JP3885648B2

JP3885648B2 - 安全センサ

Info

Publication number: JP3885648B2
Application number: JP2002124003A
Authority: JP
Inventors: 克彦宇野; 正雄牧; 孝丹羽; 邦弘鶴田; 孝裕梅田; 一成西井; 康男吉村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: JP2003315306A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、室内燃焼機器の不完全燃焼により発生する一酸化炭素や火災を検知する安全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、個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７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７に示す従来のガスセンサは個体電解質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８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、個体電解質薄膜１１上に形成された一対の電極１２薄膜と、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よりなる構成としている。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。
【０００６】
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９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公報）。これは、加熱手段は間欠的に動作するとともに、ＣＯセンサの出力が第一の設定値より高い時（ｈ２）のパルス間隔（ｔｈ２）を第一の設定値より低い時（ｈ１）のパルス間隔（ｔｈ１）よりも短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。しかし、この方法でも、通常ＣＯセンサの出力が第一の設定値より低いときは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。また、火災センサは温度で検知する方式と、煙で検知する方式があるが、火災センサだけで使用する場合、特に煙で検知する方式は、タバコの煙や水蒸気で警報が発生する場合があった。
【０００７】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、火災時の初期段階で早くかつ確実に検知することのでき、かつ省電力で電池駆動可能な安全センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の安全センサは、パルス的に駆動するＣＯセンサと、前記ＣＯセンサと同一筐体内に収納された火災センサと、前記火災センサからの信号によって前記ＣＯセンサを駆動するパルス間隔を変化させるパルス間隔制御手段を有する構成としたものである。火災センサからの信号によってＣＯセンサのパルス間隔を変化させることにより、電池電源で駆動させた場合の電池寿命を長くするともに、異常時に、ＣＯセンサの検知のタイミングを変化させることにより、早期に確実に火災異常を検知することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、パルス的に駆動するＣＯセンサと、前記ＣＯセンサと同一筐体内に収納された火災センサと、前記火災センサからの信号によって前記ＣＯセンサを駆動するパルス間隔を変化させるパルス間隔制御手段を有する構成としているので、必要に応じてパルス間隔を変更して検知のタイミングを変更することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、火災センサで火災要因となる異常を検知したときに、ＣＯセンサのパルス間隔を短くさせる制御信号を発する構成としているので、室温が上昇、もしくは煙が発生したときに、ＣＯセンサのパルス間隔を短くして、検知タイミングを早くし、危険を早期に察知することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、火災センサで火災要因となる異常を検知したときに、ＣＯセンサのパルス間隔を短くさせる制御信号は、前記火災センサの出力レベルが火災の危険を報知するための警報を発する出力レベルよりも低い出力レベルの時に発せられる構成としているので、室温が上昇もしくは煙が発生した初期段階で、ＣＯセンサのパルス間隔を短くして検知タイミングを早くし、温度もしくは煙とＣＯの検知で火災を早期に確実に検知することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、火災センサの出力が所定値以上であり、かつＣＯセンサの出力の増加率が所定値以上の場合に警報を発する構成にしているので、万一火災の発生等でＣＯが急激に増加した場合に、ＣＯ濃度があらかじめ設定された