(57)【要約】      （修正有）【課題】単一のセンサにより複数のガス成分の各濃度を簡易な構成で検出できるガスセンサを提供する。【解決手段】被検ガスに含まれる複数のガス成分の各濃度を検出するガスセンサ１であって、酸素を供給する酸素供給部１０と、酸素を含むガス側に配置され、酸素供給部１０の一端側に設けられる第１電極１１と、被検ガス側に配置され、酸素供給部１０の他端側に設けられる第２電極１２と、第１電極１１と第２電極１２との間に接続される電源１３と、酸素供給部１０の温度を調整する温度調整部１５，１６，２１とを備え、酸素供給部１０の温度を温度調整部１５，１６，２１によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された各温度のときにガス成分の濃度を検出する。【選択図】図１
2015161570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検ガスに含まれる複数のガス成分の各濃度を検出するガスセンサであって、
酸素を供給する酸素供給部と、
酸素を含むガス側に配置され、前記酸素供給部の一端側に設けられる第１電極と、
被検ガス側に配置され、前記酸素供給部の他端側に設けられる第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に接続される電源と、
前記酸素供給部の温度を調整する温度調整部と、
を備え、
前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された各温度のときにガス成分の濃度を検出する、ガスセンサ。
【請求項２】
前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流を検出する電流検出部を備え、
前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された温度のときに前記電流検出部で検出した電流値に基づいて前記酸素供給部で供給された酸素量を導出し、当該導出された酸素量からガス成分の濃度を検出する、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
ガス成分と酸素との反応で増加する熱量を検出する熱量検出部を備え、
前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された温度のときに前記熱量検出部で検出した熱量からガス成分の濃度を検出する、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分の酸素との反応し易い各温度のうちの高温側から低温側の各温度に順次調整する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる任意のガス成分と酸素とが反応し易い温度に調整する毎に前記電源による電圧の印加を開始し、当該任意のガス成分の濃度の検出が終了する毎に前記電源による電圧の印加を終了する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ガスセンサによる検出中は前記電源によって電圧を印加し続ける、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検ガスに含まれる複数のガス成分の各濃度を検出するガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジン制御等の各種制御を高精度に行うためには、燃料として用いるガスや排気されるガス等に含まれる特定のガス成分の濃度を検出するガスセンサが必要となり、各種ガスセンサが開発されている。例えば、特許文献１には、ジルコニア（固体電解質）の一端側に大気にさらされる基準電極が配置され、他端側に被検ガスにさらされる高温側検出電極と低温側検出電極が配置されるガス成分センサにより、２つの検出電極で測定される各電流データから２種の特定のガス成分の濃度を検出することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１８９６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
自動車のエンジンや火力発電の燃料等として、石油等よりも燃焼時の二酸化炭素等の排出量が少ないクリーンエネルギーである天然ガスが利用されている。天然ガスは、炭素と水素からなる多種のガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン等）が含まれている。これらの多種のガス成分を含む天然ガスは、ガス成分の構成や濃度比率が産地等によって異なっている。天然ガスを燃料としたエンジン制御等を行う場合、ガス成分の構成や濃度比率が判らないと、最適な燃焼を行えず、排気ガスや燃費等に影響を及ぼす。そのため、天然ガスの燃焼を効率良く行うためには、使用している天然ガスのガス成分の各濃度を高精度に検出する必要がある。
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されるガス成分センサでは２種のガス成分の濃度しか検出できず、天然ガスに含まれる多種のガス成分の各濃度を検出することができない。また、従来の周知のガスセンサは、その殆どが１種のガス成分を検出するセンサである。そのため、多種のガス成分の濃度を検出するためには、複数のガスセンサが必要となったり、センサの構成が複雑となり、高コストとなる。
【０００６】
そこで、本技術分野においては、単一のセンサにより複数のガス成分の各濃度を簡易な構成で検出できるガスセンサが要請されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係るガスセンサは、被検ガスに含まれる複数のガス成分の各濃度を検出するガスセンサであって、酸素を供給する酸素供給部と、酸素を含むガス側に配置され、酸素供給部の一端側に設けられる第１電極と、被検ガス側に配置され、酸素供給部の他端側に設けられる第２電極と、第１電極と第２電極との間に接続される電源と、酸素供給部の温度を調整する温度調整部とを備え、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された各温度のときにガス成分の濃度を検出する。
