JP2004003915A

JP2004003915A - ガスセンサの熱処理方法、及びそれを用いたガスセンサの製造方法及び検査方法

Info

Publication number: JP2004003915A
Application number: JP2002191498A
Authority: JP
Inventors: Shingo Ito; 伊藤　慎悟; Yasushi Sakakibara; 榊原　靖; Yuji Kimoto; 木元　祐治
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】化物半導体を検知素子として用いたガスセンサの検知素子の活性化を迅速に行なうことができ、ひいては実使用時における待ち時間の短縮、あるいは製造時における検査工程の短縮を図ることができるガスセンサの熱処理方法を提供する。
【解決手段】ガスセンサ４を測定対象となる雰囲気のガス検知に実使用する前に、被検知ガス成分を含有する熱処理用ガスＭＳＧ中にて検知素子５を熱処理する。これにより、検知素子５に強固に吸着しているガス分子の脱着を促進でき、実使用時あるいは検査時におけるガスセンサの活性化を迅速に行なうことができる。その結果、実使用時あるいは検査時において測定可能となるまでの待ち時間を短縮することができる。
【選択図】　　　図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスセンサ制御装置、それを用いたガスセンサの検査方法及びガスセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスセンサの検知素子には、酸化物半導体膜（抵抗感応膜）を検知素子として用いたものが知られている。このような検知素子は、室温よりも高温に最適動作点を有するものが多く、被測定ガスの温度が低い場合は、ヒータ加熱により検知素子の検知能を活性化して用いるようにしている。また、上記のような検知素子によるガス検出の基本原理には、検知体表面における被測定ガス成分の吸着が大きく関与している。例えば抵抗感応膜を用いるセンサの場合は、吸着ガス分子からの電子移動等により抵抗感応膜の電気抵抗率（内部抵抗）が変化することを利用してガス検出を行なう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなガスセンサは、検知素子が非加熱状態で大気中に放置された場合、水蒸気や他のガス分子などが検知素子の表面に吸着した状態になる。このような状態では、検知素子への被検出ガスの分子吸着が先に吸着している分子に妨げられて検知能が低下しているので、ヒータ加熱を行っても、直ちに測定に入ることはできない。しかし、ヒータ加熱を開始してしばらく時間が経過すれば、余分な吸着分子の脱着が促進され、測定可能な状態となる。
【０００４】
ところで、工場で製造されるガスセンサのロットは、製造後検査に至るまでにかなりの日数保管される場合がある。また、検知素子に着目すれば、これがガスセンサに組み付けられるまでの間にも、さらに保管時間が生ずる。検知素子の保管時間が長くなったガスセンサは、検知素子に水蒸気や酸素等の分子が多量にかつ強固に吸着した状態になっているため、ヒータによる加熱を開始してから、良好に特定の被検出ガスに反応可能となるまでに（つまり、活性化に）相当の時間を要する。この問題は、出荷後のガスセンサを実使用する場合だけでなく、出荷前のガスセンサを工場内にて検査のためにテスト動作させる際にも生じる。この場合、検知素子の活性化に時間を要するため検査工程が長時間化し、ガスセンサの製造能率を低下させることにつながる。
【０００５】
本発明の課題は、酸化物半導体を検知素子として用いたガスセンサの検知素子の活性化を迅速に行なうことができ、ひいては実使用時における待ち時間の短縮、あるいは製造時における検査工程の短縮を図ることができるガスセンサの熱処理方法と、それを用いたガスセンサの製造方法及び検査方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明は、特定の被検知ガス成分の吸着に基づき電気抵抗率を変化させる酸化物半導体により検知素子が構成されたガスセンサの熱処理方法に係り、上記の課題を解決するために、ガスセンサを、測定対象となる雰囲気のガス検知に実使用する前に、所定濃度以上の被検知ガス成分を含有する熱処理用ガス中にて検知素子を熱処理することを特徴とする。
【０００７】
上記本発明のガスセンサの熱処理方法によれば、ガスセンサの実使用する前に、被検知ガス成分を含有する熱処理用ガス中にて検知素子を熱処理することにより、検知素子に強固に吸着している水分やガス分子の脱着を促進でき、実使用時におけるガスセンサの活性化を迅速に行なうことができる。その結果、実使用時において測定可能となるまでの待ち時間を短縮することができる。
【０００８】
また、本発明は、特定の被検知ガス成分の吸着に基づき電気抵抗率を変化させる酸化物半導体により検知素子が構成されたガスセンサの製造方法であって、ガスセンサの出荷前に、検知素子を、上記本発明の熱処理方法により熱処理する熱処理工程を有するガスセンサの製造方法も提供する。該本発明の製造方法によると、ガスセンサの出荷前に上記本発明の方法による熱処理工程を実施することにより、実使用時の検知素子の活性化を迅速に行なうことができるガスセンサを得ることができる。
【０００９】
上記本発明のガスセンサの製造方法は、熱処理工程が終了した後、検知素子を被検知ガス成分を含有する検査用ガスに暴露してセンサ出力を測定し、その測定結果に基づいてガスセンサの検査を行なう検査工程を有するものとすることができる。
【００１０】
また、本発明は、特定の被検知ガス成分の吸着に基づき電気抵抗率を変化させる酸化物半導体により検知素子が構成されたガスセンサの検査方法であって、検知素子を、上記本発明の熱処理方法により熱処理する熱処理工程と、
該熱処理工程が終了した後、検知素子を被検知ガス成分を含有する検査用ガスに暴露してセンサ出力を測定し、その測定結果に基づいてガスセンサの検査を行なう検査工程とを有し、熱処理用ガスとして、検査用ガスよりも被検知ガス成分を高濃度に含有したものを用いることを特徴とするガスセンサの検査方法も提供する。
【００１１】
検査工程に先立って、検査用ガスよりも被検知ガス成分を高濃度に含有した熱処理用ガスを用いて熱処理工程を実施することにより、検査処理時における検知素子の活性化を迅速に行なうことができ、検査工程に要する時間を短縮することができる。
【００１２】
以下、本発明のガスセンサの熱処理方法のより望ましい態様につき、さらに詳しく説明する。前記熱処理の効果は、被検知ガス成分は還元性ガス成分である場合と、酸化性ガスである場合とのいずれにおいても発揮される。還元性ガス成分に対して選択性を有する酸化物は、例えばＳｎＯ_２、ＩｎＯ_２、ＺｎＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３などのｎ型半導体系の酸化物を例示することができ、このうち特にＳｎＯ_２は、検知対象として多く採用されるＣＯ等への選択検知性に優れているので、本発明に好適に使用できる。他方、ＮＯｘ（ＮＯやＮＯ_２などの窒素酸化物の総称である）などの酸化性ガス成分に対して選択性を有する酸化物半導体としては、ＷＯ_３やＶ_２Ｏ_５（Ａｇをドープした形で使用されることが多い）、あるいはＮｉＯやＣｏＯなどのｐ型半導体系の酸化物を使用でき、特にＷＯ_３はＮＯｘへの選択検知性に優れているので、本発明に好適に使用できる。
