JP3520217B2 - 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（ＮＯ，ＮＯ₂ 等の窒素酸化物（ＮＯx ）、Ｏ
₂ 、ＨＣ、ＣＯ、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ 等）の濃度を検出するガ
スセンサに関し、詳しくは、大気よりも酸素濃度が高く
維持される多孔質電極を複数備えたガスセンサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ジルコニアプレート等の固体
電解質層等を介して一対の多孔質電極を配設し、両電極
間に電流を通電することによって酸素イオンを陰極から
陽極へ移動させる酸素イオンポンプセルが考えられてい
る。この酸素イオンポンプセルの陰極として、ＮＯx を
分解する触媒として作用するものを使用すれば、その陰
極が配置された雰囲気中のＮＯx 濃度を、上記陽極−陰
極間の通電状態（例えば、両極間に流れる電流）に基づ
いて検出することができる。また、このような原理でＮ
Ｏx を検出するガスセンサでは、次のようにして測定精
度を向上させることが考えられている。例えば、上記雰
囲気に流入しつつある被測定ガスに他の酸素イオンポン
プセルの陰極を曝してその酸素濃度を検出し、更に他の
酸素イオンポンプセルによってその酸素濃度が所定値と
なるように調整してから上記雰囲気に被測定ガスを流入
させることが考えられている。

【０００３】また、それらの酸素イオンポンプセルによ
るＮＯx 濃度や酸素濃度の検出精度を向上させるため
に、陽極側の多孔質電極の酸素濃度を大気よりも高く維
持することも考えられている。このように、特定の多孔
質電極を大気よりも高い酸素濃度に維持した場合、その
多孔質電極を基準とすることによって検出結果が大気中
の酸素濃度の変化に影響され難くなり、検出精度を大幅
に向上させることができる。このようにして検出精度を
向上させることは、ＮＯx 以外の特定成分の濃度を検出
するガスセンサに対しても同様に考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
特定の多孔質電極の酸素濃度を維持する場合、その電極
の酸素濃度をいかに安定して維持するかが課題となる。
例えば、図７は、参考例としてのガスセンサ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、本参
考例のガスセンサ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。

【０００５】図７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センサ本体２０の
隣接位置には、そのセンサ本体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。

【０００６】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、その第２室９との対向面及びアルミナ絶縁
層１９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
金製のヒータ電極３１を内蔵し、アルミナを主体として
焼結されたセラミックス製基板である。

【０００７】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の周囲に大気より高い
酸素濃度の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。

【０００８】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。

【０００９】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
材料から構成されている。また、各多孔質電極２１ａ〜
２５ｂは各ジルコニアシート１１〜１５を図７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。

【００１０】次に、このガスセンサ１の基本的な動作に
ついて、図７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に流入し
つつある被測定ガス中の酸素濃度を監視する。そして、
酸素濃度測定セル２３の出力電圧Ｖｓｍ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（Ｏ₂ ）を下記式（２），（３）
に示すように解離する。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。このた
め、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。

【００１４】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Ｎ
Ｏ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（１）について説明
する。 ＮＯ濃度＝（Ｉp2−Ｉp2offset）×Ａ／（１−α／１００）…（１） 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 本参考例では、酸素濃度測定セル２３の出力電圧Ｖｓｍ
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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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（１）を用いることにより、ＮＯ濃度を
求めることができる。このように、ガスセンサ１を用い
てＮＯ濃度を検出する場合、酸素濃度測定セル２３の出
力電圧Ｖｓｍと第２ポンプ電流Ｉp2とが極めて重要なパ
ラメータとなる。ここで、例えば出力電圧Ｖｓｍの検出
原理について更に詳述する。

【００１８】図８は酸素イオンポンプセルとしての酸素
濃度測定セル２３の等価回路を表す説明図である。酸素
濃度測定セル２３は、多孔質電極２３ａの酸素濃度（第
２室９へ流入しつつある被測定ガスの酸素濃度）と多孔
質電極２３ｂの酸素濃度（前述の自己生成基準極として
の酸素濃度）との差に応じて、多孔質電極２３ａ，２３
ｂ間の通電方向とは逆方向に起電力を発生する。そこ
で、この起電力を出力電圧Ｖｓｍの直流電源Ｂ1 に置き
換え、酸素濃度測定セル２３の内部抵抗（１００Ω前
後）を抵抗器Ｒ1 に置き換え、外部の直流電源Ｂ0 の電
圧（５Ｖ）を抵抗器Ｒ0 （５００ＫΩ）を介して印加し
た状態を模式的に表したのが図８である。

