JP2023087774A - ガスセンサの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータの電力を抑制することによりガスセンサの消費電力を削減することができるガスセンサの制御装置を提供する。【解決手段】制御装置は、検知素子と検知素子を加熱するヒータとを内蔵するガスセンサを制御する。制御装置１００は、ヒータに通電するスイッチ素子１２２と、スイッチ素子１２２を間欠的に導通させる制御部１２１とを備える。好ましくは、制御部１２１は、ガスセンサで検知されたガス濃度（ＶＯＵＴ（＋））に応じてスイッチ素子１２２を間欠的に導通させる周期を変更する。より好ましくは、制御部１２１は、ガス濃度が閾値より高い場合に、スイッチ素子１２２を導通状態に維持する。【選択図】図２

Description

本開示は、ガスセンサの制御装置に関する。

近年、二酸化炭素などの温室効果ガスを排出しない燃料として水素が注目されている。水素をエネルギー源として使用する燃料電池自動車、水素自動車などでは、水素の漏洩の有無を確認する必要がある。このため、ガスセンサが使用される。

たとえば、特開２０１５－１２７６４２号公報には、ガス検出用の金属酸化物半導体膜とヒータとが設けられているガスセンサが開示されている。

特開２０１５－１２７６４２号公報

従来、ガスセンサをガス検知に好適な温度とするためにヒータが用いられている。しかしながら、近年車両用の素子は、省電力の要求が厳しくなっており、ヒータ温度の過熱による電力損失を防ぐ必要がある。

本開示のガスセンサの制御装置の目的は、ガスセンサを用いてガス濃度を検出する際に消費電力を低減させることである。

本開示は、検知素子と検知素子を加熱するヒータとを内蔵するガスセンサを制御する制御装置に関する。制御装置は、ヒータに通電するスイッチ素子と、スイッチ素子を間欠的に導通させる制御部とを備える。

好ましくは、制御部は、ガスセンサで検知されたガス濃度に応じてスイッチ素子を間欠的に導通させる周期を変更する。

より好ましくは、制御部は、ガス濃度が閾値より高い場合に、スイッチ素子を導通状態に維持する。

さらに好ましくは、制御部は、ガス濃度が閾値より高い濃度から閾値より低い濃度に変化した場合には、監視期間経過後にスイッチ素子を間欠的に導通させる動作を再開する。

より好ましくは、制御部は、ガス濃度が閾値より低い場合に行なう間欠動作のオン期間をオフ期間よりも短く設定する。

好ましくは、制御装置は、検知素子に直列に接続された負荷抵抗素子の端子間電圧と、検知素子の端子間電圧とを検出し、ガス濃度を示す信号を出力する濃度検知回路をさらに備える。

本開示に係るガスセンサの制御装置によれば、ヒータの電力を抑制することによりガスセンサの消費電力を削減することができる。

本実施の形態に従うガスセンサとガスセンサの制御装置の構成を示すプロック図である。 図１に示す電流供給部１２０の構成を示す図である。 図１に示す濃度検知回路１３０の構成例を示す図である。 本実施の形態における制御波形の一例を示す波形図である。 電流供給部１２０のマイコン１２３が実行する制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本実施の形態に従うガスセンサとガスセンサの制御装置の構成を示すプロック図である。図１には、ガスセンサ４およびガスセンサ４を制御する制御装置１００が示される。

ガスセンサ４は、センサユニット２と抵抗ＲＬとを含む。センサユニット２は、ヒータＲＨと検知素子ＲＳとを含む。ヒータＲＨに外部から電圧ＶＲＨが印加されると、ヒータＲＨは検知素子ＲＳを加熱する。

検知素子ＲＳは、特に限定されないが、たとえば、酸化物半導体式センサとすることができる。半導体式ガスセンサでは素子表面の酸素濃度の変化に応じて抵抗値が変化する。

数百度に加熱され空気中に置かれた検知素子は、水素のような還元性ガスと検知素子表面に吸着している酸素との間で反応が起こり酸素濃度が低下し抵抗値が小さくなる。還元性ガスを取り除くと、酸素濃度は従前の濃度まで増大し、抵抗値はガスに曝される前の大きさまで戻る。

