(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出雰囲気中の湿気を吸着する活性炭フィルタ及びこの活性炭フィルタを通過した検出雰囲気中の検出対象ガスに感応する酸化物半導体よりなるガス検出素子を内蔵したガスセンサと、
前記ガスセンサの外部又は内部の雰囲気温度に応じた信号を出力する温度検出素子と、
前記温度検出素子の出力に基づいて前記ガス検出素子の近傍の検出雰囲気の絶対湿度に応じた湿度補正値を演算する湿度補正値演算手段と、
前記ガス検出素子の検出値を前記湿度補正値で補正する湿度補正手段と
を備え、
前記湿度補正値演算手段は、前記活性炭フィルタによって前記ガス検出素子の近傍の検出雰囲気の相対湿度をほぼ一定に保った状態で、前記温度検出素子の出力に基づいて雰囲気温度を検出し、その雰囲気温度に基づいて前記ガス検出素子の近傍の検出雰囲気の絶対湿度を算出することを特徴とするガス検出装置。
【請求項２】
前記湿度補正値演算手段は、前記温度検出素子の現在の出力と現在までの出力平均値とに基づいて前記湿度補正値を演算することを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
【請求項３】
前記湿度補正値演算手段は、前記温度検出素子の現在の出力と現在までの出力平均値との比に基づいて前記湿度補正値を演算することを特徴とする請求項２に記載のガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雰囲気中の検出対象ガスをガスセンサで検出するガス検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車や屋内等で使用される空気清浄器において、自動運転を行うものでは、煙草の煙り等を検出するガスセンサを設け、室内雰囲気中の煙り等の濃度が高くなったとき（つまりガスセンサの検出ガス濃度が判定レベルを越えたとき）、自動的に空気清浄器の運転を開始するようにしている。一般に、ガスセンサの検出ガス濃度は、検出雰囲気中の湿度の変化によって変化するため、ガスセンサのセンサハウジング内に、検出雰囲気中の湿気を吸着する活性炭フィルタを設け、この活性炭フィルタを通過した検出雰囲気中のガス濃度を半導体式のガス検出素子で検出するようにしたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガス検出素子は、絶対湿度（単位体積の雰囲気中の水分の重量）の影響を強く受け、絶対湿度が変化すると、ガス検出素子の出力が変化するという特性がある。
【０００４】
一方、ガスセンサ内の活性炭フィルタは、ガス検出素子近傍の検出雰囲気の相対湿度（飽和蒸気圧に対する実際の蒸気圧の比率）を一定に保つように作用する。このため、雰囲気温度が変化すると、ガス検出素子近傍の検出雰囲気の相対湿度は一定に保たれるが、絶対湿度は雰囲気温度の変化に伴って変化してしまう（図５及び図６参照）。例えば、雰囲気温度が上昇すると、相対湿度が低下し、その湿度低下分の湿気を補うべく、活性炭フィルタから水分が離脱して相対湿度を一定に保とうとするため、絶対湿度は、活性炭フィルタから離脱した水分量によって上昇する。このため、雰囲気温度の上昇によってガス検出素子の出力が変化してしまい、検出精度が低下するという欠点がある。
【０００５】
尚、特開平２−３０４３４２号公報、実開平５−６４７６２号公報に示すように、ガスセンサにサーミスタ等の温度検出素子を設けて、ガス検出素子の温度特性を補償する技術があるが、現在、市場に出回っている半導体式のガス検出素子は、温度特性による出力変化が少なく、絶対湿度の影響の方が遥かに大きい。従って、ガス検出素子の温度特性を補償しても、絶対湿度の影響を排除しなければ、十分な検出精度を確保することができない。