JP2009276123A - 半導体センサ式ガス検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体式ガスセンサの暖機処理を容易にかつ効率よく行うことのできる半導体センサ式ガス検知装置を提供すること。
【解決手段】 この半導体センサ式ガス検知装置は、半導体式ガスセンサを備えてなり、当該半導体式ガスセンサが通電状態とされることにより暖機処理が行われた後、検知対象ガスについてのガス検知動作が行われるものにおいて、主電源がＯＦＦされた時点の時間情報が更新可能に記録される記録部を備えており、起動処理時において、主電源が投入された時点の時間情報と、記録部に記録された、前回のガス検知動作における主電源ＯＦＦ時の時間情報とに基づいて、無通電放置時間が算出されると共に当該無通電放置時間に応じた暖機時間が設定され、当該暖機時間に基づいて暖機処理が行われる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体式ガスセンサを備えた半導体センサ式ガス検知装置に関する。

現在、例えば可燃性ガスや毒性ガスを検知するガスセンサの一つとして、金属酸化物半導体の表面でのガス吸着による金属酸化物半導体の抵抗値の変化を検出することにより検知対象ガスについてガス濃度を検知する半導体式ガスセンサが知られている。
この半導体式ガスセンサのある種のものにおいては、例えば酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）を主体とした焼結体よりなる金属酸化物半導体がヒータコイルと電気的に分離され、かつ熱伝導関係を形成するよう配置されて構成されており、金属酸化物半導体の表面温度が例えば２５０〜６００℃程度に維持されるようヒータコイルによって加熱されることにより金属酸化物半導体の表面上に大気中の酸素が吸着されて金属酸化物半導体の抵抗値が一定の値に維持された状態において、検知対象ガスが金属酸化物半導体の表面に接触することにより金属酸化物半導体の表面の酸素と反応して酸素を奪うため、金属酸化物半導体の抵抗値が低下し、この抵抗値の変化を検出することにより検知対象ガスのガス濃度が検知される。

半導体式ガスセンサにおいては、無通電状態が長時間の間続いた場合には、半導体式ガスセンサ（金属酸化物半導体）の表面に、雑ガスや水分が吸着してしまい、半導体式ガスセンサの特性を安定して得ることができなくなることから、通常、金属酸化物半導体を通電により加熱し、これにより、金属酸化物半導体の表面に吸着した雑ガスや水分を除去する暖機処理（センサの活性化）が行われている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−３９１５号公報

而して、半導体式ガスセンサの使用に伴う暖機処理においては、当該半導体式ガスセンサの無通電放置時間の長さに応じた暖機時間（通電時間）を例えば対比表などを用いて設定し、暖機処理の管理を行っているが、例えば作業者または管理者自身によって、半導体式ガスセンサの無通電放置時間の管理および暖機時間の設定を含む一連の処理を行っているため、人為的なミスが介入するおそれがあり、半導体式ガスセンサの活性化が不十分な状態でガス検知動作に供されたり、あるいは、主電源がＯＦＦされた後、直ちに再投入された場合（電源瞬断）には、暖機時間は実質的に不要であるにも関わらず、暖機処理が長時間行われたりするなど、非効率的であると共に暖機処理自体が面倒であるのが実情であった。

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、半導体式ガスセンサの暖機処理を容易にかつ効率よく行うことのできる半導体センサ式ガス検知装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体センサ式ガス検知装置は、半導体式ガスセンサを備えてなり、当該半導体式ガスセンサが通電状態とされることにより暖機処理が行われた後、検知対象ガスについてのガス検知動作が行われる半導体センサ式ガス検知装置において、
主電源がＯＦＦされた時点の時間情報が更新可能に記録される記録部を備えており、
起動処理時において、主電源が投入された時点の時間情報と、記録部に記録された、前回のガス検知動作における主電源ＯＦＦ時の時間情報とに基づいて、無通電放置時間が算出されると共に当該無通電放置時間に応じた暖機時間が設定され、当該暖機時間に基づいて暖機処理が行われることを特徴とする。

本発明の半導体センサ式ガス検知装置においては、動作状態において、時間情報が所定時間間隔毎に取得されており、主電源がＯＦＦされたことが検知された時点における最新の時間情報が主電源ＯＦＦ時の時間情報として記録部に記録される構成とすることができる。

また、本発明の半導体センサ式ガス検知装置においては、 主電源がＯＦＦされた後において、主電源ＯＦＦ時の時間情報の取得を含むシャットダウン処理を実行するための電力を供給するバックアップ電源を備えた構成とされていることが好ましい。

