JP2009222561A - ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】応答性に優れた測定精度の高いガスセンサ素子を提供すること。
【解決手段】ガスセンサ素子１は、被測定ガスを導入する被測定ガス室１１と、被測定ガス室１１に所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを導入するための拡散抵抗部１２と、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセル３と、被測定ガス室１１における酸素濃度を調整する酸素ポンプセル２とを有する。センサセル３は、第１固体電解質体５１と被測定ガス室１１に面する測定電極３１とこれと対をなす基準電極３２とを有する。酸素ポンプセル２は、第２固体電解質体５２と被測定ガス室１１に面する内部ポンプ電極２１とこれと対をなす外部ポンプ電極２２とを有する。拡散抵抗部１２は被測定ガス室１１から積層方向Ｚに直交する方向に形成されている。被測定ガス室１１における内部ポンプ電極２１の外側端部２１１よりも内側に測定電極３１が配設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、被測定ガス室に導入された被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセルと、上記被測定ガス室における酸素濃度を調整する酸素ポンプセルとを有するガスセンサ素子に関する。

例えば、自動車の排気系には、排気ガス中における窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度など、被測定ガス中における特定ガス濃度を測定するためのガスセンサが設置されている。
かかるガスセンサに用いるガスセンサ素子として、例えば図２６に示すごとく、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセル９３と、被測定ガス室９１における酸素濃度を調整する酸素ポンプセル９２とを有するガスセンサ素子９が開示されている（特許文献１）。

このガスセンサ素子９は、被測定ガス中に含まれる酸素の影響によって、本来測定したい特定ガスの濃度を正確に測ることが困難となることがあることに鑑み、酸素ポンプセル９２によって、被測定ガス室９１における酸素濃度を調整して、その影響を抑制しようとするものである。

具体的には、上記ガスセンサ素子９は、図２６に示すごとく、第１の拡散律速通路９６１を通じて被測定ガスを導入する第１の内部空所９１１と、第２の拡散律速通路９６２を通じて第１の内部空所９１１と連結された第２の内部空所９１２とを、複数の固体電解質体９５の間に有する。
そして、第２の内部空所９１２にセンサセル９３の測定電極９３１が配設され、第１の内部空所９１１に酸素ポンプセル９２の内部ポンプ電極９２１が配設されている。また、上記測定電極９３１と対をなす電極である基準電極９３２が、大気を導入する基準ガス室９１３に配設されている。また、上記内部ポンプ電極９２１と対をなす外部ポンプ電極９２２が、ガスセンサ素子９の外部に設けてある。
また、第１の内部空所９１１には、第１の内部空所９１１における酸素濃度を検出するための酸素モニタセル９４の内部モニタ電極９４１が配設されている。そして、酸素モニタセル９４は、この内部モニタ電極９４１と上記基準電極９３２とによって構成され、両者間に生じる起電力によって、第１の内部空所９１１における酸素濃度を検出している。

上記の構成によって、第１の拡散律速通路９６１を通じて第１内部空所９１１に導入された被測定ガスにおける酸素を酸素ポンプセル９２によって外部へ汲み出し、被測定ガス中の酸素濃度を低くする。そして、酸素濃度が低くなった被測定ガスは、第２の拡散律速通路９６２を通じて第２の内部空所９１２へ導かれる。第２の内部空所９１２に測定電極９３１が設けられたセンサセル９３によって、被測定ガスにおける特定ガス濃度を測定する。このとき、被測定ガスにおける酸素濃度は充分に低いため、酸素濃度の影響を小さくして、特定ガス濃度の測定誤差を抑制する。

また、酸素モニタセル９４によって、第１の内部空所９１１における被測定ガス中の酸素濃度をモニタリングしておき、その測定値に応じて、酸素ポンプセル９２の出力を変化させて、酸素のポンピング能力を変化させる。これにより、第１の内部空所９１１に導入された被測定ガス中の酸素濃度を一定に保つようにしている。

特開平８−２７１４７６号公報

しかしながら、上記従来のガスセンサ素子９においては、以下の問題がある。
すなわち、上記ガスセンサ素子９における被測定ガス室９１は、第１の内部空所９１１と第２の内部空所９１２とに分かれ、ガスセンサ素子９の長手方向Ｙに並べて配置してある。そして、被測定ガスを導入する第１の拡散律速通路９６１は、第１の内部空所９１１における第２の内部空所９１２と反対側の端部に、積層方向Ｚに形成されている。そのため、第１の拡散律速通路９６１から導入された被測定ガスが、第２の内部空所９６２におけるセンサセル９３の測定電極９３１に達するまでの距離が長い。それ故、ガスセンサ素子９の応答性が低下するという問題がある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、応答性に優れた測定精度の高いガスセンサ素子を提供しようとするものである。

