JP6436835B2 - Gas detector - Google Patents
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Description
本発明は、検出対象ガスとの接触により電気抵抗値が変化するガス検知層及び前記ガス検知層を加熱するヒータ層を備えたセンサ素子と、前記ヒータ層への通電を行う通電駆動制御部とを備えたガス検知装置に関する。 The present invention includes a sensor element including a gas detection layer whose electrical resistance value changes by contact with a detection target gas, a heater layer for heating the gas detection layer, and an energization drive control unit for energizing the heater layer. It is related with the gas detection apparatus provided with.
このようなガス検知装置においては、センサ素子が薄膜状に構成され、通電駆動制御部によりヒータ層への通電を行うことにより、ガス検知層を検出対象ガスの種類に応じた適切な温度にまで加熱して、この温度を保持した状態におけるガス検知層の電気的特性（電気抵抗値、電圧値など）に基づいて検出対象ガスの有無及び濃度を検出する。 In such a gas detection device, the sensor element is configured in a thin film shape, and the energization drive control unit supplies power to the heater layer, whereby the gas detection layer is brought to an appropriate temperature according to the type of detection target gas. The presence / absence and concentration of the detection target gas are detected based on the electric characteristics (electric resistance value, voltage value, etc.) of the gas detection layer in a state where the temperature is maintained by heating.
かかるガス検知装置の従来例として、通電駆動制御部が、ガス検知層をメタンガス検出用のメタンガス検出用温度に加熱するように、ヒータ層への通電を制御するように構成され、メタンガス検出用温度に加熱されているときのガス検知層の電気抵抗値が予め定めたメタンガス検出用電気抵抗値よりも低い場合に、設定濃度以上のメタンガスが存在していると判定するメタン検出部を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
ちなみに、このガス検知装置は、都市ガス等の漏れを検出するために、一般家庭や業務用の厨房室等に設置されるものである。
As a conventional example of such a gas detection device, the energization drive control unit is configured to control the energization to the heater layer so as to heat the gas detection layer to the methane gas detection temperature for methane gas detection, and the methane gas detection temperature Equipped with a methane detector that determines that methane gas above the set concentration is present when the electrical resistance value of the gas detection layer when heated is lower than the predetermined electrical resistance value for methane gas detection (For example, refer to Patent Document 1).
By the way, this gas detection device is installed in a general household, a commercial kitchen room or the like in order to detect leakage of city gas or the like.
ところで、一般家庭や業務用の厨房室等においては、プロパンガスが使用されている場合があるので、ガス検知層及びヒータ層を備えたセンサ素子を有するガス検知装置によって、プロパンガスの漏れを検出することが望まれている。 By the way, since propane gas may be used in general households and commercial kitchen rooms, etc., propane gas leakage is detected by a gas detection device having a sensor element having a gas detection layer and a heater layer. It is hoped to do.
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、ガス検知層及びヒータ層を備えたセンサ素子を用いて、プロパンガスを検出することができるガス検知装置を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such a point, and an object thereof is to provide a gas detection device capable of detecting propane gas using a sensor element including a gas detection layer and a heater layer. It is in.
この目的を達成するための本発明に係るガス検知装置は、
検出対象ガスとの接触により電気抵抗値が変化する酸化スズを主成分とするガス検知層及び前記ガス検知層を加熱するヒータ層を備えたセンサ素子と、
前記ヒータ層への通電を行う通電駆動制御部とを備えたガス検知装置であって、
前記通電駆動制御部は、前記ガス検知層をプロパンガス検出用の設定高温温度に加熱する高温加熱状態と、前記ガス検知層を前記設定高温温度よりも低いプロパンガス検出用の設定低温温度に加熱する低温加熱状態とに切替えるように、前記ヒータ層への通電を制御する切替加熱処理を行うように構成され、
前記ヒータ層への通電時における前記ガス検知層の電気抵抗値に基づいて、前記検出対象ガスとしてのプロパンガスを検出するガス検出部を備え、
前記ガス検出部が、前記高温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値が、当該高温加熱状態における時間経過に伴って増加し、かつ、前記低温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値が、当該低温加熱状態における時間経過に伴って増加せず、且つ、前記高温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値又は前記低温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値が、予め定めたプロパンガス検出用電気抵抗値よりも低い場合に、設定濃度以上の前記プロパンガスが存在していると判定するプロパンガス検出処理を行うように構成されている点にある。
In order to achieve this object, the gas detector according to the present invention comprises:
A sensor element comprising a gas detection layer mainly composed of tin oxide whose electrical resistance value changes by contact with the detection target gas, and a heater layer for heating the gas detection layer;
A gas detection device comprising an energization drive control unit for energizing the heater layer,
The energization drive control unit heats the gas detection layer to a set high temperature for detecting propane gas, and heats the gas detection layer to a set low temperature for detecting propane gas lower than the set high temperature. It is configured to perform a switching heating process for controlling energization to the heater layer so as to switch to a low temperature heating state.
Based on the electrical resistance value of the gas detection layer at the time of energization to the heater layer, a gas detection unit that detects propane gas as the detection target gas,
The gas detection unit has an electrical resistance value of the gas detection layer in the high temperature heating state that increases with time in the high temperature heating state, and an electrical resistance value of the gas detection layer in the low temperature heating state. The propane does not increase with the passage of time in the low temperature heating state, and the electric resistance value of the gas detection layer in the high temperature heating state or the electric resistance value of the gas detection layer in the low temperature heating state is a predetermined propane. When the electric resistance value for gas detection is lower, the propane gas detection process is performed to determine that the propane gas having a concentration equal to or higher than the set concentration exists.
