WO2021059758A1 - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

ガスセンサ（１）は、センサ素子部（２）と検出部（５１）とを備える。センサ素子部（２）は、イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）と、固体電解質体（２１）の第１表面（２０１）に設けられて検出対象ガス（Ｇ）に晒される複数の検出電極（２２）と、固体電解質体（２１）の第２表面（２０２）における、複数の検出電極（２２）に対向する位置に設けられた基準電極（２３）とを有する。検出部（５１）は、複数の検出電極（２２）と基準電極（２３）との間に生じる、特定ガス成分濃度及び酸素濃度に基づく混成電位を検出する。複数の検出電極（２２）は、温度変化に対する感度特性が互いに異なるとともに、互いに電気接続されている。

Description

ガスセンサ 関連出願の相互参照

　本出願は、２０１９年９月２３日に出願された日本の特許出願番号２０１９－１７２３９３号に基づくものであり、その記載内容を援用する。

　本開示は、混成電位を利用する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のガスセンサにおいては、センサ素子を構成する固体電解質体の表面に、複数の検知電極と基準電極とが設けられており、複数の検知電極におけるＰｔとＡｕの含有比率が異なっている。この構成により、低濃度から高濃度に至るワイドな濃度範囲において、特定ガス成分としての未燃炭化水素ガスの濃度の測定を可能にしている。

特開２０１７－９０４０４号公報

　混成電位を利用するガスセンサにおいて、検出対象ガスの温度、流速等が変化する検出の過渡期には、検出対象ガスに晒される検出電極（検知電極）が、検出対象ガス又は検出電極の温度変化による影響を受ける。換言すれば、検出電極の、入力に対する出力の変化度合を示す感度は、検出対象ガス又は検出電極の温度によって異なる。そのため、ガスセンサの検出の過渡期においては、検出電極の感度が変化することにより、ガスセンサによる混成電位の検出精度を高めることが困難である。

　一方、特許文献１のガスセンサにおいては、未燃炭化水素ガス等の特定ガス成分の濃度が変化するときには、この濃度の変化があっても、濃度の広い範囲において特定ガス成分の検出精度を確保することができる。しかし、特許文献１のガスセンサにおいても、温度の変化がある場合には、この温度の変化の影響を受けて検出電極の感度が変化し、ガスセンサの検出精度に誤差が生じやすくなる。

　本開示は、混成電位の検出精度を高めることができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。

　本開示の一態様は、
　イオン伝導性を有する固体電解質体、前記固体電解質体の第１表面に設けられて検出対象ガスに晒される複数の検出電極、及び前記固体電解質体の第２表面における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極を有するセンサ素子部と、
　複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス成分濃度及び酸素濃度に基づく混成電位を検出する検出部と、を備え、
　複数の前記検出電極は、温度変化に対する感度特性が互いに異なるとともに、互いに電気接続されている、ガスセンサにある。

　前記一態様のガスセンサは、特定ガス成分濃度及び酸素濃度に基づく混成電位を検出するものであり、混成電位を検出するための検出電極を複数有するものである。そして、複数の検出電極は、温度変化に対する感度特性が異なるとともに、互いに電気接続されている。

　複数の検出電極の温度変化に対する感度特性が互いに異なる構成は、例えば、各検出電極に、低温時の感度特性が良いものと、高温時の感度特性が良いものとを形成することによって実現される。そして、検出対象ガスの温度、流速等が変化する検出の過渡期において、検出対象ガスの温度が低くなるときには低温時の感度特性が良い検出電極によって検出精度が確保され、検出対象ガスの温度が高くなるときには高温時の感度特性が良い検出電極によって検出精度が確保される。

　また、複数の検出電極が互いに電気接続されていることにより、検出部によって混成電位を検出するときには、複数の検出電極の全体で一つの混成電位を検出することになる。そのため、検出部においては、複数の検出電極による感度特性が平均化された状態の混成電位が検出される。

