JP2001281214A - ガスセンサ及びそれを用いたセンサユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定気体の圧力を検出可能とするガスセン
サ及びそのガスセンサを用いて測定気圧、測定位置高度
等の情報を出力するセンサユニットを提供する。 【解決手段】 圧力異相関陰電極として、第一陰電極
４’と、それよりも出力酸素ポンプ電流値の圧力依存性
の大きい第二陰電極４とを備え、それら第一陰電極４’
及び第二陰電極４の出力酸素ポンプ電流値の差を圧力情
報として出力する。それぞれの陰電極４’，４からは被
測定気体の酸素濃度及び圧力に依存した出力電流が生成
され、その電流値に基づいて被測定気体の圧力値、酸素
濃度が検出可能となる。これにより、被測定気体の圧力
測定が可能となり、さらに気圧計、高度計等の機能を備
えるユニット構成とすることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、ガスセンサ及びそれを
用いたセンサユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被測定気体中の酸素や水蒸気
の濃度を検出するために限界電流式ガスセンサが使用さ
れている。限界電流式ガスセンサは、酸素イオン伝導性
固体電解質上に多孔質電極で構成された陰電極と陽電極
とを設けるとともに、陰電極に対しては小孔をあけた覆
いや多孔質体等で構成された拡散律速部（拡散規制部）
を設け、それによって被測定雰囲気から陰電極へ向かう
気体の拡散を規制するようにした構成を有する。例え
ば、被測定雰囲気中の気体に酸素が含まれている場合、
該酸素は拡散律速部を通って陰電極に到達する。ここ
で、陰電極と陽電極との間に適当なレベルの電圧を印加
しておけば、陰電極上で解離された酸素が酸素イオンと
なって固体電解質中を陽電極に向けて流れるが、この時
の電流値（いわゆるポンプ電流値）は拡散律速部を通過
する酸素の拡散速度が律速となってある値（すなわち限
界電流値）に飽和する。そして、この限界電流値が気体
中の酸素濃度にほぼ比例することが知られている。

【０００３】この場合、測定可能な成分としては分子状
の酸素だけでなく、例えば水（水蒸気）など分子中に酸
素原子を含有しているものであれば、その分子の電気分
解が生ずるレベルまで電極間の印加電圧を高めること
で、同様に限界電流を生じさせることができ、その濃度
を測定することができる。そのため、限界電流式ガスセ
ンサは、酸素濃度測定のみならず、例えばボイラ等の汎
用内燃機関で生ずる排気ガス中の水蒸気濃度（あるいは
分圧）の測定用等にも広く用いられている。しかしなが
ら、このようなセンサを利用して気圧、高度等を測定す
る技術については提供されておらず、それについての示
唆もされていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の解決すべき課
題は、被測定気体の圧力を検出可能とするガスセンサ及
びそのガスセンサを用いて気圧、高度等の情報を出力す
るセンサユニットを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記のよ
うな課題を解決するために本発明は、酸素イオン伝導性
を有する固体電解質により形成された本体素子と、多孔
質金属材料により本体素子上に形成された陰電極及び陽
電極と、被測定雰囲気から陰電極に向けた被測定気体の
拡散を規制する気体拡散規制部とを有し、陰電極と陽電
極との間に所定レベルの電圧を印加した状態で、酸素を
構成元素とする被検出成分を含有した被測定気体を気体
拡散規制部を介して陰電極と接触させることにより被検
出成分の濃度を反映した酸素ポンプ電流が流れるように
なっており、さらに、拡散規制部は、被測定気体の圧力
に応じて酸素ポンプ電流の値が変化するように被測定気
体の拡散を規制するものであり、当該酸素ポンプ電流の
値に基づいて被測定気体の圧力に関する情報を得るよう
にしたことを特徴とするガスセンサを提供する。

【０００６】このように、被測定気体の圧力に応じて、
酸素ポンプ電流の値が変化するように被測定気体の拡散
を規制する拡散規制部を設けることで生じる酸素ポンプ
電流値は被測定気体の圧力を反映した情報となり、その
酸素ポンプ電流の値に基づいて被測定気体の圧力に関す
る情報を得ることができる。即ち、酸素ポンプ電流の値
は酸素濃度及び測定圧力の２変数をパラメータとする変
数とみなすことができ、特に、大気のように酸素濃度が
既知の場合（即ち、酸素濃度パラメータを既知定数とみ
なせる場合）、生じる酸素ポンプ電流値は被測定気体の
圧力を反映するものとなるため、その電流値を検出する
ことにより被測定気体の圧力値を得ることができる。

【０００７】さらに、本発明は陰電極を複数備えるとと
もに、それら陰電極の２以上のものを圧力異相関陰電極
として、それら圧力異相関陰電極にそれぞれ対応して、
出力される酸素ポンプ電流の圧力依存性が互いに異なる
ものとなるように気体拡散抵抗の調整された気体拡散規
制部を設け、各圧力異相関陰電極から出力される酸素ポ
ンプ電流値に基づいて、被測定気体の圧力情報を得るよ
うにできる。

【０００８】これにより、被測定気体の酸素濃度が変動
する場合においても被測定気体の圧力を正確に測定でき
ることとなる。即ち、圧力異相関陰電極が２以上備えら
れるため、被測定気体における酸素濃度及び測定圧力の
２未知数をパラメータとする出力値が２以上得られるこ
ととなり、酸素濃度が未知の場合においても圧力値を得
ることができる。

