(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン化された被測定対象ガスのイオンを検出する少なくとも１対のイオン検出電極と、 
前記イオン検出電極に対して所定の電圧を印加する電圧極性が反転可能に構成された電極印加手段と、 
前記電極印加手段による電圧の印加により生じる電荷を蓄積するチャージ用コンデンサを備えるチャージアンプ回路と、 
前記チャージアンプ回路のチャージ用コンデンサに蓄積される電荷量の時間的変化に基づいて、前記被測定対象ガスのイオンのイオン電流値を算出するイオン電流算出手段と、 
前記イオン電流算出手段により算出されたイオン電流値から、前記被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定手段と、 
前記チャージアンプ回路のチャージ用コンデンサに蓄積されている電荷量に応じて、前記電極印加手段の極性を反転させる電圧極性制御手段と、 
を有することを特徴とするイオン化ガス検出器。
【請求項２】
前記イオン検出電極と、前記チャージアンプ回路の入力側との間に、
電圧極性が反転可能に構成された前記電極印加手段と電圧極性が異なる電圧印加手段と、
前記電圧印加手段による電圧の印加により生じる電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、
を有する回路が接続され、且つ、
前記電圧極性制御手段により前記電極印加手段の極性が反転された際に、前記電圧印加手段の電圧極性を反転させ、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を前記イオン検出電極に向けて放電させる電圧極性反転手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載のイオン化ガス検出器。
【請求項３】
前記イオン検出電極は絶縁被覆されていることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン化ガス検出器。
【請求項４】
イオン化された被測定対象ガスのイオンを所定電圧が印加されたイオン検出用の電極により検出するイオン検出工程と、
前記イオン検出用の電極に検出されたイオンにより生じる電荷をチャージ用コンデンサに蓄積する電荷蓄積工程と、
前記蓄積される電荷量の時間的変化に基づいて前記被測定対象ガスのイオン電流値を算出するイオン電流値算出工程と、
前記イオン電流値算出工程により算出されるイオン電流値から、前記被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定工程と、
前記電荷蓄積工程により蓄積される電荷量に応じて、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性を反転させる電圧極性反転工程と、
を含むことを特徴とするイオン化ガス検出方法。
【請求項５】
前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性と異なる電圧を印加することにより生じる電荷を予め電荷蓄積手段に蓄積する予備電荷蓄積工程と、
前記電圧極性反転工程により、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性が反転された際に、前記予備電荷蓄積工程において蓄積した電荷を前記イオン検出用の電極に向けて放電させる電荷放電工程と、
を含むことを特徴とする請求項４記載のイオン化ガス検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン化された被測定対象ガスを検出するイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法であって、特に、構成中にコンデンサを備えたチャージアンプを組み込ませるとともに、当該コンデンサに電荷を蓄積させ、その電荷量の時間的変化量に基づいて被測定対象ガスの濃度を特定することが可能なイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、測定対象ガスの濃度を測定するために、例えば、Photo Ionization Detector（以下、ＰＩＤとする）といったものが用いられている。このＰＩＤの測定原理は、一対の印加電極が配置された装置内に測定対象のガスを誘導し、短波長のＵＶを照射することで、ガスをイオン化させ、そのイオンを印加電極で捕捉することにより、濃度と相関のある検出電流を測定し、その電流値を濃度に換算することで、揮発性有機物等の濃度を測定するというものである。【０００３】
そして、ＰＩＤ５０は、図１０に一例として示すように、被測定対象ガスが導入及び排出される検出室５２と、検出室５２内に設けられた１対の電極５４と、電極５４に直流電圧を印加する印加回路５６と、検出室５４内の測定流体（ＦＬ）にＵＶを照射するＵＶランプユニット５８と、電極５４を流れる電流を測定する測定回路６０と、更に、電流値から被測定対象ガスの濃度へと換算するための計算を行う計算装置６２などから構成されている。【０００４】
