JP2000249683A - ガス検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】検知精度が高く安定な検知が可能なガス検知装
置を提供する。 【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ２を設け、炭酸ガス
センサ７１における基準電極の接続端子と、バッファ
回路８３を構成するオペアンプ９６のマイナス側電源端
子とを、直流電源８５のマイナス側端子からそれぞれ電
気的に絶縁する。また、絶縁回路４を設け、バッファ回
路８３の出力側を直流電源８５のマイナス側端子から電
気的に絶縁する。これにより、炭酸ガスセンサ７１の各
接続端子間のインピーダンスが高く、電気ヒータ７
２の一端が数百Ω以下の抵抗Ｒ４を介して直流電源８５
のマイナス端子に接続されている場合でも、炭酸ガスセ
ンサ７１の基体７３や台座の内部もしくは表面にて、電
気ヒータ７２とセンサ本体７４との間にリーク電流が生
じるのを防止できる。そのため、当該リーク電流によっ
て起こる検知精度の低下や不安定化を回避できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガス検知装置に係
り、詳しくは、固体電解質および金属塩を備えて電気ヒ
ータが取り付けられた構造のガスセンサを用いたガス検
知装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ナトリウムイオン伝導性を有
する固体電解質素子を用いた濃淡電池型ガス検知装置が
知られており、当該ガス検知装置は、汎用用途、環境制
御、医療技術、施設園芸、発酵工業などの広い技術分野
において、ガスの検知および濃度測定、その検知結果や
濃度測定結果に基づく各種制御に利用されている。

【０００３】そのようなガス検知装置の一例として、特
開平１０−７３５６０号公報に開示される炭酸ガス（Ｃ
Ｏ₂）センサが知られている。同公報に記載の炭酸ガス
センサは、発熱体を内蔵する基体に、基準電極と、固体
電解質から成るイオン伝導体層と、検知電極と、金属炭
酸塩層とがこの順に形成されてなり、発熱体，基準電
極，検知電極から基体の表面または側面に導出される各
配線端部と導電性の接続部材を介して間接的に台座に取
り付けられて構成されている。尚、発熱体としては、イ
オン伝導体層を２００〜８００℃程度の温度範囲に加熱
すると共に均一に保持することが可能な面状の電気ヒー
タが使用されている。

【０００４】図４は、同公報に記載の炭酸ガスセンサ７
１を用いた従来の炭酸ガス検知装置８１の構成を示すブ
ロック回路図である。炭酸ガスセンサ７１は、基体７３
にセンサ本体７４が取付形成されている。基体７３に
は、発熱体として面状の電気ヒータ７２が内蔵されてい
る。センサ本体７４は、基準電極，イオン伝導体層，検
知電極，金属炭酸塩層（いずれも図示略）がこの順に積
層形成されている。そして、センサ本体７４からは、基
準電極の接続端子と、検知電極の接続端子とが導出
されている。

【０００５】炭酸ガス検知装置８１は、ヒータ温度制御
回路８２、バッファ回路８３、マイクロコンピュータ８
４、直流電源８５から構成されている。ヒータ温度制御
回路８２は、抵抗Ｒ１〜Ｒ８、ＣＭＯＳ回路９１，９
２、オペアンプ９３から構成されている。

【０００６】炭酸ガスセンサ７１の電気ヒータ７２およ
び各抵抗Ｒ１〜Ｒ３はホイートストンブリッジ９４を構
成し、各抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点は直流電源８５のプラ
ス側端子に接続されて直流電圧が印加され、電気ヒータ
７２と抵抗Ｒ３との接続点は抵抗Ｒ４を介して直流電源
８５のマイナス側端子に接続されて接地されている。

【０００７】オペアンプ９３は直流電源８５から電源供
給がなされて単電源動作を行い、オペアンプ９３および
各抵抗Ｒ５〜Ｒ８から差動増幅回路９５が構成されてい
る。そして、差動増幅回路９５は、各抵抗Ｒ１，Ｒ３の
接続点の電圧と、抵抗Ｒ２と電気ヒータ７２の接続点Ａ
の電圧とを差動増幅する。

【０００８】各ＣＭＯＳ回路９１，９２はそれぞれＰＭ
ＯＳトランジスタおよびＮＭＯＳトランジスタから構成
され、各ＣＭＯＳ回路９１，９２はそれぞれ直流電源８
５のプラス側端子およびマイナス側端子に接続されてい
る。つまり、各ＣＭＯＳ回路９１，９２の各ＰＭＯＳト
ランジスタのソースは直流電源８５のプラス側端子に接
続され、各ＣＭＯＳ回路９１，９２の各ＮＭＯＳトラン
ジスタのソースは直流電源８５のマイナス側端子に接続
されて接地されている。ＣＭＯＳ回路９１の出力（各ト
ランジスタのドレイン）は抵抗Ｒ２と電気ヒータ７２の
接続点Ａに接続され、ＣＭＯＳ回路９２の出力（各トラ
ンジスタのドレイン）は電気ヒータ７２と抵抗Ｒ４の接
続点に接続されている。

