(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性を有する固体電解質と、前記固体電解質上に形成された検出対象ガス及び酸素に活性な検知極と、前記固体電解質上に形成された前記検出対象ガスに不活性であり前記酸素に活性な対極と、前記固体電解質上に形成された前記検知極との間にバイアス電圧を印加して前記検知極での前記検出対象ガスの反応を促進するための参照極と、前記固体電解質、前記検知極、前記対極及び前記参照極を加熱するヒータ素子と、が設けられたガスセンサにおいて、
前記検知極及び前記参照極の両電極が、前記固体電解質の同一面上に設けられ、
前記ヒータ素子が、前記検知極及び前記参照極の設けられた前記同一面と対向する対向面上に設けられ、
前記固体電解質の前記ヒータ素子及び前記検知極に挟まれた部分に前記同一面から前記対向面に貫通するように第１スルーホールが、設けられ、
前記固体電解質の前記ヒータ素子及び前記参照極に挟まれた部分に前記同一面から前記対向面に貫通するように第２スルーホールが、設けられ、
前記ヒータ素子及び前記検知極を電気的に接続する第１接続部が、前記第１スルーホール内に挿入されるように設けられ、そして、
前記ヒータ素子及び前記参照極を電気的に接続する第２接続部が、前記第２スルーホール内に挿入されるように設けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記対極が、前記同一面上に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガスセンサと、
前記ヒータ素子の両端及び前記検知極−前記対極間に電圧を印加する電源と、
前記検知極と前記対極との間の電位差に基づいて前記検出対象ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、を備えたことを特徴とするガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ及びガス検出装置に係り、特に、固体電解質を用いて検出対象ガスの濃度を検出するガスセンサ及びガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、特定のガスのみに感度を有する、いわゆるガス選択性の高いガスセンサが、固体電解質を用いた電気化学センサとして活発に提案されている。特に、車の排気ガス中の特定ガス、例えばＨＣ（炭化水素ガス）、ＣＯ、ＮＯｘなどを他ガスの存在に影響されずに測定することが大きく望まれている。このような特定ガスを測定できるガスセンサとして、図８に示す混成電位式ガスセンサが提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
同図に示すように、従来のガスセンサ１００は、一対のセラミック基板１０１Ａ、１０１Ｂと、一対のセラミック基板１０１Ａ、１０１Ｂの間に挟まれた固定電解質としての安定化ジルコニア基板１０２と、安定化ジルコニア基板１０２及び一対のセラミック基板１０１Ａ、１０１Ｂ間にスペースを作るためのセラミックスペーサ１０３Ａ、１０３Ｂと、を有している。
【０００４】
また、ガスセンサ１００は、検知極１０４と、対極１０５と、参照極１０６と、ヒータ素子１０７と、を有している。検知極１０４は、安定化ジルコニア基板１０２の上面に設けられている。安定化ジルコニア基板１０２とセラミック基板１０１Ａとの間のスペース内には検出対象ガスが導入され、検知極１０４は検出対象ガスに曝される。検知極１０４は、検出対象ガス及びＯ2（酸素）に活性な電極であり、例えば検出対象ガスの還元反応及びＯ2-の酸化反応が同時に生じている。
【０００５】
対極１０５は、安定化ジルコニア基板１０２の下面に設けられている。安定化ジルコニア基板１０２とセラミック基板１０１Ｂとの間のセラミックスペーサ１０３Ｂは、上記対極１０５と参照極１０６との間に設けられている。そして、セラミックスペーサ１０３Ｂよりも対極１０５側のスペースには大気が導入され、対極１０５は大気に曝される。対極１０５は、検出対象ガスに不活性でありＯ2に活性な電極であり、Ｏ2の還元反応が生じている。この検知極１０４−対極１０５間に生じる電位差は検出対象ガス濃度に応じた値となる。よって、電圧計２００によって検知極１０４−対極１０５間に生じる電位差を測定することにより、検出対象ガスの濃度を求めることができる。
