JP6831201B2

JP6831201B2 - 検知器

Info

Publication number: JP6831201B2
Application number: JP2016189824A
Authority: JP
Inventors: 敏夫上田
Original assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2036-09-28
Also published as: JP2018055350A

Description

本発明は、検知器に関し、特に、流入する電流量が経時的に変化する負荷、および、１つの線路を電源のグランドと伝送信号のグランドとで共用する通信手段を有する検知器に関する。

現在、周囲環境が特定の状態にあることを検知する検知器を含めて、各種の電気機器が使用されている。電気機器は、外来のノイズまたは自身が生じさせるノイズにより適正な動作を阻害されることがある。電気機器の正常な動作を得るために、ノイズによる誤動作を防ぐ各種の試みがなされている。たとえば、特許文献１には、通信線に送信される信号を出力するＩＣ内部で出力波形を鈍らせることによりノイズを低減することが記載されている。

特開２００７−２１４６４３号公報

電気機器においては、特許文献１のように出力信号のレベルの切り替わりに伴うものの他、たとえば、電気機器の回路内の負荷の変動に伴う電流の変動がノイズ源となることがある。たとえば、負荷に流れる電流の変動に伴ってグランドラインの電位が変動し、それにより、このグランド電位を基準とする各種信号ラインの電位が変動して誤動作をもたらすことがある。特に、微小な電位の変化により所定の情報を送受する通信用の信号線においては、グランド電位の変動は、正確に情報をやり取りするうえで大きな問題となり得る。たとえば、主に計装機器間（計装機器同士または計装機器と制御機器との間など）の通信において採用されているＨＡＲＴプロトコルでは、周波数偏移変調（ＦＳＫ）により送受信されるデジタル信号の電流振幅は０．８ｍＡ_P-P程度と小さいため、グランド電位の変動による影響を受け易いと考えられる。

このようなグランド電位の変動によるノイズに関しては、通信信号の基準となるグランドと電源供給ラインなどのグランドとを分離することにより、その影響による誤動作を防ぐことが考えられる。しかし、グランドを分離することは、電気機器の内部回路の複雑化を招くと共に、分離したグランドのための線材や配線基板上の配線パターンを必要とし、そして、そのような線材や配線パターンのためのスペースを必要とすることから、電気機器の小型化を阻害する要因となり得る。また、前述の計装機器間の通信は、たとえば各種プラント内などで行われているが、プラント内の各建屋などに設置される計装機器同士の間を所定の敷設経路で結ぶ線路の総延長は１ｋｍにまでおよぶことがあり、線路のコストの面でも問題となる。

また、単にセンサでの測定データなどを比較的ノイズ耐量の大きい伝送方式で送受信している検知器では、通信信号の基準グランドと電源供給ラインのグランドとを共用しているものがあるが、これらの機器においても、機能向上のために多様な信号の伝送が求められることがある。そして、伝送信号の多重化のために前述のＨＡＲＴプロトコルなどの採用が必要となることがある。しかし、ＨＡＲＴプロトコルなどによる微小振幅の信号の伝送にあたってノイズによる問題を回避するためにグランドを分離すると、検知器全体の改造や、検知器間の新たな線路の敷設などが必要になるという問題がある。特に、可燃性ガスなどを検知する検知器においては、防爆構造の具備などを要件とする所定の安全規格への適合が求められるため、一度適合認証を受けた筐体構造を変更することは容易ではない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、給電ラインと信号伝送ラインとの間でグランドラインを共用する通信方式による通信機能を有する検知器において、検知器の内部の負荷の変動があっても正常に信号を送受信し得る検知器を提供することを目的とする。

本発明の検知器は、周囲環境が特定の状態にあることを検知する検知器であって、第１電圧で電流を供給する電源部と、前記電源部から供給される電力を受けて周囲環境の状態を検知する検知部と、前記電源部のグランドと同一の線路を共用するグランドを基準とする信号を所定のプロトコルに従って外部機器との間で送受信するように構成された通信手段と、前記電源部からの電流が経時的に変動する電流値で流入する第１負荷部と、前記電源部から供給される電流を一定の電流値で流出させる定電流生成部と、前記定電流生成部からの電流が流入するように前記定電流生成部に接続されていて前記第１負荷部に第２電圧を供給する定電圧生成部と、を有し、前記定電圧生成部は、シャントレギュレータを含み、前記第１負荷部に流入する電流が増加すると前記定電流生成部からの流入電流が減少し、前記第１負荷部に流入する電流が減少すると前記定電流生成部からの流入電流が増加するように構成されている。

前記通信手段は、電力が供給される給電ライン、前記信号が伝送される信号伝送ライン、およびグランドラインからなる３つの線路を用いて前記外部機器との間で前記信号を送受信するように構成されていてもよい。

