JPH10197479A - 排気ガスセンサ及び排気ガスセンサシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気ガス中の酸素濃度が変化しても、ガス中
の被検出成分の濃度を高精度で検出できる排気ガスセン
サを提供する。 【解決手段】 排気ガスセンサ１においては、酸素濃淡
電池素子４を挟んで隙間１５と反対空間１６側とに被検
出成分と酸素とを含有した排気ガスが導入され、隙間１
５に面する側に配置された第一及び第二電極１１，１２
と、反対空間１６側に配置された第三電極１３の酸化触
媒としての活性が、上記隙間１５側と反対空間１６側と
で被検出成分の酸化による消費量に差が生ずるように調
整されている。これにより、酸素濃淡電池素子４の両側
には酸素濃度差が生じ、それに基づく濃淡電池起電力が
発生する。そして、酸素ポンプ素子３は、上記濃淡電池
起電力が５ｍＶ以下の起電力目標値ＥCに維持されるよ
うに、隙間１５に対する酸素の汲み込みないし汲み出し
を行い、このときの酸素ポンプ素子３のポンプ電流が、
被検出成分に対する検出出力として取り出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガスセンサと
それを用いた排気ガスセンサシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の排気ガスに含有される炭化水
素（以下、ＨＣという）やＣＯ、あるいは窒素酸化物
（以下、ＮＯ_Xという）等の被検出成分を検出するため
のセンサとして、例えば抵抗型センサが知られている。
これは、検出素子としてＳｎＯ₂等の酸化物半導体が使
用され、被検出成分の吸着に伴う酸化物半導体の抵抗変
化に基づき、該被検出成分の排気ガス中の含有量を検出
するものである。また、これとは別に、ジルコニア素子
の両面にＰｔ多孔質電極を形成するとともに一方の多孔
質電極を酸化触媒で覆った構造のＣＯセンサも提案され
ている。該センサにＣＯと酸素とを含有するガスを接触
させると、酸化触媒で覆わない側の電極ではＣＯの酸化
反応が起こり、電極電位はＣＯ濃度の影響を受けた混成
電位となるのに対し、酸化触媒で覆った電極側ではＣＯ
が完全に酸化されて、ガス中の酸素濃度に依存した電位
となる。そして、両電極間の電位差を出力として取り出
せば、これに基づいてガス中のＣＯ濃度を知ることがで
きる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】まず、前者の抵抗型セ
ンサにおいては、酸化物半導体による検出素子の出力
が、排気ガス中に含有される酸素濃度により変化する特
性を有している。そのため、同じ汚染物質濃度に対して
も、排気ガス中の酸素濃度により検出出力値が変動して
しまう問題がある。そこで、例えば特開平５−１８０７
９４等に開示されているように、固体電解質を用いたポ
ンプ素子により排気ガス中に酸素を送り込んでその濃度
を高め、ガス中の酸素濃度の相対的な変動を小さくする
ことにより検出精度を高める提案がなされている。しか
しながら、排気ガス中の酸素の濃度が大きく変化した場
合には、ポンプ素子からの酸素導入による相対濃度変動
の抑制効果が不十分となり、満足な検出精度が得られな
い欠点がある。一方、後者の混成電位を用いるタイプの
センサも、酸化触媒で覆った電極の電位がガス中の酸素
濃度に応じて変化するため、同様の問題が生ずる。

【０００４】本発明の課題は、排気ガス中の酸素濃度が
変化しても、ガス中の被検出成分の濃度を高精度で検出
できる排気ガスセンサと、それを用いた排気ガスセンサ
システムとを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明
は、排気ガス中に含まれる被検出成分の検出を行うため
のセンサに関するものであり、その要部は下記のように
構成される。すなわち、該排気ガスセンサは、酸素イオ
ン伝導性固体電解質により構成され、その両面に酸素透
過性を有する電極が形成された酸素濃淡電池素子と、酸
素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に酸素
透過性を有する電極が形成され、かつ酸素濃淡電池素子
との間に排気ガスの流通が許容された所定量の隙間が形
成されるように、該酸素濃淡電池素子に対向配置された
酸素ポンプ素子と、酸素ポンプ素子と前記酸素濃淡電池
素子との少なくとも一方を、予め定められたセンサ作動
温度に加熱する加熱素子とを備える。酸素ポンプ素子
は、酸素濃淡電池素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対値
が減少する方向に、上記隙間に酸素を汲み込み又は該隙
間から酸素を汲み出す働きをなす。一方、上記隙間と、
酸素濃淡電池素子を挟んでこれと反対側の空間（反対空
間）とには、それぞれ被検出成分と酸素とを含有する排
気ガスが導入される。

【０００６】また、酸素ポンプ素子の隙間側の電極を第
一電極、酸素濃淡電池素子の隙間側の電極を第二電極、
酸素濃淡電池素子の反対空間側の電極を第三電極とし
て、隙間と反対空間とに導入された排気ガス中の被検出
成分が、少なくともそれら隙間と反対空間との一方にお
いて、第一〜第三電極の少なくともいずれかを酸化触媒
として排気ガス中の酸素と反応することにより消費され
るとともに、隙間と反対空間との間で酸素との反応によ
る被検出成分の消費量に差が生じるように、それら第一
〜第三電極の酸化触媒活性が調整される。

【０００７】そして、本発明の排気ガスセンサの第一の
構成においては、酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力の
絶対値が、１０ｍＶ以下に設定された起電力目標値ＥC
に到達したときの酸素ポンプ素子に流れる電流値が、排
気ガス中の被検出成分の濃度を反映した情報として取り
出される。

【０００８】一方、本発明の排気ガスセンサの第二の構
成においては、酸素を１体積％以上含有し、かつセンサ
作動温度において酸素と反応する成分を実質的に含有し
ない試験ガスを上記隙間及び反対空間に導入したとき
の、酸素濃淡電池素子に生ずるオフセット起電力の絶対
値をＥOS（単位：ｍＶ）とし、これに対応して起電力目
標値ＥCが（ＥOS−５）ｍＶ以上（ＥOS＋５）ｍＶ以下
の範囲内で設定されるとともに、酸素濃淡電池素子の濃
淡電池起電力の絶対値が上記起電力目標値ＥCに到達し
たときの酸素ポンプ素子に流れる電流値が、排気ガス中
の被検出成分の濃度を反映した情報として取り出され
る。

【０００９】次に、本発明の排気ガスセンサシステム
（以下、単に「センサシステム」ともいう。）は、上記
排気ガスセンサと、酸素濃淡電池素子に発生する濃淡電
池起電力を検出する起電力検出手段と、その検出された
濃淡電池起電力の絶対値が減少する方向において、該酸
素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子との間の隙間に酸素を
汲み込み、又は該隙間から酸素が汲み出されるように、
酸素ポンプ素子に印加される電圧を調整するポンプ素子
電圧調整手段と、濃淡電池起電力の絶対値が上記起電力
目標値ＥCに到達したときの、酸素ポンプ素子を流れる
電流値又は該電流値を反映した情報を、被検出成分の濃
度を反映した情報として出力する出力手段とを備えたこ
とを特徴とする。

【００１０】上述のように構成された排気ガスセンサな
いしセンサシステムでは、酸素濃淡電池素子を挟んで上
記隙間と反対空間側とに被検出成分と酸素とを含有した
排気ガスが導入され、隙間に面する側に配置された第一
及び第二電極と、反対空間側に配置された第三電極の酸
化触媒としての活性が、上記隙間側と反対空間側とで被
検出成分の酸化による消費量に差が生ずるように調整さ
れており、被検出成分が多く消費される側では酸素も多
く消費されることとなる。これにより、酸素濃淡電池素
子の両側には酸素濃度差が生じ、それに基づく濃淡電池
起電力が発生することとなる。酸素ポンプ素子は、例え
ば隙間側が低酸素濃度側となる場合には該隙間に酸素を
汲み込み、逆に高酸素濃度側となる場合には該隙間から
酸素を汲み出して、上記濃淡電池起電力を起電力目標値
ＥCになるように制御する。

【００１１】そして、濃淡電池起電力が起電力目標値Ｅ
Cに到達したときの酸素ポンプ素子に流れる電流（以
下、ポンプ電流という）は、排気ガス中の被検出成分の
濃度値をほぼ反映した値となることから、これに基づい
て上記被検出成分の濃度を検出することができる。ま
た、上記ポンプ電流の値は、排気ガス中の被検出成分の
濃度が変化しない限り、排気ガス中の酸素濃度の影響を
ほとんど受けず、また、被検出成分の濃度変化に対する
ポンプ電流の値の変化もほぼ直線的となる。これによ
り、酸素濃度が所定の範囲で変化しても、排気ガス中の
被検出成分の濃度を精度よく検出することができる。

【００１２】なお、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子
との間に形成される隙間の大きさは、例えば１mm以下に
設定するのがよい。隙間の大きさが１mmを超えると、隙
間による新たな排気ガスの流入規制効果が小さくなり、
センサの検出精度が低下する場合がある。また、第一電
極の面積Ｓpと第二電極の面積Ｓsとの比をＳp／Ｓsを１
以上とすれば、第二電極付近の酸素濃度を一定にするこ
とができ、ひいてはセンサ出力の精度及び安定性を向上
させることができる。

【００１３】ここで、酸素濃淡電池素子を挟んで隙間側
と反対空間側とで、酸素濃度が互いに等しくなるよう
に、酸素ポンプ素子による隙間への酸素の汲み込みない
しは汲み出しを行うようにすれば、それら両空間での被
検出成分の消費量の差に対し、ポンプ電流が直接的に対
応することになるから、被検出成分の濃度をさらに精度
よく検出することができ、また検出結果の解析も容易と
なる。この場合、酸素濃淡電池素子の両側の酸素濃度が
等しくなれば、濃淡電池起電力は理論上は０となるか
ら、酸素ポンプ素子は、該濃淡電池起電力が０となるよ
うに隙間に対する酸素の汲み込みないしは汲み出しを行
うこととなる。しかしながら、酸素濃淡電池素子の両側
の酸素濃度が等しくなっても、通常は、酸素濃淡電池素
子の起電力は０にはならず、一定のオフセット起電力が
残ることが多い。

