JPH10282030A

JPH10282030A - ガス検知装置

Info

Publication number: JPH10282030A
Application number: JP10091097A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Moro; 幸紀茂呂; Tatsuo Maeno; 起男前野
Original assignee: Chichibu Onoda Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 1998-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】複合型ガスセンサを用いたガス検知装置にお
いて最適な温度補償方式を提供する。また、通電開始直
後の安定性を改善し、頻繁にオン、オフを繰り返す用途
に使用した場合にも通電初期の出力特性が安定している
ガス検知装置を提供する。【解決手段】第一の感ガス素子とその温湿度依存性が
前記第一の感ガス素子と同等でかつ感ガス特性に差異を
もうけた第二の感ガス素子が同一基板上にもうけられる
か、もしくは２個の感ガス素子が一つのセンサケースに
収められたガスセンサを用いたガス検知装置において、
二つのセンサの出力の差動出力を取り出し、この差動出
力に温度補正を施して回路を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、通電初期安定性に
優れ、清浄大気中で安定した出力電圧を取り出すことが
できるとともに、ガス中での温度依存性の小さいガス検
知装置に関すものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明者らは、特願平７−９７８０６号
において、同等の温湿度依存性を持ち、かつ異なる感ガ
ス特性を持つガスセンサを組み合わせることで、温湿度
依存性が小さくかつ通電初期安定化時間の短いガスセン
サを発明した。上記発明品は、清浄大気中ではほとんど
温湿度の影響を受けることなく、出力レベルは一定して
いる。しかしながらガス中においては、低温になるに従
ってガスとの反応性が低下するために出力電圧の変化量
が低下する。このため温度補償が必要になる。

【０００３】従来の酸化鉄や酸化錫を用いた半導体ガス
センサでは、雰囲気温度が上がると抵抗値が低下し、例
えばガスセンサに直列に接続した負荷抵抗両端電圧は相
対的に上昇する。温度が下がるとその逆の傾向が生じ
る。このためこれらガス検知装置では、ガスセンサの出
力信号を取り出す負荷抵抗に並列にＮＴＣサーミスタを
接続し、ＮＴＣサーミスタの抵抗値が温度とともに変化
する特性を利用し、温度が変化した場合の負荷抵抗両端
電圧の変化を最小限にすることが一般に行われてきた。
このような方法は、独立した温度検知回路を用いて温度
を検知しガスセンサの出力信号に温度補償をかける方法
に比べて著しく簡便である。一般に温度補償はガス中で
のガスセンサの温度特性にもとづいて行われるが、この
温度補償方法では、当然の事ながら清浄大気中ではセン
サの出力電圧も温度補償された電圧が後段の回路に出力
されることになる。

【０００４】しかしながら、本発明にある複数のガスセ
ンサを組み合わせたセンサ（今後複合型ガスセンサと呼
ぶ。）においては、清浄大気中で温度が変化した場合に
それぞれのセンサが同等の温度依存性を持つために、例
えばそれら二つのセンサの出力の差動出力はほとんど温
度の影響を受けない。これは特願平７−９７８０６の大
きな特徴である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが本発明を温度
補償する場合、先に述べた方法のようにＮＴＣサーミス
タをセンサ素子に直列に、あるいはまた一方の素子に並
列に接続し温度補償をかける方法では、清浄大気中での
温度依存性の小さい一定な出力電圧を得ることはできな
い。

【０００６】また特願平７−９７８０６では、従来の半
導体式ガスセンサに比べて著しく短縮された通電初期の
安定化特性を得ることができるが、２つのセンサの通電
初期特性が微妙に違うことに起因するわずかな出力電圧
の不安定が発生する場合がある。さらに通電開始直後の
ヒーターによって十分素子が加熱されていない状態で
は、センサ素子は一種のコンデンサーに近い状態におか
れており、やはり素子部に電圧が印加された直後の出力
電圧に変動が発生する場合もある。このような過渡現象
は、電圧を連続に印加した状態での使用では問題になら
ない。しかし例えば車に搭載される用途のように頻繁に
電圧のオン、オフが繰り返される場合には通電開始初期
出力の一層の安定化が必要である。

