(57)【要約】【課題】  固体電解質基板を用いた限界電流型のガスセンサーにおいて、固体電解質基板内部の両面間及び同一面内の温度差を小さくし、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い、固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置を提供する。【解決手段】  本発明の固体電解質型ガスセンサーは、両面に一対の電極膜を形成した固体電解質基板と、前記固体電解質基板の第１の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス拡散律速孔を形成するガス拡散律速部形成基板と、前記固体電解質基板の第２の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス流通孔を形成するガス流通部形成基板と、を有し、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板がセラミックス基板又は多孔質基板であることを特徴とする限界電流式の固体電解質型ガスセンサーである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に一対の電極膜を形成した固体電解質基板と、
前記固体電解質基板の第１の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス拡散律速孔を形成するガス拡散律速部形成基板と、
前記固体電解質基板の第２の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス流通孔を形成するガス流通部形成基板と、を有し、
前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板がセラミックス基板又は多孔質基板であることを特徴とする限界電流式の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項２】
前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板が同一の材料から形成され、前記材料の熱膨張係数が前記固体電解質基板の熱膨張係数の±２０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項３】
前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面にそれぞれ、面状のヒータ基板が密接して配設されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項４】
前記ガス拡散律速部形成基板と前記ヒータ基板との間にその上下の基板に密接して配設された第１の良熱伝導性基板と、前記ガス流通部形成基板と前記ヒータ基板との間にその上下の基板に密接して配設された第２の良熱伝導性基板と、を更に有し、
前記第１及び第２の良熱伝導性基板の熱伝導率が前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項３に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項５】
前記ヒータ基板の大きさ及び／又は前記第１及び第２の良熱伝導性基板の大きさが、前記固体電解質基板、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板よりも大きいことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項６】
前記ヒータ基板が良熱伝導性材料から形成されることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項７】
前記第１及び第２の良熱伝導性基板の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項８】
前記第１及び第２の良熱伝導性基板がアルミナ或いはアルミナを主成分とするセラミックス、ベリリアセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、炭化珪素セラミックス、アルミニウム、銅又は高品質グラファイト・シートから形成されることを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項９】
前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側のそれぞれの面に密接して連通した第３の良熱伝導性基板を配置し、面状のヒータ基板を前記第３の良熱伝導性基板の外側の前記第１の面又は前記第２の面と平行な面に密接して配置することを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項１０】
前記ガス拡散律速部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面に密接して配設された第１の良熱伝導性基板と、
前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面に密接して配設された第２の良熱伝導性基板と、
前記第１の良熱伝導性基板の前記ガス拡散律速部形成基板と対向しない側の面と、前記第２の良熱伝導性基板の前記ガス流通部形成基板と対向しない側の面と、にそれぞれ密接して連通する第３の良熱伝導性基板と、
前記第３の良熱伝導性基板の外側の前記第１の面又は前記第２の面と平行な面に密接して配置された面状のヒータ基板と、
を更に有し、
前記第１の良熱伝導性基板、第２の良熱伝導性基板及び第３の良熱伝導性基板の熱伝導率が前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項１１】
前記第３の良熱伝導性基板の前記第１の面及び前記第２の面と平行なそれぞれの面及び前記ヒータ基板の大きさ、又は前記第３の良熱伝導性基板の前記第１の面及び前記第２の面と平行なそれぞれの面、前記ヒータ基板、第１の良熱伝導性基板及び第２の良熱伝導性基板及びの大きさが、前記固体電解質基板、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板よりも大きいことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項１２】
前記固体電解質基板が、バリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物から形成されることを特徴とする請求項１〜請求項５及び請求項９〜請求項１１のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項１３】
バリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物でプロトンと酸化物イオン伝導体のセラミックス材料よりなる固体電解質基板の一方の面にアノード電極を、他方の面にカソード電極をそれぞれ形成し、
ガス拡散律速孔が形成された或いは形成するように、前記アノード電極を覆うように多孔質基板或いはセラミックス基板が接合されており、
ガス流通孔が形成された或いは形成するように、他方のカソード電極を覆うように多孔質基板或いはセラミックス基板が接合されており、
該両多孔質基板或いはセラミックス基板の外側面に前記多孔質基板或いはセラミックス基板より大きいサイズの良熱伝導性基板が配設され、
前記良熱伝導性基板の両外側面に前記良熱伝導性基板と同一サイズかより大きいサイズの面状ヒータが配設されたことを特徴とする固体電解質型水素ガスセンサー。
【請求項１４】
前記ヒータ基板の表面に、その表面温度が中心部より周辺部の方が高くなるように発熱体を配置したことを特徴とする請求項３〜６、９〜１１及び１３のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項１５】
前記第１及び第２の良熱伝導性基板がそれぞれ第１の基板と第２の基板とから構成され、前記第１の基板は中央部に貫通孔を有し、前記第２の基板は前記貫通孔に嵌め込まれ、前記第１の基板の熱伝導率が前記第２の基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項４、５、７〜１１及び１３のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項１６】
前記ガス拡散律速孔及び前記ガス流通孔に連通する開孔部を有する保温材で全体を覆うことを特徴とする請求項３〜５、９〜１１及び１３のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項１７】
前記ガス流通孔の断面積が前記ガス拡散律速孔より大きいことを特徴とする請求項１〜５、９〜１１及び１３のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサー。
【請求項１８】
請求項１から請求項１７のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーと、
前記固体電解質型ガスセンサーを保持し、セラミックス材料から形成され円筒形状の形状を有するセンサー取り付け部材と、
前記固体電解質型ガスセンサー全体を覆う金属製の防爆部材と、
前記センサー取り付け部材一端に取り付けられ、円筒形状を有するステンレス鋼製の金属ベース部材と、
前記金属ベース部材の他端にキャップで取り付けられ、電極ピンを有する気密端子板と、
を有し、
前記固体電解質型ガスセンサーに接続されたリード線が、前記センサー取り付け部材及び前記金属ベース部材の内部空洞を通って前記電極ピンの一端に接続され、
前記電極ピンの他端には外部リード線が接続され、
前記金属ベース部材の外周部とガス濃度検出装置の取り付け面、前記金属ベース部材と前記気密端子板部、及び前記気密端子板と前記電極ピンの挿入部が、それぞれ気密状態で接続されている構造を特徴とする固体電解質型ガスセンサー構造体。
【請求項１９】
前記固体電解質型ガスセンサーが、センサー取り付け部材に間隔を保持して取り付けられることを特徴とする請求項１８に記載の固体電解質型ガスセンサー構造体。
【請求項２０】
請求項１から請求項１７いずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーと、
前記固体電解質基板を加熱し、所定の温度に制御する温度制御部と、
前記一対の電極膜の間に所定の電圧を印加する電圧制御部と、
前記一対の電極膜の間に流れる電流を検出する電流検出部と、
少なくとも前記電流検出部が検出した電流からガス濃度を算出するガス濃度算出部と、
を有することを特徴とする、ガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置に関する。より詳しくは、限界電流式の固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガス濃度の測定方法として、イオン伝導性を持つ固体電解質を活用するものが開発され実用化されている。固体電解質を用いたガス濃度の測定方法として、限界電流式と起電力式が知られている。
