JP2011052978A - ガス検出装置及びガス検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着燃焼式ガスセンサに対する外風の影響を回避して、検出精度の低下を防止できるガス検出装置及びガス検出方法を提供する。
【解決手段】ガス検出装置１は、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子と複数の固定抵抗器とで構成される、感応素子の温度が上昇する過渡期間における所定の計測タイミングで平衡状態となる、ブリッジ回路２を備える。そして、ガス検出装置１は、感応素子の温度を所定のガス吸着期間低温にしたのちに高温に上昇させて、前記計測タイミングでのブリッジ回路２における中点電位差を濃度電位差として計測し、感応素子に吸着した検出対象ガスが燃焼したあと、感応素子の温度を所定のガス非吸着期間低温にしたのちに高温に上昇させて、前記計測タイミングでの前記中点電位差をベース電位差として計測し、これら濃度電位差とベース電位差とに基づいて、検出対象ガスを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置およびガス検出方法に関する。

従来知られている接触燃焼式ガスセンサは、感応素子と補償素子を有し、検出対象となるガスを感応素子の触媒作用により燃焼させ、この燃焼熱を白金コイルの抵抗値変化として捉えるように構成されている。検出対象となるガスのうちトルエンや酢酸、エタノール等のように、極性が大きく吸着力の大きなガスは、低温駆動時に、ガス分子が感応素子の触媒表面に吸着し、高温駆動時に、吸着したガスが瞬時に燃焼すると共に接触燃焼反応も同時に起こるので、センサ出力は、短時間でピークに達しその後徐々に減少するピーク波形（山形波形）を生じる。一方、メタンや水素、一酸化炭素等の無極性または極性の小さいガスは、吸着力も小さいので上記のような現象は起こらず、センサ出力は、定常値で安定するまで徐々に増加していく。

このように、トルエン等の特定種類のガスにおいて固有のピーク波形を呈することを利用して、接触燃焼式ガスセンサを用いてガス濃度の検出やガス種の分別などを行うことができる。このような特定種類のガスの吸着現象を利用する接触燃焼式ガスセンサは、吸着燃焼式ガスセンサとも呼ばれている。上述したような吸着燃焼式ガスセンサは、ガス濃度検出装置やガス種別検出装置などの種々のガス検出装置において用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

吸着燃焼式ガスセンサを備えた従来のガス濃度検出装置の構成例を図５に示す。図５に示されるガス濃度検出装置８０１は、検出対象ガスと感応する感応素子８１１及び該感応素子８１１と直列接続された固定抵抗器８１４からなるセンサ回路部８１０、並びに、センサ回路部８１０と並列接続されるとともに、検出対象ガスと感応しない補償素子８１２及び補償素子８１２と直列接続された固定抵抗器８１３からなるレファレンス回路部８２０、で構成されたブリッジ回路８０２と、感応素子８１１の温度が検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、感応素子８１１の温度が感応素子８１１に吸着した検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、をブリッジ回路８０２に順次供給する電圧供給源８０５と、感応素子８１１及び固定抵抗器８１４間に生じる第１電圧Ｖ１と補償素子８１２及び固定抵抗器８１３間に生じる第２電圧Ｖ２とが入力されるように、センサ回路部８１０の中点とレファレンス回路部８２０の中点とに接続されて、これら第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との電位差（以下、「中点電位差Ｖｃ」という）を所定の増幅率で増幅する計装アンプ８０６と、計装アンプ８０６によって増幅された中点電位差Ｖｃをアナログ値からデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ８０７と、Ａ／Ｄコンバータ８０７によってデジタル値に変換された中点電位差Ｖｃに基づいて、検出対象ガスの濃度を検出する周知のマイクロコンピュータ（ＭＰＵ）８６０と、を備えている。ブリッジ回路８０２は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において高温駆動電圧を供給されたときに、各素子の温度変化が収束した定常状態で平衡（即ち、中点電位差Ｖｃが０）となるように、固定抵抗器８１３、８１４の抵抗値が定められている。

この中点電位差Ｖｃは、感応素子８１１の抵抗値をＲｓ、補償素子８１２の抵抗値をＲｒ、固定抵抗器８１４の抵抗値をＲ２、固定抵抗器８１３の抵抗値をＲ１、ブリッジ回路２への供給電圧をＶｂｒｇ、次の式（１）で示される。

Ｖｃ＝（（Ｒｓ／（Ｒ２＋Ｒｓ））−（Ｒｒ／（Ｒ１＋Ｒｒ）））×Ｖｂｒｇ・・・（１）

上記式（１）から明らかなように、中点電位差Ｖｃは、それぞれ値が固定される抵抗値Ｒ１、抵抗値Ｒ２、及び、供給電圧Ｖｂｒｇ、の影響は受けず、つまり、中点電位差Ｖｃは、温度変化に応じて値が変化する感応素子８１１の抵抗値Ｒｓ及び補償素子８１２の抵抗値Ｒｒによって決定される。

