(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定温度に加熱されることにより、ガス濃度を検出するガス検出部を加熱する発熱体に電力を供給する電力供給手段と前記発熱体に間欠的に複数階段状のパルス電圧を印加する電圧制御手段を備え、前記電圧制御手段はそれぞれの印加パルス毎にフィルタの時定数を切換える時定数切換手段を有するガス検出器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一酸化炭素や漏洩ガスの検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のガス検出装置としては例えば一酸化炭素検出装置の構成として、特開２０００−３４６８２５公報に記載されているようなものがあった。図１０は前記公報に記載された従来の一酸化炭素ガス検出装置を示すものである。
【０００３】
図１０において１は固体電解質板、２、３は電極、４は一酸化炭素酸化触媒、５はヒータであり、セラミック板６の上に形成されている。ヒータ５に通電することにより、電極２、３間に一酸化炭素濃度に応じた電圧が出力され、その出力電圧から一酸化炭素濃度を知り、警報を発し、一酸化炭素中毒事故を未然に防ぐというものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の構成では、ガス検出部に近接設置された加熱用ヒータにパルス上に電圧が間欠印加されると、ヒータの温度が急激に上昇し、ヒータが断線したり、熱膨張の差により、ヒータが基板から剥離したりする可能性があり、ヒータの加熱が適切にされず、正しくガス濃度が検知されない可能性があった。
【０００５】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、ガス検知部の加熱を間欠的に行い、かつヒータに電圧印加時も階段状に設定温度を上げていく電圧を与えることにより急激な温度変化に伴うヒータの性能を損なうことなく、ガス濃度の検出に最適な温度をガス検出部に与える構成とすることにより、ガス検出器の検知精度の向上および信頼性の向上を図ることを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために一定温度に加熱されることにより、ガス濃度を検出するガス検出部とガス検出部を加熱する発熱体と発熱体に電力を供給する電力供給手段と発熱体に間欠的に複数階段状のパルス電圧を印加する電圧制御手段を備えたものである。
【０００７】
これによって、発熱体に対する熱的な衝撃が少なくなり、ガス検出器の信頼性の向上および省電力化を図ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、一定温度に加熱されることにより、ガス濃度を検出するガス検出部を加熱する発熱体に電力を供給する電力供給手段と前記発熱体に間欠的に複数階段状のパルス電圧を印加する電圧制御手段を備え、印加パルス毎にフィルタの時定数を切換える時定数切換手段を有するものであり、発熱体に対する熱的な衝撃が少なくなり、ガス検出器の信頼性の向上および省電力化を図ることができるとともに、制御電圧すなわち設定温度に応じて適切な立ち上がり動作を選択することが可能となる。
【００１７】
【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。
【００１８】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１、３、４、５、９におけるガス検出器の制御装置の構成図である。
【００１９】
７は電圧制御手段であり、８、９、１０はアナログスイッチであり、制御電圧１１、１２、１３（１３はアース電位）を信号電圧出力手段としてのマイコン１４の制御信号線１５、１６、１７の電位をｈｉｇｈにすることによって、オペアンプ１８の＋端子に印加する。オペアンプ１８の出力にはインピーダンス変換された＋端子の電圧がそのまま出力され、フィルタ１９の抵抗２０、コンデンサ２１を経てオペアンプ２２の＋端子の入力になる。ＰＮＰトランジスタ２３とＮＰＮトランジスタ２４および直流電源２５はヒータ５への電力供給手段２６を構成している。
