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專利名稱：氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器。
背景技術(shù)：
目前已知電化學(xué)式的氣體傳感器。在這種氣體傳感器中使用在基板狀的固體電解質(zhì)部件上形成有檢測(cè)極和參考極的傳感器元件。檢測(cè)極具有作為集電體的金屬層以及作為檢測(cè)材料的金屬碳酸鹽層或金屬碳酸氫鹽層。
這類氣體傳感器可如下述那樣測(cè)定出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。首先，根據(jù)測(cè)定對(duì)象氣體的濃度，金屬碳酸鹽層或金屬碳酸氫鹽層吸附測(cè)定對(duì)象氣體。接著，在金屬碳酸鹽層或金屬碳酸氫鹽層中發(fā)生起因于該測(cè)定對(duì)象氣體的生成離子的平衡反應(yīng)。然后，在固體電解質(zhì)部件中，在檢測(cè)極與參考極之間產(chǎn)生導(dǎo)電離子的濃度差，基于該濃度差產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)(電位差)可測(cè)定出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。這時(shí)，固體電解質(zhì)部件被加熱到適合離子傳導(dǎo)的溫度(例如350℃以上)而得到使用(例如，參照特開(kāi)平11-295265號(hào)·日本國(guó)公開(kāi)特許公報(bào))。另外，固體電解質(zhì)部件的電動(dòng)勢(shì)即使是相同氣體濃度，也隨溫度的不同而有所不同。因此，基于電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定對(duì)象氣體的濃度值根據(jù)固體電解質(zhì)部件的溫度被補(bǔ)正。

發(fā)明內(nèi)容
那么，在通常的電化學(xué)式的氣體傳感器中，如果設(shè)置參考極以及檢測(cè)極時(shí)使參考極與檢測(cè)極之間的阻抗變大，因?yàn)殡妱?dòng)勢(shì)值變大，所以即使在測(cè)定對(duì)象氣體的濃度稀的情況下，也可以以良好的精度進(jìn)行測(cè)定。另外，當(dāng)設(shè)置參考極以及檢測(cè)極時(shí)，若使參考極與檢測(cè)極之間的阻抗變小，可提高反應(yīng)速度。這樣，參考極與檢測(cè)極之間的阻抗所優(yōu)選的大小隨氣體傳感器的用途或使用環(huán)境而不同。但是，在以往的氣體傳感器中，參考極與檢測(cè)極之間的阻抗是一定的，不能根據(jù)用途變更參考極與檢測(cè)極之間的阻抗。即，在以往的氣體傳感器中，難以用各種方法測(cè)定氣體濃度。
另外，在上述以往的氣體傳感器中，為了測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度，例如使用熱變電阻或熱電偶等溫度檢測(cè)元件。當(dāng)使用熱變電阻時(shí)，將熱變電阻配置在傳感器元件的附近，測(cè)定傳感器元件周圍的環(huán)境溫度。另外，當(dāng)使用熱電偶時(shí)，使熱電偶接觸傳感器元件，測(cè)定傳感器自身的溫度。
但是，即使測(cè)定傳感器周圍的環(huán)境溫度，因?yàn)榕c固體電解質(zhì)部件的溫度不同，所以測(cè)定誤差也變大。另外，當(dāng)使熱電偶接觸傳感器元件時(shí)，因?yàn)闊崃宽樦鵁犭娕紡膫鞲衅髟⒊觯怨腆w電解質(zhì)部件難以保持在規(guī)定的溫度。而且，如上述那樣，固體電解質(zhì)部件被加熱到350℃以上的高溫而使用，所以也難以將熱電偶固體在傳感器元件上。根據(jù)這樣的背景，有了對(duì)不使用溫度傳感器而根據(jù)溫度可以以高精度測(cè)定氣體濃度的氣體傳感器的要求。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用各種方法可測(cè)定氣體濃度的氣體傳感器以及使用該氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法。
本發(fā)明的一方面涉及氣體傳感器。本發(fā)明的第一氣體傳感器具備固體電解質(zhì)部件，和含有金屬碳酸鹽以及金屬碳酸氫鹽中的至少一種、被設(shè)置在固體電解質(zhì)部件上的檢測(cè)極，和配置在固體電解質(zhì)部件上的第一參考極以及第二參考極。
在第一氣體傳感器中，因?yàn)橥ㄟ^(guò)用內(nèi)部配線或外部配線使第一參考極和第二參考極短路、擴(kuò)大參考極和固體電解質(zhì)部件的接觸面積，所以與單獨(dú)使用第一參考極或第二參考極時(shí)相比，參考極與檢測(cè)極之間的阻抗變小。因此，只要利用該第一氣體傳感器，就可根據(jù)測(cè)定用途或使用環(huán)境變更參考極與固體電解質(zhì)部件的接觸面積(即，參考極與檢測(cè)極之間的阻抗)。因此，第一氣體傳感器可用各種方法測(cè)定氣體濃度。
然而，設(shè)置在固體電解質(zhì)部件上的檢測(cè)極與參考極之間的阻抗依賴于固體電解質(zhì)部件的溫度。因此，在檢測(cè)極與參考極之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也依賴于固體電解質(zhì)部件的溫度。本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)隨著固體電解質(zhì)部件中的參考極與檢測(cè)極之間的阻抗的不同，相對(duì)于固體電解質(zhì)部件的溫度變化的阻抗變化的程度(變化率)也不同。在第一氣體傳感器中，因?yàn)槟軌蚋淖儏⒖紭O與檢測(cè)極之間的阻抗，所以基于參考極中電動(dòng)勢(shì)的差異(例如電位差)，可知固體電解質(zhì)部件的溫度。其結(jié)果是不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因?yàn)榭梢灾苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件相比，可以以更良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡(jiǎn)易且以良好的精度求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
第一氣體傳感器優(yōu)選還具有用于使第一參考極和第二參考極相互短路的開(kāi)關(guān)單元。
另外，第一氣體傳感器還具有放大兩個(gè)輸入端子間的電壓的放大單元，放大單元的兩個(gè)輸入端子中的一個(gè)與第一參考極或第二參考極電連接，放大單元的兩個(gè)輸入端子中的另一個(gè)與檢測(cè)極電連接。由此，可以以更好精度測(cè)定第一參考極或第二參照與檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)、或被短路的第一以及第二參考極與檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)。
另外，第一氣體傳感器優(yōu)選還具有氣體濃度測(cè)定單元，氣體濃度測(cè)定單元求出第一參考極以及第二參考極中的一個(gè)與檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)、或在第一參考極以及第二參考極相互短路的狀態(tài)下的第一以及第二參考極與檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)，基于第一或第二電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體濃度的相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
另外，第一氣體傳感器還優(yōu)選具有氣體濃度計(jì)算單元，該氣體濃度計(jì)算單元求出第一參考極以及第二參考極中的一個(gè)與檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)、或在第一參考極以及第二參考極相互短路狀態(tài)下的第一以及第二參考極與檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)，基于第一或第二電動(dòng)勢(shì)的不同、求出固體電解質(zhì)部件的溫度，基于第一或第二電動(dòng)勢(shì)與測(cè)定對(duì)象氣體濃度的相關(guān)性、即、與該溫度對(duì)應(yīng)的該相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
另外，第一氣體傳感器的特征在于，還具有用于加熱固體電解質(zhì)部件的加熱器，和控制向加熱器的電力供給的溫度控制單元。
溫度控制單元可以控制向加熱器的電力供給，使固體電解質(zhì)部件的溫度接近于設(shè)定溫度。在氣體傳感器中，當(dāng)固體電解質(zhì)部件的溫度變高時(shí)，促進(jìn)檢測(cè)極的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測(cè)定對(duì)象氣體的反應(yīng)。另外，當(dāng)固體電解質(zhì)部件的溫度變低時(shí)，向固體電解質(zhì)部件的加熱量變少，可抑制消耗電力。根據(jù)該氣體傳感器，通過(guò)選擇固體電解質(zhì)部件的設(shè)定溫度，就可根據(jù)測(cè)定用途或使用環(huán)境而使反應(yīng)活性或消耗電力發(fā)生變化。
另外，溫度控制單元求出第一參考極以及第二參考極中的一個(gè)與檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)、以及、在第一參考極以及第二參考極相互短路的狀態(tài)下的第一或第二參考極與檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)，基于第一和第二電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件的溫度，控制向加熱器的電力供給，使該溫度接近于規(guī)定溫度。
本發(fā)明的第二氣體傳感器具備固體電解質(zhì)部件，和含有金屬碳酸鹽以及金屬碳酸氫鹽中的至少一種、且以相對(duì)于固體電解質(zhì)部件中檢測(cè)極的阻抗互不相同的方式被配置在固體電解質(zhì)部件上的多個(gè)參考極。
利用該第二氣體傳感器，就可根據(jù)測(cè)定用途或使用環(huán)境選擇參考極與檢測(cè)極之間的阻抗。因此，第二氣體傳感器可用各種方法測(cè)定氣體濃度。
另外，如上述那樣，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)當(dāng)在固體電解質(zhì)部件上設(shè)置多個(gè)參考極，且以這些參考極和檢測(cè)極之間的固體電解質(zhì)部件中的阻抗相互不同的方式配置各參考極時(shí)，相對(duì)于固體電解質(zhì)部件的溫度變化的阻抗變化的程度在多個(gè)參考極的各個(gè)中也不同。在第二氣體傳感器中，因?yàn)榛诙鄠€(gè)參考極的各個(gè)中的電動(dòng)勢(shì)的不同而可知固體電解質(zhì)部件的溫度，所以不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定出固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因?yàn)槟軌蛑苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件相比，可以以更良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。
第二氣體傳感器的特征在于，參考極與檢測(cè)極之間的距離在多個(gè)參考極的各個(gè)中互不相同。或者，第二氣體傳感器的特征也可以為，參考極與固體電解質(zhì)部件的接觸面積在多個(gè)參考極的各個(gè)中互不相同。由此，可合適地實(shí)現(xiàn)以與檢測(cè)極之間的固體電解質(zhì)部件中的阻抗互不相同的方式配置的多個(gè)參考極。
另外，第二氣體傳感器的特征也可以為，具備切換兩個(gè)端子間的通電狀態(tài)的多個(gè)開(kāi)關(guān)單元，多個(gè)開(kāi)關(guān)單元的各個(gè)的一個(gè)端子以一對(duì)一的方式電連接在多個(gè)參考極上，多個(gè)開(kāi)關(guān)單元的各個(gè)的另一個(gè)的端子相互短路。由此，因?yàn)楫?dāng)測(cè)定電動(dòng)勢(shì)時(shí)可適當(dāng)選擇多個(gè)參考極的任一個(gè)，所以用于測(cè)定多個(gè)參考極的各個(gè)與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)的電路可實(shí)現(xiàn)小型化。
另外，第二氣體傳感器的特征也可以為，具有放大兩個(gè)輸入端子間的電壓的放大單元，放大單元的兩個(gè)輸入端子中的一個(gè)與多個(gè)開(kāi)關(guān)單元各個(gè)的另一個(gè)的端子電連接，放大單元的兩個(gè)輸入端子中的另一個(gè)與檢測(cè)極電連接。由此，可以以更好的精度測(cè)定多個(gè)參考極的各個(gè)與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)。
另外，第二氣體傳感器優(yōu)選還具有用于加熱固體電解質(zhì)部件的加熱器。
另外，第二氣體傳感器的特征也可以為，具有溫度控制單元，該溫度控制單元基于參考極的各個(gè)與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)的不同而求出固體電解質(zhì)部件的溫度，控制加熱器的電力供給，使該溫度接近于規(guī)定溫度。由此，可合適地實(shí)現(xiàn)氣體傳感器，使其不使用溫度檢測(cè)元件就以良好精度地測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度，能夠簡(jiǎn)易且以良好的精度控制該溫度。
另外，第二氣體傳感器優(yōu)選還具有氣體濃度計(jì)算單元，該氣體濃度計(jì)算單元基于參考極的各個(gè)與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)的不同而求出固體電解質(zhì)部件的溫度，基于多個(gè)參考極中的至少一個(gè)參考極中的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性、即、與該溫度對(duì)應(yīng)的相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。由此，可合適地實(shí)現(xiàn)不使用溫度檢測(cè)元件就以良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度、能夠簡(jiǎn)易且以良好的精度測(cè)定出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的氣體傳感器。