【００１９】この場合、抵抗器Ｒ0 の抵抗値が酸素濃度
測定セル２３の内部抵抗に対して極めて大きいので、そ
の内部抵抗の変動は無視され、図８の回路を流れる電流
（通常９．５〜１０μＡ）を測定することにより出力電
圧Ｖｓｍを検出することができる。また、第２ポンプ電
流Ｉp2の検出においても、直流電源Ｂ0 ，抵抗器Ｒ0の
大きさ等は異なるものの同様の等価回路を用いて考察す
ることができる。

【００２０】このように、ガスセンサ１によるＮＯ濃度
の検出精度は、多孔質電極２３ｂ，２５ｂの酸素濃度が
どれだけ安定しているかによって大きく左右される。特
に、第２ポンプセル２５では、酸素濃度測定セル２３の
ように積極的に通電を行うわけではなく、前述のＮＯ等
の解離によって徐々に多孔質電極２５ｂの酸素濃度が上
昇する。このため、多孔質電極２５ｂの酸素濃度を安定
させることは、ＮＯ濃度の検出精度を向上させるに当た
って特に重要となる。そこで、本発明は、大気よりも高
い酸素濃度に維持される多孔質電極を複数備えたガスセ
ンサにおいて、その多孔質電極の酸素濃度を良好に安定
化することを目的としてなされた。

【００２１】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】

【００２２】

【００２３】

【００２４】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、酸素イオン伝導性の固体電解質層を介し
て一対の多孔質電極を設けてなる第１酸素イオンポンプ
セル及び酸素濃度測定セルを有し、第１拡散抵抗部を介
して被測定ガス側に連通された第１室と、酸素イオン伝
導性の固体電解質層に一対の多孔質電極を設けてなる第
２酸素イオンポンプセルを有し、第２拡散抵抗部を介し
て上記第１室と連通された第２室と、を備え、上記酸素
濃度測定セルの出力電圧が一定値となるように上記第１
酸素イオンポンプセルにて上記第１室から酸素を汲み出
しまたは汲み入れると共に、上記第２酸素イオンポンプ
セルに上記第２室から酸素を汲み出す方向に電圧を印加
することにより、該第２酸素イオンポンプセルに流れる
電流に基づいて被測定ガス中の特定成分を検出するガス
センサにおいて、上記第２酸素イオンポンプセルを構成
する多孔質電極の内、上記第２室に面した電極（以下第
１の多孔質電極と呼ぶ）との間で電圧を印加される第３
の多孔質電極と、該第３の多孔質電極との間で酸素ガス
の流通経路が形成されている第４の多孔質電極と、該第
４の多孔質電極と対を成して上記酸素濃度測定セルを構
成すると共に上記第１室に面し、通電により酸素イオン
を運ぶための第２の多孔質電極と、を有し、上記第１の
多孔質電極と上記第３の多孔質電極との間に、上記第３
の多孔質電極が陽極となるように所定の電圧を印加し、
上記第１の多孔質電極近傍の含酸素ガスを酸素イオンに
して上記第３の多孔質電極に運び、上記第３の多孔質電
極から酸素ガスとして放出し、上記第２の多孔質電極と
上記第４の多孔質電極との間に、上記第４の多孔質電極
が陽極となるように所定の電流を通電し、上記第２の多
孔質電極近傍の含酸素ガスを酸素イオンにして上記第４
の多孔質電極に運び、上記第４の多孔質電極から酸素ガ
スとして放出することを特徴とする。

【００２５】このように構成された本発明では、第１の
多孔質電極と第３の多孔質電極との間には、第３の多孔
質電極が陽極となるように所定の電圧が印加される。こ
のため、第１の多孔質電極近傍の含酸素ガスを酸素イオ
ンにして上記第３の多孔質電極に運び、その第３の多孔
質電極から酸素ガスとして放出することができる。ま
た、第２の多孔質電極と第４の多孔質電極との間には、
第４の多孔質電極が陽極となるように所定の電流が通電
され、第２の多孔質電極近傍の含酸素ガスを酸素イオン
にして第４の多孔質電極に運び、その第４の多孔質電極
から酸素ガスとして放出することができる。

