JP5197545B2 - 警報器 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＣＯ（一酸化炭素）濃度を検出するＣＯセンサなどのように、固体電解質膜のイオン導電性を維持するために水を使用する電気化学式センサを備えた警報器に関する。

従来、ＣＯ警報器として、例えば特開２００７−２４０４８３号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この警報器は、固体電解質膜のイオン導電性を維持するために水を使用する電気化学式センサを備えたものである。そして、電気化学式センサの水の蒸散によるセンサ寿命を予測して報知するものである。また、例えば特開平８−２３３７７０号公報（特許文献２）には、電気化学的な酸化還元反応を利用したガスセンサにおいて、該ガスセンサの寿命が尽きたことを検出して報知する技術が開示されている。

特開２００７−２４０４８３号公報 特開平８−２３３７７０号公報

特許文献１のものは、電気化学式センサ中の水の単位時間当たりの蒸散量がセンサの周囲温度に依存することから、複数の温度区分毎の蒸散量を考慮し、経過時間と周囲温度及び蒸散量から総水減少量を算出し、この総水減少量が閾値に達したら、センサの寿命を報知するようにしている。また、特許文献２のものは、センサの検出感度の劣化速度が周囲温度に依存することから、周囲温度からその時点での劣化速度を求め、この劣化速度に対応するデータを経時的に積算し、この積算値が所定の条件に達したときにセンサの寿命末期と判断して報知するようにしている。

ところで、警報器が氷点以下の低温環境下に置かれると、ＣＯセンサの水が凍結して感度が低下してしまったり、感度が無くなってしまうことがあり、警報器としての信頼性が低下してしまう。すなわち、ＣＯセンサは、低温下でも感度はあるが鈍化傾向にあり、また、特にＣＯセンサを横置きにした場合などでは水が凍結した場合に体積が膨張し、構造的に感度がなくなってしまうことも考えられる。さらに、警報器を使用しないて長時間低温環境下で放置され、その後、ＣＯガスが発生する環境下におかれた場合、センサ内の水が凍結していると警報を発しないことが発生する可能性もある。このような事態が発生しないようにするためにも低温凍結お知らせ機能が必要である。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２のものは、低温環境下におけるＣＯセンサの劣化等を検出することができない。さらに、特許文献１及び特許文献２のものは、いずれもセンサの寿命末期において報知するようにしているため、その時点ではセンサの劣化により警報器自体が警報できなかったり、警報が遅くなる可能性が高くなる。

本発明は、固体電解質膜のイオン導電性を維持するために水を使用する電気化学式センサを用いた警報器において、低温環境下に置かれても電気化学式センサが故障する前に、低温凍結の可能性があるなどユーザに使用温度が適正でないことを報知して、警報ができなくなる事態や警報が遅れる事態を回避することを課題とする。

請求項１の警報器は、固体電解質膜のイオン導電性を維持するために水を使用する電気化学式センサを備えた警報器において、前記電気化学式センサの周囲温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された前記周囲温度が氷点以下となっている氷点以下時間を累積するとともに、前記温度検出手段で検出された前記周囲温度が氷点超えとなっている氷点超え時間を累積する時間累積手段と、前記時間累積手段で累積された氷点以下時間と氷点超え時間とに基づいて前記電気化学式センサの凍結を予測して該電気化学式センサが劣化する前に使用温度が適正でない旨を報知する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２の警報器は、固体電解質膜のイオン導電性を維持するために水を使用する電気化学式センサを備えた警報器において、前記電気化学式センサの周囲温度を検出する温度検出手段と、氷点以下の複数の温度区分における凍結速さに対応する凍結重み係数と、氷点超えの複数の温度区分における解凍速さに対応する解凍重み係数と、前記電気化学式センサが劣化しない時間に相当する予め設定された設定時間閾値とを記憶した記憶手段と、前記温度検出手段で検出された前記周囲温度が氷点以下となっている温度区分毎の氷点以下時間を累積するとともに、前記温度検出手段で検出された前記周囲温度が氷点超えとなっている温度区分毎の氷点超え時間を累積する時間累積手段と、氷点以下の各温度区分にわたる氷点以下時間に凍結重み係数を乗算した乗算値の総和である凍結時間総和と、氷点超えの各温度区分にわたる氷点超え時間に解凍重み係数を乗算した乗算値の総和である解凍時間総和との差が、前記設定時間閾値に達したと判定されたときに、使用温度が適正でない旨を報知する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項１の警報器によれば、氷点以下時間が氷点超え時間より長ければ電気化学式センサが凍結している可能性が高く、氷点超え時間が氷点以下時間より長ければ電気化学式センサが解凍している可能性が高いので、氷点以下時間と氷点超え時間により電気化学式センサの凍結の有無を予測することができ、感度不良となる前に、低温凍結のお知らせなどの使用温度が適正でない旨を報知することができ、電気化学式センサの劣化により警報しなかったり、警報が遅くなったりすることを防ぐことができる。

