JP5415971B2 - ガス警報器およびガス検出方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型のガス警報器およびガス検出方法に関する。
ガスセンサは、一般的にガス警報器などに用いられ、特定のガスとして例えばＣＯ(一酸化炭素)、メタン、水素、プロパン、メタノール等に選択的に感応するデバイスであり、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。この種のガスセンサを用いた家庭用ガス警報器には、都市ガスやプロパンガスのような可燃性ガスの検出を目的とするものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検出を目的とするもの、もしくは両方の機能を併せ持ったものなどがある。しかしながらいずれの警報器もコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。
このような事情から、警報器の普及率の向上を図るため、設置性の向上、即ち電池駆動とコードレス化することが望まれている。
警報器の電池駆動を実現するために最も重要なことは低消費電力化である。そのため電池駆動の警報器は、検出周期に合わせて間欠駆動を行うことで低消費電力化が図られている。
具体的に例えば図７のような構造の薄膜ガスセンサが設けられたガス警報器について説明する。薄膜ガスセンサは、薄膜上の熱絶縁支持膜２の外周または両端部をＳｉ基板１により支持し、外周部または両端部が厚く、中央部が薄く形成されたダイアフラムの支持基板上に薄膜のヒータ層５を形成する。そして、このヒータ層５を電気絶縁膜３で覆い、その上にガス検出用の電極６を形成した後、さらに半導体薄膜によってガス検出層４を形成して薄膜ガスセンサとしたものである。
このような事情から、警報器の普及率の向上を図るため、設置性の向上、即ち電池駆動とコードレス化することが望まれている。
警報器の電池駆動を実現するために最も重要なことは低消費電力化である。そのため電池駆動の警報器は、検出周期に合わせて間欠駆動を行うことで低消費電力化が図られている。
具体的に例えば図７のような構造の薄膜ガスセンサが設けられたガス警報器について説明する。薄膜ガスセンサは、薄膜上の熱絶縁支持膜２の外周または両端部をＳｉ基板１により支持し、外周部または両端部が厚く、中央部が薄く形成されたダイアフラムの支持基板上に薄膜のヒータ層５を形成する。そして、このヒータ層５を電気絶縁膜３で覆い、その上にガス検出用の電極６を形成した後、さらに半導体薄膜によってガス検出層４を形成して薄膜ガスセンサとしたものである。
薄膜ガスセンサのＳｉ基板１は、シリコンウェハーから構成され、ヒータ層５はガス検出層４を加熱可能に構成されている。またガス検出層４は、例えば、メタン（ＣＨ４）、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ(一酸化炭素)）などのガスに対して選択的に感応した場合に電気的特性が変化するようになっている。
このような構造の薄膜ガスセンサを用いたガス警報器は、例えば２０秒周期で間欠駆動される（例えば、特許文献１を参照）。詳しくは図８に示す駆動パターンによってヒータが間欠駆動される。ここに図８（ａ）は、ヒータ層に印加する電圧パターンであり、縦軸はヒータ層に印加する電圧（Ｖｈ）、横軸は時間（ｔ）である。また図８（ｂ）はセンサ抵抗を検出するための電圧印加パターンであり、縦軸はガス検出層に印加する電圧（Ｖｃ）、横軸は時間（ｔ）である。
このガス警報器は、メタンや水素並びに一酸化炭素を区別して検出するため、まずセンサを高温状態（Ｈｉｇｈ）で５秒間加熱し、センサ表面のクリーニングを実施してセンサを初期状態にすると同時にメタンガスを検出する。次にセンサを低温状態（Ｌｏｗ）に下げ、例えば低温状態に移行した１秒後にセンサ抵抗を測定して水素ガスを検出した後、１５秒間維持される低温状態の最後に一酸化炭素ガスの検出を行うという、いわゆるＨｉｇｈ―Ｌｏｗ駆動を行っている。
このような構造の薄膜ガスセンサを用いたガス警報器は、例えば２０秒周期で間欠駆動される（例えば、特許文献１を参照）。詳しくは図８に示す駆動パターンによってヒータが間欠駆動される。ここに図８（ａ）は、ヒータ層に印加する電圧パターンであり、縦軸はヒータ層に印加する電圧（Ｖｈ）、横軸は時間（ｔ）である。また図８（ｂ）はセンサ抵抗を検出するための電圧印加パターンであり、縦軸はガス検出層に印加する電圧（Ｖｃ）、横軸は時間（ｔ）である。
このガス警報器は、メタンや水素並びに一酸化炭素を区別して検出するため、まずセンサを高温状態（Ｈｉｇｈ）で５秒間加熱し、センサ表面のクリーニングを実施してセンサを初期状態にすると同時にメタンガスを検出する。次にセンサを低温状態（Ｌｏｗ）に下げ、例えば低温状態に移行した１秒後にセンサ抵抗を測定して水素ガスを検出した後、１５秒間維持される低温状態の最後に一酸化炭素ガスの検出を行うという、いわゆるＨｉｇｈ―Ｌｏｗ駆動を行っている。
しかしながら、上述したガス警報器は、常にヒータ層を加熱する必要があるため、低消費電力化に限界があった。
