特許 7415494 ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-09

(45)【発行日】2024-01-17

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/18 20060101AFI20240110BHJP

【ＦＩ】

G01N27/18

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019218000

(22)【出願日】2019-12-02

(65)【公開番号】P2021089156

(43)【公開日】2021-06-10

【審査請求日】2022-09-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】海田 佳生

(72)【発明者】

【氏名】松尾 裕

(72)【発明者】

【氏名】田邊 圭

【審査官】吉田 将志

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６１－２７８７４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６０８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２７８７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－００２１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４４６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１５０７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１３５１００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３５３６０７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／００ － Ｇ０１Ｎ ２７／１０

Ｇ０１Ｎ ２７／１４ － Ｇ０１Ｎ ２７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の電源に接続され、検出対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第１の測温体を含む第１のガスセンサ部と、
前記第１のガスセンサ部から出力される検出電圧に基づいて、前記検出対象ガスの濃度を示す出力信号を算出する信号処理回路と、を備え、
前記信号処理回路は、前記第１の電源の電圧を分圧する分圧回路を含み、
前記信号処理回路は、前記分圧回路から出力される分圧電圧に応じて前記出力信号を補正することを特徴とするガスセンサ。

【請求項2】

前記信号処理回路は、キャリブレーション動作時に取得した前記分圧電圧と、測定動作時に取得した前記分圧電圧の差又は比に応じて、前記出力信号を補正することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項3】

前記信号処理回路は、キャリブレーション動作時に取得した前記検出電圧と前記分圧電圧の差又は比に応じて、前記出力信号の補正量を調整することを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。

【請求項4】

前記第１の電源に接続され、環境温度に応じて抵抗値が変化する第２の測温体を含む温度センサ部をさらに備え、
前記第１のガスセンサ部は、前記第１の測温体を加熱する第１のヒータ抵抗をさらに含み、
前記信号処理回路は、前記温度センサ部の出力電圧と前記第１の電源の電圧に応じて、前記第１のヒータ抵抗に印加する第１の制御電圧を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【請求項5】

前記温度センサ部は、前記第１の電源と接地電位の間に直列に接続された前記第２の測温体と第１の抵抗を含み、
前記分圧回路は、前記第１の電源と接地電位の間に直列に接続された第２及び第３の抵抗を含み、
前記温度センサ部から出力される前記出力電圧は、前記第２の測温体と前記第２の抵抗の接続点から出力され、
前記分圧回路から出力される前記分圧電圧は、前記第２の抵抗と前記第３の抵抗の接続点から出力され、
前記第１乃至第３の抵抗の抵抗値の差が１％以下であることを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。

【請求項6】

第３の測温体と、前記第３の測温体を加熱する第２のヒータ抵抗を含む第２のガスセンサ部をさらに備え、
前記第１の測温体と前記第３の測温体は、前記第１の電源と接地電位の間に直列に接続され、
前記検出電圧は、前記第１の測温体と前記第３の測温体の接続点から出力され、
前記信号処理回路は、前記温度センサ部の出力電圧と前記第１の電源の電圧に応じて、前記第２のヒータ抵抗に印加する第２の制御電圧を算出し、
前記第１の制御電圧と前記第２の制御電圧が互いに異なる値であり、これにより前記第１の測温体と前記第３の測温体が互いに異なる温度に加熱されることを特徴とする請求項４又は５に記載のガスセンサ。

【請求項7】

前記信号処理回路は、前記第１の電源とは異なる第２の電源によって動作し、
前記第１の電源の電圧は、前記第２の電源の電圧よりも高いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、雰囲気中に含まれるガスを検出するガスセンサに関し、特に、検出電圧に基づいて検出対象ガスの濃度を示す出力信号を算出するガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスセンサは、雰囲気中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出するものであり、中でも、ヒータ抵抗によってサーミスタなどの測温体を加熱するタイプのガスセンサは小型化に優れている。例えば、特許文献１に記載されたガスセンサは、排ガス側電極、基準ガス側電極及びヒータを備えており、電源電圧の変化に応じて制御デューティ比を変化させることにより、ヒータ通電の制御性を向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００３－５０２２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、電源電圧が変化すると、センサ素子から出力される検出電圧も変化することから、検出電圧に基づいて検出対象ガスの濃度を示す出力信号をそのまま算出すると、電源電圧の変動に起因する誤差が生じるという問題があった。