【００１４】本発明者らは、一般に使用されているほと
んどの酸素イオン伝導性固体電解質について、該固体電
解質により酸素濃淡電池素子を構成した場合のオフセッ
ト起電力の絶対値が１０ｍＶ以下の範囲に収まっている
ことに着眼するとともに、本発明の排気ガスセンサの第
一の構成において、起電力目標値ＥCを１０ｍＶ以下に
設定し、濃淡電池起電力の絶対値が該起電力目標値ＥC
に到達したときの酸素ポンプ素子に流れる電流値を検出
信号として採用することで、排気ガス中の被検出成分の
濃度を正確に検出できることを見い出したのである。な
お、測定雰囲気の酸素濃度範囲が判っている場合は、そ
の範囲の最大酸素濃度におけるオフセット起電力を起電
力目標値とするのが望ましい。

【００１５】一方、本発明者らは鋭意検討の結果、次の
ことを見い出し、本発明の第二の構成を完成するに至っ
たのである。すなわち、酸素濃淡電池素子のオフセット
起電力が、検出に係る排気ガス中の酸素濃度が低くなる
ほど変動しやすくなり、一定以下の酸素濃度におけるオ
フセット起電力を基準として起電力目標値ＥCを設定す
ると、センサ出力が排気ガス中の酸素濃度の影響を受け
やすくなる。そしてこれを解決するためには、酸素を１
体積％以上含有し、かつセンサ作動温度において酸素と
反応する成分を実質的に含有しない試験ガスを隙間及び
反対空間に導入したときの、酸素濃淡電池素子に生ずる
オフセット起電力の絶対値をＥOS（単位：ｍＶ）とし、
これを基準として起電力目標値ＥCを（ＥOS−５）ｍＶ
以上（ＥOS＋５）ｍＶ以下の範囲内で設定することが有
効となる。そして、起電力目標値ＥCをを上記範囲で設
定することで、排気ガス中の酸素濃度の影響を受けな
い、より安定したセンサ出力を得ることができる。この
場合、起電力目標値ＥCは、なるべくＥOSに近い値とし
て設定することが、センサの検出精度を高める上で望ま
しい。なお、ＥOSを決定するための試験ガス中の酸素濃
度は、望ましくは１０％以上のものを使用するか、ある
いは大気を使用するのがよい。また、起電力目標値ＥC
を、第一の構成と同様に１０ｍＶ以下に設定することに
より、より安定で精度の高いセンサ出力を得ることがで
きる。

【００１６】本発明の排気ガスセンサは、例えばガソリ
ンエンジンの酸化触媒コンバータ、あるいは三元触媒コ
ンバータの下流側に配置され、該コンバータ中の三元触
媒の劣化を検知するものとして構成することができる。
この場合、排気ガス中の酸素は、上流側の触媒において
ＣＯあるいはＨＣの酸化のためにかなりの部分が消費さ
れた状態で、排気ガスセンサに導入されることとなる。
この場合、検出に係る排気ガス中の酸素濃度は、おおむ
ね５０００ｐｐｍ以下のレベルとなっていることから、
排気ガスセンサとしては、酸素濃度が上述のように低い
領域で被検出成分を精度よく検出できるように構成する
ことが望ましい。そのためには、例えば酸素濃度が１０
０ｐｐｍに対応するセンサ出力をＱ100とし、１０００
ｐｐｍに対応するセンサ出力をＱ1000として、出力変化
率Δ（％）｛｜Ｑ100−Ｑ1000｜／Ｑ100｝×１００が±
３０％以下、より望ましくは±１０％以下となるよう
に、前述の起電力目標値ＥCを設定するのがよい。

【００１７】なお、参考技術として、酸化触媒活性の異
なる電極を酸素濃淡電池素子の両面に形成し、その一方
の側に一定量の隙間を形成した状態で酸素ポンプ素子を
対向配置したタイプのセンサとしては、例えば特開昭６
１−９５２４３号公報に開示された空燃比センサがあ
る。しかしながら、上記公報のセンサは、混合気中のＣ
ＯあるいはＨＣ等の燃焼成分濃度と酸素濃度との比を空
燃比として検出するためのものであり、排気ガス中の被
検出成分の量を、該排気ガス中の酸素濃度とは無関係に
検出する本発明のセンサとは、根本的にその目的及び作
用・効果が異なるものである。そして、その当然の帰結
として本発明の排気ガスセンサは、酸素濃淡電池素子に
対する起電力目標値ＥCが、上記公報の空燃比センサと
は異なる上記本発明特有の使用目的に適合するように設
定され、また酸素ポンプ素子は、酸素濃淡電池素子の起
電力を該起電力目標値ＥCに近付けるように作動すると
いう、上記公報技術には全く開示されていない特徴を有
しているのである。

【００１８】次に、酸素濃淡電池素子の両面に形成され
た第二及び第三電極は、被検出成分に対する酸化触媒活
性が互いに異なるものとして構成することができる。こ
れにより、前述の隙間と反対空間との間の被検出成分の
消費量の差が大きくなり、センサ出力レベルが高められ
て、被検出成分の検出感度を向上させることができる。
この場合、第二電極の上記酸化触媒活性が第三電極より
も大きくなるようにすれば、排気ガス中の被検出成分の
濃度に対するセンサ出力の直線性が高められ、ひいては
被検出成分の検出精度をさらに向上できる場合がある。
なお、該構成において酸素ポンプ素子は、酸素濃淡電池
素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対値が減少するよう
に、前記隙間に酸素を汲み込むものとされる。ここで、
第一電極及び第二電極の双方について、被検出成分に対
する酸化触媒活性を第三電極よりも大きくすると、上記
隙間と反対空間との間の被検出成分の消費量の差がさら
に大きくなり、被検出成分の検出感度を高めることがで
きる。

【００１９】より具体的には、第二電極と前記第三電極
とは、次のように定義される被検出成分転換率ηの差が
２０％以上となるものを組み合わせて使用することが望
ましい。すなわち、直径１２mm×厚さ１mmの前記酸素イ
オン伝導性固体電解質の円板上に、第二電極ないし第三
電極と同一の材質及び条件により直径８mmの円板状の多
孔質電極を形成した試料を、ガスの入口と出口とを有し
た筒状体内に配置するとともにこれをセンサ作動温度に
加熱し、その状態で該筒状体に対し、酸素３００ｐｐｍ
と被検出成分３５０ｐｐｍと水蒸気３％とを含有し、残
部がアルゴンからなる試験ガスを入口から流速１００ｍ
ｌ／分で導入して、これを出口から排出させたときの、
排出後の試験ガス中の被検出成分濃度をＣｓ（単位：ｐ
ｐｍ）として、上記被検出成分転換率η（％）を、次
式： η＝｛（３５０−Ｃｓ）／３５０｝×１００ ‥‥(1) により求める。

【００２０】すなわち、試験ガス中に含まれる被検出成
分が、電極を酸化触媒として酸化され消費されると、排
出後の試験ガス中の被検出成分濃度Ｃｓは減少すること
から、上記被検出成分転換率ηは大きくなる。従って該
ηを、センサ中の各電極の被検出成分に対する酸化触媒
活性を表すパラメータ、ひいては隙間ないし反対空間に
おける被検出成分の消費量を反映したパラメータとして
用いることができる。そして、第二電極と前記第三電極
との間で、上記ηの値の差を２０％以上とすることによ
り、隙間と反対空間との間の被検出成分の消費量の差が
大きくなり、センサ出力レベルが高められて、被検出成
分の検出感度を向上させることができる。例えば第二電
極を第三電極よりも酸化触媒活性の高いものとして構成
する場合は、第二電極を、その被検出成分転換率ηが第
三電極のそれよりも２０％以上高くなるように構成する
のがよい。なお、ηの値の差はより望ましくは３０％以
上とするのがよい。

【００２１】ここで、電極の上記ηの値はセンサ作動温
度に応じて変化する。そして、センサ作動温度は、上記
ηの差が２０％以上、望ましくは３０％以上となるよう
に設定するのが望ましいといえる。この場合、印加電圧
を一定とした場合の酸素ポンプ素子のポンプ電流値がな
るべく高くなるように、センサ作動温度を設定すれば、
被検出成分の検出感度はさらに向上する。

【００２２】次に、被検出成分が例えばＣＯあるいはＨ
Ｃの場合、上記第一〜第三電極のうち、酸素との反応に
対する触媒活性が高くなるべきものは、Ｐｔ、Ｐｄ及び
Ｒｈのいずれかを主体とする金属（単体又は合金）又
は、Ｐｔ−Ｐｄ系合金、Ｐｔ−Ｒｈ系合金、Ｒｈ−Ｐｄ
系合金、Ｐｄ−Ａｇ系合金等（以下、本明細書において
は、これらを高活性金属グループという。）で構成する
ことができる。また、逆に触媒活性が低くなるべきもの
は、Ａｕ、Ｎｉ及びＡｇのいずれかを主体とする金属
（単体又は合金）又は、Ｐｔ−Ａｕ系合金，Ｐｔ−Ｎｉ
系合金、Ｐｔ−Ａｇ系合金，Ａｇ−Ｐｄ系合金、Ａｕ−
Ｐｄ系合金等（以下、本明細書において、これらを低活
性金属グループという。）により構成することができ
る。いずれの金属も、前述の素子を構成する固体電解質
へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固
体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応
に対する可逆的な触媒機能（以下、酸素解離触媒機能と
いう）は高いが、炭化水素系の被検出成分と酸素との反
応に対する触媒活性については、前者のグループと後者
グループとの間では大きな差がある。そして、例えば第
一電極と第二電極とをＰｔ、Ｐｄ及びＲｈのいずれかを
主体とする金属等の高活性金属グループに属するもので
構成し、第三電極をＡｕ、Ｎｉ及びＡｇのいずれかを主
体とする金属等の低活性金属グループに属するものによ
り構成すれば、前述の隙間と反対空間との間の被検出成
分の消費量の差が大きくなり、センサ出力レベルが高め
られて被検出成分の検出感度を向上させることができ
る。上記被検出成分と酸素との反応に対する触媒活性に
ついては、Ｐｔ又はＰｄとＡｕとの間の差が特に著し
く、これらを主体とする金属を電極材料として採用する
ことは、上述の効果を高める上でさらに望ましいといえ
る。

【００２３】被検出成分が例えばメタンである場合、例
えば上記材質の電極の組合せにより、その検出感度と選
択性が特に向上する場合がある。とりわけ、酸化触媒活
性の高い側の電極をＰｔ又はＰｄを主体とする金属で構
成し、同じく低い側の電極をＡｕを主体とする金属で構
成した場合には、メタン検出に対する選択性を著しく向
上させることができる。

