JP2000180408A

JP2000180408A - 被測定ガス中の可燃成分濃度測定方法及びガスセンサ

Info

Publication number: JP2000180408A
Application number: JP10351162A
Authority: JP
Inventors: Shoji Kitanoya; 昇治北野谷; Takaharu Inoue; 隆治井上; Toshihiro Fuma; 智弘夫馬; Kenji Kato; 健次加藤; Takafumi Oshima; 崇文大島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】第二処理室内の酸素濃度検出を行わなくとも
可燃成分の検出を精度よく行うことができ、使用するセ
ンサの構造を簡略化できるガスセンサを提供する。【解決手段】第一処理室９内で酸素量を調整された被
測定ガスが第二処理室１０に導かれ、そこで酸化触媒部
１６の作用により被検出ガス中の可燃成分を酸素と反応
させて燃焼させる。このとき、第二処理室１０に面して
配置された可燃成分濃度検出素子６の第一測定電極１７
と第二測定電極１７との間に所定の電圧を印加しておく
と、そのときの素子６の出力電流値が、被測定ガス中の
可燃成分濃度を反映して変化するので、これを測定する
ことで該濃度を知ることができる。第二処理室１０内の
酸素濃度を測定する必要がなくなるので、該測定用の酸
素濃淡電池素子等が不要となり、必要な素子の数を減ず
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガス等の被測
定ガス中の可燃成分濃度測定方法とガスセンサとに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の排気ガスに含有される炭化水
素（以下、ＨＣという）やＣＯ等の可燃成分を検出する
ためのセンサとして、抵抗型センサが知られている。例
えば、ＨＣやＣＯ等の可燃成分検出用のものは、検出素
子としてＳｎＯ_２等の酸化物半導体（ｎ型）を使用し、
以下の原理により測定を行う。すなわち、雰囲気中の酸
素は検出素子に負電荷吸着するが、雰囲気中にＨＣやＣ
Ｏ等の可燃成分が含有されていると、その吸着酸素との
間で燃焼反応を起こし、該吸着酸素を離脱させる。そし
て、この吸着酸素の離脱に伴う検出素子の電気抵抗値変
化が、雰囲気中の可燃成分の濃度に依存して増減するこ
とから、これを測定することにより該可燃成分の濃度を
知ることができる。しかしながら、上述のような抵抗型
センサにおいては、酸化物半導体による検出素子の出力
が、排気ガス中に含有される酸素濃度や水蒸気濃度によ
り変化しやすい欠点を有し、同じ可燃成分濃度に対して
も、排気ガス中の酸素濃度等により検出出力値が変動し
てしまう問題がある。

【０００３】そこで、これを解決するために、特開平８
−２４７９９５号公報には、次のような構造の可燃成分
の測定装置が開示されている。すなわち、該装置におい
てはセンシング素子が２つの処理ゾーン（処理室）を有
し、第一拡散律速手段を介して排気ガスを第一処理室に
導き、そこで第一酸素ポンプ素子により酸素を汲み出し
て、該第一処理室内の酸素濃度を可燃成分が実質的に燃
焼され得ない低い値に低下させる。次に、こうして酸素
濃度を低下させた気体を第二拡散律速手段を介して第二
処理室に導き、第二酸素ポンプ素子を用いてここに酸素
を汲み込むことで可燃成分を燃焼させ、そのときに第二
酸素ポンプ素子を流れる電流又は電圧の値に基づいて、
可燃成分量を測定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記公報の装置におい
ては、第二処理室内にて可燃成分を電極上で燃焼させる
ために、第二の酸素ポンプ素子により該第二処理室内に
酸素を汲み入れる構成が採用されている。そして、酸素
濃淡電池素子により第二処理室内の酸素濃度を検出し、
その検出起電力の値が一定となるように第二の酸素ポン
プ素子を作動させたときのポンピング電流から可燃成分
の検出を行うようにしている。しかしながらこの構成に
は、次のような欠点がある。第二処理室内の酸素濃度を測定するために酸素濃淡電
池素子を設けることが必須となるので、第二処理室側で
必要な素子の数が増大してセンサ構造が複雑化し、製造
コストの高騰を招く。可燃成分の燃焼に伴い酸素濃度が変化すると、これが
酸素濃淡電池素子により検出され、さらにポンピング電
流の制御部にフィードバックされる形になるので、その
分だけ可燃成分の検出応答に遅れが生じやすくなる。

【０００５】また、上記公報の装置においては、第一処
理室へ導入された排気ガス中の酸素濃度は第一酸素ポン
プ素子により、「可燃成分が実質的に燃焼され得ない低
い値」に低下させられるが、この値は、公報の記載によ
れば具体的には１０^−１４ａｔｍ以下、好ましくは１０
^−１６ａｔｍ以下であり、通常は１０^−２０ａｔｍ程度
の極めて低い値である。しかしながら、第一処理室の酸
素濃度をこのような低圧に設定すると、次のような問題
が引き起こされることがある。近年では、大気汚染防止
に対する排気ガス規制はますます強化される傾向にあ
り、不完全燃焼等に伴う炭化水素の発生量を抑さえるた
めに、ガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジン等
の内燃機関は、リーンバーン作動型のものに移行しつつ
ある。ここで、リーンバーン条件での排気ガスはストイ
キあるいはリッチ条件でのものより酸素濃度が高く、こ
れに上記従来の装置を適用した場合は、酸素濃度を上述
のような低い値にまで低下させるために、酸素ポンプ素
子にかなりの負担がかかることとなる。その結果、酸素
ポンプ素子の寿命が短くなったり、あるいは酸素ポンプ
素子の作動パワーを上げるために、周辺の制御回路も高
出力のものを用いなければならず、装置価格の高騰を招
く等の問題につながる。

【０００６】本発明の課題は、第二処理室内の酸素濃度
検出を行わなくとも可燃成分の検出を精度よく行うこと
ができ、ひいては使用するセンサの構造を簡略化できる
可燃成分濃度測定方法と、それに使用するガスセンサを
提供することにある。また、さらに進んでは、リーンバ
ーン条件での作動にも適したガスセンサも提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために本発明の被測定ガス中の可燃成分濃
度測定方法は、第一気体流通部を介して被測定ガスを第
一処理室内に導入し、酸素をその第一処理室から汲み出
す又は第一処理室へ汲み込むことにより、当該第一処理
室内へ導入された被測定ガス中の酸素濃度を所定のレベ
ルに調整し、第二気体流通部を介して第一処理室から第
二処理室内に、酸素濃度調整後の被測定ガスを導入し、
その導入されたガス中の可燃成分を酸化触媒部を用いて
燃焼させる一方、該第二処理室に接する形で、酸素イオ
ン伝導性固体電解質により構成された検出素子本体部を
有する可燃成分検出素子を配置し、その検出素子本体部
の第二処理室に面する側に一対の測定電極を形成すると
ともに、その第一測定電極と第二測定電極との間に検出
素子本体部を介して所定の電圧にて通電し、そのときの
該可燃成分検出素子の出力電流値に基づいて被測定ガス
中の可燃成分の濃度を測定することを特徴とする。

【０００８】また、それに使用する本発明のガスセンサ
は、周囲から区画されるとともに、第一気体流通部を介
して被測定ガスが導入される第一処理室を形成するため
の第一処理室形成部と、周囲から区画されるとともに、
第一処理室内の気体が第二気体流通部を介して導かれる
第二処理室を形成するための第二処理室形成部と、第一
処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度検出素子
と、酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面
に電極が形成され、酸素を第一処理室から汲み出す又は
第一処理室へ汲み込むことにより、当該第一処理室内へ
導入された被測定ガス中の酸素濃度検出素子が検出する
酸素濃度を所定のレベルに調整する酸素濃度調整用ポン
プ素子と、第二気体流通部を介して第一処理室から第二
処理室内に導入された酸素濃度調整後の被測定ガス中
の、可燃成分の燃焼を促進させる酸化触媒部と、第二処
理室に接する形で配置され、酸素イオン伝導性固体電解
質により構成された検出素子本体部を有して、その検出
素子本体部の第二処理室に面する側に一対の測定電極が
形成されるとともに、その第一測定電極と第二測定電極
との間にて検出素子本体部を介して所定の電圧にて通電
され、そのときの出力電流値が被測定ガス中の可燃成分
の濃度検出情報として取り出される可燃成分濃度検出素
子と、を備えたことを特徴とする。

【０００９】上記の測定方法及びセンサによれば、第一
処理室内で酸素量を調整された被測定ガスが第二処理室
に導かれ、そこで酸化触媒部の作用により被測定ガス中
の可燃成分を酸素と反応させて燃焼させる。このとき、
第二処理室に面して配置された可燃成分濃度検出素子の
第一測定電極と第二測定電極との間に所定の電圧を印加
しておくと、そのときの素子の出力電流値が、被測定ガ
ス中の可燃成分濃度を反映して変化するので、これを測
定することで該濃度を知ることができる。

【００１０】その結果、次のような効果が達成される。第二処理室内の酸素濃度を測定する必要がなくなるの
で、該測定用の酸素濃淡電池素子等が不要となり、第二
処理室側で必要な素子の数を減ずることができる。その
結果センサ構造が単純化され、センサ価格を低廉なもの
とできるほか、余分な素子が少ない分だけ故障等も発生
しにくくなる。可燃成分が燃焼した被測定ガスは、従来のような酸素
濃度測定→ポンピング電流制御部へのフィードバックと
いった段階を経ずに、可燃成分濃度検出素子による測定
に直接供されるので、可燃成分の検出応答性に優れる。

【００１１】本発明者らが鋭意検討した結果によれば、
上記本発明の測定方法においては、第二処理室内に導入
されるガスの酸素濃度に応じて、可燃成分濃度検出素子
の電流出力の可燃成分濃度に応じた増減挙動が、次の２
つのパターンの間で変化することが判明している。（１）第一パターン：第二処理室内に導入されるガスの
酸素濃度をある臨界値（以下、臨界酸素濃度という）よ
りも大きくすると、ある可燃成分濃度（以下、臨界濃度
という）までは可燃成分濃度増大に伴い電流出力は減少
し、臨界濃度に到達すればこれを境として増加に転ず
る。（２）第二パターン：他方、第二処理室内に導入される
ガスの酸素濃度を臨界酸素濃度よりも小さくすると、可
燃成分濃度増大に伴い電流出力は常に増加する挙動をと
るようになる。

