JPH10123094A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サンプルガス室中の酸素ガス濃度をほぼ一定
とし，かつサンプルガス室中の酸素ガス濃度が低く，検
出ガスに対する感度及び精度の高いガスセンサを提供す
ること。 【解決手段】 固体電解質体によって形成されたサンプ
ルガス室と，上記固体電解質体に設けられた酸素ポンプ
セル２１，ポンプ式酸素センサ２２及び検出セル３とよ
りなる。上記酸素ポンプセル２１の電極２１８，２１９
及び上記ポンプ式酸素センサ２２の電極２２８，２２９
は不活性電極であり，一方，上記検出セル３の電極３
８，３９は活性電極である。更に，上記酸素ポンプセル
２１は，上記ポンプ式酸素センサ２２からの信号値に基
づき，上記サンプルガス室内の酸素ガス濃度を一定値に
保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，気体中に混在している特定の検
出ガス，例えば内燃機関の排ガス中に存在するＮＯｘ
量，を検出するガスセンサに関する。

【０００２】

【従来技術】従来より，内燃機関の排気経路には，後述
の図３，図４に示すごとく，内燃機関の燃焼制御等の目
的からＮＯｘセンサが設けてある。上記ＮＯｘセンサと
しては，固体電解質体の酸素イオン導電性（具体的に
は，安定化ジルコニア等の酸素イオン導電性）を利用し
て，排ガス中に存在するＮＯｘガス濃度を検出するもの
が知られている。

【０００３】上記ＮＯｘセンサは，少なくともその一部
が酸素イオン導電性の固体電解質体によって形成された
サンプルガス室と，該サンプルガス室内にサンプルガス
（この場合には排ガス）を導入するサンプルガス導入路
と，上記サンプルガス室内に面した固体電解質体の１つ
の面及びこの面と反対側の面に設けられた一対の電極か
らなると共に，上記サンプルガス中に含まれるＮＯｘガ
ス濃度を検出する検出セルとよりなるそして，上記検出
セルの電極は，上記ＮＯｘ中の酸素原子を酸素イオンに
還元する活性電極である。

【０００４】このようなＮＯｘセンサにおいては，上記
検出セルにおいてＮＯｘ中の酸素原子を還元反応により
イオン化し，該イオン化した酸素が固体電解質体を流通
する際のイオン電流を元にＮＯｘガス濃度を検出するこ
とができる。

【０００５】しかしながら，上記排ガスは通常ＮＯｘ以
外にも酸素ガスを含んでいるため，上記検出セルはＮＯ
ｘ中の酸素原子と共に，酸素ガス中の酸素原子もイオン
化してしまう。即ち，検出セルにおいて検知されたイオ
ン電流はＮＯｘガス由来のものと，酸素ガス由来のもの
とがあるため，正しくＮＯｘガス濃度に比例した値を得
ることができなかった。

【０００６】このため，従来，検出セルよりもサンプル
ガス流れの上流側に，該サンプルガス中の酸素ガスを除
去するための酸素ポンプセルを設けたＮＯｘセンサが提
案されていた（ＳＡＥ９６０３３４，特開平８−２９３
８７号）。上記酸素ポンプセルは，上記サンプルガス室
内に面した固体電解質体の１つの面及びこの面と反対側
の反対面に設けられた一対の電極からなる。上記一対の
電極間に電圧を付加することにより，酸素ガスはイオン
となってＮＯｘセンサの外部に排出される。

【０００７】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来のＮ
Ｏｘセンサには以下に示す問題点がある。例えば，ＳＡ
Ｅ９６０３３４公報にかかるＮＯｘセンサは，サンプル
ガス室内の酸素ガス濃度を管理するために，酸素濃淡電
池式の酸素センサを上記固体電解質に設けてある。上記
酸素濃淡電池式の酸素センサは一対の電極からなり，一
方の電極は上記サンプルガス室に，他方の電極はサンプ
ルガス室とは別に設けた，大気中の空気を導入した大気
室に面するよう設けてある。

【０００８】しかしながら，上記ＮＯｘセンサにおい
て，酸素ポンプセルの大きさは上記酸素濃淡電池式の酸
素センサ等に制限されるため，十分な面積をとることが
できなかった。従って，サンプルガスの導入量も制限さ
れ，検出されるイオン電流は，ＮＯｘの単位濃度あた
り，略２〜６μＡ／１０００ｐｐｍである，即ち，感度
の低いＮＯｘセンサしか得ることができなかった。

【０００９】また，特開平８−２９３８７号公報に記載
のＮＯｘセンサにおいては，サンプルガス室内の酸素ガ
ス濃度を管理することができないため，特に排ガス中の
酸素ガス濃度が変動した場合に，酸素ガス濃度の変動分
がそのまま検出セルの出力にプラスされるおそれがあっ
た。即ち，このＮＯｘセンサにおいて，検出値が増大ま
たは減少した場合，ＮＯｘガス濃度が変化したのか，酸
素ガス濃度が変化したのか，判別ができなかった。

【００１０】本発明は，かかる問題点に鑑み，サンプル
ガス室中の酸素ガス濃度をほぼ一定かつ低い値に保持す
ることができ，検出ガスに対する感度及び精度の高いガ
スセンサを提供しようとするものである。

