JP2001116720A - ガスセンサ及び対象ガス濃度検出法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 濃度が変化する酸素ガスが存在する被検ガス
中の対象ガスの濃度を正確に検出する。 【解決手段】 対象ガスと酸素に活性な対象ガス検知電
極(3)及び対象ガスに不活性でかつ酸素に活性な酸素検
知電極(5)を検知室(8)内で第１の基板(1)に取り付け
る。第２の基板(2)に取り付けられた内側電極(6)と外側
電極(7)との間に電圧を印加したとき、第２の基板(2)を
通じて酸素が外部から検知室(8)内に供給され、検知室
(8)内で対象ガスと酸素とを化学的に反応させる。対象
ガス検知電極(3)と酸素検知電極(5)との第１の電位差
(Ｅ_NO)及び対象ガス検知電極(3)と基準電極(4)との第２
の電位差(Ｅ_NR)を含む関数の絶対値から対象ガスの総濃
度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、センサ技術、特に
大気中に含まれる窒素酸化物等の特定の対象ガスの濃度
を検出するガスセンサ及び対象ガス濃度検出法に属す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年益々重要視される大気汚染防止を促
進するため、窒素酸化物（NOx）、炭化水素（ハイドロ
カーボン、HC）及び一酸化炭素（CO）等の有害ガスを含
む自動車を初めとする内燃機関の排ガスの規制が一段と
厳しくなり、排ガス中の有害ガスを測定するガスセンサ
の研究開発が盛んに行われている。これまで、ジルコニ
ア固体電解質を用いて拡散限界電流の原理を利用した車
載用の電流型窒素酸化物センサの研究例が報告されてい
る。また、特開平９−１８７１４８号公報及び特開平９
−１８７１４９号公報に示すように、本発明者等は最近
混成電位の原理を利用した混成電位型トータル窒素酸化
物センサに関する研究結果を報告した。電流型窒素酸化
物センサ及び混成電位型トータル窒素酸化物センサは、
十分な測定精度を確保するために、いずれも被検ガス中
の酸素ガス（O₂）濃度を所定値に厳密に制御する必要が
ある。例えば、電流型窒素酸化物センサでは、検知電極
上で窒素酸化物の電気化学的な還元電流を測定するセン
サから信号を取り出すが、酸素が共存するとき、被検ガ
ス中の酸素ガス濃度が変化すると、センサ測定室中の酸
素ガス濃度もある程度変動する。酸素ガス濃度の変動に
伴って、還元電流が変化して測定誤差が検知される。一
方、混成電位の原理を利用する電位型窒素酸化物センサ
でも、酸素ガス濃度が変化すると、出力起電力も変化
し、測定誤差が検出される。従って、酸素検知電極によ
って酸素ガス濃度を検知し、得られた信号を用いて酸素
ガス濃度が一定になるように電位型窒素酸化物センサ中
に設けた酸素ポンプのポンピング量を調整する。このた
め、電位型窒素酸化物センサでは、電極数を増加し、酸
素ガス濃度制御部及び測定制御回路も必要となるため、
構造がかなり複雑となる。酸素ガス濃度制御部及び計測
制御回路を付加すると、電位型窒素酸化物センサの信頼
性は大幅に低下し、製造コストも格段に高騰する。

【０００３】また、現在のガスセンサは、燃料過剰状態
のリッチ領域から空気過剰状態のリーン領域に達する自
動車エンジンの全燃焼領域に対応できず、いずれのガス
センサでも酸素ガス濃度の変化に依存して、測定誤差が
生じ検知性能が低下するのが現状である。窒素酸化物等
の検出精度を向上させるために、極力酸素ガス濃度依存
性の小さいセンサが望ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】窒素酸化物検知電極を
用いて窒素酸化物を検知する従来の混成電位型窒素酸化
物センサでは、共存する酸素ガス濃度によりある濃度の
窒素酸化物に対して出力起電力が変動するため、窒素酸
化物濃度を正確に計測することが難しい。また、酸素ポ
ンプ電極とその対極を設け、電子回路で酸素ガス濃度を
制御して、検知精度を上げて検知特性を改善している
が、センサの構造及び計測回路がかなり複雑になり、検
知値の信頼性も低下する。更に、酸素ポンプの能力がな
お不十分なため、電極が劣化すると、センサ測定室中の
酸素ガス濃度が変動する難点がある。

