JP2012181184A - 演算制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホイートストンブリッジ回路とマイクロコンピュータとを備える演算制御装置において、装置全体の信頼性を高めることを目的とする。
【解決手段】マイコンのＣＰＵは、起動スイッチがオンされることによって直流電源からマイコンおよび通電制御回路に給電されると（Ｓ２１０）、マイコン内の各部を初期化することで起動する（Ｓ２２０）。そして、切替スイッチに切替信号を出力することで、切替スイッチの各スイッチの一方をオンに動作させ、他方をオフに動作させることにより（Ｓ２３０）、切替抵抗部における固定抵抗体のいずれか一方を導通状態に切り替えるとともに、他方を非導通状態に切り替える（Ｓ２４０）。その後、スイッチング回路に作動許可信号を出力することで、通電制御回路の作動（ひいてはブリッジ回路の作動）を許可する（Ｓ２５０）。これにより、マイコンの起動中に、通電制御回路が作動を開始してしまうことを確実に防止できる。
【選択図】図６

Description

本発明は、被検出雰囲気内の環境を表す尺度を演算する演算制御装置に関する。

近年、環境・自然保護などの社会的要求から、高効率で、クリーンなエネルギー源として燃料電池の研究が活発に行われている。その中で、低温作動、高出力密度等の利点により、家庭用、車載用などのエネルギー源として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）や水素内燃機関が期待されている。

これらのシステムでは、例えば、可燃性ガスである水素を燃料としているため、ガス漏れの検知が重要な課題の一つとして挙げられている。
この種の被検出雰囲気中に存在する可燃性ガスのガス濃度を演算（検出）する演算制御装置としての可燃性ガス検出装置では、被検出雰囲気内に配置されて、可燃性ガスの濃度に応じて自身の抵抗値が変化する発熱抵抗体や、環境温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体を使用するものが知られている。

具体的には、この可燃性ガス検出装置では、発熱抵抗体の抵抗値が、所定の複数の設定温度（例えば第１設定温度，第２設定温度の二つ）に対応した抵抗値となるように、ホイートストンブリッジ回路によって制御し、その時の発熱抵抗体、測温抵抗体の両端電圧に基づく検出信号を入力し、被検出雰囲気中の温度（環境温度）、湿度、可燃性ガスのガス濃度をマイクロコンピュータによって演算している。

なお、被検出雰囲気中の可燃性ガスのガス濃度は、例えば、第１または第２設定温度時の発熱抵抗体に対応する検出信号の信号レベル（電圧レベル）から求められ、さらには、測温抵抗体の電圧レベルに対応する環境温度と、発熱抵抗体における第１および第２設定温度時の各電圧レベルの比に対応する湿度を用いて補正される。

また、複数の設定温度（第１設定温度，第２設定温度等）は、ホイートストンブリッジ回路内に設置された抵抗値の異なる複数の固定抵抗体の導通状態を、マイクロコンピュータによって選択的に切り替えることによって変更される（例えば、特許文献１参照）。

特許第４３０２６１１号公報

しかし、従来の可燃性ガス検出装置では、上記複数の固定抵抗体のいずれもが有効に動作しない状態（つまり、上記複数の固定抵抗体のいずれもが非導通状態のまま）で電源が供給されると、ホイートストンブリッジ回路が適正に作動せず、発熱抵抗体に対応する電圧レベルがガス濃度を反映しない（ひいては設定温度を反映しない）おそれがあった。また、マイクロコンピュータの起動中に検出信号が入力されてしまい、マイコン動作が不安定になる可能性があり、さらには不安定な状態でガス濃度が演算されてしまう可能性があるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、ホイートストンブリッジ回路とマイクロコンピュータとを備える演算制御装置において、装置全体の信頼性を高めることを目的とする。

上記目的を達成するためになされた発明である請求項１に記載の演算制御装置は、ホイートストンブリッジ回路とマイクロコンピュータとを備える装置である。但し、ホイートストンブリッジ回路は、被検出雰囲気に晒されるとともに自身の温度変化により抵抗値が変化する検出抵抗部と、第１固定抵抗部と、第２固定抵抗部と、外部からの指令に基づいて自身を導通状態または非導通状態に切り替え可能な第３抵抗部とからなり、上記第１固定抵抗部と上記検出抵抗部、上記第２固定抵抗部と上記第３抵抗部をそれぞれ直列接続し、各直列回路（直列接続されてなる二つの直列回路）のうち、検出抵抗部及び第３抵抗部側を基準電位に接続し、第１及び第２固定抵抗部側を電源に接続することで構成されている。

一方、マイクロコンピュータは、上記第３抵抗部を導通状態または非導通状態に切り替える指令を出力するとともに、上記検出抵抗部の両端電圧に基づく検出信号を入力し、その検出信号に基づいて、上記検出抵抗部が晒された被検出雰囲気内の環境を表す尺度を演算するように構成されている。

本発明では、このように構成された演算制御装置において、電源からホイートストンブリッジ回路への電源供給を制御する電源制御回路を備え、マイクロコンピュータが、その電源制御回路を介してホイートストンブリッジ回路の作動を許可する作動許可手段を有し、作動許可手段にてホイートストンブリッジ回路の作動を許可する前又はその許可と同時に、第３抵抗部を非導通状態から導通状態に切り替える指令を出力する構成にした。

つまり、本発明の演算制御装置では、マイクロコンピュータの作動許可手段によって許可されなければ、ホイートストンブリッジ回路が作動せず、さらに作動許可手段にてホイートストンブリッジ回路の作動を許可する前又はその許可と同時に第３抵抗部を非導通状態から導通状態に切り替えるようにしたので、マイクロコンピュータの起動中に制御電圧（検出抵抗部の両端電圧に基づく検出信号）が入力されずに済むことになる。つまり、マイクロコンピュータは、ホイートストンブリッジ回路が適正に動作した状態で検出抵抗部の両端電圧に基づく検出信号を入力することができる。

