JP4648749B2

JP4648749B2 - 接触燃焼式ガスセンサ素子および接触燃焼式ガスセンサ装置

Info

Publication number: JP4648749B2
Application number: JP2005123249A
Authority: JP
Inventors: 春夫嘉山; 和弘豊田; 芳郎宮崎; 卓也中川
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: JP2006300744A

Description

本発明は、接触燃焼式ガスセンサ素子および接触燃焼式ガスセンサ装置に関し、特に、被毒対策をした接触燃焼式ガスセンサ素子および接触燃焼式ガスセンサ装置に関する。

図５に示すように、従来の接触燃焼式ガスセンサ素子１は、２０〜５０μｍの細い白金線のヒータ２をコイル状に形成し、ヒータ２の周囲をアルミナ（ＡＬ₂Ｏ₃）を主成分とする触媒物質３で覆っている。可燃性ガスとこの触媒物質３の接触で触媒燃焼が発生し、その温度上昇をヒータ２の抵抗値変化で可燃性ガスを検知するものである。

上述の接触燃焼式ガスセンサ素子を備え、一般住宅の室内に設置される接触燃焼式ガスセンサ装置は、室内の珪素ガスにさらされるため、接触燃焼式ガスセンサ素子は、このガスの被毒を受けて、検出感度の低下を見ることが一般的である。したがって、接触燃焼式ガスセンサ素子は、法的に一定の交換時期を定め、実使用時の許容感度低下値が規定値以内になるように保証している。

また、被毒による検出感度の低下を検知するために、触媒表面上に電極を形成し、この電極を用いて触媒層および固体電解質の抵抗を測定するガスセンサもある。
特開平８−７５６９８号公報

しかしながら、接触燃焼式ガスセンサ素子は、珪素ガスの被毒を受け比較的短期寿命であり、一定期間経過した接触燃焼式ガスセンサ素子は、廃棄される。

また、触媒表面上に電極を形成し、この電極を用いて触媒層および固体電解質の抵抗を測定するガスセンサでは、触媒層および固体電解質の抵抗値は高抵抗値であり、測定が困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、被毒検知が容易でありかつ被毒寿命を延ばすことができる接触燃焼式ガスセンサ素子および接触燃焼式ガスセンサ装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明の接触燃焼式ガスセンサ素子は、コイル状のヒータの周囲を触媒物質で覆った接触燃焼式ガスセンサ素子であって、前記ヒータの近傍に対向するように棒状の電極を設け、前記ヒータと前記電極とによってその間に前記触媒物質をはさんだコンデンサを構成することを特徴とする。

請求項２記載の発明の接触燃焼式ガスセンサ装置は、請求項１記載の接触燃焼式ガスセンサ素子を含む直流ブリッジ回路および該直流ブリッジ回路の出力を増幅する第１の増幅回路を含むセンサ出力増幅部と、前記コンデンサを含む交流ブリッジ回路、該交流ブリッジ回路の出力を整流する整流手段および該整流手段の出力を増幅する第２の増幅回路を含み、前記コンデンサの容量変化を検出する容量検出部と、前記容量検出部の出力で制御され、前記第１の増幅回路の利得を検出感度が一定になるように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の接触燃焼式ガスセンサ装置において、前記容量検出部の出力で制御され、前記容量変化が予め設定されたしきい値以上になった場合に警報する警報手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、被毒検知が容易でありかつ被毒寿命を延ばすことができる。

請求項２記載の発明によれば、被毒検知が容易でありかつ被毒による検出感度の低下を防ぐことができる。

請求項３記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ素子の被毒による劣化度合いを把握することができ、交換等の適宜な対処を行うことができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（接触燃焼式ガスセンサ素子の実施の形態）図１は、本発明の実施の形態に係る接触燃焼式ガスセンサ素子の構成を示す図である。接触燃焼式ガスセンサ素子１は、２０〜５０μｍの細い白金線のヒータ２をコイル状に形成し、ヒータ２の周囲をアルミナ（ＡＬ₂Ｏ₃）を主成分とする触媒物質３で覆っている。また、ヒータ２のコイルの近傍に対向するように棒状の誘電率測定用の電極４を設け、ヒータ２と電極４とによってその間に触媒物質３をはさんだコンデンサを構成する。

