(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスセンサにおいて、ヒータが目的温度に達するまでの時間を短くすることによって、ヒータに電圧を印加する時間を短くする。【解決手段】ガス検知部１２とガス検知部を加熱するヒータ１４とを有し、ヒータにより目的温度に加熱されたガス検知部の電気信号に基づいて対象ガスを検出するガスセンサであって、ヒータに、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧を印加して、ヒータの温度が上昇している状態で、ヒータに印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する加熱制御部３０を備えるガスセンサである。【選択図】図１
2018200283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス検知部と前記ガス検知部を加熱するヒータとを有し、前記ヒータにより目的温度に加熱された前記ガス検知部の電気信号に基づいて対象ガスを検出するガスセンサであって、
前記ヒータに、前記目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧を印加して、前記ヒータの温度が上昇している状態で、前記ヒータに印加される電圧を前記初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する加熱制御部
を備えるガスセンサ。
【請求項２】
前記加熱制御部は、前記ヒータの温度Ｔ１（℃）が、下記数式１を満足する範囲となった状態で、前記ヒータに印加される電圧を前記初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する、請求項１に記載のガスセンサ
［数式１］
０．８Ｔ２≦  Ｔ１  ≦  １．２Ｔ２  但し、Ｔ２は、目的温度（℃）である。
【請求項３】
前記加熱制御部は、前記ヒータの温度が前記目的温度より低いときに、前記ヒータに印加される電圧を前記初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記初期駆動電圧を印加する期間についての情報を記憶する記憶部を更に備えており、
前記加熱制御部は、前記期間が経過すると、前記ヒータに印加される電圧を前記初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記ヒータの温度を測定する温度測定部と、
前記ヒータに予め定められた電圧を印加したときの前記温度測定部による測定結果に応じた前記ヒータの昇温特性に基づいて、前記期間を設定する期間設定部と、を更に備えており、
前記記憶部は、前記期間設定部によって設定された前記期間についての情報を記憶する
請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ヒータの温度を測定する温度測定部を更に備えており、
前記加熱制御部は、前記温度測定部によって測定された前記ヒータの温度が予め定められた値になった場合に、前記ヒータに印加される電圧を前記初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記加熱制御部は、前記ヒータに、第１初期駆動電圧を印加した後に前記第１初期駆動電圧より大きく前記設定電圧より大きい第２初期駆動電圧を印加して、前記ヒータの温度が上昇している状態で、前記ヒータに印加される電圧を前記第２初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記第１初期駆動電圧は、前記設定電圧より大きい
請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記加熱制御部は、前記ヒータに、前記設定電圧より大きい第１初期駆動電圧を印加した後に、前記第１初期駆動電圧より小さく前記設定電圧より大きい第２初期駆動電圧を印加して、前記ヒータの温度が上昇している状態で、前記ヒータに印加される電圧を前記第２初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記ヒータの温度を測定する温度測定部と、
前記ヒータに予め定められた電圧を印加したときの前記温度測定部による測定結果に応じた前記ヒータの昇温特性に基づいて、前記第１初期駆動電圧を印加している第１期間、および前記第２初期駆動電圧の大きさを設定する加熱条件設定部と、を更に備える
請求項７から９の何れか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記ガスセンサの周辺温度を測定する周辺温度測定部と、
前記第１初期駆動電圧を印加している第１期間および前記第２初期駆動電圧を印加している第２期間の少なくとも一方、または前記第１初期駆動電圧および前記第２初期駆動電圧の少なくとも一方の値を、前記周辺温度に基づいて補正する補正部と、を更に備える
請求項９に記載のガスセンサ。
【請求項１２】
前記加熱制御部は、周期的に前記ヒータをパルス駆動しており、
前記加熱制御部は、各パルス駆動において、前記ヒータに前記初期駆動電圧を印加して前記ヒータの温度が上昇している状態で、前記ヒータに印加される電圧を前記初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する
請求項１から１１の何れか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１３】
請求項１から１２の何れか１項に記載のガスセンサを備え、
前記ガス検知部の電気信号に基づいて対象ガスを検出したときに警報を発する警報発生部を更に備える
ガス警報器。
【請求項１４】
ガス検知部と前記ガス検知部を加熱するヒータとを有し、前記ヒータにより目的温度に加熱された前記ガス検知部の電気信号に基づいて対象ガスを検出するガスセンサを制御する制御装置であって、
前記ヒータに、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧を印加して、前記ヒータの温度が上昇している状態で、前記ヒータに印加される電圧を前記初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する加熱制御部
を備える制御装置。
【請求項１５】
ガス検知部と前記ガス検知部を加熱するヒータとを有し、前記ヒータにより目的温度に加熱された前記ガス検知部の電気信号に基づいて対象ガスを検出するガスセンサの制御方法であって、
前記ヒータに、前記目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧を印加する段階と、
前記ヒータの温度が上昇している状態で、前記ヒータに印加される電圧を前記初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する段階と、
を備える制御方法。
【請求項１６】
開口部を有する空間が形成された半導体基板と、前記空間上に設けられた熱絶縁支持層と、前記熱絶縁支持層に支持されたヒータ層と、を備えるヒータを駆動するヒータ駆動方法であって、
前記ヒータ層に、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧を印加する段階と、
前記ヒータ層の温度が上昇している状態で、前記ヒータ層に印加される電圧を前記初期駆動電圧から前記設定電圧に変更する段階と、を備えるヒータ駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ、ガス警報器、制御装置、制御方法、およびヒータ駆動方法に関する。
【０００２】
従来から、省電力化を実現したガスセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。ガスセンサは、ガス検知部を加熱するヒータを備える。ガスセンサは、例えば、パルス状の電圧をヒータに印加することによってガス検知部を目的温度まで加熱する。ガスセンサは、目的温度に加熱されたガス検知部の電気抵抗を測定することによって、検出ガスの有無を判定する。また、関連する技術として、ガスセンサの周辺温度の測定結果によってヒータに印加するパルス状の電圧の印加時間を調整する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、ガス感度特性に応じて、ヒータに印加するパルス状の電圧の値を調整する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
