JPH04147048A - ガス検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はメタン、プロパン等の燃料ガスもれの検知並
びに一酸化炭素、水素等の不完全燃焼ガス検知及びタバ
コ、スプレー等による空気汚染の検知の機能を有するガ
ス検知装置に関する。

［従来の技術］ 従来使用されている家庭用ガスもれ警報器はメタン、プ
ロパン等の燃料ガスもれを検知する目的で備えられてい
る。又近年は石油ファンヒータの排気ガスやタバコの煙
による室内の空気汚染についてもそのレベルを検知する
ことが求められている。ところが従来の家庭用ガスもれ
警報器に使用されているＰｔやＰｄを添加した酸化錫半
導体センサは石油ファンヒーターの不完全燃焼排気ガス
やタバコの煙中の一酸化炭素、水素等を５００ｐｐｍ以
下の低濃度で検知し警報出力することは困難であった。

そのため燃料ガスもれと不完全燃焼排気ガスとの双方を
検知する警報器としては、約４００°Ｃ程度で用いられ
るＰｔやＰｄを添加した酸化錫半導体センサと更に一酸
化炭素や水素を検知するために約１００°Ｃ程度で用い
られる不完全燃焼排気ガス検知用の酸化錫半導体センサ
の２つのセンサを使用したガス検知装置が使用されてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ 燃料ガスもれと不完全燃焼排気ガスの検知に共用できる
ガス検知装置は以上のように２つの種類の半導体センサ
を使用して構成されていた。そのため各半導体センサ用
に付属回路も２種類必要であり、装置が複雑化、大型化
するという問題点かあった。

この発明は、以上のような問題点を解決するためになさ
れたもので、簡単で、小型化されたガス検知装置を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るガス検知装置は 主として酸化錫半導体よりなる低熱容量の熱線型半導体
式ガスセンサ、 前記熱線型半導体式ガスセンサにその検知範囲内の最高
濃度ガス中での抵抗値より小さい抵抗値の負荷抵抗を介
して、間歇的に電源を供給する電源供給部、 前記熱線型半導体式ガスセンサの出力を前記間歇周期に
従って測定する検出＠踏部、 を具備する。

し作用］ 本発明のガス検知装置においては、主として酸化錫半導
体よりなる熱線型半導体式ガスセンサに同ガスセンサの
検知範囲内の最高濃度ガス中での抵抗値より小さい負荷
抵抗を接続しているので、同ガスセンサが被検知ガスを
検知した場合に同ガスセンサの温度が上昇する。そして
、この温度上昇にともなって同ガスセンサの複数の被検
知ガスに対する相対感度が変化する。

同ガスセンサの電源供給部は間歇的に同ガスセンサにＮ
＃を供給し、検出回路部はその間歇周期に従って同ガス
センサ出力を測定しているので、同ガスセンサの実質的
な作動時間が短い。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示すガス検知装置のブロ
ック図である。第２図は第１図に示される本ガス検知装
置に使用される熱線型半導体式ガスセンサ（５）の斜視
図である。

半導体部（１）が酸化錫を主成分とするガス感応層とし
て貴金属製のコイル（４）の回りに例えば０．６■φの
球状に形成されて、熱線型半導体式ガスセンサ（５）が
構成されている。

また半導体部（１）の主成分である酸化錫にアンチモン
を加えたり、また更に１ｖ族元素及びランタノイド等か
ら選択される元素を１つ以上添加すると添加元素の種類
、量によって以下に説明するガス感度の温度依存性やセ
ンサの耐久性等を所望のものに調整することが行なわれ
る。

熱線型半導体式ガスセンサ（５）の一定濃度（４０００
ｐｐｍ＞の主なガスに対する感度の温度依存性を第３図
に示す。尚ここで第３図中相対感度として示している数
値は後述のセンサ出力の相対値である。

