JP2000146906A - ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒータ部からの洩れ電流が少なく，温度によ
るガス濃度の測定精度が殆ど変わらないガスセンサ素子
を提供すること。 【解決手段】 被測定ガス室１０１と基準ガス室１０３
と検出セル２とを有する本体部１０の片側面に積層され
たヒータ部５とよりなる。ヒータ部５は，発熱体５０と
高電圧側リード部５５１と低電圧側リード部５５２とが
設けられたヒータ基板５１と被覆基板５２とよりなる。
そして，発熱体５０はヒータ基板５１における面５１１
に配置されており，高電圧側リード部５５２はヒータ基
板５１における本体部１０とは反対側の面５１２に配置
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，内燃機関の排気系等に設置し，
排ガス中のＮＯｘガス濃度等を検出することができるガ
スセンサ素子に関する。

【０００２】

【従来技術】自動車からの排ガスによる大気汚染は現代
社会に深刻な問題を引き起こしており，排ガス中の公害
物質に対する浄化基準法規が年々厳しくなっている。そ
のためガソリン及びディーゼルエンジンに対する燃焼制
御と触媒コンバータによる排出物の低減検討が進められ
ている。

【０００３】米国ＯＢＤ−ＩＩ規制では，排ガスをクリ
ーンにするために用いる触媒が適切であるかどうか判定
する機能を燃焼制御系等に備えることを要求している。
これに対しては，従来，２本のＯ₂センサを用いたモニ
タシステムが導入されている。しかしながら，この方法
は公害物質の直接的な検出に基づく方法ではないため，
正確に排ガス中の公害物質の総量を検出することは困難
である。仮に，燃焼制御系や触媒モニタにてＮＯｘ（例
えば，ＮＯ，ＮＯ₂等）濃度の直接検出が可能となれ
ば，公害物質のより正確な検出が可能であり，排ガスの
浄化について非常に効果的である。

【０００４】このようにＮＯｘ濃度を測定するためのセ
ンサ素子として，従来，図１３に示すごとき構造の素子
が提案されている（特開平８−２７１４７６号）。上記
ガスセンサ素子９は，被測定ガスである排ガスが第１拡
散律速通路１０８を通じて導入される第１被測定ガス室
１０６と，該第１被測定ガス室１０６より第２拡散律速
通路１０９を経て被測定ガスが導入される第２被測定ガ
ス室１０７と，基準ガスが導入される基準ガス室１０３
を有する。

【０００５】そして，上記第１被測定ガス室１０６内の
酸素ガス濃度を制御するよう構成されたポンプセル３
と，上記第１被測定ガス室１０６において被測定ガス中
の酸素ガス濃度を測定する酸素センサセル４と，上記第
２被測定ガス室１０７において被測定ガス中のＮＯｘガ
ス濃度を測定する検出セル２とよりなる。そして，この
ガスセンサ素子９において，ＮＯｘガス濃度の検出は検
出セル２に接続された図示を略した電流計にて検知され
る電流の値から測定できる（後述する実施形態例２参
照）。

【０００６】そして，上記ガスセンサ素子９において，
固体電解質体１３の第１及び第２被測定ガス室１０６，
１０７や基準ガス室１０３と対面する面とは反対側の面
１３２に対し，ヒータ部９５が積層配置されている。上
記ヒータ部９５は検出セル２等の温度を一定に保持する
ために設けてある。これはガスセンサ素子９は素子の温
度が活性温度以上に達しなければ，ガス濃度を検知する
ことができないためである。

【０００７】上記ヒータ部９５は発熱体９５３と該発熱
体９５３に通電するための２本のリード部９５４とが設
けられたヒータ基板９５１と，該ヒータ基板９５１を覆
う被覆基板９５２とより構成されている。

【０００８】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記ガスセン
サ素子９の第１被測定ガス室１０６，第２被測定ガス室
１０７は固体電解質体１１〜１３によって構成されてお
り，更に固体電解質体１３に対し，上記検出セル２，酸
素センサセル４を構成する各電極２１，２２，４１が配
置されている。

【０００９】そして，固体電解質体１３とヒータ部５に
おける発熱体９５３，リード部９５４との間の絶縁は薄
い被覆基板９５２によって取られているが，ガスセンサ
素子９の温度が高温となった場合には，発熱体９５３や
リード部９５４に流れる電流が被覆基板９５２を通じて
固体電解質体１３に洩れ出し，上記電流計にて検出する
電流の値がＮＯｘガス濃度に対応した値からずれてしま
うおそれがある。

