(57)【要約】【課題】電池だけで加熱用ヒータを間欠的に駆動し最適な温度に早く昇温させ省電力化を実現する。【解決手段】電池９と、この電池９の電圧を昇圧するＤＣＤＣコンバータ３０と、平面状に形成され加熱によって一酸化炭素を検出する一酸化炭素検出素子５とこの一酸化炭素検出素子５と同一平面上に形成された加熱用ヒータ４を有する一酸化炭素センサユニット１と、前記加熱用ヒータ４に通電するヒータ駆動部２と、前記一酸化炭素検出素子５の出力信号を増幅する増幅部３と、この増幅部３の出力を受け一酸化炭素の濃度を判定しかつ前記加熱用ヒータ４に通電するタイミングと時間幅を制御するマイクロコンピュータ１１とを有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池と、この電池の電圧を昇圧するＤＣＤＣコンバータと、前記電池または前記ＤＣＤＣコンバータの出力と周辺回路への接続を開閉することで周辺回路を間欠的に動作させる開閉部と、平面状に形成され加熱によって一酸化炭素を検出する一酸化炭素検出素子とこの一酸化炭素検出素子と同一平面上に形成された加熱用ヒータを有する一酸化炭素センサユニットと、前記加熱用ヒータに通電するヒータ駆動部と、前記一酸化炭素検出素子の出力信号を増幅する増幅部と、この増幅部の出力を受け一酸化炭素の濃度を判定しかつ前記加熱用ヒータに通電するタイミングと時間幅を制御するマイクロコンピュータとを有するガス検知装置。
【請求項２】
ＤＣＤＣコンバータで昇圧した電圧を１つまたは複数の開閉器またはレギュレータ部によりそれぞれの周辺回路各部に最適な電圧を供給する請求項１記載のガス検知装置。
【請求項３】
ＤＣＤＣコンバータで昇圧した電圧をコンデンサに充電し、このコンデンサに十分な電力量が充電されると前記ＤＣＤＣコンバータの動作が停止する請求項２に記載のガス検知装置。
【請求項４】
ＤＣＤＣコンバータからコンデンサへの充電は抵抗を介して行い、間欠的に行う加熱用ヒータへの通電周期よりも前記抵抗の抵抗値と前記コンデンサの容量値で決まる充電時定数のほうが小さくなり、かつ、充電電流の最大値がＤＣＤＣコンバータの定格を越えないように前記抵抗の抵抗値を選択した請求項３記載のガス検知装置。
【請求項５】
間欠的に行う一回の加熱用ヒータへの通電に要する最低電力量と印加に必要な最低電圧からＤＣＤＣコンバータの出力に設けたコンデンサの容量値を選択した請求項３記載のガス検知装置。
【請求項６】
間欠的に行う加熱用ヒータへの通電の休止中にＤＣＤＣコンバータの出力に設けたコンデンサに蓄えられた電力量が低下した場合には再度ＤＣＤＣコンバータが動作を始める請求項３記載のガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加熱用ヒータによって一酸化炭素検出素子を間欠的に加熱することで省電力化を図り、電池駆動が可能で間欠的に一酸化炭素を検出する動作を行うガス検知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のガス検知装置は加熱用ヒータに連続的に通電することで検知素子を定常的に加熱し、常時対象ガスの濃度を測定するものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のガス検知装置は加熱用ヒータに連続的に通電したり、あるいは電源に電池を使って間欠的に通電するものであっても、電池一個では加熱用ヒータの印加電圧としては低すぎ、複数個の電池を直列接続して電圧を上げた場合は、低い電圧でも十分動作ができる回路に余計な電圧負担をかけまた、電力使用効率が落ちるという不具合があった。そして、間欠動作でも良い回路に常に電源を供給していると無駄な電力を消費してしまうといった課題もあった。さらに、ＤＣＤＣコンバータを用いると電池を直列接続しなくても電圧を上げることはできるが加熱用ヒータを駆動するのに必要な大電流を供給できないという課題があった。
