JP2023116060A - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出電極の温度を精度よく検出可能なガスセンサ素子及びガスセンサを提供すること。【解決手段】ガスセンサ素子２は、混成電位を利用するガスセンサ１に用いられる。ガスセンサ素子２は、第１面２０１及び第２面２０２を有する固体電解質体２１と、該固体電解質体の上記第１面に設けられて検出対象ガスＧと接触する検出電極２２と、上記固体電解質体の上記第２面における上記検出電極と対向する位置に設けられるとともに基準ガスＡと接触する基準電極２３と、上記固体電解質体に設けられた温度検出部２５と、上記固体電解質体の上記第２面に対向するとともに、上記第２面との間に上記基準ガスが流通するダクト２４を有して配された絶縁体３と、該絶縁体に配されるとともに、上記温度検出部が検出した温度に基づいて制御されるヒータ４１１と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスセンサ素子及びガスセンサに関する。

ガスセンサは、車両の内燃機関の排気管等に配置され、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける特定ガス成分濃度、酸素濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサにおいては、空燃比センサ、ＮＯｘセンサ等の他に、アンモニアガス、炭化水素ガス等の特定ガス成分及び酸素ガスに触媒活性を有する検出電極を用いて、特定ガス成分及び酸素ガスによる混成電位を検出するものがある。

混成電位を利用するガスセンサとしては、例えば、特許文献１に示されるものがある。特許文献１に記載されたガスセンサは、絶縁層と、絶縁層に積層された固体電解質層と、を有する。絶縁層と固体電解質層との間には、基準ガスが流通可能な基準ガス室が設けられている。固体電解質層の表面には検出電極が設けられており、検出電極は検出対象ガスと接触可能になっている。また、固体電解質層の裏面のうち基準ガス室に面した領域には基準電極が設けられており、基準電極は基準ガスと接触可能になっている。さらにガスセンサは、絶縁層のうち検出電極と反対側に位置する最外層に、検出電極の温度を検出するための温度検出手段を有する。

特許第５１３４３９９号公報

特許文献１に記載されたガスセンサにおいては、温度検出手段は、ガスセンサにおいて検出電極と反対側の面に設けられている。このため、検出電極の温度と、温度検出手段の温度との間に差異が生じる可能性がある。この結果、検出電極の温度を精度よく検出することが難しいという問題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、検出電極の温度を精度よく検出可能なガスセンサ素子及びガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
混成電位を利用するガスセンサ（１）に用いられるガスセンサ素子（２）であって、
第１面（２０１）及び第２面（２０２）を有する固体電解質体（２１）と、
該固体電解質体の上記第１面に設けられて検出対象ガス（Ｇ）と接触する検出電極（２２）と、
上記固体電解質体の上記第２面における上記検出電極と対向する位置に設けられるとともに基準ガス（Ａ）と接触する基準電極（２３）と、
上記固体電解質体に設けられた温度検出部（２５）と、
上記固体電解質体の上記第２面に対向するとともに、上記第２面との間に上記基準ガスが流通するダクト（２４）を有して配された絶縁体（３）と、
該絶縁体に配されるとともに、上記温度検出部が検出した温度に基づいて制御されるヒータ（４１１）と、を備えた、ガスセンサ素子にある。

本発明の他の態様は、混成電位を利用するガスセンサ（１）であって、
上記ガスセンサ素子を有する、ガスセンサ（１）にある。

温度検出部は固体電解質体に設けられているので、固体電解質体に設けられた検出電極の温度を精度よく検出することができる。これにより、温度検出部が固体電解質体と異なる部分に設けられる場合に比べて、ガスセンサ素子の精度を向上させることができる。

以上のごとく、上記の態様によれば、検出電極の温度を精度よく検出できるガスセンサ素子及びガスセンサを提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１にかかる、ガスセンサ及びガスセンサ素子を示す図２のＩ－Ｉ断面図。 実施形態１にかかる、ガスセンサ素子を示す、図１のＩＩ矢視図。 実施形態１にかかる、ガスセンサ及びセンサ素子図を示す、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図 実施形態１にかかる、ガスセンサが配置された内燃機関を示す、説明図。 実施形態１にかかる、ガスセンサ素子を示す、図１における一部拡大ＩＩ矢視図 実施形態１にかかる、検出電極が出力する電圧出力の、検出電極の表面温度に対する変化を示すグラフ。 実験例１にかかる、検出電極と、温度検出部とを示す説明図。 実験例２にかかる、検出電極と、温度検出部とを示す説明図。 実験例３にかかる、検出電極と、温度検出部とを示す説明図。 実験例１にかかる、検出対象ガスの温度、温度検出部の電気抵抗値、及び検出電極から出力される混成電位出力の、経時変化について示すグラフ。 実験例２にかかる、検出対象ガスの温度、温度検出部の電気抵抗値、及び検出電極から出力される混成電位出力の、経時変化について示すグラフ。 実験例３にかかる、検出対象ガスの温度、温度検出部の電気抵抗値、及び検出電極から出力される混成電位出力の、経時変化について示すグラフ。 実施形態２にかかる、ガスセンサ素子を示す、図１のＩＩ矢視相当図。 実施形態２にかかる、固体電解質体の第２面を示す説明図。 実施形態３にかかる、ガスセンサ素子を示す、図１のＩＩ矢視相当図。 実施形態４にかかる、ガスセンサ素子を示す、図１のＩＩ矢視相当図。

