(57)【要約】ガス検出装置Ａは、接触燃焼式のガスセンサ１と負荷抵抗Ｒ１との直列回路、及び、抵抗Ｒ２と可変抵抗ＶＲ１と抵抗Ｒ３との直列回路が並列に接続されたホィートストンブリッジ回路２１と、直流電源回路２５の直流電圧をトランジスタＴＲ１でスイッチングすることによってパルス状のヒータ電圧を発生させてホィートストンブリッジ回路２１に印加するヒータ電圧印加回路２６と、ガスセンサ１及び負荷抵抗Ｒ１の接続点の電圧を積分する積分回路２２と、可変抵抗ＶＲ１と抵抗Ｒ３の接続点の電圧を積分する積分回路２３と、積分回路２２，２３の出力電圧の差電圧を増幅する差動増幅回路２４と、差動増幅回路２４の出力電圧から可燃性ガスのガス濃度を求める信号処理回路２０とを備える。
2008007438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を含むガス検出装置：
電流が流れるとジュール熱により発熱する検出抵抗体および当該検出抵抗体の発熱により加熱されて可燃性ガスを触媒作用により燃焼させる燃焼体を具備したガス感応部，
検出抵抗体に直列接続された負荷抵抗，
検出抵抗体と負荷抵抗との直列回路の両端間に、ガス感応部の熱時定数よりも周期の短いパルス状のヒータ電圧を印加するヒータ電圧印加回路，
検出抵抗体および負荷抵抗の接続点の電圧を積分して得た電圧から、可燃性ガスのガス濃度に応じた大きさの出力信号を得るガス検出回路。
【請求項２】
以下の構成を含むガス検出装置：
電流が流れるとジュール熱により発熱する検出抵抗体および当該検出抵抗体の発熱により加熱されて可燃性ガスを触媒作用により燃焼させる燃焼体を具備したガス感応部，
検出抵抗体と同じ材料により同じ形状、寸法に形成され可燃性ガスに対する活性を失活させた比較抵抗，
検出抵抗体と比較抵抗との直列回路の両端間に、ガス感応部の熱時定数よりも周期の短いパルス状のヒータ電圧を印加するヒータ電圧印加回路，
検出抵抗体および比較抵抗の接続点の電圧を積分して得た電圧から、可燃性ガスのガス濃度に応じた大きさの出力信号を得るガス検出回路。
【請求項３】
請求項１又は２の何れか１項に記載のガス検出装置において、前記ガス検出回路が、抵抗およびコンデンサからなり前記接続点の電圧を積分する積分回路部と、積分回路部の出力電圧を増幅する増幅回路部とを備え、増幅回路部の出力をガス感応部の出力信号とする。
【請求項４】
請求項１又は２の何れか１項に記載のガス検出装置において、前記直列回路の両端間に複数のブリッジ抵抗を直列に接続してブリッジ回路を構成するとともに、前記ガス検出回路が、前記接続点の電圧を積分する第１の積分回路部と、ブリッジ抵抗同士の接続点の電圧を積分する第２の積分回路部と、両積分回路部の出力電圧の差電圧を増幅する差動増幅回路部とを備え、差動増幅回路部の出力をガス感応部の出力信号とする。
【請求項５】
請求項１又は２の何れか１項に記載のガス検出装置において、前記ガス検出回路に、ガス感応部の出力信号を所定のタイミングでサンプリングし、サンプリングされた出力信号に基づいて可燃性ガスを検出するサンプリング回路部を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスなどの可燃性ガスを検出するガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油に代わるエネルギー源として水素が注目されており、燃料電池を搭載した自動車の開発が進められている。このような燃料電池車では、燃料電池や水素タンクからの水素漏洩を検出するために水素ガスを短時間で高精度に検出するガス検出装置を設置する必要があった。【０００３】
水素ガスのような可燃性ガスを検出するガス検出装置としては、白金線をコイル状に巻回して形成された発熱部、及び、触媒が分散されて発熱部の表面に形成された膜状の燃焼部を具備した感知素子と、発熱部の発熱により燃焼部を加熱するために発熱部にヒータ電圧を印加する電圧印加回路と、燃焼部の表面で可燃性ガスが燃焼した際の燃焼熱による発熱部（白金線）の抵抗値変化から可燃性ガスを検出するガス検出回路とを備えた接触燃焼式のガス検出装置が従来より提供されている（例えば日本国公開特許公報  特開平１０−９０２１０号参照）。【０００４】
このような接触燃焼式のガス検出装置では、一般的に、発熱部および測温抵抗体の材料として白金を利用しているが、白金線の抵抗値は数Ωから数十Ω程度であり、発熱部に印加するヒータ電圧は、電力消費を抑制しつつ、充分な検出電圧が得られるように０．２Ｖから２Ｖ程度に設定されている。【０００５】