【０００４】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、間欠的にセンサの加熱用ヒータに通電することで電池で動作が可能なように省電力化を図り、電池の電圧をＤＣＤＣコンバータで昇圧し、このＤＣＤＣコンバータの出力電圧をコンデンサに充電することで加熱用ヒータの駆動に必要な電力量を蓄え、しかも、加熱用ヒータの駆動開始時のコンデンサ電圧と加熱用ヒータの駆動終了時のコンデンサ電圧とをもとに算出されるコンデンサの放電電力量が加熱用ヒータの駆動に必要な電力量を下回らないようにコンデンサの容量値を設定し、さらに、ＤＣＤＣコンバータの出力からコンデンサには抵抗を介して接続し、コンデンサに充電するときの充電電流をこの抵抗で制限するとともに、この抵抗とコンデンサで決まる時定数が間欠で動作する周期よりも十分短くなるような時定数にすることで大幅な省電力化を実現するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、動作用電源となる電池と、この電池の電圧を昇圧するＤＣＤＣコンバータと、前記電池または前記ＤＣＤＣコンバータの出力と周辺回路への接続を開閉することで周辺回路を間欠的に動作させる開閉部と、平面状に形成され加熱によって一酸化炭素を検出する一酸化炭素検出素子とこの一酸化炭素検出素子と同一平面上に形成された加熱用ヒータを有する一酸化炭素センサユニットと、前記加熱用ヒータに通電するヒータ駆動部と、前記一酸化炭素検出素子の出力信号を増幅する増幅部と、この増幅部の出力を受け一酸化炭素の濃度を判定しかつ前記加熱用ヒータに通電するタイミングと時間幅を制御するマイクロコンピュータとを有する構成としたものである。
【０００６】
このため、間欠的に加熱用ヒータに通電を行うことができ電池駆動ながら長期間メンテナンスすることなく使用できるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
上記の課題を解決するために請求項１の発明は、動作用電源となる電池と、この電池の電圧を昇圧するＤＣＤＣコンバータと、動作状態を表示する表示部と、前記電池または前記ＤＣＤＣコンバータの出力と周辺回路への接続を開閉することで周辺回路を間欠的に動作させる開閉部と、平面状に形成され加熱によって一酸化炭素を検出する一酸化炭素検出素子とこの一酸化炭素検出素子と同一平面上に形成された加熱用ヒータを有する一酸化炭素センサユニットと、前記加熱用ヒータに通電するヒータ駆動部と、前記一酸化炭素検出素子の出力信号を増幅する増幅部と、この増幅部の出力を受け一酸化炭素の濃度を判定しかつ前記加熱用ヒータに通電するタイミングと時間幅を制御するマイクロコンピュータとを有する構成としたものである。
【０００８】
このため、間欠的に加熱用ヒータに通電を行い、省電力化を図り電池駆動ながら長期間メンテナンスすることなく使用できるものである。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載のガス検知装置において、ＤＣＤＣコンバータで昇圧した電圧を１つまたは複数の開閉器またはレギュレータ部によりそれぞれの周辺回路各部に最適な電圧を供給する構成としたものである。
このため、マイクロコンピュータには常に電源が供給されており周期的に周辺回路を動作させるよう開閉器を制御できるものである。
【００１０】
また、請求項３の発明は、請求項２に記載のガス検知装置において、ＤＣＤＣコンバータで昇圧した電圧をコンデンサに充電し、このコンデンサに十分な電力量が充電されると前記ＤＣＤＣコンバータの動作が停止する構成としたものである。このため、コンデンサに十分なエネルギーが充電されるとＤＣＤＣコンバータの昇圧動作を停止することができるので、ＤＣＤＣコンバータにて無駄な電力を使わずに済み、省電力化を図ることができるものである。
【００１１】
また、請求項４の発明は、請求項３に記載のガス検知装置において、ＤＣＤＣコンバータからコンデンサへの充電は抵抗を介して行い、間欠的に行う加熱用ヒータへの通電周期よりも前記抵抗の抵抗値と前記コンデンサの容量値で決まる充電時定数のほうが小さくなり、かつ、充電電流の最大値がＤＣＤＣコンバータの定格を越えないように前記抵抗の抵抗値を選択したものである。