【０００３】
特開２０００−１９３６３７号公報に、従来例１のセンサー構造体が開示されている。従来例１のセンサー構造体は、炭化水素センサーである限界電流式の固体電解質型ガスセンサーを有する。図１６は、従来例１のセンサー構造体のセンサー部７５１の断面図である。炭化水素センサーであるセンサー部７５１は、固体電解質基板７１１、セラミックス基板７１２（ヒータ基板）、補助基板７１３を有する。
【０００４】
固体電解質基板７１１は、Ｂａ、Ｃｅ、Ｇｄの酸化物で形成され、プロトン伝導性を有する。固体電解質基板７１１は、カソード電極膜７２２とアノード電極膜７２１とを有する。セラミックス基板７１２及び補助基板７１３は、部分安定化ジルコニア製セラミックスで形成される。固体電解質基板７１１のアノード電極膜７２１側に、セラミックス基板７１２が無機系接着剤７２３で接合されている。ガス拡散律速孔７２５は、無機系接着剤７２３の一部に形成された開孔である。７２６は、アノード電極室である。セラミックス基板７１２（ヒータ基板）は、アノード電極膜７２１と対向しない面側に発熱体７１４を有する。発熱体７１４は、白金ペーストを印刷及び焼成したものである。セラミックス基板７１２の発熱体７１４を有する面側に、補助基板７１３が無機系の接着剤７２４で接合されている。
【０００５】
従来例１の炭化水素センサーは、固体電解質基板７１１、セラミックス基板７１２及び補助基板７１３ともほぼ同じ熱膨張係数を有する材料を用い、加熱時に各基板間の熱ストレスが発生しないように考慮されている。セラミックス基板７１２の発熱体７１４面に補助基板７１３を接合して、昇温時にセラミックス基板７１２が破損しないように配慮されている。
【０００６】
図１７は、従来例１のセンサー構造体の分解斜視図である。図１７において、７５３はセラミックス製円柱（センサー取り付け部材）、７５２はセラミックス製円柱７５３に連通する平坦部、７５４はリード線、７６１は金属製のケース、７６２は金属製のカン、７６３は通気孔、７５５は金属製のフタ、７６５は外部リード線である。
【０００７】
センサー部７５１は、平坦部７５２に無機系接着剤で接合されている。セラミックス製円柱７５３の内部に、センサー出力用及びヒータ用のリード線７５４が通され、リード線７５４は、金属製のフタ７５５の後方から引き出される外部リード線７６５に、それぞれ電気的に接続されている。セラミックス製円柱７５３は、金属製のフタ７５５にリード線７５４を介して取り付けられている。セラミックス製円柱７５３は、金属製のケース７６１に収納され、金属製のフタ７５５と金属製のケース７６１とをネジ部で止めることにより、固定される。金属製のケース７６１には他端部が封止された金属製カン７６２が接合されている。金属製カン７６２は、センサー部７５１と対応する位置に、ガスを通すための通気孔７６３を有する。
【０００８】
次に、従来例１のセンサー構造体の動作を説明する。アノード電極膜７２１及びカソード電極膜７２２には定電圧が印加される。固体電解質基板７１１は、発熱体７１４によって加熱され、活性化されている。雰囲気内の炭化水素ガスは、通気孔７６３及びガス拡散律速孔７２５を通り、アノード電極室７２６に拡散移動する。雰囲気中の炭化水素ガス分圧に対応した炭化水素ガスが、拡散によりアノード電極室７２６に供給される。アノード電極室７２６内に導入された炭化水素ガスは、アノード電極膜７２１の表面で解離し、プロトン（Ｈ＋を意味する。）を生成する。プロトンが固体電解質基板７１１中をカソード電極膜７２２側に移動し、カソード電極膜７２２で水素分子になり放出される。両電極膜間には、固体電解質基板７１１を流れる単位時間当たりのプロトン量に比例した電流が流れる。この電流の量は、雰囲気中の炭化水素ガス分圧に比例するので、炭化水素ガスの濃度を測定できる。
【０００９】
特開２００１−２１５３３号公報に、従来例２の固体電解質型ガスセンサーが開示されている。図１８は、従来例２の固体電解質型ガスセンサーのガスセンサー素子の断面図である。従来例２のガスセンサー素子は、起電力式である。図１８において、８１１はアルカリ金属イオン導電体からなる固体電解質、８１２はアルカリ金属炭酸塩からなる検知極、８１３はアルカリ金属複合酸化物からなる基準極、８２２は検知極８１２と基準極８１３にそれぞれ設けた集電電極、８２４は集電電極８２２に取り付けたリード線、８１４は検知極８１２と基準極８１３との外側にそれぞれ配置したパネル型ヒータ、８２１はパネル型ヒータ８１４の加熱部を構成する発熱体、８２３はヒータリード線である。
【００１０】
固体電解質８１１を、両面からパネル型ヒータ８１４で加熱し、動作させる。検知極８１２と基準極８１３との間に起電力が発生し、集電電極８２２から取り出した起電力によってガス濃度を測定することができる。固体電解質８１１を両面から加熱するので、固体電解質８１１の両面がほぼ同一の温度に加熱され、ガス濃度の測定精度を向上させることができる。
【特許文献１】特開２０００−１９３６３７号公報（第２−６頁、図１、図４）
【特許文献２】特開２００１−２１５３３号公報（第２―４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来例１の炭化水素センサーにおいて、固体電解質基板７１１中をアノード電極膜７２１からカソード電極膜７２２側に移動するプロトンの量は、固体電解質基板７１１の導電率に依存する。図１９に、固体電解質型ガスセンサーの固体電解質基板として使われることが多い、安定化ジルコニアの導電率のアレニウスプロットを示す。図１９において、横軸は安定化ジルコニアの絶対温度Ｔ（Ｋ）の逆数を１０００倍した値、縦軸は導電率（Ｓ／ｃｍ）である。安定化ジルコニアの導電率は、温度が高いほど大きい。即ち、温度が高いほどプロトンの伝導量は大きくなり、電流が流れやすくなる。他の固体電解質も、同様の特徴を有する。従って、固体電解質をガスセンサーに用い、精度の高いガス濃度の測定値を得るためには、固体電解質の温度の時空間分布を±５℃以内程度に制御する必要がある。
【００１２】
従来例１の炭化水素ガスセンサーは、固体電解質基板７１１の片面にのみ発熱体７１４が配置されているので、実際にセンサー部７５１を制作して動作させると、固体電解質基板７１１の両面で４０℃〜５０℃の温度差が生じた。このため、計測した電流値が真の値からずれたり、一定の濃度のガス流中で連続して計測した電流値が経時変化したりした。実際、センサー部７５１全体を石英ガラス管を用いた管状炉中に挿入し、固体電解質基板７１１の両面の温度を同じにし、同様の測定を行った場合、電流値の測定値はばらつかなかった。
【００１３】
従来例２の固体電解質型ガスセンサーにおいて、固体電解質８１１として１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ（厚み）のバリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物のイオン伝導体を使用し、固体電解質８１１の各点における温度を測定した。固体電解質８１１の対向する両面の同一位置間ではほぼ同じ温度であったが、同一面内では、中央部が最も高温を示し、周辺にゆくに従って温度が低くなる結果が得られた。固体電解質基８１１の角から１．５ｍｍの場所での温度を３５０℃に制御した時、中央部は３８０℃となり、３０℃もの温度差が生じた。
【００１４】
例えば、安定化ジルコニアの温度が４００℃の時の導電率は２×１０−４（Ｓ／ｃｍ）、４３０℃の時の導電率は３．７×１０−４（Ｓ／ｃｍ）である（図１９参照）。従って、従来例２の固体電解質型ガスセンサーでは、固体電解質８１１の中心部と端部で導電率が１．８５倍も変化し、プロトン又は酸化物イオンは固体電解質８１１の主に中央部にしか流れていなかった。例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍサイズの固体電解質基板を用いても、ガスセンサーとして機能するのは、中央部だけになり、ガス濃度の測定感度が低下する可能性があった。固体電解質基板の昇温速度を１０℃／分程度以上にすると、固体電解質基板内の温度差によって、固体電解質基板が破壊する危険性があった。
【００１５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、固体電解質基板を用いた限界電流型のガスセンサーにおいて、固体電解質基板内部の両面間の温度差を小さくし、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置を提供することを目的とする。
本発明は、固体電解質基板を用いた限界電流型のガスセンサーにおいて、固体電解質基板内部の両面間及び同一面内の温度差を小さくし、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１に記載の発明は、両面に一対の電極膜を形成した固体電解質基板と、前記固体電解質基板の第１の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス拡散律速孔を形成するガス拡散律速部形成基板と、前記固体電解質基板の第２の面に直接又は前記電極膜の外周に配置された他の部材を介して少なくとも一部が接合し、ガス流通孔を形成するガス流通部形成基板と、を有し、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板がセラミックス基板又は多孔質基板であることを特徴とする限界電流式の固体電解質型ガスセンサーである。
ガス拡散律速孔は、セラミックス基板と固体電解質基板との間に設けた隙間、セラミックス基板自体に設けた開孔部又は多孔質基板の孔でも良く、ガス濃度を測定する検出ガスを拡散しやすく、それより大きい分子サイズのものは拡散しにくいサイズを有する。ガス流通孔は、セラミックス基板と固体電解質基板との間に設けた隙間、セラミックス基板自体に設けた開孔部又は多孔質基板の孔でも良い。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板が同一の材料から形成され、前記材料の熱膨張係数が前記固体電解質基板の熱膨張係数の±２０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、固体電解質基板を両面から等しく加熱できる。ガス拡散律速部形成基板及びガス流通部形成基板の熱膨張係数が等しく、固体電解質基板の熱膨張係数と近似する故に、温度変化に起因して破損しにくい固体電解質型ガスセンサーを実現できる。従来例の固体電解質型ガスセンサーより、急速な加熱又は冷却が可能な信頼性の高い固体電解質型ガスセンサーを実現できる。従来例２の固体電解質型ガスセンサーは起電力式のガスセンサーである。その構成において、固体電解質基板の両面に形成している材料が固体電解質基板の両面を均等に加熱するための目的で着けられた材料ではなく、目的とするガス濃度を測定するための材料である。従来例２は、本発明の構成と根本的に異なる発想に基づくものである。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面にそれぞれ、面状のヒータ基板が密接して配設されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体電解質型ガスセンサーである。固体電解質基板を両面から等しく加熱することにより、固体電解質基板の両面の温度差を小さくすることが出来る。本発明は、高い測定精度を有する固体電解質型ガスセンサーを実現できる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板と前記ヒータ基板との間にその上下の基板に密接して配設された第１の良熱伝導性基板と、前記ガス流通部形成基板と前記ヒータ基板との間にその上下の基板に密接して配設された第２の良熱伝導性基板と、を更に有し、前記第１及び第２の良熱伝導性基板の熱伝導率が前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項３に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
