(57)【要約】【課題】検出精度が高く、且つ寿命が長いアルコールセンサを提供する。【解決手段】アルコールセンサ１は、複数の燃料電池型素子３と、ケーシング２と、開閉弁５と、制御部６とを備える。複数の燃料電池型素子３の各々は、電解質層および一対の電極を有し、検出対象気体のアルコール濃度を検出する。ケーシング２は、検出対象気体が流れる流路４を有すると共に、複数の燃料電池型素子３を搭載する。開閉弁５は、ケーシング２内に設けられると共に、流路４のうち複数の燃料電池型素子３の各々に対して分岐する分岐流路４２の各上流側で分岐流路４２を開閉する。制御部６は、開閉弁５を切り替えることで、複数の燃料電池型素子３のいずれか１つに検出対象気体を流入させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、前記電解質層の両面に設けられた一対の電極とを有し、検出対象気体のアルコール濃度を検出する複数の燃料電池型素子と、
前記検出対象気体が流れる流路を有すると共に、前記複数の燃料電池型素子が搭載されるケーシングと、
前記ケーシング内に設けられると共に、前記流路のうち前記複数の燃料電池型素子の各々に対して分岐する分岐流路の各上流側で当該分岐流路を開閉し、前記複数の燃料電池型素子の各々に対する前記検出対象気体の流入を許容または禁止する開閉弁と、
前記開閉弁を切り替えることで、前記複数の燃料電池型素子のいずれか１つに前記検出対象気体を流入させてアルコール濃度の検出を行う制御手段と
を備えたことを特徴とするアルコールセンサ。
【請求項２】
前記制御手段は、前記複数の燃料電池型素子の各々の劣化の指標を示す指標値を取得し、前記指標値が閾値未満である燃料電池型素子に前記検出対象気体を流入させるように前記開閉弁を切り替えることを特徴とする請求項１に記載のアルコールセンサ。
【請求項３】
前記複数の燃料電池型素子の各々は単独で着脱可能であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルコールセンサ。
【請求項４】
前記複数の燃料電池型素子の各々は単独で着脱可能であり、
前記複数の燃料電池型素子のうち、前記指標値が前記閾値未満である燃料電池型素子および前記閾値以上である燃料電池型素子の少なくともいずれかを使用者に報知する報知手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載のアルコールセンサ。
【請求項５】
前記複数の燃料電池型素子の各々は、マイクロマシニング技術により加工された基板に前記電解質層および前記一対の電極が配置されることで形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアルコールセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼気等に含まれるアルコール濃度を検出するアルコールセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば自動車の運転手の呼気等に含まれるアルコール濃度を検出するために、アルコールセンサが用いられている。アルコールセンサに使用される素子には、燃料電池型素子、半導体型素子等の様々な種類がある。燃料電池型素子は、気体中のアルコールを高精度で検出することができるが、半導体型素子に比べて寿命が短い。半導体型素子は、燃料電池型素子に比べて寿命が長いが、ガス選択性および検出精度が燃料電池型素子よりも劣る。
【０００３】
特許文献１が開示しているアルコールセンサは、燃料電池型素子と半導体型素子を共に備える。まず、半導体型素子によってアルコール濃度が検出される。半導体型素子による検出結果が閾値以上である場合にのみ、吸引ポンプによって燃料電池型素子に呼気が吸引され、燃料電池型素子による検出が行われる。その結果、燃料電池型素子の劣化が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２１０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１が開示しているアルコールセンサは、ガス選択性および検出精度が低い半導体型素子を最初に用いて検出を行う。従って、実際のアルコール濃度が閾値以上であるにも関わらず、半導体型素子による検出結果が閾値未満となると、燃料電池型素子による高精度の検出が行われることなく検出が終了する。よって、燃料電池型素子のみを用いて検出を行う場合に比べて、検出精度は低下する。さらに、アルコール濃度が高い気体について検出を行う頻度が多くなると、燃料電池型素子の劣化を抑制することはできない。従って、従来は、高い検出精度を保ったままアルコールセンサの寿命を延長することは困難であった。