【０００８】
このガスセンサは、酸素供給部の両端部に電極がそれぞれ設けられ、その一方の端部の第１電極側が酸素を含むガス（例えば、大気）にさらされ、他方の端部の第２電極側が被検ガスにさらされている。その電極間に電源から電圧が印加されると、酸素供給部では、酸素を含むガスにさらされている第１電極（マイナス極）側から第２電極（プラス極）側へ酸素（特に、第１電極で電子を受け取って酸素イオンになった状態）が移動し、第２電極側に酸素を供給する。第２電極側では、その酸素と被検ガスに含まれるガス成分とが化学反応し、発熱する。各ガス成分は、この酸素との反応において反応し易い温度をそれぞれ有している。このガス成分毎の反応し易い各温度を利用することにより、各温度における各ガス成分の酸素との反応によって変化する様々な量から各ガス成分の濃度を検出することが可能である。そこで、ガスセンサでは、温度調整部によって、酸素供給部の温度をガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整する。そして、ガスセンサでは、その各温度になる毎に、反応によって変化する量（例えば、酸素供給部で供給された酸素量、反応で発生した熱量）から反応で消費されたガス量（すなわち、ガス成分の濃度）を検出する。この検出を、被検ガスに含まれる複数のガス成分の酸素と反応し易い各温度について繰り返し行う。この温度を順次変化させる際に、高い温度から低い温度の順に行ってもよいしあるいは低い温度から高い温度の順に行ってもよい。このように、このガスセンサは、被検ガスに含まれる複数のガス成分の酸素と反応し易い各温度に順次変えて、その各温度における化学反応から各ガス成分の濃度を順次検出することにより、単一のセンサにより複数のガス成分の各濃度を簡易な構成で検出できる。
【０００９】
なお、被検ガスは、複数のガス成分（不純物となるガス成分の場合もある）を含むガスであり、例えば、天然ガス、排気ガスである。但し、本発明に係るガスセンサによって濃度を検出可能なガス成分は、酸素と化学反応して発熱し、その化学反応において反応し易い温度を有するガスである。酸素供給部は、電圧を付加すると酸素（特に、酸素イオン）が移動し、酸素を供給できるものであり、例えば、固体電解質（ジルコニア等）である。
【００１０】
一形態のガスセンサでは、第１電極と第２電極との間に流れる電流を検出する電流検出部を備え、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された温度のときに電流検出部で検出した電流値に基づいて酸素供給部で供給された酸素量を順次し、当該導出された酸素量からガス成分の濃度を検出する。
【００１１】
このガスセンサでは、酸素供給部の温度がガス成分と酸素とが反応し易い各温度になる毎に、電流検出部によって電極間を流れた電流値を検出する。この電流値に応じた電子を受け取って酸素から酸素イオンになるので、ガスセンサでは、検出した電流値から酸素供給部で供給された酸素量を導出し、その酸素量から化学反応で消費されたガス量（すなわち、ガス成分の濃度）を検出する。このように、ガスセンサは、酸素供給部から供給される酸素量に対応する電流値を用いることにより、化学反応で使われた酸素量（ひいては、ガス成分の濃度）を簡単に検出することができる。特に、この検出方法の場合、ガス成分の濃度を検出する過程で環境における影響を受け易い熱量を用いていないので、検出精度が高い。
【００１２】
一形態のガスセンサでは、ガス成分と酸素との反応で増加する熱量を検出する熱量検出部を備え、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された温度のときに熱量検出部で検出した熱量からガス成分の濃度を検出する。
【００１３】
このガスセンサでは、酸素供給部の温度がガス成分と酸素とが反応し易い各温度になる毎に、熱量検出部によって化学反応での発熱で増加する熱量を検出する。そして、ガスセンサでは、その増加した熱量から化学反応で消費されたガス量（すなわち、ガス成分の濃度）を検出する。このように、ガスセンサは、化学反応で増加した熱量を用いることにより、化学反応で消費されたガス成分の濃度を簡単に検出することができる。特に、この検出方法の場合、熱量検出部としては温度調整部で用いる温度センサ等を共用できるので、より簡易な構成が可能となる。
【００１４】
一形態のガスセンサでは、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分の酸素との反応し易い各温度のうちの高温側から低温側の各温度に順次調整する。このように、このガスセンサは、温度を順次変化させる際に高温側から低温側の各温度に順次変えることにより、ガス成分と酸素の反応で発生する熱による温度上昇による影響をガス成分の濃度を検出する際に受け難くなり、検出精度が向上する。
【００１５】
一形態のガスセンサでは、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる任意のガス成分と酸素とが反応し易い温度に調整する毎に電源による電圧の印加を開始し、当該任意のガス成分の濃度の検出が終了する毎に電源による電圧の印加を終了する。このように、このガスセンサは、各ガス成分の反応し易い温度に調整されて濃度検出をする毎に電源による電圧の印加開始／印加停止することにより、ガスセンサによる消費電力を低減できる。
【００１６】
一形態のガスセンサでは、ガスセンサによる検出中は電源によって電圧を印加し続ける。このように、このガスセンサは、検出中は電源によって電圧を印加し続けることにより、各ガス成分の反応し易い温度の前後の温度領域についても検出できるので、それらの温度領域での濃度も加味して各ガス成分の濃度をより高精度に検出でき、検出精度が向上する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、単一のセンサにより複数のガス成分の各濃度を簡易な構成で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサの構成を模式的に示す図である。