［特許文献］
［特許文献１］  特許第５９４６００４号公報
［特許文献２］  特開平１１−２４８６５９号公報
［特許文献３］  特開平１１−２４８６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ガスセンサにおいては、ヒータが目的温度に達するまでの時間を短くすることによって、ヒータに電圧を印加する時間を短くすることが省電力の観点から望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、ガスセンサを提供する。ガスセンサは、ガス検知部およびヒータを有してよい。ヒータは、ガス検知部を加熱してよい。ガスセンサは、ヒータにより目的温度に加熱されたガス検知部の電気信号に基づいて対象ガスを検出してよい。ガスセンサは、加熱制御部を備えてよい。加熱制御部は、ヒータに、目的温度に対応する設定電圧より大きい初期駆動電圧を印加して、ヒータの温度が上昇している状態で、ヒータに印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。
【０００５】
加熱制御部は、ヒータの温度Ｔ１（℃）が、下記数式１を満足する範囲となった状態で、ヒータに印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。数式１は、０．８Ｔ２≦  Ｔ１  ≦  １．２Ｔ２である。但し、Ｔ２は、目的温度（℃）である。
【０００６】
加熱制御部は、ヒータの温度が目的温度より低いときに、ヒータに印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。
【０００７】
ガスセンサは、記憶部を更に備えてよい。記憶部は、初期駆動電圧を印加する期間についての情報を記憶してよい。加熱制御部は、期間が経過すると、ヒータに印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。
【０００８】
ガスセンサは、温度測定部および期間設定部を更に備えてよい。温度測定部は、ヒータの温度を測定してよい。期間設定部は、ヒータに予め定められた電圧を印加したときの温度測定部による測定結果に応じたヒータの昇温特性に基づいて、期間を設定してよい。記憶部は、期間設定部によって設定された期間についての情報を記憶してよい。
【０００９】
ガスセンサは、温度測定部を更に備えてよい。温度測定部は、ヒータの温度を測定してよい。加熱制御部は、温度測定部によって測定されたヒータの温度が予め定められた値になった場合に、ヒータに印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。
【００１０】
加熱制御部は、ヒータに、第１初期駆動電圧を印加した後に第１初期駆動電圧より大きく設定電圧より大きい第２初期駆動電圧を印加して、ヒータの温度が上昇している状態で、ヒータに印加される電圧を第２初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。第１初期駆動電圧は、設定電圧より大きくてよい。
【００１１】
加熱制御部は、ヒータに、設定電圧より大きい第１初期駆動電圧を印加した後に、第１初期駆動電圧より小さく設定電圧より大きい第２初期駆動電圧を印加して、ヒータの温度が上昇している状態で、ヒータに印加される電圧を第２初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。
【００１２】
ガスセンサは、温度測定部および加熱条件設定部を備えてよい。温度測定部は、ヒータの温度を測定してよい。加熱条件設定部は、ヒータに予め定められた電圧を印加したときの温度測定部による測定結果に応じたヒータの昇温特性に基づいて、第１初期駆動電圧を印加している第１期間、および第２初期駆動電圧の大きさを設定してよい。
【００１３】
ガスセンサは、周辺温度測定部および補正部を備えてよい。周辺温度測定部は、ガスセンサの周辺温度を測定してよい。補正部は、第１初期駆動電圧を印加している第１期間および第２初期駆動電圧を印加している第２期間の少なくとも一方を、周辺温度に基づいて補正してよい。補正部は、第１初期駆動電圧および第２初期駆動電圧の少なくとも一方の値を、周辺温度に基づいて補正してよい。
【００１４】
加熱制御部は、周期的にヒータをパルス駆動してよい。加熱制御部は、各パルス駆動において、ヒータに初期駆動電圧を印加してヒータの温度が上昇している状態で、ヒータに印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。ガス警報器は、ガスセンサを備えてよい。ガス警報器は、警報発生部を更に備えてよい。警報発生部は、ガス検知部の電気信号に基づいて対象ガスを検出したときに警報を発してよい。
【００１５】
本発明の第２の態様においては、制御装置を提供する。制御装置は、ガスセンサを制御してよい。ガスセンサは、ガス検知部およびヒータを有してよい。ヒータは、ガス検知部を加熱してよい。ガスセンサは、ヒータにより目的温度に加熱されたガス検知部の電気信号に基づいて対象ガスを検出してよい。制御装置は、加熱制御部を備えてよい。加熱制御部は、ヒータに、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧を印加して、ヒータの温度が上昇している状態で、ヒータに印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。
【００１６】
本発明の第３の態様においては、制御方法を提供する。制御方法は、ガスセンサの制御方法であってよい。ガスセンサは、ガス検知部およびヒータを有してよい。ヒータは、ガス検知部を加熱してよい。ガスセンサは、ヒータにより目的温度に加熱されたガス検知部の電気信号に基づいて対象ガスを検出してよい。制御方法は、ヒータに、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧を印加する段階を備えてよい。制御方法は、ヒータの温度が上昇している状態で、ヒータに印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する段階を備えてよい。
【００１７】
本発明の第４の態様においては、ヒータ駆動方法を提供する。ヒータは、半導体基板、熱絶縁支持層、およびヒータ層を備えてよい。半導体基板には、開口部を有する空間が形成されてよい。熱絶縁支持層は、空間上に設けられてよい。ヒータ層は、熱絶縁支持層に支持されてよい。ヒータ駆動方法は、ヒータ層に、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧を印加する段階を備えてよい。ヒータ駆動方法は、ヒータ層の温度が上昇している状態で、ヒータ層に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する段階を備えてよい。
【００１８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態のガスセンサ１００の概略図である。
【図２】検出部１０の概略構成の一例を示す断面図である。
【図３】検出部１０の概略構成の他例を示す平面図である。
【図４】図３の検出部１０のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。
【図５】ヒータ１４の間欠駆動の一例を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ駆動電圧パターンを示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ温度の変化を示す図である。
【図８】比較例のガスセンサにおけるヒータ駆動電圧パターンを示す図である。
【図９】比較例のガスセンサにおけるヒータ温度の変化を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態のガスセンサ１００おけるヒータ駆動の他の例を説明する図である。
【図１１】本発明の第１実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ駆動の他の例を説明する図である。