ヒータ基板からの熱が良熱伝導性基板を通じて固体電解質基板全体に均一に伝わるので、固体電解質基板の両面の温度差及び同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、前記ヒータ基板の大きさ及び／又は前記第１及び第２の良熱伝導性基板の大きさが、前記固体電解質基板、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板よりも大きいことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の固体電解質型ガスセンサーである。一般に、ヒータ基板、第１及び第２の良熱伝導性基板の外周部の温度は、それらの中心部の温度よりも低くなる。本発明においては、ヒータ基板、及び／又は第１及び第２の良熱伝導性基板を大きくすることにより、それらが固体電解質基板、ガス拡散律速部形成基板及びガス流通部形成基板と対向する部分においては、全面がほぼ均一の温度になっている。これにより、固体電解質基板の同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、前記ヒータ基板が良熱伝導性材料から形成されることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。これにより、固体電解質基板の同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、前記第１及び第２の良熱伝導性基板の熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。これにより、固体電解質基板の同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、前記第１及び第２の良熱伝導性基板がアルミナ或いはアルミナを主成分とするセラミックス、ベリリアセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、炭化珪素セラミックス、アルミニウム、銅又は高品質グラファイト・シートから形成されることを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
【００２４】
請求項９に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側のそれぞれの面に密接して連通した第３の良熱伝導性基板を配置し、面状のヒータ基板を前記第３の良熱伝導性基板の外側の前記第１の面又は前記第２の面と平行な面に密接して配置することを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、ヒータ基板を固体電解質基板の片側に配置して、固体電解質基板を両側から比較的均一温度に加熱し、固体電解質基板内の温度の不均一を小さくできる。「連通した良熱伝導性基板」は、例えば、Ｕ字型に曲げた基板である。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、前記ガス拡散律速部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面に密接して配設された第１の良熱伝導性基板と、前記ガス流通部形成基板の前記固体電解質基板と対向しない側の面に密接して配設された第２の良熱伝導性基板と、前記第１の良熱伝導性基板の前記ガス拡散律速部形成基板と対向しない側の面と、前記第２の良熱伝導性基板の前記ガス流通部形成基板と対向しない側の面と、にそれぞれ密接して連通する第３の良熱伝導性基板と、前記第３の良熱伝導性基板の外側の前記第１の面又は前記第２の面と平行な面に密接して配置された面状のヒータ基板と、を更に有し、前記第１の良熱伝導性基板、第２の良熱伝導性基板及び第３の良熱伝導性基板の熱伝導率が前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、ヒータ基板を固体電解質基板の片側に配置して、固体電解質基板を両側から比較的均一温度に加熱し、固体電解質基板内の温度の不均一を小さくできる。
【００２６】
請求項１１に記載の発明は、前記第３の良熱伝導性基板の前記第１の面及び前記第２の面と平行なそれぞれの面及び前記ヒータ基板の大きさ、又は前記第３の良熱伝導性基板の前記第１の面及び前記第２の面と平行なそれぞれの面、前記ヒータ基板、第１の良熱伝導性基板及び第２の良熱伝導性基板及びの大きさが、前記固体電解質基板、前記ガス拡散律速部形成基板及び前記ガス流通部形成基板よりも大きいことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の固体電解質型ガスセンサーである。これにより、固体電解質基板の同一面内の中央部と周辺部の温度差を小さくできる。
【００２７】
請求項１２に記載の発明は、前記固体電解質基板が、バリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物から形成されることを特徴とする請求項１〜請求項５及び請求項９〜請求項１１のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、還元性雰囲気中で水素ガス濃度を検出できる、選択性の大きい固体電解質型ガスセンサーを実現できる。
【００２８】
請求項１３に記載の発明は、バリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物でプロトンと酸化物イオン伝導体のセラミックス材料よりなる固体電解質基板の一方の面にアノード電極を、他方の面にカソード電極をそれぞれ形成し、ガス拡散律速孔が形成された或いは形成するように、前記アノード電極を覆うように多孔質基板或いはセラミックス基板が接合されており、ガス流通孔が形成された或いは形成するように、他方のカソード電極を覆うように多孔質基板或いはセラミックス基板が接合されており、該両多孔質基板或いはセラミックス基板の外側面に前記多孔質基板或いはセラミックス基板より大きいサイズの良熱伝導性基板が配設され、前記良熱伝導性基板の両外側面に前記良熱伝導性基板と同一サイズかより大きいサイズの面状ヒータが配設されたことを特徴とする固体電解質型水素ガスセンサーである。
本発明は、固体電解質基板内部の両面間及び同一面内の温度差を小さくし、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い固体電解質型ガスセンサーを実現する。
本発明のバリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物のイオン伝導体よりなるペロブスカイト構造のセラミックス材料は、プロトン伝導性がほとんどであり、酸素イオン伝導性が小さい材料なので、本材料を用い、且つガス拡散律速孔の孔径と長さを最適化することにより選択性の大きい水素ガスセンサーを実現できる。特に還元性雰囲気中で、固体電解質材料を用いた水素ガスセンサーは従来実現されていないが、本発明の材料を用いれば還元性雰囲気中での水素ガスが測定できる。
【００２９】
請求項１４に記載の発明は、前記ヒータ基板の表面に、その表面温度が中心部より周辺部の方が高くなるように発熱体を配置したことを特徴とする請求項３〜６、９〜１１及び１３のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、固体電解質基板の同一面内での中央部と周辺部の温度差をさらに少なくすることが可能である。従って、固体電解質基板の電気伝導率の大きい部分を広くすることができ、検出感度の高い固体電解質型ガスセンサーが実現可能である。
【００３０】
請求項１５に記載の発明は、前記第１及び第２の良熱伝導性基板がそれぞれ第１の基板と第２の基板とから構成され、前記第１の基板は中央部に貫通孔を有し、前記第２の基板は前記貫通孔に嵌め込まれ、前記第１の基板の熱伝導率が前記第２の基板の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項４、５、７〜１１及び１３のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、固体電解質基板の同一面内での中央部と周辺部の温度差をさらに少なくすることが可能である。従って、固体電解質基板の電気伝導率の大きい部分を広くすることができ、検出感度の高い固体電解質型ガスセンサーが実現可能である。
【００３１】
請求項１６に記載の発明は、前記ガス拡散律速孔及び前記ガス流通孔に連通する開孔部を有する保温材で全体を覆うことを特徴とする請求項３〜５、９〜１１及び１３のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。
本発明によれば、固体電解質基板の両面の温度差、同一面内での中央部と周辺部の温度差をさらに少なくすることが可能である。従って、固体電解質基板の電気伝導率の大きい部分を広くすることができ、検出感度の高い固体電解質型ガスセンサーが実現可能である。
【００３２】
請求項１７に記載の発明は、前記ガス流通孔の断面積が前記ガス拡散律速孔より大きいことを特徴とする請求項１〜５、９〜１１及び１３のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーである。ガス拡散律速孔の断面積よりガス流通孔の断面積が大きいので、固体電解質型ガスセンサーは、ガス拡散律速孔におけるガスの拡散速度のみに基づいた（ガス流通孔におけるガス（例えば分子に戻った水素）の拡散速度の影響を受けない）電流値を測定できる。
【００３３】