【図２】天然ガスに含まれる各ガス成分の酸素との反応し易い温度を示す図である。
【図３】ガス濃度−発熱量マップの一例である。
【図４】第１の実施の形態に係るガスセンサによるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。
【図５】第２、３の実施の形態に係るガスセンサの構成を模式的に示す図である。
【図６】酸素量−電流値マップの一例である。
【図７】ガス濃度−酸素量マップの一例である。
【図８】第２の実施の形態に係るガスセンサによるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。
【図９】第３の実施の形態に係るガスセンサによるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明に係るガスセンサの実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
本実施の形態では、本発明に係るガスセンサを、天然ガス（特に、圧縮天然ガス（ＣＮＧ[CompressedNatural Gas]））を燃料とする天然ガス自動車において用いられるガスセンサに適用する。本実施の形態に係るガスセンサは、燃料として用いられる天然ガスに含まれる各ガス成分の濃度を検出し、これらの各濃度からガス成分の濃度比率を導出する。本実施の形態に係るガスセンサは、エンジンで使用される前の燃料となるガスを被検ガスとする場合でもよいし、エンジンで使用された後の排気となるガスを被検ガスとする場合（排気の場合は燃焼されずに残った未燃焼のガス成分の濃度を検出することになる）でもよいし、そのいずれの場合でもよい。したがって、本実施の形態に係るガスセンサは、天然ガス（ＣＮＧ）を蓄える燃料タンクや天然ガスをエンジンに供給する配管、排気管等における所定箇所に取付けられる。
【００２１】
本実施の形態では、天然ガスに含まれるガス成分としてメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）の４種の濃度検出を行うものとする。但し、天然ガスに含まれるこの４種以外のガス成分の濃度も検出することも可能であり、あるいは、この４種のうちの３種又は２種を検出するだけでもよい。また、本実施の形態では、ガス濃度比率（各ガス成分のガス濃度）を検出するタイミングとしては、エンジン始動時のみに行ってもよいし、エンジンの作動中は常時行ってもよいし、あるいは、タンクへのＣＮＧ補給時、複数本のタンクにＣＮＧを蓄えている場合には燃料で使用するタンクを切り替る時などの天然ガスに含まれるガス成分のガス濃度比率が変わる可能性があるタイミングのときに行ってもよい。
【００２２】
本実施の形態には、３つの形態があり、第１の実施の形態が低い温度側から高い温度側の各温度に順次調整しかつ熱量から濃度を検出する形態であり、第２の実施の形態が低い温度側から高い温度側の各温度に順次調整しかつ電流値から濃度を検出する形態であり、第３の実施の形態が高い温度側から低い温度側の各温度に順次調整しかつ電流値から濃度を検出する形態である。
【００２３】
なお、ガスセンサで検出されるガス成分の濃度比率は、天然ガス自動車のエンジン制御（例えば、最適な燃焼条件（燃料噴射量等）の設定、フィードバック制御、エンジンの故障診断）に用いられる。燃料として用いる天然ガスのガス成分の濃度比率が変わると、シリンダ内での燃焼状態が変わり、シリンダ内の圧力が変化する。また、その燃焼状態が悪化すると、排気ガス、燃費、エンジン出力、エンジンの耐久性等に影響を及ぼすので、燃料として使用中の天然ガスのガス成分の濃度比率を把握しておくことは、エンジン制御において非常に重要である。
【００２４】
図１〜図３を参照して、第１の実施の形態に係るガスセンサ１について説明する。図１は、第１の実施の形態に係るガスセンサ１の構成を模式的に示す図である。図２は、天然ガスに含まれる各ガス成分の酸素との反応し易い温度を示す図である。図３は、ガス濃度−発熱量マップの一例である。
【００２５】
ガスセンサ１は、天然ガスに含まれるガス成分の濃度を検出するために、ガス成分と酸素（酸素イオン）との化学反応を利用する。特に、ガスセンサ１は、４種のガス成分の濃度を順次検出するために、各ガス成分が酸素と反応して酸化・燃焼し易い温度を低い温度から順に高い温度に変化させ、その温度毎に反応熱で増加する熱量を導出し、その増加熱量からガス成分の濃度を検出する。そのために、ガスセンサ１は、酸素ポンプ１０、基準電極１１、電極１２、電源１３、スイッチ１４、ヒータ１５、温度センサ１６、制御部２１を備えている。
【００２６】
なお、第１の実施の形態では、酸素ポンプ１０が特許請求の範囲に記載する酸素供給部に相当し、基準電極１１が特許請求の範囲に記載する第１電極に相当し、電極１２が特許請求の範囲に記載する第２電極に相当し、電源１３が特許請求の範囲に記載する電源に相当し、ヒータ１５、温度センサ１６及び制御部２１での処理が特許請求の範囲に記載する温度調整部に相当し、温度センサ１６及び制御部２１での処理が特許請求の範囲に熱量検出部に相当する。
【００２７】
酸素ポンプ１０は、一方側で酸素と電子を受け取り、一方側から他方側に酸素イオンを移動させ、他方側に酸素イオンを供給するポンプである。酸素ポンプ１０は、固体電解質のジルコニアからなる。ジルコニア（固体電解質）は、外部から加えられた電場によってイオンを移動させることができる固体であり、イオンの移動によって電流が流れる。特に、ジルコニアに電圧が印加され、ジルコニアの一方側に酸素が存在すると、酸素が電子と結合して酸素イオンとなり、酸素イオンが他方側に移動し、他方側に酸素イオンを供給できる。酸素ポンプ１０は、例えば、直方体や立方体の形状である。
【００２８】
基準電極１１は、酸素ポンプ１０の一方の端面に設けられる電極であり、電子を受け取るマイナス極となる。基準電極１１は、酸素ポンプ１０の一方の端面の全面又は一部に取付けられ、全面の場合には酸素が通過できるように多孔質の物質がよく、一部の場合には多孔質の物質でなくてもよい。酸素ポンプ１０の一方の端面に取付けられる基準電極１１側は、図１に示すように、酸素（Ｏ２）を含むガス（例えば、大気）にさらされるように、酸素を含むガス中に配置されたり、配管で酸素を含むガスが導入されたりする。
