JP2007218757A

JP2007218757A - ガスセンサのヒーター故障検出装置

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Publication number: JP2007218757A
Application number: JP2006040265A
Authority: JP
Inventors: Hideki Takahashi; 英樹高橋; Hiromasa Takashima; 裕正高島
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: JP4668805B2

Abstract

【課題】一時的にガスセンサのヒーター故障を検出した際に正常状態に復帰させることができるガスセンサのヒーター故障検出装置を提供すること。
【解決手段】ヒーター電流供給手段１に設けられ、ヒーター電流を予め設定された制限電流値に制限する電流制限手段７と、電流検出手段Ｒｄ，３で検出されるヒーター電流を正常時ヒーター電流値と比較し、ヒーター電流が前記正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に、電流制限手段７を作動させる制御手段４と、電流制限手段７の作動後電流検出手段Ｒｄ，３で検出されるヒーター電流を制限電流値より低く予め設定された正常電流判定値と比較し、ヒーター電流が正常判定値になった場合に電流制限手段７の作動を解除する解除手段４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサのヒーター故障検出装置に関する。

たとえば、ガス警報器のようにセンサ素子のヒーターを駆動してガス濃度を計測する装置において、センサ素子の故障を検知することは、ユーザーにとって重要である。特に、接触燃焼式ガスセンサや半導体式ガスセンサのように、ヒータを高温で駆動させる場合は、断線等の故障を考慮する必要性が高く、ヒーターの故障を検出した場合、ユーザーに警報音や表示等により報知していた。

従来技術では、ガスセンサのヒーターのショート（短絡）やオープン（断線）等の故障を検出した場合、故障を警報音で報知したり、電源表示灯を利用した警報表示により報知していた（たとえば、特許文献１及び２参照）。
特開２００１−２３５４４１号公報登録実用新案第２５３２６８２号公報

しかし、ヒーターがショート状態で故障となった場合、消費電流が大幅に増加するだけでなく、電子部品等の発熱を起こし、最悪の場合、センサ以外のデバイスの破壊または火災の原因となる可能性がある。

実使用上においては、この故障状態でユーザーが警報器の電源をオフする保証はなく、長時間にわたりショート状態が放置される危険性が高いため、何らかの対策が必要である。

そこで、従来は、ヒーターのショート状態を検出した場合は、故障を報知するだけでなく、ヒーター駆動回路のデバイスの発熱を抑え、また、不必要な消費電流を生じさせないため、故障が判別された時点でヒーター電流供給を停止させるタイプのものがあった。

図６は、このようなタイプの従来のガスセンサのヒーター故障検出装置の構成例を示す回路図である。ガスセンサのヒーター故障検出装置は、ヒーター駆動回路１と、半導体式ガスセンサ２と、ヒーター電流検出部３と、マイコン（以下、ＣＰＵという）４とから構成される。

ヒーター駆動回路１は、＋Ｖｂ定電圧電源に接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ３を含むヒーター基準電圧生成部５と、抵抗Ｒ１に並列接続され、ＣＰＵ４の出力ポートＰ２から出力される制御信号でオン／オフ制御されるｐｎｐ型のトランジスタＴｒ１と、ヒーター電源＋Ｖｃと半導体式ガスセンサ２のヒーター２ａ間に電流検出抵抗Ｒｄを介して接続されたｎｐｎ型のトランジスタＴｒ２と、抵抗Ｒ２及びＲ３の接続点に非反転入力端子が接続され、電流検出抵抗Ｒｄと半導体式ガスセンサ２のヒーター２ａの接続点に反転入力端子が接続され、出力端子が抵抗Ｒ４を介してトランジスタＴｒ２のベースに接続されたオペアンプＯＰ１と、トランジスタＴｒ２のベースと接地間に接続され、ＣＰＵ４の出力ポートＰ１から出力され抵抗Ｒ９を介して供給される制御信号でオン／オフ制御されるｎｐｎ型のトランジスタＴｒ３を含むヒーター電流供給停止制御部６とからなる。

ヒーター電流検出部３は、トランジスタＴｒ２と電流検出抵抗Ｒｄの接続点に抵抗Ｒ５を介して非反転入力端子が接続され、電流検出抵抗Ｒｄと半導体式ガスセンサ２のヒーター２ａの接続点に抵抗Ｒ７を介して反転入力端子が接続されたオペアンプＯＰ２と、非反転入力端子と接地間に接続された抵抗Ｒ６と、反転入力端子と出力端子間に接続された抵抗Ｒ８とからなる。オペアンプＯＰ２の出力端子は、ＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ１に接続され、反転入力端子は、抵抗Ｒ７を介してＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ２に接続されている。

上記の構成において、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の分圧比によって決められる電圧を、半導体式ガスセンサ２に印加するヒーター電圧とし、ＣＰＵ４の出力ポートＰ２からの制御信号によるトランジスタＴｒ１のオン／オフにより、ヒーター電圧のハイ（Ｈｉ）レベル／ロー（Ｌｏ）レベルを切り替える。ヒーター電流検出部３は、ヒーター２ａを流れる電流を電流検出抵抗Ｒｄの両端電圧にて検出し、ＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ１で計測する。

計測したヒーター電流値が、たとえば半導体式ガスセンサ２の仕様範囲を正常範囲（たとえば、０．１２〜０．１４Ａ）とした場合、ＣＰＵ４は、この正常範囲を逸脱した時、何らかの故障異常が発生したと判断し、図示しない警報部より故障警報を発する。

