JP2002328112A - ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リーク電流の影響を受け難く，正確に特定ガ
ス成分濃度を検出することができるガスセンサ素子を提
供すること。 【解決手段】 ポンプセル２及びセンサセル４，ヒータ
１９とを備えており，上記ポンプセル２，上記センサセ
ル４及び上記ヒータ１９は，それぞれ通電用または出力
取り出し用の端子部を有し，上記センサセル４にかかる
各端子部は厚み方向に絶縁層を介して上記ヒータ１９及
び上記ポンプセル２にかかる端子部と電気的に分離され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，自動車用内燃機関の排気系等に
設置され，排ガス中のＮＯｘ等の検知に利用されるガス
センサ素子に関する。

【０００２】

【従来技術】自動車用エンジンからの排ガスを原因とす
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。排ガス中のＮＯｘ濃度を検出し，検出
結果をエンジン燃焼制御モニタ，触媒モニタ等にフィー
ドバックすれば，より効率よく排ガス浄化を行うことが
できると考えられる。このような背景から，排ガス中の
ＮＯｘ濃度を精度よく検出可能なガスセンサ素子が求め
られている。

【０００３】

【解決しようとする課題】ガスセンサ素子におけるモニ
タセルやセンサセル（後述する比較例参照）を流れる電
流値はμＡオーダの微小な値であるため，状況により印
加電圧・電流値が大きく変化するポンプセルやヒータと
の絶縁抵抗を充分大きくしなければ検出誤差を生じる。

【０００４】しかしながら，従来のガスセンサ素子では
ポンプセルやヒータとセンサセルやモニタセルとの絶縁
が不十分で，ポンプセルやヒータからセンサセルやモニ
タセルにリーク電流が発生し，該リーク電流によりガス
センサ素子の検出精度が悪化するという問題があった。
なお，この問題はＮＯｘ以外の特定ガス成分濃度を測定
するガスセンサ素子についても同様に発生する。

【０００５】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，リーク電流の影響を受け難く，正確に特
定ガス成分濃度を検出することができるガスセンサ素子
を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題の解決手段】第１の発明は，被測定ガス室とポン
プセル及びセンサセル，ヒータとを備えたガスセンサ素
子であって，上記被測定ガス室は所定の拡散抵抗の下に
被測定ガスが導入されるよう構成され，上記ポンプセル
は，酸素イオン導電性の固体電解質板とその表面に設け
た一対の電極とより構成され，上記一対の電極の一方は
上記被測定ガス室と対面し，上記一対の電極に対する通
電により上記被測定ガス室に酸素を導入または排出する
よう構成され，上記センサセルは，酸素イオン導電性の
固体電解質板とその表面に設けた一対の電極とより構成
され，上記一対の電極の一方は上記被測定ガス室と対面
し，被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するよう構
成され，上記ヒータは，上記ポンプセル及び上記センサ
セルを所定の活性温度に至るまで加熱するよう通電によ
り発熱する発熱体を備え，上記ポンプセル，上記センサ
セル及び上記ヒータは，それぞれ通電用または出力取り
出し用の端子部を有し，上記センサセルにかかる各端子
部はガスセンサ素子の厚み方向に絶縁層を介して上記ヒ
ータ及び上記ポンプセルにかかる端子部と電気的に分離
されていることを特徴とするガスセンサ素子にある（請
求項１）。

【０００７】第２の発明は，被測定ガス室とポンプセ
ル，センサセル，モニタセル及びヒータとを備えたガス
センサ素子であって，上記被測定ガス室は所定の拡散抵
抗の下に被測定ガスが導入されるよう構成され，上記ポ
ンプセルは，酸素イオン導電性の固体電解質板とその表
面に設けた一対の電極とより構成され，上記一対の電極
の一方は上記被測定ガス室と対面し，上記一対の電極に
対する通電により上記被測定ガス室に酸素を導入または
排出するよう構成され，上記センサセルは，酸素イオン
導電性の固体電解質板とその表面に設けた一対の電極と
より構成され，上記一対の電極の一方は上記被測定ガス
室と対面し，被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出す
るよう構成され，上記モニタセルは，酸素イオン導電性
の固体電解質板とその表面に設けた一対の電極とより構
成され，上記一対の電極の一方は上記被測定ガス室と対
面し，上記被測定ガス室の酸素濃度を検出するように構
成され，上記ヒータは，上記ポンプセル，上記センサセ
ル及び上記モニタセルを所定の活性温度に至るまで加熱
するよう通電により発熱する発熱体を備え，上記ポンプ
セル，上記センサセル，上記モニタセル及び上記ヒータ
は，それぞれ通電用または出力取り出し用の端子部を有
し，上記センサセル及び上記モニタセルにかかる各端子
部はガスセンサ素子の厚み方向に絶縁層を介して上記ヒ
ータ及び上記ポンプセルにかかる各端子部と電気的に分
離されていることを特徴とするガスセンサ素子にある
（請求項２）。

