JP2000146908A - 導電疎水性膜を有するガス・センサ - Google Patents

導電疎水性膜を有するガス・センサ

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JP2000146908A
JP2000146908A JP11314189A JP31418999A JP2000146908A JP 2000146908 A JP2000146908 A JP 2000146908A JP 11314189 A JP11314189 A JP 11314189A JP 31418999 A JP31418999 A JP 31418999A JP 2000146908 A JP2000146908 A JP 2000146908A
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Yousheng Shen
ユウシェン シェーン
Franco Consadori
フランコ コンサドリ
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    • G01N33/004—Specially adapted to detect a particular component for CO, CO2

Abstract

(57)【要約】 【課題】 有毒ガスを検知したことに応答して生成され
る電気信号を有し、特に環境中の一酸化炭素及びその他
の有毒ガスを測定する上で有用な、高精度で寿命が長く
コストの低いガス・センサを提供することである。 【解決手段】 本発明に係るガス・センサは、第1の検
知電極と第2の計数電極とを有し、第1の電極と第2の電
極との間にイオン導電固体電解膜が位置決めされる。第
1の電極に導入された有毒ガスの存在に応答して、また
その濃度変化に応答して変化する電気信号が第1の電極
と第2の電極との間で生成される。検出器回路により、
電気信号が測定され有毒ガスの濃度が求められる。導電
疎水性頂部膜は、第1の電極を検出器回路に電気的に接
続し、同時に水が第1の電極に接触するのを防止する。
導電疎水性底部膜は第2の電極を検出器回路に電気的に
接続する。頂部膜および底部膜は疎水性である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、全般的にはガス・
センサに関し、詳細には、一酸化炭素およびその他の有
毒ガスを検出する改良されたガス・センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】一酸化炭素(CO)およびその他の有毒ガス
を検知するガス・センサは、商業市場および住宅市場か
ら、自動車およびRV車、科学計器まで様々な応用分野で
使用されている。現在、一酸化炭素を測定するいくつか
の技法が知られている。
【０００３】有毒ガス・センサの一種として、液体酸電
解質の使用に基づく電気化学センサがある。この場合、
一酸化炭素がカソードにさらされる。電極に接続された
液体酸電解質は、プロトン導体として働き、カソードと
アノードの間で陽子を搬送する。この反応によって生成
される電気信号は、カソードで検知される一酸化炭素の
濃度に比例する。残念なことに、この種の技法による一
酸化炭素センサは、少なくとも部分的には、酸による腐
食、および液体が時間の経過と共に乾燥することによる
腐食と、液体酸によって生成される信号の固有の制限と
による精度の問題を有する。さらに、このようなセンサ
の酸性度は時間と共に変化する。この種の液体電解質の
酸性度が変化すると、この種のセンサの精度は高速に低
下する。これらの問題に加えて、検出する必要のある有
毒ガスの濃度レベルを測定する場合、センサを横切る方
向へ(通常はDC電源から供給される)電位を印可しなけれ
ばならない。DC電源の一定の印可は、センサを分極させ
る働きをし、したがって、生成される電気信号は、時間
の経過と共にこの分極電圧が変化するにれてドリフトす
る。
【０００４】最近、固体プロトン伝導ポリマー膜の使用
に基づく、より頑丈で低コストで精度の高い電気化学有
毒ガスセンサが開発されている。プロトン伝導膜ベース
の有毒ガスセンサの例には、シェン(Shen)等に付与され
た米国特許第5,573,648号およびシェン(Shen)等に付与
された米国特許第5,650,054号が含まれる。一酸化炭素
などの有毒ガスにセンサがさらされると、電気信号が生
成される。一酸化炭素レベルが高いほど、電気信号が大
きくなる。具体的には、一酸化炭素は、室温で検知電極
において空気中の水分と反応し、以下のように二酸化炭
素、陽子、および電子を生成する。 CO＋H2O → CO2＋2H+＋2e-
【０００５】陽子(水素イオン)は、プロトン伝導電解膜
を計数電極に移動し、そこで以下のように酸素と反応す
る。 2H+＋2e-＋1/2O2 → H2O
【０００６】この種のセンサは、精度がかなり向上する
だけでなく、外部電源によって反応を強制する必要なし
に機能できるという点で有利である。このため、センサ
のコストが削減され、電力消費量が低減する。このこと
は、電池駆動装置にとって有利である。
【０００７】内部電子抵抗を最小限に抑えるために電極
を薄く形成させることが望ましい。シェン(Shen)等に付
与された米国特許第5,650,054号では、1つの電極14は、
センサを通る電機接続を完成するために、必然的に、非
導電膜の周りの集電底部座金と接触するように下向きに
延びる部分を有する。このことは、電極をできるだけ薄
くする目的と矛盾する。
【０００８】このようなセンサを使用する有毒ガス検出
器による測定および精度の向上ならびに応答時間の短縮
を促進するために有毒ガス、特に一酸化炭素の存在下で
生成される機能拡張された電気信号を有する改良された
有毒ガス・センサを提供することが極めて望ましい。電
極が水にさらされないように保護する電気化学有毒ガス
・センサを提供することも極めて望ましい。さらに、広
範囲の温度の下で動作できる改良された有毒ガス・セン
サを提供することが極めて望ましい。自己診断機能を有
する電気化学有毒ガス・センサを提供し、自己較正機能
を有する有毒ガス・センサを提供することも極めて望ま
しい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記のことに鑑みて、
本発明の目的は、有毒ガスを検知したことに応答して生
成される電気信号を有する一酸化炭素およびその他の有
毒ガスを検知するガス・センサを提供し、かつセンサの
電極を水にさらされないように保護することである。本
発明の他の目的は、短い応答時間を有するガス検出器で
使用される一酸化炭素有毒ガス・センサを提供すること
である。本発明の他の目的は、非常に低い温度の下でも
適切に動作するガス・センサを提供することである。本
発明の好ましい態様の他の目的は、センサが正常に機能
していないときにそのことを示す自己診断機能を有する
電気化学有毒ガス・センサ、および/または検知された
環境に存在する有毒ガスの量をセンサが正確に測定して
いるときにそのことを示す自己較正機能を有するセンサ
を提供することである。本発明の好ましい態様の他の目
的は、コストが低く、小型で、製造が容易であり、動作
の信頼性の高い一酸化炭素有毒ガス・センサを提供する
ことである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】検知すべきガスにさらさ
れる第1の検知電極と、第2の電極とを有する、ガス、特
に一酸化炭素およびその他の有毒ガスを検知する低コス
トのセンサが提供される。第1の電極と第2の電極との間
にイオン伝導固体電解膜が位置決めされる。外部環境か
ら第1の検知電極に一酸化炭素などの有毒ガスが導入さ
れると、第1の電極で酸化反応が起こり、陽子および電
子が放出される。陽子はイオン伝導膜を横切って第2の
電極に移動し、そこで酸素および電子と反応し水を形成
する。したがって、有毒ガスの存在に応答して電極同士
の間で電気信号が生成され、この電気信号は有毒ガスの
濃度に比例する。この電気信号を検出回路によって測定
し、ガスの濃度を測定することができる。
【００１１】第1の電極が検知環境に直接さらされるの
を回避するために、検知環境と第1の電極との間に導電
頂部膜が位置決めされる。環境からのガスは導電膜を横
切って拡散し、反応が起こる可能性のある位置を増加さ
せる。また、導電膜は疎水性であり、すなわち水がこの
膜を通過して検知電極に到達し、反応速度に悪影響を与