特に、ヒーター電流値がショート側に異常値を認識した場合（すなわち、ヒーター電流値が正常時より減少した場合）は、ＣＰＵ４の出力ポートＰ１より制御信号を出力して、ヒータ電流供給停止制御部６のトランジスタＴｒ３をオンにし、ヒーター電流を供給しているトランジスタＴｒ２のベース電流を引き込み、トランジスタＴｒ２をオフにしてヒーター２ａへの供給電流を停止させる。

停止させた後は、警報器の電源をオフ（すなわち、ＣＰＵ４をリセット）し、再度計測した電流値が正常値とならない限り、復帰動作は行われない。

ヒーター電流の供給を停止させない場合、ヒーター電源＋ＶｃおよびトランジスタＴｒ２が供給可能な限界まで電流が流れ、トランジスタＴｒ２または電流検出抵抗Ｒｄの発熱を引き起こすだけでなく、装置の消費電流も通常の数倍以上に増加し、その状態をデバイスが破壊するまで持続する。

図７は、図６のヒーター故障検出装置の動作状態を示す図である。故障部として電流検出抵抗Ｒｄとヒーター２ａに対する故障モード、ＣＰＵ４によるソフト判定、ヒーター電流供給および復帰動作の各項目の内容が示されている。

図７において、ヒーター２ａのショート時は、上記に説明した通りである。

また、ヒーター２ａのオープン時には、ヒーター電流が流れなくなり電流検出抵抗Ｒｄの両端電圧がゼロになるので、ＣＰＵ４は、ヒーター２ａのオープンと判定する。この場合、ヒーター駆動回路１は正常に作動しており、ヒーター２ａへヒーター電流を供給する動作状態を継続している。したがって、ヒーター２ａのオープンが一時的な現象であってその後オープン状態が解除されると、ヒーター２ａへの正常なヒーター電流の供給が復帰する。

また、電流検出抵抗Ｒｄのショート時は、ヒーター２ａのオープン時と同様に電流検出抵抗Ｒｄの両端電圧がゼロになるので、ＣＰＵ４は、ソフト上、ヒーター２ａのオープンと判定する。したがって、電流検出抵抗Ｒｄのショートが一時的な現象であってその後ショート状態が解除されると、ヒーター２ａのオープン時と同様にヒーター２ａへの正常なヒーター電流の供給が復帰する。

さらに、電流検出抵抗Ｒｄのオープン時は、電流検出抵抗Ｒｄの両端電圧がヒーター電源＋Ｖｃの電圧になるので、ＣＰＵ４は、ソフト上、ヒーター２ａのショートと判定する。したがって、この場合は、電流検出抵抗Ｒｄのオープンが一時的な現象であってその後オープン状態が解除されても、ヒーター２ａのショート時と同様に正常なヒーター電流への復帰動作は行われない。

上述の故障検出装置では、ヒーター電流の供給そのものを停止しているため、たとえば、ノイズ等の誤動作によりヒータ電流が正常時より高い異常値になり一時的にヒーターのショートを検出してヒーター電流の供給が停止した後正常な状態に戻っても、警報器としては故障を解除する手段を有することができず、復帰動作をさせることができなかった。そのため、ノイズのような一時的な要因で警報器の機能が停止することがないようにするためには、別途ソフト的に電流検出タイミングを複数設けるなどの複雑な処理を必要としていた。

そこで本発明は、上述した課題に鑑み、一時的にガスセンサのヒーター故障を検出した際に正常状態に復帰させることができるガスセンサのヒーター故障検出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、ヒーター電流供給手段よりヒーター電流が供給されるヒーターにより加熱されるセンサ素子でガスを検知するガスセンサと、前記ヒーターに流れる前記ヒーター電流を検出する電流検出手段とを含み、前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に前記ヒーターの故障を検出するガスセンサのヒーター故障検出装置であって、前記ヒーター電流供給手段に設けられ、前記ヒーター電流を予め設定された制限電流値に制限する電流制限手段と、前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流を正常時ヒーター電流値と比較し、前記ヒーター電流が前記正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に、前記電流制限手段を作動させる制御手段と、前記電流制限手段の作動後前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流を前記制限電流値より低く予め設定された正常電流判定値と比較し、前記ヒーター電流が前記正常電流判定値になった場合に前記電流制限手段の作動を解除する解除手段とを備えたことを特徴とするガスセンサのヒーター故障検出装置に存する。

請求項１に記載の発明においては、制御手段により、電流検出手段で検出されるヒーター電流を正常時ヒーター電流値と比較し、ヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に、ヒーター電流供給手段に設けられ、ヒーター電流を予め設定された制限電流値に制限する電流制限手段を作動させる。また、解除手段で、電流制限手段の作動後電流検出手段で検出されるヒーター電流が、制限電流値より低く予め設定された正常電流判定値になった場合に前記電流制限手段の作動を解除する。

上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、請求項１記載のガスセンサのヒーター故障検出装置において、前記ヒーター電流供給手段１は、定電圧電源＋Ｖｂを含み、前記電流制限手段は、前記定電圧電源の電圧を分圧して前記制限電流値に対応するヒーター電圧として前記ヒーターに印加する定電圧回路からなることを特徴とするガスセンサのヒーター故障検出装置に存する。

