JP3664558B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ，ＮＯ2 ，ＳＯ2 、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、ガソリン車やディーゼルエンジン車等の車両から排出される排気ガス中には、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2 ）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）や、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）、水（Ｈ2 Ｏ）、炭化水素（ＨＣ）、水素（Ｈ2 ）、酸素（Ｏ2 ）等が含まれている。この場合、ＮＯはＮＯｘ全体の約８０％を占め、また、ＮＯとＮＯ2 とでＮＯｘ全体の約９５％を占めている。
【０００３】
このような排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化する三元触媒は、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）近傍で最大の浄化効率を示し、Ａ／Ｆを１６以上に制御した場合には、ＮＯｘの発生量は減るが、触媒の浄化効率が低下し、結果的に、ＮＯｘの排出量が増える傾向がある。
【０００４】
ところで、最近では、化石燃料の有効利用、地球温暖化防止のためにＣＯ2 の排出量の抑制等の市場要求が増大しており、これに対応するために燃費を向上させる必要性が高まりつつある。このような要求に対して、例えば、リーン・バーン・エンジンの研究や、ＮＯｘ浄化触媒の研究等が行われており、その中でもＮＯｘセンサのニーズが高まっている。
【０００５】
従来、このようなＮＯｘを検出する装置として、ＮＯｘ分析計がある。このＮＯｘ分析計は、化学発光分析法を用いてＮＯｘ固有の特性を測定するものであるが、装置自体が極めて大がかりであり、高価であるという不都合がある。
【０００６】
また、ＮＯｘを検出するために光学系部品を用いているため、煩雑なメンテナンスが必要である。更に、このＮＯｘ分析計は、ＮＯｘをサンプリングして測定するものであり、検出素子自体を流体内に直接挿入することができず、自動車の排気ガスのように、状況が頻繁に変動する過渡現象の分析には不向きである。
【０００７】
そこで、これらの不都合を解消するものとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体を用いて排気ガス中の所望のガス成分を測定するようにしたガスセンサが提案されている。
【０００８】
その提案例に係るガスセンサとしては、図７に示すような全領域酸素センサがある。また、結合酸素をもつガス（例えばＮＯｘ）を測定するにあたり、ガス中の酸素濃度を酸素ポンプにより一定の低いレベルに下げた後、次いで酸素濃度を更に低下させ、ＮＯｘを分解し、分解時に発生した酸素を酸素ポンプで測定することにより、ＮＯｘを測定するガスセンサも知られている。
【０００９】
例えば図７のガスセンサについて説明すると、該ガスセンサは、外部空間の被測定ガスが導入される内部空所２と、酸化物測定の基準となる基準ガス、例えば大気が導入される空間（基準ガス導入空間４）と、内部空所２内の酸素分圧を一定に保つための酸素ポンプ６を有して構成されている。
【００１０】
前記酸素ポンプ６は、内部空所２側に設けられた内側ポンプ電極８と、外部空間側に設けられた外側ポンプ電極１０と、これら両電極８及び１０間に存在する酸素イオン伝導性の固体電解質層１２にて構成されている。基準ガス導入空間４には基準電極１４が設けられている。
【００１１】
そして、このガスセンサは、前記内側ポンプ電極８と基準電極１４間に発生した起電圧（検出電圧Ｖ０）を一定に保つように、酸素ポンプ６に印加する制御電圧Ｖｐ０をフィードバック制御するようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車のように排気ガスの温度が大きく変化する場合にあっては、ガスセンサにヒータ１６が設けられ、該ヒータ１６に供給する電力を制御する機構が具備されるようになっている。
【００１３】
そして、従来では、図７に示すように、酸素ポンプ６に対する前記フィードバック制御系１８の発振防止のために、酸素ポンプ６の内側ポンプ電極８とヒータ１６の負側リード線（ＧＮＤ）とを短絡接続するようにしている（例えば特開平３−１６７４６７号公報、特開昭６１ー２４３５５号公報参照）。
【００１４】
しかしながら、このような配線を行った場合、ヒータ１６のリード線からのリーク電流（ヒータリーク電流）によって、内側ポンプ電極８からヒータ１６側に酸素の移動が起こる。
【００１５】
即ち、従来のガスセンサにおいては、内部空所２の酸素濃度が前記ヒータリーク電流によって影響を受け、酸素ポンプ６による内部空所２の酸素濃度の制御が正確に行えなくなるというおそれがある。
【００１６】
また、ヒータ１６に流れる電流が大きいと、ヒータ１６のリード線の抵抗による起電力が無視できなくなる。例えば、３ｍの長さを有するリード線の抵抗値が０．１Ωであるとすると、リード線に１Ａのヒータ電流を流した場合、リード線にリード線抵抗値×ヒータ電流＝１００ｍＶの起電力（電圧）が発生することになる。
【００１７】
従って、前記フィードバック制御系１８において、検出電圧Ｖ０に前記起電力が重畳されてしまい、酸素ポンプ６に印加すべき制御電圧Ｖｐ０を精度よく制御できないという問題が生じる。
【００１８】
このように、従来のガスセンサにおいては、酸素ポンプ６におけるフィードバック制御系１８において、検出電圧Ｖ０がリード線の長さやヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることになるため、内部空所２の酸素濃度を正確に制御できなくなるおそれがある。
【００１９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、被測定ガス中における所定ガス成分の濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系において、該フィードバック制御系での制御動作が、ヒータリーク電流やヒータリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、前記所定ガス成分の濃度を正確に制御することができるガスセンサを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明に係るガスセンサは、外部空間に接する固体電解質と該固体電解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段における内側ポンプ電極と基準ガス導入部分に設置された基準電極との間の電圧が所定レベルとなるように、前記制御電圧を調整するフィードバック制御系と、少なくとも前記主ポンプ手段を所定の温度に加熱するヒータとを具備し、前記主ポンプ手段における外側ポンプ電極と前記ヒータの接地側リードとを接続して構成する。
【００２１】
これにより、まず、外部空間から導入された被測定ガスのうち、所定のガス成分が主ポンプ手段によってポンピング処理され、このとき、フィードバック制御系による制御電圧に対する調整によって、前記所定のガス成分は所定濃度に調整される。具体的には、フィードバック制御系において、前記主ポンプ手段の内側ポンプ電極と基準ガス導入部分に設置された基準電極との間の電圧が所定レベルとなるように、前記制御電圧が調整されることにより、前記所定ガス成分の濃度が前記所定レベルに応じた濃度に調整される。
【００２２】
また、主ポンプ手段による前記所定のガス成分のポンピング量が変化して、被測定ガス中の前記所定のガス成分の濃度が変化すると、主ポンプ手段における内側電極と基準電極間の両端電圧が時間遅れなく変化するため、前記フィードバック制御に発振現象は生じなくなる。
【００２３】
前記ポンピング動作は、ヒータによって、前記主ポンプ手段が所定の温度に加熱されて行われることから、被測定ガスに含まれる所定ガス成分の濃度調整は高精度に行われる。
【００２４】
特に、本発明に係るガスセンサにおいては、主ポンプ手段における外側ポンプ電極がヒータの接地側リードに接続されていることから、内側ポンプ電極からヒータ側への酸素の移動は行われない。
【００２５】
また、本発明においては、内側ポンプ電極と基準電極間の電圧は、主ポンプ手段でのポンピング処理時における所定ガス成分の濃度に応じた電圧、即ち、検出電圧であり、しかも、内側ポンプ電極はヒータリードと接続されていないため、前記検出電圧にリード線の抵抗とヒータ電流に伴う起電力（電圧）が重畳されるという現象は発生しない。
【００２６】
このように、本発明に係るガスセンサにおいては、被測定ガス中における所定ガス成分の濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系において、該フィードバック制御系での制御動作が、ヒータリーク電流やヒータリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、前記所定ガス成分の濃度を正確に制御することができる。
【００２７】
そして、前記構成において、固体電解質と該固体電解質に形成された検出電極を有し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記検出電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する測定用ポンプ手段と、前記測定用ポンプ手段によりポンピング処理される前記所定のガス成分の量に応じて生じるポンプ電流を検出する電流検出手段を設けるようにしてもよい（請求項２記載の発明）。
【００２８】
これにより、前記主ポンプ手段にて所定のガス成分の濃度が調整された被測定ガスは、次の測定用ポンプ手段に導かれる。測定用ポンプ手段は、検出電極と基準電極間に印加される電圧に基づいて、前記被測定ガスのうち、所定のガス成分をポンピング処理する。前記測定用ポンプ手段によりポンピング処理される前記所定のガス成分の量に応じて該測定用ポンプ手段に生じるポンプ電流が電流検出手段にて検出される。この検出値に基づいて被測定ガス中の特定成分量が求められることとなる。
【００２９】
また、前記構成において、固体電解質と該固体電解質に形成された検出電極を有し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と前記基準電極側の基準ガスにおける前記所定のガス成分の量との差に応じた起電力を発生する濃度検出手段と、前記濃度検出手段により発生する前記起電力を検出する電圧検出手段を設けるようにしてもよい（請求項３記載の発明）。
【００３０】
これにより、前記主ポンプ手段にて所定のガス成分の濃度が調整された被測定ガスは、次の濃度検出手段に導かれ、該濃度検出手段において、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と基準電極側の基準ガスにおける所定のガス成分の量との差に応じた起電力が発生する。
【００３１】
この起電力は後段の電圧検出手段を通じて検出され、この検出値に基づいて被測定ガス中の特定成分量が求められることとなる。
【００３２】
また、この構成において、前記主ポンプ手段でのポンピング処理時における前記被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の濃度が一定濃度となるように調整する補助フィードバック制御系を設けるようにしてもよい（請求項４記載の発明）。このフィードバック制御系は、例えば前記検出電極の近傍に形成された補助ポンプ電極と前記基準電極間の電圧が所定レベルとなるように調整するように構成することで達成される（請求項５記載の発明）。
【００３３】
これにより、まず、主ポンプ手段にて所定のガス成分が所定濃度に粗調整された被測定ガスは、更に補助ポンプ手段によって所定のガス成分の濃度が微調整される。前記動作が行われている間に、外部空間における被測定ガス中の所定ガス成分の濃度が大きく（例えば０から２０％）変化すると、主ポンプ手段に導かれる被測定ガスの所定ガス成分の濃度分布が大きく変化し、測定用ポンプ手段あるいは濃度検出手段に導かれる所定ガス成分量も変化する。
【００３４】
主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度は、補助ポンプ手段でのポンピング処理にて微調整されることになるが、主ポンプ手段でのポンピング処理によって、前記補助ポンプ手段に導かれる被測定ガス中の所定ガス成分の濃度変化は、外部空間からの被測定ガス（主ポンプ手段に導かれる被測定ガス）における所定ガス成分の濃度変化よりも大幅に縮小されるため、測定用ポンプ手段における検出電極近傍あるいは濃度検出手段における検出電極近傍での所定ガス成分の濃度を精度よく一定に制御することができる。
【００３５】
従って、測定用ポンプ手段あるいは濃度検出手段に導かれる所定ガス成分の濃度は、前記被測定ガス（主ポンプ手段に導かれる被測定ガス）における所定ガス成分の濃度変化の影響を受け難くなり、その結果、電流検出手段にて検出されるポンプ電流値あるいは電圧検出手段にて検出される起電力は、前記被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度変化に影響されず、被測定ガス中に存在する目的成分量に正確に対応した値となる。
【００３６】
なお、前記主ポンプ手段は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記被測定ガスが導入される第１室の内外に形成された前記内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体にて構成することができる（請求項６記載の発明）。
【００３７】
また、前記測定用ポンプ手段は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスが導入される第２室内に形成された前記検出電極と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される基準ガス導入室に形成された前記基準電極と、前記検出電極と前記基準電極にて挟まれた前記基体にて構成することができる（請求項７記載の発明）。
【００３８】
また、前記濃度検出手段は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスが導入される第２室内に形成された前記検出電極と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される基準ガス導入室に形成された前記基準電極と、前記検出電極と前記基準電極にて挟まれた前記基体にて構成することができる（請求項８記載の発明）。
【００３９】
更に、前記構成において、前記外部空間における前記被測定ガスの前記第１室への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第１の拡散律速部を設け、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の前記被測定ガスの前記第２室への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第２の拡散律速部を設けるようにしてもよい（請求項９記載の発明）。
【００４０】
また、前記第２室における前記被測定ガスの前記検出電極への進入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第３の拡散律速部を設けるようにしてもよい（請求項１０記載の発明）。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスセンサを例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ，ＮＯ2 ，ＳＯ2 、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに適用したいくつかの実施の形態例を図１〜図６を参照しながら説明する。
【００４２】
まず、第１の実施の形態に係るガスセンサは、図１に示すように、ＺｒＯ2 等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いたセラミックスからなる例えば６枚の固体電解質層５０ａ〜５０ｆが積層されて構成され、下から１層目及び２層目が第１及び第２の基板層５０ａ及び５０ｂとされ、下から３層目及び５層目が第１及び第２のスペーサ層５０ｃ及び５０ｅとされ、下から４層目及び６層目が第１及び第２の固体電解質層５０ｄ及び５０ｆとされている。
【００４３】
具体的には、第２の基板層５０ｂ上に第１のスペーサ層５０ｃが積層され、更に、この第１のスペーサ層５０ｃ上に第１の固体電解質層５０ｄ、第２のスペーサ層５０ｅ及び第２の固体電解質層５０ｆが順次積層されている。
【００４４】
第２の基板層５０ｂと第１の固体電解質層５０ｄとの間には、酸化物測定の基準となる基準ガス、例えば大気が導入される空間（基準ガス導入空間５２）が、第１の固体電解質層５０ｄの下面、第２の基板層５０ｂの上面及び第１のスペーサ層５０ｃの側面によって区画、形成されている。
【００４５】
また、第１及び第２の固体電解質層５０ｄ及び５０ｆ間に第２のスペーサ層５０ｅが挟設されると共に、第１及び第２の拡散律速部５４及び５６が挟設されている。
【００４６】
そして、第２の固体電解質層５０ｆの下面、第１及び第２の拡散律速部５４及び５６の側面並びに第１の固体電解質層５０ｄの上面によって、被測定ガス中の酸素分圧を調整するための第１室５８が区画、形成され、第２の固体電解質層５０ｆの下面、第２の拡散律速部５６の側面、第２のスペーサ層５０ｅの側面並びに第１の固体電解質層５０ｄの上面によって、被測定ガス中の酸素分圧を微調整し、更に被測定ガス中の酸化物、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を測定するための第２室６０が区画、形成される。
【００４７】
外部空間と前記第１室５８は、第１の拡散律速部５４を介して連通され、第１室５８と第２室６０は、前記第２の拡散律速部５６を介して連通されている。
【００４８】
ここで、前記第１及び第２の拡散律速部５４及び５６は、第１室５８及び第２室６０にそれぞれ導入される被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するものであり、例えば、被測定ガスを導入することができる多孔質材料又は所定の断面積を有した小孔からなる通路として形成することができる。
【００４９】
特に、第２の拡散律速部５６内には、ＺｒＯ2 等からなる多孔質体が充填、配置されて、前記第２の拡散律速部５６の拡散抵抗が前記第１の拡散律速部５４における拡散抵抗よりも大きくされている方が好ましいが、小さくても問題はない。
【００５０】
そして、前記第２の拡散律速部５６を通じて、第１室５８内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第２室６０内に導入される。
【００５１】
また、前記第２の固体電解質層５０ｆの下面のうち、前記第１室５８を形づくる下面全面に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる内側ポンプ電極６２が形成され、前記第２の固体電解質層５０ｆの上面のうち、前記内側ポンプ電極６２に対応する部分に、外側ポンプ電極６４が形成されており、これら内側ポンプ電極６２、外側ポンプ電極６４並びにこれら両電極６２及び６４間に挟まれた第２の固体電解質層５０ｆにて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル６６が構成されている。
【００５２】
そして、前記主ポンプセル６６における内側ポンプ電極６２と外側ポンプ電極６４間に、外部の可変電源６８を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ０を印加して、外側ポンプ電極６４と内側ポンプ電極６２間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、前記第１室５８内における雰囲気中の酸素を外部の外部空間に汲み出し、あるいは外部空間の酸素を第１室５８内に汲み入れることができるようになっている。
【００５３】
また、前記第１の固体電解質層５０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間５２に露呈する部分に基準電極７０が形成されており、前記内側ポンプ電極６２及び基準電極７０並びに第２の固体電解質層５０ｆ、第２のスペーサ層５０ｅ及び第１の固体電解質層５０ｄによって、電気化学的なセンサセル、即ち、酸素分圧検出セル７２が構成されている。
【００５４】
この酸素分圧検出セル７２は、第１室５８内の雰囲気と基準ガス導入空間５２内の基準ガス（大気）との間の酸素濃度差に基づいて、内側ポンプ電極６２と基準電極７０との間に発生する起電力を通じて、前記第１室５８内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。
【００５５】
検出された酸素分圧値は可変電源６８をフィードバック制御するために使用され、具体的には、第１室５８内の雰囲気の酸素分圧が、次の第２室６０において酸素分圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値となるように、主ポンプ用のフィードバック制御系７４を通じて主ポンプセル６６のポンプ動作が制御される。
【００５６】
このフィードバック制御系７４は、内側ポンプ電極６２の電位と基準電極７０の電位の差（検出電圧Ｖ０）が、所定の電圧レベルとなるように、外側ポンプ電極６４と内側ポンプ電極６２間の電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する回路構成を有する。この場合、内側ポンプ電極６２は信号上の接地（大地接地ＧＮＤとは異なる）とされる。なお、前記信号上の接地電位は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータにて生成される。
【００５７】
従って、主ポンプセル６６は、第１室５８に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記ポンプ電圧Ｖｐ０のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み入れる。そして、前記一連の動作が繰り返されることによって、第１室５８における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることになる。
【００５８】
なお、前記内側ポンプ電極６２及び外側ポンプ電極６４を構成する多孔質サーメット電極は、Ｐｔ等の金属とＺｒＯ2 等のセラミックスとから構成されることになるが、被測定ガスに接触する第１室５８内に配置される内側ポンプ電極６２は、測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いる必要があり、例えばＬａ3 ＣｕＯ4 等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金を用いる場合は、Ａｕ添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にすることが好ましい。
【００５９】
一方、前記第２の固体電解質層５０ｆの下面のうち、前記第２室６０を形づくる下面全面には、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる補助ポンプ電極７６が形成されており、前記主ポンプセル６６における外側ポンプ電極６４及び前記補助ポンプ電極７６並びに第２の固体電解質層５０ｆにて補助的な電気化学的ポンプセル、即ち、補助ポンプセル７８が構成されている。
【００６０】
そして、前記補助ポンプセル７８における外側ポンプ電極６４と補助ポンプ電極７６間に、外部の補助可変電源８０を通じて所望の補助制御電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２室６０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出す、あるいは外部空間の酸素を第２室６０内に汲み入れるようになっている。
【００６１】
また、前記補助ポンプ電極７６及び基準電極７０並びに第２の固体電解質層５０ｆ、第２のスペーサ層５０ｅ及び第１の固体電解質層５０ｄによって、電気化学的なセンサセル、即ち、補助酸素分圧検出セル８２が構成され、この補助酸素分圧検出セル８２は、第２室６０内の雰囲気と基準ガス導入空間５２内の基準ガス（大気）との間の酸素濃度差に基づいて補助ポンプ電極７６と基準電極７０との間に発生する起電力を通じて、前記第２室６０内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。
【００６２】
検出された酸素分圧値は補助可変電源８０をフィードバック制御するために使用され、具体的には、第２室６０内の雰囲気の酸素分圧が、実質的に被測定ガス成分（ＮＯｘ）が還元又は分解され得ない状況下で、かつ目的成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値となるように補助フィードバック制御系８４を通じて補助ポンプセル７８のポンプ動作が制御される。
【００６３】
この補助フィードバック制御系８４は、補助ポンプ電極７６の電位と基準電極７０の電位の差（補助検出電圧）Ｖ１が、所定の電圧レベルとなるように、外側ポンプ電極６４と補助ポンプ電極７６間の電圧（補助制御電圧）Ｖｐ１をフィードバック制御する回路構成を有する。