そして、センサ回路部８１０の感応素子８１１及びレファレンス回路部２０の補償素子８１２は、供給電圧Ｖｂｒｇが低温駆動電圧から高温駆動電圧に切り替わると温度上昇を開始するが、これら感応素子８１１と補償素子８１２とは、それぞれの熱容量や熱伝導特性、放熱特性などが異なるので、各素子の温度が安定した定常状態に至るまでの過渡状態の期間（過渡期間）における温度上昇カーブ、即ち、温度上昇特性が異なり、そのため、温度上昇に伴う抵抗値の変化に差異が生じて、過渡期間において、温度上昇特性の差異による中点電位差Ｖｃ、即ち、誤差電位差Ｖｅが生じてしまう（図６のグラフに示す）。このような各素子の温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差Ｖｅを防ぐために、各素子の製造方法の精度向上や選別等を行うことが考えられるが、完全に温度上昇特性を一致させることは不可能である。そして、このような吸着燃焼式ガスセンサは、高温駆動時の中点電位差Ｖｃの変化（即ち、応答波形）に基づいてガス検出を行うので、上述したような、温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差Ｖｅが影響して、ガス検出の精度が低下してしまう。

そこで、ガス濃度検出装置８０１では、感応素子８１１及び補償素子８１２における温度上昇特性の差異によって生じる中点電位差Ｖｃ、即ち、誤差電位差Ｖｅの影響を回避するため、以下のようにして検出対象ガスの濃度を検出していた。

まず、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、ブリッジ回路８０２に低温駆動電圧を供給したのちに高温駆動電圧を供給したときの中点電位差Ｖｃ（即ち、誤差電位差Ｖｅ）を所定のサンプリング周期で計測し、この計測した複数の中点電位差Ｖｃを積算して誤差電位差積分値を算出する。次に、検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気中において、ブリッジ回路８０２に低温駆動電圧を供給したのちに高温駆動電圧を供給したときの中点電位差Ｖｃを同様に所定のサンプリング周期で計測し、この計測した複数の中点電位差Ｖｃを積算して濃度電位差積分値を算出する。そして、濃度電位差積分値から誤差電位差積分値を差し引いた値に基づいて、検出対象ガスの濃度を検出する。このようにして、温度上昇特性の差異によって生じる誤差電位差Ｖｅの影響を回避して、検出対象ガスの濃度検出の精度低下を防いでいた。

特開２００５−８３９５０号公報

上述したガス濃度検出装置８０１のブリッジ回路８０２は、感応素子８１１と補償素子８１２とを含むものであり、これら各素子が設置される雰囲気の流動（以下、「外風」ともいう）がある場合、感応素子８１１と補償素子８１２とに外風が当たってそれぞれのヒータ温度が低下する。そして、感応素子８１１と補償素子８１２とに同様に外風が当たるのであれば、ヒータ温度が同様に低下して外風の影響が相殺される。しかしながら、感応素子８１１と補償素子８１２とは物理的に別体であり、設置位置も厳密に同一にすることができないので、ときに流路が絡み合う複雑な流動状態となる外風の影響を完全に同一にすることができず、そのため、外風の影響によるヒータ温度の差が生じ、このヒータ温度の差による各素子での抵抗値の差が生じて、ブリッジ回路８０２の平衡状態が乱れて中点電位差Ｖｃにばらつきが生じ、検出精度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記課題に係る問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、吸着燃焼式ガスセンサに対する外風の影響を回避して、検出精度の低下を防止できるガス検出装置及びガス検出方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、図１の基本構成図に示すように、検出対象ガスと感応する、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子、及び、複数の固定抵抗器、で構成されるブリッジ回路２と、前記感応素子の温度が前記検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、前記感応素子の温度が前記感応素子に吸着した前記検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、を前記ブリッジ回路に供給する電圧供給源５と、を有し、前記ブリッジ回路２における一対の中点間に生じる電位差に基づいて前記検出対象ガスを検出するガス検出装置１において、前記ブリッジ回路２が、前記検出対象ガスを含まない雰囲気中で、前記電圧供給源から前記高温駆動電圧を供給されたあとの前記感応素子の温度が上昇する過渡期間における所定の計測タイミングにおいて、平衡状態となるように構成され、そして、前記電圧供給源５を用いて、前記ブリッジ回路２に前記低温駆動電圧を供給したのち、前記感応素子が前記検出対象ガスを吸着する所定のガス吸着期間が経過したとき、前記ブリッジ回路２に前記高温駆動電圧を供給する、第１電圧供給手段６１ａと、前記第１電圧供給手段６１ａによって前記ブリッジ回路２に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差を計測する濃度電位差計測手段６１ｂと、前記ガス吸着期間において前記感応素子が吸着した前記検出対象ガスが燃焼したあとに、前記電圧供給源５を用いて、前記ブリッジ回路２に前記低温駆動電圧を供給したのち、前記感応素子が前記検出対象ガスを吸着しない所定のガス非吸着期間が経過したとき、前記ブリッジ回路２に前記高温駆動電圧を供給する、第２電圧供給手段６１ｃと、前記第２電圧供給手段６１ｃによって前記ブリッジ回路２に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差を計測するベース電位差計測手段６１ｄと、前記濃度電位差計測手段６１ｂによって計測された前記電位差、及び、前記ベース電位差計測手段６１ｄによって計測された前記電位差に基づいて、前記検出対象ガスを検出する前記ガス検出手段６１ｅと、を有していることを特徴とするガス検出装置１である。

