JP4353999B1

JP4353999B1 - ガスセンサ装置

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Publication number: JP4353999B1
Application number: JP2008120543A
Authority: JP
Inventors: 伸一玉木
Original assignee: シーアールボックス株式会社
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2028-05-02
Also published as: JP2009270891A

Abstract

【課題】ガス濃度を精度良く検出することができるガスセンサ装置を、コストを抑えて提供する。
【解決手段】ＣＯセンサ１０の電流出力端子１２と電流／電圧変換回路３０の入力部３２間を、導通状態と遮断状態とに切り換える第１スイッチ回路５０と、第１スイッチ回路５０により、ＣＯセンサ１０の電流出力端子１２と電流／電圧変換回路３０の入力部３２間が遮断状態とされているときの増幅回路４０の出力電圧Ｖ2を、第１オフセット電圧として保持するオフセット電圧保持手段６１と、第１スイッチ回路５０により、ＣＯセンサ１０の電流出力端子１２と電流／電圧変換回路３０の入力部３２間が導通状態とされているときの増幅回路４０の出力電圧Ｖ3から、第１オフセット電圧を減じた参照電圧に基づいてガス濃度を検出するガス濃度検出手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサから出力される電流のレベルに基づいてガス濃度を検出するガスセンサ装置に関する。

従来より、例えば一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を検出するガスセンサの出力電流を電圧信号に変換し、この電圧信号をさらに増幅して出力するガスセンサ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、ガスセンサの出力電流は非常に小さいため、ガスの濃度を正確に検出するためには、電流／電圧変換回路や増幅回路が有するオフセット電圧や温度ドリフトの影響を抑制する必要がある。そこで、オフセット電圧や温度ドリフトが小さい高性能の電子部品を用いて、電流／電圧変換回路や増幅回路を構成することが考えられるが、この場合には、コストの高い電子部品の採用によってガスセンサ装置のコストが上昇する。

また、温度補償回路やオフセット調整回路を設けて対応することも考えられるが、この場合にも、部品点数の増加によりコストが高くなり、さらには製造時に調整工程が加わるために工数の増加によるコストの上昇も伴なうことになる。

また、例えば燃焼装置に備えられたＣＯセンサ用のガスセンサ装置に故障が生じると、不完全燃焼を検出することができなくなるため、警報や燃焼停止等の対応処理が行われずに、不完全燃焼が継続されてしまうという不都合がある。

さらに、一般的に、ガスセンサの感度は経時的に低下し、この感度の低下はガスセンサの通電・非通電に拘わらずに進行する。そして、ガスセンサの感度が低下すると、実際のガス濃度よりも検出されるガス濃度が低くなるため、ガス濃度の検出精度が低下するという不都合がある。
特開平７−２０９２４７号公報

本発明は、上記背景を鑑みてなされたものであり、ガス濃度を精度良く検出することができるガスセンサ装置を、コストを抑えて提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、ガスセンサの出力電流を電圧信号に変換する電流／電圧変換回路と、前記電圧信号を増幅して出力する増幅回路と、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を、導通状態と遮断状態とに切り換える第１スイッチ回路と、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が遮断状態とされているときの前記増幅回路の出力電圧を、第１オフセット電圧として保持するオフセット電圧保持手段と、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が導通状態とされているときの前記増幅回路の出力電圧から、前記第１オフセット電圧を減じた参照電圧に基づいてガス濃度を検出するガス濃度検出手段とを備える。

かかる本発明によれば、前記第１スイッチ回路により前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態としたときに、前記増幅回路から出力される電圧である前記第１オフセット電圧は、前記ガスセンサの出力電流がゼロであるときの前記増幅回路の出力電圧に相当する。そして、第１オフセット電圧は、前記電流／電圧変換回路及び前記増幅回路が有するオフセット電圧や温度ドリフト等の変動要素を全て含んだものとなる。

そのため、前記ガス濃度検出手段により、前記第１スイッチ回路により前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が導通状態とされているときの前記増幅回路の出力電圧から、前記第１オフセット電圧を減じた参照電圧に基づいてガス濃度を検出することによって、前記電流／電圧変換回路及び前記増幅回路が有するオフセット電圧やドリフトの影響を排除して、精度良くガス濃度を検出することができる。そして、この場合には、前記電流／電圧変換回路及び前記増幅回路を構成する電子部品に、オフセット電圧が温度ドリフトが少ない高コストのものを使用する必要がないため、ガスセンサ装置を低コストで提供することができる。

