(57)【要約】  直流電源の出力を一対の抵抗で分圧し、バッファ増幅器を介して、検知極と対極と固体電解質膜とを備えた電気化学的ガスセンサにいずれかの電極に加える。スイッチで、電気化学的ガスセンサの他極の接続先を、電流増幅回路とインピーダンス測定回路とに切り替え、ガスセンサのインピーダンスを測定する。インピーダンス測定回路は、スイッチに一端側が接続された抵抗と抵抗の他端側の電位を、直流電源の出力電位とグラウンド電位との間で切り替える交流電源とからなる。電気化学的ガスセンサの湿度依存性と温度依存性とを記憶し、測定したインピーダンスと周囲温度とから、電流増幅回路の出力を補正して、ガス濃度を求める。
2011096106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溜を備えず、電気化学的ガスセンサの出力を前記ガスセンサのインピーダンスに応じて補正することにより、ガスを検出するガス検出装置において、
直流電源と、
直流電源に接続された少なくとも一対の抵抗と、
前記少なくとも一対の抵抗での抵抗間の電位に追随した電位を出力するバッファ増幅器と、
検知極と対極と固体電解質膜とを備え、前記バッファ増幅器に検知極と対極の一方が接続された電気化学的ガスセンサと、
電気化学的ガスセンサを流れる電流を増幅する電流増幅回路と、
電気化学的ガスセンサのインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路と、
電気化学的ガスセンサの他極の接続先を、電流増幅回路とインピーダンス測定回路とに切り替えるスイッチと、
電気化学的ガスセンサの湿度依存性と温度依存性とのデータを記憶する記憶手段と、
周囲温度の測定用の温度センサと、
前記インピーダンス測定回路の出力信号と前記温度センサの出力信号とに応じて前記記憶手段のデータを読み出して、該データにより前記電流増幅回路の出力信号を補正することによりガス濃度を求めると共に、前記スイッチを制御するマイクロコンピュータ、とを備え、
前記インピーダンス測定回路は、前記スイッチに一端側が接続された抵抗と前記抵抗の他端側の電位を、前記直流電源の出力電位とグラウンド電位との間で切り替える交流電源と、電気化学的ガスセンサに加わる交流電圧を測定する交流電圧測定回路とからなる、ことを特徴とする、電気化学的ガス検出装置。
【請求項２】
前記交流電源が前記マイクロコンピュータの出力ポートからなることを特徴とする、請求項１の電気化学的ガス検出装置。
【請求項３】
前記交流電圧測定回路が前記マイクロコンピュータのＡＤコンバータであることを特徴とする、請求項２の電気化学的ガス検出装置。
【請求項４】
前記交流電源の出力は矩形波であることを特徴とする、請求項３の電気化学的ガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電気化学ガスセンサを用いたガス検出装置に関し、特にガスセンサの相対湿度依存性の補正に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明者らは、プロトン導電体膜に検知極と対極とを接続した電気化学的ガスセンサを開発した（例えば特許文献１：JP2008-58213A）。これらのガスセンサでは、プロトン導電体の導電性が相対湿度により変化するので、水溜から水蒸気を供給する。しかし水溜を設けると、ガスセンサが大形化する。【０００３】
特許文献２：JPH05-39509B（USP4718991）は、プロトン導電体ガスセンサのインピーダンスを測定することにより、湿度依存性を補正することを開示している。しかしながら特許文献２でのガスセンサの駆動回路は複雑である。そこで発明者は、プロトン導電体ガスセンサの湿度依存性を補正するための実用的な回路を検討し、この発明に到った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】JP2008-58213A
【特許文献２】JPH05-39509B（USP4718991）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明の課題は、簡単な回路で電気化学的ガスセンサの湿度依存性と温度依存性とを補正することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の電気化学的ガス検出装置は、水溜を備えず、電気化学的ガスセンサの出力を前記ガスセンサのインピーダンスに応じて補正することにより、ガスを検出するガス検出装置において、
直流電源と、
直流電源に接続された少なくとも一対の抵抗と、
前記少なくとも一対の抵抗での抵抗間の電位に追随した電位を出力するバッファ増幅器と、
検知極と対極と固体電解質膜とを備え、前記バッファ増幅器に検知極と対極の一方が接続された電気化学的ガスセンサと、
