JP3879622B2 - Ｃｏセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一酸化炭素を検出するＣＯ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、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１１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、信頼性が高いこと選択性が高いこと、さらに消費電力が低いことが要求される。
【０００４】
しかしながら図１１に示す従来のガスセンサは固体電解質１、ガス選択透過体４、酸化触媒層７は板状のチップの熱容量が大きいためセンサを動作温度に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不幸な事故が相変わらずなくならない現状や、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る。ただし、電気製品が溢れている家庭内において電源コンセントを占有することは非常に不便であり、設置性を改良することが望まれる。
【０００５】
このような課題を解決するために図１２の構成の薄膜ガスセンサが提案されている（特開２００１−１９４３２９公報）。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、電池容量を長期間保持するためパルス間隔を大きくとる必要があった。しかし、パルス間隔が大きい場合は、火災などの緊急時にＣＯが急激に発生する場合は、ＣＯの検出が遅れる場合もあった。これを解決するために、図１３に示されるようなヒータの駆動方法が示されている（特開２００１−１９４３２９号公報）。これは、加熱手段は間欠的に動作するとともに、出力が第一の設定値より低い時のパルス間隔を第一の設定値より高い時のパルス間隔よりも長くすることによって、緊急時にＣＯを早く検知するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの方法でも、通常はパルス間隔を長くして動作しているため、ＣＯ発生の初期段階ではＣＯ検出が遅れる場合がある。
【０００７】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、設置してあるＣＯセンサを緊急時には持ち運び可能としてＣＯ濃度の少ない避難場所を探すことに利用する。このときにＣＯセンサが設置されている場所に応じて、ＣＯセンサの検知間隔を変化させ、例えばＣＯセンサが持ち歩かれているには検知間隔を縮めて検知精度の向上を図り、固定されている時には検知間隔を大きくして消費電力の低減を図る事により、検知精度の向上と消費電力の低減の両立を目的とするものである。
【０００８】
【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、一酸化炭素検出を間欠的に行わせるＣＯセンサにおいて、設置場所の変化を検知する検知手段を有し、検知手段の信号に応じて一酸化炭素検出のパルス間隔を設定するものである。
【０００９】
これによって、緊急を要する時には検知間隔を短くし、早期の警告が可能とし、あまり緊急を要しない時には検知間隔を長くして、消費電力の低減を図るものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、一酸化炭素検出を間欠的に行わせるＣＯセンサにおいて、設置場所の変化を検知して設置場所変化信号を出力する設置場所検知手段を備え、前記設置場所変化信号が出力されたとき、前記変化信号が出力されていないときと比較して一酸化炭素検出を指示するパルスを出力する間隔を短く設定するものであり、緊急を要する時には検知間隔を短くし、早期の警告が可能とし、あまり緊急を要しない時には検知間隔を長くして、消費電力の低減を図るものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、設置場所の変化を検知して設置場所変化信号を出力する検知手段を備え、設置場所変化信号によって一酸化炭素検出のパルス間隔を設定するとともに、パルス間隔が短く設定されていることを報知する報知手段を有するものであり、パルス間隔が短くなったことを報知することにより、注意を促す効果を有する。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、ＣＯセンサの駆動電源がＡＣ電源からＤＣ電源、あるいはＤＣ電源からＡＣ電源へ変化することを検知し、ＤＣ電源駆動の時はＡＣ電源駆動のときと比較して、ＣＯセンサの一酸化炭素検出を指示するパルスを出力する間隔を短くするものである。ＤＣ電源駆動の時はＣＯセンサを持ち歩いたり特に警戒を要する場所に設置されたと判断してパルス間隔を短くし、検知感度を上げるものである。