＜実施形態１＞
実施形態１のガスセンサ素子及びガスセンサについて、図１～図１２を用いて説明する。

（ガスセンサ素子２）
まず、本実施形態のガスセンサ素子について説明する。本形態のガスセンサ素子２は、混成電位を利用するガスセンサ１（詳しくは後述する）に用いられる素子である。ガスセンサ素子２は、図１～図３に示すごとく、固体電解質体２１と、検出電極２２と、基準電極２３と、温度検出部２５と、絶縁体３と、ヒータ４１１と、を備えている。

固体電解質体２１は、第１面２０１及び第２面２０２を有する。検出電極２２は、固体電解質体２１の第１面２０１に設けられて検出対象ガスＧと接触する。基準電極２３は、固体電解質体２１の第２面２０２における検出電極２２と対向する位置に設けられるとともに基準ガスＡと接触する。温度検出部２５は、固体電解質体２１に設けられている。

絶縁体３は、固体電解質体２１の第２面２０２に対向するとともに、第２面２０２との間に基準ガスが流通するダクト２４を有して配されている。ヒータ４１１は、絶縁体３に配されるとともに、温度検出部２５が検出した温度に基づいて制御される。

図１～図３に示すように、ガスセンサ素子２は、検出電極２２及び基準電極２３が設けられた固体電解質体２１と、ヒータ４１１が埋設された絶縁体３とが積層されて形成されている。ガスセンサ素子２は、長尺形状に形成されている。ガスセンサ素子２の長手方向Ｘの先端側Ｘ１の部位は、ガスセンサ１を構成するカバー内に収容された状態で、排気管７１内に配置される。ガスセンサ素子２においては、長手方向Ｘに直交して固体電解質体２１のうち後述する第１面２０１と第２面２０２とが対向する方向を対向方向Ｄといい、長手方向Ｘ及び対向方向Ｄの双方に直交する方向を幅方向Ｗという。

（固体電解質体２１）
図１～図３に示すように、固体電解質体２１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。ジルコニア材料には、イットリア（酸化イットリウム）等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いることができる。

固体電解質体２１の、検出対象ガスＧに晒される第１面２０１は、ガスセンサ素子２における最も外側の表面を形成する。そして、第１面２０１に設けられた検出電極２２には、検出対象ガスＧが接触しやすい状態が形成されている。検出電極２２は、長手方向Ｘに細長い長方形状をなしている。本形態の検出電極２２の表面には、セラミックスの多孔質体等による保護層２２３が設けられている。保護層２２３は、検出電極２２の表面を全て覆っている。なお、検出電極２２の表面に保護層２２３を設けない構成とすることも可能である。

固体電解質体２１の第２面２０２に設けられた基準電極２３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。固体電解質体２１の第２面２０２には、大気が導入されるダクト２４が隣接して形成されている。基準電極２３は、長手方向Ｘに細長い長方形状をなしている。検出電極２２の形状、及び大きさと、基準電極２３の形状、及び大きさとは実質的に同じに形成されている。実質的に同じとは、同じである場合を含むとともに、同じでない場合であっても実質的に同じと認められる場合も含む。なお、検出電極２２の形状と、基準電極２３の形状は互いに異なっていてもよい。

（検出電極２２）
図１～図３に示すように、検出電極２２は、固体電解質体２１における、酸素及びアンモニアが含まれる検出対象ガスＧに晒される第１面２０１に設けられている。検出電極２２は、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。検出電極２２を構成する貴金属には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）－金合金、白金－パラジウム合金、パラジウム－金合金等を用いることができる。また、検出電極２２は、貴金属及びジルコニア材料の他に、あるいは貴金属に代えて、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物（ペロブスカイト型酸化物）を含有していてもよい。

図１及び図２に示すように、固体電解質体２１の第１面２０１には、検出電極２２に繋がるリード部２２１が設けられている。リード部２２１は、検出電極２２をガスセンサ１の外部と電気接続するために用いられる。

（基準電極２３）
図１～図３に示すように、基準電極２３は、固体電解質体２１における、第１面２０１とは反対側の第２面２０２に設けられている。第２面２０２及び第２面２０２に設けられた基準電極２３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。基準電極２３は、酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。基準電極２３を構成する貴金属には、白金（Ｐｔ）等を用いることができる。

本形態の基準電極２３は、検出電極２２に対して固体電解質体２１を介して対向する位置に形成されている。固体電解質体２１の第２面２０２には、基準電極２３に繋がるリード部２３１が設けられている。

ガスセンサ素子２においては、検出電極２２、基準電極２３、及び検出電極２２と基準電極２３との間に挟まれた固体電解質体２１の部分によって、酸素イオンが伝導する検出セルが形成されている。ヒータ４１１の発熱によるガスセンサ素子２の温度は、検出セルの温度が所定の作動温度になるように制御される。

（温度検出部２５）
図２及び図３に示すように、温度検出部２５は、固体電解質体２１における、酸素及びアンモニアが含まれる検出対象ガスＧに晒される第１面２０１に設けられている。温度検出部２５は、固体電解質体２１の第１面２０１において、幅方向Ｗについて検出電極２２と隣り合って設けられている。