【0005】

したがって、本発明は、検出電圧に基づいて検出対象ガスの濃度を示す出力信号を算出するタイプのガスセンサにおいて、電源電圧が変動した場合であっても、検出対象ガスの濃度を示す出力信号を正しく算出することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によるガスセンサは、第１の電源に接続され、測定対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化する第１の測温体を含む第１のガスセンサ部と、第１のガスセンサ部から出力される検出電圧に基づいて、検出対象ガスの濃度を示す出力信号を算出する信号処理回路とを備え、信号処理回路は、第１の電源の電圧に応じて出力信号を補正することを特徴とする。

【0007】

本発明によれば、第１の電源の電圧に応じて出力信号を補正していることから、第１の電源の電圧が変動した場合であっても、検出対象ガスの濃度を示す出力信号を正しく算出することが可能となる。

【0008】

本発明において、信号処理回路は第１の電源の電圧を分圧する分圧回路を含み、信号処理回路は、分圧回路から出力される分圧電圧に応じて出力信号を補正しても構わない。これによれば、第１の電源の電圧が高い場合であっても、現在の電圧値を正しく把握することが可能となる。

【0009】

本発明において、信号処理回路は、キャリブレーション動作時に取得した分圧電圧と、測定動作時に取得した分圧電圧の差又は比に応じて、出力信号を補正しても構わない。これによれば、測定動作時の電圧に応じた補正を行うことが可能となる。

【0010】

本発明において、信号処理回路は、キャリブレーション動作時に取得した検出電圧と分圧電圧の差又は比に応じて、出力信号の補正量を調整しても構わない。これによれば、より正確な補正が可能となる。

【0011】

本発明によるガスセンサは、第１の電源に接続され、環境温度に応じて抵抗値が変化する第２の測温体を含む温度センサ部をさらに備え、第１のガスセンサ部は、第１の測温体を加熱する第１のヒータ抵抗をさらに含み、信号処理回路は、温度センサ部の出力電圧と第１の電源の電圧に応じて、第１のヒータ抵抗に印加する第１の制御電圧を算出しても構わない。これによれば、電源電圧に応じた適切な制御電圧を第１のヒータ抵抗に印加することが可能となる。

【0012】

本発明において、温度センサ部は、第１の電源と接地電位の間に直列に接続された第２の測温体と第１の抵抗を含み、分圧回路は、第１の電源と接地電位の間に直列に接続された第２及び第３の抵抗を含み、温度センサ部から出力される出力電圧は、第２の測温体と第２の抵抗の接続点から出力され、分圧回路から出力される分圧電圧は、第２の抵抗と第３の抵抗の接続点から出力され、第１乃至第３の抵抗の抵抗値の差が１％以下であっても構わない。これによれば、抵抗値のばらつきに起因する誤差を低減することが可能となる。

【0013】

本発明によるガスセンサは、第３の測温体と第３の測温体を加熱する第２のヒータ抵抗を含む第２のガスセンサ部をさらに備え、第１の測温体と第３の測温体は、第１の電源と接地電位の間に直列に接続され、検出電圧は、第１の測温体と第３の測温体の接続点から出力され、信号処理回路は、温度センサ部の出力電圧と第１の電源の電圧に応じて、第２のヒータ抵抗に印加する第２の制御電圧を算出し、第１の制御電圧と第２の制御電圧が互いに異なる値であり、これにより第１の測温体と第３の測温体が互いに異なる温度に加熱されるものであっっても構わない。これによれば、測定対象ガスの濃度に応じた検出信号を第１の測温体と第３の測温体の接続点から得ることが可能となる。

【0014】

本発明において、信号処理回路は第１の電源とは異なる第２の電源によって動作し、第１の電源の電圧は、第２の電源の電圧よりも高くても構わない。これによれば、高い検出感度を得ることができるとともに、消費電力を低減することが可能となる。

