(57)【要約】【課題】パルス通電で被検知ガスを検知する場合にも、被検知ガスの検知遅れを極力少なくすることのできる技術を提供する。【解決手段】半導体式のガス検知素子１に、周期的に所定電圧を所定時間パルス状に印加し、ガス検知素子１の検知対象ガス中での出力を得て、その検知対象ガス中の被検知ガスを検知し、ガス検知素子１に所定電圧をパルス状に印加したときに、出力が第一安定状態となる第一出力を得るとともに、出力が被検知ガス濃度に対応する平衡状態となる第二出力を得て、第二出力が第一所定値を超えた場合に、ガス検知素子１が被検知ガスを検知したものとするるとともに、第一、第二出力の差が第二所定値を超えたときにも、ガス検知素子が被検知ガスを検知したものとする。【選択図】　図１
2004053321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体式のガス検知素子に、周期的に所定電圧を所定時間パルス状に印加し、前記ガス検知素子の検知対象ガス中での出力を得て、その検知対象ガス中の被検知ガスを検知するガス検知方法であって、
前記ガス検知素子に所定電圧をパルス状に印加したときに、前記出力が第一安定状態となる第一出力を得るとともに、前記出力が被検知ガス濃度に対応する平衡状態となる第二出力を得て、
前記第二出力が第一所定値を超えた場合に、前記ガス検知素子が被検知ガスを検知したものとするとともに、
前記第一、第二出力の差が第二所定値を超えたときにも、前記ガス検知素子が被検知ガスを検知したものとするガス検知方法。
【請求項２】
半導体式のガス検知素子を備え、そのガス検知素子に周期的に所定電圧をパルス状に印加するパルス電圧供給装置を備え、検知対象ガス中で前記ガス検知素子に所定電圧を印加したときに前記ガス検知素子から出力を得る出力部を備えたガス検知装置であって、
前記出力部は、印加されるパルス状の前記所定電圧が、前記ガス検知素子に第一設定時間印加されたときの第一出力、および、前記ガス検知素子に第二設定時間印加されたときの第二出力を出力可能に構成され、
第二出力が第一所定値を超えた場合に、前記被検知ガスを検知したものとするとともに、前記第一出力と前記第二出力との差が第二所定値を超えた場合にも、前記被検知ガスを検知したものとする判別機構を設けたガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体式のガス検知素子に、周期的に所定電圧を所定時間パルス状に印加し、前記ガス検知素子の検知対象ガス中での出力を得て、その検知対象ガス中の被検知ガスを検知する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通常のガス検知装置としては、半導体式のガス検知素子を備え、検知対象ガス中で前記ガス検知素子に所定電圧を印加したときに前記ガス検知素子から出力を得る出力部を備えたものが知られている。
このようなガス検知装置は、前記ガス検知素子に電圧を印加して、そのときの雰囲気の検知対象ガス中に存在する被検知ガスが、そのガス検知素子表面で反応し、半導体に抵抗値の変化を与え、その変化に基づく出力が得られるために、被検知ガスを検知することができるものである。
【０００３】
このようなガス検知装置は、検知対象ガス中での被検知ガスとの接触により前記ガス検知素子から出力を得るために、通常は、常時通電した状態で出力をモニタする。しかし、このように常時通電していると、前記ガス検知装置は大量の電力を消耗することになるので、省電力化が望まれている。
【０００４】
そこで、前記ガス検知装置に、そのガス検知素子に周期的に所定電圧をパルス状に印加するパルス電圧供給装置を備え、パルス状に電圧を印加し、出力を得る必要のある限られた時間にのみ通電し、その他の時間帯の通電に要する電力を省略することにより省電力化を図ることが試みられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、被検知ガスの発生直後のパルス電圧印加時に得られる出力は、ガス検知素子が被検知ガスに晒されていた時間が短いほど小さくなる傾向が高い。言い換えれば、ガス検知素子が十分な出力を呈するには、十分な時間被検知ガスに晒される必要がある。そのため、たとえば、パルス電圧を印加する直前に被検知ガスが発生していた場合には、ガス検知素子に対するガスの接触からパルス電圧の印加までの時間が短くなるから、被検知ガスは、前記ガス検知素子に十分な時間接触することができず、一度の出力だけでは被検知ガスを確実に検出できない場合がある。そのため、２度目以降のパルス電圧の印加による出力によらないと被検知ガスを検出ができない場合がある。従って、十分検知遅れを防止することができない場合があった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、上記欠点に鑑み、パルス通電で被検知ガスを検知する場合にも、被検知ガスの検知遅れを極力少なくすることのできる技術を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
