ガス検出装置

【課題】本発明のガス検出装置は、センサ素子の温度を昇温させるヒータに定常的に一定電圧を印可するので、昇温させるのに非常に時間がかかることを課題とするものである。
【解決手段】センサ素子２と、ヒータ３を昇温させるための定電圧回路４と、制御手段５とヒータ３に流れる電流を検出する電流検出手段６を有し、制御手段５はガスを検知するときのみヒータ３に通電するよう制御し、定電圧回路４の出力電圧は、センサ素子２がガスを検出するために必要な温度を保持するために最小限必要な電圧値よりも高い電圧値とする構成とし、また制御手段５は電流検出手段６の検出結果により定電圧回路４の電圧をオンオフさせてヒータ３に電圧を印可し温度を制御する構成としたので、より短時間で正確に昇温可能となる。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス検出器の加熱制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この種の従来の一酸化炭素を検出するガス検出装置は、例えば特開昭６３−７８０５９号公報のように検出装置にヒータが備えられており、検出装置が安定して動作するようにしている。また、特開平１１−６８１６号公報のようにパルス状の電圧を印可することで２つの温度領域で加熱制御されているものもある。さらに、小電力化のためにガスを検出するときのみパルス状の電圧を印可するものも考えられている。これを図８から図１１により説明する。
【０００３】まず、図８を用いてセンサ素子２について説明する。この例では、例えばアルミナのような耐熱性絶縁基板７に酸素イオン導電性を示す安定化ジルコニアのような固体電解質薄膜９を積層している。この安定化ジルコニア薄膜９上に一対の薄膜白金電極１０ａ、１０ｂを例えばスパッタリング法等で積層し、さらに白金電極の一方１０ｂに白金触媒１１を積層している。また、耐熱性絶縁基板７の裏面には白金をスパッタリングで生成したヒーター薄膜３を生成している。そして、このセンサ素子２により一酸化炭素を検出する。
【０００４】次にセンサ素子２が一酸化炭素を検知する動作、作用について説明する。センサ素子２の白金触媒１１を積層した白金電極１０ｂの側では、一酸化炭素は白金触媒１１の作用により酸素ガスと反応して二酸化炭素ガスとなり消耗して無くなるため、酸素分圧が上昇する。一方、白金電極１０ａの側では、一酸化炭素ガスと酸素ガスが共存しているため酸素分圧は相対的に低い。このため、白金電極１０ｂの方が白金電極１０ａより酸素ガスの分圧は高くなり、安定化ジルコニア９の中を酸素イオンが移動し起電力が発生する。この起電力は一酸化炭素の濃度の対数値に略比例した値が得られる。
【０００５】また、図９のブロック図に示すように、ガス検出装置１４はセンサ素子２と定電圧回路１５と制御回路１６とからなり、定電圧回路１５はヒータ３に電圧を印可しヒータ３を昇温させる。そして、センサ素子２は、安定した起電力を得るためにヒータ３により４００℃〜５００℃好ましくは４５０℃に温度制御されている。
【０００６】図１０に示すように、ガスを検出するときにはヒータ３にパルス状の矩形波が印可される。その結果、ヒータは図１１に示すようなカーブを描き昇温する。そして、充分時間が経過し温度平衡状態に達したときに約４５０℃になるような電圧値にあらかじめ設定されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来のガス検出器ではセンサが一酸化炭素ガスを検知できる温度、つまり約４５０℃になるまでに時間がかかるという課題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決するため、耐熱絶縁性基板と、前記耐熱絶縁性基板に積層した固体電解質薄膜と、前記固体電解質薄膜に積層した一対の白金電極薄膜と、前記白金電極薄膜の一方に積層した白金触媒と、前記白金電極と前記白金触媒と前記固体電解質とを昇温させるために耐熱絶縁性基板に積層したヒータの薄膜で構成されるセンサ素子と、前記ヒータを昇温させるための定電圧回路と、前記定電圧回路の電圧印可時間を制御する制御手段とを有し、ガスを検知するときにヒータを昇温するよう制御され、前記定電圧回路を複数回オンオフすることでヒータの温度を制御し、また前記定電圧回路の電圧値は、センサ素子がガスを検出するために必要な温度を保持するために最小限必要な電圧値よりも高い電圧値とする構成とした。
