JP2004325218A - 温度制御装置および温度制御方法ならびにそれらを用いたガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒーターの温度を正確に制御することができる温度制御装置およびその温度制御方法を提供する。
【解決手段】ヒーター１０は、絶縁セラミック基板１２上に、第１、第２の端部を有する発熱部１４、発熱部の第１の端部１４ａに接続される第１の非発熱部１６、および発熱部１４の第２の端部１４ｂに接続される第２の非発熱部１８、発熱部１４の第２の端部１４ｂに接合される接合部１０２ａを備えた第３の非発熱部１０２を含む。温度制御回路２００は、第３の非発熱部１０２の電圧を測定し、その測定された電圧値に基づき、発熱部１４の抵抗値を算出し、この抵抗値に基づき発熱部１４の温度を制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱体を有する部品の温度制御方法及び温度制御装置に関し、特に内燃機関から排出された燃焼ガスの特定成分の濃度を検出するための固体電解質、あるいはセラミックス材料を構成材料としたガス検知装置の作動温度を所定温度に制御、保持するための温度制御方法およびその制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出されるガスの濃度を測定し、内燃機関の燃焼を制御する、或いは燃焼ガス中の有害成分を浄化するシステムの開発が望まれている。これらシステムには、排出されるガスの濃度を検出するための検出装置（ガスセンサ）が必要である。これまで酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＣＯセンサ及びＨＣセンサなどのガスセンサが研究・開発され、酸素センサやＮＯｘセンサは実用化されている。
【０００３】
これらのガスセンサは数百℃の作動温度でガスの組成を計測するため、通常センサ基板に一体化されたヒーターを用いてセンサ基板を加熱し、できるだけ設定された作動温度の近傍で一定になるように制御する方式が採用されている。
【０００４】
本発明者らは、特許文献１において、酸素イオン伝導性であるジルコニア固体電解質を用いた高温作動型の混成電位式ＮＯｘセンサを提案した。このＮＯｘセンサは、ジルコニア固体電解質基板上にＮＯｘ検知電極および該検知電極と反対面あるいは同一面に参照電極を設けたことを基本構成とする。ＮＯｘ検知電極は、ＮＯｘと酸素とに対して活性を有し、参照電極は酸素にのみ活性を有することから、両電極間の化学ポテンシャルの差に起因した出力（電位差）が得られる。このため、両電極間の電位差を測定し、測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。なお参照電極がＮＯｘにも活性を有する場合には、測定ガスから隔離すれば同様なＮＯｘ感度が得られることは周知のとおりである。
【０００５】
しかしながら、上述のような混成電位式ＮＯｘセンサの検知電極においては、ＮＯガス検知時に、下記の式（１）および（２）で示す反応が起こり、ＮＯ_２ガス検知時には下記の式（３）および（４）で示す反応が起こる：
【０００６】
【数１】

【０００７】
そのため、ＮＯガス検知時とＮＯ_２ガス検知時とでは、センサ出力が互いに逆極性となる。車の排気ガス中の総ＮＯｘ濃度を検知する場合には、ＮＯとＮＯ_２が混在するため、このままでは相互干渉を起こし、総ＮＯｘ濃度が検知できない。
【０００８】
これを解決するために、特許文献１は積層型のガス検出装置を提案している。積層型ガス検出装置では、電気化学的酸素ポンプを用いて、大気中から酸素をガス検知室に導入し、測定ガス中のＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）などの還元性ガスを酸化して無害化するとともに、ＮＯｘ中のＮＯを電気化学的にＮＯ_２化し、ＮＯｘをＮＯ_２の単ガスに変換する。この単ガス化処理後のＮＯ_２濃度を、ＮＯｘ検知電極と酸素電極との間の電位差測定により、総ＮＯｘ濃度を検知するものである。
【０００９】
このような積層型のＮＯｘガス検出装置において、その検知性能すなわち感度特性（感度とその安定性）及び応答性は特に検知電極の性能に支配される。混成電位型ＮＯｘセンサとしての検知電極として、従来からＮｉＣｒ_２０_４（ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ＮＯ． ９６１１３０）、Ｐｔ−Ｒｈ合金、Ｐｔ−Ｒｈ合金にジルコニア固体電解質を添加したサーメット電極が特許文献２等に報告されている。これらの検知電極はいずれも優れた感度を有している。
【００１０】
混成電位型ＮＯｘセンサでは、少なくともＮＯｘ検知電極と電気化学的酸素ポンプが所定の温度に制御される必要がある。センサの温度を検出する方法としては、温度検出部に固定された熱電対を用いる方法、固体電解質のインピーダンスを用いる方法、発熱体の抵抗変化を用いる方法が報告されている。実用化されている酸素センサなどでは制御温度範囲が比較的広く、固体電解質のインピーダンスを用いる方法が採用されている。一方、混成電位型センサではセンサ出力の温度依存性が高いことから、温度制御精度が要求される。
【００１１】