前記通信手段は、ＨＡＲＴプロトコルに従って前記外部機器との間で前記信号を送受信するように構成されていてもよい。

本発明によれば、第１負荷部に流入する電流が変動しても、定電流生成部により電源部から一定の電流が引き出され、その定電流のうち、第１負荷部への流入電流の変動に応じた電流が定電圧生成部に流れ込むと共に、第１負荷部には定電圧生成部による定電圧が供給される。そのため、電源部に流出入する電流への、第１負荷部の負荷の変動による影響が除去され、グランド電位の変動が低減されるので、電源部との間で１つの線路がグランドラインとして共用される通信を誤動作なく行うことができる。電源系および信号系それぞれにおいて、個別にグランドラインを設けることなく、適正に通信を行うことができる。少ない数の線材で伝送エラーなく通信を行うことができるため、検知器間の通信を含む監視システムを、小型の検知器を用いて少ないコストで構築することができる。また、大規模な改造を回避しながら、検知器の機能の向上を図ることも可能となり得る。

本発明の一実施形態の検知器の構成を概略的に示すブロック図である。図１の電流制御手段を構成する電気回路の一例を示す回路図である。本発明の一実施形態の検知器の一例であるガス検知器の外観を示す図である。本発明の一実施形態の検知器の一例であるガス検知器の外観を示す図である。図２の電流制御手段を有する本発明の一実施例および比較例における第１負荷部への流入電流の測定結果を示す図である。図４Ａに示される電流の変動下における本発明の一実施例および比較例のグランドラインに流れる電流の測定結果を示す図である。時間軸を拡大して図４Ａに示される電流を測定した測定結果を示す図である。時間軸を拡大して図４Ｂに示される電流を測定した測定結果を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態の検知器を詳細に説明する。図１には、本発明の一実施形態の検知器１００の概略の機能ブロック図が示されている。

図１に示されるように、本実施形態の検知器１００は、周囲環境が特定の状態にあることを検知する検知器であって、第１電圧Ｖ１で検知器１００の内部の構成要素に電流を供給する電源部２と、電源部２から供給される電力を受けて周囲環境の状態を検知する検知部５と、外部機器Ｅとの間で所望の信号を送受信するように構成された通信手段４と、電源部２からの電流が、経時的に変動する電流値で流入する第１負荷部３と、電源部２から供給される電流から、第１負荷部３に流入する電流ｉ１の変動に応じた電流ｉ２を分流させることにより電源部２のグランド電位の変動を低減する電流制御手段１と、を有している。

ここで、「（電流が、経時的に）変動する」は、電流が、単位時間あたり一定の大きさ以上の変化量で変化することを意味している。具体的には、この「変動する」は、その変化により、たとえば本実施形態の電流制御手段１などを備えていない場合に、電源部２のグランド電位に変動が生じて検知器１００の正常な動作に支障が生じるほど、急激に電流が変化することを意味している。また、「経時的に変動」は、定期的な変化および不定期の変化の両方を含んでいる。

検知器１００では、電源部２から電流制御手段１を介して第１負荷部３に電力が供給される。第１負荷部３は、検知器１００の動作状態に応じて経時的に内部の負荷の大きさが変化し、その変化に応じて、第１負荷部３に流入する電流の大きさが変動する。このように内部の負荷の大きさが変化するものであれば、検知器１００の構成要素のうちの任意の要素が第１負荷部３と見做され得る。第１負荷部３は、たとえば、表示部や操作部など、ユーザーとのインターフェース機能を果たす部分であってもよい。第１負荷部３としては、検知器１００の動作を制御するマイコンなどの処理装置、記憶装置、ディスプレイなどの表示装置、ＬＥＤなどの灯火装置、または、キーボードやタッチパネルなどの入力装置、およびこれらの周辺回路などが例示される。

電源部２は、商用電源や電池などからの電力に基づいて、第１電圧Ｖ１で検知器１００内の構成要素に電流を供給する。たとえば、電源部２としては、安定電圧を出力するリニアレギュレータやスイッチングレギュレータを構成する電気回路や、そのようなレギュレータとして構成された集積回路装置およびその周辺回路などが例示される。また、外部電源Ｂから第１電圧Ｖ１で安定電圧が印加される場合などのように、検知器１００内に第１電圧Ｖ１の生成または安定化機能が必要無い場合は、外部の電気回路との接続部１０１が電源部２に該当する。また、検知器１００にセットされる電池（図示せず）の電力により検知器１００が動作する場合は、電源部２は、電池を保持すると共に電池のセットに伴って電池電圧を検知器１００内の構成要素に供給する電池保持部であってもよい。なお、接続部１０１は、外部電源Ｂと検知器１００とを接続するコネクタやカプラ、または、外部電源Ｂに接続された外部の線材を検知器１００に接続するための端子やパッドなどであってよい。

電流制御手段１は、前述のように、電源部２のグランド電位の変動を低減するように構成される。図１に示されるように、電流制御手段１は定電流生成部１１と定電圧生成部１２とを含んでいる。定電流生成部１１は、電源部２から供給される電流を一定の電流値で定電流生成部１１から流出させるように構成されている。図１の例では、定電流生成部１１から定電流Ｉｃが流出する。また、定電流生成部１１は、後述のように、定電圧生成部１２と組み合わされることで電源部２から定電流Ｉｃ１が流入するように構成されている。

