JPH10253585A

JPH10253585A - ガスセンサ

Info

Publication number: JPH10253585A
Application number: JP9074481A
Authority: JP
Inventors: Senta Toujiyou; 千太東條; Makoto Saito; 誠斉藤; Keigo Mizutani; 圭吾水谷
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1998-09-25
Anticipated expiration: 2017-03-10
Also published as: JP3607453B2

Abstract

(57)【要約】【課題】センサ出力に対する酸素ガス濃度の悪影響を
排除でき，感度の高いガスセンサを提供すること。【解決手段】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を導くサンプルガス導入
路１２６と，上記サンプルガス室１００内に面した一対
の電極からなる第一酸素ポンプセル２１，第二酸素ポン
プセル３１，検出セル３，５１とからなる。上記サンプ
ルガス室１００内に面した上記第一酸素ポンプセル２１
の電極２１８と，上記第二酸素ポンプセル３１の電極３
１９とは，上記サンプルガス室１００の対向する面にそ
れぞれ設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，サンプルガス中に混在している
特定の検出ガス濃度，例えば内燃機関の排ガス中に存在
するＮＯｘガス濃度等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４，図５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センサについて以下に説明す
る。上記ＮＯｘセンサは，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（この場合は内燃機関よ
り排出された排ガス）を導くサンプルガス導入路と，上
記サンプルガス室内に面した上記固体電解質体の１つの
面及びその反対側の面に設けられた一対の電極よりなる
検出セルとを有する。なお，上記サンプルガス室内に面
する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
検出セルがＮＯｘ中の酸素原子を還元反応によりイオン
化し，酸素イオンとなす。このイオン化した酸素が上記
固体電解質体を流通することにより，該固体電解質体に
イオン電流が発生する。上記イオン電流の大きさはＮＯ
ｘガス量と比例することから，該イオン電流の値を測定
することにより，ＮＯｘガス濃度を検出することができ
る。

【０００５】しかしながら，上記サンプルガス（この場
合は排ガス）は，通常は酸素ガスも含有している。この
ため，上記検出セルはＮＯｘ中の酸素原子と共に，酸素
中の酸素原子をもイオン化してしまう。即ち，上記イオ
ン電流はＮＯｘガス由来の酸素イオンと，酸素ガス由来
の酸素イオンとが合算されたものである。従って，上記
構造のＮＯｘセンサにおいては正しくＮＯｘガス濃度に
比例した検出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
案されている（特開平８−２９３８７号）。

【０００７】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つの面及びその反対側の
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，上記酸素ポンプセル近傍
の酸素ガスは酸素イオンとなって固体電解質体中を移動
する。これにより，上記サンプルガス中の酸素ガスをサ
ンプルガス室の外部に排出することができる。なお，上
記サンプルガス室に面する上記酸素ポンプセルの電極
は，上記ＮＯｘ中の酸素原子を酸素イオンに還元しない
不活性電極である。

【０００８】

【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がある。即ち，上記サン
プルガス室において上記酸素ポンプセル近傍の酸素ガス
は容易に除去することができるが，該酸素ポンプセルと
離れた部分の酸素ガスの除去は困難である。特に，後述
の図６（ａ）に示すごとく，上記酸素ポンプセルを設け
た面の対向面近傍の酸素ガスの除去は困難である。

【０００９】また，上記ＮＯｘセンサにおいてサンプル
ガス中の酸素ガスは酸素ポンプセルにより除去される
が，該酸素ガスがＮＯｘガス検出に障らないほどに除去
されたかどうかは不明である。このため，ＮＯｘセンサ
の出力が，真実サンプルガス中のＮＯｘガス濃度に比例
しているのかどうかということが不明である。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】この問題に対する解決手段としては，例え
ば，ＳＡＥ９６０３３４公報にかかるＮＯｘセンサに示
すごとく，サンプルガス室内の酸素ガス濃度を監視・制
御するための酸素濃淡電池式の酸素センサセルを上記固
体電解質体に設けることが知られている。上記酸素濃淡
電池式の酸素センサセル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室に面するよう設けてある。な
お，上記大気室には大気中の空気が導入されている。

【００１１】しかしながら，上記酸素センサセルを設け
たＮＯｘセンサについても以下に示す問題が生じるおそ
れがある。つまり，酸素センサセルを設けることによ
り，酸素ポンプセルの大きさが制限され，その電極面積
が縮小してしまう。上記酸素ポンプセルの酸素排出量は
電極面積に比例するため，酸素ポンプセルの酸素排出量
が減少してしまう。この場合，サンプルガス中への酸素
ガス残留を防止するために，上記サンプルガス室へのサ
ンプルガス導入量を減じなくてはならない。

