(57)【要約】【課題】被検知ガスに感応することに起因するガス感応部の抵抗値の変化の幅が比較的大きい場合にも、被検知ガスの濃度を高分解能で検出することが可能で、かつ、ガスセンサが複雑化または大型化するのを抑制することが可能なガスセンサおよびガス検知方法を提供する。【解決手段】このガスセンサ１００は、被検知ガスに感応することにより抵抗値Ｒｓが変化するとともに、半導体を主成分とするガス感応部１１を含むガス検知素子１と、ガス感応部１１に接続されたコンデンサ２１と、抵抗値Ｒｓに対応する充電時間ｔｗを取得して、取得した充電時間ｔｗに基づいて被検知ガスを検知する検知回路２とを備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検知ガスに感応することにより抵抗値が変化するとともに、半導体を主成分とするガス感応部を含むガス検知素子と、
前記ガス感応部に接続された容量素子と、前記抵抗値に対応する前記容量素子が充電または放電する時間に関する値を取得して、取得した前記時間に関する値に基づいて前記被検知ガスを検知する検知部とを含む、検知回路とを備える、ガスセンサ。
【請求項２】
前記ガス感応部は、前記被検知ガスとしての水素ガスに感応するように構成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記検知部は、前記容量素子の充電時間、放電時間、充放電周期、または、充放電周波数のうちの少なくとも１つの前記時間に関する値を取得して、取得した前記時間に関する値に基づいて前記被検知ガスを検知するように構成されている、請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記検知部は、前記容量素子の前記充電時間、前記放電時間または前記充放電周期の少なくとも１つの時間を取得して、取得した前記時間が所定の時間未満の場合に、さらに複数回、前記時間を取得するように構成されている、請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記検知部は、取得した前記充放電周波数が所定の周波数未満の場合に、前記容量素子における前記充放電周期を取得するとともに、取得した前記充放電周波数が前記所定の周波数以上の場合に、前記容量素子における前記充放電周波数を取得するように構成されている、請求項３に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ガス検知素子は、前記ガス感応部を加熱する加熱部を含み、
前記加熱部の動作抵抗値が略一定となるように前記加熱部に供給する電力の大きさを制御する加熱部制御回路と、
前記加熱部制御回路から前記加熱部に供給する電力の大きさに基づいて、検知空間における気圧を検出する気圧検知回路とをさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
被検知ガスに感応することにより抵抗値が変化するとともに、半導体を主成分とするガス感応部に接続され、前記抵抗値に対応する容量素子が充電または放電する時間に関する値を取得するステップと、
取得した前記時間に関する値に基づいて前記被検知ガスを検知するステップとを備える、ガス検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガスセンサおよびガス検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスセンサおよびガス検知方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、金属酸化物半導体センサを備えるガス検知装置が開示されている。このガス検知装置には、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」）と、アナログ／デジタル変換器（以下、「ＡＤ変換器」）と、制御回路とが設けられている。金属酸化物半導体センサは、被検知ガスがセンサ表面に吸着した場合に電気抵抗値が変化するように構成されている。そして、このガス検知装置は、マイコンおよびＡＤ変換器を用いて、センサの電気抵抗値（以下、「抵抗値」）を取得することにより、被検知ガスを検出するように構成されている。
【０００４】
ここで、上記特許文献１に記載のような従来のガス検知装置（ガスセンサ）では、センサの抵抗値を取得することにより被検知ガスを検出するため、被検知ガスが吸着して被検知ガスに感応することに起因する抵抗値の変化の幅が比較的大きくなる（たとえば、数ディケート）場合には、広範囲の抵抗値を検出可能に構成する（レンジを広くする）必要がある分、被検知ガスの濃度を高分解能で検出することが困難になるという不都合がある。そこで、被検知ガスに感応することに起因する抵抗値の変化の幅が比較的大きい場合、被検知ガスの濃度を高分解能で検出するために、比較的高分解能で検出可能なＡＤ変換器、または、検出する抵抗値の範囲（レンジ）を切り替える切替回路をガスセンサに設けることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１５１５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のガスセンサでは、高分解能で検出可能なＡＤ変換器または検出する抵抗値の範囲（レンジ）を切り替える切替回路を付加することにより、ガスセンサの構成が複雑化するとともに、ガスセンサが大型化するという問題点がある。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、被検知ガスに感応することに起因するガス感応部の抵抗値の変化の幅が比較的大きい場合にも、被検知ガスの濃度を高分解能で検出することが可能で、かつ、ガスセンサが複雑化および大型化するのを抑制することが可能なガスセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面におけるガスセンサは、被検知ガスに感応することにより抵抗値が変化するとともに、半導体を主成分とするガス感応部を含むガス検知素子と、ガス感応部に接続された容量素子と、抵抗値に対応する容量素子が充電または放電する時間に関する値を取得して、取得した時間に関する値に基づいて被検知ガスを検知する検知部とを含む、検知回路とを備える。
【０００９】
この発明の第１の局面によるガスセンサでは、上記のように、検知回路に、ガス感応部に接続された容量素子と、抵抗値に対応する容量素子の充電または放電する時間に関する値を取得して、取得した時間に関する値に基づいて被検知ガスを検知する検知部とを設ける。これにより、ガス感応部の抵抗値および容量素子によりＲＣ回路が構成されるので、このＲＣ回路の時間に関する値（時定数）が、ガス感応部の抵抗値に対応する値となる。ここで、時間に関する値は、検出時間を長くすれば、無限に大きな値を検出可能な物理量である。したがって、ガス感応部の抵抗値が微小の場合、ＲＣ回路の時間に関する値を比較的長い検出時間をかけて測定すれば、間接的にガス感応部の抵抗値を高分解能で取得することができる。一方、ガス感応部の抵抗値が比較的大きい場合には、通常の検出時間の測定により、間接的にガス感応部の抵抗値を高分解能で取得することができる。その結果、被検知ガスに感応することに起因するガス感応部の抵抗値の変化の幅が比較的大きい場合でも、抵抗値自体を直接的に高分解能で測定する必要がないので、容量素子に比べて複雑で大型な高分解能なＡＤ変換器を要しない。また、被検知ガスに感応することに起因するガス感応部の抵抗値の変化の幅が比較的大きい場合でも、ガス感応部の抵抗値の大小に応じて、検出する抵抗値の範囲（レンジ）を切り替える必要がない。この結果、被検知ガスに感応することに起因するガス感応部の抵抗値の変化の幅が比較的大きい場合にも、被検知ガスの濃度を高分解能で検出することが可能で、かつ、ガスセンサが複雑化および大型化するのを抑制することができる。
【００１０】