図２に示すように、固体電解質体２１の第１面２０１には、温度検出部２５に繋がるリード部２２５が設けられている。リード部２２５は、温度検出部２５をガスセンサ１の外部と電気接続するために用いられる。図３に示すように、温度検出部２５の電気抵抗値の変化に基づいて、センサ制御ユニット５は、温度検出部２５が配された部分の温度を検出するようになっている。

温度検出部２５、及びリード部２２５は、白金（Ｐｔ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を含む。温度検出部２５、及びリード部２２５は、白金とアルミナとを含む金属ペーストを固体電解質体２１の第１面２０１に所定の形状で塗布したのちに焼成することにより形成することができる。

図２に示すように、温度検出部２５は、長手方向Ｘに沿ってのびる複数の直線部２２６と、直線部２２６の端部を連結して幅方向Ｗについて隣り合う直線部２２６同士を折り返し状に連結する複数の折り返し部２２７と、を有する。直線部２２６は長手方向Ｘに平行に形成されている。直線部２２６のうち、幅方向Ｗについて両端部に位置する２つの直線部２２６は、それぞれ、リード部２２５に接続されている。リード部２２５の幅方向についての幅寸法は、直線部２２６の幅方向Ｗについての幅寸法、及び折り返し部２２７の長手方向についての幅寸法よりも大きく設定されている。これにより、リード部２２５の単位長さ当たりの電気抵抗値は、直線部２２６、及び折り返し部２２７の単位長さ当たりの電気抵抗値よりも小さくなっている。これにより、温度検出部２５の電気抵抗値の変化を、リード部２２５を介してセンサ制御ユニット５によって検出することができる。

（絶縁層２６）
図２に示すように、固体電解質体２１の第１面２０１には、長手方向Ｘに長尺の長方形状をなす絶縁層２６が設けられている。絶縁層２６は、対向方向Ｄから見て、温度検出部２５，及びリード部２２５に重なる位置に設けられている。絶縁層２６は、固体電解質体２１と、温度検出部２５、及びリード部２２５と、の間に介在している。これにより、固体電解質体２１と、温度検出部２５、及びリード部２２５とが電気的に絶縁されている。絶縁層２６はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を含む金属ペーストを固体電解質体２１の第１面２０１に塗布したのちに、焼成することにより形成される。

（絶縁体３）
図１、及び図３に示すように、絶縁体３は、ダクト２４を形成する切欠き部が設けられたスペーサ絶縁体部３１と、ヒータ４１１が埋設されたヒータ絶縁体部３２とによって形成されている。絶縁体３は、アルミナ等の絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。ダクト２４は、基準電極２３が配置された位置から長手方向Ｘの基端側Ｘ２の位置まで形成されている。ダクト２４内には、長手方向Ｘの基端側Ｘ２の位置に形成された開口部２４１から基準ガスＡとしての大気が導入される。

（ヒータ４１１）
図１、及び図３に示すように、絶縁体３のヒータ絶縁体部３２には、通電によって発熱するヒータ４１１が埋設されている。ヒータ４１１にはヒータリード部４１２が接続されている。ヒータ４１１は、検出電極２２、基準電極２３、及び温度検出部２５に積層方向Ｄにおいて対向する位置に配置されている。ヒータ４１１には、ヒータ４１１に通電を行うための通電制御部５２が、ヒータリード部４１２を介して接続されている。通電制御部５２は、ヒータ４１１に、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。通電制御部５２は、センサ制御ユニット５内に形成されている。

ヒータ４１１は、直線部分及び曲線部分によって蛇行する線状の導体部によって形成されている。本形態のヒータ４１１の直線部分は、長手方向Ｘに平行に形成されている。ヒータリード部４１２は、直線状の導体部によって形成されている。ヒータ４１１の単位長さ当たりの抵抗値は、ヒータリード部４１２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。ヒータリード部４１２は、長手方向Ｘの基端側Ｘ２の部位まで引き出されている。ヒータ４１１，及びヒータリード部４１２は、導電性を有する金属材料を含有している。

ヒータ４１１の断面積は、ヒータリード部４１２の断面積よりも小さく、ヒータ４１１の単位長さ当たりの抵抗値はヒータ４１１及びヒータリード部４１２が延びる方向に直交する面内の断面積のことをいう。そして、一対のヒータリード部４１２に電圧が印加されると、ヒータ４１１がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検出電極２２及び基準電極２３の周辺が加熱される。

ヒータ４１１への通電によって制御される、ガスセンサ素子２の検出セルの目標作動温度は、３５０℃～５５０℃の温度範囲内の特定の温度として設定される。検出電極２２（検出セル）の温度は、通電制御部５２によるヒータ４１１への通電量によって、目標作動温度になるように制御される。通電制御部５２は、温度検出部２５によって検出された温度に基づいて、ヒータ４１１への通電量を制御する。ただし、検出の過渡期等においては、検出ガスの温度、流速等の変化の影響を受けて、検出電極２２（検出セル）の温度は作動温度内において変化する。

（検出電極２２の面積Ｓｓの、温度検出部２５の面積Ｓｔに対する比）
混成電位を利用するガスセンサ素子２においては、検出電極２２の表面温度で、検出電極２２上の反応速度が容易に変化する。このため、検出電極２２の温度依存性が非常に大きいので、検出電極２２の温度管理が重要となる。

