JP4820193B2

JP4820193B2 - ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JP4820193B2
Application number: JP2006077214A
Authority: JP
Inventors: 和行守谷; 英俊田辺
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: JP2007255922A

Description

本発明は、プロトン導電体膜を用いた電気化学式ガスセンサにより周辺雰囲気中の対象ガス濃度を測定する装置に関するものである。

燃焼機器の不完全燃焼等によるＣＯガスを検出し警報するＣＯ警報器のように、周辺雰囲気中のＣＯ濃度を測定する装置として、従来から、電気化学式ＣＯセンサを内蔵したものが知られている。

図４に断面図で示すように、この電気化学式ＣＯセンサ１は、内部に水５が収容された金属缶２の上部開口４にプロトン導電体膜３を設置して、その対極３２を金属缶２内に露出させると共に、反対側の検知極３１にガス吸着フィルタ８ｃを内蔵した金属キャップ８を重ねて金属缶２の上部開口４にかしめ固定して構成されている。

上述した構成の電気化学式ＣＯセンサ１では、周辺雰囲気中のＣＯが、金属キャップ８の導入孔８ａから内部に導入されて、活性炭やシリカゲル、ゼオライト等からなるガス吸着フィルタ８ｃや導出孔８ｂ、そして、金属キャップ８とプロトン導電体膜３との間に介設した金属製の拡散防止板７の拡散制御孔７ａを通過して検知極３１に到達し、ここで、対極３２側からプロトン導電体膜３に供給される金属缶２内の水５の水分を利用した酸化反応を起こして、検知極３１にプロトン（２Ｈ⁺）と電子（２ｅ^-）を発生させる。

検知極３１に発生した電子（２ｅ^-）はプロトン導電体膜３の内部を通過できないので検知極３１に滞留し、一方、プロトン（２Ｈ⁺）は、プロトン導電体膜３の内部を通過して対極３２に移動し、ここで、容器２内の酸素と還元反応を起こして、対極３２に水（Ｈ₂Ｏ）を生成する。

したがって、検知極３１と電気的に接続されてそのターミナルとして機能する金属キャップ８と、拡散防止板７を介して対極３２と電気的に接続されてそのターミナルとして機能する金属缶２との間に負荷（図示せず）を接続すると、検知極３１に滞留した電子（２ｅ^-）の対極３２に向かう流れが負荷に生じ、これにより対極３２から負荷を経て検知極３１に向かう短絡電流の流れが生じるので、この負荷に流れる短絡電流を電流−電圧変換することで、周辺雰囲気中のＣＯ濃度に応じた電圧値のＣＯ濃度信号が得られる（例えば特許文献１，２）。

このような検出原理の構成による電気化学式ＣＯセンサ１は、それ自身では、周辺雰囲気中のＣＯ濃度に応じた電圧値のＣＯ濃度信号を生成するために外部からの電力供給を必要としないことから、電池によって長期間駆動する必要のあるＣＯ警報器での利用に適している。
特開２００４−１７０１０１号公報特開２００４−２７９２９３号公報

このように、上述した電気化学式ＣＯセンサ１自身はＣＯ濃度信号の元となる電流の生成のために外部からの電力供給を必要としないが、ＣＯ濃度信号を取り込んで周辺雰囲気中のＣＯ濃度を割り出す以降の処理を行う後段回路は外部からの電力供給を必要とすることから、電池駆動式のＣＯ警報器では、間欠的に行われるＣＯ濃度の測定時にだけ、後段回路の電源が周期的に投入される。

そのため、後段回路の電源が投入されているＣＯ濃度の測定時には、後段回路を経由して電気化学式ＣＯセンサ１の対極３２側に移動する、電気化学式ＣＯセンサ１の検知極３１で発生した電子（２ｅ^-）が、後段回路の電源が投入されていないＣＯ濃度の非測定時には検知極３１にそのまま滞留する。

すると、次に後段回路の電源が投入された時に検知極３１の電子（２ｅ^-）が、金属缶２から電気化学式ＣＯセンサ１の後段回路を経て金属キャップ８に一気に移動して、後段回路で生成、出力されるＣＯ濃度信号の波形に乱れが生じ、これに基づいたＣＯ濃度の測定やＣＯ濃度の警報動作の精度に悪影響が及んでしまう。