被検知ガスを含む検知対象ガス中で前記ガス検知素子にパルス通電すると、そのガス検知素子から得られる出力は、典型的には図３に示す応答波形を示す。被検知ガスの出力は、通電直後、過渡応答で急激な出力変化を示した後、一時安定化して、第一安定状態となり、更に出力が上昇下降を経て、被検知ガス濃度に応じた出力値にまで変化し、安定出力が得られる。つまり、通電開始直後には、ガス検知素子の急速な温度上昇と、それに伴ってガス検知素子に対する吸着成分の影響が働き、急激なセンサ出力の変化を示すが、ガス検知素子の温度の安定化と吸着成分の減少によるガス検知素子の安定化に伴って、センサ出力の急激な変化は落ち着いてゆく。それ以後は、ガス検知素子上における被検知ガスの触媒反応による電子移動が出力に影響を及ぼすようになり、被検知ガスの触媒反応は、被検知ガスとの接触反応となり、前記ガス検知素子内への被検知ガスの拡散が進むにつれ、出力は次第に上昇して、被検知ガスの反応がガス検知素子上で平衡状態に達し、一定の安定出力値に近づく。
この安定出力値は、検知対象ガス中の被検知ガス濃度に対応しており、この値から、被検知ガス濃度が判る。前記ガス検知素子が短時間しか被検知ガスに晒されていない状態では、前記安定出力が十分に被検知ガス濃度に対応するものとなっていないので、その被検知ガスを正確に検知することができない。この点に関し、本発明者らは、前記第一安定状態の出力と、前記安定出力値との差が、被検知ガス濃度に依存することを新たに見いだした。
本発明は、この知見によるものである。
【０００８】
前記目的を達成するための本発明のガス検知方法の特徴構成は、
半導体式のガス検知素子に、周期的に所定電圧を所定時間パルス状に印加し、前記ガス検知素子の検知対象ガス中での出力を得て、
前記ガス検知素子に所定電圧をパルス状に印加したときに、前記出力が第一安定状態となる第一出力を得るとともに、前記出力が被検知ガス濃度に対応する平衡状態となる第二出力を得て、
前記第二出力が第一所定値を超えた場合に、前記ガス検知素子が被検知ガスを検知したものとするとともに、
前記第一、第二出力の差が第二所定値を超えたときにも、前記ガス検知素子が被検知ガスを検知したものとする点にある。
【０００９】
また、本発明のガス検知装置の特徴構成は、
半導体式のガス検知素子を備え、そのガス検知素子に周期的に所定電圧をパルス状に印加するパルス電圧供給装置を備え、検知対象ガス中で前記ガス検知素子に所定電圧を印加したときに前記ガス検知素子から出力を得る出力部を備え、
前記出力部は、印加されるパルス状の前記所定電圧が、前記ガス検知素子に第一設定時間印加されたときの第一出力、および、前記ガス検知素子に第二設定時間印加されたときの第二出力を出力可能に構成され、
第二出力が第一所定値を超えた場合に、前記被検知ガスを検知したものとするとともに、前記第一出力と前記第二出力との差が第二所定値を超えた場合にも、前記被検知ガスを検知したものとする判別機構を設けた点にある。
【００１０】
〔作用効果〕
つまり、半導体式のガス検知素子に、周期的に所定電圧を所定時間パルス状に印加し、前記ガス検知素子の検知対象ガス中での出力を得て、その検知対象ガス中の被検知ガスを検知すると、電圧の印加時間を短くすることができ、省電力化を図ることができるようになる。
【００１１】
このとき、前記出力としては、比較的短時間で前記出力が第一安定状態となる第一出力と、前記出力が被検知ガス濃度に対応する平衡状態となり、安定する第二出力とを得る。
前記第二出力は被検知ガスの濃度に対応するものとなっているので、その第二出力の値が、通常は被検知ガスの検知レベルとする第一所定値を超えた場合に、前記ガス検知素子が被検知ガスを検知したものとする従来のガス検知方法を適用することができる。
一方、前記第一出力は、通電初期において、前記ガス検知素子が昇温し始め、ガス検知素子内に拡散する被検知ガスを触媒酸化させるに伴う出力の上昇と、ガス検知素子がまだ低温状態で、被検知ガスと反応するものの十分な触媒酸化反応を行うまでには至っていない段階で、急激な温度上昇や、無通電期間中に吸着した被検知ガスの脱離等によりガス検知素子の表面状態が安定化するのに伴う出力の低下とが、バランスをとり、見かけ上出力の極小値を示すものと考えられる。つまり、被検知ガスの発生時期によって時間的に決まる要因と被検知ガス濃度によって決まる要因との複合状態を反映してパルス通電時の過渡応答出力波形が決まり、前記出力の極小値を第一出力として捉えることができるのである。
