(57)【要約】本発明は、空気中の汚染物質を低減させるための空気清浄機に関する。この空気清浄機は、空気流９０６に対して露出し、且つ、ドライバ段９０３側からイオン化電力により作動される、前記空気流により供給される空気をイオン化するためのイオン化器９０４と、汚染物質の濃度を測定するためのガスセンサ９０５とを備える。汚染物質濃度が急激に変化したり、極端な値を取ったりした場合でも、要求通りに空気を浄化する空気清浄機を提供するため、ドライバ段９０３、イオン化器９０４及びガスセンサ９０５が閉ループ制御回路の中のコントローラ９０２と協働し、ガスセンサ９０５の出力信号を所定の目標値とほぼ一致させる。
2006500976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の汚染物質を低減させるための空気清浄機であって、空気流に対して露出したイオン化器と、汚染物質の濃度を測定するガスセンサとを備え、前記イオン化器をドライバ段側からイオン化電力により作動させることができ、前記空気流により供給される空気を前記イオン化電力に応じてイオン化することができるような空気清浄機において、
ドライバ段、イオン化器及びガスセンサが閉ループ制御回路の中のコントローラと協働し、前記ガスセンサの出力信号を所定の目標値とほぼ一致させ、
開ループ制御回路の場合であれば空気流により供給される空気中の汚染物質濃度の急激な変化により生じるガスセンサの出力信号の変化を、そのガスセンサの出力信号が元の値に戻るようにイオン化エネルギーを変化させることによって補償できるように、空気流及びイオン化器に対してガスセンサが配置されていること
を特徴とするもの。
【請求項２】
ドライバ段が、二次側に振動高電圧を発生させることができる高電圧変換器を備えることを特徴とする、請求項１記載の空気清浄機。
【請求項３】
ドライバ段がパルス幅変調回路を備え、これを用いて、高電圧変換器を一次側から作動させ、二次側の振動高電圧のピーク値及び／又はパルス比を調節することができることを特徴とする、請求項２記載の空気清浄機。
【請求項４】
前記二次側の振動高電圧は、ピーク値が１〜１０ｋＶの範囲で調節可能であり、周波数が１０〜５０ｋＨｚの範囲で調節可能であることを特徴とする、請求項３記載の空気清浄機。
【請求項５】
前記イオン化器が、内面が第一電極としての多孔性金属シートで覆われ、外面が第二電極としての金網で包まれたガラス管から成り、前記ドライバ段の振動高電圧が前記第一電極と第二電極の間に印加されることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項６】
前記ガスセンサが、特定のガスの濃度に応じて抵抗値が変化する金属酸化物センサから成ることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項７】
前記金属酸化物は酸化スズから成ることを特徴とする、請求項６記載の空気清浄機。
【請求項８】
イオン化器の周囲を流れる空気に対するガスセンサの空気入口が、イオン化器の表面から約０．５〜５．０ｃｍ、好ましくは約１．０〜２．０ｃｍの距離にあることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項９】
前記目標値を空気清浄機上で手動調節できることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１０】
空気流を発生させるための通風機が設けられていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１１】
追加のコントローラが、ガスセンサの出力信号が所定の目標値にほぼ一致するように前記通風機の回転速度を追加的に制御することを特徴とする、請求項１０記載の空気清浄機。
【請求項１２】
イオン化器、ドライバ段、ガスセンサ及びコントローラを含む制御回路に何らかの限界が生じたら直ちに前記追加のコントローラを接続することを特徴とする、請求項１１記載の空気清浄機。
【請求項１３】
前記コントローラはＰコントローラ、ＰＩコントローラ又はＰＩＤコントローラから成ることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１４】
汚染物質濃度の測定値以外の測定量をコントローラで処理できることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１５】
流量センサ及び／又は水分センサ及び／又はイオン化センサ及び／又はオゾンセンサが、他の測定値を処理するためのコントローラに接続されていることを特徴とする、請求項１４記載の空気清浄機。
【請求項１６】
前記コントローラはルールベース式ファジーコントローラから成ることを特徴とする、請求項１４又は１５記載の空気清浄機。
【請求項１７】
前記コントローラは状態コントローラから成ることを特徴とする、請求項１４又は１５記載の空気清浄機。
【請求項１８】
前記目標値に対応する汚染物質濃度が供給されると、較正素子がガスセンサを前記目標値に較正することを特徴とする、請求項１〜１７のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１９】
ガスセンサの較正中はイオン化器へのイオン化電力の供給が停止されることを特徴とする、請求項１８記載の空気清浄機。
【請求項２０】
請求項１〜１７のいずれかに記載の空気清浄機を用いて空気中の汚染物質を低減させる方法であって、前記目標値を特定の汚染物質濃度に調節し、汚染物質を含む空気をイオン化器に供給し、汚染物質の量が低下した空気をイオン化器から取り出すことを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の汚染物質を低減させるための空気清浄機であって、空気流に対して露出したイオン化器と、汚染物質の濃度を測定するガスセンサとを備え、前記イオン化器をドライバ段側からイオン化電力により作動させることができ、前記空気流により供給される空気を前記イオン化電力に応じてイオン化することができるような空気清浄機に関する。
【背景技術】
【０００２】
室内の空気や呼吸用の空気をいわゆるイオン化器で処理して汚染物質を低減させることは基本的に公知である。通常、汚染物質やにおい物質は複雑で大きな分子を形成しており、これをイオン化器で小さな分子の断片に分解するのである。同時に、イオン化の結果としてラジカル（特に酸素ラジカル）が生成されるが、これが分解で生じた断片を酸化する。イオン化器の原理は、２つの電極とその間にある誘電体との間にガス放電を発生させ、その放電を制御するというものである。このガス放電は、前記誘電体が誘電体バリアとして作用するバリア放電である。こうして、好ましくは電極表面の全体に一様に分布した放電が、限られた時間ずつ個別に得られる。このようなバリア放電の特徴は、熱アーク放電への遷移が誘電体バリアによって阻止されるということである。放電は、点火により生じる高エネルギー電子（１〜１０ｅＶ）が熱運動化によって周囲のガスにエネルギーを放出する前に中止される。
【０００３】
この種の空気清浄機については、特に家庭用を中心として、これまでに様々な応用形態が提案されてきた。例えば、この種の空気清浄機をトイレの消臭に利用したものがDE 198 10 497 A1（特許文献１）により公知となっている。この用途では、トイレの便器の上部にある洗浄水供給用リムの上、又は、便座に形成された中空流路の中に設けられた空気流路を備える吸引機によって、汚れた空気をイオン化器まで導き、悪臭を低減している。
【０００４】
イオン化器の運転においては、必要とされる適切なイオン化電力でイオン化器を駆動することが一つの問題となる。イオン化電力が小さ過ぎると十分にイオンを発生させることができず、また、イオン化電力が大き過ぎると、イオンやラジカルが過剰に発生し、ユーザに腐食剤や洗浄剤のような刺激臭を感じさせることがある。また、このような動作状態では、イオンの他にオゾンも発生するが、オゾンの過剰発生も同様に望ましくないことである。
【０００５】
上記問題を解決するものとして、WO 98/26482（特許文献２）には、ガスセンサを用いて供給電圧を制御するようにしたイオン化器を備える空気清浄機が記載されている。ガスセンサとしては、特定のガス（硫化水素、水素、アンモニア、エタノール又は一酸化炭素など、一般に酸化可能なガス又は蒸気）の濃度が上昇すると抵抗値が低下する金属酸化物半導体センサが用いられている。従って、その抵抗値の変化から、特定の汚染物質による空気の汚染度を測定することができる。WO 98/26482によれば、汚染物質の濃度が上昇したときには、センサ制御の手法により、イオン化器を作動させるイオン化電力を最大値にまで上げる。言い換えれば、ガスセンサにより測定される汚染物質濃度が低いときには、イオン化器を作動させるイオン化電力もそれに応じて小さくし、ガスセンサにより測定される汚染物質濃度が高いときには、イオン化器を駆動するイオン化電力もそれに応じて大きくするのである。更にWO 98/26482には、上記のようなセンサ制御を補うためにイオン化センサやオゾンセンサを追加使用することも記載されている。上記センサ制御では、導入されてくる空気の汚染物質濃度を測定するため、イオン化器より上流に空気品質センサを配置する必要がある。つまり、イオン化センサやオゾンセンサを追加する目的は、浄化後の空気中になおも残存する不所望なオゾン濃度を検出し、必要に応じてイオン化電力を適正値に調節することである。
【０００６】
WO 98/26482に相当するセンサ制御は、DE 43 34 956 A1（特許文献３）にも記載されている。DE 43 34 956 A1では、室内の空気に含まれる酸化可能な成分を検出する酸化スズガスセンサの使用が提案されている。このガスセンサにより比較的高度の室内汚染が検出されたときには、イオン化器も比較的大きいイオン化電力で駆動される。また、水分センサと流量センサを使用して、比較的大量の空気や比較的水分量の多い空気を測定する場合にもイオン化電力を大きくすることも提案されている。
【０００７】
【特許文献１】独国特許第DE 198 10 497 A1号明細書
【特許文献２】国際公開第98/26482号パンフレット
【特許文献３】独国特許第DE 43 34 956 A1号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
WO 98/26482やDE 43 34 956 A1に開示されている制御方法の欠点は、使用されているガスセンサの測定範囲が限られており、更にその応答速度が比較的低いということである。まず、測定範囲が限られているため、該測定範囲の周辺部分ではセンサを用いたイオン化電力の制御ができない。例えば、汚染物質濃度がガスセンサの最低測定値を下回ると、イオン化器の電源が遮断されるか、イオン化電力が所定の最小値になった状態で運転が続いてしまう。また、センサの応答速度が低いため、汚染物質濃度が急速に変化した場合に、イオン化器の起動がそれに即応せず、幾分遅れが生じることになる。例えばトイレの消臭の場合、におい物質の急激な増加が生じたまさにその時に、直ちにイオン化器で汚染物質を消滅させることが望ましいから、上述のような遅延は不都合である。
【０００９】
従って、本発明の目的は、汚染物質濃度が急激に変化したり、極端な値を取ったりした場合でも、要求通りに空気を浄化することができる空気清浄機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、請求項１に記載の特徴を有する空気清浄機、及び、請求項１８に記載の特徴を有する汚染物質の低減方法により達成される。
本発明の基本的特徴は、ドライバ段、イオン化器及びガスセンサが閉ループ制御回路の中のコントローラと協働し、前記ガスセンサの出力信号を所定の目標値とほぼ一致させる点にある。言い換えると、従来技術で提案されたセンサ制御では、センサの特性曲線が、汚染物質濃度の測定値の関数となっていたが、本発明では根本的に異なる方法を取る。本発明では、制御回路の目標値により決まる特定の動作点においてのみガスセンサを動作させる。従って、ガスセンサは常に、前記目標値にほぼ一致する値を出力信号として出力する一方、コントローラは、ガスセンサの出力が前記目標値に保たれるようにイオン化器のイオン化電力を調整する役割を果たす。
【００１１】
この目的を達成するには、ガスセンサとイオン化器との間で何らかのフィードバックを行うことが当然必要である。ところが、上記先行技術ではこのようなフィードバックの必要性や、そのフィードバックと、空気流及びイオン化器に対するガスセンサの配置との関連性は意識されていなかった。上記先行技術に記載されたガスセンサの配置は、イオン化器より上流にガスセンサがあるような配置ばかりであるため、その制御回路が本発明のように動作することはない。
【００１２】
これに対し、本発明の基礎を成すのは、開ループ制御回路の場合であれば空気流により供給される空気中の汚染物質濃度の急激な変化により生じるガスセンサの出力信号の変化を、そのガスセンサの出力信号が元の値に戻るようにイオン化エネルギーを変化させることによって補償できるように、空気流及びイオン化器に対してガスセンサを配置する、という知見である。従って、イオン化器とガスセンサとの間でフィードバックを行うには、イオン化器の作用と空気に含まれる汚染物質濃度の作用が重なり合ってガスセンサに及ぶように、空気流及びイオン化器に対してガスセンサを配置しなければならない。
【００１３】
本発明では、ガスセンサの出力信号とコントローラとの間の電気的なフィードバックが遮断されていれば、その回路は開ループ制御回路であるものとみなす。
【００１４】
本発明では、空気流によってイオン化器に供給されている空気中の汚染物質濃度が、ある特定の時点に第一の一定値から特定の量だけ跳ね上がって第二の一定値になっている場合に、開ループ制御回路用のテスト関数としての汚染物質濃度の急激な変化があるものとみなす。実際の実験設備の場合、これは、空気の流れに循環流があればその循環を遮断することにより、イオン化器に導入されている空気流に含まれる汚染物質濃度が、前提条件の通りに、汚染物質濃度の急激な変化の前後で一定値に維持され、イオン化器から引き出される空気流による余計な影響を受けることがないようにしなければならない、ということを意味する。
