(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンチップ上にヒータ用抵抗線、ガス検知素子、および温度検知素子を積層してセンサ本体を形成しておき、電源電池からの電池電圧をパルスによる電圧に変換して前記ヒータ用抵抗線に一定間隔で印加して、その印加電圧でガス検知素子を所定の動作温度まで加熱しその時点のガス検知素子の抵抗値を取り出すことによりガスを検知して警報を出力するガス検知警報器であって、
電池電圧を測定する電池電圧検知回路と、
印加電圧がヒータ用抵抗線に印加されていない休止期間の温度検知素子の出力からセンサ本体の周囲温度を測定する温度測定回路と、
周囲温度および電池電圧値が標準状態でガス検知素子を所定の動作温度まで加熱するのに最適な印加電圧の印加時間と、この印加電圧の印加時間を補正するために用いるセンサ本体の温度特性と、を記憶した記憶手段と、
入力された指令にもとづき学習モードと監視モードを切り換えるモード切換手段と、
学習モード状態で、常温とそれと異なる周囲温度の２以上の条件下において印加時間の異なる印加電圧を順次生成してヒータ用抵抗線に印加し、そのときの温度検知素子の出力の変化と入力した電気エネルギ量とからセンサ本体の温度特性を算出して前記記憶手段に格納する温度特性学習手段と、
監視モード状態で、前記記憶手段に記憶されているセンサ本体の温度特性および測定されたセンサ本体の周囲温度および電池電圧値にもとづいて記憶手段内の最適印加時間を補正する補正手段と、
を備えたことを特徴とするガス検知警報器。
【請求項２】
請求項１記載のガス検知警報器において、
学習モード状態で、ガスの無い状態を含め複数のガス濃度における条件下でのガス検知素子の出力からガス検知素子のガス感度特性を取得する手段と、
ガス感度特性を抑制する回路機能を定めたガス感度抑制機能の選択手段と、
その選択手段を選択した状態でのガス感度特性を取得してこの取得したガス感度特性を記憶するガス感度記憶手段と、
周囲の温度を変えた場合のガス濃度に対するガス感度特性およびガス濃度温度特性を取得してこの取得した両特性を記憶するガス濃度温度特性記憶手段と、
監視モード状態で、前記ガス感度記憶手段とガス濃度温度特性記憶手段からの読み出し情報をもとに、計測した電池電圧と周囲温度のデータからソフトウェァ手段によって警報動作レベルを補正し、新たな警報検知条件を作り出す警報検知条件作成手段と、
を備えたことを特徴とするガス検知警報器。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のガス検知警報器において、
電源電池からガス検知素子へ印加される電池電圧を段階的に調整する電池電圧調整回路と、
学習モードで取得されて記憶手段に記憶されているガス検知素子の特性からガス検知動作に最適なガス検知素子へ印加電圧を決定して電池電圧調整回路の出力電圧をその電圧に設定する手段と、
を備えたことを特徴とするガス検知警報器。
【請求項４】
請求項１または請求項２または請求項３記載のガス検知警報器において、
対象ガス中におけるガス検知素子の出力レベルを時系列的に取得するガス感度応答特性取得手段と、
時系列的に取得されたガス検知素子の応答特性からガス検知素子の最適な出力レベルをサンプリングするタイミングを決定する計測タイミング決定手段と、
決定された計測タイミングを記憶する計測タイミング記憶手段と、
監視モード状態で、印加電圧がヒータ用抵抗線に印加されるごとに計測タイミング記憶手段に記憶されている計測タイミングにもとづきガス検知素子の出力レベルのサンプリングを実行する手段と、
を備えたことを特徴とするガス検知警報器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用のガス漏れ警報器、火災警報器等に用いられる電池駆動式の薄膜ガスセンサの温度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、既に、家庭用のガス漏れ警報器、火災警報器等に用いられる電池駆動式の薄膜ガスセンサを、特願平９−２４８６２９号として出願している。これは、ガス検知素子として、還元性ガスの検出が可能な酸化スズ等の金属酸化物半導体の薄膜をシリコンチップ上に形成し、同時に、ガス検知素子を加熱するためのヒータ用抵抗線を前記薄膜に積層してセンサ本体を構成するとともに、一定間隔でパルス状の電圧を前記ヒータ用抵抗線に印加することでガス検知素子を動作温度まで間欠的に加熱して、動作温度まで昇温されている間のガス検知素子の抵抗を測定することで、検出ガスの有無の判定およびその濃度を測定するものである。