【０００８】第３の発明は，被測定ガス室とポンプセル
及びセンサセル，ヒータとを備えたガスセンサ素子であ
って，上記被測定ガス室は所定の拡散抵抗の下に被測定
ガスが導入されるよう構成され，上記ポンプセルは，酸
素イオン導電性の固体電解質板とその表面に設けた一対
の電極とより構成され，上記一対の電極の一方は上記被
測定ガス室と対面し，上記一対の電極に対する通電によ
り上記被測定ガス室に酸素を導入または排出するよう構
成され，上記センサセルは，酸素イオン導電性の固体電
解質板とその表面に設けた一対の電極とより構成され，
上記一対の電極の一方は上記被測定ガス室と対面し，被
測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するよう構成さ
れ，上記ヒータは，上記ポンプセル及び上記センサセル
を所定の活性温度に至るまで加熱するよう通電により発
熱する発熱体を備え，上記センサセル，上記ポンプセル
及び上記ヒータは，それぞれ通電用または出力取り出し
用の端子部を有し，同一平面上に配置された各端子部は
絶縁層上に形成されていることを特徴とするガスセンサ
素子にある（請求項５）。

【０００９】第１，第２，第３の発明にかかるガスセン
サ素子は，いずれの構成についても，比較的大電流が流
れ，大きな電圧や時間変動する電圧が印加されるポンプ
セル及びヒータと，センサセル（第２の発明については
モニタセルも含まれる）とを電気的に分離することがで
きる。そのため，センサセル及びモニタセルに対する電
気的擾乱が生じ難く，正確な特定ガス濃度の測定ができ
る。

【００１０】以上，本発明によれば，リーク電流の影響
を受け難く，正確に特定ガス成分濃度を検出することが
できるガスセンサ素子を提供することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】上記第１の発明のガスセンサ素子
は，複数枚の固体電解質板と絶縁板とを適宜積層するこ
とで構成された積層型の素子である。ポンプセル，セン
サセルは各固体電解質板と，その表面に設けた電極から
構成されているが，ポンプセルにかかる電極はセンサセ
ルにおいて検出する特定ガス成分と反応しないような材
質で構成する。また，センサセルは特定ガスを分解して
生じる酸素イオンに基づいて特定ガス濃度を検知するよ
う構成されているが，電極の材質によって分解可能な特
定ガスが定まるため，測定したいガスの種類に応じて電
極の材質を選択する。また，第１の発明のガスセンサ素
子で測定できるガスとしてはＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯ等を挙
げることができる。

【００１２】また，ガスセンサ素子において，各電極と
各端子部との間の導通は固体電解質板等に設けられたリ
ード部，固体電解質板や絶縁板等を貫通して設けられた
導電性のスルーホール等の導通部分により確保される。
上記導通部分についても，センサセルやモニタセルに絡
む導通部分とポンプセル及びヒータに絡む導通部分と
は，端子部と同じく絶縁層で電気的に分離されているこ
とが好ましい。これにより，導通部分におけるリーク電
流を防止することができる。

【００１３】また，第２の発明はモニタセルを持つ以外
は第１の発明と同様である。第２の発明にかかるガスセ
ンサ素子は，モニタセルを持つため，特定ガス成分濃度
の他に被測定ガス室内の酸素ガス濃度も正確に測定する
ことができる。

【００１４】また，上記ガスセンサ素子は基準ガスが導
入されるよう構成された基準ガス室を有し，上記被測定
ガス室と上記基準ガス室とを構成するスぺーサーを有
し，該スぺーサーが上記絶縁層であることが好ましい
（請求項３）。これにより，別途独立した絶縁層を設け
ることなく本発明にかかる効果が得られるため，設計変
更等が最小限で済むと共にコスト的にも高価となり難
い。

【００１５】また，上記絶縁層はアルミナ主成分の焼結
体より構成され，該絶縁層の総厚みは２０μｍ以上であ
ることが好ましい（請求項４）。アルミナ主成分の焼結
体とは，アルミナセラミックやアルミナに少量のジルコ
ニアやシリカを添加したセラミック等が挙げられ，この
ような焼結体は電気絶縁性が高いという点で勝れてい
る。また，総厚みは，複数層の絶縁層がある場合，その
すべてをガスセンサ素子の厚み方向（積層方向）に合計
した厚みである。この総厚みが２０μｍ未満である場合
は，リーク電流により検出誤差を生じるおそれがある。
また，上記総厚みが５０００μｍより厚くなった場合，
素子の熱容量が大きくなり，活性化に要する時間が長く
なるおそれがある。

【００１６】また，上記第３の発明にかかるガスセンサ
素子も，複数枚の固体電解質板と絶縁板とを適宜積層す
ることで構成された積層型の素子である。ポンプセル，
センサセルは各固体電解質板と，その表面に設けた電極
から構成されているが，ポンプセルにかかる電極はセン
サセルにおいて検出する特定ガス成分と反応しないよう
な材質で構成する。また，第３の発明にかかるガスセン
サ素子は，同一平面上に各端子部が設けてあるため，各
端子部からの出力取り出し時，電圧印加時の外部への接
続を容易に行うことができる。

【００１７】また，センサセルは特定ガスを分解して生
じる酸素イオンに基づいて特定ガス濃度を検知するよう
構成されているが，電極の材質によって分解可能な特定
ガスが定まるため，測定したいガスの種類に応じて電極
の材質を選択する。また，第３の発明のガスセンサ素子
で測定できるガスとしてはＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯ等を挙げ
ることができる。

【００１８】また，ガスセンサ素子において，各電極と
各端子部との間の導通は固体電解質板等に設けられたリ
ード部，固体電解質板や絶縁板等を貫通して設けられた
導電性のスルーホール等の導通部分により確保される。
上記導通部分についても，センサセルやモニタセルに絡
む導通部分とポンプセル及びヒータに絡む導通部分と
は，端子部と同じく絶縁層で電気的に分離されているこ
とが好ましい。これにより，導通部分におけるリーク電
流を防止することができる。

