JP3860590B2 - ガスセンサ及び窒素酸化物センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、車両の排気ガスや大気中に含まれるＯ₂、ＮＯ、ＮＯ₂、ＳＯ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等の酸化物や、ＣＯ、ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサ及び窒素酸化物センサに関する。

従来より、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘを測定する方法として、ＲｈのＮＯｘ還元性を利用し、ジルコニア等の酸素イオン導伝性の固体電解質上にＰｔ電極及びＲｈ電極を形成したセンサを用い、これら両電極間の起電力を測定するようにした手法が知られている。

しかしながら、そのようなセンサは、被測定ガスである燃焼ガス中に含まれる酸素濃度の変化によって起電力が大きく変化するばかりでなく、ＮＯｘの濃度変化に対して起電力変化が小さく、そのためにノイズの影響を受けやすいという問題がある。

また、ＮＯｘの還元性を引き出すためには、ＣＯ等の還元ガスが必須になるところから、一般に、大量のＮＯｘが発生する燃料過少の燃焼条件下では、ＣＯの発生量がＮＯｘの発生量を下回るようになるため、そのような燃焼条件下に形成される燃焼ガスでは、測定ができないという欠点があった。

前記問題点を解決するために、被測定ガス存在空間に連通した第１の内部空所と該第１の内部空所に連通した第２の内部空所にＮＯｘ分解能力の異なるポンプ電極を配したＮＯｘセンサと、第１の内部空所内の第１のポンプセルでＯ₂濃度を調整し、第２の内部空所内に配された分解ポンプでＮＯを分解し、分解ポンプに流れるポンプ電流からＮＯｘ濃度を測定する方法が、例えば特許文献１に明らかにされている。

更に、特許文献２には、酸素濃度が急変した場合でも第２の内部空所内の酸素濃度が一定に制御されるように、第２の内部空所内に補助ポンプ電極を配したセンサ素子が明らかにされている。

特開平８−２７１４７６号公報 特開平９−１１３４８４号公報

ところで、ガスセンサを自動車エンジン等の内燃機関の排気系に取り付けて前記内燃機関を駆動させた場合、通常は、図３２の実線ａに示すように、酸素濃度の変化に応じてセンサ出力が０を基点として比例的に変化するが、特定の運転条件においては、実線ｂに示すように、センサ出力が全体的にシフトアップすることが判明した。

一般に、自動車エンジンの排気ガスの全圧力は、図３３に示すように、一定の静圧と排気圧の脈動によって生じる動圧からなり、該動圧の変動周期は、エンジンの爆発周期と同期しているが、センサ出力がシフトアップする原因を調査した結果、排気圧の脈動分（＝動圧）が静圧に対して大きいときにシフトアップが生じることがわかった。

即ち、図３４に示すように、動圧と静圧との比（動圧／静圧）に対するセンサ出力のシフト量を測定した結果、動圧／静圧が約２５％以下の場合は、シフト量はほぼ０であるが、動圧／静圧が約２５％を超えた段階からシフト量が比例的に増加することがわかった。

従って、動圧が大きくなると、第１空間での主ポンプでの酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性がどうしても悪くなり、この第１空間での酸素濃度の乱れは、第１空間に連通する第２空間での酸素濃度の制御及びＮＯｘ検知部である検出電極での測定精度の劣化を引き起こすおそれがある。

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、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、検出電極での測定精度の向上を図ることができるガスセンサ及び窒素酸化物センサを提供することを目的とする。

本発明に係るガスセンサは、外部空間における被測定ガス中の被測定ガス成分の量を測定するガスセンサであって、少なくとも、前記外部空間に接する固体電解質と、前記固体電解質内部に形成された内部空所と、前記外部空間からガス導入口を介して所定の拡散抵抗の基に前記被測定ガスを導入するためのスリットで形成された拡散律速手段と、前記内部空所の内外に形成された内側ポンプ電極と外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素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ポンプ手段とを具備したガスセンサにおいて、前記拡散律速手段の断面形状を形成する１因子の寸法を、１０μｍ以下にして構成する。

前記ポンプ手段での限界電流値Ｉｐは、以下の限界電流理論式で近似される。

Ｉｐ≒（４Ｆ／ＲＴ）×Ｄ×（Ｓ／Ｌ）×（ＰＯｅ−ＰＯｄ）
なお、Ｆはファラデー定数（＝９６５００Ａ／ｓｅｃ）、Ｒは気体定数（＝８２．０５ｃｍ³・ａｔｍ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｔは絶対温度（Ｋ）、Ｄは拡散係数（ｃｍ²／ｓｅｃ）、Ｓは拡散律速手段の断面積（ｃｍ²）、Ｌは拡散律速手段の通路長（ｃｍ）、ＰＯｅは拡散律速手段の外側における酸素分圧（ａｔｍ）、ＰＯｄは拡散律速手段の内側における酸素分圧（ａｔｍ）を示す。

そして、この発明は、前記限流電流理論式における拡散律速手段の断面積Ｓの形成因子を規定するものであり、特に、断面積Ｓを形成する寸法の１因子を１０μｍ以下にするものである。

この場合、拡散律速手段における壁面抵抗によって排気圧の脈動（＝動圧）が減衰され、具体的には、動圧と静圧との比（動圧／静圧）が２５％以下のレベルにまで減衰するため、動圧の変動によるセンサ出力のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。

そして、前記構成において、前記拡散律速手段の断面形状が少なくとも１つの横型のスリットで形成されている場合は、前記１因子を前記スリットの縦方向の長さにしてもよい。また、前記拡散律速手段の断面形状が少なくとも１つの縦型のスリットで形成されている場合は、前記１因子を前記スリットの横方向の長さにしてもよい。

