JP3340110B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定ガス中の特
定成分を、酸素イオン伝導性の固体電解質体を用いて検
出するガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自身の温度に応じて内部抵抗
が変化する固体電解質体と、該固体電解質体に接続され
た一対のリード線とによって、その固体電解質体の温度
を検出することが考えられている。この場合、上記リー
ド線の固体電解質体に接続されていない側の端部（以下
単に端部とも言う）から測定した全抵抗値に基づいて上
記固体電解質体の内部抵抗を検出し、延いてはその固体
電解質体の温度を測定することができる。

【０００３】また、自動車産業等の分野では、ジルコニ
ア等の固体電解質体を挟んで一対の多孔質電極を設ける
ことにより酸素イオンポンプセルを構成し、この酸素イ
オンポンプセルを用いて、排気中の酸素ガスやＮＯx 等
の濃度を検出するガスセンサを構成することが考えられ
ている。この種のガスセンサは、その構成において前述
の温度を検出するための構成との共通点を備えている。
また、この種のガスセンサでは、固体電解質体の内部抵
抗は酸素ガスやＮＯx 等の濃度の影響を受けず、逆に、
ガスセンサの出力特性は素子温度の影響を受ける。そこ
で、特開平１０−７３５６４に記載されているように、
上記ガスセンサによる上記濃度の検出中に固体電解質体
の内部抵抗を測定する特別モードを割り込み実施し、こ
のモードで測定された素子温度に基づき、ガスセンサを
ヒータで加熱したり、ガスセンサの出力と上記濃度との
対応関係を表すマップを修正したりすることも考えられ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記ガスセ
ンサではリード線もある程度の抵抗値を有しており、こ
のリード線の抵抗値にはどうしてもある程度のばらつき
が生じる。例えば、上記ガスセンサの場合はリード線を
上記多孔質電極と共に厚膜印刷によって形成するのが一
般的であるが、この場合、リード線の抵抗値に１０％程
度のばらつきが生じる。このため、リード線両端から検
出される素子全体の抵抗値に比べて上記リード線の抵抗
値が無視できない程度に大きいと、そのリード線両端か
ら検出した抵抗値には上記ばらつきが大きく反映され、
正確な素子温度を測定することが困難となる。

【０００５】そこで、本発明は、リード線の抵抗値にば
らつきがあっても固体電解質体の温度を正確に測定する
ことができるガスセンサの提供を目的としてなされた。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記目的
を達するためになされた請求項１記載の発明は、被測定
ガス中の特定成分を、酸素イオン伝導性の固体電解質体
を用いて検出するガスセンサであって、自身の温度に応
じて内部抵抗が変化する固体電解質体と、該固体電解質
体に接続された一対のリード線とを備え、ガスセンサが
被測定ガス中の特定成分を検出する際の温度環境におい
て上記一対のリード線の上記固体電解質体に接続されて
いない側の接続用端子金具が端部から測定した前記一対
のリード線と固体電解質体との両方の電気抵抗値の合計
（以下全抵抗値又はＲｐｖｓという）が、室温において
測定した前記一対のリード線の合計の電気抵抗値成分
（以下リード線抵抗値又はＲｌｅａｄという）の２．６
倍以上であることを特徴とする。

【０００７】本発明では、上記全抵抗値をリード線抵抗
値の２．６倍以上と充分大きくしている。このため、リ
ード線抵抗値のばらつきが上記全抵抗値に反映されて
も、その影響は極めて小さくなる。従って、本発明で
は、上記リード線抵抗値のばらつきに応じた温度の測定
誤差を所定範囲内（例えば、所望の温度測定誤差の範
囲）に収めることができ、リード線抵抗値にばらつきが
あっても固体電解質の内部抵抗を正確に測定することが
でき、必要な精度で正確な温度を測定することができ
る。

【０００８】例えば、一般的な固体電解質体を用いたガ
スセンサでは、全抵抗値をリード線抵抗値の２．６倍以
上とすると、温度の測定誤差を５℃未満とすることがで
きる。また、固体電解質体を用いたガスセンサは、通常
数百℃の温度範囲で使用されるため、一般的にはこの程
度の精度が満足できれば充分である。従って、本発明で
は、一般的に必要とされる温度の測定精度を極めて良好
に満足することができる。

【０００９】なお、好ましくは、全抵抗値をリード線抵
抗値の４倍以上とするとよく、この場合、一般的な固体
電解質体を用いたガスセンサにおいて温度の測定誤差を
２．５℃程度まで抑えることができる。例えば、ＮＯｘ
センサのように測定精度に温度が大きく影響するような
センサの場合には、この程度の全抵抗値とリード線抵抗
値の比率とすることが望ましい。また、本発明では、リ
ード線抵抗値に対する全抵抗値の倍率に上限を限定して
いないが、この倍率は技術的に可能であればいくら大き
くてもよい。言い換えるならば、上記倍率は２．６倍以
上でかつ技術的に困難となる倍率未満の値である。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、被測定ガスが導入されるガス室と、該ガス室
に導入された被測定ガス中の特定成分を分解し、そのと
き得られる酸素イオンを電気的に検出する酸素イオンポ
ンプセルと、上記ガス室に導入されつつある上記被測定
ガス中の酸素ガス濃度を検出する酸素濃度測定セルと、
を備えたガスセンサであって、上記固体電解質体及び上
記一対のリード線が上記酸素濃度測定セルを構成するこ
とを特徴とする。

