JP4692026B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は湿気を含む大気と混合した被検出ガスの濃度を検出するためのガスセンサに関するものである。

エネルギー、環境問題解決の切り札として期待されている燃料電池が、近年、盛んに開発されてきている。特に、固体高分子膜を電解質に用いた燃料電池は動作温度が８０℃程度と低く扱いやすいため、現在燃料電池開発の主流をなしている。しかし、これは燃料に水素を用いるため、その漏洩に対する安全対策として水素検出用ガスセンサが必要になってくる。

このようなガスセンサとして、従来、水素の熱伝導率が他のガスに比べ極めて大きいことを利用し、水素の存在による熱伝導率の変化を発熱素子の温度変化として検出する原理のものが提案されていた。これは、例えば空気中に水素が存在すると、発熱素子から奪われる熱量が空気のみの時より多くなり、これにより発熱素子の温度が水素濃度に応じて変化する。この温度変化を温度検出素子の抵抗値の変化として電気的に検出するものである。

このガスセンサに使用される発熱素子（温度検出素子と兼用）として、白金薄膜抵抗体が用いられている。これは薄膜であるがゆえに半導体微細加工技術（マイクロマシン技術）を応用して製造することが可能であり、極微小な発熱素子を形成できるため、高速応答、低消費電力化が図れるという特長を有している。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平８−１０１１５６号公報

このようなガスセンサを水素漏洩検知に用いる場合、被検出ガス（水素）中の湿気の存在が問題となる。すなわち、湿気がなければ発熱素子の抵抗値は水素濃度に応じて変化するが、湿気があるとそれによっても抵抗値が変化してしまい、水素による変化なのか湿気による変化なのかあるいは両者が共存して変化したのかを区別することができない。

これに対し、前記従来例では、白金薄膜抵抗体からなる発熱素子に流す電流を可変することにより発熱素子の出力電圧が反応度合いに応じて変化することを利用して、各電流を流した時の発熱素子の両端電圧をあらかじめ求めた推定式に代入かつ連立させることにより、その推定式の解から大気ガスの量すなわち各ガスの濃度を求めている。

基本的にはこのような解法で複数成分のガス濃度を求めることができるのであるが、課題となるのは燃料電池からの漏洩検知のように、８０℃近い水蒸気がほぼ飽和で含有された状態の水素が大気中に漏洩する場合である。すなわち、各ガス成分の熱伝導率の変化が従来例にあるように１次式で表される、もしくは、１次式とみなせる範囲内でしか検出しない用途であれば、チェビシェフの直交多項式を用いて計算できるが、上記のように水素に比べ水蒸気が多量にある場合が想定される系での検出においては、それらの混合系の熱伝導率は湿度とともに一旦上昇しピークを持って下降する非線形（二次以上の次数を必ず持つ）な特性を示す。従って、単に推定式を連立させて解くだけでは計算が煩雑になるうえ、湿度に対する解が複数個存在し湿度を一義的に決定できず、ゆえに水素濃度も一義的に決定できないという課題があった。

この課題に対して、発明者らは発熱素子の発熱温度を違え、それぞれの温度での発熱素子の出力差が湿度に１対１で対応することを利用して湿度補正を可能とする技術を発明した（特開２００４−３５４２１９号公報）。この湿度補正方式に基づいて特許文献１に記載されているような複数の定電流源を切り替える方式でガスセンサを動作させたところ、精度は±０．５％Ｈ２（％Ｈ２は水素濃度を表す。以下同様）であり、水素漏洩検知のように％オーダーの水素濃度を検知するには極めて悪い精度であった。

この理由は湿度補正を行うことにより水素感度が約１桁以上小さくなり、Ｓ／Ｎ比が悪化するためである。従って、特許文献１に記載されているような定電流源を切り替える方式ではＳ／Ｎ比が大きくなりセンサ精度が悪化するという課題があった。

以上のことから本発明は更に高精度なガスセンサを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のガスセンサは湿気を含む大気と混合した被検出ガスに接触する発熱素子と、この発熱素子と並列に接続された基準抵抗と、前記発熱素子と前記基準抵抗のどちらかを選択するためのスイッチと、このスイッチを介して前記発熱素子または前記基準抵抗に電流を供給する電源装置と、前記発熱素子または前記基準抵抗の両端電圧を測定する電圧計と、前記スイッチ、前記電源装置および前記電圧計が接続された演算部とを有し、この演算部は前記電源装置からの電流供給先が前記基準抵抗となるように前記スイッチを切り替え、前記基準抵抗の両端電圧から、あらかじめ前記発熱素子に少なくとも３段階以上の電流を流すための前記電源装置の制御条件を決定した後、所定のタイミングで前記スイッチを前記基準抵抗から前記発熱素子に切り替え、前記発熱素子に少なくとも３段階以上の電流をステップ状に既定時間連続して流し、それぞれの電流値に対する前記発熱素子の既定時間経過後の両端電圧を前記演算部に取り込み、被検出ガス濃度を演算して出力する動作を行うものである。本構成によって測定の都度、基準抵抗で発熱素子に流す電流を調整することが可能となる。