【００１５】
汚染物質濃度の急激な変化の振幅は、汚染物質濃度の典型的な変化量を基準にして測ることが好ましい。空気流中の汚染物質濃度の典型的な変化量は、個々の応用形態毎に、汚染物質濃度の変化量の期待値をその度数の予想値に従ってヒストグラム上にプロットすることで、決定することができる。例えば、最大度数の±１０％に含まれる事例を典型的なものとみなすことができる。また、例えば、室内のタバコの煙のにおいを低減することを目的とする空気清浄機の場合、通常の空気汚染に対するタバコの煙に起因する空気汚染の予想値を汚染物質濃度の典型的な変化の基準とする。本発明に従えば、ここでも、上記のような空気流中の汚染物質濃度の変化をイオン化エネルギーの変化により補償することで、ガスセンサの出力信号を元の値（今の例では、通常の空気汚染の元の値に対応する値）に戻すことができるように、空気流及びイオン化器に対してガスセンサを配置しなければならない。従って、予測される汚染物質濃度の変化の影響が大きければ大きいほど、ガスセンサをイオン化器に対してより近くに配置しなければならない。一方、汚染物質濃度があまり変化しないと予測される場合は、ガスセンサをイオン化器に近づけ過ぎないようにしなければならない。さもなければ、ガスセンサの出力信号が容易に制限値に達する可能性があるからである。しかし、いずれにせよ、発生する汚染物質濃度の変化を補償して、本発明に従って出力信号を所定の目標値の範囲に維持する上で十分なフィードバックがイオン化器とガスセンサとの間で行われるようにするために、ガスセンサからイオン化器まで所定の最小距離を保つ必要がある。
【００１６】
本発明には更に、汚染物質濃度を測定するための商用のガスセンサを制御ループの測定素子として利用することができるという知見をももたらすものである。本発明の方法によれば人間に有害なオゾンの過剰生成さえもイオン化器により防止されるということが分かったため、他の方法には必要とされるイオン化センサ又はオゾンセンサがそれほど必要ではないのである。
【００１７】
本発明に係る空気中の汚染物質の低減方法は、本発明に係る空気清浄機を用いて、前記目標値を特定の汚染物質濃度に調節し、汚染物質を含む空気をイオン化器に供給し、汚染物質の量が低下した空気をイオン化器から取り出す。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１８】
本発明の根本的な利点は、基本的に、空気清浄機の効率がガスセンサの測定範囲による制限を受けなくなるということである。本発明では、ガスセンサが前記目標値により決まる動作点において動作するため、汚染物質濃度がガスセンサの測定範囲を超えるほど変化したとしても、空気清浄機はそれに対応することができる。対照的に、従来のセンサ制御では、ガスセンサの出力信号が限界に達するため、イオン化器やドライバ段の駆動が制限されることになる。従って、原理的には、イオン化電力に制限がある点だけが、空気清浄機の各種制限の原因となる。ところが、イオン化電力は、例えばイオン化器及び／又はブロワの接続数を増やして空気流の流速を上げる等、適宜手段により更に増大させることができる。そのため、本発明に係る空気清浄機は、家庭用から、大量の空気を浄化する業務用まで、非常に広範囲に応用できる。
【００１９】
本発明の更なる利点は、コントローラを適切に構成することで、閉ループ制御回路に生じる過渡応答の遷移時間をガスセンサの時定数より短くすることができるということである。これは、例えば、ガスセンサの出力信号の変化が小さくてもドライバ段では大きな制御量が得られるような差動部をコントローラに設けることで達成できる。
【００２０】
ある好ましい実施形態では、ドライバ段が、二次側に振動高電圧を発生させることができる高電圧変換器を備えるようにする。イオン化器に供給されるイオン化電力は、主として振動高電圧のピーク値及び／又は振動高電圧のパルス動作により影響される。好ましくは、ドライバ段がパルス幅変調回路を備え、これを用いて、高電圧変換器を一次側から作動させ、二次側の振動高電圧のピーク値及び／又はパルス比を調節することができるようにする。高電圧変換器と、入力側に直流電圧が供給される共振器とを備える直列回路の場合、パルス幅変調された信号が整流されて共振器の入力に供給される。これを受けた共振器は、高電圧変換器の一次側に振動電圧を供給する。その結果、高電圧変換器の二次側のピーク値はパルス幅比に比例することになる。それに加えて、あるいはその代わりに、二次側で出力される高電圧をパルス状にしてもよい。これは、イオン化器は全波を特定数だけ受けるまでは動作せず、それまでの振動高電圧は遮断される、ということを意味している。このように平均化されて供給されるイオン化電力はパルス幅比にも比例している。パルス幅比は、共振器の入力側に供給されるものと同じパルス幅変調信号から求めるか、あるいはそのために別のパルス幅変調信号を発生させてもよい。
【００２１】
別の好ましい実施形態では、二次側の振動高電圧のピーク値を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲で、また周波数を１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲で調節できるようにする。
【００２２】
ある好ましい実施形態では、前記イオン化器が、内面が第一電極としての多孔性金属シートで覆われ、外面が第二電極としての金網で包まれたガラス管から成り、前記ドライバ段の振動高電圧が前記第一電極と第二電極の間に印加される。イオン化管の周囲を流れるガスを殺菌又は浄化するため、前記高電圧変換器は、ガス放電の際にラジカル（好ましくは酸素ラジカル）が発生するように作動させる。通常、ピーク値が１〜１０ｋＶの場合、高電圧変換器を約１０〜５０ｋＨｚの範囲（好ましくは１５〜３０ｋＨｚの範囲）の交流電圧で作動させる。ガスが上記形態のイオン化管の周囲を流れると、ガス放電が発生し、流れているガスがイオン化される。このガス放電は、ガラス管が誘電体バリアとして機能することにより生じるバリア放電である。こうして、好ましくは電極表面の全体に一様に分布した放電が、限られた時間ずつ個別に得られる。このようなバリア放電の特徴は、熱アーク放電への遷移が誘電体バリアによって阻止されるということである。放電は、点火により生じる高エネルギー電子（１〜１０ｅＶ）が熱運動化によって周囲のガスにエネルギーを放出する前に中止される。イオン化器の構成を上記とは異なるものとすることも当然考えられる。例えば平板型、あるいは管と平板の組み合わせ等がある。
【００２３】
ある好ましい実施形態では、前記ガスセンサが、ガスと反応すると抵抗値が変化する金属酸化物センサを含むようにする。金属酸化物は、ヒータで所定温度に保たれた基板上に塗布される。好ましくは、空気中の汚染物質濃度が変化しても抵抗値が変わらないガスセンサを用いるようにする。この種のガスセンサを用いることで、汚染物質濃度の制御の信頼性が特に高まることが分かっている。金属酸化物には例えば酸化スズが含まれる。
【００２４】
別の好ましい実施形態では、イオン化器の周囲を流れる空気に対するガスセンサの空気入口が、イオン化器の表面から約０．５〜５．０ｃｍ（好ましくは約１．０〜２．０ｃｍ）の距離にあるようにする。このような距離設定により、通常の場合であれば、ガスセンサのダイナミックレンジが、イオン化器のダイナミックレンジや、通常の汚染物質濃度がとる値の範囲と一致することが分かっている。
【００２５】
別の好ましい実施形態では、前記目標値を空気清浄機上で手動調節できるようにする。これにより、操作者は、空気の汚染物質濃度が通常であれば、空気清浄機を自分にとって最も良いと思われる動作モードに設定することができる。特に、前記所定の目標値がガスセンサの出力信号のダイナミックレンジ全体における中央部分に一致するように、ガスセンサの配置を選択できるようにすることが好ましい。というのも、本発明では、制御回路の働きによって、ガスセンサによる汚染物質濃度の測定値が目標値にほぼ一致するものとなるため、ガスセンサが、閉ループ制御回路の過渡的プロセスにおいてダイナミックレンジが最大になるような範囲で作動することになるからである。
【００２６】
別の好ましい実施形態では、前記空気流が、例えば家庭用の小型機器の場合に、その機器の電気部品に供給される空気の加熱処理に起因する対流によって発生するようにする。
【００２７】
別の好ましい実施形態では、空気流を発生させるための通風機を設ける。空気流は制御回路の動作にも影響を及ぼす可能性があることが分かった。イオン化器の表面からガスセンサまでの距離が同じである場合、ガスセンサをイオン化器より上流に配置すると、ガスセンサがイオン化器より下流にある配置に比べて、イオン化器とガスセンサとの連関は弱い。
【００２８】
そのため、別の好ましい実施形態では、追加のコントローラが、ガスセンサの出力信号が所定の目標値にほぼ一致するように空気流の流量を追加的に制御するようにする。特に、イオン化器、ドライバ段、ガスセンサ及びコントローラを含む制御回路に何らかの限界が生じたら直ちに前記追加のコントローラを接続することが有効であることが分かった。この場合、前記追加のコントローラは、発生した限界状態が適切に解消されるように動作する必要がある。
【００２９】
制御回路の動作は使用するコントローラの形式に大きく依存することは言うまでもない。制御回路を構成する他の要素（すなわち、イオン化器、ドライバ段及びガスセンサ）の伝達特性を適切な同定方法で求めてしまえば、コントローラは、原則として、一般に利用可能な制御工学的方法に従って構成することができる。よく使われる制御回路素子の中では、Ｐコントローラ、ＰＩコントローラ又はＰＩＤコントローラ等がまず挙げられる。最も構成が簡単なのはＰコントローラである。ただし、Ｐコントローラが制御量を出力するには、原則として、前記所定の目標値とガスセンサによる汚染物質濃度の測定値との間に制御偏差が存在する必要がある。もちろん、Ｐコントローラの増幅率を十分に高くすれば、制御偏差は無視できる。しかし、Ｐコントローラの増幅率を高くすることができるのは、そのようにしてもガスセンサの出力信号の信号／雑音差がなお十分に大きい場合のみである。これに対し、Ｐコントローラを使うにはガスセンサの出力信号の信号／雑音差がもはや十分ではないという場合には、ＰＩコントローラが利用できる。ＰＩコントローラは積分値に対して応答するものであるため、制御偏差がゼロになっても引き続き制御量を出力することができる。それゆえ、ＰＩコントローラを用いれば、原則的には、制御回路が過渡的状態になった場合に制御偏差をゼロにすることができる。制御回路の過渡応答の速度を高めるには、ＰＩコントローラに差分素子を取り付けるのが普通である。こうして得られるのがＰＩＤコントローラである。ＰＩＤコントローラは差分値に対して応答するものであるため、汚染物質濃度や目標値が急激に変化した場合に、制御回路素子が限界状態に達する可能性がある。この場合、流量を制御するための追加のコントローラを上述のように接続することが有利である。この構成では、イオン化器のイオン化電力が上限に達すると、その代わりに追加のコントローラが空気流の流量を増大させる。
【００３０】
Ｐコントローラ、ＰＩコントローラあるいはＰＩＤコントローラのような、よく使われる形式のコントローラに加えて、ルールベース式ファジーコントローラや状態コントローラを使用してもよい。ルールベース式ファジーコントローラや状態コントローラは、特に、汚染物質濃度の測定値以外にもコントローラで処理すべき測定量がある場合に好適である。原則的には、例えば、水分センサ及び／又はイオン化センサ及び／又はオゾンセンサを追加することで、制御回路の応答性が高まるものと考えられる。
【００３１】
別の好ましい実施形態では、前記目標値に対応する汚染物質濃度が供給されると、較正素子がガスセンサを前記目標値に較正するようにする。イオン化器が較正動作を乱すような反応を示すことがないように、ガスセンサの較正中はイオン化器へのイオン化電力の供給を停止することが好ましい。あるいは、室内の空気をぎりぎり快適と言える状態に定常的に維持すべくイオン化器が動作するような所定のイオン化電力を該イオン化器に連続的に供給しながら、較正動作を実行するようにしてもよい。
【００３２】
ガスセンサを較正することで、製造工程により決まるガスセンサの許容誤差を補償することができる。上述した酸化スズガスセンサを用いる場合、許容誤差は主として特性曲線の絶対位置のずれという形で現れるが、センサの信号の相対変化はガス濃度の関数として表現され、どのセンサでもほぼ同じになる。このような場合、較正素子は、較正動作中にガスセンサの出力電圧に適宜電圧を重畳する簡単な加算器を備えるものとすることができる。また、この場合、ユーザにより「清浄な空気」として指定された汚染物質濃度を、較正動作中にガスセンサに与える必要がある。これは、較正素子による較正動作において、制御偏差をほぼゼロにするために必要な追加電圧を求めるためである。
【実施例】
【００３３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を各種実施例に沿ってより詳細に説明する。図面において、
図１ａは、入力が跳躍関数で表されるガスセンサの転送応答のブロック図を示し、
図１ｂは、跳躍振幅が１のときの出力１５０の応答関数を示し、
図１ｃは、跳躍振幅が２．５のときの出力１５０の応答関数を示し、
図２ａは、入力が跳躍関数で表されるセンサ制御装置の伝達特性のブロック図を示し、
図２ｂは、跳躍振幅が１のときの出力２５０の応答関数を示し、
図２ｃは、跳躍振幅が２．５のときの出力２５０の応答関数を示し、
図３ａは、汚染物質濃度が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示し、
図３ｂは、跳躍振幅が１のときの出力３５０の応答関数を示し、
