JPH09145654A - 高温環境で使用されるセンサの温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高温環境で使用されるガス検出部の温度を高温
に一定に維持する。 【解決手段】高温環境で使用されるガス検出部３及びヒ
ータ４を熱伝導性絶縁基板又は膜２の同一面又は両面に
固定する。ヒータ４の補助ヒータ１３を追加する。これ
らヒータ最終的にガス検出部３を温度制御する制御回路
は、第１基準電源２７の分圧回路２８を経由した電圧
が、基準抵抗２１と直列接続したヒータ４の接続点の電
圧と等しくなるように制御する増幅器２２を備える。従
ってヒータの抵抗値に応じて上下する増幅器２２の出力
端の電圧を第２基準電源３２のそれと比較して、分圧回
路２２の残りの端子に出力結果を送る比較器３１を更に
備える。補助ヒータ１３を用いた場合分圧回路２８が省
かれ、代わりに比較器３１が第２増幅器として補助ヒー
タ１３を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｏ２ガスセンサやＮＯ
ｘガスセンサ等の高温環境で使用されるセンサの温度制
御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば３００〜４００度Ｃの高温環境で
使用される加熱型センサは、特開昭６０−１１４７５８
号公報の「加熱型センサの温度制御方法」に記載されて
いる。この温度制御方法は、気体の濃度を測定する加熱
型センサの空間を隔てた近傍に測温体を配置して周囲温
度を測定し、この測定結果を基づいてセンサを加熱する
ヒータの給電を制御することによって、センサの温度を
一定に保持している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この方法は、周囲温度
を測定する測温体を必要とするために加熱型センサの構
造が複雑になり、加熱型センサを加熱するヒータ制御回
路も複雑になる。また、測温体が高温によって劣化する
のを防止するためにセンサの温度を空間を隔てて間接的
に測定したので、空間を流れるガスの状態によってセン
サの温度が変化し、高精度が期待できない。更に、温度
の伝播速度によって制御系に位相遅れが生じ、センサの
温度が目標とは異なった値に収束したり、最悪の場合発
散して途轍もなく高温になったり低温になったりする恐
れがある。

【０００４】また、１９９２年１月２０日号の日経エレ
クトロニクスの１１１頁には、１．５ｍｍ角のシリコン
基板チップ１に４組形成される酸化錫薄膜ガス・センサ
が開示されている。このガス・センサは、図１に示すよ
うに酸化錫の薄膜のガス検出部３と加熱用の白金電極４
とを二酸化シリコン薄膜２上に形成即ち蒸着し、この蒸
着部分をＳｉマイクロマシーニング技術によってシリコ
ン基板から掘り出して、ガス検出部３を空気中に突出さ
せている。従って、４００度Ｃの高温を測定し得る測温
体を検出部近傍に設けることは困難である。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑み、ガス検出部を
略直接的に加熱するヒータを測温体として兼用する高温
環境で使用されるセンサの温度制御装置を提供すること
を目的とする。勿論、ガス検出部とヒータとの間に設け
られる基板は、熱伝導率の良いものが用いられ、またそ
の値が変動しないものが用いられる。

【０００６】また、本発明は、高温環境で使用されるガ
ス検出部を主に加熱する主ヒータと、この主ヒータの加
熱変動即ちガス検出部の温度変動を補償する補助ヒータ
とを用いて構造が簡単で安価に構成できる加熱型センサ
の温度制御装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の高温環境で使用
されるセンサの温度制御装置は、ガス検出部が熱伝導性
絶縁基板の一面に固定される。この絶縁基板の他面に
は、前記ガス検出部の領域と位置合わせされてヒータが
固定され、制御回路がこのヒータの抵抗値に基づいて前
記ガス検出部の温度を一定に制御している。

【０００８】前記温度制御装置の変形例において、前記
熱伝導性絶縁基板の他面には、主ヒータが前記ガス検出
部の領域と位置合わせされて固定され、この主ヒータの
回りに補助ヒータが配置されて、制御回路がこの補助ヒ
ータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温度を一定に
制御している。この絶縁基板は、ガス検出部の支持板と
して用いられる窒化アルミニウム、シリコンカーバイド
等の熱伝導率が金属に近いセラミック基板、或いは支持
体に配置されたヒータ上に形成される蒸着膜或は塗布膜
である。

