特許 5734105 酸素濃度検出装置及びアルコール検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5734105

(24)【登録日】2015年4月24日

(45)【発行日】2015年6月10日

(54)【発明の名称】酸素濃度検出装置及びアルコール検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/41 20060101AFI20150521BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20150521BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/46 325Z

   G01N27/46 321

   G01N27/46 336C

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-127128(P2011-127128)

(22)【出願日】2011年6月7日

(65)【公開番号】特開2012-251975(P2012-251975A)

(43)【公開日】2012年12月20日

【審査請求日】2014年5月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】501418498

【氏名又は名称】矢崎エナジーシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 孝

(72)【発明者】

【氏名】矢部 弘男

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 隆之

(72)【発明者】

【氏名】松島 知宏

(72)【発明者】

【氏名】渥美 文治

(72)【発明者】

【氏名】流石 岳史

【審査官】 黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５８−０６１４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１２４９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９１５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１２１９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５３０４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／００−２７／４９

Ｇ０１Ｎ ３３／４８−３３／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

限界電流式酸素濃度センサと、
前記限界電流式酸素濃度センサの近傍に配されたヒータ手段と、
前記ヒータ手段を含んで構成されたホイートストンブリッジ回路と、
電源から前記ホイートストンブリッジ回路への電流供給を制御する電流制御手段と、
前記ホイートストンブリッジ回路のブリッジに入力が接続され、前記電流制御手段を制御するオペアンプと、
前記限界電流式酸素濃度センサの検出値を取得するとともに、前記オペアンプによる制御状態が開始した後に、前記ヒータ手段に関する電圧が所定値に達した場合に、前記限界電流式酸素濃度センサの検出値を無効と判断する演算手段と
を備え、
前記ヒータ手段に関する電圧は、
前記ホイートストンブリッジ回路の上流側の端子と下流側の端子の間の電圧、または前記ホイートストンブリッジ回路において、前記ヒータ手段が配置される側の経路の前記ヒータ手段と抵抗との間の点と前記ホイートストンブリッジ回路の下流側の端子との間の電圧である
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。

【請求項2】

前記演算手段は、駆動開始後から前記オペアンプの制御状態に移る期間における前記ヒータ手段に関する電圧の最大値を前記所定値として用いることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度検出装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の酸素濃度検出装置と、
ユーザの呼気に含まれるアルコール濃度を検出するアルコールセンサと、
前記酸素濃度検出装置が検出した酸素濃度を用いて、前記アルコールセンサの検出結果を補正するとともに、前記酸素濃度検出装置の前記演算手段が、前記限界電流式酸素濃度センサの検出値を無効と判断した場合に、アルコール濃度の検出値が適正値でないと判断する判断手段と、
を備えることを特徴とするアルコール検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、酸素濃度検出装置及びアルコール検出装置に係り、ヒータ付き限界電流式の酸素濃度検出装置及びそのような酸素検出装置を備えたアルコール検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

飲酒運転防止のために、車両にアルコールインターロック装置が搭載されることがある。この装置では、一般的にはエンジン始動ごとにドライバがマウスピースを介して呼気をアルコール検出装置に吹き込み、アルコール濃度が所定以下であると判断されると、エンジン始動が可能となる。マウスピースを介して呼気を吹き込む方式（以下、「呼気吹き込み式」という）では、ドライバは、マウスピースの使用や、所定時間（例えば５秒）以上にわたって呼気を強く吹き込む必要があることに対して、煩わしさを感じることが多い。その課題を解決する技術として、呼気をセンシング装置に吹きかける方式（以下、「呼気吹きかけ式」という）がある。この種の装置では、一般に浅い呼吸や外気の巻き込みによって精度が悪化する傾向がある。そこで、吹きかけに伴う希釈呼気の定量化と終末呼気に関する課題を解決し簡易的なセンシングを実現するために、呼気中の酸素を補正ガスとして用いる技術が開示されている（特許文献１参照）。