【０００９】バッファ回路８３は、オペアンプ９６から
成るボルテ−ジホロアにより構成されている。オペアン
プ９６は直流電源８５から電源供給がなされて単電源動
作を行う。そして、オペアンプ９６の非反転入力端子に
は、炭酸ガスセンサ７１における検知電極の接続端子
が接続されている。尚、炭酸ガスセンサ７１における基
準電極の接続端子は、直流電源８５のマイナス側端子
に接続されて接地されている。

【００１０】マイクロコンピュータ８４は、ＣＰＵ，Ｒ
ＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ回路を備えて構成され、直流電源
８５から電源供給がなされている。マイクロコンピュー
タ８４には、各ＣＭＯＳ回路９１，９２の各トランジス
タのゲートが接続されると共に、差動増幅回路９３およ
びバッファ回路８３の出力が入力されている。そして、
マイクロコンピュータ８４は、ヒータ温度制御回路８２
を制御すると共に、バッファ回路８３の出力から炭酸ガ
ス濃度の検出信号Ｖｏを生成する。

【００１１】次に、上記のように構成された炭酸ガス検
知装置８１の動作について説明する。図５は、抵抗Ｒ２
と電気ヒータ７２の接続点Ａの電圧の時間変位を示す特
性図である。

【００１２】マイクロコンピュータ８４は、各ＣＭＯＳ
回路９１，９２の各トランジスタのオンオフを切り替え
ることにより擬似的な交流を生成し、その擬似的な交流
を電気ヒータ７２に流させる。すなわち、ＣＭＯＳ回路
９１のＰＭＯＳトランジスタとＣＭＯＳ回路９２のＮＭ
ＯＳトランジスタとをオンさせると共に、ＣＭＯＳ回路
９１のＮＭＯＳトランジスタとＣＭＯＳ回路９２のＰＭ
ＯＳトランジスタとをオフさせると、電気ヒータ７２に
は接続点Ａから抵抗Ｒ４に向かって電流が流れる。する
と、接続点ＡはＣＭＯＳ回路９１のＰＭＯＳトランジス
タを介してプルアップされるため、図５の期間Ｔ１に示
すように、接続点Ａの電圧は直流電源８５のプラス側端
子の電圧Ｖcc（例えば、１２Ｖ）と等しくなる。

【００１３】反対に、ＣＭＯＳ回路９１のＰＭＯＳトラ
ンジスタとＣＭＯＳ回路９２のＮＭＯＳトランジスタと
をオフさせると共に、ＣＭＯＳ回路９１のＮＭＯＳトラ
ンジスタとＣＭＯＳ回路９２のＰＭＯＳトランジスタと
をオンさせると、電気ヒータ７２には抵抗Ｒ４から接続
点Ａに向かって電流が流れる。すると、接続点ＡはＣＭ
ＯＳ回路９１のＮＭＯＳトランジスタを介してプルダウ
ンされるため、図５の期間Ｔ２に示すように、接続点Ａ
の電圧は直流電源８５のマイナス側端子の電圧（接地電
圧＝０Ｖ）と等しくなる。

【００１４】ここで、図５に示す各期間Ｔ１，Ｔ２を等
しくして各期間Ｔ１，Ｔ２を交互に繰り返すと、一周期
が期間Ｔ１＋Ｔ２（＝２Ｔ１＝２Ｔ２）の擬似的な交流
が生成される。そして、図５に示すように、マイクロコ
ンピュータ８４は、擬似的な交流を電気ヒータ７２に流
す期間Ｔ３と、各ＣＭＯＳ回路９１，９２の全トランジ
スタをオフさせることにより擬似的な交流を電気ヒータ
７２に流さない期間Ｔ４とを交互に繰り返す。この期間
Ｔ４における接続点Ａの電圧Ｖｒ（例えば、２．５Ｖ）
は、直流電源８５のプラス側端子の電圧Ｖccと、抵抗Ｒ
４とホイートストンブリッジ９４を構成する各抵抗Ｒ１
〜Ｒ３および電気ヒータ７２の各抵抗値により規定され
る。

【００１５】期間Ｔ４において、差動増幅回路９５は各
抵抗Ｒ１，Ｒ３の接続点の電圧と接続点Ａの電圧との差
分を増幅する。マイクロコンピュータ８４は、差動増幅
回路９５の出力（各抵抗Ｒ１，Ｒ３の接続点の電圧と接
続点Ａの電圧との差分）に基づき、ホイートストンブリ
ッジ９４による抵抗値測定法を利用して、電気ヒータ７
２の抵抗値を検出する。ここで、電気ヒータ７２の温度
はその抵抗値によって一義的に決定されるため、電気ヒ
ータ７２が設定温度（例えば、４５０℃）になるときの
所定抵抗値を求めることができる。

【００１６】そして、マイクロコンピュータ８４は、電
気ヒータ７２が所定抵抗値になるように各期間Ｔ３，Ｔ
４の時間を適宜設定することにより、電気ヒータ７２が
設定温度になるように制御する。例えば、電気ヒータ７
２の設定温度＝４５０℃、直流電源８５の電圧Ｖcc＝１
２Ｖ、期間Ｔ４における接続点Ａの電圧Ｖｒ＝２．５
Ｖ、期間Ｔ３＋Ｔ４＝５３５ｍｓｅｃの場合、期間Ｔ３
＋Ｔ４に対する期間Ｔ３の割合（デューティ比＝１００
×Ｔ３／（Ｔ３＋Ｔ４））は６１．３％になる。