本発明のガスセンサによれば、回路の部品ばらつきや経時変化あるいは温度による変化などの外乱因子があっても、それらの影響を含めて一定電流値になるように調整できるため、常に発熱素子に正確な電流が供給されて高精度な検出が可能なガスセンサを構成することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態におけるガスセンサの回路構成図である。図２は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子への電流供給パターンを示す波形図である。図３は本発明の実施の形態におけるガスセンサのメイン動作を表すフローチャートである。図４は本発明の実施の形態におけるガスセンサのサブ動作を表すフローチャートである。

図１において、湿気を含む大気と混合した被検出ガスに接触して被検出ガスの濃度を検出する発熱素子１は、従来の構成と同様にマイクロマシン技術によって作製された白金薄膜抵抗体からなる。

なお、被検出ガスは湿気を含む大気に対して濃度４％までの水素とした。この場合の水素による熱伝導率の変化は燃料電池の動作温度である８０℃での湿度（水蒸気濃度）による熱伝導率の変化と同程度であるため、両者を区別して精度よく濃度を検出するにあたり従来の構成に比べ本実施の形態が最も効果を発揮できるので、特に前記に示す水素濃度領域とした。以下、被検出ガスは前記水素濃度領域として説明する。

発熱素子１には、その一方の端子に並列に基準抵抗２が接続されている。基準抵抗２は後述する発熱素子１への供給電流調整時の基準となるので、高精度品（温度特性５ｐｐｍ／℃）を用いた。

発熱素子１と基準抵抗２のもう一方の端子には、両者のどちらかを選択するための第１スイッチ３が設けられている。なお、本実施の形態ではスイッチが２個必要なので、以下、第１スイッチ、第２スイッチと呼び両者を区別する。

ここで、第１スイッチ３にはフォトスイッチを用いた。これにより、発熱素子１と基準抵抗２を電気的に絶縁できるため、両者の相互影響が低減され高精度化が実現できる。

第１スイッチ３には第１スイッチ３を介して発熱素子１または基準抵抗２に電流を供給する電源装置４が接続されている。

さらに、第１スイッチ３には発熱素子１または基準抵抗２のどちらかの両端電圧を測定するための電圧計５が接続されている。なお、電圧計５は後述する水素濃度演算を高精度に行うために電圧取り込み精度が１９ビットのＡＤコンバータを用いてデジタル出力に換算している。

第１スイッチ３、電源装置４および電圧計５にはそれぞれ演算部６が接続されている。なお、第１スイッチ３と演算部６との接続は、第１スイッチ３に直接接続した回路（図１に実線で表記）とは別系統であるので、両者を区別する上で図１に点線で示した。

また、演算部６は内部演算処理機能力が１６ビットのマイクロコンピュータを用いた、これにより演算の有効桁数が上がるので、ガスセンサの高濃度化が実現できる。なお、１６ビット以上であれば十分な演算精度が得られるので、それ以上の能力のマイクロコンピュータを用いてもよい。

ここで、電源装置４の詳細を以下に述べる。

電源装置４は演算部６からの信号（パルス電圧）の１周期内のオン時間の比（以下デューティー比と略す）を直流電圧に変換し、電流電圧に応じて定電流を作り出し発熱素子１または基準抵抗２に供給する役割を有する。ここで、電源装置４が定電流をデューティー比から作り出す理由は、パルス電圧のオン時間とオフ時間の時間管理だけで電流制御ができ、単純な回路構成で高精度な電流制御が可能となるためである。

定電流を作り出す回路動作手順を以下に説明する。

まず演算部６からの信号（パルス電圧）は振幅圧縮回路７に入力され、そこであらかじめパルス電圧の振幅が所定の比率で圧縮される。圧縮することにより、定電流を作り出す際に電流調整幅（ダイナミックレンジ）は小さくなるが、その分、信号の分解能が上がり電流の微調整が可能となるため、高精度に電流制御が可能となる。

次に圧縮された信号は積分器８に入力され、パルス電圧を直流電圧に変換する。これにより、パルス電圧に含まれるノイズ成分が直流化されるため、さらに電流制御の精度が向上する。

このようにして、演算部６からの信号に基づいて電流の微調整を行うための直流電圧が得られる。

これに対して、供給したい電流の大まかな値は基準電圧発生回路９の電圧値としてあらかじめ決定されている。具体的には流したい電流値に近い電圧を出力するように電源電圧を抵抗分割して決定している。

本実施の形態では後述するように発熱素子１に３段階の電流を流すので、それぞれの電流を作り出すのに必要な大まかな直流電圧値が得られるように３つの基準電圧発生回路９すなわち低い電流値に相当するものから順に第１基準電圧発生回路９１、第２基準電圧発生回路９２および第３の基準電圧発生回路９３が設けられている。

基準電圧発生回路９の３種類の電圧は第２スイッチ１０により切り替えられる。これにより流したい電流値に対応した大まかな電圧値が得られ、流したい電流の粗調整が可能となる。なお、第２スイッチ１０は図１の点線で示したように演算部６に接続されているため、演算部６で制御することができる。また、第２のスイッチ１０は第１スイッチ３と同じ理由でフォトスイッチを用いた。

以上の回路を通して演算部６の信号により基準電圧発生回路９の粗調整用電圧と積分器８の微調整用電圧が得られるので、両者を加算した合成直流電圧が定電流供給回路１１に入力される。このように、粗調整と微調整を行うことでデューティー比の分解能が小さいマイクロコンピュータでも十分に高精度に電流調整が可能となる。

