JP4967920B2 - ガス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス検出装置に係り、特に、運転者の呼気に含まれるアルコールの濃度を検出することができるガス検出装置に関する。

従来、呼気中エタノールの検出方法として、酸化物半導体式、燃料電池式、赤外吸収式、及び接触燃焼式等が知られており、ドライバのエタノール濃度を検出してエンジン始動を停止する技術等も提案されている（特許文献１〜特許文献３）。

また、呼気中のアルコール濃度を測定するため、従来から、センサ出力のピーク値の比を取る方法が行われている。
特開２００４−２１２２１７号公報 特開２００４−２７９２２８号公報 特開２００５−２９６２５２号公報

しかしながら、従来の技術では、一般にセンサの応答性が悪く、センサ出力が最大値を示すまでに時間がかかってしまうため、測定所要時間が長い、という問題点がある。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、短時間で、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することができる濃度検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のガス検出装置は、検出対象の気体中に含まれる検出対象ガスの濃度を検出する対象ガス検出手段と、前記検出対象の気体中に含まれる参照ガスの濃度を検出する参照ガス検出手段と、前記対象ガス検出手段によって検出される前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性を記憶した対象ガス応答特性記憶手段と、前記参照ガス検出手段によって検出される前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性を記憶した参照ガス応答特性記憶手段と、前記対象ガス検出手段によって検出された前記検出対象ガスの濃度、前記参照ガス検出手段によって検出された前記参照ガスの濃度、前記対象ガス応答特性記憶手段に記憶された前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、前記参照ガス応答特性記憶手段に記憶された前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性、及び予め求められた呼気中の前記参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の前記検出対象ガスの濃度を検出する濃度検出手段とを含んで構成されている。

本発明のガス検出装置によれば、対象ガス検出手段によって、検出対象の気体中に含まれる検出対象ガスの濃度を検出し、また、参照ガス検出手段によって、検出対象の気体中に含まれる参照ガスの濃度を検出する。

そして、濃度検出手段によって、対象ガス検出手段によって検出された検出対象ガスの濃度、参照ガス検出手段によって検出された参照ガスの濃度、対象ガス応答特性記憶手段に記憶された検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、参照ガス応答特性記憶手段に記憶された参照ガスの濃度のインパルス応答特性、及び予め求められた呼気中の参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出する。

このように、対象ガス検出手段の応答特性及び参照ガス検出手段のインパルス応答特性を用いて、検出された検出対象ガスの濃度及び検出された参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することにより、短時間で、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することができる。

本発明に係る濃度検出手段は、検出された検出対象ガスの濃度の変化の時間微分、検出された参照ガスの濃度の変化の時間微分、対象ガス検出手段によって検出される検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、参照ガス検出手段によって検出される参照ガスの濃度のインパルス応答特性、及び呼気中の参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の前記検出対象ガスの濃度を検出することができる。これによって、検出対象ガスの濃度の変化の時間微分と、参照ガスの濃度の変化の時間微分とを検出すれば、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することができるため、より短時間で、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することができる。

この濃度検出手段は、下記の（１）式に従って、呼気中の検出対象ガスの濃度ｄ_ａを算出するようにすることができる。

ただし、ｔは、検出時の時間を表わす変数、ｅ_ａ（ｔ）のドットは、検出された検出対象ガスの濃度の変化の時間微分、ｅ_ｘ（ｔ）のドットは、検出された参照ガスの濃度の変化の時間微分、ｈ_ａ（ｔ）は、対象ガス検出手段によって検出される検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、ｈ_ｘ（ｔ）は、参照ガス検出手段によって検出される参照ガスの濃度のインパルス応答特性、ｄ_ｘは、呼気中の参照ガスの濃度である。

本発明に係る濃度検出手段は、検出された検出対象ガスの濃度、検出された参照ガスの濃度、対象ガス検出手段によって検出される検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性の所定時間内の積分値、参照ガス検出手段によってされる参照ガスの濃度のインパルス応答特性の所定時間内の積分値、及び呼気中の参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することができる。これによって、対象ガス検出手段のインパルス応答特性の積分値及び参照ガス検出手段のインパルス応答特性の積分値を用いて、検出された検出対象ガスの濃度及び検出された参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することができる。

この濃度検出手段は、下記の（２）式に従って、呼気中の検出対象ガスの濃度ｄａを算出するようにすることができる。

ただし、ｔは、検出時の時間を表わす変数、τは、時間を表わす変数、ｅ_ａ（ｔ）は、検出された検出対象ガスの濃度、ｅ_ｘ（ｔ）は、検出された参照ガスの濃度、ｈ_ａ（τ）は、対象ガス検出手段によって検出される検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、ｈ_ｘ（τ）は、参照ガス検出手段によって検出される参照ガスの濃度のインパルス応答特性、Ｔ_ｘは、予め求められた参照ガス検出手段によって検出される参照ガスの濃度の変化のインパルス応答持続時間、Ｔ_ａは、予め求められた検出対象ガス検出手段によって検出される検出対象ガスの濃度の変化のインパルス応答持続時間、Ｔ_ｂは、検出された検出対象ガスの濃度の変化に基づいて定まる呼気の継続時間、ｄ_ｘは、呼気中の前記参照ガスの濃度である。