請求項２に記載の発明においては、ヒーター電流供給手段は、定電圧電源を含み、電流制限手段は、定電圧電源の電圧を分圧して制限電流値に対応するヒーター電圧としてヒーターに印加する定電圧回路からなる。

上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、ヒーター電流供給手段よりヒーター電流が供給されるヒーターにより加熱されるセンサ素子でガスを検知するガスセンサと、前記ヒーターに流れる前記ヒーター電流を検出する電流検出手段とを含み、前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に前記ヒーターの故障を検出するガスセンサのヒーター故障検出装置であって、前記ヒーター電流供給手段に設けられ、前記ヒーターにヒーター電流を供給するヒーター電源と、前記ヒーター電流供給手段に設けられ、前記ヒーター電流を予め設定された制限電流値に制限する電流制限手段であって、前記制限電流値を供給する定電流源と、前記ヒーター電源と前記定電流源を切り替えるスイッチとからなる電流制限手段と、前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流を正常時ヒーター電流値と比較し、前記ヒーター電流が前記正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に、前記ヒーター電源を前記定電流源に切り替え、前記定電流源より前記ヒーターに前記制限電流値を供給するように前記電流制限手段を作動させる制御手段と、前記電流制限手段の作動後前記ヒーターに印加されるヒーター電圧を正常電圧判定値と比較し、前記ヒーター電圧が前記正常電圧判定値になった場合に前記電流制限手段の作動を解除し、前記スイッチを前記定電流源から前記ヒーター電源に切り替える解除手段とを備えたことを特徴とするガスセンサのヒーター故障検出装置に存する。

請求項３に記載の発明においては、制御手段により、電流検出手段で検出されるヒーター電流を正常時ヒーター電流値と比較し、ヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に、ヒーター電流を予め設定された制限電流値に制限する電流制限手段を作動させる。また、電流制限手段の作動動後ヒーター電圧が正常電圧判定値になった場合に、解除手段により電流制限手段の作動を解除し、スイッチを定電流源からヒーター電源に切り替える。

請求項１に記載の発明によれば、ヒーター電流供給手段よりヒーター電流が供給されるヒーターにより加熱されるセンサ素子でガスを検知するガスセンサと、ヒーターに流れるヒーター電流を検出する電流検出手段とを含み、電流検出手段で検出されるヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合にヒーターの故障を検出するガスセンサのヒーター故障検出装置であって、ヒーター電流供給手段に設けられ、ヒーター電流を予め設定された制限電流値に制限する電流制限手段と、電流検出手段で検出されるヒーター電流を正常時ヒーター電流値と比較し、ヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に、電流制限手段を作動させる制御手段と、電流制限手段の作動後電流検出手段で検出されるヒーター電流を制限電流値より低く予め設定された正常電流判定値と比較し、ヒーター電流が正常電流判定値になった場合に電流制限手段の作動を解除する解除手段とを備えているので、ガスセンサのヒーターのショート故障時、ヒーター駆動回路のデバイスの発熱や消費電流の増加を抑えると共に、その後正常状態を検出した場合は正常なヒーター電流の供給を再び行う復帰動作を行わせることができる。

請求項２に記載の発明によれば、ヒーター電流供給手段は、定電圧電源を含み、電流制限手段は、定電圧電源の電圧を分圧して制限電流値に対応するヒーター電圧としてヒーターに印加する定電圧回路からなるので、ガスセンサのヒーターのショート故障時、定電圧回路を作動させてヒーター電流を制限し、ヒーター駆動回路のデバイスの発熱や消費電流の増加を抑えると共に、その後正常状態を検出した場合は正常なヒーター電流の供給を再び行う復帰動作を行わせることができる。

請求項３に記載の発明によれば、ヒーター電流供給手段よりヒーター電流が供給されるヒーターにより加熱されるセンサ素子でガスを検知するガスセンサと、ヒーターに流れるヒーター電流を検出する電流検出手段とを含み、電流検出手段で検出されるヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合にヒーターの故障を検出するガスセンサのヒーター故障検出装置であって、ヒーター電流供給手段に設けられ、ヒーターにヒーター電流を供給するヒーター電源と、ヒーター電流供給手段に設けられ、ヒーター電流を予め設定された制限電流値に制限する電流制限手段であって、制限電流値を供給する定電流源と、ヒーター電源と定電流源を切り替えるスイッチとからなる電流制限手段と、電流検出手段で検出されるヒーター電流を正常時ヒーター電流値と比較し、ヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に、ヒーター電源を定電流源に切り替え、定電流源よりヒーターに制限電流値を供給するように電流制限手段を作動させる制御手段と、電流制限手段の作動後ヒーターに印加されるヒーター電圧を正常電圧判定値と比較し、ヒーター電圧が正常電圧判定値になった場合に電流制限手段の作動を解除し、スイッチを前記定電流源からヒーター電源に切り替える解除手段とを備えているので、ガスセンサのヒーターのショート故障時、ヒーター電流供給手段を定電流回路に切り替えてヒーター電流を制限し、ヒーター駆動回路のデバイスの発熱や消費電流の増加を抑えると共に、その後正常状態を検出した場合は正常なヒーター電流の供給を再び行う復帰動作を行わせることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスセンサのヒーター故障検出装置を備えたガス警報器の要部の構成を示す回路図である。ガスセンサのヒーター故障検出装置は、ヒーター駆動回路１と、半導体式ガスセンサ２と、ヒーター電流検出部３と、マイコン（以下、ＣＰＵという）４とから構成される。

