JP3779886B2 - 湿度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、湿度を検出する湿度検出装置に関し、特に、接触燃焼式ガスセンサを用いて湿度を検出する湿度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガスセンサを湿度センサとして用いるアイディアが、特開２０００−２６６７１４号公報等で提案されている。一方、ガス漏れ検出素子として、量産の容易性やコスト面等の観点から、接触燃焼式ガスセンサが多用されている。そこで、この接触燃焼式ガスセンサをガスセンサのみならず、湿度センサとして用いることも考えられるが、一般的に、接触燃焼式ガスセンサは４００℃程度の高温に加熱して駆動させる必要性があるため湿度に対する依存性が低く、接触燃焼式ガスセンサは湿度センサとして用いることは困難であると考えられていた。図８に、この種の従来の接触燃焼式ガスセンサの一例を示す。
【０００３】
図８は、従来の接触燃焼式ガスセンサの概観図である。特に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）はそれぞれ、感応素子部及び補償素子部の概観図である。
この種の接触燃焼式ガスセンサは、可燃性ガスと空気中の酸素を触媒上で燃焼させることで得られる燃焼熱を白金コイルの抵抗変化としてとらえるようにしている。図８（Ａ）に示すように、感応素子部は、２０ｕｍφの（白金）Ｐｔコイル４２Ａに直径約１ｍｍの球状になるように、Ｐｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒層４３Ａが塗布されている。また、図８（Ｂ）に示すように、補償素子部は、同様のＰｔコイル４４Ａに直径約１ｍｍの球状になるように、Ａｌ2Ｏ3触媒層４５Ａが塗布されている。そして、実用的には、可燃性ガスに対するＰｔコイル４２Ａの抵抗変化が微少であるため、上記感応素子部及び補償素子部をブリッジ回路に組み込み、直流又はパルスをこのブリッジ回路の両端に印加し、可燃性ガスに対するブリッジ回路の中点電圧の変化を、センサ出力として測定する。そして、ガス検出時には、上記感応素子部は４００℃程度の高温に加熱される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の接触燃焼式ガスセンサのような構造では、熱容量が大きいため、応答性及び測定精度が悪く実用的ではなかった。また、一般的に、接触燃焼式ガスセンサは４００℃程度の高温に加熱して駆動させる必要性があるため湿度に対する依存性が低く、湿度センサとして用いることは困難であると考えられていた。
【０００５】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、接触燃焼式ガスセンサの熱容量を改善すると共に、センサ出力の取得タイミングを最適化して、接触燃焼式ガスセンサをガス漏れ検出素子のみならず、湿度検出素子としても実用可能にした湿度検出装置を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の湿度検出装置は、図１及び図７に示すように、通電により加熱されて駆動する接触燃焼式ガスセンサ４０から得られるセンサ出力に基づいて湿度を検出する湿度検出装置であって、前記接触燃焼式ガスセンサ４０の通電後の前記センサ出力が安定するまでの立上り期間中の特定時点の前記センサ出力を利用して前記湿度を検出することを特徴とする。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０の通電後のセンサ出力が安定するまでの立上り期間中の特定時点のセンサ出力を利用して湿度を検出するようにしているので、従来湿度センサとしての利用は困難とされていた接触燃焼式ガスセンサ４０を用いつつ、正確に湿度が検出できるようになる。
【０００８】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の湿度検出装置は、図１及び図７に示すように、請求項１記載の湿度検出装置において、湿度検出のために、前記特定時点でセンサ出力を取得する湿度検出用センサ出力取得手段１１と、取得された前記センサ出力を湿度に換算する湿度換算手段１２と、換算された前記湿度を出力する湿度出力手段３０とを含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、湿度検出用センサ出力取得手段１１、湿度換算手段１２及び湿度出力手段３０を含む。このような構成において、湿度検出用センサ出力取得手段１１は、湿度検出のために、立上り期間中の特定時点で接触燃焼式ガスセンサ４０のセンサ出力を取得する。そして、湿度換算手段１２は取得されたセンサ出力を湿度に換算し、この換算された湿度は湿度出力手段３０から出力される。
【００１０】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の湿度検出装置は、図１及び図７に示すように、請求項２記載の湿度検出装置において、前記湿度換算手段１２は、前記立上り期間中の特定時点における前記センサ出力の温度特性も参照して、前記センサ出力を湿度に換算することを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、立上り期間中の特定時点におけるセンサ出力の温度特性も参照してセンサ出力を湿度に換算するようにしているので、更に正確な湿度検出が可能になる。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた請求項４記載の湿度検出装置は、図１、図２及び図７に示すように、請求項３記載の湿度検出装置において、所定インターバルで駆動パルスを間欠的に発生させるセンサ駆動制御手段１３を更に含み、前記湿度検出用センサ出力取得手段１１は、前記所定インターバルで発生する前記駆動パルスに同期しつつ、前記特定時点でセンサ出力を取得することを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明によれば、所定インターバルで発生する駆動パルスに同期しつつ、特定時点でセンサ出力を取得するようにしているので、所定インターバル毎に定期的に湿度データが得られ、より正確な湿度検出が可能になる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項５記載の湿度検出装置は、図１、図２及び図７に示すように、請求項４記載の湿度検出装置において、前記センサ駆動制御手段１３は、前記センサ出力が安定する定常状態までパルスＯＮ時間が継続するように前記駆動パルスを発生させ、ガス漏れ検出のために、前記定常状態で前記センサ出力を取得するガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４と、前記定常状態における前記ガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４の前記センサ出力に基づいてガス漏れ検出をして、ガス漏れ警報を行うよう制御するガス漏れ検出手段１５とを更に含み、ガス漏れ検出機能も有することを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４で記載したように立上り期間中の特定時点のセンサ出力を湿度検出用として利用し、更にセンサ出力が安定する定常状態でセンサ出力をガス漏れ検出用として利用するようにしているので、ひとつの接触燃焼式ガスセンサ４０を用いて駆動パルスの１周期で湿度検出及びガス漏れ検出ができるようになる。
【００１６】