本発明に係る濃度検出手段は、検出された参照ガスの濃度の変化をフーリエ変換した値と、参照ガス検出手段によって検出される参照ガスの濃度のインパルス応答特性をフーリエ変換した値と、呼気中の前記参照ガスの濃度とに基づいて得られる値に対して、逆フーリエ変換を行なって、呼気量の時間変化を推定し、推定した呼気量の時間変化と対象ガス検出手段によって検出される検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性との積の所定時間内の積分値、及び検出された検出対象ガスの濃度の変化に基づいて、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することができる。これによって、フーリエ変換及び逆フーリエ変換を行なって、呼気量の時間変化を推定し、推定された呼気量の時間変化と対象ガス検出手段の応答特性との積の積分値、及び検出された検出対象ガスの濃度に基づいて、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することができる。

この濃度検出手段は、下記の（３）式に従って、呼気量の時間変化を推定し、下記の（４）式に従って、呼気中の検出対象ガスの濃度ｄ_ａを算出するようにすることができる。

ただし、Ｆ^−１ []は、逆フーリエ変換、ｔは、検出時の時間を表わす変数、τは、時間を表わす変数、ｂ（ｔ−τ）のハットは、推定した呼気量の時間変化、ｅ_ａ（ｔ）は、検出された検出対象ガスの濃度、Ｅ_ｘ（ｆ）は、検出された参照ガスの濃度の変化をフーリエ変換した値、ｈ_ａ（τ）は、対象ガス検出手段によって検出される検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、Ｈ_ｘ（ｆ）は、参照ガス検出手段によって検出される参照ガスの濃度のインパルス応答特性をフーリエ変換した値、ｄ_ｘは、呼気中の前記参照ガスの濃度である。

上記の検出対象ガスを、エタノールガスとし、参照ガスを、酸素、二酸化炭素、及び水蒸気の何れか１つとすることができる。

上記の対象ガス検出手段を、酸化物半導体を用いてエタノールガスの濃度を検出するガスセンサで構成し、参照ガス検出手段を、酸素、二酸化炭素、及び水蒸気の何れか１つの濃度を検出するガスセンサで構成することができる。

また、酸素の濃度を検出するガスセンサとしては、固体電解質を用いて酸素濃度を検出する酸素センサを用いることができ、二酸化炭素の濃度を検出するガスセンサとしては、固体電解質を用いて二酸化炭素の濃度を検出する二酸化炭素センサを用いることができ、水蒸気の濃度を検出するガスセンサとしては、酸化物半導体または高分子膜静電容量を用いて水蒸気の濃度を検出する水蒸気センサを用いることができる。

以上説明したように本発明によれば、対象ガス検出手段のインパルス応答特性及び参照ガス検出手段のインパルス応答特性を用いて、検出された検出対象ガスの濃度及び検出された参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することにより、短時間で、呼気中の検出対象ガスの濃度を検出することができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、ドライバの呼気からアルコールの一種であるエタノールの濃度を検出するエタノール濃度検出装置に、本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置１０は、運転席に設けられたステアリングコラム１２の、ドライバの呼気が到達可能な位置に取り付けられている。エタノール濃度検出装置１０は、先端部に拡径した吸い込み口２０Ａが形成された細長円筒状の呼気導入管２０を備えており、呼気導入管２０の基端部には、ドライバの呼気を吸い込み口２０Ａから吸い込むために駆動される吸い込みファン２２が設けられている。

呼気導入管２０の中間部の内部には、酸化物半導体を用いてエタノールガスの濃度を検出するエタノールガスセンサであるアルコールセンサ、及び酸素の濃度を検出する酸素センサを有するセンサ群２４が取り付けられている。

図２に示すように、センサ群２４は、呼気導入管２０の中間部の内部に対向するように取り付けられた、アルコールセンサ２４Ａと酸素センサ２４Ｂとで構成されている。

アルコールセンサ２４Ａは、呼気導入管２０内を流れる気体中に含まれるエタノールガスを検出するセンサであり、例えば、酸化錫の半導体を用いたＴＧＳ８２２（フィガロ技研社製、商品名）を使用することができる。

酸素センサ２４Ｂは、呼気導入管２０内を流れる気体中の酸素の濃度を検出するセンサであり、例えば、ジルコニア固体電解質を用いたＦＣＸ−ＭＶＬ（フジクラ社製、商品名）を使用することができる。

この実施の形態によれば、吸い込みファン２２を駆動することにより、ドライバから吐き出された呼気は呼気導入管２０の吸い込み口２０Ａから呼気導入管２０内に吸入されると共に、呼気が空気と混合されることで任意に希釈され、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂへ到達する。そして、呼気は、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂに接触した後、吸い込みファン２２の背面に排出される。

呼気がアルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂに接触することにより、アルコールセンサ２４Ａによって呼気を含む気体中のエタノールガスの濃度が検出されると共に、酸素センサ２４Ｂによって呼気を含む気体中の酸素の濃度が検出される。アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂで検出された気体中のエタノールガスの濃度及び酸素の濃度は、後述するエタノール濃度判定器に入力され、検出したエタノールガスの濃度の大きさ及び酸素の濃度の大きさに基づいて、呼気中の検出対象ガスとしてのエタノールガスの濃度が検出される。

図３に示すように、エタノール濃度検出装置１０は、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂに接続され、かつ、エタノールガスの濃度を検出するエタノール濃度判定器３０を備えている。