本温度依存性の測定は熱線型半導体式ガスセンサ（５）
を、内部を一定の温度に保った高温槽中に収容してセン
サ出力を測定することにより行っている。この第３図か
らこの熱線型半導体式ガスセンサ（５）は低ａ　（３０
０′Ｃ程度）では一酸化炭素、水素、エタノール等の雑
ガスに対して高感度であり、メタン、プロパン等の燃料
ガスに対しては比較的低感度であることが分る。又、同
熱線型半導体式ガスセンサ（５）は中温（５００’Ｃ程
度）では燃料ガスに対して高感度となり、雑ガスに対し
ては比較的低感度となることが分る。更に高温の状態（
６００′Ｃ程度）においては燃料ガスに対する感度が最
良となることが分る。従ってこの熱線型半導体式ガスセ
ンサ（５）ハ、低温＜３００℃程度）で使用すれば雑ガ
スに対して高感度となり、高！（６００′Ｃ）で使用す
れば燃料ガスに対して高感度となる。

ところが本熱線型半導体式ガスセンサ（５）（以後セン
サと略す。）を常時６００　’Ｃ程度に保つと半導体層
（１）中の結晶の粒成長により１〜２ケ月間のきわめて
短期間のうちにセンサの経時変化がおこる。このような
経時変化を起こさずにセンサ（５）を高温においても安
定に使用するために被検知力スが雰囲気中に無い時はセ
ンサ温度を低温に保ち、更ニ間歇的にセンサの動作を行
ってセンサの劣化を防くことが可能なガス検知装置（１
２）を第１図に示した。以下このセンサ（５）が第１図
に示すガス検知装置（１２）中でどのように機能するか
を図１こ従って説明する。ここでセンサ（５）の負荷抵
抗（７）（まセンサ（５）の３５０°Ｃ程度での大気中
の動作抵抗値例えば９Ωに対してｌ／８程度の１．２Ω
に設定されて（する。このセンサ（５）の抵抗値はブリ
・ソジ回路のＡＢ両点間の電圧として検出回路部（９）
によって測定されている。この測定された電圧値Ｖｓは
マイコン回路部（１０）ｌこ入力されている。またガス
センサ用電源回路部（８）は一定電圧をセンサ（５）と
負荷抵抗（７）によって構成される直列回路に印加して
（Ａる。例えば、一酸化炭素、水素等の雑ガスをセンサ
（５）が検知する場合、これらのガス吸着１こよりセン
サ（５）の抵抗値が減少する。その減少したセンサ（５
）の抵抗値はその時のガス濃度（こ応して定マル。この
時上述のようにセンサ（５）と負荷抵抗（７）には直列
に一定電圧が印加されており、更１こ負荷抵抗（７）の
値がセンサ（５）の抵抗値に比べて小さく設定しである
のでセンサ電流の増大（こ伴って、センサ消費電力が増
加し、それによってさらにセンサ温度が上昇する。すな
わちセンサ温度はガス濃度に応じて減少したセンサ（５
）の抵抗値に応じた一定の温度まで上昇する。その時の
実際のセンサ温度は雑ガスの濃度に応じて最高５００°
Ｃ程度まで上昇する。又このようなセンサ抵抗値の減少
とセンサ温度上昇はメタン、プロ１＜ン等の燃料力スも
れを検知する場合も起こる。尚前述の第３図に示した相
対感度の測定の際には、ガスの濃度に応じてセンサ温度
が上昇しないように上記のように負荷抵抗を小さく設定
せずに大きく設定して測定を行っている。

主なガスのガス濃度に対するブリ・ノジ回路のＡＢ両点
間の電圧の相対値及びセンサ表面温度の変化の一例を第
４図に示している。センサ（５）の抵抗値の減少に応じ
てブリッジ回路のＡＢ画点間の電圧は増大する。第４図
中のグラフは単調増加関係を示して右上がりとなってい
る。以下、簡単のためにこのブリッジ回路のＡＢ両点間
の電圧をセンサ出力と呼ぶ。例えば本センサ（５）を一
酸化炭素１０００ｐｐ＋ａの雰囲気におくと第４図から
センサ（５）の出力か相対値２０になりセンサ表面温度
は約４００°Ｃ程度になるということが分る。

