JP4194085B2 - プロトン導電体ガスセンサの自己診断方法とガス検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の利用分野】
この発明は、プロトン導電体ガスセンサを用いたガス検出装置の自己診断に関する。
【０００２】
【従来技術】
【特許文献１】
米国特許５６５００５４号
【特許文献２】
米国特許６２００４４３号
プロトン導電体ガスセンサの構造として、特許文献１に記載のものがある。このガスセンサでは、金属缶の下部を水溜とし、上部にくびれ部を介してＣＯセンサの本体を保持する。ＣＯセンサの本体は、プロトン導電体膜とその表裏の電極とからなるＭＥＡと、ガスの拡散と導電性コンタクトとを兼ねた多孔質の炭素シートとで構成されている。センサ本体の底部を水蒸気導入孔を設けた金属ワッシャに接触させ、上部を拡散制御孔を設けた金属ワッシャに接触させる。また底部のワッシャを金属缶のくびれで支え、上部のワッシャと金属缶との間にガスケットを設け、金属缶の上部をかしめて、上下の金属板（ワッシャ）とその間のセンサ本体を、金属缶に取り付ける。かしめによる加圧でセンサ本体を保持し、また上下の金属板とセンサ本体の炭素シートとの接続を保つ。
【０００３】
プロトン導電体ガスセンサの自己診断が、例えば特許文献２により提案されている。ガスセンサの検知極／対極間に短時間の弱い電圧パルスを加え、パルスをオフした後のキャパシタンスを測定する。キャパシタンスは正常なセンサと不良なセンサとで異なるので、自己診断ができるとされている。プロトン導電体ガスセンサの内部抵抗はΩオーダーで低く、短時間の微弱なパルスとはいえ両極間に電圧を加えると、プロトン導電体やその電極に変化が生じたり、ヒステリシスが生じたりする恐れがある。また自己診断用にパルス電源が必要で、パルスを加えた後のヒステリシスが解消するまでの間、検出が不能になる。
【０００４】
【発明の課題】
この発明の課題は、プロトン導電体ガスセンサの増幅回路の電源を用いて自己診断ができるようにし、かつ自己診断によるプロトン導電体やその電極への影響を小さくすることにある。
【０００５】
【発明の構成】
この発明のプロトン導電体ガスセンサの自己診断方法は、プロトン導電体膜に検知極と対極とが接続され、かつガス検出装置に組み込まれたプロトン導電体ガスセンサの自己診断方法において、前記ガス検出装置の電源をオフした後に再度オンした際の、前記ガスセンサの出力のピークあるいはボトムの有無から、前記ガスセンサを自己診断することを特徴とする。
【０００６】
好ましくは、前記出力のピークが存在する際に前記ガスセンサを正常、ピークが存在しない際に前記ガスセンサを不良とする。
特に好ましくは、前記電源を第１の頻度で所定時間未満の時間オフした後に再度オンして、該電源オン後の前記ガスセンサ出力のボトムの有無からガスセンサを自己診断し、さらに、前記電源を第２の頻度で所定時間超の時間オフした後に再度オンして、該電源オン後の前記ガスセンサ出力のピークの有無からガスセンサをさらに自己診断する。
【０００７】
この発明のガス検出装置は、プロトン導電体膜に検知極と対極とを接続したガスセンサと、前記検知極と前記対極間の電流を増幅するための増幅回路と、前記増幅回路を駆動するための電源とを備えた、ガス検出装置において、
該電源をオフした後に再度オンするためのスイッチと、
前記電源のオフ後に再度オンした後の、前記増幅回路の出力のピークまたはボトムを検出して、前記ボトムまたはピークが検出された際にガスセンサを正常、そうでない際に不良として、自己診断するための自己診断手段と、
自己診断の結果を表示するための表示手段、とを設けたことを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、前記自己診断手段は、前記電源を所定時間超オフした後に再度電源をオンした際に、出力のピークを検出すると前記ガスセンサを正常、ピークを検出しないと前記ガスセンサを不良とする。
特に好ましくは、前記電源を第１の頻度で所定時間未満の時間オフした後に再度オンし、かつ前記電源を第２の頻度で所定時間超の時間オフした後に再度オンするように、前記スイッチを駆動するための手段を設け、 かつ
前記所定時間未満の時間電源をオフした後の、前記ガスセンサ出力のボトムの有無からガスセンサを自己診断し、
さらに、前記所定時間超の時間オフした後の、前記ガスセンサ出力のピークの有無からガスセンサをさらに自己診断する。
また好ましくは、前記電源が電池電源で、前記自己診断手段を内蔵したマイクロコンピュータを設けて、前記表示手段を駆動すると共に、前記スイッチを所定の条件でオン／オフする。
【０００９】
この明細書において、プロトン導電体ガスセンサの出力は、センサ内を検知極から対極へ電流が流れる際に＋、対極から検知極へ電流が流れる際に−とする。出力が＋はＣＯやＨ2等の存在に対応し、例えばＣＯが存在すると、検知極で、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋２Ｈ＋＋２ｅ−、
対極で
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
の反応が進行する。従って出力のピークは還元性ガスに接触したときの出力の向きと同じ方向の出力で、出力のボトムは、対極と検知極を逆にして付帯回路にセットして、ＣＯが存在したときの出力の方向と同じで、あるいはあたかも還元性ガス濃度が負になった時の出力の向きとなる。なお実施例ではガスセンサの特定の構造や材料、特定の増幅回路を示すが、これらは任意である。
【００１０】
【発明の作用と効果】
この発明では、プロトン導電体ガスセンサとその増幅回路との電源をオフし、再度オンした後の出力波形からガスセンサを自己診断する。このため自己診断用の特別の電源は不要で、またセンサの検知極と対極間に電圧を加えるわけではないので、自己診断用の電圧パルスでセンサを劣化させる恐れがない。発明者の実験では、電源を再度オンした後に検出が可能になるまでのデッドタイムは例えば20秒以下で、電圧パルスを加える場合よりも、自己診断に伴うデッドタイムを短くできる。この発明の自己診断では、検知極や対極と外部端子との接触不良や断線、検知極と対極のショートなどの他に、センサ感度の低下や、０ガスレベルが異常な位置にシフトする、などのことも検出できる。
【００１１】
電源を再度オンした際の過渡波形には２種類有り、短時間、例えば１分以下の間、電源をオフして再度オンすると、出力のボトムが観測された。これに対して長時間、例えば５分以上、電源をオフして再度オンすると、出力のピークが検出された。短時間の電源オフ後の出力のボトムは、感度不良なガスセンサでも観察され、正常なガスセンサと感度不良なガスセンサとの判別は難しかった。しかし断線やショートなどの単純な不良は確実に検出できた。次に長時間電源をオフした後の出力のピークでは、正常なガスセンサと感度不良なガスセンサとを判別できた。この場合、出力のピークが生じるのは正常なガスセンサに限られ、感度不良や０ガスベルのシフト、断線、ショートなどがあると、出力のピークは生じなかった。
【００１２】