【００１２】第一パターンでは、例えば可燃成分濃度
が、常に臨界濃度以下の低い範囲に限定されることが予
測される場合に、電流出力の減少領域を用いて可燃成分
濃度測定を行うことができる。また可燃成分濃度が逆
に、常に臨界濃度以上の高い範囲に限定されることが予
測される場合には、電流出力の増加領域を用いて可燃成
分濃度測定を行うことができる。一方、第二パターンを
採用した場合には、可燃成分濃度の範囲によらず、その
濃度測定を行うことが可能である。

【００１３】第二処理室内に導入されるガスの酸素濃度
を調整する方法としては、第一処理室内にて酸素濃度調
整用ポンプ素子により調整される酸素濃度レベル（以
下、第一室酸素制御点という）を変化させる方法があ
る。他方、例えば上記第一パターンの、電流出力の減少
領域を用いて可燃成分濃度測定を行う場合は、第二処理
室に連通する小孔や多孔質連通部等の拡散律速流通部を
介して、外部から酸素含有ガス（例えば被測定ガスでも
よい）を導入し、第二処理室内の酸素濃度を必要なレベ
ルまで高めるようにしてもよい。

【００１４】第二処理室内に導入されるガスの酸素濃度
により電流出力挙動が上記のように変化する機構ついて
は、次のように推測される。図８を用いて以下に説明す
る（なお、図８はセンサ構造の一例を模式的に示すもの
であって、本発明を限定するものではない）。図８
（ａ）に示すように、拡散律速流通部１３を介して第二
処理室１０に導入された被測定ガス中の可燃ガス成分
（例えば炭化水素：図中では「ＨＣ」にて表している）
が、酸化触媒部（図では、第二処理室１０の内面に形成
された多孔質の触媒金属層１６、第一測定電極１７ある
いは第二測定電極１８である）により、同じく被測定ガ
ス中の酸素（図中では「Ｏ_２」にて表している）と反応
・燃焼する。

【００１５】まず、第一パターンでは、図８（ｂ）に示
すように、可燃成分濃度が臨界濃度未満になると酸素濃
度が相対的に過剰となり、可燃成分燃焼後において酸素
が残留する。図９（ａ）に示すように、第一測定電極１
７と第二測定電極１８との間には、酸素イオン伝導性固
体電解質により構成された検出素子本体部６ａを介して
電圧印加されているから、電極１７に接するガス中に残
留酸素が存在していると電極上で酸素が解離され、検出
素子本体部６内にイオン流が発生して電流出力となる。
図８（ｃ）に示すように、可燃成分濃度が高くなると残
留酸素濃度は低くなる。その結果、可燃成分濃度が高く
なるほど出力電流値は減少することとなる。

【００１６】他方、可燃成分濃度が臨界濃度を超える
と、逆に酸素濃度が相対的に不足し、酸素は可燃成分の
燃焼により大半が消費されるので、第二処理室内の酸素
濃度は極めて小さくなる。ここで、内燃機関の排気ガス
が被測定ガスである場合、図９（ｂ）に示すように、被
測定ガス中には、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）や炭酸ガス（Ｃ
Ｏ_２）など、酸素を構成原子とする酸素含有ガス分子が
少なからず含まれており、酸素濃度低下によりその分解
反応が促進される。その結果、それによって発生した酸
素に基づき可燃成分濃度検出素子６には同様に出力電流
が発生する（酸素イオン伝導性固体電解質の作動温度付
近での、分解の自由エネルギーレベルを考えると、水蒸
気の分解反応が主体的になるのではないかと推測され
る）。この場合、可燃成分濃度が高くなるほど酸素含有
ガス分子の分解反応は促進されるから、出力電流値は可
燃成分濃度が高くなるほど大きくなることとなる。

【００１７】一方、第二パターンにおいても基本的な挙
動は第一パターンと同じであると考えられるが、可燃成
分の臨界濃度が非常に小さくなる結果、可燃成分の低濃
度側に現われる出力電流値の減少区間が見掛け上消滅し
てしまうものと推測される。これら第一パターン及び第
二パターンのいずれにおいても、図９に示すように、第
一測定電極１７側から可燃成分濃度検出素子内に注入さ
れた酸素は、第二測定電極１８側から再び第二測定室１
０内に戻され、循環する形となる。

【００１８】また、可燃成分濃度検出素子に印加される
定電圧のレベルは、第二処理室内の酸素分圧が、導入さ
れた気体中の窒素酸化物の分解が実質的に生じない範囲
で調整するのがよい。これにより、窒素酸化物分解によ
り発生する酸素の影響で、可燃成分濃度の検出精度が低
下することが防止できるようになる。

【００１９】次に、上記本発明のガスセンサにおいて酸
素濃度調整用ポンプ素子は、第一処理室内へ導入された
被測定ガス中の酸素濃度を１０^−１２〜１０^−６ａｔｍ
の範囲で調整するものとして構成することができる。こ
の場合、第一処理室内へ導入された被測定ガス中の酸素
濃度検出素子が検出する酸素濃度が、１０^−１２〜１０
^−６ａｔｍの範囲で調整されるように、酸素濃度調整用
ポンプ素子の作動を制御する酸素ポンプ作動制御手段を
設けることができる。

【００２０】上記構成においては、酸素濃度調整用ポン
プ素子の作動による第一処理室内の酸素濃度到達レベル
が、前述の従来技術における１０^−２０〜１０^−１４ａ
ｔｍと比較してはるかに高いので、例えばリーンバーン
条件での測定でも酸素濃度調整用ポンプ素子への負担が
かかりにくく、酸素濃度調整用ポンプ素子の寿命を延ば
すことができる。また、酸素濃度調整用ポンプ素子の作
動パワーもそれほど高くする必要がないので、周辺の制
御回路等も安価に構成できる利点がある。

【００２１】また、可燃成分のうち、炭化水素（特に、
燃焼活性のやや低いメタンなど）の選択的検出性を特に
向上させたい場合には、第一処理室内の酸素濃度検出素
子が検出する酸素濃度を、炭化水素よりも燃焼活性の高
い成分（例えば、一酸化炭素、水素、アンモニアなど）
が、検出対象となる炭化水素よりも優先的に燃焼される
範囲のものとなるように調整することが望ましい。これ
により、炭化水素（例えばメタン）の選択検出精度をよ
り良好なものとすることができる。この場合の酸素濃度
の範囲は、例えば第二処理室側に設けられる酸化触媒部
の各種可燃成分への燃焼触媒活性によっても異なるが、
１０^−１２〜１０^−６ａｔｍ、望ましくは１０^−１１〜
１０^−９ａｔｍである。

【００２２】なお、本明細書において第一処理室内の酸
素濃度は、特に断らない限り、酸素濃度検出素子が検出
する酸素濃度を意味するものとする。例えば被測定ガス
中の可燃成分の一部が第一処理室内で燃焼して酸素を消
費するような場合等においては、酸素濃度検出素子が検
出する酸素濃度は、その燃焼消費が生ずる前の酸素濃度
を必ずしも意味しない場合がある。また、第一処理室に
面して可燃成分の燃焼触媒となりうる多孔質電極等が存
在したり、あるいは酸素濃度調整用ポンプ素子による酸
素のポンピング等の要因により、第一処理室内の酸素濃
度は場所によってばらつくこともある。この場合も、酸
素濃度検出素子により検出される酸素濃度が、第一処理
室内の酸素濃度を代表して示すものと考える。

【００２３】次に、上記ガスセンサにおいて、外部から
第一処理室に被測定ガスを導く第一気体流通部、及び第
一処理室と第二処理室とを連通させる第二気体流通部と
は、その少なくとも一方を、一定の拡散抵抗のもとに気
体の流通を許容する拡散規制流通部として構成すること
ができる。このようにすることで、被検出雰囲気におけ
る被測定ガス濃度が変動しても、第一処理室ないし第二
処理室に一旦導入されたガスの組成変動は、流通部の拡
散抵抗に応じて定まる一定の期間は小さく抑さえられる
ので、可燃成分の検出精度を高めることができる。具体
的には、拡散規制流通部は、小孔やスリットあるいは各
種絞り機構のほか、連通気孔を有する金属ないしセラミ
ックスの多孔質体で構成することができる。

【００２４】より具体的なセンサの構成としては、次の
ようなものを例示できる。すなわち、第一処理室と第二
処理室とが、酸素イオン伝導性固体電解質で構成された
隔壁を挟んで互いに隣接して配置され、隔壁には、第一
処理室と第二処理室とを連通させる第二気体流通部が形
成されるとともに、厚さ方向中間部には酸素基準電極が
埋設される。隔壁の第一処理室に面する表面には電池側
内面電極が形成され、該電池側内面電極と、酸素基準電
極と、それら電極の間に挟まれた酸素イオン伝導性固体
電解質の隔壁部分とが酸素濃度検出素子として機能する
酸素濃淡電池素子を構成する。また、第二処理室を挟ん
で隔壁と反対側に可燃成分濃度検出素子を配置する。可
燃成分濃度検出素子は基準電極が不要であり、隔壁部に
これを組み込む必要性がない。従って、隔壁部分に組み
込まれる素子は第一処理室内の酸素濃度を検出するため
の酸素濃淡電池素子のみとなり、センサの構造が大幅に
単純化される。

【００２５】この場合、隔壁の第二処理室に面する表面
には、酸化触媒部として機能する多孔質の触媒金属層を
形成することができる。一方、第一測定電極と第二測定
電極とを、可燃成分に対する酸化触媒として機能する多
孔質金属層として形成し、酸化触媒部に兼用する構成と
してもよい。この場合、隔壁側に触媒金属層を形成し
て、燃焼触媒効果をさらに高めるようにしてもよいし、
第一測定電極と第二測定電極を触媒金属層として使用す
るのみで十分な場合には、触媒金属層を敢て形成しない
構成としてもよい。