請求項２の警報器によれば、請求項１と同様な効果が得られるとともに、凍結重み係数及び解凍重み係数により、低温となるほど凍結が速まり高温となるほど解凍が速まるという現象に対応して、電気化学式センサの凍結の予測を精度よく行うことができ、さらに警報器の信頼性を高めることができる。

本発明の実施形態のガス警報器の要部ブロック図である。 実施形態におけるＣＯセンサの構造例を示す図である。 実施形態におけるマイコンの制御を示す要部フローチャートである。 実施形態におけるＣＯセンサの１０００ｐｐｍ中での−１０℃における出力−時間特性を示す図である。 実施形態におけるＣＯセンサの１０００ｐｐｍ中での−２０℃における出力−時間特性を示す図である。 実施形態におけるＣＯセンサの１０００ｐｐｍ中での−２０℃から２０℃に戻したときの出力−時間特性を示す図である。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る警報器としてのＣＯ警報器のブロック図であり、このＣＯ警報器は、マイコン１０、高分子プロトン導電体を用いたＣＯセンサ１１、温度検出手段としてのサーミスタ１２、記憶手段としてのＥＥＰＲＯＭ１３、警報時に点灯するＬＥＤ表示部１４、警報時や後述のお知らせを行うときにユーザに対して音声やメッセージ等を発生する音声出力回路１５及びスピーカ１６等を備えている。

サーミスタ１２は温度検出手段として働き、ＣＯセンサ１１の近傍に設置され、ＣＯセンサ１１の周囲温度を検出する。なお、このサーミスタ１２は温度補償を行うために従来の警報器においても備えているものである。マイコン１０は、予め定めたプログラムに従って各種の制御および処理等を行うＣＰＵ１０ａと、ＣＰＵ１０ａのためのプログラム等を格納したＲＯＭ１０ｂと、各種データを格納するとともに、ＣＰＵ１０ａの処理作業に必要なエリアを有するＲＡＭ１０ｃ等を内蔵している。マイコン１０には、ＣＯセンサ１１からの検出出力と、サーミスタ１２からの温度検出信号が入力される。なお、マイコン１０が後述のプログラムを実行することにより実現する機能が、時間累積手段、及び制御手段に対応する。また、ＲＡＭ１０ｃは所定のタイマ領域で経過時間をカウントすることによりタイマとして機能し、周囲温度が条件に達したときの経過時間を累積する。

記憶手段としてのＥＥＰＲＯＭ１３には、ＣＯ濃度に応じて警報を発生する閾値となる予め決められた警報濃度のデータ等が記憶されている。また、ＥＥＰＲＯＭ１３には、氷点以下の温度範囲の複数の温度区分における凍結速さに対応する「凍結重み係数」のデータと、氷点超えの温度範囲の複数の温度区分における解凍速さに対応する「解凍重み係数」のデータ、ＣＯセンサが解凍によって劣化しない程度の時間に相当する予め設定された「設定時間閾値」のデータが記憶されている。

