特開 2023-23735 ガスセンサ、及びガスセンサの補正方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023023735

(43)【公開日】2023-02-16

(54)【発明の名称】ガスセンサ、及びガスセンサの補正方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/16 20060101AFI20230209BHJP

【ＦＩ】

G01N27/16 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021129527

(22)【出願日】2021-08-06

(71)【出願人】

【識別番号】501418498

【氏名又は名称】矢崎エナジーシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145908

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 信雄

(74)【代理人】

【識別番号】100136711

【弁理士】

【氏名又は名称】益頭 正一

(72)【発明者】

【氏名】豊田 和男

(72)【発明者】

【氏名】笹原 隆彦

【テーマコード（参考）】

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G060AA02

2G060AB03

2G060AB17

2G060AB18

2G060AE19

2G060AF07

2G060BA03

2G060BB02

2G060HC01

2G060KA01

(57)【要約】

【課題】ガスセンサの出力の経時劣化による変化に応じてガスセンサの出力を適切に補正すると共にコスト増を抑える。
【解決手段】センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正するＭＣＵ５０を備えるガスセンサ１であって、ＭＣＵ５０は、被検ガスが存在しない環境でのセンサ出力であるエアベース出力を取得してエアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合を求め、求めたエアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合に応じて、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正する補正部を備えるガスセンサであって、
前記補正部は、
被検ガスが存在しない環境でのセンサ出力であるエアベース出力を取得して前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合を求め、
求めた前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合に応じて、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正するガスセンサ。

【請求項2】

前記補正部は、前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の初期値を記憶しており、前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の前記初期値に対する低下の度合を求める請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項3】

コンピューターを用いてセンサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正するガスセンサの補正方法であって、
被検ガスが存在しない環境でのセンサ出力であるエアベース出力を取得して前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合を求め、
求めた前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合に応じて、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正するガスセンサの補正方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスセンサ、及びガスセンサの補正方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスセンサの出力（センサ感度）は経時劣化により変化するため、その経時劣化による変化に応じてセンサ感度を補正することが行われている（例えば、特許文献１，２等参照）。特許文献１には、測定用検出部と補正用検出部とを備えるガスセンサ素子を用い、両検出部の出力の比較結果に応じて測定用検出部のセンサ感度を補正する方法が記載されている。また、特許文献２には、接触燃焼式ガスセンサにおけるエアベース出力と経時量とガスセンサの感度との関係を予めＲＯＭ（Read Only Memory）に格納しておき、燃焼時の被検ガスに対する出力とエアベース出力との差が一定値以下の場合に、経時量とセンサ感度とをＲＯＭから取得してセンサ感度を補正する方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第３１６７７９８号公報

【特許文献2】特開２００８－２６７８１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の補正方法は、測定用と補正用との複数の検出部が必要となりコスト増となる。また、環境中には微量の可燃性ガス（ＶＯＣ：Volatile Organic Compounds）や水蒸気が存在し、環境温度も変化するところ、これら（濃度、湿度、温度）の微量な変化によりエアベース出力にゆらぎが生じる。特許文献２に記載の補正方法は、環境の影響によるエアベース出力のゆらぎを考慮していない分、センサ感度の経時劣化による変化量の検知精度に劣る。

【0005】

本発明は、上記事情に鑑み、ガスセンサの出力の経時劣化による変化に応じてガスセンサの出力を適切に補正すると共にコスト増を抑えることができるガスセンサ、及びガスセンサの補正方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のガスセンサは、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正する補正部を備えるガスセンサであって、前記補正部は、被検ガスが存在しない環境でのセンサ出力であるエアベース出力を取得して前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合を求め、求めた前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合に応じて、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正する。

【0007】

本発明のガスセンサの補正方法は、コンピューターを用いてセンサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正するガスセンサの補正方法であって、被検ガスが存在しない環境でのセンサ出力であるエアベース出力を取得して前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合を求め、求めた前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合に応じて、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ガスセンサの出力の経時劣化による変化に応じてガスセンサの出力を適切に補正すると共にコスト増を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係るガスセンサの概略構成を示す図である。

【図2】図２は、ガスセンサのエアベース出力を示すグラフである。

【図3】図３は、エアベース出力のゆらぎと出力電圧との関係を示すグラフである。

【図4】図４は、エアベース出力のゆらぎの変化率と出力電圧の劣化率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用される。