請求項１８に記載の発明は、請求項１から請求項１７のいずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーと、前記固体電解質型ガスセンサーを保持し、セラミックス材料から形成され円筒形状の形状を有するセンサー取り付け部材と、前記固体電解質型ガスセンサー全体を覆う金属製の防爆部材と、前記センサー取り付け部材一端に取り付けられ、円筒形状を有するステンレス鋼製の金属ベース部材と、前記金属ベース部材の他端にキャップで取り付けられ、電極ピンを有する気密端子板と、を有し、前記固体電解質型ガスセンサーに接続されたリード線が、前記センサー取り付け部材及び前記金属ベース部材の内部空洞を通って前記電極ピンの一端に接続され、前記電極ピンの他端には外部リード線が接続され、前記金属ベース部材の外周部とガス濃度検出装置の取り付け面、前記金属ベース部材と前記気密端子板部、及び前記気密端子板と前記電極ピンの挿入部が、それぞれ気密状態で接続されている構造を特徴とする固体電解質型ガスセンサー構造体である。本発明の固体電解質を用いたガスセンサー構造体は、センサー部と外部リード線部が気密状態で遮断できる構造なので、特定容器内、パイプライン内等の外界と隔離された雰囲気中のガス濃度が測定でき、加えて、可燃性ガス、爆発性ガス或いは有毒性ガス等或いは前記ガス中の別なガスの濃度測定できるガスセンサーを実現できる。
【００３４】
請求項１９に記載の発明は、前記固体電解質型ガスセンサーが、センサー取り付け部材に間隔を保持して取り付けられることを特徴とする請求項１８に記載の固体電解質型ガスセンサー構造体である。固体電解質型ガスセンサーからセンサー取り付け部材に熱が伝わりにくい構造である故に、固体電解質基板の両面の温度差、同一面内での中央部と周辺部の温度差が少ない、高精度で低消費電力の固体電解質型ガスセンサー構造体を実現できる。
【００３５】
請求項２０に記載の発明は、請求項１から請求項１７いずれかの請求項に記載の固体電解質型ガスセンサーと、前記固体電解質基板を加熱し、所定の温度に制御する温度制御部と、前記一対の電極膜の間に所定の電圧を印加する電圧制御部と、前記一対の電極膜の間に流れる電流を検出する電流検出部と、少なくとも前記電流検出部が検出した電流からガス濃度を算出するガス濃度算出部と、を有することを特徴とする、ガス濃度測定装置である。本発明は、高精度のガス濃度測定装置を実現する。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、固体電解質基板内部の両面間の温度差が小さく、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い、限界電流型の固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びそれを用いたガス濃度測定装置を実現できるという効果を奏する。
本発明によれば、固体電解質基板内部の両面間及び同一面内の温度差が小さく、ガス濃度の測定精度及び測定感度が高い、限界電流型の固体電解質型ガスセンサー、固体電解質型ガスセンサー構造体及びそれを用いたガス濃度測定装置を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。
以下の全ての実施の形態において、固体電解質基板及び２枚のセラミックス基板から構成される構造体をセンサー部と言う。センサー部の外側に良熱伝導性基板及び／又はヒータ基板を配置した構造体をセンサーブロックと言う。センサーブロックを保温材で覆った構造体をセンサーモジュールと言う。
【００３８】
《実施の形態１》
図１〜図４を用いて、本発明の実施の形態１のセンサー部及びセンサーブロックを説明する。図１、図２、図３はそれぞれ、本発明の実施の形態１のセンサー部の断面図、斜視図、分解斜視図である。図４は、本発明の実施の形態１のセンサーブロックの断面図である。図面を簡潔にするために、カソード電極膜１１１、アノード電極膜１１２、発熱体１７２ａ及び１７２ｂに電気的に接続されたリード線の記載等を省略してある。実施の形態１のセンサーブロックは、公知の限界電流検出方式を用いてガス（水素）を検出する。
【００３９】
始めに、実施の形態１のセンサー部１０１について説明する。実施の形態１のセンサー部１０１は、固体電解質基板１１０、アノード電極膜１１２、カソード電極膜１１１、接着剤１１６、接着剤１１７、セラミックス基板１１３ａ、セラミックス基板１１３ｂを有する。
【００４０】
固体電解質基板１１０の一方の面にアノード電極膜１１２が形成され、その外周部（ガス拡散律速孔１１４を除く。）に塗布された無機系の接着剤１１６で、セラミックス基板１１３ｂが接合されている。固体電解質基板１１０の他方の面にカソード電極膜１１１が形成され、その外周部（ガス流通孔１１５を除く。）に塗布された無機系の接着剤１１７で、セラミックス基板１１３ａが接合されている。セラミックス基板１１３ａと１１３ｂとは、同一の材料又は同一の熱膨張係数、サイズ及び厚みを有する。固体電解質基板１１０とセラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂとの間には隙間が形成されている。固体電解質基板１１０とセラミックス基板１１３ａとの間の間隔（実施の形態１においては、１００μｍである。）は、固体電解質基板１１０とセラミックス基板１１３ｂとの間の間隔（実施の形態１においては、２０μｍである。）より大きい。
【００４１】
１１８は、カソード電極膜１１１に電気的に接続された電極端子部である（図２及び図３参照）。電極端子部１１８は、固体電解質基板１１０の１つの角に配置される。１１９は、アノード電極膜１１２に電気的に接続された電極端子部である。電極端子部１１９は、固体電解質基板１１０の電極端子部１１８と反対側の角に配置される。電極端子部１１８及び電極端子部１１９には、図示しないリード線がそれぞれ接続される。セラミックス基板１１３ａ及びセラミックス基板１１３ｂは、切り欠き部を有し、リード線がセラミックス基板１１３ａ又は１１３ｂに当たらない構造となっている。
【００４２】
接着剤１１６は、セラミックス基板１１３ｂの縁に沿ったＣの字状の形状に形成される。ガス拡散律速孔１１４は、接着剤１１６の開孔部及びセラミックス基板１１３ｂと固体電解質基板１１０との間に形成された隙間である。ガス拡散律速孔１１４は、ガス濃度を測定する検出ガス（実施の形態１では水素ガス）を拡散しやすく、それより大きい分子サイズのものは拡散しにくいサイズ（断面積及び奥行き）を有する。
【００４３】
接着剤１１７は、セラミックス基板１１３ａの縁に沿ったＣの字状の形状に形成される。ガス流通孔１１５は、接着剤１１７の開孔部及びセラミックス基板１１３ａと固体電解質基板１１０との間に形成された隙間である。ガス流通孔１１５の断面積は、ガス拡散律速孔１１４の断面積の２倍以上である。ガス流通孔１１５の長さ（奥行き）は、ガス拡散律速孔１１４の長さ（奥行き）より短い。この構成により、ガス流通孔１１５から、カソード電極膜１１１で生成されたガスが滞りなく排出される。
【００４４】
次に、実施の形態１のセンサーブロック１０３を説明する（図４参照）。センサーブロック１０３は、センサー部１０１のセラミックス基板１１３ｂ（アノード電極膜１１２側）の外側にヒータ基板１７１ｂを配置し、セラミックス基板１１３ａ（カソード電極膜１１１側）の外側にヒータ基板１７１ａを配置したものである。面状のヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂは、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂと接合しておらず、密接しているだけである。ヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂのサイズは同一で、センサー部１０１のサイズより大きい。ヒータ基板１７１ａは、その外側の表面に発熱体１７２ａを有する。ヒータ基板１７１ｂは、その外側の表面に発熱体１７２ｂを有する。発熱体１７２ａ及び発熱体１７２ｂは面状ヒータである。発熱体１７２ａ及び１７２ｂの外周で規定される矩形は、センサー部１０１より大きいサイズを有する。
【００４５】
次に、実施の形態１のセンサーブロック１０３を構成する各部の材料及び特性を説明する。
固体電解質基板１１０のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．４ｍｍ（厚み）であり、バリウム・ジルコニウム・セリウム・インジウム系酸化物より成るペロブスカイト型焼結体から形成される。バリウム・ジルコニウム・セリウム・インジウム系酸化物より成るペロブスカイト型焼結体は、プロトンのみを伝導する材料である。固体電解質基板１１０の両面に、白金微粉末を含む白金ペーストを厚膜印刷法で印刷し、１５０℃の温度下で１０分乾燥後、白金ペーストに最適な焼成温度、時間で焼成しアノード電極膜１１２及びカソード電極膜１１１を形成した。
【００４６】
セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂのサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ（厚み）であり、フォルステライト材料から形成される。フォルステライト材料の熱膨張係数は、バリウム・ジルコニウム・セリウム・インジウム系酸化物より成るペロブスカイト型焼結体の熱膨張係数に対して±１０％以内である。
【００４７】
接着剤１１６及び１１７として、無機系ガラスペーストを使用した。セラミックス基板１１３ｂの上面に、無機系ガラスペーストにガス拡散律速孔１１４の厚み制御用スペーサー材を混合したペーストを、図３に示した形状（接着剤１１６）に印刷した。セラミックス基板１１３ｂを、固体電解質基板１１０のアノード電極膜１１２側に位置合わせし圧接した。更に、その状態で１５０℃で１０分乾燥後、無機系ガラスペーストに最適な焼成温度、時間で焼成し固体電解質基板１１０にセラミックス基板１１３ｂを接合すると共に、ガス拡散律速孔１１４を形成した。固体電解質基板１１０のカソード電極膜１１１側に、セラミックス基板１１３ａを、セラミックス基板１１３ｂの接合方法と同様の方法で接合し、ガス流通孔１１５を形成した。
【００４８】
ヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂのサイズは１２ｍｍ×１２ｍｍ×０．５ｍｍ（厚み）である。ヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂとして、電熱用マイカ基板を使用した。電熱用マイカ基板の片面に、厚み０．０５ｍｍの鉄−クロム系金属箔（日本金属工業（株）製  Ｎｏ．４Ｌ）をジグザグ状に化学的エッチング法で形成し、発熱体１７２ａ（又は１７２ｂ）とした。ヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂを、センサー部１０１の上面及び下面に密接させセンサーブロック１０３を作成した。
【００４９】
実施の形態１のセンサーモジュール及びセンサー構造体を説明する。実施の形態１のセンサーモジュールは、図１３（実施の形態８のセンサーモジュール１０７の断面図）におけるセンサーブロック１０４をセンサーブロック１０３に置き換えた構成を有する。実施の形態１のセンサーモジュールは、センサーブロック１０３を保温材４１１〜４１７で覆った構造を有する。実施の形態１のセンサー構造体は、図１４及び１５（実施の形態８のセンサー構造体１０８の断面図）におけるセンサーモジュール１０７を実施の形態１のセンサーモジュールに置き換えた構成を有する。センサーモジュール及びセンサー構造体の構造（保温材４１１〜４１７、センサー取り付け部材５１３及び金属ベース部材６２１を含む。）については、実施の形態８で詳細に説明する。