そして、以上に説明した問題点は、ＣＯ警報器においてのみ発生し得るものではなく、電気化学式のガスセンサを用い、後段回路の電源を消費電力抑制のため間欠的に投入する、電池駆動式のガス濃度測定装置の全般に、広く発生するものである。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、電池駆動式のガス警報器等、周辺雰囲気中の対象ガス濃度を測定する装置において用いられる電気化学式ガスセンサの、検知極で発生する酸化反応と対極で発生する還元反応とによって、検知極と対極との間に接続された電気化学式ガスセンサの後段回路を対極側から検知極側に流れる、ガス濃度に応じた大きさの電流の波形が、後段回路の電源を間欠的に投入する際に乱れてしまうのを防止することができる、ガス濃度測定装置を提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１に記載した本発明のガス濃度測定装置は、電気化学式ガスセンサの検知極と対極とに接続された信号処理回路の、間欠的な電源ＯＮ中に、前記電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気中の対象ガスの濃度に応じて発生した電子が前記信号処理回路を介して前記検知極に移動することで、前記検知極から前記信号処理回路を介して前記対極に流れる短絡電流を、該信号処理回路において前記電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気中の対象ガスの濃度に応じた電圧値のガス濃度信号に変換するガス濃度測定装置において、前記検知極と前記対極とを前記電気化学式ガスセンサの外部で短絡、開放するスイッチ手段と、前記信号処理回路の間欠的な電源ＯＮ、ＯＦＦを制御するマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータによる前記信号処理回路の電源ＯＮ中に前記スイッチ手段により前記検知極と前記対極とを開放させ、前記マイクロコンピュータによる前記信号処理回路の電源ＯＦＦ中に前記スイッチ手段により前記検知極と前記対極とを短絡させるスイッチ制御手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載した本発明のガス濃度測定装置は、請求項１に記載した本発明のガス濃度測定装置において、前記スイッチ手段が、前記対極にドレインが電気的に接続され前記検知極にソースが電気的に接続されたノーマリーＯＮ型の電界効果トランジスタで構成されており、前記スイッチ制御手段が、前記信号処理回路の電源ＯＮ中に、該電界効果トランジスタのゲート−ソース間に逆バイアスをかけて前記電界効果トランジスタのドレイン−ソース間を非導通状態とすると共に、前記信号処理回路の電源ＯＦＦ中に、前記電界効果トランジスタのゲートとソースを同電位として該電界効果トランジスタのドレイン−ソース間を導通状態とするためのベース電圧を、前記電界効果トランジスタのゲート又はソースに印加するベース電圧発生回路で構成されているものとした。

請求項１に記載した本発明のガス濃度測定装置によれば、マイクロコンピュータによる信号処理回路の間欠的な電源ＯＮ中には、電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気中の対象ガスの濃度に応じて検知極に発生し信号処理回路を介して対極に移動していた電子が、マイクロコンピュータによる信号処理回路の電源ＯＦＦ中には、スイッチ制御手段により検知極と対極とを短絡させたスイッチ手段を介して検知極から
対極に移動する。

このため、信号処理回路の電源ＯＦＦ中に電子の流れが滞って次の電源ＯＮの際に一気に検知極から対極に移動するようになるのを防ぎ、信号処理回路の電源が次にＯＮされて電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気中の対象ガスの濃度が測定開始される時に、電気化学式ガスセンサの検知極から信号処理回路を経て対極に流れる短絡電流、ひいては、この信号処理回路に流れる短絡電流から変換されるガス濃度信号の波形に、乱れが生じないようにすることができる。

また、請求項２に記載した本発明のガス濃度測定装置によれば、請求項１に記載した本発明のガス濃度測定装置において、ベース電圧発生回路によってノーマリーＯＮ型の電界効果トランジスタのゲート−ソース間の電圧をコントロールして、ドレイン−ソース間の状態を導通、非導通の相互間で切り換えさせることで、電気化学式ガスセンサの外部において行う検知極と対極との短絡、開放を、自らは動作用電源を必要としない電界効果トランジスタを用いて省電力方式で行うことができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置を採用した電気化学式ＣＯセンサ内蔵ＣＯ警報器の斜視図であり、図１中引用符号１００で示す本実施形態の電気化学式ＣＯセンサ内蔵ＣＯ警報器（以下、「ＣＯ警報器」と略記する。）は、予め設置先の壁面（図示せず）に取着される取付部材２００のフック２１０に樹脂製のケース１１０を吊り下げて使用される。

前記ケース１１０の内部には、従来技術の欄で説明した図４の電気化学式ＣＯセンサ１（請求項中の電気化学式ガスセンサに相当）や、図２に電気的構成の回路図で示す電池Ｂ、定電圧回路１０、信号処理回路２０、ベース電圧発生回路３０、ノーマリーＯＮ型の電界効果トランジスタＦＥＴ、スイッチ回路ＩＣ１、電源スイッチＳＷ、マイクロコンピュータ（以下、「μＣＯＭ」と略記する。）４０、音声ＩＣ５０、インジケータ６０、及び、スピーカ７０が内蔵されている。

