JP2002243682A - ガス検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 検出対象ガスと他のガスとの混合ガス中で、
ガスセンサを周期的に温度変化させ、ガスセンサの応答
波形をフーリエ変換する。フーリエ変換したガスセンサ
の応答波形を判別解析して、検出対象ガスのみまたは検
出対象ガスがリッチと、他のガスがリッチとに識別す
る。検出対象ガスのみまたは検出対象ガスがリッチでの
検出対象ガスへの濃度軸と、他のガスがリッチでの検出
対象ガスへの濃度軸とを記憶しておき、これらの濃度軸
により検出対象ガスを定量する。 【効果】 混合ガス中の検出対象ガスを定量できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】この発明は、ガスセンサへの周期的
刺激を用いたガスの検出に関する。

【０００２】

【従来技術】発明者らは、ガスセンサの非線形性を利用
して、ガスを定性・定量する事を検討してきた。たとえ
ばガスセンサの温度を周期的に変化させ、これに対する
ガスセンサ信号の応答波形をフーリエ変換し、得られた
フーリエ係数をニューラルネットワークで処理して、ガ
ス種を定性する事に成功した。そしてガス種を決定する
と、たとえば重回帰分析によりガス濃度を決定した（”
トランスデューサー９９”，１９６４〜１９６７頁）。
このような定性や定量は、混合ガスを考慮せず、各ガス
が単独で存在するものとして行った。発明者は今回、混
合ガス中の一方のガスを定量しうるガス検出システムと
ガス検出方法とを検討した。

【０００３】

【発明の課題】この発明の基本的課題は、混合ガス中の
検出対象ガスを定量することにある（請求項１〜７）。
請求項２の発明での追加の課題は、検出精度を向上させ
ることにある。請求項３の発明での追加の課題は、他の
ガスの濃度が検出対象ガス濃度よりも高い場合にも、検
出対象ガスを定量できるようにすることにある。請求項
４，５，７の発明での追加の課題は、混合ガス中での検
出対象ガスを定量するための具体的な構成を提供するこ
とにある。

【０００４】

【発明の構成】この発明のガス検出方法は、ガスセンサ
に周期的な刺激を与えて応答波形を取り出し、この応答
波形からガスを定性し、検出対象ガスを定量する方法に
おいて、ガスの定性では、検出対象ガスと他の少なくと
も１種類のガスとの応答波形への相対的な寄与に応じ
て、少なくとも２つのグループへ識別するように定性
し、検出対象ガスの定量では、前記少なくとも２つのグ
ループ中の、少なくとも検出対象ガスの寄与の大きいグ
ループに対して、該グループで学習した濃度関数を用い
て、検出対象ガスを定量することを特徴とする。

【０００５】好ましくは、前記の少なくとも２つのグル
ープを、検出対象ガス及び検出対象ガスがリッチなグル
ープと、他のガス及び他のガスがリッチなグループ、の
少なくとも２グループとする。また好ましくは、前記少
なくとも２つの各グループに対して、前記濃度関数を別
個に定めて、検出対象ガスを定量する。

【０００６】特に好ましくは、ガスセンサがヒータを備
えた金属酸化物半導体ガスセンサで、周期的刺激がガス
センサの加熱温度を周期的に変化させることであり、前
記応答波形をフーリエ係数にフーリエ変換して、前記定
性にはフーリエ係数を入力として前記グループを出力す
る判別関数を用い、前記濃度関数はフーリエ係数を入力
として検出対象ガス濃度を出力するようにする。

【０００７】最も好ましくは、検出対象ガス、他のガ
ス、検出対象ガスと他のガスとの混合ガスで検出対象ガ
スがリッチなガス、及び検出対象ガスと他のガスとの混
合ガスで他のガスがリッチなガスに対して、予め応答波
形を測定して、検出対象ガス及び検出対象ガスがリッチ
なグループと、他のガス及び他のガスがリッチなグルー
プとに識別するための判別関数を求めて記憶し、検出対
象ガス及び検出対象ガスがリッチなグループに対する検
出対象ガスの濃度関数と、他のガス及び他のガスがリッ
チなグループに対する検出対象ガスの濃度関数とを求め
て記憶する。

【０００８】この発明のガス検出装置は、ガスセンサに
周期的刺激を与えるための手段と、該周期的刺激に対す
るガスセンサの応答波形をサンプリングするための手段
と、サンプリングした応答波形を用いて、検出対象ガス
の寄与が相対的に大きいグループと相対的に小さいグル
ープの少なくとも２つのグループに検出したガスを識別
するための手段と、少なくとも検出対象ガスの寄与が相
対的に大きいグループに対して検出対象ガスを定量する
ための手段、とを設けたものである。