また、後述する本発明の第１の態様及び第２の態様において、前記オフセット電圧保持手段は、前記ガス濃度検出手段によるガス濃度の検出が行われる以前の所定時間内において、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が遮断状態とされているときの前記増幅回路の出力電圧を、前記第１オフセット電圧として保持することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記ガス濃度検出手段によるガス濃度の検出が行われる以前の所定時間内において、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態として前記第１オフセット電圧を保持することで、時間の経過に伴なうオフセット電圧の変化や温度ドリフトの影響を低減して、ガス濃度を検出することができる。

ここで、上述した前記ガス濃度検出手段によるガス濃度の検出が行われる以前の所定時間は、極力短時間である方が温度ドリフトの影響を低減することができるが、前記増幅回路の時定数（入力信号が変化してから出力が安定するまでの時間）分の待ち時間が最低限必要となる。そのため、前記所定時間は、前記増幅回路の時定数を考慮して、例えば数１０ミリ秒〜１秒以下の範囲で設定される。

次に、本発明の第１の態様は、前記電流／電圧変換回路に、第２オフセット電圧を供給するオフセット電圧供給回路と、前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を、導通状態と遮断状態とに切換える第２スイッチ回路と、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が遮断状態とされているときは、前記第２スイッチ回路により前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を導通状態とし、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路間が導通状態とされているときには、前記第２スイッチ回路により前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を遮断状態とするガスセンサ検出状態維持手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明において、一般に、ガスセンサの電流出力が安定するまでには、ガスセンサへの通電を開始してからある程度の時間を要する。この時間は、一般的にはおよそ数１０秒〜数分程度である。そして、ガスセンサの電流出力の安定を待つ時間が長いと、上述したように、前記第１オフセット電圧を保持した後、前記第１のスイッチ回路によりガスセンサと電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態から導通状態に切換えたときに、ガス濃度の検出を安定して行うことができるようになるまでの間隔が長くなり、前記電流／電圧変換回路や前記増幅回路におけるオフセット電圧の変化や温度ドリフトの影響が大きくなる。そのため、前記ガス濃度検出手段によるガス濃度の検出精度が低下する。

そこで、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路間が遮断状態とされているときに、前記第２スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を導通状態として、ガスセンサをガス濃度の検出時と同様に通電された状態に維持することによって、前記第１スイッチ回路により、ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態から導通状態に切換えたときに、ガスセンサの出力電流の安定を待つことなく、速やかに前記ガス濃度検出手段によってガス濃度を検出することができる。

また、上記第１の態様において、前記第１スイッチ回路は、半導体スイッチであることを特徴とする。

かかる本発明において、前記第１スイッチが半導体スイッチであるときには、該半導体スイッチをＯＦＦ状態としても若干の漏れ電流が流れる。そこで、前記第２スイッチにより、ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を導通状態として、ガスセンサの電流出力端子の電位を前記電流／電圧変換回路の入力部の電位とほぼ等しくすることによって、該漏れ電流を減少させて前記第１オフセット電圧をより精度良く保持することができる。

また、上記第１の態様において、所定の動作判定用電圧の出力部と前記電流／電圧変換回路の入力部間を、抵抗を介した導通状態と遮断状態とに切換える第３スイッチ回路と、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態にし、前記第２スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を遮断状態にし、前記第３スイッチ回路により、前記動作判定用電圧の出力部と前記電流／電圧変換回路の入力部間を前記抵抗を介して導通状態としたときに、前記電流／電圧変換回路の出力電圧及び前記増幅回路の出力電圧が、前記動作判定用電圧と前記抵抗に応じて設定された許容電圧範囲内となるか否かによって、前記電流／電圧変換回路と前記増幅回路の動作状態を判定する動作状態判定手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記第３スイッチ回路により、前記動作判定用電圧の出力部と前記電流／電圧変換回路の入力部間を導通状態としたときに、前記電流／電圧変換回路及び前記増幅回路が正常に動作していれば、前記電流／電圧変換回路及び前記増幅回路の出力は前記許容電圧範囲内となる。しかし、前記電流／電圧変換回路又は前記増幅回路が故障していたときには、前記電流／電圧変換回路又は前記増幅回路の出力電圧が前記許容電圧範囲外となる。そのため、前記動作状態判定手段は、前記電流／電圧変換回路及び前記増幅回路の出力電圧が前記許容電圧範囲内となるか否かによって、前記電流／電圧変換回路と前記増幅回路の動作状態を個別に判定することができる。