【００１１】本発明では、酸素イオンポンプセルは、ガ
ス室に導入された被測定ガス中の特定成分を分解してそ
のとき得られる酸素イオンを電気的に検出する。このた
め、酸素イオンポンプセルが検出した酸素イオンの量に
応じて被測定ガス中の上記特定成分の量を検出すること
ができる。また、この酸素イオンポンプセルは、予め被
測定ガスに含まれていた酸素ガスも分解して酸素イオン
として検出してしまう。そこで、酸素濃度測定セルは、
上記ガス室に導入されつつある被測定ガス中の酸素ガス
濃度を検出する。このため、酸素濃度測定セルによって
検出された酸素ガス濃度を参照して酸素イオンポンプセ
ルの検出結果を分析することにより、上記特定成分の量
を良好に検出することができる。

【００１２】そして更に、本発明では、上記固体電解質
体及び上記一対のリード線が、上記酸素濃度測定セルを
構成している。酸素濃度測定セルは、ジルコニア等の固
体電解質体を挟んで一対の多孔質電極を設けることによ
って構成され、請求項１記載のガスセンサと共通の構成
を備えている。そこで、本発明では、上記酸素濃度測定
セルの構成を利用して請求項１記載の発明を構成してい
る。

【００１３】従って、本発明では、請求項１記載の発明
の効果に加えて、被測定ガス中の特定成分の量を一層正
確に検出すると共に、構成を一層簡略化することができ
るといった効果が生じる。なお、本発明において、前述
のように測定された温度に基づいて上記各セルの出力と
上記特定成分の量との対応関係を表すマップを修正する
修正手段を設ければ、特定成分の検出精度を一層良好に
向上させることができる。また、本発明のガスセンサが
そのガスセンサを加熱するヒータを備えている場合は、
上記測定される温度が所望の温度となるようにヒータの
フィードバック制御を行う制御手段を設けても、同様に
特定成分の検出精度を一層良好に向上させることができ
る。

【００１４】請求項３記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、被測定ガスが導入されるガス室と、該ガス室
に導入された被測定ガス中の特定成分を分解し、そのと
き得られる酸素イオンを電気的に検出する酸素イオンポ
ンプセルと、上記ガス室に導入されつつある上記被測定
ガス中の酸素ガス濃度を検出する酸素濃度測定セルと、
を備えたガスセンサであって、上記固体電解質体及び上
記一対のリード線が上記酸素イオンポンプセルを構成す
ることを特徴とする。

【００１５】本発明でも、請求項２記載の発明と同様
に、酸素濃度測定セルによって検出された酸素ガス濃度
を参照して酸素イオンポンプセルの検出結果を分析する
ことにより、上記特定成分の量を良好に検出することが
できる。更に、本発明では、上記固体電解質体及び上記
一対のリード線が、上記酸素イオンポンプセルを構成し
ている。酸素イオンポンプセルは、ジルコニア等の固体
電解質体を挟んで一対の多孔質電極を設けることによっ
て構成され、請求項１記載のガスセンサと共通の構成を
備えている。そこで、本発明では、上記酸素濃度測定セ
ルの構成を利用して請求項１記載の発明を構成してい
る。

【００１６】従って、本発明では、請求項１記載の発明
の効果に加えて、被測定ガス中の特定成分の量を一層正
確に検出すると共に、構成を一層簡略化することができ
るといった効果が生じる。なお、本発明において、前述
のように測定された温度に基づいて上記各セルの出力と
上記特定成分の量との対応関係を表すマップを修正する
修正手段を設ければ、特定成分の検出精度を一層良好に
向上させることができる。また、本発明のガスセンサが
そのガスセンサを加熱するヒータを備えている場合は、
上記測定される温度が所望の温度となるようにヒータの
フィードバック制御を行う制御手段を設けても、同様に
特定成分の検出精度を一層良好に向上させることができ
る。

【００１７】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれかに記載の構成に加えて、上記一対のリード線が、
自由端部の反対側の接合端部において作用電極と接合し
ているガスセンサにおいて全抵抗値を測定する手法とし
て、ガスセンサが被測定ガス中の特定成分を検出する温
度環境で、上記一対の自由端子間に既知の大きさＩｐの
ステップ状のパルス電流を流した時に上記一対の自由端
子間において電流印加後６０μｓ経過後に測定される電
圧Ｖｐｖｓを用いて、上記式１から全抵抗値Ｒｐｖｓを
算出するという手法を採用する。一方で、リード線抵抗
値を測定する手法としては、一対のリード線の自由端部
からリード線の接合端部までのそれぞれの直流抵抗を室
温において測定し、それを合計してリード線抵抗値を算
出する手法を採用する。このように測定した全抵抗値が
リード線抵抗値の２．６倍以上であるように、ガスセン
サのリード線抵抗値を設定するのである。

【００１８】このようなガスセンサにおいては、一対の
作用電極間に配置された固体電解質体の内部抵抗が、リ
ード線抵抗値の温度変化の影響を受けずに比較的正確に
測定できるので、ガスセンサの温度を正確に知ることが
できる。何故ならば、上記の方法では、全抵抗値はパル
ス状の電流を用いて、比較的高速の測定を行うので、作
用電極と固体電解質体の間に存在する界面抵抗が殆ど検
出されず、結果的に得られるのは、固体電解質体の内部
抵抗と、一対のリード線の抵抗及び一対の作用電極の抵
抗成分だけになるからである（詳細は特開平１０−７３
５６４を参照）。なお、一対のリード線の抵抗と比較し
て一対の作用電極の抵抗成分は比較的小さいので、その
ばらつきはガスセンサの温度測定に大きな影響は与えな
い。リード線抵抗値は全抵抗値の１／２．６以下に設定
されるので、ばらつきが生じても温度測定に与える影響
はせいぜい５℃以下に抑えることができる。