另外，第二氣體傳感器優(yōu)選具有氣體濃度測(cè)定單元，該氣體濃度測(cè)定單元基于多個(gè)參考極中的一個(gè)參考極與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性而求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
本發(fā)明的另一方面涉及氣體濃度測(cè)定方法。本發(fā)明的第一氣體濃度測(cè)定方法是使用上述第二氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，包括從多個(gè)參考極中選擇參考極的選擇步驟；測(cè)定在選擇步驟中選擇的參考極與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)的電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟；基于在電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟中測(cè)定的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的氣體濃度計(jì)算步驟。
利用第一氣體濃度測(cè)定方法，通過(guò)從與檢測(cè)極之間的阻抗互不相同的多個(gè)參考極中選擇一個(gè)參考極，根據(jù)測(cè)定用途或使用環(huán)境，可變更檢測(cè)極與參考極之間的阻抗。
本發(fā)明的第二氣體濃度測(cè)定方法是，使用上述的第一氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，包括選擇步驟，選擇測(cè)定第一電動(dòng)勢(shì)(該第一電動(dòng)勢(shì)為，第一參考極以及第二參考極中的一個(gè)與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì))和第二電動(dòng)勢(shì)(該第二電動(dòng)勢(shì)為，在第一參考極以及第二參考極相互短路狀態(tài)下的第一以及第二參考極與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì))中的任一電動(dòng)勢(shì)；電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定在選擇步驟中被選擇的第一電動(dòng)勢(shì)或第二電動(dòng)勢(shì)；氣體濃度計(jì)算步驟，基于電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟中被測(cè)定的第一電動(dòng)勢(shì)或第二電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
在第二氣體濃度測(cè)定方法中，通過(guò)使第一以及第二參考極短路，擴(kuò)大參考極與固體電解質(zhì)部件的接觸面積，與單獨(dú)使用第一或第二參考極時(shí)相比，參考極與檢測(cè)極之間的阻抗變小。因此，利用上述的第二氣體濃度測(cè)定方法，通過(guò)選擇測(cè)定第一以及第二電動(dòng)勢(shì)中的哪個(gè)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)測(cè)定用途或使用環(huán)境，可變更檢測(cè)極與參考極之間的阻抗。
另外，第一以及第二氣體濃度測(cè)定方法的特征也可以為，還具備溫度選擇步驟，選擇固體電解質(zhì)部件的設(shè)定溫度；加熱步驟，在電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟之前加熱固體電解質(zhì)部件，使固體電解質(zhì)部件的溫度接近于設(shè)定溫度。在氣體傳感器中，當(dāng)固體電解質(zhì)部件的溫度變高時(shí)，促進(jìn)檢測(cè)極的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測(cè)定對(duì)象氣體的反應(yīng)。另外，當(dāng)固體電解質(zhì)部件的溫度降低時(shí)，給固體電解質(zhì)部件的加熱量變少，可抑制消耗電力。根據(jù)該氣體濃度測(cè)定方法，通過(guò)選擇固體電解質(zhì)部件的設(shè)定溫度，根據(jù)測(cè)定用途或使用環(huán)境能夠改變反應(yīng)的活性或消耗電力。
本發(fā)明的第三氣體濃度測(cè)定方法是，使用上述第二氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于，包括電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定多個(gè)參考極與檢測(cè)極之間的各個(gè)電動(dòng)勢(shì)；氣體濃度計(jì)算步驟，基于電動(dòng)勢(shì)的不同求出固體電解質(zhì)部件的溫度，基于多個(gè)參考極中至少一個(gè)參考極與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性、即、與該溫度對(duì)應(yīng)的相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)當(dāng)將多個(gè)參考極設(shè)置在固體電解質(zhì)部件上，且以這些參考極與檢測(cè)極之間的固體電解質(zhì)部件中的阻抗互不相同的方式配置各參考極時(shí)，相對(duì)于固體電解質(zhì)部件的溫度變化的阻抗變化的程度(變化率)在多個(gè)參考極的各個(gè)中也不同。因此，基于參考極中電動(dòng)勢(shì)的差異(例如電動(dòng)勢(shì)差)，可知固體電解質(zhì)部件的溫度。在第三氣體濃度測(cè)定方法中，基于多個(gè)參考極的各個(gè)中的電動(dòng)勢(shì)的不同而求出固體電解質(zhì)部件的溫度，所以不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因?yàn)槟軌蛑苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件時(shí)相比，可以以更良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡(jiǎn)易且以良好精度地求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
本發(fā)明的第四氣體濃度測(cè)定方法是使用上述第二氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于，包括電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定多個(gè)參考極與檢測(cè)極之間的各自的電動(dòng)勢(shì)；溫度控制步驟，基于電動(dòng)勢(shì)的不同求出固體電解質(zhì)部件的溫度，控制向固體電解質(zhì)部件的加熱量，使該溫度接近于規(guī)定溫度；氣體濃度計(jì)算步驟，基于多個(gè)參考極中至少一個(gè)參考極與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性、即、與規(guī)定溫度對(duì)應(yīng)的該相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
在第四氣體濃度測(cè)定方法中，與第三氣體濃度測(cè)定方法相同，基于多個(gè)參考極的各個(gè)中的電動(dòng)勢(shì)的不同求出固體電解質(zhì)部件的溫度，所以不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因?yàn)榭芍苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件相比，可以以更良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡(jiǎn)易且以良好精度地控制固體電解質(zhì)部件的溫度。
本發(fā)明的第五氣體濃度測(cè)定方法是使用上述的第一氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，包括電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定第一參考極以及第二參考極中的一個(gè)與檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)，在第一參考極以及第二參考極短路的狀態(tài)下測(cè)定第一以及第二參考極與檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)；氣體濃度計(jì)算步驟，基于第一電動(dòng)勢(shì)或第二電動(dòng)勢(shì)的不同求出固體電解質(zhì)部件的溫度，基于與該溫度對(duì)應(yīng)的第一電動(dòng)勢(shì)或第二電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
在上述的第五氣體濃度測(cè)定方法中，在測(cè)定兩個(gè)參考極的一個(gè)與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)(第一電動(dòng)勢(shì))的同時(shí)，在兩個(gè)參考極相互短路的狀態(tài)(即，擴(kuò)大參考極與固體電解質(zhì)部件的接觸面積的狀態(tài))下，還測(cè)定參考極與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)(第二電動(dòng)勢(shì))。這樣，通過(guò)使參考極與固體電解質(zhì)部件的接觸面積發(fā)生變化，可適當(dāng)?shù)厥箙⒖紭O與檢測(cè)極之間的阻抗發(fā)生變化。因此，基于第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同(例如電動(dòng)勢(shì)差)，可知道固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，在第五氣體濃度測(cè)定方法中，基于第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件的溫度，所以不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因?yàn)榭芍苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件相比，可以以更良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡(jiǎn)易且以良好的精度求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
本發(fā)明的第六氣體濃度測(cè)定方法是使用上述的第一氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，包括電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定第一參考極以及第二參考極中的一個(gè)與檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)，在第一參考極以及第二參考極短路的狀態(tài)下測(cè)定第一以及第二參考極與檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)；溫度控制步驟，基于第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同求出固體電解質(zhì)部件的溫度，控制向固體電解質(zhì)部件的加熱量，使該溫度接近于規(guī)定溫度；氣體濃度測(cè)定步驟，測(cè)定第一以及第二參考極中的一個(gè)與檢測(cè)極之間的第三電動(dòng)勢(shì)，基于第三電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性、即、與規(guī)定溫度對(duì)應(yīng)的該相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
在上述的第六氣體濃度測(cè)定方法中，與第五氣體濃度測(cè)定方法相同，基于第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同求出固體電解質(zhì)部件的溫度，所以不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因?yàn)榭芍苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件相比，可以以更良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡(jiǎn)易且以良好的精度控制固體電解質(zhì)部件的溫度。
另外，第三～第六氣體濃度測(cè)定方法優(yōu)選在電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟之前還具有加熱固體電解質(zhì)部件的步驟。


圖1是表示本發(fā)明的氣體傳感器的第一實(shí)施方式的構(gòu)成的示意圖。
圖2是表示圖1所示的傳感器的I-I剖面的剖面圖。
圖3是表示第一實(shí)施方式的氣體傳感器的動(dòng)作的流程圖。
圖4是表示第一實(shí)施方式的氣體傳感器的變形例的構(gòu)成的平面圖。
圖5是表示第二實(shí)施方式的氣體傳感器的構(gòu)成的示意圖。
圖6是表示第二實(shí)施方式的氣體傳感器的動(dòng)作的流程圖。
圖7是表示本發(fā)明的氣體傳感器的第三實(shí)施方式的構(gòu)成的示意圖。
圖8是為了調(diào)查多個(gè)參考極的各個(gè)與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)的不同、與固體電解質(zhì)部件的溫度的相關(guān)性而試制的裝置的斜視圖。
圖9是表示各電極間的各個(gè)中的阻抗的變化的圖。
圖10是表示第三實(shí)施方式的氣體傳感器的動(dòng)作的流程圖。
圖11是表示第四實(shí)施方式的氣體傳感器的構(gòu)成的示意圖。
圖12是表示第四實(shí)施方式的氣體傳感器的動(dòng)作的流程圖。
圖13是表示第五實(shí)施方式的氣體傳感器的構(gòu)成的示意圖。
圖14是表示第五實(shí)施方式的氣體傳感器的動(dòng)作的流程圖。
圖15是表示第六實(shí)施方式的氣體傳感器的構(gòu)成的示意圖。
圖16是表示第六實(shí)施方式的氣體傳感器的動(dòng)作的流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器的實(shí)施方式。另外，在附圖的說(shuō)明中，對(duì)相同的部分付與相同的符號(hào)并省略了重復(fù)說(shuō)明。
(第一實(shí)施方式)圖1是表示本發(fā)明的氣體傳感器的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要圖。本實(shí)施方式的氣體傳感器1a，例如可用作將二氧化碳作為測(cè)定對(duì)象氣體的二氧化碳傳感器。