本発明者等は、混成電位型ＮＯｘセンサにおいて、検知電極の近傍に熱電対を埋設し、検知部の温度を直接的に測定し、温度制御信号として用いる方法を採用してきた。温度検出部に固定された熱電対を用いる方法では、少なくとも一本以上のリード線が必要で、作製工程も複雑になる。また、グリーンシートを用いて積層型センサを作製する場合には焼成温度が高いため、熱電対材料として貴金属系材料を使用する必要があり、製造コストが高くなる。固体電解質のインピーダンスを用いる方法でも、熱電対測定法と同様に、少なくとも一本以上のリード線が必要となる。また、この方法では温度制御幅が広く、高精度の温度制御を要する混成電位型センサに用いる場合には、何よりの課題である。
【００１２】
例えば特許文献３には、ヒーターの抵抗変化を利用して温度を制御する方法が開示されている。しかし、この方法では発熱部から非発熱部への熱伝導があるため、両部の境界点が不明確であり、外界温度の変動に対して非発熱部の温度変動が大きく、すなわち抵抗変化が大きく、温度の制御幅が広いため、混成電位型センサへの適用は困難である。
【００１３】
内燃機関の排気ガスに対する規制が益々厳しくなっている近年、それら規制対象ガスを直接的に精度よく測定することが要求されている。一方では、コストの観点からセンサ素子はもちろん、計測回路、制御回路を複雑にすることは困難である。
【００１４】
【特許文献１】
特開平９−２７４０１１号
【特許文献２】
特開平１１−７２４７６号
【特許文献３】
特開２００２−２１５２４６号
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、従来の発熱体（以下、ヒーターと称す）の構成を模式的に示す図であり、図６はヒーターの温度制御をする温度制御回路の一構成例を示す回路図である。ヒーター１０は、耐熱性セラミック基板１２上に形成された、抵抗体として機能する発熱部１４と、第１、第２の非発熱部１６、１８とを含む。第１の非発熱体１６は、その接合部１６ａが発熱部１４の一方の端部１４ａに接合する導電性金属からなり、第２の非発熱部１８は、その接合部１８ａが発熱部１４の他方の端部１４ｂに接合する導電性金属からなる。温度制御回路２０は、第１、第２の非発熱部１６、１８の端部１６ｂ、１８ｂに電力を供給し、発熱部１４を発熱させる。温度制御回路２０は、図６に示すように、オペアンプ２２により発熱部１４の電圧値を測定し、オペアンプ２４により発熱部１４に流れる電流値を測定する。電力制御部２６は、測定された電圧値と電流値とから、発熱部１４の抵抗値（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）を算出し、この算出された抵抗値と発熱部の設定温度とを比較し、その差分を駆動回路２６を介してバイポーラトランジスタ２８のベースに供給し、電力の制御を行う。
【００１６】
しかしながら、上述した温度制御装置において、第１、第２の非発熱部１６、１８はそれぞれ接合部１６ａ、１８ａにおいて発熱部１４に接合されるため、それらの接合部１６ａ、１８ａ付近の温度が発熱部１４からの熱伝導により上昇する。さらに、外部環境の温度変化によって、非発熱部１６、１８の温度が変化することがある。第１、第２の非発熱部１６、１８の温度が上昇するとその抵抗値も上昇するため、温度制御回路２０で測定される電圧値もその影響を受け、その結果、発熱部１４の抵抗値を正確に算出することが困難となる。このため、発熱部１４の実際の温度が、設定された温度から大きく変動してしまう。ガスセンサの出力精度を向上させるためには、センサの電極の温度を精度良く制御することが非常に重要であり、また、センサの製造コストを低減させるために、センサ構成の簡略化はもとより、温度制御回路の簡便化も要求されている。
【００１７】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決し、ヒーターの温度を正確に制御することができる温度制御装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
さらに本発明の他の目的は、簡便な回路で温度制御精度を向上させることができる抵抗変化を用いた温度制御装置及びその制御方法ならびにそれらを用いたガス検出装置を提供する。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上述した従来技術の課題に鑑み鋭意研究を行った結果、本発明者等は、以下のような解決方法を見出した。すなわち、本発明の温度制御方法は、耐熱性セラミックス基板上に形成された発熱部および第１と第２の非発熱部からなる発熱体において、第１あるいは第２の非発熱部のいずれか一方と発熱部の接続部にさらに第３の非発熱部を接合させ、第１と第２の非発熱部の間に印加する電圧Ｖと流れる電流Ｉを計測すると同時に、第３の非発熱部と接合させた第１あるいは第２の非発熱部間の電圧値Ｖｒを計測する。計測された電圧値Ｖｒを倍増演算した２Ｖｒを、第１と第２の非発熱部の間に印加した電圧値Ｖから減算することによって補正された電圧値Ｖ’を算出し、電圧値Ｖ’と第１と第２の非発熱部間に流れる電流Ｉを用いてヒーターの抵抗Ｒを算出し、抵抗値Ｒが一定になるように第１と第２の非発熱部間に供給される電力を制御するものである。このようなヒーターの温度制御方法を採用することにより、発熱部から非発熱部への熱伝導の影響、外界温度の変動に対する非発熱部の温度変動に関わらず、発熱部の温度を精度よく制御することができる。
【００１９】