【００１２】しかし，サンプルガス導入量を減じた場合
には，上記ＮＯｘセンサの検出セルにおいて検出される
イオン電流はＮＯｘの単位濃度あたり略２〜６μＡ／１
０００ｐｐｍとなってしまう。即ち，上記酸素センサセ
ルを設けることにより感度の低いＮＯｘセンサしか得る
ことができなくなるおそれがあった。また，上記酸素セ
ンサセルを設けるためには，サンプルガス室とは別に大
気室を必要とするため，ＮＯｘセンサの構造が複雑にな
るおそれがあった。

【００１３】以上は，ＮＯｘガスを検出するＮＯｘセン
サについて述べたが，これと同様の問題は，ＳＯｘガス
濃度を検出するＳＯｘセンサ，Ｈ₂Ｏガス濃度を検出す
るＨ₂Ｏセンサ，ＣＯ₂を検出するＣＯ₂センサ等，検
出セルにおいて検出ガスを還元することにより得られた
酸素イオンが該検出セルを設けた固体電解質体を流通す
る際のイオン電流を元に検出ガス濃度を検出する構造の
ガスセンサにおいて共通に発生する。

【００１４】本発明は，かかる問題点に鑑み，センサ出
力に対する酸素ガス濃度の悪影響を排除でき，感度の高
いガスセンサを提供しようとするものである。

【００１５】

【課題の解決手段】請求項１の発明は，一部が酸素イオ
ン導電性の第一，第二及び第三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
プルガスを導くサンプルガス導入路と，上記サンプルガ
ス室内に面した上記第一固体電解質体の１つの面及びそ
の反対側の面に設けられた一対の電極からなる第一酸素
ポンプセルと，上記サンプルガス室内に面した上記第二
固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられ
た一対の電極からなる第二酸素ポンプセルと，上記サン
プルガス室内に面した上記第三固体電解質体の１つの面
及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなり，
かつ上記サンプルガス室中の検出ガス濃度を検出するた
めの検出セルとからなるガスセンサであって，上記サン
プルガス室内に面した上記第一酸素ポンプセルの電極
と，上記第二酸素ポンプセルの電極とは，上記サンプル
ガス室の対向する面にそれぞれ設けられていることを特
徴とするガスセンサにある。

【００１６】本発明の作用につき，以下に説明する。本
発明のガスセンサにおいては，上記サンプルガス室内に
面した上記第一酸素ポンプセルの電極と上記第二酸素ポ
ンプセルの電極とは上記サンプルガス室の対向する面に
それぞれ設けられている。

【００１７】このため，後述の図６（ａ），（ｂ）に示
すごとく，従来技術ではサンプルガス室の片面側の酸素
ガスしか除去することができなかったが，本発明によれ
ば，サンプルガス室の両側より酸素ガスを排出すること
ができる。従って，酸素排出量が大幅に向上し，より多
くのサンプルガスをサンプルガス室に取り入れることが
可能となる。よって，ガスセンサの感度も向上する。

【００１８】以上のように，本発明によれば，センサ出
力に対する酸素ガス濃度の悪影響を排除でき，かつ検出
ガスに対する感度が高いガスセンサを提供することがで
きる。

【００１９】なお，上記固体電解質体としては，特に上
記ガスセンサがＮＯｘガス濃度を検出するＮＯｘセンサ
である場合には，安定化ジルコニアを用いることができ
る。さらに，上記第一酸素ポンプセル及び上記第二酸素
ポンプセルにおいて，サンプルガス室内に面するよう設
けた電極としては，ＮＯｘガスを酸素イオンに還元しな
いＰｔ−Ａｕ合金よりなる不活性電極を用いることがで
きる。また，上記検出セルにおいて，サンプルガス室内
に面するよう設けた電極としては，ＮＯｘガスを酸素イ
オンに還元するＰｔよりなる活性電極を用いることがで
きる。

【００２０】また，上記検出セルを設ける第三固体電解
質体は，上記第一固体電解質体または第二固体電解質体
と一体品とすることもできる。または，これらとは別体
とすることもできる。

【００２１】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，ＳＯｘガス濃度を検出するＳＯ
ｘセンサ，Ｈ₂Ｏガス濃度を検出するＨ₂Ｏセンサ，Ｃ
Ｏ₂を検出するＣＯ₂センサ等を挙げることができる。

【００２２】次に，請求項２の発明のように，上記第一
酸素ポンプセルの電極と上記第二酸素ポンプセルの電極
とは，上記サンプルガス室の対向する面において少なく
ともその一部が重なり合う位置関係にあることが好まし
い。これにより，上記サンプルガス導入路から上記検出
セルまでのサンプルガスの拡散距離を短縮でき，ガスセ
ンサの感度を高めることができる（図７参照）。

【００２３】次に，請求項３の発明のように，上記第一
酸素ポンプセルの電極と上記第二酸素ポンプセルの電極
とは電気的に並列接続されていることが好ましい。これ
により，上記第一及び第二酸素ポンプセルを駆動させる
場合の端子の数を，１個の酸素ポンプセルを駆動させる
場合と同じく２個で構成することができる。よって，ガ
スセンサの部品点数を減じ，アセンブリを容易とするこ
とができる。さらに，上記第一及び第二酸素ポンプセル
の制御を同時に行うことができる。