【0003】

ここで、酸素濃度センサ（以下「O２センサ」ともいう）には幾つかのタイプがあるが、よく用いられるものとして限界電流式酸素濃度センサがある。そして、その種のO２センサの検出精度を所望に維持するために、O２センサ近傍にマイクロヒータを配してセンサ検出領域の温度を所定範囲に保つ技術がある（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２００８−８１７５７号公報

【特許文献2】特開昭５８−１２４９４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献２に開示の技術では、酸素濃度のセンシング部分の温度を一定に保持することで精度の高い検出が可能であるものの、酸素濃度のセンシング部分に強い呼気が吹き込まれると、センシング部分の温度を一定に保つことができなくなることがある。その場合、O２センサの出力値が狂ってしまい、酸素濃度を用いた呼気濃度の補正が適切に行うことができなくなり、最終的にはアルコール濃度の誤検出のおそれが生じるという課題があった。

【0006】

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決する技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある態様は、酸素濃度検出装置に関する。この酸素濃度検出装置は、限界電流式酸素濃度センサと、前記限界電流式酸素濃度センサの近傍に配されたヒータ手段と、前記ヒータ手段を含んで構成されたホイートストンブリッジ回路と、電源から前記ホイートストンブリッジ回路への電流供給を制御する電流制御手段と、前記ホイートストンブリッジ回路のブリッジに入力が接続され、前記電流制御手段を制御するオペアンプと、前記限界電流式酸素濃度センサの検出値を取得するとともに、前記オペアンプによる制御状態が開始した後に、前記ヒータ手段に関する電圧が所定値に達した場合に、前記限界電流式酸素濃度センサの検出値を無効と判断する演算手段とを備え、前記ヒータ手段に関する電圧は、前記ホイートストンブリッジ回路の上流側の端子と下流側の端子の間の電圧、または前記ホイートストンブリッジ回路において、前記ヒータ手段が配置される側の経路の前記ヒータ手段と抵抗との間の点と前記ホイートストンブリッジ回路の下流側の端子との間の電圧である。
また、前記演算手段は、駆動開始後から前記オペアンプの制御状態に移る期間における前記ヒータ手段に関する電圧の最大値を前記所定値として用いてもよい。
本発明の別の態様はアルコール検出装置に関する。このアルコール検出装置は、上記の酸素濃度検出装置と、ユーザの呼気に含まれるアルコール濃度を検出するアルコールセンサと、前記酸素濃度検出装置が検出した酸素濃度を用いて、前記アルコールセンサの検出結果を補正するとともに、前記酸素濃度検出装置の前記演算手段が、前記限界電流式酸素濃度センサの検出値を無効と判断した場合に、アルコール濃度の検出値が適正値でないと判断する判断手段と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、酸素濃度を用いたアルコール濃度の補正を適切に行うことができる技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る、アルコール検出装置の構成を示す図である。

【図2】実施形態に係る、ヒータ装置の構成を示す回路図である。

【図3】実施形態に係る、アルコール検出装置に空気を吹きかけた状態の実験データの一例を示すグラフである。

【図4】実施形態に係る、アルコール検出装置に空気を吹きかけた状態の実験データの一例を示すグラフである。

【図5】実施形態に係る、アルコール検出装置の動作を示すフローチャートである。

【図6】実施形態の変形例に係る、ヒータ装置を示す回路図である。

【図7】実施形態の変形例に係る、ヒータ装置を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照しつつ説明する。

【0011】

図１は、本実施形態に係るアルコール検出装置１０の概略構成を示す図である。アルコール検出装置１０は、車両のドライバ等のユーザが呼気を吹きかける呼気吹きかけ式であって、アルコールセンサ１２と、その他センサ１４と、Ｏ２センサ装置３０と、アルコール濃度表示部２５と、主制御部２０と、を備える。このアルコール検出装置１０は、アルコールセンサ１２で検出値に対して、補正ガスとしてＯ２センサ装置３０で検出した酸素濃度を反映させることで、アルコール検出誤差を低減する。補正ガスとして酸素を用いる技術に関しては、特許文献１に開示の技術を用いることができるので、詳細な説明は省略する。