本発明は、このような課題を解決するべくなされたもので、その目的とするところは低い消費電力でメタン、水素並びに一酸化炭素を選択的に検出することができるガス警報器およびガス検出方法を提供することにある。
本発明は、このような課題を解決するべくなされたもので、その目的とするところは低い消費電力でメタン、水素並びに一酸化炭素を選択的に検出することができるガス警報器およびガス検出方法を提供することにある。
上述した目的を達成するべく本発明に係るガス警報器は、抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段と、前記ガス検出層の抵抗値を計測してガス濃度を求めるガス計測手段と、このガス計測手段が所定のガス濃度を超えていると判断したとき警報を出力する警報部とを備えたガス警報器であって、
前記ガス計測手段は、清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とをそれぞれ予め保持し、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも小さいとき、ガス種を水素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から水素ガス濃度を求め、この水素ガス濃度が所定の濃度を超えていると判定したとき、前記警報部から水素ガス検出警報を出力することを特徴としている。
また本発明のガス警報器は、抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段と、前記ガス検出層の抵抗値を計測してガス濃度を求めるガス計測手段と、このガス計測手段が所定のガス濃度を超えていると判断したとき警報を出力する警報部とを備え、
前記ガス計測手段は、清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とをそれぞれ予め保持し、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が第三基準抵抗値よりも大きいとき、ガス種を一酸化炭素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から一酸化炭素ガス濃度を求め、この一酸化炭素ガス濃度が所定の濃度を超えていると判定したとき、前記警報部から一酸化炭素ガス検出警報を出力することを特徴としている。
前記ガス計測手段は、清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とをそれぞれ予め保持し、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも小さいとき、ガス種を水素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から水素ガス濃度を求め、この水素ガス濃度が所定の濃度を超えていると判定したとき、前記警報部から水素ガス検出警報を出力することを特徴としている。
また本発明のガス警報器は、抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段と、前記ガス検出層の抵抗値を計測してガス濃度を求めるガス計測手段と、このガス計測手段が所定のガス濃度を超えていると判断したとき警報を出力する警報部とを備え、
前記ガス計測手段は、清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とをそれぞれ予め保持し、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が第三基準抵抗値よりも大きいとき、ガス種を一酸化炭素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から一酸化炭素ガス濃度を求め、この一酸化炭素ガス濃度が所定の濃度を超えていると判定したとき、前記警報部から一酸化炭素ガス検出警報を出力することを特徴としている。
また本発明のガス警報器は、抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段と、前記ガス検出層の抵抗値を計測してガス濃度を求めるガス計測手段と、このガス計測手段が所定のガス濃度を超えていると判断したとき警報を出力する警報部とを備え、
前記ガス計測手段は、清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とをそれぞれ予め保持し、前記第一基準抵抗値が前記第一の抵抗値よりも小さく、かつ第三基準抵抗値が前記第三の抵抗値よりも大きいとき、ガス種をメタンガスと判定し、前記第三の抵抗値からメタンガス濃度を求め、このメタンガス濃度が所定の濃度を超えていると判定したとき、前記警報部からメタンガス検出警報を出力することを特徴としている。
特に本発明のガス警報器における前記ヒータ制御手段は、２５０℃を超え、４３０℃未満に前記ガス検出層を加熱するものとして提供される。
また本発明は、メタンガス、水素ガスまたは一酸化炭素ガスの少なくとも一つ以上のガス種を検出して警報を出力するガス警報器を提供するものである。