【００２６】ここで、第３の多孔質電極には積極的に通
電を行うわけではなく、電圧の印加に応じて酸素イオン
が運ばれることによってその第３の多孔質電極の酸素濃
度が大気よりも高くなる。このため、第３の多孔質電極
は前述の多孔質電極２５ｂと同様に、その酸素濃度をい
かにして維持するかが課題となる。一方、第４の多孔質
電極は、所定の電流の通電によって積極的に酸素イオン
が運び込まれ、大気よりも高い酸素濃度に良好に維持さ
れる。そこで、本発明では、第３の多孔質電極と第４の
多孔質電極との間に、酸素ガスの流通経路を構成してい
る。このため、第３の多孔質電極に積極的に通電を行っ
て酸素濃度を維持する構成を設けなくても、その第３の
多孔質電極を大気よりも高い酸素濃度に安定して維持す
ることができ、延いては、第１の多孔質電極近傍の含酸
素ガスの検出を良好に行うことができる。従って、本発
明では、積極的に通電を行わない第３，第１の多孔質電
極の対によってなされる特定成分の検出精度を良好に向
上させることができる。

【００２７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、上記第３の多孔質電極と上記第４の多孔質電
極との間の酸素ガス流通経路の少なくとも一部に、多孔
質物質を配設したことを特徴とする。本発明では、上記
２つの多孔質電極間に多孔質物質を配設しているので、
上記２つの多孔質電極が接触するのを良好に防止しつつ
上記ガス流通経路を確実に確保することができる。従っ
て、本発明では、請求項１記載の発明の効果に加えて、
上記酸素ガスの流通による効果を確実に発揮しつつ多孔
質電極同士の接触等による誤動作を防止して、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といっ
た効果が生じる。請求項３記載の発明は、請求項１また
は２記載の構成に加え、上記第３の多孔質電極と上記第
４の多孔質電極との間の絶縁が、所定温度範囲で電流と
して０．０５μＡ以下であることを特徴とする。このた
め、本発明では、第３の多孔質電極と第４の多孔質電極
との絶縁性を良好に確保することができ、上記特定成分
の検出精度を一層良好に向上させることができる。な
お、上記所定温度範囲とは、例えば本発明のガスセンサ
が使用される温度範囲である。また、上記絶縁が電流と
して０．０６μＡ以上であると、第３，第４の電極間に
絶縁性の物質を配設していた場合の従来の通電機構が使
用困難となるが、本発明では上記絶縁を電流として０．
０５μＡ以下としたことにより、従来から使用されてい
た通電機構を良好に使用してその信頼性を向上させ、上
記特定成分の検出精度を極めて良好に向上させることが
できる。

【００２８】

【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５１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５１は、多孔質電
極２３ｂ，２５ｂの間に、アルミナ絶縁層１９を切り欠
いて絶縁性の多孔質物質からなる多孔質層５３を形成し
た点で参考例のガスセンサ１と異なり、他の部分はガス
センサ１と同様に構成されている。そこで、ガスセンサ
１と同様に構成した部分には図１にて図７と同様の符号
を使用し、構成の詳細な説明を省略する。

【００２９】このように構成されたガスセンサ５１で
は、第３の多孔質電極としての多孔質電極２５ｂと第４
の多孔質電極としての多孔質電極２３ｂとの間に、絶縁
性の多孔質層５３を形成しているので、その多孔質電極
２５ｂ，２３ｂ間でＯ₂ の流通が極めて円滑に行え、し
かも、多孔質電極２５ｂ，２３ｂの絶縁性が確保され
る。前述のように、多孔質電極２３ｂは継続的に通電が
なされることにより一定の基準酸素濃度に保持されて自
己生成基準極となるが、ガスセンサ５１では多孔質電極
２５ｂ，２３ｂ間でＯ₂ の流通を可能にしているので、
多孔質電極２５ｂの酸素濃度も基準の値に保持される。

