ガスセンサ及びガスセンサ制御装置
【課題】検知部の温度制御の精度を高くし、被測定ガスの検出精度を向上することができる板状のガスセンサを提供する。
【解決手段】測定ガス中の特定ガスを検出する検知部１０Ａが一方の表面５１Ａに露出する板状のセンサ素子部５０Ａを有し、センサ素子部における表面と反対側の裏面５２Ａの最外層に緻密絶縁層１２Ａが形成され、緻密絶縁層の直下に検知部の温度を検出するための温度検出手段１４Ａが配置され、検知部は、一対の電極２Ａと、一対の電極に接して設けられた感応部４とを含み、一対の電極間のインピーダンス変化によって測定ガス中のアンモニア濃度を検出する。
【解決手段】測定ガス中の特定ガスを検出する検知部１０Ａが一方の表面５１Ａに露出する板状のセンサ素子部５０Ａを有し、センサ素子部における表面と反対側の裏面５２Ａの最外層に緻密絶縁層１２Ａが形成され、緻密絶縁層の直下に検知部の温度を検出するための温度検出手段１４Ａが配置され、検知部は、一対の電極２Ａと、一対の電極に接して設けられた感応部４とを含み、一対の電極間のインピーダンス変化によって測定ガス中のアンモニア濃度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガスの測定に好適に用いられるガスセンサ及びガスセンサ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。又、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化方法として、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction、選択還元触媒）方式が開発されている。尿素ＳＣＲ方式は、ＳＣＲ触媒に尿素を添加してアンモニアを発生させ、アンモニアによりＮＯｘを還元するものであり、ＮＯｘを還元するアンモニア濃度が適量かどうかを測定するためのアンモニアセンサが求められている。
【０００３】
このようなアンモニアセンサとして、酸素イオン伝導体の表面に形成した基準電極と検知電極間の起電力に基づいてアンモニア濃度を検出する起電力式の板状センサが提案されている（特許文献１参照）。このセンサは、アンモニア選択性の検知電極５０がセンサ表面に露出する保護層７０の直下に配置され、温度センサ８４がセンサ内部に配置されている。
又、アンモニア濃度に応じてインピーダンスが変化する感ガス材料（感応層１５）で一対の電極を被覆し、電極間に交流を印加した時のインピーダンス変化に基づいてアンモニア濃度を検出するインピーダンス式（固体酸式）の板状センサが提案されている（特許文献２参照）。このセンサは、感応層１５がセンサ表面に露出する一方で、温度センサ２１がアルミナ製の絶縁基板５内に内蔵されている。
さらに、筒型の起電力式アンモニアセンサとして、外表面に露出するアンモニア選択性のＰｄ触媒層５０の直下に検知電極４０が配置され、センサ内孔の内側にヒータ素子６０がセンサと別体に配置されたものが提案されている（特許文献３参照）。
【０００４】
一方、従来から、センサが有する固体電解質の内部抵抗に基づき、ヒータ素子への印加電圧を制御し、センサを一定温度に制御して測定を安定化させることが行われている（特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００４５１１４号明細書（図２）
【特許文献２】特開２００５−１１４３５５号公報（図３）
【特許文献３】特開２００３−８３９３３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１、２記載の板状センサの場合、検知部をセンサ表面に露出させたり、検知部をセンサ表面に露出する透気性の層（保護層や触媒層）の直下に配置する一方、検知部の温度制御を行う温度センサがセンサ内部に配置されているため、被測定ガスの影響を受けやすい検知部の温度を温度センサで正確に測定できないという問題がある。特に、検知部の温度急変に温度センサが追随し難いという問題がある。
又、特許文献３記載の筒型センサの場合、ヒータ素子がセンサと別体であるため、検知部の温度制御がさらに困難になる。
【０００７】
又、特許文献３記載の筒型センサは、ヒータ素子でセンサを所定温度に制御するが、検知部が所定温度に到達するまでに時間を要するため、その間のガス濃度検出が不正確になったり、温度制御中の温度の急変に追随できないためにガス濃度検出が不正確になる。
すなわち、本発明は、検知部の温度制御の精度を高くし、被測定ガスの検出精度を向上することができる板状のガスセンサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、測定ガス中の特定ガスを検出する検知部が表面に露出し又は前記表面に露出したガス透過性層の直下に前記検知部が配置された板状のセンサ素子部を有し、前記センサ素子部における前記表面と反対側の裏面を構成する最外層に緻密絶縁層が形成され、前記緻密絶縁層の直下に前記検知部の温度を検出するための温度検出手段が配置されている。
このような構成とすると、板状のセンサ素子部の裏面に緻密絶縁層のみを介して温度検出手段が配置されるため、被測定ガスの影響を受けたセンサ素子部の裏面の温度変化に温度検出手段が従来よりも敏感に追随する。一方、センサ素子部の表面に検知部が露出したり、検知部を表面に露出する透気性の層の直下に配置しているため、検知部の温度は被測定ガスの影響を受けたセンサ素子部の表面の温度に近い。従って、温度検出手段の測定値は検知部温度に近似したものとなり、検知部の温度を精度よく測定して被測定ガスの検出精度を向上させることができる。
【０００９】
前記緻密絶縁層の厚みが５０μｍ以下であることが好ましい。
このような構成とすると、温度検出手段の保護効果を有する限り、緻密絶縁層を薄くすることができ、外気温度に温度検出手段がより敏感に追随して測温精度が向上する。
【００１０】
前記検知部は、一対の電極と、該一対の電極に接して設けられた感応部とを含み、前記一対の電極間のインピーダンス変化によって前記測定ガス中のアンモニア濃度を検出するものであってもよい。
又、前記検知部は、固体電解質層と、該固体電解質層の両面にそれぞれ対向して積層された一対の電極とを含み、前記一対の電極間の起電力変化によって前記測定ガス中のアンモニア濃度を検出するものであってもよい。
【００１１】
前記固体電解質層のうち、前記電極が積層された部分を除く露出部が所定の絶縁層で被覆されていることが好ましい。
前記温度検出手段が検出した温度に基づいて制御されるヒータを一体に備えたことが好ましい。
【００１２】
本発明のガスセンサ制御装置は、前記ガスセンサの制御に用いられ、前記ガスセンサに接続され、前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記センサ素子部からの前記特定ガスの検知出力を補正する温度変動補正手段を有する。
温度検出手段により、検知部の温度を精度良く測定でき、被測定ガスの検出精度を向上したガスセンサにおいても、検知部が所定温度に到達するまでの微小な時間を有しているが、本発明のガスセンサ制御装置のようにすると、この微小な時間の間のガス濃度検出を温度検出手段の検出温度に基づいて補正するので、さらに被測定ガスの検出精度を向上できる。また、温度の急変に対しても、追随してガス濃度検出を正確に行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、検知部の温度制御の精度を高くし、被測定ガスの検出精度が向上した板状のガスセンサが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について説明する。
<第１の実施形態>
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）２００Ａの長手方向に沿う断面図を示す。アンモニアセンサ２００Ａは、アンモニアを検出するセンサ素子部５０Ａを組み付けたアッセンブリである。アンモニアセンサ２００Ａは、軸線方向に延びる板状のセンサ素子部５０Ａと、排気管に固定されるためのねじ部１３９が外表面に形成された筒状の主体金具１３８と、センサ素子部５０Ａの径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ１０６と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８の内壁面がセンサ素子部５０Ａの後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材１６６と、センサ素子部５０Ａと絶縁コンタクト部１６６との間に配置される複数個（図１では２つのみ図示）の接続端子１１０とを備えている。
【００１５】
主体金具１３８は、軸線方向に貫通する貫通孔１５４を有し、貫通孔１５４の径方向内側に突出する棚部１５２を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１３８は、センサ素子部５０Ａの先端側を貫通孔１５４の先端側外部に配置し、電極端子部３０Ａ〜３４Ａを貫通孔１５４の後端側外部に配置する状態で、センサ素子部５０Ａを貫通孔１５４に保持している。さらに、棚部１５２は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。
【００１６】
なお、主体金具１３８の貫通孔１５４の内部には、センサ素子部５０Ａの径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックホルダ１５１、粉末充填層１５３、１５６（以下、滑石リング１５３、１５６ともいう）、および上述のセラミックスリーブ１０６がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ１０６と主体金具１３８の後端部１４０との間には、加締めパッキン１５７が配置されており、セラミックホルダ１５１と主体金具１３８の棚部１５２との間には、滑石リング１５３やセラミックホルダ１５１を保持し、気密性を維持するための金属ホルダ１５８が配置されている。なお、主体金具１３８の後端部１４０は、加締めパッキン１５７を介してセラミックスリーブ１０６を先端側に押し付けるように、加締められている。
【００１７】
一方、図１に示すように、主体金具１３８の先端側（図１における下方）外周には、センサ素子部５０Ａの突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外部プロテクタ１４２および内部プロテクタ１４３が、溶接等によって取り付けられている。
【００１８】
そして、主体金具１３８の後端側外周には、外筒１４４が固定されている。また、外筒１４４の後端側（図１における上方）の開口部には、センサ素子部５０Ａの電極端子部３０Ａ〜３４Ａとそれぞれ電気的に接続される５本のリード線１４６（図１では３本のみ）が挿通されるリード線挿通孔１６１が形成されたグロメット１５０が配置されている。
【００１９】
また、主体金具１３８の後端部１４０より突出されたセンサ素子部５０Ａの後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材１６６が配置される。なお、この絶縁コンタクト部材１６６は、センサ素子部５０Ａの後端側の表面に形成される電極端子部３０Ａ〜３４Ａの周囲に配置される。この絶縁コンタクト部材１６６は、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８を有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部１６７が備えられている。絶縁コンタクト部材１６６は、鍔部１６７が保持部材１６９を介して外筒１４４に当接することで、外筒１４４の内部に配置される。そして、絶縁コンタクト部材１６６側の接続端子１１０と、センサ素子部５０Ａの電極端子部４０Ａ〜４４Ａとが電気的に接続され、リード線１４６により外部と導通するようになっている。