えることはできない。
【００１２】イオン伝導膜は通常、湿度を検知する。イ
オン伝導電解膜にほぼ一定の水和を施すために水蒸気源
を設けることができる。通常、このような水蒸気源は、
第2電極の後方の、検知電極の対向側に位置決めされた
水容器を備えることができるが、水の存在が反応速度、
したがってセンサによって生成される電気信号に影響を
与えるため、容器の水が第2の電極に接触するのを防止
することに留意しなければならない。さらに、周囲条件
下では水中に陽子(水素イオン)が存在し、水が電極に達
した場合、陽子はプロトン伝導膜を横切り、正確な測定
を阻害する。本発明のセンサは、第2の電極が水にさら
されないように保護するために第2の電極の近傍に位置
決めされた導電疎水性底部膜を有する。しかし、この底
部膜は、疎水性であるが、水容器の水蒸気が底部膜を通
過して電極およびイオン伝導膜に達し、ほぼ一定の水和
を維持するように微孔性でもある。頂部膜および底部膜
はイオン絶縁性を有する。このことは、水中で解離する
陽子がイオン伝導膜に移動することを防止されることを
意味する。
【００１３】測定されるCOレベルまたはその他の有毒ガ
スのレベルはセンサの内部抵抗に依存する。この内部抵
抗は、電極が浸水した場合に影響を受ける。好ましく
は、頂部導電疎水性膜と底部導電疎水性膜は電極同士を
挟持し、電極同士の間にイオン伝導膜を挟持する。これ
らの頂部膜および底部膜は、電極を浸水から保護するだ
けでなく、センサの感度および精度を高める。頂部膜
は、導電性であり、頂部電極と電気信号用の検出器回路
との間の電気接続を完成する。
【００１４】集電頂部座金および集電底部座金は、頂部
膜および底部膜を挟持する働きをする。座金は、導電性
であり、圧力下で圧着されるかあるいはその他の負荷を
受けて適切な電気接続を確保するハウジング内に位置決
めされる。ハウジングは、前述の水容器を保持すること
もできる。
【００１５】他の局面によれば、温度が容器内の液体の
凝固点よりも低くなったときでも固体電解膜を高温に維
持するために発熱体を設けることができる。固体電解膜
の近傍に抵抗素子を位置決めすることができる。dc電源
は、電流を抵抗素子を通過させ、水が液相のままでいる
ように個体電解膜の温度を上昇させるのに十分な熱を生
成する。好ましくは、抵抗素子はセンサの残りの部分と
は導電しない。
【００１６】他の局面によれば、検出器回路に自己診断
機能を組み込むことができる。電源は、センサに電圧を
印可することができ、電源を取り外した後にセンサから
受け取る電気信号の変化率は、センサが適切に機能して
いるかどうかを示すことができる。マイクロプロセッサ
またはその他の適切な電気測定装置は、電源パルスの大
きさおよび所要時間を制御することができ、電気信号の
変化率を測定し、正常なセンサの既知の値範囲と比較す
ることができる。この種の自己診断機能は、たとえばセ
ンサのキャパシタンスを測定することができ、あるいは
センサは、電源が一方の電極で電気化学反応を起こし揮
発性ガスを生成する燃料電池として働くことができる。
センサが正常である場合、電力が除去された後、センサ
は揮発性ガスを消費して電気信号を生成し、この信号が
マイクロプロセッサによって測定され比較される。
【００１７】他の局面によれば、外部に取り付けられた
自己診断機能を設けることができる。第1の電極は、自
己診断機能によって放出された反応性ガスにさらされ、
電気化学反応を起こし、対応する電気信号を生成する。
本発明の外部自己診断センサは、センサ・サンプリング
穴が詰まっているかどうかを判定できるという利点を有
する。放出される反応性化学物質の量は、たとえばマイ
クロプロセッサによって制御することができ、マイクロ
プロセッサはまた、反応性化学物質が導入されたことに
応答してセンサによって生成された電気信号を受け取
り、この信号を正常なセンサの既知のあるいは所定の値
範囲と比較し、出力を生成する。この出力はディスプレ
イに送ることができる。
【００１８】他の局面によれば、センサに自己較正機能
を組み込むことができ、この場合、第1の電極は、有毒
ガス・センサの外部の供給源から放出される測定された
量またはその他の方法で制御された量の反応性化学物質
にさらされる。電気化学反応が起こり、電気信号が生成
される。この受け取られた電気信号を、このような測定
された量の放出の結果として第1の電極で予期される反
応性化学物質の濃度に対応する既知の値と比較すること
ができる。受け取った電気信号と既知の値との間の差を
補償する出力信号を生成することができる。補償は、た
とえば、バイアス電圧やセンサ・パラメータの再較正の
形をとることができる。
【００１９】前述の開示および様々な好ましい態様の以
下の詳細な説明から、当業者には、一酸化炭素およびそ
の他の有毒ガスを検知するガス・センサの技術を著しく
進歩させることが明らかになると思われる。特に重要な
点は、本発明が、低コストで、信頼性および耐久性が高
く、寿命の長い一酸化炭素センサを提供できることであ
る。様々な好ましい態様の他の特徴および利点は、以下
の詳細な説明を読むことによりさらに理解されると思わ
れる。
【００２０】添付の図面は必ずしも一定の比例に縮小し
て描かれているわけではなく、本発明の基本原則を示す
様々な好ましい特徴のいくらか簡略化された表現を示す
ことを理解されたい。たとえば、固体電解膜の断面厚さ
や、導電疎水性膜の特定の組成を含む、本明細書で開示
する有毒ガス・センサの設計上の特定の特徴は、1つに
は特定の所期の応用例および使用環境によって決定され
る。図の態様の形状は、見やすくなり、かつ明確に理解
できるように、他の形状に対して拡大または歪曲されて
いる。特に、図を明確にするために、薄い形状(電極な
ど)の厚さが増大されている場合がある。特に明示しな
いかぎり、方向および位置のすべての参照は、図面に示
す有毒ガス・センサの向きを指す。一般に、横または横
方向は図1の紙面の右方向または左方向を指し、頂部お
よび底部は図1の紙面の対応する方向を指す。図面にお
いて、同じ参照符号は、様々な好ましい態様の同一の特
徴を識別するために使用される。本発明に係る有毒ガス
・センサがその性能に影響を与えずに様々な位置に整列
できることが容易に理解されると思われる。
【００２１】本発明に係るガス・センサにおいては、
（１）第1の電極および第2の電極と、第1の電極にガス
が存在することに応答して第1の電極と第2の電極との間
に電気信号が生成される、第1の電極と第2の電極との間
に位置決めされたイオン伝導固体電解膜と、電気信号を
測定する手段と、第1の電極と、電気信号を測定する手
段とを電気的に接続する導電疎水性頂部膜とを組合せて
備えるガス・センサであることを特徴とする。
【００２２】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（２）ガス・センサであって、第1の電極および第2
の電極と、第1の電極にガスが存在することに応答して
第1の電極と第2の電極との間に電気信号が生成される、
第1の電極と第2の電極との間に位置決めされたイオン伝
導固体電解膜と、第1の電極と第2の電極との間の電気信
号を測定する手段と、電気信号測定手段を第2の電極と
電気的に接続する、疎水性で水蒸気を透過させることの
できる導電底部膜とを組合せて備えるガス・センサであ
ることを特徴とする。
【００２３】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（３）固体電解膜が実質的に、固体過フッ化ポリマ
ーを含む、前記(1)または(2)記載のガス・センサである
ことを特徴とする。
【００２４】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（４）第1の電極および第2の電極がそれぞれ、電子
伝導材料とイオン伝導材料の両方を含む、前記(1)また
は(2)記載のガス・センサであることを特徴とする。
【００２５】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（５）第1の電極および第2の電極が固体電解膜の対
向するそれぞれの側に位置決めされた単一のユニットと
して、第1の電極、第2の電極、およびイオン伝導固体電
解膜が形成される、前記(1)または(2)記載のガス・セン
サであることを特徴とする。
【００２６】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（６）頂部膜と協働してセンサの電気接続を維持す