【０００９】本発明の更に別の態様の温度制御装置は、
ガス検出部が絶縁基板の一面に固定されている。この絶
縁基板の一面には、ヒータが前記ガス検出部と平行に固
定され、或いは変形例において主ヒータ及びこの主ヒー
タの回りに配置された補助ヒータが固定されて、前記ヒ
ータ又は補助ヒータの抵抗値に基づいて制御回路が前記
ガス検出部の温度を一定に制御している。この絶縁基板
は例えば二酸化シリコン膜である。

【００１０】前記制御回路は、前記ヒータに直列接続さ
れた基準抵抗と、出力端が前記基準抵抗及び前記ヒータ
を経て接地されると共に反転入力端が前記基準抵抗及び
前記ヒータの接続点に接続され非反転入力端が第１基準
電圧に接続され得る増幅器と、前記出力端の電圧と第２
基準電圧とを比較してこの比較結果に基づいて前記増幅
器に供給される前記第１基準電圧を変化させる比較器と
を備える。

【００１１】前記制御回路は、前記主ヒータに直列接続
された基準抵抗と、出力端が前記基準抵抗及び前記主ヒ
ータを経て接地されると共に反転入力端が前記基準抵抗
及び前記ヒータの接続点に接続され非反転入力端が第１
基準電圧に接続され得る第１増幅器と、非反転入力端が
前記第１増幅器の出力端に接続され反転入力端が第２基
準電圧に接続され出力端が前記補助ヒータを経て接地さ
れた第２増幅器とを備える。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。まず、従来の酸化錫薄膜ガス・センサは、図
１に示されるように、１．５ｍｍ角のシリコン基板チッ
プ１の角部分から内方向に突出した二酸化シリコン薄膜
突起基板２を４枚形成し、各突起基板２の一面に酸化錫
の薄膜のガス検出部３と加熱用の白金電極４とを蒸着し
ている。各白金電極４は、各検出部３を加熱する消費電
力が２０ｍＷであり、４００度Ｃに加熱した時の抵抗値
が予め決定されている。

【００１３】次に、高温環境で使用されるセンサは、図
２に示されるように、例えば多孔性ガス検出部３が２つ
の電極６間に挟まれ、このガス検出部３の一面が検査さ
れるべきガスと接触し、他面が大気に接触している。こ
の場合、多孔性基板７上には、白金製薄膜又はワイヤヒ
ータ４が形成され、その上に耐熱性好ましくは熱伝導性
絶縁膜２が塗布され、更にその上に電極６が形成され
る。このように形成された２つの多孔性基板７は、電極
６を内側にして対向して組立てられ内部にガス濃度を感
知する物質例えば酸化錫又は酸化鉛の多孔性焼結体３が
充填される。

【００１４】従って、白金製薄膜又はワイヤヒータ４
は、例えば４１０度Ｃに加熱されて、ガス検出部全体を
４００度Ｃに維持している。上記絶縁膜２は、薄ければ
薄いほど熱抵抗が低くまた熱伝導率の良いものが用いら
れて、測定誤差を最小にすることができる。

【００１５】次に、高温環境で使用されるセンサは、図
３に示されるように、熱伝導性絶縁基板２に平面的にガ
ス検出部（図示略）が形成され、両端に２つの電極（図
示略）が形成されている。この場合、この絶縁基板２の
他面即ち裏面には、ガス検出部の感知領域と位置合わせ
されて白金製薄膜ヒータ４が固定される。この白金製薄
膜ヒータ４は、白金製補助ヒータ１３が周辺に配置され
た時に、主ヒータ４として機能する。

【００１６】図４は、ガス検出部を例えば４００度Ｃに
加熱するヒータ４をマイクロコンピュータで制御する本
発明の第１実施例の制御回路を示す。この制御回路は、
高温環境で使用されるガス検出部を加熱するヒータ４に
一定電流を供給し、このヒータ４の両端間の電圧を検出
してヒータ４の抵抗値を求め、この抵抗値が所定の温度
に対応した抵抗値になるように一定電流を増減させてい
る。

【００１７】従って、ワンチップマイクロコンピュータ
システム１４は、各入力がヒータ４の両端及び定電流駆
動トランジスタ１５のエミッタに接続される多チャンネ
ルのＡ／Ｄ変換器１６と、出力が同ベースに接続される
Ｄ／Ａ変換器１７とを含む。