定電圧生成部１２は、定電流生成部１１に接続され、定電流生成部１１からの定電流Ｉｃのうち電流ｉ２が流入するように構成されている。また定電圧生成部１２は、定電圧である第２電圧Ｖ２を第１負荷部３に供給する。定電圧生成部１２は、第１負荷部３に流入する電流ｉ１の変動に応じた大きさの電流ｉ２が定電流生成部１１から流入するように構成されている。すなわち、定電圧生成部１２は、定電流生成部１１から流出する定電流Ｉｃを、電流ｉ１と電流ｉ２とに分流させる。従って、定電圧生成部１２は、第１負荷部３に流れる電流ｉ１の電流値が増加すると電流ｉ２が減少し、電流ｉ１の電流値が減少すると電流ｉ２が増加するように構成されている。電流ｉ２は、定電圧生成部１２内を通ってグランドＧへと流される。従って、図１に示されるような定電流生成部１１および定電圧生成部１２を含む電流制御手段１を備えることにより、第１負荷部３への電流の供給のために電源部２から取り出される電流の変動が、電流ｉ１の変動よりも小さくなる。また、第１負荷部３からグランドＧを介して電源部２に戻る電流と、電流制御手段１からグランドＧを介して電源部２に戻る電流とを足し合わせた合計の電流の変動が、電流ｉ１の変動よりも小さくなる。すなわち、第１負荷部３に流れる電流ｉ１が経時的に変動しても、電源部２から流出する電流および電源部２に流入する電流の変動が電流ｉ１の変動よりも少なくなり、電源部２のグランド電位の変動が抑制される。その結果、電流ｉ１の変動に伴う検知器１００内の各信号の変動が低減され、検知器１００の誤動作や、通信手段４による外部機器Ｅとの通信における伝送エラーを防ぐことができる。

定電圧生成部１２は、後述のように、シャントレギュレータＵ１（図２参照）を含んでいる。定電流生成部１１からは、定電流Ｉｃが流出するため、定電圧生成部１２は電流ｉ１の増加量（減少量）とほぼ同量だけ電流ｉ２が減少（増加）するように構成される。電源部２から流れ出し、そして、グランドＧを介して電源部２に戻る電流を、第１負荷部３の負荷の変動に影響されることなく、ほぼ一定にすることができる。従って高度にグランド電位の変動を抑制することができ、検知器１００の誤動作や、検知器１００と外部機器Ｅとの間の通信における伝送エラーをほぼ確実に防ぐことができる。

通信手段４は、外部機器Ｅとの間で、所定のプロトコルに従って、所望の情報を含む電気信号の送受信を行う。本実施形態では、検知器１００は、信号伝送に関して、第１線路Ｌ１、第２線路Ｌ２および第３線路Ｌ３で外部機器Ｅと結ばれている。すなわち、通信手段４は、所謂３線式の通信プロトコルで信号の送受信を行うように構成されている。図１の例において、第１線路Ｌ１は、検知器１００または外部機器Ｅのいずれか一方から他方に電力が供給される給電ラインであり、第２線路Ｌ２は、所望の情報を含む信号が伝送される信号伝送ラインであり、第３線路Ｌ３は、伝送される信号の電位の基準となるグランドラインである。

図１に示されるように、第３線路Ｌ３は電源部２のグランドと接続されており、電源部２と通信手段４とは、外部機器Ｅとの間の給電および信号伝送に関して、１つの第３線路Ｌ３を共用している。本実施形態の検知器１００のように電流制御手段１を有していない場合、第１負荷部３に流入する電流ｉ１の変動に応じてグランドＧに流れ込む電流が変動する。電流ｉ１の変化が急峻な場合、グランドＧに流れ込む電流の変化に伴ってグランドＧの電位が変動し、グランドＧに接続されている第３線路Ｌ３の電位も変動する。そのため、第３線路Ｌ３の電位（グランド電位）に対する第２線路Ｌ２を介して伝送される信号の電位が変動し、検知器１００と外部機器Ｅとの間の正常な信号伝送が阻害されるおそれがある。

特に前述のＨＡＲＴプロトコルによる通信（以下、単にＨＡＲＴ通信という）では、伝送されるデジタル信号の電流振幅が非常に小さいため、グランド電位の変動による伝送エラーや誤動作が生じ易いと考えられる。ＨＡＲＴ通信では、このようなグランドラインの共用がもたらす誤動作などを防止するために、給電ラインのグランドと、信号伝送ラインのグランドとを分離する、所謂４線式による通信も行われている。しかし、４線式は、２つのグランドラインを必要とするため、前述のように低コスト化や小型化の面で不利になることがある。なお、ＨＡＲＴ通信では、３線式よりも線路数の少ない、所謂２線式による通信も実用化されているが、給電ラインと信号伝送ラインとが１つの線路を共用するため、給電電流が比較的小さい値に制限されるというデメリットがある。

本実施形態では、前述のように電流制御手段１によって、第１負荷部３に流入する電流の変動による電源部２のグランド電位の変動が抑制されるので、所謂３線式のＨＡＲＴ通信においても、伝送エラーや誤動作を生じさせることなく適切に、検知器１００と外部機器Ｅとの間で信号を伝送することができる。本実施形態の通信手段４による通信のプロトコルは、３線式のＨＡＲＴプロトコルに限定されないが、微小な振幅の信号であっても少ない線路数で適切に信号を送受信し得るという点で、本実施形態は、通信手段４が３線式でＨＡＲＴ通信を行うように構成されている場合、より有益である。