る頂部座金をさらに備える前記(1)記載のガス・センサ
であることを特徴とする。
【００２７】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（７）頂部座金が、環境からのガスを検知アセンブ
リに到達させるサンプリング穴を有する、前記(6)記載
のガス・センサであることを特徴とする。
【００２８】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（８）頂部膜の近傍に位置決めされた金属スクリー
ンをさらに備え、環境からのガスが、頂部膜に到達する
前に金属スクリーンを通って拡散する、前記(1)記載の
ガス・センサであることを特徴とする。
【００２９】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（９）環境からのガスが、第1の電極に到達する前
に頂部膜を通って拡散する、前記(1)記載のガス・セン
サであることを特徴とする。
【００３０】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１０）検知アセンブリが圧力下で頂部座金と底部
座金との間に組み立てられる、前記(9)記載のガス・セ
ンサであることを特徴とする。
【００３１】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１１）底部座金の底面上に位置決めされた液体容
器をさらに備え、検知アセンブリが、底部座金の頂面上
に液体容器に対向して位置決めされ、底部座金が、液体
容器から蒸発する蒸気を検知アセンブリに到達させる少
なくとも1つの蒸気通し穴を有する、前記(10)記載のガ
ス・センサであることを特徴とする。
【００３２】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１２）頂部座金が第1の電極から物理的に分離さ
れる前記(1)記載のガス・センサであることを特徴とす
る。
【００３３】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１３）さらに、固体電解膜を加熱する手段を備
え、電流が通過するときに加熱される抵抗素子を備える
前記(1)または(2)記載のガス・センサであることを特徴
とする。
【００３４】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１４）底部膜の一面上に位置決めされた水性液体
の容器を備えるハウジングをさらに備え、該容器によ
り、イオン伝導固体電解膜において一定の相対湿度を維
持する水蒸気供給源が提供される、前記(2)記載のガス
・センサであることを特徴とする。
【００３５】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１５）底部膜がイオン絶縁性である前記(2)記載
のガス・センサであることを特徴とする。
【００３６】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１６）イオン伝導固体電解膜で一定の相対湿度を
維持する水蒸気供給源と、水蒸気源とイオン伝導固体電
解膜との間に位置決めされ、水蒸気が通過することを可
能にする少なくとも1つの穴を有する、第2の電極から物
理的に絶縁された導電底部座金とを備える前記(2)記載
のガス・センサであることを特徴とする。
【００３７】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１７）ガス・センサであって、第1の電極および
第2の電極と、第1の電極に反応性ガスが存在することに
応答してイオンが固体電解膜を通じて移動する、第1の
電極と第2の電極との間に位置決めされたイオン伝導固
体電解膜と、センサが適切に動作しているかどうかを診
断し、 A)第1の電極および第2の電極に結合された印可電圧源、
および B)少なくとも一方の電極および印可供給源に結合され、 i)少なくとも1つの試験期間の少なくとも1つの充電部分
中に電極へ所定の印可電圧を印可し、 ii)試験期間の放電部分中に電極の監視電圧を監視する
プログラムされたプロセッサを備える診断装置とを組合
せて備えるガス・センサであることを特徴とする。
【００３８】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１８）印可電圧が、適切に動作するガス・センサ
において、電源を印可している間に一方の電極で反応性
化学物質を生成するのに十分な大きさおよび所要時間の
電圧であり、電源が取り外された後、一方の電極で揮発
性化学物質が酸化され電気信号が生成される、前記(17)
記載のガス・センサであることを特徴とする。
【００３９】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（１９）第1の電極に反応性ガスが存在するとき
に、プログラムされたプロセッサが第1の電極と第2の電
極との間の診断装置の作動を防止する、前記(17)記載の
ガス・センサであることを特徴とする。
【００４０】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（２０）プログラムされたプロセッサが、アナログ
電圧値を対応するデジタル電圧値に変換するために少な
くとも1つの電極に結合された、電気信号を受け取るア
ナログ・デジタル変換器を備える、前記(17)記載のガス
・センサであることを特徴とする。
【００４１】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（２１）プログラムされたプロセッサが、適切に機
能するセンサの所定の値範囲と監視電圧を比較し出力を
生成する、前記(17)記載のガス・センサであることを特
徴とする。
【００４２】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（２２）ガス・センサであって、第1の電極および
第2の電極と、第1の電極にガスが存在することに応答し
てイオンが固体電解膜を通じて移動する、第1の電極と
第2の電極との間に位置決めされたイオン伝導固体電解
膜と、センサが適切に動作しているかどうかを診断し、 A)第1の電極に導入されたときに、第1の電極と第2の電
極との間で電気信号を生成する外部反応性ガス供給源、 B)少なくとも一方の電極および外部反応性ガス供給源に
結合され、 i)制御信号を所定の間隔で外部供給源に送り、反応性ガ
スを第1の電極に放出し、 ii)反応性ガスが第1の電極に放出された後で電極の監視
電圧を監視するプログラムされたプロセッサを備える診
断装置とを組合せて備えるガス・センサであることを特
徴とする。
【００４３】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（２３）プログラムされたプロセッサが、アナログ
電圧値を対応するデジタル電圧値に変換するために少な
くとも一方の電極に結合された、電気信号を受け取るア
ナログ・デジタル変換器を備える、前記(22)記載のガス
・センサであることを特徴とする。
【００４４】また、本発明に係るガス・センサにおいて
は、（２４）ガス・センサであって、第1の電極および
第2の電極と、第1の電極にガスが存在することに応答し
てイオンが固体電解膜を通じて移動する、第1の電極と
第2の電極との間に位置決めされたイオン伝導固体電解
膜と、センサを較正し、 A)第1の電極に導入されたときに、第1の電極と第2の電
極との間で電気信号を生成する外部反応性ガス供給源、 B)少なくとも一方の電極および外部反応性ガス供給源に
結合され、 i)制御信号を所定の間隔で外部供給源に送り、反応性ガ
スを第1の電極に制御された量で放出し、 ii)反応性ガスが第1の電極に放出された後で電極の監視
電圧を監視し、 iii)適切に機能するセンサの所定の値範囲を監視電圧と
比較し、受け取った電気信号と既知の電気信号との間の
差を補正する出力を生成するプログラムされたプロセッ
サを備える較正手段とを組合せて備えるガス・センサで
あることを特徴とする。
【００４５】
【発明の実施の形態】本明細書で開示するガス・センサ
に多数の設計変形態様が可能であることは、本技術領域
の知識を有する者もしくは経験を有する当業者には明ら
かであると思われる。様々な代替特徴および好ましい特
徴ならびに代替態様および好ましい態様についての以下
の詳細な議論では、一酸化炭素を測定するのに適してお
