JPH11237361A

JPH11237361A - ガスセンサ

Info

Publication number: JPH11237361A
Application number: JP10207227A
Authority: JP
Inventors: Jun Yamada; 潤山田; Takashi Mizobuchi; 剛史溝渕; Kenji Kanehara; 賢治金原; Motomasa Iizuka; 基正飯塚; Hidetaka Hayashi; 秀隆林
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-07-06
Publication date: 1999-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】天然ガスエンジンの排出ガスに含まれるＨ₂
によるセンサの出力ずれを防止し、検出精度を大きく向
上させて空燃比制御を高精度に行うこと、さらにセンサ
の活性化時間を短縮して、より早く空燃比制御を開始す
ることが可能なガスセンサを実現する。【解決手段】試験管状の酸素イオン導電性固体電解質
２１の内表面に内側電極２２を、外表面に外側電極２３
を設ける。排出ガスに晒される外側電極２３の表面を覆
う多孔質の保護皮膜２４を設け、さらにその表面に酸化
作用を有する触媒層５を形成して、排出ガスに含まれる
Ｈ₂ を酸化反応により除去する。触媒層５の全重量に対
する触媒の担持量を０．５〜２重量％とすることで、応
答性を低下させることなく、センサの出力ずれを防止で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、内燃機関
等に用いる空燃比制御用のＯ₂ センサ、より広域の空燃
比を検出する空燃比センサ等として使用され、特に、天
然ガスエンジン用として好適なガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、石油の代替燃料車として、天然ガ
ス自動車が注目されてきている。天然ガス自動車は、ガ
ソリンエンジンに比しＣＯ₂ 排出量の低減が可能であ
る、クリーンな排気エミッション特性が期待できる、等
の利点を有し、その燃料供給システムとしては、従来、
ＬＰＧ自動車に用いられるキャブレターシステムを応用
したシステム（ガスミキサーシステム）が知られてい
る。また、排気エミッション特性をさらに向上させて電
気自動車に匹敵する超低公害車とするためには、ガスミ
キサーシステムを上回る高精度な空燃比制御が必要で、
このため、空燃比変動が小さく、燃料制御の応答性に優
れるインジェクションシステムを搭載した天然ガス自動
車の開発が進められている。

【０００３】また、天然ガスエンジンに限らず、ガソリ
ンエンジン等においても排気エミッションをよりクリー
ンにすることが望まれており、そのために、上述した高
精度な空燃比制御の他に、制御に用いるガスセンサを、
エンジン始動後、より早く作動させることが求められて
いる。図２６は、図に示す走行パターンにおいて、セン
サ素子の活性化時間と排気エミッションの関係を、ＮＯ
ｘ排出量を例にとって示したもので、センサ素子の活性
化時間を短縮することで排気エミッションが大幅に改善
されることがわかる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】空燃比は、排気管内に
設置されるＯ₂ センサの出力に基づいてフィードバック
制御される。従って、空燃比制御の高精度化には、Ｏ₂
センサの検出精度が、欠くことのできない要素である。
ところが、天然ガスエンジンの空燃比を検出するため
に、ガソリンエンジン用のＯ₂ センサをそのまま適用す
ると、Ｏ₂ センサの出力特性にずれが生じることが判明
した。これは、天然ガスはメタン（ＣＨ₄ ）を主成分と
するためガソリンに比べてＨ／Ｃ比が大きく、排出ガス
に含まれる水素（Ｈ₂ ）の量が多いことに起因し、特
に、インジェクションシステムにおいて、顕著に発生す
る。

【０００５】この原因は、吸気通路の上流部でガスを均
一に混合した後、燃焼室に吸引するガスミキサーシステ
ムに対して、燃料制御の応答性を確保するために燃焼室
近傍にガスを直接噴射するインジェクションシステムで
は、燃焼室内の混合気が不均一になりやすいことにあ
る。このため、燃焼室内の空燃比がリッチな領域におい
てＨ₂ が多量に発生し、ガスミキサーシステムより排気
中のＨ₂ 濃度が高くなるもので、その結果、センサ出力
のずれが拡大する。このように、天然ガスエンジン用の
Ｏ₂ センサにおいては、空燃比制御を高精度化するため
に、センサ出力に対するＨ₂ の影響を排除し、センサ出
力のずれを解消することが大きな課題となっている。

