(57)【要約】【課題】水蒸気の存在下でも、動作する信頼性の高いガスセンサを実現すること。【解決手段】ガス検知を行なう電極間電圧が入力される電圧検出手段２７の入力端に高抵抗２８を挿入し、水蒸気起因のヒータ電圧の分圧電圧を高抵抗２８と絶縁膜との抵抗比を利用して低減している。これによって、水蒸気存在下でのＣＯ検出の信頼性を向上させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスに対する酸化能力の異なる固体電解質と、該固体電解質上に設けた一対の電極と、前記一対の電極と前記固体電解質とを加熱する加熱手段と、前記一対の電極間の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、前記電圧検出手段の入力端子間を高抵抗で接続したガスセンサ。
【請求項２】
ガスに対する酸化能力の異なる固体電解質と、該固体電解質上に設けた一対の電極と、前記一対の電極と前記固体電解質とを加熱する加熱手段と、前記一対の電極間の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、前記電圧検出手段の入力端子間及び前記電極の正側と前記電圧検出手段の入力端子の正側とをそれぞれ１ＭΩから１００ＭΩの範囲の高抵抗で接続したガスセンサ。
【請求項３】
電圧検出手段は高入力抵抗のオペアンプ、増幅回路及び電圧調整回路とで構成した請求項１又は２記載のガスセンサ。
【請求項４】
ガスに対する酸化能力の異なる固体電解質と、該固体電解質上に設けた一対の電極と、前記一対の電極と前記固体電解質とを加熱する加熱手段と、前記一対の電極間の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、前記電圧検出手段の入力端子間を１ＭΩから１００ＭΩの範囲の高抵抗で接続すると共に、前記高抵抗を短絡する短絡制御手段を設けたガスセンサ。
【請求項５】
短絡制御手段は感応時間が１〜１０ミリ秒のメカニカルリレーの接点である請求項４記載のガスセンサ。
【請求項６】
短絡制御手段は単安定マルチバイブレータである請求項４記載のガスセンサ。
【請求項７】
短絡制御手段の短絡時間を設定する可変抵抗を備えた請求項６記載のガスセンサ。
【請求項８】
短絡制御手段の短絡時間を設定する抵抗選択スイッチを備えた請求項６記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一酸化炭素などの還元性を有するガスを検出するガスセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスセンサは半導体式、熱線半導体式、固体電解質式など種々の方式、形状のものが提案されている。一例として固体電解質式は図１１に示すように板状の固体電解質１の両面に一対の白金電極２、３を形成し、両面を板状のガス選択透過体４、５で覆い、片方のガス選択透過体４の表面にヒータ６を形成するとともに、その上に酸化触媒層７を設置したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般にガスセンサは一酸化炭素、メタン、プロパン、水素などに選択的に感応し、ガス洩れ警報機や、ＣＯ警報機などの用途に用途に用いられている。したがって最終安全装置として高感度であること、応答が速いこと、消費電力が低いこと、選択性が高いこと、そして何よりも信頼性が高いことが要求される。
【０００４】
またガスセンサはセンサとガスとの化学反応を利用してガス検知を行なうものが多く、信頼性の確保のためには、化学反応が安定的に起こることを保証する必要がある。化学反応を安定的に継続させる大きな要素は熱であり、検知部で化学変化が安定して起きる温度に常に保つことで反応の安定を図ろうとしていた。
【０００５】
図１１に示す従来のガスセンサでは、固体電解質１、ガス選択透過体４、酸化触媒層７は板状のチップであり、熱容量が大きいためセンサを安定的に動作する温度を保持するためには大きな電力が必要であり、そのために商用電源が必要であった。したがって電源コンセントを常時占有することになり、一般家庭では台所等のごく限られた場所に設置されるのが普通である。しかし、暖房機、給湯器等の室内燃焼機の機器劣化に伴う燃焼不良の可能性や、住宅の高気密化に伴う室内空気質の悪化を考えると、ＣＯ警報機を普及させる必要がある。ただし、電気製品が溢れている家庭内において電源コンセントを占有することは非常に不便であり、設置性を改良することが望まれる。