警報を発する濃度に達していなくても警報を発して危険を早期に知らせることができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、火災センサは火災要因となる異常を検出しなくなったとき、または異常を検出しないときで、かつＣＯセンサの出力が所定値以下の場合にＣＯセンサのパルス間隔を長くさせる、あるいはパルス間隔を所定値にする制御信号を発する構成としているので、火災センサで火災要因となる異常が検出されなくなったときに、ＣＯセンサを通常の状態のパルス間隔に復帰させるので、省電力化を図ることができ、特に、電源に電池を用いる場合は電池寿命を長くすることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明はＣＯセンサを耐熱低熱伝導性の基板と、前記基板上に形成されたヒータと、前記ヒータを覆うように設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた酸素イオン伝導性の固体電解質膜と、前記固体電解質膜上に形成された異種のペロブスカイト型複合酸化物よりなる一対の電極または金とペロブスカイト型複合酸化物よりなる一対の電極または一対の白金電極の一方の電極上に形成された触媒を有する構成としている。耐熱低熱伝導性の基板上に薄膜で形成しているので、熱容量を小さくして固体電解質を瞬時に所定の温度に昇温させるので，パルス的にＣＯセンサを駆動することが可能であり、電池電源でＣＯセンサを駆動することが可能になる。
【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。
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における安全センサのブロック図を示すものである。図１において１４は安全センサで、内部に火災センサ１５、ＣＯセンサ１６が収納されている。火災センサ１５は、温度差を検知して火災を報知する方式でも、煙濃度を検知して火災を報知する方式でも良い。１７は電源で、一次電池もしくは二次電池により制御手段１８へ電力を供給する。制御手段１８は火災センサ１５、ＣＯセンサ１６の制御を行うとともに、火災センサ１５、ＣＯセンサ１６の出力信号処理を行い、信号の状態によって警報装置１９を鳴動させる等の処理を行う。２０はパルス間隔制御手段で、パルス的に駆動しているＣＯセンサ１６のパルス間隔を火災センサ１５の出力に応じて変更する。
【００１６】
次に、ＣＯセンサ１６の構成について図２を用いて説明する。
【００１７】
図２において、１６はＣＯセンサである。ＣＯセンサ１６としては、半導体式、熱線半導体式、固体電解質式、定電位電解式など種々の方式があるが、本実施例では固体電解質式を用いている。２１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。２２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。２３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２２を覆うように形成している。２４は絶縁膜２３上に絶縁膜２３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。２５ａ、２５ｂは電極で、白金をスパッタ法で感応膜上に形成している。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に用いる電極材料すべてが使用可能である。２６は片方の電極２５ａ上に設定された触媒で、触媒２６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。本実施例では電極２５ａ、２５ｂに白金を用い、一方の電極２５ａ上に触媒２６を設定する構成としたが、触媒２６を用いず、電極を異種のペロブスカイト型複合酸化物とするか、ペロブスカイト型複合酸化物と金で構成しても良い。２７はヒータ２２から延長されたヒータ端子である。２８ａ、２８ｂは電極２５ａ、２５ｂの間で検出した出力を取り出すための電極リードで検出回路（図示せず）出力信号を送出するための電極端子２９ａ、２９ｂが接続されている。電極と電極リードと電極端子（２５ａと２８ａと２９ａおよび２５ｂと２８ｂと２９ｂ）はそれぞれ同一材料で一体的に形成されている。また電極リード２８と電極端子２９は固体電解質膜２４の領域外に形成されている。
【００１８】
以上の構成において電源（図示せず）からヒータ端子２７、を介してヒータ２２に電力を供給し固体電解質２４を所定温度（４００℃〜５００℃）に加熱する。固体電解質膜２４が所定の温度に達すると電極２５ａ、２５ｂと固体電解質膜２４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、酸化触媒２６の乗った電極２５ａではＣＯは酸化触媒２６によって酸化され、電極２５ａまでＣＯは到達しない。もう一方の電極２５ｂではＣＯは電極２５ｂ表面でＣＯ２に酸化される。この酸化反応には固体電解質膜２４内の酸素イオンが使われ、その結果両電極間の電極反応に差が生じ、固体電解質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。基板２１に用いている石英ガラスは熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫと絶縁膜１６（３５〜４５Ｗ／ｍＫ）や固体電解質膜２４（６Ｗ／ｍＫ）に対して小さく、したがってヒータ２２で加熱した場合に、基板２１の温度はほとんど上昇することなくヒータ２２の直上の固体電解質膜２４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ので、加熱のための消費電力を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。