【００１３】
なお、先に説明したＳｎＯ_２は、含有させる材質を調整することにより酸化性ガス成分に対する選択検知性を得ることが可能であり、酸化性ガス成分用の検知素子としても好適に使用できる。また、ＳｎＯ_２については、含有させる材質を調整することで、１つの検知素子で還元性ガス成分と酸化性ガス成分との双方を検知することも可能である（例えばＳｎＯ_２及びＷＯ_３にＦｅ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３等を含有した特許第３０２４２１７号公報に開示の検知素子などが挙げられる）。
【００１４】
本発明の効果が特に顕著に発揮されるのは、ｎ型半導体系の酸化物にて検知素子を構成した場合である。ｎ型半導体系の酸化物は酸素欠損が形成されやすく、酸素欠損に残された電子が多数キャリアとなってｎ型導電性を示す。このような酸化物は、ＣＯ等の還元性ガス分子が吸着すると電気抵抗率が下がり、その低下の度合いを測定することにより、雰囲気中の還元性ガスの濃度を測定することができる。還元性ガス分子が吸着先となる酸化物の酸素を奪い取って吸着することにより欠損が増加し、多数キャリアである電子濃度が増大するためであると推測される。他方、水分子や酸素分子は、過度に吸着が生ずると、還元性ガスの吸着を妨げるので検知能が低下する。これは、分子中の酸素原子が酸素欠損を充填しながら化学的な吸着状態に移行することが原因として推測される。しかし、還元性ガス成分を含んだ雰囲気中で熱処理を行なえば、吸着分子の結合力を緩めることができ、さらに還元性ガス分子による酸素欠損形成効果が相乗的に作用する結果、水分子や酸素分子の脱着が促進され、検知素子の活性化促進効果が高められるものと考えられる。
【００１５】
ガスセンサの実使用時においては、ＣＯあるいはＮＯｘ等の被検知ガス濃度は、突発的な要因により瞬間的に高濃度化することはあっても、高濃度状態が定常的に続くことは少ない。この場合、検知素子の熱処理を、実使用時に検知素子が曝される雰囲気の平均的な被検知ガス濃度よりも高濃度に被検知ガス濃度を含有する熱処理用ガス中で行なうことにより、実使用時において検知素子を早期に活性化することが可能となる。また、検査工程を実施する場合、熱処理工程は、前記熱処理用ガスとして、前記検査用ガスよりも被検知ガス成分を高濃度に含有したものを用いて行なうと、検査処理時において検知素子を早期に活性化でき、ひいては検査工程の能率化を図ることができる。
【００１６】
本発明のガスセンサは、屋外大気を測定対象として用いられることが多いが、わが国環境庁が定めた環境基準によると、ＮＯ_２は一時間値の一日平均値が０．０４〜０．０６ｐｐｍのゾーン内又はそれ以下となること、ＣＯは一時間値の一日平均値が１０ｐｐｍ以下であり、かつ、一時間値の８時間平均値が２０ｐｐｍ以下となることが定められている。従ってＮＯ_２とＣＯのいずれにおいても、上記基準値よりは高濃度にこれら成分を含有する熱処理用ガスを用いて検知素子の熱処理を行なうことが、検知素子の早期活性化を図るために効果的である。より望ましくは、ＣＯ検知に関しては、ＣＯ成分を５０ｐｐｍ以上（１００％まで可能）含有する熱処理用ガスを用いるのがよく、ＮＯｘ検知に関しては、ＮＯ_２成分を１ｐｐｍ以上（１００％まで可能）含有する熱処理用ガスを用いるのがよい。
【００１７】
また、ガスセンサの実使用は検知素子を設定温度に加熱して行われる。そして、前記の熱処理は、実使用時の設定温度よりも高温にて行なうことが望ましい。これにより、実使用時において検知素子を早期に活性化することが可能となる。例えばＳｎＯ_２を検知素子として用いてＣＯを検知する場合、あるいはＷＯ_３を検知素子として用いてＮＯｘ（具体的にはＮＯ_２）を被検知ガス成分とする場合、検知素子の実使用時の加熱温度は２５０℃以上４００℃以下に調整することが、検知能を高める上で望ましい。そして、熱処理温度は、上記実使用時の加熱温度よりも、３０℃〜１２０℃が高くなるように設定することが、実使用時の検知素子の早期活性化を図る上で望ましい。
【００１８】
ガスセンサは、検知素子を加熱するヒータを備えたものとすることができる。このヒータは実使用時に検知素子を動作温度に加熱するために使用されるが、実使用に先立つ検知素子の熱処理も該ヒータを用いて行なうことができる。このようにすると、熱処理用の炉等を用意する必要がなくなり、かつヒータにより検知素子が局所的に加熱されるため、基板に対しマイクロコンピュータ等とともにガスセンサを実装した後においても、該マイクロコンピュータを用いてヒータを専用のヒートパターンにより発熱させれば、熱処理を極めて簡単に行なうことができる。なお、実使用時において該ヒータを定常的に発熱させるための実使用設定電圧が定められている場合、熱処理は、該実使用設定電圧よりも高電圧にてヒータを通電発熱させることにより行なうとよい。これにより、実使用時の設定温度よりも高温にて熱処理を行なうことができ、実使用時において、あるいは検査処理時において、検知素子を早期に活性化することができる。
【００１９】
なお、このように実用時の設定温度よりも高温にて熱処理を行なうにあたっては、ガスセンサを、検知素子及びヒータと電気的に接続されると共に、実使用時にヒータを通電発熱させるための実検知用ヒートパターンと、熱処理する際にヒータを通電発熱させるための熱処理用ヒートパターンとが記憶されたマイクロコンピュータを備えるように構成し、そのマイクロコンピュータが実検知用ヒートパターンまたは熱処理用ヒートパターンに対応した信号パターンを有する選択信号を外部から取得することで、その選択信号の信号パターンを識別して該実検知用ヒートパターンまたは該熱処理用ヒートパターンを選択し、前記ヒータを通電発熱させるようにするとよい。
【００２０】
かかる構成では、ガスセンサが、検知素子及びヒータと電気的に接続されたマイクロコンピュータを備えているものとされている。そして、このガスセンサに備えられるマイクロコンピュータが、ヒータを発熱駆動するための実検知用ヒートパターンと熱処理用ヒートパターンとを、外部の選択信号に基づき適宜選択して実行できるように構成されている。従って、熱処理専用のヒートパターンを搭載した制御回路を別途用意する必要がなく、検知素子をその都度これに接続して熱処理を行なう必要がなくなる。このため、熱処理工程を含んだガスセンサの製造工程の能率化を図ることができる。また、熱処理専用のヒートパターンを別の制御回路にて用意する必要がなく、製造原価の低減を図ることに寄与する。さらに、電子部品等で構成した熱処理専用のヒートパターンを搭載した制御回路をマイクロコンピュータとは別に形成してガスセンサに内蔵させる必要がなく、ガスセンサの小型化にも寄与する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき図面を用いて説明する。
図１（ａ）は、ガスセンサユニットの一例を示すものである。このガスセンサユニット１は自動車等の車両に取り付けて使用され、外気の排気ガス濃度変化をガスセンサ４により検知して、外気取入用ダクトと内気循環用ダクトとを自動切換えするために用いられるものである。
【００２２】