【０００６】また、このＯ₂ センサやより広域の空燃比
を検出する空燃比センサは、酸素イオン導電性固体電解
質からなる検知素子を用いている。この素子はある程度
高温にならないと作動せず、その温度は、例えば、Ｏ₂
センサでは約３００℃位、空燃比センサでは約７００℃
位である。すなわち、センサのより早い作動には、より
早く素子を昇温させることが重要で、特に活性化温度の
高い空燃比センサにおいて大きな課題となっている。

【０００７】しかして、本発明は、排出ガス中のＨ₂ に
よるセンサの出力ずれを防止して、検出精度を大きく向
上させることができ、例えば、インジェクションシステ
ムの天然ガスエンジンのように、排出ガスに多量のＨ₂
が含まれる場合においても、高精度な空燃比制御が可能
で、排気エミッションを改善することができるガスセン
サを実現することを目的とするものである。そして、さ
らには、速やかに素子を昇温させ、より早くセンサとし
て作動できるようにすることを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明請求項１の構成の
ガスセンサは、天然ガスエンジンからの排出ガスに含ま
れる特定ガス成分を検出するためのガスセンサであり、
酸素イオン導電性固体電解質の表面に、上記排出ガスに
晒される第１の電極と、基準酸素濃度ガスに晒される第
２の電極とを設け、上記第１の電極の表面を覆う多孔質
膜を設けてなる。そして、上記多孔質膜の表面に酸化作
用を有する触媒層を形成するとともに、該触媒層の全重
量に対する触媒の担持量を０．５〜２重量％としたこと
を特徴とするものである。

【０００９】天然ガスエンジンからの排出ガスに多量に
含まれる水素（Ｈ₂ ）は、低分子量であることから、酸
素（Ｏ₂ ）に対し約４倍の拡散速度を有し、上記多孔質
膜を通過して第１の電極表面に到達する速度が速いこと
が、出力ずれの原因になっていると考えられる。これに
対し、本発明の構成では、上記多孔質膜の表面に触媒層
を設けたので、Ｈ₂ がこの触媒層において酸化されて安
定なＨ₂ Ｏとなる。これにより、センサ出力に対するＨ
₂ の影響を排除することができ、特に、触媒担持量を上
記範囲とすることで、出力ずれの防止と応答性とを両立
させることができる。

【００１０】上記触媒層の全重量に対する触媒の担持量
を、請求項１より多い２〜５重量％とすることもでき
る。この時、上記多孔質膜の気孔率は、通常より多い１
０〜２５％とする（請求項２）。触媒の担持量を増加す
るとセンサの応答性が低下する傾向があるが、上記多孔
質膜の気孔率を１０〜２５％と、耐久性を損なわない範
囲で大きくすることで、応答性を向上させることができ
る。この場合には、上記触媒の担持量を上記請求項１よ
り多い２〜５重量％としても、請求項１の構成と同等の
応答性を得ることができ、触媒作用を長期にわたり発揮
できる効果がある。

【００１１】具体的には、上記第１の電極を上記酸素イ
オン導電性固体電解質の一方の表面に、上記第２の電極
を上記酸素イオン導電性固体電解質の他方の表面に設け
た構成が考えられる（請求項３）。上記触媒層は、具体
的には、多孔質セラミックスに触媒金属を担持してなる
（請求項４）。また、上記触媒層を加熱するためのヒー
タ部材を設けることもでき（請求項５）、触媒を早期に
活性温度まで昇温することができる。

