JP2015062013A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】１つの固体電解質体、ポンプ電極、センサ電極、基準電極により、ポンプセル及びセンサセルを構成し、ヒータの消費電力を低減できると共に、小型化が可能なガスセンサを提供する。【解決手段】ポンプ電極３０とセンサ電極５０との最短距離Ｌ２の、固体電解質体２の厚みｄに対する比率を３以上としたことで、ガスセンサ１は、１つの固体電解質体２、ポンプ電極３０、センサ電極５０、基準電極８０により、ポンプセル３及びセンサセル５を構成することができるため、固体電解質体２とヒータ６３との間には、ガス室７と基準ガス室８とのいずれか一方のみが介在することになり、ポンプセル３及びセンサセル５とヒータ６３との距離を小さくすることができ、ヒータ６３によってポンプセル３及びセンサセル５を加熱しやすくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、酸素を含むガスに含まれる所定のガス成分の濃度を測定するガスセンサに関する。

例えば、下記特許文献１には、酸素イオン伝導性を有する２つの固体電解質体を備えた、自動車の排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を測定するガスセンサが開示されている。２つの固体電解質体は、それぞれシート状となっており、その厚さ方向に対向している。２枚の固体電解質体の間には、空間が存在し、この空間は、ガス（排気ガス）が導入されるガス室となっている。固体電解質体の各々は、ガスに曝される表面と、これとは反対側の大気等の基準ガスに曝される表面を有する。

固体電解質体の各々は、その両面に電極が形成されている。２つの固体電解質体のうち一方（以下、第１固体電解質体とも言う）と、その両面に形成した電極とによって、ポンプセルを形成する。また、他方の固体電解質体（以下、第２固体電解質体とも言う）と、その両面に形成した電極とによって、モニタセルとセンサセルとを形成する。これらポンプセルと、モニタセルと、センサセルとは、その機能が互いに異なる。これら３つのセルを用いて、ガスに含まれるＮＯｘ等の所定のガス成分の濃度が測定される。

また、前記ガスセンサは、前記第１固体電解質体と第２固体電解質体とをそれぞれ活性温度まで加熱するヒータを備える。このヒータは、第１固体電解質体の第２固体電解質体に対向する面とは反対の面に対向するように配置されている。ヒータと第１固体電解質体との間には空間が存在し、この空間は、前記基準ガスが導入される基準ガス室となっている。

特開２００４−１０８７８８号公報

しかしながら、前記ガスセンサは、ヒータから第２固体電解質体までの間に、前記基準ガス室と、第１固体電解質体と、前記ガス室とが存在するため、ヒータから第２固体電解質体までの距離が長くなる。そのため、ガスセンサが大型化しやすいという問題がある。

また、前記ガスセンサは、ヒータから第２固体電解質体までの距離が長いため、第２固体電解質体の温度を一定に保ちにくい。すなわち、第２固体電解質体の温度にばらつきが生じる。そのため、第２固体電解質体によって構成されるモニタセルやセンサセルの温度のばらつきが大きくなり、所定のガス成分の濃度の所望の測定精度が得られない場合がある。また、ヒータと第２固体電解質体までの距離があるため、第２固体電解質体を所望の温度まで加熱するためのヒータの消費電力が大きいという問題もある。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、複数のセルそれぞれの温度ばらつきを小さくし、ヒータの消費電力を低減できると共に、小型化が可能なガスセンサを提供する。

本発明の一態様は、酸素を含むガスに含まれる所定のガス成分の濃度を測定するガスセンサであって、
前記ガスが導入されるガス室と、
基準ガスが導入される基準ガス室と、
酸素イオン伝導性を有し、前記ガス室と前記基準ガス室との間に配置され、前記ガス室に面する第１主面と、前記基準ガス室に面する第２主面とを有する一つの板状の固体電解質体と、
前記固体電解質体の前記第１主面に形成された複数の電極と、
前記固体電解質体の前記第２主面に形成された基準電極と、
前記固体電解質体の前記第１主面に形成された前記電極の一つであり、前記基準電極と前記固体電解質体の一部とともに、前記ガス中の酸素濃度を調整するポンプセルを構成するポンプ電極と、
前記固体電解質体の前記第１主面に形成された前記電極の一つであり、前記基準電極と前記固体電解質体の一部とともに、前記ポンプセルによって酸素の濃度を調整した後における前記ガス中の所定ガス成分の濃度に応じた信号を出力するセンサセルを構成するセンサ電極と、
前記ガス室又は前記基準ガス室を介して前記固体電解質体に対向配置されており、前記固体電解質体を加熱する所定の厚みを有する板状のヒータと、を有し、
前記ポンプ電極と前記センサ電極との最短距離の、前記固体電解質体の厚みに対する比率が３以上であることを特徴とするガスセンサである。