【００２０】
次に、センサ素子部５０Ａの構成について図２を用いて説明する。センサ素子部５０Ａは長尺板状であり、排気ガス中のアンモニアガスを検出する検知部１０Ａが表面５１Ａの先端部に露出し、表面５１Ａとは反対側に位置する裏面５２Ａを構成する最外層に、後述する緻密絶縁層１２Ａが形成されている。又、センサ素子部５０Ａの後端部には、電極端子部４０Ａ〜４４Ａがそれぞれ露出している。
【００２１】
図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。センサ素子部５０Ａは固体酸材料を用いた抵抗変化（インピーダンス）式の板状アンモニアセンサである。
センサ素子部５０Ａは、アルミナ製の絶縁層２４Ａ、２６Ａを積層して本体部分とし、絶縁層２４Ａ表面左端に一対の櫛歯電極２Ａが配置されている。一対の櫛歯電極２Ａから絶縁層２４Ａの長手方向に沿ってそれぞれリード３０Ａ，３１Ａが延び、リード３０Ａ，３１Ａ上に絶縁層２０Ａが被覆され、絶縁層２０Ａがセンサ素子部の表面５１Ａを形成している。但し、リード３０Ａ，３１Ａの右端は絶縁層２０Ａで被覆されずに露出し、それぞれ電極端子部４０Ａ、４１Ａを形成している。
一対の櫛歯電極２Ａは、例えば金を主成分とし、それぞれ櫛状の２つの電極が離間して配置されている。また、リード３０Ａ，３１Ａは、例えば白金を主成分とする材料で構成している。
【００２２】
櫛歯電極２Ａ上には、櫛歯電極２Ａを完全に覆う感応層（感応部）４が形成され、櫛歯電極２Ａと感応層４とによって検知部１０Ａが構成されている。感応層４はアンモニア濃度に応じてインピーダンス（Ｚ）が変化する感ガス材料であり、通常、固体酸物質を用いることができるが、特開２００５−１１４３５５号公報（例えば段落００６６）に記載された固体超強酸物質を用いるのが好ましい。なお、特開２００５−１１４３５５号公報のすべての記載事項は本発明に引用することができる。
櫛歯電極２Ａ間に交流を印加することにより、電極２Ａ間に埋設された感応層４のインピーダンス（Ｚ）が変化するので、インピーダンス変化に基づいて排ガス中のアンモニア濃度を検出することができる。
なお、絶縁層２０Ａは電極２Ａの側縁を被覆しているが、感応層４の上面は絶縁層２０Ａで被覆されずに露出し、排ガス雰囲気に曝されるようになっている。つまり、検知部１０Ａ（感応層４を含む）はセンサ素子部の表面５１Ａに露出している。
【００２３】
一方、絶縁層２６Ａの外側（図３の下面）には、測温抵抗体である温度検出手段（温度センサ）１４Ａが配置され、絶縁層２４Ａと絶縁層２６Ａの間にはセンサ素子部５０Ａを加熱する抵抗体であるヒータ１６Ａが介装されている。さらに、温度検出手段１４Ａから絶縁層２６Ａの長手方向に沿ってそれぞれリード３２Ａ，３３Ａが延びている。また、ヒータ１６Ａから絶縁層２６Ａの長手方向に沿ってそれぞれリード３５Ａ、３６Ａが延びており、絶縁層２６Ａに形成されたスルーホールを介して、電極端子部４２Ａ、４４Ａに接続している。ヒータ１６Ａは、温度検出手段１４Ａの測温結果に基づいて加熱され、センサ素子部５０Ａ（の検知部１０Ａ）を活性温度に昇温して動作を安定化させるために用いられる。
温度検出手段１４Ａ、ヒータ１６Ａ、リード３２Ａ，３３Ａ、３５Ａ、３６Ａは、それぞれ例えば白金を主成分とする。
【００２４】
温度検出手段１４Ａの外表面は、薄い緻密絶縁層１２Ａで被覆されているが、リード３２Ａ，３３Ａの右端は絶縁層１２Ａで被覆されずに露出し、それぞれ電極端子部４２Ａ、４３Ａを形成している。
緻密絶縁層１２Ａは、温度検出手段１４Ａが排ガス雰囲気によって経時変化することを防止する保護層として機能する。ここで、絶縁層１２Ａが緻密であるとは、緻密絶縁層１２Ａをガスが透過しない場合をいう。絶縁層１２Ａが緻密である場合、得られたセンサ素子部５０Ａのうち、絶縁層１２Ａが形成された部位を、水性インクを希釈した水溶液に浸漬し、緻密絶縁層１２Ａを通して温度検出手段１４Ａを目視したとき、温度検出手段１４Ａが水性インクで着色しない。一方、絶縁層１２Ａが緻密でないと、緻密絶縁層１２Ａを通して温度検出手段１４Ａの形状（図４の蛇行パターンなど）が着色して見える。
これは、温度検出手段１４Ａもポーラスであり、緻密絶縁層１２Ａを水性インクが透過した場合には温度検出手段１４Ａに水性インクが浸透するためである。
【００２５】
緻密絶縁層１２Ａは、温度検出手段１４Ａの保護効果を有する限り、薄い方がよく、緻密絶縁層１２Ａが厚くなり過ぎると、緻密絶縁層１２Ａ外側の外気温度に温度検出手段１４Ａが追随し難くなり、測温精度が低下する。このような目的に沿う限り、緻密絶縁層１２Ａの厚みは特に限定されないが、通常、数〜数１０μｍの厚みとすることができ、より好ましくは数μｍ〜５０μｍとすることができる。
緻密絶縁層１２Ａとしては、絶縁性を有するセラミック焼結体を用いることができ、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを例示することができる。
このようにして、センサ素子部５０Ａにおける裏面５２Ａの最外層に薄い緻密絶縁層１２Ａが形成され、緻密絶縁層１２Ａの直下に温度検出手段１４Ａが配置される。
【００２６】
そして、図９のガスセンサ制御装置３００により、温度検出手段１４Ａの測定値に基づいてヒータ１６Ａの印加電圧が制御され、センサ素子部５０Ａの検知部１０Ａが最適温度（活性化温度）に加熱制御される。
【００２７】
次に、センサ素子部５０Ａの製造方法の一例を、展開図４を参照して簡単に説明する。まず、センサ素子部の本体となる比較的厚い（例えば３００μｍ）グリーンシートのアルミナ絶縁層２４Ａ１，２６Ａを用意し、絶縁層２６Ａ上にＰｔ、アルミナ（共素地として用いる無機酸化物）バインダ及び有機溶剤を含む電極ペースト（以下、「Ｐｔ系ペースト」という）をスクリーン印刷してヒータ１６Ａ（及びこれから延長するリード３５Ａ，３６Ａ）を形成する。
【００２８】
一方、絶縁層２６Ａの下面にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷して温度検出手段１４Ａ（及びこれから延長するリード３２Ａ、３３Ａ、３４Ａ、及び電極端子部４２Ａ、４３Ａ、４４Ａ）を形成し、温度検出手段１４Ａ表面にアルミナ、バインダ及び有機溶剤を含むペーストをスクリーン印刷して絶縁層１２Ａを形成する、なお、絶縁層１２Ａの厚みは、ペーストの塗布量や塗布回数によって調整することができる。
【００２９】
次いで、絶縁層２４Ａ１上にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷してリード３０Ａ，３１Ａ,電極端子部４０Ａ、４１Ａを形成し、リード３０Ａ，３１Ａの左端に隣接して絶縁層２４Ａ１上に薄い多孔質層２５を形成する。多孔質層２５は、絶縁層２４Ａ１上を粗面化して櫛歯電極２Ａとの密着性を高めるためのものであり、図３では特に表示されていない。
さらに、リード３０Ａ，３１Ａを覆うように絶縁層２４Ａ１上に絶縁材料（アルミナ等）、バインダ及び有機溶剤を含むペーストをスクリーン印刷して絶縁層２０Ａを形成する。そして、絶縁層２４Ａ１の下に絶縁層２４Ａ２を形成した後、絶縁層２４Ａ２と絶縁層２６Ａとを合わせて積層圧着し、さらに、所定形状に切断し、所定温度（例えば約４００℃）で脱バインダ後、所定温度（例えば１５２０℃）で焼成する。なお、絶縁層２４Ａ２は、絶縁層２４Ａ１と絶縁層２６Ａとの密着性を高めるものであり、図３では、絶縁層２４Ａ１、２４Ａ２を合わせて絶縁層２４Ａと図示している。
【００３０】
その後、リード３０Ａ，３１Ａの左端にそれぞれ接続するようにして、Ａｕ、バインダ及び有機溶剤を含む電極ペーストをスクリーン印刷して櫛歯電極２Ａを形成し、所定温度（例えば、２５０℃）で脱バインダ後、所定温度（例えば、１０００℃）で焼成する。
さらに、櫛歯電極２Ａを覆って感応層４を形成する。感応層４の形成方法は、例えば特開２００５−１１４３５５号公報（例えば段落００７５〜００７８）に記載されたＡ法に基づいて行うことができる。つまり、Ａ法に基づいてＷがＺｒＯ２に含有した粉末を作製し、この粉末をバインダ及び有機溶剤と混合してスラリーとし、櫛歯電極２Ａ上に塗布後、所定温度（例えば６００℃）で焼成して感応層を形成する。
【００３１】
以上のように、上記実施形態において、板状のセンサ素子部５０Ａの裏面５２Ａ側に薄い緻密絶縁層１２Ａの直下に温度検出手段１４Ａが配置されるため、被測定ガスの影響を受けたセンサ素子部５０Ａの裏面５２Ａの温度変化に温度検出手段１４Ａが敏感に追随する。一方、センサ素子部５０Ａの表面５１Ａに検知部１０Ａが露出しているため、検知部１０Ａの温度は被測定ガスの影響を受けたセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａの温度に近い。従って、温度検出手段１４Ａの測定値は検知部１０Ａ温度に近似したものとなり、検知部１０Ａの温度を精度よく測定して被測定ガスの検出精度を向上させることができる。
なお、検知部１０Ａの最外側に位置する感応層４の表面にガス透過性の保護層や被毒防止層等を設けてもよいが、この場合、感応層４（検知部１０Ａ）はセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａに露出していない。但し、この場合も感応層４（検知部１０Ａ）はガス透過性の層を介してセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａに露出する点に変わりない。従って、本発明においては、検知部１０Ａがセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａから外気に曝されるようになっている構造であればよく、検知部１０Ａがセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａに直接露出していてもよく、検知部５０Ａ表面にガス透過性層が被覆されていてもよい。
【００３２】
又、第１の実施形態において、ヒータ１６Ａはセンサ素子部５０Ａと一体化しているため、例えば特開２００３−８３９３３号公報に記載の筒型センサのようにヒータが素子部と別体である場合に比べ、ヒータの加熱が直ちに検知部に伝達され、温度制御が精度よくかつ迅速に行われる。
【００３３】
<第２の実施形態>
次に、本発明の第２の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）について図５を参照して説明する。
図５は、第２の実施形態に係るアンモニアセンサにおけるセンサ素子部５０Ｃの長手方向に沿う断面図を示す。センサ素子部５０Ｃは起電力式の板状アンモニアセンサである。第２の実施形態に係るアンモニアセンサにおいて、センサ素子部５０Ｃ以外の（アッセンブリ）構造は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
センサ素子部５０Ｃは、アルミナ製の絶縁層２４Ｃ、２６Ｃが積層され、絶縁層２４Ｃの外側に固体電解質層６が積層された構造を有する。絶縁層２４Ｃの上面は所定の深さで平面視コの字状に切り抜かれ、コの字の開口が図５の左を向くように配置される。これにより、絶縁層２４Ｃの切り抜き部分と固体電解質層６の下面とによって内部空間が形成され、この空間が基準ガス室Ｓとなる。
【００３４】
基準ガス室Ｓに面した固体電解質層６の下面には、平面視ほぼ矩形状の基準電極２Ｃが配置され、固体電解質層６の上面には基準電極２Ｃと対向する位置に検知電極２Ｂが配置されている。そして、検知電極２Ｂ、基準電極２Ｃ、固体電解質層６とによって検知部１０Ｃが構成される。