【０００６】
本発明は、検出精度が高く、且つ寿命が長いアルコール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】
【０００７】
本発明に係るアルコールセンサは、電解質層と、前記電解質層の両面に設けられた一対の電極とを有し、検出対象気体のアルコール濃度を検出する複数の燃料電池型素子と、前記検出対象気体が流れる流路を有すると共に、前記複数の燃料電池型素子が搭載されるケーシングと、前記ケーシング内に設けられると共に、前記流路のうち前記複数の燃料電池型素子の各々に対して分岐する分岐流路の各上流側で当該分岐流路を開閉し、前記複数の燃料電池型素子の各々に対する前記検出対象気体の流入を許容または禁止する開閉弁と、前記開閉弁を切り替えることで、前記複数の燃料電池型素子のいずれか１つに前記検出対象気体を流入させてアルコール濃度の検出を行う制御手段とを備える。
【０００８】
燃料電池型素子は、検出対象気体中のアルコールを高精度で検出できる。燃料電池型素子の劣化は、電極が測定対象気体に曝されることで生じるので、検出対象気体を流入させなければ劣化速度は遅くなる。本発明に係るアルコールセンサは、開閉弁を切り替えることで、複数の燃料電池型素子のいずれか１つに検出対象気体を流入させてアルコール濃度を検出する。従って、開閉弁を切り替えながら複数の燃料電池型素子を規則的にあるいはランダムに使用に供させることで、全ての素子が劣化するまでの時間が、素子を１つだけ備える場合に比べて長くなる。よって、本発明によれば、高い検出精度を保ったままアルコールセンサの寿命を延長することができる。
【０００９】
前記制御手段は、前記複数の燃料電池型素子の各々の劣化の指標を示す指標値を取得し、前記指標値が閾値未満である燃料電池型素子に前記検出対象気体を流入させるように前記開閉弁を切り替えてもよい。この場合、アルコールセンサは、劣化していない燃料電池型素子を用いて検出を行うことができる。従って、劣化した燃料電池型素子によって誤った検出結果が得られることを防止することができる。
【００１０】
前記複数の燃料電池型素子の各々は単独で着脱可能であってもよい。使用者は、複数の燃料電池型素子のうち、劣化した素子のみを交換することができる。従って、使用者は効率よくアルコールセンサのメンテナンスを行うことができる。
【００１１】
前記複数の燃料電池型素子の各々が単独で着脱可能である場合、アルコールセンサは、前記複数の燃料電池型素子のうち、前記指標値が前記閾値未満である燃料電池型素子および前記閾値以上である燃料電池型素子の少なくともいずれかを使用者に報知する報知手段をさらに備えてもよい。使用者は、劣化した燃料電池型素子がいずれであるかを容易に把握し、劣化した燃料電池型素子のみを効率よく交換することができる。
【００１２】
前記複数の燃料電池型素子の各々は、マイクロマシニング技術により加工された基板に前記電解質層および前記一対の電極が配置されることで形成されるのが望ましい。この場合、アルコールセンサの装置全体の大きさおよび重量が増加することを防止しつつ、複数の燃料電池型素子を用いて寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】アルコールセンサ１の構成を概略的に示す図である。
【図２】燃料電池型素子３の断面図である。
【図３】アルコールセンサ１の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】アルコールセンサ１が実行する素子決定処理のフローチャートである。