【０００９】具体的には、例えば、前記各圧力異相関陰
電極として、第一陰電極と、それよりも出力酸素ポンプ
電流値の圧力依存性の大きい第二陰電極とを含み、それ
ら第一陰電極及び第二陰電極の出力酸素ポンプ電流値の
差を前記圧力情報として出力するようにできる。そし
て、前記気体拡散規制部を、自身に形成される通気孔に
より前記被測定気体を前記陰電極に導くように形成し、
当該通気孔の口径に応じて前記被測定気体に対する拡散
能が調整されるようにできる。

【００１０】通気孔の口径がガス分子の平均自由行路よ
りも十分に大きな孔であればガスの拡散は自由拡散が支
配的となりガス圧力への依存が極めて小さい拡散とな
る。一方、通気孔の口径がガス分子の平均自由行路より
も十分小さい孔の大きさであれば孔内はクヌーセン拡散
が支配的となり、ガスの圧力に大きく依存した出力が得
られることとなる。その場合、口径ごとに圧力に対する
依存度が異なり、各口径に対応して固有の拡散能を有す
ることとなる。そして、上記構成のように、第一陰電極
及び第二陰電極にそれぞれ対応して備えられる気体拡散
規制部において通気孔の口径を個々に調整することで互
いの拡散能が相違した状態にセッティングでき、それぞ
れの拡散能に応じた電流値を得ることで酸素濃度及び圧
力をパラメータとする酸素ポンプ電流値を複数得ること
ができる。従って、得られた複数の電流値に基づいてパ
ラメータ値（即ち酸素濃度値、及び圧力値）を決定でき
る。

【００１１】さらに本発明は、上記記載の圧力センサを
備え、該圧力センサにて生成される前記圧力に関する情
報に基づいて、気圧及び／又は高度に関する情報を生成
・出力することを特徴とするセンサユニットをも提供す
る。これにより、気圧計、高度計等の機能を有するユニ
ット構成とすることができ、種々の用途に使用できるこ
ととなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に示す
実施例を参照しつつ説明する。図１は、本発明のガスセ
ンサ（以下、単にセンサともいう）の一例の外観を示す
斜視図であり、図２はそのＡ−Ａ断面を示す断面図であ
る。該センサ１は、板状に形成された本体素子２、その
本体素子２上に形成された陰電極４及び陽電極５、それ
ら陰電極４及び陽電極５に通電するための陰電極リード
部４ａ及び陽電極リード部５ａ、陰電極リード部４ａか
ら分岐して設けられた気体導入部６、本体素子２上に積
層されて上記陰電極４、陽電極５、リード部４ａ，５ａ
及び気体導入部６を覆う板状の気体遮断部３、及び本体
素子２に対し気体遮断部３とは反対側から積層された板
状のヒータ素子８等を備えている。

【００１３】本体素子２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、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２
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ＺｒＯ２との固溶体を使用
してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２
が含有されていてもよい。本実施例では、本体素子２
は、例えば厚さ０．１５mm、幅５mm、長さ２３mmの板状
に形成されているものとする。一方、気体遮断部３も同
様の固体電解質により本体素子２と同幅及び同長さに形
成され、本体素子２と焼成により一体化されて一体積層
体が構成された検出部１０を示している。ここで、検出
部１０の全厚は、本実施例ではおよそ０．３mmとされて
いる。なお、図３に示すように、該気体遮断部３は、気
体透過性を有さないものであれば本体素子２とは別材質
のセラミックスで構成してもよく、例えばＡｌ２Ｏ３等
で構成することができる。

【００１４】次に、陰電極４及び陽電極５はそれぞれＰ
ｔ又はＰｔ合金の多孔質体（以下、Ｐｔ多孔質体とい
う）により構成され、本体素子２の板面の長手方向にお
ける一方の端部側において、その幅方向に互いに隣接し
て配置されている。これら電極４及び５は、本実施例で
は厚さ約２０μｍ、幅約１mm、長さ約３mmの長方形状に
形成されているものとする。一方、陰電極リード部４ａ
と陽電極リード部５ａとは、Ｐｔ多孔質体によりそれぞ
れ上記電極４，５よりも幅が細い帯状に形成され、一端
側が陰電極４及び陽電極５に接続している。また、それ
らの他端側は、本体素子２の幅方向両縁部に沿ってそれ
ぞれ延び、その末端部には少し広幅の端子接続部４ｂ，
５ｂが形成されている。そして、ここに白金線等で形成
された端子部４ｃ及び５ｃの各一端部が、本体素子２と
気体遮断部３との間に挟み付けられた形で接続され、そ
れぞれその他端側を検出部１０の端面から突出させてい
る。なお、陽電極５は、Ｐｄ又はＰｄ合金の多孔質体
（以下、Ｐｄ多孔質体という）で構成してもよい。

【００１５】次に、陰電極リード部４ａの中間部からは
Ｐｔ多孔質体（あるいはＰｄ多孔質体）で構成された帯
状の分岐部６が側方に分岐する形で形成されており、そ
の末端は検出部１０の側面に露出している。そして、こ
の分岐部６は陰電極リード部４ａとともに、上記露出す
る末端を気体導入部として自身に形成された通気孔によ
り被測定気体をその拡散を規制しつつ陰電極４まで導く
気体拡散規制部（あるいは拡散律速部）９を構成してい
る。

【００１６】一方、気体遮断部３には、陽電極５に対応
する位置において該陽電極５と外部とを連通させるガス
出口穴７が形成されている。なおガス出口穴７は、陽電
極５と外部とを連通させ、気体導入部よりも大きいもの
であれば、その断面形状は特に限定されない。

