(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱量ガス検出器の検出エレメント上に付着された触媒層に当たって酸化燃焼する可燃物質のフラックスを変調する方法であって、
中空嵩体けい素フレームと該フレーム上にあるｐ＋型けい素層とを有し、可燃物質を侵入させて検出エレメントおよび基準エレメントに当たるようにさせる少なくとも一つの開口が前記けい素層に形成されている框体を含む装置を準備する段階と、
前記装置に熱量ガス検出器の検出エレメントおよび基準エレメントを閉込める段階と、
前記装置の開口を周期的に制限して予め定めた周波数で侵入する可燃物質のフラックスを変調し、熱量ガス検出器からＡＣ出力信号を発生させるようにする段階と、
開口が制限される周波数で検出器出力を測定する段階とを含む熱量ガス検出器用のガスサンプル変調方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に熱量装置に係わり、特に熱量ガスセンサー（即ち、熱量ガス検出器）に衝突して酸化燃焼する可燃物質のフラックスを変調する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
合衆国の規則は自動車に排出ガス関係エレメントの性能を監視する車載式の診断装置（ＯＢＤ  ＩＩ）を備えることを要求している。この車載式診断装置の機能の一つは、３路触媒（three way catalyst) （ＴＷＣ）による炭化水素（ＨＣ）の変換効率を監視することである。現在この機能は二つの酸素検出器による方法（dual oxygen sensormethod）を使用して達成されている。一方は触媒式変換器の上流側に配置され、他方はその下流側に配置された二つの排出ガス酸素検出器の出力を比較して酸素保有容量が測定されるのであり、この測定値はその後に炭化水素の変換効率と関係付けなければならない。この方法は生産車輌に現在使用されているが、十分確固としたものでないという欠点を有する。その理由は、３路触媒により得られる酸素保有容量が、望まれる情報である触媒式変換器の炭化水素の変換効率と弱い関係しか有していないからである。また、この二つの酸素検出器を使用する方法の、極めて放出量の少ない車輌（ＵＬＥＶ）への適用性には疑問がある。すなわち、ａ）炭化水素の放出に主に関与するのはＨＥＧＯ（加熱排出ガス中酸素）センサーが作動状態となっていない冷間始動時であり、また、ｂ）３路触媒における炭化水素の変換効率の数パーセントの低下が放出量を標準値を超える値になし得るからである。したがってこの分野では触媒式変換器の炭化水素の変換効率を直接に監視する方法が要求されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
触媒式変換器の炭化水素の変換効率を監視する一つの方法は、直接にテールパイプ中の炭化水素放出量を測定する炭化水素検出器を使用することである。炭化水素検出器の一例はザニーニ−フィッシャー(Zanini-Fisher）氏他に付与された米国特許第５４５１３７１号に開示されているような熱量ガス検出器である。極めて放出量の少ない車輌（ＵＬＥＶ）におけるテールパイプ中の炭化水素濃度は一般に低いので、炭化水素検出器は非常に低濃度の検出限界と高い安定性とを有するものでなければならない。熱量ガス検出器の安定性はゼロオフセットドリフトに影響される。また、熱量ガス検出器が排出ガス中に配置されると、信号ノイズが増大する。何故なら、排気環境中の温度変動が検出器の特性差によって完全には補償されないからである。それ故に、この分野で熱量ガス検出器の精度および検出限界を改善する方法の提供が要求されるのである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
