JPS6042646A - ガス感知回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はＳ　ｎＯ２などのガス敏感性金属酸化物半導体
（以後単にガスセンサーと称する）を使ったガス感知回
路に関するものであり、特にこのセンサーを換気装置等
の自動運転に利用する場合にアナログ的なセンサーの電
気抵抗値の変化を簡単な方法でディジタル的な信号に変
換し、しかも換気装置等に要求される空気中の還元性気
体（以後単にガスと称する）の換気レベルでの分解能を
高めるＡ−Ｄ変換の方法に関するものである。

従来例の構成とその問題点 第１図に示すのは現在ガス警報器などに使用されている
Ｓ　ｎ　０２などを主成分としたガスセンサーの使用回
路例である。１０１は電源、１０２はトランス、１０３
はガスセンサー、１０４，１０５は抵抗である。第２図
はこのガスセンサーのガス中での変化を示したグラフで
あり、横軸はガス濃度、縦軸は第１図に於ける抵抗１０
５の両端電圧　“■ＯＵＴである０第１図の回路例で示
されるようにガスセンサー１０３にはトランス１０２を
介してヒーター電圧が常に印加されており、ガスセンサ
ー１０３の表面温度は数百塵になっている。つまりこの
ような高温に保つ事によりガスセンサー１０３の表面で
は触媒の作用によりガスの接触で電気伝導度が変化し抵
抗１０５の両端電圧■ＯＵＴは第２図のようにガス濃度
に比例した変化をするのである。つ捷り第１図に示した
ガスセンサーはガス濃度が上昇すると電気抵抗が下がる
と言うものである。１１０はその変化を示した特性曲線
である・ととろで、第３図は台所での調理の際にガス濃
度がどのように変化して行くかを横軸に時間！縦軸にガ
スセンサーの電気抵抗値変化よりめたガス濃度でもって
示しだグラフである。調理に於けるガスの発生はガスレ
ンジの微小な不完全燃焼ガスに基づくものや、魚などを
焼いた時の煙、水蒸気によるガスセンサーの感度上昇等
々によるものが主体であ、る。しかし、一般にこのよう
な原因でのガス（この場合は見掛上のガス成分）の増加
金 は極めて少く、第３図に示しだように数十〜数十ｐｐｍ
（特定ガス濃度換算）位にしか々ら々い。

これは同ガスセンサーをガス警報器に使用した時の問題
となるレベルである数千ｐｐｍと比べると非常に低いレ
ベルである。第３図の特性例はある台所の調理に於いて
、ガスレンジ上鉤１．２ｍの壁面上にガスセンサーを取
付け、測定したものであるが、このような特性は調理の
種類、環境条件によって多少差があり、すべての調理が
同一傾向の過程を通るとは言えない。ところで、第４図
は台所にガスセンサーを第３図と同じような条件で取付
け、そのまま放置しておいた時のガスセンサーが検出す
る見掛」二のガス濃度を第１図のｖｏＵＴより換算して
めたものであり、横軸は時刻、縦軸はガス濃度である・
このタイムチャート図は特に真夜中の零時より午前１０
時迄を記録したものであり、すべての時間に渡り調理の
動作は行っていない。又、ガス濃度とあるのは先程示し
たように単純にガス漏れがしたとか、文例かのガス成分
があったとか言うガスそのものばかりではなく５周囲の
温度、湿度などの変化に伴なう複合要素によるガスセン
サーの反応の結果を示しているものであり、この場合は
ガスセンサーの環境によるドリフト現象と見るのが正し
い。つ１り現在一般に使われているガスセンサーにはこ
のような環境の変化に伴なうドリフト現象があり特にガ
スセンサーにヒーターが内蔵されている為５周囲温度の
変化を受ける事は容易に考えられ、又ガスセンサーに触
媒が使用されている為、空気中の湿度によってもその特
性が左右される事は十分予想される■第４図の例では早
朝の３〜５時頃、ガスセンサーはあたかもガス濃度の上
昇を示すような変化をしている。この現象は先程、説明
した要因の内湿度によるものであると考えられる。つま
り一般に早朝の３〜６時頃は気温が下がり始め、湿度が
急激に上昇する時間である０このようにガスセンサーは
第４図に示す半日のドリフトだけではなく、１日。