【００２４】次に，請求項４の発明のように，上記第一
酸素ポンプセル及び上記第二酸素ポンプセルと上記検出
セルとの間には，上記サンプルガス室内に面した第四固
体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた
一対の電極からなる酸素センサセルを設けてなり，かつ
該酸素センサセルからの信号により上記サンプルガス室
内の酸素ガス濃度が一定となるように制御することが好
ましい。

【００２５】これにより，上記サンプルガス室内の酸素
ガス濃度をほぼ一定値に維持することができ，酸素ガス
濃度がガスセンサの出力に与える影響を常に一定とする
ことができる。よって，酸素ガスの濃度に依存しない，
精度の高いガスセンサを提供することができる。なお，
上記第四固体電解質体としては，上記第一〜第三固体電
解質体のいずれかと一体品とすることができる。また
は，別体とすることができる。

【００２６】また，上記酸素センサセルからの信号は，
上記酸素センサセルを構成する電極間の電圧値であるこ
とが好ましい。これにより，上記酸素センサセルからの
信号を受けて上記酸素ポンプセルの動作を制御するため
の回路を簡易な構成とすることができ，ガスセンサの制
御性が向上する。

【００２７】また，上記酸素センサセルからの信号は，
上記酸素センサセルに一定電圧を加えた場合の限界電流
値であることが好ましい。ところで限界電流式の酸素セ
ンサセルにおいては電極間に電圧を印加し，この電圧に
抗して流れるイオン電流の値を利用して酸素ガス濃度を
測定する。従って，上記限界電流式の酸素センサセルに
は酸素ガスをサンプルガス室外に排出する酸素ポンプ作
用がある。よって，このような酸素センサセルを設けた
ガスセンサにおいては，より多くの酸素ガスをガスセン
サ外に排出することができる。よって，より多量のサン
プルガスをサンプルガス室内に導入することができる。
よって，より感度の高いガスセンサを得ることができ
る。

【００２８】また，上記ガスセンサにおいては，サンプ
ルガス室内の酸素ガス濃度は上記酸素センサセルにより
常に一定となるようフィードバック制御されている。こ
のためサンプルガス中の酸素ガス濃度は目標値に対して
ある程度の振幅を持った値となる（図１１参照）。この
ような状態にあるサンプルガスに対し，更に，酸素セン
サセルによって酸素ガスが排出されることとなる。よっ
て，後述の図１１に示すごとく，サンプルガス中の酸素
ガス濃度の振幅はさらに減少し（Ｗ１よりＷ２とな
る），より目標値に近い値となる。

【００２９】以上のように，限界電流式の酸素センサセ
ルを有するガスセンサにおいては，酸素ガス濃度がガス
センサの出力に与える影響が高い精度で常に一定とな
る。よって，酸素ガス濃度の影響は容易かつ精密にキャ
ンセルすることができる。従って，サンプルガス中の酸
素ガス濃度に依存しない優れた精度を有するガスセンサ
を提供することができる。さらに，限界電流式の酸素セ
ンサセルについては，ガスセンサの内部と大気雰囲気と
を通気させる必要がないことから，より構成がシンプル
なガスセンサを得ることができる。

【００３０】次に，請求項５の発明のように，上記検出
セルは少なくとも２個設けられ，これら検出セルの電極
の中で少なくとも２個の電極は上記サンプルガス室内に
おいて相対向する位置に設けられていることが好まし
い。これにより，１個の検出セルにより検出ガスを検出
する場合に検出できなかったサンプルガス室における対
向面近傍の検出ガスを，もう一方の検出セルにより容易
に検出することができる。従って，検出能力が向上し，
ガスセンサの感度を高めることができる。

【００３１】次に，請求項６の発明のように，上記検出
セルの電極の中で少なくとも２個の電極は電気的に並列
接続されていることが好ましい。これにより，上記第一
及び第二検出セルの端子の数を，１個の検出セルを設け
た場合と同じ２個で構成することができる。よって，ガ
スセンサの部品点数を減じ，アセンブリを容易とするこ
とができる。さらに，上記第一及び第二検出セルの限界
電流値の和を容易に得ることができる。

【００３２】

【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，本例のガスセンサにおい
て，サンプルガスは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，上記ガスセンサは，図４，図５に示す
ごとく，内燃機関の排気経路中に配置されている。

【００３３】図１〜図３に示すごとく，本例にかかるガ
スセンサは，一部が酸素イオン導電性の第一，第二固体
電解質体１２，１３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
を導くサンプルガス導入路１２１とを有する。

【００３４】また，上記サンプルガス室１００内に面し
た上記第一固体電解質体１２の１つの面及びその反対面
１２９に設けられた一対の電極２１８，２１９からなる
第一酸素ポンプセル２１と，上記サンプルガス室１００
内に面した上記第二固体電解質体１３の１つの面及びそ
の反対面１３９に設けられた一対の電極３１８，３１９
からなる第二酸素ポンプセル３１とを有する。

