特許 7491768 ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-20

(45)【発行日】2024-05-28

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/18 20060101AFI20240521BHJP

【ＦＩ】

G01N27/18

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020131274

(22)【出願日】2020-08-01

(65)【公開番号】P2022027664

(43)【公開日】2022-02-14

【審査請求日】2023-04-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】田邊 圭

【審査官】赤木 貴則

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１４５８８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－１８０５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１０７１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３０４３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５１－１０３４８７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００６３０７０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／００－Ｇ０１Ｎ ２７／２４

Ｇ０１Ｎ ２５／００－Ｇ０１Ｎ ２５／７２

Ｇ０１Ｒ ２７／００－Ｇ０１Ｒ ２７／３２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電圧を生成する交流電源と、
第１のサーミスタを含み、前記交流電圧が印加される第１のセンサ回路と、
前記第１のサーミスタを加熱するヒータ抵抗と、
第２のサーミスタを含み、前記交流電圧が印加される第２のセンサ回路と、
前記第１のサーミスタの抵抗値によって変化する第１の出力信号の振幅に基づいて、検出対象ガスの濃度を算出する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記第２のサーミスタの抵抗値によって変化する第２の出力信号の振幅に基づいて、前記ヒータ抵抗に流す電流量を制御することを特徴とするガスセンサ。

【請求項2】

前記第１及び第２の出力信号を検波することによってそれぞれ第１及び第２の検波信号を生成する検波回路と、
前記第１及び第２の検波信号をそれぞれ第１及び第２のデジタル値に変換するＡＤコンバータと、をさらに備え、
前記制御回路は、前記第１のデジタル値に基づいて前記検出対象ガスの濃度を算出し、前記第２のデジタル値に基づいて前記ヒータ抵抗に流す電流量を制御することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項3】

前記検波回路が包絡線検波回路又は同期検波回路であることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。

【請求項4】

前記第１及び第２の出力信号をそれぞれ第１及び第２のデジタル値に変換するＡＤコンバータをさらに備え、
前記制御回路は、前記第１のデジタル値をデジタル検波することによって前記検出対象ガスの濃度を算出し、前記第２のデジタル値をデジタル検波することによって前記ヒータ抵抗に流す電流量を制御することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項5】

前記第１及び第２のセンサ回路は、それぞれ第１及び第２の基準抵抗を含み、
前記第１の基準抵抗と前記第１のサーミスタは、前記交流電源に対して直列に接続され、
前記第２の基準抵抗と前記第２のサーミスタは、前記交流電源に対して直列に接続され、
前記第１の出力信号は、前記第１の基準抵抗と前記第１のサーミスタの接続点に現れ、
前記第２の出力信号は、前記第２の基準抵抗と前記第２のサーミスタの接続点に現れることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項6】

前記第１及び第２のセンサ回路は、それぞれ第１及び第２の電圧電流変換回路を含み、
前記第１の電圧電流変換回路と前記第１のサーミスタは、前記交流電源に対して直列に接続され、
前記第２の電圧電流変換回路と前記第２のサーミスタは、前記交流電源に対して直列に接続され、
前記第１の出力信号は、前記第１の電圧電流変換回路と前記第１のサーミスタの接続点に現れ、
前記第２の出力信号は、前記第２の電圧電流変換回路と前記第２のサーミスタの接続点に現れることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、雰囲気中に含まれるガスを検出するガスセンサに関し、特に、サーミスタを用いたガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスセンサは、雰囲気中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出するものであり、中でも、サーミスタを用いたガスセンサは小型化に優れている。例えば、特許文献１に記載されたガスセンサは、直列に接続したサーミスタと基準抵抗を直流電源に接続し、サーミスタと基準抵抗の接続点の電位を増幅器によって基準電位と比較することにより測定対象ガスの濃度を検出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６６３１０４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載されたガスセンサは直流電源を用いていることから、基準電位の変動や、経時変化によるサーミスタの抵抗値の変化、直流電源の電圧変動がそのまま測定誤差になるという問題があった。

【0005】

したがって、本発明は、サーミスタを用いたガスセンサにおいて、測定誤差を低減させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によるガスセンサは、交流電圧を生成する交流電源と、第１のサーミスタを含み交流電圧が印加される第１のセンサ回路と、第１のサーミスタの抵抗値によって変化する第１の出力信号の振幅に基づいて、検出対象ガスの濃度を算出する制御回路とを備えることを特徴とする。