ところで、接触燃焼式のガス検出装置を燃料電池車に搭載して使用する場合、車載用のバッテリの電圧が１２Ｖ又は２４Ｖのため、ガス検出装置の回路電圧は５Ｖあるいは１２Ｖに設定されていた。したがって、電圧印加回路では、発熱部に供給するヒータ電圧（０．２Ｖ〜２Ｖ程度）を生成するために、５Ｖ或いは１２Ｖの回路電圧をシリーズレギュレータにより降圧するか、或いは、スイッチングレギュレータ回路により回路電圧を降圧していた。ここで、シリーズレギュレータにより回路電圧を降圧する場合は、シリーズレギュレータ回路を構成する制御素子や抵抗により電力が無駄に消費されるという問題があった。またスイッチングレギュレータ回路を用いる場合、スイッチングレギュレータ回路は回路構成が複雑で、使用部品も多いためにコストアップの要因となり、またインダクタを使用するために回路の実装スペースが大きくなるという問題があった。【０００６】
またガス検出装置を燃料電池車に搭載して使用する場合は、ガス検出装置の検出結果に応じてエンジンを停止させることもあるが、誤検出によるエンジンの停止を防止しつつ、十分な安全性を確保するためには、できるだけ短い時間で高精度に水素ガスを検出する必要があり、水素ガスの検出性能に悪影響を与えることなく、消費電力の低減を図る必要があった。
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するために為されたものであって、消費電力を低減した低コストのガス検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
この目的を達成するために、請求項１の発明は、電流が流れるとジュール熱により発熱する検出抵抗体および当該検出抵抗体の発熱により加熱されて可燃性ガスを触媒作用により燃焼させる燃焼体を具備したガス感応部と、検出抵抗体に直列接続された負荷抵抗と、検出抵抗体と負荷抵抗との直列回路の両端間に、ガス感応部の熱時定数よりも周期の短いパルス状のヒータ電圧を印加するヒータ電圧印加回路と、検出抵抗体および負荷抵抗の接続点の電圧を積分して得た電圧をガス感応部の出力信号とするガス検出回路とを備えている。
【０００９】
この発明によれば、ヒータ電圧印加回路が、検出抵抗体と負荷抵抗との直列回路の両端間に、ガス感応部の熱時定数よりも周期の短いパルス状のヒータ電圧を印加することで、検出抵抗体に所定の電力を供給して、検出抵抗体を所定温度で発熱させており、外部より供給される電源電圧を、検出抵抗体に印加される平均電圧値まで降圧させる回路を設ける必要が無いから、電源電圧を降圧させることで電力が無駄に消費されることが無く、電力消費を低減したガス検出装置を提供することができる。しかも、検出抵抗体に印加する電圧を生成するために、スイッチングレギュレータ回路のような複雑な回路を用いていないので、ガス検出装置のコスト高を招くことがなく、ガス検出回路の実装スペースも小さくて済むので、ガス検出装置の小型化を図ることができる。また検出抵抗体にパルス状のヒータ電圧を印加する場合、検出抵抗体の両端間にはパルス状の電圧が発生し、そのピーク値が可燃性ガスのガス濃度に応じて僅かに変化するのであるが、検出抵抗体の発熱温度を安定させるためにヒータ電圧を印加する周期を短くしなければならず、一般の増幅器では検出抵抗体の両端電圧の変化に追従することができないため、応答速度の速い高価な増幅器を使用する必要がある。それに対して、請求項１の発明では積分回路により積分して得た電圧をガス感応部の出力信号としているので、出力信号からガス濃度を求める際に応答速度の速い高価な素子を必要とせず、安価な部品を使用してガス検出回路を構成することができる。
【００１０】
請求項２の発明は、電流が流れるとジュール熱により発熱する検出抵抗体および当該検出抵抗体の発熱により加熱されて可燃性ガスを触媒作用により燃焼させる燃焼体を具備したガス感応部と、検出抵抗体と同じ材料により同じ形状、寸法に形成され可燃性ガスに対する活性を失活させた比較抵抗と、検出抵抗体と比較抵抗との直列回路の両端間に、ガス感応部の熱時定数よりも周期の短いパルス状のヒータ電圧を印加するヒータ電圧印加回路と、検出抵抗体および比較抵抗の接続点の電圧を積分して得た電圧をガス感応部の出力信号とするガス検出回路とを備えている。
【００１１】
この発明によれば、ヒータ電圧印加回路が、検出抵抗体と比較抵抗との直列回路の両端間に、ガス感応部の熱時定数よりも周期の短いパルス状のヒータ電圧を印加することで、検出抵抗体と比較抵抗に所定の電力を供給して、検出抵抗体と比較抵抗を所定温度で発熱させており、外部より供給される電源電圧を、検出抵抗体と比較抵抗に印加される平均電圧値まで降圧させる回路を設ける必要が無いから、電源電圧を降圧させることで電力が無駄に消費されることが無く、電力消費を低減したガス検出装置を提供することができる。しかも、検出抵抗体と比較抵抗に印加する電圧を生成するために、スイッチングレギュレータ回路のような複雑な回路を用いていないので、ガス検出装置のコスト高を招くことがなく、ガス検出回路の実装スペースも小さくて済むので、ガス検出装置の小型化を図ることができる。