さらにまた、本発明の半導体センサ式ガス検知装置においては、計時手段を備えた構成とすることができる。

さらにまた、本発明の半導体センサ式ガス検知装置においては、ガス検知動作が実施可能な状態になるまでに要する暖機処理の残り時間、あるいは、暖機処理が実行中である旨の表示を含む半導体式ガスセンサの状態を示す表示がなされる構成とすることができる。

本発明の半導体センサ式ガス検知装置によれば、使用に伴う半導体式ガスセンサに必要な暖機時間の設定を含む暖機処理の管理が自動化されると共に当該暖機時間の長さが適正に設定されるので、暖機処理を効率よくかつ容易に行うことができる。

また、動作状態において、時間情報が所定時間間隔毎に取得されており、主電源がＯＦＦされたことが検知された時点における最新の時間情報が主電源ＯＦＦ時の時間情報として設定されることにより、半導体式ガスセンサの無通電放置時間を高い信頼性をもって把握することができるので、暖機時間の最適化を確実に達成することができて暖機処理を効率よく行うことができる。

さらにまた、主電源がＯＦＦされた後において、主電源ＯＦＦ時の時間情報の取得を含むシャットダウン処理を実行するための電力を供給するバックアップ電源を備えていることにより、シャットダウン処理を確実に行うことができるので、次回の使用に伴う暖機処理の管理を確実に行うことができる。

さらにまた、暖機処理に係る表示用データが出力されて半導体式ガスセンサの状態を確実に把握することができるので、安定したセンサ出力の得られる状態に調整された状態において所期のガス検知動作を確実に実施することができる。

図１は、本発明の半導体センサ式ガス検知装置の一例における構成の概略を示すブロック図、図２は、本発明の半導体センサ式ガス検知装置を構成する半導体式ガスセンサの一例における構成の概略を内部構造の一部を露出させた状態で示す説明用斜視図である。
この半導体センサ式ガス検知装置は、半導体式ガスセンサ１１を備えたガス検知部１０と、この半導体式ガスセンサ１１より得られるガス検知信号に応じたガス濃度を算出する機能を有する制御処理部２０とを備えており、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの計時機能を有する外部機器３０との間でデータ通信が可能に構成されている。

半導体式ガスセンサ１１は、例えばアルミナよりなる円筒状部材１２の内部にコイル状のヒータ１３が当該円筒状部材１２の軸方向に伸びるよう配設されると共に、円筒状部材１２の軸方向における両端側部分の各々における外周面に電極１４が設けられ、さらに、円筒状部材１２の外周面に、例えば酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）を主体とした焼結体よりなる金属酸化物半導体１５が設けられて、構成されている。図２において、符号１６は金属酸化物半導体１５に通電するためのリード線である。

ヒータ１３は、ガス検知動作時において、制御処理部２０におけるヒータ駆動回路２２によって通電されることにより、金属酸化物半導体１５の表面温度が所定の温度、例えば２５０〜６００℃に維持されるよう金属酸化物半導体１５を加熱するものであって、例えば、タンタル、白金またはこれらの合金よりなる、発熱量が０．５〜１．０Ｗであるものにより構成されている。

制御処理部２０は、例えば、半導体式ガスセンサ１１におけるヒータ１３に適正な大きさに制御された電流もしくは電圧を供給するヒータ駆動回路２２と、半導体式ガスセンサ１１からのガス検知信号を増幅させる増幅回路２３と、半導体式ガスセンサ１１の使用に伴って行われる暖機処理に係る情報およびガス検知動作に係る情報が更新可能に記録されたメモリ２４と、半導体センサ式ガス検知装置における各構成部の動作制御、ガス濃度値の算出機能および暖機処理の管理機能を有するマイコン２１と、主電源がＯＦＦされた後において、後述する主電源ＯＦＦ時の時間情報の取得を含むシャットダウン処理を実行するための電力を供給するバックアップ電源２５とを備えている。

マイコン２１における暖機処理の管理機能について具体的に説明すると、暖機処理の管理には、半導体式ガスセンサ１１の無通電放置時間の算出処理、半導体式ガスセンサ１１に必要とされる暖機時間の設定処理、および、ガス検知動作中において時間情報の定期的な取得による主電源ＯＦＦ時の時間情報の記録処理が含まれる。

メモリ２４に記録される暖機処理に係る情報としては、外部機器３０より取得される例えば日時などの時間情報、および、半導体式ガスセンサ１１の無通電放置時間に応じた必要な暖機時間を算出するための対比表などのデータが挙げられる。
また、ガス検知動作に係る情報としては、半導体式ガスセンサ１１により得られる検出出力値とガス濃度値との関係を示す当該半導体式ガスセンサ１１に固有の個別検量線（感度曲線）などが挙げられ、個別検量線は検知対象ガスの各々について設定されている。