【００２６】被検出成分が例えばＣＯあるいはＨＣの場
合、触媒金属層をＰｔ、Ｐｄ及びＲｈのいずれかを主体
とする金属（単体又は合金）、あるいはＰｔ−Ｒｈ系合
金、Ｒｈ−Ｐｄ系合金、Ｐｄ−Ａｇ系合金等（以下、本
明細書においては、これらを高活性金属グループとい
う）で構成することができる。

【００２７】一方、第一処理室に面する電極（この場
合、酸素濃度調整用ポンプ素子及び酸素濃淡電池素子
の、各処理室側の電極）は、可燃成分の燃焼触媒活性が
高すぎると、測定前に第一処理室内にて可燃成分が消費
されてしまい、検出感度の低下につながる場合があるの
で、酸素分子の解離能は十分に有しつつも、燃焼触媒活
性はなるべく低いものを使用することが望ましい。特に
酸素濃度調整用ポンプ素子側の電極（ポンプ側内面電
極）は、ポンピング効率向上のため大面積にて構成され
ることが多いため、触媒活性の抑制は重要である。

【００２８】上記のような燃焼触媒活性の低い電極の材
質（以下、低燃焼触媒活性電極という）としては、Ａ
ｕ、Ｎｉ及びＡｇのいずれかを主体とする金属（単体又
は合金）、あるいはＰｔ−Ｐｄ合金、Ｐｔ−Ａｕ系合
金、Ｐｔ−Ｎｉ系合金、Ｐｔ−Ａｇ系合金，Ａｇ−Ｐｄ
系合金、Ａｕ−Ｐｄ系合金等（以下、本明細書におい
て、これらを低活性金属グループという）により構成す
ることができる。この場合、酸素濃度調整用ポンプ素
子、酸素濃淡電池素子あるいは可燃成分濃度検出素子の
要部を構成する酸素イオン伝導性固体電解質が、後述の
ＺｒＯ_２固体電解質である場合、低活性金属グループと
しては、ＺｒＯ_２固体電解質（一般的な焼成温度範囲：
１４５０〜１５５０℃）と同時焼成可能な材質を採用す
ることが、センサの製造能率を向上させる上で望まし
い。例えばＰｔ−Ａｕ系合金を使用する場合は、Ｐｔに
対しＡｕを０．１〜３重量％の範囲で添加するのがよ
い。Ａｕの含有量が０．１重量％未満になると電極の酸
化触媒活性が高くなりすぎる問題が生ずる場合がある。

【００２９】また低燃焼触媒活性電極は、以下のような
構成の電極で構成するとさらによい。すなわち、被検出
成分が例えばＣＯあるいはＨＣの場合、構成金属がＰｔ
又はＰｔ−Ａｕ合金である多孔質金属からなる主電極層
と、その主電極層を覆う形で該ポンプ側内面電極の表層
部を構成し、構成金属がＡｕ及びＡｇのいずれかを主成
分とする金属、Ｐｔ−Ａｕ系合金、Ａｕ−Ｐｄ系合金、
Ｐｔ−Ａｇ系合金及びＰｔ−Ｎｉ系合金のいずれか（以
下、これらを総称して不活性金属という）である多孔質
金属からなる表面電極層との二層を含むものとして構成
することができる。なお、本明細書において、「Ｘ−Ｙ
系合金」とは、該合金に含まれるもっとも重量含有率の
高い金属成分（すなわち主成分）がＸであり、２番目に
重量含有率が高い金属成分がＹである合金を意味し、Ｘ
−Ｙ系二元系合金、あるいはＸ−Ｙとそれ以外の合金成
分とを含んだ三元系以上の合金とすることができる。

【００３０】酸素濃淡電池素子あるいは酸素濃度調整用
ポンプ素子の電極材料は、酸素分子に対する解離あるい
は再結合に対する十分な触媒活性を有している必要があ
る。例えばＰｔ単体金属は、この点に関しては優れてい
る材料であるが、第一処理室に面する電極の材料として
は可燃成分に対する燃焼触媒活性も極めて高いので、こ
れを若干緩和してやる必要がある。例えば、従来より行
われているように、燃焼触媒活性の低いＡｕを２０重量
％程度の範囲内で配合してＰｔ−Ａｕ合金とするのも一
法であるが、Ａｕの含有量が増大すると、可燃成分に対
する燃焼の触媒活性とともに酸素分子に対する解離能も
急速に低下するから、これら二つの触媒活性のバランス
調整がなかなか行いにくい側面がある。

【００３１】そこで、上記構成のように、酸素分子に対
する解離能が高いＰｔ又はＰｔ−Ａｕ合金からなる多孔
質の主電極層の表面を、可燃成分に対する燃焼の触媒活
性が低い不活性金属からなる多孔質の表面電極層にて覆
う多層構造電極の採用により、酸素分子解離は良好に維
持しつつ可燃成分への燃焼触媒活性はなるべく小さくす
るという、都合のよい調整が行いやすくなる。

【００３２】次に、表面電極層の構成金属は、ＣＯある
いはＨＣに対する燃焼触媒活性が特に小さく、酸素分子
に対する解離・再結合の触媒能もある程度有しているＡ
ｕ系の多孔質金属が本発明に好適に使用できるが、その
他に、例えばＡｇを主成分とする金属、Ｐｔ−Ａｕ系合
金（例えばＡｕが５重量％以上）、Ｐｔ−Ｐｂ系合金
（例えばＰｂが１重量％以上）、Ｐｔ−Ａｇ系合金（例
えばＡｇが１重量％以上）、Ｐｔ−Ｎｉ系合金（例えば
Ｎｉが１重量％以上）等の多孔質金属も使用できる。

【００３３】また、表面電極層と主電極層とは、一層又
は二層以上の別の層を介して間接的に接する構成とする
こともできる。ただし、主電極層と表面電極層との二層
構造を採用すれば、製造工程が簡略なもので済む利点が
ある。この場合、構成金属がＡｕを主成分とするＡｕ系
金属である多孔質金属体からなる表面電極層を採用する
ことにより、酸素分子解離は良好に維持しつつ可燃成分
への燃焼触媒活性を抑制する効果をとりわけ顕著に達成
することができる。

【００３４】なお、上記のような多層構造電極は、酸素
濃度に対する鋭敏な応答性がそれほど要求されないポン
プ側内面電極に特に好適に採用できるが、酸素濃淡電池
素子の第一処理室に面する電極（以下、電池側内面電極
という）に用いることも不可能ではない。ただし、酸素
濃淡電池素子による第一処理室中の酸素濃度の検出精度
をさらに向上させるには、電池側内面電極は、構成金属
がＰｔ、Ｐｔ−Ａｕ合金又はＰｔ−Ａｇ合金で構成する
のがよい。この場合、電池側内面電極の面積をポンプ側
内面電極の面積よりも小さくすることにより、第一処理
室内での電池側内面電極に由来する可燃成分の燃焼が抑
制されるので、第一処理室内での可燃成分の燃焼による
ロスを小さくでき、センサの感度を高めることができ
る。

【００３５】電池側内面電極にＰｔ−ＡｕあるいはＰｔ
−Ａｇ合金を使用する場合、ＡｕあるいはＡｇはＣＯあ
るいはＨＣに対する燃焼触媒活性を抑制する目的で配合
される。この場合、ＡｕあるいはＡｇの含有量が１％を
超えると酸素分子解離能が低くなりすぎ、酸素濃度検出
能の低下につながる。他方、Ａｕあるいは含有量が０．
１重量％未満になると、燃焼触媒活性の抑制効果はほと
んど期待できなくなる。なお、ＡｕとＡｇとをＰｔに対
して、その合計含有量が１重量％以下となるように共添
加することも可能である。

【００３６】また、可燃成分のうち、炭化水素の選択的
検出性を特に向上させたい場合には、第一処理室におい
て、炭化水素よりも燃焼活性の高い成分が、検出対象と
なる炭化水素よりも優先的に燃焼されるようにすること
が望ましい。この場合、前述のように、第一処理室内の
酸素濃度検出素子が検出する酸素濃度を調整することの
ほかに、電池側内面電極あるいはポンプ側内面電極の燃
焼触媒活性あるいは第一処理室内の温度も重要な因子と
なる。そして、ポンプ側内面電極の材質を、燃焼触媒活
性の比較的低い上記のような多層構造の電極とする一
方、電池側内面電極を燃焼触媒活性の高いＰｔあるいは
Ｐｔ合金で構成することにより、燃焼活性のやや低い炭
化水素成分（例えばメタンなど）はあまり燃焼しない一
方、それよりも燃焼活性の高い一酸化炭素、水素あるい
はアンモニア等の成分は、電池側内面電極上で優先的に
燃焼し、炭化水素成分を選択的に検出するために好都合
な環境を形成することができる。また、第一処理室内の
温度が上昇すると、燃焼反応が進行しやすくなり、材質
の異なる電極間の燃焼触媒活性にも差を生じにくくなる
ので、炭化水素成分の選択検出には一般には不利とな
る。しかしながら、ポンプ側内面電極を前記のような多
層構造とした場合は、かなりの高温（例えば７００〜８
００℃）になっても、Ｐｔ等で構成した電池側内面電極
との間に顕著な触媒活性差を付与でき、炭化水素成分の
選択検出を効果的に行うことができる。

【００３７】なお、ポンプ側内面電極を前記のような多
層構造電極とする場合、本発明のガスセンサは以下の工
程を含む方法により製造できる。下地電極層形成工程：酸素濃度調整用ポンプ素子に含
まれる酸素イオン伝導性固体電解質層の未焼成成形体
（以下、未焼成固体電解質成形体という）に対し、ポン
プ側内面電極の主電極層の原料粉末の未焼成層（以下、
主未焼成電極層という）を含んだ下地電極パターンを形
成してこれを未焼成固体電解質成形体とともに一体焼成
することにより、酸素イオン伝導性固体電解質層の上に
主電極層を含む下地電極層を形成する。表面電極層形成工程：その下地電極層の上に、表面電
極層の原料粉末層を形成してこれを上記一体焼成時より
も低温にて二次焼成することにより、表面電極層を形成
する。原料粉末層は、例えば原料粉末のペーストを主電
極層上に塗布することにより形成することができる。