また検出抵抗体と比較抵抗にパルス状のヒータ電圧を印加する場合、検出抵抗体と比較抵抗の両端間にはパルス状の電圧が発生し、そのピーク値が可燃性ガスのガス濃度に応じて僅かに変化するのであるが、検出抵抗体と比較抵抗の発熱温度を安定させるためにヒータ電圧を印加する周期を短くしなければならず、一般の増幅器では検出抵抗体の両端電圧の変化に追従することができないため、応答速度の速い高価な増幅器を使用する必要がある。それに対して、請求項２の発明では積分回路により積分して得た電圧をガス感応部の出力信号としているので、出力信号からガス濃度を求める際に応答速度の速い高価な素子を必要とせず、安価な部品を使用してガス検出回路を構成することができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、ガス検出回路が、抵抗およびコンデンサからなり、接続点の電圧を積分して平滑化する積分回路部と、積分回路部により平滑化された電圧を増幅する増幅回路部とを備え、増幅回路部の出力をガス感応部の出力信号とする。
【００１３】
この発明によれば、積分回路部により積分され、さらに増幅回路部によって増幅された電圧をガス感応部の出力信号として取り出しているので、ガス感応部の出力信号レベルを大きくして、分解能を上げて高精度のガス検出を行うことができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、直列回路の両端間に複数のブリッジ抵抗を直列に接続してブリッジ回路を構成するとともに、ガス検出回路が、接続点の電圧を積分する第１の積分回路部と、ブリッジ抵抗同士の接続点の電圧を積分する第２の積分回路部と、両積分回路部の出力電圧の差電圧を増幅する差動増幅回路部とを備え、差動増幅回路部の出力をガス感応部の出力信号とする。
【００１５】
この発明によれば、検出抵抗体と比較抵抗との直列回路の両端間に複数のブリッジ抵抗を直列に接続してブリッジ回路を構成し、検出抵抗体と比較抵抗との接続点の電圧を第１の積分回路部で積分するとともに、ブリッジ抵抗同士の接続点の電圧を第２の積分回路部で積分し、両積分回路部の出力電圧の差電圧を差動増幅回路部により増幅しており、ブリッジ回路を用いることで検出抵抗体と比較抵抗との接続点の電圧変化を、差動増幅回路部により大きな出力として取り出すことができるので、分解能を上げて高精度のガス検出を行うことができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１又は２の発明において、ガス検出回路に、ガス感応部の出力信号を所定のタイミングでサンプリングし、サンプリングされた出力信号に基づいて可燃性ガスを検出するサンプリング回路部を設けている。
【００１７】
この発明によれば、パルス状のヒータ電圧を印加する間、或いは、印加後の所定のタイミングで、サンプリング回路部がガス感応部の出力信号をサンプリングして得た出力信号から可燃性ガスを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態のガス検出装置の回路図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は同上の動作を説明するタイムチャートである。
【図３】同上に用いるガスセンサを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は外観斜視図である。
【図４】同上に用いるガスセンサにフィルタキャップを装着した状態を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は外観斜視図である。
【図５】第２の実施形態のガス検出装置の回路図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明を好ましい実施形態に基づいて詳細に説明する。【００２０】
（第１の実施形態）
図３（ａ）は本実施形態のガス検出装置に用いるガスセンサ１の断面図、図３（ｂ）はガスセンサ１の外観斜視図であり、このガスセンサ１は、発熱抵抗体２と、リード端子３ａ，３ｂと、ベース５および保護キャップ８からなるセンサ容器４とを備える。【００２１】
発熱抵抗体２は、表面に付着した可燃性ガス（本実施形態では例えば水素ガス）を触媒作用により燃焼させる燃焼体と、燃焼体の表面で可燃性ガスが燃焼していない状態（つまり、接触燃焼による温度上昇が無い状態）で、通電によるジュール熱により燃焼体を８０℃以上且つ４５０℃以下の温度に加熱するとともに、可燃性ガスの接触燃焼による燃焼熱で温度が上昇すると温度上昇に応じて抵抗値が変化する検出抵抗体の両方の機能を備えている。すなわち発熱抵抗体２により、検出抵抗体と燃焼体とを具備したガス感応部が構成される。【００２２】