【０００３】
この薄膜ガスセンサは、シリコンの微細加工技術を用いて、ガス検知素子およびヒータ部をシリコンチップ上に可能な限り小型に形成したことにより、それらの熱容量を微小な値にしたものである。それにより、間欠的に電圧を印加して加熱し、微小時間だけ動作温度に保持してガス検知の動作をさせることが可能となって、消費電力が著しく削減され電池による長期間の駆動が実現できた。その結果、この薄膜ガスセンサを電池駆動のガス漏れ警報器または火災警報器に用いた場合に、電池の交換寿命を５年にすることができた。
【０００４】
さらに、本出願人は、同時提出の「ガス検知警報器」の特許出願において、設置場所の周囲温度が変動した場合や、電池電圧が低下した場合にも、常に、ガス検知素子を動作温度まで正確に加熱することができるように、ガスセンサ部の熱容量および設置環境等に応じて最適な印加電圧の印加時間を予め計算や実験により求めて設定しておくとともに、周囲温度や電池電圧値の変動に応じてその設定印加時間を補正することを提案した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したガスセンサは、シリコンの微細加工技術で製作されるため製造上の各種の要因によって、製作されたセンサ部の特性に大きなバラツキが存在する。例えば、ヒータ抵抗値、ガス感度特性、ガス感度の温度特性、検知ガスに対する反応特性等と、個々のセンサ部によって異なってくる。そのため、それらの平均の特性値を用いて、印加電圧の印加時間およびその補正のためのパラメータを算出して、メモリに書き込んでＣＰＵにより作動させた場合、各センサごとの特性のバラツキが動作に影響を与えてしまい、性能、精度の低下を招くことになる。それを避けるためには、製造された全てのセンサの特性を測定して、特性値が一定範囲内のもののみを合格品として使用するようにすればよいが、そうすると、センサ部の製造工程での歩留まりが大きく低下することになり、価格の高騰につながる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで上記課題を解決するために、請求項１の発明は、
シリコンチップ上にヒータ用抵抗線、ガス検知素子、および温度検知素子を積層してセンサ本体を形成しておき、電源電池からの電池電圧をパルスによる電圧に変換して前記ヒータ用抵抗線に一定間隔で印加して、その印加電圧でガス検知素子を所定の動作温度まで加熱しその時点のガス検知素子の抵抗値を取り出すことによりガスを検知して警報を出力するガス検知警報器であって、
電池電圧を測定する電池電圧検知回路と、
印加電圧がヒータ用抵抗線に印加されていない休止期間の温度検知素子の出力からセンサ本体の周囲温度を測定する温度測定回路と、
周囲温度および電池電圧値が標準状態でガス検知素子を所定の動作温度まで加熱するのに最適な印加電圧の印加時間と、この印加電圧の印加時間を補正するために用いるセンサ本体の温度特性と、を記憶した記憶手段と、
入力された指令にもとづき学習モードと監視モードを切り換えるモード切換手段と、
学習モード状態で、常温とそれと異なる周囲温度の２以上の条件下において印加時間の異なる印加電圧を順次生成してヒータ用抵抗線に印加し、そのときの温度検知素子の出力の変化と入力した電気エネルギ量とからセンサ本体の温度特性を算出して前記記憶手段に格納する温度特性学習手段と、
監視モード状態で、前記記憶手段に記憶されているセンサ本体の温度特性および測定されたセンサ本体の周囲温度および電池電圧値にもとづいて記憶手段内の最適印加時間を補正する補正手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、
学習モード状態で、ガスの無い状態を含め複数のガス濃度における条件下でのガス検知素子の出力からガス検知素子のガス感度特性を取得する手段と、
ガス感度特性を抑制する回路機能を定めたガス感度抑制機能の選択手段と、
その選択手段を選択した状態でのガス感度特性を取得してこの取得したガス感度特性を記憶するガス感度記憶手段と、
周囲の温度を変えた場合のガス濃度に対するガス感度特性およびガス濃度温度特性を取得してこの取得した両特性を記憶するガス濃度温度特性記憶手段と、