【００５０】
実施の形態１のセンサーモジュールをセンサー取り付け部材５１３及び金属ベース部材６２１に取り付け（図１５）、固体電解質基板１１０上の各点での温度を測定した。固体電解質基板１１０の角から１．５ｍｍの場所に温度制御用熱電対を、セラミックス基板１１３ａのカソード電極膜１１１側の中央部及びセラミックス基板１１３ｂのアノード電極膜１１２側の中央部に温度測定用熱電対を、アロンセラミックス（無機系の接着剤）で接合した。セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂに取り付けた温度測定用熱電対が検出する温度は、固体電解質基板１１０の両面の中央部（電極が形成されている故に、熱電対を取り付けることが出来ない。）の温度とほぼ同じであると考えられる。
【００５１】
固体電解質基板１１０の角部の温度（温度制御用熱電対の検出温度）を３５０℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂの電極膜側の中央部の温度差は５℃以内だった。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例１のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が４０℃〜５０℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
【００５２】
また、固体電解質基板１１０の同一面内の中央部と端部との温度差（固体電解質基板１１０に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板１１０の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度（制御温度）との差）は、２５℃程度だった。従来例２の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差は３０℃程度であったのと比較して、改善できた。
【００５３】
実施の形態１のセンサーブロック１０３では、センサー部１０１の両側に固体電解質基板１１０よりも大きいサイズを有するヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂを密接させた。ヒータ基板１７１ａとヒータ基板１７１ｂとを、固体電解質基板１１０と同程度の熱膨張係数を有する同一の材料で形成した。このようにセンサーブロック１０３を構成したので、固体電解質基板１１０を両面から等しく加熱することができ、温度の空間分布を、従来に比べてより均一にすることができた。
【００５４】
従来は、固体電解質基板内での温度が均一ではないため、ガス濃度の測定開始時の昇温速度又は測定終了時の降温速度を１０℃／分程度より大きくすると、固体電解質基板が破壊する可能性があった。実施の形態１のセンサーブロック１０３を用いることにより、昇温／降温速度を２０℃／分又はそれ以上とすることができ、迅速にガス濃度測定を行えるガス濃度測定装置を実現できる。
【００５５】
セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂの熱膨張係数を固体電解質基板のそれに対して±１０％以内とし、ヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂとセンサー部１０１とを接合しない（密接させる）ので、接着剤１１６及び１１７の焼成時又はセンサー部１０１の昇温／降温時に固体電解質基板１１０が破壊しない。
【００５６】
実施の形態１の固体電解質基板１１０は、バリウム・セリウム・ジルコニウム・インジウム系酸化物のイオン伝導体よりなるペロブスカイト構造のセラミックス材料から形成した。この材料は、プロトン伝導性が高く酸素イオン伝導性が小さい。従って、実施の形態１のセンサー部１０１は、水素ガス選択性の大きい水素ガスセンサーのセンサー部として有用である。実施の形態１のセンサー部１０１は、天然ガス中の水素濃度の測定時のように、還元性雰囲気中で使用可能な、固体電解質材料を用いた水素ガスセンサーのセンサー部として有用である。
【００５７】
実施の形態１のセンサー部１０１では、ガス流通孔１１５の断面積をガス拡散律速孔１１４の断面積より大きくしたので、ガス流通孔１１５から、分子サイズに関係なくガスを排出でき、選択性を有する高感度のガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。
【００５８】
なお、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂに代え、多孔質体で形成した多孔質基板を使用し、多孔質体の孔を通じてガスを通す構成としても良い。この場合には、ガス拡散律速孔１１４、ガス流通孔１１５は不要であり、簡素な構成のセンサー部を実現できる。
【００５９】
《実施の形態２》
図５を用いて、本発明の実施の形態２のセンサー部を説明する。本発明の実施の形態２のセンサー部の断面図である。実施の形態２のセンサー部１０２は、固体電解質基板１１０、アノード電極膜１１２、カソード電極膜１１１、接着剤１５４、接着剤１５５、セラミックス基板１５３ａ、セラミックス基板１５３ｂを有する。実施の形態２のセンサー部１０２は、実施の形態１のセンサー部１０１の接着剤１１６、接着剤１１７、セラミックス基板１１３ａ、セラミックス基板１１３ｂを、接着剤１５４、接着剤１５５、セラミックス基板１５３ａ、セラミックス基板１５３ｂに置き換えたものであり、共通の部分については同一の符号を使用し、説明を省略する。
【００６０】
接着剤１５４、接着剤１５５、セラミックス基板１５３ａ、セラミックス基板１５３ｂは、それぞれ接着剤１１６、接着剤１１７、セラミックス基板１１３ａ、セラミックス基板１１３ｂと同一の材料からそれぞれ形成される。
【００６１】
セラミックス基板１５３ａは、セラミックス基板１１３ａと同一の外形を有し、中央部に円形のガス流通孔１５７を有する。セラミックス基板１５３ｂは、セラミックス基板１１３ｂと同一の外形を有し、中央部に円形のガス拡散律速孔１５６を有する。ガス流通孔１５７の断面積は、ガス拡散律速孔１５６の断面積より大きい。ガス拡散律速孔１５６は、ガス濃度を測定するガス（実施の形態２では水素ガス）を拡散しやすく、それより大きい分子サイズの分子は拡散しにくいサイズ（断面積）を有する。
【００６２】
接着剤１５４は、セラミックス基板１５３ａの縁に沿った環状の形状（周囲が閉じている。）に形成される。接着剤１５５は、セラミックス基板１５３ｂの縁に沿った環状の形状（周囲が閉じている。）に形成される。
【００６３】
実施の形態２のセンサー部１０２を用いて、実施の形態１と同様の温度測定を行った結果、実施の形態１と同様に、固体電解質基板１１０内の温度の空間分布が従来に比べ均一であることが確認できた。実施の形態２のセンサー部１０２は、実施の形態１のセンサー部１０１と同様の効果を奏する。
【００６４】
《実施の形態３》
図６及び図７を用いて、本発明の実施の形態３のセンサーブロックを説明する。図６及び図７は、本発明の実施の形態３のセンサーブロックの断面図及び分解斜視図である。実施の形態３のセンサーブロックは、公知の限界電流検出方式を用いてガス（水素）を検出する。実施の形態３のセンサーブロック１０４は、発熱体１７２ａを有するヒータ基板１７１ａ、良熱伝導性基板２０１ａ、センサー部１０１（実施の形態１のセンサー部）、良熱伝導性基板２０１ｂ及び発熱体１７２ｂを有するヒータ基板１７１ｂを有する。実施の形態１のセンサーブロック１０３（図４）と異なる点は、センサー部１０１とヒータ基板１７１ａとの間に良熱伝導性基板２０１ａを配置し、センサー部１０１とヒータ基板１７１ｂとの間に良熱伝導性基板２０１ｂを配置した点である。その他の構成は、実施の形態１のセンサーブロック１０３と同じであるので、共通の部分については同一の符号を使用し、説明を省略する。
【００６５】
良熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂのサイズは１２ｍｍ×１２ｍｍ×０．５ｍｍであり、窒化アルミニウムの焼結体から形成される。窒化アルミニウムの焼結体は、良熱伝導体であり、熱伝導率は１７０Ｗ／ｍ・Ｋである。熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂサイズは、ヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂと同じであり、センサー部１０１のサイズ（１０ｍｍ×１０ｍｍ）より大きい。良熱伝導性基板２０１ａは、ヒータ基板１７１ａ及びセラミックス基板１１３ａとは接合されておらず、密接している。熱伝導性基板２０１ｂは、ヒータ基板１７１ｂ及びセラミックス基板１１３ｂとは接合されておらず、密接している。
【００６６】
実施の形態３のセンサーブロック１０４について、実施の形態１と同様、固体電解質基板１１０の角部の温度を３５０℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂの電極膜側の中央部の温度差は２℃以内だった。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例１のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が４０℃〜５０℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
【００６７】
また、固体電解質基板１１０の同一面内の中央部と端部との温度差（固体電解質基板１１０に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板１１０の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度（制御温度）との差）は、１５℃±３℃程度だった。従来例２の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差が３０℃程度であったのと比較して、半分まで改善できた。
【００６８】
実施の形態３のセンサーブロック１０４では、センサー部１０１の両側に固体電解質基板１１０よりも大きいサイズを有する良熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂとヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂとを密接させた。ヒータ基板１７１ａとヒータ基板１７１ｂとを、固体電解質基板１１０と同程度の熱膨張係数を有する同一の材料で形成した。このようにセンサーブロック１０３を構成したので、固体電解質基板１１０を両面から等しく加熱することができ、温度の空間分布を、従来に比べてより均一にすることができた。ヒータ基板から、良熱伝導性基板を介してセンサー部の表面全体を加熱することができた。