上記課題を解決するためになされた請求項６記載の湿度検出装置は、図３に示すように、請求項１、２、３、４又は５記載の湿度検出装置において、前記接触燃焼式ガスセンサ４０は、シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更に前記シリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムＤｓが形成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０は、シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更にシリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムＤｓが形成されているので、熱容量を小さくできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態の基本構成及びその駆動波形について説明する。図１は、本発明の湿度検出装置の一実施形態の基本構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施形態に関わる駆動波形の例を示すタイムチャートである。
【００１９】
図１に示すように、コントローラ１０には、駆動電源２０、湿度出力手段３０、検出用のブリッジ回路を含む接触燃焼式ガスセンサ４０、及びガス漏れ警報手段５０接続されている。この湿度検出装置では、図２に示すような駆動パルスが供給されて接触燃焼式ガスセンサ４０が通電制御され、このセンサ４０のセンサ出力に基づいて湿度、更にはガス漏れが検出される。この原理については、図４〜図６を用いた説明で明らかになる。
【００２０】
上記コントローラ１０は、検出時点Ｔｖｓ１（図２参照）で取得されるセンサ出力から湿度を検出する機能を有する。また、検出時点Ｔｖｓ２（図２参照）で取得されるセンサ出力からガス漏れを検出する機能も有する。この原理については、図４及び図５を用いて後述する。このコントローラ１０は、湿度検出用センサ出力取得手段１１、湿度換算手段１２、センサ駆動制御手段１３、ガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４、及びガス漏れ検出手段１５を含む。コントローラ１０は、ハードウエアとして、演算部、記憶部及びタイマ部等を有し、上記各手段１１〜１５は、記憶部に格納される制御プログラムにしたがって演算部が行う後述する図７の処理動作に対応するものである。
【００２１】
上記湿度検出用センサ出力取得手段１１は、湿度検出のために、所定インターバル（例えば、３０秒）の駆動パルスに同期しつつ、特定時点（上記検出時点Ｔｖｓ１）でセンサ出力を取得する。湿度換算手段１２は、湿度検出用センサ出力取得手段１１で取得されたセンサ出力を湿度に換算する。また、湿度換算手段１２は、上記特定時点におけるセンサ出力の温度特性も参照してセンサ出力を湿度に換算するようにしてもよい。
センサ駆動制御手段１３は、接触燃焼式ガスセンサ４０に対して駆動電源２０を通電制御して図２で示したような駆動パルスを発生させ、接触燃焼式ガスセンサ４０を駆動させる。ガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４は、ガス漏れ検出のために、センサ出力が安定する定常状態（上記検出時点Ｔｖｓ２）でセンサ出力を取得する。
ガス漏れ検出手段１５は、上記定常状態におけるガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４のセンサ出力を受けて、これをガス基準値と比較することによってガス漏れ判定し、ガス漏れ警報手段５０を指令して音声や発光表示によりガス漏れを警報するように制御する。
【００２２】
上記駆動電源２０は、既成の電池等が用いられる。また湿度出力手段３０は、湿度換算手段１２で換算された湿度を出力する。この湿度出力手段３０は、例えば、湿度を数字で表示するＬＣＤ等の表示部３１から構成される。この表示部３１は、このようなＬＣＤの替わりにＬＥＤを用いて湿度を他段階表示、例えば、湿度０〜３０％を緑色、湿度３１〜５０％を黄色、湿度５１〜７０％を青色、そして湿度７１％以上を赤色に表示するようにしてもよい。また、湿度出力手段３０は、音声を使って湿度を出力するようにしてもよい。
【００２３】
上記接触燃焼式ガスセンサ４０は、通電により加熱されて駆動し、この通電を制御するために図２で示すような駆動パルスが供給される。図２で示すように、駆動波形は所定のインターバル（例えば、３０秒間隔）で間欠的に０．２秒間のＯＮ、２９．８秒間のＯＦＦを繰り返すパルス信号である。図２において、Ｔｏｎ及びＴｏｆｆはそれぞれ、ＯＮ時点及びＯＦＦ時点を示す。そして、ＯＮ時点Ｔｏｎから０．０２秒後及び０．１５秒後にそれぞれ、検出時点Ｔｖｓ１及びＴｖｓ２が設定されている。これら検出時点Ｔｖｓ１及びＴｖｓ２はそれぞれ、接触燃焼式ガスセンサ４０を用いて湿度検出及びガス漏れ検出する際にセンサ出力が取得されるタイミングである。これらのタイミングについては、再度後述する。このように、所定インターバルで発生する駆動パルスに同期しつつ、各検出時点Ｔｖｓ１及びＴｖｓ２でセンサ出力を取得することにより、所定インターバル毎に定期的に湿度データ及びガス漏れデータが得られ、信頼性が向上する。
【００２４】
また接触燃焼式ガスセンサ４０は、基本的に、感応素子部Ｒｓ及び補償素子部Ｒｒから構成されている。感応素子部Ｒｓは（白金）Ｐｔヒータ４２及びＰｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒層４３を含み、補償素子部ＲｒはＰｔヒータ４４及び（アルミナ）Ａｌ2Ｏ3触媒層４５を含む。上記Ｐｔヒータ４２、４４は、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２及び可変抵抗Ｒｖと共にブリッジ回路を構成している。そして、このブリッジ回路のＰｔヒータ４４及び固定抵抗Ｒ１の接続点、並びにＰｔヒータ４２及び固定抵抗Ｒ２の接続点には、上記コントローラ１０を介して駆動パルスが所定のインターバルで間欠的に供給される。また、Ｐｔヒータ４２及び４４の接続点、並びに可変抵抗Ｒｖからは、センサ出力としての電圧値がコントローラ１０に供給される。
【００２５】
この接触燃焼式ガスセンサ４０を使用するに際しては、まず、初期状態において、センサ出力を示す電圧値がゼロになるように上記可変抵抗Ｒｖを調整する。この状態において、ＣＯガス等が感応素子部Ｒｓに触れると触媒作用により、この素子の表面で酸化されて反応熱が生じる。この反応熱により、Ｐｔヒータ４２の抵抗値が上昇し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡が崩れ、コントローラ１０にセンサ出力が供給される。この場合、Ｐｔヒータ４４は周囲温度の変動によるＰｔヒータ４２の抵抗値の変動を相殺し、反応熱に起因するＰｔヒータ４２の抵抗値の変動成分のみを取り出せるように補償する。上記接触燃焼式ガスセンサ４０の構造については、図３を用いて後述する。
【００２６】
ガス漏れ警報手段５０は、ガス漏れ警報を音声や発光表示等により発する公知のスピーカやＬＥＤ及びそれらのドライバー回路で構成される。
【００２７】
次に、図３を用いて上記実施形態で用いられる接触燃焼式ガスセンサ４０の構造について説明する。図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ、この接触燃焼式ガスセンサ４０の平面図、背面図及びＡＡ線断面図である。
【００２８】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この接触燃焼式ガスセンサは、（シリコン）Ｓｉウエハ４１の上に、（酸化）ＳｉＯ2膜４８ｃ、（窒化）ＳｉＮ膜４８ｂ、及び（酸化ハフニウム）ＨｆＯ2膜４８ａからなる絶縁薄膜が生膜され、その上に、感応素子部Ｒｓとして（白金）Ｐｔヒータ４２及びＰｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒層４３、補償素子部Ｒｒとして（白金）Ｐｔヒータ４４及び（アルミナ）Ａｌ2Ｏ3触媒層４５が形成されている。また、図３（Ｃ）に示すように、異方性エッチングして凹部４６及び４７を形成して、それぞれ薄膜ダイヤフラムＤｓ及びＤｒを形成することにより熱容量を小さくしている。このような構成にすることにより、高速反応可能でかつ測定精度が向上した接触燃焼式ガスセンサが得られる。また、熱容量が小さくなるので、消費電力が低減される。