【００１９】また，ガスセンサ素子は，酸素イオン導電
性の固体電解質板とその表面に設けた一対の電極とより
構成され，上記一対の電極の一方は上記被測定ガス室と
対面し，上記被測定ガス室の酸素濃度を検出するように
構成されたモニタセルを有することが好ましい（請求項
６）。これにより，特定ガス成分濃度の他に被測定ガス
中の酸素ガス濃度も正確に測定することができる。

【００２０】また，同一平面上において上記センサセル
または上記モニタセルの端子部は上記ポンプセルの端子
部を挟んで上記ヒータの端子部と並んで配置されている
ことが好ましい（請求項７）。これにより，より大きな
電流が流れたり，時間的に変動する電圧が印加されるヒ
ータの端子部に対し，センサセルの端子部を離して配置
することができる。また，従来構成のガスセンサ素子
（比較例参照）に対して大きな設計変更を伴わない構成
であるため，製造コストを安価とすることができる。

【００２１】また，同一平面上において上記センサセル
または上記モニタセルの端子部は上記ポンプセル及び上
記ヒータの端子部と末端位置が隣接しない位置に配置さ
れていることが好ましい（請求項８）。これにより，セ
ンサセルと，ポンプセル及びヒータの端子間距離を大き
くすることができ，リーク電流を小さくすることができ
る。

【００２２】また，同一平面上において，上記センサセ
ルの端子部と上記ポンプセル及び上記ヒータの端子部と
の間にはグランド端子部が設けてあることが好ましい
（請求項９）。これにより，センサセルとポンプセル，
ヒータの端子部間にグランド電位を設けることができる
ため，ポンプセル，ヒータからセンサセルへのリーク電
流を防止することができる。

【００２３】また，同一平面上において上記センサセル
及び上記モニタセルの端子部と上記ポンプセル及び上記
ヒータの端子部との間にはグランド端子部が設けてある
が好ましい（請求項１０）。これにより，センサセル，
モニタセルとポンプセル，ヒータの端子部間にグランド
電位を設けることができるため，ポンプセル，ヒータか
らセンサセルへのリーク電流を防止することができる。

【００２４】

【実施例】以下に，本発明の実施例について説明する。 （実施例１）本例は，図１及び図２に示すごとく，被測
定ガス室１１１，１１２とポンプセル２，モニタセル
３，センサセル４，ヒータ１９とを備えたガスセンサ素
子１である。上記被測定ガス室１１１，１１２は所定の
拡散抵抗の下に被測定ガスが導入されるよう構成されて
いる。

【００２５】上記ポンプセル２は，酸素イオン導電性の
固体電解質板１６とその表面に設けた一対の電極２１，
２２とより構成され，電極２１は上記被測定ガス室１１
１と対面し，上記一対の電極２１，２２に対する通電に
より上記被測定ガス室１１１に酸素を導入または排出す
るよう構成されている。

【００２６】上記モニタセル３は，酸素イオン導電性の
固体電解質板１４とその表面に設けた一対の電極３１，
３２とより構成され，上記電極３２は上記被測定ガス室
１１２と対面し，上記被測定ガス室１１２の酸素濃度を
検出するように構成されている。

【００２７】上記センサセル４は，酸素イオン導電性の
固体電解質板１４とその表面に設けた一対の電極４１，
４２とより構成され，上記電極４２は上記被測定ガス室
１１２と対面し，被測定ガス中の特定ガス成分であるＮ
Ｏｘ濃度を検出するよう構成されている。上記ヒータ１
９は，上記ポンプセル２及び上記モニタセル３，センサ
セル４を所定の活性温度に至るまで加熱するよう通電に
より発熱する発熱体１９１を備えている。

【００２８】上記ポンプセル２，モニタセル３，センサ
セル４及び上記ヒータ１９の発熱体１９１は，それぞれ
通電用または出力取り出し用の端子部２１５，２２５，
３１４，３２６，４１４，４２６，１９４を有し，上記
センサセル４及びモニタセル３にかかる各端子部３１
４，３２６，４１４，４２６はガスセンサ素子１の厚み
方向に絶縁層を介して上記ヒータ１９及び上記ポンプセ
ル２にかかる端子部２１５，２２５，１９４と電気的に
分離されている。

【００２９】以下，詳細に説明する。図１及び図２は，
本例にかかるガスセンサ素子１である。本例のガスセン
サ素子１は，絶縁板１３２，多孔質層１３１，スペーサ
１３３，モニタセル３及びセンサセル４を構成する固体
電解質板１４，スペーサ１５，ポンプセル２を構成する
固体電解質板１６，スペーサー１７，ヒータ被覆板１９
６，ヒータ基板１９５を積層することで構成された積
層，板状のガスセンサ素子１である。内部には第１及び
第２被測定ガス室１１１，１１２，第１及び第２基準ガ
ス室１２１，１２２が設けてある。

【００３０】第１及び第２被測定ガス室１１１，１１２
は，ガスセンサ素子１の外部から多孔質層１３１，導入
穴１０１を経由して被測定ガスを導入する小室である。
第２被測定ガス室１１２は第１よりも被測定ガス流れ下
流で，図２に示すごとく，固体電解質板１４，１６との
間に位置するスペーサ１５により第１及び第２被測定ガ
ス室１１１，１１２が形成される。第１及び第２被測定
ガス室１１１，１１２の間は拡散抵抗通路１０２にて連
通される。

