JP2003262611A

JP2003262611A - ガス検出装置

Info

Publication number: JP2003262611A
Application number: JP2002062957A
Authority: JP
Inventors: Takashi Niwa; 孝丹羽; Masao Maki; 正雄牧; Katsuhiko Uno; 克彦宇野; Kunihiro Tsuruta; 邦弘鶴田; Takahiro Umeda; 孝裕梅田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】省エネルギーでかつ信頼性の高いガス検出装
置と実現する。【解決手段】ガス検出部１８を加熱するヒータ５へパ
ルス状の電圧を印加し、ガス検出部１８からの出力信号
を信号処理部で処理すると共に、ヒータ５への印加電圧
のガス検出信号への影響を信号処理部で補正する手段を
設置する。この構成により信頼性の高いガス検出装置を
実現する。

Description

【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ガスをは
じめガスの検出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１２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１２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層、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】近年家屋の高気密高断
熱化が進み、室内の燃焼機器の不完全燃焼、火事に伴う
一酸化炭素ガス、建材から発生する有毒ガスによる中毒
の危険性が従来より増したと指摘されている。実際、大
都市の繁華街の雑居ビル火災での被害者は火よりも燃焼
によって発生する一酸化炭素の中毒によって死に至る例
が多く見られる。また高齢者世帯の増加などから、火
事、ガス事故などの際にいち早く危険を報知する重要性
はますます高まっている。したがって人が生活するとこ
ろに火災の検知器を設置すること、しかも火を検知する
よりも、有毒ガスとりわけ火災に伴い発生する一酸化炭
素の検出をすばやく行い、報知する一酸化炭素検知器の
設置の必要性が高まっている。しかしながら前記従来の
構成ではガス検出部を加熱するためのヒータに必要な電
力の供給をＡＣ電源から行っていたためにガス検知器を
コンセントの近くに設置する必要があり、設置の自由度
が制限されていた。また設置の自由度を上げるために電
源を電池にすると電池の寿命から大きな電源を必要と
し、簡単に設置することが困難となっていた。

【０００５】本発明は前記従来の課題を解決するもの
で、ガス検出部を加熱するためのヒータへの通電を間欠
的に行い、かつガス検出部の熱容量を小さくすることに
より、加熱に必要な電力を小さくし、小型で長時間電池
交換をすることなく精度良く一酸化炭素ガスをはじめと
する有毒ガスの検出を長時間、設置の場所の制約なく行
うことを可能にし、火災を早期に検知し被害を未然にあ
るいは最小にとどめ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、ガス検出部の信号処理部、ガス検
出部を加熱する発熱体と発熱体に間欠的にパルス電圧を
印加するパルス信号制御手段と信号処理部にも電圧補正
手段を備えたものである。

【０００７】これによって、小型で長時間電池交換をす
ることなく精度良く一酸化炭素ガスをはじめとする有毒
ガスの検出を長時間、設置の場所の制約なく行うことを
可能にし、火災を早期に検知し被害を未然にあるいは最
小にとどめることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、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、ガス検出部の信号処理部、ガス検出部を加熱する
発熱体と前記発熱体に間欠的にパルス電圧を印加するパ
ルス信号制御手段と信号処理部に電圧補正手段を備えた
ものであり、低消費電力でかつ正確なガス検知が可能と
なる。

【０００９】また請求項２にガス検出部の信号処理部を
差動増幅器と減算回路で構成したものであり、ガス検出
部の電圧を確実に取り出し、信号処理しやすい電圧に変
換することができる。

【００１０】また請求項３に記載の発明は、減算回路の
減算信号源を発熱体に印加するパルス電圧としたもので
あり、パルス電圧の変動を補正することが可能になる。
また請求項４に記載の発明は、減算回路に印加パルス電
圧の波高値を可変する波高値調整手段を有するものであ
り、波高値を調整することによって適正な比較電圧を得
ることができる。