【００２９】
電極１２は、酸素ポンプ１０の他方の端面に設けられる電極であり、電子を放出するプラス極となる。電極１２は、酸素ポンプ１０の他方の端面（基準電極１１が取り付けられている一方の端面に対向する面）の全面又は一部に取付けられ、全面の場合には酸素イオンや天然ガスに含まれるガス成分が通過できるように多孔質の物質がよく、一部の場合には多孔質の物質でなくてもよい。酸素ポンプ１０の他方の端面に取付けられる電極１２側は、図１に示すように、４種のガス成分（メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０））を含む天然ガスにさらされるように、天然ガスが蓄えられる燃料タンク内に配置されたり、天然ガス（あるいは排気ガス）が流れる配管内に配置されたりする。
【００３０】
電源１３は、基準電極１１と電極１２との間（ひいては、酸素ポンプ１０）に直流の電圧を印加する電源である。電源１３は、マイナス側が基準電極１１に接続され、プラス側がスイッチ１４を介して電極１２に接続される。電源１３の電圧値は、酸素ポンプ１０に用いられるジルコニアの特性に応じて決められる。
【００３１】
スイッチ１４は、電源１３による電圧の印加／印加停止を行うためのスイッチである。スイッチ１４は、電源１３のプラス側と電極１２との間に接続される。スイッチ１４は、制御部２１によってＯＮ／ＯＦＦされる。
【００３２】
なお、スイッチ１４がＯＮし、電源１３から基準電極１１と電極１２との間（酸素ポンプ１０）に電圧が印加されると、電子（ｅ―１）が流れる。基準電極１１側では、下記の式（１）に示すように、酸素（Ｏ２）が電子（ｅ―１）を受け取り、酸素イオン（Ｏ２−）となる。酸素ポンプ１０では、この酸素イオン（Ｏ２−）を電極１２側に移動させる。電極１２側では、例えば、下記の式（２）に示すように、メタン（ＣＨ４）の場合、メタン（ＣＨ４）が酸素（Ｏ２）と反応して酸化・燃焼することにより、二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）に変化するとともに反応熱が発生する。この反応熱により周囲の温度が上昇する。この際、電極１２側では、式（１）に示すように、酸素イオン（Ｏ２−）が酸素（Ｏ２）と電子（ｅ―１）になり、電子（ｅ―１）を放出する。
【数１】
2015161570.tif 000003
【００３３】
ヒータ１５は、酸素ポンプ１０を加熱するヒータである。ヒータ１５は、酸素ポンプ１０内に設けてもよいしあるいは酸素ポンプ１０外に設けてもよい。ヒータ１５としては、従来の周知のものが適用されるが、ガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン）のうちの酸素と反応し易い温度の中で最も高い温度よりも高い温度まで温度上昇させることができるヒータを適用する。ヒータ１５は、制御部２１によってＯＮ（電力供給）／ＯＦＦされる。
【００３４】
温度センサ１６は、酸素ポンプ１０の温度を検出するヒータである。温度センサ１６は、酸素ポンプ１０内（特に、電極１２の周辺）に設けられる。但し、温度センサ１６が温度調整用と熱量検出用の２個ある場合、温度調整用の温度センサを酸素ポンプ１０内に設け、熱量検出用の温度センサを電極１２の近傍の酸素ポンプ１０内又は酸素ポンプ１０外に設ける。温度センサ１６としては、従来の周知のものが適用されるが、ガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン）うちの酸素と反応し易い温度の中で最も高い温度よりも高い温度まで検出可能な温度センサを適用する。温度センサ１６は、検出した温度の情報を制御部２１に出力する。
【００３５】
なお、電極１２で酸素イオンが供給され、電極１２側で酸素と各ガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン）とが化学反応するので、酸素ポンプ１０内でも電極１２の周辺の温度を上昇させ、電極１２の周辺の温度（ひいては、熱量）を検出する必要がある。
【００３６】
制御部２１は、ガスセンサ１の制御部であり、エンジンのＥＣＵ[Electronic Control Unit]等における１つの機能として構成されてもよいしあるいはガスセンサ１専用の制御装置でもよい。制御部２１で行う処理としては、温度調整処理、ガス濃度導出処理、ガス濃度比率導出処理がある。
【００３７】
温度調整処理について説明する。４種のガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン）は、酸素と反応し易い温度（反応温度）がそれぞれ異なっている。図２には、４種のガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン）の酸素と反応し易い温度のピークをそれぞれ示しており、ブタンのピークの温度Ｔ１＜プロパンのピークの温度Ｔ２＜エタンのピークの温度Ｔ３＜ブタンのピークの温度Ｔ４となる。各ガス成分は、このピークの温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４で酸素と最も反応し易く、このピークの温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４から離れるほど反応し難くなり、温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４をピークとする反応温度領域を有している。したがって、酸素ポンプ１０（特に、反応が起こる電極１２の周辺）の温度が各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４になると、ブタン、プロパン、エタン、ブタンが酸素と最も反応し易くなり、その反応を利用してガス濃度を検出することができる。
【００３８】