また、前記構成において、前記ガス導入口と拡散律速手段との間に緩衝空間を設けるようにしてもよい。通常、外部空間における排気圧の脈動によってガス導入口を通じて酸素がセンサ素子に急激に入り込むことになるが、この外部空間からの酸素は、直接処理空間に入り込まずに、その前段の緩衝空間に入り込むことになる。つまり、排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間によって打ち消され、内部空所に対する排気圧の脈動の影響はほとんど無視できる程度となる。

その結果、処理空間におけるポンプ手段での酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性がよくなり、測定用ポンプ手段あるいは濃度検出手段での測定精度の向上が図られることになると同時に、内部空所を例えば空燃比を求めるためのセンサとして兼用させることが可能となる。

また、前記構成において、前記ガス導入口と前記内部空所（処理空間）との間に目詰まり防止部と緩衝空間とをシリーズに設け、前記目詰まり防止部の前面開口で前記ガス導入口を構成し、前記目詰まり防止部と前記緩衝空間の間に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する拡散律速部を設けるようにしてもよい。

この場合、外部空間の被測定ガス中に発生する粒子物（スート、オイル燃焼物等）が緩衝空間の入り口付近にて詰まるということが回避され、より高精度に所定ガス成分を測定することが可能となり、高精度な状態を長期にわたって維持できるようになる。

また、前記構成において、前記ポンプ手段で、前記内部空所に導入された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記内部空所（処理空間）における酸素分圧を前記被測定ガス中の所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御するようにしてもよい。

また、前記ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定するようにしてもよい。

あるいは、前記ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用により分解させ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧検出手段とを具備し、前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定するようにしてもよい。

次に、本発明は、外部空間における被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定する窒素酸化物センサであって、少なくとも、前記外部空間に接する酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記固体電解質内に形成され、前記外部空間と連通した第１の内部空所と、所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを前記第１の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第１の拡散律速手段と、前記第１の内部空所内外に形成された第１の内側ポンプ電極と第１の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素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して、前記第１の内部空所内の酸素分圧を実質的にＮＯが分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、前記第１の内部空所と連通した第２の内部空所と、所定の拡散抵抗の下に前記第１の内部空所内でポンピング処理された雰囲気を前記第２の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第２の拡散律速手段と、前記第２の内部空所内外に形成された第２の内側ポンプ電極と第２の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記第１の内部空所から導入された前記雰囲気中に含まれるＮＯを触媒作用及び／又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の窒素酸化物の量を測定する窒素酸化物センサにおいて、少なくとも、１つの拡散律速手段の断面形状を形成する１因子の寸法を、１０μｍ以下にして構成する。

これにより、拡散律速手段における壁面抵抗によって排気圧の脈動（＝動圧）が減衰され、具体的には、動圧と静圧との比（動圧／静圧）が２５％以下のレベルにまで減衰するため、動圧の変動によるセンサ出力のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。

また、本発明は、外部空間における被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定する窒素酸化物センサであって、少なくとも、前記外部空間に接する酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記固体電解質内に形成され、前記外部空間と連通した第１の内部空所と、所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを前記第１の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第１の拡散律速手段と、前記第１の内部空所内外に形成された第１の内側ポンプ電極と第１の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素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して、前記第１の内部空所内の酸素分圧を実質的にＮＯが分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、前記第１の内部空所と連通した第２の内部空所と、所定の拡散抵抗の下に前記第１の内部空所内でポンピング処理された雰囲気を前記第２の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第２の拡散律速手段と、前記第２の内部空所内外に形成された第２の内側測定電極と第２の外側測定電極を有し、かつ、前記第１の内部空所から導入された前記雰囲気中に含まれるＮＯを触媒作用により分解させ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧検出手段とを具備し、前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の窒素酸化物の量を測定する窒素酸化物センサにおいて、少なくとも、１つの拡散律速手段の断面形状を形成する１因子の寸法を、１０μｍ以下にして構成する。

この場合も、拡散律速手段における壁面抵抗によって排気圧の脈動（＝動圧）が減衰され、具体的には、動圧と静圧との比（動圧／静圧）が２５％以下のレベルにまで減衰するため、動圧の変動によるセンサ出力のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。

以上説明したように、本発明に係るガスセンサ及び窒素酸化物センサによれば、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、検出電極での測定精度の向上を図ることができる。

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Ｏ₂、ＮＯ、ＮＯ₂、ＳＯ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ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１Ａ〜図３１を参照しながら説明する。

第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａは、図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示すように、ＺｒＯ₂等の酸素イオン導伝性固体電解質を用いたセラミックスによりなる例えば６枚の固体電解質層１２ａ〜１２ｆが積層されて構成されたセンサ素子１４を有する。

このセンサ素子１４は、下から１層目及び２層目が第１及び第２の基板層１２ａ及び１２ｂ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１２ｃ及び１２ｅ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１２ｄ及び１２ｆとされている。

第２の基板層１２ｂと第１の固体電解質層１２ｄ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１６（基準ガス導入空間１６）が、第１の固体電解質層１２ｄの下面、第２の基板層１２ｂの上面及び第１のスペーサ層１２ｃの側面によって区画、形成されている。

そして、第２の固体電解質層１２ｆの下面と第１の固体電解質層１２ｄの上面との間には、被測定ガス中の酸素分圧を調整するための第１室１８と、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２０が区画、形成される。

また、センサ素子１４の先端に形成されたガス導入口２２と前記第１室１８は、第１の拡散律速部２６を介して連通され、第１室１８と第２室２０は、第２の拡散律速部２８を介して連通されている。

ここで、第１及び第２の拡散律速部２６及び２８は、第１室１８及び第２室２０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る。第１の拡散律速部２６は、図１Ａに示すように、２本の横長のスリット３０及び３２にて形成されている。具体的には、この第１の拡散律速部２６は、第２のスペーサ層１２ｅの前端部分であって第２の固体電解質層１２ｆの下面に接する部分に形成された横長の開口が第１室１８まで同一の開口幅で形成されたスリット３０と、第２のスペーサ層１２ｅの前端部分であって第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に形成された横長の開口が第１室１８まで同一の開口幅で形成されたスリット３２を有して構成されている。