【００３１】また，上記導入穴１０１は固体電解質板１
４に設けたピンホールよりなり，該ピンホールの穴径
は，これを通過して第１及び第２被測定ガス室１１１，
１１２に導入される被測定ガスの拡散速度が所定の速度
となるように適宜設定される。

【００３２】また，固体電解質板１４には，ガスセンサ
素子１の外部から導入穴１０１を被覆するように多孔質
アルミナ等よりなる多孔質層１３１が設けてある。この
多孔質層１３１は被測定ガス室１１１，１１２に面する
各電極２１，３２，４２の被毒や，導入穴１０１の目詰
まり防止を目的として設けてある。なお，上記導入穴１
０１は被測定ガス導入時の拡散抵抗手段として設けてあ
るが，ピンホール以外の形態として，通気可能な多孔質
体を設けた通路が挙げられる。

【００３３】上記第１及び第２基準ガス室１２１及び１
２２は，一定の酸素濃度をもつ基準酸素濃度ガスとして
大気が，ガスセンサ素子１の外部に開口する開口通路１
２５及び１２６よりそれぞれ導入されるよう構成されて
いる。第１基準ガス室１２１は固体電解質板１６の下方
に積層されたスペーサ１７により構成される。第２基準
ガス室１２２は，固体電解質板１４の上方に積層された
スぺーサ１３３により構成される。

【００３４】ここに各スペーサ１３３，１５，１７は絶
縁材料であるアルミナセラミックよりなる。ポンプセル
２，モニタセル３，センサセル４を構成するための固体
電解質板１４，１６は，ジルコニアやセリア等の酸素イ
オン導電性固体電解質体よりなる。

【００３５】上記ポンプセル２は，固体電解質板１６
と，該固体電解質板１６を挟んでその表面に対向配置さ
れた一対の電極２１，２２とよりなる。一方の電極２１
は，第１被測定ガス室１１１に対面し，他方の電極２２
は第１基準ガス室１２１に対面する。上記モニタセル３
及びセンサセル４は，固体電解質板１４を挟んでその表
面に対向配置された一対の電極３１，３２及び４１，４
２とよりなる。電極３２，４２は第２被測定ガス室１１
２に，電極３１，４１は第２基準ガス室１２２に対面す
る。

【００３６】上記ポンプセル２，モニタセル３の一方の
電極２１，３２は，被測定ガス中のＮＯｘの分解を抑制
するために，ＮＯｘの分解活性の低い電極材料より構成
することが好ましい。具体的には，主成分としてＰｔと
Ａｕを含有する多孔質サーメット電極を用いることが好
ましい。この際，金属成分中のＡｕの含有量は，１〜１
０重量％程度とするのが良い。

【００３７】また，センサセル４の一方の電極４２に
は，被測定ガス中のＮＯｘを分解するために，ＮＯｘの
分解活性の高い電極を用いると良い。具体的には，主成
分としてＰｔとＲｈを含有する多孔質サーメット電極を
用いることが好ましい。この際，金属成分中のＲｈの含
有量は，１０〜５０重量％程度とするのが良い。また，
第１及び第２基準ガス室１２１，１２２に面するポンプ
セル２，モニタセル３，センサセル４の電極２２，３
１，４１は，例えば，Ｐｔ多孔質サーメット電極を好適
に用いることができる。

【００３８】図２に示すごとく，各電極２１，２２，３
１，３２，４１，４２は，該電極に対する通電用または
出力取り出し用の端子部を有し，該端子部と各電極の間
はリード部，導電用スルーホール，内部端子によって導
通が確保されている。すなわち，ポンプセル２について
は，固体電解質板１６の表面に電極２１及び２２と一体
形成されたリード部２１１，２２１と，該リード部２１
１，２２１と電気的に導通がとられた，スぺーサー１７
に設けられたスルーホール２１２，２２２，ヒータ被覆
板１９６に設けられたスルーホール２１３，２２３と，
ヒータ基板１９５に設けられたスルーホール２１４，２
２４とが設けてあり，最後のスルーホール２１４，２２
４に対し端子部２１５，２２５が直接導通している。

【００３９】モニタセル３については，電極３１と一体
形成されたリード部３１１，スぺーサー１３３に設けた
スルーホール３１２，絶縁板１３２に設けたスルーホー
ル３１３及び端子部３１４を有し，これらが電気的に導
通している。また，モニタセル３の電極３２は，該電極
３２と一体形成されたリード部３２１，これと導通する
スルーホール３２２，内部端子３２３，またスぺーサー
１３３に設けたスルーホール３２４，絶縁板１３２に設
けたスルーホール３２５及び端子部３２６を有し，これ
らが電気的に導通している。

【００４０】センサセル４についても同様で，電極４１
と一体形成されたリード部４１１，スぺーサー１３３に
設けたスルーホール４１２，絶縁板１３２に設けたスル
ーホール４１３及び端子部４１４を有し，これらが電気
的に導通している。また，電極４２は，該電極４２と一
体形成されたリード部４２１，これと導通するスルーホ
ール４２２，内部端子４２３，またスぺーサー１３３に
設けたスルーホール４２４，絶縁板１３２に設けたスル
ーホール４２５及び端子部４２６を有し，これらが電気
的に導通している。