【００１１】また請求項５に記載の発明は、信号処理部
の出力端には出力電圧制限手段を有するものであり、大
きすぎる回路出力によって制御系が誤動作するのを防ぐ
ことが可能になる。

【００１２】また請求項６に記載の発明は、減算回路出
力端にダイオードにより出力の制限を行うものであり、
回路の定格を超えた過大電圧が出力される事を防いでい
る。

【００１３】また請求項７に記載の発明は差動増幅回路
の入力端子には電位固定手段を有するものであり、増幅
電圧の基準点を確保することによって、確実なセンサ出
力電圧を検出することを可能にするものである。

【００１４】また請求項８に記載の発明は、減算回路に
差動増幅手段を設けたものであり、検出電圧を適正な電
圧範囲に保ちつつ、差動電圧出力の増幅を行うものであ
る。

【００１５】

【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。

【００１６】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
おけるガス検出装置の構成図である。

【００１７】７はパルス信号制御手段であり、パルス信
号電圧出力手段としてのマイコン８のパルス出力電圧は
オペアンプ９の＋端子に入力され、出力端から固定抵抗
１０とコンデンサ１１からなるフィルターを経由してオ
ペアンプ１２の＋端子の入力になる。ＰＮＰトランジス
タ１４とＮＰＮトランジスタ１５および直流電源１６は
ヒータ５への電力供給手段１７を構成している。この構
成において電流は直流電源１６からＰＮＰトランジスタ
１４のエミッタ−コレクタを流れ、ヒータ５に流れ込
む。電流の大きさはＰＮＰトランジスタ１４のベース電
流によって決まる。ＰＮＰトランジスタ１４のべース電
流はＮＰＮトランジスタ１５のベース電圧、すなわちオ
ペアンプ１２の出力電圧で制御される。オペアンプ１２
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
動が平衡状態に達し、ヒータ５に印加される電圧が決定
され、ヒータ５の温度の平衡も達成される。またヒータ
５に印加される電圧は電圧補正信号線５−１によって信
号処理部１３にも印加される。

【００１８】図２にヒータ５の抵抗−温度特性を示すま
たヒータ５に印加される電圧は信号処理部１３にも印加
される。図２と図１から、温度が上昇するとヒータ５の
抵抗値が増加し、オペアンプ１２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１５のベース電流が絞られる。従ってＰＮＰトラン
ジスタ１４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、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。そしてパルス出力
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。信号処理部１３の信号処理もヒータ５に印加された
電圧を基準にして処理される。

【００１９】図３はパルス出力電圧及びヒータ５の電圧
を示すタイムチャートである。

【００２０】（Ａ）はパルス出力電圧の時間経過を、
（Ｂ）はヒータ電圧の時間経過を示している。

【００２１】パルス出力電圧が間欠的にヒータ５に印加
されるとヒータ５の電圧は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３５０℃〜４００℃である。周期は１０
〜３０秒である。

【００２２】ヒータ５の近傍にはガス検出部１８が設置
され、電圧出力が信号処理部１３に入力され、信号処理
部１３ではヒータ５の出力電圧でガス検出部１８から信
号が補正されて、マイコン８へと出力される。マイコン
８では入力された信号レベルから危険を判断し、報知手
段１９に警報命令が出力され、危険報知がなされる。

【００２３】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３００℃〜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。

【００２４】また、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４（図は一部分切り欠いて描い
ている。）は通気性を有し、電極２を覆っている。そし
て、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５は固体電解質板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、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。この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１８が構成されてい
る。以上のように構成について以下その動作、作用を説
明する。

【００２５】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。、一酸化炭素酸化触媒層４が一定温度に
加熱されると、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。