この第１の実施の形態では、各スリット３０及び３２はほぼ同じ断面形状を有し、図１Ａに示すように、縦方向の長さｔａを１０μｍ以下、横方向の長さｔｂを約２ｍｍとしている。

第２の拡散律速部２８も前記第１の拡散律速部２６と同様の断面形状を有する２本の横長のスリット３４及び３６にて形成されている。第２の拡散律速部２８のスリット３４及び３６内に、ＺｒＯ₂等からなる多孔質体を充填、配置して、この第２の拡散律速部２８の拡散抵抗が第１の拡散律速部２６の拡散抵抗よりも大きくするようにしてもよい。第２の拡散律速部２８の拡散抵抗は第１の拡散律速部２６のそれよりも大きい方が好ましいが、小さくても問題はない。

そして、前記第２の拡散律速部２８を通じて、第１室１８内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第２室２０内に導入されることとなる。

また、前記第２の固体電解質層１２ｆの下面のうち、前記第１室１８を形づくる下面全面に、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極（例えばＡｕ１％を含むＰｔ・ＺｒＯ₂のサーメット電極）からなる内側ポンプ電極４０が形成され、前記第２の固体電解質層１２ｆの上面のうち、前記内側ポンプ電極４０に対応する部分に、外側ポンプ電極４２が形成されており、これら内側ポンプ電極４０、外側ポンプ電極４２並びにこれら両電極４０及び４２間に挟まれた第２の固体電解質層１２ｆにて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル４４が構成されている。

そして、前記主ポンプセル４４における内側ポンプ電極４０と外側ポンプ電極４２間に、外部の可変電源４６を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ１を印加して、外側ポンプ電極４２と内側ポンプ電極４０間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ１を流すことにより、前記第１室１８内における雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは外部空間の酸素を第１室１８内に汲み入れることができるようになっている。

また、前記第１の固体電解質層１２ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１６に露呈する部分に基準電極４８が形成されており、前記内側ポンプ電極４０及び基準電極４８並びに第２の固体電解質層１２ｆ、第２のスペーサ層１２ｅ及び第１の固体電解質層１２ｄによって、電気化学的なセンサセル、即ち、制御用酸素分圧検出セル５０が構成されている。

この制御用酸素分圧検出セル５０は、第１室１８内の雰囲気と基準ガス導入空間１６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４０と基準電極４８との間に発生する起電力Ｖ１を通じて、前記第１室１８内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。

検出された酸素分圧値は可変電源４６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１８内の雰囲気の酸素分圧が、次の第２室２０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５２を通じて主ポンプセル４４のポンプ動作が制御される。

このフィードバック制御系５２は、内側ポンプ電極４０の電位と基準電極４８の電位の差（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４２と内側ポンプ電極４０間のポンプ電圧Ｖｐ１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４０は接地とされる。

従って、主ポンプセル４４は、第１室１８に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記ポンプ電圧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１室１８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。この状態で、外側ポンプ電極４２と内側ポンプ電極４０間に流れるポンプ電流Ｉｐ１は、被測定ガス中の酸素濃度と第１室１８の制御酸素濃度の差を示しており、被測定ガス中の酸素濃度の測定に用いることができる。

なお、前記内側ポンプ電極４０及び外側ポンプ電極４２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１８内に配置される内側ポンプ電極４０は、測定ガス中のＮＯ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Ｌａ₃ＣｕＯ₄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。

また、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、前記第１の固体電解質層１２ｄの上面のうち、前記第２室２０を形づくる上面であって、かつ第２の拡散律速部２８から離間した部分に、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極からなる検出電極６０が形成され、この検出電極６０を被覆するように、第３の拡散律速部６２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６０、前記基準電極４８及び第１の固体電解質層１２ｄ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６４が構成される。

前記検出電極６０は、被測定ガス成分たるＮＯｘを還元し得る金属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２０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４８との間に、直流電源６６を通じて一定電圧Ｖｐ２が印加されることによって、第２室２０内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間１６に汲み出せるようになっている。この測定用ポンプセル６４のポンプ動作によって流れるポンプ電流Ｉｐ２は、電流計６８によって検出されるようになっている。

前記一定電圧（直流）電源６６は、第３の拡散律速部６２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６４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。

一方、前記第２の固体電解質層１２ｆの下面のうち、前記第２室２０を形づくる下面全面には、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極（例えばＡｕ１％を含むＰｔ・ＺｒＯ₂のサーメット電極）からなる補助ポンプ電極７０が形成されており、該補助ポンプ電極７０、前記第２の固体電解質層１２ｆ、第２のスペーサ層１２ｅ、第１の固体電解質層１２ｄ及び基準電極４８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７２が構成されている。

前記補助ポンプ電極７０は、前記主ポンプセル４４における内側ポンプ電極４０と同様に、被測定ガス中のＮＯ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ている。この場合、例えばＬａ₃ＣｕＯ₄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。

そして、前記補助ポンプセル７２における補助ポンプ電極７０と基準電極４８間に、外部の直流電源７４を通じて所望の一定電圧Ｖｐ３を印加することにより、第２室２０内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間１６に汲み出せるようになっている。

これによって、第２室２０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される。この場合、第１室１８における主ポンプセル４４の働きにより、この第２室２０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２０における酸素分圧は精度よく一定に制御される。

従って、前記構成を有する第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａでは、前記第２室２０内において酸素分圧が制御された被測定ガスは、検出電極６０に導かれることとなる。

また、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、図１に示すように、第１及び第２の基板層１２ａ及び１２ｂ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８０が埋設されている。このヒータ８０は、酸素イオンの導伝性を高めるために設けられるもので、該ヒータ８０の上下面には、第１及び第２の基板層１２ａ及び１２ｂとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等の絶縁層８２が形成されている。