ガスセンサ４は、被検知ガス取入口４ｄが形成されたケース４ｃの内部に、排気ガス分子の吸着により電気抵抗値を変化させる、金属酸化物半導体からなる検知素子５（図２）と、その検知素子５の検知能を活性化するためのヒータ５１とを組み込んだものである。このガスセンサ４が、マイクロコンピュータ（以下、単にマイコンという）１０と、コンデンサや抵抗器といった周辺回路部品７とからなる制御装置９とともに、基板３に一体的に組み付けられている。基板３は、プラスチック製のケース１９，１７内に封入され、ケース１９にはコネクタ１５と、ガスセンサ４を収容するとともに複数のガス導入孔１８が設けられたセンサ収容部１６とが形成されている。コネクタ１５内には、ガスセンサユニット１を自動車あるいは後述する検査装置に電気的に接続するためのヒータ電源端子４８ａ、センサ出力端子４８ｂ及び接地端子４８ｃからなる端子群４８が設けられている。端子部４８は、基板３に設けられた端子穴３ｈに挿通され、この端子穴３ｈの周囲に形成された金属パッドを介して、基板３上の制御装置９の配線パターンに半田付け接続されている。
【００２３】
図２は、制御装置９の電気的構成を示す回路図である。制御装置９の要部はＣＰＵ５３、ＲＡＭ５４、ＲＯＭ５５及びデータ入出力インターフェース（以下、「Ｉ／Ｏ」と略記する）５６を有するコンピュータ５０によってマイコン１０を構成している。主電源は自動車に搭載されたバッテリー７５であり、このバッテリー電圧Ｖ_ＢＴ（定格：＋１２Ｖ）を元に、電源回路８０が、マイコン１０等の駆動及び信号源に使用される電源電圧Ｖ_ＣＣ（＋５Ｖ）を生成・供給する。電源回路８０は、三端子レギュレータ７７を用いた周知の安定化電源回路として構成され、符号７６はバッテリー電圧Ｖ_ＢＴのリップルを除去するための平滑化用コンデンサであり、符号７８，７９は三端子レギュレータ７７の発振防止用のコンデンサである。
【００２４】
ガスセンサ４の検知素子５は、ＣＯ、ＨＣなどの還元性ガスを検知する第一種検知素子５ａと、ＮＯｘなどの酸化性ガスを検知する第二種検知素子５ｂとを有する。前者は、還元性ガス分子吸着により電気抵抗率を減少させる酸化物薄膜（例えばＳｎＯ_２）、後者は酸化性ガス分子吸着により電気抵抗率を増加させる酸化物薄膜（例えばＷＯ_３）により形成される。図１（ｂ）に示すように、第一種検知素子５ａと第二種検知素子５ｂとは、ヒータ５１とともにセラミック基体５ｃ上に一体的に組み付けられている。なお、本実施形態では、第一種検知素子５ａ及び第二種検知素子５ｂの各出力端子５ｔ１，５ｔ２と、両素子５ａ，５ｂの間で共用される接地端子５ｔｇが設けられている。また、ヒータ用の入力端子は５ｔ３であり、接地側の端子は素子５ａ，５ｂの接地端子５ｔｇと共用化されている。
【００２５】
図２に示すように、上記検知素子５ａ，５ｂは、分圧抵抗６７あるいは分圧抵抗６８にそれぞれ直列接続され、検知素子５ａ，５ｂの抵抗変化に応じた分圧比により、電源電圧Ｖ_ＣＣを分割する。なお、分圧抵抗６７，６８のそれぞれの一端が接地されるようにして、検知素子５ａ、５ｂはそれぞれの他端に直列に接続される。そして、それら分圧抵抗６７，６８との接続点に生ずる各分圧電圧がアナログセンサ出力ＶＸｇ，ＶＸｄとして、Ｉ／Ｏ５６のポートＰ１，Ｐ２にそれぞれ入力される。これらセンサ出力ＶＸｇ，ＶＸｄは、ＣＰＵ５３がＲＡＭ５４をワークエリアとして、ＲＯＭ５５に記憶された検知プログラム１５５をそれぞれ実行することによりガス濃度データとされ、Ｉ／Ｏ５６のポートＰ５から、コネクタ１５のセンサ出力端子４８ｂからアナログのガス濃度信号ＦＣＳとして出力される。２つの検知素子５ａ，５ｂからのガス濃度信号ＦＣＳは、例えば検知プログラム１５５による時分割出力処理により、１つのセンサ出力端子４８ｂを用いて出力できる。
【００２６】
図３に示すように、このガス濃度信号ＦＣＳは、コネクタ１５を介して接続されたフラップ制御装置１００に入力される。フラップ制御装置１００は、ガス濃度信号ＦＣＳをもとに、アクチュエータ１０３を動作させてフラップ１０５を開閉させる。そして、このフラップ１０５の位置により、車両内の内気を循環させるための内気循環用ダクト１０９と、外気を導入するための外気取入用ダクト１０７とのいずれかが、メインダクト１０１に切り替え可能に接続される。なお、メインダクト１０１内には、空気を圧送するファン１１１が設置されている。
【００２７】
図２に戻り、バッテリー電圧Ｖ_ＢＴは、コネクタ１５のヒータ電源端子４８ａから受電される。該バッテリー電圧Ｖ_ＢＴは、抵抗器６９及び７０により分圧された後、電圧監視信号ＲＲＴとして、Ｉ／Ｏ５６のポートＰ３に入力される。一方、バッテリー電圧Ｖ_ＢＴはヒータ制御用トランジスタ７４を介してヒータ５１に供給される。本実施形態ではヒータ制御用トランジスタ７４はｐチャンネル型ＭＯＳ−ＦＥＴにより構成され、そのゲート入力（抵抗器７１，７２により分圧されたバッテリー電圧Ｖ_ＢＴである）が、バイポーラトランジスタからなるゲート駆動トランジスタ７３によりスイッチング駆動される。
【００２８】
ゲート駆動トランジスタ７３のベースには、Ｉ／Ｏ５６のポートＰ４から出力される設定電圧値に応じたデューティ比ＤＲＶを有するＰＷＭ信号が抵抗器７３ｂを介して入力される。これにより、ヒータ制御用トランジスタ７４が該ゲート駆動トランジスタ７３を介してデューティ比ＤＲＶに基づきスイッチングされ、ヒータ５１の出力（ヒータ５１への供給電力）が、そのデューティ比ＤＲＶに対応した値に調整される。なお、抵抗器７３ａは、ゲート駆動トランジスタ７３の残留電荷を引き抜いて、ゲート駆動トランジスタ７３のＯＮからＯＦＦへのスイッチング速度を向上させる役割を果たす。
【００２９】
なお、ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、コンピュータ５０側にＡ／Ｄ変換機能が内蔵されており、アナログ信号を直接入力できる。また、ポートＰ４、Ｐ５は、ＰＷＭ信号を出力するポートである。
【００３０】
コンピュータ５０のＲＯＭ５５には、製品出荷後のガスセンサ４（図１のガスセンサユニット１の状態である）を、自動車の外気取入用ダクト１０７（図３）に実装し、該ダクト１０７内の排気ガス検出に実使用する際に用いる実検知用ヒートパターン１５７と、製品出荷前に検知素子５を熱処理（エージング）するために用いる熱処理用ヒートパターン１５８とが記憶され、さらにガスセンサ４を検査するために用いる検査検知用ヒートパターン１５９とが記憶されている。これらのヒートパターン１５７〜１５９は、外部から取得する選択信号ＲＳＳに対応したものが選択され読み出される。ＣＰＵ５３は、当該選択されたヒートパターンを用いて、ＲＯＭ５５に記憶されたヒータ制御プログラム１５６により、ヒータ５１を発熱駆動する。なお、選択信号ＲＳＳの検出は、後述するが、Ｉ／ＯのポートＰ３に入力される電圧監視信号ＲＲＴに基づき行なわれる。
【００３１】
図１のガスセンサユニット１のコネクタ１５は、実使用時には、図２に示す自動車側のコネクタ２１５に接続される。ヒータ電源端子４８ａは、バッテリー電圧Ｖ_ＢＴの供給端子２１５ａに、センサ出力端子４８ｂはフラップ制御装置１００（図３）への信号供給端子２１５ｂに、接地端子４８ｃは自動車側の接地端子２１５ｃにそれぞれ接続される。また、ガスセンサユニット１のコネクタ１５は、後述する熱処理工程時及び検査工程時には、図４に示す検査装置３６５側のコネクタ２１５に接続される。ヒータ電源端子４８ａは、検査装置３６５の電源回路２６６からの電源供給端子２１５ａに、センサ出力端子４８ｂは検査用コンピュータへのセンサ出力入力端子２１５ｂに、接地端子４８ｃは接地端子２１５ｃにそれぞれ接続される。後述する通り、ヒータ電源端子４８ａは選択信号ＲＳＳの入力端子も兼用する。