検知電極２Ｂに接続し固体電解質層６上面の長手方向に沿ってリード３０Ｃが延び、リード３０Ｃ上に絶縁層２０Ｃが被覆され、絶縁層２０Ｃがセンサ素子部の表面５１Ｃを形成している。但し、リード３０Ｃ右端は絶縁層２０Ｃで被覆されずに露出し、電極端子部４０Ｃ（さらに、後述するリード３７Ｃと接続する電極端子部４１Ｃ）を形成している。又、基準電極２Ｃに接続し固体電解質層６下面の長手方向に沿ってリード３７Ｃが延びており、固体電解質層６に形成されたスルーホールを介して、電極端子部４１Ｃに接続している。
そして、検知電極２Ｂ、基準電極２Ｃ間の電位差を測定することにより、排ガス中のアンモニア濃度を検出することができる。
【００３５】
検知電極２Ｂは例えば金を主成分とする。基準電極２Ｃやリード３０Ｃ，３７Ｃ、電極端子部４０Ｃ、４１Ｃは例えば白金を主成分とし、固体電解質層６は例えばＺｒＯ２等の酸素イオン伝導性材料を用いることができる。
なお、絶縁層２０Ｃは検知電極２Ｂの側縁を被覆しているが、検知電極２Ｂの上面は絶縁層２０Ｃで被覆されずに露出し、排ガス雰囲気に曝されるようになっている。つまり、検知部１０Ｃはセンサ素子部の表面５１Ｃに露出している。
又、検知電極２Ｂ上に、検知電極２Ｂを完全に覆う選択（反応）層が形成されていてもよい。選択層については後述する。
【００３６】
一方、絶縁層２６Ｃの外側（下面）には、測温抵抗体である温度検出手段（温度センサ）１４Ｃが配置され、絶縁層２４Ｃと絶縁層２６Ｃの間にはセンサ素子部５０Ｃを加熱する抵抗体であるヒータ１６Ｃが介装されている。さらに、温度検出手段１４Ｃから絶縁層２６Ｃの長手方向に沿ってそれぞれリード３２Ｃ，３３Ｃが延びている。また、ヒータ１６Ｃから絶縁層２６Ｃの長手方向に沿ってそれぞれリード３５Ｃ、３６Ｃが延びており、絶縁層２６Ｃに形成されたスルーホールを介して、電極端子部４２Ｃ、４４Ｃに接続している。ヒータ１６Ｃは、温度検出手段１４Ｃの測温結果に基づいて加熱され、センサ素子部５０Ｃを活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
温度検出手段１４Ｃ、ヒータ１６Ｃ、リード３２Ｃ，３３Ｃ、３５Ｃ、３６Ｃは、それぞれ例えば白金を主成分とする。
【００３７】
温度検出手段１４Ｃの表面は、薄い緻密絶縁層１２Ｃで被覆されているが、リード３２Ｃ，３３Ｃの右端は絶縁層１２Ｃで被覆されずに露出し、それぞれ電極端子部４２Ｃ、４３Ｃを形成している。
緻密絶縁層１２Ｃは、第１の実施形態における緻密絶縁層１２Ａと同様であるので説明を省略する。
このようにして、センサ素子部５０Ｃにおける検知部１０Ｃと反対側の裏面５２Ｃの最外層に薄い緻密絶縁層１２Ｃが形成され、緻密絶縁層１２Ｃの直下に温度検出手段１４Ｃが配置される。
【００３８】
なお、検知電極２Ｂ上に選択層が形成される場合、選択層は、被測定ガス中のアンモニア以外の可燃性ガス成分を燃焼させる役割を持ち、選択層が存在すると、可燃性ガス成分の影響を受けずに被測定ガス中のアンモニアを検出することができる。選択層は通常、金属酸化物を主成分とするが、特に酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）及び酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）を所定比で含む材料（例えば、酸化ビスマスバナジウム：ＢｉＶＯ４）から形成することが好ましい。
又、検知電極２Ｂ上、又は上記選択層上に、ガス透過性の保護層を設けてもよい。そして、検知電極２Ｂ上に選択層や保護層が形成されている場合、検知電極２Ｂ（検知部）はセンサ素子部の表面に露出していないが、これらの層をガス透過性層とすることにより、検知電極２Ｂ（検知部）がガス透過性層を介してセンサ素子部５０Ｃの表面５１Ｃに露出するようになる。
【００３９】
次に、センサ素子部５０Ｃの製造方法の一例を、展開図６を参照して簡単に説明する。まず、比較的厚い（例えば３００μｍ）グリーンシートのアルミナ絶縁層２６Ｃを用意し、絶縁層２６Ｃ上にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷してヒータ１６Ｃ（及びこれから延長するリード３５Ｃ，３６Ｃ）を形成する。さらに、ヒータ１６Ｃ上に絶縁材料（アルミナ等）、バインダ及び有機溶剤を含むペーストをスクリーン印刷して絶縁層２４Ｃ４を形成する。
【００４０】
一方、絶縁層２６Ｃの下面に、温度検出手段１４Ｃ，絶縁層１２Ｃを第１の実施形態と同様にして形成する。
【００４１】
次に、ジルコニア系粉末、バインダ及び有機溶剤を含むスラリーからドクターブレード法により、固体電解質層６となるグリーンシートを製造し、固体電解質層６の下側に左端に矩形孔を有する絶縁層２４Ｃ１を積層する。そして、絶縁層２４Ｃ１の矩形孔内にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷して基準電極２Ｃ（及びこれから延長するリード３７Ｃ）を形成する。さらに、左端に矩形孔を有する絶縁層２４Ｃ２を、基準電極２Ｃが矩形孔内に入るように重ねてスクリーン印刷する。基準電極２Ｃは、絶縁層２４Ｃ２の矩形孔から後述する絶縁層２４Ｃ３のコの字で形成される内部空間（基準ガス室）に面している。なお、固体電解質層６は、固体電解質ペーストをスクリーン印刷して形成してもよい。
【００４２】
また、左端に矩形孔を有する絶縁層２２Ｃを固体電解質層４上にスクリーン印刷し、絶縁層２２Ｃ上にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷してリード３０Ｃ、電極端子部４０Ｃ、４１Ｃを形成する。さらに、リード３０Ｃを覆うようにして左端に矩形孔を有する絶縁層２０Ｃをスクリーン印刷する。
【００４３】
そして、左先端に向けてコの字に開口する形状の絶縁層２４Ｃ３を絶縁層２４Ｃ４上にスクリーン印刷する。そして、絶縁層２４Ｃ３の上に絶縁層２４Ｃ２を合わせて積層圧着し、さらに、所定形状に切断し、所定温度（例えば約４００℃）で脱バインダ後、所定温度（例えば１５２０℃）で焼成する。なお、絶縁層２４Ｃ２〜２４Ｃ４は、基準電極２Ｃとヒータ１６の電気絶縁性を高めるものであり、図５では、絶縁層２４Ｃ２〜２４Ｃ４を合わせて絶縁層２４Ｃと図示している。
【００４４】
なお、絶縁層２４Ｃ３に代えて、幅方向中央部が開口して右端に延びる絶縁層２４Ｃ５を形成することができる。この場合、絶縁層２４Ｃ５で形成される内部空間（基準ガス室）は、基準電極２Ｃ側からセンサ素子部５０Ｃの長手方向に延びて右端で基準ガス（大気）に通じる。
又、基準ガス室は空間であってもよく、多孔質で充填されていてもよい。
【００４５】
その後、絶縁層２０Ｃ、２２Ｃの矩形孔内にＡｕ系ペーストをスクリーン印刷して検知電極２Ｂを形成し、所定温度（例えば、２５０℃）で脱バインダ後、所定温度（例えば、１０００℃）で焼成する。ここで、検知電極２Ｂはリード３０Ｃと接続し、基準電極２Ｃ及び検知電極２Ｂは固体電解質層６の上下面に接している。
【００４６】
さらに、選択層が形成される場合、検知電極２Ｂ上に選択層となる、金属酸化物を主成分とするペーストをスクリーン印刷し、所定温度（例えば７５０℃）で焼成して選択層を形成する。
【００４７】
第２の実施形態においても、板状のセンサ素子部５０Ｃの裏面５２Ｃ側に薄い緻密絶縁層１２Ｃを介して温度検出手段１４Ｃが配置されるため、センサ素子部５０Ｃの裏面５２Ｃの温度変化に温度検出手段１４Ｃが敏感に追随する。一方、センサ素子部５０Ｃの表面５１Ｃに検知部１０Ｃが露出しているため、検知部１０Ｃの温度はセンサ素子部５０Ｃの表面５１Ｃの温度に近い。従って、温度検出手段１４Ｃの測定値は検知部１０Ｃ温度に近似したものとなり、検知部１０Ｃの温度を精度よく測定して被測定ガスの検出精度を向上させることができる。
【００４８】
<第３の実施形態>
次に、本発明の第３の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）のセンサ素子部５０Ｄについて展開図７を参照して説明する。第３の実施形態に係るガスセンサは、図６のセンサ素子部のうち絶縁層２４Ｃ４から検知電極２Ｂに至る積層構造を、図７の絶縁層２４Ｄから検知電極２Ｄに至る積層構造に置換したこと以外は、第２の実施形態に係るガスセンサのセンサ素子部と同様であるので、同一部分の説明を省略する。
【００４９】
図７において、絶縁層２４Ｄの上に固体電解質層６Ｄ（固体電解質層６と同一）を積層し、さらに、左端部において長辺状の２個の開口が幅方向に並ぶ絶縁層２２Ｄを固体電解質層６Ｄ上にスクリーン印刷し、絶縁層２２Ｄ上にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷して基準電極２Ｅ、リード３０Ｄ，３１Ｄ、電極端子部４０Ｄ，４１Ｄを形成する。さらに、リード３０Ｄ，３１Ｄを覆うように絶縁層２０Ｄをスクリーン印刷する。これによりリード３０Ｄ、３１Ｄは絶縁層２０Ｄに完全に被覆される。一方、基準電極２Ｅは、絶縁層２０Ｄの一方の開口から露出すると共に、この開口を介して固体電解質層６Ｄ表面に接する。
さらに、絶縁層２０Ｄの他の開口内にＡｕ系ペーストをスクリーン印刷して検知電極２Ｄを形成する。検知電極２Ｄは、絶縁層２２Ｄの他の開口を介して固体電解質層６Ｄ表面に接すると共に、リード３０Ｄと接続している。
【００５０】
第３の実施形態においては、基準電極２Ｅと検知電極２Ｄがいずれもセンサ素子部５０Ｄ表面に露出することになる。又、第３の実施形態の場合、基準電極２Ｅと検知電極２Ｄは固体電解質層６Ｄの同じ面側に位置する。
【００５１】
<第４の実施形態>
次に、本発明の第４の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）のセンサ素子部５０Ｅについて展開図８を参照して説明する。第４の実施形態に係るガスセンサは、図４又は図６の温度検出手段１４Ａ又は１４Ｃを、図８の温度検出手段１４Ｅに置換したこと以外は、第１又は第２の実施形態に係るガスセンサのセンサ素子と同様であるので、同一部分の説明を省略する。
図８において、温度検出手段１４Ｅは、固体電解質層１４ｇ（固体電解質層６と同一）の下面に、左端部において長辺状の２個の開口が幅方向に並ぶ絶縁層１４ｆをスクリーン印刷し、さらに絶縁層１４ｆの下面にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷してリード３８Ｅ，３９Ｅ１及び電極端子部４８Ｅ、４９Ｅ１，４９Ｅ２を形成する。リード３８Ｅ，３９Ｅの左端部は、それぞれ絶縁層１４ｆの２個の開口を介して固体電解質層１４ｇ下面に接する。ここで、固体電解質層１４ｇの抵抗が温度によって変化するため、リード３８Ｅ，３９Ｅ間に生じる内部抵抗を検出することにより、固体電解質層１４ｇの温度を測定することができ、温度検出手段として機能する。
このように、温度検出手段として、抵抗体の他、固体電解質の内部抵抗を測定するものを用いることができる。
【００５２】
次に、本発明のガスセンサ制御装置について、ブロック図９を参照して説明する。ガスセンサ制御装置３００は、ガスセンサ２００、及び車両側のエンジン制御装置（以下、ＥＣＵという）４００に電気的に接続されて、ガスセンサを制御し、センサ出力をＥＣＵに送信する。なお、図９においては、ガスセンサ２００内のセンサ素子部５０Ａ（図３と同一のもの）のみ記載する。
ガスセンサ制御装置３００は、マイクロコンピュータ（以下、ＭＣという）３０２、メモリ３０４、アナログ回路部３０６、DA/ADコンバータ３０８を備えている。アナログ回路部３０６はセンサ素子部５０Ａの各リード３０Ａ〜３６Ａに接続する電極端子部４０Ａ〜４４Ａに接続され、（なお、図９においては、分かりやすく説明するため、リード３５Ａ、３６Ａとアナログ回路３０６とを接続している。）センサ素子部５０Ａからのガス濃度信号、ヒータ出力、温度センサ出力の増幅や安定化等を行う。ＭＣ３０２はガスセンサ制御装置全体を制御し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、ＲＯＭ等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。メモリ３０４は、後述する温度補正のためのマップを記憶する。
