JP6594704B2 - ガス警報器 - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサ型のセンサ本体を有するガスセンサと、警報を発生する警報手段と、を備えたガス警報器に関する。

従来、電池駆動式のガス警報器として、電力の消費量を切換可能なモード設定手段を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなガス警報器では、使用しない場合には節電モードに切り換えられ、使用時には電力消費モードに切り換えられることで、消費電力の低減が図られている。

特開２００６−３１４５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたガス警報器では、節電モードにおいてもわずかながら電力を消費してしまう。そこで、電源部とガスセンサとを完全に遮断して電力消費を抑制する構成も考えられる。ところで、コンデンサ型のセンサ本体を有するガスセンサ（例えば電気化学式ガスセンサ）に、出力を増幅するための増幅手段（例えばオペアンプ）が接続されることがある。増幅手段の２つの入力端子間には、オフセット電圧が生じる可能性があり、この場合、電源の投入後にオフセット電圧によってセンサ本体が充電されることにより、出力が安定するまでに時間を要する。このようなオフセット電圧は増幅手段によってばらつきがあり、安定化に要する時間を予測することは困難であった。従って、ガス警報器の設置作業時に、出力が安定してから初期点検を実施しようとすると、作業時間が長くなってしまう。

本発明の目的は、消費電力を低減しつつ設置に要する時間を短縮することができるガス警報器を提供することにある。

前記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、コンデンサ型のセンサ本体を有するガスセンサと、警報を発生する警報手段と、を備えたガス警報器であって、少なくとも前記ガスセンサに電力を供給する電源部と、前記電源部と前記ガスセンサとの電気的な接続と遮断とを切換可能なスイッチ部と、前記センサ本体を充電する充電手段によって前記ガスセンサを点検可能な点検手段と、 少なくとも前記点検手段を制御する制御手段と、前記ガスセンサの出力を増幅する増幅手段と、をさらに備え、前記ガスセンサは、前記スイッチ部によって当該ガスセンサと前記電源部とが切り離されている場合に接続されることで前記センサ本体の両端を接続する閉回路を形成する充電防止スイッチを有し、前記制御手段は、前記スイッチ部によって前記ガスセンサと前記電源部とが接続された際に、前記充電防止スイッチを切断し、前記スイッチ部によって前記電源部と前記ガスセンサとが電気的に接続されてから所定の安定時間内に、前記ガスセンサの出力が第１閾値よりも低くなった場合に、前記制御手段が、前記点検手段に該ガスセンサの初期点検を開始させることを特徴とするガス警報器である。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御手段が、前記警報手段も制御するように構成され、前記電源部と前記ガスセンサとが電気的に接続されてから前記安定時間内に、前記ガスセンサの出力が前記第１閾値よりも低くならない場合に、前記制御手段が、前記初期点検に代えて、前記警報手段に警報を発生させることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記点検手段が、前記初期点検において、前記ガスセンサの電気回路の故障を検出可能に構成されていることを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明は、請求項３に記載の発明において、前記充電手段は、前記初期点検と、該初期点検後の通常点検と、で充電時間を可変に構成されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記初期点検の終了後に、前記ガスセンサの出力が前記第１閾値以上となった際に、前記制御手段が前記警報手段に警報を発生させることを特徴とするものである。

請求項１に記載された発明によれば、電源部とガスセンサとの電気的な接続と遮断とを切換可能なスイッチ部を備えることから、ガス警報器を使用しない場合にガスセンサに電力を供給しないことにより、ガス警報器の出荷前の収納時や輸送時等に消費電力を低減することができる。また、ガスセンサの出力が安定時間内に第１閾値よりも低くなった場合にガスセンサの初期点検を開始することにより、ガスセンサの出力が安定するまで待機してから初期点検を開始する構成と比較して、初期点検を早く開始することができ、ガス警報器の設置に要する時間を短縮することができる。

このとき、ガスセンサの出力が安定する前に初期点検を開始して充電手段によってセンサ本体を充電した場合でも、安定化後に充電した場合でも、充電完了後のセンサ本体の電極板間の電位差は充電電圧と等しくなり、ガスセンサの出力の安定の前後によらず、充電完了後の電極板間の電位差は一定となる。従って、充電開始時の電極板間の電位差を開始電圧として測定すれば、この開始電圧と充電電圧との間における電極板間の電位差の変化に基づいて、ガスセンサを点検することができる。