この従来のＰＩＤ５０では、被測定対象ガスは、検出室５２に導入されてＵＶランプユニット５８によるＵＶ照射後、検出室５２から排出される構成となっているが、検出室５２に導入された被測定対象ガスが、検出室５２の側壁部に設けられたＵＶランプユニット５８から照射されるＵＶによってイオン化され、このイオン又は電子が、検出室５２に設けられている直流電圧が印加された電極５４に引き寄せられて捕捉されることにより、回路内に電流が生じることになる。【０００５】
そして、この電流を測定回路６０によって測定し、更に、計算装置６２により、当該電流値に対して物質毎（被測定対象ガスの物質）の係数を乗じることで、被測定対象ガスの濃度が出力されるというものである。このようなＰＩＤは、多くの被測定対象ガスに対して感度があるため、被測定対象ガスの測定に有効な手段であり、その装置自体も大型ではないため、簡易に被測定対象ガスを測定でき、非常に有用なものであるとされる。【０００６】
しかし、上述の従来のＰＩＤは、電流の流れる方向が一定であるため、長時間使用すると、２つの直流電圧が印加された電極のうち、一方の電極に金属電極表面に絶縁物等のコンタミネーションが蓄積し、イオン化した被測定対象ガスの電極への到達が阻害されることから、電流の流れが妨げられ、正確な電流値を測定することができなくなり、被測定対象ガスの測定感度が低下してしまう。また、金属電極が汚染物質で覆われた場合は、測定感度を失い、ＰＩＤとしての機能が果たせなくなるといった問題が指摘されていた。【０００７】
そこで、例えば、特許文献１には、測定流体中の揮発性有機化合物を検出する検出電極と、該検出電極に交流電圧又は交流電流を印加する印加手段と、前記測定流体中の揮発性有機化合物をイオン化するために測定流体に紫外線を照射するＵＶランプと、該ＵＶランプを励起するための励起回路と、前記検出電極に流れる電流又は電圧を測定する測定手段とを有する揮発性有機化合物の光イオン検出器が開示されている。【０００８】
この技術によると、検出電極に交流電圧又は交流電流を印加する構成となっていることから、印加された電極における電流が、イオン電流のみでなく、検出電極そのものがコンデンサとして働くことによっても生じることになり、そして、イオン化された揮発性有機化合物により検出電極の誘電損失が変わるため、コンデンサに蓄積される電荷量が変わり、それによる電流値の変化を測定することが可能となる。従って、検出電極にコンタミネーションが蓄積しても、電極に交流を印加すること測定感度を失うことを防止することができるとされている。また、交流電圧又は交流電流の印加の場合は、２つの検出電極のうち、一方の検出電極にコンタミネーションが蓄積しても、他方の電極でイオン化した揮発性有機化合物を捕捉可能であるため、速度感度の低下を防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２５６１６５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述の従来のＰＩＤは、直流電圧の印加方式により被測定対象ガスを検出するもので、これは、イオン雰囲気中に電極を設け、電極間に電圧をかけることにより、イオン電流を発生させ、その電流を検波するという理論によるものであるが、通常、電極間に流れるイオン電流は、微小であるため、その微小電流を直流増幅回路により増幅させ、イオン電流の計測を行っているが、増幅回路のドリフト現象が、イオン電流の計測に影響を及ぼすことが多いとされている。【００１１】
また、直流印加方式によるＰＩＤでは、イオンを電極で捕捉するため、イオン化したガスが直接電極に触れることになり、電極自体が腐食することや、電極に汚れが堆積する可能性が少なからずあり、こうした状況下では、電極間のイオン電流の検出感度が落ちるという問題が生じてしまう。【００１２】
またさらに、特許文献１に開示されている技術は、電極間に交流電界を発生させる方式であるため、電極が絶縁されていても電極間に流れるイオン電流を検波することができるため、電極の汚れや腐食に強いが、電極間の寄生容量成分が大きい場合、微小なイオン電流に対し、電極間の寄生容量に起因する電流の方が大きくなってしまうため、イオン電流を検出することが困難であり、測定感度が下がってしまう。また、微小なイオン電流を検波するため、同期検波等の装置が必要になり、装置そのものが大がかりなものとなってしまう。【００１３】
