＷを受信する櫛型受信電極１３とを有し、これら両電極間１２，１３の上記圧電基板１１表面の少なくとも一部をガス吸着体１４で被覆してなるＳＡＷデバイス１０において、前記受信電極１３の出力をウェーブレット変換器１９にて処理し、ＳＡＷデバイス１０が複数個（１０１〜１０ｎ）の場合は各ＳＡＷデバイスの出力を１つにまとめたのちウェーブレット変換器１９で処理するようにしたものである。
【００１７】
而して、この実施例３によると、それぞれのデバイス１０１〜１０ｎは一酸化炭素、エチレン、一酸化窒素に対し選択的に感度を有する。１つにまとめた出力周波数をウォーブレット変換器１９で時間周波数分析を行うことで、各時間における周波数変化が検出され、ガス種が何時に発生したかがわかる。
この実施例のように、ウェーブレット変換を用いる方式では、図５にフーリエ変換（ａ）とウェーブレット変換（ｂ）を比較して示すように、基本関数に時間的・周波数的に局在する関数を使用するため、周波数を解析する際に基本関数を時間軸に沿って拡大することで低周波成分を縮小して高周波成分を検出することができ、変化を起こった時間や位置は基本関数を時間軸に平行移動することで解析することができる。従来の方法やバンドパスフィルタ、フーリエ変換では周波数の時間的推移を分析することは不可能であったが、このウェーブレット変換を用いることにより、出力信号の時間周波分析が可能になり、短時間フーリエ変換と比較して、時間分解能と周波数分解を析衷することが出来る。また、出力される波形の中の不連続波形を検出する能力が高いという特徴をもつために、フーリエ変換では出来なかった突発的な異常信号の除去を可能である。
【００１８】
実施例４（請求項４に対応）
図６は、本発明の第４の実施例（請求項４に対応）、すなわち、弾性表面波を伝播させる圧電体基板１１上に、弾性表面波を励振する櫛型振動電極１２とその電極１２から上記圧電体基板１１表面を伝播してくる弾性表面波ＳＡＷを受信する櫛型受信電極１３とを設けると共に、これら両電極間１２，１３の上記圧電基板１１表面の少なくとも一部をガス吸着体１４を被覆してなるＳＡＷデバイス１０において、複数個のＳＡＷデバイス（１０１〜１０ｎ）を組合せ、各出力をバンドパスフィルタ２１１〜２１ｎにて処理した後、ＯＲ回路２２を通して判別処理するようにしたものである。
【００１９】
而して、この実施例４によると、それぞれのデバイス１０１〜１０ｎは、一酸化炭素、エチレン、一酸化窒素、酸素、水素に対し選択的に感度を有する。バンドパスフィルタ２１１〜２１ｎからの出力を１つにまとめ、判別処理にＯＲ回路２２を用いることで、監視ガス（この場合は、一酸化炭素、エチレン、一酸化窒素、酸素、水素）の検出が出来る。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、センサ部にＳＡＷデバイスを用いることにより、被検ガス中のガスとガス吸着体との選択的な吸着反応によって生じる出力周波数変化で検知することが出来るため、従来の半導体式や接触式ガスセンサのように駆動温度を数百度に上げることなく検出が可能となり、熱によるセンサの感度低下が少ないために長寿命化が図れる。また、ＳＡＷデバイスのそれぞれのガス種に対応した吸着体にすることにより、それぞれ固有のガス種が検出できる。
請求項１，４に対応する効果：出力周波数をバンドパスフィルタを用いることにより、ある決められた周波数帯域を簡単に取り出せ、ガスを選択的に検出出来る。また、請求項４では、各ガスを選択的に吸着するガス吸着体をもつＳＡＷデバイスを組み合わせ、バンドパスフィルタで検出した出力を判別回路で処理することにより、監視ガスの有無を簡便に、かつ明確に出来る。
請求項２に対応する効果：出力周波数を短時間フーリエ変換処理することにより、周波数分解が出来る。設置環境が安定したところにおいては、周波数変動が大きくないので、固有の周期で取り込む、本処理方法が簡便で有効である。また、ガスを選択的に吸着するガス吸着体をもつＳＡＷデバイスを組み合わせることにより、混合ガス中の検出が簡便に出来る。
請求項３に対応する効果：出力周波数をウェーブレット変換で時間周波数分析することにより、ノイズ等の異常波形と分離出来、より信頼性が高く、しかもセンサ出力の時間的推移が見られる。また、各ガスを選択的に吸着するガス吸着体をもつＳＡＷデバイスを組み合わせ、混合ガス中の検出が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるＳＡＷデバイスの一例を説明するための斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例を説明するための要部構成図である。
【図３】本発明の第２の実施例を説明するための要部構成図である。
【図４】本発明の第３の実施例を説明するための要部構成図である。
【図５】フーリエ変換とウェーブレット変換の例を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施例を説明するための要部構成図である。
【図７】従来のＳＡＷデバイスの一例を説明するための斜視図である。
【図８】従来のＳＡＷデバイスの一例を説明するための図である。
【符号の説明】
１０，１０１〜１０ｎ…ＳＡＷデバイス、１１…圧電体基板、１２…励振電極、１３…受信電極、１４…ガス吸着体、１５…入力端子、１６…出力端子、１７…バンドパスフィルタ、１８…短時間フーリエ変換器、１９…ウェーブレット変換器、２１１〜２１ｎ…バンドパスフィルタ、２２…ＯＲ回路。
【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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