【０００６】
参照極１０６は、安定化ジルコニア基板１０２の下面に設けられている。セラミックスペーサ１０３Ｂよりも参照極１０６側のスペースには検出対象ガスが導入され、参照極１０６は検出対象ガスに曝される。上記参照極１０６と検知極１０４との間にバイアス電源Ｖ１によりバイアス電圧をかけると検知極１０４においての検出対象ガスの化学反応が促進され、ガスの選択性をより高めることができる。
【０００７】
また、ヒータ素子１０７は、セラミック基板１０１Ｂ内に内蔵されている。ヒータ素子１０７は、ヒータ電源Ｖ２により電圧が印加されると発熱して、安定化ジルコニア基板１０２などを加熱して化学反応を促進する。
【０００８】
しかしながら、図８に示すような従来のガスセンサ１００では、ヒータ素子１０７と検知極１０４とが分離しているので消費電力が大きく、また、製造プロセスが複雑で歩留まりが良くないという欠点があった。また、バイアス用のバイアス電源Ｖ１とは別にヒータ用のヒータ電源Ｖ２が必要となり、部品点数が増えてコスト的に問題があった。
【０００９】
また、図９に示すように安定化ジルコニア基板１０２の上面に検知極１０４と対極１０５とを設け、下面にヒータ素子１０７を設けることにより消費電力の低減を図ると共に製造プロセスを簡単にするガスセンサが提案されている（例えば特許文献２）。しかしながら、この図９に示すガスセンサ１００も、バイアスをかける場合にはバイアス用のバイアス電源Ｖ１とヒータ用のヒータ電源Ｖ２とが別々に必要であり、部品点数が増えてコスト的に問題があった。
【特許文献１】特開２００１−９９８１０号公報
【特許文献２】特開２００３−１６６９７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、簡単な構成でバイアス用の電源とヒータ用の電源とを兼用することができ、部品点数を削減してコストダウンを図ったガスセンサ及びガス検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、酸素イオン導電性を有する固体電解質と、前記固体電解質上に形成された検出対象ガス及び酸素に活性な検知極と、前記固体電解質上に形成された前記検出対象ガスに不活性であり前記酸素に活性な対極と、前記固体電解質上に形成された前記検知極との間にバイアス電圧を印加して前記検知極での前記検出対象ガスの反応を促進するための参照極と、前記固体電解質、前記検知極、前記対極及び前記参照極を加熱するヒータ素子と、が設けられたガスセンサにおいて、前記検知極及び前記参照極の両電極が、前記固体電解質の同一面上に設けられ、前記ヒータ素子が、前記検知極及び前記参照極の設けられた前記同一面と対向する対向面上に設けられ、前記固体電解質の前記ヒータ素子及び前記検知極に挟まれた部分に前記同一面から前記対向面に貫通するように第１スルーホールが、設けられ、前記固体電解質の前記ヒータ素子及び前記参照極に挟まれた部分に前記同一面から前記対向面に貫通するように第２スルーホールが、設けられ、前記ヒータ素子及び前記検知極を電気的に接続する第１接続部が、前記第１スルーホール内に挿入されるように設けられ、そして、前記ヒータ素子及び前記参照極を電気的に接続する第２接続部が、前記第２スルーホール内に挿入されるように設けられていることを特徴とするガスセンサに存する。
【００１２】
請求項２記載の発明は、前記対極が、前記同一面上に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサに存する。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のガスセンサと、前記ヒータ素子の両端及び前記検知極−前記対極間に電圧を印加する電源と、前記検知極と前記対極との間の電位差に基づいて前記検出対象ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、を備えたことを特徴とするガス検出装置に存する。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように請求項１及び３記載の発明によれば、第１接続部がヒータ素子及び検知極を接続し、第２接続部がヒータ素子及び参照極を接続するので、バイアス用の電源とヒータ用の電源とを兼用することができる。