説明

イオン化式ガスセンサ

【課題】 放射能の低減化が図られると共に高い動作の信頼性が得られ、検知対象ガスを高い精度で検出可能なイオン化式ガスセンサの提供。
【解決手段】 放射線による気体の電離作用により生ずる電離電流がガス粒子の存在により減少するその変化量に応じてガス濃度を検出するイオン化式ガスセンサであって、放射線源および集電極がチャンバ内に配設される共に、集電極とチャンバとの間に電位差を与える電圧印加手段が設けられた検知部と、濃度算出部と、温度検知手段とを有し、濃度算出部は、検知部からの検出出力値を、予め記録された互いに温度が異なる少なくとも2本の検量線データから選択した2本のうちの一方に対照して得られるガス濃度値を、当該2つの検量線データに係る温度値間の温度領域における出力変化量に基づいて、実測ガス温度値と一方の検量線データに係る温度値との温度差に応じた濃度補正量で、温度補正してガス濃度を算出する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はイオン化式ガスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、半導体製造プロセスにおける有機金属ガスや、オフィスや工場などにおける火災の発生を示す煙粒子を検出するためのセンサとして、放射線による気体の電離作用を利用した電離箱の原理を利用したイオン化式ガスセンサが広く用いられている。
イオン化式ガスセンサのある種のものは、図6に示すように、例えば板状の集電極75によって互いに気密に区画された、被検ガスが導入される測定室73および環境条件の変化の影響を補償するための補償室74を有するチャンバ72を備え、測定室73内および補償室74内のそれぞれに例えばアメリシウム241などの放射線源76,77が配設されて構成された検知部71と、集電極75からの検出信号としての電流信号(測定室73の電離電流と補償室74の電離電流との差分に応じたもの)が、絶縁部材79を介してチャンバ72の壁を気密に貫通して外部に導出された集電極75の一端がオペアンプ83の非反転入力端子(Vin+ )に接続されると共にオペアンプ83の出力端子(Vout)が反転入力端子(Vin- )に接続されて負帰還がかけられた状態で構成された、いわゆる「高入力インピーダンス回路」により構成された増幅回路82およびCPU85を含む濃度算出部81とにより構成されている(例えば特許文献1参照)。図6における72Aはガス導入管、72Bはガス排出管である。
【0003】
このような構成のイオン化式ガスセンサ70においては、チャンバ72に適正な大きさの電圧が電圧印加手段78によって印加されることにより放射線源76,77から放射された放射線(α線)によって測定室73内および補償室74内の空気が電離されて電離電流が生じており、例えば補償室74内において流れる電離電流の方向を逆さにして測定室73内において流れる電離電流と加算することにより、これらの電離電流が相殺されて検出される電流(出力)がゼロとなる状態、すなわち、測定室73と補償室74との間で平衡状態が維持された状態とされている。
而して、測定室73内に導入される被検ガスに、例えば煙粒子やガス粒子などの微粒子が含まれている場合には、この微粒子によって放射線が吸収されて測定室73の電離電流が減少して補償室74との平衡状態が崩れるので、測定室73の電離電流の変化量を検出することにより被検ガス中に含まれる検知対象ガスの濃度が検出される。
【0004】
そして、このようなイオン化式ガスセンサ70においては、例えば、濃度が既知であり、しかも互いに検知対象ガス(特定成分)の濃度が異なる複数の標準ガスを用いて、基準となる検量線データを予め取得しておき、この検量線データを実際の測定条件(例えば温度条件等)に即したものに補正することにより補正ガス濃度値を算出する温度補正が行われる。
【0005】
【特許文献1】特開2002−365264号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上記構成のイオン化式ガスセンサ70においては、測定室73および補償室74の各々に放射線源76,77を備えることが必須構成要件となっており、放射線源76,77の管理および取扱いに十分に注意を払うことが必要であり、放射能が低減されたものが望まれている。
