JP2003232773A

JP2003232773A - 複合ガスセンサ素子

Info

Publication number: JP2003232773A
Application number: JP2002352497A
Authority: JP
Inventors: Toru Katabuchi; 亨片渕; Tasuke Makino; 太輔牧野
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2003-08-22

Abstract

(57)【要約】【課題】高精度の測定が可能となる複合ガスセンサ素
子を提供すること。【解決手段】複数の電気化学的セル２，３，４を備
え，各電気化学的セル２，３，４は使用時に活性化温度
に保持する位置に配置する。または，各電気化学的セル
２，３，４は応答時間に対応した位置に配置する。また
は，各電気化学的セル２，３，４は活性時間に対応した
位置に配置する。また，上記電気化学的セルは被測定ガ
ス中のＮＯｘ濃度を検出可能なセンサセル，上記電気化
学的セルは被測定ガス中のＯ₂濃度を検出可能な酸素濃
淡起電力式のＯ₂セルである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，例えば内燃機関の排気系に設置
され，排気ガス中の特定ガス濃度やその他のパラメータ
ーを同時に測定可能な複合ガスセンサ素子に関する。

【０００２】

【従来技術】自動車エンジンの燃焼制御に際して，排気
ガス中のＮＯｘ濃度を測定する必要がある。また，排気
ガス中の酸素濃度を測定したり，エンジンの燃焼室にお
ける空燃比を測定する必要もある。

【０００３】この場合，用途に応じたガスセンサ素子を
備えたセンサを複数本各部に設置することもあるが，設
置スペースの削減，設置コストの削減から，１本で複数
のガス濃度やエンジンパラメーターを測定可能に構成し
た複合ガスセンサを用いることがある。ここで用いるガ
スセンサの内部に設けた複合ガスセンサ素子は，上記各
測定に利用可能な電気化学的セルを備えている（例え
ば，特許文献１）。

【０００４】

【特許文献１】特開平１１−７２４７７号公報

【０００５】

【解決しようとする課題】このような複合ガスセンサ素
子の場合，電気化学的セルの種類に応じて各種特性が異
なるため，単独の電気化学的セルよりなるガスセンサ素
子と比較して性能が低かった。これは，ある電気化学的
セルに応じて使用環境や条件を最適化し，精度高い測定
が可能となるように複合ガスセンサ素子の条件を整えて
やっても，別の電気化学的セルで精度高い測定が可能で
あるとは限らないためである。

【０００６】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，高精度の測定が可能となる複合ガスセン
サ素子を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題の解決手段】第１の発明は，複数の電気化学的セ
ルを備え，各電気化学的セルは使用時に活性化温度に保
持する位置に配置することを特徴とする複合ガスセンサ
素子にある（請求項１）。

【０００８】また，第２の発明は，複数の電気化学的セ
ルを備え，各電気化学的セルは応答時間に対応した位置
に配置することを特徴とする複合ガスセンサ素子にある
（請求項４）。また，第３の発明は，複数の電気化学的
セルを備え，各電気化学的セルは活性時間に対応した位
置に配置することを特徴とする複合ガスセンサ素子にあ
る（請求項８）。また，第４の発明は，複数の電気化学
的セルを備え，各電気化学的セルは使用時に活性化温度
に保持する位置であって，かつ応答時間および活性時間
に対応した位置に配置することを特徴とする複合ガスセ
ンサ素子にある（請求項１１）。また，第５の発明は，
被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出可能なセンサセルと，
被測定ガス中の空燃比を検出可能な限界電流式の空燃比
セルと，これら電気化学的セルに熱を付与する発熱体と
を備え，上記空燃比セルは上記センサセルよりも上記発
熱体に近い位置に配置されていることを特徴とする複合
ガスセンサ素子にある（請求項１２）。

【０００９】このように，複合センサ素子において，各
電気化学的セルを特性に応じた位置に設けることで，い
ずれの電気化学的セルも最適な環境での作動を実現する
ことができ，高精度のガス濃度測定を実現することがで
きる。よって，第１〜第５の発明によれば，高精度の測
定が可能となる複合ガスセンサ素子を提供することがで
きる。

