(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体の加熱温度を、高温側と低温側の間で変化させながら、ガスを検出する方法において、
高温側から低温側への移行初期の、金属酸化物半導体の抵抗値のピークの生じる時間から、ガスセンサの異常を検出することを特徴とする、ガスセンサの異常検出方法。
【請求項２】
ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体の加熱温度を、高温側と低温側の間で変化させながら、ガスを検出する方法において、
高温側から低温側への移行初期の、金属酸化物半導体の抵抗値のピーク経過後の、金属酸化物半導体の抵抗値の減少速度からガスセンサの異常を検出することを特徴とする、ガスセンサの異常検出方法。
【請求項３】
ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体の加熱温度を、高温側と低温側の間で変化させながら、ガスを検出する方法において、
高温側から低温側への移行初期の、金属酸化物半導体の抵抗値のピーク幅からガスセンサの異常を検出することを特徴とする、ガスセンサの異常検出方法。
【請求項４】
ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体の加熱温度を、高温側と低温側の間で変化させながら、ガスを検出する方法において、
高温側から低温側への移行初期に生じる金属酸化物半導体の抵抗値のピークでの、ピーク付近の抵抗値と、低温側での金属酸化物半導体の抵抗値の安定値との、抵抗値の変化から、ガスセンサの異常を検出することを特徴とする、ガスセンサの異常検出方法。
【請求項５】
低温側の安定域で、金属酸化物半導体の抵抗値が所定値以下の場合に異常の検出を行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかのガスセンサの異常検出方法。
【請求項６】
ガスにより抵抗値の変化する金属酸化物半導体をヒータによりパルス的に加熱して、冷却時の金属酸化物半導体の抵抗値からＣＯを検出するようにした装置において、
冷却時の金属酸化物半導体の抵抗値が所定値以下であることを検出して、異常検出可能信号を発生するための手段と、
異常検出可能信号の発生時に、パルス加熱後の金属酸化物半導体の抵抗値のピーク付近での金属酸化物半導体の抵抗値と、ピーク通過後の金属酸化物半導体の抵抗値とを比較して、ガスセンサの異常の有無を検出するための異常検出手段とを設けたことを特徴とする、ガスセンサの異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の利用分野】
この発明は、ガスセンサの異常の検出に関する。
【０００２】
【従来技術】
金属酸化物半導体ガスセンサの異常検出のために、ガスセンサの抵抗値を監視する、あるいはヒータ電流を監視する等のことが知られている（例えば登録実用新案２５４７８５５）。従って、ガスセンサの抵抗値が異常に増加した、あるいはヒータが断線したなどの場合は、異常を検出できる。
【０００３】
【従来技術の問題点】
ガスセンサの異常が、抵抗値の異常増加やヒータ抵抗の変動などに現れない場合、異常の検出は困難である。従って従来技術でカバーしているのは、ガスセンサの異常の一部に過ぎない。
【０００４】
【発明の課題】
この発明の課題は、抵抗値の異常増加やヒータ抵抗の変動などに現れない、ガスセンサの異常を検出することにある（請求項１〜６）。
【０００５】
【発明の構成】
この発明のガスセンサの異常検出方法は、ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体の加熱温度を、高温側と低温側の間で変化させながら、ガスを検出する方法において、
高温側から低温側への移行初期の、金属酸化物半導体の抵抗値のピークの生じる時間から、ガスセンサの異常を検出することを特徴とする。
【０００６】
またこの発明では、ピーク経過後の、金属酸化物半導体の抵抗値の減少速度から異常を検出する。
またこの発明では、ピーク幅から異常を検出する。
またこの発明では、ピーク付近の抵抗値と、低温側での金属酸化物半導体の抵抗値の安定値との、抵抗値の変化から異常を検出する。