　それ故、前記一態様のガスセンサによれば、混成電位の検出精度を高めることができる。

　なお、本開示のガスセンサにおいて示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。

　本開示についての目的、特徴、利点等は、添付の図面を参照する後記の詳細な記述によって、より明確になる。本開示の図面を以下に示す。
図１は、実施形態１にかかる、ガスセンサを示す説明図である。 図２は、実施形態１にかかる、センサ素子部を示す、図１のII矢視図である。 図３は、実施形態１にかかる、ガスセンサ及びセンサ素子部を示す、図１のIII－III断面図である。 図４は、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である。 図５は、実施形態１にかかる、他のセンサ素子部を示す、図１のII矢視相当図である。 図６は、実施形態１にかかる、他のセンサ素子部を示す、図１のII矢視相当図である。 図７は、実施形態１にかかる、他のセンサ素子部を示す、図１のII矢視相当図である。 図８は、実施形態１にかかる、検出電極において生じる混成電位を示す説明図である。 図９は、実施形態１にかかる、アンモニア濃度が変化したときに検出電極において生じる混成電位を示す説明図である。 図１０は、実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときに検出電極において生じる混成電位を示す説明図である。 図１１は、実施形態１にかかる、作動温度とガス感度との関係を示すグラフである。 図１２は、実施形態１にかかる、複数の検出電極を用いて混成電位を検出するときの等価回路を示す説明図である。 図１３は、実施形態２にかかる、ガスセンサを示す説明図である。 図１４は、実施形態２にかかる、センサ素子部を示す、図１３のXIV矢視図である。 図１５は、実施形態２にかかる、他のセンサ素子部を示す、図１３のXIV矢視相当図である。 図１６は、実施形態３にかかる、センサ素子部を示す、図１のII矢視相当図である。 図１７は、実施形態３にかかる、ガスセンサ及びセンサ素子部を示す、図１のIII－III断面相当図である。

　前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
　本形態のガスセンサ１は、図１～図３に示すように、センサ素子部２及び検出部５１を備える。センサ素子部２は、イオン伝導性を有する固体電解質体２１と、固体電解質体２１の第１表面２０１に設けられて検出対象ガスＧに晒される複数の検出電極２２と、固体電解質体２１の第２表面２０２における、複数の検出電極２２に対向する位置に設けられた基準電極２３とを有する。

　検出部５１は、複数の検出電極２２と基準電極２３との間に生じる、特定ガス成分濃度及び酸素濃度に基づく混成電位を検出する。複数の検出電極２２は、温度変化に対する感度特性が互いに異なるとともに、互いに電気接続されている。「温度変化に対する感度特性」は、混成電位の温度特性ということもできる。

　以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（内燃機関７）
　図４に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）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。

（ガスセンサ１）
　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、複数の検出電極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。

（触媒７２）
　図４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）及び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）などが配置されていてもよい。

（センサ素子部２）
　図１～図３に示すように、センサ素子部２は、複数の検出電極２２及び基準電極２３が設けられた固体電解質体２１と、発熱体４１が埋設された絶縁体３とが積層されて形成されている。センサ素子部２は、長尺形状に形成されている。センサ素子部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。センサ素子部２においては、長手方向Ｘに直交して固体電解質体２１と絶縁体３とが積層された方向を積層方向Ｄといい、長手方向Ｘ及び積層方向Ｄの両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表面２０１は、センサ素子部２における最も外側の表面を形成する。そして、第１表面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。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が設けられていない。そして、検出電極２２には、検出対象ガスＧが拡散律速されずに接触する。なお、検出電極２２の表面には、検出対象ガスＧの流速を極力低下させない保護層を設けることも可能である。

　固体電解質体２１の第２表面２０２及び第２表面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表面２０２には、大気が導入される基準ガスダクト（大気ダクト）２４が隣接して形成されている。

（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表面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。複数の検出電極２２における、貴金属、金属酸化物又はペロブスカイト型酸化物の含有量が互いに異なることにより、複数の検出電極２２の温度変化に対する感度特性を異ならせることができる。

　図２及び図３に示すように、本形態の検出電極２２は、センサ素子部２の幅方向Ｗに２つ並んで配置されている。２つの検出電極２２は、同じ大きさ（表面積）に形成されている。２つの検出電極２２は、所定の隙間Ｓを空けて固体電解質体２１の第１表面２０１に設けられている。固体電解質体２１の第１表面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。２つの検出電極２２は、リード部２２１によって並列接続されている。リード部２２１は、２つの検出電極２２を並列接続するとともに、２つの検出電極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。

　リード部２２１において、２つの検出電極２２が並列接続されることにより、センサ素子部２の構成を簡単にして、混成電位の出力が温度変化によって変動しにくくすることができる。検出電極２２のリード部２２１は、センサ素子部２の長手方向Ｘの基端側Ｘ２の位置から１本で形成され、長手方向Ｘの途中の位置において２つに分岐して形成されている。換言すれば、２つの検出電極２２は、リード部２２１の途中まで２つの別々の信号線として扱われ、リード部２２１の途中から１つの信号線として扱われる。２つの検出電極２２は、検出部５１においては１つの信号線として電気接続されている。