前記ヒータ８０は、第１室１８から第２室２０の全体にわたって配設されており、これによって、第１室１８及び第２室２０がそれぞれ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセル４４、制御用酸素分圧検出セル５０及び測定用ポンプセル６４も所定の温度に加熱、保持されるようになっている。

次に、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａの動作について説明する。まず、ガスセンサ１０Ａ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２６（スリット３０及び３２）を通じて所定の拡散抵抗の下に、第１室１８に導入される。この第１室１８に導入された被測定ガスは、主ポンプセル４４を構成する外側ポンプ電極４２及び内側ポンプ電極４０間に所定のポンプ電圧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５２を通じて行われる。

なお、第１の拡散律速部２６は、主ポンプセル４４にポンプ電圧Ｖｐ１を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第１室１８）に拡散流入する量を絞り込んで、主ポンプセル４４に流れる電流を抑制する働きをしている。

また、第１室１８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８０による加熱環境下においても、内側ポンプ電極４０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１８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２０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１８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４０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４０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。

そして、前記第１室１８内のガスは、第２の拡散律速部２８を通じて所定の拡散抵抗の下に、第２室２０に導入される。この第２室２０に導入されたガスは、補助ポンプセル７２を構成する補助ポンプ電極７０及び基準電極４８間に電圧Ｖｐ３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。

前記第２の拡散律速部２８は、前記第１の拡散律速部２６と同様に、補助ポンプセル７２に電圧Ｖｐ３を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第２室２０）に拡散流入する量を絞り込んで、補助ポンプセル７２に流れるポンプ電流Ｉｐ３を抑制する働きをしている。

そして、上述のようにして第２室２０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６２を通じて所定の拡散抵抗の下に、検出電極６０に導かれることとなる。

前記主ポンプセル４４を動作させて第１室１８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、制御用酸素分圧検出セル５０にて検出される電圧Ｖ１が一定となるように、フィードバック制御系５２を通じて可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ１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２０内の雰囲気及び検出電極６０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１８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。

しかし、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、第２室２０に対して、その内部の雰囲気の酸素分圧を常に一定に低い酸素分圧値となるように、補助ポンプセル７２を設けるようにしているため、第１室１８から第２室２０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７２のポンプ動作によって、第２室２０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。

そして、検出電極６０に導入された被測定ガスのＮＯｘは、該検出電極６０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６４を構成する検出電極６０と基準電極４８との間には、酸素が第２室２０から基準ガス導入空間１６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。

従って、測定用ポンプセル６４に流れるポンプ電流Ｉｐ２は、第２室２０に導かれる雰囲気中の酸素濃度、即ち、第２室２０内の酸素濃度と検出電極６０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。

この場合、第２室２０内の雰囲気中の酸素濃度は、補助ポンプセル７２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６４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６２にて制限される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６４から電流計６８を通じて正確にＮＯｘ濃度を測定することが可能となる。

このことから、測定用ポンプセル６４におけるポンプ電流値Ｉｐ２は、ほとんどがＮＯｘ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。

ところで、通常、動圧と静圧との比（動圧／静圧）が約２５％を超えた段階からシフト量が比例的に増加することとなるが（図３４参照）、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、第１の拡散律速部２６（スリット３０及び３２）の断面形状を形成する１因子である縦方向の長さｔａを１０μｍ以下にしている。

主ポンプセル４４での限界電流値Ｉｐ１は、以下の限界電流理論式で近似される。

Ｉｐ１≒（４Ｆ／ＲＴ）×Ｄ×（Ｓ／Ｌ）×（ＰＯｅ−ＰＯｄ）
なお、Ｆはファラデー定数（＝９６５００Ａ／ｓｅｃ）、Ｒは気体定数（＝８２．０５ｃｍ³・ａｔｍ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｔは絶対温度（Ｋ）、Ｄは拡散係数（ｃｍ²／ｓｅｃ）、Ｓは第１の拡散律速部２６（スリット３０又は３２）の断面積（ｃｍ²）、Ｌは第１の拡散律速部２６（スリット３０又は３２）の通路長（ｃｍ）、ＰＯｅは外部空間の酸素分圧（ａｔｍ）、ＰＯｄは第１室１８の酸素分圧（ａｔｍ）を示す。

そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａは、前記限界電流理論式における第１の拡散律速部２６（スリット３０又は３２）の断面積Ｓの形成因子を規定するものであり、特に、断面積Ｓを形成する寸法の１因子、この場合、縦方向の長さを、１０μｍ以下にするものである。

これにより、第１の拡散律速部２６における壁面抵抗によって排気圧の脈動（＝動圧）が減衰され、具体的には、動圧と静圧との比（動圧／静圧）が２５％以下のレベルにまで減衰するため、動圧の変動によるセンサ出力（測定用ポンプセルにおけるポンプ電流値Ｉｐ２あるいは主ポンプセルに流れるポンプ電流値Ｉｐ１）のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。

ここで、２つの実験例（便宜的に第１及び第２の実験例と記す）を示す。第１の実験例は、実施例と比較例において、被測定ガスの酸素濃度を変化させたときに、センサ出力がどのように変化するかを測定したものであり、第２の実験例は、実施例と比較例において、被測定ガスのＮＯｘ濃度を変化させたときに、センサ出力がどのように変化するかを測定したものである。

測定条件は、エンジンとして２．５Ｌのディーゼルエンジンを使用し、回転数を１０００〜４０００ｒｐｍとし、エンジン負荷を５〜２０ｋｇｍとした。そして、回転数、エンジン負荷及びＥＧＲ開度を適宜変えてそのときのセンサ出力の変動も測定した。