【００１２】さらに、上記触媒層の表面に、上記触媒層
の気孔率よりも大きい気孔率の多孔質層を設けてトラッ
プ層としてもよく（請求項６）、エンジンオイルの燃焼
等によって生じるデポジット成分が、上記触媒層やそれ
よりもさらに内側に侵入するのを防止することができ
る。また、上記触媒層に直接、排出ガスが衝突しないこ
とで、触媒金属の飛散、触媒層の剥がれ等を防止でき
る。具体的には、上記トラップ層の気孔率を４０〜６０
％とするのがよく（請求項７）、また、上記トラップ層
を気孔率を異ならせて複数層で形成してもよい。

【００１３】いずれの構成のガスセンサにおいても、上
記多孔質膜を上記第１の電極の保護皮膜とし、上記第１
の電極と上記第２の電極間に生じる起電力を検出する酸
素センサとして用いることができる（請求項８）。ま
た、これらガスセンサは、上記天然ガスエンジンがイン
ジェクションシステムの燃料供給システムを備えている
場合に、特に効果的であり（請求項９）、センサの出力
ずれの解消に優れた効果を発揮する。

【００１４】本発明請求項１０の構成のガスセンサは、
酸素イオン導電性固体電解質の表面に、内燃機関からの
排出ガスに晒される第１の電極と、基準酸素濃度ガスに
晒される第２の電極とを設け、上記第１の電極の表面を
覆う多孔質膜よりなる拡散抵抗層を設けて、所定の電圧
を印加した時に上記第１の電極と上記第２の電極間を流
れる限界電流から空燃比を検出するようになしてあり、
かつ上記拡散抵抗層の表面に酸化作用を有する触媒層を
形成したものである。

【００１５】広域の空燃比センサとして用いられる上記
構成のガスセンサにおいても、上記拡散抵抗層の表面に
上記触媒層を形成することで、触媒の酸化作用により、
上記排出ガス中のＨ₂ 等の影響を排除し、センサの出力
ずれを抑制する効果が得られる。また、一般に、限界電
流式の空燃比センサは、Ｏ₂ センサに比べて最低作動温
度が高く、センサの作動に時間を要するが、上記構成で
は、酸化作用を有する上記触媒層を素子表面に一体に設
けたので、触媒反応により発生する熱で、素子の昇温を
補助することができ、より早いセンサの作動が可能であ
る。

【００１６】本発明請求項１１の構成のガスセンサは、
一対のポンプ電極を有するポンプセルと、一対のセンサ
電極を有するセンサセルと、これら両セルにより少なく
ともその二面を覆われてなる室と、上記室に内燃機関か
らの排出ガスを導入するための少なくとも１つないしそ
れ以上の連通孔を設け、上記連通孔の上記排出ガス側ま
たは上記連通孔内のいずれか一方あるいはその両方に多
孔質膜よりなる拡散抵抗層を設けて、上記センサセルの
上記一対の電極間に生じるセンシング電圧が所定の値と
なるように上記ポンプセルに電圧を印加した時に上記ポ
ンプセルを流れるポンピング電流から空燃比を検出する
ようになしてあり、かつ上記拡散抵抗層の上記排出ガス
側の表面に酸化作用を有する触媒層を形成したものであ
る。

【００１７】上記構成の空燃比センサにおいても、上記
拡散抵抗層の表面に形成される上記触媒層の作用でセン
サの出力ずれを抑制し、また、上記触媒層で発生する熱
により素子の昇温を効果的に行って、より早くセンサを
作動させることができる。

【００１８】本発明請求項１２の構成のガスセンサは、
一対のポンプ電極を有するポンプセルと、一対のセンサ
電極を有するセンサセルと、これら両セルにより少なく
ともその二面を覆われてなる室と、上記室に内燃機関か
らの排出ガスを導入するための少なくとも１つないしそ
れ以上の拡散抵抗作用を有するピンホールを設けて、上
記センサセルの上記一対の電極間に生じるセンシング電
圧が所定の値となるように上記ポンプセルに電圧を印加
した時に上記ポンプセルを流れるポンピング電流から空
燃比を検出するようになしてあり、かつ上記ピンホール
の上記排出ガス側を覆って酸化作用を有する触媒層を形
成したものである。