特に好ましくは、低温側の安定域で、金属酸化物半導体の抵抗値が所定値以下の場合に異常の検出を行い、例えば低温側の安定域で、金属酸化物半導体の抵抗値が所定値以下の場合に、次の温度サイクルから異常の検出を行う。
【０００７】
この発明のガスセンサの異常検出装置は、ガスにより抵抗値の変化する金属酸化物半導体をヒータによりパルス的に加熱して、冷却時の金属酸化物半導体の抵抗値からＣＯを検出するようにした装置において、冷却時の金属酸化物半導体の抵抗値が所定値以下であることを検出して、異常検出可能信号を発生するための手段と、異常検出可能信号の発生時に、パルス加熱後の金属酸化物半導体の抵抗値のピークの形状から異常の有無を検出するための異常検出手段とを設けたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の作用と効果】
この発明のガスセンサの異常検出方法では、高温側から低温側への移行初期に生じる、金属酸化物半導体の抵抗値のピーク形状が、ガスセンサの異常を示すことに着目する。この発明では、ガス感度がほとんど失われているような強い異常から、センサ出力のガス濃度依存性が失われ始めた弱い異常まで検出できる。
【００１０】
着目するピークの形状は、
1)  異常の発生に伴い、ピークの発生時期が遅れるので、ピークの生じる時間、
2)  異常の発生に伴い、ピーク経過後の金属酸化物半導体の抵抗値の減少速度が低下するので、ピーク経過後の金属酸化物半導体の抵抗値の減少速度、
3)  異常の発生に伴い、ピークの幅が広がるのでピーク幅、
4)  低温側で金属酸化物半導体の抵抗値が安定する安定域と、ピーク付近との間の抵抗値の変化（ダイナミックレンジ）、
などとする。
【００１１】
金属酸化物半導体の抵抗値を高温側と低温側に変化させると、清浄大気中では低温側への移行初期に抵抗値が無限大近くに増加することがあり、異常の検出は困難である。そこで低温側の安定域で金属酸化物半導体の抵抗値が所定値以下である場合に、異常の検出を行うことが好ましい。
【００１２】
この発明のガスセンサの異常検出装置では、ガスにより抵抗値の変化する金属酸化物半導体をヒータによりパルス的に加熱して、冷却時の金属酸化物半導体の抵抗値からＣＯを検出するようにした装置を対象として、冷却時の金属酸化物半導体の抵抗値が所定値以下であることから、異常の検出が可能であると判断し、この際に、パルス加熱後の金属酸化物半導体の抵抗値のピークの形状から異常の有無を検出する。
【００１３】
このようにすると、ピーク付近とピーク通過後の例えば２点での金属酸化物半導体の抵抗値を用いれば良く、ピーク位置を求めたり、ピーク幅を求めたりする必要が無く、簡単に異常を検出できる。
【００１４】
【実施例】
図１〜図９に実施例を示す。図１に実施例の回路構成を示すと、２はガスセンサで、ＲHはヒータ抵抗を表し、ＲSは金属酸化物半導体の抵抗値を表し、４は電池電源等の電源で、６，８は一対のスイッチで、スイッチ６はガスセンサ２の金属酸化物半導体に検出電圧を加えるためのもので、スイッチ８はヒータをパルス的にオンさせるためのものである。またＲLは、ガスセンサ２の金属酸化物半導体に直列に接続した負荷抵抗である。
【００１５】
電源４の出力を回路全体の電源とし、１０はマイクロコンピュータで、１２はＡＤコンバータ、１４はＣＯ検出部、１６は異常検出部、１８はヒータ制御部、２０はサンプリング制御部で、２２は警報部である。マイクロコンピュータ１０は、所定のタイミングでの金属酸化物半導体の抵抗値からＣＯの有無を検出し、異常検出部１６は例えばＣＯの検出用にサンプリングした金属酸化物半導体の抵抗値が所定値以下の場合に、異常の検出が可能であると判断する。異常検出部１６は、異常の検出が可能であると判断すると、サンプリング制御部２０を介してセンサ出力のサンプリング回数を増し、例えば低温側への移行初期のピーク付近とピーク経過後の２点でのサンプリングを追加する。異常検出部１６は、上記のようにしてサンプリングした金属酸化物半導体の抵抗値から、センサ特性の異常の有無を検出し、異常発生時に警報部２２にマル・ファンクションのフラグをセットする。
【００１６】
