JPS6024426B2 - 非導電型極性ガス検出方法及び検出素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は気体状生成物検出方法及び環境組成分の検出素
子に関する。

従来の燃焼検出器は発熱式、燃焼炎式、光電式、イオン
化チヱンバー方式、金属酸化物又はポリマー状有機物質
の半導体検出器方式、電解セル方式などによる燃焼特性
センサーに応答する。

本鍔き緑酸鱗麓鯵あ命をと−仇を越えるとともに事実上
双極子−水素結合力を有しない（５．０エルグ／地より
４・さく好ましくは１エルグ／係以下）高感度の非導電
性センサーを既に開発している。

上記の表面抵抗率は１×１び５オーム／地を越え又体積
抵抗率は相対湿度５０％（５０％Ｒ．日．）で１×１び
５オーム一触よりも大きいことが望ましい。ポリマー系
の有望な材料はポリ四フッ化エチレン（ＴＦＥ）、バー
フロロアルコキシ（ＰＦＡ）、フッ化エチレン−プロピ
レン（ＦＥＰ）等の商標名テフロンで市販されている材
料、ポリスチレン、ポリエチレンが挙げられる。

これらの物質は燃焼によって発生する極性ガス分子を吸
収して検出可館な誘導電荷を生ずる。プローブ又は電極
も燃焼生成物等によるイオン基及び荷電※泣子がその表
面に近づくとこれを感知する。本発明は特殊な荷電状態
にされ電荷増強用の電界を形成するために電気的双極子
、電気的単極子の双方又は一方を含む非導電性センサを
提供する。

この場合の電界によって材料表面又は好ましくはその内
部に集積する双極子又は電荷を整列せしめることが可能
である。有用な材料としてポリ四フッ化エチレン（テフ
ロン ＴＦＥ）、パーフ。ロアルコキシ樹脂（テフロン
ＰＦＡ）、フッ化ヱチレンプロピレン共重合体（ＦＥ
Ｐ）、ポリスチレン、ポリエチレン等がある。これらの
材料の体積抵抗率及び表面抵抗率は高いので、長時間に
わたって鰭荷を保持するのに重要なはたらきをする。こ
れらの材料の吸水率及び水に対する吸着特性は小さい。
これら非導電材料は適宜の技法で帯電させることができ
る。燃焼生成物に対する電気的応答は初期パルスに続い
て、非荷電状態の非導電性吸着形センサー材料では生じ
ない特有のランプ応答関数の増大が起きる。

一の好適例を示すと、導函性基板は支持体及びその裏面
の接続用ボルトを有しこの基板に一体化されシールドア
ースとしてはたらく適当な外部導体内に装定されてプロ
ーブが形成される。

外部導体はプローブから離間されてプローブを吸着検出
素子として機能させる形式が探られている。別の例では
、外部導体及びシールドアースはプロープに近接配置す
るか又は平板電極を付設して容量形センサーとなしシー
ルドアースに対する電界強度を高感度の容量形の応答を
するようにしている。上記の信号の大きさは、良好な特
性の電位計を有する高入力インピーダンス装置が用いら
れる程度である。出力信号の検出器としては米国特許第
・ ３７払２１叫号、同第３擬嬰６３号等に開示された
ものが用いられ得る。一方、非荷電形のプローブよりも
有効出力信号を大きくするためには増幅度をかなり小さ
くする必要がある。本発明は燃焼等環境生成物に含まれ
る粒子及びガス状媒体を高感度で検出可能にするもので
ある。

本発明の実施例に関する添付図に従って以下説明する。

第１−２図において、検出プローブ１は支持用金属基板
２、対向しいずれか一面のみを検出用反応表面とした表
面３及び４を有する。一対の接地されたカップ状多孔板
又は電極６及び７を有する外部支持ハウジング又はケー
スはプローブ１とシールドとの間の自由空間を形作る。
多孔８は周辺環境とこの自由空間との事実上自由な流通
従って表面３との接触を可能ならしめる。第１図のプロ
ープ１は、ＦＥＰ又はＰＦＡテフロン等の接着剤９、シ
リコーン接着剤などによって固着された被膜又は薄膜状
材料であり得る反応表面３−４を導電材料である金属基
板２に一体的に固着している。