１週間、１ケ月などの単位で天候や季節の移り変わりな
どにより、少しずつではあるが徐々に様々な変化を繰返
しているのである０しかし、このようなガスセンサーの
環境による変化は第４図に見るように余り大きな変化で
はない。先程も示したようにガスセンサーをガス警報器
などに利用した場合１問題となるガス濃度は数千ｐｐｍ
のオーダーであり、この値と比較するとドリフトは極め
て微小な変化と言える。ところが、このガスセンサーを
換気装置などの自動運転に利用した場合はこの自然の移
り変わりによる変化は無視する訳には行かない０それは
第３図の例を見ても判るように調理等に伴なうガス濃度
の変化域は比較的自然によ６　・　−・ る変化域に近い。つまり換気装置などに利用した場合、
ガスに対する感度を良くしようと感度を少し高くしただ
けで換気装置は空気が汚れていないにもかかわらず自然
の変化のみで動作してしまうと言う困った現象を示す０
更に第６図からも判るように第１図に示すガスセンサー
の使用回路例の場合、ガスセンサーと抵抗１０４の並列
合成抵抗をＲｑ、抵抗１０５の抵抗値をＲＬとした時、
電源電圧をＥとするとｖｏＵＴは となり、ＲＧが小さい方がｖｏＵＴの変化度合いは大き
い。ところで第１図に示す、ガスセンサーは抵抗１０５
と直列にして電源間に入れると言う使い方が一般的であ
り、これは通電開始からガスセンサーが安定な特性とな
るまでの時間がヒータ電源だけに依存するのではなく、
このような回路方式とした方が短くなると言う理由によ
るものである。ところでガスセンサーはガスの接触によ
シその電気抵抗値が変化する訳であるが、その変化度合
いは原理的に見て低濃度域の方が大きい。つまりガスの
濃度が高くなればなる程その抵抗の変化は鈍ってきて、
遂にはガスの接触ではほとんど変化し々くなる。このよ
うにガスセンサーそのものが低濃度域で急峻な特性を示
すのに加えて回路方式が第１図に示すような使用方法で
あると、２つの効果が重なりガスセンサーの周囲の環境
の変化に伴なうドリフトが大きく、抵抗値の全体の変化
幅が制限されると換気動作に必要な換気レベルでの十分
な抵抗値の変化は得られない。第６図はそれを説明した
グラフであり、横軸はガス濃度、縦軸は同様に出力電圧
（ＶＯＵＴ）である。周囲の環境によるガス濃度の変化
を例へばＣ１〜Ｃ２とし換気レベルでのガス濃度の変化
を０３〜Ｃ４とするとそれぞれのｖｏＵＴの変化は■１
〜ｖ２．■３〜■４となっている。ところで先程説明し
たようなガスセンサーの性質及び回路方式により０１〜
Ｃ２の変化幅をΔＣ１，Ｃ３〜Ｃ４をΔＣ３■１〜ｖ２
をΔｖ１■３〜■４をΔｖ３としだ時　Δｖ１／ΔＣ１
〉Δｖ３／ΔＣ３となり、分解能としては換気レベルの
方が極めて悪い。第６図はガス濃度を更に上げ、警報領
域までについて示したグラフであり横軸はガス濃、縦軸
は■。ＵＴである。Ｃ１ｏ−０１１は低濃度域での変化
（変化幅ΔＣ１ｏ）０１１〜Ｃ１２は換気レベルでの変
化（同ΔＣ１１）０１２−０１３は警報領域での変化（
同ΔＣｌ２）でありそれぞれの時のｖｏＵＴの変化は■
１０〜■１１（Δ■１ｏ）・ｖ１１〜■１２（Δ■１１
）穿■１２〜ｖ１３（Δｖ１２）である。又■ｍａｘは
ガスセンサーの信頼性を考慮した実使用時のＶＯＵＴの
上限値である。