【図１２】本発明の第１実施形態のガスセンサ１００による処理内容の一例を示すフローチャートである。
【図１３】初期駆動期間の設定処理の一例を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第２実施形態のガスセンサ１００による処理内容の一例を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の第３実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ駆動電圧パターンを示す図である。
【図１６】本発明の第３実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ温度の変化を示す図である。
【図１７】本発明の第３実施形態のガスセンサ１００による処理内容の一例を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第４実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ駆動電圧パターンを示す図である。
【図１９】本発明の第４実施形態のガスセンサ１００におけるガスセンサ１００による処理内容の一例を示すフローチャートである。
【図２０】加熱条件の設定処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００２１】
図１は、本発明の第１実施形態のガスセンサ１００の概略図である。本例のガスセンサ１００は、対象ガスを検出する。対象ガスは、可燃性ガスであってよい。対象ガスは、メタンを主成分とする都市ガスであってよく、あるいは、プロパンおよびブタンを主成分とするＬＰガスであってもよい。また、対象ガスは、ＣＯ（一酸化炭素）であってよく、ＶＯＣ（揮発性有機化合物）であってもよい。
【００２２】
ガスセンサ１００は、検出部１０と制御装置２００とを備える。検出部１０は、ガス検知部１２およびヒータ１４を備える。本例の検出部１０は、ヒータ１４の温度を測定する温度測定部１６を備える。本例と異なり、検出部１０は、温度測定部１６を備えていなくてもよい。
【００２３】
ガス検知部１２の電気信号は、存在するガスの種類および濃度によって異なる。例えば、ガス検知部１２は、ガスの種類および濃度によって抵抗値が変化するセンサ抵抗を備える。ヒータ１４は、ガス検知部１２を加熱する。ガスセンサ１００は、ヒータ１４により目的温度に加熱されたガス検知部１２の電気信号に基づいて対象ガスを検出する。ヒータ１４に設定電圧が印加されてヒータ温度が安定したときのヒータの温度が目的温度である。目的温度は、ガス検出処理温度であってよい。目的温度は、３５０°Ｃ以上４５０°Ｃ以下であってよく、特に、４００°Ｃ程度であってよい。
【００２４】
制御装置２００は、ガスセンサ１００を制御する。本例では、検出部１０および制御装置２００が共にガスセンサ１００に内蔵されている。但し、制御装置２００は、ガスセンサ１００に外付けされる制御装置であってもよい。制御装置２００は、測定部２０、および加熱制御部３０を備える。測定部２０は、ガス検知部１２の電気信号を取得する。例えば、測定部２０は、ガス検知部１２内のセンサ抵抗の抵抗値を測定する。具体的には、測定部２０は、ガス検知部１２内のセンサ抵抗に電流を流してセンサ抵抗の両端の電圧を測定してよい。このように、ガス検知部１２の電気信号は、センサ抵抗の電気抵抗値に対応づけられた電圧または電流であってよい。
【００２５】
加熱制御部３０は、ヒータ１４に印加する電圧を制御する。特に、加熱制御部３０は、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧をヒータ１４に印加する。そして、初期駆動電圧が印加されることによってヒータ１４の温度が上昇している状態で、加熱制御部３０は、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。例えば、加熱制御部３０は、予め定められた期間が経過すると、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。
【００２６】
ヒータ１４に印加される電圧が初期駆動電圧から設定電圧に切り替わった後、ヒータ１４の温度は、目的温度に収束する。加熱制御部３０は、初めから設定電圧を印加する場合と比べて加熱期間を短縮する。これにより、省電力が実現される。加熱制御部３０は、マイクロコンピュータによって構成してよい。
【００２７】
ガスセンサ１００は、対象ガスを検出した場合に警報を発報するガス警報器であってもよい。ガスセンサ１００がガス警報器である場合、制御装置２００は、警報発生部を備えてよい。警報発生部は、検出部１０による測定に基づいて対象ガスが検出された場合に警報を発する。警報発生部は、警報音等の音を発する警報音出力部を備えていてもよい。警報音出力部は、スピーカおよびブザー等で構成されてよい。警報発生部は、ＬＥＤ（発光ダイオード）等を点滅または点灯させて警報状態を表示する警報表示部を備えてもよい。但し、警報発生部は、必須の構成要素ではない。
【００２８】
本例の制御装置２００は、設定部５０、記憶部６０、補正部７０、および周辺温度測定部８０を備える。設定部５０は、加熱制御部３０がヒータ１４を制御するために必要な情報またはパラメータを設定する。例えば、設定部５０は、加熱制御部３０による加熱条件を設定する。本例の設定部５０は、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に切り替えるタイミングを設定する。一例において、設定部５０は、ヒータ１４の昇温特性に基づいて、ヒータ１４に初期駆動電圧を印加する期間を設定する期間設定部として機能する。ヒータ１４の昇温特性は、ヒータ１４に予め定められた試験用電圧を印加したときの温度測定部１６による測定結果に応じて取得されてよい。
【００２９】
記憶部６０は、加熱制御部３０がヒータ１４を制御するために必要な情報またはパラメータを記憶する。例えば、記憶部６０は、ヒータ１４に初期駆動電圧が印加される期間である初期駆動期間ｔ１についての情報を記憶する。初期駆動期間ｔ１についての情報は、工場出荷時等に予め記憶部６０に格納されていてもよい。上述のとおり、設定部５０が、初期駆動期間ｔ１を自動的に設定する場合には、記憶部６０は、設定部５０によって設定された上記初期駆動期間ｔ１についての情報を記憶してよい。
【００３０】
周辺温度測定部８０は、ガスセンサ１００の周辺温度を測定する。周辺温度は、ガスセンサ１００が配置されている環境における温度であってよい。上述した温度測定部１６が、周辺温度測定部８０として兼用されてもよい。補正部７０は、測定された周辺温度に基づいて、ヒータ１４に印加する初期駆動電圧の期間および電圧値の少なくとも一方を補正してよい。補正部７０は、周辺温度が低くなるほど、ヒータ１４に印加する初期駆動電圧の期間を長くしてよく、初期駆動電圧の電圧値を大きくしてよい。
【００３１】
なお、本例の制御装置２００が、設定部５０、記憶部６０、補正部７０、および周辺温度測定部８０を含む場合を説明したが、制御装置２００は、この場合に限定されない。制御装置２００は、本例と異なり、各部を必ずしも含んでいなくてよい。例えば、初期駆動電圧が印加される期間を自動的に設定しない場合には、設定部５０は省略される。また、周辺温度に応じて初期駆動電圧の補正を実行しない場合には、補正部７０および周辺温度測定部８０は省略されてよい。また、上述したとおり、検出部による測定に基づいて対象ガスが検出された場合に警報を発するように警報発生部を備えてもよい。
【００３２】
図２は、検出部１０の概略構成の一例を示す断面図である。本例の検出部１０は、薄膜半導体式センサである。本例の検出部１０は、シリコン基板２と、熱絶縁支持層３と、ヒータ１４として機能するヒータ層と、電気絶縁層４と、ガス検知部１２とを備える。シリコン基板２には、貫通孔６が設けられている。貫通孔６は、ダイアフラム構造を構成する。ガス検知部１２は、接合層７と、ガス感知層電極８と、ガス感知層５と、触媒層９とを備えている。ガス感知層５は、センサ抵抗であってよい。ガス感知層５は、例えば、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３、ＺｎＯ、およびＴｉＯ２等の金属酸化物を主成分とする感知層として形成される。