前記定電圧回路１０は、電池Ｂの電圧を定電圧化するものであり、前記信号処理回路２０は、電気化学式ＣＯセンサ１の金属キャップ８と金属缶２との間に接続されて、電気化学式ＣＯセンサ１の対極３２から金属缶２及び信号処理回路２０を経て金属キャップ８乃至検知極３１に向かう短絡電流を電圧に変換、増幅し、ＣＯ濃度（請求項中の対象ガスの濃度に相当）に応じた電圧のＣＯ濃度信号（請求項中のガス濃度信号に相当）として出力するものである。

前記ベース電圧発生回路３０（請求項中のスイッチ制御手段に相当）は、信号処理回路２０におけるＣＯ濃度信号の増幅時のゲインを定めるベース電圧を生成し、電気化学式ＣＯセンサ１の検知極３１側のターミナルである金属キャップ８と信号処理回路２０とに供給するものである。

尚、信号処理回路２０及びベース電圧発生回路３０は、ＣＯ警報器１の周辺雰囲気中のＣＯ濃度を測定する際にＯＮされる電源スイッチＳＷの投入中に、定電圧回路１０からの定電圧を電源として作動するものであり、ベース電圧発生回路３０が電気化学式ＣＯセンサ１の金属キャップ８と信号処理回路２０とに出力する、信号処理回路２０内のアンプ（図示せず）のゲインを定めるベース電圧（レファレンス電圧）は、電源スイッチＳＷがＯＮしているＣＯ濃度の測定時は、定電圧回路１０から供給される定電圧電源から作られた例えば２．７Ｖとなり、電源スイッチＳＷがＯＦＦしているＣＯ濃度の非測定時は、定電圧回路１０から定電圧電源が供給されないので０Ｖとなる。

前記電界効果トランジスタＦＥＴ（請求項中のスイッチ手段に相当）は、接合型ＦＥＴやディプレッション型ＭＯＳ−ＦＥＴといったノーマリーＯＮ型のものであり（図２では接合型ＦＥＴを用いる場合を示している）、そのドレインは対極３２側のターミナルである金属缶２に、動作安定用の抵抗Ｒを介して接続されており、そのソースは検知極３１側のターミナルである金属キャップ８に接続されており、ゲートは接地（０Ｖ）されている。

この電界効果トランジスタＦＥＴは、ゲート−ソース間に逆バイアスがかかるとドレイン−ソース間が非導通状態となって、プロトン導電体膜３の検知極３１側のターミナルである金属キャップ８から対極３２側のターミナルである金属缶２を絶縁させ、ゲートとソースを同電位にするとドレイン−ソース間が導通状態となって、金属キャップ８を金属缶２に電気的に接続させる。

前記スイッチ回路ＩＣ１は、電源スイッチＳＷの投入中に定電圧回路１０から供給される定電圧を電源として作動するものであり、電源スイッチＳＷがＯＦＦしているＣＯ濃度の非測定時に強制的にＯＦＦとなるノーマリーＯＦＦ型に構成されていて、このＯＦＦ状態では信号処理回路２０からプロトン導電体膜３の対極３２を切り離し、電源スイッチＳＷがＯＮされたＣＯ濃度の測定時に、後述するμＣＯＭ４０の制御によりＯＮされると、信号処理回路２０をプロトン導電体膜３の対極３２に接続するものである。

前記μＣＯＭ４０は、電源スイッチＳＷのＯＮ、ＯＦＦに関係なく常時、定電圧回路１０からの定電圧電源の供給を受けて作動するもので、電源スイッチＳＷや電界効果トランジスタＦＥＴ、スイッチ回路ＩＣ１のＯＮ、ＯＦＦを制御すると共に、信号処理回路２０から入力されるＣＯ濃度信号に基づいて、ＣＯ警報器１の周辺雰囲気中のＣＯ濃度が警報レベルに達しているか否かの判定を行い、達している場合に、インジケータ６０を点灯させると共に、「ピッポピッポ、空気が汚れて危険です。窓を開けて換気をして下さい。」等の音声メッセージを音声ＩＣ５０から読み出してスピーカ７０により鳴動（音声出力）させる。