【００２９】
また、図４〜図６を用いて上記実施形態で用いられる接触燃焼式ガスセンサ４０の特性について説明する。図４は、接触燃焼式ガスセンサ４０の可燃性ガス特性、すなわち、パルスＯＮ時点からの経過時間に対する各可燃性ガスのセンサ出力特性を示すグラフである。図５は、接触燃焼式ガスセンサ４０の湿度特性、すなわち、パルスＯＮ時点からの経過時間に対する各湿度におけるセンサ出力特性を示すグラフである。図６は、接触燃焼式ガスセンサ４０の温度特性、すなわち、パルスＯＮ時点からの経過時間に対する各温度におけるセンサ出力特性を示すグラフである。なお、図４〜図６においては、横軸は、前述の図２に示したような駆動パルスを接触燃焼式ガスセンサ４０に供給した際のパルスＯＮ時点（図中、０時点）からの経過時間を示す。但し、これら図４〜図６においては、パルスＯＮの期間を０．２ｓ以上に設定してセンサ出力を採取している。
【００３０】
図４において、Ｓｖ１は（一酸化炭素）ＣＯガスのセンサ出力特性を示し、同様に、Ｓｖ２、Ｓｖ３及びＳｖ４はそれぞれ、（メタン）ＣＨ4ガス、（水素）Ｈ2ガス、（イソブタン）Ｃ4Ｈ10ガスのセンサ出力特性を示す。これらのガスはガス漏れ時に発生するものであり、ここでは、各ガスの濃度は共に３０００ｐｐｍにしてデータを採取した。この図４に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は、各ガスに対してそれぞれ特有のセンサ出力波形を有する。特に、４種類のガスに対するセンサ出力は、０時点（パルスＯＮ時点）から０．１ｓ経過するまでは特有の波形を描いて上昇するが、０．１ｓ以降は固有出力値の定常状態になることがわかる。このような特性を利用して、本接触燃焼式ガスセンサ４０はガス漏れ検出をすることができる。
【００３１】
また、図５に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は湿度特性も有する。図５において、ＲＨ３０は相対湿度３０％のセンサ出力特性を示し、同様に、ＲＨ５０及びＲＨ７０はそれぞれ、相対湿度５０％及び７０％のセンサ出力特性を示す。ここでは、常温（２５℃）における湿度データを採取した。この図５に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は、各湿度に対してそれぞれ特有のセンサ出力波形を有する。特に、センサ出力は、０時点（パルスＯＮ時点）から０．１ｓ経過するまでは各湿度特有の波形を描いて上昇し、０．１ｓ以降は各湿度共、同センサ出力値で定常状態になることがわかる。このように、０時点から０．１ｓ経過するまでの立上り期間中のセンサ出力の湿度特性を利用することにより、従来困難とされていた接触燃焼式ガスセンサ４０の湿度センサとしての利用が可能になる。また、本来ガス漏れ検出に用いられるべき接触燃焼式ガスセンサ４０を湿度検出素子として利用するので装置のコストダウンにも結びつく。
【００３２】
更に、図６に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は、０時点から０．１ｓ経過するまでの立上り期間中には、雰囲気温度の影響も受ける。図６は、ＴＥ３０は雰囲気温度３０℃のセンサ出力特性を示し、同様に、ＴＥ３５、ＴＥ４０、ＴＥ４５、ＴＥ５０、及びＴＥ５５はそれぞれ、雰囲気温度３５℃、４０℃、４５℃、５０℃、及び５５℃のセンサ出力特性の一例を示す。この図６に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は、立上り期間中には雰囲気温度の影響も受け、雰囲気温度が高いほど正出力は大きくなる。換言すれば、雰囲気温度が高いほど湿度に対する負出力は小さくなることがわかる。このように、立上り期間中のセンサ出力の温度特性を、図５の湿度特性と共に用いることにより、より正確な湿度検出が可能になる。更に、本接触燃焼式ガスセンサ４０を絶対温度センサとして駆動することも可能となる。
【００３３】
上述のような接触燃焼式ガスセンサ４０のセンサ出力特性を利用して、湿度検出及びガス漏れ検出を行う際に、上記コントローラ１０が行う処理動作について、図７を用いて説明する。
【００３４】
図７は、本発明の実施形態に関わる処理動作を示すフローチャートである。この実施形態では、図２で示したような駆動パルスを用いて、パルスＯＮ時点Ｔｏｎから０．０２秒後及び０．１５秒後をそれぞれ、湿度検出時点Ｔｖｓ１及びガス漏れ検出時点Ｔｖｓ２とし、３０秒間隔のインターバルで各センサ出力を取得することにより、ひとつの接触燃焼式ガスセンサを用いて、湿度及びガス漏れを検出するものである。
【００３５】
図７のステップＳ１においては、パルスＯＮするタイミング（Ｔｏｎ）が待機されている。すなわち、パルスＯＦＦ期間は上述のように２９．８秒間であるので、ここでは、前回の時点Ｔｏｆｆ（図２参照）から２９．８秒経過して、再びパルスＯＮするタイミングが待機されている（ステップＳ１のＮ）。そして、前回の時点Ｔｏｆｆから２９．８秒経過すると新たにパルスＯＮを指令を出すべくステップＳ２に移行する（ステップＳ１のＹ）。但し、スイッチＯＮ直後の検出開始時等には、この２９．８秒待機なしにステップＳ２に移行する。
ステップＳ２においては、時点Ｔｏｎ（図２参照）でパルスＯＮが指令される。そして、時点Ｔｏｎから０．０２秒経過して検出時点Ｔｖｓ１に到達すると（図２参照）センサ出力が取得される（ステップＳ３のＹ、ステップＳ４）。ここで検出時点Ｔｖｓ１を時点Ｔｏｎから０．０２秒後とした理由は、図５のグラフにおいて湿度特性が顕著であるためである。この検出時点Ｔｖｓ１は請求項１の立上り期間中の特定時点に相当する。また、上記ステップＳ３及びステップＳ４は、湿度検出用センサ出力取得手段に相当する。
【００３６】
次にステップＳ５においては、ステップＳ４で取得されたセンサ出力が湿度換算される。例えば、コントローラ１０の記憶部に図５で示したような湿度特性に基づき、検出時点Ｔｖｓ１に対応するセンサ出力−湿度テーブルを格納しておき、このテーブルを参照してステップＳ４で取得されたセンサ出力を湿度に換算する。更に、図６で示したような温度特性に基づき、図５の湿度特性を温度補正したセンサ出力−湿度テーブルを格納しておき、このテーブルを参照してステップＳ４で取得されたセンサ出力を湿度に換算するようにしてもよい。このステップＳ５は湿度換算手段に相当する。
【００３７】
更にステップＳ６においては、湿度換算手段１２で換算された湿度が湿度出力手段３０から出力される。この湿度出力は、上述したようにＬＣＤによる数値表示、ＬＥＤによる他段階表示、又は音声等によるものである。このステップＳ６は湿度出力手段に相当する。
【００３８】
そして、時点Ｔｏｎから０．１５秒経過して検出時点Ｔｖｓ２に到達すると（図２参照）再度センサ出力が取得される（ステップＳ７のＹ、ステップＳ８）。ここで検出時点Ｔｖｓ２を時点Ｔｏｎから０．１５秒後とした理由は、図４のグラフにおいて可燃性ガス特性が安定的に出力されているためである。この検出時点Ｔｖｓ２は請求項５の定常状態の一例に相当する。この検出時点Ｔｖｓ２は、図４で示す経過時間０．１ｓ以後であれば、本発明の主旨からして必ずしも０．１５秒後でなくてもよい。上記ステップＳ７及びステップＳ８はガス漏れ検出用センサ出力取得手段に相当する。
【００３９】
次に、ステップＳ９において、ガス漏れ検出処理が行われる。ここでは、ステップＳ８において取得された接触燃焼式ガスセンサ４０のセンサ出力を受けて、これを予めコントローラ１０の記憶部に格納されたガス漏れと判断するためのガス漏れ基準値と比較することによってガス漏れ判定する。そして、ガス漏れと判定すると、ガス漏れ警報手段５０を指令して音声や発光表示によりガス漏れを警報するように制御する。なお、より正確なガス漏れ判定をするため、一旦、検出時点Ｔｖｓ２でガス漏れと判定すると、その後は図２で示した駆動パルスのＯＮ期間を（０．２秒間でパルスＯＦＦすることなく）継続させることにより、複数回ガス漏れ判定をするようにしてもよい。このステップＳ９はガス漏れ検出手段に相当する。