氣體傳感器1a具備傳感器元件2a、多個(gè)開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)單元)7a以及7b、放大器8、氣體濃度測(cè)定部(氣體濃度測(cè)定單元)9a、加熱器電源10、配線11a～11e以及溫度控制部(溫度控制單元)19。
傳感器元件2a是產(chǎn)生與測(cè)定對(duì)象氣體的濃度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)的元件。圖2是表示圖1所示的傳感器2a的I-I剖面的剖面圖。參照?qǐng)D2，傳感器元件2a具有平板狀的固體電解質(zhì)部件3、連接設(shè)置在該固體電解質(zhì)部件3的一個(gè)面3a上的檢測(cè)極4、連接在固體電解質(zhì)部件3的一個(gè)面3a上且與檢測(cè)極4分離設(shè)置的多個(gè)參考極5a以及5b、與固體電解質(zhì)部件3的另一面3b連接設(shè)置的加熱器6。
固體電解質(zhì)部件(含有固體電解質(zhì)的部件)3是金屬離子導(dǎo)電體，例如，堿金屬離子以及/或者堿土類金屬離子導(dǎo)電體，可優(yōu)選使用鈉離子導(dǎo)電體。就這類離子導(dǎo)電體而言，例如適合使用以Na1+xZr2SixP3-xO12(x＝0～3)表示的NASICON(具體例為Na3Zr2Si2PO12等)。
另外，固體電解質(zhì)部件3中除金屬離子導(dǎo)電體以外，還可以以質(zhì)量百分率計(jì)50％以下地、含有不妨礙離子導(dǎo)電性程度的增強(qiáng)劑，例如氧化鋁(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化鋯(ZrO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化鐵(Fe2O3)等。
檢測(cè)極4在測(cè)定二氧化碳作為測(cè)定對(duì)象氣體時(shí)，優(yōu)選含有金屬碳酸鹽及/或金屬碳酸氫鹽。檢測(cè)極4通過(guò)含有金屬碳酸鹽及/或金屬碳酸氫鹽，促進(jìn)檢測(cè)二氧化碳時(shí)所必需的碳酸氫離子的生成，更提高了靈敏度、應(yīng)答速度、選擇性等。另外被認(rèn)為金屬碳酸鹽與二氧化碳、水反應(yīng)生成金屬碳酸氫鹽，促進(jìn)來(lái)自二氧化碳的碳酸氫離子的生成。
就金屬碳酸鹽而言，例如可舉出碳酸鋰(Li2CO3)、碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸鋇(BaCO3)等。另外，就金屬碳酸氫鹽而言，例如有堿金屬的碳酸氫鹽等，可舉出碳酸氫鈉(NaHCO3)、碳酸氫鉀(KHCO3)、碳酸氫銣(RbHCO3)、碳酸氫銫(CsHCO3)等。
另外，檢測(cè)極4的構(gòu)成中含有金屬氧化物。檢測(cè)極4所含有的金屬氧化物優(yōu)選具有電子導(dǎo)電性，例如適于使用氧化銦(In2O3)。
參考極5a以及5b與檢測(cè)極4以規(guī)定距離被分隔，且連接在固體電解質(zhì)部件3上而形成。參考極5a以及5b被配置成使與檢測(cè)極4之間的固體電解質(zhì)部件3中的阻抗互不相同。在本實(shí)施方式中，參考極5a和檢測(cè)極4的距離比參考極5b和檢測(cè)極4的距離短，由此使參考極5a和檢測(cè)極4之間的阻抗比參考極5b和檢測(cè)極4之間的阻抗小。另外，就參考極5a以及5b的材質(zhì)而言，適于使用金屬或?qū)щ娦缘慕饘傺趸锏取?br> 加熱器6被連接設(shè)置在固體電解質(zhì)部件3的另一面3b上。加熱器6電連接在加熱器電源10(參照?qǐng)D1)上，通過(guò)來(lái)自加熱器電源10的電力供給而產(chǎn)生熱，向固體電解質(zhì)部件3供給熱。固體電解質(zhì)部件3通過(guò)加熱器6被加熱到適宜離子傳導(dǎo)的溫度(如為NASICON，約為350℃以上)。
再次參照?qǐng)D1。溫度控制部19是控制向加熱器6的供給電力的單元，通過(guò)該控制使固體電解質(zhì)部件3的溫度接近設(shè)定溫度。溫度控制部19，例如可通過(guò)CPU等計(jì)算處理裝置實(shí)施存儲(chǔ)在硬盤或存儲(chǔ)器等存儲(chǔ)裝置的規(guī)定程序而可實(shí)現(xiàn)。另外，固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度可由測(cè)定者設(shè)定成任意的溫度，另外，也可由測(cè)定者從預(yù)先決定的設(shè)定溫度群中進(jìn)行選擇。當(dāng)固體電解質(zhì)部件3含有NASICON時(shí)，設(shè)定溫度的優(yōu)選值例如為150～700℃。溫度控制部19與用于控制加熱器電源10的輸出的控制端子10a電連接，根據(jù)設(shè)定溫度，將用于控制向加熱器6供給電力的電力控制信號(hào)S2提供給加熱器電源10。另外，為了控制固體電解質(zhì)部件3的溫度，氣體傳感器1a可具備沒(méi)有圖示的熱敏電阻或熱電偶等溫度檢測(cè)元件。這時(shí)，溫度控制部19基于來(lái)自溫度檢測(cè)元件的溫度信號(hào)，以固體電解質(zhì)部件3的溫度接近設(shè)定溫度的方式生成電力控制信號(hào)S2。
開(kāi)關(guān)7a具有一對(duì)端子71a以及72a。開(kāi)關(guān)7b具有一對(duì)端子71b以及72b。開(kāi)關(guān)7a以及7b可分別切換與端子71a和端子72a的通電狀態(tài)、以及與端子71b和端子72b的通電狀態(tài)。開(kāi)關(guān)7a以及7b用于選擇(切換)參考極5a以及5b中的任一個(gè)。開(kāi)關(guān)7a以及7b的一個(gè)端子71a以及71b分別通過(guò)配線11b以及11c與參考極5a以及5b電連接。另外，開(kāi)關(guān)7a以及7b的另一個(gè)端子72a以及72b通過(guò)配線11d以及11e相互短路。本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)7a以及7b通過(guò)機(jī)械式開(kāi)關(guān)17a以及17b而實(shí)現(xiàn)，但開(kāi)關(guān)7a以及7b例如可通過(guò)晶體管等半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
放大器8是用于放大兩個(gè)輸入端子8a以及8b之間的電壓的放大單元。放大器8的一個(gè)輸入端子8a通過(guò)配線11d以及11e與開(kāi)關(guān)7a以及7b的端子72a以及72b電連接。放大器8的另一個(gè)輸入端子8b通過(guò)配線11a與檢測(cè)極4電連接。放大器8的輸出端子8c與氣體濃度測(cè)定部9a電連接。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)開(kāi)關(guān)7a或7b成為通電狀態(tài)時(shí)，放大器8放大參考極5a或5b與檢測(cè)極4之間的電位差(電動(dòng)勢(shì))而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1，將該電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1提供給氣體濃度測(cè)定部9a。
氣體濃度測(cè)定部9a是，測(cè)定通過(guò)開(kāi)關(guān)7a或7b被選擇的參考極5a或5b與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)，基于該電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性求得測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的單元。氣體濃度測(cè)定部9a預(yù)先存儲(chǔ)有在各溫度下參考極5a以及5b的各個(gè)的電動(dòng)勢(shì)與二氧化碳濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)將參考極5a或5b與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)值和固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，求得二氧化碳濃度。例如，氣體濃度測(cè)定部9a，可通過(guò)預(yù)先將特性值映射化并存儲(chǔ)的CPU等計(jì)算處理裝置，按照規(guī)定的程序?qū)嵤┯?jì)算處理而實(shí)現(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲(chǔ)于硬盤或存儲(chǔ)器等外部存儲(chǔ)裝置而使用。
以上，說(shuō)明了本實(shí)施方式的氣體傳感器1a的構(gòu)成。接著，參照?qǐng)D3說(shuō)明本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法，同時(shí)說(shuō)明氣體傳感器1a的動(dòng)作。圖3是包括氣體傳感器1a的動(dòng)作的氣體濃度測(cè)定方法的流程圖。另外，在以下的說(shuō)明中，分別舉例說(shuō)明作為測(cè)定對(duì)象氣體的二氧化碳，和作為檢測(cè)極4所含有的材料的碳酸鋰。
首先，選擇固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度，將該設(shè)定溫度輸入到溫度控制部19(溫度選擇步驟，S11)中。溫度控制部19根據(jù)被選擇的設(shè)定溫度，控制從加熱電源10向加熱器6的供給電力。加熱器6將固體電解質(zhì)部件3加熱到設(shè)定溫度(加熱步驟、S12)。由此，檢測(cè)極4所含有的碳酸鋰從Li2CO3分離為2Li+和CO32-而離子化，成為活化狀態(tài)。2Li+與從外部入侵到檢測(cè)極4的氧(O2)或二氧化碳(CO2)之間產(chǎn)生下述(1)的反應(yīng)，重新形成Li2CO3。
(1)新形成的Li2CO3與固體電解質(zhì)部件3的導(dǎo)電離子Na離子發(fā)生下述(2)的反應(yīng)。
(2)在上述的反應(yīng)中，Li2CO3與Na離子反應(yīng)時(shí)放出電子。放出的電子被獲取到Na2CO3中，在檢測(cè)極4和參考極5a以及5b之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。
接著，選擇參考極5a以及5b中的任一個(gè)(選擇步驟、S13)。即，關(guān)閉開(kāi)關(guān)7a以及7b中的一個(gè)(成為通電狀態(tài))，打開(kāi)另一個(gè)(成為非通電狀態(tài))。由此，在被選擇的參考極5a或5b和檢測(cè)極4之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1，被提供給氣體濃度測(cè)定部9a(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟、S14)。氣體濃度測(cè)定部9a基于電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1和二氧化碳濃度的相關(guān)關(guān)系，求出二氧化碳濃度(氣體濃度算出步驟、S15)。
利用以上說(shuō)明的本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1a，通過(guò)從與檢測(cè)極4之間的阻抗互不相同的多個(gè)參考極5a以及5b中選擇一個(gè)參考極5a或5b，根據(jù)測(cè)定用途或使用環(huán)境，可變更檢測(cè)極4和參考極之間的阻抗。
另外，在本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1a中，參考極5a以及檢測(cè)極5b與檢測(cè)極4之間的距離，優(yōu)選多個(gè)參考極5a以及5b分別相互不相同。由此，可適當(dāng)配置參考極5a以及5b，使參考極5a以及5b與檢測(cè)極4之間的、在固體電解質(zhì)部件3中的阻抗，在各參考極5a以及5b中互不相同，。
另外，氣體傳感器1a優(yōu)選具有如本實(shí)施方式那樣的被稱為放大器8的放大單元。由此，可以更精確地測(cè)定參考極5a或5b和檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)。
另外，氣體傳感器1a優(yōu)選具有如本實(shí)施方式那樣的與多個(gè)參考極5a以及5b對(duì)應(yīng)的多個(gè)開(kāi)關(guān)7a以及7b。由此，氣體濃度測(cè)定部9a在測(cè)定電動(dòng)勢(shì)時(shí)，能夠從多個(gè)參考極5a以及5b中適當(dāng)?shù)剡x擇任一個(gè)。
另外，氣體濃度測(cè)定方法如本實(shí)施方式那樣優(yōu)選具有選擇固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度的溫度選擇步驟S11；和，在電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟S14以及S15之前，以固體電解質(zhì)部件3的溫度接近設(shè)定溫度的方式加熱固體電解質(zhì)部件3的加熱步驟S12。另外，氣體傳感器1a優(yōu)選具有用于加熱固體電解質(zhì)部件3的加熱器6，和以固體電解質(zhì)部件3的溫度接近于設(shè)定溫度的方式控制供給加熱器6的電力的溫度控制部19。在本實(shí)施方式的氣體傳感器1a中，當(dāng)固體電解質(zhì)部件3的溫度變高時(shí)，促進(jìn)檢測(cè)極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽和測(cè)定對(duì)象氣體的反應(yīng)。另外，當(dāng)固體電解質(zhì)部件3的溫度變低時(shí)，向固體電解質(zhì)部件3供給的加熱量變少，可抑制消耗電力。因此，通過(guò)選擇固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度，根據(jù)測(cè)定用途或使用環(huán)境，可使反應(yīng)的活性或消耗電力適當(dāng)變化。
以下說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及通過(guò)氣體傳感器1a實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作模式的一例。
(1)低消耗電力模式該動(dòng)作模式是，在溫度選擇步驟S11中將固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度設(shè)定為比較低的溫度(例如150℃～250℃)，且在選擇步驟S13中選擇與檢測(cè)極4之間的阻抗大的參考極5b的動(dòng)作模式。在該動(dòng)作模式中，因?yàn)楣腆w電解質(zhì)部件3為低溫，所以檢測(cè)極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測(cè)定對(duì)象氣體的反應(yīng)降低，但因?yàn)閰⒖紭O5b與檢測(cè)極4之間的阻抗大，所以即使是少量的導(dǎo)電離子也能維持電動(dòng)勢(shì)、且可適當(dāng)?shù)販y(cè)定測(cè)定對(duì)象氣體濃度。因此，利用該動(dòng)作模式，可將加熱器6的消耗電力抑制在低水平。