【００１９】上記拡散抵抗層の代わりに拡散抵抗作用を
有するピンホールを設けてもよく、このような構成の空
燃比センサにおいても、上記ピンホールを覆って形成さ
れる上記触媒層の作用でセンサの出力ずれを抑制し、ま
た、上記触媒層で発生する熱で早いセンサの作動が可能
となる。

【００２０】本発明請求項１３の構成のガスセンサは、
一対のポンプ電極を有するポンプセルと、一対のセンサ
電極を有するセンサセルと、これら両セルにより少なく
ともその二面を覆われてなる室と、上記室に内燃機関か
らの排出ガスを導入するための少なくとも１つないしそ
れ以上の拡散抵抗手段を設けて、上記センサセルの上記
一対の電極間に生じるセンシング電圧が所定の値となる
ように上記ポンプセルに電圧を印加した時に上記ポンプ
セルを流れるポンピング電流から空燃比を検出するよう
になしてあり、かつ上記拡散抵抗手段の上記室側の端部
と上記室内に露出する上記センサ電極の間に酸化作用を
有する触媒層を形成したものである。

【００２１】拡散抵抗層またはピンホール等よりなる上
記拡散抵抗手段を介して、上記室内に排出ガスが導入さ
れる構成の空燃比センサにおいて、上記室側に上記触媒
層を設けることもできる。この時、上記触媒層を、上記
拡散抵抗手段の上記室側の端部から上記センサ電極の間
に設けることで同様の効果が得られる。

【００２２】上記請求項１０〜１３の構成のガスセンサ
において、好ましくは、上記触媒層における触媒の担持
量を、該触媒層の全重量に対し０．５〜２重量％とする
（請求項１４）。この時、上記請求項１と同様の理由
で、センサの出力ずれを効果的に抑制し、かつ応答性を
確保することができる。また、適用される上記内燃機関
がインジェクションシステムの燃料供給システムである
場合に（請求項１５）、センサの出力ずれの抑制効果が
大きい。特に、上記内燃機関が天然ガスエンジンである
場合（請求項１６）、センサ出力に対するＨ₂ の影響が
大きいので、出力ずれの解消に優れた効果を発揮する。
また、天然ガスエンジンはガソリンエンジンに比べて排
出ガスの温度が低く、活性化に時間がかかるので、上記
触媒層による昇温補助効果が大きい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を天然ガスエンジン
の空燃比を制御するために用いられるＯ₂ センサに適用
した例について説明する。図２は、Ｏ₂ センサの全体構
成を示すもので、図略の天然ガスエンジンの排気管壁に
取り付けられる筒状ハウジング１と、その内部に挿通保
持されるガス検出素子２とを有している。筒状ハウジン
グ１は中央部外周に突設したフランジ部１１を排気管壁
に当接し、その下方に形成したねじ部にて天然ガスエン
ジンの排気管壁に取り付けられるようになしてある。ガ
ス検出素子２は試験管状で、その下端部は上記ハウジン
グ１より突出して排気管内に位置しており、ハウジング
１下端に固定されるカバー体３内に収容されている。カ
バー体３は二重筒状で、内外筒の側面に複数のガス流通
孔３１、３２を有し、このガス流通孔３１、３２を介し
てガス検出素子２に天然ガスエンジンの排出ガスが導入
されるようになしてある。