【００１７】このようにして電気ヒータ７２を一定温度
に制御することにより、炭酸ガスセンサ７１における検
知電極の接続端子からは、前記公報（特開平１０−７
３５６０号）に記載の作用により、炭酸ガスセン７１が
設置された雰囲気中の炭酸ガス濃度に対応した出力が得
られる。その検知電極の接続端子の出力は、バッファ
回路８３を介してマイクロコンピュータ８４に入力され
る。

【００１８】尚、バッファ回路８３を設けているのは、
炭酸ガスセンサ７１の各接続端子間のインピーダン
スが高いため、そのインピーダンスを下げることによ
り、検知電極の接続端子の出力をマイクロコンピュー
タ８４へ確実に伝送するためである。

【００１９】ここで、炭酸ガスセンサ７１における検知
電極の接続端子の出力は、炭酸ガス濃度に対して対数
出力される。しかし、炭酸ガス濃度を測定するには、炭
酸ガス濃度に対して線形出力が得られることが望まし
い。そのため、マイクロコンピュータ８４により、炭酸
ガス濃度に対して対数出力される検知電極の接続端子
の出力を、炭酸ガス濃度に対して線形出力に変換すると
共に、適宜補正を行うことにより、炭酸ガス濃度に対応
した検出信号Ｖｏを生成する。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】従来の炭酸ガス検知装
置８１においては、炭酸ガスセンサ７１の各接続端子
間のインピーダンスが高いことに加え、基準電極の接
続端子が直流電源８５のマイナス端子に接続されて接
地されると共に、電気ヒータ７２の一端が抵抗Ｒ４を介
して直流電源８５のマイナス端子に接続されて接地され
ている。

【００２１】尚、抵抗Ｒ４を設けているのは、接続点Ａ
の電圧を高めることにより、電気ヒータ７２の抵抗値が
低い場合でも、差動増幅回路９５による接続点Ａの電圧
検出を容易に行うためである。従って、抵抗Ｒ４の抵抗
値は数百Ω以下に設定されている。

【００２２】そのため、炭酸ガスセンサ７１において
は、基体７３や台座（図示略）の内部もしくは表面に
て、電気ヒータ７２とセンサ本体７４との間にリーク電
流が生じる場合がある。当該リーク電流が生じると、炭
酸ガス濃度の検出精度が低下するという問題がある。ま
た、湿度が高くなるほど当該リーク電流は大きくなるた
め、その湿度の変化に対するリーク電流の変動に伴って
検知電極の接続端子の出力も変動し、マイクロコンピ
ュータ８４の検出信号Ｖｏが不正確かつ不安定になると
いう問題もある。

【００２３】ところで、上記の炭酸ガスセンサ７１にお
ける金属炭酸塩層を、検出対象のガスと解離平衡をなす
金属塩層に置き換えることにより、当該金属塩に対応し
た特定ガスの濃度を検出するガスセンサを実現すること
ができる。例えば、金属炭酸塩層を金属硝酸塩層に置き
換えることにより、ＮＯ_Xガス濃度を検出するＮＯ_Xガス
センサを実現することができる。また、金属炭酸塩層を
金属硫酸塩層に置き換えることにより、ＳＯ_Xガス濃度
を検出するＳＯ_Xガスセンサを実現することができる。

【００２４】このように、炭酸ガスセンサ７１の金属炭
酸塩層を適宜な金属塩層に置き換えて構成されたガスセ
ンサを用いる各種ガス検知装置においても、上記した炭
酸ガスセンサ７１を用いた炭酸ガス検知装置８１と同様
の問題があった。本発明は上記問題点を解決するために
なされたものであって、その目的は、検知精度が高く安
定な検知が可能なガス検知装置を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項１に記載の発明は、基準電極と、固
体電解質から成るイオン伝導体層と、検知電極と、金属
塩層とがこの順に形成されてなるガスセンサ本体に対し
て、電気ヒータが取り付けられたガスセンサと、前記ガ
スセンサ本体の接地側と前記電気ヒータの接地側とを電
気的に絶縁することにより、前記電気ヒータと前記ガス
センサ本体との間にリーク電流が生じるのを防止する絶
縁手段とを備えたガス検知装置をその要旨とする。

【００２６】従って、請求項１に記載の発明によれば、
ガスセンサ本体のインピーダンスが高くても、ガスセン
サの内部もしくは表面にて電気ヒータとガスセンサ本体
との間にリーク電流が生じるのを防止できることから、
リーク電流によりガス濃度の検出精度が低下することが
なく、湿度の変化に対するリーク電流の変動に伴って検
出精度が変動することもないため、検知精度が高く安定
な検知が可能になる。