第６図のグラフはこのようなガスセンサーを換気装置等
の自動化にのみ利用するのではなくこの換気装置に一部
ガス警報器の役目をさせようとするものを想定して示し
たものである。ガスセンサーを換気装置等に利用するに
しても又ガス警報器までを含めた装置に利用するにして
も当然ｖｍａｚなるものが自ずと決まって来る。これは
回路電圧やガスセンサーの信頼性を保証したりする意味
から自然と決まって来るものであり、このＶｍａＸを低
濃度領域、換気レベル、警報領域で分圧するものとなり
（Δｖ１ｏ／ΔＣ１ｏ）〉（Δ■１１／７！１Ｃ１１）
〉（Δｖ１２／ΔＣｌ２）なる関係が成立する為このＶ
ｍａ　ｘの内容は大半を低濃度領域のドリフトで占めら
れる事となる。

つまり、今迄説明した理由によりこのようなガスセンサ
ーを換気装置等の自動化かとに使用する事は極めて不都
合なものであると言える。その理由の１つは先程より説
明している通り、環境条件によるドリフトの為、誤動作
が生じ易い事０もう１つは肝心な領域（換気レベル）で
の分解能が悪い事である。特に、警報領域を考慮しなけ
ればならない使い方の場合はＶｍａＸをこの領域に対し
ても分圧しなければならないので換気レベルに於ける分
解能は一段と悪くなる事となる。ところが換気装置の場
合、発生するガス濃度でもって換気装置の運転停止を行
ったり、又安定した動作をさせる為にそのガス濃度に応
じた遅延動作をさせる場合などがある◎つまり不安定な
ガスの発生と言う現象でもって安定な換気装置の動作を
させる為には換気レベルでのガス濃度の分解能がかなり
要求さ１ｏ　・　− れるのが現象である。しかし、この領域の分解能を上げ
る事は当然低濃度領域での変化も大きくなる事りなりＶ
ｍａＸを不必要に広げる結果となる。

現在このようなガスセンサーを換気装置等に応用した商
品は２〜３見られるがそのすべてが自動換気動作に何ら
かの問題をもっており低濃度領域での誤動作を意識して
感度を調整すると一般の調理ではほとんど動作し々くな
ったり、文通に一般の調理での確実な動作を目的として
感度を調整すると動作はするが極めて停止しにくくなっ
たり、或いはドリフトの為調理をしていないにもかかわ
らず、動作をすると言った問題が生じており、その都度
”感度調整ツマミ”なる調整手段で感度を再調整すると
言った対応を行っているのが現状である。これは換気レ
ベルでの分解能が悪い為、使用者が手動動作などの手段
により微妙な調整が行えない為に生じるものである事は
明確な事実である・又正常時のガス濃度も場所による差
が大きく、使用する場所での調整が必要な事も事実であ
乙。

発明の目的 本発明はこのような従来の欠点を除去するものでありガ
スセンサーの低濃度領域での感度を高める事なく換気レ
ベルでの分解能を高める簡単なＡ−Ｄ変換回路を有する
ガス感知回路に関するものである。

発明の構成 本発明のガス感知回路はガスセンサーのアナログ信号を
ディジタル量に変換し、尚かつ同時に波形の整形をも行
う無安定マルチバイブレータ回路（以下単にマルチ回路
と称する）を有し、マルチ回路の発振時定数（ディジタ
ル量）が時定数用コンデンサに充電される電圧に対して
非直線である事を利用してガスセンサーからの信号であ
るアナログ量をディジタル量に変換する際、低濃度領域
での単位アナログ量の単位ディジタル量への変換量を小
さく換気レベルでの単位アナログ量の単位ディジタル量
への変換量を大きくシ、低濃度領域でのディジタル量の
変化量をダイナミックレンジ（Ｖｍａｘのディジタル量
）に対して少くし、換気レベルでの分解能を高めるよう
にしたものである。

尚マルチ回路に於けるディジタル量とはその発振周期の
事を言いこの発振周期の増減でもって空気中のガス濃度
の増減を判定するようにした事も本発明の特徴の１つで
ある。