したがって、本発明によれば、マイクロコンピュータの動作が不安定な状態になったり、不安定な状態でマイクロコンピュータが被検出雰囲気内の環境を表す尺度を演算したりせずに済むので、当該演算制御装置の信頼性を高めることができ、環境を表す尺度の検出精度を高められる。

なお、本発明の演算制御装置では、上記検出抵抗部として、例えば可燃性ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する発熱抵抗体を用いてもよいし、環境温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体を用いてもよい。また、上記第１固定抵抗部または第２固定抵抗部は、一つの固定抵抗体で構成されてもよいし、複数の固定抵抗体で構成されてもよい。さらには、上記第３抵抗部は、一つの固定抵抗体を有して構成されてもよいし、複数の固定抵抗体を有して構成されてもよい。

例えば、請求項２に記載のように、第３抵抗部は、並列接続された抵抗値の異なる複数の固定抵抗体と、これらの固定抵抗体のうちいずれか一つを有効に動作させる（詳細には、各固定抵抗体に接続され、各固定抵抗体を導通状態または非導通状態に切り替え可能な少なくとも一つ以上の）切替部とを含む。この場合、マイクロコンピュータが、第３抵抗部の抵抗値を選択的に変化させるように、各固定抵抗体を導通状態または非導通状態に切り替える指令を切替部に出力することにより、第３抵抗部の抵抗値に応じて予め設定された複数の設定温度のなかから、上記検出抵抗部の温度を選択的に変化させるように本発明の演算制御装置を構成する。

つまり、このように構成された演算制御装置では、検出抵抗部の設定温度が選択的に切り替えられる構成であっても、ホイートストンブリッジ回路を適正に動作させられる。従って、検出抵抗部の設定温度を選択的に切り替える構成のもと、検出抵抗部からの出力に基づき被測定雰囲気内の環境を表す尺度を精度よく求めることができる。

なお、検出抵抗部は、切替部を介して第３抵抗部を構成する各固定抵抗体のいずれか一つが通電することにより発熱し、導通状態（通電状態）にある固定抵抗体に応じた設定温度まで検出抵抗部の温度が上昇することになる。このため、第３抵抗部を構成する各固定抵抗体のいずれもが非導通状態（非通電状態）になると、検出抵抗部の温度は外部環境の温度に収斂することになる。

ここで、一般的に上記複数の設定温度は、被測定雰囲気内の環境を表す尺度を求める際にホイートストンブリッジ回路の動作が安定する温度であり、外部環境の温度に比べてはるかに高い温度となる。よって、第３抵抗部が非通電状態から通電状態に切り替わって検出抵抗部が発熱し始めた直後は、僅かではあるが上記動作が不安定な状態となり、被測定雰囲気内の環境を表す尺度の検出精度が低下する可能性がある。

これに対しては、請求項３に記載のように、作動許可手段にてホイートストンブリッジ回路の作動を許可する前又は該許可と同時にマイクロコンピュータが出力する指令を第１切替指令とし、この第１切替指令が、検出抵抗部の温度について、複数の設定温度のなかから最も高い設定温度に対応する値となるように第３抵抗部の抵抗値を変化させる指令であるとよい。

この場合、比較的早く検出抵抗部の温度を通電時の安定した温度に到達させることができるため、被測定雰囲気内の環境を表す尺度の検出精度をより向上することができる。
また、請求項４に記載のように、被検出雰囲気は可燃性ガスが含まれるガス雰囲気であり、マイクロコンピュータは、被検出雰囲気内の環境を表す尺度として、可燃性ガスの濃度を演算するように本発明の演算制御装置を構成することができる。

検出抵抗部が晒される被検出雰囲気が、可燃性ガスが含まれるガス雰囲気である場合には、第３抵抗部が非導通状態のままでホイートストンブリッジ回路に電源が供給されることがあると、検出抵抗部の抵抗値が大きく上昇して当該検出抵抗部の過昇温を招き、可燃性ガスへの着火が生じるおそれがある。しかしながら、本発明の演算制御装置を適用すれば、第３抵抗部が非導通状態のままでホイートストンブリッジ回路に電源が供給されることがないため、検出抵抗部を可燃性ガスが含まれるガス雰囲気に晒した場合にも着火の危険性を回避することができる。

可燃性ガス検出装置の全体構成図である。 可燃性ガス検出装置の主要部となるガス検出素子の構成を示す説明図である。 ガス濃度演算処理の内容を示すフローチャートである。 ガス濃度を求める際に、温度設定を変化させる方法、及び高温時電圧，低温時電圧，温度電圧を検出するタイミングを示す第１の説明図である。 マイコンが起動する前に通電制御回路が作動した場合に、発熱抵抗体の温度がオーバーシュートする可能性を示す説明図である。 作動開始処理の内容を示すフローチャートである。 ガス濃度を求める際に、温度設定を変化させる方法、及び高温時電圧，低温時電圧，温度電圧を検出するタイミングを示す第２の説明図である。 ガス検出素子の各部の配置を例示する第１の概略図である。 ガス検出素子の各部の配置を例示する第２の概略図である。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明が適用された可燃性ガス検出装置１の全体構成図である。図２は、可燃性ガス検出装置１の主要部となるガス検出素子３の構成を示す説明図であり、（ａ）が平面図（但し、内部構成も一部示す）、（ｂ）が（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

［全体構成］
可燃性ガス検出装置１は、熱伝導式のガス検出素子３を用いて、可燃性ガスの濃度を検出するものであり、例えば、燃料電池自動車の客室内に設置され、水素の漏れを検出する目的等に用いられる。

