(57)【要約】      （修正有）【課題】計測対象となる２種の気体の混合比の計測において、他の気体の混合による計測誤差を低減した熱式センサ装置を提供する。【解決手段】熱式センサ装置は、基板に形成した薄膜部と、薄膜部に形成した第１発熱体と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λを第２気体が単体の場合の熱伝導率λとは実質的に異なる値に変化させる気体である。第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λと第２気体が単体の場合の熱伝導率λとが実質的に一致する温度（３５０℃）に第１発熱体を加熱制御し、第１発熱体の放熱量変化に基づいて第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成した薄膜部と、前記薄膜部に形成した第１発熱体と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において前記第２気体に対する前記第１気体の濃度を計測可能な熱式センサ装置において、
前記第３気体は、その濃度が変化した場合に、前記第２気体及び前記第３気体を含む混合気体の熱伝導率を前記第２気体が単体の場合の熱伝導率とは実質的に異なる値に変化させる気体であり、
前記第２気体及び前記第３気体を含む混合気体の熱伝導率と前記第２気体の熱伝導率とが実質的に一致する温度に前記第１発熱体を加熱制御し、前記第１発熱体の放熱量変化に基づいて前記第２気体に対する前記第１気体の濃度を計測することを特徴とする熱式センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱式センサ装置において、
前記第１発熱体の温度を３１０℃から４１０℃の間に加熱制御することを特徴とする熱式センサ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の熱式センサ装置において、
前記第１発熱体の温度を３３０℃から３８０℃の間に加熱制御することを特徴とする熱式センサ装置。
【請求項４】
請求項１に記載の熱式センサ装置において、
前記薄膜部に前記第１発熱体の周囲を覆う第２発熱体を設け、前記第２発熱体の温度を前記第１発熱体の温度よりも低い温度に加熱制御することを特徴とする熱式センサ装置。
【請求項５】
請求項１に記載の熱式センサ装置において、
第１気体は水蒸気であり、前記第２気体は空気であり、前記第３気体は二酸化炭素であり、
前記第１発熱体の放熱量に基づいて前記第１気体の濃度として湿度を検出することを特徴とする熱式センサ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の熱式センサ装置において、
前記第１発熱体は実質的に３５０℃に加熱制御されることを特徴とする熱式センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体の放熱量変化に基づいて気体の物理量を検出する熱式センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体の物理量を検出して電気信号に変換するセンサ装置として、半導体プロセスを用いて厚さ数μmの薄膜部に発熱体を形成した熱式センサ装置が知られている。例えば、湿度による空気の熱伝導率の変化から湿度を検出する熱式湿度センサがある。このようなセンサ装置の従来技術を開示する文献として特開平８−１８４５７６号公報（特許文献１）がある。
【０００３】
特許文献１の湿度センサは、感温抵抗体と３つの固定抵抗体とでホイートストンブリッジ回路を構成し、雰囲気中において加熱される感温抵抗体の熱放散が湿度により変化することを利用して、この熱放散量を感温抵抗体の温度変化から検出するように構成される。具体的には、電源装置がスイッチを介してホイートストンブリッジ回路に一定時間内に２つのパルス電圧を印加することにより、感温抵抗体の温度を３００℃以上の第１温度と、１００℃〜１５０℃の第２温度とに切り替える。補正装置は、感温抵抗体１の温度を第２温度にした時のホイートストンブリッジ回路の出力特性に基いて感温抵抗体１の温度を第１温度にした時のホイートストンブリッジ回路の出力電圧値を補正する。これにより、特許文献１の湿度センサは雰囲気温度の影響を除いている。
