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【発明の名称】 ガスセンサ
【発明者】 【氏名】宇野 克彦

【氏名】牧 正雄

【氏名】丹羽 孝

【氏名】鶴田 邦弘

【氏名】梅田 孝裕
【要約】 【課題】ガスセンサの省電力化を図り特に電池駆動式での電池寿命の延長を図る。

【解決手段】薄膜法で得られる金属酸化物からなるガス検知部１５と、前記ガス検知部を所定の温度に加熱する加熱手段１６と、前記ガス検出部から選られた出力を増幅する増幅手段１７と、前記増幅手段１７によって得られた出力をあらかじめ設定された設定値と比較する比較手段１８と、前記比較手段１８によって得られた値を演算する演算手段１９と、前記演算手段から得られた出力に応じて前記加熱手段を少なくとも二段階の動作温度に切り替える切替手段１０と、前記演算手段の演算結果に基づいて警報を発する報知手段２１でガスセンサを構成し、出力が低いときは低温側の動作温度でガス検知部１５動作させ省電力化を図る。
【特許請求の範囲】
【請求項１】金属酸化物からなるガス検知部と、前記ガス検知部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記ガス検知部から得られた出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段によって得られた出力をあらかじめ設定された設定値と比較する比較手段と、前記比較手段によって得られた値を演算する演算手段と、前記演算手段から得られた出力に応じて前記加熱手段を少なくとも二段階の動作温度に切り替える切替手段と、前記演算手段の演算結果に基づいて警報を発する報知手段を有するガスセンサ。
【請求項２】金属酸化物からなるガス検知部と、前記ガス検知部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記ガス検知部から得られた出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段によって得られた出力をあらかじめ設定された設定値と比較する比較手段と、前記比較手段によって得られた値を演算する演算手段と、前記演算手段から得られた出力が第一の設定値以下のとき低温側で動作し、出力が一定時間第一の設定値以上であるかもしくは出力の増加率が第一の設定増加率以上のとき高温側で動作するよう前記加熱手段を少なくとも二段階の動作温度に切り替える切替手段と、前記演算手段から得られた出力が一定時間第一の設定値以上もしくは出力の増加率が第一の設定増加率以上のとき第一の警報を発する報知手段と、前記加熱手段、演算手段、報知手段に電力を供給する電源手段を有するガスセンサ。
【請求項３】高温側での動作時に、演算手段から得られた出力が一定時間第二の設定値以上であるかもしくは出力の増加率が第二の設定増加率以上のとき第二の警報を発する請求項２記載のガスセンサ。
【請求項４】ガス検知部は、基板上に形成された加熱手段の上面に電気絶縁層を介して形成された酸素イオン導電性を有する固体電解質薄膜と前記個体電解質薄膜上に形成された一対の電極薄膜と、前記一対の電極薄膜の一方の電極上に設けられた酸化触媒層よりなる請求項２または３記載のガスセンサ。
【請求項５】加熱手段は間欠的に動作するとともに、演算手段から得られた出力が第一の設定値より低い時の動作間隔を第一の設定値より高い時の動作間隔よりも長くした請求項４記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス燃焼機器からのガス洩れや、室内燃焼機器の不完全燃焼により発生する一酸化炭素を検知するガスセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のガスセンサは種々の方式、形状のものがあるが、その一例として個体電解質を用いた平板形状のものが本発明に先立って提案されている。即ち図７に示すように板状の固体電解質１の両面に一対の白金電極２、３（図示せず）を形成し、両面を板状のガス選択透過体４、５で覆い、片方のガス選択透過体４の表面にヒータ６を形成するとともに、その上に酸化触媒層７を設置したものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一般にガスセンサは一酸化炭素、メタン、プロパン、水素などに選択的に感応し、ガス洩れ警報機や、ＣＯ警報機などの用途に用途に用いられている。したがって最終安全装置として高感度であること、応答が速いこと、信頼性が高いこと選択性が高いこと、さらに消費電力が低いことが要求される。