【００２４】上記ハウジング１の上方には、上記ガス検
出素子２の上部外周を覆う筒状カバー１２が配設されて
いる。該筒状カバー１２は、上記ハウジング１上端に固
定される下部カバー１２１と、その上半部にかしめ固定
される上部カバー１２２を有し、該上部カバー１２２の
上半部外周は筒状部材１２３で覆われて二重構造となっ
ている。上部カバー１２２の上端開口はゴムブッシュ１
３で封止され、このゴムブッシュ１３を貫通して、上記
ガス検出素子２の出力を取り出すためのリード線４が外
部に延びている。上記上部カバー１２２および上記筒状
部材１２３には、側部の対向位置に複数の大気孔１２
４、１２５がそれぞれ形成してあり、これら大気孔１２
４、１２５を介して導入される大気が、基準酸素濃度ガ
スとして上記ガス検出素子２の中空部内に導入される構
成となしてある。なお、上記大気孔１２４、１２５の形
成位置において、上部カバー１２２および筒状部材１２
３の間には防水のために溌水性のフィルタ１４が配設し
てある。

【００２５】上記ガス検出素子２は、図１に示すよう
に、試験管状に成形したジルコニア等の酸素イオン導電
性固体電解質２１と、その内周面に沿って設けた第１の
電極たる内側電極２２、外周面に沿って設けた第２の電
極たる外側電極２３を有している。これら電極２２、２
３は、例えば白金（Ｐｔ）等よりなり、蒸着等、通常の
手段で形成される。上記電極２２、２３は、上記酸素イ
オン導電性固体電解質２１表面に押圧接触する出力金属
端子４１、４２を通じてリード線４に接続される（図２
参照）。

【００２６】上記外側電極２３の外表面には多孔質膜た
る保護皮膜２４が形成されており、外側電極２３表面を
排気中の有害物質から保護している。該保護皮膜２４
は、多孔質のセラミックス、例えばスピネル（ＭｇＯ・
Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等よりなり、この粉末を溶射原料としてプ
ラズマ溶射することによって形成される。保護皮膜２４
は、通常、気孔率が７〜１０％となるように調整され
る。ただし、応答性を重視する場合には気孔率を１０％
より大きくすることもでき、一般に、耐久性を保持する
ために必要とされる気孔率２５％以下の範囲で用途に応
じ適宜決定する。なお、気孔率は、溶射原料の粒度、溶
射パワー等により調整することができ、粒度を大きく、
または溶射パワーを小さくすると気孔率は大きくなる。

【００２７】本発明の特徴は、上記保護皮膜２４の外表
面を、酸化作用を有する触媒層５で被覆したことにあ
る。上記触媒層５は、多孔質のセラミックス、例えばア
ルミナ（γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ やθ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 等）に、触媒
金属（Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｈ等）を担持させてなり、排出ガ
スに含まれるＨ₂ を保護皮膜２４に達する前に酸化する
ことで、センサの出力ずれを防止することができる。こ
こで、触媒層５の気孔率は、応答性を確保するために、
上記保護皮膜２４より大きくするのがよく、少なくとも
１０％以上、好ましくは２０％以上とすることが望まし
く、さらに望ましくは、２０〜５０％である。上記触媒
層５の形成方法としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃ 、触媒、
分散材、バインダ等をスラリー化した溶液の中に浸漬し
て保護皮膜２４上に触媒を含む層を形成し、さらに５０
０℃程度で焼き付ける等の方法を採用することができ
る。

【００２８】上記触媒金属の担持量は、上記触媒層５の
全重量に対して、０．５重量％以上とすれば、上述した
センサの出力ずれに対し、十分な効果が得られる。触媒
性能を長期間維持するには、触媒金属の担持量を多くす
るのがよいが、一方、担持量が多くなると応答性が低下
する傾向にある。このため、上記保護皮膜２４の気孔率
が通常の７〜１０％の範囲である場合には、触媒金属の
担持量は２重量％以下とすることが望ましい。上記保護
皮膜２４の気孔率がこれより大きい場合には、応答性が
大きく低下しないため、触媒金属の担持量を増加させる
ことができる。具体的には、上記保護皮膜２４の気孔率
が１０〜２５％の時、触媒金属の担持量を２〜５重量％
とすることが望ましい。この触媒担持量および気孔率
と、出力特性、応答性との関係については後述する。