(2)高濃度測(cè)定模式該動(dòng)作模式是，在溫度選擇步驟S11中將固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度設(shè)定為比較高的溫度(例如300℃～450℃)，且在選擇步驟S13中選擇與檢測(cè)極4之間的阻抗小的參考極5a的動(dòng)作模式。在該動(dòng)作模式中，因?yàn)楣腆w電解質(zhì)部件3為高溫，所以促進(jìn)了檢測(cè)極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測(cè)定對(duì)象氣體的反應(yīng)。另外，因?yàn)閰⒖紭O5a和檢測(cè)極4之間的阻抗小，所以從產(chǎn)生導(dǎo)電離子至作為電動(dòng)勢(shì)被測(cè)定的應(yīng)答速度變快。因此，利用該動(dòng)作模式，在更快地得到測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的同時(shí)，即使在測(cè)定對(duì)象氣體的濃度比較高的情況下也不發(fā)生飽現(xiàn)象而能夠進(jìn)行測(cè)定。
(3)簡(jiǎn)易測(cè)定模式該動(dòng)作模式是，在溫度選擇步驟S11中將固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度設(shè)定為比較低的溫度(例如150℃～250℃)，且在選擇步驟S13中選擇與檢測(cè)極4之間的阻抗小的參考極5a的動(dòng)作模式。在該動(dòng)作模式中，因?yàn)楣腆w電解質(zhì)部件3為低溫，所以檢測(cè)極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測(cè)定對(duì)象氣體的反應(yīng)降低。但是，因?yàn)閰⒖紭O5a與檢測(cè)極4之間的阻抗小，所以從產(chǎn)生導(dǎo)電離子至作為電動(dòng)勢(shì)被測(cè)定的應(yīng)答速度快。因此，該動(dòng)作模式適宜于簡(jiǎn)易測(cè)定比較高的濃度且濃度變化顯著的測(cè)定對(duì)象氣體的用途，可將加熱器6的消耗電力抑制在低水平。
(4)高精度測(cè)定模式該動(dòng)作模式是，在溫度選擇步驟S11中將固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度設(shè)定為比較高的溫度(例如300℃～450℃)，且在選擇步驟S13中選擇與檢測(cè)極4之間的阻抗大的參考極5b的動(dòng)作模式。在該動(dòng)作模式中，因?yàn)楣腆w電解質(zhì)部件3為高溫，所以促進(jìn)了檢測(cè)極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測(cè)定對(duì)象氣體的反應(yīng)。另外，因?yàn)閰⒖紭O5b與檢測(cè)極4之間的阻抗大，所以即使是少的導(dǎo)電離子也可維持電動(dòng)勢(shì)。因此，即使在測(cè)定對(duì)象氣體的濃度比較低的情況下，也可以以良好精度測(cè)定該濃度。
(變形例)圖4是，作為上述第一實(shí)施方式的氣體傳感器1a的變形例，表示傳感器元件2b的構(gòu)成的平面圖。第一實(shí)施方式的氣體傳感器1a中作為傳感器元件2a的代替也可具備本變形例的傳感器元件2b。本變形例的傳感器元件2b具備固體電解質(zhì)部件3、檢測(cè)極4、多個(gè)參考極5c以及5d和加熱器6。其中，除多個(gè)參考極5c以及5d以外的構(gòu)成與上述第一實(shí)施方式的構(gòu)成相同，所以省略說(shuō)明。
本變形例的參考極5c以及5d與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積互不相同。具體來(lái)說(shuō)，參考極5d形成的面積比參考極5c的大。另外，參考極5c及參考極5d與檢測(cè)極4的距離大致相同。如本變形例那樣，即使以各參考極5c、5d與固體電解質(zhì)部件3之間的接觸面積互不相同的方式設(shè)置各參考極5c、5d，也可合適地實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)極4之間的固體電解質(zhì)部件3中的阻抗相互不同的多個(gè)參考極5c、5d。
(第二實(shí)施方式)接著，說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器的第二實(shí)施方式。圖5是表示本實(shí)施方式的氣體傳感器1b的構(gòu)成的示意圖。氣體傳感器1b具備傳感器元件2c、開(kāi)關(guān)7c、放大器8、氣體濃度測(cè)定部9b、加熱器電源10、配線11f～11i以及溫度控制部19。另外，這些構(gòu)成中，加熱器電源10以及溫度控制部19的構(gòu)成與上述第一實(shí)施方式的構(gòu)成相同，因此省略說(shuō)明。
傳感器2c是產(chǎn)生與測(cè)定對(duì)象氣體的濃度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)的元件。本實(shí)施方式的傳感器元件2c與第一實(shí)施方式的傳感器元件2a不同點(diǎn)是參考極5e(第一參考極)以及參考極5f(第二參考極)的配置。在本實(shí)施方式中，參考極5e以及5f分別以與檢測(cè)極4約相等的距離配置在固體電解質(zhì)部件3上，與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積也大致相等。即，參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間的固體電解質(zhì)部件3中的阻抗相互大致相等。另外，在本實(shí)施方式中，為了明確與第一實(shí)施方式的差異，使參考極5e以及5f成為上述那樣的配置、形狀，但本發(fā)明的第一以及第二參考極與檢測(cè)極的距離可互不相同，另外，與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積也可以互不相同。另外，固體電解質(zhì)部件3、檢測(cè)極4以及加熱器6的構(gòu)成與第一實(shí)施方式的構(gòu)成相同。
開(kāi)關(guān)7c是用于使參考極5e以及5f相互短路的單元。開(kāi)關(guān)7c具有一對(duì)端子71c以及72c，可切換端子71c與端子72c之間的通電狀態(tài)。開(kāi)關(guān)7c的一個(gè)端子71c通過(guò)配線11h與參考極5f電連接。另外，開(kāi)關(guān)7c的另一個(gè)端子72c通過(guò)配線11g以及11i與參考極5e電連接。本實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)7c可通過(guò)與第一實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)7a以及7b相同的機(jī)械式開(kāi)關(guān)17c實(shí)現(xiàn)，但開(kāi)關(guān)7c例如也可通過(guò)晶體管等半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)而實(shí)現(xiàn)。
放大器8的一個(gè)輸入端子8a通過(guò)配線11i與開(kāi)關(guān)7c的端子72c電連接，且通過(guò)配線11g與參考極5e電連接。放大器8的另一個(gè)輸入端子8b通過(guò)配線11f與檢測(cè)極4電連接。放大器8的輸出端子8c與氣體濃度測(cè)定部9b電連接。通過(guò)這樣的構(gòu)成，當(dāng)開(kāi)關(guān)7c為非通電狀態(tài)時(shí)，放大器8放大參考極5e與檢測(cè)極4之間的電位差(電動(dòng)勢(shì))并生成電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S3。另外，當(dāng)開(kāi)關(guān)7c為通電狀態(tài)時(shí)，放大器8放大參考極5e以及5f雙方(即被擴(kuò)大的參考極)與檢測(cè)極4之間的電位差(電動(dòng)勢(shì))并生成電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S3。放大器8將生成的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S3提供給氣體濃度測(cè)定部9b。
氣體濃度測(cè)定部9b是，測(cè)定參考極5e與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第一電動(dòng)勢(shì))或通過(guò)開(kāi)關(guān)7c被短路的參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第二電動(dòng)勢(shì))，基于第一或第二電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的單元。氣體濃度測(cè)定部9b在各溫度下預(yù)先存儲(chǔ)參考極5e單獨(dú)的電動(dòng)勢(shì)、以及在參考極5e及5f相互短路狀態(tài)下的電動(dòng)勢(shì)和二氧化碳濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)將測(cè)定的第一或第二電動(dòng)勢(shì)值和固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，可求得二氧化碳濃度。氣體濃度測(cè)定部9b，通過(guò)預(yù)先將特性值映射化并存儲(chǔ)的CPU等計(jì)算處理裝置按照規(guī)定的程序?qū)嵭杏?jì)算處理而能夠?qū)崿F(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲(chǔ)于硬盤或存儲(chǔ)器等外部存儲(chǔ)裝置中而使用。
接著，參照?qǐng)D6說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1b的動(dòng)作。圖6是表示包括氣體傳感器1b的動(dòng)作的氣體濃度測(cè)定方法的流程圖。
首先，選擇固體電解質(zhì)部件3的設(shè)定溫度，將該設(shè)定溫度輸入到溫度控制部19(溫度選擇步驟，S21)。溫度控制部19根據(jù)被選擇的設(shè)定溫度，控制從加熱電源10向加熱器6的供給電力。加熱器6將固體電解質(zhì)部件3加熱到設(shè)定溫度(加熱步驟、S22)。由此，在檢測(cè)極4與參考極5e以及5f之間產(chǎn)生與二氧化碳濃度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。
接著，在參考極5e與檢測(cè)極4之間的第一電動(dòng)勢(shì)、和測(cè)定在參考極5e以及5f相互短路的狀態(tài)下的參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間的第二電動(dòng)勢(shì)之中，選擇測(cè)定哪個(gè)電動(dòng)勢(shì)(選擇步驟、S23)。然后，當(dāng)選擇第一電動(dòng)勢(shì)時(shí)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)7c(成為非通電狀態(tài))。另外，當(dāng)選擇第二電動(dòng)勢(shì)時(shí)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)7c(成為通電狀態(tài))。由此，第一或第二電動(dòng)勢(shì)被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b中，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S3，被提供給氣體濃度測(cè)定部9b(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟、S24)。氣體濃度測(cè)定部9b基于電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S3和二氧化碳濃度之間的相關(guān)關(guān)系，求出二氧化碳濃度(氣體濃度計(jì)算步驟、S25)。
根據(jù)本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1b具有以下的效果。即，在根據(jù)本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1b中，通過(guò)使參考極5e以及5f短路，擴(kuò)大參考極與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積，因此與單獨(dú)使用參考極5e或5f時(shí)相比，參考極5e以及5f和檢測(cè)極4之間的阻抗變小。因此，利用本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1b，通過(guò)選擇測(cè)定參考極5e與檢測(cè)極4之間的第一電動(dòng)勢(shì)、以及在參考極5e以及5f相互短路的狀態(tài)下的參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間的第二電動(dòng)勢(shì)中的哪個(gè)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)測(cè)定用途或使用環(huán)境，可適當(dāng)變更檢測(cè)極4與參考極之間的阻抗。
另外，只要利用本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1b，就能夠合適地實(shí)現(xiàn)第一實(shí)施方式所示的各動(dòng)作模式(低消耗電力模式、高濃度測(cè)定模式、簡(jiǎn)易測(cè)定模式以及高精度測(cè)定模式)。
本發(fā)明相關(guān)的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器并不限于上述的實(shí)施方式，可做其它各種各樣的變形。例如，在上述各實(shí)施方式中，例如由測(cè)定者選擇檢測(cè)極與參考極之間的阻抗值，但也可具備自動(dòng)進(jìn)行該選擇的選擇部(選擇單元)。即，例如當(dāng)操作者輸入第一實(shí)施方式所示的各動(dòng)作模式時(shí)，該選擇部選擇被輸入的動(dòng)作模式中優(yōu)選的阻抗值并切換開(kāi)關(guān)。另外，關(guān)于固體電解質(zhì)部件的設(shè)定溫度的選擇，也同樣可以具備自動(dòng)進(jìn)行設(shè)定溫度的選擇的溫度選擇部(溫度選擇單元)。