バックアップ電源２５は、主電源がＯＦＦされた後において、必要な処理、すなわち、次回の使用に伴う暖機処理を行うに際しての無通電放置時間を算出するための時間情報（主電源ＯＦＦ時の時間情報）の取得および当該時間情報のメモリ２４への記録を含むシャットダウン処理を行うための電力を確保するものであって、例えばコンデンサなどによる遅延回路により構成することができる。

以下、上記の半導体センサ式ガス検知装置の動作について説明する。
図３に示すように、主電源が投入されると（Ｓ１）、半導体式ガスセンサ１１を安定した特性が得られる状態となるよう活性化させる暖機処理が行われる。この暖機処理においては、先ず、メモリ２４に記録された、前回のガス検知動作終了後に主電源がＯＦＦされた時の例えば日時による時間情報（ｔ１）が取得されると共に（Ｓ２）、外部機器３０より例えば日時などによる現在の時間情報（ｔ２）が取得され（Ｓ３）、これらの時間情報（ｔ１，ｔ２）に基づいて、半導体式ガスセンサ１１の無通電放置時間（Ｔ＝ｔ２−ｔ１）が算出される（Ｓ４）。このようにして得られた無通電放置時間（Ｔ）に応じた、当該半導体式ガスセンサ１１に必要とされる暖機時間が、メモリ２４に記録された例えば対比表よりなる暖機時間設定用データに基づいて、設定される（Ｓ５）。ここに、暖機時間設定用データにおいては、暖機時間は、半導体式ガスセンサ１１の無通電放置時間が長くなるに従って長くなるよう設定されている。
次いで、ヒータ駆動回路２２によって適正な大きさに制御された電流（電圧）が供給され、設定された暖機時間に基づいて暖機処理が行われる（Ｓ６）。

暖機処理における加熱条件は、ガス検知動作時における加熱条件と同一または異なる条件のいずれであってもよく、半導体式ガスセンサ１１における金属酸化物半導体の表面温度が所定の温度に維持されるよう、半導体式ガスセンサ１１におけるヒータ１３に対する供給電流の大きさが設定されればよい。
具体的には、半導体式ガスセンサ１１における金属酸化物半導体１５の表面温度が例えば２００〜６００℃となるよう、半導体式ガスセンサ１１におけるヒータ１３に対する供給電流が例えば１００〜３００ｍＡの範囲内、印加電圧が例えば２．０〜５．０Ｖの範囲内で設定され、無通電放置時間が例えば１〜２４時間の範囲内である場合には、暖機時間が例えば４時間程度に設定される。
また、暖機処理は、例えば大気中（加湿された空気が半導体式ガスセンサ１１に供給された状態）で行われる。
さらに、暖機処理中においては、例えば暖機処理実行中である旨のメッセージ、暖機処理の残りの所要時間などの表示用データが外部機器３０に送信され、半導体式ガスセンサ１１の状態が報知される。

そして、暖機処理が行われて半導体式ガスセンサが活性化されると、ガス検知動作が実施可能な状態となるが、上述したように、暖機処理における加熱条件と同一の加熱条件でそのまま暖機処理に継続して行われても、暖機処理における加熱条件と異なる加熱条件に設定変更されて行われてもよく、また、所定時間の間の無通電状態を介して再通電されるようにしてもよい。
例えば暖機処理と同一の加熱条件でガス検知動作（Ｓ７）が行われる場合には、金属酸化物半導体１５の表面温度が所定の温度状態に維持されるよう加熱された状態にあるから、被検ガスがガス検知部１０における半導体式ガスセンサ１１に供給されると、金属酸化物半導体１５の抵抗値に応じた検出信号が増幅回路２３を介してマイコン２１に入力されることにより、検知対象ガスについての当該検出信号に応じたガス濃度がメモリ２４に記録された個別検量線に基づいて算出され、その結果が例えば外部機器３０に出力されて表示される。

ガス検知動作が終了して主電源がＯＦＦされたことが検出されると（Ｓ８）、バックアップ電源２５よりの電力供給によって動作状態が所定時間の間維持されてシャットダウン処理が行われる。すなわち、主電源がＯＦＦされたことが検出されると、外部機器３０より取得される最新の時間情報が主電源ＯＦＦ時の時間情報（ｔ１）、つまり、次回の半導体式ガスセンサ１１の使用に伴う無通電放置時間（Ｔ）の算出基準時としてメモリ２４に記録される（Ｓ９）。