エタノール濃度判定器３０は、アルコールセンサ２４Ａからの出力濃度に基づいて、呼気導入管２０内を流れる呼気を含む気体中のエタノールガスの濃度の変化の時間微分を算出するエタノール濃度微分算出部３２と、酸素センサ２４Ｂの出力濃度に基づいて、呼気導入管２０内を流れる気体中の酸素の濃度の変化の時間微分を算出する酸素濃度微分算出部３４と、予め求められたアルコールセンサ２４Ａの出力濃度のインパルス応答の特性を記憶したアルコールセンサ応答特性記憶部３６と、予め求められた酸素センサ２４Ｂの出力濃度のインパルス応答の特性を記憶した酸素センサ応答特性記憶部３８と、気体中のエタノールガスの濃度の変化の時間微分、気体中の酸素の濃度の変化の時間微分、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性、酸素センサ２４Ｂのインパルス応答の特性、及び予め求められた呼気中の酸素の濃度に基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度を算出するエタノール濃度算出部４０と、エタノール濃度算出部４０による算出結果を表示する表示部４２とを備えている。

エタノール濃度微分算出部３２は、図４（Ａ）に示すような呼気が導入され、導入された呼気に対する応答として、図４（Ｂ）に示すように、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度が変化することを検知すると、出力濃度が最大値となる前の所定の計測期間Ｔｍｓの出力濃度の変化から、エタノールガスの濃度の変化の時間微分を算出する。

酸素濃度微分算出部３４は、図４（Ａ）に示すような呼気が導入され、導入された呼気に対する応答として、図４（Ｃ）に示すように、酸素センサ２４Ｂの出力濃度が変化することを検知すると、出力濃度が最小値となる前の所定の計測期間Ｔｍｓの出力濃度の変化から、酸素の濃度の変化の時間微分を算出する。

アルコールセンサ応答特性記憶部３６には、図４（Ｂ）に示すような、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度のインパルス応答の特性が記憶されており、酸素センサ応答特性記憶部３８には、図４（Ｃ）に示すような、酸素センサ２４Ｂの出力濃度のインパルス応答の特性が記憶されている。

ここで、従来の方法について説明する。呼気中のエタノールガスの濃度を測定するため、従来は、センサからの出力濃度のピーク値の比を取る方法が行われてきた。この従来の方法は、以下に説明する原理に基づいている。

酸素センサからの出力濃度のインパルス応答の最小値をｈ_ｘｍ、アルコールセンサからの出力濃度のインパルス応答の最大値をｈ_ａｍとすると、酸素センサの出力の最小値ｍａｘ（ｅ_ｘ（ｔ））、及びアルコールセンサの出力の最大値ｍａｘ（ｅ_ａ（ｔ））は、以下の（５）式で表される。

ただし、ｄ_ｘは、予め求められた呼気中の酸素の濃度（例えば、分圧比約１５％）、ｄ_ａは、呼気中のエタノールガスの濃度、ｂ_０は、呼気量、Ｔ_ｂは、呼気継続時間である。

上記（５）式から、呼気中のエタノールガスの濃度ｄ_ａを以下の（６）式で表わすことができ、（６）式に従って、呼気中のエタノールガスの濃度ｄ_ａを算出することができる。

しかし、上述した従来の方法には問題がある。一般にアルコールセンサは応答性が悪く、アルコールセンサの出力ｅ_ａ（ｔ）が最大値を示しピークを形成するまでに５秒以上かかってしまう場合があり、測定所要時間が長くなってしまう、という問題がある。また、各センサの最大値のみに基づいて、エタノールガスの濃度を算出するため、たまたま最大値出力時にノイズが混入した場合、大きな誤差を生んでしまい、測定精度が低下してしまう、という問題がある。

そこで、本実施の形態では、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの出力濃度の変化の時間微分を用いて、呼気中のエタノールガスの濃度を算出する。以下に、本実施の形態の原理について説明する。

まず、呼気中のエタノールガスの濃度をｄ_ｘ、酸素の濃度をｄ_ａ、センサ計測地点ｔで観測される呼気量の時間変化をｂ（ｔ）、酸素センサ２４Ｂ及びアルコールセンサ２４Ａの各々の出力をｅ_ｘ（ｔ）、ｅ_ａ（ｔ）とすると、図５に示すようなモデルに基づいて、酸素センサ２４Ｂ及びアルコールセンサ２４Ａの各々からの出力濃度のインパルス応答ｈ_ｘ（ｔ）、ｈ_ａ（ｔ）は、以下の（７）式で表される。

ここで、呼気量を図４（Ａ）のようにパルス波形で近似すると、呼気量の時間変化ｂ（ｔ）は、以下の（８）式で表わされる。

上記（７）式及び（８）式により、酸素センサ２４Ｂ及びアルコールセンサ２４Ａの各々からの出力濃度ｅ_ｘ（ｔ）、ｅ_ａ（ｔ）は、以下の（９）式で表される。

ただし、Ｔ_ｘは、酸素センサ２４Ｂのインパルス応答持続時間（図８（Ｃ）参照）、Ｔ_ａは、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答持続時間（図８（Ｂ）参照）である。また、Ｔ_ｘ、Ｔ_ａは、呼気継続時間Ｔ_ｂより長いと仮定した。

上記（９）式により、酸素センサ２４Ｂ及びアルコールセンサ２４Ａの各々からの出力濃度の時間微分ｅ_ｘ（ｔ）のドット、ｅ_ａ（ｔ）のドットは、以下の（１０）式で表される。

従って、上記（１０）式により、呼気中のエタノールガスの濃度ｄ_ａは、０＜ｔ＜Ｔ_ｂの区間で、以下の（１１）式で表される。

エタノール濃度算出部４０は、上記（１１）式を用いて、算出された呼気導入管２０内を流れる呼気を含む気体中のエタノールガスの濃度の変化の時間微分、算出された呼気導入管２０内を流れる呼気を含む気体中の酸素の濃度の変化の時間微分、アルコールセンサ２４Ａからの出力濃度のインパルス応答の特性、及び酸素センサ２４Ｂからの出力濃度のインパルス応答の特性に基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度を算出する。