另外，在上述各實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法中，以溫度選擇步驟、加熱步驟、選擇步驟的順序依次進(jìn)行各步驟，但選擇步驟既可以在加熱步驟之前進(jìn)行，也可以在溫度選擇步驟之前進(jìn)行。或者，選擇步驟和溫度選擇步驟也可以同時(shí)進(jìn)行。
另外，在上述各實(shí)施方式中，作為測(cè)定對(duì)象氣體測(cè)定的是二氧化碳。本發(fā)明的測(cè)定對(duì)象氣體，只要是基于固體電解質(zhì)部件的電動(dòng)勢(shì)可以測(cè)定其濃度的氣體即可，本發(fā)明例如也可應(yīng)用于氧氣傳感器等。
另外，在上述各實(shí)施方式中氣體傳感器具有平板狀的固體電解質(zhì)部件。固體電解質(zhì)部件并不限于平板狀，也可為其它各種形狀。
另外，在上述各實(shí)施方式中氣體傳感器具有兩個(gè)參考極。參考極不限于2個(gè)，也可以為3個(gè)以上。這時(shí)，可從3個(gè)以上的參考極中選擇1個(gè)參考極(或者，參考極之間短路時(shí)的組合數(shù)增加)，所以可更微細(xì)地變更參考極與檢測(cè)極之間的阻抗。
另外，在上述各實(shí)施方式中，檢測(cè)極以及多個(gè)參考極分別被設(shè)置在固體電解質(zhì)部件的同一面上，但檢測(cè)極以及多個(gè)參考極也可以被設(shè)置在互不相同的面上。另外，多個(gè)參考極的各個(gè)也可以被設(shè)置在互不相同的面上。
(第三實(shí)施方式)圖7是表示本發(fā)明的氣體傳感器的第三實(shí)施方式的構(gòu)成的示意圖。本實(shí)施方式中的氣體傳感器1c例如可用作以二氧化碳作為測(cè)定對(duì)象的二氧化碳傳感器。
氣體傳感器1c具備傳感器元件2a、多個(gè)開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)單元)7a以及7b、放大器8、氣體濃度計(jì)算部(氣體濃度計(jì)算單元)9c、加熱器電源10以及配線11a～11e。另外，這些構(gòu)成中，傳感器元件2a、多個(gè)開(kāi)關(guān)7a以及7b、放大器8、配線11a～11e與上述第一實(shí)施方式相同，所以省略說(shuō)明。另外，電源10與第一實(shí)施方式不同，沒(méi)有連接溫度控制部19。另外，開(kāi)關(guān)7a以及7b分別具有用于控制通電狀態(tài)的控制端子(沒(méi)有圖示)。
氣體濃度計(jì)算部9c是基于參考極5a以及5b分別與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)的不同而求得固體電解質(zhì)部件3的溫度，基于與該溫度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性而求得測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的單元。氣體濃度測(cè)定部9a例如預(yù)先將特性值映射化并存儲(chǔ)的CPU等計(jì)算處理裝置按照規(guī)定的程序?qū)嵭杏?jì)算處理而可實(shí)現(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲(chǔ)于硬盤或存儲(chǔ)器等外部存儲(chǔ)裝置而使用。
這里說(shuō)明多個(gè)參考極的各個(gè)與檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)的不同、與固體電解質(zhì)部件的溫度的相關(guān)性。圖8是為了調(diào)查該相關(guān)性而試制的裝置的斜視圖。在該裝置中，在由NASICON制成的矩形板狀的固體電解質(zhì)部件30的表面30a的四個(gè)角上分別配置有電極F1～F4，里面30b的四個(gè)角上分別配置有電極B1～B4。即，電極F1與電極B1的距離和固體電解質(zhì)部件30的厚度一致，電極F1與電極F2的距離和固體電解質(zhì)部件30的表面30a的一邊的長(zhǎng)度一致，電極F1與電極F3的距離和固體電解質(zhì)部件30的表面30a的對(duì)角線的長(zhǎng)度一致，電極F1與電極B3的距離和從固體電解質(zhì)部件30的表面30a到里面30b的對(duì)角線的長(zhǎng)度一致。另外，(電極F1與電極B1的距離)＜(電極F1與電極F2的距離)＜(電極F1與電極F3的距離)＜(電極F1與電極B3的距離)，各電極間的阻抗也以該順序變大。
在圖8所示的裝置中，邊加熱固體電解質(zhì)部件30，邊測(cè)定與固體電解質(zhì)部件30的溫度變化相對(duì)的各電極間的阻抗的變化。圖9是表示電極F1與電極B1之間、電極F1與電極F2之間、電極F1與電極F3之間、電極F1與電極B3之間的各個(gè)中的阻抗的變化的曲線圖。如該曲線圖所示，伴隨著固體電解質(zhì)部件30的溫度上升，各電極間的阻抗降低。并且，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)與阻抗高的電極間相比，在阻抗低的電極間中，各電極間的阻抗的降低程度(即，相對(duì)于固體電解質(zhì)部件30的溫度變化的阻抗變化率)變得更顯著。即，如圖9的曲線所示，特別在固體電解質(zhì)部件30的溫度為200℃以上的區(qū)域內(nèi)，距離最短的電極F1與電極B1之間的阻抗降低率最大，接下來(lái)大的是電極F1與電極F2之間的阻抗降低率。相對(duì)于此，電極F1與電極F3之間的阻抗降低率小，距離最大的電極F1與電極B3之間的阻抗降低率變得最小。因此，與電極F1的距離不同的電極之間(即，與電極F1之間的固體電解質(zhì)部件30中的阻抗不同的電極之間)的阻抗差，隨著固體電解質(zhì)部件30的溫度上升而擴(kuò)大。由此，基于與電極F1的距離(與電極F1間的阻抗)不同的電極之間的阻抗的不同，可測(cè)定固體電解質(zhì)部件30的現(xiàn)在溫度。氣體濃度計(jì)算部9c應(yīng)用這種現(xiàn)象，利用電極間的阻抗作為電動(dòng)勢(shì)表現(xiàn)的情況，基于參考極5a以及5b各自與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度。
另外，氣體濃度計(jì)算部9c與用于控制開(kāi)關(guān)7a以及7b的通電狀態(tài)的控制端子(沒(méi)有圖示)電連接。為了分別測(cè)定參考極5a以及5b的各自的電動(dòng)勢(shì)，氣體濃度計(jì)算部9c將開(kāi)閉信號(hào)S4送到開(kāi)關(guān)7a以及7b的控制端子，能夠控制開(kāi)關(guān)7a以及7b的通電狀態(tài)。
以上說(shuō)明了本實(shí)施方式的氣體傳感器1c的構(gòu)成。接著，參照?qǐng)D10說(shuō)明本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法和在氣體傳感器1c的動(dòng)作。圖10是表示氣體傳感器1c的動(dòng)作的流程圖。另外，在以下的說(shuō)明中，分別舉例說(shuō)明作為測(cè)定對(duì)象氣體的二氧化碳、和作為檢測(cè)極4所含有的材料的碳酸鋰。
首先，從加熱器電源10向加熱器6供給電力，加熱器6產(chǎn)生熱。然后，將固體電解質(zhì)部件3加熱到例如350℃以上的高溫(加熱步驟、S31)。由此，檢測(cè)極4所含有的碳酸鋰從Li2CO3分離為2Li+和CO32-而離子化，成為活化狀態(tài)。2Li+在與從外部入侵到檢測(cè)極4的氧(O2)或二氧化碳(CO2)之間產(chǎn)生上述(1)的反應(yīng)，重新形成Li2CO3。重新形成的Li2CO3與固體電解質(zhì)部件3的導(dǎo)電離子Na離子發(fā)生上述(2)的反應(yīng)。在上述的反應(yīng)中，Li2CO3與Na離子反應(yīng)時(shí)放出電子。放出的電子被獲取到Na2CO3中，在檢測(cè)極4與參考極5a以及5b之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。
接著，氣體濃度計(jì)算部9c關(guān)閉開(kāi)關(guān)7a(成為通電狀態(tài))。由此，檢測(cè)極4與參考極5a之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b中，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1，被提供給氣體濃度計(jì)算部9c。氣體濃度計(jì)算部9c將該電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1作為參考極5a中的電動(dòng)勢(shì)(第一電動(dòng)勢(shì))儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟、S32)。
接著，氣體濃度計(jì)算部9c打開(kāi)開(kāi)關(guān)7a(成為非通電狀態(tài))、關(guān)閉開(kāi)關(guān)7b(成為通電狀態(tài))。由此，檢測(cè)極4與參考極5b之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b中，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1，被提供給氣體濃度計(jì)算部9c。氣體濃度計(jì)算部9c將該電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1作為參考極5b中的電動(dòng)勢(shì)(第二電動(dòng)勢(shì))儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟、S33)。
氣體濃度計(jì)算部9c基于被提供的第一電動(dòng)勢(shì)與第二電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度(氣體濃度計(jì)算步驟、S34)。這時(shí)，氣體濃度計(jì)算部9c預(yù)先存儲(chǔ)參考極5a以及5b各自中電動(dòng)勢(shì)的不同(例如電動(dòng)勢(shì)差)和固體電解質(zhì)部件3的溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)將第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，可求得固體電解質(zhì)部件3的溫度。
氣體濃度計(jì)算部9c在求得固體電解質(zhì)部件3的溫度之后，基于電動(dòng)勢(shì)和二氧化碳濃度的相關(guān)關(guān)系，求出二氧化碳濃度(氣體濃度計(jì)算步驟、S35)。即，被測(cè)定的第一以及第二電動(dòng)勢(shì)值主要依賴于二氧化碳的濃度以及固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以如果求出固體電解質(zhì)部件3的溫度就可求出二氧化碳濃度。另外，氣體濃度計(jì)算部9c預(yù)先存儲(chǔ)在各溫度下的參考極5a以及5b各自中的電動(dòng)勢(shì)和二氧化碳濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)將第一電動(dòng)勢(shì)值以及/或者第二電動(dòng)勢(shì)值和固體電解質(zhì)部件3的現(xiàn)在溫度適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，可求出二氧化碳濃度。
本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1c具有以下的效果。即，在本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1c中，基于多個(gè)參考極5a以及5b的各個(gè)中的電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度。另外，因?yàn)榭芍苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件相比，可以以更良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度。由此，可簡(jiǎn)易且以良好精度地求出二氧化碳等測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
另外，在本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1c中，參考極5a以及5b與檢測(cè)極4的距離優(yōu)選多個(gè)參考極5a以及5b的各自之間互不相同。由此，可適當(dāng)配置參考極5a以及5b，使參考極5a以及5b與檢測(cè)極4之間的、在固體電解質(zhì)部件3中的阻抗在各參考極5a以及5b之間互不相同。
另外，氣體傳感器1c如本實(shí)施方式那樣優(yōu)選具有氣體濃度計(jì)算部9c，使其基于參考極5a以及5b的各個(gè)與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)的不同求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，基于與該溫度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。由此，可合適地實(shí)現(xiàn)氣體傳感器，使其不使用溫度檢測(cè)元件就以良好精度地測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度，且可以簡(jiǎn)易并以良好精度地測(cè)定出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。另外，在本實(shí)施方式中，氣體濃度計(jì)算部9c自動(dòng)算出測(cè)定對(duì)象氣體濃度，但本發(fā)明的氣體濃度測(cè)定方法既可通過(guò)設(shè)置在氣體傳感器1c外部的計(jì)算單元算出測(cè)定對(duì)象氣體濃度，也可由測(cè)定者自己進(jìn)行測(cè)定。
另外，氣體傳感器1c如本實(shí)施方式那樣優(yōu)選具備被稱為放大器8的放大部(放大單元)。由此，可以以更良好的精度測(cè)定多個(gè)參考極5a以及5b的各個(gè)與檢測(cè)極4之間的第一以及第二電動(dòng)勢(shì)。
另外，氣體傳感器1c如本實(shí)施方式那樣優(yōu)選具有與多個(gè)參考極5a以及5b對(duì)應(yīng)的多個(gè)開(kāi)關(guān)7a以及7b。由此，當(dāng)氣體濃度計(jì)算部9c測(cè)定電動(dòng)勢(shì)時(shí)，可適當(dāng)選擇多個(gè)參考極5a以及5b的任一個(gè)，所以可以將測(cè)定多個(gè)參考極5a以及5b的各個(gè)與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)的電路(例如放大器8)小型化。