【０００４】
なお非特許文献１には、窒素と二酸化炭素の混合ガスの熱伝導率が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１８４５７６号公報
【非特許文献１】The Journal of Chemical Physics 31 571(1959)  Thermal Conductivity of Nitrogen-Carbon Dioxide Mixtures  Richard S. Brokaw
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような熱式センサ装置は、空気と水のように２種の気体の混合比による気体の熱伝導率の変化を利用している。熱伝導率が異なる２種の気体の混合比であれば、混合比と熱伝導率との間に相関性がある。しかし、３種以上の気体が混合する環境下では、特定の気体のみの濃度を検出することが困難となる。例えば、自動車エンジンの吸入空気の湿度を計測する場合、空気と水蒸気の他に二酸化炭素が混合する場合がる。二酸化炭素が混合するすると、湿度（空気と水蒸気との混合比）と熱伝導率との間の相関関係が変化するため、湿度の計測値に誤差が生じる。
【０００７】
特許文献１の湿度センサでは、雰囲気温度による熱放散の影響を除くことができるが、空気と水の２種類の気体中において使用されることが前提であり、二酸化炭素などの他の気体が混合される環境下での使用は考慮されていない。
【０００８】
本発明の目的は、計測対象となる２種の気体の混合比の計測において、他の気体の混合による計測誤差を低減した熱式センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の熱式センサ装置は、発熱体の放熱量変化に基づいて第１気体、第２気体及び第３気体を含む気体において第２気体に対する第１気体の混合比を計測する熱式センサ装置において、第２気体及び第３気体を含む気体（例えば、二酸化炭素混合空気）と第２気体（例えば、空気単体）の熱伝導率が概ね一致する温度に発熱体を加熱制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、計測対象となる２種の気体の混合比の計測において、他の気体の混合による計測誤差を低減することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明からにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例を示す平面図である。
【図２】本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の一実施例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の駆動回路の構成を示す回路図である。
【図４】本発明に係る熱式センサ装置の作用効果を説明する図である。
【図５】本発明に係る熱式センサ装置の作用効果を説明する図である。
【図６】本発明に係る熱式センサ装置の作用効果を説明する図である。
【図７】本発明に係る熱式センサ装置の、さらに好適な構成における作用効果を説明する図である。
【図８】本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子の変更例を示す平面図である。
【図９】本発明に係る熱式センサ装置を用いるのに好適なエンジンシステムの説明図である。
【図１０】本発明に係る熱式センサ装置を用いるのに好適なシステムの説明図である。
【図１１】本発明に係る熱式センサ装置に許容される計測精度を示す説明図である
