(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性を有する固体電解質により形成された本体素子と、多孔質金属材料により前記本体素子上に形成された陰電極及び陽電極と、被測定雰囲気から前記陰電極に向けた被測定気体の拡散を規制する気体拡散規制部とを有し、その陰電極がＰｄ又はＰｄ合金により構成されるとともに、前記陰電極と前記陽電極との間に所定レベルの電圧を印加しつつ、その状態で前記被測定気体を前記気体拡散制御部を介して前記陰電極と接触させ、酸素を構成元素の一つとする被検出成分が前記被測定気体に含有されている場合に、その被検出成分の該被測定気体中の濃度を、前記本体素子を介して前記陰電極と前記陽電極との間に流れる酸素ポンプ電流の値に基づいて検出するとともに、前記被測定気体中に所定濃度の二酸化炭素と、前記被検出成分として所定濃度の水蒸気とが含有されている場合に、前記陰電極と前記陽電極との間に印加される電圧を、水蒸気の分解電圧に対応する所定の値に設定することにより、前記酸素ポンプ電流値がその水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度に対応したほぼ一定の限界電流値を示すようにしたことを特徴とする限界電流式ガスセンサ。
【請求項２】
前記被測定気体中の水蒸気濃度の増大に伴う前記限界電流値の増加率は、該被測定気体中の二酸化炭素濃度によらず、ほぼ一定の値を示すものである請求項１記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項３】
前記限界電流値は、前記被測定気体中の二酸化炭素濃度が増加するに伴いほぼ一定の割合で増加するものである請求項１又は２に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項４】
前記本体素子上において多孔質金属材料により線状又は帯状に形成され、その一端が前記陰電極に対し接続されるとともに、他方の端部側を気体導入部として自身に形成された連通気孔により前記被測定気体をその拡散を規制しつつ前記陰電極まで導く前記気体拡散規制部と、気体の流通を遮断する材料により構成され、前記気体拡散規制部の他方の端部側を露出させた状態で、前記本体素子上の前記陰電極と前記気体拡散規制部とを覆う気体遮断部と、前記本体素子の前記陰電極及び陽電極に対応する部分を所定のセンサ作動温度まで局部加熱するヒータ素子とを備える請求項１ないし３のいずれかに記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項５】
前記本体素子は板状に形成され、前記陰電極と前記陽電極とは、該板状の本体素子の同じ板面側に互いに隣接して配置されている請求項１ないし４のいずれかに記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の限界電流式ガスセンサと、その限界電流式ガスセンサによる前記限界電流値の情報を、外部より与えられる前記被測定気体中の二酸化炭素濃度の情報に基づいて補正するとともに、該限界電流値に基づく前記水蒸気の濃度情報をその補正結果を反映させた形で出力する補正出力手段と、を備えたことを特徴とするガスセンサシステム。
【請求項７】
前記補正出力手段は、前記被測定気体中の水蒸気の濃度と、同じく二酸化炭素の濃度と、前記限界電流値との相互関係を示す補正参照情報を記憶する補正参照情報記憶手段と、前記限界電流式ガスセンサによる前記限界電流値と、外部より与えられる前記被測定気体中の二酸化炭素濃度の情報とに基づいて、前記補正参照情報を参照しつつ、出力すべき水蒸気濃度の情報を決定する水蒸気濃度出力情報決定手段とを備える請求項６記載のガスセンサシステム。
【請求項８】
前記補正参照情報記憶手段は、前記二酸化炭素濃度の各種値毎に用意され、それぞれ対応する二酸化炭素濃度における前記水蒸気の濃度と前記限界電流値との関係を示す水蒸気濃度−限界電流値テーブルを前記補正参照情報として記憶している請求項７記載のガスセンサシステム。
【請求項９】
前記被測定気体中の二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出手段を備え、その検出結果が、前記補正出力手段において前記二酸化炭素濃度の情報として使用される請求項６ないし８のいずれかに記載のガスセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は限界電流式ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被測定気体中の酸素や水蒸気の濃度を検出するために限界電流式ガスセンサが使用されている。限界電流式ガスセンサは、酸素イオン電導性固体電解質上に多孔質電極で構成された陰電極と陽電極とを設けるとともに、陰電極に対しては小孔をあけた覆いや多孔質体等で構成された拡散律速部（拡散規制部）を設け、それによって被測定雰囲気から陰電極へ向かう気体の拡散を規制するようにした構成を有する。例えば、被測定雰囲気中の気体に酸素が含まれている場合、該酸素は拡散律速部を通って陰電極に到達する。ここで、陰電極と陽電極との間に適当なレベルの電圧を印加しておけば、陰電極上で解離された酸素が酸素イオンとなって固体電解質中を陽電極に向けて流れるが、この時の電流値（いわゆるポンプ電流値）は拡散律速部を通過する酸素の拡散速度が律速となってある値（すなわち限界電流値）に飽和する。そして、この限界電流値が気体中の酸素濃度にほぼ比例することから、これを測定することで気体中の酸素濃度を知ることができる。