本発明が解決しようとしている課題は、上述の問題に対応するためのもので、簡易な構造でイオン電流を検波することで、イオンの極性別にイオン電流を測定し、被測定ガスの濃度を検出するものであって、直流印加方式による直流ドリフトの影響を受けず、たとえ、電極が汚染されても（絶縁電極を用いても）検出感度を損なうことがなく、さらに、電極間の寄生容量の影響をも無くすことが可能なイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を講じている。  即ち、請求項１記載の発明は、イオン化された被測定対象ガスのイオンを検出する少なくとも１対のイオン検出電極と、前記イオン検出電極に対して所定の電圧を印加する電圧極性が反転可能に構成された電極印加手段と、前記電極印加手段による電圧の印加により生じる電荷を蓄積するチャージ用コンデンサを備えるチャージアンプ回路と、前記チャージアンプ回路のチャージ用コンデンサに蓄積される電荷量の時間的変化に基づいて、前記被測定対象ガスのイオンのイオン電流値を算出するイオン電流算出手段と、前記イオン電流算出手段により算出されたイオン電流値から、前記被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定手段と、前記チャージアンプ回路のチャージ用コンデンサに蓄積されている電荷量に応じて、前記電極印加手段の極性を反転させる電圧極性制御手段とを有することを特徴とするイオン化ガス検出器である。 
【００１５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のイオン化ガス検出器であって、前記イオン検出電極と、前記チャージアンプ回路の入力側との間に、電圧極性が反転可能に構成された前記電極印加手段と電圧極性が異なる電圧印加手段と、前記電圧印加手段による電圧の印加により生じる電荷を蓄積する電荷蓄積手段とを有する回路が接続され、且つ、前記電圧極性制御手段により前記電極印加手段の極性が反転された際に、前記電圧印加手段の電圧極性を反転させ、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を前記イオン検出電極に向けて放電させる電圧極性反転手段が設けられていることを特徴としている。さらに、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のイオン化ガス検出器であって、前記イオン検出電極は絶縁被覆されていることを特徴としている。【００１６】
さらに、請求項４記載の発明は、イオン化された被測定対象ガスのイオンを所定電圧が印加されたイオン検出用の電極により検出するイオン検出工程と、前記イオン検出用の電極に検出されたイオンにより生じる電荷をチャージ用コンデンサに蓄積する電荷蓄積工程と、前記蓄積される電荷量の時間的変化に基づいて前記被測定対象ガスのイオン電流値を算出するイオン電流値算出工程と、前記イオン電流値算出工程により算出されるイオン電流値から、前記被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定工程と、前記電荷蓄積工程により蓄積される電荷量に応じて、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性を反転させる電圧極性反転工程とを含むことを特徴とするイオン化ガス検出方法である。 
【００１７】
そして、請求項５記載の発明は、請求項４記載のイオン化ガス検出方法であって、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性と異なる電圧を印加することにより生じる電荷を予め電荷蓄積手段に蓄積する予備電荷蓄積工程と、前記電圧極性反転工程により、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性が反転された際に、前記予備電荷蓄積工程において蓄積した電荷を前記イオン検出用の電極に向けて放電させる電荷放電工程とを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法によれば、直流印加方式による検出と比して、温度ドリフト等の直流ドリフトの影響が少なく、また、電極が汚染されても（絶縁電極を用いても）、高い検出感度が得られ、さらに、電圧極性を反転させることが可能であることから、プラスイオンとマイナスイオンの測定を連続的に行うことができる。そして、電極間の寄生容量の影響も無くすことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は検出器の構成回路の一例を表した図で、（ｂ）は電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表した一例図である。
【図２】本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は図１における電圧極性を反転させた際の検出器の回路構成の一例を表した図で、（ｂ）は電圧極性の反転前後における、電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表した一例図である。