【0007】
また、イオン化式ガスセンサ70における検量線データは、図7に示すように、温度依存性を有し、ガス濃度と出力変化量との関係が温度によって異なるため、単に、温度差に基づいて一義的に設定される補正係数によって補正するのでは、得られるガス濃度値は信頼性の低いものとなるという、問題がある。
【0008】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、放射能の低減化が図られた構成のものでありながら、高い動作の信頼性が得られ、しかも、検知対象ガスを高い精度で検出することのできるイオン化式ガスセンサ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】
【0009】
本発明のイオン化式ガスセンサは、放射線による気体の電離作用によって生ずる電離電流が検知対象ガスのガス粒子の存在により減少するその電流変化量に応じて検知対象ガスの濃度を検出するイオン化式ガスセンサにおいて、
被検ガスが導入される測定室を画成する導電性を有するチャンバを備え、このチャンバ内に、放射線源および集電極が配設されると共に、チャンバと集電極との間に電位差を与える電圧印加手段が設けられてなる検知部と、当該検知部からの検出信号に基づいて検知対象ガスのガス濃度を算出する濃度算出部と、被検ガスの温度を検知する温度検知手段とを有してなり、
当該濃度算出部には、予め取得しておいた、互いに温度が異なる少なくとも2本のガス濃度値と検知部において得られる検出出力値との関係を示す検量線データが記録されており、
検知部において得られる検出出力値を前記検量線データのうちから選択される2つの検量線データの一方に対照することにより得られるガス濃度値が、選択された2つの検量線データに係る温度値の間の温度領域における出力変化量に基づいて、被検ガスの実測温度値と当該一方の検量線データに係る温度値との温度差に応じた濃度補正量で、温度補正されることにより、検知対象ガスのガス濃度が算出されることを特徴とする。
【0010】
本発明のイオン化式ガスセンサにおいては、互いに温度が異なる3本以上の検量線データが記録されており、各々の検量線データに係る温度値は、均一な大きさの温度幅で設定された構成とされていることが好ましい。
【0011】
また、本発明のイオン化式ガスセンサにおいては、両端が気密に密閉された円筒型のチャンバが用いられ、当該チャンバの一方の端壁に放射線源が配設されると共に、線材よりなる集電極がチャンバの中心軸と同軸上の位置にチャンバの軸方向に伸びるよう配設された構成とされていることが好ましい。
【発明の効果】
【0012】
本発明のイオン化式ガスセンサによれば、基本的には、チャンバ内に配設される放射線源が一であることにより、放射能の低減化が図られたものとして構成することができ、しかも、検知部において得られる検出出力値を被検ガスの実測温度が含まれる温度領域に係る2つの検量線データの一方に対照することにより得られるガス濃度値が、当該温度領域における出力変化量に基づいて、被検ガスの実測温度と当該一方の検量線データに係る温度との温度差に応じた濃度補正量で、温度補正されることにより、被検ガスの温度が変化した際に、検量線が選択し直されることによる出力指示値の急激な変動を防ぐことができるので、被検ガス中に含まれる検知対象ガスの濃度を精確に検出することができる。特に、従来においては高い精度で測定を行うことが困難であった低濃度域のガス検知を行う場合であっても、精度よく測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
図1は、本発明のイオン化式ガスセンサの一例における構成の概略を示す説明図、図2は、図1に示すイオン化式ガスセンサの検知部の構成を示す断面図である。
このイオン化式ガスセンサ(以下、単に「ガスセンサ」という。)10は、放射線による気体の電離作用を利用した電離箱の原理を利用した検知部11と、検知部11からの検出信号に基づいて検知対象ガスの濃度を算出する濃度算出部30とを備えている。
【0014】