図２は、接触燃焼式ガスセンサ素子１のコンデンサ構造を説明する図であり、（Ａ）は、接触燃焼式ガスセンサ素子１におけるヒータ２と電極４と触媒物質３とによって形成されるコンデンサの模式図であり、（Ｂ）は、接触燃焼式ガスセンサ素子１における実形状のヒータ２と誘電率測定用の電極４の位置関係を示す図であり、棒状の電極４は、ヒータ２のコイルの外周から電極間隔ｄだけ離れた位置に配置される。

このような接触燃焼式ガスセンサ素子１を用いた場合、可燃性ガスと触媒物質３の接触で触媒燃焼が発生し、その温度上昇をヒータ２の抵抗値変化で捉えることにより、可燃性ガスを検知する。また、ヒータ２と電極４と触媒物質３とによって形成されるコンデンサの容量変化を監視することにより、被毒による検出感度の補正を行ったり、センサ素子の劣化度合いを検知したりすることができる。

（接触燃焼式ガスセンサ装置の第１の実施形態）次に、図３は、図１の接触燃焼式ガスセンサ素子１を用いた接触燃焼式ガスセンサ装置の第１の実施形態の回路図である。図３において、接触燃焼式ガスセンサ装置は、センサ出力増幅部１１および容量検出部１２を備えている。

センサ出力増幅部１１は、直流電源Ｖ２に接続された、接触燃焼式ガスセンサ素子１および抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ１６からなる直流ブリッジ回路からの出力を、抵抗Ｒ７，Ｒ１１とインダクタＬ１，Ｌ２を介して、オペアンプＵ１の非反転入力端子および反転入力端子に入力する。オペアンプＵ１の非反転入力端子および反転入力端子は、それぞれ、コンデンサＣ２，Ｃ３を介して接地されている。インダクタＬ１とコンデンサＣ２の組み合わせおよびインダクタＬ２とコンデンサＣ３の組み合わせは、それぞれ、ローパスフィルタを構成し、後述する容量検出部１２の交流ブリッジ回路に印加される高周波電圧が、オペアンプＵ１に入力されるのを阻止する。オペアンプＵ１の出力端子と反転入力端子間には抵抗Ｒ９，Ｒ１７が直列接続され、抵抗Ｒ１７にはトランジスタＱ２のコレクタおよびエミッタが並列接続されている。

オペアンプＵ１の出力は、センサ出力増幅部１１の出力として、抵抗Ｒ８を介してオペアンプＵ２の反転入力端子に入力される。オペアンプＵ２の非反転入力端子には、基準電源Ｖ４が接続され、出力端子は、抵抗Ｒ１２を介してトランジスタＱ１のベースに接続されている。トランジスタＱ１のコレクタは、ブザーＢＺを介して直流電源Ｖ３に接続され、エミッタは接地されている。

また、容量検出部１２は、交流電源Ｖ１に接続された、接触燃焼式ガスセンサ素子１とコンデンサＣ１と抵抗Ｒ２，３からなる交流ブリッジ回路の出力を、ダイオードＤ１，Ｄ２および抵抗Ｒ６，Ｒ１０を介してオペアンプＵ３の非反転入力端子および反転入力端子に入力する。ダイオードＤ１と抵抗Ｒ６の接続点は、抵抗Ｒ１５を介して接地されている。オペアンプＵ３の非反転入力端子は、抵抗Ｒ１を介して接地されている。オペアンプＵ３の出力端子と反転入力端子間には抵抗Ｒ１４が接続されている。オペアンプＵ３の出力端子は、抵抗Ｒ１３および抵抗Ｒ１８の直列接続体を介して接地されている。抵抗Ｒ１３および抵抗Ｒ１８の接続点は、センサ出力増幅部１１のトランジスタＱ２のベースに接続されている。

上述の構成において、可燃性ガスが存在しない場合、直流ブリッジ回路は平衡を維持しており、センサ出力増幅部１１から検出出力は発生しないので、ブザーＢＺは鳴動しない。

一方、可燃性ガスが存在し、可燃性ガスと触媒物質３の接触で触媒燃焼が発生し、その温度上昇により接触燃焼式ガスセンサ素子１のヒータ２の抵抗値が変化すると、直流ブリッジ回路の平衡がくずれ、センサ出力増幅部１１から検出出力が発生する。この検出出力が基準電源Ｖ４の基準電圧以上に大きくなると、オペアンプＵ２から出力電圧がトランジスタＱ１のベースに供給され、トランジスタＱ１がオンする。それにより、ブザーＢＺは鳴動し、可燃性ガスを検知したことを警報する。

