JPS5918657B2 - 特定種類の還元性ガスを選択的に検出するガス検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特定種類の還元性ガスを選択的に検凪するガス
検出装置に関するものである。

金属酸化物半導体の抵抗値が雰囲気気体により変化する
ことは広く知られ、特許第５６８９５７号等により種々
の用途が提案されている。

従来のガス検出装置においては、種々の還元性ガスが無
差別に検出されるものであつたため、実際の使用にあた
つて、本来検出の目的とするガスは、アルコールガス検
出用、プロパンガス検出用、Ｃｏガス検出用等の各用途
に応じて限定されるものであるにもかかわらず、使用さ
れる雰囲気中に検出の目的とするガス以外の不要な還元
性ガスが混入している場合でも検出に際してこれらを区
別することができず、このような不要ガスにまで応答し
て装置が本来の目的とは異なる誤動作を起すことが往々
にしてあつて精度上極めて信頼性の乏しいものであつた
。本発明は上記の点に鑑み、用途に応じて検出対象とす
る特定種類のガスだけを選択的に検出し、検出対象外の
ガスの影響による誤差を非常に小さくすることができて
検出精度が格段に向上せしめられ、しかも、設定条件等
を適宜選定しておきさえすれば任意のガスに対して上述
せる如き選択的検出効果を発揮し、各種の用途に好適に
利用することができ、その上使用する素子の構造が簡単
でコンパクトにし得、製作性にもすぐれ、コストを低廉
化することのできるガス検出装置を提供するものである
。

先ず本発明を原理的に説明しておくと、本発明では、ガ
スを検知する要素として二つのガス検知素子を用い、こ
の画素子はそれぞｎｌガス感知部と共に、酸化作用によ
り選択的に数種の還元性ガスの透過を阻止するようなフ
ィルター部を設け、該フィルター部を透過する還元性ガ
スだけがガス感知部において感知されるようにしておく
。

上記フイルタ一部は、その酸化触媒としての能力に応じ
て特定一種類乃至数種類の還元性ガスに対しては、大気
中の０２と反応せしめて不活性ガスに変えることにより
、その還元性ガスとしての透過を殆ど阻止し、その他の
酸化されにくいガスを選択的に透過せしめるものである
。このフイルタ一部の素材としては、ガス感知部に用い
る金属酸化物半導体、もしくはそれにＰｄ，Ｐｔ，ＲＳ
の貴金属を添加したものを用い、ヒーターによりフイル
タ一部を局所的に高温に加熱してガス感知部よりもその
酸化活性を高めてフイルタ一部とするものである。この
場合、フイルタ一部の酸化能力は加熱温度によつて変わ
る。そしてフイルタ一部を透過するガスの種類は、この
フイルタ一部の酸化能力の程度に依存する。そこで、上
記画素子のそれぞれのフイルタ一部の加熱温度を相違さ
せておくことによつてそれぞれのフイルタ一部を透過す
るガスの種類、即ち上記各素子のそれぞれにおいて検知
されるガスの，種類に差を持たせ、この画素子により、
雰囲気中の還元性ガスの中から各フイルタ一部の酸化能
力に応じてそれぞれ数種の還元性ガスを選択的に検知さ
せ、この二つの出力を相殺することにより、上記画素子
のうちのいずれか一方では検知されずに他方では検知さ
れるような特定種類のガスだけを検出するものである。
ここで、上述せる方法によつて特定種類のガスが選択的
に検出されることを明確にするため６第１図のグラフで
、酸化触媒を素材とするフイルタ一の酸化能力と各種ガ
スに対する透過性との関係を示しておく。