すなわち、ポンプ電極とセンサ電極との最短距離を固体電解質体の厚みに対して大きくすることにより比率を３以上という条件が満足される。これによりポンプ電極とセンサ電極との間の抵抗が大きくなり、ポンプ電極からセンサ電極への電流のリークが低減される。これにより、ポンプセルにおいて必要な電流の流れが確保される。また、固体電解質体の厚みをポンプ電極とセンサ電極との最短距離に対して小さくすることにより比率を３以上という条件が満足される。これにより、ポンプ電極と、ポンプセルを構成する基準電極との間の抵抗が小さくなり、ポンプ電極からセンサ電極への電流のリークが低減され、センサセルへのリーク電流の流入を抑制できる。したがって、所定ガス成分の濃度の測定の精度が向上する。
このように前記ポンプ電極と前記センサ電極との最短距離の、前記固体電解質体の厚みに対する比率を３以上とすることで、１つの固体電解質体のみで、この固体電解質体の第１主面に形成された複数の電極と、固体電解質体の第２主面に形成された基準電極により、ガス中の酸素濃度を調整するポンプセルと、このポンプセルによって酸素の濃度を調整した後における前記ガス中の所定ガス成分の濃度に応じた信号を出力するセンサセルを形成することができる。
これにより、固体電解質体とヒータとの間には、ガス室と基準ガス室とのいずれか一方のみが介在することになる。したがって、ポンプセル及びセンサセルとヒータとの距離を狭めることができ、ヒータによってポンプセル及びセンサセルを加熱しやすくなる。また、ガスセンサ全体の厚みを小さくすることができ、ガスセンサを小型化することができる。

以上のごとく、本開示によれば、所定ガス成分の濃度測定の精度が高いガスセンサが提供される。

実施例１における、ガスセンサ素子の断面図。 図１のII-II断面図。 図１のIII-III断面図。 実施例１における、ガスセンサ素子の分解斜視図。 実施例２における、ガスセンサ素子の断面図。 実施例３における、ガスセンサ素子の断面図。 実験例１における固体電解質体寸法を種々変更した際の比率（Ｌ２／ｄ）とガスセンサの濃度検出精度の関係を示す表及びグラフ。

上述した内燃機関用点火コイルにおける好ましい実施の形態について説明する。ガスセンサにおいて、ポンプ電極とモニタ電極とセンサ電極および基準電極とは、それぞれ同一の固体電解質体に形成されている。この場合、一つの固体電解質体と各電極によりポンプセル及びセンサセルを形成できる。よって、固体電解質体とヒータとの間には、ガス室と基準ガス室とのいずれか一方のみが介在することになる。したがって、ポンプセル及びセンサセルとヒータとの距離を狭めることができ、ヒータによってポンプセル及びセンサセルを加熱しやすくなる。また、ガスセンサ全体の厚みを小さくすることができ、ガスセンサを小型化することができる。

（実施例１）
実施例１のガスセンサ１について、図１〜図４を用いて説明する。ガスセンサ１は、酸素を含むガスｇに含まれる所定のガス成分の濃度を測定するために用いられる。図１に示すごとく、ガスセンサ１は、ガス室７と、基準ガス室８と、板状の固体電解質体２（２ｐ，２ｍ，２ｓ）と、ポンプ電極３０と、モニタ電極４０と、センサ電極５０と、基準電極８０と、所定の厚みを有する板状のヒータ６とを備える。ガス室７には酸素を含むガスｇが導入され、基準ガス室８には基準ガスが導入される。

固体電解質体２は、ガス室７と基準ガス室８との間に設けられている。固体電解質体２は、ジルコニアやセリア等の、酸素イオン伝導性を有する材料からなる板状体である。
図１に示すごとく、固体電解質体２は所定の厚みｄを有し、この厚みｄを介して互いに対向する第１主面２１と第２主面２２を有する。ポンプ電極３０とモニタ電極４０とセンサ電極５０とは、固体電解質体２におけるガス室７に曝される第１主面２１に形成されている。また、基準電極８０は、固体電解質体２における基準ガス室８に曝される第２主面２２に形成されている。
ここで、固体電解質体２の厚みｄとは、固体電解質体２の長手方向に５箇所の厚みを測定した際の平均値である。
ヒータ６は、ポンプ電極３０とモニタ電極４０とセンサ電極５０および固体電解質体２に加えて基準電極８０も加熱して、固体電解質体２の活性に必要な所定の温度まで上昇させる。なお、固体電解質体２の活性とは、固体電解質体２が酸素やＮＯｘの濃度の測定に必要な温度に達したことを示し、ＮＯｘ濃度の測定にはＮＯｘを酸素イオンと窒素イオンとに分解する作用を有することを表している。