図６には、検出電極２２の電圧出力の、検出電極２２の表面温度に対する変化を示す。測定条件は、Ｏ_２１０％含有Ｎ_２雰囲気下、検出対象ガスＧの温度は２５０℃である。図中に示された、「１００ｐｐｍ」、「５０ｐｐｍ」、及び「１０ｐｐｍ」は、検出対象ガスＧ中のＮＨ_３の濃度である。

３００℃から５５０℃の温度範囲において、対象検出ガスＧ中のＮＨ_３濃度が１０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍと高くなるにしたがって、検出電極２２から出力される電圧出力も大きくなる。また、一定のＮＨ_３濃度においては、検出電極２２から出力される電圧出力の、検出電極の表面温度に対する変化を示すグラフは、約３５０℃のときに電圧出力が最大値となる上に凸となる。

例えば、検出電極２２の表面温度が４００℃から３５０℃にまで下がると、検出対象ガスＧ中のＮＨ_３の濃度が変化していなかったとしても、検出電極２２の電圧出力は上昇してしまう。これにより、検出結果として、ＮＨ_３の濃度が、見かけ上、高くなってしまうという場合が考えられる。

本実施形態においては、検出電極２２の幅方向Ｗについて隣り合って設けられた温度検出部２５によって検出電極２２の温度を検出し、この温度に基づいてヒータ４１１を制御することにより検出電極２２の温度管理が行われている。

検出電極２２の温度管理の精度を向上させるためには、検出電極２２の面積Ｓｓの、温度検出部２５の面積Ｓtに対する比が、所定の範囲内にあることが好ましい。以下に詳細に説明する。

図５において二点鎖線で示すように、本実施形態における検出電極２２の面積Ｓｓは、検出電極２２の外形線で囲まれた領域の面積とされる。説明の便宜のため、検出電極２２の面積Ｓｓを示す二点鎖線の長方形は、検出電極２２の外形線よりもわずかに大きく記載されている。なお、図５では、説明のため、保護層２２３、及び絶縁層２６は省略されている。

図５において二点鎖線で示すように、本実施形態における温度検出部２５の面積Ｓｔは、温度検出部２５のうち長手方向Ｘの両端部と、幅方向Ｗの両端部に囲まれた長方形状の領域とされる。以下に詳細に説明する。温度検出部２５の面積Ｓｔの長手方向Ｘについての境界は、折り返し部２２７のうち、長手方向Ｘの先端部側の折り返し部２２７Ａの先端部と、長手方向Ｘの基端部側の折り返し部２２７Ｂの基端部と、によって規定される。また、温度検出部２５の面積Ｓｔの幅方向Ｗについての境界は、直線部２２６のうち、幅方向Ｗの両端部に位置する直線部２２６Ａ、２２６Ｂによって規定される。説明の便宜のため、温度検出部２５の面積Ｓｔを示す二点鎖線の長方形は、長手方向Ｘの先端部側の折り返し部２２７Ａの先端部、長手方向Ｘの基端部側の折り返し部２２７Ｂの基端部、及び幅方向Ｗの両端部に位置する直線部２２６Ａ、２２６Ｂよりもわずかに大きく記載されている。

検出電極２２の面積Ｓｓの、温度検出部２５の面積Ｓｔに対する比Ｓｓ／Ｓｔは、０．５ ≦ Ｓｓ／Ｓｔ ≦ ２．０ であることが好ましい。０．５ ≦ Ｓｓ／Ｓｔ ≦ ２．０ であることにより、検出電極２２の温度変化に対する応答性と、温度検出部２５の温度変化に対する応答性とを、同程度のものとすることができる。これにより、例えば、検出対象ガスＧの温度が急激に変化することによって検出電極２２の温度が急激に変化した場合でも、検出電極２２の温度変化に対応して温度検出部２５の温度も変化するので、検出電極２２の温度を精度よく検出することができる。この結果、検出電極２２の温度を適切に制御することができるので、ガスセンサ素子２の精度を向上させることができる。なお、Ｓｓ／Ｓｔの値は上記の範囲に限定されない。

（実験例）
続いて、検出電極２２の面積Ｓｓの、温度検出部２５の面積Ｓｔに対する比Ｓｓ／Ｓｔと、混成電位出力との関係について、実験例１～３を参照して説明する。

（実験例１）
実験例１に係るガスセンサ素子２においては、検出電極２２の面積Ｓsの、温度検出部２５の面積Ｓtに対する比Ｓｓ／Ｓｔは１．０となっている。図７に模式的に示すように、検出電極２２と、温度検出部２５の面積は同じに設定されている。また、検出電極２２の長手方向Ｘ及び幅方向Ｗについての中心Ｃｓと、温度検出部２５の長手方向Ｘ及び幅方向Ｗについての中心Ｃｔとは、長手方向Ｘの同じ位置になるように配置されている。

図１０には、Ｓｓ／Ｓｔ＝１．０の場合における、検出対象ガスＧの温度、温度検出部２５の電気抵抗値、及び検出電極２２から出力される混成電位出力の、経時変化について示す。

実験開始から５秒後に、温度検出対象ガスＧの温度が２５０℃から２００℃に低下すると、温度検出部２５の温度が、一旦低下し、これに伴って温度検出部２５の電気抵抗値が低下する。すると、センサ制御ユニット５はヒータ４１１に流す電流を増加させることによりヒータ４１１の温度を高くする。これにより、温度検出部２５の温度が再び上昇し、温度検出部２５の電気抵抗値も上昇する。温度検出部２５の温度が４００℃を超えると、センサ制御ユニット５は、ヒータ４１１に流す電流を減少させることによりヒータ４１１の温度を低下させる。これにより、温度検出部２５の温度が４００℃に制御される。