本発明は、酸素イオン伝導性を有する第１固体電解質体及び第２固体電解質体の間に形成され、被測定ガスを導入する被測定ガス室と、
該被測定ガス室に所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを導入するための拡散抵抗部と、
上記被測定ガス室に導入された被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセルと、
上記被測定ガス室における酸素濃度を調整する酸素ポンプセルとを有し、
上記センサセルは、上記第１固体電解質体と、上記被測定ガス室に面して上記第１固体電解質体の表面に設けられた測定電極と、該測定電極と対をなすように上記第１固体電解質体の表面に設けられた基準電極とを有し、
上記酸素ポンプセルは、上記第２固体電解質体と、上記被測定ガス室に面して上記第２固体電解質体の表面に設けた内部ポンプ電極と、該内部ポンプ電極と対をなすように上記第２固体電解質体の表面に設けられた外部ポンプ電極とを有し、
上記拡散抵抗部は、上記被測定ガス室から、上記第１固体電解質体と上記第２固体電解質体との積層方向に直交する方向に形成されており、
上記被測定ガス室における、上記内部ポンプ電極の外側端部よりも内側に、上記測定電極が配設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）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記拡散抵抗部は、上記被測定ガス室から、上記第１固体電解質体と上記第２固体電解質体との積層方向に直交する方向に形成されている。これにより、拡散抵抗部の外側端部すなわち被測定ガスの導入口から上記測定電極までの距離を短くすることができ、ガスセンサ素子の応答性を向上させることができる。

また、上記被測定ガス室における、上記内部ポンプ電極の外側端部よりも内側に、上記測定電極が配設されている。そのため、被測定ガスが測定電極に到達する前に、酸素ポンプセルによって被測定ガス中の酸素濃度を調整することができる。それ故、ガスセンサ素子の測定精度を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、応答性に優れた測定精度の高いガスセンサ素子を提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記特定ガスとしては、例えば、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等がある。
また、上記ガスセンサ素子は、例えば自動車エンジン等の内燃機関における排気系に配置して用いることができる。

また、上記拡散抵抗部と上記内部ポンプ電極とは、互いに積層方向に隣接して配設されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、被測定ガスは、拡散抵抗部を通過して被測定ガス室に導入されるまでの間に、充分に内部ポンプ電極に接触することとなる。それ故、この間に、酸素ポンプセルによって酸素を充分にポンピングして、被測定ガス中の酸素濃度を充分に調整することができる。

また、上記拡散抵抗部は、上記ガスセンサ素子の長手方向にも直交する方向に形成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、特に、拡散抵抗部の外側端部すなわち被測定ガスの導入口から上記測定電極までの距離を短くしやすく、ガスセンサ素子の応答性を一層向上させることができる。

また、上記測定電極は、上記内部ポンプ電極の内側端部よりも内側に配設されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記酸素ポンプセルによって酸素濃度を充分に調整した後の被測定ガスを上記測定電極に供給できるため、特定ガス濃度の測定精度を向上させることができる。

また、上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガス室における酸素濃度を測定する酸素モニタセルを設けてなり、該酸素モニタセルは、上記第１固体電解質体と、上記被測定ガス室に面して上記第１固体電解質体の表面に設けられた内部モニタ電極と、該内部モニタ電極と対をなすように上記第１固体電解質体の表面に設けられた外部モニタ電極とからなり、上記内部モニタ電極は、上記内部ポンプ電極の外側端部よりも内側に配設されていることが好ましい（請求項５）。

この場合には、被測定ガス室における酸素濃度を正確に把握して、酸素ポンプセルの制御にフィードバックしたり、センサセルによる測定値の補正をしたりすることにより、測定精度を向上させることができる。また、上記内部モニタ電極は、上記内部ポンプ電極の外側端部よりも内側に配設されているため、酸素ポンプセルによって酸素濃度を調整した後の被測定ガス中の酸素濃度を、酸素モニタセルによって正確に測定することができる。
特に、拡散抵抗部の外側端部と測定電極との間の距離を小さくして応答性を向上させようとすると、内部ポンプ電極の幅が小さくなり、酸素ポンピング能力を充分に確保することが困難となるおそれがある。それ故、酸素モニタセルを設けることにより、被測定ガス室における酸素濃度の変動を抑制したり、測定値を補正したりして、特定ガス濃度の検出制度を担保することができる。

また、上記内部モニタ電極は、上記内部ポンプ電極の内側端部よりも内側に配設されていることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記酸素ポンプセルによって酸素濃度を充分に調整した後の被測定ガスを上記内部モニタ電極に供給できるため、酸素濃度の測定精度を向上させることができる。

また、上記ガスセンサ素子は、上記酸素モニタセルにおける酸素濃度の検出信号に基づき、上記酸素ポンプセルへの印加電圧を制御するよう構成してあることが好ましい（請求項７）。
この場合には、被測定ガス室における酸素濃度を一定に保つことが容易となる。特に、拡散抵抗部の外側端部と測定電極との間の距離を小さくして応答性を向上させようとすると、内部ポンプ電極の幅が小さくなり、酸素ポンピング能力を充分に確保することが困難となるおそれがある。そこで、酸素モニタセルによって被測定ガス室における酸素濃度をモニタリングするとともにその検出信号を酸素ポンプセルへフィードバックすることにより、酸素濃度の調整を容易にすることができる。