【００２４】なお、被検出成分に対する酸化触媒活性の
小さい電極を構成する場合、その少なくとも排気ガスと
の接触表面を含んだ部分を、被検出成分と酸素との反応
に対して触媒不活性な材料で構成することができる。こ
の場合、電極の全体を上記触媒不活性な材料で構成でき
ることはもちろんであるが、排気ガスとの接触部におい
て、その表層部のみを触媒不活性な材料で構成するよう
にしてもよく、例えば触媒活性な材料で本体部を形成
し、その表面に触媒不活性な材料によりコーティングを
施して電極を得るようにしてもよい。触媒不活性な材料
としては、例えば、前述のＡｕ、Ｎｉ及びＡｇのいずれ
かを主体とする金属等の低活性金属グループに属するも
の、あるいはＳｎＯ₂、ＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＷＯ₃、Ｂｉ
₂Ｏ₃等の酸化物を例示することができる。

【００２５】次に、酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子
との間に形成される隙間には、金属メッシュ又は多孔質
金属で構成されたガス保持部材を介挿してもよい。この
ようにすると、該ガス保持部材が上記隙間形成のための
スペーサとして機能し、隙間の寸法精度を高めることが
できる。なお、上記ガス保持部材をメッシュで構成する
場合、その網目の形成密度が１００〜５００メッシュの
ものを使用することが望ましい。

【００２６】また、酸素濃淡電池素子の前記第三電極の
形成された側に、該酸素濃淡電池素子との間に所定の隙
間を形成する隙間形成部材を配置することができる。こ
うすれば、前述のオフセット起電力の絶対値が小さくな
り、またその変動が少なくなって、センサの検出精度が
高められる場合がある。この場合、隙間形成部材は、酸
素濃淡電池素子をセンサ作動温度に加熱するための板状
の加熱素子とすることができる。こうすれば、加熱素子
が隙間形成部材を兼ねることになり、センサをコンパク
トに構成できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例を参照して説明する。図１は、本発明の一
実施例たる排気ガスセンサ１の要部の構成を示す分解斜
視図である。すなわち、排気ガスセンサ１は、それぞれ
横長板状に形成された第一のヒータ２（加熱素子）、酸
素ポンプ素子３、酸素濃淡電池素子４及び第二のヒータ
５（加熱素子）がこの順序で積層されたものとして構成
されている。図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、第一の
ヒータ２と酸素ポンプ素子３との間、酸素ポンプ素子３
と酸素濃淡電池素子４との間、及び酸素濃淡電池素子４
と第二のヒータ５との間には、それぞれガラスあるいは
セメント等で構成されたスペーサ６，７，８が介挿され
ており、各素子間には所定量の隙間１４〜１６がそれぞ
れ形成される。なお、隙間１５は、請求項でいう酸素ポ
ンプ素子と酸素濃淡電池素子との間の隙間に、また隙間
１６は同じく反対空間に相当する。また、第二のヒータ
５は、隙間形成部材の役割も果たしている。

【００２８】酸素ポンプ素子３及び酸素濃淡電池素子４
は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成さ
れている。そのような固体電解質としては、Ｙ₂Ｏ₃ない
しＣａＯを固溶させたＺｒＯ₂が代表的なものである
が、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸
化物とＺｒＯ₂との固溶体を使用してもよい。また、ベ
ースとなるＺｒＯ₂にはＨｆＯ₂が含有されていてもよ
い。なお、第一及び第二のヒータ２，５は、公知のセラ
ミックヒータで構成されている。

【００２９】次に、酸素ポンプ素子３は横長板状に形成
され、その長手方向における一方の端部寄りにおいてそ
の両面に、酸素分子解離能を有した多孔質電極１０，１
１が形成されている。また、酸素濃淡電池素子４には、
上記酸素ポンプ素子３の電極１０，１１に対応する位置
においてその両面に、同様の多孔質電極１２，１３が形
成されている。また、前述のスペーサ６〜８は、それら
多孔質電極１０〜１３と干渉しない位置において、例え
ば素子３ないし素子４の縁部に断続的に沿うように配置
され、上記各隙間１４〜１６への排気ガスＥＧの導入が
許容されるようになっている。また、酸素ポンプ素子３
の電極１１と酸素濃淡電池素子４の電極１２とは、隙間
１５を挟んで互いに対向するように配置される。

【００３０】酸素ポンプ素子３の各多孔質電極１０，１
１からは、該素子３の長手方向に沿って排気ガスセンサ
１の取付基端側に向けて延びる電極リード部１０ａ，１
１ａがそれぞれ一体に形成されており、該基端側におい
て酸素ポンプ素子３には接続端子１０ｂ，１１ｂの一端
が埋設されている。そして、例えば、接続端子１０ｂ，
１１ｂは、図２（ｂ）に示すように、金属ペーストの焼
結体として形成された導通部１０ｆにより、電極リード
部１０ａ，１１ａの末端に対して電気的に接続されてい
る。また、酸素濃淡電池素子４の各多孔質電極１２，１
３にも同様に電極リード部１２ａ及び１３ａが一体に形
成されており、それぞれ接続端子１２ｂ，１３ｂが取り
付けられている。

【００３１】図３（ａ）は、排気ガスセンサ１の全体の
構成例を、また（ｂ）はその内部構造を示している。す
なわち、第一のヒータ２、酸素ポンプ素子３、酸素濃淡
電池素子４及び第二のヒータ５がスペーサ６〜８を介し
て積層されて積層体３１が形成されるとともに、角型の
貫通孔３０ａを有するセラミックストッパ３０が、積層
体３１に対し外側から嵌着されている。上記積層体３１
は、一端側が開放し、貫通孔３２ａが形成された底部３
２ｂを他端側に有するセラミック碍管３２の内側に、各
電極１０〜１３の形成された端部（以下、検出端部とい
う）３１ａが貫通孔３２ａから突出するように配置され
るとともに、該碍管３２と積層体３１との間にはガラス
Ｇが充填されいる。なお、セラミックストッパ３０は、
その端面が碍管３２の底部３２ｂの内面と当接すること
により、積層体３１の碍管３２からの突出量を規定する
役割も果たしている。

【００３２】また、碍管３２の外側は、金属製の外筒３
３と、かしめ結合部３４ａにより該外筒３３と一体化さ
れた主体金具３４とにより覆われている。主体金具３４
の外周面には、センサ１を排気管等の図示しない取付部
に取り付けるための雄ねじ部３４ｂが形成されるととも
に、その先端側に形成された開口部３４ｃおいて、前述
の積層体３１の検出端部３１ａを突出させている。ま
た、主体金具３４の開口部３４ｃの周縁には円環状のプ
ロテクタ取付スリーブ３４ｄが一体的に形成されてい
る。そして、検出端部３１ａを覆うとともに、該検出端
部３１ａへの排気ガスの流通を許容する多数の貫通孔３
５ａを有した円筒状のプロテクタ３５が、上記プロテク
タ取付スリーブ３４ｄに対し外側から嵌着され、さらに
スポット溶接等により接合され一体化されている。一
方、碍管３２の中間部において主体金具３４との間に形
成される空間には、そのかしめ結合部３４ａに近い側
に、かしめ時の加工力を受けとめるためのかしめ金具３
６が配置され、さらに残余の空間には充填材８０が充填
されている。

【００３３】一方、積層体３１を構成する各素子２〜５
の接続端子（図１等）には、リード線３７が溶接等によ
り接合されており、その末端側が碍管３２及び外筒３３
の端部から外側に延出している。なお、リード線３７の
中間部はゴム等の弾性材料で構成されたシール部材３８
により覆われており、そのさらに外側には金属製の保護
外筒３９がはめ込まれている。そして、該保護外筒３９
の端縁側が外筒３３に対してかしめにより一体化されて
いる。

【００３４】上記排気ガスセンサ１の組み立ては、例え
ば以下のようにして行うことができる。すなわち、図４
（ａ）に示すように、素子２〜５をスペーサ６〜８を介
して積層して積層体３１を作り、（ｂ）に示すようにこ
れにセラミックストッパ３０を嵌着する。続いて、
（ｃ）に示すように、素子２〜５の各接続端子に例えば
ステンレス鋼製のリード線３７を溶接により接合し、さ
らに（ｄ）に示すように、該積層体３１を碍管３２内に
挿入し、その内側にガラス粉末を充填した後、これを所
定の炉で約８００℃に加熱してガラス粉末を溶融させ、
碍管３２と積層体３１との間をガラスシールする。

【００３５】そして、図５（ａ）に示すように、積層体
３１が一体化された碍管３２を主体金具３４内に配置
し、また、碍管３２と主体金具３４との間に充填材８０
とかしめ金具３６を挿入する。そして、さらに碍管３２
の主体金具３４からの露出部分に外筒３３を被せ、次い
で主体金具３４を外筒３３に向けて加熱しながらかしめ
ることにより、かしめ結合部３４ａが形成され、主体金
具３４と外筒３３とが一体化される。続いて、同図
（ｂ）に示すように、シール部材３８と保護外筒３９と
が一体化された別のリード線群３７ａを、それぞれ対応
するリード線３７に溶接する（以下、一体化された両リ
ード線に改めて符号３７を付与する）。そして、シール
部材３８と保護外筒３９とをリード線３７上を滑らせて
その末端部を外筒３３内に挿入し、両者の間をかしめる
ことにより図５（ｃ）に示す状態となり、さらにプロテ
クタ３５を主体金具３４に対して溶接により取り付けれ
ば、図５（ｄ）に示すように、排気ガスセンサ１の組み
立てが完了する。

【００３６】上記排気ガスセンサは、例えば排気管に設
けられた取付部に対し、プロテクタ３５側が該排気管内
に位置するように取り付けられる。図６に示すように、
この状態で酸素ポンプ素子３には、多孔質電極１０，１
１の一方が正、他方が負となるように前述のリード線３
７（図３）を介して電圧が印加される。そして、極性が
正となる多孔質電極においては、これと接する排気ガス
中の酸素分子が該電極上で解離され、上記印加された電
圧が駆動力となって解離された酸素がイオンの形で素子
３内に送り込まれる。また、上記電圧印加により素子３
内を輸送される酸素イオンは、極性が負となる多孔質電
極上で電子を受け取り、さらに酸素分子に再結合して雰
囲気中に放出される。