【００１１】

【課題の解決手段】請求項１の発明は，少なくともその
一部が酸素イオン導電性の固体電解質体によって形成さ
れたサンプルガス室と，該サンプルガス室内にサンプル
ガスを導入するサンプルガス導入路と，上記サンプルガ
ス室内に面した固体電解質体の１つの面及びこの面と反
対側の反対面に設けられた一対の電極からなり，上記サ
ンプルガス室内の酸素ガスを外部へ排出するか，又は外
部からサンプルガス室内へ酸素ガスを導入するための酸
素ポンプセルと，上記サンプルガス室内に面した固体電
解質体の１つの面及びこの面と反対側の反対面に設けら
れた一対の電極からなり，上記サンプルガス室内の酸素
ガスを上記両電極を通じて外部へ透過させながらサンプ
ルガス中の酸素ガス濃度を検出するポンプ式酸素センサ
と，上記サンプルガス室内に面した固体電解質体の１つ
の面及びこの面と反対側の面に設けられた一対の電極か
らなると共に，上記サンプルガス中に含まれる検出ガス
濃度を検出する検出セルとよりなるガスセンサであっ
て，上記酸素ポンプセルの電極及び上記ポンプ式酸素セ
ンサの電極の内，上記サンプルガス室側に位置する電極
は，上記検出ガスを酸素イオンに還元しない不活性電極
であり，一方，上記検出セルの電極の内，上記サンプル
ガス室側に位置する電極は，上記検出ガスを酸素イオン
に還元する活性電極であり，更に，上記酸素ポンプセル
は，上記ポンプ式酸素センサからの信号値に基づき，上
記サンプルガス室内の酸素ガス濃度を一定値に保つこと
を特徴とするガスセンサにある。

【００１２】本発明の作用につき，以下に説明する。本
発明にかかるガスセンサにおいては，上記酸素ポンプセ
ルによりサンプルガス室に対し酸素ガスを排出または導
入する。そして，上記ポンプ式酸素センサが，サンプル
ガス室に導入されたサンプルガス中の酸素ガス濃度が，
ほぼ一定となるように，上記酸素ポンプセルの作動を制
御することができる。

【００１３】そのため，上記サンプルガス室内において
は酸素ガス濃度がほぼ一定となるため，検出セルの検出
値は濃度一定の酸素ガスによる限界電流に，濃度の変動
する検出ガスによる限界電流が加えられた値となり，そ
の結果，後述する図７に示すごとく，検出セルの検出値
はサンプルガス中の検出ガス濃度と正確に比例すること
となる。それ故，検出ガスの濃度を精度高く検出するこ
とができる。

【００１４】なお，上記酸素ポンプセルは，通常は，サ
ンプルガス中の酸素ガス濃度が低くなるように，検出ガ
ス中の酸素ガスを外部へ排出するが，導入したサンプル
ガス中に酸素ガスがほとんど含まれておらず，サンプル
ガス室内の酸素ガス濃度が上記一定の値を下まわる場合
には，逆にサンプルガス室の中へ酸素ガスを導入する。

【００１５】更に，上記ポンプ式酸素センサにおいて
は，酸素ガス濃度の検出に当り，常に一定量の酸素イオ
ンを固体電解質体を経由してサンプルガス室より外部へ
導出させている。そのため，サンプルガス室内の酸素ガ
ス濃度を更に低くすることができ，サンプルガス中の検
出ガスの濃度をより高くすることができ，感度よく検出
ガス濃度を検出することができる。

【００１６】以上のように，サンプルガス室中の酸素ガ
ス濃度をほぼ一定かつ低い値に保持することができ，検
出ガスに対する感度及び精度の高いガスセンサを提供す
ることができる。

【００１７】なお，上記ガスセンサとしては，例えば，
自動車用内燃機関の排ガス中におけるＮＯｘガス濃度を
検出するＮＯｘセンサ，（自動車用内燃機関の排ガス中
における）ＳＯｘガスやＨ₂ Ｏ濃度を検出するＳＯｘセ
ンサ，Ｈ₂ Ｏセンサ等を挙げることができる。

【００１８】また，上述の作用効果を確実に実現するた
めに，上記酸素ポンプセル，ポンプ式酸素センサ及び検
出セルは，上記サンプルガス流れに対して，酸素ポンプ
セル，次いでポンプ式酸素センサ，最後に検出セルの順
に設けることが好ましい。

【００１９】また，上記ガスセンサがＮＯｘセンサであ
る場合には，上記酸素イオン導電性の固体電解質体とし
て安定化ジルコニアを用いることができる。また，上記
ガスセンサがＮＯｘセンサである場合には，上記酸素ポ
ンプセルの電極及び上記ポンプ式酸素センサの電極とし
て，ＮＯｘガスを酸素イオンに還元しない，白金−金よ
りなる電極を使用することが好ましい。一方，上記検出
セルの電極は，上記ＮＯｘガスを酸素イオンに還元する
白金電極を使用することが好ましい。なお，上記サンプ
ルガス室内に面する側の電極だけを白金−金電極または
白金電極とすることもできる。

【００２０】また，上記ガスセンサには，上記酸素ポン
プセル，ポンプ式酸素センサ及び検出セルにおける電極
をそれぞれ加熱するためのヒータを設けることが好まし
い。これにより，上記酸素ポンプセル，上記ポンプ式酸
素センサ及び上記検出セル周辺の温度を一定に保つこと
ができる。この結果，冷間時におけるガスセンサの始動
性及び検出精度を高めることができる。

【００２１】なお，上記ガスセンサにおいて，上記酸素
ポンプセルと上記ポンプ式酸素センサは近接させて設け
ることが好ましい。これにより，上記サンプルガス室内
の酸素ガス濃度制御の応答性を高めることができる。さ
らに，上記検出セルと上記酸素ポンプセルとは，離して
設けることが好ましい。これにより，上記サンプルガス
室内における上記検出セル周りの酸素ガス濃度が上記酸
素ポンプセルの働きにより変動することを防止すること
ができる。