【００３２】
図７は、メインルーチンであるヒータ制御プログラム１５６（図２）の処理の流れを示すものである。まず、Ｓ１（Ｓはステップの略記）では、処理に使用するＲＡＭ５４の各種メモリエリアを初期化する。ついで、Ｓ２でＩ／Ｏ５６のポートＰ３を通じて、電圧監視信号ＲＲＴを取得する。そして、Ｓ３において、ヒートパターンの選択信号ＲＳＳの検出処理を電圧監視信号ＲＲＴに基づいて行い、その選択信号の内容に応じてヒートパターンを選択する。このＳ３の選択信号検出処理は図１２に示すものであるが、詳細は後述する。そして、Ｓ４においては、選択されたヒートパターンに応じたヒータ駆動処理を実行する。Ｓ４のヒータ駆動処理の詳細についても後述する。その後、電圧監視信号ＲＲＴの取得のためのサンプリングタイムである０．４秒の経過を待ち、Ｓ２に戻る。本実施形態においては、ＲＯＭ５５内に記憶された選択可能なヒートパターンとして、図５に示すヒートパターン１５７、１５８、１５９が用意されている。
【００３３】
図５に示すように、実検知用ヒートパターン１５７と検査検知用ヒートパターン１５９とは、いずれも、検知素子５の温度を活性化状態に維持可能な一定の活性化維持電圧Ｖ３によりヒータを発熱駆動する活性化維持期間１６７を有する。また、実検知用ヒートパターン１５７については、検知素子５の活性化を促進するために、活性化維持期間１６７に先立ってヒータ５１を活性化維持電圧Ｖ３よりも高い活性化促進電圧Ｖ１，Ｖ２にて発熱駆動する活性化促進期間１６５，１６６，１６８が設定されている。検査検知用ヒートパターン１５９についても、活性化維持期間１６７に先立ってヒータ５１を活性化維持電圧Ｖ３よりも高い活性化促進電圧Ｖ１にて発熱駆動する活性化促進期間１６５を設定しているが、この活性化促進期間１６５は、実検知用ヒートパターン１５７の活性化促進期間１６５，１６６，１６８のトータルした期間よりも短く設定されている。このような活性化促進期間の短い検査検知用ヒートパターン１５９を用いれば、実検知用ヒートパターン１５７を流用する場合と比較して、活性化促進期間が短い分だけ検査処理（検査検知）を短時間で終わらせることができる。
【００３４】
実検知用ヒートパターン１５７の活性化促進期間１６５，１６６，１６８には、活性化維持電圧Ｖ３よりも高い第一活性化促進電圧Ｖ１にて一定保持する第一活性化促進期間１６５と、該第一活性化促進電圧Ｖ１と活性化維持電圧Ｖ３との中間に設定された第二活性化促進電圧Ｖ２にて一定保持する第二活性化促進期間１６６とが設定されている。活性化促進期間の後半において、第二活性化維持電圧Ｖ２を、活性化維持電圧Ｖ３に近づくように連続的に減少させることにより、検知素子５の活性化を促進させ、ひいては、検知素子５をより早期に定常測定可能な状態とすることができる。本実施形態では、ヒータ温度を目標温度により早く近づけるため、第一活性化促進電圧Ｖ１から第二活性化促進電圧Ｖ２へ電圧を階段状に減少させた後、期間１６８において活性化維持電圧Ｖ３に向けて電圧を漸減させるようにしている。
【００３５】
他方、検査検知用ヒートパターン１５９の活性化促進期間１６５には、第一活性化促進電圧Ｖ１による第一活性化促進期間１６５のみが、実検知用ヒートパターン１５７の活性化促進期間の全体１６５，１６６，１６８より短くなるように設定されている。これは、後述する熱処理後において、可及的速やかに検査処理に移行したとしても、検知素子５には多少の吸着が生ずるので、第一活性化促進期間１６５のみからなる短時間の活性化処理を行なうことにより、この吸着の影響を軽減することができる。また、第一活性化促進期間１６５を実検知用ヒートパターン１５７との間で共用化できるから、ＲＯＭ５５内に記憶するヒートパターンデータのサイズを少なくすることができる。
【００３６】
次に、熱処理用ヒートパターン１５８は、検査検知に先立って検知素子５を熱処理するためのものであり、活性化維持電圧Ｖ３よりも高い活性化促進電圧Ｖ１，Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２）にて、つまり、実検知（実使用）時よりも高温となるようにヒータ５１を発熱駆動する。この熱処理用ヒートパターン１５８は、検知素子５を検査検知に先立つ別段取りにより熱処理し、吸着ガス分子を十分脱着するために使用される。
【００３７】
この熱処理は、ガスセンサ４（ガスセンサユニット１）を、図８に示す雰囲気形成用チャンバ９０内に配置し、このチャンバ９０内に後述する検査用ガスＴＳＧよりも高濃度に被検出ガス成分を含有する処理用ガスＨＳＧを導入し、上記熱処理用ヒートパターン１５８に従ってヒータ５１を発熱駆動することにより行われる。このような熱処理を、検査検知とは別段取りの形で複数のガスセンサユニット１に対し並列に行なうと、検査検知のタクトタイムを大幅に短縮することができる。また、処理用ガスＨＳＧ中で十分な熱処理を行なうことは、実使用時における検知素子５の活性化を促進することにも寄与する。
【００３８】
図５に示すように、熱処理用ヒートパターン１５８には、第一活性化促進電圧Ｖ１にて保持される第一加熱期間２６５と、第二活性化促進電圧Ｖ２にて実検知用ヒートパターン１５７の第二活性化促進期間１６６よりも長時間保持される第二加熱期間２６６が設けられている。検査時の検知素子５に強固にガス吸着している場合でも、上記のような第二加熱期間２６６を設けることで、ガス分子の脱着を速やかに行なうことができ、検査検知時の検査用ガスに対する検知素子５の感度を高めることができる。なお、より高電圧の第一加熱期間２６５を設けるのは、ヒータ５１の表面温度を、第二加熱期間２６６での目標定常温度に早期に到達させるためである。
【００３９】
なお、実検知用ヒートパターン１５７及び検査検知用ヒートパターン１５９の各第一活性化促進期間１６５と、熱処理用ヒートパターン１５８の第一加熱期間２６５とは同一時間に設定されている。これにより、第一活性化促進期間１６５と第一加熱期間２６５とのヒートパターンデータを共用化でき、ＲＯＭ５５内のデータサイズ縮小効果をより高めることができる。
【００４０】
次に、選択信号ＲＳＳとして、上記のヒートパターン１５７，１５８，１５９に一対一に対応した、図６に例示するような複数の信号データパターン１６１，１６２，１６３が定められている。選択信号ＲＳＳの各パターンは、コンピュータ５０のデータ入出力インターフェース５６のポートＰ３に電圧監視信号ＲＲＴに調整されて入力される。なお、コンピュータ５０への入力電圧レベルを５Ｖ以下に調整するため、図２に示したように抵抗器６９、７０で選択信号ＲＳＳは、所定の割合（具体的には１／４）に分圧されて、電圧監視信号ＲＲＴとしてポートＰ３に入力される。そして、ヒートパターン選択手段として機能するＣＰＵ５３は、当該ポートＰ３に入力された選択信号ＲＳＳの信号データパターンを読み取って識別し、対応するヒートパターンをＲＯＭ５５から読み出す。この方法によると、ＣＰＵ５３はポートＰ３を監視することにより、選択信号ＲＳＳの信号データパターンの識別を簡易な処理にて迅速に行なうことができる。
【００４１】