【００１９】ここで、請求項１においては全抵抗値の大
きさは一対のリード線の抵抗と固体電解質の電気抵抗値
の両方の電気抵抗値の合計と定義したが、請求項４の全
抵抗値は作用電極の抵抗値を含むことになるし、また、
界面抵抗の影響も完全に消せるものではないので、請求
項４で請求項１の定義の全抵抗値は完全に正確に測定す
ることはできない。しかし、作用電極の抵抗値や残留し
た界面抵抗の大きさはリード線抵抗値に比較してもかな
り小さな値なので、請求項４の測定方法で測定された値
が全抵抗値と仮定しても、ガスセンサの温度を導き出す
ための固体電解質の内部抵抗を測定する上において、大
きな問題は生じない。そこで、請求項４において測定さ
れた抵抗値にも請求項１と同じように全抵抗値と呼称し
ている。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
と共に説明する。図１は、本発明が適用されたガスセン
サ１の長手方向の縦断面を模式的に示す説明図である。
なお、本実施の形態のガスセンサ１は、例えば自動車の
排ガス中に含まれる窒素酸化物濃度の測定のために用い
られるいわゆるＮＯx センサである。また、この排ガス
中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx ）は、その殆どが一酸
化窒素（ＮＯ）であるので、ここでは、ＮＯ濃度の測定
について説明する。

【００２１】図１に示すように、ガスセンサ１は、被測
定ガスとしての自動車の排ガスが、第１拡散通路３，第
１室５，及び第２拡散通路７を順次経由して第２室９へ
至るように、ジルコニアシート１１，１３，１５とアル
ミナ絶縁層１７，１９とを積層して構成されている。ま
た、これらの積層によって構成される検知素子本体２０
の隣接位置には、その検知素子本体２０を加熱して活性
化させるためのヒータ基板３０が配設されている。

【００２２】ヒータ基板３０に最も近接して配置された
ジルコニアシート１１の両面には、そのジルコニアシー
ト１１に第１酸素イオンポンプセル（以下、酸素イオン
ポンプセルを単にポンプセルという）２１を構成すべく
多孔質電極２１ａ，２１ｂが設けられている。第１拡散
通路３，第１室５，及びアルミナ絶縁層１７を挟んでジ
ルコニアシート１１に積層されたジルコニアシート１３
には第２拡散通路７が形成され、その第２拡散通路７近
傍のジルコニアシート１３の両面には、酸素濃度測定セ
ル２３を構成すべく多孔質電極２３ａ，２３ｂが設けら
れている。更に、アルミナ絶縁層１９及び第２室９を挟
んでジルコニアシート１３に積層されたジルコニアシー
ト１５には、第２室９との対向面及びアルミナ絶縁層１
９との対向面に、第２ポンプセル２５を構成すべく多孔
質電極２５ａ及び２５ｂが設けられている。なお、第１
拡散通路３及び第２拡散通路７は、拡散抵抗を有する拡
散抵抗部を意味する。また、ヒータ基板３０は、白金製
のヒータパターン３１を内蔵すると共にアルミナを用い
て焼結されたセラミックス製基板である。

【００２３】ここで、酸素濃度測定セル２３の一対の多
孔質電極２３ａ，２３ｂ間には一定の微小電流が流さ
れ、多孔質電極２３ｂ側に酸素が汲み出される構成とす
ることにより、多孔質電極２３ｂの周囲に酸素基準室が
形成され、これを自己生成基準極として用いている。こ
のような自己生成基準極とする利点は、基準となる酸素
濃度が大気中の酸素濃度の変化に影響され難いことであ
る。

【００２４】第２拡散通路７は第１拡散通路３と離間し
て設けられている。このようにすることにより、第２室
９へ流入しつつある被測定ガスの酸素濃度を正確に制御
することができるため、第２ポンプ電流（第２ポンプセ
ル２５に流れる電流）のオフセット成分の酸素濃度依存
性及びＮＯの解離率の酸素濃度依存性を小さくすること
ができる。また、第１ポンプセル２１の第１室５側の多
孔質電極２１ｂは、第１室５の長手方向の長さに対して
短く、かつ、第２拡散通路７に対向する部分を避けて形
成されている。このようにすることにより、第１ポンプ
セル２１の作動の影響を極力減らして、第２室９へ流入
しつつある被測定ガスの酸素濃度を一層正確に制御する
ことができる。

【００２５】上記の各多孔質電極２１ａ〜２５ｂは、白
金、パラジウム、ロジウム、金、銀、銅等の金属を主成
分とし、ジルコニアシート１１〜１５と同じ成分を含む
材料の厚膜印刷によって、後述のリード線２３ｃ，２３
ｄ（図２）等と共に形成されている。また、各多孔質電
極２１ａ〜２５ｂは各ジルコニアシート１１〜１５を図
１の右方向に延伸して配線形成され、他端部において測
定用回路に接続するための端子（図示省略）が設けられ
て電気的に接続されている。