【発明の効果】

【0015】

このように、本発明によるガスセンサによれば、電源電圧が変動した場合であっても、検出対象ガスの濃度を示す出力信号を正しく算出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本発明の一実施形態によるガスセンサ１０の構成を示す回路図である。

【図2】図２は、センサ部Ｓの構成を説明するための上面図である。

【図3】図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【図4】図４は、ガスセンサ１０の動作を説明するためのフローチャートである。

【図5】図５は、環境温度と制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の関係を示すグラフである。

【図6】図６は、電源電位Ｖｃｃ１の変動とＣＯ_２ガスの検出誤差との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

【0018】

図１は、本発明の一実施形態によるガスセンサ１０の構成を示す回路図である。

【0019】

図１に示すように、本実施形態によるガスセンサ１０は、センサ部Ｓと信号処理回路２０を備えている。特に限定されるものではないが、本実施形態によるガスセンサ１０は、雰囲気中におけるＣＯ_２ガスの濃度を検出するものである。

【0020】

センサ部Ｓは、検出対象ガスであるＣＯ_２ガスの濃度を検出するための熱伝導式のガスセンサであり、第１のガスセンサ部Ｓ１、第２のガスセンサ部Ｓ２及び温度センサ部Ｓ３を有している。第１のガスセンサ部Ｓ１は、第１の測温体であるサーミスタＲｄ１及びこれを加熱するヒータ抵抗ＭＨ１からなる。同様に、第２のガスセンサ部Ｓ２は、第３の測温体であるサーミスタＲｄ２及びこれを加熱するヒータ抵抗ＭＨ２からなる。一方、温度センサ部Ｓ３は、第２の測温体であるサーミスタＲｄ３からなる。

【0021】

図１に示すように、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、電源電位Ｖｃｃ１が供給される配線と接地電位ＧＮＤが供給される配線との間に直列に接続されている。一方、サーミスタＲｄ３と抵抗Ｒ１は、電源電位Ｖｃｃ１が供給される配線と接地電位ＧＮＤが供給される配線との間に直列に接続されている。サーミスタＲｄ１～Ｒｄ３は、例えば、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなる。このうち、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２はいずれもＣＯ_２ガスの濃度を検出するものであるが、後述するように動作温度が互いに異なっている。

【0022】

サーミスタＲｄ１は、ヒータ抵抗ＭＨ１によって加熱される。ヒータ抵抗ＭＨ１によるサーミスタＲｄ１の加熱温度は例えば１５０℃である。サーミスタＲｄ１を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ_２ガスが存在すると、その濃度に応じてサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。かかる変化は、サーミスタＲｄ１の抵抗値の変化となって現れる。サーミスタＲｄ１の加熱温度が１５０℃である場合、サーミスタＲｄ１の抵抗値は、ＣＯ_２ガスの濃度に応じて第１の感度で変化する。第１の感度は、サーミスタＲｄ１とサーミスタＲｄ２の接続点に現れる検出電圧Ｖ_ＣＯ２を十分に変化させることが可能な感度を有している。また、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じてサーミスタＲｄ１の放熱特性が変化する。

【0023】

サーミスタＲｄ２は、ヒータ抵抗ＭＨ２によって加熱される。ヒータ抵抗ＭＨ２によるサーミスタＲｄ２の加熱温度は例えば３００℃である。サーミスタＲｄ２を加熱した状態で測定雰囲気中にＣＯ_２ガスが存在しても、サーミスタＲｄ２の抵抗値はほとんど変化しない。これは、サーミスタＲｄ２の加熱温度が３００℃である場合、サーミスタＲｄ２の抵抗値は、ＣＯ_２ガスの濃度に応じて第２の感度で変化するものの、第２の感度は第１の感度よりも大幅に低く、好ましくは第１の感度の１／１０以下、より好ましくはほぼゼロだからである。このため、ＣＯ_２ガスの濃度が変化しても、サーミスタＲｄ２の抵抗値はほとんど変化しない。一方、測定雰囲気中に水蒸気が存在すると、その濃度に応じてサーミスタＲｄ２の放熱特性が変化する。