【００３５】なお，上記第一及び第二酸素ポンプセル２
１，３１は，上記サンプルガス室１００内の酸素ガス８
９を外部に排出するために設けてある。また，上記サン
プルガス導入路１２１はピンホールより構成されてい
る。

【００３６】また，図１〜図３に示すごとく，本例のガ
スセンサ１は，上記サンプルガス室１００内に面した上
記第一固体電解質体１２の１つの面及びその反対面１２
９に設けられた一対の電極３８，３９からなる第一検出
セル３と，上記サンプルガス室１００内に面した上記第
二固体電解質体１３の一つの面及びその反対面１３９に
設けられた一対の電極３３８，３３９からなる第二検出
セル５１とを有する。なお，上記第一検出セル３及び第
二検出セル５１は，上記サンプルガス室１００内の検出
ガス濃度を検出するために設けてある。

【００３７】また，上記上記第一及び第二酸素ポンプセ
ル２１，３１の電極２１８，３１８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る。一方，上記
第一検出セル３及び第二検出セル５１の電極３８，３
９，３３８，３３９と，上記反対面１２９，１３９に設
けられた上記上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３
１の電極２１９，３１９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。

【００３８】更に，上記上記第一及び第二酸素ポンプセ
ル２１，３１は上記サンプルガス室１００内において相
対向する位置に設けられ，これらに接続された回路２４
５は電源２４６に対し，電気的に並列接続されている。
そして，電源２４６により常に一定の電圧（例えば０．
８Ｖ）が上記電極２１８−電極２１９間及び上記電極３
１８−電極３１９間に印加されており，上記サンプルガ
ス室１００内の酸素ガス濃度を略０（例えば０．０１ｐ
ｐｍ以下）に維持するよう構成されている。

【００３９】次に，上記ガスセンサ１につき詳細に説明
する。図１に示すごとく，上記ガスセンサ１は２枚の第
一及び第二固体電解質体１２，１３と，アルミナ基板１
２５，１３５と，アルミナヒータ基板１４１及びアルミ
ナ保護基板１４２とにより構成された積層型のガスセン
サ１である。

【００４０】図１に示すごとく，上記第一固体電解質体
１２と上記アルミナ基板１２５とによりサンプルガス室
１００が，また上記第二固体電解質体１３と上記アルミ
ナ基板１３５とにより開放室１５０が構成されている。
ここに開放室１５０とは，上記第二酸素ポンプセル３１
及び上記第二検出セル５１により排出される酸素ガス８
９が開放される空間である。ここに開放された酸素ガス
８９は，小穴１４６を通過しガスセンサ１外部に拡散排
気される。

【００４１】図１に示すごとく，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。

【００４２】図３に示すごとく，上記第一固体電解質体
１２には第一酸素ポンプセル２１及び第一検出セル３を
構成する電極２１８，２１９，３８，３９が設けてあ
る。また，上記電極２１８，２１９，３８，３９に回路
２４５，３５を接続するための端子部２６７，２６８，
２６９が設けてある。更に，上記電極２１８，２１９，
３８，３９と上記端子部２６８，２６９とを導通させる
ためにリード部２５８，２５９が設けてある。なお，上
記端子部２６８と２６７との間は第一固体電解質体１２
を貫通するスルーホール２６６により導通がとられてい
る。

【００４３】同様に，図３に示すごとく，上記第二固体
電解質体１３には第二酸素ポンプセル３１及び第二検出
セル５１を構成する電極３１８，３１９，３３８，３３
９が設けてある。また，上記電極３１８，３１９，３３
８，３３９に回路２４５，３５を接続するための端子部
３６８，３６９が設けてある。更に，上記電極３１８，
３１９，３３８，３３９と上記端子部３６８，３６９と
を導通させるためのリード部３５８，３５９が設けてあ
る。

【００４４】なお，上記端子部３６８と２６７との間は
第一固体電解質体１２，アルミナ基板１２５を貫通する
スルーホール２６６により導通がとられており，上記端
子部３６９と２６９との間は第一固体電解質体１２，ア
ルミナ基板１２５及び第二固体電解質体１３を貫通する
スルーホール２６６により導通がとられている。

【００４５】図１，図３に示すごとく，上記スルーホー
ル２６６は，上記電源２４６，３６に対し上記第一酸素
ポンプセル２１，第二酸素ポンプセル３１，上記第一検
出セル３及び第二検出セル５１とを電気的に並列接続す
る役目をも担っている。また，上記第一固体電解質体１
２には３つのピンホール状のサンプルガス導入路１２１
が電極２１８，２１９を貫通して設けてある。

【００４６】図３に示すごとく，上記アルミナ基板１２
５にはサンプルガス室１００を形成するための窓部１２
６が，上記アルミナ基板１３５には開放室１５０を形成
するための窓部１３６が設けてある。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，上記開放室１５０から酸素ガス８
９を排出するための小穴１４６がそれぞれ設けてある。