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、絶対湿度の影響を排除することができて、検出精度を向上することができるガス検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１のガス検出装置は、活性炭フィルタを内蔵したガスセンサを用い、このガスセンサの外部又は内部に設置した温度検出素子の出力に基づいて、酸化物半導体よりなるガス検出素子の近傍の検出雰囲気の絶対湿度に応じた湿度補正値を湿度補正値演算手段により演算し、湿度補正手段によって前記ガス検出素子の検出値を前記湿度補正値で補正する。この際、前記湿度補正値演算手段は、前記活性炭フィルタによって前記ガス検出素子の近傍の検出雰囲気の相対湿度をほぼ一定に保った状態で、前記温度検出素子の出力に基づいて雰囲気温度を検出し、その雰囲気温度に基づいて前記ガス検出素子の近傍の検出雰囲気の絶対湿度を算出する。つまり、ガス検出素子の近傍の検出雰囲気は、温度が変化しても、活性炭フィルタによって相対湿度がほぼ一定に保たれるため、雰囲気温度の変化を測定すれば、絶対湿度の変化を推定することが可能であり、ひいてはガス検出素子の出力変化（湿度補正値）を推定することが可能である。本発明は、この原理を利用し、温度検出素子の出力から湿度補正値を演算してガス検出素子の検出値を補正するので、絶対湿度の影響を排除することができて、検出精度を向上することができる。
【０００８】
この場合、請求項２のように、温度検出素子の現在の出力と現在までの出力平均値とに基づいて湿度補正値を演算するようにしても良い。このように、温度検出素子の現在の出力と現在までの出力平均値とを用いれば、温度検出素子の出力に重畳するノイズ等の影響を抑えながら、現在の雰囲気温度の変化ひいては絶対湿度の変化を精度良く推定することができ、湿度補正値の演算精度を向上することができる。
【０００９】
更に、請求項３のように、温度検出素子の現在の出力と現在までの出力平均値との比に基づいて湿度補正値を演算するようにしても良い。このようにすれば、簡単な処理で、精度の良い湿度補正値を演算することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を車載用の空気清浄器のガス検出装置に適用した一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１及び図２に基づいてガスセンサ１１の構成を説明する。ガスセンサ１１のセンサハウジング１２は、樹脂により筒状に形成され、その内部には、センサ部１３と、その上方に検出空間１４を形成する筒状のスペーサ１５を介して活性炭フィルタ１６が収納されている。活性炭フィルタ１６は、センサハウジング１２の上面部に形成された開口部１７から流入する雰囲気中の湿気を吸着する。この活性炭フィルタ１６を通過した雰囲気は、スペーサ１５の上面の開口部１８から検出空間１４内に流入し、センサ部１３のガス検出素子１９（図２参照）によって検出空間１４内の雰囲気中のガス濃度が検出される。
【００１１】
ガス検出素子１９は、例えばｎ型酸化物半導体（ＳｎＯ2 等）により形成され、雰囲気中の煙等の検出対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する。図２に示すように、センサ部１３には、ガス検出素子１９を活性化するヒータ２０が設けられている。ガス検出素子１９には抵抗２１が直列に接続され、この直列回路が電源供給端子（＋Ｂ）とグランド端子との間に接続され、ガス検出素子１９と抵抗２１とで分圧された電圧Ｖgas がガスセンサ１１の出力電圧となり、Ａ／Ｄ変換器２２を介してマイクロコンピュータ２３に読み込まれる。検出空間１４内の雰囲気中のガス濃度が変化すると、それに応じてガス検出素子１９の抵抗値が変化して、ガスセンサ１１の出力電圧Ｖgas が変化する。
【００１２】