前記ガス計測手段は、清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とをそれぞれ予め保持し、前記第一基準抵抗値が前記第一の抵抗値よりも小さく、かつ第三基準抵抗値が前記第三の抵抗値よりも大きいとき、ガス種をメタンガスと判定し、前記第三の抵抗値からメタンガス濃度を求め、このメタンガス濃度が所定の濃度を超えていると判定したとき、前記警報部からメタンガス検出警報を出力することを特徴としている。
特に本発明のガス警報器における前記ヒータ制御手段は、２５０℃を超え、４３０℃未満に前記ガス検出層を加熱するものとして提供される。
また本発明は、メタンガス、水素ガスまたは一酸化炭素ガスの少なくとも一つ以上のガス種を検出して警報を出力するガス警報器を提供するものである。
本発明のガス検出方法は、抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段とを有するガス検出方法であって、
清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とを予め計測しておき、
前記薄膜ガスセンサがガス雰囲気中にあるとき、前記ヒータ制御手段によって前記ヒータ層を通電加熱して前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一の抵抗値と、この第一の抵抗値を測定した後、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二の抵抗値と、この第二の抵抗値を測定した後、前記ガス検出層の温度が更に上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三の抵抗値とをそれぞれ計測し、前記第一の抵抗値と前記第一基準抵抗値および前記第三の抵抗値と前記第三基準抵抗値との相関からガス種を水素ガスまたは一酸化炭素ガスを判定し、前記第二の抵抗値から判定したガス種の濃度を求めることを特徴としている。
清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とを予め計測しておき、
前記薄膜ガスセンサがガス雰囲気中にあるとき、前記ヒータ制御手段によって前記ヒータ層を通電加熱して前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一の抵抗値と、この第一の抵抗値を測定した後、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二の抵抗値と、この第二の抵抗値を測定した後、前記ガス検出層の温度が更に上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三の抵抗値とをそれぞれ計測し、前記第一の抵抗値と前記第一基準抵抗値および前記第三の抵抗値と前記第三基準抵抗値との相関からガス種を水素ガスまたは一酸化炭素ガスを判定し、前記第二の抵抗値から判定したガス種の濃度を求めることを特徴としている。
本発明のガス検出方法は、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも小さいとき、ガス種を水素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から水素ガス濃度を求めることを特徴とする。
また本発明のガス検出方法であって、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が第三基準抵抗値よりも大きいとき、ガス種を一酸化炭素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から一酸化炭素ガス濃度を求めることを特徴としている。
更に本発明のガス検出方法は、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも大きく、かつ前記第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも小さいとき、ガス種をメタンガスと判定し、前記第三の抵抗値からメタンガス濃度を求めることを特徴としている。
また本発明のガス検出方法であって、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値より大きく、かつ第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも大きいとき、清浄空気中であると判定することを特徴としている。
本発明のガス検出方法における前記ヒータ制御手段は、２５０℃を超え、４３０℃未満に前記ガス検出層を加熱することを特徴としている。
また本発明のガス検出方法であって、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が第三基準抵抗値よりも大きいとき、ガス種を一酸化炭素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から一酸化炭素ガス濃度を求めることを特徴としている。