【００１７】また、図４に示すように、ヒータ素子８
は、Ａｌ２Ｏ３等で構成された板状のセラミック基体２
１に対し、本体素子２の陰電極４及び陽電極５に対応す
る部分に、Ｐｔ等で構成された線状の抵抗発熱部２０が
埋設され、リード部２２，２２と、それらの末端部に接
続された端子部１３及び１４により通電加熱され、本体
素子２の陰電極４及び陽電極５に対応する部分のみを、
所定のセンサ作動温度まで局部的に加熱する役割を果た
す。なお、該ヒータ素子８とこれに積層された前述の検
出部１０とからなる本実施例のセンサ１には、その板面
中央においてそれらを積層方向に貫通する通気孔１５が
形成されている。

【００１８】上述のようなセンサ１は、例えば次のよう
にして製造することができる。まず、ヒータ素子８は、
焼成後に通気孔１５となる穴を開けたＡｌ２Ｏ３粉末の
グリーンシートの上面に、Ｐｔペーストを用いて抵抗発
熱部２０及びリード部２２，２２となるパターンを印刷
形成し、そのリード部パターンの末端に端子部１３，１
４となる白金線をのせた後、同様のグリーンシートを積
層し、これを焼成・一体化する。一方、検出部１０は、
固体電解質のグリーンシート上に陰電極４及び陽電極５
となるパターンをＰｔ又はＰｔ合金粉末のペーストによ
り印刷形成し、さらにそれらのリード部４ａ，５ｂのパ
ターンをＰｔ粉末ペーストを用いて印刷形成する。そし
て、それらリード部のパターンの端部に端子部４ｃ，５
ｃとなる白金線をのせた後、その上に別の固体電解質の
グリーンシートを積層し、約１５００℃でこれを焼成・
一体化する。こうして得られたヒータ素子８と検出部１
０とを封着ガラスあるいは無機系接着剤等を用いて互い
に接合することにより、図１に示すセンサ１が得られ
る。

【００１９】そして、多孔質体にて形成される気体拡散
規制部９の孔部口径を１００Å以上１μｍ以下とするこ
とで気体拡散規制部９において被測定気体の圧力に依存
した拡散（クヌーセン拡散）を生じさせることができ、
これにより陰電極４は酸素濃度及び圧力をパラメータと
する電流値が生成されることとなる。特に、大気のよう
に酸素濃度が既知の場合（即ち、酸素濃度パラメータを
既知定数とみなせる場合）、生じる酸素ポンプ電流値は
被測定気体の圧力とほぼ一対一に対応付けることができ
るため、その電流値を検出することにより被測定気体の
圧力値を得ることができる。なお、１００Å未満である
と拡散の低下により圧力変動等に対する応答性が悪くな
る。また口径が１μｍ以上であると自由拡散が生じ易く
なり拡散の圧力依存が低減するため、生成される電流値
と気圧との有効な相関を得にくくなる。

【００２０】そして、気体拡散規制部９による拡散規制
は、一定酸素濃度環境下にて測定した場合、被測定雰囲
気がゲージ圧において−６０ＫＰａ〜０ＫＰａの範囲に
て変化したとき、ゲージ圧０ＫＰａのときの酸素濃度値
に対する検出酸素濃度の変化が１０％以上となるように
規制されることが望ましい。このようにすると、圧力変
化に対するセンサの応答量（即ち変化電流量）が大きく
なるため測定誤差を軽微なものとでき、より正確な圧力
値が得られることとなる。なお、本実施例においては通
気孔の口径を調整することで上記酸素濃度変化が１０％
以上となるように拡散規制を行うことができる。

【００２１】また、図５に示されるような検出部１０’
を備えるようにしてもよい。なお、図５は図１とほぼ同
様の構成とされるが、図１との相違点について以下に説
明する。検出部１０’は、図１のガスセンサとは異なる
拡散能となるように気体拡散規制部９’が形成されてい
る。図５（ｂ）のＢ−Ｂ断面図に示されるように、気体
拡散規制部９’には被測定気体が自由拡散状態にて導入
されるように口径が調整されて気体導入部６’としての
通気孔１１が形成されている。そして、通気孔１１は気
体遮断部３を貫通するとともに被測定気体を陰電極４’
へ誘導するように形成される。通気孔１１の口径は３μ
ｍ以上３０００μｍ以下の範囲にて形成できる。この範
囲に形成すると、気体拡散規制部９’において被測定気
体の圧力依存の小さい拡散規制（圧力依存を無視できる
拡散）となり、検出される酸素ポンプ電流値は酸素濃度
とほぼ一対一に対応したものとみなすことができる。な
お、３μｍ未満であると、被測定気体の圧力に依存して
拡散が変化するようになり、圧力を無視できなくなる。
また、３０００μｍより大きくなると限界電流式センサ
としての機能が失われ、酸素濃度に依存したポンプ電流
値が得にくくなる。

【００２２】そして、図１及び図５に示されるような検
出部１０及び１０’を共に設け、図６に示されるような
センサ構成を採ることができる。即ち陰電極を複数備え
るとともに、それら陰電極の２以上のものを圧力異相関
陰電極として、それら圧力異相関陰電極にそれぞれ対応
して、出力される酸素ポンプ電流の圧力依存性が互いに
異なるものとなるように気体拡散抵抗の調整された気体
拡散規制部９，９’が設けられている。そして、各圧力
異相関陰電極から出力される酸素ポンプ電流値に基づい
て、被測定気体の圧力情報を生成する。

【００２３】具体的には、各圧力異相関陰電極として、
第一陰電極４’と、それよりも出力酸素ポンプ電流値の
圧力依存性の大きい第二陰電極４とを含み、例えばそれ
ら第一陰電極４’及び第二陰電極４の出力酸素ポンプ電
流値の差を圧力情報として出力する構成とできる。これ
により、被測定気体の酸素濃度が変動する場合において
も被測定気体の圧力を正確に測定できることとなる。即
ち、圧力異相関陰電極が２以上備えられるため、被測定
気体における酸素濃度及び測定圧力の２未知数をパラメ
ータとする出力値が２以上得られることとなり、酸素濃
度が未知の場合においてもそれら出力値に基づいて圧力
値を得ることができる。