次に、第１の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置１０の作用について説明する。ドライバが車両シートに着座すると、ドライバの呼気が呼気導入管２０に吹き込まれる状態となり、ドライバによってイグニッションスイッチがオンされると、エタノール濃度検出装置１０のエタノール濃度判定器３０において、図６に示すエタノール濃度検出処理ルーチンが実行される。

まず、ステップ１００において、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの各々からの出力濃度の変化から、呼気に対する応答が検知されたか否かを判定し、上記図４（Ｂ）、（Ｃ）に示すような出力濃度の変化が検知されると、呼気が呼気導入管２０内に導入されたと判断し、ステップ１０２へ進む。

ステップ１０２では、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの各々から、所定の計測期間Ｔｍｓの出力濃度を取得する。そして、ステップ１０４において、上記ステップ１０２で取得した酸素センサ２４Ｂの出力濃度から、酸素濃度の変化の時間微分を算出し、ステップ１０６で、上記ステップ１０２で取得したアルコールセンサ２４Ａの出力濃度から、エタノールガス濃度の変化の時間微分を算出する。

そして、ステップ１０８において、アルコールセンサ応答特性記憶部３６から、アルコールセンサ２４Ａからの出力濃度のインパルス応答の特性を取得すると共に、酸素センサ応答特性記憶部３８から、酸素センサ２４Ｂからの出力濃度のインパルス応答の特性を取得する。

次のステップ１１０では、上記ステップ１０４で算出した酸素濃度の変化の時間微分、上記ステップ１０６で算出したエタノールガスの濃度の変化の時間微分、上記ステップ１０８で取得したアルコールセンサ２４Ａからの出力濃度のインパルス応答の特性、及び酸素センサ２４Ｂからの出力濃度のインパルス応答の特性に基づいて、上記（１１）式に従って、呼気中のエタノールガスの濃度を算出する。そして、ステップ１１２において、上記ステップ１１０で算出された呼気中のエタノールガスの濃度を表示部４２に表示させて、エタノール濃度検出処理ルーチンを終了する。

以上説明したように、第１の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置によれば、アルコールセンサのインパルス応答の特性及び酸素センサのインパルス応答の特性を用いて、アルコールセンサの出力濃度の変化の時間微分と、酸素センサの出力濃度の変化の時間微分とを算出すれば、呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができるため、センサの出力濃度のピーク値をとる場合に比べて、短時間で、呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができる。

また、アルコールセンサの出力濃度や酸素センサの出力濃度そのものを用いずに、アルコールセンサの出力濃度の変化の時間微分と、酸素センサの出力濃度の変化の時間微分とを用いて、呼気中のエタノールガスの濃度を算出するため、ノイズによる測定誤差を低減することができ、精度よく呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができる。

次に、第２の実施の形態に係るエタノール濃度判定装置について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となっている部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、酸素センサのインパルス応答の特性の所定時間の積分値と、アルコールセンサのインパルス応答の特性の所定時間の積分値とを用いて、呼気中のエタノールガスの濃度値を算出している点が、第１の実施の形態と主に異なっている。

図７に示すように、第２の実施の形態に係るエタノール濃度判定装置２１０のエタノール濃度判定器２３０は、アルコールセンサ２４Ａから、出力濃度を取得するアルコールセンサ出力取得部２３２と、酸素センサ２４Ｂから、出力濃度を取得する酸素センサ出力取得部２３４と、酸素センサ２４Ｂの出力濃度の変化に基づいて、呼気継続時間を算出する呼気継続時間算出部２３６と、アルコールセンサ応答特性記憶部３６と、酸素センサ応答特性記憶部３８と、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度、酸素センサ２４Ｂの出力濃度、算出された呼気継続時間、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度のインパルス応答の特性、及び酸素センサ２４Ｂの出力濃度のインパルス応答の特性に基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度を算出するエタノール濃度算出部２４０と、エタノール濃度算出部２４０による算出結果を表示する表示部４２とを備えている。

次に、本実施の形態の原理について説明する。なお、以下では、図８に示すように、酸素センサ２４Ｂの応答が速く、呼気継続時間Ｔ_ｂより酸素センサ応答持続時間Ｔ_ｘの方が短い場合を例に説明する。

酸素センサ２４Ｂの出力濃度ｅ_ｘ（ｔ）は、以下の（１２）式で表される。

上記（１２）式に示すように、Ｔ_ｘ＜ｔ＜Ｔ_ｂの区間でｅ_ｘ（ｔ）が一定値をとるため、ｅ_ｘ（ｔ）の値を計測し、一定値をとった期間の長さをＴ_ｂ−Ｔ_ｘとする。Ｔ_ｘは既知のため、Ｔ_ｂ−Ｔ_ｘが得られると、Ｔ_ｂが算出される。

また、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度ｅ_ａ（ｔ）は、以下の（１３）式で表される。

上記（１３）式により、Ｔ_ｂを用いて、呼気中のエタノールガスの濃度ｄ_ａが以下の（１４）式で表されるため、（１４）式に従って、呼気中のエタノールガスの濃度ｄ_ａが算出される。