そして、ガスセンサ制御装置３００で温度補正されたガスの濃度信号はＥＣＵに送信され、ＥＣＵは濃度信号に基づいて排気ガス中のアンモニアガス濃度を演算し、エンジンの運転状態の制御などの処理を実行する。
なお、ＭＣ３０２が本発明の温度変動補正手段に相当する。
【００５３】
図１０は、メモリ３０４に記憶されたマップのデータ構成を示す。マップにはセンサ素子部の温度に応じて、検知部によるアンモニアガスのセンサ出力（ガス濃度信号，以下、「センサ出力」はガス濃度信号を意味し、温度検出手段（温度センサ）からの出力である温度センサ出力と区別する）の補正係数が記憶されている。なお、温度６５０℃における濃度信号を基準としている。
そして、ＭＣ３０２は、センサ素子部の温度に基づき、マップを参照して補正係数を取得する。なお、本実施例において、例えば、素子温度がマップ間に存在する場合（例えば、ＮＨ３濃度５０ｐｐｍ、素子温度６３５℃の場合等）前後の補正係数の補間結果を算出し、補正係数とした（例えば、ＮＨ３濃度５０ｐｐｍ、素子温度６３０℃の補正係数0.88と、ＮＨ３濃度５０ｐｐｍ、素子温度６４０℃の補正係数0.94との補間結果を算出する）。なお、マップに限らず、所定の補正式をメモリ３０４に記憶してもよい。
【００５４】
次に、図１１を参照して、ＭＣ（ＣＰＵ）３０２による補正処理について説明する。
まず、ＭＣ３０２は、センサ素子部５０Ａからセンサ出力を取得する（ステップＳ２）。次に、ＭＣ３０２は温度検出手段（温度センサ）１４Ａから温度出力を読取る（ステップＳ４）。なお、ＭＣ３０２はDA/ADコンバータ３０８を介して、温度のアナログ出力をデジタル値に変換して読み取る。そして、読み取った温度出力が基準温度か否かを判定する（ステップＳ６）。読み取った温度出力が基準温度であればＹＥＳとなり、そのままセンサ出力をＥＣＵに送信する（ステップＳ８）。他方、読み取った温度出力が基準温度でなければＮＯとなり、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、ＭＣ３０２が、ステップＳ２で取得した温度をキーとして図１０のマップを参照して補正値を取得し（ステップＳ６）、ステップＳ４で取得したセンサ出力に補正値を乗じて補正を行う（ステップＳ８）。
そして、ＭＣ３０２は、補正後のセンサ出力をＥＣＵに送信する（ステップＳ１０）。
【００５５】
本発明のガスセンサ制御装置は、上記したガスセンサを用いているため、温度検出手段の温度検出感度が高く、ガス流速の影響によってガス温度が変動した場合にも、速やかにガス濃度信号の温度変化を補正し、ガス濃度検出が正確になる。
【００５６】
本発明は上記実施形態に限定されない。本発明は、板状センサ素子部の一方の表面に検知部が露出する（又はガス透過性層を介して露出する）あらゆるガスセンサに適用可能であり、例えば、自動車や各種内燃機関の排ガス中や、ボイラ等の燃焼ガス中のＮＯｘガス濃度検出用ガスセンサや、全領域空燃比センサ等の酸素センサに適用することができるが、これらの用途に限られない。例えば、ＮＯｘガスセンサの場合、第２ポンプセルの設定電圧を変えることにより、ＮＯX以外のガス（例えばＣＯXやＨ2Ｏ、ＨＣなど）を選択時に分解させ、これらのガス濃度を測定することもできる。又、各ガスを分解する設定電圧を段階的に変えることにより、Ｏ2，ＮＯX，Ｈ2Ｏ，ＣＯ2等の多成分ガスを１つのガスセンサで測定することもできる。
又、酸素センサとしては、センサ素子の一方に電極が露出し、センサ素子内部の大気導入室に他の電極が面したＴＦ（ジルコニア板型）酸素センサが挙げられる。
【実施例】
【００５７】
（１）センサの作製
実施例１：上記第１の実施形態に係るインピーダンス式（固体酸式）アンモニアセンサを作製した。
実施例２：上記第２の実施形態に係る起電力式アンモニアセンサを作製した。
比較例１：上記第１の実施形態に係るインピーダンス式アンモニアセンサにおいて、緻密絶縁層１２Ａ及び温度検出手段１４Ａを設けず、その代わりに絶縁層２４Ａ内に温度検出手段（サーミスタ）を埋設した。この温度検出手段の配置は、特開2005-114355号公報の図３と同様である。
比較例２：上記第２の実施形態に係る起電力式アンモニアセンサにおいて、温度検出手段１４Ｃとヒータ１６Ｃの位置を逆にした。
【００５８】
（２）センサの特性評価
モデルガス発生装置を使用し、センサ特性の評価を行った。モデルガス発生装置のガス組成は、O2=10% CO2=5% H2O=5% N2=bal. NH3=0又は100ppmとした。そして、モデルガス発生装置のガス流中にセンサを配置し、ガス温度を180℃と280℃の２点で変化させた時の、被測定ガス中のアンモニア濃度を各センサで測定し、ガス温度変化に対する追随性（センサ感度）を評価した。センサ素子部の制御温度は、インピーダンス式アンモニアセンサについて400℃とし、起電力式アンモニアセンサについて650℃とした。
センサ感度は、下記算出式を用いた。
インピーダンス式センサのセンサ感度＝
｛Ｚ（ガス中NH3=0ppm）−Ｚ（ガス中NH3=100ppm）｝/Ｚ（ガス中NH3=0ppm）×100
但し、Ｚはセンサが示すインピーダンス値
起電力式センサのセンサ感度＝センサ起電力（ガス中NH3=100ppm）−センサ起電力（ガス中NH3=0ppm）
【００５９】
モデルガス発生装置のガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させた時の、経過時間に対するセンサ感度を図１２、図１３に示す。
実施例１，２の場合、ガス温度が急変（180℃と280℃）しても、センサ特性（感度）の変化が少なく、又、センサ感度が定常状態へ戻る緩和時間も短く、センサ特性への影響を低減できることがわかった。これは、温度検出手段がセンサ表層付近に配置され、検知部温度とほぼ同様の温度を検出することができ、温度計測結果に基づいて直ちに検知部温度を制御できるためである。
一方、比較例１、２の場合、ガス温度が急変すると、センサ感度が大きく変化し、又、センサ感度が定常状態へ戻る緩和時間も長くなった。これは、温度検出手段がセンサ内部に配置され、センサ表層の検知部温度を検出することができず、温度計測結果に基づいて検知部温度を制御するのに時間がかかり、安定した出力を得るまでに時間を要するためである。なお、固体酸材料は、制御温度が低いほど高感度となる傾向がある。
又、実施例２の変形例である、上記上記第３、第４の実施形態に係る起電力式アンモニアセンサについても同様に実験を行ったが、実施例２と同様に良好な結果であった。
【００６０】
（３）ガスセンサ制御装置による温度補正の効果
次に、コントローラ（ガスセンサ制御装置）として、図９に示す構成のものを用い、実施例１、２のアンモニアセンサと接続した。そして、図１１の処理フローに従って、センサ出力（ガス濃度信号）を温度補正した。補正には図１０に示すマップを用いた。
実施例１、２と同様にしてモデルガス発生装置のガス流中にセンサを配置し、ガス温度を２８０℃で一定とし、ガス流速を１ｍ／ｓから６ｍ／ｓへ変化させ１ｍ／ｓに戻した時の、経過時間に対するセンサ感度（出力）を図１４、図１５に示す。
【００６１】
センサ出力を温度補正した実施例（図１４）の場合、ガスセンサ素子の温度が急変しても、センサ出力は安定していた。一方、センサ出力を温度補正しなかった比較例（図１５）の場合、ガスセンサ素子の温度が急変すると、センサ出力も変動した。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）の長手方向に沿う断面図である。
【図２】センサ素子部５０Ａの構成を示す斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】センサ素子部５０Ａの展開図である。
【図５】第２の実施形態に係るアンモニアセンサにおけるセンサ素子部５０Ｃの長手方向に沿う断面図である。
【図６】センサ素子部５０Ｃの展開図である。
【図７】第３の実施形態に係るアンモニアセンサにおけるセンサ素子部の一部の展開図である。
【図８】第４の実施形態に係るアンモニアセンサにおけるセンサ素子部の一部の展開図である。
【図９】本発明のガスセンサ制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】メモリ３０４に記憶されたマップのデータ構成を示す図である。
【図１１】ＭＣ（ＣＰＵ）３０２による補正処理フローを示す図である。
【図１２】ガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させた時の、経過時間に対するセンサ感度を示す図である。
【図１３】ガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させた時の、経過時間に対するセンサ感度を示す別の図である。
【図１４】ガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させ、センサ出力を温度補正した時の、経過時間に対するセンサ感度を示す図である。
【図１５】ガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させ、センサ出力を温度補正しなかった時の、経過時間に対するセンサ感度を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
２Ａ〜２Ｅ 電極（検知電極、基準電極）
４ 感応部（感応層）
６、６Ｄ 固体電解質層
１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄ 検知部
１２Ａ、１２Ｃ 緻密絶縁層
１４Ａ、１４Ｃ、１４Ｅ 温度検出手段
１６Ａ、１６Ｃ ヒータ
５０Ａ〜５０Ｅ センサ素子部
５１Ａ、５１Ｃ センサ素子部の表面
５２Ａ、５２Ｃ 表面と反対側の裏面
３００ ガスセンサ制御装置
３０２ 温度変動補正手段（マイクロコンピュータ；ＭＣ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガスの測定に好適に用いられるガスセンサ及びガスセンサ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。又、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化方法として、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction、選択還元触媒）方式が開発されている。尿素ＳＣＲ方式は、ＳＣＲ触媒に尿素を添加してアンモニアを発生させ、アンモニアによりＮＯｘを還元するものであり、ＮＯｘを還元するアンモニア濃度が適量かどうかを測定するためのアンモニアセンサが求められている。
【０００３】
このようなアンモニアセンサとして、酸素イオン伝導体の表面に形成した基準電極と検知電極間の起電力に基づいてアンモニア濃度を検出する起電力式の板状センサが提案されている（特許文献１参照）。このセンサは、アンモニア選択性の検知電極５０がセンサ表面に露出する保護層７０の直下に配置され、温度センサ８４がセンサ内部に配置されている。
又、アンモニア濃度に応じてインピーダンスが変化する感ガス材料（感応層１５）で一対の電極を被覆し、電極間に交流を印加した時のインピーダンス変化に基づいてアンモニア濃度を検出するインピーダンス式（固体酸式）の板状センサが提案されている（特許文献２参照）。このセンサは、感応層１５がセンサ表面に露出する一方で、温度センサ２１がアルミナ製の絶縁基板５内に内蔵されている。
さらに、筒型の起電力式アンモニアセンサとして、外表面に露出するアンモニア選択性のＰｄ触媒層５０の直下に検知電極４０が配置され、センサ内孔の内側にヒータ素子６０がセンサと別体に配置されたものが提案されている（特許文献３参照）。