【００２２】次に，請求項２の発明のように，上記ポン
プ式酸素センサからの信号値は，上記ポンプ式酸素セン
サに一定電圧を加えた場合に生じる限界電流値であるこ
とが好ましい。

【００２３】これにより，上記サンプルガス室内の僅か
な酸素ガス濃度の変化に対しても大きなポンプ式酸素セ
ンサの出力変化を得ることができる。従って，ポンプ式
酸素センサの限界電流値が一定となるように酸素ポンプ
セルを制御した場合，上記サンプルガス室の酸素ガス濃
度の制御性が向上し，ガスセンサの精度を一段と高める
ことができる（図８参照）。

【００２４】次に，請求項３の発明のように，上記酸素
ポンプセルに設けられた一対の電極の面積は，上記ポン
プ式酸素センサに設けられた一対の電極の面積より大き
いことが好ましい。これにより，酸素ポンプ能力を状況
に応じて変化させる必要のある酸素ポンプセルの電極面
積を大きく，要求される酸素ポンプ能力は常に一定であ
るポンプ式酸素センサの電極の面積を小さくすることが
できる。そのため，定められた体格のガスセンサにおい
て，より効果的に酸素ガス濃度の制御を行うことがで
き，ガスセンサの精度を一段と高めることができる。

【００２５】次に，請求項４の発明のように，上記検出
セルが設けられる固体電解質体は，上記酸素ポンプセル
及び上記ポンプ式酸素センサが設けられる固体電解質体
とは別体の固体電解質体から構成されることが好まし
い。

【００２６】これにより，上記検出セルの一対の電極間
を移動する酸素イオンと，上記酸素ポンプセル又は上記
ポンプ式酸素センサにおける一対の電極間を移動する酸
素イオンとの干渉を確実に抑制することができ，ガスセ
ンサの精度を一段と高めることができる。

【００２７】次に，請求項５の発明のように，上記サン
プルガス室は，上記酸素ポンプセル及びポンプ式酸素セ
ンサを設けたポンプ室と，上記検出セルを設けた検出室
とからなり，上記ポンプ室と上記検出室との間には，上
記検出セルへのサンプルガス拡散量を制限するサンプル
ガス拡散抵抗手段が設けてあることが好ましい。

【００２８】これにより，上記検出セルの電極と，上記
酸素ポンプセル及び上記ポンプ式酸素センサの電極とを
独立した空間に設けることができる。そのため，酸素ガ
ス濃度，ＮＯｘガス濃度の均一化されたサンプルガスを
検出セルに拡散させることができ，精度の良いガスセン
サを得ることができる。

【００２９】次に，請求項６の発明のように，上記サン
プルガス拡散抵抗手段におけるサンプルガスの拡散速度
は，上記サンプルガス導入路におけるサンプルガスの拡
散速度より大きいことが好ましい。

【００３０】これにより，上記サンプルガス室内のサン
プルガスは，より効率的に検出セルの周りに拡散するこ
とができる。従って，サンプルガス中の検出ガスの濃度
の変動をよりすばやく検出することができ，応答性の高
いガスセンサを得ることができる。

【００３１】また，上記ガスセンサの感度は，検出セル
の電極周りにおける，サンプルガスの拡散量によって決
定される。このため，サンプルガス拡散抵抗手段におけ
る拡散速度を大きくすることで，サンプルガスの拡散量
を増大することができ，よってガスセンサの感度を高め
ることができる。

【００３２】次に，請求項７の発明のように，上記酸素
ポンプセル，上記ポンプ式酸素センサ及び上記検出セル
を構成する電極であって，上記反対面に設けられた電極
の外表面には，拡散抵抗層が被覆形成してあることが好
ましい。

【００３３】これにより，上記ガスセンサをサンプルガ
ス中に直接設ける際に，上記反対面に設けた電極がサン
プルガスと反応し，劣化することを防止でき，ガスセン
サの耐久性を高めることができる。

【００３４】更に，反対面に設けられた酸素ポンプセル
の電極の周囲には，サンプルガス室内より排出された酸
素イオンが滞留することがある。仮に，上記電極がサン
プルガス中にむき出しとなっていた場合には，上記電極
より排出された酸素イオンがサンプルガス導入路より導
入されるサンプルガスと混じり，該サンプルガスの組成
を変化させてしまうおそれがある。上記拡散抵抗層を設
けることにより，上記酸素イオンは拡散抵抗層を経由し
て徐々に外部に放出されることとなり，サンプルガスの
組成の変化を防止することができる。

【００３５】なお，上記ガスセンサを，例えば，自動車
の排ガス等のサンプルガス中に直接配設することによ
り，サンプルガス室に対するサンプルガスの導入が容易
となり，構成のシンプルなガスセンサを得ることができ
る。

【００３６】

【発明の実施の形態】

実施形態例１ 本発明の実施形態例にかかるガスセンサにつき，図１〜
図８を用いて説明する。なお，本例のガスセンサ１はサ
ンプルガス８が車両用の内燃機関より排出される排ガ
ス，また検出ガスは上記排ガスに含まれるＮＯｘガスで
ある。そして，上記ガスセンサ１は，図３，図４に示す
ごとく，内燃機関の排気経路中に設置されている。

【００３７】本例のガスセンサ１は，図１に示すごと
く，その一部が酸素イオン導電性の固体電解質体によっ
て形成されたサンプルガス室１００と，該サンプルガス
室１００内にサンプルガス８を導入するサンプルガス導
入路１２１と，上記サンプルガス室１００内に面した固
体電解質体の１つの面及びこの面と反対側の反対面１２
９に設けられた一対の電極２１８，２１９からなり，ま
た上記サンプルガス室１００内の酸素ガス８９を外部へ
排出するための酸素ポンプセル２１を有する。なお，上
記サンプルガス室１００は，後述するごとく，ポンプ室
１２０と検出室１３０とよりなる。また，上記サンプル
ガス導入路１２１はピンホールにより構成されている。