そこで、短時間でも長時間でも、電源をオフした後に再度電源をオンした際の特性（ボトムやピークの有無）を用いると、断線やショートなどの単純な不良を確実に検出でき、感度不良などもある程度検出できる。長時間オフした後の出力のピークを用いると、感度不良なども確実に検出できる。また長時間オフさせると検出が行われない時間（デッドタイム）が増すので、長時間オフさせる自己診断を月に１回などの低い頻度で行い、短時間オフさせる自己診断を１日に１回などの頻度で行うと、確実な自己診断ができる。あるいは短時間オフさせるモードを繰り返して行っても、検出の信頼性を増すことができる。
【００１３】
ガス検出装置を電池電源で駆動する場合、電力の節約のために、所定時間毎に増幅回路や信号処理用のマイクロコンピュータなどを起動し、これ以外の時間はこれらの動作を停止することが行われている。この発明は、このような増幅回路の動作停止とその後の電力供給とを利用して、電源のオフやオンとして利用できる。
【００１４】
【実施例】
図１にプロトン導電体ガスセンサ２の構造を示し、図２はガスセンサ２を用いたガス検出装置のブロック図である。図３は、プロトン導電体ガスセンサの自己診断アルゴリズムを示すフローチャートである。
【００１５】
図４〜図６は正常なガスセンサ（図４、センサ数５）、不良なガスセンサ（図５、センサ数３，図６、センサ数２）の感度パターン（ＣＯ30〜400ppm）を示す。図７〜図９は、これらのガスセンサとその付帯回路との電源を5秒間オフした後に、電源を再投入した際の出力の波形図である。短時間電源をオフすると、正常なセンサでは出力のボトム（負のピーク）が生じ、このボトムはあたかも検知対象のＣＯ濃度が負になったような出力波形である。このボトムを用いることにより、図６の不良センサと図４の正常センサとの識別ができるが、図５の不良センサと図４の正常センサとの識別は難しい。
【００１６】
図１０〜図１２は、図４〜図６のプロトン導電体ガスセンサの電源を（付帯回路を含めて）１時間オフした後に、電源を再投入した際の出力を示している。正常なセンサでは出力のピークが生じ、不良センサではピークが生じない。従ってセンサの正常／不良を確実に識別できるが、電源を長時間オフするため、検出のデッドタイムが生じる。
【００１７】
図１３は、正常なプロトン導電体ガスセンサ１２個に対して、5秒間電源をオフした後に、再度電源をオンした際の出力波形を示す。各センサは出力のボトムを示す。図１４は断線やショートなどのある３個のセンサに対する、同じ条件での出力波形を示す。図１５は図１３のガスセンサの電源を5分オフした後にオンした際の出力波形で、図１０に比べると小さいものの、全センサで出力のピークが生じる。
【００１８】
図１６、図１７は、正常なプロトン導電体ガスセンサ８個に対して、検知極／対極間に、±50mV×4秒間の電圧パルスを加えた後の出力波形を示す。出力が定常値に復帰するまでに500秒程度必要で、自己診断に要する検出のデッドタイムが長い。
【００１９】
図１において、２はプロトン導電体ガスセンサで、４はセンサ本体であり、ＭＥＡ１０と拡散制御板１２並びに封孔体１４，金属ワッシャ２８で構成されている。ＭＥＡ１０は、図１の右側に示すように、プロトン導電体膜４２の両面に検知極４３と対極４４とを設け、これらを導電性炭素シート４５，４６（膜厚約40μｍ）で被覆したものである。プロトン導電体膜４２には、ここではパースルホン酸系の固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）、例えばゴア社製のもので膜厚約20μｍの膜を用いた。検知極４３や対極４４はいずれも、炭素にＰｔを分散させ、プロトン導電体ポリマーを含浸させたものである（膜厚各約10μｍ）。また導電性炭素シート４５，４６は設けなくても良い。ＭＥＡ１０の材質や膜厚などは任意である。
【００２０】
拡散制御板１２はチタンなどの薄板からなり、厚さは例えば0.1mm程度で、打ち抜きなどにより直径0.1mm程度の拡散制御孔２６を設けてある。封孔体１４は拡散制御板１２の上流側で、被毒物質や誤報の原因となるガスを除去するためのもので、金属のキャップ１６と金属の底板１８とから成り、その間にガス吸着用の活性炭やシリカゲル、ゼオライトなどから成るフィルタ材２０を充填してある。
【００２１】
底板１８の例えば中央部に開口２２があり、キャップ１６の側面に開口２４を設け、開口２２と開口２４とは封孔体１４の軸方向に沿って重ならないように配置する。そして開口２２，２４の少なくとも一方を、複数設けることが好ましい。ワッシャ２８はステンレスやチタンなどの金属板から成り、拡散制御板１２に比べて肉厚の例えば０.５mm厚とし、１箇所〜複数箇所に水蒸気導入孔３０を設けて、水溜からの水蒸気を対極へ供給する。水蒸気導入孔３０は、例えば直径０.５mm程度と、拡散制御孔２６よりも大きくする。
【００２２】
３２は金属缶で、ここでは純水をゲル化したゲル３４を水溜に用いる。３６は凹部で、金属ワッシャ２８を支持し、３８はガスケットで、封孔体１４と金属缶３２との間に配置してある。そして金属缶３２の上部をかしめることにより、センサ本体を金属缶３２に対して固定し、封孔体１４を金属缶３２から絶縁し、センサ本体４の各部での電気的導通とシールとを行う。
【００２３】
ＣＯの検出機構を示す。封孔体１４を通過した周囲の雰囲気は、拡散制御孔２６から検知極４３へと達する。この間に、周囲雰囲気中のＣＯは、検知極４３で、 ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-
の反応により、プロトンを発生させる。この反応に必要な水は、水蒸気導入孔から供給される。対極１４では、
２Ｈ+ ＋ 1/2 Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ
の反応が生じる。周囲雰囲気中の酸素濃度はＣＯ濃度に比べてはるかに高いので、対極４４には常時ＣＯを完全に酸化できるだけの酸素がある。
【００２４】
図２にガス検出装置の構成を示すと、５０は電池などを用いた電源で、５１はリセットスイッチである。スイッチ５２は、ガスセンサ２やその増幅回路への電力の供給をオン／オフするためのもので、Ｒ１〜Ｒ９は抵抗で、Ｃ１〜Ｃ４はコンデンサである。また増幅回路の電源を＋Ｖccで表す。
【００２５】
ガスセンサ２の対極Ｃには、抵抗Ｒ１／Ｒ２で定まるバイアス電圧、ここでは1Ｖが集積回路ＩＣ１を介して加えられる。なお集積回路ＩＣ１の主な作用は、電源中のリップルの除去であり、電池電源５０を用いる場合は設けなくてもよい。ガスセンサ２の検知極Ｄから対極Ｃへ流れる電流は、抵抗Ｒ５により電圧に変換される。検知極Ｄと対極Ｃ間の内部抵抗は１Ω程度で、抵抗Ｒ５の抵抗値を100ＫΩ程度する。集積回路ＩＣ３では、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ８との抵抗比で定まる倍率により、増幅が行われる。ここでは抵抗Ｒ６を約3ＫΩ、抵抗Ｒ８を約100ＫΩとする。これらの結果、検知極Ｄから対極Ｃへ1nＡの電流が流れると、集積回路ＩＣ３の出力電圧Ｖoutは3mVとなる。例えばＣＯ600ppmの存在時に、集積回路ＩＣ３の出力は０ガスレベルから3Ｖ増加し、ガスセンサ２では検知極Ｄから対極Ｃへ1 μＡ程度の電流が流れることになる。なお集積回路ＩＣ３に接続した抵抗Ｒ９は、０ガスレベルで出力Ｖoutが1Ｖになるようにするための調整抵抗である。
【００２６】