【０００５】本発明は、被検ガス中の酸素ガスの濃度が
変化しても対象ガスの濃度を正確に検出できるガスセン
サ及び検出法を提供することを目的とする。また、本発
明は、構造が簡素で対象ガス濃度の検出値に対する信頼
性の高いガスセンサを提供することを目的とする。本発
明は、センサ出力から酸素ガスによる影響を回避して対
象ガスの濃度を正確に検出できるガスセンサ及び検出法
を提供することを目的とする。更に、本発明は、リッチ
領域からリーン領域まで自動車エンジンの全燃焼領域内
で対象ガス濃度を正確に検出できるガスセンサ及び検出
法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によるガスセンサ
は、いずれもイオン伝導性を有する固体電解質により形
成された第１の基板(1)及び第２の基板(2)と、第１の基
板(1)と第２の基板(2)との間に形成された検知室(8)内
で第２の基板(2)に固定されかつ酸素に活性な内側電極
(6)と、検知室(8)の外側で第２の基板(2)に固定されか
つ酸素に活性な外側電極(7)と、検知室(8)内で第１の基
板(1)に固定され対象ガスと酸素に活性な対象ガス検知
電極(3)及び対象ガスに不活性でかつ酸素に活性な酸素
検知電極(5)と、検知室(8)の外側で第１の基板(1)に固
定されかつ対象ガスと隔離された安定な電位を有する基
準電極(4)と、検知室(8)の外部と内部とを連絡する被検
ガス導入口(9)とを備えている。内側電極(6)と外側電極
(7)との間に電圧を印加したとき、第２の基板(2)を通じ
て酸素が外部から検知室(8)内に供給され、検知室(8)内
で対象ガスと酸素とを化学的に反応させる。対象ガス検
知電極(3)と酸素検知電極(5)との第１の電位差(Ｅ_NO)及
び対象ガス検知電極(3)と基準電極(4)との第２の電位差
(Ｅ_NR)を含む関数の絶対値から対象ガスの総濃度を検出
するので、酸素の影響を除去して対象ガスの総濃度を正
確に検出することができると共に、電極数を増加した
り、複雑な検出回路を設ける必要がない。

【０００７】本発明による対象ガス濃度検出法は、少な
くとも一部にイオン伝導性を有する固体電解質により閉
鎖された検知室(8)を形成すると共に、検知室(8)の外部
と内部とを連絡しかつ被検ガスの検知室(8)内への流入
を制限する構造の被検ガス導入口(9)を設ける工程と、
第１の基板(1)に固定され対象ガスに不活性でかつ酸素
に活性な酸素検知電極(5)及び対象ガスと酸素に活性な
対象ガス検知電極(3)を検知室(8)内に設けると共に、被
検ガスと隔離された安定な電位を有する基準電極(4)を
検知室(8)の外側に設ける工程と、固体電解質を通じて
ポンピングにより酸素を検知室(8)内に導入すると共
に、検知室(8)内で対象ガスと酸素とを化学的に反応さ
せる工程と、対象ガス検知電極(3)と酸素検知電極(5)と
の第１の電位差(Ｅ_NO)及び対象ガス検知電極(3)と基準
電極(4)との第２の電位差(Ｅ_NR)を含む関数の絶対値か
ら対象ガスの総濃度を検出する工程とを含む。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、混成電位型窒素酸化物セン
サに適用した本発明によるガスセンサ及び検出法の実施
の形態を図１〜図６について説明する。

