JP2011099712A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するためのガスセンサにおいて、環境温度の変動の影響をより効果的に低減する。
【解決手段】特定ガス濃度に応じた電流が流れる各種セルと重複するように配設されて外部からの電力により発熱する主発熱部１６５と、主発熱部１６５からセンサ素子の後端側に向かって伸びてその主発熱部１６５への通電経路を形成するリード部１６６と、を有するヒータパターン１６４を備えたガスセンサにおいて、リード部１６６における途中の経路に、副発熱部１６７を設ける。副発熱部１６７の発熱によりガスセンサを取り付けるための主体金具（係合位置）が予め加熱され、排気管等の温度変動に起因する主体金具の温度変動範囲を小さくできる。また、主体金具の温度変動がセンサ素子に伝導しにくくなる。
【選択図】図５

Description

本発明は、測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するためのガスセンサに関する。

従来、例えば車両では、測定対象ガス（排ガス）中の特定ガス成分（酸素や窒素酸化物）の濃度を検出するためのガスセンサを用い、その排ガス中の例えば窒素酸化物濃度を検出して、エンジンの制御や触媒のコントロールを行うことがなされている。

この種のガスセンサでは、測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度に応じた出力信号（電流）を出力するセンサ素子をエンジンの排気管等に固定するための保持部材が設けられている。そして、ガスセンサは、センサ素子がエンジンの排気管等における排ガスの雰囲気に晒されるように、保持部材によりそのエンジンの排気管等に取り付けられる（例えば特許文献１参照）。

センサ素子には、具体的に、固体電解質体と一対の電極とを有し、測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度に応じた電流が流れるセルと、セルを加熱するためのヒータとが備えられている。そして、センサ素子は、ヒータに通電されることによりそのセンサ素子（より具体的にはセル）が所定の活性化温度以上に加熱されることで、測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度に応じた出力信号を出力することが可能となる。

一方、このようなガスセンサを制御するセンサ制御装置は、センサ素子の温度と相関関係を有する形で変化するそのセンサ素子のインピーダンス（以下、素子インピーダンスと記載する）を検出し、その検出した素子インピーダンスを用いて、センサ素子の温度を演算し、その演算した温度に基づいてヒータを駆動する。即ち、センサ素子の温度が目標温度（活性化温度）となるように制御する。測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度は、センサ制御装置において、センサ素子から出力される出力信号に基づき算出される（例えば特許文献２，３参照）。

特願２００１−２３１５７２号公報 特開平１０−４８１１８０号公報 特開平１０−３１８９７９号公報

ところで、エンジンの排気管等の取付対象体にガスセンサが取り付けられている場合、センサ素子を保持するとともに取付対象体に取り付けられる保持部材の温度が、その保持部材が取り付けられる排気管等の取付対象体の温度の変化に依存して変動し、これに伴いセンサ素子の温度も変動する。そして、センサ素子の温度が変動すると、セルの出力信号が特定ガス濃度に対応した値からずれを生じ、濃度検出の精度が低下することがある。特に、複数のセルからセンサ素子が構成され、且つ、セルのそれぞれがセンサ素子の異なる位置に形成されている場合（例えば、センサ素子を長手方向で見たときに、複数のセルの配置位置がずれている場合、あるいは、各セルがセンサ素子を積層方向に沿ってみたときに、異なる層に形成されている場合）には、各セル間にて温度の勾配が生じる。そのため、セルのそれぞれがセンサ素子の異なる位置に形成されている構成のガスセンサでは、各セル間で上記の温度の変動の影響が異なることになり、濃度検出の精度の低下が生じ易い。

このように、環境温度（排ガス、排気管、或いは保持部材の温度）の変動に伴い、センサ素子の温度が変動してしまう。尚、センサ素子の温度が一定温度（活性化温度）となるようにヒータの通電が制御された場合にも、保持部材が取り付けられる排気管等の取付対象体の温度が変動する以上、上記のセンサ素子の温度の変動が生じてしまう。

また、ヒータの温度を、保持部材の温度変動範囲よりも十分に大きな温度とすることにより、その保持部材の温度変動によるセンサ素子の温度変動を無くすことができる、或いは小さくすることができるとも考えられるかもしれないが、この場合、過剰な熱によるガスセンサの破損（例えば割れや欠け）や、センサ素子の温度が活性化温度から乖離してしまうことによる検出精度の低下などが生じることも懸念される。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するためのガスセンサにおいて、保持部材内に保持されるセンサ素子の温度の変動の影響をより効果的に低減することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、固体電解質体及び一対の電極を備えるセルを少なくとも２つ有するとともに、そのセルを昇温するために当該セルに積層されるヒータを備え、長手方向における先端領域が測定対象ガスの雰囲気に晒される長尺状のセンサ素子と、センサ素子を自身の内側に保持し、そのセンサ素子の先端領域を測定対象ガスの流路に配設するための保持部材と、を備え、セルのそれぞれは、センサ素子の異なる位置に形成され、セルの何れかにおいて、測定対象ガス中の特定ガス濃度に応じた出力信号が流れるガスセンサである。