定電流供給回路１１は入力された合成直流電圧に対応した定電流を発熱素子１または基準抵抗２に供給する。このような構成で発熱素子１に流す電流を制御する電源装置４が形成されている。

次に動作について説明する。

本実施の形態で測定対称とする水素は湿気を含む大気中に存在するので、湿度および周囲温度を補正する必要がある。そのため、周囲温度出力と発熱素子１の発熱温度を違えた状態での出力の３つの出力を測定する必要がある。

発熱素子１はマイクロマシン技術で作成された白金薄膜抵抗体からなるため、極めて熱容量が小さい。従って、発熱温度を違えるためには発熱素子１に流す電流を違えればよい。これにより数１０ミリ秒で所望の温度に到達させることが可能となる。さらにほとんど発熱しない範囲で電流を流せば、白金の持つ抵抗温度係数に応じた周囲温度を反映した出力が得られる。

これらのことから、１つの発熱素子１に対し、最初にほとんど発熱しない電流を流してその両端電圧から周囲温度に比例した出力を得、次に低発熱温度となる電流を流すことで低温時の出力を得、さらに高発熱温度となる電流を流すことで高温時の出力を得ることができる。これら３つの出力から所定の演算を行うことで水素濃度のみの出力を得ることが可能となる。

よって、発熱素子１には順次電流が大きくなるパルス電流を流す動作となる。この波形図を図２に示す。横軸は時間、縦軸は発熱素子１への供給電流を示す。図２より、３段階の電流を順次流した後、電流をオフにすることで発熱素子１を周囲温度まで冷却する。発熱素子１の両端電圧は、各電流を流してから既定時間経過後にそれぞれ電圧計５に取り込む。これらの動作を繰り返すことでパルス電流の周期毎に水素濃度が得られることになる。

ここで、発熱素子１に流す３段階の電流値は低い電流から高い電流に順次与えているが、これは発熱素子１の特性として昇温速度が降温速度より速いためである。従って、発熱素子１の発熱温度が段階的に高くなるようにすれば、所望の温度にそれぞれ早く到達できるため、パルス電流の周期を短くすることができる。ゆえに、センサ出力の応答性が早くなり、濃度変化に即応した高精度な出力が得られる。

なお、本実施の形態では、発熱素子１に流す最も電流の小さい時の電流値を１ｍＡとした。この電流値は発熱素子１がほとんど発熱しない範囲内であることを確認している。これにより、発熱素子１近傍のガス雰囲気による熱伝導率の変化をほとんど検知しなくなるため、白金の持つ抵抗温度係数により周囲温度を反映した出力のみが高精度に得られる。

また、発熱素子１に流す低発熱温度となる電流は７ｍＡ、高発熱温度となる電流は７．５ｍＡとした。電流を流す時間はそれぞれ０．２秒、電流をオフにする時間は１．４秒とした。なお、電流オフを１．４秒とした場合に発熱素子１の温度が室温まで十分下がることを確認している。

従って、本実施の形態では１周期２秒のパルス電流が発熱素子１に供給されることになる。また、電流オフの間に水素濃度を演算するため、２秒に１回の間隔で水素濃度の出力が更新される。以上のような基本動作によって水素濃度を出力している。

次に、本実施の形態のガスセンサの具体的な詳細動作について図３および図４に示すフローチャートを用いて説明する。

ガスセンサの電源が投入されると図３に示すメインルーチンが起動する。それにより、起動直後であることを示すスタートフラグＳＦを１にする（Ｓ１）。

次に電源回路４が１ｍＡの電流値を流すための調整を行う。具体的には、まず電源装置４からの電流供給先が基準抵抗２となるよう第１スイッチ３を切り替える（Ｓ２）とともに、粗調整用の第１基準電圧発生回路９１を選択するように第２スイッチ１０を切り替える（Ｓ３）。

次にこれから調整する電流ｉが１ｍＡであるので、ｉ＝１を代入して（Ｓ４）、図４に示すデューティー比Ｄｉ調整サブルーチンを実行する（Ｓ５）。

ここで、前記サブルーチンについて具体的な動作を説明する。

前記サブルーチンが実行されると、まずスタートフラグＳＦの状態を調べ（Ｓ１０１）、ＳＦが１ならば（Ｓ１０１のＹｅｓ）電源投入直後であるので前回デューティー比がないため、あらかじめ演算部６に記憶された暫定の初期デューティー比Ｄｓを現在のデューティー比Ｄｉとして設定する（Ｓ１０２）。

一方、スタートフラグＳＦが１でなければ（Ｓ１０１のＮｏ）、前回デューティー比ＤｏｉをＤｉとして設定する（Ｓ１０３）。このように設定することにより、Ｄｉは最初から真値に近いので収束が早くなり、その分高精度に調整することが可能となる。

Ｓ１０２，Ｓ１０３いずれの場合も次にカウンターｎを０にする（Ｓ１０４）。次にｎを１加算する（Ｓ１０５）。

次にｎが２０になったか否かを判定する（Ｓ１０６）。もし、まだｎが２０になっていなければ（Ｓ１０６のＮｏ）、現在設定されているデューティー比Ｄｉのパルス電圧を演算部６から電源装置４に供給する。その結果、電源装置４は供給されたパルス電圧から得られた直流電圧と、粗調整用の基準電圧発生回路９の電圧を合成した電圧に応じた定電流を出力する（Ｓ１０７）。