実施例は、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａと同様に、図３Ａ、図３Ｂ及び図４に示すように、第１の拡散律速部２６を上下２本の横長のスリット３０及び３２（横方向の長さ２ｍｍ×縦方向の長さ１０μｍ以下）で構成した場合を示し、比較例は、図５Ａ、図５Ｂ及び図６に示すように、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいて、第１の拡散律速部２６を１本のスリット１００（横方向の長さ０．２ｍｍ×縦方向の長さ０．２ｍｍ）で構成した場合を示す。

前記第１の実験例並びに第２の実験例の実験結果を図７及び図８（比較例）並びに図９及び図１０（実施例）に示す。比較例は、図７及び図８に示すように、測定条件を変えることによって、センサ出力が変動し、特にエンジン負荷が高負荷側におけるセンサ出力の変動が著しいことがわかる。

これは、図１１Ａ及び図１１Ｂの波形図に示すように、ガス導入口付近の排気圧の変動と第１室１８の入口付近の排気圧の変動がほぼ同じになり、測定条件の変化に伴う排気圧の変動がセンサ出力に直接影響を及ぼしていると考えられる。

一方、実施例においては、図９及び図１０に示すように、測定条件を変えてもセンサ出力は変動せず、酸素濃度並びにＮＯｘ濃度の変化に応じたセンサ出力を高精度に得ることができる。これは、図１２Ａ及び図１２Ｂの波形図に示すように、ガス導入口付近の排気圧の変動が第１の拡散律速部２６の壁面抵抗によって減衰されることから、第１室１８の入口付近の排気圧の変動がガス導入口付近の排気圧の変動よりも小さくなるからと考えられる。

このように、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、測定用ポンプセル６４での測定精度の向上を図ることができる。

次に、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａのいくつかの変形例、即ち、第１の拡散律速部２６と第２の拡散律速部２８の形状を主体にした変形例を図１３Ａ〜図３０を参照しながら説明する。なお、図１３Ａ〜図３０においては、図面の複雑化を避けるために電気回路系の図示を省略する。また、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。

まず、第１の変形例に係るガスセンサ１０Ａａは、図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１４に示すように、第１及び第２の拡散律速部２６及び２８がそれぞれ１本の横長のスリット１１０及び１１２にて形成されている点で異なる。

具体的には、第１の拡散律速部２６は、第２のスペーサ層１２ｅの前端部分であって第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に形成された横長の開口が第１室１８まで同一の開口幅で形成されたスリット１１０を有して構成され、第２の拡散律速部２８は、第２のスペーサ層１２ｅにおける第１室１８の終端部分であって第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に形成された開口が第２室２０まで同一の開口幅で形成されたスリット１１２を有して構成されている。この第１の変形例では、各スリット１１０及び１１２はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さｔａを１０μｍ以下、横方向の長さｔｂを約２ｍｍとしている。

次に、第２の変形例に係るガスセンサ１０Ａｂは、図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１６に示すように、第１及び第２の拡散律速部２６及び２８がそれぞれ１本の横長のくさび形スリット１１４及び１１６にて形成されている点で異なる。

具体的には、第１の拡散律速部２６は、第２のスペーサ層１２ｅの前端部分であって第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に形成された横長の開口の開口幅（縦方向の幅）が第１室１８に向かって徐々に拡大して形成されたくさび形スリット１１４を有して構成され、第２の拡散律速部２８は、第２のスペーサ層１２ｅにおける第１室１８の終端部分であって第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に形成された横長の開口の開口幅が第２室２０に向かって徐々に拡大して形成されたくさび形スリット１１６を有して構成されている。

この第２の変形例では、各くさび形スリット１１４及び１１６のそれぞれの前端における最小開口はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さｔａが１０μｍ以下、横方向の長さｔｂが約２ｍｍとされている。

次に、第３の変形例に係るガスセンサ１０Ａｃは、図１７Ａ、図１７Ｂ及び図１８に示すように、第１の拡散律速部２６が３本の横長のスリット１１８ａ、１１８ｂ及び１１８ｃが互いに並列して形成されている点と、第２の拡散律速部２８が１本の横長のスリット１２０で形成されている点で異なる。

具体的には、第１の拡散律速部２６は、第２のスペーサ層１２ｅの前端部分であって第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に互いに並列して形成された３本の横長の開口が第１室１８までそれぞれ同一の開口幅で形成された３本のスリット１１８ａ、１１８ｂ及び１１８ｃを有して構成され、第２の拡散律速部２８は、第２のスペーサ層１２ｅにおける第１室１８の終端部分であって第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に形成された１本の横長の開口が第２室２０まで同一の開口幅で形成された１本のスリット１２０を有して構成されている。この第３の変形例では、各スリット１１８ａ、１１８ｂ及び１１８ｃ並びに１２０の縦方向の長さｔａはそれぞれ１０μｍ以下とされている。

次に、第４の変形例に係るガスセンサ１０Ａｄは、図１９Ａ、図１９Ｂ及び図２０に示すように、ガス導入口２２と第１の拡散律速部２６との間に空間部１２２と緩衝空間１２４とがシリーズに設けられ、該空間部１２２の前面開口がガス導入口２２を構成し、該空間部１２２と緩衝空間１２４の間に、被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第４の拡散律速部１２６を有している点で異なる。

第１の拡散律速部２６並びに第２の拡散律速部２８は、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａと同様に、それぞれ２本の横長のスリット３０及び３２並びに３４及び３６にて形成されている。

第４の拡散律速部１２６は、第２のスペーサ層１２ｅにおける空間部１２２の終端部分であって第２の固体電解質層１２ｆの下面に接する部分に形成された横長の開口が緩衝空間１２４まで同一の開口幅で形成されたスリット１２８と、第２のスペーサ層１２ｅにおける空間部１２２の終端部分であって第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に形成された横長の開口が緩衝空間１２４まで同一の開口幅で形成されたスリット１３０を有して構成されている。