温度検出対象ガスＧの温度が２５０℃から２００℃に低下すると、温度検出部２５の電気抵抗値の低下に基づいたセンサ制御ユニット５によるヒータ４１１の加熱により、検出電極２２の温度はわずかに上昇する。これにより、検出電極２２から出力される混成電位出力もわずかに上昇する。その後、温度検出部２５の温度が４００℃に制御された後には、検出電極２２の温度も４００℃に制御され、混成電位出力も、温度検出対象ガスＧの温度が２５０℃のときの値に戻る。

上記のように、Ｓｓ／Ｓｔ＝１．０の場合には、検出対象ガスＧの温度が変化した場合に、検出電極２２の温度を精度よく制御することができる。

（実験例２）
実験例２に係るガスセンサ素子２においては、検出電極２２の面積Ｓsの、温度検出部２５の面積Ｓtに対する比Ｓｓ／Ｓｔは０．５となっている。図８に模式的に示すように、温度検出部２５の面積は、検出電極２２の２倍に設定されている。また、検出電極２２の長手方向Ｘ及び幅方向Ｗについての中心Ｃｓと、温度検出部２５の長手方向Ｘ及び幅方向Ｗについての中心Ｃｔとは、長手方向Ｘの同じ位置になるように配置されている。

図１１には、Ｓｓ／Ｓｔ＝０．５の場合における、検出対象ガスＧの温度、温度検出部２５の電気抵抗値、及び検出電極２２から出力される混成電位出力の、経時変化について示す。測定条件は実験例１と同様である。

実験開始から５秒後に、温度検出対象ガスＧの温度が２５０℃から２００℃に低下すると、温度検出部２５の温度が、一旦低下し、これに伴って温度検出部２５の電気抵抗値が低下する。電気抵抗値の低下量は、実験例１と比べて小さい。その後、センサ制御ユニット５はヒータ４１１に流す電流を増加させることによりヒータ４１１の温度を上昇させる。これにより、温度検出部２５の温度が再び上昇し、温度検出部２５の電気抵抗値も上昇する。温度検出部２５の温度が４００℃を超えると、センサ制御ユニット５は、ヒータ４１１に流す電流を減少させることによりヒータ４１１の温度を低下させる。これにより、温度検出部２５の温度が４００℃に制御される。

温度検出対象ガスＧの温度が２５０℃から２００℃に低下すると、温度検出部２５の電気抵抗値の低下に基づいたセンサ制御ユニット５によるヒータ４１１の加熱により、検出電極２２の温度はわずかに上昇する。これにより、検出電極２２から出力される混成電位出力もわずかに上昇する。混成電位出力の上昇量は、実験例１と比べてわずかに大きい。その後、温度検出部２５の温度が４００℃に制御された後には、検出電極２２の温度も４００℃に制御され、混成電位出力も、温度検出対象ガスＧの温度が２５０℃のときの値に戻る。

上記のように、Ｓｓ／Ｓｔ＝０．５の場合も、検出対象ガスＧの温度が変化した場合に、検出電極２２の温度を精度よく制御することができる。

（実験例３）
実験例３に係るガスセンサ素子２においては、検出電極２２の面積Ｓsの、温度検出部２５の面積Ｓtに対する比Ｓｓ／Ｓｔは２．０となっている。図９に模式的に示すように、検出電極２２の面積は、温度検出部２５の２倍に設定されている。また、検出電極２２の長手方向Ｘ及び幅方向Ｗについての中心Ｃｓと、温度検出部２５の長手方向Ｘ及び幅方向Ｗについての中心Ｃｔとは、長手方向Ｘの同じ位置になるように配置されている。

図１２には、Ｓｓ／Ｓｔ＝２．０の場合における、検出対象ガスＧの温度、温度検出部２５の電気抵抗値、及び検出電極２２から出力される混成電位出力の、経時変化について示す。測定条件は実験例１と同様である。

実験例３のガスセンサ素子２においては、Ｓｓ／Ｓｔ＝２．０となっており、検出電極２２の面積Ｓｓに比べて、温度検出部２５の面積Ｓｔは、小さくなっている。このため、温度検出部２５は局所的な温度変化を検出可能になっているので、温度検出部２５の感度は、検出電極２２に比べて高くなっている。この結果、実験開始から５秒後までの間において、温度検出対象ガスＧの温度が２５０℃に設定されている場合であっても、温度検出部２５は局所的な温度変化を検出することにより、電気抵抗値の増加、及び減少が繰り返されるようになっている。すると、センサ制御ユニット５は、温度検出部２５の電気抵抗値の変化に伴って、ヒータ４１１を繰り返してオン・オフさせる。

温度検出対象ガスＧの温度が２５０℃から２００℃に低下すると、温度検出部２５の温度が、一旦低下し、これに伴って温度検出部２５の電気抵抗値が低下する。すると、センサ制御ユニット５はヒータ４１１に流す電流を増加させることによりヒータ４１１の温度を上昇させる。これにより、温度検出部２５の温度が再び上昇し、温度検出部２５の電気抵抗値も上昇する。温度検出部２５の温度が４００℃を超えると、センサ制御ユニット５は、ヒータ４１１に流す電流を減少させることによりヒータ４１１の温度を低下させる。これにより、温度検出部２５の温度が４００℃に制御される。実験例３においては、温度検出部２５の温度が４００℃に制御されている場合であっても、温度検出部２５は局所的な温度変化を検出することによって電気抵抗値が増加、及び減少が繰り返される。これに伴い、センサ制御ユニット５は、ヒータ４１１を繰り返してオン・オフさせる。