ヒーター駆動回路１は、＋Ｖｂ定電圧電源に接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ３を含むヒーター基準電圧生成部５と、抵抗Ｒ１に並列接続され、ＣＰＵ４の出力ポートＰ２から出力される制御信号でオン／オフ制御されるｐｎｐ型のトランジスタＴｒ１と、ヒーター電源＋Ｖｃと半導体式ガスセンサ２のヒーター２ａ間に電流検出抵抗Ｒｄを介して接続されたｎｐｎ型のトランジスタＴｒ２と、抵抗Ｒ２及びＲ３の接続点に非反転入力端子が接続され、電流検出抵抗Ｒｄと半導体式ガスセンサ２のヒーター２ａの接続点に反転入力端子が接続され、出力端子が抵抗Ｒ４を介してトランジスタＴｒ２のベースに接続されたオペアンプＯＰ１と、ヒーター電流制限部７とからなる。ヒーター駆動回路１は、請求項におけるヒーター電流供給手段として働く。

ヒーター電流制限部７は、トランジスタＴｒ２のベースと接地間に抵抗Ｒ１０を介してコレクタ及びエミッタが接続され、ＣＰＵ４の出力ポートＰ１から出力され抵抗Ｒ９を介して供給される制御信号でオン／オフ制御されるｎｐｎ型のトランジスタＴｒ３を含む。

半導体式ガスセンサ２は、ヒーター２ａと、ヒーター２ａにヒーター電流を流すことにより加熱され、ガス濃度を感知するセンサ素子としてのプレート電極２ｂとからなる。

電流検出抵抗Ｒｄ及びヒーター電流検出部３は、請求項における電流検出手段として働く。ヒーター電流制限部７は、請求項における電流制限手段として働く。ＣＰＵ４は、請求項における制御手段及び解除手段として働く。ヒーター基準電圧生成部５、オペアンプＯＰ１、抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ１０、トランジスタＴｒ２およびＴｒ３は、請求項における定電圧回路として働く。

上記の構成を有するヒーター故障検出装置の故障検出動作の概略を述べると、半導体式ガスセンサ２のヒーター電流がショート側の異常と判断された場合に、従来はヒーター２ａへの供給電流をヒーター電流供給停止制御部６で停止させていたものを、図１に示すように、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ１０の分圧比によってトランジスタＴｒ２のベース電圧Ｖ１を固定し、半導体式ガスセンサ２のヒーター２ａに印加されるヒーター電圧Ｖ２をベース電圧Ｖ１より約０．６Ｖ低い電圧で定電圧化する。抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ１０の抵抗値を調整することによって、ヒーター２ａがショート状態になった場合でも、ヒーター電流ＩをＶ２／Ｒｄの電流値に抑えられるため、消費電流の増加、電子部品の発熱を抑えることが可能である。

また、この状態で、電流検出抵抗Ｒｄの両端電圧を監視することで、ノイズのような一時的な要因でショート状態が発生しその後ショート状態が解消された場合でも、ＣＰＵ４の内部メモリに予め記憶した正常時のヒーター電流値と比較することで、正常状態に復帰したかどうかを判断することができる。

次に、ガス警報器のガス警報動作および故障検出動作の詳細を説明する。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の分圧比によって決められる電圧を、半導体式ガスセンサ２に印加するヒーター電圧とし、ＣＰＵ４の出力ポートＰ２からの制御信号によるトランジスタＴｒ１のオン／オフにより、ヒーター電圧のハイ（Ｈｉ）レベル／ロー（Ｌｏ）レベルを切り替える。ハイ（Ｈｉ）レベルのヒーター電圧は、可燃性ガス、たとえば、メタンの検出に好適な温度にヒーター２ａを加熱するものであり、ロー（Ｌｏ）レベルのヒーター電圧は、たとえば不完全燃焼時に発生するＣＯの検出に好適な温度にヒーター２ａを加熱するものである。

半導体式ガスセンサ２のヒーター２ａが、ハイ（Ｈｉ）レベルのヒーター電圧で駆動されている期間において、プレート電極２ｂから出力されるセンサ出力は、ＣＰＵ４の図示しない入力ポートに入力されて、センサ出力に対応するメタン濃度が検出される。検出されたメタン濃度が、ＣＰＵ４の内部メモリに予め記憶されているメタン警報濃度を超えると、ＣＰＵ４は、図示しない警報部を駆動して警報する。また、ヒーター２ａが、ロー（Ｌｏ）レベルのヒーター電圧で駆動されている期間において、プレート電極２ｂから出力されるセンサ出力は、ＣＰＵ４の図示しない入力ポートに入力されて、センサ出力に対応するＣＯ濃度が検出される。検出されたＣＯ濃度が、ＣＰＵ４の内部メモリに予め記憶されているＣＯ警報濃度を超えると、ＣＰＵ４は、図示しない警報部を駆動して警報する。

ヒーター電流検出部３は、ヒーター２ａを流れる電流を電流検出抵抗Ｒｄの両端電圧にて検出し、ＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ１で計測する。

計測したヒーター電流値が、たとえば半導体式ガスセンサ２の正常範囲を逸脱した時、ＣＰＵ４は、何らかの故障異常が発生したと判断し、図示しない警報部より故障警報を発する。