【０００６】
このような電力面での課題を解決するために図１２に示したような薄膜ガスセンサが提案されている（例えば特許文献１参照）。この薄膜ガスセンサは、基板８上に形成されたヒータ９の上面に電気絶縁層１０を介して形成された酸素イオン導電性を有する固体電解質薄膜１１と、固体電解質薄膜１１上に形成された一対の電極１２ａ、電極１２ｂと、前記一対の電極１２ａ、電極１２ｂの一方の電極１２ｂ上に設けられた酸化触媒層１３より形成されている。この構成により熱容量を小さくして図１３に示すように、熱を間欠的に加えるパルス駆動を可能としており、その結果、大幅な省電力化が可能となり電池駆動が可能となる。しかし、半導体式、熱線半導体式、固体電解質式等は、いずれもヒータで所定の温度に加熱するため、電池容量を長期間保持するためにはヒータ加熱の間隔を大きくとる必要があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１９４３２９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、省電力を意図した上記に述べたパルス駆動制御においては、パルス的に加熱されるので検知部は常に高温に保たれるわけではない。とくに水蒸気が検知部に付着したら、パルス加熱されても十分に発散せず、検知部のインピーダンスを下げてしまう可能性がある。またインピーダンスの低下によってヒータ電圧の分圧電圧が信号として検出され、ガス検出と判断してしまう可能性があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために、電極間の電圧検知時の入力インピーダンスをあえて下げ、水蒸気の存在による誤検知を少なくするものである。
これによって、台所などに設置されたガスセンサが調理時に発生する水蒸気などによって誤検知することもなくなり、信頼性の高いガスセンサを実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、ガスに対する酸化能力の異なる固体電解質上に一対の電極と、電極と固体電解質の加熱手段と、一対の電極間の電圧検出手段をと、電圧検出手段の入力端子間に高抵抗を設置したものであり、電圧検出手段の入力インピーダンスを適当な値に調整することによって、水蒸気存在時の出力を小さく抑えるものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、ガスに対する酸化能力の異なる固体電解質上の一対の電極と、電極と固体電解質の加熱手段と、一対の電極間の電圧検出手段と、電圧検出手段の入力端子間に１ＭΩから１００ＭΩの範囲の高抵抗を設置し、また電極の正電極と電圧検出手段の正入力端間にも１ＭΩから１００ＭΩの範囲の高抵抗を設置したものであり、センサ内部インピーダンスと電圧検出手段の入力インピーダンスの値のバランスを取ることによって水蒸気存在時の出力とガス検出時の出力の出力比を大きくするものである。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、電圧検出手段は高入力抵抗のオペアンプと増幅回路と電圧調整回路とで構成したものであり、最適な入力インピーダンスと最適な増幅率、最適な信号入力電圧範囲の設定を可能とするものである。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、ガスに対する酸化能力の異なる固体電解質上の一対の電極と、電極と固体電解質の加熱手段と、一対の電極間の電圧検出手段と、電圧検出手段の入力端子間に１ＭΩから１００ＭΩの範囲の高抵抗と高抵抗の短絡手段を設置したものでありセンサ出力を確実に短絡する事によりセンサ出力の原点回復の信頼性を高めるものである。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、感応時間１〜１０ミリ秒のメカニカルリレーの接点としたものであり、高速動作によって閉止信号に確実に応答する接点の開閉が可能となる。
【００１５】
そして請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、短絡制御手段を単安定マルチバイブレータで構成したものであり、短絡動作信号を出力するだけで、一定時間の短絡動作を行なう事が可能となる。