実施例では、電流増幅用に２段の集積回路ＩＣ２，ＩＣ３を用いたが、これらを１段にしても良い。また実施例では対極Ｃに＋1Ｖのバイアス電位を加えたが、バイアス電位は例えば100mV〜2Ｖ程度の間で変化させることができ、＋5Ｖなどの片電源を回路電源＋Ｖccに用いる代わりに、集積回路ＩＣ１〜ＩＣ３を±5Ｖなどの両電源で駆動すると、バイアス電位を例えば０にできる。実施例では、検知極Ｄと対極Ｃ間のキャパシタンスを用いて自己診断を行うというよりも、検知極Ｄや対極Ｃでの、分極や局部電位の発生、混成電位の発生などの現象を用いて、自己診断する。
【００２７】
抵抗Ｒ１，Ｒ２〜Ｒ９と、集積回路ＩＣ１〜ＩＣ３などにより、ガスセンサ２の増幅用の付帯回路を構成する。マイクロコンピュータ５４により、出力信号Ｖoutの信号処理を行う。５５はＡＤコンバータで、５６はＣＯ検出部で、出力Ｖoutを所定のいき値と比較することによりＣＯ濃度を算出する。５７は自己診断部で、電源５２を所定時間オフした後オンした際の、出力Ｖoutの過渡的な波形から、ガスセンサ２の自己診断を行う。また増幅回路に不良があれば、出力Ｖoutは異常な値を示すので、増幅回路の点検も行える。
【００２８】
５８は電源制御部で、スイッチ５２をオン／オフさせる。マイクロコンピュータ５４には動作モードと待機モードの２つのモードがあり、待機モードでは例えばタイマ６８のみを動作させて待機時間を管理し、他にＲＡＭ６９に電力を供給してデータを保存する他は、停止している。そして待機モードに移行すると同期してスイッチ５２をオフし、ガスセンサ２や増幅回路への電力供給を遮断する。タイマ６８で所定の時間スイッチ５２をオフさせると、待機モードから動作モードへマイクロコンピュータ５４が移行し、これと同期してスイッチ５２を閉じて、ガスセンサ２やその増幅回路の電源をオンする。そして電源をオンした後の所定時間、例えば5秒〜15秒程度の間の出力波形から、ガスセンサ２の自己診断を行う。
【００２９】
５９はＬＥＤ駆動部で、複数のＬＥＤからなるＬＥＤ群６０を駆動し、ＬＥＤ群６０の表示状態には、正常／ガス検出装置が正常動作していない／低濃度のＣＯが存在する／高濃度のＣＯが存在する、の例えば４種類がある。ブザー駆動部６１はブザー６２を駆動し、例えば高濃度のＣＯの存在時、あるいは低濃度のＣＯが許容時間を超えて存在する際に、ブザー６２を駆動する。ＬＣＤ駆動部６３はＬＣＤ６４を駆動し、ＣＯ濃度を表示する他に、ガス検出装置が正常動作していない、リセットが必要である、などを表示する。
【００３０】
ＥＥＰＲＯＭ６５は、リセットスイッチ５１で電源を遮断しても、主なデータが保存されるようにするためのものである。主なデータとしては、ＣＯの検出の履歴やガス検出装置の自己診断の履歴、電源の延べ使用時間、などがある。リセット制御部６６は、リセットスイッチ５１により電源が投入された際の、マイクロコンピュータ５４の初期化などを行う。バッテリーチェック部６７は、回路電源＋Ｖccの値などをチェックし、電源５０の交換の要否をチェックする。なおバッテリーチェック部６７には図示しないＡＤコンバータを介し、回路電源＋Ｖccが入力されているものとする。
【００３１】
タイマ６８は、マイクロコンピュータ５４の各種の動作周期を定め、特にスイッチ５２のオン／オフ周期を定める。例えばスイッチ５２を40秒間オフした後に、スイッチ５２を20秒間オンし、１周60秒でスイッチ５２を駆動する。そしてスイッチ20秒のオン時間のうち、最初の15秒間などを用いて、ガスセンサ２の自己診断を行い、最後の5秒間を用いてＣＯの検出を行う。常時はガスセンサ２は1分周期で動作し、例えば１カ月に１回、即ち前記の1分周期よりも長い間隔で、例えば１時間スイッチ５２をオフし、スイッチ５２をオフからオンした後の15秒間を用いて、ガスセンサ２の自己診断を行う。前記のようにスイッチ５２がオフしている際には、マイクロコンピュータ５４も待機モードにある。ＲＡＭ６９は、マイクロコンピュータ５４の動作に必要な種々のデータを記憶する。
【００３２】
図３に、実施例での自己診断アルゴリズムを示す。スイッチ５２をオフしている時間をチェックし、この時間が1分以下の場合、例えば実施例の場合40秒では、スイッチをオンした際の出力のボトムの有無から異常をチェックする。またオフ時間が例えば5分以上の場合、電源をオフからオンに変化させた際の出力のピークの有無から異常のチェックする。実施例では長い側の電源のオフ時間として、例えば１時間を用いる。長い側の電源のオフ時間は例えば3分以上24時間以下が好ましく、より好ましくは5分以上12時間以下とし、さらに好ましくは5分以上で1時間以下とする。短い側の電源のオフ時間は例えば1分以下で0.1秒以上が好ましく、より好ましくは1分以下で1秒以上とし、さらに好ましくは40秒以下3秒以上とする。オフ時間が長い側と短い側との間の境界は例えば3分とし、3分よりも長いことを例えば所定時間超とし、3分よりも短いことを例えば所定時間未満とする。
【００３３】
ガスセンサに異常が検出された場合、その旨をＥＥＰＲＯＭやＲＡＭに記憶する。短い側のオフで異常が検出された場合、自動的に再度例えば40秒間スイッチ５２により電源をオフし、再度自己診断を行う。このようにして２回続けて異常が検出されると、ＬＣＤ６４にリセットを要求する表示などを行う。ＥＥＰＲＯＭに異常が記録された状態でリセットされると、リセットからの復帰時に例えば5分間スイッチ５２をオフして、強制的に長い時間のオフを実行する。その後の出力パターンから異常を確認し、ここでも異常が確認されると、ＥＥＰＲＯＭに永久不良の旨を記録し、ＬＥＤ６０やＬＣＤ６４での異常表示をオフしないようにする。
【００３４】
また長い時間の間スイッチ５２をオフした後に異常を検出すると、同様にＥＥＰＲＯＭに異常を書き込み、リセットを要求する。そしてリセット後に、再度長い時間の間スイッチ５２により電源をオフし、ここでも異常が検出されると、永久異常をＥＥＰＲＯＭに書き込み、ＬＣＤやＬＥＤでその旨を表示する。
【００３５】
異常が検出されなかった場合、あるいは異常が検出されてもリセットなどを行うと異常が再現しなかった場合、ＣＯの検出を行い、所定時間毎に電源をオフして、待機モードへ移行する。
【００３６】
図４は正常な５個のガスセンサの出力波形を示し、検知極Ｄから対極Ｃへ流れる電流はＣＯ400ppmで0.7μｍＡである。またセンサ出力はＣＯ濃度に比例する。図５は３個のセンサの波形を示し、２個のセンサの波形が出力1Ｖラインの上で重なっている。これらのセンサはＣＯ感度が不良、もしくはＣＯ感度を示さないものである。図６は２個のガスセンサの波形を示し、これらは０レベルが異常で、ＣＯ感度も小さい。
【００３７】
図７〜図９は、これらのガスセンサに対して、5秒間スイッチ５２をオフして、電源を遮断した後、再度電源をオンした後の特性を示している。図４の正常なガスセンサと、図５の異常なガスセンサ中の２個のガスセンサでは（図８）、電源を投入すると出力のボトムが表れる。これに対して図６のガスセンサでは出力のボトムは生じない（図９）。
【００３８】
ボトムの検出には、例えば0.95Ｖなどの電圧にいき値を設け、電源投入後例えば15秒以内の窓内で、出力がいき値を上から下へと通過した後、下から上へ通過することを検出すればよい。あるいは電源を投入し、出力が1Ｖのピークを示した後の、出力電圧の時間微分を用いてもよい。出力のボトムの検出方法自体は任意である。
【００３９】