【００６９】
良熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂの熱伝導率は、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂ（実施の形態３ではフォルステライト基板であり、熱伝導率は４Ｗ／ｍ・Ｋ）の熱伝導率より大きいほどヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂからの熱をセンサー部１０１へ効率よく伝導できる。現実的には、良熱伝導性基板の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば良い。良熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂとして、アルミナセラミックス基板（熱伝導率：２３Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いた場合にも十分な効果を奏することが確認されている。この他、アルミナ或いはアルミナを主成分とするセラミックス、ベリリア、窒化アルミニウム、炭化珪素などのセラミックス材料や、アルミニウム、銅、銀などの金属材料及び高品質グラファイト・シートなどの材料から良熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂを形成しても良い。
【００７０】
セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂの熱膨張係数を固体電解質基板１１０のそれに対して±１０％以内とし、ヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂ、良熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂとセンサー部１０１とを互いに接合しない（密接させる）ので、接着剤１１６及び１１７の焼成時又はセンサー部１０１の昇温／降温時に固体電解質基板１１０が破壊しない。
実施の形態３のセンサーブロック１０４は、実施の形態１のセンサーブロック１０１よりも、固体電解質基板１１０内の温度分布を均一にできるので、精度が高いガスセンサー及びガス濃度検出装置を実現できる。
【００７１】
図６においては、ヒータ基板１７１ａ、１７１ｂ及び良熱伝導性基板２０１ａ、２０１ｂの大きさが、固体電解質基板１１０、セラミック基板１１３ａ、１１３ｂよりも大きかった。この構成に代えて、良熱伝導性基板２０１ａ、２０１ｂの大きさを固体電解質基板１１０、セラミック基板１１３ａ、１１３ｂよりも大きくし、ヒータ基板１７１ａ、１７１ｂの大きさを固体電解質基板１１０、セラミック基板１１３ａ、１１３ｂと同一にしても良い。但し、図６の構成の方が、固体電解質基板１１０の同一面内の中央部と端部との温度差を小さくするために好ましい。
ヒータ基板１７１ａ、１７１ｂの大きさが良熱伝導性基板２０１ａ、２０１ｂより大きくても良い。
【００７２】
《実施の形態４》
図８を用いて、本発明の実施の形態４のセンサーブロックを説明する。図８は、本発明の実施の形態４のセンサーブロックの断面図である。実施の形態４のセンサーブロックは、公知の限界電流検出方式を用いてガス（水素）を検出する。実施の形態４のセンサーブロック１０５は、上下連通した良熱伝導性基板２５１、センサー部１０１（実施の形態１のセンサー部）、発熱体１７２ｂを有するヒータ基板１７１ｂを有する。実施の形態１のセンサーブロック１０３（図４）と異なる点は、センサー部１０１とヒータ基板１７１ｂとの間に上下連通した良熱伝導性基板２５１を配置し、ヒータ基板１７１ａを取り除いた点である。その他の構成は、実施の形態１のセンサーブロック１０３と同じであるので、共通の部分については同一の符号を使用し、説明を省略する。
【００７３】
良熱伝導性基板２５１は、Ｕ字型の形状をしており、センサー部１０１の上面及び下面に密接して配設される。良熱伝導性基板２５１の外側（実施の形態４では、アノード電極膜１１２側）に、発熱体１７２ｂを有するヒータ基板１７１ｂが密接して取り付けられている。良熱伝導性基板２５１は、厚み０．５ｍｍの金属アルミニウム基板（熱伝導率：２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）から形成される。
良熱伝導性基板２５１のアノード電極膜１１２及びカソード電極膜１１１と平行なそれぞれの面及びヒータ基板１７１ｂの大きさは、固体電解質基板１１０、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂよりも大きい。
【００７４】
実施の形態４のセンサーブロック１０５について、実施の形態１と同様、固体電解質基板１１０の角部の温度を３５０℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂの電極膜側の中央部の温度差は約３０℃以内だった。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例１のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が４０℃〜５０℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。即ち、ヒータ基板が固体電解質基板１１０に対して１つの面にしか取り付けられていないものの、ヒータ基板１７１ｂからの熱を良熱伝導性基板２５１を介して、固体電解質基板１１０のもう一つの面に伝えることができた。固体電解質基板１１０同一面内の中央部と端部の温度差は、従来に比べ、若干改善された。
【００７５】
実施の形態４のセンサーブロック１０５は、簡素な構成で、固体電解質基板１１０内の温度分布をある程度小さくできる。センサーブロック１０５は、高精度なガスセンサー及びガス濃度測定装置には使用できないが、検出ガスの有無の判定など、厳しい測定精度が要求されないガスセンサー及びガス濃度測定装置を簡易な構成で実現できる。
図８において、ヒータ基板１７１ｂを取り外し、ヒータ基板１７１ａを設けても良い。良熱伝導性基板２５１は、センサー部１０１とヒータ基板１７１ａとの間に配置される。
【００７６】
《実施の形態５》
図９を用いて、本発明の実施の形態５のセンサーブロックを説明する。図９は、本発明の実施の形態５のセンサーブロックの断面図である。実施の形態５のセンサーブロックは、公知の限界電流検出方式を用いてガス（水素）を検出する。実施の形態５のセンサーブロック１０６は、上下連通した良熱伝導性基板２６４、良熱伝導性基板２０１ａ、センサー部１０１（実施の形態１のセンサー部）、良熱伝導性基板２０１ｂ、発熱体１７２ｂを有するヒータ基板１７１ｂを有する。
【００７７】
実施の形態３のセンサーブロック１０４（図６）と異なる点は、良熱伝導性基板２０１ｂとヒータ基板１７１ｂとの間に上下連通した良熱伝導性基板２６４を配置し、ヒータ基板１７１ａを取り除いた点である。その他の構成は、実施の形態３のセンサーブロック１０４と同じであるので、共通の部分については同一の符号を使用し、説明を省略する。
【００７８】
良熱伝導性基板２６４は、Ｕ字型の形状をしており、良熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂの外側に密接して配設される。良熱伝導性基板２６４の外側（実施の形態５では、アノード電極膜１１２側）に、発熱体１７２ｂを有するヒータ基板１７１ｂが密接して取り付けられている。良熱伝導性基板２６４は、厚み０．５ｍｍの金属アルミニウム基板（熱伝導率：２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）から形成される。
良熱伝導性基板２６４のアノード電極膜１１２及びカソード電極膜１１１と平行なそれぞれの面、ヒータ基板１７１ｂ、良熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂの大きさは、固体電解質基板１１０、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂよりも大きい。
【００７９】
実施の形態５のセンサーブロック１０６について、実施の形態１と同様、固体電解質基板１１０の角部の温度を３５０℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂの電極膜側の中央部の温度差は約３０℃以内（実施の形態４と同程度）だった。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例１のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が４０℃〜５０℃程度であったのと比較して、改善できた。即ち、ヒータ基板が固体電解質基板１１０に対して１つの面にしか取り付けられていないものの、ヒータ基板１７１ｂからの熱を良熱伝導性基板２６４を介して、固体電解質基板１１０のもう一つの面に伝えることができた。
【００８０】
また、固体電解質基板１１０の同一面内の中央部と端部との温度差（固体電解質基板１１０に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板１１０の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度（制御温度）との差）は、２５℃程度だった。従来例２の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差が３０℃程度であったのと比較して、改善できた。
実施の形態５のセンサーブロック１０６は、簡素な構成で、固体電解質基板１１０内の温度分布をある程度小さくできる。実施の形態５のセンサーブロック１０６は、簡素な構成で、固体電解質基板１１０内の温度分布をある程度小さくできる。センサーブロック１０６は、高精度なガスセンサー及びガス濃度測定装置には使用できないが、検出ガスの有無の判定など、厳しい測定精度が要求されないガスセンサー及びガス濃度測定装置を簡易な構成で実現できる。
図９において、ヒータ基板１７１ｂを取り外し、ヒータ基板１７１ａを設けても良い。良熱伝導性基板２６４は、良熱伝導性基板２０１ａとヒータ基板１７１ａとの間に配置される。
【００８１】
《実施の形態６》
図１０を用いて、本発明の実施の形態６の発熱体を説明する。図１０は、本発明の実施の形態６の発熱体の斜視図である。発熱体３０１は、鉄−クロム系薄板材料（実施の形態６では、厚み０．０５ｍｍの、日本金属工業（株）製  金属箔Ｎｏ．４Ｌである。）から渦巻き状形成される。渦巻きの間隔は、内側ほど広い（間隔３０３、３０４、３０５の順に広くなる）。発熱体の両端にそれぞれ、リード線接続用の幅広の端子部３０６及び端子部３０７が設けられている。この発熱体３０１をヒータ基板の表面に取り付けることにより、ヒータ基板自体において、その表面温度が中心部より周辺部の方が高くなる。端子部３０６及び端子部３０７は、発熱体３０１に対して９０度の角度で曲げられ、ヒータ基板の開孔部（図示しない）に挿入される。発熱体３０１をヒータ基板に密着させ、端子部３０６−端子部３０７間に電力を供給すると、固体電解質基板１１０の周辺部と中央部の温度差がより少ないセンサーブロックが実現できる。