発熱抵抗体２は線径が例えば約１０〜５０μｍの白金線をコイル状に巻回して形成され、その両端が左右両側のリード端子３ａ，３ｂに電気的且つ機械的に接続されている。なおコイル径を約１００〜５００μｍ、線間を約２０μｍとして５〜１５ターン巻回している。この発熱抵抗体２のコイル部分には、アルミナやシリカの微粉末をアルミナゾル、シリカゾルをバインダーとして塗布、焼成することによりビーズ形状の無機多孔質断熱体１３を形成してある。また無機多孔質断熱体１３の表面を覆うようにして、白金を担持させた活性炭あるいはアルミナゾルやシリカゾルを塗布、焼成後に白金を担持させたシリコーントラップ層１４が形成されている。なお本実施形態では断熱体１３を介してシリコーントラップ層１４を形成しているが、断熱体１３を無くし、発熱抵抗体２のコイル部分に直接シリコーントラップ層１４を形成するようにしても良い。【００２３】
而してシリコーントラップ層１４でシリコーンを吸着することによりシリコーン被毒を抑制することができ、またシリコーントラップ層１４と発熱抵抗体２の間には断熱体１３が介在するので、発熱抵抗体２の発熱でシリコーントラップ層１４が劣化するのを防止するとともに、接触燃焼が発生する程度の温度までシリコーントラップ層１４で加熱されることはなく、シリコーントラップ層１４を通過して発熱抵抗体２の表面で可燃性ガス（水素ガス）の接触燃焼が発生するようになっている。なお本実施形態では発熱抵抗体２が燃焼体と検出抵抗体の両方の機能を備えているが、白金などの貴金属触媒をビーズ形状の無機多孔質体に担持させて形成された燃焼体（図示せず）の内部に、コイル状に形成された発熱抵抗体２を埋設して、発熱抵抗体２には検出抵抗体の機能のみを持たせるようにしても良く、さらに燃焼体の表面に無機多孔質断熱層を介してシリコーントラップ層を形成すれば、シリコーンによる被毒を抑制することもできる。【００２４】
ベース５は合成樹脂により円盤状に形成されている。２本のリード端子３ａ，３ｂはベース５を上下方向に貫通するようにベース５に植設されており、各リード端子３ａ，３ｂにおいてべース５の上面から突出する部位に発熱抵抗体２の両端部２ａ，２ｂが溶接などの方法で固着されている。【００２５】
保護キャップ８は下面側の端部が開口した略円筒状であって、開口部から発熱抵抗体２を内部に納めるようにしてベース５が圧入固定されている。保護キャップ８の天井面には丸孔状の通気孔６が中央に貫設され、通気孔６には防爆のために１００メッシュのステンレス製の金網７が装着されている。なお保護キャップ８は金属製のものでも、樹脂製のものでも良い。【００２６】
なお、雰囲気中のシリコーンによる被毒をさらに低減するため、図４（ａ）（ｂ）に示すように、保護キャップ８の上側にフィルタ１２を保持したフィルタキャップ９を被せることも好ましい。フィルタキャップ９は合成樹脂製であって、上面側の端部が閉塞された略円筒状に形成されている。フィルタキャップ９の上面には丸孔状のガス導入口１０が貫設されており、このガス導入口１０には防爆のために１００メッシュのステンレス製の金網１１が装着されている。またフィルタキャップ９の筒内には、ガス導入口１０を通って内部に侵入するガス中の被毒物質を吸着するフィルタ１２が装着されている。このフィルタ１２は、活性炭、シリカゲル、又はゼオライトのような吸着性多孔質体、或いは、有機または無機の多孔質体に化学物質捕捉性液体成分を含浸させた吸着剤からなり、ガス中の被毒物質（例えばシリコンなど）を吸着することで発熱抵抗体２の被毒を抑制し、感度の劣化を低減している。なお上記の化学物質捕捉液体成分としては、例えば酸化性ガスを取り除くために担持されるＫＯＨやアンモニア、アミン等を取り除くために担持される燐酸等があり、特定の被毒物質を吸着するために適宜の成分の液体を有機無機多孔質体に含浸させて使用すれば良い。【００２７】
次にガス検出装置Ａの回路構成を図１の回路図に基づいて説明する。ガス検出装置Ａは、例えばマイクロコンピュータにより構成される信号処理回路２０と、ホィートストンブリッジ回路２１と、積分回路２２，２３と、差動増幅回路２４と、直流電源回路２５と、ヒータ電圧印加回路２６と、出力回路２７と、温度補償回路２８と、信号処理回路２０にクロック信号を与えるクロック回路２９とを主要な構成として備えており、信号処理回路２０などの動作電源は直流電源回路２５から供給される。【００２８】
ホィートストンブリッジ回路２１は、ガスセンサ１（つまり発熱抵抗体２）と負荷抵抗Ｒ１とからなる直列回路と、抵抗Ｒ２と可変抵抗ＶＲ１と抵抗Ｒ３とかとからなる直列回路とを並列に接続して構成される。【００２９】