また、第１接続部を第１スルーホール内に設け、第２接続部を第２スルーホール内に設けることにより、構成が簡単となる。これにより、簡単な構成でバイアス用の電源とヒータ用の電源とを兼用することができ、部品点数を削減してコストダウンを図ることができる。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、対極が同一面上に設けられているので、ヒータ素子により対極も検知極及び参照極と同様に加熱され、検出精度向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。なお、本実施形態においては、例えば車の排ガス中のＮＯ2（二酸化窒素）濃度を検出する例について説明する。同図に示すように、ガス検出装置１は、ガスセンサ２と、電源３と、電圧計４と、マイクロコンピュータ５（以下、μＣＯＭ５）と、を備えている。上記ガスセンサ２は、固体電解質２１と、検知極２２と、対極２３と、参照極２４と、ヒータ素子２５と、を備えている。固体電解質２１は、Ｏ2-（酸素イオン）導電性を有する例えば安定化ジルコニアやランタンガレート(ＬａＧａＯ3)から構成されていて、平板状に形成されている。
【００１７】
検知極２２は、固体電解質２１の上面に設けられる。検知極２２は、図１に示すように上面側から見て略長方形状に設けられている。検知極２２は、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）及びこれらの合金などの貴金属や金属酸化物、金属酸化物と貴金属との複合物などから構成されている。
【００１８】
この検知極２２上にはＮＯ2と活性になるような触媒が設けられていて、検知極２２はＮＯ2及びＯ2の両者に活性となる。即ち、図４に示すように、上記検知極２２、固体電解質２１及び排ガス相の界面である三相界面Ｘにおいては、式（１）に示す排ガス中のＮＯ2の還元反応、及び、式（２）に示す排ガス中のＯ2-の酸化反応、が同時に生じる。
ＮＯ2＋２ｅ-→ＮＯ＋Ｏ2-  …（１）
Ｏ2-→１／２Ｏ2＋２ｅ-  …（２）
【００１９】
そして、検知極２２は、式（１）に示すＮＯ2の還元反応及び式（２）のＯ2-の酸化反応の反応速度が同じになる混成電位となり、排ガス中のＮＯ2濃度及びＯ2濃度に応じた電位となる。
【００２０】
対極２３は、固体電解質２１の上面に設けられる。即ち、検知極２２及び対極２３の両電極が、固体電解質２１の上面（同一面）に設けられる。また、対極２３は、図１に示すように上側から見て略正方形状に設けられている。対極２３は、検知極２２と同様に、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びこれらの合金などの貴金属や金属酸化物、金属酸化物と貴金属との複合物などから構成されている。
【００２１】
この対極２３上にはＮＯ2と活性になるような触媒は設けられていない。よって、対極２３は、ＮＯ2に不活性となりＯ2に活性となる電極となる。即ち、上記対極２３、固体電解質２１及び排ガス相の界面である三相界面Ｘにおいては、式（２）とは逆反応である式（３）に示す排ガス中のＯ2の還元反応が生じる。
１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-  …（３）
【００２２】
そして、対極２３は、式（３）に示すＯ2の還元反応による平衡電位となり、排ガス中のＯ2濃度に応じた電位となる。この検知極２２及び対極２３間に生じる電位差は、ＮＯ2濃度に応じた値となる。
【００２３】
参照極２４は、固体電解質２１の上面に設けられる。即ち、検知極２２、対極２３及び参照極２４の３つの電極が、固体電解質２１の上面（同一面）に設けられる。また、参照極２４は、図１に示すように上側から見て略正方形状に設けられている。参照極２４は、検知極２２及び対極２３と同様に、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｒｕ及びこれらの合金などの貴金属や金属酸化物、金属酸化物と貴金属との複合物などから構成されている。
【００２４】