【０００９】図１に示すように、本発明によるガスセン
サは、固体電解質により形成された第１の基板(1)と、
第１の基板(1)との間に検知室(8)を形成して第１の基板
(1)に固着されかつイオン伝導性を有する固体電解質に
より形成された第２の基板(2)とを備えている。酸素に
活性な内側電極(6)は検知室(8)内で第２の基板(2)に固
定されかつ酸素に活性な外側電極(7)は、検知室(8)の外
側で第２の基板(2)に固定され、内側電極(6)と外側電極
(7)は酸素ポンプを形成する。対象ガスとしての窒素酸
化物に不活性でかつ酸素のみに活性な酸素検知電極(5)
及び窒素酸化物及び酸素に活性な窒素酸化物検知電極
(3)は、検知室(8)内で第１の基板(1)に固定される。窒
素酸化物検知電極(3)は、主に一酸化窒素（NO）、二酸
化窒素（NO_２）又はこれらの混合ガスを含む少なくとも
窒素酸化物（NOx）に活性である。検知室(8)の外側で第
１の基板(1)に固定される基準電極(4)は大気に曝され、
触媒として又は自身で酸素に活性な白金（Pt）、酸化物
又は塩化物により形成され、窒素酸化物から隔離された
安定な基準電位を有する。第２の基板(2)と第１の基板
(1)との間に固体電解質により形成された第１のスペー
サ(11)と第２のスペーサ(12)とが配置され、第１のスペ
ーサ(11)と第２のスペーサ(12)との間に検知室(8)が形
成される。第１のスペーサ(11)には検知室(8)の外部と
内部とを連絡する窒素酸化物導入口(9)が設けられ、窒
素酸化物導入口(9)の断面積を絞り、窒素酸化物の流入
を制限する。第２の基板(2)と同様に、第１の基板(1)、
第１のスペーサ(11)及び第２のスペーサ(12)を同一材料
の固体電解質により形成してもよい。

【００１０】第１の基板(1)の底部には第３のスペーサ
(13)を介してアルミナ製の第３の基板(10)が固定され、
第１の基板(1)と第３の基板(10)とにより基準電極(4)を
収容する大気通路(14)が形成される。第３の基板(10)内
には抵抗発熱体により形成されたヒータ(15)が埋設さ
れ、ヒータ(15)への通電によりガスセンサを所定の温度
に加熱することができる。

【００１１】内側電極(6)と外側電極(7)との間に一定の
直流電圧を印加して酸素ポンプを作動して、第２の基板
(2)を通じて検知室(8)内に酸素ガスを導入し、検知室
(8)内で窒素酸化物と共存する酸素ガスの濃度がゼロで
も検知室(8)内の酸素ガス濃度を１%以上にポンピングす
る。従って、センサ測定室中の酸素ガス濃度は、少なく
とも常に１%以上に保たれ、被検ガス中の酸素ガス濃度
は、２１%までの範囲内で変動する。

【００１２】窒素酸化物検知電極(3)の表面では、被検
ガス中の酸素ガス（O₂）と電解質中のO^2-イオンの間に
おける酸化還元反応の平衡と窒素酸化物の酸化還元反応
の平衡とが同時に成立し、それぞれ次式で表される。 O₂＋４e^-＝２O^2- NO₂＋２e^-＝NO＋O^2- また、酸素検知電極(5)の表面では、 O₂＋４e^-＝２O^2- の酸化還元反応のみの平衡が成立している。つまり、窒
素酸化物検知電極(3)と酸素検知電極(5)での電極反応の
平衡状態によって窒素酸化物検知電極(3)の電位が決定
される。大気側の基準電極(4)の電位(Ｅ_A)に対する窒素
酸化物検知電極(3)の電位(Ｅ_N)の電位差(Ｅ_NA＝Ｅ_N−Ｅ
_A)を測定して二酸化窒素を検知するとき、酸素ガス濃度
を一定にし、窒素酸化物検知電極(3)の検知特性を測定
すると、二酸化窒素又は窒素酸化物の濃度の増加につれ
て、窒素酸化物検知電極(3)の電位が高くなる。即ち、
特開平９−１８７１４８号公報及び特開平９−１８７１
４９号公報に示されるデータと同様に、ガスセンサの出
力は、窒素酸化物の濃度の対数に比例する検知特性を示
す。しかしながら、窒素酸化物の濃度を一定に保持し、
酸素ガスの濃度を上げると、酸素の平衡反応によって、
窒素酸化物検知電極(3)の電位も更に増加する。このよ
うに、窒素酸化物の濃度を検出する窒素酸化物検知電極
(3)の出力が酸素ガスの濃度変化に依存し、酸素ガスの
濃度変化によって窒素酸化物に対する測定誤差が生じ
る。