【００２４】なお、各圧力異相関陰電極から出力される
酸素ポンプ電流値に基づいて、被測定気体の圧力情報と
ともに、該被測定気体の酸素濃度情報を生成するように
できる。例えば図５のような圧力依存の少ない第一陰電
極の出力酸素ポンプ電流値を被測定気体の酸素濃度情報
として出力するようにできる。これにより、酸素濃度情
報と圧力情報を併せて生成できることとなり有用性が増
す。なお、酸素濃度検出用に使用する検出部は（本実施
例では第一陰電極４’を有する検出部１０’）一定酸素
濃度環境下にて測定した場合、被測定雰囲気がゲージ圧
において−６０ＫＰａ〜０ＫＰａの範囲にて変化したと
き、ゲージ圧０ＫＰａのときの値に対する酸素濃度変化
が５％以内に収まっているものを使用するのが望ましい
（更に望ましくは２％以内に収まっているものが望まし
い）。

【００２５】なお、本発明のガスセンサは、図８に示す
ように、陰電極４と陽電極５とを板状の本体素子２の両
面に振り分けて形成してもよい。なお、第一陰電極４’
を有する検出部１０’においては、気体拡散規制部９’
が、気体導入部６’となる小孔（通気孔１１）を開けた
覆いで構成されている。他方の第二陰電極４を有する検
出部１０側においては気体導入部６として多孔質体１２
が備えられ、被測定気体はその多孔質体１２を介して第
二陰電極４側に導入されることとなる。なお、多孔質体
１２の口径は十分な圧力依存を受ける範囲（即ち、図１
における気体拡散制御部９の口径と同範囲）とすること
が望ましい。

【００２６】上記センサ１の基本的な動作は以下の通り
である。まず、例えば図１に示されるようなセンサ１を
被測定雰囲気中に配置し、ヒータ素子８に通電して本体
素子２を所定の作動温度（活性化温度：例えば５００
℃）まで加熱する。被測定雰囲気中の気体（被測定気
体）は、図１の気体拡散規制部９を通ってその拡散が規
制されつつ陰電極４に導かれる。この状態で陽電極５と
陰電極４との間に所定レベルの電圧Ｖを印加すると、Ｐ
ｔ多孔質体で構成された陰電極４においてその気孔に保
持された酸素が解離され、その解離された酸素が陰電極
４から陽電極５に向けて本体素子２の内部をポンピング
されることにより、被測定気体中の酸素濃度に応じたポ
ンプ電流を生ずる。このとき、本体素子２は、陰電極４
の近傍のみが局所加熱され、気体拡散規制部９に対応す
る部分は酸素イオン伝電性を示す程には加熱されないた
め、ポンピングの進行に伴い新たな気体が気体拡散規制
部９を通って陰電極４に供給される。このとき、気体拡
散規制部９を通過する酸素通過量、即ち陰電極４への供
給酸素量は被測定気体の圧力の影響を受けたものとな
り、上記したように圧力に依存した酸素ポンプ電流が生
成されることとなる。

【００２７】また、本発明は以下のようなシステム構成
を有するセンサユニットとしてもよい。以下、図１のセ
ンサ１を使用したセンサシステムのいくつかの構成例
と、その作動について説明する。図７は、センサシステ
ム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、検出部１０を備えるセン
サ１（図１参照）と、マイクロプロセッサ５１と、それ
らセンサ１とマイクロプロセッサ５１とを接続する周辺
回路５０ａとから構成されている。

【００２８】センサ１（図１）の陽電極５には電源とし
てのオペアンプ６１が接続されている。該オペアンプ６
１には、Ｄ／Ａ変換器６０を介してマイクロプロセッサ
からの指示電圧が入力され、その指示電圧値に応じた電
圧を陽電極５）に印加する働きをなす。一方、センサ１
の陰電極４は電流検出用の抵抗器６４を介して接地され
ている。そして、抵抗器６４の両端電圧は、周辺の抵抗
器６６〜６９とともに差動増幅器を構成するオペアンプ
６５に入力され、その出力がセンサ１に流れるポンプ電
流情報として、Ａ／Ｄ変換器７０を介してマイクロプロ
セッサ５１に入力されるようになっている。なお、セン
サ１のヒータ素子８は、図示しないヒータ電源に通電制
御回路を介して接続され、前述の本体素子２がセンサ作
動温度となるようにその発熱が、例えばＰＷＭ（Pulse
Width Modulation）制御方式等により制御される。

【００２９】次に、マイクロプロセッサ５１は、周辺回
路５０ａとの間の出入力インターフェースとなるＩ／Ｏ
ポート５２と、これに接続されたＣＰＵ５３、ＲＡＭ５
４、ＲＯＭ５５等により構成されている。そのＲＡＭ５
４には、ＣＰＵ５３のワークエリア５４ａと、後述する
処理において取り込まれる各種測定値のデータ、あるい
は後述する制御処理の過程で生ずる各種測定値を格納す
るための測定値メモリ５４ｂ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を
記憶するための制御プログラム記憶部５５ａと、該制御
プログラム５５ａが使用する参照情報を記憶するための
参照情報記憶部５５ｂ（内容については後述する）が形
成されている。そして、ＣＰＵ５３は、上記制御プログ
ラムに基づいて酸素濃度決定手段、圧力決定手段及び酸
素濃度及び圧力情報出力制御手段の主体として機能する
こととなる。