【０００４】しかしながら図７に示す従来のガスセンサは個体電解質１ガス選択透過体４酸化触媒層は板状のチップを熱容量が大きいためセンサを動作温度に保持するためには常時ヒータ６に通電しておかなけらばならず、そのために商用電源が必要であった。したがって電源コンセントを常時占有することになり、一般家庭では台所等のごく限られた場所に設置されるのが普通である。しかし、暖房機、給湯器等の室内燃焼機の燃焼不良による不幸な事故が相変わらずなくならない現状や、住宅の高気密高断熱化に伴うセントラル暖房の普及を考えると、ＣＯ警報機を普及させる必要がある。ただし、電気製品が溢れている家庭内において電源コンセントを占有することは非常に不便であり、設置性を改良することが望まれる。
【０００５】このような課題を解決するために図８の構成の薄膜ガスセンサが提案されている（特開平１１−８３７７７号公報）。この薄膜ガスセンサは透孔８を形成した支持基板９の透孔８上面に熱絶縁層１０を積層し，その上に薄膜によりヒータ１１を形成し、その上にさらに電気絶縁層１２、感知膜１３、電極１４を積層したものであり、この構成により熱容量を小さくしてパルス駆動を可能としており、その結果大幅な省電力化が可能となり電池駆動が可能となることが示されている。しかし、実際の警報機ではヒータ１１の電源だけでなく回路での電力消費に加え、警報での消費電力が大きく、最終的に電池寿命がきたときに警報を鳴動させるだけの電池容量を保持しておく必要がある。したがって、センサの構成のみでなくいろいろな視点から省電力化を図る必要があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するために本発明は、金属酸化物からなるガス検知部と、前記ガス検知部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記ガス検出部から選られた出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段によって得られた出力をあらかじめ設定された設定値と比較する比較手段と、前記比較手段によって得られた値を演算する演算手段と、前記演算手段から得られた出力に応じて前記加熱手段を少なくとも二段階の動作温度に切り替える切替手段と、前記演算手段の演算結果に基づいて警報を発する報知手段を有するようにガスセンサを構成している。
【０００７】上記発明によれば、通常はガス検知部が動作可能な温度範囲の低温側に加熱手段を設定するので大幅な省電力化が可能である。低温側ではガス検知部は高温側に比べると感度や応答性が劣るが、出力値が設定値以上になると直ちに最も感度がよい高温側に加熱手段を設定し、正確な濃度検知によって警報で報知することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明は、金属酸化物からなるガス検知部と、前記ガス検知部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記ガス検知部から得られた出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段によって得られた出力をあらかじめ設定された設定値と比較する比較手段と、前記比較手段によって得られた値を演算する演算手段と、前記演算手段から得られた出力に応じて前記加熱手段を少なくとも二段階の動作温度に切り替える切替手段と、前記演算手段の演算結果に基づいて警報を発する報知手段を有するようにガスセンサを構成している。
【０００９】そして、通常はガス検知部が動作可能な温度範囲の低温側に加熱手段を設定するので大幅な省電力化が可能である。出力値が設定値以上になると直ちに最も感度がよい高温側に加熱手段を設定し、正確な濃度検知によって警報で報知することができる。