ヒータは、前記先端領域に自身の全てが配設されるとともに外部からの電力供給を受けて発熱する主発熱部と、主発熱部から、センサ素子の後端側に向かって伸びてその主発熱部への外部からの通電経路を形成するリード部とを有している。ヒータは、さらに、該リード部における途中の経路に、外部からの電力供給を受けて発熱する副発熱部を備えている。

この請求項１のガスセンサでは、ヒータのリード部がセンサ素子の先端領域に設けられた主発熱部から後端側に向かって伸びていると共に、そのリード部における途中の経路に副発熱部が設けられている。

このような請求項１の構成によれば、センサ素子の温度（より具体的には、セルの温度）が活性化温度となるようにヒータに通電されることにより、主発熱部に加えて副発熱部も発熱する。そして、その副発熱部の発熱により保持部材が加熱されることとなる。

副発熱部の発熱により保持部材が加熱されることで、その保持部材が取り付けられる排気管等の取付対象体の温度の変動に起因する保持部材の温度変動を、抑制ないし軽減することができる。例えば、ヒータへの通電により保持部材が予め加熱されることで、保持部材の温度が、排気管の熱（言い換えれば排ガスの熱）により急速に上昇してしまう、というような問題を抑制することができる。

つまり、保持部材の温度変動に伴ってセンサ素子の温度変動が生じる、という問題において、そもそもその保持部材の温度変動を小さくできるため、センサ素子の温度変動も小さくすることができる。

また、副発熱部の発熱により、保持部材が加熱されるため、センサ素子の先端領域からの熱引きが生じにくくなって、保持部材の温度変動によるセンサ素子の温度変動を小さくすることができる、とも考えられる。

さらに、保持部材を加熱するにあたり、ヒータのリード部の途中に副発熱部を形成しているため、保持部材を加熱するためにヒータとは別の部材を設ける必要がなく、また、副発熱部で部分的に保持部材を加熱する構成であるため、ヒータによるセンサ素子の過昇温を抑制することができる。

このように、請求項１のガスセンサによれば、排ガスの温度、或いは排気管の温度等、環境温度の変動によって保持部材の温度が変動し、ひいてはセンサ素子の温度が変動することを防止することができる。つまり、センサ素子の特性が環境温度の変動によって変化してしまうことを防止でき、特定ガス濃度を安定的に検出できるようになる。

次に、請求項２のガスセンサは、請求項１のガスセンサにおいて、保持部材には、自身の内側に径方向内側に突出する係合部が形成され、センサ素子は、係合部に支持されて保持部材に保持されており、副発熱部は、リード部のうち、主発熱部と、保持部材の係合部に面する領域との間に設けられていることを特徴としている。

このように、副発熱部が、リード部のうち、主発熱部と保持部材の係合部に面する領域との間に設けられることで、保持部材の温度変動が、より、センサ素子（具体的にセル）に影響を与えにくくなる。尚、センサ素子を保持部材の係合部に係合させる構成では、この係合部を介してセンサ素子との間の熱伝導の経路が構成されるため、保持部材の温度の変動は、センサ素子に対してこの係合部で生じ易くなる。このため、保持部材の温度変動に伴いセンサ素子のセルの温度が変動してしまうこと、言い換えれば環境温度の変動によってセンサ素子の特性が変化してしまうことをより確実に防止することができる。ここで、センサ素子が、保持部材の係合部に支持されるにあたっては、センサ素子自身にフランジ部を一体的に形成し、このフランジ部を保持部材の係合部に支持させる構成であって良く、また、センサ素子の周方向を取り囲むように他の環状部材を結合させ、この環状部材を保持部材の係合部に支持させることで、間接的にセンサ素子を保持部材に支持させる構成であっても良い。

次に、請求項３のガスセンサは、請求項１のガスセンサにおいて、保持部材には、自身の内側に径方向内側に突出する係合部が形成され、センサ素子は、係合部に支持されて保持部材に保持されており、副発熱部は、リード部のうち、保持部材の係合部に面する領域に設けられていることを特徴としている。

これによれば、副発熱部の発熱により、保持部材が加熱されやすくなる。つまり、副発熱部の発熱により、保持部材の温度を予め昇温することが容易となる。このため、保持部材の温度変動に伴ってセンサ素子の温度変動が生じる、という問題において、そもそもその保持部材の温度が変動することをより確実に抑制ないし軽減することができる。つまり、環境温度の変動によってセンサ素子の特性が変化してしまうことをより確実に防止することができる。尚、「副発熱部が保持部材の係合部に面する領域に設けられている」とは、副発熱部の一部又は全部が、リード部のうち、保持部材の係合部に面する領域に設けられていることを表す。

次に、請求項４のガスセンサは、請求項１〜３のガスセンサにおいて、センサ素子は、セルとして、ガス測定室内に導入された測定対象ガス中の酸素濃度を所定濃度に調整する第１セルと、第１セルよりも後端側に設けられて、第１セルによる酸素濃度調整後のガス中の特定ガス濃度としての窒素酸化物濃度に応じた濃度信号が流れる第２セルとを少なくとも有することを特徴としている。