本実施形態においては、ヒータ電源電圧Ｖ_ＢＴはバッテリー電圧であり、負荷変動やオルターネータからの交流重畳、さらにはバッテリーの劣化状況等により、９Ｖ〜１６Ｖの比較的広い範囲で変動する。これをヒータ５１の電源として用いる場合、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電源を用いて安定化してから用いる方法もある。しかし、ヒータ５１が比較的大きな電力を消費することもあって、電源回路の追加に相当のコストを要する問題がある。特に、小型のセンサユニットが求められる場合には、大型電源の搭載がスペース上不可能であることも多い。
【００４２】
そこで、上記の実施形態にあっては、ヒータ制御部として機能するコンピュータ５０は、電圧変動の見込まれるヒータ電源電圧Ｖ_ＢＴの電圧値ＲＳＳを電圧監視信号ＲＲＴとして測定し、実検知用ヒートパターン１５７が規定する目標設定値が得られるように、測定された電圧値に応じてデューティ比ＤＲＶを定める。そして、該デューティ比ＤＲＶによりヒータ電源電圧Ｖ_ＢＴを、トランジスタ７３，７４を用いてスイッチングすることにより、ヒータ５１の出力を制御する。このようにすると、電源電圧Ｖ_ＢＴが変動しても、これをリアルタイムに測定し、その電源電圧Ｖ_ＢＴを用いたときに、要求されるヒータ出力を充足するデューティ比ＤＲＶをその都度算出して設定するので、高価な電源を用いずともヒータ出力を正確にコントロールすることが可能である。
【００４３】
図１１に、図７に示すメインルーチンのＳ４におけるヒータ駆動処理の流れを示す。なお、図１１に処理を行なうにあたって、図７に示すＳ１の初期化処理において、電力指示値Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）が設定されている。ここで、電力指示値Ｗの初期値については、本実施形態では、７Ｖ相当の電圧をヒータ５１に印加する際のデューティ比ＤＲＶ（以下、第１デューティ比ＤＲＶ１という）を算出するための初期値Ｗ１＝４９（＝７Ｖの２乗）、６．３Ｖ相当の電圧をヒータ５１に印加する際のデューティ比ＤＲＶ（以下、第２デューティ比ＤＲＶ２という）を算出するための初期値Ｗ２＝４０（＝６．３Ｖの２乗）、５Ｖ相当の電圧をヒータ５１に印加する際のデューティ比ＤＲＶ（以下、第３デューティ比ＤＲＶ３という）を算出するための初期値Ｗ３＝２５（＝５Ｖの２乗）を設定している。電圧に対し電力は電圧の２乗の関係を有するからである。
【００４４】
まず、Ｓ５１にて、図７のメインルーチンの処理が開始されてから、タイマー値が１０秒を経過したか否か判断する。経過前の場合にはＳ５２に進み、経過した場合にはＳ５４に進む。
【００４５】
Ｓ５２では、取得した電圧監視信号ＲＲＴの電圧値Ｖｓ（選択信号ＲＳＳの電圧値を１／４に分圧した値）を用いて、第１デューティ比ＤＲＶ１を、ＤＲＶ１＝Ｗ１／（Ｖｓ／４）^２（＝Ｗ１／ＲＳＳの電圧値の２乗）によって算出する。その後、Ｓ５３において、得られた第１デューティ比ＤＲＶ１に従ってポートＰ４よりＰＷＭ出力し、ヒータ５１を第１デューティ比ＤＲＶ１でパルス駆動する。このようにして、ヒータ５１には、７Ｖ相当の電圧を印加したのと同様の電力が投入される。
【００４６】
一方、Ｓ５１にて肯定判定されてＳ５４に進むと、熱処理用ヒートパターンが選択されているか否かを判断する。熱処理用ヒートパターンが選択されている場合にはＳ５７に進み、選択されていない場合にはＳ５５に進む。
【００４７】
Ｓ５７では、取得した電圧監視信号ＲＲＴの電圧値Ｖｓ（選択信号ＲＳＳの電圧値を１／４に分圧した値）を用いて、第２デューティ比ＤＲＶ２を、ＤＲＶ２＝Ｗ２／（Ｖｓ／４）^２（＝Ｗ２／ＲＳＳの電圧値の２乗）によって算出する。その後、Ｓ５８において、得られた第２デューティ比ＤＲＶ２に従ってポートＰ４よりＰＷＭ出力し、ヒータ５１を第２デューティ比ＤＲＶ２でパルス駆動する。このようにして、ヒータ５１には、６．３Ｖ相当の電圧を印加したのと同様の電力が投入される。
【００４８】
一方、Ｓ５４で否定判定されると、Ｓ５５にて検査検知用ヒートパターンが選択されているか否かを判断する。検査検知用ヒートパターンが選択されている場合にはＳ６１に進み、選択されていない場合にはＳ５６に進む。
【００４９】
Ｓ６１では、取得した電圧監視信号ＲＲＴの電圧値Ｖｓ（選択信号ＲＳＳの電圧値を１／４に分圧した値）を用いて、第３デューティ比ＤＲＶ３を、ＤＲＶ３＝Ｗ３／（Ｖｓ／４）^２（＝Ｗ３／ＲＳＳの電圧値の２乗）によって算出する。その後、Ｓ６２において、得られた第３デューティ比ＤＲＶ３に従ってポートＰ４よりＰＷＭ出力し、ヒータ５１を第３デューティ比ＤＲＶ３でパルス駆動する。このようにして、ヒータ５１には、５Ｖ相当の電圧を印加したのと同様の電力が投入される。
【００５０】
Ｓ５５にて否定判定されると、Ｓ５６にて図７に示すメインルーチンの処理が開始されてからタイマー値が４０秒を経過したか否か判断する。経過前の場合にはＳ５７に進み、経過した場合にはＳ５９に進む。なお、このＳ５６に進んだ場合には、熱処理用ヒートパターン、検査検知用ヒートパターンのいずれも選択されなかったことになり、実検知用ヒートパターンが選択されたことになる。
【００５１】
Ｓ５６にて否定判定された場合のＳ５７以降の処理は、上述した通りである。一方、Ｓ５６にて肯定判定されてＳ５９に進むと、Ｓ５９では、初期値Ｗ２が初期値Ｗ３と比較され、Ｗ２＞Ｗ３のときには、Ｓ６０に進む。Ｓ６０では、初期値Ｗ２が、Ｗ２＝Ｗ２−Δの式によって漸減処理される。本実施形態では、Δ＝０．２とした。従って、Ｓ６０を７５回通過すると、つまり３０秒（＝７５×０．４）経過すると、Ｓ５９でＷ２≦Ｗ３となり肯定判定され、Ｓ６１に進む。Ｓ６１以降の処理については、上述した通りである。
【００５２】
なお、Ｓ６０の漸減処理が行われてＳ５７に進んだ場合の当該Ｓ５７以降の処理は上述した通りである。但し、Ｓ６０で初期値Ｗ２を漸減させているので、Ｓ５７で算出される第２デューティ比ＤＲＶ２は、Ｓ５６で否定判定された場合にＳ５７にて算出される第２デューティ比ＤＲＶ２より次第に小さくなる。
【００５３】
このようにして、図１１に示すヒータ駆動処理では、図７のＳ３にて選択されるヒートパターンに応じて、実検知用ヒートパターン、熱処理用ヒートパターン、検査検知用ヒートパターンの３種を実行する。なお、実検知用ヒートパターン、熱処理用ヒートパターン、検査検知用ヒートパターンは、いずれが選択される場合にも図１１に示すＳ５１〜Ｓ５３の処理は共通して実行される。これは、上述したように本実施形態では、７Ｖ相当の電圧を印加したのと同様の電力を投入する第１活性化促進期間１６５及び２６５を各ヒートパターンにおいても共通化させるようにして行っているからである。
【００５４】
なお、図７のメインルーチンにＳ４として示すヒータ駆動処理を行なうにあたっては、図１１に示したように演算式を用いてデューティ比ＤＲＶを算出する方法に限られず、マッピング処理によってデューティ比を算出するようにして行ってもよい。具体的には、図１３に示すように、種々の電圧監視信号ＲＲＴの電圧値Ｖ１、Ｖ２、・・・・Ｖｎにおいて目標電力値Ｗ１、Ｗ２、・・・・Ｗｎを与えるデューティ比ＤＲ_ｉｊ（ｉ＝１、２、・・・・ｎ、ｊ＝１、２、・・・・ｎ）の二次元のデューティ比変換テーブル１６０（図２参照）を用意しておき、サンプリングされる電圧監視信号ＲＲＴの電圧値と目標電力値Ｗに対応するデューティ比ＤＲ_ｉｊの値を各ヒートパターンに沿って読み取り、そのデューティ比ＤＲ_ｉｊ用いることもできる。なお、電圧監視信号ＲＲＴと目標電力値の組に直接対応するデューティＤＲ_ｉｊがテーブル１６０上に見出されなかった場合は、補間により算出することができる。