【００１３】図２は、６００℃の温度で二酸化窒素濃度
を２００ppmで一定に保持しかつ酸素ガスの濃度を０〜
２１%の範囲内で変化させたときの窒素酸化物検知電極
(3)と基準電極(4)の電位差(Ｅ_NA＝Ｅ_N−Ｅ_A)及び窒素酸
化物検知電極(3)と酸素検知電極(5)の電位差(Ｅ_NO＝Ｅ_N
−Ｅ_O)の変化を示す。このように、窒素酸化物検知電極
(3)と基準電極(4)の電位差(Ｅ_NA)は、酸素ガス濃度の増
加につれて増加して、窒素酸化物中の酸素ガス濃度依存
性を示す。このように、窒素酸化物検知電極(3)と基準
電極(4)との第２の電位差(Ｅ_NR)は酸素の濃度増加に対
し電位差が増加する正特性を有する。これに対し、窒素
酸化物検知電極(3)と同一空間内でかつ同一の固体電解
質により形成された第１の基板(1)の同一面上に酸素検
知電極(5)を形成したとき、窒素酸化物検知電極(3)の電
位(Ｅ_N)と酸素検知電極(5)の電位(Ｅ _A)との電位差
(Ｅ_NO)は、図２に示すように、酸素ガスの濃度増加に対
応して減少する。このように、窒素酸化物検知電極(3)
と酸素検知電極(5)との第１の電位差(Ｅ_NO)は酸素の濃
度増加に対し電位差が減少する負特性を有する。即ち、
対象ガス検知電極(3)と酸素検知電極(5)との第１の電位
差(Ｅ_NO)及び対象ガス検知電極(3)と基準電極(4)との第
２の電位差(Ｅ_NR)の一方は酸素ガスの濃度増加に対し電
位差が増加する正特性を有し、他方は酸素ガスの濃度増
加に対し電位差が減少する負特性を有する。一方が正特
性を有し他方が負特性を有するため、第１の電位差(Ｅ
_NO)及び第２の電位差(Ｅ_NR)を含む関数の絶対値は、酸
素ガスの濃度に無関係に実質的に一定のレベルとして対
象ガスの総濃度を表し、酸素ガスの影響を消去できる。
従って、窒素酸化物検知電極(3)の基準電極(4)に対する
電位差(Ｅ_NA)と、酸素検知電極(5)に対する電位差
(Ｅ_NO)は逆特性となる。これは酸素ガスの濃度の変化は
窒素酸化物検知電極(3)上の２つの前記平衡状態に影響
を与え、窒素酸化物検知電極(3)の電位が変化するもの
と考えられる。換言すれば、大気に曝される基準電極
(4)に対する窒素酸化物検知電極(3)の電位の酸素ガス濃
度依存性と、測定室中の酸素検知電極(5)に対する窒素
酸化物検知電極(3)の電位の酸素ガス濃度依存性は相反
する。図２に示すように、第１の電位差(Ｅ_NO)及び第２
の電位差(Ｅ_NR)はいずれも酸素ガス濃度の変化に依存し
て変動するが、電位差(Ｅ_{N A})と(Ｅ_NO)での酸素ガス濃度
依存性の傾きの絶対値はほぼ等しい。

【００１４】そこで、本発明では、第１の電位差(Ｅ_NO)
及び第２の電位差(Ｅ_NR)を含む関数の絶対値は、酸素の
濃度に無関係に実質的に一定のレベルとして窒素酸化物
の総濃度を表し、第１の電位差(Ｅ_NO)及び第２の電位差
(Ｅ_NR)から酸素ガス濃度依存性を除去して、酸素の影響
を消去できる。ａ及びｂを係数とし、ガスセンサの出力
をＯ_sとすると、第１の電位差(Ｅ_NO)及び第２の電位差
(Ｅ_NR)を含む関数は下式により表される。 Ｏ_s＝{ａ・(Ｅ_N−Ｅ_O)＋ｂ・(Ｅ_N−Ｅ_A)}／(ａ＋ｂ) （１）