【０００９】上記発明によれば、昇温時に高い電圧を印可して昇温させるので、より短時間で昇温可能となる。また適温になった時点でオンオフを切り替えて制御するので、ヒータの温度が過度に上昇することがない。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１にかかるガス検出装置は、耐熱絶縁性基板と、前記耐熱絶縁性基板に積層した固体電解質薄膜と、前記固体電解質薄膜に積層した一対の白金電極薄膜と、前記白金電極薄膜の一方に積層した白金触媒と、前記白金電極と前記白金触媒と前記固体電解質とを昇温させるために耐熱絶縁性基板に積層したヒータ薄膜で構成されるセンサ素子と、前記ヒータを昇温させるための定電圧回路と、前記定電圧回路の電圧印可時間を制御する制御手段とを有し、ガスを検知するときにヒータを昇温するよう制御され、前記定電圧回路を複数回オンオフすることでヒータの温度を制御し、また前記定電圧回路の電圧値は、センサ素子がガスを検出するために必要な温度を保持するために最小限必要な電圧値よりも高い電圧値とする構成とした。
【００１１】そして、昇温時に高い電圧を印可して昇温させるので、より短時間で昇温可能となる。また適温になった時点でオンオフを切り替えて制御するので、ヒータの温度が過度に上昇することがない。
【００１２】本発明の請求項２にかかるガス検出装置は、ヒータに流れる電流を検出する電流検出手段を有し、検出した電流値からヒータの温度を算出しその値から定電圧回路のオフ時間を決定する構成とした。
【００１３】そして、適温の範囲で定電圧源のオンオフを切り替えて制御できるので、ヒータの温度が過度に上昇することがない。
【００１４】本発明の請求項３にかかるガス検出装置は、第２の定電圧回路とヒータに流れる電流を検出する第２の電流検出手段を有し、第１の定電圧回路のオフ時間に、前記第２の定電圧回路により微弱電圧をヒータに印可し、そのときの電圧値と電流値から求められるヒータ抵抗値より温度を算出する構成とし、ヒータの温度が低下したら第１の定電圧回路をオンするよう制御する構成とした。
【００１５】そして、第１の定電圧回路がオフしている間も第２の定電圧回路と第２の電流検出手段によりヒータの温度を検出するので、より正確にヒータの温度を制御することができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１７】（実施例１）図１は本発明の実施例１のガス検出装置１センサ素子２の側面断面図、図２はブロック図、図３はヒータ３に印可する電圧を示す図、図４は、ヒータ３の温度上昇カーブを示す図である。なお、本実施例において、従来例と同様の動作作用を示すものについては説明を省略する。
【００１８】図２に示す、定電圧回路４の出力電圧はヒータ３にその電圧を定常的に印可すると４５０℃以上の温度になるような高めの値としている。
【００１９】常温からヒータ３を昇温させるときは、制御手段５はまず定電圧回路４をオンしヒータ３が約４５０℃になるまで電圧を印可し続ける。その後、定電圧回路４をオンオフすることでヒータ３を約４５０℃に保つように制御される。そのとき、電流検出手段６によりヒータ３に流れる電流を検出しており、ヒータ３にかかる電圧値とヒータ３に流れる電流値からヒータ抵抗値を算出する。ヒータ３は白金抵抗体なのでその抵抗値は正の温度特性を持っており、算出したヒータ抵抗値よりヒータの温度が分かる。ヒータ３の温度は例えば４５０℃±１０℃程度の範囲で制御される。そのときは、ヒータ３の温度が４５５℃になったときに定電圧回路４をオフし、４４５℃になったときに定電圧回路４とオンするよう制御する。このとき定電圧回路４をオフする時間は４５５℃から１０Ｋ温度が低下する自然冷却による放熱を考慮し計算するものとする。そのときのヒータ３に印可される電圧波形を表したのが図３で、パルス状の矩形波がヒータに印可される。そのときのヒータ３の温度上昇カーブは図４に示すように常温から４５５℃までは連続的に上昇し、それ以降は図３の電圧パルスのオンオフに従って４５５℃から４４５℃の間を上下するよう制御されている。そして、ガスの検知は、ヒータ３の温度が約４５０℃に制御されている間に行う。
【００２０】従って、以上説明したように、昇温時に高い電圧を印可して昇温させるので、より短時間で昇温可能となる。また適温になった時点でオンオフを切り替えて制御するので、ヒータ３の温度が過度に上昇することがない。
【００２１】尚、本実施例では、ヒータの温度は例えば４５０℃±１０℃程度の範囲で制御される例を説明したが、本発明はこれに限られることなくより狭い温度範囲例えば４５０℃±２℃程度の範囲になるようより細かく制御されても良い。