【００４０】
更に、時点Ｔｏｎから０．２秒経過してパルスＯＦＦ時点Ｔｏｆｆに到達すると（図２参照）パルスＯＦＦされる（ステップＳ１０のＹ、ステップＳ１１）。そして、次のインターバルでの湿度検出及びガス漏れ検出を行うべく、ステップＳ１に戻る。なお、上記ステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ１０及びステップＳ１１はセンサ駆動制御手段に相当する。
【００４１】
以上のように本実施形態によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０の通電後のセンサ出力が安定するまでの立上り期間中の特定時点のセンサ出力を利用して湿度を検出するようにしているので、従来湿度センサとしての利用は困難とされていた接触燃焼式ガスセンサ４０を用いつつ、正確に湿度が検出できるようになる。この結果、接触燃焼式ガスセンサ４０の持つ量産の容易性やコスト面等のメリットを享受しつつ、正確に湿度が検出できる湿度検出装置が得られるようになる。また、本来ガス漏れ検出に用いられるべき接触燃焼式ガスセンサ４０を湿度検出素子として利用するので装置のコストダウンにも結びつく。このような接触燃焼式ガスセンサ４０の湿度応答性は、室内環境の清浄度測定等の雰囲気モニタとしても利用可能である。
更に、立上り期間中の特定時点（Ｔｖｓ１）のセンサ出力を湿度検出用として利用し、更にセンサ出力が安定する定常状態（Ｔｖｓ２）でセンサ出力をガス漏れ検出用として利用するようにしているので、ひとつの接触燃焼式ガスセンサ４０を用いて駆動パルスの１周期で湿度検出及びガス漏れ検出ができるようになる。この結果、コスト高を抑えた小型で精度のよい湿度検出装置が得られるようになる。また更に、図７で示したような処理動作を行わせることにより、現実的な湿度検出装置が得られるようになる。
【００４２】
なお、図３で示した感応素子部Ｒｓ及び補償素子部Ｒｒと同一基板上に温度センサも実装して、この温度センサのセンサ出力も利用することにより、装置に１枚のセンサ基板を搭載するだけで、相対湿度及びガス漏れ検出の他、絶対湿度検出も可能になる。
【００４３】
またなお、本発明は、上記湿度検出時点及びガス漏れ検出時点をそれぞれ、通電０．０２秒後及び０．１５秒後に限定するものではなく、それらは立上り及び定常状態の期間であれば、他の時点であってもよい。また、駆動パルスのインターバル、デューティ等も適宜変更可能である。本発明は、その要旨を変更しない範囲で、実施形態で採用した数値を適宜変更することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０の通電後のセンサ出力が安定するまでの立上り期間中の特定時点のセンサ出力を利用して湿度を検出するようにしているので、従来湿度センサとしての利用は困難とされていた接触燃焼式ガスセンサ４０を用いつつ、正確に湿度が検出できるようになる。この結果、接触燃焼式ガスセンサ４０の持つ量産の容易性やコスト面等のメリットを享受しつつ、正確に湿度が検出できる湿度検出装置が得られるようになる。また、本来ガス漏れ検出に用いられるべき接触燃焼式ガスセンサ４０を湿度検出素子として利用するので装置のコストダウンにも結びつく。
【００４５】
請求項２記載の発明によれば、湿度検出用センサ出力取得手段１１、湿度換算手段１２及び湿度出力手段３０により、接触燃焼式ガスセンサ４０を利用した現実的な湿度検出装置が得られるようになる。
【００４６】
請求項３記載の発明によれば、立上り期間中の特定時点におけるセンサ出力の温度特性も参照してセンサ出力を湿度に換算するようにしているので、更に正確な湿度検出が可能になる。
【００４７】
請求項４記載の発明によれば、所定インターバルで発生する駆動パルスに同期しつつ、特定時点でセンサ出力を取得するようにしているので、所定インターバル毎に定期的に湿度データが得られ、より正確な湿度検出が可能になる。
【００４８】
請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４で記載したように立上り期間中の特定時点のセンサ出力を湿度検出用として利用し、更にセンサ出力が安定する定常状態でセンサ出力をガス漏れ検出用として利用するようにしているので、ひとつの接触燃焼式ガスセンサ４０を用いて駆動パルスの１周期で湿度検出及びガス漏れ検出ができるようになる。この結果、請求項５記載の発明によれば、コスト高を抑えた小型で精度のよい湿度検出装置が得られるようになる。
【００４９】
請求項６記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０は、シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更にシリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムＤｓが形成されているので、熱容量を小さくできる。この結果、消費電力が低減され、かつ湿度変化やガス濃度変化に対して高速に応答し、更に測定精度が向上するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の湿度検出装置の一実施形態の基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のの実施形態に関わる駆動波形の例を示すタイムチャートである。
【図３】図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ、本発明の一実施形態に関わる接触燃焼式ガスセンサの平面図、背面図及びＡＡ線断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に関わる接触燃焼式ガスセンサの可燃性ガス特性を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に関わる接触燃焼式ガスセンサの湿度特性を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に関わる接触燃焼式ガスセンサの温度特性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に関わる処理動作を示すフローチャートである。
【図８】図８（Ａ）及び図８（Ｂ）はそれぞれ、従来の接触燃焼式ガスセンサの感応素子部及び補償素子部の概観図である。
【符号の説明】
１０ コントローラ
２０ 駆動電源
３０ 湿度出力手段
４０ 接触燃焼式ガスセンサ
４２、４４ Ｐｔヒータ
４３ Ｐｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒層
４５ Ａｌ2Ｏ3触媒層
５０ ガス漏れ警報手段
Ｒｓ 感応素子部
Ｒｒ 補償素子部
【発明の属する技術分野】
本発明は、湿度を検出する湿度検出装置に関し、特に、接触燃焼式ガスセンサを用いて湿度を検出する湿度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガスセンサを湿度センサとして用いるアイディアが、特開２０００−２６６７１４号公報等で提案されている。一方、ガス漏れ検出素子として、量産の容易性やコスト面等の観点から、接触燃焼式ガスセンサが多用されている。そこで、この接触燃焼式ガスセンサをガスセンサのみならず、湿度センサとして用いることも考えられるが、一般的に、接触燃焼式ガスセンサは４００℃程度の高温に加熱して駆動させる必要性があるため湿度に対する依存性が低く、接触燃焼式ガスセンサは湿度センサとして用いることは困難であると考えられていた。図８に、この種の従来の接触燃焼式ガスセンサの一例を示す。
【０００３】