請求項１に記載の温度制御装置は、絶縁基板上に、第１、第２の端部を有する発熱部、発熱部の第１の端部に接続される第１の導電性経路部、および発熱部の第２の端部に接続される第２の導電性経路部を形成した発熱体を含み、さらに、第１または第２の導電性経路部の少なくとも一方の電圧値を測定する電圧測定手段と、測定された電圧値に基づき、発熱部の抵抗値を算出する抵抗算出手段と、算出された抵抗値に基づき、発熱部に供給する電力を制御する電力制御手段とを有する。
【００２０】
好ましくは、発熱部、第１、第２の導電性経路部は、耐熱性セラミック基板上に形成される。電圧測定手段は、耐熱性セラミック基板上に、第１または第２の導電性経路部の少なくともいずれか一方と並列に接続される第３の導電性経路部を含み、この第３の導電性経路部の電圧値を測定する。第１、第２、第３の導電性経路部は、発熱部へ電力を供給するための導電経路を形成し、この導電経路はその抵抗を小さくすることで非発熱部とされる。
【００２１】
さらに好ましくは、発熱部、第１、第２、および第３の導電性経路部は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕのうちの少なくとも一種を含む金属あるいは合金で形成される。ここで、発熱部およびすべての導電性経路部を同一の材料とすることにより製造工程が簡略化できる。また、第１、第２、第３の導電性経路部は実質的に非発熱部であり、発熱部の抵抗の温度依存性は、第１、第２、第３の導電性経路部の抵抗の温度依存性の少なくとも２倍であることが望ましい。
【００２２】
請求項８に記載の温度制御方法は、第１、第２の端部を有する発熱部、前記発熱部の第１の端部に接続される第１の導電性経路部、および前記発熱部の第２の端部に接続される第２の導電性経路部を含む発熱体に対して、第１、第２の導電性経路部を介して電力を供給し発熱部の温度を制御するものであり、以下のステップを備える。第１、第２の導電性経路部間に電力を供給するステップと、第１、第２の導電性経路部の少なくとも一方の電圧値を測定するステップと、測定された電圧値に基づき、発熱部の抵抗値を算出するステップと、算出された抵抗値に基づき、第１、第２の導電性経路部間に供給される電力を制御するステップとを含む。
【００２３】
好ましくは、温度制御方法はさらに、第１、第２の導電性経路部間の電流を測定するステップを含み、抵抗値を算出するステップは、第１、第２の導電性経路部間に供給される電圧から測定された電圧との差分を、測定された電流で除することで、発熱部の抵抗を算出する。
【００２４】
抵抗値を算出するステップは、第１、第２の導電性経路部の一方の電圧値のみが測定されるとき、電圧値を２倍し、これと第１、第２の導電性経路部間に供給される電圧値との差分を求めることが望ましい。
【００２５】
本発明に係るガス検出装置は、上述した本発明の特徴を有する温度制御装置と、固体電解質基板に固定されかつ検知対象ガスに対して活性を有する検知電極を備えたガス検知素子とを一体化して含み、検知電極は発熱部により所定温度に加熱されるものである。これにより、ガス検出装置の動作温度を安定化させ、ガス検出精度を向上させることができる。
【００２６】
さらに本発明に係るガス検出装置は、上述した本発明の特徴を有する温度制御装置を含み、ガス検出装置は、以下の構成を有する。
（ａ）それぞれ酸素イオン伝導性を有する第１および第２の固体電解質基板がスペーサを介して対向して配置され、第１および第２の固体電解質基板の間の空間に形成されたガス測定室と、（ｂ）ガス測定室に測定ガスを導入するガス導入口と、（ｃ）ガス測定室内の雰囲気に曝されるように第１の固体電解質基板に固定されかつ検知対象ガスおよび酸素に対して活性を有する検知電極および第１の固体電解質基板に固定されかつ少なくとも酸素に対して活性を有する酸素電極とを備えたガス検知素子と、（ｄ）ガス測定室内の雰囲気に曝されるように第２の固体電解質基板に固定されかつ検知対象ガスおよび酸素に対して活性を有する検知対象ガス変換電極と、少なくとも酸素または酸素化合物ガスの一方が存在する雰囲気中に曝されるように第２の固体電解質基板に固定されかつ酸素に対して活性を有する検知対象ガス変換対極とを備え、必要に応じて検知対象ガスの酸化または還元を選択できる検知対象ガス変換ポンプ素子と、（ｅ）検知電極と酸素電極との間の電位差を測定する手段と、（ｆ）変換ポンプ素子を駆動するための電圧を印加する電圧印加手段とを具備し、変換ポンプ素子に所定の電圧を印加しながら前記検知電極と前記酸素電極との間の電位差を検出することにより測定ガス中の検知対象ガスの濃度を検出するものである。
【００２７】
好ましくは検知対象ガスが窒素酸化物であり、変換ポンプ素子による検知対象ガス中のＮＯのＮＯ_２への酸化反応またはＮＯ_２のＮＯへの還元反応を必要に応じて選択することを可能とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に本発明に係るヒーターの温度制御装置およびその制御方法について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るヒーターの構成を示す模式図であり、図２はヒーターの温度制御をするための温度制御回路の構成を示す図である。なお、従来の説明で用いた図５および図６と同一の構成については、同一参照番号を附してある。
【００２９】