制御部２１では、検出開始時に、ヒータ１５をＯＮ（電力供給）し、ヒータ１５による加熱を開始する。制御部２１では、温度センサ１６から酸素ポンプ１０内の温度の情報を取得する。温度Ｔを取得する毎に、制御部２１では、温度Ｔが上記の各温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）になったか否かを順に判定し、酸素ポンプ１０内の温度を各温度Ｔｘに調整する。まず、最も低い温度Ｔ１になったかを判定し、その後は、Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の順に判定していく。この際、制御部２１では、最も高い温度Ｔ４になるまでヒータ１５による加熱を続け、検出が終了するとヒータ１５をＯＦＦ（電力供給停止）する。なお、酸素ポンプ１０内の温度が各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４に調整され、そのときに各ガス成分の濃度を検出している間は、ヒータ１５の加熱による温度上昇を一時的に抑えるために、ヒータ１５による加熱を一時的に停止あるいはヒータ１５の出力を調整できる場合には出力を抑制するようにしてもよい。
【００３９】
ガス濃度導出処理について説明する。各ガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン）は酸素と反応して熱を発生させるので、反応で消費されたガスの量（ガス濃度）に応じてその発熱量が変化する。図３には、メタンの場合のガス濃度と発熱量との関係（ガス濃度の発熱量依存性）を示すマップを示しており（酸素と天然ガスとの空燃比が一定であり、メタンが酸素と反応して完全燃焼した場合のマップ）、ガス濃度と発熱量との間には比例関係がある。メタン以外のエタン、プロパン、ブタンもガス濃度と発熱量との間には比例関係がある。このようなガス濃度−発熱量マップを各ガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン）について実験等で予め求めておき、制御部２１に記憶させておく。
【００４０】
各温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）に調整される毎に、制御部２１では、温度センサ１６からの温度の情報により、酸素ポンプ１０内の温度が各温度Ｔｘになる前（各ガス成分の反応前）の電極１２の周辺の温度ＴＡを取得するとともに、各温度Ｔｘになった後（各ガス成分の反応後）の電極１２の近傍の温度ＴＢを取得する。そして、制御部２１では、反応前の温度ＴＡと反応後の温度ＴＢから反応前後の温度差（ＴＢ−ＴＡ）を算出する。この温度差（ＴＢ−ＴＡ）は、ガス成分の酸素との反応によって発生した熱によって上昇した温度分に相当すると考えられる。制御部２１では、この温度差（ＴＢ−ＴＡ）から反応前後で増加した熱量（反応による発熱量）を算出する。そして、制御部２１では、温度Ｔｘに対応するガス成分のガス濃度−発熱量マップに基づいて、その増加熱量（発熱量）に応じたガス濃度［ｐｐｍ］を導出する。なお、ヒータ１５によって加熱している場合、ヒータ１５による加熱でも温度上昇するので、上記したようにヒータ１５による加熱を一時的に抑えたほうがよい。
【００４１】
ガス濃度比率導出処理について説明する。４種のガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン）の全てのガス濃度を導出すると、制御部２１では、メタン、エタン、プロパン、ブタンの各ガス濃度から、そのガス濃度比率を算出する。このガス濃度比率が、エンジンの制御に用いられる。
【００４２】
なお、制御部２１では、スイッチ１４に対するＯＮ／ＯＦＦを行って、電源１３からの基準電極１１と電極１２との間（酸素ポンプ１０）への電圧の印加開始／印加終了させている。このスイッチ１４に対するＯＮ／ＯＦＦについては、ガス濃度の検出を行っている間は常時ＯＮし、全ての検出が終了するとＯＦＦするようにしてもよい。このように電圧を常時印加した場合（つまり、酸素ポンプ１０で酸素を常時供給可能な状態とした場合）、各ガス成分の反応し易い温度の前後の温度領域についても各ガス成分の濃度を検出できるので、それらの温度領域でのガス濃度も加味して各ガス成分のガス濃度をより高精度に導出することも可能となり、検出精度を向上させることができる。あるいは、各温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）に調整する毎にスイッチ１４をＯＮし、各ガス濃度の検出が終了する毎にスイッチ１４をＯＦＦするようにしてもよい。このように各ガス成分の反応し易い各温度Ｔｘに調整される毎に電源１３による電圧の印加開始／印加停止を行う場合（つまり、各温度Ｔｘに調整されてガス濃度を検出するときだけ酸素ポンプ１０で酸素を供給可能な状態とした場合）、ガスセンサ１による消費電力を低減できる。
【００４３】
図１〜図３を参照して、ガスセンサ１によるガス濃度比率検出する際の動作について図４のフローチャートに沿って説明する。図４は、ガスセンサ１によるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。
【００４４】
ガス濃度比率検出が開始すると、まず、制御部２１では、変数ｘを１に初期化する（Ｓ１０）。変数ｘは、各ガス成分の酸素と反応し易いピークの温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）のｘに対応した変数である。この例では、変数ｘは１，２，３，４であるが、検出するガス成分の数に応じて変わる。最も低い温度Ｔ１（ブタン）から検出するので、ｘを１で初期化している。この際、スイッチ１４は制御部２１によってＯＮされ、電源１３から基準電極１１と電極１２との間（酸素ポンプ１０）に電圧が印加される。ヒータ１５では、制御部２１によってＯＮ（電力が供給）され、酸素ポンプ１０を加熱する。温度センサ１６では、酸素ポンプ１０の温度を検出し、その温度の情報を制御部２１に出力する。
【００４５】