積分回路２２（第１の積分回路部）は、接続点Ｐ１と回路のグランドとの間に直列に接続された抵抗Ｒ４とコンデンサＣ１とのＣＲ回路からなり、接続点Ｐ１の電圧を積分した電圧を発生する。また積分回路２３（第２の積分回路部）は、接続点Ｐ２と回路のグランドとの間に直列に接続された抵抗Ｒ５とコンデンサＣ２とのＣＲ回路からなり、接続点Ｐ２の電圧を積分した電圧を発生する。ここに、抵抗Ｒ４，Ｒ５の抵抗値は例えば２０ｋΩ、コンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量は例えば０．１μＦに設定されており、積分回路２２，２３の時定数は約２ｍ秒に設定されている。【００３０】
差動増幅回路２４はオペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ６〜Ｒ９とで構成される従来周知の回路であり、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子は、抵抗Ｒ６を介して抵抗Ｒ４及びコンデンサＣ１の接続点に接続されるとともに、抵抗Ｒ７を介して回路のグランドに接続されている。またオペアンプＯＰ１の反転入力端子は、抵抗Ｒ８を介して抵抗Ｒ５及びコンデンサＣ２の接続点に接続されるとともに、抵抗Ｒ９を介して出力端子に接続されている。而してオペアンプＯＰ１により、積分回路２２の出力電圧（コンデンサＣ１の両端電圧）と、積分回路２３の出力電圧（コンデンサＣ２の両端電圧）との差電圧が所定のゲインで増幅され、信号処理回路２０の入力端子ＰＩ２に入力される。【００３１】
直流電源回路２５は、外部電源が接続される端子Ｔ１，Ｔ２の間にダイオードＤ１を介して直列に接続された抵抗Ｒ１０とツェナーダイオードＤＺ１との直列回路と、ツェナーダイオードＤＺ１と並列に接続されたコンデンサＣ３と、コンデンサＣ３が入力側に接続されるとともに、出力側にコンデンサＣ４が接続された三端子レギュレータＩＣ１とで構成される。直流電源回路２５では、バッテリなどの外部電源から端子Ｔ１，Ｔ２に供給される直流電圧（例えばＤＣ１２Ｖ）をツェナーダイオードＤＺ１により降圧した後、三端子レギュレータＩＣ１により安定化して直流電圧Ｖcc（例えばＤＣ５Ｖ）に変換して出力する。【００３２】
ヒータ電圧印加回路２６は、直流電源回路２５の出力端子間に接続された抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ５との直列回路と、抵抗Ｒ１１及びコンデンサＣ５の接続点にエミッタが接続されるとともに、コレクタがホィートストンブリッジ回路２１の高圧側の入力端子（つまり抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点）に接続されたｐｎｐ形のトランジスタＴＲ１とを備え、トランジスタＴＲ１のベースは、抵抗Ｒ１２を介してエミッタに接続されるとともに、抵抗Ｒ１３とコンデンサＣ６との直列回路を介して信号処理回路２０の出力端子ＰＯ１に接続されている。ここで、信号処理回路２０の出力端子ＰＯ１の電圧レベルがＬレベルになると、トランジスタＴＲ１がオンになり、ホィートストンブリッジ回路２１に直流電圧が印加される。一方、出力端子ＰＯ１の電圧レベルがＨレベルになると、トランジスタＴＲ１がオフになり、ホィートストンブリッジ回路２１への電圧供給が停止される。而して信号処理回路２０が出力端子ＰＯ１の電圧レベルをＨレベル又はＬレベルに制御することによって、直流電源回路２５の出力電圧がトランジスタＴＲ１によりスイッチングされて、所定のパルス幅のパルス電圧がホィートストンブリッジ回路２１に印加される。またホィートストンブリッジ回路２１の高圧側入力端子の電圧は信号処理回路２０の入力端子ＰＩ１に入力されており、ヒータ電圧印加回路２６によりパルス電圧を印加した後の入力端子ＰＩ１の電圧を監視することで、発熱抵抗体２の断線検知を行っている。すなわちパルス電圧の印加後、トランジスタＴＲ１のオフ時に入力端子ＰＩ１の電圧がＨレベルであれば、信号処理回路２０は、負荷抵抗Ｒ１と発熱抵抗体２とグランドとの間で断線が発生していると判断する。【００３３】
出力回路２７は、ベース・エミッタ間が抵抗を介して接続されたｐｎｐ形のトランジスタＴＲ２を有し、トランジスタＴＲ２のエミッタには電圧Ｖccが印加され、コレクタは抵抗を介して回路のグランドに接続されている。またトランジスタＴＲ２のベースは信号処理回路２０の出力端子ＰＯ２に接続されており、信号処理回路２０からの出力信号に応じてトランジスタＴＲ２がオン／オフし、トランジスタＴＲ２のコレクタに接続された端子Ｔ３からシリアル信号が出力されるようになっている。【００３４】
温度補償回路２８は、直流電圧Ｖccが印加される抵抗Ｒ１５及びサーミスタＴＨ１の直列回路と、サーミスタＴＨ１と並列に接続されたコンデンサＣ７とからなり、サーミスタＴＨ１の両端電圧が信号処理回路２０の入力端子ＰＩ３に入力される。【００３５】