上記第１の局面によるガスセンサにおいて、好ましくは、ガス感応部は、被検知ガスとしての水素ガスに感応するように構成されている。ここで、水素ガスは、宇宙ロケットの燃料用等の宇宙工学の分野で広く使用されている。このような分野において、水素は、効率の観点から液化させた状態で輸送、貯蔵することが行われている。しかし、液体水素の沸点は−２５０℃以下と低いため、周囲環境の熱により容易に気化してしまう。これを防止するために、液体水素格納容器（以下、「容器」）は、容器の周囲に、真空断熱層を備えた構造となっている。水素は空気よりも熱伝導率が約７倍と高く、熱を伝え易いので、真空断熱層に容器内の液体水素が微量でも漏洩した場合、気化した水素（水素ガス）によって真空断熱層の断熱性能が低下し、容器に外部の熱が伝導されて、容器内の液体水素が気化（ボイルオフ）する虞があるという問題点がある。この問題点を回避するためには、真空断熱層へ漏洩された微量の水素ガスを検知する必要がある。そして、ガスセンサを微量の水素ガス濃度を検出するように構成する場合には、水素ガスの検出に起因する抵抗値の変化が５ディケートと広範囲になる。これに対して、本発明では、ガス感応部を水素ガスに感応するように構成することにより、水素ガスの検出に起因するガス感応部の抵抗値の変化の幅が比較的大きい場合にも、高分解能で微量の水素ガスの濃度を検出することが可能で、かつ、ガスセンサが複雑化または大型化するのを抑制することができる。したがって、液体水素格納容器の周囲配置される真空断熱槽における水素ガス漏洩検知に本発明を適用することは、特に効果的である。
【００１１】
上記第１の局面によるガスセンサにおいて、好ましくは、検知部は、容量素子の充電時間、放電時間、充放電周期、または、充放電周波数のうちの少なくとも１つの時間に関する値を取得して、取得した時間に関する値に基づいて被検知ガスを検知するように構成されている。このように構成すれば、ガス感応部の抵抗値に対応する値である、容量素子の充電時間、放電時間、充放電周期、または、充放電周波数のうちの少なくとも１つの時間に関する値を取得することにより、容易に、被検知ガスを高分解能で検出することができる。
【００１２】
この場合、好ましくは、検知部は、容量素子の充電時間、放電時間または充放電周期の少なくとも１つの時間を取得して、取得した時間が所定の時間未満の場合に、さらに複数回、時間を取得するように構成されている。このように構成すれば、容量素子の充電時間、放電時間または充放電周期が、検出する周期に対して十分長くなく、１回の時間の検出では、分解能を高くすることが困難な場合でも、複数回の時間の検出を行うことにより、複数回の時間の検出結果を用いて、分解能を向上させることができる。
【００１３】
上記容量素子の充電時間、放電時間、充放電周期、または、充放電周波数のうちの少なくとも１つの時間に関する値を取得するガスセンサにおいて、好ましくは、検知部は、取得した充放電周波数が所定の周波数未満の場合に、容量素子における充放電周期を取得するとともに、取得した充放電周波数が所定の周波数以上の場合に、容量素子における充放電周波数を取得するように構成されている。ここで、容量素子における充放電周期が比較的短い場合には、検出する分解能を向上させるために、複数回容量素子の充放電を繰り返させて、容量素子の充放電周波数を取得することが好ましい。一方、充放電周波数を取得する場合に、容量素子の充放電周期が比較的大きい場合には、複数回（比較的多い数）容量素子を充放電させるために、検出時間が増大してしまう。この点に関して、本発明では、上記のように構成することにより、充放電周波数が比較的大きい場合は、充放電周波数を取得して、高分解能で被検知ガスを検知することができるとともに、充放電周波数が比較的小さい場合には、充放電周期を取得することにより、検知時間の増大を抑制することができる。すなわち、検知時間の増大を抑制しながら、被検知ガスを高分解能で検知することができる。
【００１４】
上記第１の局面によるガスセンサにおいて、好ましくは、ガス検知素子は、ガス感応部を加熱する加熱部を含み、加熱部の動作抵抗値が略一定となるように加熱部に供給する電力の大きさを制御する加熱部制御回路と、加熱部制御回路から加熱部に供給する電力の大きさに基づいて、検知空間における気圧を検出する気圧検知回路とをさらに備える。このように構成すれば、ガス検知素子は、ガス感応部を動作させるガスセンサとしての機能と、検知空間（たとえば、真空断熱槽内）における気圧を検出する気圧計（真空計）としての機能との両方を兼ねることができる。この結果、本発明のガスセンサとは別個に、真空計を検知空間に配置する必要がないので、ガスセンサが配置される装置（設備）の構成を簡素化することができる。
【００１５】
この発明の第２の局面におけるガス検知方法は、被検知ガスに感応することにより抵抗値が変化するとともに、半導体を主成分とするガス感応部に接続され、抵抗値に対応する容量素子が充電または放電する時間に関する値を取得するステップと、取得した時間に関する値に基づいて被検知ガスを検知するステップとを備える。
【００１６】
この発明の第２の局面によるガス検知方法は、上記のように構成することより、被検知ガスに感応することに起因するガス感応部の抵抗値の変化の幅が比較的大きい場合にも、被検知ガスの濃度を高分解能で検出することが可能で、かつ、ガスセンサが複雑化および大型化するのを抑制することが可能なガス検知方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、上記のように、被検知ガスに感応することに起因するガス感応部の抵抗値の変化の幅が比較的大きい場合にも、被検知ガスの濃度を高分解能で検出することが可能で、かつ、ガスセンサが複雑化および大型化するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態によるガスセンサと真空断熱槽との配置関係を示したブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるガスセンサの構成を示したブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態によるガスセンサの構成を示した斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるガス検知素子を模式的に示した斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態によるガス感応部の抵抗値と気圧との関係に示した図である。
【図６】本発明の第１実施形態による検知回路を示した回路図である。
【図７】本発明の第１実施形態による比較回路の入力電圧および出力信号を示した模式的な波形図である。
【図８】本発明の第１実施形態による温度制御回路を示した回路図である。
【図９】本発明の第１実施形態によるヒータの気圧に対する特性を説明するための図である。
【図１０】本発明の第１実施形態によるガスセンサの被検知ガスの検知制御処理を説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明の第１実施形態によるガスセンサの測定結果を示した図である。
【図１２】本発明の第２実施形態によるガスセンサの構成を示したブロック図である。
【図１３】本発明の第２実施形態による検知回路の構成を示した回路図である。
【図１４】本発明の第２実施形態による比較回路の入力電圧および出力信号を示した模式的な波形図である。
【図１５】本発明の第２実施形態によるガスセンサの被検知ガスの検知制御処理を説明するためのフローチャートである。
【図１６】本発明の第２実施形態によるガスセンサの測定結果を示した図である。
【図１７】本発明の第１および第２実施形態の第１変形例によるガスセンサの構成を示した図である。
【図１８】本発明の第１および第２実施形態の第２変形例によるガスセンサの構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１〜図９を参照して、本発明の第１実施形態によるガスセンサ１００の構成について説明する。
【００２１】
第１実施形態によるガスセンサ１００は、被検知ガスを検知して、検知結果（出力電圧Ｖｏ１）を外部（たとえば、表示部２０２および情報処理装置２０３）に出力するように構成されている。たとえば、図１に示すように、ガスセンサ１００は、液体水素格納容器２００を覆う真空断熱槽２０１内に配置される。真空断熱槽２０１の内部では、大気圧よりも低い気圧Ｐを有する空間Ａが形成されており、空間Ａは、真空断熱槽２０１の外部と液体水素格納容器２００とを断熱する機能を有する。なお、真空断熱槽２０１の空間Ａは、特許請求の範囲の「検知空間」の一例である。
【００２２】