図８は、従来の接触燃焼式ガスセンサの概観図である。特に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）はそれぞれ、感応素子部及び補償素子部の概観図である。
この種の接触燃焼式ガスセンサは、可燃性ガスと空気中の酸素を触媒上で燃焼させることで得られる燃焼熱を白金コイルの抵抗変化としてとらえるようにしている。図８（Ａ）に示すように、感応素子部は、２０ｕｍφの（白金）Ｐｔコイル４２Ａに直径約１ｍｍの球状になるように、Ｐｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒層４３Ａが塗布されている。また、図８（Ｂ）に示すように、補償素子部は、同様のＰｔコイル４４Ａに直径約１ｍｍの球状になるように、Ａｌ2Ｏ3触媒層４５Ａが塗布されている。そして、実用的には、可燃性ガスに対するＰｔコイル４２Ａの抵抗変化が微少であるため、上記感応素子部及び補償素子部をブリッジ回路に組み込み、直流又はパルスをこのブリッジ回路の両端に印加し、可燃性ガスに対するブリッジ回路の中点電圧の変化を、センサ出力として測定する。そして、ガス検出時には、上記感応素子部は４００℃程度の高温に加熱される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の接触燃焼式ガスセンサのような構造では、熱容量が大きいため、応答性及び測定精度が悪く実用的ではなかった。また、一般的に、接触燃焼式ガスセンサは４００℃程度の高温に加熱して駆動させる必要性があるため湿度に対する依存性が低く、湿度センサとして用いることは困難であると考えられていた。
【０００５】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、接触燃焼式ガスセンサの熱容量を改善すると共に、センサ出力の取得タイミングを最適化して、接触燃焼式ガスセンサをガス漏れ検出素子のみならず、湿度検出素子としても実用可能にした湿度検出装置を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の湿度検出装置は、図１及び図７に示すように、通電により加熱されて駆動する接触燃焼式ガスセンサ４０から得られるセンサ出力に基づいて湿度を検出する湿度検出装置であって、前記接触燃焼式ガスセンサ４０の通電後の前記センサ出力が安定するまでの立上り期間中の特定時点の前記センサ出力を利用して前記湿度を検出することを特徴とする。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０の通電後のセンサ出力が安定するまでの立上り期間中の特定時点のセンサ出力を利用して湿度を検出するようにしているので、従来湿度センサとしての利用は困難とされていた接触燃焼式ガスセンサ４０を用いつつ、正確に湿度が検出できるようになる。
【０００８】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の湿度検出装置は、図１及び図７に示すように、請求項１記載の湿度検出装置において、湿度検出のために、前記特定時点でセンサ出力を取得する湿度検出用センサ出力取得手段１１と、取得された前記センサ出力を湿度に換算する湿度換算手段１２と、換算された前記湿度を出力する湿度出力手段３０とを含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、湿度検出用センサ出力取得手段１１、湿度換算手段１２及び湿度出力手段３０を含む。このような構成において、湿度検出用センサ出力取得手段１１は、湿度検出のために、立上り期間中の特定時点で接触燃焼式ガスセンサ４０のセンサ出力を取得する。そして、湿度換算手段１２は取得されたセンサ出力を湿度に換算し、この換算された湿度は湿度出力手段３０から出力される。
【００１０】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の湿度検出装置は、図１及び図７に示すように、請求項２記載の湿度検出装置において、前記湿度換算手段１２は、前記立上り期間中の特定時点における前記センサ出力の温度特性も参照して、前記センサ出力を湿度に換算することを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、立上り期間中の特定時点におけるセンサ出力の温度特性も参照してセンサ出力を湿度に換算するようにしているので、更に正確な湿度検出が可能になる。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた請求項４記載の湿度検出装置は、図１、図２及び図７に示すように、請求項３記載の湿度検出装置において、所定インターバルで駆動パルスを間欠的に発生させるセンサ駆動制御手段１３を更に含み、前記湿度検出用センサ出力取得手段１１は、前記所定インターバルで発生する前記駆動パルスに同期しつつ、前記特定時点でセンサ出力を取得することを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明によれば、所定インターバルで発生する駆動パルスに同期しつつ、特定時点でセンサ出力を取得するようにしているので、所定インターバル毎に定期的に湿度データが得られ、より正確な湿度検出が可能になる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項５記載の湿度検出装置は、図１、図２及び図７に示すように、請求項４記載の湿度検出装置において、前記センサ駆動制御手段１３は、前記センサ出力が安定する定常状態までパルスＯＮ時間が継続するように前記駆動パルスを発生させ、ガス漏れ検出のために、前記定常状態で前記センサ出力を取得するガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４と、前記定常状態における前記ガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４の前記センサ出力に基づいてガス漏れ検出をして、ガス漏れ警報を行うよう制御するガス漏れ検出手段１５とを更に含み、ガス漏れ検出機能も有することを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４で記載したように立上り期間中の特定時点のセンサ出力を湿度検出用として利用し、更にセンサ出力が安定する定常状態でセンサ出力をガス漏れ検出用として利用するようにしているので、ひとつの接触燃焼式ガスセンサ４０を用いて駆動パルスの１周期で湿度検出及びガス漏れ検出ができるようになる。
【００１６】
上記課題を解決するためになされた請求項６記載の湿度検出装置は、図３に示すように、請求項１、２、３、４又は５記載の湿度検出装置において、前記接触燃焼式ガスセンサ４０は、シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更に前記シリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムＤｓが形成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０は、シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更にシリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムＤｓが形成されているので、熱容量を小さくできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態の基本構成及びその駆動波形について説明する。図１は、本発明の湿度検出装置の一実施形態の基本構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施形態に関わる駆動波形の例を示すタイムチャートである。
【００１９】