【０００３】
この場合、測定可能な成分としては分子状の酸素だけでなく、例えば水（水蒸気）など分子中に酸素原子を含有しているものであれば、その分子の電気分解が生ずるレベルまで電極間の印加電圧を高めることで、同様に限界電流を生じさせることができ、その濃度を測定することができる。そのため、限界電流式ガスセンサは、酸素濃度測定のみならず、例えばボイラ等の汎用内燃機関で生ずる排気ガス中の水蒸気濃度（あるいは分圧）の測定用等にも広く用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記限界電流式ガスセンサに使用される多孔質電極の材質は、酸素分子あるいは酸素原子を含んだ分子に対する解離ないし分解の触媒活性が比較的高いものを用いする必要があり、一般にはＰｔ多孔質電極が使用されている。Ｐｔ多孔質電極を使用することにより、被測定気体中の酸素濃度を比較的精度よく測定することができる。一方、内燃機関からの排気ガス中の水蒸気濃度を測定する場合であるが、該排気ガス中には水蒸気、酸素の他に一般には二酸化炭素が含有されていることが多い。そして、Ｐｔ多孔質電極を用いた限界電流式ガスセンサは、このような二酸化炭素が存在する雰囲気での水蒸気濃度の検出に用いる場合、誤差が非常に大きくなる欠点がある。
【０００５】
その誤差を生ずる第一の原因は、水と二酸化炭素の分解電圧が近接しており、水蒸気を検出する電圧で二酸化炭素も電気分解されてしまうことにある。このとき、検出されるポンプ電流に対する二酸化炭素の分解による寄与が一定であれば、誤差を補正することも可能であるが、図１７（ｂ）に示すようにＰｔ電極の場合は、水蒸気濃度に対するポンプ電流値の増加率が二酸化炭素濃度によって大きく変化し、正確な補正を行うことは不可能に近い。
【０００６】
また、誤差を生ずる第二の原因は、雰囲気中の二酸化炭素濃度及び水蒸気濃度が一定であっても、ポンプ電流の安定性が非常に悪い点にある。図１９は、一定濃度の水蒸気を含有する被測定雰囲気においてポンプ電流を検出しながら、該雰囲気に一定濃度の二酸化炭素を導入したときの、ポンプ電流の変化の様子を示したものである。図中、破線がＰｔ電極を使用したときのポンプ電流の変化を示しており、二酸化炭素の導入に伴い、その電気分解により生ずる酸素イオンの寄与に相当する分だけポンプ電流は不連続的に増大している。
【０００７】
ここで、二酸化炭素の濃度を一定にしているのであるから、導入後のポンプ電流の値は一定レベルに保持されるのが理想的であるが、Ｐｔ電極を使用した場合、時間の経過とともにポンプ電流がゆっくりと減少し、一定レベルに安定化するまでに相当な長時間を有してしまう欠点がある。原因は定かではないが、Ｐｔ電極上で一旦分解された二酸化炭素に基づく酸素原子や炭素原子が、一種の再結合反応により一酸化炭素等を形成したりして、二酸化炭素の分解反応が最終的な平衡状態になかなか到達しないこと等が推測される。いずれにしろ、センサ出力としてのポンプ電流が二酸化炭素の存在下では安定化しないために、その値から水蒸気濃度を正確に知ることはほぼ絶望的に近い。
【０００８】
本発明は、二酸化炭素が存在する雰囲気においても水蒸気あるいは酸素の濃度を正確に測定できる限界電流式ガスセンサと、それを用いたセンサシステムとを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上述の課題を解決するために、本発明の限界電流式ガスセンサは下記のように構成されることを特徴とする。すなわち、該限界電流式ガスセンサは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により形成された本体素子と、多孔質金属材料により本体素子上に形成された陰電極及び陽電極と、被測定雰囲気から陰電極に向けた気体の拡散を規制する気体拡散規制部とを有し、陰電極と陽電極との間に所定レベルの電圧を印加しつつ、その状態で被測定気体を気体拡散規制部を介して陰電極と接触させるようにする。そして、酸素を構成元素の一つとする被検出成分が被測定気体に含有されている場合に、その被検出成分の該被測定気体中の濃度を、本体素子を介して陰電極と陽電極との間に流れる酸素ポンプ電流の値に基づいて検出するとともに、陰電極がＰｄ又はＰｄ合金により構成される。これにより、被測定気体中に一定濃度の二酸化炭素と、被検出成分として一定濃度の水蒸気が含有されている場合に、陰電極と陽電極との間に印加される電圧を所定のレベルに設定することにより、酸素ポンプ電流値がその水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度に対応したほぼ一定の値（限界電流値）を示すようにする。この場合、陽電極もＰｄないしＰｄ合金で構成できるが、該陽電極については他の材質、例えばＰｔ等で構成してもよい。
