(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物半導体からなる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの略中心を貫通するように感ガス体中に埋設した半導体抵抗検出用電極とを備えたガス検出素子からなり、ヒータ兼用電極と半導体抵抗検出用電極との間の抵抗値変化によるガス検出と、感ガス体上でガスが燃焼することにより生じるヒータ兼用電極の抵抗値変化によるガス検出とを同時に行うことを特徴とする複合ガスセンサ。
【請求項２】
金属酸化物半導体からなる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの略中心を貫通するように感ガス体中に埋設した半導体抵抗検出用電極とを備えたガス検出素子及び、金属酸化物半導体からなりガス検出素子の感ガス体と燃焼活性が異なる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの略中心を貫通するように感ガス体中に埋設した半導体抵抗検出用電極とを備えた参照用素子からなり、ガス検出素子或いは参照用素子のヒータ兼用電極と半導体抵抗検出用電極との間の抵抗値変化によるガス検出と、両素子の感ガス体上で燃焼することにより生じる夫々のヒータ兼用電極の抵抗値の比の変化によるガス検出を同時に行うことを特徴とする複合ガスセンサ。
【請求項３】
金属酸化物半導体からなる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの略中心を貫通するように感ガス体中に埋設した半導体抵抗検出用電極とを備えたガス検出素子及び、金属酸化物半導体からなりガス検出素子の感ガス体と燃焼活性が異なる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極とを備えた参照用素子からなり、ガス検出素子のヒータ兼用電極と半導体抵抗検出用電極との間の抵抗値変化によるガス検出と、両素子の感ガス体上で燃焼することにより生じる夫々のヒータ兼用電極の抵抗値の比の変化によるガス検出を同時に行うことを特徴とする複合ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭や工業分野において、可燃性ガスや不完全燃焼時に発生する一酸化炭素などの不完全燃焼ガスを検出するガスセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、不完全燃焼ガスの検出には、酸化錫などの金属酸化物半導体のガスの吸着や燃焼による抵抗値変化を検出する半導体式ガスセンサと、ガスの燃焼熱による白金などからなる電極の抵抗値変化を検出する接触燃焼式ガスセンサが一般的に用いられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前者は高感度で低感度からガスの検出が可能という長所を持つが、高濃度域で抵抗値変化が飽和する。またガス濃度に対する出力の直線性が悪く、濃度が定量化しにくいという欠点があった。
【０００４】
後者は逆に高濃度域でも出力が飽和することなく、ガス濃度に対する出力の直線性も良好であるが、感度が小さく、低濃度のガス検出が難しいという欠点があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは可燃性ガスや不完全燃焼ガスを低濃度から高濃度まで、精度良く検出することができる複合ガスセンサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、金属酸化物半導体からなる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの略中心を貫通するように感ガス体中に埋設した半導体抵抗検出用電極とを備えたガス検出素子からなり、ヒータ兼用電極と半導体抵抗検出用電極との間の抵抗値変化によるガス検出と、感ガス体上でガスが燃焼することにより生じるヒータ兼用電極の抵抗値変化によるガス検出とを同時に行うことを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明では、金属酸化物半導体からなる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの略中心を貫通するように感ガス体中に埋設した半導体抵抗検出用電極とを備えたガス検出素子及び、金属酸化物半導体からなりガス検出素子の感ガス体と燃焼活性が異なる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの略中心を貫通するように感ガス体中に埋設した半導体