また、上記第１の態様において、前記電流／電圧変換回路又は前記増幅回路のゲインを決定する帰還回路網が、ガスセンサの感度の直線性補正用のサーミスタを用いて構成され、前記動作状態判定手段が、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態にし、前記第２スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を遮断状態にし、前記第３スイッチ回路により、前記動作判定用電圧の出力部と前記電流／電圧変換回路の入力部間を前記抵抗を介して導通状態としたときに、前記電流／電圧変換回路の出力電圧及び前記増幅回路の出力電圧が、前記許容電圧範囲内となる場合に、前記増幅回路の出力電圧と、前記抵抗及び前記第２オフセット電圧により定まる前記電流／電圧変換回路への入出力電流とに基づいて、前記サーミスタの抵抗値を算出し、前記サーミスタの抵抗値と温度との変換マップ又は変換式に、該算出した前記サーミスタの抵抗値を適用して得た温度を、前記ガスセンサの温度又は前記ガスセンサの周囲温度として検出するガスセンサ温度検出手段を備えたことを特徴とする。

かかる本発明においては、前記電流／電圧変換回路又は前記増幅回路のゲインを決定する帰還回路網が、ガスセンサの感度の直線性補正用のサーミスタを用いて構成されている。そのため、前記前記電流／電圧変換回路と増幅回路によるトータルのゲインが、温度により変化する前記サーミスタの抵抗値に応じて変動する。そして、前記増幅回路の出力電圧と、前記抵抗及び前記第２オフセット電圧により定まる前記電流／電圧変換回路への入出力電流とにより、前記前記電流／電圧変換回路と増幅回路によるトータルのゲインを求めることができる。そこで、前記ガスセンサ温度検出手段は、前記増幅回路の出力電圧と、前記抵抗及び前記第２オフセット電圧により定まる前記電流／電圧変換回路への入出力電流とに基づいて、前記サーミスタの抵抗値を算出することができる。そして、前記ガスセンサ温度検出手段は、前記サーミスタの抵抗値と温度との変換マップ又は変換式に、該算出した前記サーミスタの抵抗値を適用して得た温度を、前記ガスセンサの温度又は前記ガスセンサの周囲温度として検出することができる。

この場合には、前記ガスセンサの感度の直線性補正用のサーミスタを用いて、前記ガスセンサの温度又は周囲温度を検出することができ、前記ガスセンサの温度を検出するためのサーミスタ及びその周辺回路を専用に設ける必要がない。そして、前記ガスセンサ温度検出手段による検出温度に基づいて、前記ガスセンサの温度や前記ガスセンサの周囲温度が異常上昇したときや、前記ガスセンサの温度が動作保証温度範囲から外れたときに、警報を行う等の対処をすることができる。

次に、本発明の第２の態様は、前記ガスセンサは、前記電流出力端子に相当する検知電極と、対向電極及び参照電極を有する電気化学式ガスセンサであり、ガスセンサの使用開始時に、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態として、ガスセンサの対向電極と参照電極間に感度検出用電圧を所定時間印加した直後に、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を導通状態としたときの、該感度検出用電圧に対する前記電流／電圧変換回路の出力電圧の比率を初期比率とし、その後、所定のタイミングで、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態として、ガスセンサの対向電極と参照電極間に前記感度検出用電圧を前記所定時間印加した直後に、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を導通状態としたときの、前記感度検出用電圧に対する前記電流／電圧変換回路の出力電圧の比率の前記初期比率に対する減少度合に応じて、前記ガス濃度検出手段により検出されたガス濃度を補正するガス濃度補正手段を備えたことを特徴とする。

かかる本発明において、所定のタイミングで、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態として、ガスセンサの対向電極と参照電極間に感度検出用電圧を所定時間印加した直後に、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を導通状態としたときの、前記感度検出用電圧に対する前記電流／電圧変換回路の出力電圧の比率の前記初期比率に対する減少度合は、ガスセンサの使用開示時からの感度の低下度合を反映したものとなる。そのため、この減少度合に応じて、前記ガス濃度補正手段により、前記ガス濃度検出手段により算出されたガス濃度を補正することによって、ガスセンサの経時的な感度の低下の影響を抑制して、ガス濃度を精度良く検出することができる。