マイクロコンピュータ２３を構成するＩＣやガスセンサ１１は、回路基板２４（図３参照）に実装され、該回路基板２４には、雰囲気温度を検出するサーミスタ２５（温度検出素子）がガスセンサ１１の近傍に実装されている。このサーミスタ２５には抵抗２６が直列に接続され、この直列回路が電源供給端子（＋Ｂ）とグランド端子との間に接続され、サーミスタ２５と抵抗２６とで分圧された電圧ＶthがＡ／Ｄ変換器２７を介してマイクロコンピュータ２３に読み込まれる。サーミスタ２５周辺の雰囲気温度が変化すると、それに応じてサーミスタ２５の抵抗値が変化して、電圧Ｖthが変化する。尚、サーミスタ２５には、ノイズ防止用のコンデンサ２８が並列に接続されている。
【００１３】
以上のように構成されたガス検出装置２９は、車載用の空気清浄器３０に組み込まれ、検出したガス濃度が判定レベルを越えると、マイクロコンピュータ２３が空気清浄器３０のファンモータ３１を起動して車室内の空気を浄化する。この空気清浄器３０は、図４に示すように、自動車３２の後席の後側のダッシュボードの下方に組み込むビルトインタイプ、後席の後側のダッシュボード上に据え置く据え置きタイプ、車室の天井に取り付ける天吊りタイプのいずれでも良い。
【００１４】
次に、雰囲気中のガス濃度の判定方法を説明する。ガスセンサ１１のガス検出素子１９は、検出雰囲気の絶対湿度（単位体積の雰囲気中の水分の重量）の影響を強く受け、絶対湿度が変化すると、ガス検出素子１９の抵抗値（ガスセンサ１１の出力電圧Ｖgas ）が変化するという特性がある。一方、活性炭フィルタ１６は、検出空間１４内の雰囲気の相対湿度（飽和蒸気圧に対する実際の蒸気圧の比率）を一定に保つように作用する。このため、雰囲気温度が変化すると、検出空間１４内の雰囲気の相対湿度は一定に保たれるが、図５及び図６に示すように、相対湿度が一定の状態のもとでは、雰囲気温度の変化に伴って絶対湿度も変化してしまう。例えば、雰囲気温度が上昇すると、相対湿度が低下し、その湿度低下分の湿気を補うべく、活性炭フィルタ１６から水分が離脱して相対湿度を一定に保とうとするため、絶対湿度は、活性炭フィルタ１６から離脱した水分量によって上昇し、その結果、ガス検出素子１９の抵抗値が変化する。
【００１５】
本実施形態では、このような絶対湿度の変化によるガス検出素子１９の抵抗値の変化を次の原理に基づいて補正する。上述したように、ガスセンサ１１の検出空間１４内の雰囲気は、温度が変化しても、活性炭フィルタ１６によって相対湿度がほぼ一定に保たれるため、雰囲気温度の変化を測定すれば、図５の特性から絶対湿度の変化を推定することが可能であり、ひいては絶対湿度の変化によるガス検出素子１９の抵抗値の変化を推定することが可能である。従って、この推定値を湿度補正値として用いて、ガス検出素子１９の検出抵抗値を補正すれば、絶対湿度の変化によるガス検出素子１９の抵抗値の変化を補正して、雰囲気中のガス濃度を精度良く測定することができる。
【００１６】
このようなガス濃度の検出・補正は、マイクロコンピュータ２３によって図７の初期化ルーチン及び図８の判定ルーチンに従って実行される。図７の初期化ルーチンは、空気清浄器３０の電源スイッチ（図示せず）がオンされたときに１回のみ実行される。この初期化ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、初期化処理を行い、マイクロコンピュータ２３内のＲＡＭ（図示せず）の初期化等を行う。この後、ステップ１０２で、ガスセンサ１１の出力電圧Ｖgas を読み込んで、ガス検出素子１９の抵抗値Ｒgas （ガス濃度に相当）を算出し、続くステップ１０３で、ガス検出素子１９の平均抵抗値Ｒgasaveの初期値をＲgas に設定する。この後、ステップ１０４で、サーミスタ２５の出力電圧Ｖthを読み込んで、サーミスタ２５の抵抗値Ｒth（雰囲気温度に相当）を算出し、続くステップ１０５で、サーミスタ２５の平均抵抗値Ｒthave の初期値をＲthに設定して、初期化ルーチンを終了する。
【００１７】
一方、図８の判定ルーチンは、空気清浄器３０の電源スイッチ（図示せず）のオン後に所定時間毎に繰り返し実行される。この判定ルーチンが起動されると、まずステップ２０１で、ガスセンサ１１の出力電圧Ｖgas を読み込んで、ガス検出素子１９の最新の抵抗値Ｒgasnewを算出し、続くステップ２０２で、ガス検出素子１９の現在までの平均抵抗値Ｒgasaveを次式により算出して更新する。