【００２６】図２（Ａ）は、多孔質電極２３ａとそのリ
ード線２３ｃとをジルコニアシート１３の上面から見た
形状を表す説明図であり、図２（Ｂ）は、多孔質電極２
３ｂとそのリード線２３ｄとをジルコニアシート１３の
下面から見た形状を表す説明図である。なお、図２
（Ａ），（Ｂ）に記載の寸法の単位はmmである。本実施
の形態では、リード線２３ｃ，２３ｄをこのように構成
することにより、このリード線２３ｃと２３ｄとを合わ
せた抵抗値Ｒｌｅａｄ（リード線の電気抵抗値成分）が
約１９Ωとなるように設計した。

【００２７】ジルコニアシート１３の酸素濃度測定セル
２３を構成する部分の内部抵抗は素子温度に応じて変化
するので、ガスセンサ１では、このリード線２３ｃ，２
３ｄの両自由端部間の抵抗値Ｒｐｖｓ（全抵抗値）に基
づいて上記内部抵抗を検出し、延いては素子温度を測定
することができる。また、ガスセンサ１では、このよう
にリード線２３ｃ及び２３ｄのＲｌｅａｄを充分小さく
したため、後述のように素子温度の測定誤差を充分に小
さくすることができる。更に、図２（Ａ），（Ｂ）に示
すように、リード線２３ｃ，２３ｄはジルコニアシート
１３を挟んで直接対向しない位置に配設されている。こ
のため、リード線２３ｃ，２３ｄ間でジルコニアシート
１３を挟んで直接電流が流れ、抵抗値Ｒｐｖｓに影響を
与えるのも防止できる。また、リード線２３ｃ，２３ｄ
とジルコニアシート１３との間にはアルミナ等の絶縁性
セラミックスからなる絶縁層を形成することが望まし
い。絶縁層を形成するとリード線からジルコニアシート
を通って直接電流が流れない。従って、リード線の配置
が自由に設計できる。また、リード線と固体電解質層が
絶縁されていないと、素子温が高くなった場合、作用電
極である多孔質電極２３ａ、２３ｂ間だけでなくリード
線２３ｃ、２３ｄ間の固体電解質層も導通状態となるの
で、作用電極近傍における温度を測定する上で測定誤差
が生じるが、絶縁層を形成することで、測定誤差の発生
を回避できる。なお、絶縁層としては、アルミナの場合
は厚さ１５μｍ以上有れば十分な絶縁性を確保できる。

【００２８】次に、このガスセンサ１の基本的な動作に
ついて、図１を参照して説明する。ガスセンサ１では、
酸素濃度測定セル２３で第１室５から第２室９に導入さ
れつつある被測定ガス中の酸素濃度（酸素ガス濃度）を
監視する。そして、酸素濃度測定セル２３の出力電圧Ｖ
ｓｍが目標電圧（例えばＶｓ＝４５０ｍＶ）に近づくよ
うに、第１ポンプセル２１にポンプ電圧Ｖ１を印加し
て、第１室５内の酸素を汲み出しまたは汲み入れつつ、
第１室５の一酸化窒素（ＮＯ）及び酸素ガス（Ｏ ₂ ）を
下記式（２），（３）に示すように解離する。

【００２９】２ＮＯ → Ｎ₂ ＋ Ｏ₂ …（２） Ｏ₂ ＋４ｅ^- → ２Ｏ^2- …（３） つまり、第１室５にてＮＯが一部解離する程度、すなわ
ち、第１室５内の被測定ガス中のＮＯの解離率αが０．
５％以上（例えば２〜２０％の範囲内）となるように、
第１ポンプセル２１の作動をコントロールして第２室９
へのガス流入口近傍の酸素濃度を制御し、ＮＯとＯ₂ を
解離するのである。そして、このときの第１ポンプセル
２１に流れる電流（第１ポンプ電流）Ｉp1を測定する。

【００３０】次に、このようにして所定の解離率αでＮ
Ｏを解離した後の被測定ガスを、第２拡散通路７から第
２室９に送り、第２ポンプセル２５によって被測定ガス
中の残余のＯ₂ 及びＮＯを解離し、解離により生じた酸
素イオンを第２ポンプセル２５により汲み出す。このと
きの第２ポンプセル２５に流れる電流（第２ポンプ電
流）Ｉp2を測定する。

【００３１】このとき汲み出される酸素イオンは、第１
室５から第２室９に導入された被測定ガス中のＯ₂ 及び
ＮＯが解離されて生成した酸素イオンであるので、第１
室５から第２室９に導入されたＯ₂ 量は第２ポンプ電流
Ｉp2のオフセット成分（ＮＯ量がゼロであるときの第２
ポンプ電流Ｉp2）として現れ、残りが第１室５で解離さ
れずに第２室９に導入されたＮＯ量に対応した電流とな
る。

【００３２】そして、このようにして測定した第１ポン
プ電流Ｉp1及び第２ポンプ電流Ｉp2の両電流を用いて、
後に詳述する手法にて、ＮＯ濃度を検出するのである。
次に、被測定ガス中のＮＯ濃度を検出するために用いる
下記式（４）について説明する。