【0012】

アルコールセンサ１２は、運転者の呼気からアルコールの濃度を検出する。その他センサ１４は、水蒸気センサや赤外センサであって、必要に応じてアルコールセンサ１２の検出値の補正に用いられる。

【0013】

Ｏ２センサ装置３０は、Ｏ２出力部３５と、ヒータ装置４０とを備える。Ｏ２出力部３５は、固定電解質を用いて酸素濃度を検出する一般的な酸素センサであって、ここでは、限界電流式酸素センサである。

【0014】

ヒータ装置４０は、Ｏ２出力部３５（限界電流式酸素センサ）の検出部分を所望の温度に保つものであって、図２で後述するマイクロヒータＭＨを備えている。

【0015】

主制御部２０は、アルコールセンサ１２、その他センサ１４、Ｏ２センサ装置３０の各出力値（検出値）を取得して、アルコール濃度を算定し、算定結果をアルコール濃度表示部２５に表示する。アルコール濃度表示部２５は、アルコール濃度の算定結果を、数字又は所定の色のランプ等で表示したり、また、アルコール検出動作状態を表示する。

【0016】

図２は、ヒータ装置４０の概略構成を例示する回路図である。図示のように、ヒータ装置４０は、マイクロヒータＭＨを備えるホイートストンブリッジ回路４５と、マイクロヒータＭＨに定電圧の電力を供給する電源Ｖ１と、電源Ｖ１からホイートストンブリッジ回路４５への電流を制御する電流制御トランジスタＱ１と、電流制御トランジスタＱ１への制御信号を出力するオペアンプＯＰ１とを備える。電源Ｖ１は、マイクロヒータＭＨを数百℃の一定温度に保持する十分な能力を備える。

【0017】

電流制御トランジスタＱ１は、ＰＮＰ型トランジスタであって、エミッタが電源Ｖ１に接続され、コレクタがホイートストンブリッジ回路４５に接続され、ベースがオペアンプＯＰ１の出力部に第４の抵抗Ｒ４を介して接続されている。

【0018】

ホイートストンブリッジ回路４５では、電流制御トランジスタＱ１のコレクタと接地の間に、２つのブリッジ経路が形成されている。より具体的には、一方のブリッジ経路は、第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２とを備える。他方のブリッジ経路は、マイクロヒータＭＨと第３の抵抗Ｒ３とを備える。ここで第１の抵抗Ｒ１とマイクロヒータＭＨは、電流制御トランジスタＱ１側に配置され、それぞれの一方の端点が電流制御トランジスタＱ１に延びる接点Ｂで接続されている。第２の抵抗Ｒ２と第３の抵抗Ｒ３は、接地側に配置され、それぞれが接地に延びる接点Ａで接続されている。なお、第１から第３の抵抗Ｒ１〜Ｒ３の値及びマイクロヒータＭＨの抵抗値は、マイクロヒータＭＨの動作温度が制御限界の上限値となる際に、接点Ｃと接点Ｄの電位が平衡するように設定される。

【0019】

マイクロヒータＭＨは、白金（Ｐｔ）の薄膜によって所望の形状に形成されたヒータである。マイクロヒータＭＨの常温での抵抗値は、所定の動作温度（数１００℃）に保持されている状態と比較して、１／３程度となる。このマイクロヒータＭＨは、Ｏ２出力部３５の酸素検出領域近傍に配置され、酸素検出領域を所望の温度に保持する。

【0020】

オペアンプＯＰ１は、ホイートストンブリッジ回路４５の不平衡電圧を検出及び増幅して電流制御トランジスタＱ１の動作を制御する。具体的には、オペアンプＯＰ１の非反転入力（＋）は、ホイートストンブリッジ回路４５の第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２の接続点である接点Ｄに接続される。また、オペアンプＯＰ１の反転入力（−）は、ホイートストンブリッジ回路４５のマイクロヒータＭＨと第３の抵抗Ｒ３の接続点である接点Ｃに接続される。なお、オペアンプＯＰ１の反転入力（−）と電源Ｖ１との間には、起動時に接点Ｃの電位を接点Ｄよりもわずかに高くして起動を確実にするための第５の抵抗Ｒ５が設けられている。オペアンプＯＰ１の仕様によっては、第５の抵抗Ｒ５を省くことができる。

