JP2009186222A

JP2009186222A - 劣化検出装置

Info

Publication number: JP2009186222A
Application number: JP2008023997A
Authority: JP
Inventors: Masato Kondo; 正登近藤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】正確にセンサ素子の劣化を検出できる劣化検出装置を提供する。
【解決手段】ステップ電圧供給部１８が、所定期間毎にセンサ素子８の両端電圧にステップ電圧を供給する。ＣＰＵ４１が、ステップ電圧の供給が開始されてからセンサ素子８の両端電圧が定常状態に達するまでの間に定められた時間ｔ１後のセンサ素子８の両端電圧、及び、定常状態に達した後のセンサ素子８の両端電圧、を測定する。そして、ＣＰＵ４１は、定常状態に達した後のセンサ素子８の両端電圧に対する時間ｔ１後のセンサ素子８の両端電圧の割合である両端電圧％を求めて、この求めた両端電圧％が閾値以下のときに劣化を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、劣化検出装置に係り、特に、検知対象ガスと接触燃焼して温度が変化すると抵抗値が変化する接触燃焼式のセンサ素子の劣化を検出する劣化検出装置に関するものである。

上述したセンサ素子８を用いた従来のガスセンサ２として、例えば図１に示されたものが一般的に知られている。同図に示すように、ガスセンサ２は、センサ素子８と比較素子９とを有している。センサ素子８は、温度センサとしての白金コイル１０と、この白金コイル１０に塗布した、検知対象ガスとしての可燃ガスとの接触燃焼を促進する触媒が担持された担持体１１と、で構成されている。比較素子９は、白金コイル１２と、この白金コイル１２に塗布した、上記触媒が担持されていない可燃ガスに対して不感となる担持体１３と、で構成されている。

上記センサ素子８の白金コイル１０と、比較素子９の白金コイル１２とは、可燃ガスのない空気中（エアベース）では等しい抵抗値になるように設けられている。上述したセンサ素子８及び比較素子９は、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２と共にブリッジ回路５を構成している。このブリッジ回路５の端子ａと端子ｂとの間には、駆動電圧供給部６からの駆動電圧Ｅ₀が供給されている。この駆動電圧Ｅ₀を供給すると、センサ素子８が加熱されて可燃ガスと接触燃焼する。

以上の構成によれば、ブリッジ回路５は可燃ガスのない空気中では平衡状態となり、端子ｃと端子ｄとの電位が等しくなる。これに対して、可燃ガスを含む空気中では可燃ガスとの燃焼熱によりセンサ素子８の温度が上昇し、これに伴ってセンサ素子８の白金コイル１０の抵抗値が増加する。一方、比較素子９は可燃ガスと接触燃焼しないため、センサ素子８の温度より低くなる。このため、ブリッジ回路５は不平衡状態となり、端子ｃと端子ｄとの間に電位差が生じる。この電位差が、雰囲気温度による白金コイル１０、１２の抵抗値の変動分を相殺した可燃ガスの濃度に応じたセンサ出力となる。

上述したガスセンサ２のセンサ素子８は、触媒で構成されているため経年的に感度が劣化してくる。この感度劣化の速度は、使用環境中の触媒被毒物質の有無に大きく影響すると言われている。例えば、一般家庭の環境から多く発生するガスセンサ２の触媒被毒物質は、シリコーンといわれている。このシリコーンがセンサ素子８の表面に付着すると、可燃ガス濃度に対するセンサ出力が変動して劣化する、という問題があった。

従来、上述したセンサ素子８の劣化を検出する方法としては、例えばガスセンサ２を設置してから経験的に設定した劣化期間経過すると、劣化していると判断している。しかしながら、劣悪環境下では、予想をはるかに上回る劣化が生じている可能性も否めない。そこで、正確にセンサ素子８の劣化を検出して、ガスセンサ２が機能不全に陥る前に使用者に知らせる劣化検出装置が切望されている。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、正確にセンサ素子の劣化を検出できる劣化検出装置を提供することを課題とする。

本発明者は、上述したセンサ素子の劣化を検出する方法を鋭意探求したところ、劣化が進むに従ってセンサ素子の両端電圧の時定数が大きくなることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、請求項１記載の発明は、検知対象ガスと接触燃焼して温度が変化すると抵抗値が変化する接触燃焼式のセンサ素子の劣化を検出する劣化検出装置であって、所定期間毎に前記センサ素子の両端電圧にステップ電圧を供給するステップ電圧供給手段と、前記ステップ電圧の供給が開始されてから前記センサ素子の両端電圧が定常状態に達するまでの間に定められた所定時間の前記センサ素子の両端電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定された両端電圧又は当該両端電圧に応じた値が閾値以下になったときに前記センサ素子の劣化を検出する劣化検出手段と、を備えたことを特徴とする劣化検出装置に存する。