特に、ヒーター電流値がショート側に異常値を認識した場合は、ＣＰＵ１の出力ポートＰ１よりハイ（Ｈｉ）レベルの制御信号を出力して、ヒータ電流制御部７のトランジスタＴｒ３をオンにし、ヒーター電流を供給しているトランジスタＴｒ２のベース電圧Ｖ１をオペアンプＯＰ１の最大出力電圧Ｖｏより低い抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ１０の分圧比で決まる分圧電圧値に固定し、それにより、ヒーター２ａへの供給電流を抑える。

その後、ヒーター２ａのショート状態が解除された場合、電流検出抵抗Ｒｄに直列にヒーター２ａの抵抗値が加わるために、ヒーター２ａへの供給電流は、上述のように抑えられた電流値よりさらに減少する。

ＣＰＵ４は、この電流減少により、ヒーター２ａのショート状態が解除され正常状態に戻ったことを判定し、出力ポートＰ１から出力されている制御信号のレベルをハイ（Ｈｉ）レベルからロー（Ｌｏ）レベルにして、ヒータ電流制御部７のトランジスタＴｒ３をオフにする。それにより、ヒーター電流制御部７を不作動として、ヒーター２ａへの供給電流を正常状態時の値に復帰させる。

次に、ＣＰＵ４の制御の下に行われる故障検出動作の詳細を図２のフローチャートを参照して説明する。まず、電流検出抵抗Ｒｄとヒーター電流検出部３により、ヒーター２ａを流れる電流に対応する電圧をＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ１で計測することにより、ヒーター電流を計測する（ステップＳ１）。

次に、計測したヒーター電流値が、ＣＰＵ４の内部メモリに予め記憶されている、半導体式ガスセンサ２の正常品の状態における正常時ヒーター電流値の範囲（範囲Ａとする）を逸脱したか否かを判定する（ステップＳ２）。逸脱していなければ、故障警報を解除し（ステップＳ３）、次いでステップＳ１に戻る。逸脱していれば、次いで、ヒーター２ａの故障であると確定し（ステップＳ４）、次いで、図示しない警報部より故障警報を発する故障警報処理を行う（ステップＳ５）。

次に、ヒーター２ａのショート側故障か否かを判定する（ステップＳ６）。この判定は、ヒーター電流が正常範囲Ａより高い異常値になっていればショート側故障であり、正常範囲Ａより低い異常値になっていればショート側故障ではない（オープン故障）と判定するものである。ショート側故障でなければ、ステップＳ１に戻る。

ショート側故障であれば、次いで、ＣＰＵ１の出力ポートＰ１よりハイ（Ｈｉ）レベルの制御信号を出力して、ヒータ電流制御部７のトランジスタＴｒ３をオンにする（ステップＳ７）。それにより、ヒーター２ａへの供給電流が低い値に抑えられ、以降の復帰監視モードに入る。すなわち、この復帰監視モードとは、後述する処理により、ヒーター故障が確定しトランジスタＴｒ３がオンした後にヒーター電流値が正常範囲に復帰しているかどうかを判定するモードである。

次に、電流検出抵抗Ｒｄとヒーター電流検出部３により、ヒーター２ａを流れる電流に対応する電圧をＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ１で計測することにより、ヒーター電流を計測する（ステップＳ８）。

次に、計測したヒーター電流値が、ＣＰＵ４の内部メモリに予め記憶されている、半導体式ガスセンサ２のショート故障確定後の復帰時の正常範囲（範囲Ｂとする）内にあるか否かを判定する（ステップＳ９）。ここで、範囲Ｂは、ヒーター故障確定後にトランジスタＴｒ３がオンしている状態の正常品の半導体ガスセンサ２におけるヒーター電流値（正常電流判定値）の範囲である。範囲内でなければ、故障警報を継続し（ステップＳ１０）、次いでステップＳ８に戻る。範囲内であれば、次いで、ＣＰＵ１の出力ポートＰ１から出力されている制御信号のレベルをハイ（Ｈｉ）レベルからロー（Ｌｏ）レベルにして、ヒータ電流制御部７のトランジスタＴｒ３をオフにする（ステップＳ１１）。それにより、ヒーター電流制御部７を不作動として、ヒーター２ａへの供給電流を正常状態時の値に復帰させ、通常監視モードになり、次いでステップＳ１に戻る。

図３は、図１のヒーター故障検出装置の動作状態を示す図である。故障部として電流検出抵抗Ｒｄとヒーター２ａに対する故障モード、ＣＰＵ４によるソフト判定、ヒーター電流供給および復帰動作の各項目の内容が示されている。

図３において、ヒーター２ａのショート時は、上記に説明した通りである。

さらに、電流検出抵抗Ｒｄのオープン時は、電流検出抵抗Ｒｄの両端電圧がヒーター電源＋Ｖｃの電圧になるので、ＣＰＵ４は、ソフト上、ヒーター２ａのショートと判定する。したがって、この場合は、電流検出抵抗Ｒｄのオープンが一時的な現象であってその後オープン状態が解除されると、ヒーター２ａのショート時と同様に正常なヒーター電流への復帰動作が行われる。

このように、本発明の第１の実施形態によれば、半導体式ガスセンサ２のヒーター２ａのショート故障の検出時、ヒーター駆動回路のデバイスの発熱や消費電流の増加を抑えると共に、その後正常状態を検出した場合は正常なヒーター電流の供給を再び行う復帰動作を行わせることができる。