【００１２】
このため、加熱用ヒータに必要な電流がＤＣＤＣコンバータの供給可能電流容量を越えていても、ＤＣＤＣコンバータの出力能力に適合した電流で一旦コンデンサに充電し、また、間欠的に行う加熱用ヒータへの通電周期よりも前記抵抗の抵抗値と前記コンデンサの容量値で決まる充電時定数のほうが小さいため、加熱用ヒータへの通電の休止時間の間に充電を完了できるものである。
【００１３】
また、請求項５の発明は、請求項３に記載のガス検知装置において、間欠的に行う一回の加熱用ヒータへの通電に要する最低電力量と印加に必要な最低電圧からＤＣＤＣコンバータの出力に設けたコンデンサの容量値を選択したものである。このため、加熱用ヒータに必要な電力量を供給できる最適なコンデンサ容量を選択できるものである。
【００１４】
また、請求項６の発明は、請求項３に記載のガス検知装置において、間欠的に行う加熱用ヒータへの通電の休止中にＤＣＤＣコンバータの出力に設けたコンデンサに蓄えられた電力量が低下した場合には再度ＤＣＤＣコンバータが動作を始める構成としたものである。このため、間欠周期が長く、自己放電等でコンデンサの充電エネルギーが低下しても再びＤＣＤＣコンバータが動作を開始するので、常に必要なエネルギーをコンデンサに保持でき、最適な加熱用ヒータの駆動が行えるものである。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図１から図３を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施例のガス検知装置の構成図である。図１において１は、一酸化炭素センサユニットであり加熱用ヒータ４と一酸化炭素検出素子５が入っている。２はヒータ駆動部であり加熱用ヒータ４に間欠的に電力を供給するものである。９はリチウム電池であり、約３Ｖの直流電圧を供給する。ヒータ駆動部２において、６はトランジスタであり、直流電源９と加熱用ヒータ４との間に挿入されこのトランジスタ６の導通状態により加熱用ヒータ４に流れる電流値が制御されるように構成されている。
【００１７】
７は波形調整部でありヒータへの通電を開始するタイミングになるとマイクロコンピュータ１１のパルス出力端子１１ａから正極性のパルスが出され、このパルス信号を波形整形する。この波形調整部の出力は差動増幅器８の負入力（−）に接続されている。一方差動増幅器８の正入力（＋）は加熱用ヒータ４の電圧印加側に接続されている。
【００１８】
差動増幅器８は負入力と正入力が常に同じ電圧になるような電圧を出力する。
このため、例えば負入力の電圧が正入力の電圧よりも高い場合、すなわち、調整しようとするヒータ印加電圧値よりも実際に加熱用ヒータ４に印加されている電圧の方が低いときは差動増幅器８の出力は現在よりも少し低めの電圧になる。差動増幅器８の出力電圧が少し低くなると抵抗１０を介してトランジスタ６のベース電流がやや増える。従って、トランジスタ６のコレクタ電流が増え、加熱用ヒータ４に印加される電圧が増加する。
【００１９】
また、逆に負入力の電圧が正入力の電圧よりも低い場合は全く逆の動作となり、常に調整しようとする電圧に等しくなるようにヒータ印加電圧が制御される。
【００２０】
３はセンサ信号を増幅する増幅部であり、一酸化炭素検出素子の出力信号電圧を増幅する。
【００２１】
この増幅部３の出力信号はマイクロコンピュータ１１のＡＤ変換入力端子１１ｂに接続されている。
【００２２】
３０はＤＣＤＣコンバータであり、リチウム電池９の電圧を９Ｖまで昇圧する。入力が３Ｖ以下の場合に９Ｖを出力しようとすると、電流は約３０ｍＡまで供給可能である。３１は開閉器であり、図示はしていないがマイクロコンピュータ１１によって開閉が制御され、マイクロコンピュータ１１は一酸化炭素濃度を検出する必要があるときにこの開閉器を閉じる。
【００２３】
３２はレギュレータであり、ＤＣＤＣコンバータ３０の出力電圧である９Ｖから増幅部３や作動増幅器８に安定化電源端子３５を介して安定した５Ｖを供給している。３３は３９０Ωの抵抗、３４は２２００μＦのコンデンサである。この抵抗３３とコンデンサ３４で構成される充電時の時定数は約８６０ミリ秒であり、数秒で９Ｖまで充電できるようになっている。