固体電解質体２とポンプ電極３０と基準電極８０とによって、ガスｇ中の酸素濃度を調整するポンプセル３を形成してある。また、図３に示すごとく、固体電解質体２とモニタ電極４０と基準電極８０とによって、ポンプセル３を使って酸素濃度を調整した後におけるガスｇ中の酸素濃度を検出するモニタセル４を形成してある。さらに、図１、図３に示すごとく、固体電解質体２とセンサ電極５０と基準電極８０とによって、ポンプセル３を使って酸素濃度を調整した後におけるガスｇ中の所定のガス成分の濃度を検出するセンサセル５を形成してある。具体的には、センサセル５は、所定のガス成分の濃度を示す信号を出力する。

ヒータ６は、基準ガス室８を挟んで固体電解質体２に対向配置されている。
ヒータ６の厚さ方向（Ｚ方向）において、固体電解質体２のうちポンプセル３を構成する部位２ｐからヒータ６までの距離Ｄ１と、固体電解質体２のうちモニタセル４を構成する部位２ｍからヒータ６までの距離Ｄ２と、固体電解質体２のうちセンサセル５を構成する部位２ｓからヒータ６までの距離Ｄ３とが、互いに等しくなっている。すなわち、ヒータ６は、セラミック製のヒータシート６２と、該ヒータシート６２の表面に形成され通電により発熱するヒータパターン６３と、該ヒータパターン６３を被覆する絶縁層６１とからなる。距離Ｄ１は、固体電解質体２の主面２２の一部であってポンプセル３を構成する部位２ｐの領域と、この主面２２に対面する絶縁層６１の主面９０との間の最短距離であり、距離Ｄ２は、図３に示すように、固体電解質体２の主面２２の一部であってモニタセル４を構成する部位２ｍの領域と絶縁層６１の主面９０の間の最短距離であり、距離Ｄ３は、固体電解質体２の主面２２の一部であってセンサセル５を構成する部位２ｓの領域と絶縁層６１の主面９０の間の最短距離である。

本例のガスセンサ１は、自動車の排気ガスに含まれるＮＯｘ濃度を測定するための、ＮＯｘセンサとして機能する。すなわち、本例におけるガスｇは内燃機関を有する自動車の排気ガスであり、所定のガス成分はＮＯｘである。ＮＯｘの濃度を測定する際には、ガスセンサ１の全体を、図示しない筒状のケース内に収容し、これを自動車の排気管に取り付ける。この際、ガスセンサ１の先端部１００を排気管内に差し込み、後端部を、基準ガスである大気に露出させる。

図１、図４に示すごとく、ガスセンサ１は、セラミック等からなる絶縁板１０と、ガス室７を形成するためのシート状の第１スペーサ１１と、固体電解質体２と、基準ガス室８を形成するためのシート状の第２スペーサ１２と、ポンプセル３、モニタセル４及びセンサセル５を加熱するためのヒータ６とを、Ｚ方向に積層している。

ガス室７は、自動車の排気管から排気ガス（ガスｇ）が導入される空間である。ガスｇは、図１、図２に示すようにガス室７内を矢印２５０で示すような方向に流れる。図４に示すごとく、第１スペーサ１１には切欠部７９を形成してあり、この切欠部７９がガス室７となる。また、第１スペーサ１１には、拡散抵抗層１３を設けてある。この拡散抵抗層１３を通して、排気管からガス室７へガスｇが導入される。拡散抵抗層１３によって、ガスｇの流入速度を制限している。

基準ガス室８は、酸素濃度が一定である基準ガスとしての大気が導入される空間で、前記第２スペーサ１２に設けた貫通穴８９により形成される。この貫通穴８９は、ガスｇの流れ方向Ｘ（すなわち、図１、図２に示すガス室７内を流れる方向２５０）に延びる溝からなる通路部１２１を介して、大気が存在するガスセンサ１の外部空間に連通している。この通路部１２１を通して、基準ガス室８に大気が導入される。なお、第１スペーサ１１及び第２スペーサ１２は、アルミナ等の絶縁材料よりなる。

ポンプ電極３０とモニタ電極４０とは、ＮＯｘに対する分解活性が低い金属材料から構成されている。具体的には、ポンプ電極３０、モニタ電極４０は、主成分として金Ａｕと白金Ｐｔとを含有する多孔質サーメット電極からなる。また、センサ電極５０は、ＮＯｘに対する分解活性が高い金属材料から構成されている。具体的には、センサ電極５０は、主成分として白金ＰｔとロジウムＲｈとを含有する多孔質サーメット電極からなる。

図４に示すごとく、ポンプ電極３０、モニタ電極４０、センサ電極５０、基準電極８０は、電流の経路となるリード１６を有している。また、第１スペーサ１１、絶縁板１０には、Ｚ方向に貫通したスルーホール１７が形成されており、このスルーホール１７によって、ポンプ電極３０、モニタ電極４０、センサ電極５０は絶縁板１０の表面まで電気的に導通している。また、絶縁板１０の表面には、外部機器と電気接続するためのリード接続電極１５を複数個設けてある。