【００３７】また、酸素濃淡電池素子４においては、多
孔質電極１２，１３には電圧が印加されず、それら電極
１２，１３とそれぞれ接する排気ガス中の酸素分子が該
電極１２，１３上で解離され、それぞれ酸素イオンの形
で素子４内に拡散する。そして、電極１２側と１３側と
で酸素濃度に差がある場合には、素子４内に酸素イオン
の濃度勾配が生じ、その濃度勾配に応じた濃淡電池起電
力が両電極１２，１３に生ずることとなる。なお、以下
においては、酸素ポンプ素子３と酸素濃淡電池素子４と
の間に形成されている隙間１５に関し、酸素ポンプ素子
３の該隙間１５に面さない多孔質電極１０を外側電極、
同じく隙間１５に面する多孔質電極１１を第一電極、隙
間１５に面する酸素濃淡電池素子４の多孔質電極１２を
第二電極、同じく隙間１５に面さない多孔質電極１３を
第三電極と呼ぶことにする。

【００３８】一方、上記多孔質電極１０〜１３のうち、
少なくとも一部のものは、上述の酸素分子の解離ないし
再結合を行う役割のほかに、これと接する排気ガス中の
炭化水素系の被検出成分と酸素との結合反応、すなわち
被検出成分の燃焼反応を促進する酸化触媒としても機能
する。そして、本発明の排気ガスセンサでは、上記４つ
の電極１０〜１３のうち、第一電極１１、第二電極１２
及び第三電極１３の３つのものについて、被検出成分に
対する酸化触媒活性が、酸素濃淡電池素子４の両側（す
なわち隙間１５側と隙間１６側）において酸素との反応
による被検出成分の消費量に差が生じるように調整され
る。

【００３９】具体的には、図６において、第一電極１１
と第二電極１２とが例えば炭化水素に対する酸化触媒活
性が高いＰｔ多孔質電極により、また、第三電極１３が
該酸化触媒活性が低いＡｕ多孔質電極によりそれぞれ構
成される。なお、隙間１５及び隙間１６の大きさは、ス
ペーサ７及び８の高さ調整によりそれぞれ１mm以下の範
囲で調整される。一方、第一電極１１の面積Ｓpは第二
電極１２の面積ＳSと等しいか、それよりも大きく設定
される。

【００４０】酸素ポンプ素子３と酸素濃淡電池素子４と
は、例えば以下の方法により製造することができる。す
なわち、固体電解質粉末を有機バインダとともに混練し
た生地を用いて、酸素センサ素子３ないし酸素濃淡電池
素子４に対応した形状のグリーン成形体を作製する。な
お、接続端子１０ｂ〜１３ｂは、その端部をグリーン成
形体中に埋め込んでおく。次に、Ｐｔ等の金属粉末に、
素子３ないし素子４を構成する固体電解質と同じ材質の
セラミック粉末を所定量（例えば１０重量％程度）混合
して作製したペーストを用いて、上記グリーン成形体の
両面に電極１０〜１３（及び電極リード部１０ａ〜１３
ａ）の印刷パターンを形成する。そして、これを焼成す
ることにより、酸素ポンプ素子３と酸素濃淡電池素子４
とが得られる。なお、印刷パターンは焼結されてそれぞ
れ電極１０〜１３及び電極リード部１０ａ〜１３ａとな
る。ただし、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄやこれらの合金など、セ
ラミックス（固体電解質）の焼成温度よりも低い融点の
金属を電極材料として用いる場合には、前記グリーン成
形体を焼成した後にペースト印刷し、セラミックスの焼
成温度より低い温度で焼き付けてもよい。

【００４１】以下、排気ガスセンサ１の使用方法につい
て説明する。図６に示すように、排気ガスセンサ１を排
気管に取り付け、酸素ポンプ素子３と酸素濃淡電池素子
４との間の隙間１５と、酸素濃淡電池素子４とヒータ５
との間の隙間１６（反対空間）とに、それぞれ炭化水素
系の被検出成分と酸素とを含有する排気ガスが導入され
ると、隙間１５側に位置する電極１１，１２がいずれも
Ｐｔで形成されており、隙間１６側に位置する電極１３
がＡｕで構成されていることから、該排気ガス中の被検
出成分の酸化による消費量は、隙間１５側において隙間
１６側よりも大きくなる。そして、被検出成分の消費量
の大きい側においては、排気ガスＥＧ中の酸素の消費量
も大きくなることから、隙間１６内の酸素濃度は隙間１
５内のそれよりも高くなり、酸素濃淡電池素子４には隙
間１６側を正とする濃淡電池起電力が生ずる。

【００４２】そして、上記濃淡電池起電力の絶対値が例
えば１０ｍＶ以下の一定値となるように、酸素ポンプ素
子３により隙間１４側から隙間１５側へ酸素を汲み込む
と、該酸素ポンプ素子３を流れる電流（以下、酸素ポン
プ電流あるいはポンプ電流という）は、被検出成分の酸
化に消費された酸素量を反映した値となる。また、排気
ガスＥＧ中の被検出成分の濃度が高くなると、その酸化
により消費される酸素量は増大し、結果としてポンプ電
流も大きくなる。従って、ポンプ電流を測定することに
より、排気ガスＥＧ中の被検出成分の濃度を知ることが
できる。

【００４３】図７は、上記原理に基づいて排気ガス中の
被検出成分の濃度を検出する、本発明のセンサシステム
の一構成例を示すブロック図である。すなわち、該セン
サシステム２００においては、上記排気ガスセンサ１の
酸素濃淡電池素子４の第二電極１２と第三電極１３と
が、それぞれ非反転増幅器２０（ポンプ素子電圧調整手
段、起電力検出手段）のマイナス端子（接地端子）とプ
ラス端子にそれぞれ接続される。これにより、該素子４
で生ずる濃淡電池起電力は、非反転増幅器２０の接地側
に接続された抵抗器２２の電気抵抗値をＲ0、同じく負
帰還接続された抵抗器２１の電気抵抗値をＲ1として、
ゲインＲ1／Ｒ0で増幅される。

【００４４】一方、非反転増幅器２０の出力側は酸素ポ
ンプ素子３の第一電極１１に接続されており、上記増幅
された濃淡電池起電力が酸素ポンプ素子３に印加され
る。ここで、酸素濃度は隙間１６側で高くなるので、酸
素濃淡電池素子４には第三電極１３側を正とする濃淡電
池起電力が生ずる。そして、その濃淡電池起電力は、非
反転増幅器２０により極性反転せずに増幅され、酸素ポ
ンプ素子３の第一電極１１に印加される。これにより、
酸素ポンプ素子３には第一電極１１側を正としてポンプ
電流が流れることとなり、図中矢印で示すように、隙間
１４内の酸素が隙間１５側へ汲み込まれる。このポンプ
電流は反転増幅器２３（出力手段）により増幅され、こ
れが排気ガスＥＧ中のメタン濃度を反映したセンサ出力
として取り出されることとなる。なお、酸素ポンプ素子
３の内部抵抗値をＲi、反転増幅器２３に負帰還接続さ
れた抵抗器２５の電気抵抗値をＲ3とすれば、反転増幅
器２３のゲインはＲ3／Ｒiとなる。また、本実施例で
は、該反転増幅器２３の出力は、ゲイン１の反転増幅器
２４（Ｒ4＝Ｒ5）により極性反転されるようになってい
る。

【００４５】ここで、上記回路構成によれば、隙間１５
内の酸素濃度が減少して濃淡電池起電力が大きくなる
と、酸素ポンプ電流は大きくなり、酸素ポンプ素子３に
よる隙間１５への酸素の汲み込みが進む。すると、濃淡
電池起電力は次第に小さくなるから、酸素ポンプ電流は
小さくなる方向に制御される。その結果、最終的には濃
淡電池起電力はほぼ０に近づくように酸素ポンプ電流が
制御され、そのときの酸素ポンプ電流の平衡値から、被
検出成分の濃度を知ることができる。この場合、起電力
目標値ＥCはほぼ０に等しい値であるとみなしうる。

【００４６】濃淡電池起電力が０であるということは、
理論上は酸素濃淡電池素子４の両側（すなわち、隙間１
５及び１６）の酸素濃度が等しくなっていることを意味
する。このことは、ポンプ電流が隙間１５と１６とにお
ける被検出成分の消費量の差に直接的に対応しているこ
とも意味するから、被検出成分の濃度を精度よく検出で
き、また検出結果の解析も容易になる。しかしながら通
常は、隙間１５及び１６の酸素濃度が等しくなっても、
酸素濃淡電池素子４の起電力は実際には０にはならず、
一定のオフセット起電力が残ることが多い。この場合
は、上記オフセット起電力に対応する起電力目標値ＥC
を１０ｍＶ以下の範囲で設定し、濃淡電池起電力の絶対
値が該起電力目標値ＥCに到達したときの酸素ポンプ素
子３に流れる電流値を検出信号として採用することで、
排気ガス中の被検出成分の濃度をより正確に検出でき
る。

【００４７】また、酸素濃淡電池素子４のオフセット起
電力は、検出に係る排気ガス中の酸素濃度が低くなるほ
ど変動しやすくなり、一定以下の酸素濃度におけるオフ
セット起電力を基準として起電力目標値ＥCを設定する
と、センサ出力が排気ガス中の酸素濃度の影響を受けや
すくなる。そこで、酸素を例えば１体積％以上（望まし
くは１０体積％以上）含有し、かつセンサ作動温度にお
いて酸素と反応する成分を実質的に含有しない試験ガス
を、隙間１５及び１６にそれぞれ導入したときのオフセ
ット起電力の絶対値をＥOS（単位：ｍＶ）とし、これを
基準として起電力目標値ＥCを（ＥOS−５）ｍＶ以上
（ＥOS＋５）ｍＶ以下の範囲内で設定することが有効で
ある。

【００４８】図８は、オフセット起電力に応じて起電力
目標値ＥCを自由に設定できるセンサシステムの構成例
を示している。該構成においては、マイクロプロセッサ
４１を含んだセンサ制御部４０に前述の排気ガスセンサ
１が接続される。マイクロプロセッサ４１は、ＣＰＵ４
１、ＲＡＭ４２、ＲＯＭ４３及びそれらが接続されるＩ
／Ｏポート４４を含んで構成され、該Ｉ／Ｏポート４４
には、アンプ４９を介して酸素ポンプ素子３が、またＡ
／Ｄ変換器４６とアンプ５０とを介して酸素濃淡電池素
子４が、さらにアンプ４７及び４８を介して第一及び第
二のヒータ２，５がそれぞれ接続される。また、ＲＯＭ
４３にはセンサ１の作動を司る制御プログラムと、前述
の起電力目標値ＥCの値及びヒータ電流の設定値とが記
憶されている。ここで、ＣＰＵ４１はポンプ素子電圧調
整手段及び起電力検出手段の主体をなす。また、ＲＡＭ
４２は、上記ＣＰＵ４１のワークエリアとして機能す
る。