次に、第５の変形例に係るガスセンサ１０Ａｅにおいては、図２１Ａ、図２１Ｂ及び図２２に示すように、第１及び第２の拡散律速部２６及び２８がそれぞれ１本の縦長のスリット１３２及び１３４にて形成されている点で異なる。

具体的には、第１の拡散律速部２６は、第２のスペーサ層１２ｅの前端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が第１室１８まで同一の開口幅で形成されたスリット１３２を有して構成され、第２の拡散律速部２８は、第２のスペーサ層１２ｅにおける第１室１８の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が第２室２０まで同一の開口幅で形成されたスリット１３４を有して構成されている。この第５の変形例では、各スリット１３２及び１３４はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さｔｃが第２のスペーサ層１２ｅの厚みと同じであり、横方向の長さｔｄが１０μｍ以下とされている。

次に、第６の変形例に係るガスセンサ１０Ａｆは、図２３Ａ、図２３Ｂ及び図２４に示すように、第１及び第２の拡散律速部２６及び２８がそれぞれ１本の縦長のくさび形スリット１３６及び１３８にて形成されている点で異なる。

具体的には、第１の拡散律速部２６は、第２のスペーサ層１２ｅの前端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口の開口幅（横方向の幅）が第１室１８に向かって徐々に拡大して形成されたくさび形スリット１３６を有して構成され、第２の拡散律速部２８は、第２のスペーサ層１２ｅにおける第１室１８の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口の開口幅（横方向の幅）が第２室２０に向かって徐々に拡大して形成されたくさび形スリット１３８を有して構成されている。

この第６の変形例では、各くさび形スリット１３６及び１３８のそれぞれの前端における最小開口はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さｔｃが第２のスペーサ層１２ｅの厚みと同じであり、横方向の長さｔｄが１０μｍ以下とされている。

次に、第７の変形例に係るガスセンサ１０Ａｇは、図２５Ａ、図２５Ｂ及び図２６に示すように、第１の拡散律速部２６が１本の平面ほぼ砂時計形のスリット１４０で形成され、第２の拡散律速部２８が１本の縦長のスリット１４２で形成されている点で異なる。

具体的には、第１の拡散律速部２６は、第２のスペーサ層１２ｅの前端部分に形成された横長の開口の開口幅（横方向の幅）が第１の拡散律速部２６の奥行き方向ほぼ中央に向かって徐々に縮小して縦長のスリット１４４とされ、更に、このスリット１４４の開口幅（横方向の幅）が第１室１８に向かって徐々に拡大して形成されたほぼ砂時計形のスリット１４０を有して構成されている。

一方、第２の拡散律速部２８は、第２のスペーサ層１２ｅにおける第１室１８の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が第２室２０まで同一の開口幅で形成されたスリット１４２を有して構成されている。

この第７の変形例では、第１の拡散律速部２６を構成する砂時計形のスリット１４０の最小開口（スリット１４４）と第２の拡散律速部２８を構成するスリット１４２はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さｔｃが第２のスペーサ層１２ｅの厚みと同じであり、横方向の長さｔｄが１０μｍ以下とされている。

次に、第８の変形例に係るガスセンサ１０Ａｈは、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２８に示すように、第１の拡散律速部２６が５本の縦長のスリット１４６ａ〜１４６ｅが互いに並列して形成されている点と、第２の拡散律速部２８が１本の縦長のスリット１４８で形成されている点で異なる。

具体的には、第１の拡散律速部２６は、第２のスペーサ層１２ｅの前端部分において互いに並列して形成された５本の縦長の開口が第１室１８までそれぞれ同一の開口幅で形成された５本のスリット１４６ａ〜１４６ｅを有して構成され、第２の拡散律速部２８は、第２のスペーサ層１２ｅにおける第１室１８の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が第２室２０まで同一の開口幅で形成された１本のスリット１４８を有して構成されている。この第８の変形例では、各スリット１４６ａ〜１４６ｅ並びに１４８の横方向の長さｔｄはそれぞれ１０μｍ以下とされている。

次に、第９の変形例に係るガスセンサ１０Ａｉは、図２９Ａ、図２９Ｂ及び図３０に示すように、ガス導入口２２と第１の拡散律速部２６との間に空間部１２２と緩衝空間１２４とがシリーズに設けられ、該空間部１２２の前面開口がガス導入口２２を構成し、該空間部１２２と緩衝空間１２４の間に、被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第４の拡散律速部１２６を有している点で異なる。

第１の拡散律速部２６及び第２の拡散律速部２８は、第５の変形例に係るガスセンサ１０Ａｅ（図２１Ａ、図２１Ｂ及び図２２参照）と同様に、それぞれ１本の縦長のスリット１３２及び１３４にて形成されている。

第４の拡散律速部１２６は、第２のスペーサ層１２ｅにおける空間部１２２の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が緩衝空間１２４まで同一の開口幅で形成されたスリット１５０を有して構成されている。

前記第１〜第９の変形例に係るガスセンサ１０Ａａ〜１０Ａｉにおいては、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａと同様に、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、測定用ポンプセル６４での測定精度の向上を図ることができる。

特に、第４及び第９の変形例に係るガスセンサ１０Ａｄ及び１０Ａｉにおいては、第１の拡散律速部２６の前段に緩衝空間１２４を設けるようにしている。通常、外部空間における排気圧の脈動によってガス導入口２２を通じて酸素がセンサ素子１４に急激に入り込むことになるが、この外部空間からの酸素は、直接処理空間に入り込まずに、その前段の緩衝空間１２４に入り込むことになる。つまり、排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間１２４によって打ち消され、第１室１８に対する排気圧の脈動の影響はほとんど無視できる程度となる。

その結果、第１室１８における主ポンプセル４４での酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性がよくなり、測定用ポンプセル６４での測定精度の向上が図られることになると同時に、第１室１８を例えば空燃比を求めるためのセンサとして兼用させることが可能となる。