【００１６】
また請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、短絡制御手段の短絡時間を設定する可変抵抗を有するものであり、抵抗値を変更するだけで最適な短絡時間を設定する事が可能である。
【００１７】
また請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、短絡制御手段の短絡時間を設定する抵抗選択スイッチを有するものであり、スイッチの設定によって最適な短絡時間を設定する事が可能である。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるガスセンサの一例としてのＣＯセンサの構成図である。図１において、２０はセンサ素子である。２１は耐熱性で低熱伝導性の基板で、ここでは約２ｍｍ×２ｍｍ×０．３ｍｍの石英ガラスを用いている。２２は白金のヒータでスパッタ法、電子線蒸着法などによって所定の温度になるように抵抗値を設定している。２３は絶縁膜でアルミナ、シリカ、窒化珪素などの絶縁材料の薄膜をスパッタ法、電子線蒸着法などによってヒータ２２を覆うように形成している。２４は絶縁膜２３上に絶縁膜２３より小さな面積に形成された固体電解質であり、酸素イオン導電性を有する固体電解質（８％イットリア安定化ジルコニア）をスパッタ法で約０．４ｍｍ×０．６ｍｍの大きさに形成している。固体電解質２４としては酸素イオン導電性を有するすべての固体電解質を使用することができるがジルコニアに少量のイットリアを混合して焼成したイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が比較的安価で入手も簡単である。
【００２０】
また、２５ａ、２５ｂは電極で、白金をスパッタ法で固体電解質２４上に形成している。白金に一部パラジウム、ルテニウム、ロジウムなどの貴金属を混入させても良い。その他、一般に固体電解質型センサに用いる電極材料すべてが使用可能である。２６は片方の電極２５ａ上に設定された触媒で触媒２６は測定対象ガスを酸化分解するものであれば良いが、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウムなどの貴金属やバナジウム、マンガン等の酸化物あるいはこれらの混合物をアルミナなどに担持したものをスクリーン印刷法で形成する。
【００２１】
ここで、ＣＯ検出部３０は、絶縁膜２３、固体電解質２４、電極２５ａ、２５ｂ、触媒２６で構成された部分であり、片方の電極２５ａが触媒２６に覆われていることによって、電極２５ａ表面と電極２６ｂ表面でのガスに対する酸化能力が異なり、ＣＯ検出部３０全体がヒータ２２で加熱されてＣＯ検出特性を有するようになっている。すなわち空気中にＣＯが存在すると、触媒２６で覆われた電極２５ａではＣＯは触媒２６によって酸化され電極２５ａ面にまで到達しない。もう一方の電極２５ｂではＣＯは直接電極面に到達し、酸化されＣＯ２になる。この酸化反応には固体電解質２４内部の酸素イオンが使われ、その結果両電極での電極反応に差が生じ、固体電解質２４内部の酸素イオンの平衡が崩れ、両電極間に電位差が発生する。この電位差を電圧検出手段２７で検出することによりＣＯ濃度を検出することができる。電圧検出手段２７自身の入力インピーダンスは１Ｔ（１０６Ｍ）Ω程度と大きく入力端子間に高抵抗２８（１Ｍから１００ＭΩ程度の、電圧検出手段２７の入力インピーダンスに対しては十分小さい抵抗）の挿入によって、入力電圧は低減される。この低減率が、ＣＯ由来の出力信号電圧に比して、水蒸気由来の出力信号電圧の方が大きい。したがって高抵抗の挿入によって、水蒸気の影響が低減される。
【００２２】
図２に電圧検出手段２７の出力電圧を示す。領域（ａ）はＣＯ濃度最大値５００ｐｐｍに対する出力電圧を示し、領域（ｂ）は２０℃、相対湿度７０％の水蒸気雰囲気での出力電圧を示す。実線で示したのは、高抵抗２８が１０ＭΩの時の出力、破線で示したのは、高抵抗２８を挿入しなかった場合の出力である。高抵抗２８を挿入した場合の方が、ＣＯ出力が小さくなるものの、水蒸気雰囲気下での出力が大きく低減されており、水蒸気の影響が非常に小さくなっている。
【００２３】