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を適用してなる熱式センサ装置の実施形態の一例を説明する。以下で説明する実施例は、一例として自動車エンジンの吸気湿度を計測する熱式センサ装置（熱式気体センサ装置）に本発明を適用したものである。以下、本実施例に係る熱式センサ装置を熱式湿度センサと呼んで説明する。本実施例の熱式センサ装置が検出対象とする物理量は気体の濃度変化であり、湿度の他に例えば水素濃度など計測するセンサ装置にも適用できる。すなわち本実施例では、熱式センサ装置は、
第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の混合比（濃度）を、発熱体の放熱量変化に基づいて計測する装置であり、第１気体が水蒸気、第２気体が空気、第３気体が二酸化炭素の場合にについて説明する。第１気体、第２気体及び第３気体は上記組合せに限定される訳ではなく、湿度の他に例えば水素濃度など計測するセンサ装置にも適用できる。
【００１３】
本実施例の熱式センサ装置が計測対象とするエンジンの吸気空気の湿度は、湿度変化による空気の熱伝導率変化を検出することにより計測される。熱伝導率の変化は気体の種類によって異なるため、自動車エンジンのように排ガスが混合される環境で空気の湿度を計測するような熱式センサ装置においては、特に本発明の適用による効果が高い。
【００１４】
図１は、本発明に係る熱式湿度センサに用いられるセンサ素子１の一実施例を示す平面図である。
【００１５】
センサ素子１は、フォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術やエッチング技術を用いて形成される。センサ素子１は、単結晶シリコンなどを用いた基板２を有している。基板２には空洞部３が形成され、空洞部３を絶縁膜によって覆うことにより、薄膜部４が構成されている。薄膜部４には、発熱体としての検出ヒータ（第１発熱体）５と補助ヒータ（第２発熱体、補助発熱体）６が形成される。検出ヒータ５及び補助ヒータ６は、薄膜部４の平面に沿って延在し、複数の折り返し部を有する抵抗パターンとして形成される。
【００１６】
検出ヒータ５は湿度の検出に用いられる。検出ヒータ５の材料としては、高温において安定で抵抗温度係数が高い材料が好適である。例えば、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属材料が好適である。
【００１７】
補助ヒータ６は、検出ヒータ５を取り囲むように形成される。補助ヒータ６の材料としては、検出ヒータ５と同様な材料を用いることができ、検出ヒータ５と補助ヒータ６とを同一材料により形成することができる。補助ヒータ６の役割は、検出ヒータ５の放熱量が環境温度に依存しないように、検出ヒータ５の周囲温度を一定に保持することである。
【００１８】
本実施例では、検出ヒータ５の周辺に補助ヒータ６を設けた構成としているが、本発明の効果を得るために補助ヒータ６は必須ではない。補助ヒータ６は環境温度による温度依存性を補償するためのものであり、補助ヒータ６を有さない構成においても本発明の効果が得られる。
【００１９】
図１に示すように、基板２には、検出ヒータ５及び補助ヒータ６を外部の駆動回路と接続するために、電極パッド７ａ〜７ｄが設けられる。電極パッド７ａ〜７ｄには、アルミニウム（Ａｌ）等が選定される。
【００２０】
図２は、本発明に係る熱式湿度センサに用いられるセンサ素子１の一実施例を示す断面図である。
【００２１】
基板２には、電気絶縁膜１１ａが積層される。電気絶縁膜１１ａの上層に、検出ヒータ５及び補助ヒータ６の材料となる金属膜を積層し、エッチングにより金属膜を所望の形状にパターニングして、検出ヒータ５及び補助ヒータ６が形成される。検出ヒータ５及び補助ヒータ６の上層には電気絶縁膜１１ｂを積層する。電気絶縁膜１１ａ，１１ｂの厚さはそれぞれ１〜２μm程度であり、基板２への熱伝導を低減する熱絶縁膜として機能する。また電気絶縁膜１１ａ，１１ｂは、検出ヒータ５の酸化や腐食を防止するための保護膜としても機能する。電気絶縁膜１１ａ，１１ｂの材料としてはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いることができ、電気絶縁膜１１ａ，１１ｂはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜の積層膜で構成されることが望ましい。検出ヒータ５及び補助ヒータ６の下部の基板２は、ＫＯＨ溶液によりエッチングされ、空洞部３が形成される。なお電気絶縁膜１１ａ，１１ｂの材料は、検出ヒータ５及び補助ヒータ６を支持、保護できるものであれば良く、本実施例の構成に限定されるものではない。