監視モード状態で、前記ガス感度記憶手段とガス濃度温度特性記憶手段からの読み出し情報をもとに、計測した電池電圧と周囲温度のデータからソフトウェァ手段によって警報動作レベルを補正し、新たな警報検知条件を作り出す警報検知条件作成手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、
電源電池からガス検知素子へ印加される電池電圧を段階的に調整する電池電圧調整回路と、
学習モードで取得されて記憶手段に記憶されているガス検知素子の特性からガス検知動作に最適なガス検知素子へ印加電圧を決定して電池電圧調整回路の出力電圧をその電圧に設定する手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１または請求項２または請求項３記載の発明において、
対象ガス中におけるガス検知素子の出力レベルを時系列的に取得するガス感度応答特性取得手段と、
時系列的に取得されたガス検知素子の応答特性からガス検知素子の最適な出力レベルをサンプリングするタイミングを決定する計測タイミング決定手段と、
決定された計測タイミングを記憶する計測タイミング記憶手段と、
監視モード状態で、印加電圧がヒータ用抵抗線に印加されるごとに計測タイミング記憶手段に記憶されている計測タイミングにもとづきガス検知素子の出力レベルのサンプリングを実行する手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明において、パルスと記載される波形は必ずしもステップ状の波形に限らず、サーマルストレスを緩和する目的でステップ波形以外の種々の波形を含むものとする。
図１は本発明が適用された電池式ガス漏れ警報器の実施形態の構成を示す図である。この種のガス漏れ警報器は家庭内に設置され、燃料ガスのガス漏れや不完全燃焼時に発生するＣＯガスの発生を検知し、ブザーや音声で危険な状況にあることを通知する機能を持った装置である。
一般に、従来型のガス漏れ警報器は商用電源や外部から供給される直流電源を用いて稼動している。しかし、本発明にかかるガス漏れ警報器は、図１に示されるように電池７を電源にしており、標準状態での使用であれば、約６年の間稼動できる機能を実現したものである。
【００１１】
ガス漏れ警報器はＣＰＵ（マイクロコンピュータ）１で集中的に制御される。
ガス検知素子であるところのガスセンサ２は、シリコンの製膜技術を用いてシリコンチップ上に形成された極めて小型で熱容量の小さなセンサである。同様にしてシリコンチップ上のガスセンサ２に近接して、ヒータ３が形成されており、ガスセンサ２によりガスを検知しようとするときは、ヒータ３に数十ｍｓの期間、通電すればガスセンサ２は所定の動作温度まで加熱される。一般的には、ガス漏れの検知は２０秒内に検知できれば能力的に充分であるので、１０数秒に１回の割合で、数十ｍｓの通電をすれば良い。そのため、通電される期間は、通電されない期間に比べて極めて小さい比率となり、実際のエネルギ消費量は極めて小さく、電池駆動に適した構成となっている。
【００１２】
このガスセンサ２は対象とするガスの種類に応じて反応しやすい温度が存在するため、ガスセンサ２の近くに薄い膜状の温度センサ４が設けられて、ガスセンサ２の温度が測定される。温度検知素子であるところのこの温度センサ４は、白金を素材にして形成されているので安定した温度の計測ができる。ヒータ３はＣＰＵ１の制御により一定時間、電気エネルギが与えられて加熱され温度上昇する。この温度変化を検出するために、温度センサ４、抵抗Ｒ２〜Ｒ４によりブリッジを構成し、温度センサ４の抵抗値の変化を検出して増幅器Ａｍｐ１で増幅し、比較器Ｃｐ１に入力する。
【００１３】
比較器Ｃｐ１の他方の入力端子には、ＣＰＵ１のＤＡ変換機能を持ったアナログ出力端子が接続され、温度センサ４からの出力が所定のレベルに達しているかどうかが判定できる。これらにより、温度測定回路が構成される。また、ガスセンサ２が周囲温度まで低下した状態で、温度を測定することで、周囲温度も測定される。なお、この温度測定回路における、レベル検知機能は一般的な方法であるので動作の詳細な説明は省略する。これらの構成によりメタンセンサ回路が構成される。
【００１４】
また、回路全体の＋側電源部には、出力電圧１Ｖの定電圧回路５が接続されており、この定電圧回路５は電池電圧により駆動される。１Ｖの回路電圧はガスセンサ２にも抵抗Ｒ１を介して印加されている。ガス濃度が低い状態ではガスセンサ２の抵抗値は高い値を保持しているが、ガス濃度の上昇とともにその抵抗値は低くなる。ガスセンサ２の端子電圧はガス濃度を検知する比較器Ｃｐ２の一方の入力端子に接続されている。この比較器Ｃｐ２も、温度センサ用の比較器Ｃｐ１と同じように、ＣＰＵ１のＤＡ変換機能を用いてガスセンサ２からの信号のレベルを検知できる。このガスセンサ２は燃料ガスの主成分であるメタンガスを検知する。
