(57)【要約】【課題】知能型ガス識別システムおよびその方法を提供する。【解決手段】知能型ガス識別システムは、センサー、パルス電源モジュールおよび処理装置、からなる。センサーは、電圧入力端子、出力端子、および検出素子を備え、特定の環境にさらされて、ガス識別を実施する。パルス電源モジュールは電圧入力端子に接続されて、電圧入力端子により、可変振幅変調パルス電圧をセンサーに送り、センサーは出力端子により出力信号を送出する。処理装置は、複数の化学物質特徴信号を保存し、センサーの出力端子から、出力信号を受信し、その後、出力信号と化学物質特徴信号とを比較して、ガスの識別結果を決定する。【選択図】　　　　図４
2004093550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
知能型ガス識別システムであって、
特定の環境にさらされ、電圧入力端子と出力端子と検出素子とを備えるセンサーと、
前記電圧入力端子に接続され、前記電圧入力端子により、可変振幅変調パルス電圧を前記センサーに送り、前記センサーが前記出力端子により、出力信号を出力するパルス電源モジュールと、
複数の化学物質特徴信号を保存し、前記センサーの前記出力端子から前記出力信号を受信する処理装置と、
からなり、
前記処理装置は前記出力信号を受信し、前記出力信号と前記化学物質特徴信号と比較して、前記ガスの識別結果を決定することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記出力信号は、振幅変調パルス信号であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記検出素子は、金属酸化物の薄膜であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記酸化物は、二酸化スズ（ＳｎＯ２）であることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記ガスの前記識別結果は、前記ガスの組成であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記ガスの前記識別結果は、前記ガスの構成物質の濃度であることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】
ガス識別方法であって、
特定の環境に、センサーを提供する工程と、
可変振幅変調パルス電圧を、前記センサーに送り、前記センサーが前記特定の環境における前記ガスに対応する出力信号を出力する工程と、
前記出力信号と複数の化学物質特徴信号とを比較して、前記特定の環境における前記ガスの識別結果を決定する工程と、
からなることを特徴とする方法。
【請求項８】
前記化学物質特徴信号は、
複数の所定化学物質に前記センサーをさらし、可変振幅変調パルス電圧を前記センサーに送り、前記センサーがそれぞれの前記所定化学物質に対応する前記化学物質特徴信号を出力する工程と、
前記化学物質特徴信号を、データベースに保存する工程と、
により得られることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記出力信号は、振幅変調パルス電圧信号であることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記検出素子は、金属酸化物の薄膜であることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１１】
前記金属酸化物は、二酸化スズ（ＳｎＯ２）であることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記ガスの前記識別結果は、前記ガスの組成であることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１３】
前記ガスの前記識別結果は、前記ガスの構成物質の濃度であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の環境において、ガスあるいは揮発性化学物質を識別する知能型ガス識別システムおよびガス識別の方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガス濃度センサーは特定のガスの濃度を得るために用いられる。公知のガス濃度センサー５００の例は、図５と図６により詳述される。
【０００３】