また、上記センサセルは、上記測定電極と上記基準電極との間に所定の電圧を印加したときに上記被測定ガス中の特定ガス濃度及び酸素濃度に起因して電流が流れるよう構成され、上記酸素モニタセルは、上記内部モニタ電極と上記外部モニタ電極との間に所定の電圧を印加したときに上記被測定ガス中の酸素濃度に起因して電流が流れるよう構成され、上記センサセルに流れる電流値と上記酸素モニタセルに流れる電流値との差によって、上記特定ガス濃度を検出するよう構成されていることが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記センサセルにおける特定ガス濃度の測定値を補正して、正確な測定値を得ることができる。

また、上記拡散抵抗部は、少なくとも一部を多孔質体によって構成していることが好ましい（請求項９）。
この場合には、上記拡散抵抗部における拡散抵抗を調整することが容易となる。

また、上記測定電極と上記内部ポンプ電極との間に、上記被測定ガスの拡散抵抗となる内部拡散抵抗部が配設されていることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、酸素ポンプセルによって充分に酸素濃度を調整した後の被測定ガスを上記測定電極に供給することができ、特定ガス濃度の測定精度を向上させることができる。

また、上記拡散抵抗部の外側端部と上記測定電極との間の最短距離は、１〜３ｍｍであることが好ましい（請求項１１）。
この場合には、応答性を充分に向上させることができると共に測定精度を充分確保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。
上記最短距離が１ｍｍ未満の場合には、酸素ポンプセルによる酸素濃度調整が不充分となり、測定精度を向上させることが困難となるおそれがある。一方、上記最短距離が３ｍｍを超える場合には、応答性を充分に向上させることが困難となるおそれがある。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるガスセンサ素子につき、図１〜図４を用いて説明する。
本例のガスセンサ素子１は、図１、図２に示すごとく、酸素イオン伝導性を有する第１固体電解質体５１及び第２固体電解質体５２の間に形成され、被測定ガスを導入する被測定ガス室１１と、該被測定ガス室１１に所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを導入するための拡散抵抗部１２とを有する。

また、ガスセンサ素子１は、被測定ガス室１１に導入された被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセル３と、被測定ガス室１１における酸素濃度を調整する酸素ポンプセル２と、被測定ガス室１１における酸素濃度を測定する酸素モニタセル４とを有する。

センサセル３は、第１固体電解質体５１と、被測定ガス室１１に面して上記第１固体電解質体５１の表面に設けられた測定電極３１と、該測定電極３１と対をなすように第１固体電解質体５１の表面に設けられた基準電極３２とを有する。

酸素ポンプセル２は、第２固体電解質体５２と、被測定ガス室１１に面して第２固体電解質体５２の表面に設けた内部ポンプ電極２１と、該内部ポンプ電極２１と対をなすように第２固体電解質体５２の表面に設けられた外部ポンプ電極２２とを有する。
酸素モニタセル４は、第１固体電解質体５１と、被測定ガス室１１に面して第１固体電解質体５１の表面に設けられた内部モニタ電極４１と、該内部モニタ電極４１と対をなすように第１固体電解質体５１の表面に設けられた外部モニタ電極４２とからなる。
拡散抵抗部１２は、被測定ガス室１１から、第１固体電解質体５１と第２固体電解質体５２との積層方向Ｚに直交する方向に形成されている。

図３に示すごとく、被測定ガス室１１における、内部ポンプ電極２１の外側端部２１１よりも内側に、測定電極３１が配設されている。また、内部モニタ電極４１も、内部ポンプ電極２１の外側端部２１１よりも内側に配設されている。
更に、本例においては、測定電極３１及び内部モニタ電極４１は、内部ポンプ電極２１の内側端部２１２よりも内側に配設されている。

ガスセンサ素子１は、図１、図２に示すごとく、第１固体電解質体５１と第２固体電解質体５２は、両者の間に上記被測定ガス室１１を形成するためのスペーサ１３０を介して積層されている。
また、第１固体電解質体５１における被測定ガス室１１と反対側の面には、第１基準ガス空間１０１を形成するためのスペーサ１３１を介して被覆板１４が積層されている。
また、第２固体電解質体５２における被測定ガス室１１と反対側の面には、第２基準ガス空間１０２を形成するためのスペーサ１３２を介して、酸素ポンプセル２、センサセル３、及び酸素モニタセル４を加熱するためのセラミックヒータ１５が積層されている。

センサセル３における基準電極３２と酸素モニタセル４における外部モニタ電極４２は、一体化された一つの電極によって構成され、この一つの電極が基準電極３２及び外部モニタ電極４２として機能する。そして、基準電極３２及び外部モニタ電極４２は、第１固体電解質体５１における、測定電極３１及び内部モニタ電極４１と反対側の面に形成され、第１基準ガス空間１０１に面して配設されている。
また、酸素ポンプセル２の外部ポンプ電極２２は、第２固体電解質体５２における、内部ポンプ電極２１と反対側の面に形成され、第２基準ガス空間１０２に面して配設されている。

測定電極３１と内部モニタ電極４１とは、互いにガスセンサ素子１の長手方向Ｙに沿って所定の間隔を設けて配置している。また、内部ポンプ電極２１は、図３に示すごとく、平面視において、測定電極３１及び内部モニタ電極４１とを全周から囲むように形成されている。