【００１５】
これとは別に、ほぼ同じ回路構成をしたＣＯセンサ回路６も接続されているが、機能構成が同一であるので説明を省略する。なお、ＣＯセンサ回路６のブロックにはガスセンサのバラツキ吸収用の端子が接続されているが、これはメタンセンサ回路側にも設けられている。つまり、ガスセンサの製造上のバラ付きで、ガスへの反応能力に大きな違いがある場合には、ガスセンサ２の例であれば、抵抗Ｒ１の値を等価的にＣＰＵ１の出力ポートの動作状況によって変更制御する回路である。
【００１６】
また、設定濃度以上のガスをＣＰＵ１がソフトウェアの動作によって検知すると、ＣＰＵ１から音声ＬＳＩ１３に音声の発生を指示する。指示を受けた音声ＬＳＩ１３が、所定の音声信号を増幅器１４を介してスピーカ１５へ送ることで音声による警報が出力される。
この音声ＬＳＩ１３は市販のＬＳＩであり、多くの電子装置に使用されているのでその機能の詳細説明は省略する。また、ガスセンサのどちらがガスを検知したかによって、発生する音声内容が異なってくる。その理由は、対象のガスの性格によって、検知後の対応処置が異なるからである。
【００１７】
また、その検知レベルが警報レベルには達しないが、プレアラームとして報知できれば、それに応じた初期的な処置をすることが望ましいこともある。その場合には音声を発生せずに、例えば、ＬＥＤなどの表示だけで通知する機能を持たせることがある。そのための表示器は図示していないが必要に応じて追加すれば良い。このＬＥＤへの通電電流は２〜１０ｍＡ程度もあれば充分に認識可能な表示ができる。これに対して、音声を発生する場合は１００ｍＡ以上の電流が必要であるので、その音声警報の電流消費分の一部をこのプレアラームに用いても電池寿命には大きな影響を与えることがない。
【００１８】
なお、図１では音声発生による電池電圧の変動を吸収するために、電圧の安定機能を持った音声用電源回路１２が設けられている。また、ＣＰＵ１には電池電圧検知回路８が設けられ、電池電圧の状況を検知している。この機能は電池電圧が所定の値より低下すると、ガスセンサの検知能力が不足したり、発生する音声警報のレベルが不足するおそれがあるからである。
電磁ラッチ９，１０は、検知結果を表示する表示板１１等を切り換えるために設けられたものであり、ガス漏れ状態が検知されると、電磁コイルを短時間通電して表示板１１等をガス検知の表示に切り替えるものである。
【００１９】
例えば、ガス漏れのない状態では緑や青の表示の表示にしておき、ガス漏れ状態を検知すると、危険のイメージに近い色である赤、橙などを示すように、機械的な機構を用いて表示板１１等の切り替えを行う。この機能には種々の実現方法があるが、説明を省略する。
ＥＥＰＲＯＭ１６は電気的に書き換えのできるメモリである。このメモリ１６にはガスセンサ２のヒータ加熱制御条件やガスを検知するセンサレベルの設定値などを内蔵し、ＣＰＵ１が読み出してセンサ回路の制御に使用する。
【００２０】
図２はガスセンサ部の構成モデルを示した図である。電池式ガス漏れ警報器に使用するセンサは、まず低消費電力型でなければならない。そこで、シリコンの微細加工技術を使用して、シリコン上にタングステンなどの抵抗体を薄膜技術を用いてヒータ３を形成し、その付近または絶縁した上層部にＳｎＯ２の薄膜を形成してガスセンサ２とする。ヒータ３はリード線を介して端子ｈ１，ｈ２に、ガスセンサ２はリード線を介して端子ｇｓ１，ｇｓ２に接続されている。
【００２１】
これらの製造工程では、ガスに反応しやすくするための触媒技術も使用される。また、ガスセンサ２の近くに白金抵抗体で温度センサ４が形成され、リード線を介して端子ｔ１，ｔ２に接続されている。これらは、すでに説明した図１のガスセンサ２、ヒータ３、温度センサ４の各素子を構成する。これらの素子は極めて小型であり、ヒータ３の加熱時定数も数十ｍｓであり、短時間で所定の温度まで加熱することができるので、電池を電源としても長期間の使用が可能である。
【００２２】