温度検出対象ガスＧの温度が２５０℃から２００℃に低下した場合でも、検出電極２２の温度はほとんど変化しない。このため、検出電極２２から出力される混成電極電位もほとんど変化しない。さらに、温度検出部２５の温度が４００℃に制御された後も、検出電極２２の温度はほとんど変化せず、検出電極２２から出力される混成電極電位もほとんど変化しない。混成電位出力の変化量は、実験例１と比べて小さい。

上記のように、Ｓｓ／Ｓｔ＝２．０の場合には、検出対象ガスＧの温度が変化した場合に、検出電極２２の温度を精度よく制御することができる。

本形態のガスセンサ素子２においては、温度検出部２５は固体電解質体２１に設けられているので、固体電解質体２１に設けられた検出電極２２の温度を精度よく検出することができる。これにより、温度検出部２５が固体電解質体２１と異なる部分に設けられる場合に比べて、ガスセンサ素子２の精度を向上させることができる。

さらに、本形態においては、温度検出部２５は、固体電解質体２１のうち検出電極２２が設けられた第１面２０１に設けられているので、検出電極２２の温度をさらに精度よく検出することができる。

本形態のガスセンサ素子２は長手方向Ｘに長尺に形成されている。このため、ガスセンサ素子２のうち長手方向Ｘの端部寄りの領域では熱が外部に放散されやすくなっており、一方、長手方向Ｘの中央位置付近では熱がこもりやすくなっている。このように、ガスセンサ素子２は、長手方向Ｘについて温度分布が生じやすい。一方、長手方向Ｘと直交する幅方向Ｗの温度分布は、長手方向Ｘに比べると小さくなっている。このため、検出電極２２と温度検出部２５とが幅方向について隣り合って設けられていることにより、検出電極２２の温度を精度よく検出することができる。この結果、ガスセンサ素子２の精度を向上させることができる。

本形態においては、検出電極２２の面積Ｓｓの、温度検出部２５の面積Ｓｔに対する比Ｓｓ／Ｓｔが０．５以上２．０以下であることにより、検出電極２２の温度変化に対する応答性と、温度検出部２５の温度変化に対する応答性とを、同程度のものとすることができる。これにより、例えば、検出対象ガスＧの温度が急激に変化することによって検出電極２２の温度も急激に変化した場合でも、検出電極２２の温度変化に対応して温度検出部２５も温度変化するので、検出電極２２の温度を精度よく検出することができる。この結果、検出電極２２の温度を適切に制御することができるので、ガスセンサ素子２の精度を向上させることができる。

（ガスセンサ１）
次に、本実施形態のガスセンサ１について説明する。図１、および図３に例示されるように、本実施形態のガスセンサ１は、混成電位式のものであり、本実施形態のガスセンサ素子２を有している。

以下に、本実施形態のガスセンサ１の詳細構成の一例について示すが、本実施形態のガスセンサ１は、以下の構成に限定されるものではない。

図１、および図３に示すように、ガスセンサ１は、ガスセンサ素子２と、検出部５１とを有する。検出部５１は、検出電極２２と基準電極２３との間に生じる、特定ガス成分濃度および酸素濃度に基づく混成電位を検出するように構成される。

図４に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関７の排気管７１に配置されて使用される。ガスセンサ１による検出対象ガスＧは、内燃機関７から排気管７１へ排気された排ガスである。そして、ガスセンサ１は、排気管７１内に配置された、ＮＯｘを還元する触媒７２の排ガスの流れの下流側の位置に配置されており、触媒７２から流出するアンモニアガスの濃度を検出する。

図１に示すように、本形態のガスセンサ１は、混成電位式のものである。そして、ガスセンサ１は、特定ガス成分濃度としてのアンモニアガス濃度、及び酸素ガス濃度に基づく混成電位を検出し、この混成電位を酸素ガス濃度によって補正して、アンモニアガス濃度を検出するものである。検出部５１においては、酸素の電気化学的還元反応（以下、単に還元反応という。）による還元電流と、アンモニアの電気化学的酸化反応（以下、単に酸化反応という。）による酸化電流と、が等しくなるときに生じる、検出電極２２と基準電極２３との間の電位差ΔＶを混成電位として検出するよう構成されている。

図１、及び図３に示すように、ガスセンサ１の検出部５１は、検出電極２２と基準電極２３との間に生じる混成電位としての電位差（電圧）ΔＶに基づいて、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度を検出する。

検出部５１は、車両のエンジン制御ユニット５０に接続されるセンサ制御ユニット５内に形成されている。検出部５１は、検出電極２２と基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶを検出する電位差検出回路５１１、電位差検出回路５１１による電位差ΔＶを酸素濃度によって補正してアンモニア濃度を求める演算処理部５１２等を有する。演算処理部５１２は、酸素濃度をパラメータとして電位差ΔＶとアンモニア濃度との関係が求められた関係マップを用い、関係マップに電位差ΔＶと酸素濃度とを照合してアンモニア濃度を求めることができる。さらに、温度検出部２５によって検出された検出電極２２の温度に基づいて、アンモニア濃度を補正することができる。