【００１０】
本発明者らは、限界電流式ガスセンサにおいて、その陰電極を上述のようにＰｄ又はＰｄ合金で構成することにより、被測定雰囲気中に二酸化炭素が含有されている場合でも水蒸気あるいは酸素の濃度を正確に測定できることを見い出したのである。
【００１１】
また、図１７（ａ）に示すように、被測定気体中の水蒸気の濃度の増大に伴うその限界電流値の増加率は、同図（ｂ）に示す前述のＰｔ電極を使用した場合と異なり、該被測定気体中の二酸化炭素濃度によらずほぼ一定の値を示すようになる。そして、水蒸気濃度の測定時には、従来のＰｔ陰電極を用いたセンサと同様に、測定に係る限界電流値には二酸化炭素の分解による誤差成分が生ずるのであるが、該誤差成分の値は雰囲気中の二酸化炭素の濃度が一定であれば、常にこれに対応したほぼ一定の値を示すようになる。従って、被測定雰囲気中の二酸化炭素濃度が予め知れてさえいれば上記誤差成分の値を正確に見積ることができ、ひいては該誤差成分の影響を補正することにより正確な水蒸気濃度の測定が可能となる。
【００１２】
また、前述の図１９を用いて説明すれば、一定濃度の水蒸気のみを含有する被測定雰囲気においてポンプ電流を検出しながら該雰囲気に一定濃度の二酸化炭素を導入した場合、陰電極をＰｄないしＰｄ合金で構成すると、ポンプ電流の値は導入した二酸化炭素の濃度に対応した値だけ速やかに増大した後、以降はほぼ一定レベルに保持される。すなわち、雰囲気中に二酸化炭素が含有されていても、ポンプ電流の値が速やかに水蒸気濃度に対応した値に平衡するので、Ｐｔ電極を使用した場合（破線）のようにポンプ電流の変動による誤差の影響がほとんどなくなり、水蒸気濃度を正確に検出することができる。
【００１３】
さらに、上記限界電流値は、図１８に示すように、被測定気体中の二酸化炭素濃度が増加するに伴いほぼ一定の割合で変化するようになる。これにより、上記限界電流値から被測定気体中の二酸化炭素濃度を知ることができる利点も生ずる。
【００１４】
なお、該限界電流式ガスセンサにより、被測定気体中の酸素濃度も同様に測定することができる。この場合、酸素濃度を検出するための限界電流領域は、水蒸気及び二酸化炭素の分解電圧よりも低電圧側に生ずるため、二酸化炭素及び水蒸気の分解の影響を受けることなく、酸素濃度の値を正確に測定することができる。
また、窒素酸化物（いわゆるＮＯＸ）はＯ２とほぼ同じ分解電圧を有しており、被測定気体中にＮＯＸが含有されている場合は、上記限界電流値からＯ２とＮＯＸの合計量を測定することが可能である。この場合、別途Ｏ２あるいはＮＯＸの濃度が何らかの方法で知れている場合は、限界電流値から求められるＯ２＋ＮＯＸの濃度から、Ｏ２濃度あるいはＮＯＸ濃度を減ずることにより、他方の成分の濃度を知ることができる。
【００１５】
上記限界電流式ガスセンサは、具体的には、本体素子上において多孔質金属材料により線状又は帯状に形成され、その一端が陰電極に対し接続されるとともに、他方の端部側を気体導入部として、自身に形成された連通気孔により被測定気体をその拡散を規制しつつ陰電極まで導く気体拡散規制部と、気体の流通を遮断する材料により構成され、気体拡散規制部の他方の端部側を露出させた状態で本体素子上の陰電極と気体拡散規制部とを覆う気体遮断部と、本体素子の陰電極及び陽電極に対応する部分を所定のセンサ作動温度まで局部加熱するヒータ素子とを備えたものとして構成できる。この場合、ヒータ素子による加熱が局部的なものであるから、固体電解質で構成された本体素子の気体拡散規制部に対応する部分は、センサ作動温度（すなわち、固体電解質が十分な酸素イオン導電性を示す活性化温度）まで加熱されず、該気体拡散規制部から固体電解質中へは酸素イオンの拡散はほとんど生じない。なお、該気体拡散規制部の少なくとも一部を、陰電極に通電するための陰電極リード部に兼用させることができる。
【００１６】
また、本体素子は板状に形成することができ、陰電極と陽電極とは、該板状の本体素子の同じ板面側に互いに隣接して配置することができる。これにより、センサが薄型でコンパクトなものとなるほか、陰電極と陽電極とが同一材質（すなわちＰｄ又はＰｄ合金）で構成される場合は、これらを同一材質の金属ペーストを用いて一回の印刷工程で形成できるため製造が容易となる。
【００１７】
次に、本発明は、上記限界電流式ガスセンサを使用したセンサシステムも提供する。すなわち、該センサシステムは、上記限界電流式ガスセンサと、その限界電流式ガスセンサによる限界電流値の情報を、外部より与えられる被測定気体中の二酸化炭素濃度の情報に基づいて補正するとともに、上記限界電流値に基づく水蒸気の濃度情報をその補正結果を反映させた形で出力する補正出力手段とを備えたことを特徴とする。これにより、センサが検出した限界電流値に基づく水蒸気濃度の情報に対し二酸化炭素濃度の影響が補正されて、より正確な水蒸気濃度の情報を得ることができる。
