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

發(fā)明內(nèi)容
那么，在通常的電化學式的氣體傳感器中，如果設置參考極以及檢測極時使參考極與檢測極之間的阻抗變大，因為電動勢值變大，所以即使在測定對象氣體的濃度稀的情況下，也可以以良好的精度進行測定。另外，當設置參考極以及檢測極時，若使參考極與檢測極之間的阻抗變小，可提高反應速度。這樣，參考極與檢測極之間的阻抗所優(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，難以用各種方法測定氣體濃度。
另外，在上述以往的氣體傳感器中，為了測定固體電解質(zhì)部件的溫度，例如使用熱變電阻或熱電偶等溫度檢測元件。當使用熱變電阻時，將熱變電阻配置在傳感器元件的附近，測定傳感器元件周圍的環(huán)境溫度。另外，當使用熱電偶時，使熱電偶接觸傳感器元件，測定傳感器自身的溫度。
但是，即使測定傳感器周圍的環(huán)境溫度，因為與固體電解質(zhì)部件的溫度不同，所以測定誤差也變大。另外，當使熱電偶接觸傳感器元件時，因為熱量順著熱電偶從傳感器元件散出，所以固體電解質(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，有了對不使用溫度傳感器而根據(jù)溫度可以以高精度測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、被設置在固體電解質(zhì)部件上的檢測極，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，因為通過用內(nèi)部配線或外部配線使第一參考極和第二參考極短路、擴大參考極和固體電解質(zhì)部件的接觸面積，所以與單獨使用第一參考極或第二參考極時相比，參考極與檢測極之間的阻抗變小。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，參考極與檢測極之間的阻抗)。因此，第一氣體傳感器可用各種方法測定氣體濃度。
然而，設置在固體電解質(zhì)部件上的檢測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，在檢測極與參考極之間產(chǎn)生的電動勢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極之間的阻抗的不同，相對于固體電解質(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，因為能夠改變參考極與檢測極之間的阻抗，所以基于參考極中電動勢的差異(例如電位差)，可知固體電解質(zhì)部件的溫度。其結果是不使用溫度檢測元件就可測定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因為可以直接測定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測元件相比，可以以更良好的精度測定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡易且以良好的精度求出測定對象氣體的濃度。
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關單元。
另外，第一氣體傳感器還具有放大兩個輸入端子間的電壓的放大單元，放大單元的兩個輸入端子中的一個與第一參考極或第二參考極電連接，放大單元的兩個輸入端子中的另一個與檢測極電連接。由此，可以以更好精度測定第一參考極或第二參照與檢測極之間的第一電動勢、或被短路的第一以及第二參考極與檢測極之間的第二電動勢。
另外，第一氣體傳感器優(yōu)選還具有氣體濃度測定單元，氣體濃度測定單元求出第一參考極以及第二參考極中的一個與檢測極之間的第一電動勢、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極之間的第二電動勢，基于第一或第二電動勢和測定對象氣體濃度的相關性，求出測定對象氣體的濃度。
另外，第一氣體傳感器還優(yōu)選具有氣體濃度計算單元，該氣體濃度計算單元求出第一參考極以及第二參考極中的一個與檢測極之間的第一電動勢、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極之間的第二電動勢，基于第一或第二電動勢的不同、求出固體電解質(zhì)部件的溫度，基于第一或第二電動勢與測定對象氣體濃度的相關性、即、與該溫度對應的該相關性，求出測定對象氣體的濃度。
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定溫度。在氣體傳感器中，當固體電解質(zhì)部件的溫度變高時，促進檢測極的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測定對象氣體的反應。另外，當固體電解質(zhì)部件的溫度變低時，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，通過選擇固體電解質(zhì)部件的設定溫度，就可根據(jù)測定用途或使用環(huán)境而使反應活性或消耗電力發(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與檢測極之間的第一電動勢、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極之間的第二電動勢，基于第一和第二電動勢的不同，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、且以相對于固體電解質(zhì)部件中檢測極的阻抗互不相同的方式被配置在固體電解質(zhì)部件上的多個參考極。
利用該第二氣體傳感器，就可根據(jù)測定用途或使用環(huán)境選擇參考極與檢測極之間的阻抗。因此，第二氣體傳感器可用各種方法測定氣體濃度。
另外，如上述那樣，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)當在固體電解質(zhì)部件上設置多個參考極，且以這些參考極和檢測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，相對于固體電解質(zhì)部件的溫度變化的阻抗變化的程度在多個參考極的各個中也不同。在第二氣體傳感器中，因為基于多個參考極的各個中的電動勢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元件就可測定出固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因為能夠直接測定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測元件相比，可以以更良好的精度測定固體電解質(zhì)部件的溫度。
第二氣體傳感器的特征在于，參考極與檢測極之間的距離在多個參考極的各個中互不相同?；蛘撸诙怏w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參考極的各個中互不相同。由此，可合適地實現(xiàn)以與檢測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，具備切換兩個端子間的通電狀態(tài)的多個開關單元，多個開關單元的各個的一個端子以一對一的方式電連接在多個參考極上，多個開關單元的各個的另一個的端子相互短路。由此，因為當測定電動勢時可適當選擇多個參考極的任一個，所以用于測定多個參考極的各個與檢測極之間的電動勢的電路可實現(xiàn)小型化。
另外，第二氣體傳感器的特征也可以為，具有放大兩個輸入端子間的電壓的放大單元，放大單元的兩個輸入端子中的一個與多個開關單元各個的另一個的端子電連接，放大單元的兩個輸入端子中的另一個與檢測極電連接。由此，可以以更好的精度測定多個參考極的各個與檢測極之間的電動勢。
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與檢測極之間的電動勢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，可合適地實現(xiàn)氣體傳感器，使其不使用溫度檢測元件就以良好精度地測定固體電解質(zhì)部件的溫度，能夠簡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算單元，該氣體濃度計算單元基于參考極的各個與檢測極之間的電動勢的不同而求出固體電解質(zhì)部件的溫度，基于多個參考極中的至少一個參考極中的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性、即、與該溫度對應的相關性，求出測定對象氣體的濃度。由此，可合適地實現(xiàn)不使用溫度檢測元件就以良好的精度測定固體電解質(zhì)部件的溫度、能夠簡易且以良好的精度測定出測定對象氣體的濃度的氣體傳感器。
另外，第二氣體傳感器優(yōu)選具有氣體濃度測定單元，該氣體濃度測定單元基于多個參考極中的一個參考極與檢測極之間的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性而求出測定對象氣體的濃度。
本發(fā)明的另一方面涉及氣體濃度測定方法。本發(fā)明的第一氣體濃度測定方法是使用上述第二氣體傳感器的氣體濃度測定方法，包括從多個參考極中選擇參考極的選擇步驟；測定在選擇步驟中選擇的參考極與檢測極之間的電動勢的電動勢測定步驟；基于在電動勢測定步驟中測定的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出測定對象氣體的濃度的氣體濃度計算步驟。
