JP2004226241A

JP2004226241A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2004226241A
Application number: JP2003014570A
Authority: JP
Inventors: Takashi Niwa; 孝丹羽; Katsuhiko Uno; 克彦宇野; Akio Fukuda; 明雄福田; Takahiro Umeda; 孝裕梅田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】ガスの濃度に対応する電圧を出力する電極対の清浄化を図り、信頼性の高いガスセンサを実現する。
【解決手段】ガス検知を行なう電極４５ａ、４５ｂ間を短絡するリレー接点（短絡手段）３３を設け、短絡のタイミングを制御して電極に付着するイオンや電荷を放電させ、電極４５ａ、４５ｂを清浄に保つようにしている。これによって、ガスに対して常に清浄な電極面を保ち化学反応を持続させることができるので、ガスセンサとしての耐久信頼性を一層向上させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば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や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１０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。安定的に化学反応を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１０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燃焼不良によるトラブルを防止するため、あるいは住宅の高気密高断熱化に伴うセントラル暖房の普及を考えると、ＣＯ警報機を普及させる必要があり、また一方では、電気製品が溢れている家庭内において、電源コンセントが占有されることは大変不便になるので、設置性を改良することが望まれている。
【０００６】
このような電力面での課題を解決するために図１１の構成の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１２、電極１２’と、前記一対の電極１２、電極１２’の一方の電極１２’上に設けられた酸化触媒層１３よりなるとしている。この構成により熱容量を小さくして図１２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ことが示されている。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、また電池容量を長期間保持するためにはパルス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、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を意図していても、検知部の被毒による性能劣化を防ぎきれるものではなく、ましてや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、検知部をパルス的に加熱するので検知部は常に高温に保たれるわけではない。温度が上昇する時、また温度が下がる時にセンサではガス検出に適切でない温度で反応が起こることになり、反応に伴うイオンや電荷の正常な移動が阻害されることがあった。その結果検知部の表面が連続加熱を行なう時よりも被毒されやすく、正常な反応が起こらなくなる可能性があった。つまり高濃度のガスに曝されても検出できなかったり、低濃度のガスが来た時にもいつまでも高濃度のガスが来た時の出力を出し続けたりして誤検知を起こす可能性があった。
【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、本発明のガスセンサは、電極面に存在するイオンや電荷を一対の電極間を短絡して放電させることにより、ガス検出時に常に清浄な電極面を保つものである。
【００１０】
これによって、電極面の被毒に起因する検出の不確かさを解消でき、信頼性の高いガスセンサを実現することができる。
【００１１】
【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一対の電極を固体電解質上に有し、電極並びに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一対の電極間を電気的に接続する短絡手段と短絡手段の動作の開始と停止を制御する短絡制御手段を有するものであり、電極面に存在するイオンや電荷を一対の電極間を短絡して放電させることにより、電極の清浄化を図ることができる。
【００１２】
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一対の電極を固体電解質上に有し、電極並びに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一対の電極間を電気的に接続する短絡手段を有し、前記固体電解質と短絡手段を同一電気的遮蔽体中に設置したものであり、ガスの検出部と短絡手段を同一遮蔽体内に設置した事により、動作時のノイズの影響を低減するものである。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、ガスに対する酸化能力の異なる一対の電極を固体電解質上に有し、電極並びに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一対の電極間を電気的に接続する短絡手段を有し、固体電解質と短絡手段と一対の電極間の電圧検出手段を同一電気的遮蔽体中に設置したものであり、ガスの検出部と短絡手段と電圧検出手段を同一遮蔽体内に設置した事により、動作時のノイズの影響を低減するものである。
【００１４】
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一対の電極を固体電解質上に有し、電極並びに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一対の電極間を電気的に接続する短絡手段を有し、短絡手段の短絡動作に同期して電圧検出手段の出力を検出するものであり、センサ出力を確実に短絡する事により回路出力の原点電圧を把握する事ができる。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、感応時間を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。
【００１６】
そして請求項６に記載の発明は、請求項１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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
【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。