又第４図から分るように一酸化炭素、水素、エタノール
等の雑ガスは１１０００ｐｐ程度以上の高濃度ではセン
サ出力が飽和傾向を示す。これは、第３図かられかるよ
うに、上述のガス濃度増大に伴うセンサ温度上昇によっ
て、これらの雑ガスに対する感度が低下するからである
。この高温側における雑ガスに対する感度低下の原因は
、雑ガスの有する易燃性の性質のために半導体部（１）
の表層でその大部分が燃焼しセンサ（５）に不感のＣＯ
２とＨ２Ｏに変換されてしまうためと考えられる。

一方メタン、プロパン等の燃料ガスは難燃性の性質を有
しているので、半導体表層で燃焼除去されることな（，
１１０００ｐｐを超える高濃度のガスによってセンサ温
度が上昇し、ますます感度が上昇する。その結果はぼ１
０．０００ｐｐｍ程度までセッサ出力は飽和することな
く、ガス濃度−センサ出力の単調増加の関係を保ち、セ
ンサ温度も６００　’Ｃ程度まで達する。尚このように
メタンガス濃度が高くなればなるほどセンサ（５）の抵
抗値が減少し、センサ抵抗が負荷抵抗と等しくなるまで
センサ消費電力が増大し、センサ温度が上昇する。すな
わちセンサ（５）の抵抗値が負荷抵抗値と等しくなった
ときにセンサ温度も最高となる。言い換えれば上述のガ
ス濃度−センサ出力の単調増加の関係は、センサ（５）
の抵抗値が減少して負荷抵抗（７）の値と等しくなるガ
ス濃度付近まで成立する。一般に本センサ（５）を使用
する家庭の台所ではメタン、プロパン等は日本ガス機器
検査協会又は高圧ガス保安協会等の発行する「都市ガス
用ガス漏れ警報器検査規定」又は「液化石油ガス漏れ警
報器検査規定」に基づいて通常２０００りＩ）１程度か
ら約１／４ＬＥＬ（Ｌ。

ｖｅｒ　Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ　Ｌｅｂｅｌ：爆発下限界
）の範囲の上限のガス濃度のガスを検知した時にガスも
れ警報を発信するように設定される。それ数少なくとも
このガスもれ警報濃度範囲の上限のガス１度に至るまで
上述のガス濃度−センサ出力の単調増加の関係が保たれ
る必要がある。従って負荷抵抗（７）の抵抗値としてこ
のガスもれ警報を発信する上限のガス濃度におけるセン
サ（５）の抵抗値よりも低い値を選択することが必要で
ある。実施例で使用したセンサ（５）のこの上限のガス
濃度での抵抗値は本センサ（５）の大気中動作抵抗値の
約１７２であった。

従ってこの場合負荷抵抗（７）の値もこのセンサ（５）
の大気中動作抵抗値の１７２以下であることが必要であ
る。

以上説明したように負荷抵抗（７）の値が低いほどメタ
ンガス濃度変化にともなうセンサ温度上昇は大きくなり
、センサ出力の増加率が増大する。

従ってより高濃度のガスの測定が可能となる。しかしそ
の場合センサ温度の過度の上昇を招き、センサ（５）が
熱によって破壊される恐れがある。従って負荷抵抗の値
の下限値はその負荷抵抗（７）の値までセンサ（５）の
抵抗値が減少した時のセンサ（５）の温度がセンサ（５
）の破損されない温度範囲にあるように定められなけれ
ばならない。この値はセンサ（５）の組成、構造によっ
て多少異なる。実験によればセンサ（５）に対する負荷
抵抗の好ましい下限値は本センサ（５）の大気中動作抵
抗値の約ｌ／２０であった。

又不完全燃焼の際に発生したり、夕ｉ＜コ等の煙中に含
まれる雑ガスとしての一酸化炭素は同じく日本ガス機器
検査協会の規定に基づき５０〜５ｏｏｐｐ■の濃度を検
知した時に空気汚染警報を発信することが必要である。