【００２９】なお、これら各層の膜厚は、センサ出力の
安定性、機械的強度、応答性等を考慮すると、保護皮膜
２４の膜厚を、通常、１００〜１５０μｍ、触媒層５の
膜厚を、通常、１０〜５０μｍ程度の範囲とすることが
望ましい。また、図１に示されるような試験管状の素子
２に触媒層５を形成する場合、例えば、素子の体格が外
径６ｍｍで、先端から２０ｍｍ付近までの範囲に、気孔
率４０〜５０％程度で膜厚２０μｍ程度の触媒層５を形
成すると、その塗布重量は１５ｍｇ程度となる。

【００３０】次に、上記構成のＯ₂ センサにおける上記
触媒層５の作用について説明する。図１においてガス検
出素子２の外側電極２３には、上記触媒層５、保護皮膜
２４を通過した排出ガスが、内側電極２２には大気が導
入されるようになしてある。この時、酸素イオン導電性
固体電解質２１には、これら内側電極２３と外側電極２
２の酸素濃度差に応じた起電力が生じ、そのセンサ出力
は、図３に理論値として示すように、空気過剰率（λ）
＝１．０で出力が急変するはずである。

【００３１】ところが、天然ガスエンジンの排気中に
は、ガソリンエンジンの２〜３倍のＨ₂ が存在してお
り、この影響で、上記触媒層５を設けない従来構成で
は、図３に示すように、センサ出力が急変する空気過剰
率（λ）がリーン側にシフトする。これは、Ｈ₂ がＯ₂
に比べて分子量が小さく拡散速度がＯ₂ の約４倍にもな
るからで、Ｈ₂ は保護皮膜２４をＯ₂ より早く通過して
外側電極２３の表面に到達し、外側電極２３は実際より
もＨ₂ リッチな状態となる。このため、外側電極２３の
表面においてＯ₂ 不足が生じ、Ｏ₂ センサの出力特性
は、理論値に対し、出力急変点がリーン側にずれる。そ
の結果、従来構成では、空燃比の適正な制御がなされ
ず、排気エミッションが悪化するおそれがある。

【００３２】これに対し、上記触媒層５を設けた上記図
１の構成における、触媒担持量とセンサ出力のずれ量の
関係を図４（上段）に示す。これは、触媒担持量を増加
していった時に、センサ出力が０．５Ｖまで変化した時
の空気過剰率（λ）を調べたもので、保護皮膜２４の気
孔率は８容量％とした。図のように、触媒担持量が増加
するに従い、センサ出力が急変する空気過剰率（λ）が
理論値の１に近づいており、触媒担持量が０．５重量％
以上で空気過剰率（λ）はほぼ１となる。このメカニズ
ムを図５の模式図を用いて説明する。本発明の構成で
は、図５のように、多孔質の保護皮膜２４の表面を、こ
れより気孔率の大きい触媒層５が覆っている。触媒層５
では、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の細粒子２ａ表面に触媒金属２ｂが
担持されており、排出ガスが触媒層５を通過すると、排
出ガス中のＨ₂ がこの触媒金属２ｂによって酸化され
る。すなわち、下記式で示される反応が促進され、２Ｈ
₂ ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂ Ｏその結果として生成するＨ₂ Ｏは、
安定であるため、外側電極２３に到達してもセンサ出力
が急変するλ値には影響しない。特に、触媒担持量０．
５重量％以上ではＨ₂ が完全に酸化され、センサ出力に
対するＨ₂ の影響を排除できるものと考えられる。