図３は、図２で示したガスセンサ部に印加された電圧と温度変化の関係を示す説明図である。パルスはヒータ３への電池電源から数十ｍｓの幅を持った電圧パルスである。図に示すように、ヒータ３への電圧パルスの印加によって、ヒータ３が加熱され、その熱が伝えられてガスセンサ２が温度上昇する。この温度上昇はすでに説明したように、センサ部全体の熱容量が極めて小さいので、短時間で温度上昇を開始する。最初は直線ｌの立ち上がりで温度上昇し、温度上昇とともに周囲への熱放散が始まり、上昇カーブが緩やかになる。パルスによる印加が無くなると、若千の時間遅れの後にガスセンサ２の温度も低下し、加熱前の常温の状態に戻る。
【００２３】
ガスセンサ２は検知対象ガスの種類に応じて反応しやすい温度が存在するので、ヒータ３への電圧印加は、その最適な動作温度まで、加熱するようにパルス幅が選択される。検知対象ガスの反応には若千の時間遅れが存在するので、実際のセンサ温度上昇とガスの反応性の状況に合わせてガスセンサ２の計測タイミングが設定される。このタイミングの設定は、パルスのタイミングとの対比に応じて設定されるのが一般的である。
【００２４】
なお、実際のガスセンサ２自身の温度はそのままでは計測できないため、ガスセンサ２付近に設けた温度センサ４からの信号を図１に示した温度検知回路に入力することで間接的に検出するが、ガスセンサ２の温度と計測した温度センサ４の出力には時間的な遅れから誤差が存在する。このため、実際の計測タイミングの設定は、計算機を使用して熱的な挙動をシミュレーションして決定する。この他、ガスの反応時間特性の結果や上記の温度センサの計測データを参照して、安定したガス検知をするために、どのようなタイミングで測定するのがよいのかを事前の技術検討結果を考慮して決定する。ガスセンサ２の温度を変更するには、パルス幅を変更したり、印加電圧の大きさを変更することで実現が可能である。
【００２５】
図４は、ガスセンサ部の周囲温度とガスセンサ部を目標温度まで加熱するに必要なエネルギの関係を示す図である。図３に示したような固定された幅からなるパルスによる電圧印加では、周囲温度の影響で実際に到達するセンサ温度は変化してしまう。この関係を示したのが図４である。一般的に、メタンセンサの反応特性は４００℃程度の場合が良い。一方、ＣＯガスセンサの反応特性は１５０℃前後の場合が良い。
【００２６】
このような目標温度を得るために、温度センサの出力を常に測定して一定の温度範囲になるように制御することが可能である。しかし、そのためには、センサ出力の計測を数ｍｓで実行する必要があり、高速な計測回路が必要になる。また、常時計測処理を実行するのでは回路での消費電力が大きくなり、大きく電池を消耗してしまう。特に、高速な計測回路では消費電力も大きくなるので、回路実現のための価格と消費電力の両面から実用的ではない。
【００２７】
そこで、安価で、しかも消費電力の小さい回路で加熱の制御をするために、図４に示される目標センサ温度と周囲温度の差分に相当するエネルギの関係を記憶しておき、周囲温度を測定してその値に応じた量の電気エネルギを注入することで、比較的簡単な制御で目標のセンサ温度が得られるようにしたものである。図４からも分かるように、ガスセンサ部分を目標温度まで加熱するのに必要なエネルギ量は、周囲温度により大きく変動する。
【００２８】
特に、目標温度を低温の１５０℃とすれば、周囲温度の影響はより大きくなる。そこで、周囲温度を計測し、その目標との差を計算し、その値に比例した時間幅のパルス印加を行うことで、目標とするセンサ温度を、高精度で得ることができる。具体的には図３のヒータの印加時間ｔ１を上記の目標温度と周囲温度との差に合わせて設定する。あるいは、標準の周囲温度から目標温度との差に合わせて基準となる印加時間を設定してＣＰＵ１に記憶しておき、計測した周囲温度と標準周囲温度の差分に応じて、基準印加時間の長さを補正するようにしても良い。
【００２９】
ただし、上記の温度差に合わせた加熱制御では、放熱条件やサーマル的な容量、時間遅れなどの諸条件を考慮していない。従って、単純な温度差の比例関係だけでなく、特定な補正係数などの組込みを図ることが精度向上にとっては必要になる。また、ヒータの加熱条件の大きな変動要因に電池電圧の変化がある。電池電圧は電池の残存容量や周囲温度によって変化する。一般に、残存容量の減少とともに電池電圧は低下し、周囲温度の高まりとともに電池電圧は上昇する。なお、図１では、電池７の電圧は、電池電圧検知回路８により計測されてＣＰＵ１に入力される。
【００３０】