【００４１】ここで，固体電解質板１４，１６の電極２
１，２２，３１，３２，４１，４２以外のリード２１
１，２２１等が形成された部位については，固体電解質
板１４，１６とリード部２１１，２２１等との間に，絶
縁層が形成されていることが好ましい（図示略）。

【００４２】上記ヒータ１９は，アルミナ製のヒータ基
板１９５と，該ヒータ基板１９５の表面にパターニング
形成された通電発熱する発熱体１９１と，該発熱体１９
１の表面（スペーサ１７側の表面）に，絶縁のために配
置したヒータ被覆板１９６とよりなる。発熱体１９１
は，Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットが
用いられる。このヒータ１９は，発熱体１９１を外部か
らの給電により発熱させ，上記各セル２，３，４を活性
化温度まで加熱するために設けてある。発熱体１９１に
対する給電は，発熱体１９１に一体的に形成されたリー
ド部１９２，スルーホール１９３，端子部１９４を介し
て行われる。

【００４３】上記各端子部３１４，４１４，３２６，４
２６，２１５，２２５，１９４はコネクタ等を介して圧
着やろう付け等により，リード線が接続され，外部回路
と各セル２，３，４及びヒータ１９との信号のやり取り
が可能となっている（図略）。なお，絶縁板１３２，多
孔質層１３１，スペーサ１３３，モニタセル３及びセン
サセル４を構成する固体電解質板１４，スペーサ１５，
ポンプセルを構成する固体電解質板１６，スペーサー１
７，ヒータ被覆板１９６，ヒータ基板１９５は，ドクタ
ーブレード法や押し出し成形法等により，原材料をシー
ト形状に成形した生シートに対し，各電極２１等，リー
ド部２１１等，スルーホール２１２等，端子部２１５等
をスクリーン印刷等により形成したものを，図２に示す
ごとく積層一体化して，その後焼成することで製造でき
る。

【００４４】次に，本例のガスセンサ素子の動作原理を
説明する。図１に示すごとく，被測定ガスは，多孔質層
１３１，導入穴１０１を通過して第１被測定ガス室１１
１に導入され，次いで，拡散抵抗通路１０２にて連通さ
れた第２被測定ガス室１１２に導入される。導入される
ガス量は，多孔質層１３１，導入穴１０１の拡散抵抗に
より決定される。

【００４５】ポンプセル２の一対の電極２１，２２に，
第１基準ガス室１２１側の電極２２が＋極となるように
電圧を印加すると，上記第1被測定ガス室１１１の電極
２１上で被測定ガス中の酸素が還元されて酸素イオンと
なり，ポンピング作用により電極２２側に排出される。
逆に，第1被測定ガス室１１１の電極２１が＋極となる
ように電圧を印可すると，第1基準ガス室１２１側の電
極２２上で酸素が還元されて酸素イオンとなり，ポンピ
ング作用により電極２１側に排出される。この酸素ポン
プ作用により，被測定ガス室の酸素濃度を制御すること
ができる。

【００４６】モニタセル３の一対の電極３１，３２に，
第２基準ガス室１２２側の電極３１が＋極となるように
所定の電圧（例えば＋０．４０Ｖ）を印可すると，上記
第3被測定ガス室１１２側の電極３２上で被測定ガス中
の酸素が還元されて酸素イオンとなり，ポンピング作用
により電極３１側に排出される。電極３２は，ＮＯｘの
分解に不活性なＰｔ−Ａｕサーメット電極であるため，
電極３１，３２間に流れる酸素イオン電流は，多孔質層
１３１や，導入穴１０１，第1被測定ガス室１１１等を
通過して，この電極３２に到着する被測定ガス中の酸素
量に依存し，ＮＯｘ量には依存しない。

【００４７】従って，この電極３１，３２間の電流値が
所定の一定値（例えば，Ｏ．２μＡ）になるように，ポ
ンプセル２の電極２１，２２間の印加電圧を制御すれ
ば，第２被測定ガス室１１２の酸素濃度を一定に制御で
きる。

【００４８】センサセル４の一対の電極４１，４２に，
第２基準ガス室１２２側の電極４１が＋極となるように
電圧（例えば，０．４０Ｖ）を印加する。２被測定ガス
室１１２側の電極４２は，ＮＯｘの分解に活性なＰｔ−
Ｒｈサーメット電極であるため，該電極４２上で被測定
ガス中の酸素やＮＯｘが還元されて酸素イオンとなり，
ポンピング作用により電極４１側に排出される。

【００４９】モニタセル３の電極３１，３２間の電流値
が一定値（例えば０．２μＡ）になるように，ポンプセ
ル２を制御している。このとき，被測定ガス中にＮＯｘ
が存在しなければ，センサセル４の電極４１，４２間の
電流値も一定値（例えば０．２μＡ）に制御される。一
方，被測定ガス中にＮＯｘが存在すると，ＮＯｘ濃度に
応じて電流値が増加する。これにより，被測定ガス中の
ＮＯｘ濃度が検出可能となる。

【００５０】次に，本例にかかるガスセンサ素子の性能
について評価する。図３に，本例にかかるガスセンサ素
子と比較例にかかるガスセンサ素子とにおけるセンサ特
性の酸素濃度依存性を記載した。この測定は，酸素濃度
１，１０，２０％，ＮＯｘ濃度０〜６００ｐｐｍ（バラ
ンスガスはＮ_２）の混合ガスを電気炉中に流通して４５
０℃に加熱し，その電気炉にガスセンサ素子を設置して
作動させる。比較例にかかるガスセンサ素子では，被測
定ガス中の酸素濃度が変化すると，これに伴ってＮＯ感
度曲線（ＮＯ濃度とセンサセル電流値との関係を示す曲
線）がシフトしている。これは，ポンプセルの印加電圧
が酸素濃度により変化するため，ポンプセルからセンサ
セル及びモニタセルヘのリーク電流が変化した結果と考
えられる。