【0024】

上述の通り、サーミスタＲｄ１とサーミスタＲｄ２は直列に接続されており、その接続点から検出電圧Ｖ_ＣＯ２が出力される。一方、サーミスタＲｄ３と抵抗Ｒ１の接続点からは、温度センサ部Ｓ３の出力電圧Ｖａが出力される。検出電圧Ｖ_ＣＯ２及び出力電圧Ｖａは、信号処理回路２０に入力される。

【0025】

信号処理回路２０は、分圧回路２１、バッファ２２、差動アンプ２３、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２４、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２５及び制御部２６を備えている。分圧回路２１は、電源電位Ｖｃｃ１が供給される配線と接地電位ＧＮＤが供給される配線との間に直列に接続された抵抗Ｒ２，Ｒ３からなり、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点から分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎが出力される。信号処理回路２０を構成するその他の回路には、電源電位Ｖｃｃ１とは異なる電源電位Ｖｃｃ２が供給され、電源電位Ｖｃｃ２と接地電位ＧＮＤの間の電圧によって動作する。特に限定されるものではないが、電源電位Ｖｃｃ１は電源電位Ｖｃｃ２よりも高い。一例として、電源電位Ｖｃｃ１は３Ｖであり、電源電位Ｖｃｃ２は１．８Ｖである。このように、Ｖｃｃ１＞Ｖｃｃ２であれば、センサ部Ｓの検出感度が高められるとともに、信号処理回路２０の消費電力を抑えることが可能となる。電源電位Ｖｃｃ１が高いと電圧変動が生じやすくなるが、後述するように、本実施形態においては、電源電位Ｖｃｃ１の電圧変動に起因する測定誤差がキャンセルされる。

【0026】

バッファ２２は、出力電圧Ｖａをバッファリングすることによって温度信号Ｖｔｅｍｐを生成する。また、差動アンプ２３は、検出電圧Ｖ_ＣＯ２とリファレンス電圧Ｖｒｅｆを比較し、その差を増幅する。バッファ２２から出力される温度信号Ｖｔｅｍｐ及び差動アンプ２３から出力されるガス検出信号Ｖａｍｐは、ＡＤコンバータ２４に入力される。

【0027】

ＡＤコンバータ２４は、分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎの値、温度信号Ｖｔｅｍｐ及びガス検出信号Ｖａｍｐをデジタル変換し、その値を制御部２６に供給する。一方、ＤＡコンバータ２５は、制御部２６から供給されるリファレンス信号をアナログ変換することによってリファレンス電圧Ｖｒｅｆ、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２を生成する。制御部２６は、デジタル変換されたガス検出信号Ｖａｍｐに基づいて、現在のＣＯ_２ガスの濃度を示す出力信号Ｖｏｕｔを算出する。詳細については後述するが、出力信号Ｖｏｕｔの算出においては、現在の分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎに応じた補正が行われる。また、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２のレベルは、温度信号Ｖｔｅｍｐを用いて算出される。

【0028】

図２は、センサ部Ｓの構成を説明するための上面図である。また、図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。尚、図面は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、デバイス相互間の厚みの比率などは、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実の構造とは異なっていても構わない。

【0029】

センサ部Ｓは、ＣＯ_２ガスの濃度に応じた放熱特性の変化に基づいてガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサであり、図２及び図３に示すように、２つのガスセンサ部Ｓ１，Ｓ２と、ガスセンサ部Ｓ１とガスセンサ部Ｓ２の間に配置された温度センサ部Ｓ３と、これらセンサ部Ｓ１～Ｓ３を収容するセラミックパッケージ５１を備えている。

【0030】

セラミックパッケージ５１は、上部が開放された箱形のケースであり、上部にはリッド５２が設けられている。リッド５２は複数の通気口５３を有しており、これにより、雰囲気中のＣＯ_２ガスがセラミックパッケージ５１内に流入可能とされている。尚、図面の見やすさを考慮して、図２においてはリッド５２が省略されている。

【0031】

特に限定されるものではないが、本実施形態においては単一の基板６１上に３つのセンサ部Ｓ１～Ｓ３が集積されている。基板６１には、３つのセンサ部Ｓ１～Ｓ３にそれぞれ対応する３つのキャビティ６１ａ～６１ｃが形成されている。