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、ＣＯセンサが固定されているか、移動しているかを検知し、移動している時はＣＯセンサのパルス間隔を短くするものであり、移動中は検知感度を上げる必要があると判断し、パルス間隔を短くするものである。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、ＣＯセンサが固定されているか、移動しているかを検知する検知手段を振動センサで構成したものであり、移動中を揺れから検知してパルス間隔を設定する。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、振動センサで移動中であることを検知した後、一酸化炭素検出を指示するパルスを出力する間隔を短くするとともに、振動センサの信号が一定時間以内であれば停止してもパルス間隔は短いままにしておくもので、移動中のパルス信号を確実に設定するものである。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明は、ＣＯセンサを固定する固定具との接触検知手段でＣＯセンサの固定されているか、移動中かを判定するものであり、接触検知によって取り外されたことを確認して移動中を判定し、パルス間隔を設定することが可能となる。
【００１７】
そして、請求項８記載の発明は、ＣＯセンサが固定されているか、移動しているかを検知する検知手段は外部スイッチで構成したものであり、スイッチ入力で確実にパルス間隔を設定することができる。
【００１８】
【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。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるＣＯセンサの構成図である。ＣＯ検出部２０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。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。
【００２０】
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濃度を判定し、報知手段３４に報知信号を出力する。また設置場所検知手段３３からの出力信号はマイコン２３に入り、パルス出力の周期を変化させる。
【００２１】
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。
【００２２】
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。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。
【００２３】
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、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ＣＯ2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。
【００２４】
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。
【００２５】
上記の構成により、一酸化炭素の検出を間欠的に行ない、かつ検出間隔を設置場所検知手段３３からの信号によって変化させ、本来の設置場所から離れた位置に設置されたり、持ち歩かれたりして、すばやく一酸化炭素を検出しなくてはならない時には検出間隔を短くして、検出頻度を上げ、本来の場所に設置されている時には、検出間隔を広げて省電力化を図ることが可能となる。
【００２６】
（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１と同じものには同じ番号を付して詳細な説明は省く。マイコン２３からの信号により、設置場所検知手段３３からのパルス間隔信号が“短”であると表示部３５には“短”が出力されていることが表示され、移動中の人には注意を喚起し、当然パルス間隔が“短”の時には電力の消費量も多いので、任務終了後は速やかにもとの設置場所に戻すことを促して、省電力化を図ることができる。なお、パルス間隔が“短”の表示に限らず音など報知するものであればよい。
【００２７】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３におけるＣＯセンサの電源判定の電気回路図である。
【００２８】
