(57)【要約】      （修正有）【課題】センサ素子に液体が付着した状態での起動することによるセンサ素子の劣化、故障を防止するとともに、液体を短時間、かつ低消費電力で除去する温度上昇方法を提供する。【解決手段】第１の発熱体５と、前記第１の発熱体５の周辺に前記第１の発熱体５が形成される面積よりも大に形成された第２の発熱体６を備え、前記第１の発熱体５を所定の温度に加熱することにより気体の量を計測するガスセンサ素子１において、前記ガスセンサの起動時に、前記第２の発熱体６を加熱し、前記第１の発熱体５の発熱量を所定の期間制限した後に、前記第１の発熱体５を前記所定の温度に上昇させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の発熱体と、前記第１の発熱体の周辺に前記第１の発熱体よりも形成面積が広い第２の発熱体と、を備え、前記第１の発熱体を所定の温度に加熱することにより気体の量を計測するガスセンサにおいて、
前記ガスセンサの起動時に、前記第２の発熱体を加熱し、前記第１の発熱体の発熱量を所定の期間制限した後に、前記第１の発熱体を前記所定の温度に上昇させることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記ガスセンサの起動時に、前記第１の発熱体の面積あたりの発熱量を前記第２の発熱体の面積あたりの発熱量以下に制限することを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガスセンサにおいて、
前記ガスセンサの起動時に、前記第２の発熱体を駆動した後に前記第１の発熱体を駆動することを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のガスセンサにおいて、
前記ガスセンサの起動時に、前記第２の発熱体を駆動し、前記第２の発熱体に印加される電圧または流れる電流が所定の閾値を超えたときに、前記第１の発熱体の発熱量を制限することを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
請求項４に記載のガスセンサにおいて、
前記第１の発熱体および前記第２の発熱体の電圧を制御する制御回路を備え、
起動時に前記制御回路は前記第１の発熱体に印加される電圧が、前記第２の発熱体に印加される電圧よりも遅く上昇することを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のガスセンサにおいて、
基板上に形成した薄膜部に前記第１の発熱体と前記第２の発熱体を形成したことを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関などに設置される発熱体を備えたガスセンサに関わる。
【背景技術】
【０００２】
発熱体を備えたガスセンサとして、例えばガスの熱伝導の変化を用いてガス中に晒された発熱体の放熱量からガスの量を計測する熱式ガスセンサがある。  
熱式ガスセンサは、種々の技術分野で使用されており、自動車用の内燃機関等においては低燃費化を図るために、吸入空気の流量、温度、圧力に加え湿度等の環境状態を高精度に計測することが求められている。また上記センサは、水素を燃料とする自動車用の内燃機関において水素濃度を検出することで最適に内燃機関を運転させるためにも使用される。
【０００３】
上記のような湿度や水素などのガスの濃度を計測する熱式ガスセンサとして特許文献１に記載のガスセンサがある。このガスセンサは空洞部を有する基板と、空洞部に積層され、複数の絶縁層から構成される薄膜支持体と、薄膜支持体の絶縁層に挟持された第１の発熱体および第２の発熱体とを有し、第２の発熱体は第１の発熱体の周辺に配置され、第１の発熱体は第２の発熱体よりも高温に制御され、第１の発熱体に印加される電力に基づいて周囲ガスの濃度を測定するガスセンサが開示されている。
【０００４】
また、発熱体を備えたガスセンサとして特許文献２記載の、検知素子の加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１３７６７９号公報