また、本実施形態によれば、比較的ノイズに強い伝送方式を用いることにより給電ラインのグランドと信号伝送ラインのグランドとに１つのグランドラインを共用させて信号伝送を行っている検知器を、グランドラインを増やすことなく、ノイズの影響は受け易いが伝送性能の高い伝送方式を用い得るように切り替えることができる。検知器の大規模な改造や、検知器間の伝送線路の増設などを回避しながら、容易に信号伝送の高機能化を図ることができる。特に、安全規格への適合などの面で検知器の筐体の構造を安易に変更できない場合に、本実施形態は有益である。

通信手段４は、外部機器Ｅと検知器１００との間で電気信号を送受信するように構成された、集積回路装置や個々の部品からなる電気回路などのハードウェアにより構成される。また、通信手段４は、集積回路装置に所定の処理を行わせる命令が書き込まれたプログラムなどのソフトウェアを含んでいてもよい。また、通信手段４は、外部機器Ｅとの通信に必要となる、信号の変換（アナログ信号とデジタル信号との間の変換や信号レベルの変換など）、信号の増幅、信号の合成および分解、および／または、信号の変調および復調を行うように構成された、集積回路装置や電気回路を含んでいてもよい。たとえば、通信手段４は、外部機器Ｅとの信号伝送に必要な信号処理を行うようにプログラムされたマイコンやＡＳＩＣなどからなる通信制御ＩＣ、検知器１００の内部の信号を所定のプロトコルに定められた信号形式に変調するように、および、そのような信号形式から復調するように構成されたモデムＩＣ、ならびに、これらのＩＣの周辺回路で構成される。特に、通信手段４がＨＡＲＴ通信を行う場合、通信手段４は、ＨＡＲＴプロトコルに則って通信を制御する通信制御ＩＣ、ＨＡＲＴ通信用のモデム、ならびに、４〜２０ｍＡのアナログ電流からなる信号にＦＳＫで変調されたデジタル信号を重畳させるように構成された電気回路を含んでいてもよい。

検知部５は、主に、検知対象に応じた各種センサなどの検知手段により構成される。このようなセンサとしては、一酸化炭素（ＣＯ）ガスやメタンガス（ＣＨ₄）などを検知するガスセンサ、サーミスタからなる温度センサ、湿度センサ、および、煙センサなどが例示される（但しセンサはこれらに限定されない）。従って、検知器１００は、特定の種類のガスが所定の濃度以上で存在することを検知するガス検知器をはじめ、煙検知器、火災検知器、人の侵入などを検知する防犯用の検知器などであってよい（但し検知器１００はこれらに限定されない）。たとえばプラントなどにおいては、複数の検知器からなる監視システムが構築されており、複数個所に設置された検知器同士、または、中央制御装置（マスタ）と各検知器（スレーブ）とが、前述のＨＡＲＴ通信によって信号を送受信している。微小な振幅の信号であっても、少ない線路数で適切に信号を送受信し得るという点で、本実施形態は、検知器１００が、このようなＨＡＲＴ通信を行う検知器である場合、特に有益である。また、プラントなどに限らず一般家庭においても各種検知器間、および、検知器と家電製品間で通信を行うこともあり、本実施形態の検知器は、家庭用検知器としても有益である。

検知部５を構成するセンサは、主に検知状態に応じた電気信号を出力するか、または、そのセンサの内部の電気回路のインピーダンスが変化する。従って、たとえば電源部２からセンサに電流が供給されると、検知状態に応じてセンサに流入する電流の大きさが変動する。従って、ガスセンサなどのセンサにより構成される検知部５は、第１負荷部３に含まれていてもよい。しかし、検知状態に応じてセンサに流入する電流が変化する場合でも、通常、検知器１００が設置される周囲の物理的環境は、検知器１００のグランド電位の変動をもたらすほど急激には変化しないと考えられる。そのため、図１の例では、検知部５は、電流制御手段１を介することなく電源部２に接続されている。

また、検知器１００では、第１負荷部３への流入電流は、検知部５の検知状態に応じて変動し得る。たとえば、前述のように第１負荷部３が表示装置であって検知部５による検知結果を表示するように構成されていると、その表示状態は検知部５の検知状態に応じて変化し得る。第１負荷部３が後述のデジタル表示器２９（図３Ａ参照）である場合、検知部５の検知状態に応じて点灯するセグメントの数が変化し、第１負荷部３への流入電流が変動する。また、この場合、検知部５により検知される周囲の物理的環境の変化が緩やかであっても、デジタル表示器２９の表示状態は、極めて短い時間、たとえば２ミリ秒の遷移時間で変化（１つまたは複数のセグメントが点灯から消灯に、またはその逆に変化）し得る。そのため、第１負荷部３への流入電流が、検知部５の検知状態に応じて、電源部２のグランド電位を変動させるほど急激に変化することがある。しかし、本実施形態では、電流制御手段１を有しているため、電源部２のグランド電位の変動が低減される。従って、検知器１００の誤動作などを防止することができる。