【0007】

本発明によれば、交流電源を用いることによって振幅変調された第１の出力信号を生成していることから、動作中点の設定が不要となる。このため、測定誤差の一因となる増幅器に入力される基準電位が不要となるだけでなく、経時変化によってサーミスタの抵抗値が変化しても、検出対象ガスの濃度を正しく算出することが可能となる。

【0008】

本発明によるガスセンサは、第１のサーミスタを加熱するヒータ抵抗と、第２のサーミスタを含み交流電圧が印加される第２のセンサ回路とをさらに備え、制御回路は、第２のサーミスタの抵抗値によって変化する第２の出力信号の振幅に基づいて、ヒータ抵抗に流す電流量を制御するものであっても構わない。これによれば、環境温度に関わらず、第１のサーミスタを一定の温度に加熱することができるとともに、第２の出力信号が振幅変調されていることから、環境温度の測定誤差も低減される。

【0009】

本発明によるガスセンサは、第１及び第２の出力信号を検波することによってそれぞれ第１及び第２の検波信号を生成する検波回路と、第１及び第２の検波信号をそれぞれ第１及び第２のデジタル値に変換するＡＤコンバータとをさらに備え、制御回路は、第１のデジタル値に基づいて検出対象ガスの濃度を算出し、第２のデジタル値に基づいてヒータ抵抗に流す電流量を制御するものであっても構わない。これによれば、制御回路の信号処理負担が低減される。この場合、検波回路は、包絡線検波回路であっても構わないし、同期検波回路であっても構わない。前者の場合、検波回路の回路構成をシンプルなものとすることが可能となり、後者の場合、より正確な検波を行うことが可能となる。

【0010】

本発明によるガスセンサは、第１及び第２の出力信号をそれぞれ第１及び第２のデジタル値に変換するＡＤコンバータをさらに備え、制御回路は、第１のデジタル値をデジタル検波することによって検出対象ガスの濃度を算出し、第２のデジタル値をデジタル検波することによってヒータ抵抗に流す電流量を制御するものであっても構わない。これによれば、アナログ検波回路が不要となることから、外乱ノイズや製造ばらつきに起因する誤差を低減することが可能となる。

【0011】

本発明において、第１及び第２のセンサ回路はそれぞれ第１及び第２の基準抵抗を含み、第１の基準抵抗と第１のサーミスタは交流電源に対して直列に接続され、第２の基準抵抗と第２のサーミスタは交流電源に対して直列に接続され、第１の出力信号は第１の基準抵抗と第１のサーミスタの接続点に現れ、第２の出力信号は第２の基準抵抗と第２のサーミスタの接続点に現れるものであっても構わない。これによれば、第１及び第２のセンサ回路の回路構成をシンプルなものとすることが可能となる。

【0012】

本発明において、第１及び第２のセンサ回路はそれぞれ第１及び第２の電圧電流変換回路を含み、第１の電圧電流変換回路と第１のサーミスタは交流電源に対して直列に接続され、第２の電圧電流変換回路と第２のサーミスタは交流電源に対して直列に接続され、第１の出力信号は第１の電圧電流変換回路と第１のサーミスタの接続点に現れ、第２の出力信号は第２の電圧電流変換回路と第２のサーミスタの接続点に現れるものであっても構わない。これによれば、第１及び第２のサーミスタの抵抗値が変化しても、第１及び第２のサーミスタに流れる電流が変化しないことから、第１及び第２のサーミスタの自己発熱がほぼ一定となる。このため、第１及び第２のサーミスタの自己発熱に起因する測定誤差がほとんど生じない。

【発明の効果】

【0013】

このように、本発明によれば、サーミスタを用いたガスセンサにおいて測定誤差を低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１の回路図である。

【図2】図２は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ２の回路図である。

【図3】図３は、本発明の第３の実施形態によるガスセンサ３の回路図である。

【図4】図４は、本発明の第４の実施形態によるガスセンサ４の回路図である。

【図5】図５は、本発明の第５の実施形態によるガスセンサ５の回路図である。

【図6】図６は、本発明の第６の実施形態によるガスセンサ６の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