【００１５】第１の電位差(Ｅ_NO)及び第２の電位差(Ｅ
_NR)での各依存性傾きの絶対値が相違しても、式（１）
の係数ａとｂを適宜選択することにより、お互いに相殺
又は補償できる。従って、酸素ガスの濃度変化に対する
対象ガス検知電極と基準電極との電位差は対象ガス検知
電極と酸素検知電極との電位差の特性に合わせて、前記
式中の係数ａ及びｂを決定して、酸素の影響を除去する
ことができる。例えば、係数ａ及びｂは定数又は酸素濃
度を含む関数でもよい。Ｅ_NA＝Ｅ_N−Ｅ_A、Ｅ_NO＝Ｅ_N−
Ｅ_Oを式（１）に代入すると、 Ｏ_s＝(ａ・Ｅ_NO＋ｂ・Ｅ_NR)／(ａ＋ｂ) （２） また、大気に曝された基準電極(4)をグランドに接続す
れば、基準電極(4)の電位(Ｅ_A)がゼロ（接地電位）とな
るから、式（１）から式（３）が得られる。 Ｏ_s＝Ｅ_N−{ａ・Ｅ_O／(ａ＋ｂ)} （３） 本実施の形態では、Ｅ_N−Ｅ_OとＥ_N−Ｅ_Aの変化率の絶対
値が実際に等しいので、ａとｂは１となり、式（３）に
代入すると式（４）が得られる。 Ｏ_s＝Ｅ_N−(Ｅ_O／２) （４）

【００１６】図４に示すように、本発明によるガスセン
サの実際の検出回路図を示す。この検出回路は、第１の
差動増幅器(11)と、第２の差動増幅器(12)とを備えてい
る。第１の差動増幅器(11)は、窒素酸化物検知電極(3)
に接続された反転入力端子(11a)と、基準電極(4)に接続
された非反転入力端子(11b)とを備えている。第２の差
動増幅器(12)は、第１の差動増幅器(11)の出力端子(11
c)及び酸素検知電極(5)とに接続された反転入力端子(12
a)と、基準電極(13)に接続された非反転入力端子(12b)
を備えている。第１の差動増幅器(11)は反転入力端子(1
1a)に印加される窒素酸化物検知電極(3)の電位(Ｅ_N)
と、非反転入力端子(11b)に印加される酸素検知電極(5)
の電位(Ｅ_A)との差を演算して、ｂ・(Ｅ_N−Ｅ_A)を出力す
る。第１の差動増幅器(11)の出力と、酸素検知電極(5)
の電位(Ｅ_O)との和が第２の差動増幅器(12)の反転入力
端子(12a)に印加される。第２の差動増幅器(12)は、非
反転入力端子(12b)に印加される基準電圧との差に対応
する出力を第２の差動増幅器(12)の出力端子(12c)から
発生するが、この出力は第１の電位差(Ｅ_NO)及び第２の
電位差(Ｅ_NR)を含む関数の絶対値を表すセンサ出力Ｏ_s
となる。

【００１７】窒素酸化物の濃度を検出する際に、まず、
少なくとも一部にイオン伝導性を有する固体電解質によ
り閉鎖された検知室(8)を形成すると共に、検知室(8)の
外部と内部とを連絡しかつ窒素酸化物の検知室(8)内へ
の流入を制限する構造の窒素酸化物導入口(9)を設け
る。また、第１の基板(1)に固定され窒素酸化物に不活
性でかつ酸素に活性な酸素検知電極(5)及び窒素酸化物
と酸素に活性な窒素酸化物検知電極(3)を検知室(8)内に
設けると共に、窒素酸化物と隔離された安定な電位を有
する基準電極(4)を検知室(8)の外側に設ける。内側電極
(6)と外側電極(7)との間に電圧を印加したとき、第２の
基板(2)を通じて酸素が外部から検知室(8)内に供給さ
れ、固体電解質を通じてポンピングにより酸素を検知室
(8)内に導入すると共に、検知室(8)内で窒素酸化物と酸
素とを化学的に反応させる。窒素酸化物検知電極(3)と
酸素検知電極(5)との第１の電位差(Ｅ_NO)及び窒素酸化
物検知電極(3)と基準電極(4)との第２の電位差(Ｅ_NR)を
含む関数の絶対値から窒素酸化物の総濃度を検出する。