次に、このガス検出装置Ａの動作を図２に基づいて説明する。尚、図２（ａ）はホィートストンブリッジ回路２１に印加されるパルス電圧の波形図、同図（ｂ）は積分回路２２，２３の出力電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２の波形図である。【００３６】
ホィートストンブリッジ回路２１では、可燃性ガスが存在しない雰囲気中において、ガスセンサ１と負荷抵抗Ｒ１との接続点Ｐ１の電圧が、可変抵抗ＶＲ１と抵抗Ｒ３との接続点Ｐ２の電圧と略同電位となるように可変抵抗ＶＲ１の抵抗値が調整されている。したがって、可燃性ガスが存在しない雰囲気中では、積分回路２２，２３の出力が略同じ値となり、差動増幅回路２４の出力電圧は略ゼロになっている。【００３７】
信号処理回路２０は、所定のパルス周期Ｔａ（例えば４ｍ秒）が経過する毎に出力端子ＰＯ１の電圧レベルを所定の時間幅だけＬレベルとして、トランジスタＴＲ１をオンさせており、ヒータ電圧印加回路２６からホィートストンブリッジ回路２１に所定のパルス幅ｔ１（例えば約１６０μ秒）で一定振幅Ｖｐ（例えば約４．５Ｖ）のパルス電圧が印加され（図２（ａ）参照）、ガスセンサ１の発熱抵抗体２が所定温度に加熱される。このパルス電圧を印加するパルス周期は充分短い値に設定されているので、ガスセンサ１の検出抵抗体２は略一定の発熱温度で発熱するようになっている。【００３８】
ここで、雰囲気中に可燃性ガスが存在すると、発熱抵抗体２の表面で可燃性ガスが燃焼されて、燃焼熱により発熱抵抗体２の抵抗値が変化する。発熱抵抗体２の抵抗値が変化すると、負荷抵抗Ｒ１及びガスセンサ１の接続点Ｐ１の電圧が変化するので、図２（ｂ）に示すように積分回路２２の出力Ｖｃ１が変化し、積分回路２２の出力変化（つまり積分回路２２，２３の出力電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２の差電圧）に応じて差動増幅回路２４の出力が変化する。【００３９】
信号処理回路２０では、ヒータ電圧印加回路２６によりホィートストンブリッジ回路２１にパルス電圧を印加させた時点から所定時間が経過すると、入力端子ＰＩ２の電圧（つまり差動増幅回路２４の出力電圧）をサンプリングする。信号処理回路２０の内部メモリ（図示せず）には、入力端子ＰＩ２の入力電圧と検出対象ガスのガス濃度との関係を示した検量線データを予め登録されており、信号処理回路２０では、サンプリングした電圧値と内部メモリに登録された検量線データとに基づいて可燃性ガスのガス濃度を演算により求めている。そして、ガス濃度の演算が終了すると、信号処理回路２０は、出力端子ＰＯ２の電圧レベルをハイ／ローに切り替えることで、トランジスタＴＲ２をオン／オフさせて、出力端子Ｔ３から測定結果をシリアルデータとして出力する。なお信号処理回路２０では、ガス濃度の演算結果をＤ／Ａコンバータを用いてアナログの電圧値で出力しても良く、測定結果をどのような形式の信号で出力しても良い。また信号処理回路２０は、入力端子ＰＩ３の入力電圧から雰囲気温度を検出することができ、雰囲気温度の検出結果に基づいて測定結果の温度補償を行うようにしても良い。ここにおいて、信号処理回路２０によりサンプリング回路部が構成され、積分回路２２，２３と増幅回路部たる差動増幅回路２４と信号処理回路２０とでガス検出回路が構成される。【００４０】
上述のように本実施形態では、ヒータ電圧印加回路２６が、発熱抵抗体２（ガスセンサ１）と負荷抵抗Ｒ１との直列回路の両端間に、ガス感応部である発熱抵抗体２の熱時定数よりも周期の短いパルス状のヒータ電圧を印加することで、発熱抵抗体２に所定の電力を供給して、発熱抵抗体２を所定温度で発熱させており、電源電圧を発熱抵抗体２に印加される平均電圧値まで降圧させる回路を設ける必要が無いから、電源電圧を降圧させることで電力が無駄に消費されることがない。またヒータ電圧印加回路２６では、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ５との積分回路によって、三端子レギュレータＩＣ１の消費電流を平均化しているので、ヒータ電圧印加回路２６の代わりに、シリーズレギュレータにより三端子レギュレータＩＣ１の出力電圧を降圧してホイートストンブリッジ回路２１に印加する場合に比べて、三端子レギュレータＩＣ１の消費電流を大幅に低減して、消費電力を低減したガス検出装置を提供することができる。しかも、発熱抵抗体２に印加する電圧を生成するために、スイッチングレギュレータ回路のような複雑な回路を用いていないので、ガス検出装置Ａのコスト高を招くことがない。なおガス感応部（発熱抵抗体２）の熱時定数は種類に応じて異なるがおおよそ５０〜３００ｍ秒程度であり、本実施形態の場合は約１００ｍ秒となっている。そして、ヒータ電圧の周期は、消費電力を低減しつつ、ガス感応部の温度を略一定に保つためにガス感応部の熱時定数の１０％以下とするのが好ましく、より好ましくは５％以下である（本実施形態では例えば４ｍ秒）。またマイコンの演算速度の制限から、ヒータ電圧の周期の下限は熱時定数の１％以上となり、したがってヒータ電圧の周期をガス感応部の熱時定数の１％以上且つ１０％以下、より好ましくは１％以上且つ５％以下に設定すればよい。【００４１】