実施例の説明 以下本発明の一実施例を第７図〜第１１図にもとづいて
説明する。

第７図は本発明の基本的な要素の１つと々っているマル
チ回路の回路図である。１は回路の電源。

２けコンデンサ５の充電電圧を規制する電圧が可変とな
っている直流電源、３，４は抵抗、６はＮＰＮ）ランジ
スタ、７，８は抵抗、９はコンデンサ、１０はＮＰＮ）
ランジスタである。ところで周知のようにマルチ回路は
回路に電源電圧が印加されると発振を始める訳であり、
その発振周期は抵抗４及びコンデンサ５．抵抗７及びコ
ンデンサ９で構成される２つの時定数回路で定められる
時間の和である。しかしこれは゛コンデンサ５及び同９
に充電される電圧が十分な場合と言う条件が必要であり
、これらのコンデンサに充電される電圧が不十分な場合
はマルチ回路の発振周期は先程の２つの時定数回路のみ
で左右されなくなりコンデンサ６及び９に充電される電
圧にも依存する事と々る。本発明はこの原理を積極的に
応用し。

しかもマルチの発振周期とコンデンサ５及び９に充電さ
れる電圧との間に非直線の関係の上に立った比例関係が
ある事を利用するものである。第８図に示すのは第７図
のＰ点に於ける電圧Ｅ。ＵＴのタイムチャート図であり
マルチ回路の発振周期はｔｌ　とｔ２　の和である・と
ころで第７図に於いて直流電源２を可変として電圧を変
えるとコンデンサ６の充電々圧が変化し、抵抗４．コン
デンサ６で構成される時定数回路の時間に影響を与える
。

影響される時間はマルチ回路の状態が、ＮＰＮ）ランジ
スタロがオン、同１ｏがオフとなっている時であり第８
図ではｔｌ　の時間である。つ１り第７図に於いて直流
電源２の電圧を変化させると第８図に於けるｔｌ　がそ
れに伴なって変化して行く事となる。第９図はこの特性
例を示したグラフであり、横軸にこの直流電源２の電圧
、縦軸にパル１４べ　〕・ ス幅（ｔｌ）を採って示している。そして、この時の電
源１の電圧は６ｖである。第９図に示すように、直流電
源２の電圧が降下して来るとパルス幅もそれに伴なって
狭くなっている。しかしこの変化は直線的ではない。つ
まり直流電源２の電圧がマルチ回路の電源１の電圧と余
り差のない間は比較的電圧変化に対するパルス幅の変化
度合は少いが、その差が大きくなって来ると急激に変化
度合いは大きくなる傾向を示す◎このような現象はマル
チ回路の基本的な性質として現れるものであり直流電源
２により充電されたコンデンサ６の電荷をその電圧より
高い電源１の電圧でもって放電して行く過程に於いてこ
の放電特性が直線的になっていない為に生ずるものであ
る。ところで、第９図のグラフは電圧と言うアナログ量
とパルス幅と言うアナログ量の関係を示しているが観点
を変えて見ると、このパルス幅と言うアナログ量は時間
と言う要素を基本としている量である為、マイクロコン
ピュータなどに於いてはこのアナログ量はほとんどディ
ジタル量と考えて良いものである〇つまり、第７図に示
すようにマルチ回路の時定数用コンデンサ已にその充電
々圧を決めるような変動電圧を与えてやると、マルチ回
路の発振出力にこの電圧に比例したディジタル量の変化
が得られ。

しかも変動電圧の各電圧値に於いて、ディジタル量への
変換に対するウェイト付けがそれぞれ異なったディジタ
ル量が得られるのである０つまり加えられる変動電圧が
マルチ回路の電源電圧に近い間は単位変動電圧に対する
ディジタル量の変動量は少く、それ以上、ある個迄の区
間に於いては（変動電圧〈電源電圧）単位変動電圧に対
するディジタル量の変動量は大きくなるのである。本発
明はこのような特性を利用して、ガス濃度（−印加され
る変動電圧）に、このような特性のウェイト付けを行い
なから即ディジタル量に変換しようとするものである。