【００１９】
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。固体電解質膜２４は所定の温度で酸素イオン導電性が生じる。すなわち固体電解質が所定の温度になればＣＯの検知が可能である。本実施例では、基板２１に熱伝導率の小さな石英ガラスを用い、固体電解質も薄膜で形成しているので瞬時に固体電解質膜２４を所定の温度し昇温することが可能で、ヒータ２２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、電池電源での駆動が可能である。本実施例の構成では、１０ｍｓｅｃのヒータ２２への通電で４５０℃までの昇温が可能であり、ヒータ２２への通電停止後約０．５ｓｅｃで室温まで復帰した。したがって、パルス間隔は、０．５ｓｅｃから通常の測定には問題の無い３０ｓｅｃ程度までパルス間隔は任意に設定可能である。また、パルス間隔０．５ｓｅｃもＣＯセンサをさらに小型化すれば０．５ｓｅｃ以下に設定することも可能になる。
【００２０】
パルス的に駆動することは半導体式や、熱線半導体式でも可能であるが、これらの方式では、半導体表面に吸着する水分の影響を大きく受け、パルス間隔が大きいときは吸着水の影響で出力が低下し、水分除去のために長時間の過熱が必要になるために、パルス間隔を任意に設定することは困難である。
【００２１】
本実施例は固体電解質式のパルス間隔を任意に設定できるという特徴を活かし、火災センサ１５との組合せで、火災などの非常時に、異常を早期に確実に検出して逃げ送れなどの不幸な事態を極力避け得る安全センサを提供するものであり、以下にその動作について説明する。安全センサの動作のパターンとしては大きく以下の３つの場合が考えられる。
【００２２】
１．火災センサ１５の出力のみ変化する場合。
【００２３】
２．ＣＯセンサ１６の出力のみが変化する場合。
【００２４】
３．火災センサ１５とＣＯセンサ１５の両方の出力が変化する場合。
【００２５】
火災センサ１５の出力のみが変化する場合の動作を図３に示す。すなわち、ＣＯの発生がまだ少なくＣＯセンサで異常検知できないが室温上昇や煙等によって火災センサが先に異常検知する場合である。火災センサ１５はサーミスタにより室温を測定する方式でもフォトダイオードで煙濃度を測定する方式でも良いが、いずれの場合も消費電力が小さいので、電池電源を使用した場合でも常時通電し連続的な監視が可能である。通常の状態では火災センサ１５の検知出力はｋ０、ＣＯセンサ１６のパルス間隔はｔａである。ｔａは通常ＣＯの検出に支障のない約３０秒（たとえば、１回のみの検知では誤報の可能性があるため、２回の検知でＣＯ発生と判断する場合、ＣＯ発生から１分以内で検知できる時間）程度に設定してある。火災による室温上昇や煙発生など何らかの原因で検知出力がｋ１になったときに、異常と判断し、パルス間隔制御手段２０によってＣＯセンサ１６のパルス間隔をｔｂに変更する。火災センサ１５はＣＯセンサ１６の検知出力に関係なく連続的な監視を続け、検知出力がｋ２になったときに火災と判断し警報を発する。以上によって、室温が上昇もしくは煙が発生した初期段階で、ＣＯセンサのパルス間隔を短くして検知タイミングを早くし、温度もしくは煙とＣＯの検知で火災を早期に確実に検知することができる。
【００２６】
ＣＯセンサ１６の出力のみが変化する場合の動作を図４に示す。すなわち、室温上昇や煙の発生がまだ少なく火災センサで異常検知できないが不完全燃焼等によるＣＯが発生しＣＯセンサが先に異常検知する場合である。ＣＯセンサ１６は通常パルス間隔ｔａで動作しているが、火災センサ１５の検知出力が変化しない場合でもＣＯの検知出力がｃ１になったときにパルス間隔制御手段２０によってＣＯセンサ１６のパルス間隔をｔｂに変更する。ｔｂは上述したように０．５ｓｅｃ程度に設定することができ、実質的には連続検知と同等の検知が可能である。ＣＯの検知出力が増加し続け、検知出力がｃ２に達したときにＣＯ異常と判断し、警報を発する。
【００２７】
次に、火災センサ１５とＣＯセンサ１５の両方の出力が変化する場合の動作を図５に示す。通常の状態では火災センサ１５の検知出力はｋ０、ＣＯセンサ１６のパルス間隔はｔａである。何らかの原因で火災センサ１５の検知出力がｋ１になったときに、火災の要因になる異常が発生したと判断し、パルス間隔制御手段２０によってＣＯセンサ１６のパルス間隔をｔｂに変更する。火災センサ１５はＣＯセンサ１６の検知出力に関係なく連続的な監視を続け、検知出力がｋ２になったときに火災と判断し警報を発する。一方、ＣＯセンサ１６ではパルス間隔ｔｂで検知を続け、火災センサ１５の検知出力に関係なくＣＯ濃度がｃ３（ＣＯセンサ１６のみの出力が変化した場合の警報を発する濃度ｃ２よりも低い濃度）に達したとき、火災の危険性が高いと判断し、警報を発する。以上によって、ＣＯの異常を検知する前に、火災センサとの連動により、室温が上昇もしくは煙が発生した初期段階で、ＣＯセンサのパルス間隔を短くして検知タイミングを早くし、温度もしくは煙とＣＯの検知で火災を早期に確実に検知することができる。