検知部11は、円筒状の基体13の一端側開口部に集電極21を備えた電極構造体20が気密に装着されると共に他端側開口部に放射線源15を保持するホルダー16が気密に装着され、内部に被検ガスが導入される測定室14を画成する円筒型のチャンバ12と、集電極21とチャンバ12との間に電位差を与える電圧印加手段18とを備えている。図2における12Aはガス導入管、12Bはガス排出管である。
【0015】
チャンバ12を構成する基体13は、導電性材料例えばステンレス鋼よりなり、集電極21に対する対電極として機能する。
【0016】
電極構造体20は、線径が小さくて硬い金属よりなる線材により構成された集電極21と、この集電極21が内部に挿入された状態でこれを保持する、例えばステンレス鋼よりなる円筒状の集電極ホルダー22と、この集電極ホルダー22を例えばフッ素樹脂よりなる円筒状の内側絶縁部材23Aを介して保持する、例えばステンレス鋼よりなるガードリング24と、このガードリング24における集電極ホルダー保持部分が内部に挿入された状態で装着された例えばフッ素樹脂よりなる円筒状の外側絶縁部材23Bとにより構成されており、この電極構造体20が基体13に装着された状態において、集電極21は、基体13の中心軸と同軸上に位置されると共にガードリング24の一端面より軸方向外方に突出して伸びる状態とされている。
【0017】
集電極21を構成する材料としては、例えばステンレス鋼、タングステン、鉄、モリブデン等を例示することができ、また、これらの素線の表面に例えばNi−Auメッキ処理がなされたものであってもよい。
集電極21の線径は、例えばφ1.0mm以下であることが好ましく、φ0.4〜φ0.8mmであることがより好ましい。集電極21の線径が過大である場合には、所定のガス測定を行うに際して必要とされる印加電圧が高いものとなり、一方、集電極21の線径が過小である場合には、自己保形性が小さくなって振動などによる影響を受けやすくなる。
【0018】
放射線源15は、例えばアメリシウム241の塊状体よりなり、例えばステンレス鋼よりなるホルダー16の内面における中央位置(チャンバ12の中心軸および集電極21と同軸上の位置)に形成された凹所によって保持、固定されている。
放射線源15は、その放射能が10kBq(キロベクレル)以下、例えば8kBq(キロベクレル)程度のものが用いられている。
【0019】
このガスセンサ10における電圧印加手段18は、例えば直流電源により構成されていおり、例えばチャンバ12の基体13に対して負の電圧を印加する。
一方、集電極21は例えば接地電位状態に維持されており、従って、電離作用によって生ずる正イオンがチャンバ12に集められると共に易動度の高い電子が集電極21に集電されるよう、測定室14内に電場が形成される。
【0020】
濃度算出部30は、例えばオペアンプOPを含む積分回路32と、ローパスフィルタ回路33と、ゲイン回路34と、ガス濃度を算出する演算部37を有するCPU35とを有する。図1における38AはA/D変換器、38BはD/A変換器である。
この積分回路32においては、コンデンサCに充電された電荷を放電するためのスイッチ(リセットスイッチ)SWがコンデンサCに対して並列に接続されている。
図1における符号65は、検知部11の周辺温度(検知部11に導入される被検ガスの温度)を検出するための温度検知手段である例えばサーミスタである。
【0021】
このガスセンサ10におけるCPU35は記録部39を有し、この記録部39には、当該ガスセンサ10について予め取得しておいた互いに異なる温度値における少なくとも2本以上の検量線データが設定されている。
これらの検量線データに係る温度値は、製品の使用温度範囲内において、均一な大きさの温度幅例えば10℃で設定されており、この実施例においては、例えば0℃、10℃、20℃、30℃および40℃の5つの温度値に係る5本の検量線データが設定されている。なお、温度値は、特に限定されるものではなく、例えばガスセンサ10が使用される環境条件などによって適宜に設定することができる。
また、検量線データは、例えばSiH4 ガスやTEOSガスなどの検知対象ガスの各々について設定されている。
【0022】
以下、上記ガスセンサ10によるガス検知動作について説明する。