【００３８】主電極層を含む下地電極層は、Ｐｔあるい
は前記組成のＰｔ−ＡｕあるいはＰｔ−Ａｇ合金のよう
な高融点金属で構成されるので、各素子の要部を構成す
るジルコニア等の固体電解質セラミックと該層との同時
焼成が可能である。しかしながら、表面電極層をＡｕ系
金属で構成する場合、Ａｕ系金属は融点が低いことから
固体電解質セラミックと同時焼成すると、多孔質状態を
保持することが不可能であり、かつ下地電極層へＡｕが
拡散して燃焼触媒活性を抑制する効果が達成できなくな
る。そこで、表面電極層を、下地電極層と固体電解質層
との一体焼成温度よりも低温で二次焼成して、下地電極
層上に焼きつける工程を採用することで、このような不
具合を解消でき、所期の性能の多層電極が得られる。

【００３９】なお、二次焼成時、あるいは高温となるセ
ンサ使用時において、表面電極層の成分（例えばＡｕ）
が、主電極層中に拡散する場合がある。例えば、二次焼
成前の主電極層の構成金属を実質的にＰｔからなるもの
として構成していても、表面電極層側からのＡｕの拡散
により、主電極層の構成金属がＰｔ−Ａｕ合金となる場
合がある。この場合、表面電極層の主電極層側への拡散
が進み過ぎると、表面電極層の厚さが不十分となった
り、あるいは甚だしい場合には表面電極層が消失したり
するといった不具合が発生することもありうる。例え
ば、表面電極層をＡｕを主体に構成し、主電極層をＰｔ
を主体に構成したい場合には、Ａｕ成分の主電極層側へ
の過度の拡散を防止するために、二次焼成温度は８００
〜１０５０℃程度に設定するのがよい。二次焼成温度が
８００℃未満になると、表面電極層の燒結が不十分とな
り、密着不足による表面電極層の剥離等の不具合につな
がる場合がある。他方、二次焼成温度が１０５０℃を超
えると、Ａｕ成分の拡散により表面電極層の厚さが不十
分となったり、あるいは燒結が進行し過ぎて多孔質構造
が損なわれ、多孔質電極として必要な酸素透過性を確保
できなくなる場合がある。なお、主電極層の構成金属中
にはじめから３〜１０重量％程度の範囲でＡｕを配合し
ておけば、Ｐｔ中へのＡｕの固溶限界が比較的小さい
（８００℃で５重量％程度）ことを利用して、表面電極
層から主電極層へのＡｕの拡散を抑制することができ、
ひいては表面電極層の厚さ減少等の発生を効果的に防止
することができる。

【００４０】本発明のガスセンサを、酸素濃度調整用ポ
ンプ素子を含んで構成されたポンプセルユニットと、酸
素濃度検知素子、第二処理室、可燃成分濃度検出素子を
含んで構成されたセンサセルユニットとを各々別体に形
成し、それら両ユニットを接合材を用いて互いに接合し
一体化する構成としておけば、上記二次焼成工程を含ん
だ製造方法を合理的に実施することが可能となる。この
場合、表面電極層を形成せず、下地電極層を形成した状
態のポンプセルユニットを焼成により製造し、次いでそ
のポンプセルユニット上の下地電極層の上に二次焼成に
より表面電極層を形成し、これを別途焼成により製造し
たセンサセルユニットと一体化することによりガスセン
サを得るようにする。なお、ポンプセルユニットにポン
プセル側嵌合部を形成し、センサセルユニットにこれと
嵌合するセンサセル側嵌合部を形成しておけば、それら
両嵌合部の嵌合面においてポンプセルユニットとセンサ
セルユニットとを嵌合させることにより、接合時の位置
決めが行いやすく、センサの製造能率を向上させること
ができる。

【００４１】上記本発明のガスセンサにおいて酸素濃淡
電池素子あるいは可燃成分濃度検出素子は、ＺｒＯ_２を
主体とする酸素イオン伝導性固体電解質（ＺｒＯ_２固体
電解質）で構成することができる。ここで、ＺｒＯ_２固
体電解質を用いた酸素濃淡電池素子において、一方の電
極が酸素と可燃成分が混在した被測定ガスに接するよう
にしておき、他方の電極が一定酸素濃度の基準雰囲気に
接するように配置した場合、その濃淡電池起電力は、酸
素と可燃成分とが過不足なく反応する存在比率で混在し
ている組成（以下、ストイキ組成という）付近を境にし
て急激に変化する性質を有している。ここで、一般のガ
ソリンエンジンあるいはディーゼルエンジンをリーンバ
ーン条件で運転したときの、発生する被測定ガス中には
可燃成分の総濃度はおおむね０〜１０００ｐｐｍＣ（ｐ
ｐｍＣは炭素当量で表した１００万分率を示す）程度の
ものとなる。そして、この可燃成分濃度において、第一
処理室で調整される被測定ガスの酸素濃度を前述の１０
^−６ａｔｍ（望ましくは１０^−９ａｔｍ）以下の範囲に
調整することで、第二処理室に導入されるガスは概ねス
トイキ組成か若干リッチ側の組成となり、可燃成分濃度
検出素子の出力を高めることができ、ひいてはガスセン
サの感度を良好なものとすることが可能となる。

【００４２】なお、上記酸素濃度調整用ポンプ素子、酸
素濃淡電池素子及び可燃成分濃度検出素子が上記ＺｒＯ
_２固体電解質で構成される場合、これを所定の作動温度
に加熱するための加熱素子を設けることができる。この
場合、その作動温度は、６５０〜８００℃に設定するの
がよい。作動温度が８００℃を超えると、可燃成分濃度
検出素子の出力電流値のレベルが低くなり過ぎ、ガスセ
ンサの感度が低下する場合がある。これは、被測定ガス
中のＨＣ成分などの可燃成分が、高温のため第一処理室
に導入された段階で大半が燃焼してしまうためであると
考えられる。一方、作動温度が６５０℃未満になると、
酸素濃度調整用ポンプ素子の内部抵抗が増大して作動が
不安定化し、可燃成分の検出精度が損なわれる場合があ
る。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示すいくつかの実施例を参照して説明する。図１及び
図２は、本発明の一実施例としてのガスセンサ１を示し
ている。すなわち、ガスセンサ１は、それぞれ横長板状
に形成された第一ヒータ２、酸素濃度調整用ポンプ素子
３、酸素濃淡電池素子（酸素濃度検出素子）４、隔壁補
強部材５、可燃成分測定素子６及び第二ヒータ８がこの
順序で積層され一体化されたものとして構成されてい
る。また、酸素濃度調整用ポンプ素子３と酸素濃淡電池
素子４との間には第一処理室９が、隔壁補強部材５と可
燃成分測定素子６との間には第二処理室１０が形成され
ている。また、酸素濃度調整用ポンプ素子３と酸素濃淡
電池素子４との間には、スペーサ部２５が一体化されて
おり、第一処理室がそのスペーサ部２５の空隙２５ａに
より形成されるようになっている。

【００４４】各素子３，４，６及びスペーサ部２５は、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されて
いる。そのような固体電解質としては、Ｙ_２Ｏ_３ないし
ＣａＯを固溶させたＺｒＯ_２が代表的なものであるが、
それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物
とＺｒＯ_２との固溶体を使用してもよい。また、ベース
となるＺｒＯ_２にはＨｆＯ_２が含有されていてもよい。
本実施例では、Ｙ_２Ｏ _３ないしＣａＯを固溶させたＺｒ
Ｏ_２固体電解質セラミックが使用されているものとす
る。一方、第一及び第二ヒータ２，８は、公知のセラミ
ックヒータで構成されており、各素子３，４，６を所定
の作動温度（６５０〜８００℃）に加熱する役割を果た
す。

【００４５】次に、第一処理室９の両側壁部分には、該
第一処理室９と外部の被測定空間とを連通させる第一気
体流通部１１が形成されている。図１に示すように、第
一気体流通部１１は、第一処理室９の幅方向両側におい
て酸素濃度調整用ポンプ素子３と酸素濃淡電池素子４と
の間にまたがる形態で形成されるとともに、第一処理室
９の側縁に沿って酸素濃度調整用ポンプ素子３ないし酸
素濃淡電池素子４の長手方向に延びており、多孔質Ａｌ
_２Ｏ_３焼成体等により連通気孔を有する多孔質セラミッ
ク体として構成されている。これにより、該第一気体流
通部１１は、外部からの被測定ガスを一定の拡散抵抗の
もとに第一処理室９内に導く拡散規制流通部として機能
する。

【００４６】次に、酸素濃淡電池素子４と隔壁補強部材
５とは互いに重ね合わされるとともに、第一処理室９と
第二処理室１０とに挟まれた部分は、酸素イオン伝導性
固体電解質で構成された隔壁１２となっている。換言す
れば、上記２つの処理室９，１０は、該隔壁１２を挟ん
で隣接して配置されている。そして、この隔壁１２に
は、第一処理室９と第二処理室１０とを連通させる第二
気体流通部１３が形成されており、その厚さ方向中間部
には酸素基準電極１４が埋設されている。第二気体流通
部１３も、第一気体流通部１１と同様に多孔質セラミッ
ク体として構成されており、第一処理室９内の気体を第
二処理室１０へ一定の拡散抵抗のもとに導く拡散規制流
通部として機能する。なお、上記拡散規制流通部は、多
孔質セラミック体（あるいは金属体）で形成する代わり
に、小孔やスリットで構成してもよい。

【００４７】隔壁１２の第一処理室９に面する表面には
電極１５（以下、これを電池側内面電極１５と称する）
が形成されており、酸素濃淡電池素子４の要部は、該電
池側内面電極１５と、酸素基準電極１４と、それら電極
１５，１４の間に挟まれた隔壁部分１２ａとによって構
成されている。一方、隔壁１２の第二処理室１０に面す
る表面には多孔質の触媒金属層１６が形成されている。
なお、電極１５，１４は、酸素濃淡電池素子４の長手方
向において互いにずれた位置関係で形成されている。