【００３８】また，上記サンプルガス室１００内に面し
た固体電解質体の１つの面及びこの面と反対側の反対面
１２９に設けられた一対の電極２２８，２２９からな
り，上記サンプルガス室１００内の酸素ガス８９を上記
両電極２２８，２２９を通じて外部へ透過させながらサ
ンプルガス８中の酸素ガス濃度を検出するポンプ式酸素
センサ２２を有する。

【００３９】また，上記サンプルガス室１００内に面し
た固体電解質体の１つの面及びこの面と反対側の反対面
１３９に設けられた一対の電極３８，３９からなると共
に，上記サンプルガス８中に含まれる検出ガス濃度を検
出する検出セル３を有する。

【００４０】そして，上記酸素ポンプセル２１の電極２
１８及び上記ポンプ式酸素センサ２２の電極２２８は，
上記検出ガスを酸素イオンに還元しない不活性電極であ
り，一方，上記検出セル３の電極３８は，上記検出ガス
を酸素イオンに還元する活性電極である。

【００４１】更に，上記酸素ポンプセル２１は，上記ポ
ンプ式酸素センサ２２からの信号値に基づき，上記サン
プルガス室１００内の酸素ガス濃度を一定値に保つよう
構成されている。なお，上記信号値とは，上記ポンプ式
酸素センサ２２に回路２２５を通じて一定電圧を加えた
場合に生じる限界電流値である。

【００４２】また，上記サンプルガス室１００は，上記
酸素ポンプセル２１及びポンプ式酸素センサ２２を設け
たポンプ室１２０と，上記検出セル３を設けた検出室１
３０とからなる。そして，上記ポンプ室１２０と検出室
１３０との間には，上記検出セル３へのサンプルガス拡
散量を制限するサンプルガス拡散抵抗手段１３１が設け
てある。なお，上記サンプルガス拡散抵抗手段１３１は
小穴により構成されている。

【００４３】次に，上記ガスセンサ１につき詳細に説明
する。図１，図２に示すごとく，上記ガスセンサ１は２
枚の固体電解質体基板１２，１３の間に，アルミナ基板
１２５，１３５，アルミナヒータ基板１４１，アルミナ
保護基板１４２が挟持されることにより構成された積層
型のガスセンサである。

【００４４】上記固体電解質体基板１２と上記アルミナ
基板１２５とによりポンプ室１２０が，また上記固体電
解質体基板１３と上記アルミナ基板１３５とにより検出
室１３０が構成されている。また，上記アルミナヒータ
基板１４１にはヒータ部１４０が設けてあり，上記アル
ミナ保護基板１４２は該ヒータ部１４０を被覆するよう
設けてある。

【００４５】上記固体電解質体基板１２には，図２に示
すごとく，酸素ポンプセル２１及びポンプ式酸素センサ
２２を構成する電極２１８，２１９，２２８，２２９が
設けてある。また，上記電極２１８，２１９，２２８，
２２９に回路２１５，２２５を接続するための端子部２
６７，２６８，２６９が設けてある。更に，上記電極２
１８，２１９，２２８，２２９と上記端子部２６８，２
６９とを導通させるためのリード部２５８，２５９が設
けてある。

【００４６】なお，上記端子部２６８と２６７との間は
固体電解質体基板１２を貫通するスルーホール２６６に
より導通が取られている。また，上記固体電解質体基板
１２には，サンプルガス導入路１２１を構成する５つの
ピンホール２１０が，電極２１８，２１９を貫通して設
けてある。

【００４７】そして，上記固体電解質体基板１２と隣接
するアルミナ基板１２５には，ポンプ室１２０を形成す
るための窓部１２６が設けてある。また，上記窓部１２
６にはポンプ室１２０の変形を防止するための支承部１
２７が設けてある。

【００４８】また，上記アルミナヒータ基板１４１には
ヒータ部１４０が設けてある。更に，上記アルミナヒー
タ基板１４１及び上記アルミナ保護基板１４２には，サ
ンプルガス拡散抵抗手段１３１となる小穴１４６がそれ
ぞれ設けてある。また，上記アルミナヒータ基板１４１
におけるヒータ部１４０は，上記小穴１４６と干渉しな
いように設けてある。

【００４９】上記ヒータ部１４０は，後述する固体電解
質体基板１３に設けた端子部１４４と導通したリード部
１４９を設けてある。なお，上記端子部１４４とリード
部１４９との導通は，上記アルミナヒータ基板１４１，
アルミナ基板１３５，固体電解質体基板１３のそれぞれ
に設けたスルーホール１４３により取られている。

【００５０】また，上記固体電解質体基板１３には，検
出セル３を構成する電極３８，３９が設けてある。上記
検出セル３に回路３５を接続するための端子部３６，３
６８，３６９が設けてある。更に，上記電極３８，３９
と上記端子部３６とを導通させるリード部３５が設けて
ある。上記端子部３６８と端子部３６９との間の導通は
上記固体電解質体基板１３を貫通するスルーホール３６
０により取られている。更に，上記固体電解質体基板１
３と隣接するアルミナ基板１３５には，検出室１３０を
形成するための窓部１３６が設けてある。

【００５１】また，図１に示すごとく，上記酸素ポンプ
セル２１において，上記電極２１８及び２１９との間に
は，コントローラー２１６を介して回路２１５が形成さ
れている。上記コントローラー２１６は上記両電極２１
８，２１９に電圧を印加する電源と，上記電圧を制御す
る可変抵抗器を有する。