利用第一氣體濃度測定方法，通過從與檢測極之間的阻抗互不相同的多個參考極中選擇一個參考極，根據(jù)測定用途或使用環(huán)境，可變更檢測極與參考極之間的阻抗。
本發(fā)明的第二氣體濃度測定方法是，使用上述的第一氣體傳感器的氣體濃度測定方法，包括選擇步驟，選擇測定第一電動勢(該第一電動勢為，第一參考極以及第二參考極中的一個與檢測極之間的電動勢)和第二電動勢(該第二電動勢為，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極之間的電動勢)中的任一電動勢；電動勢測定步驟，測定在選擇步驟中被選擇的第一電動勢或第二電動勢；氣體濃度計算步驟，基于電動勢測定步驟中被測定的第一電動勢或第二電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出測定對象氣體的濃度。
在第二氣體濃度測定方法中，通過使第一以及第二參考極短路，擴大參考極與固體電解質(zhì)部件的接觸面積，與單獨使用第一或第二參考極時相比，參考極與檢測極之間的阻抗變小。因此，利用上述的第二氣體濃度測定方法，通過選擇測定第一以及第二電動勢中的哪個電動勢，根據(jù)測定用途或使用環(huán)境，可變更檢測極與參考極之間的阻抗。
另外，第一以及第二氣體濃度測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)部件的設定溫度；加熱步驟，在電動勢測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定溫度。在氣體傳感器中，當固體電解質(zhì)部件的溫度變高時，促進檢測極的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測定對象氣體的反應。另外，當固體電解質(zhì)部件的溫度降低時，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)該氣體濃度測定方法，通過選擇固體電解質(zhì)部件的設定溫度，根據(jù)測定用途或使用環(huán)境能夠改變反應的活性或消耗電力。
本發(fā)明的第三氣體濃度測定方法是，使用上述第二氣體傳感器的氣體濃度測定方法，其特征在于，包括電動勢測定步驟，測定多個參考極與檢測極之間的各個電動勢；氣體濃度計算步驟，基于電動勢的不同求出固體電解質(zhì)部件的溫度，基于多個參考極中至少一個參考極與檢測極之間的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性、即、與該溫度對應的相關性，求出測定對象氣體的濃度。
本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)當將多個參考極設置在固體電解質(zhì)部件上，且以這些參考極與檢測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，相對于固體電解質(zhì)部件的溫度變化的阻抗變化的程度(變化率)在多個參考極的各個中也不同。因此，基于參考極中電動勢的差異(例如電動勢差)，可知固體電解質(zhì)部件的溫度。在第三氣體濃度測定方法中，基于多個參考極的各個中的電動勢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元件就可測定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因為能夠直接測定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測元件時相比，可以以更良好的精度測定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡易且以良好精度地求出測定對象氣體的濃度。
本發(fā)明的第四氣體濃度測定方法是使用上述第二氣體傳感器的氣體濃度測定方法，其特征在于，包括電動勢測定步驟，測定多個參考極與檢測極之間的各自的電動勢；溫度控制步驟，基于電動勢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；氣體濃度計算步驟，基于多個參考極中至少一個參考極與檢測極之間的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性、即、與規(guī)定溫度對應的該相關性，求出測定對象氣體的濃度。
在第四氣體濃度測定方法中，與第三氣體濃度測定方法相同，基于多個參考極的各個中的電動勢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元件就可測定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因為可直接測定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測元件相比，可以以更良好的精度測定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡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定方法是使用上述的第一氣體傳感器的氣體濃度測定方法，包括電動勢測定步驟，測定第一參考極以及第二參考極中的一個與檢測極之間的第一電動勢，在第一參考極以及第二參考極短路的狀態(tài)下測定第一以及第二參考極與檢測極之間的第二電動勢；氣體濃度計算步驟，基于第一電動勢或第二電動勢的不同求出固體電解質(zhì)部件的溫度，基于與該溫度對應的第一電動勢或第二電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性求出測定對象氣體的濃度。
在上述的第五氣體濃度測定方法中，在測定兩個參考極的一個與檢測極之間的電動勢(第一電動勢)的同時，在兩個參考極相互短路的狀態(tài)(即，擴大參考極與固體電解質(zhì)部件的接觸面積的狀態(tài))下，還測定參考極與檢測極之間的電動勢(第二電動勢)。這樣，通過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?shù)厥箙⒖紭O與檢測極之間的阻抗發(fā)生變化。因此，基于第一電動勢和第二電動勢的不同(例如電動勢差)，可知道固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，在第五氣體濃度測定方法中，基于第一電動勢和第二電動勢的不同，求出固體電解質(zhì)部件的溫度，所以不使用溫度檢測元件就可測定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因為可直接測定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測元件相比，可以以更良好的精度測定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡易且以良好的精度求出測定對象氣體的濃度。
本發(fā)明的第六氣體濃度測定方法是使用上述的第一氣體傳感器的氣體濃度測定方法，包括電動勢測定步驟，測定第一參考極以及第二參考極中的一個與檢測極之間的第一電動勢，在第一參考極以及第二參考極短路的狀態(tài)下測定第一以及第二參考極與檢測極之間的第二電動勢；溫度控制步驟，基于第一電動勢和第二電動勢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；氣體濃度測定步驟，測定第一以及第二參考極中的一個與檢測極之間的第三電動勢，基于第三電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性、即、與規(guī)定溫度對應的該相關性，求出測定對象氣體的濃度。
在上述的第六氣體濃度測定方法中，與第五氣體濃度測定方法相同，基于第一電動勢和第二電動勢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元件就可測定固體電解質(zhì)部件的溫度。另外，因為可直接測定固體電解質(zhì)部件的溫度，所以與使用溫度檢測元件相比，可以以更良好的精度測定固體電解質(zhì)部件的溫度。由此，可簡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～第六氣體濃度測定方法優(yōu)選在電動勢測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施方式的構成的示意圖。
圖2是表示圖1所示的傳感器的I-I剖面的剖面圖。
圖3是表示第一實施方式的氣體傳感器的動作的流程圖。
圖4是表示第一實施方式的氣體傳感器的變形例的構成的平面圖。
圖5是表示第二實施方式的氣體傳感器的構成的示意圖。
圖6是表示第二實施方式的氣體傳感器的動作的流程圖。
圖7是表示本發(fā)明的氣體傳感器的第三實施方式的構成的示意圖。
圖8是為了調(diào)查多個參考極的各個與檢測極之間的電動勢的不同、與固體電解質(zhì)部件的溫度的相關性而試制的裝置的斜視圖。
圖9是表示各電極間的各個中的阻抗的變化的圖。
圖10是表示第三實施方式的氣體傳感器的動作的流程圖。
圖11是表示第四實施方式的氣體傳感器的構成的示意圖。
圖12是表示第四實施方式的氣體傳感器的動作的流程圖。
圖13是表示第五實施方式的氣體傳感器的構成的示意圖。
圖14是表示第五實施方式的氣體傳感器的動作的流程圖。
圖15是表示第六實施方式的氣體傳感器的構成的示意圖。