【０００９】好ましくは、前記ガスセンサがヒータを備
えた金属酸化物半導体ガスセンサで、前記周期的刺激を
与えるための手段で前記ヒータに三角関数的に変化する
電力を加え、前記サンプリング手段ではガスセンサの信
号をフーリエ変換し、前記識別手段では、検出対象ガス
及び混合ガスで検出対象ガスがリッチなグループと、他
のガス及び混合ガスで他のガスがリッチなグループとに
識別するための判別関数を記憶して識別し、前記定量手
段では、検出対象ガス及び混合ガスで検出対象ガスがリ
ッチなグループでの検出対象ガスの濃度関数と、他のガ
ス及び混合ガスで他のガスがリッチなグループでの検出
対象ガスの濃度関数とを記憶して、検出対象ガスを定量
する。

【００１０】

【発明の作用】発明者は、混合ガス中でガスセンサに周
期的刺激を加えた際の応答波形から、検出対象ガスを定
量することを検討した。最初に応答波形から検出対象ガ
スの濃度のみに依存するような信号を抽出しようと試み
たが、このことは一部の例外（図６）を除き、一般的に
は不可能であった（図５，図７参照）。その原因は、応
答波形の各要素が検出対象ガスと他のガスの双方に依存
し、一方のみに依存するような濃度関数を求めることが
困難であり、仮にこのような濃度関数を設けても、それ
は濃度関数の生成に用いたデータを説明できるだけで、
安定性や信頼性に欠けるためであった。

【００１１】発明者はこのような状況の中で、ガスセン
サの応答波形を検出対象ガスを主とするものや他のガス
を主とするものなどの複数のグループに分け、検出対象
ガスの濃度関数をグループ別に定めることを検討した。
そしてこのようにすれば、混合ガス中の検出対象ガスを
定量できた。もちろん検出対象ガスが単独の場合も定量
でき、グループ分けは、たとえば検出対象ガス、他のガ
ス及び混合ガスの３種類、あるいは検出対象ガス、他の
ガス、混合ガスで検出対象ガスがリッチ、及び混合ガス
で他のガスがリッチ、の４種類などとしても良い。そし
て実際には、検出対象ガス及び混合ガスで検出対象ガス
がリッチと、他のガス及び混合ガスで他のガスがリッチ
の２種類とすると、定量精度を高めることができた。こ
れは、濃度関数を定めるための母集団を大きくし、かつ
母集団に他のガスの影響を打ち消すための因子を加える
ことができるためであった。

【００１２】濃度関数は、検出対象ガスの寄与が相対的
に大きい（以下、検出対象ガスがリッチ）グループにの
み設けて、他のガスの寄与が相対的に大きい（以下、他
のガスがリッチ）なグループでは検出不能としても良
い。しかし発明者は、他のガスがリッチなグループに対
しても、検出対象ガスがリッチなグループとは別に濃度
関数を設けると、検出対象ガスを定量できることを見出
した。

【００１３】この発明のガスの検出では、たとえばガス
センサにはヒータを備えた金属酸化物半導体ガスセンサ
を用い、ヒータ電力を三角関数状などに周期的に変化さ
せて周期的刺激とし、応答波形をたとえばフーリエ変換
して処理しやすくする。グループへの識別や定量には、
ニューラルネットワークや遺伝的アルゴリズム等を用い
ても良いが、グループ分けを行ってグループ内で定量す
ると、センサ信号の処理は線形な処理に近づき、判別分
析などでグループ分けして、重回帰分析などで定めた濃
度関数でも定量できた。

【００１４】

【発明の効果】この発明のガス検出方法やガス検出装置
では、混合ガス中でも検出対象ガスを定量できる（請求
項１〜７）。請求項２，５，７の発明では、検出対象ガ
スへの定量精度を向上できる。請求項３の発明では、他
のガスの方が濃度が高いときでも、検出対象ガスを定量
できる。請求項４，５，７の発明では、混合ガス中の検
出対象ガスを定量するための具体的な構成を提供でき
る。

【００１５】

【実施例】図１に、ガス検出装置の基本的構成を示す。
図において２はガスセンサで、ヒータ付きの金属酸化物
半導体ガスセンサや、ヒータを備えたＺｒＯ2やＮＡＳ
ＩＣＯＮ等の固体電解質ガスセンサ、あるいは接触燃焼
式ガスセンサや、水晶振動子ガスセンサ等を用いる。ガ
スセンサ２の種類は任意で、ガスセンサ２は１個のガス
センサでも、ガスセンサのアレイでも良い。

【００１６】４は駆動部で、ガスセンサ２に周期的な刺
激を与える。周期的な刺激は実施例では周期的な温度変
化とするが、これ以外に、ガスセンサ２への送風量を周
期的に変化させることや、ガスセンサ２に接触させる雰
囲気を既知のの標準雰囲気と測定しようとする雰囲気と
の間で周期的に切り換えること等がある。６は波形解析
部で、周期的刺激に同期したガスセンサ２の応答波形
を、フーリエ変換や、離散コサイン変換、あるいはウオ
ルシュ関数等の直交関数系により変換し、ガスの定性や
定量を容易にする。

