(57)【要約】  【課題】  センサ素子を加熱するヒータへの印加電圧の制御を行うための構成を簡易化することができるセンサのヒータ制御装置を提供することを目的とする。  【解決手段】  ワンチップマイコンの出力ポート（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）のそれぞれに、抵抗値がそれぞれ１４０，１４０，４３０，４３０（Ω）の各抵抗器３１，３２，３３，３４の一端を接続する。抵抗器３１〜３４の他端は、一端が接地された抵抗値Ｒｚのヒータ３０の他端に接続する。ガスセンサを駆動させてから３０秒間、すべての出力ポート（Ｐ１〜Ｐ４）からＨｉレベル（５Ｖ）の信号出力を行うと、抵抗器３１〜３４の合成抵抗値とヒータ３０の抵抗値との分圧として４．２Ｖの電圧がヒータ３０に印加される。その後、出力ポート（Ｐ３，Ｐ４）をＬｏレベル（ＧＮＤ）に切り替えると、ヒータ３０には分圧として３．２Ｖの電圧が印加される。【選択図】  図４
2006234742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ素子に付設されたヒータへの通電を制御するセンサのヒータ制御装置であって、
各々電圧を出力可能な複数のポートを有する電圧出力部と、
前記複数のポートの少なくとも２つ以上を駆動して、前記複数のポートに電気的に接続される前記ヒータに第１の電圧を印加する第１電圧印加手段と、
前記ヒータに前記第１の電圧が所定時間印加された後、駆動中の前記複数のポートのうち一部のポートを接地し、前記第１の電圧より小さい第２の電圧を前記ヒータに印加する第２電圧印加手段と
を備えたことを特徴とするセンサのヒータ制御装置。
【請求項２】
センサ素子に付設されたヒータへの通電を制御するセンサのヒータ制御装置であって、
各々一定の電圧を出力可能な複数のポートを有する電圧出力部と、
前記複数のポートの各々と、前記ヒータの一端とを結ぶ通電経路それぞれに設置される複数の抵抗器と、
前記複数のポートの少なくとも２つ以上を駆動して、前記ヒータに第１の電圧を印加する第１電圧印加手段と、
前記ヒータに前記第１の電圧が所定時間印加された後、駆動中の前記複数のポートのうち一部のポートを接地し、前記第１の電圧より小さい第２の電圧を前記ヒータに印加する第２電圧印加手段と
を備えたことを特徴とするセンサのヒータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ素子のクリーニングや活性化のための加熱を行うヒータを備えたセンサのヒータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、空気中の特定ガスの濃度に応じて電気的特性（例えば抵抗値）が変化する酸化物半導体を用いたセンサ素子が知られている。例えば、ＳｎＯ２やＷＯ３等の金属酸化物半導体を用いた自動車の排気ガスの濃度変化を検出するためのセンサ素子は、排気ガス中に含まれるＣＯ、ＨＣ等の還元性ガスあるいはＮＯｘ等の酸化性ガスといった特定ガスの濃度変化に基づいて、抵抗値が変化する。
【０００３】
このような金属酸化物半導体は、常温では特定ガスに反応せず、約２００〜４００℃に加熱することによって活性化されて特定ガスに反応する。また、金属酸化物半導体は湿度の影響を受けやすく、測定雰囲気中の水分としての水酸基ＯＨ−が金属酸化物半導体表面に吸着した状態になると、金属酸化物半導体表面への特定ガスの分子吸着を阻害してしまうことにより、センサ素子の感度が低下する。
【０００４】
そこで、センサ素子の近傍にヒータを設け、通電によりヒータを発熱させてセンサ素子を加熱することで、金属酸化物半導体の活性化が行われる。また、金属酸化物半導体部表面に吸着したＯＨ−を加熱により強制的に脱離させ、センサ素子の特性を初期状態に回復させるヒートクリーニングも行われる。
【０００５】
このようなヒータへの通電は、一般に、バッテリや電源ＩＣの出力ポートから印加電圧を供給することにより行われる。その際のヒータへの印加電圧の制御は、マイコンでスイッチング部品のＯＮ−ＯＦＦの制御を行って分圧回路の抵抗を切り替えることで印加電圧を切り替えたり、ＰＷＭ制御により印加電圧に相当する電力を発生させたりする方法が用いられる（例えば特許文献１参照。）。
【０００６】
なお、ヒータを発熱させることで、金属酸化物半導体の活性化を促したり、ヒートクリーニングを行ったりする際には、電源投入直後に通常のヒータ印加電圧よりも高い電圧を印加して、その後に通常のヒータ印加電圧に切り替えるといった通電制御が行われる。これにより、ヒータの耐久性を良好に維持しつつ、金属酸化物半導体の早期活性化や効率の良いヒートクリーニングを実現することができる。