本実施の形態に係るヒーター１００は、耐熱性セラミックスからなるヒーター基板１２上に、発熱部１４と、発熱部１４の一方の端部１４ａに接合される接合部１６ａを有する導電性金属からなる第１の非発熱部１６と、発熱部１４の他方の端部１４ｂに接合される接合部１８ａを有する導電性金属からなる第２の非発熱部１８と、発熱部１４の一方の端部１４ｂに接合される接合部１０２ａを有する導電性金属からなる第３の非発熱部１０２（ハッチング部分）とからなるヒーターパターンが形成される。第１の非発熱部１６の接合部１６ａからその端部１６ｂまでの長さ、第２の非発熱部１８の接合部１８ａからその端部１８ｂまでの長さ、第３の非発熱部１０２の接合部１０２ａからその端部１０２ｂまでの長さは、それぞれが同程度に形成される。
【００３０】
ヒーター基板１２としては、アルミナやジルコニアなどに代表される耐熱性のセラミックス材料が用いられる。アルミナの場合には電気的に絶縁性の材料であり、直接、ヒーターパターンを形成することができる。電気的な絶縁性が問題となるジルコニアなどをヒーター基板１２として用いる場合には、ヒーターパターンをアルミナなどの絶縁性材料を介して基板上に形成することで、使用することができ、以下、これらを含めて絶縁基板と称する。
【００３１】
ヒーターパターンの発熱部１４には、Ｎｉ，Ｃｒ等の既存の発熱体材料を用いることができる。但し、本件の用途の１つである混成電位型ＮＯｘセンサにおいては、６００℃程度に昇温する必要があるため、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｕのうち少なくとも一種を含む金属あるいは合金からなる材料を用いることが望ましい。
【００３２】
第１の非発熱部１６および第２の非発熱部１８も発熱部１４と同様の材料を用いて形成することができる。ただし、発熱部１４の抵抗が第１の非発熱部１６および第２の非発熱部１８の抵抗よりも大きくなければ、発熱部１４を抵抗体として発熱させることができない。このため、同一材料を用いた場合には、発熱部１４と、第１、第２の非発熱部１６、１８の厚さや幅（断面積）を変えるなどして、発熱部と非発熱部の抵抗比率を適宜変えることが必要である。第１、第２の非発熱部１６、１８を発熱部１４と別な材料で形成する場合には、発熱部１４に高抵抗の材料を用いることが好ましく、その際も、厚さや幅を変えることなどによって、両部の抵抗比率を変えて形成することがより好ましい。
【００３３】
発熱部１４の温度制御の精度を向上させるためには、発熱部１４と第１、第２の非発熱部１６、１８の抵抗の温度依存性が異なることが好ましい。すなわち、図１に示す発熱部１４の一方の端部１４ａと第１の非発熱部１６の接合点１６ａ、および発熱部１４の他方の端部１４ｂと第２の非発熱部１８との接合点１８ａの近傍では、第１、第２の非発熱部１６、１８も温度変動に対して抵抗変化するが、発熱部１４の抵抗の温度依存性に比較して、これら非発熱部の温度依存性が小さければ、温度制御の精度は良くなる。発熱部１４の抵抗の温度依存性をＨｔ、第１、第２の非発熱部の温度依存性をＬｔとしたとき、その比Ｈｔ／Ｌｔは、２以上であることが好ましい。
【００３４】
第３の非発熱体１０２は、第２の非発熱部１８の接合部１８ａとその端部１８ｂ間の電位差を計測できればよく、ヒーターとして多大な電流を流すのものではないため、導通さえ取れていれば充分に使用することができる。材料も導電性があるものであれば使用可能であり特に制限はないが、好ましくは、その抵抗値が第２の非発熱部１８に比して出来るだけ小さいことが望ましい。
【００３５】
このように作製したヒーターを図２に示す温度制御回路に接続させ、ヒーター発熱部１４の温度が所定温度になるように制御する。ヒーターを駆動するための電力が端部１６ｂおよび端部１８ｂから入力される。印加された電圧と、流れる電流からヒーター全体の電気抵抗を計算することができる。ただし、この抵抗及び抵抗の温度依存性は、発熱部１４、第１、第２の非発熱部１６、１８のそれぞれを同時に含むものである。したがって、実際に温度制御が必要な部位をヒーターの発熱部１４近傍とした場合でも、計測される抵抗変化は発熱部から離れた第１、第２の非発熱部１６、１８の抵抗変化を含むものとなり、温度制御精度を悪くしてしまう。
【００３６】
そこで、第１、第２の非発熱部１６、１８の抵抗変化の影響を除くため、第３の非発熱部１０２を形成する。端部１８ｂと端部１０２ｂとの間の電圧を計測する手段を設け、これにより測定された電圧から、接合点１８ａと端部１８ｂの間の電圧Ｖｒを得ることができる。同様に、接合点１６ａと端部１６ｂの間にも電圧が生じるが、第１の非発熱部１６と第２の非発熱部１８とが、同一工程で作製され、長さ、幅、厚さ等の形状因子および材料が同じであれば、その電圧はＶｒになる筈である。したがって、端部１６ｂと端部１８ｂから入力される印加電圧から２倍のＶｒを差し引けば、ヒーター発熱部１４の電圧Ｖ’を得ることができ、流れる電流Ｉから発熱部１４に相当する抵抗を算出することが可能となる。このときの抵抗Ｒは下式で表す。
【００３７】
Ｒ＝（Ｖ―２Ｖｒ）／Ｉ＝ｆ（Ｔ）
得られた抵抗Ｒは、温度の関数であるので、センサ温度の制御に用いることができる。得られた抵抗値を設定値と比較し、差動によってヒーター駆動回路を制御して、ヒーター温度を一定にする。
【００３８】