【００４７】また，図３に示すごとく，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１
４６と干渉しないように設けてある。上記ヒータ部１４
０は，アルミナヒータ基板１４１の反対面に設けた端子
部１４７と導通したリード部１４９を設けてある。な
お，上記端子部１４７とリード部１４９との導通は，ア
ルミナヒータ基板１４１に設けたスルーホール１４６に
よりとられている。

【００４８】図１に示すごとく，上記上記第一及び第二
酸素ポンプセル２１，３１において，上記電極２１８，
３１８及び２１９，３１９との間には，電源２４６，電
圧計Ｖ１を介して回路２４５が形成されている。上記電
圧計Ｖ１は，電極２１８−電極２１９間及び電極３１８
−電極３１９間の電圧を検出するためのものである。ま
た，上記第一検出セル３及び第二検出セル５１におい
て，上記電極３８，３３８及び３９，３３９との間に
は，電源３６，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，電極３８−電極３９間及び
電極３３８−電極３３９間に流れる限界電流の和を検出
するものである。

【００４９】上記第一及び第二固体電解質体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１４１，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。

【００５０】また，上記サンプルガス室１００内に面す
る上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の電極２
１８，３１８はＰｔ−Ａｕ合金からなり，該合金におい
てＡｕの含有量は１重量％である。一方，上記第一及び
第二検出セル３，５１の電極３８，３９，３１８，３３
９と，上記反対面１２９，１３９に設けられた上記上記
第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の電極２１９，
３１９はＰｔからなる。さらに，上記ヒータ部１４０
は，Ｐｔからなる。

【００５１】また，上記上記第一及び第二酸素ポンプセ
ル２１，３１の電極２１８，２１９，３１８，３１９の
面積は，それぞれ略７０ｍｍ²である。上記第一検出セ
ル３及び第二検出セル５１の電極３８，３９，３３８，
３３９の面積は，それぞれ略１２ｍｍ²である。

【００５２】次に，上記ガスセンサ１の組立及び製造に
つき説明する。まず，焼成後には第一及び第二固体電解
質体１２，１３，アルミナ基板１２５，１３５，アルミ
ナヒータ基板１４１及びアルミナ保護基板１４２となる
グリーンシートを作成する。それぞれのグリーンシート
の形状は，図３に示す焼成後の形状とほぼ同じである。

【００５３】次いで，焼成後には第一固体電解質体１２
となるグリーンシートに対し，電極２１８，２１９，３
８，３９，リード部２５８，２５９，端子部２６７，２
６８，２６９を印刷形成する。また，焼成後には第二固
体電解質体１３となるグリーンシートに対し，電極３１
８，３１９，３３８，３３９，リード部３５８，３５
９，端子部３６８，３６９を印刷形成する。更に，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，端子部１４
７を印刷形成する。

【００５４】次に，各グリーンシートを図３に示す構成
となるよう積層して積層体となし，該積層体を加圧しな
がら約１５００℃ないし１６００℃で焼成し，一体品と
する。これによりガスセンサ１を得る。

【００５５】次に，ガスセンサ１を自動車の排気経路に
取り付ける方法につき説明する。図４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に組み付
けられ，このガスセンサアッセンブリ４ごと排気経路に
取り付ける。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。

【００５６】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が複数段けてある。

【００５７】そして，図５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，ポルトに
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。

【００５８】上記の構成において，本例のガスセンサ１
及びＡ／Ｆセンサ５２の信号をもとに，上記エンジン５
１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。

【００５９】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において上記サンプルガス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５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５
３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。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，
上記サンプルガス室１００内に拡散する。

【００６０】そして，上記サンプルガス室１００内の酸
素ガス８９は，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，
３１によってセンサ外部に排出される。この時，上記サ
ンプルガス室１００内の酸素ガス濃度は，一定電圧（例
えば０．８Ｖ）がかけられた上記上記第一及び第二酸素
ポンプセル２１，３１によって，略０（例えば０．０１
ｐｐｍ以下）になるまで低減される。

【００６１】このようにして酸素ガス濃度が低い状態に
達したサンプルガス８は，上記第一検出セル３及び第二
検出セル５１の電極３８，３３８のまわりに到達する。
上記第一及び第二検出セル３，５１において，上記サン
プルガス８中の検出ガス，即ちＮＯｘガスは，上記電極
３８，３３８と接触し，還元され，酸素イオンとなる。

【００６２】そして，上記第一検出セル３及び第二検出
セル５１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
間及び電極３３８，３３９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。

【００６３】ここで，図６（ａ）に示すごとく，サンプ
ルガス室１００の一面のみに酸素ポンプセル９０を設け
た場合には，同図における左方の線図に示すごとく，酸
素ポンプセル９０を設けた対向面近傍に酸素ガス８９が
残存する。よって，酸素ガス濃度を略０（例えば０．０
１ｐｐｍ以下）になるまで低減することは困難であっ
た。