り、住宅または商業ビルディングおよびRV車で使用でき
る一酸化炭素検出器で使用されるガス・センサを参照し
て、本発明の一般原則を示す。この開示を読むことによ
り、科学的応用分野および自動車応用分野を含む他の応
用分野に適した他の態様が明らかになると思われる。
【００４６】次に、図面を参照すると、図1は、好まし
い態様による有毒ガス・センサ10および検出器回路11の
図を示している。検出器回路11は、センサ10の検出器回
路およびその他の機能を調整し制御するためにマイクロ
プロセッサ18などのプログラムされたプロセッサを含む
ことができる。電気信号は、任意選択でアナログ・デジ
タル(A/D)変換器17を通過し、センサ10によって生成さ
れたアナログ電気信号をデジタル値に変換した後に、マ
イクロプロセッサ18またはその他の適切な信号測定装置
によって受け取られる。この電気信号は、一酸化炭素の
検知された濃度レベルに比例する。入力電気信号、通常
は電圧がマイクロプロセッサ18によって測定された後、
出力がディスプレイ、たとえばLEDディスプレイ102およ
び/またはLCDディスプレイ19へ向けて送られ、このディ
スプレイはガスの濃度を通常はppm単位で示すことがで
きる。出力をディスプレイ向けにフォーマットする他の
方法として、センサからの信号が所与の臨界しきい値を
超えており、したがって、有毒ガス濃度が受け入れられ
ないほど高いことを示す場合に、マイクロプロセッサ
は、出力信号をアラーム38、たとえばライトや、ブザー
や、ビーパへ向けて送ることができる。受け入れられな
いほど高いレベルは、たとえば、100ppmの一酸化炭素な
どの絶対値として表わすことができる。あるいは、アン
ダーライターズラボラトリーズ一酸化炭素基準(Underwr
iter's Laboratories Carbon Monoxide Standard)2034
などの仕様を参照して、受け入れられない高レベルを決
定することができる。
【００４７】電源14はたとえば、互いに直列接続され、
かつ当業者に周知の方式で電池の逆方向設置による損傷
を防止するようにダイオード(図示せず)を介して検出器
回路11の残りの部分に接続された、3つの1.5V AA電池で
よい。オペレータが試験ボタン39を押して自己診断機能
を実行し、リード線99に沿ってセンサ10に診断パルスを
送ることができる。自己診断機能については以下で詳し
く説明する。
【００４８】図9は、有毒ガス・センサの一態様の論理
ブロック図を示す。開始Aから、Bで、センサからの入力
信号がマイクロプロセッサによって測定される。マイク
ロプロセッサは、Cで出力信号を生成し、この出力はデ
ィスプレイ向けにフォーマットされ、Dで、ディスプレ
イ19に送られる。判定ブロックEは、COレベルが安全で
ないとみなされるレベル、たとえば100ppmを超えていな
いかどうかを検査する。または、単一の瞬時レベルを検
査する代わりに、判定ブロックEにより、論理ブロックB
でサンプリングされた複数の値の平均が表され、経時的
な濃度を求めることができる。しきい値レベルに達した
場合、Fでアラーム38がトリガされる。
【００４９】たとえば、センサからの電気信号を受け取
るように低入力インピーダンス増幅器103を位置決めす
ることを含む修正を、センサの電気信号がマイクロプロ
セッサに到達する前に電気信号に加えることができる。
高入力インピーダンス増幅器、積分器、発振器など他の
信号条件付け装置を使用することもできる。たとえば、
すべてのマイクロプロセッサはクロック(通常は結晶ク
ロック、独立には図示しない)を有するので、非常に正
確にタイミング間隔を決定することができる。したがっ
て、COに応答してセンサ10によって生成される電気信号
を測定する他の方法は、経時的電圧変化または経時的電
流変化を測定することである。本発明で使用できる適切
なマイクロプロセッサの例には、マイクロチップ テク
ノロジー(MICROCHIP TECHNOLOGY)社から市販されている
8ビットCMOSマイクロコントローラの16cシリーズ中のモ
デル16c22またはその他のマイクロプロセッサが含まれ
る。本発明の開示の利益が与えられた場合、当業者には
他の適切なマイクロプロセッサが容易に明らかになろ
う。本発明の開示の利益が与えられた場合、当業者に
は、センサの電位差を測定する電圧計、およびセンサに
よって生成された電流を測定する電流計を含む他の測定
装置が容易に明らかになろう。
【００５０】測定すべき有毒ガスは、たとえば、触媒の
存在下で室温で酸化することのできるガス、特に一酸化
炭素でよい。他の反応性ガスを検出することができ、そ
のようなガスは、以下で詳しく説明するように、センサ
の外部に取り付けられた診断機能の基礎を形成すること
ができる。有利には、半導体ベースのセンサで必要とさ
れる高熱で反応する多くのガスは、本発明による電気化
学センサでは室温で反応せず、したがって、一酸化炭素
の擬似肯定信号の発生が低減される。
【００５１】図2は、第1の検知電極50と第2の計数電極6
0との間に、これらの電極に電気的に接触するように位
置決めされたイオン伝導固体電解膜40を有する電気化学
有毒ガス・センサ10の好ましい態様を示す。第1の電極
にCOを導入すると電機化学反応が起こる。具体的には、
第1の電極で酸化反応が起こり、COが酸化されて二酸化
炭素となり、反応によって陽子および電子が生成され
る。陽子は、もちろん水素イオンであり、固体電解膜40
を通過して第2の電極60に移動し、そこで電子および酸
素と反応し還元反応で水を形成する。この電気化学反応
は、COの濃度に比例する電気信号を検知電極で生成す
る。センサ10は、リード線15、増幅器103、およびリー
ド線16を介して測定装置に電気的に接続される。測定装
置は、図2では、マイクロプロセッサの一部として形成
されたA/D変換器17を有するマイクロプロセッサ18とし
て示されている。マイクロプロセッサは、A/D変換器17
からのデジタル信号を測定し、検知されたCO濃度レベル
に対応する出力信号を生成する。前述のように、濃度レ
ベルに応じて、ディスプレイおよび/またはアラームに
出力信号を送り、検知されたCO濃度レベルを示す表示を
生成することができる。
【００５２】反応を継続するには、反応部位から陽子お
よび電子を除去し、電極の反応部位にCOおよび水蒸気を
連続的に供給しなければならない。好ましくは、各電極
は混合イオン電子伝導材料を備える。電子伝導材料は反
応部位からの電子を通過させ、それに対してプロトン伝
導材料は反応部位からの陽子を通過させる。このこと
は、電気化学反応および適切な電気信号生成を継続する
うえで重要である。
【００５３】固体電解質40は好ましくは、デュポン(DUP
ONT)社から商標ナフィロン(NAFION)(TM)117の下で供給
されているような膜や、ポールライ(PALL RAI)社のR401
0膜や、ダウ(DOW)社から商標XUS-1304の下で供給されて
いる膜など、ペルフルオロスルフォネートイオノマの膜
を備える。ナフィロン(NAFION)(TM)膜には、ペルフルオ
ロカーボンスルフォネート側鎖を有する骨格状のPTFEが
組み込まれ、膜を介したイオン輸送が容易である。 ナ
フィロン(NAFION)(TM)膜の好ましい厚さは約0.05mmない
し1mmの範囲であるが、これよりも厚さの薄いナフィロ
ン(NAFION)(TM)が市販されている場合はそれを使用する
ことができる。一般に、センサの内部抵抗を最小限に抑
えることが好ましく、したがって、そのようなプロトン
伝導電解膜を薄く、たとえば、0.13mmにすることが望ま
しい。XUS膜は、骨格状PTFEを有するナフィロン(NAFIO
N)に類似しているが、形態[-O-CF2-CF2-SO3ー]のずっと
短い側鎖を含む。他の固体電解質の例は、プロトン伝導
体、固体膜およびゲル-材料と装置(PROTON CONDUCTOR
S,SOLID,MEMBRANES AND GELS-MATERIALS AND DEVIC
ES)、フィリップ コロンバン(Philippe Colomban)編、
ケンブリッジ大学出版(Cambridge University Press)、
1992年に記載されている。本発明の開示による利益が与
えられた場合、当業者には、イオン伝導固体電解質40と
して使用できる他の適切な材料が明らかになろう。
【００５４】ナフィロン(NAFION)(TM)などの固体イオン
伝導電解膜には通常、水が含有されている。飽和状態で
は、膜40の重量の10%が水でよい。ナフィロン(NAFION)