本発明の実施形態の一例について、図１〜図２を参照して説明する。図１は本実施形態のガスセンサ装置の回路構成図であり、本実施のガスセンサ装置１は、ＣＯセンサ１０（本発明のガスセンサに相当する）と接続して使用され、ＣＯセンサ１０の出力電流に基づいてＣＯの濃度を算出するものでる。

図１を参照して、ガスセンサ装置１は、マイクロコンピュータ６０（以下、マイコン６０という）等により構成された電子ユニットであり、接続端子１５，１６，１７を介してＣＯセンサ１０が接続されている。

ＣＯセンサ１０は、検知電極１２（本発明の電流出力端子に相当する）と対向電極１１と参照電極１３とを有する３電極方式の電気化学式のガスセンサであり、対向電極１１と参照電極１３は、接続端子１５，１６を介して電圧印加回路２０と接続されている。電圧印加回路２０は、一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）の検出時に、参照電極１３の電位が一定に保たれるように対向電極１１に印加する電圧を制御する。そして、これにより、ＣＯ濃度と検知電極１２に流れるセンサ電流Ｉsとの相関の直線性と安定性を向上させている。ＣＯセンサ１０は、ＣＯ濃度が高くなるに従って、検知電極１２に流れるセンサ電流Ｉsが大きくなる特性を有している。

ガスセンサ装置１は、ＣＯセンサ１０から入出力されるセンサ電流Ｉsを電圧Ｖ1に変換する電流／電圧変換回路３０、電流／電圧変換回路３０の出力電圧Ｖ1を増幅する増幅回路４０、ＣＯセンサ１０の検知電極１２と電流／電圧変換回路３０の入力部３２（ＯＰアンプ３１の負入力部）間を、導通状態と遮断状態とに切換える第１スイッチ回路５０、電流／電圧変換回路３０と増幅回路４０を安定動作させるための第２オフセット電圧Ｖoff_2を生成して、電流／電圧変換回路３０の入力部３３と増幅回路４０の入力部４２（ＯＰアンプ３１の正入力部及びＯＰアンプ４１の負入力部）に供給するオフセット電圧供給回路５５、ＣＯセンサ１０の電流出力端子１２と第２オフセット電圧Ｖoff_2の出力部間を導通状態と遮断状態とに切換える第２スイッチ回路５１、及び、動作判定用電圧であるＧＮＤと電流／電圧変換回路３０の入力部３２間を抵抗Ｒ５を介した導通状態と遮断状態とに切換える第３スイッチ回路５２を備えている。

電流／電圧変換回路３０は、そのゲインを決定する帰還回路網がサーミスタＲ１を用いて構成されている。サーミスタＲ１は、ＣＯセンサ１０の温度に応じて電流／電圧変換回路３０のゲインを変化させ、これによりＣＯセンサ１０の温度変化に対する感度の直線性を補正するためのものである。サーミスタＲ１はＣＯセンサ１０の近傍に配置されている。

なお、本実施形態では、サーミスタＲ１を用いて電流／電圧変換回路３０のゲインを決定する帰還回路網を構成したが、サーミスタを用いて増幅回路４０のゲインを決定する帰還回路網を構成するようにしてもよい。

また、図１では、説明を簡略化するために、電流／電圧変換回路３０のゲインを決定する帰還回路網をサーミスタＲ１のみによって構成した例を示したが、サーミスタと抵抗の直列又は並列回路等により帰還回路網を構成するようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、増幅回路４０を非反転増幅器の構成としたが、反転増幅器の構成としてもよい。

また、マイコン６０に、ＣＯ濃度検出用の制御プログラムを実行させることによって、マイコン６０が、オフセット電圧保持手段６１、ガス濃度検出手段６２、ガスセンサ検出状態維持手段６３、動作状態判定手段６４、ガス濃度補正手段６５、及びガスセンサ温度検出手段６６として機能する。

また、マイコン６０のＡＤポート（アナログ／デジタル変換ポート）ＡＤ2に、増幅回路４０の出力電圧Ｖ2が入力されて、Ｖ2のデジタル変換値がマイコン６０に取り込まれる。また、ＡＤポートＡＤ1に電流／電圧変換回路３０の出力電圧Ｖ1が入力されて、Ｖ1のデジタル変換値がマイコン６０に取り込まれる。