【００２７】ところで、請求項２に記載の発明のよう
に、請求項１に記載のガス検知装置において、前記電気
ヒータの通電を制御することにより当該電気ヒータの温
度を制御するヒータ温度制御手段と、前記ガスセンサの
基準電極と検知電極との間に生じる起電力に基づいてガ
ス濃度を検出するガス濃度検出手段と、前記ヒータ温度
制御手段および前記ガス濃度検出手段に電源を供給する
電源供給手段とを備える。そして、前記絶縁手段は、前
記ガス濃度検出手段と前記電源供給手段の接地側とを電
気的に絶縁することにより、前記ガスセンサ本体の接地
側と前記電気ヒータの接地側とを電気的に絶縁し、前記
ヒータ温度制御手段と前記電源供給手段と前記ガス濃度
検出手段とを介して前記電気ヒータと前記ガスセンサ本
体との間にリーク電流が生じるのを防止するようにして
もよい。

【００２８】次に、請求項３に記載の発明は、基準電極
と、固体電解質から成るイオン伝導体層と、検知電極
と、金属塩層とがこの順に形成されてなるガスセンサ本
体に対して、電気ヒータが取り付けられたガスセンサ
と、前記ガスセンサ本体の接地側電位と前記電気ヒータ
の接地側電位との電位差をなくすことにより、前記電気
ヒータと前記ガスセンサ本体との間にリーク電流が生じ
るのを防止する電位設定手段とを備えたガス検知装置を
その要旨とする。

【００２９】従って、請求項３に記載の発明において
も、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることがで
きる。ところで、請求項４に記載の発明のように、請求
項３に記載のガス検知装置において、前記電気ヒータの
通電を制御することにより当該電気ヒータの温度を制御
するヒータ温度制御手段と、前記ガスセンサの基準電極
と検知電極との間に生じる起電力に基づいてガス濃度を
検出するガス濃度検出手段とを備える。そして、前記電
位設定手段は、前記ヒータ温度制御手段により前記電気
ヒータの両端子間に印加される実効電圧と等しいオフセ
ット電圧を生成し、当該オフセット電圧を前記基準電極
に印加することにより、前記ガスセンサ本体の接地側電
位と前記電気ヒータの接地側電位との電位差をなくし
て、前記電気ヒータと前記ガスセンサ本体との間にリー
ク電流が生じるのを防止するようにしてもよい。

【００３０】また、請求項５に記載の発明のように、請
求項４に記載のガス検知装置において、前記ガス濃度検
出手段は、前記起電力から前記オフセット電圧を差し引
いて前記ガスセンサ本来の起電力に戻すようにしてもよ
い。ところで、請求項６に記載の発明のように、請求項
１〜５のいずれか１項に記載のガス検知装置において、
前記ガスセンサの金属塩層は、検出対象のガスと解離平
衡をなす金属炭酸塩、金属硝酸塩または金属硫酸塩から
構成してもよい。

【００３１】従って、請求項６に記載の発明によれば、
金属炭酸塩層を備えた炭酸ガスセンサを用いて炭酸ガス
（ＣＯ₂）濃度を検出する炭酸ガス検知装置、金属硝酸
塩層を備えたＮＯ_Xガスセンサを用いてＮＯ_Xガス濃度を
検出するＮＯ_Xガス検知装置、金属硫酸塩層を備えたＳ
Ｏ_Xガスセンサを用いてＳＯ_Xガス濃度を検出するＳＯ _X
ガス検知装置を提供することができる。

【００３２】尚、以下に述べる発明の実施の形態におい
て、特許請求の範囲または課題を解決するための手段に
記載の「ヒータ温度制御手段」はヒータ温度制御回路８
２に相当し、同じく「ガス濃度検出手段」はバッファ回
路８３と差動増幅回路１４およびマイクロコンピュータ
８４から構成され、同じく「電源供給手段」は直流電源
８５に相当し、同じく「絶縁手段」はＤＣ−ＤＣコンバ
ータ２および絶縁回路４から構成され、同じく「電位設
定手段」は抵抗分圧回路１２およびバッファ回路１３か
ら構成される。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した各実施
形態を図面と共に説明する。尚、各実施形態において、
図４および図５に示した従来の形態と同じ構成部材につ
いては符号を等しくしてその詳細な説明を省略する。

【００３４】（第１実施形態）図１は、炭酸ガスセンサ
７１を用いる第１実施形態の炭酸ガス検知装置１の構成
を示すブロック回路図である。炭酸ガス検知装置１は、
従来の炭酸ガス検知装置８１の構成部材（ヒータ温度制
御回路８２、バッファ回路８３、マイクロコンピュータ
８４、直流電源８５）に加えて、ＤＣ−ＤＣコンバータ
２、定電圧回路３、絶縁回路４から構成されている。

【００３５】一般的な回路構成のＤＣ−ＤＣコンバータ
２は、一次側巻線と２次側巻線とが絶縁された絶縁型電
源トランス、スイッチング素子、平滑回路（いずれも図
示略）から構成されている。そして、絶縁型電源トラン
スの一次側巻線の一端が直流電源８５のプラス側端子に
接続されると共に、一次側巻線の他端と直流電源８５の
マイナス側端子との間にスイッチング素子が接続され、
当該スイッチング素子のスイッチング動作によって直流
電源８５から供給される直流が交流に変換され、その交
流が平滑回路にて平滑されて直流が生成され、その直流
がＤＣ−ＤＣコンバータのプラス側出力端子２ａおよび
マイナス側出力端子２ｂから出力されるようになってい
る。