【００２８】
また、さらに緊急のとき、例えば火災センサ１５の検知出力がｋ１になり、パルス間隔制御手段２０によってＣＯセンサ１６のパルス間隔がｔｂに変更された後、ＣＯの発生量が急激に増加し、ＣＯセンサの出力の増加率Δｃが所定値以上の場合は（図５の白抜き丸）、ＣＯ濃度がｃ３以下であっても警報を発して異常を報知することもできる。
【００２９】
このように、火災センサ１５とＣＯセンサ１６を組み合わせることによって、それぞれ単独で検知する場合よりも早期に確実に危険を報知することが可能となる。
【００３０】
また、図６に示すように火災センサ１５は一旦火災要因となる異常を検知し、火災センサ１５の出力がｋ１以上になってＣＯセンサ１６のパルス間隔がｔ２になった後、火災要因となる異常を検出しなくなり、火災センサ１５の出力がｋ１以下となったときは、ＣＯセンサ１６の出力が所定値ｃ２以下になったときにパルス間隔制御手段２０によってＣＯセンサ１６のパルス間隔をｔａに戻し、通常の検知状態に復帰させる。したがって、不要の電力を消費することなく、電源として電池を用いた場合でも長期間使用することができる。
【００３１】
なお、火災センサ１５はＣＯセンサ１６の検知出力に関係なく連続的な監視を続けるものとして説明したがこれに限らず、火災センサの電池容量や火災センサ出力に応じて火災センサの動作を間欠的に行ってその検知精度を変更するものでもよい。
【００３２】
なお、ＣＯセンサのパルス間隔はｔａとｔｂの２段階で説明したが３段階以上であってもよい。その場合、時間と共にパルス間隔を徐々に短くしたり長くなるようにしてもよいし、火災センサ出力やＣＯセンサ出力に応じてパルス間隔を徐々に短くしたり長くなるようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、パルス的に駆動するＣＯセンサと火災センサを組み合わせて、火災センサで火災要因となる異常を検知したときに、ＣＯセンサのパルス間隔を短くし、ＣＯの検知間隔を短くすることにより、火災の要因となる温度や煙の検知と、ＣＯの検知を同時に行い、早期に確実に検知して報知することにより、火災時の熱や煙の危険のみならずＣＯの危険も同時に知らせることにより、逃げ遅れによる中毒死の危険性を低減することができる。パルス間隔を任意に設定することにより、電池を電源とする場合でも長期間の使用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例における安全センサのブロック図
【図２】同本発明の１実施例におけるＣＯセンサの組み立て斜視図
【図３】同本発明の１実施例における安全センサ動作図
【図４】同本発明の１実施例における安全センサの別の動作図
【図５】同本発明の１実施例における安全センサの別の動作図
【図６】同本発明の１実施例における安全センサの別の動作図
【図７】従来例のガスセンサの要部斜視図
【図８】従来例の別のガスセンサの要部斜視図
【図９】従来例のガスセンサの動作図
【符号の説明】
１４安全センサ
１５火災センサ
１６ＣＯセンサ
１７電源
１８制御手段
１９警報
２０パルス間隔制御手段
２１基板
２２ヒータ
２３絶縁膜
２４固体電解質膜
２５ａ、２５ｂ電極
２６触媒

Claims

パルス的に駆動するＣＯセンサと、前記ＣＯセンサと同一筐体内に収納された火災センサと、前記火災センサからの信号によって前記ＣＯセンサを駆動するパルス間隔を変化させるパルス間隔制御手段を有する安全センサ。
火災センサで火災要因となる異常を検知したときに、ＣＯセンサのパルス間隔を短くさせる制御信号を発する請求項１記載の安全センサ。
火災センサで火災要因となる異常を検知したときに、ＣＯセンサのパルス間隔を短くさせる制御信号は、前記火災センサの出力レベルが火災の危険を報知するための警報を発する出力レベルよりも低い出力レベルの時に発せられる請求項１又は２に記載の安全センサ。
火災センサの出力が所定値以上であり、かつＣＯセンサの出力の増加率が所定値以上の場合に警報を発する請求項１から３のいずれか１項に記載の安全センサ。
火災センサは火災要因となる異常を検出しなくなったとき、または異常を検出しないときで、かつＣＯセンサの出力が所定値以下の場合にＣＯセンサのパルス間隔を長くさせる、あるいはパルス間隔を所定値にする制御信号を発する請求項１から４のいずれか１項に記載の安全センサ。
ＣＯセンサは耐熱低熱伝導性の基板と、前記基板上に形成されたヒータと、前記ヒータを覆うように設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた酸素イオン伝導性の固体電解質膜と、前記固体電解質膜上に形成された異種のペロブスカイト型複合酸化物よりなる一対の電極または前記固体電解質膜上に形成された一対の白金電極の一方の電極上に形成された触媒を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の安全センサ。