【特許文献２】特開２００４−３６０５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような熱式ガスセンサを自動車などのエンジンに搭載し燃焼制御などに用いた場合、環境条件や運転条件などにより結露が発生し熱式ガスセンサに水やオイルなどの液体が付着することがある。また、エンジンの排ガスの種々の量を計測する加熱用ヒータが付設された排気ガスセンサの場合、燃焼により発生した水蒸気が結露して検知素子に水の付着が起きやすい。また、エンジンの吸気の所量を計測する熱式ガスセンサにおいても、環境温度の変化や、降雨による水の混入などにより水滴が付着しやすい環境にある。また、アイドルストップシステムを備えたエンジンでは、エンジン停止後にオイルが拡散し熱式ガスセンサにオイルなどの液体が付着することもある。このように、エンジンに搭載されるガスセンサは水やオイルなどの液体が付着しやすい環境に置かれる。
【０００７】
熱式ガスセンサはエンジン始動時に電源が投入されると、センサ素子やセンサ素子周辺が加熱され駆動状態または活性状態になる。このときに、センサ素子に水滴やオイルなどの液体が付着していると液体の急激な加熱による液膜の破裂による衝撃や、部分的に蒸気膜が形成されることによる温度差による熱応力などによりセンサ素子にクラックが生じ、センサ素子が故障、劣化する可能性がある。特に、特許文献１記載のような薄膜部に発熱体を備えた構造の場合、薄膜部は数ミクロンの厚みであるため液体が付着したことによるセンサ素子の故障がより起きやすくなる。
【０００８】
しかしながら、発熱体の加熱量を制限するとセンサ素子の検出感度の低下や、センサ素子に付着した水滴が除去されない、または蒸発するまでに長時間かかるという問題が発生する。そのためエンジン始動後、長期間にわたってガスセンサが正常なガス量の検出できない状態になり、エンジンの燃焼制御に悪影響を与える。
【０００９】
本発明は、センサ素子に液体が付着した状態での起動することによるセンサ素子の劣化、故障を防止するとともに、液体を短時間、かつ低消費電力で除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の熱式ガスセンサは第１の発熱体と、前記第１の発熱体の周辺に前記第１の発熱体が形成される面積よりも大に形成された第２の発熱体を備え、前記第１の発熱体を所定の温度に加熱することにより気体の量を計測するガスセンサにおいて、前記ガスセンサの起動時に、前記第２の発熱体を加熱し、前記第１の発熱体の発熱量を所定の期間制限した後に、前記第１の発熱体を前記所定の温度に上昇させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、センサ素子に液体が付着した状態での起動することによるセンサ素子の劣化、故障を防止するとともに、液体を短時間、かつ低消費電力で除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施例におけるガスセンサの平面図。
【図２】第１の実施例におけるガスセンサの断面図。
【図３】第１の実施例におけるガスセンサの加熱制御手段。
【図４】第１の実施例におけるガスセンサの動作を示すタイムチャート。
【図５】第２の実施例におけるガスセンサの加熱制御手段。
【図６】第２の実施例におけるガスセンサの動作を示すタイムチャート。
【図７】第３の実施例におけるガスセンサの動作を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面に基づき詳細に説明する。本実施形態は自動車用の内燃機関の吸気システムとして、吸気の絶対湿度を測定する熱式ガスセンサに適用した例を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は第一実施例を示す熱式ガスセンサの平面図、図２は、図１のセンサ素子１の断面図である。  本実施形態の熱式ガスセンサのセンサ素子１は、単結晶シリコンで形成された基板２を有している。基板２には、空洞部４が形成されており、この空洞部４は絶縁膜３ａで覆われ、絶縁膜３ａ上に第１の発熱体５と第２の発熱体６が形成されている。第１の発熱体５の周辺を取り囲むように第２の発熱体６を配置している。第１の発熱体５や第２の発熱体６を保護するために表面は絶縁膜３ｂで覆われる。また、第１の発熱体５、第２の発熱体６に電圧、電流の供給、取り出しなどのための電極１０ａ〜１０ｄが形成される。さらに、電極１０ａ〜１０ｄは加熱制御手段１２に金線ボンディングワイヤー１１ａ〜１１ｄなどにより電気的に接続される。