【００１８】図５は、本発明の第２実施例の制御回路図
を示す。この図において、前記ガス検出部を高温に加熱
するヒータ４と直列接続された基準抵抗２１は、増幅器
２２の出力端及び接地間に接続されている。この増幅器
２２は、オペアンプ２３の出力端が保護抵抗２４を経て
電流増幅用の電圧即ちエミッタフォロアのトランジスタ
２５のベースに接続されている。従って、このエミッタ
を以後出力端と称する。また図１のガス検出部３を用い
た場合には、エミッタフォロアを省くことができる。

【００１９】この増幅器２２は、ヒータ４と基準抵抗２
１との接続点２６が反転入力端に接続されているので、
この接続点２６の電位が第１基準電源２７の電圧Ｖｒ１
と等しくなるように電流が基準抵抗２１及びヒータ４に
流されている。この第１基準電源２７は、負極が接地さ
れ、正極が分圧回路２８の抵抗２９（抵抗値Ｒ１）を経
由して増幅器２２の非反転入力端に接続されている。増
幅器２２は反転入力端への電流が無視できる程度であ
る。このヒータ４の抵抗値ＲＨは、未通電時に低く、通
電すると徐々に高くなって例えば４００度Ｃに目標抵抗
値に到達する。

【００２０】従って、基準抵抗２１の出力端側の電圧
は、同じ電流値がヒータ４にも流れるので、未通電時に
高く、通電すると徐々に低くなって、ヒータ４が４００
度Ｃになった時に目標電圧値ＶＴに到達する。このヒー
タ４が４００度Ｃになった時を検知し維持するために、
比較器３１及び目標電圧値と等しい電圧Ｖｒ２を有する
第２基準電源３２が用いられる。

【００２１】この比較器３１は、非反転入力端が増幅器
２２の出力端に接続され、反転入力端が第２基準電源３
２の正極と接続されて、第２基準電源３２の負極が第１
基準電源２７の正極に接続されている。従って、検出電
圧が第２基準電圧Ｖｒ２と比較されて、比較結果に基づ
いて第１基準電圧を変化させている。或は、比較器３１
の比較出力は、鋸波状に掃引された第１基準電源２７の
電圧を目標値にサンプル・ホールドしてもよい。

【００２２】本実施例では、比較器３１の出力端と分圧
回路２８の残りの抵抗３０（抵抗値Ｒ２）との間に、発
振回路（図示略）からのクロックによってオンオフ制御
されるアナログスイッチ３３が接続される。このアナロ
グスイッチ３３は、例えばシリコニックス社製のデュア
ルモノリシックＳＰＳＴ−ＣＭＯＳアナログスイッチ３
３が用いられ、制御入力端に印加されるロジックレベル
によって、スイッチ素子がオン・オフされる。

【００２３】このスイッチ素子は、例えばオフ抵抗が１
０Ｍオーム以上であり、オン抵抗が１００オーム以下で
あるので、オン抵抗値が分圧回路２８の残りの抵抗３０
の値Ｒ２に含まれるものとする。このクロックの周波数
は、少なくとも１００Ｈｚ程度あれば実用上支障はな
い。従って、加熱期間と比較期間とが交互に実行され
る。

【００２４】まず通電において、加熱期間には、第１基
準電圧が非反転入力端に印加されてヒータ４が加熱され
てヒータ４の抵抗値が上昇し、同時にヒータ温度即ちガ
ス検出部の温度も徐々に上昇する。次に比較期間におい
て、比較器３１は、増幅器２２の出力端の検出電圧が第
２基準電圧よりも高い時に、図６の左側に示されるよう
に、論理レベルのＨを出力する。

【００２５】従って第１基準電圧より高い電圧が非反転
入力端に印加されてヒータ４を加熱期間のそれより更に
加熱して、ヒータ４の抵抗値を上昇させる。これら加熱
期間及び比較期間を交互に繰り返すことによって、ヒー
タ４の抵抗値が低い方から目標値に上昇する。