圖16是表示第六實施方式的氣體傳感器的動作的流程圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖詳細地說明本發(fā)明的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器的實施方式。另外，在附圖的說明中，對相同的部分付與相同的符號并省略了重復說明。
(第一實施方式)圖1是表示本發(fā)明的氣體傳感器的第一實施方式的結構的簡要圖。本實施方式的氣體傳感器1a，例如可用作將二氧化碳作為測定對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、多個開關(開關單元)7a以及7b、放大器8、氣體濃度測定部(氣體濃度測定單元)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)生與測定對象氣體的濃度對應的電動勢的元件。圖2是表示圖1所示的傳感器2a的I-I剖面的剖面圖。參照圖2，傳感器元件2a具有平板狀的固體電解質(zhì)部件3、連接設置在該固體電解質(zhì)部件3的一個面3a上的檢測極4、連接在固體電解質(zhì)部件3的一個面3a上且與檢測極4分離設置的多個參考極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是金屬離子導電體，例如，堿金屬離子以及/或者堿土類金屬離子導電體，可優(yōu)選使用鈉離子導電體。就這類離子導電體而言，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中除金屬離子導電體以外，還可以以質(zhì)量百分率計50％以下地、含有不妨礙離子導電性程度的增強劑，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。
檢測極4在測定二氧化碳作為測定對象氣體時，優(yōu)選含有金屬碳酸鹽及/或金屬碳酸氫鹽。檢測極4通過含有金屬碳酸鹽及/或金屬碳酸氫鹽，促進檢測二氧化碳時所必需的碳酸氫離子的生成，更提高了靈敏度、應答速度、選擇性等。另外被認為金屬碳酸鹽與二氧化碳、水反應生成金屬碳酸氫鹽，促進來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，檢測極4的構成中含有金屬氧化物。檢測極4所含有的金屬氧化物優(yōu)選具有電子導電性，例如適于使用氧化銦(In2O3)。
參考極5a以及5b與檢測極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。在本實施方式中，參考極5a和檢測極4的距離比參考極5b和檢測極4的距離短，由此使參考極5a和檢測極4之間的阻抗比參考極5b和檢測極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(參照圖1)上，通過來自加熱器電源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通過加熱器6被加熱到適宜離子傳導的溫度(如為NASICON，約為350℃以上)。
再次參照圖1。溫度控制部19是控制向加熱器6的供給電力的單元，通過該控制使固體電解質(zhì)部件3的溫度接近設定溫度。溫度控制部19，例如可通過CPU等計算處理裝置實施存儲在硬盤或存儲器等存儲裝置的規(guī)定程序而可實現(xiàn)。另外，固體電解質(zhì)部件3的設定溫度可由測定者設定成任意的溫度，另外，也可由測定者從預先決定的設定溫度群中進行選擇。當固體電解質(zhì)部件3含有NASICON時，設定溫度的優(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)設定溫度，將用于控制向加熱器6供給電力的電力控制信號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可具備沒有圖示的熱敏電阻或熱電偶等溫度檢測元件。這時，溫度控制部19基于來自溫度檢測元件的溫度信號，以固體電解質(zhì)部件3的溫度接近設定溫度的方式生成電力控制信號S2。
開關7a具有一對端子71a以及72a。開關7b具有一對端子71b以及72b。開關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)。開關7a以及7b用于選擇(切換)參考極5a以及5b中的任一個。開關7a以及7b的一個端子71a以及71b分別通過配線11b以及11c與參考極5a以及5b電連接。另外，開關7a以及7b的另一個端子72a以及72b通過配線11d以及11e相互短路。本實施方式的開關7a以及7b通過機械式開關17a以及17b而實現(xiàn)，但開關7a以及7b例如可通過晶體管等半導體開關來實現(xiàn)。
放大器8是用于放大兩個輸入端子8a以及8b之間的電壓的放大單元。放大器8的一個輸入端子8a通過配線11d以及11e與開關7a以及7b的端子72a以及72b電連接。放大器8的另一個輸入端子8b通過配線11a與檢測極4電連接。放大器8的輸出端子8c與氣體濃度測定部9a電連接。通過這樣的結構，當開關7a或7b成為通電狀態(tài)時，放大器8放大參考極5a或5b與檢測極4之間的電位差(電動勢)而產(chǎn)生電動勢信號S1，將該電動勢信號S1提供給氣體濃度測定部9a。
氣體濃度測定部9a是，測定通過開關7a或7b被選擇的參考極5a或5b與檢測極4之間的電動勢，基于該電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性求得測定對象氣體的濃度的單元。氣體濃度測定部9a預先存儲有在各溫度下參考極5a以及5b的各個的電動勢與二氧化碳濃度的相關數(shù)據(jù)，通過將參考極5a或5b與檢測極4之間的電動勢值和固體電解質(zhì)部件3的設定溫度適用于該相關數(shù)據(jù)，求得二氧化碳濃度。例如，氣體濃度測定部9a，可通過預先將特性值映射化并存儲的CPU等計算處理裝置，按照規(guī)定的程序?qū)嵤┯嬎闾幚矶鴮崿F(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲于硬盤或存儲器等外部存儲裝置而使用。
以上，說明了本實施方式的氣體傳感器1a的構成。接著，參照圖3說明本實施方式的氣體濃度測定方法，同時說明氣體傳感器1a的動作。圖3是包括氣體傳感器1a的動作的氣體濃度測定方法的流程圖。另外，在以下的說明中，分別舉例說明作為測定對象氣體的二氧化碳，和作為檢測極4所含有的材料的碳酸鋰。
首先，選擇固體電解質(zhì)部件3的設定溫度，將該設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加熱到設定溫度(加熱步驟、S12)。由此，檢測極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極4的氧(O2)或二氧化碳(CO2)之間產(chǎn)生下述(1)的反應，重新形成Li2CO3。
(1)新形成的Li2CO3與固體電解質(zhì)部件3的導電離子Na離子發(fā)生下述(2)的反應。
(2)在上述的反應中，Li2CO3與Na離子反應時放出電子。放出的電子被獲取到Na2CO3中，在檢測極4和參考極5a以及5b之間產(chǎn)生電動勢。
接著，選擇參考極5a以及5b中的任一個(選擇步驟、S13)。即，關閉開關7a以及7b中的一個(成為通電狀態(tài))，打開另一個(成為非通電狀態(tài))。由此，在被選擇的參考極5a或5b和檢測極4之間產(chǎn)生的電動勢被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動勢信號S1，被提供給氣體濃度測定部9a(電動勢測定步驟、S14)。氣體濃度測定部9a基于電動勢信號S1和二氧化碳濃度的相關關系，求出二氧化碳濃度(氣體濃度算出步驟、S15)。
利用以上說明的本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1a，通過從與檢測極4之間的阻抗互不相同的多個參考極5a以及5b中選擇一個參考極5a或5b，根據(jù)測定用途或使用環(huán)境，可變更檢測極4和參考極之間的阻抗。
另外，在本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1a中，參考極5a以及檢測極5b與檢測極4之間的距離，優(yōu)選多個參考極5a以及5b分別相互不相同。由此，可適當配置參考極5a以及5b，使參考極5a以及5b與檢測極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，可以更精確地測定參考極5a或5b和檢測極4之間的電動勢。
另外，氣體傳感器1a優(yōu)選具有如本實施方式那樣的與多個參考極5a以及5b對應的多個開關7a以及7b。由此，氣體濃度測定部9a在測定電動勢時，能夠從多個參考極5a以及5b中適當?shù)剡x擇任一個。
另外，氣體濃度測定方法如本實施方式那樣優(yōu)選具有選擇固體電解質(zhì)部件3的設定溫度的溫度選擇步驟S11；和，在電動勢測定步驟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。在本實施方式的氣體傳感器1a中，當固體電解質(zhì)部件3的溫度變高時，促進檢測極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽和測定對象氣體的反應。另外，當固體電解質(zhì)部件3的溫度變低時，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，通過選擇固體電解質(zhì)部件3的設定溫度，根據(jù)測定用途或使用環(huán)境，可使反應的活性或消耗電力適當變化。
以下說明根據(jù)本實施方式的氣體濃度測定方法以及通過氣體傳感器1a實現(xiàn)的動作模式的一例。
