JPH0532760Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［考案の利用分野］ この考案は、金属酸化物半導体の抵抗値の変化
を利用したガス検出装置の改良に関し、特に用い
る半導体の温度を高温域と低温域とに周期的に変
化させるガス検出装置に関する。この考案は更に
詳細には、１つのガスセンサで、メタン等の可燃
性ガスと一酸化炭素とを同時に検出するガス検出
装置に関する。

［従来技術］ 特公昭53−43320号は、SnO₂等の金属酸化物半
導体を用いたガスセンサを高温域と低温域とに周
期的に加熱すると、低温域の出力から一酸化炭素
を選択的に検出し得ることを報告している。

ここで考案者らは、一酸化炭素のみならず、高
温域の出力からメタンやイソブタン等の可燃性ガ
スを、１つのセンサで同時に検出することを検討
した。

この場合に考案者らが直面した問題は、可燃性
ガスへの検出の遅れで有つた。即ちメタン等の可
燃性ガスへの検出は出来るだけはやく、例えば60
秒以内に、行うことが必要である。一方COの人
体への影響は濃度と時間の双方に依存し、検出は
例えば５分以内に行えば良い。検出速度を定める
ものはセンサの加熱周期であり、可燃性ガスへの
検出を例えば60秒以内に行うためには、周期を少
なくとも60秒以下とする必要が有る。しかしなが
ら、加熱周期を短縮すると、一酸化炭素と水素と
の相対感度が低下し、水素による誤報が生じる。

なお考案者らは以下の事実を確認した。

(1) 高温域への移行後、メタン等のガスへの応答
は20〜30秒程度で完了する。従つて高温域への
保持時間は、例えば20〜30秒以上、より広くは
10秒以上とすれば良い。

(2) 周期的な温度変化にもかかわらず、メタン等
のガスへの出力に対する、周囲の温湿度の影響
や、出力の経時的安定性は、高温域に連続して
加熱する場合とほとんど変わらない。従つて本
質的な課題は、メタン等のガスへの検出速度を
いかにして改善するか、にしぼることが出来
る。

［考案の課題］ この考案は、１つのガスセンサで、メタン、イ
ソブタン等の可燃性ガスと、一酸化炭素とを検出
することを課題とする。

またこの考案は、センサの検出周期を短縮し、
かつ同時に、水素に対する一酸化炭素の選択性を
得ることを課題とする。

［考案の構成］ この考案の基本的着目点は、以下の点に有る。

(1) 低温域における一酸化炭素への応答は緩慢
で、出力は一旦鋭く低下した後、徐々に増大す
る。これに対して水素の場合、出力は低温域で
ピークを示した後、徐々に減少する（第４図）。

(2) 一酸化炭素を水素から選択的に検出するに
は、低温域への移行後例えば90秒を要する。し
かし一酸化炭素が存在し得るか否かは、移行後
30秒程度で充分に確認できる。そこでこの場合
に加熱周期を変更し、低温域への保持時間を延
長すれば、選択的に一酸化炭素を検出できる。

この考案のガス検出装置では、ガスセンサの加
熱温度を高温域と低温域とに交互に周期的に変化
させ、まず低温域でのガスセンサの出力から一酸
化炭素と水素とを非選択的に検出する。次に一酸
化炭素が存在する危険性が有る場合、加熱周期を
変更して、低温域への保持時間を延長し、延長さ
れた低温域におけるガスセンサの出力から、一酸
化炭素を検出する。更に、高温域におけるガスセ
ンサの出力から可燃性ガスを検出する。

［実施例］ 以下にメタンとCOとの検出に付いて、実施例を
説明するが、この装置は全体をマイクロコンピユ
ータ化することも出来る。また正論理を用いて回
路を説明するが、負論理化することも出来る。さ
らに回路の各部分に付いては、異なる構成で同一
の機能を達成するものも多数知られている。特
に、ガスセンサの加熱温度や加熱周期は、適宜に
変更できる。ここでは可燃性ガスとしてメタンを
例としたが、イソブタン等の他の可燃性ガスでも
良い。イソブタンへの最適検出温度はメタンに比
べ50〜100℃低いことが知られているので、イソ
ブタン検出の場合、高温側の温度を50〜100℃低
くすれば良い。さらにセンサの構造や材料は公知
技術等の範囲で自由に変更できる。

なお検出濃度はメタンで1000〜5000ppm、一酸
化炭素で100〜500ppmとした。

「実施例の構成」 図において、２はガスセンサ、４，６はヒータ
兼用の電極で、ここでは金属酸化物半導体として
SnO₂に少量のPd触媒を添加したものを用いる。
センサの温度は高温域の定常値で400℃、低温域
の定常値で80℃である。なおイソブタンや水素の
検出の場合、高温域の定常温度300℃程度とすれ
ば良く、低温域での温度は室温としても良い。さ
らにエタノール等の有機溶剤による誤報が問題と
なる場合、活性炭等のフイルターを設けても良
い。勿論半導体は、ZnOやBaSnO₃等の、他の半
導体に代えても良い。