このような構成のセンサ素子においては、第２セルに流れる窒素酸化物濃度に応じた出力信号が、μＡオーダないしｎＡオーダといった微小な電流信号を呈するため、保持部材の温度変動に起因したセンサ素子の温度変動が比較的小さな範囲で生じても、センサ素子の出力信号のずれ（第２セルに流れる出力信号のずれ）に大きな影響としてあらわれる傾向にある。そこで、このような構成のセンサ素子を有するガスセンサに対して、本発明（請求項１〜３に記載の発明）を適用することで、保持部材の温度変動を効果的に抑制することができるため、第２セルに流れる微小な電流信号に基づいて、正確な測定対象ガス中の窒素酸化物濃度を検出することが可能となる。

また、上記のようなガスセンサとして、請求項５のように、センサ素子は、第１セルよりも後端側であって、第２セルよりも先端側の位置に第３セルが設けられ、この第３セルの温度が目標温度となるようにヒータの通電が制御される構成のものがある。

このような構成のガスセンサでは、センサ素子の温度を検出するために、第１セル及び第２セルとの中間位置に第３セルを設け、第３セルの温度が目標温度となるようにヒータへの通電制御がなされるものである。第３セルが目標温度に保たれる関係から、第２セルもその温度に近づくようにヒータにて昇温されるが、第２セルは、第３セルよりも後端側に位置する関係上、保持部材の温度変動の影響を少なからず受けてしまう。そこで、本発明（請求項１〜３に記載の発明）を適用することで、保持部材の温度変動を効果的に抑制することができるため、第２セルに流れる微小な電流信号に基づいて、正確な測定対象ガス中の窒素酸化物濃度を検出することが可能となる。

本実施形態のガス濃度検出装置１の概略構成図である。 ガスセンサ２の概略構成図である。 ガス濃度検出装置１の詳細な構成図である。 センサ素子４の断面図である。 ヒータパターン１６４の構成図である。 センサ素子４における温度分布及び温度変動の特性を表す図面である。 本実施形態の変形例を表す図面である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明が適用されたガス濃度検出装置１の概略構成図である。
ガス濃度検出装置１は、図１に示すように、ＮＯｘ濃度を検出するためのガスセンサ２と、センサ制御装置１１と、を備えており、ボイラや自動車のエンジン等の各種内燃機器の排ガス中の特定ガス（本実施形態では、ＮＯｘ）の濃度を検出する用途などに用いられる。このガス濃度検出装置１では、先端にコネクタ１２を有するリード線１４がセンサ制御装置１１に接続されると共に、先端にコネクタ１３を有するリード線１５がガスセンサ２に接続されている。そして、コネクタ１２とコネクタ１３とが嵌合されることにより、センサ制御装置１１とガスセンサ２とが電気的に接続される。このため、コネクタ１２，１３を外せばガスセンサ２を容易に交換することができる。

ガスセンサ２は、後述するセンサ素子４及び主体金具１０２を備えており、その主体金具１０２により、センサ素子４が排ガス雰囲気中に晒されるように排気管等に配設される。

図２は、ガスセンサ２の概略構成を表す図である。
ガスセンサ２は、排気管に固定するためのネジ部１０３が外表面に形成された筒状の主体金具１０２と、軸線方向（図中上下方向）に延びる板状形状をなすセンサ素子４と、センサ素子４の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ６と、軸線方向に貫通する素子挿通孔８４を有する絶縁コンタクト部材８２と、センサ素子４に接続される６個のリードフレーム１０（図１では、一部のみを図示）と、を備えている。

センサ素子４は、軸線方向に延びる板状形状をなし、測定対象となるガスに向けられる先端側（図中下方）に保護層（図示省略）に覆われた検出部８が形成され、後端側（図中上方）の外表面のうち表裏の位置関係となる第１板面２１および第２板面２３に電極端子部３０，３１，３２，３４，３５，３６が形成されている。

絶縁コンタクト部材８２が、素子挿通孔８４の内部でリードフレーム１０およびセンサ素子４を保持することで、リードフレーム１０は、センサ素子４の電極端子部３０，３１，３２，３４，３５，３６にそれぞれ電気的に接続される。また、リードフレーム１０は、外部からセンサの内部に配設されるリード線４６にも電気的に接続されており、リード線４６が接続される外部機器と電極端子部３０，３１，３２，３４，３５，３６との間に流れる電流の電流経路を形成する。

主体金具１０２は、軸線方向に貫通する貫通孔１０９を有し、貫通孔１０９の内部において径方向内側に突出する係合部１０７を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１０２は、検出部８を貫通孔１０９の先端側外部に配置し、電極端子部３０，３１，３２，３４，３５．３６を貫通孔１０９の後端側外部に配置する状態で貫通孔１０９に挿通されたセンサ素子４を保持するよう構成されている。さらに、係合部１０７は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

なお、主体金具１０２の貫通孔１０９の内部には、センサ素子４の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ１０６、粉末充填層１０８，１１０（以下、滑石リング１０８，１１０ともいう）、上述のセラミックスリーブ６が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ６と主体金具１０２の後端部１０４との間には、加締リング１１８が配置されており、セラミックホルダ１０６と主体金具１０２の係合部１０７との間には、金属カップ１２９が配置されている。なお、主体金具１０２の後端部１０４は、加締リング１１８を介してセラミックスリーブ６を先端側に押し付けるように、加締められている。本実施形態では、センサ素子４の特定位置の周囲に金属カップ１２９を外挿し、その上で金属カップ１２９内にセラミックホルダ１０６を収容した状態で、粉末充填層１０８を圧縮充填することで、センサ素子４の周方向を取り囲む環状のフランジ構成部１１９を形成している。