検知素子ＲＳの抵抗値は次式（１）で求められる。
ＲＳ＝（ＶＣ／ＶＯＵＴ－１）×ＲＬ …（１）
式（１）において、ＲＳは検知素子ＲＳの抵抗値を示し、ＲＬは抵抗ＲＬの抵抗値を示し、ＶＣは端子電圧ＶＣ（＋）とＶＣ（－）の差を示し、ＶＯＵＴは端子電圧ＶＯＵＴ（＋）とＶＯＵＴ（－）の差を示す。なお、たとえばＶＣ＝５．０Ｖがガスセンサ４に供給される。

清浄大気中のセンサの抵抗値Ｒ０を予め測定しておき、抵抗変化率（ＲＳ／Ｒ０）に基づいてガス濃度を求めることができる。濃度検知回路１３０は、検知素子の抵抗値（ＲＳ）を算出し、抵抗変化率（ＲＳ／Ｒ０）を算出する。検出対象ガスの濃度と抵抗変化率との関係を予めマップで記憶しておくことにより、濃度検知回路１３０は、検知素子ＲＳの端子電圧ＶＣ（＋），ＶＯＵＴ（＋）に基づいてガス濃度を示す信号ＣＯＵＴを出力することができる。

検出対象ガスは、代表的には水素であるが、たとえば、一酸化炭素、エタノール、メタン、イソブタンなどであっても良い。

制御装置１００は、ガスセンサ４のヒータＲＨに電流を供給する電流供給部１２０と、ガスセンサ４の出力する電圧ＶＣおよびＶＯＵＴに基づき、ガス濃度を示す信号ＣＯＵＴを出力する濃度検知回路１３０とを備える。

図２は、図１に示す電流供給部１２０の構成を示す図である。電流供給部１２０は、スイッチ素子１２２と、スイッチ素子１２２の導通および非導通を制御する制御部１２１とを含む。スイッチ素子１２２は、ヒータＲＨと直列に接続される。スイッチ素子１２２は、たとえばＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（以下、ＦＥＴとも言う）とすることができる。制御部１２１は、たとえば、マイコン１２３と、プリドライバ１２４と、コンパレータ１２５とを含んで構成される。

マイコン１２３は、中央処理装置（ＣＰＵ）１２６と、メモリ１２７と、タイマー１２８とを含む。

図３は、図１に示す濃度検知回路１３０の構成例を示す図である。濃度検知回路１３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）１３１と、メモリ１３２と、Ａ／Ｄコンバータ１３３とを含む。

Ａ／Ｄコンバータ１３３は、端子電圧ＶＣ（＋）、ＶＣ（－）、ＶＯＵＴ（＋）、ＶＯＵＴ（－）を受けＡ／Ｄ変換を行ない、各々に対応するデジタル値をＣＰＵ１３１に出力する。ＣＰＵ１３１は、端子電圧ＶＣ（＋）とＶＣ（－）の差であるＶＣ、および端子電圧ＶＯＵＴ（＋）とＶＯＵＴ（－）の差であるＶＯＵＴを算出し、これを既出の式（１）に代入して検知素子ＲＳの抵抗値を求める。

ＣＰＵ１３１は、さらに、検知素子ＲＳの抵抗値を清浄大気中のセンサの抵抗値Ｒ０で除算して、抵抗変化率（ＲＳ／Ｒ０）を求める。

メモリ１３２は、予め実験的に求められた抵抗変化率と検出対象ガスの濃度との対応をマップとして記憶している。ＣＰＵ１３１は、メモリ１３２に記憶されているマップを参照して、算出した抵抗変化率に対応するガス濃度を得て、ガス濃度を示す信号ＣＯＵＴを出力する。

以上のように濃度検知回路１３０は、検知素子ＲＳの端子電圧ＶＣ（＋），ＶＯＵＴ（＋）に基づいてガス濃度を示す信号ＣＯＵＴを出力できる。

なお、濃度検知回路１３０と電流供給部１２０とを連動させることにより、ＦＥＴのＯＮ期間では、濃度検知回路１３０は信号ＣＯＵＴを更新し、ＦＥＴのＯＦＦ期間では、濃度検知回路１３０はＦＥＴのＯＮ期間の最後に更新された信号ＣＯＵＴを保持することが好ましい。