【００３３】
触媒層９は、例えば、Ｐｄ、ＰｄＯ、およびＰｔ等の少なくとも一種の触媒を担持した焼結体である。一例において、触媒層９は、触媒担持Ａｌ２Ｏ３焼結体であり、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎｉ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ゼオライト等の金属酸化物を主成分として形成されてもよい。シリコン基板２は、半導体基板の一例である。シリコン基板２は、シリコンウェハーから構成される。ヒータ１４はガス検知部１２を加熱する。検出部１０は、ヒータ１４によって、ガス検知部１２を加熱したときのガス検知部１２の電気信号に基づいて対象ガスを検出する。例えば、検出部１０は、ガス感知層５の抵抗値によって対象ガスを検出する。
【００３４】
本例の検出部１０においては、ＭＥＭＳ技術を用いたヒータ構造が採用されている。本例のヒータ構造は、開口部を有する空間が形成せれたシリコン基板２を有する。本例では、開口部を有する空間として貫通孔６がシリコン基板２に形成されている。開口部を有する空間上に熱絶縁支持層３が設けられる。本例では、熱絶縁支持層３は、シリコン基板２の貫通孔６の開口部の全体に張られて、ダイアフラム構造が形成されてよい。ヒータ層であるヒータ１４は、熱絶縁支持層３によって支持される。
【００３５】
ＭＥＭＳ技術を用いたヒータ構造により、低消費電力を実現したヒータ１４を用いたガスセンサ１００が実現される。ヒータ１４を小型化し熱容量を小さくすることによってヒータ１４の熱応答性が向上する。また、シリコン基板２に貫通孔６を設けることによって、ヒータ１４から周囲環境への熱伝達を小さくすることができる。しかしながら、検出部１０の構造は、ダイアフラム構造を有するものに限られない。
【００３６】
図３は、検出部１０の概略構成の他例を示す平面図である。図４は、図３の検出部１０のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。図３および図４に示される検出部１０においても、ＭＥＭＳ技術を用いたヒータ構造が採用されている。図３および図４に示されるヒータ構造では、開口部を有する空間としてキャビティ１８がシリコン基板２に形成されている。キャビティ１８は、シリコン基板２の上面において開口部を有するが、シリコン基板２の下面側は、開口していない。キャビティ１８は、四角錐または四角錐台形状を有してよい。
【００３７】
キャビティ１８上に熱絶縁支持層３が設けられている。熱絶縁支持層３は、キャビティ１８上の中央に位置する中央部と、中央部と周辺部とを繋ぐ複数のブリッジ部とを備えてよい。熱絶縁支持層３には、部分的に孔１７が設けられている。熱絶縁支持層３の中央部には、ヒータ１４が設けられる。図３および図４に示される検出部１０においても、ヒータ１４から周囲環境への熱伝達を小さくすることができる。
【００３８】
また、検出部１０は、必ずしも本例のような薄膜半導体式センサに限られない。検出部１０は、熱線型半導体式センサであってもよく、接触燃焼式センサであってもよい。熱線型半導体式センサは、ヒータに電気的に並列に接続された金属酸化物半導体からなるガス検知部を備える。接触燃焼式センサは、ヒータ上に酸化活性を持つ触媒層を備えたガス検知素子と、ヒータ上にガスに不活性な触媒層をもつ補償素子からなるガス検知部とを備える。熱線型半導体式センサおよび接触燃焼式センサの場合は、ガス検知部の一部を構成するヒータが、ガス検知部を加熱するためのヒータとして兼用される。したがって、ガス検知部とヒータとが別々に設けられずに、兼用されてよい。
【００３９】
次に、加熱制御部３０によるヒータ１４の駆動について説明する。図５は、ヒータ１４の間欠駆動の一例を示す図である。加熱制御部３０は、周期的にヒータ１４をパルス駆動している。すなわち、加熱制御部３０は、ヒータ１４に対してヒータ駆動電圧としてパルス状の電圧を周期的に印加する。加熱制御部３０は、３０秒以上６０秒以下の周期Ｐでパルス状の電圧をヒータ１４に印加してよい。ヒータ１４は、室温と目的温度である４００℃との間で間欠的に駆動される。周期Ｐは、隣接するパルス状の電圧の繰返し周期であってよい。
【００４０】
ヒータ１４によってガス検知部１２が目的温度に加熱される。加熱制御部３０は、各パルス駆動において、ヒータ１４に初期駆動電圧を印加してヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。
【００４１】
図６は、本発明の第１実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ駆動電圧パターンを示す図である。図６は、図５に示される一つのパルス状の電圧部分を拡大した電圧波形を示している。縦軸は、設定電圧に対するヒータ駆動電圧の比を示している。ヒータ駆動電圧が設定電圧の値である場合に比が１である。ヒータ駆動電圧が設定電圧より大きい場合に比が１より大きい。横軸は時間を示している。
【００４２】
図６に示されるとおり、加熱制御部３０は、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧をヒータ１４に印加する。次いで、加熱制御部３０は、初期駆動期間ｔ１が経過すると、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。加熱制御部３０は、期間ｔ２にわたって設定電圧をヒータ１４に印加する。期間ｔ１と期間ｔ２を合計した期間が加熱期間に対応する。第１実施形態のガスセンサ１００において、目的温度が４００℃であってよい。ヒータの消費電力が数十ｍＷであってよい。ヒータ駆動電圧が数Ｖであってよい。
【００４３】
図７は、本発明の第１実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ温度の変化を示す図である。図７は、図６に示されるヒータ駆動電圧パターンでヒータ１４を駆動した場合におけるヒータ温度の推移を示す。図７の縦軸は、目的温度に対するヒータ温度の比を示している。図７の横軸は時間を示している。
【００４４】
図７に示されるように、加熱制御部３０は、ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。具体的には、初期駆動電圧をヒータ１４に印加したときにヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータ１４に印加される電圧が初期駆動電圧から設定電圧に変更されるように、初期駆動期間ｔ１が設定されてよい。
【００４５】
加熱制御部３０は、記憶部６０に記憶されている初期駆動期間ｔ１の情報を読み出してよい。加熱制御部３０は、読み出された初期駆動期間ｔ１の情報を参照して、ヒータ１４に印加される電圧が初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。ヒータ１４に印加される電圧が初期駆動電圧から設定電圧に変更されると、ヒータ１４の温度は上昇を停止して、目的温度に収束してよい。その後、加熱期間が終了してヒータ１４がオフされると、ヒータ１４の温度は低下する。
【００４６】
図８は、比較例のガスセンサにおけるヒータ駆動電圧パターンを示す図である。縦軸は、設定電圧に対するヒータ駆動電圧の比を示している。ヒータ駆動電圧が設定電圧の値である場合に比が１である。図８に示されるとおり、比較例のガスセンサは、電圧を印加する最初から、目的温度に対応する設定電圧をヒータ駆動電圧としてヒータに印加する。比較例では、パルス幅が０．１秒の期間にわたって設定電圧がヒータ１４に印加される。この点を除いて、比較例のガスセンサの構造は、図１および図２に示した第１実施形態のガスセンサ１００の構造と同様であってよい。したがって、繰り返しの説明が省略される。
【００４７】
図９は、比較例のガスセンサにおけるヒータ温度の変化を示す図である。図９は、図８に示されるヒータ駆動電圧パターンでヒータを駆動した場合におけるヒータ温度の推移を示す。ヒータ駆動する場合にヒータに印加される最短のパルス幅は、所定の目的温度までの温度上昇に要する時間ｔ１´と、目的温度に加熱されている状態でガス検知部１２の電気信号を取得する等のデバイスの処理時間ｔ２´との合計時間として定められてよい。比較例のガスセンサでは、例えば、時間ｔ１´が、０．０５秒であり、処理時間ｔ２´が、０．０５秒であり、時間ｔ１´と時間ｔ２´の合計時間が０．１秒である。