また、接触燃焼式ガスセンサ装置は、接触燃焼式ガスセンサ素子１における触媒物質３の主成分であるアルミナが、珪素ガスにより被毒され、触媒物質３の組成成分として酸化珪素分が増加してくる現象を利用し、この含有量を触媒物質３の誘電率の測定値（換言すると、ヒータ２、触媒物質３および電極４で形成されるコンデンサの容量の測定値）で知り、この値に応じてセンサ出力増幅部１１の利得を検出感度が一定になるように自動制御する。すなわち、接触燃焼式ガスセンサ装置の検出感度を常に一定に保つオートチューニングセンサシステムを実現するものである。なお、アルミナの誘電率は約８であり、酸化珪素（ＳｉＯ₂）の誘電率は約４．０である。

接触燃焼式ガスセンサ素子１のヒータ２と誘電率測定用の電極４間の容量の計算式は、下記（１）式で表される。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ（Ｆ：ファラッド）・・・（１）
ただし、Ｃ：容量、ε：誘電率、Ｓ：面積およびｄ：電極間隔である。上述の（１）式から分かるように、εが変化することにより、容量Ｃも変化する。

そこで、図３の回路図において、接地されたヒータ２の電極と電極４の両端に、交流電源Ｖ１から約１０ＭＨｚから数１０ＭＨｚの高周波電圧を印加し、ヒータ２、触媒物質３および電極４で形成されるコンデンサにおける触媒物質３の被毒による容量変化を交流ブリッジ回路で捉える。

この容量変化に応じて発生する交流ブリッジ回路の出力をダイオードＤ１，Ｄ２で整流してオペアンプＵ３に入力し、その出力を抵抗Ｒ１３およびＲ１８で分圧して、容量検出部１２のアナログ出力として、センサ出力増幅部１１のトランジスタＱ２のベースに供給する。

トランジスタＱ２は、その可変抵抗性を利用した電子ボリュームとして容量検出部１２のアナログ出力で制御され、オペアンプＵ２の負帰還量を変化させることにより、オペアンプＵ１の利得を変化させ、接触燃焼式ガスセンサ装置としての検出感度が一定になるように制御する。すなわち、トランジスタＱ２は、請求項における制御手段として働く。

たとえば、接触燃焼式ガスセンサ素子１が珪素ガスの被毒により劣化し、直流ブリッジ回路から出力される検出信号レベルが低下した場合、容量検出部１２で被毒による接触燃焼式ガスセンサ素子１の上記コンデンサの容量変化を検出し、容量検出部１２からの出力でトランジスタＱ２による電子ボリュームの抵抗が可変され、それによりオペアンプＵ１の負帰還量が可変され、オペアンプＵ１の利得が増加するように制御される。この利得の増加により、直流ブリッジ回路から出力される検出信号レベルの低下が補正され、センサ出力増幅部１１から一定の検出感度の出力が得られる。

（接触燃焼式ガスセンサ装置の第２の実施形態）次に、図４は、図１の接触燃焼式ガスセンサ素子１を用いた接触燃焼式ガスセンサ装置の第２の実施形態の回路図である。図４において、接触燃焼式ガスセンサ装置は、センサ出力増幅部１１および容量検出部１２を備えている。

センサ出力増幅部１１は、直流電源Ｖ２に接続された、接触燃焼式ガスセンサ素子１および抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ１６からなる直流ブリッジ回路からの出力を、抵抗Ｒ７およびインダクタＬ１を介してオペアンプＵ１の非反転入力端子に入力すると共に、抵抗Ｒ１１およびインダクタＬ２を介してオペアンプＵ４の非反転入力端子に入力する。オペアンプＵ１およびＵ４の非反転入力端子は、それぞれ、コンデンサＣ２，Ｃ３を介して接地されている。インダクタＬ１とコンデンサＣ２の組み合わせおよびインダクタＬ２とコンデンサＣ３の組み合わせは、それぞれ、ローパスフィルタを構成し、後述する容量検出部１２の交流ブリッジ回路に印加される高周波電圧が、オペアンプＵ１およびＵ４に入力されるのを阻止する。オペアンプＵ１の出力端子と反転入力端子間には抵抗Ｒ９が接続され、オペアンプＵ４の出力端子と反転入力端子間には抵抗Ｒ１９が接続されている。オペアンプＵ１の反転入力端子とオペアンプＵ４の反転入力端子の間には、３端子の電子ボリュームＶＲが接続されている。