【００３６】このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は絶
縁型電源トランスを用いているため、そのマイナス側出
力端子２ｂと、直流電源８５のマイナス側端子とは電気
的に絶縁されている。尚、マイナス側出力端子２ｂと直
流電源８５のマイナス側端子とが電気的に絶縁されるな
らば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、上記の回路構成に限
らず、どのような回路構成にしてもよい。

【００３７】定電圧回路３は、電圧制御用トランジスタ
を用いたシャント型またはシリーズ型の一般的な回路構
成であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の各出力端子２ａ，
２ｂから出力された直流電圧を安定化し、その直流をプ
ラス側出力端子３ａおよびマイナス側出力端子３ｂから
出力するようになっている。従って、定電圧回路３のマ
イナス側出力端子３ｂと、直流電源８５のマイナス側端
子とは電気的に絶縁されている。

【００３８】バッファ回路８３を構成するオペアンプ９
６は、直流電源８５からではなく、定電圧回路３から電
源供給がなされて単電源動作を行う。つまり、オペアン
プ９６のプラス側電源端子は定電圧回路３のプラス側出
力端子３ａに接続され、オペアンプ９６のマイナス側電
源端子は定電圧回路３のマイナス側出力端子３ｂに接続
されている。従って、バッファ回路８３と直流電源８５
のマイナス側端子とは電気的に絶縁されている。

【００３９】炭酸ガスセンサ７１における基準電極の接
続端子は、直流電源８５のマイナス側端子ではなく、
定電圧回路３のマイナス側出力端子３ｂに接続されてい
る。従って、基準電極の接続端子と直流電源８５のマ
イナス側端子とは電気的に絶縁されている。

【００４０】バッファ回路８３の出力は、絶縁回路４を
介してマイクロコンピュータ８４に入力される。絶縁回
路４は、バッファ回路８３の出力側と直流電源８５のマ
イナス側端子とがマイクロコンピュータ８４の内部回路
を介して電気的に接続されるのを防止するために設けら
れている。

【００４１】例えば、一次側巻線と二次側巻線とが絶縁
された信号伝送用トランスを用いて絶縁回路４を構成す
るには、信号伝送用トランスの一次側巻線をバッファ回
路８３の出力（オペアンプ９６の出力端子）および定電
圧回路３のマイナス側出力端子３ｂに接続すると共に、
信号伝送用トランスの二次側巻線をマイクロコンピュー
タ８４の入力および直流電源８５のマイナス側端子に接
続すればよい。

【００４２】また、フォトダイオードおよびフォトトラ
ンジスタから成るフォトカップラを用いて絶縁回路４を
構成するには、フォトダイオードをバッファ回路８３の
出力（オペアンプ９６の出力端子）および定電圧回路３
のマイナス側出力端子３ｂに接続すると共に、フォトト
ランジスタをマイクロコンピュータ８４の入力および直
流電源８５のマイナス側端子に接続すればよい。

【００４３】尚、バッファ回路８３の出力側と直流電源
８５のマイナス側端子とがマイクロコンピュータ８４の
内部回路を介して電気的に接続されるのを防止できるな
らば、絶縁回路４は、上記構成に限らず、どのような構
成にしてもよい。このように、本第１実施形態の炭酸ガ
ス検知装置１においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を設
けることにより、炭酸ガスセンサ７１における基準電極
の接続端子と、バッファ回路８３を構成するオペアン
プ９６のマイナス側電源端子とを、直流電源８５のマイ
ナス側端子からそれぞれ電気的に絶縁している。そし
て、絶縁回路４を設けることにより、バッファ回路８３
の出力側を直流電源８５のマイナス側端子から電気的に
絶縁している。そのため、基準電極の接続端子（セン
サ本体７１の接地側）と、電気ヒータ７２と抵抗Ｒ４の
接続点（電気ヒータ７２の接地側）とが電気的に絶縁さ
れる。

【００４４】従って、炭酸ガス検知装置１によれば、炭
酸ガスセンサ７１の各接続端子間のインピーダンス
が高く、電気ヒータ７２の一端が数百Ω以下の抵抗Ｒ４
を介して直流電源８５のマイナス端子に接続されて接地
されているにも拘わらず、炭酸ガスセンサ７１の基体７
３や台座（図示略）の内部もしくは表面にて、電気ヒー
タ７２とセンサ本体７４との間にリーク電流が生じるの
を防止することができる。そのため、リーク電流により
炭酸ガス濃度の検出精度が低下することがなく、湿度の
変化に対するリーク電流の変動に伴って検知電極の接続
端子の出力が変動することもないため、マイクロコン
ピュータ８４の検出信号Ｖｏを正確かつ安定にすること
ができる。