第１スイッチ３は基準抵抗２に切り替えられているので、電源装置４の定電流出力は基準抵抗２に流れる。その結果、基準抵抗２には定電流出力値に応じた両端電圧Ｖｓがかかる。このＶｓを電圧計５で読み取る（Ｓ１０８）。

得られたＶｓから次の手順で次回デューティー比をＤｉとして設定する（Ｓ１０９）。

まず、あらかじめ発熱素子１に流したい目標電流（本実施の形態では１，７，７．５ｍＡの３種類）を基準抵抗２に流したときの基準抵抗２の両端にかかる電圧値を基準電圧値Ｖｉ（ｉ＝１，７，７．５）として演算部６に記憶しておく。この場合、基準抵抗２は温度係数の極めて小さな高精度品を用いているので、周囲温度に拘わらず目標電流値に対応した基準電圧Ｖｉはほぼ一定となる。

次に、現在の任意環境下での基準抵抗２にかかる両端電圧値Ｖｓと演算部６に記憶させた基準電圧値Ｖｉとの差の絶対値Ａ＝｜Ｖｓ−Ｖｉ｜を求める。

次に、Ａを小さくするために、Ｄｉを可変調整することで変化する基準抵抗２の両端電圧値Ｖｓ１の変化量絶対値をＢ（＝｜Ｖｓ−Ｖｓ１｜）としたとき、後者が前者より小さく（Ａ＞Ｂ）、かつ、Ａが小さくなるような次回デューティー比をＤｉとして設定する。

このように設定することにより、Ｄｉの可変調整による変化幅Ｂが目標値との差Ａより常に小さくなるので微調整が可能となり、Ａより大きな調整変化幅Ｂとしたときに起こりうる、かえって目標値から外れてなかなか目標値に収束しなくなるという現象を避けることができる。従って、この調整を繰り返すことにより高精度なＤｉの設定が可能となる。

Ｓ１０９でＤｉを設定したら、配列Ｄｉｎ（ｎ＝１〜２０）にＤｉを記憶した後（Ｓ１１０）、Ｓ１０５に戻りＤｉの調整を繰り返す。

なお、繰り返し回数は本実施の形態では２０回とした。これは多いほど高精度になるが、演算部６の処理速度の関係から処理可能な最大回数が２０回であったので、その回数を採用した。また、後述するように２０回の繰り返しでもガスセンサトータルの高精度化は十分達成できることを確認している。

また、２０回繰り返すうちにＡはほとんど０に近づき、基準抵抗２にかかる両端電圧値Ｖｓは基準電圧Ｖｉにほぼ一致してくる。従って、Ａがほぼ０になった時点で繰り返しを終了して、そのときのＤｉを次回のデューティー比として決定すればよいと考えられるが、これは、以下の理由によって精度的に不十分となる。

発明者らがＡとＤｉの関係を詳しく調査したところ、確かに２０回も繰り返さないうちにＡは０に近づいた。しかし、その後の繰り返し調整により得られたＤｉはＡが０近傍であるにも拘わらず、ばらつきを有することがわかった。これは回路全体の微視的なノイズの影響のため、Ａが０近傍となるＤｉは調整の都度、ある程度の範囲で変動していることを示す。従って、Ａが０に近づいた際の最初のＤｉだけで次回のデューティー比を決定すると、最終的なセンサ出力がばらつくことになり精度が悪くなった。

これらのことから、たとえＡがほぼ０になっても既定回数（２０回）分はＤｉの調整を繰り返し、後述するように各々のＤｉを平均して次回Ｄｉとすることで高精度を確保した。

Ｓ１０６でカウンターｎが２０になり、２０回の調整が終了したら（Ｓ１０６のＹｅｓ）、まず配列Ｄｉｎ（複数のデューティー比）の後半（ｎ＝１１〜２０）を平均して次回Ｄｉとして設定する（Ｓ１１１）。

次に、スタートフラグＳＦの状態を調べる（Ｓ１１２）。

もし、ＳＦが１なら（Ｓ１１２のＹｅｓ）、電源投入直後であるのでＳ１１６へジャンプする。なお、この場合のＤｉの初期値Ｄｓは暫定であるので、調整初期は目標からかけ離れた値となり、この調整初期のＤｉｎも含めて平均化するとＤｉの真値からずれてしまい、誤差が大きくなる。これを避けるためにＳ１１１にて変化の大きい前半のＤｉｎは無視し、後半のみで平均化して次回Ｄｉとしている。

一方、ＳＦが１でなければ、前回決定した最も電流の少ないとき（１ｍＡ）のデューティー比Ｄｏ１（Ｄｏｉにおいて、ｉ＝１ｍＡ）と、次回発熱素子１に供給するために決定した最も電流の少ないときのデューティー比Ｄ１（Ｄｉにおいて、ｉ＝１ｍＡ）との差の絶対値、すなわち前回との変化幅が０．００２５未満の既定範囲内であるかを判断する（Ｓ１１３）。もし、既定範囲内でなければ（Ｓ１１３のＮｏ）、Ｓ１１６にジャンプする。