また、前記第４及び第９の変形例に係るガスセンサ１０Ａｄ及び１０Ａｉにおいては、ガス導入口２２と第１の拡散律速部２６との間に空間部１２２と緩衝空間１２４とをシリーズに設け、空間部１２２の前面開口でガス導入口２２を構成するようにしている。この空間部１２２は、外部空間の被測定ガス中に発生する粒子物（スート、オイル燃焼物等）が緩衝空間１２４の入口付近にて詰まることを回避するための目詰まり防止部として機能するものであり、これにより、測定用ポンプセル６４において、より高精度にＮＯｘ成分を測定することが可能となり、高精度な状態を長期にわたって維持できるようになる。

上述の第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａと第１〜第４の変形例に係るガスセンサ１０Ａａ〜１０Ａｄは第１及び第２の拡散律速部２６及び２８を横長のスリットで構成し、第５〜第９の変形例に係るガスセンサ１０Ａｅ〜１０Ａｉは第１及び第２の拡散律速部２６及び２８を縦長のスリットで構成するようにしているが、例えば第１の拡散律速部２６を横長のスリットで構成し、第２の拡散律速部２８を縦長のスリットで構成するようにしてもよいし、その逆の構成を採用するようにしてもよい。

また、第１及び第２の拡散律速部２６及び２８の形状はスリット形状でなくても、その断面積を構成する１因子が１０μｍ以下であればよく、例えば昇華性ファイバを埋め込み、焼成後に直径１０μｍ以下の円筒状の拡散律速部を構成しても同様の効果を得ることができる。

次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂについて図３１を参照しながら説明する。なお、図２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。

この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂは、図３１に示すように、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ（図２参照）とほぼ同様の構成を有するが、測定用ポンプセル６４に代えて、測定用酸素分圧検出セル１６０が設けられている点で異なる。

この測定用酸素分圧検出セル１６０は、第１の固体電解質層１２ｄの上面のうち、前記第２室２０を形づくる上面に形成された検出電極１６２と、前記第１の固体電解質層１２ｄの下面に形成された前記基準電極４８と、これら両電極１６２及び４８間に挟まれた第１の固体電解質層１２ｄによって構成されている。

この場合、前記測定用酸素分圧検出セル１６０における検出電極１６２と基準電極４８との間に、検出電極１６２の周りの雰囲気と基準電極４８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。

従って、前記検出電極１６２及び基準電極４８間に発生する起電力（電圧）Ｖ２を電圧計１６４にて測定することにより、検出電極１６２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Ｖ２として検出される。

この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂにおいても、第１の拡散律速部２６における壁面抵抗によって排気圧の脈動（＝動圧）が減衰されるため、動圧の変動によるセンサ出力（測定用ポンプセルにおけるポンプ電流値）のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。その結果、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、測定用酸素分圧検出セル１６０での測定精度の向上を図ることができる。

そして、この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂにおいても、第１〜第９の変形例に係るガスセンサ１０Ａａ〜１０Ａｉの構成を採用することができる。

前記第１及び第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ及び１０Ｂ（各変形例を含む）では、測定すべき被測定ガス成分として酸素並びにＮＯｘを対象としたが、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。

例えばＣＯ₂やＨ₂Ｏを電気分解して発生したＯ₂を酸素ポンプで汲み出す構成のガスセンサや、Ｈ₂Ｏを電気分解して発生したＨ₂をプロトンイオン伝導性固体電解質を用いてポンピング処理するガスセンサにも適用させることができる。

なお、この発明に係るガスセンサ及び窒素酸化物センサは、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。

図１Ａは第１の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図１Ｂはその平面図である。 図１ＢにおけるＩＩ−ＩＩ線上の断面図である。 図３Ａは第１及び第２の実験例で使用した実施例の構成を示す正面図であり、図３Ｂはその平面図である。 第１及び第２の実験例で使用した実施例の構成、特に、第１及び第２の拡散律速部の構成を抜き出して示す斜視図である。 図５Ａは第１及び第２の実験例で使用した比較例の構成を示す正面図であり、図５Ｂはその平面図である。 第１及び第２の実験例で使用した比較例の構成、特に、第１及び第２の拡散律速部の構成を抜き出して示す斜視図である。 比較例において、測定条件を変えたときの酸素濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。 比較例において、測定条件を変えたときのＮＯｘ濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。 実施例において、測定条件を変えたときの酸素濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。 実施例において、測定条件を変えたときのＮＯｘ濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。 図１１Ａは比較例におけるガス導入口付近の排気圧の変動を示す波形図であり、図１１Ｂは第１室の入口付近の排気圧の変動を示す波形図である。 図１２Ａは実施例におけるガス導入口付近の排気圧の変動を示す波形図であり、図１２Ｂは第１室の入口付近の排気圧の変動を示す波形図である。 図１３Ａは第１の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図１３Ｂはその平面図である。 図１３ＢにおけるＸＩＶ−ＸＩＶ線上の断面図である。 図１５Ａは第２の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図１５Ｂはその平面図である。 図１５ＢにおけるＸＶＩ−ＸＶＩ線上の断面図である。 図１７Ａは第３の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図１７Ｂはその平面図である。 図１７ＢにおけるＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線上の断面図である。 図１９Ａは第４の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図１９Ｂはその平面図である。 図１９ＢにおけるＸＸ−ＸＸ線上の断面図である。 図２１Ａは第５の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図２１Ｂはその平面図である。 図２１ＢにおけるＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線上の断面図である。 図２３Ａは第６の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図２３Ｂはその平面図である。 図２３ＢにおけるＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線上の断面図である。 図２５Ａは第７の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図２５Ｂはその平面図である。 図２５ＢにおけるＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線上の断面図である。 図２７Ａは第８の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図２７Ｂはその平面図である。 図２７ＢにおけるＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＶＩＩＩ線上の断面図である。 図２９Ａは第９の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図２９Ｂはその平面図である。 図２９ＢにおけるＸＸＸ−ＸＸＸ線上の断面図である。 第２の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す断面図である。 従来のガスセンサの酸素濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。 自動車エンジンの排気ガスの全圧力を示す説明図である。 動圧と静圧との比（動圧／静圧）に対するセンサ出力のシフト量を示す特性図である。