図４では電源がＡＣ電源であることを設置場所検出手段３３に入力することにより、電源の判定を行なっている。ＡＣ１００Ｖはトランス５０により降圧され、ダイオード５１を通過することによって半波整流される。半波整流電圧はコンデンサ５２を充電し、ＮＰＮトランジスタ５３のベース電圧をＨｉｇｈの状態に保つ。ＮＰＮトランジスタ５３のベース電圧がＨｉｇｈになるとＮＰＮトランジスタ５３が導通し、コレクタからエミッタに電流が流れ、コレクタ電位はＬｏｗになり設置場所検知手段３３にＬｏｗ信号が入力される。一方コンセントが抜かれたりしてＡＣ電圧の供給が途絶えると、コンデンサ５２に充電されていた電荷は抵抗５４を通って放電され、ＮＰＮトランジスタ５３のベース電圧はＬｏｗになる。ＬｏｗになるとＮＰＮトランジスタ５３の導通はなくなり、コレクタ電位はＨｉｇｈになり設置場所検知手段３３にＨｉｇｈ信号が入力される。設置場所検出手段３３は入力信号がＨｉｇｈであるかＬｏｗであるかを検出して、パルス間隔を決定し、マイコン２３に指令を送る。このような構成により、電源がＡＣ電源であるか、そうでないかを検出して、パルス間隔を決定し、設置状態を判定し、最適なパルス間隔を決定している。
【００２９】
図５はパルス間隔設定のフローチャートである。
【００３０】
まず、設置場所検知手段３３の入力信号がＨｉｇｈであるかどうかを判定する（ＳＴ１０１）。Ｈｉｇｈであれば、電源はＤＣ電源であると判断し、ＣＯセンサのパルス間隔を“短”にする（ＳＴ１０２）。Ｈｉｇｈでなければ、ＣＯセンサのパルス間隔を“長”にする（ＳＴ１０３）。このように設置場所検知手段３３の入力信号の状態によってＣＯセンサの設置状態を判定し、ＤＣ電源で駆動されているということは、人が持って移動中か、監視が必要とされるところへ設置されているかのいずれかの場合であると判定し、パルスの間隔を短くし、ＣＯガスの検知精度を上げ、そうでない時は、パルス間隔を長くして、省電力化を図ることができる。
【００３１】
（実施例４）
図６は本発明の実施例４におけるパルス間隔設定のフローチャートである。
まず、設置場所検知手段３３の入力信号がＨｉｇｈであるかどうかを判定する（Ｌ１０１）。Ｈｉｇｈであれば、電源はＤＣ電源であると判断し、ＣＯセンサのパルス間隔を“長”にする（Ｌ１０２）。Ｈｉｇｈでなければ、ＣＯセンサのパルス間隔を“短”にする（Ｌ１０３）。このように設置場所検知手段３３の入力信号の状態によってＣＯセンサの設置状態を判定し、ＤＣ電源で駆動されているということは、省電力化を図る必要があると判断し、パルスの間隔を長くし、そうでない時は、パルス間隔を短くして、検知精度の向上を図ることができる。
【００３２】
（実施例５）
図７は本発明の実施例５におけるパルス間隔設定のフローチャートである。
【００３３】
移動中は設置場所検知手段３３の入力は移動を検出するセンサからの信号がＨｉｇｈに、停止中はＬｏｗになるものとする。まず、設置場所検知手段３３の入力信号がＨｉｇｈであるかどうかを判定する（Ｓ１０１）。Ｈｉｇｈであれば、移動であると判断し、ＣＯセンサのパルス間隔を“短”にする（Ｓ１０２）。Ｈｉｇｈでなければ、ＣＯセンサのパルス間隔を“長”にする（Ｓ１０３）。このように設置場所検知手段３３の入力信号の状態によってＣＯセンサの状態を判定し、移動中ということは、人がＣＯセンサを身につけている可能性が高いと考えられるので、ＣＯ検出精度をあげる必要があると判断し、そうでない時は省電力化を図る必要があると判断し、パルスの間隔を長くする。
【００３４】
（実施例６）
図８は本発明の実施例６および実施例７におけるＣＯセンサの構成図である。
【００３５】
振動検知の主要部をおもり５５をばね５６でつるした構造により形成された振動センサ５７からの信号は、振動を検出した時、Ｈｉｇｈの信号が設置場所検知手段３３に入力され、設置場所検知手段３３からはマイコン２３にパルス間隔を“短”にする信号が出力される。これによって、ＣＯセンサが移動中であることを検出し、検出精度を上げることができる。なお、振動検知であるので移動でなく地震を検知することもできる。地震のあった後は火災が発生する危険性があるのでＣＯセンサの検出精度を上げる。
【００３６】
（実施例７）
図８において、スイッチ５８の信号が設置場所検知手段３３に入力される構成としている。これは振動センサ５７からの信号が停止しても、スイッチ５８からの信号が入力されない限り設置場所検知手段３３からパルス間隔を元に戻すことを禁止するものである。これによって、振動センサ５７がＣＯセンサが移動中にも関わらず震動を検知しなかった場合でもパルス間隔を“短”のままに保持して検出精度を高いままに保持できる。また移動から固定に変わった時もスイッチ５８で確実に設置場所検知手段３３に状態を伝えることができる。
【００３７】
また、マイコン２３に備えたタイマーを用いて、振動センサで移動中であることを検知した後、パルス間隔を短くするとともに、振動センサの信号が一定時間以内であれば停止してもパルス間隔は短いままにしておく。これによって移動中のパルス信号を確実に設定することができる。
【００３８】
（実施例８）
図９は本発明の実施例８のＣＯセンサの構成図である。ＣＯセンサの筐体５８は充電器を兼ねたボックス５９に置かれている。筐体５８の下部にはマイクロスイッチ６０が設置され、ボックス５９から筐体５８が取り上げられている時には、ＯＦＦの状態になっている。筐体５８が接するとＯＮの状態になる。このマイクロスイッチ６０の接点情報は設置場所検知手段３３に入力される。
【００３９】
このような構成によって、設置場所検知手段３３はマイクロスイッチ６０の接点情報から筐体５８が移動中か固定されているかを知ることができ、状態に応じたパルス間隔信号をマイコン２３に指示することができる。