ここで、液体水素格納容器２００は、たとえば、再使用観測ロケットまたは再使用観測衛星に搭載される。この場合、真空断熱槽２０１に配置されるガスセンサ１００には、耐圧防爆性能が要求される。そこで、第１実施形態によるガスセンサ１００は、耐圧防爆性能を有している。また、後述するように、第１実施形態によるガスセンサ１００は、真空計（気圧計）としての機能を有する。以下、詳細に説明する。
【００２３】
図２に示すように、ガスセンサ１００は、ガス検知素子１と、検知回路２と、温度制御回路３と、電源回路４と、コネクタ５とを備える。なお、検知回路２は、特許請求の範囲の「検知部」および「気圧検知回路」の一例である。また、温度制御回路３は、特許請求の範囲の「加熱部制御回路」の一例である。
【００２４】
たとえば、図３に示すように、ガスセンサ１００は、ガス検知素子１が真空断熱槽２０１の空間Ａのガスに接触可能な状態で配置されている。具体的には、ガスセンサ１００は、検知回路２および温度制御回路３等を収納する筐体６を備える。すなわち、第１実施形態によるガスセンサ１００では、ガス検知素子１と検知回路２と温度制御回路３とは、一体的（ｏｎ  ｂｏａｒｄ）に配置されている。
【００２５】
ここで、第１実施形態では、筐体６は、耐圧構造および防爆構造を有する。具体的には、筐体６は、箱形状を有する筐体本体部６１と、逆火防止機能を有するフレームアレスタ６２と、筐体６を真空断熱槽２０１に固定するための固定部６３とを含む。また、筐体６の内部と、外部に検知結果（出力電圧Ｖｏ１）を伝達するためのコネクタ５とを接続するケーブル６４が設けられている。なお、本願明細書では、「防爆構造」とは、必ずしも爆発、火災および火炎の伝達が生じない構造を意味するものではなく、少なくとも爆発の発生、火災の発生、および、火炎の伝達が抑制することが可能な構造を意味するものとして記載している。たとえば、「防爆構造を有するガスセンサ」という記載が、防爆に関する標準規格に準拠していることを意味するものではない。
【００２６】
筐体本体部６１は、大気圧より低い気圧下においても形状を維持する強度を有することにより、耐圧（耐圧力）構造を構成する。そして、筐体本体部６１は、金属により構成されており、筐体６の内部または外部のいずれかで火炎が生じた場合に、筐体６の内部と外部との間で火炎が伝達するのを抑制する機能を有する。また、フレームアレスタ６２は、たとえば、５層の焼結金網からなり、ガス検知素子１の内部と外部（筐体６の外部）との間で、火炎が伝達するのを抑制する機能を有する。
【００２７】
また、固定部６３は、液体水素格納容器２００または真空断熱槽２０１に締結部材（図示せず）等により、固定されるように構成されている。また、コネクタ５は、内部の電極および配線と外部の間において、防水構造を有する。そして、ガス検知素子１のガス感応部１１は、フレームアレスタ６２を介して導入された、空間Ａの被検知ガスに感応するように構成されている。
【００２８】
（ガス検知素子の構成）
図４に示すように、ガス検知素子１は、ガス感応部１１と、検知電極１２ａおよび１２ｂと、絶縁基板１３と、ヒータ１４とを含む。絶縁基板１３は、平板形状を有する。そして、検知電極１２ａおよび１２ｂは、絶縁基板１３の一方面（矢印Ｚ１方向側の面）に対として形成されている。そして、ガス感応部１１は、検知電極１２ａおよび１２ｂを被覆するように設けられている。ヒータ１４は、絶縁基板１３の他方面（矢印Ｚ２方向側の面）上に配置されている。
【００２９】
ここで、第１実施形態では、ガス感応部１１は、半導体を主成分として構成されている。たとえば、ガス感応部１１は、酸化物イオン伝導性と電子伝導性の両方を備える金属酸化物半導体である酸化セリウムを主成分として構成されている。すなわち、ガスセンサ１００は、混合伝導体式ガスセンサとして構成されている。
【００３０】
詳細には、酸化セリウムは、約３００℃以上の温度下では、周囲の酸素濃度（分圧）に応じて結晶格子内の酸素を吸蔵・放出する特性を有する。そして、酸化セリウムが、空間Ａ中に酸素を放出することによって生じる酸素空孔が、酸化物イオンの移動を促して、ガス感応部１１の電子伝導性（抵抗値Ｒｓ）が変化する。
【００３１】
電子電導性が変化する理由は、酸化セリウム（ＣｅＯ2-X）が不定比性酸化物であることに由来して、結晶内部の酸素空孔濃度と電子電導性とが比例関係を有するからである。たとえば、約５００℃に加熱した酸化セリウムは、周囲の酸素濃度に基づいて下記式（１）の反応の平衡状態に維持される。
【数１】
2019148476.tif 000003
【００３２】
この状態で、低酸素もしくは真空中では、ガス分子の結合解離エネルギーが酸素以下である還元性の高い物質（たとえば、水素ガス）の水素は、酸化セリウムの酸素原子サイトＯOXに解離吸着し、下記式（２）のように、４価のセリウムＣｅに電子が移動して３価のセリウムＣｅとなり、これがキャリアとして機能して電子伝導性が向上される。
【数２】
2019148476.tif 000004
【００３３】
すなわち、空間Ａに被検知ガスとして水素ガス、メタンガス、ブタンガスのようにガス分子の結合解離エネルギーが酸素以下である還元性の高い物質が存在した場合、ガス感応部１１に被検知ガスが到達すると酸化セリウムの電荷移動が容易になって電子伝導性が飛躍的に向上する（抵抗値Ｒｓが低下する）。
【００３４】
上記の式（２）の反応は、水素分圧が酸素分圧よりも大きい場合に起こる反応であるため、空間Ａの全圧（気圧Ｐ）には依存しない。これにより、ガス感応部１１に酸化セリウムを用いることは、真空中の水素ガスを高感度に検知するのに適している。
【００３５】
ここで、図５に、空気中および水素中から減圧しながらガス感応部１１の抵抗値Ｒｓを実測した測定結果（特性例）を示す。なお、「空気中」とは、窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを意味する。また、「水素中」とは、真空状態の空間Ａに水素ガスを封入した状態を意味する。図５に示されるガス感応部１１の特性から、検知回路２に要求される抵抗値Ｒｓの検知範囲は、約１ｋΩ以上約１００ＭΩ以下（５ディケート）の広範囲であることが判明している。そこで、第１実施形態によるガスセンサ１００は、検知範囲が約１ｋΩ以上約１００ＭΩ以下となるように構成されている。
【００３６】
図４に示すように、検知電極１２ａおよび１２ｂは、互いに離間して配置されており、たとえば、一対の櫛歯形状を有する。また、検知電極１２ａおよび１２ｂは、たとえば、白金や金等の貴金属、白金パラジウム合金等を蒸着等により形成されている。ここで、白金は耐久性に優れた材料であり、検知電極１２ａおよび１２ｂを構成する材料として適用するのに好ましい。
【００３７】
絶縁基板１３は、絶縁体からなり、たとえば、アルミナ、シリカ、ガラス等のいずれかからなる。たとえば、絶縁基板１３は、アルミナ（アルミナセラミックス）からなる。アルミナは、表面が比較的平滑でなく、ナノオーダーの凹凸を有するため、アンカー効果により検知電極１２ａおよび１２ｂやヒータ１４との接合を強固にすることが可能である。
【００３８】
ヒータ１４は、白金や金等の貴金属、白金パラジウム合金等からなる。そして、ヒータ１４は、絶縁基板１３の他方面側に配置（成膜）されている。そして、ヒータ１４は、後述する温度制御回路３から電力が供給されて発熱することにより、ガス感応部１１を加熱するように構成されている。
【００３９】
（検知回路の構成）
図６に示すように、第１実施形態では、ガス感応部１１に接続されたコンデンサ２１と、抵抗値Ｒｓに対応するコンデンサ２１の充電時間ｔｗを取得して、取得した充電時間ｔｗに基づいて被検知ガス（たとえば、水素ガス）を検知するマイクロコンピュータ回路２２（以下、「マイコン２２」とする）と、比較回路２３とが設けられている。図２に示すように、マイコン２２は、制御部２２ａとメモリ２２ｂとを含む。なお、充電時間ｔｗは、値であり、特許請求の範囲の「充電または放電する時間に関する値」および「時間に関する値」の一例である。また、コンデンサ２１は、特許請求の範囲の「容量素子」の一例である。また、マイコン２２は、特許請求の範囲の「検知部」および「気圧検知回路」の一例である。また、比較回路２３は、特許請求の範囲の「検知部」の一例である。
【００４０】
詳細には、コンデンサ２１は、所定の電気容量Ｃ１を有する固定コンデンサからなる。図６では、コンデンサ２１を、１つのコンデンサとして図示しているが、コンデンサ２１が複数のコンデンサを有する充電回路から構成されていてもよい。
【００４１】