図１０〜図１２は、図４〜図６のガスセンサを、１時間電源をオフした後に、再度電源をオンした際の特性を示す。時刻5秒に電源をオンしたものとする。図４のガスセンサでは、全数出力のピークを示す。これに対して図５のガスセンサでは、出力のピークは生じず、電源をオフする時間を長くすると、図４のガスセンサと図５のガスセンサとの判別ができる。また図６のガスセンサは、電源のオフ時間が長くても短くても、同じ挙動を示す（図９，図１２）。
【００４０】
図１３は、正常なガスセンサ１２個に対して、電源を5秒間オフした後にオンした際の特性を示す。いずれのセンサでも、電源をオフからオンに変化させると、出力のボトムが生じる。図１４のガスセンサは、検知極と対極とがショートしたり、検知極や対極が端子から浮いているものである。この場合の出力波形は、バイアス電圧の1Ｖがそのまま表れるか、アース電圧の０ボルトや回路電圧の＋Ｖcc 5Ｖがそのまま表れるかの３種類である。いずれの場合も電源をオフからオンに変化させた後の過渡波形は見られない。
【００４１】
図１５は、図１３の正常センサ１２個に対して、５分間電源をオフした後にオンさせた際の波形を示す。電源をオフからオンに変化させると、１２個の全センサで出力のピークが生じた。
【００４２】
以上のように、電源をオフからオンに変化させた後の過渡波形から、プロトン導電体ガスセンサ２の自己診断ができる。電源のオフ時間が短い場合、例えば5秒の場合、過渡波形では出力のボトムが生じ、電源のオン時間が長い場合、例えば５分以上の場合、出力のピークが生じる。これらの２つの自己診断では、電源のオフ時間が長い方が信頼性がある。しかしながら電源のオフ時間を長くすると、ＣＯ検出のデッドタイムが長くなる。このためオフ時間が短い自己診断とオフ時間が長い自己診断の双方を行い、オフ時間が短い自己診断は比較的高い頻度で、オフ時間が長い自己診断は比較的小さな頻度で行うのがよい。また自己診断に必要な電源のオフは、電池電源５０を休ませるための待機モードを利用して行うことができる。
【００４３】
図１６，図１７は別の正常なプロトン導電体ガスセンサ８個に対して、±50mVの電位を４秒間加えた後の波形を示している。図１６は検知極を＋として、検知極／対極間に50mVの電圧を加えた際の波形で、図１７は逆に検知極に−50mVの電圧を加えた際の波形である。
【００４４】
50mV×4秒の電圧を加えると、その後500秒程度の間センサ信号が安定しない。このため検出のデッドタイムが長くなる。次に検知極と対極との間に50mVの電圧を加えると、10ｍＡ以上の電流が両極間に流れる。ガスセンサ２では、ＣＯ600ppmで1μｍＡ程度の電流を流すようにしてあるため、10ｍＡ以上の電流が流れると、電極とプロトン導電体膜との界面に影響が生じたり、そのヒステリシスが残ったりする恐れがある。
【００４５】
以上のように実施例では、待機モードと動作モードとの間の電源のオン／オフを利用し、プロトン導電体ガスセンサの自己診断を行うことができる。この自己診断では、ショートや短絡などの単純なものに限らず、感度不良やセンサ出力が浮いている（フロートしている）ものも検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 プロトン導電体ガスセンサの断面図
【図２】 プロトン導電体ガス検出装置のブロック図
【図３】 プロトン導電体ガスセンサの、自己診断アルゴリズムのフローチャート
【図４】 正常なプロトン導電体ガスセンサの感度特性を示す図
【図５】 不正常なプロトン導電体ガスセンサの感度特性を示す図
【図６】 他の不正常なプロトン導電体ガスセンサの、感度特性を示す図
【図７】 図４のプロトン導電体ガスセンサを、5秒間電源をオフした後に電源をオンした際に表れる、出力のボトムを示す図
【図８】 図５のプロトン導電体ガスセンサを、5秒間電源をオフした後に電源をオンした際に表れる、出力のボトムを示す図
【図９】 図６のプロトン導電体ガスセンサを、5秒間電源をオフした後に電源をオンした際に表れる、出力パターンを示す図
【図１０】 図４のプロトン導電体ガスセンサを、１時間電源をオフした後に電源をオンした際に表れる、出力のピークを示す図
【図１１】 図５のプロトン導電体ガスセンサを、１時間電源をオフした後に電源をオンした際の出力パターンを示す図
【図１２】 図６のプロトン導電体ガスセンサを、１時間電源をオフした後に電源をオンした際の出力パターンを示す図
【図１３】 正常なプロトン導電体ガスセンサの電源を、5秒間オフした後にオンした際の、出力のボトムを示す図
【図１４】 短絡や断線のあるプロトン導電体ガスセンサの電源を、5秒間オフした後にオンした際の、出力のボトムを示す図
【図１５】 図１３のプロトン導電体ガスセンサの電源を、５分間オフした後にオンした際の、出力のボトムを示す図
【図１６】 図１３のプロトン導電体ガスセンサの検知極／対極間に、50mVの電圧を４秒間加えた際の応答特性図
【図１７】 図１３のプロトン導電体ガスセンサの検知極／対極間に、50mVの電圧（図１６とは逆極性）を４秒間加えた際の応答特性図
【符号の説明】
２ プロトン導電体ガスセンサ
４ センサ本体
１０ ＭＥＡ
１２ 拡散制御板
１４ 封孔体
１６ キャップ
１８ 底板
２０ フィルタ材
２２，２４ 開口
２６ 拡散制御孔
２８ ワッシャ
３０ 水蒸気導入孔
３２ 金属缶
３４ ゲル
３６ 凹部
３８ ガスケット
４２ プロトン導電体膜
４３ 検知極
４４ 対極
４５，４６ 導電性炭素シート
５０ 電源
５１ リセットスイッチ
５２ スイッチ
５４ マイクロコンピュータ
５５ ＡＤコンバータ
５６ ＣＯ検出部
５７ 自己診断部
５８ 電源制御部
５９ ＬＥＤ駆動部
６０ ＬＥＤ群
６１ ブザー駆動部
６２ ブザー
６３ ＬＣＤ駆動部
６４ ＬＣＤ
６５ ＥＥＰＲＯＭ
６６ リセット制御部
６７ バッテリーチェック部
６８ タイマ
６９ ＲＡＭ
Ｒ１〜Ｒ９ 抵抗
Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ
ＩＣ１〜ＩＣ３ 集積回路
＋Ｖcc 回路電源
【発明の利用分野】
この発明は、プロトン導電体ガスセンサを用いたガス検出装置の自己診断に関する。
【０００２】
【従来技術】
【特許文献１】
米国特許５６５００５４号
【特許文献２】
米国特許６２００４４３号
プロトン導電体ガスセンサの構造として、特許文献１に記載のものがある。このガスセンサでは、金属缶の下部を水溜とし、上部にくびれ部を介してＣＯセンサの本体を保持する。ＣＯセンサの本体は、プロトン導電体膜とその表裏の電極とからなるＭＥＡと、ガスの拡散と導電性コンタクトとを兼ねた多孔質の炭素シートとで構成されている。センサ本体の底部を水蒸気導入孔を設けた金属ワッシャに接触させ、上部を拡散制御孔を設けた金属ワッシャに接触させる。また底部のワッシャを金属缶のくびれで支え、上部のワッシャと金属缶との間にガスケットを設け、金属缶の上部をかしめて、上下の金属板（ワッシャ）とその間のセンサ本体を、金属缶に取り付ける。かしめによる加圧でセンサ本体を保持し、また上下の金属板とセンサ本体の炭素シートとの接続を保つ。
【０００３】