(1)低消耗電力模式該動作模式是，在溫度選擇步驟S11中將固體電解質(zhì)部件3的設定溫度設定為比較低的溫度(例如150℃～250℃)，且在選擇步驟S13中選擇與檢測極4之間的阻抗大的參考極5b的動作模式。在該動作模式中，因為固體電解質(zhì)部件3為低溫，所以檢測極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測定對象氣體的反應降低，但因為參考極5b與檢測極4之間的阻抗大，所以即使是少量的導電離子也能維持電動勢、且可適當?shù)販y定測定對象氣體濃度。因此，利用該動作模式，可將加熱器6的消耗電力抑制在低水平。
(2)高濃度測定模式該動作模式是，在溫度選擇步驟S11中將固體電解質(zhì)部件3的設定溫度設定為比較高的溫度(例如300℃～450℃)，且在選擇步驟S13中選擇與檢測極4之間的阻抗小的參考極5a的動作模式。在該動作模式中，因為固體電解質(zhì)部件3為高溫，所以促進了檢測極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測定對象氣體的反應。另外，因為參考極5a和檢測極4之間的阻抗小，所以從產(chǎn)生導電離子至作為電動勢被測定的應答速度變快。因此，利用該動作模式，在更快地得到測定對象氣體的濃度的同時，即使在測定對象氣體的濃度比較高的情況下也不發(fā)生飽現(xiàn)象而能夠進行測定。
(3)簡易測定模式該動作模式是，在溫度選擇步驟S11中將固體電解質(zhì)部件3的設定溫度設定為比較低的溫度(例如150℃～250℃)，且在選擇步驟S13中選擇與檢測極4之間的阻抗小的參考極5a的動作模式。在該動作模式中，因為固體電解質(zhì)部件3為低溫，所以檢測極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測定對象氣體的反應降低。但是，因為參考極5a與檢測極4之間的阻抗小，所以從產(chǎn)生導電離子至作為電動勢被測定的應答速度快。因此，該動作模式適宜于簡易測定比較高的濃度且濃度變化顯著的測定對象氣體的用途，可將加熱器6的消耗電力抑制在低水平。
(4)高精度測定模式該動作模式是，在溫度選擇步驟S11中將固體電解質(zhì)部件3的設定溫度設定為比較高的溫度(例如300℃～450℃)，且在選擇步驟S13中選擇與檢測極4之間的阻抗大的參考極5b的動作模式。在該動作模式中，因為固體電解質(zhì)部件3為高溫，所以促進了檢測極4的金屬碳酸鹽、金屬碳酸氫鹽與測定對象氣體的反應。另外，因為參考極5b與檢測極4之間的阻抗大，所以即使是少的導電離子也可維持電動勢。因此，即使在測定對象氣體的濃度比較低的情況下，也可以以良好精度測定該濃度。
(變形例)圖4是，作為上述第一實施方式的氣體傳感器1a的變形例，表示傳感器元件2b的構成的平面圖。第一實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、檢測極4、多個參考極5c以及5d和加熱器6。其中，除多個參考極5c以及5d以外的構成與上述第一實施方式的構成相同，所以省略說明。
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。具體來說，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置各參考極5c、5d，也可合適地實現(xiàn)與檢測極4之間的固體電解質(zhì)部件3中的阻抗相互不同的多個參考極5c、5d。
(第二實施方式)接著，說明根據(jù)本發(fā)明的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器的第二實施方式。圖5是表示本實施方式的氣體傳感器1b的構成的示意圖。氣體傳感器1b具備傳感器元件2c、開關7c、放大器8、氣體濃度測定部9b、加熱器電源10、配線11f～11i以及溫度控制部19。另外，這些構成中，加熱器電源10以及溫度控制部19的構成與上述第一實施方式的構成相同，因此省略說明。
傳感器2c是產(chǎn)生與測定對象氣體的濃度對應的電動勢的元件。本實施方式的傳感器元件2c與第一實施方式的傳感器元件2a不同點是參考極5e(第一參考極)以及參考極5f(第二參考極)的配置。在本實施方式中，參考極5e以及5f分別以與檢測極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，在本實施方式中，為了明確與第一實施方式的差異，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、檢測極4以及加熱器6的構成與第一實施方式的構成相同。
開關7c是用于使參考極5e以及5f相互短路的單元。開關7c具有一對端子71c以及72c，可切換端子71c與端子72c之間的通電狀態(tài)。開關7c的一個端子71c通過配線11h與參考極5f電連接。另外，開關7c的另一個端子72c通過配線11g以及11i與參考極5e電連接。本實施方式的開關7c可通過與第一實施方式的開關7a以及7b相同的機械式開關17c實現(xiàn)，但開關7c例如也可通過晶體管等半導體開關而實現(xiàn)。
放大器8的一個輸入端子8a通過配線11i與開關7c的端子72c電連接，且通過配線11g與參考極5e電連接。放大器8的另一個輸入端子8b通過配線11f與檢測極4電連接。放大器8的輸出端子8c與氣體濃度測定部9b電連接。通過這樣的構成，當開關7c為非通電狀態(tài)時，放大器8放大參考極5e與檢測極4之間的電位差(電動勢)并生成電動勢信號S3。另外，當開關7c為通電狀態(tài)時，放大器8放大參考極5e以及5f雙方(即被擴大的參考極)與檢測極4之間的電位差(電動勢)并生成電動勢信號S3。放大器8將生成的電動勢信號S3提供給氣體濃度測定部9b。
氣體濃度測定部9b是，測定參考極5e與檢測極4之間的電動勢(第一電動勢)或通過開關7c被短路的參考極5e以及5f與檢測極4之間的電動勢(第二電動勢)，基于第一或第二電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出測定對象氣體的濃度的單元。氣體濃度測定部9b在各溫度下預先存儲參考極5e單獨的電動勢、以及在參考極5e及5f相互短路狀態(tài)下的電動勢和二氧化碳濃度的相關數(shù)據(jù)，通過將測定的第一或第二電動勢值和固體電解質(zhì)部件3的設定溫度適用于該相關數(shù)據(jù)，可求得二氧化碳濃度。氣體濃度測定部9b，通過預先將特性值映射化并存儲的CPU等計算處理裝置按照規(guī)定的程序?qū)嵭杏嬎闾幚矶軌驅(qū)崿F(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲于硬盤或存儲器等外部存儲裝置中而使用。
接著，參照圖6說明根據(jù)本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1b的動作。圖6是表示包括氣體傳感器1b的動作的氣體濃度測定方法的流程圖。
首先，選擇固體電解質(zhì)部件3的設定溫度，將該設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加熱到設定溫度(加熱步驟、S22)。由此，在檢測極4與參考極5e以及5f之間產(chǎn)生與二氧化碳濃度對應的電動勢。
接著，在參考極5e與檢測極4之間的第一電動勢、和測定在參考極5e以及5f相互短路的狀態(tài)下的參考極5e以及5f與檢測極4之間的第二電動勢之中，選擇測定哪個電動勢(選擇步驟、S23)。然后，當選擇第一電動勢時，打開開關7c(成為非通電狀態(tài))。另外，當選擇第二電動勢時，關閉開關7c(成為通電狀態(tài))。由此，第一或第二電動勢被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b中，并被放大而成為電動勢信號S3，被提供給氣體濃度測定部9b(電動勢測定步驟、S24)。氣體濃度測定部9b基于電動勢信號S3和二氧化碳濃度之間的相關關系，求出二氧化碳濃度(氣體濃度計算步驟、S25)。
根據(jù)本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1b具有以下的效果。即，在根據(jù)本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1b中，通過使參考極5e以及5f短路，擴大參考極與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積，因此與單獨使用參考極5e或5f時相比，參考極5e以及5f和檢測極4之間的阻抗變小。因此，利用本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1b，通過選擇測定參考極5e與檢測極4之間的第一電動勢、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與檢測極4之間的第二電動勢中的哪個電動勢，根據(jù)測定用途或使用環(huán)境，可適當變更檢測極4與參考極之間的阻抗。
另外，只要利用本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1b，就能夠合適地實現(xiàn)第一實施方式所示的各動作模式(低消耗電力模式、高濃度測定模式、簡易測定模式以及高精度測定模式)。
本發(fā)明相關的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器并不限于上述的實施方式，可做其它各種各樣的變形。例如，在上述各實施方式中，例如由測定者選擇檢測極與參考極之間的阻抗值，但也可具備自動進行該選擇的選擇部(選擇單元)。即，例如當操作者輸入第一實施方式所示的各動作模式時，該選擇部選擇被輸入的動作模式中優(yōu)選的阻抗值并切換開關。另外，關于固體電解質(zhì)部件的設定溫度的選擇，也同樣可以具備自動進行設定溫度的選擇的溫度選擇部(溫度選擇單元)。