図１に示すように、コントローラ１０には、駆動電源２０、湿度出力手段３０、検出用のブリッジ回路を含む接触燃焼式ガスセンサ４０、及びガス漏れ警報手段５０接続されている。この湿度検出装置では、図２に示すような駆動パルスが供給されて接触燃焼式ガスセンサ４０が通電制御され、このセンサ４０のセンサ出力に基づいて湿度、更にはガス漏れが検出される。この原理については、図４〜図６を用いた説明で明らかになる。
【００２０】
上記コントローラ１０は、検出時点Ｔｖｓ１（図２参照）で取得されるセンサ出力から湿度を検出する機能を有する。また、検出時点Ｔｖｓ２（図２参照）で取得されるセンサ出力からガス漏れを検出する機能も有する。この原理については、図４及び図５を用いて後述する。このコントローラ１０は、湿度検出用センサ出力取得手段１１、湿度換算手段１２、センサ駆動制御手段１３、ガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４、及びガス漏れ検出手段１５を含む。コントローラ１０は、ハードウエアとして、演算部、記憶部及びタイマ部等を有し、上記各手段１１〜１５は、記憶部に格納される制御プログラムにしたがって演算部が行う後述する図７の処理動作に対応するものである。
【００２１】
上記湿度検出用センサ出力取得手段１１は、湿度検出のために、所定インターバル（例えば、３０秒）の駆動パルスに同期しつつ、特定時点（上記検出時点Ｔｖｓ１）でセンサ出力を取得する。湿度換算手段１２は、湿度検出用センサ出力取得手段１１で取得されたセンサ出力を湿度に換算する。また、湿度換算手段１２は、上記特定時点におけるセンサ出力の温度特性も参照してセンサ出力を湿度に換算するようにしてもよい。
センサ駆動制御手段１３は、接触燃焼式ガスセンサ４０に対して駆動電源２０を通電制御して図２で示したような駆動パルスを発生させ、接触燃焼式ガスセンサ４０を駆動させる。ガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４は、ガス漏れ検出のために、センサ出力が安定する定常状態（上記検出時点Ｔｖｓ２）でセンサ出力を取得する。
ガス漏れ検出手段１５は、上記定常状態におけるガス漏れ検出用センサ出力取得手段１４のセンサ出力を受けて、これをガス基準値と比較することによってガス漏れ判定し、ガス漏れ警報手段５０を指令して音声や発光表示によりガス漏れを警報するように制御する。
【００２２】
上記駆動電源２０は、既成の電池等が用いられる。また湿度出力手段３０は、湿度換算手段１２で換算された湿度を出力する。この湿度出力手段３０は、例えば、湿度を数字で表示するＬＣＤ等の表示部３１から構成される。この表示部３１は、このようなＬＣＤの替わりにＬＥＤを用いて湿度を他段階表示、例えば、湿度０〜３０％を緑色、湿度３１〜５０％を黄色、湿度５１〜７０％を青色、そして湿度７１％以上を赤色に表示するようにしてもよい。また、湿度出力手段３０は、音声を使って湿度を出力するようにしてもよい。
【００２３】
上記接触燃焼式ガスセンサ４０は、通電により加熱されて駆動し、この通電を制御するために図２で示すような駆動パルスが供給される。図２で示すように、駆動波形は所定のインターバル（例えば、３０秒間隔）で間欠的に０．２秒間のＯＮ、２９．８秒間のＯＦＦを繰り返すパルス信号である。図２において、Ｔｏｎ及びＴｏｆｆはそれぞれ、ＯＮ時点及びＯＦＦ時点を示す。そして、ＯＮ時点Ｔｏｎから０．０２秒後及び０．１５秒後にそれぞれ、検出時点Ｔｖｓ１及びＴｖｓ２が設定されている。これら検出時点Ｔｖｓ１及びＴｖｓ２はそれぞれ、接触燃焼式ガスセンサ４０を用いて湿度検出及びガス漏れ検出する際にセンサ出力が取得されるタイミングである。これらのタイミングについては、再度後述する。このように、所定インターバルで発生する駆動パルスに同期しつつ、各検出時点Ｔｖｓ１及びＴｖｓ２でセンサ出力を取得することにより、所定インターバル毎に定期的に湿度データ及びガス漏れデータが得られ、信頼性が向上する。
【００２４】
また接触燃焼式ガスセンサ４０は、基本的に、感応素子部Ｒｓ及び補償素子部Ｒｒから構成されている。感応素子部Ｒｓは（白金）Ｐｔヒータ４２及びＰｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒層４３を含み、補償素子部ＲｒはＰｔヒータ４４及び（アルミナ）Ａｌ2Ｏ3触媒層４５を含む。上記Ｐｔヒータ４２、４４は、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２及び可変抵抗Ｒｖと共にブリッジ回路を構成している。そして、このブリッジ回路のＰｔヒータ４４及び固定抵抗Ｒ１の接続点、並びにＰｔヒータ４２及び固定抵抗Ｒ２の接続点には、上記コントローラ１０を介して駆動パルスが所定のインターバルで間欠的に供給される。また、Ｐｔヒータ４２及び４４の接続点、並びに可変抵抗Ｒｖからは、センサ出力としての電圧値がコントローラ１０に供給される。
【００２５】
この接触燃焼式ガスセンサ４０を使用するに際しては、まず、初期状態において、センサ出力を示す電圧値がゼロになるように上記可変抵抗Ｒｖを調整する。この状態において、ＣＯガス等が感応素子部Ｒｓに触れると触媒作用により、この素子の表面で酸化されて反応熱が生じる。この反応熱により、Ｐｔヒータ４２の抵抗値が上昇し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡が崩れ、コントローラ１０にセンサ出力が供給される。この場合、Ｐｔヒータ４４は周囲温度の変動によるＰｔヒータ４２の抵抗値の変動を相殺し、反応熱に起因するＰｔヒータ４２の抵抗値の変動成分のみを取り出せるように補償する。上記接触燃焼式ガスセンサ４０の構造については、図３を用いて後述する。
【００２６】
ガス漏れ警報手段５０は、ガス漏れ警報を音声や発光表示等により発する公知のスピーカやＬＥＤ及びそれらのドライバー回路で構成される。
【００２７】
次に、図３を用いて上記実施形態で用いられる接触燃焼式ガスセンサ４０の構造について説明する。図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ、この接触燃焼式ガスセンサ４０の平面図、背面図及びＡＡ線断面図である。
【００２８】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この接触燃焼式ガスセンサは、（シリコン）Ｓｉウエハ４１の上に、（酸化）ＳｉＯ2膜４８ｃ、（窒化）ＳｉＮ膜４８ｂ、及び（酸化ハフニウム）ＨｆＯ2膜４８ａからなる絶縁薄膜が生膜され、その上に、感応素子部Ｒｓとして（白金）Ｐｔヒータ４２及びＰｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒層４３、補償素子部Ｒｒとして（白金）Ｐｔヒータ４４及び（アルミナ）Ａｌ2Ｏ3触媒層４５が形成されている。また、図３（Ｃ）に示すように、異方性エッチングして凹部４６及び４７を形成して、それぞれ薄膜ダイヤフラムＤｓ及びＤｒを形成することにより熱容量を小さくしている。このような構成にすることにより、高速反応可能でかつ測定精度が向上した接触燃焼式ガスセンサが得られる。また、熱容量が小さくなるので、消費電力が低減される。
【００２９】
また、図４〜図６を用いて上記実施形態で用いられる接触燃焼式ガスセンサ４０の特性について説明する。図４は、接触燃焼式ガスセンサ４０の可燃性ガス特性、すなわち、パルスＯＮ時点からの経過時間に対する各可燃性ガスのセンサ出力特性を示すグラフである。図５は、接触燃焼式ガスセンサ４０の湿度特性、すなわち、パルスＯＮ時点からの経過時間に対する各湿度におけるセンサ出力特性を示すグラフである。図６は、接触燃焼式ガスセンサ４０の温度特性、すなわち、パルスＯＮ時点からの経過時間に対する各温度におけるセンサ出力特性を示すグラフである。なお、図４〜図６においては、横軸は、前述の図２に示したような駆動パルスを接触燃焼式ガスセンサ４０に供給した際のパルスＯＮ時点（図中、０時点）からの経過時間を示す。但し、これら図４〜図６においては、パルスＯＮの期間を０．２ｓ以上に設定してセンサ出力を採取している。