【００２０】
（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。ＣＯ検出部２０（構成は図２で説明を行なう）をヒータ２１で間欠加熱する構成としている。２２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２３から出力されたパルス出力電圧はオペアンプ２４の＋端子に入力され、出力端から固定抵抗２５とコンデンサ２６からなるフィルターを経由してオペアンプ２７の＋端子の入力になる。ＰＮＰトランジスタ２８とＮＰＮトランジスタ２９および直流電源３０はヒータ２１への電力供給手段３１を構成している。
【００２１】
この構成において電流は直流電源３０からＰＮＰトランジスタ２８のエミッタ−コレクタを流れ、ヒータ２１に流れ込む。電流の大きさはＰＮＰトランジスタ２８のベース電流によって決まる。ＰＮＰトランジスタ２８のべース電流はＮＰＮトランジスタ２９のベース電圧、すなわちオペアンプ２７の出力電圧で制御される。オペアンプ２７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２１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２１に印加される電圧が決定され、ヒータ２１の温度の平衡も達成され、ＣＯ検出部２０が加熱される。
【００２２】
温度が上昇するとヒータ２１の抵抗値が増加し、オペアンプ２７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２９のベース電流が絞られる。従ってＰＮＰトランジスタ２８のベース電流も絞られ、ヒータ２１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２１に印加されることになる。そしてヒータ２１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２０はＣＯガスの濃度に応じた電圧を出力し、出力信号が信号処理部３２に入力される。マイコン２３内部では、信号処理部３２からの信号によってＣＯ濃度を判定する。
【００２３】
また、マイコン２３からの信号によってリレー接点３３は短絡制御手段３４を介して制御され、リレー接点３３が閉じることにより、ＣＯ検出部２０の短絡を行なう。なお、ヒータ２１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２１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。
【００２４】
図２は本発明の実施例１におけるＣＯ検出部２０の斜視図である。図２において、４０はセンサ素子である。４１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。４２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。４３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２１を覆うように形成している。４４は絶縁膜４３上に絶縁膜４３より小さな面積に形成された固体電解質膜であり、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。
【００２５】
また、４５ａ、４５ｂは電極で、白金をスパッタ法で固体電解質膜４４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。４６は片方の電極４５ａ上に設定された触媒で触媒４６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。
【００２６】
ここでＣＯ検出部は、絶縁膜４３、固体電解質膜４４、電極４５ａ、４５ｂ、触媒４６で構成された部分であり、全体がヒータ４２で加熱されてＣＯ検出特性を有するようになっている。
【００２７】
以上の構成において電源（図示せず）からヒータ２１に電力を供給し固体電解質膜４４を所定温度（４００℃〜５００℃）に加熱する。固体電解質膜４４が所定の温度に達すると、電極４５ａ、４５ｂと固体電解質膜４４と空気の界面で電子の授受が行われ、酸素イオンが発生する。ここで、空気中にＣＯが存在すると、触媒４６で覆われた電極４５ａではＣＯは触媒４６によって酸化され（触媒４６で覆われた電極４５ａと電極４５ｂはガスに対する酸化能力の異なる一対の電極を構成している。）、電極４５ａ面にまでは到達しない。もう一方の電極４５ｂではＣＯは電極面に到達し、酸化されＣＯ_２になる。この酸化反応には固体電解質膜４４内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、固体電解質膜４４内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。この電位差を検出することによりＣＯ濃度を検出することができる。
【００２８】
しかしながら、上述したイオンの授受は反応面積が十分大きくかつ反応に必要な熱エネルギーも十分に供給される理想的な状態での反応であり、パルス動作のような、間欠的にしか熱が加えられなかったり、連続的に熱が加えれていても電極の大きさが小さかったりすると、理論通りに反応が起こらず、ガス濃度に応じた電圧が発生しなかったり、異常な電圧が発生したままという事態が起こり得る。
【００２９】
したがって、ガス検出をしていないタイミングで電極４５ａと４５ｂを短絡して強制的にイオンや電荷の滞留を解消してやることは動作の安定性に大きく寄与をすることになる。ただ必ずしも短絡することによって全ての動作が安定するというものではなく、ヒータ加熱と短絡のタイミング、短絡時間幅などは実験で最適な条件を決める必要がある。
【００３０】
ここで基板４１に用いている石英ガラスは熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫと絶縁膜４３（３５〜４５Ｗ／ｍＫ）や固体電解質膜４４（６Ｗ／ｍＫ）に対して小さく、したがってヒータ２１で加熱した場合に、基板４１の温度はほとんど上昇することなくヒータ２１の直上の固体電解質膜４４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２１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。
【００３１】
上記の構成により、電極間の短絡により動作の安定性をすることができ、またヒータ２１の間欠駆動と組み合わせることによって安定で信頼性が高く、しかも省電力であるＣＯ警報機の実現が可能となる。
【００３２】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２におけるＣＯセンサの構成図である。図において、センサ素子４０とリレー接点３３とリレーのコイル４７は遮蔽体４８の内部に収納されている。図３では遮蔽体４８はステンレスなど耐食性があり、かつ導電性のある金属板で作られた六面体の構造をしており、三面が切り取られた状態を示してある。このようにセンサ素子４０と短絡手段であるリレー接点を３３を近傍に配置しかつ遮蔽体４８内部に設置することによってノイズの少ない安定した短絡、ガス検出動作が可能となる。