【図３】本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態において、イオン化された揮発性有機物であるトルエン（１０ｐｐｍ）を検出させた際の出力電圧と時間の関係を明らかにした実験結果を示したグラフである。
【図４】本発明に係るイオン化ガス検出器の第２の実施形態における検出器の回路構成の一例を示した図である。
【図５】イオン検出電極中の電界とイオン電流の関係を示した一例図である。
【図６】イオン検出電極の表面を絶縁した場合の一例を示した模式図である。
【図７】絶縁膜による絶縁電極の容量を２Ｃ、イオン雰囲気中のイオンの移動を抵抗Ｒとして表した場合の等価回路の一例を示した図である。
【図８】電圧極性の反転による電荷の移動と出力の応答の関係について表した一例で、（ａ）は検出器の回路構成の一例を示した図で、（ｂ）は出力応答の関係の一例を示したグラフである。
【図９】補償用回路を接続した場合の電圧極性の反転による電荷の移動と出力の応答の関係について表した一例で、（ａ）は検出器の回路構成の一例を示した図で、（ｂ）は出力応答の関係の一例を示したグラフである。
【図１０】従来のＰＩＤの構成の一例を示した模式図である。
【図１１】本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態において、オペアンプからの出力電圧値の変化をオシロスコープにより測定した実験結果を示したグラフである。
【図１２】本発明に係るイオン化ガス検出器の第２の実施形態において、オペアンプからの出力電圧値の変化をオシロスコープにより測定した実験結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態における検出器の構成の一例を示した図で、（ａ）は検出器の回路構成の一例を表した図、（ｂ）は電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表している。さらに、図２は、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は図１における電圧極性を反転させた際の検出器の回路構成の一例を表した図で、（ｂ）は電圧極性の反転前後における、電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表している。また、１０はイオン化ガス検出器、１２はイオン検出電極、１４は電極印加手段、１６はチャージアンプ回路、１８はチャージ用コンデンサ、２０はオペアンプ、２２はイオン電流算出手段、２４は濃度判定手段、２６は電圧極性制御手段を示している。
【００２１】
まず、図１（ａ）に示すように、イオン化ガス検出器１０には、流入されてくるイオン化された被測定対象ガスのイオンを検出するイオン検出電極１２と、イオン検出電極１２に対して電圧を印加する電圧極性が反転可能に構成されている電極印加手段１４が設けられており、さらに、イオン検出電極１２に電圧を印加することによって生じる電荷をチャージするチャージ用コンデンサ１８及びオペアンプ２０を有するチャージアンプ回路１６が設けられている。なお、イオン検出電極１２は、絶縁被覆されたものを用いても良い。
【００２２】
そして、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷量に応じて、電極印加手段１４の電圧極性を反転させる電圧極性制御手段２６、また、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷量の時間的変化（オペアンプ２０の出力電圧値の時間的変化）から、イオン電流の値を算出するイオン電流算出手段２２と、そのイオン電流の値から被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定手段２４が設けられている。
【００２３】
続いて、イオン化された被測定対象ガスを検出する流れについて説明する。まず、イオン化された被測定対象ガスのイオンは、電極印加手段１４によって所定の電圧が印加されたイオン検出電極１２により捕捉される。そして、イオン検出電極１２によりイオンが捕捉されると、イオン検出電極１２に電流が生じ、それにより、チャージアンプ回路１６のチャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていく。
【００２４】
そして、図１（ｂ）に示すように、チャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていくにつれ、オペアンプ２０の出力電圧値が徐々に減少していくことになる。なお、オペアンプ２０には、ＣＭＯＳオペアンプ等のバイアス電流が小さいもの（数百ｆＡ程度）を使用することが好ましい。
【００２５】
チャージ用コンデンサ１８にコンデンサ容量の小さいものを使用すれば、微小なイオン電流で大きな出力電圧を得ることが可能となり、例えば、電極間電圧Ｖを１００（Ｖ）、電極間のイオンによる抵抗Ｒを１０Ｇ（Ω）、チャージ用コンデンサ容量Ｃを１００（ｐＦ）のものを使用すると、次式の通り出力電圧値を得ることができる。