另外，在上述各實施方式的氣體濃度測定方法中，以溫度選擇步驟、加熱步驟、選擇步驟的順序依次進行各步驟，但選擇步驟既可以在加熱步驟之前進行，也可以在溫度選擇步驟之前進行?；蛘撸x擇步驟和溫度選擇步驟也可以同時進行。
另外，在上述各實施方式中，作為測定對象氣體測定的是二氧化碳。本發(fā)明的測定對象氣體，只要是基于固體電解質(zhì)部件的電動勢可以測定其濃度的氣體即可，本發(fā)明例如也可應用于氧氣傳感器等。
另外，在上述各實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，在上述各實施方式中氣體傳感器具有兩個參考極。參考極不限于2個，也可以為3個以上。這時，可從3個以上的參考極中選擇1個參考極(或者，參考極之間短路時的組合數(shù)增加)，所以可更微細地變更參考極與檢測極之間的阻抗。
另外，在上述各實施方式中，檢測極以及多個參考極分別被設置在固體電解質(zhì)部件的同一面上，但檢測極以及多個參考極也可以被設置在互不相同的面上。另外，多個參考極的各個也可以被設置在互不相同的面上。
(第三實施方式)圖7是表示本發(fā)明的氣體傳感器的第三實施方式的構成的示意圖。本實施方式中的氣體傳感器1c例如可用作以二氧化碳作為測定對象的二氧化碳傳感器。
氣體傳感器1c具備傳感器元件2a、多個開關(開關單元)7a以及7b、放大器8、氣體濃度計算部(氣體濃度計算單元)9c、加熱器電源10以及配線11a～11e。另外，這些構成中，傳感器元件2a、多個開關7a以及7b、放大器8、配線11a～11e與上述第一實施方式相同，所以省略說明。另外，電源10與第一實施方式不同，沒有連接溫度控制部19。另外，開關7a以及7b分別具有用于控制通電狀態(tài)的控制端子(沒有圖示)。
氣體濃度計算部9c是基于參考極5a以及5b分別與檢測極4之間的電動勢的不同而求得固體電解質(zhì)部件3的溫度，基于與該溫度對應的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性而求得測定對象氣體的濃度的單元。氣體濃度測定部9a例如預先將特性值映射化并存儲的CPU等計算處理裝置按照規(guī)定的程序?qū)嵭杏嬎闾幚矶蓪崿F(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲于硬盤或存儲器等外部存儲裝置而使用。
這里說明多個參考極的各個與檢測極之間的電動勢的不同、與固體電解質(zhì)部件的溫度的相關性。圖8是為了調(diào)查該相關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的四個角上分別配置有電極F1～F4，里面30b的四個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的對角線的長度一致，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的對角線的長度一致。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，邊測定與固體電解質(zhì)部件30的溫度變化相對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，接下來大的是電極F1與電極F2之間的阻抗降低率。相對于此，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，可測定固體電解質(zhì)部件30的現(xiàn)在溫度。氣體濃度計算部9c應用這種現(xiàn)象，利用電極間的阻抗作為電動勢表現(xiàn)的情況，基于參考極5a以及5b各自與檢測極4之間的電動勢的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度。
另外，氣體濃度計算部9c與用于控制開關7a以及7b的通電狀態(tài)的控制端子(沒有圖示)電連接。為了分別測定參考極5a以及5b的各自的電動勢，氣體濃度計算部9c將開閉信號S4送到開關7a以及7b的控制端子，能夠控制開關7a以及7b的通電狀態(tài)。
以上說明了本實施方式的氣體傳感器1c的構成。接著，參照圖10說明本實施方式的氣體濃度測定方法和在氣體傳感器1c的動作。圖10是表示氣體傳感器1c的動作的流程圖。另外，在以下的說明中，分別舉例說明作為測定對象氣體的二氧化碳、和作為檢測極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極4的氧(O2)或二氧化碳(CO2)之間產(chǎn)生上述(1)的反應，重新形成Li2CO3。重新形成的Li2CO3與固體電解質(zhì)部件3的導電離子Na離子發(fā)生上述(2)的反應。在上述的反應中，Li2CO3與Na離子反應時放出電子。放出的電子被獲取到Na2CO3中，在檢測極4與參考極5a以及5b之間產(chǎn)生電動勢。
接著，氣體濃度計算部9c關閉開關7a(成為通電狀態(tài))。由此，檢測極4與參考極5a之間產(chǎn)生的電動勢被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b中，并被放大而成為電動勢信號S1，被提供給氣體濃度計算部9c。氣體濃度計算部9c將該電動勢信號S1作為參考極5a中的電動勢(第一電動勢)儲存到存儲器中(電動勢測定步驟、S32)。
接著，氣體濃度計算部9c打開開關7a(成為非通電狀態(tài))、關閉開關7b(成為通電狀態(tài))。由此，檢測極4與參考極5b之間產(chǎn)生的電動勢被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b中，并被放大而成為電動勢信號S1，被提供給氣體濃度計算部9c。氣體濃度計算部9c將該電動勢信號S1作為參考極5b中的電動勢(第二電動勢)儲存到存儲器中(電動勢測定步驟、S33)。
氣體濃度計算部9c基于被提供的第一電動勢與第二電動勢的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度(氣體濃度計算步驟、S34)。這時，氣體濃度計算部9c預先存儲參考極5a以及5b各自中電動勢的不同(例如電動勢差)和固體電解質(zhì)部件3的溫度的相關數(shù)據(jù)，通過將第一電動勢和第二電動勢的不同適用于該相關數(shù)據(jù)，可求得固體電解質(zhì)部件3的溫度。
氣體濃度計算部9c在求得固體電解質(zhì)部件3的溫度之后，基于電動勢和二氧化碳濃度的相關關系，求出二氧化碳濃度(氣體濃度計算步驟、S35)。即，被測定的第一以及第二電動勢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，氣體濃度計算部9c預先存儲在各溫度下的參考極5a以及5b各自中的電動勢和二氧化碳濃度的相關數(shù)據(jù)，通過將第一電動勢值以及/或者第二電動勢值和固體電解質(zhì)部件3的現(xiàn)在溫度適用于該相關數(shù)據(jù)，可求出二氧化碳濃度。
本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1c具有以下的效果。即，在本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1c中，基于多個參考極5a以及5b的各個中的電動勢的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以不使用溫度檢測元件就可測定固體電解質(zhì)部件3的溫度。另外，因為可直接測定固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以與使用溫度檢測元件相比，可以以更良好的精度測定固體電解質(zhì)部件3的溫度。由此，可簡易且以良好精度地求出二氧化碳等測定對象氣體的濃度。
另外，在本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1c中，參考極5a以及5b與檢測極4的距離優(yōu)選多個參考極5a以及5b的各自之間互不相同。由此，可適當配置參考極5a以及5b，使參考極5a以及5b與檢測極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如本實施方式那樣優(yōu)選具有氣體濃度計算部9c，使其基于參考極5a以及5b的各個與檢測極4之間的電動勢的不同求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，基于與該溫度對應的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出測定對象氣體的濃度。由此，可合適地實現(xiàn)氣體傳感器，使其不使用溫度檢測元件就以良好精度地測定固體電解質(zhì)部件3的溫度，且可以簡易并以良好精度地測定出測定對象氣體的濃度。另外，在本實施方式中，氣體濃度計算部9c自動算出測定對象氣體濃度，但本發(fā)明的氣體濃度測定方法既可通過設置在氣體傳感器1c外部的計算單元算出測定對象氣體濃度，也可由測定者自己進行測定。
另外，氣體傳感器1c如本實施方式那樣優(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定多個參考極5a以及5b的各個與檢測極4之間的第一以及第二電動勢。