したがって本発明は、熱量ガス検出器の検出エレメント上に付着された触媒層に当たって酸化燃焼する可燃物質のフラックスを変調する方法を提供する。この方法は、中空嵩体けい素フレームと該フレーム上にあるｐ＋型けい素層とを有し、可燃物質を侵入させて検出エレメントおよび基準エレメントに当たるようにさせる少なくとも一つの開口が前記けい素層に形成されている框体を含む装置を準備する段階と、前記装置に熱量ガス検出器の検出エレメントおよび基準エレメントを閉込める段階を含む。この方法はまた、前記装置の開口を周期的に制限して（若しくは絞って）予め定めた周波数で侵入する可燃物質のフラックスを変調し、熱量ガス検出器から交流（ＡＣ）の出力信号を発生させ、また開口が制限される周波数で検出器出力を測定する段階を含む。
【０００５】
本発明の一つの特徴は、この方法は熱量ガス検出器からＡＣ出力を導き出すために酸素と反応する可燃物質のフラックスを変調することである。本発明の他の特徴は、検出器の精度および検出限界を改善するために、この方法が熱量ガス検出器に当たって酸化燃焼する可燃物質のフラックスを変調させ、周波数または位相敏感検波技術（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｒ  ｐｈａｓｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）を使用して検出器出力が変調周波数で測定されるようにすることである。本発明のさらに他の特徴は、この方法が熱量ガス検出器の検出限界を向上させて大きな熱変動を伴う環境で使用できるようにすることである。本発明のさらに他の特徴は、この方法が直流（ＤＣ）のゼロオフセットのドリフト（ｄｒｉｆｔ）に伴う熱量ガス検出器の不正確さを排除することである。
【０００６】
本発明の他の特徴および利点は、以下の説明を読み、添付図面と関連させて考えることにより、容易に認識されよう。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図面、特に図１および図２を参照すれば、本発明の方法の実施に使用する装置１０の一例が全体を符号１１で示される熱量ガス検出器と作動関係状態で示されている。熱量ガス検出器１１はザニーニ−フィッシャー(Zanini-Fisher）氏他に付与された米国特許第５４５１３７１号に開示されている形式であるのが好ましく、その開示技術は本発明に組入れられる。
【０００８】
熱量ガス検出器１１は嵩体（bulk）けい素フレーム１２と、該フレーム１２の片側に付着されたポリけい素層１４と含んでなる。ポリけい素層１４の境界部の内部に二つのポリけい素プレート１６が配置されており、これらのポリけい素プレート１６はポリけい素層１４に形成されている開口１８内に配置されている。二つのポリけい素プレート１６の各々は二つのプラチナ薄層抵抗体（図示せず）を含んでおり、その一方はヒーターターミナル２０を有するヒーターを形成し、また他方は温度を検出する検出装置（ＲＴＤ）を形成している。ポリけい素プレート１６の一方すなわち検出エレメントはその上に付着された触媒層を有し、また他方すなわち基準エレメント（その上に触媒層が付着されていない）は温度補償のために使用される。ガスサンプル内部に可燃物質が存在すると、触媒層上でそれらの物質若しくは分子が発熱反応して検出エレメントの温度を基準エレメントの温度よりも高くする。二つの温度を検出する検出装置によるこれらの二つのエレメントの間の温度差はガスサンプル中の可燃物質の濃度の測定値を与える。熱量ガス検出器１１は通常の装置であり、この分野で周知のものであることを認識すべきである。
【０００９】
上記装置１０はキャップすなわち框体２４を含み、この框体は熱量ガス検出器１１の一部の上に配置されている。この框体２４は検出エレメントおよび基準エレメントを封入するのが好ましい。框体２４は長方形若しくは矩形にでき、片側にキャビティをエッチング形成して中空フレーム２６を形成するようになされた嵩体けい素から作ることができる。框体２４はフレーム２６の頂面に取付けられるｐ＋型けい素層２８を有する。框体２４は層２８を通して延在する少なくとも一つの開口３０を有し、この開口は可燃物質が熱量ガス検出器１１の検出エレメントおよび基準エレメントに接触できるようにする。開口３０は任意の適当な形状を有することができる。