【０００４】
一方、従来から、センサが有する固体電解質の内部抵抗に基づき、ヒータ素子への印加電圧を制御し、センサを一定温度に制御して測定を安定化させることが行われている（特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００４５１１４号明細書（図２）
【特許文献２】特開２００５−１１４３５５号公報（図３）
【特許文献３】特開２００３−８３９３３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１、２記載の板状センサの場合、検知部をセンサ表面に露出させたり、検知部をセンサ表面に露出する透気性の層（保護層や触媒層）の直下に配置する一方、検知部の温度制御を行う温度センサがセンサ内部に配置されているため、被測定ガスの影響を受けやすい検知部の温度を温度センサで正確に測定できないという問題がある。特に、検知部の温度急変に温度センサが追随し難いという問題がある。
又、特許文献３記載の筒型センサの場合、ヒータ素子がセンサと別体であるため、検知部の温度制御がさらに困難になる。
【０００７】
又、特許文献３記載の筒型センサは、ヒータ素子でセンサを所定温度に制御するが、検知部が所定温度に到達するまでに時間を要するため、その間のガス濃度検出が不正確になったり、温度制御中の温度の急変に追随できないためにガス濃度検出が不正確になる。
すなわち、本発明は、検知部の温度制御の精度を高くし、被測定ガスの検出精度を向上することができる板状のガスセンサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、測定ガス中の特定ガスを検出する検知部が表面に露出し又は前記表面に露出したガス透過性層の直下に前記検知部が配置された板状のセンサ素子部を有し、前記センサ素子部における前記表面と反対側の裏面を構成する最外層に緻密絶縁層が形成され、前記緻密絶縁層の直下に前記検知部の温度を検出するための温度検出手段が配置されている。
このような構成とすると、板状のセンサ素子部の裏面に緻密絶縁層のみを介して温度検出手段が配置されるため、被測定ガスの影響を受けたセンサ素子部の裏面の温度変化に温度検出手段が従来よりも敏感に追随する。一方、センサ素子部の表面に検知部が露出したり、検知部を表面に露出する透気性の層の直下に配置しているため、検知部の温度は被測定ガスの影響を受けたセンサ素子部の表面の温度に近い。従って、温度検出手段の測定値は検知部温度に近似したものとなり、検知部の温度を精度よく測定して被測定ガスの検出精度を向上させることができる。
【０００９】
前記緻密絶縁層の厚みが５０μｍ以下であることが好ましい。
このような構成とすると、温度検出手段の保護効果を有する限り、緻密絶縁層を薄くすることができ、外気温度に温度検出手段がより敏感に追随して測温精度が向上する。
【００１０】
前記検知部は、一対の電極と、該一対の電極に接して設けられた感応部とを含み、前記一対の電極間のインピーダンス変化によって前記測定ガス中のアンモニア濃度を検出するものであってもよい。
又、前記検知部は、固体電解質層と、該固体電解質層の両面にそれぞれ対向して積層された一対の電極とを含み、前記一対の電極間の起電力変化によって前記測定ガス中のアンモニア濃度を検出するものであってもよい。
【００１１】
前記固体電解質層のうち、前記電極が積層された部分を除く露出部が所定の絶縁層で被覆されていることが好ましい。
前記温度検出手段が検出した温度に基づいて制御されるヒータを一体に備えたことが好ましい。
【００１２】
本発明のガスセンサ制御装置は、前記ガスセンサの制御に用いられ、前記ガスセンサに接続され、前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記センサ素子部からの前記特定ガスの検知出力を補正する温度変動補正手段を有する。
温度検出手段により、検知部の温度を精度良く測定でき、被測定ガスの検出精度を向上したガスセンサにおいても、検知部が所定温度に到達するまでの微小な時間を有しているが、本発明のガスセンサ制御装置のようにすると、この微小な時間の間のガス濃度検出を温度検出手段の検出温度に基づいて補正するので、さらに被測定ガスの検出精度を向上できる。また、温度の急変に対しても、追随してガス濃度検出を正確に行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、検知部の温度制御の精度を高くし、被測定ガスの検出精度が向上した板状のガスセンサが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について説明する。
<第１の実施形態>
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）２００Ａの長手方向に沿う断面図を示す。アンモニアセンサ２００Ａは、アンモニアを検出するセンサ素子部５０Ａを組み付けたアッセンブリである。アンモニアセンサ２００Ａは、軸線方向に延びる板状のセンサ素子部５０Ａと、排気管に固定されるためのねじ部１３９が外表面に形成された筒状の主体金具１３８と、センサ素子部５０Ａの径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ１０６と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８の内壁面がセンサ素子部５０Ａの後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材１６６と、センサ素子部５０Ａと絶縁コンタクト部１６６との間に配置される複数個（図１では２つのみ図示）の接続端子１１０とを備えている。
【００１５】
主体金具１３８は、軸線方向に貫通する貫通孔１５４を有し、貫通孔１５４の径方向内側に突出する棚部１５２を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１３８は、センサ素子部５０Ａの先端側を貫通孔１５４の先端側外部に配置し、電極端子部３０Ａ〜３４Ａを貫通孔１５４の後端側外部に配置する状態で、センサ素子部５０Ａを貫通孔１５４に保持している。さらに、棚部１５２は、軸線方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。
【００１６】
なお、主体金具１３８の貫通孔１５４の内部には、センサ素子部５０Ａの径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックホルダ１５１、粉末充填層１５３、１５６（以下、滑石リング１５３、１５６ともいう）、および上述のセラミックスリーブ１０６がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ１０６と主体金具１３８の後端部１４０との間には、加締めパッキン１５７が配置されており、セラミックホルダ１５１と主体金具１３８の棚部１５２との間には、滑石リング１５３やセラミックホルダ１５１を保持し、気密性を維持するための金属ホルダ１５８が配置されている。なお、主体金具１３８の後端部１４０は、加締めパッキン１５７を介してセラミックスリーブ１０６を先端側に押し付けるように、加締められている。
【００１７】
一方、図１に示すように、主体金具１３８の先端側（図１における下方）外周には、センサ素子部５０Ａの突出部分を覆うと共に、複数の孔部を有する金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外部プロテクタ１４２および内部プロテクタ１４３が、溶接等によって取り付けられている。
【００１８】
そして、主体金具１３８の後端側外周には、外筒１４４が固定されている。また、外筒１４４の後端側（図１における上方）の開口部には、センサ素子部５０Ａの電極端子部３０Ａ〜３４Ａとそれぞれ電気的に接続される５本のリード線１４６（図１では３本のみ）が挿通されるリード線挿通孔１６１が形成されたグロメット１５０が配置されている。
【００１９】
また、主体金具１３８の後端部１４０より突出されたセンサ素子部５０Ａの後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材１６６が配置される。なお、この絶縁コンタクト部材１６６は、センサ素子部５０Ａの後端側の表面に形成される電極端子部３０Ａ〜３４Ａの周囲に配置される。この絶縁コンタクト部材１６６は、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔１６８を有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部１６７が備えられている。絶縁コンタクト部材１６６は、鍔部１６７が保持部材１６９を介して外筒１４４に当接することで、外筒１４４の内部に配置される。そして、絶縁コンタクト部材１６６側の接続端子１１０と、センサ素子部５０Ａの電極端子部４０Ａ〜４４Ａとが電気的に接続され、リード線１４６により外部と導通するようになっている。
【００２０】
次に、センサ素子部５０Ａの構成について図２を用いて説明する。センサ素子部５０Ａは長尺板状であり、排気ガス中のアンモニアガスを検出する検知部１０Ａが表面５１Ａの先端部に露出し、表面５１Ａとは反対側に位置する裏面５２Ａを構成する最外層に、後述する緻密絶縁層１２Ａが形成されている。又、センサ素子部５０Ａの後端部には、電極端子部４０Ａ〜４４Ａがそれぞれ露出している。
【００２１】
図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。センサ素子部５０Ａは固体酸材料を用いた抵抗変化（インピーダンス）式の板状アンモニアセンサである。
センサ素子部５０Ａは、アルミナ製の絶縁層２４Ａ、２６Ａを積層して本体部分とし、絶縁層２４Ａ表面左端に一対の櫛歯電極２Ａが配置されている。一対の櫛歯電極２Ａから絶縁層２４Ａの長手方向に沿ってそれぞれリード３０Ａ，３１Ａが延び、リード３０Ａ，３１Ａ上に絶縁層２０Ａが被覆され、絶縁層２０Ａがセンサ素子部の表面５１Ａを形成している。但し、リード３０Ａ，３１Ａの右端は絶縁層２０Ａで被覆されずに露出し、それぞれ電極端子部４０Ａ、４１Ａを形成している。
一対の櫛歯電極２Ａは、例えば金を主成分とし、それぞれ櫛状の２つの電極が離間して配置されている。また、リード３０Ａ，３１Ａは、例えば白金を主成分とする材料で構成している。
【００２２】
櫛歯電極２Ａ上には、櫛歯電極２Ａを完全に覆う感応層（感応部）４が形成され、櫛歯電極２Ａと感応層４とによって検知部１０Ａが構成されている。感応層４はアンモニア濃度に応じてインピーダンス（Ｚ）が変化する感ガス材料であり、通常、固体酸物質を用いることができるが、特開２００５−１１４３５５号公報（例えば段落００６６）に記載された固体超強酸物質を用いるのが好ましい。なお、特開２００５−１１４３５５号公報のすべての記載事項は本発明に引用することができる。
櫛歯電極２Ａ間に交流を印加することにより、電極２Ａ間に埋設された感応層４のインピーダンス（Ｚ）が変化するので、インピーダンス変化に基づいて排ガス中のアンモニア濃度を検出することができる。
なお、絶縁層２０Ａは電極２Ａの側縁を被覆しているが、感応層４の上面は絶縁層２０Ａで被覆されずに露出し、排ガス雰囲気に曝されるようになっている。つまり、検知部１０Ａ（感応層４を含む）はセンサ素子部の表面５１Ａに露出している。
【００２３】