プロトン導電体ガスセンサの自己診断が、例えば特許文献２により提案されている。ガスセンサの検知極／対極間に短時間の弱い電圧パルスを加え、パルスをオフした後のキャパシタンスを測定する。キャパシタンスは正常なセンサと不良なセンサとで異なるので、自己診断ができるとされている。プロトン導電体ガスセンサの内部抵抗はΩオーダーで低く、短時間の微弱なパルスとはいえ両極間に電圧を加えると、プロトン導電体やその電極に変化が生じたり、ヒステリシスが生じたりする恐れがある。また自己診断用にパルス電源が必要で、パルスを加えた後のヒステリシスが解消するまでの間、検出が不能になる。
【０００４】
【発明の課題】
この発明の課題は、プロトン導電体ガスセンサの増幅回路の電源を用いて自己診断ができるようにし、かつ自己診断によるプロトン導電体やその電極への影響を小さくすることにある。
【０００５】
【発明の構成】
この発明のプロトン導電体ガスセンサの自己診断方法は、プロトン導電体膜に検知極と対極とが接続され、かつガス検出装置に組み込まれたプロトン導電体ガスセンサの自己診断方法において、前記ガス検出装置の電源をオフした後に再度オンした際の、前記ガスセンサの出力のピークあるいはボトムの有無から、前記ガスセンサを自己診断することを特徴とする。
【０００６】
好ましくは、前記出力のピークが存在する際に前記ガスセンサを正常、ピークが存在しない際に前記ガスセンサを不良とする。
特に好ましくは、前記電源を第１の頻度で所定時間未満の時間オフした後に再度オンして、該電源オン後の前記ガスセンサ出力のボトムの有無からガスセンサを自己診断し、さらに、前記電源を第２の頻度で所定時間超の時間オフした後に再度オンして、該電源オン後の前記ガスセンサ出力のピークの有無からガスセンサをさらに自己診断する。
【０００７】
この発明のガス検出装置は、プロトン導電体膜に検知極と対極とを接続したガスセンサと、前記検知極と前記対極間の電流を増幅するための増幅回路と、前記増幅回路を駆動するための電源とを備えた、ガス検出装置において、
該電源をオフした後に再度オンするためのスイッチと、
前記電源のオフ後に再度オンした後の、前記増幅回路の出力のピークまたはボトムを検出して、前記ボトムまたはピークが検出された際にガスセンサを正常、そうでない際に不良として、自己診断するための自己診断手段と、
自己診断の結果を表示するための表示手段、とを設けたことを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、前記自己診断手段は、前記電源を所定時間超オフした後に再度電源をオンした際に、出力のピークを検出すると前記ガスセンサを正常、ピークを検出しないと前記ガスセンサを不良とする。
特に好ましくは、前記電源を第１の頻度で所定時間未満の時間オフした後に再度オンし、かつ前記電源を第２の頻度で所定時間超の時間オフした後に再度オンするように、前記スイッチを駆動するための手段を設け、 かつ
前記所定時間未満の時間電源をオフした後の、前記ガスセンサ出力のボトムの有無からガスセンサを自己診断し、
さらに、前記所定時間超の時間オフした後の、前記ガスセンサ出力のピークの有無からガスセンサをさらに自己診断する。
また好ましくは、前記電源が電池電源で、前記自己診断手段を内蔵したマイクロコンピュータを設けて、前記表示手段を駆動すると共に、前記スイッチを所定の条件でオン／オフする。
【０００９】
この明細書において、プロトン導電体ガスセンサの出力は、センサ内を検知極から対極へ電流が流れる際に＋、対極から検知極へ電流が流れる際に−とする。出力が＋はＣＯやＨ2等の存在に対応し、例えばＣＯが存在すると、検知極で、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋２Ｈ＋＋２ｅ−、
対極で
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
の反応が進行する。従って出力のピークは還元性ガスに接触したときの出力の向きと同じ方向の出力で、出力のボトムは、対極と検知極を逆にして付帯回路にセットして、ＣＯが存在したときの出力の方向と同じで、あるいはあたかも還元性ガス濃度が負になった時の出力の向きとなる。なお実施例ではガスセンサの特定の構造や材料、特定の増幅回路を示すが、これらは任意である。
【００１０】
【発明の作用と効果】
この発明では、プロトン導電体ガスセンサとその増幅回路との電源をオフし、再度オンした後の出力波形からガスセンサを自己診断する。このため自己診断用の特別の電源は不要で、またセンサの検知極と対極間に電圧を加えるわけではないので、自己診断用の電圧パルスでセンサを劣化させる恐れがない。発明者の実験では、電源を再度オンした後に検出が可能になるまでのデッドタイムは例えば20秒以下で、電圧パルスを加える場合よりも、自己診断に伴うデッドタイムを短くできる。この発明の自己診断では、検知極や対極と外部端子との接触不良や断線、検知極と対極のショートなどの他に、センサ感度の低下や、０ガスレベルが異常な位置にシフトする、などのことも検出できる。
【００１１】
電源を再度オンした際の過渡波形には２種類有り、短時間、例えば１分以下の間、電源をオフして再度オンすると、出力のボトムが観測された。これに対して長時間、例えば５分以上、電源をオフして再度オンすると、出力のピークが検出された。短時間の電源オフ後の出力のボトムは、感度不良なガスセンサでも観察され、正常なガスセンサと感度不良なガスセンサとの判別は難しかった。しかし断線やショートなどの単純な不良は確実に検出できた。次に長時間電源をオフした後の出力のピークでは、正常なガスセンサと感度不良なガスセンサとを判別できた。この場合、出力のピークが生じるのは正常なガスセンサに限られ、感度不良や０ガスベルのシフト、断線、ショートなどがあると、出力のピークは生じなかった。
【００１２】
そこで、短時間でも長時間でも、電源をオフした後に再度電源をオンした際の特性（ボトムやピークの有無）を用いると、断線やショートなどの単純な不良を確実に検出でき、感度不良などもある程度検出できる。長時間オフした後の出力のピークを用いると、感度不良なども確実に検出できる。また長時間オフさせると検出が行われない時間（デッドタイム）が増すので、長時間オフさせる自己診断を月に１回などの低い頻度で行い、短時間オフさせる自己診断を１日に１回などの頻度で行うと、確実な自己診断ができる。あるいは短時間オフさせるモードを繰り返して行っても、検出の信頼性を増すことができる。
【００１３】
ガス検出装置を電池電源で駆動する場合、電力の節約のために、所定時間毎に増幅回路や信号処理用のマイクロコンピュータなどを起動し、これ以外の時間はこれらの動作を停止することが行われている。この発明は、このような増幅回路の動作停止とその後の電力供給とを利用して、電源のオフやオンとして利用できる。
【００１４】
【実施例】
図１にプロトン導電体ガスセンサ２の構造を示し、図２はガスセンサ２を用いたガス検出装置のブロック図である。図３は、プロトン導電体ガスセンサの自己診断アルゴリズムを示すフローチャートである。
【００１５】
図４〜図６は正常なガスセンサ（図４、センサ数５）、不良なガスセンサ（図５、センサ数３，図６、センサ数２）の感度パターン（ＣＯ30〜400ppm）を示す。図７〜図９は、これらのガスセンサとその付帯回路との電源を5秒間オフした後に、電源を再投入した際の出力の波形図である。短時間電源をオフすると、正常なセンサでは出力のボトム（負のピーク）が生じ、このボトムはあたかも検知対象のＣＯ濃度が負になったような出力波形である。このボトムを用いることにより、図６の不良センサと図４の正常センサとの識別ができるが、図５の不良センサと図４の正常センサとの識別は難しい。