ちなみに、電池Ｂの−側、定電圧回路１０、信号処理回路２０、ベース電圧発生回路３０、スイッチ回路ＩＣ１、及び、μＣＯＭ４０は、いずれも接地（０Ｖ）されている。

このような構成のＣＯ警報器１００においては、電気化学式ＣＯセンサ１の周辺雰囲気中のＣＯ濃度の非測定時に、μＣＯＭ４０の制御により電源スイッチＳＷがＯＦＦされ、これにより、スイッチ回路ＩＣ１がＯＦＦされて信号処理回路２０からプロトン導電体膜３の対極３２が切り離されると共に、ベース電圧発生回路３０からプロトン導電体膜３の検知極３１側のターミナルである金属キャップ８に０Ｖのベース電圧が供給される。

すると、金属キャップ８に接続された電界効果トランジスタＦＥＴのソースの電位（０Ｖ）が、接地（０Ｖ）されているゲートの電位と等しくなって、ゲートに逆バイアスがかからない電界効果トランジスタＦＥＴのドレイン−ソース間が導通状態となるので、電気化学式ＣＯセンサ１の周辺雰囲気中のＣＯ濃度に応じてプロトン導電体膜３の検知極３１に発生する電子（２ｅ^-）は、スイッチ回路ＩＣ１のＯＦＦによりプロトン導電体膜３の対極３２から切り離された信号処理回路２０に代わって、電界効果トランジスタＦＥＴのドレイン−ソース間を介して、プロトン導電体膜３の対極３２に移動する。

したがって、μＣＯＭ４０の制御により電源スイッチＳＷがＯＦＦされる電気化学式ＣＯセンサ１の周辺雰囲気中のＣＯ濃度の非測定時に、プロトン導電体膜３の検知極３１に発生する電子（２ｅ^-）が検知極３１にそのまま滞留することはない。

また、その後、電気化学式ＣＯセンサ１の周辺雰囲気中のＣＯ濃度を間欠的に測定するタイミングが到来すると、μＣＯＭ４０の制御により電源スイッチＳＷがＯＮされ、これにより、スイッチ回路ＩＣ１がＯＮされて信号処理回路２０がプロトン導電体膜３の対極３２に接続されると共に、ベース電圧発生回路３０からプロトン導電体膜３の検知極３１側のターミナルである金属キャップ８に２．７Ｖのベース電圧が供給される。

すると、金属キャップ８に接続された電界効果トランジスタＦＥＴのソースの電位（２．７Ｖ）が、接地（０Ｖ）されているゲートの電位よりも高くなって、ゲートに逆バイアスがかかった電界効果トランジスタＦＥＴのドレイン−ソース間が非導通状態となるので、電気化学式ＣＯセンサ１の周辺雰囲気中のＣＯ濃度に応じてプロトン導電体膜３の検知極３１に発生する電子（２ｅ^-）は、非導通状態となった電界効果トランジスタＦＥＴのドレイン−ソース間ではなく、スイッチ回路ＩＣ１のＯＮによりプロトン導電体膜３の対極３２に接続された信号処理回路２０を介して、対極３２に移動する。

したがって、電子（２ｅ^-）の移動経路上にある信号処理回路２０に短絡電流が流れて、信号処理回路２０における短絡電流のＣＯ濃度信号への電流−電圧変換や信号増幅が行われ、このＣＯ濃度信号が入力されるμＣＯＭ４０において、ＣＯ濃度信号の示すＣＯ濃度が警報レベルに達したか否かの判定や、警報レベルに達した際のインジケータ６０やスピーカ７０を用いた警報動作が、適宜行われることになる。

このように本実施形態のＣＯ警報器１００によれば、μＣＯＭ４０の制御により電源スイッチＳＷがＯＦＦされる電気化学式ＣＯセンサ１の周辺雰囲気中のＣＯ濃度の非測定時には、ベース電圧発生回路３０から供給される０Ｖのベース電圧によってゲートに逆バイアスがかからず導通状態となった電界効果トランジスタＦＥＴのドレイン−ソース間を介して、電気化学式ＣＯセンサ１の周辺雰囲気中のＣＯ濃度に応じてプロトン導電体膜３の検知極３１に発生する電子（２ｅ^-）が対極３２に移動し、検知極３１にそのまま滞留しない。

このため、ＣＯ濃度のを間欠測定タイミングの到来でμＣＯＭ４０の制御により電源スイッチＳＷがＯＮされて、スイッチ回路ＩＣ１のＯＮにより信号処理回路２０がプロトン導電体膜３の対極３２に接続された際に、それまで検知極３１に滞留していた電子（２ｅ^-）が対極３２に一気に移動するようになるのを防ぎ、信号処理回路２０を介して対極３２から検知極３１に流れる短絡電流、ひいては、この信号処理回路２０に流れる短絡電流から変換されるＣＯ濃度信号の波形に、乱れが生じないようにして、μＣＯＭ４０によりＣＯ濃度を精度よく検出させて、周辺雰囲気中のＣＯ濃度が警報レベルに達した旨のインジケータ６０やスピーカ７０による警報の表示や鳴動を、的確に行わせることができる。