図１に示すように、可燃性ガス検出装置１は、ガス検出素子３（図２参照）を駆動制御する制御回路５と、制御回路５の動作を制御する通電信号（作動許可信号Ｓ１）や切替信号ＣＧ１等を生成するとともに、制御回路５から得られる検出信号Ｖ１，ＶＴに基づいて、被検出ガス中に含まれる可燃性ガスのガス濃度を演算する処理（ガス濃度演算処理）等の各種処理を実行するマイクロコンピュータ（以下「マイコン」という）７と、直流電源Ｖｃｃから可燃性ガス検出装置１への電源供給経路を導通，遮断することで制御回路５，マイコン７を起動，停止する起動スイッチ９とを備えている。

なお、制御回路５，マイコン７，起動スイッチ９は単一の回路基板上に構成され、この回路基板とは別体にガス検出素子３は構成されている。
［ガス検出素子］
次に、ガス検出素子３について説明する。

図２に示すように、ガス検出素子３は、平板形状（平面視四角形状）の基部３０を備え、基部３０の一方の面（以下「表面」という）には、複数の電極３１が形成され、他方の面（以下「裏面」という）には、基部３０の中心付近に、基部３０の一方の方向に沿って一つの凹部３０１が形成されている。

なお、ガス検出素子３は、縦横ともに数ｍｍ（例えば３ｍｍ×３ｍｍ）程度の大きさであり、例えば、マイクロマシニング技術を用いて製造される。
電極３１は、基部３０の一方の辺（図２（ａ）中では下方の辺）に沿って配置された二つの電極３１１，３１２（以下「第１電極群」ともいう）と、他方の辺（図２（ａ）中では上方の辺）に沿って配置された二つの電極３１４，３１５（以下「第２電極群」ともいう）とからなる。これらのうち、電極３１２，３１５を、以下ではグランド電極ともいう。また、電極３１を構成する材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）が用いられる。

基部３０は、シリコン製の基板３２と、基板３２の一方の面に形成された絶縁層３３とからなり、絶縁層３３が部分的（ここではほぼ正方形）に露出するように基板３２の一部を除去することで凹部３０１が形成されたダイアフラム構造をなしている。つまり、基部３０では、絶縁層３３側（基板３２が除去されていない方）が基部３０の表面となり、基板３２側（基板３２の一部が除去されている方を含む）が基部３０の裏面となる。

絶縁層３３には、凹部３０１により基部３０の裏面に露出した部位に、渦巻き状配線された線状の発熱抵抗体３４が埋設されているとともに、第２電極群３１４，３１５が形成された側の基部３０の一辺に沿って、温度測定に用いる測温抵抗体３５が埋設されている。つまり、発熱抵抗体３４は、絶縁層３３にて測温抵抗体３５よりも中央側の領域に配置され、測温抵抗体３５は、絶縁層３３の縁を形成する四辺のうちの一辺に沿った領域に配置されている。

なお、絶縁層３３は、単一の材料で形成されてもよいし、異なる材料を用いて複数層を成すように形成されてもよい。また、絶縁層３３を構成する絶縁性材料としては、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）や窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）が用いられる。

発熱抵抗体３４は、自身の温度変化により抵抗値が変化する導電性材料からなり、また、測温抵抗体３５は、電気抵抗が温度に比例して変化（本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大）する導電性材料からなる。但し、発熱抵抗体３４および測温抵抗体３５は、いずれも同じ抵抗材料、本実施形態では白金（Ｐｔ）で形成されている。

そして、発熱抵抗体３４は、発熱抵抗体３４が形成された平面と同じ平面に埋設された配線３６、および配線膜３７を介して第１電極群３１１，３１２に接続され、測温抵抗体３５は、測温抵抗体３５が形成された平面と同じ平面に埋設された配線膜（図示せず）を介して第２電極群３１４，３１５に接続されている。

なお、配線３６や配線膜３７を構成する材料としては、発熱抵抗体３４および測温抵抗体３５と同じ抵抗材料が用いられている。また、基部３０の表面に形成される電極３１と基部３０（絶縁層３３）の内部に形成される配線膜３７とはコンタクトホール（接続導体）によって接続される。

つまり、発熱抵抗体３４は、一端が電極３１１、他端がグランド電極３１２と導通し、測温抵抗体３５は、一端が電極３１４、他端がグランド電極３１５と導通するように接続されている。

このように構成されたガス検出素子３は、被検出雰囲気（本実施形態では可燃性ガスが含まれるガス雰囲気）内に晒すように配置した状態で使用される。
［制御回路］
次に、制御回路５の構成について説明する。

図１に示すように、制御回路５は、発熱抵抗体３４への通電制御を行い、発熱抵抗体３４の両端電圧に対応する検出信号Ｖ１を出力する通電制御回路５０と、測温抵抗体３５への通電を行い、被検出雰囲気の温度を表す温度検出信号ＶＴを出力する温度調整回路８０とを備えている。

［通電制御回路］
通電制御回路５０は、発熱抵抗体３４を含んで構成されたブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）５１と、ブリッジ回路５１で検出される電位差を増幅する増幅回路５３と、増幅回路５３の出力に従って、ブリッジ回路５１に流れる電流を増減調整する電流調整回路５５と、ブリッジ回路５１への電源供給を制御するスイッチング回路５７とを備えている。

スイッチング回路５７は、ブリッジ回路５１に直流電源Ｖｃｃを供給する電源ラインと電流調整回路５５の通電状態を変化させる制御ラインＣＬ１とに接続され、マイコン７からの作動許可信号Ｓ１に従ってオン，オフ動作するトランジスタからなり、このトランジスタがオンしている所定期間、起動信号Ｓ１１を制御ラインＣＬ１に出力するように構成されている。なお、トランジスタがオンする所定期間（以下「起動期間」ともいう）は、後述する調整信号Ｃの出力を妨げないように予め設定されている。

電流調整回路５５は、上記電源ラインとブリッジ回路５１とに接続され、制御ラインＣＬ１を流れる信号に従って通電状態（オン抵抗）が変化するトランジスタからなる。具体的には、スイッチング回路５７の出力である起動信号Ｓ１１に従って、ブリッジ回路５１へ電流供給を開始する。そして、ブリッジ回路５１への電流供給が開始されると、増幅回路５３の出力である調整信号Ｃに従って、調整信号Ｃが大きいほど、オン抵抗が大きくなって、ブリッジ回路５１に流れる電流が減少し、逆に、調整信号が小さいほど、オン抵抗が小さくなって、ブリッジ回路５１に流れる電流が増大するように構成されている。