(TM)中の水の量はイオン移動速度に影響を与える。膜
は、大気にさらされた場合、乾燥し、それによってイオ
ン移動温度を変化させ、したがって、センサ10によって
生成される電気信号を変化させる。このことを回避する
ために、好ましい態様では、ハウジング20内に水容器21
が設けられ、この水容器は少なくともある量の水または
その他の水性液体を含む。底部座金26の穴27を通る蒸気
による水22の低速の蒸発によって、十分な水蒸気が供給
され、センサ10は何年もの間、好ましくは少なくとも10
年間、一定の水和状態に維持される。好ましくは、底部
膜31の縁部の周りの漏れを防止するのを助けるために、
穴27を通る蒸気は比較的小さく、かつ比較的小数である
(図2では2つのみ)。
【００５５】イオン伝導膜40ならびに第1の電極50およ
び第2の電極60はそれぞれ、好ましくは、内部イオン抵
抗を低減させるためにできるだけ薄くされる。一例で
は、膜40の厚さは0.13mmであり、各電極50および60の厚
さは0.006mmである。電極50および60は、膜40を含む単
一ユニットとして形成されるように膜40上に配設するこ
とができる。電極50および60は好ましくは、たとえば、
電子伝導材料を形成する白金炭素ミックスと陽子伝導材
料を形成するナフィロン(NAFION)との複合物または混合
物を含むことができる。好ましくは、各電極の10ないし
50重量%はイオン伝導材料を含み、各電極の50ないし90
重量%は電子伝導材料を含む。
【００５６】電極50および60は、1つには、水分子が解
離したために水中に存在するイオンのために、水にさら
されていることを検知する。すなわち、水中では、ある
割合が水酸化物イオンおよび陽子として存在する。存在
する陽子の量は電気化学反応速度に影響を与え、それ
が、センサによって生成される電気信号に影響を及ぼす
可能性がある。第1の電極50が水にさらされないよう保
護するために、導電疎水性頂部膜30は頂部座金23の検知
穴24と第1の電極との間に位置決めされる。頂部膜30
は、センサ内の多数の重要な機能を実行する。この膜が
疎水性であることによって、外部環境からの水が検知穴
を通過して第1の電極50に到達することはできない。頂
部膜30は、導電性であり第1の電極50に直接接触するこ
とによって、第1の電極50を測定装置、マイクロプロセ
ッサ18と電気的に接続する。頂部座金23が第1の電極50
と直接物理的に接触することはない。また、頂部膜は微
孔性であり、COが膜を介して拡散することを可能にし、
第1の電極の反応部位の数を増加させる。
【００５７】同様に、第2の電極60を水容器からの水に
さらされないように保護するために、第2の電極が底部
座金26と直接物理的に接触することのないように、底部
座金26と第2の電極60との間に導電底部膜31が位置決め
される。この膜が疎水性であることによって、水容器21
からの水が穴27を通過して第2の電極60に到達すること
はできない。底部膜31は、導電性であり第2の電極60に
直接接触することによって、第2の電極60を測定装置、
マイクロプロセッサ18と電気的に接続する。底部膜も、
通気性を有するように微孔性であり、そのため、容器21
からの水蒸気が膜を通過して電極50および60および固体
電解膜40に到達することを可能にし、それによって一定
の相対湿度を生成する。本明細書では、疎水性の語は、
膜が水を透過させないことを意味する。膜はまた、好ま
しくは微孔性であり、すなわち、センサが所期されたよ
うに動作するのに十分な量の水蒸気を容器21から固体電
解膜40に至らせるのに十分な透過性を有することができ
る。
【００５８】導電性で疎水性の頂部膜30および底部膜31
の材料の例には、W.L.ゴア アンドアソシエーツ(W.L.G
ore and Associates)社から市販されている商品名カー
ベル(CARBEL)炭素複合物、またはイーテック(E-TEK)社
から市販されているエラット(ELAT)(TM)炭素複合物が含
まれる。好ましい一態様では、カーベル(CARBEL)(TM)複
合物が使用され、頂部膜30および底部膜31の厚さはそれ
ぞれ、0.24mmである。好ましい一態様では、エラット(E
LAT)(TM)が使用され、頂部膜および底部膜の厚さはそれ
ぞれ、0.20mmである。本発明の開示による利益が与えら
れた場合、当業者には、他の適切な導電疎水性膜が容易
に明らかになろう。
【００５９】水に暴露されることは回避すべきである
が、電極および電解導電膜は、電気信号を妨害せずに水
蒸気にさらすことができ、実際には水蒸気が適切に機能
することを必要とする。この違いの理由は、水が液相の
場合とは異なり気相では解離しないことである。具体的
には、陽子と水酸化物イオンとの間の静電引力はかなり
強力である。陽子を水酸化物イオンから分離するには、
陽子と水酸化イオンを多数の水分子で囲まなければ(す
なわち、溶媒和させなければ)ならない。これは、水分
子が非常に高いエネルギーを受けないかぎり、気相では
不可能である。言い換えれば、液相の水には陽子が存在
するが、蒸気相の水には存在しない。頂部膜30および底
部膜31は有利にはイオン絶縁性であり、解離した陽子が
電極および電解膜に到達するのを防止する。本明細書で
は、イオン絶縁性の語は、センサが所期されたように動
作できるように固体電解膜を保護するのに十分な程度に
イオンを透過させないことを意味する。
【００６０】センサが7層サンドイッチを形成し、電解
膜40のそれぞれの側に第1の電極50および第2の電極60が
位置決めされることは理解されると思われる。第1の電
極50の上方に頂部導電疎水性膜30が位置決めされ、第2
の電極の下方に底部導電疎水性膜31が位置決めされる。
サンドイッチを完成すると、頂部膜30の上方に頂部座金
23が位置決めされ、底部膜31の下方に底部座金26が位置
決めされる。好ましくは、このセンサ構成要素は、頂部
座金と底部座金との間に圧力下で組み立てられる。これ
によって、センサの電気伝導性およびイオン伝導性が向
上し、また、底部膜31の縁部の周りで水が漏れるのが防
止される。センサ10を圧力下で装填すると、安定な電気
信号が位置にかかわらずに確実に生成される。頂部座金
と底部座金26との間に弾性シール25を位置決めし、20の
一部を頂部座金30の周りに圧着し、頂部座金を底部座金
の方へ圧搾することができる。シール25は好ましくは、
塩素または硫黄、あるいは触媒電極50および60に悪影響
を与える要素のないゴムである。
【００６１】図3は、有毒ガス・センサの好ましい代替
態様を示す。この場合、検知穴24の後方の開口部を拡大
し、ガス・ディヒューザ28、たとえば、導電疎水性膜30
と頂部座金123との間に位置決めされるステンレス・ス
チール・スクリーンまたはメッシュ28を挿入することに
より、必要に応じて、検知すべきガスをより広く拡散す
ることができる。
【００６２】前述のように、水は固体電解質40に結合
し、水蒸気は一定の相対湿度を維持し、センサの電気信
号を妨害することを回避する必要がある。水性液体の凝
固点よりもずっと低い温度はセンサ性能に悪影響を及ぼ
す可能性がある。図3ないし4は低温動作機能の好ましい
一態様を示す。発熱体32は固体電解質40の周りのリング
を形成する。発熱体32は電源に接続される。電気が発熱
体を通過すると、電流に対する抵抗によって熱が生成さ
れ、この熱が固体電解膜40を高温、好ましくは、液体の
凝固点と沸点の間の温度範囲に維持する。
【００６３】発熱体32は、導電して熱を生成する抵抗素
子37と、発熱体を電解膜40および電極50および60から絶
縁する絶縁素子36とを備える。任意選択で、サーミスタ
101によって検知された温度が、液体の凝固点などある
レベルよりも低くなったときにのみ、マイクロプロセッ
サが電源に、発熱体32に電流を通過させるよう命令する
ように、マイクロプロセッサ18にサーミスタ101を電気
的に接続することができる。本発明の開示の利益が与え
られた場合、当業者には、電解膜のほぼ近傍に位置決め
された発熱体用の他の設計が容易に明らかになろう。
【００６４】本発明のガス・センサと共に多数の自己診
断機能を使用することができる。診断機能は、センサが
適切に機能しているかどうかを判定するための検査を行
う。センサが誤動作しているか、あるいは、水容器から
水が完全に蒸発した場合のように、有効寿命が尽きた場
合、有毒ガス検出器を交換できるように、出力信号をア
ラームに送ってこのことを示す。図5、6、7、および12