上記特徴構成によれば、ガス検出部が、検出対象ガスとの接触により電気抵抗値が変化するガス検知層の低温加熱状態における時間経過に伴う電気抵抗値の増減と、高温加熱状態における時間経過に伴う電気抵抗値の増減と、予め定めたプロパンガス検出用電気抵抗値とに基づいて、設定濃度以上のプロパンガスが存在していることを判定するプロパンガス検出処理を行うことによって、設定濃度以上のプロパンガスが存在していることを検出することができる。 According to the above characteristic configuration, the gas detection unit increases or decreases the electrical resistance value with the passage of time in the low temperature heating state of the gas detection layer whose electrical resistance value changes due to contact with the detection target gas, and the time passage in the high temperature heating state. By performing a propane gas detection process for determining that propane gas having a concentration equal to or higher than the set concentration exists based on the increase / decrease in the electrical resistance value accompanying the propane gas detection and a predetermined propane gas detection electrical resistance value, The presence of the above propane gas can be detected.
すなわち、発明者の鋭意研究により、高温加熱状態におけるガス検知層の電気抵抗値が、高温加熱状態における時間経過に伴って増加し、かつ、低温加熱状態におけるガス検知層の電気抵抗値が、低温加熱状態における時間経過に伴って増加せず、且つ、前記高温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値又は前記低温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値が、予め定めたプロパンガス検出用電気抵抗値よりも低い場合に、設定濃度以上のプロパンガスが存在していると判定することができることが見出されたのである。 That is, as a result of the inventor's earnest research, the electric resistance value of the gas detection layer in the high temperature heating state increases with time, and the electric resistance value of the gas detection layer in the low temperature heating state is low. The electric resistance value of the gas detection layer in the high temperature heating state or the electric resistance value of the gas detection layer in the low temperature heating state does not increase with time in the heating state, and the predetermined resistance value is for detecting propane gas. It has been found that when the electric resistance value is lower than that, it can be determined that propane gas having a concentration higher than the set concentration is present.
よって、ガス検知層及びヒータ層を備えたセンサ素子を用いて、プロパンガスを検出することができる。 Therefore, propane gas can be detected using a sensor element including a gas detection layer and a heater layer.
本発明に係るガス検知装置の更なる特徴構成は、
前記通電駆動制御部が、前記切替加熱処理を設定周期にて行うように構成されている点にある。
A further characteristic configuration of the gas detection device according to the present invention is as follows.
The energization drive control unit is configured to perform the switching heating process at a set cycle.
上記特徴構成によれば、通電駆動制御部が、切替加熱処理を設定周期にて行うものであるから、ヒータ層への通電が間欠的に行われることになるため、ヒータ層へ通電する電力を低減することができる。 According to the above characteristic configuration, since the energization drive control unit performs the switching heating process at the set cycle, the energization to the heater layer is intermittently performed. Can be reduced.
また、切替加熱処理が設定周期にて行われる場合には、ヒータ層への通電が行われていない非加熱時に、ガス検知層に検出対象ガス中に含まれる水分が蓄積するが、設定周期毎にて繰り返される切替加熱処理において、ガス検知層が高温加熱状態に加熱されることにより、非加熱時にガス検知層に蓄積した水分を蒸発させることができるので、水分蓄積のためにガス検知層の耐久性が低下することを抑制できる。 In addition, when the switching heating process is performed at a set cycle, moisture contained in the detection target gas accumulates in the gas detection layer during non-heating when the heater layer is not energized. In the switching heating process repeated in step 3, the gas detection layer is heated to a high temperature heating state, so that moisture accumulated in the gas detection layer can be evaporated at the time of non-heating. It can suppress that durability falls.
本発明に係るガス検知装置の更なる特徴構成は、
前記検出対象ガスをプロパンガスとするプロパンガス検出状態と、前記検出対象ガスをメタンガスとするメタンガス検出状態とを選択する検出ガス選択部が備えられ、
前記通電駆動制御部が、前記検出ガス選択部にて前記プロパンガス検出状態が選択されたときには、前記切替加熱処理を行い、前記検出ガス選択部にて前記メタンガス検出状態が選択されたときには、前記ガス検知層をメタンガス検出用のメタンガス検出用温度に加熱するように前記ヒータ層への通電を制御するメタンガス検出用加熱処理を行うように構成され、
前記ガス検出部が、前記検出ガス選択部にて前記プロパンガス検出状態が選択されたときには、前記プロパンガス検出処理を行い、前記検出ガス選択部にて前記メタンガス検出状態が選択されたときには、前記ガス検知層の電気抵抗値が予め定めたメタンガス検出用電気抵抗値よりも低い場合に、設定濃度以上の前記メタンガスが存在していると判定するメタンガス検出処理を行うように構成されている点にある。
A further characteristic configuration of the gas detection device according to the present invention is as follows.
A detection gas selection unit for selecting a propane gas detection state in which the detection target gas is propane gas and a methane gas detection state in which the detection target gas is methane gas;
The energization drive control unit performs the switching heating process when the detection gas selection unit selects the propane gas detection state, and when the detection gas selection unit selects the methane gas detection state, It is configured to perform heat treatment for methane gas detection that controls energization to the heater layer so as to heat the gas detection layer to methane gas detection temperature for methane gas detection,
The gas detection unit performs the propane gas detection process when the detection gas selection unit selects the propane gas detection state, and when the detection gas selection unit selects the methane gas detection state, When the electrical resistance value of the gas detection layer is lower than a predetermined electrical resistance value for methane gas detection, the methane gas detection process is performed to determine that the methane gas having a concentration equal to or higher than the set concentration is present. is there.