【００５２】また，上記ポンプ式酸素センサ２２におい
て，上記電極２２８及び２２９との間には，電源２２６
及び電流計Ａ１を介して回路２２５が形成されている。
上記電流計Ａ１は両電極２２８及び２２９との間に流れ
る限界電流を検出するものである。また，上記電流計Ａ
１と上記コントローラー２１６との間には，フィードバ
ック回路２５が設けてなり，この回路を通じて上記電流
計Ａ１において検知された限界電流の値による，コント
ローラー２１６を利用した酸素ポンンプセル２１の作動
制御が行なわれる。

【００５３】また，上記検出セル３において，上記電極
３８及び３９との間には，電源３６及び電流計Ａ０を介
して回路３５が形成されている。上記電流計Ａ０は，両
電極３８及び３９との間に流れる限界電流を検出するも
のである。

【００５４】上記固体電解質体基板１２，１３はイット
リア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）より構成されており，
幅７ｍｍ，長さ６１ｍｍ，厚さ０．１６ｍｍである。上
記アルミナ基板１２５，１３５，アルミナヒータ基板１
４１，アルミナ保護基板１４２はアルミナよりなり，幅
７ｍｍ，長さ６１ｍｍ，厚さ０．１６ｍｍである。

【００５５】また，上記酸素ポンプセル２１，ポンプ式
酸素センサ２２の電極２１８，２１９，２２８，２２９
はＰｔ−Ａｕ合金からなり，電極全体におけるＡｕの含
有量は１重量％である。また，上記検出セル３の電極３
８，３９はＰｔからなる。

【００５６】また，上記酸素ポンプセル２１の電極２１
８，２１９の面積は略７０ｍｍ² である。上記ポンプ式
酸素センサ２２の電極２２８，２２９の面積は略１２ｍ
ｍ²である。上記検出セル３の電極３８，３９の面積は
略３６ｍｍ² である。さらに，上記ヒータ部１４０はＰ
ｔよりなる。

【００５７】次に，上記ガスセンサ１の組み立て及び製
造につき説明する。まず，焼成後には，固体電解質体基
板１２，１３及び上記アルミナ基板１２５，１３５，ア
ルミナ保護基板１４２，アルミナヒータ基板１４１とな
るグリーンシートを作成する。なお，それぞれのグリー
ンシートの形状は，図２に示す焼成後の形状とほぼ同じ
である。

【００５８】次いで，焼成後には固体電解質体基板１２
となるグリーンシートに対し，電極２１８，２１９，２
２８，２２９，リード部２５８，２５９，端子部２６
７，２６８，２６９を印刷形成する。また，焼成後には
アルミナヒータ基板１４１となるグリーンシートに対
し，ヒータ部１４０，リード部１４９を，焼成後には固
体電解質体１３となるグリーンシートに対し，電極３
８，３９，リード部３５，端子部３６，１４４を印刷形
成する。次に，各グリーンシートを，図２に示す構成と
なるよう積層，積層体となし，該積層体を加圧しながら
約１５００℃〜１６００℃で焼成し，一体とする。これ
によりガスセンサ１を得る。

【００５９】次に，ガスセンサ１を自動車の排気経路に
取付ける方法につき説明する。図３に示すごとく，上記
ガスセンサ１は，ガスセンサアッセンブリ４に組付けら
れ，このガスセンサアッセンブリ４ごと排気経路に取付
ける。上記ガスセンサアッセンブリ４は，ガスセンサ１
を保持するホルダ４２と，該ホルダ４２の前方を被覆
し，サンプルガスである排ガスよりガスセンサ１を保護
するためのカバー４１よりなる。

【００６０】また，上記ガスセンサ１には，出力の引き
出し，電圧の印加等の目的から複数のリード線が接続さ
れているが，該リード線を格納するためのハウジング４
４が上記ガスセンサアッセンブリ４に設けてある。更
に，上記ガスセンサアッセンブリ４には，これを排気経
路に固定するためのフランジ４３が設けてある。なお，
上記カバー４１にはサンプルガスとなる排ガスを流通さ
せるための通気穴４１０が複数個設けてある。なお，上
記リード線は１つに束ねられて，ハウジング４４より被
覆線４９として引き出されてある。

【００６１】そして，図４に示すごとく，上記ガスセン
サアッセンブリ４は，自動車用エンジン５１の排気経路
である排気管５０において，三元触媒５３の下流側に設
置される。そして，上記排気経路には，フランジ４３に
おいて，図示されていないガスケットを介し，ボルトに
より固定されている。なお，上記三元触媒５３の上流側
にはＡ／Ｆセンサ５２が配置される。上記の構成におい
て，本例のガスセンサ１及び上記Ａ／Ｆセンサ５２の信
号をもとに，上記エンジン５１のリーンバーン精密制
御，あるいは三元触媒５３の劣化検出が行われる。

【００６２】次に，本例における作用効果につき説明す
る。本例のガスセンサ１は，サンプルガス８中の検出ガ
ス濃度，即ち排ガス中のＮＯｘガス濃度は以下に示すご
とく検出される。まず，図４に示すごとく，上記エンジ
ン５１から排出された排ガスは，上記三元触媒５３を経
て，上記ガスセンサ１のまわりにサンプルガス８として
到達する。このとき，上記エンジン５１から排出される
排ガス中の酸素ガス濃度は，上記三元触媒５３の働きを
最適にする目的から，様々に変化する。そして，図１に
示すごとく，上記サンプルガス８は，上記サンプルガス
導入路１２１を通過し，上記ポンプ室１２０内に拡散す
る。