【００２６】Ｏ＋２ｅ^-→Ｏ^2- 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。

【００２７】ＣＯ＋Ｏ^2-→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。

【００２８】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
欠駆動で間欠加熱を実現させている。

【００２９】以上のように本実施例においては、ヒータ
５にパルス電圧を加えることにより、省電力化を図り、
ＡＣ電源だけでなく電池での動作を可能にし、コードレ
スガス警報器を実現することも可能となる。またヒータ
５に印加される電圧を信号処理部１３に供給し、電圧補
正処理を行うことにより、ヒータ５に印加した電圧のガ
ス検出部への影響を補正することができ、精度良く一酸
化炭素の濃度を検出することが可能となる。

【００３０】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。

【００３１】（実施例２）図５は本発明の実施例２のガ
ス検出装置の構成図である。ガス検出部１８は高抵抗で
あるため、＋端子および−端子は別々の入力インピーダ
ンスの大きなオペアンプ２０、２１に接続されそれぞれ
のオペアンプの出力はオペアンプ２２によって差出力が
検出される。オペアンプ２０、２１、２２は差動増幅器
２３を構成している。オペアンプ２２の出力はさらにオ
ペアンプ２４に入力され、比較電圧２５が減算され、オ
ペアンプ２４の出力となる。オペアンプ２４と比較電圧
２５は減算回路２７を形成している。このような差動増
幅器２３でガス検出部１８の出力を処理する必要がある
のは、ガス検出部１８のインピーダンスは数百メガオー
ム程度と大きく、近傍に設置されたヒータ５に印加され
るパルス電圧の影響を受けるからである。その影響を相
殺するために、たとえパルス電圧の影響を受けても、＋
端子と−端子の電圧の差のみに着目し、ガス検知部１８
で発生した電圧のみを取り出す。また取り出された出力
を適正な大きさの領域に調整するために減算回路２７に
よって差動増幅器２３の出力を減算する。この構成によ
る信号処理を行うことによって、信頼性の高い、使い勝
手の良い信号を得ることが可能になる。

【００３２】（実施例３）図６は本発明の実施例３のガ
ス検出装置の構成図である。図６において、ヒータ５
の印加電圧は分圧器２８、２９によって分圧され、比較
電圧としてオペアンプ２６に入力される。この構成によ
ってヒータ５の印加電圧が変動しても減算回路２７にそ
の影響を反映させ、出力を補正することによって信号の
安定化を図ることができる。

【００３３】（実施例４）図７は本発明の実施例４のガ
ス検出装置の構成図である。ヒータ５の印加電圧は固定
抵抗３０と可変抵抗器３１によって分圧され、比較電圧
としてオペアンプ２６に入力される。可変抵抗器３１に
よって比較電圧を調整できる。また、この構成によって
ヒータ５の印加電圧が変動しても減算回路２７にその影
響を反映させ、出力を補正することによって信号の安定
化を図ることができる。

【００３４】（実施例５）図８は本発明の実施例５のガ
ス検出装置の構成図である。減算回路２７の出力は出力
電圧制限手段３２を介して外部出力される。出力先がマ
イコンなどの入力端子である時、増幅器の飽和などで過
大出力がマイコンを破壊することがあるので、出力電圧
制限手段３２のよって機器の破壊を未然に防ぐことがで
きる。

【００３５】（実施例６）図９は本発明の実施例６のガ
ス検出装置の構成図である。減算回路２７の出力信号は
ダイオード３３によってマイコン８の動作電圧源３４に
つながり、過大電圧が発生してもマイコン８の動作電圧
を超えることなく、素子を破壊することもない。

【００３６】（実施例７）図１０は本発明の実施例７の
ガス検出装置の構成図である。ガス検出部１８の−端子
に基準電圧源３５から一定電圧を供給し、差動増幅器２
３の増幅の基準点の電圧を確定させる。電圧を一定に固
定することにより、オペアンプ２１の動作電圧範囲内に
入力電圧を固定することができ、正常な差動増幅を保証
することができる。