呼気継続時間算出部２３６は、上述したように、酸素センサ２４Ｂの出力濃度が一定値をとる期間の長さから、呼気継続時間Ｔ_ｂを算出する。

また、エタノール濃度算出部２４０は、上述したように、上記（１４）式を用いて、酸素センサ２４Ｂの出力濃度が一定値となる期間終了後の計測時刻ｔ（＝Ｔ_ｂ＋Δｔ）におけるアルコールセンサ２４Ａからの出力濃度、呼気継続時間Ｔ_ｂにおける酸素センサ２４Ｂの出力濃度、予め求められた呼気中の酸素の濃度、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性の所定期間（時刻ｔ−Ｔ_ｂから計測時刻ｔまでの期間）の積分値、及び酸素センサ２４Ｂのインパルス応答の特性の所定期間（時刻０から酸素センサ応答持続時間Ｔ_ｘまでの期間）の積分値に基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度を算出する。

次に、第２の実施の形態に係るエタノール濃度検出処理ルーチンについて、図９を用いて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

まず、ステップ１００で、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの各々からの出力濃度の変化から、呼気に対する応答が検知されたか否かを判定し、呼気の導入に対する出力濃度の変化が検知されると、ステップ２５０へ進む。

ステップ２５０では、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの各々から、酸素センサ２４Ｂの出力濃度が一定となる期間と、出力濃度が一定となる期間終了後の所定期間とにおける出力濃度を取得する。

そして、ステップ２５２において、上記ステップ２５０で取得した酸素センサ２４Ｂからの出力濃度から、出力濃度が一定となる期間が終了する時点を、呼気継続時間Ｔｂとして算出し、ステップ２５４において、上記ステップ２５０で取得した酸素センサ２４Ｂからの出力濃度から、時刻Ｔｂにおける酸素センサ２４Ｂのセンサ出力を取得する。

次のステップ２５６では、上記ステップ２５０で取得したアルコールセンサ２４Ａからの出力濃度から、所定の計測時刻ｔ（＝Ｔ_ｂ＋Δｔ）におけるアルコールセンサ２４Ａのセンサ出力を取得する。そして、ステップ１０８において、アルコールセンサ応答特性記憶部３６から、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度のインパルス応答の特性を取得すると共に、酸素センサ応答特性記憶部３８から、酸素センサ２４Ｂの出力濃度のインパルス応答の特性を取得する。

次のステップ２５８では、上記ステップ２５２で算出した呼気継続時間Ｔ_ｂ、上記ステップ２５４で取得したＴ_ｂにおける酸素センサ２４Ｂの出力濃度、上記ステップ２５６で取得した計測時刻ｔにおけるアルコールセンサ２４Ａの出力濃度、予め求められた呼気中の酸素の濃度、上記ステップ１０８で取得したアルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性の時刻ｔ−Ｔ_ｂから計測時刻ｔまでの期間の積分値、及び酸素センサ２４Ｂのインパルス応答の特性の時刻０（酸素センサ２４Ｂの出力濃度の応答開始時）から酸素センサ応答持続時間Ｔ_ｘまでの期間の積分値に基づいて、上記（１４）式に従って、呼気中のエタノールガスの濃度を算出する。そして、ステップ１１２において、上記ステップ２５８で算出された呼気中のエタノールガスの濃度を表示部４２に表示させて、エタノール濃度検出処理ルーチンを終了する。

以上説明したように、第２の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置によれば、アルコールセンサのインパルス応答の特性の積分値及び酸素センサのインパルス応答の特性の積分値を用いて、アルコールセンサの出力濃度と、酸素センサの出力濃度とに基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができるため、センサの出力濃度のピーク値をとる場合に比べて、短時間で、呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができる。

また、アルコールセンサの出力濃度のピーク値や酸素センサの出力濃度のピーク値を用いずに、呼気中のエタノールガスの濃度を算出するため、ノイズによる測定誤差を低減することができ、精度よく呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができる。

次に、第３の実施の形態に係るエタノール濃度判定装置について説明する。なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様の構成となっている部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第３の実施の形態では、呼気量の時間変化を推定している点が第１の実施の形態と異なっている。

図１０に示すように、第３の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置３１０のエタノール濃度判定器３３０は、アルコールセンサ２４Ａから、図１１（Ｂ）に示すような出力濃度を所定期間分取得するアルコールセンサ出力取得部３３２と、酸素センサ２４Ｂから、図１１（Ａ）に示すような出力濃度を所定期間分取得する酸素センサ出力取得部３３４と、アルコールセンサ応答特性記憶部３６と、酸素センサ応答特性記憶部３８と、酸素センサ２４Ｂの出力濃度の変化及び酸素センサ２４Ｂのインパルス応答の特性に基づいて、呼気量の時間変化を推定する呼気推定量算出部３３６と、アルコールセンサ２４Ａからの出力濃度、算出された呼気量の時間変化推定量、及びアルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性に基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度を算出するエタノール濃度算出部３４０と、エタノール濃度算出部３４０による算出結果を表示する表示部４２とを備えている。

ここで、本実施の形態の原理について説明する。呼気中のアルコール濃度をｄ_ｘ、呼気中の酸素濃度をｄ_ａ、センサ計測地点で観測される呼気量の時間変化をｂ（ｔ）、酸素センサ２４Ｂ及びアルコールセンサ２４Ａの各々からの出力濃度をｅ_ｘ（ｔ），ｅ_ａ（ｔ）とすると、酸素センサ２４Ｂ及びアルコールセンサ２４Ａの各々からの出力濃度のインパルス応答の特性ｈ_ｘ（ｔ），ｈ_ａ（ｔ）は、以下の（１５）式で表される。

上記（１５）式をフーリエ変換すると、以下の（１６）式が得られる。

但し、Ｅ_ｘ（ｆ）は酸素センサ２４Ｂの出力濃度の変化をフーリエ変換した値、Ｅ_ａ（ｆ）はアルコールセンサ２４Ａの出力濃度の変化をフーリエ変換した値、Ｈ_ｘ（ｆ）は酸素センサ２４Ｂのインパルス応答の特性をフーリエ変換した値、Ｈ_ａ（ｆ）はアルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性をフーリエ変換した値、Ｂ（ｆ）は呼気量の変化をフーリエ変換した値である。