また、マイコン６０の出力ポートＰo1の出力レベル（Ｈighレベル／Ｌoレベル）に応じて、第１スイッチ回路５０のＯＮ（導通）／ＯＦＦ（遮断）が切り換わる。同様にして、マイコン６０の出力ポートＰo2の出力レベルに応じて、第２スイッチ回路５１のＯＮ／ＯＦＦが切り換わり、マイコン６０の出力ポートＰo3の出力レベルに応じて、第３スイッチ回路５２のＯＮ／ＯＦＦが切り換わる。

以下、オフセット電圧保持手段６１、ガス濃度検出手段６２、ガスセンサ検出状態維持手段６３、動作状態判定手段６４、ガス濃度補正手段６５、及びガスセンサ温度検出手段６６の動作について説明する。

オフセット電圧保持手段６１は、一酸化炭素濃度の検出を行う時点以前の所定時間内（例えば数100msec前）に、第１スイッチ回路５０及び第３スイッチ回路５２をＯＦＦする。また、この時、後述するように、ガスセンサ検出状態維持手段６３によって第２スイッチ回路５１はＯＮとなっている。

これにより、電流／電圧変換回路３０の入力部３２が、ＣＯセンサ１０の電流出力端子１２及び動作判定用電圧Ｖccの出力部から遮断された状態となる。

そのため、このときにマイコン６０のＡＤポートＡＤ2に入力される増幅回路４０の出力電圧Ｖ2は、ＣＯセンサ１０のセンサ電流Ｉsがゼロであるときの電圧に相当するものとなる。そこで、オフセット電圧保持手段６１は、このときのＶ2のデジタル変換値を第１オフセット電圧Ｖoff_1としてメモリ（図示しない）に保持する。

この第１オフセット電圧Ｖoff_1は、オフセット電圧供給回路５５から供給される第２オフセット電圧Ｖoff_2の他に、電流／電圧変換回路３０及び増幅回路４０が有するオフセット電圧や温度ドリフトによる電圧変動も加わった、総合的な電流／電圧変換回路３０及び増幅回路４０のオフセット電圧（ここでは、センサ電流Ｉsがゼロであるときの電圧Ｖ2を意味する）となる。

次に、ガス濃度検出手段６２は、オフセット電圧保持手段６１により第１オフセット電圧Ｖoff_1が保持された後、第２スイッチ回路５１をＯＦＦすると共に、第１スイッチ回路５０をＯＮする。そして、ガス濃度検出手段６２は、ＡＤポートから増幅回路４０の出力電圧Ｖ2を取り込んでデジタル値に変換し、以下の式（１）により参照電圧Ｖrefを算出する。そして、ガス濃度検出手段６２は、参照電圧Ｖrefと一酸化炭素濃度の変換マップ又は変換式に適用して、対応する一酸化炭素濃度を求める。

Ｖref＝Ｖ2−Ｖoff_1 ・・・・・（１）
このように、上記式（１）により一酸化炭素濃度の参照電圧Ｖrefを算出する場合には、ＯＰアンプ３１，４１に、無信号時のオフセット電圧や温度ドリフトによる出力電圧の変動が小さい高コストのものを使用する必要がないため、ガスセンサ装置１のコストを下げることができる。

次に、ガスセンサ検出状態維持手段６３は、オフセット電圧保持手段６１により、第１スイッチ回路５０がＯＦＦされているときに、第２スイッチ回路５１をＯＮに維持する。そして、これにより、ＣＯセンサ１０の検知電極１２が第２オフセット電圧Ｖoff_2の出力部に接続された状態とされ、ＣＯセンサ１０に通電された状態が維持される。

ここで、ＣＯセンサ１０は、通電が開始されてからその電流出力が安定するまでにはある程度の待ち時間を要する。そこで、このように、ガスセンサ検出状態維持手段６３により、第２スイッチ回路５１をＯＮしてＣＯセンサ１０に通電された状態を維持することによって、ガス濃度検知手段６２は、第２スイッチ回路５１をＯＦＦして第１スイッチ回路５０をＯＮしたときに、速やかに増幅回路４０の出力電圧Ｖ2を取り込んでＣＯ濃度を検出することができる。