【００３０】また、Ｉ／Ｏポート５２には、７セグメン
トＬＥＤや液晶ディスプレイ等で構成された被測定気体
の圧力に関する情報（例えば、気圧、高度等）を表示す
る圧力表示部８０及び被測定気体の測定酸素濃度に関す
る情報（例えば、酸素濃度値等）を表示する酸素濃度表
示部８１が、それぞれ表示制御回路８２及び８３を介し
て接続されている。

【００３１】以下、センサシステム５０の作動につい
て、マイクロプロセッサ５１のＣＰＵ５３による処理の
流れを主体として説明する。まず、図１等に示されるセ
ンサ１を被測定雰囲気中に配置し、ヒータ素子８に通電
してこれを作動温度まで加熱する。そして、センサ１の
両電極４，５に印加する電圧レベルを、所定の電圧値に
設定する。この時のポンプ電流値Ｉは、第一の限界電流
値として被測定雰囲気中の酸素濃度及び被測定雰囲気の
圧力に対応するものとなる。仮に、酸素濃度が一定であ
る環境下にて使用する場合（例えば、大気中にて使用す
る場合）には、電流出力値は圧力に対応するものとなる
ため電流値が判明すれば、参照情報記憶部５５ｂに格納
される電流―電圧テーブル２０８（図９参照）を参照す
ることにより圧力値を得ることができる。テーブル２０
８には定酸素濃度環境下におけるポンプ電流値と圧力値
の対応付けがなされるように構成できる。例えば、大気
中での使用を想定するような場合、該大気の酸素濃度に
おけるポンプ電流値と圧力値の対応付けがなされるよう
にテーブル２０８を構成すれば検出される電流値に対応
して圧力値が得られる。従って、酸素濃度が変化しない
環境下においては複雑な構成を採らずに圧力測定が可能
となり、例えば高度計等において有用なセンサとなる。

【００３２】また、図６のような２以上の検出部を備え
たセンサ構成を採る場合には、検出部１０からの入力情
報に加え、検出部１０’からの入力情報も併せて参照す
ることとなる。図７のように検出部１０’は周辺回路５
０ｂが接続されてＩ／Ｏポート５２に接続される。周辺
回路５０ｂは周辺回路５０ａと同様な構成を採ることが
でき、検出部１０’に生成される酸素ポンプ電流値を検
出可能な構成となっている。

【００３３】そして、検出部１０，１０’にて生成され
る酸素ポンプ電流に関する情報はそれぞれＩ／Ｏポート
５２に入力され、それら情報に基づいて所定の演算処理
を施し、被測定気体の圧力に関する情報を得ることとな
る。

【００３４】検出部１０，１０’にて検出された、即ち
第二陰電極４及び第一陰電極４’における酸素ポンプ電
流Ｉ，Ｉ’に基づき、図１０に示されるような参照情報
記憶部５５ｂに記憶されるテーブル２１０を参照する。
図１０（ａ）及び（ｂ）は各陰電極の生成電流に対応し
た形で各陰電極に導入される酸素濃度が得られるテーブ
ル構成が採られている。例えば、第一陰電極４’におけ
る酸素ポンプ電流が被測定気体の圧力依存を受けないも
のとみなせる場合、第一陰電極４’における電流値と被
測定気体の酸素濃度とは一対一に対応するものとみなす
ことができ、図１０（ａ）に示されるテーブル２１０に
その対応データが格納される構成とできる。従って、第
一陰電極のポンプ電流値Ｉ’が定まれば被測定気体の酸
素濃度値ＣＯの値を得ることができる。即ち、第一陰電
極４’の出力酸素ポンプ電流値を被測定気体の酸素濃度
情報として出力することのできる構成となるのである。

【００３５】また、圧力依存の大きい第二陰電極４にて
生成される電流値Ｉは、被測定気体の圧力に依存した酸
素濃度値を示したものであり、図１０（ｂ）のテーブル
２１２にて第二陰電極４にて検出される酸素濃度値を得
ることができる。

【００３６】図１０（ｃ）には各異相関陰電極にて得ら
れた酸素濃度値に基づいて圧力を算出するテーブル例に
ついて示している。このテーブル２１４においては被測
定気体の検出酸素濃度と、第一陰電極及び第二陰電極の
酸素濃度差とに基づいて被測定気体の圧力値を算出する
構成となっている。例えば、上記したように、第一陰電
極４’にて酸素濃度測定が可能な場合（例えば、上記し
たように第一陰電極４’において被測定気体の圧力を無
視できる場合）、第一陰電極４’における検出酸素濃度
ＣＯ_１を被測定気体の酸素濃度とし、第二陰電極４によ
る検出酸素濃度ＣＯ_２との差ΔＣＯ（ΔＣＯ＝ＣＯ_１−
ＣＯ_２）と上記ＣＯ_１に基づいて被測定気体の圧力Ｐを
得るように構成できる。なお、図１０（ｄ）に示される
ように、第一陰電極４’におけるポンプ電流Ｉ’と、第
一及び第二陰電極における電流差ΔＩ（ΔＩ＝Ｉ’−
Ｉ）とに基づいて圧力Ｐを得るようにテーブルを組むこ
ともできる。