次に、図３、４を用いて、ガス濃度検出装置１についてより具体的に説明する。尚、図４は、図３におけるＡ−Ａ断面図である。以下、図３を中心に説明することとする。
まず、センサ素子４について説明する。センサ素子４は、３枚の板状の固体電解質体１１１、１２１、１３１を、間にアルミナ等からなる絶縁体１４０、１４５をそれぞれ挟んで層状に形成した構造を有する。また、固体電解質体１３１側の外側（図３における下側）には、アルミナを主体とするシート状の絶縁層１６２、１６３を積層し、その間にＰｔを主体とするヒータパターン１６４を埋設したヒータ素子１６１が設けられている。

固体電解質体１１１、１２１、１３１は、固体電解質であるジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。センサ素子４の積層方向において固体電解質体１１１の両面には、固体電解質体１１１を挟むように多孔質性の電極１１２、１１３がそれぞれ設けられている。

この電極１１２、１１３は、Ｐｔ又はＰｔ合金或いはＰｔとセラミックスとを含むサーメットなどから形成されている。また、電極１１２、１１３の表面にはセラミックスからなる多孔質性の保護層１１４が設けられており、電極１１２、１１３が排ガスに含まれる被毒性ガス（還元雰囲気）に晒されないように保護している。これにより、電極の劣化が防止される。

固体電解質体１１１は、両電極１１２、１１３間に電流を流すことで、電極１１２の接する雰囲気（センサ素子４の外部の雰囲気）と電極１１３の接する雰囲気（後述する第１測定室１５０内の雰囲気）との間で酸素の汲み出し及び汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行うことができる。尚、以下、この固体電解質体１１１および電極１１２、１１３をＩｐ１セル１１０と称することとする。

次に、固体電解質体１２１は、絶縁体１４０を挟んで固体電解質体１１１と対向するように配置されている。センサ素子４の積層方向における固体電解質体１２１の両面には、固体電解質体１２１を挟むように多孔質性の電極１２２、１２３がそれぞれ設けられている。この電極１２２、１２３は、Ｐｔ又はＰｔ合金或いはＰｔとセラミックスとを含むサーメットなどから形成されている。

また、固体電解質体１１１と、固体電解質体１２１との間には小空間としての第１測定室１５０が形成されており、固体電解質体１１１側の電極１１３と、固体電解質体１２１側の電極１２２とが第１測定室１５０内に配置されている。この第１測定室１５０は、排気通路内を流通する排ガスがセンサ素子４内に最初に導入される小空間であり、第１測定室１５０には、その第１測定室１５０内外の仕切りとして、第１測定室１５０内への排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する多孔質性の第１多孔質部１５１が設けられている（図４も参照）。

次に、第１測定室１５０のセンサ素子４における後端側（図面右側）に、第１測定室１５０と後述する第２測定室との仕切りとして、排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する第２多孔質部１５２が設けられている。

固体電解質体１２１および両電極１２２、１２３は、主として、固体電解質体１２１により隔てられた雰囲気（電極１２２の接する第１測定室１５０内の雰囲気と、電極１２３の接する後述する基準酸素室１７０内の雰囲気）間の酸素分圧差に応じて起電力を発生することができるものである。尚、以下、固体電解質体１２１および電極１２２、１２３を、Ｖｓセル１２０と称することとする。

次に、固体電解質体１３１は、絶縁体１４５を挟んで固体電解質体１２１と対向するように配置されている。固体電解質体１３１の固体電解質体１２１側の面には、Ｐｔ又はＰｔ合金或いはＰｔとセラミックスとを含むサーメットなどから形成された多孔質性の電極１３２、１３３がそれぞれ設けられている。

電極１３２が形成された位置には、孤立した小空間としての基準酸素室１７０が形成されている。この基準酸素室１７０には、Ｖｓセル１２０の電極１２３が配置されている。尚、基準酸素室１７０内には、セラミックス製の多孔質体が充填されている。また、電極１３３が形成された位置には、基準酸素室１７０との間に絶縁体１４５を経て、独立した小空間としての第２測定室１６０が形成されている。そして、この第２測定室１６０に連通するように、固体電解質体１２１及び絶縁体１４０のそれぞれに開口部１２５、１４１が設けられており、前述したように、第１測定室１５０と開口部１４１とが、間に第２多孔質部１５２を挟んで接続されている。

固体電解質体１３１及び両電極１３２、１３３は、絶縁体１４５により隔てられた雰囲気（電極１３２の接する基準酸素室１７０内の雰囲気と、電極１３３の接する第２測定室１６０内の雰囲気）間にて、酸素の汲み出しを行うことができるものである。尚、以下、この固体電解質体１３１および電極１３２、１３３をＩｐ２セル１３０と称することとする。

なお、図２に示すように、本実施形態のガスセンサ２のセンサ素子４では、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、Ｉｐ２セル１３０のそれぞれが、長手方向に沿って見たときに、異なる位置に形成されており、また、積層方向に沿って見たときに、異なる層に形成されている。