制御部２１では、一定時間（例えば、制御部２１の制御周期）毎に、温度センサ１６から酸素ポンプ１０の温度Ｔを取得する（Ｓ１１）。そして、制御部２１では、その取得した温度Ｔが各ガス成分の酸素と反応し易い温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）になったか否かを判定する（Ｓ１２）。この判定では、まず、最も低い温度Ｔ１について判定し、温度Ｔ１になった後は次の温度Ｔ２について判定し、温度Ｔ２になった後は次の温度Ｔ３について判定し、温度Ｔ３になった後は次の温度Ｔ４について判定し、温度Ｔ４になった場合にはこの温度判定は終了となる。Ｓ１２の判定で温度Ｔが温度Ｔｘになっていないと判定すると、ヒータ１５による加熱が続けられ（Ｓ１３）、酸素ポンプ１０の温度が上昇する。
【００４６】
Ｓ１２の判定で温度Ｔが温度Ｔｘになったと判定すると、制御部２１では、温度センサ１６から反応後の温度ＴＢを取得する（Ｓ１４）。また、制御部２１では、温度センサ１６から反応前の温度ＴＡも既に取得している（Ｓ１１）。そして、制御部２１では、反応前の温度ＴＡと反応後の温度ＴＢから反応前後の温度差（ＴＢ−ＴＡ）を算出し、この温度差（ＴＢ−ＴＡ）から増加熱量（発熱量）を算出する（Ｓ１５）。さらに、制御部２１では、このときの温度Ｔｘに対応するガス成分のガス濃度−発熱量マップにより、発熱量に応じたガス濃度を導出する（Ｓ１６）。
【００４７】
制御部２１では、変数ｘが４か否かを判定する（Ｓ１７）。Ｓ１７の判定で変数ｘが４ではないと判定した場合、制御部２１では、変数ｘに１を加算する（Ｓ１８）。そして、次に反応し易い温度が高い温度Ｔｘのガス成分のガス濃度を検出するために、上記のＳ１１〜Ｓ１７の動作が繰り返される。
【００４８】
Ｓ１７の判定で変数ｘが４と判定した場合、制御部２１では、メタン、エタン、プロパン、ブタンの各ガス濃度からガス濃度比率を算出する（Ｓ１９）。これで、ガス濃度比率の検出が終了する。この際、スイッチ１４は制御部２１によってＯＦＦされ、電源１３からの電圧印加が終了する。ヒータ１５は、制御部２１によってＯＦＦされ、加熱が終了する。
【００４９】
このガスセンサ１によれば、天然ガスに含まれる各ガス成分の酸素と反応し易い各温度に順次変えて、その各温度での化学反応から各ガス成分の濃度を順次検出することにより、単一のセンサにより複数のガス成分の各ガス濃度（ひいては、複数のガス成分のガス濃度比率）を簡易な構成で検出できる。このガス濃度比率を用いてエンジン制御を行うことにより、最適なエンジン制御ができ、シリンダ内での燃焼状態が良好となり、排気ガス、燃費、エンジン出力、エンジンの耐久性等に好影響を及ぼす。また、一つの簡易な構成のガスセンサ１によって多種のガス成分の濃度を検出できるので、コストを低減できる。
【００５０】
また、ガスセンサ１によれば、ガス濃度を導出するために酸素との反応で増加した熱量を用いることにより、ガス成分の濃度を簡単に検出することができる。特に、この検出方法の場合、増加熱量を検出するために温度調整で用いる温度センサ１６を共用できるので、より簡易な構成が可能となる。
【００５１】
図５〜図７を参照して、第２の実施の形態に係るガスセンサ２について説明する。図５は、第２の実施の形態に係るガスセンサ２の構成を模式的に示す図である。図６は、酸素量−電流値マップの一例である。図７は、ガス濃度−酸素量マップの一例である。
【００５２】
ガスセンサ２は、第１の実施の形態に係るガスセンサ１と比較すると、ガス成分の濃度の導出方法が異なる。ガスセンサ２は、各ガス成分の酸素と反応し易い温度毎に反応中に流れた電流値を計測することにより、その電流値から反応中に供給された酸素量を導出し、その供給酸素量からガス成分の濃度を検出する。そのために、ガスセンサ２は、酸素ポンプ１０、基準電極１１、電極１２、電源１３、スイッチ１４、ヒータ１５、温度センサ１６、電流センサ１７、制御部２２を備えている。
【００５３】
なお、酸素ポンプ１０、基準電極１１、電極１２、電源１３、スイッチ１４、ヒータ１５、温度センサ１６については第１の実施の形態で説明したので、電流センサ１７、制御部２２についてのみ説明する。第２の実施の形態では、ヒータ１５、温度センサ１６及び制御部２２での処理が特許請求の範囲に記載する温度調整部に相当し、電流センサ１７が特許請求の範囲に電流検出部に相当する。
【００５４】
電流センサ１７は、基準電極１１と電極１２との間に流れる電流値を検出するセンサである。電流センサ１７は、スイッチ１４と電極１２との間に接続される。電流センサ１７としては、従来の周知のものが適用される。電流センサ１７は、検出した電流値の情報を制御部２２に出力する。
【００５５】
制御部２２は、ガスセンサ２の制御部であり、エンジンのＥＣＵ等における１つの機能として構成されてもよいしあるいはガスセンサ２専用の制御装置でもよい。制御部２２で行う処理としては、温度調整処理、ガス濃度導出処理、ガス濃度比率導出処理がある。温度調整処理とガス濃度比率導出処理については第１の実施の形態に係る制御部２１での各処理と同様の処理であるので、ガス濃度導出処理についてのみ説明する。
【００５６】
ガス濃度導出処理について説明する。基準電極１１側では、上記の式（１）で示すように、酸素（Ｏ２）が酸素イオン（Ｏ２−）になるために電子（ｅ―１）を受け取っており、この受け取られた電子（ｅ―１）の量が電流値に相当する。電極１２側では、この電子（ｅ―１）に対応する酸素イオン（Ｏ２−）の量に応じて酸素（Ｏ２）を供給し、その供給した酸素（Ｏ２）の量に応じたガス量のガス成分が反応している。したがって、電流値に応じて供給した酸素量を導出でき、その酸素量に応じて反応で消費されたガス量（すなわち、ガス成分の濃度）を導出することができる。
【００５７】
図６には、流れた電流値と供給した酸素量との関係（酸素量の電流値依存性）を示すマップを示しており、電流値と酸素量との間には比例関係がある。このような酸素量−電流値マップを実験等で予め求めておき、制御部２２に記憶させておく。また、図７には、メタンの場合のガス濃度と酸素量との関係（ガス濃度の酸素量依存性）を示すマップを示しており（酸素と天然ガスとの空燃比が一定であり、メタンが酸素と反応して完全燃焼した場合）、ガス濃度と酸素量との間には比例関係がある。メタン以外のエタン、プロパン、ブタンもガス濃度と酸素量との間には比例関係がある。このようなガス濃度−酸素量マップを各ガス成分（メタン、エタン、プロパン、ブタン）について実験等で予め求めておき、制御部２２に記憶させておく。
【００５８】