【００２６】通電後暫くした比較期間において、比較器
３１は、検出電圧が第２基準電圧と一致した時に、図６
の略中央に示されるように、第１基準電圧と同じ電圧を
出力する。従って、ヒータ４の抵抗値が目標値になると
共に、設定した温度にガス検出部を加熱して平衡する。

【００２７】もし比較期間において、比較器３１は、ヒ
ータ４の抵抗値が目標値よりも高いならば、ガス検出部
の温度は目標温度より高くなっており、図６の右側に示
されるように、検出電圧が第２基準電圧より低くなり、
論理レベルのＬを出力する。この場合、比較器は、汎用
オペアンプを用いた時に例えば０.５ボルト以下の飽和
電圧を持っているが無視する。従って、第１基準電圧の
分圧電圧が分圧回路２８の分圧点３５から非反転入力端
に印加されてヒータ４が加熱される。

【００２８】図６は、ヒータ４が目標温度以下の時、目
標温度に達した時及び目標温度を越えた時の印加電圧の
波形図を示す。また基準抵抗２１は、室温中に配置され
るが電流の変化による抵抗値変動を防止するために温度
補償された抵抗を用いたり、或は許容ワット数の大きい
抵抗又は放熱フィンを取付けた抵抗が用いられる。

【００２９】従って、ヒータ４は、目標の抵抗値にな
り、また目標の温度、例えばガス検出部との間に介挿さ
れる基板又は膜２の熱抵抗による損失を考慮して４１０
度Ｃに加熱制御される。このため、ヒータ自身の発熱変
動或いは周囲温度の変化によるガス検出部の温度変化が
補償され、ガス検出部の感度特性が安定する。

【００３０】図３を再度参照すると、高温に加熱される
ガス検出部３を有するガス検出部の支持基板２の裏側に
配置された本発明による主ヒータ４及び補助ヒータ１３
が示されている。この図において、支持基板２の裏面に
は、加熱領域がガス検出部の領域より僅かに広いように
位置合わせされて、例えば４１０度Ｃで目標抵抗値ＲＨ
を持つ主ヒータ４と、補助ヒータ１３とが直線状に配置
されている。これら主ヒータ４及び補助ヒータ１３は白
金薄膜又は蛇行させた白金線で配置されてもよい。

【００３１】図７は、図３に示す主及び補助ヒータ用の
制御回路図である。図において、図５に示す部品と類似
するものには同じ符号を付して説明を省略する。まず、
比較器即ち第２増幅器３１の出力端と接地との間には補
助ヒータ１３が接続されている。この第２増幅器３１
は、２つの抵抗３２、３３によって増幅率が適宜設定さ
れている。

【００３２】動作において、第１増幅器２２は、第１基
準電圧と同じ電圧が主ヒータ４に印加されるように主ヒ
ータ４を給電する。従って、加熱中の主ヒータ４は、例
えば４１０度Ｃに近ずくにつれて、抵抗値が目標値に上
昇する。この場合、第２増幅器３１は、検出電圧が第２
基準電圧よりも高いので、Ｈレベルを出力して、補助ヒ
ータをフル加熱する。

【００３３】主ヒータ４の抵抗値が目標値に近づいた時
には、ガス検出部の温度も目標温度に近づき、従って補
助ヒータ１３の加熱度が徐々に下げられる。従って主ヒ
ータ４の抵抗値が目標値に一致した時に、補助ヒータ１
３の加熱度が半分になるように、第２増幅器３１の利得
及びオフセット量が調整される。

【００３４】主ヒータ４の抵抗値が目標値を越えた時に
は、ガス検出部の温度も目標温度を越え、補助ヒータ１
３の加熱度が半分以下に下げられる。従って、補助ヒー
タ１３の加熱量がガス検出部の許容温度補償範囲によっ
て決定される。

【００３５】このため、ガス検出部自身の発熱変動或は
周囲温度の変化によるガス検出部又はヒータの温度変化
が補償されるようになる。従って、ガス検出部の感知特
性が安定する。

【００３６】図５及び図７に示した本発明による制御回
路は、ヒータ４を接地側に配置し、基準抵抗２１を増幅
器２２の出力側に配置している。従って、これらヒータ
４及び基準抵抗２１を入れ換えることができる。この場
合、比較器３１の入力側の接続が入れ替わるだけで、動
作は上記回路と同じである。また、主ヒータと補助ヒー
タとを同心円状に配置することもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高温環境
で使用されるセンサの温度制御装置は、ヒータの発熱或
は周囲温度変動下のガス検出部を例えば４００度Ｃの高
温に一定に維持し、信頼性を高めると共に、構造が簡単
で安価に構成することができる。

