JP2023089668A - Control device for gas sensors - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、ガスセンサの制御装置に関する。 The present disclosure relates to a gas sensor control device.
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。 In recent years, hydrogen has attracted attention as a fuel that does not emit greenhouse gases such as carbon dioxide. In fuel cell vehicles, hydrogen vehicles, etc., which use hydrogen as an energy source, it is necessary to check for hydrogen leakage. Gas sensors are used for this purpose.
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。 For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2015-127642 discloses a gas sensor provided with a metal oxide semiconductor film for gas detection and a heater.
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。 Conventionally, a heater is used to bring the gas sensor to a temperature suitable for gas detection. However, in recent years, demand for power saving has been increasing for devices for vehicles, and it is necessary to prevent power loss due to overheating of the heater temperature.
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。 An object of the gas sensor control device of the present disclosure is to reduce power consumption when detecting gas concentration using a gas sensor.
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。ガスセンサの制御装置は、ヒータに流れる電流を検出する電流検知部と、電流検知部で検知された電流に基づいて、ヒータに供給する電流を制御する電流供給部とを備える。 The present disclosure relates to a control device that controls a gas sensor that incorporates a sensing element and a heater that heats the sensing element. A control device for the gas sensor includes a current detection section that detects current flowing through the heater, and a current supply section that controls the current supplied to the heater based on the current detected by the current detection section.
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。 According to the gas sensor control device according to the present disclosure, the power consumption of the gas sensor can be reduced by suppressing the power of the heater.
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。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1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ブロック図である。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。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a gas sensor and a control device for the gas sensor according to the first embodiment. FIG. 1 shows a
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。 Although the sensing element RS is not particularly limited, it can be an oxide semiconductor sensor, for example. In the semiconductor type gas sensor, the resistance value changes according to the change in the oxygen concentration on the surface of the element.
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。 When the sensing element is heated to several hundred degrees and placed in the air, a reaction occurs between a reducing gas such as hydrogen and oxygen adsorbed on the surface of the sensing element, reducing the oxygen concentration and reducing the resistance value. When the reducing gas is removed, the oxygen concentration increases to its pre-existing concentration and the resistance returns to its pre-exposure value.
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。
The resistance value of the sensing element RS is obtained by the following equation (1).
RS=(VC/VOUT-1)×RL (1)
In equation (1), RS indicates the resistance value of the sensing element RS, RL indicates the resistance value of the resistor RL, VC indicates the difference between the terminal voltages VC(+) and VC(-), and VOUT indicates the terminal voltage VOUT. It shows the difference between (+) and VOUT(-). VC=5.0 V is supplied to the
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。
By measuring the resistance value R0 of the sensor in clean air in advance, the gas concentration can be obtained based on the rate of change in resistance (RS/R0). The
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。 The gas to be detected is typically hydrogen, but may be carbon monoxide, ethanol, methane, isobutane, or the like.
図2は、実施の形態1における電流検知部と電流供給部の構成を示す図である。電流検知部110は、コンパレータ111,112と、エッジ検出部113とを含む。
FIG. 2 is a diagram showing configurations of a current detection unit and a current supply unit according to the first embodiment.
電流供給部120は、スイッチ素子123と、電流検知部110で検知された電流IHに基づいて、スイッチ素子123の導通および非導通を制御する制御回路125とを含む。スイッチ素子123は、負荷抵抗素子RDおよびヒータRHと直列に接続される。スイッチ素子123は、たとえばPチャネル型MOSFETとすることができる。制御回路125は、たとえば、タイマー121と、プリドライバ122と、コンパレータ124とを含んで構成される。
図3は、実施の形態1における制御波形の一例を示す波形図である。図3に示すように、電流供給部120では、スイッチ素子123であるFETがONとOFFとを繰り返すことにより、ヒータRHの温度が300℃~400℃付近になるようにヒータRHに対する電流の供給を制御する。
FIG. 3 is a waveform diagram showing an example of control waveforms according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, the
図4は、ヒータの線材の温度による抵抗変化の特性を示す図である。図5は、温度とヒータに流れる電流との関係を示す図である。図4に示すように、ヒータRHの線材は、温度が上昇すると抵抗値が増加する特性を有する。したがって、図2の電圧VHが一定である場合には、図5に示すように温度が高いほどヒータRHに流れる電流値は減少する。したがって、ヒータRHに流れる電流を検出すれば、ヒータRHの温度を検出することができる。 FIG. 4 is a diagram showing characteristics of resistance change depending on the temperature of the wire rod of the heater. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the temperature and the current flowing through the heater. As shown in FIG. 4, the wire of the heater RH has a characteristic that the resistance value increases as the temperature rises. Therefore, when the voltage VH in FIG. 2 is constant, the current value flowing through the heater RH decreases as the temperature increases, as shown in FIG. Therefore, the temperature of the heater RH can be detected by detecting the current flowing through the heater RH.