符号の説明

１０Ａ、１０Ａａ〜１０Ａｉ、１０Ｂ…ガスセンサ
１４…センサ素子 １８…第１室
２０…第２室 ２２…ガス導入口
２６…第１の拡散律速部 ２８…第２の拡散律速部
３０、３２、３４、３６Ａ…スリット ４４…主ポンプセル
６４…測定用ポンプセル ７２…補助ポンプセル
１００、１１０、１１２…スリット １１４、１１６…くさび形スリット
１１８ａ〜１１８ｃ、１２０…スリット １２２…空間部
１２４…緩衝空間 １２６…第４の拡散律速部
１２８、１３０、１３２、１３４…スリット
１３６、１３８…くさび形スリット １４０…砂時計形のスリット
１４２、１４４、１４６ａ〜１４６ｅ、１４８、１５０…スリット
１６０…測定用酸素分圧検出セル

Claims (10)

1. 外部空間における被測定ガス中の被測定ガス成分の量を測定するガスセンサであって、少なくとも、
   前記外部空間に接する固体電解質と、
   前記固体電解質内部に形成された内部空所と、
   前記外部空間からガス導入口を介して所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを導入するための拡散律速手段と、
   前記内部空所の内外に形成された内側ポンプ電極と外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素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ポンプ手段とを具備したガスセンサにおいて、
   前記拡散律速手段は、前記ガス導入口から前記内部空所に連通し、且つ、上下に並んだ２つのスリットを有し、
   前記２つのスリットの各断面形状を形成するそれぞれ１因子の寸法が、１０μｍ以下であることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記２つのスリットは、各断面形状がそれぞれ横型のスリットで形成され、前記１因子は、前記２つのスリットにおけるそれぞれの縦方向の長さであることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記２つのスリットは、各断面形状がそれぞれ縦型のスリットで形成され、前記１因子は、前記２つのスリットにおけるそれぞれの横方向の長さであることを特徴とするガスセンサ。
4. 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、
   前記ガス導入口と前記拡散律速手段との間に緩衝空間が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項４記載のガスセンサにおいて、
   前記ガス導入口と前記内部空所との間に目詰まり防止部と緩衝空間とがシリーズに設けられ、
   前記目詰まり防止部の前面開口で前記ガス導入口を構成し、
   前記目詰まり防止部と前記緩衝空間の間に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する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。
6. 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、
   前記ポンプ手段は、前記内部空所に導入された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記内部空所における酸素分圧を前記被測定ガス中の所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御することを特徴とするガスセンサ。
7. 請求項６記載のガスセンサにおいて、
   前記ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、
   前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定することを特徴とするガスセンサ。
8. 請求項６記載のガスセンサにおいて、
   前記ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用により分解させ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧検出手段とを具備し、
   前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定することを特徴とするガスセンサ。
9. 外部空間における被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定する窒素酸化物センサであって、少なくとも、
   前記外部空間に接する酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、
   前記固体電解質内に形成され、前記外部空間と連通した第１の内部空所と、
   前記外部空間からガス導入口を介して所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを前記第１の内部空所へ導入するための第１の拡散律速手段と、
   前記第１の内部空所内外に形成された第１の内側ポンプ電極と第１の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素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して、前記第１の内部空所内の酸素分圧を実質的にＮＯが分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、
   前記第１の内部空所と連通した第２の内部空所と、
   所定の拡散抵抗の下に前記第１の内部空所内でポンピング処理された雰囲気を前記第２の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第２の拡散律速手段と、
   前記第２の内部空所内外に形成された第２の内側ポンプ電極と第２の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記第１の内部空所から導入された前記雰囲気中に含まれるＮＯを触媒作用及び／又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、
   前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の窒素酸化物の量を測定する窒素酸化物センサにおいて、
   前記第１の拡散律速手段は、前記ガス導入口から前記内部空所に連通し、且つ、上下に並んだ２つのスリットを有し、
   前記２つのスリットの各断面形状を形成するそれぞれ１因子の寸法が、１０μｍ以下であることを特徴とする窒素酸化物センサ。
10. 外部空間における被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定する窒素酸化物センサであって、少なくとも、
    前記外部空間に接する酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、
    前記固体電解質内に形成され、前記外部空間と連通した第１の内部空所と、
    前記外部空間からガス導入口を介して所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを前記第１の内部空所へ導入するための第１の拡散律速手段と、
    前記第１の内部空所内外に形成された第１の内側ポンプ電極と第１の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素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して、前記第１の内部空所内の酸素分圧を実質的にＮＯが分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、
    前記第１の内部空所と連通した第２の内部空所と、
    所定の拡散抵抗の下に前記第１の内部空所内でポンピング処理された雰囲気を前記第２の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第２の拡散律速手段と、
    前記第２の内部空所内外に形成された第２の内側測定電極と第２の外側測定電極を有し、かつ、前記第１の内部空所から導入された前記雰囲気中に含まれるＮＯを触媒作用により分解させ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧検出手段とを具備し、
    前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の窒素酸化物の量を測定する窒素酸化物センサにおいて、
    前記第１の拡散律速手段は、前記ガス導入口から前記内部空所に連通し、且つ、上下に並んだ２つのスリットを有し、
    前記２つのスリットの各断面形状を形成するそれぞれ１因子の寸法が、１０μｍ以下であることを特徴とする窒素酸化物センサ。

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