【００１２】
そのため、前記被検知ガス濃度に対応する出力としての第二出力と、前記第一出力との差は、通電開始時までに前記ガス検知素子に対してどの程度被検知ガスが吸着していたかという時間的な要因を反映する出力となっているものと考えられる。
【００１３】
従って、前記第一出力と前記第二出力との差が、所定濃度のガスがパルス電圧を印加する直前に発生した場合に得られる値に対応する第二所定値を超えたときに、前記ガス検知素子が被検知ガスを検知したものとすると、前記ガス検知素子にパルス通電を始める直前に高濃度の被検知ガスが発生していたとしても、その出力を確実に捉えられるのである。
なお、前記第一所定値、第二所定値は、検出したい被検知ガス濃度や、その検出に必要とされる精度等から、適宜調整変更して設定することができる。
【００１４】
尚、前記第一出力としては、出力の極小値を正確に捉えなければならないというものではない。つまり、前記出力の極小値が現れる近傍における出力を第一安定状態の出力として捉え、第一出力と称するものとする。
また、第二出力としても完全に被検知ガスの濃度に応じた一定の出力が得られるまで通電し続けたときの出力を厳密に要求するものではなく、その一定の出力に準ずる出力を平衡状態となる出力として捉え、第二出力と称するものとする。
【００１５】
上述のようなガス検知方法を採用するに当たって、ガス検知装置としては、半導体式のガス検知素子を備え、そのガス検知素子に周期的に所定電圧をパルス状に印加するパルス電圧供給装置を備え、検知対象ガス中で前記ガス検知素子に所定電圧を印加したときに前記ガス検知素子から出力を得る出力部を備える。これによって、前記ガス検知素子に対してパルス電圧を供給し、そのパルス電圧に対応する出力を得ることができる。
【００１６】
前記出力部では、前記所定電圧が前記ガス検知素子に第一設定時間印加されたときの第一出力、および、前記ガス検知素子に第二設定時間印加されたときの第二出力を出力可能である。
【００１７】
このようなガス検知装置により、第二出力が第一所定値を超えた場合に、前記被検知ガスを検知したものとすると、被検知ガスが前記ガス検知素子にパルス通電される十分前から存在する場合に、その被検知ガスを検知した出力が前記第二出力としてとらえ、その被検知ガス濃度が十分高くなっていると判断することができる。
また、前記第一出力と前記第二出力との差が第二所定値を超えた場合に、前記被検知ガスを検知したものとすると、被検知ガスがパルス通電を開始する直前に生じたような場合にも被検知ガスを検出できる。
【００１８】
従って、これら第一所定値、第二所定値を適用して、被検知ガスを判別する判別機構を設けていると、被検知ガスの発生がパルス通電を始める十分前であるか、直前であるかに関わらず、その被検知ガスを検知することができるようになった。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明のガス検知装置は、半導体式のガス検知素子１を備え、そのガス検知素子１に周期的に所定電圧をパルス状に印加するパルス電圧供給装置２を備え、検知対象ガス中で前記ガス検知素子１に所定電圧を印加したときに前記ガス検知素子１から出力を得る出力部３を備える。
【００２０】
前記ガス検知素子１としては、図２に示すように、白金、白金ロジウム合金、白金パラジウム合金等の貴金属線からなる貴金属線コイル１１に酸化スズを主成分とする感応層１２を設けてある熱線型半導体式ガス検知素子を用いる。
【００２１】
前記ガス検知素子は、ブリッジ回路４に組み込んである。前記ブリッジ回路４は、前記ガス検知素子１に、固定抵抗Ｒ０を直列に接続するとともに、このガス検知素子１と固定抵抗Ｒ０との合成抵抗に対して固定抵抗Ｒ１と固定抵抗Ｒ２との合成抵抗を、前記ガス検知素子１と固定抵抗Ｒ１、固定抵抗Ｒ０と固定抵抗Ｒ２が対向するように並列に接続する。また、前記ガス検知素子１と固定抵抗Ｒ０の間と、前記固定抵抗Ｒ１と固定抵抗Ｒ２との間との電位差を出力として取出す出力部３を接続してある。
【００２２】
前記出力部は、印加されるパルス状の前記所定電圧が、前記ガス検知素子に第一設定時間印加されたときの第一出力、および、前記ガス検知素子に第二設定時間印加されたときの第二出力をブリッジ電圧として出力する。
前記パルス電圧は、４９．７秒間の無通電、０．３秒間の通電を繰り返す５０秒周期で印加され、０．３秒間の通電時間中には図３に示すような応答出力が得られる。