電池電圧と加熱エネルギの関係は、ヒータ抵抗値が一定であるものとすれば、ヒータへの印加電圧値の二乗に比例する関係にある。この関係を図５に示している。実際には、金属系のヒータ材料を使用すると、温度上昇とともにヒータ抵抗の値も変化してくる。そのため、これらの温度特性の影響を補正して加熱制御することが望ましいが、実際の制御ではこれらの影響以外に、ヒータの製造上のバラツキ、周囲の取り付け状況など種々の変動要因があり、計算で制御パラメータを決めるよりも、実際の測定値から制御用のパラメータを決める方が容易である。
【００３１】
従って、図３に示したようなヒータ印加のパルス幅ｔ１も電池電圧の影響と周囲温度の影響を考慮して補正することが必要である。そのために、種々のデータを測定して補正パラメータを作成し、それを用いた補正方法を図１で示したＣＰＵ１のソフトウェア内に持たせておく。多くの場合、この補正パラメータは実験的に決定される。ここでは電池電圧と周囲温度をパラメータとしてヒータの温度制御がオープン制御で行われる。
【００３２】
なお、温度センサを常時使用して自動のフィードバック制御手段を用いてヒータを制御するのであれば、変動要因である電池電圧や周囲温度の影響は自動的に吸収されて安定な温度制御が実現できる。しかし、この方法は前述したように、価格と消費電力の点で問題があり、家庭用のガス漏れ警報器のように小型で安価なことが必要条件の装置には使用できない。
【００３３】
そこで本発明は、シリコンの微細加工技術を使用して製造される際に発生するそれぞれのガスセンサ部固有の特性に合わせた適切な使用条件を学習機能を用いて警報器製作の初期段階で機能セットし、そのデータを用いて自動的にセンサを使用する方法を提供するものである。
【００３４】
図６に加熱パルス幅とセンサ温度の関係を示している。目標温度と対比し、４個のセンサのセンサ温度の例を説明している。素子ａはヒータ抵抗値が低く、同じ電圧を印加しても流れるヒータ電流が大きいので注入エネルギーが大きく、短い加熱パルス幅で温度が上昇する。一方、素子ｄはヒータ抵抗値が大きく、ヒータに流れる電流が少ないのでセンサ温度の上昇も低い値になる。また、素子ｂ，ｃはそれらの中間の特性を示している。
【００３５】
センサ自身の特性から上限温度が存在するので、パルス幅を変えながら温度センサの出力を計測し、上限の温度に近づいてきたときにはヒータへの電力供給をカットする必要がある。このセンサ温度の特性は電池電圧や周囲温度が変わると当然変化してくる。そのため、電圧、周囲温度を変えて同様なデータを取得すれば、電圧と周囲温度をパラメータとして、ガスセンサを目標温度に制御するために必要な加熱パルス幅条件が決定できる。
【００３６】
この加熱パルス幅条件を決定するために必要な情報の持ち方には種々の方法がある。例えば、上述した測定情報をすべて不揮発性メモリに持たせ、電池電圧や周囲温度が変化したときに、この情報を読み出し、加熱パルス幅データを作り出す方法もある。別の方法では、加熱パルス幅は電池電圧と周囲温度の関数として、上述したデータを用いて近似式を作り、計測された電池電圧と周囲温度からその近似式を用いて加熱パルス幅を演算して決定する方式がある。ここでは特に、情報の持ち方、そのデータの利用方法を指定する必要はない。しかし、後者の方が記憶するデータ量は少なく、短時間に加熱パルス幅を決定することができる。
【００３７】
図７は電池電圧を学習時に変更して適切な電圧条件で学習させるための回路である。すでに説明したように、警報器の使用初期段階では電池の残存容量が大きいため、電池電圧が高い状態にあるが、実際の使用状態では、徐々に電池が消耗して電圧が低下していく。そのため、実際の使用状態と同様に低い電圧を再現して、学習する必要がある。しかしながら  図１の回路構成のままでは、電池電圧を低下させることができない。そこで、図７に示すように、抵抗Ｒｓと接点２１を並列にして電池７に接続しておき、通常は接点２１を閉じておき、学習時には接点２１を開き、抵抗Ｒｓを挿入して電圧を下げその時の電圧を測定することによって、電池電圧を変化させたときのヒータ温度の上昇度合いを計測する。
【００３８】
図８は検出ガス濃度とセンサの抵抗の関係を示す。図示されるように、センサ抵抗値は検知ガスが無い状態では高い値であり、検出ガスの濃度が増加するにつれてに低下する。この図８は、３個のセンサについての測定結果とその特性を直線にして示している。センサのガス感度は表面層の結晶や触媒の付加状況など製作過程の状況によって大きく変化する。
【００３９】