図４ａは、イオン化電力が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示し、
図４ｂは、跳躍振幅が１のときの出力４５０の応答関数を示し、
図４ｃは、跳躍振幅−１のときの出力４５０の応答関数を示し、
図５ａは、閉ループ制御回路の信号の流れを示すブロック図を示し、
図５ｂは、汚染物質濃度が跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示し、
図５ｃは、跳躍振幅が１のときの出力５５０及び５５１の応答関数を示し、
図６ａは、目標値が跳躍関数で表され、それに続く汚染物質濃度も跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示し、
図６ｂは、跳躍振幅が１のときの出力６５０及び６５１の各々における応答関数を示し、
図７は、酸化スズガスセンサの感度特性を示し、
図８は、本発明に係る空気清浄機の透視図を示し、
図９は、図８に示した本発明に係る空気清浄機のブロック図を示し、
図１０は、図９のコントローラの制御アルゴリズムのフローチャートを示す。
【００３４】
図１ａは、入力が跳躍関数で表されるガスセンサの伝達特性のブロック図を示している。ガスセンサ１１０の伝達特性のモデルとして、２つのＰＴ１素子１１１及び１１２と制限素子１１３を直列接続した。入力は、汚染物質濃度１０１が急激に上昇する関数で表され、それに応じた応答関数を出力１５０から描くことができる。以下のパラメータを基にした。
ＰＴ１素子１１１、１１２：  時定数＝１０．０秒、転送値＝１．０
制限素子１１３：  上限＝２．０、下限＝−２．０
【００３５】
すなわち、ガスセンサの出力は−２．０Ｖ〜２．０Ｖ範囲で調節することができるものとした。
【００３６】
図１ｂは、跳躍振幅が１のときの出力１５０の応答関数を示している。予想通り、汚染物質濃度の跳躍関数に対するガスセンサの反応には遅延があり、約６０秒かけて指数関数的に跳躍振幅が１に近い値になっている。
【００３７】
図１ｃは、跳躍振幅が２．５のときの出力１５０の応答関数を示している。ひとたび値２．０に達してしまうと、制限素子１１３が作用し始め、約３０秒経過すると応答関数が値２．０で頭打ちになり、跳躍振幅である２．５まで近づくことはできない。
【００３８】
図２ａは、入力が跳躍関数で表されるセンサ制御装置の伝達特性のブロック図を示している。例えばWO 98/26482やDE 43 34 956 A1に記載の基本構造を有するセンサ制御装置であって、ガスセンサ２１０及びその後段のドライバ段２２０を備えている。図１ａの場合と同様に、ガスセンサ２１０は２つのＰＴ１素子２１１、２１２及び制限素子２１３を備えている。これらのパラメータも図１ａの場合と同じである。Ｐ素子２２１と、その後段にある制限素子２２２をドライバ段２２０のモデルとした。パラメータは以下のように仮定した。
Ｐ素子２２１：  伝達係数＝２５０．０
リミッタ２２２：  上限値＝５００Ｖ、下限値＝−５００．０Ｖ
【００３９】
これは、ドライバ段２２０が図２ａに従ってガスセンサ２１０の出力電圧を係数２５０で高電圧に変換する、ということを意味している。ただし、簡単のため、実際であれば生じるはずのオフセットは考慮していない。通常、分圧器に接続されたガスセンサの出力電圧は、例えば１〜５Ｖの範囲であり、これがドライバ段により例えば１０００〜２０００Ｖの高電圧に変換される。しかし、このようなオフセットは制御回路のモデルにとって重要ではなく、必要となればいつでも簡単に加えることができる。
【００４０】
図２ａのセンサ制御装置の伝達特性を調べるため、ここでも、入力側における汚染物質濃度が急激に上昇し、それがドライバ段２２０の出力２５０側で記録されるものと仮定した。
【００４１】
図２ｂは、跳躍振幅が１のときの出力２５０の応答関数を示している。図２ｂでは、跳躍振幅を同じように描くことができるようにするために、振幅を係数２５０で増幅した。予想通り、図２ｂでは図１ｂと同じ応答関数が得られているが、図２ｂの場合、後段に接続されたドライバ段２２０が作用するため、係数２５０で引き伸ばされている。
【００４２】
最後に、図２ｃは、跳躍振幅が２．５のときの出力２５０の応答関数を示している。ここでも、描画上の都合により、跳躍振幅を係数２５０で増幅している。跳躍振幅が２．５に増大した結果、制限素子２１３、２２２がそれぞれ作用するようになり、約３０秒後には図２ｃに示したように、応答関数が一定値５００Ｖで頭打ちになっている。
【００４３】
図２ａ、図２ｂ及び図２ｃに描かれた伝達特性は、イオン化器を備える空気清浄機に使われている公知のセンサ制御装置にほぼ対応している。これに対して、本発明は、汚染物質濃度の作用及びイオン化器でのイオン化の作用が汚染物質センサに重畳され、補償されるような、閉ループ制御回路の構成を提供する。このように閉じた制御回路の信号の流れのブロック図を図５ａに示す。以下、この図についてより詳しく説明する。この制御回路の個々の構成要素を分けて見ていくため、まず図３ａに、汚染物質濃度が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示す。
【００４４】
図３ａの開ループ制御回路は、コントローラ３４０、その後段に接続されたドライバ段３２０、及び、その後ろのイオン化器３３０から基本的に構成されている。本発明では、イオン化器３３０の作用及び空気流に含まれる汚染物質濃度の作用がガスセンサ３１０に重畳入力されるようになっている。図３ａのブロック図では、加算点３０３によりこのような状況が作り出されている。加算点３０３には、汚染物質濃度の跳躍関数３０１が作用するとともに、伝送路３３２を通じてイオン化器３３０も作用する。ガスセンサ３１０のパラメータは図１ａで示したものと同じである。図３ａでは、まず、汚染物質濃度が跳躍関数で表される場合のガスセンサの応答だけを切り離して見る必要がある。従って、制御回路の他の要素のパラメータは当面は重要ではなく、以下の各図面の中で適当な箇所に来たところで説明するものとする。
【００４５】
図３ｂは、跳躍振幅が１のときの出力３５０の応答関数を示している。図３ａでは開ループ制御回路であることを前提としたため、図３ｂの応答関数は汚染物質濃度の急激な変化によってのみ生じ、従って図１ｂの応答関数と同じものとなる。
【００４６】
図４ａは、イオン化電力が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示している。図３ａと同様、この開ループ制御回路もコントローラ４４０、ドライバ段４２０、イオン化器４２０及びガスセンサ４１０を備えている。ここではイオン化器に供給される空気流中の汚染物質濃度が一定に保たれているため、その作用は考慮されず、イオン化器４３０だけが加算点４０３に作用している。
【００４７】
図４ａのブロック図において、イオン化電力の跳躍関数について調べるため、跳躍関数４０４が作用する加算点４０５をコントローラ４４０とドライバ段４２０との間に挿入した。ガスセンサ４１０のブロック４１１、４１２及び４１３のパラメータは、図１ａのガスセンサ１１０のものと同じである。ドライバ段４２０のブロック４２１、４２２のパラメータもまた図２ａのドライバ段２２０のものと同じである。イオン化器４３０は、以下のパラメータを有する単純なＰ素子４３１を用いて構成した。
Ｐ素子４３１：  伝達係数＝−０．００４
【００４８】
イオン化器の出力は、経路４３２を通じて、加算点４０３に直接、遅延なく作用する。このため、この例では、ガスセンサ４１０をイオン化器４３０のすぐ近くに配置するものとした。イオン化器４３０とガスセンサ４１０との間の距離を大きくする場合は、経路４３２に例えばむだ時間素子を挿入してもよい。以上により、Ｐ素子４３１の伝達特性は、ドライバ段４２０が出力する高電圧の変化量からガスセンサ４１０により測定される汚染物質濃度の変化量への変換に対応するものとなる。
【００４９】
図４ｂは、跳躍振幅が１のときの出力４５０の応答関数を示したものである。この図によれば、ドライバ段４２０の入力電圧が１Ｖ上昇すると、ガスセンサの出力電圧がやはり１Ｖだけ低下する。ここでの時間関数もまた、２つのＰＴ１素子４１２、４１３の伝達特性で決まる。応答が逆になっているのは、イオン化電力が増大すると空気流中の汚染物質が減少するからだと説明することができる。これに対応して、図４ｃでは、跳躍振幅が−１のときの出力４５０の応答関数を示している。ここでも応答が逆になっていることが見て取れる。これは、イオン化電力が低下すると空気流中の汚染物質濃度が上昇するからである。
【００５０】
図３ａ、図３ｂ、並びに図４ａ、図４ｂ及び図４ｃにそれぞれ示した開ループ制御回路での測定の結果から、空気流及びイオン化器に対するガスセンサの配置が本発明に従ったものであることが非常に容易に立証できることが分かる。図３ｂは、開ループ制御回路において、空気流中の汚染物質濃度が変化したときのガスセンサの出力信号を示す。汚染物質濃度の変化により、ガスセンサの出力信号が０Ｖから１Ｖに上昇している。
【００５１】
本発明によれば、開ループ制御回路の場合に生じる上記変化を、ガスセンサの出力信号を元の値に戻すようにイオン化エネルギーを変化させることによって補償できるように、空気流及びイオン化器に対してガスセンサを配置しなければならない。図４ｂは、開ループ制御回路において、イオン化器に供給される空気流中の汚染物質濃度が一定である一方でイオン化エネルギーが変化する場合のガスセンサの出力信号を示している。この場合、ドライバ段の入力において１Ｖの電圧が上昇すると、ガスセンサ４５０の出力信号が０Ｖから−１Ｖに変化する。この事例で模擬的に提示された空気流及びイオン化器に対するガスセンサの配置により、図３ｂに示したようにガスセンサの出力信号が変化しても、それに応じて図４ｂに示したようにイオン化エネルギーを変化させることでその変化が補償される、という望ましい効果がまさにその通りに得られる。実際に、図３ａおよび図４ａに対応する実験を行って、開ループ制御回路における上記のような補償効果を検証することが可能である。
【００５２】
次に、閉ループ制御回路の応答についてより詳しく説明する。そのため、まず図５ａは、閉ループ制御回路の主な信号の流れを示すブロック図を示している。この閉ループ制御回路は、既に述べたような制御回路素子、すなわち、ガスセンサ５１０、コントローラ５４０、ドライバ段５２０及びイオン化器５３０を備えている。一方、ドライバ段５２０は、電圧源５２５、パルス幅変調器５２６、共振器５２７及び高電圧変換器５２８を備えている。
【００５３】
電圧源５２５から供給される直流電圧はパルス幅変調器５２６によりパルスに変換される。パルス幅比はコントローラ５４０により決定され、クロックレートはクロック発生器（図示せず）により決定される。このパルスを平滑化すると、パルス幅比に比例した直流電圧が発生し、共振器５２７に供給される。共振器５２７は後段の高電圧変換器５２８に接続されており、まず一方で、直流電圧が供給されたときに自動的に約２５ｋＨｚ〜３５ｋＨｚの範囲の動作振動数で振動を開始し、他方で、共振器５２７の入力電圧又はパルス幅変調器５２６の調整パルス幅にほぼ比例したピーク値を持つ振動高電圧を二次側に供給する。高電圧変換器５２８により供給される振動高電圧のピーク値は例えば１．０ｋＶ〜２．０ｋＶの範囲であり、それがイオン化器５３０の２つの電極に印加される。
【００５４】
浄化すべき空気５００はイオン化器５３０の周囲を流れている。ガスセンサ５１０はイオン化管５３０より下流に配置されている。閉ループ制御回路の場合、空気循環モードを使って空気流の全体又は一部を元の場所に戻すことができる。ガスセンサ５１０はコントローラ５４０に出力信号を送る。コントローラ５４０は、目標値５４７に基づいて目標値と実測値を比較し、基本制御アルゴリズムに従ってパルス幅変調器５２６のパルス幅比を調節する。
【００５５】
図５ｂは、汚染物質濃度が跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示している。図５ｂの閉ループ制御回路は、図３ａの開ループ制御回路を元にして、ガスセンサの出力信号５５０を分岐線５１４を通じてコントローラ５４０にフィードバックするように構成したものである。ガスセンサ５１０、ドライバ段５２０及びイオン化器５３０のブロックとそれらに関連付けられたパラメータは、図３ａのガスセンサ３１０又は図４ａのドライバ段４２０及びイオン化器４３０のパラメータと同じであり、これらについては図３ａ及び図４ａに関連する記述を参照することができる。
【００５６】
次に、コントローラ５４０の構成について詳細に説明する。目標値５４７はコントローラの内部で減算点５４６に送られる。こうして求められる制御偏差は、Ｐ素子５４１を経由してその後段のＰＩＤコントローラに到達する。ＰＩＤコントローラは、Ｐ素子５４２、ＤＴ１素子５４３及びＩ素子５４４を備えており、それらの出力信号は加算点５４５により積算されて出力５５１となる。出力５５１はドライバ段５２０に入力される制御量となる。コントローラ５４０のパラメータは以下のように定めた。
目標値５４７：  目標値＝０
Ｐ素子５４１：  伝達係数＝−１
Ｐ素子５４２：  伝達係数＝−２
ＤＴ１素子５４３：  伝達係数＝８、時定数＝２秒
Ｉコントローラ５４４：  伝達係数＝０．２１／秒（積分定数５秒に相当）
【００５７】
次に、空気流中の汚染物質濃度の急激な変化に相当する跳躍関数５０１を参照しながら、上記閉制御ループの応答について見てみる。この事例では、ガスセンサ５５０の出力及びコントローラ５５１の出力のそれぞれにおける時間信号を図示している。
【００５８】
図５ｃは、跳躍振幅が１のときの出力５５０及び５５１の応答関数を示している。
【００５９】