参照極２４は、検知極２２との間にバイアス電圧を印加するための電極である。検知極２２側が負となり、参照極２４側が正となるようなバイアス電圧を印加すると、固体電解質２１中のＯ2-が参照極２４側に引き寄せられて検知極２２でのＮＯ2の還元反応を促進する。図６は、ＮＯ2濃度１０００ｐｐｍのときの検知極２２−対極２３間の電位差と、検知極２２−参照極２４間に印加するバイアス電圧と、の関係を示すグラフである。同図に示すように、バイアス電圧が高いほど、ＮＯ2の感度が向上し、ガス選択性を高めることができる。
【００２５】
ヒータ素子２５は、固体電解質２１の下面に設けられている。即ち、ヒータ素子２５は、検知極２２、対極２３及び参照極２４が設けられた上面（同一面）と対向する下面（対向面）に設けられる。ヒータ素子２５は、図３に示すように、固体電解質２１の下面全体に下側から見て蛇腹状に設けられていて、これにより固体電解質２１、検知極２２、対極２３及び参照極２４を均一に加熱する。
【００２６】
また、電源３は、ヒータ素子２５の両端に電気的に接続されている。これにより、ヒータ素子２５は、電源３からの電源電圧が印加されて発熱する。電圧計４は、上述した検知極２２と対極２３との間に生じるＮＯ2濃度に応じた電位差を検出して、μＣＯＭ５に対して出力する。μＣＯＭ５は、濃度検出手段として働き、電圧計４が検出した電位差からＮＯ2濃度を検出する。
【００２７】
また、ガスセンサ２には、図２及び図３に示すように、第１スルーホール２６、第２スルーホール２７、第１接続部２８及び第２接続部２９が設けられている。図２に示すように、第１スルーホール２６は、固体電解質２１の上面から下面に貫通するように設けられている。第１スルーホール２６は、固体電解質２１のヒータ素子２５及び検知極２２に挟まれた部分に設けられている。第２スルーホール２７は、固体電解質２１の上面から下面に貫通するように設けられている。第２スルーホール２７は、固体電解質２１のヒータ素子２５及び参照極２４に挟まれた部分に設けられている。
【００２８】
第１接続部２８は、例えばＰｔなどの導電部材から構成され、第１スルーホール２６内に挿入されて、ヒータ素子２５及び検知極２２を電気的に接続する。第２接続部２９は、例えばＰｔなどの導電部材から構成され、第２スルーホール２７内に挿入されてヒータ素子２５及び参照極２４を電気的に接続する。これにより、図５に示すように、検知極２２は、第１接続部２８、ヒータ素子２５の一部を介して電源３の負側に接続される。また、参照極２４は、第２接続部２９、ヒータ素子２５の一部を介して電源３の正側に接続される。そして、電源３によって検知極２２が負、参照極２４が正となるようなバイアス電圧が検知極２２−参照極２４間に印加される。
【００２９】
次に、上述した構成のガス検出装置１の動作について説明する。まず、μＣＯＭ５は、電源３に直列接続された図示しないスイッチをオンすると、ヒータ素子２５の両端に電源３の電源電圧を印加される。同時に、ヒータ素子２５、第１接続部２８及び第２接続部２９を介して、検知極２２−参照極２４間に電源３からのバイアス電圧が印加される。そして、検知極２２においては式（１）及び（２）に示す化学反応が生じ、対極２３においては式（３）に示す化学反応が生じ、これにより、検知極２２−対極２３間にＮＯ2濃度に応じた電位差が生じる。μＣＯＭ５が電圧計４により検出された検知極２２−対極２３間の電位差に基づいてＮＯ2濃度を検出する。
【００３０】
上述したガス検出装置１によれば、第１接続部２８がヒータ素子２５及び検知極２２を接続し、第２接続部２９がヒータ素子２５及び参照極２４を接続するので、バイアス用の電源３とヒータ用の電源３とを兼用することができる。また、第１接続部２８を第１スルーホール２６内に挿入するように設け、第２接続部２９を第２スルーホール２７内に挿入するように設けることにより、構成が簡単となる。これにより、簡単な構成でバイアス用の電源３とヒータ用の電源３とを兼用することができ、部品点数を削減してコストダウンを図ることができる。
【００３１】
また、上述したガス検出装置１によれば、対極２３が検知極２２及び参照極２４が設けられている固体電解質２１の上面に設けられているので、ヒータ素子２５により対極２３も検知極２２及び参照極２４と同様に加熱され、検出精度向上を図ることができる。
【００３２】
なお、上述した実施形態では、検知極２２が負となり参照極２４が正となるようなバイアス電圧を印加してＮＯ2濃度を検出していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、検知極２２上にＮＯ（一酸化窒素）との反応が促進する触媒を設けると共に検知極２２が正となり参照極２４が負となるようなバイアス電圧を印加すればＮＯ濃度を検出することができる。