【図５】アルコールセンサ１が実行するリセット処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されているアルコールセンサ１の構成、フローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００１５】
図１を参照して、アルコールセンサ１の概略構成について説明する。アルコールセンサ１は、検出対象気体（例えば、人間の呼気）に含まれるアルコール濃度を検出する。アルコールセンサ１は、ケーシング２、複数の燃料電池型素子３、流路４、複数の開閉弁５、制御部６、および表示部７を主に備える。
【００１６】
ケーシング２は箱状である。ケーシング２は、検出対象気体が流れる流路４等を内部に備えると共に、複数の燃料電池型素子３を１つずつ単独で着脱可能に装着する。複数の燃料電池型素子３の各々は、検出対象気体のアルコール濃度を検出する。本実施形態のアルコールセンサ１は３つの燃料電池型素子３を装着できる。しかし、アルコールセンサ１は２つ以上の燃料電池型素子３を装着できればよく、装着できる燃料電池型素子３の数は３つに限られない。燃料電池型素子３の詳細については、図２を参照して後述する。
【００１７】
流路４は、導入流路４１と、分岐流路４２と、排出流路４３とを含む。導入流路４１は、検出対象気体をケーシング２の外部から内部へ導入する。分岐流路４２は、流路４のうち、導入流路４１から３つの燃料電池型素子３の各々へ分岐する部位である。分岐流路４２は、導入流路４１によってケーシング２の内部へ導入された検出対象気体を、３つの燃料電池型素子３の各々へ導く。排出流路４３は、燃料電池型素子３を通過した検出対象気体をケーシング２の外部へ排出する。本実施形態では、それぞれの燃料電池型素子３から延びる３つの排出流路４３が１つに合流し、ケーシング２の外部へ接続する。よって、検出対象気体の排出口は１つである。しかし、それぞれの燃料電池型素子３から延びる排出流路４３の各々がケーシング２の外部へ接続してもよい。
【００１８】
開閉弁５は、３つの分岐流路４２の各々の開閉を行う切り替えバルブである。詳細には、３つの開閉弁５の各々は、３つの分岐流路４２の各上流側（導入流路４１側）で、それぞれの分岐流路４２を開閉する。従って、３つの開閉弁５は、３つの燃料電池型素子３の各々に対する検出対象気体の流入を許容または禁止することができる。燃料電池型素子３は、開閉弁５が開放されて検出対象気体が流入すると、流入した検出対象気体のアルコール濃度を検出する。一方で、開閉弁５が閉鎖されている場合、燃料電池型素子３が検出対象気体に曝されることがないため、燃料電池型素子３の劣化が抑制される。
【００１９】
制御部６は、アルコールセンサ１の動作を制御するマイクロコンピュータであり、アルコール濃度の検出、３つの開閉弁５の切り替え等の動作を制御する。制御部６による制御については、図４および図５を参照して後述する。
【００２０】
表示部７は、３つの燃料電池型素子３の各々が劣化しているか否かを使用者に報知する。本実施形態では、表示部７は３つのＬＥＤを備える。３つのＬＥＤの各々は、３つの燃料電池型素子３の各々に対応しており、対応する燃料電池型素子３が劣化していることを点灯によって報知する。なお、表示部７の構成、劣化の報知方法等は変更できる。例えば、液晶ディスプレイ、７セグメントＬＥＤ等によって表示部７を構成してもよい。
【００２１】
図２を参照して、燃料電池型素子３の構造について説明する。図２の上方および下方を、それぞれ燃料電池型素子３の上方および下方とする。本実施形態で用いられる燃料電池型素子３は、公知のマイクロマシニング技術（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）によって製造される。従って、燃料電池型素子３は、従来のアルコールセンサに用いられていた燃料電池型素子に比べて非常に小さい。従来のアルコールセンサは燃料電池型素子を１つ備えるのみであったが、本実施形態のアルコールセンサ１は複数の燃料電池型素子３を備える。よって、マイクロマシニング技術を用いて燃料電池型素子３を小型化することで、アルコールセンサ１の装置形状を大幅に小型化することができる。