【００２３】
図３においては、電圧印加直後出力は大きくあがり、その後、０．０５秒後までは、単調に減少する。また、０．０５秒経過後は、出力値がほぼ一定の値に収束する単調増加曲線に従う。
【００２４】
その結果、出力の応答曲線は、０．０５秒近傍で極小値（あるいは変曲点）をとる、第一安定状態を経て平衡状態に達するまで単調に増加することになる。従って、被検知ガスが十分長時間存在して、０．３秒の短時間で平衡状態に達して安定するような場合には、前記平衡状態における出力は被検知ガス濃度を反映したものとなり、第一所定値との比較によって被検知ガスの検知ができる。また、第一安定状態の出力と、平衡状態の出力との差を求めると、最初のパルス通電の際であっても、被検知ガス濃度に応じた値を示し、第二所定値との比較によって被検知ガスを検知することができる。
【００２５】
上述のガス検知素子およびパルス通電条件下で１０００ｐｐｍのメタン（ＣＨ４）ガスを検知すると、第一出力と第二出力との差および第二出力が図４のように推移することがわかった。
【００２６】
図４においては、周期的に印加されるパルス電圧の内、被検知ガスに晒された後の最初のパルス電圧がかけられるまでの時間を４５秒（ａ），１０秒（ｂ），１秒（ｃ）と変更して、それ以降のパルス電圧の印加の際に得られた第二出力および第一出力と第二出力との出力差を示した。その結果、第二出力の値は二度目のパルス通電以降は、同じ値を示して一定値となり、被検知ガス濃度に対応した出力を示していることがよみとれる。ただし、一度目のパルス通電では、（ａ），（ｂ）の場合には、第二出力が検知レベル１を超えているのに対し、（ｃ）では、検知レベル１を超えない。一方出力差は初期的に大きく上昇する過程をみると、前記（ｃ）の場合であっても検知レベルを超え、被検知ガスによる暴露時間の短いガス検知素子であっても被検知ガスの存在を検知できることを示している。
さらに詳細に検討したところ、この出力差が最初のパルス通電時に所定の値を超えている場合には、二度目のパルス通電時に、前記第二出力が必ず前記第一所定値（検知レベル１）を超えるという相関がある。また、パルス通電前に被検知ガスが発生したときの一度目のパルス通電までの時間と一度目のパルス通電による第一出力、第二出力の前記出力差との関係は、時間に対して出力差が単調に増加する。一方、前記平衡状態における出力は、濃度に対して単調に増加することが知られている。さらに、前記一度目のパルス通電までの時間の増加に対する出力差の増加量は、被検知ガス濃度の増加に対する出力の増加量と対応する関係にある。そのために、一度目のパルス通電までの時間の大小が被検知ガス濃度の大小に対応し、前記出力差の大小が、平衡状態における第二出力の大小と対応している。
【００２７】
従って、第二出力が第一所定値を超えた場合に、前記被検知ガスを検知したものとするとともに、前記第一出力と前記第二出力との差が第二所定値を超えた場合にも、前記被検知ガスを検知したものとする判別機構を設けてあれば、上述の出力に基づき、第二出力が第一所定値（検知レベル１）を超えた場合に、前記被検知ガスを検知するので、従来の技術と同様に被検知ガス濃度に基づくガス検知が行える。また、前記判別機構は、さらに、前記第一出力と前記第二出力との差が第二所定値（検知レベル２）を超えた場合にも、前記被検知ガスを検知したものとするから、被検知ガスが発生した直後（一度目）のパルス通電のみでも被検知ガスの存在を知ることができるようになり、所定濃度以上の被検知ガスの存在をきわめて短時間でも正確に確認することができる。
【００２８】
このように被検知ガスが所定濃度以上に存在することを示す出力が得られると、その出力に基づき、前記判別機構は、被検知ガスが有害な濃度に達しているものと判断して、警報機構５に警報信号を出力し、その警報出力を受けた警報機構では警報ブザーや警報音声を鳴動させ、その周囲にいる人に、換気、ガスの使用停止あるいは避難などの行動をとるように促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス検知装置の概略図
【図２】ガス検知素子の部分断面斜視図
【図３】ガス検知出力の過渡応答出力波形を示す模式図
【図４】第二出力および出力差のパルス回数依存性を示すグラフ
【符号の説明】
１　ガス検知素子
２　パルス電圧供給装置
３　出力部
４　ガス検知回路
５　警報機構
１１　貴金属線コイル
１２　感応層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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