図２はＣＯセンサ１１の構造例を示す図である。ＣＯセンサ１１は、水タンク１、ワッシャ２、センサ素子３、ガスケット７および活性炭フィルタ８からなる。水タンク１には、蒸留水Ａが貯留されている。ワッシャ２は、水タンク１の上方に形成された凹部１ａに支持され、水蒸気供給口２ａが形成されている。センサ素子３は、バッキングレイヤ（対極）４、固体電解質膜である高分子プロトン導電体５およびバッキングレイヤ（検知極）６の積層構造からなり、ワッシャ２の上に配置されている。活性炭フィルタ８は、内部に活性炭９が充填されるとともに、上部にガス入口８ａ、底部にガス拡散口８ｂが形成されており、水タンク１の凹部１ａの上方をパッキングするガスケット７にはめ込まれている。上記蒸留水Ａは高分子プロトン導電体５（固体電解質膜）のイオン導電性を維持するために充填されている。

以上の構成により、雰囲気中にＣＯガスが存在すると、センサ素子３の検知極６および対極４において、それぞれ下記の反応が起こる。検知極６ではＣＯと水が反応して電子が検知極６に供給されて水素イオン（プロトン）が発生する。このプロトンは高分子プロトン導電体５を介して対極４に供給され、対極４では電子が供給されて水素イオンと酸素が化合して水が生成される。この反応により、ＣＯセンサ１１の出力（検知極６から対極４へ流れる電流）は、ＣＯガスのガス濃度に応じたものとなる。

ここで、ＣＯセンサ１１の感度は氷点以下の場合、その周囲温度により変動する。また、ＣＯセンサ１１の蒸留水Ａが凍結するか否かは周囲温度が氷点以下になっている時間による。図４は、実施形態におけるＣＯセンサ１１の１０００ｐｐｍ中での−１０℃における出力−時間特性を示す図、図５は実施形態におけるＣＯセンサ１１の１０００ｐｐｍ中での−２０℃における出力−時間特性を示す図である。

図４、図５に示すように、ＣＯセンサ１１の温度特性として低温側では、常温中のセンサ感度にくらべ７５〜９５％の感度となる。この図４の結果を見ると、−１０℃では４０分程度で８０％になり、−２０℃では３０分程度で８０％となっている。なお、この温度特性測定に使用したＣＯセンサ１１の使用温度範囲は、−５℃〜５５℃である。図４及び図５に示すように、この３０分程度で８０％となった後、測定濃度はほぼ安定しているため、各雰囲気中に馴染む時間としては−１０℃では４０分、−２０℃では３０分となる。また、−１０℃では−２０℃と比較し７割５分その雰囲気に馴染む時間が遅いのも解る。すなわち、周囲温度が低いほど凍結速さが速くなり、周囲温度が高いほど凍結速さは遅くなる。

そこで、この雰囲気に馴染む時間の比率をそれぞれの温度区分で数値化し、凍結速さに対応する凍結重み係数とする。例えば図４、図５の例では、０℃〜−１０℃の温度区分では凍結重み係数は“０．７５”、−１０℃〜−２０℃の温度区分では凍結重み係数は“１”とする。そして、この凍結重み係数を各温度区分の累積時間（分）に乗算して、凍結速さを加味した重み付けを行う。

また、図６は−２０℃中に２時間程度置いた警報器を常温２０℃中に置き、そのときのＣＯセンサの出力を測定した結果である。図示のように、センサ出力は、初期（常温）のセンサ出力に戻るまでに２時間程度の時間がかかっている。すなわち、周囲温度が高いほど解凍速さが速くなり、周囲温度が低いほど解凍速さは遅くなる。前記凍結重み係数として−２０℃での凍結重み係数を“１”としているので、解凍速さを加味するために凍結重み係数の逆（負数）として解凍重み係数を決める。例えば１０℃〜２０℃の温度区分では解凍重み係数は“−０．２５”とし、この解凍重み係数をこの温度区分１０℃〜２０℃の範囲にある累積時間（分）に乗算し、解凍速さを加味した重み付けを行う。

