JPH0532761Y2 - - 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、S_oO₂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) 水素や一酸化炭素が存在する場合、高温域へ
の移行直後に出力の鋭いピークが生じる。

(2) このピークは一酸化炭素が存在する場合必ず
生じ、一酸化炭素の本格的検出はこのピークが
生じたときに行えば良い。

この考案では、以下のようにしてメタン等の可
燃性ガスと一酸化炭素とを検出する。

(1) 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。なおこ
こで、低温域の温度は室温でも良い。

(2) 高温域への移行直後に生じるガスセンサの出
力のピークを検出し、ピークの存在時に加熱周
期を変更して、低温域への保持時間を延長す
る。そして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。

(3) 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、ガスセンサの構造や材料は公知技術等の範囲
で自由に変更でき、またセンサの加熱周期や加熱
温度も自由に変更できる。ここでは可燃性ガスの
例としてメタンを用いたが、イソブタン等の他の
ガスでも良い。イソブタン検出の場合は、高温側
の温度を50〜100℃程度下げ、活性炭フイルター
を除くようにして実施すれば良い。

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
S_oO₂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、高温域の定常温度を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、周期の終了直前に低温域でのサンプリン
グ信号Scを発する。またタイマ１０は、高温域
への移行後５〜10秒間はピーク検出信号Sbを発
し、低温域への移行後30秒後にリセツト信号Sd
を発する。更にタイマ１０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0.5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Ｃ１１と信号Sa，Sb等は
同期しており、信号Ｃ１１の存在時は信号Ｈ，Ｌ
はオフしている。従つて実際には信号Sbは多数
のパルス列であり、その最初のパルスを特にパル
スSb′として取り出す。

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（Vrl）をセンサ出力とす
る。

３６はアナログスイツチ、３８は比較回路、４
０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。

４８は比較回路、５０は単安定マルチバイブレ
ータ、５４はRSTフリツプ・フロツプ、５６は
LEDである。これらにより、ピークの検出と、
加熱周期の変更とを行う。

また５８は、ハイホウルド時にセンサ出力をカ
ツトするためのアナログスイツチ、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.F４０，６
２の出力で、ブザー７２を駆動させる。なお実用
的には、D.F.F４０とD.F.F６２とで、ブザー７
２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。

メタンへの応答は２０秒以内に完了する。また
最初の５〜10秒以内に、COや水素に対する、（活
性炭を用いない場合、水素、一酸化炭素、エタノ
ールに対する）、鋭いピークが生じる。ピークが
生じる時間は、一酸化炭素の方が水素より早い。
ピークの検出は出力の時間微分等により行つても
良い。しかし水素と一酸化炭素との共存、メタン
と一酸化炭素との共存等により、ピーク波形は変
化するので、単純に出力（Vrl）をそのまま用い
た方が確実である。

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、過渡特性を示す。なお周囲の
温度20℃、湿度は60％である。

一酸化炭素では、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。そし
て100ppmの一酸化炭素を、1000ppmの水素と区
別して検出するには、30〜40秒を要する。なお活
性炭を用いない場合のエタノールへの応答は、水
素の場合と類似する。次に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る。高温
域の最初に、信号Sb′により、フリツプ・フロツ
プ５４がリセツトされ、以後信号Sbと比較回路
４８により、一酸化炭素や水素に対するピークの
検出が行なわれる。ピークが存在しない場合、フ
リツプ・フロツプ５４はセツトされず、加熱周期
はそのまま保たれる。次いで高温域の終了直前
に、信号Sbと比較回路３８とにより、メタンの
検出が行なわれる。メタンが存在するとD.F.F４
０が動作するが、ここではメタンが無いものとす
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Sdにより
タイマ１０がリセツトされ、センサ２は再び高温
域に加熱される。この実施例ではこの期間中何等
の検出を行わず、低温域への保持は単に高温域へ
の移行時にピークを生じさせるためだけに用い
る。勿論低温域における出力を適当に利用しても
良い。

COあるいは水素が存在する場合、高温域への
移行後にピークが生じる。このピークを比較回路
４８により検出し、信号Sbによりフリツプ・フ
ロツプ５４に読み込む。次いでこの信号Ｆにより
LED５６を点灯すると共に、スイツチ２０によ
り、リセツト信号Sd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、その結果を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Ｃ２１
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。

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
８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。また信号Ｆの存在時には、メ
タンの検出を信号Saで行つた後に、一酸化炭素
の検出に移行させた。しかし信号Ｆの存在時に
は、高温加熱を直ちに打ち切り、一酸化炭素の検
出を優先しても良い。

［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、高温域でのピークの検出手段
と、低温域への保持時間を延長する手段のみであ
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、３８，４８，６０……比較回
路、４０，６２……D.F.F、５４……RSTフリツ
プ・フロツプ。

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、 高温域への移行直後に生じるガスセンサの出力
   のピークを検出するためのピーク検出手段と、 ピーク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。