【００１０】この漏れ電流の大きさはガスセンサ素子９
の温度に左右されるため，温度によるＮＯｘガス濃度検
出のバラツキが大となるという問題が生じていた。な
お，このような問題はＮＯｘガスを測定する以外のガス
センサ素子であって，図１３と同様の構造を持つガスセ
ンサ素子における共通の問題である。

【００１１】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，ヒータ部からの洩れ電流が少なく，温度
によるガス濃度の測定精度が殆ど変わらないガスセンサ
素子を提供しようとするものである。

【００１２】

【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，被測定ガ
スが導入される被測定ガス室と基準ガスが導入される基
準ガス室とを有し，かつ被測定ガス中の特定ガス濃度を
検出するよう構成されると共に被測定ガス室及び基準ガ
ス室の双方に対面するよう構成された検出セルを有する
本体部と，該本体部の片側面に一体的に積層されると共
に上記検出セルを加熱するよう構成されたヒータ部とよ
りなるガスセンサ素子において，上記ヒータ部は，発熱
体及び該発熱体に電力を供給するよう構成された高電圧
側リード部と低電圧側リード部とが設けられたヒータ基
板と，該ヒータ基板を被覆する被覆基板とよりなり，上
記発熱体は上記ヒータ基板における本体部と対面する側
の面に配置されており，上記高電圧側リード部は上記ヒ
ータ基板における本体部と対面する側の面とは反対側の
面に配置されていることを特徴とするガスセンサ素子に
ある。

【００１３】上記ヒータ部における発熱体は電力を供給
することにより発熱するため，上記高電圧側リード部と
上記低電圧側リード部とが電源に接続されているが，電
源の高電位側に接続されるのが高電圧側リード部で，低
電位側に接続されるのが低電圧側リード部となる。

【００１４】次に，本発明の作用につき説明する。本発
明において最も注目すべきことは，上記発熱体は上記ヒ
ータ基板における本体部と対面する側の面に配置されて
おり，上記高電圧側リード部は上記ヒータ基板における
本体部と対面する側の面とは反対側の面に設けることで
ある。

【００１５】これにより，ヒータ部における高電圧側リ
ード部を本体部における検出セルより遠ざけることがで
きるため，ヒータ部と検出セルとの間の絶縁性を高める
ことができる。従って，ヒータ部における発熱体や高電
圧側リード部から検出セルへの洩れ電流を抑制すること
ができ，温度に依存せず，精度の高いガス濃度の検出を
行うことができる。そして，発熱して本体部における検
出セルを加熱するヒータ部は上記ヒータ基板における本
体部と対面する側の面に配置されているため，効率的に
検出セルを加熱することができる。

【００１６】以上，本発明によれば，ヒータ部からの洩
れ電流が少なく，温度によるガス濃度の測定精度が殆ど
変わらないガスセンサ素子を提供することができる。

【００１７】なお，本発明にかかるガスセンサ素子にお
いて，検出セルにおける測定電極の種類を変更すること
で各種の特定ガス濃度を測定できる素子とすることがで
きる。例えば，ＮＯｘに対して活性な電極を使用するこ
とでＮＯｘセンサ素子を得ることができる。つまり，Ｎ
Ｏｘが接触することで該ＮＯｘを窒素イオンと酸素イオ
ンとに分解する作用を有するような物質にて測定電極を
構成することで，ＮＯｘセンサ素子を得ることができ
る。

【００１８】こうすることで，分解された酸素イオンが
固体電解質体を流通するイオン電流となるが，この電流
値を測定すればＮＯｘ濃度に比例する値を得ることがで
きる。よってＮＯｘセンサ素子として機能するのであ
る。それ以外には，Ｏ₂，ＣＯ，ＨＣ等の濃度を測定す
る素子とすることができる。また，内燃機関の排気系に
設置するような空燃比センサ素子とすることもできる。

【００１９】また，上記本体部は，固体電解質体と該固
体電解質体に設けられた一対のポンプ電極より構成さ
れ，該ポンプ電極の一方は被測定ガス室と対面するよう
配置されたポンプセルを有することが好ましい（実施形
態例１参照）。

【００２０】ポンプセルは通電することにより酸素ポン
ピング作用を発揮するセルであり，ポンプセルのポンプ
電極は被測定ガス室に対面しているため，被測定ガス室
の酸素ガスをポンピングすることができる。従って，適
当な電圧をポンプセルに加えることで被測定ガス室の酸
素ガス濃度を一定とすることができる。または，酸素ガ
スを非常に少なくし，酸素ガスによる影響を排除するこ
とができる。