そして、ガス感応部１１とコンデンサ２１とは、直列に接続されている。これにより、ガスセンサ１００は、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓとコンデンサ２１の電気容量Ｃ１とのＲＣ直列回路を構成する。詳細には、コンデンサ２１のガス感応部１１に接続されている端子とは反対側の端子には、電圧値Ｖｃｃを印加する電源回路４が接続されている。ガス感応部１１のコンデンサ２１に接続されている側の検知電極１２ａとは反対側の検知電極１２ｂは、接地されている。また、ガス感応部１１とコンデンサ２１とは、抵抗値Ｒ１を有する抵抗器２５を介して直列に接続されている。
【００４２】
検知回路２の充放電切替回路２４は、コンデンサ２１の両端に接続され、コンデンサ２１を充電させる状態と、コンデンサ２１から放電させる状態とを切り替えるスイッチ部２４ａを含む。また、充放電切替回路２４は、抵抗器２４ｂおよびダイオード２４ｃを含む。そして、スイッチ部２４ａのドレインは、抵抗器２４ｂを介して接地されているとともに、ダイオード２４ｃのアノードに接続されている。また、スイッチ部２４ａのソースは、コンデンサ２１および電源回路４に接続されている。そして、ダイオード２４ｃのカソードは、コンデンサ２１および抵抗器２５に接続されている。
【００４３】
たとえば、スイッチ部２４ａは、Ｐ型の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）として構成されており、マイコン２２からの放電指令信号Ｓａを取得した場合（パルス信号がローのレベルの場合）に、オン（コンデンサ２１の両端を短絡）するように構成されている。これにより、コンデンサ２１からスイッチ部２４ａ、ダイオード２４ｃ、および、コンデンサ２１の順に電流が流れ（放電され）、コンデンサ２１の両端の電位差が小さくなる。そして、スイッチ部２４ａは、マイコン２２からの放電指令信号Ｓａを取得しない場合（パルス信号がハイのレベルの場合）に、オフ（コンデンサ２１の両端を切断）するように構成されている。これにより、コンデンサ２１から抵抗器２５およびガス感応部１１を介してグラウンドに電流が流れ、コンデンサ２１の両端の電位差が大きくなることにより充電される。
【００４４】
また、ダイオード２４ｃを設けることにより、スイッチ部２４ａのみで充放電切替回路２４を逆流する電流を抑制する場合に比べて、スイッチ部２４ａとダイオード２４ｃとの両方により充放電切替回路２４を逆流する電流を抑制することができるので、より確実に充放電切替回路２４を逆流する電流を抑制することが可能になる。
【００４５】
図７に示すように、コンデンサ２１が充電される際には、コンデンサ２１と抵抗器２５との接続点Ｎ１における電圧値（入力電圧Ｖａ）は、コンデンサ２１の電気容量Ｃ１、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓおよび抵抗器２５の抵抗値Ｒ１から定まる時定数で低下する。すなわち、電気容量Ｃ１および抵抗値Ｒ１は、固定値であるので、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓの変化が、入力電圧Ｖａの時定数の変化に反映される。これにより、コンデンサ２１と抵抗器２５との接続点Ｎ１における電圧値（入力電圧Ｖａ）が、基準電圧値Ｖ１から基準電圧値Ｖ２まで変化するために要する時間（以下、「充電時間ｔｗ」とする）は、下記式（３）を用いて表すことが可能である。
【数３】
2019148476.tif 000005
【００４６】
そして、比較回路２３には、コンデンサ２１と抵抗器２５との接続点Ｎ１における電圧値（入力電圧Ｖａ）が入力される。また、検知回路２は、分割抵抗回路２６を含む。分割抵抗回路２６は、電源回路４と比較回路２３との間に配置されており、基準電圧値Ｖ１と基準電圧値Ｖ１よりも低い基準電圧値Ｖ２とを比較回路２３に入力するように構成されている。分割抵抗回路２６は、分割抵抗（複数の抵抗器）により基準電圧値Ｖ１およびＶ２を生成しているので、電源回路４の電圧値Ｖｃｃの大きさが変化した場合でも、基準電圧値Ｖ１と基準電圧値Ｖ２との比は変化しない。基準電圧値Ｖ１と基準電圧値Ｖ２との比は変化しないことにより、上記式（３）に示すように充電時間ｔｗは、電源回路４の電圧値Ｖｃｃの変化（変動）の影響は、受けにくい。
【００４７】
ここで、比較回路２３は、ガス感応部１１とコンデンサ２１とのＲＣ回路からのアナログの信号を、充電時間ｔｗの情報を含むデジタルの信号に変換するように構成されている。たとえば、比較回路２３は、ウィンド・コンパレータ回路として構成されており、入力電圧Ｖａと基準電圧値Ｖ１との比較を行うとともに、入力電圧Ｖａと基準電圧値Ｖ２との比較を行うように構成されている。具体的には、図７に示すように、比較回路２３は、たとえば、入力電圧Ｖａが基準電圧値Ｖ１以下でかつ基準電圧値Ｖ２以上の場合、ハイレベル（Ｈ）の出力信号Ｓｂを出力するように構成されている。また、比較回路２３は、入力電圧Ｖａが基準電圧値Ｖ１よりも大きいか、または、入力電圧Ｖａが基準電圧値Ｖ２よりも小さい場合、ローレベル（Ｌ）の出力信号Ｓｂを出力するように構成されている。
【００４８】
そして、マイコン２２は、比較回路２３からの出力信号Ｓｂを取得して、取得した出力信号Ｓｂにおける充電時間ｔｗを取得（計測）するように構成されている。たとえば、マイコン２２は、水晶振動子（Ｘ−ＴＡＬ）２２ｃに接続されている。そして、制御部２２ａは、水晶振動子２２ｃに対応する所定の期間毎にカウントを行うことにより、充電時間ｔｗの長さをカウント数として取得可能に構成されている。
【００４９】
ここで、図７に示すように、第１実施形態では、マイコン２２は、充電時間ｔｗが所定の第１時間ｔｈ１未満の場合に、さらに複数回繰り返して、充電時間ｔｗを取得するように構成されている。たとえば、マイコン２２は、充電時間ｔｗが第１時間ｔｈ１未満で、かつ、基準電圧値Ｖ２未満となった時に、充放電切替回路２４に放電指令信号Ｓａを伝達するように構成されている。これにより、ガス感応部１１およびコンデンサ２１では、充電と放電とが交互に繰り返され、マイコン２２により、複数回繰り返して充電時間ｔｗが取得される。たとえば、マイコン２２は、繰り返し充電時間ｔｗを取得する場合、所定の第２時間ｔｈ２以上（たとえば、１０２４カウント以上）になるまで、繰り返して充電時間ｔｗを取得する。第１時間ｔｈ１と第２時間ｔｈ２とは、同一の長さであってもよいし、互いに異なる長さであってもよい。
【００５０】
そして、マイコン２２は、充電時間ｔｗに対応する出力電圧Ｖｏ１（水素ガス濃度情報）を出力するように構成されている。たとえば、マイコン２２による充電時間ｔｗから出力電圧Ｖｏ１への変換は、変換回路により行ってもよいし、メモリ２２ｂに水素ガス濃度テーブルを予め記憶しておき、予め記憶された水素ガス濃度テーブルを用いて、変換するように構成してもよい。ここで、マイコン２２は、複数回繰り返して充電時間ｔｗを取得した場合には、取得された充電時間ｔｗを平均化処理して、平均化処理された充電時間ｔｗに基づく出力電圧Ｖｏ１を出力するように構成されている。
【００５１】
そして、マイコン２２は、出力電圧Ｖｏ１を情報処理装置２０３に伝達するように構成されている。また、マイコン２２は、出力電圧Ｖｏ１に基づいて抵抗値Ｒｓを算出するとともに、抵抗値Ｒｓ（数値）を示す画像を表示部２０２に表示させるように構成されている。情報処理装置２０３は、たとえば、出力電圧Ｖｏ１に基づいて水素ガス濃度を算出するように構成されている。
【００５２】
（ヒータおよび温度制御回路の構成）
図８に示すように、ヒータ１４は、温度制御回路３から電力が供給されることにより発熱して、ガス検知素子１のガス感応部１１（図４参照）を加熱するように構成されている。また、温度制御回路３は、ヒータ１４に供給する電力を調整して、ガス検知素子１の動作温度を維持する制御を行うように構成されている。
【００５３】
たとえば、ヒータ１４は、白金や金等の貴金属、白金パラジウム合金等を蒸着等によって、絶縁基板１３上（図４参照）に形成されている。ここで、白金は比較的耐久性に優れた材料であり、ヒータ１４の材料として好ましい。
【００５４】
ここで、第１実施形態では、温度制御回路３は、ヒータ１４の動作抵抗値Ｒｈが略一定となるようにヒータ１４に供給する電力の大きさを制御するように構成されている。そして、検知回路２のマイコン２２は、温度制御回路３からヒータ１４に供給する電力の大きさに基づいて、空間Ａにおける気圧Ｐ（真空度）を検出するように構成されている。
【００５５】