そこで第４図においてセンサ出力がＣ領域に至った時に
空気汚染警報を出力し、Ｄ領域に至った時に燃料ガスも
れ警報を発信するように第１図中のガスセンサ警報発生
部（１０ｂ）の警報（１、警報Ｄ′の範囲を設定してお
く。具体的にはガスセンサ警報発生部（１０ｂ）内の比
較器（図示省略）において検出回路部出力Ｖｓを第４図
に示すＣ領域のあらかじめ設定しである下限値Ｃ及びＤ
領域のあらかじめ設定しである下限値ｄと比較する。比
較の結果Ｃ≦Ｖｓ＜　ｄであれば警報Ｃ。

を、ｄ≦Ｖｓであれば警報Ｄ′を発生する。又■くＣの
場合はいずれの警報も発生しない。この場合センサ（５
）が５００１）Ｉ）園程度のメタンガス雰囲気におかれ
た場合、警報Ｃ′の範囲に入り、空気汚染警報を発信す
ることになるが、この程度の低い濃度の燃料ガスはガス
炬炉の点火を失敗した時に短時間用る未燃焼燃料ガスの
濃度程度であり、空気汚染警報か発信されることによっ
て換気扇等の動作が促されるので、実際の使用上はむし
ろ好ましいものとなっている。ガスもれ事故につながる
ような相当程度のガスもれのときは、空気汚染信号を発
信したまま室内ガス濃度は上昇してゆき、Ｄ領域に至っ
たとき「燃料ガスもれ」警報発信に変る。

又、１ｏｏＯｐｐ、を超える高濃度の一酸化炭素、水素
、エタノール等の雑ガスに対してはセンサ（５）の出力
はＣ領域の内にとどまっているため、このような雑ガス
の検知によって「燃料ガスもれ」を誤警報する恐れが無
い。

以上説明したように本発明のセンサ（５）はガス濃度の
変化に応じてセンサ（５）の温度が変化する。

そのため各種のガスに対する感度が変化するので、その
感度変化を利用してメタン、プロパン等の燃料ガスもれ
検知及び一酸化炭素、水素等の雑ガスによる空気汚染の
検知の２種類のガス検知機能を兼ね備えている。

以上のように２種類のガスの検知を１つのセンサ（５）
で行う上で、センサの迅速な応答性が要求される。すな
わち大気中で３５０°Ｃ程度の定常状態にあるセンサが
メタンガス６０００ｐｐｍの雰囲気に置かれた場合にで
きるだけ速やかに約６００℃程度の平衡状態に達する必
要がある。その応答速度は主にセンサ（５）−負荷抵抗
（７）に印加される電圧Ｖとセンサ（５）の熱容量に左
右される。そこでセンサ（５）の熱容量を小さくする試
行を繰り返した。その結果半導体部（１）の直径を１ｍ
ｍφ以下に成形し、従来のセンサに比べて半導体部（１
）の体積を１７１０以下程度に低減したところ十分に低
熱容量のセンサが得られ、約２秒間で上記のような平衡
状態に達する迅速な応答性を得られることが分った。こ
のようにセンサの応答性を非常に速くさせたので、上記
のように２種類のガス検知機能を１つのセンサ（５）に
持たせることに実用上の問題は無くなった。

更に以上のように迅速な応答性を持つ直径１ｍｏ＋φ以
下のセンサは室温から定常状態の３５０°Ｃの加熱時間
も２秒以下であり、又その大気中での定常状態の３５０
°Ｃから電源をオフすると約２秒以内にほぼ室温まで降
温することも確かめられた。又６０００ｐｐｍのメタン
ガス雰囲気においても室温から６００°Ｃ程度に約２秒
で達することが確かめられた。