【００１５】
第１の発熱体５、第２の発熱体６としては、抵抗温度係数が高い材料、例えば白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、単結晶シリコン、多結晶シリコン等が選定される。絶縁膜３ａ、３ｂとしては酸化シリコン（ＳｉＯ２）と窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）が単層あるいは積層構造で形成される。また，絶縁膜３ａ、３ｂとして、ポリイミドなどの樹脂材料やセラミック、ガラスなどが単層あるいは積層構成にて選定することもできる。また、電極１０ａ〜１０ｄとしては、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）等が選定される。このようなセンサ素子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、異方性エッチング技術を用いて形成される。
【００１６】
図３は、本実施例におけるガスセンサのセンサ素子１の加熱制御手段１２の構成図である。以下、図３を用いて本実施例における熱式ガスセンサの加熱制御手段１２の構成を説明する。
【００１７】
加熱制御手段１２は、ブリッジ回路７、８により第１の発熱体５、第２の発熱体６に対して加熱電流を供給し、所定の温度に制御する構成を有している。ブリッジ回路７は、第１の発熱体５と抵抗体１３が直列接続された直列回路と、抵抗体１４と抵抗体１５とが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。抵抗体１３としては、抵抗温度係数ができるだけ小さいものが選定される。抵抗体１４、抵抗体１５としては、抵抗温度係数ができるだけ小さい固定抵抗の他、同一の抵抗温度係数を備えた材料でも形成できる。第１の発熱体５と抵抗体１３との間の電圧は差動増幅器１６のプラス端子に入力する。抵抗体１４と抵抗体１５の間の電圧は差動増幅器１５にマイナス端子に入力する。差動増幅器１６の出力端子はスイッチ回路１７のスイッチＳＷ１の一端に接続する。スイッチ回路１７のスイッチＳＷ２の一端は電圧源１８に接続する。スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の他端は第１の発熱体５を含むブリッジ回路７に接続する。スイッチ回路１７はスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２を電気的に開閉しブリッジ回路７に印加する電圧を選択する。スイッチＳＷ１を「閉」、スイッチＳＷ２を「開」とすれば、差動増幅器１６の出力電圧がブリッジ回路７に供給され、第１の発熱体５の加熱制御が行われる。スイッチＳＷ１を「開」、スイッチＳＷ２を「閉」とすれば、電圧源１８で生成される電圧がブリッジ回路７に供給される。電圧源１８の電圧値としては、発熱体５の発熱量を通常動作時よりも小さく制限する電圧範囲に設定される。
【００１８】
スイッチ回路１４としては、ＭＯＳトランジスタなどを用いた半導体スイッチで形成することができる。この場合、電気的に高速に切替が可能であるとともに、加熱制御手段１２をＬＳＩとして１チップに集約することができ、小型化が可能である。差動増幅器１５の出力はブリッジ回路の発熱体５と感温抵抗体６の間に接続され、発熱体５に加熱のための電流を供給する。
【００１９】
スイッチ回路１７の開閉の選択は、タイマー１９の出力値により制御される。タイマー回路１９はエンジンの始動時など熱式ガスセンサに電源が供給されると、クロック発生器２０の信号を所定の回数だけカウントを行った後にスイッチ回路１７に出力信号を送信する。
【００２０】
このような加熱制御手段１２において、スイッチＳＷ１を「閉」、スイッチＳＷ２を「開」の状態のとき、湿度が変化すると第１の発熱抵抗体５を所定の温度に加熱するための電力が変化する。したがって、ブリッジ回路７の印加電圧Ｖｈ１（差動増幅器１６の出力電圧Ｖｈ１）の変化を取り出すことにより湿度計測が可能である。印加電圧Ｖｈ１は、差動増幅器２５により増幅され、ＡＤ変換器２６によりデジタル値として高精度な絶対湿度データＨｏｕｔを得ることができる。