【００４０】
なお、接触検知手段は機械式検知のほかに電磁気的検知でもよい。例えばＣＯセンサ内の充電池を充電するための外部からの電力供給回路、磁石を用いた磁気スイッチなどが考えられる。
【００４１】
（実施例９）
図１０は本発明の実施例９のＣＯセンサの外観図である。外部スイッチ６１は設置場所検知手段３３に直接接点情報を入力するために設置されている。ＣＯセンサを持ち歩くあるいは設置場所を変更する場合には、外部スイッチ６１からパルス間隔設定の変更を直接指示する。このようにすることによって適切なパルス間隔を人の意思で設定できる。
【００４２】
なお、設置場所の変化に係わらず供給電源の状態変化を検知してパルス間隔を設定しても良い。すなわち、一酸化炭素検出を間欠的に行わせるＣＯセンサにおいて、供給電源の状態変化を検知して変化信号を出力する電源状態検知手段を備え、前記電源状態変化信号によって一酸化炭素検出のパルス間隔を設定するＣＯセンサであってもよい。例えば、停電時にパルス間隔を長くして低消費電力モードで動作する、地震にともなう停電の後は火災が発生する危険性があるのでパルス間隔を短くしてＣＯセンサの検出精度を上げる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、ＣＯセンサの検出周期を設置場所検知手段で検知し、ＣＯを検出するパルスの間隔を変えることにより、人が持って移動したり、危険個所に設置したりするような緊急度が高い使用時には、すばやくＣＯを検出して事故を未然に防ぎ、緊急を要しない時には、検知間隔を広げて省電力化を図るなど、省電力化と高精度化を両立したＣＯセンサを実現する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１におけるＣＯセンサの構成図
【図２】 本発明の実施例１におけるＣＯ検出部の斜視図
【図３】 本発明の実施例２におけるＣＯセンサの構成図
【図４】 本発明の実施例３におけるＣＯセンサの電源判定の電気回路図
【図５】 本発明の実施例３におけるＣＯセンサのパルス間隔設定のフローチャート
【図６】 本発明の実施例４におけるＣＯセンサのパルス間隔設定のフローチャート
【図７】 本発明の実施例５におけるＣＯセンサのパルス間隔設定のフローチャート
【図８】 本発明の実施例６および実施例７におけるＣＯセンサの構成図
【図９】 本発明の実施例８におけるＣＯセンサの構成図
【図１０】 本発明の実施例９におけるＣＯセンサの外観図
【図１１】 従来のＣＯセンサ検知部の構成を示す斜視図
【図１２】 従来の他のＣＯセンサ検知部の構成を示す斜視図
【図１３】 従来の他のＣＯセンサのヒータ駆動を示す模式図
【符号の説明】
２０ ＣＯ検出部
２１ ヒータ
２２ パルス信号制御手段
２３ マイコン
３２ 信号処理部
３３ 設置場所検知手段
３５ 表示部（報知手段）
５０ トランス
５１ ダイオード
５３ ＮＰＮトランジスタ
５４ 抵抗
５７ 振動センサ
５８ スイッチ
６０ マイクロスイッチ（接触検知手段）
６１ 外部スイッチ

Claims (8)

1. 一酸化炭素検出を間欠的に行わせるＣＯセンサにおいて、設置場所の変化を検知して設置場所変化信号を出力する設置場所検知手段を備え、前記設置場所変化信号が出力されたとき、前記変化信号が出力されていないときと比較して一酸化炭素検出を指示するパルスを出力する間隔を短く設定するＣＯセンサ。
2. 変化信号が出力されていないときと比較して一酸化炭素検出を指示するパルスを出力する間隔が短く設定されていることを報知する報知手段を有する請求項１に記載のＣＯセンサ。
3. 設置場所の変化を検知する検知手段は、ＣＯセンサの駆動電源がＡＣ電源からＤＣ電源、あるいはＤＣ電源からＡＣ電源へ変化することを検知し、ＤＣ電源駆動の時はＡＣ電源駆動のときと比較して、ＣＯセンサの一酸化炭素検出を指示するパルスを出力する間隔を短くする請求項１記載のＣＯセンサ。
4. 設置場所の変化を検知する検知手段は、ＣＯセンサが固定されているか移動しているかを検知し、前記ＣＯセンサが移動している時は固定されているときと比較してＣＯセンサの一酸化炭素検出を指示するパルスを出力する間隔を短くする請求項１記載のＣＯセンサ。
5. ＣＯセンサが固定されているか移動しているかを検知する検知手段は振動センサである請求項４記載のＣＯセンサ。
6. 振動センサで移動中であることを検知した後、固定されていると検知したときと比較して一酸化炭素検出を指示するパルスを出力する間隔を短くするとともに、振動センサの信号が一定時間以内であれば停止してもパルス間隔は前記の短いままに設定する請求項４記載のＣＯセンサ。
7. ＣＯセンサが固定されているか移動しているかを検知する検知手段はＣＯセンサを固定する固定具との接触検知手段である請求項４記載のＣＯセンサ。
8. ＣＯセンサが固定されてているか移動しているかを検知する検知手段は外部スイッチである請求項４記載のＣＯセンサ。

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