【0032】

基板６１は、絶縁膜６２，６３と、絶縁膜６３上に設けられたヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２と、ヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２を覆うヒータ保護膜６４と、キャビティ６１ａ～６１ｃと重なる位置においてそれぞれヒータ保護膜６４上に設けられたサーミスタＲｄ１～Ｒｄ３及びサーミスタ電極３５，４５，６５と、サーミスタＲｄ１～Ｒｄ３及びサーミスタ電極３５，４５，６５を覆うサーミスタ保護膜６６とを備える。

【0033】

基板６１は、適度な機械的強度を有し、且つ、エッチングなどの微細加工に適した材質であれば特に限定されるものではなく、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板などを用いることができる。絶縁膜６２，６３は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料からなる。ヒータ抵抗ＭＨ１，ＭＨ２は、比較的高融点の材料からなる金属材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。サーミスタＲｄ１～Ｒｄ３は、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなる。ここで、測温体としてサーミスタを用いているのは、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいことから、大きな検出感度を得ることができるためである。ヒータ保護膜６４の材料としては、絶縁膜６３と同じ材料を用いることができる。

【0034】

サーミスタ電極３５，４５，６５は、所定の間隔を持った一対の電極であり、一対のサーミスタ電極３５間にサーミスタＲｄ１が設けられ、一対のサーミスタ電極４５間にサーミスタＲｄ２が設けられ、一対のサーミスタ電極６５間にサーミスタＲｄ３が設けられる。これにより、一対のサーミスタ電極３５，４５，６５間における抵抗値は、それぞれサーミスタＲｄ１～Ｒｄ３の抵抗値によって決まる。サーミスタ電極３５，４５，６５の材料としては、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。

【0035】

図２に示すように、ヒータ抵抗ＭＨ１の両端は電極パッド３７ａ，３７ｂにそれぞれ接続され、ヒータ抵抗ＭＨ２の両端は電極パッド４７ａ，４７ｂにそれぞれ接続される。また、サーミスタ電極３５の両端は電極パッド３７ｃ，３７ｄにそれぞれ接続され、サーミスタ電極４５の両端は電極パッド４７ｃ，４７ｄにそれぞれ接続され、サーミスタ電極６５の両端は電極パッド６７ａ，６７ｂにそれぞれ接続される。これらの電極パッドは、ボンディングワイヤ５５を介して、セラミックパッケージ５１に設けられたパッケージ電極５４に接続される。パッケージ電極５４は、セラミックパッケージ５１の裏面に設けられた外部端子５６を介して、図１に示す信号処理回路２０に接続される。

【0036】

以上が本実施形態によるガスセンサ１０の構成である。次に、本実施形態によるガスセンサ１０の動作について説明する。

【0037】

本実施形態によるガスセンサ１０は、ＣＯ_２ガスの熱伝導率が空気の熱伝導率と大きく異なっている点を利用し、ＣＯ_２ガスの濃度によるサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の放熱特性の変化をガス検出電圧Ｖ_ＣＯ２として取り出す。しかしながら、測定雰囲気の熱伝導率は、ＣＯ_２ガスの濃度だけでなく、湿度、つまり水蒸気の濃度によっても変化するため、湿度の影響が測定誤差となってしまう。そこで、本実施形態によるガスセンサ１０は、ヒータ抵抗ＭＨ１を用いてサーミスタＲｄ１を例えば１５０℃に加熱し、ヒータ抵抗ＭＨ２を用いてサーミスタＲｄ２を例えば３００℃に加熱している。加熱温度が１５０℃である場合、ＣＯ_２ガスの濃度に応じてサーミスタＲｄ１の放熱特性が大きく変化するのに対し、加熱温度が３００℃である場合、ＣＯ_２ガスの濃度に応じたサーミスタＲｄ２の放熱特性はほとんど変化しない。一方、加熱温度が１５０℃である場合も３００℃である場合も、湿度によってサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の放熱特性が変化することから、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２を直列に接続することによって、湿度の影響をキャンセルすることができる。ここで、湿度に対するサーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の感度に差がある場合には、サーミスタＲｄ１又はサーミスタＲｄ２に対して並列に補正抵抗を接続することによって、感度差を低減することが可能である。