【００８２】
実施の形態３のセンサーブロック１０４（図６）の発熱体１７２ａ及び１７２ｂを発熱体３０１に代えたセンサーブロックを作成し、実施の形態１と同様、固体電解質基板１１０の角部の温度を３５０℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂの電極膜側の中央部の温度差は２℃以内だった（実施の形態３と同程度）。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例１のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が４０℃〜５０℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
【００８３】
また、固体電解質基板１１０の同一面内の中央部と端部との温度差（固体電解質基板１１０に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板１１０の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度（制御温度）との差）は、５℃〜１０℃程度だった。従来例２の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差が３０℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
【００８４】
実施の形態６の発熱体３０１を用いたセンサーブロックでは、固体電解質基板に形成した電極膜のほぼ全域の温度のバラツキを５℃以内とすること可能である。固体電解質基板１１０の加熱温度の低温化が可能である。従って、プロトンの伝導面積が広く、検出感度が高く、測定値の長期安定性が確保できるガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。
【００８５】
《実施の形態７》
図１１を用いて、本発明の実施の形態７の良熱伝導性基板を説明する。図１１は、本発明の実施の形態７の良熱伝導性基板の斜視図である。良熱伝導性基板３５０は、良熱伝導性基板３５１及び３５２から構成される。良熱伝導性基板３５１のサイズは１２ｍｍ×１２ｍｍ×０．５ｍｍであり、窒化アルミニウムから形成される。良熱伝導性基板３５１は、中央に５ｍｍ×５ｍｍの開孔部を有する。良熱伝導性基板３５２は、純度９６％のアルミナから形成され、良熱伝導性基板３５１の開孔部とほぼ同じサイズを有する。良熱伝導性基板３５１の方が良熱伝導性基板３５２より熱伝導率が大きい。
【００８６】
実施の形態３のセンサーブロック１０４（図６）の良熱伝導性基板２０１ａ及び２０１ｂに代え、良熱伝導性基板３５０を使用したセンサーブロックを作成し、実施の形態１と同様、固体電解質基板１１０の角部の温度を３５０℃に制御し、温度測定を行った。その結果、セラミックス基板１１３ａ及び１１３ｂの電極膜側の中央部の温度差は２℃〜３℃以内だった（実施の形態３より若干大きい）。固体電解質基板の片面にのみヒータ基板を配置した従来例１のセンサー部において固体電解質基板の両面の温度差が４０℃〜５０℃程度であったのと比較して、大幅に改善できた。
【００８７】
また、固体電解質基板１１０の同一面内の中央部と端部との温度差（固体電解質基板１１０に対向するセラミックス基板の面の中央部に取り付けた温度測定用熱電対の検出温度と、固体電解質基板１１０の端部に取り付けた温度制御用熱電対の検出温度（制御温度）との差）は、ややばらつくものの１０℃程度だった。従来例２の固体電解質型ガスセンサーにおいて固体電解質基板の同一面内の中央部と端部との温度差が３０℃程度であったのと比較して、改善できた。
【００８８】
実施の形態７の良熱伝導性基板３５０を用いたセンサーブロックでは、固体電解質基板に形成した電極膜のほぼ全域の温度のバラツキを従来に比べて小さくすること可能である。固体電解質基板の加熱温度の低温化が可能である。従って、プロトンの伝導面積が広く、検出感度が高く、測定値の長期安定性が確保できるガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。
【００８９】
《実施の形態８》
図１２〜図１５を用いて、本発明の実施の形態８のガスセンサー構造体及びガス濃度測定装置（水素ガス濃度測定装置である。）を説明する。
図１２は、本発明の実施の形態８のガス濃度測定装置の構成を示すブロック図である。ガス濃度測定装置１０９は、センサー構造体１０８、温度制御部１２１、電圧制御部１２２、電流検出部１２３及びガス濃度算出部１２４を有する。センサー構造体１０８は、センサーモジュール１０７を有する。
【００９０】
図１３は、本発明の実施の形態８のセンサーモジュールの断面図である。センサーモジュール１０７は、センサーブロック１０４（実施の形態３のセンサーブロック。図６参照）を保温材４１１〜４１７で覆った構成を有する。保温材４１１〜４１７は、マイカ材から形成される。センサーブロック１０４のガス拡散律速孔１１４及びガス流通孔１１５側には、ガス出入り口４２１が形成されている。
【００９１】
センサーモジュール１０７は、センサー構造体１０８のセンサー取り付け部材５１３に取り付けられる。図１４は、本発明の実施の形態８のセンサーモジュール取り付け部材の断面図である。センサー取り付け部材５１３は、マシーナブルセラミックス（コーニング社製マコール）で形成される。センサー取り付け部材５１３は、その先端部に複数のネジ穴５１４を有する。
【００９２】
センサーモジュール１０７の周辺部には、ネジ穴５１４と同数の開孔部が設けられている。センサーモジュール１０７は、その開孔部に挿入されたセンサーモジュール支持体５１９によって、センサー取り付け部材５１３に固定される。具体的には、始めにセンサーモジュール支持体５１９が、センサー取り付け部材５１３のネジ穴５１４にネジ５２０で固定された後、センサーモジュール１０７がセンサーモジュール支持体５１９に嵌め込まれる。最後に、耐熱性バネ５１５をセンサーモジュール支持体５１９の先端（ネジ５２０と反対側の端）に嵌め、耐熱性バネ５１５を圧縮した状態でＥ−リング５１６をセンサーモジュール支持体５１９の先端の溝に挿入する。このようにして、センサーモジュール１０７をセンサー取り付け部材５１３に固定した。センサーモジュール支持体５１９のネジ５２０の上部には、他の部分より太く、センサーモジュール１０７の周辺部の開孔部より径が大きな間隔形成部５１２が形成されているので、センサーモジュール１０７とセンサー取り付け部材５１３との間が所定の間隔に保たれる。この構成により、センサーモジュール１０７から発生する熱が、センサー取り付け部材５１３に伝わりにくくなる。
【００９３】
５１７は、センサーモジュール１０７及びセンサーモジュール支持体５１９全体を覆う防爆キャップである。防爆キャップ５１７は、微細な金属粉末を焼結した多孔質材料（ＳＵＳの微粉末）から形成される。防爆キャップ５１７は、測定ガス流速の変動による測定値の変動を緩和する機能、センサー部を保護する機能及び防爆機能を有する。測定ガスは防爆キャップ５１７を透過する。
【００９４】
５１８は、複数の貫通孔を有するセラミックス製の耐熱性絶縁管である。それぞれの貫通孔に、センサーモジュール１０７から導出されるヒータ基板１７１ａ及び１７１ｂ、固体電解質基板１１０の温度制御用熱電対（図示しない）、固体電解質基板１１０のアノード電極膜１１２及びカソード電極膜１１１に接続されたリード線がそれぞれ挿入される。耐熱性絶縁管５１８は、各リード線を保護しリード線間を絶縁する。これらのリード線をまとめて、「リード線６９２」と表記する。
【００９５】
図１５は、本発明の実施の形態８のガスセンサー構造体全体の断面図である。６２１は、センサー取り付け部材５１３を取り付ける金属ベース部材である。金属ベース部材６２１はキャップ６２２に嵌め込まれる。キャップ６２２は、リード線保護キャップ６２４に嵌め込まれる。センサー構造体１０８全体は、測定部外壁６５２の貫通孔にネジ止めされる。
【００９６】
センサーモジュールに接続されたリード線６９２は、耐熱性絶縁管５１８に挿入され、更に絶縁性チューブ６５４に挿入され、、電極ピン６５１に接続される。ケーブル６９４中の外部リード線６９３と電極ピン６５１とは、重ねスリーブ圧接部６５５において圧着接続される。
【００９７】
金属ベース部材６２１と測定部外壁６５２との間にはＯリング６７１が挿入される。気密端子板６２３に電極ピン６５１がＯリング６７３を介して取り付けられる。気密端子板６２３は、金属ベース部材６２１の先端にＯリング６７２を介して取り付けられる。センサー構造体１０８の測定部外壁６５２の内側のガスと外側の空気とが接する部分においては、Ｏリング６７１、６７２及び６７３が締め付けられるように構成されている。従って、センサー構造体１０８内部と外部との気密性が保たれる。従って、センサー構造体１０８は、可燃性ガス（例えば、プロパンガス又は天然ガス）、爆発性ガス（例えば、水素ガス）又は有毒性ガス（例えば、一酸化炭素ガス）のガス濃度測定装置のセンサー構造体として有効である。なお、Ｏリング６７１を取り除き、金属ベース部材６２１をテーパーネジで測定部外壁６５２へ取り付け、接続部分にテフロン（登録商標）製のガスシールテープを巻き付けガスシールする構成としても良い。
【００９８】
図１２に戻って説明する。温度制御部１２１は固体電解質基板１１０に取り付けた温度制御用熱電対の出力信号を入力し、発熱体１７２ａ及び１７２ｂへ流れる電流を調整し、固体電解質基板１１０の温度を所定値（例えば、３５０℃）に制御する。電圧制御部１２２は、アノード電極膜１１２とカソード電極膜１１１との間に所定の電圧を印加する。電流検出部１２３は、アノード電極膜１１２とカソード電極膜１１１との間に流れる電流を検出する。ガス濃度算出部は、電流検出部１２３が検出した電流に基づき、測定ガスのガス濃度を算出する。
ガス濃度測定装置は、ガス濃度の値をディスプレイ上に表示しても良く、又はガス濃度が所定の閾値を超えたならば、警告ランプを点灯し、警告ブザーを鳴らしても良い。又、ガス濃度測定装置は、有線又は無線通信により、ホスト機器（例えばコンピュータ）にガス濃度の情報及び／又はガス濃度が所定の閾値を超えたという情報を送っても良い。
【００９９】
なお、センサーブロック１０４に代え実施の形態１〜実施の形態７で説明したセンサーブロックを使用しても良い。
【０１００】
なお、セラミックス基板１１３ａ、１１３ｂ、１５３ａ及び１５３ｂとしてフォルステライト基板を用いたが、耐熱性を有し且つ熱膨張係数が固体電解質基板のそれに対して±２０％以内の材料であれば良い。ヒータ基板１７１ａ、１７１ｂにマイカ板を用いたが、耐熱性があり電気的絶縁性を有する材料であれば良い。
【０１０１】