【００３３】 ＮＯ濃度＝（Ｉp2−Ｉp2offset）×Ａ／（１−α／１００）…（４） 但し、α ：第１室５のＮＯの解離率（％） Ａ ：ＮＯ濃度に対応する電流信号をＮＯ濃度に換算す
る係数 Ｉp2：第２ポンプセル２５の電流 Ｉp2offset ：第２ポンプセル２５の電流中のオフセッ
ト成分 ＮＯ濃度 ：被測定ガス中のＮＯ濃度 本実施の形態では、酸素濃度測定セル２３の出力電圧Ｖ
ｓｍが目標電圧Ｖｓ（例えば４５０ｍＶ）となるよう
に、第１ポンプセル２１を制御し、そのときの第１ポン
プ電流Ｉp1を測定する。すなわち、第１室５にて所定の
解離率αでＮＯが解離する酸素濃度となるように第１ポ
ンプセル２１の多孔質電極２１ａ，２１ｂ間に電圧を加
える。このときの第１ポンプ電流Ｉp1は第１室５におけ
るＮＯの解離率αに対応した値となる。

【００３４】また、第１室５で解離されずに第２室９に
流入した残りのＮＯ及びＯ₂ が、第２ポンプセル２５の
多孔質電極２５ａ上で解離されるので、第２ポンプ電流
Ｉp2が第２室９におけるＮＯ及びＯ₂ の解離によって生
じた酸素イオン量に対応した値となる。つまり、第２ポ
ンプ電流Ｉp2には、ＮＯ濃度に対応した電流だけでな
く、酸素濃度に対応したオフセット電流も含まれてい
る。従って、第２室９におけるＮＯ濃度のみに対応した
電流は、第２ポンプ電流Ｉp2とオフセット電流Ｉp2ofse
ttとの差（Ｉp2−Ｉp2offset）で表される。

【００３５】ここで、被測定ガス中のＮＯ濃度を１とす
れば第２室９に流入するＮＯ濃度は、（１−α／１０
０）であるので、上記第２ポンプセル２５における電流
の差（Ｉp2−Ｉp2offset）を、第２室９に流入したＮＯ
濃度で割ったもの｛（Ｉp2−Ｉp2offset）／（１−α／
１００）｝が、全ＮＯ濃度に対応した電流値になる。

【００３６】従って、この電流値に、所定の変換係数
（電流値をＮＯ濃度に変換する係数）Ａをかけることに
より全ＮＯ濃度を求めることができるのである。つま
り、上述した式（４）を用いることにより、ＮＯ濃度を
求めることができる。次に、上述したガスセンサ１を用
い、上記式（４）を利用して、被測定ガス中のＮＯ濃度
を測定する方法の手順を、順を追って説明する。

【００３７】（１）予め、実験により、例えば図３に示
すマップＭ１のように、酸素濃度測定セル２３の設定電
圧（目標電圧）Ｖｓをパラメータとして、第１ポンプ電
流Ｉp1と被測定ガス中の酸素濃度（Ｏ₂ 濃度）との関係
を求めておく。具体的には、ＮＯの影響を排除するため
に、被測定ガス中にＯ₂ のみを含有するガスを用いて、
上記関係を求めておく。

【００３８】（２）同様に、予め、実験により、例えば
図４に示すマップＭ２のように、酸素濃度測定セル２３
の設定電圧（目標電圧）Ｖｓをパラメータとしてオフセ
ット電流Ｉp2offsetと被測定ガス中の酸素濃度（Ｏ₂ 濃
度）との関係を求めておく。具体的には、ＮＯの影響を
排除するために、被測定ガス中にＯ₂ のみを含有するガ
スを用いて、上記関係を求めておく。つまり、ここで
は、第２ポンプ電流Ｉp2を測定すれば、それがオフセッ
ト電流Ｉp2offsetとなる。

【００３９】（３）また、予め、実験により、例えば図
５に示すマップＭ３のように、酸素濃度測定セル２３の
設定電圧（目標電圧）Ｖｓをパラメータとして、ゲイン
（ＧIp2 ）と被測定ガス中の酸素濃度（Ｏ₂ 濃度）との
関係を求めておく。このゲインはＮＯ濃度の検出のため
に用いられる乗数であり、実験的に求められる目標電圧
Ｖｓ及び酸素濃度の関数である。すなわち、このゲイン
とは、ＮＯの解離率が０％の場合における変換係数（電
流をＮＯ濃度に変換する係数）Ａに、ＮＯの解離率αを
勘案して得られる値であり、一定の電流値の変化に対応
するＮＯ濃度の変化を示すものである。

【００４０】なお、このゲインとは、ＮＯに対応した電
流をＮＯ濃度で割った値（例えばμＡ／ppmの単位の
値）で示される感度の逆数である。具体的には、上記関
係を求めるには、次のようにして行う。ＮＯ濃度と酸素
濃度とが既知の被測定ガスを用いると、第２ポンプ電流
Ｉp2と酸素濃度とＮＯ濃度との間に、図７に示すような
関係が得られる。従って、この図７に基づいて、あるＮ
Ｏ濃度（例えば２００ppm）において、ある酸素濃度に
おける電流差（Ｉp2−Ｉp2offset）が、真にＮＯ濃度に
対応した電流値となる。そこで、その電流差（例えば
（Ｉp2−Ｉp2offset）μＡ）をそのときのＮＯ濃度（例
えば２００ppm）で割ると感度が求まり、その逆数がゲ
インＧIp2 となる。よって、このようにして得られたゲ
インを用い、上記図５に示すように、ゲインＧIp2 と目
標電圧Ｖｓと酸素濃度からなるマップＭ３を作成してお
くのである。

【００４１】（４）次に、上述したマップＭ１〜Ｍ３を
用いて行われる実際のＮＯ濃度の測定方法について説明
する。 ・先ず、ＮＯ濃度が未知の被測定ガスの雰囲気中に、ガ
スセンサ１を配置し、被測定ガスを、第１拡散通路３を
介して第１室５に導入する。