また、ヒータ電圧印加回路２６により発熱抵抗体２にパルス状のヒータ電圧を印加する場合、発熱抵抗体２の両端間にはパルス状の電圧が発生し、そのピーク値が可燃性ガスのガス濃度に応じて僅かに変化するのであるが、発熱抵抗体２の発熱を安定化させるためにはヒータ電圧を印加するパルス周期Ｔａをできるだけ短くする必要があり、一般に用いられる安価な増幅器ではピーク電圧の僅かな変化を増幅して出力することは困難なため、応答速度の速い高価な増幅器を使用する必要がある。それに対して本検出装置では、積分路２２により積分して得た電圧をガス感応部の出力信号としているので、出力信号からガス濃度を求める際に応答速度の速い高価な増幅器を必要とせず、安価な部品を使用してガス検出回路を構成することができる。なお積分回路２２，２３の時定数は、発熱抵抗体２にパルス状のヒータ電圧を印加した際に、発熱抵抗体２の両端間に発生するパルス状の電圧を充分に平滑化でき、且つ、応答遅れによって可燃性ガスの検出までに長時間を要することがなく、また安価なセラミックコンデンサなどで積分回路が構築できるように、ヒータ電圧のパルス幅や測定周期（パルス周期）に応じて適宜の値に設定する必要があり、本実施形態では積分回路２２，２３の時定数を２ｍ秒に設定してある。【００４２】
また本実施形態では、積分回路２２により負荷抵抗Ｒ１とガスセンサ１との接続点の電圧を積分して平滑化した後、差動増幅回路２４が、積分回路２３の出力電圧との差分を増幅して得た電圧を、ガス感応部の出力信号として取り出しているので、ガス感応部の出力信号レベルを大きくして、分解能を上げて高精度のガス検出を行うことができる。【００４３】
またヒータ電圧印加回路２６がパルス状のヒータ電圧を印加中および印加した直後は、接続点Ｐ１の電圧を積分回路２２が完全に平滑化できていないため、この時点で差動増幅回路２４の出力をサンプリングして可燃性ガスのガス濃度を求めると、測定誤差が大きくなる可能性がある。そこで本実施形態ではヒータ電圧印加回路２６がパルス状のヒータ電圧を印加してから所定時間（例えば１ｍ秒）が経過した時点で、信号処理回路２０がガス感応部の出力信号（つまり差動増幅回路２４の出力信号）をサンプリングし、サンプリングされた出力信号に基づいて可燃性ガスを検出しているので、測定誤差を小さくして再現性の良い測定を短時間で行うことができる。【００４４】
なおサンプリング回路部たる信号処理回路２０が、パルス状のヒータ電圧を印加中に積分回路２２の出力をサンプリングしても良い。ヒータ電圧の印加中は印加後に比べて積分回路２２の出力レベルが大きくなるので、検出の誤差を小さくでき、サンプリングするタイミングが一定であれば、ガス濃度と積分回路２２の出力との間に比例関係が成立するので、信号処理回路２０に所定のタイミングでの検量線データを保持させておくことで、ヒータ電圧の印加中に積分回路２２の出力をサンプリングした場合でも、可燃性ガスの検出が可能である。【００４５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図５に基づいて説明する。上述した第１の実施形態では、ガスセンサ１と直列に負荷抵抗Ｒ１を接続しているのに対して、本実施形態では負荷抵抗Ｒ１の代わりに、発熱抵抗体２と同じ材料により同じ形状、寸法に形成され可燃性ガスに対する活性を失活させた比較抵抗Ｒrefを接続している。尚、比較抵抗Ｒref以外の構成は第１の実施形態と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。【００４６】
本実施形態では、ガスセンサ１と同じ材料で同じ形状、寸法に形成された比較抵抗Ｒrefとガスセンサ１とを直列に接続して、ホィートストンブリッジ回路２１の一方のアームを構成しているので、雰囲気温度の変化や風の影響、或いはガスの気体熱伝導などによってガスセンサ１の抵抗値が変化したとしても、比較抵抗Ｒrefの抵抗値がガスセンサ１の抵抗値と略同様に変化することで、接続点Ｐ１の電圧が雰囲気温度の変化や風の影響、或いはガスの気体熱伝導などによって変動するのを抑制して、誤差を低減することができる。【００４７】