更に本発明のガス検出方法は、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも大きく、かつ前記第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも小さいとき、ガス種をメタンガスと判定し、前記第三の抵抗値からメタンガス濃度を求めることを特徴としている。
また本発明のガス検出方法であって、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値より大きく、かつ第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも大きいとき、清浄空気中であると判定することを特徴としている。
本発明のガス検出方法における前記ヒータ制御手段は、２５０℃を超え、４３０℃未満に前記ガス検出層を加熱することを特徴としている。
本発明のガス警報器およびガス検出方法は、センサ抵抗値を検出するための検出電圧を高温状態内の３ヶ所に設けるとともに、低温状態の期間をヒータ層オフ状態のＨｉｇｈ―Ｌｏｗ駆動としたことで、消費電力を抑えつつメタンガス、水素ガス並びに一酸化炭素ガスを選択的に検出することができるという実用上優れた効果を奏し得る。
以下、本発明におけるガス警報器およびガス検出方法について添付図面を参照しながら説明する。このガス警報器には、上述した図７に示す薄膜ガスセンサが用いられるが、既知のデバイスであるのでこれ以上の説明は省略する。
さて、上述した薄膜ガスセンサを備えた本発明のガス警報器の構成について説明する。
図１は、本発明に係るガス検出手段を適用したガス警報器の概略構成を示すブロック図である。この図を参照すればガス警報器には、例えばマイクロコンピュータ等を利用した主制御回路（以下、マイコン制御回路１０と称する）が設けられている。このマイコン制御回路１０は、ガス警報器全体の制御を司る役割を担う。またガス警報器には、薄膜ガスセンサのヒータ層５に接続されるヒータ制御回路１１が設けられている。このヒータ制御回路１１は、マイコン制御回路１０のヒータ制御手段２４に接続される。
マイコン制御回路１０およびヒータ制御回路１１には、作動用の電力が供給される電源回路１２が接続されている。この電源回路１２には、例えば乾電池や充電池などの電池が用いられる。あるいは電源回路１２の他の例としては、特に図示しないが商用電源から警報器作動用の電力を生成する定電圧回路等によって構成してもよい。
なお、詳細は後述するがヒータ制御回路１１は、薄膜ガスセンサのヒータ層５を加熱するためのヒータ層電圧と、ガス検出層の電気抵抗値を検出するためのセンサ抵抗検出電圧を図２に示したように所定の周期でそれぞれ間欠的に生成する。
さて、上述した薄膜ガスセンサを備えた本発明のガス警報器の構成について説明する。
図１は、本発明に係るガス検出手段を適用したガス警報器の概略構成を示すブロック図である。この図を参照すればガス警報器には、例えばマイクロコンピュータ等を利用した主制御回路（以下、マイコン制御回路１０と称する）が設けられている。このマイコン制御回路１０は、ガス警報器全体の制御を司る役割を担う。またガス警報器には、薄膜ガスセンサのヒータ層５に接続されるヒータ制御回路１１が設けられている。このヒータ制御回路１１は、マイコン制御回路１０のヒータ制御手段２４に接続される。
マイコン制御回路１０およびヒータ制御回路１１には、作動用の電力が供給される電源回路１２が接続されている。この電源回路１２には、例えば乾電池や充電池などの電池が用いられる。あるいは電源回路１２の他の例としては、特に図示しないが商用電源から警報器作動用の電力を生成する定電圧回路等によって構成してもよい。
なお、詳細は後述するがヒータ制御回路１１は、薄膜ガスセンサのヒータ層５を加熱するためのヒータ層電圧と、ガス検出層の電気抵抗値を検出するためのセンサ抵抗検出電圧を図２に示したように所定の周期でそれぞれ間欠的に生成する。
再び図１を参照すればガス警報器には、薄膜ガスセンサのガス検出層４に接続されたガス検知回路１３が設けられている。このガス検知回路１３の出力信号は、マイコン制御回路１０に含まれるメタンガス検知手段１４、ＣＯ(一酸化炭素)(一酸化炭素)検知手段１５および水素検知手段１６に与えられるようになっている。ガス検出層４によってガスが検出された場合、ガス検出層４から出力される信号はアナログ信号である。そのため、ガス検知回路１３は、このアナログ信号をデジタル信号に変換してメタンガス検知手段１４、ＣＯ(一酸化炭素)検知手段１５および水素検知手段１６に与えるＡ／Ｄ変換回路（図示せず）を備えている。
またガス警報器には、ガスを検出した場合、使用者等に警報を発する警報出力回路１７が設けられている。警報出力回路１７は、ランプやブザーなどを備えて構成される。この警報出力回路１７は、マイコン制御回路１０に含まれる表示制御手段１８や警報音出力制御手段１９に接続されている。更にガス警報器には、ガスを検出した場合に聴覚的に警報を出力するための警報音出力回路２０が設けられている。この警報音出力回路２０は、マイコン制御回路１０に含まれる警報音出力制御手段１９に接続されてスピーカなどから警報を音声として出力する。