検出電極２２においては、検出電極２２に接触する検出対象ガスＧにアンモニアと酸素とが存在する場合に、アンモニアの酸化反応と、酸素の還元反応とが同時に進行する。アンモニアの酸化反応は、代表的には、２ＮＨ₃＋３Ｏ^2-→Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ＋６ｅ^-によって表される。酸素の還元反応は、代表的には、Ｏ₂＋４ｅ^-→２Ｏ^2-によって表される。そして、検出電極２２における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、検出電極２２における、アンモニアの酸化反応（速度）と酸素の還元反応（速度）とが等しくなるときの電位として生じる。

図示は省略するが、酸素ガス濃度は、ガスセンサ１とは別の酸素センサによって検出される。酸素センサは、排気管７１における、触媒７２の下流側の位置に配置されている。そして、検出部５１においては、酸素センサによる酸素ガス濃度を利用して、混成電位を補正し、アンモニアガス濃度を求める。

図３に示すように、排気管７１には、ＮＯｘを還元するための触媒７２と、触媒７２へアンモニアを含む還元剤Ｋを供給する還元剤供給装置７３とが配置されている。触媒７２は、触媒担体に、ＮＯｘの還元剤Ｋとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒７２の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、ＮＯｘの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置７３から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置７３は、排気管７１における、触媒７２よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアガスを排気管７１へ供給するものである。アンモニアガスは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置７３には、尿素水のタンク７３１が接続されている。

本形態の内燃機関７は、軽油の自己着火を利用して燃焼運転を行うディーゼルエンジンである。また、触媒７２は、ＮＯｘ（窒素酸化物）をアンモニア（ＮＨ₃）と化学反応させて窒素（Ｎ₂）及び水（Ｈ₂Ｏ）に還元する選択式還元触媒（ＳＣＲ）である。

なお、図示は省略するが、排気管７１における、触媒７２の上流側位置には、ＮＯのＮＯ₂への変換（酸化）、ＣＯ、ＨＣ（炭化水素）等の低減を行う酸化触媒（ＤＯＣ）、微粒子を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されていてもよい。

以上のごとく、本形態によれば、検出電極の温度を精度よく検出できるガスセンサ素子２及びガスセンサ１を提供することができる。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２について図１３及び図１４を参照して説明する。図１３に示すように、本形態のガスセンサ素子２においては、固体電解質体２１の第１面２０１には、検出電極２２が設けられている。

図１４に示すように、固体電解質体２１の第２面２０２には、基準電極２３と、温度検出部２５とが設けられている。基準電極２３は、固体電解質体２１の第２面２０２において、第１面２０１に形成された検出電極２２に、対向方向Ｄから見て重なる位置に設けられている。温度検出部２５は、固体電解質体２１の第２面２０２において、幅方向Ｗについて基準電極２３と隣り合って設けられている。

図１４に示すように、固体電解質体２１の第２面２０２には、温度検出部２５に繋がるリード部２２５が設けられている。リード部２２５は、温度検出部２５をガスセンサ１の外部と電気接続するために用いられる。温度検出部２５、及びリード部２２５の構造は実施形態１と同様なので、重複する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

（絶縁層２６）
固体電解質体２１の第２面２０２には、対向方向Ｄから見て温度検出部２５，及びリード部２２５に重なる位置に、長手方向Ｘにのびる長方形状をなす絶縁層２６が設けられている。絶縁層２６は、固体電解質体２１と、温度検出部２５、及びリード部２２５と、の間に介在している。これにより、固体電解質体２１と、温度検出部２５、及びリード部２２５とが電気的に絶縁されている。絶縁層２６は実施形態１と同じ材料から同じ製造方法により形成される。

本形態の温度検出部２５は、固体電解質体２１の第２面２０２に設けられている。これにより、温度検出部２５は反応性に富んだ検出対象ガスＧと接触しないので、検出対象ガスＧによって温度検出部２５が変質することが抑制される。これにより温度検出部２５の信頼性が向上する。

本実施形態では、基準電極２３は、固体電解質体２１の第２面２０２において、第１面２０１に設けられた検出電極２２に対向する位置に設けられている。また、基準電極２３と温度検出部２５とは幅方向Ｗについて隣り合って設けられている。このため、検出電極２２と温度検出部２５とは、固体電解質体２１を介して比較的に近い位置に配されているので、検出電極２２の温度を精度よく検出することができる。この結果、ガスセンサ素子２の精度を向上させることができる。

本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。

＜実施形態３＞
次に、実施形態３について、図１５を参照して説明する。本形態のガスセンサ素子２においては、長手方向Ｘについて固体電解質体２１の第１面２０１の先端部寄りの位置には、検出電極２２が設けられている。長手方向Ｘについて検出電極２２よりも基端部寄りの位置には、温度検出部２５が設けられている。このように本形態においては、検出電極２２と温度検出部２５とが、長手方向Ｘについて前後に並んで設けられている。これにより、幅方向Ｗについて、ガスセンサ素子２を小型化することができる。なお、長手方向Ｘについて、温度検出部２５が先端部寄りに配され、検出電極２２が基端部寄りに配されていてもよい。