【０００７】本発明は、かかる背景に鑑みてなされたも
のであり、複合型ガスセンサを用いたガス検知装置にお
いて最適な温度補償方式を提供するものであり、また通
電開始直後の安定性を改善し、頻繁にオン、オフを繰り
返す用途に使用した場合にも通電初期の出力特性が安定
しているガス検知装置を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した本発明の目的
は、第一の感ガス素子とその温湿度依存性が前記第一の
感ガス素子と同等でかつ感ガス特性に差異をもうけた第
二の感ガス素子が同一基板上にもうけられるか、もしく
は２個の感ガス素子が一つのセンサケースに収められた
ガスセンサを用いたガス検知装置において、二つのセン
サの出力の差動出力を取り出し、この差動出力に温度補
正を施したことを特徴とするガス検知装置によって達成
される。

【０００９】また、第一の感ガス素子とその温湿度依存
性が前記第一の感ガス素子と同等でかつ感ガス特性に差
異をもうけた第二の感ガス素子が同一基板上にもうけら
れるか、もしくは２個の感ガス素子が一つのセンサケー
スに収められたガスセンサを用いたガス検知装置におい
て、二つの感ガス素子部を直列に接続し、いずれか一方
の感ガス素子両端電圧を取り出し、他方で清浄大気中で
前記感ガス素子両端電圧に相当する基準電圧を発生させ
る回路をもうけ、この基準電圧と感ガス素子両端電圧と
の差動出力に温度補正を施したことを特徴とするガス検
知装置によって達成される。

【００１０】さらに、センサの通電初期にみられる出力
電圧の変化に対応させて基準電圧を変化させ、基準電圧
とセンサ側からの出力電圧との差動出力の変動を低減す
ることを特徴とするガス検知装置によって達成される。

【００１１】

【発明の実施の形態】まず温度依存性の改善に関して述
べる。本発明では上述したように、まず第一の感ガス素
子とその温湿度依存性が前記第一の感ガス素子と同等で
かつ感ガス特性に差異をもうけた第二の感ガス素子が同
一基板上にもうけられるか、もしくは２個の感ガス素子
が一つのセンサケースに収められたガスセンサを用いた
ガス検知装置において、二つのセンサ出力の差動出力を
取り出し、この差動出力に温度補正を施したことを特徴
としている。

【００１２】また、２つの感ガス素子部を直列に接続
し、ガス中でいずれか一方の感ガス素子両端電圧を取り
出し、他方で清浄大気中での前記感ガス素子両端電圧に
相当する基準電圧を発生させる回路をもうけ、この基準
電圧と前記感ガス素子両端電圧との差動出力に温度補正
を施したことを特徴としている。

【００１３】このように清浄大気中での複合センサから
の出力と同等な基準電圧と複合素子からの出力との差動
出力に温度補正を加えることで、清浄大気中では、出力
電圧がゼロに等しく、またガス中ではそのガス濃度に対
応した出力電圧が得られるという複合型ガスセンサの優
れた機能を損なうことなく温度補償をかけることができ
る。

【００１４】ここで、温度補償をかける方法は、ＮＴＣ
サーミスタを用いてもよいしまた別途もうけた温度検知
回路からの出力信号により補償してもよい。

【００１５】次に本発明では、清浄大気中での通電初期
にみられる複合型ガスセンサの出力信号の変化に相当し
て基準電圧も変化させ、その基準電圧とガスセンサの出
力電圧との差動出力を検出することで、清浄大気中で通
電を開始した直後の不安定な出力変動を大幅に改善し
た。このようなガスセンサ側からの出力と基準電圧との
差を検出する方法は、本発明にある複合型のセンサとの
組み合わせにおいて初めて可能になるものであり、これ
までの単独のガスセンサでは、清浄大気中での出力レベ
ルが変動したり、長期的に変化したりするため事実上不
可能であった。

【００１６】ここで、基準電圧を変化させる方法として
コンデンサーの充電特性を利用した方式でも良いが、こ
の方式に限定するものではなく、マイコン等を用いたよ
り精度の高い基準電圧の設定方式を採用してもよい。

