(57)【要約】【課題】加熱用抵抗素子による加熱で、感温抵抗素子の抵抗値が経時変化によって変動することで生じるセンサ誤差を低減することが可能なガスセンサ素子を提供する。【解決手段】ガスセンサ素子及び検知装置は、第１の感温抵抗素子と第１のヒータで構成され、対象ガスを検知する機能を持つ第１のセンサと、第２の感温抵抗素子で構成され、環境温度を検知する第２のセンサと、第３の感温抵抗素子と第２のヒータで構成され、第１のセンサを補正する第３のセンサで構成され、前記第１のヒータおよび前記第２のヒータに異なるパルス電圧が印加され加熱される。検知センサ、環境センサに加えて、補正センサを用意することで、経時変化によるセンサ誤差を低減することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の感温抵抗素子と第１のヒータを含み、対象ガスを検知する機能を持つ第１のセンサと、第２の感温抵抗素子を含み、環境温度を検知する第２のセンサと、第３の感温抵抗素子と第２のヒータを含み、前記第１のセンサを補正する第３のセンサを備え、前記第１のヒータおよび前記第２のヒータに異なるパルス電圧が印加されることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項２】
前記第２のヒータに印加されるパルス電圧のオン時間は、前記第１のヒータに印加されるパルス電圧のオン時間よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ素子。
【請求項３】
前記第２のヒータに印加されるパルス電圧周期は、前記第１のヒータに印加されるパルス電圧周期よりも長いことを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ素子。
【請求項４】
前記第１のセンサと前記第３のセンサはメンブレン構造の上に形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ素子。
【請求項５】
前記対象ガスは湿度であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガスセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感温抵抗素子とヒータ（加熱用抵抗素子）を用いて、対象ガスを検知するガスセンサ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
対象ガスを検知する手段のひとつとして、大気中の熱伝導率と対象ガスの熱伝導率の差を使用したものが知られている。感温抵抗素子をヒータで加熱した状態にし、感温抵抗素子の抵抗値が大気中と対象ガスの熱伝導率の違いによって変化することで、その抵抗値の変化量から対象ガスを検知するものである。
【０００３】
図７と図８に、従来のガスセンサ素子１０１の断面構造を示す。図７では、基板１０４の上に対象ガスを検知する検知センサ１０２、環境温度を検知する環境センサ１０３が形成される。検知センサ１０２は、感温抵抗素子１０５、ヒータ１０６で構成される。環境センサ１０３は、感温抵抗素子１０７で構成される。図示しないが、感温抵抗素子１０５、１０７は感温抵抗層及び信号を入出力する電極で構成され、ヒータ１０６は、加熱部と信号を入出力する電極で構成され、感温抵抗素子１０５とヒータ１０６の間には電気的に分離するための絶縁層が形成されている。
【０００４】
図８では、検知センサ１０２、環境センサ１０３の基板１０４を除去することでセンサ部分の熱容量を低減した構成となっている。すなわちセンサ部分を中空構造とするための空洞部１０８が形成され、メンブレン構造となっている。これによりセンサの感度及び応答速度が向上する。
【０００５】