【００６４】
従って、補助ポンプセル７８は、第２室６０に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記補助制御電圧Ｖｐ１のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み入れる。そして、前記一連の動作が繰り返されることによって、第２室６０における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることになる。
【００６５】
この場合、前記第１室５８における主ポンプセル６６の働きにより、この第２室６０内に導入される酸素の量の変化は、被測定ガスの変化よりも大幅に縮小されるため、第２室６０における酸素分圧は精度良く一定に制御される。
【００６６】
この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記第１の固体電解質層５０ｄの上面のうち、前記第２室６０を形づくる上面であって、かつ第２の拡散律速部５６から離間した部分に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる検出電極８６が形成され、この検出電極８６を被覆するように、第３の拡散律速部８８を構成するアルミナ膜が形成されている。そして、該検出電極８６、前記基準電極７０及び第１の固体電解質層５０ｄによって、電気化学的なポンプセル、即ち、測定用ポンプセル９０が構成される。
【００６７】
前記検出電極８６は、被測定ガス成分たるＮＯｘを還元し得る金属であるＲｈとセラミックスとしてのジルコニアからなる多孔質サーメットにて構成され、これによって、第２室６０内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒として機能するほか、前記基準電極７０との間に、直流電源９２を通じて一定電圧Ｖｐ３が印加されることによって、第２室６０内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間５２に汲み出せるようになっている。この測定用ポンプセル９０のポンプ動作によって流れるポンプ電流Ｉｐ２は、電流計によって検出されるようになっている。
【００６８】
前記定電圧（直流）電源９２は、第３の拡散律速部８８により制限されたＮＯｘの流入下において、測定用ポンプセル９０で分解時に生成した酸素のポンピングに対して限界電流を与える大きさの電圧を印加できるようになっている。
【００６９】
更に、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第１及び第２の基板層５０ａ及び５０ｂにて上下から挟まれた形態において、外部からの給電によって発熱するヒータ９４が埋設されている。このヒータ９４は、酸素イオンの伝導性を高めるために設けられるもので、該ヒータ９４の上下面には、基板層５０ａ及び５０ｂとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等のセラミックス層９６が形成されている。
【００７０】
前記ヒータ９４は、図示するように、第１室５８から第２室６０の全体にわたって配設され、更にヒータ９４に接続されたヒータ出力コントローラ９８による制御によって、第１室５８及び第２室６０がそれぞれ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセル６６、酸素分圧検出セル７２、補助ポンプセル７８及び測定用ポンプセル９０も所定の温度に加熱、保持されるようになっている。この場合、ヒータ９４の正側リード線はヒータ出力コントローラ９８を通じてヒータ電源１００に接続され、ヒータ９４の負側リード線は大地接地ＧＮＤとされている。
【００７１】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記主ポンプセル６６における外側ポンプ電極６４がヒータ９４の正側リード線に接続されて構成される。
【００７２】
次に、この第１の実施の形態に係るガスセンサの動作について説明する。まず、ガスセンサの先端部側が外部空間に配置され、これによって、被測定ガスは、第１の拡散律速部５４を通じて所定の拡散抵抗の下に、第１室５８に導入される。この第１室５８に導入された被測定ガスは、主ポンプセル６６を構成する外側ポンプ電極６４及び内側ポンプ電極６２間に所定のポンプ電圧Ｖｐ０が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が所定の値、例えば１０-7ａｔｍとなるように制御される。この制御は、フィードバック制御系７４を通じて行われる。
【００７３】
なお、第１の拡散律速部５４は、主ポンプセル６６にポンプ電圧Ｖｐ０を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第１室５８）に拡散流入する量を絞り込んで、主ポンプセル６６に流れる電流を抑制する働きをしている。
【００７４】
また、第１室５８内においては、外部の被測定ガスによる加熱、更にはヒータ９４による加熱環境下においても、内側ポンプ電極６２にて雰囲気中のＮＯｘが還元されない酸素分圧下の状態、例えばＮＯ→１／２Ｎ2 ＋１／２Ｏ2 の反応が起こらない酸素分圧下の状況が形成されている。これは、第１室５８内において、被測定ガス（雰囲気）中のＮＯｘが還元されると、後段の第２室６０内でのＮＯｘの正確な測定ができなくなるからであり、この意味において、第１室５８内において、ＮＯｘの還元に関与する成分（ここでは、内側ポンプ電極６２の金属成分）にてＮＯｘが還元され得ない状況を形成する必要がある。具体的には、前述したように、内側ポンプ電極６２にＮＯｘ還元性の低い材料、例えばＡｕとＰｔの合金を用いることで達成される。
【００７５】
そして、前記第１室５８内のガスは、第２の拡散律速部５６を通じて所定の拡散抵抗の下に、第２室６０に導入される。この第２室６０に導入されたガスは、補助ポンプセル７８を構成する外側ポンプ電極６４及び補助ポンプ電極７６間に補助制御電圧Ｖｐ１が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が一定の低い酸素分圧値となるように微調整される。
【００７６】
前記第２の拡散律速部５６は、前記第１の拡散律速部５４と同様に、補助ポンプセル７８に制御電圧Ｖｐ１を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第２室６０）に拡散流入する量を絞り込んで、補助ポンプセル７８に流れるポンプ電流Ｉｐ１を抑制する働きをしている。
【００７７】
また、第２室６０内においても、第１室５８内と同様に、外部の被測定ガスによる加熱やヒータ９４による加熱環境下において、補助ポンプ電極７６によって、雰囲気中のＮＯｘが還元されない酸素分圧下の状態が形成されている。このため、前記補助ポンプ電極７６においても、内側ポンプ電極６２と同様に、測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いる必要があり、例えばＬａ3 ＣｕＯ4 等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金を用いる場合は、Ａｕ添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にすることが好ましい。
【００７８】
そして、上述のようにして第２室６０内において酸素分圧が制御された被測定ガスは、第３の拡散律速部８８を通じて所定の拡散抵抗の下に、検出電極８６に導かれることとなる。
【００７９】
ところで、前記主ポンプセル６６を動作させて第１室５８内の雰囲気の酸素分圧をＮＯｘ測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御しようとしたとき、換言すれば、酸素分圧検出セル７２にて検出される電圧Ｖ０が一定となるように、フィードバック制御系７４を通じて可変電源６８のポンプ電圧Ｖｐ０を調整したとき、被測定ガス中の酸素濃度が大きく、例えば０〜２０％に変化すると、通常、第２室６０内の雰囲気及び検出電極８６付近の雰囲気の各酸素分圧は、僅かに変化するようになる。これは、被測定ガス中の酸素濃度が高くなると、第１室５８の幅方向及び厚み方向に酸素濃度分布が生じ、この酸素濃度分布が被測定ガス中の酸素濃度により変化するためであると考えられる。
【００８０】
しかし、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第２室６０に対して、その内部の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い酸素分圧値となるように、補助ポンプセル７８を設けるようにしているため、第１室５８から第２室６０に導入される雰囲気の酸素分圧が被測定ガスの酸素濃度に応じて変化しても、前記補助ポンプセル７８のポンプ動作によって、第２室６０内の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い値とすることができ、その結果、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御することができる。
【００８１】
そして、検出電極８６に導入された被測定ガスのＮＯｘは、該検出電極８６の周りにおいて還元又は分解されて、例えばＮＯ→１／２Ｎ2 ＋１／２Ｏ2 の反応が引き起こされる。このとき、測定用ポンプセル９０を構成する検出電極８６と基準電極７０との間には、酸素が第２室６０から基準ガス導入空間５２側に汲み出される方向に、所定の電圧Ｖｐ２、例えば４３０ｍＶ（７００℃）が印加される。
【００８２】
従って、測定用ポンプセル９０に流れるポンプ電流Ｉｐ２は、第２室６０に導かれる雰囲気中の酸素濃度、即ち、第２室６０内の酸素濃度と検出電極８６にてＮＯｘが還元又は分解されて発生した酸素濃度との和に比例した値となる。
【００８３】
この場合、第２室６０内の雰囲気中の酸素濃度は、補助ポンプセル７８にて一定に制御されていることから、前記測定用ポンプセル９０に流れるポンプ電流Ｉｐ２は、ＮＯｘの濃度に比例することになる。また、このＮＯｘの濃度は、第３の拡散律速部８８に制限されるＮＯｘの拡散量に対応していることから、被測定ガスの酸素濃度が大きく変化したとしても、測定用ポンプセル９０から電流計を通じて正確にＮＯｘ濃度を測定することが可能となる。
【００８４】
例えば、補助ポンプセル７８にて制御された第２室６０内の雰囲気の酸素分圧が０．０２ｐｐｍで、被測定ガス中のＮＯｘ成分たるＮＯ濃度が１００ｐｐｍとすると、ＮＯが還元又は分解されて発生する酸素濃度５０ｐｐｍと第２室６０内の雰囲気中の酸素濃度０．０２ｐｐｍとの和（＝５０．０２ｐｐｍ）に相当するポンプ電流Ｉｐ２が流れることとなる。従って、測定用ポンプセル９０におけるポンプ電流値は、ほとんどがＮＯが還元又は分解された量を表し、そのため、被測定ガス中の酸素濃度に依存するようなこともない。
【００８５】
ここで、３つの実験例を示す。これらの実験例は、前記第１の実施の形態に係るガスセンサと同じ構成を有する実施例と、前記第１の実施の形態に係るガスセンサにおいて内側ポンプ電極６２をヒータ９４の負側リード線に接続した構成を有する比較例を用意して行った。
【００８６】
第１の実験例は、前記実施例と比較例において、ヒータ９４からのリーク電流が主ポンプセル６６に流れるポンプ電流Ｉｐ０にどのような影響を与えるかをみたものである。なお、この第１の実験例は外部空間の酸素濃度を５％にして行った。
【００８７】
この第１の実験例の実験結果を図２に示す。この図２に示す特性図は、横軸にヒータ出力（度合い表示）をとり、縦軸にポンプ電流Ｉｐ０の偏差分ΔＩｐ０（μＡ）をとって、実施例と比較例の出力をプロットしたものである。この図２において、▲が実施例の実験結果を示し、●が比較例の実験結果を示す。
【００８８】
この実験結果から、比較例においては、ヒータ出力＝７．６を基準にしたとき、ヒータ出力＝８．４での偏差は５μＡ程度であるが、ヒータ出力＝９．３及び１０．３での偏差はそれぞれ３５μＡ及び１０５μＡとなって、ヒータ出力が大きくなるにつれて偏差分は指数関数的に大きくなる。この結果から、比較例においては、ヒータ９４のリーク電流によるポンプ電流Ｉｐ０への影響が非常に大きいことがわかる。
【００８９】
一方、実施例においては、ヒータ出力＝７．６〜１０．３にわたって偏差分ΔＩｐ０は−５μＡ（一定）を維持しており、ヒータ９４のリーク電流によるポンプ電流Ｉｐ０への影響はほとんどないことがわかる。
【００９０】
次に、第２の実験例は、前記第１の実験例と同様に、前記実施例と比較例において、ヒータ９４からのリーク電流が主ポンプセル６６に流れるポンプ電流Ｉｐ０にどのような影響を与えるかをみたものである。なお、この第２の実験例では外部空間の酸素濃度を一定（大気中）にして行った。
【００９１】