請求項２に記載された発明によれば、電源部とガスセンサとが電気的に接続されてから安定時間内にガスセンサの出力が第１閾値よりも低くならない場合、即ち、ガスセンサに異常が発生してコンデンサがオフセット電圧によって正常に充電されない場合、又は、ガス漏れが発生している場合に、警報手段に警報を発生させることにより、作業者やユーザーにガスセンサの故障やガス漏れを認識させることができる。

請求項３に記載された発明によれば、初期点検においてガスセンサの電気回路の故障を検出する、即ち、電気回路の短絡や断線を検出することから、センサ本体の充電時のガスセンサの出力に基づいて故障を判定すればよい。具体的には、センサ本体の電極板同士や、各電極板に接続された電線同士が短絡した場合には、センサ本体を充電しようとしても電極板間の電位差（ガスセンサの出力）はほとんど変化しない。一方、センサ本体の周辺の電線が断線してセンサ本体が回路から切り離された場合には、コンデンサは充電されず、充電手段によってセンサ本体に印加した電圧がガスセンサの出力となることがあり、この電圧は瞬間的に変化する。このように、電気回路の短絡時や断線時には、ガスセンサの出力はほとんど変化しなかったり瞬間的に変化したりすることから、短時間で故障検出することができ、初期点検時の充電時間を短縮することができる。従って、初期点検に要する時間を短縮し、ガス警報器の設置に要する時間をさらに短縮することができる。また、ガス警報器の輸送時には、振動や衝撃等によって電気回路に故障が生じる可能性があり、その他の故障は生じにくいことから、出荷前の状態でガス警報器全体の点検を実施し、設置後の初期点検によって前述のように電気回路を点検すれば、点検を効率化することができる。

請求項４に記載された発明によれば、初期点検時には上記のように充電時間を短縮して初期点検に要する時間を短縮するとともに、初期点検後の通常点検時には充電時間を長くして検出精度を向上させることができる。即ち、充電時間を長くすることにより、センサ本体の電極板間の電位差の変化を大きくすることができ、出力の変化をより正確に検出することができる。

請求項５に記載された発明によれば、初期点検の終了後に、ガスセンサの出力が第１閾値以上となった際に警報手段に警報を発生させる、即ち、警報用の閾値と初期点検開始用の閾値とを一致させることにより、制御を簡単化することができる。

本発明の実施形態に係るガス警報器を模式的に示すブロック図である。 図１のガス警報器の電気回路を示す回路図である。 図１のガス警報器の初期点検時における出力変化を示すタイミングチャートである。 図１のガス警報器のガスセンサが（Ａ）断線及び（Ｂ）短絡した場合の出力変化を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のガス警報器１は、図１に示すように、ガスセンサ２と、警報手段としてのスピーカ３と、少なくともガスセンサ２に電力を供給する電源部としての電池４と、電池４とガスセンサ２との電気的な接続と遮断とを切換可能なスイッチ部５と、ガスセンサ２を点検可能な点検手段６と、スピーカ３及び点検手段６を制御する制御手段７と、を備えた電池式のガス警報器である。尚、ガス警報器１は、電池式でなくてもよく、例えば家庭用のＡＣ１００Ｖ電源で動作するものであってもよい。

ガスセンサ２は、例えば電気化学式ガスセンサであって、図２に示すように、センサ本体２１と、後述するようにセンサ本体２１によって生じる電流を増幅することで出力を増幅する増幅手段としての第１オペアンプ２２と、第２オペアンプ２３と、第１〜第４抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、充電防止スイッチＳＷ１を有する。各抵抗の抵抗値は、例えば、第１抵抗が１ｋΩであり、第２抵抗が６８ｋΩであり、第３抵抗が３００ｋΩであり、第４抵抗が２０ｋΩであるものとする。

センサ本体２１は、検知電極（図２の下側の電極）と、対向電極（図２の上側の電極）とで構成されるコンデンサＣと、コンデンサＣに対して並列に接続される並列抵抗Ｒｐと、コンデンサＣに対して直列に接続される直列抵抗Ｒｓと、を有するコンデンサ型のセンサであって、例えば一酸化炭素を検知対象ガスとする。検知対象ガスが検知電極と対向電極との間に存在すると、各電極において酸化還元反応が起こり、電流が流れようとする。この電流と各抵抗とによって、点ａと点ｂとの間に電位差（電圧）が発生し、この電圧がガスセンサ２の出力となる。ガスセンサ２の出力は、信号Ｓ１として制御手段７に送信される。尚、検知対象ガスの濃度と、ガスセンサ２の出力とは略比例するものとする。