支柱又はボルト１１はプローブ１の支持体をなすととも
に回路コネクタとなり得る。第２図の高入力インピーダ
ンス検出器及び処理回路１２は警報回路１３等への適宜
の出力を送り出すのに用いられると好適である。各表面
３及び４は永久的な電界を作り出す荷電状態の絶縁性又
は誘電材料となる電気的素子である。

この電界は電気的双極子の整列によって生じたり誘電材
料内部又はその表面に過剰電荷が存在しているために生
ずる。この謎電材料はそれ自体が電気的双極子又は単極
子の両方を含み得るという点で分極の機構が磁性材料よ
りも多様になることを除け‘よ永久磁石の静電的類推が
可能である。誘電素子の寿命がその電荷保持能力の関数
であるところから素子による電荷の保持は極めて重要で
ある。この電荷保持能力を支配する電気的材料の基本的
特性はその電気抵抗率である。一般的に言って、この材
料は長時間にわたって電荷を保持するために体積抵抗率
及び表面抵抗率が高くなければならない。体積抵抗率は
５０％ＲＨ（相対湿度）で１×１び２オーム−仇より大
きく又表面抵抗率は５０％ＲＨで１×１びｏオーム／地
よりも大きくなければならない。好適な体積抵抗率は１
×１び５オーム一触を、表面抵抗率が１×１び５オーム
ノのをそれぞれ越える。実用的には、９５％ＲＨまでの
相対湿度下で２４時間曝露されたときの重量的に求めう
れる吸水率が低い（９５％ＲＨで１％以下）ことが要求
される。

この誘電素子材料の表面エネルギー成分は、双極子−水
素間結合力による寄与の最も４・さし、すなわち表面の
極性基が最も少ない分散結合力に主として基因すること
が望ましい。ｈ／ｓの値は５．０エルグ／係より小さい
ことが望ましい。代表的な譲軍材料としてポリ四フッ化
エチレン（テフロンＴＦＥ）、ポリスチレン、ポリエチ
レンを挙げることができる。その他に、フツ化エチレン
プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、パーフロロアルコキシ
樹脂（テフロン ＰＦＡ）、アイオノマー樹脂、ポリプ
ロピレン等がある。さらに他の、荷電状態になってから
この電荷を保持し得る絶縁性又は譲露材料も用いられる
。感知（検出）機構は本質的に倍増される、すなわち誘
電材料は、ｍ非荷電形の誘電体センサーのごとく吸着体
としてはたらき、又■静電形の検出反応を行うはたらき
をする。

この素子はその検出性能が静電的なクーロン引力にもさ
らに左右される点で単純な吸着体とは異なる。素子材料
に関連する電界は非荷電状態の譲蚤材料に関連する吸着
及び電荷検出現象を増幅する。

非荷電状態の吸着性能の上記素子による増幅は、この素
子に関係する電界の作用で、吸着されている極性ガス分
子が整列させられこれにより譲導電界の効果を増大させ
ることに基づくと考えられる。この電界は又、帯電ェア
ロゾル、イオン基、極性ガス分子を吸引する能力をも有
する。センサーの自由空間内に存在する極性ガス分子に
関連する吸引度は勿論、クーロン力の度合に左右され、
このクーロン力は極性ガスに関連する熱ェネルギよりも
大きくなり得る。上記の第２の静電形検出反応は第３図
及び第４図に示すごとく生成物が異なると検出プローブ
の応答も著しく変化してくる。

第３図及び第４図は各々、２つのグラフからなりそのう
ちの曲線Ａは各試験サンプルに対していぶした綿製灯心
を米国アンダーライター・ラボラトリース（ＵＬ）のス
モークチャンバーに挿入して経時応答を見たときの同様
な応答不明瞭化のカーブ１５，１６を表わしている。