増幅回路５３は、演算増幅器５３１と、演算増幅器５３１の反転入力端子および非反転入力端子のそれぞれに接続された固定抵抗体５３２，５３３と、演算増幅器５３１の反転入力端子と出力端子との間に並列接続された固定抵抗体５３４，およびコンデンサ５３５とによって構成された周知の差動増幅回路からなる。

つまり、非反転入力端子の入力電圧が反転入力端子の入力電圧より大きい場合に、増幅回路５３の出力である調整信号Ｃが大きくなり（ひいては、ブリッジ回路５１に流れる電流が減少し）、逆に、非反転入力端子の入力電圧が反転入力端子の入力電圧より小さい場合に、調整信号Ｃが小さくなる（ひいては、ブリッジ回路５１に流れる電流が増大する）ように構成されている。

ブリッジ回路５１は、発熱抵抗体３４および２個の固定抵抗体５１１，５１２、抵抗値を切り替え可能な切替抵抗部５２からなり、固定抵抗体５１１と発熱抵抗体３４、固定抵抗体５１２と切替抵抗部５２をそれぞれ直列接続し、各直列回路のうち、発熱抵抗体３４および切替抵抗部５２側の各端部ＰＧを接地（つまり、基準電位であるグランド電位に接続）し、固定抵抗体５１１，５１２側の各端部を電源側（電流調整回路５５）に接続することで構成されている。

そして、固定抵抗体５１１と発熱抵抗体３４との接続点Ｐ＋は、固定抵抗体５３２を介して演算増幅器５３１の非反転入力端子に接続され、固定抵抗体５１２と切替抵抗部５２との接続点Ｐ−は、固定抵抗体５３３を介して演算増幅器５３１の反転入力端子に接続されている。さらに、接続点Ｐ＋の電位を、検出信号Ｖ１としてマイコン７に供給するように構成されている。

また、切替抵抗部５２は、抵抗値の異なる２個の固定抵抗体５２１，５２２と、マイコン７からの切替信号ＣＧ１に従って、固定抵抗体５２１，５２２のいずれか一方を有効に動作させる切替スイッチ５２３とからなり、切替スイッチ５２３により切替抵抗部５２の抵抗値を切り替えることで、ブリッジ回路５１のバランスを変化させることができるように構成されている。

但し、切替スイッチ５２３は、固定抵抗体５１２と各固定抵抗体５２１，５２２とをそれぞれ接続するための２つのスイッチ５２４，５２５からなり、これらの各スイッチ５２４，５２５のいずれか一方をオンに動作させるときに、他方をオフに動作させるように構成され、さらには、このオン／オフ動作を交互に切り替える際に、いずれの固体抵抗体５２１，５２２も通電しない非通電状態を経た後に切り替える構造を有したものである。

なお、固定抵抗体５２１は、発熱抵抗体３４が第１設定温度ＣＨ（例えば、４００℃）となる抵抗値を有し、固定抵抗５２２は、発熱抵抗体３４が第１設定温度ＣＨより低く設定された第２設定温度ＣＬ（例えば、３００℃）となる抵抗値を有する。

このように構成された通電制御回路５０では、スイッチング回路５７が起動期間だけオンすることによりブリッジ回路５１への通電を開始すると、増幅回路５３および電流調整回路５５は、接続点Ｐ＋，Ｐ−間に生じる電位差がゼロになるようにブリッジ回路５１に流れる電流を調整する。これにより、発熱抵抗体３４の抵抗値（ひいては温度）が、切替抵抗部５２によって決まる一定値（ひいては第１設定温度ＣＨまたは第２設定温度ＣＬ）に制御される。

具体的には、被検出雰囲気中の可燃性ガスの含有量が変化し、発熱抵抗体３４が発生させる熱量より、可燃性ガスによって奪われる熱量が大きくなった場合には、発熱抵抗体３４の温度が低下することによって、発熱抵抗体３４の抵抗値が減少する。逆に、発熱抵抗体が発生させる熱量より、可燃性ガスによって奪われる熱量が小さくなった場合には、発熱抵抗体３４の温度が上昇することによって、発熱抵抗体３４の抵抗値が増大する。

これに対して、増幅回路５３および電流調整回路５５は、発熱抵抗体３４の抵抗値が減少すると、ブリッジ回路５１に流れる電流、ひいては発熱抵抗体３４が発生させる熱量を増大させ、逆に、発熱抵抗体３４の抵抗値が増大すると、ブリッジ回路５１に流れる電流、ひいては発熱抵抗体３４が発生させる熱量を減少させることで、発熱抵抗体３４の抵抗値（ひいては温度）を一定の大きさに保つ。

つまり、接続点Ｐ＋の電位を表す検出信号Ｖ１からは、発熱抵抗体３４に流れる電流の大きさ、即ち、発熱抵抗体３４の温度（抵抗値）を一定に保つために必要な熱量（さらには、可燃性ガスによって奪われる熱量）がわかり、その熱量はガス濃度に応じた大きさとなるため、検出信号Ｖ１から可燃性ガスのガス濃度がわかることになる。なお、詳細には、ガス濃度を算出する際に、被検出雰囲気内の湿度Ｈを用いて補正するが、これについては後述の「ガス濃度演算処理」にて説明する。

［温度測定回路］
次に、温度調整回路８０は、測温抵抗体３５を含んで構成されたブリッジ回路（ホイー
ストーンブリッジ）８１と、ブリッジ回路８１から得られる電位差を増幅する増幅回路８３とを備えている。