次に、センサ素子４と電気的に接続されたセンサ制御装置１１の構成について説明する。
センサ制御装置１１は、マイクロコンピュータ６０、電気回路部５８等を有している。尚、このマイクロコンピュータ６０及び電気回路部５８が、図１のセンサ制御装置５に相当している。

マイクロコンピュータ６０は、各種演算を実行するＣＰＵ６１と、演算結果等が記憶されるＲＡＭ６２と、ＣＰＵ６１が実行するプログラム等を記憶するＲＯＭ６３とを備えている。また、Ａ／Ｄコンバータ６５と、そのＡ／Ｄコンバータ６５を介して電気回路部５８と接続されると共に、電子制御装置（以下、ＥＣＵと記載する）９０と通信するための信号入出力部６４と、図示しないタイマクロック等を備えている。

電気回路部５８は、基準電圧比較回路５１、Ｉｐ１ドライブ回路５２、Ｖｓ検出回路５３、Ｉｃｐ供給回路５４、Ｉｐ２検出回路５５、Ｖｐ２印加回路５６、ヒータ駆動回路５７から構成され、マイクロコンピュータ６０による制御を受けて、センサ素子４を用いて排ガス中のＮＯｘ濃度の検出を行う。

尚、Ｉｐ１セル１１０の第１測定室１５０側の電極１１３、Ｖｓセル１２０の第１測定室１５０側の電極１２２、Ｉｐ２セル１３０の第２測定室１６０側の電極１３３は、基準電位に接続されている。また、ヒータ素子１６１の一方の電極は接地されている。

そして、Ｉｃｐ供給回路５４は、Ｖｓセル１２０の電極１２２、１２３間に電流Ｉｃｐを供給し、第１測定室１５０内から基準酸素室１７０内への酸素の汲み出しを行っている。

Ｖｓ検出回路５３は、電極１２２、１２３間の電圧Ｖｓを検出するための回路であり、その検出結果を基準電圧比較回路５１に対し出力している。
基準電圧比較回路５１は、Ｖｓ検出回路５３により検出されたＶｓセル１２０の電極１２２、１２３間の電圧Ｖｓを、基準となる基準電圧（例えば４２５ｍＶ）と比較するための回路であり、その比較結果をＩｐ１ドライブ回路５２に対し出力している。

Ｉｐ１ドライブ回路５２は、Ｉｐ１セル１１０の電極１１２、１１３間に電流Ｉｐ１を供給するための回路である。電流Ｉｐ１の大きさや向きは、基準電圧比較回路５１によるＶｓセル１２０の電極１２２、１２３間の電圧の比較結果に基づいてＶｓセル１２０の電極１２２、１２３間の電圧が予め設定された基準電圧と略一致するように調整されている。その結果、Ｉｐ１セル１１０により、第１測定室１５０内からセンサ素子４外部への酸素の汲み出し、或いはセンサ素子４外部から第１測定室１５０内への酸素の汲み入れが行われる。換言すると、Ｉｐ１セル１１０は、Ｖｓセル１２０の電極１２２、１２３間の電圧が一定値（基準電圧の値）に保たれるように、第１測定室１５０内における酸素濃度の調整を行っている。

また、Ｖｐ２印加回路５６は、Ｉｐ２セル１３０の電極１３２、１３３間へ電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加するための回路であり、これにより、第２測定室１６０内から基準酸素室１７０への酸素の汲み出しが行われる。

Ｉｐ２検出回路５５は、Ｉｐ２セル１３０の電極１３３から電極１３２に流れた電流Ｉｐ２の値の検出を行う回路である。
ヒータ駆動回路５７は、ＣＰＵ６１により制御され、ヒータ素子１６１のヒータパターン１６４へ電流を流し、固体電解質体１１１、１２１、１３１（換言すると、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、Ｉｐ２セル１３０）の加熱を行うと共に、固体電解質体１１１、１２１、１３１の温度を所定の温度に保たせるための回路である。

ヒータパターン１６４はヒータ素子１６１内で繋がる一本の電極パターンであり、ヒータ駆動回路５７に接続されている。このヒータ駆動回路５７は、固体電解質体１１１、１２１、１３１（本実施形態では、具体的に固体電解質体１２１）が狙いとする温度になるように、ヒータパターン１６４をＰＷＭ通電制御して当該ヒータパターン１６４に電流を流す制御を行えるように構成されている。ヒータ駆動回路５７は、より具体的に、次述するＶｓセル１２０の内部抵抗の値が目標とする抵抗値（換言すれば、Ｖｓセル１２０の温度が目標温度）となるように、定期的に検出されるＶｓセル１２０の内部抵抗に基づいて、Ｖｓセル１２０の温度を算出し、算出された温度に基づいてヒータパターン１６４をＰＷＭ通電制御するのである。