【００２４】
図２は本発明の実施例における一酸化炭素検出素子の構成図である。図２において１５は石英ガラス基板であり、約２ｍｍ×２ｍｍの小さな外形である。４は白金の蒸着パターンで描かれた加熱用ヒータであり、この加熱用ヒータ４の真上には一酸化炭素検出素子５が乗せられている。４ａおよび４ｂは加熱用ヒータ４の給電用電極であり、ここにワイヤがボンディング接続されリード１８および１９に接続されている。５ａおよび５ｂは一酸化炭素検出素子５の信号取り出し電極であり、ここにも同様にワイヤがボンディング接続されリード２０および２１に接続されている。２２は石英ガラス基板１５およびリード１８〜２１を支えるセンサベースであり樹脂で構成されている。
【００２５】
本実施例の加熱用ヒータ４の抵抗値は室温で約１０オームである。また、一酸化炭素検出素子の昇温は約４５０℃を目指しており、白金で加熱用ヒータ４を構成しているため４５０℃時の加熱用ヒータ４の抵抗値は約２．２倍の２２オームになる。
【００２６】
また、一酸化炭素濃度を安定して検知するためには一酸化炭素検出素子を４５０℃まで加熱する必要があるが、このとき加熱用ヒータ４に必要な電力量は約１０ミリワット秒である。
【００２７】
次に動作について説明する。図３は本発明の実施例におけるガス検知装置の動作説明図である。図３において（ａ）はマイクロコンピュータ１１が出力するパルス信号であり、３０秒に１回、１０ミリ秒のパルス幅の信号を出力する。
【００２８】
図３（ｂ）は波形調整部７が出力する信号である。波形調整部７は図４に示すように抵抗とコンデンサの積分回路が３段で構成された３次のローパスフィルタである。このため、マイクロコンピュータ１１が出力した図３（ａ）に示すパルス信号は図３（ｂ）に示すような鈍った波形にすることができる。
【００２９】
図３（ｃ）は加熱用ヒータ４に印加される電圧波形であり、先に説明したとおり、差動増幅器８の働きにより、波形調整部７が出力する波形通りの電圧が印可されている。また、波形調整部７の出力は、加熱用ヒータ４に実際に印加する電圧値と全く同じ値である必要は無く、実際に必要な加熱用ヒータへの印加電圧波形と相似形であれば良い。
【００３０】
図３（ｄ）は加熱用ヒータ４に流れる電流波形を示している。電圧印加開始直後に大きな突入電流は流れていない。
【００３１】
図３（ｅ）は一酸化炭素検出素子の出力信号波形である。パルス印加直後はまだ、一酸化炭素検出素子の温度が上昇していないため、出力インピーダンスが高く出力信号は不定である。しかし、パルス印加ｔ秒後には一酸化炭素検出素子の温度は十分上昇しており、出力インピーダンスも低下し安定な出力信号電圧Ｖｘを出力している。一酸化炭素の濃度が上昇すると加熱用ヒータ４を昇温後の一酸化炭素検出素子の出力信号電圧Ｖｘは一酸化炭素がないときよりも高くなるため、その電圧値により一酸化炭素の濃度を検出することができる。
【００３２】
図４は加熱用ヒータ４を間欠的に駆動しているときのコンデンサ３４の電圧変化、及び、ＤＣＤＣコンバータ３０の動作、及び、加熱用ヒータ４を駆動するためのマイクロコンピュータ１１のパルス出力端子１１ａの信号を示すタイミング図である。
【００３３】
まず、マイクロコンピュータ１１は動作を開始すると図１における開閉器３１を閉成する。するとＤＣＤＣコンバータ３０が動作をはじめコンデンサ３４に充電され、コンデンサ３４の電圧が図４（ａ）に示すようにＤＣＤＣコンバータ３０の出力電圧である９Ｖまで上昇する。コンデンサ３４の電圧が９Ｖまで上昇するとＤＣＤＣコンバータ３０は動作を停止する。次にマイクロコンピュータ１１が一酸化炭素ガスを検知しようとすると、パルス出力端子１１ａにハイレベルのパルスを出力する。このパルスは波形調整部７によって加熱用ヒータ４に印加するのに必要な電圧である約６Ｖに調整され差動増幅器８によってトランジスタ６のベース電流が制御され、加熱用ヒータ４に必要な６Ｖの電圧が印加される。このときコンデンサ３４は放電するため、電圧が低下する。加熱用ヒータ４に必要なエネルギーは約１０ミリワット秒であるため、９Ｖに充電されていた２２００μＦの容量をもつコンデンサ３４の電圧は、ヒータ加熱終了後には約８．５Ｖに低下する。これは、コンデンサの持つエネルギーはそのコンデンサの電圧の２乗とコンデンサの容量との積の２分の１になることから容易に計算できる。ヒータ加熱終了直前にはコンデンサ３４の電圧が８．５Ｖまで低下するが、加熱用ヒータ４に必要な電圧は約６Ｖであるためなんら問題は生じない。