【００１７】８は識別部で、たとえばニューラルネット
ワークや、遺伝的アルゴリズム、あるいは判別解析等を
用いたものとし、測定した雰囲気を複数のグループへと
識別する。複数のグループは、たとえば検出対象ガスの
み、検出対象ガスと他のガスの混合ガス、混合ガスのみ
の３種類としても良い。しかし好ましくは、検出対象ガ
スのみ及び検出対象ガスを主として他のガスを含むもの
(検出対象ガスリッチ)と、他のガスのみ及び他のガスを
主として検出対象ガスを含むもの(他のガスリッチ)の２
種類に識別する。なおニューラルネットワークにより、
周期的刺激に対するガスセンサの応答波形を解析するこ
と自体は公知であり、ニューラルネットワークを用いる
場合、新規な点は、検出対象ガスが存在するか他のガス
が存在するかの２種類に識別するのではなく、これらの
混合ガスを考慮して複数のグループへ識別する点であ
る。

【００１８】遺伝的アルゴリズムを用いる場合、たとえ
ば波形解析部６からのフーリエ係数の組み合わせを遺伝
子とし、遺伝子を組み合わせてガスを複数のグループへ
識別し、識別の精度(正解率)で遺伝子の組み合わせの優
劣を評価する。そして評価の高い遺伝子の組み合わせの
間で、遺伝子の組み替えを繰り返して行い、評価の高い
遺伝子の組み合わせを識別に用いる。

【００１９】１０は定量部で、たとえば重回帰分析によ
り求めた濃度軸（濃度軸）を用いて検出対象ガス濃度を
定量し、あるいはニューラルネットワークや遺伝的アル
ゴリズムにより定量を行う。ニューラルネットワークに
よる定量の場合、０〜１のネットワークの出力値を非線
形変換してガス濃度とする。遺伝的アルゴリズムでは、
フーリエ係数を遺伝子の組み合わせに代入した値によ
り、ガスを定量する。

【００２０】検出対象ガスの定量は、識別部８でグルー
プ分けしたグループ毎に、あるいはこれらのグループを
合体させて設けたより上位のグループ毎に行う。実施例
では検出対象ガスＡのみまたは検出対象ガスＡがリッチ
なグループに対するガスＡの濃度軸と、他のガスＢのみ
または他のガスＢがリッチなグループに対するガスＡの
濃度軸とを記憶し、２つのグループによって別々に定量
を行う。いずれのグループの濃度軸を用いるかは、識別
部８での識別結果により定める。１１は、ガスＡのみあ
るいはガスＡがリッチなグループに対する濃度軸を記憶
した記憶部で、１２はガスＢのみあるいはガスＢがリッ
チなグループに対する濃度軸を記憶した記憶部である。

【００２１】図２以降に、より具体的な実施例を示す。
ここではガスセンサ２として、ヒータ２１により金属酸
化物半導体２２を加熱するようにしたものを用い、実験
では平板状のアルミナ基板の裏面にヒータ２１を設け
て、基板２の反対面に設けたＳｎＯ2膜を加熱するよう
にしたものを用いた。２３は負荷抵抗で、金属酸化物半
導体２２と負荷抵抗２３との直列辺に検出電圧ＶDDを加
え、ヒータ２１にはサイン波電源２４によりサイン波的
に変化するヒータ電圧を加えて、ガスセンサ２の温度を
周期的に変化させる。実施例では、ヒータ２１に上限が
５Ｖ，下限が１.５Ｖで周期が４０秒のサイン波電圧を
加えた。しかしサイン波に代えてランプ波等を加えても
良く、ヒータ電圧を変化させる代わりにヒータ電力を変
化させても同じである。

【００２２】２６はＦＦＴ(高速フーリエ変換部)であ
り、波形解析部６の例である。実施例ではＦＦＴ２６
で、金属酸化物半導体２２の抵抗値Ｒsの対数に比例し
た信号をフーリエ変換した。２８は判別分析部で、判別
関数記憶部３０には、検出対象ガスのみ、検出対象ガス
と他のガスとの混合ガスで検出対象ガスがリッチ、検出
対象ガスと他のガスとの混合ガスで他のガスがリッチ、
他のガスのみの４種類に識別するための判別関数のセッ
トを記憶してある。用いた判別関数はフーリエ変換によ
り得られたフーリエ係数に対して線形な判別関数で、２
個あるいは３個等の判別関数を組み合わせて、判別関数
の値により４つのグループに識別するようにした。