次に、上述の第１の実施形態における抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ１０の調整について具体例を説明する。たとえば、Ｖｂ＝５Ｖ、Ｖｃ＝２．３Ｖ、ヒーター２ａの抵抗値３．４Ω、電流検出抵抗Ｒｄ＝３．３Ωの場合、抵抗Ｒ４およびＲ５の抵抗値を、それぞれ、Ｒ４＝５６０Ω、Ｒ１０＝２２０Ωに調整し、ヒーター電圧Ｖ２をコントロールするオペアンプＯＰ１の最大出力電圧Ｖｏ＝３．５Ｖとしたとき、ベース電圧Ｖ１、エミッタ電圧Ｖ２およびヒーター電流Ｉは、以下の式で求められる。
Ｖ１＝３．５Ｖ×２２０Ω／（５６０Ω＋２２０Ω）＝０．９９Ｖ・・・（１）
Ｖ２＝０．９９Ｖ−０．６Ｖ＝０．３６Ｖ・・・（２）
Ｉ＝０．３６Ｖ／３．３Ω＝０．１０９Ａ・・・（３）

上記（３）式で求められる電流値が、ヒーター２ａのショート状態になった場合のヒーター電流値である。ヒーター２ａのショート状態になった後、そのショート状態が解除された場合、ヒーター電流値は
Ｉ＝０．３６Ｖ／（３．３Ω＋３．４Ω）＝０．０５３Ａ
となり、ヒーター電流のショート状態から正常状態に戻った時（ショート状態が解除された時）の判定しきい値を、この値を含む所定範囲（範囲Ｂ）に設定すれば、正常状態に戻ったことを判定することができる。

（第２の実施形態）次に図４は、本発明の第２の実施形態に係るガスセンサのヒーター故障検出装置を備えたガス警報器の要部の構成を示す回路図である。この第２の実施形態においては、ヒーター電流制御部７の構成が上述の第１の実施形態と異なっており、その他の構成は第１の実施形態と同一である。

ヒーター電流制御部７は、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の接続点に非反転入力端子が接続され、出力端子にｐｎｐ型のトランジスタＴｒ４のベースが接続され、反転入力端子がトランジスタＴｒ４のエミッタに接続されかつ抵抗Ｒｉを介して＋Ｖｂ定電圧電源に接続されたオペアンプＯＰ３と、ＣＰＵ４の出力ポートＰ１から出力される制御信号で切り替え制御される１回路２接点タイプのスイッチＳＷ１とからなる。スイッチＳＷ１の共通端子ＳＷ１ａはトランジスタＴｒ２のコレクタに接続され、接点端子ＳＷ１ｂはトランジスタＴｒ４のコレクタに接続され、接点端子ＳＷ１ｃはヒーター電源＋Ｖｃに接続されている。オペアンプＯＰ３と抵抗Ｒｉは、定電流源を構成している。オペアンプＯＰ３、トランジスタＴｒ４及び抵抗Ｒｉは、請求項における定電流源として働き、スイッチＳＷ１は、請求項におけるスイッチとして働く。

上記の構成を有するヒーター故障検出装置の動作の概略を述べると、半導体式ガスセンサ２のヒーター電流がショート側の異常と判断された場合に、トランジスタＴｒ２に接続される電流供給源をヒーター電源＋Ｖｃから、オペアンプＯＰ３、トランジスタＴｒ４及び抵抗Ｒｉで構成される定電流源に切り替えて定電流モードとし、一定のヒーター電流を流す。したがって、ヒーター２ａがショート状態になった場合でも、ヒーター電流が一定値に抑えられるため、消費電流の増加、電子部品の発熱を抑えることが可能である。この状態で、電流検出抵抗Ｒｄの両端電圧を監視することで、ノイズのような一時的な要因でショート状態が発生しその後ショート状態が解消された場合でも、ＣＰＵ４の内部メモリに予め記憶した正常時のヒーター電流値と比較することで、正常状態に復帰したかどうかを判断することができる。

次に、本発明のヒーター故障検出装置の動作の詳細を説明する。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の分圧比によって決められる電圧を、半導体式ガスセンサ２に印加するヒーター電圧とし、ＣＰＵ４の出力ポートＰ２からの制御信号によるトランジスタＴｒ１のオン／オフにより、ヒーター電圧のハイ（Ｈｉ）レベル／ロー（Ｌｏ）レベルを切り替える。ハイ（Ｈｉ）レベルのヒーター電圧は、可燃性ガス、たとえば、メタンの検出に好適な温度にヒーター２ａを加熱するものであり、ロー（Ｌｏ）レベルのヒーター電圧は、たとえば不完全燃焼時に発生するＣＯの検出に好適な温度にヒーター２ａを加熱するものである。

ヒーター電流制御部７のスイッチＳＷ１は、正常時にトランジスタＴｒ２のコレクタがヒーター電源＋Ｖｃに接続されるように切り替えられている。ヒーター電流検出部３は、ヒーター２ａを流れる電流を電流検出抵抗Ｒｄの両端電圧にて検出し、ＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ１で計測する。

特に、ヒーター電流値がショート側に異常値を認識した場合は、ＣＰＵ４の出力ポートＰ１より制御信号を出力して、ヒータ電流制御部７のスイッチＳＷ１を切り替え、トランジスタＴｒ２のコレクタをトランジスタＴｒ４のコレクタ側に接続する。それにより、ヒーター２ａへの供給電流は一定の電流値に抑えられる。