而して、上記の半導体センサ式ガス検知装置によれば、半導体式ガスセンサ１１の使用に伴って暖機処理を行うことが必要とされるところ、起動処理時において、主電源が投入された時点の現在の時間情報と、メモリ２４に記録された、主電源がＯＦＦされた時点の時間情報とに基づいて無通電放置時間（Ｔ）を算出すると共に当該無通電放置時間（Ｔ）に応じて設定される暖機時間に基づいて暖機処理が行われることにより、基本的には、半導体式ガスセンサ１１の無通電放置時間（Ｔ）の算出および暖機時間の設定を含む一連の暖機処理が自動的に行われると共に適正な長さに設定された暖機時間で暖機処理が行われるので、暖機処理を効率よくかつ容易に行うことができ、従って、このような暖機処理が行われることにより半導体式ガスセンサ１１を常に安定した出力が得られる状態に確実に調整することができる。

また、動作状態において、時間情報が所定時間間隔毎に取得されており、主電源がＯＦＦされたことが検知された時点における最新の時間情報が主電源ＯＦＦ時の時間情報として設定されることにより、半導体式ガスセンサ１１の無通電放置時間を高い信頼性をもって把握することができるので、暖機時間の最適化を確実に達成することができて暖機処理を効率よく行うことができる。

さらにまた、主電源がＯＦＦされた後において、主電源ＯＦＦ時の時間情報の取得を含むシャットダウン処理を実行するための電力を供給するバックアップ電源２５を備えていることにより、シャットダウン処理を確実に行うことができるので、次回の使用に伴う暖機処理の管理を確実に行うことができる。

さらにまた、暖機処理に係る表示用データが外部に出力されて半導体式ガスセンサ１１の状態を確実に把握することができるので、安定したセンサ出力の得られる状態に調整された状態において所期のガス検知動作を確実に実施することができる。

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、図４に示すように、半導体センサ式ガス検知装置それ自体が計時部２６を備えた構成とすることができ、このような構成のものにおいては、計時部駆動用電池２７が設けられる。
計時部２６は、例えば、時計機能、タイマー機能，カレンダー機能などのいずれの機能を有するものであってもよく、例えばＲＴＣ（リアルタイムクロック）により構成することができる。
このような構成のものにおいても、上記実施形態に係るものと同様の効果、すなわち、半導体センサ式ガス検知装置それ自体において取得される主電源ＯＦＦ時の時間情報（基準時）および主電源投入時の時間情報に基づく無通電放置時間の算出、および、暖機時間の設定を含む暖機処理の自律管理がなされるので、暖機処理を効率よく行うことができると共に、半導体式ガスセンサ１１が常に安定した特性が得られる状態に調整された状態において所期のガス検知動作を確実に行うことができる。

また、半導体センサ式ガス検知装置それ自体が表示手段を具備した構成とされていてもよい。

本発明の半導体センサ式ガス検知装置の一例における構成の概略を示すブロック図である。 本発明の半導体センサ式ガス検知装置を構成する半導体式ガスセンサの一例における構成の概略を内部構造の一部を露出させた状態で示す説明用斜視図である。 本発明の半導体センサ式ガス検知装置の動作を説明するための動作フロー図である。 本発明の半導体センサ式ガス検知装置の他の例における構成の概略を示すブロック図である。

１０ ガス検知部
１１ 半導体式ガスセンサ
１２ 円筒状部材
１３ ヒータ
１４ 電極
１５ 金属酸化物半導体
１６ リード線
２０ 制御処理部
２１ マイコン
２２ ヒータ駆動回路
２３ 増幅回路
２４ メモリ
２５ バックアップ電源
２６ 計時部
２７ 計時部駆動用電池
３０ 外部機器

Claims (5)

1. 半導体式ガスセンサを備えてなり、当該半導体式ガスセンサが通電状態とされることにより暖機処理が行われた後、検知対象ガスについてのガス検知動作が行われる半導体センサ式ガス検知装置において、
   主電源がＯＦＦされた時点の時間情報が更新可能に記録される記録部を備えており、
   起動処理時において、主電源が投入された時点の時間情報と、記録部に記録された、前回のガス検知動作における主電源ＯＦＦ時の時間情報とに基づいて、無通電放置時間が算出されると共に当該無通電放置時間に応じた暖機時間が設定され、当該暖機時間に基づいて暖機処理が行われることを特徴とする半導体センサ式ガス検知装置。
2. 動作状態において、時間情報が所定時間間隔毎に取得されており、主電源がＯＦＦされたことが検知された時点における最新の時間情報が主電源ＯＦＦ時の時間情報として記録部に記録されることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ式ガス検知装置。
3. 主電源がＯＦＦされた後において、主電源ＯＦＦ時の時間情報の取得を含むシャットダウン処理を実行するための電力を供給するバックアップ電源を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体センサ式ガス検知装置。
4. 計時手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体センサ式ガス検知装置。
5. ガス検知動作が実施可能な状態になるまでに要する暖機処理の残り時間、あるいは、暖機処理が実行中である旨の表示を含む半導体式ガスセンサの状態を示す表示がなされることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体センサ式ガス検知装置。

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