上記特徴構成によれば、検出対象ガスをプロパンガスとするプロパンガス検出状態と、検出対象ガスをメタンガスとするメタンガス検出状態とを選択する検出ガス選択部が備えられているので、検出対象ガスをプロパンガスとするか、メタンガスとするかを選択することができる。 According to the above characteristic configuration, the detection gas selection unit that selects the propane gas detection state in which the detection target gas is propane gas and the methane gas detection state in which the detection target gas is methane gas is provided. Propane gas or methane gas can be selected.
そして、検出ガス選択部にてプロパンガス検出状態が選択されたときには、通電駆動制御部が切替加熱処理を行い、ガス検出部がプロパンガス検出処理を行うので、設定濃度以上のプロパンガスが存在していることを判定することができる。 When the detection gas selection unit selects the propane gas detection state, the energization drive control unit performs the switching heating process, and the gas detection unit performs the propane gas detection process. Can be determined.
一方、検出ガス選択部にて前記メタンガス検出状態が選択されたときには、通電駆動制御部がメタンガス検出用加熱処理を行い、ガス検出部がメタンガス検出処理を行うので、設定濃度以上のメタンガスが存在していることを判定することができる。 On the other hand, when the detection gas selection unit selects the methane gas detection state, the energization drive control unit performs the methane gas detection heating process, and the gas detection unit performs the methane gas detection process. Can be determined.
本発明に係るガス検知装置１００の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ガス検知装置１００は、検出対象ガスとの接触により電気抵抗値が変化する金属酸化物半導体にて構成されたガス検知層としての半導体薄膜層１０及び半導体薄膜層１０を加熱するヒータ層６を備えた金属酸化物半導体式のセンサ素子２０と、ヒータ層６への通電を行う通電駆動制御部１２と、ヒータ層６への通電時における半導体薄膜層１０の電気抵抗値に基づいて、検出対象ガスとしてのプロパンガスを検出するガス検出部１３とを備えている。
An embodiment of a
As shown in FIG. 1, the
また、ガス検知装置１００には、検出対象ガスをプロパンガスとするプロパンガス検出状態と、検出対象ガスをメタンガスとするメタンガス検出状態とを選択する検出ガス選択部１４が備えられている。検出ガス選択部１４は、プロパンガス検出状態とメタンガス検出状態との何れが選択された状態であるかを示す選択情報を、通電駆動制御部１２及びガス検出部１３に出力するように構成されている。
Further, the
〔センサ素子〕
金属酸化物半導体式のセンサ素子２０は、薄膜状の支持層５の外端部が脚状のＳｉ基板１により支持されたダイアフラム構造の支持基板上に、検出対象ガスの濃度の変化により電気抵抗値が変化する半導体薄膜層１０、及び、半導体薄膜層１０を加熱するためのヒータ層６を備えて薄膜状に形成されている。
半導体薄膜層１０は、金属酸化物半導体である酸化スズ（ＳｎＯ2）の単体又は酸化スズを主成分とする混合物等により構成されている。
[Sensor element]
The
The semiconductor
次に、金属酸化物半導体式のセンサ素子２０の詳細な構造を説明する。
金属酸化物半導体式のセンサ素子２０は、熱酸化膜２、Ｓｉ3Ｎ4膜３、ＳｉＯ2膜４が順次積層された支持層５を設けて構成され、さらにこの支持層５の上にヒータ層６を設け、当該ヒータ層６の上側に全体を覆う状態でＳｉＯ2膜からなる絶縁層７を設けるとともに、当該絶縁層７の上に一対の接合層８を設け、その接合層８の上に一対の電極層９を設けている。
また、絶縁層７の上面の当該一対の電極層９の間に相当する箇所に、半導体薄膜層１０を設けている。
さらに、図１に示す例の場合は、一対の電極層９および半導体薄膜層１０の全体を覆う形態で、選択触媒層１１が設けられている。なお、その各々の層厚は０．１〜５０μｍ程度のものである。
Next, the detailed structure of the metal oxide
The metal oxide
In addition, a semiconductor
Furthermore, in the case of the example shown in FIG. 1, the
また、半導体薄膜層１０は、金属酸化物半導体である酸化スズを、スパッタリング法などにより形成したものである。
The semiconductor
選択触媒層１１は、金属酸化物からなる担体上に触媒を担持して構成されるものであり、触媒を担持した金属酸化物をバインダーを介して互いに結合させて層状に構成するものである。
触媒としては、検出対象ガスに対して干渉ガスともなる還元性ガスを酸化除去できる、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を使用する。
担体を構成する金属酸化物としては、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2
）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化インジュウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化タングステン（ＷＯ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）、酸化銅（ＣｕＯ
）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）あるいはこれらの混合物等を使用できる。
また、上記の金属酸化物（触媒を担持する金属酸化物）同士を結合させるバインダーとしては、例えばアルミナ微粉末、アルミナゾル、シリカ微粉末、シリカゾル、マグネシアを使用することができる。
ここで、上記のような触媒、金属酸化物、バインダーはいずれも、１種類を単独で使用してもよいし、２種以上を併用することもできる。
The
As the catalyst, palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), or the like that can oxidize and remove a reducing gas that also serves as an interference gas with respect to the detection target gas is used.
Examples of the metal oxide constituting the carrier include alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2
), Tin oxide (SnO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), copper oxide ( CuO
), Zirconium oxide (ZrO 2 ), or a mixture thereof.
Moreover, as a binder which couple | bonds said metal oxide (metal oxide which carry | supports a catalyst), an alumina fine powder, an alumina sol, a silica fine powder, a silica sol, and magnesia can be used, for example.
Here, any of the above catalysts, metal oxides, and binders may be used alone or in combination of two or more.