【００５１】これに対し，本例にかかるガスセンサ素子
１は，ポンプセル２からのリーク電流が厚み方向に設け
た絶縁層であるスぺーサー１７，１５によって端子部同
士が電気的に分離されるため，リーク電流による悪影響
を防止することができる。よって，ＮＯ感度曲線の酸素
濃度依存性が小さい。

【００５２】また，図４に，本例のガスセンサ素子と比
較例にかかるガスセンサ素子とにおける，センサ特性の
雰囲気ガス温度依存性を記載した。なお，この測定は，
前記と同様の混合ガスを電気炉中に流通し，電気炉を流
通するガス温度が２５℃，４５０℃，１０００℃になる
ように加熱する。

【００５３】比較例にかかるガスセンサ素子では，被測
定ガス中の雰囲気ガスが温度の変化に伴ってＮＯ感度曲
線（ＮＯ濃度とセンサセル電流値との関係を示す曲線）
がシフトする。これは，ヒータ投入電力が雰囲気ガス温
度により変化するため，ヒータからセンサセル及びモニ
タセルへのリーク電流の値が変化した結果と考えらる。
本例にかかるガスセンサ素子では，後述するようにヒー
タからのリーク電流が効果的に防止されるため，ＮＯ感
度曲線の雰囲気ガス温度依存性が小さい。

【００５４】本例のガスセンサ素子の作用効果について
説明する。本例では，微小電流を検出するセンサセル３
及びモニタセル４の端子部３１４，３２６，４１４，４
２６と，状況により印加電圧が変化し，比較的大電流の
流れるポンプセル２及びヒータ１９の端子部２１５，２
２５，１９４とを，絶縁層として機能するスペーサー１
５，１７を間に配置して，ガスセンサ素子１の表裏面に
両者がそれぞれ位置するように配置して，両者を電気的
に分離した構成としている。これにより，端子部間の電
気抵抗を充分大きくすることができ，ガスセンサ素子１
の検出精度に実質的に影響がない程度にリーク電流の悪
影響を防止できる。

【００５５】実施形態例２ 本例のガスセンサ素子５は，図５，図６に示すごとく，
センサセル６４，ポンプセル６２，モニタセル６３，ヒ
ータ５９は，それぞれ通電用または出力取り出し用の端
子部６２５，６２８，６４９，６３９，１９４，６３８
２，６４８２を有し，センサセル６４及びモニタセル６
３の端子部６４９，６３９とポンプセル６２の端子部６
２５，６２８との間，センサセル６４及びモニタセル６
３の端子部６３８２，６４８２とヒータの端子部１９４
との間にそれぞれグランド端子部５００を設ける。

【００５６】本例のガスセンサ素子５の構成は，図５，
図６に示すごとく，多孔質層５３１，固体電解質板５
４，スペーサ５５，固体電解質板５６，スペーサ５７，
ヒータ５９よりなる。ポンプセル６２は固体電解質板５
４に設けてあり，電極６２１は多孔質層５３１に対面す
る。スペーサ５５により構成された第１及び第２被測定
ガス室５１１及び５１２に対して，固体電解質板５４に
設けた導入穴５０１より被測定ガスを導入した。また，
第１被測定ガス室から第２被測定ガス室との間は拡散抵
抗通路５０２にて連通された第２被測定ガス室５１２に
導入される。

【００５７】そして固体電解質板５６の下方にスペーサ
５７で構成された基準ガス室５２１が設けてある。ま
た，図示は省略したが，モニタセル６３に接続した電流
計からポンプセルに接続した電源に対しフィードバック
回路が設けてある。

【００５８】ポンプセル６２の電極６２１，６２２はリ
ード部６２３，６２４，スルーホール６２６を介して，
それぞれ端子部６２５，６２８が導通されている。モニ
タセル６３の電極６３１はリード部６３３，スルーホー
ル６３５，６３７を介して端子部６３９に，電極６３２
はリード部６３４，スルーホール６３６，６３８，６３
８１を介して端子部６３８２に対し導通されている。セ
ンサセル６４の電極６４１はリード部６４３，スルーホ
ール６４５，６４７を介して端子部６４９に，電極６４
２はリード部６４４，スルーホール６４６，６４８，６
４８１を介して端子部６４８２に対し導通されている。

【００５９】ここで，固体電解質体５４，５６に設けた
電極６２１，６２２，６３１，６３２，６４１，６４２
以外のリード部６２３，６２４等が形成された部位につ
いては，固体電解質体５４，５６とリード部６２３，６
２４等との間に，絶縁層を設けることが好ましい。特
に，端子部６２５，６２６，６３９，６４９は，固体電
解質体５４との間に形成された絶縁層上に形成されるこ
とで，互いに電気的に分離することができる（図示略）

【００６０】そして，端子部１９４と端子部６３８２，
６４８２との間，端子部６２５，６２８と端子部６３
９，６４９との間はグランド端子部５００が設けてあ
る。その他の構成は実施例１と同様である。