本発明の実施の形態の固体電解質型ガスセンサーは、水素ガスセンサーであった。本発明は、これに限らず固体電解質材料又はガス拡散律速孔のサイズを調整することにより、固体電解質で検知できるその他のガス（例えば、酸素ガス、炭化水素ガス）、又は湿度等のセンサーにも適用できる。例えば酸素ガスセンサーの場合、実施の形態におけるアノード電極膜１１２はカソード電極膜、カソード電極膜１１１はアノード電極膜として機能する。
【０１０２】
本発明によれば、固体電解質基板の両面を均一に加熱制御できるので、ガス濃度を安定して連続測定できる、固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。本発明の、固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置は、連続したガス流量中のガス濃度の連続測定に有用である。
【０１０３】
固体電解質基板を、バリウム・ジルコニウム・セリウム・インジウム系酸化物イオン伝導性のペロブスカイト型セラミックスで形成した場合、還元性ガス中の水素濃度を連続して測定できる、水素ガスセンサー及び水素ガス濃度測定装置を実現できる。このような水素ガスセンサーは、天然ガスを一定燃焼カロリーで燃焼させる必要がある発電システムにおいて、天然ガス中の水素ガス濃度の測定値を用い、総燃焼カロリーを算出し、天然ガスの供給バルブを自動制御するためのガスセンサーとして有用である。燃料電池用ガス中の水素ガス濃度の連続計測にも有効な手段となる。
【０１０４】
本発明によれば、固体電解質基板の中央部と周辺部の温度差を小さく制御できる。即ちアノード電極及びカソード電極の大部分がプロトン伝導に寄与できる。従って、感度が高く、ガス濃度検出範囲が広く、固体電解質基板の加熱温度が比較的低い、固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明の固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置は、例えば高精度なガス濃度測定を行う必要があるシステムの固体電解質型ガスセンサー及びガス濃度測定装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施の形態１のセンサー部の断面図
【図２】本発明の実施の形態１のセンサー部の斜視図
【図３】本発明の実施の形態１のセンサー部の分解斜視図
【図４】本発明の実施の形態１のセンサーブロックの断面図
【図５】本発明の実施の形態２のセンサー部の断面図
【図６】本発明の実施の形態３のセンサーブロックの断面図
【図７】本発明の実施の形態３のセンサーブロックの分解斜視図
【図８】本発明の実施の形態４のセンサーブロックの断面図
【図９】本発明の実施の形態５のセンサーブロックの断面図
【図１０】本発明の実施の形態６の発熱体の斜視図
【図１１】本発明の実施の形態７の良熱伝導性基板の斜視図
【図１２】本発明の実施の形態８のガス濃度測定装置の構成を示すブロック図
【図１３】本発明の実施の形態８のセンサーモジュールの断面図
【図１４】本発明の実施の形態８のセンサーモジュール取り付け部材の断面図
【図１５】本発明の実施の形態８のセンサー構造体全体の断面図
【図１６】従来例１の炭化水素センサーのセンサー構造体のセンサー部の断面図
【図１７】従来例１のセンサー構造体の分解斜視図
【図１８】従来例２の固体電解質型ガスセンサーのガスセンサー素子の断面図
【図１９】安定化ジルコニアの導電率のアレニウスプロット
【符号の説明】
【０１０７】
１０１、１０２                              センサー部
１０３、１０４、１０５、１０６              センサーブロック
１０７                                      センサーモジュール
１０８                                      センサー構造体
１０９                                      ガス濃度測定装置
１１０                                      固体電解質基板
１１１                                      カソード電極膜
１１２                                      アノード電極膜
１１３ａ、１１３ｂ、１５３ａ、１５３ｂ      セラミックス基板
１１４、１５６                              ガス拡散律速孔
１１５、１５７                              ガス流通孔
１１６、１１７、１５４、１５５              接着剤
１１８、１１９                              電極端子部
１２１                                      温度制御部
１２２                                      電圧制御部
１２３                                      電流検出部
１２４                                      ガス濃度算出部
１７１ａ、１７１ｂ                          ヒータ基板
１７２ａ、１７２ｂ、３０１                  発熱体
２０１ａ、２０１ｂ、３５０、３５１、３５２  良熱伝導性基板
２５１、２６４                              上下連通した良熱伝導性基板
３０３、３０４、３０５                      間隔
３０６、３０７                              端子
４１１、４１２、４１３、４１４、４１５、４１６、４１７  保温材
４２１                                      ガス出入り口
５１２                                      間隔形成部
５１３                                      センサー取り付け部材
５１４                                      ネジ穴
５１５                                      耐熱性バネ
５１６                                      Ｅ−リング
５１７                                      防爆キャップ
５１８                                      耐熱性絶縁管
５１９                                      センサーモジュール支持体
５２０                                      ネジ
６２１                                      金属ベース部材
６２２                                      キャップ
６２３                                      気密端子板
６２４                                      リード線保護キャップ
６５１                                      電極ピン
６５２                                      測定部外壁
６５４                                      絶縁性チューブ
６５５                                      重ねスリーブ圧接部
６７１、６７２、６７３                      Ｏリング
６９２                                      リード線
６９３                                      外部リード線
６９４                                      ケーブル
７１１                                      固体電解質基板
７１２                                      セラミックス基板
７１３                                      補助基板
７１４                                      発熱体
７２１                                      アノード電極膜
７２２                                      カソード電極膜
７２３、７２４                              無機系接着剤
７２５                                      ガス拡散律速孔
７２６                                      アノード電極室
７５１                                      センサー部
７５２                                      平坦部
７５３                                      セラミックス製円柱
７５４                                      リード線
７５５                                      金属製のフタ
７６１                                      金属製のケース
７６２                                      金属製のカン
７６３                                      通気孔
７６５                                      外部リード線
８１１                                      固体電解質
８１２                                      検知極
８１３                                      基準極
８１４                                      パネル型ヒータ
８２１                                      発熱体
８２２                                      集電電極
８２３                                      ヒータリード線
８２４                                      リード線
【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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