【００４８】また、酸素濃度調整用ポンプ素子３にも、
その両面に電極１９，２０（以下、第一処理室に面する
ものを、ポンプ側内面電極１９と称する）がそれぞれ形
成されている。他方、可燃成分測定素子６の固体電解質
からなる本体部６ａ（図９）には、その第二処理室１０
に面する側に、それぞれ方形の第一測定電極１７と第二
測定電極１８とが幅方向に並んで形成されている（図２
（ｃ）参照）。

【００４９】上記各電極１４，１５，１７〜２０はいず
れも、各素子３，４，６を構成する固体電解質層へ酸素
を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解
質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対す
る可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有するもの
とされている。その材質であるが、第一処理室９に面す
る２つの電極、すなわち酸素濃度調整用ポンプ素子３の
電極１９と酸素濃淡電池素子４の電池側内面電極１５と
は、第二処理室１０に面する第一測定電極１７と第二測
定電極１８及び触媒金属層１６よりも、メタン等の被検
出成分の酸化（すなわち燃焼）の触媒活性が小さくなる
ように選定されている。このような多孔質電極は、例え
ば上記金属ないし合金の粉末と、下地となる固体電解質
セラミックとの密着強度を向上させるために該下地と同
材質の固体電解質セラミック粉末を適量配合してペース
トを作り、これを用いて下地となるべきセラミックグリ
ーンシート上に電極パターンを印刷形成して、一体焼成
することにより形成される。

【００５０】なお、図１及び図２に示すように、各素子
３，４，６の各電極１４，１５，１７〜２０からは、素
子の長手方向に沿ってガスセンサ１の取付基端側に向け
て延びる電極リード部１４ａ，１５ａ，１７ａ〜２０ａ
がそれぞれ一体に形成されており、該基端側において各
素子３，４，６には接続端子１４ｂ，１５ｂ，１７ｂ〜
２０ｂの一端が埋設されている。そして、図３に示すよ
うに、各接続端子（２０ｂ）は、金属ペーストの焼結体
として素子の厚さ方向に形成された導通部（２０ｃ）に
より、電極リード部（２０ａ）の末端に対して電気的に
接続されている（図では、電極リード部２０ａの場合に
ついて代表させて示している）。なお、図１に示すよう
に、酸素濃淡電池素子４の電池側内面電極１５は、第二
気体流通部１３と重なりを有する位置に形成され、該第
二気体流通部１３に対応する位置には、気体の流通を確
保するために貫通穴１５ｈが形成されている。

【００５１】次に、図４（ｂ）に示すように、第一処理
室９及び第二処理室１０の少なくとも一方、例えば本実
施例では第二処理室１０には、焼成時の処理室空間の潰
れを防止する支柱部２１０が、散点状あるいは千鳥状に
形成されている。すなわち、図４（ａ）に示すように、
隔壁補強部材５となるべきセラミックグリーンシート２
２０と、同じく可燃成分測定素子６となるべきセラミッ
クグリーンシート２３０との各々の対向面において第二
処理室１０に予定された領域に、セラミック粉末ペース
ト（例えば多孔質Ａｌ_２Ｏ_３粉末ペースト）を用いて、
支柱部２１０となるべき支柱部パターン２６６ａ及び２
６６ｂを形成する。また、その支柱部パターン２６６ａ
及び２６６ｂと重なりを生じない位置において同じく該
第一処理室９に予定された領域に、焼成時に燃焼ないし
分解する材質の粉末ペースト（例えばカーボンペース
ト）により補助支持パターン２６７ａ及び２６７ｂを形
成する。さらに、上記第一処理室９に予定された領域を
除く他の領域には、絶縁層パターンとしての貼合わせコ
ート２６９がＡｌ_２Ｏ_３粉末ペースト等により支柱部パ
ターン２１０の高さよりも小さい厚さで形成される。

【００５２】これを焼成することにより、図４（ｂ）に
示すように、隔壁補強部材５と可燃成分測定素子６との
間においては、補助支持パターン２６７ａ及び２６７ｂ
が消失するとともに、上記支柱部パターン２６６ａ，２
６６ｂが焼成により一体化して支柱部２１０が形成され
る。また、この支柱部２１０により大きさが規定された
形で第二処理室１０が形成される。一方、第二処理室１
０を除く他の領域においてそれら隔壁補強部材５と可燃
成分測定素子６とは、貼合わせコート２６９に基づく絶
縁層２６０を介して互いに接合される。

【００５３】ここで、図５に示すように、支柱部パター
ン２６６ａ，２６６ｂと、補助支持パターン２６７ａ，
２６７ｂとは平面をほぼ埋め尽くすように相補的に形成
され、例えば図４（ａ）のグリーンシート２２０及び２
３０を互いに積層した際に、補助支持パターン２６７
ａ，２６７ｂによる補強効果に基づき、支柱部パターン
２６６ａ，２６６ｂが両者の間で潰れることが防止ない
し抑制される。また、図４（ａ）に誇張して示すよう
に、貼合わせコート２６９が２６６ａ，２６６ｂの合計
厚さよりもかなり薄く形成されていたとしても、グリー
ンシート２２０及び２３０は柔軟であり、グリーンシー
ト２２０及び２３０が少し橈むことで、両者は貼合わせ
コート２６９を介して密着でき、焼成により支障なく一
体化することができる。

【００５４】図１においてセンサ１の全体は、そのスペ
ーサ部２５と酸素濃淡電池素子４との間で二分され、図
６に示すように、酸素濃度調整用ポンプ素子３が含まれ
る側がポンプセルユニット１１１、酸素濃淡電池素子４
（酸素濃度検知素子）及び第二処理室１０、隔壁補強部
材５及び可燃成分測定素子６の含まれる側がセンサセル
ユニット１１２となっている。これらポンプセルユニッ
ト１１１とセンサセルユニット１１２とはポンプ側内面
電極１９と電池側内面電極１５とが対向するように互い
に積層されるとともに、その積層面においてガラス等の
接合材により接合・一体化される。また、ポンプセルユ
ニット１１１の積層面には、その幅方向両側においてそ
の縁に沿う形でリブ状の嵌合凸部１１１ａ，１１１ａ
（ポンプセル側嵌合部）が形成され、これがセンサセル
ユニット１１２側の対応する位置に形成された嵌合凹部
１１２ａ，１１２ａ（センサセル側嵌合部）と嵌合し、
積層の位置決めがなされている。

【００５５】次に、ポンプ側内面電極１９は、図１２
（ａ）に示すように、構成金属がＰｔ又はＰｔ−Ａｕ合
金（本実施例では、その略全体がＰｔからなるものとす
る）である多孔質金属体からなる主電極層１５１と、電
極表層部を構成し、構成金属がＡｕを主体とするＡｕ系
金属（本実施例では、実質的にその全体がＡｕからなる
ものとする）である多孔質金属体からなる表面電極層１
５２とからなる二層構造を有するものとなっている。他
方、図１において電池側内面電極１５は、ポンプ側内面
電極１９以外の他の電極とともに、構成金属がＰｔ又は
Ａｕ含有量１重量％以下のＰｔ−Ａｕ合金（本実施例で
は、その略全体がＰｔからなるものとする）である多孔
質金属として構成されている。

【００５６】酸素分子に対する解離能が高いＰｔからな
る多孔質の主電極層１５１の表面を、可燃成分に対する
燃焼の触媒活性が低いＡｕからなる多孔質の表面電極層
１５２にて覆うことにより、第一処理室内において、酸
素分子解離は良好に維持しつつ可燃成分への燃焼触媒活
性を小さくできるので、ＨＣ等の可燃成分からなる被検
出成分のロスを少なくでき、センサ感度を向上させるこ
とができる。なお、主電極層１５１の構成金属の実質的
にほぼ全体がＰｔからなり、同じく表面電極層１５２の
構成金属の実質的にほぼ全体がＡｕからなる場合、ポン
プ側内面電極１９全体におけるＰｔの重量含有量をＷP
t、同じくＡｕの重量含有量をＷAuとして、｛ＷAu／
（ＷPt＋ＷAu）｝×１００の値が２〜２０重量％、望ま
しくは３〜１０重量％となっているのがよい。該値が２
重量％未満では、ポンプ側内面電極１９の燃焼触媒活性
を十分に小さくできなくなり、センサの感度低下につな
がる場合がある。他方、該値が２０重量％を超えると、
ポンプ側内面電極１９の酸素分子の解離・再結合反応に
対する触媒能が小さくなり過ぎ、酸素濃度調整用ポンプ
素子３の機能が不十分となる場合がある。

【００５７】主電極層１５１上に表面電極層１５２を形
成する方法としては、例えば図１２（ｂ）に示すよう
に、表面電極層１５２の材料粒子を含んだペーストを、
焼成済の主電極層１５１上に塗付して、その主電極層１
５１の焼成温度よりも低温で焼成する方法により形成す
ることができる。他方、同図（ｃ）に示すように、真空
蒸着やスパッタリング等の気相製膜法により表面電極層
１５２を形成することができる。なお、上記図１２
（ｂ）ないし（ｃ）に示すように、多孔質に形成された
主電極層１５１には、多数の空隙Ｐが入り組んで形成さ
れているため、表面電極層１５２がそのような空隙Ｐの
内面奥深くにまで必ずしも形成されない場合もありう
る。これにより、主電極層１５１には表面電極層１５２
で覆われない露出部が形成されることとなるが、この露
出部は酸素分子に対する解離・再結合反応に対しては強
い触媒活性を示すので、酸素濃度調整用ポンプ素子の機
能確保上はむしろ望ましいことともいえる。