特許文献１には、対象ガスを湿度とし、傍熱型感温抵抗素子を使用した絶対湿度センサが開示されている。このセンサ素子は、メンブレン構造上に、感温抵抗素子と加熱用抵抗素子が形成されている。感温抵抗素子を加熱用抵抗素子で加熱した状態にし、湿度の違いによる熱伝導率の違いによって、感温抵抗素子の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を換算することで湿度を検知することが開示されている。また、湿度検知はセンサ素子を２つ使用して、１つはケースに気密封止し、もう１つは貫通孔のあるケースで外気を取り込む構造にしている。気密封止されたものを環境（基準）センサとし、貫通孔のあるものを検知センサとし、その差分から湿度変化を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１６８６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１で開示された湿度センサでは、メンブレン構造に感温抵抗素子と加熱用抵抗素子が形成されることで、応答スピードが速く高精度で機械的強度に優れたセンサが提供されるとしている。しかしながら、感温抵抗素子の時間経過による抵抗値変化（経時変化）については述べられていない。感温抵抗素子は、加熱用抵抗素子で加熱されることで経時変化が加速される。抵抗値が変化することは、センサの出力が変化すること意味してセンサの誤差となる。
【０００８】
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、加熱用抵抗素子による加熱で、感温抵抗素子の抵抗値が経時変化によって変動することで生じるセンサ誤差を低減することが可能なガスセンサ素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１の感温抵抗素子と第１のヒータを含み、対象ガスを検知する機能を持つ第１のセンサと、第２の感温抵抗素子を含み、環境温度を検知する第２のセンサと、第３の感温抵抗素子と第２のヒータを含み、前記第１のセンサを補正する第３のセンサを備え、前記第１のヒータおよび前記第２のヒータに異なるパルス電圧が印加されることを特徴とするガスセンサ素子である。
【００１０】
本発明によれば、検知センサ、環境センサに加えて、補正センサを用意することで、経時変化によるセンサ誤差を低減することが可能となる。ここで、検知センサとは、第１のセンサのことで、対象ガスを検知する機能をもつセンサのことである。環境センサとは、第２のセンサのことで、周囲環境の温度を検知するセンサのことである。補正センサとは、第３のセンサのことで、検知センサの経時変化による抵抗変動を補正するためのセンサのことである。
【００１１】
本発明における、第２のヒータに印加されるパルス電圧のオン時間は、前記第１のヒータに印加されるパルス電圧のオン時間よりも短いガスセンサ素子としてもよい。
【００１２】
本発明における、第２のヒータに印加されるパルス電圧周期は、前記第１のヒータに印加されるパルス電圧周期よりも長いガスセンサ素子としてもよい。
【００１３】
本発明における、第１のセンサと第３のセンサはメンブレン構造の上に形成されるガスセンサ素子としてもよい。
【００１４】
本発明における、対象ガスは湿度であるガスセンサ素子としてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、加熱用抵抗素子による加熱で、感温抵抗素子の抵抗値が経時変化によって変動することで生じるセンサ誤差を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態におけるガスセンサ素子の断面図である。
【図２】実施形態におけるガスセンサ素子の断面図である。
【図３】実施形態におけるガスセンサ素子の断面構造の詳細図である。
【図４】ガスセンサ素子及び検知装置の概略構成を示す説明図である。
【図５】ガス検知の手順を示すフローチャートである。
【図６】実施形態におけるパルス電圧のタイミングチャートである。
【図７】従来例におけるガスセンサ素子の断面図である。
【図８】従来例におけるガスセンサ素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
【００１８】
図１と図２に、本実施形態によるガスセンサ素子２０の断面構造を示す。図１では、基板２１の上に対象ガスを検知する検知センサ９、環境温度を検知する環境センサ１０、検知出力を補正する補正センサ１１が形成される。検知センサ９は、第１の感温抵抗素子１、第１のヒータ７で構成される。環境センサ１０は、第２の感温抵抗素子２で構成される。補正センサ１１は、第３の感温抵抗素子３、第２のヒータ８で構成される。