【００２２】
図３は、本発明に係る熱式湿度センサに用いられるセンサ素子１の駆動回路９ａ，９ｂの構成を示す回路図である。
【００２３】
駆動回路は、検出ヒータ５を加熱制御するブリッジ回路５１と、補助ヒータ６を加熱制御するブリッジ回路６１と、から成る。検出ヒータ５が含まれるブリッジ回路５１は、検出ヒータ５に抵抗８ａを接続した直列回路と、抵抗８ｂと抵抗８ｃを接続した直列回路と、を並列接続した構成である。ブリッジ回路５１側の駆動回路５０では、検出ヒータ５と抵抗８ａとの接続部の電位と、抵抗８ｂと抵抗８ｃとの接続部の電位とが、それぞれ差動増幅器９ａの入力端子に入力される。差動増幅器９ａは、入力電圧の差に応じた電圧、または電流を出力する。差動増幅器９ａの出力はブリッジ回路５１の検出ヒータ５と抵抗８ｂとの間に接続され、検出ヒータ５の加熱電流としてフィードバックされる。抵抗８ａ〜８ｃは、検出ヒータ５が３５０℃となる抵抗値でブリッジ回路５１がバランスするように選定され、検出ヒータ５は３５０℃に加熱制御される。抵抗８ａ〜８ｃのバランスを変えることにより、検出ヒータ５を任意の温度に加熱制御することができる。
【００２４】
補助ヒータ６の駆動回路６０についても、検出ヒータ５の駆動回路５０と同様に構成される。補助ヒータ６が含まれるブリッジ回路６１は、補助ヒータ６に抵抗１０ａを接続した直列回路と、抵抗１０ｂと抵抗１０ｃとを接続した直列回路と、を並列接続した構成である。補助ヒータ６と抵抗１０ａとの接続部の電位と、抵抗１０ｂと抵抗１０ｃとの接続部の電位とが、それぞれ差動増幅器９ｂの入力端子に入力される。差動増幅器９ｂは、入力電圧の差に応じた電圧、または電流を出力する。差動増幅器９ｂの出力はブリッジ回路６１の補助ヒータ６と抵抗１０ｂとの間に接続され、補助ヒータ６の加熱電流としてフィードバックされる。補助ヒータ６の温度は、検出ヒータ５の温度３５０℃よりも低い所定の温度に設定される。補助ヒータ６の温度として、本実施例では、２５０℃が選定される。抵抗１０ａ〜１０ｃは、補助ヒータ６が２５０℃となる抵抗値でブリッジ回路６１がバランスするように選定され、補助ヒータ６は２５０℃に加熱制御される。抵抗１０ａ〜１０ｃのバランスを変えることにより、補助ヒータ６を任意の温度に加熱制御することができる。
【００２５】
以下、検出ヒータの加熱温度について説明する。図４は、本発明に係る熱式湿度センサの作用効果を説明する図である。なお図４では、窒素と二酸化炭素の混合ガスの熱伝導率λを示す。図４に示す熱伝導率は、The Journal of Chemical Physics 31 571(1959)  Thermal Conductivity of Nitrogen-Carbon Dioxide Mixtures  Richard S. Brokawに記載されている。
【００２６】
窒素と空気はほぼ同等の熱伝導率を示すことから、図４に示した熱伝導率λは空気（第２気体）と二酸化炭素（第３気体）の混合ガスにおける熱伝導率と等価である。図４に示した熱伝導率λは、温度と二酸化炭素濃度によって大きく変化する。特に４７２℃以上の高温域では、窒素や二酸化炭素が単体の場合よりも、窒素や二酸化炭素が混合した場合のほうが、熱伝導率λが増加する。つまり、ＣＯ２濃度が０ｗｔ％（窒素単体の場合）及びＣＯ２濃度が１００ｗｔ％（二酸化炭素単体の場合）の両端部の熱伝導率λに対して中間部の熱伝導率λが高くなる。このように、４７２℃以上の高温域では二酸化炭素濃度に対する熱伝導率λの特性カーブに曲がりが生じ、二酸化炭素濃度に対する熱伝導率λの特性カーブが上に凸の曲線となる。一方、２５０°以下の低温域では、ＣＯ２濃度が高くなるほど、熱伝導率λは大きく低下する。
【００２７】
