JP2010175320A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法で精度よく感度補正を行う。
【解決手段】検出対象の気体中のエタノール濃度及び湿度に感度を有するアルコールセンサ２４Ａと、検出対象の気体の湿度に感度を有する湿度センサ２４Ｂとを備えたガス検出装置で、アルコールセンサ２４Ａの検出値を対数変換した値を、エタノール濃度、湿度を示す水蒸気濃度、及び定数で表す。呼気が吹きかけられていないときのアルコールセンサ２４Ａの検出値から湿度センサ２４Ａの検出値に基づいて求まる湿度影響分の値を差し引いたベース値を算出し、ベース値が予め定めた値より小さい場合には、ベース値からアルコールセンサ２４Ａの定量限界濃度に関連する値を差し引いた値を新たな定数ｃとして更新する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガス検出装置に係り、特に人間の呼気に含まれるエタノール等の検出対象ガスを検出するガス検出装置に関する。

従来、アルコールセンサでドライバの呼気中のエタノール成分を検出して、所定値以上のエタノール成分（エタノール濃度）が検出された場合には、エンジン始動を停止することなどが行われている。このような場合のアルコールセンサとして、例えば、酸化物半導体式ガスセンサのように、検出対象のガス以外に湿度によっても出力が変化するガスセンサを用いる場合、ガスセンサの出力値を、感度特性に対応した定量係数（対象ガス濃度に対するガスセンサの出力値を示す検量線の傾きと切片）を用いて表すためには、少なくとも既知濃度の基準ガスとして、ガス濃度２水準、湿度２水準の組み合わせ計４条件の下でガスセンサの出力値を測定して定量係数を求める必要がある。

また、ガスセンサは、使用期間や使用状況などによって検出感度が劣化してアルコール検出の精度が低下してしまうが、この感度劣化を補正するためには、再度上記４条件の下でガスセンサの出力値を測定し、新たに定量係数を算出しなおすというメンテナンスを行う必要がある。しかし、このメンテナンスは、手間もコストもかかるため、できるだけ長い期間メンテナンスを行わずにガスセンサを使用できることが実用上重要となる。

そこで、未飲酒の被検者の呼気を吹きかけたときのセンサ出力を正常時の出力として、測定１００回単位でセンサ出力値の平均値（初期時濃度平均値）をとって記憶し、その後、同様に１００回毎の平均値を取得して初期時濃度平均値と比較し、センサ出力値が初期時濃度平均値になるように感度補正を行なうアルコール検知システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１５７５９９号公報

しかしながら、特許文献１のアルコール検知システムでは、未飲酒の被検者の呼気を吹きかけたときのセンサ出力を正常時の出力として初期時濃度平均値をとっているが、未飲酒時の呼気に対するセンサ出力は、環境の湿度や被検者が測定前に摂取した飲食物など不特定の物質の影響を受けるため、その平均値でセンサの感度補正を行っても十分な精度は得られず、また、平均値を得るために例えば１００回程の測定が必要となるため、急なセンサ特性の変化に適切に対応できない、という問題がある。

本発明は、上記問題を解消するためになされたもので、簡便な方法で精度よく感度補正を行うことができるガス検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のガス検出装置は、検出対象の気体中に含まれる検出対象ガス及び前記検出対象の気体の湿度に対して感度を有し、前記検出対象ガスの濃度に関連する物理量及び前記湿度に関連する物理量に対応した物理量を検出して検出値を出力すると共に、該検出値が感度特性の変化に応じて変化するガス検出手段と、前記検出対象の気体の湿度に関連する物理量を検出して出力する湿度検出手段と、前記ガス検出手段及び前記湿度検出手段に前記検出対象の気体としての呼気が吹きかけられたか否かを判定する呼気判定手段と、前記ガス検出手段の検出値を対数変換した値を、前記検出対象ガスの濃度に関連する物理量を対数変換した値と感度特性に応じた第１の係数との積と、前記湿度に関連する物理量を対数変換した値と感度特性に応じた第２の係数との積と、感度特性に応じた定数とを用いて表すと共に、前記呼気判定手段で呼気が吹きかけられたと判定された場合に、前記湿度検出手段で検出された前記湿度に関連する物理量を用いて前記検出対象ガスの濃度を算出する濃度算出手段と、前記呼気判定手段で呼気が吹きかけられていないと判定された場合に、前記ガス検出手段の検出値を対数変換した値と、前記湿度検出手段で検出された湿度に関連する物理量を対数変換した値と前記第２の係数との積との差で表されるベース値を算出するベース値算出手段と、前記ベース値算出手段で算出されたベース値が予め定めた値より小さい場合に、前記濃度算出手段で用いられる前記定数を、前記ベース値算出手段で算出されたベース値と、前記ガス検出手段の検出対象ガスに対する定量限界濃度に関連する物理量を対数変換した値と前記第１の係数との積との差に更新する更新手段とを含んで構成されている。