その低減率の違いは、ＣＯ由来の出力信号は電極２５ａ、２５ｂ間の起電力出力であるのに対し、水蒸気による出力は絶縁膜２３の絶縁性の低下に由来するヒータ２２のリーク電圧であり、電圧発生の起源の差が挿入された高抵抗２８による低減率の違いに現れてくると考えられる。高抵抗２８の挿入が高水蒸気濃度雰囲気での信頼性の向上に多いに寄与していることが分かる。
【００２４】
また、ここで基板２１に用いている石英ガラスは熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫと絶縁膜２３（３５〜４５Ｗ／ｍＫ）や固体電解質２４（６Ｗ／ｍＫ）に対して小さく、したがってヒータ２２で加熱した場合に、基板２１の温度はほとんど上昇することなくヒータ２２の直上の固体電解質２４の領域およびその近傍のみの温度を上昇させることができる。したがって加熱のための消費電力も大幅に低減することができる。また、熱衝撃強度も大きいので短時間で所定の温度まで昇温することが可能である。上記構成では１５ｍＷｓｅｃの電力量で４５０℃までの昇温が可能であった。したがって、ヒータ２２をパルス的に駆動させて大幅に消費電力が低減できるため、電池電源での駆動も可能である。
【００２５】
図３は本発明の実施例１におけるＣＯセンサ回路の構成図である。ここではＣＯ検出部３０をヒータ２２で間欠加熱する構成としている。２９ａはパルス信号制御手段であり、信号制御手段としてのマイコン２９ｂから出力されたパルス出力電圧はオペアンプ３１の＋端子に入力され、出力端から固定抵抗３２とコンデンサ３３からなるフィルターを経由してオペアンプ３４の＋端子の入力になる。ＰＮＰトランジスタ３５とＮＰＮトランジスタ３６および直流電源３７はヒータ２２への電力供給手段３８を構成している。この構成において電流は直流電源３７からＰＮＰトランジスタ３５のエミッタ−コレクタを流れ、ヒータ２２に流れ込む。電流の大きさはＰＮＰトランジスタ３５のベース電流によって決まる。ＰＮＰトランジスタ３５のべース電流はＮＰＮトランジスタ３６のベース電圧、すなわちオペアンプ３４の出力電圧で制御される。オペアンプ３４は−端子と＋端子が同電位になるように動作するのでヒータ２２に流入する電流が決まり、発熱による抵抗値の変動が平衡状態に達し、ヒータ２２に印加される電圧が決定され、ヒータ２２の温度の平衡も達成され、ＣＯ検出部３０が加熱される。
【００２６】
そして、温度が上昇するとヒータ２２の抵抗値が増加し、オペアンプ３４の−端子の電圧が増加する。＋端子との電圧差が小さくなるとＮＰＮトランジスタ３６のベース電流が絞られる。従ってＰＮＰトランジスタ３５のベース電流も絞られ、ヒータ２２に流入する電流も絞られ、平衡状態に達してパルス出力電圧に相当した電圧がヒータ２２に印加されることになる。そしてヒータ２２の温度は一定値に制御される。一定温度に加熱されたＣＯ検出部３０はＣＯガスの濃度に応じた電圧を出力し、出力信号が電圧検出手段２７に入力される。マイコン２９ｂ内部では電圧検出手段２７からの信号によってＣＯ濃度を判定する。なお、ヒータ２２は間欠過熱を行なうとして説明を行なってきたが、ヒータ２２は連続通電されてもセンサの検知動作としては何ら問題はない。
【００２７】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２におけるＣＯセンサの構成図である。実施例１との違いはセンサ電極２５ａと電圧検出手段２７の＋端子間に高抵抗４０を挿入したことである。この高抵抗４０により、ＣＯ検出部３０の内部インピーダンスのばらつきが緩和され、電圧検出手段２７の出力の一層の安定が確保される。
【００２８】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３における電圧検出手段の構成図である。ＣＯ検出部３０の電極２５ａと２５ｂ間の電圧は高抵抗２８を挿入した高入力抵抗のオペアンプ４１に入力され、その出力は増幅回路４２で増幅され、ボリューム４３で設定された電圧と加算されてオペアンプ４４の出力となる。また、信号処理に適した信号レベルは加算される電圧によって調整される。この構成により、ＣＯ濃度範囲に応じ、適切な増幅度と信号電圧範囲に調節することが可能となる。
【００２９】
（実施例４）