電気化学的ガスセンサを流れる電流を増幅する電流増幅回路と、
電気化学的ガスセンサのインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路と、
電気化学的ガスセンサの他極の接続先を、電流増幅回路とインピーダンス測定回路とに切り替えるスイッチと、
電気化学的ガスセンサの湿度依存性と温度依存性とのデータを記憶する記憶手段と、
周囲温度の測定用の温度センサと、
前記インピーダンス測定回路の出力信号と前記温度センサの出力信号とに応じて前記記憶手段のデータを読み出して、該データにより前記電流増幅回路の出力信号を補正することによりガス濃度を求めると共に、前記スイッチを制御するマイクロコンピュータ、とを備え、
前記インピーダンス測定回路は、前記スイッチに一端側が接続された抵抗と前記抵抗の他端側の電位を前記直流電源の出力電位とグラウンド電位との間で切り替える交流電源と、電気化学的ガスセンサに加わる交流電圧を測定する交流電圧測定回路とからなる、ことを特徴とする。【０００７】
固体電解質膜は例えばプロトン導電体膜、水酸イオン導電体膜等とし、固体電解質膜の一面に検知極を他面に対極を接触させる。【０００８】
この発明では、少なくとも一対の抵抗により、直流電源の電圧を例えば１：１に分圧し、バッファ増幅器を介してガスセンサの一方の電極に接続する。ガスセンサの他方の電極をスイッチを介して、電流増幅回路とインピーダンス測定回路とに接続する。そして検出対象のガスが検知極で反応し、ガスセンサに電流が流れると、電流増幅回路で増幅する。ここでガスセンサには直流電源を例えば１：１に分圧したバイアス電圧が加わっているので、電流が正負いずれの向きに流れても増幅できる。インピーダンスを測定する際には、スイッチを切り替えて、ガスセンサと電流増幅回路を遮断し、交流電源から交流を加える。ここで交流電源の出力を直流電源の出力電位とグラウンド電位との間で切り替えると、簡単に交流をガスセンサと抵抗との直列片に加えることができる。ガスセンサのインピーダンスから湿度が判明し、温度センサで周囲温度を測定する。インピーダンスの測定値と周囲の温度とに応じて、記憶手段から補正係数のデータを読み出し、電流増幅回路の出力を補正すると、周囲の湿度と温度の影響を補正して、ガス濃度を求めることができる。この発明では、水溜無しで、ガスセンサの相対湿度依存性と、温度依存性とを、簡単な回路で補正できる。【０００９】
好ましくは交流電源をマイクロコンピュータの出力ポートで構成することにより、交流電源の構成を簡単にする。好ましくは、前記交流電圧測定回路は前記マイクロコンピュータのＡＤコンバータである。交流は好ましくは、直流電源の出力電位とグラウンド電位との間で電位が変化する矩形波である。  
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例のガス検出装置のブロック図
【図２】マイクロコンピュータでの処理を示す図
【図３】インピーダンス測定用の交流波形を示す図
【図４】実施例でのマップの構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１２】
図１〜図４に、実施例の電気化学的ガス検出装置を示す。図１に検出装置の回路例を示すと、2Vなどの直流電源Vccを抵抗R1，R2で例えば１：１に分圧して1Vのバイアス電位1/2Vccを作り、バッファ増幅器４を介して、電気化学ガスセンサ２の例えば対極Cに加える。なおガスセンサ２の向きを図1とは逆にし、検知極Wにバイアス電位を加えても良い。ガスセンサ２の他極の検知極Wをスイッチ１０に接続する。６は電流増幅回路で、ガスセンサ２を流れる電流を電流増幅し、その出力V0をマイクロコンピュータ８のＡＤコンバータ２０でＡＤ変換する。R3は1KΩなどのインピーダンス測定用抵抗で、抵抗値は100Ω〜10KΩなどの範囲で変更できる。抵抗R3には、例えばマイクロコンピュータ８の出力ポート９から,+Vccと0V（グラウンド電位）とを交互に加え、マイクロコンピュータ８を交流電源とする。出力ポート９は、マイクロコンピュータ８内の図示しない制御部からの制御指令により、出力を例えば+Vccと0Vとに切り替えるスイッチである。なお図１に鎖線で示すように、出力ポート９に代えてスリーステートバッファ１２等のスイッチを設けて、マイクロコンピュータ８により制御し、出力電位をVccとグラウンドとの間で切り替えても良い。【００１３】
抵抗R3とスイッチ１０の接続点に加わる交流信号を、マイクロコンピュータ８のＡＤコンバータでＡＤ変換し、相対湿度を表す信号V1として用いる。１４はマップでEEPROM等の記憶媒体からなり、ガスセンサ２の相対湿度依存性と周囲温度依存性とのデータを記憶する。１６はサーミスタなどの温度センサ、R4は固定抵抗で、温度センサ１６と抵抗R4の接続点の信号V2をマイクロコンピュータ８でＡＤ変換し、周囲温度を求める。【００１４】