【００１０】また、金属酸化物からなるガス検知部と、前記ガス検知部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記ガス検知部から得られた出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段によって得られた出力をあらかじめ設定された設定値と比較する比較手段と、前記比較手段によって得られた値を演算する演算手段と、前記演算手段から得られた出力が第一の設定値以下のとき低温側で動作し、出力が一定時間第一の設定値以上であるかもしくは出力の増加率が第一の設定増加率以上のとき高温側で動作するよう前記加熱手段を少なくとも二段階の動作温度に切り替える切替手段と、前記演算手段から得られた出力が一定時間第一の設定値以上もしくは出力の増加率が第一の設定増加率以上のとき第一の警報を発する報知手段と、前記加熱手段、演算手段、報知手段に電力を供給する電源手段を有するようにガスセンサを構成している。
【００１１】そして通常はガス検知部が動作可能な温度範囲の低温側に加熱手段を設定するので大幅な省電力化を図り、演算手段から選られた出力が一定時間第一の設定値以上になったときに感度の良い高温側に移行するとともに第一の警報を発するので、瞬間的に高濃度のガスが発生する場合は、短時間で通常の状態に戻るため高温側へ移行することも警報を発することもない。したがって無駄な電力消費を抑制することができる。また、出力の増加率が第一の設定増加率以上の場合は、急激に室内のガス濃度が上昇する危険な状態と判断して感度の良い高温側に移行するとともに第一の警報を発するので、速やかに危険状態を報知することができる。
【００１２】また、高温側での動作時に、演算手段から得られた出力が一定時間第二の設定値以上であるかもしくは出力の増加率が第二の設定増加率以上のとき第二の警報を発するようにガスセンサを構成している。
【００１３】そして、瞬間的に高濃度のガスが発生する場合は、短時間で通常の状態に戻るので警報を発することはなく、無駄な電力消費を抑制することができる。また、出力の増加率が第二の設定増加率以上の場合は、出力が第二の設定値に達していなくても、急激に室内のガス濃度が上昇する非常に危険な状態と判断し、第二の警報を発するので、速やかに危険状態を報知することができる。
【００１４】ガス検知部は、基板上に形成された加熱手段の上面に電気絶縁層を介して形成された酸素イオン導電性を有する固体電解質薄膜と前記個体電解質薄膜上に形成された一対の電極薄膜と、前記一対の電極薄膜の一方の電極上に設けられた酸化触媒層よりガスセンサを構成している。
【００１５】そして、電気絶縁層、個体電解質、電極、酸化触媒層を厚膜もしくは薄膜で構成することにより、ガス検知部の小型化を図るとともに、熱容量を大幅に低減することができ、さらに上述の構成によって省電力化が可能となり、電池駆動を実現することができる。
【００１６】また、加熱手段は間欠的に動作するとともに、演算手段から得られた出力が第一の設定値より低い時の動作間隔を第一の設定値より高い時の動作間隔より長くするようにガスセンサを構成している。
【００１７】そして、加熱手段を間欠的に動作させことで大幅な省電力を図るとともに、通常の状態での動作間隔を長くすることによりさらに省電力化を図ることができる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例について図１ないし図７を用いて説明する。
【００１９】（実施例１）図１は、本発明の実施例１におけるガスセンサのブロック図である。
【００２０】図１において、１５は金属酸化物よりなるガス検知部で、昇温することによってガス成分に感応するものであり、金属酸化物半導体や酸素イオン導電性を有する固体電解質構成されている。１６は加熱手段であるヒータでガス検知部１５がガス成分に感応することが可能な所定温度に加熱する。１７は増幅手段でガス検知部１５で得られた出力を所定の増幅率で増幅する。増幅された出力は比較手段１８に送られ、あらかじめ設定された基準値（ゼロ点）と比較されガス濃度が決定される。１９は演算手段で、比較手段１８で選られた出力に対して種々の演算を行い、切替手段２０、報知手段２１、比較値設定手段２２に、種々の情報を伝達する。比較値設定手段２２は出力値のゼロ点を与えるもので、ガス漏れや一酸化炭素の発生がない通常状態での所定時間毎の出力値の相加平均をゼロ点として比較手段１８に転送する。また、演算手段１９で得られたガス検知部１５の出力があらかじめ設定した値よりも大きい場合に報知手段２１に情報を伝達し、警報を発する。また、演算手段１９で得られたガス検知部１５の出力があらかじめ設定した値よりも小さい場合は切替手段２０を低温側にしてガス検知部１５を動作可能温度の低温側設定で検知する。また、演算手段１９で得られたガス検知部１５の出力があらかじめ設定した値よりも大きい場合は切替手段２０を高温側にしてガス検知部１５動作可能温度の高温側設定で検知する。