【００２１】このため，より精度よく酸素ガス以外の，
ＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ等の各種ガス濃度を測定することが
できる。この場合，ポンプセルで第１被測定ガス室と対
面するポンプ電極は検出セルで濃度測定を行う特定ガス
に対し不活性である物質より構成することが好ましい。
これにより，ポンプ電極での特定ガスの消費が防止でき
るため，正確に被測定ガス中の特定ガス濃度を測定する
ことができる。

【００２２】また，上記被測定ガス室は第１被測定ガス
室と第２被測定ガス室とに別れており，第１被測定ガス
室には第１拡散律速通路を通じて外部から被測定ガスが
導入され，また，第１被測定ガス室と第２被測定ガス室
との間は第２拡散律速通路により被測定ガスが流通可能
となるように構成されており，上記本体部は，固体電解
質体と該固体電解質体に設けられた測定電極と基準電極
とよりなると共に上記測定電極は第１被測定ガス室と対
面するよう配置され，上記基準電極は基準ガス室と対面
するよう配置された酸素センサセルを有することが好ま
しい（実施形態例２参照）。

【００２３】これにより，酸素センサセルでの酸素ガス
濃度の測定値を基にポンプセルを制御することができる
ため，第１被測定ガス室の酸素ガス濃度を一定の値に保
持することができる。そのため，酸素ガス濃度の影響を
受けることなく第２被測定ガス室で検出セルによる特定
のガス濃度を測定ができるような素子を得ることができ
る。この場合，酸素センサセルで第１被測定ガス室と対
面する測定電極は検出セルで濃度測定を行う特定ガスに
対し不活性である物質より構成することが好ましい。こ
れにより，酸素センサセルでの特定ガスの消費が防止で
きるため，正確に被測定ガス中の特定ガス濃度を測定す
ることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】実施形態例１ 本発明の実施形態例にかかるガスセンサ素子につき，図
１〜図１１を用いて説明する。なお，本例のガスセンサ
素子は，排ガス中のＮＯｘガス濃度を測定可能なＮＯｘ
センサ素子である。図１に示すごとく，本例のガスセン
サ素子１は，被測定ガスが導入される被測定ガス室１０
１と基準ガスが導入される基準ガス室１０３とを有し，
かつ固体電解質体１３と該固体電解質体１３に設けられ
た測定電極２１と基準電極２２とよりなると共に上記測
定電極２１は被測定ガス室１０１と対面するよう配置さ
れ，上記基準電極２２は基準ガス室１０３と対面するよ
う配置されている検出セル２とを有する本体部１０と，
上記本体部１０の片側面に一体的に積層されると共に上
記検出セル２を加熱するよう構成されたヒータ部５とよ
りなる。

【００２５】上記ヒータ部５は，図２に示すごとく，発
熱体５０及び該発熱体５０に電力を供給するよう構成さ
れた高電圧側リード部５５１と低電圧側リード部５５２
とが設けられたヒータ基板５１と，該ヒータ基板５１を
被覆する被覆基板５２とよりなり，上記高電圧側リード
部５５１は上記ヒータ基板５１における本体部１０と対
面する側の面５１１とは反対側の面５１２に配置されて
いる。

【００２６】以下，詳細に説明する。本例のガスセンサ
素子１は，図１，図４に示すごとく，本体部１０とヒー
タ部５とよりなる。上記本体部１０は固体電解質体１
１，１２，１３と絶縁基板１４とよりなる。固体電解質
体１１には一対のポンプ電極３１，３２よりなるポンプ
セル３が設けてあり，上記ポンプ電極３２は被測定ガス
室１０１と対面している。固体電解質体１１，１２，１
３により囲まれた空間部に多孔質体を充填することで被
測定ガス室１０１が構成されている。この多孔質体は，
被測定ガスをある拡散抵抗のもとで被測定ガス室１０１
に導入し，検出セル２にかかる測定電極２１の近傍まで
拡散させるために設けてある。

【００２７】また，上記固体電解質体１３には測定電極
２１と基準電極２２とが設けてあり，これらによって検
出セル２が構成されている。上記検出セル２における測
定電極２１は白金よりなる電極であり，検出セル２に電
力を与えることで，該測定電極２１はＮＯｘを分解して
窒素イオンと酸素イオンを生成し，該酸素イオンを基準
ガス室１０３に対しポンピングすることができる。つま
り，測定電極２１はＮＯｘに対して活性な電極である。
また，上記基準電極２２も白金より構成されているが，
金−白金電極で構成することもできる。