Ｒgasave(i) ＝１／ｎ×Ｒgasnew＋（ｎ−１）／ｎ×Ｒgasave(i-1)
【００１８】
ここで、Ｒgasave(i) は今回値、Ｒgasave(i-1) は前回値である。上式は、なまし処理（一次遅れ処理）により平均抵抗値Ｒgasaveを算出するものであるが、次式により過去所定時間の抵抗値Ｒgasnewを積算して、その積算値をサンプル数ｉで割り算して過去所定時間の平均抵抗値Ｒgasaveを求めるようにしても良い。
Ｒgasave(i) ＝｛Ｒgasnew(1) ＋Ｒgasnew(2) ＋……＋Ｒgasnew(i) ｝／ｉ
この場合、最新の抵抗値Ｒgasnewを検出する毎に最も古いデータが破棄される。
【００１９】
以上のようにしてガス検出素子１９の現在までの平均抵抗値Ｒgasaveを更新した後、ステップ２０３に進み、ガス検出素子１９の最新の抵抗値Ｒgasnewと平均抵抗値Ｒgasaveとの比（Ｒgasnew／Ｒgasave）を算出する。このガス検出素子抵抗比Ｒgasnew／Ｒgasaveは、検出雰囲気のガス濃度の変化率に相当する。
【００２０】
次のステップ２０４で、サーミスタ２５の出力電圧Ｖthを読み込んで、サーミスタ２５の最新の抵抗値Ｒthnew を算出し、続くステップ２０５で、サーミスタ２５の現在までの平均抵抗値Ｒthave を次式により算出して更新する。
Ｒthave(i)＝１／ｎ×Ｒthnew ＋（ｎ−１）／ｎ×Ｒthave(i-1)
【００２１】
ここで、Ｒthave(i)は今回値、Ｒthave(i-1)は前回値である。上式は、なまし処理（一次遅れ処理）により平均抵抗値Ｒthave を算出するものであるが、次式により過去所定時間の抵抗値Ｒthnew を積算して、その積算値をサンプル数ｉで割り算して過去所定時間の平均抵抗値Ｒthave を求めるようにしても良い。
Ｒthave(i)＝｛Ｒthnew(1)＋Ｒthnew(2)＋……＋Ｒthnew(i)｝／ｉ
この場合、最新の抵抗値Ｒthnew を検出する毎に最も古いデータが破棄される。
【００２２】
以上のようにしてサーミスタ２５の現在までの平均抵抗値Ｒthave を更新した後、ステップ２０６に進んで、サーミスタ２５の最新の抵抗値Ｒthnew と平均抵抗値Ｒthave との比（Ｒthnew ／Ｒthave ）を算出する。このサーミスタ抵抗比Ｒthnew ／Ｒthave は、雰囲気温度の変化率に相当する。
【００２３】
次のステップ２０７で、ガス検出素子１９の補正後抵抗比を次式により算出する（このステップ２０７の処理が特許請求の範囲でいう湿度補正手段としての役割を果たす）。
【００２４】
補正後抵抗比＝ガス検出素子抵抗比＋Ｋ×（１−サーミスタ抵抗比）
ここで、Ｋは、サーミスタ抵抗比による補正度合を決める補正係数であり、ガス検出素子１９のばらつき、サーミスタ２５のばらつき及び活性炭フィルタ１６からの水分離脱によるばらつきを考慮して設定すれば良い。具体的には、図９に示す補正係数Ｋと補正後抵抗比との関係から、誤判定しない範囲内で、且つ煙応答性限界を越えない範囲内となるように補正係数Ｋを設定する。一般に、補正係数Ｋは０＜Ｋ≦１の範囲で設定し、例えばＫ＝０．５とする。
【００２５】
ステップ２０７の数式において、Ｋ×（１−サーミスタ抵抗比）は、湿度補正値に相当し、これを演算する機能が特許請求の範囲でいう湿度補正値演算手段に相当する。尚、Ｋ×（１−サーミスタ抵抗比）に代えて、Ｋ’×サーミスタ抵抗比を湿度補正値として、次式により補正後抵抗比を算出しても良い。
補正後抵抗比＝ガス検出素子抵抗比＋Ｋ’×サーミスタ抵抗比
ここで、Ｋ’は補正係数であり、Ｋと同じようにして設定すれば良い。
【００２６】