【００１６】
図１０〜図１２は、図４〜図６のプロトン導電体ガスセンサの電源を（付帯回路を含めて）１時間オフした後に、電源を再投入した際の出力を示している。正常なセンサでは出力のピークが生じ、不良センサではピークが生じない。従ってセンサの正常／不良を確実に識別できるが、電源を長時間オフするため、検出のデッドタイムが生じる。
【００１７】
図１３は、正常なプロトン導電体ガスセンサ１２個に対して、5秒間電源をオフした後に、再度電源をオンした際の出力波形を示す。各センサは出力のボトムを示す。図１４は断線やショートなどのある３個のセンサに対する、同じ条件での出力波形を示す。図１５は図１３のガスセンサの電源を5分オフした後にオンした際の出力波形で、図１０に比べると小さいものの、全センサで出力のピークが生じる。
【００１８】
図１６、図１７は、正常なプロトン導電体ガスセンサ８個に対して、検知極／対極間に、±50mV×4秒間の電圧パルスを加えた後の出力波形を示す。出力が定常値に復帰するまでに500秒程度必要で、自己診断に要する検出のデッドタイムが長い。
【００１９】
図１において、２はプロトン導電体ガスセンサで、４はセンサ本体であり、ＭＥＡ１０と拡散制御板１２並びに封孔体１４，金属ワッシャ２８で構成されている。ＭＥＡ１０は、図１の右側に示すように、プロトン導電体膜４２の両面に検知極４３と対極４４とを設け、これらを導電性炭素シート４５，４６（膜厚約40μｍ）で被覆したものである。プロトン導電体膜４２には、ここではパースルホン酸系の固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）、例えばゴア社製のもので膜厚約20μｍの膜を用いた。検知極４３や対極４４はいずれも、炭素にＰｔを分散させ、プロトン導電体ポリマーを含浸させたものである（膜厚各約10μｍ）。また導電性炭素シート４５，４６は設けなくても良い。ＭＥＡ１０の材質や膜厚などは任意である。
【００２０】
拡散制御板１２はチタンなどの薄板からなり、厚さは例えば0.1mm程度で、打ち抜きなどにより直径0.1mm程度の拡散制御孔２６を設けてある。封孔体１４は拡散制御板１２の上流側で、被毒物質や誤報の原因となるガスを除去するためのもので、金属のキャップ１６と金属の底板１８とから成り、その間にガス吸着用の活性炭やシリカゲル、ゼオライトなどから成るフィルタ材２０を充填してある。
【００２１】
底板１８の例えば中央部に開口２２があり、キャップ１６の側面に開口２４を設け、開口２２と開口２４とは封孔体１４の軸方向に沿って重ならないように配置する。そして開口２２，２４の少なくとも一方を、複数設けることが好ましい。ワッシャ２８はステンレスやチタンなどの金属板から成り、拡散制御板１２に比べて肉厚の例えば０.５mm厚とし、１箇所〜複数箇所に水蒸気導入孔３０を設けて、水溜からの水蒸気を対極へ供給する。水蒸気導入孔３０は、例えば直径０.５mm程度と、拡散制御孔２６よりも大きくする。
【００２２】
３２は金属缶で、ここでは純水をゲル化したゲル３４を水溜に用いる。３６は凹部で、金属ワッシャ２８を支持し、３８はガスケットで、封孔体１４と金属缶３２との間に配置してある。そして金属缶３２の上部をかしめることにより、センサ本体を金属缶３２に対して固定し、封孔体１４を金属缶３２から絶縁し、センサ本体４の各部での電気的導通とシールとを行う。
【００２３】
ＣＯの検出機構を示す。封孔体１４を通過した周囲の雰囲気は、拡散制御孔２６から検知極４３へと達する。この間に、周囲雰囲気中のＣＯは、検知極４３で、 ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-
の反応により、プロトンを発生させる。この反応に必要な水は、水蒸気導入孔から供給される。対極１４では、
２Ｈ+ ＋ 1/2 Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ
の反応が生じる。周囲雰囲気中の酸素濃度はＣＯ濃度に比べてはるかに高いので、対極４４には常時ＣＯを完全に酸化できるだけの酸素がある。
【００２４】
図２にガス検出装置の構成を示すと、５０は電池などを用いた電源で、５１はリセットスイッチである。スイッチ５２は、ガスセンサ２やその増幅回路への電力の供給をオン／オフするためのもので、Ｒ１〜Ｒ９は抵抗で、Ｃ１〜Ｃ４はコンデンサである。また増幅回路の電源を＋Ｖccで表す。
【００２５】
ガスセンサ２の対極Ｃには、抵抗Ｒ１／Ｒ２で定まるバイアス電圧、ここでは1Ｖが集積回路ＩＣ１を介して加えられる。なお集積回路ＩＣ１の主な作用は、電源中のリップルの除去であり、電池電源５０を用いる場合は設けなくてもよい。ガスセンサ２の検知極Ｄから対極Ｃへ流れる電流は、抵抗Ｒ５により電圧に変換される。検知極Ｄと対極Ｃ間の内部抵抗は１Ω程度で、抵抗Ｒ５の抵抗値を100ＫΩ程度する。集積回路ＩＣ３では、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ８との抵抗比で定まる倍率により、増幅が行われる。ここでは抵抗Ｒ６を約3ＫΩ、抵抗Ｒ８を約100ＫΩとする。これらの結果、検知極Ｄから対極Ｃへ1nＡの電流が流れると、集積回路ＩＣ３の出力電圧Ｖoutは3mVとなる。例えばＣＯ600ppmの存在時に、集積回路ＩＣ３の出力は０ガスレベルから3Ｖ増加し、ガスセンサ２では検知極Ｄから対極Ｃへ1 μＡ程度の電流が流れることになる。なお集積回路ＩＣ３に接続した抵抗Ｒ９は、０ガスレベルで出力Ｖoutが1Ｖになるようにするための調整抵抗である。
【００２６】
実施例では、電流増幅用に２段の集積回路ＩＣ２，ＩＣ３を用いたが、これらを１段にしても良い。また実施例では対極Ｃに＋1Ｖのバイアス電位を加えたが、バイアス電位は例えば100mV〜2Ｖ程度の間で変化させることができ、＋5Ｖなどの片電源を回路電源＋Ｖccに用いる代わりに、集積回路ＩＣ１〜ＩＣ３を±5Ｖなどの両電源で駆動すると、バイアス電位を例えば０にできる。実施例では、検知極Ｄと対極Ｃ間のキャパシタンスを用いて自己診断を行うというよりも、検知極Ｄや対極Ｃでの、分極や局部電位の発生、混成電位の発生などの現象を用いて、自己診断する。
【００２７】
抵抗Ｒ１，Ｒ２〜Ｒ９と、集積回路ＩＣ１〜ＩＣ３などにより、ガスセンサ２の増幅用の付帯回路を構成する。マイクロコンピュータ５４により、出力信号Ｖoutの信号処理を行う。５５はＡＤコンバータで、５６はＣＯ検出部で、出力Ｖoutを所定のいき値と比較することによりＣＯ濃度を算出する。５７は自己診断部で、電源５２を所定時間オフした後オンした際の、出力Ｖoutの過渡的な波形から、ガスセンサ２の自己診断を行う。また増幅回路に不良があれば、出力Ｖoutは異常な値を示すので、増幅回路の点検も行える。
【００２８】
５８は電源制御部で、スイッチ５２をオン／オフさせる。マイクロコンピュータ５４には動作モードと待機モードの２つのモードがあり、待機モードでは例えばタイマ６８のみを動作させて待機時間を管理し、他にＲＡＭ６９に電力を供給してデータを保存する他は、停止している。そして待機モードに移行すると同期してスイッチ５２をオフし、ガスセンサ２や増幅回路への電力供給を遮断する。タイマ６８で所定の時間スイッチ５２をオフさせると、待機モードから動作モードへマイクロコンピュータ５４が移行し、これと同期してスイッチ５２を閉じて、ガスセンサ２やその増幅回路の電源をオンする。そして電源をオンした後の所定時間、例えば5秒〜15秒程度の間の出力波形から、ガスセンサ２の自己診断を行う。