ガスセンサ２は、プロトン導電体膜等の固体電解質膜に検知極と対極とを接続したもので、電極は検知極と対極の２電極である。プロトン導電体膜は例えば高分子の固体電解質膜で、プロトン導電性であるが、金属酸化物のプロトン導電性固体電解質膜でも良い。ガスセンサ２では、相対湿度が低下すると、固体電解質膜の導電性が低下し、ガスの検出電流が小さくなる。この発明では、ガスセンサ２の相対湿度依存性をインピーダンスにより補正するので、水溜は不要である。【００１５】
なお抵抗R1，R2の中点電位は、直流電源Vccの50％に限らず、例えば48〜52％程度の範囲で変化させても良い。また直流電源Vccは2Vに限らず、例えば1V〜3V程度の電圧としても良い。抵抗R3は1個の抵抗に限らず複数の抵抗で構成しても良く、スイッチ１０はマイクロコンピュータ８内の制御部により制御し、スリーステートバッファ１２を設ける場合、同様にマイクロコンピュータ８の制御部により制御する。【００１６】
図２に入力信号V0〜V2への処理を示す。マイクロコンピュータ８内のＡＤコンバータ２０はこれらの信号をＡＤ変換し、信号V0はガス濃度に比例する。ガスセンサ２には相対湿度依存性と周囲温度依存性とがあるので、信号V1により相対湿度依存性を補正し、信号V2により周囲温度依存性を補正する。マップ１４にはガスセンサ２の周囲温度と相対湿度への依存性が記載され、このデータを信号V1，V2で参照して補正係数を読み出し、マイクロコンピュータ８内の図示しないRAMで記憶し、マイクロコンピュータ８内のガス濃度算出部２２で信号V0に補正係数を乗算し、ガス濃度を求める。ガス濃度の検出精度は用途に応じて定め、例えば計測用では高精度とし、空調の制御用などではガス濃度を複数のランクに分類すれば良い。【００１７】
スイッチ１０が電流増幅回路６側へ接続されている場合、ガスセンサ２の一方の電極にバイアス電位1/2Vccが加わり、ガスセンサ２を流れる電流を電流増幅回路６で増幅する。この場合、ガスセンサ２内をどちら側に電流が流れても、電流増幅回路６で増幅できる。湿度依存性を補正するために、マイクロコンピュータ８は図示しないタイマを備え、１時間に１回〜６時間に１回等の適宜の周期でスイッチ１０の接続を抵抗R3側に切り替える。スイッチ１０の接続を抵抗R3側に切り替えると、図３のように抵抗R3へ加える電位を＋Vccとグラウンド（2Vと0V）の間で、例えば10Hz〜1KHz程度の周波数で例えば数周期程度に渡って変化させる。このため、スイッチ１０の接続を抵抗R3側に切り替えている間、マイクロコンピュータ８内の制御部は出力ポート９の出力を0Vと+Vccとの間で変化させる。【００１８】
ガスセンサ２の対極は1/2Vccなどのバイアス電位に固定されているので、振幅Vccの矩形波からなる交流がガスセンサ２と抵抗R3との直列片に数周期程度加わる。抵抗R3によりガスセンサ２に加わる電圧を制限すると共に、抵抗R3とスイッチ１０の接続部に加わる交流信号V1をＡＤコンバータ２０でＡＤ変換し、交流信号V1の振幅、ピーク値、実効値等からガスセンサ２のインピーダンスを測定する。このインピーダンスは主としてガスセンサ２の抵抗、特に固体電解質膜と検知極及び対極の抵抗、によるもので、容量成分などの寄与は小さい。また測定精度はインピーダンスを数種類のランクに分けることができる程度で良い。しかしインピーダンスをより正確に測定し、より正確な湿度補正を行うようにしても良い。交流は例えば１周期〜10,000周期程度加えとし、交流を加える時間は例えば1msec〜10secとする。ＡＤ変換する電圧波形は、抵抗R3とスイッチ１０の間の電位に限らず、ガスセンサ２とスイッチ１０の間の電位、抵抗R3に加わる電圧を分割した電圧波形などでも良い。即ち、抵抗R3とガスセンサ２との直列回路に振幅+Vccを加えて、ガスセンサ２の抵抗を測定する、任意の交流電圧測定回路を用いることができる。なお矩形波に代えて正弦波からなる交流を加えても良く、その場合は出力ポート９に代えてＤＡコンバータを用いる。  【００１９】
図４にマップ１４の構成を示し、マップ１４はマイクロコンピュータ８の内部のROM等に記憶しても、マイクロコンピュータ８の外部のメモリに記憶しても良い。そしてマップ１４は例えば２次元のテーブルから成り、一方の次元はガスセンサ２のインピーダンスを洗わす信号V1で、他方の次元は周囲温度を洗わす信号V2で、信号V1，V2から補正係数を読み出せるようにする。【００２０】
実施例では以下の効果が得られる。
(1)  電気化学的ガスセンサに水蒸気を供給するための水溜が不要になる。
(2)  ガスセンサ２を駆動するための回路に、スイッチ１０と抵抗R3等を追加するだけで、インピーダンスを測定できる。
(3)  交流電源をマイクロコンピュータ８の出力ポートで構成すると、特に簡単に交流電源を構成できる。