以上のようにして、ガス検出素子抵抗比を湿度補正値で補正して補正後抵抗比を求めた後、ステップ２０８に進み、補正後抵抗比（補正後のガス濃度変化率に相当）を判定値（例えば０．９）と比較し、補正後抵抗比が判定値よりも小さければ、雰囲気中の煙等のガス濃度が上昇していると判断して、ステップ２０９に進み、煙検出フラグを煙有りを意味する「１」にセットする。この場合には、空気清浄器３０のファンモータ３１を起動し、車室内の空気を浄化する。
【００２７】
一方、補正後抵抗比が判定値以上であれば、煙等のガスがあまり発生していないと判断して、ステップ２１０に進み、煙検出フラグを煙無しを意味する「０」にセットして、判定ルーチンを終了する。
【００２８】
次に、ガス検出素子抵抗比を湿度補正値で補正する効果を、図１０を用いて説明する。図１０は雰囲気中のガス濃度が一定の状態のもとで、雰囲気温度が０℃から２５℃付近まで急上昇した時のガス検出素子抵抗比の挙動を示すタイムチャートである。雰囲気温度が上昇すると、活性炭フィルタ１６から水分が離脱して検出雰囲気の絶対湿度が上昇するため、ガス濃度が一定であっても、ガス検出素子抵抗比が低下し始める。従来は、湿度補正を行わなかったため、絶対湿度の上昇によりガス検出素子抵抗比が判定値以下になることがあり、ガス発生（煙発生）と誤判定しまうことがあった。
【００２９】
これに対し、本実施形態では、雰囲気温度の変化（サーミスタ抵抗比）から絶対湿度の変化ひいてはガス検出素子１９の抵抗値の変化を推定し、これを湿度補正値として用いてガス検出素子抵抗比を補正するようにしたので、雰囲気温度の上昇により絶対湿度が上昇しても、補正後のガス検出素子抵抗比は、低下が少なく、判定値以下になることが防止され、ガス発生（煙発生）の誤判定が防止される。
【００３０】
尚、本実施形態では、サーミスタ２５（温度検出素子）をガスセンサ１１の外部に設置したが、これをガスセンサ１１の内部に設けても良いことは言うまでもない。
【００３１】
また、本実施形態は、車載用の空気清浄器に本発明を適用したものであるが、屋内用の空気清浄器にも適用でき、その他、都市ガス（ＬＰガス）検出器、アルコール検出器等、種々のガス検出器に広く適用して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すもので、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って示す横断面図、（ｂ）はガスセンサの縦断面図
【図２】ガス検出素子装置の電気的構成を示す回路図
【図３】回路基板の一部分の実装状態を示す側面図
【図４】空気清浄器の取付位置を説明する図
【図５】相対湿度が一定の状態で雰囲気温度が変化した時の絶対湿度の変化特性を示す図
【図６】雰囲気温度が一定の状態で相対湿度が変化した時の絶対湿度の変化特性を示す図
【図７】初期化ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図８】判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図９】補正係数Ｋの設定方法を説明する図
【図１０】雰囲気中のガス濃度が一定の状態のもとで雰囲気温度が０℃から２５℃付近まで急上昇した時のガス検出素子抵抗比の挙動を示すタイムチャート
【符号の説明】
１１…ガスセンサ、１２…センサハウジング、１３…センサ部、１４…検出空間、１６…活性炭フィルタ、１９…ガス検出素子、２０…ヒータ、２１…抵抗、２３…マイクロコンピュータ（湿度補正値演算手段，湿度補正手段）、２４…回路基板、２５…サーミスタ（温度検出素子）、２６…抵抗、２９…ガス検出装置、３０…空気清浄器。
【図１】
0003743544.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003743544.tif 000008
【図８】
0003743544.tif 000009
【図９】
0003743544.tif 000010
【図１０】
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