(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線による気体の電離作用によって生ずる電離電流が検知対象ガスのガス粒子の存在により減少するその電流変化量に応じて検知対象ガスの濃度を検出するイオン化式ガスセンサにおいて、
被検ガスが導入される測定室を画成する導電性を有するチャンバを備え、このチャンバ内に、放射線源および集電極が配設されると共に、チャンバと集電極との間に電位差を与える直流電源よりなる電圧印加手段が設けられてなる検知部を有し、
前記放射線源による電離作用によって生ずる電子が前記集電極に集電されることにより前記チャンバと前記集電極との間に流れる電離電流の大きさに応じた検出信号を積分する積分回路が設けられていることを特徴とするイオン化式ガスセンサ。
【請求項２】
チャンバが両端が気密に密閉された円筒型のものであって、当該チャンバの一方の端壁に放射線源が設けられており、線材よりなる集電極がチャンバの中心軸と同軸上の位置にチャンバの軸方向に伸びるよう配設されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン化式ガスセンサ。
【請求項３】
放射線源の放射能が１０ｋＢｑ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオン化式ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン化式ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体製造プロセスにおける有機金属ガスや、オフィスや工場などにおける火災の発生を示す煙粒子を検出するためのセンサとして、放射線による気体の電離作用を利用した電離箱の原理を利用したイオン化式ガスセンサが広く用いられている。
イオン化式ガスセンサのある種のものは、図４に示すように、例えば板状の集電極７５によって互いに気密に区画された、被検ガスが導入される測定室７３および環境条件の変化の影響を補償するための補償室７４を有するチャンバ７２を備え、測定室７３内および補償室７４内のそれぞれに例えばアメリシウム２４１などの放射線源７６，７７が配設されて構成された検知部７１と、集電極７５からの検出信号としての電流信号（測定室７３の電離電流と補償室７４の電離電流との差分に応じたもの）が、絶縁部材７９を介してチャンバ７２の壁を気密に貫通して外部に導出された集電極７５の一端がオペアンプ８３の非反転入力端子（Ｖｉｎ+ ）に接続されると共にオペアンプ８３の出力端子（Ｖｏｕｔ）が反転入力端子（Ｖｉｎ- ）に接続されて負帰還がかけられた状態で構成された、いわゆる「高入力インピーダンス回路」により構成された増幅回路８２およびＣＰＵ８５を含む濃度算出部８１とにより構成されている（例えば特許文献１参照）。図４における７２Ａはガス導入管、７２Ｂはガス排出管である。
【０００３】
このような構成のイオン化式ガスセンサ７０においては、チャンバ７２に適正な大きさの電圧が電圧印加手段７８によって印加されることにより放射線源７６，７７から放射された放射線（α線）によって測定室７３内および補償室７４内の空気が電離されて電離電流が生じており、例えば補償室７４内において流れる電離電流の方向を逆さにして測定室７３内において流れる電離電流と加算することにより、これらの電離電流が相殺されて検出される電流（出力）がゼロとなる状態、すなわち、測定室７３と補償室７４との間で平衡状態が維持された状態とされている。
而して、測定室７３内に導入される被検ガスに、例えば煙粒子やガス粒子などの微粒子が含まれている場合には、この微粒子によって放射線が吸収されて測定室７３の電離電流が減少して補償室７４との平衡状態が崩れるので、測定室７３の電離電流の変化量を検出することにより被検ガス中に含まれる検知対象ガスの濃度が検出される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６５２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記構成のイオン化式ガスセンサ７０においては、測定室７３および補償室７４の各々に放射線源７６，７７を備えることが必須構成要件となっており、放射線源７６，７７の管理および取扱いに十分に注意を払うことが必要であり、放射能が低減されたものが望まれている。