同グラフにおいて、縦軸はガス透過率を、横軸はフイル
タ一の酸化能力即ち酸化触媒としての活性度を表わして
おり、同グラフ中の曲線Ａ−Ｅは、ＡがＣＯガス、Ｂが
Ｈ２ガス、Ｃがエタノーノレ、Ｄがイソブタン、Ｅがメ
タンに対するフイルタ一の酸化能力と透過率との関係を
示す。同グラフに示す如く、これらのガスの中ではＣＯ
ガスが最も透過が阻止され易く、フイルタ一が同グラフ
の横軸に符号ａで示す程度の比較的低い酸化能力を持つ
場合には、ＣＯガスのみ透過率が著しく低くなつて他の
ガスは殆ど透過することとなる。これはつまり、この程
度の酸化能力においては、上記各ガスの中で最も酸化さ
れ易いＣＯガスがフイルタ一の触媒作用で大気中の０２
で酸化されて不活性なＣＯ２となる結果ＣＯガス自体の
透過は殆ど阻止さ札一方これより酸化されにくい他の各
ガスは殆ど酸化作用を受けずに透過されるためである。
また、フイルタ一の酸化能力がこれよりもう少し高くて
同グラフに符号ｂで示す程度である場合には、ＣＯガス
に加えてその次に酸化され易いＨ，ガスも酸化されてＨ
２αこ変わるので、この二種類のガスの透過が殆ど阻止
されてその他のガスが透過されることとなる．以下同様
にして、フイルタ一の酸化能力が高くなるにつれて酸化
され易いものから順に透過を阻止されるガスの種類が増
レ同グラフに例示したガスについていえば、同グラフに
符号ｃで示す程度の酸化能力においてはＣＯ，Ｈ２，ア
ルコールの三者が透過を阻止されてイソブタンとメタン
が透過し、符号ｄで示す程度の酸化能力においてはメタ
ンだけが透過されることとなる。そして、前述せる如き
本発明で用いられる素子においては、このグラフに表わ
されたフイルタ一の酸化能力に対する各ガスの透過率は
、とりもなおさず、素子のフイルタ一部の酸化能力に対
レフイルタ一部を備えない場合に比べてこの素子がどの
程度ガスを検知するかを示すことになるわけであるから
、前記画素子におけるフイルタ一部の酸化能力を相違せ
しめておけば、画素子において検知するガスの種類に差
が生じ、以つて前述せる方法により特定ガスの検出が可
能となることが解る。以下、本発明の実施例を第２図お
よび第３図に依拠して詳説する。

第２図において、１及び『のそれぞれ選択的にガスを検
知し得るガス検知素子で、いずれも、気密性を有するガ
ラスやセラミツク等の絶縁性素材にて形成したコツプ状
の容器２，２″内に充填されたガス感知部３，３″並び
にフイルタ一Ｓ４，４″を備え、このフイルタ一部４，
４″を通してのみガス感知部３，３″にガスが導入され
るようにしている。

上記画素子１，１″のそれぞれに８いて、ガス感知部と
フイルタ一部とを形成する素材として単一の金属酸化物
半導体を用い、部分的に温度差を持たせることによつて
上記両部が構成されるようにしている。これは、ガス感
知体の素材として知られる金属酸化物半導体が酸化触媒
としての働きも持ち、特に、ガス感知体として適当な温
度に保つた場合にはガスに触れることにより抵抗値が大
きく変化してガス感知作用を発揮するＴｐ．．，さらに
これより高い温度に加熱した場合には、その温度の高さ
に依存して酸化触媒としての働きが強くなると共に電気
的には導体に近くなつてガスに対する抵抗値変化は小さ
くなるという性質を利用するものである。即ち、上記容
器２及び２″にそれぞれ金属酸化物半導体５，５″が充
填され、且つ、この金属酸化物半導体５及び５″の容器
開口側に臨む部分に、素子の一方の電極を兼ねるヒータ
ー６及び６５が埋設され、以つて、このヒーター６，６
′からの距離の関係で、上記金属酸化物半導体５及び５
″は開口側に近い部分ほど高い温度に加熱されるように
してある。従つて、ヒーター６及び６５に通電した状態
では、上記各金属酸化物半導体５及び５の容器開口側に
臨んだ部分は、酸化触媒作用を有すると共に電気的には
導体に近くなる程度の高い温度に加熱されてフイルタ一
部４及び４″として働き、これより内側の部分は比較的
低い温度に加熱されてガス感知部３及び３″として働く
。かかる構造によれば、上記ヒーター６及び６゛による
フイルタ一部４及び４″に対する加熱温度条件が、フイ
ルタ一部の酸化能力、即ち第１図のグラフにおける横軸
に対するフアクタ一となり、この加熱条件に依存してフ
イルタ一部が第１図のグラフに示される如き各種ガスに
対する透過特性を持ち、素子としてもこれに基づいた選
択的なガス検知作用が得られる。そこで、上記画素子１
，１″の各ヒーター６，６″の抵抗値を変え或いは各ヒ
ーター６，ぎにかける電圧を相違させておくことにより
、それぞれのフイルタ一部４と４″の加熱温度を相違さ
せ、以つて、画素子１と１″がそれぞれ検知し得るガス
の種類に差異を持たせるようにしてある。７，７１はそ
れぞれの素子１，１″の他方の電極、８は上記各ヒータ
ー６，６″に対するヒーター電源である。