選択触媒層１１の役割は、検出対象ガス以外の水素ガス、ＣＯガス、アルコールガスなどの還元性ガス（非検出対象ガス）を燃焼して半導体薄膜層１０に到達しないようにし、金属酸化物半導体式のセンサ素子２０にガス選択性を持たせることにある。さらに、半導体薄膜層１０の表面に酸素を供給することにより、感度を向上する役割をも果たしていると考えられる。
この選択触媒層１１に含まれるＰｄまたはＰｔなどの貴金属酸化触媒の担持量は、５〜９質量％（触媒質量／（触媒＋担体）質量×１００）とする。
The role of the
The supported amount of the noble metal oxidation catalyst such as Pd or Pt contained in the
〔検出ガス選択部〕
検出ガス選択部１４は、検出ガス選択スイッチとしてガス検知装置１００に設けられるものであって、例えば、ガス検知装置１００を一般家庭や業務用の厨房室等の設置場所に設置するときに、ガス検知装置１００の設置作業者等が、その設置場所においてプロパンガスが使用されているか、都市ガスが使用されているかを確認して選択する。
[Detection gas selector]
The detection
〔通電駆動制御部〕
以下に、検出ガス選択部１４にて、検出対象ガスをプロパンガスとするプロパンガス検出状態が選択されているときの通電駆動制御部１２による制御内容について説明する。
[Energization drive controller]
Below, the control content by the energization
通電駆動制御部１２は、半導体薄膜層１０をプロパンガス検出用の設定高温温度に加熱する高温加熱状態と、半導体薄膜層１０を設定高温温度よりも低いプロパンガス検出用の設定低温温度に加熱する低温加熱状態とに切替えるように、ヒータ層６への通電を制御する切替加熱処理を、設定周期毎に繰り返して行う。
The energization
プロパンガス検出用の設定高温温度は、例えば、４００℃〜４５０℃の温度範囲の温度に設定されている。また、設定高温温度よりも低いプロパンガス検出用の設定低温温度は、３５０℃〜３７５℃の温度範囲の温度に設定されている。 The set high temperature for propane gas detection is set to a temperature in the temperature range of 400 ° C. to 450 ° C., for example. Moreover, the setting low temperature for propane gas detection lower than the setting high temperature is set to a temperature in the temperature range of 350 ° C. to 375 ° C.
図２は、通電駆動制御部１２により設定周期毎に繰り返して行われる切替加熱処理を時間経過に基づいて示したグラフである。図２に示すように、半導体薄膜層１０の高温加熱状態と低温加熱状態との切替は、ヒータ層６へ通電する通電電圧を変更することにより行われている。すなわち、図２の縦軸に示すように、ヒータ層６への通電電圧を電圧Ｖ１とした場合には、半導体薄膜層１０が設定低温温度に加熱する低温加熱状態となり、ヒータ層６への通電電圧を電圧Ｖ２とした場合には、半導体薄膜層１０が設定高温温度に加熱する高温加熱状態となる。
FIG. 2 is a graph showing the switching heating process performed repeatedly for each set cycle by the energization
具体的には、通電駆動制御部１２は、切替加熱処理において、ヒータ層６への通電電圧を電圧Ｖ１として、半導体薄膜層１０を低温加熱状態とするためのヒータ層６への通電を２００ミリ秒の間実施した後、ヒータ層６への通電を所定の中止期間において中止し、その後、ヒータ層６への通電電圧を電圧Ｖ２として、半導体薄膜層１０を高温加熱状態とするためのヒータ層６への通電を２００ミリ秒の間実施する。なお、低温加熱状態及び高温加熱状態とするためのヒータ層６への通電を開始してから半導体薄膜層１０の温度が低温加熱状態又は高温加熱状態となるまでの応答時間は、２０〜１００ミリ秒となる。また、本実施形態においては、所定の中止期間は１秒に設定されている。
Specifically, in the switching heating process, the energization
設定周期は、例えば、３０秒に設定されている。つまり、図２に示すように、切替加熱処理の開始時と、その後の切替加熱処理の開始時の間の期間が、設定周期としての３０秒に設定されている。なお、ヒータ層６への通電は切替加熱処理を実施する間にのみ行う。つまり、切替加熱処理の終了後、次の切替加熱処理が開始されるまでの間は、ヒータ層６への通電が切断されている。
The setting cycle is set to 30 seconds, for example. That is, as shown in FIG. 2, the period between the start of the switching heating process and the subsequent start of the switching heating process is set to 30 seconds as the set period. The
次に、検出ガス選択部１４において、検出対象ガスをメタンガスとするメタンガス検出状態が選択されているときの通電駆動制御部１２による制御内容について説明する。
Next, the control contents by the energization
通電駆動制御部１２は、検出ガス選択部１４にてメタンガス検出状態が選択されたときには、半導体薄膜層１０をメタンガス検出用のメタンガス検出用温度に加熱するようにヒータ層６への通電を制御するメタンガス検出用加熱処理を行うように構成されている。
The energization
メタンガス検出用加熱処理のメタンガス検出用温度は、例えば、３５０℃〜４５０℃の温度範囲において定められ、本実施形態においては、４００℃とされる。また、通電駆動制御部１２は、メタンガス検出用加熱処理を、上述の切替加熱処理と同様に、設定周期毎に行う。
The temperature for detecting methane gas in the heat treatment for detecting methane gas is determined in a temperature range of 350 ° C. to 450 ° C., for example, and is 400 ° C. in the present embodiment. In addition, the energization
〔ガス検出部〕
以下に、検出ガス選択部１４にて、プロパンガス検出状態が選択されているときのガス検出部１３による制御内容について説明する。
[Gas detector]
Below, the control content by the
ガス検出部１３は、通電駆動制御部１２と通信可能に構成されており、通電駆動制御部１２による切替加熱処理の実施時期において半導体薄膜層１０の電気抵抗値を検出するように構成されている。
The
具体的には、図２に示すように、切替加熱処理の開始時、つまり、半導体薄膜層１０を低温加熱状態にするためのヒータ層６への通電開始時から所定の経過時間の経過後における低温検出開始時期ｔ１から、低温検出開始時期ｔ１よりも後の低温検出終了時期ｔ２までの低温検出期間Ｌにおいて、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の電気抵抗値としての低温電気抵抗値Ｒ１を１０ミリ秒毎に検出する。
Specifically, as shown in FIG. 2, at the start of the switching heating process, that is, after the elapse of a predetermined elapsed time from the start of energization to the