【００４８】
比較例のガスセンサにおいて、例えば、目的温度が４００℃であり、ヒータの消費電力が数十ｍＷであり、ヒータ駆動電圧が数Ｖである場合、比較例のガスセンサのヒータにおいては、目的温度までの温度上昇に要する時間ｔ１´が０．０５秒程度であってよい。なお、時間ｔ１´は、加熱対象物であるガス検知部１２が存在する状態での応答時間を示している。ガス検知部１２が存在せずにヒータ１４のみが存在する場合であれば、目的温度４００℃までの温度上昇に要する時間は約１／１０の０．００５秒程度であってよい。
【００４９】
比較例のようなガスセンサは、時間ｔ１´が０．０５秒程度であり、熱応答性が良好である。したがって、一般的なＰＷＭ制御によってヒータの温度を一定に保つことが困難である。そのため、間欠駆動中にヒータに印加されるパルス状の電圧は図８に示されるように、パルス印加時間（加熱期間）の全体にわたって変動が抑えられる。すなわち、ヒータ温度を目的温度に保つための一定の設定電圧が０．１秒程度の期間にわたってヒータに印加されてよい。
【００５０】
比較例のガスセンサは、図２に示されるように、ダイアフラム構造を構成する貫通孔の径を大きくしたり、ダイアフラムを構成する熱絶縁支持層３を薄くしたりすることによって消費電力を低減することができる。しかし、消費電力を低減したヒータを用いたとしても、目的温度までの温度上昇に要するｔ１´が短縮されるわけではない。
【００５１】
例えば、時間ｔ１´が０．０５秒程度のガスセンサに、従来に比べて１／２の消費電力のヒータが適用されたとしても、ヒータおよび加熱対象物の熱容量が同じであれば、時間ｔ１´は２倍程度となる。処理時間ｔ２´は、消費電力に無関係のため変化しない。したがって、全体の加熱期間はｔ１＋ｔ２＝０．１５秒となる。これにより、ヒータ消費電力Ｐｈは１／２になっても、加熱期間が１．５倍に増えるためヒータの平均消費電力は１／２とはならず、３／４となる。
【００５２】
また、ヒータ以外の制御回路部分において消費される電力は、パルス出力している時間が短くなるほど少なくなる。したがって、ヒータに電圧を印加する時間を短くすることが省電力の観点から望ましい。第１実施形態のガスセンサ１００によれば、図６に示されるとおり、初期駆動期間ｔ１において、設定電圧より大きい初期駆動電圧をヒータ１４に印加することで、目的温度までの温度上昇に要する時間を、比較例における温度上昇に要する時間ｔ１´に比べて短くすることができる。
【００５３】
初期駆動期間ｔ１が比較例における温度上昇に要する時間ｔ１´より短くてよい。具体的な実験によれば、初期駆動電圧を設定電圧の１．４４倍とし、初期駆動期間ｔ１を０．０１秒とすることで、０．０１秒でヒータ１４の温度が目的温度４００℃に達することができた。ヒータ１４の温度が目的温度に達した後は、ヒータ１４の温度を目的温度に保つように設定電圧が期間ｔ２にわたってヒータ１４に印加された。
【００５４】
以上のように、本実施形態のガスセンサ１００によれば、全体の加熱期間を、比較例における０．１秒から０．０６秒に短縮することが可能となった。ヒータ１４における消費電力がＶ２／Ｒ（但し、Ｖがヒータ駆動電圧であり、Ｒがヒータの抵抗）で与えられるとすると、比較例の場合には、パルス１回あたりの消費電力量（Ｗ・秒）は、（Ｖ１２／Ｒ）・（０．０５＋０．０５）＝０．１（Ｖ１２／Ｒ）である。
【００５５】
これに対し、本実施形態のガスセンサ１００の場合には、パルス１回あたりの消費電力量（Ｗ・秒）は、（（１．４４・Ｖ１）２／Ｒ）・０．０１＋（Ｖ１２／Ｒ）・（０．０５）≒０．０７（Ｖ１２／Ｒ）となる。したがって、本例によれば、比較例の場合に比べて、３０％程度の消費電力量が削減される。さらに、パルス出力している加熱期間が比較例における０．１秒から０．０６秒と短くなる。したがって、ヒータ１４以外の制御回路部分での消費電力量も低減される。
【００５６】
図６および図７に示される例では、ヒータ１４の温度Ｔ１が目的温度Ｔ２となる時間、すなわち、図７の縦軸に示される比が１となる時間が、初期駆動期間ｔ１と一致している。但し、本実施形態のガスセンサ１００は、この場合に限られない。
【００５７】
図１０は、本発明の第１実施形態のガスセンサ１００おけるヒータ駆動の他の例を説明する図である。図１０においては、加熱制御部３０は、ヒータ温度が目的温度より低いときに、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。ヒータ１４および加熱対象物であるガス検知部１２の熱容量によっては、ヒータ温度が目的温度に達するのを待って、ヒータ１４に印加される電圧を変更すると、ヒータ温度が目的温度を超えてオーバーシュートする場合がある。
【００５８】
図１０に示されるように、ヒータ温度が目的温度より低いときに、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更することにより、オーバーシュートを防止して、消費電力を抑えることができる。図１０においては、ヒータ温度Ｔ１が、０．８Ｔ２または０．９Ｔ２（但し、Ｔ２は、目的温度）となったときに、加熱制御部３０が、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更するように、初期駆動期間ｔ１が設定されている。
【００５９】
図１１は、本発明の第１実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ駆動の他の例を説明する図である。図１１においては、加熱制御部３０は、ヒータ温度Ｔ１が目的温度より高いときに、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。ヒータ１４に印加される電圧が設定電圧に変更されて、ヒータ１４の温度が安定すると、ヒータ１４の温度は目的温度に収束する。
【００６０】
以上のように、加熱制御部３０は、ヒータ１４の温度Ｔ１（℃）が、下記数式１を満足する範囲となった状態で、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。
［数式１］
０．８Ｔ２≦  Ｔ１  ≦  １．２Ｔ２  但し、Ｔ２は、目的温度（℃）である。
【００６１】
ヒータ１４の温度Ｔ１（℃）が、０．８Ｔ２より低い状態で、ヒータ１４に印加される電圧を設定電圧に切り替えると、目的温度に達するまでの時間が長くなる。一方、ヒータ１４の温度Ｔ１（℃）が１．２Ｔ２より高い状態で、ヒータ１４に印加される電圧を設定電圧に切り替えると、ヒータ温度がオーバーシュートして消費電力が大きくなる。したがって、ヒータ１４の温度Ｔ１（℃）が、下記数式１を満足する範囲となった状態で、ヒータ１４に印加される電圧を設定電圧に切り替えることが望ましい。
【００６２】
図１２は、本発明の第１実施形態のガスセンサ１００による処理内容の一例を示すフローチャートである。図１２は、ガスセンサ１００の制御方法を示す。加熱制御部３０は、ヒータ１４に設定電圧より大きい初期駆動電圧を印加する（ステップＳ１０１）。初期駆動期間ｔ１が経過するのを待って（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、加熱制御部３０は、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する（ステップＳ１０３）。
【００６３】
ステップＳ１０３において、ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータに印加する電圧が初期駆動電圧から設定電圧に変更されるように、電圧変更のタイミングが設定されている。具体的には、初期駆動期間ｔ１によって電圧変更のタイミングが事前に設定されてよい。ステップＳ１０３は、ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する電圧変更段階に相当する。
【００６４】
ヒータ１４に設定電圧が印加されてヒータ１４の温度が安定すると、ヒータ１４の温度が目的温度となる。ヒータ１４によって加熱されるガス検知部１２も少し遅れて目的温度に達する。測定部２０は、ガス検知部１２の電気信号を取得する（ステップＳ１０４）。例えば、測定部２０は、ガス検知部１２内のガス感知層５に電流を流してガス感知層５の両端の電圧を測定する。これにより、測定部２０は、ガス感知層５の電気抵抗値または電気抵抗値に対応する電圧等をガス検知部１２の電気信号として取得してよい。