【００２３】またこれ以外に、空気中もしくはガスセン
サ２が感応しないガスのみを含んでいる場合を除外する
ための判別関数と、前記の他のガスとは別の干渉ガスが
多量に存在し、検出不能である場合を除外するための判
別関数を、補助的に記憶させた。たとえばエタノールと
アセトンとの混合ガスからエタノールのみを定量して飲
酒運転等の検査を行う、あるいは逆に、この条件でアセ
トンのみを定量して肝臓病等の補助的検査を行う場合
に、ベンゼンやＣＯ等が多量に存在すると検出の障害に
なる。そこでこのような干渉ガスが多量に存在する場合
を判別して、検出不能とすることにした。

【００２４】３２は重回帰分析部で、前記のグループ分
けに従って濃度軸を複数記憶し、検出対象ガスを定量す
る。３４は濃度軸記憶部で、ここではガスＡのみまたは
ガスＡがリッチの２つのグループを統合して１つのグル
ープとしたグループに対して、ガスＡを定量するための
濃度軸とガスＢを定量するための濃度軸とを記憶する。
同様にガスＢのみまたはガスＢがリッチの２つのグルー
プを統合して１つのグループとし、このグループに対す
るガスＢとガスＡとの２つの濃度軸を記憶する。そして
重回帰分析部３２では、判別分析部２８で求めたグルー
プに対して、濃度軸を濃度軸記憶部３４から呼び出し、
フーリエ係数を濃度軸に代入してガス濃度を求め、定量
信号を出力する。

【００２５】図３に、エタノールとアセトンとの混合ガ
スに対して、エタノール及びアセトンを定量する場合を
例に、判別分析部以降の処理を示す。このような分析
は、肝臓病等により生じる呼気中のアセトンを、飲酒等
によるエタノールと区別して定量し、肝臓病の予備的な
検査を行う場合に有効である。またエタノールとアセト
ンとの混合ガス中のエタノールの定量は、飲酒運転等の
検査の場合に、肝臓疾患のあるドライバーに対して不利
にならないように検査を行うために有効である。図３で
はエタノール／アセトンの混合ガスを問題にしたが、こ
のようなアルゴリズムはＣＯ／エタノールや、軽油／ベ
ンゼンあるいはガソリン／メタノール等の他の場合に
も、同様に適用できる。

【００２６】最初にフーリエ係数を判別関数で処理し
て、空気中か否かをチェックする。このための判別関数
には、空気中ではフーリエ係数のＲ0成分が大きく、応
答波形がヒータ電圧と位相が揃い、高調波成分が少ない
ので、Ｒ1成分が大きいことを利用すればよい。そして
空気中である場合には、濃度ゼロを表示すればよい。

【００２７】次に多量のＣＯが存在する、あるいは多量
のベンゼンが存在する等の、エタノールやアセトンの定
量が不可能な場合、別の判別関数によりこのことを検出
する。そして干渉ガスが多量に存在することを検出した
場合、測定不能等を表示する。またエタノールもしくは
アセトンあるいはこれらの混合ガスが存在することを検
出した場合、判別分析によりこれらをたとえばエタノー
ルのみ、エタノールリッチでアセトンが少量混在、アセ
トンリッチでエタノールが少量混在、アセトンのみの４
グループ等に区別する。なおエタノール濃度とアセトン
濃度がほぼ等しい場合は、便宜的にエタノールリッチで
アセトン混在のグループに区別した。これらのグループ
分けをより細かくし、エタノールとアセトンとがほぼ同
濃度ずつ存在する等のグループを追加しても良い

【００２８】判別分析により分類したグループを合併
し、たとえばエタノールのみとエタノールリッチのグル
ープを１つのグループにまとめ、このグループに対する
重回帰分析で得た濃度軸を用いて、エタノール濃度とア
セトン濃度を求める。また同様にアセトンのみとアセト
ンリッチのグループを統合し、重回帰分析により求めた
濃度軸を用いて、エタノール濃度とアセトン濃度とを求
める。ここでグループを統合するのは、母集団の規模を
大きくして、重回帰分析の信頼性を増すことの他に、検
出対象ガスに他のガスが少量加わった場合を同じグルー
プとすることにより、検出対象ガスの干渉に対する信頼
性を増す効果がある。

【００２９】図４に、実施例で用いたガスセンサの応答
波形を示す。(a)はセンサ温度の変化を示し、前記のよ
うに１周期４０秒で金属酸化物半導体の温度は３５０℃
と１００℃の間をサイン波状に変化し、(b)の空気中で
は直流成分Ｒ0が大きく、抵抗値の変化とセンサ温度と
の間の位相のずれが小さいため、Ｒ1成分の割合が大き
い。