【００１８】窒素酸化物検知電極(3)と酸素検知電極(5)
との第１の電位差(Ｅ_NO)及び窒素酸化物検知電極(3)と
基準電極(4)との第２の電位差(Ｅ_NR)を含む関数の絶対
値から窒素酸化物の総濃度を検出するので、下記の作用
効果が得られる。 [１] 酸素の影響を除去して窒素酸化物の総濃度を正確
に検出することができる。 [２] 電極数を増加したり、複雑な検出回路を設ける必
要がない。 [３] 窒素酸化物中の酸素ガス濃度が０〜２１%の広い
範囲で変化しても、センサの出力が殆ど酸素ガス濃度に
依存しない。 [４] ヒータ(15)への通電によりガスセンサを所定の温
度に加熱することができる。 [５] 酸素ガスの濃度変化に対する対象ガス検知電極又
は対象ガスと酸素検知電極との電位差の特性に合わせ
て、式（１）中の係数ａ及びｂを決定できる。対象ガス
は、例えば、窒素酸化物、炭化水素ガス、アンモニア、
一酸化炭素、塩化水素、塩素、シアン化水素、硫黄酸化
物、フッ素化合物及び硫化水素の１種又は２種以上であ
る。基準電極(4)は、大気に曝されかつ酸素ガスに活性
な白金（Pt）、酸化物又は塩化物により形成される。

【００１９】

【実施例１】ジルコニア製の第１の基板(1)上にPt製の
酸素検知電極(5)、Pt−Rh製の窒素酸化物検知電極(3)、
Pt製の基準電極(4)を印刷法で形成し、ジルコニア製の
第２の基板(2)上に内側電極(6)及び外側電極(7)を形成
した後、焼き付けた。第１及び第２の基板(1, 5)を積層
してセンサ素子を作製した後、アルミナ製の第３の基板
(10)にPt製のヒータ(11)を埋設した加熱部を前記と同様
の方法で作製し、加熱部をセンサ素子の底部に接着し
て、自己加熱機能を備えた図１に示すガスセンサを形成
した。

【００２０】作動の際に、ヒータ(11)への通電によって
ガスセンサを６００℃の温度に加熱し、内側電極(6)及
び外側電極(7)をそれぞれ直流電源の正側端子及び負側
端子に接続して、内側電極(6)と外側電極(7)との間に直
流電圧０.５Vを印加した。２００ppm濃度の二酸化窒素
の共存下で酸素検知電極(5)と基準電極(4)に対する窒素
酸化物検知電極(3)の電位変化を測定した。図４に示す
回路を用いて式（５）に従い、二つの電圧信号(Ｅ_NA,
Ｅ_NO)を演算し、得られた出力信号を図３に示す。図３
に示すように、６００℃の温度で２００ppmの二酸化窒
素を検出するセンサ出力Ｏ_sは３４mVでほぼ一定とな
り、０〜２１%の酸素ガス濃度変化に対して、影響を殆
ど受けない。

【００２１】

【実施例２】実施例１と同様な構造のガスセンサを６５
０℃の温度にヒータ(11)によって加熱し、NO濃度を２０
０ppmで一定にし、酸素ガス濃度を変化させ、実施例１
と同様な測定を行った。窒素酸化物検知電極(3)と基準
電極(4)の電位差(Ｅ_NA＝Ｅ_N−Ｅ_A)及び窒素酸化物検知
電極(3)と酸素検知電極(5)の電位差(Ｅ_NO＝Ｅ_N−Ｅ_O)の
変化を図５に示す。いずれの電位差(Ｅ_NA, Ｅ_NO)も酸素
ガス濃度の変化に依存して変動するが、６００℃の測定
結果と異なり、窒素酸化物検知電極(3)と酸素検知電極
(5)の電位差(Ｅ_N−Ｅ_O)の変化率はより大きい。式
（５）に従って図５に示す回路素子定数、即ち係数ａ及
びｂを調整してこの時の酸素ガス濃度依存性を補正しな
がら測定を行った。得られた出力信号を図６に示す。そ
の結果、酸素ガス濃度の変化に依存しない安定な一定の
窒素酸化物センサの出力３０mVが得られた。 Ｏ_s＝Ｅ_N＋(Ｅ_N−O₂)／２ （５）