各温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）に調整される毎に、制御部２２では、電流センサ１７から電流値を取得する。そして、制御部２２では、酸素量−電流値マップに基づいて、その電流値に応じて供給されている酸素量を導出する。さらに、制御部２２では、温度Ｔｘに対応するガス成分のガス濃度−酸素量マップに基づいて、その酸素量に応じたガス濃度［ｐｐｍ］を導出する。
【００５９】
図５〜図７を参照して、ガスセンサ２によるガス濃度比率検出する際の動作について図８のフローチャートに沿って説明する。図８は、ガスセンサ２によるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。
【００６０】
ガス濃度比率検出が開始すると、第２の実施の形態に係るガスセンサ２では、第１の実施の形態に係るガスセンサ１の動作で説明したＳ１０〜Ｓ１３と同様に、Ｓ２０〜Ｓ２３の動作を行う。
【００６１】
Ｓ２２の判定で温度Ｔが温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）になったと判定すると、制御部２２では、電流センサ１７から電流値を取得する（Ｓ２４）。そして、制御部２２では、酸素量−電流値マップにより、その電流値に応じた供給酸素量を導出する（Ｓ２５）。さらに、制御部２２では、このときの温度Ｔｘに対応するガス成分のガス濃度−酸素量マップにより、供給酸素量に応じたガス濃度を導出する（Ｓ２６）。
【００６２】
これ以降、第２の実施の形態に係るガスセンサ２では、第１の実施の形態に係るガスセンサ１の動作で説明したＳ１７〜Ｓ１９と同様に、Ｓ２７〜Ｓ２９の動作を行う。この際、Ｓ２７の判定で変数ｘが４ではないと判定された場合、Ｓ２１〜Ｓ２７の動作が繰り返される。
【００６３】
このガスセンサ２は、第１の実施に係るガスセンサ１と同様の効果（ガス濃度を導出するために熱量を用いることによる効果を除く）を有しており、以下の効果も有している。ガスセンサ２によれば、酸素ポンプ１０から供給される酸素量に対応する電流値を用いることにより、化学反応で使われた酸素量（ひいては、ガス成分の濃度）を簡単に検出することができる。特に、この検出方法の場合、ガス成分の濃度検出過程で環境における影響を受け易い熱量を用いていないので、検出精度が高い。
【００６４】
図５〜図７を参照して、第３の実施の形態に係るガスセンサ３について説明する。図５は、第３の実施の形態に係るガスセンサ３の構成を模式的に示す図である。
【００６５】
ガスセンサ３は、第２の実施の形態に係るガスセンサ２と比較すると、温度の調整方法が異なる。ガスセンサ３は、各ガス成分が酸素と反応し易い温度のうちの最も高い温度よりも上昇させ、高い温度から順に低い温度に変化させる。そのために、ガスセンサ３は、酸素ポンプ１０、基準電極１１、電極１２、電源１３、スイッチ１４、ヒータ１５、温度センサ１６、電流センサ１７、制御部２３を備えている。
【００６６】
なお、酸素ポンプ１０、基準電極１１、電極１２、電源１３、スイッチ１４、ヒータ１５、温度センサ１６、電流センサ１７については第１、第２の実施の形態で説明したので、制御部２３についてのみ説明する。第３の実施の形態では、ヒータ１５、温度センサ１６及び制御部２３での処理が特許請求の範囲に記載する温度調整部に相当する。
【００６７】
制御部２３は、ガスセンサ３の制御部であり、エンジンのＥＣＵ等における１つの機能として構成されてもよいしあるいはガスセンサ３専用の制御装置でもよい。制御部２３で行う処理としては、温度調整処理、ガス濃度導出処理、ガス濃度比率導出処理がある。ガス濃度導出処理とガス濃度比率導出処理については第２の実施の形態に係る制御部２２での各処理と同様の処理であるので、温度調整処理についてのみ説明する。
【００６８】
温度調整処理について説明する。制御部２３では、検出開始時に、ヒータ１５をＯＮ（電力供給）し、ヒータ１５による加熱を開始する。制御部２３では、温度センサ１６から酸素ポンプ１０内の温度の情報を取得する。温度Ｔを取得する毎に、制御部２３では、温度Ｔが温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）の中で最も高い温度Ｔ４より高くなったか否かを判定する。この際、制御部２２では、最も高い温度Ｔ４よりも高くなるまでヒータ１５による加熱を続け、温度Ｔ４よりも高くなるとヒータ１５をＯＦＦ（電力供給停止）する。この後、自然に温度が低下していくので、温度Ｔを取得する毎に、制御部２３では、温度Ｔが温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）になったか否かを順に判定し、酸素ポンプ１０内の温度を各温度Ｔｘに調整する。まず、最も高い温度Ｔ４になったかを判定し、その後は、Ｔ３，Ｔ２，Ｔ１の順に判定していく。このように、第１、第２の実施の形態に係るガスセンサ１，２とは逆方向に、高い温度側から低い温度側に温度調整する。
【００６９】
図５〜図７を参照して、ガスセンサ３によるガス濃度比率検出する際の動作について図９のフローチャートに沿って説明する。図９は、ガスセンサ３によるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。
【００７０】
ガス濃度比率検出が開始すると、まず、制御部２３では、変数ｘを４に初期化する（Ｓ３０）。最初に、最も高い温度Ｔ４よりも高い温度まで上昇させるので、ｘを４で初期化している。スイッチ１４は制御部２３によってＯＮされ、電源１３から基準電極１１と電極１２との間（酸素ポンプ１０）に電圧が印加される。ヒータ１５では、制御部２３によってＯＮ（電力が供給）され、酸素ポンプ１０を加熱する。温度センサ１６では、酸素ポンプ１０の温度を検出し、その温度の情報を制御部２３に出力する。
【００７１】
制御部２３では、一定時間毎に、温度センサ１６から酸素ポンプ１０の温度Ｔを取得する（Ｓ３１）。そして、制御部２３では、その取得した温度Ｔが温度Ｔ４よりも高くなったか否かを判定する（Ｓ３２）。
【００７２】
Ｓ３２の判定で温度Ｔが温度Ｔ４よりも高くなっていないと判定すると、ヒータ１５による加熱が続けられ（Ｓ３３）、酸素ポンプ１０の温度が上昇する。Ｓ３２の判定で温度Ｔが温度Ｔ４よりも高くなったと判定すると、ヒータ１５は制御部２３によってＯＦＦ（電力が供給停止）される（Ｓ３４）。これ以降、酸素ポンプ１０の温度は自然に低下していく。