図６は本発明の実施例４におけるＣＯセンサの構成図である。電圧検出手段２７の入力端にリレー４５が設置され、接点４６をコイル４７が励磁することによって閉じ、ＣＯ検出部３０の電極２５ａと２５ｂ間を短絡する構成としている。この構成により、電極２５ａと２５ｂ間の電圧を検出しない時間に電極間を短絡し、電極被毒の原因となる、イオンや電荷の放電を促し、常に清浄な電極状態でガス濃度を計測するため、信頼性の高いガスセンサを実現することが可能となる。
【００３０】
（実施例５）
図７は本発明の実施例５における短絡手段の構成図である。短絡手段はメカニカルリレー４８のリレー接点４９で構成され、コイル５０はＮＰＮトランジスタ５１の導通によって励磁される。すなわち、ＮＰＮトランジスタ５１のベース５２にｈｉｇｈ電圧が印加されるとＮＰＮトランジスタ５１のコレクタ５３、エミッタ５４間が導通し、コイル５０の励磁によってメカニカルリレーのリレー接点４９が閉じる。信号に対する即応性の点からリレー接点４９の感応速度は２〜１０ミリ秒の高速応答が必要とされるので、高周波用リレーが短絡手段として最適である。
【００３１】
（実施例６）
図８は本発明の実施例６における短絡手段の構成図である。短絡制御信号は単安定マルチバイブレータ５５から出力される。単安定マルチバイブレータ５５の入力端子５６にｈｉｇｈ信号が与えられると、外付けの抵抗５７とコンデンサ５８の値で決まる時間出力端子５９からｈｉｇｈ信号が出力される。短絡動作時間は上記の時定数で決まる。短絡動作は開始の指示を与えるだけで良いので制御は簡単になる。
【００３２】
（実施例７）
図９は本発明の実施例７における短絡手段の構成図である。単安定マルチバイブレータ５５の出力パルス幅は可変抵抗６０の大きさを調節することによって設定することが可能である。抵抗値が可変であるので実験で最適なパルス幅を選択することが出来る。
【００３３】
（実施例８）
図１０は本発明の実施例８における短絡手段の構成図である。単安定マルチバイブレータ５５の出力パルス幅は抵抗アレイ６１から選択スイッチ６２によって抵抗値を設定することによって設定が可能である。実験で最適な短絡パルス幅を選択することが出来る。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、ガス検出用の電極間電圧の電圧検出手段の入力端子に高抵抗を挿入することにより、水蒸気の存在下での出力の変動を押さえ、信頼性の高いガスセンサを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるＣＯセンサの構成図
【図２】同センサにおける電圧検出手段の出力特性図
【図３】同センサにおけるＣＯセンサの回路図
【図４】本発明の実施例２におけるＣＯセンサの構成図
【図５】本発明の実施例３における電圧検出手段の構成図
【図６】本発明の実施例４におけるＣＯセンサの構成図
【図７】本発明の実施例５における短絡手段の構成図
【図８】本発明の実施例６における短絡手段の構成図
【図９】本発明の実施例７における短絡手段の構成図
【図１０】本発明の実施例８における短絡手段の構成図
【図１１】従来のＣＯセンサ検知部の構成を示す斜視図
【図１２】従来の他のＣＯセンサ検知部の構成を示す斜視図
【図１３】同センサのヒータ駆動に係る説明をするための模式図
【符号の説明】
２０  センサ素子
２２  ヒータ（加熱手段）
２４  個体電解質
２５ａ、２５ｂ  電極
２７  電圧検出手段
２８、４０  高抵抗
４１、４４  オペアンプ
４２  増幅回路
４３  ボリューム
４５  リレー
４８  メカニカルリレー
５５  単安定マルチバイブレータ
６０  可変抵抗
６２  選択スイッチ
【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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【図８】
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【図９】
2004271267.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2004271267.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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