(變形例)氣體傳感器1c中作為傳感器元件2a的代替也可以具備圖4所示的傳感器元件2b。如本變形例所示，即使通過(guò)設(shè)置各參考極5c、5d，使固體電解質(zhì)部件3與各參考極5c、5d之間的接觸面積互不相同，也能夠合適地實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)極4之間的固體電解質(zhì)部件3中的阻抗相互不同的多個(gè)參考極5c、5d。
(第四實(shí)施方式)接著，說(shuō)明本發(fā)明的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器的第四實(shí)施方式。圖11是表示本實(shí)施方式的氣體傳感器1d的構(gòu)成的示意圖。氣體傳感器1d具備傳感器元件2a、開(kāi)關(guān)7a以及7b、放大器8、加熱器電源10、配線11a～11e、氣體濃度測(cè)定部(氣體濃度測(cè)定單元)19a、以及溫度控制部(溫度控制單元)21a。其中，傳感器元件2a、開(kāi)關(guān)7a以及7b、放大器8、加熱器電源10以及配線11a～11e的構(gòu)成與第三實(shí)施方式的構(gòu)成相同，所以省略說(shuō)明。
溫度控制部21a是基于參考極5a以及5b的各個(gè)與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)的不同而求出固體電解質(zhì)部件3的溫度、控制向加熱器6的電力供給使該溫度接近于規(guī)定溫度的單元。另外，求出溫度控制部21a中的固體電解質(zhì)部件3的溫度的順序與第三實(shí)施方式的氣體濃度計(jì)算部9c相同。溫度控制部21a，例如通過(guò)預(yù)先將特性值映射化并存儲(chǔ)的CPU等計(jì)算處理裝置按照規(guī)定的程序?qū)嵭杏?jì)算處理而能夠?qū)崿F(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲(chǔ)于硬盤或存儲(chǔ)器等外部存儲(chǔ)裝置而使用。溫度控制部21a與放大器8的輸出端子8c電連接，從輸出端子8c接受電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1。另外，溫度控制部21a與用于控制開(kāi)關(guān)7a以及7b的通電狀態(tài)的控制端子(沒(méi)有圖示)電連接。溫度控制部21a為了分別測(cè)定參考極5a以及5b的各個(gè)中的電動(dòng)勢(shì)，將開(kāi)閉信號(hào)S5輸送到開(kāi)關(guān)7a以及7b的控制端子，能夠控制開(kāi)關(guān)7a以及7b的通電狀態(tài)。另外，溫度控制部21a與用于控制加熱器電源10的輸出的控制端子10a電連接，將用于控制向加熱器6的供給電力的電力控制信號(hào)S6提供給加熱器電源10。
氣體濃度測(cè)定部19a是測(cè)定參考極5a以及5b中的至少一個(gè)參考極與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第三電動(dòng)勢(shì))、基于與由溫度控制部21a設(shè)定的規(guī)定溫度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和二氧化碳濃度的相關(guān)性以求出二氧化碳濃度的單元。氣體濃度測(cè)定部19a，例如通過(guò)預(yù)先將特性值映射化并存儲(chǔ)的CPU等計(jì)算處理裝置按照規(guī)定的程序?qū)嵭杏?jì)算處理而可實(shí)現(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲(chǔ)于硬盤或存儲(chǔ)器等外部存儲(chǔ)裝置而使用。氣體濃度測(cè)定部19a與放大器8的輸出端子8c電連接，從輸出端子8c接受電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1。另外，氣體濃度測(cè)定部19a預(yù)先存儲(chǔ)規(guī)定溫度的參考極5a以及/或者5b的電動(dòng)勢(shì)和二氧化碳濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)。氣體濃度測(cè)定部19a通過(guò)將電動(dòng)勢(shì)S1適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，求出二氧化碳濃度。
接著，參照?qǐng)D12說(shuō)明本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法和氣體傳感器1d的動(dòng)作。圖12是表示氣體傳感器1d的動(dòng)作的流程圖。
首先，從加熱器電源10向加熱器6供給電力，加熱器6產(chǎn)生熱。然后，將固體電解質(zhì)部件3加熱到例如350℃以上的高溫(加熱步驟、S41)。由此，在檢測(cè)極4與參考極5a以及5b之間產(chǎn)生與二氧化碳濃度相對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。
接著，溫度控制部21a關(guān)閉開(kāi)關(guān)7a(成為通電狀態(tài))。由此，檢測(cè)極4與參考極5a之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1，被提供給溫度控制部21a。溫度控制部21a將該電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1作為參考極5a的電動(dòng)勢(shì)(第一電動(dòng)勢(shì))儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟、S42)。
接著，溫度控制部21a打開(kāi)開(kāi)關(guān)7a(成為非通電狀態(tài))、關(guān)閉開(kāi)關(guān)7b(成為通電狀態(tài))。由此，檢測(cè)極4與參考極5b之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1，被提供給溫度控制部21a。溫度控制部21a將該電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1作為參考極5b的電動(dòng)勢(shì)(第二電動(dòng)勢(shì))儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟、S43)。
溫度控制部21a基于被提供的第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度(溫度控制步驟、S44)。這時(shí)，溫度控制部21a預(yù)先存儲(chǔ)參考極5a以及5b的各個(gè)中的電動(dòng)勢(shì)的不同(例如電動(dòng)勢(shì)差)與固體電解質(zhì)部件3的溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)將第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，可求出固體電解質(zhì)部件3的溫度。
溫度控制部21a在求得固體電解質(zhì)部件3的溫度之后，控制向加熱器6的供給電力，使固體電解質(zhì)部件3接近于規(guī)定溫度(溫度控制步驟、S45)。也就是說(shuō)，溫度控制部21a基于固體電解質(zhì)部件3的現(xiàn)在溫度與規(guī)定溫度之差，將電力控制信號(hào)S6輸送到加熱器電源10，控制加熱器電源10的輸出(供給電力)。另外，溫度控制部21a直到固體電解質(zhì)部件3的溫度穩(wěn)定，可反復(fù)以上的動(dòng)作。這樣，固體電解質(zhì)部件3的溫度備控制在規(guī)定溫度或接近于規(guī)定溫度的溫度。
然后，氣體濃度測(cè)定部19a再次測(cè)定參考極5a以及/或者5b與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(氣體濃度測(cè)定步驟、S46)。即，在固體電解質(zhì)部件3的溫度穩(wěn)定到在規(guī)定溫度之后，氣體濃度測(cè)定部19a從放大器8接受參考極5a以及5b的雙個(gè)或至少一個(gè)的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1。然后，氣體濃度測(cè)定部19a基于參考極5a以及/或者5b的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S1和二氧化碳濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)，求出二氧化碳濃度(氣體濃度測(cè)定步驟、S47)。
本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法與第三實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法相同，基于多個(gè)參考極5a以及5b的各個(gè)中的電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度。另外，因?yàn)榭芍苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件相比，可以以更良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度。因此，可簡(jiǎn)易且以良好精度地控制固體電解質(zhì)部件3的溫度。
另外，氣體傳感器1d如本實(shí)施方式那樣優(yōu)選具備溫度控制部21a，使其基于參考極5a以及5b的各個(gè)與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，以該溫度接近規(guī)定溫度的方式，控制供給到加熱器6的電力。由此，可合適地實(shí)現(xiàn)不使用溫度檢測(cè)元件就以良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度、簡(jiǎn)易且可以以良好精度控制該溫度的氣體傳感器1d。另外，在本實(shí)施方式中，溫度控制部21a自動(dòng)控制固體電解質(zhì)部件3的溫度，但本發(fā)明的氣體濃度測(cè)定方法既可通過(guò)設(shè)置在氣體傳感器1d外部的控制部(控制單元)控制固體電解質(zhì)部件3的溫度，也可由測(cè)定者自己控制。
(第五實(shí)施方式)
接著，說(shuō)明本發(fā)明的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器的第五實(shí)施方式。圖13是表示本實(shí)施方式的氣體傳感器1e構(gòu)成的示意圖。氣體傳感器1e具備傳感器元件2c、開(kāi)關(guān)7c、放大器8、氣體濃度計(jì)算部(氣體濃度計(jì)算單元)9e、加熱器電源10以及配線11f～11i。另外，這些構(gòu)成中，傳感器元件2c、開(kāi)關(guān)7c、放大器8、配線11f～11i與上述第二實(shí)施方式的相同，所以省略說(shuō)明。另外，電源10與第二實(shí)施方式不同，沒(méi)有與溫度控制部19連接。另外，開(kāi)關(guān)7c具有用于控制通電狀態(tài)的控制端子(沒(méi)有圖示)。
氣體濃度計(jì)算部9e是，基于參考極5e與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第一電動(dòng)勢(shì))和通過(guò)開(kāi)關(guān)7c被短路的參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第二電動(dòng)勢(shì))的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，基于與該溫度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性以求出測(cè)定對(duì)象氣體濃度的單元。
另外，氣體濃度計(jì)算部9e與用于控制開(kāi)關(guān)7c的通電狀態(tài)的控制端子(沒(méi)有圖示)電連接。氣體濃度計(jì)算部9e為了分別測(cè)定參考極5e單獨(dú)的電動(dòng)勢(shì)、以及、在參考極5e以及5f相互短路的狀態(tài)(參考極被擴(kuò)大的狀態(tài))下的電動(dòng)勢(shì)，將開(kāi)閉信號(hào)S7輸送到開(kāi)關(guān)7c的控制端子，能夠控制開(kāi)關(guān)7c的通電狀態(tài)。
接著，參照?qǐng)D14說(shuō)明本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法和氣體傳感器1e的動(dòng)作。圖14是表示氣體傳感器1e的動(dòng)作的流程圖。
首先，從加熱器電源10向加熱器6供給電力，加熱器6產(chǎn)生熱。然后，將固體電解質(zhì)部件3加熱到例如350℃以上的高溫(加熱步驟、S51)。由此，在檢測(cè)極4與參考極5e以及5f之間產(chǎn)生和二氧化碳濃度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。
氣體濃度計(jì)算部9e首先打開(kāi)開(kāi)關(guān)7c(成為非通電狀態(tài))。由此，檢測(cè)極4與參考極5e之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8，被提供給氣體濃度計(jì)算部9e。氣體濃度計(jì)算部9e將該電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8作為參考極5e的電動(dòng)勢(shì)(第一電動(dòng)勢(shì))儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟、S52)。
接著，氣體濃度計(jì)算部9e關(guān)閉開(kāi)關(guān)7c(成為通電狀態(tài))。由此，參考極5e以及5f通過(guò)開(kāi)關(guān)7e被短路。即，由于參考極與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積被擴(kuò)大，因此參考極與檢測(cè)極4之間的固體電解質(zhì)部件3的阻抗降低。然后，在被短路的參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8，被提供給氣體濃度計(jì)算部9e。氣體濃度計(jì)算部9e將該電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8作為參考極5e以及5f的電動(dòng)勢(shì)(第二電動(dòng)勢(shì))儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟、S53)。
氣體濃度計(jì)算部9e基于被提供的第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度(氣體濃度計(jì)算步驟、S54)。這時(shí)，氣體濃度計(jì)算部9e可預(yù)先存儲(chǔ)參考極5e單獨(dú)的電動(dòng)勢(shì)和參考極5e以及5f短路時(shí)的電動(dòng)勢(shì)的不同(例如電動(dòng)勢(shì)差)、和固體電解質(zhì)部件3的溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)將第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，可求出固體電解質(zhì)部件3的溫度。