本発明のガス検出装置によれば、ガス検出手段が、検出対象の気体中に含まれる検出対象ガス及び検出対象の気体の湿度に対して感度を有し、検出対象ガスの濃度に関連する物理量及び湿度に関連する物理量に対応した物理量を検出して検出値を出力する。このガス検出手段の検出値は、感度特性の変化に応じて変化する。また、湿度検出手段が検出対象の気体の湿度に関連する物理量を検出して出力する。これらのガス検出手段及び湿度検出手段に検出対象の気体としての呼気が吹きかけられたか否かを呼気判定手段が判定する。そして、濃度算出手段が、ガス検出手段の検出値を対数変換した値を、検出対象ガスの濃度に関連する物理量を対数変換した値と感度特性に応じた第１の係数との積と、湿度に関連する物理量を対数変換した値と感度特性に応じた第２の係数との積と、感度特性に応じた定数とを用いて表すと共に、呼気判定手段で呼気が吹きかけられたと判定された場合に、湿度検出手段で検出された湿度に関連する物理量を用いて検出対象ガスの濃度を算出する。一方、ベース値算出手段は、呼気判定手段で呼気が吹きかけられていないと判定された場合に、ガス検出手段の検出値を対数変換した値と、湿度検出手段で検出された湿度に関連する物理量を対数変換した値と第２の係数との積との差で表されるベース値を算出し、更新手段が、ベース値算出手段で算出されたベース値が予め定めた値より小さい場合に、濃度算出手段で用いられる定数を、ベース値算出手段で算出されたベース値と、ガス検出手段の検出対象ガスに対する定量限界濃度に関連する物理量を対数変換した値と第１の係数との積との差に更新する。

このように、呼気が吹きかけられていないときのガス検出手段及び湿度検出手段の検出値に基づいて、対象ガスを算出するために用いる定数を更新することができるため、既知濃度の基準ガスを測定して係数を算出しなおさなくても、複数回の測定の平均値を用いて濃度補正する場合などに比べて、簡便な方法で精度よく感度補正を行うことができる。

また、前記ガス検出手段の検出値を対数変換した値を、下記（１）式で表すことができる。

ただし、Ｇはガス検出手段の検出値、Ｇａｓは検出対象ガスの濃度に関連する物理量、Ｈｕｍｉは湿度に関連する物理量、ａは前記第１の係数、ｂは前記第２の係数、ｃは前記定数である。

このように表すことにより、定数、ガス検出手段の検出値、検出対象ガスの濃度に関連する物理量、及び湿度に関連する物理量との関係が簡略化され、簡便な方法で感度補正を行うことができる。

以上説明したように本発明によれば、簡便な方法で精度よく感度補正を行うことができる、という効果が得られる。

本実施の形態のエタノール濃度検出装置を運転席のステアリングコラムに取り付けた状態を示す概略図である。 本実施の形態を示す概略図である。 本実施の形態のエタノール濃度検出装置の概略構成を示すブロック図である。 エタノールガス濃度とアルコールセンサの検出値との関係を示す線図である。 本実施の形態のエタノール濃度検出装置における定数及びエタノール濃度算出処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、ドライバの呼気からアルコールの一種であるエタノールの濃度を検出するエタノール濃度検出装置に、本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係るエタノール濃度検出装置１０は、運転席に設けられたステアリングコラム１２の、ドライバの呼気が到達可能な位置に取り付けられている。エタノール濃度検出装置１０は、先端部に拡径した吸い込み口２０Ａが形成された細長円筒状の呼気導入管２０を備えており、呼気導入管２０の中間部の内部にはセンサ群２４が取り付けられている。

図２に示すように、呼気導入管２０の内部であって、センサ群２４より吸い込み口２０Ａ側には、ドライバの呼気を吸い込み口２０Ａから吸い込むために駆動される吸い込みファン２２が設けられている。