一般に、酸素センサ２４Ｂはアルコールセンサ２４Ａに比べて応答が速いため、上記（１６）式のうちの酸素センサ２４Ｂの出力濃度に関する式から、呼気量の時間変化推定量ｂ（ｔ）のハットが以下の（１７）式で表される。

但し、Ｆ^−１［］は逆フーリエ変換を表す。

また、上記（１７）式で算出される呼気推定量ｂ（ｔ）のハットを用いて、呼気中のエタノールガスの濃度ｄ_ａが以下の（１８）式で表され、（１８）式に従って、呼気中のエタノールガスの濃度ｄ_ａが算出される。

呼気推定量算出部３３６は、酸素センサ出力取得部３３４で取得した酸素センサ２４Ｂの出力濃度、酸素センサ２４Ｂの出力濃度のインパルス応答の特性、及び予め求められた呼気中の酸素の濃度に基づいて、上記（１７）式に従って、呼気量の時間変化推定量を算出する。

エタノール濃度算出部３４０は、アルコールセンサ出力取得部３３２で取得したアルコールセンサ２４Ａの出力濃度、推定された呼気量の時間変化推定量、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性に基づいて、上記（１８）式に従って、呼気中のエタノールガスの濃度を算出する。

次に、第３の実施の形態に係るエタノール濃度検出処理ルーチンについて、図１２を用いて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

まず、ステップ１００で、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの各々からの出力濃度の変化から、呼気に対する応答が検知されたか否かを判定し、呼気の導入に対するセンサ出力の変化が検知されると、ステップ３５０へ進む。

ステップ３５０では、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの各々から、所定期間分（例えば、酸素センサ応答継続時間分）の出力濃度を取得する。

そして、ステップ１０８において、アルコールセンサ応答特性記憶部３６から、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性を取得すると共に、酸素センサ応答特性記憶部３８から、酸素センサ２４Ｂのインパルス応答の特性を取得する。

次のステップ３５２では、上記ステップ３５０で取得した酸素センサ２４Ｂの出力濃度、酸素センサ２４Ｂのインパルス応答の特性、及び予め求められた呼気中の酸素の濃度に基づいて、呼気量の時間変化推定量を算出する。上記ステップ３５２では、まず、上記ステップ３５０で取得した酸素センサ２４Ｂの出力濃度に対してフーリエ変換を行うと共に、酸素センサ２４Ｂのインパルス応答の特性に対してフーリエ変換を行なう。そして、上記（１７）式に従って、酸素センサ２４Ｂの出力濃度をフーリエ変換した値、酸素センサ２４Ｂのインパルス応答の特性をフーリエ変換した値、及び予め求められた呼気中の酸素の濃度に基づいて得られる値に対して、逆フーリエ変換を行なって、呼気量の時間変化推定量を算出する。

そして、ステップ３５４では、上記ステップ３５２で算出された呼気量の時間変化推定量、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性に基づいて、上記（１８）式に従って、呼気中のエタノールガスの濃度を算出する。そして、ステップ１１２において、上記ステップ３５４で算出された呼気中のエタノールガスの濃度を表示部４２に表示させて、エタノール濃度検出処理ルーチンを終了する。

以上説明したように、第３の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置は、フーリエ変換及び逆フーリエ変換を行なって、呼気量の時間変化を推定し、推定された呼気量の時間変化とアルコールセンサのインパルス応答の特性との積の積分値、及び検出されたアルコールセンサの出力濃度に基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができるため、センサの出力濃度のピーク値をとる場合に比べて、短時間で、呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができる。

また、アルコールセンサの出力濃度のピーク値や酸素センサの出力濃度のピーク値を用いずに、呼気中のエタノールガスの濃度を算出するため、ノイズによる測定誤差を低減することができ、精度よく呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができる。

次に、第４の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第４の実施の形態では、アルコールセンサ及び酸素センサの各々から出力される信号にノイズ成分が含まれないようにするために、呼気周波数成分の信号のみを通過させるハイパスフィルタ等で構成された呼気信号フィルタを用いている点が第１の実施の形態と異なっている。

第４の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置では、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの各々とエタノール濃度判定器３０との間に、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの各々から出力された信号から呼気周波数成分以上の信号のみを通過させるハイパスフィルタで構成された呼気信号フィルタ（図示省略）が接続されている。呼気信号フィルタは、アルコールセンサ２４Ａ及び酸素センサ２４Ｂの各々から出力された信号から呼気周波数成分に相当する成分の電気信号のみを抽出し、エタノール濃度判定器３０に入力する。

アルコールセンサ２４Ａから出力されるエタノールガス濃度を示す信号から呼気のタイミングに相当する呼気周波数成分の信号のみが抽出され、エタノールガスの濃度が検出される。また、酸素センサ２４Ｂから出力される酸素の濃度を示す信号から呼気のタイミングに相当する呼気周波数成分の信号のみが抽出され、酸素の濃度が検出される。

これによって、呼気信号フィルタを通過したアルコールセンサからの出力濃度を示す信号の大きさに基づいて、呼気として排出されたガス中のエタノールガスの濃度を検出し、また、呼気信号フィルタを通過した酸素センサからの出力濃度を示す信号の大きさに基づいて、呼気として排出されたガス中の酸素の濃度を検出することにより、より正確に呼気中のエタノールガスの濃度を検出することができる。