本実施の形態に係る温度制御回路２００は、第３の非発熱部１０２を用いて、第２の非発熱部１８の電圧値を計測するために必要なオペアンプ２０２、２０４、および２０６を含む。なお、図６と同一構成については同一番号を付してある。オペアンプ２０２は、第３の非発熱部１０２の端部１０２ｂと第２の非発熱部１８ｂ間の電圧値Ｖｒを計測する。オペアンプ２０４はその電圧値Ｖｒを倍増し、その出力をオペアンプ２０６に供給する。オペアンプ２２は、第１、第２の非発熱部１６ｂ、１８ｂ間に供給される電圧値Ｖを測定し、その出力をオペアンプ２０６に供給する。オペアンプ２０６は、それぞれ入力された電圧値の差分（Ｖ−２Ｖｒ）を求め、これを電力制御部２６へ供給する。オペアンプ２４は、発熱部１４に流れる電流（Ｉ）を計測し、その結果を電力制御部２６に出力する。電力制御部２６は、これらの計測された値から、上記式に従い、発熱部１４の抵抗値Ｒを算出し、これと、温度設定部２８において設定された抵抗値とを比較し、その差分を駆動回路３０を介してトランジスタ３２のベースに供給し、端部１６ｂ、１８ｂに供給される電力を制御する。なお、温度制御回路は、図２に示すようなアナログ回路を用いても良いが、これ以外にも、測定されたデータをＡ／Ｄ変換等し、デジタル回路により処理するものであっても良い。
【００３９】
以上のようなヒーター１００およびその温度制御回路２００は、ガス濃度を検出するためのガス検出装置（ガスセンサ）などへ適用することができる。ここでは、その一例として自動車から排出される窒素酸化物の濃度を検出する車載用ＮＯｘセンサに本発明のヒーターを取り付け、温度制御回路により温度制御する場合について図を用いて説明する。
【００４０】
図３は、窒素酸化物測定用ガス検出装置（以下、単にＮＯｘセンサと呼ぶ）の一形態を示す概略断面図である。このＮＯｘセンサ３００は、（ａ）それぞれ酸素イオン伝導性を有する第１の固体電解質基板３１１と第２の固体電解質基板３１２が対向して配置され、第１の固体電解質基板３１１と第２の固体電解質基板３１２との間がスペーサ３２５により所定の距離に保たれることにより形成されているガス測定室３１４と、（ｂ）ガス測定室３１４に測定ガスが所定のガス拡散抵抗を持って流入するように設けられたガス導入口３１３と、（ｃ）ガス測定室３１４内の雰囲気に曝されるように第１の固体電解質基板３１１に固定されかつＮＯｘおよび酸素に対して活性を有するＮＯｘ検知電極３１５と、第１の固体電解質基板３１１に固定されかつ酸素に活性を有する酸素電極３１６とを備えたＮＯｘ検知セルと、（ｄ）ガス測定室３１４内の雰囲気に曝されるように第２の固体電解質基板３１２上に固定されかつＮＯｘおよび酸素に対して活性を有するＮＯｘ変換電極３１８と、酸素及び／又は酸素化合物ガスが存在する雰囲気中に曝されるように第２の固体電解質基板３１２に固定されかつ酸素に活性を有するＮＯｘ変換対極３１９とを備え、検知対象ガス中のＮＯをＮＯ_２へ酸化、またはＮＯ_２をＮＯへ還元するためのＮＯｘ変換ポンプセルを含む。
【００４１】
ＮＯｘセンサ３００は、ＮＯｘ検知電極３１５と酸素電極３１６との間の電位差を測定する手段３３１と、ＮＯｘ変換ポンプセルを駆動するための電圧印加手段３３２とを具備し、ＮＯｘ変換ポンプセルに所定の電圧を印加しながらＮＯｘ検知電極３１５と酸素電極３１６との間の電位差を検出することにより測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。さらに、ＮＯｘセンサ３００は、ＮＯｘ検知セル（ＮＯｘ検知電極３１５、酸素電極３１６）を所定温度に加熱するためのヒーター３４０（自己加熱ヒーター）を備えており、ヒーター基板３４２及び３４４がヒーター３４０を挟持して一体化しているとともに、ＮＯｘセンサ基板部を形成している。ヒーター３４０の構成は、先に示した図１に示すヒーター１００と同様である。
【００４２】
固体電解質基板３１１及び３１２は、ジルコニア固体電解質を用いるのが好ましいが、さらにスペーサ３２５も同様のジルコニア固体電解質からなるのが好ましい。またヒーター３４０を挟持するヒーター基板３４２及び３４４にもジルコニア固体電解質を用いるのが好ましい。この場合にはヒーター基板３４２及び３４４のそれぞれとヒーター３４０との間に電気絶縁性の高いアルミナ層等を設けるのが好ましい。
【００４３】
図３に示すＮＯｘセンサ３００の構成は、電気化学的な酸素ポンプ（ＮＯｘ変換電極３１８及び変換対極３１９からなるＮＯｘ変換ポンプセル）を備えているので、必要に応じて燃焼排ガス中のＮＯをＮＯ_２に変換して検知対象ガス中の総ＮＯｘをＮＯ_２の単ガスに変換するか、又は燃焼排ガス中のＮＯ_２をＮＯに変換して検知対象ガス中の総ＮＯｘをＮＯの単ガスに変換することにより、検知対象ガス中の総ＮＯｘ濃度を検知するものである。
【００４４】
このようなＮＯｘ変換ポンプセルを用いた単ガス化は、ガス測定室３１４内に外部から酸素を導入してＮＯｘ変換電極３１８によりＮＯを酸化するか、またはガス測定室３１４内から酸素を排出してＮＯｘ変換電極３１８によりＮＯ_２を還元することにより進行させる。
【００４５】
図３に示すようなＮＯｘセンサの作製には、一般にグリーンシートを用いた方法が適用される。グリーンシートにＮＯｘ検知電極、酸素電極及び集電用リード導体をスクリーン印刷して検知セル部のシートを作製し、別のグリーンシートにＮＯｘ変換電極および変換対極をスクリーン印刷して変換ポンプセル部のシートを作製し、さらにヒーターに別の二枚のグリーンシートを印刷形成し圧着することによりヒーター部のシートを作製する。各シート並びに大気導入ダクト、スペーサ及びガス導入孔をそれぞれ形成するためのグリーンシートを積層し、加温圧着する。この際、素子の内部空所を形成する部位には、脱脂温度にて昇華するテオブロミン等の消失材を予め埋め込むか印刷形成する。加温圧着後、約５００℃で脱脂した後、通常１４００℃以上で焼結焼成を行う。最後に集電体端子にＰｔなどのリード線を溶接するなどして測定に供される。