請求項２に記載された発明は、上記目的を達成するために、検出対象ガスと感応する、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子、及び、複数の固定抵抗器、で構成されるブリッジ回路と、前記感応素子の温度が前記検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、前記感応素子の温度が前記感応素子に吸着した前記検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、を前記ブリッジ回路に供給する電圧供給源と、を有し、前記ブリッジ回路が、前記検出対象ガスを含まない雰囲気中で、前記電圧供給源から前記高温駆動電圧を供給されたあとの前記感応素子の温度が上昇する過渡期間における所定の計測タイミングにおいて、平衡状態となるように構成され、前記ブリッジ回路における一対の中点間に生じる電位差に基づいて前記検出対象ガスを検出する、ガス検出装置において用いられるガス検出方法であって、前記電圧供給源を用いて、前記ブリッジ回路に前記低温駆動電圧を供給したのち、前記感応素子が前記検出対象ガスを吸着する所定のガス吸着期間が経過したとき、前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧を供給する、第１電圧供給工程と、前記第１電圧供給工程で前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差を計測する濃度電位差計測工程と、前記ガス吸着期間において前記感応素子が吸着した前記検出対象ガスが燃焼したあとに、前記電圧供給源を用いて、前記ブリッジ回路に前記低温駆動電圧を供給したのち、前記感応素子が前記検出対象ガスを吸着しない所定のガス非吸着期間が経過したとき、前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧を供給する、第２電圧供給工程と、前記第２電圧供給工程で前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差を計測するベース電位差計測工程と、前記濃度電位差計測工程で計測された前記電位差、及び、前記ベース電位差計測工程で計測された前記電位差に基づいて、前記検出対象ガスを検出する前記ガス検出工程と、を順次有していることを特徴とするガス検出方法である。

請求項１、２に記載された発明によれば、ブリッジ回路が、前記検出対象ガスを含まない雰囲気中で、電圧供給源から高温駆動電圧を供給されたあとの感応素子の温度が上昇する過渡期間における所定の計測タイミングにおいて、平衡状態となるように構成されており、そして、（１）電圧供給源を用いて、ブリッジ回路に低温駆動電圧を供給したのち、感応素子が検出対象ガスを吸着する所定のガス吸着期間が経過したときにブリッジ回路に前記高温駆動電圧を供給して、（２）該高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差を濃度電位差として計測し、そして、（３）前記ガス吸着期間において感応素子が吸着した検出対象ガスが燃焼したあとに、電圧供給源を用いて、ブリッジ回路に低温駆動電圧を供給したのち、感応素子が検出対象ガスを吸着しない所定のガス非吸着期間が経過したときにブリッジ回路に高温駆動電圧を供給して、（４）該高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差をベース電位差として計測し、そして、（５）これら計測された濃度電位差及びベース電位差に基づいて、検出対象ガスを検出するので、感応素子を、本来の機能である感応素子として動作させて濃度電位差を計測するとともに、代替的に補償素子として動作させて上記濃度電位差を補償するベース電位差を計測することができ、そのため、擬似的に感応素子と補償素子との設置位置を同一にして、濃度電位差とベース電位差とを計測でき、これら濃度電位差及びベース電位差に基づいて検出対象ガスを検出することにより、外風の影響を回避することができ、検出精度の低下を防止できる。また、ブリッジ回路を簡易な回路で構成できるとともに、ブリッジ回路への電圧の供給制御及び中点電位差の計測制御も簡易であるので、外風の影響による検出精度の低下を防止できるガス検出装置を低コストで提供できる。さらに、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子のみ使用するので、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子と補償素子との温度上昇特性を高精度で一致させる必要がなく、そのため、現状の感応素子が利用でき、さらに、補償素子が不要となるのでシリコンウェハ等を小さくでき、コストを低減することができる。

本発明のガス検出装置の基本構成を示す図である。 本発明のガス検出装置の一実施形態であるガス濃度検出装置を示す構成図である。 （Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、図２のガス濃度検出装置が備えるガスセンサユニットの平面図、背面図、及び、平面図におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２のガス濃度検出装置が備えるＣＰＵが行うガス濃度検出処理の一例を示すフローチャートである。 従来のガス濃度検出装置の構成図である。 従来のガス濃度検出装置における誤差電位差のグラフである。

以下、本発明に係るガス検出装置の一実施形態としてのガス濃度検出装置を、図２〜図４を参照して説明する。

ガス濃度検出装置１は、図２に示すように、ブリッジ回路２と、電圧供給源５と、計装アンプ６と、Ａ／Ｄコンバータ７と、マイクロコンピュータ６０と、図示しない気体収容室と、図示しない表示装置と、を備えている。