【００２２】
燃料電池型素子３は、シリコン基板３１、絶縁膜３３、空気極層３５、電解質層３６、および燃料極層３７を備える。シリコン基板３１は所定の厚みを有する。絶縁膜３３は、シリコン基板３１の上面に形成される。例えば、シリコン基板３１の上面に熱酸化処理を施すことで、ＳｉＯ２からなる絶縁膜３３を形成すればよい。シリコン基板３１および絶縁膜３３は、厚み方向（上下方向）に貫通する開口部３２を備える。シリコン基板３１における開口部３２の内周面は、下側から上側へ向けて縮径されている。開口部２１は、例えば、空気極層３５、電解質層３６、および燃料極層３７が形成された後にエッチング等を行うことで形成すればよい。開口部３２には空気が導入される。
【００２３】
空気極層３５は、絶縁膜３３の上面に形成される。空気極層３５の下面の一部は、開口部３２に導入された空気に曝される。空気極層３５には、例えば、Ｐｔ（白金）若しくはＰｔ合金からなる電極触媒が用いられる。電解質層３６には、例えば、スルホン酸基を持ったフッ素系ポリマー等を用いればよい。電解質層３６は空気極層３５の上面に形成され、水素イオンを透過する。燃料極層３７は、空気極層３５との間に電解質層３６を挟むように、電解質層３６の上面に形成される。燃料極層３７には、空気極層３５と同様にＰｔ等からなる電極触媒が用いられる。燃料極層３７と空気極層３５は導線（図示せず）によって接続されている。
【００２４】
燃料極層３７の上面は、検出対象気体に曝される。検出対象気体にアルコールが含まれると、燃料極層３７はアルコールから水素イオンと電子とを分解する。水素イオンは、電解質層３６を通って空気極層３５へ移動する。電子は、導線を通って空気極層３５へ移動する。その結果、一対の電極（燃料極層３７および空気極層３５）の間に起電力が生じる。これにより、検出対象気体に含まれるアルコールの濃度が検出される。燃料電池型素子３は、検出対象気体中のアルコールを、半導体型素子に比べて高精度で検出することができる。
【００２５】
図３を参照して、アルコールセンサ１の電気的構成について説明する。前述したように、アルコールセンサ１は制御部６を備える。制御部６は、ＣＰＵ６１、ＲＯＭ６２、ＲＡＭ６３、および不揮発メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）６４を備える。ＣＰＵ６１は、アルコールセンサ１の制御を司る。ＲＯＭ６２には、アルコールセンサ１の動作を制御するための制御プログラム、初期値等が記憶される。ＲＡＭ６３には、各種情報が一時的に記憶される。ＥＥＰＲＯＭ６４は不揮発性の記憶素子である。ＥＥＰＲＯＭ６４には、３つの燃料電池型素子３の各々が劣化しているか否かを示す劣化情報等が記憶される。
【００２６】
３つの開閉弁５は、開閉弁制御回路１０に接続する。開閉弁制御回路１０は、制御部６から出力された信号に応じて各開閉弁５の開閉動作を制御する。３つの燃料電池型素子３は制御部６に接続しており、アルコール濃度の検出結果を制御部６に出力する。制御部６は表示部７に接続しており、表示部７の表示を制御する。操作部８は、アルコール濃度の検出開始の指示等を使用者が入力するために設けられており、入力された指示を制御部６に出力する。なお、アルコールセンサ１は、外部から供給される電力によって動作してもよいし、内蔵した電池の電力によって動作してもよい。
【００２７】
図４および図５を参照して、アルコールセンサ１が実行する処理について説明する。前述したように、アルコールセンサ１のＲＯＭ６２には、アルコールセンサ１の動作を制御するための制御プログラムが記憶されている。ＣＰＵ６１は、アルコール濃度の検出開始の指示が操作部８に入力されると、各部に対して検出に必要な電力の供給を開始し、且つ、図４に示す素子決定処理を実行する。また、ＣＰＵ６１は、図５に示すリセット処理を常に実行する。
【００２８】