【００４５】（第２実施形態）図２は、炭酸ガスセンサ
７１を用いる第２実施形態の炭酸ガス検知装置１１の構
成を示すブロック回路図である。炭酸ガス検知装置１１
は、従来の炭酸ガス検知装置８１の構成部材（ヒータ温
度制御回路８２、バッファ回路８３、マイクロコンピュ
ータ８４、直流電源８５）に加えて、抵抗分圧回路１
２、バッファ回路１３、差動増幅回路１４から構成され
ている。

【００４６】抵抗分圧回路１２は、直流電源８５のプラ
ス側端子およびマイナス側端子の間に直列接続された各
抵抗Ｒ１１，Ｒ１２から構成され、各抵抗Ｒ１１，Ｒ１
２の接続点Ｂから後述するオフセット電圧Ｖoffを生成
する。バッファ回路１３は、オペアンプ１５から成るボ
ルテ−ジホロアにより構成されている。オペアンプ１５
は直流電源８５から電源供給がなされて単電源動作を行
う。オペアンプ１５の非反転入力端子には、バッファ回
路１３の接続点Ｂが接続されてオフセット電圧Ｖoffが
印加されている。そして、オペアンプ１５の出力端子に
は、炭酸ガスセンサ７１における基準電極の接続端子
が接続されている。

【００４７】従って、炭酸ガスセンサ７１における基準
電極の接続端子には、バッファ回路１３を介して、抵
抗分圧回路１２の生成したオフセット電圧Ｖoffが印加
されている。尚、バッファ回路１３を設けているのは、
炭酸ガスセンサ７１の各接続端子間のインピーダン
スや抵抗分圧回路１２の各抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の抵抗値
の影響を受けることなく、基準電極の接続端子に正確
かつ安定なオフセット電圧Ｖoffを印加するためであ
る。

【００４８】差動増幅回路１４は、オペアンプ１６およ
び各抵抗Ｒ１３〜Ｒ１６から構成されている。オペアン
プ１６は直流電源８５から電源供給がなされて単電源動
作を行う。そして、差動増幅回路１４は各バッファ回路
１３，８３の出力を差動増幅する。つまり、差動増幅回
路１４の出力は、炭酸ガスセンサ７１における検知電極
の接続端子の出力（バッファ回路８３の出力）から、
オフセット電圧Ｖoff（バッファ回路１３の出力）を差
し引いた値になる。

【００４９】マイクロコンピュータ８４は、差動増幅回
路１４の出力から炭酸ガス濃度の検出信号Ｖｏを生成す
る。このように、本第２実施形態の炭酸ガス検知装置１
１においては、抵抗分圧回路１２およびバッファ回路１
３を設けることにより、炭酸ガスセンサ７１における基
準電極の接続端子にオフセット電圧Ｖoffを印加して
いる。そして、差動増幅回路１４を設けることにより、
炭酸ガスセンサ７１における検知電極の接続端子の出
力からオフセット電圧Ｖoffを差し引き、炭酸ガスセン
サ７１本来の出力（起電力）に戻している。

【００５０】従って、炭酸ガス検知装置１１において、
電気ヒータ７２の両端子間に印加される実効電圧と等し
くなるようにオフセット電圧Ｖoffを設定すれば、電気
ヒータ７２と抵抗Ｒ４の接続点（電気ヒータ７２の接地
側）の電位と、基準電極の接続端子（センサ本体７１
の接地側）の電位との電位差をなくすことができる。そ
のため、炭酸ガスセンサ７１の各接続端子間のイン
ピーダンスが高く、電気ヒータ７２の一端が数百Ω以下
の抵抗Ｒ４を介して直流電源８５のマイナス端子に接続
されて接地されているにも拘わらず、炭酸ガスセンサ７
１の基体７３や台座（図示略）の内部もしくは表面に
て、電気ヒータ７２とセンサ本体７４との間にリーク電
流が生じるのを防止することができる。

【００５１】その結果、本第２実施形態の炭酸ガス検知
装置１１によれば、第１実施形態の炭酸ガス検知装置１
と同様に、リーク電流により炭酸ガス濃度の検出精度が
低下することがなく、湿度の変化に対するリーク電流の
変動に伴って検知電極の接続端子の出力が変動するこ
ともないため、マイクロコンピュータ８４の検出信号Ｖ
ｏを正確かつ安定にすることができる。

【００５２】また、本第２実施形態の炭酸ガス検知装置
１１においては、第１実施形態の炭酸ガス検知装置１の
ように部品コストの高いＤＣ−ＤＣコンバータ２や絶縁
回路４を用いずに、比較的部品コストの低い抵抗分圧回
路１２，バッファ回路１３，差動増幅回路１４を用いる
ため、第１実施形態の炭酸ガス検知装置１に比べて低コ
スト化を図ることができる。