【００１０】

【発明の実施の形態】上記第１の発明（請求項１），第
２の発明（請求項４），第３の発明（請求項８），第４
の発明（請求項１１），第５の発明（請求項１２）にか
かる複合ガスセンサ素子は，１本の素子で複数種類のガ
ス濃度やその他の特性を測定できるように異種の電気化
学的セルを設けた構成である。ここに，電気化学的セル
は一対の電極と該電極を設置する固体電解質体とよりな
る。

【００１１】本発明の複合ガスセンサ素子は，固体電解
質板や絶縁板等を複数枚積層して構成した積層型の素子
で，通常は，セラミック板と通電により発熱する発熱体
とより構成されたセラミックヒータを一体的に設ける。
なお，別体として上記セラミックヒータを設けることも
ある。

【００１２】第１の発明において，各電気化学的セルを
使用時する際に活性化温度に保持する。複合ガスセンサ
素子の各部温度は，該複合ガスセンサ素子に設けたセラ
ミックヒータや複合ガスセンサ素子をさらす雰囲気温度
や，複合ガスセンサ素子の内部に導入される被測定ガス
がある場合は，この被測定ガスの温度等によって定ま
る。

【００１３】そのため，あらかじめ複合ガスセンサ素子
の各部温度を実使用環境下で測定する等して，各電気化
学的セルの活性温度に近い状態にある箇所に各電気化学
的セルが位置するように複合ガスセンサ素子を設計する
ことができる。また，上記活性温度は電気化学的セルが
正常に作動する温度範囲である。活性温度は，電気化学
的セルの種類や構成に応じて定まる。

【００１４】また，上記電気化学的セルは被測定ガス中
のＮＯｘ濃度を検出可能なセンサセルであり，該センサ
セルは使用時に活性化温度の６００〜８００℃に保持す
る位置に配置することが好ましい（請求項２）。また，
上記電気化学的セルは被測定ガス中のＯ₂濃度を検出可
能な酸素濃淡起電力式のＯ₂セルであり，該Ｏ₂セルは使
用時に活性化温度の３５０〜６００℃に保持する位置に
配置することが好ましい（請求項３）。

【００１５】上記いずれの場合においても，正確な被測
定ガス中のＮＯｘ濃度（請求項２の場合），正確な被測
定ガス中の酸素濃度（請求項３の場合）を検知可能な素
子を得ることができる。また，この複合ガスセンサ素子
を内燃機関の燃焼排気系に設置した場合は，該内燃機関
の燃焼室における空燃比を正確に得ることができる。

【００１６】センサセルの温度が６００℃未満である場
合は，センサセル上でのＮＯｘの分解活性が低下し，Ｎ
Ｏｘ濃度を正確に検知することができなくなるおそれが
あり，８００℃を越えると，排気ガス中に水が存在した
場合，水がセンサセル上で反応し，ＮＯｘ出力に影響を
与え，誤検知が生じるおそれがある。

【００１７】また，Ｏ₂セルの温度が３５０℃未満であ
る場合は，Ｏ₂セルの起電力が生じないおそれがある。
または，生じた起電力が小さくてリッチ及びリーンの正
確な検知ができなくなるおそれがある。６００℃を越え
ると，排気ガス中のＣＯ₂等が電極上で分解し始めてＯ₂
が発生するため，リッチ側の出力が低下し，リッチ及び
リーンの正確な検出ができなくなるおそれがある。

【００１８】また，第２の発明において，各電気化学的
セルは応答時間に対応した位置に配置する。ここに応答
時間とは，変動する環境におかれた各セルが，環境の変
動に対応した出力を発するまでの遅延時間である。その
定義は後に例示する。

【００１９】そして，応答時間は各電気化学的セルが接
する被測定ガスの流速等に依存するため，応答時間の速
いものほど被測定ガス流れの上流側に，遅いものほど下
流側に設ける必要がある。

【００２０】また，上記電気化学的セルは被測定ガス中
のＮＯｘ濃度を検出可能なセンサセルであり，該センサ
セルの応答時間は２秒以下であることが好ましい（請求
項５）。また，上記電気化学的セルは被測定ガス中の
Ｏ₂濃度を検出可能な酸素濃淡起電力式のＯ₂セルであ
り，該Ｏ₂セルの応答時間は１５０ミリ秒以下であるこ
とが好ましい（請求項６）。また，上記電気化学的セル
は限界電流式の空燃比セルであり，該空燃比セルの応答
時間は２００ミリ秒以下であることが好ましい（請求項
７）。

