JPH06148109A - ガスセンサ温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ガス濃度測定装置等に用いられる
ガスセンサの温度制御装置に関し、測定精度を低下させ
ることなく、ヒーターの動作時間を短縮して消費電力の
軽減をはかることのできるガスセンサ温度制御装置を提
供することを目的とする。 【構成】 本発明のガスセンサ温度制御装置は、ガス濃
度及び温度に依存して抵抗値が変化するガス検出素子Ｒ
ｓと、該ガス検出素子を加熱するヒーター抵抗Ｒｈとか
ら成るガスセンサにおいて、ヒーター抵抗Ｒｈへの供給
電力を切断するためのガスセンサ温度制御装置であっ
て、前記ガス検出素子の抵抗値の増加を検出する抵抗値
増加検出回路と、該抵抗値増加検出回路の出力に基づ
き、ヒーター抵抗Ｒｈへの供給電力を切断する電力切断
回路、から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス濃度測定装置等に
用いられるガスセンサの温度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種ガス濃度を測定するガスセン
サが開発され実用に供されている。かかるガスセンサの
１つとして金属酸化物半導体ガスセンサが知られてい
る。この金属酸化物半導体ガスセンサは、ガス検出素子
としての金属酸化物半導体の抵抗がガスの濃度に依存し
て変化するという特性を利用してガス濃度を測定するも
のである。

【０００３】ところで、上記金属酸化物半導体ガスセン
サは、ガス検出素子の感度を増すために所定の高温に保
つ必要がある。加えて、ガス検出素子の感度を一定に維
持するために、その温度を一定に保つ必要がある。

【０００４】金属酸化物半導体ガスセンサは、ガス検出
素子としての金属酸化物半導体におけるガス吸脱着に伴
う導電率の変化、つまり、金属酸化物半導体の抵抗の変
化を検出することによってガス濃度を測定する。

【０００５】金属酸化物半導体ガスセンサにおいては、
金属酸化物半導体の感度、即ちガスの吸脱着速度を増す
ために、金属酸化物半導体を３００〜４００゜Ｃ程度の
高温に保持する必要がある。そのため、ガスセンサには
金属酸化物半導体を熱するためのヒーターが備えられて
おり、このヒーターで金属酸化物半導体を加熱すること
により上記所望の温度を得ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記ガスセ
ンサとしては、その加熱方式により、半導体式、熱線式
等が知られている。

【０００７】半導体式では、ヒーターはセンサ部と独立
に設けられている。従って、センサ部の抵抗変化がその
まま取り出せるようになっており、高精度の測定ができ
るという利点を有する。しかしながら、熱線式に較べて
消費電力が大きく、例えば携帯用のガスセンサには適さ
ないという問題がある。

【０００８】一方、熱線式は、消費電力が１５０ｍＷ程
度と小さいが、感度がヒーター抵抗とセンサ抵抗との比
で示される値に低下してしまい、精密な測定には向かな
いという問題がある。

【０００９】金属酸化物半導体をガス検出素子として用
いるガスセンサでは、ヒーターによる加熱が必須であ
り、ガスセンサの全消費電力の大半をヒーターで用いる
ことになる。従って、例えば携帯用のガスセンサを構成
する場合等は、ヒーターによる電力消費を極力抑える必
要がある。

【００１０】本発明は、かかる問題を解決するためにな
されたもので、測定精度を低下させることなく、ヒータ
ーの動作時間を短縮して消費電力の軽減を図ることので
きるガスセンサ温度制御装置を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のガスセンサ温度
制御装置は、上記目的を達成するために、ガス濃度及び
温度に依存して抵抗値が変化するガス検出素子と、該ガ
ス検出素子を加熱するヒーターとから成るガスセンサに
おいて、ヒーターへの供給電力を切断するためのガスセ
ンサ温度制御装置である。そしてガス検出素子の抵抗値
の増加を検出する抵抗値増加検出回路と、該抵抗値増加
検出回路の出力に基づき、ヒーターへの供給電力を切断
する電力切断回路、から構成される。