曲線Ｂはプローブの応答又は信号特性のカーブ１７，１
８である。荷電形誘電体プロープにおけるカーブには初
期パルス２１とこれに続く長いランプ関数信号が出現す
る。このランプ信号２２は一定値２２ａに到達する。こ
の結果、増幅器が飽和していると増大し続けることがあ
る。反対に、非荷電状態のプロープでは初期パルス２３
のあとで事実上一定で大体減少していく出力信号部分２
４が現われる。吸着による強化（ェンハンスメント）電
界をそなえた荷電状態の誘電体はこうして連続的な応答
を持続する電界を有しており明白に異つた感度特性を生
じていることが分かる。この荷電した誘電体は様様な有
毒及び無害な極性ガス及び荷電粒子を含む燃焼空気汚染
物によって生成された生成物の広範なスベクトラムを検
出可能にする。このように連続的な感度特性をもつた誘
電体形検出プローブはくすぶりかけの状態でも燃焼状態
の検知が可能である。検出用素子の表面で樋性ガスの吸
着が増幅的に行われると、素子検出表面に誘導される電
荷の量が増大する。

この電荷を検知測定するために、電位計の特性の良好な
高入力インピーダンス検出回路が一般に要求される。一
方、この増幅器の利得は非議電形吸着体センサーの場合
に比べてはるかに小さい。この結果、誘電体形検出回路
の複雑さと製作コストは著しく低減される。概して言え
ば、前述した米国特許に開示されている出力信号検出ユ
ニットは本発明に用いて満足な結果をもたらし得る。誘
電素子の形成には公知の様々な技法が用いられる。

古典的な熱電方式を用いると、加熱されている絶縁体に
強い電界をかけてからこれを冷却させて双極子の整列を
図る。双極子は適当な強議電体材料を圧縮したり伸長す
ることによって形成することもできる。電荷注入をコロ
ナ放電又は電子ビームで行うこともできる。誘電素子は
、図示された接地用シールド部材によって形成されるよ
うな包囲体に函鏡されてイオンからシールドすることが
好ましい。

電荷注入された誘電素子は適切なシールドによって数百
年の寿命を保つものを形成できるので長寿命の使用を要
する場合に有効である。本発明は、汚染成分と荷電状態
の材料により生じる電界との相互作用の結果として信号
変化が増強されるごとき荷亀状態の誘電材料を用いるこ
とで顕著な効果を得ることを可能とする。

前述のように、シールド要素６はブローフュニット１に
近接配置して燃焼生成物等の環境成分を検出するコンデ
ンサ型センサーを形成し得る。

コンデンサ型センサーは第５図に示すような独特の構成
を探ることができる。第５図において、別体であってブ
ローブリード線２６とは異なる電位のコンデンサ極板２
５がブローフュニットー特に検出表面４に近接配置され
ている。

この極板２５は支持体でもあり得る連結用支柱を含む。
極板２５は又接地電位その他の基準電位に接続されても
よい。

第５図は誘電素子検出表面４とコンデンサ極板２５との
間の自由空間を規定するために他の容量型形状になし得
るが平行平板コンデンサを示す。第５図の構成は非容量
型のプローフ検出システムに対する付加的な検出機構を
形作る。検出表面４における吸着応答及び、表面４への
樋性ガス分子の電荷の多重層又は生成層の発生に基づく
応答が第５図の構成においても生ずる。第５図の例によ
れば、センサーはコンデンサの一面が前述した双極子に
接続されている。この付加された極板２５はコンデンサ
の対向極板となる。従って、極板２５がリード線２６に
接続されていてもコンデンサュニット内での荷電分布を
変化するコンデンサ極板としてリード線２６の電圧に影
響を与える回路を規定しておりこの結果ユニット全体の
容量特性が全体として変化する回路を構成しているもの
である。さらに、コンデンサーの形状は、非荷電状態の
ガス分子とだけでなく鰹中の特定の物質と相互作用して
この特定の物質及びガス分子に誘導による双極子モーメ
ントを生成させる大きさの強電界を発生する。この強電
界によって分子中及び粒子中の正負の電荷は分離される
複向をもつに至る。センサーの板状要素を互いに近接配
置してコンデンサ型センサーを形作ることにより、電界
強度は有効かつ動作可能な誘導分極を粒状物質に生ぜし
めるレベルにまで増大する。一例を示すと、代表的な動
作レベルでは譲函素子は約４７６ボルト／均（３０００
ボルト／平方ィンチ）の電位が約３．２肋（８分の１イ
ンチ）程度ブローフから離れた処に生じ、これが著しい
電界の増大さらに粒状物質及びガス分子中の誘導による
双極子の運動を生ぜしめることになる。上述のようにセ
ンサーのかなりのレベルへの帯電によって応答の面での
向上が期待され得るが、これは例えば検出用コンデンサ
の電界強度が３１５０×１ぴボルト／Ｍ程度にまでなる
と特に顕著であることが分かっている。煙が上記の電界
中に入ると分極されて大きさが等しい正の誘導電荷と負
の誘導電荷が生ずる。