ガスセンサ５５０の出力信号から明らかなように、汚染物質濃度が急激に変化しているにも関わらず、制御回路は出力信号５５０を目標値５４７に戻すことができる。出力信号は一旦約０．２５まで上昇し、約４０秒経過したところで再び元の値になり、その後は振動の超過幅が小さくなり、４０秒以内に再び目標値に近づく。これに対して、コントローラ５４０の出力量５５１は、汚染物質濃度に生じた変化を加算点５０３において確実に補償できるような十分な入力値でドライバ段５２０を作動させるような量になっている。約２５秒経過すると、制御量５５１は最大値に達し、その後は、ドライバ段５２０に入力される入力電圧である１．０Ｖに対応する終端値１．０に近づいている。図５ｃから、イオン化器５３０とガスセンサ５１０との間の転送路５３２では余分な遅延は発生しないものとした場合、上記閉ループ制御回路の過渡応答は実質的にガスセンサ５１０の時間応答性で決まるものと考えられる。ガスセンサの時定数は、図１ａに示したような配置により決定することができる。ガスセンサ全体の伝達特性が単一のＰＴ１素子により近似されるものと仮定すれば、記録された跳躍関数１５０の時定数は、その跳躍関数１５０が（１−１／ｅ）という値に達するのにかかった時間とほぼ同じになる。
【００６０】
一方、（例えば、ガスセンサがイオン化器から遠くに配置されている場合に、空気流の流速が原因となって）イオン化器５３０とガスセンサ５１０との間の転送路５３２に遅延が発生するような場合、閉ループ制御回路の過渡応答が不必要に遅くならないようにするため、前記遅延時間を考慮した二次的条件を設定することができる。つまり、二次的条件として、開ループ制御回路において汚染物質濃度が一定である場合に、イオン化エネルギーが変化しても、ガスセンサの出力信号の遅延時間が先に定めたガスセンサの時定数よりも短くなるようにする、という条件を定めることができる。いまの事例では、ガスセンサ５１０の時定数は、図１ｂに示した時間関数から約２０秒と定めることができる。閉ループ制御回路の過渡応答を時間について最適化するには、ガスセンサが空気流及びイオン化器に対して上述の二次的条件を更に満たし、経路５３２の遅延時間が２０秒より短くなるようにする必要がある。一般には、ガスセンサをイオン化器に十分近づけることで、上記二次的条件を容易に満たすことができる。
【００６１】
図６ａは、目標値が跳躍関数で表され、それに続く汚染物質濃度も跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示している。図６ａのブロック図と図５ａのブロック図との違いは、図６ａでは跳躍関数６４８が目標値になっており、汚染物質濃度６０１の急激な変化はむだ時間６０２が経過するまで発生しない、という点だけである。むだ時間のパラメータ値は１００秒とした。その他の点では、図６ａは図５ａのブロック図と一致しているため、他の構成要素については該当の記述を参照することができる。
【００６２】
このような図６ａの閉ループ制御回路は、まず目標値６４８の変化を受けて作動し、それからむだ時間６０２が経過したときに、更に汚染物質濃度６０１の変化を受けて作動する。図６ｂには、出力６５０及び６５１における応答関数がそれぞれ示されている。値２のところに引いた一点鎖線は、Ｐ素子６２１の転送係数を考慮したときのドライバ段６２０の制限値に相当する値を補足的に示している。
【００６３】
コントローラ６４０に差動部６４３を設けたため、目標値６４８が急激に上昇すると、まず制御量６５１が大きくなる。６０秒経過すると、制御回路は新しい目標値へと急カーブし、ガスセンサの出力６５０における出力信号の値は−１になる。１００秒経過すると、汚染物質濃度の急激な変化が更に発生する。これを受けて、今度はガスセンサの出力信号６５０の値を−１に維持すべく、再び制御量６５１が上昇する。ここで示唆的なのは、領域６２３及び６２４の解釈である。ドライバ段６２０に制限素子６２２があるため、２．０を超えたり−２．０を下回ったりした制御量はイオン化器６３０に転送されない。従って、上記領域でイオン化電力を高めるために、先に述べたように、例えばブロワや別のイオン化器を追加的に接続する等、追加的な手段を用いることが有効である。
【００６４】
図７は、酸化スズガスセンサの感度特性を示している。この図では、空気を基準とする酸化スズ素子の抵抗値の相対変化が、様々な汚染物質の汚染物質濃度の関数としてプロットされている。線７０１から分かるように、酸化スズガスセンサは空気や酸素には反応しない。しかし、汚染物質濃度が上昇すると、Ｈ２Ｓ、水素、アンモニア、エタノール及びＣＯに対して優れた感度を示す。家庭用の場合、ＣＯの感度曲線７０２に合わせて制御を行うと、特に安定的な制御を行うことができることが分かった。
【００６５】
図８は、本発明に係る空気清浄機の透視図を示している。この空気清浄機８０１は、台８０２とカバー８０３を有する卓上機器として構成されている。先に説明したように構成されたイオン化管８０４が、イオン化器として台に固定されている。台にはガスセンサ８０５も固定されており、そのガスセンサの配置は、本発明に従って、開ループ制御回路の場合であれば空気流により供給される空気中の汚染物質濃度の急激な変化により生じるガスセンサの出力信号の変化がイオン化エネルギーの変化により補償されるように、決められている。空気流はカバー８０３に形成された空気スリット８０６を通ってハウジングに出入りする。空気の流れを促進するため、更に適宜換気装置を台に取り付けてもよいし、空気清浄機の外側に取り付けるのでもよい。台の縁部には、動作に必要なＬＥＤ表示部８０７及び動作電位計８０８と、電力供給用の給電線８０９がある。
【００６６】
空気清浄機８０１の機能について図９を参照しながら説明する。図９は、図８に示した本発明に係る空気清浄機のブロック図を示している。まず、ガスセンサを所定の汚染物質濃度に較正する較正動作について説明する。市販のガスセンサには様々な特性曲線を持つものがあり、それに応じて制御回路の応答性が異なってくるため、一般に較正処理は必須である。しかし、酸化スズガスセンサを使用した場合、ガス濃度の変化により生じるガスセンサの出力信号の相対変化はほぼ一定であり、様々なセンサの間に見られるのは、与えられたガス濃度における出力信号の絶対位置のずれだけである、ということが分かった。また、本発明に従って制御を行う場合、いずれにしてもセンサは狭い動作範囲でしか動作しないため、一旦動作点が較正されたら、センサの特性曲線をその動作範囲の周囲で直線状にしてもよい、という事実を利用してもよい。
【００６７】
較正動作を行うには、まず切換スイッチ９０１を位置１に設定し、イオン化管９０４がイオン化電力を受けて作動することがないようにする。その代わりに、制御偏差は較正素子９１２に供給される。次に、「清浄な空気」に相当する一定の汚染物質濃度（その値は用途に依存）、つまり目標値に相当する汚染物質濃度を空気流９０６に与える。空気清浄機側で動作電位計８０８を目的とする目標値の位置に設定すると、それにより調節された目標値９０８が比較点９０９に送られるようになる。そして、まだ較正が行われていないときには、比較素子から制御偏差９１０が出力される。本例では更に、較正用の加算素子９１１及び較正素子９１２がある。較正素子９１２は切換スイッチ９０１から制御偏差９１０を入力として受け取り、その制御偏差９１０がゼロになるように出力電圧９１３を上昇又は低下させる。こうして決定された電圧値９１３を例えばメモリに保存し、電源異常が発生した後でも利用できるようにしてもよい。このような較正は必要に応じて複数回繰り返してもよく、その場合は、汚染物質濃度９０６の変化を考慮してもよい。
【００６８】
次に、運転動作について説明する。今度は切換スイッチ９０１を位置２に設定し、コントローラ９０２が制御偏差９１０を入力量として受け取るようにする。ドライバ段９０３は、コントローラ９０２の出力に応じたイオン化電力をイオン化管９０４に供給する。コントローラ９０２の制御アルゴリズムは積分コントローラと同じであり、その機能は、図１０のフローチャートに示した通りである。まず初めは、コントローラが、予め保存しておいた初期値（低いイオン化電力に対応する値）を出力するものとする。汚染物質濃度９０６が予め調節された目標値と一致している限り、制御偏差９１０はゼロのまま変わらないため、コントローラは何の動作も行わない。汚染物質濃度が上昇すると、ガスセンサ９０５が汚染物質濃度の上昇を検出し、その結果として制御偏差９１０が大きくなる。このようになると、コントローラ９０２が制御アルゴリズムに従って制御量９１４を大きくする。その結果、ドライバ段９０３がイオン化管９０４をより高いイオン化電力で駆動するようになる。以上のプロセスは、本発明に従って、イオン化電力が増大した結果として、ガスセンサ９０５の出力信号が元の値に戻るとともに、制御偏差９１０が再びゼロになるまで継続される。逆に、汚染物質濃度９０６が再び減少した場合は、それに応じた動作が見られることになる。
【００６９】
ユーザは表示部９０７で制御量９１４をチェックすることができる。制御量が大きいときはイオン化電力が大きく、従って空気が汚染物質によりひどく汚染されているということが分かる。一方、制御量が小さければ、汚染物質濃度が較正動作により決定された値であるということになる。図８の空気清浄機では、表示部９０７がＬＥＤ表示部８０７で構成されている。この場合、制御量９１４の現在の値範囲をＬＥＤ表示部８０７の範囲に適合させるとよい。これは、所定の時間ウィンドウにおいて、制御量の最小値と最大値の間の値範囲を特定し、その間で制御量の各値を線形的に、あるいは他の適宜方法でレベル分けしてＬＥＤ表示部８０７上に割り当てる、という形で実現することができる。
【００７０】
制御アルゴリズムについて図１０を参照しながら詳細に説明する。図１０は、図９のコントローラの制御アルゴリズムのフローチャートを示している。まずステップ１００１では、目標値と、ガスセンサから供給された測定値が比較される。前記測定値は、先に述べたように較正値で補正された値である場合もある。次に、ステップ１００２及び１００３で、正又は負の制御偏差が存在しているかどうかをまず調べる。もし存在していれば、ステップ１００４又は１００５において待機タイマが起動される。このタイマは雑音を抑制するために用いられる。そして、ステップ１００６又は１００７において、制御偏差がまだ残っているかどうか調べる。もし残っていれば、制御量９１４を増加又は減少させる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１ａ】入力が跳躍関数で表されるガスセンサの伝達特性のブロック図。
【図１ｂ】跳躍振幅が１のときの出力１５０の応答関数。
【図１ｃ】跳躍振幅が２．５のときの出力１５０の応答関数。
【図２ａ】入力が跳躍関数で表されるセンサ制御装置の伝達特性のブロック図。
【図２ｂ】跳躍振幅が１のときの出力２５０の応答関数。
【図２ｃ】跳躍振幅が２．５のときの出力２５０の応答関数。
【図３ａ】汚染物質濃度が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図。
【図３ｂ】跳躍振幅が１のときの出力３５０の応答関数。
【図４ａ】イオン化電力が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図。
【図４ｂ】跳躍振幅が１のときの出力４５０の応答関数。
【図４ｃ】跳躍振幅が−１のときの出力４５０の応答関数。
【図５ａ】閉ループ制御回路の信号の流れを示すブロック図。
【図５ｂ】汚染物質濃度が跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図。
【図５ｃ】跳躍振幅が１のときの出力５５０及び５５１の応答関数。
【図６ａ】目標値が跳躍関数で表され、それに続く汚染物質濃度も跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図。
【図６ｂ】跳躍振幅が１のときの出力６５０及び６５１の各々における応答関数。
【図７】酸化スズガスセンサの感度特性。
【図８】本発明に係る空気清浄機の透視図。
【図９】図８に示した本発明に係る空気清浄機のブロック図。
【図１０】図９のコントローラの制御アルゴリズムのフローチャート。
【図１ａ】
2006500976.tif 000003
【図１ｂ】
2006500976.tif 000004
【図１ｃ】
2006500976.tif 000005
【図２ａ】
2006500976.tif 000006
【図２ｂ】
2006500976.tif 000007
【図２ｃ】
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【図３ａ】
2006500976.tif 000009
【図３ｂ】
2006500976.tif 000010
【図４ａ】
2006500976.tif 000011
【図４ｂ】
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【図４ｃ】
2006500976.tif 000013
【図５ａ】
2006500976.tif 000014
【図５ｂ】
2006500976.tif 000015
【図５ｃ】
2006500976.tif 000016
【図６ａ】
2006500976.tif 000017
【図６ｂ】
2006500976.tif 000018
【図７】
2006500976.tif 000019
【図８】
2006500976.tif 000020
【図９】
2006500976.tif 000021
【図１０】
2006500976.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月20日(2004.8.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の汚染物質を低減させるための空気清浄機であって、空気流に対して露出したイオン化器と、汚染物質の濃度を測定するガスセンサとを備え、前記イオン化器をドライバ段側からイオン化電力により作動させることができ、前記空気流により供給される空気を前記イオン化電力に応じてイオン化することができるような空気清浄機に関する。
【背景技術】
【０００２】