【００４６】
（実施例１）
市販の白金ペーストを用いてアルミナ基板上にスクリーン印刷により発熱部と第１、第２及び第３の非発熱部を形成し、大気雰囲気、１５００℃で焼き付けて図１に示すヒーターを作製した。ヒーター発熱部パターンは、幅０．２ｍｍ、長さ約４０ｍｍ、第１と第２の非発熱部パターンは、幅１．２ｍｍ、長さ４０ｍｍ、第３の非発熱部パターンは、幅０．５ｍｍ、長さ４０ｍｍとした。また、図示していないが、基板裏面のヒーター発熱部の中央部に相当する部位に側温点を持つようにＫ型熱電対を貼り付けて、加熱対象部位の温度を測定した。温度制御回路は図２に示すものを用いた。
【００４７】
先ず、大気中において、貼り付けた熱電対により、ヒーター発熱部が６００℃になるように温度制御回路を調整した。回路調整後、ヒーターの先端部を、流速８ｍ／ｓｅｃの空気が流される評価装置に取り付け、ガス温を図４に示すように３分間隔で２００℃と５００℃に変え、各ガス温度での熱電対の熱起電力から温度を測定して温度制御精度を評価した。比較のため、図５に示す従来型の第３の非発熱部を持たないヒーターにおいても同様に評価した。このヒーターに用いられた温度制御回路は図６の構成を有するものである。表１は、この実験結果を示すものである。
【００４８】

【００４９】
比較例１においては、ガス流速下にさらすことにより、ヒーター発熱部の温度は低下する。特にガス温を５００℃から２００℃に変えたときのヒーターの温度変化（設定温度との差）は−４５℃と著しい低下を示した。これに対して、実施例１においては、ガス流速下にさらすことにより、ヒーター発熱部の温度は低下するものの、ガス温を５００℃から２００℃に変えたときでもヒーターの温度変化は−１０℃と小さく、比較例１に比べて温度制御精度は著しく向上した。
【００５０】
（実施例２−１１）
表２に示す発熱部材料を調合したペーストを用いて、ジルコニアグリーンシート上に、アルミナ絶縁印刷層を印刷形成し、その上にヒーターパターンをスクリーン印刷により形成した。さらに別のジルコニアグリーンシート上にもアルミナ絶縁印刷層を印刷形成し、ヒーターパターンが絶縁印刷層間に挟み込まれるように積層し、温間プレスにより圧着してヒーター積層体を作製した。積層体は、大気雰囲気中５００℃で脱脂後、１３５０℃で焼成して図１に示すパターンを有するヒーターを作製した。発熱部および第１、第２および第３の非発熱部の材料および膜厚は表２に示す。ヒーター発熱部パターンは、幅０．２ｍｍ、長さ約４０ｍｍ、第１と第２の非発熱部パターンは、幅１．２ｍｍ、長さ４０ｍｍとした。また、図示しないが基板表面のヒーター発熱部の中央部に相当する部位に側温点を持つようにＫ型熱電対を貼り付けて、加熱対象部位の温度を測定した。温度制御回路は図２に示すものを用いた。
【００５１】
まず、大気中において、貼り付けた熱電対により６００℃になるように温度制御回路を調整した。回路調整後、ヒーターの先端部がガス流速８ｍ／ｓｅｃの空気が流される評価装置に取り付け、ガス温を図４に示すように２００℃と５００℃を３分間隔で変え、各ガス温度での熱電対の熱起電力から温度を測定して温度制御精度を評価した。その実験結果を表２に示す。
【００５２】

【００５３】
発熱部および非発熱部に白金を用いた実施例２は、表１に示した実施例１と同程度の温度差を示した。発熱部の膜厚を０．０１ｍｍと薄くした実施例３においては、ガス温を５００℃から２００℃に変えたときのヒーターの温度変化を−８℃と実施例１または２よりわずかに小さくすることができた。実施例４から１０においては、非発熱部の材料をＰｔとし、発熱部の材料の影響について調べた。いずれの発熱部材料においても、ほぼ同程度の温度制御精度を示した。実施例１１においては、発熱部と第１および第２の非発熱部を同材料（Ｐｔ＋１０重量（ｗｔ）％Ｒｈ）で形成した場合の影響について調べた。実施例２から１０と同程度の温度制御精度を示した。上記のようなヒーター材料を用いる場合、これらのヒーター材料が、本発明に係るヒーターの温度制御装置の精度に及ぼす影響が小さいことがわかる。
【００５４】
（実施例１２）
図３に示す断面構造のＮＯｘセンサを作製した。ジルコニア固体電解質基板には、６ｍｏｌ％イットリア添加ジルコニア粉を原料粉として前述の方法で作製したグリーンシートを用いた。グリーンシートのサイズは６×７０ｍｍとした。グリーンシートの厚さは部位により異なるが、０．１〜０．３ｍｍの範囲とした。グリーンシートにスクリーン印刷によりＰｔリード導体形成した後、同様にスクリーン印刷でＮＯｘ検知電極、酸素電極、ＮＯｘ変換電極、及び変換対極を形成した。
【００５５】
ＮＯｘ検知電極材料は、ＮｉＣｒ_２Ｏ_４とし、そのサイズは、０．７×１．３×０．００３ｍｍとした。酸素電極にはＰｔを用い、そのサイズは、０．７×１．３×０．００３ｍｍとした。ＮＯｘ変換電極には、Ｐｔ−３ｗｔ％Ｒｈ、変換対極にはＰｔをそれぞれ用いた。各電極には１０ｗｔ％のイットリア（８ｍｏｌ％）安定化ジルコニアを添加してガス電極とした。ヒーター部もジルコニアグリーンシートにアルミナ印刷絶縁層を介して形成した。ヒーターパターンは図１と同様にし、表２の実施例１と同様の材料、膜厚で形成した。