【００２１】上記いずれの場合においても，正確な被測
定ガス中のＮＯｘ濃度（請求項５の場合），正確な被測
定ガス中の酸素濃度（請求項６の場合）を検知可能な素
子を得ることができる。また，複合ガスセンサ素子を内
燃機関の燃焼排気系に設置した場合に，該内燃機関の燃
焼室における空燃比を正確に検知可能な（請求項７の場
合）素子を得ることができる。

【００２２】センサセルの応答時間が２秒を越えた場合
は，ＮＯｘの排出が増大し，エミッション不良が生じる
おそれがある。また，Ｏ₂セルの応答時間が１５０ミリ
秒を越えた場合は，空燃比を精度よく検出することがで
きず，空燃比制御の精度が低下し（λ＝１で高精度な制
御が実現できず），エミッションが悪化するおそれがあ
る。

【００２３】また，空燃比セルの応答時間が２００ミリ
秒を越えた場合は，空燃比を精度よく検出することがで
きず，空燃比制御の精度が低下し（λ＝１で高精度な制
御が実現できず），エミッションが悪化するおそれがあ
る。

【００２４】ここで各セルの応答時間は，センサセルを
例にとると次のような測定により規定できる。センサセ
ルの出力は被測定ガス中のＮＯｘ濃度に比例するイオン
電流に由来する。そこで，所定濃度のＮＯｘ濃度の被測
定ガス中にセンサセルを設置し，該セルに電流計を接続
して，イオン電流の大きさを測定する。この状態で急激
（５ミリ秒以内）にＮＯｘ濃度を変動させると，酸素イ
オン電流も変動する。

【００２５】この状態を縦軸にセンサセル出力を，横軸
に時間をとると，後述する図３に示すごとき線図が得ら
れる。ここで，変動前のセンサセル出力ｄ１，変動後の
センサセル出力ｄ２との差Ｄとすると，センサセル出力
がｄ１＋０．６３Ｄとなる時刻ｔ１とＮＯｘ濃度を変動
させた時刻ｔ０との差がｔとなる。この値ｔをセンサセ
ルの応答時間とする。他のＯ₂セル，空燃比セルについ
ても同様の測定方法で応答時間を求めることができる。

【００２６】また，第３の発明において，各電気化学的
セルは複合ガスセンサ素子内の活性時間に対応した位置
に設ける。ここに活性時間とは，各セルが活性時間に到
達するに要する時間である。例えば，この発明にかかる
複合ガスセンサ素子が内燃機関の排気系に設置された際
に，内燃機関のコールドスタートから，複合ガスセンサ
素子に設けられた各セルよりそれぞれの出力が得られる
までの時間となる。また，例えば，複合ガスセンサ素子
に対しセラミックヒータが設けてある場合，ヒータへ通
電した時刻から，各セルよりそれぞれの出力が得られる
までの時間となる。

【００２７】そして，活性時間は各セルの周囲の温度に
依存し，より高い温度のところに設置されたセルは活性
時間が速くなる。また，活性時間は各セルの活性温度に
依存し，より低い活性温度のセルは活性時間が速くな
る。各セルの活性温度はセルの種類によって定まるが，
複合ガスセンサ素子の各部温度は被測定ガスが複合ガス
センサ素子内部に導入される際には，該被測定ガスの温
度，セラミックヒータが設けてある場合はヒータからの
伝熱距離によって定まる。そのため，あらかじめ複合ガ
スセンサ素子の各部温度を実使用環境下で測定する等し
て，各セルの活性時間に見合った箇所を求め，そこに各
電気化学的セルを配置するように複合ガスセンサ素子を
設計する。

【００２８】また，上記電気化学的セルは被測定ガス中
のＮＯｘ濃度を検出可能なセンサセルであり，該センサ
セルの活性時間は３０〜３００秒であることが好ましい
（請求項９）。また，上記電気化学的セルは限界電流式
の空燃比セルであり，該空燃比セルの活性時間は５〜２
０秒であることが好ましい（請求項１０）。

【００２９】上記いずれの場合においても，正確なＮＯ
ｘ濃度（請求項９の場合）を検知可能な素子を得ること
ができる。また，この複合ガスセンサ素子を内燃機関の
燃焼排気系に設置した場合に，該内燃機関の燃焼室にお
ける空燃比を正確に検知可能な（請求項１０の場合）素
子を得ることができる。