【００６３】そして，上記ポンプ室１２０内の酸素ガス
８９は，酸素ポンプセル２より外部に排出される。この
時，上記ポンプ室１２０内の酸素ガス濃度は，図８に示
すごとく，一定電圧（例えば０．８Ｖ）が印加された上
記ポンプ式酸素センサ２２における限界電流値によって
監視されている。上記限界電流値はポンプ式酸素センサ
２２と導通した回路２２５中の電流計Ａ１によって検知
される。この限界電流値が常に一定となるように，フィ
ードバック回路２５を通じて，上記酸素ポンプセル２１
と導通した回路２１５中のコントローラー２１６が制御
される。これにより，上記酸素ポンプセル２１の酸素ポ
ンプ能力をポンプ式酸素センサ２２により制御すること
ができる。

【００６４】即ち，図８に示すごとく，ポンプ式酸素セ
ンサ２２において酸素ガス濃度が高い場合には，電流計
Ａ１の値が目標とする酸素濃度を示す限界電流値Ｉ０よ
り限界電流値Ｉ２へと上昇する。この場合には，フィー
ドバック回路２５を通じて上記電流計Ａ１の値がコント
ローラー２１６に対し入力され，該コントローラー２１
６は回路２１５の電圧を高め，酸素ポンプセル２１にお
ける酸素ガス８９の放出を促進する。なお，上記限界電
流値とは，同図における，電流−電圧曲線において傾き
０となっている部分である。

【００６５】一方，酸素ガス濃度が低い場合には，電流
計Ａ１の値が目標とする限界電流値Ｉ０よりＩ１へと低
下する。この場合には，上記コントローラー２１６が回
路２１５の電圧を下げて，酸素ポンプセル２１における
酸素ガス８９の放出を抑制する。

【００６６】以上の制御により，図５に示すごとく，酸
素ポンプセル周りを通過するサンプルガス中の酸素ガス
濃度は，若干の変動（振れ幅Ｗ１）はあるものの，だい
たい一定の範囲内の値，平均してＹ１となる。

【００６７】更に，本例のガスセンサ１においては，上
記ポンプ式酸素センサ２２においても，絶えず一定量の
酸素ガス８９がポンプ室１２の外部へ運び出されてい
る。このため，図５に示すごとく，ポンプ式酸素センサ
２２周りを通過するサンプルガス中の酸素濃度は，上記
酸素ポンプセル２１周りの時よりも更に減少し，平均し
てＹ２となる。また，この時，酸素ガス濃度の変動（振
れ幅Ｗ２）も更に小さくなる。そして，このように酸素
ガス濃度の振れ幅が小さく，かつ酸素ガス濃度が低い状
態にあるサンプルガス８が，上記サンプルガス拡散抵抗
手段１３１を経由して，検出室１３０に到達する。

【００６８】比較のため，図６に，従来技術において示
した，酸素ポンプセルと酸素濃淡電池式の酸素センサを
有するガスセンサにおける，サンプルガス室を通過する
サンプルガス中の酸素ガス濃度の変化について示す。同
図に示されるごとく，従来のガスセンサにおいては，酸
素センサ周りを通過した後も平均の酸素ガス濃度Ｙ１の
まま，また振れ幅もＷ１のままである。

【００６９】上記検出セル３において，上記サンプルガ
ス８中の検出ガス，即ちＮＯｘは，上記電極３８と接触
し，還元され，酸素イオンとなる。また，サンプルガス
８中に僅かに残留していた酸素ガスも，ここにおいて還
元，酸素イオンとなる。そして，上記検出セル３と導通
した回路３５においては，電源３６により常に一定の電
圧（例えば０．５Ｖ）が電極３８，３９の間に印加され
ており，上記酸素イオンの濃度に対応した限界電流値を
電流計Ａ０において検出することができる。

【００７０】ここに，図５に示すごとく，検出室１３０
における酸素ガス濃度はほぼ一定（Ｙ２）であることか
ら，上記酸素ガス由来の酸素イオンの量もほぼ一定であ
る。従って，電流計Ａ０に与える影響もほぼ一定とな
る。以上により，上記限界電流値の値より，ＮＯｘガス
濃度の変動量を検知することができる（図７参照）。

【００７１】以上のように，本例によれば，検出ガスで
あるＮＯｘガスに対する感度及び精度の高いガスセンサ
を提供することができる。

【００７２】なお，本例のガスセンサ１において，サン
プルガス導入路１２１はピンホールよりなり，サンプル
ガス拡散抵抗手段１３１は小穴よりなる。従って，通気
抵抗はサンプルガス拡散抵抗手段１３１のほうが小さ
く，サンプルガス８の拡散速度は，上記サンプルガス導
入路１２１におけるサンプルガス８の拡散速度より大き
い。このため，サンプルガス８中の検出ガスのＮＯｘ濃
度変化を速やかに検出することができる。

【００７３】また，本例のガスセンサ１において，酸素
ポンプセル２１，ポンプ式酸素センサ２２及び検出セル
３は，上記サンプルガス流れに対して，酸素ポンプセル
２１，ポンプ式酸素センサ２２及び検出セル３の順に設
けてある。これにより，酸素ポンプセル２１とポンプ式
酸素センサ２２を近接させることができ，ポンプ室１２
０内の酸素ガス濃度の制御の応答性を高めることができ
る。

【００７４】また，本例のガスセンサ１において，サン
プルガス室１００はポンプ室１２０と検出室１３０とに
分離されている。これにより，酸素ガス濃度，ＮＯｘガ
ス濃度の均一化されたサンプルガスを検出セルに拡散さ
せることができ，精度の高いガスセンサを得ることがで
きる。