【００３７】また、図１１に示されるようなテーブル構
成を採ることもできる。図１１（ａ）のテーブル２２０
には第一陰電極にて生成されるポンプ電流値Ｉ’と、そ
のパラメータとなる被測定気体の酸素濃度ＣＯ及び圧力
Ｐとの対応関係がテーブル化されており、図１１（ｂ）
のテーブル２２２には、それと同様に第二陰電極にて生
成されるポンプ電流Ｉと被測定気体の酸素濃度ＣＯ及び
圧力Ｐとの対応関係がテーブル化されている。これらテ
ーブル２２０，２２２により電流値Ｉ’及びＩを共に満
たす酸素濃度ＣＯ及び圧力Ｐの値をそれぞれ求めるよう
にできる。その手法としては例えば、図１１（ａ）に示
されるテーブル２２０を検索して電流値Ｉ’を満たすＣ
Ｏ及びＰの組み合わせを選出し、その選出されたＣＯ及
びＰの組み合わせにおけるＩの値について図１１（ｂ）
のテーブル２２２を参照する。そして、検出された第二
陰電極のポンプ電流値Ｉと同一のＩの値を有する、或い
はＩに最も近い電流値を示すようなＣＯ，Ｐの組み合わ
せをそれぞれ被測定気体の測定値として決定するような
演算手法を採ることができる。なお、図９ないし図１１
に示されるテーブルはいずれも図７の参照情報記憶部５
５ｂに格納して備えることができる。

【００３８】いずれにしても、算出された圧力に関する
情報及び酸素濃度に関する情報を、それぞれ図７の表示
制御回路８２，８３を介して圧力表示部８０及び酸素濃
度表示部８１にそれぞれ出力することができる。なお、
本実施例では表示部８０，８１にて圧力、及び酸素濃度
を表示する形態としているがこれに限定されず、例え
ば、測定された圧力に関する情報及び酸素濃度に関する
情報をＩ／Ｏポート５２より信号として出力するように
してもよい。この出力形態は種々のものとでき、例えば
デジタル信号として、或いはＤ／Ａ変換を介してアナロ
グ信号として他の種々の装置に送信するようにできる。

【００３９】また、図１２のセンサ１００は、図１のセ
ンサ１の変形例を示している。センサ１との共通部分に
は共通の符号を付してその相違点についてのみ説明す
る。該センサ１００においては、２組の陰電極４，４’
が陽電極５を共有する形で設けられており、一方（４）
が第二陰電極、他方（４’）が第一陰電極とされてい
る。本実施例では、本体素子２の幅方向中央に陽電極５
が配置され、陰電極４，４’は該幅方向において陽電極
５の両側に隣接して配置されている。また、陰電極リー
ド部、気体導入部及び端子等も、それぞれ４ａ，４
ａ’、６，６’、４ｃ，４ｃ’の２組ずつが設けられて
いる。なお、本構成においては図１の通気孔１５は形成
されていない。そして、図５の場合と同様に、気体拡散
規制部９’には被測定気体が自由拡散状態にて導入され
るように口径が調整されて気体導入部６’としての通気
孔１１が形成されている。そして、通気孔１１は気体遮
断部３を貫通するとともに被測定気体を陰電極４へ誘導
するように形成される。そして、図５と同様に通気孔１
１の口径は３μｍ以上３０００μｍ以下の範囲にて形成
できる。

【００４０】また、図１３に示されるような構成にして
もよい。この構成では、図１１のセンサと同様に陽電極
５を共有する形で設けられている。さらに、第一及び第
二陰電極４’，４がそれぞれ多孔質材料にて形成される
とともにセンサの側壁から露出した形態とされ、その露
出部より被測定気体を自身の内部に導入可能としてい
る。そして、互いに多孔質体の孔のサイズが異なるもの
を使用することによりそれぞれの拡散能が異なるように
されている。つまり、各陰電極４’，４は自身によって
気体拡散を規制し、気体拡散規制部を兼ねることとな
る。

【００４１】図１４は、上記した陽極共有型センサを用
いたセンサシステムの一例を示すブロック図である。以
下、該システム２００について、図７のシステム５０と
の共通部分には共通の符号を付し、その相違点について
説明する。すなわち、周辺回路５０ｃにおいて、センサ
１００の陽電極５は定電圧電源１０１の正極に接続され
る一方、陰電極４’及び４は、同じく定電圧電源１０１
の接地された負極に対し、可変抵抗器１０２，１０４
（固定抵抗器としてもよい）と電流検出用の抵抗器１０
３，１０５を介して接続されている。

【００４２】そして、陽電極５と第一陰電極４’との間
に流れるポンプ電流値Ｉ’は、抵抗器１０３の両端の電
圧差の形で、周辺の抵抗器１０７〜１１０とともに差動
増幅器を構成するオペアンプ１０６に入力され、その出
力電圧が検出信号としてＡ／Ｄ変換器１２０を介してマ
イクロプロセッサ５１に入力される。一方、陽電極５と
第二陰電極４との間に流れるポンプ電流値Ｉは、抵抗器
１０５の両端の電圧差の形で、抵抗器１１２〜１１５と
ともに差動増幅器を構成するオペアンプ１１１に入力さ
れる。そして、抵抗器１２２〜１２５とともに差動増幅
器を構成するオペアンプ１２１は、上記オペアンプ１１
１の出力電圧とオペアンプ１０６の出力電圧との差を前
述のΔＩの検出出力として出力し、これがＡ／Ｄ変換器
１２６を介してマイクロプロセッサ５１に入力される。
なお、オペアンプ１１１からの出力電圧値については、
オペアンプ１２１への入力とは別に、Ａ／Ｄ変換を介し
て直接マイクロプロセッサに入力するようにしてもよい
（即ち、第二陰電極４にて生成されるポンプ電流に関す
る情報を独立してマイクロプロセッサに入力するように
できる）。