【００６１】本例にかかるガスセンサ素子５によれば，
端子部が絶縁層に形成され，さらにポンプセル６２およ
びヒータ５９からのリーク電流はグランド端子部５００
に流れるため，センサセル６４，モニタセル６３に対す
るリーク電流からの悪影響を防止することができ，より
正確な特定ガス濃度等を検出することができる。その他
は実施例１と同様の作用効果を有する。

【００６２】なお，図７（ａ）に示すごとく，ガスセン
サ素子７の表面７０に対し，ヒータの端子部７１，ポン
プセルの端子部７２，センサセルの端子部７３という順
番に配置することも可能である。この場合，リーク電流
の一番の原因となるヒータの端子部７１とセンサセルの
端子部７３とを離すことができるので，リーク電流の悪
影響を軽減することができる。また，図７（ｂ）に示す
ごとく，ガスセンサ素子７の表面７０に対し，ヒータの
端子部７４とセンサセルの端子部７５を設けるにあた
り，端子部７４の末端位置７４０と端子部７５の末端位
置７５０を同図に示すごとく離して設けることも可能で
ある。この場合，ヒータ端子とセンサセル端子の距離を
実質的に大きくすることができ，リーク電流を小さくす
ることができる。

【００６３】比較例 図８は，従来よく知られたガスセンサ素子９を示したも
のである。第１被測定ガス室５１１と対面するようポン
プセル２が配置され，該ポンプセル２に電圧を印加する
ことで第１被測定ガス室５１１内にある酸素を素子外部
ヘポンピングまたは第１被測定ガス室５１１内へ素子外
部の酸素をポンピングする。

【００６４】第２被測定ガス室５１２内の酸素濃度を検
知可能なモニタセル３を設け，このモニタセル３により
検出される第２被測定ガス室５１２内の酸素濃度が一定
となるように，ポンプセル２がフィードバック制御され
る。

【００６５】第２被測定ガス室５１２には，ＮＯｘから
生成された酸素イオンを測定することでＮＯｘ濃度を測
定できるようなセンサセル４を設けておくが，上述した
ごとく第２被測定ガス室５１２内の酸素濃度は一定に制
御されている。従って，センサセル４を移動する酸素イ
オンの量，即ちセンサセル４における酸素イオン電流の
大きさがＮＯｘ濃度に対応する。これにより，排ガス中
の酸素濃度の増減にかかわらず，正確なＮＯｘ濃度を測
定することができる。

【００６６】しかしながら，この構成ではポンプセル２
の端子部６２５，６２８とモニタセル３及びセンサセル
４の端子部６３９，６４９が近接し，またヒータ５９の
端子部１９４とモニタセル３及びセンサセル４の端子部
６３８２，６４８２とが近接するため，リーク電流の悪
影響によって，センサセル４やモニタセル３の出力値が
しばしば不正確になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における，（ａ）ガスセンサ素子の断
面説明図，（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ矢視断面説明図。

【図２】実施例１における，ガスセンサ素子の斜視展開
図。

【図３】実施例１における，（ａ）従来にかかるガスセ
ンサ素子のＮＯ濃度とセンサセル電流との間にかかるＮ
Ｏ感度曲線の酸素濃度依存性を示す線図，（ｂ）本例に
かかるガスセンサ素子のＮＯ濃度とセンサセル電流との
間にかかるＮＯ感度曲線の酸素濃度依存性を示す線図。

【図４】実施例１における，（ａ）従来にかかるガスセ
ンサ素子のＮＯ濃度とセンサセル電流との間にかかるＮ
Ｏ感度曲線の温度依存性を示す線図，（ｂ）本例にかか
るガスセンサ素子のＮＯ濃度とセンサセル電流との間に
かかるＮＯ感度曲線の温度依存性を示す線図。

【図５】実施例２における，ポンプセルとセンサセル及
びモニタセルの端子部，ヒータとセンサセル及びモニタ
セルの端子部が同一平面上に配置されたガスセンサ素子
の（ａ）平面図，（ｂ）断面説明図，（ｃ）ヒータ基板
側からみた平面図，（ｄ）（ｂ）におけるＢ−Ｂ矢視断
面説明図。

【図６】実施例２における，ガスセンサ素子の斜視展開
図。

【図７】実施例２における，端子部が同一平面上に配置
された他の端子配置のガスセンサ素子の要部説明図。

【図８】比較例における，ガスセンサ素子の斜視展開
図。

【符号の説明】

１．．．ガスセンサ素子， １４，１６．．．固体電解質板， １３３，１５，１７．．．スペーサー， １９．．．ヒータ， １９４，２１５，２２５，３１４，３２６，４１４，４
２６．．．端子部， ２．．．ポンプセル， ２１，２２，３１，３２，４１，４２．．．電極， ３．．．モニタセル， ４．．．センサセル，