　本形態のセンサ素子部２においては、一方の検出電極２２のリード部２２１と、他方の検出電極２２のリード部２２１とが、固体電解質体２１の第１表面２０１の、各検出電極２２の近傍において、互いに接続されている。一方の検出電極２２のリード部２２１と、他方の検出電極２２のリード部２２１とは、固体電解質体２１の第１表面２０１の、長手方向Ｘの基端側Ｘ２の部位において互いに接続されていてもよい。

　また、一方の検出電極２２のリード部２２１と、他方の検出電極２２のリード部２２１とは、センサ素子部２の外部において互いに接続されていてもよい。この場合には、各検出電極２２のリード部２２１が、センサ素子部２からは別々の端子で並列に取り出され、検出部５１においては同じ端子として接続される。

　また、図５に示すように、２つの検出電極２２は、固体電解質体２１の第１表面２０１において、隙間を空けずに互いに隣接して設けられていてもよい。この場合には、温度変化に対する感度特性が異なる２つの検出電極２２同士が連結され、リード部２２１は、いずれかの検出電極２２に繋がる状態で形成される。

　図６に示すように、検出電極２２は、３つ以上に形成することもできる。この場合には、リード部２２１によって３つ以上の検出電極２２が互いに電気接続される。この場合には、複数の検出電極２２による混成電位の出力が、温度変化による影響をより受けにくくすることができる。また、この場合には、３つ以上の検出電極２２は、リード部２２１において互いに電気接続することができる。

　また、図７に示すように、検出電極２２の大きさ（表面積）は、互いに異なっていてもよい。

（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表面２０１とは反対側の第２表面２０２に設けられている。第２表面２０２及び第２表面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、複数の検出電極２２の全体に対して固体電解質体２１を介して対向する位置に、共通して１つ形成されている。また、基準電極２３は、各検出電極２２に対して固体電解質体２１を介して対向する位置に、個別に形成することもできる。固体電解質体２１の第２表面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。

　センサ素子部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の部分とによって、酸素イオンが伝導する検出セルが形成されている。発熱体４１の発熱部４１１の発熱によるセンサ素子部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。

（絶縁体３）
　図１～図３に示すように、絶縁体３は、基準ガスダクト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、発熱体４１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。基準ガスダクト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。基準ガスダクト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。

（発熱体４１）
　図１～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発熱体４１が埋設されている。発熱体４１は、発熱部４１１と、発熱部４１１に繋がる発熱体リード部４１２とによって形成されている。発熱部４１１は、検出電極２２及び基準電極２３に積層方向Ｄにおいて対向する位置に配置されている。発熱体４１には、発熱体４１に通電を行うための通電制御部５２が接続されている。通電制御部５２は、発熱体４１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。

　発熱部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。本形態の発熱部４１１の直線部分は、長手方向Ｘに平行に形成されている。発熱体リード部４１２は、直線状の導体部によって形成されている。発熱部４１１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部４１２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。発熱体リード部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。発熱体４１は、導電性を有する金属材料を含有している。

　発熱部４１１の断面積は、発熱体リード部４１２の断面積よりも小さく、発熱部４１１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部４１２の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部４１１及び発熱体リード部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、一対の発熱体リード部４１２に電圧が印加されると、発熱部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。

（検出部５１）
　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。図８に示すように、検出部５１は、検出電極２２における、酸素の還元反応による還元電流とアンモニアの酸化反応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を検出する。検出電極２２と基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶは、アンモニア及び酸素が含まれる検出対象ガスＧによって検出電極２２に生じる混成電位を示す。

　図１、図３及び図４に示すように、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。

　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８は、検出電極２２において生じる混成電位を説明するための図である。図８においては、横軸に、基準電極２３に対する検出電極２２の電位（電位差ΔＶ）をとり、縦軸に、検出電極２２と基準電極２３との間に流れる電流をとって、混成電位の変化の仕方を示す。また、図８においては、検出電極２２においてアンモニアの酸化反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第１ラインＬ１と、検出電極２２において酸素の還元反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第２ラインＬ２とを示す。第１ラインＬ１及び第２ラインＬ２は、いずれも右肩上がりのラインによって示す。

　電位（電位差ΔＶ）が０（ゼロ）の場合は、検出電極２２の電位が基準電極２３の電位と同じであることを示す。混成電位は、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合ったときの電位となる。そして、検出電極２２における混成電位は、基準電極２３に対してマイナス側の電位として検出される。