【００３７】（実施例８）図１１は本発明の実施例８の
ガス検出装置の構成図である。差動増幅器２３の出力は
抵抗値Ｒ１の固定抵抗３６と抵抗値Ｒ２の固定抵抗３７
で分圧されてオペアンプ２４の＋端子に入力される。一
方オペアンプ２６の−端子にはオペアンプ２４の出力電
圧と比較電圧２５と抵抗値Ｒ１の固定抵抗３７と抵抗値
Ｒ２の固定抵抗３８で決まる電圧が入力される。この構
成によると、オペアンプ２６の出力端には差動増幅器２
３の出力から比較電圧２５を減算した電圧にＲ２／Ｒ１
を乗じた電圧が現れ、たとえばＲ１に１０キロオーム、
Ｒ２に５０キロオームを設定して増幅度５倍の差動増幅
回路を実現する。この回路構成により、ガス検出部５の
出力電圧を適当な大きさに増幅し、かつマイコン８の入
力電圧範囲に調節することが可能となる。

【００３８】

【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電圧をパルス的に印加してガス検
出時のヒータの加熱を行い、ガス検出部に重畳してくる
ヒータ電圧の影響を押さえ、信号処理部で制御に適正な
大きさにすることが可能となり、精度良くガスの検出を
行うことができる。従って、不完全燃焼に伴うガス中毒
を防ぎ、火災を早期に検知し被害を未然にあるいは最小
にとどめることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１におけるガス検出装置の構成
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におけるパルス出力電圧及び
ヒータ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におけるガス検出装置の構成
図

【図６】本発明の実施例３におけるガス検出装置の構成
図

【図７】本発明の実施例４におけるガス検出装置の構成
図

【図８】本発明の実施例５のパルス出力電圧及びヒータ
温度を示すタイムチャート

【図９】本発明の実施例６におけるガス検出装置の構成
図

【図１０】本発明の実施例７におけるガス検出装置の構
成図

【図１１】本発明の実施例８におけるガス検出装置の構
成図

【図１２】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層５ヒータ５−１電圧補正信号線６セラミック板７パルス信号制御手段８マイコン（パルス信号電圧出力手段）１２オペアンプ１３信号処理部１４ＰＮＰトランジスタ１５ＮＰＮトランジスタ１６直流電源１７電力供給手段１８ガス検出部２０、２１、２２、２４オペアンプ２３差動増幅器２５比較電圧２７減算回路２８、２９分圧器３０、３６、３７、３８、３９固定抵抗３１可変抵抗器３２出力電圧制限手段３３ダイオード３４動作電圧源３５基準電圧源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宇野克彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者鶴田邦弘大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者梅田孝裕大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BC02 BE12 BE13 BE22 BF07 BH08 BJ02 BJ09 BL19 BL20 BM04 BM07 BM09

Claims

【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、前記ガス検出部の信号処理
部、前記ガス検出部を加熱する発熱体と前記発熱体に間
欠的にパルス電圧を印加するパルス信号制御手段と前記
信号処理部に電圧補正手段を備えたガス検出装置。
【請求項２】ガス検出部の信号処理部を差動増幅器と
減算回路で構成した請求項１記載のガス検出装置。
【請求項３】減算回路の減算信号源を発熱体に印加す
るパルス電圧とした請求項１または２記載のガス検出装
置。
【請求項４】減算回路は印加パルス電圧の波高値を可
変する波高値調整手段を有する請求項１または２記載の
ガス検出装置。
【請求項５】信号処理部の出力端には出力電圧制限手
段を有する請求項１または２記載のガス検出装置。
【請求項６】減算回路出力端の出力電圧制限手段はダ
イオードで構成した請求項４記載のガス検出装置。
【請求項７】差動増幅回路の入力端子には電位固定手
段を有する請求項１または２記載のガス検出装置。
【請求項８】減算回路には入力信号の差動増幅手段を
有する請求項１または２記載のガス検出装置。