既定範囲内であれば（Ｓ１１３のＹｅｓ）、Ｓ１０３でこれから決定しようとしている次回Ｄｉに近い前回Ｄｏｉを初期値として用いているので、その後調整した複数のデューティー比Ｄｉｎは全て真値に近い値をとる。ゆえに、ここで改めてＤｉｎの全数（ｎ＝１〜２０）を平均化して次回Ｄｉと決定することにより、安定した高精度な電流供給が可能となる（Ｓ１１４）。

さらに、上記のようにＤｉｎの全数を平均した場合はＳ１１４で求めた次回Ｄｉに対し前回決定したＤｏｉも平均を取り、これを改めて次回のＤｉとして決定する（Ｓ１１５）。これにより、前回値Ｄｏｉを反映したＤｉが決定できるため、外乱ノイズ等によるＤｏｉからの急変化を吸収することができ、さらなる高精度化が可能となる。

なお、Ｓ１１３でＤｏ１とＤ１の差の絶対値が既定範囲内かを判断しているが、これは既定範囲内であれば周囲温度に大きな変化がなかったことになるので、上記の通りＤｉｎの全数を平均し、さらにＤｏｉとＤｉを平均することで外乱ノイズの影響を低減できる。

しかし、既定範囲内でなければ、燃料電池の起動直後時のように周囲温度が急変して基準抵抗２の抵抗値が変化していることになるので、ＤｉｎやＤｏｉは変化の途上にあるためＤｉｎの全数で平均を取りさらにＤｏｉと平均を取ると、かえってＤｉに誤差が含まれてしまう。

従って、Ｄｏ１とＤ１の差の絶対値が既定範囲内でなければ、Ｓ１１１にてＤｉｎの後半の安定部分のみを平均化して次回Ｄｉとするようにしている。

また、本実施の形態における様々な実測の結果、既定範囲としてＤｏ１とＤ１の差の絶対値が具体的に０．００２５未満であれば最終のセンサ出力精度に影響を及ぼさないことを確認している。

次にＤｏｉに決定したＤｉを代入することでＤｏｉを更新する（Ｓ１１６）。

以上の動作により、目標電流に対するデューティー比Ｄｉを決定し、メインルーチンに戻る。

Ｓ５によって１ｍＡ用のデューティー比Ｄ１が決定されたので、引き続き同様の手順で７，７．５ｍＡ用のデューティー比を決定していく。

まず、７ｍＡ用のデューティー比Ｄ７を決定するため、粗調整用の第２基準電圧発生回路９２を選択するように第２スイッチ１０を切り替える（Ｓ６）。

次にこれから調整する電流ｉが７ｍＡであるので、ｉ＝７を代入して（Ｓ７）、図４に示すデューティー比Ｄｉ調整サブルーチンを実行する（Ｓ８）。これによりＤ７が決定される。

次に、７．５ｍＡ用のデューティー比Ｄ７．５を決定するため、粗調整用の第３基準電圧発生回路９３を選択するように第２スイッチ１０を切り替える（Ｓ９）。

次にこれから調整する電流ｉが７．５ｍＡであるので、ｉ＝７．５を代入して（Ｓ１０）、図４に示すデューティー比Ｄｉ調整サブルーチンを実行する（Ｓ１１）。これによりＤ７．５が決定される。

このようにして電源装置４の制御条件である各Ｄｉが決定できたので、次にスタートフラグＳＦを０にする（Ｓ１２）。これは、この時点では電源投入直後であっても既に最初のＤｉが決定されており、もはや電源投入直後ではないためである。

以下、決定したＤｉで発熱素子１に電流を流す動作を行う。

まず、発熱素子１に電流を流すタイミングを図２で説明したように２秒毎に合わせるため既定時間待つ（Ｓ１３）。

次に、第１スイッチ３を発熱素子１側に切り替える（Ｓ１４）。

さらに、第２スイッチ１０を第１基準電圧発生回路９１に切り替える（Ｓ１５）。

次に、Ｓ５で決定したＤ１を電源装置４に出力することにより発熱素子１に１ｍＡの電流を流す（Ｓ１６）。

次に規定時間待つ（Ｓ１７）。これは、発熱素子１に電流を流してもすぐに所望の温度には到達しないためである。本実施の形態では素子温度の安定時間として０．０５秒を待ち時間とした。

次に発熱素子１の両端電圧Ｔを電圧計５で取り込む（Ｓ１８）。なお、取り込みのタイミングは各電流の供給時間がそれぞれ０．２秒で、Ｓ１７の待ち時間が０．０５秒なので、差し引き０．１５秒の間に取り込んでいる。