【００４３】そして、マイクロプロセッサ５１は、オペ
アンプ１０６からのポンプ電流値Ｉ’の情報に基づい
て、図９のテーブルにて酸素濃度を決定でき、更にオペ
アンプ１２１からの情報（即ちΔＩ：ΔＩ＝Ｉ’−Ｉ）
に基づいて図１０（ｄ）のテーブルにて被測定気体の圧
力Ｐを決定できる。なお、上記したような独立して入力
される第二陰電極のポンプ電流Ｉと第一陰電極のポンプ
電流Ｉ’とに基づき、図９ないし図１１に示されるよう
なテーブルにて圧力を決定することもできる。この決定
手法等については上述の手法と同様とできる。その他、
決定した酸素濃度、圧力に関する情報の出力手法につい
ても上述したもの同様とできる。また、上記システムに
て算出された被測定気体の圧力情報を、当該測定位置に
おける高度情報として、或いは気圧情報として出力する
ようにすれば高度計、気圧計としての機能が付されるセ
ンサユニットとなる。また、被測定気体の圧力情報が判
明していれば、その圧力情報と大気の酸素濃度情報に基
づき公知の換算式を利用して容易に高度値に変換でき
る。なお、このような変換可能とする圧力−高度変換テ
ーブルを別途設けるようにしてもよい。

【００４４】（実施例１）以下の方法にて図８に示され
る形状を有するセンサを得た。ジルコニア（ＺｒＯ_２）
に安定化として１０モル％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を
固溶させた粉末に樹脂（本実施例ではアクリル樹脂）を
５％程混ぜ、粉末プレスが可能な粉末に造粒した。ここ
でできた粉末をプレス機にかけプレス成形し、厚さ０．
８ｍｍ、直径７ｍｍ程度の本体素子２（図８）を成形す
るとともに本体素子の上下にＰｔ電極を印刷し、これを
大気中で約１５００℃にて２時間焼成した。そして、ア
ルミナに樹脂（本実施例ではアクリル樹脂）を混ぜた材
料をプレス成形して中心に直径５０μｍの孔を形成し、
焼成したハウジング（気体遮断部３：図８参照）を用意
した。このハウジングの上部にはセンサを５００℃に暖
めるためのヒータを形成しておき、このハウジングを上
記Ｐｔ電極が備えられた本体素子２上にガラス封止剤等
を用いて接着することで、図８に示されるような構造と
した。以下の説明においてこれをセンサＡとする。

【００４５】もう一方のセンサ（これをセンサＢとす
る）は、上記したハウジング（気体遮断部３）の孔に、
平均粒径０．３μｍのアルミナ粉末と少量のガラスを加
え焼成した多孔質体１２を設けた。この多孔質１２の孔
寸法を走査電子顕微鏡にて確認したところ３０００〜６
０００Åであった。そして、これらのセンサＡ，Ｂに直
流にて電圧０．８Ｖを印加した。図１５に示されるよう
に、酸素濃度（Ｎｏ_２体積％））とセンサの出力電流
（Ａ）の関係は−ｌｎ（１−Ｎｏ_２／１００）に対し直
線的に変化することが判明した。なお、図１５において
は縦軸に酸素ポンプ電流値（μＡ）、横軸に−ｌｎ（１
−Ｎｏ_２／１００）の値（−）について示している。

【００４６】次に、このガスセンサを酸素濃度一定の条
件下（大気圧：Ｎｏ_２：２１体積％）での圧力依存を調
べた。センサＡは図１６のグラフにて示されるように圧
力変化に対しあまり影響を受けていなかった。しかし、
センサＢの方の特性は、図１７に示すように圧力依存が
大きくなることがわかった。この主たる要因は、前者の
気体拡散は、拡散孔（通気孔６’：図８参照）が大きく
分子拡散が支配的であり、後者は拡散孔（通気孔６：図
８）が小さく、酸素分子の拡散が影響を受けるクヌーセ
ン拡散が支配的となっており圧力依存が出ているものと
推定される。

【００４７】図１８は、上記した圧力異相関陰電極（陰
電極４，４’：図８等参照）を有する２つのガスセンサ
（センサＡ，Ｂ）において出力電流値に基づく検出酸素
濃度差と被測定気体の圧力との関係についてグラフにて
示している。このように、定酸素濃度環境下のガスセン
サＡ，Ｂにおいて、被測定気体の圧力増加に対してセン
サＡ，Ｂの出力電流値の差はほぼ単調に減少しており、
出力電流値の差から被測定気体の圧力値が得られること
が確認された。

【００４８】（実施例２）次に、図１３のような形状を
有する、即ち陽極共有型形状のガスセンサについての実
施例を示す。ジルコニア（ＺｒＯ_２）に安定化として１
０モル％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を固溶させた粉末に
例えばアクリル樹脂などを８％程混ぜ、溶剤を足した泥
しょうをドクターブレードにかけ０．８ｍｍのシート成
形し、５ｍｍ角にカットした物を本体素子（図１３参
照）として２枚用意する。１枚のシート状にＰｔ電極パ
ターンとして２つの多孔質構造の異なる陰極と共通の陽
極電極を印刷する。これらの陰電極４，４’は多孔質構
造にて形成し、両陰電極４，４’は陰電極と気体拡散制
御部とをそれぞれ兼ねた構成とした。図１３のごとく一
方の検出部の陰電極４及び陽電極５は、Ｐｔ粉末だけを
印刷した。なお、陰電極における孔寸法は上記同様に３
０００〜６０００Åとした。もう一方の陰電極４’には
Ｐｔ粉末に平均粒径が数μｍ（粒径１μｍ〜１０μｍ）
であるアルミナ又はジルコニアを１０重量％程度混合し
たものを印刷した。陰電極４’における多孔質体の孔寸
法は５μｍであった。この電極が印刷されたシート（本
体素子２）の裏側には、センサを暖めるため、Ｐｔ電極
でヒータパターンを印刷しヒータ８とした。