このように、凍結速さや解凍速さは周囲温度Ｔにより変化する。そこで、この実施例では、氷点超えの温度範囲と氷点以下の温度範囲をそれぞれ複数の温度区分に区分する。すなわちＴ≧４０℃の範囲の「４０℃区分」、４０℃＞Ｔ≧３０℃の「３０℃区分」、３０℃＞Ｔ≧２０℃の「２０℃区分」、２０℃＞Ｔ≧１０℃の「１０℃区分」、１０℃＞Ｔ≧０℃の「０℃区分」、０℃＞Ｔ≧−１０℃の「−１０℃区分」、−１０℃＞Ｔ≧−２０℃の「−２０℃区分」及び−２０℃＞Ｔの「−３０℃区分」に区分し、温度区分毎にその区分に対応する解凍重み係数と凍結重み係数が予め求められている。そして、これらの解凍重み係数と凍結重み係数のデータが前記ＥＥＰＲＯＭ１３に記憶されている。

この実施例の解凍重み係数ａ１〜ａ５及び凍結重み係数ａ６〜ａ８は以下のとおりである。
４０℃区分の解凍重み係数ａ１＝−０．５０
３０℃区分の解凍重み係数ａ２＝−０．４０
２０℃区分の解凍重み係数ａ３＝−０．２５
１０℃区分の解凍重み係数ａ４＝−０．２５
０℃区分の解凍重み係数ａ５＝−０．１５
−１０℃区分の凍結重み係数ａ６＝０．７５
−２０℃区分の凍結重み係数ａ７＝０．７６
−３０℃区分の凍結重み係数ａ８＝１．０

また、ＲＡＭ１０ｃには各温度区分に対応するタイマ領域があり、各温度区分毎に経過時間をカウント（累積）し、周囲温度がその温度区分に属している間の経過時間を累積する。なお、４０℃区分、３０℃区分、２０℃区分、１０℃区分、０℃区分、−１０℃区分、−２０℃区分及び−３０℃区分の各累積時間をそれぞれ、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８のカウント値とする。

以上の構成により、氷点超えの各温度区分毎にその累積時間である「氷点超え時間」に、その温度区分に対応する解凍重み係数を乗算し、各温度区分にわたる乗算値の総和を「解凍時間総和」として求める。また、氷点以下の各温度区分毎にその累積時間である「氷点以下時間」に、その温度区分対応する凍結重み係数を乗算し、各温度区分にわたる乗算値の総和を「凍結時間総和」として求める。そして、この解凍時間総和と凍結時間総和の和（解凍重み係数が負数であるので実際の時間の差となる）を求め、この値が予め設定された「設定時間閾値ｖｐ」に達すると、低温凍結のお知らせを行う。なお、以下のフローチャートによる制御では、上記解凍時間総和、凍結時間総和及びこれらの和は一括して演算している。

図３はＣＰＵ１１が実行する実施形態の制御プログラムの要部フローチャートである。この処理は図示しないメインルーチン（警報処理等）に対して所定のタイミングで発生する割り込み信号による割り込み処理として実行される。まず、ステップＳ１でサーミスタ１２によりＣＯセンサ１１の周囲温度を検出し、ステップＳ２〜Ｓ８でそれぞれ温度区分を判定する。