では、プログラムされたセンサと共に使用できる2つの
内部自己診断技法について論じる。第1の自己診断機能
をキャパシタンス測定(図5ないし6、12)と呼ぶことがで
き、第2の自己診断機能を燃料電池放電測定(図5、7、お
よび12)と呼ぶことができる。
【００６５】キャパシタに電流が流れ込むと、誘電体に
よって分離された2枚の平行なプレートの間に力が確立
される。エネルギーは蓄積され、入力が除去された後で
も残る。キャパシタに導体(たとえば、ハード配線)を接
続することによって、充電されたキャパシタは電子平衡
を回復し、すなわち、蓄積されたエネルギーを排出する
ことができる。第1の電極50に一酸化炭素やその他の反
応性ガスが存在しないとき、センサ10はキャパシタとし
て動作することができる。図5で、マイクロプロセッサ1
8は有毒ガス検出器11に、リード線99を介してセンサ10
に小さな電圧を短期間の間印可し、たとえば、10Mvを1m
秒間だけ印可するよう命令する。このような電圧をセン
サに短期間の間印可することは、測定可能な電気化学反
応を起こさないという点で重要ではない。しかし、セン
サは、電圧が除去されるまでキャパシタとして働き充電
し、次いで放電し、すなわち、電極同士の間の電圧差は
減少する。マイクロプロセッサ18は、センサにパルスが
印可された後の所与の時間に、センサの電気信号、通常
は電圧を測定する。この場合、この電圧を正常なセンサ
の所定の値範囲と比較することができる。所定の値範囲
は、たとえば、センサが初めて組み立てられ適切に機能
することがわかったときに、パルスが印可された後の所
与の時間にセンサの電圧に基づいて決定することができ
る。所与の時間は、たとえば、電圧が、センサに電圧が
印可される最終間隔に観測されるピーク・レベルから90
%低下するのにかかる時間に基づいて決定することがで
きる。
【００６６】図6は、充電期間および放電期間を含む試
験期間全体にわたって、良好な正常なセンサと、誤動作
を犯したセンサとを比較したグラフである。センサは、
適切に機能する場合、充電および放電の速度が低く、図
6のグラフが示すように、パルスの直後の電圧と時間の
関係は、比較的低い電圧を示し、かつ誤動作を犯したセ
ンサの場合よりも放電に時間がかかる。センサは、適切
に機能しない場合、より高速により高いレベルに充電
し、より高速に放電する。
【００６７】図10は、有毒ガス・センサの内部自己診断
機能の論理ブロック図の一態様を示す。センサは間欠的
な自己診断試験を実行し、自己診断試験を開始するとき
は空気が正常でなければならない。したがって、開始G
から、Hで、事前に設定された間隔、たとえば、数秒(ま
たは1秒の数分の1)から1か月に1回程度の幅の広い間隔
までの任意の範囲内に、カウントダウン・タイマが設定
される。判定ブロックIで、タイマが読み取られる。タ
イマがゼロに達すると、マイクロプロセッサはJでセン
サ10から入力信号をサンプリングする。判定ブロックK
で、センサが正常な空気、すなわちほぼゼロ(たとえ
ば、1ppm未満)を読み取った場合、ステップLで、センサ
に所要時間t2の間、診断パルスが印可される。センサが
ゼロを読み取らなかった場合、所与の値範囲を算出した
ときに存在した条件に初期パラメータが一致するまでプ
ロセスが繰り返される。時間t2は、センサにパルスが印
可される時間の長さである。パルスが終了すると、マイ
クロプロセッサは、Mで、時間t3の間センサから受け取
った信号を監視し、判定ブロックNで、正常に機能する
センサの所定の値範囲とこの信号を比較する。測定は、
時間t3で1度だけ行っても、あるいは一連の所定値範囲
の電圧測定値と比較される一連の測定でもよい。監視さ
れた電圧が、正常に機能するセンサの所定の値範囲の範
囲内でない場合、マイクロプロセッサはエラー信号を生
成することができ、このエラー信号を必要に応じて、た
とえばLCDディスプレイ19(図1)またはアラーム38(ステ
ップO)、あるいはその両方に伝達することができる。セ
ンサが正常に機能している場合、プロセスは単に時間t1
の通常の間隔で繰り返される。水容器が徐々に水性液体
を失うので、水性液体容器は最終的に枯渇することがわ
かっている。容器が枯渇すると、センサのキャパシタン
スは、比較的大きな量、たとえば少なくとも係数2だけ
変化する可能性がある。したがって、所定の値範囲の受
け入れられる値の範囲は、かなり幅が広く、センサによ
って生成される予想されるエラー信号を反映する範囲で
よい。
【００６８】マイクロプロセッサは好ましくは、電気入
力をマイクロプロセッサに向けて送る手動動作可能な試
験ボタン39に接続することもできる。したがって、マイ
クロプロセッサ18は、センサが適切に機能しているかど
うか、あるいは手動試験を実行できるかどうかを自動的
かつ定期的に検査するようにプログラムすることができ
る。電気パルスに印可される時間およびその所要時間
は、当技術分野でよく知られている市販のマイクロプロ
セッサを使用することによって修正し制御することがで
きる。
【００６９】図12のステップLで印可される診断パルス
は、前述のように、比較的小さな電圧の、比較短期間の
パルスでよい。センサが適切に機能しているかどうかを
判定する代替技法として、図5のセンサに電源14から診
断dcパルスを印可することができ、この場合に限り、電
圧はセンサに、電気化学反応が起こるほど長い期間にわ
たって印可され、たとえば、10Mvが10秒間程度印可され
る。(図7参照)。正常なセンサの場合、水蒸気が存在
し、dcパルスが比較的長い期間にわたって印可される場
合、以下の反応が起こる。dcパルスの極性に応じた一方
の電極で、水分子が以下のように変換される。 H2O → 1/2O2＋2H+＋2e-
【００７０】陽子は固体電解膜を移動し、したがって、
他方の電極に水素が形成される。 2H+＋2e- → H2
【００７１】dcパルスからの電流の方向に応じて、第1
の電極50または第2の電極60で還元反応が起こる。図7
は、電気化学反応を起こすのに十分な期間にわたってセ
ンサに印可された十分な大きさの一連パルスのグラフを
示す。dcパルスが終了した後、反応は自動的に逆転し、
センサによって水素が消費され、電気信号が生成され、
センサが正常であるとみなされる。センサが正常ではな
い場合、水素の生成は最小限であるか、あるいは存在せ
ず、センサからの出力は検出されない。前述のように、
マイクロプロセッサ18は、dcパルスの大きさおよび所要
時間を命令することができ、パルスの後にセンサによっ
て生成された電気信号を正常なセンサの既知の値と比較
し、出力信号を生成することができる。この出力信号は
ディスプレイまたはアラームに送ることができる。マイ
クロプロセッサは、センサがすでに一酸化炭素を検知し
ているときにはセンサに電圧を印可しないように自己診
断機能を制御するようにプログラムすることもできる。
たとえば、センサが1ppmなど非常に少量の有毒ガス以外
のものを検出した場合、プログラムされたプロセッサは
自己診断装置の実行を防止することができる。キャパシ
タンス自己診断試験と燃料電池自己診断試験のどちらの
場合も、1回の自己診断試験で十分であり、あるいは複
数回の試験を実行し結果を平均または正規化することが
できる。
【００７２】このような内部自己診断はセンサの正常性
および機能の基本試験に適している。検知穴が詰まって
いるかどうかを検知することのできる自己診断機能を有
するセンサを提供することも望ましい。図8は、センサ
の外部に取り付けられた自己診断機能を有する有毒ガス
・センサの好ましい態様を示す。この場合、センサのサ
ンプリング穴24に反応性化学物質が導入される。反応性
化学物質とは、センサの第1の電極で反応し電気信号を
生成する化学物質を意味する。
【００７３】図11は、外部に取り付けられた自己診断機
能の好ましい一実施形態の論理ブロック図を示す。ステ
ップPないしTは、図10で論じた内部自己診断機能に関す
るステップGないしKと類似しており、自己診断試験同士
の間の時間間隔を設定する働きをし、センサが確実に、
正常な空気を検知するようにし、すなわち、現在は有毒
ガスを検知しないようにする。ステップUで、通常はサ
ンプリング穴の近傍で反応性ガスを放出する(反応性ガ
スの生成を含むことができる)外部供給源に向けて出力
信号が送られる。信号の間隔は時間t2である。ステップ
Vで、マイクロプロセッサは、時間間隔t3でセンサ応答
を測定し、判定ブロックWで、センサから受け取った電
気信号を、正常なセンサの既知または所定の値範囲と比
較する。時間t3は、単一の測定を包含し、単一の所定の