図５で示されるように、公知のガス濃度センサー５００は、本体５１０、電圧入力端子５２０、出力端子５３０からなる。図６で示される本体５１０は、基板５１２、電極５１４、検出素子５１６およびヒーター５１８を備える。一般に、検出素子５１６は、たとえば、二酸化スズ（ＳｎＯ２）の薄膜などの金属酸化物の薄膜で、ガス濃度センサー５００の付近で、特定のガスに反応する。公知のガス濃度センサー５００が特定の環境に適用されて、ガス濃度測定を実施するとき、電圧入力端子５２０により、固定電圧がセンサー５００に入力されて、ヒーター５１８を作動させて、検出素子５１６の薄膜が、４００℃などの所定温度まで加熱される。よって、検出素子５１６の薄膜は、特定環境で測定される特定のガスに反応し、この反応により、検出素子５１６の抵抗が変化する。その後、検出素子５１６の抵抗により決定された出力電圧は、出力端子５３０により、出力信号として得られる。
【０００４】
特定の環境における特定のガスの濃度が反応に影響することは明らかであり、特定のガスの濃度と検出素子５１６の抵抗値とのあいだの関係は、ガス濃度センサー５００を基準にして、実験によって決めることができる。
【０００５】
図７は公知のガス濃度センサー５００によるガス濃度測定の例を示す図で、曲線Ｌ１およびＬ２は、特定の気体の異なる濃度を表している。電圧が、電圧入力端子５２０により、センサー５００に入力されて、ヒーター５１８を作動させるとき、検出素子５１６の薄膜は、たとえば４００℃などの所定温度まで加熱される。この反応により、検出素子５１６の抵抗は変化し、濃度Ｌ１では点Ａ、濃度Ｌ２では点Ｂによって示されるような、出力電圧を生じさせる。注意すべきことは、公知のガス濃度センサー５００の所定温度は、ガス濃度センサの応答が明瞭になり、その出力電圧が大きくなるような温度に設定される。たとえば、図７で示されるように、ガス濃度センサの出力が大きくなる最適温度は約４００℃である。
【０００６】
公知のガス濃度センサー５００は薄膜構造を備え、比較的低コストである。さらに、公知のガス濃度センサー５００は、ガスに反応して、短時間で測定され、長期間、効果的に用いられる。その結果、ガス濃度センサーは、様々な場所に幅広く用いられる。たとえば、特許文献１で開示されるガス濃度測定装置は、ガス濃度センサーが適用され、加熱制御回路を用いて、パルス幅変調（ｐｕｌｓｅ−ｗｉｄｔｈ−ｍｏｄｕｌａｔｅ、ＰＷＭ）信号により、繰り返しセンサーのヒーターに電圧を供給する。この場合、装置はガス濃度信号に含まれるエラーを訂正し、信号が調整され、ガス濃度センサーの出力信号は大きくなる。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６３３６３５４号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、公知のガス濃度センサー５００は、主に、特定のガスの濃度を測定するのに用いられる。特定のガスが特定の環境に存在するとき、公知のガス濃度センサー５００が特定の環境で用いられるのは明らかである。しかし、公知のガス濃度センサー５００の薄膜は、複数のガスに反応する。よって、特定の環境において、２種以上のガスが存在するとき、公知のガス濃度センサー５００は、各ガス中で識別がなされず、センサー５００の出力信号は複数のガス間で、特定のガスに正確に対応しない。さらに、特定の環境におけるガスの組成がまったく不明のとき、公知のガス濃度センサー５００はガスの組成を識別しない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これらを考慮して、本発明は知能型ガス識別システムおよびその方法を提供し、該知能型ガス識別システムでは、種々のガス種に対応する出力信号が異なるように、従来のガス濃度センサに対する入力信号として振幅変調電圧信号が用いられる。これによって、化学物質特徴データベースが、実験により確立されて、その化学物質の特徴データは、組成および／またはガスの濃度のいわば「参照指紋」として用いることができる。
【００１０】
本発明は知能型ガス識別システムを提供する。知能型ガス識別システムは、センサー、パルス電源モジュールおよび処理装置からなる。センサーは、電圧入力端子、出力端子、および検出素子を備え、特定の環境にさらされて、ガス識別を実施する。パルス電源モジュールは電圧入力端子に接続されて、電圧入力端子により、振幅変調パルス電圧をセンサーに送り、センサーは出力端子により出力信号を送出する。処理装置は、複数の化学物質特徴信号を保存し、センサーの出力端子から、出力信号を受信し、その後、出力信号と化学物質特徴信号とを比較して、ガスの識別結果を決定する。
【００１１】
さらに、本発明はガス識別方法を提供する。まず、センサーが特定の環境にさらされる。センサーに可変振幅変調パルス（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｅ　Ｐｕｌｓｅ、ＡＭＰ）電圧が供給され、センサーは、特定の環境において、ガスに対応する出力信号を出力する。その後、出力信号は複数の化学物質特徴信号と比較されて、特定の環境におけるガスの識別結果を決定する。
【００１２】
ガス識別方法において、化学物質特徴信号は、センサーを複数の所定化学物質にさらして、可変振幅変調パルス電圧をセンサーに送ることにより得られ、センサーは、それぞれの所定化学物質に対応する各化学物質特徴信号を出力する。その後、化学物質特徴信号はデータベースに保存される。