図２には、定電流生成部１１および定電圧生成部１２を構成する具体的な電気回路の一例が示されている。図２の例では、定電流生成部１１は、演算増幅器Ｕ３、基準電圧発生器Ｕ２、Ｐチャネル電界効果トランジスタ（以下、単に「トランジスタ」と称される）Ｑ１、および抵抗Ｒ１〜Ｒ６で構成されている。基準電圧発生器Ｕ２は、所定の電圧値で一定電圧を発生させるものであれば特に限定されない。図２は、アノード端子に対して一定の基準電圧Ｖｒ２を基準電圧出力端子Ｕ２ｒに出力するシャントレギュレータが、基準電圧発生器Ｕ２として用いられる例である。カソード端子とアノード端子との間の電位差が一定電圧（基準電圧）Ｖｒ２となるように、基準電圧出力端子Ｕ２ｒとカソード端子とが接続されている。

抵抗Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は直列に接続され、演算増幅器Ｕ３の非反転入力端子が抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ラインに接続され、基準電圧発生器Ｕ２のアノード端子が抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続ラインに接続されている。抵抗Ｒ１の抵抗Ｒ２と反対側の一端Ｒ１ａは、基準電圧発生器Ｕ２のカソード端子と共にトランジスタＱ１のドレイン端子に接続され、抵抗Ｒ３の抵抗Ｒ２と反対側の一端はグランドＧに接続されている。

演算増幅器Ｕ３の出力端子は抵抗Ｒ４を介してトランジスタＱ１のゲート端子に接続され、トランジスタＱ１のゲート端子とグランドＧとの間に抵抗Ｒ５が接続されている。トランジスタのドレイン端子には、抵抗Ｒ６の一端が接続され、抵抗Ｒ６の他端は、演算増幅器Ｕ３の反転入力端子に接続されている。トランジスタＱ１のソース端子に、電源部２（図１参照）から定電流Ｉｃ１が流入し、抵抗Ｒ６の他端から定電流Ｉｃが流出する。

演算増幅器Ｕ３には市販の演算増幅器を用いることができる。トランジスタＱ１も、定電流Ｉｃ１を上回る定格ドレイン電流を有するものであれば特に限定されない。抵抗Ｒ１〜Ｒ３およびＲ６の抵抗値は、所望の定電流Ｉｃ、および基準電圧発生器Ｕ２の基準電圧Ｖｒ２の大きさに応じて適宜選択される。抵抗値の公差の小さい抵抗が、定電流Ｉｃのばらつきを小さくする点で有利である。また、抵抗Ｒ４およびＲ５の抵抗値は、トランジスタＱ１に適切なゲート電圧が印加されるように適宜選択され得る。なお、図示されていないが、演算増幅器Ｕ３の正電源端子は電源電圧の供給ラインに接続され、負電源端子もしくはＧＮＤ端子はグランドＧに接続される。好ましくは、演算増幅器Ｕ３の正電源端子は、電源部２が供給する第１電圧Ｖ１よりも高い電圧を供給する電源電圧供給ラインに接続される。

図２の例では、定電圧生成部１２は、シャントレギュレータＵ１および抵抗Ｒ７〜Ｒ９で構成されている。シャントレギュレータＵ１は、アノード端子に対して一定の基準電圧Ｖｒ１を基準電圧出力端子Ｕ１ｒに出力するように構成されている。抵抗Ｒ７、Ｒ８およびＲ９は直列に接続されており、シャントレギュレータＵ１のカソード端子が、抵抗Ｒ７の抵抗Ｒ８と反対側の一端に接続されると共に、定電流生成部１１の抵抗Ｒ６と演算増幅器Ｕ３の反転入力端子との接続ラインに接続されている。シャントレギュレータＵ１の基準電圧出力端子Ｕ１ｒは、抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９との接続ラインに接続され、シャントレギュレータＵ１のアノード端子は、抵抗Ｒ９の抵抗Ｒ８と反対側の一端と共にグランドＧに接続されている。

シャントレギュレータＵ１は、所望の精度の第２電圧Ｖ２を生成し得る基準電圧Ｖｒ１の精度を有し、電流ｉ１の変動に応じて流入する電流ｉ２に対して十分な電流容量を有するものであれば特に限定されない。たとえば、定電流生成部１１から６０ｍＡの定電流Ｉｃが供給される場合、第１負荷部３への電流ｉ１がほぼゼロのときでも定電流Ｉｃを全て流し得るように、好ましくは、１００ｍＡ以上のカソード電流容量を有するシャントレギュレータが選択される。

抵抗Ｒ７〜Ｒ９の抵抗値は、所望の第２電圧Ｖ２、およびシャントレギュレータＵ１の基準電圧Ｖｒ１の大きさに応じて適宜選択される。抵抗値の公差の小さい抵抗が、第２電圧Ｖ２のばらつきを小さくする点で有利である。なお、直列接続された２つの抵抗Ｒ７およびＲ８が用いられているが、所望の抵抗値および公差を満たし得る場合は、１つの抵抗が、シャントレギュレータＵ１のカソード端子と基準電圧出力端子Ｕ１ｒとの間に接続されてもよい。また、抵抗Ｒ７および抵抗Ｒ８の一方または両方に変えて、可変抵抗が接続されてもよい。また、定電流生成部１１および定電圧生成部１２を構成する回路の任意の箇所にバイパスコンデンサが接続されてもよい。