【００３８】特に補助ヒータは、主ヒータと同一材料で
製造でき、主ヒータの温度変化を補償して、ガス検出部
の温度を所定値に保持させるように動作する。また、ガ
ス検出部及びヒータ間に設けられる基板又は膜は、気体
の対流伝熱と異なり固体中を伝播する熱伝導率が金属に
近く一定である。このため、熱電対やサーミスタなどの
測温体を配置しなくてもガス検出部の感知特性が安定に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のガスセンサの一実施例を示す一部断面斜
視図である。

【図２】ガスセンサの別の実施例を示す一部断面斜視図
である。

【図３】本発明によるガスセンサの一実施例を示す裏側
から見た平面図である。

【図４】本発明によるマイクロコンピュータシステムを
用いた制御回路の実施例を示す概略回路図である。

【図５】本発明による安価なＩＣを用いた制御回路の実
施例を示す回路図である。

【図６】図５に示す制御回路においてヒータに印加され
る電圧の波形図である。

【図７】本発明の温度制御回路の第２の実施例を示す回
路図である。

【符号の説明】

２ 基板又は膜 ３ ガス検知部 ４ 主ヒータ １３ 補助ヒータ ２１ 基準抵抗 ２２ 増幅器 ２７ 第１基準電源 ２８ 分圧回路 ２９ 抵抗 ３０ 抵抗 ３１ 比較器 ３２ 第２基準電源 ３３ スイッチ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス検出部が一面に固定される熱伝導性絶
   縁基板と、 この絶縁基板の他面に前記ガス検出部の領域と位置合わ
   せされて固定されたヒータと、 このヒータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温度を
   一定に制御する制御回路とを備えた高温環境で使用され
   るセンサの温度制御装置。
2. 【請求項２】ガス検出部が一面に固定された熱伝導性絶
   縁基板と、 この絶縁基板の他面に前記ガス検出部の領域と位置合わ
   せされて固定された主ヒータと、 前記絶縁基板の他面の主ヒータの回りに配置された補助
   ヒータと、 この補助ヒータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温
   度を一定に制御する制御回路とを備えた高温環境で使用
   されるセンサの温度制御装置。
3. 【請求項３】ガス検出部が一面に固定された絶縁基板
   と、 この絶縁基板の前記一面に固定されたヒータと、 このヒータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温度を
   一定に制御する制御回路とを備えた高温環境で使用され
   るセンサの温度制御装置。
4. 【請求項４】ガス検出部が一面に固定された絶縁基板
   と、 この絶縁基板の前記一面に固定された主ヒータと、 前記絶縁基板の一面の主ヒータの回りに配置された補助
   ヒータと、 この補助ヒータの抵抗値に基づいて前記ガス検出部の温
   度を一定に制御する制御回路とを備えた高温環境で使用
   されるセンサの温度制御装置。
5. 【請求項５】前記制御回路は、 前記ヒータに直列接続された基準抵抗と、 出力端が前記基準抵抗及び前記ヒータを経て接地される
   と共に、反転入力端が前記基準抵抗及び前記ヒータの接
   続点に接続され、非反転入力端が第１基準電圧に接続さ
   れ得る増幅器と、 前記出力端の電圧と第２基準電圧とを比較して、この比
   較結果に基づいて前記増幅器に供給される前記第１基準
   電圧を変化させる比較器とを備えた請求項１又は３に記
   載の温度制御装置。
6. 【請求項６】前記制御回路は、 前記主ヒータに直列接続された基準抵抗と、 出力端が前記基準抵抗及び前記主ヒータを経て接地され
   ると共に、反転入力端が前記基準抵抗及び前記ヒータの
   接続点に接続され、非反転入力端が第１基準電圧に接続
   され得る第１増幅器と、 非反転入力端が前記第１増幅器の出力端に接続され、反
   転入力端が第２基準電圧に接続され、出力端が前記補助
   ヒータを経て接地された第２増幅器とを備えた請求項２
   又は４に記載の温度制御装置。