【００５５】
本実施形態においては、実使用時のガスセンサ実装先、ここでは自動車のバッテリー７５から供給されるヒータ電源電圧Ｖ_ＢＴを、実検知用ヒートパターン１５７の選択信号ＲＳＳとして流用する。他方、検査時にガスセンサ４が接続される検査装置３６５にて、バッテリー７５とは別途の電源を用いて、選択信号ＲＳＳとして意味付けられた経時的な電圧変化パターンを伴う電圧信号１６２，１６３（図６）を生成し、該電圧信号を熱処理用ヒートパターン１５８、検査検知用ヒートパターン１５９の選択信号ＲＳＳとして用いる。
【００５６】
この構成の利点は、以下の通りである。従来においても、自動車等の実装先にこの種のガスセンサを接続する場合は、図１のような３つの端子４８ａ〜４８ｃを有するコネクタ１５が使用される。先にも記載したように、この３つの端子は、ヒータ電源端子４８ａ、センサ出力端子４８ｂ及び接地端子４８ｃである。しかし、本発明のように、熱処理用及び検査検知用のヒートパターンの選択信号ＲＳＳを制御装置９に入力できるようにする場合、選択信号ＲＳＳの入力系統を新たに設ける構成では、コネクタ１５に新たに選択信号ＲＳＳの入力端子を増設するなどして、ハードウェア上の構成変更が必要となり無駄が多い。
【００５７】
しかしながら、図６に示すように、１つの電源を用いて、選択信号として意味付けられた経時的な電圧変化パターンを伴う電圧信号１６２，１６３を生成し、これを選択信号ＲＳＳとして用いれば、電源電圧をＩ／Ｏ５６のポートＰ３を介して監視することにより、特にハードウェア上の変更を伴うことなく、制御装置９は、選択信号ＲＳＳの信号データパターンを認識することが可能となる。そこで、図６に示すように、信号認識のために予め定められた期間（以下、信号識別期間という：０＜Ｔ＜Ｔ４）中、閾値Ｖｂよりも低レベルに維持される電圧波形１６１を、実使用時であることを識別するための選択信号ＲＳＳとして用いることができる。また、熱処理用や検査用のヒートパターン１５８，１５９が、ノイズ等の影響により実使用時に誤動作する不具合を防止する観点から、これらヒートパターン１５８，１５９以外の波形が認識された場合は、一律に実使用時であると判定するようにしてもよい。
【００５８】
選択信号ＲＳＳは、例えば、２つの異なる電圧レベルの変化エッジを含む信号とすることができる。この変化エッジの、信号識別期間内における有無あるいは数、変化エッジの時間的位置、あるいは変化エッジの向き（つまり、高レベル電圧から低レベル電圧への変化であるか、あるいはその逆であるか）の少なくともいずれかを検出することにより、選択信号ＲＳＳの信号データパターンを識別することができる。変化エッジを形成するための、２つの電圧レベルの差は、例えば１．５Ｖから５Ｖ程度に設定することが望ましい。
【００５９】
電源電圧を信号形成用に変化させる方法は特に限定されないが、その一例を図４に示す。すなわち、図４の信号発生回路３６５は、電源回路２６６の出力電圧Ｖｓｓ（１６Ｖ：第一電圧）を分岐して、安定化電源回路２７０及び２７１（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータで構成できる）により、１２．５Ｖ（第二電圧：第一電圧より低い）及び５Ｖ（第三電圧：第二電圧より低い）の定電圧を生成する。１６Ｖ及び１２．５Ｖの各電圧は、スイッチ素子（リレーあるいはトランジスタで構成される）２６８及び２６９により切り替え出力される。５Ｖの電圧はその切り替え制御に使用する。
【００６０】
具体的には、該５Ｖ電圧は、最終的な信号波形に対応した周波数で発振する発振器２７２によりパルス化され、バイナリカウンタ２７６に入力される。バイナリカウンタ２７６はそのパルスを受けてカウントアップするとともに、各ビットの出力が、ＡＮＤゲートを組み合わせて構成されたマルチプレクサ２７３に入力される．マルチプレクサ２７３には、別途設定された回数設定信号が入力されており、カウント数が最終的な信号波形に必要な電圧切り替え回数に到達すると、該マルチプレクサ２７３は回数一致信号ＣＳをアクティブ出力する。この回数一致信号ＣＳは、その後、バイナリカウンタ２７６がさらにカウントアップしてもアクティブレベルを保持するように、Ｄ型フリップフロップ２７４を介して最終段のスイッチ駆動ゲート２７５の一方の端子に入力され、他方の端子には、発振器２７２からの出力が入力される。該スイッチ駆動ゲート２７５はＯＲ回路であり、少なくとも一方の入力がアクティブとなったときに、出力がアクティブとなる。
【００６１】
そして、その出力は、スイッチ２６８と２６９との一方にはそのままの形で、他方にはインバータ２７６により反転させた形で、それぞれ入力される。その結果、カウント数が設定回数に到達するまでは１６Ｖと１２．５Ｖとが交互に切り替わり、以降は１２．５Ｖが保持される図６の信号１６３に示すような波形が得られる。
【００６２】
なお、上記のようなハードウェアロジックを用いず、コンピュータ（例えば検査用コンピュータ１６７）によるソフトウェア制御により、１６Ｖ電圧と１２．５Ｖ電圧とを、図６に示す信号波形が得られるように切り替え制御するようにしてもよい。
【００６３】
また、変化エッジの検出は、電源電圧をＩ／Ｏ５６のポートＰ３を介して監視して、予め定められた閾値Ｖｂよりも高レベルの電圧（ＶＨ）と、同じく低レベルの電圧（ＶＬ）との間で変化が起きたかどうかを調べることにより検出ができる。他方、先に測定した電圧レベルを記憶しておき、これを現在の電圧レベルと比較して、予め定められた幅（例えば３Ｖ）以上の電圧変化が現れた場合にエッジ検出とする方法も採用可能である。
【００６４】
図１２は、図７に示すメインルーチンのＳ３における選択信号検出処理、すなわち電源電圧に反映された選択信号ＲＳＳを検出する処理の流れを示すものである。この例では、閾値Ｖｂとの大小関係を用いて電圧エッジ検出を行っている。まず、Ｓ１０１で、図７に示すＳ２にてＩ／Ｏ５６のポートＰ３を通じて検出された電圧監視信号ＲＲＴの電圧値Ｖｓをリードする。Ｓ１０２ではその値が閾値Ｖｂより小さいかどうかを判定し、Ｖｓ＞ＶｂであればＳ１０３に進んで、エッジ検出フラグＦ_Ｌをリードする。このフラグは、先の測定でＶｓ＞Ｖｂであったとき第一値（以下、「１」とする）、Ｖｓ＜Ｖｂであったとき第二値（以下、「０」とする）に設定されるものであり、初期値処理（図７に示すＳ１）にて本実施形態では「０」に設定される。もしその値が「０」（つまり、先の策定でＶｓ≦Ｖｂ）であったなら、現在はＶｓ＞Ｖｂであるから、ＶＬ→ＶＨの電圧エッジが生じたことになる。
【００６５】
本実施形態では、ノイズ等による誤検出を防止するために、Ｓ１０４〜Ｓ１０６において、エッジが出現すべきタイミングであるかどうかを確認する処理を行っている。図６に示すように、この例では、熱処理用ヒートパターンに対応する選択信号は、Ｔ＝Ｔ１、Ｔ３にてＶＨ→ＶＬの電圧エッジを、Ｔ＝Ｔ２にてＶＬ→ＶＨの電圧エッジをそれぞれ含み、検査検知用ヒートパターンに対応する選択信号はＴ＝Ｔ１、Ｔ３にてＶＨ→ＶＬの電圧エッジ（以下、第一種エッジという）を、Ｔ＝Ｔ２、Ｔ４にてＶＬ→ＶＨの電圧エッジ（以下、第二種エッジという）をそれぞれ含む。従って、第二種エッジ判定を行なうＳ１０４〜Ｓ１０６では、エッジ検出された時刻のタイマー値Ｔをリードし（Ｓ１０４）、それがＴ２、Ｔ４からそれぞれ時間αまでの範囲内に収まっているかどうかを判定する（Ｓ１０５、Ｓ１０６）。収まっていれば、Ｓ１０７で第二種エッジの検出数カウンタＥ_ｉをインクリメントし、Ｓ１０８でエッジ検出フラグＦ_Ｌを「０」とする。