センサ群２４は、呼気導入管２０の中間部の内部に対向するように取り付けられた、アルコールセンサ２４Ａと湿度センサ２４Ｂとで構成されている。

アルコールセンサ２４Ａは、呼気導入管２０内を流れる気体中に含まれるエタノールガスを検出するセンサで、例えば酸化物半導体式ガスセンサを用いることができる。アルコールセンサ２４Ａは、呼気導入管２０内を流れる気体中に含まれるエタノールガスの濃度が高くなるに従って、レベルが高い検出信号を出力し、呼気導入管２０内を流れる気体中に含まれるエタノールガスの濃度が低くなるに従って、レベルが低い検出信号を出力する。また、アルコールセンサ２４Ａは、エタノールガス以外に、呼気導入管２０内を流れる気体の湿度に対しても感度を有している。

湿度センサ２４Ｂは、呼気導入管２０内を流れる気体中の水蒸気の濃度で表される気体の湿度を検出するセンサである。湿度センサ２４Ｂは、呼気導入管２０内を流れる気体の湿度が高くなるに従って、レベルが高い検出信号を出力し、呼気導入管２０内を流れる気体の湿度が低くなるに従って、レベルが低い検出信号を出力する。

本実施の形態によれば、吸い込みファン２２を駆動することにより、ドライバから吐き出された呼気は呼気導入管２０の吸い込み口２０Ａから呼気導入管２０内に吸入されると共に、呼気が空気と混合されることで任意に希釈され、センサ群２４へ一定流速で到達する。そして、呼気は、センサ群２４に接触した後、呼気導入管２０の外に排出される。

呼気がアルコールセンサ２４Ａ及び湿度センサ２４Ｂに接触することにより、アルコールセンサ２４Ａによって呼気を含む気体中のエタノールガスの濃度及び湿度に関連した検出値が検出されると共に、湿度センサ２４Ｂによって呼気を含む気体の湿度が検出される。アルコールセンサ２４Ａ及び湿度センサ２４Ｂで検出された検出値に基づいて、呼気中の検出対象ガスとしてのエタノールガスの濃度が検出される。

図３に示すように、エタノール濃度検出装置１０は、アルコールセンサ２４Ａ、湿度センサ２４Ｂ、及び液晶ディスプレイ等の表示装置２６に接続され、かつ、エタノールガスの濃度を検出するエタノール濃度検出器３０を備えている。

エタノール濃度検出器３０は、呼気導入管２０に呼気が導入されたか否かを判定する呼気判定部３２、アルコールセンサ２４Ａ及び湿度センサ２４Ｂの検出値に基づいて、アルコールセンサ２４Ａのベース値を算出するベース値算出部３４、ベース値算出部３４の算出結果に基づいて、エタノール濃度を算出する際に用いられる定数を算出する定数算出部３６、定数算出部３６で算出した定数を記憶する定数記憶部３８、アルコールセンサ２４Ａ及び湿度センサ２４Ｂの検出値と定数記憶部３８に記憶された定数に基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度を算出するエタノール濃度算出部４０、及びエタノール濃度算出部４０による算出結果を表示装置２６に表示するように制御する表示制御部４２を備えている。

エタノール濃度検出器３０は、エタノール濃度検出装置１０全体の制御を司るＣＰＵ、後述する定数及びエタノール濃度算出処理プログラム等の各種プログラム等を記憶した記憶媒体としてのＲＯＭ、ワークエリアとしてデータを一時格納するＲＡＭ、及びこれらを接続するバスを含むマイクロコンピュータで構成することができる。

ここで、本実施の形態のエタノール濃度検出装置１０における定数算出の原理について説明する。

酸化物半導体式ガスセンサのように、検出対象ガスであるエタノールガスの濃度以外に湿度によっても検出値が変化するアルコールセンサ２４Ａの検出値Ｇを対数変換した値ｌｎ（Ｇ）とエタノール濃度Ｇａｓを対数変換した値ｌｎ［Ｇａｓ］との関係は、図４に示すとおりである。このｌｎ（Ｇ）を、エタノール濃度Ｇａｓ及び湿度に関連した物理量である水蒸気濃度Ｈｕｍｉを対数変換した値により表すと（１）式となる。