【0021】

この構成によるヒータ装置４０において、ホイートストンブリッジ回路４５の上流側の電圧、つまり接点Ｂの電圧がヒータ電圧出力端子Ｏｕｔ＿Ｈに接続され、主制御部２０に出力される。

【0022】

以上の構成のヒータ装置４０の動作について、図３及び図４のグラフをさらに参照して説明する。ここでは、アルコール検出装置１０（Ｏ２センサ装置３０）に空気を吹きかけた状態の実験データを示し、呼気を吹きかけた際に課題となる点を説明する。各グラフでは、Ｏ２出力電圧、ヒータ電圧出力（接点Ｂ及び接点Ｃ）及びヒータ電流を示している。

【0023】

期間Ｔ１（図３）：
まず、図３の期間Ｔ１に示すように、ヒータ装置４０の電源Ｖ１をオンして、ホイートストンブリッジ回路４５へ電力供給を開始すると、室温状態となっているマイクロヒータＭＨへは、接点Ｄ及び接点Ｃの電位が同じ値となるまで、電源Ｖ１の最大能力にていわゆる突入電流が流れる。

【0024】

期間Ｔ２（図３）：
接点Ｄ及び接点Ｃの電位が同じ値になると、オペアンプＯＰ１は、電流制御トランジスタＱ１のオンオフ制御することで、ホイートストンブリッジ回路４５のブリッジ出力（接点Ｄ及び接点Ｃ）が一定値となり平衡するように制御する。

【0025】

なお、期間Ｔ１と期間Ｔ２の境界における電圧が、マイクロヒータＭＨに印加できる最大の電圧となる。したがって、期間Ｔ２で最大電圧を超えなければ、電源Ｖ１の能力範囲でヒータ温度がコントロールされることになる。

【0026】

ここで図３において、電源Ｖ１がオンした約８秒後（約時間１３ｓの時点）の期間Ｔ３及び１３秒後（約時間１８ｓの時点）の期間Ｔ４で、呼気をイメージして空気を吹きかけている。期間Ｔ３では、約２秒程度空気を吹きかけている。また、期間Ｔ４では、約２０秒程期間Ｔ３より弱く空気を吹きかけている。いずれの期間Ｔ３、Ｔ４でも、接点Ｂのヒータ電圧出力は、最大電圧を超えることがなく、Ｏ２出力電圧は略一定に維持されている。検出ガス（吹きかけたガス）は空気であるため、マイクロヒータＭＨの温度が安定していれば、図示のようにＯ２出力電圧は変化しない。

【0027】

期間Ｔ５（図４）：
図４のグラフに示すように、電源Ｖ１のオン後約８秒経過時に風速の速い空気を約２０秒程吹きかけている。空気を吹きかけてすぐに、接点Ｂのヒータ電圧出力は、最大電圧に達したままその値に張り付き、マイクロヒータＭＨの温度をコントロールすることができなくなっている。検出ガスが空気であることから本来一定のはずのＯ２出力電圧が、グラフに示すように、マイクロヒータＭＨの温度が低下することで、低下している。したがって、酸素濃度の検出が不正確になり、アルコールセンサ１２の検出値への補正が適正に行うことができず、アルコール濃度の検出が不正確になるという課題が生じる。