【００６４】しかし，図６（ｂ）に示すごとく，サンプ
ルガス室１００の対向する二面に第一酸素ポンプセル２
１，第二酸素ポンプセル３１を設ける方法では，第一酸
素ポンプセル２１によって排出できずに残留した該第一
酸素ポンプセル２１を設けた対向面近傍の酸素ガス８９
を，上記第一酸素ポンプセル２１と相対向する位置に設
けた上記第二酸素ポンプセル３１によって容易に排出す
ることができる。従って，本例にかかるガスセンサ１に
おけるサンプルガス室１００の酸素ガス８９は略０（例
えば０．０１ｐｐｍ以下）となるまで低減することがで
きる。

【００６５】また，上述においても明らかであるが，本
例にかかるガスセンサ１におけるサンプルガス室１００
からの酸素排出能力は大幅に向上している。よって，よ
り多くのサンプルガス８を取り入れることが可能とな
り，ＮＯｘガスに対する感度も向上する。

【００６６】単に酸素排出能力を高めるためには，図７
（ａ）に示すごとく，酸素ポンプセル９１の電極面積Ｓ
を大きくすればよい。しかしこの場合には電極面積と同
時に電極長さが長くなるため，結果としてサンプルガス
の拡散距離Ｌが長くなってしまう。この場合には，検出
セル５１に拡散するＮＯｘが減少し，ガスセンサ１の感
度が低下するおそれがあった。なお，サンプルガス拡散
距離Ｌとは，図７に示すごとく，サンプルガス導入路１
２１と検出セル５１の端部との間の距離である。

【００６７】しかし，図７（ｂ）に示す本例のガスセン
サ１に示すごとく，第一及び第二酸素ポンプセル２１，
３１を設けることにより拡散距離Ｌを変化させることな
く，酸素ポンプセルの電極面積を増大させ，よってガス
センサ１における酸素排出能力を高めることができる。
よって，感度の高いガスセンサ１を得ることができる。

【００６８】また，本例のガスセンサ１は，図１に示す
ごとく，上記サンプルガス室１００内に第一及び第二検
出セル３，５１が設けられ，上記第一検出セル３の電極
３８，３９と，上記第二検出セル５１の電極３３８，３
３９とは相対向する位置に設けてある。これにより，第
一検出セル３により検出できなかった対向面近傍の検出
ガスを，もう一方の第二検出セル５１が検出することが
できる。従って，ガスセンサの検出能力が向上し，感度
も向上する。

【００６９】また，本例のガスセンサ１は，図１に示す
ごとく，上記第一酸素ポンプセル２１の電極２１８，２
１９と上記第二酸素ポンプセル３１の電極３１８，３１
９とは電気的に並列接続されている。これにより，上記
第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１を駆動させる場
合の端子の数を１個の酸素ポンプセルを駆動させる場合
と同じ２個で構成することができる。さらに，上記第一
及び第二酸素ポンプセル２１，３１の制御を同時に行う
ことができる。

【００７０】同様に，本例のガスセンサ１は，図１に示
すごとく，上記第一検出セル３の電極３８，３９と上記
第二検出セル５１の電極３３８，３３９とは，電気的に
並列接続されている。これにより，上記第一及び第二検
出セル３，５１を作動させる場合の端子の数を１個の検
出セルを作動させる場合と同じ２個で構成することがで
きる。さらに，上記第一及び第二検出セル３，５１の限
界電流値の和を容易に得ることができる。

【００７１】以上のように，本例によれば，センサ出力
に対する酸素ガスの悪影響を確実に排除でき，感度の高
いガスセンサを提供することができる。

【００７２】また，本例のガスセンサ１において，第一
酸素ポンプセル２１，第二酸素ポンプセル３１，第一及
び第二検出セル３，５１は，上記サンプルガス流れに対
し，第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１，第一及び
第二検出セル３，５１の順に設けてある。これにより，
上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１で十分に酸
素ガス８９をガスセンサ１の外に排出した後，第一及び
第二検出セル３，５１にて検出ガスであるＮＯｘガスを
検出することができる。

【００７３】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，上記開放室１５０からの酸素ガ
ス８９の開放穴は小穴１４６としたが，ピンホールまた
は小穴に多孔質体を充填した構造としてもよい。

【００７４】また，本例のガスセンサ１は，第一酸素ポ
ンプセル２１，第二酸素ポンプセル３１，第一及び第二
検出セル３，５１のまわりを加熱するためのヒータ部１
４０が一体的に設けてある。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ガス濃度検出を行うことができる。したが
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５３の劣化検出
が可能となる。

【００７５】また，図８に示すごとく，本例のガスセン
サ１において，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，
３１は拡散方向に対する垂直平面において重なる位置に
配設したが，上記垂直平面において重ならない位置に設
けることもできる。この場合においても，第一酸素ポン
プセル２１により酸素ガス８９を排出し，これによって
排出できなかった対向面近傍の酸素ガス８９は，該対向
面近傍の下流側に設けられた第二酸素ポンプセル３１が
排出することができる。