【００５３】ところで、オフセット電圧Ｖoffは以下の
ようにして設定することができる。図３は、図２に示す
炭酸ガス検知装置１１の要部回路図である。図５に示す
期間Ｔ１において、図３に示すように、電気ヒータ７２
から検知電極の接続端子側へリークする電流を「ｉ
１」とする。また、図５に示す期間Ｔ２において、図３
に示すように、検知電極の接続端子から電気ヒータ７
２側へリークする電流を「ｉ２」とする。また、図５に
示す期間Ｔ４において、図３に示すように、電気ヒータ
７２から検知電極の接続端子側へリークする電流を
「ｉ３」とする。そして、炭酸ガスセンサ７１の起電力
（各接続端子間の電圧）を「Ｖemf」とする。ま
た、炭酸ガスセンサの基体７３および台座の絶縁抵抗を
「Ｒ」とする。

【００５４】そして、直流電源８５の電圧Ｖcc、オフセ
ット電圧Ｖoff、炭酸ガスセンサ７１の起電力Ｖemf、絶
縁抵抗Ｒ、前記した期間Ｔ４における接続点Ａの電圧Ｖ
ｒを以下の各式（１）〜（３）に代入することにより、
各電流ｉ１〜ｉ３が求められる。 i１＝（Ｖcc−Ｖoff−Ｖemf）／Ｒ ………（式１） i２＝（−Ｖoff−Ｖemf）／Ｒ ………（式２） i３＝（Ｖｒ−Ｖoff−Ｖemf）／Ｒ ………（式３） ここで、図５に示す期間Ｔ３＋Ｔ４（すなわち、電気ヒ
ータ７２に流される擬似的な交流の一周期）において、
電気ヒータ７２とセンサ本体７４との間を移動する電荷
量（リークする電荷量）を「Ｑ」とする。そして、各期
間Ｔ３，Ｔ４および各電流ｉ１〜ｉ３を以下の式（４）
に代入することにより、電荷量Ｑが求められる。 Ｑ＝ｉ１・Ｔ３／２＋ｉ２・Ｔ３／２＋ｉ３・Ｔ４ ………（式４） 尚、式（４）にて、右辺の第１項および第２項で電流ｉ
１．ｉ２にＴ３を乗じるだけでなく１／２を乗じている
のは、電気ヒータ７２に流されるのが疑似的な交流であ
ることから、当該擬似的な交流を流す期間Ｔ３の半分の
時間だけ電流ｉ１．ｉ２が流れるためである。

【００５５】そして、電荷量Ｑおよび各期間Ｔ３，Ｔ４
を以下の式（５）に代入することにより、平均リーク電
流Ｉが求められる。 Ｉ＝Ｑ／（Ｔ３＋Ｔ４） ………（式５） そのため、式（５）により、オフセット電圧Ｖoffの変
化に対する平均リーク電流Ｉの変化をシミュレーション
する。そして、平均リーク電流Ｉが零になるときのオフ
セット電圧Ｖoffを求めればよい。そのオフセット電圧
Ｖoffが電気ヒータ７２の両端子間に印加される実効電
圧と等しくなる。

【００５６】例えば、電気ヒータ７２の設定温度＝４５
０℃、直流電源８５の電圧Ｖcc＝１２Ｖ、期間Ｔ４にお
ける接続点Ａの電圧Ｖｒ＝２．５Ｖ、期間Ｔ３＋Ｔ４＝
５３５ｍｓｅｃ、期間Ｔ３＋Ｔ４に対する期間Ｔ３の割
合（デューティ比＝１００×Ｔ３／（Ｔ３＋Ｔ４））＝
６１．３％、炭酸ガスセンサ７１の起電力Ｖemf＝３０
０ｍＶの場合、式（５）によりオフセット電圧Ｖoffの
変化に対する平均リーク電流Ｉの変化をシミュレーショ
ンすると、平均リーク電流Ｉが零になるときのオフセッ
ト電圧Ｖoffは４．３Ｖになる。

【００５７】そこで、オフセット電圧Ｖoffが４．３Ｖ
になるように抵抗分圧回路１２の各抵抗Ｒ１１，Ｒ１２
の抵抗値を設定し、当該オフセット電圧Ｖoffを炭酸ガ
スセンサ７１における基準電極の接続端子に印加した
ところ、湿度が高くなっても炭酸ガスセンサ７１のリー
ク電流はほとんど流れないまま変化せず、マイクロコン
ピュータ８４の検出信号Ｖｏは湿度の変化に関係なく一
定値をとることがわかった。

【００５８】尚、本発明は上記各実施形態に限定される
ものではなく、以下のように変更してもよく、その場合
でも、上記各実施形態と同様の作用および効果を得るこ
とができる。 （１）ヒータ温度制御回路８２は、電気ヒータ７２を設
定温度に制御できるならば、上記の回路構成に限らず、
どのような回路構成にしてもよい。

【００５９】（２）前記したように、マイクロコンピュ
ータ８４では、炭酸ガス濃度に対して対数出力される検
知電極の接続端子の出力を、炭酸ガス濃度に対して線
形出力に変換して検出信号Ｖｏを生成している。しか
し、マイクロコンピュータ８４にて対数出力を線形出力
に変換せず、検知電極の接続端子の出力をバッファ回
路８３を介してそのままガス検知装置１，１１の検出信
号として外部へ出力してもよい。その場合、第１実施形
態においては絶縁回路４を省くことができる。

