JP3735350B2 - ガスセンサ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、接触燃焼式ガスセンサに所定の駆動パルスを与えたときのセンサ出力に基づいて、少なくとも特定のガスを識別する機能を有するガスセンサ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種のガスセンサ装置としては、例えば、下記特許文献1に示すものがある。この装置においては、矩形波からなる駆動パルスにて間欠駆動される接触燃焼式ガスセンサからのセンサ出力が、図5に示すように、エタノール(EtOH)等のような吸着性の強いガスに対しては、パルス立上がり直後の所定の時点TPにおいて固有のピーク値(センサ出力VP)をともなう波形となるが、メタン(CH4)や水素(H2)等のような吸着性の弱いガスに対しては、パルス立上がりから所定時間経過した時点TCにおいて濃度やガス種に応じた定常値(センサ出力VP1、VP2)をともなう波形となる、ことを利用して、特定のガスを識別するようにしている。また、このようなピーク値と定常値との比率を利用してガス種及び煙を分別するようにしている。
【0003】
なお、以下に本明細書中で引用する文献名を示す。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−323468号公報
【特許文献2】
特開平9−264862号公報(図5)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の従来例のように、接触燃焼式ガスセンサを間欠駆動させた際の、各ガスの吸着性の差にともなう特有の波形パターンを利用して、ガス種を識別するガスセンサ装置においては、上記ピーク値を正確に検出することが非常に重要となる。すなわち、定常値はそのままにして、より大きなピーク値を取得することが、ガス毎の波形パターン差が明確になるため好ましい。ところが、従来、これを可能にする装置や方法は、特に提案されていなかった。
【0006】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、吸着性の強いガスに対して、より大きなピーク値を得ることができるようにして、ガス種識別能力を大きく向上させるガスセンサ装置を提供することを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項1記載のガスセンサ装置は、パルスオフ時にガス分子を吸着させてパルスオン時に吸着した該ガス分子を燃焼させるためのオンオフ駆動パルスにて間欠駆動される接触燃焼式ガスセンサを用い、パルス立ち上がり後の所定のピーク値を伴うセンサ出力のパターンに基づいてガスを識別するガスセンサ装置であって、前記接触燃焼式ガスセンサの下方に所定の冷却用素子を配置し、該冷却用素子によって前記パルスオフ時に前記接触燃焼式ガスセンサが一定温度に冷却されるようにした、ことを特徴とする。
【0008】
請求項1記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサの下方に所定の冷却用素子を配置し、接触燃焼式ガスセンサが一定温度に冷却されるように冷却用素子を制御するようにしている。このように、接触燃焼式ガスセンサを一定温度に冷却することによって吸着能が大幅に向上する。吸着能が向上すると、パルスオフ時間により多くのガス分子が吸着する。したがって、多くの吸着した分子がパルスオン時間に燃焼するため、大きなセンサ出力のピーク値を得ることができる。
【0009】
上記課題を解決するためになされた請求項2記載のガスセンサ装置は、請求項1記載のガスセンサ装置において、前記冷却用素子は、ペルチェ素子である、ことを特徴とする。
【0010】
請求項2記載の発明によれば、冷却用素子はペルチェ素子であるので、低コストで入手が容易である。
【0011】
上記課題を解決するためになされた請求項3記載のガスセンサ装置は、請求項1又は2記載のガスセンサ装置において、前記接触燃焼式ガスセンサは、ステム上に取り付けられた台座の上に配置され、かつ、前記接触燃焼式ガスセンサとリード線により電気的に接続したリード端子が、備えられたガスセンサ装置であって、前記冷却用素子は、前記ステムの下部に配置される、ことを特徴とする。
【0012】