【０００６】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、高い動作の信頼性が得られるものでありながら、放射能の低減化が図られたイオン化式ガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のイオン化式ガスセンサは、放射線による気体の電離作用によって生ずる電離電流が検知対象ガスのガス粒子の存在により減少するその電流変化量に応じて検知対象ガスの濃度を検出するイオン化式ガスセンサにおいて、
被検ガスが導入される測定室を画成する導電性を有するチャンバを備え、このチャンバ内に、放射線源および集電極が配設されると共に、チャンバと集電極との間に電位差を与える直流電源よりなる電圧印加手段が設けられてなる検知部を有し、
前記放射線源による電離作用によって生ずる電子が前記集電極に集電されることにより前記チャンバと前記集電極との間に流れる電離電流の大きさに応じた検出信号を積分する積分回路が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明のイオン化式ガスセンサにおいては、両端が気密に密閉された円筒型のチャンバが用いられ、当該チャンバの一方の端壁に放射線源が配設されると共に、線材よりなる集電極がチャンバの中心軸と同軸上の位置にチャンバの軸方向に伸びるよう配設された構成とされていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明のイオン化式ガスセンサにおいては、放射線源の放射能を１０ｋＢｑ以下であるものとして構成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のイオン化式ガスセンサによれば、検知部からの検出信号としての入力電流信号が積分回路によって積分されることにより、検知対象ガスの濃度を算出することができるため、チャンバ構造を測定室のみを有する構成とすることができて単一の放射線源を備えたものとして構成することができ、測定室および補償室の電離電流の差に基づいてガス濃度を検出する構成のものと同等の動作の信頼性を有するものでありながら、放射能の低減化が図られたものとして構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明のイオン化式ガスセンサの一例における構成の概略を示す説明図である。
このイオン化式ガスセンサ（以下、単に「ガスセンサ」という。）１０は、放射線による気体の電離作用を利用した電離箱の原理を利用した検知部１１と、検知部１１からの検出信号に基づいて検知対象ガスの濃度を算出する濃度算出部３０とを備えている。
【００１２】
検知部１１は、内部に被検ガスが導入される測定室１４を画成する、両端が気密に密閉された円筒型のチャンバ１２を備え、このチャンバ１２内に、放射線源（α線源）１５が配設されると共に集電極２１が配設され、集電極２１とチャンバ１２との間に電位差を与える電圧印加手段１８が設けられて、構成されている。ここに、図１における１２Ａはガス導入管、１２Ｂはガス排出管である。
【００１３】
チャンバ１２は、導電性材料例えばステンレス鋼よりなり、集電極２１に対する対電極として機能する。
【００１４】
集電極２１は、線径が小さくて硬い金属よりなる線材により構成されており、チャンバ１２の中心軸と同軸上において、例えば一端部が絶縁部材２３を介してチャンバ１２の壁を気密に貫通して伸びるよう配置されている。
集電極２１を構成する材料としては、例えばステンレス鋼、タングステン、鉄、モリブデン等を例示することができ、また、これらの素線の表面に例えばＮｉ−Ａｕメッキ処理がなされたものであってもよい。
集電極２１の線径は、例えばφ１．０ｍｍ以下であることが好ましく、φ０．４〜φ０．８ｍｍであることがより好ましい。集電極２１の線径が過大である場合には、所定のガス測定を行うに際して必要とされる印加電圧が高いものとなり、一方、集電極２１の線径が過小である場合には、自己保形性が小さくなって振動などによる影響を受けやすくなる。
【００１５】
放射線源１５は、例えばアメリシウム２４１の塊状体よりなり、例えば、チャンバ１２の端壁の内面における中央位置（チャンバ１２の中心軸および集電極２１と同軸上の位置）に設けられている。放射線源１５がチャンバ１２の端壁の内面における中央位置に配設された構成とされることにより、放射線源１５からの放射線を効率よく利用することができ、高い効率を得ることができる。