【００１０】
一つの例において、装置１０はマイクロマシーニング工程を使用してｐ＋型けい素層をエッチングして形成された片持ちビーム３２を含む。マイクロマシーニングはこの分野では通常の技術であり周知である。ビーム３２は矩形若しくは長方形の形状またはさらに複雑な形状すなわち幾何学形状、例えば狭い端部の短いアームにより取付けられたパドル（paddle) 形状のような形状とすることができる。ビーム３２は層２８にエッチング形成されるので、開口空間３４の一部はビーム３２の形状で区画されるが、この開口の面積は片持ちビーム３２の面積よりも格段に小さくすることができ、これにより開口３０のほとんどが遮断されるようになされることを認識しなければならない。片持ちビーム３２は層２８の上に頂部に配置された層で形成することができることも認識しなければならない。この場合、ビーム３２は開口３０を完全に覆うか、または開口３０の一部を覆って、開口空間３４が片持ちビーム３２と框体２４の残る頂部部分との間で存在するようになされることができる。
【００１１】
片持ちビーム３２はバイモルフ構造である。片持ちビーム３２の下側部分はニッケルのようなけい素よりも格段に大きな熱膨張係数を有する金属の層３６で覆われる。片持ちビーム３２はその頂部上に埋設された抵抗体３８も含んでいる。抵抗体３８はヒーターのようにパターン形成された非常に薄い金属である。抵抗体３８は電源（図示せず）に連結される。
【００１２】
作動において、框体２４に侵入するガス中の、酸素と反応する可燃物質（例えばＣＯ，ＨＣ）のフラックスは、片持ちビーム３２により開口３０を周期的に制限する、即ち絞る（ｒｅｓｔｒｉｃｔ）ことにより、予め定めた周波数（ω）で変調若しくは調整（ｍｏｄｕｌａｔｅ）される。車載式排出ガスの計測のためには、ωは５〜１０Ｈｚとされることができる。片持ちビーム３２は質量が小さいので、電流が抵抗体３８に与えられると急激に加熱され、または電流が切られると急激に冷却されるのであり、したがって急激に振動することができる。したがって、框体２４に侵入して酸素と反応する反応物質すなわち可燃物質のフラックスは、抵抗体３８に与えられる周波数ω／２の交流（ＡＣ）信号によって予め定めた周波数ω（例えば２０Ｈｚ）で変調若しくは調節される。検出エレメントの触媒上で酸化された可燃物質のフラックスが開口を通して侵入した最大限のフラックスに匹敵する（ｃｏｍｐａｒａｂｌｅ）ならば、検出器の出力はビームが周期的に開口を絞るのと同じ周波数ωで変調される。検出器信号出力がこの周波数ωで測定されると、この周波数以外の大半のノイズは排除される。さらにこのＡＣ信号は、熱量ガス検出器１１の精度を制限するＤＣゼロオフセットドリフトを大幅に排除する。
【００１３】
図３および図４を参照すれば、装置１０の他の例１１０が示されている。装置１０の同様部分は、同じ符号に１００を加えた符号を付されている。装置１１０はキャップすなわち框体１２４を含み、この框体は熱量ガス検出器１１の一部の上に配置されている。この框体１２４は検出エレメントおよび基準エレメントを閉込めているのが好ましい。框体１２４は矩形若しくは長方形にでき、片側にキャビティをエッチング形成して中空フレーム１２６を形成するようになされた嵩体けい素から作ることができる。框体１２４はフレーム１２６の頂面に取付けられるｐ＋型けい素層１２８を有する。框体１２４は層１２８を通して延在する少なくとも一つの、好ましくは複数のスロットまたは開口１３０を有し、この開口は可燃物質が熱量ガス検出器１１の検出エレメントおよび基準エレメントに接触できるようにする。開口１３０は一般に矩形若しくは長方形であり、層１２８に沿って横方向および間隔を隔てて長手方向に延在する。開口１３０は任意の適当な形状を有することができることを認識しなければならない。
【００１４】