スイッチ素子123であるFETのON期間には、ヒータに流れる電流IHに比例して負荷抵抗素子RDには電圧降下V(IH)が生じる。
During the ON period of the FET, which is the
図5に示すように、温度400℃に対応する電流値をIREFaとし、温度300℃に対応する電流値をIREFbとする。また、負荷抵抗素子RDに電流値IREFaが流れたときの電圧V(IREFa)とし、負荷抵抗素子RDに電流値IREFbが流れたときの電圧V(IREFb)とする。 As shown in FIG. 5, the current value corresponding to a temperature of 400° C. is IREFa, and the current value corresponding to a temperature of 300° C. is IREFb. It is also assumed that the voltage is V(IREFa) when the current value IREFa flows through the load resistance element RD, and the voltage is V(IREFb) when the current value IREFb flows through the load resistance element RD.
スイッチ素子123であるFETがONしている場合、ヒータの温度が300℃から400℃に向けて上昇する。この間、コンパレータ111およびコンパレータ112で負荷抵抗素子RDの電圧と閾値V(IREFa)、V(IREFb)とを比較する。
When the FET, which is the
エッジ検出部113がコンパレータ111,112の出力の変化からエッジを検出することにより、ローアクティブの信号C1,C2を出力する。タイマー121は、信号C2が変化してから信号C1が変化するまでの時間をカウントすることにより、スイッチ素子123であるFETのON期間を決定する。また、信号C1が出力されたときにスイッチ素子123をOFFとし、初期設定された時間をカウントした後に、再びスイッチ素子123をONとして信号C1,C2を観測する。このとき、FETのON期間の初期に信号C2が観測できるようであればOFF期間が適切である。また、FETのON期間に信号C2が観測できなければ、OFF期間が短すぎて温度が400℃寄りに偏っている。また、FETのON期間の開始から信号C2の観測までに時間がかかりすぎるようであれば、OFF期間が長過ぎて温度が300℃より低くなってしまう期間が多すぎる。
The edge detection unit 113 detects edges from changes in the outputs of the
したがって、タイマー121は、信号C1,C2を観測しながら、ON期間およびOFF期間を増減させ、図3に示すようにヒータ温度が300℃~400℃の範囲に収まるようにON期間およびOFF期間を設定する。
Therefore, the
ガスが検出されていない場合には、図3のようにFETのON期間にガス濃度検知を行ない、OFF期間には休止期間とすることによって、ヒータの消費電力を低減させることができる。 When gas is not detected, the power consumption of the heater can be reduced by detecting the gas concentration during the ON period of the FET as shown in FIG.
また、ガスが検出された場合には、図2のコンパレータ124がプリドライバ122を強制的に駆動し、スイッチ素子123を常時ON状態に変化させる。このため、ガス濃度を連続的に監視することが可能となる。
Further, when gas is detected, the
このようにすれば、ガス漏れの可能性が高い場合にはガス検知頻度を増加させることにより、詳細なガス濃度の観測ができる。 In this way, when the possibility of gas leakage is high, the gas concentration can be observed in detail by increasing the gas detection frequency.