【００６６】
他方、Ｓ１０２でＶｓ≦ＶｂであればＳ１０９に進み、エッジ検出フラグＦ_Ｌをリードする。もしその値が「１」（つまり、先の測定でＶｓ＞Ｖｂ）であったなら、現在はＶｓ＞Ｖｂであるから、ＶＨ→ＶＬの電圧エッジ、つまり第一種エッジが生じたことになる。Ｓ１１０〜Ｓ１１２は、エッジが出現すべきタイミングであるかどうかを確認する処理であり、Ｓ１１０ではエッジ検出された時刻のタイマー値Ｔをリードし、それがＴ１、Ｔ３からそれぞれ時間αまでの範囲内に収まっているかどうかを判定する（Ｓ１１１、Ｓ１１２）。収まっていれば、Ｓ１１３で第一種エッジの検出数カウンタＥｊをインクリメントし、Ｓ１１５でエッジ検出フラグＦ_Ｌを「１」とする。
【００６７】
Ｓ１１５では再びタイマー値Ｔをリードし、信号識別期間の終了時刻Ｔ５（例えば、７．５秒）に到達したかどうかを確認する。到達していなければ本選択信号検出処理を抜けメインルーチン（図７）に戻る。他方、到達していれば（Ｅ_ｊ、Ｅ_ｉ）の値の組をリードし、この値が（２，２）であれば、図６の検査検知用ヒートパターン１５９に対応した選択信号が検出されたことを意味するから、Ｓ１１９に進んで検査検知用ヒートパターンの選択を行なう。また、（Ｅ_ｊ、Ｅ_ｉ）が（２，１）であれば、図６の熱処理用ヒートパターンの選択信号１６２が検出されたことを意味するから、Ｓ１２０に進んで熱処理用ヒートパターンの選択を行なう。そして、（Ｅ_ｊ、Ｅ_ｉ）がそれ以外の値であれば、実検知用ヒートパターンの選択信号１６１となり、本選択信号検出処理を抜けメインルーチン（図７）に戻る。
【００６８】
なお、エッジ検出フラグＦ_Ｌを立てる代わりに、前回の電圧測定値Ｖａそのものを記憶し、現在の測定値Ｖｂとの差ΔＶｓ＝Ｖｂ−Ｖａを算出して、その差ΔＶｓが＋ΔＶ_Ｓ０以上（Ｖａ＞Ｖｂなので第一種エッジ）、あるいは−ΔＶ_Ｓ０以下（Ｖａ＜Ｖｂなので第二種エッジ）となっているかどうかを判定するようにしてもよい。
【００６９】
検査工程を含めた上記ガスセンサユニット１の製造工程の概略は、例えば以下のように実施することができる。すなわち、図１のようなガスセンサユニット１を組み立てた後、図８の雰囲気形成チャンバ９０内に配置し、さらに熱処理用制御装置に接続する。この熱処理用制御装置は熱処理用の選択信号（図６における符号１６２）を送信する機能を有していればよく、例えば単なる信号発生装置として構成しておくだけでもよいが、本実施形態では図４に示す検査装置３６５に兼用させている。次に、雰囲気形成チャンバ９０内に処理用ガスを導入する。処理用ガスは、還元性ガス（例えばＣＯ）に対する選択性を有した第一種検知素子５ａの熱処理を行なう場合には、検査検知時よりも高濃度に還元性ガス成分を含有したものを使用する。また、酸化性ガス（例えばＮＯ_２）に対する選択性を有した第二種検知素子５ｂの熱処理を行なう場合には、検査検知時よりも高濃度に酸化性ガス成分を含有したものを使用する。もちろん、これら２つの検知素子５ａ，５ｂの熱処理は個別に行なうことができる。この状態で、熱処理用制御装置側から熱処理用の選択信号１６２をガスセンサユニット１の制御装置９に送信する。これを受けた制御装置９は、熱処理用ヒートパターン１５８（図５）を選択し、ヒータ５１を該ヒートパターン１５８に従って発熱駆動することにより、熱処理を行なう。前記した通り、この熱処理温度は、検査検知時もしくは実検知時（実使用時）よりも高温に設定される。
【００７０】
熱処理が終了したガスセンサユニット１は、図４に示すような検査装置３６５に引き続き接続しておく。検査装置３６５は、検査検知用の選択信号（図６における符号１６３）を制御装置９に送信する。該選択信号を受けたガスセンサユニット１の制御装置９は、検査検知用ヒートパターン１５９（図５）を選択し、ヒータ５１を該ヒートパターン１５９に従って発熱駆動する。既に熱処理が終了しているので、第一活性化促進期間１６５のみ短縮された活性化処理がなされ、活性化維持期間１６７に移行後、ヒータ温度が安定化する一定時間が経過した後、検査処理が可能となる。
【００７１】
検査処理は、図８を援用して示すが、検査用チャンバ（雰囲気形成用チャンバ９０を用いてもよい）内にガスセンサ４（ガスセンサユニット１）を配置し、検査用ガスＴＳＧをチャンバ内に供給して、ガス濃度信号ＦＣＳをモニタすることにより行なうことができる。図４において、コネクタ１５のセンサ出力端子４８からガス濃度信号ＦＣＳが検査用コンピュータ２６７に入力され、例えばガス濃度信号ＦＣＳがハイレベル出力を出力しているかどうかにより、良・不良の判定がなされる。
【００７２】
つまり、ガス濃度信号ＦＣＳをハイレベル出力とさせるべき所定濃度の特定ガスを含んだ検査用ガスＴＳＧを、チャンバ内に予め決められたタイミングで供給したときに、検知素子５ａ、５ｂの活性化が早期に進む場合には、検知素子５ａ、５ｂの検知能に優れる（換言すれば、特定ガスに対する検知素子５ａ、５ｂの抵抗変化Ｒｇ、Ｒｄが大きく現れる）ことから、検査用ガスＴＳＧの供給を受けてハイレベル出力を示す（良判定を示す）ことになるのである。なお、不良判定されたガスセンサユニットはロットから除外・選別され、良判定されたガスセンサユニット１のみが出荷される。
【００７３】
出荷されたガスセンサユニット１は、図３に示すように自動車のフラップ制御装置１００に接続される。バッテリーからの電源電圧を受電した制御装置９は、図６に示すほぼ一定の電源電圧を、実検知時における選択信号１６１として認識し、図５の実検知用ヒートパターン１５７を選択して、ヒータ５１を通電発熱させ、フラップ制御用のガス検知を実行することになる。
【００７４】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。図１に示すガスセンサ４の検知素子５として、ＳｎＯ_２薄膜及びＷＯ_３薄膜により第一種検知素子５ａ及び第二種検知素子５ｂを構成した市販品（フィガロ技研（株）製のＴＧＳ２２０）を用いた。このガスセンサ４と図２に示す制御装置９とを基板３上にアセンブリし、ケース１７，１９に収容してガスセンサユニット１とした。
【００７５】
このガスセンサユニット１を、温度２０℃、相対湿度７０％ＲＨの大気中にて９０日間放置した。その後、ガスセンサユニット１を容積５００ｍＬのチャンバ内に配置し、チャンバ内温度を３５℃に維持するとともに、相対湿度が５０％ＲＨの空気にＣＯガスを１００ｐｐｍ又は２００ｐｐｍ含有させた熱処理用ガスを導入した。そして、この状態で、ヒータ５１を、駆動電圧５Ｖ（ヒータ表面温度：約２８０℃）又は６．３Ｖ（ヒータ表面温度：約４００℃）にて５分又は１０分間発熱させることにより、第一種検知素子５ａの熱処理を行った。なお、比較のため、ＣＯガスを含有しない空気を導入して熱処理する実験も合わせて行った。なお、ヒータ表面温度は、サーモグラフィ（ＡＶＩＯ社製、コンパクトサーモＴＶＳ−２０００ＭＫＩＩ）を用いて測定した。
【００７６】