【００３０】
図４において、Ｓｖ１は（一酸化炭素）ＣＯガスのセンサ出力特性を示し、同様に、Ｓｖ２、Ｓｖ３及びＳｖ４はそれぞれ、（メタン）ＣＨ4ガス、（水素）Ｈ2ガス、（イソブタン）Ｃ4Ｈ10ガスのセンサ出力特性を示す。これらのガスはガス漏れ時に発生するものであり、ここでは、各ガスの濃度は共に３０００ｐｐｍにしてデータを採取した。この図４に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は、各ガスに対してそれぞれ特有のセンサ出力波形を有する。特に、４種類のガスに対するセンサ出力は、０時点（パルスＯＮ時点）から０．１ｓ経過するまでは特有の波形を描いて上昇するが、０．１ｓ以降は固有出力値の定常状態になることがわかる。このような特性を利用して、本接触燃焼式ガスセンサ４０はガス漏れ検出をすることができる。
【００３１】
また、図５に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は湿度特性も有する。図５において、ＲＨ３０は相対湿度３０％のセンサ出力特性を示し、同様に、ＲＨ５０及びＲＨ７０はそれぞれ、相対湿度５０％及び７０％のセンサ出力特性を示す。ここでは、常温（２５℃）における湿度データを採取した。この図５に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は、各湿度に対してそれぞれ特有のセンサ出力波形を有する。特に、センサ出力は、０時点（パルスＯＮ時点）から０．１ｓ経過するまでは各湿度特有の波形を描いて上昇し、０．１ｓ以降は各湿度共、同センサ出力値で定常状態になることがわかる。このように、０時点から０．１ｓ経過するまでの立上り期間中のセンサ出力の湿度特性を利用することにより、従来困難とされていた接触燃焼式ガスセンサ４０の湿度センサとしての利用が可能になる。また、本来ガス漏れ検出に用いられるべき接触燃焼式ガスセンサ４０を湿度検出素子として利用するので装置のコストダウンにも結びつく。
【００３２】
更に、図６に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は、０時点から０．１ｓ経過するまでの立上り期間中には、雰囲気温度の影響も受ける。図６は、ＴＥ３０は雰囲気温度３０℃のセンサ出力特性を示し、同様に、ＴＥ３５、ＴＥ４０、ＴＥ４５、ＴＥ５０、及びＴＥ５５はそれぞれ、雰囲気温度３５℃、４０℃、４５℃、５０℃、及び５５℃のセンサ出力特性の一例を示す。この図６に示すように、本接触燃焼式ガスセンサ４０は、立上り期間中には雰囲気温度の影響も受け、雰囲気温度が高いほど正出力は大きくなる。換言すれば、雰囲気温度が高いほど湿度に対する負出力は小さくなることがわかる。このように、立上り期間中のセンサ出力の温度特性を、図５の湿度特性と共に用いることにより、より正確な湿度検出が可能になる。更に、本接触燃焼式ガスセンサ４０を絶対温度センサとして駆動することも可能となる。
【００３３】
上述のような接触燃焼式ガスセンサ４０のセンサ出力特性を利用して、湿度検出及びガス漏れ検出を行う際に、上記コントローラ１０が行う処理動作について、図７を用いて説明する。
【００３４】
図７は、本発明の実施形態に関わる処理動作を示すフローチャートである。この実施形態では、図２で示したような駆動パルスを用いて、パルスＯＮ時点Ｔｏｎから０．０２秒後及び０．１５秒後をそれぞれ、湿度検出時点Ｔｖｓ１及びガス漏れ検出時点Ｔｖｓ２とし、３０秒間隔のインターバルで各センサ出力を取得することにより、ひとつの接触燃焼式ガスセンサを用いて、湿度及びガス漏れを検出するものである。
【００３５】
図７のステップＳ１においては、パルスＯＮするタイミング（Ｔｏｎ）が待機されている。すなわち、パルスＯＦＦ期間は上述のように２９．８秒間であるので、ここでは、前回の時点Ｔｏｆｆ（図２参照）から２９．８秒経過して、再びパルスＯＮするタイミングが待機されている（ステップＳ１のＮ）。そして、前回の時点Ｔｏｆｆから２９．８秒経過すると新たにパルスＯＮを指令を出すべくステップＳ２に移行する（ステップＳ１のＹ）。但し、スイッチＯＮ直後の検出開始時等には、この２９．８秒待機なしにステップＳ２に移行する。
ステップＳ２においては、時点Ｔｏｎ（図２参照）でパルスＯＮが指令される。そして、時点Ｔｏｎから０．０２秒経過して検出時点Ｔｖｓ１に到達すると（図２参照）センサ出力が取得される（ステップＳ３のＹ、ステップＳ４）。ここで検出時点Ｔｖｓ１を時点Ｔｏｎから０．０２秒後とした理由は、図５のグラフにおいて湿度特性が顕著であるためである。この検出時点Ｔｖｓ１は請求項１の立上り期間中の特定時点に相当する。また、上記ステップＳ３及びステップＳ４は、湿度検出用センサ出力取得手段に相当する。
【００３６】
次にステップＳ５においては、ステップＳ４で取得されたセンサ出力が湿度換算される。例えば、コントローラ１０の記憶部に図５で示したような湿度特性に基づき、検出時点Ｔｖｓ１に対応するセンサ出力−湿度テーブルを格納しておき、このテーブルを参照してステップＳ４で取得されたセンサ出力を湿度に換算する。更に、図６で示したような温度特性に基づき、図５の湿度特性を温度補正したセンサ出力−湿度テーブルを格納しておき、このテーブルを参照してステップＳ４で取得されたセンサ出力を湿度に換算するようにしてもよい。このステップＳ５は湿度換算手段に相当する。
【００３７】
更にステップＳ６においては、湿度換算手段１２で換算された湿度が湿度出力手段３０から出力される。この湿度出力は、上述したようにＬＣＤによる数値表示、ＬＥＤによる他段階表示、又は音声等によるものである。このステップＳ６は湿度出力手段に相当する。
【００３８】
そして、時点Ｔｏｎから０．１５秒経過して検出時点Ｔｖｓ２に到達すると（図２参照）再度センサ出力が取得される（ステップＳ７のＹ、ステップＳ８）。ここで検出時点Ｔｖｓ２を時点Ｔｏｎから０．１５秒後とした理由は、図４のグラフにおいて可燃性ガス特性が安定的に出力されているためである。この検出時点Ｔｖｓ２は請求項５の定常状態の一例に相当する。この検出時点Ｔｖｓ２は、図４で示す経過時間０．１ｓ以後であれば、本発明の主旨からして必ずしも０．１５秒後でなくてもよい。上記ステップＳ７及びステップＳ８はガス漏れ検出用センサ出力取得手段に相当する。
【００３９】
次に、ステップＳ９において、ガス漏れ検出処理が行われる。ここでは、ステップＳ８において取得された接触燃焼式ガスセンサ４０のセンサ出力を受けて、これを予めコントローラ１０の記憶部に格納されたガス漏れと判断するためのガス漏れ基準値と比較することによってガス漏れ判定する。そして、ガス漏れと判定すると、ガス漏れ警報手段５０を指令して音声や発光表示によりガス漏れを警報するように制御する。なお、より正確なガス漏れ判定をするため、一旦、検出時点Ｔｖｓ２でガス漏れと判定すると、その後は図２で示した駆動パルスのＯＮ期間を（０．２秒間でパルスＯＦＦすることなく）継続させることにより、複数回ガス漏れ判定をするようにしてもよい。このステップＳ９はガス漏れ検出手段に相当する。
【００４０】
更に、時点Ｔｏｎから０．２秒経過してパルスＯＦＦ時点Ｔｏｆｆに到達すると（図２参照）パルスＯＦＦされる（ステップＳ１０のＹ、ステップＳ１１）。そして、次のインターバルでの湿度検出及びガス漏れ検出を行うべく、ステップＳ１に戻る。なお、上記ステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ１０及びステップＳ１１はセンサ駆動制御手段に相当する。
【００４１】