電圧値範囲と比較することができ、あるいは時間間隔t3
にわたって一連の測定を行い、時間t3にわたる各間隔で
一連の所定の値範囲と比較することができる。前述のよ
うに、所定の値範囲は、センサが初めて組み立てられ正
常であることがわかったときに得られたセンサの測定値
に基づいて決定することができる。ステップXで、セン
サに障害が生じ、かつ/またはセンサの有効寿命が尽き
た場合に、アラームまたはディスプレイ、あるいはその
両方に出力エラー信号を送ることができる。センサ信号
応答が、正常に機能するセンサの所定の範囲内である場
合、プロセスを通常の間隔で繰り返すことができる。上
記で指摘したように、たとえば、電気信号を低入力イン
ピーダンス増幅器およびA/D変換器を通過させることに
よって、電気信号をマイクロプロセッサに到達する前に
条件付けることができる。このようにして、マイクロプ
ロセッサは、デジタル値を正常なセンサの既知のデジタ
ル値範囲と比較する。
【００７４】図8は、外部に取り付けられた自己診断機
能を有する有毒ガス・センサの好ましい態様を示す。こ
の場合、反応性ガスはエタノール(C2H5OH)3、すなわち
アルコールである。エタノールの小型タンク90は、有毒
ガス検出器111上のセンサの近傍に取り付けられる。マ
イクロプロセッサ18からの制御信号に応答して、マイク
ロバルブ91が開き、測定されたある量のエタノールをタ
ンクから放出する。エタノールは第1の電極50で反応し
て陽子および電子を形成し、電気信号を生成する。前述
の他の自己診断態様と同様に、マイクロプロセッサによ
って電気信号を測定することができ、出力信号を生成す
ることができ、この信号をディスプレイまたはブザー、
あるいはその両方に送ることができる。好ましくは、セ
ンサの予想有効寿命が尽きた後でも自己診断試験を行う
ことができるように、タンク90内に十分なエタノールが
保持される。本発明の開示の利益が与えられた場合、当
業者には、自己診断システムで有用な水素、オゾン、一
酸化炭素など他の適切な反応性化学物質が容易に明らか
になろう。
【００７５】測定されたある量の反応性化学物質が放出
されると、所与の時間に正常なセンサで所与の測定可能
な電気信号が生成される。この所与の電気信号は、マイ
クロプロセッサに既知の値として蓄積することができ
る。有利には、この場合、自己診断要素は較正機能とし
て働くこともできる。マイクロプロセッサは、測定され
たある量の反応性化学物質を放出させるよう命令する。
この場合、電気信号が生成され、この信号を比較器によ
って、正常なセンサの既知の値範囲と比較することがで
きる。センサからの電気信号が既知の値と同じではない
場合、マイクロプロセッサはこの差を補償するように出
力信号を調整することができる。これはたとえば、バイ
アス電圧を印可するか、あるいは初期パラメータを新し
いゼロ読取り値に再設定することによって行うことがで
きる。
【００７６】ある好ましい態様の上記の開示および詳細
な説明から、本発明の真の範囲および趣旨から逸脱せず
に様々な修正態様、追加態様、およびその他の代替態様
が可能であることが明らかになろう。たとえば、この種
のガス・センサは、一酸化炭素またはその他の有毒ガス
のレベルを監視することが重要な、自動車、RV車、科学
計器に容易に応用することができる。有利には、本明細
書で論じる有毒ガス・センサは、有毒ガス数ppm程度の
公差を有することができる。前述の態様は、本発明の原
則およびその実際的な応用例を最もうまく例示するよう
に選択され記載されており、そのため、当業者は、様々
な態様で、かつ企図される特定の用途に適した様々な修
正と共に、本発明を使用することができる。そのような
修正および変形はすべて、添付の請求の範囲を公正にか
つ合法的に承認された範囲に従って解釈することによっ
て決定される本発明の範囲内の修正および変形である。
【００７７】
【発明の効果】本発明により、第1の検知電極と第2の計
数電極とを有し、第1の電極と第2の電極との間にイオン
導電固体電解膜が位置決めされたガス・センサが提供さ
れた。第1の電極に導入された有毒ガスの存在に応答し
て、第1の電極と第2の電極との間で電気信号が生成され
る。電気信号は、有毒ガスの濃度の変化に応答して変化
する。検出器回路により、電気信号が測定され有毒ガス
の濃度が求められる。導電疎水性頂部膜は、第1の電極
を検出器回路に電気的に接続し、同時に水が第1の電極
に接触するのを防止する。導電疎水性底部膜は、第2の
電極を検出器回路に電気的に接続する。頂部膜および底
部膜は、疎水性であるが、好ましくは、通気性であると
共に、水蒸気を透過させるように微孔性でもある。好ま
しくは、頂部膜および底部膜はイオン絶縁性でもある。
任意選択で、センサは、イオン導電電解膜で一定の相対
湿度を維持するために水容器を備える。センサは発熱体
を有していてもよい。センサが正常に機能していること
を確認する内部および外部の自己診断機能、センサの精
度を確保する自己較正機能も開示する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 COなどの有毒ガスが、本発明に係る有毒ガス
・センサの第1の電極に導入されたときにセンサによっ
て生成される電気信号を測定するために使用される検出
器回路の図である。
【図２】 導電性で疎水性の頂部膜および底部膜が位置
決めされた互いに隣接する電極を示す、本発明に係る電
気化学有毒ガス・センサの好ましい態様の断面図であ
る。図中、I側の反応およびII側の反応はそれぞれ以下
の通りである： I側： CO＋H2O − CO2＋2H+＋2e- II側： 2H+＋2e-＋1/2O2 − H2O
【図３】 頂部座金と頂部導電疎水性膜との間に位置決
めされたスチール・スクリーンと、低温動作機能とを示
す、本発明に係る有毒ガス・センサの好ましい代替態様
の断面図である。
【図４】 イオン伝導電解膜の周りにリングを形成する
図3のセンサの発熱体を示す斜視図である。
【図５】 センサが、センサに電気的に接続された電源
を含む自己診断機能を有する、本発明に係る電気化学有
毒ガス・センサの好ましい態様の断面図である。
【図６】 本発明の自己診断機能を組み込んだ電気化学
センサの電圧と時間との関係を示すグラフである。この
場合、DCパルスが電極に短時間だけ印可され、電気化学
反応は起こっていない。比較のために、適切に機能する
センサの出力と、適切に機能しないセンサの出力が示さ
れている。
【図７】 電気化学反応を起こすのに十分な期間の間セ
ンサにDCパルスを印可したときの、図5によるセンサの
電圧と時間との関係を示し、適切に機能するセンサの出
力電圧を示すグラフである。
【図８】 センサが検知する反応性化学物質を測定され
た量だけ間欠的に放出するためのマイクロプロセッサ制
御マイクロバルブを含む液体容器を備える、センサの外
部に取り付けられた自己診断機能および/または自己較
正機能を有する本発明による有毒ガス・センサの好まし
い代替態様を示す図である。
【図９】 センサの環境に存在する有毒ガスの濃度の通
常の測定および表示の好ましい動作に関するフローチャ
ートの一例を示す図であり、ここでは通常のCO測定のフ
ローチャートを示している。
【図１０】 内部自己診断機能の好ましい動作に関する
フローチャートである。
【図１１】 外部自己診断機能の好ましい動作に関する
フローチャートである。
【符号の説明】
10 センサ、11 検出器回路、14 電源、15 リード
線、16 リード線、17 アナログ・デジタル(A/D)変換
器、18 マイクロプロセッサ、19 ディスプレイ、20
ハウジング、21 容器、22 水、23 頂部座金、24 検
知穴、25 シール、26 底部座金、27 穴、28 ガス・
ディヒューザ、30 頂部膜、31 底部膜、32発熱体、33
リード線、34 リード線、36 絶縁素子、37 抵抗素
子、38 アラーム、39 試験ボタン、40 イオン伝導固
体電解膜、50 第1の検知電極、60第2の計数電極、90
タンク、91 マイクロバルブ、99 リード線、101 サ
ーミスタ、102 LEDディスプレイ、103 増幅器、111
有毒ガス検出器、123 頂部座金
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 599155257 2191 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｒｉｖｅ，Ｒ ｏｃｈｅｓｔｅｒ Ｈｉｌｌｓ，Ｍｉｃｈ ｉｇａｎ，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 コンサドリ フランコ アメリカ合衆国 ユタ州 ウエスト バレ ー シティー サフォーク サークル 3735