【００１２】

【作用】本発明は、ガス検出素子をガス雰囲気中に曝し
た時に、ガス検出素子の抵抗値が減少し、ガス雰囲気中
からガス検出素子を取り出した時にその抵抗値が増加す
るという特性を利用し、ガス検出素子をガス雰囲気中か
ら取り出したときの抵抗増加を検出してヒーターへの電
力供給を切断するようにしたものである。

【００１３】これにより、測定終了とほぼ同時にヒータ
ーへの電力供給が停止されることになり、全体としての
電力消費を抑えることができる。従って、消費電力が大
きいガス検出素子を用いた場合も消費電力を抑えること
が可能となり、例えば携帯用のガスセンサの実現が容易
になる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例につき図面を参照しな
がら詳細に説明する。なお、本発明のガスセンサ温度制
御装置が適用されるガスセンサは、携帯可能型として構
成されるものとする。

【００１５】図１は、本発明のガスセンサ温度制御装置
の実施例の構成を示す回路図である。

【００１６】図１において、１０は電源であり、例えば
マンガン電池、Ｎｉ−Ｃｄ充電式電池等が用いられる。
なお、ガスセンサが据置型として構成される場合には、
商用電源を用いて電源を構成することができる。

【００１７】この電源１０からの電力は、ガスセンサ１
１のヒーター抵抗Ｒｈ及び定電流回路１２に供給され
る。また、この電源１０からの電力は、図示しない配線
を介して、ガスセンサ温度制御装置を構成する各回路に
も供給される。

【００１８】ガスセンサ１１としては、例えば金属酸化
物半導体ガスセンサが用いられる。金属酸化物半導体ガ
スセンサとしては、熱線型半導体式ガスセンサ、焼結体
素子半導体ガスセンサ等が知られているが、本発明のガ
スセンサ温度制御装置は、いずれのガスセンサにも適用
できる。以下の説明では、ガスセンサ１１として熱線型
半導体式ガスセンサを用いた場合を例にとって説明す
る。

【００１９】このガスセンサ１１は、例えばガス検出素
子としてのＳｎＯ₂セラミックの中心に、低抵抗の貴金
属から成るヒーターを埋設して構成される。このガスセ
ンサ１１は、電気的には、図１に示すように、ガス検出
素子はセンサ抵抗Ｒｓで、ヒーターはヒーター抵抗Ｒｈ
で、それぞれ表すことができる。このガスセンサ１１は
周知であり、詳細な説明は省略する。

【００２０】定電流回路１２は、電源１０からの電力供
給を受けて一定電流Ｉｓを出力する。この定電流回路１
２が出力する電流Ｉｓは、ガスセンサ１１のセンサ抵抗
Ｒｓの一端側Ａに供給される。センサ抵抗Ｒｓの他端側
Ｂは接地されている。

【００２１】この定電流回路１２から出力される一定電
流Ｉｓにより、センサ抵抗Ｒｓの抵抗値に応じた電圧が
センサ抵抗Ｒｓの一端側Ａから取り出される。この取り
出された電圧は、演算増幅器ＯＰ１の＋端子に供給され
る。

【００２２】演算増幅器ＯＰ１は、抵抗値増加検出回路
の一部を構成し、ガス検出素子の抵抗値変化を検出する
抵抗値変化検出回路に相当する。演算増幅器ＯＰ１は、
その出力が自身の−端子に帰還されてボルテージホロワ
を構成し、センサ抵抗Ｒｓにかかる電圧（＝Ｉｓ×Ｒ
ｓ）を取り出すための緩衝増幅器（バッファ）として用
いられる。この演算増幅器ＯＰ１の入力抵抗Ｒｉの値
は、センサ抵抗Ｒｓの抵抗値より十分大きい値となるよ
うにしておく。この演算増幅器ＯＰ１の出力は、演算増
幅器ＯＰ２の−端子及び演算増幅器ＤＴの＋端子にそれ
ぞれ供給される。

