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公開番号2024067736
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-17
出願番号2022178047
出願日2022-11-07
発明の名称ガスセンサ
出願人TDK株式会社
代理人個人,個人
主分類G01N 27/04 20060101AFI20240510BHJP(測定;試験)
要約【課題】経年劣化を自己診断することが可能なガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサ1Aは、サーミスタRd1～Rd4及びこれらを加熱するヒータMh1～Mh4と、サーミスタRd1,Rd4を無効化するスイッチSw1,Sw4と、制御回路20とを備える。制御回路20は、自己診断期間T1～T4においては、スイッチSw1,Sw4をオフした状態で、サーミスタRd1～Rd4が複数回に亘って異なる温度に加熱されるようヒータを制御し、これにより得られる検出信号Vout1に基づいてリファレンスレベルを算出する。ガス検知期間T5においては、スイッチSw1をオンした状態で、サーミスタRd2を第3の温度に、サーミスタRd3,Rd4を第1の温度に加熱し、これにより得られる検出信号Vout1と、リファレンスレベルの差に基づいて、出力信号OUTを生成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１乃至第４のサーミスタと、
前記第１乃至第４のサーミスタを加熱するヒータと、
前記第１乃至第４のサーミスタの少なくとも一つを無効化するスイッチと、
検出対象ガスの濃度を示す出力信号を生成するとともに、前記スイッチ及び前記ヒータを制御する制御回路と、を備え、
前記第１及び第２のサーミスタは、第１の電源と接続ノードの間に接続され、
前記第３及び第４のサーミスタは、第２の電源と前記接続ノードの間に接続され、
前記制御回路は、前記スイッチ及びヒータを制御することにより、
自己診断期間においては、少なくとも前記第１及び第４のサーミスタを有効化した状態で、少なくとも前記第１及び第４のサーミスタが複数回に亘って異なる温度に加熱されるよう前記ヒータを制御し、これにより前記接続ノードに現れる検出信号に基づいて、前記検出対象ガスが平常時の濃度である場合に第１のガス検知期間に前記接続ノードに現れる検出信号の第１のリファレンスレベルを算出し、
前記第１のガス検知期間においては、少なくとも前記第２及び第４のサーミスタを有効化し、前記第１のサーミスタを無効化するとともに、前記検出対象ガスの濃度に応じた抵抗値の変化が前記第４のサーミスタよりも前記第２のサーミスタの方が大きくなるよう前記ヒータを制御し、
前記制御回路は、前記第１のガス検知期間において前記接続ノードに現れる検出信号の第１の検出レベルと前記第１のリファレンスレベルの差に基づいて、前記出力信号を生成する、ガスセンサ。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記制御回路は、前記自己診断期間において前記接続ノードに現れる検出信号に基づいて、前記検出対象ガスが平常時の濃度である場合に第２のガス検知期間に前記接続ノードに現れる検出信号の第２のリファレンスレベルを算出し、
前記制御回路は、前記スイッチ及びヒータを制御することにより、前記第２のガス検知期間においては、少なくとも前記第１及び第３のサーミスタを有効化し、前記第４のサーミスタを無効化するとともに、前記検出対象ガスの濃度に応じた抵抗値の変化が前記第１のサーミスタよりも前記第３のサーミスタの方が大きくなるよう前記ヒータを制御し、
前記制御回路は、前記第２のガス検知期間において前記接続ノードに現れる検出信号の第２の検出レベルと前記第２のリファレンスレベルの差に基づいて、前記出力信号をさらに生成する、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記制御回路は、前記第１のガス検知期間において算出された前記検出対象ガスの濃度と、前記第２のガス検知期間において算出された前記検出対象ガスの濃度の差を算出する、請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記制御回路は、前記自己診断期間において前記接続ノードに現れる検出信号に基づいて、前記第１乃至第４のサーミスタの抵抗比及びＢ定数を算出し、前記抵抗比及びＢ定数に基づいて前記第１のリファレンスレベルを算出する、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記制御回路は、前記第１の検出レベルと前記第１のリファレンスレベルの差に基づき算出された前記検出対象ガスの濃度を、前記Ｂ定数に基づいて補正する、請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記制御回路は、前記第１のリファレンスレベルに基づいて感度係数を算出するとともに、前記第１の検出レベルと前記第１のリファレンスレベルの差に基づき算出された前記検出対象ガスの濃度を、前記感度係数に基づいて補正する、請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記制御回路は、前記接続ノードの電位と前記第１のリファレンスレベルを比較する差動アンプと、前記差動アンプの出力に基づいて前記出力信号を生成する信号処理部とを含む、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記自己診断期間は、少なくとも前記第１及び第４のサーミスタを第１の温度に加熱する第１の自己診断期間と、少なくとも前記第１及び第４のサーミスタを第２の温度に加熱する第２の自己診断期間と、少なくとも前記第１のサーミスタを前記第１の温度に加熱し、少なくとも前記第４のサーミスタを前記第２の温度に加熱する第３の自己診断期間とを含む、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記自己診断期間は、少なくとも前記第１のサーミスタを前記第２の温度に加熱し、少なくとも前記第４のサーミスタを前記第１の温度に加熱する第４の自己診断期間をさらに含む、請求項８に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記第１及び第２のサーミスタは同一のチップ上に集積され、前記第３及び第４のサーミスタは同一のチップ上に集積されている、請求項１に記載のガスセンサ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、雰囲気中に含まれる検出対象ガスの濃度を測定するガスセンサに関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