另外，氣體傳感器1c如本實施方式那樣優(yōu)選具有與多個參考極5a以及5b對應的多個開關7a以及7b。由此，當氣體濃度計算部9c測定電動勢時，可適當選擇多個參考極5a以及5b的任一個，所以可以將測定多個參考極5a以及5b的各個與檢測極4之間的電動勢的電路(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，即使通過設置各參考極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，也能夠合適地實現(xiàn)與檢測極4之間的固體電解質(zhì)部件3中的阻抗相互不同的多個參考極5c、5d。
(第四實施方式)接著，說明本發(fā)明的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器的第四實施方式。圖11是表示本實施方式的氣體傳感器1d的構成的示意圖。氣體傳感器1d具備傳感器元件2a、開關7a以及7b、放大器8、加熱器電源10、配線11a～11e、氣體濃度測定部(氣體濃度測定單元)19a、以及溫度控制部(溫度控制單元)21a。其中，傳感器元件2a、開關7a以及7b、放大器8、加熱器電源10以及配線11a～11e的構成與第三實施方式的構成相同，所以省略說明。
溫度控制部21a是基于參考極5a以及5b的各個與檢測極4之間的電動勢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施方式的氣體濃度計算部9c相同。溫度控制部21a，例如通過預先將特性值映射化并存儲的CPU等計算處理裝置按照規(guī)定的程序?qū)嵭杏嬎闾幚矶軌驅(qū)崿F(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲于硬盤或存儲器等外部存儲裝置而使用。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接受電動勢信號S1。另外，溫度控制部21a與用于控制開關7a以及7b的通電狀態(tài)的控制端子(沒有圖示)電連接。溫度控制部21a為了分別測定參考極5a以及5b的各個中的電動勢，將開閉信號S5輸送到開關7a以及7b的控制端子，能夠控制開關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S6提供給加熱器電源10。
氣體濃度測定部19a是測定參考極5a以及5b中的至少一個參考極與檢測極4之間的電動勢(第三電動勢)、基于與由溫度控制部21a設定的規(guī)定溫度對應的電動勢和二氧化碳濃度的相關性以求出二氧化碳濃度的單元。氣體濃度測定部19a，例如通過預先將特性值映射化并存儲的CPU等計算處理裝置按照規(guī)定的程序?qū)嵭杏嬎闾幚矶蓪崿F(xiàn)。被映射化的特性值以及程序例如可存儲于硬盤或存儲器等外部存儲裝置而使用。氣體濃度測定部19a與放大器8的輸出端子8c電連接，從輸出端子8c接受電動勢信號S1。另外，氣體濃度測定部19a預先存儲規(guī)定溫度的參考極5a以及/或者5b的電動勢和二氧化碳濃度的相關數(shù)據(jù)。氣體濃度測定部19a通過將電動勢S1適用于該相關數(shù)據(jù)，求出二氧化碳濃度。
接著，參照圖12說明本實施方式的氣體濃度測定方法和氣體傳感器1d的動作。圖12是表示氣體傳感器1d的動作的流程圖。
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，在檢測極4與參考極5a以及5b之間產(chǎn)生與二氧化碳濃度相對應的電動勢。
接著，溫度控制部21a關閉開關7a(成為通電狀態(tài))。由此，檢測極4與參考極5a之間產(chǎn)生的電動勢被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動勢信號S1，被提供給溫度控制部21a。溫度控制部21a將該電動勢信號S1作為參考極5a的電動勢(第一電動勢)儲存到存儲器中(電動勢測定步驟、S42)。
接著，溫度控制部21a打開開關7a(成為非通電狀態(tài))、關閉開關7b(成為通電狀態(tài))。由此，檢測極4與參考極5b之間產(chǎn)生的電動勢被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動勢信號S1，被提供給溫度控制部21a。溫度控制部21a將該電動勢信號S1作為參考極5b的電動勢(第二電動勢)儲存到存儲器中(電動勢測定步驟、S43)。
溫度控制部21a基于被提供的第一電動勢和第二電動勢的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度(溫度控制步驟、S44)。這時，溫度控制部21a預先存儲參考極5a以及5b的各個中的電動勢的不同(例如電動勢差)與固體電解質(zhì)部件3的溫度的相關數(shù)據(jù)，通過將第一電動勢和第二電動勢的不同適用于該相關數(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，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，可反復以上的動作。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，氣體濃度測定部19a再次測定參考極5a以及/或者5b與檢測極4之間的電動勢(氣體濃度測定步驟、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，氣體濃度測定部19a從放大器8接受參考極5a以及5b的雙個或至少一個的電動勢信號S1。然后，氣體濃度測定部19a基于參考極5a以及/或者5b的電動勢信號S1和二氧化碳濃度的相關數(shù)據(jù)，求出二氧化碳濃度(氣體濃度測定步驟、S47)。
本實施方式的氣體濃度測定方法與第三實施方式的氣體濃度測定方法相同，基于多個參考極5a以及5b的各個中的電動勢的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以不使用溫度檢測元件就可測定固體電解質(zhì)部件3的溫度。另外，因為可直接測定固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以與使用溫度檢測元件相比，可以以更良好的精度測定固體電解質(zhì)部件3的溫度。因此，可簡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的各個與檢測極4之間的電動勢的不同，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，可合適地實現(xiàn)不使用溫度檢測元件就以良好的精度測定固體電解質(zhì)部件3的溫度、簡易且可以以良好精度控制該溫度的氣體傳感器1d。另外，在本實施方式中，溫度控制部21a自動控制固體電解質(zhì)部件3的溫度，但本發(fā)明的氣體濃度測定方法既可通過設置在氣體傳感器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，也可由測定者自己控制。
(第五實施方式)
接著，說明本發(fā)明的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器的第五實施方式。圖13是表示本實施方式的氣體傳感器1e構成的示意圖。氣體傳感器1e具備傳感器元件2c、開關7c、放大器8、氣體濃度計算部(氣體濃度計算單元)9e、加熱器電源10以及配線11f～11i。另外，這些構成中，傳感器元件2c、開關7c、放大器8、配線11f～11i與上述第二實施方式的相同，所以省略說明。另外，電源10與第二實施方式不同，沒有與溫度控制部19連接。另外，開關7c具有用于控制通電狀態(tài)的控制端子(沒有圖示)。
氣體濃度計算部9e是，基于參考極5e與檢測極4之間的電動勢(第一電動勢)和通過開關7c被短路的參考極5e以及5f與檢測極4之間的電動勢(第二電動勢)的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度，基于與該溫度對應的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性以求出測定對象氣體濃度的單元。
另外，氣體濃度計算部9e與用于控制開關7c的通電狀態(tài)的控制端子(沒有圖示)電連接。氣體濃度計算部9e為了分別測定參考極5e單獨的電動勢、以及、在參考極5e以及5f相互短路的狀態(tài)(參考極被擴大的狀態(tài))下的電動勢，將開閉信號S7輸送到開關7c的控制端子，能夠控制開關7c的通電狀態(tài)。
接著，參照圖14說明本實施方式的氣體濃度測定方法和氣體傳感器1e的動作。圖14是表示氣體傳感器1e的動作的流程圖。
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，在檢測極4與參考極5e以及5f之間產(chǎn)生和二氧化碳濃度對應的電動勢。
氣體濃度計算部9e首先打開開關7c(成為非通電狀態(tài))。由此，檢測極4與參考極5e之間產(chǎn)生的電動勢被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動勢信號S8，被提供給氣體濃度計算部9e。氣體濃度計算部9e將該電動勢信號S8作為參考極5e的電動勢(第一電動勢)儲存到存儲器中(電動勢測定步驟、S52)。
接著，氣體濃度計算部9e關閉開關7c(成為通電狀態(tài))。由此，參考極5e以及5f通過開關7e被短路。即，由于參考極與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積被擴大，因此參考極與檢測極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與檢測極4之間產(chǎn)生的電動勢，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勢信號S8，被提供給氣體濃度計算部9e。氣體濃度計算部9e將該電動勢信號S8作為參考極5e以及5f的電動勢(第二電動勢)儲存到存儲器中(電動勢測定步驟、S53)。