この例において、装置１１０は開口１３０を開閉するシャッター１４０を含む。このシャッター１４０はポリけい素および通常の表面マイクロマシーニング技術を使用して作られる。シャッター１４０は少なくとも一つの、好ましくは一連の開口１４２を有しており、この開口１４２は框体１２４の層１２８の開口１３０と整合して横方向および間隔を隔てて長手方向へ延在している。
【００１５】
シャッター１４０は４つの可撓アーム１４４で框体１２４上方に懸架されており、このアームはシャッター１４４が框体１２４の頂面のなす平面に沿って容易に滑動できるようにしている。シャッター１４０は各端部に一連の歯１４５を含み、各々の歯は、層１２８に強固に取付けられ且つ歯１４５を受入れる複数の凹部１４８を有する櫛形構造体１４６と組合わされている。櫛形構造体１４６と歯１４５との組合わせの各々は互いに噛合わされた櫛形駆動装置を形成する。静電引力によってこの互いに噛合わされた櫛形構造１４６は、框体１２４の開口１３０を変調させるために各方向へシャッター１４０を長手方向に振動させる。
【００１６】
作動において、框体１２４に侵入するガスの酸素と反応する可燃物質のフラックスは、シャッタープレート１４０により開口１３０を周期的に制限する、若しくは絞ることにより、予め定めた周波数（ω’）で変調される。シャッタープレート１４０は框体１２４に侵入する可燃物質のフラックスを変調させるために、櫛形駆動装置１４６にＡＣ信号を与えることで框体１２４の頂面に沿って振動される。開口１４２の幅は櫛形駆動装置１４６で達成される数マイクロメーターの移動距離に等しくされることができる。シャッタープレート１４０の摩擦を避けるためには、それを層１２８から０．３〜０．５マイクロメートルだけ上昇させて位置させておけばよいにすぎないため、シャッター１４０は開口１３０の実質的な制限若しくは絞りを行える。車載式排出ガス検出に関してω’は５〜１０Ｈｚとされ得ることを認識すべきである。
【００１７】
本発明による方法は熱量ガス検出器１１に当たって酸化燃焼する可燃物質のフラックスを変調する。この方法は、可燃物質を侵入させて検出エレメントおよび基準エレメントに当たるようにさせる少なくとも一つの開口３０，１３０を有する装置１０，１１０に熱量ガス検出器１１の検出エレメントおよび基準エレメントを閉込める段階を含む。この方法はまた装置１０，１１０の開口３０，１３０を周期的に制限して、若しくは絞って予め定めた周波数で侵入する可燃物質のフラックスを変調し、熱量ガス検出器１１からＡＣ出力信号を発生させ、また開口が制限される周波数で検出器出力を測定する段階を含む。
【００１８】
本発明は図解により説明された。ここに使用した用語は限定的なものでなく、説明の目的のものであることを理解しなければならない。
【００１９】
本発明の多くの改修例および変形例が上述の教示に照らして可能である。それ故に、特別に記載する以外は特許請求の範囲の欄に記載の範囲内で本発明は実施され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱量ガス検出器との作動関係状態で示された、本発明の方法の実施に使用する装置の斜視図。
【図２】図１の装置および熱量ガス検出器の横断面図。
【図３】熱量ガス検出器との作動関係状態で示された、本発明の方法の実施に使用する他の装置の横断面図。
【図４】図３の装置および熱量ガス検出器の頂面図。
【符号の説明】
１０，１１０  装置
１１  熱量ガス検出器
１２  けい素フレーム
１４  ポリけい素層
１６  ポリけい素プレート
１８  開口
２０  ヒーターターミナル
２４，１２４  框体
２６，１２６  フレーム
２８，１２８  ｐ＋型けい素層
３０，１３０  開口
３２  片持ちビーム
３４  開口空間
３６  金属層
３８  抵抗体
１４０  シャッター
１４２  開口
１４４  アーム
１４５  歯
１４６  櫛形構造体
１４８  凹部
【図１】
0003636417.tif 000002
【図２】
0003636417.tif 000003
【図３】
0003636417.tif 000004
【図４】
0003636417.tif 000005