なお、低温検出開始時期ｔ１は、ヒータ層６への通電を開始してから半導体薄膜層１０の温度が低温加熱状態となるまでの応答時間に基づいて、半導体薄膜層１０を低温加熱状態とするためのヒータ層６への通電開始時から２０ミリ秒経過時以降において設定することができる。本実施形態においては、半導体薄膜層１０を低温加熱状態とするためのヒータ層６への通電開始時から１００ミリ秒経過時の時期に設定されている。また、低温検出終了時期ｔ２は、通電開始時から２００ミリ秒経過時の時期に設定されている。よって、低温検出期間Ｌは１００ミリ秒となる。
The low temperature detection start timing t1 sets the semiconductor
また、半導体薄膜層１０を高温加熱状態するためのヒータ層６への通電開始時から所定の経過時間の経過後における高温検出開始時期ｔ３から、高温検出開始時期ｔ３よりも後の高温検出終了時期ｔ４までの高温検出期間Ｈにおいて、高温加熱状態における半導体薄膜層１０の電気抵抗値としての高温電気抵抗値Ｒ２を１０ミリ秒毎に検出する。
Also, the high temperature detection end timing after the high temperature detection start timing t3 from the high temperature detection start timing t3 after the elapse of a predetermined elapsed time from the start of energization to the
なお、高温検出開始時期ｔ３についても、低温検出開始時期ｔ１と同様に、半導体薄膜層１０を高温加熱状態とするためのヒータ層６への通電開始時から２０ミリ秒経過時以降において設定することができる。本実施形態においては、半導体薄膜層１０を高温加熱状態とするためのヒータ層６への通電開始時から１００ミリ秒経過時の時期に設定されている。また、高温検出終了時期ｔ４は、通電開始時から２００ミリ秒経過時の時期に設定されている。よって、高温検出期間Ｈは１００ミリ秒となる。
Note that the high temperature detection start time t3 is also set after the elapse of 20 milliseconds from the start of energization of the
また、ガス検出部１３は、高温加熱状態における半導体薄膜層１０の高温電気抵抗値Ｒ２が、高温加熱状態における時間経過に伴って増加し、かつ、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の低温電気抵抗値Ｒ１が、低温加熱状態における時間経過に伴って増加せず、且つ、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の低温電気抵抗値Ｒ１が、予め定めたプロパンガス検出用電気抵抗値ＲＡよりも低い場合に、設定濃度以上のプロパンガスが存在していると判定するプロパンガス検出処理を実施する。
なお、プロパンガスの設定濃度は、４０００ｐｐｍ程度である。
In addition, the
The set concentration of propane gas is about 4000 ppm.
（実験結果）
図３に、半導体薄膜層１０を低温加熱状態にするためのヒータ層６への通電開始後に、空気、空気に４０００ｐｐｍの濃度で含まれるプロパンガス、空気に３０００ｐｐｍの濃度で含まれるメタンガス、及び、空気に１０００ｐｐｍの濃度で含まれる水素ガスの夫々によって得られる低温電気抵抗値Ｒ１を示す。なお、半導体薄膜層１０を低温加熱状態にするための低温加熱温度は３５０℃である。また、経過時間Ｔが１００ミリ秒以降の時期において半導体薄膜層１０が低温加熱温度に加熱された低温加熱状態となる。
(Experimental result)
In FIG. 3, after energization of the
また、図４に、半導体薄膜層１０を高温加熱状態にするためのヒータ層６への通電開始後に、空気、空気に４０００ｐｐｍの濃度で含まれるプロパンガス、空気に３０００ｐｐｍの濃度で含まれるメタンガス、及び、空気に１０００ｐｐｍの濃度で含まれる水素ガスの夫々によって得られる高温電気抵抗値Ｒ２を示す。なお、半導体薄膜層１０を高温加熱状態にするための高温加熱温度は４００℃である。また、経過時間Ｔが１００ミリ秒以降の時期において半導体薄膜層１０が高温加熱温度に加熱された高温加熱状態となる。
In FIG. 4, after energization of the
図３に示すように、半導体薄膜層１０を低温加熱状態にするためのヒータ層６への通電を行った場合には、水素ガスによって得られる低温電気抵抗値Ｒ１は、経過時間Ｔが増加するにつれ減少し、経過時間Ｔが１００ミリ秒となる前に極小値となり、その後、経過時間Ｔの経過に伴って増加する軌跡を描く。
一方、プロパンガス、空気、及び、メタンガスによって得られる低温電気抵抗値Ｒ１は、経過時間Ｔが増加するにつれ減少し続けるか、あるいは、その後、一定の値を維持する傾向となる。これは、選択触媒層１１による燃焼によって見られる挙動であり、図示はしていないが、ＣＯガスやアルコールガスなどの還元性ガス（非検出対象ガス）も、水素ガスと同様の挙動となる。
As shown in FIG. 3, when energizing the
On the other hand, the low-temperature electrical resistance value R1 obtained with propane gas, air, and methane gas continues to decrease as the elapsed time T increases, or thereafter tends to maintain a constant value. This is a behavior seen by combustion by the
よって、水素ガスによって得られる低温電気抵抗値Ｒ１は、半導体薄膜層１０の低温加熱状態における時間の経過に伴って増加することとなるが、プロパンガス、空気、及び、メタンガスによって得られる低温電気抵抗値Ｒ１は、低温加熱状態における時間の経過に伴って増加しない。
Therefore, the low-temperature electrical resistance value R1 obtained by hydrogen gas increases with the passage of time in the low-temperature heating state of the semiconductor
なお、プロパンガス検出用電気抵抗値ＲＡは、本実施形態のように、プロパンガスの設定濃度を４０００ｐｐｍとする場合は、低温加熱状態における半導体薄膜層１０に、空気に４０００ｐｐｍの濃度で含まれるプロパンガスが接触する状態にて得られる電気抵抗値を実験等によって予め求め、求められたプロパンガスにて得られる電気抵抗値に基づいて設定することができる。
よって、プロパンガス検出用電気抵抗値ＲＡは、プロパンガス検出処理におけるプロパンガスの設定濃度に応じて異なる値となる。
Note that the electrical resistance value RA for propane gas detection is propane contained in air at a concentration of 4000 ppm in the semiconductor
Therefore, the electric resistance value RA for propane gas detection becomes a different value according to the set concentration of propane gas in the propane gas detection process.