次に、本実施形態におけるＶｓセル１２０の内部抵抗の測定方法について説明する。Ｖｓセル１２０の内部抵抗の測定方法としては、Ｖｓセル１２０に形成された電極１２２、１２３間に、抵抗検出回路５９に設けた定電流源回路から定電流Ｉを流し、電極１２２、１２３間の電圧Ｖを抵抗検出回路５９により測定し、そのデータをマイクロコンピュータ６０のＣＰＵ６１にて内部抵抗の値として演算するようにすれば良い。より詳細には、抵抗検出回路５９に設けた低電流源回路から定電流ＩをＶｓセル１２０に流す前の電極１２２、１２３間の電圧と、上記定電流源回路定電流ＩをＶｓセル１２０に流してから一定時間（例えば、６０μｓ経過後）の電極１２２、１２３間の電圧との差電圧ΔＶを、抵抗検出回路５９に設けた差動増幅回路を介して測定し、そのデータをマイクロコンピュータ６０のＣＰＵ６１により、内部抵抗の値として演算するようにすれば良い。なお、この内部抵抗の値と温度とは相関関係があるため、内部抵抗の値が演算されることで、ＣＰＵ６１は、予め設定された計算式またはマップを用いて、Ｖｓセル１２０の温度を算出することができる。尚、抵抗検出回路５９の構成及びＶｓセル１２０の内部抵抗の測定手法自体は公知であることから、これ以上の説明は省略することとする。

このような構成のセンサ制御装置１１によって、センサ素子４を用いて排ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる。ＮＯｘ濃度の検出の際の動作について説明する。
図３に示す、センサ素子４を構成する固体電解質体１１１、１２１、１３１は、ヒータ駆動回路５７から駆動電流が流されたヒータパターン１６４の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、及びＩｐ２セル１３０が動作するようになる。

排気通路（図１参照）内を流通する排ガスは、第１多孔質部１５１による流通量の制限を受けつつ第１測定室１５０内に導入される。ここで、Ｉｃｐ供給回路５４によりＶｓセル１２０には電極１２３側から電極１２２側へ微弱な電流Ｉｃｐが流されている。このため、排ガス中の酸素は、負極側となる第１測定室１５０内の電極１２２から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって固体電解質体１２１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。つまり、電極１２２、１２３間で電流Ｉｃｐが流されることによって、第１測定室１５０内の酸素が基準酸素室１７０内に送り込まれている。

Ｖｓ検出回路５３では、電極１２２、１２３間の電圧が検出されており、基準電圧比較回路５１により基準電圧（４２５ｍＶ）と比較されて、その比較結果がＩｐ１ドライブ回路５２に対し出力されている。ここで、電極１２２、１２３間の電位差が４２５ｍＶ付近で一定となるように、第１測定室１５０内の酸素濃度を調整すれば、第１測定室１５０内の排ガス中の酸素濃度は所定値（例えば１０^-8〜１０^-9ａｔｍ）に近づくこととなる。

そこで、Ｉｐ１ドライブ回路５２では、第１測定室１５０内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、電極１１２側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、センサ素子４外部から第１測定室１５０内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第１測定室内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電極１１３側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、第１測定室１５０内からセンサ素子４外部へ酸素の汲み出しを行う。

このように、第１測定室１５０において酸素濃度が調整された排ガスは、第２多孔質部１５２を介し、第２測定室１６０内に導入される。第２測定室１６０内で電極１３３と接触した排ガス中のＮＯｘは、Ｖｐ２印加回路５６により電極１３２、１３３間へ電圧Ｖｐ２を印加されることで、電極１３３上でＮ₂とＯ₂とに分解（還元）され、分解された酸素は、酸素イオンとなって固体電解質体１３１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。このため、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流は、ＮＯｘ濃度に応じた値を示す。センサ制御装置１１では、Ｉｐ２検出回路５５によりＩｐ２セル１３０を流れる電流Ｉｐ２を検出し、その電流値から、排ガス中のＮＯｘ濃度の検出を行う。

次に、本実施形態におけるヒータパターン１６４の構成について説明する。図５は、ヒータパターン１６４を表す図面である。尚、図５では、従来のヒータパターンの一例と、本実施形態のヒータパターン１６４とを記載している。

図５において、係合位置とは、センサ素子４（具体的には、センサ素子４の周囲を取り囲むフランジ構成部１１９と主体金具１０２の径方向内側に突出する係合部１０７とが係合する位置である。そして、係合位置から図面左側が、センサ素子４の先端領域に相当する。

従来型のヒータパターンは、Ｉｐ１セル１１０からＩｐ２セル１３０にかけての領域に重畳するように配設されて外部からの通電によって発熱する発熱部と、その発熱部への外部からの通電経路を形成するリード部とを備えている。

本実施形態（本発明）のヒータパターン１６４は、Ｉｐ１セル１１０からＩｐ２セル１３０にかけての領域に重畳するように配設されて（例えば図３、４も参照）、外部からの通電によって発熱する主発熱部１６５と、その主発熱部１６５への外部からの通電経路を形成するリード部１６６とを有している。尚、主発熱部１６５及びリード部１６６を有している点については、従来型と同様である。

主発熱部１６５は、リード部１６６よりも幅狭に構成され、そのリード部１６６側からセンサ素子４の先端に向かって伸び、センサ素子４の先端にて弧を描くように折り返してリード部１６６側に伸び、リード部１６６側で弧を描くように折り返してセンサ素子４の先端に向かって伸び、再度センサ素子４の先端にて弧を描くように折り返してリード部１６６側に伸びている。

リード部１６６は、主発熱部１６５よりも幅広に構成され、主発熱部１６５から、センサ素子４の後端側に向かって伸びている。尚、図５においては、係合位置から後端側におけるリード部１６６については記載を省略している。