この第２の実験例の実験結果を図３に示す。この図３に示す特性図は、横軸に検出電圧Ｖ０をとり、縦軸にポンプ電流Ｉｐ０をとって、実施例と比較例の出力特性をプロットしたものである。この図３において、▲が実施例の出力特性を示し、●が比較例の出力特性を示す。
【００９２】
この実験結果から、比較例においては、検出電圧Ｖ０が０ｍＶのとき、即ち、第１室５８内の酸素濃度と基準ガス導入空間５２内の酸素濃度がほぼ同じであるときでも、ポンプ電流Ｉｐ０が流れており、ヒータ９４のリーク電流がポンプ電流Ｉｐ０に影響を与えていることがわかる。
【００９３】
一方、実施例においては、検出電圧Ｖ０が０ｍＶのとき、ポンプ電流Ｉｐ０も０ｍＡであり、ヒータ９４のリーク電流がポンプ電流Ｉｐ０に影響を与えていないことがわかる。
【００９４】
次に、第３の実験例は、前記実施例と比較例において、リード線長（リード線抵抗）による検出電圧Ｖ０への影響をみたものである。
【００９５】
この第３の実験例の実験結果を図４に示す。この図４に示す特性図は、横軸にリード線長（ｍ）をとり、縦軸に検出電圧Ｖ０（ｍＶ）をとって、実施例と比較例の出力をプロットしたものである。この図４において、▲が実施例の出力特性を示し、●が比較例の出力特性を示す。また、この第３の実験例では、検出電圧Ｖ０と比較するための参照電源の負側端子を大地接地ＧＮＤとしている。
【００９６】
この実験結果から、比較例においては、リード線長が長くなるにつれて検出電圧Ｖ０が小さくなっており、ヒータ９４のリード線長による検出電圧Ｖ０への影響が非常に大きいことがわかる。
【００９７】
この理由は、前記比較例においては、基準電極７０と大地接地ＧＮＤ間に、基準電極７０と内側ポンプ電極６２間に発生する検出電圧Ｖ０と負側リード線に発生する起電力（電圧）の合計電圧が現れることになるため、フィードバック制御系７４において前記参照電源の電圧（参照電圧）と比較される電圧は、前記検出電圧Ｖ０ではなく、前記合計電圧となるからである。
【００９８】
従って、リード線長が長くなると負側リード線に発生する起電力（電圧）も高くなり、それに伴って、前記検出電圧Ｖ０は、前記フィードバック制御系７４によって、前記参照電圧に前記起電力を差し引いた電圧となるように制御されてしまうことになる。
【００９９】
一方、実施例においては、図４の実験結果からもわかるように、リード線長の長さに拘わりなく、検出電圧Ｖ０は一定とされており、ヒータ９４のリード線長による検出電圧Ｖ０への影響はほとんどない。
【０１００】
このように、第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、主ポンプセル６６の外側ポンプ電極６４がヒータ９４の負側リード線に接続されていることから、内側ポンプ電極６２からヒータ９４側への酸素の移動は行われない。
【０１０１】
また、前記第１の実施の形態においては、内側ポンプ電極６２と基準電極７０間の電圧Ｖ０は、主ポンプセル６６でのポンピング処理時における酸素濃度に応じた電圧、即ち、検出電圧Ｖ０であり、しかも、内側ポンプ電極６２はヒータ９４のリード線と接続されていないため、前記検出電圧Ｖ０にリード線の抵抗Ｒとヒータ電流に伴う起電力（電圧）が重畳されるという現象は発生しない。
【０１０２】
従って、第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、被測定ガス中における酸素の濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系７４において、該フィードバック制御系７４での制御動作が、ヒータのリーク電流やリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、酸素濃度を正確に制御することができる。
【０１０３】
次に、第２の実施の形態に係るガスセンサについて図５を参照しながら説明する。なお、図１と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。
【０１０４】
この第２の実施の形態に係るガスセンサは、前記第１の実施の形態に係るガスセンサとほぼ同じ構成を有するが、図５に示すように、測定用ポンプセル９０に代えて、酸素分圧検出セル１０２が設けられている点で異なる。
【０１０５】
この酸素分圧検出セル１０２は、第１の固体電解質層５０ｄの上面のうち、前記第２室６０を形づくる上面に形成された検出電極１０４と、前記第１の固体電解質層５０ｄの下面に形成された前記基準電極７０と、これら両電極１０４及び７０間に挟まれた第１の固体電解質層５０ｄによって構成されている。
【０１０６】
この場合、前記酸素分圧検出セル１０２における検出電極１０４と基準電極７０との間に、検出電極１０４の周りの雰囲気と基準電極７０の周りの雰囲気との間の酸素濃度差に応じた起電力（酸素濃淡電池起電力）Ｖ２が発生することとなる。
【０１０７】
従って、前記検出電極１０４及び基準電極７０間に発生する起電力（電圧）Ｖ２を電圧計にて測定することにより、検出電極１０４の周りの雰囲気の酸素分圧、換言すれば、被測定ガス成分（ＮＯｘ）の還元又は分解によって発生する酸素によって規定される酸素分圧が電圧値として検出される。
【０１０８】
ここで、図６の特性図を参照しながら前記第２の実施の形態に係るガスセンサの検出原理を説明する。
【０１０９】
まず、外部空間のＮＯ濃度が０ｐｐｍのとき、フィードバック制御系７４を通じて第１室５８内の雰囲気中の酸素濃度を主ポンプセル６６におけるポンプ電圧Ｖｐ０が３００ｍＶに相当する値（１０-7ａｔｍ）に制御すると、第２室６０内の雰囲気中の酸素濃度も１０-7ａｔｍとなり、前記第２室６０用の酸素分圧検出セル１０２における検出電極１０４と基準電極７０との間に発生する起電力（電圧）Ｖ２は約４６０ｍＶとなる。
【０１１０】
外部空間のＮＯ濃度が徐々に増加すると、前記検出電極１０４も上述した測定用ポンプセル９０（図１参照）における検出電極８６と同様に、ＮＯｘ還元触媒として機能することから、前記検出電極１０４では、ＮＯの還元又は分解反応が引き起こされ、検出電極１０４の周りの雰囲気中の酸素濃度が上がり、これによって、検出電極１０４と基準電極７０間に発生する起電力（電圧）Ｖ２が徐々に低下することとなる。図６の特性図では、ＮＯ濃度が例えば３００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍというように増加するにつれて、電圧計にて検出される起電力（電圧）Ｖ２は、３００ｍＶ、２５０ｍＶ、２２０ｍＶというように徐々に低下している。
【０１１１】
そして、この起電力（電圧）Ｖ２の低下の度合いが、ＮＯ濃度を表すことになる。つまり、前記検出電極１０４と基準電極７０と第１の固体電解質層５０ｄとから構成される第２室６０用の酸素分圧検出セル１０２から出力される起電力（電圧）Ｖ２が、被測定ガス中のＮＯ濃度を表すことになる。
【０１１２】
この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいても、前記第１の実施の形態に係るガスセンサと同様に、被測定ガス中における酸素濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系７４において、該フィードバック制御系７４での制御動作が、ヒータリーク電流やヒータリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、前記酸素濃度を正確に制御することができる。
【０１１３】
上述した第１及び第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、被測定ガス成分としてＮＯｘが対象とされているが、被測定ガス中に存在する酸素の影響を受けるＮＯｘ以外の結合酸素含有ガス成分、例えばＨ2 ＯやＣＯ2 等の測定にも有効に適用することができる。
【０１１４】
なお、この発明は上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガスセンサによれば、外部空間に接する固体電解質と該固体電解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段における内側ポンプ電極と基準ガス導入部分に設置された基準電極との間の電圧が所定レベルとなるように、前記制御電圧を調整するフィードバック制御系と、少なくとも前記主ポンプ手段を所定の温度に加熱するヒータとを具備し、前記主ポンプ手段における外側ポンプ電極と前記ヒータの接地側リードとを接続するようにしている。
【０１１６】
このため、被測定ガス中における所定ガス成分の濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系において、該フィードバック制御系での制御動作が、ヒータリーク電流やヒータリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、前記所定ガス成分の濃度を正確に制御することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサを示す構成図である。
【図２】ヒータリーク電流のポンプ電流への影響をみた第１の実験例において、実施例と比較例におけるポンプ電流偏差分のヒータ出力依存性を示す特性図である。
【図３】ヒータリーク電流のポンプ電流への影響をみた第２の実験例において、実施例と比較例におけるポンプ電流の検出電圧依存性を示す特性図である。
【図４】リード線長（リード線抵抗）による検出電圧への影響をみた第３の実験例において、実施例と比較例における検出電圧のリード線長（リード線抵抗）依存性を示す特性図である。
【図５】第２の実施の形態に係るガスセンサを示す構成図である。
【図６】第２の実施の形態に係るガスセンサの出力特性を示す特性図である。
【図７】従来例に係るガスセンサを示す構成図である。
【符号の説明】
５２…基準ガス導入空間 ５８…第１室
６０…第２室 ６２…内側ポンプ電極
６４…外側ポンプ電極 ６６…主ポンプセル
６８…可変電源 ７０…基準電極
７２…酸素分圧検出セル ７４…フィードバック制御系
７６…補助ポンプ電極 ７８…補助ポンプセル
８２…補助酸素分圧検出セル ８４…補助フィードバック制御系
８６…検出電極 ９０…測定用ポンプセル
９４…ヒータ １０２…酸素分圧検出セル
１０４…検出電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ，ＮＯ2 ，ＳＯ2 、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、ガソリン車やディーゼルエンジン車等の車両から排出される排気ガス中には、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2 ）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）や、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）、水（Ｈ2 Ｏ）、炭化水素（ＨＣ）、水素（Ｈ2 ）、酸素（Ｏ2 ）等が含まれている。この場合、ＮＯはＮＯｘ全体の約８０％を占め、また、ＮＯとＮＯ2 とでＮＯｘ全体の約９５％を占めている。
【０００３】
このような排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化する三元触媒は、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）近傍で最大の浄化効率を示し、Ａ／Ｆを１６以上に制御した場合には、ＮＯｘの発生量は減るが、触媒の浄化効率が低下し、結果的に、ＮＯｘの排出量が増える傾向がある。
【０００４】
ところで、最近では、化石燃料の有効利用、地球温暖化防止のためにＣＯ2 の排出量の抑制等の市場要求が増大しており、これに対応するために燃費を向上させる必要性が高まりつつある。このような要求に対して、例えば、リーン・バーン・エンジンの研究や、ＮＯｘ浄化触媒の研究等が行われており、その中でもＮＯｘセンサのニーズが高まっている。
【０００５】
従来、このようなＮＯｘを検出する装置として、ＮＯｘ分析計がある。このＮＯｘ分析計は、化学発光分析法を用いてＮＯｘ固有の特性を測定するものであるが、装置自体が極めて大がかりであり、高価であるという不都合がある。
【０００６】
また、ＮＯｘを検出するために光学系部品を用いているため、煩雑なメンテナンスが必要である。更に、このＮＯｘ分析計は、ＮＯｘをサンプリングして測定するものであり、検出素子自体を流体内に直接挿入することができず、自動車の排気ガスのように、状況が頻繁に変動する過渡現象の分析には不向きである。
【０００７】
そこで、これらの不都合を解消するものとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体を用いて排気ガス中の所望のガス成分を測定するようにしたガスセンサが提案されている。
【０００８】