そこで、本発明では、センサのガス感度のバラツキを補償するために、図９に示すような電圧調整回路をガスセンサ２と定電圧回路５との間に接続したものである。この電圧調整回路は、既に定電圧回路５とガスセンサ２との間に接続されている抵抗Ｒ１と並列に、抵抗Ｒ２１等をトランジスタＴ１１等を介して接続したのもであり、トランジスタＴ１１のベースが抵抗Ｒ２２を介してＣＰＵ１に接続されており、ＣＰＵ１が学習動作をする場合に、必要に応じてトランジスタＴ１１を作動させることで電圧を低下させ、ガスセンサ２の出力レベルを低下させることができる。
【００４０】
また、監視モードでの動作でも、ガスセンサ２の感度のバラツキのために、図１のＣＰＵ１が検知できるガス濃度のレベルの範囲が、通常の範囲を外れる場合がある。その場合は、抵抗Ｒ２１に接続されているトランジスタＴ１１を、ＣＰＵ１がオン／オフ制御することで、ガスセンサの検知電圧の範囲を調整する。なお、図９では１回路だけをＣＰＵ１と接続しているが、破線で示したように必要に応じて複数の回路を増設すれば、ガスセンサ２の感度幅をさらに拡大することができる。
【００４１】
次に、本発明の特徴の一つである個々のガスセンサの特性を学習する動作について説明する。図１の回路構成において、ＣＰＵ１へ学習モードへの切換指令を入力するスイッチ（図示せず）を設けておき、そのスイッチを切換操作することで、ＣＰＵ１には学習モードが設定され、以下の図１０、図１１に示される処理が開始される。
【００４２】
図１０は、警報器製作初期段階で行う学習試験の内容を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１で電池電圧と周囲温度を測定する。この機能は図１の回路を用いて実施できる。次に、ステップＳ２では、図６で示したように加熱パルス幅を変えてセンサ部の温度を計測する。この測定は何点か測定することが望ましい。この計測処理中に、もしセンサの出力温度が上限温度に接近した場合には、当然であるがパルス印加を中断する。
【００４３】
ステップＳ３では、前述した加熱パルス幅と温度上昇のデータから、ガスセンサを目標温度まで加熱するためのパルス幅を決定し、その加熱パルス幅で検知ガスの濃度がゼロの場合と指定ガス濃度レベルの場合の感応試験を行い、ガス感度特性を測定する。この時に、ガスへの反応状況を調査し、最も感度の高い計測タイミングを決定する。なお、異常に立ち上がりの遅いセンサ、あるいは早いセンサについては、表面層の特性が正規の範囲でない不良品の可能性があるので除外する。
【００４４】
ステップＳ４では、周囲温度を４０℃に上昇して、周囲温度の影響を調査する。ここでは、もちろん個々の警報器毎に学習させても良いし、あらかじめ温度特性を取得して代表的な温度勾配を予測することも可能である。この図１０では個々の警報器毎に学習させる方式を示している。つまり、４０℃に周囲温度を上昇させた後に、パルス幅を変えて、それぞれの場合のセンサ温度の測定、およびガス反応特性、タイミングの測定を行う。これらのデータから個々のセンサの温度特性が得られ、必要に応じて温度補正を行うことができる。なお、温度を変えての特性測定は、全ての条件について実施する必要が無い。つまり、影響の大きな要素に対しての測定を行うだけで必要な特性が得られるので、測定処理を簡単にすることができる。これらの処理により学習モードでの学習が終了する。
【００４５】
図１１は、学習モードでの学習機能が終了した後に、具体的に警報器として機能を開始するときの動作を示すフローチャートである。この警報器では、電源の電池の取り外しが可能であり、警報器として動作を開始するときに電池が装着される。この電池装着により電源が投入されて処理を開始する。まず、ステップＳ１１では、イニシャル時に学習してＥＥＰＲＯＭに収納してあるガスセンサの諸特性を読み出して、それをＣＰＵ１内のメモリにセットする。
【００４６】
次にステップＳ１２へすすみ、電池電圧と周囲温度を測定する。ここで、測定された電池電圧と周囲温度に、一定以上の変化があればセンサの使用状態に変化が生じているので、ステップＳ１３で電池電圧や周囲温度に合わせた適切な補正処置を行い、ステップＳ１４でセンサ加熱条件やガスセンサのセンシングタイミングの見直しを行う。この結果を用いて、ＣＰＵ１のガスセンサの駆動条件ソフトを指定して、適切なガス検知状態に修正する。
【００４７】
なお、電池電圧や周囲温度の変化が所定の範囲内にある場合には、ガスセンサ特性に大きな変化がないので、補正処置は不要である。
また、常時の使用状態では、電池電圧や周囲温度の変化は緩やかである。どちらの変化が早いかと言えば、暖房や冷房あるいは調理の廃熱ガスなどの影響を受けやすい周囲温度の方に変化がおきやすい。このため、図１１で示した温度測定と電池電圧測定を同一間隔で行う必要はないので、電池電圧測定の測定間隔を温度測定よりも長く設定しておく。