【００２２】本発明の実施例は変更が可能である。例え
ば、産業排ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度測定に限
定されず、対象ガスとして炭化水素ガス、アンモニア、
一酸化炭素、塩化水素、塩素、シアン化水素、硫黄酸化
物、フッ素化合物及び硫化水素等の混成電位検出型ガス
の１種又は２種以上の濃度検出にも適用することができ
る。また、図１に示すガスセンサの構造を変更すること
ができる。例えば、第２の基板(2)上にスペーサを介し
て取付けた第４の基板内にヒータ(15)を埋設してもよ
い。勿論、それぞれヒータ(15)を埋設した第３の基板(1
0)と第４の基板とを上下に取り付けることもできる。ヒ
ータ(15)を省略して他の加熱源を使用することができ
る。第４の基板により第２の基板(5)との間に形成しか
つ大気に連絡する通路内に外側電極(7)を配置してもよ
い。

【００２３】

【発明の効果】本発明によるガスセンサは対象ガスの総
濃度を正確に検出できるので、ガスセンサの信頼性を向
上することができる。また、構造が簡素化され軽量で故
障の少ないかつ安価なガスセンサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるガスセンサの実施の形態を示す
断面図

【図２】 二酸化窒素濃度を２００ppmで一定に保持し
かつ６００℃の温度で酸素ガスの濃度を変化させたとき
の窒素酸化物検知電極と基準電極の電位差及び窒素酸化
物検知電極と酸素検知電極の電位差の変化を示すグラフ

【図３】 本発明による図２の実施の形態のガスセンサ
の出力を示すグラフ

【図４】 本発明によるガスセンサに使用する電気回路
図

【図５】 一酸化窒素濃度を２００ppmで一定に保持し
かつ６５０℃の温度で酸素ガスの濃度を変化させたとき
の窒素酸化物検知電極と基準電極の電位差及び窒素酸化
物検知電極と酸素検知電極の電位差の変化を示すグラフ

【図６】 本発明による図５の実施の形態のガスセンサ
の出力を示すグラフ

【符号の説明】

(1)・・第１の基板、 (2)・・第２の基板、 (3)・・
対象ガス検知電極（窒素酸化物検知電極）、 (4)・・
基準電極、 (5)・・酸素検知電極、 (6)・・内側電
極、 (7)・・外側電極、 (8)・・検知室、 (9)・・
被検ガス導入口、(Ｅ_NO)・・第１の電位差、 (Ｅ_NR)・
・第２の電位差、 (10)・・第３の基板、 (11)・・第
１の差動増幅器、 (11a)・・一方の入力端子、 (11b)
・・他方の入力端子、 (11c)・・出力端子、 (12)・
・第２の差動増幅器、 (12a)・・一方の入力端子、
(12b)・・他方の入力端子、 (12c)・・出力端子、