図２に示される定電流生成部１１および定電圧生成部１２の動作について説明する。基準電圧発生器Ｕ２のカソード端子とアノード端子との間に接続されている、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の直列回路の両端には、基準電圧発生器Ｕ２の基準電圧Ｖｒ２が印加される。そのため、抵抗Ｒ１の一端Ｒ１ａと他端Ｒ１ｂとの間には、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２で基準電圧Ｖｒ２が分圧されてなる定電圧で電位差が発生する。また、演算増幅器Ｕ３の非反転入力端子には、抵抗Ｒ１の他端Ｒ１ｂの電圧Ｖｉｎが入力される。演算増幅器Ｕ３には、抵抗Ｒ４、トランジスタＱ１および抵抗Ｒ６によって負帰還回路が形成されている。そのため、演算増幅器Ｕ３の反転入力端子に接続されている抵抗Ｒ６の他端Ｒ６ｂの電圧が電圧Ｖｉｎとほぼ同じになるようにトランジスタＱ１のゲート電圧が制御される。換言すると、抵抗Ｒ１の一端Ｒ１ａに一端Ｒ６ａが接続されている抵抗Ｒ６の両端にも、抵抗Ｒ１の両端間と同じ定電圧で電位差が生じるように抵抗Ｒ６を流れる電流が制御され、固定抵抗である抵抗Ｒ６には、定電流Ｉｃが流れる。この定電流Ｉｃが、第１負荷部３および定電圧生成部１２に供給される。定電流Ｉｃの大きさは、基準電圧Ｖｒ２、ならびに、抵抗Ｒ１、Ｒ２およびＲ６の抵抗値の選択によって容易に調整することができる。

定電圧生成部１２では、シャントレギュレータＵ１により、基準電圧Ｖｒ１、および抵抗Ｒ７〜Ｒ９の抵抗値に基づいて第２電圧Ｖ２が生成される。すなわち、シャントレギュレータＵ１のカソード端子の電圧が、Ｖｒ１×（１＋（Ｒ７＋Ｒ８）／Ｒ９）となるように、シャントレギュレータＵ１のカソード電流が制御され、このカソード電圧からなる定電圧の第２電圧Ｖ２が生成される。なお、式中、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９は、それぞれ、各抵抗の抵抗値を示している。第２電圧Ｖ２の大きさは、基準電圧Ｖｒ１、および、抵抗Ｒ７〜Ｒ９の抵抗値の選択によって容易に調整することができる。

前述のように、定電流生成部１１からは定電流Ｉｃが供給され、一方、第１負荷部３に流れる電流ｉ１は経時的に変動する。図２の例では、定電圧の第２電圧Ｖ２が生成されるように、シャントレギュレータＵ１によってカソード電流が調整される。そのため、定電流Ｉｃと、第１負荷部３への電流ｉ１との差分の電流ｉ２は、第２電圧Ｖ２が一定に保たれるように、カソード電流としてシャントレギュレータＵ１側に分流され、グランドＧを介して電源部２に戻される。第１負荷部３への電流ｉ１が変動しても、その変動に応じた電流ｉ２がシャントレギュレータＵ１によって分流される。それにより、定電流生成部１１は、第１負荷部３の負荷の変動に影響されずに定電流Ｉｃを流し続けることができる。また、定電圧生成部１２によって定電圧の第２電圧Ｖ２が生成されることにより、抵抗Ｒ１の一端Ｒ１ａや基準電圧発生器Ｕ２のカソード端子の電圧もほぼ一定となる。そのため、基準電圧発生器Ｕ２や抵抗Ｒ１に流れる電流もほぼ一定となり、電源部２から定電流生成部１１に流入する電流Ｉｃ１もほぼ定電流となる。その結果、電源部２から流出する電流および電源部２に流入する電流の変動が抑制されると共に、電源部２のグランド電位が安定し、検知器１００の誤動作などを防ぐことができる。

なお、好ましくは、定電流生成部１１は、経時的に変動する電流ｉ１の最大値よりも大きい定電流Ｉｃを生成するように構成され、定電圧生成部１２は、定電流生成部１１の動作中は常に定電流生成部１１から電流ｉ２が流入するように構成される。そうすることにより、電流ｉ１の変化範囲の全域にわたって、電源部２のグランド電位の変動を防ぐことができる。しかし、定電流生成部１１で生成される定電流Ｉｃは、必ずしも電流ｉ１の最大値よりも大きくなくてもよい。たとえば、定電流Ｉｃは、電流ｉ１の最大値とほぼ同じであってもよく、第１負荷部３の動作に支障のない範囲であれば電流ｉ１の最大値よりも小さくてもよい。たとえば、発生頻度の低い最大値付近の領域での電流ｉ１の変動によるグランド電位の変動を完全に抑制できない場合でも、通常動作において検知器１００に誤動作などが生じないことがあるからである。また、定電流Ｉｃを小さくすることで、検知器１００の消費電力を低減できることがある。