【特許文献１】特開２００２−１５６３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のようなヒータへの印加電圧の制御を行うためにはスイッチング部品が必要であり、製品コストの低減を図ることが難しいという問題があった。また、スイッチング部品を搭載するためのスペースの確保しなければならず、小型化を図ることが難しいという問題もあった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、センサ素子を加熱するヒータへの印加電圧の制御を行うための構成を簡易化することができるセンサのヒータ制御装置を提供することを目的とする。
【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、請求項１に係る発明のセンサのヒータ制御装置は、センサ素子に付設されたヒータへの通電を制御するセンサのヒータ制御装置であって、各々電圧を出力可能な複数のポートを有する電圧出力部と、前記複数のポートの少なくとも２つ以上を駆動して、前記複数のポートに電気的に接続される前記ヒータに第１の電圧を印加する第１電圧印加手段と、前記ヒータに前記第１の電圧が所定時間印加された後、駆動中の前記複数のポートのうち一部のポートを接地し、前記第１の電圧より小さい第２の電圧を前記ヒータに印加する第２電圧印加手段とを備えている。
【００１０】
また、請求項２に係る発明のセンサのヒータ制御装置は、センサ素子に付設されたヒータへの通電を制御するセンサのヒータ制御装置であって、各々一定の電圧を出力可能な複数のポートを有する電圧出力部と、前記複数のポートの各々と、前記ヒータの一端とを結ぶ通電経路それぞれに設置される複数の抵抗器と、前記複数のポートの少なくとも２つ以上を駆動して、前記ヒータに第１の電圧を印加する第１電圧印加手段と、前記ヒータに前記第１の電圧が所定時間印加された後、駆動中の前記複数のポートのうち一部のポートを接地し、前記第１の電圧より小さい第２の電圧を前記ヒータに印加する第２電圧印加手段とを備えている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明のセンサのヒータ制御装置では、電圧出力部の複数のポートの少なくとも２つ以上のポートを駆動してヒータに電圧を印加し、所定時間後に、駆動中のポートのうち一部のポートを接地することで、ヒータに印加される電圧を小さくすることができる。つまり、電圧出力部のポートの切り替えのみでヒータへの印加電圧の切り替えを行うことができる。このため、スイッチング素子等の電子部品が不要であり、また、それらの電子部品を取り付けるためのスペースも不要となることから、製品コストの削減と、センサの小型化を図ることができる。さらに、ヒータに印加する電圧の制御についても簡易化することができる。また、電圧の印加を電圧出力部の複数のポートから行うことによって、負荷が大きいヒータの駆動に必要な電流を得ることができる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明のセンサのヒータ制御装置では、電圧出力部の複数のポートとヒータとを結ぶ通電経路のそれぞれに抵抗器を設置し、少なくとも２つ以上のポートを駆動してヒータに電圧を印加することで、抵抗器の合成抵抗値とヒータの抵抗値とでポートから印加される電圧の分圧をヒータに印加することができる。そして所定時間後に、駆動中のポートのうち一部のポートを接地することで、ヒータに印加される電圧の分圧比率を切り替え、印加電圧を小さくすることができる。つまり、電圧出力部のポートの切り替えのみでヒータへの印加電圧の切り替えを行うことができる。さらに、各抵抗器の抵抗値やヒータの抵抗値を予め調整すれば、ヒータに印加する分圧を容易に調整することができる。このような構成とすることで、スイッチング素子等の電子部品を不要とすることができ、また、それらの電子部品を取り付けるためのスペースも不要となることから、製品コストの削減と、センサの小型化を図ることができる。さらに、ヒータに印加する電圧の制御についても簡易化することができる。また、電圧の印加を電圧出力部の複数のポートから行うことによって、負荷が大きいヒータの駆動に必要な電流を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化したセンサのヒータ制御装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照し、ヒータ制御装置を備えたセンサの一例としてのガスセンサ１００の構成の概略について説明する。図１は、ガスセンサ１００構成の概略を示す図である。
【００１４】
図１に示すガスセンサ１００は、ガスセンサ素子１０、ガスセンサ素子２０、ヒータ３０、およびワンチップマイコン５０を有する。ガスセンサ素子１０，２０は、ヒータ３０とともに単一の矩形板状をなす絶縁性セラミック基板上のパターンとして一体に形成されている。