図２に示すごとく、拡散抵抗部１２と内部ポンプ電極２１とは、互いに積層方向Ｚに隣接して配設されている。拡散抵抗部１２は、被測定ガス室１１における積層方向Ｚ及び長手方向Ｙに直交する幅方向Ｘの両端に一対形成されている。本例においては、拡散抵抗部１２は、アルミナ等のセラミックからなる多孔質体によって構成されている。そして、拡散抵抗部１２は、内部ポンプ電極２１と第１固体電解質体５１との間に介設され、内部ポンプ電極２１の一部と積層方向Ｚに重なっている。

拡散抵抗部１２の外側端部１２１と測定電極３１との間の最短の距離Ｓは、１〜３ｍｍである。
第１固体電解質体５１及び第２固体電解質体５２は、それぞれジルコニアやセリア等を主成分としている。また、スペーサ１３０、１３１、１３２は、アルミナを主成分としてなる。

また、センサセル３の測定電極３１及び基準電極３２は、図４に示すごとく、電源７３１及び電流計７３２を備えたセンサ回路７３０に接続されている。
また、測定電極３１及び基準電極３２は、電極内部へのガス拡散、及び測定電極３１と第１固体電解質体５１との間での反応を促進することができる多孔質の電極とするために、Ｐｔを主成分とした金属成分とジルコニアを主成分とするセラミック成分とを含有するサーメット材料からなる。そして、金属成分とセラミック成分との総重量に対するセラミック成分の含有量は、例えば、１０〜２０重量％とすることができる。

また、測定電極３１は、窒素酸化物（ＮＯｘ）に対して活性なＰｔ−Ｒｈ電極よりなる。そして、その金属成分の総重量に対するＲｈの含有量を、例えば、１０〜５０重量％とすることができる。

酸素ポンプセル２の内部ポンプ電極２１及び外部ポンプ電極２２は、図４に示すごとく、電源７２１を備えたポンプ回路７２０に接続されている。
また、内部ポンプ電極２１及び外部ポンプ電極２２も、センサセル３の測定電極３１及び基準電極３２と同様、Ｐｔを主成分とした金属成分とジルコニアを主成分とするセラミック成分とを含有するサーメット材料からなる。そして、金属成分とセラミック成分との総重量に対するセラミック成分の含有量は、例えば、１０〜２０重量％とすることができる。

また、内部ポンプ電極２１は、窒素酸化物に対して不活性なＰｔ−Ａｕ電極よりなる。そして、その金属成分の総重量に対するＡｕの含有量を、例えば、１〜１０重量％とすることができる。

酸素モニタセル４の内部モニタ電極４１及び外部モニタ電極４２は、図４に示すごとく、電源７４１及び電流計７４２を備えたモニタ回路７４０に接続されている。
内部モニタ電極４１及び外部モニタ電極４２も、センサセル３の測定電極３１及び基準電極３２と同様、Ｐｔを主成分とした金属成分とジルコニアを主成分とするセラミック成分とを含有するサーメット材料からなる。そして、金属成分とセラミック成分との総重量に対するセラミック成分の含有量は、例えば、１０〜２０重量％とすることができる。

また、内部モニタ電極４１は、窒素酸化物に対して不活性なＰｔ−Ａｕ電極よりなる。そして、その金属成分の総重量に対するＡｕの含有量を、例えば、１〜１０重量％とすることができる。

また、酸素モニタセル４は、図４に示すごとく、電流計７４２から酸素ポンプセル２へとフィードバックするフィードバック回路７５０を有し、酸素ポンプセル２の動作を制御することができるよう構成されている。すなわち、例えば、電流計７４２において測定された電流値が所定値を超えたとき、酸素ポンプセル２に印加する電源７２１の電圧を上げて、被測定ガス室１１から第２基準ガス空間１０２へ向かう酸素のポンピング能力を向上させる制御を行う。

なお、測定電極３１、基準電極３２（外部モニタ電極４２）、内部モニタ電極４１、内部ポンプ電極２１、及び外部ポンプ電極２２は、導電性のリード部及びスルーホールを介して、外部の端子部に電気的に接続されている（図示略）。

セラミックヒータ１５は、図１、図２に示すごとく、ヒータ基板１５１と該ヒータ基板１５１上に設けた発熱体１５０と該発熱体１５０を覆う絶縁層１５２とよりなる。
また、セラミックヒータ１５は、アルミナよりなるシートに、通電発熱する発熱体１５０及びこれに通電するためのリード部１５３をパターニング形成すると共に、発熱体１５０に絶縁層１５２を隣接配置してなる。この発熱体１５０には、例えば、Ｐｔとアルミナ等のセラミックとからなるサーメット材料が用いられる。

上記セラミックヒータ１５は、発熱体１５０を外部からの給電により発熱させ、酸素ポンプセル２、センサセル３、及び酸素モニタセル４を活性温度まで加熱するものである。
発熱体１５０に対する給電は、発熱体１５０に一体的に形成されたリード部１５３と、スルーホール（図示略）と、端子部（図示略）とを介して行われる。