この過程で、煙中の電子は平衡状態からずれて誘導分極
による双極子Ｐ−Ｎｑｄを生ずる。この誘導による煙の
電荷はこれによって生ずる誘電素子の電界Ｅｓがコンデ
ンサの電界Ｅｏに対向するように現われる。結果的なコ
ンデンサ電界ＥはＥｏとＥｓとの合計であり、誘導によ
る煙の分極はコンデンサの元の外部電界を弱める煩向が
あるのでこれによって小さくなるということを除いて、
Ｅｏと同じ樋性をもつ。コンデンサの電界の弱まりはそ
れ自体コンデンサの極板同士の電位差の低減を示す。こ
こで、電圧をＶ，Ｅを電界強度さらにｄを距離とすると
、Ｖ−Ｅｄとなる。第６図に示すように、連続的に増大
するランプ（ｒａｍｐ）としてコンデンサ型センサーが
応答することを示す。ガス分子及び粒子中の譲導による
双極子の運動はこうしてカーブ２７の特性をなめらかに
する煩向従って最初の煙の電荷２８（第６図）を検出し
た後世力の低下を防ぐ煩向をもつ。鰹中の分子の譲導分
極も又その構造に照らして述べることができる。

外部電界のないときには、分子の電気的形状は正常であ
る。コンデンサの電界内にあると、電子雲の電気的形状
は変形された極性形状にずれてくる。このずれは、荷電
した極板の電界による電子雲に対する力と電荷同士のク
ーロン力による電子雲に対する力とがバランスして安定
な平衡が存在することになるように生ずる。ここでＦＥ
＝Ｆｃ （式１）Ｆ８＝ＮｑＥ
（式２）ＦＣ＝鰐器３ （式３
）とすると、 ＮｑＥ＝４砦孝詩３ （式４） ４汀ご沢笹＝Ｎｑｄ （式５）とすると、分
子の双極子モーメントはそれ故次のごとく記述される：
Ｐ＝Ｎｑｄ＝４ｍどぶ３Ｅ＝ＥＱ （式６）ここに
、Ｑ＝４汀どぶ３ （式７）は分子の電子分極
率である。

この分極率Ｑは分子の電荷数Ｎ‘こよるというよりもむ
しろ分子の半径Ｒに依存するように見える。従って電界
の大きさを制御することにより、検出すべき粒子の大き
さを選択調節できることになる。双極子モーメントはコ
ンデンサ電界の強度に比例すると考えてよい。上記の現
象は議蟹分極〆カニズムを含めて、コンデンサの相対譲
亀率の変化として説明することもできる。