【００３０】また，センサセルの活性時間が３０秒未満
である場合は，センサセルを急速に昇温する必要があ
り，熱応力によって素子に割れや亀裂などが生じるおそ
れがある。また，３００秒を越えるとＮＯｘ触媒が活性
した後にセンサセルが活性することになり，エミッショ
ン不良となるおそれがある。

【００３１】また，空燃比セルの活性時間が５秒未満で
ある場合は，ヒータによって急速に空燃比セルを昇温さ
せる必要があり，熱応力により素子が割れたり，亀裂が
生じるおそれがある。３０秒を越えると内燃機関のスタ
ート時のエミッションを低減できず，エミッション不良
となるおそれがある。

【００３２】なお，上述した活性時間とは，センサセル
や空燃比セルが作動するまでの時間を示す。空燃比セル
の場合は，セルの部分の温度が素子の設置場所の温度か
ら６００℃に到達するまでの時間である。本発明の場合
は，インピーダンスが１００Ωとなるまでの時間であ
る。また，センサセルの場合は，温度が６５０℃に到達
するまでの時間である。本発明の場合はインピーダンス
が７０Ωとなるまでの時間である。

【００３３】また，第４の発明において，各電気化学的
セルは使用時に活性化温度に保持する位置であって，か
つ応答時間および活性時間に対応した位置に設ける。各
電気化学的セルをこのように配置することで，上述した
第１〜第３の発明の効果を得ることができる複合ガスセ
ンサ素子となる。

【００３４】また，第５の発明において，被測定ガス中
のＮＯｘ濃度を検出可能なセンサセルと，被測定ガス中
の空燃比を検出可能な限界電流式の空燃比セルと，これ
ら電気化学的セルに熱を付与する発熱体とを備え，上記
空燃比セルは上記センサセルよりも上記ヒータに近い位
置に設ける。上述のとおり，センサセルの活性時間は３
０〜３００秒であることが好ましいのに対し，空燃比セ
ルの活性時間は５〜２０秒であることが好ましい。そこ
で，センサセルよりも速く活性することが望まれる空燃
比セルを発熱体に近い位置に設ける。この構成により，
内燃機関のスタート時に発生するＨＣを削減するための
制御信号としての空燃比を早期に検出でき，エミッショ
ンを低減できる。

【００３５】

【実施例】以下に，図面を用いて本発明の実施例につい
て説明する。

【００３６】（実施例１）本例の複合ガスセンサ素子
は，複数の電気化学的セルを備え，各電気化学的セルを
使用時に活性化温度に保持する。以下，詳細に説明す
る。図１に示すごとく，本例の複合ガスセンサ素子１
は，自動車エンジンの排気系に設置され，排気ガス中の
ＮＯｘ濃度，排気ガス中の酸素濃度，排気ガス中の酸素
濃度からエンジン燃焼室における空燃比を検出する各種
の電気化学的セルを備えている。これらの電気化学的セ
ルは，センサセル４，Ｏ₂セル２，空燃比セル３であ
る。なお，空燃比セル３は被測定ガス室１２１に対する
酸素ポンピングを行うポンプセルも兼ねている。

【００３７】以下，詳細に説明する。本例の複合ガスセ
ンサ素子１は，図１に示すごとく，酸素イオン導電性の
ジルコニアセラミックよりなる固体電解質板１１，固体
電解質板１３，絶縁性のアルミナセラミックよりなるス
ペーサー１２，１４を積層し，ヒータ１９を一体的に設
けて構成する。

【００３８】スペーサー１２は第１及び第２の被測定ガ
ス室１２１，１２２及び両者間の被測定ガス通路１２３
を形成する。固体電解質板１３は第１基準ガス室１３０
を，スペーサー１４は第２基準ガス室１４０を形成す
る。ヒータ１９はアルミナセラミックよりなるヒータ基
板１９１と被覆基板１９２，両基板間に設けられた通電
により発熱する発熱体１９５よりなる。

【００３９】また，固体電解質板１１は第１被測定ガス
室１２１に連通するピンホール状の被測定ガス導入穴１
１０が設けてあり，該被測定ガス導入穴１１０及びＯ₂
セルの電極２１ともども保護層１１９により覆われてい
る。この複合ガスセンサ素子１において，被測定ガスは
保護層１１９を経由して第１被測定ガス室１２１に導入
され，ここから被測定ガス通路１２３をつたって，第２
被測定ガス室１２２へと導入される。