【００２８】また，上記ポンプセル３における一対のポ
ンプ電極３１，３２はＮＯｘを分解しない金−白金電極
よりなる。ポンプセル３は，適当な電力を与えること
で，被測定ガス室１０１から基準ガス室１０３へ，また
はその逆方向へ，酸素イオンをポンピングすることがで
きる。

【００２９】また，図３，図４に示すごとく，ポンプセ
ル３のポンプ電極３１には，電力印加用のリード部３１
１及び端子部３１２が設けてある。ポンプセル３のもう
一つのポンプ電極３２には，電力印加用のリード部３２
１及び端子部３２２，３２３が設けてある。端子部３２
２と端子部３２３との間はスルーホール１１０にて導通
が取られている。

【００３０】また，図４に示すごとく，検出セル２の測
定電極２１にはリード部２１１及び端子部２１２が設け
てあり，この端子部２１２はスルーホール１２０，１１
０によって，上記端子部３２３に接続されている。ま
た，上記検出セル２の基準電極２２についてもリード部
２２１及び端子部２２２が設けてあり，この端子部２２
２はスルーホール１３０を通じて端子部２２３に接続さ
れ，またスルーホール１２０，１１０を通じて端子部２
２４に接続されている。

【００３１】また，固体電解質体１３に対し，絶縁基板
１４を介してヒータ部５が積層されている。そして，固
体電解質体１３，絶縁基板１４，ヒータ部５により囲ま
れた空間部が基準ガス室１０３となる。

【００３２】図２に示すごとく，上記ヒータ部５はヒー
タ基板５１と該ヒータ基板５１に設置されたＰｔを含む
発熱体５０，高電圧側及び低電圧側リード部５５１，５
５２とよりなり，ヒータ基板５１は被覆基板５２により
被覆されている。

【００３３】そして，発熱体５０はヒータ基板５１の本
体部１０の側と対面した面５１１に設けてある。また，
アルミナよりなるネガパターン５９も共に面５１１に設
けてある。低電圧側リード部５５２は上記発熱体５０と
一体的に構成され，同じく面５１１に設けてある。上記
高電圧側リード部５５１は，本体部１０の側とは反対側
の反対面５１２に設けてある。そして，高電圧側リード
部５５１と発熱体５０との間はヒータ基板５１の一方の
面５１１から反対面５１２に通じる２つのスルーホール
５１０によって電気的な導通が取られている。また，高
電圧側リード部５５１保護または絶縁のために，高電圧
側リード部５５１の外側には被覆基板または絶縁層を設
けてもよい。

【００３４】また，図示を略したヒータ部用電源のアー
ス極に接続される端子部５５３が反対面５１２に設けて
ある。この端子部５５３は低電圧側リード部５５２と２
つのスルーホール５２０によって導通がとられている。
また，図示を略したヒータ部用電源の高電位側からの導
線は上記高電圧側リード部５５１に対し接続される。

【００３５】そして，上記ヒータ部５において，ヒータ
部用電源から電圧を印加することにより，電流はヒータ
部５の各部を高電圧側リード部５５１，スルーホール５
１０，発熱体５０，低電圧側リード部５５２，スルーホ
ール５２０，端子部５５３の順に流れる。

【００３６】よって，発熱体５０における電位は，図２
に示すａ部，ｄ部よりもｂ部，ｃ部のほうが高くなる。
そして，図４，図５に示すごとく，検出セル２における
測定電極２１と発熱体５０における電位の低いａ部，ｄ
部との距離が，発熱体５０における電位の高いｂ部，ｃ
部との距離よりも短くなるように，上記測定電極２１を
固体電解質体１３に対しレイアウトする。すなわち，図
５に示すごとく，ｃ部とｂ部とを隣接させ，これらの外
方にａ部やｄ部が配置されるような発熱体５０となし，
ｃ部とｂ部との真上に測定電極２１がくるようにレイア
ウトするのである。

【００３７】また，図１に示すごとく，本例のガスセン
サ素子１において，検出セル２には回路２５が接続さ
れ，ポンプセル３には回路３５が接続されている。回路
２５は定電圧電源２５３と電流計２５１と該電流計２５
１の値からＮＯｘガス濃度を算出するＮＯｘガス濃度測
定器２５５が接続されている。また，回路３５には可変
電源３５３と電流計３５１と電流計３５１の値から可変
電源の電圧値を制御するための制御器３５６が設けてあ
る。