【００２１】
また、加熱制御手段１２は、ブリッジ回路８により第２の発熱体６に対して加熱電流を供給し、第２の発熱体６の温度を第１の発熱体５よりも低い温度に制御する構成を有している。ブリッジ回路８は、第２の発熱体６と抵抗体２１が直列接続された直列回路と、抵抗体２２と抵抗体２３とが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。抵抗体２１としては、抵抗温度係数ができるだけ小さいものが選定される。抵抗体２２、抵抗体２３としては、抵抗温度係数ができるだけ小さい固定抵抗の他、同一の抵抗温度係数を備えた材料でも形成できる。第２の発熱体６と抵抗体２１との間の電圧は差動増幅器２４のプラス端子に入力する。抵抗体２２と抵抗体２３の間の電圧は差動増幅器２４のマイナス端子に入力する。差動増幅器２４の出力は第２の発熱体６を含むブリッジ回路８に接続されフィードバック構成により第２の発熱体６の加熱温度を制御する。
【００２２】
本実施例のセンサ素子は、第１の発熱体５の周辺を取り囲むように第２の発熱体６を配置している。また、第２の発熱体６の温度を第１の発熱体５の温度よりも低い温度を維持するように制御している。これにより、熱式ガスセンサが設置される環境温度の変動の影響を低減し高精度に絶対湿度を検出することが可能である。
【００２３】
図４は、本実施例における加熱制御手段１２を備えた熱式ガスセンサにおいて、センサ素子１に水滴が付着した状態で起動したときの動作を示すタイミングチャートである。以下、図４を用いて、本実施例における熱式ガスセンサの加熱制御手段１２の動作を説明する。
【００２４】
図４におけるＶＣＣは、熱式ガスセンサを駆動するための電源電圧の波形を示す。電源としては、自動車に備えられたバッテリー（１２Ｖ）から直接給電する他、エンジン制御を行うエンジン制御ユニット（５Ｖ）からの給電することができる。図中に示す電源ＶＣＣが投入されるタイミングｔｓにより電源電圧ＶＣＣが供給される。
【００２５】
図４のＣＬＫはクロック発生器２０の出力波形を示し、電源投入のタイミングｔｓのあとにクロック波形が生成され出力される。また図中のＴＭＲは、タイマー１９の出力波形を示し、クロックＣＬＫを所定の回数カウントした後に、ＴＭＲがＨＩＧＨレベルになる。タイマー１９のカウント回数としては、センサ素子上の特に第１の発熱体５、第２の発熱体６に付着した水滴が蒸発するために十分な時間が確保できる回数であることが望ましい。
【００２６】
図４のＳＷ１、ＳＷ２はスイッチ回路１７のスイッチＳＷ１、ＳＷ２の開閉状態を示し、タイマー１９の出力レベルにより決まる。タイマー１９の出力値ＴＭＲがＬＯＷレベルのときＳＷ１は「開（ＯＰＥＮ）」、ＳＷ２は「閉（ＣＬＯＳＥ）」になる。タイマー１９の出力値ＴＭＲがＨＩＧＨレベルのとき、ＳＷ１は「閉（ＣＬＯＳＥ）」、ＳＷ２は「開（ＯＰＥＮ）」になる。タイマー１９の出力値ＴＭＲがＬＯＷレベルのとき、第１の発熱体５を含むブリッジ回路７に印加される電圧Ｖｈ１は、電圧源１８の値に制限された状態になる。タイマー１９の出力値ＴＭＲがＨＩＧＨレベルのとき、第１の発熱体５を含むブリッジ回路８に印加される電圧は、差動増幅器１６の出力値が印加され、第１の加熱体５の温度が所定の温度にフィードバック制御された状態になる。
【００２７】
図４のＶｈ１は、第１の発熱体５を含むブリッジ回路７に印加される電圧の変化を示す。また、Ｖｓ１は第２の発熱体６を含むブリッジ回路８に印加される電圧の変化を示す。電源投入直後、Ｖｈ１は電圧源１８の電圧値に制限された電圧になり、その後、タイマー１９の出力ＴＭＲがＨＩＧＨレベルになると、電圧の制限が解除され差動増幅器１６により温度制御された状態になる。
【００２８】
第２の発熱体６を含むブリッジ回路８に印加される電圧Ｖｓ１は、タイマー１９の出力ＴＭＲがＬＯＷレベルであっても差動増幅器２４の出力値であり、フィードバック制御された状態である。この場合、起動時に水滴が付着していると、水滴付着によりブリッジ回路の抵抗バランスが崩れた状態になる。図４の水滴付着期間ｔｗの電圧波形に示すように、付着した水滴により第２の発熱体６の熱が奪われ温度が上昇しないため、差動増幅器２４は電圧Ｖｓ１を上昇させ加熱温度を上げるように動作する。水滴が蒸発すると通常の動作電圧に戻る。
【００２９】