図４に示すように、半導体薄膜層１０を高温加熱状態にするためのヒータ層６への通電を行った場合には、水素ガス（ＣＯガスやアルコールガスなどの還元性ガスも同様）及びプロパンガスによって得られる高温電気抵抗値Ｒ２は、経過時間Ｔが増加するにつれ漸近減少し、経過時間Ｔが１００ミリ秒となる前に極小値となり、その後、経過時間Ｔの経過に伴って増加する軌跡を描く。
一方、空気、及び、メタンガスによって得られる高温電気抵抗値Ｒ２は、経過時間Ｔが増加するにつれ減少し、その後、一定の値を維持する傾向となる。
As shown in FIG. 4, when energizing the
On the other hand, the high-temperature electrical resistance value R2 obtained by air and methane gas decreases as the elapsed time T increases, and thereafter tends to maintain a constant value.
よって、水素ガス及びプロパンガスによって得られる高温電気抵抗値Ｒ２は、半導体薄膜層１０の高温加熱状態における時間の経過に伴って増加することとなるが、空気、及び、メタンガスによって得られる高温電気抵抗値Ｒ２は、高温加熱状態における時間の経過に伴って増加しない。
Therefore, the high-temperature electrical resistance value R2 obtained by hydrogen gas and propane gas increases with the passage of time in the high-temperature heating state of the semiconductor
したがって、高温加熱状態における半導体薄膜層１０の高温電気抵抗値Ｒ２が、高温加熱状態における時間経過に伴って増加し、かつ、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の低温電気抵抗値Ｒ１が、低温加熱状態における時間経過に伴って増加せず、且つ、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の低温電気抵抗値Ｒ１が、予め定めたプロパンガス検出用電気抵抗値ＲＡよりも低くなるという実験結果を得られるのは、空気に４０００ｐｐｍ以上の濃度で含まれるプロパンガスに限られることになる。
Therefore, the high temperature electrical resistance value R2 of the semiconductor
よって、ガス検出部１３が、高温加熱状態における半導体薄膜層１０の高温電気抵抗値Ｒ２が、高温加熱状態における時間経過に伴って増加し、かつ、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の低温電気抵抗値Ｒ１が、低温加熱状態における時間経過に伴って増加せず、且つ、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の低温電気抵抗値Ｒ１が、予め定めたプロパンガス検出用電気抵抗値ＲＡよりも低くなる場合に、設定濃度以上のプロパンガスが存在していると判定するプロパンガス検出処理を行うことによって、設定濃度以上のプロパンガスが存在していると判定することができる。
Therefore, the
（メタンガスの検出）
次に、検出ガス選択部１４にて、メタンガス検出状態が選択されている場合において、ときのガス検出部１３の制御内容について説明する。
(Detection of methane gas)
Next, when the detection
ガス検出部１３は、検出ガス選択部１４にてメタンガス検出状態が選択されたときには、メタンガス検出用加熱処理においてメタンガス検出用のメタンガス検出用温度に加熱された半導体薄膜層１０の電気抵抗値を検出し、その電気抵抗値が予め定めたメタンガス検出用電気抵抗値よりも低い場合に、設定濃度以上のメタンガスが存在していると判定するメタンガス検出処理を行うように構成されている。
When the detection
なお、メタンガス検出用電気抵抗値は、例えば、空気中に比較的低濃度（例えば、１０００ｐｐｍ程度）のメタンガスが存在する場合と、空気中に水素ガス（例えば、４０００ｐｐｍ程度）やＣＯガス（例えば、５００ｐｐｍ程度）等のメタンガス以外のガスが存在する場合とをある程度識別することができる電気抵抗値に設定される。
また、プロパンガスとの識別が必要な場合は、メタンガス検出用温度に加熱された加熱状態における半導体薄膜層１０の電気抵抗値が、その加熱状態における時間経過に伴って増加するかどうかによって判断できる。つまり、メタンガス検出用温度に加熱された加熱状態における電気抵抗値が、予め定めたメタンガス検出用電気抵抗値よりも低く、かつ、その加熱状態における時間経過に伴って増加しなければ、設定濃度以上のメタンガスが存在していると判定することができる。
The electrical resistance value for methane gas detection is, for example, when there is methane gas having a relatively low concentration (for example, about 1000 ppm) in the air, and hydrogen gas (for example, about 4000 ppm) or CO gas (for example, about 1000 ppm) in the air. It is set to an electric resistance value that can be distinguished to some extent from the case where a gas other than methane gas, such as about 500 ppm) exists.