素子決定処理について説明する。図４に示すように、素子決定処理が開始されると、複数の燃料電池型素子３のうち、劣化していない素子の１つが、検出に使用する候補として読み出される（Ｓ１）。詳細は後述するが、ＥＥＰＲＯＭ６４には、３つの燃料電池型素子３の各々が劣化しているか否かを示す劣化情報が記憶されている。ＣＰＵ６１は、劣化していないことが劣化情報によって示されている燃料電池型素子３の１つを読み出す。ここで、ＣＰＵ６１は、劣化していない燃料電池型素子３が複数存在する場合、検出に使用する候補として読み出す燃料電池型素子３を規則的に決定してもよいし、ランダムに決定してもよい。例えば、装着された順が最も早い燃料電池型素子３を候補として読み出してもよい。この場合、装着された燃料電池型素子３が使用されないまま放置され続けることを防止することができる。また、燃料電池型素子３を装着する３つの装着部に番号を振り、番号が若い装着部の燃料電池型素子３を優先して読み出してもよい。なお、図示しないが、全ての燃料電池型素子３が劣化していることが劣化情報によって示されている場合には、素子決定処理は終了する。この場合、ＣＰＵ６１は、燃料電池型素子３の交換を使用者に促すエラーを表示部７に表示させる。
【００２９】
検出に使用する候補の燃料電池型素子３が読み出されると、読み出された燃料電池型素子３の劣化の指標を示す指標値がＥＥＰＲＯＭ６４から取得される（Ｓ２）。本実施形態では、指標値として、検出に使用された回数Ｎと、検出に使用された時間ＴとがＥＥＰＲＯＭ６４に記憶されている。次いで、取得された指標値の少なくともいずれかが閾値以上であるか否かが判断される（Ｓ３）。本実施形態では、回数Ｎの閾値ＤＮ（例えば「５００回」）と、時間Ｔの閾値ＤＴ（例えば、「１５００分」）とがあらかじめ閾値として設定されている。閾値の値は、使用する燃料電池型素子３の特性、アルコールセンサ１の使用態様等によって適宜定めればよい。
【００３０】
少なくともいずれかの指標値が閾値以上となっている場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、候補として読み出された燃料電池型素子３が劣化していることを示す劣化情報が、ＥＥＰＲＯＭ６４に記憶される（Ｓ４）。燃料電池型素子３が劣化したことが、表示部７の対応するＬＥＤを点灯させることで使用者に報知される（Ｓ５）。処理はＳ１へ戻る。
【００３１】
いずれの指標値も閾値以上となっていなければ（Ｓ３：ＮＯ）、複数の開閉弁５のうち、読み出された燃料電池型素子３に接続する分岐流路４２（図１参照）の開閉弁５のみが開放される（Ｓ７）。その結果、複数の燃料電池型素子３のうち、劣化していない燃料電池型素子３の１つによってアルコール濃度が検出される。他の燃料電池型素子３には検出対象気体が流入せず、劣化は進行しない。次いで、使用中の燃料電池型素子３の指標値が加算される（Ｓ８）。具体的には、回数Ｎに「１」が加算されると共に、開閉弁５を開放させた以後の経過時間が計測され、計測された経過時間が時間Ｔに加算される。素子決定処理は終了する。なお、アルコール濃度の検出が終了すると、ＣＰＵ６１は、開放した開閉弁５を閉鎖する。
【００３２】
リセット処理について説明する。図５に示すように、リセット処理では、燃料電池型素子３が交換されたか否かが判断される（Ｓ１１）。交換されたか否かの判断は、燃料電池型素子３の装着の有無を検知するスイッチ（図示せず）によって行ってもよいし、燃料電池型素子３の電気的接続の有無によって行ってもよい。交換されていなければ（Ｓ１１：ＮＯ）、Ｓ１１の判断が繰り返される。燃料電池型素子３が交換されると（Ｓ１１：ＹＥＳ）、交換された燃料電池型素子３に関する情報がリセットされる（Ｓ１２）。詳細には、交換された燃料電池型素子３について、劣化していないことを示す劣化情報がＥＥＰＲＯＭ６４に記憶される。さらに、劣化の指標を示す指標値（ＮおよびＴ）が、初期値である「０」にリセットされる。処理はＳ１１の判断へ戻る。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態のアルコールセンサ１は、開閉弁５を切り替えることで、複数の燃料電池型素子３のいずれか１つに検出対象気体を流入させてアルコール濃度を検出する。燃料電池型素子３は、検出対象気体に燃料極層３７が曝される程劣化するため、使用しない燃料電池型素子３への検出対象気体の流入を禁止することで、劣化の進行を抑制することができる。その結果、全ての燃料電池型素子３が劣化するまでの時間が、燃料電池型素子３を１つだけ備える場合に比べて長くなる。よって、アルコールセンサ１は、高い検出精度を保ったまま寿命を延長することができる。つまり、アルコールセンサ１は、単に複数の燃料電池型素子３を備えるだけでなく、各燃料電池型素子３への検出対象気体の流入を適切に制御し、寿命を確実に延長することができる。