フロントページの続き (72)発明者 今村 弘男 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 牧野 太輔 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (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 (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定ガス室とポンプセル及びセンサセ
   ル，ヒータとを備えたガスセンサ素子であって，上記被
   測定ガス室は所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入さ
   れるよう構成され，上記ポンプセルは，酸素イオン導電
   性の固体電解質板とその表面に設けた一対の電極とより
   構成され，上記一対の電極の一方は上記被測定ガス室と
   対面し，上記一対の電極に対する通電により上記被測定
   ガス室に酸素を導入または排出するよう構成され，上記
   センサセルは，酸素イオン導電性の固体電解質板とその
   表面に設けた一対の電極とより構成され，上記一対の電
   極の一方は上記被測定ガス室と対面し，被測定ガス中の
   特定ガス成分濃度を検出するよう構成され，上記ヒータ
   は，上記ポンプセル及び上記センサセルを所定の活性温
   度に至るまで加熱するよう通電により発熱する発熱体を
   備え，上記ポンプセル，上記センサセル及び上記ヒータ
   は，それぞれ通電用または出力取り出し用の端子部を有
   し，上記センサセルにかかる各端子部はガスセンサ素子
   の厚み方向に絶縁層を介して上記ヒータ及び上記ポンプ
   セルにかかる端子部と電気的に分離されていることを特
   徴とするガスセンサ素子。
2. 【請求項２】 被測定ガス室とポンプセル，センサセ
   ル，モニタセル及びヒータとを備えたガスセンサ素子で
   あって，上記被測定ガス室は所定の拡散抵抗の下に被測
   定ガスが導入されるよう構成され，上記ポンプセルは，
   酸素イオン導電性の固体電解質板とその表面に設けた一
   対の電極とより構成され，上記一対の電極の一方は上記
   被測定ガス室と対面し，上記一対の電極に対する通電に
   より上記被測定ガス室に酸素を導入または排出するよう
   構成され，上記センサセルは，酸素イオン導電性の固体
   電解質板とその表面に設けた一対の電極とより構成さ
   れ，上記一対の電極の一方は上記被測定ガス室と対面
   し，被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するよう構
   成され，上記モニタセルは，酸素イオン導電性の固体電
   解質板とその表面に設けた一対の電極とより構成され，
   上記一対の電極の一方は上記被測定ガス室と対面し，上
   記被測定ガス室の酸素濃度を検出するように構成され，
   上記ヒータは，上記ポンプセル，上記センサセル及び上
   記モニタセルを所定の活性温度に至るまで加熱するよう
   通電により発熱する発熱体を備え，上記ポンプセル，上
   記センサセル，上記モニタセル及び上記ヒータは，それ
   ぞれ通電用または出力取り出し用の端子部を有し，上記
   センサセル及び上記モニタセルにかかる各端子部はガス
   センサ素子の厚み方向に絶縁層を介して上記ヒータ及び
   上記ポンプセルにかかる各端子部と電気的に分離されて
   いることを特徴とするガスセンサ素子。
3. 【請求項３】 請求項１及び２のいずれか一項におい
   て，上記ガスセンサ素子は基準ガスが導入されるよう構
   成された基準ガス室を有し，上記被測定ガス室と上記基
   準ガス室とを構成するスぺーサーを有し，該スぺーサー
   が上記絶縁層であることを特徴とするガスセンサ素子。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項において，
   上記絶縁層はアルミナ主成分の焼結体より構成され，該
   絶縁層の総厚みは２０μｍ以上であることを特徴とする
   ガスセンサ素子。
5. 【請求項５】 被測定ガス室とポンプセル及びセンサセ
   ル，ヒータとを備えたガスセンサ素子であって，上記被
   測定ガス室は所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入さ
   れるよう構成され，上記ポンプセルは，酸素イオン導電
   性の固体電解質板とその表面に設けた一対の電極とより
   構成され，上記一対の電極の一方は上記被測定ガス室と
   対面し，上記一対の電極に対する通電により上記被測定
   ガス室に酸素を導入または排出するよう構成され，上記
   センサセルは，酸素イオン導電性の固体電解質板とその
   表面に設けた一対の電極とより構成され，上記一対の電
   極の一方は上記被測定ガス室と対面し，被測定ガス中の
   特定ガス成分濃度を検出するよう構成され，上記ヒータ
   は，上記ポンプセル及び上記センサセルを所定の活性温
   度に至るまで加熱するよう通電により発熱する発熱体を
   備え，上記センサセル，上記ポンプセル及び上記ヒータ
   は，それぞれ通電用または出力取り出し用の端子部を有
   し，同一平面上に配置された各端子部は絶縁層上に形成
   されていることを特徴とするガスセンサ素子。
6. 【請求項６】 請求項５において，上記ガスセンサ素子
   は，酸素イオン導電性の固体電解質板とその表面に設け
   た一対の電極とより構成され，上記一対の電極の一方は
   上記被測定ガス室と対面し，上記被測定ガス室の酸素濃
   度を検出するように構成されたモニタセルを有すること
   を特徴とするガスセンサ素子。
7. 【請求項７】 請求項５または６において，同一平面上
   において上記センサセルまたは上記モニタセルの端子部
   は上記ポンプセルの端子部を挟んで上記ヒータの端子部
   と並んで配置されていることを特徴とするガスセンサ素
   子。
8. 【請求項８】 請求項５または６において，同一平面上
   において上記センサセルまたは上記モニタセルの端子部
   は上記ポンプセル及び上記ヒータの端子部と末端位置が
   隣接しない位置に配置されていることを特徴とするガス
   センサ素子。
9. 【請求項９】 請求項５において，同一平面上におい
   て，上記センサセルの端子部と上記ポンプセル及び上記
   ヒータの端子部との間にはグランド端子部が設けてある
   ことを特徴とするガスセンサ素子。
10. 【請求項１０】 請求項６において，同一平面上におい
    て上記センサセル及び上記モニタセルの端子部と上記ポ
    ンプセル及び上記ヒータの端子部との間にはグランド端
    子部が設けてあることを特徴とするガスセンサ素子。