【0038】

また、本実施形態によるガスセンサ１０は、環境温度が変化しても、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２の加熱温度がそれぞれ一定となるよう、温度信号Ｖｔｅｍｐ及び現在の分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎに基づいて制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２のレベルが調整される。さらに、本実施形態によるガスセンサ１０は、出力信号Ｖｏｕｔの算出においても、電源電位Ｖｃｃ１の変動の影響がキャンセルされるよう、現在の分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎに応じた補正が行われる。

【0039】

図４は、本実施形態によるガスセンサ１０の動作を説明するためのフローチャートである。

【0040】

ガスセンサ１０の動作においては、まずキャリブレーション動作が行われる（ステップＳ１０）。キャリブレーション動作は、環境温度、湿度、測定対象ガスの濃度が安定した状態で、分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎとガス検出信号Ｖａｍｐを読み込み、所定の演算を行う動作である。キャリブレーション動作は、ガスセンサ１０の起動時に実行する他、起動後においても一定期間ごとに実行しても構わない。キャリブレーション動作においては、まず、分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎとガス検出信号ＶａｍｐをＡＤコンバータ２４によってデジタル変換し、分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎの初期レベルを保存するとともに（ステップＳ１１）、制御部２６によって電圧比Ａを算出する（ステップＳ１２）。電圧比Ａは、分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎと検出電圧Ｖ_ＣＯ２の比（１／２Ｖｃｃ＿ｉｎ÷Ｖ_ＣＯ２）を算出することにより行う。電圧比Ａを算出する代わりに、分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎと検出電圧Ｖ_ＣＯ２の差を算出しても構わない。検出電圧Ｖ_ＣＯ２は、制御部２６によって式（１）の演算を行うことによって算出することができる。
Ｖ_ＣＯ２＝（Ｖａｍｐ－Ｖｒｅｆ）／ＡＭＰ＋Ｖｒｅｆ ・・・（１）
ここで「ＡＭＰ」は、差動アンプ２３の増幅比である。算出された電圧比Ａは、制御部２６の内部に保存される（ステップＳ１３）。

【0041】

一連のキャリブレーション動作（ステップＳ１０）が完了した後、実際に測定対象ガスの濃度を測定する測定動作を行う（ステップＳ２０）。測定動作は、所定期間ごとに間欠的に行っても構わない。測定動作においては、まず、分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎの読み込みを行う（ステップＳ２１）。分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎのレベルは、理想的にはキャリブレーション動作時に取得した初期レベルと同じであるが、電源電位Ｖｃｃ１に変動が生じている場合、両者間に電位差が生じるため、かかる電位差Ｖｄｉｆを算出する（ステップＳ２２）。電位差Ｖｄｉｆの代わりに、ステップＳ１１で保存した分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎとステップＳ２１で読み込まれた分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎの比を用いても構わない。次に、読み込まれた分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎの値を２倍することによって、現在の電源電位Ｖｃｃ１のレベルを算出する（ステップＳ２３）。

【0042】

次に、温度信号Ｖｔｅｍｐを読み込み（ステップＳ２４）、ステップＳ２３で算出した電源電位Ｖｃｃ１のレベルと、ステップＳ２４で読み込んだ温度信号Ｖｔｅｍｐのレベルに基づいて、温度値Ｔａを算出する（ステップＳ２５）。温度値Ｔａの算出は、式（２）の演算を行うことによってサーミスタＲｄ３の現在の抵抗値Ｒｒｅｆを算出した後、式（３）の演算を行うことによって算出する。

【0043】

【数1】

【0044】

式（２），（３）において、「Ｒ」は抵抗Ｒ１の抵抗値、「Ｂ」はサーミスタＲｄ３の温度係数、Ｒｒｅｆ＠２５は、環境温度が２５℃である場合におけるサーミスタＲｄ３の抵抗値であり、いずれも制御部２６にあらかじめ保存されているデジタル値を使用する。また、「１／２Ｖｃｃ＿ｉｎ」は分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎのデジタル値であり、「Ｖａ」は温度信号Ｖｔｅｍｐのデジタル値である。