【００１８】
この場合、補正出力手段は、下記の要件を備えたものとして構成することができる。
▲１▼補正参照情報記憶手段：被測定気体中の水蒸気の濃度と、同じく二酸化炭素の濃度と、限界電流値との相互関係を示す補正参照情報を記憶する。
▲２▼水蒸気濃度出力情報決定手段：限界電流式ガスセンサによる限界電流値と、外部より与えられる被測定気体中の二酸化炭素濃度の情報とに基づいて、補正参照情報を参照しつつ、出力すべき水蒸気濃度の情報を決定する。
すなわち、実験等により、被測定気体中の水蒸気の濃度と、同じく二酸化炭素の濃度と、限界電流値との相互関係を補正参照情報として予め決定し、これを補正参照情報として記憶しておけば、その記憶された補正参照情報を参照することにより、センサの検出出力として得られる限界電流値の検出情報と上記二酸化炭素濃度の情報とを用いて、出力すべき水蒸気濃度の情報を合理的に決定することができる。
【００１９】
また、補正参照情報記憶手段には、二酸化炭素濃度の各種値毎に用意され、それぞれ対応する二酸化炭素濃度における水蒸気濃度と限界電流値との関係を示す被検出成分濃度−限界電流値テーブルを補正参照情報として記憶しておくことができる。これにより、各種二酸化炭素濃度における被測定気体中の水蒸気濃度を正確に決定できる利点が生ずる。
【００２０】
なお、上記二酸化炭素の濃度情報は、例えばサンプリング等により別途測定した二酸化炭素濃度値を入力等により与えるようにすることができる。一方、被測定気体中の二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出手段を設け、その検出結果を、補正出力手段において二酸化炭素濃度の情報として使用するようにしてもよい。これによれば、二酸化炭素濃度をリアルタイムで検出して、これを水蒸気濃度の補正情報として使用することができるから、より高精度の水蒸気濃度検出が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の限界電流式ガスセンサ（以下、単にセンサともいう）の一例の外観を示す斜視図である。該センサ１は、板状に形成された本体素子２、その本体素子２上に形成された陰電極４及び陽電極５、それら陰電極４及び陽電極５に通電するための陰電極リード部４ａ及び陽電極リード部５ａ、陰電極リード部４ａから分岐して設けられた気体導入部６、本体素子２上に積層されて上記陰電極４、陽電極５、リード部４ａ，５ａ及び気体導入部６を覆う板状の気体遮断部３、及び本体素子２に対し気体遮断部３とは反対側から積層された板状のヒータ素子８等を備えている。
【００２２】
本体素子２は酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。本実施例では、本体素子２は、例えば厚さ０．１５ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ２３ｍｍの板状に形成されているものとする。一方、気体遮断部３も同様の固体電解質により本体素子２と同幅及び同長さに形成され、本体素子２と焼成により一体化されて一体積層体１０を構成している。ここで、一体積層体１０の全厚は、本実施例ではおよそ０．３ｍｍとされている。なお、図３に示すように、該気体遮断部３は、気体透過性を有さないものであれば本体素子２とは別材質のセラミックスで構成してもよく、例えばＡｌ２Ｏ３等で構成することができる。
【００２３】
次に、陰電極４及び陽電極５はそれぞれＰｄ又はＰｄ合金の多孔質体（以下、Ｐｄ多孔質体という）により構成され、本体素子２の板面の長手方向における一方の端部側において、その幅方向に互いに隣接して配置されている。これら電極４及び５は、本実施例では厚さ約２０μｍ、幅約１ｍｍ、長さ約３ｍｍの長方形状に形成されているものとする。一方、陰電極リード部４ａと陽電極リード部５ａとは、Ｐｔ多孔質体によりそれぞれ上記電極４，５よりも幅が細い帯状に形成され、一端側が陰電極４及び陽電極５に接続している。また、それらの他端側は、本体素子２の幅方向両縁部に沿ってそれぞれ延び、その末端部には少し広幅の端子接続部４ｂ，５ｂが形成されている。そして、ここに白金線等で形成された端子部４ｃ及び５ｃの各一端部が、本体素子２と気体遮断部３との間に挟み付けられた形で接続され、それぞれその他端側を一体積層体１０の端面から突出させている。なお、陽電極５は、Ｐｔ又はＰｔ合金の多孔質体（以下、Ｐｔ多孔質体という）で構成してもよい。
【００２４】
次に、陰電極リード部４ａの中間部からはＰｔ多孔質体（あるいはＰｄ多孔質体）で構成された帯状の分岐部６が側方に分岐する形で形成されており、その末端は一体積層体１０の側面に露出している。そして、この分岐部６は陰電極リード部４ａとともに、上記露出する末端を気体導入部として自身に形成された連通気孔により被測定気体をその拡散を規制しつつ陰電極４まで導く気体拡散規制部（あるいは拡散律速部）９を構成している。一方、気体遮断部３には、陽電極５に対応する位置において該陽電極５と外部とを連通させるガス出口穴７が形成されている。なおガス出口穴７は、陽電極５と外部とを連通させるものであれば、その断面形状及び大きさは特に限定されない。