【００２３】基準電圧供給部１３は、基準電圧Ｖ_ref1を
出力する。この基準電圧Ｖ_ref1は、ヒーター抵抗Ｒｈに
供給すべき電流の中心値として反映される。即ち、基準
電圧Ｖ_ref1は、ガス検出素子が所定の感度を有するよう
にガス検出素子を所定の温度に置いたときの、ガス検出
素子の抵抗値に対応した電圧である。この基準電圧供給
部１３からの基準電圧Ｖ_ref1は、演算増幅器ＯＰ２の＋
端子に供給される。

【００２４】また、基準電圧供給部３から出力される基
準電圧Ｖ_ref1は、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２により分割され
て予め設定された基準値である基準電圧Ｖ_ref2が生成さ
れる。この基準電圧Ｖ_ref2は、ガス検出素子の最低検出
レベル（例えば１００ｐｐｍのガス濃度）を規定するも
のであり、最低検出レベルに相当するセンサ抵抗Ｒｓの
抵抗値に対応した電圧である。この基準電圧Ｖ_ref2は、
演算増幅器ＤＴの−端子に供給される。

【００２５】演算増幅器ＯＰ２は、基準電圧供給部１３
からの基準電圧Ｖ_ref1と、上記演算増幅器ＯＰ１からの
電圧との差分値を求めて差分電圧を出力する誤差増幅器
として機能する。この演算増幅器ＯＰ２の出力は、抵抗
Ｒ３を介してスイッチＳに供給される。

【００２６】演算増幅器ＤＴは、予め設定された基準値
である基準電圧Ｖ_ref2と演算増幅器ＯＰ１（抵抗値変化
検出回路）からの電圧を比較する比較回路であり、比較
結果をスイッチＳ及びフリップフロップ２０に供給す
る。この演算増幅器ＤＴは、抵抗値増加検出回路の一部
を構成する。

【００２７】そして、スイッチＳに供給された演算増幅
器ＤＴの出力は、その開閉制御に使用される。即ち、演
算増幅器ＤＴの出力がＨレベルであればスイッチＳはオ
ンにされ、ＬレベルであればスイッチＳはオフにされ
る。

【００２８】一方、フリップフロップ２０に供給された
演算増幅器ＤＴの出力は、フリップフロップ２０のクロ
ック信号として使用される。

【００２９】抵抗Ｒ３、スイッチＳ及びコンデンサＣ
は、サンプルホールド回路１４を構成する。即ち、スイ
ッチＳが閉じられることによりコンデンサＣ及び抵抗Ｒ
３で定まる時定数に応じてコンデンサＣが充電される。
このコンデンサＣの充電に伴う電位は、スイッチＳがオ
フにされたとき、所定の時間一定に維持される。即ち、
スイッチＳをオフにした瞬間、その時点のコンデンサＣ
の電位が所定の時間保持され、演算増幅器ＯＰ３に供給
され続ける。

【００３０】演算増幅器ＯＰ３は、上記サンプルホール
ド回路１４の緩衝増幅器として機能する。この演算増幅
器ＯＰ３の出力は抵抗Ｒ４を介してトランジスタＴｒ2
のベースに供給される。抵抗Ｒ４は、後述するトランジ
スタＴｒ1 がオンになった時に、演算増幅器ＯＰ３の出
力がトランジスタＴｒ1 を介して直接接地されないよう
にするためのものである。

【００３１】トランジスタＴｒ2 においては、ベースに
供給される信号に応じてトランジスタＴｒ2 のコレクタ
電流が制御される。従って、演算増幅器ＯＰ３の出力に
応じて増幅された電流がガスセンサ１１のヒーター抵抗
Ｒｈに流れ、ヒーターの加熱制御が行われる。

【００３２】フリップフロップ２０としては、例えばＤ
タイプのフリップフロップを使用することができる。こ
のフリップフロップ２０のクロック入力端子には、上述
したように、演算増幅器ＤＴの出力が供給される。ま
た、このフリップフロップ２０のデータ入力端子Ｄは、
電源（Ｖｃｃ）に接続され、常時Ｈレベルの信号が供給
されるようになっている。また、このフリップフロップ
２０の出力端子Ｑは、抵抗Ｒ５を介してトランジスタＴ
ｒ1 のベースに接続されている。