　また、図９に示すように、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度が高くなるときには、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１の傾きθａが急になる。このとき、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側へシフトする。これにより、アンモニア濃度が高くなるほど、基準電極２３に対する検出電極２２の電位がマイナス側に大きくなる。言い換えれば、アンモニア濃度が高くなるほど、検出電極２２と基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが大きくなる。そのため、アンモニア濃度が高くなるほど電位差ΔＶが大きくなり、電位差ΔＶを検出することにより、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度を検出することが可能になる。

　また、図１０に示すように、検出対象ガスＧにおける酸素濃度が高くなるときには、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２の傾きθｓが急になる。このとき、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側におけるゼロに近い位置へシフトする。これにより、酸素濃度が高くなるほど、基準電極２３に対する検出電極２２のマイナス側の電位が小さくなる。言い換えれば、酸素濃度が高くなるほど、検出電極２２と基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが小さくなる。そのため、酸素濃度が高くなるほど、電位差ΔＶ又はアンモニア濃度を高くする補正を行うことにより、アンモニア濃度の検出精度を高めることができる。

（検出電極２２のガス感度）
　図１１に示すように、温度変化に対する検出電極２２における感度特性は、検出電極２２のガス感度として、検出部５１によって検出される混成電位の出力が最大になる最大出力温度Ｔｍａｘによって示される。混成電位に対する検出電極２２のガス感度は、センサ素子部２の温度、換言すれば、検出電極２２の温度の変化を受けて変化する。検出電極２２のガス感度は、最大出力温度Ｔｍａｘにおいて最大になるとともに、最大出力温度Ｔｍａｘから離れるほど小さくなる。そして、検出電極２２のガス感度は、山形状のグラフによって表される。

　本形態のセンサ素子部２においては、２つの検出電極２２が含有する貴金属、金属酸化物又はペロブスカイト型酸化物の組成が互いに異なっていることにより、温度変化に対するガス感度、換言すれば最大出力温度Ｔｍａｘが互いに異なっている。各検出電極２２における組成の違いは、合金を構成するいずれかの貴金属成分の含有比率、又は検出電極２２における、金属酸化物もしくはペロブスカイト型酸化物の含有比率が異なることによって実現される。そして、２つの検出電極２２における最大出力温度Ｔｍａｘは互いに異なっている。

　発熱体４１への通電によって制御される、センサ素子部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による発熱体４１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。ただし、検出の過渡期等においては、検出対象ガスＧ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。

　図１１には、検出電極２２（検出セル）の作動温度［℃］と検出電極２２のガス感度（混成電位）［ｍＶ］との関係をグラフによって示す。図１１においては、最大出力温度Ｔｍａｘが高い方（高温時のガス感度が良い方）の検出電極２２を用いる場合のガス感度Ｖ１と、最大出力温度Ｔｍａｘが低い方（低温時のガス感度がよい方）の検出電極２２を用いる場合のガス感度Ｖ２とが示される。各検出電極２２のガス感度は、最大出力温度Ｔｍａｘにおいて最大になる一方、最大出力温度Ｔｍａｘから離れるほど低下する。

　図１１においては、高温時のガス感度が良い方と低温時のガス感度が良い方との２つの検出電極２２を用いる場合のガス感度Ｖｍも示される。本形態のガスセンサ１においては、２つの検出電極２２が電気接続されて、検出部５１によってまとまった１つの混成電位（電位差）ΔＶが検出される。そのため、検出部５１においては、２つの検出電極２２による混成電位が平均化された混成電位として検出される。換言すれば、検出部５１によって検出される混成電位は、作動温度の変化に対するガス感度（混成電位）の変化が緩やかになった山形状のグラフとして示される。

　この温度変化に対するガス感度（混成電位）の変化が緩やかになるといった特性は、温度変化に対する感度特性が異なる複数の検出電極２２が用いられるとともに、複数の検出電極２２が互いに電気接続された構成によって得られるものである。仮に、１つの検出電極２２のみを用いて混成電位を検出する場合に、貴金属の組成をいかに調整したとしても、温度変化に対するガス感度の変化を緩やかにすることはできない。

　図１２には、複数の検出電極２２を用いて混成電位を検出するときの等価回路１０を示す。この等価回路１０においては、２つの検出電極２２のそれぞれは、起電力及び内部抵抗を有する電気的構成によって示される。そして、等価回路１０においては、起電力及び内部抵抗によって示される２つの検出電極２２が並列に接続され、この並列に接続された２つの検出電極２２と基準電極２３との間に生じる混成電位が、検出部５１の電位差検出回路５１１によって検出される。