【００２１】図２はガス検知部１５を固体電解質（８％イットリア安定化ジルコニア）とした場合の一酸化炭素濃度に対するガス検知部１５温度と出力の関係を示したものである。以下の説明ではすべて対象ガスを一酸化炭素として説明する。（Ａ）は一酸化炭素１５０ppm時、（Ｂ）は３５０ppm時、（Ｃ）は５００ppm時の結果である。固体電解質は３００℃付近から出力が得られ、５００℃付近で出力が最大となりそれ以上の温度では逆に出力が低下する傾向を示す。５００℃以上では固体電解質への一酸化炭素の吸着が悪くなるため特に低濃度の一酸化炭素に対しては出力が大きく低下する。したがって、一酸化炭素濃度レベルが低いときはガス検知部１５が動作可能な温度範囲の低温側（３００℃）程度の設定温度で検知し、一酸化炭素濃度レベルが高いときは感度が最も高い高温側（４５０℃）で検知することで、高濃度の一酸化炭素が発生したときに高感度に検出するとともに、消費電力を約２／３程度に低減することができる。
【００２２】（実施例２）図３は本発明の実施例２のガスセンサの動作を示す概念図である。基本的な動作は実施例１と同じであるが、実施例２では演算手段１９から得られた出力が第一の設定値である換気注意報レベル（ＶLA：１５０ppm相当）以下のとき低温側で動作し、出力が一定時間（ｔL1）換気注意報レベル以上であるか、もしくは出力の増加率（ｄＶ1／ｄｔ）が第一の設定増加率（ｄＶL1／ｄｔ）以上のとき高温側で動作するようにヒータ１６を切り替えると同時に第一の警報である換気注意報を鳴らすことによって危険状態を報知する。たとえば、曲線（ａ）のように室内の一酸化炭素濃度の増加率が比較的小さい場合は、一酸化炭素濃度が換気注意レベル（ＶLA）に達するまではガス検知部１５は低温側（３００℃）に設定され、換気注意レベル（ＶLA）に達したとき（ｔa1）、切替手段２０によって高温側（４５０℃）に設定される。また、曲線（ｂ）のように室内の一酸化炭素濃度の増加率が大きい場合は、一定時間（ｔL1）経過後出力の増加率（ｄＶ1／ｄｔ）が第一の設定増加率（ｄＶL1／ｄｔ）以上のとき、換気注意レベル（ＶLA）に達していなくてもその傾きから急激に室内のガス濃度が上昇する危険な状態と判断して感度の良い高温側に移行するとともに換気注意報を発して、速やかに危険状態を報知する。
【００２３】さらに、曲線（ｃ）のように急激に出力が増加し、一定時間（ｔL1）経過後出力が換気注意レベル（ＶLA）以下に低下する場合は、室内燃焼機の不完全燃焼による一酸化炭素の発生やガス洩れ以外の場合、たとえば、殺虫剤、ヘアスプレー、脱臭剤などがガスセンサの近くで使用された場合と判断し、ヒータ１６が高温側へ移行することも換気注意報を発することもない。
【００２４】図４はヒータ１６が高温側に切り替わった場合のガスセンサの動作を示したものである。演算手段１９から得られた出力が一定時間（ｔL2）以上第二の設定値である警報レベル（ＶLB：たとえば３５０ppm相当）以上であるか、もしくは出力の増加率（ｄＶ2／ｄｔ）が第二の設定増加率（ｄＶL2／ｄｔ）以上のときに警報を鳴らすことによって危険状態を報知する。たとえば、曲線（ａ）のように室内の一酸化炭素濃度の増加率が比較的小さい場合は、一酸化炭素濃度が警報レベル（ＶLB）に達したとき（ｔa2）、警報によって危険を報知する。また、曲線（ｂ）のように室内の一酸化炭素濃度の増加率が大きい場合は、一定時間（ｔL2）経過後出力の増加率（ｄＶ2／ｄｔ）が第二の設定増加率（ｄＶL2／ｄｔ）以上のとき、出力が警報レベル（ＶLB）に達していなくてもその傾きから急激に室内のガス濃度が上昇する危険な状態と判断して警報を発して、速やかに危険状態を報知する。