【００６５】
ガスセンサ１００は、ガス検知部１２の電気信号に基づいて対象ガスを検出する（ステップＳ１０５）。具体的には、存在する対象ガスの濃度が高くなるにつれて、ガス検知部１２におけるガス感知層５の電気抵抗値が低下する。したがって、ガスセンサ１００は、ガス感知層５の電気抵抗値が予め定められた閾値未満であれば、対象ガスが存在すると判定してよい。判定は、測定部２０が実行してもよく、他の構成が実行してもよい。
【００６６】
対象ガスが検出された場合には（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、制御装置２００は、対象ガスの検出を示す信号を生成する（ステップＳ１０６）。例えば、制御装置２００の警報発生部は、ガス漏れ警報を発報する。ガス感知層５の電気抵抗値が閾値以上でれば、対象ガスが検出されていないとして（ステップＳ１０５：ＮＯ）、ステップＳ１０７の処理に進む。
【００６７】
期間ｔ１と期間ｔ２を合計した全体の加熱期間が経過すると（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、加熱制御部３０は、ヒータ１４への通電を停止する（ステップＳ１０８）。加熱制御部３０は、周期的にヒータ１４をパルス駆動してよい。したがって、加熱制御部３０は、３０秒以上６０秒以下のヒータ駆動の周期Ｐが経過するのを待って（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）、再びヒータ１４に対して初期駆動電圧を印加する（ステップＳ１０１）。
【００６８】
図１３は、初期駆動期間の設定処理の一例を示すフローチャートである。加熱制御部３０は、予め定められた電圧をヒータ１４に印加する（ステップＳ２０１）。ヒータ１４に電圧が印加された状態で、温度測定部１６は、複数の時点におけるヒータ温度を測定する（ステップＳ２０２）。温度測定部１６による測定結果に応じたヒータ１４の昇温特性が取得される。取得された昇温特性は、記憶部６０等に格納されてよい。取得された昇温特性は、ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量を反映している。同じ電圧をヒータ１４に印加した場合に、熱容量が小さいほど、所定温度まで昇温する時間が短くなる。
【００６９】
設定部５０は、ヒータ１４の昇温特性に基づいて、ヒータ１４に初期駆動電圧を印加する期間、すなわち、初期駆動期間ｔ１を設定する（ステップＳ２０３）。具体的には、設定部５０は、取得された昇温特性によって算出されるヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量が大きいほど、初期駆動期間ｔ１が長くなるように設定してよい。これは、ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量が大きいほど、目的温度に達するまで時間が長くかかるからである。設定された初期駆動期間ｔ１の情報は記憶部６０に記憶される（ステップＳ２０４）。
【００７０】
図１３に示される初期駆動期間の設定処理は、ガスセンサ１００の製品を出荷するときに実行されてもよい。また、設定部５０は、初期駆動期間の設定処理を定期的に実行してよい。設定部５０は、一例において、１日に１回の回数で所定時刻において、初期駆動期間の設定処理を実行してもよい。但し、初期駆動期間の設定処理を実行する頻度は、この場合に限られない。初期駆動期間の設定処理によって、初期駆動期間ｔ１を適切に設定することができる。したがって、ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量等がばらつく場合であっても、加熱制御部３０は、適切なタイミングで初期駆動電圧から設定電圧に変更することができる。
【００７１】
本実施形態のガスセンサ１００の処理は、図１３に示される場合に限られない。設定部５０は、初期駆動期間ｔ１を一定の期間として、ヒータ１４の初期駆動電圧をヒータ１４の昇温特性に基づいて設定してもよい。初期駆動電圧の初期値をヒータ１４に印加したときに、ヒータ温度が目的温度に達するまでの時間が、想定されている時間より短い場合は、設定部５０は、初期駆動電圧を初期値より小さする。ヒータ温度が目的温度に達するまでの時間が、想定されている時間より長い場合は、設定部５０は、初期駆動電圧を初期値より大きくしてよい。想定されている時間は、初期駆動期間ｔ１であってもよい。
【００７２】
これにより、設定部５０は、想定している時間において、ヒータ温度が目的温度に達するように、初期駆動電圧の大きさを設定してよい。設定された初期駆動電圧の情報は、記憶部６０が記憶されてよい。あるいは、設定部５０は、ヒータ抵抗値を計測することによって、温度を算出しながら初期駆動電圧の大きさと初期駆動期間ｔ１を定めてもよい。
【００７３】
以上のように、第１実施形態のガスセンサ１００によれば、ヒータ１４に、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧が印加される。そして、加熱制御部３０は、ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。したがって、ヒータ１４の温度が目的温度に達するまでの時間を短くすることができる。加熱時間が短縮されることにより、ヒータ１４における消費電力量を削減することができる。また、ヒータ１４にパルス状の電圧を出力する時間が短縮されるため、ヒータ１４以外の制御回路部分において消費される消費電力量も低減される。
【００７４】
第１実施形態のガスセンサ１００によれば、初期駆動期間ｔ１の情報が記憶部６０に記憶される。加熱制御部３０は、初期駆動期間ｔ１が経過すると、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。したがって、ヒータ１４に印加される電圧を期間の経過に応じて切り替えることができるので、温度測定部１６の熱応答性に依存することなく迅速にヒータ１４に印加される電圧を切り替えることができる。
【００７５】
図１４は、本発明の第２実施形態のガスセンサ１００による処理内容の一例を示すフローチャートである。第２実施形態のガスセンサ１００は、ヒータ１４の温度を測定する温度測定部１６を備える。そして、加熱制御部３０は、温度測定部１６によって測定されたヒータ１４の温度が予め定められた値になった場合に、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。加熱制御部３０は、ヒータ温度の測定結果によって電圧を制御する。したがって、設定部５０は、初期駆動期間ｔ１を設定しなくてよい。ヒータ１４に印加される電圧をヒータ温度に応じて切り替えることを除いて、第２実施形態のガスセンサ１００における構造は、第１実施形態のガスセンサ１００における構造と同様であるので、繰返しの説明は省略される。
【００７６】
本実施形態のガスセンサ１００においても、加熱制御部３０は、ヒータ１４に設定電圧より大きい初期駆動電圧を印加する（ステップＳ３０１）。温度測定部１６は、ヒータ温度を測定する（ステップＳ３０２）。ヒータ温度が所定値に達するのを待って（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、加熱制御部３０は、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する（ステップＳ３０４）。ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータに印加する電圧が初期駆動電圧から設定電圧に変更される。一例において、所定値は、０．８Ｔ２以上１．２Ｔ２以下の範囲内で予め設定されてよい。但し、Ｔ２は、目的温度（℃）である。
【００７７】
以下のステップＳ３０５からステップＳ３１０の処理は、図１２におけるステップＳ１０４からステップＳ３０９の処理と同様である。したがって、繰り返しの説明が省略される。第２実施形態のガスセンサ１００においても、加熱制御部３０は、ヒータ１４に、目的温度に対応する設定電圧に比べて大きい初期駆動電圧を印加する。そして、ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータ１４に印加される電圧を初期駆動電圧から設定電圧に変更する。したがって、ヒータ１４の温度が目的温度に達するまでの時間を短くすることができ、加熱期間を短縮できる。