次に、第５の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置について説明する。第５の実施の形態では、参照ガスとして二酸化炭素を検出する二酸化炭素センサを用いている点が第１の実施の形態と異なっている。

第５の実施の形態に係るエタノール検出装置では、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度と、二酸化炭素センサの出力濃度とが、エタノール濃度判定器に入力される。また、エタノール濃度判定器には、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性と二酸化炭素センサのインパルス応答の特性とが記憶されている。

そして、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度、二酸化炭素センサの出力濃度、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性、二酸化炭素センサのインパルス応答の特性、及び予め求められた呼気中の二酸化炭素の濃度に基づいて、上記第１の実施の形態〜第３の実施の形態と同様に、呼気中のエタノールガスの濃度を算出する。

二酸化炭素センサは、呼気導入管２０内を流れる気体中に含まれる二酸化炭素を検出するセンサであり、例えば、固体電解質を用いたＣＤＭ４１６０（フィガロ技研社製、商品名）を使用することができる。呼気中の二酸化炭素濃度については、実験や統計により予め求めておけばよく、例えば、約３．８％で一定である。

なお、参照ガスの濃度として二酸化炭素の濃度を用いる場合には、酸素の濃度を用いる場合とは反対に、大気中に比べて呼気中の濃度は増加するので、二酸化炭素センサの出力濃度は、大気中の二酸化炭素センサの出力濃度より増加することになる。また、二酸化炭素センサの出力濃度のインパルス応答の特性では、出力濃度が最大値をとるように変化する。

次に、第６の実施の形態に係るエタノール濃度検出装置について説明する。第６の実施の形態では、参照ガスとして水蒸気を検出する水蒸気センサを用いている点が第１の実施の形態と異なっている。

第６の実施の形態に係るエタノール検出装置では、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度と、水蒸気センサの出力濃度とが、エタノール濃度判定器に入力される。また、エタノール濃度判定器には、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性と水蒸気センサのインパルス応答の特性とが記憶されている。

そして、アルコールセンサ２４Ａの出力濃度、水蒸気センサの出力濃度、アルコールセンサ２４Ａのインパルス応答の特性、水蒸気センサのインパルス応答の特性、及び予め求められた呼気中の水蒸気の濃度（例えば、３４℃の飽和水蒸気濃度の値とする）に基づいて、上記第１の実施の形態〜第３の実施の形態と同様に、呼気中のエタノールガスの濃度を算出する。

水蒸気センサとしては、酸化錫の半導体を用いたＴＧＳ２１８０（フィガロ技研社製、商品名）を用いることができる。また、高分子膜静電容量を用いた水蒸気センサを用いてもよい。

なお、参照ガスの濃度として水蒸気の濃度を用いる場合には、酸素の濃度を用いる場合とは反対に、大気中に比べて呼気中の水蒸気は増加するので、水蒸気センサの出力濃度は、大気中の水蒸気センサの出力濃度より増加することになる。また、水蒸気センサの出力濃度のインパルス応答の特性では、出力濃度が最大値をとるように変化する。

上記の実施の形態では、算出された呼気中のエタノールガスの濃度を表示する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、算出したエタノールガス濃度と予め定めた閾値とを比較し、算出したエタノールガス濃度が閾値以上の場合にエタノールの濃度が高いと判定し、エンジンが始動できないようにする等の不正ができないように制御するようにしてもよい。

上記では、ドライバの呼気からエタノールを検出する例について説明したが、エタノール濃度検出装置を携帯可能に構成する等により、本発明はドライバ以外の人間の呼気からエタノールを検出する場合にも適用できるものである。

本実施の形態のエタノール濃度検出装置を運転席のステアリングコラムに取り付けた状態を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態のエタノール濃度判定器の構成を示すブロック図である。 （Ａ）呼気量の時間変化を示す線図、（Ｂ）アルコールセンサの出力濃度の時間変化を示す線図、及び（Ｃ）酸素センサの出力濃度の時間変化を示す線図である。 呼気量、アルコールセンサのインパルス応答の特性、及び酸素センサのインパルス応答の特性に基づいて、アルコールセンサ及び酸素センサの各々の出力濃度が算出されるモデルを示すイメージ図である。 第１の実施の形態のエタノール濃度検出装置におけるエタノール濃度検出処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態のエタノール濃度判定器の構成を示すブロック図である。 （Ａ）呼気量の時間変化を示す線図、（Ｂ）アルコールセンサの出力濃度の時間変化を示す線図、及び（Ｃ）酸素センサの出力濃度の時間変化を示す線図である。 第２の実施の形態のエタノール濃度検出装置におけるエタノール濃度検出処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態のエタノール濃度判定器の構成を示すブロック図である。 （Ａ）酸素センサの出力濃度の時間変化を示す線図、及び（Ｂ）アルコールセンサの出力濃度の時間変化を示す線図である。 第３の実施の形態のエタノール濃度検出装置におけるエタノール濃度検出処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１０、２１０、３１０ エタノール濃度検出装置
２０ 呼気導入管
２４Ａ アルコールセンサ
２４Ｂ 酸素センサ
３０、２３０、３３０ エタノール濃度判定器
３２ エタノール濃度微分算出部
３４ 酸素濃度微分算出部
３６ アルコールセンサ応答特性記憶部
３８ 酸素センサ応答特性記憶部
４０、２４０、３４０ エタノール濃度算出部
２３６ 呼気継続時間算出部
３３６ 呼気推定量算出部

Claims (9)