【００３０】(c)のＣＯ１００ppm中ではＲ0成分も小さ
くなり、抵抗値のボトムは１５秒付近に生じて、センサ
の温度波形に対する位相のずれが生じる。また波形は複
雑になり、高調波成分の寄与が増す。(d)のエタノール
１００ppmでは、２５秒付近に抵抗値の小さなピークが
生じ、波形はさらに複雑になっている。(e)のＣＯ１０
０ppmとエタノール１００ppmの混合ガスでは、ＣＯ１０
０ppm中とエタノール１００ppm中との中間的な波形が得
られるが、この波形はＣＯ１００ppm中の波形とエタノ
ール１００ppm中の波形の重ね合わせのみで説明できる
ものではない。

【００３１】発明者は最初に、他のガスとは独立して検
出対象ガスのみを定量できる濃度軸を探索した。このこ
とを、エタノール／アセトンの混合ガスやＣＯ／エタノ
ールの混合ガス等に対して行った。２０個のガスセンサ
を図４の駆動条件で駆動し、エタノール濃度が０ppm,１
０ppm,３０ppm,１００ppmの４通りと、アセトン濃度が
０ppm,１０ppm,３０ppm,１００ppmの４通りの、合計１
６通りに対して、応答波形を求めた。これらの全体を１
つのグループとして、即ちグループ分けを行わずに、ア
セトンに対する濃度軸を重回帰分析で求めた。次いで１
０日後に、同じ１６通りの組み合わせに対してエタノー
ル／アセトン系での応答波形を求め、前記の濃度軸で処
理してガス濃度を求めた。なお以下では、処理の都合上
ガス濃度０ppmは１ppmとして出力され、１０〜１００pp
m程度のガスの定量を目的としているので、３ppm以下の
ガス濃度は検出下限以下と考えてよい。

【００３２】図５に、濃度軸を定めるためのデータを測
定した後、１０日後のデータでアセトンを定量した際の
結果を示す。横軸は真のアセトン濃度で、縦軸は２０個
のガスセンサでの出力濃度の分布である。アセトン１０
ppm,３０ppm,１００ppmとも、出力濃度の分布が広く、
アセトン３０ppmでは１００ppmのエタノールを含む場合
等に出力が分裂して、アセトン２〜３ppm程度の出力も
生じている。このことは、強引にアセトンに対する濃度
軸を定めても、１０日間程度経過すると、再現性が失わ
れてしまうことを示している。

【００３３】同様に２０個のガスセンサを用い、ＣＯ０
ppm,１０ppm,３０ppm,１００ppmと、エタノール０ppm,
１０ppm,３０ppm,１００ppmの合計１６通りの組み合わ
せに対し、エタノールの濃度軸を定め、１０日後に同じ
１６組の組み合わせに対してセンサの波形を測定し、１
０日前のデータで定めた濃度軸で定量した。図６にＣＯ
／エタノールの混合ガスに対する、エタノールの定量結
果を示す。エタノールの場合、１６通りの組み合わせに
対して１つの濃度軸を用いても、ほぼ定量に成功してい
る。ＣＯ／エタノール混合ガス中でのエタノールの定量
は例外的なもので、混合ガス中の一方のガスを単一の濃
度軸で定量できる例は他には見つからなかった。

【００３４】図７は、図６と同時に行った測定によりＣ
Ｏに対する濃度軸を定め、１０日後の再測定でのＣＯの
定量結果を示している。ＣＯ濃度１０ppmの場合、出力
値の分布は１ppm程度から４００ppm程度に及び、３０pp
mの場合でも出力濃度の分布は３ppm程度から１００ppm
弱に及び、１００ppmの場合、出力濃度は５０ppm程度か
ら１０００ppm程度に及び、定量は完全に失敗してい
る。

【００３５】図５,図７で定量に失敗した原因は、他の
ガスの影響を受けずに検出対象ガスの濃度のみに依存す
るフーリエ成分を発見できなかったことにある。そこで
図５や図７の場合の様に、多数のフーリエ成分を組み合
わせて、校正時のデータに対して検出対象ガスを定量で
きる濃度軸を求めても、１０日程度経過すると再現性が
失われるのである。発明者はこのため、判別分析により
グループ分けすることを検討した。

【００３６】図８には前記の組み合わせに対するエタノ
ールとアセトンへの判別を示し、図９には前記の組み合
わせに対するＣＯとエタノールとの判別を示す。図８で
は、アセトンのみからなる雰囲気をグループ１とし、エ
タノールのみをグループ２とし、エタノールリッチでア
セトン含有をグループ３とし、アセトンリッチでエタノ
ール含有をグループ４としてある。なおエタノール濃度
とアセトン濃度が同じ場合、グループ３に含有させた。
図示した２つの判別関数の他に図示しない第３の判別関
数を用い、３次元空間内で４つのグループを１００％識
別することに成功した。なおグループ分けの手法はこれ
以外にも多数有り、これに限るものではない。参考まで
に、図８で用いた３つの判別関数の構成を示す。これら
の関数は、フーリエ係数Ｒ0,Ｒ1,...,Ｉ1,Ｉ2,...に線
形な一次関数で、係数は以下の通りである。 判別係数 1 ２ ３ Ｒ0 -0.00106 -0.00029 -0.00022 Ｒ3 0.068277 -0.00381 0.004794 Ｒ4 0.098987 -0.10977 -0.03183 Ｉ1 0.002735 0.024818 0.002883 Ｉ2 0.01992 -0.01638 -0.00389 Ｉ3 0.045303 0.042112 -0.01505 Ｉ5 -0.08916 0.139517 0.138115 Ｉ6 -0.07429 -0.11263 0.092428 定数 -0.69423 -0.88577 1.145502