室内の空気や呼吸用の空気をいわゆるイオン化器で処理して汚染物質を低減させることは基本的に公知である。通常、汚染物質やにおい物質は複雑で大きな分子を形成しており、これをイオン化器で小さな分子の断片に分解するのである。同時に、イオン化の結果としてラジカル（特に酸素ラジカル）が生成されるが、これが分解で生じた断片を酸化する。イオン化器の原理は、２つの電極とその間にある誘電体との間にガス放電を発生させ、その放電を制御するというものである。このガス放電は、前記誘電体が誘電体バリアとして作用するバリア放電である。こうして、好ましくは電極表面の全体に一様に分布した放電が、限られた時間ずつ個別に得られる。このようなバリア放電の特徴は、熱アーク放電への遷移が誘電体バリアによって阻止されるということである。放電は、点火により生じる高エネルギー電子（１〜１０ｅＶ）が熱運動化によって周囲のガスにエネルギーを放出する前に中止される。
【０００３】
この種の空気清浄機については、特に家庭用を中心として、これまでに様々な応用形態が提案されてきた。例えば、この種の空気清浄機をトイレの消臭に利用したものがDE 198 10 497 A1（特許文献１）により公知となっている。この用途では、トイレの便器の上部にある洗浄水供給用リムの上、又は、便座に形成された中空流路の中に設けられた空気流路を備える吸引機によって、汚れた空気をイオン化器まで導き、悪臭を低減している。
【０００４】
イオン化器の運転においては、必要とされる適切なイオン化電力でイオン化器を駆動することが一つの問題となる。イオン化電力が小さ過ぎると十分にイオンを発生させることができず、また、イオン化電力が大き過ぎると、イオンやラジカルが過剰に発生し、ユーザに腐食剤や洗浄剤のような刺激臭を感じさせることがある。また、このような動作状態では、イオンの他にオゾンも発生するが、オゾンの過剰発生も同様に望ましくないことである。
【０００５】
上記問題を解決するものとして、WO 98/26482（特許文献２）には、ガスセンサを用いて供給電圧を制御するようにしたイオン化器を備える空気清浄機が記載されている。ガスセンサとしては、特定のガス（硫化水素、水素、アンモニア、エタノール又は一酸化炭素など、一般に酸化可能なガス又は蒸気）の濃度が上昇すると抵抗値が低下する金属酸化物半導体センサが用いられている。従って、その抵抗値の変化から、特定の汚染物質による空気の汚染度を測定することができる。WO 98/26482によれば、汚染物質の濃度が上昇したときには、センサ制御の手法により、イオン化器を作動させるイオン化電力を最大値にまで上げる。言い換えれば、ガスセンサにより測定される汚染物質濃度が低いときには、イオン化器を作動させるイオン化電力もそれに応じて小さくし、ガスセンサにより測定される汚染物質濃度が高いときには、イオン化器を駆動するイオン化電力もそれに応じて大きくするのである。更にWO 98/26482には、上記のようなセンサ制御を補うためにイオン化センサやオゾンセンサを追加使用することも記載されている。上記センサ制御では、導入されてくる空気の汚染物質濃度を測定するため、イオン化器より上流に空気品質センサを配置する必要がある。つまり、イオン化センサやオゾンセンサを追加する目的は、浄化後の空気中になおも残存する不所望なオゾン濃度を検出し、必要に応じてイオン化電力を適正値に調節することである。
【０００６】
WO 98/26482に相当するセンサ制御は、DE 43 34 956 A1（特許文献３）にも記載されている。DE 43 34 956 A1では、室内の空気に含まれる酸化可能な成分を検出する酸化スズガスセンサの使用が提案されている。このガスセンサにより比較的高度の室内汚染が検出されたときには、イオン化器も比較的大きいイオン化電力で駆動される。また、水分センサと流量センサを使用して、比較的大量の空気や比較的水分量の多い空気を測定する場合にもイオン化電力を大きくすることも提案されている。
【０００７】
【特許文献１】独国特許第DE 198 10 497 A1号明細書
【特許文献２】国際公開第98/26482号パンフレット
【特許文献３】独国特許第DE 43 34 956 A1号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
WO 98/26482やDE 43 34 956 A1に開示されている制御方法の欠点は、使用されているガスセンサの測定範囲が限られており、更にその応答速度が比較的低いということである。まず、測定範囲が限られているため、該測定範囲の周辺部分ではセンサを用いたイオン化電力の制御ができない。例えば、汚染物質濃度がガスセンサの最低測定値を下回ると、イオン化器の電源が遮断されるか、イオン化電力が所定の最小値になった状態で運転が続いてしまう。また、センサの応答速度が低いため、汚染物質濃度が急速に変化した場合に、イオン化器の起動がそれに即応せず、幾分遅れが生じることになる。例えばトイレの消臭の場合、におい物質の急激な増加が生じたまさにその時に、直ちにイオン化器で汚染物質を消滅させることが望ましいから、上述のような遅延は不都合である。
【０００９】
従って、本発明の目的は、汚染物質濃度が急激に変化したり、極端な値を取ったりした場合でも、要求通りに空気を浄化することができる空気清浄機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、請求項１に記載の特徴を有する空気清浄機、及び、請求項１８に記載の特徴を有する汚染物質の低減方法により達成される。
本発明の基本的特徴は、ドライバ段、イオン化器及びガスセンサが閉ループ制御回路の中のコントローラと協働し、前記ガスセンサの出力信号を所定の目標値とほぼ一致させる点にある。言い換えると、従来技術で提案されたセンサ制御では、センサの特性曲線が、汚染物質濃度の測定値の関数となっていたが、本発明では根本的に異なる方法を取る。本発明では、制御回路の目標値により決まる特定の動作点においてのみガスセンサを動作させる。従って、ガスセンサは常に、前記目標値にほぼ一致する値を出力信号として出力する一方、コントローラは、ガスセンサの出力が前記目標値に保たれるようにイオン化器のイオン化電力を調整する役割を果たす。
【００１１】
この目的を達成するには、ガスセンサとイオン化器との間で何らかのフィードバックを行うことが当然必要である。ところが、上記先行技術ではこのようなフィードバックの必要性や、そのフィードバックと、空気流及びイオン化器に対するガスセンサの配置との関連性は意識されていなかった。上記先行技術に記載されたガスセンサの配置は、イオン化器より上流にガスセンサがあるような配置ばかりであるため、その制御回路が本発明のように動作することはない。
【００１２】
これに対し、本発明の基礎を成すのは、開ループ制御回路の場合であれば空気流により供給される空気中の汚染物質濃度の急激な変化により生じるガスセンサの出力信号の変化を、そのガスセンサの出力信号が元の値に戻るようにイオン化エネルギーを変化させることによって補償できるように、空気流及びイオン化器に対してガスセンサを配置する、という知見である。従って、イオン化器とガスセンサとの間でフィードバックを行うには、イオン化器の作用と空気に含まれる汚染物質濃度の作用が重なり合ってガスセンサに及ぶように、空気流及びイオン化器に対してガスセンサを配置しなければならない。
【００１３】
本発明では、ガスセンサの出力信号とコントローラとの間の電気的なフィードバックが遮断されていれば、その回路は開ループ制御回路であるものとみなす。
【００１４】
本発明では、空気流によってイオン化器に供給されている空気中の汚染物質濃度が、ある特定の時点に第一の一定値から特定の量だけ跳ね上がって第二の一定値になっている場合に、開ループ制御回路用のテスト関数としての汚染物質濃度の急激な変化があるものとみなす。実際の実験設備の場合、これは、空気の流れに循環流があればその循環を遮断することにより、イオン化器に導入されている空気流に含まれる汚染物質濃度が、前提条件の通りに、汚染物質濃度の急激な変化の前後で一定値に維持され、イオン化器から引き出される空気流による余計な影響を受けることがないようにしなければならない、ということを意味する。
【００１５】
汚染物質濃度の急激な変化の振幅は、汚染物質濃度の典型的な変化量を基準にして測ることが好ましい。空気流中の汚染物質濃度の典型的な変化量は、個々の応用形態毎に、汚染物質濃度の変化量の期待値をその度数の予想値に従ってヒストグラム上にプロットすることで、決定することができる。例えば、最大度数の±１０％に含まれる事例を典型的なものとみなすことができる。また、例えば、室内のタバコの煙のにおいを低減することを目的とする空気清浄機の場合、通常の空気汚染に対するタバコの煙に起因する空気汚染の予想値を汚染物質濃度の典型的な変化の基準とする。本発明に従えば、ここでも、上記のような空気流中の汚染物質濃度の変化をイオン化エネルギーの変化により補償することで、ガスセンサの出力信号を元の値（今の例では、通常の空気汚染の元の値に対応する値）に戻すことができるように、空気流及びイオン化器に対してガスセンサを配置しなければならない。従って、予測される汚染物質濃度の変化の影響が大きければ大きいほど、ガスセンサをイオン化器に対してより近くに配置しなければならない。一方、汚染物質濃度があまり変化しないと予測される場合は、ガスセンサをイオン化器に近づけ過ぎないようにしなければならない。さもなければ、ガスセンサの出力信号が容易に制限値に達する可能性があるからである。しかし、いずれにせよ、発生する汚染物質濃度の変化を補償して、本発明に従って出力信号を所定の目標値の範囲に維持する上で十分なフィードバックがイオン化器とガスセンサとの間で行われるようにするために、ガスセンサからイオン化器まで所定の最小距離を保つ必要がある。
【００１６】
本発明には更に、汚染物質濃度を測定するための商用のガスセンサを制御ループの測定素子として利用することができるという知見をももたらすものである。本発明の方法によれば人間に有害なオゾンの過剰生成さえもイオン化器により防止されるということが分かったため、他の方法には必要とされるイオン化センサ又はオゾンセンサがそれほど必要ではないのである。
【００１７】
本発明に係る空気中の汚染物質の低減方法は、本発明に係る空気清浄機を用いて、前記目標値を特定の汚染物質濃度に調節し、汚染物質を含む空気をイオン化器に供給し、汚染物質の量が低下した空気をイオン化器から取り出す。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１８】
本発明の根本的な利点は、基本的に、空気清浄機の効率がガスセンサの測定範囲による制限を受けなくなるということである。本発明では、ガスセンサが前記目標値により決まる動作点において動作するため、汚染物質濃度がガスセンサの測定範囲を超えるほど変化したとしても、空気清浄機はそれに対応することができる。対照的に、従来のセンサ制御では、ガスセンサの出力信号が限界に達するため、イオン化器やドライバ段の駆動が制限されることになる。従って、原理的には、イオン化電力に制限がある点だけが、空気清浄機の各種制限の原因となる。ところが、イオン化電力は、例えばイオン化器及び／又はブロワの接続数を増やして空気流の流速を上げる等、適宜手段により更に増大させることができる。そのため、本発明に係る空気清浄機は、家庭用から、大量の空気を浄化する業務用まで、非常に広範囲に応用できる。
【００１９】
本発明の更なる利点は、コントローラを適切に構成することで、閉ループ制御回路に生じる過渡応答の遷移時間をガスセンサの時定数より短くすることができるということである。これは、例えば、ガスセンサの出力信号の変化が小さくてもドライバ段では大きな制御量が得られるような差動部をコントローラに設けることで達成できる。
【００２０】
ある好ましい実施形態では、ドライバ段が、二次側に振動高電圧を発生させることができる高電圧変換器を備えるようにする。イオン化器に供給されるイオン化電力は、主として振動高電圧のピーク値及び／又は振動高電圧のパルス動作により影響される。好ましくは、ドライバ段がパルス幅変調回路を備え、これを用いて、高電圧変換器を一次側から作動させ、二次側の振動高電圧のピーク値及び／又はパルス比を調節することができるようにする。高電圧変換器と、入力側に直流電圧が供給される共振器とを備える直列回路の場合、パルス幅変調された信号が整流されて共振器の入力に供給される。これを受けた共振器は、高電圧変換器の一次側に振動電圧を供給する。その結果、高電圧変換器の二次側のピーク値はパルス幅比に比例することになる。それに加えて、あるいはその代わりに、二次側で出力される高電圧をパルス状にしてもよい。これは、イオン化器は全波を特定数だけ受けるまでは動作せず、それまでの振動高電圧は遮断される、ということを意味している。このように平均化されて供給されるイオン化電力はパルス幅比にも比例している。パルス幅比は、共振器の入力側に供給されるものと同じパルス幅変調信号から求めるか、あるいはそのために別のパルス幅変調信号を発生させてもよい。
【００２１】
別の好ましい実施形態では、二次側の振動高電圧のピーク値を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲で、また周波数を１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲で調節できるようにする。
【００２２】
ある好ましい実施形態では、前記イオン化器が、内面が第一電極としての多孔性金属シートで覆われ、外面が第二電極としての金網で包まれたガラス管から成り、前記ドライバ段の振動高電圧が前記第一電極と第二電極の間に印加される。イオン化管の周囲を流れるガスを殺菌又は浄化するため、前記高電圧変換器は、ガス放電の際にラジカル（好ましくは酸素ラジカル）が発生するように作動させる。通常、ピーク値が１〜１０ｋＶの場合、高電圧変換器を約１０〜５０ｋＨｚの範囲（好ましくは１５〜３０ｋＨｚの範囲）の交流電圧で作動させる。ガスが上記形態のイオン化管の周囲を流れると、ガス放電が発生し、流れているガスがイオン化される。このガス放電は、ガラス管が誘電体バリアとして機能することにより生じるバリア放電である。こうして、好ましくは電極表面の全体に一様に分布した放電が、限られた時間ずつ個別に得られる。このようなバリア放電の特徴は、熱アーク放電への遷移が誘電体バリアによって阻止されるということである。放電は、点火により生じる高エネルギー電子（１〜１０ｅＶ）が熱運動化によって周囲のガスにエネルギーを放出する前に中止される。イオン化器の構成を上記とは異なるものとすることも当然考えられる。例えば平板型、あるいは管と平板の組み合わせ等がある。