放射線源１５としては、放射能が１０ｋＢｑ（キロベクレル）以下、例えば８ｋＢｑ（キロベクレル）程度のものが用いられている。
【００１６】
このガスセンサ１０における電圧印加手段１８は、例えば直流電源により構成されていおり、例えばチャンバ１２に対して負の電圧を印加する。
一方、集電極２１は例えば接地電位状態に維持されており、従って、電離作用によって生ずる正イオンがチャンバ１２に集められると共に易動度の高い電子が集電極２１に集電されるよう、測定室１４内に電場が形成される。
【００１７】
濃度算出部３０は、検知部１１からの検出信号を積分する、例えばオペアンプＯＰを含む積分回路３２と、ガス濃度を算出する機能を有するＣＰＵ３５とを有する。
また、この積分回路３２においては、コンデンサＣに充電された電荷を放電するためのスイッチ（リセットスイッチ）ＳＷがコンデンサＣに対して並列に接続されている。
【００１８】
以下、上記ガスセンサ１０によるガス検知動作について説明する。
被検ガスが適正な大きさに調整されたガス流量でチャンバ１２の測定室１４に導入されると共に、電圧印加手段１８によって、適正な大きさに制御された例えば負（−）の電圧がチャンバ１２に印加されることにより、測定室１４内の空気が放射線源１５からの放射線（α線）の作用によって電離され、これにより生ずる電子および陰イオンが陽極として機能する集電極２１に引き付けられることにより陰極として機能するチャンバ１２の壁と集電極２１との間に電離電流が流れ、当該電離電流の大きさに応じた入力電流信号が積分回路３２に入力され、この積分回路３２の出力信号がＣＰＵ３５に入力されることにより当該出力信号に基づいて検知対象ガスの濃度が算出されるが、検知対象ガスに係るガス粒子が被検ガスに含まれている場合には、当該ガス粒子が放射線源１５からの放射線（α線）がガス粒子に吸収されることに伴って電離電流が減少されることとなり、当該電離電流の変化量（減少の程度）に応じて検知対象ガスの濃度が算出される。
【００１９】
而して、上記ガスセンサ１０によれば、検知部１１からの検出信号として入力電流（センサ電流）信号が得られるが、この入力電流信号がオペアンプＯＰを含む積分回路３２によって積分されることより、検知対象ガスの濃度を算出することができる。具体的には、下記式（１）に基づいて出力Ｖｏｕｔが算出され、これにより得られる出力Ｖｏｕｔに応じた検知対象ガスの濃度が予め取得されていた検量線に基づいて算出される。
【００２０】
【数１】
0004713608.tif 000002
【００２１】
従って、チャンバ構造を測定室１４のみを有し、単一の放射線源１５を備えたものとして構成することができるので、測定室および補償室の電離電流の差に基づいてガス濃度を検出する構成のものと同等の動作の信頼性を有するものでありながら、放射能の低減化を図ることができる。
【００２２】
また、両端が気密に密閉された円筒型のチャンバ１２が用いられ、当該チャンバ１２の一方の端壁における中央位置に放射線源１５が配設されると共に、線材よりなる集電極２１がチャンバ１２の中心軸と同軸上の位置においてチャンバ１２の軸方向に伸びるよう配設された構成とされていることにより、測定室１４内に形成される電場の強度を軸方向において均一に形成することができるので、放射線による気体の電離作用によって生ずる電離電流を確実に検出することができ、所期のガス検知を確実に行うことができる。
【００２３】
さらにまた、集電極２１が接地電位状態に維持されると共にチャンバ１２に負の電圧が印加されることにより、正極とされる集電極２１に易動度の高い電子が集電されるので、高い効率を得ることができる。
【００２４】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
本発明に係るガスセンサを図１に示す構成に従って作製した。このガスセンサの仕様を以下に示す。
〔ガスセンサ仕様〕
チャンバ（１２）：材質；ステンレス鋼，外径；φ２０ｍｍ，内径；φ１５ｍｍ，長さ；５５ｍｍ、
集電極（２１）：材質；表面にＮｉ−Ａｕメッキが施されたタングステン，線径；φ０．３ｍｍ，測定室内における配置位置；チャンバの中心軸と同軸上の位置、
放射線源（１５）：材質；アメリシウム２４１，放射能；８ｋＢｑ（キロベクレル）、
【００２５】