【００２２】尚、図５のように耐熱絶縁性基板７の上にヒータ薄膜３、耐熱絶縁薄膜８、固体電解質薄膜９、白金電極薄膜１０ａ、１０ｂ、白金触媒１１の順に積層したセンサ素子でも同様の制御をすることで同様の効果があることは言うまでもない。
【００２３】ここで説明した定電圧回路４とは例えば電池、または３端子レギュレター、１組、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＡＣ電源と直流化回路の組み合わせなどである。
【００２４】（実施例２）本発明実施例２が実施例１と異なる点は、図６に示すように、第２の定電圧回路１２を有し、第１の定電圧回路４がオフしている間にヒータ３に微弱な電圧を印可する点である。このときに第２の定電圧回路１２により印可される電圧値は図７に示すように第１の定電圧回路４による電圧値Ａにたいして充分小さく、ヒータ３の温度上昇に寄与しない程度の小さな値Ｂとする。例えば第１の定電圧回路により３〜５Ｖ程度の電圧が印可されているとすると、第２の定電圧回路１２による印可電圧は１Ｖ以下、特に０．１Ｖ前後が望ましい。
【００２５】これにより第１の定電圧回路４がオフしている間もヒータ３の温度を検出することができる。ヒータ３の温度の検出の仕方は実施例１で説明したのと同じく、第２の電流検出手段１３を備えており、電圧値と電流値から抵抗値を求める方法である。
【００２６】従って、第１の定電圧回路４のオン時はもちろんのことオフ時もヒータ３の温度が検知できるのでより正確にヒータ３の温度制御が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に係るガス検出装置は、昇温時に高い電圧を印可して昇温させるので、より短時間で昇温可能となる。また適温になった時点でオンオフを切り替えて制御するので、ヒータの温度が過度に上昇することがないという効果がある。
【００２８】また、請求項２に係るガス検出装置は、適切な温度範囲で定電圧源のオンオフを切り替えて制御できる。
【００２９】また、請求項３に係るガス検出装置は、第１の定電圧回路のオン時はもちろんのことオフ時もヒータの温度が検知できるのでより正確にヒータの温度制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるガス検出装置の側面断面図
【図２】同ガス検出装置のブロック図
【図３】同ガス検出装置のヒータに印可する電圧を示す図
【図４】同ガス検出装置のヒータの温度上昇を示す図
【図５】実施例１における別の形態のガス検出装置の側面断面図
【図６】実施例２におけるガス検出装置のブロック図
【図７】同ガス検出器のヒータに印可する電圧を示す図
【図８】従来のガス検出装置の側面断面図
【図９】従来のガス検出装置のブロック図
【図１０】従来のガス検出器のヒータに印可する電圧を示す図
【図１１】従来のガス検出器のヒータの温度上昇を示す図
【符号の説明】
１ガス検出装置
２センサ素子
３ヒータ
４定電圧回路
５制御手段
６電流検出手段
７耐熱絶縁性基板
９固体電解質薄膜
１０ａ、１０ｂ白金電極薄膜
１１白金触媒
１２第２の定電圧電源
１３第２の電流検出手段

【特許請求の範囲】
【請求項１】耐熱絶縁性基板と、前記耐熱絶縁性基板に積層した固体電解質薄膜と、前記固体電解質薄膜に積層した一対の白金電極薄膜と、前記白金電極薄膜の一方に積層した白金触媒と、前記白金電極と前記白金触媒と前記固体電解質とを昇温させるために耐熱絶縁性基板に積層したヒータの薄膜で構成されるセンサ素子と、前記ヒータを昇温させるための定電圧回路と、前記定電圧回路の電圧印可時間を制御する制御手段とを有し、ガスを検知するときにヒータを昇温するよう制御され、前記定電圧回路を複数回オンオフすることでヒータの温度を制御し、また前記定電圧回路の電圧値は、センサ素子がガスを検出するために必要な温度を保持するために最小限必要な電圧値よりも高い電圧値とする構成とした一酸化炭素ガスを検出するガス検出装置。
【請求項２】ヒータに流れる電流を検出する電流検出手段を有し、検出した電流値からヒータの温度を算出しその値から定電圧回路のオフ時間を決定する請求項１記載のガス検出装置。
【請求項３】第２の定電圧回路とヒータに流れる電流を検出する第２の電流検出回路を有し、第１の定電圧回路のオフ時間に、前記第２の定電圧回路により微弱電圧をヒータに印可し、そのときの電圧値と電流値から求められるヒータ抵抗値より温度を算出する構成とし、ヒータの温度が低下したら第１の定電圧回路をオンするよう制御する請求項１記載のガス検出装置。

【図１】