請求項3記載の発明によれば、冷却用素子はセンサモジュールの下部に配置されるので、既に接触燃焼式ガスセンサがパッケージ化されていても、容易に高性能化することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、図1及び図2を用いて、本発明のガスセンサ装置の基本構成及び本発明で用いられる接触燃焼式ガスセンサについて説明する。図1は、本発明のガスセンサ装置の基本構成を示すブロック図である。図2(A)、図2(B)及び図2(C)はそれぞれ、本発明で用いられる接触燃焼式ガスセンサの平面図、AA線断面図及びBB線断面図である。
【0016】
図1に示すように、コントローラ10には、電源20、出力部30、検出用のブリッジ回路を含む接触燃焼式ガスセンサ40及びペルチェ素子50が接続されている。この装置では、例えば、上記特許文献1の図2で示すような矩形波の駆動パルスが供給されて接触燃焼式ガスセンサ40が通電制御され、このセンサ40のセンサ出力に基づいてコントローラ10にて特定のガスが識別される。
【0017】
コントローラ10は、ガス識別や警報に関する処理動作を司り、センサ駆動制御部11、センサ出力検出部12、ガス識別部13及びペルチェ素子制御部14を含んで構成される。図示しないがコントローラ10は、記憶部やタイマ部等も有している。
【0018】
センサ駆動制御部11は、接触燃焼式ガスセンサ40に対して、上記駆動パルスを所定周期で接触燃焼式ガスセンサ40に与える。駆動パルスのオン期間は例えば400ms程度であり、30s毎に周期的に発生される。但し、上記駆動パルスは、接触燃焼式ガスセンサ40に少なくとも一回だけ与えられればよい。
【0019】
センサ出力検出部12は、接触燃焼式ガスセンサ40が駆動されたときのセンサ出力からピーク値や定常値を検出する。ピーク値とは、図5を用いて説明したように、駆動パルスの立上がり時点から例えば30ms程度経過したピーク時点TPにて取得されたセンサ出力であり、一方、定常値は、駆動パルスの立上がり時点から300ms程度経過した定常時点TCにて取得されたセンサ出力である。但し、時点TP、TCは、想定されるガス種類等によって、適宜変更可能である。
【0020】
ガス識別部13は、例えば、予め実験等により取得され記憶部に記憶されている、図5に示すような識別すべきガスの波形パターンを参照しつつ、センサ出力検出部12にて検出された各ピーク値や定常値から特定のガスを識別する。識別方法は、上記特許文献1で示した方法と同等であるので、詳細な説明は省略する。なお、識別とは、複数種のガスをそれぞれ識別する場合もあるし、特定のガスのみを検出する場合もある。
【0021】
ペルチェ素子制御部14は、接触燃焼式ガスセンサ40を一定の温度に冷却するために、ペルチェ素子50に所定の駆動電力を与えるように制御する。
【0022】
電源20は、接触燃焼式ガスセンサ40やペルチェ素子50等に電力を供給するもので、周知の電池等が用いられる。また、出力部30は、上記コントローラ10のガス識別部13からの識別結果を受けてガス識別情報として出力する。この出力部30は、例えば、ガス識別情報としてガス種をLCD等で表示するようにしてもよいし、LED等で色分表示するようにしてもよい。また、音声にて識別情報を出力するようにしてもよい。
【0023】
接触燃焼式ガスセンサ40は、本実施形態では上記駆動パルスが供給されて間欠的に駆動する。この接触燃焼式ガスセンサ40は、基本的に、感応素子部Rs及び補償素子部Rrから構成されている。感応素子部RsはPtヒータ42(ガス検出部42aと電極部42bとからなる)及びPd/Al2O3触媒層43を含み、補償素子部RrはPtヒータ44及びAl2O3層45を含む。詳しくは、図2(A)〜図2(C)に示すように、接触燃焼式ガスセンサ40は、Siウエハ41の上に、酸化膜であるSiO2膜48c、窒化膜であるSiN膜48b、及びHfO2膜48aからなる絶縁薄膜が生膜され、その上に、感応素子部RsとしてPtヒータ42及びPd/Al2O3触媒層43、補償素子部RrとしてPtヒータ44及びAl2O3層45が形成されている。特に、図2(B)及び図2(C)に示すように、異方性エッチングして凹部46及び47を形成して、それぞれ薄膜ダイヤフラムDs及びDrを形成することにより熱容量を小さくしている。このような構成にすることにより、高速反応可能でかつ測定精度が向上した接触燃焼式ガスセンサが得られる。また、熱容量が小さくなるので、消費電力が低減される。なお、上記Pd/Al2O3触媒層43に替えて、Pt/Al2O3触媒層やその他の酸化触媒層を使用するようにしてもよい。
【0024】