充電防止スイッチＳＷ１は、スイッチ部５によってガスセンサ２と電池４とが切り離されている場合に接続されることで、センサ本体２１の両端を接続する閉回路を形成する。ガス警報器が動作していない場合に検知対象ガスが存在した際に、コンデンサＣの電極板間の電位差によってこの閉回路に電流が流れ、コンデンサＣに電荷が溜まらないようになっている。

第１オペアンプ２２には、入力端子Ｉｎ１、Ｉｎ２間に、オフセット電圧が生じ得る。オペアンプによって発生するオフセット電圧にはばらつきがあり、予測することは困難である。また第２オペアンプ２３にもオフセット電圧が生じ得るものの、第１オペアンプ２２のオフセット電圧と比較して、コンデンサＣへの充電への寄与割合が充分に小さい。

スピーカ３は、制御手段７から送信された警報発生信号Ｓ２を受信することによって警報音を発生するように構成されている。尚、警報手段として、スピーカ３に代えてランプ等の表示部を有した表示手段を用いてもよいし、スピーカ３と表示手段とが組み合わされてもよい。

電池４は、乾電池であってもよいし二次電池であってもよく、ガスセンサ２だけでなくスピーカ３や点検手段６、制御手段７等にも電力を供給するように構成されていてもよいし、これらの構成に電力を供給する電源部が別体に設けられてもよい。電池４がガスセンサ２以外の構成にも電力を供給する場合、例えばスイッチ部５を主電源用のスイッチとし、スイッチ部５が接続されることでガスセンサ２以外の構成に電力が供給されるようにしてもよい。

点検手段６は、充電手段６１を有している。充電手段６１は、ガスセンサ２に接続され、点ａと点ｄとの間に電圧を印加する図示しない電圧印加部と、点ｃと点ｄとの接続と切断とを切り換える充電スイッチ６１１と、を有する。

電圧印加部は、例えば点ａの電位を２．２Ｖにするとともに点ｄの電位を２．４Ｖにすることで、点ａと点ｄとの間に０．２Ｖの電圧を印加するように構成されている。

充電スイッチ６１１は、抵抗を挟んで点ｃと点ｄとを接続することにより、センサ本体２１に電圧を印加する。充電手段６１は、充電スイッチ６１１の接続時間を調節することにより、充電時間を可変に構成されている。コンデンサＣの両電極間には、充電完了時に、点ａと点ｄとの間の電位差に等しい電圧が保持される。

以下、ガス警報器１を設置して初期点検を実行する手順及びそのときのガスセンサ２の出力について図３のタイミングチャートも参照して説明する。尚、図３では、ガスセンサ２の出力の大きさに対応した縦軸は、下方ほど値が大きくなることを示している。また、以下においてガスセンサ２の出力の高低は、ガス濃度の高低と対応するものとする。即ち、出力が高いとはガス濃度が高いことを意味し、出力が低いとはガス濃度が低いことを意味する。

まず、ガス警報器１は、工場での出荷前に出荷用の初期点検（例えば、ガスセンサ２やスピーカ３が正常に動作するかの点検）が実施された後、スイッチ部５が切断されてガスセンサ２に電力が供給されていない状態で出荷される。また、後述するように第１オペアンプ２２のオフセット電圧によってコンデンサＣが充電されて出力が安定した際、この出力が０ｐｐｍに対応し、工場において０ｐｐｍに対応する出力を予め測定しておく。このように出荷されたガス警報器１を設置する際、設置作業者がスイッチ部５を接続状態にする（スイッチＯＮ）と、制御手段７は、充電防止スイッチＳＷ１を切断する。これにより、点ａと点ｃとが等電位ではなくなり、第１オペアンプ２２のオフセット電圧によってコンデンサＣが充電されていく。このときの時定数は、各抵抗値とコンデンサＣの容量とによって決まる。コンデンサＣの電極板間の電位差がオフセット電圧と等しくなって充電が終了するまでに要する最大時間の例を、各条件について表１に示す。また、条件２及び条件４におけるガスセンサ２の出力（ガス濃度換算値）の変化を図４のタイミングチャートに示す。尚、図４の例では、入力端子Ｉｎ１の方が入力端子Ｉｎ２よりも高電圧となるようなオフセット電圧が生じた例について示すが、この正負は逆転することもある。