ヒータ６は、セラミック製のヒータシート６２と、該ヒータシート６２の表面に形成され通電により発熱するヒータパターン６３と、ヒータパターン６３を被覆する絶縁層６１とからなる。ヒータ６は、ヒータパターン６３を外部からの給電により発熱させ、前記ポンプセル３、モニタセル４及びセンサセル５をそれぞれ活性化温度まで加熱するものである。また、ヒータシート６２にはスルーホール１７とパッド１８とが形成されており、スルーホール１７を通じて、ヒータパターン６３とパッド１８とが電気的に接続している。また、基準電極８０も、スルーホール１７を通じて、ヒータ６２の表面に形成したリード接続電極１８０に電気接続されている。

また、ポンプセル３を使って多量の酸素を排出するために、ヒータパターン６３の発熱中心が、ポンプセル３側に偏っている。すなわち、ポンプセル３の方が、モニタセル４やセンサセル５よりも高温になるように、ヒータパターン６３を使って、ポンプセル３、モニタセル４、センサセル５を加熱している。
ここで、図１〜図３に示したように、固体電解質体２は厚みｄを有する。また、ポンプ電極３０とセンサ電極５０とは、最短距離Ｌ２だけ離間している。本実施例では、前記最短距離Ｌ２と固体電解質体２の厚みｄとの比率（Ｌ２／ｄ）は３以上となるようにガスセンサ１は構成されている。
上述したように、固体電解質体２の厚みｄは、板状の固体電解質体２の長手方向に５箇所の厚みを測定した際の平均値である。また、ポンプ電極３０とセンサ電極５０との最短距離Ｌ２は、ポンプ電極３０とセンサ電極５０とが形成された固体電解質体２のガスセンサ１の長手方向、すなわち、ガスｇの流れ方向２５０に沿ったポンプ電極３０とセンサ電極５０との間隔である。
言い換えれば、ポンプ電極３０とセンサ電極５０との最短距離Ｌ２を固体電解質体２の厚みｄに対して大きくすることにより比率３以上という条件が満足される。これによりポンプ電極３０とセンサ電極５０との間の抵抗が大きくなり、ポンプ電極３０からセンサ電極５０への電流のリークが低減される。これにより、ポンプセル３において必要な電流の流れが確保される。
また、固体電解質体２の厚みｄをポンプ電極３０とセンサ電極５０との距離Ｌ２対して小さくすることにより比率３以上という条件が満足される。これにより、ポンプ電極３０と、ポンプセル３を構成する基準電極８０（すなわち基準電極８０ｐ）との間の抵抗が小さくなる。これにより、ポンプ電極３０からセンサ電極５０への電流のリークが低減され、センサセル５へのリーク電流の流入を抑制できる。したがって、所定ガス成分の濃度の測定の精度が向上する。
このようにポンプ電極３０とセンサ電極５０との最短距離Ｌ２の、固体電解質体２の厚みｄに対する比率を３以上としたことで、ガスセンサ１は、１つの固体電解質体２のみで構成とすることができる。そして、この固体電解質体２に、ポンプ電極３０、モニタ電極４０、センサ電極５０、及び基準電極８０を形成することで、ポンプセル３、モニタセル４、センサセル５の３種類のセルを構成することができる。
また、ガスセンサ１の小型化の点から、前記最短距離Ｌ２は０．３ｍｍ〜０．７ｍｍが好ましく、固体電解質体２の厚みｄは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍが好ましい。さらに、前記最短距離Ｌ２と厚みｄの比率（Ｌ２／ｄ）は、７以下となるように構成することが好ましい。
各数値範囲は、固体電解質体２の強度、前記ポンプセル３、モニタセル４、センサセル５の機能上の観点から規定する。
前記したように、酸素を有するガスｇの所定のガス成分（ＮＯｘ）の濃度の測定は、ポンプセル３で酸素濃度が調整された後のガスｇの残留酸素濃度をモニタセル４で測定し、所定のガス成分（ＮＯｘ）の濃度と残留酸素濃度の合計に相当する酸素濃度をセンサセル５で測定し、センサセル５の出力とモニタセル４の出力の差分をとることにより、センサセル５の出力から残留酸素濃度に相当する成分を排除することにより行われる。