【００１３】
本発明のシステムと方法において、出力信号は振幅変調パルス電圧信号である。さらに、検出素子は二酸化スズ（ＳｎＯ２）の薄膜などの金属酸化物である。さらに、ガスの識別結果は、ガスの組成、および／またはそれぞれの構成物質の濃度である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の目的、特徴、および長所をいっそう明瞭にするため、以下に本発明の好ましい実施の形態を挙げ、図を参照にしながらさらに詳しく説明する。
【００１５】
従来のガス濃度測定においては、固定電圧がセンサーに入力されて、ヒーターを作動させる。検出素子の薄膜が加熱されて、特定の環境において測定される特定のガスに対する反応が生じ、検出素子の抵抗はこの反応により変化する。このようにして、出力信号が得られる。固定電圧は、検出素子の薄膜が最大の出力信号を示す最適温度になるまで加熱されるように設定される。しかし、本発明においてはセンサーに入力される電圧を最適温度を含む範囲で変化させ、それによって出力信号を変化させる。
【００１６】
図８はセンサーにより測定された複数のガスに対応する出力信号を示す図である。ガスは、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、メタン（ＣＨ４）および（イソ）ブタン（Ｃ４Ｈ１０）を含み、各ガスの濃度は０．１％に維持されて、出力信号を得る。提供されたセンサーは、前記の広く用いられているガス濃度センサーである。注意すべきことは、図８の曲線は、薄膜温度（すなわち、センサーに入力される電圧）に対応するガスの出力信号が変化することを示し、各出力信号は個別に識別できるパターンとして認識される。よって、各々のガスの出力信号は、ガス識別におけるガスの化学物質特徴信号として用いられる。これが、本発明に導入されるコンセプトである。
【００１７】
さらに、図８に示される本発明のガス識別コンセプトが、図７で示される従来のガス濃度測定と比較して説明される。図７に示す従来技術において、ガス濃度センサー５００の出力信号は、選択された特定の薄膜温度（固定電圧がセンサー５００に入力されるため）に対応したある一点のデータである。しかし、図８に示す本発明においては、センサーの出力信号は、薄膜温度のある特定の範囲に関連する曲線であって、ガスの化学物質特徴信号として使用され、ガス識別に用いられる。
【００１８】
本発明の知能型ガス識別システムの実施例が図１により詳述される。本発明の知能型ガス識別システムが、特定環境において、ガス識別（あるいは揮発性化学物質識別）を実施するために使用される。知能型ガス識別システムは、センサー１０、パルス電源モジュール２０、処理装置３０を備える。
【００１９】
センサー１０は、図５で示される公知のガス濃度センサー５００であって、少なくとも一つの電圧入力端子５２０、少なくとも一つの出力端子５３０、および検出素子（すなわち、本体５１０）を備える。検出素子は、二酸化スズ（ＳｎＯ２）の薄膜などの金属酸化物で、センサー１０付近の特定のガスに反応する。
【００２０】
パルス電源モジュール２０はセンサー１０の電圧入力端子に接続されて、可変振幅変調パルス電圧をセンサー１０に送り、センサーは出力端子により出力信号を送出する。
【００２１】
処理装置３０は、複数の化学物質特徴信号を保存するパターン認識モジュールとデータベースを備えるコンピューターである。パターン認識モジュールは、たとえば、グラフィック認識ソフトウェアである。さらに、処理装置３０は、センサー１０の出力端子から、出力信号を受信する。
【００２２】
本実施例の知能型ガス識別システムがガス識別に用いられるとき、センサー１０は特定環境にさらされる。パルス電源モジュール２０は、電圧入力端子により、可変振幅変調パルス電圧をセンサー１０に送り、検出素子の薄膜は繰り返し加熱され、各加熱工程において、薄膜温度は、可変振幅変調パルス電圧により変化する。よって、薄膜は異なる温度の特定環境において、ガスに反応し、センサー１０は可変振幅変調パルス信号などの出力信号を、処理装置３０に出力する。その後、処理装置３０は、出力信号と化学物質特徴信号とを比較して、ガスの組成、および／またはガスそれぞれの構成物質の濃度など、ガスの識別結果を決定する。
【００２３】
本発明のガス識別方法のさらなる実施例は、図２のフローチャートで示される。実施例は、ガスＧが識別される特定環境に存在すると仮定し、２つの与えられた化学物質ＸおよびＹは、識別対象であるガスＧと比較するのに適用される。つまり、ガスＧがＸまたはＹに正確に適合する場合、ガス識別が実施できる。
【００２４】
ガス識別が実施されるとき、上述のセンサー１０が準備され（Ｓ１０）、与えられた化学物質ＸおよびＹにさらされる（Ｓ２０）。その後、可変振幅変調パルス電圧がセンサー１０に供給され、センサー１０は与えられた化学物質ＸおよびＹに対し、化学物質特徴信号ＳＸおよびＳＹを出力する（Ｓ３０）。これらの化学物質特徴信号ＳＸ、ＳＹは、ガスＧのさらなるガス識別のために、データベースに保存される（Ｓ４０）。