充電防止スイッチＳＷ１を切断してから安定時間（例えば３０秒）が経過したら、制御手段７は、ガスセンサ２の出力が第１閾値よりも低いか否かを判定する。第１閾値のガス濃度換算値は例えば２００ｐｐｍとする。ガスセンサ２の出力が第１閾値よりも低い場合、制御手段７は初期点検を開始する。即ち、制御手段７は、充電手段６１に充電信号Ｓ４を送信し、充電スイッチ６１１を接続させ、コンデンサＣへの充電を開始する。コンデンサＣが充電されて電極板間の電位差が大きくなっていく（ガスセンサ２の出力が大きくなっていく）にしたがって、センサ本体２１側に電流が流れにくくなっていく。従って、仮に充電を継続した場合、コンデンサＣが飽和してガスセンサ２の出力が一定の値となる。充電開始後に所定の時間（例えば１秒）が経過したら、制御手段７が充電スイッチ６１１を切断させる。即ち、初期点検時の充電時間は例えば１秒となる。

初期点検において、コンデンサＣの充電時には、次のような判定が実施される。即ち、制御手段７は図４に示すように、充電を開始して所定時間（例えば１０ｍｓ）経過後に、ガスセンサ２の出力が第１判定値Ｐ１以下であるかを判定し、さらに時間が経過した後（例えば０．１秒経過後）に、ガスセンサ２の出力が第２判定値Ｐ２以上且つ第３判定値Ｐ３以下の値となるか否かを判定する。第２判定値は第１判定値よりも高いものとする。ガスセンサ２の電気回路が正常である場合、図４に二点鎖線で示すように、その出力は時間経過とともに大きくなり、第１判定値Ｐ１以下となった後に第２判定値Ｐ２以上且つ第３判定値Ｐ３以下の値となる。一方、例えば点ａと点ｃとの間において、センサ本体２１に断線が生じている場合、コンデンサＣは電気回路から切り離されて充電されず、ガスセンサ２の出力である点ａと点ｂとの間の電位差は、点ａと点ｃとの間の電位差が増幅されたものに略等しくなり、図４（Ａ）に実線で示すように、充電スイッチ６１１の接続後に急激に上昇する。従って、ガスセンサ２の出力が第１判定値Ｐ１及び第３判定値Ｐ３よりも大きくなる。

また、コンデンサＣの両電極が短絡している（インピーダンスが０になっている）場合、コンデンサＣに電荷が溜まらないため、ガスセンサ２の出力である点ａと点ｂとの間の電位差は、図４（Ｂ）に実線で示すようにほとんど変化しない。従って、ガスセンサ２の出力が、第１判定値Ｐ１以下となった後に第２判定値Ｐ２以上且つ第３判定値Ｐ３以下となることはない。

尚、判定値Ｐ１〜Ｐ３は、０ｐｐｍに対応する出力と、充電開始時の出力と、充電電圧と、センサ本体２１の充電時の時定数と、に応じて適宜な値に設定されていればよい。

センサ本体２１の充電終了後３３秒が経過したら制御手段７は初期点検を終了する。初期点検の終了後、制御手段７は、ガスセンサ２の出力が第１閾値以上となるか否かを繰り返し判定し、ガスセンサ２の出力が第１閾値以上となったらスピーカ３に警報発生信号Ｓ２を送信し、警報を発生させる。また、初期点検の終了後、制御手段７は、故障点検（通常点検）を定期的に（例えば２４時間毎に）実施する。尚、通常点検時における充電時間は例えば５秒とすればよい。このように通常点検時には充電時間を長くすることにより、センサ本体２１の電極板間の電位差の変化を大きくし、出力の変化をより正確に検出することができ、検出精度を向上させることができる。

一方、センサ本体２１が最初に放電を開始してから（スイッチＯＮ後）安定時間が経過してもガスセンサ２の出力が第１閾値よりも低くならない場合、制御手段７は、スピーカ３に警報発生信号Ｓ２を送信して警報を発生させるとともに、初期点検を終了する。このとき、制御手段７は、定期的な故障点検の一回目を早く（例えば１時間後に）実施する。

このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。即ち、ガス警報器１は、スイッチ部５が切断されてガスセンサ２に電力が供給されていない状態で出荷されることから、輸送時等における消費電力を低減することができる。また、ガスセンサ２の出力が安定時間内に第１閾値よりも低くなった場合にガスセンサ２の初期点検を開始することにより、ガスセンサ２の出力が安定してから初期点検を開始する構成と比較して、初期点検を早く開始することができ、ガス警報器１の設置に要する時間を短縮することができる。

さらに、スイッチ部５が接続状態となってセンサ本体２１に充電が開始されてから安定時間内にガスセンサ２の出力が第１閾値よりも低くならない場合にスピーカ３に警報を発生させることにより、ガスセンサ２に異常が発生してオフセット電圧によってコンデンサＣが正常に充電されない場合や、ガス漏れが発生している場合に警報を発生し、設置作業者やユーザーにガスセンサ２の故障やガス漏れを認識させることができる。