【００５８】図１及び図６に示すポンプセルユニット１
１１とセンサセルユニット１１２とは、各々を製造する
ための未焼成組立体をジルコニアグリーンシートを用い
て別々に形成・焼成することにより製造される。この場
合、例えば、ポンプ側内面電極１９の表面電極層１５２
（図１２）が未形成の状態のポンプセルユニットをまず
作り、Ａｕ粉末ペーストを用いて焼成済の主電極層の対
応する位置にペースト印刷し、さらにセラミックスの焼
成温度より低い温度（例えば８５０〜１０００℃）で焼
き付けて二次メタライズ処理することにより表面電極層
１５２を形成すればよい。

【００５９】以下、上記ガスセンサ１を使用したガスセ
ンサシステムの構成例について説明する。図７は、ガス
センサ１を用いたガスセンサシステム（以下、単にセン
サシステムという）の一例の電気的構成を示すブロック
図である。すなわち、該センサシステム５０は、上記ガ
スセンサ１と、マイクロプロセッサ５２と、ガスセンサ
１とマイクロプロセッサ５２とを接続する周辺回路５１
とから構成されている。マイクロプロセッサ５２は、出
力変換部の要部を構成するものであり、出入力インター
フェースとしてのＩ／Ｏポート５６と、これに接続され
たＣＰＵ５３、ＲＡＭ５４、ＲＯＭ５５等により構成さ
れている。ＲＡＭ５４には、ＣＰＵ５３のワークエリア
が形成されている。また、ＲＯＭ５５には、センサシス
テム５０の被検出成分の出力値決定の演算とその出力制
御を司る制御プログラムが格納されている。

【００６０】上記ガスセンサシステム５０におけるガス
センサ１の作動の概略は以下の通りである。すなわち、
ガスセンサ１は図１に示す第一ヒータ２及び第二ヒータ
８（いずれか一方を省略してもよい）により、所定の作
動温度、すなわち各素子３，４，６を構成するＺｒＯ_２
固体電解質が活性化する温度まで加熱され、その状態で
気体流通部１１を通って第一処理室９に被測定ガスとし
ての排気ガスが導入される。この導入された排気ガス中
の酸素濃度は酸素濃淡電池素子４により検出され、酸素
濃度調整用ポンプ素子３はその酸素濃度が１０^−１２〜
１０^−６ａｔｍ（望ましくは１０^−１１〜１０^−９ａｔ
ｍ）の範囲で設定された所定の目標値（ここでは、マイ
クロプロセッサ５２からの制御電圧により与えられる）
に近づくように、より具体的には排気ガスに含まれる水
蒸気の分解反応が実質的に起こらない酸素濃度目標値に
近づくように、第一処理室９内の気体から酸素を汲み出
すあるいは汲み込む作動をする。なお、排気ガス中の酸
素濃度は、一般には上記酸素濃度目標値よりも大きいの
が通常であり、この場合には酸素濃度調整用ポンプ素子
３は第一処理室９内の酸素濃度を減少させる方向に作動
することとなる。

【００６１】こうして、酸素濃度が一定レベルまで減少
させられた気体は第二気体流通部１３を通って第二処理
室１０内に流入する。ここで、ＨＣ等の可燃成分に対す
る酸化触媒活性が電池側内面電極１５よりも触媒金属層
１６あるいは第一測定電極１７及び第二測定電極１８の
方が大きく設定されているので、第二処理室１０内に流
入した気体中の可燃成分は、触媒金属層１６及び電極１
７，１８を酸化触媒部として燃焼し、酸素を消費する。

【００６２】一方、可燃成分測定素子６は、図７の直流
定電圧電源７１により、電極１７，１８を介して一定の
電圧ＶCが印加されるようになっている。この実施例で
は、第一測定電極１８側が性となるようにＶCの極性が
設定されている。ＶCの電圧レベルは、気体中の可燃成
分の含有量が略ゼロの時に素子５を流れる電流値が略ゼ
ロとなり、かつ第二処理室１０内の酸素分圧が、排気ガ
ス中の窒素酸化物（ＮＯ _Ｘ）の分解が生じるレベルまで
は低下しない範囲で調整される。前述の通り、このとき
の可燃成分測定素子６の出力電流値は、第二処理室１０
内に導入された気体中の可燃成分の濃度に応じて変化
し、当該出力電流の値から排気ガス中の可燃成分の濃度
を知ることができる。

【００６３】以下、センサシステム５０の回路構成と作
動について、図７によりさらに詳細に説明する。ガスセ
ンサ１は、酸素濃度調整用ポンプ素子３の第一処理室９
側の電極１９と、酸素濃淡電池素子４の電池側内面電極
１５とが接地される。また、酸素基準電極１４は、差動
増幅器５７の一方の入力端子に接続される。差動増幅器
５７の他方の端子には、入力端子には酸素濃度設定目標
値（第一室酸素制御点）に対応する起電力目標値ＥCを
与えるための制御電圧がマイクロプロセッサ５２からＤ
／Ａ変換器５８を介して入力される。そして、差動増幅
器５７は濃淡電池起電力Ｅと起電力目標値ＥCとの差を
増幅して、これを酸素濃度調整用ポンプ素子３の電極２
０側に入力する。酸素濃度調整用ポンプ素子３は、差動
増幅器５７からの出力を受けて、酸素濃淡電池素子４の
濃淡電池起電力Ｅ（すなわち第一処理室９内の酸素濃
度）が、前述の酸素濃度目標値に対応する起電力目標値
ＥCに近づく方向に、第一処理室９に対し酸素を汲み出
す又は汲み込むように作動する。すなわち、増幅器５７
は酸素ポンプ作動制御手段を構成する。

【００６４】なお、酸素濃淡電池素子４と隔壁補強部材
５とは共通の酸素基準電極１４を有しているが、この酸
素基準電極１４と電池側内面電極１５（あるいは触媒金
属層１６）との間には、定電流電源７２により、酸素基
準電極側１４側へ酸素が汲み込まれる方向の微小直流電
流が常時印加されている（すなわち、いわゆる自己生成
型基準電極となっている）。これにより、酸素基準電極
１４内の空隙は常時酸素１００％に近い基準ガスで満た
された状態となるので、酸素濃淡電池素子４及び隔壁補
強部材５の濃淡電池起電力が高められ、ひいてはガスセ
ンサ１の測定精度及び感度の向上が図られている。

【００６５】上記定電流電源７２による印加電圧のレベ
ルは、酸素濃淡電池素子４の濃淡電池起電力Ｅの出力レ
ベルよりも十分小さく、かつ酸素基準電極１４内の酸素
濃度を１００％に十分近付けられる程度の大きさに設定
される。

【００６６】一方、可燃成分測定素子６は、前述の通り
電極１７，１８を介してこれに電圧ＶCを印加するため
の直流定電圧電源７１が接続されるようになっている。
可燃成分測定素子６の出力電流は、例えば電流検出用の
抵抗器７０の両端電圧の差として検出される。本実施例
では、該出力電流信号は、差動増幅器６０（オペアンプ
６０ａと周辺の抵抗器６０ｂ〜６０ｅとから構成され
る）により電圧変換した形で取り出された後、さらにＡ
／Ｄ変換器７５でデジタル変換されてマイクロプロセッ
サ５２に入力されるようになっている。

【００６７】次に、マイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５
５には、前述の通り制御プログラムと濃度変換テーブル
とが格納されており、濃度変換テーブルには、可燃成分
濃度（例えばＨＣ濃度）の各値Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3、‥‥に
対応する可燃成分測定素子６の検出電流値Ｉd1、Ｉd2、
Ｉd3、‥‥の値を記憶している。これらの値は、実験等
により予め定められたものである。そして、ＣＰＵ５３
は、制御プログラムによりＲＡＭ５４をワークエリアと
して、次のようなセンサ出力制御を実行する。

【００６８】すなわち、図示しないタイマーにより測定
タイミングを計測し、おいて該タイミングが到来した
ら、可燃成分測定素子６からの検出電流値Ｉdのサンプ
リングを行う。そして、そのサンプリングされた値に対
応する可燃成分濃度の値を、濃度変換テーブルを参照し
て補間法により算出し、その算出した値をＲＡＭ５４の
算出値格納エリアに格納する。なお、該エリアにすでに
書き込まれていた値は上書き消去する。そして、そのエ
リアに書き込まれた算出値を、排気ガス中の可燃成分濃
度の情報としてＩ／Ｏポート５６より出力する。なお、
この出力はそのままデジタル出力してもよいし、Ｉ／Ｏ
ポート５６に接続されたＤ／Ａ変換器６２でアナログ変
換して出力してもよい。

【００６９】以下、上記本発明のガスセンサ１あるいは
ガスセンサシステム５０の適用例について説明する。ま
ず、図１３はガソリンエンジンの排気ガス浄化システム
を模式的に示しており、排気管に対しエンジンに近い側
から、エンジンの空燃比制御のための酸素センサ、排気
ガス中のＨＣの酸化とＮＯ_Ｘの還元とを同時に行ってこ
れを浄化する三元触媒コンバータ、及び浄化後の排気ガ
ス中の酸素濃度を測定するための酸素センサとしての機
能（後述）を有する本発明のガスセンサ１がこの順序で
取り付けられている。そして、本発明のガスセンサ１
は、例えば触媒の劣化判別のために浄化後の排気ガス中
のＨＣ濃度を測定するものとされている。

【００７０】一方、図１４は、ディーゼルエンジンの排
気ガス中の排気ガス浄化システムを模式的に示してお
り、排気管に対しエンジンに近い側から、ＨＣ源として
の軽油を排気ガス中に噴射するための軽油噴射弁と、Ｎ
Ｏ_Ｘ浄化触媒とがこの順序で配置されており、該ＮＯ_Ｘ
浄化触媒は軽油噴射により添加されたＨＣを還元剤とし
てＮＯ_Ｘを窒素と酸素とに分解することによりこれを浄
化する働きをなす。そして、本発明のガスセンサ１は上
記ＮＯ_Ｘ浄化触媒の上流側に配置され、排気ガス中に噴
射すべき軽油の量をフィードバック制御するために、軽
油噴射後の排気ガス中のＨＣ濃度をモニタする役割を果
たすこととなる。