増幅回路８３は、演算増幅器８３１と、演算増幅器８３１の反転入力端子および非反転入力端子のそれぞれに接続された固定抵抗体８３２，８３３と、演算増幅器８３１の反転入力端子と出力端子との間に並列接続された固定抵抗体８３４，コンデンサ８３５によって構成された周知の差動増幅回路からなる。

ブリッジ回路８１は、測温抵抗体３５および３個の固定抵抗体８１１，８１２，８１３からなり、固定抵抗体８１１と測温抵抗体３５、固定抵抗体８１２と固定抵抗体８１３をそれぞれ直列接続し、各直列回路のうち、測温抵抗体３５および固定抵抗体８１３側の各端部を接地し、固定抵抗体８１１，８１２側の各端部を電源に接続することで構成されている。

そして、固定抵抗体８１１と測温抵抗体３５との接続点Ｐ−が固定抵抗体８３３を介して演算増幅器５３１の反転入力端子に接続され、固定抵抗体８１２と固定抵抗体８１３との接続点Ｐ＋が固定抵抗体８３２を介して演算増幅器８３１の非反転入力端子に接続されている。また、演算増幅器８３１の出力を温度検出信号ＶＴとしてマイコン７に供給するように構成されている。

測温抵抗体３５は、ガス検出素子３が晒される被検出雰囲気（ガス雰囲気）の温度が、予め設定された基準温度の時に、温度検出信号ＶＴが基準値となるように設定される。
そして、被検出雰囲気の温度変化に伴って、測温抵抗体３５の抵抗値が変化することにより、基準温度との差に応じた電位差が生じ、この電位差を増幅したものが温度検出信号ＶＴとして出力される。

なお、ガス検出素子３と制御回路５との接続において、ガス検出素子３の各電極３１（３１１，３１２，３１４，３１５）は、電極３１１が通電制御回路５０の接続点Ｐ＋に、電極３１４が温度調整回路８０の接続点Ｐ−に、グランド電極３１２，３１５が制御回路５の共通のグランドラインに接続される。

［マイコン］
マイコン７は、ガス濃度演算処理等を実行するための各種のプログラムやデータを格納する記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、この記憶装置に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ、各種信号を入出力するためのＩＯポート、計時用タイマー等を備えた周知のものである。

ここで、第１設定温度（４００℃）の時に検出される検出信号Ｖ１の信号レベルを高温時電圧ＶＨ１、第２設定温度（３００℃）時に検出される検出信号Ｖ１の信号レベルを低温時電圧ＶＬ１、温度調整回路８０から読み込んだ温度検出信号ＶＴの信号レベルを温度電圧ＶＬというものとする。

そして、記憶装置には、被検出雰囲気内の環境温度Ｔと温度電圧ＶＴとの相関関係を表す温度換算データ、被検出雰囲気内の湿度Ｈと高温時電圧ＶＨ１，低温時電圧ＶＬ１，温度電圧ＶＴとの相関関係を表す湿度換算データ、高温時電圧ＶＨ１または低温時電圧ＶＬ１と可燃性ガスのガス濃度Ｘとの相関関係を表す濃度換算データが少なくとも記憶されている。なお、各換算データは、具体的には、換算用マップデータや換算用計算式等からなり、実験等により得られたデータに基づいて予め作成されたものである。

また、湿度換算データには、環境温度Ｔ（ひいては温度電圧ＶＴ）と後述する電圧比Ｖ
Ｃ（０）との相関関係を表す電圧比換算用マップデータ、後述する電圧比差ΔＶＣと湿度Ｈとの相関関係を表す湿度換算用マップデータが含まれている。さらに、濃度換算データには、温度電圧ＶＴと後述する高温時電圧ＶＨ１（０）との相関関係を表す高温時電圧換算用マップデータ、高温時電圧ＶＨ１および湿度Ｈと後述する高温時電圧変化ΔＶＨ１（Ｈ）との相関関係を表す湿度電圧変化換算用マップデータ、温度電圧ＶＴおよび高温時電圧ＶＨ１と後述するガス感度Ｇ（ＶＴ）との相関関係を表すガス感度換算用マップデータが含まれている。

［ガス濃度演算処理］
ここで、マイコン７のＣＰＵが実行するガス濃度演算処理を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。

なお、マイコン７のＣＰＵは、制御回路５の作動を許可する作動許可処理（後述する）を実行し、この処理の実行終了後に、ガス濃度演算処理を開始する。
本処理（ガス濃度演算処理）が実行されると、まず、Ｓ１１０では、通電制御回路５０から低温時電圧ＶＬ１，高温時電圧ＶＨ１を取得するとともに、温度調整回路８０から温度電圧ＶＴを取得する。

具体的には、切替信号ＣＧ１によりブリッジ回路５１の抵抗値、即ち、発熱抵抗体３４の設定温度を、一定時間ＴＷの間（以下「低温測定期間」という）、第２設定温度ＣＬに保持した後、設定を切り替えて、再び一定時間ＴＷの間（以下「高温測定期間」という）、第１設定温度ＣＨに保持する制御を行う（図４参照）。

つまり、切替スイッチ５２３の各スイッチ５２４，５２５のオン／オフ動作を一定時間ＴＷ毎に交互に切り替えるオン／オフ制御を行うことにより、発熱抵抗体３４の設定温度を第１設定温度ＣＨと第２設定温度ＣＬとに交互に切り替えるようにしている。

また、これと並行して、低温測定期間中に低温時電圧ＶＬ１、高温測定期間中に高温時電圧ＶＨ１、両期間のいずれかのタイミングで温度電圧ＶＴを検出する。なお、一定時間ＴＷは、例えば、温度設定を切り替えた後、検出信号Ｖ１の出力が十分に安定するのに要する時間以上であればよく、１０ｍｓ〜数百ｍｓ（例えば２００ｍｓ）に設定される。