スイッチ回路１７の動作により第１の発熱体５の電圧が制限される期間は、水滴付着期間ｔｗより長い時間に設定する。これにより、水滴が付着した状態の間は第１の発熱体５の電圧が制限され、主として第２の発熱体６の加熱電力により水滴を加熱、蒸発する状態になる。第１の発熱体５はガス検出時の検出感度を得るために加熱温度が３００℃〜５００℃以上の高温に設定される。また、発熱体５の幅及び長さは数百ミクロン以下で形成領域が小さい。そのため、第１の発熱体５の表面は面積あたりの発熱量が大きくなる。電圧を制限せず、水滴が付着した状態で第１の発熱体５を駆動すると差動増幅器のフィードバック制御により供給可能な最大電圧が第１の発熱体を含むブリッジ回路７に加わることになる。そうすると、急激な水の沸騰により、付着した水滴が破裂しセンサ素子１の空洞部４に位置する薄膜に衝撃が加わり、薄膜の破損を引き起こす。
【００３０】
また、第１の発熱体５の０℃における抵抗値は小さく設定される。通常動作時に３００℃〜５００℃に加熱されると抵抗温度変化により抵抗値が増加し、加熱に必要な電圧が大きくなる。とくに、エンジン制御ユニットからの給電で動作させる場合、供給可能な電源電圧としては５Ｖであるため、加熱に必要な電圧が大きくなりすぎると電圧が不足するためである。
【００３１】
スイッチ回路１７による電圧制限がない場合、０℃における発熱体５の抵抗値を小さくしておくことは、水滴付着時に悪影響を与える。水滴が付着すると発熱体５の温度が下がり、抵抗値も低下する。このときの差動増幅器１６の電圧Ｖｈ１は電源電圧の範囲で可能な限り高い電圧になる。発熱体５が水により冷却されたまま抵抗値が低い状態であると、流れる電流は大きくなり、結果として急激な加熱電力が加わることになる。そうすると、急激な水の沸騰により、付着した水滴が破裂しセンサ素子１の空洞部４に位置する薄膜に衝撃が加わり、薄膜にクラックを発生させる可能性がある。
【００３２】
第２の発熱体６は、第１の発熱体５に比べ加熱温度を低く設定することができる。設定温度としては、熱式ガスセンサが設置される環境温度より高く設定されていればよい。例えば、自動車用のエンジンに設置する場合、動作補償範囲の１２５℃以上であればよい。そのため、第２の発熱体の場合、水が付着した状態で起動しても設定温度が低いため急激な加熱による水の沸騰、破裂によるセンサ素子のクラック発生、劣化、故障を防止することができる。
【００３３】
また、第２の発熱体６は、第１の発熱体５よりも形成面積が広く、面積あたりの発熱量が小さい。これにより、局所的、急激な加熱が緩和され水の沸騰、破裂によるセンサ素子のクラック発生、劣化、故障をさらに防止することができる。また、第２の発熱体６は形成領域が広いため、広範囲の水滴を加熱し蒸発させることができる。そのため、より早く広範囲の水滴を蒸発、除去することが可能になる。
【００３４】
また、電圧制限時の第１の発熱体５の電圧（電圧源１８の電圧）としては、０Ｖとすることも可能である。すなわち、第２の発熱体６を駆動した後に第１の発熱体５を駆動する構成である。こうすることで、電源１８が不要になり、回路構成が簡易である。
【００３５】
また、第２の発熱体６は空洞部４の薄膜上に形成されているため、基板２への熱伝導がほとんどない。そのため、水滴が空洞部４の薄膜部に付着した場合、第２の発熱体６の熱量のほとんどを付着した水滴の加熱、蒸発に用いることができる。このことから、省電力かつ短時間で水滴を除去することが可能である。
【００３６】
また、水滴の他にオイル等の沸点の高い液体が付着した場合においては、オイルを蒸発させるために第２の発熱体６の加熱温度を上げることが必要になる。本実施例では、第２の発熱体６は空洞部４の薄膜上に形成されているため第２の発熱体６の加熱温度を上げても、薄膜部以外のセンサ素子や、ボンディングパッド部の温度上昇による損傷、劣化を引き起こすことがなくより安全に起動することが可能である。
【００３７】
また、第２の発熱体６は第１の発熱体５よりも低温度であるため、０℃における第２の発熱体６の抵抗値を第１の発熱体５の０℃における抵抗値よりもあらかじめ高く設定することができる。水滴が付着したときの発熱体６の温度低下による抵抗値の低下は、第１の発熱体５よりも小さい。このときの差動増幅器２４の電圧Ｖｓ１は電源電圧の範囲で可能な限り高い電圧になるが、抵抗値がある程度高く、抵抗値の低下が小さいため、流れる電流は小さい。これにより、急激な加熱による水の破裂による劣化、故障をさらに防止することができる。