【００３４】
アルコールセンサ１は、劣化の指標を示す指標値が閾値未満である燃料電池型素子３に検出対象気体を流入させてアルコール濃度を検出するように、開閉弁５を切り替える。従って、アルコールセンサ１は、劣化した燃料電池型素子３によって誤った検出結果が得られることを防止することができる。
【００３５】
本実施形態のケーシング２によると、使用者（アルコールセンサ１のメンテナンスを行う業者を含む）は、複数の燃料電池型素子３の各々を単独で着脱できる。従って、劣化した素子のみを交換することができるため、アルコールセンサ１のメンテナンスを効率よく行うことができる。また、アルコールセンサ１は、劣化した燃料電池型素子３（劣化の指標を示す指標値が閾値以上となった燃料電池型素子３）を使用者に報知する。従って、使用者は、劣化した燃料電池型素子３がいずれであるかを容易に把握し、劣化した燃料電池型素子３のみを効率よく交換することができる。
【００３６】
本実施形態の燃料電池型素子３は、マイクロマシニング技術によって加工されたシリコン基板３１に電解質層３６および一対の電極（空気極層３５および燃料極層３７）が配置されることで形成される。従って、アルコールセンサ１全体の大きさおよび重量が増加することを防止しつつ、複数の燃料電池型素子３を用いて寿命を長くすることができる。
【００３７】
本発明は、以上詳述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられてもよい。上記実施形態では、複数の燃料電池型素子３の各々が単独で着脱可能であるため、使用者は効率よくメンテナンスを行うことができる。しかし、各々の燃料電池型素子３を単独で着脱できない場合でも、複数の燃料電池型素子３のいずれか１つに検出対象気体を流入させることで、従来のアルコールセンサに比べて寿命は延びる。
【００３８】
上記実施形態では、使用者は、劣化したことが表示部７に表示されている燃料電池型素子３のみを交換することで、効率よくメンテナンスを行うことができる。しかし、劣化した燃料電池型素子３を使用者に報知しない場合でも、各々の燃料電池型素子３を単独で着脱できれば、メンテナンスの効率は向上する。例えば、燃料電池型素子３をケーシング２に装着した日時を使用者自身が記録しておけば、劣化した燃料電池型素子３を予測して交換することができる。
【００３９】
上記実施形態のアルコールセンサ１は、燃料電池型素子３の劣化の指標を示す指標値として、検出に使用された回数Ｎと、検出に使用された時間Ｔとを共に用いる。しかし、指標値として用いることができる値は変更できる。例えば、アルコールセンサ１は、回数Ｎおよび時間Ｔのいずれか一方を用いて燃料電池型素子３の劣化を判断してもよい。呼気が吹き込まれた回数をセンサ等によって計測し、指標値として用いてもよい。ケーシング２に燃料電池型素子３が装着された以後の経過時間を指標値として用いてもよい。
【００４０】
燃料電池型素子３が劣化しているか否かを使用者に報知する方法は、変更することができる。例えば、メンテナンスが行われる場合等に、劣化した燃料電池型素子３を音声によって使用者に報知してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１    アルコールセンサ
２    ケーシング
３    燃料電池型素子
４    流路
５    開閉弁
６    制御部
７    表示部
３１    シリコン基板
３５    空気極層
３６    電解質層
３７    燃料極層
４２    分岐流路
６１    ＣＰＵ
６４    ＥＥＰＲＯＭ
【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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