Further, when it is necessary to distinguish from propane gas, it can be determined whether or not the electrical resistance value of the semiconductor
〔別実施形態〕
以下、別実施形態を列記する。
（１）上記実施形態では、切替加熱処理において、半導体薄膜層１０を低温加熱状態とした後に高温加熱状態としたが、これに限らず、切替加熱処理において、半導体薄膜層１０を高温加熱状態とした後に低温加熱状態としてもよい。
[Another embodiment]
Hereinafter, other embodiments are listed.
(1) In the above embodiment, in the switching heating process, the semiconductor
（２）上記実施形態では、切替加熱処理において、ヒータ層６への通電を中止する所定の中止期間を１秒間としたが、所定の中止期間はこれに限るものではない。例えば、所定の中止期間を１秒間以外の１０秒間以下の期間としてもよい。また、切替加熱処理において、所定の中止期間を設けずに、半導体薄膜層１０を低温加熱状態とするためのヒータ層６への通電と、半導体薄膜層１０を高温加熱状態とするためのヒータ層６への通電を連続して行ってもよい。
(2) In the above embodiment, in the switching heating process, the predetermined stop period for stopping the energization of the
（３）上記実施形態では、通電駆動制御部１２において、切替加熱処理の設定周期が３０秒に設定されたが、切替加熱処理の設定周期は適宜変更することができる。例えば、４５秒や６０秒に設定してもよい。
(3) In the above embodiment, in the energization
（４）上記実施形態では、低温電気抵抗値Ｒ１を、低温検出開始時期ｔ１よりも後の低温検出終了時期ｔ２との間の低温検出期間Ｌにおいて、１０ミリ秒毎に検出したが、これに限らず、低温電気抵抗値Ｒ１の検出を、低温検出期間Ｌにおいて１０ミリ秒以外の周期で検出してもよい。その他、低温検出期間Ｌにおいて複数の異なる時期に検出してもよい。この場合、低温検出開始時期ｔ１と低温検出終了時期ｔ２との２点において検出してもよい。 (4) In the above embodiment, the low temperature electric resistance value R1 is detected every 10 milliseconds in the low temperature detection period L between the low temperature detection end timing t2 after the low temperature detection start timing t1, However, the detection of the low temperature electric resistance value R1 may be detected at a cycle other than 10 milliseconds in the low temperature detection period L. In addition, the detection may be performed at a plurality of different times in the low temperature detection period L. In this case, the detection may be performed at two points of the low temperature detection start timing t1 and the low temperature detection end timing t2.
（５）上記実施形態では、高温電気抵抗値Ｒ２を、高温検出開始時期ｔ３よりも後の高温検出終了時期ｔ４との間の高温検出期間Ｈにおいて、１０ミリ秒毎に検出したが、これに限らず、高温電気抵抗値Ｒ２の検出を、高温検出期間Ｈにおいて１０ミリ秒以外の周期で検出してもよい。その他、高温検出期間Ｈにおいて複数の異なる時期に検出してもよい。この場合、高温検出開始時期ｔ３と高温検出終了時期ｔ４との２点において検出してもよい。 (5) In the above embodiment, the high temperature electric resistance value R2 is detected every 10 milliseconds in the high temperature detection period H between the high temperature detection end timing t4 and the high temperature detection end timing t3. The detection of the high-temperature electrical resistance value R2 is not limited and may be detected in a period other than 10 milliseconds in the high-temperature detection period H. In addition, the detection may be performed at a plurality of different times in the high temperature detection period H. In this case, the detection may be performed at two points of the high temperature detection start timing t3 and the high temperature detection end timing t4.
（６）上記実施形態では、半導体薄膜層１０を低温加熱状態とするためのヒータ層６への通電を２００ミリ秒の間実施したが、これに限らず、半導体薄膜層１０を低温加熱状態とするためのヒータ層６への通電を、２００ミリ秒よりも長い通電期間の間において通電を実施してもよく、２００ミリ秒よりも短い通電期間の間において通電を実施してもよい。なお、２００ミリ秒よりも短い通電期間の間において通電を実施する場合は、半導体薄膜層１０を低温加熱状態とするために必要となるヒータ層６への通電期間である２０ミリ秒以上の通電期間となるように通電を実施する。
(6) In the above embodiment, energization to the
（７）上記実施形態では、半導体薄膜層１０を高温加熱状態とするためのヒータ層６への通電を２００ミリ秒の間実施したが、これに限らず、半導体薄膜層１０を高温加熱状態とするためのヒータ層６への通電を、２００ミリ秒よりも長い通電期間の間において通電を実施してもよく、２００ミリ秒よりも短い通電期間の間において通電を実施してもよい。なお、２００ミリ秒よりも短い通電期間の間において通電を実施する場合は、半導体薄膜層１０を高温加熱状態とするために必要となるヒータ層６への通電期間である２０ミリ秒以上の通電期間となるように通電を実施する。
(7) In the above embodiment, energization to the
（８）上記実施形態では、ガス検出部１３が、高温加熱状態における半導体薄膜層１０の高温電気抵抗値Ｒ２が、高温加熱状態における時間経過に伴って増加し、かつ、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の低温電気抵抗値Ｒ１が、低温加熱状態における時間経過に伴って増加せず、且つ、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の低温電気抵抗値Ｒ１が、予め定めたプロパンガス検出用電気抵抗値ＲＡよりも低い場合に、設定濃度以上のプロパンガスが存在していると判定するプロパンガス検出処理を実施したが、これに限らず、ガス検出部１３が、高温加熱状態における半導体薄膜層１０の高温電気抵抗値Ｒ２が、高温加熱状態における時間経過に伴って増加し、かつ、低温加熱状態における半導体薄膜層１０の低温電気抵抗値Ｒ１が、低温加熱状態における時間経過に伴って増加せず、且つ、高温加熱状態における半導体薄膜層１０の高温電気抵抗値Ｒ２が、プロパンガス検出用電気抵抗値ＲＡとは別の、予め定めた高温電気抵抗値用のプロパンガス検出用電気抵抗値よりも低い場合に、設定濃度以上のプロパンガスが存在していると判定するプロパンガス検出処理を実施してもよい。
(8) In the above-described embodiment, the
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 The configuration disclosed in the above embodiment (including another embodiment, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in the other embodiment, as long as no contradiction occurs. The embodiment disclosed in this specification is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited to this. The embodiment can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
以上説明したように、ガス検知層及びヒータ層を備えたセンサ素子を用いて、プロパンガスを検出することができるガス検知装置を提供することができる。 As described above, it is possible to provide a gas detection device that can detect propane gas using a sensor element including a gas detection layer and a heater layer.