【００３７】図９に、ＣＯとエタノールに対する識別を
示す。グループ１はエタノールのみの場合を示し、グル
ープ２はＣＯのみを示し、グループ３はエタノールリッ
チでＣＯ共存を示し、グループ４はＣＯリッチでエタノ
ール共存を示している。なおＣＯ濃度とエタノール濃度
が同程度の場合、エタノールリッチに分類した。図９で
はグループ３とグループ４の間等で識別が不十分である
が、実際には図示した関数１と関数２の他に図示しない
関数３を用い、３次元空間内で４つのグループを１００
％識別する事に成功した。図９で用いた３つの判別関数
での係数を以下に示す。 判別係数 1 ２ ３ Ｒ0 0.002793 0.002512 0.00305 Ｒ1 0.00933 -0.00601 -0.00473 Ｒ2 -0.044 0.037968 -0.06295 Ｒ3 0.010518 0.23377 0.1889 Ｒ4 0.05813 0.515291 0.257614 Ｒ5 0.265987 0.230725 0.148945 Ｒ6 -0.0681 0.291011 -0.23952 Ｉ1 -0.0216 -0.00324 -0.02711 Ｉ2 -0.03286 0.012994 0.06648 Ｉ3 0.041732 0.121468 0.138787 Ｉ6 -0.24291 0.249568 -0.0317 定数 -2.11249 2.351473 -3.41113

【００３８】図１０〜図１３に、図８の判別分析により
グループ分けした後の、エタノールとアセトンの定量を
示す。図１０,図１１に、図３のフローチャートに従
い、アセトンのみとアセトンリッチを統合してグループ
１とし、エタノールのみとエタノールリッチとを統合し
てグループ２とし、２つのグループに分類して定量した
際の結果を示す。なおここで、例えばアセトン濃度を定
量する場合、アセトンのみまたはアセトンリッチの場合
に対して第１の濃度軸を用い、エタノールリッチの場合
に対して第２の濃度軸を用い、１つのガスに対して２つ
の濃度軸を用いるようにする。

【００３９】図１０,図１１は、判別分析や重回帰分析
を行うための校正データを測定した後、１か月経過した
後のデータで定量を行った際の結果を示している。アセ
トン,エタノール共にほぼ定量に成功している。そして
図１０，１１は２０個のガスセンサに対する出力の分布
範囲を示し、かつアセトン１０〜１００ppmに対して、
エタノール０〜１００ppmの条件での出力であり、ほぼ
正確に定量が行えることがわかる。

【００４０】図１２,図１３に、グループの統合を行わ
ず、図３の４つのグループのそれぞれに対して、各ガス
４本の濃度軸を設けて定量した際の結果を示す。図１３
のエタノールの定量では、定量結果に図１１の場合と大
差はない。しがしながら図１２のアセトンに対する定量
では、１０ppmのアセトンに対する定量濃度が、１０ppm
付近と２０ppm付近とに分裂し、またアセトン１００ppm
に対する定量結果の範囲が広がっている。しかしながら
図１２は、グループ分けを行わなかった図５に比べて、
充分に精度のある結果を示している。エタノールのよう
に、４グループに分類したまま、そのまま正確に定量で
きるガスもあれば、アセトンのように、分類したグルー
プを統合してより小数のグループにした方が精度の得ら
れるガスもあった。アセトンのみとアセトンリッチを１
グループに統合した場合の重回帰関数の係数と、アセト
ンのみの場合の重回帰関数の係数と、アセトンリッチの
みの場合の重回帰関数の係数を表１に示す。これらはい
ずれもアセトン定量用の係数である。

【００４１】

【表１】 重回帰係数 アセトンのみとアセトン アセトンのみを アセトンリッチのみを リッチとを母集団とする 母集団とする 母集団とする 重回帰係数 重回帰係数 重回帰係数 Ｒ0 -0.00023 Ｒ0 -0.00028 Ｒ0 -0.00027 Ｒ1 -0.00213 Ｒ1 -0.00101 Ｒ1 0.001103 Ｒ2 0.008227 Ｒ2 0.00441 Ｒ3 0.019521 Ｒ3 0.008464 Ｒ3 0.026187 Ｒ6 -0.03205 Ｒ5 0.012216 Ｉ5 0.022918 Ｉ1 -0.00354 Ｉ2 0.003619 Ｉ6 -0.02339 定数 8.571594 Ｉ3 -0.01818 定数 8.587956 定数 5.950037