【００４９】これに、もう一枚のジルコニアシート（本
体素子２）を３つの電極（陰、陽電極）がある面に重ね
合わせ、１５００℃にて２時間焼成することにより図１
３に示されるようなガスセンサを得た（これをセンサＣ
する）。即ち、この一体型ガスセンサ（センサＣ）は２
つの陰電極４，４’を設け、気体拡散規制部における拡
散能が大きく異なるように形成し、さらに陽電極５を共
通化して構成したのである。そして、個々の陰電極に電
圧をかけて各陰電極４，４’より酸素ポンプ電流を得る
とともに、各陰電極からの出力電流値（酸素ポンプ電流
値）と被測定気体の圧力との関係を得た。実施例１と同
様に、孔寸法が大きい陰電極４’側（即ちアルミナ又は
ジルコニアを混合した方）は図１６のごとく圧力依存が
ほとんど生じず、他方の陰電極４における酸素ポンプ電
流値は図１７のごとく圧力依存が大きくなることが判明
した。なお、図１６及び図１７は縦軸に出力電流の酸素
濃度換算値（体積％）を、横軸にゲージ圧（ｋＰａ）を
示している。上記実施例の結果、図８及び図１３等のセ
ンサ構成を採ることにより、被測定気体の圧力測定が可
能となることが確認された。

【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斜視図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明のガスセンサの第一の変形例を示す断面
図。

【図４】図１のセンサに使用されるヒータの部分切欠き
斜視図。

【図５】第一陰電極側の検出部例を示す斜視図及び断面
図。

【図６】本発明のガスセンサのシステム構成例を簡易的
に示すブロック図。

【図７】図６のシステムの電気的構成例を詳細に説明す
るブロック図。

【図８】本発明のガスセンサの第二の変形例を示す断面
図。

【図９】圧力参照テーブルの一例を示す説明図。

【図１０】圧力参照テーブルの別例１を示す説明図。

【図１１】圧力参照テーブルの別例２を示す説明図。

【図１２】本発明のガスセンサの第三の変形例を示す断
面図。

【図１３】本発明のガスセンサの第四の変形例を示す断
面図。

【図１４】図１２又は図１３のセンサを用いたセンサシ
ステムの電気的構成の一例を示すブロック図。

【図１５】酸素濃度と酸素ポンプ電流の関係を示すグラ
フ。

【図１６】第一陰電極における出力電流酸素濃度換算値
と被測定気体ゲージ圧の関係を示すグラフ。

【図１７】第二陰電極における出力電流酸素濃度換算値
と被測定気体ゲージ圧の関係を示すグラフ。

【図１８】第一及び第二陰電極における出力電流酸素濃
度換算値差と被測定気体ゲージ圧の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１，１００ センサ （ガスセンサ） ２ 本体素子 ３ 気体遮断部 ４ 陰電極 （第二陰電極） ４’ 陰電極 （第一陰電極） ５ 陽電極 ６，６’ 気体導入部 ８ ヒータ ９，９’ 気体拡散規制部 １０，１０’ 検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市川 圭一 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 Ｆターム(参考） 2F030 CA04 CC11 CH05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素イオン伝導性を有する固体電解質に
   より形成された本体素子と、 多孔質金属材料により前記本体素子上に形成された陰電
   極及び陽電極と、 被測定雰囲気から前記陰電極に向けた被測定気体の拡散
   を規制する気体拡散規制部とを有し、 前記陰電極と前記陽電極との間に所定レベルの電圧を印
   加した状態で、酸素を構成元素とする被検出成分を含有
   した被測定気体を前記気体拡散規制部を介して前記陰電
   極と接触させることにより前記被検出成分の濃度を反映
   した酸素ポンプ電流が流れるようになっており、 さらに、前記拡散規制部は、被測定気体の圧力に応じて
   前記酸素ポンプ電流の値が変化するように前記被測定気
   体の拡散を規制するものであり、当該酸素ポンプ電流の
   値に基づいて被測定気体の圧力に関する情報を得るよう
   にしたことを特徴とするガスセンサ。
2. 【請求項２】 前記陰電極を複数備えるとともに、それ
   ら陰電極の２以上のものを圧力異相関陰電極として、そ
   れら圧力異相関陰電極にそれぞれ対応して、出力される
   酸素ポンプ電流の圧力依存性が互いに異なるものとなる
   ように気体拡散抵抗の調整された気体拡散規制部を設
   け、各圧力異相関陰電極から出力される酸素ポンプ電流
   値に基づいて、前記被測定気体の圧力情報を生成する請
   求項１記載のガスセンサ。
3. 【請求項３】 各圧力異相関陰電極から出力される酸素
   ポンプ電流値に基づいて、前記被測定気体の圧力情報と
   ともに、該被測定気体の酸素濃度情報を得る請求項２記
   載のガスセンサ。
4. 【請求項４】 前記各圧力異相関陰電極として、第一陰
   電極と、それよりも出力酸素ポンプ電流値の圧力依存性
   の大きい第二陰電極とを含み、それら第一陰電極及び第
   二陰電極の出力酸素ポンプ電流値の差を前記圧力情報と
   して出力する請求項２又は３に記載のガスセンサ。
5. 【請求項５】 前記第一陰電極の出力酸素ポンプ電流値
   を前記被測定気体の酸素濃度情報として出力する請求項
   ４記載のガスセンサ。
6. 【請求項６】 前記気体拡散規制部は、自身に形成され
   る通気孔により前記被測定気体を前記陰電極に導くよう
   に形成され、当該通気孔の口径に応じて前記被測定気体
   に対する拡散能が調整されたものである請求項２ないし
   ５のいずれかに記載のガスセンサ。
7. 【請求項７】 前記複数の陰電極に対して、前記陽電極
   が共通化されている請求項２ないし６のいずれかに記載
   の圧力センサ。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれかに記載の圧
   力センサを備え、該圧力センサの前記圧力に関する情報
   に基づいて、気圧及び／又は高度に関する情報を生成・
   出力することを特徴とするセンサユニット。