【００３８】次に，本例のガスセンサ素子１の製造方法
について説明する。まず，固体電解質体１１，１２，１
３用のジルコニア生シートの作製につき説明する。６モ
ル％のイットリアと９４モル％のジルコニアとよりなる
平均粒径が０．５μｍのイットリア部分安定化ジルコニ
ア１００部（重量部以下回じ），α−アルミナ１部，Ｐ
ＶＢ（ポリビニルブチラール）５部，ＤＢＰ（ディブチ
ルフタレート）１０部，エタノール１０部，トルエン１
０部よりなるセラミック混合物を準備した。次いで，上
記セラミック混合物をボールミル中で混合し，得られた
スラリーをドクターブレード法にて乾燥厚みが０．３ｍ
ｍであるシート成形体に成形した。

【００３９】上記シート成形体を５×７０ｍｍの長方形
に切断し，ポンプセル３のポンプ電極３２用の印刷部を
１〜１０ｗｔ％のＡｕ添加Ｐｔペーストを用いて印刷形
成した。一方，ポンプ電極３２と対向する位置に設けた
ポンプ電極３２，該ポンプ電極３１，３２に接続される
各リード部等となる印刷部をＰｔペーストを用いてスク
リーン印刷にて形成した。これが固体電解質体１１用の
生シートとなる。

【００４０】また，上記シート成形体を５×７０ｍｍの
長方形に切断し，先端がコの字になるよう２×１５ｍｍ
の空間部を設けた。これが固体電解質体１２用の生シー
トとなる。そして，上記空間部が被測定ガス室１０１と
なる。

【００４１】また，上記シート成形体を５×７０ｍｍの
長方形に切断し，測定電極２１用の印刷部を０〜１０ｗ
ｔ％Ｐｄ添加Ｐｔペーストを用いて印刷形成した。一
方，上記測定電極２１，上記基準電極２２に接続される
各リード部等となる印刷部をＰｔペーストを用いてスク
リーン印刷にて形成した。これが固体電解質体１３用の
生シートとなる。

【００４２】次に，絶縁基板１４，ヒータ基板５１，被
覆基板５２用のアルミナ生シートの作製につき説明す
る。平均粒径０．３μｍのα−アルミナ９８部，６モル
％イットリア部分安定化ジルコニア３部，ＰＶＢ１０
部，ＤＢＰ１０部，エタノール３０部，トルエン３０部
よりなるセラミック混合物を準備した。次いで，このセ
ラミック混合物をボールミル中にで混合し，得られたス
ラリーをドクターブレード法にて乾燥厚みが０．３ｍｍ
となるシート成形体に成形した。

【００４３】上記シート成形体を５×７０ｍｍの長方形
に切断し，先端が閉じたコの字となるように２×６５ｍ
ｍの空間部を設けた。これが絶縁基板１４用の生シート
となる。そして，上記空間部が基準ガス室１０３とな
る。

【００４４】また，上記シート成形体を５×７０ｍｍの
長方形に切断し，９０ｗｔ％のＰｔと１０ｗｔ％のアル
ミナが含まれるぺーストを用いて，発熱体５０や該発熱
体５０に通電するためのリード部５５１，５５２等を構
成する印刷部をスクリーン印刷法により形成した。これ
がヒータ基板５１用の生シートとなる。また，被覆基板
５２用の生シートを上記シート成形体を５×７ｍｍで切
断して，作製した。

【００４５】次に，ネガパターン５９用の生シートの作
製につき説明する。上記絶縁基板１４，ヒータ基板５
１，被覆基板５２と同一のアルミナを用い，バインダー
としてＰＶＢ１０部，可塑剤としてＤＢＰ５部，消泡剤
としてスパン１部，溶剤としてテレピネオール５０部，
アルミナ粉１００部を混合し，三本ロールに２０回通す
ことでアルミナペーストを作製する。

【００４６】そして，上記ペーストを用いて，ネガパタ
ーン５９をスクリーン印刷法により形成し，これを乾燥
することで作製した。

【００４７】次に，上記被測定ガス室１０１に充填した
多孔質体用のペーストについて説明する。バインダーと
してＰＶＢ１０部，可塑剤としてＤＢＰ５部，消泡剤と
してスパン１部，溶剤としてテレピネオール５０部，ア
ルミナ粉１００部を混合し，三本ロールに２０回通すこ
とでアルミナペーストを作製した。

【００４８】そして，上記各生シートを積層して積層体
を構成する。この方法について説明する。まず，図４に
示すごとく，固体電解質体１２用の生シートと固体電解
質体１３用の生シートとを８０度にて熱圧着して積層す
る。次いで，上記アルミナペーストをスクリーン印刷法
にて固体電解質体１２の空間に充填し，被測定ガス室１
０１となる部分を作製する。その後，残りの生シートを
図１，図４に示す通り，順次積層圧着して積層体を得
た。以上の方法で得られた積層体を大気中１５００℃に
て１時間で焼成した。これにより，本例にかかるガスセ
ンサ素子１を得た。