【００１９】
図２では、検知センサ９、環境センサ１０、補正センサ１１の基板２１を除去することでセンサ部分の熱容量を低減した構成となっている。すなわちセンサ部分を中空構造とするための空洞部２２が形成され、メンブレン構造となっている。これによりセンサの感度及び応答速度が向上する。図２では、検知センサ９、環境センサ１０、補正センサ１１のすべてのセンサ部分を中空構造としているが、検知センサ９、補正センサ１１のみを中空構造として、環境センサ１０の基板２１を残した構造にしても構わない。
【００２０】
図２の断面構造の詳細図を図３に示す。基板２１と空洞部２２の上に下部保護膜２３が形成される。下部保護膜２３の上の検知センサ９となる部分に第１のヒータ７、補正センサ１１となる部分に第２のヒータ８、を構成するヒータ電極２５が形成される。このヒータ電極２５はミアンダ形状となっている。ヒータ電極２５の上に中間保護膜２４が形成される。この中間保護膜２４は、第１の感温抵抗素子１と第１のヒータ７、第３の感温抵抗素子３と第２のヒータ８の間を電気的に分離するための機能を持つ。中間保護膜２４の上の検知センサ９となる部分に第１感温抵抗素子１、環境センサ１０となる部分に第２感温抵抗素子２、補正センサ１１となる部分に第３感温抵抗素子３、を構成する感温抵抗電極２６が形成される。この感温抵抗電極２６は櫛歯形状で電極対となっている。櫛歯形状の電極対の上に感温抵抗膜２７が形成される。感温抵抗膜２７の上に上部保護膜２８が形成される。感温抵抗電極２６の信号を取り出す部分の上部保護膜２８を除去し、その除去部分にパッド電極２９が形成される。
【００２１】
図４は、本実施形態によるガスセンサ素子及び検知装置１９の概略構成を示す説明図である。図４に示すようにガスセンサ素子及び検知装置１９は、検知センサ９、環境センサ１０、補正センサ１１で構成される。検知センサ９は、ＭＰＵ１６で制御されたパルス電圧源１７に接続される第１のヒータ７と、第１の感温抵抗素子１で構成される。第１の感温抵抗素子１は定電圧電源１８に接続される第１の基準抵抗４と直列接続される。環境センサ１０は、定電圧電源１８に接続される第２の基準抵抗５と第２の基準抵抗５に直列接続される第２の感温抵抗素子２で構成される。補正センサ１１は、ＭＰＵ１６で制御されたパルス電圧源１７に接続される第２のヒータ８と、定電圧電源１８に接続される第３の基準抵抗６と第３の基準抵抗６に直列接続される第３の感温抵抗素子３で構成される。
【００２２】
検知出力（Ｖｄ）は、検知センサ９の第１の基準抵抗４と第１の感温抵抗素子１の接続点からの電圧出力で、電圧出力は第１インピーダンス変換部１２を介してＡ／Ｄ変換部１５でアナログ信号からデジタル信号に変換され、ＭＰＵ１６にて演算処理される。環境出力（Ｖc）は、環境センサ１０の第２の基準抵抗５と第２の感温抵抗素子２の接続点からの電圧出力で、電圧出力は第２インピーダンス変換部１３を介してＡ／Ｄ変換部１５でアナログ信号からデジタル信号に変換され、ＭＰＵ１６にて演算処理される。補正出力（Ｖr）は、補正センサ１１の第３の基準抵抗６と第３の感温抵抗素子３の接続点からの電圧出力で、電圧出力は第３インピーダンス変換部１４を介してＡ／Ｄ変換部１５でアナログ信号からデジタル信号に変換され、ＭＰＵ１６にて演算処理される。ガスセンサ素子及び検知装置としては、その他にも出力インターフェイス等が必要とされるが、本発明の構成においては主要な構成でないため省略する。
【００２３】
図５は、本実施形態に係わる、ガス検知の手順を示すフローチャートである。検知出力（Ｖｄ）、環境出力（Ｖｃ）、補正出力（Ｖｒ）からセンサ誤差を低減する手順を示している。
【００２４】
ステップ３０にて、第１のヒータ７にパルス電圧が印加される。第１のヒータ７にパルス電圧が印加されることで、第１の感温抵抗素子１が加熱される。加熱された状態の第１の感温抵抗素子１は対象ガスの熱伝導率の影響を受けて抵抗値が変化する。この変化した抵抗値と第１の基準抵抗４の接続点からの電圧出力を検知出力（Ｖｄ）としてＭＰＵ１６で演算処理する。
【００２５】
ステップ３１にて、第１のヒータ７にパルス電圧が印加されたことをＭＰＵ１６がカウントして記憶する。パルス電圧の印加回数を記憶することで、第１の感温抵抗素子１が何回加熱されたかを把握する。
【００２６】