このような各素子の構造において、電極とヒーターとを
別個にしてヒーターを容器の外周端部に被嵌せしめるよ
うにしておいてもよい。尚、当明細書においていう金属
酸化物半導体とは、単にＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３やその他
各種金属酸化物半導体の単位を意味するだけではなく、
複数種類の金属酸化物半導体を混合したものや、これら
にＰｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ９Ａｇ９Ａｕ等の触媒を添加
したもの、さらにアルミナやシリカ等を含有せしめて機
械的強度を高めたもの等も含む広義の金属酸化物半導体
を意味するものである。

］ そして、この２個の素子１，１″はそれぞれに抵抗１０
，１０″を介して互いに並列に回路電源９に接続さ札こ
の並列回路の間に電気作動物１１が接続されており、以
つて、上記画素子１，１″の各出力の差にあたる電圧が
電気作動物１１にかかるようにしている。

而して、上記画素子１，１″の各ヒーター６，６″の抵
抗値及びヒーター電源９の電圧を適宜設定することによ
り、例えば、一方の素子１のフイルタ一部４が第１図の
グラフに符号ｂで示した程度の酸化能力を持つようにし
、他方の素子１″のフイルタ一部４″が第１図のグラフ
に符号ｃで示した程度の酸化能力を持つようにした場合
、上記一方の素子１には、同グラフの各ガスの中でＣＯ
とＨ２とは殆ど検知されずにエタノール、イソブタン、
メタンが検知さ礼 また他方の素子１″には、ＣＯ．Ｈ
２，エタノールが殆ど検知されずにイソブタンとメタン
が検知されることとなる。

従つて、この場合には、ＣＯガスとＨ２ガスは両端子１
，１゛とも殆ど検知せず、またイソブタンとメタンに対
しては画素子１，１″に直列接続された両抵抗１０，１
０″にかかるそれぞれの出力電圧はほぼ同等に変化して
画素子１，１″の出力に殆ど差が生じないためやはり前
記電気作動物１１は応答せず、エタノールに対してだけ
上記画素子１，１″の出力に顕著な差が生巳 この差に
あたる電圧が最終的な出力として電気作動物１１に加わ
り、エタノールだけが選択的に検出されることとなる。
尤も、実際にはこのような場合にも、上記両フイルタ一
部４，４″において、それぞれの酸化能力に応じてエタ
ノールより酸化され易いＨ２ガス等も多少は透過され、
またエタノールより酸化されにくいイソブタン等も多少
は透過が阻止されるので、これらのガスに対しても上記
電気作動物６にかかる電圧としての最終的な出力は少し
は出てくる力丸 これらは工タノールに対する最終的な
出力に比べると格段に小さいため、エタノールに対して
秀れた選択的検出効果が得られることは間違いない。ま
た、この例以外でも、上記各フイルタ一部４，４″の酸
化能力を決める温度条件の設定に仕方によつて、例えば
各フイルタ一部４及び４″がそれぞれ、第１図のグラフ
の符号ａ及び符号ｂの酸化能力を持つ場合には上記の動
作に準じてＨ，ガスが選択的に検出され、符号ｃ及び符
号ｄの酸化能力を持つ場合にはイソブタンが選択的に検
出されるというように、検出したいガスの種類に応じて
各フイルタ一部４，４″に対する設定条件を適宜選定し
ておきさえすれば任意に所望の特定単一種類のガスを選
択的に検出し得る。

さらにまた、各フイルタ一部４，４゛の酸化能力の差を
大きくしておけば、その間において透過率の変わる数種
類のガスを選択的に検出せしめることもできる。このよ
うにして所望の単一種類若しくは数種類のガスを選択的
に検出し得ることとなるが、製作にあたつてその所望の
ガスを検出するに適当なフイルタ一部の加熱温度などの
設定条件を定めるには、予め実験的に、例えば試料用の
各種標準ガスに対し、種々の設定条件における素子の出
力、或いは上記の如き回路を組んだ時の電気作動物にか
かる出力を調べておくことにより、所定の選択的検出動
作を得るに適した設定条件を知ることができるかけであ
る。

また、本発明における装置の別の実施例として、第３図
に示すように、前記実施例における画素子の各容器にあ
たる２つの収納部２ａ，２ｂを並設連成した形の一体構
造としてもよい。