【００２３】
ある好ましい実施形態では、前記ガスセンサが、ガスと反応すると抵抗値が変化する金属酸化物センサを含むようにする。金属酸化物は、ヒータで所定温度に保たれた基板上に塗布される。好ましくは、空気中の汚染物質濃度が変化しても抵抗値が変わらないガスセンサを用いるようにする。この種のガスセンサを用いることで、汚染物質濃度の制御の信頼性が特に高まることが分かっている。金属酸化物には例えば酸化スズが含まれる。
【００２４】
別の好ましい実施形態では、イオン化器の周囲を流れる空気に対するガスセンサの空気入口が、イオン化器の表面から約０．５〜５．０ｃｍ（好ましくは約１．０〜２．０ｃｍ）の距離にあるようにする。このような距離設定により、通常の場合であれば、ガスセンサのダイナミックレンジが、イオン化器のダイナミックレンジや、通常の汚染物質濃度がとる値の範囲と一致することが分かっている。
【００２５】
別の好ましい実施形態では、前記目標値を空気清浄機上で手動調節できるようにする。これにより、操作者は、空気の汚染物質濃度が通常であれば、空気清浄機を自分にとって最も良いと思われる動作モードに設定することができる。特に、前記所定の目標値がガスセンサの出力信号のダイナミックレンジ全体における中央部分に一致するように、ガスセンサの配置を選択できるようにすることが好ましい。というのも、本発明では、制御回路の働きによって、ガスセンサによる汚染物質濃度の測定値が目標値にほぼ一致するものとなるため、ガスセンサが、閉ループ制御回路の過渡的プロセスにおいてダイナミックレンジが最大になるような範囲で作動することになるからである。
【００２６】
別の好ましい実施形態では、前記空気流が、例えば家庭用の小型機器の場合に、その機器の電気部品に供給される空気の加熱処理に起因する対流によって発生するようにする。
【００２７】
別の好ましい実施形態では、空気流を発生させるための通風機を設ける。空気流は制御回路の動作にも影響を及ぼす可能性があることが分かった。イオン化器の表面からガスセンサまでの距離が同じである場合、ガスセンサをイオン化器より上流に配置すると、ガスセンサがイオン化器より下流にある配置に比べて、イオン化器とガスセンサとの連関は弱い。
【００２８】
そのため、別の好ましい実施形態では、追加のコントローラが、ガスセンサの出力信号が所定の目標値にほぼ一致するように空気流の流量を追加的に制御するようにする。特に、イオン化器、ドライバ段、ガスセンサ及びコントローラを含む制御回路に何らかの限界が生じたら直ちに前記追加のコントローラを接続することが有効であることが分かった。この場合、前記追加のコントローラは、発生した限界状態が適切に解消されるように動作する必要がある。
【００２９】
制御回路の動作は使用するコントローラの形式に大きく依存することは言うまでもない。制御回路を構成する他の要素（すなわち、イオン化器、ドライバ段及びガスセンサ）の伝達特性を適切な同定方法で求めてしまえば、コントローラは、原則として、一般に利用可能な制御工学的方法に従って構成することができる。よく使われる制御回路素子の中では、Ｐコントローラ、ＰＩコントローラ又はＰＩＤコントローラ等がまず挙げられる。最も構成が簡単なのはＰコントローラである。ただし、Ｐコントローラが制御量を出力するには、原則として、前記所定の目標値とガスセンサによる汚染物質濃度の測定値との間に制御偏差が存在する必要がある。もちろん、Ｐコントローラの増幅率を十分に高くすれば、制御偏差は無視できる。しかし、Ｐコントローラの増幅率を高くすることができるのは、そのようにしてもガスセンサの出力信号の信号／雑音差がなお十分に大きい場合のみである。これに対し、Ｐコントローラを使うにはガスセンサの出力信号の信号／雑音差がもはや十分ではないという場合には、ＰＩコントローラが利用できる。ＰＩコントローラは積分値に対して応答するものであるため、制御偏差がゼロになっても引き続き制御量を出力することができる。それゆえ、ＰＩコントローラを用いれば、原則的には、制御回路が過渡的状態になった場合に制御偏差をゼロにすることができる。制御回路の過渡応答の速度を高めるには、ＰＩコントローラに差分素子を取り付けるのが普通である。こうして得られるのがＰＩＤコントローラである。ＰＩＤコントローラは差分値に対して応答するものであるため、汚染物質濃度や目標値が急激に変化した場合に、制御回路素子が限界状態に達する可能性がある。この場合、流量を制御するための追加のコントローラを上述のように接続することが有利である。この構成では、イオン化器のイオン化電力が上限に達すると、その代わりに追加のコントローラが空気流の流量を増大させる。
【００３０】
Ｐコントローラ、ＰＩコントローラあるいはＰＩＤコントローラのような、よく使われる形式のコントローラに加えて、ルールベース式ファジーコントローラや状態コントローラを使用してもよい。ルールベース式ファジーコントローラや状態コントローラは、特に、汚染物質濃度の測定値以外にもコントローラで処理すべき測定量がある場合に好適である。原則的には、例えば、水分センサ及び／又はイオン化センサ及び／又はオゾンセンサを追加することで、制御回路の応答性が高まるものと考えられる。
【００３１】
別の好ましい実施形態では、前記目標値に対応する汚染物質濃度が供給されると、較正素子がガスセンサを前記目標値に較正するようにする。イオン化器が較正動作を乱すような反応を示すことがないように、ガスセンサの較正中はイオン化器へのイオン化電力の供給を停止することが好ましい。あるいは、室内の空気をぎりぎり快適と言える状態に定常的に維持すべくイオン化器が動作するような所定のイオン化電力を該イオン化器に連続的に供給しながら、較正動作を実行するようにしてもよい。
【００３２】
ガスセンサを較正することで、製造工程により決まるガスセンサの許容誤差を補償することができる。上述した酸化スズガスセンサを用いる場合、許容誤差は主として特性曲線の絶対位置のずれという形で現れるが、センサの信号の相対変化はガス濃度の関数として表現され、どのセンサでもほぼ同じになる。このような場合、較正素子は、較正動作中にガスセンサの出力電圧に適宜電圧を重畳する簡単な加算器を備えるものとすることができる。また、この場合、ユーザにより「清浄な空気」として指定された汚染物質濃度を、較正動作中にガスセンサに与える必要がある。これは、較正素子による較正動作において、制御偏差をほぼゼロにするために必要な追加電圧を求めるためである。
【実施例】
【００３３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を各種実施例に沿ってより詳細に説明する。図面において、
図１ａは、入力が跳躍関数で表されるガスセンサの転送応答のブロック図を示し、
図１ｂは、跳躍振幅が１のときの出力１５０の応答関数を示し、
図１ｃは、跳躍振幅が２．５のときの出力１５０の応答関数を示し、
図２ａは、入力が跳躍関数で表されるセンサ制御装置の伝達特性のブロック図を示し、
図２ｂは、跳躍振幅が１のときの出力２５０の応答関数を示し、
図２ｃは、跳躍振幅が２．５のときの出力２５０の応答関数を示し、
図３ａは、汚染物質濃度が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示し、
図３ｂは、跳躍振幅が１のときの出力３５０の応答関数を示し、
図４ａは、イオン化電力が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示し、
図４ｂは、跳躍振幅が１のときの出力４５０の応答関数を示し、
図４ｃは、跳躍振幅−１のときの出力４５０の応答関数を示し、
図５ａは、閉ループ制御回路の信号の流れを示すブロック図を示し、
図５ｂは、汚染物質濃度が跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示し、
図５ｃは、跳躍振幅が１のときの出力５５０及び５５１の応答関数を示し、
図６ａは、目標値が跳躍関数で表され、それに続く汚染物質濃度も跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示し、
図６ｂは、跳躍振幅が１のときの出力６５０及び６５１の各々における応答関数を示し、
図７は、酸化スズガスセンサの感度特性を示し、
図８は、本発明に係る空気清浄機の透視図を示し、
図９は、図８に示した本発明に係る空気清浄機のブロック図を示し、
図１０は、図９のコントローラの制御アルゴリズムのフローチャートを示す。
【００３４】
図１ａは、入力が跳躍関数で表されるガスセンサの伝達特性のブロック図を示している。ガスセンサ１１０の伝達特性のモデルとして、２つのＰＴ１素子１１１及び１１２と制限素子１１３を直列接続した。入力は、汚染物質濃度１０１が急激に上昇する関数で表され、それに応じた応答関数を出力１５０から描くことができる。以下のパラメータを基にした。
ＰＴ１素子１１１、１１２：  時定数＝１０．０秒、転送値＝１．０
制限素子１１３：  上限＝２．０、下限＝−２．０
【００３５】
すなわち、ガスセンサの出力は−２．０Ｖ〜２．０Ｖ範囲で調節することができるものとした。
【００３６】
図１ｂは、跳躍振幅が１のときの出力１５０の応答関数を示している。予想通り、汚染物質濃度の跳躍関数に対するガスセンサの反応には遅延があり、約６０秒かけて指数関数的に跳躍振幅が１に近い値になっている。
【００３７】
図１ｃは、跳躍振幅が２．５のときの出力１５０の応答関数を示している。ひとたび値２．０に達してしまうと、制限素子１１３が作用し始め、約３０秒経過すると応答関数が値２．０で頭打ちになり、跳躍振幅である２．５まで近づくことはできない。
【００３８】
図２ａは、入力が跳躍関数で表されるセンサ制御装置の伝達特性のブロック図を示している。例えばWO 98/26482やDE 43 34 956 A1に記載の基本構造を有するセンサ制御装置であって、ガスセンサ２１０及びその後段のドライバ段２２０を備えている。図１ａの場合と同様に、ガスセンサ２１０は２つのＰＴ１素子２１１、２１２及び制限素子２１３を備えている。これらのパラメータも図１ａの場合と同じである。Ｐ素子２２１と、その後段にある制限素子２２２をドライバ段２２０のモデルとした。パラメータは以下のように仮定した。
Ｐ素子２２１：  伝達係数＝２５０．０
リミッタ２２２：  上限値＝５００Ｖ、下限値＝−５００．０Ｖ
【００３９】
これは、ドライバ段２２０が図２ａに従ってガスセンサ２１０の出力電圧を係数２５０で高電圧に変換する、ということを意味している。ただし、簡単のため、実際であれば生じるはずのオフセットは考慮していない。通常、分圧器に接続されたガスセンサの出力電圧は、例えば１〜５Ｖの範囲であり、これがドライバ段により例えば１０００〜２０００Ｖの高電圧に変換される。しかし、このようなオフセットは制御回路のモデルにとって重要ではなく、必要となればいつでも簡単に加えることができる。
【００４０】
図２ａのセンサ制御装置の伝達特性を調べるため、ここでも、入力側における汚染物質濃度が急激に上昇し、それがドライバ段２２０の出力２５０側で記録されるものと仮定した。
【００４１】
図２ｂは、跳躍振幅が１のときの出力２５０の応答関数を示している。図２ｂでは、跳躍振幅を同じように描くことができるようにするために、振幅を係数２５０で増幅した。予想通り、図２ｂでは図１ｂと同じ応答関数が得られているが、図２ｂの場合、後段に接続されたドライバ段２２０が作用するため、係数２５０で引き伸ばされている。
【００４２】
最後に、図２ｃは、跳躍振幅が２．５のときの出力２５０の応答関数を示している。ここでも、描画上の都合により、跳躍振幅を係数２５０で増幅している。跳躍振幅が２．５に増大した結果、制限素子２１３、２２２がそれぞれ作用するようになり、約３０秒後には図２ｃに示したように、応答関数が一定値５００Ｖで頭打ちになっている。
【００４３】
図２ａ、図２ｂ及び図２ｃに描かれた伝達特性は、イオン化器を備える空気清浄機に使われている公知のセンサ制御装置にほぼ対応している。これに対して、本発明は、汚染物質濃度の作用及びイオン化器でのイオン化の作用が汚染物質センサに重畳され、補償されるような、閉ループ制御回路の構成を提供する。このように閉じた制御回路の信号の流れのブロック図を図５ａに示す。以下、この図についてより詳しく説明する。この制御回路の個々の構成要素を分けて見ていくため、まず図３ａに、汚染物質濃度が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示す。
【００４４】
図３ａの開ループ制御回路は、コントローラ３４０、その後段に接続されたドライバ段３２０、及び、その後ろのイオン化器３３０から基本的に構成されている。本発明では、イオン化器３３０の作用及び空気流に含まれる汚染物質濃度の作用がガスセンサ３１０に重畳入力されるようになっている。図３ａのブロック図では、加算点３０３によりこのような状況が作り出されている。加算点３０３には、汚染物質濃度の跳躍関数３０１が作用するとともに、伝送路３３２を通じてイオン化器３３０も作用する。ガスセンサ３１０のパラメータは図１ａで示したものと同じである。図３ａでは、まず、汚染物質濃度が跳躍関数で表される場合のガスセンサの応答だけを切り離して見る必要がある。従って、制御回路の他の要素のパラメータは当面は重要ではなく、以下の各図面の中で適当な箇所に来たところで説明するものとする。
【００４５】
図３ｂは、跳躍振幅が１のときの出力３５０の応答関数を示している。図３ａでは開ループ制御回路であることを前提としたため、図３ｂの応答関数は汚染物質濃度の急激な変化によってのみ生じ、従って図１ｂの応答関数と同じものとなる。
【００４６】