ステップ３２にて、検知出力（Ｖｄ）と補正値から補正検知出力（Ｖｄ‘）を求める。補正値の初期値は０で、補正値が０の場合の補正検知出力（Ｖｄ’）は検知出力（Ｖｄ）と同じとなる。
【００２７】
ステップ３３にて、補正検知出力（Ｖｄ‘）とＭＰＵ１６で演算処理された環境出力（Ｖｃ）の値から、対象ガス検知を行う。環境出力（Ｖｃ）は、第１のヒータ７にパルス電圧が印加されて、検知出力（Ｖｄ）が出力されるタイミングと同時に求められる。この環境出力（Ｖｃ）により環境温度が算出される。環境温度を基準として、補正検知出力（Ｖｄ’）の値から対象ガスの熱伝導率の影響を演算することで、対象ガスの濃度を求めることが出来る。
【００２８】
ステップ３４にて、測定の終了か継続かの判定を行う。継続する場合はステップ３５に移行する。終了の場合は、測定終了となる。
【００２９】
ステップ３５にて、第１のヒータにパルス電圧が印加された回数が規定回数になっているか判定を行う。規定回数は測定開始前にＭＰＵ１６に設定しておく。規定回数に達していない場合は、ステップ３１へ移行する。規定回数に達している場合は、ステップ３６へ移行する。
【００３０】
ステップ３６にて、第１のヒータ７と第２のヒータ８にパルス電圧が印加される。第１のヒータ７にパルス電圧が印加されることで、第１の感温抵抗素子１が加熱される。加熱された状態の第１の感温抵抗素子１は対象ガスの熱伝導率の影響を受けて抵抗値が変化する。この変化した抵抗値と第１の基準抵抗４の接続点からの電圧出力が検知出力（Ｖｄ）として出力される。第２のヒータ８にパルス電圧が印加されることで、第３の感温抵抗素子３が加熱される。加熱された状態の第３の感温抵抗素子３は対象ガスの熱伝導率の影響を受けて抵抗値が変化する。この変化した抵抗値と第３の基準抵抗６の接続点からの電圧出力が補正出力（Ｖｒ）として出力される。
【００３１】
ステップ３７にて、検知出力（Ｖｄ）と補正出力（Ｖｒ）をＭＰＵ１６にて比較演算することで、検知出力（Ｖｄ）と補正出力（Ｖｒ）の差を求める。第１のヒータ７による加熱で第１の感温抵抗素子１の抵抗値に変化が起こっていなければ、検知出力（Ｖｄ）と補正出力（Ｖｒ）は同じ値となるように設定している。第１のヒータ７による加熱で第１の感温抵抗素子１の抵抗値に変化が起こっている場合は、検知出力（Ｖｄ）と補正出力（Ｖｒ）が異なる値を示し、その差分が。第１のヒータ７による加熱による第１の感温抵抗素子１の抵抗値の変化量を示すことになる。この比較演算によって求めた補正値を、ステップ３２にて使用する。
【００３２】
ステップ３８にて、ＭＰＵ１６に記憶された第１のヒータ７にパルス電圧が印加された回数をリセットしてステップ３２へ移行する。
【００３３】
以上の手順により、第１のヒータ７にパルス電圧が印加された規定回数に応じて、補正値を求めることで、第１の感温抵抗素子１の抵抗変化によるセンサ誤差を低減することが可能となる。
【００３４】
図６は、本実施形態に係わる、パルス電圧のタイミングチャートである。このパルス電圧は、図５のフローチャートで印加されるパルス電圧のことである。第１のヒータ７に印加される電圧パルス５０は一定の周期を持ち、パルス電圧のオン時間すなわち立ち上り部（５２、５３、５４、５５、５６）で第１のヒータ７が加熱される。この立ち上がり部で検知出力（Ｖｄ）、環境出力（Ｖｃ）の読み取りが行われる。第２のヒータ８に印加される電圧パルス５１は一定の周期を持ち、立ち上り部（５７、５８）で第２のヒータ８が加熱される。この立ち上がり部で補正出力（Ｖｒ）の読み取りが行われる。
【実施例】
【００３５】
ガスセンサ素子２０の具体的な構成について説明する。ガスセンサ素子２０は検知センサ９、環境センサ１０、補正センサ１１で構成される。検知センサ９の第１の感温抵抗素子１、環境センサ１０の第２の感温抵抗素子１、補正センサ１１の第３の感温抵抗素子１はＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタであり、温度が上昇すると抵抗値が下がる特徴を持っている。ＮＴＣサーミスタの温度に対する抵抗値は近似的に以下の式（数式１）で表すことが出来る。