一方、絶縁層２６Ａの外側（図３の下面）には、測温抵抗体である温度検出手段（温度センサ）１４Ａが配置され、絶縁層２４Ａと絶縁層２６Ａの間にはセンサ素子部５０Ａを加熱する抵抗体であるヒータ１６Ａが介装されている。さらに、温度検出手段１４Ａから絶縁層２６Ａの長手方向に沿ってそれぞれリード３２Ａ，３３Ａが延びている。また、ヒータ１６Ａから絶縁層２６Ａの長手方向に沿ってそれぞれリード３５Ａ、３６Ａが延びており、絶縁層２６Ａに形成されたスルーホールを介して、電極端子部４２Ａ、４４Ａに接続している。ヒータ１６Ａは、温度検出手段１４Ａの測温結果に基づいて加熱され、センサ素子部５０Ａ（の検知部１０Ａ）を活性温度に昇温して動作を安定化させるために用いられる。
温度検出手段１４Ａ、ヒータ１６Ａ、リード３２Ａ，３３Ａ、３５Ａ、３６Ａは、それぞれ例えば白金を主成分とする。
【００２４】
温度検出手段１４Ａの外表面は、薄い緻密絶縁層１２Ａで被覆されているが、リード３２Ａ，３３Ａの右端は絶縁層１２Ａで被覆されずに露出し、それぞれ電極端子部４２Ａ、４３Ａを形成している。
緻密絶縁層１２Ａは、温度検出手段１４Ａが排ガス雰囲気によって経時変化することを防止する保護層として機能する。ここで、絶縁層１２Ａが緻密であるとは、緻密絶縁層１２Ａをガスが透過しない場合をいう。絶縁層１２Ａが緻密である場合、得られたセンサ素子部５０Ａのうち、絶縁層１２Ａが形成された部位を、水性インクを希釈した水溶液に浸漬し、緻密絶縁層１２Ａを通して温度検出手段１４Ａを目視したとき、温度検出手段１４Ａが水性インクで着色しない。一方、絶縁層１２Ａが緻密でないと、緻密絶縁層１２Ａを通して温度検出手段１４Ａの形状（図４の蛇行パターンなど）が着色して見える。
これは、温度検出手段１４Ａもポーラスであり、緻密絶縁層１２Ａを水性インクが透過した場合には温度検出手段１４Ａに水性インクが浸透するためである。
【００２５】
緻密絶縁層１２Ａは、温度検出手段１４Ａの保護効果を有する限り、薄い方がよく、緻密絶縁層１２Ａが厚くなり過ぎると、緻密絶縁層１２Ａ外側の外気温度に温度検出手段１４Ａが追随し難くなり、測温精度が低下する。このような目的に沿う限り、緻密絶縁層１２Ａの厚みは特に限定されないが、通常、数〜数１０μｍの厚みとすることができ、より好ましくは数μｍ〜５０μｍとすることができる。
緻密絶縁層１２Ａとしては、絶縁性を有するセラミック焼結体を用いることができ、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを例示することができる。
このようにして、センサ素子部５０Ａにおける裏面５２Ａの最外層に薄い緻密絶縁層１２Ａが形成され、緻密絶縁層１２Ａの直下に温度検出手段１４Ａが配置される。
【００２６】
そして、図９のガスセンサ制御装置３００により、温度検出手段１４Ａの測定値に基づいてヒータ１６Ａの印加電圧が制御され、センサ素子部５０Ａの検知部１０Ａが最適温度（活性化温度）に加熱制御される。
【００２７】
次に、センサ素子部５０Ａの製造方法の一例を、展開図４を参照して簡単に説明する。まず、センサ素子部の本体となる比較的厚い（例えば３００μｍ）グリーンシートのアルミナ絶縁層２４Ａ１，２６Ａを用意し、絶縁層２６Ａ上にＰｔ、アルミナ（共素地として用いる無機酸化物）バインダ及び有機溶剤を含む電極ペースト（以下、「Ｐｔ系ペースト」という）をスクリーン印刷してヒータ１６Ａ（及びこれから延長するリード３５Ａ，３６Ａ）を形成する。
【００２８】
一方、絶縁層２６Ａの下面にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷して温度検出手段１４Ａ（及びこれから延長するリード３２Ａ、３３Ａ、３４Ａ、及び電極端子部４２Ａ、４３Ａ、４４Ａ）を形成し、温度検出手段１４Ａ表面にアルミナ、バインダ及び有機溶剤を含むペーストをスクリーン印刷して絶縁層１２Ａを形成する、なお、絶縁層１２Ａの厚みは、ペーストの塗布量や塗布回数によって調整することができる。
【００２９】
次いで、絶縁層２４Ａ１上にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷してリード３０Ａ，３１Ａ,電極端子部４０Ａ、４１Ａを形成し、リード３０Ａ，３１Ａの左端に隣接して絶縁層２４Ａ１上に薄い多孔質層２５を形成する。多孔質層２５は、絶縁層２４Ａ１上を粗面化して櫛歯電極２Ａとの密着性を高めるためのものであり、図３では特に表示されていない。
さらに、リード３０Ａ，３１Ａを覆うように絶縁層２４Ａ１上に絶縁材料（アルミナ等）、バインダ及び有機溶剤を含むペーストをスクリーン印刷して絶縁層２０Ａを形成する。そして、絶縁層２４Ａ１の下に絶縁層２４Ａ２を形成した後、絶縁層２４Ａ２と絶縁層２６Ａとを合わせて積層圧着し、さらに、所定形状に切断し、所定温度（例えば約４００℃）で脱バインダ後、所定温度（例えば１５２０℃）で焼成する。なお、絶縁層２４Ａ２は、絶縁層２４Ａ１と絶縁層２６Ａとの密着性を高めるものであり、図３では、絶縁層２４Ａ１、２４Ａ２を合わせて絶縁層２４Ａと図示している。
【００３０】
その後、リード３０Ａ，３１Ａの左端にそれぞれ接続するようにして、Ａｕ、バインダ及び有機溶剤を含む電極ペーストをスクリーン印刷して櫛歯電極２Ａを形成し、所定温度（例えば、２５０℃）で脱バインダ後、所定温度（例えば、１０００℃）で焼成する。
さらに、櫛歯電極２Ａを覆って感応層４を形成する。感応層４の形成方法は、例えば特開２００５−１１４３５５号公報（例えば段落００７５〜００７８）に記載されたＡ法に基づいて行うことができる。つまり、Ａ法に基づいてＷがＺｒＯ２に含有した粉末を作製し、この粉末をバインダ及び有機溶剤と混合してスラリーとし、櫛歯電極２Ａ上に塗布後、所定温度（例えば６００℃）で焼成して感応層を形成する。
【００３１】
以上のように、上記実施形態において、板状のセンサ素子部５０Ａの裏面５２Ａ側に薄い緻密絶縁層１２Ａの直下に温度検出手段１４Ａが配置されるため、被測定ガスの影響を受けたセンサ素子部５０Ａの裏面５２Ａの温度変化に温度検出手段１４Ａが敏感に追随する。一方、センサ素子部５０Ａの表面５１Ａに検知部１０Ａが露出しているため、検知部１０Ａの温度は被測定ガスの影響を受けたセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａの温度に近い。従って、温度検出手段１４Ａの測定値は検知部１０Ａ温度に近似したものとなり、検知部１０Ａの温度を精度よく測定して被測定ガスの検出精度を向上させることができる。
なお、検知部１０Ａの最外側に位置する感応層４の表面にガス透過性の保護層や被毒防止層等を設けてもよいが、この場合、感応層４（検知部１０Ａ）はセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａに露出していない。但し、この場合も感応層４（検知部１０Ａ）はガス透過性の層を介してセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａに露出する点に変わりない。従って、本発明においては、検知部１０Ａがセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａから外気に曝されるようになっている構造であればよく、検知部１０Ａがセンサ素子部５０Ａの表面５１Ａに直接露出していてもよく、検知部５０Ａ表面にガス透過性層が被覆されていてもよい。
【００３２】
又、第１の実施形態において、ヒータ１６Ａはセンサ素子部５０Ａと一体化しているため、例えば特開２００３−８３９３３号公報に記載の筒型センサのようにヒータが素子部と別体である場合に比べ、ヒータの加熱が直ちに検知部に伝達され、温度制御が精度よくかつ迅速に行われる。
【００３３】
<第２の実施形態>
次に、本発明の第２の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）について図５を参照して説明する。
図５は、第２の実施形態に係るアンモニアセンサにおけるセンサ素子部５０Ｃの長手方向に沿う断面図を示す。センサ素子部５０Ｃは起電力式の板状アンモニアセンサである。第２の実施形態に係るアンモニアセンサにおいて、センサ素子部５０Ｃ以外の（アッセンブリ）構造は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
センサ素子部５０Ｃは、アルミナ製の絶縁層２４Ｃ、２６Ｃが積層され、絶縁層２４Ｃの外側に固体電解質層６が積層された構造を有する。絶縁層２４Ｃの上面は所定の深さで平面視コの字状に切り抜かれ、コの字の開口が図５の左を向くように配置される。これにより、絶縁層２４Ｃの切り抜き部分と固体電解質層６の下面とによって内部空間が形成され、この空間が基準ガス室Ｓとなる。
【００３４】
基準ガス室Ｓに面した固体電解質層６の下面には、平面視ほぼ矩形状の基準電極２Ｃが配置され、固体電解質層６の上面には基準電極２Ｃと対向する位置に検知電極２Ｂが配置されている。そして、検知電極２Ｂ、基準電極２Ｃ、固体電解質層６とによって検知部１０Ｃが構成される。
検知電極２Ｂに接続し固体電解質層６上面の長手方向に沿ってリード３０Ｃが延び、リード３０Ｃ上に絶縁層２０Ｃが被覆され、絶縁層２０Ｃがセンサ素子部の表面５１Ｃを形成している。但し、リード３０Ｃ右端は絶縁層２０Ｃで被覆されずに露出し、電極端子部４０Ｃ（さらに、後述するリード３７Ｃと接続する電極端子部４１Ｃ）を形成している。又、基準電極２Ｃに接続し固体電解質層６下面の長手方向に沿ってリード３７Ｃが延びており、固体電解質層６に形成されたスルーホールを介して、電極端子部４１Ｃに接続している。
そして、検知電極２Ｂ、基準電極２Ｃ間の電位差を測定することにより、排ガス中のアンモニア濃度を検出することができる。
【００３５】
検知電極２Ｂは例えば金を主成分とする。基準電極２Ｃやリード３０Ｃ，３７Ｃ、電極端子部４０Ｃ、４１Ｃは例えば白金を主成分とし、固体電解質層６は例えばＺｒＯ２等の酸素イオン伝導性材料を用いることができる。
なお、絶縁層２０Ｃは検知電極２Ｂの側縁を被覆しているが、検知電極２Ｂの上面は絶縁層２０Ｃで被覆されずに露出し、排ガス雰囲気に曝されるようになっている。つまり、検知部１０Ｃはセンサ素子部の表面５１Ｃに露出している。
又、検知電極２Ｂ上に、検知電極２Ｂを完全に覆う選択（反応）層が形成されていてもよい。選択層については後述する。
【００３６】
一方、絶縁層２６Ｃの外側（下面）には、測温抵抗体である温度検出手段（温度センサ）１４Ｃが配置され、絶縁層２４Ｃと絶縁層２６Ｃの間にはセンサ素子部５０Ｃを加熱する抵抗体であるヒータ１６Ｃが介装されている。さらに、温度検出手段１４Ｃから絶縁層２６Ｃの長手方向に沿ってそれぞれリード３２Ｃ，３３Ｃが延びている。また、ヒータ１６Ｃから絶縁層２６Ｃの長手方向に沿ってそれぞれリード３５Ｃ、３６Ｃが延びており、絶縁層２６Ｃに形成されたスルーホールを介して、電極端子部４２Ｃ、４４Ｃに接続している。ヒータ１６Ｃは、温度検出手段１４Ｃの測温結果に基づいて加熱され、センサ素子部５０Ｃを活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
温度検出手段１４Ｃ、ヒータ１６Ｃ、リード３２Ｃ，３３Ｃ、３５Ｃ、３６Ｃは、それぞれ例えば白金を主成分とする。
【００３７】
温度検出手段１４Ｃの表面は、薄い緻密絶縁層１２Ｃで被覆されているが、リード３２Ｃ，３３Ｃの右端は絶縁層１２Ｃで被覆されずに露出し、それぞれ電極端子部４２Ｃ、４３Ｃを形成している。
緻密絶縁層１２Ｃは、第１の実施形態における緻密絶縁層１２Ａと同様であるので説明を省略する。
このようにして、センサ素子部５０Ｃにおける検知部１０Ｃと反対側の裏面５２Ｃの最外層に薄い緻密絶縁層１２Ｃが形成され、緻密絶縁層１２Ｃの直下に温度検出手段１４Ｃが配置される。
【００３８】
なお、検知電極２Ｂ上に選択層が形成される場合、選択層は、被測定ガス中のアンモニア以外の可燃性ガス成分を燃焼させる役割を持ち、選択層が存在すると、可燃性ガス成分の影響を受けずに被測定ガス中のアンモニアを検出することができる。選択層は通常、金属酸化物を主成分とするが、特に酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）及び酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）を所定比で含む材料（例えば、酸化ビスマスバナジウム：ＢｉＶＯ４）から形成することが好ましい。