【００４９】そして、酸素ポンプ素子３への印加電圧
は、ＣＰＵ４１が指示する値でＩ／Ｏポート４４及びア
ンプ４９を介して出力される。また酸素濃淡電池素子４
の起電力はアンプ５０で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４６で
デジタル化されてＩ／Ｏポート４４へ入力される。な
お、本実施例では、起電力目標値ＥCに対し制御不感帯
が±δの幅で設定されるものとする。また、ヒータ２及
び５の通電制御も該センサ制御部４０が行うものとす
る。

【００５０】図９は、上記制御プログラムに基づくセン
サ作動の制御の流れを示している。すなわち、制御プロ
グラムをスタートさせると、Ｓ１で酸素ポンプ電流Ｉp
が初期値Ｉ0となるように、酸素ポンプ素子３への印加
電圧がＶpで出力され、Ｓ２で入力された濃淡電池起電
力ＥＭＦの値を読み込む。そして、該ＥＭＦが制御許容
範囲ＥC±δから外れている場合には、これが該範囲に
入るようにＶp（すなわちＩp）を増大又は減少させ（Ｓ
３〜Ｓ６）、制御許容範囲内に入っている場合にはＳ７
でそのときのＶp（すなわちＩp）の値を保持させてＳ２
へ返り、以下同様の処理を繰り返す。これにより、濃淡
電池起電力ＥＭＦは、ほぼＥCの近傍に保持されること
となる。そして、このときの酸素ポンプ素子３の出力電
流値を、センサ出力として取り出すことができる。

【００５１】なお、酸素ポンプ素子３の外側電極側は、
排気ガス雰囲気から隔離して、ここに大気を導入するよ
うにしてもよい。

【００５２】また、酸素ポンプ素子３と酸素濃淡電池素
子４の各電極１０〜１３の材質の組合せは、酸素濃淡電
池素子４の両側で、被検出成分の酸化による消費量に差
が生ずるものであれば、図１０（ａ）に示す上述の組合
せ以外にも各種採用することができる。図１０（ｂ）に
おいては、酸素ポンプ素子３の外側電極１０を酸化触媒
活性の低いＡｕ多孔質電極で構成した例である。また、
（ｃ）及び（ｅ）は、隙間１５に面する第一電極１１及
び第二電極１２の一方をＡｕ多孔質電極で構成した例で
ある。また、（ｄ）は、第一電極１１及び第二電極１２
をいずれも酸化触媒活性の低いＡｕ多孔質電極で構成
し、第三電極１３を酸化触媒活性の高いＰｔ多孔質電極
で構成した例である。この場合、被検出成分の消費量は
隙間１６側において１５側よりも高くなり、酸素ポンプ
素子３は隙間１５から酸素を汲み出すように作動するこ
ととなる。（ｆ）は、該構成で第一電極１１をＡｕ多孔
質電極で置き換えた例である。

【００５３】一方、酸化触媒活性の低い電極は、図１１
（ａ）に示すように、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ等、高活
性金属グループに属するもので多孔質電極の本体部１０
１を形成しておき、その排気ガスとの接触表面側に、触
媒不活性な材料（例えば、Ａｕ又はＡｇを主体とする金
属などの低活性金属グループに属するもの、あるいはＳ
ｎＯ₂、ＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＷＯ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃等の酸化
物）によるコーティング１０２を施して最終的な電極と
してもよい。

【００５４】この場合、上記コーティング１０２は、例
えば図１１（ｂ）に示すように、上記触媒不活性な材料
粒子を含んだペーストを本体部１０１上に塗付して再焼
成する方法により形成したり、あるいは同図（ｃ）に示
すように、真空蒸着やスパッタリング等の気相製膜法に
より形成することができる。なお、上記図１１（ｂ）な
いし（ｃ）に示すように、多孔質に形成された本体部１
０１には、多数の空隙Ｐが入り組んで形成されているた
め、コーティング１０２がそのような空隙Ｐの内面奥深
くにまで必ずしも形成されない場合もありうるが、被検
出成分と酸素との反応に対する触媒活性を十分に小さく
できるのであれば、そのような未コーティング部が形成
されていても差し支えない。

【００５５】また、図１２に示すように、酸素ポンプ素
子３と酸素濃淡電池素子４との間に形成される隙間１５
には、金属メッシュ又は多孔質金属（例えばＰｔ製のも
の）で構成されたガス保持部材６０を介挿することがで
きる。なお、上記ガス保持部材を金属メッシュで構成す
る場合、その網目の形成密度が１００〜５００メッシュ
のものを使用することが望ましい。

【００５６】以下、上記本発明の排気ガスセンサ１の適
用例について説明する。まず、図１３（ａ）はガソリン
エンジンの排気ガス浄化システムを模式的に示してお
り、排気管に対しエンジンに近い側から、エンジンの空
燃比制御のための酸素センサ、排気ガス中のＨＣの酸
化とＮＯ_Xの還元とを同時に行ってこれを浄化する三元
触媒コンバータ、浄化後の排気ガス中の酸素濃度を測定
するための酸素センサがこの順序で取り付けられてい
る。そして、本発明の排気ガスセンサ１はそのさらに下
流側に設けられており、例えば触媒の劣化判別のために
浄化後の排気ガス中のＨＣ濃度を測定するものとされて
いる。

【００５７】一方、図１３（ｂ）は、ディーゼルエンジ
ンの排気ガス中の排気ガス浄化システムを模式的に示し
ており、排気管に対しエンジンに近い側から、ＨＣ源と
しての軽油を排気ガス中に噴射するための軽油噴射弁
と、ＮＯ_X浄化触媒とがこの順序で配置されており、該
ＮＯ_X浄化触媒は軽油噴射により添加されたＨＣを還元
剤としてＮＯ_Xを窒素と酸素とに分解することによりこ
れを浄化する働きをなす。そして、本発明の排気ガスセ
ンサ１は上記ＮＯ_X浄化触媒の上流側に配置され、排気
ガス中に噴射すべき軽油の量をフィードバック制御する
ために、軽油噴射後の排気ガス中のＨＣ濃度をモニタす
る役割を果たすこととなる。

【００５８】図１４は、本発明の排気ガスセンサの応用
例として、板型の酸素センサ１５１を組み込んだ複合セ
ンサの例を示している。該複合センサ１４９において
は、板型酸素センサ１５１が第二ヒータ５と酸素濃淡電
池素子４との間に配置されており、隙間１６は該板型酸
素センサ１５１と酸素濃淡電池素子４との間に形成され
ている。板型酸素センサ１５１はＺｒＯ₂等の酸素イオ
ン伝導性固体電解質で構成され、その内部に大気導入室
１５２が形成されるとともに、該大気導入室１５２に関
して酸素濃淡電池素子４と反対側の壁部１５５には、そ
の両面に多孔質電極１５３及び１５４が形成されてい
る。そして、電極１５４側に排気ガスを接触させること
により、大気導入室１５２に導入される大気（空気）を
基準ガスとして上記壁部１５５には、排気ガス中の酸素
濃度に応じた濃淡電池起電力が生ずる。これをセンサ出
力として取り出せば、排気ガス中の酸素濃度を知ること
ができる。このような複合センサ１４９を用いることよ
り、例えば図１３（ａ）において、酸素センサと本発
明の排気ガスセンサ１との２本のセンサを１本にまとめ
ることができる。

【００５９】また、図１５は、全領域酸素センサを組み
合わせた複合センサの例を示している。該複合センサ１
５９は、図１４の構成において、板型酸素センサ１５１
を全領域酸素センサ１６０と置き換えた構造を有してい
る。全領域酸素センサ１６０は酸素イオン伝導性固体電
解質で構成され、測定室１６５を挟んで酸素ポンプ素子
１６１と酸素濃淡電池素子１６２とが対向配置された構
造を有し、排気ガスは多孔質セラミック等で構成された
拡散孔１６７を通って測定室１６５に導入される。そし
て、酸素濃淡電池素子１６２は、素子内に埋設された電
極１６３を酸素基準電極として、測定室１６５側の電極
１６４との間に生ずる濃淡電池起電力により、測定室１
６５内の酸素濃度を測定する。

【００６０】一方、酸素ポンプ素子１６１には電極１６
６及び１６８を介して図示しない外部電源により電圧が
印加され、その電圧の向きと大きさにより定まる速度
で、測定室１６５に対し酸素を汲み込む又は汲み出すよ
うになっている。そして、該酸素ポンプ素子１６１の作
動は、酸素濃淡電池素子１６２が検知する測定室１６５
内の酸素濃度に基づいて図示しない制御部により、該測
定室１６５内の酸素濃度が理論空燃比に対応する濃度に
一定に保持されるように制御され、このときの酸素ポン
プ素子１６１のポンプ電流に基づいて排気ガスの空燃比
（Ａ／Ｆ）を知ることができる。このような複合センサ
１５９を用いれば、前述の図１４の複合センサ１４９と
同様に、図１３（ａ）において酸素センサと本発明の
排気ガスセンサ１との２本のセンサを１本にまとめるこ
とができるほか、その酸素濃度測定の精度をさらに向上
させることができる。また、図１３（ｂ）に示す軽油噴
射制御用のセンサとして用いた場合は、排気ガス中の酸
素濃度測定によるディーゼル燃焼制御を行うことも可能
となる。

【００６１】また、図１６は、２チャンバー方式のＮＯ
_Xセンサを組み合わせた複合センサの例を示している。
該複合センサ１６９は、図１４の構成において、板型酸
素センサ１５１をＮＯ_Xセンサ１７０で置き換えた構造
を有している。ＮＯ_Xセンサ１７０はＺｒＯ₂等の酸素イ
オン伝導性固体電解質で構成され、その内部には第一及
び第二の測定室１７１，１７２が隔壁１７１ａを挟ん
で、センサの厚さ方向に互いに隣接して形成されるとと
もに、上記隔壁１７１ａには多孔質セラミック等で構成
されてそれらを互いに連通させる第二拡散孔１７３が形
成されている。また、第一測定室１７１は第一拡散孔１
７４により周囲雰囲気と連通している。そして、第一測
定室１７１に対しては電極１７６及び１７７を有する第
一酸素ポンプ素子１７５が、また、第二測定室１７２に
対しては電極１７９及び１８０を有する第二酸素ポンプ
素子１７８が、それぞれ壁部１７１ａと反対側に位置す
るように配置されている。また、隔壁１７１ａには、第
一測定室１７１内の酸素濃度を検出する酸素濃淡電池素
子１８３（隔壁１７１ａ内の酸素基準電極１８１と、第
一測定室１７１に面する対向電極１８２を有する）が形
成されている。