氣體濃度計(jì)算部9e在求得固體電解質(zhì)部件3的溫度之后，基于電動(dòng)勢(shì)和二氧化碳濃度的相關(guān)關(guān)系，求出二氧化碳濃度(氣體濃度計(jì)算步驟、S55)。即，由于被測(cè)定的第一以及第二電動(dòng)勢(shì)值依賴于二氧化碳的濃度以及固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以如果求出固體電解質(zhì)部件3的溫度就可求出二氧化碳濃度。另外，氣體濃度計(jì)算部9e預(yù)先存儲(chǔ)在各溫度下的參考極5e單獨(dú)的電動(dòng)勢(shì)以及/或者在參考極5e以及5f的短路狀態(tài)下的電動(dòng)勢(shì)和二氧化碳濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)將第一電動(dòng)勢(shì)值以及/或者第二電動(dòng)勢(shì)值和固體電解質(zhì)部件3的溫度適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，可求出二氧化碳濃度。
本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1e具有以下的效果。即，根據(jù)本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1e中，在測(cè)定兩個(gè)參考極5e以及5f一個(gè)與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第一電動(dòng)勢(shì))的同時(shí)，在兩個(gè)參考極5e以及5f相互短路的狀態(tài)(即，在擴(kuò)大參考極與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積的狀態(tài))下，還測(cè)定參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第二電動(dòng)勢(shì))。這樣，通過(guò)改變參考極與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積，能夠使參考極與檢測(cè)極4之間的阻抗適當(dāng)發(fā)生變化。因此，基于第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同，可知固體電解質(zhì)部件3的溫度。利用本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器1e，基于第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度。另外，因?yàn)榭芍苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件相比，可以以良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度。因此，可簡(jiǎn)易且以良好精度地求出測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
(第六實(shí)施方式)接著，說(shuō)明本發(fā)明的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器的第六實(shí)施方式。圖15是表示本實(shí)施方式的氣體傳感器1f的構(gòu)成的示意圖。氣體傳感器1f具備傳感器元件2c、開(kāi)關(guān)7c、放大器8、加熱器電源10、配線11f～11i、氣體濃度測(cè)定部(氣體濃度測(cè)定單元)19b、以及溫度控制部(溫度控制單元)21b。其中，傳感器元件2c、開(kāi)關(guān)7c、放大器8、加熱器電源10以及配線11f～11i的構(gòu)成與第五實(shí)施方式的構(gòu)成相同，所以省略說(shuō)明。
溫度控制部21b是，基于參考極5e與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第一電動(dòng)勢(shì))、和在參考極5e以及5f短路的狀態(tài)下的參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第二電動(dòng)勢(shì))的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，控制向加熱器6的電力供給，使該溫度接近于規(guī)定溫度的單元。另外，求出溫度控制部21b中的固體電解質(zhì)部件3的溫度的順序與第五實(shí)施方式的氣體濃度計(jì)算部9e相同。溫度控制部21b與放大器8的輸出端子8c電連接，從輸出端子8c接受電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8。另外，溫度控制部21b與用于控制開(kāi)關(guān)7c的通電狀態(tài)的控制端子(沒(méi)有圖示)電連接。溫度控制部21b為了分別測(cè)定參考極5e單獨(dú)的電動(dòng)勢(shì)、以及、在參考極5e以及5f短路狀態(tài)下的電動(dòng)勢(shì)，將開(kāi)閉信號(hào)S9輸送到開(kāi)關(guān)7c的控制端子，能夠控制開(kāi)關(guān)7c的通電狀態(tài)。另外，溫度控制部21b與用于控制加熱器電源10的輸出的控制端子10a電連接，將用于控制向加熱器6的電力供給的電力控制信號(hào)S10提供給加熱器電源10。
氣體濃度測(cè)定部19b是，測(cè)定參考極5e與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)、或在參考極5e以及5f短路狀態(tài)下的參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(第三電動(dòng)勢(shì))，基于與由溫度控制部21b設(shè)定的規(guī)定溫度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和二氧化碳濃度的相關(guān)性，求出二氧化碳濃度的單元。氣體濃度測(cè)定部19b與放大器8的輸出端子8c電連接，從輸出端子8c接受電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8。另外，氣體濃度測(cè)定部19b預(yù)先存儲(chǔ)規(guī)定溫度下的參考極5e單獨(dú)的電動(dòng)勢(shì)以及/或者在參考極5e以及5f短路狀態(tài)下的電動(dòng)勢(shì)和二氧化碳濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)。氣體濃度測(cè)定部19b通過(guò)將電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，可求出二氧化碳濃度。
接著，參照?qǐng)D16說(shuō)明本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法和氣體傳感器1f的動(dòng)作。圖16是表示氣體傳感器1f的動(dòng)作的流程圖。
首先，從加熱器電源10向加熱器6供給電力，加熱器6產(chǎn)生熱。然后，將固體電解質(zhì)部件3加熱到例如350℃以上的高溫(加熱步驟、S61)。由此，在檢測(cè)極4與參考極5e以及5f之間產(chǎn)生與二氧化碳濃度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。
溫度控制部21b首先打開(kāi)開(kāi)關(guān)7c(成為非通電狀態(tài))。由此，在檢測(cè)極4與參考極5e之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8，被提供給溫度控制部21b。溫度控制部21b將該電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8作為參考極5e的電動(dòng)勢(shì)(第一電動(dòng)勢(shì))儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定工序、S62)。
接著，溫度控制部21b關(guān)閉開(kāi)關(guān)7c(成為通電狀態(tài))。由此，參考極5e以及5f通過(guò)開(kāi)關(guān)7c被短路。即，因?yàn)閰⒖紭O與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積被擴(kuò)大，所以參考極與檢測(cè)極4之間的固體電解質(zhì)部件3的阻抗降低。然后，在被短路的參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8，被提供給溫度控制部21b。溫度控制部21b將該電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8作為被短路的參考極5e以及5f的電動(dòng)勢(shì)(第二電動(dòng)勢(shì))儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中(電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟、S63)。
溫度控制部21b基于被提供的第一電動(dòng)勢(shì)與第二電動(dòng)勢(shì)的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度(溫度控制步驟、S64)。這時(shí)，溫度控制部21b預(yù)先存儲(chǔ)參考極5e單獨(dú)的電動(dòng)勢(shì)和在參考極5e以及5f短路時(shí)的電動(dòng)勢(shì)的不同(例如電動(dòng)勢(shì)差)、和固體電解質(zhì)部件3的溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)將第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同適用于該相關(guān)數(shù)據(jù)，可求出固體電解質(zhì)部件3的溫度。
溫度控制部21b在求出固體電解質(zhì)部件3的溫度之后，控制向加熱器6的電力供給，使固體電解質(zhì)部件3接近規(guī)定的溫度(溫度控制步驟、S65)。即，溫度控制部21b基于固體電解質(zhì)部件3的現(xiàn)在溫度與規(guī)定溫度的差，將電力控制信號(hào)S10輸送到加熱器電源10，控制加熱器電源10的輸出(電力供給)。這樣，固體電解質(zhì)部件3的溫度被控制在規(guī)定溫度或接近規(guī)定溫度的溫度。
然后，氣體濃度測(cè)定部19b再次測(cè)定參考極5e與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)、或在參考極5e以及5f短路狀態(tài)下的參考極5e以及5f與檢測(cè)極4之間的電動(dòng)勢(shì)(氣體濃度測(cè)定步驟、S66)。即，固體電解質(zhì)部件3的溫度穩(wěn)定到在規(guī)定溫度之后，氣體濃度測(cè)定部19b從放大器8接受開(kāi)關(guān)7c在導(dǎo)通狀態(tài)或非導(dǎo)通狀態(tài)下的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8。然后，氣體濃度測(cè)定部19b基于電動(dòng)勢(shì)信號(hào)S8和二氧化碳濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)，求出二氧化碳濃度(氣體濃度測(cè)定步驟、S67)。
根據(jù)本實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法與第五實(shí)施方式的氣體濃度測(cè)定方法相同，基于第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)的不同而求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以不使用溫度檢測(cè)元件就可測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度。另外，因?yàn)榭芍苯訙y(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以與使用溫度檢測(cè)元件相比，可以以更良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件3的溫度。因此，可簡(jiǎn)易且以良好精度地控制固體電解質(zhì)部件3的溫度。
本發(fā)明的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器并不限于上述實(shí)施方式，也可作其它各種各樣的變形。例如，在上述各實(shí)施方式中，使用加熱器將固體電解質(zhì)部件加熱到高溫，但如果固體電解質(zhì)部件在常溫下也能具有離子傳導(dǎo)性，就可不備置加熱器。即使是在這樣的情況下，由于固體電解質(zhì)部件的溫度隨著周圍溫度而發(fā)生變化，所以通過(guò)利用本發(fā)明的氣體濃度測(cè)定方法求出固體電解質(zhì)部件的溫度，可以以良好精度測(cè)定氣體濃度。
另外，在上述各實(shí)施方式中，將二氧化碳作為測(cè)定對(duì)象氣體進(jìn)行測(cè)定。本發(fā)明的測(cè)定對(duì)象氣體只要是基于固體電解質(zhì)部件的電動(dòng)勢(shì)可測(cè)定濃度的氣體即可，本發(fā)明也可應(yīng)用于例如氧氣傳感器等中。
另外，在上述各實(shí)施方式中，氣體傳感器具有平板狀的固體電解質(zhì)部件。固體電解質(zhì)部件并不限于平板狀，也可為其它各式各樣的形狀。
另外，在上述各實(shí)施方式中，氣體傳感器具有兩個(gè)參考極。參考極并不限于兩個(gè)，也可為三個(gè)以上。這時(shí)，基于三個(gè)以上的參考極的各個(gè)中的電動(dòng)勢(shì)的不同，可求出固體電解質(zhì)部件的溫度，所以可以以更良好的精度求出該溫度。
另外，在上述各實(shí)施方式中，檢測(cè)極以及多個(gè)參考極分別被設(shè)置在固體電解質(zhì)部件的同一面上，但檢測(cè)極以及多個(gè)參考極也可被設(shè)置在互不相同的面上。另外，多個(gè)參考極的各個(gè)也可以被設(shè)置在互不相同的面上。
如以上說(shuō)明所述，根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種可改變參考極與檢測(cè)極之間的阻抗的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器。