以上の動作で１ｍＡを発熱素子１に流したときの両端電圧Ｔを取り込むことができた。以下、同様に７，７．５ｍＡについても両端電圧Ｌ，Ｈの取り込みを行う。

まず、第２スイッチ１０を第２基準電圧発生回路９２に切り替える（Ｓ１９）。

次に、Ｓ８で決定したＤ７を電源装置４に出力することにより発熱素子１に７ｍＡの電流を流す（Ｓ２０）。

次に規定時間待った後（Ｓ２１）、発熱素子１の両端電圧Ｌを電圧計５で取り込む（Ｓ２２）。

次に、第２スイッチ１０を第３基準電圧発生回路９３に切り替える（Ｓ２３）。

次に、Ｓ１１で決定したＤ７．５を電源装置４に出力することにより発熱素子１に７．５ｍＡの電流を流す（Ｓ２４）。

次に規定時間待った後（Ｓ２５）、発熱素子１の両端電圧Ｈを電圧計５で取り込む（Ｓ２６）。

以上のようにして、３段階の電流をステップ状に規定時間連続して流し、印加電流１，７，７．５ｍＡにおけるそれぞれの発熱素子１の両端電圧Ｔ，Ｌ，Ｈを取り込んでいる。

その後、発熱素子１への電流をオフにする（Ｓ２７）。

次に、取り込んだＴ，Ｌ，Ｈから以下の手順に従って水素濃度の演算を行う。なお、いずれの取り込み値も電圧計５が精度１９ビットのＡＤコンバータであるので、６桁の正の整数となる。これらの値に対しての演算手法を以下に述べる。

まず、温度による０点補正演算を行う（Ｓ２８）。０点補正演算は次の（１）から（４）式の０点補正式により行う。

Ｌ０＝１１９７１５３×１０＾−１４×Ｔ＾３−７７１８８０×１０＾−９×Ｔ＾２
＋２１７８２４×１０＾−４×Ｔ＋９２３３９８×１０＾−１ ……（１）
Ｈ０＝１０５０７３９×１０＾−１４×Ｔ＾３−６４６９３７×１０＾−９×Ｔ＾２
＋１８７８２２×１０＾−４×Ｔ＋６９１７９９×１０＾−１ ……（２）
ＺＬ＝Ｌ−Ｌ０ ……（３）
ＺＨ＝Ｈ−Ｈ０ ……（４）
ここで、（１）式は低発熱（７ｍＡ）時の発熱素子１両端電圧Ｌの周囲温度出力Ｔ（Ｔは周囲温度を反映した値なので周囲温度出力として扱う）による０点の変化を表す式で、あらかじめ湿気、水素ともに存在しない状態（＝濃度既知の被検出ガス）で周囲温度を変えたときのＴとＬとの相関を最小二乗法で３次近似することによって求めた。ここで、３次近似としたのはＴとＬの相関を高精度に表すことができたからである。

従って、Ｌ０は任意の出力Ｌのうち純粋に周囲温度によってのみ変化する量を表す。ゆえに（３）式に示すようにＬ−Ｌ０（＝ＺＬ）を求めると、任意の周囲温度下でＴによるＬへの影響を補正することができる。

なお、（１）式の係数は有効数字６桁の指数表示とし、内部演算は全て有効数字６桁で行った。これは、様々な有効桁数で演算した結果、６桁がガスセンサ出力として必要十分な演算精度が得られたためである。

同様に、（２）式は高発熱（７．５ｍＡ）時の発熱素子１両端電圧Ｈの周囲温度出力Ｔによる０点の変化を表す式で、あらかじめ近似式を求めてある。ゆえに、（４）式から任意の周囲温度下でＴによるＨへの影響を補正できる。

このようにして最も電流の少ないときの発熱素子１両端電圧Ｔから、その他の電流を流したときの発熱素子１両端電圧Ｌ，Ｈの値を補正することで、温度による０点補正演算を行っている。

次に、上記結果（ＺＬ，ＺＨ）を用いて（５）から（８）式の感度補正式により温度による感度補正演算を行う（Ｓ２９）。

ＺＬ１＝１１１９３３０×１０＾−１１×Ｔ＾２−３５３４１１×１０＾−６×Ｔ
−２１９９６７×１０＾−２ ……（５）
ＺＨ１＝６３２８１７×１０＾−１１×Ｔ＾２−２０６８２１×１０＾−６×Ｔ
−２２０７３４×１０＾−２ ……（６）
ＫＬ＝ＺＬ／ＺＬ１ ……（７）
ＫＨ＝ＺＨ／ＺＨ１ ……（８）
ここで、（５）式は低発熱（７ｍＡ）時のＺＬの周囲温度出力Ｔによる１％水素感度の変化を表す式で、あらかじめ湿気がない状態で水素を１％含む空気（＝濃度既知の被検出ガス）をガスセンサに流したときのＴによるＺＬとの相関を最小二乗法で２次近似することによって求めた。ここで、２次近似としたのは３次近似までしなくてもＴとＺＬの相関を高精度に表すことができたからである。

従って、ＺＬ１は周囲温度における１％水素出力を表すので、（７）式に示すように任意の出力ＺＬをＺＬ１で割ることで規格化すると、任意の周囲温度下でＴによるＺＬへの影響（感度の影響）を補正することができる。なお、（７）式により補正後出力ＫＬは単位が％Ｈ２の規格化出力となる。

同様に、（６）式は高発熱（７．５ｍＡ）時のＺＨの周囲温度出力Ｔによる１％水素感度の変化を表す式で、あらかじめ近似式を求めてある。ゆえに、（８）式から任意の周囲温度下でＴによるＺＨへの感度の影響を補正できる。