【0016】

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１の回路図である。

【0017】

図１に示すように、第１の実施形態によるガスセンサ１は、第１のセンサ回路Ｓ１、第２のセンサ回路Ｓ２、交流電源８及び制御回路１０を備えている。センサ回路Ｓ１は、測定対象ガスの濃度を検出するための回路であり、交流電源８に対して直列に接続された第１の基準抵抗Ｒ１及び第１のサーミスタＲｄ１からなる。サーミスタＲｄ１は、ヒータ抵抗ＭＨによってあらかじめ定められた温度（例えば１５０℃）に加熱される。センサ回路Ｓ２は、環境温度を検出するための回路であり、交流電源８に対して直列に接続された第２の基準抵抗Ｒ２及び第２のサーミスタＲｄ２からなる。かかる構成により、センサ回路Ｓ１，Ｓ２には、交流電源８によって生成される交流電圧Ｖ０が印加されることになる。

【0018】

サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、温度によって抵抗値が変化する素子であれば特に限定されず、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなるサーミスタものであっても構わないし、正の抵抗温度係数を持つ材料からなるサーミスタものであっても構わない。

【0019】

基準抵抗Ｒ１とサーミスタＲｄ１の接続点Ｎ１に現れる第１の出力信号Ｖ１は、直流成分を除去するキャパシタＣ１を介して第１の包絡線検波回路２１に供給される。基準抵抗Ｒ２とサーミスタＲｄ２の接続点Ｎ２に現れる第２の出力信号Ｖ２は、直流成分を除去するキャパシタＣ２を介して第２の包絡線検波回路２２に供給される。キャパシタＣ１，Ｃ２の代わりにハイパスフィルタを用いることも可能である。包絡線検波回路２１，２２は、それぞれ出力信号Ｖ１，Ｖ２を包絡線検波することによって、出力信号Ｖ１，Ｖ２の振幅に対応する検波信号Ｖ３，Ｖ４を生成する。検波信号Ｖ３，Ｖ４は、それぞれＡＤコンバータ（ＡＤＣ）３１，３２によってデジタル値に変換され、制御回路１０に入力される。

【0020】

制御回路１０は、ガス濃度演算部１１とフィードバック演算部１２を有している。ガス濃度演算部１１は、検波信号Ｖ３のデジタル値に基づいて検出対象ガスの濃度を算出し、検出対象ガスの濃度に対応する出力信号Ｖｏｕｔを生成する。フィードバック演算部１２は、検波信号Ｖ４のデジタル値に基づいてヒータ抵抗ＭＨに流す電流量を制御する。フィードバック演算部１２の出力値は、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）３３を介してヒータ抵抗ＭＨに供給される。これにより、環境温度に応じてヒータ抵抗ＭＨに流す電流量が制御されることから、環境温度に関わらず、サーミスタＲｄ１を常にあらかじめ定められた温度に加熱することができる。ガス濃度演算部１１及びフィードバック演算部１２は、それぞれが異なるハードウェア資源からなるものであっても構わないし、共通のハードウェア資源が所定のプログラムを実行することによって実現されるものであっても構わない。

【0021】

以上説明したように、本実施形態によるガスセンサ１は、センサ回路Ｓ１，Ｓ２に交流電圧Ｖ０が印加されることから、センサ回路Ｓ１，Ｓ２の出力信号Ｖ１，Ｖ２も交流となる。そして、出力信号Ｖ１，Ｖ２は、それぞれサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の抵抗値に応じて振幅変調されることから、包絡線検波回路２１，２２を用いた検波を行うことにより、振幅成分を示す検波信号Ｖ３，Ｖ４を得ることが可能となる。このように、本実施形態においては、センサ回路Ｓ１，Ｓ２に交流電圧Ｖ０を印加していることから、センサ回路Ｓ１，Ｓ２の動作中点を設定する必要がなくなる。これにより、測定誤差の一因となる増幅器に入力される基準電位が不要となるだけでなく、経時変化によってサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の抵抗値が変化しても、検出対象ガスの濃度を正しく算出することが可能となる。しかも、検波回路として、包絡線検波回路２１，２２を用いていることから、回路構成をシンプルなものとすることが可能となる。

【0022】

＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ２の回路図である。

【0023】

図２に示すように、第２の実施形態によるガスセンサ２は、包絡線検波回路２１，２２の代わりに同期検波回路４１，４２が用いられている点において、第１の実施形態によるガスセンサ１と相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0024】

本実施形態が例示するように、本発明において包絡線検波回路を用いる必要はなく、同期検波回路を用いても構わない。同期検波回路を用いれば、より正確な検波を行うことが可能となる。