ブリッジ回路２は、第１固定抵抗器１３と、第２固定抵抗器１４と、第３固定抵抗器１６と、吸着燃焼式ガスセンサとしてのガスセンサユニット１５と、を備えている。このガスセンサユニット１５は、感応素子１１を備えている。そして、第２固定抵抗器１４と感応素子１１とを互いに直列接続することでセンサ回路部１０を構成し、第１固定抵抗器１３と第３固定抵抗器１６とを互いに直列接続することでレファレンス回路部２０を構成している。また、センサ回路部１０とレファレンス回路部２０とを互いに並列接続することでブリッジ回路２を構成している。ブリッジ回路２における第１固定抵抗器１３と第２固定抵抗器１４とを接続する信号線は、電圧供給源５に接続されている。ブリッジ回路２における感応素子１１と第３固定抵抗器１６とを接続する信号線は接地点（ＧＮＤ）に接続されている。また、第２固定抵抗器１４及び感応素子１１間（即ち、センサ回路部１０の中点）と第１固定抵抗器１３及び第３固定抵抗器１６間（即ち、レファレンス回路部２０の中点）とを、ブリッジ回路２における一対の中点という。

ガスセンサユニット１５は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、所定厚さ（例えば、４００μｍ程度）のシリコン（Ｓｉ）ウェハ４１上に、所定厚さ（例えば、６００ｎｍ程度）の酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜４８ｃ、所定厚さ（例えば、２５０ｎｍ程度）の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜４８ｂ、および所定厚さ（例えば、３０ｎｍ程度）の酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）膜４８ａの絶縁薄膜が順次成膜され、多層絶縁膜が形成されている。

この多層絶縁膜上に、感応素子１１として、所定厚さ（例えば、２５０ｎｍ程度）の第１のヒータとしての白金（Ｐｔ）ヒータ４２が形成されていると共に、この白金ヒータ４２と熱的に接触するとともに、触媒物質として、例えば、検出対象ガスを吸着及び燃焼させるパラジウム（Ｐｄ）などの白金族を担持した酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる触媒層４３が所定厚さ（例えば、１〜４０μｍ程度）で形成されている。

また、図３（Ｃ）に示すように、シリコンウェハ４１を異方性エッチングして、感応素子１１に対応する位置に凹部４６を形成し、それにより、上述の各絶縁薄膜による薄膜ダイヤフラムＤｓが形成されている。

また、感応素子１１は触媒層４３を備えているので、電圧供給源５によってブリッジ回路２（即ち、センサ回路部１０）に所定の低温駆動電圧が供給されると、感応素子１１では検出対象ガスが触媒層４３に吸着され、そして、電圧供給源５によってブリッジ回路２に所定の高温駆動電圧が供給されると、感応素子１１では触媒により検出対象ガスが燃焼する。即ち、感応素子１１は検出対象ガスと感応する。

感応素子１１は、検出対象ガスを含む雰囲気中において、電圧供給源５によって低温駆動電圧が供給されたのち、感応素子１１が検出対象ガスを吸着する所定のガス吸着期間が経過したあとに高温駆動電圧が供給されると、感応素子１１に吸着した検出対象ガスが爆発的に燃焼する（ケース１）。その一方で、感応素子１１は、検出対象ガスを含む雰囲気中において、電圧供給源５によって低温駆動電圧が供給されたのち、感応素子１１が検出対象ガスを吸着しない所定のガス非吸着期間が経過したあとに高温駆動電圧が供給されると、感応素子１１は検出対象ガスを接触燃焼する（ケース２）。これらケース１、２においては同一の感応素子を使用しているので、それぞれのケースの差異は、感応素子１１への検出対象ガスの吸着の有無のみであり、両ケースとも、雰囲気の流動、即ち、外風の影響を同一にでき、そのため、ケース１、２において計測した値を用いることにより、外風の影響を相殺できる。

ガスセンサユニット１５は、図示しない気体収容室内に設置されている。この気体収容室には、検出対象ガスを含まない雰囲気（エアベース）、及び、検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気（被検ガス）が、後述するマイクロコンピュータ６０の制御によって充填される。なお、本実施形態において、ガスセンサユニット１５は、感応素子１１のみ備えるものであったが、これに限らず、感応素子及び補償素子をともに備える一般的な吸着燃焼式ガスセンサとしてのガスセンサユニットを用いて、該ガスセンサユニットの感応素子のみをブリッジ回路に組み込むようにしてもよい。

第１固定抵抗器１３、第２固定抵抗器１４及び第３固定抵抗器１６は、予め設定された一定（固定）の電気抵抗を生じる周知の電子部品である。第１固定抵抗器１３、第２固定抵抗器１４及び第３固定抵抗器１６は、複数の固定抵抗器を直列、並列、または、直列及び並列に組み合わせて構成してもよく、或いは、ガス濃度測定時に抵抗値を固定して用いるものであれば、例えば、平衡調整のためなどに抵抗値を変更できる、可変抵抗器であってもよい。第１固定抵抗器１３、第２固定抵抗器１４及び第３固定抵抗器１６は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、ブリッジ回路２に電圧供給源５によって高温駆動電圧が供給されたときに、感応素子１１の温度が上昇する過渡期間における所定の計測タイミング（例えば、高温駆動電圧供給後に１００ｍ秒経過した時点など）において、平衡状態となるように、即ち、一対の中点間に生じる電位差（以下、「中点電位差Ｖｃ」という）が０となるように、それぞれの抵抗値が定められている。本実施形態においては、第１固定抵抗器１３の抵抗値が１０ｋΩ、第２固定抵抗器１４の抵抗値が３９０Ω、第３固定抵抗器１６の抵抗値が１０ｋΩ、に設定されている。これら値は一例であり、構成に応じて適宜設定される。また、ブリッジ回路２には、上記固定抵抗器とは別に可変抵抗器（半固定抵抗器やデジタルポテンショメータなど）を設けて、上記平衡状態の調整を可能とする構成としてもよい。