【００７６】これは，上記対向面近傍の酸素ガス８９の
大半が再び上記第一酸素ポンプセル２１に拡散する前
に，第二酸素ポンプセル３１により酸素ガス８９を排出
することができるからである。このため，同図の左右に
設けた線図に示すごとく，サンプルガス室１００の酸素
ガス濃度は略０（例えば０．０１ｐｐｍ以下）となるま
で低減することができる。

【００７７】実施形態例２本例は，図９〜図１１に示すごとく，第一及び第二酸素
ポンプセルと検出セルとの間にサンプルガス室の酸素ガ
ス濃度を制御するための酸素センサセルを設けたガスセ
ンサである。

【００７８】図９に示すごとく，本例のガスセンサ５
は，実施形態例１と同様にサンプルガス室１００，サン
プルガス導入路１２１，第一酸素ポンプセル２１，第二
酸素ポンプセル３１，第一検出セル３（ただし，検出セ
ルは実施形態例１と異なり一つしか設けていない）を有
する。

【００７９】そして，上記ガスセンサ５は，上記サンプ
ルガス室１００内に面した第一固体電解質体１２の１つ
の面及びその反対面１２９に設けた一対の電極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
させながら上記サンプルガス８中の酸素ガス濃度を検出
するポンプ式の酸素センサセル２２を有する。

【００８０】上記サンプルガス室１００内における，上
記ポンプ式酸素センサセル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る。ま
た，上記反対面１２９に設けた上記ポンプ式酸素センサ
セル２２の電極２２９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。

【００８１】更に，上記第一及び第二酸素ポンプセル２
１，３１は，上記ポンプ式酸素センサセル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。上記信号値と
は，上記ポンプ式酸素センサセル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。
図９に示すごとく，上記第一及び第二酸素ポンプセル２
１，３１において，上記電極２１８，３１８と上記電極
２１９，３１９との間には，コントローラ２１６を介し
て回路２１５が形成されている。

【００８２】上記コントローラ２１６は上記電極２１
８，３１８と上記電極２１９，３１９との間に電圧を印
加する電源と，上記電圧を制御する可変抵抗器を有す
る。また，ポンプ式酸素センサセル２２において，上記
電極２２８と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。

【００８３】上記電流計Ａ１は電極２２８−電極２２９
間に流れる限界電流を検出するものである。また，電流
計Ａ１と上記コントローラ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２１６を利用した上記第一及び第二酸素ポンプセ
ル２１，３１の作動制御が行われる。

【００８４】なお，上記サンプルガス室１００内におけ
る，上記ポンプ式酸素センサセル２２の電極２２８はＰ
ｔ−Ａｕ合金からなり，該合金においてＡｕの含有量は
１重量％である。また，上記反対面１２９に設けられた
上記ポンプ式酸素センサセル２２の電極２２９はＰｔか
らなる。また，上記ポンプ式酸素センサセル２２の電極
２２８，２２９の面積は，略１２ｍｍ²である。その他
は，実施形態例１と同様である。

【００８５】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５において，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，前述の図５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。そして，図９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，上記サンプルガス室１００内に拡散する。

【００８６】上記サンプルガス室１００内の酸素ガス８
９は，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１によ
ってセンサ外部に排出される。この時，上記サンプルガ
ス室１００内の酸素ガス濃度は，図９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
素センサセル２２における限界電流値によって監視され
ている。

【００８７】上記限界電流値はポンプ式酸素センサセル
２２と導通した回路２２５中の電流計Ａ１によって検知
される。この限界電流値が一定となるように，フィード
バック回路２５を通じて，上記第一及び第二酸素ポンプ
セル２１，３１と導通した回路２１５中のコントローラ
２１６が制御される。

【００８８】これにより，上記第一及び第二酸素ポンプ
セル２１，３１の酸素ポンプ能力はポンプ式酸素センサ
セル２２により制御することができる。即ち，図１０に
示すごとく，ポンプ式酸素センサセル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
酸素ガス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。

【００８９】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２１６に対し
入力され，該コントローラ２１６は回路２１５の電圧を
高め，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１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，図１０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。

【００９０】一方，酸素ガス濃度が低い場合には，電流
計Ａ１の値が目標とする酸素ガス濃度を示す限界電流値
Ｉ０より限界電流値Ｉ１ヘと低下する。この場合には，
上記コントローラ２１６は回路２１５の電圧を下げて，
上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１における酸
素ガス８９の放出を抑制する。以上の制御により，図１
１に示すごとく，上記第一及び第二酸素ポンプセル２
１，３１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。