また、第１スイッチ回路５０はトランジスタやＦＥＴ等を用いた半導体スイッチであり、ＯＦＦ状態であっても電圧が印加されればリーク電流が流れる。そこで、第２スイッチ回路５１をＯＮ状態として、第１スイッチ回路５０の接続端子１６側を第２オフセット電圧Ｖoff_2の出力部と接続することによって、第１スイッチ回路５０の電流／電圧変換回路３０側の入力部３２（電圧はほぼＶoff_2となる）との電位差を縮小させて、第１スイッチ回路５０におけるリーク電流を低減させることができる。そして、これにより、リーク電流の影響により第１オフセット電圧Ｖoff_1の設定誤差が生じることを抑制することができる。

次に、動作状態判定手段６４は、電流／電圧変換回路３０と増幅回路４０が正常に動作しているか否かを判定する処理を行う。動作状態判定手段６４は、先ず、第１スイッチ回路５０及び第２スイッチ回路５１をＯＦＦすると共に、第３スイッチ回路５２をＯＮする。これにより、電流／電圧変換回路３０の入力部３２が、抵抗を介してＧＮＤに接続された状態になる。

そして、電流／電圧変換回路３０と電圧増幅回路４０が正常に動作しているときは、電流／電圧変換回路３０の出力電圧Ｖ1と増幅回路４０の出力電圧Ｖ2は、動作判定用電圧であるＧＮＤと抵抗Ｒ５に応じて予め個別に設定された許容電圧範囲内となる。一方、電流／電圧変換回路３０又は電圧増幅回路４０が故障しているときには、電流／電圧変換回路３０の出力電圧Ｖ1又は増幅回路４０の出力電圧Ｖ2が許容電圧範囲から外れる。

そこで、動作状態判定手段６４は、第１スイッチ回路５０及び第２スイッチ回路５１をＯＦＦすると共に、第３スイッチ回路５２をＯＮしたときに、電流／電圧変換回路３０の出力電圧Ｖ1又は増幅回路４０の出力電圧Ｖ2が前記許容電圧範囲から外れたときには、電流／電圧変換回路３０又は増幅回路４０の故障が生じていると判定して、異常報知（図示しないブザーやランプ等による）を行う。

なお、本実施形態では、動作判定用電圧としてＧＮＤを採用したが、動作判定用電圧は、電流／電圧変換回路３０の出力電圧Ｖ1及び増幅回路４０の出力電圧Ｖ2が飽和しない範囲で設定すればよい。

次に、ガスセンサ温度検出手段６６は、ＣＯセンサ１０の温度を検出する処理を行う。ガスセンサ温度検出手段６６は、動作状態判定手段６４の処理により、電流／電圧変換回路３０と増幅回路４０が正常に動作していると判定されたときに、ＡＤポートＡＤ2に入力される増幅回路４０の出力電圧Ｖ2をデジタル値に変換して取り込む。

ここで、図１において、第１スイッチ回路５０と第２スイッチ回路５１がＯＦＦであって、第３スイッチ回路５２がＯＮであるときに、抵抗Ｒ５に流れる電流をＩtとし、電流／電圧変換回路３０のゲインをＧ１、増幅回路４０のゲインをＧ２とすると、以下の式（２），式（３）の関係が成り立つ。

Ｇ１＝Ｒth ・・・・・（２）
Ｖ2＝Ｉt×Ｇ１×Ｇ２＝Ｉt×Ｒth×Ｇ２・・・・・（３）
但し、Ｒth：サーミスタＲ１の抵抗値。

そのため、上記式（２）を変形した以下の式（４）によって、サーミスタＲ５の抵抗値Ｒthを算出することができる。

Ｒth＝Ｖ２／（Ｉt×Ｇ２）・・・・・（４）
そして、ガスセンサ温度検出手段６６は、サーミスタＲ１の抵抗値と温度との変換マップ又は変換式に、上記式（４）により算出した抵抗値Ｒthを適用して、対応する温度を求め、求めた温度をＣＯセンサ１０の温度又はＣＯセンサ１０に周囲温度として検出する。なお、サーミスタＲ１の抵抗値と温度の変換マップや変換式のデータは、予めメモリ（図示しない）に保持されている。

次に、ガス濃度補正手段６５は、電圧印加回路２０からＣＯセンサ１０の対向電極１１と参照電極１３間に感度検出用電圧Ｖsを所定時間印加して、ＣＯセンサ１０の感度低下を検出する。図２は、ＣＯセンサ１０に感度検出用電圧Ｖsを印加したときの電流／電圧変換回路３０の出力電圧Ｖos（＝Ｖ1）の推移を示したものであり、縦軸が電圧（Ｖ）に設定され、横軸が時間（ｔ）に設定されている。

