JPH11248661A - ガス検知警報器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造工程でガスセンサ部の各種特性にバラツ
キが生じるため、それを組み込んだ警報器の性能、品質
が不安定になることがあった。 【解決手段】 警報器本体のＣＰＵ１に学習モード機能
を備え、組み込まれたガスセンサ部に、異なる周囲温
度、異なるガス濃度の各種条件下でヒータ３に電圧を印
加して温度特性、ガス感度特性等を計測する。次いで、
その特性にもとづいてヒータ３に印加される電圧パルス
の印加時間を最適な値に補正し、また、定電圧回路５と
ガスセンサ２との間に挿入される抵抗の値を変えること
でガスセンサ２からの出力レベルを調整する。次に、監
視モードに切り換え、監視動作を開始する。

Description

【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
タ用抵抗線および金属酸化物薄膜からなるガス検知素
子、温度検知素子を積層してセンサ本体を形成してお
き、電源電池から前記ヒータ用抵抗線に一定間隔で電圧
を印加して、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、ヒータ用抵抗線に印加される電池電圧
または抵抗線電圧を測定する電圧測定回路と、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
加電圧の印加時間および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
を取得する手段および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
する手段および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、１
０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ＣＰ
Ｕ１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Ａ
ｍｐ１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、ＣＰ
Ｕ１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Ｃ
Ｏ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１
１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間
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Ｓ１
１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ＣＰＵ
１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Ｓ１
４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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンチップ上にヒータ用抵抗線およ
   び金属酸化物薄膜からなるガス検知素子、温度検知素子
   を積層してセンサ本体を形成しておき、電源電池から前
   記ヒータ用抵抗線に一定間隔で電圧を印加して、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、 ヒータ用抵抗線に印加される電池電圧または抵抗線電圧
   を測定する電圧測定回路と、 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
   時間および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。
2. 【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す
   る手段および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する手段および取得し
   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。
3. 【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。
4. 【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。