【００２５】さらに、曲線（ｃ）のように急激に出力が増加し、一定時間（ｔL2）経過後出力が警報レベル（ＶLB）以下に低下する場合は、室内燃焼機の不完全燃焼による一酸化炭素の発生やガス洩れ以外の場合、たとえば、殺虫剤、ヘアスプレー、脱臭剤などが使用された場合と判断し、警報は発しない。したがって無駄な電力消費を抑制することができる。以上のように、一酸化炭素濃度の絶対値や傾きからガス洩れや一酸化炭素の発生を認識してガス検知部１５の設定温度を変更したり報知手段２１で換気注意報や警報を発して確実に危険を報知するとともに、ガス洩れや一酸化炭素発生以外の場合を判断して、設定温度の高温側への移行や、換気注意報、警報での報知を抑止するので無駄な電力消費を防止することができる。
【００２６】（実施例３）図５は本発明の実施例３におけるガスセンサの構成を示したものである。
【００２７】図５において２３は基板で０．１mm以下のアルミナ板よりなる。２４は基板上に厚膜印刷により形成されたヒータである。ヒータ２４は白金にガラスや絶縁剤を混入して抵抗値を調整したペーストを印刷して形成している。ヒータ材料としてはこのほかにＳｉＣやＲｕＯ2なども使用可能である。２５はヒータ２４上に形成された電気絶縁層で、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2のスパッタ膜よりなる。２６はスパッタにより形成された固体電解質膜で８％イットリア安定化ジルコニアを用い、１〜数μmの厚みに形成されている。２７は固体電解質膜上に設けられた一対の電極で、白金をエレクトロンビーム蒸着またはスパッタリングにより形成されている。一対の電極２７、２７'は同一面積を有し、電極間に一定の隙間を形成している。２８は片方の電極２７'上に裁置された触媒層で、Ｐｔ−Ｒｈを厚膜印刷で形成している。２９は電極２７、２７'に接合されたリード線で電極間で生じる起電力を取り出す。３０はヒータ２４に接続されたリード線でヒータ１６により所定温度にガス検知部１５を加熱する。
【００２８】上記の構成によるガスセンサの作用を一酸化炭素を例に説明する。触媒層２８を通過した一酸化炭素ガスは、触媒層２８を通過する時に酸化され電極２７'には到達しない。従って、電極２７'上では式（１）で示される反応によって酸素がイオン化される。
【００２９】１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2- 式（１）
一方、触媒層２８が無い方の電極２７では式（１）で示される反応に加えて、一酸化炭素が到達してくるので式（２）で示される反応も起きている。
【００３０】ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ- 式（２）
そして、電極２７、２７'の表面での反応の差によって電極２７、２７'間に電位差が発生する。すなわち一酸化炭素の濃度に応じて電位差が変化し、一酸化炭素センサとして動作する。
【００３１】このようにガスセンサを薄膜法を用いて形成しているのでガスセンサの小型化、および熱容量の低下により電池電源でも対応が可能となる。また、熱容量の低下によりガス検知部１５の設定温度までの昇温が速やかに行われるので、ヒータの間欠駆動が可能になり、さらにガスセンサの省電力化を図ることができ、電池寿命を飛躍的に延ばすことができる。また、図５の構成に実施例１、２の構成を組み入れることにより、さらに省電力化を図ることができる。
【００３２】図６はヒータ２４の間欠駆動の実施例を示したものである。演算手段１９からの出力が換気注意レベル（ＶLA）以下と判断したときに、ヒータ２４の間欠駆動の時間間隔（ｔｈ１）を換気注意レベル（ＶLA）以上と判断したときの時間間隔（ｔh2）よりも長くしている。実際には出力が換気注意レベル（ＶLA）以下である状態がガスセンサの使用時間の大部分を占めると考えられるので、間欠駆動の時間間隔を長くすることにより、さらに省電力化を図り、電池寿命を延ばすことができる。
【００３３】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、金属酸化物からなるガス検知部と、前記ガス検知部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記ガス検知部から得られた出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段によって得られた出力をあらかじめ設定された設定値と比較する比較手段と、前記比較手段によって得られた値を演算する演算手段と、前記演算手段から得られた出力に応じて前記加熱手段を少なくとも二段階の動作温度に切り替える切替手段と、前記演算手段の演算結果に基づいて警報を発する報知手段を有するようにガスセンサを構成しているので、通常はガス検知部が動作可能な温度範囲の低温側に加熱手段を設定することにより大幅な省電力化が可能である。出力値が設定値以上になると直ちに最も感度がよい高温側に加熱手段を設定し、正確な濃度検知によって警報で報知することができる。