上記熱処理が終了した後、ガスセンサ（ガスセンサユニット１）の検査工程として、ヒータ５１を５Ｖにて定常的に駆動し、温度３５℃、相対湿度５０％ＲＨの空気を１５（ｌ）／分の流量で流通しながら、第一種検知素子５ａの電気抵抗値Ｒｓ（基準抵抗Ｒ０（１００ｋΩ））に対する相対値にて測定）の経時変化を測定・記録した。また、途中、チャンバ内に、容積比にて１００ｐｐｍとなるようにＣＯガスを注入し、電気抵抗値Ｒｓの変化を記録した。熱処理による吸着分子の脱着が進み、検知能が活性化されると第一種検知素子５ａは電気抵抗値Ｒｓが減少する。図９にその結果を示している。
【００７７】
この結果によると、電圧５Ｖの熱処理を１０分行なう条件下において、空気中で熱処理する比較例（▲１▼）よりも、ＣＯガスを導入して熱処理する実施例（▲２▼〜▲５▼）のほうが、明らかに電気抵抗値Ｒｓの減少が著しく、ＣＯガスを注入したときの電気抵抗値Ｒｓ変化の幅も大きい。すなわち、ＣＯに対する検知能の活性化が早く進んでいることがわかる。また、この活性化の度合いは、熱処理時のＣＯガス濃度が高いほど顕著であることもわかる。
【００７８】
他方、ＣＯガス濃度を２００ｐｐｍとし、熱処理を５分行なう条件下において、ヒータ電圧を６．３Ｖに設定した場合、つまり、検査検知時よりも高温とした場合の結果（▲４▼）は、同じく５Ｖに設定した場合、つまり、検査検知時と同じ温度設定にした場合の結果（▲３▼）よりも、検知能の活性化がより早く進んでいることがわかる。また、同じ５Ｖに設定した場合でも、熱処理時間の長いもの（▲５▼）は、短いもの（▲３▼）よりも検知能の活性化が進んでいることもわかる。
【００７９】
次に、ＣＯガスに代えてＮＯ_２ガスを４ｐｐｍ含有させた熱処理用ガス中を用い、ヒータ５１を、駆動電圧５Ｖにて５分又は１０分間発熱させることにより、第二種検知素子５ｂの熱処理を行った。なお、比較のため、ＮＯ_２ガスを含有しない空気を導入して熱処理する実験も合わせて行った。熱処理が終了した後、ガスセンサ（ガスセンサユニット１）の検査工程として、ヒータ５１を５Ｖにて定常的に駆動し、温度３５℃、相対湿度５０％ＲＨの空気を１５（ｌ）／分の流量で流通しながら、第二種検知素子５ｂの電気抵抗値Ｒｓ（基準抵抗Ｒ０（１０００ｋΩ））に対する相対値にて測定）の経時変化を測定・記録した。また、途中、チャンバ内に、容積比にて２ｐｐｍとなるようにＮＯ_２ガスを注入し、電気抵抗値Ｒｓの変化を記録した。熱処理による吸着分子の脱着が進み、検知能が活性化されると第二種検知素子５ｂは電気抵抗値Ｒｓが増加する。図１０にその結果を示している。
【００８０】
この結果によると、空気中で熱処理する比較例（▲６▼）よりも、ＮＯ_２ガスを導入して熱処理する実施例（▲７▼）のほうが、明らかに電気抵抗値Ｒｓの増加が著しく、ＮＯ_２を注入したときの電気抵抗値Ｒｓ変化の幅も大きい。すなわち、ＮＯ_２に対する検知能の活性化が早く進んでいることがわかる
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスセンサユニットの構成例を示す分解斜視図。
【図２】図１のガスセンサユニットの制御装置の、内部構成の一例を示す回路図。
【図３】図１のガスセンサユニットの実装先の一例として、車両用フラップ制御装置を模式的に示す図。
【図４】検査装置の構成例を示すブロック図。
【図５】ヒートパターンの設定例を示す図。
【図６】ヒートパターンの選択信号の例を示すタイミング図。
【図７】ヒータ制御プログラムの処理フロー（メインルーチン）の概略を示す図。
【図８】熱処理あるいは検査検知に使用する雰囲気勢チャンバの使用方法を示す模式図。
【図９】本発明の効果確認のために行なった実験結果を示すグラフ。
【図１０】本発明の効果確認のために行った別の実験結果を示すグラフ。
【図１１】ヒータ駆動処理フローの概略を示す図。
【図１２】選択信号の検出プログラムにおける処理フローの概略を示す図。
【図１３】デューティ比設定テーブルの概念図。
【符号の説明】
１　ガスセンサユニット
４　ガスセンサ
５　検知素子
９　制御装置
１０　マイクロコンピュータ
５１　ヒータ

Claims

特定の被検知ガス成分の吸着に基づき電気抵抗率を変化させる酸化物半導体により検知素子が構成されたガスセンサの熱処理方法であって、
前記ガスセンサを、測定対象となる雰囲気のガス検知に実使用する前に、所定濃度以上の前記被検知ガス成分を含有する熱処理用ガス中にて前記検知素子を熱処理することを特徴とするガスセンサの熱処理方法。
前記被検知ガス成分はＣＯであり、前記熱処理用ガスはＣＯ成分を５０ｐｐｍ以上含有するものを使用する請求項１記載のガスセンサの熱処理方法。
前記被検知ガス成分はＮＯｘであり、前記熱処理用ガスはＮＯ_２成分を１ｐｐｍ以上含有するものを使用する請求項１記載のガスセンサの熱処理方法。
前記ガスセンサの前記実使用は前記検知素子を設定温度に加熱して行われるものであり、前記熱処理は、前記実使用時の前記設定温度よりも高温にて行われる請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセンサの熱処理方法。
前記ガスセンサは前記検知素子を加熱するヒータを備え、前記実使用時において、該ヒータを定常的に発熱させるための実使用設定電圧が定められ、前記熱処理は、該実使用設定電圧よりも高電圧にて前記ヒータを通電発熱させることによりなされる請求項４記載のガスセンサの熱処理方法。
前記ガスセンサは、前記検知素子及び前記ヒータと電気的に接続されると共に、前記実使用時に前記ヒータを通電発熱させるための実検知用ヒートパターンと、前記熱処理する際に該ヒータを通電発熱させるための熱処理用ヒートパターンとが記憶されたマイクロコンピュータを備え、該マイクロコンピュータは、前記実検知用ヒートパターンまたは前記熱処理用ヒートパターンに対応した信号パターンを有する選択信号を外部から取得することで、その選択信号の信号パターンを識別して該実検知用ヒートパターンまたは該熱処理用ヒートパターンを選択し、前記ヒータを通電発熱させる請求項５記載のガスセンサの熱処理方法。
特定の被検知ガス成分の吸着に基づき電気抵抗率を変化させる酸化物半導体により検知素子が構成されたガスセンサの製造方法であって、前記ガスセンサの出荷前に前記検知素子を、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱処理方法により熱処理する熱処理工程を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。
前記熱処理工程が終了した後、前記検知素子を被検知ガス成分を含有する検査用ガスに暴露してセンサ出力を測定し、その測定結果に基づいてガスセンサの検査を行なう検査工程を有する請求項７記載のガスセンサの製造方法。
前記熱処理工程は、前記熱処理用ガスとして、前記検査用ガスよりも被検知ガス成分を高濃度に含有したものを用いて行われる請求項８記載のガスセンサの製造方法。
特定の被検知ガス成分の吸着に基づき電気抵抗率を変化させる酸化物半導体により検知素子が構成されたガスセンサの検査方法であって、前記検知素子を、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱処理方法により熱処理する熱処理工程と、
該熱処理工程が終了した後、前記検知素子を被検知ガス成分を含有する検査用ガスに暴露してセンサ出力を測定し、その測定結果に基づいてガスセンサの検査を行なう検査工程とを有し、前記熱処理用ガスとして、前記検査用ガスよりも被検知ガス成分を高濃度に含有したものを用いることを特徴とするガスセンサの検査方法。