【００２０】
この構成において直流電源２５からＰＮＰトランジスタ２３のエミッタ−コレクタを流れ、ヒータ５に流れ込む電流はＰＮＰトランジスタ２３のベース電流によって決まる。ＰＮＰトランジスタ２３のべース電流はＮＰＮトランジスタ２４のベース電圧、すなわちオペアンプ２２の出力電圧で制御される。オペアンプ２２の−端子と＋端子が同電位になるように動作することによってヒータ５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するので、ヒータ５の温度の平衡も達成される。
【００２１】
図２にヒータ５の抵抗−温度特性を示す。温度が上昇すると抵抗値が増加し、オペアンプ２２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２４のベース電流が絞られ、従ってＰＮＰトランジスタ２３のベース電流も絞られ、ヒータ５に流入する電流も絞られ、制御電圧に相当した電圧がヒータ５に印加されることになる。そしてヒータ５の温度は一定値に制御される。そして制御電圧を変化させれば、ヒータ５の温度も追随して変化する。従って初段で一定のパルス幅の制御電圧を出力し、初段電圧を切った後、第二段で一定のパルス幅で初段と異なった電圧を出力すると二段階のヒータ５の温度制御が可能となり、同様に制御を重ねていくと多段のヒータ温度制御が可能となる。
【００２２】
図３は印加される制御電圧及びヒータ５の電圧を示すタイムチャートである。（Ａ）は制御電圧の時間経過を、（Ｂ）はヒータ電圧の時間経過を示している。
【００２３】
制御電圧が間欠的に印加されるとヒータ５の電圧はフィルターの時定数で立ち上がり制御電圧にまで到達する。この場合のパルス幅は１０ｍｓｅｃ〜２０ｍｓｅｃであり、制御温度は初段が２００℃、二段目が４５０℃である。周期は１０〜３０秒である。
【００２４】
図４はガス検出部の構成を示す斜視図である。検出ガスは一酸化炭素ガスである。図４において、１は４００℃〜５００℃の高温下で酸素イオン導電性を有する固体電解質板で、その表面には一対の電極２、３を設置し、これらの電極２、３は、エレクトロンビーム蒸着またはスパッタリングまたは厚膜印刷法により形成されている。電極は通常白金電極が用いられる。
【００２５】
また、４は一酸化炭素の酸化触媒を含浸保持した一酸化炭素酸化触媒層（図は一部分切り欠いて描いている。）で、通気性を有し、電極２を覆っている。そして、５はセラミック板６の表面に蒸着もしくは印刷によって形成されたヒータであり、固体電解質板１および一酸化炭素酸化触媒層４を加熱して一酸化炭素検知素子として動作させる。電極２、３間には一酸化炭素濃度に応じた電圧が出力される。なお一酸化炭素酸化触媒層４と電極２、３と固体電解質板１によりガス検出部２７が構成されている。以上のように構成されたガス検出部について、以下その動作、作用を説明する。
【００２６】
まず上記の構成による一酸化炭素検出の作用を説明する。一定温度に加熱されると、一酸化炭素酸化触媒層４通過した一酸化炭素ガスは、一酸化炭素酸化触媒層４を通過する時に酸化されて電極２には到達しない。従って、固体電解質板１中の電極２の近傍では式（１）で示される反応によって電極２に吸着された酸素原子がイオン化される。
【００２７】
Ｏ＋２ｅ-→Ｏ2-  式（１）
一方、電極３の近傍では式（１）で示される反応に加えて、一酸化炭素ガスが到達して来るので式（２）で示される反応も起きている。
【００２８】
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ２＋２ｅ-  式（２）
そして、固体電解質板１の電極２と電極３の近傍での反応の差によって電極２、３間に電位差が発生する。すなわち一酸化炭素の濃度に応じて電位差が変化し、一酸化炭素検知素子として動作する。
【００２９】