図１、図２に示すごとく、本実施例では、ガス室７は、第１スペーサ１１、絶縁板１０、固体電解質体２により形成される単一の空間からなっている。したがって、ガス室７内でのガスｇの流れが円滑にでき、所定ガス成分の濃度を示すセンサセル５の出力の変動を高い応答性で検出することができる。
また、ガス室７は、ヒータ６の厚み方向（すなわちＺ方向）に沿った所定の厚みと、所定の幅を有する単一の空間により形成さる。このガス室７の厚みは、少なくとも、固体電解質体２の主面２１のポンプ電極３０が形成された部分から主面２１のモニタ電極４０およびセンサ電極５０が形成された部分まで一定となっている。ガス室７の幅は、ガス室７内でのガスの流れ方向２５０と厚み方向に直交する方向、すなわち、図２のＹ方向に沿った第１スペーサ１１の内側壁間の間隔であり、すくなくとも、主面２１のポンプ電極３０が形成された部分から主面２１のモニタ電極４０およびセンサ電極５０が形成された部分まで一定となっている。すなわち、ガス室７内における、ポンプ電極３０からモニタ電極４０及びセンサ電極５０までの間には、絞り部や隔壁のように、ガス室７のＺ方向寸法またはＹ方向寸法を狭くする物が存在しない。これにより、ガス室７内において、ガスｇが、ポンプ電極３０から、モニタ電極４０及びセンサ電極５０へ拡散律速することなく流れるようになる。

また、図２に示すごとく、Ｘ方向（すなわちガスｇが流れる方向２５０）における、ポンプ電極３０からモニタ電極４０までの距離Ｌ１と、ポンプ電極３０からセンサ電極５０までの距離Ｌ２とが互いに等しい。

また、本例では図１、図４に示すごとく、基準電極８０は、ポンプセル３とモニタセル４とセンサセル５において共用されている。すなわち、基準電極８０は、ポンプセル３を構成する基準電極８０ｐと、モニタセル４を構成する基準電極８０ｍと、センサセル５を構成する基準電極８０ｓとを一体的に有する単一の導体からなる。

次に、ガスセンサ１の所定ガスの濃度検出の動作原理について説明する。図１に示すごとく、ガスｇは、拡散抵抗層１３を通って、ガス室７に導入される。導入されたガスｇには酸素分子が含まれるため、ポンプセル３を使って、酸素分子を排出する。すなわち、基準電極８０とポンプ電極３０との間に、基準電極８０が高電位となるように直流電圧を加える。このようにすると、ポンプ電極３０において酸素分子が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により基準ガス室８へ排出される。ポンプセル３に加える直流電圧の大きさを調整することにより、ガス室７内の酸素濃度を制御している。

酸素濃度が低減したガスｇは、モニタセル４とセンサセル５へ導入される。ガスｇには、ポンプセル３において排出しきれなかった酸素分子が含まれているため、この酸素分子の濃度をモニタセル４によって測定する。図３に示すごとく、モニタセル４では、基準電極８０とモニタ電極４０との間に、基準電極８０が高電位となるように直流電圧を加える。このようにすると、ガスｇに含まれる酸素分子が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により基準ガス室８へ排出される。モニタ電極４０は、ＮＯｘの分解に不活性なＰｔ−Ａｕサーメット電極であるため、モニタセル４に流れる酸素イオン電流は、ガスｇに含まれる酸素分子の濃度のみに依存し、ＮＯｘの濃度には依存しない。したがって、電流計１４を使って酸素イオン電流値を測定すれば、ガスｇに含まれる酸素分子の濃度を測定できる。

また、センサセル５においても、基準電極８０とセンサ電極５０との間に、基準電極８０が高電位となるように直流電圧を加える。センサ電極５０は、ＮＯｘの分解に活性なＰｔ−Ｒｈサーメット電極であるため、センサ電極５０上において酸素分子とＮＯｘ分子とがそれぞれ還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用によって基準ガス室８へ排出される。したがって、電流計１４を使って酸素イオン電流値を測定すれば、ガスｇに含まれる酸素分子とＮＯｘ分子との合計の濃度を算出することができる。

このように、モニタセル４を用いて、ガスｇに含まれる酸素分子の濃度Ａを測定し、センサセル５を用いて、酸素分子とＮＯｘ分子との合計の濃度Ｂを測定する。そして、前記濃度Ｂから前記濃度Ａを減算することにより、ガスｇ中のＮＯｘの濃度が算出される。