抵抗検出用電極とを備えた参照用素子からなり、ガス検出素子或いは参照用素子のヒータ兼用電極と半導体抵抗検出用電極との間の抵抗値変化によるガス検出と、両素子の感ガス体上で燃焼することにより生じる夫々のヒータ兼用電極の抵抗値の比の変化によるガス検出を同時に行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明では、金属酸化物半導体からなる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極と、該ヒータ兼用電極のコイルの略中心を貫通するように感ガス体中に埋設した半導体抵抗検出用電極とを備えたガス検出素子及び、金属酸化物半導体からなりガス検出素子の感ガス体と燃焼活性が異なる感ガス体と、該感ガス体中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極とを備えた参照用素子からなり、ガス検出素子のヒータ兼用電極と半導体抵抗検出用電極との間の抵抗値変化によるガス検出と、両素子の感ガス体上で燃焼することにより生じる夫々のヒータ兼用電極の抵抗値の比の変化によるガス検出を同時に行うことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施形態により説明する。
（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すようにＰｄを３重量％を添加したＳｎＯ2 により形成された金属酸化物半導体からなる感ガス体２と、該感ガス体２中に埋設したコイル状のヒータ兼用電極３と、該ヒータ兼用電極３のコイルの略中心を貫通するように感ガス体２中に埋設した半導体抵抗検出用電極４とを備えたガス検出素子１から構成され、ヒータ兼用電極３の両端をパッド５ａ，５ｂに溶接或いは導電ペーストで接続し、半導体抵抗検出用電極４の一端をパッド６に同様に接続してある。
【００１０】
而して本実施形態では、ヒータ兼用電極３と半導体抵抗検出用電極４との間に負荷抵抗を介して直流電圧を印加して、ヒータ兼用電極３と半導体抵抗検出用電極４との間の感ガス体２の抵抗値変化によって生じる負荷抵抗の電圧を検出し、該検出電圧に基づいてガス検出を行う半導体式ガス検出と、感ガス体２表面上でガスが燃焼することにより生じる燃焼熱でヒータ兼用電極３の抵抗値が増加するのを検出することでガス検出を行う接触燃焼式ガス検出とを行うのである。
【００１１】
つまり、本実施形態の複合センサは、ガス検出素子１の感ガス体２の抵抗値が飽和しない低濃度領域では半導体式ガスセンサとして用い、感ガス体２の抵抗値が飽和する高濃度領域では接触燃焼式ガスセンサとして用いることにより、両センサの短所を補い、総合的に、低濃度領域から高濃度領域に亘って広い範囲でガス検出をおこなうことができるのである。
（実施形態２）
上記実施形態１は、ガス検出素子１のみで複合センサを構成するものであったが、本実施形態は、上記ガス検出素子１に加え構造はガス検出素子１と同じであるが、感ガス体をＳｎＯ2 のみで形成してガス検出素子１の感ガス体２に比して燃焼活性を低くしてある参照用素子を用いて両素子で複合センサを構成したものであり、接触燃焼式ガス検出時に、参照用素子のヒータ兼電極３の抵抗値と、ガス検出素子１のヒータ兼電極３の抵抗値との比の変化に基づいてガス検出を行うようにした点に特徴がある。
【００１２】
図２は本実施形態を用いた検出回路構成を示し、ガス検出素子１のヒータ兼電極３と、参照用素子１ａのヒータ兼電極３ａとを直列に接続してこの直列回路に抵抗Ｒ１、可変抵抗ＶＲ、抵抗Ｒ２の直列回路を並列接続してブリッジ回路を構成し、両素子１，１ａの接続点と、可変抵抗ＶＲの摺動子端子とを出力端子とし、両直列回路の接続端を直流電源ＶＨの接続端子としてある。ここで両素子１，１ａのヒータ兼電極３、３ａの抵抗値を等しく形成してある。また可変抵抗ＶＲはゼロ点調整用のためで、清浄空気下で出力端子間の電圧ＶＢが０Ｖとなるように調整される。
【００１３】
一方両素子１，１ａの半導体抵抗検出用電極４、４ａにそれぞれ負荷抵抗ＲＬ１，ＲＬ２を直列に接続し、負荷抵抗ＲＬ１、ガス検出素子１の感ガス体２の直列回路を直流電源ＶＣに接続すると共に、負荷抵抗ＲＬ２、参照用素子１ａの感ガス体、ヒータ兼電極３の直列回路を直流電源ＶＣに接続してある。
【００１４】
而して本実施形態では、接触燃焼式ガス検出時の検出出力として電圧ＶＢを上記のブリッジ回路の出力端子より取り出し、また半導体式ガス検出時の検出出力として上記負荷抵抗ＲＬ１或いはＲＬ２の両端電圧ＶＲｌ或いはＶＲ２を取り出すのである。
【００１５】