煙が通過すると荷電したコンデンサの極坂間に誘電体を
形成するとともにこのコンデンサの相対誘電率の変化を
生ずる。この譲霞率の変化はコンデンサの極板間の電界
強度の従ってその間の電圧の変化を生ぜしめる。誘電体
面に煙が存在していないとき、ガウスの定理から次のよ
うに表現し得る：ここで Ｓ＝煙の感度 Ｄ＝コンデンサの露東密度 Ａ＝コンデンサの面積 ごｏ ＝誘電体の誘電率 ごｒ＝誘電体の相対誘電率 Ｅ＝コンデンサの電界強度 Ｖ＝コンデンサの電圧 ｄ＝コンデンサ極板の間隔 Ｑｃ＝Ｑｏ＝ごｏ ＪＥ・松＝ごｏＥｏＡ （式８）
Ｑ （式９）Ｅｃ＝Ｅｏ＝をＸ 誘電体面に煙が存在すると Ｑｃ＝Ｑｏ−ＱＦごｏ ＪＥ・ｄｓ＝ご沢ぶ（式１０）
Ｑ − Ｑｉ （式１１）Ｅｃ＝六
不 どｏＡ葦刊ＥＣ＋芸 （式１２） Ｄ＝‘忍ｃ＋Ｐｉ （式１３）ここ
にＤ＝Ｑ。

／Ａは霞東密度Ｅ＝Ｖ／ｄは電界強度 ＰＦＱｉ／Ａは譲導による分極。

一方、 Ｄ＝ど。

ごｒＥ （式１４）であるからＤ
＝ご。

ごｒＥ＝ど。Ｅ十Ｐｉ （式１５）Ｐｉ＝ご。
（どｒ−１）Ｅ （式１６）又はザ・十誌
（式１７）煙の検出はコンデンサ電界におけ
る誘導分極により行われるので、検出器の粒子及び液滴
感度はコンデンサ面の電荷に比例する。

ＳのＱＣニＱ。

‐ＱｉニＤＡニご。ＥｒＥＡ＝ご。＾．￥．Ａ （
式１８）本発明の特色は、一様に帯電した誘電材料のか
なり広い面積がガス状生成物に露呈せしめられるととも
にその帯電状況の変化を検出する手段と結合された点で
ある。