【００３４】また、金属酸化物からなるガス検知部と、前記ガス検知部を所定の温度に加熱する加熱手段と、前記ガス検知部から得られた出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段によって得られた出力をあらかじめ設定された設定値と比較する比較手段と、前記比較手段によって得られた値を演算する演算手段と、前記演算手段から得られた出力が第一の設定値以下のとき低温側で動作し、出力が一定時間第一の設定値以上であるかもしくは出力の増加率が第一の設定増加率以上のとき高温側で動作するよう前記加熱手段を少なくとも二段階の動作温度に切り替える切替手段と、前記演算手段から得られた出力が一定時間第一の設定値以上もしくは出力の増加率が第一の設定増加率以上のとき第一の警報を発する報知手段と、前記加熱手段、演算手段、報知手段に電力を供給する電源手段を有するようにガスセンサを構成しているので、通常はガス検知部が動作可能な温度範囲の低温側に加熱手段を設定するので大幅な省電力化を図られるのに加え、一定時間第一の設定値以上になったときに高温側に移行するとともに第一の警報を発するので、室内燃焼機の不完全燃焼による一酸化炭素の発生やガス洩れ以外の場合、たとえば、殺虫剤、ヘアスプレー、脱臭剤などに感知した場合は短時間で通常の状態に戻るため高温側へ移行することも警報を発することもない。したがって無駄な電力消費を抑制することができる。また、出力の増加率が第一の設定増加率以上の場合は、急激に室内のガス濃度が上昇する危険な状態と判断し第一の警報を発するので、速やかに危険状態を報知することができる。
【００３５】また、高温側での動作時に、演算手段から得られた出力が一定時間第二の設定値以上であるかもしくは出力の増加率が第二の設定増加率以上のとき第二の警報を発するようにガスセンサを構成しているので、殺虫剤、ヘアスプレー、脱臭剤などを警報機の近くで大量に使用され、第二の設定値を超えた場合などは短時間で通常の状態に戻るので警報を発することはなく、無駄な電力消費を抑制することができる。また、出力の増加率が第二の設定増加率以上の場合は、出力が第二の設定値に達していなくても、急激に室内のガス濃度が上昇する非常に危険な状態と判断し、第二の警報を発するので、速やかに危険状態を報知することができる。
【００３６】また、ガス検知部は、基板上に形成された加熱手段の上面に電気絶縁層を介して形成された酸素イオン導電性を有する固体電解質薄膜と前記個体電解質薄膜上に形成された一対の電極薄膜と、前記一対の電極薄膜の一方の電極上に設けられた酸化触媒層よりガスセンサを構成しているので、電気絶縁層、個体電解質、電極、酸化触媒層を厚膜もしくは薄膜で構成することにより、ガス検知部の小型化を図るとともに、熱容量を大幅に低減することができ、さらに上述の構成によって省電力化が可能となり、電池駆動を実現することができる。
【００３７】また、加熱手段は間欠的に動作するとともに、演算手段から得られた出力が第一の設定値より低い時の動作間隔を第一の設定値より高い時の動作間隔より長くするようにガスセンサを構成しているので、加熱手段を間欠的に動作させことで大幅な省電力を図るとともに、通常の状態での動作間隔を長くすることによりさらに省電力化を図り電池寿命を延ばすことができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【出願日】 平成１２年１月１７日（２０００．１．１７）
【代理人】 【識別番号】１０００９７４４５
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄 （外２名）
【公開番号】 特開２００１−１９４３２９（Ｐ２００１−１９４３２９Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−７３９７（Ｐ２０００−７３９７）