式中のＲＴＨは温度Ｔに於けるサーミスタの抵抗値、Ｒ０は温度Ｔ０に於けるサーミスタ抵抗値で、Ｂは温度ＴとＴ０に於けるサーミスタ抵抗値ＲＴＨ、Ｒ０の関係を表す定数である。第１の感温抵抗素子１、第３の感温抵抗素子３は、２５℃で２０００ｋΩを示し、２００℃で３０ｋΩを示し、Ｂ定数は３４００である。第２の感温抵抗素子は、２５℃で１００ｋΩを示し、２００℃で１．５ｋΩを示し、Ｂ定数は３４００である。
【００３６】
【数１】
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【００３７】
検知センサ９の第１のヒータ７、補正センサ１１の第２のヒータ８は白金抵抗であり、パルス電圧が印加されることでジュール熱により発熱する。第１のヒータ７、第２のヒータ８は１４０Ωであり、パルス電圧の立ち上り部の電圧の１．５Ｖが印加されることで、第１の感温抵抗素子１、第３の感温抵抗素子３をそれぞれ２００℃に加熱する。以上の関係をまとめた表を表１に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
感温抵抗素子が２００℃に加熱されることで、感温抵抗素子に経時変化が起こる。パルス電圧が印加された時間が１００ｈになると、感温抵抗素子の抵抗値は０．４％増加し、５００ｈになると、感温抵抗素子の抵抗値は２．０％増加し、１０００ｈになると、感温抵抗素子の抵抗値は３．０％増加する。抵抗値３０ｋΩで換算すると、１００ｈで３０．１５ｋΩ、５００ｈで３０．６０ｋΩ、１０００ｈで３０．９０ｋΩとなる。
【００４０】
定電圧電源１８の電圧は３Ｖ、第１の基準抵抗４は３０ｋΩ、第２の基準抵抗は１００ｋΩ、第３の基準抵抗は３０ｋΩであり、初期状態での検知出力（Ｖｄ）、環境出力（Ｖｃ）、補正出力（Ｖｒ）は１．５Ｖとなる。
【００４１】
ガスセンサ素子を使用した測定が行われると、第１の感温抵抗素子１が第１のヒータ７に印加されるパルス電圧により２００℃に加熱され、測定が長時間行われることで、加熱される時間が積算されて行く。それにより、第１の感温抵抗素子１に経時変化が起こり、検知出力（Ｖｄ）に誤差が生じることになる。０ｈでの誤差を０.０％とすると、１００ｈで０．２％、５００ｈで０．９９％、１０００ｈで１．４８％の誤差が生じることになる。以上の関係をまとめた表を表２に示す。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
第１のヒータ７にパルス電圧が印加される周期に対して、第２のヒータ８にパルス電圧が印加される周期を１０倍に設定する。ステップ３１の印加のカウントを１０に設定する。この条件にて、図５のフローチャートに沿って測定を行うことで、加熱による積算時間が１０００ｈに到達した時点で、検知出力（Ｖｄ）の誤差が１．４８％に対して、補正出力（Ｖｒ）の誤差は０．２％に収まり、この補正出力（Ｖｒ）にて補正値を求めることで、センサの誤差を低減できる。以上によりセンサの誤差を低減したガスセンサ素子を提供することを示した。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、産業機器や環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検知する用途に用いられる。
【符号の説明】
【００４５】
１    第１の感温抵抗素子
２    第２の感温抵抗素子
３    第３の感温抵抗素子
４    第１の基準抵抗
５    第２の基準抵抗
６    第３の基準抵抗
７    第１のヒータ
８    第２のヒータ
９    検知センサ
１０    環境センサ
１１    補正センサ
１２    第１インピーダンス変換部
１３    第２インピーダンス変換部
１４    第３インピーダンス変換部
１５    Ａ／Ｄ変換部
１６    ＭＰＵ
１７    パルス電圧源
１８    定電圧電源
１９    ガスセンサ素子及び検知装置
２０    ガスセンサ素子
２１    基板
２２    空洞部
１０１    ガスセンサ素子
１０２    検知センサ
１０３    環境センサ
１０４    基板
１０５、１０７    感温抵抗素子
１０６    ヒータ
１０８    空洞部
【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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