この場合もその他の構成は前記実施例の場合と同様であ
る。また、本発明の装置は、前記電気作動物として、メ
ーター、警報器、換気扇、電磁弁やその他各種の制御機
器等を任意に採用することにより、警報装置、ガス流路
遮断装置、防火装置、換気装置等種々の用途に使用し得
る。叙上の如く本発明は、ガスを検知する要素として二
つのガス検知素子を用い、この二つのガス検知素子はそ
れぞれ、コツプ状の容器に充填した金属酸化物半導体の
容器開口部側を高温に加熱して、この部分を所定の種類
のガスの透過を阻止するようなフイルタ一部とし、上記
半導体の他の部分をガス感知部とするように形成し、こ
の画素子の各フイルタ一部の加熱温度を相違させること
により、画素子がそれぞれ検知し得るガスの種類Ｓこ差
を持たせ、この二つの素子の出力を相殺するようにして
いるため、いずれか一方の素子において充分に検知され
て他方の素子には殆ど検知されないような特定種類の還
元性ガスを選択的に検出してその他の還元性ガスによる
影響を非常に小さくすることができる。

つまり、フイルタ一部の酸化能力と各種ガスに対する透
過率との関係は第１図のクラブに示す如くなるので、検
出の目的とするガスに対し、いずれか一方の素子のフイ
ルタ一部はそのガス及びそれ以上に透過性の高い還元性
ガスを選択的に透過し得る程度の酸化能力を持たせ、他
方の素子のフイルタ一部は目的のガスを殆ど透過せずに
それ以上に透過性の高いガスを選択的に透過し得る程度
にして２くことにより、検出の目的とする還元性ガスに
対しては画素子の感度に著しい差を持たせてその他の還
元性ガスに対しては画素子の感度の差を非常に小さくす
ることができる。従つて、上述せる方法により目的とす
る特定種類の還元性ガスに対する選択的な検出効果が発
揮されて検出対象外の還元性ガスの影響を非常に少なく
することができ、検出目的とする還元性ガスに対する精
度を格段に向上する。しかも、各ヒーターによる各フイ
ルタ一部の加熱温度の調整によつて所望の還元性ガスを
上述せる如く選択的に検出し得るので、アルコール検出
用、プロパンガス検出用、ＣＯガス検出用など各種用途
に利用することができる。さらに、本発明装置における
各素子は、耐熱絶縁性材料からなるコツプ状の容器内に
ガス感知部およびフイルタ一部を充填することにより、
上記容器がガス感知部とフイルタ一部を一括に保持およ
び保護すると共に、該容器によりガス流通方向が規制さ
れてその開口部にのみフイルタ一部を充填すればよいよ
うにム しかもガス感知部とフイルタ一部とを金属酸化
物半導体に温度分布を持たせることによつて形成してい
る。

このため、構造が簡単でコンパクトになり、製作が容易
になる。その上、上記筒状容器の存在によりフイルタ一
部の加熱、保温も容易になつて、各素子のフイルタ一部
の酸化能力を適度に調整することができ、また画素子の
寸法、形状等を容易に一定化することができてこれら条
件のばらつきによる誤差を防止することができ、従つて
、装置のガス選択検出機能も向上されるものである〇

【図面の簡単な説明】

第１図はフイルタ一の酸化能力と各種ガスの透過率との
関係を示すグラフ、第２図および第３図はそれぞれ本発
明の実施例を示すガス検知装置の断面構造を含む回路図
である。 １．１″・・・・・・ガス検知素子、２，２″，２ａ，
２ｂ・・・・・・容器、３，３″・・・・・・ガス感知
部、４，４゛・・・・・・フィルター部、６、６′・・
・・・ヒーター、９・・・・・回路電源、１０、１０′
・・・・・・電気作動物。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ （１）一対のガス検知素子を具備し、（２）該両素
   子はそれぞれ、耐熱絶縁性素材で形成されたコップ状の
   容器と、この容器の内部に充填されたガス敏感性金属酸
   化物半導体と、容器開口部付近に配設されて上記半導体
   を容器開口部側を高温側として温度分布を持たせて加熱
   することにより、この半導体の容器開口部側の部分を所
   定の種類のガスの透過を阻止するフィルター部とし、こ
   の半導体の他の部分をガス感知部とするヒーターと、こ
   のガス感知部に接続した一対の電極とからなり、（３）
   この両素子の各ヒーターによる各フィルター部の加熱温
   度を相違させ、（４）該両素子をそれぞれ抵抗を介して
   互いに並列に電源に接続し、（５）且つ、この並列な回
   路の間に電気作動物を接続し、（６）上記両素子のいず
   れか一方には検知されて他方には検知されないような特
   定種類のガスに対する出力が上記電気作動物にかかるよ
   うに構成したことを特徴とする特定種類の還元性ガスを
   選択的に検出するガス検出装置。