そして、Ｓ１２０では、Ｓ１１０にて取得した低温時電圧ＶＬ１，高温時電圧ＶＨ１を次式（１）の入力値として、電圧比ＶＣを算出する。
ＶＣ＝ＶＨ１／ＶＬ１…（１）
また、これと並行して、Ｓ１３０では、Ｓ１１０にて取得した温度電圧ＶＴと、電圧比換算用マップデータとに基づいて、環境温度Ｔ（ひいては温度電圧ＶＴ）においてガス濃度Ｘ、及び、湿度Ｈがゼロのときの電圧比ＶＣ（０）を算出する。

そして、Ｓ１４０では、Ｓ１２０にて算出した電圧比ＶＣと、Ｓ１３０にて算出したＶＣ（０）とを次式（２）の入力値として、環境温度Ｔ（ひいては温度電圧ＶＴ）における電圧比差ΔＶＣを算出する。

ΔＶＣ＝ＶＣ−ＶＣ（０）…（２）
次に、Ｓ１５０では、Ｓ１４０にて算出した電圧比差ΔＶＣと、湿度換算用マップデータとに基づいて、電圧比差ΔＶＣのときの湿度Ｈを算出する。

また、これと並行して、Ｓ１６０では、Ｓ１１０にて取得した高温時電圧ＶＨ１，温度電圧ＶＴと、高温時電圧換算用マップデータとに基づいて、環境温度Ｔ（ひいては温度電圧ＶＴ）においてガス濃度Ｘ、及び、湿度Ｈがゼロのときの高温時電圧ＶＨ１（０）を算
出する。

続いて、Ｓ１７０では、Ｓ１１０にて取得した高温時電圧ＶＨ１、およびＳ１５０にて算出した湿度Ｈと、湿度電圧変化換算用マップデータとに基づいて、高温時電圧ＶＨ１のうち湿度Ｈによってもたらされた電圧変化分を表す高温時電圧変化ΔＶＨ１（Ｈ）を算出する。

そして、Ｓ１８０では、Ｓ１１０にて取得した高温時電圧ＶＨ１と、Ｓ１６０にて算出した高温時電圧ＶＨ１（０）と、Ｓ１７０にて算出した高温時電圧変化ΔＶＨ１（Ｈ）とを次式（３）の入力値として、高温時電圧ＶＨ１のうち可燃性ガスによってもたらされた電圧変化分を表す高温時電圧変化ΔＶＨ１（Ｇ）を算出する。

ΔＶＨ１（Ｇ）＝ＶＨ１−ＶＨ１（０）−ΔＶＨ１（Ｈ）…（３）
また、これと並行して、Ｓ１９０では、Ｓ１１０にて取得した高温時電圧ＶＨ１，温度電圧ＶＴと、ガス感度換算用マップデータとに基づいて、高温時電圧ＶＨ１について環境温度Ｔ（ひいては温度電圧ＶＴ）毎に予め設定された可燃性ガスに対する感度（単位はガス濃度Ｘの逆数）を表すガス感度Ｇ（ＶＴ）を算出する。

最後に、Ｓ２００では、Ｓ１８０にて算出した高温時電圧変化ΔＶＨ１（Ｇ）と、Ｓ１９０にて算出したガス感度Ｇ（ＶＴ）とを次式（４）の入力値として、可燃性ガスのガス濃度Ｘを算出し、Ｓ１１０に戻る。

Ｘ＝ΔＶＨ１（Ｇ）／Ｇ（ＶＴ）…（４）
このように、本処理では、切替スイッチ５２３の各スイッチ５２４，５２５のオン／オフ動作を一定時間ＴＷ毎に交互に切り替えるオン／オフ制御を行うことにより、固定抵抗体５１２と切替抵抗部５２との接続点Ｐ−から端部ＰＧ（切替抵抗部５２における接地側端部）への通電経路（切替抵抗部５２における通電経路）を、固定抵抗体５２１，５２２のいずれか一方側から他方側に切り替え、これにより低温時電圧ＶＬ１，高温時電圧ＶＨ１を取得する。そして、切替抵抗部５２における通電経路を切り替えることで取得した低温時電圧ＶＬ１，高温時電圧ＶＨ１を用いて、被検出雰囲気中の湿度Ｈならびに可燃性ガスのガス濃度Ｘを算出するようにしている。

ところが、切替スイッチ５２３は、前述のように２つのスイッチ５２４，５２５のオン／オフ動作を交互に切り替えることが可能な構造を有しているため、切替抵抗部５２における通電経路を一方側から他方側に切り替える際に、いずれの経路も通電しない非通電状態の期間（タイムラグ期間）を発生させることになる。このタイムラグ期間は、一定時間ＴＷに対して微少な時間であるため、固定抵抗体５１１と発熱抵抗体３４との接続点Ｐ＋側に大電流が回り込むことで発熱抵抗体３４の温度がオーバーシュートせずに済む。しかし、たまたまタイムラグ期間中に本処理を終了した場合に、次に直流電源Ｖｃｃがオンされて、マイコン７が起動する前に、通電制御回路５０が作動してしまうと、タイムラグ期間が増大することにより、発熱抵抗体３４の温度（ひいては検出信号Ｖ１の信号レベル）がオーバーシュートしてしまい（図５参照）、可燃性ガス検出装置１の動作が不安定になる可能性がある。

これを防止するために、マイコン７のＣＰＵは、直流電源Ｖｃｃがオンされると、ガス濃度演算処理を開始する前に、以下の作動許可処理を行うこととした。
［作動許可処理］
すなわち、図６に示すように、マイコン７のＣＰＵは、起動スイッチ９がオンされることによって直流電源Ｖｃｃからマイコン７（および制御回路５）に給電されると（Ｓ２１０）、マイコン７内の各部を初期化することで起動して（Ｓ２２０）、作動許可処理を開始する。