【0011】

図１は、本発明の一実施形態に係るガスセンサ１の概略構成を示す図である。この図に示すガスセンサ１は、検知素子２０と補償素子３０とを２辺とするブリッジ回路４０を備える接触燃焼式（又は吸着燃焼式）のガスセンサである。このガスセンサ１が検知する被検ガスとしては、メタン、水素、プロパン、ブタン等を例示できる。なお、吸着燃焼式とは、パルス電圧がＯＦＦ又はＬＯＷ電圧の期間に被検ガスの分子が検知素子２０の触媒に吸着し、パルス電圧がＯＮ又はＨＩＧＨ電圧になった時に当該ガス分子が検知素子２０の触媒上で燃焼しセンサ出力が得られるというガス検知方式である。

【0012】

検知素子２０は、ヒーター２１と、ヒーター２１を覆う検知部２２とを備える。また、補償素子３０は、ヒーター３１と、ヒーター３１を覆う補償部３２とを備える。ヒーター２１，３１としては、マイクロチップ上にパターニングされたマイクロヒーター等を例示できる。また、ヒーター２１，３１の材料としては白金（Ｐｔ）等を例示できる。

【0013】

検知部２２は、酸化反応に触媒活性を持つ物質で構成されている。この検知部２２は、触媒と、触媒を担持する触媒担体とを備える。検知部２２の触媒の材料としては、白金、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）等の白金族系や、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）等のその他の金属を例示できる。また、検知部２２の触媒担体の材料としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等を例示できる。補償部３２は、酸化反応に触媒活性を持たない物質で構成されている。また、補償部３２は、検知部２２の触媒担体と同様の材料で構成されている。

【0014】

ガスセンサ１では、ヒーター２１により数百度に加熱された検知部２２に可燃性の被検ガスの分子が接触（又は吸着）すると、検知部２２上で接触燃焼反応（又は吸着燃焼反応）が起こり、その反応熱によりヒーター２１の温度が上昇して抵抗値が増大する。他方で、補償素子３０の補償部３２に可燃性の被検ガスの分子が接触（又は吸着）しても接触燃焼反応（又は吸着燃焼反応）は起きない。このようなガスセンサ１では、ヒーター２１の抵抗値の変化をブリッジ回路４０によりセンサ出力として取得して被検ガスを検知したり被検ガスの濃度を同定したりする。

【0015】

ブリッジ回路４０は、一対の並列回路４０Ａ，４０Ｂと、電源４１とを備える。この一対の並列回路４０Ａ，４０Ｂは、電源４１の正極に接続された導線から分岐する。分岐した一対の並列回路４０Ａ，４０Ｂは、可変抵抗ＶＲを介して電源４１の負極に接続された導線に再結合する。一方の並列回路４０Ａにおいて、検知素子２０と、補償素子３０とが直列で接続されている。他方の並列回路４０Ｂにおいては、一対の固定抵抗Ｒ１，Ｒ２が直列で接続されている。本実施形態では、検知素子２０が電源４１の正極側に配され、補償素子３０が電源４１の負極側に配されている。

【0016】

ブリッジ回路４０は、検知素子２０と補償素子３０との間に接続された端子４２と、固定抵抗Ｒ１と固定抵抗Ｒ２との間に接続された端子４３とを備え、端子４２と端子４３との電位差である出力電圧Ｖ_ｏｕｔをＭＣＵ（Micro Controller Unit）５０に出力する。ＭＣＵ５０は、ブリッジ回路４０をパルス駆動させると共にブリッジ回路４０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔに基づいて被検ガスを検知する。また、後述するように、ＭＣＵ５０は、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎに応じて出力電圧Ｖ_ｏｕｔを補正する。

【0017】

図２は、ガスセンサ１のエアベース出力Ｖ_ＡＢ［ｍＶ］を示すグラフである。このグラフに示すエアベース出力Ｖ_ＡＢは、被検ガスが存在しない環境での出力電圧Ｖ_ｏｕｔである。ここで、環境中には微量の可燃性ガスや水蒸気が存在し、環境温度も変化するので、これら（濃度、湿度、温度）の微量な変化によりエアベース出力Ｖ_ＡＢにゆらぎが生じる。なお、エアベース出力Ｖ_ＡＢの「ゆらぎ」は、エアベース出力Ｖ_ＡＢの初期値に対する長期的な変動を指すのではなく、エアベース出力Ｖ_ＡＢの例えば６００秒間等の短期的な変動を指す。

【0018】

ＭＣＵ５０は、定期的にエアベース出力Ｖ_ＡＢを取得し、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎを求める。エアベース出力Ｖ_ＡＢの取得は、例えば、１０秒間隔で６００秒間継続する。エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎとしては、短期間のエアベース出力Ｖ_ＡＢの標準偏差や二乗平均ゆらぎや分散を例示でき、例えば６００秒間に１０秒間隔で取得された多数の値から求められる。