湿度計測において二酸化炭素の混合影響を低減するためには、二酸化炭素の混合割合（濃度）によって生じる熱伝導率λの変化が小さいことが必要である。つまり、図４の特性カーブの傾きや曲がりが小さい温度に加熱して計測することが望ましい。
【００２８】
また、熱式湿度センサが搭載される環境での二酸化炭素濃度の範囲は限定されるため、この範囲内で二酸化炭素の濃度変化による熱伝導率変化が小さい領域を選定すればよい。つまり、二酸化炭素が混合した空気の熱伝導率と空気単体の熱伝導率とがほぼ一致する温度を選定すればよい。例えば、自動車エンジンでは、排ガスを吸気に還流するＥＧＲシステムが用いられる。排ガスの還流量は最大でも３０％程度である。この時の二酸化炭素濃度は、６６ｇ／ｋｇ（６．６ｗｔ％）程度である。したがって、自動車エンジンの吸入空気中の二酸化炭素濃度は０〜６６ｇ／ｋｇの範囲となる。図４から、二酸化炭素濃度が０〜６６ｇ／ｋｇの範囲において、熱伝導率λの変化が小さい温度は３５０℃である。３５０℃の条件とすれば、二酸化炭素濃度が０〜４０ｗｔ％の領域では熱伝導率λに変化が生じない。３５０℃の条件は、他の温度条件に比べても、より広範囲の二酸化炭素濃度において熱伝導率λの変化が小さい。
【００２９】
図５は、本発明に係る熱式湿度センサの作用効果を説明する図である。図５では、自動車エンジンにおいて、吸気に排ガスを最大３０％還流した時に含まれる水蒸気と二酸化炭素の混合による空気の熱伝導率の変化を示している。
【００３０】
排ガスの還流による湿度の最大値は２７ｇ／ｋｇ、二酸化炭素濃度の最大値は６６．５ｇ／ｋｇである。水蒸気の混合による熱伝導率の変化Δλは高温であるほど大きくなる。二酸化炭素の混合による熱伝導率λは３５０℃よりも低い温度条件では低下し、３５０℃よりも高い温度条件では増加する。３５０℃及びその近傍の環境では、空気中に二酸化炭素が混合しても、熱伝導率λに変化が生じない。つまり、検出ヒータ（発熱体）５を３５０℃に加熱したときの放熱量は、二酸化炭素の濃度変化の影響を受けず、湿度のみの放熱量変化を検出することができる。
【００３１】
図６は、本発明に係る熱式湿度センサの作用効果を説明する図である。図６では、本実施例に示した熱式湿度センサの二酸化炭素混合による湿度計測誤差の実験結果を示している。熱式湿度センサの検出ヒータ５の温度Ｔｈをパラメータとして、空気中における二酸化炭素の濃度を０〜６ｗｔ％の範囲で変化させて熱式湿度センサの出力信号の誤差を測定した。図６に示すように、Ｔｈ＝３５０℃とすると、二酸化炭素濃度の変化による計測誤差が最も小さい。
【００３２】
本実施例では、図１に示したように検出ヒータ５の周辺に補助ヒータ６を設けた構成としている。この補助ヒータ６は本発明に必須の構成ではないが、補助ヒータ６により本発明がさらに好適な実施形態となることについて説明する。
【００３３】
図７は、本発明に係る熱式湿度センサの、さらに好適な構成における作用効果を説明する図である。図７（ａ）では、検出ヒータ５のみによって放熱量を検出する構成でのセンサ素子１の温度分布を示している。図７（ｂ）では、補助ヒータ６を備えた熱式湿度センサを駆動したときのセンサ素子１上の温度分布を示している。
【００３４】
検出ヒータ５をＴｈ＝３５０℃に加熱すると薄膜部４の温度分布は検出ヒータ５をピーク温度とした放射状となる。検出ヒータ５は図中に示した薄膜部４全体の領域Ａ１を加熱して温度上昇させる。検出ヒータ５の加熱電力は、薄膜部４全体の放熱よって決まる。検出ヒータ５の直上の温度は３５０℃となっているが、その周辺は温度が低下する。周囲温度が２０℃とすると、薄膜部４の温度分布は２０℃から３５０℃の範囲となる。温度が低下した領域からの放熱は、３５０℃からずれた温度となるため二酸化炭素の混合による放熱量変化の影響を受ける。したがって、この構成のセンサ素子では、検出ヒータ５を３５０℃に設定しても、温度の低い周辺の領域からの放熱が二酸化炭素の混合影響に依存して誤差要因となる。また、周囲の環境温度も−４０℃〜８０℃に変化するため、薄膜部４の最低温度も環境温度に応じて変化し、特に低温ではさらに薄膜部４の温度分布が大きくなり誤差が生じる。