【００３３】
上述したようにバイアス電圧を印加すれば、図７に示すように、検知極２２、固体電界室２１及び排ガス相の界面である三相界面Ｘにおいては、式（４）に示す排ガス中のＮＯの酸化反応、及び、式（５）に示す排ガス中のＯ2の還元反応が、同時に生じる。
ＮＯ＋Ｏ2-→ＮＯ2＋２ｅ-  …（４）
１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-  …（５）
【００３４】
そして、検知極２２は、式（４）に示すＮＯの酸化反応及び式（５）に示すＯ2の還元反応の反応速度が同じになる混成電位となり、排ガス中のＮＯ濃度及びＯ2濃度に応じた電位となる。
【００３５】
一方、対極２３、固体電解質２１及び排ガス相の界面である三相界面においては、式（５）とは逆反応である式（６）に示す排ガス中のＯ2-の酸化反応が生じる。
Ｏ2-→１／２Ｏ2＋２ｅ-  …（６）
【００３６】
そして、対極２３は、式（６）に示すＯ2-の還元反応による平衡電位となり、排ガス中のＯ2濃度に応じた電位となる。この検知極２２及び対極２３間に生じる電位差は、ＮＯ濃度に応じた値となる。このようにガスセンサ２に、検知極２２側が正となり、参照極２４側が負となるようなバイアス電圧を印加すると、固体電解質２１中のＯ2-が検知極２２側に引き寄せられて検知極２２でのＮＯの反応を促進する。このため、ＮＯの感度が向上し、ガス選択性を高めることができる。
【００３７】
また、上述した実施形態では、ＮＯ2とＮＯの何れかの濃度を検出するガスセンサ２について説明したが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、μＣＯＭ５の制御によりスイッチのオンオフによって電源３の向きを変えることができるように構成しておけば、ＮＯ2及びＮＯの両検出対象ガスの濃度を検出することもできる。
【００３８】
また、上述した実施形態では、検出対象ガスとしてＮＯ2及びＮＯについて説明していたが、本発明はこれに限ったものではない。検出対象ガスとしては、例えばＨ2（水素）であっても良いし、ＨＣ（炭化水素）であってもよい。この場合、検知極２２においては、Ｈ2、ＨＣの酸化反応及びＯ2の還元反応が生じ、対極２３においてはＯ2-の酸化反応が生じる。
【００３９】
また、上述した実施形態によれば、対極２３を固体電解質２１の上面に設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。本発明は、検知極２２及び参照極２４が同一面に設けられていればよく、対極２３については別の場所に設けてもよい。
【００４０】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は本発明のガス検出装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図２は図１に示すガスセンサのＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】図３は図１に示すガスセンサの分解斜視図である。
【図４】図１に示す検知極でのＮＯ2の反応を説明するための図である。
【図５】図１に示すガスセンサの電気接続について説明するための図である。
【図６】ＮＯ2濃度１０００ｐｐｍのときの検知極−対極間の電位差と、検知極−参照極間に印加するバイアス電圧と、の関係を示すグラフである。
【図７】図１に示す検知極でのＮＯの反応を説明するための図である。
【図８】従来のガスセンサの一例を示す図である。
【図９】従来のガスセンサの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    ガス検出装置
２    ガスセンサ
３    電源
５    μＣＯＭ（濃度検出手段）
２１  固体電解質
２２  検知極
２３  対極
２４  参照極
２５  ヒータ素子
２６  第１スルーホール
２７  第２スルーホール
２８  第１接続部
２９  第２接続部
【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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