なお、本例では、ポンプセル３を使ってガスｇから酸素を排出しているが、加える電圧の向きを逆にして、基準ガス室８からガスｇへ酸素を導入してもよい。

本例の作用効果について説明する。
図１に示したように、固体電解質体２は厚みｄを有する。また、ポンプ電極３０とセンサ電極５０とは、最短距離Ｌ２だけ離間している。
そして、最短距離Ｌ２と固体電解質体２の厚みｄとの比率（Ｌ２／ｄ）は３以上となるようにガスセンサ１は構成されている。言い換えれば、ポンプ電極３０とセンサ電極５０との距離Ｌ２を固体電解質体２の厚みｄに対して大きくすることにより比率３以上という条件が満足される。これによりポンプ電極３０とセンサ電極５０との間の抵抗が大きくなり、ポンプ電極３０からセンサ電極５０への電流のリークが低減される。これにより、ポンプセル３において必要な電流の流れが確保される。また、固体電解質体２の厚みｄをポンプ電極３０とセンサ電極５０との距離Ｌ２対して小さくすることにより比率３以上という条件が満足される。これにより、ポンプ電極３０と、ポンプセル３を構成する基準電極８０（すなわち基準電極８０ｐ）との間の抵抗が小さくなり、ポンプ電極３０からセンサ電極５０への電流のリークが低減され、ポンプセル３において必要な電流の流れが確保される。よって、所定ガス成分の濃度測定の精度が向上する。
これにより、１つの固体電解質体２を介してポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５を形成することが可能となる。そのため、固体電解質体２とヒータ６との間には、ガス室７と基準ガス室８とのいずれか一方のみが介在することになり、ヒータ７とポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５とヒータ６との距離を狭めることができ、ヒータ６によってポンプセル３、センサセル５及びモニタセル４を加熱しやすくなる。さらに、Ｚ方向におけるガスセンサ１の厚みを小さくし、ガスセンサ１を小型化することができる。
また、図１、図３に示すごとく、ガスセンサ１においては、ヒータ６と固体電解質体２との間に、基準ガス室８が介在している。また、前記距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を互いに等しくしてある。
そのため、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５との３つのセルを、それぞれヒータ６に接近させることができる。すなわち、本例では、固体電解質体２とヒータ６との間に、基準ガス室８のみが介在するため、ポンプセル３、モニタセル４及びセンサセル５とヒータ６との間隔を狭めることができる。
また、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５を全てヒータ６から均等な距離に配置することで、ヒータ６からポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５へ伝達される熱エネルギーが均等となり、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５の温度ばらつきを小さくすることができる。また、ヒータ６によるポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５の加熱を必要最小限の消費電力で行うことができる。

また、本例のガスセンサ１は、１つの固体電解質体２とポンプ電極３０、モニタ電極４０、センサ電極５０でそれぞれポンプセル３とモニタセル４とセンサセル５とを構成する。そのため、ガスセンサ１の製造コストを低減できる。

図１、図２に示すごとく、ガス室７は、ヒータ６の厚み方向（すなわちＺ方向）に沿った所定の厚みと、所定の幅を有する単一の空間により形成さる。このガス室７の厚みは、少なくとも、固体電解質体２の主面２１のポンプ電極３０が形成された部分から主面２１のモニタ電極４０およびセンサ電極５０が形成された部分まで一定となっている。ガス室７の幅は、ガス室７内でのガスの流れ方向２５０と厚み方向に直交する方向、すなわち、図２のＹ方向に沿った第１スペーサ１１の内側壁間の間隔であり、すくなくとも、主面２１のポンプ電極３０が形成された部分から主面２１のモニタ電極４０およびセンサ電極５０が形成された部分まで一定となっている。すなわち、ガス室７内における、ポンプ電極３０からモニタ電極４０及びセンサ電極５０までの間には、絞り部や隔壁のように、ガス室７のＺ方向寸法またはＹ方向寸法を狭くする物が存在しない。これにより、ガス室７内において、ガスｇが、ポンプ電極３０から、モニタ電極４０及びセンサ電極５０へ拡散律速することなく流れるようになる。したがって、ガスｇ中の所定のガス成分（ＮＯｘ）の濃度が変化したときに、その変化を短時間で検出することができる。すなわち、ガスセンサ１の出力の応答性を向上することができる。

また、本例のガスセンサ１は、ポンプセル３を構成する基準電極８０ｐと、モニタセル４を構成する基準電極８０ｍと、センサセル５を構成する基準電極８０ｓとが単一の導体により形成されている。
そのため、図４に示すごとく、基準電極８０から延びるリード１６ｂをセル毎に設ける必要がなくなり、１本にして共通化することができる。そのため、ガスセンサ１の構成を簡素にすることが可能になる。また、ガスセンサ１をハウジングに組み込んでガスセンサアッセンブリを構成する場合、リード１６ｂに通電部材を接続することになるが、前記構成にすると、リード１６ｂを１本にできるため、前記通電部材も１本にすることができ、ガスセンサの構成を簡素にすることができる。

また、本例では図２に示すごとく、Ｘ方向（すなわち、ガスｇの流れ方向２５０）における、ポンプ電極３０からモニタ電極４０までの距離Ｌ１と、ポンプ電極３０からセンサ電極５０までの距離Ｌ２とが互いに等しい。そのため、ポンプセル３によって酸素濃度を低減されたガスｇが、モニタ電極４０とセンサ電極５０とに略同時に到達する。したがって、モニタ電極４０上におけるガスｇの酸素濃度と、センサ電極５０上におけるガスｇの酸素濃度とが殆ど同一になる。そのため、上述したように濃度の減算（濃度Ｂ−濃度Ａ）を行ったときに、酸素濃度を正確にキャンセルできるようになる。これにより、所定のガス成分の濃度を正確に測定することが可能になる。
また、ガス室７は、その中においてガスｇが所定の方向２５０に流れるように構成されている。ポンプ電極３０は、この所定の方向２５０の上流に位置する一方、モニタ電極４０およびセンサ電極５０は、この所定方向２５０の下流に位置する。また、モニタ電極４０およびセンサ電極５０は、所定方向２５０において並列的に配置されている、これにより、酸素を有するガスｇの所定のガス成分（ＮＯｘ）の濃度の測定は、ポンプセル３で酸素濃度が調整された後のガスｇの残留酸素濃度を示すモニタセル４の出力と、所定のガス成分（ＮＯｘ）の濃度と残留酸素濃度の合計に相当する酸素濃度を示すセンサセル５出力の差分における誤差を最小限にすることができ、所定ガス成分（ＮＯｘ）濃度の測定精度を向上することができる。