そして、４０℃区分であればステップＳ９で４０℃時間ｔ１をカウントし、３０℃区分であればステップＳ１０で３０℃時間ｔ２をカウントし、２０℃区分であればステップＳ１１で２０℃時間ｔ３をカウントし、１０℃区分であればステップＳ１２で１０℃時間ｔ４をカウントする。０℃区分であればステップＳ１３で０℃時間ｔ５をカウントし、−１０℃区分であればステップＳ１４で−１０℃時間ｔ６をカウントし、−２０℃区分であればステップＳ１５で−２０℃時間ｔ７をカウントし、−３０℃区分であればステップＳ１６で−３０℃時間ｔ８をカウントし、それぞれステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、解凍時間総和と凍結時間総和の和Ｖ（すなわち、温度区間毎に解凍重み係数ａｎと氷点超え時間ｔｎ（または凍結重み係数ａｎと氷点以下時間ｔｎ）を乗算した乗算値の各温度区間にわたる総和）が、設定時間閾値ｖｐ以上であるかを判定する。設定時間閾値ｖｐ以上でなければそのままメインルーチンに復帰し、設定時間閾値ｖｐ以上であれば、ステップＳ１８で「低温で凍結している可能性があります。」等のメッセージを音声により発生するとともに、ＬＥＤ表示部１４で点灯表示し、低温凍結のお知らせを行って、メインルーチンに復帰する。

このように、重み係数×時間（分）を加算していき総数３０以上で低温凍結お知らせを行う。この場合は設定時間閾値ｖｐ＝３０である。例えば、−１０℃中に置かれた場合、３０÷０．７５＝４０でり、４０分で低温凍結お知らせとなる。なお、この低温凍結のお知らせを行う定時間閾値ｖｐは、ＣＯセンサの水量によって凍結する時間が違うため使用するＣＯセンサの公差上の最大値にて決定する。

以上のように、この実施形態では、複数の温度区分毎に解凍速さと凍結速さを加味して解凍時間総和と凍結時間総和の和Ｖを求め、この和に応じて低温凍結のお知らせをするようにしているので、精度の高いタイミングでお知らせを行うことができる。なお、ＣＯ警報器の設置場所を変更して氷点超えの環境で所定時間継続したらお知らせが停止される。また、このお知らせは、別途の停止スイッチの操作により停止するようにしてもよい。

このように、従来の警報器のようにＣＯセンサが故障したことを報知するのではなく、ＣＯセンサ１１が凍結により故障となる前に、低温凍結のお知らせを行うので、ＣＯセンサの劣化により警報しなかったり、警報が遅くなったりすることを防ぐことができる。

１０ マイコン（時間累積手段、制御手段）
１１ ＣＯセンサ（電気化学式センサ）
１２ サーミスタ（温度検出手段）
Ａ 蒸留水

Claims (2)

1. 固体電解質膜のイオン導電性を維持するために水を使用する電気化学式センサを備えた警報器において、
   前記電気化学式センサの周囲温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段で検出された前記周囲温度が氷点以下となっている氷点以下時間を累積するとともに、前記温度検出手段で検出された前記周囲温度が氷点超えとなっている氷点超え時間を累積する時間累積手段と、
   前記時間累積手段で累積された氷点以下時間と氷点超え時間とに基づいて前記電気化学式センサの凍結を予測して該電気化学式センサが劣化する前に使用温度が適正でない旨を報知する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする警報器。
2. 固体電解質膜のイオン導電性を維持するために水を使用する電気化学式センサを備えた警報器において、
   前記電気化学式センサの周囲温度を検出する温度検出手段と、
   氷点以下の複数の温度区分における凍結速さに対応する凍結重み係数と、氷点超えの複数の温度区分における解凍速さに対応する解凍重み係数と、前記電気化学式センサが劣化しない時間に相当する予め設定された設定時間閾値とを記憶した記憶手段と、
   前記温度検出手段で検出された前記周囲温度が氷点以下となっている温度区分毎の氷点以下時間を累積するとともに、前記温度検出手段で検出された前記周囲温度が氷点超えとなっている温度区分毎の氷点超え時間を累積する時間累積手段と、
   氷点以下の各温度区分にわたる氷点以下時間に凍結重み係数を乗算した乗算値の総和である凍結時間総和と、氷点超えの各温度区分にわたる氷点超え時間に解凍重み係数を乗算した乗算値の総和である解凍時間総和との差が、前記設定時間閾値に達したと判定されたときに、使用温度が適正でない旨を報知する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする警報器。

Images