ここで接触燃焼式ガス検出の検出出力は次のようにして得られる。つまり可燃性ガスが存在すると、ガス検出素子１の感ガス体２表面でガスが燃焼し、燃焼熱によってヒータ兼電極３の抵抗値が増加する。一方参照用素子１ａの感ガス体表面でも当該ガスが接触するが、感ガス体が燃焼活性の低い材料で形成されているため燃焼が生じず、そのためヒータ兼電極３ａの抵抗値は変化しない。従ってガス検出素子１の感ガス体２の抵抗値と、参照用素子１ａの感ガス体の抵抗値との比が変化し、その抵抗比変化に応じた出力電圧ＶＢが発生することになる。この出力電圧ＶＢはガス濃度に比例した電圧となり、この電圧からガス濃度を判定することができるのである。
【００１６】
これに対してガスが存在していない時は両素子１，１ａのヒータ兼電極３，３ａの抵抗値は等しいので、ブリッジ回路の出力端子には出力が生じず、電圧ＶＢは０Ｖである。
【００１７】
接触燃焼式ガス検出の検出値たる電圧ＶＢは物理的変化を捕らえるものであり、図３のａ’（Ｈ2を示す）、ｂ’（ＣＯを示す）のグラフで示すようにガス濃度に対してリニアであり、高濃度でも出力が飽和することがない。しかし、出力が小さい(一般に増幅回路を使用する)ため図４のａ’，ｂ’のグラフで示す５００ｐｐｍ以下のガス検出は難しく、検出できたとしても精度が悪い。
【００１８】
.一方、半導体式ガス検出は感ガス体表面とガスとの化学反応による感ガス体の抵抗値の変化を捕らえるものであり、図５のａ（Ｈ2を示す）、ｂ（ＣＯを示す）の各グラフに示すように、ガス濃度の対数に比例して変化するため、負荷抵抗の両端電圧の出力にすると、高濃度域では図３のａ，ｂの各グラフで示すように高濃度域では出力電圧が飽和してしまい、ガス濃度の検出が困難である。一方図４のａ，ｂのグラフで示すように低濃度域、特に２００ｐｐｍ以下ではガス濃度の変化に対する出力変化が大きく、低濃度のガス検出ができる。
【００１９】
尚図５はガス濃度とセンサ感度（清浄な空気中における感ガス体の抵抗値Ｒairに対するガス中での感ガス体の抵抗値Ｒの比Ｒ／Ｒair）との関係を示している。
【００２０】
以上の本実施形態を用いてガス検出装置を構成した場合にあっては、直流電源ＶＣ，ＶＨを通電してヒータ兼電極３，３ａにより加熱状態とし、半導体式ガス検出の検出値（ＶＲ１又はＶＲ２）と、接触燃焼式ガス検出の検出値（ＶＢ）の何れか一方或いは両方を常時監視しておき、一定のガス濃度(例えば５００ｐｐｍ以下）は半導体式ガス検出でガスを検出し、それ以上の濃度では接触燃焼式ガス検出によってガスを検出することにより、非常に広範囲なガス濃度に対して精度良くガスを検出することができる。
【００２１】
尚負荷電圧ＶＲ１、ＶＲ２の何れを使うかは適宜選択すると良い。
（実施形態３）
上記実施形態２では参照用素子１ａに半導体抵抗検出用電極４を設けて半導体式ガス検出を行うことができるようにしているが、本実施形態は半導体式ガス検出をガス検出素子１のみで行うもので、図６に示すように感ガス体２ａとこれに埋設したヒータ兼電極３ａのみで構成した参照用素子１ａを用いている。
【００２２】
図７は当該参照用素子１ａを用いた場合の検出回路であるが、半導体抵抗検出用電極が無い参照用素子１ａを用いるため、それに対応する負荷抵抗が存在していない。その他の構成は実施形態２と同じであるので図２で示す構成要素と同じ構成要素には同じ番号、記号を付して説明を省略する。
【００２３】
【発明の効果】
各請求項の発明は、上述のように構成したので、低濃度域では高感度の半導体式ガス検出を利用し、高濃度域では直線性の良い接触燃焼式ガス検出を利用してガス検出ができ、そのため可燃性ガスや不完全燃焼ガスを数ｐｐｍから数％までの広範囲の濃度のガスを精度良く検出することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１及び実施形態２，３に用いるガス検出素子の構成図である。
【図２】本発明の実施形態２の回路図である。
【図３】同上の高濃度域におけるガス濃度とセンサ出力の関係説明図である。
【図４】同上の低濃度域におけるガス濃度とセンサ出力の関係説明図である。
【図５】同上の半導体式ガス検出時のガス濃度とセンサ感度の関係説明図である。
【図６】本発明の実施形態３に用いる参照用素子の構成図である。
【図７】同上の回路図である。
【符号の説明】
１  ガス検出素子
２  感ガス体
３  ヒータ兼用電極
４  半導体抵抗検出用電極
５ａ、５ｂ  パッド
６          パッド
【図１】
0004091713.tif 000002
【図２】
0004091713.tif 000003
【図３】
0004091713.tif 000004
【図４】
0004091713.tif 000005
【図５】
0004091713.tif 000006
【図６】
0004091713.tif 000007
【図７】
0004091713.tif 000008