その後、ヒーター２ａのショート状態が解除された場合、電流検出抵抗Ｒｄに直列にヒーター２ａの抵抗値が加わるために、電流検出抵抗Ｒｄとヒーター２ａの接続点の電圧Ｖ４が、ほぼ０Ｖから、一定電流によるヒーター２ａにおける電圧降下分だけ上昇する。

ＣＰＵ４は、この電圧をＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ２で計測し、ヒーター２ａのショート状態が解除され正常状態に戻ったことを判定し、出力ポートＰ１から出力されている制御信号を停止してスイッチＳＷ１を再び、ヒーター電源＋Ｖｃ側に切り替える。それにより、ヒーター２ａへの供給電流を正常状態時の値に復帰させる。

次に、ＣＰＵ４の制御の下に行われる故障検出動作の詳細を図５のフローチャートを参照して説明する。まず、電流検出抵抗Ｒｄとヒーター電流検出部３により、ヒーター２ａを流れる電流に対応する電圧をＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ１で計測することにより、ヒーター電流を計測する（ステップＳ２１）。

次に、計測したヒーター電流値が、ＣＰＵ４の内部メモリに予め記憶されている、半導体式ガスセンサ２の正常品の状態における正常時ヒーター電流値の範囲（範囲Ａとする）を逸脱したか否かを判定する（ステップＳ２２）。逸脱していなければ、故障警報を解除し（ステップＳ２３）、次いでステップＳ２１に戻る。逸脱していれば、次いで、ヒーター２ａの故障であると確定し（ステップＳ２４）、次いで、図示しない警報部より故障警報を発する故障警報処理を行う（ステップＳ２５）。

次に、ヒーター２ａのショート側故障か否かを判定する（ステップＳ２６）。この判定は、ヒーター電流が正常範囲Ａより高い異常値になっていればショート側故障であり、正常範囲Ａより低い異常値になっていればショート側故障ではない（オープン故障）と判定するものである。ショート側故障でなければ、ステップＳ２１に戻る。

ショート側故障であれば、次いで、ＣＰＵ１の出力ポートＰ１より制御信号を出力して、ヒータ電流制御部７のスイッチＳＷ１を共通端子ＳＷ１ａが接点端子ＳＷ１ｂに短絡するように切り替え、接点端子トランジスタＴｒ２のコレクタをトランジスタＴｒ４のコレクタ側に接続する（ステップＳ２７）。それにより、ヒーター２ａへの供給電流が定電流源による定電流の低い値に抑えられ、以降の復帰監視モードに入る。

次に、ヒーター２ａに印加される電圧をＣＰＵ４の入力ポートＡ／Ｄ２で計測することにより、ヒーター電圧Ｖ４を計測する（ステップＳ２８）。

次に、計測したヒーター電圧Ｖ４の値が、ＣＰＵ４の内部メモリに予め記憶されている、半導体式ガスセンサ２のショート故障確定後の復帰時の正常範囲（範囲Ｃとする）内にあるか否かを判定する（ステップＳ２９）。ここで、範囲Ｃは、ヒーター故障確定後に定電流源より定電流が供給されている状態の正常品の半導体ガスセンサ２におけるヒーター電圧値（正常電圧判定値）の範囲である。範囲内でなければ、故障警報を継続し（ステップＳ３０）、次いでステップＳ２８に戻る。範囲内であれば、次いで、ＣＰＵ１の出力ポートＰ１からの制御信号の出力を停止し、ヒータ電流制御部７のスイッチＳＷ１を共通端子ＳＷ１ａが接点端子ＳＷ１ｃに短絡するように切り替え、接点端子トランジスタＴｒ２のコレクタをヒーター電源＋Ｖｃ側に接続する（ステップＳ３１）。それにより、ヒーター２ａへの供給電流を正常状態時の値に復帰させ、通常監視モードになり、次いでステップＳ２１に戻る。

この第２の実施形態のヒーター故障検出装置の動作状態は、図２に示される第１の実施形態と同様となる。

このように、本発明の第２の実施形態によれば、半導体式ガスセンサ２のヒーター２ａのショート故障時、ヒーター駆動回路のデバイスの発熱や消費電流の増加を抑えると共に、その後正常状態を検出した場合は正常なヒーター電流の供給を再び行う復帰動作を行わせることができる。

この第２の実施形態の構成は、第１の実施形態の構成に比べて、オペアンプの最大出力Ｖｏ、トランジスタＴｒ２のコレクタ−エミッタ間飽和電圧等の特性値公差（温度特性等比較的公差が大きい特性値）を無視できるため、半導体式ガスセンサ２へ供給するヒーター電流の精度が高く、したがって故障検出精度が高いことが特徴である。

次に、上述の第２の実施形態におけるオペアンプＯＰ３、トランジスタＴｒ４及び抵抗Ｒｉで構成される定電流源の具体例を説明する。たとえば、Ｖｂ＝５Ｖ、Ｖｃ＝２．３Ｖ、ヒーター２ａの抵抗値３．４Ω、電流検出抵抗Ｒｄ＝３．３Ωの場合、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びＲ３の分圧比によって決められるオペアンプＯＰ３の反転入力端子電圧Ｖ３と、供給したい一定電流値を設定し、抵抗Ｒｉの値を算出する。