またガス警報器には、ガスを検出した場合に外部に電気的な出力をするための外部出力回路２１が設けられている。この外部出力回路２１は、外部の機器に電気的な出力信号を送ることができるように構成されている。また外部出力回路２１は、マイコン制御回路１０に含まれる外部出力制御手段２２に接続される。
またガス警報器には、ガスを検出した場合、使用者等に警報を発する警報出力回路１７が設けられている。警報出力回路１７は、ランプやブザーなどを備えて構成される。この警報出力回路１７は、マイコン制御回路１０に含まれる表示制御手段１８や警報音出力制御手段１９に接続されている。更にガス警報器には、ガスを検出した場合に聴覚的に警報を出力するための警報音出力回路２０が設けられている。この警報音出力回路２０は、マイコン制御回路１０に含まれる警報音出力制御手段１９に接続されてスピーカなどから警報を音声として出力する。
またガス警報器には、ガスを検出した場合に外部に電気的な出力をするための外部出力回路２１が設けられている。この外部出力回路２１は、外部の機器に電気的な出力信号を送ることができるように構成されている。また外部出力回路２１は、マイコン制御回路１０に含まれる外部出力制御手段２２に接続される。
さらに、ガス警報器には、マイコン制御回路１０に接続された記憶回路２３が設けられている。この記憶回路２３には、ガス検出に用いられる閾値や各種設定値のほか、ガスを検出して警報を発したときのデータなどの履歴が保持されるようになっている。
このように構成されたガス警報器に適用されるガス検出方法について説明する。図２は本発明におけるガス警報器の駆動パターンを示す図である。図２（ａ）は薄膜ガスセンサのヒータ層に印加する電圧パターンであり、縦軸は印加電圧（Ｖｈ）、横軸は時間（ｔ）を示す。図２（ｂ）は、センサ抵抗を検出するための電圧印加パターンであり、縦軸はガス検出層４に印加する電圧（Ｖｃ）、横軸は時間である。
これらの図から明らかなように本発明の特徴とするところは、図８に示される従来の駆動パターンと比べてセンサ抵抗検出電圧を高温状態内の３ヶ所に設け、低温状態の期間をヒータ層オフ状態に変更したＨｉｇｈ―Ｌｏｗ駆動とした点にある。
このような特徴を備えた本発明において、図３は、３５０℃のＨｉｇｈ印加状態における各種ガス中におけるセンサ抵抗の時間応答を示したグラフである。この図３（ａ）はメタン、図３（ｂ）はＣＯ(一酸化炭素)、図３（ｃ）は水素であり、それぞれの横軸には時間が示され、また縦軸にはセンサ抵抗値の対数を取った値が示されている。これらのグラフは、実線、太い破線、細い破線、太い一点鎖線、細い一点鎖線の順にガス濃度が高いことを示している。
このように構成されたガス警報器に適用されるガス検出方法について説明する。図２は本発明におけるガス警報器の駆動パターンを示す図である。図２（ａ）は薄膜ガスセンサのヒータ層に印加する電圧パターンであり、縦軸は印加電圧（Ｖｈ）、横軸は時間（ｔ）を示す。図２（ｂ）は、センサ抵抗を検出するための電圧印加パターンであり、縦軸はガス検出層４に印加する電圧（Ｖｃ）、横軸は時間である。
これらの図から明らかなように本発明の特徴とするところは、図８に示される従来の駆動パターンと比べてセンサ抵抗検出電圧を高温状態内の３ヶ所に設け、低温状態の期間をヒータ層オフ状態に変更したＨｉｇｈ―Ｌｏｗ駆動とした点にある。
このような特徴を備えた本発明において、図３は、３５０℃のＨｉｇｈ印加状態における各種ガス中におけるセンサ抵抗の時間応答を示したグラフである。この図３（ａ）はメタン、図３（ｂ）はＣＯ(一酸化炭素)、図３（ｃ）は水素であり、それぞれの横軸には時間が示され、また縦軸にはセンサ抵抗値の対数を取った値が示されている。これらのグラフは、実線、太い破線、細い破線、太い一点鎖線、細い一点鎖線の順にガス濃度が高いことを示している。
まずＨｉｇｈ印加後０.０１ｓの点（以下、時刻Ｔ１と称する）を見るとメタンガス雰囲気中でのセンサ抵抗値は１０５Ω（図３では、１Ｅ＋６Ωと表示されている。以下、同じ）以上あるのに対して、ＣＯ(一酸化炭素)ガスまたは水素ガス雰囲気中におけるセンサ抵抗値は１０５Ω未満となっている。また、Ｈｉｇｈ印加後０.１９ｓの点（以下、時刻Ｔ３と称する）を見るとメタンガス雰囲気中および水素ガス雰囲気中におけるセンサ抵抗値が１０５Ωよりも小さく、ＣＯ(一酸化炭素)ガス雰囲気中でのセンサ抵抗値が１０５Ωよりも大きくなっている。
このことから、例えば時刻Ｔ１と時刻Ｔ３でセンサ抵抗値が１０５Ω未満であれば水素ガス、時刻Ｔ１で１０５Ω未満かつ時刻Ｔ３で１０５Ω以上であればＣＯ(一酸化炭素)ガス、時刻Ｔ１で１０５Ω以上かつ時刻Ｔ３で１０５Ω未満であればメタンガス、時刻Ｔ１と時刻Ｔ３で１０５Ω以上であれば清浄空気であるとの判断ができる。
また、ガス濃度に対する検出精度も必要である。図３を参照すれば、例えばＣＯ(一酸化炭素)ガスと水素ガスに関してはＨｉｇｈ印加後０.０３ｓの点（以下、時刻Ｔ２と称する）、メタンガスに関してはＨｉｇｈ印加後０.１９ｓの点（時刻Ｔ３）でそれぞれのガス濃度に対してセンサ抵抗値の差が出ていることから、これらの点で濃度の判別を行えばよい。