【0019】

ＭＣＵ５０は、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの初期値を求めてメモリー（図示省略）に格納している。ＭＣＵ５０は、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎを定期的に求め、メモリーに格納した初期値と比較し、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの初期値に対する低下の度合を求める。そして、ＭＣＵ５０は、求めたエアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの初期値に対する低下の度合に応じて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを補正する。

【0020】

図３は、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎ（μＶ）と出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（ｍＶ）との関係を示すグラフである。このグラフには、被検ガスの濃度が１０００ｐｐｍの環境中にガスセンサ１を設置した時のエアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎ（μＶ）と出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（ｍＶ）との関係を示している。このグラフに示すように、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎと出力電圧Ｖ_ｏｕｔとは比例関係にあり、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎが大きくなるほど出力電圧Ｖ_ｏｕｔが高くなる。

【0021】

ここで、ガスセンサ１の使用開始当初では、検知素子２０の検知部２２の触媒が高活性を維持していることから、エアベース出力Ｖ_ＡＢが相対的に高く、環境の影響によるエアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎも相対的に大きく現れる。それに対して、ガスセンサ１の使用期間が長期に亘ってくると、検知素子２０の検知部２２の触媒の劣化等（熱容量の大きな分子や被毒物質の触媒への吸着・固着等）により、エアベース出力Ｖ_ＡＢ（感度）が相対的に低くなり、環境の影響によるエアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎも相対的に小さくなる。即ち、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの低下の度合と、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（感度）の低下の度合（劣化率）との間には相関がある。

【0022】

図４は、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの低下の度合（変化率）と出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（感度）の低下の度合（劣化率）との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの変化率と感度の劣化率とは比例関係にあり、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの変化率が大きくなるほど出力電圧Ｖ_ｏｕｔの劣化率が高くなる。

【0023】

そこで、本実施形態のガスセンサ１では、ＭＣＵ５０が、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの初期値に対する変化率を求め、求めた変化率に応じた補正係数を出力電圧Ｖ_ｏｕｔに乗じることにより、ガスセンサ１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを補正する。

【0024】

以上説明したように、本実施形態のガスセンサ１では、ＭＣＵ５０が、エアベース出力Ｖ_ＡＢを取得してエアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの低下の度合を求め、求めたエアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの低下の度合に応じて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを補正する。これによって、校正用のセンサ素子を備えることなく（検知用のセンサ素子のみで）、被検ガスに対するセンサ出力（感度）の経時劣化の影響を考慮した、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの補正を実行できる。従って、ガスセンサ１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの経時劣化による変化に応じてガスセンサ１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを適切に補正すると共にガスセンサ１のコスト増を抑えることができる。

【0025】

また、校正用のガスを使用することなく、且つ、作業者がガスセンサ１の設置現場に赴くことなく、ガスセンサ１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの経時劣化による変化に応じてガスセンサ１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを適切に補正することができる。

【0026】

以上、上記実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、適宜公知や周知の技術を組み合わせてもよい。

【0027】

例えば、上記実施形態では、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの低下の度合に応じて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを補正したが、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの補正に代えて、被検ガスの有無を判断するための閾値を補正してもよい。この場合、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの低下の度合が大きくなるほど、被検ガスの有無を判断するための閾値を低くすればよい。

【0028】

また、上記実施形態では、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの低下の度合を求め、求めたエアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎの低下の度合に応じて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを補正した。しかしながら、エアベース出力Ｖ_ＡＢのゆらぎに代えて、エアベース出力Ｖ_ＡＢの最大値と最小値との差である変動幅の低下の度合を求め、求めたエアベース出力Ｖ_ＡＢの変動幅の狭小化の度合に応じて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの補正や被検ガスの有無を判断するための閾値の補正を行ってもよい。なお、エアベース出力Ｖ_ＡＢの変動幅を求める際には、特異値を除く等の処理を行うことにより、出力電圧Ｖ_ｏｕｔや閾値の補正の精度を向上できる。

【0029】

また、上記実施形態では、接触燃焼式（又は吸着燃焼式）のガスセンサ１を例に挙げたが、半導体式や熱線半導体式等の他の方式のガスセンサにも本発明を適用できる。さらに、本発明のガスセンサは、ガス警報器のみならず、携帯型のチェッカーや定置式の装置等の様々なガス検知器に適用できる。

【符号の説明】

【0030】

１ ガスセンサ
５０ ＭＣＵ（補正部、コンピューター）
Ｖ_ＡＢ エアベース出力
Ｖ_ｏｕｔ 出力電圧（センサ出力）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】