具体的には、温度制御回路３は、ガス検知素子１の温度が２００℃から１０００℃の範囲、好ましくは、４００℃から６５０℃の範囲の所定温度となるようにヒータ１４を制御するように構成されている。ここで、ガス検知素子１の動作温度が１０００℃より高いと、酸化物イオンの易動度が上がりすぎ、電子伝導性が高くなりすぎることにより、水素を検知した際の変化幅が十分でなくなる。しかし、ガス検知素子１の動作温度が２００℃より低いと、酸化物イオンの易動度が制限され、電子伝導性が低下しすぎてしまうので好ましくない。また、水素ガスの有無の変化に対応する抵抗値Ｒｓの変化量は、動作温度が低いほど大きくなる傾向があるので、ガス検知素子１の寿命の観点からは、上記のように４００℃から６５０℃の温度範囲が好ましい。
【００５６】
ここで、図９に、空間Ａの気圧Ｐとヒータ電流値Ｉｈ及びヒータ動作温度Ｔｈとの関係（測定結果）を示している。図９に示されるように、空間Ａの気圧Ｐが下がると、ヒータ１４の動作温度Ｔｈは高くなる。これは、圧力が低いほど熱移動の媒体となる気体分子が減るからである。逆に、検知空間Ａの気圧Ｐが上がると、ヒータ１４の動作温度Ｔｈは低くなる。これは、圧力が高いほど熱移動の媒体となる気体分子が増えるからである。
【００５７】
ここで、温度制御回路３は、空間Ａの気圧Ｐの変化に応じてヒータ１４の動作温度Ｔｈが変化しないように、ヒータ１４の動作抵抗値Ｒｈを一定にするように、ヒータ１４に供給する電力（たとえば、ヒータ電流値Ｉｈ）の大きさを制御するように構成されている。ヒータ電流値Ｉｈは、たとえば、図８に示すように、ヒータ１４に直列に接続された電流計３５により検出される。そして、電流計３５は、ヒータ電流値Ｉｈをマイコン２２に伝達するように構成されている。
【００５８】
すなわち、温度制御回路３は、空間Ａの気圧Ｐが下がった場合に、ヒータ１４に供給する電力（ヒータ電流値Ｉｈ）を小さくするとともに、空間Ａの気圧Ｐが上がった場合に、ヒータ１４に供給する電力（ヒータ電流値Ｉｈ）を大きくするように構成されている。そして、検知回路２のマイコン２２は、温度制御回路３がヒータ１４に供給する電力（ヒータ電流値Ｉｈ）の大きさを取得して、取得した電力の大きさに基づいて、空間Ａの気圧Ｐを検出するように構成されている。
【００５９】
また、空間Ａの温度を計測する温度センサ（図示せず）の値と併用し、温度センサの値（ヒータ動作温度Ｔｈ）に基づいて、気圧Ｐの値を補正することにより、より正確な空間Ａの気圧Ｐを取得することが可能である。なお、別途併用する温度センサには、サーミスタや測温抵抗体のほか、ガス検知素子１の絶縁基板１３と同じ絶縁基板１３を密閉容器内に空気または不活性ガスなどと封入したものも適用することができる。この場合、ガス検知素子１と温度センサの温度特性が近くなるため、補正が容易となる。
【００６０】
そして、マイコン２２は、メモリ２２ｂに記憶された電力（ヒータ電流値Ｉｈ）と気圧Ｐとが関連付けられた電力気圧テーブル、または、電力気圧変換回路を用いて、取得した電力の大きさに対応する空間Ａの気圧Ｐの情報を出力電圧Ｖｏｐとして出力するように構成されている。そして、マイコン２２は、出力電圧Ｖｏｐを、コネクタ５を介して情報処理装置２０３等（図６参照）に伝達するように構成されている。
【００６１】
また、図８に示すように、温度制御回路３は、ヒータ１４の動作抵抗値Ｒｈを一定に保つために、ホイートストンブリッジ回路３１を備えたフィードバック回路として構成されている。ホイートストンブリッジ回路３１は、抵抗器３１ａ〜３１ｃを含み、抵抗器３１ａの抵抗値Ｒ１１と抵抗器３１ｃの抵抗値Ｒ１３とは同じであり、抵抗器３１ｂの抵抗値Ｒ１２とヒータ１４の動作抵抗値Ｒｈとは同じになる。なお、抵抗器３１ｂは、たとえば、抵抗値Ｒ１２の大きさを変更可能なデジタルポテンショメータとして構成されている。
【００６２】
そして、温度制御回路３は、ホイートストンブリッジ回路３１の両端の電圧Ｖｃ１およびＶｃ２が、オペアンプ回路３２に差動入力されるように構成されている。そして、温度制御回路３は、オペアンプ回路３２からの出力Ｖｃ３がスイッチ部３３に入力され、スイッチ部３３により、ヒータ１４の動作抵抗値Ｒｈが常に抵抗値Ｒ１２と同じ値（略同じ値）になるように、ホイートストンブリッジ回路３１に供給される電力（たとえば、ヒータ電流値Ｉｈ）が自動的に調節されるように構成されている。なお、各回路間には、インピーダンスの調整等のための抵抗器３４ａ〜３４ｃが設けられている。
【００６３】
ここで、第１実施形態では、温度制御回路３は、防爆構造を有する。すなわち、温度制御回路３のホイートストンブリッジ回路３１における電源回路４側に安全保持部品が配置されている。詳細には、温度制御回路３のホイートストンブリッジ回路３１における電源回路４側に固定値の抵抗値Ｒ１１を有する抵抗器３１ａ、および、固定値の抵抗値Ｒ１３を有する抵抗器３１ｃが配置され、ヒータ１４および抵抗器３１ｂが接地（グラウンドに接続）されている。これにより、ヒータ１４の動作抵抗値Ｒｈおよび抵抗器３１ｂの抵抗値Ｒ１２が極めて小さい値になった場合でも、固定値の抵抗値を有する抵抗器３１ａおよび３１ｃを経由してグラウンドに電流が流れるので、温度制御回路３に大電流が流れるのを抑制することが可能になる。この結果、温度制御回路３では、大電流に起因した発熱や火花等の発生を抑制することが可能になるので、爆発や火災を抑制することが可能となる。
【００６４】
（ガス検知制御処理）
次に、図１０を参照して、第１実施形態のガスセンサ１００による被検知ガスの検知制御処理について説明する。ガスセンサ１００の制御処理は、マイコン２２により実行される。
【００６５】
ここで、第１実施形態の被検知ガスの検知制御処理（ガス検知方法）では、被検知ガスに感応することにより抵抗値Ｒｓが変化するとともに、半導体を主成分とするガス感応部１１に接続され、抵抗値Ｒｓに対応するコンデンサ２１の充電時間ｔｗを取得するステップＳ４と、取得した充電時間ｔｗに基づいて被検知ガスを検知するステップＳ９とを備える。以下、具体的に説明する。
【００６６】
ステップＳ１において、コンデンサ２１から放電が行われる。すなわち、図７に示すように、マイコン２２から放電指令信号Ｓａ（ローレベルの信号）が充放電切替回路２４のスイッチ部２４ａに伝達され、スイッチ部２４ａが導通して、コンデンサ２１の両端が短絡されることにより、コンデンサ２１の放電が行われる。その後、ステップＳ２に進む。
【００６７】
ステップＳ２において、コンデンサ２１への充電が開始される。すなわち、マイコン２２から放電指令信号Ｓａが停止され（ハイレベルにされ）充放電切替回路２４のスイッチ部２４ａのドレインおよびソース間が切断されることにより、コンデンサ２１から抵抗器２５およびガス感応部１１を介してグラウンドに電流が流れ、コンデンサ２１への充電が開始される。その後、ステップＳ３に進む。
【００６８】
ステップＳ３において、比較回路２３により、コンデンサ２１と抵抗器２５との接続点Ｎ１における入力電圧Ｖａと基準電圧値Ｖ１およびＶ２との比較が行われ、出力信号Ｓｂ（比較結果）がマイコン２２により取得される。その後、ステップＳ４に進む。
【００６９】
ステップＳ４において、マイコン２２により、比較回路２３からの出力信号Ｓｂに基づいて、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓに対応する充電時間ｔｗが取得される。すなわち、マイコン２２により、入力電圧Ｖａが基準電圧値Ｖ１から基準電圧値Ｖ２に変化するまでの期間が取得される。その後、ステップＳ５に進む。
【００７０】
ステップＳ５において、繰り返し充電時間ｔｗが取得されたか否かが判断される。すなわち、１回の被検知ガスの検知制御処理中に、２回以上、充電時間ｔｗが取得されたか否かが判断される。繰り返し充電時間ｔｗが取得された場合、ステップＳ７に進み、充電時間ｔｗが１回目の取得の場合、ステップＳ６に進む。
【００７１】
ステップＳ６において、充電時間ｔｗが所定の第１時間ｔｈ１未満か否かが判断される。充電時間ｔｗが所定の第１時間ｔｈ１未満の場合、ステップＳ１に戻り、充電時間ｔｗが所定の第１時間ｔｈ１以上の場合、ステップＳ９に進む。すなわち、充電時間ｔｗが所定の第１時間ｔｈ１未満の場合、ステップＳ１〜Ｓ５が繰り返され、繰り返し充電時間ｔｗが取得される。
【００７２】