　第１の検出電極２２に生じる起電力をＥ１［ｍＶ］、内部抵抗をＲ１［Ω］とし、第２の検出電極２２に生じる起電力をＥ２［ｍＶ］、内部抵抗をＲ２［Ω］とし、電位差検出回路５１１の混成電位の出力をＶとしたとき、混成電位の出力Ｖ［ｍＶ］は、Ｖ＝Ｅ１－Ｒ１・（Ｅ１－Ｅ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）として表される。

（作用効果）
　本形態のガスセンサ１は、アンモニア濃度及び酸素濃度に基づく混成電位を検出するものであり、混成電位を検出するための検出電極２２を２つ有するものである。そして、２つの検出電極２２は、温度変化に対する感度特性としての最大出力温度Ｔｍａｘが異なるとともに、検出部５１においては１つの信号線として互いに電気接続されている。

　本形態においては、２つの検出電極２２の温度変化に対する感度特性が互いに異なる構成は、最大出力温度Ｔｍａｘが低く、低温時の感度特性が良い第１の検出電極２２と、第１の検出電極２２よりも最大出力温度Ｔｍａｘが高く、高温時の感度特性が良い第２の検出電極２２との組み合わせによって実現される。そして、検出対象ガスＧの温度、流速等が変化する検出の過渡期において、センサ素子部２の温度が低くなるときには低温時の感度特性が良い第１の検出電極２２によって検出精度が確保され、センサ素子部２の温度が高くなるときには高温時の感度特性が良い第２の検出電極２２によって検出精度が確保される。検出部５１においては、２つの検出電極２２による感度特性が平均化された感度特性が得られるため、センサ素子部２の温度が変化する場合のガスセンサ１の感度特性が変化しにくくなる。これによって、ガスセンサ１による混成電位の検出精度が高く維持される。

　また、２つの検出電極２２が検出部５１において互いに電気接続されていることにより、検出部５１によって混成電位を検出するときには、２つの検出電極２２を合わせた一つの混成電位を検出することになる。そのため、検出部５１においては、２つの検出電極２２による感度特性が平均化された状態の混成電位が検出される。特に、２つの検出電極２２が並列接続されていることにより、感度特性を平均化して、温度変化に対する混成電位の変動を小さく抑えることができる。この結果、検出部５１においては、２つの検出電極２２による混成電位を別々に検出する必要性がなく、検出部５１の構成を簡単な構成に維持することができる。

　それ故、本形態のガスセンサ１によれば、検出部５１の構成を複雑にすることなく、混成電位の検出精度を高めることができる。

＜実施形態２＞
　本形態は、図１３及び図１４に示すように、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂが、固体電解質体２１における長手方向Ｘに並ぶ状態で配置された場合について示す。センサ素子部２においては、発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心Ｏが長手方向Ｘのいずれかの位置に存在し、センサ素子部２における長手方向Ｘにおいては、発熱中心Ｏから離れるほど温度が低くなるといった山形状の温度勾配が存在する。

　本形態においては、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂのうちの最大出力温度Ｔｍａｘが最も高い第１検出電極２２Ａの中心が、発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心Ｏの最も近くに位置するよう、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂを固体電解質体２１の第１表面２０１に配置している。換言すれば、発熱中心Ｏから、最大出力温度Ｔｍａｘが高い方の第１検出電極２２Ａの中心Ｏａまでの距離は、発熱中心Ｏから、最大出力温度Ｔｍａｘが低い方の第２検出電極２２Ｂの中心Ｏｂまでの距離よりも短い。リード部２２１は、固体電解質体２１の第１表面２０１において２つに分岐して、２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂの幅方向Ｗの端部に並列に繋がっている。

　また、センサ素子部２における長手方向Ｘの先端側Ｘ１は検出対象ガスＧによって温度が高くなりやすい一方、センサ素子部２における長手方向Ｘの基端側Ｘ２は、センサ素子部２を保持するハウジング等への熱引けによって温度が低くなりやすい。このことを受けて、最大出力温度Ｔｍａｘが高い方の第１検出電極２２Ａは、最大出力温度Ｔｍａｘが低い方の第２検出電極２２Ｂよりも長手方向Ｘの先端側Ｘ１に配置されている。これにより、２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂによる混成電位の感度が良くなる。