【００３０】すなわち、多孔質電極２３ｂから多孔質電
極２３ａに向けて微小電流を通電する機構と、多孔質電
極２５ａ，２５ｂ間に電圧を印加する機構とによって、
多孔質電極２５ｂ，２３ｂ側に酸素が汲み出され、多孔
質電極２５ｂ，２３ｂ及び多孔質層５３が全体として一
つの酸素基準室となる。従って、例えば一方のセル２３
または２５で酸素イオンの流通が活発化するなど、上記
基準酸素濃度を不安定化する要因が発生した場合にも、
その基準酸素濃度を安定して保持することができる。ま
た、ガスセンサ１及び５１では多孔質電極２５ｂに充分
な酸素が蓄積されるまで正確なＮＯ濃度の検出ができな
いが、ガスセンサ５１ではこのように多孔質電極２３ｂ
の通電機構によって多孔質電極２５ｂに酸素を蓄積する
ことができる。このため、多孔質電極２５ｂに対して積
極的に通電を行って酸素濃度を維持する構成を設けなく
ても、その多孔質電極２５ｂを基準の酸素濃度に安定し
て維持することができ、ガスセンサ５１の立ち上がりに
要する時間も短縮できる。

【００３１】このように、ガスセンサ５１では、多孔質
電極２５ｂ，２３ｂの酸素濃度を安定化することがで
き、これによって次のようにＮＯx の検出精度を良好に
向上させることができる。すなわち、第１の多孔質電極
としての多孔質電極２５ａは、負電荷を印加され、主と
して雰囲気中（すなわち第２室９内）のＮＯx を分解し
て酸素イオンを生成する。このため、前述のように、多
孔質電極２５ａ，２５ｂの間に流れる第２ポンプ電流Ｉ
p2に基づいて、第２室９内のＮＯ濃度が検出できる。ま
た、第２の多孔質電極としての多孔質電極２３ａは、負
電荷を印加され、主として第２室９に流入しつつある被
測定ガス中のＯ₂ を分解して酸素イオンを生成する。こ
のため、前述のように、多孔質電極２３ａ，２３ｂ間に
流れる電流に対応した出力電圧Ｖｓｍに基づいて、第２
室９に流入しつつある被測定ガスの酸素濃度を検出する
ことができる。そして、この出力電圧ＶｓｍがＮＯ濃度
の検出に適した目標電圧Ｖｓ（例えば４５０ｍＶ）とな
るように、第１ポンプセル２１によってＯ₂ を汲み出し
または汲み入れている。しかも、この第２ポンプ電流Ｉ
p2や出力電圧Ｖｓｍの発生の基礎となる多孔質電極２５
ｂ，２３ｂの酸素濃度は、前述の基準酸素濃度に極めて
安定に保持されている。従って、ガスセンサ５１では、
ＮＯ濃度の検出精度を極めて良好に向上させることがで
きる。

【００３２】ここで、ガスセンサ５１を用い、前述の式
（１）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。 （１）予め、実験により、例えば図２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。

【００３３】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。 （２）同様に、予め、実験により、例えば図３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Ｉ
p2offset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。

【００３４】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Ｉp2offs
etとなる。 （３）また、予め、実験により、例えば図４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。

【００３５】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Ｎ
Ｏ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Ｎ
Ｏ濃度の変化を示すものである。

【００３６】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６に示す様な関
係が得られる。従って、この図６に基づいて、あるＮＯ
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（Ｉ
p2−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４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。

【００３７】（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５１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。

【００３８】・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。

【００３９】・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。

【００４０】・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２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ＭＩから得られた酸素濃度を用い、上記
図３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。

【００４１】・同様に、マップＭＩから得られた酸素濃
度を用い、上記図４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（１）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。

【００４２】このように、第２ポンプ電流Ｉp2や出力電
圧Ｖｓｍは、ＮＯ濃度の測定に当たって極めて重要なパ
ラメータとなるが、本実施の形態のガスセンサ５１で
は、そのＩp2，Ｖｓｍの発生の基礎となる多孔質電極２
５ｂ，２３ｂの酸素濃度を極めて良好に安定化すること
ができる。従って、ガスセンサ５１では、ＮＯ濃度の検
出精度を極めて良好に向上させることができる。

【００４３】なお、本発明は上記実施の形態に何等限定
されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々の形態で実施することができる。例えば、多孔質電
極２５ｂ，２３ｂの間でＯ₂ を流通可能にする構成とし
ては種々の構成が採用でき、技術的に可能であれば両者
の間を空洞にしてもよく、両者の間に柱状の絶縁性スペ
ーサ（例えば多孔質物質製の柱）を配設してもよい。