図４は、本実施の形態における制御波形の一例を示す波形図である。図４の時刻ｔ０～ｔ１に示すように、電流供給部１２０では、スイッチ素子１２２がオン期間Ｔｏｎの導通とオフ期間Ｔｏｆｆの非導通とを繰り返す。これにより、ヒータＲＨを間欠的に加熱してガスセンサ４によってガス濃度が一定時刻毎に観測される。

時刻ｔ１において、ガスが検出されると、電流供給部１２０では、スイッチ素子１２２が導通状態に固定され、ガス測定が連続的に実行される。これによって、時刻ｔ１～ｔ３の間はガス濃度の観測を詳細に行なうことができる。

ガス濃度の連続監視中に時刻ｔ２においてガスが検出されなくなると、監視期間Ｔｗの間はスイッチ素子１２２の導通状態が維持され、ガス濃度の監視が継続される。その間、ガス濃度が未検出であれば、時刻ｔ３以降は、再びスイッチ素子１２２を間欠的に導通されガス濃度が一定時刻毎に観測される。

図５は、電流供給部１２０のマイコン１２３が実行する制御を説明するためのフローチャートである。

マイコン１２３において、ＣＰＵ１２６は、まずステップＳ１において、スイッチ素子１２２をＯＮに設定し、ヒータＲＨを加熱してガスの濃度を検出する。そしてステップＳ２においてＣＰＵ１２６は、コンパレータ１２５がガスを検出したか否か、すなわちガス濃度が閾値を超えたか否かを判断する。

ガスが検出されない場合（Ｓ２でＮＯ）、ＣＰＵ１２６は、スイッチ素子１２２を導通開始してからオン期間Ｔｏｎが経過したか否かを判断する。オン期間Ｔｏｎが経過していない場合（Ｓ３でＮＯ）、再びステップＳ１以降の処理が実行される。この間は、スイッチ素子１２２はＯＮ状態のまま連続してガス濃度の検出が行なわれる。一方、オン期間Ｔｏｎが経過した場合（Ｓ３でＹＥＳ）、ステップＳ４において、ＣＰＵ１２６は、スイッチ素子１２２をオフに制御し、所定時間そのまま待機する。そしてステップＳ５において、ＣＰＵ１２６は、スイッチ素子１２２を非導通としてからオフ期間Ｔｏｆｆが経過したか否かを判断する。

オフ期間Ｔｏｆｆが経過していない場合（Ｓ５でＮＯ）、再びステップＳ４の処理が実行される。この間は、スイッチ素子１２２はオフ状態のまま継続して待機する。一方、オフ期間Ｔｏｆｆが経過した場合（Ｓ５でＹＥＳ）、再びステップＳ１からの処理が実行される。

以上のようにガスが検出されない間は、ステップＳ１～Ｓ５の処理によって、間欠的にヒータＲＨが通電され、図４の時刻ｔ０～ｔ１に示すように一定時間毎にガス濃度の検知が行なわれる。

一方、ステップＳ２においてガスが検出された、すなわち閾値を超えたガス濃度が検出された場合には、ステップＳ６において、スイッチ素子１２２をＯＮに設定し、ヒータＲＨを加熱してガスの濃度を検出する。そしてステップＳ７において、ＣＰＵ１２６は、コンパレータ１２５がガスの検出が継続しているか否か、すなわちガス濃度が閾値を超えた状態が継続しているか否かを判断する。

ガスが検出され続けている場合（Ｓ７でＹＥＳ）、図４の時刻ｔ１～ｔ２に示すようにステップＳ６の処理が継続して実行される。一方、ガスが検出されなくなった場合（Ｓ７でＮＯ）、ＣＰＵ１２６は、ガスが検出されない状態が監視期間Ｔｗ継続しているか否かを判断する。

監視期間Ｔｗが経過していない場合（Ｓ８でＮＯ）、ステップＳ６に処理が戻り、図４の時刻ｔ２～ｔ３に示すようにガスの連続監視が継続される。一方、ガスが検出されない状態が監視期間Ｔｗ継続した場合（Ｓ８でＹＥＳ）、ステップＳ４の処理に進み、再びステップＳ１～Ｓ５の処理によって間欠的にヒータＲＨが通電され、一定時間毎にガス濃度の検知が行なわれる。