【００３５】
図７（ｂ）に示すように、補助ヒータ６は検出ヒータ５の周辺の温度を一定温度に保持するように加熱される。検出ヒータ５は補助ヒータ６より内側の薄膜部を加熱する。つまり検出ヒータ５の加熱電力は、補助ヒータの内側の領域Ａ２の温度分布によって決まる。検出ヒータ５をＴｈ＝３５０℃に加熱し、補助ヒータ６を２５０℃に加熱すると、領域Ａ２の温度分布は３５０℃から２５０℃となる。したがって、検出ヒータ５により加熱されるＡ２の領域の温度を、３５０℃に近づけることができる。したがって、二酸化炭素の混合による熱伝導率の変化が小さくなる環境を形成することができる。より好ましくは、補助ヒータ６の温度は検出ヒータの温度３５０℃に近づけることが有効であるが、検出ヒータ５の加熱量が減少するため放熱量変化の検出感度が低下する。補助ヒータ６の温度については２５０℃に限定されるものではなく、検出ヒータ５の放熱量変化を検知するのに適した温度に適宜設定することができる。また、環境温度が変化しても検出ヒータ５の周辺温度を補助ヒータ６により一定に保持できるので、検出ヒータ５により加熱される領域Ａ２の温度分布が一定に保持され、環境温度による二酸化炭素の影響の変化を低減できる。
【００３６】
本実施例では、センサ素子１の空洞部の全面が薄膜部４によって覆われる構造としているが、本発明はこの構造に限定されるものではない。図８は、本発明に係る熱式センサ装置に用いられるセンサ素子１の変更例を示す平面図である。
【００３７】
図８（ａ）に示すように、空洞部を架橋するように薄膜部４を形成し、ここに検出ヒータ５を配置した中空構造としても良い。また、図８（ｂ）のように、この中空構造の検出ヒータ５の周辺に補助ヒータ６を形成した構造としても良い。
【００３８】
本発明を適用した熱式湿度センサを自動車エンジンの吸気湿度計測に用いた場合の実施形態の一例を説明する。図９は、本発明に係る熱式センサ装置を用いるのに好適なエンジンシステムの説明図である。なお図９では、エンジンシステムにおいて本実施例発明を適用した熱式湿度センサに好適な設置位置を示している。
【００３９】
本実施例の熱式湿度センサは二酸化炭素の影響を低減できることから、排ガスが混入する位置に設置することができる。図９において、エンジン内に吸入した空気１２はエアクリーナー１３により異物が濾過される。そして、過給機１４により吸気は圧縮され、さらにインタークーラー１５により冷却される。その後、吸気は吸気バルブ１６の開閉動作により燃焼室１７に取り込まれ、燃料と混合されて燃焼する。燃焼した後の吸気は、排気バルブ１８の開閉動作により排ガスとして燃焼室１７から排出され、浄化装置１９、２０を通り大気に放出される。本システムでは浄化装置１９を通った後の排ガスの一部を過給機１４の上流側に還流するＥＧＲ管路２１を備えている。
【００４０】
本実施例の熱式湿度センサは、排ガスを還流するエンジンシステムにおいて、エアクリーナー１３から燃焼室１７の直前のどの位置にでも配置することができる。ＥＧＲによる還流ガス２２には二酸化炭素が多く含まれているが、本実施例の熱式湿度センサは二酸化炭素の影響を受けないため、還流後の流路に配置することができる。例えば熱式湿度センサは、過給機１４の直前や直後、或いはインタークーラー１５と燃焼室１７との間に配置することができる。
【００４１】
また、ＥＧＲ管には冷却のためのＥＧＲクーラー２３が設けられており、この上流または下流にも配置することができる。つまり、本実施例の熱式湿度センサは、二酸化炭素を含む混合ガスが流れる配管に設置して湿度を計測することが可能になる。
【００４２】
本実施例では検出ヒータ５を３５０℃に設定したが、必ずしも３５０℃に一致させる必要はなく、この温度に近い温度に設定されていれば二酸化炭素の混合による湿度計測誤差を低減することができる。
【００４３】
また、検出ヒータ（発熱体）５の温度の許容範囲は、熱式湿度センサが使用されるシステムに求められる湿度計測精度によって決定される。例えば、ＥＧＲを備えたエンジンシステムでは吸気の湿度によってＥＧＲの最大還流量が変化する。
【００４４】