【００２６】
【数１】
0006017431.tif 000002
【００２７】
上記の式では、電荷のチャージ開始から１ｍ秒後に０．１Ｖ、そして、２ｍ秒後には、０．２Ｖと、時間の経過により出力電圧値が変化していくことになる。このような構成となっているため、簡便な方法でイオン電流を検波することができるわけである。
【００２８】
続いて、イオン電流により、チャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされ続けると、オペアンプ２０のサチュレーションが起こってしまうため、チャージ用コンデンサ１８の電荷を所定のタイミングで放電させる必要がある。通常は、チャージ用コンデンサの電荷を放電させるために、チャージ用コンデンサの両端にスイッチ等を設けるが、このスイッチ等を設けると、イオン電流を継続的に計測することができないという問題が生じてしまう。
【００２９】
そのため、本発明は、本実施形態にあるように、チャージ用コンデンサ１８にある程度の電荷がチャージされた時点で、イオン検出電極１２にかける電圧の極性を反転させる構成を採っている。電圧の極性を反転させることにより、イオン検出電極１２間のイオン電流が逆向きに流れ、チャージ用コンデンサ１８の電荷を放電させることができるわけである。
【００３０】
つまり、電圧極性制御手段２６が、オペアンプ２０の出力電圧の値を計測することによりチャージ用コンデンサ１８にチャージされていく電荷量を把握し、所定の電荷量に達した時点で、電極印加手段１４の電圧極性を反転させるよう制御するというものである。
【００３１】
電圧極性制御手段２６により、電極印加手段１４の電圧極性が反転されると、図２（ａ）に示すように、チャージ用コンデンサ１８から蓄積されていた電荷が電極間のイオン化ガス（プラスイオン）により放電されることになる。そして、オペアンプ２０の出力電圧値は、図２（ｂ）に示すように、電圧極性の反転時から、出力のレベル０に向けて、徐々に増加していくことになる。
【００３２】
チャージ用コンデンサ１８にチャージされている電荷は、イオン検出電極１２から収集したものであるため、プラスイオンとマイナスイオンの収集をイオン検出電極１２間の電界により制御することが可能となる（プラスイオンとマイナスイオンの測定を連続的に行うことができる）。また、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる速度と、放電される速度の変化を計測することによって、イオン化された被測定対象ガスのプラスイオンとマイナスイオンの移動速度の違いも計測することが可能である。
【００３３】
次に、イオン電流算出手段２２が、オペアンプ２０の出力電圧値の時間的変化量、つまり、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷の時間的変化量からイオン電流の電流値を算出する。具体的には、次式によるものである。
【００３４】
【数２】
0006017431.tif 000003
【００３５】
通常の直流増幅回路では、温度ドリフト等によりオフセット電圧が変化することがあり、このオフセット電圧が直接的に計測値に影響を与えてしまうが、ここで、出力電圧Ｖout1とＶout2にドリフトの影響による測定誤差δＶout1とδＶout2を加えると、次式の通りになる。
【００３６】
【数３】
0006017431.tif 000004
【００３７】
しかし、Ｖout1と、Ｖout2の測定時間差は短いため（長くても１秒程度）、δＶout1とδＶout2は、同じ値となり、結果的に上記数２に示す式となり、直流ドリフトの影響を無くすことが可能となっている。
【００３８】
そして、イオン電流算出手段２２によって算出されたイオン電流の電流値から、濃度判定手段２４が、被測定対象ガスの濃度を判定する。なお、濃度判定手段２４による濃度判定は、例えば、イオン電流の電流値に所定の係数を乗じることによって行うものである。
【００３９】
続いて、イオン検出電極１２間中の電界とイオン電流の関係は、図５に一例として表すことができ、さらに、イオン電流は次式のように表される。
【００４０】
【数４】
0006017431.tif 000005
【００４１】
ところで、例えば、イオン検出電極１２の表面の５０％が汚染されてしまった場合は、イオンを検出できる電極の面積が、５０％減ってしまうことになり、直流電界によるイオン電流も５０％減少してしまうことになる。イオン検出電極１２の表面を絶縁した場合の模式図を図６に一例として示す。
【００４２】
図６の状態では、厚さｄの絶縁膜の表面にイオンが帯電し、それに伴い、イオン検出電極１２の表面に電荷が帯電する。絶縁膜による絶縁電極の容量を２Ｃとし、イオン雰囲気中のイオンの移動を抵抗として表した場合、等価回路は、図７のようになり、電圧と電流の関係は、次式の通りとなる。