その提案例に係るガスセンサとしては、図７に示すような全領域酸素センサがある。また、結合酸素をもつガス（例えばＮＯｘ）を測定するにあたり、ガス中の酸素濃度を酸素ポンプにより一定の低いレベルに下げた後、次いで酸素濃度を更に低下させ、ＮＯｘを分解し、分解時に発生した酸素を酸素ポンプで測定することにより、ＮＯｘを測定するガスセンサも知られている。
【０００９】
例えば図７のガスセンサについて説明すると、該ガスセンサは、外部空間の被測定ガスが導入される内部空所２と、酸化物測定の基準となる基準ガス、例えば大気が導入される空間（基準ガス導入空間４）と、内部空所２内の酸素分圧を一定に保つための酸素ポンプ６を有して構成されている。
【００１０】
前記酸素ポンプ６は、内部空所２側に設けられた内側ポンプ電極８と、外部空間側に設けられた外側ポンプ電極１０と、これら両電極８及び１０間に存在する酸素イオン伝導性の固体電解質層１２にて構成されている。基準ガス導入空間４には基準電極１４が設けられている。
【００１１】
そして、このガスセンサは、前記内側ポンプ電極８と基準電極１４間に発生した起電圧（検出電圧Ｖ０）を一定に保つように、酸素ポンプ６に印加する制御電圧Ｖｐ０をフィードバック制御するようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車のように排気ガスの温度が大きく変化する場合にあっては、ガスセンサにヒータ１６が設けられ、該ヒータ１６に供給する電力を制御する機構が具備されるようになっている。
【００１３】
そして、従来では、図７に示すように、酸素ポンプ６に対する前記フィードバック制御系１８の発振防止のために、酸素ポンプ６の内側ポンプ電極８とヒータ１６の負側リード線（ＧＮＤ）とを短絡接続するようにしている（例えば特開平３−１６７４６７号公報、特開昭６１ー２４３５５号公報参照）。
【００１４】
しかしながら、このような配線を行った場合、ヒータ１６のリード線からのリーク電流（ヒータリーク電流）によって、内側ポンプ電極８からヒータ１６側に酸素の移動が起こる。
【００１５】
即ち、従来のガスセンサにおいては、内部空所２の酸素濃度が前記ヒータリーク電流によって影響を受け、酸素ポンプ６による内部空所２の酸素濃度の制御が正確に行えなくなるというおそれがある。
【００１６】
また、ヒータ１６に流れる電流が大きいと、ヒータ１６のリード線の抵抗による起電力が無視できなくなる。例えば、３ｍの長さを有するリード線の抵抗値が０．１Ωであるとすると、リード線に１Ａのヒータ電流を流した場合、リード線にリード線抵抗値×ヒータ電流＝１００ｍＶの起電力（電圧）が発生することになる。
【００１７】
従って、前記フィードバック制御系１８において、検出電圧Ｖ０に前記起電力が重畳されてしまい、酸素ポンプ６に印加すべき制御電圧Ｖｐ０を精度よく制御できないという問題が生じる。
【００１８】
このように、従来のガスセンサにおいては、酸素ポンプ６におけるフィードバック制御系１８において、検出電圧Ｖ０がリード線の長さやヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることになるため、内部空所２の酸素濃度を正確に制御できなくなるおそれがある。
【００１９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、被測定ガス中における所定ガス成分の濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系において、該フィードバック制御系での制御動作が、ヒータリーク電流やヒータリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、前記所定ガス成分の濃度を正確に制御することができるガスセンサを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明に係るガスセンサは、外部空間に接する固体電解質と該固体電解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段における内側ポンプ電極と基準ガス導入部分に設置された基準電極との間の電圧が所定レベルとなるように、前記制御電圧を調整するフィードバック制御系と、少なくとも前記主ポンプ手段を所定の温度に加熱するヒータとを具備し、前記主ポンプ手段における外側ポンプ電極と前記ヒータの接地側リードとを接続して構成する。
【００２１】
これにより、まず、外部空間から導入された被測定ガスのうち、所定のガス成分が主ポンプ手段によってポンピング処理され、このとき、フィードバック制御系による制御電圧に対する調整によって、前記所定のガス成分は所定濃度に調整される。具体的には、フィードバック制御系において、前記主ポンプ手段の内側ポンプ電極と基準ガス導入部分に設置された基準電極との間の電圧が所定レベルとなるように、前記制御電圧が調整されることにより、前記所定ガス成分の濃度が前記所定レベルに応じた濃度に調整される。
【００２２】
また、主ポンプ手段による前記所定のガス成分のポンピング量が変化して、被測定ガス中の前記所定のガス成分の濃度が変化すると、主ポンプ手段における内側電極と基準電極間の両端電圧が時間遅れなく変化するため、前記フィードバック制御に発振現象は生じなくなる。
【００２３】
前記ポンピング動作は、ヒータによって、前記主ポンプ手段が所定の温度に加熱されて行われることから、被測定ガスに含まれる所定ガス成分の濃度調整は高精度に行われる。
【００２４】
特に、本発明に係るガスセンサにおいては、主ポンプ手段における外側ポンプ電極がヒータの接地側リードに接続されていることから、内側ポンプ電極からヒータ側への酸素の移動は行われない。
【００２５】
また、本発明においては、内側ポンプ電極と基準電極間の電圧は、主ポンプ手段でのポンピング処理時における所定ガス成分の濃度に応じた電圧、即ち、検出電圧であり、しかも、内側ポンプ電極はヒータリードと接続されていないため、前記検出電圧にリード線の抵抗とヒータ電流に伴う起電力（電圧）が重畳されるという現象は発生しない。
【００２６】
このように、本発明に係るガスセンサにおいては、被測定ガス中における所定ガス成分の濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系において、該フィードバック制御系での制御動作が、ヒータリーク電流やヒータリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、前記所定ガス成分の濃度を正確に制御することができる。
【００２７】
そして、前記構成において、固体電解質と該固体電解質に形成された検出電極を有し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記検出電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する測定用ポンプ手段と、前記測定用ポンプ手段によりポンピング処理される前記所定のガス成分の量に応じて生じるポンプ電流を検出する電流検出手段を設けるようにしてもよい（請求項２記載の発明）。
【００２８】
これにより、前記主ポンプ手段にて所定のガス成分の濃度が調整された被測定ガスは、次の測定用ポンプ手段に導かれる。測定用ポンプ手段は、検出電極と基準電極間に印加される電圧に基づいて、前記被測定ガスのうち、所定のガス成分をポンピング処理する。前記測定用ポンプ手段によりポンピング処理される前記所定のガス成分の量に応じて該測定用ポンプ手段に生じるポンプ電流が電流検出手段にて検出される。この検出値に基づいて被測定ガス中の特定成分量が求められることとなる。
【００２９】
また、前記構成において、固体電解質と該固体電解質に形成された検出電極を有し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と前記基準電極側の基準ガスにおける前記所定のガス成分の量との差に応じた起電力を発生する濃度検出手段と、前記濃度検出手段により発生する前記起電力を検出する電圧検出手段を設けるようにしてもよい（請求項３記載の発明）。
【００３０】
これにより、前記主ポンプ手段にて所定のガス成分の濃度が調整された被測定ガスは、次の濃度検出手段に導かれ、該濃度検出手段において、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と基準電極側の基準ガスにおける所定のガス成分の量との差に応じた起電力が発生する。
【００３１】
この起電力は後段の電圧検出手段を通じて検出され、この検出値に基づいて被測定ガス中の特定成分量が求められることとなる。
【００３２】
また、この構成において、前記主ポンプ手段でのポンピング処理時における前記被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の濃度が一定濃度となるように調整する補助フィードバック制御系を設けるようにしてもよい（請求項４記載の発明）。このフィードバック制御系は、例えば前記検出電極の近傍に形成された補助ポンプ電極と前記基準電極間の電圧が所定レベルとなるように調整するように構成することで達成される（請求項５記載の発明）。
【００３３】
これにより、まず、主ポンプ手段にて所定のガス成分が所定濃度に粗調整された被測定ガスは、更に補助ポンプ手段によって所定のガス成分の濃度が微調整される。前記動作が行われている間に、外部空間における被測定ガス中の所定ガス成分の濃度が大きく（例えば０から２０％）変化すると、主ポンプ手段に導かれる被測定ガスの所定ガス成分の濃度分布が大きく変化し、測定用ポンプ手段あるいは濃度検出手段に導かれる所定ガス成分量も変化する。
【００３４】
主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度は、補助ポンプ手段でのポンピング処理にて微調整されることになるが、主ポンプ手段でのポンピング処理によって、前記補助ポンプ手段に導かれる被測定ガス中の所定ガス成分の濃度変化は、外部空間からの被測定ガス（主ポンプ手段に導かれる被測定ガス）における所定ガス成分の濃度変化よりも大幅に縮小されるため、測定用ポンプ手段における検出電極近傍あるいは濃度検出手段における検出電極近傍での所定ガス成分の濃度を精度よく一定に制御することができる。
【００３５】
従って、測定用ポンプ手段あるいは濃度検出手段に導かれる所定ガス成分の濃度は、前記被測定ガス（主ポンプ手段に導かれる被測定ガス）における所定ガス成分の濃度変化の影響を受け難くなり、その結果、電流検出手段にて検出されるポンプ電流値あるいは電圧検出手段にて検出される起電力は、前記被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度変化に影響されず、被測定ガス中に存在する目的成分量に正確に対応した値となる。
【００３６】
なお、前記主ポンプ手段は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記被測定ガスが導入される第１室の内外に形成された前記内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体にて構成することができる（請求項６記載の発明）。
【００３７】
また、前記測定用ポンプ手段は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスが導入される第２室内に形成された前記検出電極と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される基準ガス導入室に形成された前記基準電極と、前記検出電極と前記基準電極にて挟まれた前記基体にて構成することができる（請求項７記載の発明）。
【００３８】
また、前記濃度検出手段は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスが導入される第２室内に形成された前記検出電極と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される基準ガス導入室に形成された前記基準電極と、前記検出電極と前記基準電極にて挟まれた前記基体にて構成することができる（請求項８記載の発明）。
【００３９】
更に、前記構成において、前記外部空間における前記被測定ガスの前記第１室への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第１の拡散律速部を設け、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の前記被測定ガスの前記第２室への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第２の拡散律速部を設けるようにしてもよい（請求項９記載の発明）。
【００４０】