【００３３】トランジスタＴｒ1 は、ベースに供給され
る信号に応じてオン／オフされるスイッチとして機能す
る。トランジスタＴｒ1 がオフの状態では演算増幅器Ｏ
Ｐ３の出力でトランジスタＴｒ2 のコレクタ電流が制御
される。一方、該トランジスタＴｒ1 がオンの状態で
は、トランジスタＴｒ2 のベース電位がほぼ接地電位と
同じとなり、トランジスタＴｒ2 のコレクタ電流は流れ
ない。即ち、ヒーター抵抗Ｒｈはオフにされる。このフ
リップフロップ２０及びトランジスタＴｒ1 は、電力切
断回路を構成する。

【００３４】ここで、抵抗Ｒ５は、フリップフロップ２
０の出力ＱがＨレベル時にトランジスタＴｒ1が飽和オ
ンするように、その抵抗値を設定しておく。

【００３５】次に、上記の構成において、本実施例の動
作を説明する。

【００３６】電源が投入されると、図示しないリセット
信号生成回路によりリセット信号が生成され、フリップ
フロップ２０のリセット端子（図示しない）に供給され
る。これにより、フリップフロップ２０の出力Ｑからは
Ｌレベルの信号が出力される。従って、トランジスタＴ
ｒ1はオフになり、演算増幅器ＯＰ３の出力でトランジ
スタＴｒ2 が制御されることになる。

【００３７】また、電源投入直後は、ガスセンサ１１の
ヒーター抵抗Ｒｈは十分に発熱していない。従って、セ
ンサ抵抗Ｒｓの抵抗値が大きく、演算増幅器ＯＰ１から
は、「Ｉｓ×Ｒｓ」で求められる大きな電圧が出力され
る。

【００３８】この演算増幅器ＯＰ１が出力する電圧は、
演算増幅器ＤＴの＋端子に供給されるが、初期状態では
予め設定された基準値である基準電圧Ｖ_ref2より大き
い。従って、演算増幅器ＤＴからはＨレベルの信号が出
力される。これによりスイッチＳがオンにされる。

【００３９】一方、演算増幅器ＯＰ２は、演算増幅器Ｏ
Ｐ１の出力と、基準電圧供給部１３が出力する基準電圧
Ｖ_ref1との差を求め、抵抗Ｒ３を介して演算増幅器ＯＰ
３に供給する。コンデンサＣには、コンデンサＣの容量
と抵抗Ｒ３の抵抗値で決定される時定数で充電が行われ
る。

【００４０】演算増幅器ＯＰ３は、サンプルホールド回
路１４の出力をトランジスタＴｒ2のベースに供給す
る。これによりトランジスタＴｒ2 においては、サンプ
ルホールド回路１４の出力に応じたコレクタ電流が流
れ、その結果、ヒーター抵抗Ｒｈには、演算増幅器ＯＰ
２が出力する差分値に比例した電流が流れる。これによ
り、ヒーター抵抗Ｒｈが熱せられ、ヒーター抵抗Ｒｈと
熱結合されたセンサ抵抗Ｒｓの温度が上昇する。

【００４１】センサ抵抗Ｒｓが熱せられると、その抵抗
値が小さくなり、演算増幅器ＯＰ１が出力する電圧も小
さくなるが、演算増幅器ＯＰ１、演算増幅器ＯＰ２、サ
ンプルホールド回路１４、演算増幅器ＯＰ３、トランジ
スタＴｒ2 、ヒーター抵抗Ｒｈ及びセンサ抵抗Ｒｓで成
るフィードバックループにより、センサ抵抗Ｒｓの加熱
は継続される。

【００４２】そして、センサ抵抗Ｒｓが所定の温度にな
り、基準電圧供給部１３が出力する基準電圧Ｖ_ref1と、
演算増幅器ＯＰ１が出力する電圧とが等しくなると、ヒ
ーター抵抗Ｒｈの加熱は停止され、定常状態に入る。こ
の状態で、ガス濃度の測定が可能となる。