【００４０】Ｏ₂セル２は固体電解質板１１に設けた一
対の電極２１，２２よりなり，電極２１は保護層１１９
を介して複合ガスセンサ素子外部の被測定ガスにさらさ
れる。なお，保護層１１９は多孔質のセラミックで，被
測定ガスの導入を阻害しない。また，電極２２は第２基
準ガス室１４０に対面する。

【００４１】空燃比セル３は固体電解質板１３の両面に
設けた一対の電極３１，３２よりなり，電極３１は第１
被測定ガス室１２１，電極３２は第１基準ガス室１３０
に対面する。また，センサセル４は固体電解質板１１の
両面に設けた一対の電極４１，４２よりなり，電極４１
は第２被測定ガス室１２２と対面し，電極４２は第２基
準ガス室１４０と対面する。なお，電極２２と４１は同
一の電極が共用されている。

【００４２】また，第１，第２の被測定ガス室１２１，
１２２に面するものについては，電極２２，３１はＮＯ
ｘに対して不活性，電極４２はＮＯｘを窒素と酸素に分
解可能なＮＯｘ活性を持つ材料で構成する必要がある。

【００４３】また，Ｏ₂セル２には図示を電圧計２５１
を備えたＯ₂セル回路２５を接続し，Ｏ₂セル２が酸素濃
淡起電力式のセルとして機能する際の両電極２１，２２
の電位差を測定するよう構成する。この電位差が被測定
ガス中の酸素濃度となる。

【００４４】また，空燃比セル３は電源３５５と電流計
３５１を備えた空燃比セル回路３５が接続され，空燃比
セル３が限界電流式のセルとして機能する際に流れる電
流を測定する。この電流の大小はエンジン燃焼室（図示
は略する）の空燃比に対応しているため，この電流計の
値から空燃比を測定する。また，この空燃比セル３は酸
素をポンピングするため，第１被測定ガス室１２１，ま
たここに連通した第２の被測定ガス室１２２内の酸素濃
度を一定とする機能がある。

【００４５】また，上記センサセル４は電源４５５と電
流計４５１を備えたセンサセル回路４５が接続され，セ
ンサセル４の電極４２において主としてＮＯｘ分解より
生じた酸素イオンによる限界電流を測定する。この限界
電流からＮＯｘ濃度を測定する。

【００４６】上記複合ガスセンサ素子１において，各部
寸法は以下のとおり。図２（ｂ）に示すごとく，保護層
１１９からヒータ１９までの厚みＴ１，素子１の先端面
ａからＯ₂セル２の電極２１の先端側の端部ｂまでの長
さＴ２，電極２１の端部ｂから他方の端部ｃまでの幅が
Ｔ３，先端面ａから発熱体１９５の先端側の端部ｄまで
の幅がＴ４，センサセル４の電極４１の先端側の端部ｅ
から他方の端部ｅまでの幅がＴ５，端部ｄから端部ｅま
での幅がＴ６である。そして，Ｔ１＝２．３ミリ，Ｔ２
＝１ミリ，Ｔ３＝１．６ミリ，Ｔ４＝３．５ミリ，Ｔ５
＝２．８ミリ，Ｔ６＝５ミリである。

【００４７】また，複合ガスセンサ素子１をエンジン実
機に接続された排気管に搭載し，排気ガス温度４００℃
において，センサセルの中心温度が６８０℃となるよう
にヒータを作動して測定された固体電解質板１１の表面
における温度分布を図２（ａ）に記載した。なお，この
温度測定は，各セルの中心点に熱電対を設置して行っ
た。このように，Ｏ₂セル２の中心は５４０℃，センサ
セル４の中心は６８２℃のであることがわかった。

【００４８】本例の作用効果について説明する。本例の
Ｏ₂セル２，センサセル４は，図２（ａ）より知れるご
とく，エンジンの作動時に特定温度範囲に保持される。
この温度は，各セル２，４における活性化温度である。
活性化温度において，各セル２，４は正しい検出ができ
るため，本例の複合ガスセンサ素子１は排気ガス中の酸
素濃度，ＮＯｘ濃度，そしてエンジンの空燃比を正確に
測定することができる。