このガスセンサを用いて図２に示すガス検知システムを構成し、チャンバに対する印加電圧を−１２Ｖとして、シランガス（ＳｉＨ4 ガス）を０．３リットル／ｍｉｎのガス流量で測定室内に導入することによるガス粒子検知テストを、シランガスの濃度を適宜に変更して行い、ガス濃度が１０ｐｐｍであるシランガスを用いた場合における出力値に対する各ガス濃度のシランガスに係る出力値の比を算出した。結果を図３（イ）に示す。
図２におけるガス検知システム４０において、４１は熱分解器、４２はガスセンサ、４３はデータロガ、４４は粒子除去フィルター、４５は流量計、４６はバッファ、４７はガス流量調整バルブ、４８は吸引ポンプ、４９は排気ダクトである。熱分解器４１によるシランガスの加熱温度を６００℃とした。
【００２６】
＜参考実験例１＞
参考用のガスセンサを図４に示す構成に従って作製した。この参考用ガスセンサの仕様を以下に示す。
〔参考用ガスセンサ仕様〕
チャンバ（７２）：材質；真鍮，測定室および補償室を画成する殻体；内径４３ｍｍの半球状、
集電極（７５）：材質；ステンレス鋼，形状；厚み０．５ｍｍの板状，
放射線源（７６，７７）：材質；アメリシウム２４１，放射能；３７（＝１８．５×２）ｋＢｑ（キロベクレル）、
【００２７】
この参考用ガスセンサについて、上記実験例１と同様のガス粒子検知テストを行い、ガス濃度が１０ｐｐｍであるシランガスを用いた場合における出力値に対する各ガス濃度のシランガスに係る出力値の比を算出した。結果を図３（ロ）に示す。
【００２８】
以上の結果、本発明に係るガスセンサは、放射能が低減された構成のものでありながら、参考用ガスセンサと同様の傾向を示す出力特性が得られることが確認された。
【００２９】
また、上記ガスセンサの各々について、被検ガスとしてテトラエトキシシランガス（ＴＥＯＳガス）を用いて同様のガス粒子検知テストを行ったところ、当該テトラエトキシシランガスについても、参考用ガスセンサと同様の傾向を示す出力特性が得られることが確認された。なお、このガス粒子検知テストにおいては、熱分解器４１によるテトラエトキシシランガスの加熱温度を８００℃とした。
【００３０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明においては、集電極とチャンバとの間に所定の電位差が得られるよう電圧印加手段が設けられた構成とされていればよく、例えば、集電極およびチャンバの両方に電圧が印加される構成とされていてもよい。
また、集電極それ自体がチャンバの外部に導出された構成である必要はなく、例えば集電極の基端部分に給電用の外部リードを接続して当該外部リードがチャンバの外部に導出される構成とされていてもよい。
さらに、本発明のガスセンサは、一酸化炭素、硫化水素、炭化水素、二酸化炭素、メタン、ブタンなどを感知するための煙感知器に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のイオン化式ガスセンサの一例における構成の概略を示す説明図である。
【図２】実験例におけるガス検知システムの構成例の概略を示す説明図である。
【図３】実験例における本発明に係るガスセンサの出力特性を示すグラフである。
【図４】従来のイオン化式ガスセンサの一例における構成の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  イオン化式ガスセンサ（ガスセンサ）
１１  検知部
１２  チャンバ
１２Ａ  ガス導入管
１２Ｂ  ガス排出管
１４  測定室
１５  放射線源（α線源）
１８  電圧印加手段
２１  集電極
２３  絶縁部材
３０  濃度算出部
３２  積分回路
３５  ＣＰＵ
４０  ガス検知システム
４１  熱分解器
４２  ガスセンサ
４３  データロガ
４４  粒子除去フィルター
４５  流量計
４６  バッファ
４７  ガス流量調整バルブ
４８  吸引ポンプ
４９  排気ダクト
ＯＰ  オペアンプ
Ｃ  コンデンサ
ＳＷ  スイッチ（リセットスイッチ）
７０  イオン化式ガスセンサ
７１  検知部
７２  チャンバ
７２Ａ  ガス導入管
７２Ｂ  ガス排出管
７３  測定室
７４  補償室
７５  集電極
７６，７７  放射線源
７８  電圧印加手段
７９  絶縁部材
８１  濃度算出部
８２  増幅回路
８３  オペアンプ
８５  ＣＰＵ
【図１】
0004713608.tif 000003
【図２】
0004713608.tif 000004
【図３】
0004713608.tif 000005
【図４】
0004713608.tif 000006