【００４３】定常状態に入ったか否かは演算増幅器ＯＰ
２の出力の大きさを調べることにより検出できる。従っ
て、演算増幅器ＯＰ２の出力の大きさを検出する検出回
路を設け、この検出回路で演算増幅器ＯＰ２の出力が所
定値以下になったことが検出された際に、例えばガス濃
度測定装置に設けられた表示器を点灯或いは点滅等させ
ることにより、操作者に、ガス濃度の測定が可能になっ
たことを知らせることができる。

【００４４】なお、かかる定常状態で例えば周囲温度等
の影響によりセンサ抵抗Ｒｓの温度が変動すると、上記
フィードバックループによりヒーター抵抗Ｒｓを流れる
電流が制御され、センサ抵抗Ｒｓの温度はほぼ一定に保
たれる。従って、センサ抵抗Ｒｓの感度はほぼ一定に保
たれることになる。

【００４５】かかる定常状態で上記センサ抵抗Ｒｓが最
低検出濃度以上の濃度のガスに曝されると、センサ抵抗
Ｒｓの抵抗は小さくなる。この抵抗値に応じた電圧は外
部回路（図示しない）に出力され、ガス濃度の測定に使
用される。

【００４６】一方、上記センサ抵抗Ｒｓがガス雰囲気に
曝されることにより、その抵抗値が低下し、演算増幅器
ＤＴに入力される電圧が予め設定された基準値である基
準電圧Ｖ_ref2以下に下がると、演算増幅器ＤＴの出力は
Ｌレベルになり、スイッチＳはオフとなる。しかしなが
ら、コンデンサＣに充電された電位は、スイッチＳがオ
ン状態の時のまま保持され、演算増幅器ＯＰ３に供給さ
れ続ける。従って、その時の電圧でヒーター抵抗Ｒｈに
電流が流され続け、センサ抵抗Ｒｓは加熱され続ける。

【００４７】かかる構成により、ガス濃度の測定時に、
温度変化に起因するセンサ抵抗Ｒｓの変化分を排除する
ことができる。なお、ガス濃度の測定時、ヒーター抵抗
Ｒｓは加熱され続けることになるので、センサ抵抗Ｒｓ
の温度上昇が過度にならないように、ガス濃度の測定時
間は所定の短い時間とすることが好ましい。

【００４８】次に、ガス測定が終了してガスセンサ１１
がガス雰囲気中から取り出され、例えば清浄空気中に置
かれると、センサ抵抗Ｒｓの抵抗値は大きくなる。そし
て、予め設定された基準値である基準電圧Ｖ_ref2以上に
なると演算増幅器ＤＴの出力がＬレベルからＨレベルに
変化する。

【００４９】これにより、スイッチＳが閉じられて上述
したフィードバックループが形成される。一方、フリッ
プフロップ２０は、上記演算増幅器ＤＴの出力の変化に
同期してＨレベルにセットされる。従って、その出力端
子ＱからＨレベルの信号が出力され、トランジスタＴｒ
1 をオンにする。

【００５０】これによりトランジスタＴｒ2 のベース電
位がほぼ０ボルトになり、コレクタ電流は遮断される。
即ち、ヒーター抵抗Ｒｈへの電力供給が停止される。こ
の状態は、フリップフロップ２０がリセットされるまで
維持される。

【００５１】従って、ガス濃度の測定が完了すると直ち
にヒーター抵抗Ｒｈの加熱は停止され、再度電源が投入
されてリセット信号が出力されるまでヒーター抵抗Ｒｈ
の加熱は行われないことになる。

【００５２】なお、リセット信号を生成する手段として
リセットスイッチを設け、電源投入時のみならずリセッ
トスイッチを操作した場合にもリセット信号を生成する
ように構成することもできる。かかる構成によれば、リ
セットスイッチの操作によりヒーター抵抗Ｒｈの加熱が
可能になるので、装置の電源を遮断することなく連続し
てガス濃度の測定を行うことができるものとなる。