上記ガスセンサ10は、熱分解器やポンプと共にガス検知システムを構成して使用される。ガス検知システムの構成について、図3を参照して説明すると、被検ガスを例えば800〜900℃程度に加熱することにより粒子状の酸化物を生成する熱分解器41がガスセンサ10のチャンバ12に設けられたガス導入管12Aに接続されると共に、例えば吸引ポンプ48よりなるガス導入手段がガス流量調整バルブ47およびバッファ46を含むガス流量調整手段を介してガスセンサ10のチャンバ12に設けられたガス排出管12Bに接続されている。ここに、図3における42はガスセンサ、43はデータロガ、44は粒子除去フィルター、45は流量計、46はバッファ、49は排気ダクトである。
【0023】
このガス検知システム40においては、被検ガスが適正な大きさに調整されたガス流量でチャンバ12の測定室14に導入されると共に、電圧印加手段18によって、適正な大きさに制御された例えば負(−)の電圧がチャンバ12を構成する基体13に印加されることにより、測定室14内の空気が放射線源15からの放射線(α線)の作用によって電離され、これにより生ずる電子および陰イオンが陽極として機能する集電極21に引き付けられることにより陰極として機能するチャンバ12の壁と集電極21との間に電離電流が流れ、当該電離電流の大きさに応じた入力電流信号が積分回路32に入力され、その出力信号がローパスフィルタ回路33およびゲイン回路34を介してCPU35に入力されることにより当該出力信号に基づいて検知対象ガスの濃度が算出されるが、検知対象ガスに係るガス粒子が被検ガスに含まれている場合には、放射線源15からの放射線(α線)がガス粒子に吸収されることに伴って電離電流が減少されることとなり、当該電離電流の変化量(減少の程度)に応じて検知対象ガスの濃度が算出される。
【0024】
以上において、検知対象ガスの濃度を算出するに際しては、検知部11において得られる検出出力値Vを、サーミスタ(温度検知手段)65より得られる実測温度値(T)が含まれる温度領域(t1<T<t2)に係る2つの検量線のうちの一方に対照することにより得られるガス濃度値(z1,z2)を、当該温度領域における出力変化率αに基づいて、当該実測温度値(T)と当該検量線の一方に係る温度値(t1またはt2)との温度差(Δt)に応じた濃度補正量(R)で温度補正され、補正ガス濃度値が得られる。ここに、濃度補正量(R)は、(式1)R=α×Δt={(z2−z1)/(t2−t1)}×Δt、Δt=T−t1またはΔt=t2−Tにより取得される。
以下、本発明に係る温度補正方法について具体的な数値例を挙げて説明する。
【0025】
以下に示す仕様を有するガスセンサ10を用いて、図3に示すガス検知システムを構成し、チャンバに対する印加電圧を−5Vとし、被検ガスとしてのシランガス(SiH4 ガス)を0.3リットル/minのガス流量で測定室内に導入することによるガス粒子検知テストをシランガスの濃度を適宜に変更して行うことにより、図4に示すような、シランガスの温度が0℃、20℃および40℃である場合の基準となる検量線が予め取得されているとき、30℃(温度検知手段により検知される実測値)のシランガスについて、同様のガス粒子検知テストを行ったところ、センサ出力値が例えば2.25Vであった場合には、図5に示すように、当該センサ出力値を20℃の基準検量線に対照することにより得られるガス濃度値が例えば5.6ppm、40℃の基準検量線に対照することにより得られるガス濃度値が例えば7.5ppmであることから、30℃のシランガスにおけるセンサの検出出力値に対応するガス濃度値は、5.6〜7.5ppmの濃度範囲内であることが想定される。
従って、20〜40℃の温度領域における出力変化率に基づいて、シランガスの実測温度値と基準検量線に係る温度との温度差に応じた、上記式1により算出される濃度補正量(R=0.95)で温度補正することにより、30℃のシランガスにおけるセンサ出力値2.25Vに対応するガス濃度値が6.55ppmと算出される。
【0026】
〔ガスセンサ仕様〕
チャンバ(12):材質;ステンレス鋼,外径;φ20mm,内径;φ15mm,長さ;55mm、