【００４９】次に，本例にかかるガスセンサ素子１の性
能について，比較試料と共に測定した。試料１となるガ
スセンサ素子は上述の図１〜図５に記載して，上述した
素子である。比較試料Ｃ１となる素子は，図６，図７に
示すごときガスセンサ素子８９であり，本体部１０にお
ける各電極２１，２２，３１，３２の位置，面積，幅，
長さ，また被測定ガス室１０１の構成，大きさ，基準ガ
ス室１０３の大きさ等を同じとした素子である。

【００５０】そして，ガスセンサ素子８９のヒータ部８
は，図６に示すごとく，固体電解質体よりなる基板８１
に対し基板８５で覆った発熱体８０と高電圧側リード部
８０１及び低電圧側リード部８０２とを埋設した構造を
有している。

【００５１】つまり，図７に示すごとく，上記ヒータ部
８において，固体電解質体よりなる基板８１に対し，絶
縁基板８２が積層され，該絶縁基板８２において本体部
１０と対面する側の面８２１には，発熱体８０と該発熱
体８０に対し一体的に形成された高電圧側リード部８０
１と低電圧側リード部８０２とが設けてある。

【００５２】また，上記絶縁基板８２と対面する側と反
対側の面には図示を略した定電圧電源と接続された導線
を接続するための端子部８０３，８０４が設けてある。
この端子部８０３，８０４と上記高電圧側リード部８０
１と低電圧側リード部８０２との導通は絶縁基板８２と
基板８１とを貫通するスルーホール８２０，８１０によ
り取られている。そして，上記絶縁基板８２には絶縁体
（アルミナ）よりなるネガパターン８３が積層され，ヒ
ータ部８０やネガパターン８３に対し絶縁基板８４が積
層され，更に固体電解質体よりなる基板８５が積層され
ている。その他は試料１と同様の構成，材料よりなる。

【００５３】このようにして得られた試料１と比較試料
Ｃ１とを以下の条件下にて，ＮＯｘに対する特性やヒー
タ部からの洩れ電流について評価した。試料１，比較試
料Ｃ１にかかるガスセンサ素子を用い，想定される使用
環境下で各試料を作動させ，その静特性について評価し
た。その条件は，被測定ガスの温度を４００℃，使用し
た被測定ガスの組成は，０〜２０００ｐｐｍのＮＯを含
み，酸素ガスが５％，その他が窒素ガスよりなる。ま
た，ヒータ部に通電して，ガスセンサ素子の温度をほぼ
７５０℃に保持した状態で測定を行った。以上の測定に
より得られた結果をＮＯ濃度を横軸に，ガスセンサ素子
の出力となる電流計２５１（図１参照）における電流値
を縦軸として，図８に記載した。

【００５４】また，上記と同様の測定を，被測定ガスの
ガス温度４００℃，使用した被測定ガスの組成は，１０
００ｐｐｍのＮＯを含み，酸素ガスが５％，その他が窒
素ガスよりなる。また，ヒータ部に通電して，ガスセン
サ素子の温度をそれぞれ６５０℃，７００℃，７５０
℃，８００℃に保持して測定を行った。この測定結果に
ついて，ＮＯ濃度を横軸に，ガスセンサ素子の出力とな
る電流計２５１（図１参照）における電流値を縦軸とし
て，図９に記載した。

【００５５】図８に示すごとく，比較試料Ｃ１のガスセ
ンサ素子では，漏れ電流の影響により，本例にかかる試
料１のガスセンサ素子よりもセンサ出力が高くなってい
ることが分かった。

【００５６】また，図９に示すごとく，比較試料Ｃ１の
ガスセンサ素子では，漏れ電流の影響により，等しいＮ
Ｏガス濃度の被測定ガスを用いても，ガスセンサ素子の
温度が変化することでセンサ出力が変化することが分か
った。よって，比較試料Ｃ１と比べて本例にかかる試料
１はヒータ部と本体部との間の絶縁性が高く，ヒータ部
からの漏れ電流が抑制されるため，より正確なＮＯ濃度
の測定が可能であることが分かった。