請求項２記載の発明は、前記電圧測定手段により検出された前記センサ素子の両端電圧又は当該両端電圧に応じた値が低くなるに従って前記所定期間を短くするように設定する所定期間設定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の劣化検出装置に存する。

請求項３記載の発明は、前記ステップ電圧の供給が開始されてから前記センサ素子の両端電圧が定常状態に達した後の前記センサ素子の両端電圧を測定する定常電圧測定手段を備え、そして、前記劣化検出手段が、前記定常電圧測定手段により測定された前記センサ素子の両端電圧に対する前記電圧測定手段により測定された前記センサ素子の両端電圧の割合が前記閾値以下になったときに前記センサ素子の劣化を検出するように設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の劣化検出装置に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、劣化検出手段が、ステップ電圧の供給を開始してからセンサ素子の両端電圧が定常状態に達するまでの間に定められた所定時間後に計測されたセンサ素子の両端電圧又は当該両端電圧に応じた値が閾値以下となったときに劣化を検出することにより、正確にセンサ素子の劣化を検出できる。

請求項２記載の発明によれば、電圧測定手段により検出されたセンサ素子の両端電圧又はその両端電圧に応じた値が低くなるに従って所定期間を短くするように設定するので、より一層正確にセンサ素子の劣化を検出することができる。

請求項３記載の発明によれば、定常電圧測定手段により測定されたセンサ素子の両端電圧に対する電圧測定手段により測定されたセンサ素子の両端電圧の割合に基づいて劣化を検出することにより、雰囲気温度によるセンサ素子の抵抗値の変動分を相殺して、より一層正確にセンサ素子の劣化を検出することができる。

以下、本発明の劣化検出装置を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の劣化検出装置を組み込んだガス検出装置１の一実施形態を示す回路図である。図２は、図１に示すセンサ素子８及び比較素子９の構成を示す図である。同図に示すように、ガス検出装置１は、ガスセンサ２と、劣化検出部３と、マイクロコンピュータ（以下μＣＯＭ）４と、を備えている。

ガスセンサ２は、ブリッジ回路５と、駆動電圧供給部６と、差動増幅器７と、から構成されている。ブリッジ回路５は、センサ素子８及び比較素子９と、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２と、から構成されている。上記センサ素子８及び比較素子９は互いに直列に接続されている。固定抵抗Ｒ１、Ｒ２は互いに直列に接続されている。そして、センサ素子８及び比較素子９から構成される直列回路と、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２から構成される直列回路と、が並列に接続されてブリッジ回路５を構成している。

上述したセンサ素子８は、温度センサとしての白金コイル１０と、検出対象ガスとしての可燃ガスとの接触燃焼を促進する触媒を担持した担持体１１と、から構成されている。担持体１１は、上記触媒として白金族、例えばパラジウム(Ｐｄ)を担持したアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₂）からなるＰｄ／Ａｌ₂Ｏ₂から構成されている。上記比較素子９は、温度センサとしての白金コイル１２と、上記触媒を担持せずに可燃ガスに対して不感であるＡｌ₂Ｏ₂のみから構成された担持体１３と、から構成されている。

上記センサ素子８及び比較素子９は、図２に示すように、台座１４に支持されている。台座１４は、円盤状の樹脂製の台座本体１５と、台座本体１５に貫通されて支持された導電性の二対のピン１６、１７と、から構成されている。そして、センサ素子８の白金コイル１０の両端がピン１６に各々接続されて、センサ素子８が台座１４に支持される。また、比較素子９の白金コイル１２の両端がピン１７に各々接続されて、比較素子９が台座１４に支持される。

上述した台座１４は、台座本体１５のセンサ素子８及び比較素子９とは離れた側に突出するピン１６、１７がブリッジ回路５やμＣＯＭ４が搭載された図示しない基板上に搭載されて電気的に接続されるように設けられている。

駆動電圧供給部６は、ブリッジ回路５の端子ａと端子ｂとの間に駆動電圧Ｅ₀を供給する。ブリッジ回路５に対する駆動電圧Ｅ₀の供給は、後述するμＣＯＭ４内のＣＰＵ４１によって制御される。この駆動電圧Ｅ₀を供給すると、白金コイル１０、１２が発熱してセンサ素子８及び比較素子９が加熱される。つまり、白金コイル１０、１２は温度センサとしての機能と加熱手段としての機能とを兼ねている。上述したブリッジ回路５は可燃ガスのない空気中では平衡状態となり端子ｃ−端子ｄ間の中点電圧は０となる。