Ｓ２２０の処理に次いで、切替スイッチ５２３に切替信号ＣＧ１を出力することで、共に非通電状態（オフの状態）にある切替スイッチ５２３の各スイッチ５２４，５２５のうち、切替スイッチ５２３の各スイッチ５２４，５２５の一方をオンに動作させ、他方をオフに動作させ（Ｓ２３０）、これにより、切替抵抗部５２における固定抵抗体５２１，５２２のいずれか一方（予め選択するように設定された方）を導通状態に切り替えるとともに、他方を非導通状態に切り替える（Ｓ２４０）。つまり、切替抵抗部５２において予め選択するように設定された方の固定抵抗体を非導通状態から導通状態に切り替えることにより、その固定抵抗体を有効に動作させるようにしておく。なお、このときに切替スイッチ５２３に出力される切替信号ＣＧ１が第１切替指令に相当する。

そして、スイッチング回路５７に作動許可信号Ｓ１を出力することで、通電制御回路５０の作動（ひいてはブリッジ回路５１の作動）を許可し（Ｓ２５０）、本処理を終了し、前述のガス濃度演算処理を開始する。なお、Ｓ２６０による通電制御回路５０の作動の許可により、発熱抵抗体３４への通電が開始されることになる。

［効果］
以上、説明したように、本実施形態の可燃性ガス検出装置１では、直流電源Ｖｃｃがオンされると、マイコン７が起動して作動許可処理を実行することにより、通電制御回路５０（および温度調整回路８０）の作動が許可される。

したがって、本実施形態の可燃性ガス検出装置１によれば、マイコン７の起動中、あるいは切替抵抗部５２の固定抵抗体５２１，５２２のいずれもが非導通状態のときに、通電制御回路５０が作動を開始してしまうことを防止でき、これにより、発熱抵抗体３４の温度がオーバーシュートしてしまうことを防止できる。

また、可燃性ガス検出装置１では、マイコン７が作動許可処理の実行後にガス濃度演算処理を行うので、マイコン７の起動後、且つ、切替抵抗部５２の固定抵抗体５２１，５２２のいずれかが導通状態のときに、各種の制御電圧（高温時電圧ＶＨ１，低温時電圧ＶＬ１，温度電圧ＶＴ）を検出でき、これにより、マイコン７が誤った演算値を出力してしまうことを防止することができる。

さらには、可燃性ガス検出装置１では、ガス濃度演算処理にて、高温時電圧ＶＨ１，低温時電圧ＶＬ１から湿度Ｈ、温度電圧ＶＴから環境温度Ｔをそれぞれ算出し、これら湿度Ｈおよび環境温度Ｔを用いて、被検出雰囲気内のガス濃度Ｘを算出（補正）しているので、精度よくガス濃度Ｘを求めることができる。

［特許請求の範囲との対応関係］
なお、本実施形態において、発熱抵抗体３４が検出抵抗部、固定抵抗体５１１が第１固定抵抗体、固定抵抗体５１２が第２固定抵抗体、固定抵抗体５２１，５２２が第３抵抗部の固定抵抗体、スイッチング回路５７が電源制御回路、作動許可処理のＳ２５０が作動許可手段、切替スイッチ５２３の各スイッチ５２４，５２５が切替部に相当する。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態の可燃性ガス検出装置１は、本発明の演算制御装置の一例にすぎず、必ずしも温度調整回路８０を構成要素とするまでもなく、被検出雰囲気内のガス濃度を演算することができる。

また、上記実施形態の可燃性ガス検出装置１は、湿度を算出するために（換言すれば、ガス濃度の検出精度を上げるために）、切替抵抗部５２が二つの固定抵抗体５２１，５２２のいずれか一つを有効に動作させるように構成されているが、切替抵抗部５２が固定抵抗体５２１，５２２のいずれか一つだけを備え、その固定抵抗体の状態を導通状態または非導通状態に切り替えるように構成されてもよい。

さらには、本発明の演算制御装置を、ガス濃度ではなく、被検出雰囲気内の湿度Ｈだけを検出対象とする湿度検出装置に適用してもよい。なお、湿度検出装置に適用する場合には、温度調整回路８０が不要となる。

また、上記実施形態の作動許可処理では、切替スイッチ５２３に切替信号ＣＧ１を出力（Ｓ２３０）した後に、ブリッジ回路５１の作動を許可するための作動許可信号Ｓ１を出力（Ｓ２５０）しているが、これに限らず、これらの切替信号ＣＧ１と作動許可信号Ｓ１を同時に出力してもよい。この場合、作動許可処理を短縮でき、すみやかにガス濃度演算処理を開始することができる。

また、上記実施形態の作動許可処理では、切替抵抗部５２における固定抵抗体５２１，５２２のいずれか一方を導通状態に切り替えるとともに、他方を非導通状態に切り替えることとしているが、切替抵抗部５２における固定抵抗体５２１，５２２のうち、始めに導通状態に切り替えられる方を予め決めておいてもよい。

例えば、発熱抵抗体３４は、切替スイッチ５２３の各スイッチ５２４，５２５を介して切替抵抗部５２における固定抵抗体５２１，５２２のいずれか一つが通電することにより発熱し、通電状態にある固定抵抗体に応じた設定温度まで発熱抵抗体３４の温度が上昇することになる。このため、切替抵抗部５２における固定抵抗体５２１，５２２のいずれもが非導通状態（非通電状態）になると、発熱抵抗体３４の温度は環境温度Ｔに収斂することになる。

ここで、第１設定温度（４００℃）及び第２設定温度（３００℃）は、可燃性ガスのガス濃度Ｘを求める際に通電制御回路５０の動作が安定する温度であり、環境温度Ｔに比べてはるかに高い温度となる。よって、切替抵抗部５２における固定抵抗体５２１，５２２のいずれか一つが非通電状態から通電状態に切り替わって発熱抵抗体３４が発熱し始めた直後は、僅かではあるが上記動作が不安定な状態となり、可燃性ガスのガス濃度Ｘの検出精度が低下する可能性がある。

これに対しては、作動許可処理では、図７に示すように、切替抵抗部５２における固定抵抗体５２１，５２２のうち、発熱抵抗体３４が高温側の設定温度である第１設定温度（４００℃）となる方の固定抵抗体５２１を導通状態に切り替えるとともに、他方の固定抵抗体５２２を非導通状態に切り替えるように予め決めておくとよい。