６ ヒータ層
１０ 半導体薄膜層（ガス検知層）
１２ 通電駆動制御部
１３ ガス検出部
１４ 検出ガス選択部
２０ センサ素子
１００ ガス検知装置
Ｒ１ 低温電気抵抗値（電気抵抗値）
Ｒ２ 高温電気抵抗値（電気抵抗値）
ＲＡ プロパンガス検出用電気抵抗値
6
12 energization
R2 High temperature electrical resistance (electrical resistance)
RA Electric resistance value for propane gas detection
Claims (3)
前記ヒータ層への通電を行う通電駆動制御部とを備えたガス検知装置であって、
前記通電駆動制御部は、前記ガス検知層をプロパンガス検出用の設定高温温度に加熱する高温加熱状態と、前記ガス検知層を前記設定高温温度よりも低いプロパンガス検出用の設定低温温度に加熱する低温加熱状態とに切替えるように、前記ヒータ層への通電を制御する切替加熱処理を行うように構成され、
前記ヒータ層への通電時における前記ガス検知層の電気抵抗値に基づいて、前記検出対象ガスとしてのプロパンガスを検出するガス検出部を備え、
前記ガス検出部が、前記高温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値が、当該高温加熱状態における時間経過に伴って増加し、かつ、前記低温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値が、当該低温加熱状態における時間経過に伴って増加せず、且つ、前記高温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値又は前記低温加熱状態における前記ガス検知層の電気抵抗値が、予め定めたプロパンガス検出用電気抵抗値よりも低い場合に、設定濃度以上の前記プロパンガスが存在していると判定するプロパンガス検出処理を行うように構成されているガス検知装置。 A sensor element comprising a gas detection layer mainly composed of tin oxide whose electrical resistance value changes by contact with the detection target gas, and a heater layer for heating the gas detection layer;
A gas detection device comprising an energization drive control unit for energizing the heater layer,
The energization drive control unit heats the gas detection layer to a set high temperature for detecting propane gas, and heats the gas detection layer to a set low temperature for detecting propane gas lower than the set high temperature. It is configured to perform a switching heating process for controlling energization to the heater layer so as to switch to a low temperature heating state.
Based on the electrical resistance value of the gas detection layer at the time of energization to the heater layer, a gas detection unit that detects propane gas as the detection target gas,
The gas detection unit has an electrical resistance value of the gas detection layer in the high temperature heating state that increases with time in the high temperature heating state, and an electrical resistance value of the gas detection layer in the low temperature heating state. The propane does not increase with the passage of time in the low temperature heating state, and the electric resistance value of the gas detection layer in the high temperature heating state or the electric resistance value of the gas detection layer in the low temperature heating state is a predetermined propane. A gas detection device configured to perform a propane gas detection process for determining that the propane gas having a concentration equal to or higher than a set concentration is present when the electrical resistance value for gas detection is lower.
前記通電駆動制御部が、前記検出ガス選択部にて前記プロパンガス検出状態が選択されたときには、前記切替加熱処理を行い、前記検出ガス選択部にて前記メタンガス検出状態が選択されたときには、前記ガス検知層をメタンガス検出用のメタンガス検出用温度に加熱するように前記ヒータ層への通電を制御するメタンガス検出用加熱処理を行うように構成され、
前記ガス検出部が、前記検出ガス選択部にて前記プロパンガス検出状態が選択されたときには、前記プロパンガス検出処理を行い、前記検出ガス選択部にて前記メタンガス検出状態が選択されたときには、前記ガス検知層の電気抵抗値が予め定めたメタンガス検出用電気抵抗値よりも低い場合に、設定濃度以上の前記メタンガスが存在していると判定するメタンガス検出処理を行うように構成されている請求項１又は２に記載のガス検知装置。 A detection gas selection unit for selecting a propane gas detection state in which the detection target gas is propane gas and a methane gas detection state in which the detection target gas is methane gas;
The energization drive control unit performs the switching heating process when the detection gas selection unit selects the propane gas detection state, and when the detection gas selection unit selects the methane gas detection state, It is configured to perform heat treatment for methane gas detection that controls energization to the heater layer so as to heat the gas detection layer to methane gas detection temperature for methane gas detection,
The gas detection unit performs the propane gas detection process when the detection gas selection unit selects the propane gas detection state, and when the detection gas selection unit selects the methane gas detection state, The methane gas detection process for determining that the methane gas having a concentration equal to or higher than a set concentration is present when the electric resistance value of the gas detection layer is lower than a predetermined electric resistance value for methane gas detection. 3. The gas detection device according to 1 or 2.
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