【００３８】
以上のことから、第２の発熱体６の形成面積を第１の発熱体５の形成面積よりも広く形成し、さらに第２の発熱体６の加熱温度を第１の発熱体５の加熱温度よりも低く設定し、さらに所定の温度における第２の発熱体６の抵抗値を第１の発熱体５の抵抗値よりも高く設定し、起動時の第１の発熱体５に加わる電圧を通常動作時よりも低く制限し、主として薄膜部上に形成した第２の発熱体６を用いて水滴を加熱、蒸発する構成とすれば、より安全に短期間で水滴を除去することができる。
【実施例２】
【００３９】
本発明を適用してなるさらに効果的な実施例を説明する。本実施例は実施例１のガスセンサにおいて水滴をより除去し、より早くガスセンサを検出可能な状態に起動するための加熱制御手段３０の構成である。加熱制御手段３０は熱式ガスセンサの起動時に、第２の発熱体６を駆動し、第２の発熱体６に印加される電圧または流れる電流が所定の閾値を超えたときに、第１の発熱体５の発熱量を制限する構成を備えている。
【００４０】
以下、第２の発熱体６に印加される電圧が所定の閾値を超えたときに、第１の発熱体５の発熱量を制限する構成を説明する。本実施例では特に第２の発熱体６に印加される電圧値を用いた構成であるが、発熱体６に流れる電流を用いる場合、以下記載の電圧を電流に置き換えれば同様な構成で実現可能である。
【００４１】
図５に加熱制御手段３０の構成を示す。加熱制御手段３０は、ブリッジ回路７、８により第１の発熱体５、第２の発熱体６に対して加熱電流を供給し、所定の温度に制御する構成を有する。ブリッジ回路７は、第１の発熱体５と抵抗体１３が直列接続された直列回路と、抵抗体１４と抵抗体１５とが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。抵抗体１３、１４、１５としては、第１実施例と同様な材料で形成する。第１の発熱体５と抵抗体１３との間の電圧は差動増幅器１６のプラス端子に入力される。抵抗体１４と抵抗体１５の間の電圧は差動増幅器１５にマイナス端子に入力される。差動増幅器１６の出力端子はスイッチ回路１７のスイッチＳＷ１の一端に接続される。スイッチ回路１７のスイッチＳＷ２の一端は電圧源１８に接続される。スイッチＳＷ１の他端とスイッチＳＷ２の他端は第１の発熱体５を含むブリッジ回路７に接続される。スイッチ回路１７はスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２を電気的に開閉しブリッジ回路７に印加する電圧Ｖｈ１を選択する。スイッチＳＷ１を「閉」、スイッチＳＷ２を「開」とすれば、差動増幅器の出力電圧がブリッジ回路７に供給され、第１の発熱体５の加熱制御が行われる。スイッチＳＷ１を「開」、スイッチＳＷ２を「閉」とすれば、電圧源１８で生成される電圧がブリッジ回路７に供給される。電圧源１８の電圧値としては、発熱体５の発熱量を通常動作時よりも低く制限する電圧範囲に設定される。
【００４２】
加熱制御手段３０は、ブリッジ回路８により第２の発熱体６に対して加熱電流を供給し、第２の発熱体６の温度を第１の発熱体５よりも低い温度に制御する構成を有している。ブリッジ回路８は、第２の発熱体６と抵抗体２１が直列接続された直列回路と、抵抗体２２と抵抗体２３とが直列接続された直列回路とを並列に接続して構成される。抵抗体２１、２２、２３としては第１の実施例と同様な材料が選定される。第２の発熱体６と抵抗体２１との間の電圧は差動増幅器２４のプラス端子に入力される。抵抗体２２と抵抗体２３の間の電圧は差動増幅器２４のマイナス端子に入力される。差動増幅器２４の出力は、第２の発熱体６を含むブリッジ回路８に接続されフィードバック構成による第２の発熱体６の加熱温度を制御する。
【００４３】