次に図４は、本発明のガス警報器およびガス検出方法を実施する際のフローチャートである。ガスの検出動作に先立ち、時刻Ｔ１でのセンサ抵抗値の判断基準抵抗値Ｒ０(Ｔ１)、時刻Ｔ２での判断基準抵抗値Ｒ０(Ｔ２) 、時刻Ｔ３での判断基準抵抗値Ｒ０(Ｔ３)を記憶回路２３に予め保持させておく。
このことから、例えば時刻Ｔ１と時刻Ｔ３でセンサ抵抗値が１０５Ω未満であれば水素ガス、時刻Ｔ１で１０５Ω未満かつ時刻Ｔ３で１０５Ω以上であればＣＯ(一酸化炭素)ガス、時刻Ｔ１で１０５Ω以上かつ時刻Ｔ３で１０５Ω未満であればメタンガス、時刻Ｔ１と時刻Ｔ３で１０５Ω以上であれば清浄空気であるとの判断ができる。
また、ガス濃度に対する検出精度も必要である。図３を参照すれば、例えばＣＯ(一酸化炭素)ガスと水素ガスに関してはＨｉｇｈ印加後０.０３ｓの点（以下、時刻Ｔ２と称する）、メタンガスに関してはＨｉｇｈ印加後０.１９ｓの点（時刻Ｔ３）でそれぞれのガス濃度に対してセンサ抵抗値の差が出ていることから、これらの点で濃度の判別を行えばよい。
次に図４は、本発明のガス警報器およびガス検出方法を実施する際のフローチャートである。ガスの検出動作に先立ち、時刻Ｔ１でのセンサ抵抗値の判断基準抵抗値Ｒ０(Ｔ１)、時刻Ｔ２での判断基準抵抗値Ｒ０(Ｔ２) 、時刻Ｔ３での判断基準抵抗値Ｒ０(Ｔ３)を記憶回路２３に予め保持させておく。
まずヒータ制御回路１１は、ヒータ層５にＨｉｇｈ―Ｏｆｆのパルス電圧を加える（ステップＳ１）。次にガス検知回路１３は、時刻Ｔ１，時刻Ｔ２，時刻Ｔ３の各タイミングでセンサ抵抗値（Ｒｇ）をそれぞれ測定する（ステップＳ２）。次いでガス検知回路１３は、時刻Ｔ１において抵抗値Ｒ０と抵抗値Ｒｇとを比較し（ステップＳ３）、次に時刻Ｔ３において抵抗値Ｒ０と抵抗値Ｒｇとを比較する（ステップＳ４，Ｓ５）。
ガス検知回路１３は、ステップＳ３でＲ０(Ｔ１)＞Ｒｇ(Ｔ１)であり、かつステップＳ５でＲ０(Ｔ３)＞Ｒｇ(Ｔ３)であれば水素ガスを検知したと判断し、Ｒｇ(Ｔ２)の検出値によって濃度を判定して（ステップＳ６）、水素検知手段１６に信号を送り警報等を発する。
ステップＳ３でＲ０(Ｔ１)＞Ｒｇ(Ｔ１)、かつステップＳ４でＲ０(Ｔ３)＜Ｒｇ(Ｔ３)であればガス検知回路１３は、ＣＯ(一酸化炭素)ガスを検知したと判断し、Ｒｇ(Ｔ２)の検出値によって濃度を判定してＣＯ(一酸化炭素)検知手段１５に信号を送り警報等を発する（ステップＳ７）。
あるいはステップＳ３でＲ０(Ｔ１)＜Ｒｇ(Ｔ１)、かつステップＳ５でＲ０(Ｔ３)＞Ｒｇ(Ｔ３)であればガス検知回路１３は、メタンガスを検知したと判断し、Ｒｇ(Ｔ３)の検出値によって濃度を判定してメタンガス検知手段１４に信号を送り警報等を発する（ステップＳ７）。
ガス検知回路１３は、ステップＳ３でＲ０(Ｔ１)＞Ｒｇ(Ｔ１)であり、かつステップＳ５でＲ０(Ｔ３)＞Ｒｇ(Ｔ３)であれば水素ガスを検知したと判断し、Ｒｇ(Ｔ２)の検出値によって濃度を判定して（ステップＳ６）、水素検知手段１６に信号を送り警報等を発する。
ステップＳ３でＲ０(Ｔ１)＞Ｒｇ(Ｔ１)、かつステップＳ４でＲ０(Ｔ３)＜Ｒｇ(Ｔ３)であればガス検知回路１３は、ＣＯ(一酸化炭素)ガスを検知したと判断し、Ｒｇ(Ｔ２)の検出値によって濃度を判定してＣＯ(一酸化炭素)検知手段１５に信号を送り警報等を発する（ステップＳ７）。
あるいはステップＳ３でＲ０(Ｔ１)＜Ｒｇ(Ｔ１)、かつステップＳ５でＲ０(Ｔ３)＞Ｒｇ(Ｔ３)であればガス検知回路１３は、メタンガスを検知したと判断し、Ｒｇ(Ｔ３)の検出値によって濃度を判定してメタンガス検知手段１４に信号を送り警報等を発する（ステップＳ７）。
なお、ステップＳ３でＲ０(Ｔ１)＜Ｒｇ(Ｔ１)、かつステップＳ５でＲ０(Ｔ３)＜Ｒｇ(Ｔ３)であればガス検知回路１３は、清浄空気中であると判断し（ステップＳ９）、動作を繰り返す。
ここで、図３から時刻Ｔ１が０.０１ｓよりも短いとＣＯ(一酸化炭素)ガス雰囲気および水素ガス雰囲気中のセンサ抵抗値は１０５Ω以上となり、０.０１５sよりも長いとメタンガス雰囲気中のセンサ抵抗値は１０５Ω以下となってしまい、ＣＯ(一酸化炭素)ガスおよび水素ガス雰囲気中の抵抗値とメタンガス雰囲気中のセンサ抵抗値との区別ができない。したがって、時刻Ｔ１は０.０１〜０.０１５ｓの範囲が望ましい。
一方、時刻Ｔ３が０.１５ｓよりも短いと、ＣＯ(一酸化炭素)ガス雰囲気中におけるセンサ抵抗値は１０５Ω以下となってしまい、メタン雰囲気中におけるセンサ抵抗値または水素ガス雰囲気中のセンサ抵抗値との区別ができないため、時刻Ｔ１は０.１５ｓの範囲が望ましい。
また時刻Ｔ２が０.０２〜０.０５ｓの範囲外ではＣＯ(一酸化炭素)濃度３００ppm中でのセンサ抵抗値と５００ppm中におけるセンサ抵抗値がほぼ等しく、ガス濃度の判別ができない。したがって、時刻Ｔ２は０.０２〜０.０５ｓの範囲が望ましい。
なお、Ｈｉｇｈの温度が２５０℃、４３０℃でのセンサ抵抗値の時間応答を図５、図６に示す。Ｈｉｇｈ温度が２５０℃になるとＨｉｇｈ印加後０.１９ｓの点でＣＯ(一酸化炭素)ガス雰囲気中におけるセンサ抵抗値も低下する。また、４３０℃ではＨｉｇｈ印加後０.１９ｓの点で水素ガス雰囲気中におけるセンサ抵抗値が上昇してしまうことから、上記フローチャートではガス種の区別ができない。従って本発明におけるＨｉｇｈの温度は２５０℃より大きく、４３０℃より小さい範囲が望ましい。