【0025】

＜第３の実施形態＞
図３は、本発明の第３の実施形態によるガスセンサ３の回路図である。

【0026】

図３に示すように、第３の実施形態によるガスセンサ３は、交流電源８及び包絡線検波回路２１，２２が省略される代わりに、制御回路１０にデジタル発振回路部１３及びデジタル検波部１４，１５が含まれている点において、第１の実施形態によるガスセンサ１と相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0027】

デジタル発振回路部１３は、所定の周波数を有するパルス信号を生成する回路であり、その出力はＤＡコンバータ３４に供給される。これにより、ＤＡコンバータ３４からは交流電圧Ｖ０が出力される。デジタル検波部１４，１５は、ＡＤコンバータ３１，３２によってデジタル値に変換された出力信号Ｖ１，Ｖ２をデジタル検波する回路であり、その出力は、それぞれガス濃度演算部１１及びフィードバック演算部１２に供給される。

【0028】

本実施形態が例示するように、本発明においてアナログ検波回路を用いる必要はなく、制御回路１０によってデジタル検波を行っても構わない。これによれば、アナログ検波回路が不要となることから、外乱ノイズや製造ばらつきに起因する誤差を低減することが可能となる。

【0029】

＜第４の実施形態＞
図４は、本発明の第４の実施形態によるガスセンサ４の回路図である。

【0030】

図４に示すように、第４の実施形態によるガスセンサ４は、基準抵抗Ｒ１，Ｒ２の代わりに、電圧電流変換回路５１，５２が用いられている点において、第１の実施形態によるガスセンサ１と相違している。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0031】

電圧電流変換回路５１，５２は、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の抵抗値に応じた電流量の変化を防止する役割を果たす。サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、測定対象ガスの濃度又は環境温度によって抵抗値が変化するため、基準抵抗Ｒ１，Ｒ２を用いると測定対象ガスの濃度又は環境温度によってサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２に流れる電流量が変化し、これにより自己発熱量が変化する。これに対し、本実施形態によるガスセンサ４においては、基準抵抗Ｒ１，Ｒ２の代わりに電圧電流変換回路５１，５２を用いていることから、測定対象ガスの濃度や環境温度に応じてサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の抵抗値が変化しても、これに起因した電流量の変化がほとんど生じない。このため、本実施形態によれば、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の自己発熱に起因する測定誤差を防止することが可能となる。また、自己発熱の増大によってサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２が想定以上に高温となることもないため、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の経年変化を抑制することも可能となる。

【0032】

＜第５の実施形態＞
図５は、本発明の第５の実施形態によるガスセンサ５の回路図である。

【0033】

図５に示すように、第５の実施形態によるガスセンサ５は、基準抵抗Ｒ１，Ｒ２の代わりに、電圧電流変換回路５１，５２が用いられている点において、第２の実施形態によるガスセンサ２と相違している。その他の基本的な構成は、第２の実施形態によるガスセンサ２と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0034】

第４の実施形態と同様、本実施形態においても、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の自己発熱に起因する測定誤差を防止することができるとともに、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の経年変化を抑制することが可能となる。

【0035】

＜第６の実施形態＞
図６は、本発明の第６の実施形態によるガスセンサ６の回路図である。

【0036】

図６に示すように、第６の実施形態によるガスセンサ６は、基準抵抗Ｒ１，Ｒ２の代わりに、電圧電流変換回路５１，５２が用いられている点において、第３の実施形態によるガスセンサ３と相違している。その他の基本的な構成は、第３の実施形態によるガスセンサ３と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0037】

第４の実施形態と同様、本実施形態においても、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の自己発熱に起因する測定誤差を防止することができるとともに、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の経年変化を抑制することが可能となる。

【0038】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0039】

１～６ ガスセンサ
８ 交流電源
１０ 制御回路
１１ ガス濃度演算部
１２ フィードバック演算部
１３ デジタル発振回路部
１４，１５ デジタル検波部
２１，２２ 包絡線検波回路
３１，３２ ＡＤコンバータ
３３，３４ ＤＡコンバータ
４１，４２ 同期検波回路
５１，５２ 電圧電流変換回路
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ
ＭＨ ヒータ抵抗
Ｎ１，Ｎ２ 接続点
Ｒ１，Ｒ２ 基準抵抗
Ｒｄ１，Ｒｄ２ サーミスタ
Ｓ１，Ｓ２ センサ回路
Ｖ０ 交流電圧
Ｖ１，Ｖ２ 出力信号
Ｖ３，Ｖ４ 検波信号
Ｖｏｕｔ 出力信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】