ところで一般にこの種のガスセンサは４〜５年にわたり
安定した感度を維持することが必要となっている。とこ
ろが以上説明したように本センサ（５）は通常の大気中
では３５０°Ｃ程度で運転されしかも雑ガス検出時は４
００°Ｃ程度、燃料ガス検出時は６００℃程度と高温に
なる。このようにガス中で６００°Ｃ程度に至るような
条件で連続通電動作させるとセンサ感度の劣化が起るの
で４〜５年間の安定な感度維持を目標とした場合、あま
り好ましい条件ではない。−力木発明のセンサは先に説
明したように非常に小さな熱容量を有するので、通電後
２秒程度で通常の大気中での使用温度３５０℃に達する
。

この状態を通電後の時間経過とセンサの温度変化を示す
第５図に示した。第５図より分るように通電後１秒で通
常使用温度の約８５％、２秒で９９％に達している。更
に雑ガス、燃料ガスを含む雰囲気中にセンサを置いた場
合通電開始後約２秒程度で第５図と同様にその時のガス
濃度に対応したセンサ温度（３５０’Ｃ〜６００°Ｃ）
に達することが確かめられている。以上の性質を利用し
て、本ガス検知装置（１２）では第１図中に示したガス
センサ電源制御部（１０ａ＞によってガスセンサ用電源
回路部（８）を制御して、１０秒間に２秒間程度の頻度
で間歇的にガスセンサに通電して、その通電時間の最後
の瞬間（例えば１００ｍ５ｅｃの間）だけセンサ（５）
出力を測定し、ガスを検知するようにガスセンサ警報発
生部（ｆｏｂ）を制御している。このように間歇通電に
よって実質２秒／１０秒＝１１５以下の通電時間でセン
サを使用することによって、ガス中の高温加熱によって
感度劣化することもなく４〜５年の長期の使用において
も安定に感度を維持することが可能となっている。尚こ
の２秒の測定時間はセンサ（５）と負荷抵抗（７）に印
加する電圧やセンサ（５）の熱容量によって調整可能で
ある。例えば印加電圧を大きくすれば加熱のための通電
時間を更に短縮することができる。又、ガス濃度に対す
るセンサ温度が平衡状態となっていないような状態、つ
まり過渡的状態の測定においてもガス濃度測定再現性を
得られることが確かめられている。この種のガス検知装
置は前記のガスもれ警報器検定規定により大体ガスもれ
検出後３０秒以内の間に警報等を発すれば良いので、上
記８秒程度の欠測時間はガス検知装置の実用上問題が無
い。

又以上のようにセンサに対する通電、測定を間歇的に行
うことによって、センサの劣化防止が可能となる上に更
に省電力化が図れることはいうまでもない。その結果、
乾電池や二次電池によって駆動可能な可搬型や携帯型の
ガス検知装置が得られる。

又以上説明したガスセンサ電源制御部（１０ａ）及びガ
スセンサ警報発生部（ｆｏｂ）はマイコン回路部（１０
）のマイコン中にプログラムにより構成されている部分
であるが、一般の電子回路等によって構成することも可
能である。

以上に説明した実施例においてはガスセンサ警報発生部
（１０ｂ）に２つの警報Ｃ′、警報Ｄ′の範囲を設定し
た例について説明したが、一般の家庭用ガスもれ警報器
として本ガス検知装置（１２）を使用する場合、警報Ｃ
′の範囲の警報については省略し、メタン、プロパン等
の警報Ｄ′の範囲の警報をのみ発信するものとすること
によってコストを低減した家庭用ガスもれ警報器が得ら
れる。従来の家庭用ガスもれ警報器は調理に使用する又
はスプレー等に混入されているアルコールを検出して、
実際のガスもれに比較して数倍の頻度で誤警報を発生し
ていた。ところが以上に説明したように本ガス検知装置
（Ｉ２〉は警報Ｄ゛の範囲で警報を発信するので、ｉｏ
ｏｏｐｐｍを超えるエタノール等が雰囲気にあっても誤
警報を発信することがなくなる。すなわち本ガス検知装
置はコストが低くかつアルコール等の雑ガスの影響を受
けない、燃料ガス選択性の家庭用ガスもれ警報器として
使用することができる。