【００５６】
各部位を構成したグリーンシートを積層し、温間プレス接合し、５００℃にて２時間脱脂、１３５００℃−大気中で３時間焼成してサンプルを得た。このように作製したセンササンプルをアルミナ管に保持し、測定治具にセットし、ガス感度評価装置に取り付けて、酸素濃度５ｖｏｌ％下で、ＮＯｘに対する感度を測定した。検知対象ガスとしては１００ｐｐｍのＮＯガスを用いた。変換ポンプにはガス測定室内に酸素を汲み込む方向に作動させた。
【００５７】
ヒーター電圧は、図２に示す温度制御回路を有するユニットで制御し、検知部温度が６００℃となるようにした。まず大気中において、ＮＯｘセンサ表面に貼り付けた熱電対により６００℃になるように温度制御回路を調整した。回路調整後、ＮＯｘセンサの先端部を流速８ ｍ／ｓｅｃの空気が流される評価装置に取り付け、ガス温を図４に示すように３分間隔で２００℃と５００℃に変え、１００ｐｐｍＮＯの感度変化を測定して温度制御精度を評価した。参考として表面に貼り付けた熱電対の熱起電力から測定された温度変化についても調べた。比較のため、図５に示す第３の非発熱部を持たない従来型のヒーターについても同様に検討した（温度制御回路は図６に示す構成である）。これらの実験結果を表３に示す。
【００５８】

【００５９】
比較例２においては、ガスの流れる雰囲気下にさらすことにより、ＮＯｘセンサの表面に貼り付けた熱電対の指示温度は設定温度よりも著しく低下した。特にガス温を５００℃から２００℃に変えたときのヒーターの温度変化（設定温度との差）は−５０℃と著しい低下を示した。ここで、ガス温２００℃と５００℃での１００ｐｐｍＮＯに対する感度の差は、１０ｍＶと大きく、ＮＯｘ検知極が配置された検知部の温度変動の影響を受けていることが確認された。
【００６０】
実施例１２においては、ガスの流れる雰囲気下にさらすことにより、ヒーター発熱部の温度は低下するものの、ガス温を５００℃から２００℃に変えたときのヒーターの温度変化でも−１１℃と、比較例２に比べて温度変化は小さくなった。また、ガス温２００℃と５００℃での１００ｐｐｍＮＯに対する感度の差は２ｍＶと小さく、ＮＯｘ検知極が配置された検知部の温度変動が小さいことから感度の変動も小さく検知精度が向上したことがわかった。
【００６１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６２】
【本発明による効果】
本発明に係るヒーターの温度制御装置によれば、第１または第２の非発熱部の少なくとも一方の電圧を測定し、この測定された電圧に基づき発熱部の抵抗値を算出するようにしたので、第１、第２の非発熱部の温度変化による抵抗変化の影響を抑制することができ、発熱部の温度を精度良く制御することが可能となる。また、このような温度制御装置をガス検出装置に一体に取り付けることで、ガス検出装置の動作温度を安定化させ、ガスの検出精度を向上させることができる。さらに、このようなヒーターをガス検出装置に一体に取り付けることで、ガス検出装置の製造工程を簡便化させ、かつ、装置そのものの信頼性、耐久性も改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るヒーター構成を模式的に示す平面図である。
【図２】第１の実施の形態に係るヒーターの温度制御に用いる温度制御回路の構成を示す図である。
【図３】本発明に係るヒーターを適用したガス検出装置の構成を示す概略断面図である。
【図４】ヒーターの温度制御性を計測するために供給されるガス温度条件を示す図である。
【図５】従来のヒーターの構成を模式的に示す平面図である。
【図６】従来のヒーターの温度制御に用いられる温度制御回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
１２ ヒーター基板
１４ 発熱部
１６ 第１の非発熱部
１６ａ 接合部
１６ｂ 端部
１８ 第２の非発熱部
１８ａ 接合部
１８ｂ 端部
１０２ 第３の非発熱部
１０２ａ 接合部
１０２ｂ 端部
２００ 温度制御回路
３１１ 第１の固体電解質基板
３１２ 第２の固体電解質基板
３１３ ガス導入口
３１４ ガス測定室
３１５ ＮＯｘ検知電極
３１６ 酸素電極
３１８ ＮＯｘ変換電極
３１９ 変換対極
３２５ スペーサ
３２６ 大気導入ダクト
３３１ ＮＯｘ検知電極と酸素電極間の電位差を測定する手段（電位差計）
３３２ ＮＯｘ変換ポンプセルに電圧を印加する手段（外部電源）
３４０ ヒーター
３４２ ヒーター形成基板
３４４ ヒーター形成基板

Claims (14)

1. 絶縁基板上に、第１、第２の端部を有する発熱部、前記発熱部の第１の端部に接続される第１の導電性経路部、および前記発熱部の第２の端部に接続される第２の導電性経路部を形成した発熱体を含み、前記発熱体の第１、第２の導電性経路部を介して前記発熱部に電力を供給し前記発熱部の温度を制御する、温度制御装置であって
   前記第１または前記第２の導電性経路部の少なくとも一方の電圧値を測定する電圧測定手段と、
   前記測定された電圧値に基づき、前記発熱部の抵抗値を算出する抵抗算出手段と、
   算出された抵抗値に基づき、前記発熱部に供給する電力を制御する電力制御手段と
   を有する、温度制御装置。