　図１５に示すように、固体電解質体２１の第１表面２０１においては、３つ以上の検出電極２２が長手方向Ｘに並ぶ状態で配置されていてもよい。この場合には、最大出力温度Ｔｍａｘが最も高い検出電極２２の中心Ｏａが、発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心Ｏの最も近くに位置するようにする。

　本形態においては、２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂが、固体電解質体２１の第１表面２０１における長手方向Ｘに並んで配置されていることにより、センサ素子部２に生じる温度分布に応じて、温度変化に対する感度特性が異なる２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂを配置することができる。特に、最大出力温度Ｔｍａｘが高い方の第１検出電極２２Ａが発熱部４１１の発熱中心Ｏの近い位置に配置され、最大出力温度Ｔｍａｘが低い方の第２検出電極２２Ｂが発熱部４１１の発熱中心Ｏから遠い位置に配置されることにより、２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂにおける混成電位の感度（出力）を大きくすることができる。これにより、ガスセンサ１による混成電位の検出精度を効果的に高めることができる。

　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＞
　本形態は、図１６及び図１７に示すように、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂが直列接続された場合について示す。この場合には、いずれかの検出電極２２Ｂといずれかの基準電極２３Ａとが、固体電解質体２１を貫通するスルーホール２１１を介して電気接続される。本形態においては、固体電解質体２１の第１表面２０１には２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂが設けられており、固体電解質体２１の第２表面２０２には２つの基準電極２３Ａ，２３Ｂが設けられている。

　２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂ及び２つの基準電極２３Ａ，２３Ｂは、固体電解質体２１の幅方向Ｗに並ぶ状態で配置されている。幅方向Ｗの一方側に位置する第１検出電極２２Ａには、固体電解質体２１の第１表面２０１に設けられたリード部２２１が繋がっている。また、幅方向Ｗの一方側に位置する第１基準電極２３Ａと幅方向Ｗの他方側に位置する第２検出電極２２Ｂとには、固体電解質体２１の第２表面２０２、スルーホール２１１及び固体電解質体２１の第１表面２０１に連続して設けられた直列用リード部２２２が繋がっている。また、幅方向Ｗの他方側に位置する第２基準電極２３Ｂには、固体電解質体２１の第２表面２０２に設けられたリード部２３１が繋がっている。

　そして、ガスセンサ１の使用時に、検出部５１に対して、第１表面２０１のリード部２２１から、第１検出電極２２Ａ、固体電解質体２１の部分、第１基準電極２３Ａ、直列用リード部２２２、第２検出電極２２Ｂ、固体電解質体２１の部分、第２基準電極２３Ｂ、及び第２表面２０２のリード部２３１まで直列に電気接続される。

　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。

　本開示は、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、本開示は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本開示から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本開示の技術思想に含まれる。

Claims (5)

1. 　イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体の第１表面（２０１）に設けられて検出対象ガス（Ｇ）に晒される複数の検出電極（２２，２２Ａ，２２Ｂ）、及び前記固体電解質体の第２表面（２０２）における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極（２３，２３Ａ，２３Ｂ）を有するセンサ素子部（２）と、
   　複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス成分濃度及び酸素濃度に基づく混成電位を検出する検出部（５１）と、を備え、
   　複数の前記検出電極は、温度変化に対する感度特性が互いに異なるとともに、互いに電気接続されている、ガスセンサ（１）。
2. 　複数の前記検出電極における感度特性は、前記検出部によって検出される混成電位の出力が最大になる最大出力温度（Ｔｍａｘ）によって示され、
   　複数の前記検出電極における前記最大出力温度は互いに異なっている、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 　複数の前記検出電極は、所定の隙間（Ｓ）を空けて設けられており、
   　前記固体電解質体の第１表面には、複数の前記検出電極を電気接続するリード部（２２１）が設けられている、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 　複数の前記検出電極は、前記固体電解質体の長手方向（Ｘ）に並ぶ状態で配置されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 　前記センサ素子部は、前記固体電解質体に積層されて、前記固体電解質体、複数の前記検出電極及び前記基準電極を加熱する発熱体（４１）をさらに有し、
   　複数の前記検出電極は、前記固体電解質体の長手方向（Ｘ）に並ぶ状態で配置されており、
   　複数の前記検出電極のうちの前記最大出力温度が最も高い検出電極の中心（Ｏａ）が、前記発熱体の発熱部（４１１）の発熱中心（Ｏ）の最も近くに位置する、請求項２に記載のガスセンサ。

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