【００９１】更に，本例のガスセンサ５においては，ポ
ンプ式酸素センサセル２２においても，絶えず一定量の
酸素ガス８９がサンプルガス室１００の外部へ運び出さ
れている。このため，図１１に示すごとく，ポンプ式酸
素センサセル２２周りを通過するサンプルガス中の酸素
ガス濃度は，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３
１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。

【００９２】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，検出セル３周りに到達する。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ＮＯ
ｘガスは上記電極３８と接触し，還元され，酸素イオン
となる。

【００９３】そして，上記検出セル３と導通した回路３
５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。

【００９４】ここに，図１１に示すごとく，サンプルガ
ス室１００における酸素ガス濃度はほぼ一定であること
から，上記酸素ガス濃度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，上記限界電流の値により，ＮＯｘ
ガス濃度の変動を検知することができる。その他は，実
施形態例１と同様である。

【００９５】また，本例において，サンプルガス室内に
拡散する酸素の濃度を一定に保つための酸素センサセル
の信号は，酸素センサセルの両電極間に一定電圧を加え
た場合の限界電流値としたが，酸素センサセル電極間の
電圧値としても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，ガスセンサの断面説明
図（図２にかかるＡ−Ａ矢視断面図）。

【図２】実施形態例１における，ガスセンサの平面説明
図。

【図３】実施形態例１における，ガスセンサの展開説明
図。

【図４】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５】実施形態例１における，車両用の内燃機関の排
気経路中における，ガスセンサの配置説明図。

【図６】実施形態例１における，（ａ）サンプルガス室
の片面にのみ酸素ポンプセルを設けたガスセンサの要部
説明図及びこの場合の酸素ガス濃度の分布を示す線図，
（ｂ）サンプルガス室の対向面に第一及び第二酸素ポン
プセルを設けたガスセンサの要部説明図及びこの場合の
酸素ガス濃度の分布を示す線図。

【図７】実施形態例１における，（ａ）サンプルガス室
に電極面積大の酸素ポンプセルを設けたガスセンサ要部
断面説明図，（ｂ）サンプルガス室に第一及び第二ポン
プセルを設けたガスセンサの要部断面説明図。

【図８】実施形態例１における，第一及び第二酸素ポン
プセルを対面しないように設けた場合のガスセンサの要
部断面説明図。

【図９】実施形態例２における，酸素センサセルを設け
たガスセンサの断面説明図。

【図１０】実施形態例２における，ポンプ式酸素センサ
セルによる電流と電圧の関係を示す線図。

【図１１】実施形態例２にかかる，ガスセンサのサンプ
ルガス室における酸素ガス濃度の変化を示す線図。

【符号の説明】

１，５．．．ガスセンサ，１００．．．サンプルガス室，１２．．．第一固体電解質体，１２９，１３９．．．反対面，１３．．．第二固体電解質体，２１．．．第一酸素ポンプセル，２１８，２１９，３１９，３１８，３３８，３３９，３
８，３９．．．電極，３．．．第一検出セル，３１．．．第二酸素ポンプセル，５１．．．第二検出セル，８．．．サンプルガス，８９．．．酸素ガス，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水谷圭吾愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一部が酸素イオン導電性の第一，第二及
び第三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くサンプル
ガス導入路と，上記サンプルガス室内に面した上記第一
固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられ
た一対の電極からなる第一酸素ポンプセルと，上記サン
プルガス室内に面した上記第二固体電解質体の１つの面
及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなる第
二酸素ポンプセルと，上記サンプルガス室内に面した上
記第三固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設
けられた一対の電極からなり，かつ上記サンプルガス室
中の検出ガス濃度を検出するための検出セルとからなる
ガスセンサであって，上記サンプルガス室内に面した上
記第一酸素ポンプセルの電極と，上記第二酸素ポンプセ
ルの電極とは，上記サンプルガス室の対向する面にそれ
ぞれ設けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】請求項１において，上記第一酸素ポンプ
セルの電極と上記第二酸素ポンプセルの電極とは，上記
サンプルガス室の対向する面において少なくともその一
部が重なり合う位置関係にあることを特徴とするガスセ
ンサ。
【請求項３】請求項１または２において，上記第一酸
素ポンプセルの電極と上記第二酸素ポンプセルの電極と
は電気的に並列接続されていることを特徴とするガスセ
ンサ。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか一項において，
上記第一酸素ポンプセル及び上記第二酸素ポンプセルと
上記検出セルとの間には，上記サンプルガス室内に面し
た第四固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設
けられた一対の電極からなる酸素センサセルを設けてな
り，かつ該酸素センサセルからの信号により上記サンプ
ルガス室内の酸素ガス濃度が一定となるように制御する
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか一項において，
上記検出セルは少なくとも２個設けられ，これら検出セ
ルの電極の中で少なくとも２個の電極は上記サンプルガ
ス室内において相対向する位置に設けられていることを
特徴とするガスセンサ。
【請求項６】請求項５において，上記検出セルの電極
の中で少なくとも２個の電極は電気的に並列接続されて
いることを特徴とするガスセンサ。