そして、本実施形態では、ヒータパターン１６４は、リード部１６６における途中の経路に外部からの通電によって発熱する副発熱部１６７を有している。より具体的に、副発熱部１６７は、リード部１６６において、主発熱部１６５と係合位置との間に設けられている。

この副発熱部１６７は、リード部１６６の副発熱部１６７が形成されていない部位よりも単位長さ当たりの抵抗値が大きくなるように、具体的には幅狭に構成されている。
このような構成により、外部からヒータパターン１６４に通電されると、主発熱部１６５に加えて副発熱部１６７も発熱する。そして、副発熱部１６７の発熱により、主体金具１０２が加熱されるようになる。このため、本実施形態では、予め主体金具１０２を加熱することができるようになる。また、係合位置における温度変動（主体金具１０２の温度変動）がセンサ素子４に対して影響を与えにくくなるようにすることができる。以下、その効果について、図６を用いて説明する。

図６は、センサ素子４における温度分布及び温度変動の特性を表したグラフである。
具体的に、本発明のヒータパターン１６４が適用されたセンサ素子４を用い、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が常温（例えば２５℃程度）の際のそのセンサ素子４における温度分布と、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が５００℃の際のそのセンサ素子４における温度分布とを、グラフ上に示した。その両者の温度分布を比較することで、センサ素子４における温度変動（主体金具１０２の温度が常温の場合と５００℃の場合とにおける温度変動）の特性も分かる。

また、比較のため、従来型のヒータパターン（図５参照）が適用されたセンサ素子を用い、同様に、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が常温の際のそのセンサ素子における温度分布と、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が５００℃の際のそのセンサ素子における温度分布とを、グラフ上に示した。

なお、本発明のヒータパターンが適用されたセンサ素子、及び、従来型のヒータパターンが適用されたセンサ素子ともに、定期的に検出されるＶｓセル１２０の内部抵抗の値が目標の抵抗値となるように、マイクロコンピュータ６０及びヒータ駆動回路５７を用いて、ヒータパターンをＰＷＭ通電制御し、そのもとでの温度分布を図５では示している。

まず、従来型のヒータパターンが適用されたセンサ素子における温度分布は、プロット点が白の四角のもの（曲線Ａ）と、プロット点が網掛けの四角のもの（曲線Ｂ）とで表している。このうち、曲線Ａは、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が常温の場合であり、曲線Ｂは、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が５００℃の場合である。

本発明のヒータパターン１６４が適用されたセンサ素子４における温度分布は、プロット点が白丸のもの（曲線Ｃ）と、プロット点が黒丸のもの（曲線Ｄ）とで表している。このうち、曲線Ｃは、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が常温の場合であり、曲線Ｄは、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が５００℃の場合である。

従来型のヒータパターンが適用されたセンサ素子における温度分布（曲線Ａ、Ｂ）と、本発明のヒータパターン１６４が適用されたセンサ素子４における温度分布（曲線Ｃ、Ｄ）とを比較すると、後者のほうが、温度変動が小さくなっている。つまり、曲線Ａと曲線Ｂとの間の温度の違いと、曲線Ｃと曲線Ｄとの間の温度の違いとでは、後者のほうが温度の違いは小さい。

例えば、Ｉｐ１セル１１０の位置（位置：Ｐ１）、Ｖｓセル１２０の位置（位置：Ｐ２）、Ｉｐ２セル１３０の位置（位置：Ｐ３）の各位置おいて、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が常温の場合の各位置の温度と、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）が５００℃の場合の各位置の温度と、を比較すると、本実施形態のヒータパターン１６４が適用された場合のほうが温度の違いは小さくなっている。

つまり、本実施形態のヒータパターン１６４を適用したセンサ素子４のほうが、係合位置の温度変動によるＩｐ１セル１１０の位置、Ｖｓセル１２０の位置、Ｉｐ２セル１３０の各位置の温度変動は小さくなっている。

このように、本発明のヒータパターン１６４が適用されたセンサ素子４では、主体金具１０２の係合部１０７の係合位置の温度（主体金具１０２の温度）の変動に伴うそのセンサ素子４における温度変動（より具体的に、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、Ｉｐ２セル１３０における温度変動）を小さくすることができる。これは、副発熱部１６７の発熱により、係合位置の温度（主体金具１０２の温度）の変動が抑制ないし軽減されているためである。

また、本発明のヒータパターン１６４が適用されたセンサ素子４では、ヒータパターン１６４への通電により副発熱部１６７が発熱するため、例えば主体金具１０２を予め加熱することができる。主体金具１０２を予め加熱しておくことで、例えば排気管等の温度変動に起因するその主体金具１０２の温度変動範囲を小さくすることができる。このため、センサ素子４における温度変動を小さくすることができる。

尚、本実施形態において、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、Ｉｐ２セル１３０が特許請求の範囲のセルに相当し、ヒータパターン１６４が特許請求の範囲のヒータに相当し、主体金具１０２が保持部材に相当し、Ｉｐ１セル１１０が第１セルに相当し、Ｉｐ２セル１３０が第２セルに相当し、Ｖｓセル１２０が第３セルに相当している。
〈変形例〉
次に、図７は、ヒータパターン１６４の変形例を表す図である。図７においては、第１の変形例と第２の変形例とを記載している。