【００４３】
【数５】
0006017431.tif 000006
【００４４】
例えば、下記の通りの条件とすると
電極面積（Ａ）：１０ｍｍ×１０ｍｍ
絶縁膜：ポリイミド（比誘電率εｒ＝４）
絶縁膜の厚み（ｄ）：１０μｍ
イオンによる抵抗値（Ｒ）：１０ＧΩ
電極電圧（Ｅ）：１００Ｖ
絶縁電極による容量Ｃ、時定数τ及び初期電流値iは、次式のものとなる。
【００４５】
【数６】
0006017431.tif 000007
【００４６】
ここで、チャージ用コンデンサを１００ｐＦとし、チャージアンプの出力電圧が２Ｖになるまで検出を行うとすると、出力電圧が、数７の通りとなるので、i(t)を１０ｎＡとして近似すると、数８の通りとなり、直流方式の電流と絶縁膜による電流の変化率は、数９の通りとなる。
【００４７】
【数７】
0006017431.tif 000008
【００４８】
【数８】
0006017431.tif 000009
【００４９】
【数９】
0006017431.tif 000010
【００５０】
通常、イオン化ガス検出器の精度は±１０％程度あるので、上記の通り、絶縁電極の影響は非常に小さいことが分かる。また、絶縁電極による時定数は数１０で表され、時定数が大きいほど、直流印加方式との差は小さくなる。なお、Ｒは、イオン化ガス濃度に依存し、Ｃは、絶縁膜の厚さと絶縁膜の比誘電率によって決定されるものである。また、絶縁膜をポリイミドで厚さが１０μｍとしているが、絶縁膜が厚い場合でも誘電率の高い素材を用いる事で、精度良くイオン化ガスの測定を行うことが可能である。
【００５１】
【数１０】
0006017431.tif 000011
【００５２】
（実験１）
ここで、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態において、下記測定条件にてイオン化ガスの検出実験を行った。実験結果は、図３に一例として示す。
イオン化ガス：トルエン１０ｐｐｍ
印加電圧：２０Ｖ
コンデンサ容量：１００ｐＦ
イオン検出電極：ポリイミドによる絶縁電極
【００５３】
図３に一例として示すように、電圧極性の反転により、オペアンプ２０の出力電圧値の増加又は減少が起きている。つまり、本実施形態におけるイオン検出器を用いれば、イオン検出電極に絶縁電極を用いたとしても、過渡現象により、直流印加方式によるイオン化ガスの検出並の精度で、イオン化ガスの検出ができるということが分かる。
【００５４】
続いて、本発明に係るイオン化ガス検出器の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図４は、本発明に係るイオン化ガス検出器の第２の実施形態における検出器の構成の一例を示した図で、（ａ）は検出器の回路構成の一例を表した図、（ｂ）は電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表している。なお、符号については、２８が電圧印加手段、３０が電荷蓄積手段、３２が補償用回路、３４が電圧極性反転手段である以外は、図１及び図２と同様である。
【００５５】
まず、図４に示すように、イオン化ガス検出器１０には、流入されてくるイオン化された被測定対象ガスのイオンを検出するイオン検出電極１２と、イオン検出電極１２に対して電圧を印加する電圧極性が反転可能に構成されている電極印加手段１４が設けられており、さらに、イオン検出電極１２に電圧を印加することによって生じる電荷をチャージするチャージ用コンデンサ１８及びオペアンプ２０を有するチャージアンプ回路１６が設けられている。なお、イオン検出電極１２は、絶縁被覆されたものを用いても良い。
【００５６】
そして、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷量に応じて、電極印加手段１４の電圧極性を反転させる電圧極性制御手段２６、また、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷量の時間的変化から、イオン電流の値を算出するイオン電流算出手段２２と、そのイオン電流の値から被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定手段２４が設けられている。
【００５７】
また、イオン検出電極１２と、オペアンプ２０の入力側との間には、電圧極性が反転可能に構成されている電極印加手段１４と電圧極性が異なる電圧印加手段２８と、電圧印加手段２８による電圧の印加により生じる電荷を蓄積する電荷蓄積手段３０を有する補償用回路３２が接続されており、さらに、電圧極性制御手段２６による電極印加手段１４の極性反転の制御のタイミングで、電圧印加手段２８の電圧極性を反転させる電圧極性反転手段３４が設けられている。
【００５８】
チャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていき、所定の電荷量に到達すると、電圧極性制御手段２６が、電極印加手段１４の電圧極性を反転させるが、その際、チャージ用コンデンサ１８とイオン検出電極１２との間に抵抗等の素子が無いことから、チャージ用コンデンサ１８から急激にイオン検出電極１２側に電荷が移動してしまう。そうすると、オペアンプ２０の出力電圧の値が急変してしまうため、イオン電流値の算出にエラーが生じてしまうことに繋がる（図８参照）。
【００５９】
上記出力電圧の値の急変は、イオン検出電極１２に印加する電圧を高くするか、イオン検出電極１２間の寄生容量が大きい（例えば、電極間距離を小さくし、電極自体を大きくする）場合に、顕著に現れることが分かっているが、イオン化ガスの検出精度を上げるためには、イオン検出電極１２に印加する電圧を高くし、イオン検出電極１２間の距離を小さくする必要があるため、上記出力電圧の値の急変を抑えることが重要である。
【００６０】
そのため、本実施形態では、チャージ用コンデンサ１８の電荷が急激に変動しないように、イオン検出電極１２と並列の関係に接続した補償用回路３２の電荷蓄積手段３０（コンデンサ）で電荷を補償する構成を採っている。つまり、電圧印加手段２８が、電極印加手段１４と異なる電圧極性の電圧を電荷蓄積手段３０に印加することで、予め電荷蓄積手段３０に電荷をチャージさせておき、電圧極性制御手段２６が、電極印加手段１４の電圧極性を反転させたことを電圧極性反転手段３４が認識した際に、電圧極性反転手段３４が、電圧印加手段２８の電圧極性を反転させる。
【００６１】
そうすると、電荷蓄積手段３０にチャージされていた電荷が、イオン検出用電極１２に向かって移動することになり、チャージ用コンデンサ１８からイオン検出用電極１２への電荷の急激な変動を抑えることが可能となるのである。なお、電圧印加手段２８の電圧は、チャージ用コンデンサ１８からイオン検出用電極１２への電荷の急激な変動を抑えるのに適した値に調整しておくか、或いは、自動調整としておくと、イオン電流の算出精度の向上がより図れる。
【００６２】
また、電圧極性反転手段３４によって電圧印加手段２８の電圧極性が反転されると、再び、電荷蓄積手段３０に電荷がチャージされていくが、このチャージされていく電荷によって、後にチャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷の再度の放電（プラスイオン、マイナスイオン交互による放電）に伴う急激な変動をそれぞれ抑えることができることになる。
【００６３】
このような構成とすることで、図９に一例として表すように、電圧極性を反転させても、オペアンプ２０の出力電圧の値を安定して得ることができるわけである（電極間の寄生容量の影響をキャンセルすることができる）。
【００６４】
続いて、イオン化された被測定対象ガスを検出する流れについて説明する。まず、イオン化された被測定対象ガスのイオンは、電極印加手段１４によって所定の電圧が印加されたイオン検出電極１２により捕捉される。そして、イオン検出電極１２によりイオンが捕捉されると、イオン検出電極１２に電流が生じ、それにより、チャージアンプ回路１６のチャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていく。
【００６５】
そして、チャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていくにつれ、オペアンプ２０の出力が徐々に減少していくことになる。なお、オペアンプ２０には、ＣＭＯＳオペアンプ等のバイアス電流が小さいもの（数百ｆＡ程度）を使用することが好ましい。また、チャージ用コンデンサ１８にコンデンサ容量の小さいものを使用すれば、微小なイオン電流で大きな出力電圧を得ることが可能となる。
【００６６】
続いて、イオン電流により、チャージ用コンデンサ１８にチャージされ続けると、オペアンプ２０のサチュレーションが起こってしまうため、チャージ用コンデンサ１８の電荷を所定のタイミングで放電させる必要がある。通常は、チャージ用コンデンサの電荷を放電させるために、チャージ用コンデンサの両端にスイッチ等を設けるが、このスイッチ等を設けると、イオン電流を継続的に計測することができないという問題が生じてしまう。
【００６７】
そのため、本発明は、本実施形態にあるように、チャージ用コンデンサ１８にある程度の電荷がチャージされた時点で、イオン検出電極１２にかける電圧の極性を反転させる構成を採っている。電圧の極性を反転させることにより、イオン検出電極１２間のイオン電流が逆向きに流れ、チャージ用コンデンサ１８の電荷を放電させることができるわけである。
【００６８】
つまり、電圧極性制御手段２６が、オペアンプ２０の出力電圧の値を計測することによりチャージ用コンデンサ１８にチャージされていく電荷量を把握し、所定の電荷量に達した時点で、電極印加手段１４の電圧極性を反転させるよう制御するというものである。
【００６９】