また、前記第２室における前記被測定ガスの前記検出電極への進入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第３の拡散律速部を設けるようにしてもよい（請求項１０記載の発明）。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスセンサを例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ，ＮＯ2 ，ＳＯ2 、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに適用したいくつかの実施の形態例を図１〜図６を参照しながら説明する。
【００４２】
まず、第１の実施の形態に係るガスセンサは、図１に示すように、ＺｒＯ2 等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いたセラミックスからなる例えば６枚の固体電解質層５０ａ〜５０ｆが積層されて構成され、下から１層目及び２層目が第１及び第２の基板層５０ａ及び５０ｂとされ、下から３層目及び５層目が第１及び第２のスペーサ層５０ｃ及び５０ｅとされ、下から４層目及び６層目が第１及び第２の固体電解質層５０ｄ及び５０ｆとされている。
【００４３】
具体的には、第２の基板層５０ｂ上に第１のスペーサ層５０ｃが積層され、更に、この第１のスペーサ層５０ｃ上に第１の固体電解質層５０ｄ、第２のスペーサ層５０ｅ及び第２の固体電解質層５０ｆが順次積層されている。
【００４４】
第２の基板層５０ｂと第１の固体電解質層５０ｄとの間には、酸化物測定の基準となる基準ガス、例えば大気が導入される空間（基準ガス導入空間５２）が、第１の固体電解質層５０ｄの下面、第２の基板層５０ｂの上面及び第１のスペーサ層５０ｃの側面によって区画、形成されている。
【００４５】
また、第１及び第２の固体電解質層５０ｄ及び５０ｆ間に第２のスペーサ層５０ｅが挟設されると共に、第１及び第２の拡散律速部５４及び５６が挟設されている。
【００４６】
そして、第２の固体電解質層５０ｆの下面、第１及び第２の拡散律速部５４及び５６の側面並びに第１の固体電解質層５０ｄの上面によって、被測定ガス中の酸素分圧を調整するための第１室５８が区画、形成され、第２の固体電解質層５０ｆの下面、第２の拡散律速部５６の側面、第２のスペーサ層５０ｅの側面並びに第１の固体電解質層５０ｄの上面によって、被測定ガス中の酸素分圧を微調整し、更に被測定ガス中の酸化物、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を測定するための第２室６０が区画、形成される。
【００４７】
外部空間と前記第１室５８は、第１の拡散律速部５４を介して連通され、第１室５８と第２室６０は、前記第２の拡散律速部５６を介して連通されている。
【００４８】
ここで、前記第１及び第２の拡散律速部５４及び５６は、第１室５８及び第２室６０にそれぞれ導入される被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するものであり、例えば、被測定ガスを導入することができる多孔質材料又は所定の断面積を有した小孔からなる通路として形成することができる。
【００４９】
特に、第２の拡散律速部５６内には、ＺｒＯ2 等からなる多孔質体が充填、配置されて、前記第２の拡散律速部５６の拡散抵抗が前記第１の拡散律速部５４における拡散抵抗よりも大きくされている方が好ましいが、小さくても問題はない。
【００５０】
そして、前記第２の拡散律速部５６を通じて、第１室５８内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第２室６０内に導入される。
【００５１】
また、前記第２の固体電解質層５０ｆの下面のうち、前記第１室５８を形づくる下面全面に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる内側ポンプ電極６２が形成され、前記第２の固体電解質層５０ｆの上面のうち、前記内側ポンプ電極６２に対応する部分に、外側ポンプ電極６４が形成されており、これら内側ポンプ電極６２、外側ポンプ電極６４並びにこれら両電極６２及び６４間に挟まれた第２の固体電解質層５０ｆにて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル６６が構成されている。
【００５２】
そして、前記主ポンプセル６６における内側ポンプ電極６２と外側ポンプ電極６４間に、外部の可変電源６８を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ０を印加して、外側ポンプ電極６４と内側ポンプ電極６２間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、前記第１室５８内における雰囲気中の酸素を外部の外部空間に汲み出し、あるいは外部空間の酸素を第１室５８内に汲み入れることができるようになっている。
【００５３】
また、前記第１の固体電解質層５０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間５２に露呈する部分に基準電極７０が形成されており、前記内側ポンプ電極６２及び基準電極７０並びに第２の固体電解質層５０ｆ、第２のスペーサ層５０ｅ及び第１の固体電解質層５０ｄによって、電気化学的なセンサセル、即ち、酸素分圧検出セル７２が構成されている。
【００５４】
この酸素分圧検出セル７２は、第１室５８内の雰囲気と基準ガス導入空間５２内の基準ガス（大気）との間の酸素濃度差に基づいて、内側ポンプ電極６２と基準電極７０との間に発生する起電力を通じて、前記第１室５８内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。
【００５５】
検出された酸素分圧値は可変電源６８をフィードバック制御するために使用され、具体的には、第１室５８内の雰囲気の酸素分圧が、次の第２室６０において酸素分圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値となるように、主ポンプ用のフィードバック制御系７４を通じて主ポンプセル６６のポンプ動作が制御される。
【００５６】
このフィードバック制御系７４は、内側ポンプ電極６２の電位と基準電極７０の電位の差（検出電圧Ｖ０）が、所定の電圧レベルとなるように、外側ポンプ電極６４と内側ポンプ電極６２間の電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する回路構成を有する。この場合、内側ポンプ電極６２は信号上の接地（大地接地ＧＮＤとは異なる）とされる。なお、前記信号上の接地電位は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータにて生成される。
【００５７】
従って、主ポンプセル６６は、第１室５８に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記ポンプ電圧Ｖｐ０のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み入れる。そして、前記一連の動作が繰り返されることによって、第１室５８における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることになる。
【００５８】
なお、前記内側ポンプ電極６２及び外側ポンプ電極６４を構成する多孔質サーメット電極は、Ｐｔ等の金属とＺｒＯ2 等のセラミックスとから構成されることになるが、被測定ガスに接触する第１室５８内に配置される内側ポンプ電極６２は、測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いる必要があり、例えばＬａ3 ＣｕＯ4 等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金を用いる場合は、Ａｕ添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にすることが好ましい。
【００５９】
一方、前記第２の固体電解質層５０ｆの下面のうち、前記第２室６０を形づくる下面全面には、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる補助ポンプ電極７６が形成されており、前記主ポンプセル６６における外側ポンプ電極６４及び前記補助ポンプ電極７６並びに第２の固体電解質層５０ｆにて補助的な電気化学的ポンプセル、即ち、補助ポンプセル７８が構成されている。
【００６０】
そして、前記補助ポンプセル７８における外側ポンプ電極６４と補助ポンプ電極７６間に、外部の補助可変電源８０を通じて所望の補助制御電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２室６０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出す、あるいは外部空間の酸素を第２室６０内に汲み入れるようになっている。
【００６１】
また、前記補助ポンプ電極７６及び基準電極７０並びに第２の固体電解質層５０ｆ、第２のスペーサ層５０ｅ及び第１の固体電解質層５０ｄによって、電気化学的なセンサセル、即ち、補助酸素分圧検出セル８２が構成され、この補助酸素分圧検出セル８２は、第２室６０内の雰囲気と基準ガス導入空間５２内の基準ガス（大気）との間の酸素濃度差に基づいて補助ポンプ電極７６と基準電極７０との間に発生する起電力を通じて、前記第２室６０内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。
【００６２】
検出された酸素分圧値は補助可変電源８０をフィードバック制御するために使用され、具体的には、第２室６０内の雰囲気の酸素分圧が、実質的に被測定ガス成分（ＮＯｘ）が還元又は分解され得ない状況下で、かつ目的成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値となるように補助フィードバック制御系８４を通じて補助ポンプセル７８のポンプ動作が制御される。
【００６３】
この補助フィードバック制御系８４は、補助ポンプ電極７６の電位と基準電極７０の電位の差（補助検出電圧）Ｖ１が、所定の電圧レベルとなるように、外側ポンプ電極６４と補助ポンプ電極７６間の電圧（補助制御電圧）Ｖｐ１をフィードバック制御する回路構成を有する。
【００６４】
従って、補助ポンプセル７８は、第２室６０に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記補助制御電圧Ｖｐ１のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み入れる。そして、前記一連の動作が繰り返されることによって、第２室６０における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることになる。
【００６５】
この場合、前記第１室５８における主ポンプセル６６の働きにより、この第２室６０内に導入される酸素の量の変化は、被測定ガスの変化よりも大幅に縮小されるため、第２室６０における酸素分圧は精度良く一定に制御される。
【００６６】
この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記第１の固体電解質層５０ｄの上面のうち、前記第２室６０を形づくる上面であって、かつ第２の拡散律速部５６から離間した部分に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる検出電極８６が形成され、この検出電極８６を被覆するように、第３の拡散律速部８８を構成するアルミナ膜が形成されている。そして、該検出電極８６、前記基準電極７０及び第１の固体電解質層５０ｄによって、電気化学的なポンプセル、即ち、測定用ポンプセル９０が構成される。
【００６７】
前記検出電極８６は、被測定ガス成分たるＮＯｘを還元し得る金属であるＲｈとセラミックスとしてのジルコニアからなる多孔質サーメットにて構成され、これによって、第２室６０内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒として機能するほか、前記基準電極７０との間に、直流電源９２を通じて一定電圧Ｖｐ３が印加されることによって、第２室６０内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間５２に汲み出せるようになっている。この測定用ポンプセル９０のポンプ動作によって流れるポンプ電流Ｉｐ２は、電流計によって検出されるようになっている。
【００６８】
前記定電圧（直流）電源９２は、第３の拡散律速部８８により制限されたＮＯｘの流入下において、測定用ポンプセル９０で分解時に生成した酸素のポンピングに対して限界電流を与える大きさの電圧を印加できるようになっている。
【００６９】