感応素子１１の抵抗値をＲｓ、第１固定抵抗器１３の抵抗値をＲ１、第２固定抵抗器１４の抵抗値をＲ２、第３固定抵抗器１６の抵抗値をＲ３、ブリッジ回路２への供給電圧をＶｂｒｇ、とすると、上記中点電位差Ｖｃは、以下の式（２）で表される。

Ｖｃ＝（（Ｒｓ／（Ｒ２＋Ｒｓ））−（Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ３）））×Ｖｂｒｇ・・・（２）

電圧供給源５は、ブリッジ回路２に所定の電圧を供給する電圧供給回路である。電圧供給源５は、後述するＭＰＵ６０に接続されるとともに、該ＭＰＵ６０からの電圧制御信号に応じて、感応素子１１の温度が検出対象ガスを吸着する低温（例えば、２００度）となる低温駆動電圧、及び、感応素子１１の温度が感応素子１１に吸着した検出対象ガスを燃焼させる高温（例えば、４００度）となる高温駆動電圧、などのパルス状の供給電圧Ｖｂｒｇをブリッジ回路２に供給する。

計装アンプ６は、差動入力・シングルエンド出力の平衡入力アンプであり、同相信号除去比（ＣＭＲＲ）を大きくとれるという特徴を有する周知の増幅器である。計装アンプ６は、それぞれ高インピーダンスの一対の差動入力端子に入力された信号の電位差を、所定の増幅率で増幅して出力する。計装アンプ６の差動入力端子の一方（Ｖ＋）には、センサ回路部１０の中点の信号線が接続されており、他方（Ｖ−）には、レファレンス回路部２０の中点が接続されている。つまり、計装アンプ６は、センサ回路部１０の中点の電位（即ち、第１電圧Ｖ１）と、レファレンス回路部２０の中点の電位（即ち、第２電圧Ｖ２）と、が入力されて、これら第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２の電位差（即ち、中点電位差Ｖｃ、詳細には第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２を差し引いた電圧）を、所定の増幅率で増幅して出力端子から出力する。計装アンプ６には出力可能な最大電圧（最大出力電圧）が定められており、計装アンプ６の増幅率は、増幅された中点電位差Ｖｃがこの最大出力電圧を超えないように定められている。

Ａ／Ｄコンバータ７は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する周知のアナログ−デジタル変換器である。Ａ／Ｄコンバータ７の入力部には、計装アンプ６によって出力された増幅された中点電位差Ｖｃが入力される。また、Ａ／Ｄコンバータ７の出力部は、ＭＰＵ６０に接続されており、デジタル信号に変換された中点電位差ＶｃがＭＰＵ６０に向けて出力される。また、Ａ／Ｄコンバータ７には、入力可能な最大電圧（最大入力電圧）が定められており、増幅された中点電位差Ｖｃがこの最大入力電圧を超えないように、計装アンプ６の増幅率が定められている。

マイクロコンピュータ（ＭＰＵ）６０は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）６１、ＣＰＵ６１のためのプログラムや各種パラメータ（例えば、低温駆動電圧値、高温駆動電圧値、各種期間値、各種タイミング値、など）を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ６２、各種データを格納するとともにＣＰＵ６１の処理作業に必要なエリア（例えば、ベース電位差、濃度電位差など）を有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ６３、及び、電力供給が断たれた場合でも、格納された各種データの保持が可能であり、ＣＰＵ６１の処理作業に必要な各種格納エリアを有するＥＥＰＲＯＭ６４等を備えている。ＣＰＵ６１は、ＲＯＭ６２に格納された各種プログラムを実行することにより、第１電圧供給手段、濃度電位差計測手段、第２電圧供給手段、ベース電位差計測手段、及び、ガス検出手段、などとして機能する。