なお、ポンプセル３は、モニタセル４やセンサセル５よりも流れる酸素イオンの量が多いため、ポンプセル３は、モニタセル４やセンサセル５よりも温度を高くすることが望ましい。そのため本例では、図４に示すようにヒータ６の最も高温となる位置をポンプセル３に近い位置にしている。これにより、ポンプセル３の温度を、モニタセル４やセンサセル５の温度よりも若干高くしている。

以上のごとく、本例によれば、所定ガス成分の濃度を示すセンサセル５の出力の変動を高い応答性で検出することができる。また、ポンプセル３、モニタセル４、センサセル５の温度ばらつきを小さくすることができ、ヒータ６の消費電力を低減できると共に、小型化が可能なガスセンサ１を提供することができる。

（実施例２）
図５に、実施例２にかかるガスセンサ１を示す。ガスセンサ１は、固体電解質体２を絶縁部材２９を介して２つの固体電解質体２ａ、２ｂに分割している。一方の固体電解質体２ａを用いてポンプセル３を構成し、他方の固体電解質体２ｂを用いてモニタセル４及びセンサセル５を構成する。Ｚ方向における、一方の固体電解質体２ａとヒータ６との距離Ｄａと、他方の固体電解質体２ｂとヒータ６との距離Ｄｂとは、互いに等しい。正確には、距離Ｄａは、固体電解質体２ａの主面２２ａと、この主面２２ａに対面する絶縁層６１の主面９０との間の最短距離であり、距離Ｄｂは、固体電解質体２ｂの主面２２ｂと、絶縁層６１の主面９０の間の最短距離である。

固体電解質体２ａ、２ｂの間には、絶縁部材２９が介在している。本実施例のガスセンサ１は、流れる電流が相対的に大きいポンプセル３と、流れる電流が相対的に小さいモニタセル４及びセンサセル５とを独立した固体電解質体２ａと固体電解質体２ｂとで構成している。そのため、ポンプセル３に流れた電流の一部がノイズ電流となって、モニタセル４及びセンサセル５に流れる不具合が最小限にされる。これにより、所定のガス成分の濃度測定の精度が向上する。本実施例では固体電解質体２を分割体として備えるが、この固体電解質体２の両主面に面してガス室７と基準ガス室８が形成され、固体電解質体２とヒータ７との間には基準ガス室８のみが介在することになり、ポンプセル３、モニタセル４、センサセル５とヒータ７との距離を小さくすることができ、ヒータ７によってこれらポンプセル３、モニタセル４、センサセルを加熱しやすくなる。

その他の構成は、実施例１と同様である。また、図５に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

（実施例３）
図６に、実施例３にかかるガスセンサ１を示す。ガスセンサ１は、ヒータ６の位置において実施例１と異なる。すなわち、ヒータ６と固体電解質体２との間に、ガス室７が設けられている。そして、ヒータ６は、ガス室７を介して固体電解質体２に対向する。

その他の構成は、実施例１と同様である。また、図６に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
（実験例１）
ここで、図１〜３に示す実施例１のガスセンサを用いて、固体電解質体２の厚みｄと、ポンプ電極３０とセンサ電極５０との最短距離Ｌ２とを種々変更して、この最短距離Ｌ２と厚みｄとの比率（Ｌ２／ｄ）の値とガスセンサのＮＯｘガスの濃度検出精度の関係を調べた。
実験は、ＮＯｘ濃度１００ｐｐｍ、Ｏ_２濃度２０％のガス環境下において、ＮＯｘ濃度１００ｐｐｍに相当するセンサセル５に流れる電流を基準（１００％）と定義した時に、各寸法試料のセンサセル５に流れる電流との変化率を出力誤差とし、以下の式で定義した。
出力誤差（％）＝（（各寸法試料のセンサセル電流／基準としたセンサセル電流）−１）×１００
図７（ａ）、（ｂ）に実験結果を示すように、固体電解質体２の厚みｄとポンプ電極３０とセンサ電極５０との最短距離Ｌ２の比率（Ｌ２／ｄ）を３以上とすることで、出力誤差を２．５％以下に大きく低減することが可能であることがわかる。また、比率（Ｌ２／ｄ）は３以上であれば出力誤差はより小さくできるが、上述のように、固体電解質体２の強度、前記ポンプセル３、モニタセル４、センサセル５の機能上の観点から７以下とすることが好ましい。