氣體濃度計算部9e基于被提供的第一電動勢和第二電動勢的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度(氣體濃度計算步驟、S54)。這時，氣體濃度計算部9e可預先存儲參考極5e單獨的電動勢和參考極5e以及5f短路時的電動勢的不同(例如電動勢差)、和固體電解質(zhì)部件3的溫度的相關數(shù)據(jù)，通過將第一電動勢和第二電動勢的不同適用于該相關數(shù)據(jù)，可求出固體電解質(zhì)部件3的溫度。
氣體濃度計算部9e在求得固體電解質(zhì)部件3的溫度之后，基于電動勢和二氧化碳濃度的相關關系，求出二氧化碳濃度(氣體濃度計算步驟、S55)。即，由于被測定的第一以及第二電動勢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，氣體濃度計算部9e預先存儲在各溫度下的參考極5e單獨的電動勢以及/或者在參考極5e以及5f的短路狀態(tài)下的電動勢和二氧化碳濃度的相關數(shù)據(jù)，通過將第一電動勢值以及/或者第二電動勢值和固體電解質(zhì)部件3的溫度適用于該相關數(shù)據(jù)，可求出二氧化碳濃度。
本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1e具有以下的效果。即，根據(jù)本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1e中，在測定兩個參考極5e以及5f一個與檢測極4之間的電動勢(第一電動勢)的同時，在兩個參考極5e以及5f相互短路的狀態(tài)(即，在擴大參考極與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積的狀態(tài))下，還測定參考極5e以及5f與檢測極4之間的電動勢(第二電動勢)。這樣，通過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極4之間的阻抗適當發(fā)生變化。因此，基于第一電動勢和第二電動勢的不同，可知固體電解質(zhì)部件3的溫度。利用本實施方式的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器1e，基于第一電動勢和第二電動勢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元件就可測定固體電解質(zhì)部件3的溫度。另外，因為可直接測定固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以與使用溫度檢測元件相比，可以以良好的精度測定固體電解質(zhì)部件3的溫度。因此，可簡易且以良好精度地求出測定對象氣體的濃度。
(第六實施方式)接著，說明本發(fā)明的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器的第六實施方式。圖15是表示本實施方式的氣體傳感器1f的構成的示意圖。氣體傳感器1f具備傳感器元件2c、開關7c、放大器8、加熱器電源10、配線11f～11i、氣體濃度測定部(氣體濃度測定單元)19b、以及溫度控制部(溫度控制單元)21b。其中，傳感器元件2c、開關7c、放大器8、加熱器電源10以及配線11f～11i的構成與第五實施方式的構成相同，所以省略說明。
溫度控制部21b是，基于參考極5e與檢測極4之間的電動勢(第一電動勢)、和在參考極5e以及5f短路的狀態(tài)下的參考極5e以及5f與檢測極4之間的電動勢(第二電動勢)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施方式的氣體濃度計算部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接受電動勢信號S8。另外，溫度控制部21b與用于控制開關7c的通電狀態(tài)的控制端子(沒有圖示)電連接。溫度控制部21b為了分別測定參考極5e單獨的電動勢、以及、在參考極5e以及5f短路狀態(tài)下的電動勢，將開閉信號S9輸送到開關7c的控制端子，能夠控制開關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S10提供給加熱器電源10。
氣體濃度測定部19b是，測定參考極5e與檢測極4之間的電動勢、或在參考極5e以及5f短路狀態(tài)下的參考極5e以及5f與檢測極4之間的電動勢(第三電動勢)，基于與由溫度控制部21b設定的規(guī)定溫度對應的電動勢和二氧化碳濃度的相關性，求出二氧化碳濃度的單元。氣體濃度測定部19b與放大器8的輸出端子8c電連接，從輸出端子8c接受電動勢信號S8。另外，氣體濃度測定部19b預先存儲規(guī)定溫度下的參考極5e單獨的電動勢以及/或者在參考極5e以及5f短路狀態(tài)下的電動勢和二氧化碳濃度的相關數(shù)據(jù)。氣體濃度測定部19b通過將電動勢信號S8適用于該相關數(shù)據(jù)，可求出二氧化碳濃度。
接著，參照圖16說明本實施方式的氣體濃度測定方法和氣體傳感器1f的動作。圖16是表示氣體傳感器1f的動作的流程圖。
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，在檢測極4與參考極5e以及5f之間產(chǎn)生與二氧化碳濃度對應的電動勢。
溫度控制部21b首先打開開關7c(成為非通電狀態(tài))。由此，在檢測極4與參考極5e之間產(chǎn)生的電動勢被輸入到放大器8的輸入端子8a以及8b，并被放大而成為電動勢信號S8，被提供給溫度控制部21b。溫度控制部21b將該電動勢信號S8作為參考極5e的電動勢(第一電動勢)儲存到存儲器中(電動勢測定工序、S62)。
接著，溫度控制部21b關閉開關7c(成為通電狀態(tài))。由此，參考極5e以及5f通過開關7c被短路。即，因為參考極與固體電解質(zhì)部件3的接觸面積被擴大，所以參考極與檢測極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與檢測極4之間產(chǎn)生的電動勢，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勢信號S8，被提供給溫度控制部21b。溫度控制部21b將該電動勢信號S8作為被短路的參考極5e以及5f的電動勢(第二電動勢)儲存到存儲器中(電動勢測定步驟、S63)。
溫度控制部21b基于被提供的第一電動勢與第二電動勢的不同，求出固體電解質(zhì)部件3的溫度(溫度控制步驟、S64)。這時，溫度控制部21b預先存儲參考極5e單獨的電動勢和在參考極5e以及5f短路時的電動勢的不同(例如電動勢差)、和固體電解質(zhì)部件3的溫度的相關數(shù)據(jù)，通過將第一電動勢和第二電動勢的不同適用于該相關數(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，氣體濃度測定部19b再次測定參考極5e與檢測極4之間的電動勢、或在參考極5e以及5f短路狀態(tài)下的參考極5e以及5f與檢測極4之間的電動勢(氣體濃度測定步驟、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，氣體濃度測定部19b從放大器8接受開關7c在導通狀態(tài)或非導通狀態(tài)下的電動勢信號S8。然后，氣體濃度測定部19b基于電動勢信號S8和二氧化碳濃度的相關數(shù)據(jù)，求出二氧化碳濃度(氣體濃度測定步驟、S67)。
根據(jù)本實施方式的氣體濃度測定方法與第五實施方式的氣體濃度測定方法相同，基于第一電動勢和第二電動勢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元件就可測定固體電解質(zhì)部件3的溫度。另外，因為可直接測定固體電解質(zhì)部件3的溫度，所以與使用溫度檢測元件相比，可以以更良好的精度測定固體電解質(zhì)部件3的溫度。因此，可簡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)明的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器并不限于上述實施方式，也可作其它各種各樣的變形。例如，在上述各實施方式中，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，所以通過利用本發(fā)明的氣體濃度測定方法求出固體電解質(zhì)部件的溫度，可以以良好精度測定氣體濃度。
另外，在上述各實施方式中，將二氧化碳作為測定對象氣體進行測定。本發(fā)明的測定對象氣體只要是基于固體電解質(zhì)部件的電動勢可測定濃度的氣體即可，本發(fā)明也可應用于例如氧氣傳感器等中。
另外，在上述各實施方式中，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，在上述各實施方式中，氣體傳感器具有兩個參考極。參考極并不限于兩個，也可為三個以上。這時，基于三個以上的參考極的各個中的電動勢的不同，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，在上述各實施方式中，檢測極以及多個參考極分別被設置在固體電解質(zhì)部件的同一面上，但檢測極以及多個參考極也可被設置在互不相同的面上。另外，多個參考極的各個也可以被設置在互不相同的面上。