８は電源で、その出力（＋Vcc）を装置全体の
電源とし、１０は例えば120秒周期で動作するタ
イマで、最初の30秒間はハイ信号Ｈを、残る90秒
間はロウ信号Ｌを発する。タイマ１０は、ハイ信
号Ｈの終了直前に高温域でのサンプリング信号
Saを発し、低温域への移行後30秒後にサンプリ
ング信号Sbを発する。またサンプリング信号Sb
の発生直後に、リセット信号Sb′を発する。タイ
マ１０は、周期の終了直前に一酸化炭素の検出用
のサンプリング信号Scを発する。更にタイマ１
０は、後述のハイホウルド時やロウホウルド時の
連続検出信号として、周期１秒、パルス幅
10msecで常時発生するサンプリング信号Ｃ１１
と、信号Ｃ１１の後半の2msecを用いたサンプリ
ング信号Ｃ１２とを発する。サンプリング信号Ｃ
１１は、信号Sa，Sb，Scと同期しており、信号
Ｃ１１の存在時には信号Ｈ，Ｌはオフしている。

なおここでは、センサの加熱や検出に関する全
ての信号をタイマ１０から得るようにしたが、タ
イマ１０を主タイマと補助タイマ等に分割して用
いても良い。

１２はヒータ電源で、センサ２を高温域に加熱
するためのハイ出力と、低温域に加熱するための
ロウ出力とを発する２値電源である。電源１２は
例えばデユーテイ比制御によるものとし、出力電
圧自体は一定としても良い。

１４，１６はセンサ２の２つのヒータ４，６を
共に加熱するためのダイオード、１８は検出電圧
Vccをセンサ２に加えるためのアナログスイツチ
である。２０はアナログスイツチ、２２，２４は
入力の立ち下がりエツヂでトリガーされる単安定
マルチバイブレータ、２６はオア回路で、これら
によりタイマ１０のリセツトを制御する。２８，
３０はアナログスイツチで、ハイホウルド時やロ
ウホウルド時に電源１２の出力を固定する。

３２はアナログスイツチで、設けなくとも良
く、ヒータ電圧が検出回路に流れることを阻止す
るために用いる。３４は負荷抵抗（ここでは
10KΩ）で、その出力VrIをセンサ出力とする。

３６はロウホウルド時にメタン検出を停止する
ためのアナログスイツチ、３８は比較回路、４０
はD.F.F，４２はオアゲート、４４はアナログス
イツチ、４６はLEDである。なおＪはハイホウ
ルド信号で、D.F.Fの出力である。これらにより
メタンの検出を行う。

５０は、ハイホウルド時にCOの検出を停止す
るためのアナログスイツチである。５２は比較回
路、５４はD.F.Fで信号Sbにより動作し、これら
により予備検出手段とロウ・トリガー手段とを構
成する。５６はLED、Ｆはロウ・トリガー信号
である。

５８は、低濃度の一酸化炭素が長時間存在する
ことを検出するためのアツプダウン・カウンター
で、比較回路５２の正出力で加算され、インバー
ター５９を介し負出力により減算される。

なおここでは、低濃度の一酸化炭素に対して加
熱周期を変えること避け、信号Sbによりカウン
トを行なつたが、他の信号、例えば信号Scを用
いても良い。またアツプダウンのスレツシユホー
ルドは比較回路５２で定めたが、他の比較回路を
用いても良い。

６０は比較回路、６２はD.F.F、６４はオアゲ
ート、６６はアナログスイツチ、６８はLEDで
ある。Ｇは、D.F.F６２の出力の出力で、ロウホ
ウルド信号として用いる。７０はオアゲートで、
D.F.F４０，６２やカウンター５８の出力で、ブ
ザー７２を駆動させる。なお実用的には、D.F.F
４０やD.F.F６２、あるいはカウンター５８で、
ブザー７２の音色を変えると良い。

なおこの回路全体に付いて、比較回路３８等は
単一のものとし、単にその基準電位を変えるだけ
としても良く、D.F.F４０等の論理ゲートは他の
ゲートでも良い。

「センサの特性」 第３図に、400℃でのセンサ２の特性を示す。
図は80℃で定常状態に有るセンサを400℃に加熱
した際の、一酸化炭素、メタン、水素、空気への
応答を示し、周囲温度は20℃、湿度は60％であ
る。なおセンサ２には活性炭フイルターを装着
し、エタノールの影響を除いて有る。図から、メ
タンへの応答は20秒程度で完了することがわか
る。

第４図に、400℃の定常状態から80℃へセンサ
２を冷却した際の、過度特性を示す。なお周囲の
温度は20℃、湿度は60％である。

一酸化炭素中では、出力は一旦低下した後徐々
に増大し、その応答は緩慢である。水素中では一
旦ピークが生じた後、徐々に出力が低下する。従
つて検出周期を短縮すると、一酸化炭素と水素と
を区別することが出来ない。しかし一酸化炭素が
存在し得る事は30秒程度で充分に検出できる。そ
こでこの場合に、加熱周期を変更し、低温域への
移行後、例えば90秒程度の経過後に一酸化炭素を
選択的に検出すれば良い。なお活性炭を用いない
場合のエタノールへの応答は水素の場合と類似
し、メタンに対する出力は温度変化後直ちに低下
する。