【００６０】（３）第２実施形態において、正確かつ安
定なオフセット電圧Ｖoffを炭酸ガスセンサ７１におけ
る基準電極の接続端子に印加できるならば、バッファ
回路１３は省いてもよい。 （４）炭酸ガスセンサ７１を用いる炭酸ガス検知装置
１，１１に限らず、炭酸ガスセンサ７１の金属炭酸塩層
を、検出対象のガスと解離平衡をなす金属塩層に置き換
えて構成された各種ガスセンサを用いる各種ガス検知装
置に適用してもよい。例えば、金属炭酸塩層を金属硝酸
塩層に置き換えることにより、ＮＯ_Xガス濃度を検出す
るＮＯ_Xガスセンサを実現することができる。また、金
属炭酸塩層を金属硫酸塩層に置き換えることにより、Ｓ
Ｏ_Xガス濃度を検出するＳＯ_Xガスセンサを実現すること
ができる。このようなＮＯ_XガスセンサまたはＳＯ_Xガス
センサを用いるＮＯ_Xガス検知装置またはＳＯ_Xガス検知
装置においても、上記の炭酸ガス検知装置１，１１と同
様の作用により、ガス濃度の正確かつ安定な検知を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した第１実施形態の構成を示す
ブロック回路図。

【図２】本発明を具体化した第２実施形態の構成を示す
ブロック回路図。

【図３】第２実施形態の作用を説明するための要部回路
図。

【図４】従来の形態の構成を示すブロック回路図。

【図５】従来の形態および第１，第２実施形態の動作を
説明するための特性図。

【符号の説明】

１，１１…炭酸ガス検知装置 ２…ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ ４…絶縁回路 １２…抵抗分圧回路 １３，８３…
バッファ回路 １４…差動増幅回路 ８２…ヒータ温度制御回路 ８４…マイクロコンピュータ ８５…直流電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 昇 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BJ03 BL08 BL20 BM07 ZA04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基準電極と、固体電解質から成るイオン
   伝導体層と、検知電極と、金属塩層とがこの順に形成さ
   れてなるガスセンサ本体に対して、電気ヒータが取り付
   けられたガスセンサと、 前記ガスセンサ本体の接地側と前記電気ヒータの接地側
   とを電気的に絶縁することにより、前記電気ヒータと前
   記ガスセンサ本体との間にリーク電流が生じるのを防止
   する絶縁手段とを備えたことを特徴とするガス検知装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のガス検知装置におい
   て、 前記電気ヒータの通電を制御することにより当該電気ヒ
   ータの温度を制御するヒータ温度制御手段と、 前記ガスセンサの基準電極と検知電極との間に生じる起
   電力に基づいてガス濃度を検出するガス濃度検出手段
   と、 前記ヒータ温度制御手段および前記ガス濃度検出手段に
   電源を供給する電源供給手段とを備え、 前記絶縁手段は、前記ガス濃度検出手段と前記電源供給
   手段の接地側とを電気的に絶縁することにより、前記ガ
   スセンサ本体の接地側と前記電気ヒータの接地側とを電
   気的に絶縁し、前記ヒータ温度制御手段と前記電源供給
   手段と前記ガス濃度検出手段とを介して前記電気ヒータ
   と前記ガスセンサ本体との間にリーク電流が生じるのを
   防止することを特徴とするガス検知装置。
3. 【請求項３】 基準電極と、固体電解質から成るイオン
   伝導体層と、検知電極と、金属塩層とがこの順に形成さ
   れてなるガスセンサ本体に対して、電気ヒータが取り付
   けられたガスセンサと、 前記ガスセンサ本体の接地側電位と前記電気ヒータの接
   地側電位との電位差をなくすことにより、前記電気ヒー
   タと前記ガスセンサ本体との間にリーク電流が生じるの
   を防止する電位設定手段とを備えたことを特徴とするガ
   ス検知装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のガス検知装置におい
   て、 前記電気ヒータの通電を制御することにより当該電気ヒ
   ータの温度を制御するヒータ温度制御手段と、 前記ガスセンサの基準電極と検知電極との間に生じる起
   電力に基づいてガス濃度を検出するガス濃度検出手段と
   を備え、 前記電位設定手段は、前記ヒータ温度制御手段により前
   記電気ヒータの両端子間に印加される実効電圧と等しい
   オフセット電圧を生成し、当該オフセット電圧を前記基
   準電極に印加することにより、前記ガスセンサ本体の接
   地側電位と前記電気ヒータの接地側電位との電位差をな
   くして、前記電気ヒータと前記ガスセンサ本体との間に
   リーク電流が生じるのを防止することを特徴とするガス
   検知装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載のガス検知装置におい
   て、 前記ガス濃度検出手段は、前記起電力から前記オフセッ
   ト電圧を差し引いて前記ガスセンサ本来の起電力に戻す
   ことを特徴とするガス検知装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項に記載のガ
   ス検知装置において、前記ガスセンサの金属塩層は、検
   出対象のガスと解離平衡をなす金属炭酸塩、金属硝酸塩
   または金属硫酸塩からなることを特徴とするガス検知装
   置。