これに対して、可燃ガスを含む空気中では可燃ガスとの接触燃焼によりセンサ素子８の温度が上昇し、これに伴ってセンサ素子８の白金コイル１０の抵抗値が増加する。一方、比較素子９は可燃ガスとの接触燃焼が生じないため、センサ素子８の温度よりも低くなる。このため、ブリッジ回路５は不平衡状態となり、中点電圧が、雰囲気温度による白金コイル１０の抵抗値の変動分を相殺した可燃ガスの濃度に応じたセンサ出力となる。

差動増幅器７は、ブリッジ回路５の端子ｃ−端子ｄ間の中点電圧をセンサ出力としてμＣＯＭ４に対して出力する。劣化検出部３は、ステップ電圧供給手段としてのステップ電圧供給部１８と、差動増幅器１９と、から構成されている。ステップ電圧供給部１８は、センサ素子８の両端（端子ａ−端子ｃ間）にステップ電圧Ｅｓを供給する。センサ素子８の両端に対するステップ電圧Ｅｓの供給は、後述するμＣＯＭ４内のＣＰＵ４１によって制御される。差動増幅器１９は、センサ素子８の両端電圧をμＣＯＭ４に対して出力する。μＣＯＭ４は、処理プログラムに従って各種の処理を行う中央演算処理ユニット（以下ＣＰＵ）４１、ＣＰＵ４１が行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ４２、及び、ＣＰＵ４１での各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読出書込自在のメモリであるＲＡＭ４３、を有している。

次に、上述した構成のガス検出装置１におけるセンサ素子８の劣化検出方法について説明する。まず、センサ素子８に一定電力Ｐを供給すると、センサ素子８の温度及び両端電圧は徐々に増加した後に一定となる。ここで、一定になるまでを非定常状態、一定になった後を定常状態とする。非定常状態において、センサ素子８に一定電力Ｐを供給したときに、一定電力Ｐの供給を開始してからの経過時間ｔ後にセンサ素子８が台座１４に対してΔＴだけ温度上昇したとする。この場合、下記の式（１）に示すように、一定電力Ｐは、センサ素子８をΔＴだけ温度上昇させるのに必要な熱量（Ｃｓ＋Ｃｄ）・ｄΔＴ／ｄｔ（Ｃｓ：センサ素子８の熱容量、Ｃｄ：台座１４の熱容量）と、センサ素子８から台座１４に逃げる熱量λ・ΔＴ（λ：センサ素子８の熱伝導率）と、の和で表される。
（Ｃｓ＋Ｃｄ）・ｄΔＴ／ｄｔ＋λ・ΔＴ＝Ｐ …（１）

上述した式（１）を変形すると、下記の式（２）が得られる。
ΔＴ＝Ｐ／λ｛１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）｝ …（２）
ここでτ＝（Ｃｓ＋Ｃｄ）／λであるが、センサ素子８は数十μｍの白金コイル１０で台座１４に接続されているため、台座１４とは熱絶縁されていると考えられるのでＣｄ＝０と仮定することができる。よって、τ＝Ｃｓ／λと考えられる。上記式（２）から明らかなように、ΔＴは、経過時間ｔに対して時定数τで過渡的に上昇する。また、時定数τは、センサ素子８の熱容量Ｃｓと熱伝導率λとによって定まる。

ところで、センサ素子８の感度劣化は、２０ｗｔ％のシリコーン付着から始めると考えられる。ここで、本発明者は、シリコーンが全く付着されていない初期状態のセンサ素子８と、２０ｗｔ％のシリコーンが付着したセンサ素子８と、の比熱、質量、熱容量、熱伝導率、時定数τを求めた。その結果を、図３に示す。同図に示すように、比熱、質量、熱容量については、シリコーンが２０ｗｔ％付着したセンサ素子８の方が初期状態のセンサ素子８に比べて増加することが分かった。これに対して、熱伝導率については、シリコーン２０ｗｔ％付着したセンサ素子８の方が初期状態のセンサ素子８に比べて減少することが分かった。即ち、センサ素子８に対するシリコーンの付着量が多くなるに従って時定数τが大きくなることが分かった。