【００６２】その作動であるが、まず第一測定室１７１
内に周囲雰囲気のガスが第一拡散孔１７４を通って導入
される。そして、その導入されたガスから酸素が第一酸
素ポンプ素子１７５により汲み出される。なお、測定室
内の酸素濃度は酸素濃淡電池素子１８３により検出さ
れ、その検出値に基づいて図示しない制御部により第一
の酸素ポンプ素子１７５は、第一測定室１７１内のガス
中の酸素濃度が、ＮＯ_Xの分解を起こさない程度の一定
値となるように、その酸素汲み出しのための作動が制御
される。このようにして酸素が減じたガスは第二測定室
１７２へ第二拡散孔１７３を通って移動し、そこでガス
中のＮＯ_Xと酸素とが完全に分解するように、第二酸素
ポンプ素子１７８により酸素が汲み出される。このとき
の第二酸素ポンプ素子１７８のポンプ電流に基づいてガ
ス中のＮＯ_Xの濃度を知ることができる。

【００６３】上述のような複合センサ１６９を用いれ
ば、排気ガス中のＨＣ、ＮＯ_X及び酸素濃度を１本のセ
ンサで測定することが可能となる。

【００６４】

【実施例】

（実施例１） 実験１ Ｙ₂Ｏ₃粉末とＺｒＯ₂粉末とを含有するセラミックグリ
ーンシートを円板状に打抜き、その片面に、Ｐｄ（５２
重量％）−Ａｇ（４８重量％）からなる合金粉末ないし
Ａｕ粉末にＺｒＯ₂粉末を所定量配合したペースト（い
ずれも金属粉末の平均粒径１.０μｍ）により円形の電
極パターンを形成し、これを温度１４７０℃で焼成し
て、直径１２mm、厚さ１mmの、Ｙ₂Ｏ₃を５モル％含有す
るＺｒＯ₂焼結体からなる固体電解質の円板上に、直径
８mmの円板状のＰｄ多孔質電極ないしＡｕ多孔質電極を
形成した試料をそれぞれ作製した。次に、図１７に示す
ように、ガスの入口７１と出口７２とを有した筒状体７
３内に各試料７４を配置するとともに、これを電気炉７
５により６７５〜８５０℃の各種温度に保持した。そし
て、その状態で酸素３００ｐｐｍと、被検出成分として
のメタン３５０ｐｐｍと、水蒸気３％とを含有して残部
がＡｒからなる試験ガスを、入口７１から流速１００ｍ
ｌ／分で導入し、これを出口７２から排出させたとき
の、排出後の試験ガス中のメタン濃度Ｃｓ（単位：ｐｐ
ｍ）を測定して、 η＝｛（３５０−Ｃｓ）／３５０｝×１００（単位：
％） により定義されるメタン転換率ηを各温度にて求めた。
図１８（ａ）に、メタン転換率ηの各温度毎の測定結果
を示す。すなわち、Ａｕ多孔質電極を用いた試料は転換
率ηがおおむね１０％以下の低い値を示しているのに対
し、Ｐｄ多孔質電極を用いた試料はηが温度の上昇とと
もに増大し、７００℃で両試料のηの差は約２０％、７
５０℃以上では３０〜４０％に達していることがわか
る。

【００６５】実験２ 次に、実験１と同一の材質及び寸法の固体電解質板の両
面に、外側電極及び第一電極として直径８mmの円板状の
Ａｕ多孔質電極を、実験１と同一の条件にて形成して酸
素ポンプ素子を作成した。また、同様の固体電解質円板
の一方の面に第二電極として直径８mmのＰｄ多孔質電極
を、また他方の面に第三電極として直径３mmのＡｕ多孔
質電極を形成して酸素濃淡電池素子を作製した。そして
両素子を、第一電極と第二電極とが対向するように、間
に１００〜５００メッシュのＰｔメッシュあるいはＡｕ
メッシュを挟んで重ね合わせてセンサを作製した。

【００６６】そして、図７に示すものと同様の回路に各
素子（すなわち、酸素ポンプ素子３及び酸素濃淡電池素
子４）を接続し、図１７に示す装置を用いて、Ｐｄ多孔
質電極とＡｕ多孔質電極との間で実験１で測定したηの
差が最も大きくなる温度である７５０℃にこれを加熱し
た。そして、この状態で、５０〜７００ｐｐｍの各種濃
度の被検出成分としてのメタンと、３００ｐｐｍの酸素
と、３体積％の水蒸気と、残部アルゴンからなる試験ガ
スを１００ｍｌ／分の流速で流通し、平衡時の酸素濃淡
電池素子の起電力ＥＭＦを測定するとともに、その起電
力ＥＭＦが起電力目標値ＥCになるように酸素ポンプ素
子を作動させ、そのポンプ電流Ｉpを測定した。

【００６７】その結果、図１９に示すように、ポンプ電
流Ｉp（図中「●」で示す）は、試験ガス中のメタン濃
度に対してほぼ直線的に増大し、該Ｉpからメタン濃度
を検出できることがわかった。また、図１８（ｂ）に示
すように、メタン濃度を３００ｐｐｍに固定して、セン
サ温度を６５０〜８５０℃で変化させて測定を行ったと
ころ、センサ出力は前述のηの差が最も大きくなる７５
０℃近傍で最大値を示しており、ηの差がなるべく大き
くなる温度でセンサを作動させることが、センサ感度を
向上させる上で有効であることもわかった。なお、参考
のため、酸素ポンプ素子を作動させなかった場合の、酸
素濃淡電池素子の起電力を、各メタン濃度について測定
した（図中「○」で示す）。その結果、試験ガス中の酸
素濃度に対してほぼ理論空燃比をなすメタン含有量（約
２００ｐｐｍ）の近傍で起電力は急増していることがわ
かった。このことは、上記組成以上の領域では、メタン
に対する酸化触媒活性が大きいＰｄで構成された第二電
極側（すなわち隙間側）でメタンのほぼ全量が酸化によ
り消費され、逆に酸化触媒活性の低いＡｕで構成された
第三電極側（すなわち反対空間側）ではメタンがあまり
消費されないために、酸素濃淡電池素子の両側で大きな
酸素濃度差が生じたことを意味するものである。なお、
酸素濃淡電池素子として、第二電極と第三電極とをいず
れもＡｕ多孔質電極としたもの、及びいずれもＰｄ多孔
質電極としたものを作製し、これを用いて同様の実験を
行ったところ、図２０に示すように、これら試料ではメ
タン濃度によらず起電力はほとんど生じなかった。

【００６８】また、試験ガス中に、水蒸気（７．５
％）、炭酸ガス（１０．０％）、一酸化窒素（２８４ｐ
ｐｍ）、一酸化炭素（３００ｐｐｍ）のいずれかを妨害
ガスとして混在させたときの、ポンプ電流Ｉpのメタン
濃度依存性に及ぼす影響についても調べた。図２１に結
果を示す通り、Ｉpのメタン濃度依存性は妨害ガスの影
響をほとんど受けず、メタン検出に対する選択性が良好
であることがわかる。

【００６９】次に、試験ガス中のメタン濃度を３５０ｐ
ｐｍに固定し、酸素濃度を１００〜８００ｐｐｍの範囲
で各種変化させて同様の実験を行った結果を図２２に示
す。すなわち、ポンプ電流Ｉpは試験ガス中の酸素濃度
によらずほぼ一定の値を示しており、センサ出力として
のＩpに対する試験ガス中の酸素濃度の影響が小さいこ
とがわかる。

【００７０】（実施例２）実施例１の実験１と同一の材
質及び寸法の固体電解質板の両面に、外側電極及び第一
電極として直径８mmの円板状のＡｕ多孔質電極を、実験
１と同一の条件にて形成して酸素ポンプ素子を作成し
た。また、同様の固体電解質円板の一方の面に第二電極
として直径８mmのＰｄないしＡｕの多孔質電極（Ａｕは
比較例）を、また他方の面に第三電極として直径３mmの
Ａｕ多孔質電極を形成して酸素濃淡電池素子を作製し
た。そして両素子を、第一電極と第二電極とが対向する
ように、間に１００〜５００メッシュのＰｔメッシュあ
るいはＡｕメッシュを挟んで重ね合わせてセンサを作製
した。

【００７１】そして、図７に示すものと同様の回路に各
素子（すなわち、酸素ポンプ素子３及び酸素濃淡電池素
子４）を接続し、図１７に示す装置を用いて、８５０〜
９００℃に加熱しながら、０．３〜０．８体積％の各種
濃度の被検出成分としてのメタンと、０．５体積％の酸
素と、５体積％の水蒸気と、残部アルゴンからなる試験
ガスを該炉内に１００ｍｌ／分の流速で流通し、平衡時
の酸素濃淡電池素子の起電力ＥＭＦを測定するととも
に、その起電力ＥＭＦが起電力目標値ＥCになるように
酸素ポンプ素子を作動させ、ポンプ電流Ｉpを測定し
た。また、ポンプ電流Ｉpは、図２３に示すように、試
験ガス中のメタン濃度に対してほぼ直線的に増大し、該
Ｉpからメタン濃度を検出できることがわかった。

【００７２】また、試験ガス中のメタン濃度を０．５％
に固定し、酸素濃度を０．３〜０．８体積％の範囲で各
種変化させて同様の実験を行った結果を図２４に示す。
すなわち、ポンプ電流Ｉpは試験ガス中の酸素濃度によ
らずほぼ一定の値を示しており、センサ出力としてのＩ
pに対する試験ガス中の酸素濃度の影響が小さいことが
わかる。

【００７３】また、酸素濃淡電池素子を酸素ポンプ素子
に対して上記とは反転させた状態、すなわちＡｕ多孔質
電極が第二電極となり、Ｐｄ多孔質電極が第三電極とな
るように配置した状態で、メタン濃度を各種変化させた
試験ガスを用いて同様の実験を行った結果を図２５に示
す。この場合は、酸素濃淡電池素子を反転させない図２
３の結果と比較して、Ｉpのメタン濃度に対する変化率
（勾配）が大きくなっており、センサの感度が向上して
いることがわかる。