このようにして温度による感度補正演算を行い、規格化出力ＫＬ，ＫＨを各々求めている。

次に、湿度を補正して水素濃度のみの演算を行う（Ｓ３０）。これは、具体的には以下に示した湿度補正式（９）〜（１３）式を用いて行う。

まず、（９）式よりＫＨとＫＬの差Ｈｕｍを求める。

Ｈｕｍ＝ＫＨ−ＫＬ ……（９）
ここで、任意のＫＨは水素濃度出力に湿度出力が加算されているので、あらかじめ水素が存在しない湿気を含む空気（＝濃度既知の被検出ガス）中におけるＫＨとＨｕｍの相関を求めておく。その結果、（９）式よりＨｕｍを求めればＫＨに含まれる湿度出力Ｏｆｆ（Ｏｆｆは湿度を反映した値なので湿度出力として扱う）が得られる。なお、発明者らはＨｕｍが湿度に対し１対１対応をすることを発見したので、その性質によりＨｕｍからＯｆｆを一義的に求めることができる。

Ｏｆｆは（１０）式により求められる。なお、基本的にはＨｕｍとの相関でＯｆｆを求めることができるが、高精度化のためにはＨｕｍ以外に僅かに存在する周囲温度Ｔの影響も加味する必要がある。この観点から発明者らは様々な検討を行った結果、ＨｕｍとＴに対してＨｕｍ×Ｔ＾３の値とＯｆｆの相関が最も精度が良いことを発見した。従って、（１０）式ではＨｕｍ×Ｔ＾３に対するＯｆｆの関係式を表した。

Ｏｆｆ＝８７８５５１×１０＾−５３×（Ｈｕｍ×Ｔ＾３）＾３
−１９３３０４×１０＾−３６×（Ｈｕｍ×Ｔ＾３）＾２
＋１４０４５８×１０＾−２０×Ｈｕｍ×Ｔ＾３
＋４８２２１０×１０＾−７ ……（１０）
（１０）式よりＨｕｍとＴを代入することにより、ＫＨに含まれる湿度出力Ｏｆｆが求められるため、（１１）式に示すようにＫＨからＯｆｆを差し引くことにより水素出力Ｏｕｔが求められる。

Ｏｕｔ＝ＫＨ−Ｏｆｆ ……（１１）
次に、Ｏｕｔの湿度による水素感度変化を補正する。これは、本来はＯｕｔで水素のみの出力が得られるが、Ｔはできるだけ発熱しない電流条件で測定しているものの実際には電流が流れるため、僅かに発熱することによる水素や湿度の感度が重畳されており、その結果湿度による水素感度変化が表れる。従って、高精度な出力を得るためにはこの補正も必要である。

補正方法としては、まず、あらかじめ各湿度に対する水素感度補正値ＨｕｍＫ（＝Ｏｕｔの傾き）を求め、前記したＴの影響を加味した湿度に相当するＨｕｍ×Ｔ＾３との相関関係を求めておく。結果を（１２）式に示す。

ＨｕｍＫ＝−６４６５００×１０＾−５４×（Ｈｕｍ×Ｔ＾３）＾３
＋７６３５１１×１０＾−３８×（Ｈｕｍ×Ｔ＾３）＾２
−６９８３３７×１０＾−２２×Ｈｕｍ×Ｔ＾３
＋１００２５５×１０＾−５ ……（１２）
（１２）式にＨｕｍとＴを代入することにより、ＨｕｍＫが得られるので、これを（１３）式に代入することで最終水素濃度出力Ｈ２が得られる。

Ｈ２＝Ｏｕｔ／ＨｕｍＫ ……（１３）
こうして規格化出力ＫＨを湿度補正式（９）〜（１３）式で補正することで得られたＨ２を水素濃度として出力する（Ｓ３１）。

以上の行程を１サイクルとして、Ｓ２に戻って繰り返すことで水素濃度を出力し続ける。なお、水素濃度の出力は２秒に１回の周期で得られるので、次の水素濃度が求められるまでは現在の水素濃度を出力し続けるようにしている。これにより、どのタイミングでも水素濃度を知ることができる。

このような構成、動作のガスセンサを実際に試作、評価したところ、ガスセンサトータルの精度は±０．２％Ｈ２であった。これは従来に比べ半分以下の精度幅であり、水素漏洩検知用に適することを確認した。

以上の構成、動作により、高精度なガスセンサが得られた。

なお、本実施の形態では水素濃度のみを出力しているが、（９）式で得られたＨｕｍは湿度に相関のある出力なので、あらかじめＨｕｍと湿度の相関式を求めておくことで湿度出力を得ることもできる。さらに、必要に応じてＴの値から周囲温度を出力するようにしてもよい。

本実施の形態では水素を検出するために発熱素子１に３段階のステップ状電流を流したが、他にも測定したいガスが共存する場合は４段階以上のステップ状電流を流すことで、同様の手法によりガス濃度を出力することができる。

また、本実施の形態で述べた具体的な数値は一例であり、特許請求の範囲で限定した数値以外は本実施の形態の数値に限定されるものではない。

本発明にかかるガスセンサは、測定の都度、基準抵抗で発熱素子に流す電流をあらかじめ調整することにより、高精度な出力を得ることが可能になるので、湿気を含む大気と混合した被検出ガスの濃度や湿度を検出するためのガスセンサ等への適用に有用である。