図２の上段は、感度検出用電圧Ｖsの印加の態様を示したものであり、動作状態判定手段６４は、第１スイッチ回路５０をＯＦＦすると共に、第２スイッチ回路５１及び第３スイッチ回路５２をＯＦＦした状態で、電圧印加回路２０からｔ1〜ｔ2の間（本発明の所定時間に相当する）だけ感度検出用電圧Ｖsを印加し、その直後に第１スイッチ回路５０をＯＮする。

図２の下段は、感度検出用電圧Ｖsが印加されたときの電流／電圧変換回路３０の出力電圧Ｖosの変化を示したものであり、図中ａ1はＣＯセンサ１０の使用開始時のもの、図中ａ2はＣＯセンサ１０の使用を開始してからある程度の期間が経過した時のものである。ａ1ではＶosのピークがＶos_1となっているのに対して、ａ2ではＶosのピークがＶos_2となっており、経時変化によってＣＯセンサ１０の感度が低下していることがわかる。

そこで、ガス濃度補正手段６５は、ＣＯセンサ１０の使用開始時におけるＶsに対するＶosのピーク値の比率（Ｖos_1／Ｖs）を基準とした、期間経過後のＶsに対するＶosのピーク値の比率（Ｖos_2／Ｖs）の減少度合に応じて、この減少度合分を補償するように、上記式（１）による一酸化炭素濃度の算出値を補正する処理を行う。この補正により、経時変化によるＣＯセンサ１０の感度低下の影響を抑制して、一酸化炭素濃度を精度良く検出することができる。

なお、ガス濃度検知手段６２による一酸化炭素濃度が予め設定された報知レベル以上となったときに、報知を行なう構成においては、上記式（１）による一酸化炭素の検知濃度を補正する代わりに、該報知レベルを補正するようにしてもよい。

なお、本実施形態においては、本発明のガスセンサとしてＣＯセンサを用いた例を示したが、他の種類のガスを対象としたガスセンサに対しても本発明の適用が可能である。

また、本実施形態においては、ガスセンサ検出状態維持手段６３により、第１スイッチ回路５０がＯＦＦされたときに、第２スイッチ回路５１をＯＮしてＣＯセンサ１０の通電状態を維持する処理を行ったが、この処理を行わない場合であっても本発明の効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、動作状態判定手段６４により、第３スイッチ回路５２をＯＮして電流／電圧変換回路３０及び増幅回路４０の動作状態を判定する処理を行ったが、この処理を行わない場合であっても本発明の効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、電流／電圧変換回路３０のゲインを決定する電流帰還回路網をサーミスタＲ１を用いて構成し、ガスセンサ温度検出手段６６により、サーミスタＲ１の抵抗値Ｒthを求めてＣＯセンサ１０の温度を検出する処理を行ったが、この処理を行わない場合であっても本発明の効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、ガス濃度補正手段６５により、ＣＯセンサ１０に感度検出用電圧を印加して、ＣＯセンサ１０の経時的な感度の低下度合を算出し、該低下度合に応じてガス濃度の検出値を補正する処理を行ったが、この処理を行わない場合であっても本発明の効果を得ることができる。

ガスセンサ装置の回路構成図。ＣＯセンサの経時的な感度低下の説明図。

符号の説明

１…ガスセンサ装置、１０…ＣＯセンサ、３０…電流／電圧変換回路、４０…増幅回路、５０…第１スイッチ回路、５１…第２スイッチ回路、５２…第３スイッチ回路、５５…オフセット電圧供給回路、６０…マイクロコンピュータ、６１…オフセット電圧保持手段、６２…ガス濃度検出手段、６３…ガスセンサ検出状態維持手段、６４…動作状態判定手段、６５…ガス濃度補正手段、６６…ガスセンサ温度検出手段