【００２５】
また、図４に示すように、ヒータ素子８は、Ａｌ２Ｏ３等で構成された板状のセラミック基体２１に対し、本体素子２の陰電極４及び陽電極５に対応する部分に、Ｐｔ等で構成された線状の抵抗発熱部２０が埋設され、リード部２２，２２と、それらの末端部に接続された端子部１３及び１４により通電加熱され、本体素子２の陰電極４及び陽電極５に対応する部分のみを、所定のセンサ作動温度まで局部的に加熱する役割を果たす。なお、該ヒータ素子８とこれに積層された前述の一体積層体１０とからなる本実施例のセンサ１には、その板面中央においてそれらを積層方向に貫通する通気孔１５が形成されている。
【００２６】
上述のようなセンサ１は、例えば次のようにして製造することができる。まず、ヒータ素子８は、焼成後に通気孔１５となる穴を開けたＡｌ２Ｏ３粉末のグリーンシートの上面に、Ｐｔペーストを用いて抵抗発熱部２０及びリード部２２，２２となるパターンを印刷形成し、そのリード部パターンの末端に端子部１３，１４となる白金線をのせた後、同様のグリーンシートを積層し、これを焼成・一体化する。一方、一体積層体１０は、固体電解質のグリーンシート上に陰電極４及び陽電極５となるパターンをＰｄ又はＰｄ合金粉末のペーストにより印刷形成し、さらにそれらのリード部４ａ，５ｂのパターンをＰｔ粉末ペーストを用いて印刷形成する。そして、それらリード部のパターンの端部に端子部４ｃ，５ｃとなる白金線をのせた後、その上に別の固体電解質のグリーンシートを積層し、約１５００℃でこれを焼成・一体化する。こうして得られたヒータ素子８と一体積層体１０とを封着ガラスあるいは無機系接着剤等を用いて互いに接合することにより、図１に示すセンサ１が得られる。
【００２７】
上記センサ１の基本的な動作は以下の通りである。
まず、センサ１を被測定雰囲気中に配置し、ヒータ素子８に通電して本体素子２を所定の作動温度（活性化温度：例えば５００℃）まで加熱する。被測定雰囲気中の気体（被測定気体）は、図１の気体拡散規制部９を通ってその拡散が規制されつつ陰電極４に導かれる。この状態で陽電極５と陰電極４との間に所定レベルの電圧Ｖを印加すると、Ｐｄ多孔質体で構成された陰電極４においてその気孔に保持された酸素が解離され、その解離された酸素が陰電極４から陽電極５に向けて本体素子２の内部をポンピングされることにより、被測定気体中の酸素濃度に応じたポンプ電流を生ずる。このとき、本体素子２は、陰電極４の近傍のみが局所加熱され、気体拡散規制部９に対応する部分は酸素イオン導電性を示す程には加熱されないため、ポンピングの進行に伴い新たな気体が気体拡散規制部９を通って陰電極４に供給される。
【００２８】
まず、被測定気体中に二酸化炭素が含有されていない場合は、陽電極５と陰電極４との間に流れるポンプ電流Ｉは、図５の実線に示すように変化する。まず、印加電圧Ｖをゼロから次第に大きくしてゆくと、ポンピングされる酸素イオンの量が増大し、ポンプ電流Ｉの値も電圧とともにほぼ直線的に増加する。しかしながら、電圧Ｖがある値Ｖ１に到達すると、気体拡散規制部９を通過する酸素の拡散速度が律速となってポンプ電流Ｉは第一の限界電流値ＩＬ１に飽和し、第一の平坦部Ｆ１が形成される。
【００２９】
その後、さらに電圧を増加させてある電圧値Ｖ２よりさらに高くなると、被測定気体中の水蒸気の電気分解が生じ、その分解で生じた酸素イオンが陽電極５にポンピングされるためポンプ電流Ｉは再び増加し始める。しかしながら、この場合も電圧がある値Ｖ３に到達すると、気体拡散規制部９における水蒸気の拡散が律速となってポンプ電流は第二の限界電流値ＩＬ２に飽和し、第二の平坦部Ｆ２が形成される。そして、この電流値ＩＬ２は、乾燥空気ベースの酸素濃度が一定の場合、水蒸気濃度に対して図６のようにほぼ直線的に変化するので、酸素濃度を知ることで該電流値ＩＬ２から水蒸気濃度を知ることができる。
【００３０】
次に、水蒸気量が同じとして、これに二酸化炭素を混合した場合には、ポンプ電流Ｉは図５の破線に示すように変化する。ここで、二酸化炭素は水蒸気と同程度の電圧で分解されるので、この分解による電流増加の寄与は第二の平坦部Ｆ２に対応する電圧域Ｖ３〜Ｖ４に表れる。すなわち、第二の平坦部Ｆ２におけるポンプ電流レベルは、二酸化炭素の混入分に対応してＩＬ２からＩＬ２’へ増加する。一方、第一の平坦部Ｆ１のポンプ電流レベルは、乾燥空気ベースでの酸素濃度が二酸化炭素の混合により相対的に低下するため、二酸化炭素を混入しない場合のレベルＩＬ１よりも低いＩＬ１’となる。そして、ＩＬ２−ＩＬ１は水蒸気量に対応し、（ＩＬ２’−ＩＬ１’）−（ＩＬ２−ＩＬ１）は二酸化炭素の分解によって生じた酸素イオンによる電流増加の寄与に対応するものとなる。
【００３１】