2. 前記発熱部、前記第１、第２の導電性経路部は、耐熱性セラミック基板上に形成され、前記電圧測定手段は、前記耐熱性セラミック基板上に、前記発熱部の第１または第２の端部の少なくともいずれか一方に接続される第３の導電性経路部を含み、かつ当該第３の導電性経路部の電圧値を測定する、請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記電力制御手段は、前記抵抗算出手段により算出された発熱部の抵抗値が一定となるように電力を制御する、請求項１または２に記載の温度制御装置。
4. 前記電力制御手段は、前記抵抗算出手段により算出された発熱部の抵抗値と基準値とを比較し、比較結果に基づき供給される電力を制御する、請求項３に記載の温度制御装置。
5. 前記温度制御装置はさらに、前記第１、第２の導電性経路部間を流れる電流を測定する電流測定手段を有し、前記抵抗算出手段は、前記電圧測定手段によって測定された電圧値と前記第１、第２の導電性経路部間に供給される電圧値との差分を、前記測定された電流値で除することで、前記発熱部の抵抗値を算出する、請求項１、２、３、または４に記載の温度制御装置。
6. 前記発熱部、前記第１、第２、および第３の導電性経路部は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕのうちの少なくとも一種を含む金属あるいは合金で形成される、請求項２、３、４または５に記載の温度制御装置。
7. 前記第１、第２、第３の導電性経路部は実質的に非発熱部であり、前記発熱部の抵抗の温度依存性は、前記第１、第２、第３の導電性経路部の抵抗の温度依存性の少なくとも２倍である、請求項２、３、４、５または６に記載の温度制御装置。
8. 第１、第２の端部を有する発熱部、前記発熱部の第１の端部に接続される第１の導電性経路部、および前記発熱部の第２の端部に接続される第２の導電性経路部を含む発熱体に対して、前記第１、第２の導電性経路部を介して電力を供給し、前記発熱部の温度を制御する温度制御方法であって、
   前記第１、第２の導電性経路部間に電力を供給するステップと、
   前記第１、第２の導電性経路部の少なくとも一方の電圧値を測定するステップと、
   前記測定された電圧値に基づき、前記発熱部の抵抗値を算出するステップと、
   前記算出された抵抗値に基づき、前記第１、第２の導電性経路部間に供給される電力を制御するステップとを含む、温度制御方法。
9. 前記温度制御方法はさらに、前記第１、第２の導電性経路部間の電流を測定するステップを含み、
   前記抵抗値を算出するステップは、前記第１、第２の導電性経路部間に供給される電圧から前記測定された電圧との差分を、前記測定された電流で除することで、発熱部の抵抗を算出する、請求項８に記載の温度制御方法。
10. 前記抵抗値を算出するステップは、前記第１、第２の導電性経路部の一方の電圧値のみが測定されるとき、当該電圧値を２倍し、これと第１、第２の導電性経路部間に供給される電圧値との差分を求める、請求項９に記載の温度制御方法。
11. 前記電力を制御するステップは、算出された発熱部の抵抗値が一定となるように、第１、第２の導電性経路部間に供給される電力を制御する、請求項８、９または１０に記載の温度制御方法。
12. 請求項１ないし７いずれかに記載の温度制御装置と、固体電解質基板に固定されかつ検知対象ガスに対して活性を有する検知電極を備えたガス検知素子とが一体化され、前記検知電極は前記発熱部により所定温度に加熱される、ガス検出装置。
13. 請求項１ないし７いずれかに記載の温度制御装置を含むガス検出装置であって、前記ガス検出装置は、
    （ａ）それぞれ酸素イオン伝導性を有する第１および第２の固体電解質基板がスペーサを介して対向して配置され、前記第１および第２の固体電解質基板の間の空間に形成されたガス測定室と、
    （ｂ）前記ガス測定室に測定ガスを導入するガス導入口と、
    （ｃ）前記ガス測定室内の雰囲気に曝されるように前記第１の固体電解質基板に固定されかつ検知対象ガスおよび酸素に対して活性を有する検知電極と、前記第１の固体電解質基板に固定されかつ少なくとも酸素に対して活性を有する酸素電極とを備えたガス検知素子と、
    （ｄ）前記ガス測定室内の雰囲気に曝されるように第２の固体電解質基板に固定されかつ検知対象ガスおよび酸素に対して活性を有する検知対象ガス変換電極と、少なくとも酸素または酸素化合物ガスの一方が存在する雰囲気中に曝されるように前記第２の固体電解質基板に固定されかつ酸素に対して活性を有する検知対象ガス変換対極とを備え、必要に応じて検知対象ガスの酸化または還元を選択できる検知対象ガス変換ポンプ素子と、
    （ｅ）前記検知電極と前記酸素電極との間の電位差を測定する手段と、
    （ｆ）前記変換ポンプ素子を駆動するための電圧を印加する電圧印加手段とを具備し、前記変換ポンプ素子に所定の電圧を印加しながら前記検知電極と前記酸素電極との間の電位差を検出することにより測定ガス中の検知対象ガスの濃度を検出する、ガス検出装置。
14. 前記検知対象ガスが窒素酸化物であり、前記変換ポンプ素子による検知対象ガス中のＮＯのＮＯ_２への酸化反応またはＮＯ_２のＮＯへの還元反応を必要に応じて選択することを可能とする、請求項１３に記載のガス検出装置。

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