【００７８】
図１５は、本発明の第３実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ駆動電圧パターンを示す図である。縦軸は、設定電圧に対するヒータ駆動電圧の比を示している。ヒータ駆動電圧が設定電圧の値である場合に比が１である。ヒータ駆動電圧が設定電圧より大きい場合に比が１より大きい。横軸は時間を示す。
【００７９】
第３実施形態のガスセンサ１００において、加熱制御部３０は、ヒータ１４に、第１初期駆動電圧を印加した後に、第１初期駆動電圧より大きく設定電圧より大きい第２初期駆動電圧を印加する。そして、加熱制御部３０は、ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータ１４に印加される電圧を第２初期駆動電圧から設定電圧に変更する。特に、第１初期駆動電圧が設定電圧より大きくてよい。これらの点に除いて、第３実施形態のガスセンサ１００の構造は、第１および第２実施形態のガスセンサ１００の構造と同様である。したがって、繰り返しの説明が省略される。
【００８０】
本例のガスセンサ１００において、第１初期駆動期間（第１期間）ｔ１１と、第２初期駆動期間（第２期間）ｔ１２との合計時間ｔ１は、比較例において目的温度までの温度上昇に要する時間ｔ１´より短くてよい。第１初期駆動期間ｔ１１は、ヒータ１４に第１初期駆動電圧を印加する期間である。第２初期駆動期間ｔ１２は、ヒータ１４に第２初期駆動電圧を印加する期間である。
【００８１】
本例では、第１初期駆動期間ｔ１１と第２初期駆動期間ｔ１２とは共に、０．００５秒である。本例では第１初期駆動電圧を設定電圧の１．２５倍とし、第２初期駆動電圧を設定電圧の１．５５倍とすることで、０．０１秒でヒータ１４の温度が目的温度４００℃に達することができた。加熱期間全体は、０．０１秒である期間ｔ１と、０．０５秒である期間ｔ２とを合計した０．０６秒となる。本実施形態においても、図８および図９に示した比較例に比べて、加熱期間を０．１秒から０．０６秒に短縮することができる。但し、加熱条件は、これらの場合に限定されない。
【００８２】
本実施形態のガスセンサ１００によれば、第１初期駆動電圧を第２初期駆動電圧より小さくしているので、ヒータ１４の突入電流を制限することができる。突入電流は、ヒータ１４に電圧を印加したときに一時的に流れる大電流を意味する。ヒータに電圧を印加した直後はヒータ１４が、まだ目的温度に比べて低い温度であるためヒータ１４の電気抵抗が小さく、それゆえ大電流が流れる。ヒータ１４が発熱して温まるとヒータ１４の電気抵抗が大きくなるため流れる電流が小さくなる。本例のガスセンサ１００によれば、ヒータ１４に対して最初に印加する第１初期駆動電圧を第２初期駆動電圧より低くすることで、突入電流を制限することができ、ヒータ１４を保護することができる。
【００８３】
本実施形態のガスセンサ１００では、第１初期駆動電圧と第２初期駆動電圧という２段階の初期駆動電圧を印加する場合を説明したが、異なるレベルの駆動電圧を印加する段階の数は３段階以上であってもよい。突入電流を制限するためには、第１初期駆動電圧が設定電圧より低くてもよい。但し、突入電流をある程度制限しつつ、加熱期間を短縮化する観点からは、加熱制御部３０が、設定電圧より大きい第１初期駆動電圧をヒータに印加することが望ましい。
【００８４】
図１６は、本発明の第３実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ温度の変化を示す図である。図１６は、図１５に示されるヒータ駆動電圧パターンでヒータ１４を駆動した場合におけるヒータ温度の推移を示す。図１６の縦軸は、目的温度に対するヒータ温度の比を示している。図１６の横軸は時間を示している。図１６に示されるとおり、ヒータ１４の温度Ｔ１が目的温度Ｔ２となる時間、すなわち、図１６の縦軸に示される比が１となる時間が、合計時間ｔ１と一致している。但し、本実施形態のガスセンサ１００は、この場合に限られない。
【００８５】
加熱制御部３０は、ヒータ温度が目的温度より低いときに、ヒータ１４に印加される電圧を第２初期駆動電圧から設定電圧に変更してもよい。あるいは、加熱制御部３０は、ヒータ温度が目的温度より高いときに、ヒータ１４に印加される電圧を第２初期駆動電圧から設定電圧に変更してもよい。
【００８６】
加熱制御部３０は、ヒータ１４の温度Ｔ１（℃）が、下記数式１を満足する範囲となった状態で、ヒータ１４に印加される電圧を第２初期駆動電圧から設定電圧に変更してよい。
［数式１］
０．８Ｔ２≦  Ｔ１  ≦  １．２Ｔ２  但し、Ｔ２は、目的温度（℃）である。
【００８７】
図１７は、本発明の第３実施形態のガスセンサ１００による処理内容の一例を示すフローチャートである。加熱制御部３０は、ヒータ１４に設定電圧より大きい第１初期駆動電圧を印加する（ステップＳ４０１）。但し、本例と異なり、第１初期駆動電圧は、必ずしも設定電圧より大きくなくてもよい。次いで、第１初期駆動期間ｔ１１が経過するのを待って（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）、加熱制御部３０は、ヒータ１４に第１初期駆動電圧より大きい第２初期駆動電圧を印加する（ステップＳ４０３）。第２初期駆動電圧は、設定電圧より大きい。
【００８８】
次いで、第２初期駆動期間ｔ１２が経過するのを待って（ステップＳ４０４：ＹＥＳ）、加熱制御部３０は、ヒータ１４に印加される電圧を第２初期駆動電圧から設定電圧に変更する（ステップＳ４０５）。ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータに印加する電圧が第２初期駆動電圧から設定電圧に変更されるように、電圧変更のタイミングが設定されている。具体的には、第１初期駆動時間ｔ１１および第２初期駆動期間ｔ１２によって電圧変更のタイミングが事前に設定されてよい。ヒータ１４に設定電圧が印加されて、ヒータ１４の温度が安定すると、ヒータ１４の温度が目的温度となる。
【００８９】
ステップＳ４０６からステップＳ４１１の処理は、図１２におけるステップＳ１０４からステップＳ１０９の処理と同様である。したがって、繰り返しの説明が省略される。第３実施形態のガスセンサ１００によれば、ヒータ１４の温度が目的温度に達するまでの時間を短くすることができ、加熱期間を短縮できる。また、突入電流を制限することによって、ヒータ１４を保護することができる。
【００９０】
図１８は、本発明の第４実施形態のガスセンサ１００におけるヒータ駆動電圧パターンを示す図である。縦軸は、設定電圧に対するヒータ駆動電圧の比を示している。ヒータ駆動電圧が設定電圧の値である場合に比が１である。ヒータ駆動電圧が設定電圧より大きい場合に比が１より大きい。横軸は時間を示している。
【００９１】
第４実施形態のガスセンサ１００において、加熱制御部３０は、ヒータ１４に、設定電圧より大きい第１初期駆動電圧を印加した後に、第１初期駆動電圧より小さく設定電圧より大きい第２初期駆動電圧を印加する。そして、加熱制御部３０は、ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータ１４に印加される電圧を第２初期駆動電圧から設定電圧に変更する。
【００９２】
設定部５０は、ヒータ１４の昇温特性に基づいて、第１初期駆動電圧を印加している第１初期駆動期間（第１期間）ｔ１１、および第２初期駆動電圧の大きさを設定する加熱条件設定部として機能してよい。また、補正部７０は、第１初期駆動期間ｔ１１および第２初期駆動期間（第２期間）ｔ１２の少なくとも一方を、周辺温度に基づいて補正してよい。また、補正部７０は、第１初期駆動電圧値および第２初期駆動電圧値の少なくとも一方を、周辺温度に基づいて補正してよい。以上のような加熱制御部３０および設定部５０の構成を除いて、第４実施形態のガスセンサ１００の構造は、第１から第３実施形態のガスセンサ１００の構造と同様である。したがって、繰り返しの説明が省略される。第３実施形態の場合においても、設定部５０は、ヒータ１４の昇温特性に基づいて、第１初期駆動電圧を印加している第１初期駆動期間（第１期間）ｔ１１、および第２初期駆動電圧の大きさを設定してもよい。
【００９３】
ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量によっては、ヒータ１４に印加される初期駆動電圧を高くしすぎたり、初期駆動期間が長すぎたりすると、ヒータ温度が目的温度を超えてオーバーシュートしてしまい、消費電力量の削減ができない場合がある。一方、初期駆動電圧が低すぎると、ヒータ温度が目的温度に達するまでに要する時間が長くなる。
【００９４】
本例によれば、設定電圧より高い第１初期駆動電圧をヒータ１４に印加した後に、加熱制御部３０が第１初期駆動電圧より小さく設定電圧より大きい第２初期駆動電圧を印加させる処理を実行することで、ヒータ温度が目的温度を超えてオーバーシュートすることを防ぎつつ、加熱期間が必要以上に長くなることを防止することができる。また、ヒータ温度が目的温度以下に落ち込むことを防止することができる。本実施形態のガスセンサ１００では、第１初期駆動電圧と第２初期駆動電圧という２段階の初期駆動電圧を印加する場合を説明したが、異なる駆動電圧を印加する段階の数は３段階以上であってもよい。
【００９５】
図１９は、本発明の第４実施形態のガスセンサ１００におけるガスセンサ１００による処理内容の一例を示すフローチャートである。加熱制御部３０は、ヒータ１４に設定電圧より大きい第１初期駆動電圧を印加する（ステップＳ５０１）。次いで、第１初期駆動期間ｔ１１が経過するのを待って（ステップＳ５０２：ＹＥＳ）、加熱制御部３０は、ヒータ１４に第１初期駆動電圧より小さく設定電圧より大きい第２初期駆動電圧を印加する（ステップＳ５０３）。
【００９６】
次いで、第２初期駆動期間ｔ１２が経過するのを待って（ステップＳ５０４：ＹＥＳ）、加熱制御部３０は、ヒータ１４に印加される電圧を第２初期駆動電圧から設定電圧に変更する（ステップＳ５０５）。ヒータ１４の温度が上昇している状態で、ヒータ１４に印加する電圧が第２初期駆動電圧から設定電圧に変更されるように、電圧変更のタイミングが設定されている。具体的には、第１初期駆動時間ｔ１１および第２初期駆動期間ｔ１２によって電圧変更のタイミングが事前に設定されてよい。ヒータ１４に設定電圧が印加されて安定すると、ヒータ１４の温度が目的温度となる。
【００９７】
ステップＳ５０６からステップＳ５１１の処理は、図１２におけるステップＳ１０４からステップＳ１０９の処理と同様である。したがって、繰り返しの説明が省略される。
【００９８】
図２０は、加熱条件の設定処理の一例を示すフローチャートである。加熱制御部３０は、予め定められた電圧をヒータ１４に印加する（ステップＳ６０１）。ヒータ１４に電圧が印加された状態で、温度測定部１６は、複数の時点におけるヒータ温度を測定する（ステップＳ６０２）。温度測定部１６による測定結果に応じたヒータ１４の昇温特性が取得される。取得された昇温特性は、記憶部６０等に格納されてよい。取得された昇温特性は、ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量を反映している。同じ電圧をヒータ１４に印加した場合に、所定温度まで昇温する時間が短いほど熱容量が小さいと判断できる。
【００９９】
設定部５０は、ヒータ１４の昇温特性に基づいて、第１初期駆動電圧を印加している第１期間ｔ１１、および第２初期駆動電圧の大きさを設定する（ステップＳ６０３）。具体的には、設定部５０は、ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量が大きいほど、第１初期駆動期間ｔ１１を長く設定してよい。これは、ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量が大きいほど、目的温度に達するまで時間が長くかかるためである。熱容量は、取得された昇温特性によって算出されてよい。
【０１００】
また、ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量が大きいほど、加熱されたヒータ１４の温度が低下しにくい。したがって、設定部５０は、ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量が大きいほど、第２初期駆動電圧の大きさを小さくしてよい。設定された初期駆動期間ｔ１の情報および第２初期駆動電圧の大きさの情報は、記憶部６０に記憶される（ステップＳ６０４）。
【０１０１】
図２０に示される加熱条件の設定処理は、ガスセンサ１００の製品を出荷するときに実行されてもよい。また、設定部５０は、初期駆動期間の設定処理を定期的に実行してよい。設定部５０は、一例において、１日に１回の回数で所定時刻において、初期駆動期間の設定処理を実行してもよい。但し、初期駆動期間の設定処理を実行する頻度は、この場合に限られない。
【０１０２】
加熱条件の設定処理によって、第１初期駆動期間ｔ１１および第２初期駆動電圧を適切に設定することができる。したがって、ヒータ１４およびガス検知部１２の熱容量等がばらつく場合であっても、加熱制御部３０は、適切なヒータ温度特性を実現することができる。
【０１０３】
以上のように、第４実施形態のガスセンサ１００によれば、第１初期駆動電圧を印加する状態と設定電圧を印加する状態との間の期間において、第１初期駆動電圧より小さく設定電圧より大きい中間の電圧である第２初期駆動電圧がヒータ１４に印加される。したがって、ガスセンサ１００は、第１初期駆動電圧を長期間にわたって印加する場合に比べて、ヒータ温度が目的温度を超える状況の発生を防止することができる。また、ヒータ温度が目的温度以下に低下してしまうことを防止することができる。
【０１０４】
以上の第１から第４実施形態においては、ガスセンサ１００のヒータを駆動する場合について説明した。但し、第１から第４実施形態において説明したヒータ駆動方法は、ガスセンサ１００以外のヒータに適用することができる。図２、図３、および図４において説明したとおり、ヒータ駆動方法が適用されるヒータ構造は、開口部を有する空間が形成されたシリコン基板２と、開口部を有する空間上に設けられた熱絶縁支持層３と、熱絶縁支持層３によって支持されるヒータ層とを備えてよい。このようなヒータ構造を備えるヒータは、ＭＥＭＳヒータと称される。ヒータ構造において、シリコン基板２の代わりに他の半導体基板が用いられてもよい。熱絶縁支持層３は、各種の材料で形成されてよい。例えば、熱絶縁支持層３は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはシリコン酸窒化膜である。また、熱絶縁支持層３は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された積層膜であってよい。
【０１０５】
このように構成されるＭＥＭＳヒータは、ガスセンサのみならず、湿度センサ、フローセンサ、および熱分布検知式の加速度センサ等の各種装置に利用可能である。湿度センサでは、水分子が吸着される感湿膜が加熱対象物であってよい。フローセンサおよび熱式加速度センサは、ヒータによって加熱された気体等などの流体の動きを温度センサで検知する。したがって、フローセンサおよび熱式加速度センサでは、空間内の流体（気体）が加熱対象物であってよい。これら各種装置は、加熱対象物が図２、図３、および図４に示される構成と違うことを除いて、第１から第４実施形態において説明した構成と同様である。したがって、各種装置に対しても、第１から第４実施形態において説明したヒータ駆動技術を利用できる。
【０１０６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本明細書における各実施形態は、適宜組み合わせることができる。本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１０７】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１０８】
２・・シリコン基板、３・・熱絶縁支持層、４・・電気絶縁層、５・・ガス感知層、６・・貫通孔、７・・接合層、８・・ガス感知層電極、９・・触媒層、１０・・検出部、１２・・ガス検知部、１４・・ヒータ、１６・・温度測定部、１７・・孔、１８・・キャビティ、２０・・測定部、３０・・加熱制御部、５０・・設定部、６０・・記憶部、７０・・補正部、８０・・周辺温度測定部、１００・・ガスセンサ、２００・・制御装置
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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