オペアンプＵ１の出力端子は、抵抗Ｒ８を介してオペアンプＵ２の反転入力端子に入力され、オペアンプＵ４の出力端子は、抵抗Ｒ２０を介してオペアンプＵ２の非反転入力端子に入力される。オペアンプＵ２の非反転入力端子は、抵抗Ｒ２１を介して接地されている。また、オペアンプＵ２の出力端子と反転入力端子の間には抵抗Ｒ２２が接続されている。オペアンプＵ２の出力は、センサ出力増幅部１１の出力端子ＯＵＴに接続されている。

また、容量検出部１２は、交流電源Ｖ１に接続された、接触燃焼式ガスセンサ素子１とコンデンサＣ１と抵抗Ｒ２，３からなる交流ブリッジ回路の出力を、ダイオードＤ１，Ｄ２および抵抗Ｒ６，Ｒ１０を介してオペアンプＵ３の非反転入力端子および反転入力端子に入力する。ダイオードＤ１と抵抗Ｒ６の接続点は、抵抗Ｒ１５を介して接地されている。オペアンプＵ３の非反転入力端子は、抵抗Ｒ１を介して接地されている。オペアンプＵ３の出力端子と反転入力端子間には抵抗Ｒ１４が接続されている。オペアンプＵ３の出力端子は、抵抗Ｒ１３および抵抗Ｒ１８の直列接続体を介して接地されている。

抵抗Ｒ１３および抵抗Ｒ１８の接続点は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１３に接続されている。ＡＤＣ１３の出力は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）１４に入力されている。ＭＰＵ１４からの制御信号は、電子ボリュームＶＲの摺動端子に供給されている。また、ＭＰＵ１４からの制御信号は、抵抗Ｒ１２を介してトランジスタＱ１のベースに供給されている。トランジスタＱ１のコレクタは、ブザーＢＺを介して直流電源Ｖ３に接続され、エミッタは接地されている。

上述の構成において、可燃性ガスが存在しない場合、直流ブリッジ回路は平衡を維持しており、センサ出力増幅部１１の出力端子ＯＵＴから検出出力は発生しない。

一方、可燃性ガスが存在し、可燃性ガスと触媒物質３の接触で触媒燃焼が発生し、その温度上昇により接触燃焼式ガスセンサ素子１のヒータ２の抵抗値が変化すると、直流ブリッジ回路の平衡がくずれ、センサ出力増幅部１１の出力端子ＯＵＴから検出出力が発生する。この出力端子ＯＵＴからの検出出力は、ガス漏れ警報等に用いられる。

また、図４の接触燃焼式ガスセンサ装置は、図３と同様に、接触燃焼式ガスセンサ素子１における触媒物質３の主成分であるアルミナが、珪素ガスにより被毒され、触媒物質３の組成成分として酸化珪素分が増加してくる現象を利用し、この含有量を触媒物質３の誘電率の測定値（換言すると、ヒータ２、触媒物質３および電極４で形成されるコンデンサの容量の測定値）で知り、この値に応じてセンサ出力増幅部１１の利得を検出感度が一定になるように自動制御する。

すなわち、図４の回路図において、接地されたヒータ２の電極と電極４の両端に、交流電源Ｖ１から約１０ＭＨｚから数１０ＭＨｚの高周波電圧を印加し、ヒータ２、触媒物質３および電極４で形成されるコンデンサにおける触媒物質３の被毒による容量変化を交流ブリッジ回路で捉える。

この容量変化に応じて発生する交流ブリッジ回路の出力をダイオードＤ１，Ｄ２で整流してオペアンプＵ３に入力し、その出力を抵抗Ｒ１３およびＲ１８で分圧して、容量検出部１２のアナログ出力として、ＡＤＣ１３に入力される。ＡＤＣ１３は、容量検出部１２のアナログ出力を、対応するデジタル値に変換し、変換したデジタル値をＭＰＵ１４に入力する。

ＭＰＵ１４は、入力されたデジタル値に応じて、電子ボリュームＶＲの摺動端子を可変し、それにより、オペアンプＵ１およびＵ４の負帰還量を変化させることにより、オペアンプＵ１およびＵ４の利得を変化させ、接触燃焼式ガスセンサ装置としての検出感度が一定になるように制御する。すなわち、ＡＤＣ１３、ＭＰＵ１４および電子ボリュームＶＲは、請求項における制御手段として働く。