更に、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第１及び第２の基板層５０ａ及び５０ｂにて上下から挟まれた形態において、外部からの給電によって発熱するヒータ９４が埋設されている。このヒータ９４は、酸素イオンの伝導性を高めるために設けられるもので、該ヒータ９４の上下面には、基板層５０ａ及び５０ｂとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等のセラミックス層９６が形成されている。
【００７０】
前記ヒータ９４は、図示するように、第１室５８から第２室６０の全体にわたって配設され、更にヒータ９４に接続されたヒータ出力コントローラ９８による制御によって、第１室５８及び第２室６０がそれぞれ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセル６６、酸素分圧検出セル７２、補助ポンプセル７８及び測定用ポンプセル９０も所定の温度に加熱、保持されるようになっている。この場合、ヒータ９４の正側リード線はヒータ出力コントローラ９８を通じてヒータ電源１００に接続され、ヒータ９４の負側リード線は大地接地ＧＮＤとされている。
【００７１】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記主ポンプセル６６における外側ポンプ電極６４がヒータ９４の正側リード線に接続されて構成される。
【００７２】
次に、この第１の実施の形態に係るガスセンサの動作について説明する。まず、ガスセンサの先端部側が外部空間に配置され、これによって、被測定ガスは、第１の拡散律速部５４を通じて所定の拡散抵抗の下に、第１室５８に導入される。この第１室５８に導入された被測定ガスは、主ポンプセル６６を構成する外側ポンプ電極６４及び内側ポンプ電極６２間に所定のポンプ電圧Ｖｐ０が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が所定の値、例えば１０-7ａｔｍとなるように制御される。この制御は、フィードバック制御系７４を通じて行われる。
【００７３】
なお、第１の拡散律速部５４は、主ポンプセル６６にポンプ電圧Ｖｐ０を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第１室５８）に拡散流入する量を絞り込んで、主ポンプセル６６に流れる電流を抑制する働きをしている。
【００７４】
また、第１室５８内においては、外部の被測定ガスによる加熱、更にはヒータ９４による加熱環境下においても、内側ポンプ電極６２にて雰囲気中のＮＯｘが還元されない酸素分圧下の状態、例えばＮＯ→１／２Ｎ2 ＋１／２Ｏ2 の反応が起こらない酸素分圧下の状況が形成されている。これは、第１室５８内において、被測定ガス（雰囲気）中のＮＯｘが還元されると、後段の第２室６０内でのＮＯｘの正確な測定ができなくなるからであり、この意味において、第１室５８内において、ＮＯｘの還元に関与する成分（ここでは、内側ポンプ電極６２の金属成分）にてＮＯｘが還元され得ない状況を形成する必要がある。具体的には、前述したように、内側ポンプ電極６２にＮＯｘ還元性の低い材料、例えばＡｕとＰｔの合金を用いることで達成される。
【００７５】
そして、前記第１室５８内のガスは、第２の拡散律速部５６を通じて所定の拡散抵抗の下に、第２室６０に導入される。この第２室６０に導入されたガスは、補助ポンプセル７８を構成する外側ポンプ電極６４及び補助ポンプ電極７６間に補助制御電圧Ｖｐ１が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が一定の低い酸素分圧値となるように微調整される。
【００７６】
前記第２の拡散律速部５６は、前記第１の拡散律速部５４と同様に、補助ポンプセル７８に制御電圧Ｖｐ１を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第２室６０）に拡散流入する量を絞り込んで、補助ポンプセル７８に流れるポンプ電流Ｉｐ１を抑制する働きをしている。
【００７７】
また、第２室６０内においても、第１室５８内と同様に、外部の被測定ガスによる加熱やヒータ９４による加熱環境下において、補助ポンプ電極７６によって、雰囲気中のＮＯｘが還元されない酸素分圧下の状態が形成されている。このため、前記補助ポンプ電極７６においても、内側ポンプ電極６２と同様に、測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いる必要があり、例えばＬａ3 ＣｕＯ4 等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金を用いる場合は、Ａｕ添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にすることが好ましい。
【００７８】
そして、上述のようにして第２室６０内において酸素分圧が制御された被測定ガスは、第３の拡散律速部８８を通じて所定の拡散抵抗の下に、検出電極８６に導かれることとなる。
【００７９】
ところで、前記主ポンプセル６６を動作させて第１室５８内の雰囲気の酸素分圧をＮＯｘ測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御しようとしたとき、換言すれば、酸素分圧検出セル７２にて検出される電圧Ｖ０が一定となるように、フィードバック制御系７４を通じて可変電源６８のポンプ電圧Ｖｐ０を調整したとき、被測定ガス中の酸素濃度が大きく、例えば０〜２０％に変化すると、通常、第２室６０内の雰囲気及び検出電極８６付近の雰囲気の各酸素分圧は、僅かに変化するようになる。これは、被測定ガス中の酸素濃度が高くなると、第１室５８の幅方向及び厚み方向に酸素濃度分布が生じ、この酸素濃度分布が被測定ガス中の酸素濃度により変化するためであると考えられる。
【００８０】
しかし、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第２室６０に対して、その内部の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い酸素分圧値となるように、補助ポンプセル７８を設けるようにしているため、第１室５８から第２室６０に導入される雰囲気の酸素分圧が被測定ガスの酸素濃度に応じて変化しても、前記補助ポンプセル７８のポンプ動作によって、第２室６０内の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い値とすることができ、その結果、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御することができる。
【００８１】
そして、検出電極８６に導入された被測定ガスのＮＯｘは、該検出電極８６の周りにおいて還元又は分解されて、例えばＮＯ→１／２Ｎ2 ＋１／２Ｏ2 の反応が引き起こされる。このとき、測定用ポンプセル９０を構成する検出電極８６と基準電極７０との間には、酸素が第２室６０から基準ガス導入空間５２側に汲み出される方向に、所定の電圧Ｖｐ２、例えば４３０ｍＶ（７００℃）が印加される。
【００８２】
従って、測定用ポンプセル９０に流れるポンプ電流Ｉｐ２は、第２室６０に導かれる雰囲気中の酸素濃度、即ち、第２室６０内の酸素濃度と検出電極８６にてＮＯｘが還元又は分解されて発生した酸素濃度との和に比例した値となる。
【００８３】
この場合、第２室６０内の雰囲気中の酸素濃度は、補助ポンプセル７８にて一定に制御されていることから、前記測定用ポンプセル９０に流れるポンプ電流Ｉｐ２は、ＮＯｘの濃度に比例することになる。また、このＮＯｘの濃度は、第３の拡散律速部８８に制限されるＮＯｘの拡散量に対応していることから、被測定ガスの酸素濃度が大きく変化したとしても、測定用ポンプセル９０から電流計を通じて正確にＮＯｘ濃度を測定することが可能となる。
【００８４】
例えば、補助ポンプセル７８にて制御された第２室６０内の雰囲気の酸素分圧が０．０２ｐｐｍで、被測定ガス中のＮＯｘ成分たるＮＯ濃度が１００ｐｐｍとすると、ＮＯが還元又は分解されて発生する酸素濃度５０ｐｐｍと第２室６０内の雰囲気中の酸素濃度０．０２ｐｐｍとの和（＝５０．０２ｐｐｍ）に相当するポンプ電流Ｉｐ２が流れることとなる。従って、測定用ポンプセル９０におけるポンプ電流値は、ほとんどがＮＯが還元又は分解された量を表し、そのため、被測定ガス中の酸素濃度に依存するようなこともない。
【００８５】
ここで、３つの実験例を示す。これらの実験例は、前記第１の実施の形態に係るガスセンサと同じ構成を有する実施例と、前記第１の実施の形態に係るガスセンサにおいて内側ポンプ電極６２をヒータ９４の負側リード線に接続した構成を有する比較例を用意して行った。
【００８６】
第１の実験例は、前記実施例と比較例において、ヒータ９４からのリーク電流が主ポンプセル６６に流れるポンプ電流Ｉｐ０にどのような影響を与えるかをみたものである。なお、この第１の実験例は外部空間の酸素濃度を５％にして行った。
【００８７】
この第１の実験例の実験結果を図２に示す。この図２に示す特性図は、横軸にヒータ出力（度合い表示）をとり、縦軸にポンプ電流Ｉｐ０の偏差分ΔＩｐ０（μＡ）をとって、実施例と比較例の出力をプロットしたものである。この図２において、▲が実施例の実験結果を示し、●が比較例の実験結果を示す。
【００８８】
この実験結果から、比較例においては、ヒータ出力＝７．６を基準にしたとき、ヒータ出力＝８．４での偏差は５μＡ程度であるが、ヒータ出力＝９．３及び１０．３での偏差はそれぞれ３５μＡ及び１０５μＡとなって、ヒータ出力が大きくなるにつれて偏差分は指数関数的に大きくなる。この結果から、比較例においては、ヒータ９４のリーク電流によるポンプ電流Ｉｐ０への影響が非常に大きいことがわかる。
【００８９】
一方、実施例においては、ヒータ出力＝７．６〜１０．３にわたって偏差分ΔＩｐ０は−５μＡ（一定）を維持しており、ヒータ９４のリーク電流によるポンプ電流Ｉｐ０への影響はほとんどないことがわかる。
【００９０】
次に、第２の実験例は、前記第１の実験例と同様に、前記実施例と比較例において、ヒータ９４からのリーク電流が主ポンプセル６６に流れるポンプ電流Ｉｐ０にどのような影響を与えるかをみたものである。なお、この第２の実験例では外部空間の酸素濃度を一定（大気中）にして行った。
【００９１】
この第２の実験例の実験結果を図３に示す。この図３に示す特性図は、横軸に検出電圧Ｖ０をとり、縦軸にポンプ電流Ｉｐ０をとって、実施例と比較例の出力特性をプロットしたものである。この図３において、▲が実施例の出力特性を示し、●が比較例の出力特性を示す。
【００９２】
この実験結果から、比較例においては、検出電圧Ｖ０が０ｍＶのとき、即ち、第１室５８内の酸素濃度と基準ガス導入空間５２内の酸素濃度がほぼ同じであるときでも、ポンプ電流Ｉｐ０が流れており、ヒータ９４のリーク電流がポンプ電流Ｉｐ０に影響を与えていることがわかる。
【００９３】
一方、実施例においては、検出電圧Ｖ０が０ｍＶのとき、ポンプ電流Ｉｐ０も０ｍＡであり、ヒータ９４のリーク電流がポンプ電流Ｉｐ０に影響を与えていないことがわかる。
【００９４】
次に、第３の実験例は、前記実施例と比較例において、リード線長（リード線抵抗）による検出電圧Ｖ０への影響をみたものである。
【００９５】
この第３の実験例の実験結果を図４に示す。この図４に示す特性図は、横軸にリード線長（ｍ）をとり、縦軸に検出電圧Ｖ０（ｍＶ）をとって、実施例と比較例の出力をプロットしたものである。この図４において、▲が実施例の出力特性を示し、●が比較例の出力特性を示す。また、この第３の実験例では、検出電圧Ｖ０と比較するための参照電源の負側端子を大地接地ＧＮＤとしている。
【００９６】
この実験結果から、比較例においては、リード線長が長くなるにつれて検出電圧Ｖ０が小さくなっており、ヒータ９４のリード線長による検出電圧Ｖ０への影響が非常に大きいことがわかる。
【００９７】
この理由は、前記比較例においては、基準電極７０と大地接地ＧＮＤ間に、基準電極７０と内側ポンプ電極６２間に発生する検出電圧Ｖ０と負側リード線に発生する起電力（電圧）の合計電圧が現れることになるため、フィードバック制御系７４において前記参照電源の電圧（参照電圧）と比較される電圧は、前記検出電圧Ｖ０ではなく、前記合計電圧となるからである。
【００９８】
従って、リード線長が長くなると負側リード線に発生する起電力（電圧）も高くなり、それに伴って、前記検出電圧Ｖ０は、前記フィードバック制御系７４によって、前記参照電圧に前記起電力を差し引いた電圧となるように制御されてしまうことになる。
【００９９】
一方、実施例においては、図４の実験結果からもわかるように、リード線長の長さに拘わりなく、検出電圧Ｖ０は一定とされており、ヒータ９４のリード線長による検出電圧Ｖ０への影響はほとんどない。
【０１００】
このように、第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、主ポンプセル６６の外側ポンプ電極６４がヒータ９４の負側リード線に接続されていることから、内側ポンプ電極６２からヒータ９４側への酸素の移動は行われない。
【０１０１】