図１７は、各種二酸化炭素濃度における第二の限界電流値ＩＬ２の水蒸気濃度依存性を示している。なお、被検出雰囲気の全圧は１気圧とした。すなわち、（ｂ）に示すように、陰電極４をＰｔで構成した場合は、水蒸気濃度に対する電流値ＩＬ２の変化率が、二酸化炭素濃度に応じて全て異なる値となっており、二酸化炭素の分解による電流増加の寄与が、該二酸化炭素の濃度に応じてリニアに変化していないことがわかる。一方、陰電極４をＰｄで構成した本実施例のセンサの場合には、（ａ）に示すように、上記電流値ＩＬ２の変化率が二酸化炭素濃度によらずほぼ一定の値となっている。これを、各種水蒸気濃度における電流値ＩＬ２の二酸化炭素濃度依存性にプロットしなおしたのが図１８であり、電流値ＩＬ２が二酸化炭素の濃度増加に対してほぼリニアに変化していることがわかる。すなわち、二酸化炭素の分解による電流増加の寄与が二酸化炭素濃度に応じて一義的に定まり、両者の関係を予め実験等により測定しておけば、電流値ＩＬ２に基づいて水蒸気濃度を決定する際に、二酸化炭素の影響分を正確に補正することができる。また、逆に測定気体中の酸素濃度及び水蒸気濃度が知れていれば、電流値ＩＬ２の値から二酸化炭素濃度を知ることも可能となる。すなわち、図１の限界電流式ガスセンサ１を二酸化炭素センサとしても使用することが可能となるのである。
【００３２】
以下、図１のセンサ１を使用したセンサシステムのいくつかの構成例と、その作動について説明する。図７は、センサシステムの一例の電気的構成を示すブロック図である。すなわち、該センサシステム５０は、上記センサ１と、マイクロプロセッサ５１と、それらセンサ１とマイクロプロセッサ５１とを接続する周辺回路５０ａとから構成されている。
【００３３】
センサ１の陽電極５には電源としてのオペアンプ６１が接続されている。該オペアンプ６１には、Ａ／Ｄ変換器６０を介してマイクロプロセッサからの指示電圧が入力され、その指示電圧値に応じた電圧を陽電極５に印加する働きをなす。一方、センサ１の陰電極４は電流検出用の抵抗器６４を介して接地されている。そして、抵抗器６４の両端電圧は、周辺の抵抗器６６〜６９とともに差動増幅器を構成するオペアンプ６５に入力され、その出力がセンサ１に流れるポンプ電流情報として、Ａ／Ｄ変換器７０を介してマイクロプロセッサ５１に入力されるようになっている。なお、センサ１のヒータ素子８は、図示しないヒータ電源に通電制御回路を介して接続され、前述の本体素子２がセンサ作動温度となるようにその発熱が、例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御方式等により制御される。
【００３４】
次に、マイクロプロセッサ５１は、周辺回路５０ａとの間の出入力インターフェースとなるＩ／Ｏポート５２と、これに接続されたＣＰＵ５３、ＲＡＭ５４、ＲＯＭ５５等により構成されている。そのＲＡＭ５４には、ＣＰＵ５３のワークエリア５４ａと、後述する処理において取り込まれる各種測定値のデータ、あるいは後述する制御処理の過程で生ずる各種測定値を格納するための測定値メモリ５４ｂが形成されている。また、ＲＯＭ５５には、センサシステム５０の被検出成分の出力値決定の演算とその出力制御を司る制御プログラムを記憶するための制御プログラム記憶部５５ａと、該制御プログラム５５ａが使用する補正参照情報を記憶するための補正参照情報記憶部５５ｂ（内容については後述する）が形成されている。そして、ＣＰＵ５３は、上記制御プログラムに基づいて水蒸気濃度出力情報決定手段、及び水蒸気濃度情報出力制御手段の主体として機能することとなる。
【００３５】
Ｉ／Ｏポート５２には、７セグメントＬＥＤや液晶ディスプレイ等で構成された水蒸気濃度表示部８０及び酸素濃度表示部８１が、それぞれ表示制御回路８２及び８３を介して接続されている。また、Ｉ／Ｏポート５２には、気体サンプリング等により別途測定された二酸化炭素濃度の情報を入力するための入力部８４が接続されている。
【００３６】
以下、センサシステム５０の作動について、マイクロプロセッサ５１のＣＰＵ５３からみた処理の流れにより、図８のフローチャートを用いて説明する。まず、センサ１を被測定雰囲気中に配置し、ヒータ素子８に通電してこれを作動温度まで加熱する。そして、Ｓ１において、センサ１の両電極４，５に印加する電圧レベルを、図５の第一の平坦部Ｆ１が得られる電圧Ｖ１０に設定する。この時のポンプ電流値Ｉは、第一の限界電流値ＩＬ１’として被測定雰囲気中の酸素濃度に対応するものとなる。ここで、図７のＲＯＭ５５には、図９（ａ）に示すように、補正参照情報記憶部５５ｂにポンプ電流の値と酸素濃度との関係を記憶したテーブル１９０が記憶されており、読み込んだポンプ電流Ｉに対応する酸素濃度をこのテーブル１９０から補間法により決定し、これを酸素濃度表示部８０に出力する。なお、上記ポンプ電流値ＩはＲＡＭ５４の測定値メモリ５４ｂに一時記憶される（以上、図８：Ｓ２〜Ｓ４）。
【００３７】