集電極(21):材質;表面にNi−Auメッキが施されたタングステン,線径;φ0.3mm,測定室内における配置位置;チャンバの中心軸と同軸上の位置、
放射線源(15):材質;アメリシウム241,放射能;8kBq(キロベクレル)、
【0027】
而して、上記ガスセンサ10によれば、検知部11からの検出信号として入力電流信号が得られるが、この入力電流信号がオペアンプOPを含む積分回路32によって積分されることにより検知対象ガスの濃度を算出することができる。具体的には、下記式(2)に基づいて出力Voutが算出され、これにより得られる出力Voutに応じた検知対象ガスの濃度が予め取得されていた検量線データに基づいて算出される。
【0028】
【数1】

【0029】
従って、チャンバ構造を測定室14のみを有し、単一の放射線源15を備えたものとして構成することができるので、測定室および補償室の電離電流の差に基づいてガス濃度を検出する構成のものと同等の動作の信頼性を有するものでありながら、放射能の低減化を図ることができる。
【0030】
しかも、検知部11において得られる検出出力値を被検ガスの実測温度が含まれる温度領域に係る2つの検量線データの一方に対照することにより得られる(参照)ガス濃度値が、当該温度領域における出力変化量に基づいて、被検ガスの実測温度と当該一方の検量線データに係る温度との温度差に応じた濃度補正量で、温度補正されることにより、被検ガスの温度が変化した際に、検量線が選択し直されることによる出力指示値の急激な変動を防ぐことができるので、被検ガス中に含まれる検知対象ガスの濃度を精確に検出することができる。特に、従来においては高い精度で測定を行うことが困難であった低濃度域のガス検知を行う場合であっても、精度よく測定を行うことができる。
【0031】
さらにまた、検知部11が両端が気密に密閉されて内部に被検ガスが導入される測定室14を画成する円筒型のチャンバ12を備え、このチャンバ12の一方の端壁における中央位置に放射線源15が配設されていると共に線材よりなる集電極21がチャンバ12の中心軸と同軸上に位置されて他方の端壁を気密に貫通して外部に導出されるよう配設された構成とされていることにより、適正な大きさの電圧がチャンバ12に印加されることにより測定室14内に形成される電場の強度を軸方向において均一に形成することができるので、放射線による気体の電離作用によって生ずる電離電流を確実に検出することができる。
【0032】
さらにまた、集電極21が接地電位状態に維持されると共にチャンバ12に負の電圧が印加されることにより、正極とされる集電極21に易動度の高い電子が集電されるので、高い効率を得ることができる。
【0033】
以上、本発明の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ものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明においては、集電極とチャンバとの間に所定の電位差が得られるよう電圧印加手段が設けられた構成とされていればよく、例えば、集電極およびチャンバの両方に電圧が印加される構成、あるいは、集電極に正の電圧が印加される構成とされていてもよい。
また、チャンバに対する電圧印加手段を可変電圧電源により構成することができ、このような構成とされている場合には、チャンバに対する印加電圧の大きさが検知対象ガスの種類および/または濃度に基づいて設定されることにより、測定室内に形成される電場の強度が調整されて例えば検知対象ガスの種類に応じた感度調整を行うことができ検知対象ガスを高い精度で検出することができる。
さらにまた、予め取得しておくべき検量線データ(温度)の数は、特に制限されるものではないが、実際上、3〜5本であることが好ましい。
さらにまた、集電極それ自体がチャンバの外部に導出された構成である必要はなく、例えば集電極の基端部分に給電用の外部リードを接続して当該外部リードがチャンバの外部に導出される構成とされていてもよい。
さらにまた、本発明のガスセンサは、一酸化炭素、硫化水素、炭化水素、二酸化炭素、メタン、ブタンなどを感知するための煙感知器に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】本発明のイオン化式ガスセンサの一例における構成の概略を示す説明図である。