また、初期点検において、異なる２回のタイミングで出力と判定値Ｐ１〜Ｐ３とを比較してガスセンサ２における断線及び短絡を検出することにより、断線時又は短絡時にはガスセンサ２の出力が瞬間的に変化するかほとんど変化しないことから、短時間で故障を検出することができる。従って、充電時間を短縮して初期点検に要する時間を短縮し、ガス警報器の設置に要する時間をさらに短縮することができる。

さらに、初期点検の終了後に、ガスセンサ２の出力が第１閾値以上となった際にスピーカ３に警報を発生させる、即ち、警報用の閾値と初期点検開始用の閾値とを一致させることにより、制御を簡単化することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

例えば、前記実施形態では、スイッチ部５が接続状態となってセンサ本体２１に充電が開始されてから安定時間内にガスセンサ２の出力が第１閾値よりも低くならない場合にスピーカ３に警報を発生させるものとしたが、このときに発生する警報は、通常使用時のガス警報器１においてガス濃度が高くなった際の警報とは異なるものであってもよく、例えば初期点検に失敗した旨のメッセージを発生してもよいし、ガスセンサ２の故障の可能性とガス漏れの可能性とを伝えるメッセージを発生してもよい。

また、前記実施形態では、初期点検においてガスセンサ２における断線及び短絡を検出するものとしたが、初期点検においてガスセンサ２の動作点検（出力が警報用の閾値を超えられるか否か）やスピーカ３の動作点検（警報音を発生可能か否か）等を実施してもよい。

また、前記実施形態では、初期点検時の方が通常点検時よりも充電手段６１による充電時間が短いものとしたが、各点検時の充電時間は必要な検出精度に応じて適宜に設定されていればよく、例えば初期点検時と通常点検時とで充電時間が同等であってもよい。初期点検時と通常点検時とで充電時間が同等である場合、充電手段６１が充電時間を可変に構成されていなくてもよい。

また、前記実施形態では、初期点検の終了後に、ガスセンサ２の出力が第１閾値以上となった際にスピーカ３に警報を発生させるものとしたが、初期点検用の閾値である第１閾値と、警報用の閾値と、は互いに異なる値に設定されていてもよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１ ガス警報器
２ ガスセンサ
３ スピーカ（警報手段）
４ 電池（電源部）
５ スイッチ部
６ 点検手段
７ 制御手段
２１ センサ本体
６１ 充電手段

Claims (5)

1. コンデンサ型のセンサ本体を有するガスセンサと、警報を発生する警報手段と、を備えたガス警報器であって、
   少なくとも前記ガスセンサに電力を供給する電源部と、
   前記電源部と前記ガスセンサとの電気的な接続と遮断とを切換可能なスイッチ部と、
   前記センサ本体を充電する充電手段によって前記ガスセンサを点検可能な点検手段と、 少なくとも前記点検手段を制御する制御手段と、
   前記ガスセンサの出力を増幅する増幅手段と、をさらに備え、
   前記ガスセンサは、前記スイッチ部によって当該ガスセンサと前記電源部とが切り離されている場合に接続されることで前記センサ本体の両端を接続する閉回路を形成する充電防止スイッチを有し、
   前記制御手段は、前記スイッチ部によって前記ガスセンサと前記電源部とが接続された際に、前記充電防止スイッチを切断し、
   前記スイッチ部によって前記電源部と前記ガスセンサとが電気的に接続されてから所定の安定時間内に、前記ガスセンサの出力が第１閾値よりも低くなった場合に、前記制御手段が、前記点検手段に該ガスセンサの初期点検を開始させることを特徴とするガス警報器。
2. 前記制御手段が、前記警報手段も制御するように構成され、
   前記電源部と前記ガスセンサとが電気的に接続されてから前記安定時間内に、前記ガスセンサの出力が前記第１閾値よりも低くならない場合に、前記制御手段が、前記初期点検に代えて、前記警報手段に警報を発生させることを特徴とする請求項１に記載のガス警報器。
3. 前記点検手段が、前記初期点検において、前記ガスセンサの電気回路の故障を検出可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス警報器。
4. 前記充電手段は、前記初期点検と、該初期点検後の通常点検と、で充電時間を可変に構成されていることを特徴とする請求項３に記載のガス警報器。
5. 前記初期点検の終了後に、前記ガスセンサの出力が前記第１閾値以上となった際に、前記制御手段が前記警報手段に警報を発生させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス警報器。

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