次に、図３に示す値から一定電力Ｐ＝５００ｍＷをセンサ素子８に供給したときの経過時間ｔに対するセンサ素子８の両端電圧％を求めた。結果を図４に示す。なお、両端電圧％は、定常状態におけるセンサ素子８の両端電圧を１００％としたときのセンサ素子８の両端電圧である。同図に示すように、シリコーンが２０ｗｔ％付着したセンサ素子８は、初期状態のセンサ素子８に比べて、一定電力Ｐの供給に応じた立ち上がりが遅いことが分かった。即ち、一定電力Ｐの供給を開始してから０．０１秒後の両端電圧％は初期状態のセンサ素子８が８０％程度であるのに対して、２０ｗｔ％のセンサ素子８は６６％程度にまで下がっている。

以上のことに着目して、ＣＰＵ４１は、センサ素子８の両端にステップ電圧Ｅｓを供給して一定電力Ｐの供給を開始する。その後、ＣＰＵ４１は、ステップ電圧Ｅｓの供給開始から所定時間としての時間ｔ１（例えば０．０１秒）経過後に計測されたセンサ素子８の両端電圧％が閾値Ａ１以下となったときに劣化を検出する。なお、時間ｔ１は、ステップ電圧Ｅｓの供給開始からセンサ素子８の両端電圧が定常状態に達するまでの間に定められている。また、閾値Ａ１は、例えば図４に示すように、劣化として検出したいシリコーン付着２０ｗｔ％のセンサ素子８のステップ電圧Ｅｓの供給開始から時間ｔ１経過後の両端電圧％を実験的に予め求めて、求めた値以上を閾値Ａ１として設定する。図４に示す特性のセンサ素子８では、シリコーン付着２０ｗｔ％のセンサ素子８のステップ電圧Ｅｓの供給開始から時間０．０１秒経過後の両端電圧％は６６％なので閾値Ａ１は例えば６７％に定められる。

上記概略で説明したガス検出装置１の動作を図５のフローチャートを参照して以下説明する。図５は、図１に示すＣＰＵ４１の劣化検出処理手順を示すフローチャートである。ガス検出装置１の設置に応じてガス検出装置１に電源を投入すると、ＣＰＵ４１は、劣化検出処理を開始する。劣化検出処理において、ＣＰＵ４１は、まず、ステップ電圧供給部１８を制御して、ステップ電圧Ｅｓをセンサ素子８に供給する（ステップＳ１）。その後、ＣＰＵ４１は、サンプリング時間毎に差動増幅器１９の出力を取り込んでセンサ素子８の両端電圧を測定するサンプリング処理を行う（ステップＳ２）。

次に、ＣＰＵ４１は、サンプリング処理の結果に基づいてセンサ素子８の両端電圧が定常状態に達したと判断すると（ステップＳ３でＹ）、電圧測定手段及び定常電圧測定手段として働き、サンプリング処理の結果からステップ電圧Ｅｓの供給から時間ｔ１（例えば０．０１秒）後のセンサ素子８の両端電圧であるＶ_t1及び定常状態でのセンサ素子８の両端電圧であるＶ_100%を求める（ステップＳ４）。その後、ＣＰＵ４１は、ステップＳ４で求めたＶ_t1、Ｖ_100%からステップ電圧Ｅｓの供給から時間ｔ１後のセンサ素子８の両端電圧％を求める（即ち、両端電圧％←Ｖ_t1／Ｖ_100%×１００）（ステップＳ５）。

次に、ＣＰＵ４１は、劣化検出手段として働き、ステップＳ５で求めたステップ電圧Ｅｓの供給から時間ｔ１後のセンサ素子８の両端電圧％が閾値Ａ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ６）。閾値Ａ１よりも小さければ（ステップＳ６でＹ）、ＣＰＵ４１は、センサ素子８にシリコーンが２０ｗｔ％以上付着して劣化が進んでいると判断して、その旨を報知する報知処理を行った後に（ステップＳ７）、劣化検出処理を終了する。これに対して、閾値Ａ１よりも大きければ（ステップＳ６でＮ）、ＣＰＵ４１は、センサ素子８が劣化していないと判断して、ステップＳ８の所定期間設定処理に進む。