【００５７】本例の作用効果について，説明する。本例
のガスセンサ素子１は，ヒータ基板５１に配置する高電
圧側リード部５５１をガスセンサ素子１の本体部１０と
対面する側の面５１１とは反対側の面５１２に設けてあ
る。これにより，ヒータ部５１における高電圧側リード
部５５１を本体部１０における検出セル２より遠ざける
ことができるため，ヒータ部５と検出セル２との間の絶
縁性を高めることができる。

【００５８】従って，ヒータ部５における発熱体５０や
高電圧側リード部５５１から検出セル２への洩れ電流を
抑制することができ，温度に依存せず，精度高くガス濃
度の検出を行うことができる（図８，図９参照）。そし
て，発熱して本体部１０における検出セル２を加熱する
ヒータ部５は上記ヒータ基板５１における本体部１０と
対面する側の面５１１に配置されているため，効率的に
検出セル２を加熱することができる。

【００５９】以上，本例によれば，ヒータ部からの洩れ
電流が少なく，温度によるガス濃度の測定精度が殆ど変
わらないガスセンサ素子を提供することができる。

【００６０】また，本例にかかるガスセンサ素子１にお
ける発熱体５０，高電圧側リード部５５１，低電圧側リ
ード部５５２の形状は，図２に示す形状以外に，例えば
図１０（ａ）〜（ｄ），図１１（ａ）〜（ｃ）に列挙す
るような様々な形状とすることができる。

【００６１】図１０は発熱体５０の形状を細く，ジグザ
グの形状を描くように構成することで，発熱体５０の長
さをより長くして，より高温を発することができるよう
に構成した例である。図１１の（ａ）や（ｃ）は発熱体
５０の本数を増やして，より高温を発することができる
ように構成した例である。

【００６２】図１１の（ｂ）は発熱体の高電圧側リード
部５５１を発熱体５０の中央に集中させ，この高電圧側
リード部５５１と測定電極との距離をより大きくとり，
より漏れ電流を抑制できるように構成した例である。以
上にかかるいずれの発熱体５０を有するガスセンサ素子
１についても，本例と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００６３】実施形態例２ 本例は，図１２に示すごとく，ＮＯｘ濃度を測定する検
出セル２と，第１被測定ガス室１０６の酸素ガス濃度を
一定に保持するポンプセル３と，第１被測定ガス室１０
６の酸素ガス濃度を測定する酸素センサセル４とを有す
るガスセンサ素子１である。

【００６４】図１２に示すごとく，本例のガスセンサ素
子１は，固体電解質体１１〜１３等からなる本体部１０
と，ヒータ部５とよりなる。本体部１０には，上記固体
電解質体１１〜１３によって，第１被測定ガス室１０
６，第２被測定ガス室１０７，基準ガス室１０３が形成
されており，第１被測定ガス室１０６は固体電解質体１
１に設けられた第１拡散律速通路１０８より被測定ガス
が導入され，第２被測定ガス室１０７は第１被測定ガス
室１０６より第２拡散律速通路１０９を通じて被測定ガ
スが導入されることとなる。

【００６５】そして，上記ポンプセル３は上記固体電解
質体１１と該固体電解質体１１に設けられた一対のポン
プ電極３１と第１被測定ガス室１０６に面するポンプ電
極３２とよりなる。また，ポンプ電極３２はＮＯｘ不活
性なＰｔ−Ａｕ電極である。また，上記検出セル２は，
上記固体電解質体１３と第２被測定ガス室１０７に面し
て設けられた測定電極２１と，基準ガス室１０３に面し
て設けられた基準電極２２とよりなる。また，測定電極
２１はＮＯｘ活性なＰｔ電極である。

【００６６】また，上記酸素センサセル４は，固体電解
質体１３と第１被測定ガス室１０６に面して設けられた
測定電極４１と，基準ガス室１０３に面して設けられた
基準電極２２とよりなる。なお，検出セル２と酸素セン
サセル４とは基準電極２２を共有している。また，測定
電極４１はＮＯｘ不活性なＰｔ−Ａｕ電極である。

【００６７】そして，検出セル２と酸素センサセル４は
共に回路２６に接続されており，この回路２６には，検
出セル２における測定電極２１と基準電極２２との間を
流れる電流を測定する電流計２６１と，酸素センサセル
４における測定電極４１と基準電極２２との間の電圧を
測定する電圧計２６２と，これら両セル２，４に対し電
力を供給する定電圧電源２６３が設けてある。

【００６８】また，上記ポンプセル３は回路３６に接続
され，この回路３６には可変電源３６３が設けてある。
また，この可変電源３６３の電圧は上記電圧計２６２の
値と連動して作動するよう構成されている。