(4)  マップ１４にガスセンサ２の温度依存性と相対湿度依存性の双方のデータを記憶させ、サーミスタ１６を設けると、湿度依存性と温度依存性の双方を補正できる。
【符号の説明】
【００２１】
２          電気化学的ガスセンサ
４          バッファ増幅器
６          電流増幅回路
８          マイクロコンピュータ
９          出力ポート
１０        スイッチ
１２        スリーステートバッファ
１４        マップ
１６        サーミスタ
２０        ＡＤコンバータ
２２        ガス濃度算出部
R1〜R4      抵抗
【図１】
2011096106.tif 000003
【図２】
2011096106.tif 000004
【図３】
2011096106.tif 000005
【図４】
2011096106.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月4日(2012.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溜を備えない電気化学的ガスセンサの出力を前記ガスセンサのインピーダンスに応じて補正することにより、ガスを検出するガス検出装置において、
直流電源と、
直流電源に接続された少なくとも一対の抵抗と、
前記少なくとも一対の抵抗での抵抗間の電位に追随した電位を出力するバッファ増幅器と、
検知極と対極と固体電解質膜とを備え、前記バッファ増幅器に検知極と対極の一方が接続され、水溜を備えない電気化学的ガスセンサと、
電気化学的ガスセンサを流れる電流を増幅する電流増幅回路と、
電気化学的ガスセンサのインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路と、
電気化学的ガスセンサの他極の接続先を、電流増幅回路とインピーダンス測定回路とに切り替えるスイッチと、
電気化学的ガスセンサを流れる電流の、前記インピーダンス依存性と温度依存性とのデータを記憶する記憶手段と、
周囲温度の測定用の温度センサと、
前記インピーダンス測定回路の出力信号と前記温度センサの出力信号とに応じて前記記憶手段のデータを読み出して、該データにより前記電流増幅回路の出力信号を補正することによりガス濃度を求めると共に、前記スイッチを制御するマイクロコンピュータ、とを備え、
前記インピーダンス測定回路は、前記スイッチに一端側が接続された抵抗と前記抵抗の他端側の電位を、前記直流電源の出力電位とグラウンド電位との間で切り替える交流電源と、電気化学的ガスセンサに加わる交流電圧を測定する交流電圧測定回路とからなる、ことを特徴とする、電気化学的ガス検出装置。
【請求項２】
前記交流電源が前記マイクロコンピュータの出力ポートからなることを特徴とする、請求項１の電気化学的ガス検出装置。
【請求項３】
前記交流電圧測定回路が前記マイクロコンピュータのＡＤコンバータであることを特徴とする、請求項２の電気化学的ガス検出装置。
【請求項４】
前記交流電源の出力は矩形波であることを特徴とする、請求項３の電気化学的ガス検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
この発明の電気化学的ガス検出装置は、水溜を備えない電気化学的ガスセンサの出力を前記ガスセンサのインピーダンスに応じて補正することにより、ガスを検出するガス検出装置において、
直流電源と、
直流電源に接続された少なくとも一対の抵抗と、
前記少なくとも一対の抵抗での抵抗間の電位に追随した電位を出力するバッファ増幅器と、
検知極と対極と固体電解質膜とを備え、前記バッファ増幅器に検知極と対極の一方が接続され、水溜を備えない電気化学的ガスセンサと、
電気化学的ガスセンサを流れる電流を増幅する電流増幅回路と、
電気化学的ガスセンサのインピーダンスを測定するインピーダンス測定回路と、
電気化学的ガスセンサの他極の接続先を、電流増幅回路とインピーダンス測定回路とに切り替えるスイッチと、
電気化学的ガスセンサを流れる電流の、前記インピーダンス依存性と温度依存性とのデータを記憶する記憶手段と、
周囲温度の測定用の温度センサと、
前記インピーダンス測定回路の出力信号と前記温度センサの出力信号とに応じて前記記憶手段のデータを読み出して、該データにより前記電流増幅回路の出力信号を補正することによりガス濃度を求めると共に、前記スイッチを制御するマイクロコンピュータ、とを備え、
前記インピーダンス測定回路は、前記スイッチに一端側が接続された抵抗と前記抵抗の他端側の電位を、前記直流電源の出力電位とグラウンド電位との間で切り替える交流電源と、電気化学的ガスセンサに加わる交流電圧を測定する交流電圧測定回路とからなる、ことを特徴とする。
【国際調査報告】
2011096106.tif 000007
2011096106.tif 000008