另外，根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種無(wú)需使用溫度檢測(cè)元件而可以以良好的精度測(cè)定固體電解質(zhì)部件的溫度的氣體濃度測(cè)定方法以及氣體傳感器。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器，其特征在于，具備固體電解質(zhì)部件；檢測(cè)極，含有金屬碳酸鹽以及金屬碳酸氫鹽中的至少一種，被設(shè)置在所述固體電解質(zhì)部件上；配置在所述固體電解質(zhì)部件上的第一參考極以及第二參考極。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于還具備用于使所述第一參考極和所述第二參考極相互短路的開(kāi)關(guān)單元。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于還具備放大兩個(gè)輸入端子間的電壓的放大單元，所述放大單元的所述兩個(gè)輸入端子中的一個(gè)與所述第一參考極或所述第二參考極電連接，所述放大單元的所述兩個(gè)輸入端子中的另一個(gè)的輸入端子與所述檢測(cè)極電連接。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于還具備氣體濃度測(cè)定單元，該氣體濃度測(cè)定單元求出所述第一參考極以及所述第二參考極中的一個(gè)與所述檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)、或在所述第一參考極和所述第二參考極相互短路的狀態(tài)下的所述第一以及所述第二參考極與所述檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)，基于所述第一或第二電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體濃度的相關(guān)性，求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于還具備氣體濃度計(jì)算單元，該氣體濃度計(jì)算單元求出所述第一參考極以及所述第二參考極中的一個(gè)與所述檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)，以及，在所述第一參考極和所述第二參考極相互短路的狀態(tài)下的所述第一以及所述第二參考極與所述檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)，基于所述第一電動(dòng)勢(shì)和所述第二電動(dòng)勢(shì)的不同求出所述固體電解質(zhì)部件的溫度，基于與所述溫度相對(duì)應(yīng)的、所述第一或所述第二電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體濃度的相關(guān)性，求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
6.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，還具備用于加熱所述固體電解質(zhì)部件的加熱器；溫度控制單元，控制向所述加熱器的電力供給，使固體電解質(zhì)部件的溫度接近于設(shè)定溫度。
7.如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，還具備用于加熱所述固體電解質(zhì)部件的加熱器；溫度控制單元，該溫度控制單元求出所述第一參考極以及所述第二參考極中的一個(gè)與所述檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)、以及、在所述第一參考極和所述第二參考極相互短路的狀態(tài)下的所述第一以及第二參考極與所述檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)，基于所述第一電動(dòng)勢(shì)和所述第二電動(dòng)勢(shì)的不同求出所述固體電解質(zhì)部件的溫度，控制向所述加熱器的電力供給使該溫度接近于規(guī)定溫度。
8.一種氣體傳感器，其特征在于，具備固體電解質(zhì)部件；檢測(cè)極，含有金屬碳酸鹽以及金屬碳酸氫鹽中的至少一種，被設(shè)置在所述固體電解質(zhì)部件上；多個(gè)參考極，被配置在所述固體電解質(zhì)部件上，使相對(duì)于所述固體電解質(zhì)部件中所述檢測(cè)極的阻抗互不相同。
9.如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器，其特征在于所述多個(gè)參考極與所述檢測(cè)極之間的距離分別互不相同。
10.如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器，其特征在于所述多個(gè)參考極與所述固體電解質(zhì)部件的接觸面積分別互不相同。
11.如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器，其特征在于還具備用于切換兩個(gè)端子間的通電狀態(tài)的多個(gè)開(kāi)關(guān)單元，所述多個(gè)開(kāi)關(guān)單元的各個(gè)的一個(gè)端子以一對(duì)一的方式電連接在所述多個(gè)參考極上，所述多個(gè)開(kāi)關(guān)單元的各個(gè)的另一個(gè)的端子相互短路。
12.如權(quán)利要求11所述的氣體傳感器，其特征在于還具備放大兩個(gè)輸入端子間的電壓的放大單元，所述放大單元的所述兩個(gè)輸入端子中的一個(gè)與所述多個(gè)開(kāi)關(guān)單元各個(gè)的所述另一個(gè)的端子電連接，所述放大單元的所述兩個(gè)輸入端子中的另一個(gè)與所述檢測(cè)極電連接。
13.如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器，其特征在于還具備用于加熱固體電解質(zhì)部件的加熱器。
14.如權(quán)利要求13所述的氣體傳感器，其特征在于還具備溫度控制單元，該溫度控制單元基于所述多個(gè)參考極的各個(gè)與所述檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)的不同而求出所述固體電解質(zhì)部件的溫度，控制向所述加熱器的電力供給，使該溫度接近于規(guī)定溫度。
15.如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器，其特征在于還具備氣體濃度計(jì)算單元，該氣體濃度計(jì)算單元基于所述多個(gè)參考極的各個(gè)與所述檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)的不同而求出所述固體電解質(zhì)部件的溫度，基于與所述溫度相對(duì)應(yīng)的、所述多個(gè)參考極中至少一個(gè)參考極與所述檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
16.如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器，其特征在于還具備氣體濃度測(cè)定單元，該氣體濃度測(cè)定單元基于所述多個(gè)參考極中的一個(gè)參考極與所述檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
17.一種氣體濃度測(cè)定方法，是使用權(quán)利要求8所述的氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于，包括選擇步驟，從所述多個(gè)參考極中選擇參考極；電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定在所述選擇工序中選擇的所述參考極與所述檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)；氣體濃度計(jì)算步驟，基于在所述電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟中測(cè)定的所述電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
18.一種氣體濃度測(cè)定方法，是使用權(quán)利要求1所述的氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于，包括選擇步驟，選擇測(cè)定第一電動(dòng)勢(shì)和第二電動(dòng)勢(shì)中的哪個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該第一電動(dòng)勢(shì)為所述第一參考極以及所述第二參考極中的一個(gè)與所述檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)，該第二電動(dòng)勢(shì)為在所述第一參考極以及所述第二參考極相互短路的狀態(tài)下的所述第一以及第二參考極與所述檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)；電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定在所述選擇步驟中被選擇的第一電動(dòng)勢(shì)或第二電動(dòng)勢(shì)；氣體濃度計(jì)算步驟，基于所述電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟中被測(cè)定的所述第一電動(dòng)勢(shì)或第二電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
19.如權(quán)利要求17或18所述的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于，還具備溫度選擇步驟，選擇所述固體電解質(zhì)部件的設(shè)定溫度；加熱步驟，在所述電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟之前加熱所述固體電解質(zhì)部件，使所述固體電解質(zhì)部件的溫度接近于所述設(shè)定溫度。
20.一種氣體濃度測(cè)定方法，是使用權(quán)利要求8所述的氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于，包括電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定所述多個(gè)參考極與所述檢測(cè)極之間的各個(gè)電動(dòng)勢(shì)；氣體濃度計(jì)算步驟，基于所述電動(dòng)勢(shì)的不同求出所述固體電解質(zhì)部件的溫度，基于與所述溫度相對(duì)應(yīng)的、所述多個(gè)參考極中至少一個(gè)參考極與所述檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
21.一種氣體濃度測(cè)定方法，是使用權(quán)利要求8所述的氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于，包括電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定所述多個(gè)參考極與所述檢測(cè)極之間的各個(gè)電動(dòng)勢(shì)；溫度控制步驟，基于所述電動(dòng)勢(shì)的不同求出所述固體電解質(zhì)部件的溫度，控制向所述固體電解質(zhì)部件的加熱量，使該溫度接近于規(guī)定溫度；氣體濃度計(jì)算步驟，基于與所述規(guī)定溫度相對(duì)應(yīng)的、所述多個(gè)參考極中至少一個(gè)參考極與所述檢測(cè)極之間的電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
22.一種氣體濃度測(cè)定方法，是使用權(quán)利要求1所述的氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于，包括電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定所述第一參考極以及所述第二參考極中的一個(gè)與檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)，測(cè)定在所述第一參考極以及所述第二參考極短路的狀態(tài)下的所述第一以及所述第二參考極與所述檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)；氣體濃度計(jì)算步驟，基于所述第一電動(dòng)勢(shì)與所述第二電動(dòng)勢(shì)的不同求出所述固體電解質(zhì)部件的溫度，基于與該溫度相對(duì)應(yīng)的、所述第一電動(dòng)勢(shì)或所述第二電動(dòng)勢(shì)和測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
23.一種氣體濃度測(cè)定方法，是使用權(quán)利要求1所述的氣體傳感器的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于，包括電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟，測(cè)定所述第一參考極以及所述第二參考極中的一個(gè)與所述檢測(cè)極之間的第一電動(dòng)勢(shì)，測(cè)定在所述第一參考極以及所述第二參考極短路的狀態(tài)下的所述第一以及所述第二參考極與所述檢測(cè)極之間的第二電動(dòng)勢(shì)；溫度控制步驟，基于所述第一電動(dòng)勢(shì)與所述第二電動(dòng)勢(shì)的不同求出所述固體電解質(zhì)部件的溫度，控制向所述固體電解質(zhì)部件的加熱量，使該溫度接近于規(guī)定溫度；氣體濃度測(cè)定步驟，測(cè)定所述第一以及所述第二參考極中的一個(gè)與所述檢測(cè)極之間的第三電動(dòng)勢(shì)，基于與所述規(guī)定溫度相對(duì)應(yīng)的、所述第三電動(dòng)勢(shì)與測(cè)定對(duì)象氣體的濃度的相關(guān)性，求出所述測(cè)定對(duì)象氣體的濃度。
24.如權(quán)利要求20～23任一項(xiàng)所述的氣體濃度測(cè)定方法，其特征在于還具備在所述電動(dòng)勢(shì)測(cè)定步驟之前加熱所述固體電解質(zhì)部件的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器，本發(fā)明的一種實(shí)施方式的氣體傳感器具備固體電解質(zhì)部件，和含有金屬碳酸鹽以及金屬碳酸氫鹽中的至少一種、被設(shè)置在固體電解質(zhì)部件上的檢測(cè)極，以及，配置在固體電解質(zhì)部件上的多個(gè)參考極。
文檔編號(hào)G01N27/28GK1755355SQ200510105628
公開(kāi)日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月28日
發(fā)明者伊藤祐義 申請(qǐng)人:Tdk株式會(huì)社