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 いずれもイオン伝導性を有する固体電解
   質により形成された第１の基板及び第２の基板と、第１
   の基板と第２の基板との間に形成された検知室内で第２
   の基板に固定されかつ酸素に活性な内側電極と、検知室
   の外側で第２の基板に固定されかつ酸素に活性な外側電
   極と、検知室内で第１の基板に固定され対象ガスと酸素
   に活性な対象ガス検知電極及び対象ガスに不活性でかつ
   酸素に活性な酸素検知電極と、検知室の外側で第１の基
   板に固定されかつ対象ガスと隔離された安定な電位を有
   する基準電極と、検知室の外部と内部とを連絡する被検
   ガス導入口とを備え、 内側電極と外側電極との間に電圧を印加したとき、第２
   の基板を通じて酸素が外部から検知室内に供給され、 検知室内で対象ガスと酸素とを化学的に反応させると共
   に、 対象ガス検知電極と酸素検知電極との第１の電位差(Ｅ
   _NO)及び対象ガス検知電極と基準電極との第２の電位差
   (Ｅ_NR)を含む関数の絶対値から対象ガスの総濃度を検出
   することを特徴とするガスセンサ。
2. 【請求項２】 対象ガスは、窒素酸化物、炭化水素ガ
   ス、アンモニア、一酸化炭素、塩化水素、塩素、シアン
   化水素、硫黄酸化物、フッ素化合物及び硫化水素の１種
   又は２種以上である請求項１に記載のガスセンサ。
3. 【請求項３】 基準電極は、大気に曝されかつ酸素に活
   性な白金、酸化物又は塩化物により形成された請求項１
   又は２に記載のガスセンサ。
4. 【請求項４】 対象ガス検知電極と酸素検知電極との第
   １の電位差(Ｅ_NO)及び対象ガス検知電極と基準電極との
   第２の電位差(Ｅ_NR)の一方は酸素ガスの濃度増加に対し
   電位差が増加する正特性を有し、他方は酸素ガスの濃度
   増加に対し電位差が減少する負特性を有する請求項１〜
   ３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 【請求項５】 第１の電位差(Ｅ_NO)及び第２の電位差
   (Ｅ_NR)を含む関数の絶対値は、酸素ガスの濃度に無関係
   に実質的に一定となり、酸素ガスの影響を消去できる請
   求項４に記載のガスセンサ。
6. 【請求項６】 ａ及びｂを係数とし、ガスセンサの出力
   をＯ_sとすると、第１の電位差(Ｅ_NO)及び第２の電位差
   (Ｅ_NR)を含む関数は下式： Ｏ_s＝(ａ・Ｅ_NO＋ｂ・Ｅ_NR)／(ａ＋ｂ) により表される請求項１〜５のいずれか１項に記載のガ
   スセンサ。
7. 【請求項７】 対象ガス検知電極及び基準電極にそれぞ
   れ接続された一対の入力端子を備えた第１の差動増幅器
   と、第１の差動増幅器の出力端子及び酸素検知電極とに
   接続された一方の入力端子並びに基準電極に接続された
   他方の入力端子を備えた第２の差動増幅器とを備え、第
   ２の差動増幅器の出力端子から出力を取り出して、第１
   の電位差(Ｅ_NO)及び第２の電位差(Ｅ_NR)を含む関数の絶
   対値を計数する請求項１〜５のいずれか１項に記載のガ
   スセンサ。
8. 【請求項８】 第１の基板の底部に固定された第３の基
   板と第１の基板とにより基準電極を収容する大気通路が
   形成され、第３の基板内には抵抗発熱体により形成され
   たヒータが埋設される請求項１〜７のいずれか１項に記
   載のガスセンサ。
9. 【請求項９】 少なくとも一部にイオン伝導性を有する
   固体電解質により閉鎖された検知室を形成すると共に、
   検知室の外部と内部とを連絡しかつ被検ガスの検知室内
   への流入を制限する構造の被検ガス導入口を設ける工程
   と、第１の基板に固定され対象ガスに不活性でかつ酸素
   に活性な酸素検知電極及び対象ガスと酸素に活性な対象
   ガス検知電極を検知室内に設けると共に、被検ガスと隔
   離された安定な電位を有する基準電極を検知室の外側に
   設ける工程と、固体電解質を通じてポンピングにより酸
   素を検知室内に導入すると共に、検知室内で対象ガスと
   酸素とを化学的に反応させる工程と、対象ガス検知電極
   と酸素検知電極との第１の電位差(Ｅ_NO)及び対象ガス検
   知電極と基準電極との第２の電位差(Ｅ_NR)を含む関数の
   絶対値から対象ガスの総濃度を検出する工程とを含むこ
   とを特徴とする対象ガス濃度検出法。