【００４２】・第１室５に導入された被測定ガスは、前
述したように、酸素濃度測定セル２３における目標電圧
Ｖｓを実現する第１ポンプセル２１の働きにより、所定
のＮＯの解離率α（０．５％以上）となるように、ＮＯ
及びＯ₂ が解離され、その解離量に対応した第１ポンプ
電流Ｉp1が流れる。先ず、このときの第１ポンプ電流Ｉ
p1が測定される。

【００４３】・また、第２室９には、第１室５から第２
拡散通路７を介して被測定ガスが流入するが、この被測
定ガス中には、第１室５にて解離されずに残ったＯ₂ 及
びＮＯが含まれている。従って、前述のような第２ポン
プセル２５の働きにより、残りのＮＯ及びＯ₂ が解離さ
れ、それに対応した第２ポンプ電流Ｉp2が流れる。そし
て、このときの第２ポンプ電流Ｉp2が測定される。

【００４４】・次に、前述のようにして測定された第１
ポンプ電流Ｉp1を用い、上記図３のマップＭ１から、目
標電圧Ｖｓに対応した被測定ガス中の酸素濃度を求め
る。 ・次に、マップＭ１から得られた酸素濃度を用い、上記
図４のマップＭ２から、目標電圧Ｖｓに対応したオフセ
ット電流Ｉp2offsetを求める。

【００４５】・同様に、マップＭ１から得られた酸素濃
度を用い、上記図５のマップＭ３から、目標電圧Ｖｓに
対応したゲインＡ／（１−α／１００）を求める。 ・そして、以上のようにして得られた、第２ポンプ電流
Ｉp2、オフセット電流Ｉp2offset、ゲインＡ／（１−α
／１００）を、上記式（４）に代入することにより、Ｎ
Ｏ濃度を測定することができる。

【００４６】また、このようにＮＯ濃度の測定を行う場
合には、ヒータ基板３０のヒータパターン３１への通電
状態を制御して、素子温度を５５０〜９００℃の範囲の
所定の温度にコントロールすることが好ましい。つま
り、図６に示すように、第１室５におけるＮＯの解離率
αは、素子温度により変化するので、変化があまり大き
くない温度領域、例えば７００℃〜８５０℃の範囲、好
ましくは７７０℃〜８２０℃の範囲を使用することが好
ましい。そこで、ガスセンサ１では、前述のようにリー
ド線２３ｃ，２３ｄの両端間の抵抗値Ｒｐｖｓに基づい
て素子温度を測定し、ヒータ基板３０による検知素子本
体２０の加熱状態をフィードバック制御している。すな
わち、素子温度とＲｐｖｓとの間には図８に示すような
関係がある。そこで、ガスセンサ１では、何秒おきかに
Ｒｐｖｓを測定する特別モードを割り込み実施し、測定
されたＲｐｖｓが例えば素子温度７４０℃に対応する８
０Ωとなるようにヒータパターン３１への通電状態を制
御するのである。

【００４７】また、前述のようにリード線２３ｃ，２３
ｄを厚膜印刷によって形成する場合、リード線２３ｃ，
２３ｄ自身の抵抗値Ｒｌｅａｄには１０％程度のばらつ
きが生じるが、Ｒｌｅａｄは約１９ΩとＲｐｖｓの８０
Ωに比べて極めて小さい。このため、上記ばらつきによ
って生じる温度の測定誤差も小さく、素子温度を良好に
フィードバック制御してＮＯx の検出精度を良好に向上
させることができる。

【００４８】すなわち、図８に示すＲｐｖｓと素子温度
との関係をいくつか表１にピックアップしてみると、こ
の表１からも明らかなように、Ｒｐｖｓ＝８０Ωの近傍
ではそのＲｐｖｓが１Ω変化することによって対応する
素子温度が１．３４℃変化することが分かる（この１．
３４℃／Ωを温度抵抗係数と呼ぶことにする）。従っ
て、Ｒｌｅａｄに約１．９Ω（＝０．１×Ｒｌｅａｄ）
のばらつきがあったとしても、そのばらつきに起因する
素子温度の測定誤差は約２．５℃と極めて低く抑えら
れ、前述のように、素子温度を良好にフィードバック制
御してＮＯx の検出精度を良好に向上させることができ
る。

【００４９】

【表１】 このことは、言い換えると、Ｒｐｖｓが１００％変化し
たときに得られる温度測定値の変化は、Ｒｐｖｓ＝８０
Ωの近傍で直線近似して考えると約１００℃／１００％
となるが（これを抵抗温度変化率と呼ぶことにする）、
この抵抗温度変化率に０．１×Ｒｌｅａｄ／Ｒｐｖｓを
かけて算出される素子温度の測定誤差は約２．５℃とな
り、素子温度の温度制御の目標が充分に達成できること
が分かる。すなわち、このように構成したガスセンサ１
は、次式を満足するのである。