なお、第１固体電解質体５１、第２固体電解質体５２、スペーサ１３０、１３１、１３２、被覆板１４、絶縁層１５２及びヒータ基板１５１は、ドクターブレード法や押し出し成形法等によりシート状体として形成することができる。
また、測定電極３１、基準電極３２、内部モニタ電極４１、外部モニタ電極４２、内部ポンプ電極２１、外部ポンプ電極２２は、それぞれ、スクリーン印刷等によって形成することができる。
また、拡散抵抗部１２を構成する多孔質体も、スクリーン印刷等によって形成することができる。
また、ガスセンサ素子１は、上記各電極等を適宜形成した後のセラミックシートを積層し焼成して一体化することにより形成することができる。

次に、本例のガスセンサ素子１の動作原理につき説明する。
まず、被測定ガスは、所定の拡散抵抗の下に拡散抵抗部１２を通過して、被測定ガス室１１に導入される。導入される被測定ガス量は、拡散抵抗部１２の拡散抵抗により決定される。被測定ガスが酸素ポンプセル２の内部ポンプ電極２１の表面を通過する際に、被測定ガス中における酸素濃度を酸素ポンプセル２によって調整される。

すなわち、酸素ポンプセル２の一対の電極に、外部ポンプ電極２２が正極となるように電圧を印加すると、内部ポンプ電極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第２基準ガス空間１０２側の外部ポンプ電極２２に排出される。逆に、内部ポンプ電極２１が正極となるように電圧を印加すると、外部ポンプ電極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被測定ガス室１１側の内部ポンプ電極２１に排出される。すなわち、酸素ポンプセル２は、一対の電極間に電圧をかけることにより被測定ガス室１１における酸素の出し入れを行い、被測定ガス室１１における酸素濃度を調整するよう構成されている。
特に、拡散抵抗部１２を通過する際に、被測定ガスは内部ポンプ電極２１と接触しやすく、酸素濃度の調整が行われやすい。

次に、内部ポンプ電極２１を通過した被測定ガスは、センサセル３の測定電極３１及び酸素モニタセル４の内部モニタ電極４１に到達する。
酸素モニタセル４の一対の電極に、第１基準ガス空間１０１側の外部モニタ電極４２が正極となるように所定の電圧（例えば、０．４０Ｖ）を印加すると、被測定ガス室１１側の内部モニタ電極４１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第１基準ガス空間１０１側の外部モニタ電極４２側に排出され、酸素イオン電流が流れる。

ここで、内部モニタ電極４１は、窒素酸化物の分解に不活性なＰｔ−Ａｕからなるサーメット電極であるため、酸素モニタセル４に流れる酸素イオン電流は、被測定ガス中の酸素量に依存し、窒素酸化物量には依存しない。そのため、この酸素モニタセル４に流れた電流値を検出することにより被測定ガス室１１の酸素濃度を検出することができる。

更に、本例のガスセンサ素子１は、検出された酸素モニタセル４の電流値を基に、被測定ガス室１１における酸素濃度が所望の一定値になるように、フィードバック回路７５０を介して酸素ポンプセル２を制御することができるよう構成されている。即ち、酸素モニタセル４の電流値が所望の一定の値（例えば、０．２μＡ）になるように、酸素モニタセル４の信号により酸素ポンプセル３への印加電圧を制御すれば、被測定ガス室１１の酸素濃度を一定に制御することができる。

また、センサセル３に、第１基準ガス空間１０１側の基準電極３２が正極となるように所定の電圧（例えば、０．４０Ｖ）を印加する。上記のごとく、測定電極３１は、窒素酸化物の分解に活性なＰｔ−Ｒｈのサーメット電極であるため、測定電極３１上で被測定ガス室１１の被測定ガス中の酸素及び窒素酸化物が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により第１基準ガス空間１０１側の基準電極３２に排出されて、測定電極３１と基準電極３２との間に電流が流れる。この電流は、被測定ガス中のＮＯｘ及び酸素の濃度に起因する電流である。

一方、上記のごとく、酸素モニタセル４に流れる電流は、被測定ガス室１１中の酸素濃度に起因する電流である。そこで、センサセル３に流れる電流値と酸素モニタセル４に流れる電流値との差によって、ＮＯｘ濃度を検出することができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記拡散抵抗部１２は、被測定ガス室１１から、第１固体電解質体５１と第２固体電解質体５２との積層方向Ｚに直交する方向に形成されている。これにより、拡散抵抗部１２の外側端部１２１すなわち被測定ガスの導入口から測定電極３１までの距離Ｓを短くすることができ、ガスセンサ素子１の応答性を向上させることができる。

特に本例においては、拡散抵抗部１２が、ガスセンサ素子１の長手方向Ｙにも直交する幅方向Ｘに形成されているため、拡散抵抗部１２の外側端部１２１すなわち被測定ガスの導入口から測定電極３１までの距離Ｓを短くしやすく、ガスセンサ素子１の応答性を一層向上させることができる。

また、被測定ガス室１１における、内部ポンプ電極２１の外側端部２１１よりも内側に、測定電極３１が配設されている。そのため、被測定ガスが測定電極３１に到達する前に、酸素ポンプセル２によって被測定ガス中の酸素濃度を調整することができる。それ故、ガスセンサ素子１の測定精度を向上させることができる。
特に本例においては、測定電極３１が、内部ポンプ電極２１の内側端部２１２よりも内側に配設されているため、酸素ポンプセル２によって酸素濃度を充分に調整した後の被測定ガスを測定電極３１に供給でき、特定ガス濃度の測定精度を向上させることができる。