【図2】図1に示すイオン化式ガスセンサの検知部の構成を示す断面図である。
【図3】図1および図2に示すイオン化式ガスセンサを用いたガス検知システムの一例における構成の概略を示す説明図である。
【図4】本発明のイオン化式ガスセンサにおける検量線データの一例を示す説明図である。
【図5】本発明のイオン化式ガスセンサにおける検知対象ガスの濃度の算出方法を説明するためのするための説明図である。
【図6】従来のイオン化式ガスセンサの一例における構成の概略を示す説明図である。
【図7】イオン化式ガスセンサにおけるSiH4 ガスについての出力特性の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【0035】
10 イオン化式ガスセンサ(ガスセンサ)
11 検知部
12 チャンバ
12A ガス導入管
12B ガス排出管
13 基体
14 測定室
15 放射線源
16 ホルダー
18 電圧印加手段
20 電極構造体
21 集電極
22 集電極ホルダー
23A 内側絶縁部材
23B 外側絶縁部材
24 ガードリング
30 濃度算出部
32 積分回路
33 ローパスフィルタ回路
34 ゲイン回路
35 CPU
37 演算部
38A A/D変換器
38B D/A変換器
39 記録部
40 ガス検知システム
41 熱分解器
42 ガスセンサ
43 データロガ
44 粒子除去フィルター
45 流量計
46 バッファ
47 ガス流量調整バルブ
48 吸引ポンプ
49 排気ダクト
65 サーミスタ
70 イオン化式ガスセンサ
71 検知部
72 チャンバ
72A ガス導入管
72B ガス排出管
73 測定室
74 補償室
75 集電極
76,77 放射線源
78 電圧印加手段
79 絶縁部材
81 濃度算出部
82 増幅回路
83 オペアンプ
85 CPU
OP オペアンプ
C コンデンサ
SW スイッチ(リセットスイッチ)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
放射線による気体の電離作用によって生ずる電離電流が検知対象ガスのガス粒子の存在により減少するその電流変化量に応じて検知対象ガスの濃度を検出するイオン化式ガスセンサにおいて、
被検ガスが導入される測定室を画成する導電性を有するチャンバを備え、このチャンバ内に、放射線源および集電極が配設されると共に、チャンバと集電極との間に電位差を与える電圧印加手段が設けられてなる検知部と、当該検知部からの検出信号に基づいて検知対象ガスのガス濃度を算出する濃度算出部と、被検ガスの温度を検知する温度検知手段とを有してなり、
当該濃度算出部には、予め取得しておいた、互いに温度が異なる少なくとも2本のガス濃度値と検知部において得られる検出出力値との関係を示す検量線データが記録されており、
検知部において得られる検出出力値を前記検量線データのうちから選択される2つの検量線データの一方に対照することにより得られるガス濃度値が、選択された2つの検量線データに係る温度値の間の温度領域における出力変化量に基づいて、被検ガスの実測温度値と当該一方の検量線データに係る温度値との温度差に応じた濃度補正量で、温度補正されることにより、検知対象ガスのガス濃度が算出されることを特徴とするイオン化式ガスセンサ。
【請求項2】
互いに温度が異なる3本以上の検量線データが記録されており、各々の検量線データに係る温度値は、均一な大きさの温度幅で設定されていることを特徴とする請求項1に記載のイオン化式ガスセンサ。
【請求項3】
チャンバが両端が気密に密閉された円筒型のものであって、当該チャンバの一方の端壁に放射線源が設けられており、線材よりなる集電極がチャンバの中心軸と同軸上の位置にチャンバの軸方向に伸びるよう配設されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のイオン化式ガスセンサ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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