本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。

＜実施形態４＞
次に、実施形態４について、図１６を参照して説明する。本形態のガスセンサ素子２においては、固体電解質体２１の第１面２０１の先端部から、長手方向Ｘについてやや基端部側の位置に、検出電極２２が設けられている。幅方向Ｗについて、検出電極２２の両側縁部は、固体電解質体２１の両側縁部と間隔を空けて設けられている。検出電極２２には、長手方向Ｘについてのびるリード部２２１が接続されている。

固体電解質体２１の第１面２０１には、幅方向Ｗの両側縁部寄りの位置と、長手方向Ｘについて先端部寄りの位置に、全体として長手方向Ｘに長尺なＵ字形状をなす絶縁層２６が形成されている。検出電極２２、及びリード部２２１は、固体電解質体２１の第１面２０１のうち、絶縁層２６によって覆われていない領域に形成されている。

絶縁層２６のうち固体電解質体２１と反対側の面には、長手方向Ｘについて先端部寄りの位置に、温度検出部２５が形成されている。温度検出部２５は、全体としてＵ字形状をなしている。温度検出部２５のうち、長手方向Ｘについて基端部側の端部には、長手方向Ｘに沿ってのびるリード部２２５が形成されている。温度検出部２５、及びリード部２２５は、絶縁層２６によって、固体電解質体２１と電気的に絶縁されている。

温度検出部２５は、幅方向Ｗについて検出電極２２の両側方との間に隙間を空けて形成された２つの側部３２５と、２つの側部３２５の先端部同士を連結するとともに長手方向Ｘについて検出電極２２の先端部との間に隙間を空けて形成された連結部３２６と、を有する。これにより、検出電極２２は、長手方向Ｘの先端部側と、幅方向Ｗの両側方とが、温度検出部２５によって囲まれた状態になっている。

温度検出部２５の側部３２５は、幅方向Ｗにのびる複数の第１直線部３２７と、複数の第１直線部３２７の端部を連結して長手方向Ｘについて隣り合う第１直線部３２７同士を折り返し状に連結する複数の第１折り返し部３２８と、を有する。また、温度検出部２５の連結部３２６は、長手方向にのびる複数に第２直線部３２９と、複数の第２直線部３２９の端部を連結して幅方向Ｗについて隣り合う第２直線部３２９同士を連結して折り返し状に連結する複数の第２折り返し部３３０と、を有する。

本形態の温度検出部２５は、検出電極２２を三方から囲んでいるので、検出電極２２の温度を精度よく検出することができる。

また、上記したように、本形態のガスセンサ素子２は長手方向Ｘに細長くのびて形成されているので、ガスセンサ素子２は長手方向Ｘについて温度分布が生じやすい。一方、幅方向Ｗの温度分布は、長手方向Ｘに比べると小さくなっている。本形態では、検出電極２２と、温度検出部２５とは、長手方向Ｘについて対称に形成されているので、検出電極２２の温度を精度よく検出することができる。

本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。

１…ガスセンサ、２…ガスセンサ素子、３…絶縁体、５…センサ制御ユニット、２１…固体電解質体、２２…検出電極、２３…基準電極、２４…ダクト、２５…温度検出部、２０１…第１面、２０２…第２面、４１１…ヒータ

Claims (7)

1. 混成電位を利用するガスセンサ（１）に用いられるガスセンサ素子（２）であって、
   第１面（２０１）及び第２面（２０２）を有する固体電解質体（２１）と、
   該固体電解質体の上記第１面に設けられて検出対象ガス（Ｇ）と接触する検出電極（２２）と、
   上記固体電解質体の上記第２面における上記検出電極と対向する位置に設けられるとともに基準ガス（Ａ）と接触する基準電極（２３）と、
   上記固体電解質体に設けられた温度検出部（２５）と、
   上記固体電解質体の上記第２面に対向するとともに、上記第２面との間に上記基準ガスが流通するダクト（２４）を有して配された絶縁体（３）と、
   該絶縁体に配されるとともに、上記温度検出部が検出した温度に基づいて制御されるヒータ（４１１）と、を備えたガスセンサ素子（２）。
2. 上記温度検出部は、上記固体電解質体の上記第１面に設けられている、請求項１に記載のガスセンサ素子。
3. 長手方向（Ｘ）に細長くのびた形状をなしており、
   上記検出電極と上記温度検出部とが、上記第１面と上記第２面との対向方向（Ｄ）、及び上記長手方向の双方に直交する幅方向（Ｗ）に隣り合って設けられている、請求項２に記載のガスセンサ素子。
4. 上記温度検出部は、上記固体電解質体の上記第２面に設けられている、請求項１に記載のガスセンサ素子。
5. 長手方向に細長くのびた形状をなしており、
   上記基準電極と上記温度検出部とが、上記第１面と上記第２面との対向方向、及び上記長手方向の双方に直交する幅方向に隣り合って設けられている、請求項４に記載のガスセンサ素子。
6. 上記検出電極の面積Ｓsの、上記温度検出部の面積Ｓtに対する比Ｓs／Ｓtは、
   ０．５ ≦ Ｓｓ／Ｓｔ ≦ ２．０
   である、請求項１～５のいずれか１項に記載のガスセンサ素子。
7. 混成電位を利用するガスセンサ（１）であって、
   請求項１～６のいずれか１項に記載のガスセンサ素子を有する、ガスセンサ（１）。

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