ヒータ５は式（１）、式（２）の反応が安定して起こるように、固体電解質板１、一酸化炭素酸化触媒層４を一定の温度に加熱するための熱源であり、間欠駆動で加熱を実現させている。
【００３０】
以上のように本実施例においては、ヒータ５の制御電圧を変えたパルス電圧を加えることにより、ヒータ５に大きな熱衝撃を与えることなくヒータ５の加熱を実現することができ、一酸化炭素検出器としての信頼性の向上、特性の安定化を図ることが可能となる。
【００３１】
ここではガス検出装置の一例として一酸化炭素検出の例を説明したが、検出部を加熱することによってメタンガス、プロパンガスなどの可燃性ガスを検出するガス検出装置についても本発明は有効であることは言うまでもない。
【００３２】
（実施例２）
図５は本発明の実施例２のガス検出器の制御装置の構成図である。可変抵抗器２８と固定抵抗２９によって直流電源２５の電圧が抵抗分割され、アナログスイッチ８の入力となる。また可変抵抗器３０と固定抵抗３１によって直流電源２５の電圧が抵抗分割され、アナログスイッチ９の入力となっている。可変抵抗器２８と固定抵抗２９および可変抵抗器３０と固定抵抗３１とで基準電圧設定手段を構成している。アナログスイッチ８、９、１０は基準電圧切換手段を構成している。
【００３３】
この構成によればヒータ５の制御電圧は可変抵抗器２８、３０で抵抗値を設定することで設定することができ、ヒータ５の温度を簡単に変更、最適値に設定することが可能になる。
【００３４】
（実施例３）
図１において制御電圧１１、１２、１３はアナログスイッチ８、９、１０によって切換えられてオペアンプ１８の＋端子に入力されている。アナログスイッチ８、９、１０の選択はマイコン１４の制御信号線１５、１６、１７の電位をｈｉｇｈにすることによってなされ、各信号線の電位をｈｉｇｈにする時間がパルス幅を決める。基準電圧切換手段をアナログスイッチとしたこの構成によるとアナログスイッチ８、９、１０は電磁リレーの接点などで切換える場合と比較するとはるかに高速に１ミリ秒以下の速さで切換えが可能でかつ接点の開閉に伴う雑音の発生も少ない。また接点の漏洩も少なく制御電圧の干渉も少ない。従って階段的に制御電圧を高速に切換えることが可能となる。
【００３５】
（実施例４）
図１においてオペアンプ１８の＋端子（制御電圧切換手段の出力部）とアース間に高抵抗３２（１ＭΩ〜２ＭΩ）をつないでいる。高抵抗３２は電源投入時にオペアンプ１８の＋端子の電位をアース電位近傍に保ち、装置が過渡状態にある時にヒータ５に異常電圧が印加されてヒータ５が破壊されるのを防いでいる。抵抗値が低いと制御電圧に影響を与え、高すぎる電位安定の効果がなくなってしまうので、１ＭΩ〜２ＭΩの範囲が適切な抵抗範囲である。
【００３６】
この構成にすることによって装置が電源投入時など過渡状態にある時にヒータ５に異常電圧が印加されるのを防止し、ヒータ５が破壊されるのを防いでいる。
【００３７】
（実施例５）
図１において電圧制御手段７の出力部にはフィルタ１９があり、抵抗２０とコンデンサ２１によって構成され抵抗値と要領の積ＣＲで決まる時定数でパルス電圧の立ち上がりがなまる。そしてなまった電圧がオペアンプ２２の＋端子に入力されるので、−端子に接続されているヒータ５の電圧も図３に示したようになまって立ちあがる。従ってフィルタ１９なしで直接パルス電圧がオペアンプ２２の＋端子に印加される場合と比較すると、ヒータ５に加わる熱衝撃は大幅に緩和され、ヒータ５の熱衝撃に伴う不良を防止することができる。
【００３８】
（実施例６）
図６は本発明の実施例６におけるヒータ電圧とヒータ温度を示す図である。
【００３９】
（Ａ）はヒータ電圧であり、（Ｂ）はヒータ温度である。初段のヒータ温度は２５０℃に、次段のヒータ温度は４５０℃に設定されており、パルス幅は初段、次段共に２０ｍｓｅｃとしている。このように段階を経て、所定ヒータ温度に設定していることにより、熱衝撃によるヒータの不良を防いでいる。
【００４０】
（実施例７）
図７は本発明の実施例７におけるガス検出器の制御装置の構成図である。
【００４１】