第１０図に示すのはその実施例の回路図であり、説明を
簡単にする為ガス濃度をパルス幅に変換する部分につい
てのみ示している・２ｏは交流電源、２１．３１は電源
トランスであり、本例の場合は同一のコアに巻かれてお
り２１の方は回路電源用、３１はガスセンサ３ｏのヒー
タ電源用である。２２はダイオード、２３はコンデンサ
、２４は抵抗、２５はＮＰＮ）ランジスタ。

２６は定電圧ダイオード、２７はコンデンサ、２８．２
９は抵抗、３０は先程示したガスセンサ、３２は抵抗、
３３は定電圧ダイオード、３４は定電圧発光ダイオード
、３６はコンデンサ、３６　、３７は抵抗％３８はＮＰ
Ｎ　）ランジスタ、３９．４０は抵抗、４１はＮＰＮ）
ランジスタ、４２はコンデンサ、４３．４４は抵抗、４
６はコンデンサ、４６は抵抗、４７はＮＰＮ）ランジス
タ、４８゜４９は抵抗、５０はＮＰＮ）ランジスタ、５
１は抵抗である。

次に本回路の動作を説明する。電源トランス２１により
降圧された交流電圧はダイオード２２．コンデンサ２３
．抵抗２４．ＮＰＮ）ランジスタ２５゜定電圧ダイオー
ド２６．コンデンサ２７により、直流の定電圧に変換さ
れる。一方、抵抗２８．定電圧ダイオード３３．抵抗２
９．ガスセンサ３０゜抵抗３２．ヒータ電源３１はガス
濃度の変化を電圧（この場合は交流電圧）の変化に変換
する回路であり、ヒータ電源３１によりヒートアップさ
れたガスセンサ３ｏにガスが接触すると前にも述べたよ
うにガスセンサ３０の電気抵抗値が低下し、抵抗２８．
２９の分担電圧が上昇する。つまり本回路の場合はこの
内抵抗２８の分担電圧を利用しようとするものであり、
定電圧ダイオード３３はこの分担電圧の上限を規制する
ものである０又抵抗２９はガスセンサの最大電流を規制
するものであり、特にガスセンサが過度のガス応答を示
したような時には極端な低抵抗となる為、ガスセンサそ
のものの消費電力が上昇し、焼損する虞れがあるので、
抵抗２９はそのような時にガスセンサの電流を抑え焼損
を防止する等の役目を有しているが詳細な説明は省略す
る。抵抗３２はガスセンサの抵抗の上限値を抑え回路の
動作を安定化させるものである。このようにして作り出
されたガス濃度に比例する分担電圧は定電圧発光ダイオ
ード３４を通して点Ｔに伝えられる◎定電圧発光ダイオ
ードは微小（１〜２Ｖ）定電圧ダイオードの役目を８ しておりＴ点の電位の安定化を図っている。そして分担
電圧はコンデンサ３５により平滑化され、Ｔ点の電位は
極めて交流的な変化の少いものとなっている。抵抗３６
．３７．ＮＰＮ）ランジスタ３８、抵抗３９はインピー
ダンス変換回路を構成しており、これを通してＴ点の電
位はＵ点に現われる。ただこの場合、Ｔ点の電位の基準
が回路電圧の■側であったのに対してＵ点の電位の基準
は■側となっている。又Ｕ点の電位はＮＰＮ）ランジス
タ３８の■ＢＥの関係でＴ点電位よりは多少低い。この
ようにして、ガスセンサー３ｏの電気抵抗値の変化はＵ
点の電位の変化に変換された訳である。ところで抵抗４
０．４３．４４．４６、コンデンサ４２．４５．ＮＰＮ
）ランジスタ４１．４７で構成されるマルチ回路に於い
て、コンデンサ４２は抵抗４ｏを通してＵ点より充電さ
れる。

その為マルチ回路の抵抗４３．コンデンサ４２で構成さ
れる時定数回路の反転時間は全くＵ点の電位の影響を受
け、その反転時間はマルチ回路の発振パルス幅の変化と
なって現われ、このパルス幅と０点の電圧の関係は第９
図に示すものである。