【００７１】なお、上記ガスセンサ１の酸素濃淡電池素
子４及び可燃成分測定素子６はＺｒＯ_２固体電解質で構
成されている。ここで、ＺｒＯ_２固体電解質を用いた酸
素濃淡電池素子において、一方の電極が酸素と可燃成分
が混在した被測定ガスに接するようにしておき、他方の
電極が一定酸素濃度の基準雰囲気に接するように配置し
た場合、その濃淡電池起電力は、酸素と可燃成分とが過
不足なく反応する存在比率で混在している組成（ストイ
キ組成）付近を境にして急激に変化する性質を有してい
る。一方、一般のガソリンエンジンあるいはディーゼル
エンジンをリーンバーン条件で運転したときに、発生す
る排気ガス中の可燃成分の総濃度はおおむね０〜１００
０ｐｐｍＣ程度の範囲のものとなる。そして、この可燃
成分濃度において、第一処理室９で調整される排気ガス
の酸素濃度を前述の１０^−６ａｔｍ（望ましくは１０
^−９ａｔｍ）以下の範囲に調整することで、第二処理室
１０に導入されるガスは概ねストイキ組成か若干リッチ
側の組成となるので、隔壁補強部材５の濃淡電池起電力
出力が高められ、ひいてはガスセンサ１の感度も良好な
ものとなる。

【００７２】上記ガスセンサシステム５０においては、
第一処理室９内で酸素濃度を一定レベルまで減じてから
第二処理室１０内で可燃成分濃度の検出を行なうように
しているから、可燃成分測定素子６の検出出力は排気ガ
ス中の酸素濃度の影響を本質的に受けにくい特質を有し
ている。しかしながら、酸素濃度により検出出力に多少
の変動が生じる場合は、排気ガス中の酸素濃度に応じて
隔壁補強部材５の検出出力を補正するようにすれば、可
燃成分濃度の検出精度を一層向上させることができる。

【００７３】この場合、排気ガス中の酸素濃度は、別途
設けられた酸素センサを用いて測定してもよいが、上記
ガスセンサ１の酸素濃度調整用ポンプ素子３を流れる電
流値、すなわち酸素ポンプ電流値ＩPは、排気ガス中の
酸素濃度に応じてほぼ直線的に変化するため、該ポンプ
電流値ＩPにより排気ガス中の酸素濃度の情報を得るよ
うにすれば、新たな酸素センサを設けなくて済む利点が
ある。

【００７４】なお、図１及び図２において、可燃成分濃
度検出素子６の検出感度は、可燃成分検出の電極反応速
度に応じて定まり、第一測定電極１７及び第二測定電極
１８の形成形態を工夫することで適宜調整できる。例え
ば検出感度を高めるためには、(A)電極パターンの形成
面積を大きくすること、(B)電極の多孔質度を高めるこ
と、(C)電極パターンの周長を長くすること、さらに
は、(D)短絡が生じない範囲にて第一測定電極１７と第
二測定電極１８との対向縁間の距離を短くすること、
(E)第一測定電極１７と第二測定電極１８との対向縁の
長さを大きくすること等が有効である。

【００７５】これについては、本発明者らは下記のよう
な機構を推測している。可燃成分検出の電極反応は、基
本的には、第一測定電極１７上での酸素の解離及び電
極表面上での拡散、検出素子本体部６ａ（図９）への
酸素の注入、第一測定電極１７から第二測定電極１８
へ向かう検出素子本体部６ａ内での酸素イオン伝導、
検出素子本体部６ａの内部から第二測定電極表面１８上
への酸素の移動、第二測定電極１８上での酸素の再結
合の、各過程を経て進行すると考えられる。電極パター
ンの形成面積を大きくすれば、酸素分子の解離場所と拡
散表面積とが増加し、例えば及びの過程を促進する
効果があるものと期待される。また、電極の多孔質度を
高めることは電極の比表面積を高めることにつながるか
ら、同様の効果が期待できる。

【００７６】他方、電極上では酸素が主に表面拡散にて
移動することから、図１５に示すように、電極表面と固
体電解質表面とが交わる三重点ＴＰ付近が、検出素子本
体部６ａ内への酸素注入のサイトになりやすいと考えら
れる。従って、電極パターンの周長を長くすることは、
上記のような検出素子本体部内部への酸素の注入サイト
を増加させ、あるいはの過程を促進する効果がある
ものと期待される。なお、電極の多孔質度を高めて、検
出素子本体部６ａの表面へ連通する気孔の数を増やす方
法によっても、同様の効果を期待できる。また、上記の
ような三重点ＴＰは、酸素分子の解離サイトとしても機
能しやすいケースが多く、この場合は及びの過程を
促進する効果も付け加わることが考えられる。一方、第
一測定電極と第二測定電極との対向縁間の距離を短くす
るか、あるいは対向縁の長さを大きくすれば、検出素子
本体部内での酸素イオンの移動に対するの過程を促進
する効果があるものと考えられる。

【００７７】ここで、上記〜の各過程のいずれかの
みを大幅に促進しても、他の過程が律速段階になってし
まっては、可燃成分検出の電極反応を顕著に向上させる
効果は望めない。従って、上記各過程のそれぞれをバラ
ンスよく促進することが、電極反応速度ひいてはセンサ
の検出感度を向上させる上で重要であるといえる。

【００７８】具体例としては、図１１に示すように、第
一測定電極１７と第二測定電極１８とを、いわゆる櫛形
電極パターンに形成する例を挙げることができる。この
場合、第一測定電極１７は、所定の間隔で並ぶ第一の線
状部群（ここでは２つ）１７ａと、それら第一の線状部
群１７ａを一方の端部側で互いに接続する第一の接続部
１７ｂとを備える一方、第二測定電極１８は、第一の線
状部群１７ａと互い違いに配列する第二の線状部群１８
ａと、それら第二の線状部群１８ａを、第一の接続部１
７ｂとは反対側の端部側で互いに接続する第二の接続部
１８ｂとを有するものとなる。同じ面積の電極パターン
であっても、形状をこのような櫛形にすることで電極パ
ターンの周長が大幅に増大する。また第一の線状部群１
７ａと第二の線状部群１８ｂとを互い違いに配列するこ
とで第一測定電極１７と第二測定電極１８との対向縁の
長さが大きくなる。また、その配列間隔を密にすること
で対向縁間距離も短くできる。これらのことから、セン
サの検出感度を大幅に向上させることができる。

【００７９】一方、高濃度の可燃成分濃度を比較的広い
濃度範囲にて測定したい場合など、センサの検出感度を
逆に若干抑制したいという要望が生ずることもありう
る。この場合は、上記した電極反応速度を逆に低下させ
ることが有効となる。具体的には、電極反応を促進する
ための前記した(A)〜(E)の各工夫の逆を行うことが考え
られるが、より積極的に電極反応を抑制するには、図１
０に示すように、第一測定電極１７と第二測定電極１８
とを、多孔質セラミック（例えばアルミナ多孔質セラミ
ック等で構成できる）で構成された拡散律速部２５によ
り覆い、電極表面に向かう酸素流を制限することが有効
である。

【００８０】

【実施例】（実験例１）図１及び図２に示すガスセンサ
１において、Ｙ_２Ｏ_３を５重量％含有するＺｒＯ_２固体
電解質で各素子３，４，６を構成した。各多孔質電極１
４，１５，１７〜２０及び触媒金属層１６のうち、ポン
プ側内面電極１９を除く他の電極をＰｔ−１重量％Ａｕ
合金により構成した。また、ポンプ側内面電極１９は、
Ｐｔ−１重量％Ａｕ合金により主電極層１５１（図６）
をポンプセルユニット１１１との一体焼成により形成す
る一方、その主電極層１５１の上にＡｕ粉末ペーストを
塗布して二次焼成（二次焼成温度９００℃）することに
より表面電極層１５２を形成して得られる二層構造電極
とした。第一処理室９及び第二処理室１０は、それぞれ
高さ０．０２mm、幅２２mm、長さ７mmとした。また、ポ
ンプ側内面電極１９の膜厚方向の断面をとり、その断面
上にて電子線プローブ微小分析（ＥＰＭＡ：ただしエネ
ルギー分散方式）による組成分析を行ったところ、ポン
プ側内面電極１９の種電極層におけるＡｕの含有量（Ｗ
Au）が４．１重量％、同じくＰｔの含有量が９５．９重
量％であった。また、表層にはＡｕリッチ層が確認さ
れ、２層構造となっていることがわかった。

【００８１】他方、試験ガスとして、酸素０〜７％、水
蒸気１０％、炭酸ガス１０％、及び可燃性ガス成分とし
て、ＣＨ_４（メタン）を０〜４００ｐｐｍＣ（ｐｐｍ
Ｃは、炭素当量により表示した百万分率濃度である）の
各種範囲で含有し、残部窒素からなるものを用意した。
そして、上記センサ１を図１２のガスセンサシステム５
０に組み込み、試験ガス中に該センサ１を保持して各素
子３，４，６が７６０℃となるようにヒータ２，８によ
り加熱した。なお、ガス温度は３００℃であり、流量は
１５リットル／分とした。また、本実施例を通じて試験
ガスの分析は、ＨＣ量を水素炎イオン化分析計（Flame
Ionized Detector）により、酸素量を磁気流量分析装置
（Magnetic Pneumatic Analyzer）により、炭酸ガス量
を非分散型赤外吸光分析装置（Nondispersive Infrared
Absorption）により、それぞれ行っている。

【００８２】この状態で、ガスセンサ１を酸素濃淡電池
素子４の起電力目標値ＥCを、第一処理室９内の酸素濃
度設定目標値ＰXが１０^−７ａｔｍとなる値（約３５０
ｍＶ）に設定してセンサシステム５０を作動させるとと
もに、隔壁補強部材５の出力電流Ｉdがメタン濃度によ
りどのように変化するかを調べた。ただし、定電圧直流
電源５８（図９）による可燃成分測定素子６への電圧Ｖ
Cの印加レベルは１５０ｍＶとした。結果を図１６に示
す。メタン濃度５０ｐｐｍＣ前後を臨界濃度として、そ
れよりも低濃度側では、濃度増加とともにガスセンサの
出力電流Ｉdはほぼ直線的に減少しており、また高濃度
側ではＩdはほぼ直線的に増加していることがわかる。
Ｉdの増加側と減少側のいずれにおいてもメタンの検出
は可能であることがわかる。この場合、同じＩd値に対
し、減少側と増加側とで異なる２つのメタン濃度値が対
応するから、いずれか一方の側で測定を行うことが望ま
しいといえる。