【００４４】また、酸素濃度測定セル２３及び第２ポン
プセル２５への通電機構（特に各部の電位）を適宜変更
すれば、多孔質電極２５ｂ，２３ｂを直接接触させるこ
とによって両者の間でＯ₂ の流通を可能にすることもで
きる。但し、ガスセンサ５１では、多孔質電極２５ｂ，
２３ｂ間の絶縁性を多孔質層５３によって確保すること
ができるので、従来から使用されていた通電機構をその
まま使用することができ、しかも、漏れ電流等によって
ＮＯx の検出精度が低下するのも防止することができ
る。従って、従来から使用されていた通電機構をそのま
ま使用して製造コスト及び開発コストを低減すると共
に、ＮＯx の検出精度を一層良好に向上させることがで
きる。なお、多孔質電極２５ｂ，２３ｂの絶縁性を充分
に確保するためには、多孔質層５３による絶縁を、所定
温度範囲（例えばガスセンサ１が使用される温度範囲）
で０．０５μＡ以下とすることが望ましい。この場合、
従来から使用されていた通電機構を一層良好に使用して
その信頼性を向上させ、ＮＯxの検出精度を極めて良好
に向上させることができる。

【００４５】更に、ヒータ基板３０は特に設けなくても
よいが、前述のセンサ本体２０を用いてＮＯx 濃度の測
定を行う場合には、センサ本体２０の片側または両側に
ヒータ基板３０を配置して、検出部の温度を５５０〜９
００℃の範囲の所定の温度にコントロールすることが望
ましい。つまり、図５に示すように、第１室におけるＮ
Ｏの解離率は、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。

【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３】 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４】 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５】 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６】 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７】 本発明の参考例のガスセンサの縦断面を示す
説明図である。

【図８】 酸素濃度測定セルの等価回路を表す説明図で
ある。

【符号の説明】

１，５１…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…センサ本体 ２１…第１酸素イオンポンプセル ２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂ，２５ａ，２５ｂ…多
孔質電極 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…ヒータ電極 ５
３…多孔質層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−26853（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−325825（ＪＰ，Ａ) 特開2000−74879（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−288595（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−260158（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−78408（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−203618（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/416 G01N 27/419 G01N 27/41

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素イオン伝導性の固体電解質層を介し
   て一対の多孔質電極を設けてなる第１酸素イオンポンプ
   セル及び酸素濃度測定セルを有し、第１拡散抵抗部を介
   して被測定ガス側に連通された第１室と、 酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の多孔質電極を
   設けてなる第２酸素イオンポンプセルを有し、第２拡散
   抵抗部を介して上記第１室と連通された第２室と、 を備え、 上記酸素濃度測定セルの出力電圧が一定値となるように
   上記第１酸素イオンポンプセルにて上記第１室から酸素
   を汲み出しまたは汲み入れると共に、上記第２酸素イオ
   ンポンプセルに上記第２室から酸素を汲み出す方向に電
   圧を印加することにより、該第２酸素イオンポンプセル
   に流れる電流に基づいて被測定ガス中の特定成分を検出
   するガスセンサにおいて、 上記第２酸素イオンポンプセルを構成する多孔質電極の
   内、上記第２室に面した電極（以下第１の多孔質電極と
   呼ぶ）との間で電圧を印加される第３の多孔質電極と、 該第３の多孔質電極との間で酸素ガスの流通経路が形成
   されている第４の多孔質電極と、 該第４の多孔質電極と対を成して上記酸素濃度測定セル
   を構成すると共に上記第１室に面し、通電により酸素イ
   オンを運ぶための第２の多孔質電極と、を有し、 上記第１の多孔質電極と上記第３の多孔質電極との間
   に、上記第３の多孔質電極が陽極となるように所定の電
   圧を印加し、上記第１の多孔質電極近傍の含酸素ガスを
   酸素イオンにして上記第３の多孔質電極に運び、上記第
   ３の多孔質電極から酸素ガスとして放出し、 上記第２の多孔質電極と上記第４の多孔質電極との間
   に、上記第４の多孔質電極が陽極となるように所定の電
   流を通電し、上記第２の多孔質電極近傍の含酸素ガスを
   酸素イオンにして上記第４の多孔質電極に運び、上記第
   ４の多孔質電極から酸素ガスとして放出することを特徴
   とするガスセンサ。
2. 【請求項２】 上記第３の多孔質電極と上記第４の多孔
   質電極との間の酸素ガス流通経路の少なくとも一部に、
   多孔質物質を配設した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】 上記第３の多孔質電極と上記第４の多孔
   質電極との間の絶縁が、所定温度範囲で電流として０．
   ０５μＡ以下であることを特徴とする請求項１または２
   記載のガスセンサ。