ステップＳ７において、被検知ガスの検知制御処理開始時点から所定の第２時間ｔｈ２を経過したか否かが判断される。所定の第２時間ｔｈ２を経過している場合、ステップＳ８に進み、所定の第２時間ｔｈ２経過していない場合、ステップＳ１に戻る。すなわち、所定の第２時間ｔｈ２経過するまで、ステップＳ１〜Ｓ５、および、Ｓ７が繰り返される。
【００７３】
ステップＳ８において、繰り返し取得された充電時間ｔｗの平均化処理が行われる。その後、ステップＳ９に進む。
【００７４】
ステップＳ９において、充電時間ｔｗが、充電時間ｔｗに対応する出力電圧Ｖｏ１に変換されて出力される。すなわち、充電時間ｔｗが、被検知ガス濃度（水素ガス濃度）を示す出力電圧Ｖｏ１に変換されて出力される（被検知ガスの検出）。その後、第１実施形態の被検知ガスの検知制御処理が終了される。
【００７５】
（第１実施形態によるガスセンサの測定結果）
次に、図１１を参照して、第１実施形態のガスセンサ１００による測定結果を示す。第１実施形態のガスセンサ１００の検知回路２の検証のために、第１実施形態のガスセンサ１００のガス感応部１１を固定抵抗値１ｋΩ以上１００ＭΩ以下を有する固定抵抗器に置き換えて、抵抗値Ｒｓ（出力電圧Ｖｏ１）に対応する表示部２０２の抵抗値表示を確認した。
【００７６】
図１１に示すように、固定抵抗器の抵抗値１．００ｋΩの場合、抵抗値表示は、１．０５ｋΩであった。また、固定抵抗器の抵抗値１．１０ｋΩの場合、抵抗値表示は、１．１０ｋΩであった。また、固定抵抗器の抵抗値１０．０ｋΩの場合、抵抗値表示は、１０．４ｋΩであった。また、固定抵抗器の抵抗値１００ｋΩの場合、抵抗値表示は、１０４ｋΩであった。また、固定抵抗器の抵抗値１．００ＭΩの場合、抵抗値表示は、１．０２ＭΩであった。また、固定抵抗器の抵抗値１０．０ＭΩの場合、抵抗値表示は、１０．０ＭΩであった。また、固定抵抗器の抵抗値１００ＭΩの場合、抵抗値表示は、９９．１ＭΩであった。
【００７７】
この結果より、５ディケート（１ｋΩ以上１００ＭΩ以下）に渡る広範囲な固定抵抗器の抵抗値と、抵抗値表示とが略一致しているので、第１実施形態によるガスセンサ１００では、５ディケート（１ｋΩ以上１００ＭΩ以下）に渡る広範囲な抵抗値Ｒｓの変化を十分な精度で検出することが可能であることが判明した。
【００７８】
［第１実施形態の効果］
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００７９】
第１実施形態では、上記のように、検知回路２に、ガス感応部１１に接続されたコンデンサ２１と、抵抗値Ｒｓに対応するコンデンサ２１の充電または放電する時間に関する値（充電時間ｔｗ）を取得して、取得した時間に関する値（充電時間ｔｗ）に基づいて被検知ガスを検知するマイコン２２および比較回路２３とを設ける。これにより、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓおよびコンデンサ２１によりＲＣ回路が構成されるので、このＲＣ回路の時間に関する値（時定数：充電時間ｔｗ）が、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓに対応する値となる。ここで、充電時間ｔｗは、検出時間を長くすれば、無限に大きな値を検出可能な物理量である。したがって、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓが微小の場合、充電時間ｔｗを比較的長い検出時間をかけて測定すれば、間接的にガス感応部１１の抵抗値Ｒｓを高分解能で取得することができる。一方、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓが比較的大きい場合には、通常の検出時間の測定により、間接的にガス感応部１１の抵抗値Ｒｓを高分解能で取得することができる。その結果、被検知ガスに感応することに起因するガス感応部１１の抵抗値Ｒｓの変化の幅が比較的大きい場合でも、抵抗値Ｒｓ自体を直接的に高分解能で測定する必要がないので、高分解能なＡＤ変換器を要しない。また、被検知ガスに感応することに起因するガス感応部１１の抵抗値Ｒｓの変化の幅が比較的大きい場合でも、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓの大小に応じて、検出する抵抗値の範囲（レンジ）を切り替える必要がない。この結果、被検知ガスに感応することに起因するガス感応部１１の抵抗値Ｒｓの変化の幅が比較的大きい場合にも、被検知ガスの濃度を高分解能で検出することが可能で、かつ、ガスセンサ１００が複雑化および大型化するのを抑制することができる。
【００８０】
また、第１実施形態では、上記のように、ガス感応部１１を、被検知ガスとしての水素ガスに感応するように構成する。これにより、水素ガスの検出に起因するガス感応部１１の抵抗値Ｒｓの変化が広範囲になる場合にも、高分解能で微量の水素ガスの濃度を検出することが可能で、かつ、ガスセンサ１００が複雑化または大型化するのを抑制することができる。したがって、液体水素格納容器２００の周囲配置される真空断熱槽２０１における水素ガス漏洩検知に適用する第１実施形態は、特に効果的である。
【００８１】
また、第１実施形態では、上記のように、マイコン２２を、充電時間ｔｗを取得して、取得した充電時間ｔｗに基づいて被検知ガスを検知するように構成する。これにより、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓに対応する値である充電時間ｔｗを取得することにより、容易に、被検知ガスを高分解能で検出することができる。
【００８２】
また、第１実施形態では、上記のように、マイコン２２を、充電時間ｔｗを取得して、取得した時間が所定の時間未満の場合に、さらに複数回、充電時間ｔｗを取得するように構成する。これにより、充電時間ｔｗが、検出する周期に対して十分長くなく、１回の充電時間ｔｗの検出では、分解能を高くすることが困難な場合でも、複数回の時間の検出を行うことにより、複数回の時間の検出結果を平均化処理することにより、分解能を向上させることができる。
【００８３】
また、第１実施形態では、上記のように、ガス検知素子１に、ガス感応部１１を加熱するヒータ１４を設けて、ガスセンサ１００に、ヒータ１４の動作抵抗値Ｒｈが略一定となるようにヒータ１４に供給する電力の大きさを制御する温度制御回路３を設ける。そして、マイコン２２を、温度制御回路３からヒータ１４に供給する電力の大きさに基づいて、空間Ａにおける気圧Ｐを検出するように構成する。これにより、ガス検知素子１は、ガス感応部１１を動作させるガスセンサとしての機能と、空間Ａにおける気圧Ｐを検出する気圧計（真空計）としての機能との両方を兼ねることができる。この結果、ガスセンサ１００とは別個に、真空計を検知空間に配置する必要がないので、ガスセンサ１００が配置される装置（設備）の構成を簡素化することができる。
【００８４】
[第２実施形態]
次に、図１２〜図１４を参照して、第２実施形態のガスセンサ３００の構成について説明する。第２実施形態によるガスセンサ３００は、比較回路２３を用いて、コンデンサ２１に充電される充電時間ｔｗを取得するように構成されていた第１実施形態によるガスセンサ１００と異なり、タイマー集積回路（ＩＣ）３２３（以下、タイマーＩＣ３２３）を用いて、コンデンサ３２１の充放電周波数ｆｃおよび充放電周期Ｔｃを取得するように構成されている。なお、上記第１実施形態と同一の構成については、図中において同じ符号を付して図示し、その説明を省略する。
【００８５】
（第２実施形態によるガスセンサの構成）
本発明の第２実施形態によるガスセンサ３００は、図１２に示すように、ガスセンサ３００は、検知回路３０２を備える。検知回路３０２は、電気容量Ｃ２１を有するコンデンサ３２１と、タイマーＩＣ３２３と、マイクロコンピュータ回路３２２（以下、「マイコン３２２」）とを含む。なお、コンデンサ３２１は、特許請求の範囲の「容量素子」の一例である。また、タイマーＩＣ３２３と、マイコン３２２とは、特許請求の範囲の「検知部」の一例である。
【００８６】
コンデンサ３２１は、抵抗値Ｒ２１を有する抵抗器３２４を介して、ガス感応部１１に直列に接続されており、第１実施形態と同様にＲＣ直列回路を構成する。
【００８７】
タイマーＩＣ３２３は、たとえば、汎用のＣ−ＭＯＳタイマーＩＣを用いることができる。具体的には、タイマーＩＣ３２３として、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ製のＬＭＣ５５５タイマー回路、または、これと同等の性能を有するタイマーＩＣを採用することが可能である。