ガスセンサ２の動作パターンは、１秒周期で動作し、そのうち最初の１４ｍ秒の間ヒータをパルス的に発熱させて、ガスセンサの金属酸化物半導体を例えば３００℃強まで加熱し、その他の期間はヒータをオフして、金属酸化物半導体を室温付近に保つものである。そしてＣＯの検出には、次のパルス加熱の直前のセンサ出力を用いる。
【００１７】
ここでは金属酸化物半導体をパルス加熱し、大部分の期間で金属酸化物半導体を室温に保つものを示したが、ガスセンサ２の種類は金属酸化物半導体の温度変化を用いるものであればよく、室温まで冷却する必要はなく、例えば３００℃付近と１００℃付近との温度サイクルでも良い。また検出の対象はＣＯに限らず、ＣＯとメタンの双方や、ＣＯとＬＰＧの双方、アンモニア，硫化水素等でも良い。
【００１８】
図２に異常検出のアルゴリズムを示す。ガス検出装置は１秒周期で動作し、そのうち最初の１４ｍ秒の間パルス加熱する。パルス加熱が終了すると、異常検出が可能かどうかのフラグをチェックし、異常検出可能な場合、例えば４１ｍ秒目と８７ｍ秒目のセンサ信号をサンプリングする。そして４１ｍ秒目のセンサ抵抗と８７ｍ秒目のセンサ抵抗との比が、所定値Ｋ以下の場合に、異常が存在するものとする。好ましくは、１回の異常で外部にマル・ファンクションを報知せずに、異常検出部１６に設けたカウンタ等に異常である旨の信号を加算し、この値が所定値に達するとマル・ファンクションを報知する。また異常検出が可能でない場合、４１ｍ秒目や８７ｍ秒目のサンプリングは省略する。異常検出が可能であるが、４１ｍ秒目のセンサ抵抗と８７ｍ秒目のセンサ抵抗との比がＫよりも大きい場合、前記の異常検出用のカウンタの値を減算する。
【００１９】
ＣＯの検出は、周期の終了直前の例えば９９８ｍ秒目に行い、ここでセンサの抵抗値が所定値以下の場合、ＣＯが存在するものとして、ＣＯ濃度を積算して警報する。また９９８ｍ秒目でのセンサ抵抗が所定値Ｊ以下である場合に、異常の検出が可能であるとして、異常検出のフラグをセットし、センサ抵抗がＪよりも大きい場合、異常検出のフラグをリセットする。そして異常検出のフラグをセットすると、次回の周期で４１ｍ秒目と８７ｍ秒目のサンプリングを追加する。
【００２０】
図３は、正常なセンサと著しく異常なセンサとでの、ＣＯ中でのセンサ出力の波形を示している。以下において、用いたセンサは、絶縁基板上にヒータ膜を設け、ヒータ膜上に絶縁膜を介してＳｎＯ2膜を積層し、１秒間に１４ｍ秒間ヒータ膜をオンして、ＳｎＯ2膜を３００℃強に加熱し、他の期間は室温付近に保つようにしたものである。
【００２１】
上記のガスセンサを、大量のシリコンパテを使用した密閉室に長期間放置し、放置後にＣＯの警報濃度やＣＯ濃度依存性を検査して、異常なガスセンサを選別した。図３は、正常なガスセンサと、著しく異常なガスセンサ、各１個の典型的な波形を示している。図３において、４０ｍ秒目付近にピークが存在するのが正常なセンサの特性で、ピークがほぼ消滅しているのが異常なセンサの特性である。図は、図の上からＣＯ７０ppm、１５０ppm、４００ppm、１０００ppmでの波形を示し、異常センサではＣＯ濃度依存性がほとんど失われ、ＣＯ中での抵抗値も初期値よりも増加している。
【００２２】
図３に示すように、ＣＯの検出は次のパルス加熱の直前に行い、異常の検出には、パルス加熱終了後に生じる、金属酸化物半導体の抵抗値のピークの位置やピーク経過後の勾配（抵抗値の減少速度）、あるいはピークの幅、さらにはピーク付近の抵抗値と５００ｍ秒以降に生じる安定域での抵抗値の比（ダイナミック・レンジ）を用いる。
【００２３】
図４は図３と同じ特性を示し、図３での書き込みを省略したものである。正常なセンサと異常なセンサとを比較すると、ＣＯ検出時のセンサ抵抗には極端な差はなく、正常なセンサでは明確なピークを示すが、異常なセンサではこのピークがほぼ消えている。
【００２４】
図５は図４の特性を部分的に拡大したもので、図５の０ｍ秒から１４ｍ秒の間がパルス加熱に相当し、これ以降ガスセンサの温度は急激に低下して、数十ｍ秒で室温付近に達し、正常品では４０ｍ秒の付近にピークが生じ、異常品ではピークは弱く、その位置は８０ｍ秒付近にある。
【００２５】
図３〜図５は、強い異常の際の特性を示している。より重要なのは、弱い異常の際に検出ができるかどうかである。また図３〜図５のような強い異常が生じれば容易に異常を検出できるので、弱い異常の場合には異常を見逃すことも許される。
【００２６】