この面積が大きくなると、全面にいくつかの検知ユニッ
トを分布させてこれらを信号処理回路又は個別的な処理
回路に接続することもできる。

本発明はさらに寿命が永く信頼性が高い比較的低廉なユ
ニットでありながら非導電型のセンサーの利用を促進し
たもので、その応用範囲は環境汚染生成物又は煙が帯電
表面要素と相互作用してその表面電荷の変化を生ずるも
のであれば全て利用し得るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による検出プロープの都分破断側面図、
第２図は第１図のプローブをそなえた火災検出器のブロ
ック図、第３図は帯電した誘電体のガス分子に対する感
度を示すグラフ、第４図は帯電していない譲蟹体の第３
図と同様のグラフ、第５図はコンデンサ型センサーにお
ける本発明によるプローブ、第６図は第５図に対応する
第３図又は第４図と同様のグラフである。 １・・・・・・検出プローブ、２・・・・・・極板、３
，４・・・・・・反応表面、５・・・・・・ハウジング
又はケース、６，７・・・・・・電極又は多孔板、８・
・・・・・多孔板、９・・・・・・接着材層、１１・・
・・・・支柱又はボルト、１２・・・・・・信号処理回
路、１３・…・・警報回路。 ＦＩＧ．ｌ ＦＩＧ．２ ＦＩＧ．３ ＦＩＧ４ ＦＩＧ．５ ＦＩＧ．６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガス状生成物が発生する環境に自由空間を接して露
   呈された検出表面を備える検出プローブと上記検出表面
   に結ばれ該表面の電位を出力手段に接続して環境汚染物
   の存在に応じて電気的信号を発生せしめるための電気的
   信号リード線とを用いた環境ガス生成物の検出方法であ
   つて、上記検出表面を電荷増強用電界を発生する電荷を
   もつた誘電材料で形成し、該誘電材料の体積抵抗率を相
   対湿度５０％で１×１０＾１２オーム−ｃｍより大きく
   又相対湿度９５％で吸水率を１重量％より小さいものと
   なし、上記誘電材料の表面に双極子−水素結合力の寄与
   が最小の分散結合力に主として基因する表面エネルギー
   成分を付与し、上記誘電材料が上記汚染物と反応して環
   境中の汚染生成物に関連する検出可能な電気的出力を発
   生するようになしたことを特徴とする上記検出方法。 ２ 上記誘電材料が上記電荷を形作る電気的単極子を含
   むことを特徴とする上記１記載の方法。 ３ 上記誘電材料が上記電荷を形成する整列状態の双極
   子を含む上記１又は２記載の方法。 ４ 上記誘電材料が部分的又は全体的にポリ四フツ化エ
   チレン（ＴＦＥ）、パーフロロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ
   ）、フツ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ、）ポリスチレ
   ン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アイオノマー樹脂
   から選択されたものからなる上記１ないし３のいずれか
   に記載の方法。 ５ 上記誘電材料は検出表面に電界を生ずる表面電荷を
   有してなる上記１ないし４のいずれかに記載の方法。 ６ 上記誘電材料は検出表面に電界を生ずるトラツプ型
   電荷を有してなる上記１ないし５のいずれかに記載の方
   法。 ７ 環境汚染生成物の存在を検出する容量型検出装置で
   あつて、非導電性の自由空間を間に挾んで離隔された一
   対の容量型電極手段を含む容量型検出ユニツト、上記電
   極手段のうち少なくとも一方は対向する電極から離間し
   電界が加えられる自由表面を形成している帯電型の誘電
   材料を有し、該誘電材料はその体積抵抗率が相対湿度５
   ０％で１×１０＾２オーム−ｃｍよりも大きく又その吸
   収率が相対湿度９５％で１重量％より小さいとともに電
   荷増強用電界を発生する電荷をもつた材料からなり、上
   記誘電材料の表面に双極子−水素結合力の寄与が最小の
   分散結合力に主として基因する表面エネルギー成分を有
   し、又上記誘電材料は汚染生成物と相互作用して上記容
   量型検出手段の電気的出力を変化する活性材料を規定し
   ており、さらに上記容量型検出手段に接続されてその増
   幅出力を発生せしめるための高入力インピーダンス手段
   をそなえた増幅手段によつて構成されたことを特徴とす
   る上記検出装置。 ８ 上記誘電材料は上記電荷を生ずる電気的単極子を有
   してなる上記７記載の装置。 ９ 上記誘電材料は上記電荷を生ずる整列状態の双極子
   を有してなる上記７又は８記載の装置。 １０ 上記誘電材料はその一部分又は全体がポリ四フツ
   化エチレン（ＴＦＥ）、パーフロロアルコキシ樹脂（Ｐ
   ＦＡ）、フツ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリス
   チレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アイオノマー
   樹脂かな選択されることからなる上記７ないし９のいず
   れかに記載の装置。 １１ 上記誘電材料は検出表面に電界を生ずる表面電荷
   を有することからなる上記７ないし１０のいずれかに記
   載の装置。 １２ 上記誘電材料は上記検出表面に電界を生ずるトラ
   ツプ型電荷を有している上記７ないし１１のいずれかに
   記載の装置。 １３ 上記電極手段の他方は一方の電極手段をとり囲む
   接地された導電部材からなり、この部材には電極手段同
   士の間を比較的自由に運動して上記活性材料と接触し得
   るように多孔が形成されており、上記一方の電極手段は
   他方の電極手段に収設され対向両面に上記誘電材料をそ
   なえてなる素子である上記７ないし１２のいずれかに記
   載の装置。 １４ 上記コンデンサの電界強度は少なくとも３１５０
   ×１０＾５ボルト／ｍであることからなる上記７ないし
   １３のいずれかに記載の装置。 １５ 上記電極手段は複数の極板であり、これらの極板
   を外側のシールドアース手段がとり囲んでいる上記７な
   いし１４のいずれかに記載の装置。 １６ 上記コンデンサ極板は互いに接続されるとともに
   上記増幅手段の入力側に結ばれてなる上記１５記載の装
   置。 １７ 一方のコンデンサ極板が接地されてなる上記１５
   記載の装置。