【００３４】
また、加熱用ヒータ４へ通電開始直後からコンデンサ３４の電圧が低下し始めるためＤＣＤＣコンバータ３０はすぐに動作をはじめ、加熱用ヒータ４へ通電が終了した後、数秒でコンデンサ３４の電圧が９Ｖまで充電されるので動作を停止する。このコンデンサ３４への充電は抵抗３３の３９０Ωの抵抗値で電流が最大でも２５ミリアンペア以下に制限されるため決してＤＣＤＣコンバータの能力を超えることはない。また、マイクロコンピュータ１１が一酸化炭素濃度を検知する動作は間欠的に行われ、標準で３０秒間隔、一酸化炭素濃度の変化を追跡する場合でも１０秒間隔であるため、マイクロコンピュータ１１が一酸化炭素濃度を検知する動作終了後、抵抗３３とコンデンサ３４の時定数の数倍以上である５秒程度でコンデンサに充電でき、次の加熱用ヒータ４を駆動するための準備ができることになる。
【００３５】
このように間欠的に加熱用ヒータに通電を行い、加熱用ヒータに必要な電流がＤＣＤＣコンバータの供給可能電流容量を越えていても、ＤＣＤＣコンバータの出力能力に適合した電流で一旦コンデンサに充電し、また、間欠的に行う加熱用ヒータへの通電周期よりも抵抗の抵抗値とコンデンサの容量値で決まる充電時定数のほうが小さいため、加熱用ヒータへの通電の休止時間の間に充電を完了でき、さらに、放電でコンデンサの充電エネルギーが低下しても再びＤＣＤＣコンバータが動作を開始するので、常に必要なエネルギーをコンデンサに保持でき、省電力化を図りながら最適な加熱用ヒータの駆動が行えるものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、間欠的に加熱用ヒータに通電を行い、省電力化を図り電池駆動ながら長期間メンテナンスすることなく使用できるものである。
【００３７】
また、加熱用ヒータに必要な電流がＤＣＤＣコンバータの供給可能電流容量を越えていても、ＤＣＤＣコンバータの出力能力に適合した電流で一旦コンデンサに充電し、また、間欠的に行う加熱用ヒータへの通電周期よりも前記抵抗の抵抗値と前記コンデンサの容量値で決まる充電時定数のほうが小さいため、加熱用ヒータへの通電の休止時間の間に充電を完了でき、さらに、自己放電等でコンデンサの充電エネルギーが低下しても再びＤＣＤＣコンバータが動作を開始するので、常に必要なエネルギーをコンデンサに保持でき、省電力化を図りながら最適な加熱用ヒータの駆動が行えるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のガス検知装置の構成図
【図２】本発明の実施例のガス検知装置の一酸化炭素センサユニットの構成図
【図３】本発明の実施例のガス検知装置の加熱用ヒータ駆動波形説明図
【図４】本発明の一実施例であるガス検知装置の動作タイミング説明図
【符号の説明】
１　一酸化炭素センサユニット
２　ヒータ駆動部
３　増幅部
４　加熱用ヒータ
５　一酸化炭素検出素子
６　トランジスタ
７　波形調整部
８　差動増幅器
９　直流電源
１１　マイクロコンピュータ
１２　差動増幅部
１５　石英ガラス基板
１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ　ボンディングワイヤ
１８，１９，２０，２１　リード
２２　センサベース
３０　ＤＣＤＣコンバータ
３１　開閉器
３２　レギュレータ
３３　抵抗
３４　コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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