この場合、比較的早く発熱抵抗体３４の温度を通電時の安定した温度に到達させることができるため、可燃性ガス検出装置１の起動直後の可燃性ガスのガス濃度Ｘの検出精度をより向上させることができる。

ところで、上記実施形態の可燃性ガス検出装置１では、ガス検出素子３において、測温抵抗体３５が絶縁層３３の縁を形成する四辺のうちの一辺に沿った領域に配置されているが、これに限定されるものではなく、例えば図８に示すように、ガス検出素子３を平面視した状態で、測温抵抗体３５が、絶縁層３３の縁における三辺に沿った領域（発熱抵抗体３４を囲う領域）に配置されてもよい。

また、上記実施形態の可燃性ガス検出装置１では、第１電極群３１１，３１２と第２電極群３１４，３１５とが基部３０の表面上において互いに対向する辺に沿って配置されているが、これに限定されるものではなく、例えば図８に示すように、第１電極群３１１，３１２と第２電極群３１４，３１５とが基部３０の表面の縁における同一辺に沿った領域に配置されてもよい。

つまり、図８に示すガス検出素子３における各部の配置構成では、上記実施形態と比較して、測温抵抗体３５の配置領域をより広く確保することが可能になるため、測温抵抗体３５の長さを所望範囲の抵抗値が得られる長さに設計し易くなり、設計の自由度をより向上することができ、また、温度の検出精度を高めることもできる。

また、図８に示すガス検出素子３における各部の配置構成では、第１電極群３１１，３１２および第２電極群３１４，３１５とガス検出素子３の外部に設けられた入出力回路（例えば、回路基板）との接続が容易になるため、配線構造を単純化することが可能となり、ひいては、可燃性ガス検出装置１全体の小型化を図ることができる。

なお、ガス検出素子３における各部の配置構成は、図８に示す構成に限らず、例えば図９（ａ）に示すように、第１電極群３１１，３１２と第２電極群３１４，３１５とが基部３０上において互いに対向する辺に沿って配置され、且つ、測温抵抗体３５が基部３０上の縁における三辺に沿った領域（発熱抵抗体３４および第１電極群３１１，３１２を囲う領域）に配置されてもよい。

また、ガス検出素子３における各部の配置構成は、例えば図９（ｂ）に示すように、測温抵抗体３５が基部３０上の縁において連接する二辺に沿った領域（発熱抵抗体３４および第１電極群３１１，３１２を囲う領域）に配置されてもよい。

１…可燃性ガス検出装置、３…ガス検出素子、５…制御回路、７…マイコン、９…起動スイッチ、３４…発熱抵抗体、３５…測温抵抗体、５０…通電制御回路、５１…ブリッジ回路、５２…切替抵抗部、５５…電流調整回路、５７…スイッチング回路、８０…温度調整回路、８１…ブリッジ回路、８７…スイッチング回路、５１１，５１２，５２１，５２２…固定抵抗体、５２３…切替スイッチ。

Claims (4)

1. 被検出雰囲気に晒されるとともに自身の温度変化により抵抗値が変化する検出抵抗部と、第１固定抵抗部と、第２固定抵抗部と、少なくとも一つ以上の固定抵抗体を含む第３抵抗部であって、外部からの指令に基づいて自身を導通状態または非導通状態に切り替え可能な第３抵抗部とからなり、前記第１固定抵抗部と前記検出抵抗部、前記第２固定抵抗部と前記第３抵抗部をそれぞれ直列接続し、該直列接続されてなる二つの直列回路のうち、前記検出抵抗部及び前記第３抵抗部側を基準電位に接続し、前記第１及び第２固定抵抗部側を電源に接続することで構成されたホイートストンブリッジ回路と、
   前記第３抵抗部を導通状態または非導通状態に切り替える前記指令を出力するとともに、前記検出抵抗部の両端電圧に基づく検出信号を入力し、該検出信号に基づいて、前記被検出雰囲気内の環境を表す尺度を演算するマイクロコンピュータと、
   を備える演算制御装置であって、
   前記電源から前記ホイートストンブリッジ回路への電源供給を制御する電源制御回路を備え、
   前記マイクロコンピュータは、前記電源制御回路を介して前記ホイートストンブリッジ回路の作動を許可する作動許可手段を有し、該作動許可手段にて前記ホイートストンブリッジ回路の作動を許可する前又は該許可と同時に、前記第３抵抗部を非導通状態から導通状態に切り替える前記指令を出力することを特徴とする演算制御装置。
2. 前記第３抵抗部は、並列接続された抵抗値の異なる複数の固定抵抗体と、該各固定抵抗体に接続され、該各固定抵抗体を導通状態または非導通状態に切り替え可能な少なくとも一つ以上の切替部を含み、
   前記マイクロコンピュータは、前記第３抵抗部の抵抗値を選択的に変化させるように、該各固定抵抗体を導通状態または非導通状態に切り替える前記指令を前記切替部に出力することにより、前記第３抵抗部の抵抗値に応じて予め設定された複数の設定温度のなかから、前記検出抵抗部の温度を選択的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の演算制御装置。
3. 前記作動許可手段にて前記ホイートストンブリッジ回路の作動を許可する前又は該許可と同時に前記マイクロコンピュータが出力する前記指令を第１切替指令とし、
   該第１切替指令は、前記検出抵抗部の温度について、前記複数の設定温度のなかから最も高い設定温度に対応する値となるように前記第３抵抗部の抵抗値を変化させる指令であることを特徴とする請求項２に記載の演算制御装置。
4. 前記被検出雰囲気は、可燃性ガスが含まれるガス雰囲気であり、
   前記マイクロコンピュータは、前記被検出雰囲気内の環境を表す尺度として、前記可燃性ガスの濃度を演算することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の演算制御装置。

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