図６〜図９、並びに表１，表２にこのような際の特性を示す。用いたガスセンサは図３〜図５と同種のもので、別に行った同種の耐久試験で劣化したものをサンプルとした。図６〜図９において、細実線は正常なセンサの特性を示し、太実線は異常の生じたセンサの特性を示し、センサの個数は各１個で、太実線での黒点はサンプリング点を示している。
【００２７】
図６は上からＣＯ７０ppm中、１５０ppm中、４００ppm中、１０００ppm中の特性を示し、図７は図６を部分的に拡大したものである。
【００２８】
図６の場合、異常品でもＣＯの検出は可能であるが、出力のＣＯ濃度依存性が低下している。図７から明らかなように、異常品ではパルス加熱後のセンサ抵抗のピークがぼやけ、ピークの位置が後ろ側にずれ、ピークの幅も拡大し、ピーク通過後のセンサ抵抗の減少率も低下している。
【００２９】
図８，図９は、同じ正常品と異常品とに対し、ＣＯと水素との混合気中での特性を示している。水素が共存すると、パルス加熱後のセンサ抵抗のピーク波形は一般に鋭くなり、異常品の見逃し確率が増加する。図８，図９において、水素濃度とＣＯ濃度は常に同じ濃度で、ＣＯ濃度は７０ppm、１５０ppm、４００ppmの３種類である。
【００３０】
ＣＯと水素との混合気中でも、異常品ではパルス加熱後のピークの出現位置が後ろにずれ、ピークの幅が広がり、ピーク経過後のセンサ抵抗の減少率が小さくなっている。しかしながら図６〜図９から明らかなように、ピークとＣＯ検出時との間のセンサ抵抗の変化率は、弱い異常の場合、正常品と大差がない。
【００３１】
表１及び表２に、６個の正常センサ（センサ番号１〜４，１１，１２）と５個の異常センサ（センサ番号５，６、７，１３，１４）について、４１ｍ秒目のセンサ抵抗と８７ｍ秒目のセンサ抵抗との比を示す。正常センサも異常センサも、複数の製造ロットから抽出した。
【００３２】
【表１】
ガス濃度                    センサ抵抗の比        正常センサ
センサ番号                  １          ２          ３          ４  
ＣＯ70ppm                  3.783       4.647       4.442       4.185
ＣＯ150ppm                 4.492       5.290       4.973       4.702
ＣＯ400ppm                 4.158       5.533       5.339       4.901
ＣＯ1000ppm                3.191       5.152       5.554       3.750
ＣＯ70ppm＋Ｈ2 70ppm       3.205       3.784       3.729       3.458
ＣＯ150ppm＋Ｈ2 150ppm     3.137       3.633       3.623       3.322
ＣＯ400ppm＋Ｈ2 400ppm     3.096       3.789       3.896       3.445
ガス濃度               センサ抵抗の比       異常センサ
センサ番号                  ５             ６             ７    
ＣＯ70ppm                  1.471          1.366          1.424
ＣＯ150ppm                 1.668          1.852          1.772
ＣＯ400ppm                 1.547          1.642          1.579
ＣＯ1000ppm                1.358          1.319          1.321
ＣＯ70ppm＋Ｈ2 70ppm       2.095          2.095          2.149
ＣＯ150ppm＋Ｈ2 150ppm     2.263          2.306          2.402