ところがガスセンサーの電気抵抗値の変化要素を含んだ
マルチ回路の発振は第８図のように立上りが多少なまっ
た波形となっている為、抵抗４８゜４９．５１．ＮＰＮ
）ランジスタ５ｏにより波形整形を行いＮＰＮ）ランジ
スタ５０のコレクタよりＥＯＵＴとして取出し、安定化
を図っている。つまりＥｏＵＴの連続波形の中で電位が
０■となっている時間（パルス幅）にガスセンサーの抵
抗値の変化要素が含まれているのである。第１１図はこ
のパルス幅と、ガスセンサーの抵抗値の関係を示したグ
ラフであり横軸がガスセンサーの抵抗値。

縦軸がパルス幅である。このグラフに於いてガスセンサ
ーの抵抗値がＲ１ＨＲ２（パルス幅の変化はＰ１→Ｐ２
）が周囲の環境の変化によるドリフト域、Ｒ２→Ｒ３（
同Ｐ２−Ｐ３）が換気レベルに於ける変化域、Ｒ３，Ｒ
４（同ｐ３．−．ｐ４）　が警報域に於ける変化域であ
る。つまり環境によるドリフト域でのパルス幅の変化は
ガスセンサーの抵抗値の変化幅の割には極めて少く、こ
れは警報域についても同じ事が言える。ところが換気レ
ベルに於ける変化幅はガスセンサーの抵抗値の変化幅の
割には変化が大きい。つまり、この域に於いては分解能
が良い事を示している。

尚、第１０図の回路に於いて抵抗２８，３２の抵抗値も
第１１図のグラフに影響を与える事は当然であり、マル
チ回路の第９図の特性を利用して換気レベルに於ける分
解能を向上させるには抵抗２８．３２に対して適当な抵
抗値を選択する必要がある事は言う壕でもない。

発明の効果 このように本発明によればマルチ回路の発振特性を利用
して全体の感度を上げる事なく、特にガスセンサーを換
気装置等に利用した場合に要求される主に換気レベルに
於ける分解能を向上させる事が可能であり、従来問題で
あった感度不足による不動作、感度が高すぎる事による
誤動作をなくす調整が容易に行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象となったＢ　ｎ　０２等を主体と
するガスセンサーとその使用回路例を示した回路図、第
２図は第１図に於けるｖｏＵＴとガス濃度の関係の一例
を示したグラフ、第３図はこのようなガスセンサーを台
所寿とに取付け、調理によりガス濃度がどのように変化
して行くかを示したタイムチャート図、第４図は同じガ
スセンサーを調理をしない台所に放置した場合の、ガス
センサーの抵抗値の変化をガス濃度換算により示したタ
イムチャート図、第５図は特にガスの低濃度領域及び換
気レベルに於けるガスセンサーのガス濃度に対する変化
をｖｏＵＴにより示したグラフ、第６図は第５図に対し
て警報域（高濃度域）を付加したグラフである。第７図
は本発明の中心となったマルチ回路の発振特性を説明し
た回路図、第８図は第７図のＰ点の電位ＥＯＵＴのタイ
ムチャート図。 第９図はＥｏＵＴのパルス幅（この場合は）・イソペル
時）と第７図の可変直流電源２の電圧との関係を示した
グラフ、第１０図は本発明の一実施具体回路例を示した
回路図、第１１図は第１０図の回路例に於けるＥＯＵＴ
のパルス幅（この場合はロー２２ベニｆ レベル時）とガスセンサーの抵抗値の関係を示したグラ
フである０ ３ｏ・・・・・・ガスセンサー、４０，４１．４２，４
３．４４，４５，４６，４７・・・Ｉｊ舎無安定マルチ
バイブレータ回路、４２・・・・・・時定数用コンデン
サ０代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名
第１図 第２図 力０ス埼１ノ弼（／’ＰＭ） 第３図 詩画　（介） 第４図 時刻 第７図 第８図 □詩画 第９図 電７１ｉ：（Ｖ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 空気中の還元性気体の接触によりその電気抵抗値が変化
   するガスセンサと、このガスセンサーの電気抵抗値の変
   化により時定数用コンデンサの充電々圧が変化する無安
   定マルチバイブレータ回路と、この無安定マルチバイブ
   レータ回路の発振周期（パルス幅）により空気中の還元
   性気体成分の濃度を判定するようにしたガス感知回路。