本発明の実施の形態におけるガスセンサの回路構成図 同実施の形態におけるガスセンサの発熱素子への電流供給パターンを示す波形図 同実施の形態におけるガスセンサのメイン動作を表すフローチャート 同実施の形態におけるガスセンサのサブ動作を表すフローチャート

符号の説明

１ 発熱素子
２ 基準抵抗
３ 第１スイッチ
４ 電源装置
５ 電圧計
６ 演算部
７ 振幅圧縮回路
８ 積分器
９ 基準電圧発生回路
１０ 第２スイッチ
１１ 定電流供給回路
９１ 第１基準電圧発生回路
９２ 第２基準電圧発生回路
９３ 第３基準電圧発生回路

Claims (14)

1. 湿気を含む大気と混合した被検出ガスに接触する発熱素子と、
   この発熱素子と並列に接続された基準抵抗と、
   前記発熱素子と前記基準抵抗のどちらかを選択するためのスイッチと、
   このスイッチを介して前記発熱素子または前記基準抵抗に電流を供給する電源装置と、
   前記発熱素子または前記基準抵抗の両端電圧を測定する電圧計と、
   前記スイッチ、前記電源装置および前記電圧計が接続された演算部とを有し、
   この演算部は前記電源装置からの電流供給先が前記基準抵抗となるように前記スイッチを切り替え、
   前記基準抵抗の両端電圧から、あらかじめ前記発熱素子に少なくとも３段階以上の電流を流すための前記電源装置の制御条件を決定した後、
   所定のタイミングで前記スイッチを前記基準抵抗から前記発熱素子に切り替え、
   前記発熱素子に少なくとも３段階以上の電流をステップ状に既定時間連続して流し、
   それぞれの電流値に対する前記発熱素子の既定時間経過後の両端電圧を前記演算部に取り込み、最も電流の少ない時の前記発熱素子の両端電圧と濃度既知の被検出ガスであらかじめ求めた０点および感度の補正式とから、その他の電流を流したときの前記発熱素子の両端電圧値を補正することで規格化出力をそれぞれ求め、
   この規格化出力の差と濃度既知の被検出ガスであらかじめ求めた湿度補正式とから前記規格化出力を補正することで被検出ガスの濃度を求める行程を１サイクルとして繰り返すことで被検出ガスの濃度を出力するように構成したガスセンサ。
2. 被検出ガスが濃度４％までの水素である請求項１に記載のガスセンサ。
3. スイッチはフォトスイッチからなる請求項１に記載のガスセンサ。
4. 発熱素子に流す最も電流の小さい時の電流値は発熱素子がほとんど発熱しない範囲内で与えられるようにした請求項１に記載のガスセンサ。
5. 発熱素子に流す少なくとも３段階以上の電流値は低い電流から高い電流に順次与えられるようにした請求項１に記載のガスセンサ。
6. 演算部は少なくとも１６ビット以上の内部演算処理能力を有するマイクロコンピュータである請求項１に記載のガスセンサ。
7. 電源装置は演算部から出力されるパルス電圧の１周期内のオン時間の比により前記発熱素子に流す電流を制御するようにした請求項１に記載のガスセンサ。
8. 演算部から出力されるパルス電圧を積分器により直流電圧に変換し、
   この電流電圧により発熱素子に流す電流を制御するようにした請求項７に記載のガスセンサ。
9. 演算部から出力されるパルス電圧の振幅をあらかじめ圧縮してから積分器により直流電圧に変換するようにした請求項８に記載のガスセンサ。
10. 積分器で変換された直流電圧と、
    基準電圧発生回路により作り出した直流電圧とを加算した合成直流電圧により、
    発熱素子に流す電流を制御するようにした請求項９に記載のガスセンサ。
11. あらかじめ発熱素子に流したい目標電流を基準抵抗に流したときの前記基準抵抗の両端にかかる電圧値を基準電圧値として演算部に記憶しておき、
    任意の環境下でパルス電圧の１周期内のオン時間の比に応じた電流を前記基準抵抗に流した時の両端電圧値と前記基準電圧値の差の絶対値が小さくなるように前記比を可変するフィードバック調整を既定回数繰り返し、
    得られた既定回数分の複数の前記比のうち後半を平均して前記目標電流に対する次回の前記比として設定した後、
    電源投入直後以外で、かつ前回の最も電流が少ない時の前記比と、次回の最も電流が少ない時の前記比との差の絶対値が既定範囲内であれば、
    複数の前記比の全数を平均して改めて次回の前記比として決定するようにした請求項７に記載のガスセンサ。
12. パルス電圧の１周期内のオン時間の比を調整する際に、
    任意の環境下での基準抵抗にかかる両端電圧値と演算部に記憶させた基準電圧値との差の絶対値よりも前記差の絶対値を小さくするために前記比を調整することで、変化する前記基準抵抗の両端電圧値の変化量絶対値が小さくなるように前記比を設定するようにした請求項１１に記載のガスセンサ。
13. パルス電圧の１周期内のオン時間の比を調整する際に、
    前記比の初期値は前回決定した前記比を採用するようにした請求項１１に記載のガスセンサ。
14. パルス電圧の１周期内のオン時間の比の調整において、
    既定回数分のフィードバック調整による複数の前記比の全数を平均した場合は、
    さらに前回決定した前記比を平均して次回の前記比を決定するようにした請求項１１に記載のガスセンサ。

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