尚、電界効果トランジスタＦＥＴに代えて、図３に電気的構成の回路図で示す、電源スイッチＳＷのＯＮ、ＯＦＦに関係なく常時、定電圧回路１０からの定電圧電源の供給を受けて作動する第２スイッチ回路ＩＣ２を用い、電源スイッチＳＷがＯＦＦしているＣＯ濃度の非測定時に、μＣＯＭ４０の制御によりＯＮさせて、プロトン導電体膜３の検知極３１側のターミナルである金属キャップ８を対極３２側のターミナルである金属缶２に電気的に接続させると共に、電源スイッチＳＷがＯＮされたＣＯ濃度の測定時に、μＣＯＭ４０の制御によりＯＦＦさせて、金属キャップ８から金属缶２を絶縁させるように構成することもできる。

そのように構成する場合は、第２スイッチ回路ＩＣ２が請求項中のスイッチ手段に相当し、μＣＯＭ４０が請求項中のスイッチ制御手段に相当することになる。

しかし、上述した図２の電界効果トランジスタＦＥＴを用いる方が、定電圧回路１０から供給される定電圧を電源として作動する図３の第２スイッチ回路ＩＣ２を用いるよりも、消費電力を抑えて初期の効果を得ることができるので、電池Ｂの長寿命化を図る上で有利である。

そして、本実施形態では電気化学式ＣＯセンサ１を用いてＣＯ濃度の測定及び警報動作を行うＣＯ警報器を例に取って説明したが、本発明はＣＯに限らず、酸素や二酸化炭素等、電気化学式のガスセンサで対象ガスのガス濃度を測定する場合に広く適用可能であることは、言うまでもない。

本発明が適用される電気化学式ＣＯセンサ内蔵ＣＯ警報器の一実施形態を示す斜視図である。図１の電気化学式ＣＯセンサ内蔵ＣＯ警報器に内蔵される電気的構成の回路図である。図１の電気化学式ＣＯセンサ内蔵ＣＯ警報器に内蔵される他の実施形態に係るＣＯ警報器の電気的構成の回路図である。電気化学式ＣＯセンサの構成を示す断面図である。一般的な電気化学式ＣＯセンサの構成を示す断面図である。

符号の説明

１電気化学式ＣＯセンサ（電気化学式ガスセンサ）
３１検知極
３２対極
２０信号処理回路
３０ベース電圧発生回路（スイッチ制御手段）
４０マイクロコンピュータ（スイッチ制御手段）
ＦＥＴ電界効果トランジスタ（スイッチ手段）
ＩＣ２第２スイッチ回路（スイッチ手段）

Claims

電気化学式ガスセンサの検知極と対極とに接続された信号処理回路の、間欠的な電源ＯＮ中に、前記電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気のガス濃度に応じて前記検知極に発生した電子が前記信号処理回路を介して前記対極に移動することで、前記対極から前記信号処理回路を介して前記検知極に流れる短絡電流を、該信号処理回路において前記電気化学式ガスセンサの周辺雰囲気のガス濃度に応じた電圧値のガス濃度信号に変換するガス濃度測定装置において、
前記検知極と前記対極とを前記電気化学式ガスセンサの外部で短絡、開放するスイッチ手段と、
前記信号処理回路の間欠的な電源ＯＮ、ＯＦＦを制御するマイクロコンピュータと、
前記マイクロコンピュータによる前記信号処理回路の電源ＯＮ中に前記スイッチ手段により前記検知極と前記対極とを開放させ、前記マイクロコンピュータによる前記信号処理回路の電源ＯＦＦ中に前記スイッチ手段により前記検知極と前記対極とを短絡させるスイッチ制御手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
前記スイッチ手段は、前記対極にドレインが電気的に接続され前記検知極にソースが電気的に接続されたノーマリーＯＮ型の電界効果トランジスタで構成されており、前記スイッチ制御手段は、前記信号処理回路の電源ＯＮ中に、該電界効果トランジスタのゲート−ソース間に逆バイアスをかけて前記電界効果トランジスタのドレイン−ソース間を非導通状態とすると共に、前記信号処理回路の電源ＯＦＦ中に、前記電界効果トランジスタのゲートとソースを同電位として該電界効果トランジスタのドレイン−ソース間を導通状態とするためのベース電圧を、前記電界効果トランジスタのゲート又はソースに印加するベース電圧発生回路で構成されている請求項１記載のガス濃度測定装置。