たとえば、接触燃焼式ガスセンサ素子１が珪素ガスの被毒により劣化し、直流ブリッジ回路から出力される検出信号レベルが低下した場合、容量検出部１２で被毒による接触燃焼式ガスセンサ素子１の上記コンデンサの容量変化を検出し、容量検出部１２からの出力で電子ボリュームＶＲの抵抗が可変され、それによりオペアンプＵ１およびＵ４の負帰還量が可変され、オペアンプＵ１およびＵ４の利得が制御されて、直流ブリッジ回路から出力される検出信号レベルの低下が補正され、センサ出力増幅部１１の出力端子ＯＵＴから一定の検出感度の出力が得られる。

また、接触燃焼式ガスセンサ素子１の被毒による容量変化が大きくなり、容量検出部１２から出力される検出出力が大きくなり、ＡＤＣ１３のデジタル値がＭＰＵ１４内で予め設定された比較用のしきい値以上になった場合は、ＭＰＵ１４は、制御信号をトランジスタＱ１のベースに供給し、トランジスタＱ１をオンするように制御する。それにより、ブザーＢＺが鳴動し、被毒の度合いが警報レベルに達したことを報知する。

以上の通り、本発明の最良の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、センサ出力増幅部１１と容量検出部１２は絶縁されるべきものであれば、フォトカップラなどで両回路を結合させることもできる。

また、センサ出力増幅部１１を可燃性ガスの検出を低消費電力の目的などで間欠動作させることもでき、この場合には、容量検出部１２もこれに同期して間欠動作させることができる。容量検出（誘電率測定）の結果は、ＭＰＵ１４の制御するメモリに格納し、この値に相当する抵抗値を電子ボリュームＶＲに予め設定されたタイミングで出力する。さらに、容量検出（誘電率測定）は、間欠測定の複数回の平均値をとるなどの測定精度向上手法をもりこむことができるのは言うまでもない。

本発明の実施の形態に係る接触燃焼式ガスセンサ素子の構成を示す図である。（接触燃焼式ガスセンサ素子の実施の形態）接触燃焼式ガスセンサ素子のコンデンサ構造を説明する図であり、（Ａ）は、接触燃焼式ガスセンサ素子におけるヒータと電極と触媒物質とによって形成されるコンデンサの模式図であり、（Ｂ）は、接触燃焼式ガスセンサ素子における実形状のヒータと誘電率測定用の電極の位置関係を示す図である。（接触燃焼式ガスセンサ素子の実施の形態）図１の接触燃焼式ガスセンサ素子１を用いた接触燃焼式ガスセンサ装置の第１の実施形態の回路図である。（接触燃焼式ガスセンサ装置の第１の実施形態）図１の接触燃焼式ガスセンサ素子１を用いた接触燃焼式ガスセンサ装置の第２の実施形態の回路図である。（接触燃焼式ガスセンサ装置の第２の実施形態）従来の接触燃焼式ガスセンサ素子の構成を示す図である。

符号の説明

１接触燃焼式ガスセンサ素子
２ヒータ
３触媒物質
４電極
１１センサ出力増幅部
１２容量検出部
Ｕ１オペアンプ（第１の増幅手段）
Ｕ３オペアンプ（第２の増幅手段）
Ｑ２トランジスタ（制御手段）

Claims

コイル状のヒータの周囲を触媒物質で覆った接触燃焼式ガスセンサ素子であって、
前記ヒータの近傍に対向するように棒状の電極を設け、前記ヒータと前記電極とによってその間に前記触媒物質をはさんだコンデンサを構成する
ことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ素子。
請求項１記載の接触燃焼式ガスセンサ素子を含む直流ブリッジ回路および該直流ブリッジ回路の出力を増幅する第１の増幅回路を含むセンサ出力増幅部と、
前記コンデンサを含む交流ブリッジ回路、該交流ブリッジ回路の出力を整流する整流手段および該整流手段の出力を増幅する第２の増幅回路を含み、前記コンデンサの容量変化を検出する容量検出部と、
前記容量検出部の出力で制御され、前記第１の増幅回路の利得を検出感度が一定になるように制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ装置。
請求項２記載の接触燃焼式ガスセンサ装置において、
前記容量検出部の出力で制御され、前記容量変化が予め設定されたしきい値以上になった場合に警報する警報手段をさらに備えた
ことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ装置。