電圧極性制御手段２６により、電極印加手段１４の電圧極性が反転されると、チャージ用コンデンサ１８から蓄積されていた電荷が電極間のイオン化ガス（プラスイオン）により放電されることになる。そして、オペアンプ２０の出力電圧値は、電圧極性の反転時から、出力レベル０に向けて、徐々に増加していくことになる。
【００７０】
チャージ用コンデンサ１８にチャージされている電荷は、イオン検出電極１２から収集したものであるため、プラスイオンとマイナスイオンの収集をイオン検出電極１２間の電界により制御することが可能となる。また、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる速度と、放電される速度の変化を計測することによって、プラスイオンとマイナスイオンの移動速度の違いも計測することが可能である。
【００７１】
また、電圧極性制御手段２６により、電極印加手段１４の電圧極性が反転されると、チャージ用コンデンサ１８から蓄積されていた電荷が急激にイオン検出電極１２側に電荷が移動してしまうため、それを防ぐために、電圧極性反転手段３４が、電圧極性制御手段２６による電極印加手段１４の電圧極性を反転させるタイミングで、電圧印加手段２８の電圧極性を反転させる。
【００７２】
そうすると、予め、電極印加手段１４の電圧極性とは異なる電圧の印加によって電荷がチャージされていたイオン検出電極１２と並列の関係に接続した補償用回路３２の電荷蓄積手段３０（コンデンサ）から、イオン検出電極１２に向けて当該電荷が放電されることになる。
【００７３】
このような制御を行うことにより、電圧極性制御手段２６が、電極印加手段１４の電圧極性を反転させても、オペアンプ２０の出力電圧の値を安定して得ることができるわけである（電極間の寄生容量の影響をキャンセルすることができる）。なお、電圧印加手段２８の電圧は、チャージ用コンデンサ１８からイオン検出用電極１２への電荷の急激な変動を抑えるのに適した値に調整しておくか、或いは、自動調整としておくと、イオン電流の算出精度の向上がより図れる。
【００７４】
（実験２）
ここで、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態と、第２の実施形態において、オペアンプ２０からの出力電圧値の変化をオシロスコープにより測定する実験を行った。実験結果は、図１１（第１の実施形態）、図１２（第２の実施形態）にグラフとして示している。
【００７５】
まず、第１の実施形態では、イオン検出電極１２に印加する電圧値は±３５Ｖとし、電圧極性の反転は、３回行った。図１１に示すように、第１の実施形態において電圧極性の反転を行うと、電荷の移動が急激に行われ、約０．９Ｖのギャップが生じしまうことが分かった。このギャップが、イオン電流値の算出にエラーを生じさせてしまうわけである。
【００７６】
次に、第２の実施形態では、イオン検出電極１２に印加する電圧値は±３５Ｖとし、電圧極性の反転は、２回行った。なお、電圧印加手段２８の電圧値は、上記電荷の移動が急激に行われないようにするため（ギャップが生じないようにするため）の適正な値へと自動に調整されるよう構成させた。図１２に示すように、第２の実施形態においては、電圧極性の反転を行ったとしても、電荷の急激な移動を抑えることが可能であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明に係るイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法によれば、シンプルな構成且つ小型な装置で精度の高いイオン化ガスの検出を行うことができ、また、直流印加方式に比べ温度ドリフト等の影響が少なく、さらにイオン検出電極が汚染されたとしても、同様に精度の高い検出が可能であるため、多様な場面及び環境で行う必要があるイオン化ガスの検出に有用である。
【符号の説明】
【００７８】
１０  イオン化ガス検出器
１２  イオン検出電極
１４  電極印加手段
１６  チャージアンプ回路
１８  チャージ用コンデンサ
２０  オペアンプ
２２  イオン電流算出手段
２４  濃度判定手段
２６  電圧極性制御手段
２８  電圧印加手段
３０  電荷蓄積手段
３２  補償用回路
３４  電圧極性反転手段
【図１】
0006017431.tif 000012
【図２】
0006017431.tif 000013
【図４】
0006017431.tif 000014
【図５】
0006017431.tif 000015
【図６】
0006017431.tif 000016
【図７】
0006017431.tif 000017
【図８】
0006017431.tif 000018
【図９】
0006017431.tif 000019
【図１０】
0006017431.tif 000020
【図３】
0006017431.tif 000021
【図１１】
0006017431.tif 000022
【図１２】
0006017431.tif 000023