【００４８】
こうして、電池電圧測定の処理回数を減らした分、電池消耗が少なくなり、電池の寿命を延ばすことができる。具体的な設定としては、１０分間隔、１時間間隔などの種々の選択が可能である。なお、測定タイミングは、図１１の処理スタートのタイミングで開始し、終了でソフトウェアを終了する。この間隔は消費電力の大きさの余裕度合いなどを考慮して選定すれば良い。
【００４９】
この実施形態によれば、警報器に組み込まれた個々のガスセンサについて、ヒータの加熱条件を自動的に学習し、また、ガスセンサの反応感度を検知するレベルを自動的に設定し、さらには、感応特性に対応する温度特性の補正データ等を自動的に学習することが可能となる。その学習結果を用いて、特性のバラツキを自動的に補正することで性能の良い、動作の安定した警報器が構成される。それにより、各特性のバラツキが補正可能な範囲のガスセンサであれば、警報器に組み込むことが可能となって、製造工程のガスセンサの歩止まりが向上し、結果として警報器が安価に生産されるようになる。
なお、本発明はガス漏れ警報器に限らず、各種の警報器、特に、電池駆動の警報器に適用可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上述べたように請求項１の発明によれば、通常の監視モードとは別に学習モードを設けて、最初の学習モードに切り換えた状態で、各種の電圧パルスを印加してそのときの温度変化と入力した電気エネルギ量とからセンサ本体の温度特性を算出し、その温度特性にもとづいて最適印加時間を補正する。その結果、温度特性にバラツキのあるセンサ本体であっても、警報器に組み込まれた後にそのバラツキが補正されるので、製造工程におけるセンサ本体の歩留まりが向上して、コストダウンが可能になる。
【００５１】
請求項２の発明によれば、同様に最初の学習モードで、複数のガス濃度の条件下にして、ガス検知素子のガス感度特性を計測して、その特性に応じた動作条件を設定することで、製造工程におけるセンサ本体の歩留まりが向上して、コストダウンが可能になる。
【００５２】
請求項３の発明によれば、ガス検知素子への印加電圧の調整を可能にしたため、学習モードにおけるガス感度特性の計測が容易になるとともに、監視モードで検知対象ガス濃度に応じて印加電圧の調整が可能となり、動作範囲の設定変更が可能になる。
【００５３】
請求項４の発明によれば、ガス検知素子の出力レベルを時系列的に取得しておくことで、最適な計測タイミングを設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である電池式ガス漏れ警報器の構成を示す図である。
【図２】図１のガスセンサ部の構成モデルを示す図である。
【図３】ガスセンサ部に印加された電圧と温度変化の関係を示す説明図である。
【図４】ガスセンサ部の周囲温度と目標温度まで加熱するに必要なエネルギの関係を示す図である。
【図５】電池電圧とガスセンサ部への加熱エネルギの関係を示す図である。
【図６】ガスセンサ部に印加された電圧パルス幅と温度変化の関係を示す説明図である。
【図７】電池電圧を学習時に変更するために設けた回路を示す図である。
【図８】検出ガス濃度とセンサの抵抗の関係を示す図である。
【図９】ガスセンサと定電圧回路と間に接続した電圧調整回路を示す図である。
【図１０】ガスセンサの特性を学習する処理動作を示すフローチャートである。
【図１１】学習結果にもとづく補正の処理動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  ＣＰＵ
２  ガスセンサ
３  ヒータ
４  温度センサ
５  定電圧回路
６  ＣＯセンサ回路
７  電池
８  電池電圧検知回路
９，１０  電磁ラッチ
１１  表示板
１２  音声用電源回路
１３  音声ＬＳＩ
１４  増幅器
１５  スピーカ
１６  ＥＥＰＲＯＭ
２１  接点
Ａｍｐ１  増幅器
Ｃｐ１，Ｃｐ２  比較器
Ｄ１  ドライバ回路
Ｒ１〜Ｒ４  抵抗
Ｒ２１，Ｒ２２  抵抗
Ｒｓ  抵抗
Ｔ１１  トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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