図6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。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of the
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。
A/
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。
The
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。
The
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を出力することができる。
As described above, the
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。
By interlocking the
[実施の形態2]
ヒータに電流が流れていないと温度を測定できないため、実施の形態1では、タイマーを使用して、スイッチ素子123のON/OFF期間を設定した。しかし、スイッチ素子123のOFF期間にごく短時間のON期間を定期的に設けることにより、ヒータの温度を下げつつ温度の監視をすることができる。このようにすれば、タイマーを使用しなくても、ヒータ温度が400℃に到達すればON期間を終了させ、ヒータ温度が300℃よりも低くなればOFF期間を終了させれば良い。
[Embodiment 2]
Since the temperature cannot be measured unless current is flowing through the heater, in the first embodiment, a timer is used to set the ON/OFF period of the
実施の形態2のガスセンサの制御装置は、図1の制御装置100の構成において、電流検知部110に代えて電流検知部110Aを備え、電流供給部120に代えて電流供給部120Aを備える。濃度検知回路130については、図6に示した構成と同様であるので、説明は繰り返さない。
The gas sensor control apparatus of the second embodiment includes a
図7は、実施の形態2における電流検知部110A、電流供給部120Aの構成を示す図である。電流検知部110Aは、A/Dコンバータ111Aを備える。電流供給部120Aは、制御回路125Aと、スイッチ素子123とを備える。制御回路125Aは、CPU121Aと、メモリ126Aと、プリドライバ122と、コンパレータ124とを含む。
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of a
A/Dコンバータ111Aは、負荷抵抗素子RDの両端の電圧をA/D変換し、CPU121Aに出力する。CPU121Aは、A/Dコンバータ111Aの出力を受けて、負荷抵抗素子RDに印加される電圧を抵抗値で除算することにより、ヒータRHに流れる電流を演算し、メモリ126Aに記憶されている抵抗変化率と温度との関係を示すマップからヒータRHの温度を検出する。CPU121Aは、検出したヒータRHの温度に基づいて、プリドライバ122に対して駆動信号を出力する。
The A/
図8は、実施の形態2における制御波形の一例を示す波形図である。図9は、電流検知部110A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。
FIG. 8 is a waveform diagram showing an example of control waveforms according to the second embodiment. FIG. 9 is a flowchart for explaining the control executed by the
電流検知部110Aは、まずステップS1において、スイッチ素子123をONに設定し、流れる電流からヒータRHの温度を測定する。そしてステップS2において電流検知部110Aは、ヒータRHの温度Tが閾値TH(たとえば400℃)より高いか否かを判断する。温度Tが閾値TH以下である場合には(S2でNO)、電流検知部110Aは、再びステップS1の処理を実行する。このようにして、ヒータRHの温度Tが閾値THを超えるまでは、図8に示されるように、スイッチ素子123はON状態とされる。
110 A of electric current detection parts set the
ヒータRHの温度Tが閾値THより高くなると(S2でYES)、ステップS3において、電流検知部110Aは、スイッチ素子123をOFFとしてそのまま一定時間待つ。これによって、ヒータRHの温度は低下する。そしてステップS4において、電流検知部110Aは、スイッチ素子123をONに設定し、流れる電流からヒータRHの温度を測定する。つづいて、ステップS5において電流検知部110Aは、ヒータRHの温度Tが閾値TL(たとえば300℃)より低いか否かを判断する。温度Tが閾値TL以上である場合には(S5でNO)、電流検知部110Aは、再びステップS3,S4の処理を実行する。このようにして、図8のOFF期間に示すように、ヒータRHの温度Tは、THからTLまで次第に下がっていく。その間、定期的にスイッチ素子123が短時間ONにされて、ヒータRHの温度変化が監視される。
When the temperature T of the heater RH becomes higher than the threshold TH (YES in S2), in step S3, the
ヒータRHの温度Tが閾値TLより低くなった場合には(S5でYES)、電流検知部110Aは、再びステップS1以下の処理を繰り返す。
When the temperature T of the heater RH becomes lower than the threshold value TL (YES in S5), the
実施の形態2に示したガスセンサの制御装置も、実施の形態1と同様に、ヒータRHの消費電力を低減させることができる。 The gas sensor control device shown in the second embodiment can also reduce the power consumption of the heater RH as in the first embodiment.