【００２９】
５９はＬＥＤ駆動部で、複数のＬＥＤからなるＬＥＤ群６０を駆動し、ＬＥＤ群６０の表示状態には、正常／ガス検出装置が正常動作していない／低濃度のＣＯが存在する／高濃度のＣＯが存在する、の例えば４種類がある。ブザー駆動部６１はブザー６２を駆動し、例えば高濃度のＣＯの存在時、あるいは低濃度のＣＯが許容時間を超えて存在する際に、ブザー６２を駆動する。ＬＣＤ駆動部６３はＬＣＤ６４を駆動し、ＣＯ濃度を表示する他に、ガス検出装置が正常動作していない、リセットが必要である、などを表示する。
【００３０】
ＥＥＰＲＯＭ６５は、リセットスイッチ５１で電源を遮断しても、主なデータが保存されるようにするためのものである。主なデータとしては、ＣＯの検出の履歴やガス検出装置の自己診断の履歴、電源の延べ使用時間、などがある。リセット制御部６６は、リセットスイッチ５１により電源が投入された際の、マイクロコンピュータ５４の初期化などを行う。バッテリーチェック部６７は、回路電源＋Ｖccの値などをチェックし、電源５０の交換の要否をチェックする。なおバッテリーチェック部６７には図示しないＡＤコンバータを介し、回路電源＋Ｖccが入力されているものとする。
【００３１】
タイマ６８は、マイクロコンピュータ５４の各種の動作周期を定め、特にスイッチ５２のオン／オフ周期を定める。例えばスイッチ５２を40秒間オフした後に、スイッチ５２を20秒間オンし、１周60秒でスイッチ５２を駆動する。そしてスイッチ20秒のオン時間のうち、最初の15秒間などを用いて、ガスセンサ２の自己診断を行い、最後の5秒間を用いてＣＯの検出を行う。常時はガスセンサ２は1分周期で動作し、例えば１カ月に１回、即ち前記の1分周期よりも長い間隔で、例えば１時間スイッチ５２をオフし、スイッチ５２をオフからオンした後の15秒間を用いて、ガスセンサ２の自己診断を行う。前記のようにスイッチ５２がオフしている際には、マイクロコンピュータ５４も待機モードにある。ＲＡＭ６９は、マイクロコンピュータ５４の動作に必要な種々のデータを記憶する。
【００３２】
図３に、実施例での自己診断アルゴリズムを示す。スイッチ５２をオフしている時間をチェックし、この時間が1分以下の場合、例えば実施例の場合40秒では、スイッチをオンした際の出力のボトムの有無から異常をチェックする。またオフ時間が例えば5分以上の場合、電源をオフからオンに変化させた際の出力のピークの有無から異常のチェックする。実施例では長い側の電源のオフ時間として、例えば１時間を用いる。長い側の電源のオフ時間は例えば3分以上24時間以下が好ましく、より好ましくは5分以上12時間以下とし、さらに好ましくは5分以上で1時間以下とする。短い側の電源のオフ時間は例えば1分以下で0.1秒以上が好ましく、より好ましくは1分以下で1秒以上とし、さらに好ましくは40秒以下3秒以上とする。オフ時間が長い側と短い側との間の境界は例えば3分とし、3分よりも長いことを例えば所定時間超とし、3分よりも短いことを例えば所定時間未満とする。
【００３３】
ガスセンサに異常が検出された場合、その旨をＥＥＰＲＯＭやＲＡＭに記憶する。短い側のオフで異常が検出された場合、自動的に再度例えば40秒間スイッチ５２により電源をオフし、再度自己診断を行う。このようにして２回続けて異常が検出されると、ＬＣＤ６４にリセットを要求する表示などを行う。ＥＥＰＲＯＭに異常が記録された状態でリセットされると、リセットからの復帰時に例えば5分間スイッチ５２をオフして、強制的に長い時間のオフを実行する。その後の出力パターンから異常を確認し、ここでも異常が確認されると、ＥＥＰＲＯＭに永久不良の旨を記録し、ＬＥＤ６０やＬＣＤ６４での異常表示をオフしないようにする。
【００３４】
また長い時間の間スイッチ５２をオフした後に異常を検出すると、同様にＥＥＰＲＯＭに異常を書き込み、リセットを要求する。そしてリセット後に、再度長い時間の間スイッチ５２により電源をオフし、ここでも異常が検出されると、永久異常をＥＥＰＲＯＭに書き込み、ＬＣＤやＬＥＤでその旨を表示する。
【００３５】
異常が検出されなかった場合、あるいは異常が検出されてもリセットなどを行うと異常が再現しなかった場合、ＣＯの検出を行い、所定時間毎に電源をオフして、待機モードへ移行する。
【００３６】
図４は正常な５個のガスセンサの出力波形を示し、検知極Ｄから対極Ｃへ流れる電流はＣＯ400ppmで0.7μｍＡである。またセンサ出力はＣＯ濃度に比例する。図５は３個のセンサの波形を示し、２個のセンサの波形が出力1Ｖラインの上で重なっている。これらのセンサはＣＯ感度が不良、もしくはＣＯ感度を示さないものである。図６は２個のガスセンサの波形を示し、これらは０レベルが異常で、ＣＯ感度も小さい。
【００３７】
図７〜図９は、これらのガスセンサに対して、5秒間スイッチ５２をオフして、電源を遮断した後、再度電源をオンした後の特性を示している。図４の正常なガスセンサと、図５の異常なガスセンサ中の２個のガスセンサでは（図８）、電源を投入すると出力のボトムが表れる。これに対して図６のガスセンサでは出力のボトムは生じない（図９）。
【００３８】
ボトムの検出には、例えば0.95Ｖなどの電圧にいき値を設け、電源投入後例えば15秒以内の窓内で、出力がいき値を上から下へと通過した後、下から上へ通過することを検出すればよい。あるいは電源を投入し、出力が1Ｖのピークを示した後の、出力電圧の時間微分を用いてもよい。出力のボトムの検出方法自体は任意である。
【００３９】
図１０〜図１２は、図４〜図６のガスセンサを、１時間電源をオフした後に、再度電源をオンした際の特性を示す。時刻5秒に電源をオンしたものとする。図４のガスセンサでは、全数出力のピークを示す。これに対して図５のガスセンサでは、出力のピークは生じず、電源をオフする時間を長くすると、図４のガスセンサと図５のガスセンサとの判別ができる。また図６のガスセンサは、電源のオフ時間が長くても短くても、同じ挙動を示す（図９，図１２）。
【００４０】
図１３は、正常なガスセンサ１２個に対して、電源を5秒間オフした後にオンした際の特性を示す。いずれのセンサでも、電源をオフからオンに変化させると、出力のボトムが生じる。図１４のガスセンサは、検知極と対極とがショートしたり、検知極や対極が端子から浮いているものである。この場合の出力波形は、バイアス電圧の1Ｖがそのまま表れるか、アース電圧の０ボルトや回路電圧の＋Ｖcc 5Ｖがそのまま表れるかの３種類である。いずれの場合も電源をオフからオンに変化させた後の過渡波形は見られない。
【００４１】
図１５は、図１３の正常センサ１２個に対して、５分間電源をオフした後にオンさせた際の波形を示す。電源をオフからオンに変化させると、１２個の全センサで出力のピークが生じた。
【００４２】