次に、Ｓ５に進み、印加電圧のレベルを図５の第二の平坦部Ｆ２が得られる電圧Ｖ２０に設定する。この時のポンプ電流値Ｉ’は、前述の通り、第二の限界電流値ＩＬ２’として被測定雰囲気中の酸素濃度、水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度の各寄与が全て重畳されたものとなる。ここで、酸素濃度に対応するポンプ電流値Ｉはすでに測定値メモリ５４ｂに記憶されているから、これを上記ポンプ電流値Ｉから減じてその差ΔＩ＝Ｉ−Ｉ’（図５のＩＬ２’−ＩＬ１’に対応）を求めれば、該ΔＩは水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度の寄与の合計を反映したものとなる。一方、測定気体中の二酸化炭素濃度は気体サンプリング等により別途測定されており、これは図７の入力部８４から入力されてＲＡＭ５４に記憶されているが、その値が読み込まれる（以上、図８：Ｓ５〜Ｓ８）。
【００３８】
そして、ＲＯＭ５５の補正参照情報記憶部５５ｂには、前述のΔＩの値と水蒸気濃度ＣＷとの関係を各種二酸化炭素濃度毎に示す２次元のテーブル１９１が記憶されている。そして、図１０に示すように、まず読み込んだ二酸化炭素濃度に対応するΔＩ−ＣＷの関係を上記テーブル１９１から補間法により生成する。そして、測定されたΔＩの値に対応する水蒸気濃度の値を、上記生成されたΔＩ−ＣＷの関係と照合して補間法により決定し、これを図７の水蒸気濃度表示部８１に出力する（以上、図８：Ｓ９、Ｓ１０）。そして、Ｓ１に戻り、以下同様の処理が繰り返される。
【００３９】
なお、図１７に示すように、ポンプ電流（第二の限界電流）の値と水蒸気濃度との関係は、二酸化炭素濃度によらずほぼ一定の変化率を示す直線的なものとなるから、水蒸気濃度は下記のような方法によっても決定することができる。まず、図９（ｃ）に示すように、各二酸化炭素濃度ＣＣと対応する電流増加の寄与の値（以下、換算電流値という）ＩＣとの関係を示すテーブル１９２を、ＲＯＭ５５の補正参照情報記憶部５５ｂに記憶しておき、与えられた二酸化炭素濃度に対応する換算電流値ＩＣの値をこのテーブル１９２を用いて補間法により決定する。次いで、測定されたΔＩの値から決定された換算電流値ＩＣの値を減じて、補正ポンプ電流ΔＩ’（＝ΔＩ−ＩＣ）を求める。そして、ＲＯＭ５５の補正参照情報記憶部５５ｂには、この補正ポンプ電流ΔＩ’と水蒸気濃度ＣＷとの関係を示すテーブル１９３を記憶しておき、上記求められた補正ポンプ電流ΔＩ’の値に対応する水蒸気濃度の値を該テーブル１９３を参照して補間法により決定する。この方法によれば、ＲＯＭ５５に記憶させるべきデータは、１次元のテーブル２組（１９２，１９３）で済み、２次元のテーブル１９１を使用する場合と比べてデータ量を大幅に削減することができる。
【００４０】
また、図７に二点鎖線で示すように、マイクロプロセッサ５１に二酸化炭素センサ８５をセンサコントローラ８６及びＡ／Ｄ変換器８７を介して接続しておき、水蒸気濃度を決定する際にこの二酸化炭素センサ８５の検出する二酸化炭素濃度を用いるようにしてもよい。
【００４１】
図７に示したセンサシステム５０は酸素濃度と水蒸気濃度とを測定するためのものであったが、これとほぼ同一の構成により二酸化炭素濃度測定用のシステムを構築することもできる。図１４は、その構成例を示すブロック図であるが、大半は図７のシステム５０と共通しているので、その相違点について説明する。まず、該システム１５０においては、被測定雰囲気中の水蒸気濃度あるいは酸素濃度が、各々センサコントローラ９３，９６とＡ／Ｄ変換器９４，９７とを介してマイクロプロセッサ５１に接続された酸素センサ９２及び水蒸気濃度センサ９５により測定される。そして、二酸化炭素濃度の測定・表示処理がＲＯＭ５５の記憶部５５ａに記憶された制御プログラムにより、図１５に示す流れに従い実行される。
【００４２】
まず、センサ１に対する印加電圧のレベルを、図５の第二の平坦部Ｆ２が得られる電圧Ｖ２０に設定する。そして、Ｓ５１及びＳ５２において、酸素センサ９２及び水蒸気濃度センサ９５が検出する酸素及び水蒸気の濃度を読み込む。ＲＯＭ５５の補正参照情報記憶部５５ｂには、図１６に示すように、ポンプ電流の絶対値Ｉと、水蒸気濃度ＣＷと、酸素濃度ＣＯと、二酸化炭素濃度ＣＣとの関係を示す３次元のテーブル１９４が記憶されており、検出された酸素濃度ＣＯ、水蒸気濃度ＣＷ及びポンプ電流Ｉに対応する二酸化炭素濃度ＣＣを、該テーブル１９４を参照して３次元補間により決定し、これを表示部９０に出力する（Ｓ５３、Ｓ５４）。
【００４３】
次に、図１１のセンサ１００は、図１のセンサ１の変形例を示している。センサ１との共通部分には共通の符号を付してその相違点についてのみ説明すれば、該センサ１００においては、２組の陰電極４，４’が陽電極５を共有する形で設けられており、一方（４）が酸素濃度検出用、他方（４’）が水蒸気検出用とされている。本実施例では、本体素子２の幅方向中央に陽電極５が配置され、陰電極４，４’は該幅方向において陽電極５の両側に隣接して配置されている。また、陰電極リード部、気体導入部及び端子等も、それぞれ４ａ，４ａ’、６，６’、４ｃ，４ｃ’の２組ずつが設けられている。なお、本構成においては図１の通気孔１５は形成されていない。
【００４４】