「実施例の動作」 第２図に、実施例の動作に対する波形図を示
す。

ガスが存在しない場合、センサ２はタイマ１０
の信号Ｈにより30秒間高温域に加熱され、その終
了直前に信号Saによりメタンが存在しないこと
を確認する。センサ２はその後、タイマ１０の信
号Ｌにより低温域に加熱され、30秒経過後に信号
Sbにより一酸化炭素への予備的検出が行なわれ、
予備検出信号Ｆが得られない場合、信号Sb′によ
りタイマ１０はリセツトされ、高温加熱に戻る。

COあるいは水素が存在する場合、信号Sbによ
りD.F.F５４が動作し、信号ＦによりLED５６を
点灯すると共に、スイツチ２０により、リセット
信号Sb′をカツトし、低温域への保持時間を60秒
間延長する。この時間の終了直前、（低温域への
保持時間は合計90秒）、信号Scと比較回路６０と
により、一酸化炭素を検出する。第４図から明ら
かな様に、90秒後には充分な一酸化炭素への選択
性が得られ、その結果D.F.F６２に読み込む。

D.F.F６２が動作すると、ロウホウルド信号Ｇ
を取り出し、LED６８を点灯させると共に、ブ
ザー７２を鳴動させる。また信号Ｇによりスイツ
チ２８，３６を切り替え、センサ２の高温加熱を
停止し、メタン検出も中止する。そしてこの間は
スイツチ６６を利用し、サンプリング信号Ｃ１２
により、一酸化炭素濃度が低下するまで、ほぼ連
続的な検出を行う。一酸化炭素濃度が低下する
と、信号Ｇは解除され、警報を打ち切ると共に、
マルチバイブレータ２２によりタイマ１０をリセ
ツトする。

ここでは以下の理由によりロウホウルドを行つ
たが、これは行わなくとも良い。

１ 一酸化炭素の検出は本来間欠的にしか行えな
いため、加熱温度を固定し連続検出へと移行さ
せる。

２ 一酸化炭素への警報中にメタンを検出して
も、余り意味がない。

次に低濃度の一酸化炭素が常時存在する場合、
カウンター５８の出力が増大し、オアゲート７０
を介して、ブザー７２が鳴動する。

メタンが存在すると、高温域の終了直前に、信
号Saと比較回路３８とにより検出が行なわれる。
警報濃度以上のメタンが有る場合、D.F.F４０が
動作し、LED４６とブザー７２とが動作する。
またD.F.F４０の信号をハイホウルド信号Ｊと
し、メタン濃度が低下するまで、センサ２を高温
域に保持し、連続的検出を行う。即ちスイツチ３
０によりセンサは高温域に固定され、スイツチ５
０により一酸化炭素の検出は中止される。そして
この間は、サンプリング信号Ｃ１２により、ほぼ
連続的に検出を行う。メタン濃度が低下すると、
信号Ｊがカツトされ、マルチバイブレータ２４に
より、タイマ１０がリセツトされ、装置は通常の
動作に移行する。なおハイホウルドを行わなくと
も良いことは、ロウホウルドの場合と同様であ
る。

なお上記の実施例では、各期間の終了直前にサ
ンプリングを行つた。これは時間の経過と共に、
一酸化炭素やメタンへの相対感度が増す（第３
図、第４図）ことに着目したもので、終了直前に
限るものではない。

［考案の効果］ この考案では、(1)、メタン、イソブタン等の可
燃性ガスと、一酸化炭素とを同時に検出でき、
(2)、センサの検出周期を短縮して検出時間を短縮
し、(3)、水素に対する一酸化炭素の選択性を得る
ことが出来る。そしてこの効果のため付加したも
のは、実質的には、予備検出手段と、ロウ・トリ
ガー手段のみである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例の回路図、第２図はその波形
図、第３図、第４図は実施例に用いるガスセンサ
の特性図である。 図に於いて、２……ガスセンサ、４，６……ヒ
ータ兼用電極、８……電源、１０……タイマ、１
２……ヒータ電源、３８，５２，６０……比較回
路、４０，５４，６２……D.F.F、５８……アツ
プダウン・カウンター。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体
   を用いたガスセンサの加熱温度を、高温域と低温
   域とに交互に周期的に変化させるようにしたガス
   検出装置において、 低温域でのガスセンサの出力から、一酸化炭素
   と水素とを非選択的に検出するための、予備検出
   手段と、 予備検出手段の出力により加熱周期を変更し
   て、低温域への保持時間を延長するためのロウ・
   トリガー手段と、 延長された低温域における、ガスセンサの出力
   から一酸化炭素を検出するための一酸化炭素検出
   手段と、 高温域における、ガスセンサの出力から可燃性
   ガスを検出するための可燃性ガス検出手段、 とを設けたことを特徴とするガス検出装置。