第２の発熱体６を含むブリッジ回路８に印加される電圧Ｖｓ１は、スイッチ回路１７の開閉の選択にも用いる。本実施例では、第２の発熱体６を含むブリッジ回路８に印加される電圧Ｖｓ１（差動増幅器の出力端子電圧）によって制御される。差動増幅器２４の出力端子は差動増幅器２９のマイナス入力端子に接続する。差動増幅器２９のプラス入力端子は電圧源２８に接続する。差動増幅器１９はマイナス入力端子とプラス入力端子の電圧の比較するための電圧比較器として働く。電圧Ｖｓ１が電圧源２８の電圧Ｖｔｈより低いか高いかにより差動増幅器２９の出力端子電圧ＶｓｗがＨｉｇｅレベルかＬｏｗレベルに変化する。差動増幅器２９の出力端子はスイッチ回路１７のスイッチ制御端子に接続する。差動増幅器２９の出力電圧Ｖｓｗはスイッチ回路１７の開閉を選択するための制御信号として用いる。これらの構成により、第２の発熱体６に印加される電圧Ｖｓ１が所定の閾値Ｖｔｈを超えたときに、第１の発熱体５の発熱量を制限する構成を備えている。
【００４４】
図６は、本実施例における加熱制御手段３０を備えた熱式ガスセンサにおいて、センサ素子１に水滴が付着した状態で起動したときの動作を示すタイミングチャートである。以下、図６を用いて本実施例における熱式ガスセンサの加熱制御手段３０の動作を説明する。
【００４５】
図６におけるＶＣＣは、熱式ガスセンサを駆動するための電源電圧の起動時の波形を示す。電源としては、自動車に備えられたバッテリー（１２Ｖ）から直接給電する他、エンジン制御を行うエンジン制御ユニットからの給電（５Ｖ）を用いることができる。図中の電源が投入されるタイミングｔｓにより電源電圧ＶＣＣが投入される。
【００４６】
図６のＶｓ１は、第２の発熱体６を含むブリッジ回路８に印加される電圧波形を示す。Ｖｓ１は、電源電圧ＶＣＣが供給されると差動増幅器２４が駆動し、第２の発熱体６の加熱制御が始まる。このとき水滴が付着していると、第２の発熱体６の熱量が水滴に奪われるためブリッジ回路８に印加される電圧Ｖｓ１が正常時よりも大きくなる。
【００４７】
図６のＶｓｗは、差動増幅器２９の出力電圧波形を示す。Ｖｓ１が電圧源２８の電圧（閾値電圧Ｖｔｈ）より大きくなると差動増幅器２９の出力電圧はＬｏｗレベルになり水滴付着を検出した状態になる。図６のｓｗ１、ｓｗ２は、スイッチ回路１７のスイッチｓｗ１、ｓｗ２の開閉状態を示す波形である。ＶｓｗがＬｏｗレベルのとき、スイッチｓｗ１は「開（ＯＰＥＮ）」、スイッチｓｗ２は「閉（ＣＬＯＳＥ）」になる。図６のＶｈ１は第１の発熱体５を含むブリッジ回路の印加電圧Ｖｈ１の波形を示す。期間ｔｗのときのＶｈ１は電圧源１８の電圧に制限された状態になる。
この期間ｔｗの回路状態は、主として第２の発熱体６に供給される電力により水滴を除去する状態になる。
【００４８】
センサ素子の薄膜上の水滴がほぼ蒸発すると、第２の発熱体６を含むブリッジ回路８に印加される電圧Ｖｓ１が低下し正常な電圧値（乾燥状態の電圧値）に戻り始める。電圧Ｖｓ１が閾値Ｖｔｈより低くなると、ＶｓｗがＨｉｇｈレベルになり、スイッチ回路１７のスイッチｓｗ１が「閉（ＣＬＯＳＥ）」，スイッチｓｗ２が「開（ＣＬＯＳＥ）」に変化する。そして、第１の発熱体５を含むブリッジ回路に印加される電圧Ｖｈ１は、差動増幅器１６の出力電圧になり、電圧制限が解除されるとともに加熱制御が起動する。
【００４９】
第１実施例では、ガスセンサの起動時に、実際の使用環境で想定される水滴の最大付着量を蒸発させるまでに必要な期間をあらかじめ設定し、第１の発熱体５の電圧を制限する構成である。これは、水滴が付着していな場合や水滴の付着が微量の場合でも所定の期間制限する構成である。そのため、水滴が付着していない場合や水滴の付着が微量である場合には、ガスセンサが正常に起動しガス検出を行う状態になるまで時間が長くなる問題があった。これに対し、本実施例では、第２の発熱体５を含むブリッジ回路の電圧をモニターすることにより水滴の付着状態を検出し、第１の発熱体５の電圧制限動作を制御している。このため、水滴が除去されれば、すぐに電圧制限が解除されガス量を検出可能な正常動作になる。こうすることで、水滴が付着していない場合や、付着が微量な場合でも余分な電圧制限期間を削減し、起動時間を早めることができる。
【００５０】
また、本実施形態では特に薄膜上に形成した第２の発熱体６に印加される電圧をモニターしている。第２の発熱体６は空洞部４の薄膜上に形成されているため、熱容量が小さく、基板２への熱伝導もほとんどない。そのため、微量の水滴が空洞部４の薄膜部に付着した場合においても、第２の発熱体６の加熱電力が急激に増加する。そのため、微量な水分が付着した場合においても第２の発熱体６に供給される電力、電圧、電流が急激に増大する。これにより高精度に液体の付着を検出し第１の発熱体５に供給される電力を制限することが可能である。また、基板２への熱伝導がほとんどないことから、第２の発熱体６の発熱のほとんどを水滴の加熱、蒸発に用いることができる。このことから、省電力かつ短時間で水滴を除去し、ガス量を検出可能な状態に短時間で起動することが可能である。