上述したステップＳ１〜Ｓ６までの劣化検出動作は、所定期間毎に行われる。ステップＳ８の所定期間設定処理は、この所定期間を設定する処理である。詳しくは、ＣＰＵ４１は、所定期間設定手段として働き、ステップＳ５で求めたステップ電圧Ｅｓの供給から時間ｔ１後のセンサ素子８の両端電圧％が低くなるに従って所定期間が短くなるように所定期間を設定する。例えば、ガス検出装置１の設置当初はステップＳ５で求めた両端電圧％は８０％程度であるので、両端電圧％が例えば７５％以下の間は所定期間を１ヶ月に設定し、その後センサ素子８の劣化が進んで両端電圧％が例えば７５％以下、７０％以下になる毎に所定期間を２週間、１週間と短くするように設定する。その後、ＣＰＵ４１は、ステップＳ８で設定された所定期間が経過するのを待って（ステップＳ９でＹ）、再びステップＳ１に戻る。

上述したガス検出装置１によれば、ＣＰＵ４１が、ステップ電圧Ｅｓの供給が開始されてからセンサ素子８の両端電圧が定常状態に達するまでの間に定められた時間ｔ１後にセンサ素子８の両端電圧を測定し、この測定した両端電圧に応じた値である両端電圧％が閾値Ａ１以下になったときにセンサ素子８の劣化を検出する。これにより、正確にセンサ素子８の劣化を検出することができる。

また、上述したガス検出装置１によれば、ＣＰＵ４１が、ステップ電圧Ｅｓの供給が開始されてから時間ｔ１後にセンサ素子８の両端電圧に応じた値である両端電圧％が低くなるに従って所定期間を短くするように設定するので、より一層正確にセンサ素子８の劣化を検出することができる。

また、上述したガス検出装置１によれば、定常状態のセンサ素子８の両端電圧であるＶ_100%に対するステップ電圧Ｅｓの供給から時間ｔ１後のセンサ素子８の両端電圧であるＶ_t1の割合である両端電圧％に基づいて劣化を検出することにより、周囲温度の変動による影響をなくして、より一層正確にセンサ素子８の劣化を検出することができる。

なお、上述した実施形態では、定常状態のセンサ素子８の両端電圧であるＶ_100%に対するステップ電圧Ｅｓの供給から時間ｔ１後のセンサ素子８の両端電圧であるＶ_t1の割合に基づいて劣化を検出していたが、本発明はこれに限ったものではない。周囲温度の変動によるセンサ素子８の両端電圧の変化が少なければ、例えば、Ｖ_t1に基づいて劣化を検出するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、求めた両端電圧％が低くなるに従って所定期間を短くするように設定していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、所定期間を一定に固定してもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の劣化検出装置を組み込んだガス検出装置の一実施形態を示す回路図である。図１に示すセンサ素子及び比較素子の構成を示す図である。シリコーンが全く付着されていない初期状態のセンサ素子と、２０ｗｔ％のシリコーンが付着したセンサ素子と、の比熱、質量、熱容量、熱伝導率、時定数τを示すグラフである。一定電力Ｐ＝５００ｍＷをセンサ素子に供給したときの経過時間ｔに対するセンサ素子の両端電圧％を示すグラフである。図１に示すＣＰＵの劣化検出処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

８センサ素子
１８ステップ電圧供給部（ステップ電圧供給手段）
４１ＣＰＵ（電圧測定手段、劣化検出手段、所定期間設定手段、定常電圧測定手段）
ｔ１時間（所定時間）

Claims

検知対象ガスと接触燃焼して温度が変化すると抵抗値が変化する接触燃焼式のセンサ素子の劣化を検出する劣化検出装置であって、
所定期間毎に前記センサ素子の両端電圧にステップ電圧を供給するステップ電圧供給手段と、
前記ステップ電圧の供給が開始されてから前記センサ素子の両端電圧が定常状態に達するまでの間に定められた所定時間の前記センサ素子の両端電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段により測定された両端電圧又は当該両端電圧に応じた値が閾値以下になったときに前記センサ素子の劣化を検出する劣化検出手段と、
を備えたことを特徴とする劣化検出装置。
前記電圧測定手段により検出された前記センサ素子の両端電圧又は当該両端電圧に応じた値が低くなるに従って前記所定期間を短くするように設定する所定期間設定手段を
備えたことを特徴とする請求項１に記載の劣化検出装置。
前記ステップ電圧の供給が開始されてから前記センサ素子の両端電圧が定常状態に達した後の前記センサ素子の両端電圧を測定する定常電圧測定手段を備え、そして、
前記劣化検出手段が、前記定常電圧測定手段により測定された前記センサ素子の両端電圧に対する前記電圧測定手段により測定された前記センサ素子の両端電圧の割合が前記閾値以下になったときに前記センサ素子の劣化を検出するように設定されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の劣化検出装置。