なお、ステップＳ８の監視の継続は必ずしも行なわなくても良く、ステップＳ７でガスが検出されなくなった場合にすぐにステップＳ４に処理を進めても良い。

以上説明したように、本実施の形態のガスセンサの制御装置は、間欠的にヒータＲＨを加熱してガス濃度を測定するため、ヒータＲＨの消費電力を低減させることができる。

また、ガスが検出された場合には、間欠的なガス濃度の測定を連続的なガス濃度の測定に変更するため、必要な場合に細かくガス濃度を観測することができる。

なお、図２に示したＣＰＵ１２６と図３に示したＣＰＵ１３１とを１つのＣＰＵで実現しても良い。この場合には、メモリも共用しても良い。

以上の実施の形態について、再び図を参照して総括する。図１に示すように、本開示は、検知素子ＲＳと検知素子ＲＳを加熱するヒータＲＨとを内蔵するガスセンサ４を制御する制御装置１００に関する。制御装置１００は、ヒータＲＨに通電するスイッチ素子１２２と、スイッチ素子１２２を間欠的に導通させる制御部１２１とを備える。

好ましくは、制御部１２１は、ガスセンサで検知されたガス濃度（ＶＯＵＴ（＋））に応じてスイッチ素子１２２を間欠的に導通させる周期を変更する。

より好ましくは、制御部１２１は、ガス濃度が閾値より高い場合に、スイッチ素子１２２を導通状態に維持する。なお、連続的に導通状態にする代わりに、間欠的に導通させる頻度を増加させても良い。

さらに好ましくは、図４に示すように、制御部１２１は、ガス濃度が閾値より高い濃度から閾値より低い濃度に変化した場合には、監視期間Ｔｗ経過後にスイッチ素子１２２を間欠的に導通させる動作を再開する。

より好ましくは、制御部１２１は、ガス濃度が閾値より低い場合に行なう間欠動作のオン期間Ｔｏｎをオフ期間Ｔｏｆｆよりも短く設定する。これによって、ガスセンサの消費電力を大きく低減させることができる。

好ましくは、図１に示すように、ガスセンサの制御装置１００は、検知素子ＲＳの端子電圧ＶＣ（＋），ＶＯＵＴ（＋）に基づいてガス濃度を示す信号ＣＯＵＴを出力する濃度検知回路１３０をさらに備える。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ センサユニット、４ ガスセンサ、１００ 制御装置、１２０ 電流供給部、１２１ 制御部、１２２ スイッチ素子、１２３ マイコン、１２４ プリドライバ、１２５ コンパレータ、１２６，１３１ ＣＰＵ、１２７，１３２ メモリ、１２８ タイマー、１３０ 濃度検知回路、１３３ Ａ／Ｄコンバータ、ＲＨ ヒータ、ＲＬ 抵抗、ＲＳ 検知素子。

Claims (7)

1. 検知素子と前記検知素子を加熱するヒータとを内蔵するガスセンサを制御する制御装置であって、
   前記ヒータに通電するスイッチ素子と、
   前記スイッチ素子を間欠的に導通させる制御部とを備える、ガスセンサの制御装置。
2. 前記制御部は、前記ガスセンサで検知されたガス濃度に応じて前記スイッチ素子を間欠的に導通させる周期を変更する、請求項１に記載のガスセンサの制御装置。
3. 前記制御部は、前記ガス濃度が閾値より低い場合に行なう間欠動作のオン期間をオフ期間よりも短く設定する、請求項２に記載のガスセンサの制御装置。
4. 前記制御部は、前記ガス濃度が閾値より高い場合に、前記スイッチ素子を導通状態に維持する、請求項２に記載のガスセンサの制御装置。
5. 前記制御部は、前記ガス濃度が前記閾値より高い濃度から前記閾値より低い濃度に変化した場合には、監視期間経過後に前記スイッチ素子を間欠的に導通させる動作を再開する、請求項４に記載のガスセンサの制御装置。
6. 前記制御部は、前記ガス濃度が前記閾値より低い場合に行なう間欠動作のオン期間をオフ期間よりも短く設定する、請求項４または５に記載のガスセンサの制御装置。
7. 前記検知素子の端子電圧に基づいてガス濃度を示す信号を出力する濃度検知回路をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置。

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