ただし、ａはアルコールセンサ２４Ａのエタノールに対する感度に関連する定量係数、ｂはアルコールセンサ２４Ａの湿度に対する感度に関連する定量係数、及びｃは定数である。定量係数ａ、ｂ及び定数ｃは、アルコールセンサ２４Ａの感度特性をあらわす値であり、エタノールの濃度及び湿度が既知のガスに対して、少なくともエタノール濃度２水準及び湿度２水準の組み合わせの４条件について、アルコールセンサ２４Ａの出力値の計測を行って算出された値である。

図４に示すように、定量限界となるエタノール濃度を対数変換した値ｌｎ［Ｇａｓ］_ｍｉｎ以下では、ｌｎ（Ｇ）は一定値となり、湿度に依存した値を示す。このとき、ｌｎ（Ｇ）から湿度の影響分を差し引いた値、すなわち下記（２）式で表されるｃ’をアルコールセンサ２４Ａのベース値と定義する。

水蒸気濃度Ｈｕｍｉを対数変換した値ｌｎ［Ｈｕｍｉ］は、湿度センサ２４Ｂの検出値Ｈを対数変換した値ｌｎ（Ｈ）から、下記（３）式により算出することができる。

ただし、ｄは湿度センサ２４Ｂの湿度に対する感度に関連する定量係数、及びｅは定数である。

従って、アルコールセンサ２４Ａ及び湿度センサ２４Ｂの検出値から、アルコールセンサ２４Ａのベース値ｃ’を算出することができる。

また、エタノール濃度が定量限界のときの（１）式、及び（２）式により、定数ｃとベース値ｃ’との関係が（４）式のように導かれる。

アルコールセンサ２４Ａの感度は、使用状態や使用期間により特性が変化する。そこで、清浄な空気中で予め測定したアルコールセンサ２４Ａのベース値の初期値ｃ’_０と、（２）式により算出したベース値ｃ’とを比較し、ｃ’が ｃ’_０より小さい場合には、経時変化によりアルコールセンサ２４Ａの感度特性が低下したと判断して、（４）式に基づいて、定数ｃを算出する。なお、定量限界濃度は変化しないものとして、ｌｎ［Ｇａｓ］_ｍｉｎは一定とする。

次に、図５を参照して、本実施の形態における定数及びエタノール濃度算出処理の処理ルーチンについて説明する。本ルーチンは、ＲＯＭに記憶された定数及びエタノール濃度算出プログラムをＣＰＵが実行することにより行われる。

ステップ１００で、アルコールセンサ２４Ａ及び湿度センサ２４Ｂのヒータをオンし、２つのセンサの各々の検出値の取得を開始する。

次に、ステップ１０２で、呼気導入管２０に呼気が入力されたか否かを判断する。２つのセンサのいずれかの検出値が変化し始めた場合に、呼気が入力されたと判断する。また、導入口２０Ａに流速センサを設けるなどして、流速センサの検出結果により呼気が導入されたか否かを判断するようにしてもよい。呼気が入力された場合には、ステップ１１２へ進み、入力されない場合には、ステップ１０４へ進む。

ステップ１０４で、取得したアルコールセンサ２４Ａの検出値Ｇを対数変換した値ｌｎ（Ｇ）、及び湿度センサ２４Ｂの検出値Ｈを対数変換したｌｎ（Ｈ）値を（３）式に代入して求まる水蒸気濃度Ｈｕｍｉを対数変換した値ｌｎ［Ｈｕｍｉ］を（２）式に代入して、アルコールセンサ２４Ａのベース値ｃ’を算出する。

次に、ステップ１０６で、ベース値ｃ’が清浄空気中で測定したアルコールセンサ２４Ａのベース値の初期値ｃ’_０より小さいか否かを判断する。通常、センサの感度劣化以外の原因でベース値ｃ’がｃ’_０より小さくなることはないため、ｃ’がｃ’_０より小さい場合には、センサの感度劣化が生じていると判断して、ステップ１０８へ進む。ｃ’がｃ’_０より大きい場合には、定数ｃを更新する必要がないため、ステップ１００へ戻る。

ステップ１０８で、上記ステップ１０４で算出したｃ’に基づいて、上記（４）式により新たに定数ｃを算出し、次に、ステップ１１０で、上記（１）式のｃを、上記ステップ１０８で新たに算出されたｃに変更して記憶する。これにより、（１）式におけるｃの値が更新される。定数ｃの値を更新したら、ステップ１００へ戻る。