又、検知電極２Ｂ上、又は上記選択層上に、ガス透過性の保護層を設けてもよい。そして、検知電極２Ｂ上に選択層や保護層が形成されている場合、検知電極２Ｂ（検知部）はセンサ素子部の表面に露出していないが、これらの層をガス透過性層とすることにより、検知電極２Ｂ（検知部）がガス透過性層を介してセンサ素子部５０Ｃの表面５１Ｃに露出するようになる。
【００３９】
次に、センサ素子部５０Ｃの製造方法の一例を、展開図６を参照して簡単に説明する。まず、比較的厚い（例えば３００μｍ）グリーンシートのアルミナ絶縁層２６Ｃを用意し、絶縁層２６Ｃ上にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷してヒータ１６Ｃ（及びこれから延長するリード３５Ｃ，３６Ｃ）を形成する。さらに、ヒータ１６Ｃ上に絶縁材料（アルミナ等）、バインダ及び有機溶剤を含むペーストをスクリーン印刷して絶縁層２４Ｃ４を形成する。
【００４０】
一方、絶縁層２６Ｃの下面に、温度検出手段１４Ｃ，絶縁層１２Ｃを第１の実施形態と同様にして形成する。
【００４１】
次に、ジルコニア系粉末、バインダ及び有機溶剤を含むスラリーからドクターブレード法により、固体電解質層６となるグリーンシートを製造し、固体電解質層６の下側に左端に矩形孔を有する絶縁層２４Ｃ１を積層する。そして、絶縁層２４Ｃ１の矩形孔内にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷して基準電極２Ｃ（及びこれから延長するリード３７Ｃ）を形成する。さらに、左端に矩形孔を有する絶縁層２４Ｃ２を、基準電極２Ｃが矩形孔内に入るように重ねてスクリーン印刷する。基準電極２Ｃは、絶縁層２４Ｃ２の矩形孔から後述する絶縁層２４Ｃ３のコの字で形成される内部空間（基準ガス室）に面している。なお、固体電解質層６は、固体電解質ペーストをスクリーン印刷して形成してもよい。
【００４２】
また、左端に矩形孔を有する絶縁層２２Ｃを固体電解質層４上にスクリーン印刷し、絶縁層２２Ｃ上にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷してリード３０Ｃ、電極端子部４０Ｃ、４１Ｃを形成する。さらに、リード３０Ｃを覆うようにして左端に矩形孔を有する絶縁層２０Ｃをスクリーン印刷する。
【００４３】
そして、左先端に向けてコの字に開口する形状の絶縁層２４Ｃ３を絶縁層２４Ｃ４上にスクリーン印刷する。そして、絶縁層２４Ｃ３の上に絶縁層２４Ｃ２を合わせて積層圧着し、さらに、所定形状に切断し、所定温度（例えば約４００℃）で脱バインダ後、所定温度（例えば１５２０℃）で焼成する。なお、絶縁層２４Ｃ２〜２４Ｃ４は、基準電極２Ｃとヒータ１６の電気絶縁性を高めるものであり、図５では、絶縁層２４Ｃ２〜２４Ｃ４を合わせて絶縁層２４Ｃと図示している。
【００４４】
なお、絶縁層２４Ｃ３に代えて、幅方向中央部が開口して右端に延びる絶縁層２４Ｃ５を形成することができる。この場合、絶縁層２４Ｃ５で形成される内部空間（基準ガス室）は、基準電極２Ｃ側からセンサ素子部５０Ｃの長手方向に延びて右端で基準ガス（大気）に通じる。
又、基準ガス室は空間であってもよく、多孔質で充填されていてもよい。
【００４５】
その後、絶縁層２０Ｃ、２２Ｃの矩形孔内にＡｕ系ペーストをスクリーン印刷して検知電極２Ｂを形成し、所定温度（例えば、２５０℃）で脱バインダ後、所定温度（例えば、１０００℃）で焼成する。ここで、検知電極２Ｂはリード３０Ｃと接続し、基準電極２Ｃ及び検知電極２Ｂは固体電解質層６の上下面に接している。
【００４６】
さらに、選択層が形成される場合、検知電極２Ｂ上に選択層となる、金属酸化物を主成分とするペーストをスクリーン印刷し、所定温度（例えば７５０℃）で焼成して選択層を形成する。
【００４７】
第２の実施形態においても、板状のセンサ素子部５０Ｃの裏面５２Ｃ側に薄い緻密絶縁層１２Ｃを介して温度検出手段１４Ｃが配置されるため、センサ素子部５０Ｃの裏面５２Ｃの温度変化に温度検出手段１４Ｃが敏感に追随する。一方、センサ素子部５０Ｃの表面５１Ｃに検知部１０Ｃが露出しているため、検知部１０Ｃの温度はセンサ素子部５０Ｃの表面５１Ｃの温度に近い。従って、温度検出手段１４Ｃの測定値は検知部１０Ｃ温度に近似したものとなり、検知部１０Ｃの温度を精度よく測定して被測定ガスの検出精度を向上させることができる。
【００４８】
<第３の実施形態>
次に、本発明の第３の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）のセンサ素子部５０Ｄについて展開図７を参照して説明する。第３の実施形態に係るガスセンサは、図６のセンサ素子部のうち絶縁層２４Ｃ４から検知電極２Ｂに至る積層構造を、図７の絶縁層２４Ｄから検知電極２Ｄに至る積層構造に置換したこと以外は、第２の実施形態に係るガスセンサのセンサ素子部と同様であるので、同一部分の説明を省略する。
【００４９】
図７において、絶縁層２４Ｄの上に固体電解質層６Ｄ（固体電解質層６と同一）を積層し、さらに、左端部において長辺状の２個の開口が幅方向に並ぶ絶縁層２２Ｄを固体電解質層６Ｄ上にスクリーン印刷し、絶縁層２２Ｄ上にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷して基準電極２Ｅ、リード３０Ｄ，３１Ｄ、電極端子部４０Ｄ，４１Ｄを形成する。さらに、リード３０Ｄ，３１Ｄを覆うように絶縁層２０Ｄをスクリーン印刷する。これによりリード３０Ｄ、３１Ｄは絶縁層２０Ｄに完全に被覆される。一方、基準電極２Ｅは、絶縁層２０Ｄの一方の開口から露出すると共に、この開口を介して固体電解質層６Ｄ表面に接する。
さらに、絶縁層２０Ｄの他の開口内にＡｕ系ペーストをスクリーン印刷して検知電極２Ｄを形成する。検知電極２Ｄは、絶縁層２２Ｄの他の開口を介して固体電解質層６Ｄ表面に接すると共に、リード３０Ｄと接続している。
【００５０】
第３の実施形態においては、基準電極２Ｅと検知電極２Ｄがいずれもセンサ素子部５０Ｄ表面に露出することになる。又、第３の実施形態の場合、基準電極２Ｅと検知電極２Ｄは固体電解質層６Ｄの同じ面側に位置する。
【００５１】
<第４の実施形態>
次に、本発明の第４の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）のセンサ素子部５０Ｅについて展開図８を参照して説明する。第４の実施形態に係るガスセンサは、図４又は図６の温度検出手段１４Ａ又は１４Ｃを、図８の温度検出手段１４Ｅに置換したこと以外は、第１又は第２の実施形態に係るガスセンサのセンサ素子と同様であるので、同一部分の説明を省略する。
図８において、温度検出手段１４Ｅは、固体電解質層１４ｇ（固体電解質層６と同一）の下面に、左端部において長辺状の２個の開口が幅方向に並ぶ絶縁層１４ｆをスクリーン印刷し、さらに絶縁層１４ｆの下面にＰｔ系ペーストをスクリーン印刷してリード３８Ｅ，３９Ｅ１及び電極端子部４８Ｅ、４９Ｅ１，４９Ｅ２を形成する。リード３８Ｅ，３９Ｅの左端部は、それぞれ絶縁層１４ｆの２個の開口を介して固体電解質層１４ｇ下面に接する。ここで、固体電解質層１４ｇの抵抗が温度によって変化するため、リード３８Ｅ，３９Ｅ間に生じる内部抵抗を検出することにより、固体電解質層１４ｇの温度を測定することができ、温度検出手段として機能する。
このように、温度検出手段として、抵抗体の他、固体電解質の内部抵抗を測定するものを用いることができる。
【００５２】
次に、本発明のガスセンサ制御装置について、ブロック図９を参照して説明する。ガスセンサ制御装置３００は、ガスセンサ２００、及び車両側のエンジン制御装置（以下、ＥＣＵという）４００に電気的に接続されて、ガスセンサを制御し、センサ出力をＥＣＵに送信する。なお、図９においては、ガスセンサ２００内のセンサ素子部５０Ａ（図３と同一のもの）のみ記載する。
ガスセンサ制御装置３００は、マイクロコンピュータ（以下、ＭＣという）３０２、メモリ３０４、アナログ回路部３０６、DA/ADコンバータ３０８を備えている。アナログ回路部３０６はセンサ素子部５０Ａの各リード３０Ａ〜３６Ａに接続する電極端子部４０Ａ〜４４Ａに接続され、（なお、図９においては、分かりやすく説明するため、リード３５Ａ、３６Ａとアナログ回路３０６とを接続している。）センサ素子部５０Ａからのガス濃度信号、ヒータ出力、温度センサ出力の増幅や安定化等を行う。ＭＣ３０２はガスセンサ制御装置全体を制御し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、ＲＯＭ等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。メモリ３０４は、後述する温度補正のためのマップを記憶する。
そして、ガスセンサ制御装置３００で温度補正されたガスの濃度信号はＥＣＵに送信され、ＥＣＵは濃度信号に基づいて排気ガス中のアンモニアガス濃度を演算し、エンジンの運転状態の制御などの処理を実行する。
なお、ＭＣ３０２が本発明の温度変動補正手段に相当する。
【００５３】
図１０は、メモリ３０４に記憶されたマップのデータ構成を示す。マップにはセンサ素子部の温度に応じて、検知部によるアンモニアガスのセンサ出力（ガス濃度信号，以下、「センサ出力」はガス濃度信号を意味し、温度検出手段（温度センサ）からの出力である温度センサ出力と区別する）の補正係数が記憶されている。なお、温度６５０℃における濃度信号を基準としている。
そして、ＭＣ３０２は、センサ素子部の温度に基づき、マップを参照して補正係数を取得する。なお、本実施例において、例えば、素子温度がマップ間に存在する場合（例えば、ＮＨ３濃度５０ｐｐｍ、素子温度６３５℃の場合等）前後の補正係数の補間結果を算出し、補正係数とした（例えば、ＮＨ３濃度５０ｐｐｍ、素子温度６３０℃の補正係数0.88と、ＮＨ３濃度５０ｐｐｍ、素子温度６４０℃の補正係数0.94との補間結果を算出する）。なお、マップに限らず、所定の補正式をメモリ３０４に記憶してもよい。
【００５４】
次に、図１１を参照して、ＭＣ（ＣＰＵ）３０２による補正処理について説明する。
まず、ＭＣ３０２は、センサ素子部５０Ａからセンサ出力を取得する（ステップＳ２）。次に、ＭＣ３０２は温度検出手段（温度センサ）１４Ａから温度出力を読取る（ステップＳ４）。なお、ＭＣ３０２はDA/ADコンバータ３０８を介して、温度のアナログ出力をデジタル値に変換して読み取る。そして、読み取った温度出力が基準温度か否かを判定する（ステップＳ６）。読み取った温度出力が基準温度であればＹＥＳとなり、そのままセンサ出力をＥＣＵに送信する（ステップＳ８）。他方、読み取った温度出力が基準温度でなければＮＯとなり、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、ＭＣ３０２が、ステップＳ２で取得した温度をキーとして図１０のマップを参照して補正値を取得し（ステップＳ６）、ステップＳ４で取得したセンサ出力に補正値を乗じて補正を行う（ステップＳ８）。
そして、ＭＣ３０２は、補正後のセンサ出力をＥＣＵに送信する（ステップＳ１０）。
【００５５】
本発明のガスセンサ制御装置は、上記したガスセンサを用いているため、温度検出手段の温度検出感度が高く、ガス流速の影響によってガス温度が変動した場合にも、速やかにガス濃度信号の温度変化を補正し、ガス濃度検出が正確になる。
【００５６】