ここで、図３から時刻Ｔ１が０.０１ｓよりも短いとＣＯ(一酸化炭素)ガス雰囲気および水素ガス雰囲気中のセンサ抵抗値は１０５Ω以上となり、０.０１５sよりも長いとメタンガス雰囲気中のセンサ抵抗値は１０５Ω以下となってしまい、ＣＯ(一酸化炭素)ガスおよび水素ガス雰囲気中の抵抗値とメタンガス雰囲気中のセンサ抵抗値との区別ができない。したがって、時刻Ｔ１は０.０１〜０.０１５ｓの範囲が望ましい。
一方、時刻Ｔ３が０.１５ｓよりも短いと、ＣＯ(一酸化炭素)ガス雰囲気中におけるセンサ抵抗値は１０５Ω以下となってしまい、メタン雰囲気中におけるセンサ抵抗値または水素ガス雰囲気中のセンサ抵抗値との区別ができないため、時刻Ｔ１は０.１５ｓの範囲が望ましい。
また時刻Ｔ２が０.０２〜０.０５ｓの範囲外ではＣＯ(一酸化炭素)濃度３００ppm中でのセンサ抵抗値と５００ppm中におけるセンサ抵抗値がほぼ等しく、ガス濃度の判別ができない。したがって、時刻Ｔ２は０.０２〜０.０５ｓの範囲が望ましい。
なお、Ｈｉｇｈの温度が２５０℃、４３０℃でのセンサ抵抗値の時間応答を図５、図６に示す。Ｈｉｇｈ温度が２５０℃になるとＨｉｇｈ印加後０.１９ｓの点でＣＯ(一酸化炭素)ガス雰囲気中におけるセンサ抵抗値も低下する。また、４３０℃ではＨｉｇｈ印加後０.１９ｓの点で水素ガス雰囲気中におけるセンサ抵抗値が上昇してしまうことから、上記フローチャートではガス種の区別ができない。従って本発明におけるＨｉｇｈの温度は２５０℃より大きく、４３０℃より小さい範囲が望ましい。
１０ マイコン制御回路
１１ ヒータ制御回路
１２ 電源回路
１３ ガス検知回路
１４ メタンガス検知手段
１５ 検知手段
１６ 水素検知手段
１７ 警報出力回路
１８ 表示制御手段
１９ 警報音出力制御手段
２０ 警報音出力回路
２１ 外部出力回路
２２ 外部出力制御手段
２３ 記憶回路
２４ ヒータ制御手段
１１ ヒータ制御回路
１２ 電源回路
１３ ガス検知回路
１４ メタンガス検知手段
１５ 検知手段
１６ 水素検知手段
１７ 警報出力回路
１８ 表示制御手段
１９ 警報音出力制御手段
２０ 警報音出力回路
２１ 外部出力回路
２２ 外部出力制御手段
２３ 記憶回路
２４ ヒータ制御手段
Claims (11)
- 抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、
前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段と、
前記ガス検出層の抵抗値を計測してガス濃度を求めるガス計測手段と、
このガス計測手段が所定のガス濃度を超えていると判断したとき警報を出力する警報部と
を備えたガス警報器であって、
前記ガス計測手段は、清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とをそれぞれ予め保持し、
前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも小さいとき、ガス種を水素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から水素ガス濃度を求め、この水素ガス濃度が所定の濃度を超えていると判定したとき、前記警報部から水素ガス検出警報を出力することを特徴とするガス警報器。 - 抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、
前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段と、
前記ガス検出層の抵抗値を計測してガス濃度を求めるガス計測手段と、
このガス計測手段が所定のガス濃度を超えていると判断したとき警報を出力する警報部と
を備えたガス警報器であって、
前記ガス計測手段は、清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とをそれぞれ予め保持し、
前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が第三基準抵抗値よりも大きいとき、ガス種を一酸化炭素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から一酸化炭素ガス濃度を求め、このＣＯ(一酸化炭素)ガス濃度が所定の濃度を超えていると判定したとき、前記警報部から一酸化炭素ガス検出警報を出力することを特徴とするガス警報器。 - 抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、
前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段と、
前記ガス検出層の抵抗値を計測してガス濃度を求めるガス計測手段と、
このガス計測手段が所定のガス濃度を超えていると判断したとき警報を出力する警報部と
を備えたガス警報器であって、