ＭＰＵ６０は、図示しない入出力ポートや各種インタフェース機能を備えた外部接続部をさらに備えている。ＭＰＵ６０は、この外部接続部を介して、Ａ／Ｄコンバータ７及び電圧供給源５と接続されている。ＭＰＵ６０は、Ａ／Ｄコンバータ７からデジタル信号に変換された中点電位差Ｖｃを受信して、この中点電位差Ｖｃに基づいてガス濃度を検出する。ＭＰＵ６０は、処理に応じて、例えば、低温駆動電圧を所定のガス吸着期間又はガス非吸着時間供給した後、高温駆動電圧を所定のガス燃焼期間供給するように、電圧供給源５に向けて電圧制御信号を送信する。また、ＭＰＵ６０は、この外部接続部を介して、図示しない表示装置に接続されており、例えば、検出した検出対象ガスの濃度に関する情報を含む表示制御信号を、該表示装置に向けて送信する。そして、表示装置は、この表示制御信号に応じた情報、即ち、検出対象ガスの濃度などを表示する。また、ＭＰＵ６０は、この外部接続部を介して、ポンプなどを備えた気体収容室に接続されており、処理に応じて各種気体を該気体収容室に充填する。また、ＭＰＵ６０は、各種期間や各種タイミングを計測する図示しないタイマを備えている。

次に、上述したＣＰＵ６１が実行する本発明に係る処理（ガス濃度検出処理）の一例を、図４に示すフローチャートを参照して、以下に説明する。

ガス濃度検出装置１に電源が投入されると、ＣＰＵ６１は、所定の初期化処理を実行し、そして、気体収容室内に検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気（被検ガス）を充填した後、その処理をステップＳ１１０に進める。

ステップＳ１１０では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に低温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０では、感応素子１１の温度が低温（例えば、２００度）で安定するとともに感応素子１１が検出対象ガスを吸着する所定のガス吸着期間（概ね、数十ｍ秒〜数十秒、例えば、６０秒）が経過するまで待つ。そして、上記ガス吸着期間が経過した後、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に、高温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１４０では、所定の計測タイミング（概ね、高温駆動電圧供給後から５０ｍ秒〜１００ｍ秒経過した時点、例えば、１００ｍ秒経過時点）になるまで待つ。そして、上記計測タイミングになると、ステップＳ１５０に進む。

ステップＳ１５０では、計装アンプ６で増幅されるとともにＡ／Ｄコンバータ７でデジタル信号に変換された中点電位差Ｖｃを、ガス濃度電位差として計測して、ＲＡＭ６３上に格納する。そして、ステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１６０では、上記ガス吸着期間において感応素子１１に吸着した検出対象ガスが全て燃焼する所定のガス燃焼期間（概ね、高温駆動電圧供給後から数百ｍ秒〜数秒、例えば、４００ｍ秒）が経過するまで待つ。そして、上記ガス燃焼期間が経過した後、ステップＳ１７０に進む。

ステップＳ１７０では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に低温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＳ１８０に進む。

ステップＳ１８０では、感応素子１１の温度が低温（例えば、２００度）で安定するとともに感応素子１１が検出対象ガスを吸着しない所定のガス非吸着期間（概ね、数十ｍ秒〜数百ｍ秒、例えば、５００ｍｓ）が経過するまで待つ。そして、上記ガス非吸着期間が経過した後、ステップＳ１９０に進む。

ステップＳ１９０では、電圧供給源５に対して、ブリッジ回路２に高温駆動電圧を供給するための電圧制御信号を送信する。そして、ステップＳ２００に進む。

ステップＳ２００では、上記計測タイミングになるまで待つ。そして、上記計測タイミングになると、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０では、計装アンプ６で増幅されるとともにＡ／Ｄコンバータ７でデジタル信号に変換された中点電位差Ｖｃを、ベース電位差として計測して、ＲＡＭ６３上に格納する。そして、ステップＳ２２０に進む。

ステップＳ２２０では、ステップＳ１５０で計測したガス濃度電位差から、ステップＳ２１０で計測したベース電位差を差し引いて、補償後のガス濃度電位差を算出し、ＲＯＭ６２上に予め格納された、電位差とガス濃度との関係についての変換テーブルに基づいて、当該算出した補償後のガス濃度電位差からガス濃度を求める。そして、ステップＳ２３０に進む。

ステップＳ２３０では、ステップＳ２２０で求めたガス濃度についての情報を含む表示情報を生成して、表示装置に対して送信する。そして、再度ガス濃度を測定するため、ステップＳ１１０に戻る（フローチャート終了）。

なお、上述したガス吸着期間、ガス非吸着期間、計測タイミング、ガス燃焼期間、低温駆動電圧、及び、高温駆動電圧、などは一例であって、ガス濃度検出装置１の構成及び検出対象ガスの種類などに応じて適宜定められる。また、ガス濃度電位差の測定時点とベース電位差の測定時点との外風の変化を小さくするため、ガス非吸着期間及びガス燃焼期間は、可能な限り短くすることが望ましい。

また、上述したステップＳ１１０〜Ｓ１３０が、請求項中の第１電圧供給手段、第１電圧供給工程に相当し、ステップＳ１５０が、請求項中の濃度電位差計測手段、濃度電位差計測工程に相当し、ステップＳ１７０〜Ｓ１９０が、請求項中の第２電圧供給手段、第２電圧供給工程に相当し、ステップＳ２１０が、請求項中のベース電位差計測手段、ベース電位差計測工程に相当し、ステップＳ２２０が、請求項中のガス検出手段、ガス検出工程に相当する。