【００５０】所望の温度測定誤差の範囲＞０．１×Ｒｌ
ｅａｄ×抵抗温度変化率／Ｒｐｖｓ

【００５１】

【実施例】次に、上記実施の形態のガスセンサ１を実際
に製造して、上記温度の測定誤差に関わる効果を検証し
た。先ず、ガスセンサ１を５個製造し、各々のＲｌｅａ
ｄを室温で測定したところ、それぞれ１９．６Ω、１
９．４Ω、１９．０Ω、１８．７Ω、１７．９Ωとな
り、平均が１８．９Ωで約１０％のばらつきがあること
が分かった。また、多孔質電極２３ａ，２３ｂの面積ま
たはジルコニアシート１３の厚さを変更して、異なるＲ
ｐｖｓを有するガスセンサ１を種々作成した。各ガスセ
ンサ１の特性を表２に示す。なお、表２において内部抵
抗とは、酸素濃度測定セル２３を構成するジルコニアシ
ート１３の内部抵抗である。

【００５２】

【表２】 表２から分かるように、ＲｐｖｓをＲｌｅａｄの２．６
倍以上とすると温度の測定誤差を５℃未満とすることが
できる。ガスセンサ１では、前述のようにこの程度の精
度が満足できれば充分である。また、好ましくは、Ｒｐ
ｖｓをＲｌｅａｄの４倍以上とするとよく、この場合、
温度の測定誤差を２．５℃程度まで抑えることができ
る。

【００５３】ここで、温度の測定誤差の測定方法につい
て図９を参照に説明する。図９において、１００は測定
対象のガスセンサ素子であり、１２０はガスセンサ素子
のヒータ１２１に電力を供給するヒータ制御装置であ
る。ヒータ制御装置１２０は、Ｒｐｖｓ測定装置１３０
からの信号によって作動し、また、Ｒｐｖｓ測定装置１
３０は、ガスセンサ素子１００の酸素濃度測定セルの一
対のリード線１０１、１０２の一対の自由端部１０３、
１０４に接合された白金線１０５、、１０６に電気的に
接続されている。酸素濃度測定セルの作用電極１０７、
１０８の近傍の素子表面には、ＰＲ熱電対１４１が接触
しており、ＰＲ熱電対温度測定器１４０にて、作用電極
近傍の温度を測定する。

【００５４】Ｒｐｖｓ測定装置１３０のＲｐｖｓの測定
は図１０に示されるように行われる。まず所定の間隔で
一対の自由端部の間の電圧Ｖ１が測定される。電圧測定
後約１００μｓ後に酸素濃度測定セルの一対の自由端部
に対して、大きさ３ｍＡのパルス電流Ｉｐがステップ的
に供給される。一対の自由端部の間には、パルス電流の
供給によりパルス状の電圧が発生する。そして、パルス
電流の供給開始後６０μｓ後のタイミングで再度自由端
部間の電圧Ｖ２を測定する。電圧Ｖ２の測定後１００μ
ｓ後にパルス電流の供給を停止する。以上の測定から得
られたＶ１、Ｖ２に基いて、以下の式２によって、Ｒｐ
ｖｓを算出する。

【００５５】 Ｒｐｖｓ＝（Ｖ２−Ｖ１）／３ｍＡ … 式２ Ｒｐｖｓ測定装置１３０は得られたＲｐｖｓの値をヒー
タ制御装置１２０に出力する。ヒータ制御装置１２０は
Ｒｐｖｓが目標の値（表２のＲｐｖｓの値）となるよう
にガスセンサ素子のヒータへ供給する電力を調整する。
即ち測定されたＲｐｖｓの値が目標より大きい場合は、
作用電極の温度が低いと判断しヒータへ供給する電力を
増やし、測定されたＲｐｖｓの値が目標より小さい場合
は、作用電極の温度が高いと判断しヒータへ供給する電
力を減らすように動作する。このようにしてガスセンサ
素子の温度環境はＲｐｖｓが目標値になるように制御さ
れる。この状態において、ＰＲ熱電対１４１によって実
際の温度のばらつきを測定した。

【００５６】また、リード線抵抗値Ｒｌｅａｄの測定法
について図１１を参照に説明する。リード線１０１、１
０２は通常の状態ではセラミックス中に埋設されている
ので、リード線抵抗値は素子を切断して行う。具体的に
は、酸素濃度測定セルのリード線１０１、１０２の接合
端部１０９、１１０において、ダイヤモンドソーで素子
を切断する。切断面に２次メタライズ用の銀ガラスフリ
ット１１１を焼き付けて、リード線１０１、１０２の接
合端部１０９、１１０を短絡する。この状態で、通常の
２線式の抵抗測定器１５０によって、白金線１０５、１
０６の両端の直流抵抗を測定する。

【００５７】なお、上記実施の形態において、酸素濃度
測定セル２３を構成するジルコニアシート１３が固体電
解質体に、第２室９がガス室に、第２ポンプセル２５が
酸素イオンポンプセルに、それぞれ相当する。また、本
発明は上記実施の形態になんら限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様
で実施しうることはいうまでもない。例えば、上記実施
の形態では、酸素濃度測定セル２３を構成するジルコニ
アシート１３、多孔質電極２３ａ，２３ｂ、及びリード
線２３ｃ，２３ｄによって温度を検出しているが、第２
ポンプセル２５を構成するジルコニアシート１５及び多
孔質電極２５ａ，２５ｂを用いて温度を検出したり、温
度を検出するために独立した電極及びリード線をジルコ
ニアシート１１〜１５のいずれかを挟んで設けたりして
もよい。後者の場合、温度を常時検出し続けることがで
き、前述のような特別モードへの切換処理を省略するこ
とができる。但し、前者の場合及び上記実施の形態で
は、第２ポンプセル２５または酸素濃度測定セル２３の
構成を利用して温度を検出しているので、ガスセンサ１
の構成を一層簡略化することができる。