また、前記第１の実施の形態においては、内側ポンプ電極６２と基準電極７０間の電圧Ｖ０は、主ポンプセル６６でのポンピング処理時における酸素濃度に応じた電圧、即ち、検出電圧Ｖ０であり、しかも、内側ポンプ電極６２はヒータ９４のリード線と接続されていないため、前記検出電圧Ｖ０にリード線の抵抗Ｒとヒータ電流に伴う起電力（電圧）が重畳されるという現象は発生しない。
【０１０２】
従って、第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、被測定ガス中における酸素の濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系７４において、該フィードバック制御系７４での制御動作が、ヒータのリーク電流やリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、酸素濃度を正確に制御することができる。
【０１０３】
次に、第２の実施の形態に係るガスセンサについて図５を参照しながら説明する。なお、図１と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。
【０１０４】
この第２の実施の形態に係るガスセンサは、前記第１の実施の形態に係るガスセンサとほぼ同じ構成を有するが、図５に示すように、測定用ポンプセル９０に代えて、酸素分圧検出セル１０２が設けられている点で異なる。
【０１０５】
この酸素分圧検出セル１０２は、第１の固体電解質層５０ｄの上面のうち、前記第２室６０を形づくる上面に形成された検出電極１０４と、前記第１の固体電解質層５０ｄの下面に形成された前記基準電極７０と、これら両電極１０４及び７０間に挟まれた第１の固体電解質層５０ｄによって構成されている。
【０１０６】
この場合、前記酸素分圧検出セル１０２における検出電極１０４と基準電極７０との間に、検出電極１０４の周りの雰囲気と基準電極７０の周りの雰囲気との間の酸素濃度差に応じた起電力（酸素濃淡電池起電力）Ｖ２が発生することとなる。
【０１０７】
従って、前記検出電極１０４及び基準電極７０間に発生する起電力（電圧）Ｖ２を電圧計にて測定することにより、検出電極１０４の周りの雰囲気の酸素分圧、換言すれば、被測定ガス成分（ＮＯｘ）の還元又は分解によって発生する酸素によって規定される酸素分圧が電圧値として検出される。
【０１０８】
ここで、図６の特性図を参照しながら前記第２の実施の形態に係るガスセンサの検出原理を説明する。
【０１０９】
まず、外部空間のＮＯ濃度が０ｐｐｍのとき、フィードバック制御系７４を通じて第１室５８内の雰囲気中の酸素濃度を主ポンプセル６６におけるポンプ電圧Ｖｐ０が３００ｍＶに相当する値（１０-7ａｔｍ）に制御すると、第２室６０内の雰囲気中の酸素濃度も１０-7ａｔｍとなり、前記第２室６０用の酸素分圧検出セル１０２における検出電極１０４と基準電極７０との間に発生する起電力（電圧）Ｖ２は約４６０ｍＶとなる。
【０１１０】
外部空間のＮＯ濃度が徐々に増加すると、前記検出電極１０４も上述した測定用ポンプセル９０（図１参照）における検出電極８６と同様に、ＮＯｘ還元触媒として機能することから、前記検出電極１０４では、ＮＯの還元又は分解反応が引き起こされ、検出電極１０４の周りの雰囲気中の酸素濃度が上がり、これによって、検出電極１０４と基準電極７０間に発生する起電力（電圧）Ｖ２が徐々に低下することとなる。図６の特性図では、ＮＯ濃度が例えば３００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍというように増加するにつれて、電圧計にて検出される起電力（電圧）Ｖ２は、３００ｍＶ、２５０ｍＶ、２２０ｍＶというように徐々に低下している。
【０１１１】
そして、この起電力（電圧）Ｖ２の低下の度合いが、ＮＯ濃度を表すことになる。つまり、前記検出電極１０４と基準電極７０と第１の固体電解質層５０ｄとから構成される第２室６０用の酸素分圧検出セル１０２から出力される起電力（電圧）Ｖ２が、被測定ガス中のＮＯ濃度を表すことになる。
【０１１２】
この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいても、前記第１の実施の形態に係るガスセンサと同様に、被測定ガス中における酸素濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系７４において、該フィードバック制御系７４での制御動作が、ヒータリーク電流やヒータリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、前記酸素濃度を正確に制御することができる。
【０１１３】
上述した第１及び第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、被測定ガス成分としてＮＯｘが対象とされているが、被測定ガス中に存在する酸素の影響を受けるＮＯｘ以外の結合酸素含有ガス成分、例えばＨ2 ＯやＣＯ2 等の測定にも有効に適用することができる。
【０１１４】
なお、この発明は上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガスセンサによれば、外部空間に接する固体電解質と該固体電解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段における内側ポンプ電極と基準ガス導入部分に設置された基準電極との間の電圧が所定レベルとなるように、前記制御電圧を調整するフィードバック制御系と、少なくとも前記主ポンプ手段を所定の温度に加熱するヒータとを具備し、前記主ポンプ手段における外側ポンプ電極と前記ヒータの接地側リードとを接続するようにしている。
【０１１６】
このため、被測定ガス中における所定ガス成分の濃度をポンピング動作によって一定に制御するフィードバック制御系において、該フィードバック制御系での制御動作が、ヒータリーク電流やヒータリード線の長さ並びにヒータ電流（ヒータ出力）によって影響を受けることがなく、前記所定ガス成分の濃度を正確に制御することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサを示す構成図である。
【図２】ヒータリーク電流のポンプ電流への影響をみた第１の実験例において、実施例と比較例におけるポンプ電流偏差分のヒータ出力依存性を示す特性図である。
【図３】ヒータリーク電流のポンプ電流への影響をみた第２の実験例において、実施例と比較例におけるポンプ電流の検出電圧依存性を示す特性図である。
【図４】リード線長（リード線抵抗）による検出電圧への影響をみた第３の実験例において、実施例と比較例における検出電圧のリード線長（リード線抵抗）依存性を示す特性図である。
【図５】第２の実施の形態に係るガスセンサを示す構成図である。
【図６】第２の実施の形態に係るガスセンサの出力特性を示す特性図である。
【図７】従来例に係るガスセンサを示す構成図である。
【符号の説明】
５２…基準ガス導入空間 ５８…第１室
６０…第２室 ６２…内側ポンプ電極
６４…外側ポンプ電極 ６６…主ポンプセル
６８…可変電源 ７０…基準電極
７２…酸素分圧検出セル ７４…フィードバック制御系
７６…補助ポンプ電極 ７８…補助ポンプセル
８２…補助酸素分圧検出セル ８４…補助フィードバック制御系
８６…検出電極 ９０…測定用ポンプセル
９４…ヒータ １０２…酸素分圧検出セル
１０４…検出電極
Claims (10)
- 外部空間に接する固体電解質と該固体電解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、
前記主ポンプ手段における内側ポンプ電極と基準ガス導入部分に設置された基準電極との間の電圧が所定レベルとなるように、前記制御電圧を調整するフィードバック制御系と、
少なくとも前記主ポンプ手段を所定の温度に加熱するヒータとを具備し、
前記主ポンプ手段における外側ポンプ電極と前記ヒータの接地側リードとが接続されていることを特徴とするガスセンサ。 - 請求項１記載のガスセンサにおいて、
固体電解質と、該固体電解質に形成された検出電極を有し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記検出電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する測定用ポンプ手段と、
前記測定用ポンプ手段によりポンピング処理される前記所定のガス成分の量に応じて生じるポンプ電流を検出する電流検出手段を有することを特徴とするガスセンサ。 - 請求項１記載のガスセンサにおいて、
固体電解質と、該固体電解質に形成された検出電極を有し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と前記基準電極側の基準ガスにおける前記所定のガス成分の量との差に応じた起電力を発生する濃度検出手段と、
前記濃度検出手段により発生する前記起電力を検出する電圧検出手段を有することを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1 〜３のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記主ポンプ手段でのポンピング処理時における前記被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の濃度が一定濃度となるように調整する補助フィードバック制御系を有することを特徴とするガスセンサ。 - 請求項４記載のガスセンサにおいて、
前記補助フィードバック制御系は、前記検出電極の近傍に形成された補助ポンプ電極と前記基準電極間の電圧が所定レベルとなるように調整することを特徴とするガスセンサ。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記主ポンプ手段は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記被測定ガスが導入される第１室の内外に形成された前記内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極と、
これら両電極にて挟まれた前記基体を有することを特徴とするガスセンサ。 - 請求項２、４〜６のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記測定用ポンプ手段は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスが導入される第２室内に形成された前記検出電極と、
固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される基準ガス導入室に形成された前記基準電極と、
前記検出電極と前記基準電極にて挟まれた前記基体を有することを特徴とするガスセンサ。 - 請求項３〜６のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記濃度検出手段は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスが導入される第２室内に形成された前記検出電極と、
固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ前記基準ガスが導入される基準ガス導入室に形成された前記基準電極と、
前記検出電極と前記基準電極にて挟まれた前記基体を有することを特徴とするガスセンサ。 - 請求項６〜８のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記外部空間における前記被測定ガスの前記第１室への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第１の拡散律速部が設けられ、
前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の前記被測定ガスの前記第２室への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第２の拡散律速部が設けられていることを特徴とするガスセンサ。 - 請求項９記載のガスセンサにおいて、
前記第２室における前記被測定ガスの前記検出電極への進入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第３の拡散律速部が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
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Family Cites Families (9)
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|---|---|---|---|---|
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