【００４９】このように，本例によれば，高精度の測定
が可能となる複合ガスセンサ素子を提供することができ
る。

【００５０】（実施例２）本例は，実施例１に示した構
造の複合ガスセンサ素子を用いて，各セルの温度と出力
との関係について測定した。なお，温度の測定方法につ
いては，実施例１と同様の方法で行った。まず，排気ガ
スの温度とＯ₂セルとセンサセルとの温度との関係を図
４に記載した。同図において，横軸が排気ガス温度，縦
軸が各セルの温度である。複合ガスセンサ素子は，通
常，素子温度を一定とするために，インピーダンス，ヒ
ータ抵抗といったものを検出し，該インピーダンス，ヒ
ータ抵抗を一定にするようにヒータを制御している。従
って，図４に示すごとく，センサセル及びＯ₂セルの温
度は，ヒータ制御を行うことで，排気ガスの温度にかか
わらずほぼ一定になる。が，同図より明らかであるが，
特にヒータ制御を行わない場合でも，排気ガス温度が３
００〜６００℃の範囲において，センサセルやＯ ₂セル
は所定の温度範囲に保たれる。

【００５１】図５にセンサセルの温度と該センサセルの
出力との関係を記載した。縦軸がセンサセル出力（図１
における電流計４５１での測定値）で，該センサセルの
測定が正しければ排気ガス中のＮＯｘ濃度に対応した値
となる。横軸がセンサセルの温度である。また，この測
定ではＮＯを５００ｐｐｍ含有する排気ガスを用いた。
また，同図に示した計算値とは，ＮＯ５００ｐｐｍの排
気ガスにおいて得られるセンサセル出力を計算によって
求めたものである。その結果，同図より明らかである
が，温度が６００℃〜８００℃までの間は，出力と計算
値がだいたい等しいが，それ以外の温度範囲では，計算
値から大きくはずれ，測定精度が悪化したことがわかっ
た。

【００５２】また，図６は同様にＯ₂セルの温度と該Ｏ₂
セルの出力との関係を記載した。測定に当たってλは
０．９に保持した。横軸がＯ₂セルの温度，縦軸がＯ₂セ
ルの出力である（図１における電圧計２５１での測定
値）。Ｏ₂セルの出力が０．７Ｖ以下の場合，Ｏ₂セルの
制御中心がリーン側にずれるおそれがある。理由とし
て，通常Ｏ₂セルの場合，制御電圧が０．４５〜０．６
Ｖである。この電圧を境にリッチ，リーンを切り替えて
いる。

【００５３】リッチ側（＝０．９）の出力が０．７Ｖ以
下の場合，リッチ側の電圧は制御電圧が０．５Ｖの場
合，０．５〜０．７Ｖ，リーン側は０．１〜０．５Ｖで
ある。この電圧領域がリーンに偏っているため，制御中
心がリーンにずれ，正確なストイキ検出（λ＝１）がで
きない。その結果，同図より知れるごとく，Ｏ₂セルの
温度が，３００〜６００℃であれば，およそ正しいλの
値がＯ₂セルの出力より得られることがわかった。

【００５４】また，図７は各セルの応答時間を測定した
結果で，排気ガスの温度を４００℃に，そしてエンジン
の燃焼状態をリッチ側（λ＝０．９）からリーン側（λ
＝１．１）に切り替え，各セルの出力が変化するまでの
遅延時間を測定した。その結果，Ｏ₂セルや空燃比セル
は切り替え後すぐにセンサの出力値が変わったが，セン
サセルはかなり時間が必要であることがわかった。

【００５５】また，図８は，測定において使用するエン
ジン実機を室温から作動させ，またこれと同時に複合ガ
スセンサ素子のヒータに通電した。この状態で空燃比セ
ルが６００℃に達するまでの時間，センサセルの温度が
６５０℃に達するまでの時間を測定し，記載した。その
結果，センサセルのほうが空燃比セルよりも活性時間が
かなり遅いことがわかった。

【００５６】以上の測定結果より，実施例１の構成によ
り，センサセル，Ｏ₂セルは実用上最適な温度となり，
センサ出力，応答性，活性時間が良好な複合センサとな
ることがわかった。

【００５７】（実施例３）本例は，図９に示すごとく，
固体電解質板１１にＯ₂セル２と空燃比セル３を設け，
固体電解質板１３にセンサセル４を設けた複合ガスセン
サ素子１である。