図３Ａおよび図３Ｂには、本発明の検知器の一例であって可燃性ガスや有毒ガスを検知するガス検知器２００の外観が示されている。図３Ａは、ガス検知器２００の設置時に設置面側となる面と反対側からみた正面図を示し、図３Ｂは、図３Ａ上、下方側からみた下面図である。図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、ガス検知器２００は、本体側筐体２１と蓋側筐体２２とにより構成される筐体２０を有している。本体側筐体２１が筐体２０の設置面側の部分を構成している。本体側筐体２１と蓋側筐体２２とは、ヒンジ部２３によって係合されると共に、４本の筐体固定用ネジ２４で結合されている。ガス検知器２００は、検知対象のガスを検知し、検知部５（図１参照）を構成するセンサーユニット２５を備え、本体側筐体２１の側面には、ガス検知器２００と外部電源（図示せず）などとを電気的に接続するケーブル（図示せず）を通すためのケーブル挿通部２６を備えている。

ガス検知器２００は、正面２２ａに、スティック状の操作ツールで外部から操作可能なガス検知器２００の調整用の４つのスイッチ２７、および、ガス検知器２００の動作状態を示す３つのＬＥＤ表示灯２８を備えている。さらに、ガス検知器２００は、正面２２ａ側から蓋側筐体２２の開口２２ｂを通して視認し得るように設けられた、小数点を示すドット表示用を含めて１桁あたり８セグメントの点灯素子で数字を表示する４桁のデジタル表示器２９を備えている。前述のように、デジタル表示器２９は、第１負荷部３（図１参照）を構成し得る。図１に示される電源部２、定電流生成部１１、定電圧生成部１２、および、通信手段４それぞれを構成する電気回路は、たとえば、回路基板（図示せず）上に電子部品を実装することにより形成され、図示されていないが、その回路基板が筐体２０内に取り付けられている。センサーユニット２５以外の検知部５の構成要素や、デジタル表示器２９以外の第１負荷部３の構成要素が、電源部２などと共に図示しない回路基板上に設けられていてもよい。

実施例１
図２に示される定電流生成部１１および定電圧生成部１２からなる電流制御手段１を、ガス検知器（新コスモス電機株式会社製：ＫＤ−１２Ｂ）に付加して、グランド電位の変動の低減効果について調べた。ガス検知器は、図３Ａに示されるようなデジタル表示器２９およびＬＥＤ表示灯２８を有していた（ただし、ＨＡＲＴ通信機能は有していない）。このデジタル表示器２９およびＬＥＤ表示灯２８の状態を経時的に変化させ、デジタル表示器２９およびＬＥＤ表示灯２８などを含む第１負荷部３（図１参照）に流れる電流ｉ１の変動に対する、電源部２（図１参照）のグランドに流れる電流の変動を調べた。

この調査では、ガス検知器ＫＤ−１２Ｂが備える電源部が切り離され、電源部２として、テキサスインスツルメンツ社のスイッチングレギュレータＩＣ：ＬＭ２５０１評価ボードが接続され、この電源部２に、外部電源から２４Ｖの電圧が供給された。電源部２はスイッチング周波数を５００ｋＨｚ、出力電圧を３．６Ｖに設定された。すなわち、本実施例では、第１電圧Ｖ１（図１参照）は３．６Ｖであった。シャントレギュレータＵ１にはルネサスエレクトロニクス社のμＰＣ１０９３が用いられ、第２電圧Ｖ２が３．１８Ｖとなるように、抵抗Ｒ７〜Ｒ９が選択された。基準電圧発生器Ｕ２には、テキサスインスツルメンツ社のシャントレギュレータＴＬＶ４３１Ａが用いられ、基準電圧発生器Ｕ２は、ＴＹＰ値として１．２４Ｖの基準電圧Ｖｒ２を有していた。演算増幅器Ｕ３およびトランジスタＱ１には、テキサスインスツルメンツ社のＯＰＡ１７０、ローム社のＲＱ５Ｅ０３５ＡＴが、それぞれ用いられ、定電流Ｉｃが５７．４ｍＡとなるように、抵抗Ｒ１〜Ｒ３およびＲ６が選択された。

各電流の測定は、各桁８セグメント×４桁のデジタル表示器２９の最上位桁だけを８ミリ秒毎に全セグメント点灯させると共に、３つのＬＥＤ表示灯２８を１秒周期、デューティ比５０％で点滅させながら行った。なお、第１負荷部３への電流ｉ１の測定は、電流制御手段１と第１負荷部３との間に０．５Ωの抵抗を挿入し、この抵抗による電圧降下を測定することにより行った。同様に、グランドラインに流れる電流は、外部電源と電源部２との間のグランドラインに２０Ωの抵抗を挿入し、その電圧降下を測定することにより行った。各電流の測定は、いずれもオシロスコープを用いて行った。