オペアンプＯＰ３の反転入力端子Ｖ３をＶ３＝３Ｖ、供給したい一定電流値Ｉｃ＝０．１３Ａに設定する場合、
Ｒｉ＝（５Ｖ−３Ｖ）／０．１３Ａ≒１５Ω・・・（４）
となり、抵抗Ｒｉの抵抗値を１５Ωに設定すれば良い。

以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、上述の第１の実施形態において、ヒーター電流制御部７の抵抗Ｒ１０の代わりに、ツェナーダイオードやシャントレギュレータ等の定電圧デバイスに置き換えても良い。

また、上述の第１及び第２の実施形態では、図２のフローチャートにおけるステップＳ６と図５のフローチャートにおけるステップＳ２６でヒーター２ａのショート故障（及び電流検出抵抗Ｒｄのオープン故障）と他の故障を判別し、ヒーター２ａのショート故障の場合のみ復帰監視モードになるようにしているが、これに限らず、このステップＳ６及びＳ２６を省略することにより、ヒーター２ａのショート故障（及び電流検出抵抗Ｒｄのオープン故障）及びヒーター２ａのオープン故障（及び電流検出抵抗Ｒｄのショート故障）のどちらかの故障発生時に復帰監視モードになるように変更することができる。

また、上述の実施形態では、ガスセンサとして半導体式ガスセンサを用いる例について説明したが、本発明は、これに限らず、ヒーターを有する他のタイプのセンサにも適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係るガスセンサのヒーター故障検出装置を備えたガス警報器の要部の構成を示す回路図である。（第１の実施形態）第１の実施形態におけるヒーター故障検出動作のフローチャートである。（第１の実施形態）本発明のヒーター故障検出装置の動作状態を示す図である。本発明の第２の実施形態に係るガスセンサのヒーター故障検出装置の構示す回路図である。（第２の実施形態）第２の実施形態におけるヒーター故障検出動作のフローチャートである。（第２の実施形態）従来のガスセンサのヒーター故障検出装置の構成例を示す回路図である。従来のヒーター故障検出装置の動作状態を示す図である。

符号の説明

１ヒーター駆動回路（ヒーター電流供給手段）
２半導体式ガスセンサ
３ヒーター電流検出部（電流検出手段の一部）
４マイコン（ＣＰＵ）（制御手段、解除手段）
５ヒーター基準電圧生成部
７ヒーター電流制限部（電流制限手段）
Ｒｄ電流検出抵抗（電流検出手段の一部）
Ｒｉ抵抗（定電流源の一部）
ＯＰ３オペアンプ（定電流源の一部）
Ｔｒ４トランジスタ（定電流源の一部）

Claims

ヒーター電流供給手段よりヒーター電流が供給されるヒーターにより加熱されるセンサ素子でガスを検知するガスセンサと、前記ヒーターに流れる前記ヒーター電流を検出する電流検出手段とを含み、前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に前記ヒーターの故障を検出するガスセンサのヒーター故障検出装置であって、
前記ヒーター電流供給手段に設けられ、前記ヒーター電流を予め設定された制限電流値に制限する電流制限手段と、
前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流を正常時ヒーター電流値と比較し、前記ヒーター電流が前記正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に、前記電流制限手段を作動させる制御手段と、
前記電流制限手段の作動後前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流を前記制限電流値より低く予め設定された正常電流判定値と比較し、前記ヒーター電流が前記正常電流判定値になった場合に前記電流制限手段の作動を解除する解除手段と
を備えたことを特徴とするガスセンサのヒーター故障検出装置。
請求項１記載のガスセンサのヒーター故障検出装置において、
前記ヒーター電流供給手段は、定電圧電源を含み、
前記電流制限手段は、前記定電圧電源の電圧を分圧して前記制限電流値に対応するヒーター電圧として前記ヒーターに印加する定電圧回路からなる
ことを特徴とするガスセンサのヒーター故障検出装置。
ヒーター電流供給手段よりヒーター電流が供給されるヒーターにより加熱されるセンサ素子でガスを検知するガスセンサと、前記ヒーターに流れる前記ヒーター電流を検出する電流検出手段とを含み、前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流が正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に前記ヒーターの故障を検出するガスセンサのヒーター故障検出装置であって、
前記ヒーター電流供給手段に設けられ、前記ヒーターにヒーター電流を供給するヒーター電源と、
前記ヒーター電流供給手段に設けられ、前記ヒーター電流を予め設定された制限電流値に制限する電流制限手段であって、前記制限電流値を供給する定電流源と、前記ヒーター電源と前記定電流源を切り替えるスイッチとからなる電流制限手段と、
前記電流検出手段で検出される前記ヒーター電流を正常時ヒーター電流値と比較し、前記ヒーター電流が前記正常時ヒーター電流値より高い異常値以上になった場合に、前記ヒーター電源を前記定電流源に切り替え、前記定電流源より前記ヒーターに前記制限電流値を供給するように前記電流制限手段を作動させる制御手段と、
前記電流制限手段の作動後前記ヒーターに印加されるヒーター電圧を正常電圧判定値と比較し、前記ヒーター電圧が前記正常電圧判定値になった場合に前記電流制限手段の作動を解除し、前記スイッチを前記定電流源から前記ヒーター電源に切り替える解除手段と
を備えたことを特徴とするガスセンサのヒーター故障検出装置。