【００５８】そして，Ｏ₂セル２の電極２２と空燃比セ
ル３の電極３２は一枚の電極を共有して構成される。

【００５９】そして，保護層１１９からヒータ１９まで
の厚みＳ１，素子１の先端面ａからＯ₂セル２の電極２
１の先端側の端部ｂまでの長さＳ２，電極２１の端部ｂ
から他方の端部ｃまでの幅がＳ３，先端面ａから発熱体
１９５の先端側の端部ｄまでの幅がＳ４，センサセル４
の電極４１の先端側の端部ｅから他方の端部ｅまでの幅
がＳ５，端部ｄから端部ｅまでの幅がＳ６である。そし
て，Ｓ１＝２．３ミリ，Ｓ２＝１ミリ，Ｓ３＝１．６ミ
リ，Ｓ４＝３．５ミリ，Ｓ５＝２．８ミリ，Ｓ６＝５ミ
リである。

【００６０】また，実施例１と同様の条件で固体電解質
板１１上の温度を測定したところ，図９（ａ）に示すご
とき，温度プロファイルが得られた。また，各セル２〜
４の中心温度Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３はそれぞれ４９０
℃，５９０℃，６６０℃である。その他詳細な構成は実
施例１と同様であり，実施例１と同様の作用効果を有す
る。

【００６１】（実施例４）本例は，図１０に示すごと
く，固体電解質板１１にＯ₂セル２と空燃比セル３を設
け，固体電解質板１３にセンサセル４を設けた複合ガス
センサ素子１である。さらに，電極３２を補完する補
助電極３２１を固体電解質板１３に設けた。すなわち，
空燃比セル３は電極３１と第１の被測定ガス室１２１に
面する電極３２，３２１より構成される。なお，補助電
極３２１は被測定ガス室１２１の側面にも設けるが図示
は省略する。

【００６２】そして，保護層１１９からヒータ１９まで
の厚みＵ１，素子１の先端面ａからＯ₂セル２の電極２
１の先端側の端部ｂまでの長さＵ２，電極２１の端部ｂ
から他方の端部ｃまでの幅がＵ３，先端面ａから発熱体
１９５の先端側の端部ｄまでの幅がＵ４，センサセル４
の電極４１の先端側の端部ｅから他方の端部ｅまでの幅
がＵ５，端部ｄから端部ｅまでの幅がＵ６である。そし
て，Ｕ１＝２．３ミリ，Ｕ２＝１ミリ，Ｕ３＝１．６ミ
リ，Ｕ４＝３．５ミリ，Ｕ５＝２．８ミリ，Ｕ６＝５ミ
リである。

【００６３】補助電極３２１により空燃比センサセル３
の電極総面積が広くなり，従って酸素ポンプ能力が向上
する。空燃比センサセル３は，ＮＯｘセンサセル４の精
度向上のために，第１の被測定ガス室１２１から酸素を
くみ出すポンプセルとしての役割も果たしており，補助
電極３２１を用いて第１被測定ガス室１２１やこれと連
通する第２の被測定ガス室１２２の酸素量をいっそう減
らすことができる。よって，センサセル４ではＮＯｘ由
来の酸素イオン電流の検出が容易となって，測定精度が
向上する。その他詳細は実施例１と同様である。

【００６４】（実施例５）本例は，図１１に示すごと
く，固体電解質板１１にＯ₂セル２と空燃比セル３を設
け，固体電解質板１３にセンサセル４を設けた複合ガス
センサ素子１である。そして，Ｏ₂セル２の電極２２と
空燃比セル３の電極３２は一枚の電極を共有して構成さ
れる。また，本例のセンサセル４は，電極４１が固体電
解質板１１に，もう一つの電極４２は固体電解質板１３
に設けてある。その他の構造やＶ１〜Ｖ６の寸法は実施
例３と同様であり，作用効果についても同様である。

【００６５】（実施例６）本例は，図１２に示すごと
く，実施例１に記載した複合ガスセンサ素子１と同じ構
造の素子である。ただし，固体電解質板１１にピンホー
ル状の被測定ガス導入穴１１０を設けず，スペーサー１
２に対し素子１の先端面ａから横穴を設けて，そこから
被測定ガスを導入するよう構成した。その他の構造やＷ
１〜Ｗ６の寸法は実施例１と同様であり，作用効果につ
いても同様である。