【００８３】他方、第一処理室９内の酸素濃度設定目標
値ＰXが１０^−１１ａｔｍとなる値（約５５０ｍＶ）に
設定してセンサシステム５０を作動させたときの、同様
の実験の結果を図１７に示している。Ｉdは、ほぼ全濃
度領域で、メタン濃度とともにほぼ直線的に増加してい
ることがわかる。なお、図１６及び図１７のいずれの場
合も、出力電流Ｉdは酸素濃度の影響をあまり受けてい
ないことがわかる。

【００８４】また、図１８は酸素濃度を７％に固定し、
ＥC＝３５０ｍＶ、水蒸気濃度を５〜１５％の各種値と
したときの、同様の実験の結果を示している。出力電流
Ｉdは水蒸気濃度の影響をあまり受けていないことがわ
かる。

【００８５】さらに、図１９は、酸素濃度を７％に固定
し、ＥC＝５５０ｍＶ、水蒸気濃度を１０％として、第
一測定電極１７と第二測定電極１８とを、図２（ｃ）
（上記実施例と同様の形状：実施例１）、図１０（アル
ミナ多孔質体の拡散律速層２５付き：実施例２）、及び
図１１（櫛歯形状：実施例３）の各種形状とした場合
の、同様の実験の結果を示している。出力感度は、櫛歯
形状電極を使用した実施例３において最も大きく、ま
た、拡散律速層を有する実施例２において最も小さいこ
とがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスセンサの一例を示す正面断面図、
及びそのＣ−Ｃ断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図、Ｄ−Ｄ断面図及びＢ−Ｂ
断面図。

【図３】電極リード部と端子部との接続構造の一例を示
す断面図。

【図４】図１のガスセンサにおける処理室の形成方法を
示す説明図。

【図５】同じく別の説明図。

【図６】図１のガスセンサを、ポンプセルユニットの裏
面側の様子とともに示す分解斜視図。

【図７】図１のガスセンサを用いたガスセンサシステム
の回路構成例を示すブロック図。

【図８】図１のガスセンサによる可燃成分濃度の測定原
理説明図。

【図９】図８に続く説明図。

【図１０】図１のガスセンサの変形例を示す断面図。

【図１１】同じく別の変形例を示す断面図。

【図１２】ポンプ側内面電極を二層構造とする例を示す
模式図。

【図１３】本発明のガスセンサを、ガソリンエンジンに
対するＨＣ検出センサとして用いる例を示す模式図。

【図１４】本発明のガスセンサを、ディーゼルエンジン
に対するＨＣ検出センサとして用いる例を示す模式図。

【図１５】電極から固体電解質側へ酸素が注入される様
子を推測して示す模式図。

【図１６】本発明のガスセンサを用いた実験結果を示す
第一のグラフ。

【図１７】同じく第二のグラフ。

【図１８】同じく第三のグラフ。

【図１９】同じく第四のグラフ。

【符号の説明】

１ガスセンサ２第一ヒータ３酸素濃度調整用ポンプ素子４酸素濃淡電池素子（酸素濃度検出素子）６測定用酸素供給ポンプ素子９第一処理室１０第二処理室１１第一気体流通部１２隔壁１３第二気体流通部１４酸素基準電極１５電池側内面電極１６触媒金属層（酸化触媒部）１７第一測定電極（酸化触媒部）１８第二測定電極（酸化触媒部）１９ポンプ側内面電極５０ガスセンサシステム５７差動増幅器（酸素ポンプ作動制御手段）７１直流定電圧電源（電圧印加手段）８０定電流電源（ポンピング電流通電手段）１１１ポンプセルユニット１１１ａ嵌合凸部（ポンプセル側嵌合部）１１２センサセルユニット１１２ａ嵌合凹部（センサセル側嵌合部）１５１主電極層１５２表面電極層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者夫馬智弘愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者加藤健次愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者大島崇文愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一気体流通部を介して被測定ガスを第
一処理室内に導入し、酸素をその第一処理室から汲み出
す又は第一処理室へ汲み込むことにより、当該第一処理
室内へ導入された被測定ガス中の酸素濃度を所定のレベ
ルに調整し、第二気体流通部を介して前記第一処理室か
ら第二処理室内に、酸素濃度調整後の被測定ガスを導入
し、その導入されたガス中の可燃成分を酸化触媒部を用
いて燃焼させる一方、該第二処理室に接する形で、酸素イオン伝導性固体電解
質により構成された検出素子本体部を有する可燃成分検
出素子を配置し、その検出素子本体部の第二処理室に面
する側に一対の測定電極を形成するとともに、その第一
測定電極と第二測定電極との間に前記検出素子本体部を
介して所定の電圧にて通電し、そのときの該可燃成分検
出素子の出力電流値に基づいて被測定ガス中の可燃成分
の濃度を測定することを特徴とする被測定ガス中の可燃
成分濃度測定方法。
【請求項２】周囲から区画されるとともに、第一気体
流通部を介して被測定ガスが導入される第一処理室を形
成するための第一処理室形成部と、周囲から区画されるとともに、前記第一処理室内の気体
が第二気体流通部を介して導かれる第二処理室を形成す
るための第二処理室形成部と、前記第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度
検出素子と、酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
極が形成され、酸素を前記第一処理室から汲み出す又は
前記第一処理室へ汲み込むことにより、当該第一処理室
内へ導入された前記被測定ガス中の前記酸素濃度検出素
子が検出する酸素濃度を所定のレベルに調整する酸素濃
度調整用ポンプ素子と、前記第二気体流通部を介して前記第一処理室から前記第
二処理室内に導入された酸素濃度調整後の被測定ガス中
の、可燃成分の燃焼を促進させる酸化触媒部と、前記第二処理室に接する形で配置され、酸素イオン伝導
性固体電解質により構成された検出素子本体部を有し
て、その検出素子本体部の第二処理室に面する側に一対
の測定電極が形成されるとともに、その第一測定電極と
第二測定電極との間にて前記検出素子本体部を介して所
定の電圧にて通電され、そのときの出力電流値が前記被
測定ガス中の前記可燃成分の濃度検出情報として取り出
される可燃成分濃度検出素子と、を備えたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】前記被測定ガス中の可燃成分濃度が増加
するに伴い、前記可燃成分検出素子の出力電流値が常に
増加するように、前記第一処理室内へ導入された前記被
測定ガス中の、前記酸素濃度検出素子が検出する酸素濃
度が調整される請求項２記載のガスセンサ。
【請求項４】前記酸素濃度調整用ポンプ素子は、前記
第一処理室内へ導入された前記被測定ガス中の前記酸素
濃度検出素子が検出する酸素濃度を１０^−１ ^２〜１０
^−６ａｔｍの範囲で調整する請求項２又は３に記載のガ
スセンサ。
【請求項５】前記第一測定電極は、所定の間隔で並ぶ
第一の線状部群と、それら第一の線状部群を一方の端部
側で互いに接続する第一の接続部とを備える一方、前記
第二測定電極は、前記第一の線状部群と互い違いに配列
する第二の線状部群と、それら第二の線状部群を、前記
第一の接続部とは反対側の端部側で互いに接続する第二
の接続部とを有する請求項２ないし４のいずれかに記載
のガスセンサ。
【請求項６】前記第一測定電極と前記第二測定電極と
は、多孔質セラミックで構成された拡散律速部により覆
われている請求項２ないし５のいずれかに記載のガスセ
ンサ。
【請求項７】前記酸素濃度調整用ポンプ素子は、酸素
イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が
形成されるとともに、一方の電極（以下、ポンプ側内面
電極という）が前記第一処理室と接するように配置さ
れ、該ポンプ側内面電極は、構成金属がＰｔ又はＰｔ−Ａｕ
合金である多孔質金属からなる主電極層と、その主電極層を覆う形で当該ポンプ側内面電極の表層部
を構成し、構成金属がＡｕ及びＡｇのいずれかを主体と
する金属、Ｐｔ−Ａｕ系合金、Ａｕ−Ｐｄ系合金、Ｐｔ
−Ａｇ系合金、Ｐｔ−Ｎｉ系合金のいずれかである多孔
質金属からなる表面電極層と、を含む少なくとも二層により形成されるものである請求
項２ないし６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】前記ポンプ側内面電極は、構成金属がＰ
ｔ又はＰｔ−Ａｕ合金である多孔質金属からなる主電極
層と、前記ポンプ側内面電極の表層部を構成し、構成金属がＡ
ｕを主体とするＡｕ系金属である多孔質金属からなる表
面電極層とにより形成される二層構造である請求項７記
載のガスセンサ。
【請求項９】前記第一処理室と前記第二処理室とは、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成された隔壁を挟んで
互いに隣接して配置され、前記隔壁には、前記第一処理室と前記第二処理室とを連
通させる前記第二気体流通部が形成されるとともに、厚
さ方向中間部には酸素基準電極が埋設され、前記隔壁の前記第一処理室に面する表面には電池側内面
電極が形成され、該電池側内面電極と、前記酸素基準電
極と、それら電極の間に挟まれた酸素イオン伝導性固体
電解質の隔壁部分とが前記酸素濃度検出素子として機能
する酸素濃淡電池素子を構成し、他方、前記第二処理室を挟んで前記隔壁と反対側に前記
可燃成分濃度検出素子が配置されている請求項２ないし
８のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１０】前記隔壁の前記第二処理室に面する表
面に、前記酸化触媒部として機能する多孔質の触媒金属
層が形成されている請求項９記載のガスセンサ。
【請求項１１】前記第一測定電極と前記第二測定電極
とは、前記可燃成分に対する酸化触媒として機能する多
孔質金属層として形成され、前記酸化触媒部に兼用され
ている請求項２ないし１０のいずれかに記載のガスセン
サ。