図１０は、本発明に係る熱式センサ装置を用いるのに好適なシステムの説明図である。図１０では、ＥＧＲ率（還流率）と燃焼安定性Ｃとの関係における湿度の影響を概念的に示している。燃焼安定性Ｃは燃焼時の圧力のばらつきに基づいた指標である。
【００４５】
図１０に示すように、ＥＧＲ率が上昇すると、失火などにより燃焼の安定性が悪化する。また、大気中の水分は排ガスと同じく不活性ガスであるため、湿度に応じて最大ＥＧＲ率が変動する。例えば図１０に示すように、吸気の湿度が高湿（３５ｇ／ｋｇ）の場合（高湿条件）での最大EGR率は１２％程度である。なお高湿条件は、温度３８℃、相対湿度８０％の条件であり、自動車が置かれる環境での湿度の最大値を想定した条件である。また、湿度が低湿（8g/kg）の場合（低湿条件）での最大ＥＧＲ率は１８％である。なお低湿条件は、温度３８℃、相対湿度２０％の条件であり、自動車が置かれる環境での湿度の平均値を想定した条件である。湿度計測を行わないシステムでは、吸気の湿度変化が生じても燃焼限界を超えることがないように、ＥＧＲ率は１２％に抑えられてしまう。
【００４６】
湿度計測を備えたシステムにおいては、例えば図１０に示しているように、±５ｇ／ｋｇの湿度精度があれば、計測誤差のマージンを考慮してＥＧＲ率を１２％から１６％に向上できる。つまり、湿度計測精度が高くなれば計測誤差分の余裕を持たせる必要がなくなり、その分、ＥＧＲ率を高めることができる。そうすると、最低でも高湿と低湿の差±１３ｇ／ｋｇよりも高い計測精度があれば、湿度計測のないシステムに比べてＥＧＲ率を高くすることができる。
【００４７】
図１１は、本発明に係る熱式センサ装置に許容される計測精度を示す説明図である。図１１は、図６の結果を二酸化炭素の混合による湿度計測誤差と検出ヒータ５の温度との関係に置き換えた結果を示している。図１１では、検出ヒータ５の温度、湿度計測誤差及び二酸化炭素の混合の関係を概念的に示している。
【００４８】
前述したエンジンシステム例では、少なくとも±１３ｇ／ｋｇの計測精度が要求される。そうすると、許容される温度範囲は３１０℃〜４１０℃である。さらに好ましくは、３３０℃〜３８０℃に設定されていれば、計測誤差を±５ｇ／ｋｇとすることができ、センサ素子１の経年変化などによる計測誤差が加算されても、湿度計測によるＥＧＲの向上効果を得ることができる。
【００４９】
本エンジンシステムの一例では、過給機１４やインタークーラー１５、ＥＧＲクーラー２３などを設置したシステムとしているが、これらのデバイスは本発明の効果を得るうえで必須ではない。これらのデバイスはエンジンシステムごとに選定、配置されるものであり、どのようなシステムにおいても二酸化炭素の混合が影響する計測環境においては、本実施例の熱式湿度センサを適用することにより、その効果が得られる。
【００５０】
上述した熱式センサ装置は以下の特徴を有する。
【００５１】
（１）基板に形成した薄膜部４と、薄膜部４に形成した第１発熱体５と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の濃度を計測する熱式センサ装置において、
第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λを第２気体が単体の場合の熱伝導率λとは実質的に異なる値に変化させる気体であり、
第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λと第２気体の熱伝導率λとが実質的に一致する温度に第１発熱体５を加熱制御し、第１発熱体５の放熱量変化に基づいて第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。
【００５２】
（２）基板に形成した薄膜部４と、薄膜部４に形成した第１発熱体５と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の濃度を計測する熱式センサ装置において、
第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λを第２気体が単体の場合の熱伝導率λとは実質的に異なる値に変化させる気体であり、