1. 検出対象の気体中に含まれる検出対象ガスの濃度を検出する対象ガス検出手段と、
   前記検出対象の気体中に含まれる参照ガスの濃度を検出する参照ガス検出手段と、
   前記対象ガス検出手段によって検出される前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性を記憶した対象ガス応答特性記憶手段と、
   前記参照ガス検出手段によって検出される前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性を記憶した参照ガス応答特性記憶手段と、
   前記対象ガス検出手段によって検出された前記検出対象ガスの濃度、前記参照ガス検出手段によって検出された前記参照ガスの濃度、前記対象ガス応答特性記憶手段に記憶された前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、前記参照ガス応答特性記憶手段に記憶された前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性、及び予め求められた呼気中の前記参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の前記検出対象ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、
   を含むガス検出装置。
2. 前記濃度検出手段は、前記検出された前記検出対象ガスの濃度の変化の時間微分、前記検出された前記参照ガスの濃度の変化の時間微分、前記対象ガス検出手段によって検出される前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、前記参照ガス検出手段によって検出される前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性、及び前記呼気中の前記参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の前記検出対象ガスの濃度を検出する請求項１記載のガス検出装置。
3. 前記濃度検出手段は、下記の（１）式に従って、前記呼気中の前記検出対象ガスの濃度ｄａを算出するようにした請求項２記載のガス検出装置。
   

   

   
   ただし、ｔは、検出時の時間を表わす変数、ｅ_ａ（ｔ）のドットは、前記検出された前記検出対象ガスの濃度の変化の時間微分、ｅ_ｘ（ｔ）のドットは、前記検出された前記参照ガスの濃度の変化の時間微分、ｈ_ａ（ｔ）は、前記対象ガス検出手段によって検出される前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、ｈ_ｘ（ｔ）は、前記参照ガス検出手段によって検出される前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性、ｄ_ｘは、前記呼気中の前記参照ガスの濃度である。
4. 前記濃度検出手段は、前記検出された前記検出対象ガスの濃度、前記検出された前記参照ガスの濃度、前記対象ガス検出手段によって検出される前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性の所定時間内の積分値、前記参照ガス検出手段によって検出される前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性の所定時間内の積分値、及び前記呼気中の前記参照ガスの濃度に基づいて、呼気中の前記検出対象ガスの濃度を検出する請求項１記載のガス検出装置。
5. 前記濃度検出手段は、下記の（２）式に従って、前記呼気中の前記検出対象ガスの濃度ｄａを算出するようにした請求項４記載のガス検出装置。
   

   

   
   ただし、ｔは、検出時の時間を表わす変数、τは、時間を表わす変数、ｅ_ａ（ｔ）は、前記検出された前記検出対象ガスの濃度、ｅ_ｘ（ｔ）は、前記検出された前記参照ガスの濃度、ｈ_ａ（τ）は、前記対象ガス検出手段によって検出される前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、ｈ_ｘ（τ）は、前記参照ガス検出手段によって検出される前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性、Ｔ_ｘは、予め求められた前記参照ガス検出手段によって検出される前記参照ガスの濃度の変化のインパルス応答持続時間、Ｔ_ａは、予め求められた前記検出対象ガス検出手段によって検出される前記検出対象ガスの濃度の変化のインパルス応答持続時間、Ｔ_ｂは、前記検出された前記検出対象ガスの濃度の変化に基づいて定まる呼気の継続時間、ｄ_ｘは、前記呼気中の前記参照ガスの濃度である。
6. 前記濃度検出手段は、前記検出された前記参照ガスの濃度の変化をフーリエ変換した値と、前記参照ガス検出手段によって検出される前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性をフーリエ変換した値と、前記呼気中の前記参照ガスの濃度とに基づいて得られる値に対して、逆フーリエ変換を行なって、呼気量の時間変化を推定し、前記推定した呼気量の時間変化と前記対象ガス検出手段によって検出される前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性との積の所定時間内の積分値、及び前記検出された前記検出対象ガスの濃度に基づいて、呼気中の前記検出対象ガスの濃度を検出する請求項１記載のガス検出装置。
7. 前記濃度検出手段は、下記の（３）式に従って、前記呼気量の時間変化を推定し、下記の（４）式に従って、前記呼気中の前記検出対象ガスの濃度ｄａを算出するようにした請求項６記載のガス検出装置。
   

   

   
   

   

   
   ただし、Ｆ^−１ []は、逆フーリエ変換、ｔは、検出時の時間を表わす変数、τは、時間を表わす変数、ｂ（ｔ−τ）のハットは、前記推定した呼気量の時間変化、ｅ_ａ（ｔ）は、前記検出された前記検出対象ガスの濃度、Ｅ_ｘ（ｆ）は、前記検出された前記参照ガスの濃度の変化をフーリエ変換した値、ｈ_ａ（τ）は、前記対象ガス検出手段によって検出される前記検出対象ガスの濃度のインパルス応答特性、Ｈ_ｘ（ｆ）は、前記参照ガス検出手段によって検出される前記参照ガスの濃度のインパルス応答特性をフーリエ変換した値、ｄ_ｘは、前記呼気中の前記参照ガスの濃度である。
8. 前記検出対象ガスを、エタノールガスとし、
   前記参照ガスを、酸素、二酸化炭素、及び水蒸気の何れか１つとした請求項１〜請求項７の何れか１項記載のガス検出装置。
9. 前記対象ガス検出手段を、酸化物半導体を用いてエタノールガスの濃度を検出するガスセンサで構成し、
   前記参照ガス検出手段を、酸素、二酸化炭素、及び水蒸気の何れか１つの濃度を検出するガスセンサで構成した請求項８記載のガス検出装置。
   

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