【００５３】上記実施例では、サンプルホールド回路１
４を、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ及びスイッチＳで成るア
ナログ回路で構成したが、これと同等の機能をデジタル
回路で構成することができる。

【００５４】例えば、演算増幅器ＯＰ２の出力をＡ／Ｄ
変換器でデジタルデータに変換し、メモリ（例えばレジ
スタ）に記憶するように構成する。この際、メモリへの
書き込み許可／禁止の制御は、演算増幅器ＤＴの出力で
行う。即ち、演算増幅器ＤＴの出力がＨレベルのときは
Ａ／Ｄ変換器で変換されたデジタルデータを書き込み、
Ｌレベルのときは書き込みを禁止するように制御する。

【００５５】一方、メモリの出力側は常時出力可能状態
にしておく。このメモリの出力をＤ／Ａ変換器でアナロ
グ信号に変換し、演算増幅器ＯＰ３を介してトランジス
タＴｒ2 のベースに供給する。

【００５６】かかる構成において、演算増幅器ＤＴの出
力がＨレベルのときは、演算増幅器ＯＰ２の出力からＡ
／Ｄ変換器、メモリ、Ｄ／Ａ変換器、演算増幅器ＯＰ３
及びトランジスタＴｒ2 を経由してヒーター抵抗Ｒｈを
加熱するフィードバックループが形成される。

【００５７】一方、演算増幅器ＤＴの出力がＬレベルに
なったときは、メモリへの書き込みが禁止されると同時
に、その時メモリに記憶されている内容がＤ／Ａ変換
器、演算増幅器ＯＰ３及びトランジスタＴｒ2 に伝えら
れヒーター抵抗Ｒｈが加熱され続ける。このように、上
記サンプルホールド回路１４と同等の機能を、Ａ／Ｄ変
換器、メモリ、Ｄ／Ａ変換器で成るデジタル回路で実現
することができる。

【００５８】また、上記実施例では、電力切断回路をフ
リップフロップ２０とトランジスタＴｒ1とで構成し、
フリップフロップ２０の出力でオン／オフが制御される
トランジスタＴｒ1をスイッチとして用いる構成とした
が、このスイッチはトランジスタで実現する場合に限定
されない。例えば、電気信号でオン／オフ制御される機
械式スイッチ、リレー、アナログスイッチ、ＦＥＴ等で
構成することが可能である。

【００５９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば測
定精度をおとすことなく、ヒーターの動作時間を短縮し
て消費電力の軽減を図ることのできるガスセンサ温度制
御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１０ 電源 １１ ガスセンサ １２ 定電流回路 １３ 基準電圧供給部 １４ サンプルホールド回路 ２０ フリップフロップ Ｒｈ ヒーター抵抗 Ｒｓ センサ抵抗 ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３、ＤＴ 演算増幅器 Ｔｒ1、Ｔｒ2 トランジスタ Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５ 抵抗 Ｃ コンデンサ Ｓ スイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス濃度及び温度に依存して抵抗値が変
   化するガス検出素子と、該ガス検出素子を加熱するヒー
   ターとから成るガスセンサにおいて、ヒーターへの供給
   電力を切断するためのガスセンサ温度制御装置であっ
   て、 前記ガス検出素子の抵抗値の増加を検出する抵抗値増加
   検出回路と、 該抵抗値増加検出回路の出力に基づき、ヒーターへの供
   給電力を切断する電力切断回路、 から成ることを特徴とするガスセンサ温度制御装置。
2. 【請求項２】 前記抵抗値増加検出回路は、 ガス検出素子の抵抗値変化を検出する抵抗値変化検出回
   路と、 予め設定された基準値と該抵抗値変化検出回路の出力と
   の比較を行う比較回路から成り、 電力切断回路は、該比較回路の出力の上昇をトリガ信号
   とするフリップフロップ回路、から成ることを特徴とす
   る請求項１に記載のガスセンサ温度制御装置。