上記Ptヒータ42、44は、固定抵抗R1、R2及び可変抵抗Rvと共にブリッジ回路を構成している。そして、このブリッジ回路のPtヒータ44及び固定抵抗R1の接続点、並びにPtヒータ42及び固定抵抗R2の接続点には、上記コントローラ10を介して駆動パルスが所定のインターバルで間欠的に供給される。また、Ptヒータ42及び44の接続点、並びに可変抵抗Rvからは、センサ出力としての電圧値がコントローラ10に供給される。
【0025】
なお、ペルチェ素子50は、2種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方の金属へ熱が移動するというペルチェ効果を利用した、周知の電子部品である。このペルチェ素子50により、接触燃焼式ガスセンサ40は所定温度に冷却される。ペルチェ素子50の配置例については、図3を用いて後述する。ペルチェ素子は、コンピュータのCPUの冷却等も使われるものであり、低コストで入手が容易であるので、センサ装置の高性能化にともなうコスト増を抑制することができる。なお、ペルチェ素子50は、請求項中の冷却素子に対応する。
【0026】
このような接触燃焼式ガスセンサ40を使用するに際しては、まず、検出動作開始前に、センサ清浄空気中にてセンサ40を駆動させ、このときのセンサ出力波形を記憶部12に記憶させ、濃度0の校正値として使用する。この状態において、エタノール等の可燃性ガスが感応素子部Rsに触れると触媒作用により、素子表面で酸化されて反応熱が生じる。この反応熱により、Ptヒータ42の抵抗値が上昇し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡が崩れ、コントローラ10に上記センサ出力が供給される。この場合、Ptヒータ44は周囲温度の変動によるPtヒータ42の抵抗値の変動を相殺し、反応熱に起因するPtヒータ42の抵抗値の変動成分のみを取り出せるように補償する。そして、検出時には、接触燃焼式ガスセンサ40は、ペルチェ素子50にて一定温度に冷却されている。
【0027】
次に、図3及び図4を用いて、本発明の一実施形態に係る、ペルチェ素子の配置例及びその効果について説明する。図3は、本発明の一実施形態に係る、ペルチェ素子の配置例を示す断面図である。図4は、図3に示したペルチェ素子の配置による効果を説明するための、センサ出力の温度特性を示す示すグラフである。なお、図3に示す接触燃焼式ガスセンサ40の断面は、上記図2(B)に示した断面と同等なので、同一の符号を付して繰り返し説明を省略する。
【0028】
図3に示すように、接触燃焼式ガスセンサ40は、円盤状のステム60上に取り付けられた台座61の上に配置され、円筒状で上面が閉ざされた図示しないキャップに覆われてモジュール化される。また、接触燃焼式ガスセンサ40の電極部42bとリード端子63とはリード線63にて電気的に接続されている。但し、本実施形態においては、接触燃焼式ガスセンサ40の下方には、詳しくは、ガスセンサ40と台座61との間には、上記ペルチェ素子50が重着されている。このようにペルチェ素子50を配置することにより、より大きなセンサ出力が得られるようになる。
【0029】
例えば、図3に示すような構成に対して、上述のような駆動パルスを与えて時点TPで取得したエタノール1000ppmのピーク値は、図4に示すような温度特性になる。すなわち、接触燃焼式ガスセンサ40が冷却されるとピーク値は増大し、−10℃まで冷却されると、ピーク値はペルチェ素子50を配置しない場合(図3においてガスセンサ40を直接台座61上に配置した場合)よりも50%程度増大する。
【0030】
このように、接触燃焼式ガスセンサを一定温度に冷却することによって吸着能が大幅に向上する。吸着能が向上すると、間欠駆動におけるオフ時間により多くのガス分子が吸着する。したがって、多くの吸着した分子がオン時間初期に燃焼するため、大きなセンサ出力のピーク値を得ることができる。なお、吸着した分子の燃焼が終了した時点でのセンサ出力、すなわち、定常値は、ペルチェ素子50を配置した場合と配置しない場合とでは当然同等になる。また、メタンや水素等のような吸着性の弱いガスの定常値も、ペルチェ素子50を配置した場合と配置しない場合とでは同等になる。すなわち、吸着性の強いガスのピーク値のみが増大するので、ガス毎の波形パターン差が明確になり、各ガスの識別が容易になる。更に、センサは一定温度に保たれるので、雰囲気温度の影響を受けることもなくセンサ出力が安定する。この結果、識別能力が大きく向上したガスセンサ装置が得られる。
【0031】