電圧制御手段７の出力部には抵抗２０、３３、３４とコンデンサ１９と時定数切換手段であるアナログスイッチ３５、３６、３７があり、アナログスイッチ３５、３６、３７をマイコン１４の制御信号線１５、１６、１７の電位をｈｉｇｈにすることによって、（パルス電圧を選択すると同時に）抵抗２０、３３、３４を選択し、時定数を切換えている。
【００４２】
このような構成にすることにより、個別のパルス電圧毎に時定数を設定することができ、室温状態から２００℃程度へ上昇させる時にはパルス幅を狭く、時定数を小さくして早く立ち上げ、２００℃状態から４５０℃への上昇にはパルス幅を広く、時定数を大きくしてゆっくりと立ち上げることが可能となり、熱衝撃を緩和することが可能となる。
【００４３】
（実施例８）
図８は本発明の実施例８の印加される制御電圧及びヒータ５の電圧を示すタイムチャートである。
【００４４】
（Ａ）は制御電圧の時間経過を、（Ｂ）はヒータ電圧の時間経過を示している。初段のパルス電圧幅は１０ｍｓｅｃ、制御温度は２００℃設定、時定数は３ｍｓｅｃ程度とすると、次段のパルス電圧幅は２５ｍｓｅｃ、制御温度は４５０℃設定、時定数は１０ｍｓｅｃ程度とすることによって低温では上昇速度を早く、高温では上昇速度をゆっくりと制御し、ヒータ５への熱衝撃の少ない温度制御を実現することができる。
【００４５】
（実施例９）
図９は本発明の実施例９におけるマイコン１４の制御信号線１５、１６、１７の信号電圧を示すタイムチャートである。
【００４６】
制御信号線１５及び制御信号線１６は個々のパルス電圧が出ている間出力され、制御信号線１７は制御信号線１５と制御信号線１６の信号が出力されていない時に出力される。図１において制御信号線１７が出力される時はアナログスイッチ１０によってオペアンプ１８の＋端子がアース電位に保たれ、ヒータ５に印加される電圧も０Ｖとなる。制御信号線１７はパルス電圧が出力されていないときに確実に出力され、ヒータ５の電位を確実にア−ス電位に保つために、外乱雑音にも強い信頼性の高い装置を実現することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ガス検出部の加熱用ヒータに印加する電圧をパルス的に印加して省電力化を図ると共にヒータへの電圧印加を階段的に行うことにより、ヒータへの急激な熱衝撃を緩和し、ガス検出器の信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１、３、４、５、９におけるガス検出器の制御装置の構成図
【図２】本発明の実施例１のヒータの抵抗−温度特性図
【図３】本発明の実施例１における制御電圧及びヒータの電圧を示すタイムチャート
【図４】本発明の実施例１におけるガス検出部の構成を示す斜視図
【図５】本発明の実施例２におけるガス検出器の制御装置の構成図
【図６】本発明の実施例６におけるヒータ印加電圧とヒータ温度を示す図
【図７】本発明の実施例７におけるガス検出器の制御装置の構成図
【図８】本発明の実施例８の制御電圧及びヒータの電圧を示すタイムチャート
【図９】本発明の実施例９におけるマイコン制御信号線の信号電圧を示すタイムチャート
【図１０】従来の一酸化炭素ガス検出装置の構成図
【符号の説明】
１  固体電解質板
２、３  電極
４  一酸化炭素酸化触媒
５  ヒータ
６  セラミック板
７  電圧制御手段
８、９、１０  アナログスイッチ（基準電圧切換手段）
１１、１２、１３  制御電圧
１４  マイコン（信号電圧出力手段）
１５、１６、１７  制御信号線
１９  フィルタ
２０、３３、３４  抵抗
２２  オペアンプ
２５  直流電源
２６  電力供給手段
２７  ガス検出器
２８、３０  可変抵抗器
２９、３１  固定抵抗
３２  高抵抗
３５、３６、３７  アナログスイッチ（時定数切換手段）
【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】
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【図１０】
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