【００１７】また前述の基準電圧を通電開始後から変化
させ出力電圧を安定化させた場合でも、特異的に通電開
始直後の数秒以内にわずかな出力変動が観察される場合
がある。これはセンサ素子が十分過熱されていない状態
で素子に電圧が印加されるため、素子が一種のコンデン
サーのように作用する充電電流に起因するものと考えら
れる。このようなわずかな出力電圧の変動も正確なガス
検知には障害になる。本発明ではこの出力変動を、通電
開始直後から所定の時間までセンサの感ガス素子部に印
加される電圧のみを遮断することで解決した。この遮断
時間は、センサ素子の昇温特性によって異なり、センサ
チップが小さく短時間で昇温されるものは短く、逆にセ
ンサ素子が大きく昇温に時間がかかるものの時間は長く
なければならない。本発明の実施例では、出力変動は通
電初期のまだセンサ素子が十分加熱されていない０．５
秒から数秒の間に発生している。従ってセンサの熱容量
によっても異なるが通電開始後から１０秒までの範囲で
素子への電圧印加を遮断すれば十分である。もちろんよ
りセンサチップが小さく熱容量が小さければさらに短い
時間でもよい。このような方式は、センサ素子に低温域
で直接電圧が印加されないため、特に１００度以下のよ
うな水蒸気や各種吸着成分が付着しやすい温度域では、
電圧印加の際に発生しやすい電極反応や分極などによる
センサ素子の劣化を防ぐ効果も期待できる。さらに１０
０度以下の低温域でも、直接感ガス素子に電圧を印加し
ても影響が小さければ、単にこの通電初期にみられる出
力変動を、センサ側からの出力と基準電圧との差動出力
の後段に設けた回路の中に通電開始後から１０秒間、出
力を遮断する回路を設けても本発明の目的は達成され
る。

【００１８】以下に本発明の内容を実施例によってさら
に説明する。（実施例１）第一の感ガス素子とその温湿度依存性が前
記第一の感ガス素子と同等でかつ感ガス特性に差異を設
けた第二の感ガス素子を同一基板上に設け、基板の反対
側に設けたヒーターにより約３５０度に加熱してガスセ
ンサを動作させた。第一の感ガス素子からのセンサ出力
と第二の感ガス素子からのセンサ出力を別々に図１にあ
るように差動増幅器に入力した。ここで清浄大気中で
の第一の感ガス素子と第二の感ガス素子との出力差がほ
ぼゼロになるように可変抵抗（Ｒ１）を調整し、差動増
幅器からの出力をゼロレベル近くに調整する。実際の
調整レベルでは対象ガスの代表的な検知出力レベルの５
％以下をを目安にし、本実施例では０．１Ｖ以下になる
ように調整した。またこのとき二つのセンサ出力に若干
の差を設けることで、温湿度やノイズガス等による出力
のドリフトが差動増幅器からの出力に現れないように
することも有効である。

【００１９】次にこの差動増幅器からの出力Ｖａに温
度補償回路を使用して温度補償をかける。本実施例で
は、ガス中での出力特性の温度依存性を考慮したＮＴＣ
サーミスタ（ＲＴ）を図１にあるように回路に組み込
んで使用した。図２の曲線イは、温度補償前の一酸化炭
素１００ｐｐｍ中での出力特性であり、ロは温度補償後
の出力特性である。またハは清浄大気中での出力特性で
あり、この出力特性は、温度補償の有無によってほとん
ど影響を受けない。

【００２０】このように本発明では、清浄大気中での出
力特性は常にゼロレベルを維持し、かつ広い温度範囲で
複合型ガスセンサの温度補償を可能にするものである。
なお本実施例では、同一基板上にセンサ素子を設けた
が、別々の素子を同一のケース内に納め温湿度の影響を
同等にしたセンサでも同様な成果が得られる。

【００２１】（実施例２）第一の感ガス素子とその温湿
度依存性が前記第一の感ガス素子と同等でかつ感ガス特
性に差異を設けた第二の感ガス素子を同一基板上で直列
に接続し、二つの感ガス素子の接続点の出力電圧を取り
出した。なおセンサは基板の反対側に設けたヒーターに
より約３５０度に加熱して動作させた。

【００２２】ここで清浄大気中でのセンサ出力に相当す
る基準電圧を回路よって発生させ、このセンサ出力を
図３にあるように差動増幅器に入力した。このとき清
浄大気中での差動増幅器からの出力が実施例１と同様
に０．１Ｖ以下になるようにＲ２を調整した。

【００２３】次にこの差動増幅器からの出力Ｖｂに温
度補償回路を使用して温度補償をかける。本実施例で
も実施例１と同様に、ガス中での出力特性の温度依存性
を考慮したＮＴＣサーミスタ（ＲＴ）を回路に組み込
んで使用した。その結果、清浄大気中での出力特性は常
にゼロレベルを維持し、かつガス中での出力を広い温度
範囲で補償できることを確認した。