まず、図７の第１の変形例に示すように、副発熱部１６７は、リード部１６６において、係合位置をまたぐように設けられていても良い。つまり、リード部１６６において、センサ素子４を係合する主体金具１０２の係合部１０７に面する領域に設けられていても良い。 これによれば、副発熱部１６７の発熱により、主体金具１０２がより加熱されやすくなる。つまり、ヒータパターン１６４への通電により、主体金具１０２を予め加熱し易くなる。このため、例えば排気管等の温度変動に起因する主体金具１０２の温度変動範囲をより確実に小さくすることができる。また、主体金具１０２の温度変動がセンサ素子４に伝導しにくくすることができる。

このため、センサ素子４の特性が変化してしまうことをより確実に防止することができる。
次に、図７の第２の変形例に示すように、副発熱部１６７は、係合位置（主体金具１０２）よりもセンサ素子４における後端側に設けられていても良い。

このような構成でも、第１実施形態と同様に、主体金具１０２が予め加熱されるようにすることができ、例えば排気管等の温度変動に起因する主体金具１０２の温度変動範囲を小さくすることができる。従って、センサ素子４の特性が変化してしまうことを確実に防止することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内において種々の形態をとることができる。
例えば、図５の主発熱部１６５のパターンは一例であり、どのようなパターンでも良い。また、副発熱部１６７は、リード部１６６の途中の経路に設けられてさえいれば、蛇行形状をなしてもよいし、どのようなパターンでも良い。

また、上記実施形態では、ヒータパターン１６４はＰｔを主体とした素材からなるが、素材は何でも良い。

１…ガス濃度検出装置、２…ガスセンサ、４…センサ素子 １１…センサ制御装置、１２，１３…コネクタ、１４，１５…リード線、５１…基準電圧比較回路、５２…Ｉｐ１ドライブ回路、５３…Ｖｓ検出回路、５４…Ｉｃｐ供給回路、５５…Ｉｐ２検出回路、５６…Ｖｐ２印加回路、５７…ヒータ駆動回路、５８…電気回路部、５９…抵抗検出回路、６０…マイクロコンピュータ、６４…信号入出力部、６５…Ａ／Ｄコンバータ、９０…ＥＣＵ、１０２…主体金具、１１０…Ｉｐ１セル、１１１，１２１，１３１…固体電解質体、１１２，１１３，１２２，１２３，１３２，１３３…電極、１１４…保護層、１１８…加締リング、１２０…Ｖｓセル、１２５…開口部、１２９…金属カップ、１３０…Ｉｐ２セル、１４０，１４５…絶縁体、１４１…開口部、１５０…第１測定室、１５１…第１多孔質部、１５２…第２多孔質部、１６０…第２測定室、１６１…ヒータ素子、１６２…絶縁層、１６４…ヒータパターン、１６５…主発熱部、１６６…リード部、１６７…副発熱部、１７０…基準酸素室。

Claims (5)

1. 固体電解質体及び一対の電極を備えるセルを少なくとも２つ有するとともに、そのセルを昇温するために当該セルに積層されるヒータを備え、長手方向における先端領域が前記測定対象ガスの雰囲気に晒される長尺状のセンサ素子と、
   前記センサ素子を自身の内側に保持し、そのセンサ素子の先端領域を前記測定対象ガスの流路に配設するための保持部材と、を備え、
   前記セルのそれぞれは、前記センサ素子の異なる位置に形成され、前記セルの何れかにおいて、前記測定対象ガス中の特定ガス濃度に応じた出力信号が流れるガスセンサであって、
   前記ヒータは、
   前記先端領域に自身の全てが配設されるとともに外部からの電力供給を受けて発熱する主発熱部と、前記主発熱部から、前記センサ素子の後端側に向かって伸びてその主発熱部への外部からの通電経路を形成するリード部とを有し、さらに、該リード部における途中の経路に、外部からの電力供給を受けて発熱する副発熱部を備えていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記保持部材には、自身の内側に径方向内側に突出する係合部が形成され、前記センサ素子は、前記係合部に支持されて前記保持部材に保持されており、
   前記副発熱部は、前記リード部のうち、前記主発熱部と、前記保持部材の前記係合部に面する領域との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記保持部材には、自身の内側に径方向内側に突出する係合部が形成され、前記センサ素子は、前記係合部に支持されて前記保持部材に保持されており、
   前記副発熱部は、前記リード部のうち、前記保持部材の前記係合部に面する領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
4. 前記センサ素子は、前記セルとして、ガス測定室内に導入された前記測定対象ガス中の酸素濃度を所定濃度に調整する第１セルと、前記第１セルよりも後端側に設けられて、前記第１セルによる酸素濃度調整後のガス中の前記特定ガス成分濃度としての窒素酸化物濃度に応じた前記濃度信号が流れる第２セルとを少なくとも有することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記センサ素子は、長手方向に沿って見たときに、前記第１セルよりも後端側であって、前記第２セルよりも先端側の位置に第３セルが設けられ、前記第３セルの温度が目標温度となるように前記ヒータの通電が制御されることを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ。