(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも白金を含む材料により形成された酸化性触媒能を有するガス感応体を具備し、前記ガス感応体の固有抵抗値が温度に比例して変化する接触燃焼式ガスセンサと、前記ガス感応体と同一の温度−抵抗特性を有しガス感度を失活させた温度補償用のリファレンス抵抗と、前記ガス感応体と前記リファレンス抵抗との直列回路に一定電圧を印加する電圧印加手段と、前記リファレンス抵抗の抵抗値を一定と仮定し、前記ガス感応体の両端電圧と前記電圧印加手段による印加電圧とを用いて前記ガス感応体の抵抗値を検出する抵抗値検出手段と、基準濃度における前記ガス感応体の抵抗値をもとに前記抵抗値検出手段で検出された抵抗値から直線補間計算を行って検知対象ガスのガス濃度を求める濃度検出手段とを備えて成ることを特徴とするガス検出装置。
【請求項２】
前記ガス感応体および前記リファレンス抵抗からなる直列回路の両端間に２つの比較抵抗を直列接続して、前記２つの比較抵抗の直列回路の両端に前記一定電圧を印加し、雰囲気中に検知対象ガスが存在しない状態で両比較抵抗の接続点の比較電圧と、ガス感応体およびリファレンス抵抗の接続点の検出電圧との差電圧が略ゼロになるように両比較抵抗の抵抗値を設定し、前記抵抗値検出手段が、前記比較電圧と前記検出電圧との差電圧を増幅して得た電圧より前記ガス感応体の抵抗値を演算により求めることを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
【請求項３】
前記ガス感応体および前記リファレンス抵抗が、ガス感応体を高圧側にして電圧印加手段の両端間に直列接続されており、前記電圧印加手段による印加電圧をＶｃ、リファレンス抵抗の抵抗値をＲＬ、リファレンス抵抗の両端電圧をＶＲＬ、雰囲気中に検出対象ガスが存在しない状態で前記比較電圧と前記検出電圧との差電圧が略ゼロになるように両比較抵抗の抵抗値を調整した後の比較電圧をＶ２、前記差電圧（ＶＲＬ−Ｖ２）を増幅率Ｋで増幅して得た電圧をＶｒとした場合に、比較電圧Ｖ２がＶｃ／２となることを利用して、前記抵抗値検出手段が、ガス感応体の抵抗値Ｒｓを、Ｒｓ＝２Ｋ×Ｖｃ×ＲＬ／（Ｖｃ×Ｋ＋２Ｖｒ）−ＲＬなる演算式を用いて求めることを特徴とする請求項２記載のガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のガス検出装置としては、接触燃焼式ガスセンサからなる抵抗体をブリッジ回路の一辺に接続して、一方のアームの中点電位と他方のアームの中点電位との間の差電圧から接触燃焼式ガスセンサの抵抗値を求め、この抵抗値より検知対象ガスのガス濃度を検出するものが従来より提供されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−１４５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のガス検出装置では、ブリッジ回路の出力を増幅して出力しているだけなので、抵抗体の抵抗値変化が小さい低濃度域ではブリッジ回路の出力（差電圧）とガス濃度とがほぼ比例するが、高濃度域になるとブリッジ回路の出力とガス濃度とが比例しなくなるため、高濃度域でブリッジ回路の出力を補正するための近似式を使用していた。そのため、ガス濃度の検出値を補正するために近似式の係数を調整する必要があり、調整の手間がかかり、また調整不良などによってガス濃度の検出精度が悪化するという問題もあった。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、ガス濃度の検出精度を向上させたガス検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、少なくとも白金を含む材料により形成された酸化性触媒能を有するガス感応体を具備し、ガス感応体の固有抵抗値が温度に比例して変化する接触燃焼式ガスセンサと、前記ガス感応体と同一の温度−抵抗特性を有しガス感度を失活させた温度補償用のリファレンス抵抗と、ガス感応体とリファレンス抵抗との直列回路に一定電圧を印加する電圧印加手段と、リファレンス抵抗の抵抗値を一定と仮定し、ガス感応体の両端電圧と電圧印加手段による印加電圧とを用いてガス感応体の抵抗値を検出する抵抗値検出手段と、基準濃度におけるガス感応体の抵抗値をもとに抵抗値検出手段で検出された抵抗値から直線補間計算を行って検知対象ガスのガス濃度を求める濃度検出手段とを備えて成ることを特徴とする。
【０００６】
ところで、雰囲気中に検知対象ガスが存在すると、ガス濃度に応じてガス感応体の固有抵抗が変化し、それによってリファレンス抵抗に流れる電流が変化するため、ジュール熱によってリファレンス抵抗の温度が変化し、リファレンス抵抗の固有抵抗が温度に比例して変化するのであるが、請求項１の発明によれば、抵抗値検出手段が、リファレンス抵抗の抵抗値を一定と仮定し、ガス感応体の両端電圧と電圧印加手段による印加電圧とを用いてガス感応体の抵抗値を検出しているので、従来はガス感応体およびリファレンス抵抗の接続点電位の変化とガス濃度との関係が線形な関係から外れた高濃度域においても、ガス感応体の抵抗値とガス濃度とが線形な関係を有しているものとしてガス感応体の抵抗値を求めることが可能になる。したがって、ガス感応体の抵抗値を簡単な演算で求めることができ、複雑な近似式を用いて抵抗値を求める場合のように近似式の係数を調整する作業が不要になり、ガス感応体の抵抗値を簡単に精度良く検出することができる。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、ガス感応体およびリファレンス抵抗からなる直列回路の両端間に２つの比較抵抗を直列接続して、２つの比較抵抗の直列回路の両端に一定電圧を印加し、雰囲気中に検知対象ガスが存在しない状態で両比較抵抗の接続点の比較電圧と、ガス感応体およびリファレンス抵抗の接続点の検出電圧との差電圧が略ゼロになるように両比較抵抗の抵抗値を設定し、抵抗値検出手段が、比較電圧と検出電圧との差電圧を増幅して得た電圧よりガス感応体の抵抗値を演算により求めることを特徴とする。
【０００８】
ところで、ガス感応体とリファレンス抵抗との接続点の検出電圧から、ガス感応体の抵抗値を直接求める場合は、ガス濃度の変化に対する抵抗値の変化分が小さいため、十分な分解能を得るためには、電圧値検出手段として分解能の高い高価なものを使用する必要がある。それに対して、請求項２の発明によれば、比較電圧と検出電圧との差電圧を増幅して得た電圧からガス感応体の抵抗値を演算により求めているので、電圧を検出するためのＡ／Ｄ変換器に比較的分解能の低い安価な素子を使用することができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、ガス感応体およびリファレンス抵抗が、ガス感応体を高圧側にして電圧印加手段の両端間に直列接続されており、電圧印加手段による印加電圧をＶｃ、リファレンス抵抗の抵抗値をＲＬ、リファレンス抵抗の両端電圧をＶＲＬ、雰囲気中に検出対象ガスが存在しない状態で比較電圧と検出電圧との差電圧が略ゼロになるように両比較抵抗の抵抗値を調整した後の比較電圧をＶ２、差電圧（ＶＲＬ−Ｖ２）を増幅率Ｋで増幅して得た電圧をＶｒとした場合に、比較電圧Ｖ２がＶｃ／２となることを利用して、抵抗値検出手段が、ガス感応体の抵抗値Ｒｓを、Ｒｓ＝２Ｋ×Ｖｃ×ＲＬ／（Ｖｃ×Ｋ＋２Ｖｒ）−ＲＬなる演算式を用いて求めることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、上記の演算式を用いてガス感応体の抵抗値Ｒｓを演算により求めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、抵抗値検出手段が、リファレンス抵抗の抵抗値を一定と仮定し、ガス感応体の両端電圧と電圧印加手段による印加電圧とを用いてガス感応体の抵抗値を検出しているので、従来はガス感応体およびリファレンス抵抗の接続点電位の変化とガス濃度との関係が線形な関係から外れた高濃度域においても、ガス感応体の抵抗値とガス濃度とが線形な関係を有しているものとしてガス感応体の抵抗値を求めることが可能になる。したがって、ガス感応体の抵抗値を簡単な演算で求めることができ、複雑な近似式を用いて抵抗値を求める場合のように近似式の係数を調整する作業が不要になり、ガス感応体の抵抗値を簡単に精度良く検出することができ、その結果ガス濃度を正確に検出できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
本発明の実施形態１を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態のガス検出装置のブロック図であり、この検出装置は、接触燃焼式ガスセンサ１と温度補償用のリファレンス抵抗８と抵抗値検出部１０と濃度検出部１１と記憶部１２とを主要な構成として備えている。尚、抵抗値検出部１０および濃度検出部１１は、例えばマイクロコンピュータの演算機能により実現される。
【００１４】
図２（ａ）は本実施形態に用いる接触燃焼式ガスセンサ１の断面図、同図（ｂ）は外観斜視図であり、この接触燃焼式ガスセンサ１はガス感応体２とステム３ａ，３ｂ，３ｃとベース４と保護キャップ５とを備える。
【００１５】
ガス感応体２は、触媒作用によりその表面で検知対象の可燃性ガス（例えば水素）を燃焼させる燃焼体としての機能と、燃焼熱による温度上昇に応じて発生する抵抗値変化からガス濃度を検出するための発熱抵抗体としての機能を共に備えており、表面の組成をパラジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケル、コバルトの内の少なくとも１種と白金との合金とした白金線をコイル状に巻回して形成されており、その両端２ａ，２ｂがステム３ａ，３ｃに電気的且つ機械的に接続されている。なお、本実施形態ではガス感応体２として例えば線径が約１５〜５０μｍのものを用い、コイルの全長を約２５０〜１０００μｍ、コイル径を約１６０〜５５０μｍとしている。なお本実施形態ではガス感応体２として白金線を用いているが、白金系の抵抗線であれば純白金以外の材料を用いても良く、例えばジルコニア安定化白金などでも良い。
【００１６】
また本実施形態では、接触燃焼式ガスセンサ１と同一のケース内にリファレンス抵抗８を収納してある。リファレンス抵抗８は、ガス感応体２と同一の材料により、同一の形状、寸法に形成されており、検知対象ガスに対するガス感度を失活させている。
【００１７】
リファレンス抵抗８は水素ガスに対する燃焼活性を無くしているので、リファレンス抵抗８をガス感応体２と同じ温度に加熱したとしてもリファレンス抵抗８の表面で水素ガスが燃焼することはないから、燃焼熱による温度上昇が発生しない。またリファレンス抵抗８はガス感応体２と同一の材料で形成されているので、ガス感応体２と同一の温度−抵抗特性を有しているから、リファレンス抵抗８の抵抗値を用いて雰囲気温度による出力変動を補正することで、燃焼熱によるガス感応体２の抵抗値変化をより正確に測定することができ、水素ガスに対する検出精度が向上する。
【００１８】
ベース４は合成樹脂により円盤状に形成され、３本のステム３ａ，３ｂ，３ｃはベース４を上下方向に貫通するようにベース４にインサート成形されている。３本のステム３ａ〜３ｃの内、中央のステム３ｃは他の２本のステム３ａ，３ｂに比べて上面からの突出量が短くなっている。左端のステム３ａと中央のステム３ｃには、べース４の上面から突出する部位にガス感応体２の両端部が溶接などの方法で固着されている。また、右端のステム３ｂと中央のステム３ｃには、ベース４の上面から突出する部位にリファレンス抵抗８の両端部が溶接などの方法で固着されている。なお３本のステム３ａ〜３ｃは同一平面内に並んでいるので、ステム３ａ〜３ｃにガス感応体２およびリファレンス抵抗８をレーザ溶接する場合は溶接作業を一度に行うことができ、作業性が向上するという利点がある。
【００１９】
水素ガスの測定時には電圧印加手段たる定電圧源Ｅによりステム３ａ，３ｂ間に一定電圧Ｖｃを印加して、ガス感応体２を所定の温度（例えば約１００℃程度）に加熱する。そして、保護キャップ５の通気孔６を通して内部に侵入した水素ガスがガス感応体２に接触すると、ガス感応体２表面の白金の触媒作用によってガス感応体２の表面で水素ガスが燃焼する。この時、水素ガスの燃焼熱によってガス感応体２の温度が上昇し、温度上昇に応じて電気抵抗が増加するので、抵抗値検出部１０が、ステム３ｃの電圧をもとにガス感応体２の抵抗値Ｒｓを検出し、その検出結果から濃度検出部１１が水素ガスのガス濃度を検出するのである。
【００２０】
ここで、ガス濃度の検出方法について以下に説明を行う。なお記憶部１２はＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリからなり、検知対象ガスの１点または複数点の基準濃度におけるガス感応体２の抵抗値が予め登録されている。
【００２１】
水素ガスの検出時にガス感応体２の抵抗値が変化すると、それに応じてリファレンス抵抗８に流れる電流が変化し、ジュール熱によってその抵抗値も変化するのであるが、抵抗値検出部１０は、リファレンス抵抗８の抵抗値ＲＬを一定値と仮定して、ガス感応体２の抵抗値Ｒｓを検出する。すなわち抵抗値検出部１０は、ガス感応体２およびリファレンス抵抗８の接続点（つまりステム３ｃ）の電位（リファレンス抵抗８の両端電圧ＶＲＬ）を検出し、この点の電位から求めたガス感応体２の両端電圧Ｖｓ（＝Ｖｃ−ＶＲＬ）と、定電圧源Ｅの印加電圧Ｖｃとをもとに、以下の演算式を用いてガス感応体２の抵抗値Ｒｓを演算により求める。
【００２２】
Ｒｓ＝Ｖｃ×ＲＬ／ＶＲＬ−ＲＬ  …（１）
なお、ガス感応体１およびリファレンス抵抗８が、ガス感応体１を高圧側にして定電圧源Ｅの両端間に接続されている場合は、上記の演算式（１）によりガス感応体１の抵抗値Ｒｓを求めることができるが、リファレンス抵抗８を高圧側にして定電圧源Ｅの両端間に接続されている場合は、以下の演算式（２）を用いて抵抗値Ｒｓを求めれば良い。
【００２３】
Ｒｓ＝Ｖｓ×ＲＬ／（Ｖｃ−Ｖｓ）…（２）
そして、濃度検出部１１では、記憶部１２に予め登録された基準濃度における抵抗値を用い、抵抗値検出部１０により求められたガス感応体２の抵抗値をもとに直線補間演算を行うことによって、検知対象ガスのガス濃度を演算により求めている。
【００２４】
ここに、雰囲気中に検知対象ガスが存在した場合、ガス濃度に応じてガス感応体２の固有抵抗が変化し、それによってリファレンス抵抗８に流れる電流が変化するため、ジュール熱によってリファレンス抵抗８の温度が変化し、リファレンス抵抗８の固有抵抗が温度に比例して変化するのであるが、本実施形態では抵抗値検出部１０が、リファレンス抵抗８の抵抗値を一定と仮定した上で、ガス感応体２の両端電圧と定電圧源Ｅによる印加電圧とを用いてガス感応体２の抵抗値を検出しているので、図３に示すように２００００ｐｐｍ以上の高濃度域においてもガス感応体２の抵抗値Ｒｓとガス濃度とが略線形な関係を有しているものとしてガス感応体２の抵抗値を求めることが可能になる。したがって、ガス感応体２の抵抗値を簡単な演算で求めることができ、複雑な近似式を用いて抵抗値を求める場合のように近似式の係数を調整する作業が不要になり、ガス感応体２の抵抗値を簡単に精度良く検出することができるから、ガス濃度を正確に検出することができる。
【００２５】
ところで上述の回路において、図４に示すようにガス感応体２およびリファレンス抵抗８からなる直列回路の両端間に、２つの比較抵抗Ｒ１，Ｒ２を直列接続してブリッジ回路を構成し、比較抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路に一定電圧Ｖｃを印加し、雰囲気中に検知対象ガスが存在しない状態で両比較抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点の比較電圧Ｖ２と、ガス感応体２およびリファレンス抵抗８の接続点の検出電圧Ｖ１（＝ＶＲＬ）との差電圧が略ゼロになるように比較抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を設定して、抵抗値検出部１０が、比較電圧Ｖ２と検出電圧Ｖ１との差電圧を増幅して得た電圧より、ガス感応体２の抵抗値を演算により求めるようにしても良く、上述と同様に、リファレンス抵抗８の抵抗値ＲＬを一定値と仮定することで、ガス感応体２の抵抗値を正確に検出することができる。
【００２６】
ここで、図４に示すようにガス感応体１およびリファレンス抵抗８が、ガス感応体１を高圧側にして定電圧源Ｅの両端間に直列接続されている場合は、定電圧源Ｅ（電圧印加手段）による印加電圧をＶｃ、リファレンス抵抗８の抵抗値をＲＬ、リファレンス抵抗８の両端電圧をＶＲＬ、雰囲気中に検出対象ガスが存在しない状態で比較電圧Ｖ２と検出電圧Ｖ１との差電圧が略ゼロになるように両比較抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を調整した後の比較電圧をＶ２、リファレンス抵抗８の両端電圧ＶＲＬと比較電圧Ｖ２との差電圧（ＶＲＬ−Ｖ２）を増幅度Ｋで増幅して得た電圧をＶｒ（＝（ＶＲＬ−Ｖ２）×Ｋ）とした場合に、電圧Ｖ２がＶｃ／２となることを利用して、抵抗値検出部１０は、ガス感応体１の抵抗値Ｒｓを、以下の演算式（３）を用いて求めており、演算により抵抗値ＲＳを求めることが可能になる。
【００２７】
Ｒｓ＝Ｖｃ×ＲＬ／ＶＲＬ−ＲＬ
＝Ｖｃ×ＲＬ／（Ｖｒ／Ｋ＋Ｖｃ／２）−ＲＬ
＝２Ｋ×Ｖｃ×ＲＬ／（Ｖｃ×Ｋ＋２Ｖｒ）−ＲＬ  …（３）
一方、ガス感応体１およびリファレンス抵抗８が、リファレンス抵抗８を高圧側にして定電圧源Ｅの両端間に直列接続されている場合は、ガス感応体１の両端電圧をＶｓ、ガス感応体１の両端電圧Ｖｓと比較電圧Ｖ２との差電圧（Ｖｓ−Ｖ２）を増幅度Ｋで増幅して得た電圧をＶＳ（＝（Ｖｓ−Ｖ２）×Ｋ）とすると、電圧Ｖ２がＶｃ／２となることを利用して、抵抗値検出部１０が、ガス感応体１の抵抗値Ｒｓを、以下の演算式（４）を用いて求めることができる。
【００２８】
Ｒｓ＝Ｖｓ×ＲＬ／（Ｖｃ−Ｖｓ）
＝（ＶＳ／Ｋ＋Ｖｃ／２）×ＲＬ／（Ｖｃ−ＶＳ／Ｋ−Ｖｃ／２）
＝（Ｖｃ×Ｋ＋２ＶＳ）×ＲＬ／（Ｖｃ×Ｋ−２ＶＳ）  …（４）
なお、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態のガス検出装置の回路ブロック図である。
【図２】同上に用いる接触燃焼式ガスセンサを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は外観斜視図である。
【図３】同上に用いるガス感応体の抵抗値の測定結果を示す図である。
【図４】同上の他の回路構成を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  接触燃焼式ガスセンサ
２  ガス感応体
８  リファレンス抵抗
１０  抵抗値検出部
１１  濃度検出部
Ｅ  定電圧源
【図１】
0004575862.tif 000002
【図２】
0004575862.tif 000003
【図３】
0004575862.tif 000004
【図４】
0004575862.tif 000005