図１３は、上記センサ１００を用いたセンサシステムの一例を示すブロック図である。以下、該システム２００について、図７のシステム５０との共通部分には共通の符号を付し、その相違点について説明する。すなわち、周辺回路５０ａにおいて、センサ１００の陽電極５は定電圧電源１０１の正極に接続される一方、陰電極４及び４’は、同じく定電圧電源１０１の接地された負極に対し、可変抵抗器１０２，１０４と電流検出用の抵抗器１０３，１０５を介して接続されている。そして、陽電極５と酸素濃度検出用の陰電極４との間には図５の第一の平坦部Ｆ１が得られる電圧Ｖ１０が、同じく陽電極５と水蒸気濃度検出用の陰電極４’との間には第二の平坦部Ｆ２が得られる電圧Ｖ２０が印加されるように、可変抵抗器１０２，１０４の電気抵抗値がそれぞれ調整される（なお、電圧Ｖ１０及びＶ２０の値がそれぞれ常に固定である場合には、可変抵抗器１０２，１０４は、対応する電気抵抗値を有する固定抵抗器で置き換えてもよい）。
【００４５】
そして、陽電極５と酸素濃度検出用の陰電極４との間に流れるポンプ電流値Ｉは、抵抗器１０３の両端の電圧差の形で、周辺の抵抗器１０７〜１１０とともに差動増幅器を構成するオペアンプ１０６に入力され、その出力電圧が検出信号としてＡ／Ｄ変換器１２０を介してマイクロプロセッサ５１に入力される。一方、陽電極５と水蒸気検出用の陰電極４’との間に流れるポンプ電流値Ｉ’は、抵抗器１０５の両端の電圧差の形で、抵抗器１１２〜１１５とともに差動増幅器を構成するオペアンプ１１１に入力される。そして、抵抗器１２２〜１２５とともに差動増幅器を構成するオペアンプ１２１は、上記オペアンプ１１１の出力電圧とオペアンプ１０６の出力電圧との差を前述のΔＩの検出出力として出力し、これがＡ／Ｄ変換器１２６を介してマイクロプロセッサ５１に入力される。そして、マイクロプロセッサ５１は、オペアンプ１０６からのポンプ電流値Ｉの情報に基づいて、図８のＳ１〜Ｓ４と同様の流れにより酸素濃度を決定して表示部８１に出力する処理と、同じくオペアンプ１２１からのΔＩの情報に基づいて、図８のＳ８〜Ｓ１０と同様の流れにより水蒸気濃度を決定して表示部８０に出力する処理とを、例えばマルチタスク処理により実行する。
【００４６】
なお、本発明の限界電流式ガスセンサは、図１２に示すように、陰電極４と陽電極５とを板状の本体素子２の両面に振り分けて形成してもよい。なお、該センサ２５０においては、気体拡散規制部２５１が、小孔２５２を開けた覆いで構成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の限界電流式ガスセンサの一例を示す斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】本発明の限界電流式ガスセンサの第一の変形例を示す断面図。
【図４】図１のセンサに使用されるヒータの部分切欠き斜視図。
【図５】図１のセンサの電圧とポンプ電流との関係を示す説明図。
【図６】水蒸気濃度と第二の限界電流ＩＬ２との関係を示す説明図。
【図７】図１のセンサを用いた水蒸気−酸素濃度検出用のセンサシステムの一例の電気的構成を示すブロック図。
【図８】図７のセンサシステムにおける酸素濃度及び水蒸気濃度の検出・出力制御の流れを示すフローチャート。
【図９】図７のセンサシステムに使用されるテーブルの例を示す説明図。
【図１０】２次元のテーブルを参照して水蒸気濃度を補間法により決定する方法を示す説明図。
【図１１】本発明の限界電流式センサの第二の変形例を示す斜視図及びＢ−Ｂ断面図。
【図１２】本発明の限界電流式センサの第三の変形例を示す断面図。
【図１３】図１１のセンサを用いたセンサシステムの一例の電気的な構成を示すブロック図。
【図１４】図１のセンサを用いた二酸化炭素濃度検出用のセンサシステムの一例の電気的な構成を示すブロック図。
【図１５】図１４のセンサシステムにおける二酸化炭素濃度の検出・出力制御の流れを示すフローチャート。
【図１６】図１４のセンサシステムに使用されるテーブルの例を示す説明図。
【図１７】本発明のセンサの、各種二酸化炭素濃度における水蒸気濃度とポンプ電流との関係の一例を、その比較例とともに示すグラフ。
【図１８】図１７のグラフを、各種水蒸気濃度における二酸化炭素濃度とポンプ電流との関係にプロットし直したグラフ。
【図１９】二酸化炭素を含有する雰囲気における本発明のセンサのポンプ電流の安定性を、比較例と対比させて示す説明図。
【符号の説明】
１，１００，２５０  限界電流式ガスセンサ
２  本体素子
３  気体遮断部
４  陰電極
５  陽電極
８  加熱素子
９  気体拡散規制部
５０，２００，１５０  センサシステム
５１  マイクロプロセッサ（補正出力手段、水蒸気濃度出力情報決定手段）
５５  ＲＯＭ（補正参照情報記憶手段）
８５  二酸化炭素センサ（二酸化炭素濃度検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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