ＣＯ400ppm＋Ｈ2 400ppm     2.127          2.154          2.165
【００３３】
【表２】
センサ抵抗の比
ガス濃度                  正常センサ                異常センサ
センサ番号                １１        １２           １３        １４
ＣＯ70ppm                4.017       4.191          1.638       2.006
ＣＯ150ppm               4.928       4.958          2.025       2.566
ＣＯ400ppm               5.397       5.070          1.539       2.100
ＣＯ1000ppm              4.380       4.022          1.207       1.552
ＣＯ70ppm＋Ｈ2 70ppm     3.379       3.630          2.227       2.468
ＣＯ150ppm＋Ｈ2 150ppm   3.236       3.337          2.361       2.539
ＣＯ400ppm＋Ｈ2 400ppm   3.799       3.468          2.092       2.234
【００３４】
表１，表２から明なように、４１ｍ秒目と８７ｍ秒目とのセンサ抵抗の比が、例えば３〜２以下で異常有りとすれば、いずれの場合も正常センサと異常センサとを区別できる。
【００３５】
表１，表２に示した測定法は、主としてピーク通過後のセンサ抵抗の減少率から異常を検出し、これ以外に異常センサではピークの位置が後ろ側にずれ込むことを加味している。そして表１，表２に示した検出方法が優れているのは、ピークの位置がどの時点で生じるか、あるいはピークの幅がどれだけであるか等の、ピークの形状を全体的に認識しなければ求められない特性を用いず、２点でのセンサ抵抗を用いるだけで異常の有無を検出できる点である。
【００３６】
実施例では特定のガスセンサについて異常の有無の検出を示したが、これに限るものではない。例えばパルス加熱型のＣＯセンサや温度変化型のＣＯセンサの場合、センサの形状が変化しても、パルス加熱の直後に強い抵抗値のピークが生じ、このピークの形が異常の有無によって変化することは共通であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】    実施例の回路構成を示すブロック図
【図２】    実施例での異常検出のアルゴリズムを示すフローチャート
【図３】    正常センサと異常センサとの１秒間の波形と、異常の検出に用いる特性とを示す特性図
【図４】    正常センサと異常センサとの１秒間の波形を示す特性図
【図５】    図４の−１０〜１００ｍ秒の区間を拡大して示す図
【図６】    正常センサと弱い異常を示したセンサの１秒間の波形を示す特性図
【図７】    図６の−１０〜１００ｍ秒の区間を拡大して示す図
【図８】    図６のセンサの、ＣＯ−水素混合気中での秒間の波形を示す特性図
【図９】    図８の−１０〜１００ｍ秒の区間を拡大して示す図
【符号の説明】
２        ガスセンサ
４        電源
６，８      スイッチ
１０        マイクロコンピュータ
１２        ＡＤコンバータ
１４        ＣＯ検出部
１６        異常検出部
１８        ヒータ制御部
２０        サンプリング制御部
２２        警報部
【図１】
0004248127.tif 000002
【図２】
0004248127.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004248127.tif 000007
【図７】
0004248127.tif 000008
【図８】
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【図９】
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