なお、参照番号50′で示すように、ペルチェ素子は、接触燃焼式ガスセンサ40がパッケージ化されたセンサモジュールの下部に配置してもよい。これにより、既に接触燃焼式ガスセンサがパッケージ化されていても、容易に高性能化することができる。
【0032】
また、ここでは、エタノールを例示したが、吸着性の強いガスである酢酸等も同様の効果を有することが確認されている。すなわち、エタノールや酢酸を確実に識別できるようになるので、日常的に酒や調味料等を起因として多発する無害ガスを検出することが可能になる。これを利用して、上記無害ガスに応答して誤警報を出すことのない、高信頼度の警報機能を有するガスセンサ装置を提供することも可能になる。
【0033】
以上のように本実施形態によれば、ペルチェ素子を配置して冷却制御しただけの簡単な付加的構成で、吸着性の強いガスのみに対してのみ、より大きなピーク値を得ることができるようになる。したがって、ガス種識別能力を大きく向上させるガスセンサ装置を提供することが可能になる。
【0034】
なお、本発明は、接触燃焼式ガスセンサを間欠駆動させた際の各ガスの吸着性の差にともなう波形パターンを利用したものであれば、ガス種識別のみならず、同様に適用可能である。例えば、上記波形パターンを利用して、ガス種を識別した後にガス濃度測定も行うことができる装置や方法にも、本発明は適用可能である。本発明は、その要旨を変更しない範囲で適宜変更することが可能である。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の発明によれば、冷却用素子を配置して冷却制御しただけの簡単な付加的構成で、接触燃焼式ガスセンサの吸着能が大幅に向上する。吸着能が向上すると、パルスオフ時間により多くのガス分子が吸着する。したがって、多くの吸着した分子がパルスオン時間に燃焼するため、大きなセンサ出力のピーク値を得ることができる。また、センサは一定温度に保たれるので、雰囲気温度の影響を受けることもなくセンサ出力が安定する。この結果、識別能力が大きく向上したガスセンサ装置を提供できる。
【0036】
請求項2記載の発明によれば、冷却用素子はペルチェ素子であるので、低コストで入手が容易であり、上記高性能化にともなうコスト増を抑制することができる。
【0037】
請求項3記載の発明によれば、冷却用素子はセンサモジュールの下部に配置されるので、既に接触燃焼式ガスセンサがパッケージ化されていても、容易に高性能化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガスセンサ装置の基本構成を示すブロック図である。
【図2】図2(A)、図2(B)及び図2(C)はそれぞれ、本発明で用いられる接触燃焼式ガスセンサの平面図、AA線断面図及びBB線断面図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る、ペルチェ素子の配置例を示す断面図である。
【図4】センサ出力の温度特性を示す示すグラフである。
【図5】矩形波駆動時の吸着性の強いガス及び弱いガスの出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
10 コントローラ
20 電源
30 出力部
40 接触燃焼式ガスセンサ
42、44 Ptヒータ
43 Pd/Al2O3触媒層
45 Al2O3層
50 ペルチェ素子(冷却用素子)
Rs 感応素子部
Rr 補償素子部
Claims (3)
- パルスオフ時にガス分子を吸着させてパルスオン時に吸着した該ガス分子を燃焼させるためのオンオフ駆動パルスにて間欠駆動される接触燃焼式ガスセンサを用い、パルス立ち上がり後の所定のピーク値を伴うセンサ出力のパターンに基づいてガスを識別するガスセンサ装置であって、
前記接触燃焼式ガスセンサの下方に所定の冷却用素子を配置し、該冷却用素子によって前記パルスオフ時に前記接触燃焼式ガスセンサが一定温度に冷却されるようにした、
ことを特徴とするガスセンサ装置。 - 請求項1記載のガスセンサ装置において、
前記冷却用素子は、ペルチェ素子である、
ことを特徴とするガスセンサ装置。 - 請求項1又は2記載のガスセンサ装置において、
前記接触燃焼式ガスセンサは、ステム上に取り付けられた台座の上に配置され、かつ、前記接触燃焼式ガスセンサとリード線により電気的に接続したリード端子が、備えられたガスセンサ装置であって、
前記冷却用素子は、前記ステムの下部に配置される、
ことを特徴とするガスセンサ装置。
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