図４ａは、イオン化電力が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示している。図３ａと同様、この開ループ制御回路もコントローラ４４０、ドライバ段４２０、イオン化器４２０及びガスセンサ４１０を備えている。ここではイオン化器に供給される空気流中の汚染物質濃度が一定に保たれているため、その作用は考慮されず、イオン化器４３０だけが加算点４０３に作用している。
【００４７】
図４ａのブロック図において、イオン化電力の跳躍関数について調べるため、跳躍関数４０４が作用する加算点４０５をコントローラ４４０とドライバ段４２０との間に挿入した。ガスセンサ４１０のブロック４１１、４１２及び４１３のパラメータは、図１ａのガスセンサ１１０のものと同じである。ドライバ段４２０のブロック４２１、４２２のパラメータもまた図２ａのドライバ段２２０のものと同じである。イオン化器４３０は、以下のパラメータを有する単純なＰ素子４３１を用いて構成した。
Ｐ素子４３１：  伝達係数＝−０．００４
【００４８】
イオン化器の出力は、経路４３２を通じて、加算点４０３に直接、遅延なく作用する。このため、この例では、ガスセンサ４１０をイオン化器４３０のすぐ近くに配置するものとした。イオン化器４３０とガスセンサ４１０との間の距離を大きくする場合は、経路４３２に例えばむだ時間素子を挿入してもよい。以上により、Ｐ素子４３１の伝達特性は、ドライバ段４２０が出力する高電圧の変化量からガスセンサ４１０により測定される汚染物質濃度の変化量への変換に対応するものとなる。
【００４９】
図４ｂは、跳躍振幅が１のときの出力４５０の応答関数を示したものである。この図によれば、ドライバ段４２０の入力電圧が１Ｖ上昇すると、ガスセンサの出力電圧がやはり１Ｖだけ低下する。ここでの時間関数もまた、２つのＰＴ１素子４１２、４１３の伝達特性で決まる。応答が逆になっているのは、イオン化電力が増大すると空気流中の汚染物質が減少するからだと説明することができる。これに対応して、図４ｃでは、跳躍振幅が−１のときの出力４５０の応答関数を示している。ここでも応答が逆になっていることが見て取れる。これは、イオン化電力が低下すると空気流中の汚染物質濃度が上昇するからである。
【００５０】
図３ａ、図３ｂ、並びに図４ａ、図４ｂ及び図４ｃにそれぞれ示した開ループ制御回路での測定の結果から、空気流及びイオン化器に対するガスセンサの配置が本発明に従ったものであることが非常に容易に立証できることが分かる。図３ｂは、開ループ制御回路において、空気流中の汚染物質濃度が変化したときのガスセンサの出力信号を示す。汚染物質濃度の変化により、ガスセンサの出力信号が０Ｖから１Ｖに上昇している。
【００５１】
本発明によれば、開ループ制御回路の場合に生じる上記変化を、ガスセンサの出力信号を元の値に戻すようにイオン化エネルギーを変化させることによって補償できるように、空気流及びイオン化器に対してガスセンサを配置しなければならない。図４ｂは、開ループ制御回路において、イオン化器に供給される空気流中の汚染物質濃度が一定である一方でイオン化エネルギーが変化する場合のガスセンサの出力信号を示している。この場合、ドライバ段の入力において１Ｖの電圧が上昇すると、ガスセンサ４５０の出力信号が０Ｖから−１Ｖに変化する。この事例で模擬的に提示された空気流及びイオン化器に対するガスセンサの配置により、図３ｂに示したようにガスセンサの出力信号が変化しても、それに応じて図４ｂに示したようにイオン化エネルギーを変化させることでその変化が補償される、という望ましい効果がまさにその通りに得られる。実際に、図３ａおよび図４ａに対応する実験を行って、開ループ制御回路における上記のような補償効果を検証することが可能である。
【００５２】
次に、閉ループ制御回路の応答についてより詳しく説明する。そのため、まず図５ａは、閉ループ制御回路の主な信号の流れを示すブロック図を示している。この閉ループ制御回路は、既に述べたような制御回路素子、すなわち、ガスセンサ５１０、コントローラ５４０、ドライバ段５２０及びイオン化器５３０を備えている。一方、ドライバ段５２０は、電圧源５２５、パルス幅変調器５２６、共振器５２７及び高電圧変換器５２８を備えている。
【００５３】
電圧源５２５から供給される直流電圧はパルス幅変調器５２６によりパルスに変換される。パルス幅比はコントローラ５４０により決定され、クロックレートはクロック発生器（図示せず）により決定される。このパルスを平滑化すると、パルス幅比に比例した直流電圧が発生し、共振器５２７に供給される。共振器５２７は後段の高電圧変換器５２８に接続されており、まず一方で、直流電圧が供給されたときに自動的に約２５ｋＨｚ〜３５ｋＨｚの範囲の動作振動数で振動を開始し、他方で、共振器５２７の入力電圧又はパルス幅変調器５２６の調整パルス幅にほぼ比例したピーク値を持つ振動高電圧を二次側に供給する。高電圧変換器５２８により供給される振動高電圧のピーク値は例えば１．０ｋＶ〜２．０ｋＶの範囲であり、それがイオン化器５３０の２つの電極に印加される。
【００５４】
浄化すべき空気５００はイオン化器５３０の周囲を流れている。ガスセンサ５１０はイオン化管５３０より下流に配置されている。閉ループ制御回路の場合、空気循環モードを使って空気流の全体又は一部を元の場所に戻すことができる。ガスセンサ５１０はコントローラ５４０に出力信号を送る。コントローラ５４０は、目標値５４７に基づいて目標値と実測値を比較し、基本制御アルゴリズムに従ってパルス幅変調器５２６のパルス幅比を調節する。
【００５５】
図５ｂは、汚染物質濃度が跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示している。図５ｂの閉ループ制御回路は、図３ａの開ループ制御回路を元にして、ガスセンサの出力信号５５０を分岐線５１４を通じてコントローラ５４０にフィードバックするように構成したものである。ガスセンサ５１０、ドライバ段５２０及びイオン化器５３０のブロックとそれらに関連付けられたパラメータは、図３ａのガスセンサ３１０又は図４ａのドライバ段４２０及びイオン化器４３０のパラメータと同じであり、これらについては図３ａ及び図４ａに関連する記述を参照することができる。
【００５６】
次に、コントローラ５４０の構成について詳細に説明する。目標値５４７はコントローラの内部で減算点５４６に送られる。こうして求められる制御偏差は、Ｐ素子５４１を経由してその後段のＰＩＤコントローラに到達する。ＰＩＤコントローラは、Ｐ素子５４２、ＤＴ１素子５４３及びＩ素子５４４を備えており、それらの出力信号は加算点５４５により積算されて出力５５１となる。出力５５１はドライバ段５２０に入力される制御量となる。コントローラ５４０のパラメータは以下のように定めた。
目標値５４７：  目標値＝０
Ｐ素子５４１：  伝達係数＝−１
Ｐ素子５４２：  伝達係数＝−２
ＤＴ１素子５４３：  伝達係数＝８、時定数＝２秒
Ｉコントローラ５４４：  伝達係数＝０．２１／秒（積分定数５秒に相当）
【００５７】
次に、空気流中の汚染物質濃度の急激な変化に相当する跳躍関数５０１を参照しながら、上記閉制御ループの応答について見てみる。この事例では、ガスセンサ５５０の出力及びコントローラ５５１の出力のそれぞれにおける時間信号を図示している。
【００５８】
図５ｃは、跳躍振幅が１のときの出力５５０及び５５１の応答関数を示している。
【００５９】
ガスセンサ５５０の出力信号から明らかなように、汚染物質濃度が急激に変化しているにも関わらず、制御回路は出力信号５５０を目標値５４７に戻すことができる。出力信号は一旦約０．２５まで上昇し、約４０秒経過したところで再び元の値になり、その後は振動の超過幅が小さくなり、４０秒以内に再び目標値に近づく。これに対して、コントローラ５４０の出力量５５１は、汚染物質濃度に生じた変化を加算点５０３において確実に補償できるような十分な入力値でドライバ段５２０を作動させるような量になっている。約２５秒経過すると、制御量５５１は最大値に達し、その後は、ドライバ段５２０に入力される入力電圧である１．０Ｖに対応する終端値１．０に近づいている。図５ｃから、イオン化器５３０とガスセンサ５１０との間の転送路５３２では余分な遅延は発生しないものとした場合、上記閉ループ制御回路の過渡応答は実質的にガスセンサ５１０の時間応答性で決まるものと考えられる。ガスセンサの時定数は、図１ａに示したような配置により決定することができる。ガスセンサ全体の伝達特性が単一のＰＴ１素子により近似されるものと仮定すれば、記録された跳躍関数１５０の時定数は、その跳躍関数１５０が（１−１／ｅ）という値に達するのにかかった時間とほぼ同じになる。
【００６０】
一方、（例えば、ガスセンサがイオン化器から遠くに配置されている場合に、空気流の流速が原因となって）イオン化器５３０とガスセンサ５１０との間の転送路５３２に遅延が発生するような場合、閉ループ制御回路の過渡応答が不必要に遅くならないようにするため、前記遅延時間を考慮した二次的条件を設定することができる。つまり、二次的条件として、開ループ制御回路において汚染物質濃度が一定である場合に、イオン化エネルギーが変化しても、ガスセンサの出力信号の遅延時間が先に定めたガスセンサの時定数よりも短くなるようにする、という条件を定めることができる。いまの事例では、ガスセンサ５１０の時定数は、図１ｂに示した時間関数から約２０秒と定めることができる。閉ループ制御回路の過渡応答を時間について最適化するには、ガスセンサが空気流及びイオン化器に対して上述の二次的条件を更に満たし、経路５３２の遅延時間が２０秒より短くなるようにする必要がある。一般には、ガスセンサをイオン化器に十分近づけることで、上記二次的条件を容易に満たすことができる。
【００６１】
図６ａは、目標値が跳躍関数で表され、それに続く汚染物質濃度も跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図を示している。図６ａのブロック図と図５ａのブロック図との違いは、図６ａでは跳躍関数６４８が目標値になっており、汚染物質濃度６０１の急激な変化はむだ時間６０２が経過するまで発生しない、という点だけである。むだ時間のパラメータ値は１００秒とした。その他の点では、図６ａは図５ａのブロック図と一致しているため、他の構成要素については該当の記述を参照することができる。
【００６２】
このような図６ａの閉ループ制御回路は、まず目標値６４８の変化を受けて作動し、それからむだ時間６０２が経過したときに、更に汚染物質濃度６０１の変化を受けて作動する。図６ｂには、出力６５０及び６５１における応答関数がそれぞれ示されている。値２のところに引いた一点鎖線は、Ｐ素子６２１の転送係数を考慮したときのドライバ段６２０の制限値に相当する値を補足的に示している。
【００６３】
コントローラ６４０に差動部６４３を設けたため、目標値６４８が急激に上昇すると、まず制御量６５１が大きくなる。６０秒経過すると、制御回路は新しい目標値へと急カーブし、ガスセンサの出力６５０における出力信号の値は−１になる。１００秒経過すると、汚染物質濃度の急激な変化が更に発生する。これを受けて、今度はガスセンサの出力信号６５０の値を−１に維持すべく、再び制御量６５１が上昇する。ここで示唆的なのは、領域６２３及び６２４の解釈である。ドライバ段６２０に制限素子６２２があるため、２．０を超えたり−２．０を下回ったりした制御量はイオン化器６３０に転送されない。従って、上記領域でイオン化電力を高めるために、先に述べたように、例えばブロワや別のイオン化器を追加的に接続する等、追加的な手段を用いることが有効である。
【００６４】
図７は、酸化スズガスセンサの感度特性を示している。この図では、空気を基準とする酸化スズ素子の抵抗値の相対変化が、様々な汚染物質の汚染物質濃度の関数としてプロットされている。線７０１から分かるように、酸化スズガスセンサは空気や酸素には反応しない。しかし、汚染物質濃度が上昇すると、Ｈ２Ｓ、水素、アンモニア、エタノール及びＣＯに対して優れた感度を示す。家庭用の場合、ＣＯの感度曲線７０２に合わせて制御を行うと、特に安定的な制御を行うことができることが分かった。
【００６５】
図８は、本発明に係る空気清浄機の透視図を示している。この空気清浄機８０１は、台８０２とカバー８０３を有する卓上機器として構成されている。先に説明したように構成されたイオン化管８０４が、イオン化器として台に固定されている。台にはガスセンサ８０５も固定されており、そのガスセンサの配置は、本発明に従って、開ループ制御回路の場合であれば空気流により供給される空気中の汚染物質濃度の急激な変化により生じるガスセンサの出力信号の変化がイオン化エネルギーの変化により補償されるように、決められている。空気流はカバー８０３に形成された空気スリット８０６を通ってハウジングに出入りする。空気の流れを促進するため、更に適宜換気装置を台に取り付けてもよいし、空気清浄機の外側に取り付けるのでもよい。台の縁部には、動作に必要なＬＥＤ表示部８０７及び動作電位計８０８と、電力供給用の給電線８０９がある。
【００６６】
空気清浄機８０１の機能について図９を参照しながら説明する。図９は、図８に示した本発明に係る空気清浄機のブロック図を示している。まず、ガスセンサを所定の汚染物質濃度に較正する較正動作について説明する。市販のガスセンサには様々な特性曲線を持つものがあり、それに応じて制御回路の応答性が異なってくるため、一般に較正処理は必須である。しかし、酸化スズガスセンサを使用した場合、ガス濃度の変化により生じるガスセンサの出力信号の相対変化はほぼ一定であり、様々なセンサの間に見られるのは、与えられたガス濃度における出力信号の絶対位置のずれだけである、ということが分かった。また、本発明に従って制御を行う場合、いずれにしてもセンサは狭い動作範囲でしか動作しないため、一旦動作点が較正されたら、センサの特性曲線をその動作範囲の周囲で直線状にしてもよい、という事実を利用してもよい。
【００６７】