【００６９】そして，ガスセンサ素子１における本体部
１０には発熱部５が設けてあり，この発熱部５は実施形
態例１にかかる図２に示すごとき構造を有している。そ
の他は実施形態例１と同様である。

【００７０】本例のガスセンサ素子１０は，検出セル２
と酸素センサセル２に対し通電し，検出セル２に流れる
電流値を電流計２６１で測定することでＮＯｘ濃度を測
定する。そして，電圧計２６２で酸素センサセル４にか
かる電圧を測定することで第１測定ガス室１０６での酸
素ガス濃度が分かる。よって，この値を基に図示を略し
たフィードバック回路を利用して可変電源３６３による
ポンプセル３に対する印加電圧を制御する。

【００７１】ポンプセル３は印加電圧の寡多によって酸
素ガスのポンピング量が定まるため，上記酸素センサセ
ル４と上記ポンプセル３とにより第１被測定ガス室１０
６の酸素ガス濃度を一定とすることができる。従って，
第１被測定ガス室１０６からの被測定ガスが流れ込む第
２被測定ガス室１０７の酸素ガス濃度は略一定となる。

【００７２】そして，検出セル２では測定電極２１にお
いてＮＯｘを酸素イオンと窒素イオンとに分解し，また
酸素が酸素イオンに分解される。分解された酸素イオン
によるイオン電流が回路２６の電流計２６１での電流値
と比例する。本例のガスセンサ素子１では，酸素ガス由
来の酸素イオン量が一定となるため，正確なＮＯｘ濃度
を測定することができる。その他は実施形態例１と同様
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，ガスセンサ素子の断面
説明図。

【図２】実施形態例１における，ガスセンサ素子におけ
るヒータ部の斜視展開図。

【図３】実施形態例１における，ガスセンサ素子の平面
図。

【図４】実施形態例１における，ガスセンサ素子の斜視
展開図。

【図５】図４に示す平面Ａにおいて切断した，ガスセン
サ素子の断面説明図。

【図６】実施形態例１における，比較試料Ｃ１にかかる
ガスセンサ素子の断面説明図。

【図７】実施形態例１における，比較試料Ｃ１にかかる
ガスセンサ素子のヒータ部の斜視展開図。

【図８】実施形態例１における，試料１，比較試料Ｃ１
にかかる被測定ガス中のＮＯ濃度とガスセンサ素子の出
力との関係を示す説明図。

【図９】実施形態例１における，試料１，比較試料Ｃ１
にかかるガスセンサ素子の温度とガスセンサ素子の出力
との関係を示す説明図。

【図１０】実施形態例１における，さまざまな形状を有
するヒータ部，高電圧側リード部，低電圧側リード部と
を示す説明図。

【図１１】実施形態例１における，さまざまな形状を有
するヒータ部，高電圧側リード部，低電圧側リード部と
を示す説明図。

【図１２】実施形態例２における，検出セル，酸素セン
サセル，ポンプセルを有するガスセンサ素子の説明図。

【図１３】従来のガスセンサ素子の説明図。

【符号の説明】

１．．．ガスセンサ素子， １０．．．本体部， １１，１２，１３．．．固体電解質体， １０１．．．被測定ガス室， １０３．．．基準ガス室， ２．．．検出セル， ３．．．ポンプセル， ５．．．ヒータ部， ５０．．．発熱体， ５１．．．ヒータ基板， ５１２．．．反対面， ５２．．．被覆基板 ５５１．．．高電圧側リード部， ５５２．．．低電圧側リード部，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 富夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 田中 章夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定ガスが導入される被測定ガス室と
   基準ガスが導入される基準ガス室とを有し，かつ固体電
   解質体と該固体電解質体に設けられた測定電極と基準電
   極とよりなると共に上記測定電極は被測定ガス室と対面
   するよう配置され，上記基準電極は基準ガス室と対面す
   るよう配置されている検出セルとを有する本体部と，上
   記本体部の片側面に一体的に積層されると共に上記検出
   セルを加熱するよう構成されたヒータ部とよりなるガス
   センサ素子において，上記ヒータ部は，発熱体及び該発
   熱体に電力を供給するよう構成された高電圧側リード部
   と低電圧側リード部とが設けられたヒータ基板と，該ヒ
   ータ基板を被覆する被覆基板とよりなり，上記発熱体は
   上記ヒータ基板における本体部と対面する側の面に配置
   されており，上記高電圧側リード部は上記ヒータ基板に
   おける本体部と対面する側の面とは反対側の面に配置さ
   れていることを特徴とするガスセンサ素子。