また、拡散抵抗部１２と内部ポンプ電極２１とは、互いに積層方向に隣接して配設されている。そのため、被測定ガスは、拡散抵抗部１２を通過して被測定ガス室１１に導入されるまでの間に、充分に内部ポンプ電極２１に接触することとなる。それ故、この間に、酸素ポンプセル２によって酸素を充分にポンピングして、被測定ガス中の酸素濃度を充分に調整することができる。

また、ガスセンサ素子１は酸素モニタセル４を設けてなるため、被測定ガス室１１における酸素濃度を正確に把握して、酸素ポンプセル２の制御にフィードバックしたり、センサセル３による測定値の補正をしたりすることにより、測定精度を向上させることができる。また、内部モニタ電極４１は、内部ポンプ電極２１の外側端部２１１よりも内側に配設されているため、酸素ポンプセル２によって酸素濃度を調整した後の被測定ガス中の酸素濃度を、酸素モニタセル２によって正確に測定することができる。

特に、拡散抵抗部１２の外側端部１２１と測定電極３１との間の距離Ｓを小さくして応答性を向上させようとすると、内部ポンプ電極２１の幅が小さくなり、酸素ポンピング能力を充分に確保することが困難となるおそれがある。それ故、酸素モニタセル４を設けることにより、被測定ガス室１１における酸素濃度の変動を抑制したり、測定値を補正したりして、特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の検出制度を担保することができる。

更に本例においては、内部モニタ電極４１は、内部ポンプ電極２１の内側端部２１２よりも内側に配設されている。それ故、酸素ポンプセル２によって酸素濃度を充分に調整した後の被測定ガスを内部モニタ電極４１に供給できるため、酸素濃度の測定精度を向上させることができる。

また、ガスセンサ素子１は、酸素モニタセル４における酸素濃度の検出信号に基づき、酸素ポンプセル２への印加電圧を制御するよう構成してある。そのため、被測定ガス室１１における酸素濃度を一定に保つことが容易となる。特に、拡散抵抗部１２の外側端部１２１と測定電極３１との間の距離Ｓを小さくして応答性を向上させようとすると、内部ポンプ電極２１の幅Ｗが小さくなり、酸素ポンピング能力を充分に確保することが困難となるおそれがある。そこで、酸素モニタセル４によって被測定ガス室１１における酸素濃度をモニタリングするとともにその検出信号を酸素ポンプセル２へフィードバックすることにより、酸素濃度の調整を容易にすることができる。

また、酸素モニタセル４は、内部モニタ電極４１と外部モニタ電極４２との間に所定の電圧を印加したときに被測定ガス中の酸素濃度に起因して電流が流れるよう構成され、センサセル３に流れる電流値と酸素モニタセル４に流れる電流値との差によって、特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）を検出するよう構成されている。これにより、センサセル３における特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の測定値を補正して、正確な測定値を得ることができる。

また、拡散抵抗部１２は多孔質体によって構成されているため、拡散抵抗を調整することが容易となる。
また、拡散抵抗部１２の外側端部１２１と測定電極３１との間の最短の距離Ｓは、１〜３ｍｍであるため、応答性を充分に向上させることができると共に測定精度を充分確保することができるガスセンサ素子１を提供することができる。

以上のごとく、本例によれば、応答性に優れた測定精度の高いガスセンサ素子を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図５〜図７に示すごとく、拡散抵抗部１２をスリットによって構成した例である。すなわち、実施例１のように、拡散抵抗部１２を多孔質体によって構成するのではなく、隙間を小さくしたスリットによって構成した。このスリットは、所望の拡散抵抗が得られるように、積層方向Ｚの厚みを適宜調整したものであり、この厚みは例えば５〜５０μｍとすることができる。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、多孔質体を形成する工程が不要となるため、製造コストの低減を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図８〜図１０に示すごとく、測定電極３１と内部ポンプ電極２１との間に、被測定ガスの拡散抵抗となる内部拡散抵抗部１２０を配設した例である。
内部拡散抵抗部１２０は、アルミナ等のセラミックからなる多孔質体によって構成され、測定電極３１及び酸素モニタ電極を覆うように形成されている。また、内部拡散抵抗部１２０は、内部ポンプ電極２１の内側端部２１２よりも内側に配設されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、酸素ポンプセル２によって充分に酸素濃度を調整した後の被測定ガスを測定電極３１に供給することができ、特定ガス濃度の測定精度を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図１１〜図１３に示すごとく、拡散抵抗部１２を、被測定ガス室１１の全体に配設した例である。
本例のガスセンサ素子１においては、第２固体電解質体５２における被測定ガス室１１に面する表面全体に内部ポンプ電極２１を形成している。そして、この内部ポンプ電極２１と、測定電極３１及び内部モニタ電極４１とを覆うように、被測定ガス室１１の全体に、拡散抵抗部１２が形成されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、酸素ポンプセル２による被測定ガス室１１内の酸素濃度の調整を行いやすい。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図１４〜図１６に示すごとく、被測定ガス室１１を、積層方向Ｚに二つに分割した例である。
すなわち、被測定ガス室１１は、互いに絞り部１１３を介して連通した第１被測定ガス室１１１と第２被測定ガス室１１２とからなる。第１被測定ガス室１１１には内部ポンプ電極２１が面しており、第２被測定ガス室１１２には測定電極３１及び内部モニタ電極４１が面している。また、内部ポンプ電極２１は、第１被測定ガス室１１１に面する第２固体電解質体５２の表面の全面に形成されている。