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガス・センサであって、 第1の電極および第2の電極と、 第1の電極にガスが存在することに応答して第1の電極と
    第2の電極との間に電気信号が生成される、第1の電極と
    第2の電極との間に位置決めされたイオン伝導固体電解
    膜と、 電気信号を測定する手段と、 第1の電極と、電気信号を測定する手段とを電気的に接
    続する導電疎水性頂部膜とを組合せて備えるガス・セン
    サ。
  2. 【請求項２】 ガス・センサであって、 第1の電極および第2の電極と、 第1の電極にガスが存在することに応答して第1の電極と
    第2の電極との間に電気信号が生成される、第1の電極と
    第2の電極との間に位置決めされたイオン伝導固体電解
    膜と、 第1の電極と第2の電極との間の電気信号を測定する手段
    と、 電気信号測定手段を第2の電極と電気的に接続する、疎
    水性で水蒸気を透過させることのできる導電底部膜とを
    組合せて備えるガス・センサ。
  3. 【請求項３】 固体電解膜が実質的に、固体過フッ化ポ
    リマーを含む、請求項1または2記載のガス・センサ。
  4. 【請求項４】 第1の電極および第2の電極がそれぞれ、
    電子伝導材料とイオン伝導材料の両方を含む、請求項1
    または2記載のガス・センサ。
  5. 【請求項５】 第1の電極および第2の電極が固体電解膜
    の対向するそれぞれの側に位置決めされた単一のユニッ
    トとして、第1の電極、第2の電極、およびイオン伝導固
    体電解膜が形成される、請求項1または2記載のガス・セ
    ンサ。
  6. 【請求項６】 頂部膜と協働してセンサの電気接続を維
    持する頂部座金をさらに備える請求項1記載のガス・セ
    ンサ。
  7. 【請求項７】 頂部座金が、環境からのガスを検知アセ
    ンブリに到達させるサンプリング穴を有する、請求項6
    記載のガス・センサ。
  8. 【請求項８】 頂部膜の近傍に位置決めされた金属スク
    リーンをさらに備え、環境からのガスが、頂部膜に到達
    する前に金属スクリーンを通って拡散する、請求項1記
    載のガス・センサ。
  9. 【請求項９】 環境からのガスが、第1の電極に到達す
    る前に頂部膜を通って拡散する、請求項1記載のガス・
    センサ。
  10. 【請求項１０】 検知アセンブリが圧力下で頂部座金と
    底部座金との間に組み立てられる、請求項9記載のガス
    ・センサ。
  11. 【請求項１１】 底部座金の底面上に位置決めされた液
    体容器をさらに備え、検知アセンブリが、底部座金の頂
    面上に液体容器に対向して位置決めされ、底部座金が、
    液体容器から蒸発する蒸気を検知アセンブリに到達させ
    る少なくとも1つの蒸気通し穴を有する、請求項10記載
    のガス・センサ。
  12. 【請求項１２】 頂部座金が第1の電極から物理的に分
    離される請求項1記載のガス・センサ。
  13. 【請求項１３】 さらに、固体電解膜を加熱する手段を
    備え、電流が通過するときに加熱される抵抗素子を備え
    る請求項1または2記載のガス・センサ。
  14. 【請求項１４】 底部膜の一面上に位置決めされた水性
    液体の容器を備えるハウジングをさらに備え、該容器に
    より、イオン伝導固体電解膜において一定の相対湿度を
    維持する水蒸気供給源が提供される、請求項2記載のガ
    ス・センサ。
  15. 【請求項１５】 底部膜がイオン絶縁性である請求項2
    記載のガス・センサ。
  16. 【請求項１６】 イオン伝導固体電解膜で一定の相対湿
    度を維持する水蒸気供給源と、 水蒸気源とイオン伝導固体電解膜との間に位置決めさ
    れ、水蒸気が通過することを可能にする少なくとも1つ
    の穴を有する、第2の電極から物理的に絶縁された導電
    底部座金とを備える請求項2記載のガス・センサ。
  17. 【請求項１７】 ガス・センサであって、 第1の電極および第2の電極と、 第1の電極に反応性ガスが存在することに応答してイオ
    ンが固体電解膜を通じて移動する、第1の電極と第2の電
    極との間に位置決めされたイオン伝導固体電解膜と、 センサが適切に動作しているかどうかを診断し、 A)第1の電極および第2の電極に結合された印可電圧源、
    および B)少なくとも一方の電極および印可供給源に結合され、 i)少なくとも1つの試験期間の少なくとも1つの充電部分
    中に電極へ所定の印可電圧を印可し、 ii)試験期間の放電部分中に電極の監視電圧を監視する
    プログラムされたプロセッサを備える診断装置とを組合
    せて備えるガス・センサ。
  18. 【請求項１８】 印可電圧が、適切に動作するガス・セ
    ンサにおいて、電源を印可している間に一方の電極で反
    応性化学物質を生成するのに十分な大きさおよび所要時
    間の電圧であり、電源が取り外された後、一方の電極で
    揮発性化学物質が酸化され電気信号が生成される、請求
    項17記載のガス・センサ。
  19. 【請求項１９】 第1の電極に反応性ガスが存在すると
    きに、プログラムされたプロセッサが第1の電極と第2の
    電極との間の診断装置の作動を防止する、請求項17記載
    のガス・センサ。
  20. 【請求項２０】 プログラムされたプロセッサが、アナ
    ログ電圧値を対応するデジタル電圧値に変換するために
    少なくとも1つの電極に結合された、電気信号を受け取
    るアナログ・デジタル変換器を備える、請求項17記載の
    ガス・センサ。
  21. 【請求項２１】 プログラムされたプロセッサが、適切
    に機能するセンサの所定の値範囲と監視電圧を比較し出
    力を生成する、請求項17記載のガス・センサ。
  22. 【請求項２２】 ガス・センサであって、 第1の電極および第2の電極と、 第1の電極にガスが存在することに応答してイオンが固
    体電解膜を通じて移動する、第1の電極と第2の電極との
    間に位置決めされたイオン伝導固体電解膜と、 センサが適切に動作しているかどうかを診断し、 A)第1の電極に導入されたときに、第1の電極と第2の電
    極との間で電気信号を生成する外部反応性ガス供給源、 B)少なくとも一方の電極および外部反応性ガス供給源に
    結合され、 i)制御信号を所定の間隔で外部供給源に送り、反応性ガ
    スを第1の電極に放出し、 ii)反応性ガスが第1の電極に放出された後で電極の監視
    電圧を監視するプログラムされたプロセッサを備える診
    断装置とを組合せて備えるガス・センサ。
  23. 【請求項２３】 プログラムされたプロセッサが、アナ
    ログ電圧値を対応するデジタル電圧値に変換するために
    少なくとも一方の電極に結合された、電気信号を受け取
    るアナログ・デジタル変換器を備える、請求項22記載の
    ガス・センサ。
  24. 【請求項２４】 ガス・センサであって、 第1の電極および第2の電極と、 第1の電極にガスが存在することに応答してイオンが固
    体電解膜を通じて移動する、第1の電極と第2の電極との
    間に位置決めされたイオン伝導固体電解膜と、 センサを較正し、 A)第1の電極に導入されたときに、第1の電極と第2の電
    極との間で電気信号を生成する外部反応性ガス供給源、 B)少なくとも一方の電極および外部反応性ガス供給源に
    結合され、 i)制御信号を所定の間隔で外部供給源に送り、反応性ガ
    スを第1の電極に制御された量で放出し、 ii)反応性ガスが第1の電極に放出された後で電極の監視
    電圧を監視し、 iii)適切に機能するセンサの所定の値範囲を監視電圧と
    比較し、受け取った電気信号と既知の電気信号との間の
    差を補正する出力を生成するプログラムされたプロセッ
    サを備える較正手段とを組合せて備えるガス・センサ。
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