Claims

ガスセンサの出力電流を電圧信号に変換する電流／電圧変換回路と、
前記電圧信号を増幅して出力する増幅回路と、
前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を、導通状態と遮断状態とに切り換える第１スイッチ回路と、
前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が遮断状態とされているときの前記増幅回路の出力電圧を、第１オフセット電圧として保持するオフセット電圧保持手段と、
前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が導通状態とされているときの前記増幅回路の出力電圧から、前記第１オフセット電圧を減じた参照電圧に基づいてガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、
前記電流／電圧変換回路に、第２オフセット電圧を供給するオフセット電圧供給回路と、
前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を、導通状態と遮断状態とに切換える第２スイッチ回路と、
前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が遮断状態とされているときは、前記第２スイッチ回路により前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を導通状態とし、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路間が導通状態とされているときには、前記第２スイッチ回路により前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を遮断状態とするガスセンサ検出状態維持手段とを備えたことを特徴とするガスセンサ装置。
請求項１記載のガスセンサ装置において、
前記第１スイッチ回路は、半導体スイッチであることを特徴とするガスセンサ装置。
請求項１又は請求項２記載のガスセンサ装置において、
所定の動作判定用電圧の出力部と前記電流／電圧変換回路の入力部間を、抵抗を介した導通状態と遮断状態とに切換える第３スイッチ回路と、
前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態にし、前記第２スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を遮断状態にし、前記第３スイッチ回路により、前記動作判定用電圧の出力部と前記電流／電圧変換回路の入力部間を前記抵抗を介して導通状態としたときに、前記電流／電圧変換回路の出力電圧及び前記増幅回路の出力電圧が、前記動作判定用電圧と前記抵抗に応じて設定された許容電圧範囲内となるか否かによって、前記電流／電圧変換回路と前記増幅回路の動作状態を判定する動作状態判定手段とを備えたことを特徴とするガスセンサ装置。
請求項３記載のガスセンサ装置において、
前記電流／電圧変換回路又は前記増幅回路のゲインを決定する帰還回路網が、ガスセンサの感度の直線性補正用のサーミスタを用いて構成され、
前記動作状態判定手段が、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態にし、前記第２スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記第２オフセット電圧の出力部間を遮断状態にし、前記第３スイッチ回路により、前記動作判定用電圧の出力部と前記電流／電圧変換回路の入力部間を前記抵抗を介して導通状態としたときに、前記電流／電圧変換回路の出力電圧及び前記増幅回路の出力電圧が、前記許容電圧範囲内となる場合に、
前記増幅回路の出力電圧と、前記抵抗及び前記第２オフセット電圧により定まる前記電流／電圧変換回路への入出力電流とに基づいて、前記サーミスタの抵抗値を算出し、前記サーミスタの抵抗値と温度との変換マップ又は変換式に、該算出した前記サーミスタの抵抗値を適用して得た温度を、前記ガスセンサの温度又は前記ガスセンサの周囲温度として検出するガスセンサ温度検出手段を備えたことを特徴とするガスセンサ装置。
ガスセンサの出力電流を電圧信号に変換する電流／電圧変換回路と、
前記電圧信号を増幅して出力する増幅回路と、
前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間を、導通状態と遮断状態とに切り換える第１スイッチ回路と、
前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が遮断状態とされているときの前記増幅回路の出力電圧を、第１オフセット電圧として保持するオフセット電圧保持手段と、
前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が導通状態とされているときの前記増幅回路の出力電圧から、前記第１オフセット電圧を減じた参照電圧に基づいてガス濃度を検出するガス濃度検出手段とを備え、
前記ガスセンサは、前記電流出力端子に相当する検知電極と、対向電極及び参照電極を有する電気化学式ガスセンサであり、
ガスセンサの使用開始時に、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態として、ガスセンサの対向電極と参照電極間に感度検出用電圧を所定時間印加した直後に、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を導通状態としたときの、該感度検出用電圧に対する前記電流／電圧変換回路の出力電圧の比率を初期比率とし、その後、所定のタイミングで、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を遮断状態として、ガスセンサの対向電極と参照電極間に前記感度検出用電圧を前記所定時間印加した直後に、前記第１スイッチ回路によりガスセンサの検知電極と前記電流／電圧変換回路の入力部間を導通状態としたときの、前記感度検出用電圧に対する前記電流／電圧変換回路の出力電圧の比率の前記初期比率に対する減少度合に応じて、前記ガス濃度検出手段により検出されたガス濃度を補正するガス濃度補正手段を備えたことを特徴とするガスセンサ装置。
請求項１から請求項５のうちいずれか１項記載のガスセンサ装置において、
前記オフセット電圧保持手段は、前記ガス濃度検出手段によるガス濃度の検出が行われる以前の所定時間内において、前記第１スイッチ回路により、前記ガスセンサの電流出力端子と前記電流／電圧変換回路の入力部間が遮断状態とされているときの前記増幅回路の出力電圧を、前記第１オフセット電圧として保持することを特徴とするガスセンサ装置。