雰囲気中に含まれる検出対象ガスの濃度を測定するガスセンサは、経年劣化によって測定誤差が生じることが知られている。特許文献１には、経年劣化を自己診断することが可能なガスセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第４７５８１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されたガスセンサは、雰囲気中に平常時を超える濃度の検出対象ガスが存在すると自己診断の結果自体に誤差が生じるため、検出対象ガスの濃度が平常時の濃度であることが保証された環境下でなければ自己診断を行うことができないという問題があった。
【０００５】
本開示においては、雰囲気中に平常時を超える濃度の検出対象ガスが存在しうる環境下においても、経年劣化を自己診断することが可能なガスセンサについて説明される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示によるガスセンサは、第１乃至第４のサーミスタと、第１乃至第４のサーミスタを加熱するヒータと、第１乃至第４のサーミスタの少なくとも一つを無効化するスイッチと、検出対象ガスの濃度を示す出力信号を生成するとともに、スイッチ及びヒータを制御する制御回路とを備え、第１及び第２のサーミスタは、第１の電源と接続ノードの間に接続され、第３及び第４のサーミスタは、第２の電源と接続ノードの間に接続され、制御回路は、スイッチ及びヒータを制御することにより、自己診断期間においては、少なくとも第１及び第４のサーミスタを有効化した状態で、少なくとも第１及び第４のサーミスタが複数回に亘って異なる温度に加熱されるようヒータを制御し、これにより接続ノードに現れる検出信号に基づいて、検出対象ガスが平常時の濃度である場合に第１のガス検知期間に接続ノードに現れる検出信号の第１のリファレンスレベルを算出し、第１のガス検知期間においては、少なくとも第２及び第４のサーミスタを有効化し、第１のサーミスタを無効化するとともに、検出対象ガスの濃度に応じた抵抗値の変化が第４のサーミスタよりも第２のサーミスタの方が大きくなるようヒータを制御し、制御回路は、第１のガス検知期間において接続ノードに現れる検出信号の第１の検出レベルと第１のリファレンスレベルの差に基づいて、出力信号を生成する。
【発明の効果】
【０００７】
このように、本開示によるガスセンサは、雰囲気中に平常時を超える濃度の検出対象ガスが存在しうる環境下においても、経年劣化を自己診断することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、本開示の第１の実施形態によるガスセンサ１Ａの構成を示す回路図である。
図２は、ガスセンサ１Ａの動作を説明するためのフローチャートである。
図３は、ガスセンサ１Ａの動作波形図である。
図４（ａ）は自己診断期間Ｔ１～Ｔ４におけるスイッチＳｗ１，Ｓｗ４の状態を説明するための回路図であり、図４（ｂ）はガス検知期間Ｔ５におけるスイッチＳｗ１，Ｓｗ４の状態を説明するための回路図であり、図４（ｃ）はガス検知期間Ｔ６におけるスイッチＳｗ１，Ｓｗ４の状態を説明するための回路図である。
図５は、第１のリファレンスレベルＶｏｕｔ１
Ｒ１
と感度との関係を示すグラフである。
図６は、第１のリファレンスレベルＶｏｕｔ１
Ｒ１
と感度係数との関係を示すグラフである。
図７は、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の特性とサーミスタＲｄ３，Ｒｄ４の特性が設計通りである場合における検出信号Ｖｏｕｔ１の変化を示す波形図である。
図８は、図７に示す波形の拡大図である。
図９は、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の抵抗よりもサーミスタＲｄ３，Ｒｄ４の抵抗が高くなっている場合における検出信号Ｖｏｕｔ１の変化を示す波形図である。
図１０は、図９に示す波形の拡大図である。
図１１は、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の抵抗よりもサーミスタＲｄ３，Ｒｄ４の抵抗が高くなっており、且つ、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２のＢ定数とサーミスタＲｄ３，Ｒｄ４のＢ定数が異なっている場合における検出信号Ｖｏｕｔ１の変化を示す波形図である。
図１２は、図１１に示す波形の拡大図である。
図１３は、本開示の第２の実施形態によるガスセンサ１Ｂの構成を示す回路図である。
図１４は、ガスセンサ１Ｂの動作波形図である。
図１５（ａ）はガス検知期間Ｔ５におけるスイッチＳｗ１～Ｓｗ４の状態を説明するための回路図であり、図１５（ｂ）はガス検知期間Ｔ６におけるスイッチＳｗ１～Ｓｗ４の状態を説明するための回路図であり、図１５（ｃ）は自己診断期間Ｔ１～Ｔ４におけるスイッチＳｗ１～Ｓｗ４の変形例による状態を説明するための回路図である。
図１６は、本開示の第３の実施形態によるガスセンサ１Ｃの構成を示す回路図である。
図１７は、本開示の第４の実施形態によるガスセンサ２Ａの構成を示す回路図である。
図１８は、本開示の第５の実施形態によるガスセンサ２Ｂの構成を示す回路図である。
図１９は、本開示の第６の実施形態によるガスセンサ３Ａの構成を示す回路図である。
図２０は、ガスセンサ３Ａの動作波形図である。
図２１は、本開示の第７の実施形態によるガスセンサ３Ｂの構成を示す回路図である。
図２２は、ガスセンサ３Ｂの動作波形図である。
図２３は、本開示の第８の実施形態によるガスセンサ４の構成を示す回路図である。
図２４は、ガスセンサ４の動作波形図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら、本開示に係る技術の実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
＜第１の実施形態＞
図１は、本開示の第１の実施形態によるガスセンサ１Ａの構成を示す回路図である。
（【００１１】以降は省略されています）

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