１ ガスセンサ
２ 固体電解質体
３ ポンプセル
３０ ポンプ電極
４ モニタセル
４０ モニタ電極
５ センサセル
５０ センサ電極
６ ヒータ
７ ガス室
８ 基準ガス室
８０ 基準電極
１００ ガスセンサ先端部
ｇ ガス

Claims (6)

1. 酸素を含むガスの所定のガス成分の濃度を測定するガスセンサ（１）であって、
   前記ガスが導入されるガス室（７）と、
   基準ガスが導入される基準ガス室（８）と、
   酸素イオン伝導性を有し、前記ガス室（７）と前記基準ガス室（８）との間に配置され、前記ガス室（７）に面する第１主面と、前記基準ガス室（８）に面する第２主面とを有する一つの板状の固体電解質体（２）と、
   前記固体電解質体（２）の前記第１主面に形成された複数の電極（３０、５０）と、
   前記固体電解質体（２）の前記第２主面に形成された基準電極（８０）と、
   前記固体電解質体（２）の前記第１主面に形成された前記電極の一つであり、前記基準電極（８０）と前記固体電解質体（２）の一部（２ｐ）とともに、前記ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル（３）を構成するポンプ電極（３０）と、
   前記固体電解質体（２）の前記第１主面に形成された前記電極の一つであり、前記基準電極（８０）と前記固体電解質体（２）の一部（２ｓ）とともに、前記ポンプセル（３）によって酸素の濃度を調整した後における前記ガス中の所定ガス成分の濃度に応じた信号を出力するセンサセル（５）を構成するセンサ電極（５０）と、
   前記ガス室（７）又は前記基準ガス室（８）を介して前記固体電解質体（２）に対向配置されており、前記固体電解質体（２）を加熱する所定の厚みを有する板状のヒータ（６）と、を有し、
   前記ポンプ電極（３０）と前記センサ電極（５０）との最短距離（Ｌ２）と、前記固体電解質体（２）の厚み（ｄ）との比率（Ｌ２／ｄ）が３以上であることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記固体電解質体（２）の前記第１主面に形成された前記電極の一つであり、前記基準電極（８０）と前記固体電解質体（２）の一部（２ｍ）とともに、前記ポンプセルを使って酸素濃度を調整した後における前記ガス中の酸素濃度をモニタするモニタセルを構成するモニタ電極（４０）をさらに備え、前記ガス室（７）は単一の空間により形成されることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記ヒータ（６）の前記固体電解質体（２）に対向する表面と、前記固体電解質体（２）の前記第２主面の一部であって前記ポンプセル（３）を構成する部位（２ｐ）の表面との間の、前記ヒータ（６）の厚さ方向における距離（Ｄ１）と、前記ヒータ（６）の前記固体電解質体（２）に対向する表面と、前記固体電解質体（２）の前記第２主面の一部であって前記モニタセル（４）を構成する部位（２ｍ）の表面との間の、前記ヒータ（６）の厚さ方向における距離（Ｄ２）と、前記ヒータ（６）の前記固体電解質体（２）に対向する表面と、前記固体電解質体（２）の前記第２主面の一部であって前記センサセル（５）を構成する部位（２s）の表面との間の、前記ヒータ（６）の厚さ方向における距離（Ｄ３）が、互いに等しいことを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記ガス室（７）は、前記ヒータの厚み方向に沿った所定の厚みと、所定の幅を有する空間により形成され、この前記ガス室（７）の厚みは、前記第１主面の前記ポンプ電極（３０）が形成された部分から前記第１主面の前記モニタ電極（４０）および前記センサ電極（５０）が形成された部分まで一定となっており、前記ガス室（７）の幅は、前記ガス室(７)内での前記ガスの流れ方向と前記厚み方向に直交し、前記第１主面の前記ポンプ電極（３０）が形成された部分から前記第１主面の前記モニタ電極（４０）および前記センサ電極（５０）が形成された部分まで一定であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のガスセンサ。
5. 前記基準電極（８０）は、前記ポンプセル（３０）を構成する第１の基準電極（８０ｐ）と、前記モニタセル（４）を構成する第２の基準電極（８０ｍ）と、前記センサセル（５）を構成する第３の基準電極（８０ｓ）とを一体的に有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
6. 前記ガス室（７）は、その中において前記ガスが所定の方向（２５０）に流れるように構成されており、前記ポンプ電極（３０）は、この所定の方向の上流に位置する一方、前記モニタ電極（４０）および前記センサ電極（５０）は、この所定方向の下流に位置するとともに、並列的に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガスセンサ。

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