ところで、上述の各実施形態では、発熱抵抗体２と負荷抵抗Ｒ１又は比較抵抗Ｒrefとの直列回路と、抵抗Ｒ２と可変抵抗ＶＲ２と抵抗Ｒ３との直列回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成しているので、発熱抵抗体２と負荷抵抗Ｒ１又は比較抵抗Ｒrefとの接続点Ｐ１の電圧変化を大きな出力として取り出すことが可能であるが、出力信号の電圧レベルを実用上問題無い程度の大きさで取り出すことが可能であれば、ホイートストンブリッジ回路を形成せず、発熱抵抗体２と負荷抵抗Ｒ１又は比較抵抗Ｒrefとの直列回路にパルス状のヒータ電圧を印加しても良い。この場合は、発熱抵抗体２と負荷抵抗Ｒ１又は比較抵抗Ｒrefとの接続点の電圧を積分回路部により積分し、積分回路部の出力信号を増幅回路部で増幅して得た電圧をガス感応部の出力信号として信号処理回路２０が取り込んでおり、信号処理回路２０では、予め登録された検量線データとガス感応部の出力信号とをもとに、可燃性ガスのガス濃度を演算により求めることができる。【００４８】
上記のように、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、添付クレームにおいて限定した以外は、その特定の実施形態に制約されるものではない。
【図１】
2008007438.tif 000003
【図２】
2008007438.tif 000004
【図３】
2008007438.tif 000005
【図４】
2008007438.tif 000006
【図５】
2008007438.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月25日(2008.4.25)
【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】
以下の構成を含むガス検出装置：
電流が流れるとジュール熱により発熱する検出抵抗体および当該検出抵抗体の発熱により加熱されて可燃性ガスを触媒作用により燃焼させる燃焼体を具備したガス感応部，
検出抵抗体に直列接続された負荷抵抗，
検出抵抗体および負荷抵抗からなる直列回路の両端間に接続され、前記直列回路とともにブリッジ回路を構成する複数のブリッジ抵抗，
検出抵抗体と負荷抵抗との直列回路の両端間に、ガス感応部の熱時定数よりも周期の短いパルス状のヒータ電圧を印加するヒータ電圧印加回路，
抵抗とコンデンサとを用いたＣＲ積分回路からなり検出抵抗体および負荷抵抗の接続点の電圧を積分する第１の積分回路部，
抵抗とコンデンサとを用いたＣＲ積分回路からなりブリッジ抵抗同士の接続点の電圧を積分する第２の積分回路部，
両積分回路部の出力電圧の差電圧を増幅する差動増幅回路部，
差動増幅回路部の出力から可燃性ガスのガス濃度に応じた大きさの出力信号を得るガス検出回路。
【請求項２】
請求項１に記載のガス検出回路において、
負荷抵抗は、検出抵抗体と同じ材料により同じ形状、寸法に形成され可燃性ガスに対する活性を失活させた比較抵抗からなる，
【請求項３】
請求項１又は２の何れか１項に記載のガス検出装置において、
前記ガス検出回路に、ガス感応部の出力信号を所定のタイミングでサンプリングし、サンプリングされた出力信号に基づいて可燃性ガスを検出するサンプリング回路部を設ける。
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月15日(2009.1.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
ところで、上述の各実施形態では、発熱抵抗体２と負荷抵抗Ｒ１又は比較抵抗Ｒrefとの直列回路と、抵抗Ｒ２と可変抵抗ＶＲ１と抵抗Ｒ３との直列回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成しているので、発熱抵抗体２と負荷抵抗Ｒ１又は比較抵抗Ｒrefとの接続点Ｐ１の電圧変化を大きな出力として取り出すことが可能であるが、出力信号の電圧レベルを実用上問題無い程度の大きさで取り出すことが可能であれば、ホイートストンブリッジ回路を形成せず、発熱抵抗体２と負荷抵抗Ｒ１又は比較抵抗Ｒrefとの直列回路にパルス状のヒータ電圧を印加しても良い。この場合は、発熱抵抗体２と負荷抵抗Ｒ１又は比較抵抗Ｒrefとの接続点の電圧を積分回路部により積分し、積分回路部の出力信号を増幅回路部で増幅して得た電圧をガス感応部の出力信号として信号処理回路２０が取り込んでおり、信号処理回路２０では、予め登録された検量線データとガス感応部の出力信号とをもとに、可燃性ガスのガス濃度を演算により求めることができる。
【国際調査報告】
2008007438.tif 000008
2008007438.tif 000009
2008007438.tif 000010
2008007438.tif 000011