較正動作を行うには、まず切換スイッチ９０１を位置１に設定し、イオン化管９０４がイオン化電力を受けて作動することがないようにする。その代わりに、制御偏差は較正素子９１２に供給される。次に、「清浄な空気」に相当する一定の汚染物質濃度（その値は用途に依存）、つまり目標値に相当する汚染物質濃度を空気流９０６に与える。空気清浄機側で動作電位計８０８を目的とする目標値の位置に設定すると、それにより調節された目標値９０８が比較点９０９に送られるようになる。そして、まだ較正が行われていないときには、比較素子から制御偏差９１０が出力される。本例では更に、較正用の加算素子９１１及び較正素子９１２がある。較正素子９１２は切換スイッチ９０１から制御偏差９１０を入力として受け取り、その制御偏差９１０がゼロになるように出力電圧９１３を上昇又は低下させる。こうして決定された電圧値９１３を例えばメモリに保存し、電源異常が発生した後でも利用できるようにしてもよい。このような較正は必要に応じて複数回繰り返してもよく、その場合は、汚染物質濃度９０６の変化を考慮してもよい。
【００６８】
次に、運転動作について説明する。今度は切換スイッチ９０１を位置２に設定し、コントローラ９０２が制御偏差９１０を入力量として受け取るようにする。ドライバ段９０３は、コントローラ９０２の出力に応じたイオン化電力をイオン化管９０４に供給する。コントローラ９０２の制御アルゴリズムは積分コントローラと同じであり、その機能は、図１０のフローチャートに示した通りである。まず初めは、コントローラが、予め保存しておいた初期値（低いイオン化電力に対応する値）を出力するものとする。汚染物質濃度９０６が予め調節された目標値と一致している限り、制御偏差９１０はゼロのまま変わらないため、コントローラは何の動作も行わない。汚染物質濃度が上昇すると、ガスセンサ９０５が汚染物質濃度の上昇を検出し、その結果として制御偏差９１０が大きくなる。このようになると、コントローラ９０２が制御アルゴリズムに従って制御量９１４を大きくする。その結果、ドライバ段９０３がイオン化管９０４をより高いイオン化電力で駆動するようになる。以上のプロセスは、本発明に従って、イオン化電力が増大した結果として、ガスセンサ９０５の出力信号が元の値に戻るとともに、制御偏差９１０が再びゼロになるまで継続される。逆に、汚染物質濃度９０６が再び減少した場合は、それに応じた動作が見られることになる。
【００６９】
ユーザは表示部９０７で制御量９１４をチェックすることができる。制御量が大きいときはイオン化電力が大きく、従って空気が汚染物質によりひどく汚染されているということが分かる。一方、制御量が小さければ、汚染物質濃度が較正動作により決定された値であるということになる。図８の空気清浄機では、表示部９０７がＬＥＤ表示部８０７で構成されている。この場合、制御量９１４の現在の値範囲をＬＥＤ表示部８０７の範囲に適合させるとよい。これは、所定の時間ウィンドウにおいて、制御量の最小値と最大値の間の値範囲を特定し、その間で制御量の各値を線形的に、あるいは他の適宜方法でレベル分けしてＬＥＤ表示部８０７上に割り当てる、という形で実現することができる。
【００７０】
制御アルゴリズムについて図１０を参照しながら詳細に説明する。図１０は、図９のコントローラの制御アルゴリズムのフローチャートを示している。まずステップ１００１では、目標値と、ガスセンサから供給された測定値が比較される。前記測定値は、先に述べたように較正値で補正された値である場合もある。次に、ステップ１００２及び１００３で、正又は負の制御偏差が存在しているかどうかをまず調べる。もし存在していれば、ステップ１００４又は１００５において待機タイマが起動される。このタイマは雑音を抑制するために用いられる。そして、ステップ１００６又は１００７において、制御偏差がまだ残っているかどうか調べる。もし残っていれば、制御量９１４を増加又は減少させる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１ａ】入力が跳躍関数で表されるガスセンサの伝達特性のブロック図。
【図１ｂ】跳躍振幅が１のときの出力１５０の応答関数。
【図１ｃ】跳躍振幅が２．５のときの出力１５０の応答関数。
【図２ａ】入力が跳躍関数で表されるセンサ制御装置の伝達特性のブロック図。
【図２ｂ】跳躍振幅が１のときの出力２５０の応答関数。
【図２ｃ】跳躍振幅が２．５のときの出力２５０の応答関数。
【図３ａ】汚染物質濃度が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図。
【図３ｂ】跳躍振幅が１のときの出力３５０の応答関数。
【図４ａ】イオン化電力が跳躍関数で表される開ループ制御回路の伝達特性のブロック図。
【図４ｂ】跳躍振幅が１のときの出力４５０の応答関数。
【図４ｃ】跳躍振幅が−１のときの出力４５０の応答関数。
【図５ａ】閉ループ制御回路の信号の流れを示すブロック図。
【図５ｂ】汚染物質濃度が跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図。
【図５ｃ】跳躍振幅が１のときの出力５５０及び５５１の応答関数。
【図６ａ】目標値が跳躍関数で表され、それに続く汚染物質濃度も跳躍関数で表される閉ループ制御回路の伝達特性のブロック図。
【図６ｂ】跳躍振幅が１のときの出力６５０及び６５１の各々における応答関数。
【図７】酸化スズガスセンサの感度特性。
【図８】本発明に係る空気清浄機の透視図。
【図９】図８に示した本発明に係る空気清浄機のブロック図。
【図１０】図９のコントローラの制御アルゴリズムのフローチャート。
【符号の説明】
【００７２】
１０１…跳躍関数、汚染物質濃度
１１０…ガスセンサ
１１１…ＰＴ１素子
１１２…ＰＴ１素子
１１３…制限素子
１５０…出力、ガスセンサ
２０１…跳躍関数、汚染物質濃度
２１０…ガスセンサ
２１１…ＰＴ１素子
２１２…ＰＴ１素子
２１３…制限素子
２２０…ドライバ段
２２１…Ｐ素子
２２２…制限素子
２５０…出力、ガスセンサ
３０１…跳躍関数、汚染物質濃度
３０３…加算点
３１０…ガスセンサ
３１１…制限素子
３１２…ＰＴ１素子
３１３…ＰＴ１素子
３２０…ドライバ段
３２１…Ｐ素子
３２２…制限素子
３３０…イオン化器
３３１…Ｐ素子
３３２…伝送路
３４０…コントローラ
３５０…出力、ガスセンサ
４０３…加算点
４０４…跳躍関数、イオン化電力
４０５…加算点
４１０…ガスセンサ
４１１…制限素子
４１２…ＰＴ１素子
４１３…ＰＴ１素子
４２０…ドライバ段
４２１…Ｐ素子
４２２…制限素子
４３０…イオン化器
４３１…Ｐ素子
４３２…経路、イオン化器−ガスセンサ
４４０…コントローラ
４５０…出力、ガスセンサ
５００…空気流
５０１…跳躍関数、汚染物質濃度
５０３…加算点
５１０…ガスセンサ
５１１…制限素子
５１２…ＰＴ１素子
５１３…ＰＴ１素子
５１４…制御回路のフィードバック分岐線
５２０…ドライバ段
５２１…Ｐ素子
５２２…制限素子
５２５…電圧源
５２６…パルス幅変調器
５２７…共振器
５２８…高電圧変換器
５３０…イオン化管
５３１…Ｐ素子
５３２…経路、イオン化器−ガスセンサ
５４０…コントローラ
５４１…Ｐ素子
５４２…Ｐ素子
５４３…ＤＴ１素子
５４４…Ｉ素子
５４５…加算点
５４６…減算点
５４７…目標値
５５０…出力、ガスセンサ
５５１…出力、コントローラ
６０１…跳躍関数、汚染物質濃度
６０２…むだ時間
６０３…加算点
６１０…ガスセンサ
６１１…制限素子
６１２…ＰＴ１素子
６１３…ＰＴ１素子
６２０…ドライバ段
６２１…Ｐ素子
６２２…制限素子
６２３…イオン化電力の制限
６２４…イオン化電力の制限
６３０…イオン化器
６３１…Ｐ素子
６３２…経路、イオン化器−ガスセンサ
６４０…コントローラ
６４１…Ｐ素子
６４２…Ｐ素子
６４３…ＤＴ１素子
６４４…Ｉ素子
６４５…加算点
６４６…減算点
６４８…跳躍関数、目標値
６５０…出力、汚染物質センサ
６５１…出力、コントローラ
７０１…感度曲線、空気又は酸素
７０２…感度曲線、汚染物質
８０１…空気清浄機
８０２…台
８０３…カバー
８０４…イオン化管
８０５…ガスセンサ
８０６…空気スリット
８０７…ＬＥＤ表示部
８０８…動作電位計
８０９…給電線
９０１…切換スイッチ
９０２…コントローラ
９０３…ドライバ段
９０４…イオン化管
９０５…ガスセンサ
９０６…空気流、汚染物質濃度
９０７…表示部
９０８…目標値
９０９…比較点
９１０…制御偏差
９１１…加算素子
９１２…較正素子
９１３…電圧値
９１４…制御量
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月5日(2005.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の汚染物質を低減させるための空気清浄機であって、空気流(５００)に対して露出したイオン化器(５３０)と、汚染物質の濃度を測定するガスセンサ(５１０)とを備え、前記イオン化器をドライバ段(５２６，５２７，５２８)側からイオン化電力により作動させることができ、前記空気流により供給される空気を前記イオン化電力に応じてイオン化することができるような空気清浄機において、
ドライバ段(５２６，５２７，５２８)、イオン化器(５３０)及びガスセンサ(５１０)が閉ループ制御回路の中のコントローラ(５４０)と協働し、空気流により供給される空気中の汚染物質濃度が変化する場合に、前記ガスセンサの出力信号を所定の目標値(５４７)に戻すことができ、
開ループ制御回路の場合であれば空気流により供給される空気中の汚染物質濃度の急激な変化により生じるガスセンサの出力信号の変化を、そのガスセンサの出力信号が元の値に戻るようにイオン化エネルギーを変化させることによって補償できるように、空気流(５００)及びイオン化器(５３０)に対してガスセンサ(５１０)が配置されていること
を特徴とするもの。
【請求項２】
ドライバ段が、二次側に振動高電圧を発生させることができる高電圧変換器(５２８)を備えることを特徴とする、請求項１記載の空気清浄機。
【請求項３】
ドライバ段(５２６，５２７，５２８)がパルス幅変調回路(５２６)を備え、これを用いて、高電圧変換器(５２８)を一次側から作動させ、二次側の振動高電圧のピーク値及び／又はパルス比を調節することができることを特徴とする、請求項２記載の空気清浄機。
【請求項４】
前記二次側の振動高電圧は、ピーク値が１〜１０ｋＶの範囲で調節可能であり、周波数が１０〜５０ｋＨｚの範囲で調節可能であることを特徴とする、請求項３記載の空気清浄機。
【請求項５】
前記イオン化器(５３０)が、内面が第一電極としての多孔性金属シートで覆われ、外面が第二電極としての金網で包まれたガラス管から成り、前記ドライバ段の振動高電圧が前記第一電極と第二電極の間に印加されることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項６】
前記ガスセンサ(５１０)が、特定のガスの濃度に応じて抵抗値が変化する金属酸化物センサから成ることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項７】
前記金属酸化物は酸化スズから成ることを特徴とする、請求項６記載の空気清浄機。
【請求項８】
イオン化器(５３０)の周囲を流れる空気に対するガスセンサ(５１０)の空気入口が、排気側において、イオン化器の表面から約０．５〜２ｃｍ、好ましくは約１ｃｍの距離にあることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項９】
前記目標値(５４７)を空気清浄機上で手動調節できることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１０】
空気流(５００)を発生させるための通風機が設けられていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１１】
追加のコントローラが、ガスセンサ(５１０)の出力信号が所定の目標値(５４７)にほぼ一致するように前記通風機の回転速度を追加的に制御することを特徴とする、請求項１０記載の空気清浄機。
【請求項１２】
イオン化器、ドライバ段、ガスセンサ(５１０)及びコントローラを含む制御回路に何らかの限界が生じたら直ちに前記追加のコントローラを接続することを特徴とする、請求項１１記載の空気清浄機。
【請求項１３】
前記コントローラ(５４０)はＰコントローラ、ＰＩコントローラ又はＰＩＤコントローラから成ることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１４】
汚染物質濃度の測定値以外の測定量をコントローラ(５４０)で処理できることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１５】
流量センサ及び／又は水分センサ及び／又はイオン化センサ及び／又はオゾンセンサが、他の測定値を処理するためのコントローラ(５４０)に接続されていることを特徴とする、請求項１４記載の空気清浄機。
【請求項１６】
前記コントローラ(５４０)はルールベース式ファジーコントローラから成ることを特徴とする、請求項１４又は１５記載の空気清浄機。
【請求項１７】
前記コントローラ(５４０)は状態コントローラから成ることを特徴とする、請求項１４又は１５記載の空気清浄機。
【請求項１８】
前記目標値に対応する汚染物質濃度が前記ガスセンサに供給されると、較正素子がガスセンサ(５１０)を前記目標値(５４７)に較正することを特徴とする、請求項１〜１７のいずれかに記載の空気清浄機。
【請求項１９】
ガスセンサ(５１０)の較正中はイオン化器へのイオン化電力の供給が停止されることを特徴とする、請求項１８記載の空気清浄機。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載の空気清浄機を用いて空気中の汚染物質を低減させる方法であって、前記目標値(５４７)を特定の汚染物質濃度に調節し、汚染物質を含む空気をイオン化器(５３０)に供給し、汚染物質の量が低下した空気をイオン化器から取り出すことを特徴とするもの。
【国際調査報告】
2006500976.tif 000023
2006500976.tif 000024
2006500976.tif 000025
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