上記ステップ１０２で呼気が入力されたとして、ステップ１１２へ進んだ場合には、上記（１）式に、アルコールセンサ２４Ａの検出値Ｇを対数変換した値ｌｎ（Ｇ）、湿度センサ２４Ｂの検出値Ｈから求まる水蒸気濃度Ｈｕｍｉを対数変換した値ｌｎ［Ｈｕｍｉ］を代入して、エタノール濃度Ｇａｓを算出する。

次に、ステップ１１４で、算出結果を表示装置２６に表示して処理を終了する。

以上説明したように、本実施の形態に係るエタノール濃度検出装置によれば、呼気が導入されていないときのアルコールセンサの検出値から湿度影響分を差し引いた値であるベース値が、清浄空気中におけるベース値より小さい場合に、アルコールセンサ及び湿度センサの検出値から求まるベース値に基づいてエタノール濃度を算出する際に用いる定数を算出するため、既知のガス濃度２水準、湿度２水準の組み合わせ計４条件下におけるガスセンサ出力値を測定して定数を算出しなおす場合に比べて、簡便な方法で定数を算出しなおすことができ、長期間のメンテナンスフリーを実現できる。

なお、上記の実施の形態では、算出された呼気中のエタノールガスの濃度を表示する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、算出したエタノールガス濃度と予め定めた閾値とを比較し、算出したエタノールガス濃度が閾値以上の場合にエタノールの濃度が高いと判定し、エンジンが始動できないようにする等の不正ができないように制御するようにしてもよい。

また、上記の実施の形態では、ドライバの呼気からエタノールを検出する場合について説明したが、エタノール濃度検出装置を携帯可能に構成する等により、本発明をドライバ以外の人間の呼気からエタノールを検出する場合にも適用することができる。

１０ エタノール濃度検出装置
２４Ａ アルコールセンサ
２４Ｂ 湿度センサ
２６ 表示装置
３０ エタノール濃度検出器
３２ 呼気判定部
３４ ベース値算出部
３６ 定数算出部
３８ 定数記憶部
４０ エタノール濃度算出部
４２ 表示制御部

Claims (2)

1. 検出対象の気体中に含まれる検出対象ガス及び前記検出対象の気体の湿度に対して感度を有し、前記検出対象ガスの濃度に関連する物理量及び前記湿度に関連する物理量に対応した物理量を検出して検出値を出力すると共に、該検出値が感度特性の変化に応じて変化するガス検出手段と、
   前記検出対象の気体の湿度に関連する物理量を検出して出力する湿度検出手段と、
   前記ガス検出手段及び前記湿度検出手段に前記検出対象の気体としての呼気が吹きかけられたか否かを判定する呼気判定手段と、
   前記ガス検出手段の検出値を対数変換した値を、前記検出対象ガスの濃度に関連する物理量を対数変換した値と感度特性に応じた第１の係数との積と、前記湿度に関連する物理量を対数変換した値と感度特性に応じた第２の係数との積と、感度特性に応じた定数とを用いて表すと共に、前記呼気判定手段で呼気が吹きかけられたと判定された場合に、前記湿度検出手段で検出された前記湿度に関連する物理量を用いて前記検出対象ガスの濃度を算出する濃度算出手段と、
   前記呼気判定手段で呼気が吹きかけられていないと判定された場合に、前記ガス検出手段の検出値を対数変換した値と、前記湿度検出手段で検出された湿度に関連する物理量を対数変換した値と前記第２の係数との積との差で表されるベース値を算出するベース値算出手段と、
   前記ベース値算出手段で算出されたベース値が予め定めた値より小さい場合に、前記濃度算出手段で用いられる前記定数を、前記ベース値算出手段で算出されたベース値と、前記ガス検出手段の検出対象ガスに対する定量限界濃度に関連する物理量を対数変換した値と前記第１の係数との積との差に更新する更新手段と、
   を含むガス検出装置。
2. 前記ガス検出手段の検出値を対数変換した値を、下記（１）式で表した請求項１記載のガス検出装置。
   

   

   ただし、Ｇはガス検出手段の検出値、Ｇａｓは検出対象ガスの濃度に関連する物理量、Ｈｕｍｉは湿度に関連する物理量、ａは前記第１の係数、ｂは前記第２の係数、ｃは前記定数である。

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