【００２５】
その後、センサーはガスＧを含む特定環境にさらされる（Ｓ５０）。センサーは、可変振幅変調パルス電圧を供給し、センサーは特定環境でガスＧに対応する出力信号ＳＧを出力する（Ｓ６０）。よって、処理装置３０は出力信号ＳＧを受信し、出力信号ＳＧを化学物質特徴信号ＳＸおよびＳＹと比較して、ガスＧの識別結果を決定する（Ｓ７０）。
【００２６】
識別結果は、「ガスＧが正確にＸまたはＹに適合する」あるいは「ガスＧがＸとＹのどちらにも適合しない」を表示する値である。注意すべきことは、ＸとＹのパターン（化学物質特徴信号）が、図８中の識別曲線Ｌ１、Ｌ２のようには一致しない場合、ガス識別が実施され、ガスＧがＸとＹの混合物質かどうか、およびガスＧに含まれるＸおよび／またはＹのそれぞれの濃度が決定される。
【００２７】
本発明の知能型ガス識別システムのセンサー１０に入力する可変振幅変調パルス電圧信号の例が、図３に示される。本発明における可変振幅変調パルス電圧信号は、電圧振幅が順次に増加または減少する一連のパルス列である。さらに、センサー１０の出力信号の２例が図４（ａ）と図４（ｂ）に示される。
【００２８】
注意すべきことは、本発明で得られる化学物質特徴信号（パターン）は、所定のガスのいわゆる「指紋」として用いられる。グラフィック認識技術により、本発明は、定性的分析において、「嗅覚」を模擬することができる。
【００２９】
本発明の知能型ガス識別システムにおいて、可変振幅変調パルス電圧が、センサー１０に送る入力電圧として用いられ、ＡＭＰ電圧の各パルスごとに、入力電圧は０に戻り、薄膜温度は室温に戻る。センサーは測定すべきガスに反応し、短時間で反応し、長期にわたって効果的に用いることができるため、本発明は、ＡＭＰ電圧の各パルスに対応する出力信号が各パルスに対応するセンサに１対１に正確に対応することを確保し、ガス識別の正確度を増加させる。
【００３０】
また、注意すべきことは、パルス電源モジュール２０によりセンサー１０に入力される可変振幅変調パルス電圧は、図３で示されるパターンのような所定のパターンである。可変振幅変調パルス電圧のパルスは、３〜５秒の特定期間維持され、検出素子の薄膜温度が一定温度に到達することを確保する。しかし、１秒から数百ミリセカンドなどの短時間でも許容範囲である。
【００３１】
さらに、センサー１０に入力される可変振幅変調パルス電圧は、その最高電圧が検出素子の適温（最大出力温度）を上回る薄膜温度になるように設定されなければならない。たとえば、一酸化炭素の適温は３００℃以下で、水素の適温は３００℃を上回る。その結果、本発明の実施例が一酸化炭素および水素のガス識別に適用される場合、パルス電源モジュール２０を調整して、可変ＡＭＰ信号の最高電圧パルスが、センサー１０の薄膜温度を３００℃以上にする必要がある。
【００３２】
本発明は、多種のガスあるいは揮発性化学物質を確認するのに適用する。たとえば、本発明は、化学研究所での有毒ガス識別に用いられたり、ワイン識別あるいはパフューム製造工程においていわば「電気の鼻」として適用される。本発明のほかの可能な用途としては、トイレ周辺での臭気あるいは工業用有毒ガスの識別などがある。
【００３３】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができ、したがって本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【００３４】
【発明の効果】
各種特定の気体の種類、濃度を識別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の知能型ガス識別システムの実施例を示す図である。
【図２】本発明の知能型ガス識別方法のフローチャートである。
【図３】本発明の実施例による可変振幅変調パルス電圧を示す図である。
【図４】本発明で得られる出力信号の実施例を示す図である。
【図５】公知のガス濃度センサーを示す斜視図である。
【図６】公知のガス濃度センサーの本体を示す断面図である。
【図７】公知のガス濃度センサー５００によるガス濃度測定の例を示す図。
【図８】センサーにより測定された複数のガスに対応する出力信号を示す図である。
【符号の説明】
１０　センサー
２０　パルス電源モジュール
３０　処理装置
５００　ガス濃度センサー
５１０　本体
５２０　電圧入力端子
５３０　出力端子
５１２　基板
５１４　電極
５１６　検出素子
５１８　ヒーター
【図１】
2004093550.tif 000003
【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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