【００７５】また，本例のガスセンサ１において，上記
酸素ポンプセル２１を構成する電極２１８，２１９の面
積は，上記ポンプ式酸素センサ２２を構成する電極２２
８，２２９の面積より大きい。これにより，定められた
体格のガスセンサ１において，より効果的にサンプルガ
ス室１００内の酸素ガス濃度を制御することができる。

【００７６】また，本例のガスセンサ１において，上記
酸素ポンプセル２１及び上記ポンプ式酸素センサ２２と
上記検出セル３とは，別々の固体電解質体基板１２，１
３に設けてある。これにより，上記検出セル３の一対の
電極３８，３９間を移動する酸素イオンと，上記酸素ポ
ンプセル２１又は上記ポンプ式酸素センサ２２における
一対の電極２１８，２１９及び２２８，２２９間を移動
する酸素イオンとの干渉を抑制することができ，ガスセ
ンサ１の精度を一段と高めることができる。

【００７７】また，本例のガスセンサ１は，酸素ポンプ
セル２１，ポンプ式酸素センサ２２，検出セル３に対し
てほぼ等距離となる位置にヒータ部１４０を設けてな
り，これらを均一に加熱することができる。これによ
り，エンジン５１の始動後，短時間で各電極を活性温度
に加熱することができ，ＮＯｘ濃度の検出を行うことが
できる。従って，エンジン５１の始動後，速やかにエン
ジン５１のリーンバーン精密制御，あるいは三元触媒５
３の劣化検出が可能となる。

【００７８】次に，本例にかかるガスセンサ１の性能に
つき説明する。上記性能を測定する試験においては，Ｎ
Ｏ濃度と酸素ガス濃度とを調整したサンプルガス中にお
いて，本例にかかるガスセンサ１によるＮＯ濃度の検出
を行った。その結果につき図７に示した。

【００７９】同図によれば，本例にかかるガスセンサ１
はサンプルガス中の酸素ガス濃度が０．４％，２．０
％，４．０％である場合において，ＮＯ濃度に比例した
出力を得ることができることが分かった。更に，得られ
た限界電流値も，ＮＯ濃度１０００ｐｐｍあたり略５２
〜５８μＡと高く，高感度なガスセンサであることが分
かった。なお，従来のガスセンサの感度はＮＯ濃度１０
００ｐｐｍあたり略２〜６μＡと低かった。

【００８０】本例において，上記酸素ポンプセル２１，
ポンプ式酸素センサ２２にかかる上記反対面上の電極２
１９および２２９は，ＮＯｘに対し還元性を有しないＰ
ｔ−Ａｕ合金としたが，ＮＯｘに対し還元性を有するＰ
ｔとしても良い。また，本例において，上記サンプルガ
ス導入路１２１はピンホール，上記拡散抵抗手段１３１
は小穴としたが，ピンホールまたは小穴に多孔質を充填
した構造としても良い。

【００８１】実施形態例２ 本例は，上記酸素ポンプセル，上記ポンプ式酸素センサ
及び上記検出セルを構成する電極であって，上記反対面
に設けられた電極の外表面に，拡散抵抗層を被覆形成し
たガスセンサである。図９に示すごとく，本例のガスセ
ンサ１は実施形態例１と同様の構造のＮＯｘ濃度を検出
するガスセンサである。そして，上記酸素ポンプセル２
１，ポンプ式酸素センサ２２にかかる電極２１９，２２
９及び検出センサ３の３９に対して，多孔質アルミナよ
りなる拡散抵抗層１９が設けてある。その他は，実施形
態例１と同様である。

【００８２】本例のガスセンサ１においては，拡散抵抗
層１９により電極が保護されている。このため上記電極
２１９，２２９，３９がサンプルガス８と反応し，劣化
することを防止でき，ガスセンサ１の耐久性を高めるこ
とができる。

【００８３】更に，上記電極２１９の周囲には，ポンプ
室より排出された酸素イオンが滞留する。仮に，上記電
極２１９が露出していた場合には，上記電極２１９より
排出された酸素イオンがサンプルガス導入路１２１より
導入されるサンプルガス８と混じり，該サンプルガス８
の組成を変化させてしまうおそれがある。上記拡散抵抗
層１９を設けることにより，上記酸素イオンは拡散抵抗
層１９を経由して徐々に外部に放出されることとなり，
サンプルガス８の組成の変化を防止することができる。
その他は，実施形態例１と同様の作用効果を有する。

【００８４】実施形態例３ 本例は，図１０に示すごとく，酸素ポンプセル２１，ポ
ンプ式酸素センサ２２及び検出セル３が一つの大きなサ
ンプルガス室５０に設けてある構造のガスセンサ５であ
る。図１０に示すごとく，上記ガスセンサ５は実施形態
例１と同様に排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのガ
スセンサである。そして，上記ガスセンサ５は，固体電
解質体基板５１とこれに対向配置された電気絶縁性基板
であるアルミナ基板５２とにより構成されたサンプルガ
ス室５０を有してなり，上記固体電解質体基板５１に対
し，電極２１８，２１９よりなる酸素ポンプセル２１，
電極２２８，２２９よりなるポンプ式酸素センサ２２及
び電極３８，３９よりなる検出セル３が設けてある。

【００８５】そして，上記アルミナ基板５２の下方に
は，ヒータ部１４０を設けたアルミナヒータ基板１４１
と，該ヒータ部１４０を被覆するアルミナ保護基板１４
２が配置されてなる。その他の構成及び作動は実施形態
例１と同様である。

【００８６】また，本例にかかるガスセンサ５は，上記
検出セル３への検出ガス拡散量が，上記サンプルガス室
５と上記サンプルガス導入路１２１の形状のみで決定さ
れるため，生産時における各センサ間の感度のバラツキ
が少ない。