【００２４】（実施例３）本発明の第３の実施例を示す
回路図を図４に示した。ここでは、実施例２にある基準
電圧発生回路にコンデンサ（Ｃ１）の充電特性を利用
し、通電開始直後から基準電圧が図５のように変化する
ような基準電圧の設定回路を付加した。この基準電圧の
変化のパターンは、ガスセンサの通電開始後の代表的な
変化パターンに類似させて定数を決定することが重要で
ある。本実施例ではＣ１が２２μＦであり、Ｒ３が１Ｍ
Ωであるが、これらの値は必要とされる基準電圧の変化
のパターンに応じて変えればよい。この回路を付加後の
センサを常温常湿でやく１、２、７日間それぞれ放置し
た後の通電開始後の出力特性を求めた。その結果、図６
に示されるように、本発明による通電開始後から一定時
間の間基準電圧が変化する回路を付加したセンサ回路の
出力は通電開始後から一定していた。一方、本回路を付
加していない場合は図６に表したように、通電開始から
出力特性が安定するのに２分から数分かかっていること
がわかる。このように本発明では通電開始直後から一定
の出力特性を得ることができる。

【００２５】（実施例４）本発明にある実施例３にある
回路を用いても、特異的に通電開始直後の数秒以内にわ
ずかな出力電圧が検出されることがあることは、すでに
述べたが、この変動を除去する方法として通電開始後か
ら所定時間の間、感ガス素子部にのみ電圧が印加されな
いよう複合型センサのセンサ素子部に図７に示すように
電圧印加を遮断するトランジスタ（Ｔｒ）を設け、この
トランジスタを回路を設けて制御した。本実施例では
約１秒の電圧遮断時間を試験し、通電開始直後の電圧変
動が抑制できることを確認した。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、複合型
のガスセンサを実際に使用する際にきわめて重要な温度
補償の方法を実現した。さらに本発明では、複合型のガ
スセンサにおける通電初期の安定性がさらに改善され、
通電初期からほとんど一定な出力レベルが得られる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図である。

【図２】ガス検知装置の出力特性を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す回路図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示す回路図である。

【図５】基準電圧の経時特性を示す図である。

【図６】通電開始後の出力特性を示す図である。

【図７】本発明の第４の実施例を示す回路図である。

【符号の説明】

１第一の感ガス素子２第二の感ガス素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の感ガス素子とその温湿度依存性が
前記第一の感ガス素子と同等でかつ感ガス特性に差異を
もうけた第二の感ガス素子が同一基板上にもうけられる
か、もしくは２個の感ガス素子が一つのセンサケースに
収められたガスセンサを用いたガス検知装置において、
二つのセンサの出力の差動出力を取り出し、この差動出
力に温度補正を施したことを特徴とするガス検知装置。
【請求項２】第一の感ガス素子とその温湿度依存性が
前記第一の感ガス素子と同等でかつ感ガス特性に差異を
もうけた第二の感ガス素子が同一基板上にもうけられる
か、もしくは２個の感ガス素子が一つのセンサケースに
収められたガスセンサを用いたガス検知装置において、
二つの感ガス素子部を直列に接続し、いずれか一方の感
ガス素子両端電圧を取り出し、他方で清浄大気中で前記
感ガス素子両端電圧に相当する基準電圧を発生させる回
路をもうけ、この基準電圧と感ガス素子両端電圧との差
動出力に温度補正を施したことを特徴とするガス検知装
置。
【請求項３】センサの通電初期にみられる出力電圧の
変化に対応させて基準電圧を変化させ、基準電圧とセン
サ側からの出力電圧との差動出力の変動を低減すること
を特徴とする請求項１または請求項２記載のガス検知装
置。
【請求項４】コンデンサの充電特性を利用して通電開
始後の基準電圧を変化させることを特徴とする請求項３
記載のガス検知装置。
【請求項５】あらかじめ回路内のメモリに記憶させた
基準電圧の変化にしたがって通電開始後の基準電圧を変
化させることを特徴とする請求項３記載のガス検知装
置。
【請求項６】通電開始後から１０秒までの範囲でセン
サの感ガス素子部に印加される電圧を遮断する回路を有
することを特徴とする請求項３記載のガス検知装置。
【請求項７】センサ側からの出力と基準電圧との差動
出力の後段にもうけられた回路内に通電開始後から１０
秒までの範囲で出力を遮断する制御回路をもうけたこと
を特徴とする請求項３記載のガス検知装置。