【0045】

次に、ステップＳ２５で算出した温度値Ｔａを用いて、リファレンス電圧Ｖｒｅｆ及び制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の算出を行う（ステップＳ２６）。制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２は、それぞれ式（４）、（５）の演算を行うことによって算出することができる。
Ｖｍｈ１＝－０．００３０１×Ｔａ＋１．１５ ・・・（４）
Ｖｍｈ２＝－０．００１５１×Ｔａ＋２．１９ ・・・（５）
これにより、差動アンプ２３には、現在の環境温度に応じたリファレンス電圧Ｖｒｅｆが与えられるとともに、サーミスタＲｄ１，Ｒｄ２は、それぞれ所定の温度（例えば１５０℃及び３００℃）に加熱される。図５は、環境温度と制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２の関係を示すグラフである。図５に示すように、制御電圧Ｖｍｈ１，Ｖｍｈ２は、環境温度が高くなるにつれてリニアに低下することが分かる。

【0046】

次に、ガス検出信号Ｖａｍｐを読み込み（ステップＳ２７）、電位差Ｖｄｉｆを用いてガス検出信号Ｖａｍｐを補正した後（ステップＳ２８）、出力信号Ｖｏｕｔを算出する（ステップＳ２９）。ガス検出信号Ｖａｍｐの補正は、制御部２６によって式（４）を演算することによって行う。
Ｖａｍｐ（補正後）＝Ｖａｍｐ＋Ｖｄｉｆ×ＡＭＰ／Ａ ・・・（４）
これにより、電源電位Ｖｃｃ１の変動に起因するガス検出信号Ｖａｍｐのオフセットがキャンセルされ、正しい出力信号Ｖｏｕｔを生成することが可能となる。

【0047】

図５は、電源電位Ｖｃｃ１の変動とＣＯ_２ガスの検出誤差との関係を示すグラフであり、実線は本実施形態によるガスセンサ１０における検出誤差を示し、破線は現在の分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎを用いた補正を行わない場合における検出誤差を示している。

【0048】

図５に示すように、現在の分圧電圧１／２Ｖｃｃ＿ｉｎを用いた補正を行わない場合には、電源電位Ｖｃｃ１の僅かな変動によって大きな検出誤差が生じるのに対し、本実施形態によるガスセンサ１０によれば、電源電位Ｖｃｃ１が変動しても、検出誤差がほとんど発生しないことが分かる。

【0049】

ＣＯ_２ガスの検出誤差は、抵抗Ｒ１～Ｒ３の抵抗値のばらつきによっても発生する。抵抗Ｒ１～Ｒ３の抵抗値のばらつきに起因する検出誤差を低減するためには、抵抗Ｒ１～Ｒ３の抵抗値を互いに同じ値に設計し、且つ、抵抗値のばらつきを１％以下に抑えることが有効である。

【0050】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【0051】

例えば、上記実施形態では、測定対象ガスがＣＯ_２ガスである場合を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。また、本発明において使用するセンサ部が熱伝導式のセンサであることは必須でなく、接触燃焼式など他の方式のセンサであっても構わない。

【符号の説明】

【0052】

１０ ガスセンサ
２０ 信号処理回路
２１ 分圧回路
２２ バッファ
２３ 差動アンプ
２４ ＡＤコンバータ
２５ ＤＡコンバータ
２６ 制御部
３５，４５，６５ サーミスタ電極
３７ａ～３７ｄ，４７ａ～４７ｄ，６７ａ，６７ｂ 電極パッド
５１ セラミックパッケージ
５２ リッド
５３ 通気口
５４ パッケージ電極
５５ ボンディングワイヤ
５６ 外部端子
６１ 基板
６１ａ～６１ｃ キャビティ
６２，６３ 絶縁膜
６４ ヒータ保護膜
６５ サーミスタ電極
６６ サーミスタ保護膜
ＭＨ１，ＭＨ２ ヒータ抵抗
Ｒ１～Ｒ３ 抵抗
Ｒｄ１～Ｒｄ３ サーミスタ
Ｓ センサ部
Ｓ１ 第１のガスセンサ部
Ｓ２ 第２のガスセンサ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】