【００５８】また、上記実施の形態では、素子温度が所
望の温度となるようにヒータ基板３０のフィードバック
制御を行っているが、前述のように測定された温度に基
づいてそのガスセンサ１の出力と上記ＮＯx 濃度との対
応関係を表すマップを修正しても、同様に検出精度を一
層良好に向上させることができる。更に、上記実施の形
態では、本発明をＮＯx センサに適用した場合を例に挙
げて説明したが、本発明は、被測定ガス中のＮＯx 以外
の種々の特定成分（例えば、Ｏ₂ 、ＨＣ、ＣＯ、ＣＯ
₂ 、Ｈ₂ 等）の濃度を検出するガスセンサにも適用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明が適用されたガスセンサの縦断面を示
す説明図である。

【図２】 酸素濃度測定セルの多孔質電極とリード線の
形状を表す説明図である。

【図３】 酸素濃度測定セルの目標電圧と第１ポンプ電
流と酸素濃度との関係を示すグラフである。

【図４】 酸素濃度測定セルの目標電圧とオフセット電
流と酸素濃度との関係を示すグラフである。

【図５】 酸素濃度測定セルの目標電圧とゲインと酸素
濃度との関係を示すグラフである。

【図６】 素子温度と第１室におけるＮＯ解離率との関
係を示すグラフである。

【図７】 ＮＯ濃度と第２ポンプ電流と酸素濃度との関
係を示すグラフである。

【図８】 リード線間の抵抗値Ｒｐｖｓと素子温度との
関係を示すグラフである。

【図９】 温度の測定誤差の測定装置についての説明図
である。

【図１０】 全抵抗値（Ｒｐｖｓ）測定装置の動作を説
明するタイムチャートである。

【図１１】 リード線抵抗値（Ｒｌｅａｄ）の測定方法
の説明図である。

【符号の説明】

１…ガスセンサ ３…第１拡散通路 ５…
第１室 ７…第２拡散通路 ９…第２室 １１，１３，
１５…ジルコニアシート ２０…検知素子本体 ２１…第１酸素イオンポンプ
セル ２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂ，２５ａ，２５ｂ…多
孔質電極 ２３ｃ，２３ｄ…リード線 ２３…酸素濃度測定セ
ル ２５…第２酸素イオンポンプセル ３０…ヒータ基
板 ３１…ヒータパターン １２０…ヒータ制御装
置 １３０…Ｒｐｖｓ測定装置 １４１…ＰＲ熱電対

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−65794（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−288595（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−73564（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−221182（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−260158（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/419 G01N 27/409 G01N 27/416 G01N 27/41

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定ガス中の特定成分を、酸素イオン
   伝導性の固体電解質体を用いて検出するガスセンサであ
   って、 自身の温度に応じて内部抵抗が変化する固体電解質体
   と、 該固体電解質体に接続された一対のリード線とを備え、 ガスセンサが被測定ガス中の特定成分を検出する際の温
   度環境において上記一対のリード線の上記固体電解質体
   に接続されていない側の一対の端部（以下単に自由端部
   という）から測定した前記一対のリード線と固体電解質
   体との両方の電気抵抗値の合計（以下全抵抗値又はＲｐ
   ｖｓという）が、室温において測定された前記一対のリ
   ード線の合計の電気抵抗値成分（以下リード線抵抗値又
   はＲｌｅａｄという）の２．６倍以上であることを特徴
   とするガスセンサ。
2. 【請求項２】 被測定ガスが導入されるガス室と、 該ガス室に導入された被測定ガス中の特定成分を分解
   し、そのとき得られる酸素イオンを電気的に検出する酸
   素イオンポンプセルと、 上記ガス室に導入されつつある上記被測定ガス中の酸素
   ガス濃度を検出する酸素濃度測定セルと、 を備えたガスセンサであって、 上記固体電解質体及び上記一対のリード線が上記酸素濃
   度測定セルを構成することを特徴とする請求項１記載の
   ガスセンサ。
3. 【請求項３】 被測定ガスが導入されるガス室と、 該ガス室に導入された被測定ガス中の特定成分を分解
   し、そのとき得られる酸素イオンを電気的に検出する酸
   素イオンポンプセルと、 上記ガス室に導入されつつある上記被測定ガス中の酸素
   ガス濃度を検出する酸素濃度測定セルと、 を備えたガスセンサであって、 上記固体電解質体及び上記一対のリード線が上記酸素イ
   オンポンプセルを構成することを特徴とする請求項１記
   載のガスセンサ。
4. 【請求項４】 上記一対のリード線は、自由端部の反対
   側の端部（以下接合端部という）において、ガス及び固
   体電解質と三相界面を構成するための一対の作用電極と
   接合し、 上記ガスセンサが被測定ガス中の特定成分を検出する温
   度環境において、上記一対の自由端部間に既知の大きさ
   Ｉｐのステップ状のパルス電流を流した時に上記一対の
   自由端部間において電流印加後６０μｓ経過後に測定さ
   れる電圧Ｖｐｖｓから以下の式１で計算されるＲｐｖｓ
   を上記全抵抗値とし、 上記一対のリード線の、上記自由端部から上記作用端部
   までのそれぞれの室温における直流抵抗の合計の抵抗値
   を上記リード線抵抗値とした時に、 上記全抵抗値が上記リード線抵抗値の２．６倍以上であ
   ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガ
   スセンサ。 Ｒｐｖｓ＝Ｖｐｖｓ／Ｉｐ … 式１