【００７４】（実施例３）図２及び図３に示す排気ガス
センサ１において、外側電極１０、第一電極１１及び第
二電極１２をＰｔ多孔質電極により、第三電極１３をＡ
ｕ多孔質電極により形成したものを作製した。ただし、
各素子２〜５に使用した固体電解質は上記実施例１及び
２と同じものを使用し、その寸法は４mm×４５mm×０．
４mmとした。また、隙間１４の大きさは０．０６mm、隙
間１５の大きさは０．１５mm、隙間１６の大きさは０．
０７mmとした。該センサ１を酸素を５０〜２５００００
ｐｐｍ、水蒸気１０％、炭酸ガス１０％、残部窒素から
なる試験ガス中に保持して素子３及び４が８００℃にな
るようにヒータ２，５により加熱した。なお、この時の
ヒータの温度は９００℃であった。その状態で、酸素ポ
ンプ素子３に通電しない場合の酸素濃淡電池素子４に生
ずる起電力（オフセット起電力）ＥOSを各酸素濃度毎に
測定した。結果を図２６に示す。すなわち、オフセット
起電力ＥOSは酸素濃度が１００００ｐｐｍ（１体積％）
未満では急増しているのに対し、１００００ｐｐｍ以
上、特に１０００００ｐｐｍ以上ではほぼ１〜１.５ｍ
Ｖの範囲（大気中で１.２２ｍＶ）で安定化しているこ
とがわかる。

【００７５】次に、上記センサ１を排気管に取り付け、
さらに図８に示す制御部４０に接続するとともに、設定
センサ作動温度８００℃、起電力目標値ＥCを−５〜
８．３ｍＶの各種値として酸素ポンプ素子３を作動さ
せ、ここに酸素１００〜１０００ｐｐｍ、水蒸気１０
％、炭酸ガス１０％、メタン０又は３００ｐｐｍ、残部
窒素からなる試験ガス（温度３００℃）を１２Ｌ／分の
流速で流通して、ポンプ電流Ｉp（センサ出力）を測定
した。結果を、いずれのメタン濃度においても、各起電
力目標値ＥCに対応するセンサ出力の酸素濃度依存性の
形で図２７及び２８に示す。ＥC＝１．２２ｍＶ（大気
中でのＥOSに相当）、−１.８ｍＶ、０ｍＶ、３.７ｍＶ
及び４.２ｍＶ（ＥOS±５ｍＶの範囲内）においては、
センサ出力の酸素濃度依存性は小さくなっているのに対
し、（ＥOS−５）ｍＶ以上（ＥOS＋５）ｍＶ以下の範囲
から外れるＥC＝−５ｍＶ、５．１ｍＶ及び８.３ｍＶで
は、センサ出力の酸素濃度依存性が大きくなっているこ
とがわかる。

【００７６】（実施例４）実施例３と同一の排気ガスセ
ンサ１を排気管に取り付け、ここに酸素１０００ｐｐ
ｍ、炭酸ガス１０％、メタン０〜５００ｐｐｍ、残部窒
素からなる試験ガスを４〜２０Ｌ／分の各種流速で流通
して、ポンプ電流Ｉp（センサ出力）を測定した。結果
を、各流速に対応するセンサ出力のメタン濃度依存性の
形で図２９に示す。すなわち、上記本発明のセンサ１は
メタン濃度に対して直線的な出力を示し、ガス流速の影
響も小さいことがわかる。

【００７７】（実施例５）実施例３と同一の排気ガスセ
ンサ１を排気管に取り付け、ここに酸素１００〜１００
０ｐｐｍ、炭酸ガス１０％、メタン０〜５００ｐｐｍ、
残部窒素からなる試験ガスを１２Ｌ／分の流速で流通し
て、ポンプ電流Ｉp（センサ出力）を測定した。結果
を、各酸素濃度に対応するセンサ出力の、メタン濃度依
存性の形で図３０に示す。すなわち、上記本発明のセン
サ１はメタン濃度に対して直線的な出力を示し、酸素濃
度の影響も小さいことがわかる。

【００７８】（実施例６）実施例３と同一の排気ガスセ
ンサ１を排気管に取り付け、ここに酸素１０００ｐｐ
ｍ、炭酸ガス１０％、メタン０〜５００ｐｐｍ、水蒸気
０又は１０％、残部窒素からなる試験ガスを１２Ｌ／分
の流速で流通して、ポンプ電流Ｉp（センサ出力）を測
定した。結果を、各水蒸気量に対応するセンサ出力の、
メタン濃度依存性の形で図３１に示す。すなわち、上記
本発明のセンサ１はメタン濃度に対して直線的な出力を
示し、またガスを１０％加湿してもその影響は小さいこ
とがわかる。

【００７９】（実施例７）実施例３と同一の排気ガスセ
ンサ１を排気管に取り付け、ここに酸素１０００ｐｐ
ｍ、炭酸ガス１０％、メタン０〜５００ｐｐｍ、水蒸気
０又は１０％、残部主に窒素からなり、さらに一酸化窒
素（２７０ｐｐｍ）、一酸化炭素（２７０ｐｐｍ）、プ
ロピレン（２７０ｐｐｍＣ（ｐｐｍＣは炭素換算濃度を
示す））のいずれかを妨害ガスとして混在させた試験ガ
スを１２Ｌ／分の流速で流通して、ポンプ電流Ｉp（セ
ンサ出力）を測定した。結果を、各妨害ガス成分毎のセ
ンサ出力のメタン濃度依存性の形で図３２に示す。すな
わち、上記本発明のセンサ１はメタン濃度に対して直線
的な出力を示し、また妨害ガスの影響は小く、メタンに
対して優れた選択性を示していることがわかる。

【００８０】（実施例８）図３３に示すように、排気量
１５００ｃｃの直列４気筒ガソリンエンジンの排気管に
対し、空燃比制御用の全領域酸素センサ、三元触媒コン
バータ、メタン導入用マスフローコントローラ、排気ガ
ス分析計、実施例３と同一の排気ガスセンサ１及びサイ
レンサを、上流側からこの順序で取り付けた。また、三
元触媒コンバータ中の触媒は、公知の三元触媒の新品市
販品と、ある程度使用して劣化した状態を想定するため
に、大気雰囲気中で８００℃で５０時間熱処理したもの
との２種類を使用した。そして、各触媒を使用して、表
１に示す２種類の条件でエンジンを作動させ、マスフロ
ーコントローラでメタンを添加しつつ、これを含めた排
気ガス中の炭化水素の濃度を排気ガス分析計で分析しな
がら、センサ１のポンプ電流（センサ出力）を測定し
た。

【００８１】まず、両運転条件における各触媒の全ＨＣ
（ＴＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、一酸化窒素（ＮＯ）
に対する浄化率を測定した結果を表２に示している。こ
のように、表１の走行条件において、熱処理した触媒
は炭化水素の浄化能力が劣化していることがわかる。ま
た、触媒が劣化すると、セリア（ＣｅＯ₂）等の酸素貯
蔵能力も低下し、排気ガス中の酸素濃度は増大する。し
かしながら、図３４に示すセンサ出力の測定結果からも
わかるように、出力の炭化水素濃度依存性は、触媒劣化
の影響（あるいは走行条件）をあまり受けておらず、良
好な直線性を示していることがわかる。

【００８２】

【表１】

【００８３】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ガスセンサの一実施例の要部を示
す分解斜視図。

【図２】その詳細な構造を示す説明図。

【図３】その組立構造の一例を示す説明図。

【図４】その組立方法の工程説明図。

【図５】図４に続く説明図。

【図６】上記センサの作動説明図。

【図７】センサの制御回路の一例を示すブロック図。

【図８】同じく別の例を示すブロック図。

【図９】図８の制御回路によるセンサの作動制御の流れ
を示すフローチャート。

【図１０】電極構成のいくつかの変形例を示す模式図。

【図１１】コーティングにより触媒不活性な電極を作成
する方法の説明図。

【図１２】酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子との間に
ガス保持部材を介挿した例を示す模式図。

【図１３】本発明の排気ガスセンサのいくつかの適用例
を示す模式図。

【図１４】本発明の排気ガスセンサを用いた複合センサ
の第一の例を示す説明図。

【図１５】同じく第二の例を示す説明図。

【図１６】同じく第三の例を示す説明図。

【図１７】実施例１で使用した実験装置を示す模式図。

【図１８】実施例１における、Ｐｄ多孔質電極とＡｕ多
孔質電極とのメタンの転換率ηの温度依存性を示すグラ
フ、及びそれら電極を用いた排気ガスセンサの出力の温
度依存性を示すグラフ。

【図１９】実施例１の排気ガスセンサの出力のメタン濃
度依存性を示すグラフ。

【図２０】その酸素濃淡電池素子の起電力のメタン濃度
依存性を、各種電極の組合せ毎に示すグラフ。

【図２１】実施例１の排気ガスセンサの出力に及ぼす妨
害ガスの影響を示すグラフ。

【図２２】実施例１の排気ガスセンサの出力に及ぼす酸
素濃度の影響を示すグラフ。

【図２３】実施例２の排気ガスセンサの出力のメタン濃
度依存性を示すグラフ。

【図２４】実施例２の排気ガスセンサの出力に及ぼす酸
素濃度の影響を示すグラフ。

【図２５】実施例２の変形例の排気ガスセンサにおけ
る、出力のメタン濃度依存性を示すグラフ。

【図２６】実施例３の排気ガスセンサにおける、酸素濃
淡電池素子のオフセット起電力の酸素濃度依存性を示す
グラフ。

【図２７】実施例３の排気ガスセンサにおいて、起電力
目標値を各種値に設定したときのセンサ出力の酸素濃度
依存性を示すグラフ（メタン濃度０ｐｐｍ）。

【図２８】実施例３の排気ガスセンサにおいて、起電力
目標値を各種値に設定したときのセンサ出力の酸素濃度
依存性を示すグラフ（メタン濃度３００ｐｐｍ）。

【図２９】実施例４の実験結果を示すグラフ。

【図３０】実施例５の実験結果を示すグラフ。

【図３１】実施例６の実験結果を示すグラフ。

【図３２】実施例７の実験結果を示すグラフ。

【図３３】実施例８の実験に用いた装置の構成を示す模
式図。

【図３４】その実験結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１ 排気ガスセンサ ２ 第一のヒータ（加熱素子） ３ 酸素ポンプ素子 ４ 酸素濃淡電池素子 ５ 第二のヒータ（加熱素子、隙間形成部材） １１ 第一電極 １２ 第二電極 １３ 第三電極 １５ 隙間 １６ 隙間（反対空間） ２０ 非反転増幅器（ポンプ素子電圧調整手段、起電力
検出手段） ２３ 反転増幅器（出力手段） ４１ ＣＰＵ（ポンプ素子電圧調整手段、起電力検出手
段） ６０ ガス保持部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北野谷 昇治 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 大島 崇文 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 日比野 高士 愛知県瀬戸市北脇町206番地の２