【００１５】
ガスセンサ素子１０は、ＳｎＯ２を主成分とする酸化物半導体であり、主としてＣＯ、ＨＣなどの還元性ガスに反応し、その濃度に応じて抵抗値Ｒｇが変化する。また、ガスセンサ素子２０は、ＷＯ３を主成分とする酸化物半導体で、主としてＮＯｘなどの酸化性ガスに反応し、その濃度に応じて抵抗値Ｒｄが変化する。ガスセンサ素子１０，２０の各一端には、それぞれ固有抵抗値Ｒａ，Ｒｂを有する抵抗器１１，２１の各一端が各々直列に接続されて分圧回路を形成しており、ガスセンサ素子１０，２０の各他端は接地されている。そして、抵抗器１１，２１の各他端には、電圧Ｖｃｃ（本実施の形態の例では５Ｖ）が印加されるようになっている。
【００１６】
ガスセンサ素子１０，２０と抵抗器１１，２１とのそれぞれの分圧点Ｐｇ，Ｐｄは、それぞれワンチップマイコン５０のＡＤ変換入力端子５３，５４（ＡＤ１，ＡＤ２）に接続されており、各ガスセンサ素子１０，２０の抵抗値Ｒｇ，Ｒｄの大きさに基づいて変化する出力電位Ｖｇ，Ｖｄが、それぞれ信号として入力されるようになっている。抵抗器１１，２１の抵抗値Ｒａ，Ｒｂがそれぞれ一定であることから、還元性ガスや酸化性ガスの濃度変化に伴いガスセンサ素子１０，２０の抵抗値Ｒｇ，Ｒｄが変化すると、ＡＤ１，ＡＤ２に入力される出力電位Ｖｇ，Ｖｄが変化するように構成されている。
【００１７】
また、ワンチップマイコン５０の出力ポート６１，６２，６３，６４（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）には、それぞれ固有抵抗値Ｒｘ，Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｙを有する抵抗器３１，３２，３３，３４の各一端が接続されている。ヒータ３０は抵抗値Ｒｚを有し、その一端は接地され、他端には抵抗器３１，３２，３３，３４の各他端が接続されている。このヒータ３０は、ガスセンサ１００の使用時にガスセンサ素子１０，２０を昇温させることで、ガスセンサ素子１０，２０に吸着、付着した他のガス分子や水分を解離、蒸発させるヒートクリーニングを行うとともに、ガスセンサ素子１０，２０を活性化させるために使用される。なお、本実施の形態では、抵抗器３１，３２の固有抵抗値Ｒｘが１４０Ω、抵抗器３３，３４の固有抵抗値Ｒｙが４３０Ω、ヒータ３０の抵抗値Ｒｚが２８０Ωに設定されている。なお、ワンチップマイコン５０、抵抗器３１〜３４およびヒータ３０が、本発明における「ヒータ制御装置」に相当する。また、Ｐ１〜Ｐ４を備えたワンチップマイコン５０が、本発明における「電圧出力部」に相当する。
【００１８】
ワンチップマイコン５０はＣＰＵ５５、ＲＯＭ５６、ＲＡＭ５７を備え、ＲＯＭ５６の所定の記憶エリアに、後述するヒータ制御プログラムや、ヒータ制御プログラムで使用される変数の初期値等が記憶されている。ＲＡＭ５７の所定の記憶エリアには、後述するヒータ制御プログラムの実行時に使用される各種変数やカウンタ等が一時記憶され、ヒータ制御プログラムも所定の記憶エリアに読み込まれて実行される。ワンチップマイコン５０の信号出力端子５１（ｏｕｔ）には、図示外の電子制御アセンブリに接続されており、ガスセンサ１００の出力に基づく各種制御が行われる。また、ワンチップマイコン５０には、Ｖｃｃ端子５２（Ｖｃｃ）を通じて駆動電圧Ｖｃｃが供給される。
【００１９】
このような構成のガスセンサ１００は、例えば自動車の外気導入と内気循環とを切り替えるオートベンチレーションシステム等に使用される。その始動時にガスセンサ１００に駆動電圧Ｖｃｃが供給されると、ヒータ制御プログラム（図２参照）が実行され、ヒータ３０への通電が行われる。ところで、ガスセンサ素子１０，２０が活性化し、その出力が安定化するまで、通常、数十秒〜数百秒の時間がかかる。ガスセンサ素子１０，２０のヒートクリーニングや早期活性化を図るため、ヒータ制御プログラムでは、ヒータ３０の加熱当初に通常の作動時よりも大きな電圧の印加を行っている。
【００２０】
以下、図２〜図５を参照して、ヒータ制御プログラムの動作について説明する。図２は、ヒータ制御プログラムのフローチャートである。図３〜図５は、ヒータ３０への印加電圧について説明するための回路図である。なお、フローチャートの各ステップを「Ｓ」と略記する。
【００２１】
ヒータ制御プログラムは、ガスセンサ１００の駆動時にＲＯＭ５６から読み出され、実行される。図２に示すように、ヒータ制御プログラムが実行されると、まず、タイマが作動される（Ｓ１）。ＲＡＭ５７の所定の記憶エリアにタイマ変数の初期値として「０」が記憶される。タイマ変数は、図示外のタイマカウントプログラムにより経過時間に比例して数値が加算される。
【００２２】