次に、上述したガス濃度検出装置１における本発明に係る動作（作用）について説明する。

ガス濃度検出装置１は、まず、気体収容室内に検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気を充填する。そして、ブリッジ回路２に対して低温駆動電圧を所定のガス吸着期間供給して感応素子１１に検出対象ガスを吸着させたのち（Ｓ１１０、Ｓ１２０）、ブリッジ回路２に対して高温駆動電圧を供給して（Ｓ１３０）、所定の計測タイミングにおいて、中点電位差Ｖｃをガス濃度電位差として計測する（Ｓ１４０、Ｓ１５０）。それから、所定のガス燃焼期間が経過して、感応素子１１に吸着した検出対象ガスが全て燃焼した後（Ｓ１６０）、再度、ブリッジ回路２に対して低温駆動電圧を所定のガス非吸着期間供給して、検出対象ガスを吸着させずに感応素子１１の温度を低温で安定させたのち（Ｓ１７０、Ｓ１８０）、ブリッジ回路２に対して高温駆動電圧を供給して（Ｓ１９０）、所定の計測タイミングにおいて、中点電位差Ｖｃをベース電位差として計測する（Ｓ２００、Ｓ２１０）。最後に、ガス濃度電位差からベース電位差を差し引いた、補償後のガス濃度電位差に基づいて、ガス濃度を求めて（Ｓ２２０）、表示装置に表示する（Ｓ２３０）。

以上より、本発明によれば、ブリッジ回路２が、検出対象ガスを含まない雰囲気中で、電圧供給源５から高温駆動電圧を供給されたあとの感応素子の温度が上昇する過渡期間における所定の計測タイミングにおいて、平衡状態となるように構成されており、そして、（１）電圧供給源５を用いて、ブリッジ回路２に低温駆動電圧を供給したのち、感応素子１１が検出対象ガスを吸着する所定のガス吸着期間が経過したときにブリッジ回路２に高温駆動電圧を供給して、（２）該高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、ブリッジ回路２の一対の中点間に生じる中点電位差Ｖｃを濃度電位差として計測し、そして、（３）前記ガス吸着期間において感応素子１１が吸着した検出対象ガスが燃焼したあとに、電圧供給源５を用いて、ブリッジ回路２に低温駆動電圧を供給したのち、感応素子が検出対象ガスを吸着しない所定のガス非吸着期間が経過したときにブリッジ回路２に高温駆動電圧を供給して、（４）該高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、ブリッジ回路２の一対の中点間に生じる中点電位差Ｖｃをベース電位差として計測し、そして、（５）これら計測された濃度電位差及びベース電位差に基づいて、検出対象ガスを検出するので、感応素子１１を、本来の機能である感応素子として動作させてガス濃度電位差を計測するとともに、代替的に補償素子として動作させて、ガス濃度電位差を補償するベース電位差を計測することができ、そのため、擬似的に感応素子と補償素子との設置位置を同一にして、濃度電位差とベース電位差とを計測でき、これら濃度電位差及びベース電位差に基づいて検出対象ガスを検出することにより、外風の影響を回避することができ、検出精度の低下を防止できる。また、ブリッジ回路２を簡易な回路で構成できるとともに、ブリッジ回路２への電圧の供給制御及び中点電位差の計測制御も簡易であるので、外風の影響による検出精度の低下を防止できるガス検出装置を低コストで提供できる。さらに、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子のみ使用するので、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子と補償素子との温度上昇特性を高精度で一致させる必要がなく、そのため、現状の感応素子が利用でき、さらに、補償素子が不要となるのでシリコンウェハ等を小さくでき、コストを低減することができる。

本発明は、感応素子を用いて、ガス濃度電位差を計測した後にベース電位差を計測するものであり、即ち、感応素子を、時間差で、感応素子、又は、補償素子として機能させるものであるので、感応素子として機能させている時点と、補償素子として機能させている時点と、で外風の状態が変化してしまう場合がある。しかし、上記時間差は数十ｍ秒〜数百ｍ秒程度であり、外風の状態の変化はこの時間差より長いので、ほぼ同一時点で計測しているものとみなすことができる。

本実施形態では、感応素子１１と３つの固定抵抗器とで構成されるブリッジ回路のみを備えるものであったが、これに限定されるものではなく、上記ブリッジ回路の他に、感応素子と補償素子とを備えるブリッジ回路を新たに追加して、それぞれのブリッジ回路においてガス濃度を複数回検出し、検出値のばらつきが少ない方を出力（表示）するようにしてもよい。このようにすることで、外風の影響の小さいときには従来方式を、また、外風の影響が大きいときには本発明に係る方法を、自動的に選択して、常に精度の高い検出結果を得ることができる。

本発明者は、図２に示す上述した実施形態のガス濃度検出装置１（本発明）と、図５に示す従来のガス濃度検出装置８０１（従来構成）と、を用いて、外風のない雰囲気及び外風のある雰囲気における該検出対象ガスの濃度の検出を複数回行い、それぞれの装置における検出値のばらつき度合い（標準偏差）について確認した。詳細には、それぞれのガス濃度検出装置において、１００回のガス濃度検出を３セット行い、セット毎に測定した複数のガス濃度検出値の標準偏差を算出して、これら標準偏差の平均値を求めた。結果を表１に示す。