【００８８】
そして、タイマーＩＣ３２３のスレッショルド端子（ＴＨＲ）およびトリガー端子（ＴＲＩＧ）には、コンデンサ３２１と抵抗器３２４との接続点Ｎ２１が接続されている。また、タイマーＩＣ３２３のリセット端子（ＲＳＴ）およびＶ＋端子には、電源回路４の電圧値Ｖｃｃが印加されている。また、タイマーＩＣ３２３のディスチャージ端子（ＤＩＳ）には、ガス感応部１１と抵抗器３２４との接続点Ｎ２２が接続されている。タイマーＩＣ３２３の制御電圧端子（Ｃ  ＶＯＬＴ）は、コンデンサ３２５を介して接地されている。タイマーＩＣ３２３のグラウンド端子（ＧＮＤ）は、接地されている。
【００８９】
そして、タイマーＩＣ３２３の出力端子（ＯＵＴ）には、マイコン３２２が接続されている。なお、タイマーＩＣ３２３の出力端子（ＯＵＴ）には、抵抗器３２６を介して電源回路４が接続されている。
【００９０】
すなわち、検知回路３０２を、上記のタイマーＩＣ３２３の接続状態として構成することにより、タイマーＩＣ３２３は、図１４に示すように、無安定動作（フリーラン）するマルチバイブレータ回路として機能する。すなわち、コンデンサ３２１は、ガス感応部１１および抵抗器３２４を介して充電されるとともに、コンデンサ３２１は、抵抗器３２４を介して放電される。そして、コンデンサ３２１の充放電周波数ｆｃおよび充放電周期Ｔｃは、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓと抵抗器３２４の抵抗値Ｒ２１との比により算出可能となる。
【００９１】
したがって、抵抗器３２４の抵抗値Ｒ２１は固定値であるので、コンデンサ３２１の充放電周波数ｆｃおよび充放電周期Ｔｃは、ガス感応部１１の抵抗値Ｒｓに対応した値となる。詳細には、充放電周期Ｔｃは、比例定数ｋ（たとえば、０．６９３）を用いて、以下の式（４）のように表すことが可能であり、充放電周波数ｆｃは、以下の式（５）のように表すことが可能である。
【数４】
2019148476.tif 000006
【００９２】
そして、マイコン３２２は、タイマーＩＣ３２３からの出力信号Ｓｂ２を取得することによりコンデンサ３２１の充放電周波数ｆｃおよび充放電周期Ｔｃを取得して、取得した充放電周波数ｆｃおよび充放電周期Ｔｃに基づいて、被検知ガス（水素ガス）を検知するように構成されている。たとえば、マイコン３２２は、抵抗値Ｒｓに対応する出力電圧Ｖｏ２（水素ガス濃度の情報）を出力するように構成されている。
【００９３】
ここで、第２実施形態では、マイコン３２２は、充放電周波数ｆｃを取得する周波数取得モードと、充放電周期Ｔｃを取得する周期取得モードとを、条件に応じて切り替えるように構成されている。すなわち、マイコン３２２は、抵抗値Ｒｓが比較的小さく充放電が高速で行われる場合には、周波数取得モードにして、充放電周波数ｆｃを取得し、抵抗値Ｒｓが比較的大きく充放電が低速で行われる場合には、周期取得モードにして、充放電周期Ｔｃを取得する制御を行う。
【００９４】
詳細には、第２実施形態では、マイコン３２２は、周波数取得モードの状態で、充放電周波数ｆｃを取得して、取得した充放電周波数ｆｃが所定の周波数ｆｈ未満の場合に、コンデンサ３２１における充放電周期Ｔｃを取得する周期取得モードに切り替えるとともに、取得した充放電周波数ｆｃが所定の周波数ｆｈ以上の場合には、充放電周波数ｆｃの取得する周波数取得モードを継続するように構成されている。
【００９５】
また、マイコン３２２は、周期取得モードの状態で、充放電周期Ｔｃを取得して、取得した充放電周期Ｔｃが所定の周期Ｔｃｈ未満の場合に、コンデンサ３２１における充放電周波数ｆｃを取得する周波数取得モードに切り替えるとともに、取得した充放電周期Ｔｃが所定の周期Ｔｃｈ以上の場合には、充放電周期Ｔｃの取得する周期取得モードを継続するように構成されている。
【００９６】
マイコン３２２は、周波数取得モードでは、所定の時間（所定のカウント数）のうちの充放電の回数を取得するように構成されている。また、マイコン３２２は、周期取得モードでは、１つの充放電周期Ｔｃの長さを計測するように構成されている。
【００９７】
ここで、第２実施形態では、所定の周波数ｆｈに対応する抵抗値Ｒｓは、所定の周期Ｔｃｈに対応する抵抗値Ｒｓと略同一の値である。なお、所定の周波数ｆｈに対応する抵抗値Ｒｓを、所定の周期Ｔｃｈに対応する抵抗値Ｒｓ２よりも大きく構成して、周波数取得モードと周期取得モードとの間に、ヒステリシスを形成してもよい。この場合、周波数取得モードと周期取得モードとが、頻繁に切り替えられて、検知回路３０２の動作が不安定になるのを抑制することが可能になる。なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００９８】
（第２実施形態によるガスセンサの被検知ガスの検出制御処理）
次に、図１５を参照して、第２実施形態によるガスセンサ３００の被検知ガスの検出制御処理について説明する。具体的には、ガスセンサ３００による周波数取得モードと周期取得モードとの切替制御について説明する。
【００９９】
ステップＳ１０１において、周波数取得モードにおいて、充放電周波数ｆｃが取得され、取得された充放電周波数ｆｃに基づいて、抵抗値Ｒｓに対応する出力電圧Ｖｏ２が出力される（被検知ガスの検出が行われる）。その後、ステップ１０２に進む。
【０１００】
ステップＳ１０２において、充放電周波数ｆｃが所定の周波数ｆｈ未満か否かが判断される。充放電周波数ｆｃが所定の周波数ｆｈ未満の場合、ステップＳ１０３に進み、充放電周波数ｆｃが所定の周波数ｆｈ以上の場合、ステップＳ１０１に戻る。すなわち、充放電周波数ｆｃが所定の周波数ｆｈ未満の場合、周期取得モードに切り替えられ、充放電周波数ｆｃが所定の周波数ｆｈ以上の場合、周波数取得モードが継続される。
【０１０１】
ステップＳ１０３において、周期取得モードにおいて、充放電周期Ｔｃが取得され、取得された充放電周期Ｔｃに基づいて、抵抗値Ｒｓに対応する出力電圧Ｖｏ２が出力される。その後、ステップ１０４に進む。
【０１０２】
ステップＳ１０４において、充放電周期Ｔｃが所定の周期Ｔｃｈ未満か否かが判断される。充放電周期Ｔｃが所定の周期Ｔｃｈ未満の場合、ステップＳ１０１に戻り、充放電周期Ｔｃが所定の周期Ｔｃｈ以上の場合、ステップＳ１０３に戻る。すなわち、充放電周期Ｔｃが所定の周期Ｔｃｈ未満の場合、周波数取得モードに切り替えられ、充放電周期Ｔｃが所定の周期Ｔｃｈ以上の場合、周期取得モードが継続される。
【０１０３】
上記のステップＳ１０１〜Ｓ１０４が繰り返されることにより、測定時間の増大が抑制されながら、高分解能で被検知ガスの検出（抵抗値Ｒｓに対応する出力電圧Ｖｏ２の取得）がなされる。
【０１０４】
なお、第２実施形態のその他の制御処理は、上記第１実施形態と同様である。
【０１０５】
（第２実施形態によるガスセンサの測定結果）
次に、図１６を参照して、第２実施形態のガスセンサ３００による被検知ガスの測定結果を示す。図１６では、真空断熱槽２０１に水素ガスの圧力を１．５１×１０2Ｐａから５．６５×１０-5Ｐａまで減圧しながら、ガスセンサ３００から出力された出力電圧Ｖｏ２に基づいて、取得された抵抗値Ｒｓと、真空断熱槽２０１に酸素ガスの圧力を１．５１×１０2Ｐａから４．７０×１０-5Ｐａまで減圧しながら、ガスセンサ３００から出力された出力電圧Ｖｏ２に基づいて、取得された抵抗値Ｒｓと、真空断熱槽２０１に窒素ガスの圧力を１．５４×１０2Ｐａから５．７０×１０-5Ｐａまで減圧しながら、ガスセンサ３００から出力された出力電圧Ｖｏ２に基づいて、取得された抵抗値Ｒｓ（抵抗値表示）とを示している。
【０１０６】
水素ガスの圧力と抵抗値Ｒｓ（抵抗値表示）との測定結果は、１．５１×１０2Ｐａの時、１．８６×１０4Ω、１．００×１０Ｐａの時、７．８３×１０3Ω、９．５９×１０-1Ｐａの時、６．５４×１０3Ω、９．５５×１０-2Ｐａの時、６．８８×１０3Ω、９．５５×１０-3Ｐａの時、７．７２×１０3Ω、９．９５×１０-4Ｐａの時、９．２４×１０3Ω、９．９１×１０-5Ｐａの時、９．７２×１０3Ω、５．６５×１０-5Ｐａの時、１．０４×１０4Ωであった。
【０１０７】
窒素ガスの圧力と抵抗値Ｒｓ（抵抗値表示）との測定結果は、１．５４×１０2Ｐａの時、６．５９×１０7Ω、１．０１×１０Ｐａの時、４．０４×１０7Ω、９．７７×１０-1Ｐａの時、３．２１×１０7Ω、９．７３×１０-2Ｐａの時、２．７６×１０7Ω、１．０３×１０-2Ｐａの時、２．６４×１０7Ω、１．０１×１０-3Ｐａの時、２．４９×１０7Ω、１．００×１０-4Ｐａの時、２．３５×１０7Ω、５．７０×１０-5Ｐａの時、２．３７×１０7Ωであった。