次に、各出力ポート６１〜６４（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）からＨｉレベルの出力信号が出力され、抵抗器３１〜３４に５Ｖの電圧が印加される（Ｓ２）。このとき、図３に示すように、ヒータ３０に印加される電圧、すなわち分圧点Ｐｚにおける電位Ｖｚは、抵抗器３１〜３４の抵抗値Ｒｘ，Ｒｙの合成抵抗値と、ヒータ３０の抵抗値Ｒｚとで出力ポート６１〜６４の電圧を分圧した電位となる。ここで抵抗器３１〜３４の合成抵抗値を求めると５２．８Ωとなる。従って、分圧点Ｐｚにおける電位Ｖｚを求めると４．２Ｖとなり、ヒータ３０には４．２Ｖの電圧が印加される。
【００２３】
次いで、図２に示すように、タイマスタート後、３０秒が経過したか確認される（Ｓ３）。タイマ変数の値に基づき、３０秒が経過したと判断されなければ待機される（Ｓ３：ＮＯ）。
【００２４】
タイマスタート後３０秒が経過したと判断されると（Ｓ３：ＹＥＳ）、出力ポート６３，６４（Ｐ３，Ｐ４）の出力信号が、ＨｉレベルからＬｏレベルに切り替えられる（Ｓ４）。図４に示すように、Ｐ１，Ｐ２の電位は５Ｖのまま維持され、Ｐ３，Ｐ４の電位は０Ｖ（接地電位）となる。すなわち、図５に示すように、抵抗器３３，３４がヒータ３０と並列に、分圧点Ｐｚに接続された状態と同様となる。分圧点Ｐｚにおける電位Ｖｚは、抵抗器３１，３２抵抗値Ｒｘの合成抵抗値と、ヒータ３０の抵抗値Ｒｚおよび抵抗器３３，３４の抵抗値Ｒｙの合成抵抗値とで出力ポート６１，６２に印加される電圧を分圧した電位となる。ここで抵抗器３１，３２の合成抵抗値を求めると７０Ωとなる。また、ヒータ３０および抵抗器３３，３４の合成抵抗値を求めると、１２１．６Ωとなる。従って、分圧点Ｐｚにおける電位Ｖｚを求めると３．２Ｖとなり、ヒータ３０には３．２Ｖの電圧が印加される。
【００２５】
そして、図２に示すように、Ｐ１〜Ｐ４の電位（出力信号）が維持されたまま、ヒータ制御プログラムが終了される。すなわち、ガスセンサ１００では、駆動開始から３０秒間ヒータ３０に４．２Ｖの電圧が印加され、その後、３．２Ｖの電圧が印加された状態で維持されることとなる。
【００２６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。例えば、本実施の形態では、Ｐ１とＰ２と、Ｐ３とＰ４との２つの出力ポートずつを組として出力ポートの信号出力の切り替えを行ったが、組となる出力ポートは１つでも、３つ以上であってもよい。
【００２７】
また、本実施の形態の抵抗器３１〜３４の抵抗値Ｒｘ，Ｒｙ、およびヒータ３０の抵抗値Ｒｚは一例であり、ヒータ３０の発熱温度が所望の温度となる分圧された印加電圧が得られるように任意に設定してもよい。
【００２８】
また、ヒータ制御プログラムのＳ３で、ヒータ３０へ初期電圧（４．２Ｖ）を印加する期間としての待ち時間を３０秒としたが、これに限らず、任意の待ち時間を設定してもよい。
【００２９】
また、本実施の形態ではヒータ制御装置により通電制御されるヒータが加熱するセンサ素子として、特定ガスを検知するためのガスセンサ素子を例に説明したが、例えば流量センサに使用されるセンサ素子であっても、湿度センサに使用されるセンサ素子であってもよい。さらに、ガスセンサ素子１０，２０およびヒータ３０は、矩形板状の絶縁性セラミック基板に形成したものに限られず、ダイヤフラム構造の絶縁性セラミック基板上にガスセンサ素子を形成し、ヒータを同基板内に埋設させるように形成したものに本発明を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、ガスセンサ、流量センサ、湿度センサ等、ヒータによる加熱を必要とするセンサ素子を備えたセンサのヒータ制御装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ガスセンサ１００構成の概略を示す図である。
【図２】ヒータ制御プログラムのフローチャートである。
【図３】ヒータ３０への印加電圧について説明するための回路図である。
【図４】ヒータ３０への印加電圧について説明するための回路図である。
【図５】ヒータ３０への印加電圧について説明するための回路図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０，２０  ガスセンサ素子
３０    ヒータ
３１〜３４  抵抗器
５０    ワンチップマイコン
６１〜６４  出力ポート（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）
１００    ガスセンサ
【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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