【００７３】
制御部２３では、一定時間毎に、温度センサ１６から酸素ポンプ１０の温度Ｔを取得する（Ｓ３５）。そして、制御部２３では、その取得した温度Ｔが温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）になったか否かを判定する（Ｓ３６）。この判定では、まず、温度Ｔ４について判定し、温度Ｔ４になった後は次の温度Ｔ３について判定し、温度Ｔ３になった後は次の温度Ｔ２について判定し、温度Ｔ２になった後は次の温度Ｔ１について判定し、温度Ｔ１になった場合にはこの温度判定は終了となる。Ｓ３６の判定で温度Ｔが温度Ｔｘになっていないと判定すると、次回の判定まで待つ。
【００７４】
Ｓ３６の判定で温度Ｔが温度Ｔｘになったと判定すると、制御部２３では、電流センサ１７から電流値を取得する（Ｓ３７）。そして、制御部２３では、酸素量−電流値マップにより、その電流値に応じた供給酸素量を導出する（Ｓ３８）。さらに、制御部２３では、このときの温度Ｔｘに対応するガス成分のガス濃度−酸素量マップにより、供給酸素量に応じたガス濃度を導出する（Ｓ３９）。
【００７５】
制御部２３では、変数ｘが１か否かを判定する（Ｓ４０）。Ｓ４０の判定で変数ｘが１ではないと判定した場合、制御部２３では、変数ｘから１を減算する（Ｓ４１）。そして、次に反応し易い温度が低い温度Ｔｘのガス成分のガス濃度を検出するために、上記のＳ３５〜Ｓ４０の動作が繰り返される。
【００７６】
Ｓ４０の判定で変数ｘが１と判定した場合、制御部２３では、メタン、エタン、プロパン、ブタンの各ガス濃度からガス濃度比率を算出する（Ｓ４２）。これで、ガス濃度比率の検出が終了する。この際、スイッチ１４は制御部２３によってＯＦＦされ、電源１３からの電圧印加が終了する。
【００７７】
このガスセンサ３は、第２の実施に係るガスセンサ２と同様の効果を有しており、以下の効果も有している。ガスセンサ３によれば、温度を順次変化させる際に高温側から低温側の各温度に順次変えることにより、ガス成分と酸素の反応で発生する熱による温度上昇の影響をガス濃度検出する際に受け難くなり、検出精度が向上する。ちなみに、低温側から高温側の各温度に順次変える場合、あるガス成分のガス濃度を検出している際に反応温度が近いガス成分が存在すると、ヒータ１５による加熱に加えて反応熱（外乱）によって温度が上昇するとその反応温度が近いガス成分も酸素と反応するので、高精度な検出が難しくなる可能性がある。しかし、高温側から低温側の各温度に順次変える場合、あるガス成分のガス濃度を検出している際に反応温度が近いガス成分が存在しても、反応温度が高い側のガス成分のガス濃度は既に検出されているので、反応熱（外乱）による影響を受け難く、高精度な検出が可能性となる。また、既に検出されている反応温度が高い側のガス成分の濃度を考慮して、ガス成分の濃度を精度良く検出することも可能となる。
【００７８】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００７９】
例えば、本実施の形態では被検ガスとして天然ガスを適用したが、酸素と化学反応して発熱しかつ化学反応し易い各温度を有する複数のガス成分を含む被検ガスであれば適用可能であり、不純物となるガス成分を含む被検ガスにも適用可能である。
【００８０】
また、本実施の形態では天然ガス自動車で用いるガスセンサに適用したが、火力発電等の自動車以外の天然ガスを用いる各用途で適用できる。
【００８１】
また、本実施の形態では酸素ポンプ（酸素供給部）としてジルコニアを適用したが、電圧を付加すると電極間で酸素イオンが移動し、酸素イオンを供給できる物質であれば他の物質（ジルコニア以外の固体電解質等）を適用してもよい。
【００８２】
また、本実施の形態では各ガス成分の濃度から濃度比率まで導出する構成としたが、濃度比率まで導出しない構成でもよい。あるガス成分の濃度が０の場合、そのガス成分は天然ガスに含まれないことになるので、各ガス成分の濃度が０か否かにより、天然ガスに含まれるガス成分構成を導出することも可能である。
【００８３】
また、本実施の形態では各ガス成分のピークの温度Ｔｘ（ｘ＝１，２，３，４）に調整されると、その温度Ｔｘで酸素と反応し易いガス成分のみを考慮して熱量や電流値からガス濃度を導出したが、温度Ｔｘのときでも、温度Ｔｘに近い反応温度である他のガス成分も酸素と反応している可能性があるので（酸素と反応する温度領域が複数のガス成分で重なる場合があるので）、反応温度の近い他のガス成分も考慮して、各ガス成分の濃度を導出するようにしてもよい。そのために、各ガス成分のピークの温度Ｔｘ（あるいは、その周辺の温度領域も含めて）において、酸素と反応している全てのガス成分の割合等を実験等で予め求めておき、その割合等を加味してガス濃度を導出するようにするとよい。これによって、より検出精度が向上する。
【００８４】
また、第１の実施の形態では各ガス成分が酸素と反応し易い温度の低温側から高温側に温度を変化させて、各温度での熱量からガス成分の濃度を検出する構成としたが、第３の実施の形態のように、高温側から低温側に温度を変化させて、各温度での熱量からガス成分の濃度を検出する構成としてもよい。この場合も、反応熱による温度上昇の影響を抑えることができるので、検出精度が向上する。
【００８５】
また、第３の実施の形態では最初に各ガス成分の酸素と反応し易い温度のうちの最も高い温度よりも高い温度まで上昇させ、自然に温度が下がるのを待って各温度に調整する構成としたが、水冷や空冷等の冷却手段を用いて温度を下げる構成としてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１，２，３…ガスセンサ、１０…酸素ポンプ、１１…基準電極、１２…電極、１３…電源、１４…スイッチ、１５…ヒータ、１６…温度センサ、１７…電流センサ、２１，２２，２３…制御部。
【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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