表１から明らかなように、外風の無い環境では本発明及び従来構成ともに検出値のばらつきが低く抑えられているのに対して、外風のある環境では従来構成に対して本発明の方がばらつきを半減できている。これより、本発明によれば外風の影響を回避できることがわかった。

また、本実施形態は検出対象ガスの濃度を検出するものであったが、これに限らず、本発明は、成分不明の被検ガスに含まれるガスの種別を検出するガス種別検出装置など、他の種類のガス検出装置に適用してもよい。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ ガス濃度検出装置（ガス検出装置）
２ ブリッジ回路
５ 電圧供給源
６ 計装アンプ
７ Ａ／Ｄコンバータ
１０ センサ回路部
１１ 感応素子
１２ 補償素子
１３ 第１固定抵抗器
１４ 第２固定抵抗器
１５ ガスセンサユニット（吸着燃焼式ガスセンサ）
１６ 第３固定抵抗器
２０ レファレンス回路部
６０ ＭＰＵ
６１ ＣＰＵ（第１電圧供給手段、濃度電位差計測手段、第２電圧供給手段、ベース電位差計測手段、ガス検出手段）

Claims (2)

1. 検出対象ガスと感応する、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子、及び、複数の固定抵抗器、で構成されるブリッジ回路と、前記感応素子の温度が前記検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、前記感応素子の温度が前記感応素子に吸着した前記検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、を前記ブリッジ回路に供給する電圧供給源と、を有し、前記ブリッジ回路における一対の中点間に生じる電位差に基づいて前記検出対象ガスを検出するガス検出装置において、
   前記ブリッジ回路が、前記検出対象ガスを含まない雰囲気中で、前記電圧供給源から前記高温駆動電圧を供給されたあとの前記感応素子の温度が上昇する過渡期間における所定の計測タイミングにおいて、平衡状態となるように構成され、そして、
   前記電圧供給源を用いて、前記ブリッジ回路に前記低温駆動電圧を供給したのち、前記感応素子が前記検出対象ガスを吸着する所定のガス吸着期間が経過したとき、前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧を供給する、第１電圧供給手段と、
   前記第１電圧供給手段によって前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差を計測する濃度電位差計測手段と、
   前記ガス吸着期間において前記感応素子が吸着した前記検出対象ガスが燃焼したあとに、前記電圧供給源を用いて、前記ブリッジ回路に前記低温駆動電圧を供給したのち、前記感応素子が前記検出対象ガスを吸着しない所定のガス非吸着期間が経過したとき、前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧を供給する、第２電圧供給手段と、
   前記第２電圧供給手段によって前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差を計測するベース電位差計測手段と、
   前記濃度電位差計測手段によって計測された前記電位差、及び、前記ベース電位差計測手段によって計測された前記電位差に基づいて、前記検出対象ガスを検出する前記ガス検出手段と、を有している
   ことを特徴とするガス検出装置。
2. 検出対象ガスと感応する、吸着燃焼式ガスセンサの感応素子、及び、複数の固定抵抗器、で構成されるブリッジ回路と、前記感応素子の温度が前記検出対象ガスを吸着する低温となる低温駆動電圧、及び、前記感応素子の温度が前記感応素子に吸着した前記検出対象ガスを燃焼させる高温となる高温駆動電圧、を前記ブリッジ回路に供給する電圧供給源と、を有し、前記ブリッジ回路が、前記検出対象ガスを含まない雰囲気中で、前記電圧供給源から前記高温駆動電圧を供給されたあとの前記感応素子の温度が上昇する過渡期間における所定の計測タイミングにおいて、平衡状態となるように構成され、前記ブリッジ回路における一対の中点間に生じる電位差に基づいて前記検出対象ガスを検出するガス検出装置において用いられるガス検出方法であって、
   前記電圧供給源を用いて、前記ブリッジ回路に前記低温駆動電圧を供給したのち、前記感応素子が前記検出対象ガスを吸着する所定のガス吸着期間が経過したとき、前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧を供給する、第１電圧供給工程と、
   前記第１電圧供給工程で前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差を計測する濃度電位差計測工程と、
   前記ガス吸着期間において前記感応素子が吸着した前記検出対象ガスが燃焼したあとに、前記電圧供給源を用いて、前記ブリッジ回路に前記低温駆動電圧を供給したのち、前記感応素子が前記検出対象ガスを吸着しない所定のガス非吸着期間が経過したとき、前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧を供給する、第２電圧供給工程と、
   前記第２電圧供給工程で前記ブリッジ回路に前記高温駆動電圧が供給されたあとの前記過渡期間における前記計測タイミングにおいて、前記一対の中点間に生じる電位差を計測するベース電位差計測工程と、
   前記濃度電位差計測工程で計測された前記電位差、及び、前記ベース電位差計測工程で計測された前記電位差に基づいて、前記検出対象ガスを検出する前記ガス検出工程と、を順次有している
   ことを特徴とするガス検出方法。

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