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気ガス中に含まれる被検出成分の検出
   を行うためのガスセンサであって、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成され、その両面
   に酸素透過性を有する電極が形成された酸素濃淡電池素
   子と、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に酸
   素透過性を有する電極が形成され、かつ前記酸素濃淡電
   池素子との間に排気ガスの流通が許容された所定量の隙
   間が形成されるように、該酸素濃淡電池素子に対向配置
   されるとともに、該酸素濃淡電池素子に生ずる濃淡電池
   起電力の絶対値が減少する方向に、前記隙間に酸素を汲
   み込み又は該隙間から酸素を汲み出す酸素ポンプ素子
   と、 前記酸素ポンプ素子と前記酸素濃淡電池素子との少なく
   とも一方を、予め定められたセンサ作動温度に加熱する
   加熱素子とを備え、 前記隙間と、前記酸素濃淡電池素子を挟んでこれと反対
   側の空間（以下、反対空間という）とに、それぞれ被検
   出成分と酸素とを含有する排気ガスが導入され、 また、前記酸素ポンプ素子の前記隙間側の電極を第一電
   極、前記酸素濃淡電池素子の前記隙間側の電極を第二電
   極、前記酸素濃淡電池素子の前記反対空間側の電極を第
   三電極として、前記隙間と前記反対空間とに導入された
   前記排気ガス中の前記被検出成分が、少なくともそれら
   隙間と前記反対空間との一方において、前記第一〜第三
   電極の少なくともいずれかを酸化触媒として前記排気ガ
   ス中の酸素と反応することにより消費されるとともに、
   前記隙間と前記反対空間との間で酸素との反応による前
   記被検出成分の消費量に差が生じるように、それら第一
   〜第三電極の酸化触媒活性が調整されており、 前記酸素濃淡電池素子の前記濃淡電池起電力の絶対値
   が、１０ｍＶ以下に設定された起電力目標値ＥCに到達
   したときの前記酸素ポンプ素子に流れる電流値を、前記
   排気ガス中の前記被検出成分の濃度を反映した情報とし
   て取り出すようにしたことを特徴とする排気ガスセン
   サ。
2. 【請求項２】 排気ガス中に含まれる被検出成分の検出
   を行うためのガスセンサであって、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成され、その両面
   に酸素透過性を有する電極が形成された酸素濃淡電池素
   子と、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に酸
   素透過性を有する電極が形成され、かつ前記酸素濃淡電
   池素子との間に排気ガスの流通が許容された所定量の隙
   間が形成されるように、該酸素濃淡電池素子に対向配置
   されるとともに、該酸素濃淡電池素子に生ずる濃淡電池
   起電力の絶対値が減少する方向に、前記隙間に酸素を汲
   み込み又は該隙間から酸素を汲み出す酸素ポンプ素子
   と、 前記酸素ポンプ素子と前記酸素濃淡電池素子との少なく
   とも一方を、予め定められたセンサ作動温度に加熱する
   加熱素子とを備え、 前記隙間と、前記酸素濃淡電池素子を挟んでこれと反対
   側の空間（以下、反対空間という）とに、それぞれ被検
   出成分と酸素とを含有する排気ガスが導入され、 また、前記酸素ポンプ素子の前記隙間側の電極を第一電
   極、前記酸素濃淡電池素子の前記隙間側の電極を第二電
   極、前記酸素濃淡電池素子の前記反対空間側の電極を第
   三電極として、前記隙間と前記反対空間とに導入された
   前記排気ガス中の前記被検出成分が、少なくともそれら
   隙間と前記反対空間との一方において、前記第一〜第三
   電極の少なくともいずれかを酸化触媒として前記排気ガ
   ス中の酸素と反応することにより消費されるとともに、
   前記隙間と前記反対空間との間で酸素との反応による前
   記被検出成分の消費量に差が生じるように、それら第一
   〜第三電極の酸化触媒活性が調整されており、さらに、 酸素を１体積％以上含有し、かつ前記センサ作動温度に
   おいて酸素と反応する成分を実質的に含有しない試験ガ
   スを前記隙間及び反対空間に導入したときの、前記酸素
   濃淡電池素子に生ずるオフセット起電力の絶対値をＥOS
   （単位：ｍＶ）とし、これに対応して起電力目標値ＥC
   が（ＥOS−５）ｍＶ以上（ＥOS＋５）ｍＶ以下の範囲内
   で設定され、 前記酸素濃淡電池素子の前記濃淡電池起電力の絶対値が
   前記起電力目標値ＥCに到達したときの前記酸素ポンプ
   素子に流れる電流値を、前記排気ガス中の前記被検出成
   分の濃度を反映した情報として取り出すようにしたこと
   を特徴とする排気ガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記酸素濃淡電池素子の両面に形成され
   た前記第二及び第三電極は、前記被検出成分に対する酸
   化触媒活性が互いに異なるものとされている請求項１又
   は２に記載の排気ガスセンサ。
4. 【請求項４】 前記第二電極は、前記酸化触媒活性が前
   記第三電極よりも大きいものとされ、 前記酸素ポンプ素子は、前記酸素濃淡電池素子に生ずる
   濃淡電池起電力の絶対値が減少するように、前記隙間に
   酸素を汲み込むものとされる請求項３記載の排気ガスセ
   ンサ。
5. 【請求項５】 前記第一電極及び第二電極は、前記酸化
   触媒活性が前記第三電極よりも大きくされている請求項
   ４記載の排気ガスセンサ。
6. 【請求項６】 前記第二電極と前記第三電極とは、 直径１２mm×厚さ１mmの前記酸素イオン伝導性固体電解
   質の円板上に、前記第二電極ないし第三電極と同一の材
   質及び条件により直径８mmの円板状の多孔質電極を形成
   した試料を、ガスの入口と出口とを有した筒状体内に配
   置するとともにこれを前記センサ作動温度に加熱し、そ
   の状態で該筒状体に対し、酸素３００ｐｐｍと被検出成
   分３５０ｐｐｍと水蒸気３％とを含有し、残部がＡｒか
   らなる試験ガスを前記入口から流速１００ｍｌ／分で導
   入して、これを前記出口から排出させたときの、排出後
   の前記試験ガス中の被検出成分濃度をＣｓ（単位：ｐｐ
   ｍ）として、 η＝｛（３５０−Ｃｓ）／３５０｝×１００（単位：
   ％） により定義される被検出成分転換率ηの差が、２０％以
   上となるものが使用される請求項３ないし５のいずれか
   に記載の排気ガスセンサ。
7. 【請求項７】 前記第一電極及び前記第二電極の少なく
   とも一方が、主にＰｔ、Ｐｄ及びＲｈのいずれかを主体
   とする金属又は、Ｐｔ−Ｐｄ系合金、Ｐｔ−Ｒｈ系合
   金、Ｒｈ−Ｐｄ系合金、Ｐｄ−Ａｇ系合金のいずれかに
   より構成され、前記第三電極がＡｕ、Ｎｉ及びＡｇのい
   ずれかを主体とする金属又は、Ｐｔ−Ａｕ系合金、Ｐｔ
   −Ｎｉ系合金、Ｐｔ−Ａｇ系合金，Ａｇ−Ｐｄ系合金、
   Ａｕ−Ｐｄ系合金のいずれかにより構成されている請求
   項４ないし６のいずれかに記載の排気ガスセンサ。
8. 【請求項８】 前記第一電極及び第二電極の少なくとも
   一方がＰｄ−Ａｇ系合金により構成され、前記第三電極
   がＡｕ又はＡｕを主体とする合金により構成されている
   請求項４ないし７のいずれかに記載の排気ガスセンサ。
9. 【請求項９】 前記酸素濃淡電池素子と前記酸素ポンプ
   素子との間に形成される前記隙間の大きさが１mm以下と
   されている請求項１ないし８のいずれかに記載の排気ガ
   スセンサ。
10. 【請求項１０】 前記酸素ポンプ素子と前記酸素濃淡電
    池素子との間に形成される前記隙間には、金属メッシュ
    又は多孔質金属で構成されたガス保持部材が介挿され、
    そのガス保持部材の空隙に前記排気ガスが保持されるよ
    うにした請求項１ないし９のいずれかに記載の排気ガス
    センサ。
11. 【請求項１１】 前記被検出成分はメタンである請求項
    １ないし１０のいずれかに記載の排気ガスセンサ。
12. 【請求項１２】 前記酸素濃淡電池素子の前記第三電極
    の形成された側に、該酸素濃淡電池素子との間に所定の
    隙間を形成する隙間形成部材が配置された請求項１ない
    し１１のいずれかに記載の排気ガスセンサ。
13. 【請求項１３】 前記隙間形成部材は、前記酸素濃淡電
    池素子を前記センサ作動温度に加熱するための板状の加
    熱素子とされている請求項１２記載の排気ガスセンサ。
14. 【請求項１４】 請求項１ないし１３のいずれかに記載
    の排気ガスセンサと、 前記酸素濃淡電池素子に発生する濃淡電池起電力を検出
    する起電力検出手段と、 その検出された濃淡電池起電力の絶対値が減少する方向
    において、該酸素ポンプ素子と前記酸素濃淡電池素子と
    の間の前記隙間に酸素を汲み込み、又は該隙間から酸素
    が汲み出されるように、前記酸素ポンプ素子に印加され
    る電圧を調整するポンプ素子電圧調整手段と、 前記濃淡電池起電力の絶対値が前記起電力目標値ＥCに
    到達したときの、前記酸素ポンプ素子を流れる電流値又
    は該電流値を反映した情報を、前記被検出成分の濃度を
    反映した情報として出力する出力手段と、 を備えたことを特徴とする排気ガスセンサシステム。