【００８７】また，合計４枚（固体電解質体基板５１，
アルミナ基板５２，アルミナヒータ基板１４１，アルミ
ナ保護基板１４２）の基板からなる，構成がシンプルな
ガスセンサ５を得ることができる。更に，一つの固体電
解質体基板５１により酸素ポンプセル２１，ポンプ式酸
素センサ２２，検出セル３を構成しているため，各セル
毎の固体電解質体基板を必要とせず，部品点数を減少で
きるという作用効果を有する。その他は実施形態例１と
同様の作用効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，ガスセンサの長手方向
の断面説明図。

【図２】実施形態例１における，ガスセンサの展開説明
図。

【図３】実施形態例１における，ガスセンサアッセンブ
リの一部断面説明図。

【図４】実施形態例１における，自動車用エンジンの排
気経路中における，ガスセンサの配置説明図。

【図５】実施形態例１にかかるガスセンサのポンプ室に
おける酸素ガス濃度の変化を示す線図。

【図６】従来の酸素濃淡電池式酸素センサを有するＮＯ
ｘセンサにおけるサンプルガス室内の酸素ガス濃度の変
化を示す線図。

【図７】実施形態例１における，ＮＯガス濃度とガスセ
ンサの検出セルにおける限界電流との関係を示す線図。

【図８】実施形態例１における，ポンプ式酸素センサの
電流と電圧との関係を示す線図。

【図９】実施形態例２における，拡散抵抗層を有するガ
スセンサの長手方向断面説明図。

【図１０】実施形態例３における，唯一つのサンプルガ
ス室に対し，酸素ポンプセル，ポンプ式酸素センサ，検
出セルを設けたガスセンサの長手方向の断面説明図。

【符号の説明】

１，５．．．ガスセンサ， １２，１３．．．固体電解質体基板， ２１．．．酸素ポンプセル， ２２．．．ポンプ式酸素センサ， ２１８，２１９，２２８，２２９，３８，３９．．．電
極， １２．．．固体電解質体基板， １２０．．．ポンプ室， １２１．．．サンプルガス導入路， １２９，１３９．．．反対面， １３０．．．検出室， １３１．．．サンプルガス拡散手段， １４０．．．ヒータ部， ３．．．検出セル， ５０．．．サンプルガス室， ８．．．サンプルガス， ８９．．．酸素ガス，

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくともその一部が酸素イオン導電性
   の固体電解質体によって形成されたサンプルガス室と，
   該サンプルガス室内にサンプルガスを導入するサンプル
   ガス導入路と，上記サンプルガス室内に面した固体電解
   質体の１つの面及びこの面と反対側の反対面に設けられ
   た一対の電極からなり，上記サンプルガス室内の酸素ガ
   スを外部へ排出するか，又は外部からサンプルガス室内
   へ酸素ガスを導入するための酸素ポンプセルと，上記サ
   ンプルガス室内に面した固体電解質体の１つの面及びこ
   の面と反対側の反対面に設けられた一対の電極からな
   り，上記サンプルガス室内の酸素ガスを上記両電極を通
   じて外部へ透過させながらサンプルガス中の酸素ガス濃
   度を検出するポンプ式酸素センサと，上記サンプルガス
   室内に面した固体電解質体の１つの面及びこの面と反対
   側の面に設けられた一対の電極からなると共に，上記サ
   ンプルガス中に含まれる検出ガス濃度を検出する検出セ
   ルとよりなるガスセンサであって，上記酸素ポンプセル
   の電極及び上記ポンプ式酸素センサの電極の内，上記サ
   ンプルガス室側に位置する電極は，上記検出ガスを酸素
   イオンに還元しない不活性電極であり，一方，上記検出
   セルの電極の内，上記サンプルガス室側に位置する電極
   は，上記検出ガスを酸素イオンに還元する活性電極であ
   り，更に，上記酸素ポンプセルは，上記ポンプ式酸素セ
   ンサからの信号値に基づき，上記サンプルガス室内の酸
   素ガス濃度を一定値に保つことを特徴とするガスセン
   サ。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記ポンプ式酸素セ
   ンサからの信号値は，上記ポンプ式酸素センサに一定電
   圧を加えた場合に生じる限界電流値であることを特徴と
   するガスセンサ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において，上記酸素ポン
   プセルに設けられた一対の電極の面積は，上記ポンプ式
   酸素センサに設けられた一対の電極の面積より大きいこ
   とを特徴とするガスセンサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項において，
   上記検出セルが設けられる固体電解質体は，上記酸素ポ
   ンプセル及び上記ポンプ式酸素センサが設けられる固体
   電解質体とは別体の固体電解質体から構成されることを
   特徴とするガスセンサ。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一項において，
   上記サンプルガス室は，上記酸素ポンプセル及びポンプ
   式酸素センサを設けたポンプ室と，上記検出セルを設け
   た検出室とからなり，上記ポンプ室と上記検出室との間
   には，上記検出セルへのサンプルガス拡散量を制限する
   サンプルガス拡散抵抗手段が設けてあることを特徴とす
   るガスセンサ。
6. 【請求項６】 請求項５において，上記サンプルガス拡
   散抵抗手段におけるサンプルガスの拡散速度は，上記サ
   ンプルガス導入路におけるサンプルガスの拡散速度より
   大きいことを特徴とするガスセンサ。
7. 【請求項７】 請求項１〜６において，上記酸素ポンプ
   セル，上記ポンプ式酸素センサ及び上記検出セルを構成
   する電極であって，上記反対面に設けられた電極の外表
   面には，拡散抵抗層が被覆形成してあることを特徴とす
   るガスセンサ。