図４Ａおよび図５Ａは、第１負荷部３への電流ｉ１の測定結果であり、図４Ｂおよび図５Ｂはグランドラインの電流の測定結果である。ここで、図４Ａおよび図４Ｂは、オシロスコープの時間軸の設定を１ｄｉｖｉｓｉｏｎあたり５秒として観測したものであり、図５Ａおよび図５Ｂは、時間軸の設定を１ｄｉｖｉｓｉｏｎあたり０．１秒に拡大して観測したものである。また、図４Ｂおよび図５Ｂ中、符号ｉｇは本実施例において測定されたグランドラインの電流を示し、符号ｉｘは、比較のために測定された、電流制御手段１が付加されていない比較例におけるグランドラインの電流を示している。なお、第１負荷部３への電流は、本実施例および比較例の間で違いはないため、図４Ａおよび図５Ａには、１つの電流波形（電流ｉ１）だけが示されている。

図４Ａに示されるように、第１負荷部３への電流ｉ１は、ＬＥＤ表示灯２８の点滅周期（１秒）に合わせて、約１秒の周期Ｐ１で、その大きさが変化している。また、時間軸を拡大して測定された結果である図５Ａに示されるように、デジタル表示器２９の８ミリ秒周期の表示状態の変化に合わせて、約８ミリ秒の周期Ｐ２で電流ｉ１の大きさが変動している。すなわち、図４Ａでは、電流ｉ１は、黒く塗りつぶされて帯状に描かれているが、電流ｉ１は、デジタル表示器２９に流れる電流量に応じて約８ミリ秒周期で細かく変動し、かつ、ＬＥＤ表示灯２８に流れる電流量に応じて約１秒周期で変動している。なお、図５Ａおよび図５Ｂは、ＬＥＤ表示灯２８が点灯状態にある０．２秒間（時間ｔ１秒から（ｔ１＋０．２）秒までの間）の測定結果を示している。また、図４Ａにおいて、時間Ｔ１以降は、ＬＥＤ表示灯２８が常時点灯状態にされたので、電流ｉ１の１秒周期の変動は生じていない。また、電流ｉ１は、デジタル表示器２９やＬＥＤ表示灯２８以外のガス検知器の構成要素にも流れているため、図４Ａや図５Ａにおいてゼロレベルまで低下することなく流れ続けている。

第１負荷部３への電流ｉ１が図４Ａおよび図５Ａに示されるように変動している状況において、比較例では、図４Ｂに示されるように、グランドラインの電流ｉｘは、電流ｉ１の変動に応じて、１秒周期で変動し、さらに、図５Ｂに示されるように８ミリ秒周期で変動している。これに対して、本実施例では、図４Ｂおよび図５Ｂの符号ｉｇに示されるように、電流ｉ１の変動に影響されることなくほぼ一定の電流値でグランドラインの電流ｉｇが流れていることがわかる。従って、デジタル表示器２９などに流れる電流の変動によってガス検知器内の信号ラインの電位に変動が生じることがなく、正常なガス検知器の動作を得ることができる。また、前述のＨＡＲＴ通信では、５００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数帯において、負荷抵抗５００Ωの場合に、２．２ｍＶｒｍｓ以下というグランドレベルの変動についての規格が定められているが、本実施例ではグランドレベルの変動はほぼ０ｍＶｒｍｓであり、図２に例示される一実施形態の電流制御手段１を用いることにより、このＨＡＲＴ通信の規格を満たすことができる。

１電流制御手段
２電源部
３第１負荷部
４通信手段
４ａＨＡＲＴ通信制御部
５検知部
１１定電流生成部
１２定電圧生成部
２１本体側筐体
２２蓋側筐体
２８ＬＥＤ表示灯
２９デジタル表示器
１００検知器
２００ガス検知器
Ｂ外部電源
Ｅ外部機器
Ｇグランド
ｉ１第１負荷部に流入する電流
ｉ２電流制御手段に流れる電流
Ｉｃ定電流生成部から流出する定電流
ｉｇ本発明の実施例のグランドラインの電流
ｉｘ比較例のグランドラインの電流
Ｌ１第１線路
Ｌ２第２線路
Ｌ３第３線路
Ｕ１シャントレギュレータ
Ｕ２基準電圧発生器
Ｕ３演算増幅器
Ｖ１第１電圧
Ｖ２第２電圧

Claims

周囲環境が特定の状態にあることを検知する検知器であって、
第１電圧で電流を供給する電源部と、
前記電源部から供給される電力を受けて周囲環境の状態を検知する検知部と、
前記電源部のグランドと同一の線路を共用するグランドを基準とする信号を所定のプロトコルに従って外部機器との間で送受信するように構成された通信手段と、
前記電源部からの電流が経時的に変動する電流値で流入する第１負荷部と、
前記電源部から供給される電流を一定の電流値で流出させる定電流生成部と、
前記定電流生成部からの電流が流入するように前記定電流生成部に接続されていて前記第１負荷部に第２電圧を供給する定電圧生成部と、
を有し、
前記定電圧生成部は、シャントレギュレータを含み、前記第１負荷部に流入する電流が増加すると前記定電流生成部からの流入電流が減少し、前記第１負荷部に流入する電流が減少すると前記定電流生成部からの流入電流が増加するように構成されている、検知器。
前記通信手段は、ＨＡＲＴプロトコルに従って前記外部機器との間で前記信号を送受信するように構成されている、請求項１記載の検知器。