前記ガス計測手段は、清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とをそれぞれ予め保持し、
前記第一基準抵抗値が前記第一の抵抗値よりも小さく、かつ第三基準抵抗値が前記第三の抵抗値よりも大きいとき、ガス種をメタンガスと判定し、前記第三の抵抗値からメタンガス濃度を求め、このメタンガス濃度が所定の濃度を超えていると判定したとき、前記警報部からメタンガス検出警報を出力することを特徴とするガス警報器。 - 前記ヒータ制御手段は、２５０℃を超え、４３０℃未満に前記ガス検出層を加熱するものである請求項１〜３のいずれかに記載のガス警報器。
- 請求項１〜４のいずれかに記載のガス警報器であって、
水素ガス、ＣＯ(一酸化炭素)ガスまたはメタンガスの少なくとも一つ以上のガス種を検出して警報を出力するものであるガス警報器。 - 抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、
前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段とを有するガス検出方法であって、
清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とを予め計測しておき、
前記薄膜ガスセンサがガス雰囲気中にあるとき、前記ヒータ制御手段によって前記ヒータ層を通電加熱して前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一の抵抗値と、
この第一の抵抗値を測定した後、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二の抵抗値と、
この第二の抵抗値を測定した後、前記ガス検出層の温度が更に上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三の抵抗値とをそれぞれ計測し、
前記第一の抵抗値と前記第一基準抵抗値および前記第三の抵抗値と前記第三基準抵抗値との相関からガス種を水素ガスまたは一酸化炭素ガスと判定し、
前記第二の抵抗値から判定したガス種の濃度を求めることを特徴とするガス検出方法。 - 請求項６に記載のガス検出方法であって、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも小さいとき、ガス種を水素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から水素ガス濃度を求めるものであるガス検出方法。
- 請求項６に記載のガス検出方法であって、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも小さく、かつ前記第三の抵抗値が第三基準抵抗値よりも大きいとき、ガス種を一酸化炭素ガスと判定し、前記第二の抵抗値から一酸化炭素ガス濃度を求めるものであるガス検出方法。
- 抵抗値の変化を利用してガスを検出するガス検出層およびこのガス検出層を加熱するヒータ層を有する薄膜ガスセンサと、
前記ヒータ層に所定の周期で間欠的に通電するヒータ制御手段とを有するガス検出方法であって、
清浄空気中において前記ヒータ制御手段による通電加熱中、前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二基準抵抗値と、
更に前記ガス検出層の温度が上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三基準抵抗値とを予め計測しておき、
前記薄膜ガスセンサがガス雰囲気中にあるとき、前記ヒータ制御手段によって前記ヒータ層を通電加熱して前記ガス検出層が所定の第一の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第一の抵抗値と、
この第一の抵抗値を測定した後、更に前記ガス検出層の温度が上昇して所定の第二の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第二の抵抗値と、
この第二の抵抗値を測定した後、前記ガス検出層の温度が更に上昇して略一定の所定の第三の温度に到達したときにおける前記ガス検出層の第三の抵抗値とをそれぞれ計測し、
前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値よりも大きく、かつ前記第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも小さいとき、ガス種をメタンガスと判定し、前記第三の抵抗値からメタンガス濃度を求めるものであるガス検出方法。 - 請求項６に記載のガス検出方法であって、前記第一の抵抗値が前記第一基準抵抗値より大きく、かつ第三の抵抗値が前記第三基準抵抗値よりも大きいとき、清浄空気中であると判定するものであるガス検出方法。
- 前記ヒータ制御手段は、２５０℃を超え、４３０℃未満に前記ガス検出層を加熱するものである請求項６〜１０のいずれかに記載のガス検出方法。
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