本発明は上記実施形態に限定されない。本発明は、板状センサ素子部の一方の表面に検知部が露出する（又はガス透過性層を介して露出する）あらゆるガスセンサに適用可能であり、例えば、自動車や各種内燃機関の排ガス中や、ボイラ等の燃焼ガス中のＮＯｘガス濃度検出用ガスセンサや、全領域空燃比センサ等の酸素センサに適用することができるが、これらの用途に限られない。例えば、ＮＯｘガスセンサの場合、第２ポンプセルの設定電圧を変えることにより、ＮＯX以外のガス（例えばＣＯXやＨ2Ｏ、ＨＣなど）を選択時に分解させ、これらのガス濃度を測定することもできる。又、各ガスを分解する設定電圧を段階的に変えることにより、Ｏ2，ＮＯX，Ｈ2Ｏ，ＣＯ2等の多成分ガスを１つのガスセンサで測定することもできる。
又、酸素センサとしては、センサ素子の一方に電極が露出し、センサ素子内部の大気導入室に他の電極が面したＴＦ（ジルコニア板型）酸素センサが挙げられる。
【実施例】
【００５７】
（１）センサの作製
実施例１：上記第１の実施形態に係るインピーダンス式（固体酸式）アンモニアセンサを作製した。
実施例２：上記第２の実施形態に係る起電力式アンモニアセンサを作製した。
比較例１：上記第１の実施形態に係るインピーダンス式アンモニアセンサにおいて、緻密絶縁層１２Ａ及び温度検出手段１４Ａを設けず、その代わりに絶縁層２４Ａ内に温度検出手段（サーミスタ）を埋設した。この温度検出手段の配置は、特開2005-114355号公報の図３と同様である。
比較例２：上記第２の実施形態に係る起電力式アンモニアセンサにおいて、温度検出手段１４Ｃとヒータ１６Ｃの位置を逆にした。
【００５８】
（２）センサの特性評価
モデルガス発生装置を使用し、センサ特性の評価を行った。モデルガス発生装置のガス組成は、O2=10% CO2=5% H2O=5% N2=bal. NH3=0又は100ppmとした。そして、モデルガス発生装置のガス流中にセンサを配置し、ガス温度を180℃と280℃の２点で変化させた時の、被測定ガス中のアンモニア濃度を各センサで測定し、ガス温度変化に対する追随性（センサ感度）を評価した。センサ素子部の制御温度は、インピーダンス式アンモニアセンサについて400℃とし、起電力式アンモニアセンサについて650℃とした。
センサ感度は、下記算出式を用いた。
インピーダンス式センサのセンサ感度＝
｛Ｚ（ガス中NH3=0ppm）−Ｚ（ガス中NH3=100ppm）｝/Ｚ（ガス中NH3=0ppm）×100
但し、Ｚはセンサが示すインピーダンス値
起電力式センサのセンサ感度＝センサ起電力（ガス中NH3=100ppm）−センサ起電力（ガス中NH3=0ppm）
【００５９】
モデルガス発生装置のガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させた時の、経過時間に対するセンサ感度を図１２、図１３に示す。
実施例１，２の場合、ガス温度が急変（180℃と280℃）しても、センサ特性（感度）の変化が少なく、又、センサ感度が定常状態へ戻る緩和時間も短く、センサ特性への影響を低減できることがわかった。これは、温度検出手段がセンサ表層付近に配置され、検知部温度とほぼ同様の温度を検出することができ、温度計測結果に基づいて直ちに検知部温度を制御できるためである。
一方、比較例１、２の場合、ガス温度が急変すると、センサ感度が大きく変化し、又、センサ感度が定常状態へ戻る緩和時間も長くなった。これは、温度検出手段がセンサ内部に配置され、センサ表層の検知部温度を検出することができず、温度計測結果に基づいて検知部温度を制御するのに時間がかかり、安定した出力を得るまでに時間を要するためである。なお、固体酸材料は、制御温度が低いほど高感度となる傾向がある。
又、実施例２の変形例である、上記上記第３、第４の実施形態に係る起電力式アンモニアセンサについても同様に実験を行ったが、実施例２と同様に良好な結果であった。
【００６０】
（３）ガスセンサ制御装置による温度補正の効果
次に、コントローラ（ガスセンサ制御装置）として、図９に示す構成のものを用い、実施例１、２のアンモニアセンサと接続した。そして、図１１の処理フローに従って、センサ出力（ガス濃度信号）を温度補正した。補正には図１０に示すマップを用いた。
実施例１、２と同様にしてモデルガス発生装置のガス流中にセンサを配置し、ガス温度を２８０℃で一定とし、ガス流速を１ｍ／ｓから６ｍ／ｓへ変化させ１ｍ／ｓに戻した時の、経過時間に対するセンサ感度（出力）を図１４、図１５に示す。
【００６１】
センサ出力を温度補正した実施例（図１４）の場合、ガスセンサ素子の温度が急変しても、センサ出力は安定していた。一方、センサ出力を温度補正しなかった比較例（図１５）の場合、ガスセンサ素子の温度が急変すると、センサ出力も変動した。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガスセンサ（アンモニアセンサ）の長手方向に沿う断面図である。
【図２】センサ素子部５０Ａの構成を示す斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】センサ素子部５０Ａの展開図である。
【図５】第２の実施形態に係るアンモニアセンサにおけるセンサ素子部５０Ｃの長手方向に沿う断面図である。
【図６】センサ素子部５０Ｃの展開図である。
【図７】第３の実施形態に係るアンモニアセンサにおけるセンサ素子部の一部の展開図である。
【図８】第４の実施形態に係るアンモニアセンサにおけるセンサ素子部の一部の展開図である。
【図９】本発明のガスセンサ制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】メモリ３０４に記憶されたマップのデータ構成を示す図である。
【図１１】ＭＣ（ＣＰＵ）３０２による補正処理フローを示す図である。
【図１２】ガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させた時の、経過時間に対するセンサ感度を示す図である。
【図１３】ガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させた時の、経過時間に対するセンサ感度を示す別の図である。
【図１４】ガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させ、センサ出力を温度補正した時の、経過時間に対するセンサ感度を示す図である。
【図１５】ガス流中にセンサを配置してガス温度を変化させ、センサ出力を温度補正しなかった時の、経過時間に対するセンサ感度を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
２Ａ〜２Ｅ 電極（検知電極、基準電極）
４ 感応部（感応層）
６、６Ｄ 固体電解質層
１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄ 検知部
１２Ａ、１２Ｃ 緻密絶縁層
１４Ａ、１４Ｃ、１４Ｅ 温度検出手段
１６Ａ、１６Ｃ ヒータ
５０Ａ〜５０Ｅ センサ素子部
５１Ａ、５１Ｃ センサ素子部の表面
５２Ａ、５２Ｃ 表面と反対側の裏面
３００ ガスセンサ制御装置
３０２ 温度変動補正手段（マイクロコンピュータ；ＭＣ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガス中の特定ガスを検出する検知部が表面に露出し又は前記表面に露出したガス透過性層の直下に前記検知部が配置された板状のセンサ素子部を有するガスセンサであって、
前記センサ素子部における前記表面と反対側の裏面を構成する最外層に緻密絶縁層が形成され、前記緻密絶縁層の直下に前記検知部の温度を検出するための温度検出手段が配置されているガスセンサ。
【請求項２】
前記緻密絶縁層の厚みが５０μｍ以下である請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記検知部は、一対の電極と、該一対の電極に接して設けられた感応部とを含み、前記一対の電極間のインピーダンス変化によって前記測定ガス中のアンモニア濃度を検出する請求項１又は２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記検知部は、固体電解質層と、該固体電解質層の両面にそれぞれ対向して積層された一対の電極とを含み、前記一対の電極間の起電力変化によって前記測定ガス中のアンモニア濃度を検出する請求項１又は２記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記固体電解質層のうち、前記電極が積層された部分を除く露出部が所定の絶縁層で被覆されている請求項４記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記温度検出手段が検出した温度に基づいて制御されるヒータを一体に備えた請求項１〜５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のガスセンサの制御に用いられ、前記ガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置であって、
前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記センサ素子部からの前記特定ガスの検知出力を補正する温度変動補正手段を有するガスセンサ制御装置。
【請求項１】
測定ガス中の特定ガスを検出する検知部が表面に露出し又は前記表面に露出したガス透過性層の直下に前記検知部が配置された板状のセンサ素子部を有するガスセンサであって、
前記センサ素子部における前記表面と反対側の裏面を構成する最外層に緻密絶縁層が形成され、前記緻密絶縁層の直下に前記検知部の温度を検出するための温度検出手段が配置されているガスセンサ。
【請求項２】
前記緻密絶縁層の厚みが５０μｍ以下である請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記検知部は、一対の電極と、該一対の電極に接して設けられた感応部とを含み、前記一対の電極間のインピーダンス変化によって前記測定ガス中のアンモニア濃度を検出する請求項１又は２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記検知部は、固体電解質層と、該固体電解質層の両面にそれぞれ対向して積層された一対の電極とを含み、前記一対の電極間の起電力変化によって前記測定ガス中のアンモニア濃度を検出する請求項１又は２記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記固体電解質層のうち、前記電極が積層された部分を除く露出部が所定の絶縁層で被覆されている請求項４記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記温度検出手段が検出した温度に基づいて制御されるヒータを一体に備えた請求項１〜５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のガスセンサの制御に用いられ、前記ガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置であって、
前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記センサ素子部からの前記特定ガスの検知出力を補正する温度変動補正手段を有するガスセンサ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−１３３８０８（Ｐ２００９−１３３８０８Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５７８６１（Ｐ２００８−５７８６１）
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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