【０１０８】
酸素ガスの圧力と抵抗値Ｒｓ（抵抗値表示）との測定結果は、１．５１×１０2Ｐａの時、２．５９×１０8Ω、１．００×１０Ｐａの時、１．６９×１０8Ω、１．００Ｐａの時、１．１７×１０8Ω、９．８６×１０-2Ｐａの時、８．７９×１０7Ω、１．００×１０-2Ｐａの時、６．５９×１０7Ω、１．００×１０-3Ｐａの時、５．５８×１０7Ω、９．８２×１０-5Ｐａの時、５．３５×１０7Ω、４．７０×１０-5Ｐａの時、４．７０×１０7Ωであった。
【０１０９】
この結果より、たとえば、第２実施形態によるガスセンサ３００では、水素ガスの圧力が９．５９×１０-1Ｐａの時、抵抗値Ｒｓを６．５３×１０3Ωとして取得することができ、酸素ガスの圧力が１．５１×１０2Ｐａの時、抵抗値Ｒｓを２．５９×１０8Ωとして取得することができることが判明した。したがって、第２実施形態によるガスセンサ３００においても、第１実施形態によるガスセンサ１００と同様に、５ディケート（１ｋΩ以上１００ＭΩ以下）に渡る広範囲な抵抗値Ｒｓの変化を十分な精度（３桁の精度）で検出することが可能であることが判明した。
【０１１０】
［第２実施形態の効果］
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０１１１】
第２実施形態では、上記のように、マイコン３２２を、取得した充放電周波数ｆｃが所定の周波数ｆｈ未満の場合に、コンデンサ３２１における充放電周期Ｔｃを取得するとともに、取得した充放電周波数ｆｃが所定の周波数ｆｈ以上の場合に、コンデンサ３２１における充放電周波数ｆｈを取得するように構成する。これにより、充放電周波数ｆｃが比較的大きい場合は、充放電周波数ｆｃを取得して、高分解能で被検知ガスを検知することができるとともに、充放電周波数ｆｃが比較的小さい場合には、充放電周期Ｔｃを取得することにより、検知時間の増大を抑制することができる。すなわち、検知時間の増大を抑制しながら、被検知ガスを高分解能で検知することができる。なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１１２】
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【０１１３】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、ガスセンサ全体を大気圧より低い気圧を有する空間に配置するように構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図１７に示す第１変形例のガスセンサ４００のように、ガス検知素子４０１のみが、真空断熱槽２０１に接続される真空チャンバ４１０内に配置されてもよい。ガスセンサ４００は、ガスセンサ装置４２０の一部を構成する。
【０１１４】
具体的には、ガスセンサ４００は、ガスセンサ装置４２０の一部を構成する。ガスセンサ装置４２０は、真空チャンバ４１０と、真空ポンプ４２１と、真空断熱槽側バルブ４２２と、ポンプ側バルブ４２３と、メンテナンス用バルブ４２４とを備える。そして、ガスセンサ４００は、ガス検知素子４０１が真空チャンバ４１０内に露出されており、真空断熱槽側バルブ４２２が開の状態で、真空チャンバ４１０の空間Ａ２の被検知ガス（たとえば、水素ガス）を検出するように構成されている。
【０１１５】
真空ポンプ４２１は、真空チャンバ４１０を減圧して、真空チャンバ４１０の気圧が真空断熱槽２０１の気圧に略同一になるように制御される。また、ガスセンサ４００の検知回路、温度制御回路および電源回路は、真空チャンバ４１０および真空断熱槽２０１の外部の大気中の回路ユニット４３０に収納されている。回路ユニット４３０とガス検知素子４０１とは、電線４３１により接続されることにより、各電力および信号が伝達される。ガスセンサ装置４２０によれば、真空断熱槽２０１を真空破壊することなく、ガスセンサ４００のメンテナンスが可能となる。
【０１１６】
また、上記第１実施形態では、充電時間ｔｗに基づいて被検知ガスを検知する例を示し、上記第２実施形態では、充放電周期Ｔｃおよび充放電周波数ｆｃに基づいて被検知ガスを検知する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図１８に示す第２変形例のガスセンサ５００の検知回路５０２を用いれば、放電時間ｔｄに基づいて被検知ガスを検知することが可能である。
【０１１７】
具体的には、図１８に示すように、第２変形例によるガスセンサ５００の検知回路５０２は、コンデンサ５２１と、マイコン５２２と、比較回路５２３と、充放電切替回路５２４と、抵抗器５２５とを含む。そして、充放電切替回路５２４は、マイコン５２２からの充電指令信号Ｓｄに基づいて、ガス感応部５１１とコンデンサ５２１とのＲＣ回路に対して充電する状態と、放電させる状態とを切り替えるように構成されている。充放電切替回路５２４は、スイッチ部５２４ａと、ダイオード５２４ｂと、抵抗器５２４ｃとを含む。そして、コンデンサ５２１は、一端が接地されており、スイッチ部５２４ａが導通している場合、充電される。そして、スイッチ部５２４ａが切断された場合、コンデンサ５２１から抵抗器５２５とガス感応部５１１に電流が流れて（放電して）、コンデンサ５２１の両端の電池差が小さくなる。
【０１１８】
そして、比較回路５２３は、第１実施形態による比較回路２３と同様に構成されており、コンデンサ５２１と抵抗器５２５との接続点Ｎ３１の電圧値を入力電圧Ｖａ３として入力される。そして、比較回路５２３は、放電時間ｔｄの情報を含む出力信号Ｓｂ３をマイコン５２２に出力する。マイコン５２２は、放電時間ｔｄに基づいて、第１実施形態によるマイコン２２と同様に、被検知ガスの検出を行うように構成されている。
【０１１９】
また、上記第１および第２実施形態では、ガス感応部を、酸化セリウムを主成分として構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。すなわち、ガス感応部を、酸化セリウム以外の半導体を主成分として構成してもよい。たとえば、ガス感応部を、酸化物イオン伝導性と電子伝導性の両方の性質を持つ混合伝導性の金属酸化物であるイットリア安定化ジルコニアを主成分として構成してもよい。
【０１２０】
また、上記第１および第２実施形態では、ガスセンサを、被検知ガスとして水素ガスを検知するように構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。すなわち、ガスセンサを、被検知ガスとして水素ガス以外のガスを検知するように構成してもよい。たとえば、ガスセンサを、酸素ガスおよび窒素ガスを検知するように構成してもよい。
【０１２１】
また、上記第１および第２実施形態では、ヒータの動作温度を制御する温度制御回路に、ホイートストンブリッジ回路およびフィードバック回路を設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。すなわち、ヒータの動作温度を制御する温度制御回路に、ホイートストンブリッジ回路およびフィードバック回路以外の構成の制御回路により、ヒータの動作温度を制御してもよい。
【０１２２】
また、上記第１および第２実施形態では、ヒータに流れるヒータ電流値に基づいて、気圧を検出する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ヒータに並列に電圧計を接続して、ヒータの両端の電位差に基づいて、気圧を検出するように構成してもよい。
【符号の説明】
【０１２３】
１、４０１  ガス検知素子
２、３０２、５０２  検知回路（検知部、気圧検知回路）
３  温度制御回路（加熱部制御回路）
１１、５１１  ガス感応部
１４  ヒータ（加熱部）
２１、３２１、５２１  コンデンサ（容量素子）
２２、３２２、５２２  マイクロコンピュータ回路（検知部）
２３  比較回路（検知部）
１００、３００、４００、５００  ガスセンサ
３２３  タイマーＩＣ（検知部）
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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