如以上說明所述，根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種可改變參考極與檢測極之間的阻抗的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器。
另外，根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種無需使用溫度檢測元件而可以以良好的精度測定固體電解質(zhì)部件的溫度的氣體濃度測定方法以及氣體傳感器。
權利要求
1.一種氣體傳感器，其特征在于，具備固體電解質(zhì)部件；檢測極，含有金屬碳酸鹽以及金屬碳酸氫鹽中的至少一種，被設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關單元。
3.如權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于還具備放大兩個輸入端子間的電壓的放大單元，所述放大單元的所述兩個輸入端子中的一個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輸入端子中的另一個的輸入端子與所述檢測極電連接。
4.如權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于還具備氣體濃度測定單元，該氣體濃度測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與所述檢測極之間的第一電動勢、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極之間的第二電動勢，基于所述第一或第二電動勢和測定對象氣體濃度的相關性，求出所述測定對象氣體的濃度。
5.如權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于還具備氣體濃度計算單元，該氣體濃度計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與所述檢測極之間的第一電動勢，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極之間的第二電動勢，基于所述第一電動勢和所述第二電動勢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應的、所述第一或所述第二電動勢和測定對象氣體濃度的相關性，求出所述測定對象氣體的濃度。
6.如權利要求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定溫度。
7.如權利要求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與所述檢測極之間的第一電動勢、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極之間的第二電動勢，基于所述第一電動勢和所述第二電動勢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；檢測極，含有金屬碳酸鹽以及金屬碳酸氫鹽中的至少一種，被設置在所述固體電解質(zhì)部件上；多個參考極，被配置在所述固體電解質(zhì)部件上，使相對于所述固體電解質(zhì)部件中所述檢測極的阻抗互不相同。
9.如權利要求8所述的氣體傳感器，其特征在于所述多個參考極與所述檢測極之間的距離分別互不相同。
10.如權利要求8所述的氣體傳感器，其特征在于所述多個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端子間的通電狀態(tài)的多個開關單元，所述多個開關單元的各個的一個端子以一對一的方式電連接在所述多個參考極上，所述多個開關單元的各個的另一個的端子相互短路。
12.如權利要求11所述的氣體傳感器，其特征在于還具備放大兩個輸入端子間的電壓的放大單元，所述放大單元的所述兩個輸入端子中的一個與所述多個開關單元各個的所述另一個的端子電連接，所述放大單元的所述兩個輸入端子中的另一個與所述檢測極電連接。
13.如權利要求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參考極的各個與所述檢測極之間的電動勢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算單元，該氣體濃度計算單元基于所述多個參考極的各個與所述檢測極之間的電動勢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應的、所述多個參考極中至少一個參考極與所述檢測極之間的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出所述測定對象氣體的濃度。
16.如權利要求8所述的氣體傳感器，其特征在于還具備氣體濃度測定單元，該氣體濃度測定單元基于所述多個參考極中的一個參考極與所述檢測極之間的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性求出所述測定對象氣體的濃度。
17.一種氣體濃度測定方法，是使用權利要求8所述的氣體傳感器的氣體濃度測定方法，其特征在于，包括選擇步驟，從所述多個參考極中選擇參考極；電動勢測定步驟，測定在所述選擇工序中選擇的所述參考極與所述檢測極之間的電動勢；氣體濃度計算步驟，基于在所述電動勢測定步驟中測定的所述電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出所述測定對象氣體的濃度。
18.一種氣體濃度測定方法，是使用權利要求1所述的氣體傳感器的氣體濃度測定方法，其特征在于，包括選擇步驟，選擇測定第一電動勢和第二電動勢中的哪個電動勢，該第一電動勢為所述第一參考極以及所述第二參考極中的一個與所述檢測極之間的電動勢，該第二電動勢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極之間的電動勢；電動勢測定步驟，測定在所述選擇步驟中被選擇的第一電動勢或第二電動勢；氣體濃度計算步驟，基于所述電動勢測定步驟中被測定的所述第一電動勢或第二電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出所述測定對象氣體的濃度。
19.如權利要求17或18所述的氣體濃度測定方法，其特征在于，還具備溫度選擇步驟，選擇所述固體電解質(zhì)部件的設定溫度；加熱步驟，在所述電動勢測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定溫度。
20.一種氣體濃度測定方法，是使用權利要求8所述的氣體傳感器的氣體濃度測定方法，其特征在于，包括電動勢測定步驟，測定所述多個參考極與所述檢測極之間的各個電動勢；氣體濃度計算步驟，基于所述電動勢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應的、所述多個參考極中至少一個參考極與所述檢測極之間的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出所述測定對象氣體的濃度。
21.一種氣體濃度測定方法，是使用權利要求8所述的氣體傳感器的氣體濃度測定方法，其特征在于，包括電動勢測定步驟，測定所述多個參考極與所述檢測極之間的各個電動勢；溫度控制步驟，基于所述電動勢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；氣體濃度計算步驟，基于與所述規(guī)定溫度相對應的、所述多個參考極中至少一個參考極與所述檢測極之間的電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出所述測定對象氣體的濃度。
22.一種氣體濃度測定方法，是使用權利要求1所述的氣體傳感器的氣體濃度測定方法，其特征在于，包括電動勢測定步驟，測定所述第一參考極以及所述第二參考極中的一個與檢測極之間的第一電動勢，測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極之間的第二電動勢；氣體濃度計算步驟，基于所述第一電動勢與所述第二電動勢的不同求出所述固體電解質(zhì)部件的溫度，基于與該溫度相對應的、所述第一電動勢或所述第二電動勢和測定對象氣體的濃度的相關性，求出所述測定對象氣體的濃度。
23.一種氣體濃度測定方法，是使用權利要求1所述的氣體傳感器的氣體濃度測定方法，其特征在于，包括電動勢測定步驟，測定所述第一參考極以及所述第二參考極中的一個與所述檢測極之間的第一電動勢，測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極之間的第二電動勢；溫度控制步驟，基于所述第一電動勢與所述第二電動勢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；氣體濃度測定步驟，測定所述第一以及所述第二參考極中的一個與所述檢測極之間的第三電動勢，基于與所述規(guī)定溫度相對應的、所述第三電動勢與測定對象氣體的濃度的相關性，求出所述測定對象氣體的濃度。
24.如權利要求20～23任一項所述的氣體濃度測定方法，其特征在于還具備在所述電動勢測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、被設置在固體電解質(zhì)部件上的檢測極，以及，配置在固體電解質(zhì)部件上的多個參考極。
文檔編號G01N27/28GK1755355SQ200510105628
公開日2006年4月5日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權日2004年9月28日
發(fā)明者伊藤祐義 申請人:Tdk株式會社