第１発熱体５の温度を３１０℃から４１０℃の間に加熱制御し、第１発熱体５の放熱量変化に基づいて第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。
【００５３】
（３）基板に形成した薄膜部４と、薄膜部４に形成した第１発熱体５と、を備え、第１気体及び第２気体に加え第３気体が存在する混合気体において第２気体に対する第１気体の濃度を計測する熱式センサ装置において、
第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率λを第２気体が単体の場合の熱伝導率λとは実質的に異なる値に変化させる気体であり、
第１発熱体５の温度を３３０℃から３８０℃の間に加熱制御し、第１発熱体５の放熱量変化に基づいて第２気体に対する第１気体の濃度を計測する。
【００５４】
（４）薄膜部４に第１発熱体５の周囲を覆う第２発熱体６を設け、第２発熱体６の温度を第１発熱体５の温度よりも低い温度に加熱制御する。
【００５５】
（５）第１気体は水蒸気であり、第２気体は空気であり、第３気体は二酸化炭素であり、
第１発熱体５の放熱量に基づいて第１気体の濃度として湿度を検出する。
【００５６】
（６）第１発熱体５は実質的に３５０℃に加熱制御される。
【００５７】
本実施例では、第１気体が水蒸気、第２気体が空気、第３気体が二酸化炭素の場合について説明したが、第１気体、第２気体及び第３気体の組合せはこれらの組合せに限定される訳ではない。第３気体の濃度変化に対して熱伝導率λの変化がなくなる検出ヒータ５の温度を設定できるか、或いは熱伝導率λの変化が無視できるほどに小さくなる検出ヒータ５の温度を設定できればよい。この場合、熱伝導率λの変化が無視できるほどに小さくなる検出ヒータ５の温度は、熱伝導率λの変化が第１気体の濃度計測においてもたらす誤差が許容範囲内に収まる温度を意味する。上述した例では、検出ヒータ５の温度を実質的に３５０℃にすることにより、第３気体である二酸化炭素の濃度が変化しても、湿度の計測誤差は許容範囲内（所望の精度内）に収まる。すなわち、温度３５０℃には許容範囲が存在する。
【００５８】
第３気体は、その濃度が変化した場合に、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率を第２気体が単体の場合の熱伝導率とは実質的に異なる値に変化させる気体である。この場合、第２気体及び第３気体を含む混合気体の熱伝導率は第２気体が単体の場合の熱伝導率とは実質的に異なる値に変化することにより、この混合気体の熱伝導率は第１気体の濃度計測において許容範囲を超える誤差を生じさせる。
【００５９】
また本実施例では、第１気体、第２気体及び第３気体のみに限定するわけではなく、第４気体或いはさらに多くの気体が存在していてもよい。第１気体及び第２気体以外の気体について、それらの気体濃度の変化に対して熱伝導率λの変化がなくなる検出ヒータ５の温度を設定できるか、或いは熱伝導率λの変化が無視できるほどに小さくなる検出ヒータ５の温度を設定できればよい。または、第１気体、第２気体及び第３気体以外の気体が、その濃度によって熱伝導率λに影響を与えな気体であれば、第１気体、第２気体及び第３気体と共に混合気を成していてもよい。
【００６０】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１…センサ素子、２…基板、３…空洞部、４…薄膜部、５…検出ヒータ（発熱体）、６…補助ヒータ（発熱体）、７ａ〜７ｄ…電極パッド、８ａ〜８ｃ…抵抗、９ａ，９ｂ…差動増幅器、１０ａ〜１０ｃ…抵抗、１１ａ〜１１ｄ…絶縁膜、１２…吸気、１３…エアクリーナー、１４…過給機、１５…インタークーラー、１６…吸気バルブ、１７…燃焼室、１８…排気バルブ、１９、２０…浄化装置、２１…ＥＧＲ管路、２２…還流ガス、２３…EGRクーラー。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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