【００４２】図１４,図１５は、ＣＯ／エタノールの混
合ガスに対して、判別分析や重回帰分析のためのデータ
を同様にして測定して判別関数や濃度軸を定め、１か月
経過後に再測定して定量した際の結果を示す。なおガス
濃度は、ＣＯ,エタノール共、０ppm,１０ppm,３０ppm,
１００ppmの４通りで、これらの組み合わせでは１６通
りである。用いたセンサの個数は２０個で、図１４,図
１５には、他のガスの濃度を０〜１００ppmの範囲で変
化させた際の、２０個のガスセンサの出力濃度の分布を
示す。ＣＯに対してもエタノールに対しても、他のガス
の共存下で定量に成功している。

【００４３】実施例では、判別分析と重回帰分析の組み
合わせのように、比較的簡単な検出システムを用いて、
混合ガス中のガスを定量できる。また定量しようとする
ガスよりも他のガスの濃度が高い場合も、定量すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例のガス検出装置のブロック図

【図２】 図１の実施例を具体化したガス検出装置の
ブロック図

【図３】 図２の実施例での検出対象ガスの定性・定
量アルゴリズムを示すフローチャート

【図４】 実施例で用いたガスセンサ信号の波形図
で、(a)はセンサ温度を、(b)は空気中でのセンサ信号の
波形を、(c)はＣＯ１００ppm中でのセンサ信号の波形
を、(d)はエタノール１００ppm中でのセンサ信号の波形
を、(e)はＣＯ１００ppmとエタノール１００ppmとの混
合ガス中でのセンサ信号の波形を示す。

【図５】 （アセトン０，１０，３０，１００ppm）
×（エタノール０，１０，３０，１００ppm）の１６種
類の組み合わせに対して、エタノール濃度を考慮せずに
重回帰分析によりアセトンの濃度軸を求めて、１０日後
に上記の１６種類の組み合わせに対してセンサ信号の波
形を再測定して、アセトン濃度を求めた際の結果を示す
特性図

【図６】 （エタノール０，１０，３０，１００pp
m）×（ＣＯ ０，１０，３０，１００ppm）の１６種類
の組み合わせに対して、ＣＯ濃度を考慮せずに単一の濃
度軸でエタノールを定量するようにして、１０日後にエ
タノール濃度を再測定した際の結果を示す特性図

【図７】 図６の測定と同時に、エタノール濃度を考
慮せずにＣＯへの濃度軸を求めて、１０日後のデータに
よりＣＯを定量した際の結果を示す特性図

【図８】 エタノールとアセトンの２種類のガスに対
して、アセトンのみ、エタノールのみ、エタノールリッ
チでアセトン共存、アセトンリッチでエタノール共存の
４グループに判別分析した際の結果を示す特性図

【図９】 エタノールとＣＯの２種類のガスに対し
て、エタノールのみ、ＣＯのみ、エタノールリッチでＣ
Ｏ共存、ＣＯリッチでエタノール共存の４グループに判
別分析した際の結果を示す特性図

【図１０】 １ヶ月後のデータに対して図８の判別関
数を用い、アセトンのみまたはアセトンリッチに対する
アセトン濃度軸と、エタノールのみまたはエタノールリ
ッチに対するアセトン濃度軸とを用いて、アセトン濃度
を定量した際の結果を示す特性図

【図１１】 １ヶ月後のデータに対して図８の判別関
数を用い、エタノールのみまたはエタノールリッチに対
するエタノール濃度軸と、アセトンのみまたはアセトン
リッチに対するエタノール濃度軸とを用いて、エタノー
ル濃度を定量した際の結果を示す特性図

【図１２】 １ヶ月後のデータに対して図８の判別関
数を用い、アセトンのみ、アセトンリッチ、エタノール
リッチの３つのアセトン濃度軸を用いて、アセトン濃度
を定量した際の結果を示す特性図

【図１３】 １ヶ月後のデータに対して図８の判別関
数を用い、エタノールのみ、エタノールリッチ、アセト
ンリッチの３つのエタノール濃度軸を用いて、エタノー
ル濃度を定量した際の結果を示す特性図

【図１４】 １ヶ月後のデータに対して図９の判別関
数を用い、ＣＯまたはＣＯリッチと、エタノールリッチ
のＣＯに対する２つのＣＯ濃度軸を用いて、ＣＯ濃度を
定量した際の結果を示す特性図

【図１５】 １ヶ月後のデータに対して図９の判別関
数を用い、エタノールまたはエタノールリッチと、ＣＯ
リッチに対する２つのエタノール濃度軸を用いて、エタ
ノールを定量した際の結果を示す特性図