【００３３】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３におけるＣＯセンサの構成図である。図において、センサ素子４０とリレー接点３３とリレーコイル４７の他に電極４５ａ、４５ｂ間の電圧が入力され信号処理を行なう信号処理部３２が遮蔽体４８の内部に収納されている。このようにセンサ素子４０と短絡手段であるリレー接点を３３を近傍に配置しかつ信号処理部３２をも遮蔽体４８内部に設置することによって信号処理部３２をセンサ素子４０から離れた位置の設置するよりも一層ノイズの少ない安定した短絡、ガス検出動作が可能となる。
【００３４】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４におけるＣＯセンサ制御のタイミングチャートであり、（ａ）はヒータ駆動信号、（ｂ）は電極間短絡信号、（ｃ）は信号処理部出力、（ｄ）はＣＯセンサ出力検出タイミングを示す。図から明かのように（ａ）のヒータ駆動信号が出力されている間に（ｂ）の電極間短絡信号が立上がると（電極間短絡）、（ｄ）のＣＯセンサ出力検出タイミングが出力されΔｔ遅れた時点の（ｃ）の信号処理部信号（短絡時出力）を測定する。さらに（ｂ）の電極間短絡信号が立下がると（電極間開放）、（ｃ）の信号処理部信号は周囲のＣＯ濃度に応じた出力に時定数を持って回復する。その出力がほぼ一定値に安定した時（ｄ）のＣＯ出力検出信号が出力され、その時の信号出力の電圧がＣＯセンサの信号として認識される。
【００３５】
このように短絡した状態で出力を検証し、センサ以外の出力が正常であることを認識し、短絡の影響がなくなった状態でセンサの出力を検出することにより、回路の信頼性の検証と安定したセンサ出力の検出という二つの検証をおこなうことができる。
【００３６】
（実施例５）
図６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３３ａのリレー接点３３で構成され、コイル４７はＮＰＮトランジスタ４９の導通によって励磁される。すなわち、ＮＰＮトランジスタ４９のベース５０にｈｉｇｈ電圧が印加されるとＮＰＮトランジスタ４９のコレクタ５１、エミッタ５２間が導通し、コイル４７の励磁によってメカニカルリレーの接点３３が閉じる。信号に対する即応性の点からメカニカル接点３３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。
【００３７】
（実施例６）
図７は本発明の実施例６における短絡制御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５３から出力される。単安定マルチバイブレータ５３の入力端子５４にｈｉｇｈ信号が与えられると、外付けの抵抗５５とコンデンサ５６の値で決まる時間出力端子５７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。
【００３８】
（実施例７）
図８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５３の出力パルス幅は可変抵抗５８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。
【００３９】
（実施例８）
図９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５３の出力パルス幅は抵抗アレイ５９から選択スイッチ６０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。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスセンサは、ガス検出用の電極間を短絡手段で最適なタイミングで短絡することにより、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、極めて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におけるガスセンサの構成を示す構成図
【図２】同ガスセンサの構成を示す斜視図
【図３】本発明の実施例２におけるガスセンサの構成を示す構成図
【図４】本発明の実施例３におけるガスセンサの構成を示す構成図
【図５】本発明の実施例４におけるガスセンサの制御のタイミングチャート
【図６】本発明の実施例５におけるガスセンサの短絡手段の構成図
【図７】本発明の実施例６におけるガスセンサの短絡手段の構成図
【図８】本発明の実施例７におけるガスセンサの短絡手段の構成図
【図９】本発明の実施例８におけるガスセンサの短絡手段の構成図
【図１０】従来のガスセンサの構成を示す斜視図
【図１１】従来の他のガスセンサの構成を示す斜視図
【図１２】同センサのヒータの駆動状態を示す模式図
【符号の説明】
２０ＣＯ検出部
２１ヒータ（加熱手段）
３３リレー接点（短絡手段）
４５ａ、４５ｂ電極
４６触媒
４７コイル
４８遮蔽体
５３単安定マルチバイブレータ
５８可変抵抗
６０選択スイッチ

Claims

ガスに対する酸化能力が異なり固体電解質上に設けられた一対の電極と、前記電極及び前記固体電解質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、前記一対の電極間を電気的に接続する短絡手段と、前記短絡手段の動作開始及び動作停止を制御する短絡制御手段を備えたガスセンサ。
ガスに対する酸化能力が異なり固体電解質上に設けられた一対の電極と、前記電極及び前記固体電解質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、前記一対の電極間を電気的に接続する短絡手段とを備え、前記固体電解質と前記短絡手段とを同一電気的遮蔽体中に設置したガスセンサ。
ガスに対する酸化能力が異なり固体電解質上に設けられた一対の電極と、前記電極及び前記固体電解質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、前記一対の電極間を電気的に接続する短絡手段とを備え、前記固体電解質、前記短絡手段及び前記電圧検出手段を同一電気的遮蔽体中に設置したガスセンサ。
ガスに対する酸化能力が異なり固体電解質上に設けられた一対の電極と、前記電極及び前記固体電解質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、前記一対の電極間を電気的に接続する短絡手段とを備え、前記短絡手段の短絡動作に同期して前記電圧検出手段の出力を検出するガスセンサ。
短絡手段は、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１記載のガスセンサ。
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１記載のガスセンサ。
短絡制御手段の短絡時間を設定する可変抵抗を有する請求項６記載のガスセンサ。
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請求項６記載のガスセンサ。