【００６６】（実施例７）実施例３〜実施例６にかかる
各複合ガスセンサ素子について，各セルの温度や応答性
を測定し，表１に記載した。なお，測定方法などは実施
例１，実施例２と同様に行った。表１によれば，実施例
３〜６にかかる構成であれば，温度，応答性，活性時間
について，Ｏ₂セル，空燃比セル，センサセルはねらい
の値を満足することができる。

【００６７】

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における，複合ガスセンサ素子の説明
図。

【図２】実施例１における複合ガスセンサ素子の（ａ）
温度分布の説明図，（ｂ）各部寸法の説明図。

【図３】センサセル出力の時間変化についての線図。

【図４】実施例２における，排気ガス温度とＯ₂セル及
びセンサセルの温度を示す説明図。

【図５】実施例２における，センサセルの温度とセンサ
セル出力との関係を示す線図。

【図６】実施例２における，Ｏ₂セルの温度とＯ₂セル出
力との関係を示す線図。

【図７】実施例２における，各セルの温度と応答性との
関係を示す線図。

【図８】実施例２における，各セルの温度と活性時間を
示す線図。

【図９】実施例３における，複合ガスセンサ素子（ａ）
温度分布の説明図，（ｂ）各部寸法の説明図。

【図１０】実施例４における複合ガスセンサ素子の断面
説明図。

【図１１】実施例５における複合ガスセンサ素子の断面
説明図。

【図１２】実施例６における複合ガスセンサ素子の断面
説明図。

【符号の説明】

１．．．複合ガスセンサ素子，２．．．Ｏ₂セル，３．．．空燃比セル，４．．．センサセル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の電気化学的セルを備え，各電気化
学的セルは使用時に活性化温度に保持する位置に配置す
ることを特徴とする複合ガスセンサ素子。
【請求項２】請求項１において，上記電気化学的セル
は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出可能なセンサセルで
あり，該センサセルは使用時に活性化温度の６００〜８
００℃に保持する位置に配置することを特徴とする複合
ガスセンサ素子。
【請求項３】請求項１または２において，上記電気化
学的セルは被測定ガス中のＯ₂濃度を検出可能な酸素濃
淡起電力式のＯ₂セルであり，該Ｏ₂セルは使用時に活性
化温度の３５０〜６００℃に保持する位置に配置するこ
とを特徴とする複合ガスセンサ素子。
【請求項４】複数の電気化学的セルを備え，各電気化
学的セルは応答時間に対応した位置に配置することを特
徴とすることを特徴とする複合ガスセンサ素子。
【請求項５】請求項４において，上記電気化学的セル
は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出可能なセンサセルで
あり，該センサセルの応答時間は２秒以下であることを
特徴とする複合ガスセンサ素子。
【請求項６】請求項４または５において，上記電気化
学的セルは被測定ガス中のＯ₂濃度を検出可能な酸素濃
淡起電力式のＯ₂セルであり，該Ｏ₂セルの応答時間は１
５０ミリ秒以下であることを特徴とする複合ガスセンサ
素子。
【請求項７】請求項４〜６のいずれか１項において，
上記電気化学的セルは限界電流式の空燃比セルであり，
該空燃比セルの応答時間は２００ミリ秒以下であること
を特徴とする複合ガスセンサ素子。
【請求項８】複数の電気化学的セルを備え，各電気化
学的セルは活性時間に対応した位置に配置することを特
徴とする複合ガスセンサ素子。
【請求項９】請求項８において，上記電気化学的セル
は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出可能なセンサセルで
あり，該センサセルの活性時間は３０〜３００秒である
ことを特徴とする複合ガスセンサ素子。
【請求項１０】請求項８または９において，上記電気
化学的セルは限界電流式の空燃比セルであり，該空燃比
セルの活性時間は５〜２０秒であることを特徴とする複
合ガスセンサ素子。
【請求項１１】複数の電気化学的セルを備え，各電気
化学的セルは使用時に活性化温度に保持する位置であっ
て，かつ応答時間および活性時間に対応した位置に配置
することを特徴とする複合ガスセンサ素子。
【請求項１２】被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出可能
なセンサセルと，被測定ガス中の空燃比を検出可能な限
界電流式の空燃比セルと，これら電気化学的セルに熱を
付与する発熱体とを備え，上記空燃比セルは上記センサ
セルよりも上記発熱体に近い位置に配置されていること
を特徴とする複合ガスセンサ素子。