【符号の説明】

２ ガスセンサ ４ 駆動部 ６ 波形解析部 ８ 識別部 １０ 定量部 ２１ ヒータ ２２ 金属酸化物半導体 ２３ 負荷抵抗 ２４ サイン波電源 ２６ ＦＦＴ ２８ 判別分析部 ３０ 判別関数記憶部 ３２ 重回帰分析部 ３４ 濃度軸記憶部

フロントページの続き (72)発明者 加藤 陽 箕面市船場西１丁目５番３号 フィガロ技 研株式会社内 (72)発明者 瀬戸口 泰弘 箕面市船場西１丁目５番３号 フィガロ技 研株式会社内 (72)発明者 中原 毅 箕面市船場西１丁目５番３号 フィガロ技 研株式会社内 Ｆターム(参考） 2G046 AA11 AA23 AA24 BB02 BE03 DB07 DC14 DC16 DC17 DC18 EB06 FB02 2G060 AA01 AB08 AB18 AE19 BA01 BA03 BA09 HC02 HC10

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスセンサに周期的な刺激を与えて応答
   波形を取り出し、この応答波形からガスを定性し、検出
   対象ガスを定量する方法において、 ガスの定性では、検出対象ガスと他の少なくとも１種類
   のガスとの応答波形への相対的な寄与に応じて、少なく
   とも２つのグループへ識別するように定性し、検出対象
   ガスの定量では、前記少なくとも２つのグループ中の、
   少なくとも検出対象ガスの寄与の大きいグループに対し
   て、該グループで学習した濃度関数を用いて、検出対象
   ガスを定量する、ことを特徴とするガス検出方法。
2. 【請求項２】 前記の少なくとも２つのグループを、検
   出対象ガス及び検出対象ガスがリッチなグループと、他
   のガス及び他のガスがリッチなグループ、の少なくとも
   ２グループとしたことを特徴とする、請求項１のガス検
   出方法。
3. 【請求項３】 前記少なくとも２つの各グループに対し
   て、前記濃度関数を別個に定めて、検出対象ガスを定量
   することを特徴とする、請求項１または２のガス検出方
   法。
4. 【請求項４】 ガスセンサがヒータを備えた金属酸化物
   半導体ガスセンサで、周期的刺激がガスセンサの加熱温
   度を周期的に変化させることであり、前記応答波形をフ
   ーリエ係数にフーリエ変換して、前記定性にはフーリエ
   係数を入力として前記グループを出力する判別関数を用
   い、前記濃度関数はフーリエ係数を入力として検出対象
   ガス濃度を出力するようにしたことを特徴とする、請求
   項１〜３のいずれかのガス検出方法。
5. 【請求項５】 検出対象ガス、他のガス、検出対象ガス
   と他のガスとの混合ガスで検出対象ガスがリッチなガ
   ス、及び検出対象ガスと他のガスとの混合ガスで他のガ
   スがリッチなガスに対して、予め応答波形を測定して、
   検出対象ガス及び検出対象ガスがリッチなグループと、
   他のガス及び他のガスがリッチなグループとに識別する
   ための判別関数を求めて記憶し、 検出対象ガス及び検出対象ガスがリッチなグループに対
   する検出対象ガスの濃度関数と、他のガス及び他のガス
   がリッチなグループに対する検出対象ガスの濃度関数と
   を求めて記憶することを特徴とする、請求項４のガス検
   出方法。
6. 【請求項６】 ガスセンサに周期的刺激を与えるための
   手段と、該周期的刺激に対するガスセンサの応答波形を
   サンプリングするための手段と、サンプリングした応答
   波形を用いて、検出対象ガスの寄与が相対的に大きいグ
   ループと相対的に小さいグループの少なくとも２つのグ
   ループに検出したガスを識別するための手段と、少なく
   とも検出対象ガスの寄与が相対的に大きいグループに対
   して検出対象ガスを定量するための手段、とを設けたガ
   ス検出装置。
7. 【請求項７】 前記ガスセンサがヒータを備えた金属酸
   化物半導体ガスセンサで、前記周期的刺激を与えるため
   の手段で前記ヒータに三角関数的に変化する電力を加
   え、前記サンプリング手段ではガスセンサの信号をフー
   リエ変換し、前記識別手段では、検出対象ガス及び混合
   ガスで検出対象ガスがリッチなグループと、他のガス及
   び混合ガスで他のガスがリッチなグループとに識別する
   ための判別関数を記憶して識別し、 前記定量手段では、検出対象ガス及び混合ガスで検出対
   象ガスがリッチなグループでの検出対象ガスの濃度関数
   と、他のガス及び混合ガスで他のガスがリッチなグルー
   プでの検出対象ガスの濃度関数とを記憶して、検出対象
   ガスを定量する、ことを特徴とする請求項６のガス検出
   装置。