【実施例３】
【００５１】
以下、第２の実施例におけるガスセンサに関して更に効果的な実施例について説明する。本実施例では、第２の実施例における第１の発熱体５を加熱制御する差動増幅器１６と、第２の発熱体６を加熱制御する差動増幅器２４の増幅ゲインを異なる定数にすることで、第１の発熱体の応答速度を第２の発熱体の応答速度より遅く設定したことが特徴である。これにより、水滴付着時のガスセンサの起動をより安全にすることができる。
【００５２】
図７（ａ）（ｂ）に、水滴付着時におけるガスセンサの起動時の第１の発熱体５の印加電圧Ｖｈ１と第２の発熱体６の印加電圧Ｖｓ１の波形を示す。図７（ａ）は、第１の発熱体５の差動増幅器１６の増幅ゲインを第２の発熱体６の差動増幅器２４の増幅ゲインよりも大きく設定した場合の波形を示す。すなわち、発熱体の温度制御における応答速度が第２の発熱体６よりも第１の発熱体５の方が早くなるように設定している。水滴が付着した状態で電源を投入すると（図中のｔｓのタイミング）、第１の発熱体５の印加電圧Ｖｈ１と第２の発熱体６の印加電圧Ｖｓ１がともに上昇する。Ｖｓ１が閾値電圧Ｖｔｈを超えると、Ｖｈ１に電圧制限が加わり、Ｖｈ１が低下する。しかし、Ｖｔｈは正常動作範囲よりも高い電圧値に設定されるためＶｓ１がＶｔｈに到達するまでに一定期間必要になる。この間に、Ｖｈ１が上昇し第１の発熱体５の電力が急激に上昇する。（図中Ｖｐｅａｋ）これにより、水滴の急激な沸騰により衝撃が起こりやすくなり、センサ素子にクラックが発生し、センサ素子の劣化の可能性が高まる。
【００５３】
図７（ｂ）は、第１の発熱体５の差動増幅器１６の増幅ゲインを第２の発熱体６の差動増幅器２４の増幅ゲインよりも小さく設定した場合の波形を示す。すなわち、発熱体の温度制御における応答速度が第２の発熱体６よりも第１の発熱体５の方が遅くなるように設定している。水滴が付着すると第１の発熱体５の印加電圧Ｖｈ１と第２の発熱体６の印加電圧Ｖｓ１がともに上昇するが、第１の発熱体５の印加電圧Ｖｈ１の上昇が緩やかになる。Ｖｔｈは正常動作範囲よりも高い電圧値に設定されるためＶｓ１がＶｔｈに到達するまでに一定期間必要になるが、その間のＶｈ１の上昇（図中のＶｐｅａｋ）を低減することが可能である。これにより、水滴の急激な沸騰を抑制することができるため、センサ素子にクラックが発生するのを低減でき、センサ素子の劣化を低減することが可能となる。
【００５４】
図７（ｂ）の波形では、水滴付着時の波形を示したが、センサ素子が乾燥した状態における起動時の立ち上がりについても同様な関係になる。すなわち、第１の発熱体５に印加される電圧は、第２の発熱体に印加される電圧よりも緩やかに上昇する関係になる。
【００５５】
また、図７（ｃ）のように、第１の発熱体５に印加される電圧が、第２の発熱体に印加される電圧よりも遅れて立ち上がる構成としても十分な効果がえられる。以上のように、高温である第１の発熱体５に印加される電圧が、低温である第２の発熱体６に印加される電圧よりも遅く上昇する構成とすることで、水滴の急激な沸騰を抑制することができるため、センサ素子にクラックが発生するのを低減でき、センサ素子の劣化を低減することが可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・センサ素子、２・・・基板、３ａ、３ｂ・・・絶縁膜、４・・・空洞部、５・・・第１の発熱体、６・・・第２の発熱体、７、８・・・ブリッジ回路、１０ａ〜１０ｄ・・・電極、１２・・・加熱制御手段、１３〜１５・・・抵抗体、１６・・・差動増幅器、１７・・・スイッチ回路、１８・・・電圧源、１９・・・タイマー、２０・・・クロック発生器、２１〜２３・・・抵抗体、２４・・・差動増幅器、２５・・・差動増幅器、２６・・・ＡＤ変換器、２７、２８・・・電圧源、２９・・・差動増幅器
【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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