以上のように、電源をオフからオンに変化させた後の過渡波形から、プロトン導電体ガスセンサ２の自己診断ができる。電源のオフ時間が短い場合、例えば5秒の場合、過渡波形では出力のボトムが生じ、電源のオン時間が長い場合、例えば５分以上の場合、出力のピークが生じる。これらの２つの自己診断では、電源のオフ時間が長い方が信頼性がある。しかしながら電源のオフ時間を長くすると、ＣＯ検出のデッドタイムが長くなる。このためオフ時間が短い自己診断とオフ時間が長い自己診断の双方を行い、オフ時間が短い自己診断は比較的高い頻度で、オフ時間が長い自己診断は比較的小さな頻度で行うのがよい。また自己診断に必要な電源のオフは、電池電源５０を休ませるための待機モードを利用して行うことができる。
【００４３】
図１６，図１７は別の正常なプロトン導電体ガスセンサ８個に対して、±50mVの電位を４秒間加えた後の波形を示している。図１６は検知極を＋として、検知極／対極間に50mVの電圧を加えた際の波形で、図１７は逆に検知極に−50mVの電圧を加えた際の波形である。
【００４４】
50mV×4秒の電圧を加えると、その後500秒程度の間センサ信号が安定しない。このため検出のデッドタイムが長くなる。次に検知極と対極との間に50mVの電圧を加えると、10ｍＡ以上の電流が両極間に流れる。ガスセンサ２では、ＣＯ600ppmで1μｍＡ程度の電流を流すようにしてあるため、10ｍＡ以上の電流が流れると、電極とプロトン導電体膜との界面に影響が生じたり、そのヒステリシスが残ったりする恐れがある。
【００４５】
以上のように実施例では、待機モードと動作モードとの間の電源のオン／オフを利用し、プロトン導電体ガスセンサの自己診断を行うことができる。この自己診断では、ショートや短絡などの単純なものに限らず、感度不良やセンサ出力が浮いている（フロートしている）ものも検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 プロトン導電体ガスセンサの断面図
【図２】 プロトン導電体ガス検出装置のブロック図
【図３】 プロトン導電体ガスセンサの、自己診断アルゴリズムのフローチャート
【図４】 正常なプロトン導電体ガスセンサの感度特性を示す図
【図５】 不正常なプロトン導電体ガスセンサの感度特性を示す図
【図６】 他の不正常なプロトン導電体ガスセンサの、感度特性を示す図
【図７】 図４のプロトン導電体ガスセンサを、5秒間電源をオフした後に電源をオンした際に表れる、出力のボトムを示す図
【図８】 図５のプロトン導電体ガスセンサを、5秒間電源をオフした後に電源をオンした際に表れる、出力のボトムを示す図
【図９】 図６のプロトン導電体ガスセンサを、5秒間電源をオフした後に電源をオンした際に表れる、出力パターンを示す図
【図１０】 図４のプロトン導電体ガスセンサを、１時間電源をオフした後に電源をオンした際に表れる、出力のピークを示す図
【図１１】 図５のプロトン導電体ガスセンサを、１時間電源をオフした後に電源をオンした際の出力パターンを示す図
【図１２】 図６のプロトン導電体ガスセンサを、１時間電源をオフした後に電源をオンした際の出力パターンを示す図
【図１３】 正常なプロトン導電体ガスセンサの電源を、5秒間オフした後にオンした際の、出力のボトムを示す図
【図１４】 短絡や断線のあるプロトン導電体ガスセンサの電源を、5秒間オフした後にオンした際の、出力のボトムを示す図
【図１５】 図１３のプロトン導電体ガスセンサの電源を、５分間オフした後にオンした際の、出力のボトムを示す図
【図１６】 図１３のプロトン導電体ガスセンサの検知極／対極間に、50mVの電圧を４秒間加えた際の応答特性図
【図１７】 図１３のプロトン導電体ガスセンサの検知極／対極間に、50mVの電圧（図１６とは逆極性）を４秒間加えた際の応答特性図
【符号の説明】
２ プロトン導電体ガスセンサ
４ センサ本体
１０ ＭＥＡ
１２ 拡散制御板
１４ 封孔体
１６ キャップ
１８ 底板
２０ フィルタ材
２２，２４ 開口
２６ 拡散制御孔
２８ ワッシャ
３０ 水蒸気導入孔
３２ 金属缶
３４ ゲル
３６ 凹部
３８ ガスケット
４２ プロトン導電体膜
４３ 検知極
４４ 対極
４５，４６ 導電性炭素シート
５０ 電源
５１ リセットスイッチ
５２ スイッチ
５４ マイクロコンピュータ
５５ ＡＤコンバータ
５６ ＣＯ検出部
５７ 自己診断部
５８ 電源制御部
５９ ＬＥＤ駆動部
６０ ＬＥＤ群
６１ ブザー駆動部
６２ ブザー
６３ ＬＣＤ駆動部
６４ ＬＣＤ
６５ ＥＥＰＲＯＭ
６６ リセット制御部
６７ バッテリーチェック部
６８ タイマ
６９ ＲＡＭ
Ｒ１〜Ｒ９ 抵抗
Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ
ＩＣ１〜ＩＣ３ 集積回路
＋Ｖcc 回路電源
Claims (7)
- プロトン導電体膜に検知極と対極とが接続され、かつガス検出装置に組み込まれたプロトン導電体ガスセンサの自己診断方法において、
前記ガス検出装置の電源をオフした後に再度オンした際の、前記ガスセンサの出力のピークあるいはボトムの有無から、前記ガスセンサを自己診断することを特徴とする、プロトン導電体ガスセンサの自己診断方法。 - 前記出力のピークが存在する際に前記ガスセンサを正常、ピークが存在しない際に前記ガスセンサを不良とすることを特徴とする、請求項１のプロトン導電体ガスセンサの自己診断方法。
- 前記電源を第１の頻度で所定時間未満の時間オフした後に再度オンして、該電源オン後の前記ガスセンサ出力のボトムの有無からガスセンサを自己診断し、
さらに、前記電源を第２の頻度で所定時間超の時間オフした後に再度オンして、該電源オン後の前記ガスセンサ出力のピークの有無からガスセンサをさらに自己診断することを特徴とする、請求項１または２のプロトン導電体ガスセンサの自己診断方法。 - プロトン導電体膜に検知極と対極とを接続したガスセンサと、前記検知極と前記対極間の電流を増幅するための増幅回路と、前記増幅回路を駆動するための電源とを備えた、ガス検出装置において、
該電源をオフした後に再度オンするためのスイッチと、
前記電源のオフ後に再度オンした後の、前記増幅回路の出力のピークまたはボトムを検出して、前記ボトムまたはピークが検出された際にガスセンサを正常、そうでない際に不良として、自己診断するための自己診断手段と、
自己診断の結果を表示するための表示手段、とを設けたことを特徴とする、ガス検出装置。 - 前記自己診断手段は、前記電源を所定時間超オフした後に再度電源をオンした際に、出力のピークを検出すると前記ガスセンサを正常、ピークを検出しないと前記ガスセンサを不良とすることを特徴とする、請求項４のガス検出装置。
- 前記電源を第１の頻度で所定時間未満の時間オフした後に再度オンし、かつ前記電源を第２の頻度で所定時間超の時間オフした後に再度オンするように、前記スイッチを駆動するための手段を設け、 かつ
前記所定時間未満の時間電源をオフした後の、前記ガスセンサ出力のボトムの有無からガスセンサを自己診断し、
さらに、前記所定時間超の時間オフした後の、前記ガスセンサ出力のピークの有無からガスセンサをさらに自己診断するように、前記自己診断手段を構成したことを特徴とする、請求項４または５のガス検出装置。 - 前記電源が電池電源で、
前記自己診断手段を内蔵したマイクロコンピュータを設けて、前記表示手段を駆動すると共に、前記スイッチを所定の条件でオン／オフするようにしたことを特徴とする、請求項４〜６のいずれかのガス検出装置。
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