以上説明したセンサ（５）は貴金属製のコイル（４）の
まわりに立体的に半導体部（１）を形成した例である。

これに対して第６図の実施例は基板型の熱線型半導体式
ガスセンサ（５ｂ）の−例であり、例えば厚さ０．４ｗ
ｕ＋、縦横１　ｗｖＸ　１　ａｍ程度のアルミナ基板（
１３）上に白金薄膜を蒸着し、フォトエツチングにより
蛇行状のパターン（４ａ）に成形している。その上に、
酸化錫を主成分とする半導体（１）を塗付成形している
。このように基板型のセンサをｌＸｌＸ０．４ｍｉ＋程
度の小さなものとして製作しているので十分低熱容量の
ものとなっている。

［発明の効果］ 以上のように本発明のガス検知装置によれば、主として
酸化錫半導体よりなる熱線型半導体式ガスセンサに同ガ
スセンサの測定対象の最高濃度ガス中での抵抗値より少
なくとも小さい負荷抵抗を接続しているので、同ガスセ
ンサが測定対象ガスを検知した場合に同ガスセンサの温
度が上昇スる。

この温度上昇に伴って同ガスセンサの検知対象ガスの感
度が変化するので、１つの同ガスセンサによって、５０
〜１０００ｐｐ■の一酸化炭素、水素、エタノール等の
雑ガスと２０００ｐｐ■〜１／４ＬＥＬのメタン、プロ
パン等の燃料ガスとの２種類のガスを順次検知すること
が可能となり、誤報のない燃料ガスもれ検知並びに不完
全燃焼排気ガス検知及び空気汚染検知を１つのガスセン
サで行うことができ、装置の構成が簡単になり、小型化
される。

同ガスセンサの電源供給部は間歇的に同ガスセンサに電
源を供給し、検出回路部はその間歇周期に従って同ガス
センサ出力を測定しているので同ガスセンサは実質的な
のべ動作時間が短く、そのため長期間に渡って安定した
ガス感度を維持することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるガス検知装置のブロ
ック部であり、第２図はこの発明の一実施例に使用され
る熱線型半導体式ガスセンサの斜視図であり、第３図は
同熱線型半導体式ガスセンサの一定濃度の主なガスに対
する感度の温度依存性を示すグラフ、第４図は主なガス
のガス濃度変化に対する第１図に示すブリ、ジ回路のＡ
Ｂ両点間の電圧の相対値及びセンサ表面温度の変化を示
すグラフ、第５図はこの発明の一実施例に使用される熱
線型半導体式ガスセンサの通電後の時間経過に対するセ
ンサの温度変化を示すグラフ、第６図は基板型の熱線型
半導体式ガスセンサの斜視図である。 図中、５は熱線型半導体式ガスセンサ、７は負荷抵抗、
８はガスセンサ用電源回路部、９は検出ｕ部、１０ａは
ガスセンサ電源制御部、ｌ０ｂｌｉガスセンサ警報発生
部、１２はガス検知装置である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）主として酸化錫半導体よりなる低熱容量の熱線型
   半導体式ガスセンサ、 前記熱線型半導体式ガスセンサにその検知範囲内の最高
   濃度ガス中での抵抗値より小さい抵抗値の負荷抵抗を介
   して、間歇的に電源を供給する電源供給部、 前記熱線型半導体式ガスセンサの出力を前記間歇周期に
   従って測定する検出回路部、 を具備するガス検知装置。
2. （２）前記検出回路部の出力を受けメタン、プロパン等
   の燃料ガスもれに対応する所定のガス濃度以上のとき警
   報を発する警報発生部を更に具備する請求項（１）記載
   のガス検知装置。
3. （３）前記警報発生部が前記検出回路部の出力を受け更
   に水素、一酸化炭素、エタノール等の雑ガスもれに対応
   する所定のガス濃度以上のとき警報を発する請求項（２
   ）記載のガス検知装置。