また、第１固体電解質体５１と第２固体電解質体５２との間に形成されたスペーサ１３０は、繰り抜き部の形状の異なる３層のセラミック層１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃからなる。セラミック層１３０ａの繰り抜き部によって第１被測定ガス室１１１が形成され、セラミック層１３０ｂの繰り抜き部によって絞り部１１３が形成され、セラミック層１３０ｃの繰り抜き部によって第２被測定ガス室１１２が形成される。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、被測定ガスは、拡散抵抗部１２から第１被測定ガス室１１１へ導入され、ここで酸素ポンプセル２によって酸素濃度を調整される。その後、被測定ガスは、絞り部１１３を通過して第２被測定ガス室１１２へ移動し、ここでセンサセル３によって特定ガス濃度が検出されると共に、酸素モニタセル４によって酸素濃度が検出される。
それゆえ、より測定精度に優れたガスセンサ素子１を得ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図１７〜図１９に示すごとく、実施例１〜５において示した酸素モニタセル４（図１〜図４等参照）を設けていないガスセンサ素子１の例である。
この場合には、酸素ポンプセル２によって、被測定ガス室１１における酸素を充分に排出し、センサセル３による特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の検出に影響を与えない程度に、酸素濃度を充分に低減させる。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、ガスセンサ素子１の構成を簡単にして、製造容易かつ安価なガスセンサ素子１を得ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例７）
本例は、図２０〜図２２に示すごとく、ガスセンサ素子１の先端部に拡散抵抗部１２を設けた例である。
すなわち、被測定ガス室１１から、ガスセンサ素子１の長手方向Ｙの先端側に向かって拡散抵抗部１２が形成されている。
また、図２１、図２２に示すごとく、センサセル３の測定電極３１と、酸素モニタセル４の内部モニタ電極４１とは、幅方向Ｘに並列して配置されている。
その他は、実施例１と同様である。

ガスセンサ素子１において、センサセル３は通常先端部付近に設けられる。それ故、ガスセンサ素子１の長手方向Ｙの先端部に拡散抵抗部１２を設けることによっても、拡散抵抗部１２の外側端部１２１すなわち被測定ガスの導入口と測定電極３１との距離Ｓを充分に小さくすることが可能である。

また、上記のごとく、測定電極３１と内部モニタ電極４１とを、幅方向Ｘに並列配置することにより、拡散抵抗部１２の外側端部１２１からの、測定電極３１及び内部モニタ電極４１までの距離を等しくすることができるため、酸素モニタセル４により検出される酸素濃度と、実際に測定電極３１の接触する被測定ガス中の酸素濃度とを略同等とすることができる。それ故、被測定ガス中の特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の検出精度を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例８）
本例は、図２３〜図２５に示すごとく、内部ポンプ電極２１を、拡散抵抗部１２よりも内側に形成した例である。
すなわち、拡散抵抗部１２と内部ポンプ電極２１とを積層方向Ｚに重ねることなく、拡散抵抗部１２の内側端部１２２と内部ポンプ電極２１の外側端部２１１とが、互いに幅方向Ｘにおいて当接する状態となっている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、確実に拡散抵抗部１２を通過した後の被測定ガスを、内部ポンプ電極２１に接触させることとなるため、酸素ポンプセル２における酸素ポンピング能力の制御をより正確に行うことができる。それ故、測定精度に優れたガスセンサ素子１を得ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

実施例１における、ガスセンサ素子の長手方向Ｙ及び積層方向Ｚに平行な平面による断面説明図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 図１、図２のＢ−Ｂ線矢視断面図。 実施例１における、センサ回路、ポンプ回路、モニタ回路の説明図。 実施例２における、ガスセンサ素子の長手方向Ｙ及び積層方向Ｚに平行な平面による断面説明図。 図５のＣ−Ｃ線矢視断面図。 図５、図６のＤ−Ｄ線矢視断面図。 実施例３における、ガスセンサ素子の長手方向Ｙ及び積層方向Ｚに平行な平面による断面説明図。 図８のＥ−Ｅ線矢視断面図。 図８、図９のＦ−Ｆ線矢視断面図。 実施例４における、ガスセンサ素子の長手方向Ｙ及び積層方向Ｚに平行な平面による断面説明図。 図１１のＧ−Ｇ線矢視断面図。 図１１、図１２のＨ−Ｈ線矢視断面図。 実施例５における、ガスセンサ素子の長手方向Ｙ及び積層方向Ｚに平行な平面による断面説明図。 図１４のＩ−Ｉ線矢視断面図。 図１４、図１５のＪ−Ｊ線矢視断面図。 実施例６における、ガスセンサ素子の長手方向Ｙ及び積層方向Ｚに平行な平面による断面説明図。 図１７のＫ−Ｋ線矢視断面図。 図１７、図１８のＬ−Ｌ線矢視断面図。 実施例７における、ガスセンサ素子の長手方向Ｙ及び積層方向Ｚに平行な平面による断面説明図。 図２０のＭ−Ｍ線矢視断面図。 図２０、図２１のＮ−Ｎ線矢視断面図。 実施例８における、ガスセンサ素子の長手方向Ｙ及び積層方向Ｚに平行な平面による断面説明図。 図２３のＰ−Ｐ線矢視断面図。 図２３、図２４のＱ−Ｑ線矢視断面図。 従来例における、ガスセンサ素子の長手方向Ｙ及び積層方向Ｚに平行な平面による断面説明図。