【0028】

そこで、図５のフローチャートの処理を主制御部２０が行うことで、不正確なアルコール検出状態か否かを判断し、不正確な検出状態の場合は検出値を無効として扱う。

【0029】

電源Ｖ１をオンしてヒータ装置４０の起動時動作が開始すると、主制御部２０は接点Ｂのヒータ電圧出力Ｖｂをモニタリングし、上述した期間Ｔ１が期間Ｔ２に移る境界を特定し、その時点の電圧を最大電圧Ｖｂ＿ｍａｘとして設定する（Ｓ１０）。このとき、主制御部２０は、Ｏ２出力電圧を参照して、前述の境界を特定しても良い。また、最大電圧Ｖｂ＿ｍａｘとして、あらかじめ所定の固定値が設定されてもよい。

【0030】

期間Ｔ２に入ると、Ｓ１２〜Ｓ２０の各処理をループする処理が開始し、電源オフ等による割り込みが発生しない限り継続される。具体的には、主制御部２０は、接点Ｂのヒータ電圧出力Ｖｂが最大電圧Ｖｂ＿ｍａｘ未満であるか否かを判断する（Ｓ１２）。最大電圧Ｖｂ＿ｍａｘ未満である場合（Ｓ１２のＹ）、主制御部２０は、Ｏ２出力部３５の検出値（Ｏ２センサ出力）を有効であると判断し（Ｓ１４）、その検出値をアルコールセンサ１２の検出結果に反映させる補正処理を行いアルコール濃度を算定し、アルコール濃度表示部２５に算定されたアルコール濃度を表示する（Ｓ１６）。

【0031】

一方、最大電圧Ｖｂ＿ｍａｘに達していると判断した場合（Ｓ１２のＮ）、主制御部２０は、Ｏ２出力部３５の検出値（Ｏ２センサ出力）を無効であると判断し（Ｓ１８）、適正にアルコール濃度を検出できない旨の警告をアルコール濃度表示部２５に表示する（Ｓ２０）。このとき、音声による警告がなされてもよい。

【0032】

以上、本実施形態によると、接点Ｂのヒータ電圧出力Ｖｂをモニタリングすることで、オペアンプＯＰ１がコントロール開始した以降に最大電圧Ｖｂ＿ｍａｘに達した場合には、マイクロヒータＭＨの温度がコントロール範囲外であることを判断できる。さらに、その場合のＯ２出力部３５の検出値を無効とすること、酸素濃度を誤検知することを回避することができる。さらに、誤検知した酸素濃度をアルコール濃度の検出に使用しないので、誤ったアルコール濃度を示すことを回避することができる。つまり、精度の高いＯ２センサを実現することができ、吹き込み式のアルコール検出装置１０において、アルコール濃度を高精度に検知することができる。

【0033】

なお、接点Ｃのヒータ電圧出力をモニタリングすることでも同様の処理が可能であるが、期間Ｔ１と期間Ｔ２の境界を判断することが必要となる。その場合、電源Ｖ１のオン後所定時間経過したときに、期間Ｔ２に移ったと判断しても良いし、Ｏ２出力部３５の検出値を参照してもよい。

【0034】

以上、本発明を実施形態を基に説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せ、さらに各プロセスにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。そのような変形例を次に示す。

【0035】

図６は、変形例に係るヒータ装置４０ａを示す図である。このヒータ装置４０ａは、ブリッジ経路上のマイクロヒータＭＨが、第３の抵抗Ｒ３と入れ替わり接地側に配置されているものである。本変形例でも、接点Ｂの代わりに接点Ｃがモニタリングされてもよい。図７は、別の変形例に係るヒータ装置４０ｂを示す図である。このヒータ装置４０ｂは、電流制御トランジスタＱ１１としてＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いたものである。上記の各変形例にあっても、実施形態と同様の効果が得られる。

【符号の説明】

【0036】

１０ アルコール検出装置
１２ アルコールセンサ
１４ その他センサ
２０ 主制御部
２５ アルコール濃度表示部
３０ Ｏ２センサ装置
３５ Ｏ２出力部
４０、４０ａ、４０ｂ ヒータ装置
４５ ホイートストンブリッジ回路
Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗
Ｑ１、Ｑ１１ 電流制御トランジスタ
ＯＰ１ オペアンプ
ＭＨ マイクロヒータ
Ｖ１ 電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】