以上のように本実施形態によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０の通電後のセンサ出力が安定するまでの立上り期間中の特定時点のセンサ出力を利用して湿度を検出するようにしているので、従来湿度センサとしての利用は困難とされていた接触燃焼式ガスセンサ４０を用いつつ、正確に湿度が検出できるようになる。この結果、接触燃焼式ガスセンサ４０の持つ量産の容易性やコスト面等のメリットを享受しつつ、正確に湿度が検出できる湿度検出装置が得られるようになる。また、本来ガス漏れ検出に用いられるべき接触燃焼式ガスセンサ４０を湿度検出素子として利用するので装置のコストダウンにも結びつく。このような接触燃焼式ガスセンサ４０の湿度応答性は、室内環境の清浄度測定等の雰囲気モニタとしても利用可能である。
更に、立上り期間中の特定時点（Ｔｖｓ１）のセンサ出力を湿度検出用として利用し、更にセンサ出力が安定する定常状態（Ｔｖｓ２）でセンサ出力をガス漏れ検出用として利用するようにしているので、ひとつの接触燃焼式ガスセンサ４０を用いて駆動パルスの１周期で湿度検出及びガス漏れ検出ができるようになる。この結果、コスト高を抑えた小型で精度のよい湿度検出装置が得られるようになる。また更に、図７で示したような処理動作を行わせることにより、現実的な湿度検出装置が得られるようになる。
【００４２】
なお、図３で示した感応素子部Ｒｓ及び補償素子部Ｒｒと同一基板上に温度センサも実装して、この温度センサのセンサ出力も利用することにより、装置に１枚のセンサ基板を搭載するだけで、相対湿度及びガス漏れ検出の他、絶対湿度検出も可能になる。
【００４３】
またなお、本発明は、上記湿度検出時点及びガス漏れ検出時点をそれぞれ、通電０．０２秒後及び０．１５秒後に限定するものではなく、それらは立上り及び定常状態の期間であれば、他の時点であってもよい。また、駆動パルスのインターバル、デューティ等も適宜変更可能である。本発明は、その要旨を変更しない範囲で、実施形態で採用した数値を適宜変更することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０の通電後のセンサ出力が安定するまでの立上り期間中の特定時点のセンサ出力を利用して湿度を検出するようにしているので、従来湿度センサとしての利用は困難とされていた接触燃焼式ガスセンサ４０を用いつつ、正確に湿度が検出できるようになる。この結果、接触燃焼式ガスセンサ４０の持つ量産の容易性やコスト面等のメリットを享受しつつ、正確に湿度が検出できる湿度検出装置が得られるようになる。また、本来ガス漏れ検出に用いられるべき接触燃焼式ガスセンサ４０を湿度検出素子として利用するので装置のコストダウンにも結びつく。
【００４５】
請求項２記載の発明によれば、湿度検出用センサ出力取得手段１１、湿度換算手段１２及び湿度出力手段３０により、接触燃焼式ガスセンサ４０を利用した現実的な湿度検出装置が得られるようになる。
【００４６】
請求項３記載の発明によれば、立上り期間中の特定時点におけるセンサ出力の温度特性も参照してセンサ出力を湿度に換算するようにしているので、更に正確な湿度検出が可能になる。
【００４７】
請求項４記載の発明によれば、所定インターバルで発生する駆動パルスに同期しつつ、特定時点でセンサ出力を取得するようにしているので、所定インターバル毎に定期的に湿度データが得られ、より正確な湿度検出が可能になる。
【００４８】
請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４で記載したように立上り期間中の特定時点のセンサ出力を湿度検出用として利用し、更にセンサ出力が安定する定常状態でセンサ出力をガス漏れ検出用として利用するようにしているので、ひとつの接触燃焼式ガスセンサ４０を用いて駆動パルスの１周期で湿度検出及びガス漏れ検出ができるようになる。この結果、請求項５記載の発明によれば、コスト高を抑えた小型で精度のよい湿度検出装置が得られるようになる。
【００４９】
請求項６記載の発明によれば、接触燃焼式ガスセンサ４０は、シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更にシリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムＤｓが形成されているので、熱容量を小さくできる。この結果、消費電力が低減され、かつ湿度変化やガス濃度変化に対して高速に応答し、更に測定精度が向上するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の湿度検出装置の一実施形態の基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のの実施形態に関わる駆動波形の例を示すタイムチャートである。
【図３】図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ、本発明の一実施形態に関わる接触燃焼式ガスセンサの平面図、背面図及びＡＡ線断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に関わる接触燃焼式ガスセンサの可燃性ガス特性を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に関わる接触燃焼式ガスセンサの湿度特性を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に関わる接触燃焼式ガスセンサの温度特性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に関わる処理動作を示すフローチャートである。
【図８】図８（Ａ）及び図８（Ｂ）はそれぞれ、従来の接触燃焼式ガスセンサの感応素子部及び補償素子部の概観図である。
【符号の説明】
１０ コントローラ
２０ 駆動電源
３０ 湿度出力手段
４０ 接触燃焼式ガスセンサ
４２、４４ Ｐｔヒータ
４３ Ｐｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒層
４５ Ａｌ2Ｏ3触媒層
５０ ガス漏れ警報手段
Ｒｓ 感応素子部
Ｒｒ 補償素子部
Claims (6)
- 通電により加熱されて駆動する接触燃焼式ガスセンサから得られるセンサ出力に基づいて湿度を検出する湿度検出装置であって、
前記接触燃焼式ガスセンサの通電後の前記センサ出力が安定するまでの立上り期間中の特定時点の前記センサ出力を利用して前記湿度を検出する
ことを特徴とする湿度検出装置。 - 請求項１記載の湿度検出装置において、
湿度検出のために、前記特定時点でセンサ出力を取得する湿度検出用センサ出力取得手段と、
取得された前記センサ出力を湿度に換算する湿度換算手段と、
換算された前記湿度を出力する湿度出力手段と、
を含むことを特徴とする湿度検出装置。 - 請求項２記載の湿度検出装置において、
前記湿度換算手段は、前記立上り期間中の特定時点における前記センサ出力の温度特性も参照して、前記センサ出力を湿度に換算する
ことを特徴とする湿度検出装置。 - 請求項３記載の湿度検出装置において、
所定インターバルで駆動パルスを間欠的に発生させるセンサ駆動制御手段を更に含み、
前記湿度検出用センサ出力取得手段は、前記所定インターバルで発生する前記駆動パルスに同期しつつ、前記特定時点でセンサ出力を取得する
ことを特徴とする湿度検出装置。 - 請求項４記載の湿度検出装置において、
前記センサ駆動制御手段は、前記センサ出力が安定する定常状態までパルスＯＮ時間が継続するように前記駆動パルスを発生させ、
ガス漏れ検出のために、前記定常状態で前記センサ出力を取得するガス漏れ検出用センサ出力取得手段と、
前記定常状態における前記ガス漏れ検出用センサ出力取得手段の前記センサ出力に基づいてガス漏れ検出をして、ガス漏れ警報を行うよう制御するガス漏れ検出手段とを更に含み、
ガス漏れ検出機能も有することを特徴とする湿度検出装置。 - 請求項１、２、３、４又は５記載の湿度検出装置において、
前記接触燃焼式ガスセンサは、
シリコンウエハに支持された絶縁膜上にヒータ素子及び触媒層が形成され、更に前記シリコンウエハの裏面からエッチングされて薄膜ダイヤフラムが形成されている
ことを特徴とする湿度検出装置。
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