符号の説明

１ ガスセンサ素子
１１ 被測定ガス室
１２ 拡散抵抗部
２ 酸素ポンプセル
２１ 内部ポンプ電極
２１１ 外側端部
２２ 外部ポンプ電極
３ センサセル
３１ 測定電極
３２ 基準電極
４ 酸素モニタセル
４１ 内部モニタ電極
４２ 外部モニタ電極
５１ 第１固体電解質体
５２ 第２固体電解質体

Claims (12)

1. 酸素イオン伝導性を有する第１固体電解質体及び第２固体電解質体の間に形成され、被測定ガスを導入する被測定ガス室と、
   該被測定ガス室に所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを導入するための拡散抵抗部と、
   上記被測定ガス室に導入された被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセルと、
   上記被測定ガス室における酸素濃度を調整する酸素ポンプセルとを有し、
   上記センサセルは、上記第１固体電解質体と、上記被測定ガス室に面して上記第１固体電解質体の表面に設けられた測定電極と、該測定電極と対をなすように上記第１固体電解質体の表面に設けられた基準電極とを有し、
   上記酸素ポンプセルは、上記第２固体電解質体と、上記被測定ガス室に面して上記第２固体電解質体の表面に設けた内部ポンプ電極と、該内部ポンプ電極と対をなすように上記第２固体電解質体の表面に設けられた外部ポンプ電極とを有し、
   上記拡散抵抗部は、上記被測定ガス室から、上記第１固体電解質体と上記第２固体電解質体との積層方向に直交する方向に形成されており、
   上記被測定ガス室における、上記内部ポンプ電極の外側端部よりも内側に、上記測定電極が配設されていることを特徴とするガスセンサ素子。
2. 請求項１において、上記拡散抵抗部と上記内部ポンプ電極とは、互いに積層方向に隣接して配設されていることを特徴とするガスセンサ素子。
3. 請求項２において、上記拡散抵抗部は、上記ガスセンサ素子の長手方向にも直交する方向に形成されていることを特徴とするガスセンサ素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記測定電極は、上記内部ポンプ電極の内側端部よりも内側に配設されていることを特徴とするガスセンサ素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガス室における酸素濃度を測定する酸素モニタセルを設けてなり、該酸素モニタセルは、上記第１固体電解質体と、上記被測定ガス室に面して上記第１固体電解質体の表面に設けられた内部モニタ電極と、該内部モニタ電極と対をなすように上記第１固体電解質体の表面に設けられた外部モニタ電極とからなり、上記内部モニタ電極は、上記内部ポンプ電極の外側端部よりも内側に配設されていることを特徴とするガスセンサ素子。
6. 請求項５において、上記内部モニタ電極は、上記内部ポンプ電極の内側端部よりも内側に配設されていることを特徴とするガスセンサ素子。
7. 請求項５又は６において、上記酸素モニタセルにおける酸素濃度の検出信号に基づき、上記酸素ポンプセルへの印加電圧を制御するよう構成してあることを特徴とするガスセンサ素子。
8. 請求項５〜７のいずれか一項において、上記センサセルは、上記測定電極と上記基準電極との間に所定の電圧を印加したときに上記被測定ガス中の特定ガス濃度及び酸素濃度に起因して電流が流れるよう構成され、上記酸素モニタセルは、上記内部モニタ電極と上記外部モニタ電極との間に所定の電圧を印加したときに上記被測定ガス中の酸素濃度に起因して電流が流れるよう構成され、上記センサセルに流れる電流値と上記酸素モニタセルに流れる電流値との差によって、上記特定ガス濃度を検出するよう構成されていることを特徴とするガスセンサ素子。
9. 請求項１〜８のいずれか一項において、上記拡散抵抗部は、少なくとも一部を多孔質体によって構成していることを特徴とするガスセンサ素子。
10. 請求項１〜９のいずれか一項において、上記測定電極と上記内部ポンプ電極との間に、上記被測定ガスの拡散抵抗となる内部拡散抵抗部が配設されていることを特徴とするガスセンサ素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項において、上記拡散抵抗部の外側端部と上記測定電極との間の最短距離は、１〜３ｍｍであることを特徴とするガスセンサ素子。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項において、検出する上記特定ガスは窒素酸化物であることを特徴とするガスセンサ素子。

Images