なお、実施の形態2では、図6に示したCPUと図7に示したCPU121Aとを1つのCPUで実現しても良い。この場合には、メモリおよびA/Dコンバータも共用しても良い。
In the second embodiment, the CPU shown in FIG. 6 and the
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。ガスセンサ4の制御装置100は、ヒータRHに流れる電流を検出する電流検知部110と、ヒータRHに電流を供給する時間とヒータRHに電流を供給しない時間とを決定する電流供給部120とを備える。
The above embodiments will be summarized with reference to the drawings again. As shown in FIG. 1, the present disclosure relates to a
好ましくは、図2、図7に示すように、電流供給部120は、スイッチ素子123と、電流検知部110で検知された電流IHに基づいて、スイッチ素子123の導通および非導通を制御する制御回路125,125Aとを含む。
Preferably, as shown in FIGS. 2 and 7, the
より好ましくは、図2~図5に示すように、制御装置100は、スイッチ素子123が導通し、ヒータRHに電流が供給されている場合にヒータRHに流れる電流が一定範囲IREFa~IREFbに収まるように、スイッチ素子123の導通時間および非導通時間を制御する。
More preferably, as shown in FIGS. 2 to 5, the
より好ましくは、図7に示すように、電流検知部110Aは、ヒータRHおよびスイッチ素子123に直列に接続された負荷抵抗素子RDの電圧を測定する電圧検知部(A/Dコンバータ111A)を含む。
More preferably, as shown in FIG. 7,
より好ましくは、制御回路125,125Aは、ガスセンサがガスを検知した場合には、ガスセンサがガスを検知していない場合と比べて、ヒータRHに電流を供給しない時間を増加し、前記ヒータに電流を供給する時間を減らす。すなわち、コンパレータ124がガスを検知した場合にスイッチ素子123を導通させ、ヒータRHに電流を流すことによって、このような制御が実現される。
More preferably, the
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。
Preferably, as shown in FIG. 1, the gas
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。 The embodiments disclosed this time should be considered as examples and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the description of the above-described embodiments, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
2 センサユニット、4 ガスセンサ、100 制御装置、110,110A 電流検知部、111,112,124 コンパレータ、121A,131 CPU、126A,132 メモリ、113 エッジ検出部、111A,133 A/Dコンバータ、120,120A 電流供給部、121 タイマー、122 プリドライバ、123 スイッチ素子、130 濃度検知回路、RD 負荷抵抗素子、RH ヒータ、RL 抵抗、RS 検知素子。 2 sensor unit, 4 gas sensor, 100 control device, 110, 110A current detector, 111, 112, 124 comparator, 121A, 131 CPU, 126A, 132 memory, 113 edge detector, 111A, 133 A/D converter, 120, 120A current supply unit, 121 timer, 122 pre-driver, 123 switch element, 130 concentration detection circuit, RD load resistance element, RH heater, RL resistor, RS detection element.
Claims (6)
前記ヒータに流れる電流を検出する電流検知部と、
前記電流検知部で検知された電流に基づいて、前記ヒータに電流を供給する時間と前記ヒータに電流を供給しない時間とを決定する電流供給部とを備える、ガスセンサの制御装置。 A control device for controlling a gas sensor containing a detection element and a heater for heating the detection element,
a current detection unit that detects a current flowing through the heater;
A control device for a gas sensor, comprising: a current supply unit that determines a time during which current is supplied to the heater and a time during which current is not supplied to the heater, based on the current detected by the current detection unit.
スイッチ素子と、
前記電流検知部で検知された電流に基づいて、前記スイッチ素子の導通および非導通を制御する制御回路とを含む、請求項1に記載のガスセンサの制御装置。 The current supply unit
a switch element;
2. The gas sensor control device according to claim 1, further comprising a control circuit for controlling conduction and non-conduction of said switch element based on the current detected by said current detection section.
前記ヒータおよび前記スイッチ素子に直列に接続された負荷抵抗素子の電圧を測定する電圧検知部を含む、請求項2~4のいずれか1項に記載のガスセンサの制御装置。 The current detection unit is
5. The gas sensor control device according to claim 2, further comprising a voltage detection section for measuring a voltage of a load resistance element connected in series with said heater and said switch element.
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