【００３３】一方、センサ出力の急変点は、触媒担持量
０．５重量％以上の範囲でほぼ一定となるが、図４の下
段に示すように、触媒担持量が２重量％を越えた付近か
らセンサの応答時間が増大し、触媒担持量の増加ととも
に、センサ出力の応答性は低下する。この原因の１つ
は、触媒金属のＨＣ、ＣＯに対する吸着作用によるもの
と考えられる。つまり、触媒は活性の高いガスから順に
作用するため、触媒担持量２重量％以下の低担持量域で
は、水素に主に作用する。ところが、触媒担持量が増加
すると、他の未燃ガス成分であるＨＣ、ＣＯにも触媒が
作用し、これらのガスとＯ₂ との反応により応答遅れが
生じると推測される。また、他の原因として触媒金属の
増加による目詰まりが生じやすくなることが挙げられ
る。

【００３４】以上の結果から、触媒担持量を０．５〜２
重量％の範囲とすれば、応答性を低下させることなく、
触媒作用を効果的に発揮し、天然ガスエンジンで問題と
なるＯ₂ センサの出力ずれを抑制することができること
がわかる。

【００３５】次に、保護皮膜の気孔率と応答性の関係に
ついて図６により説明する。上記のように触媒担持量を
０．５〜２重量％の範囲としたＯ₂ センサは、使用環境
があまり厳しくない場合には、上記効果を比較的長期に
わたって発揮することが可能である。しかしながら、使
用環境が厳しい場合（高温、ガス量大）には、使用年数
が増すと触媒金属の剥離、凝集等によって初期の性能を
維持できなくなるおそれがある。この経年劣化を考慮す
ると、触媒担持量を上記範囲より多く担持することが望
ましい。上記構成のＯ₂ センサでは、上述したように、
触媒担持量を増加すると応答性が低下するが、以下に示
すように、これを保護皮膜２４の気孔率を調整すること
で解決することが可能である。

【００３６】上記図４の結果は、保護皮膜２４の気孔率
を従来のガソリンエンジン用のＯ₂センサにおいて通常
設定される８％として行ったものである。ところが、ガ
ソリンエンジンに対し、天然ガスエンジンは排気中の被
毒成分（イオウ分等）、カーボン粒子、未燃成分（Ｈ
Ｃ）の量が少ないこと、高オクタン化で、点火時期を進
角できるため、排気温度が低下するといった特徴があ
る。このため、保護皮膜の気孔率を１０％以上として
も、ガソリンエンジン用のＯ₂ センサと同等の耐久性が
得られる。

【００３７】図６は、触媒担持量と応答時間の関係を、
保護皮膜２４の気孔率が８％の場合、２０％の場合とで
比較した結果である。図のように、保護皮膜の気孔率が
増すことで応答時間は約半分に短縮されており、触媒担
持量が２重量％を越えても応答時間は気孔率８％におけ
る最小応答時間（２００ｍｓ）以下である。つまり、応
答時間が２００ｍｓとなる３．５重量％まで、触媒担持
量を増加しても同等の応答性が得られることがわかる。
上記保護皮膜２４の気孔率をさらに大きくすれば、触媒
担持量の上限値はさらに上昇し、その関係は図７のよう
になる。そこで、上記保護皮膜２４の耐久性を考慮して
その気孔率の上限値を２５％とすると、これに対応する
触媒担持量の上限値は５重量％となる。

【００３８】以上の結果から、上記保護皮膜の気孔率を
１０％以上とした場合には、触媒担持量を２重量％以上
担持させることが可能である。詳しくは、上記保護皮膜
２４の気孔率を１０〜２５％、触媒担持量を２〜５重量
％とすることで、耐久性と応答性とを両立させ、しかも
長期使用による触媒作用の低下を防止することが可能で
ある。

【００３９】図８に本発明の第２の実施の形態を示す。
本実施の形態は、上記図１の構成のＯ₂ センサにおけ
る、酸素イオン導電性固体電解質２１の中空部内に、セ
ンサ加熱用のヒータ部材たるヒータ６を配設したもので
ある。その他の構成は上記第１の実施の形態と同様であ
る。ヒータ６は棒状、板状または管状等の形状とした絶
縁体、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ 等の内部に、タングステン
（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の発熱体を埋設してな
り、該発熱体はリード線を介して外部電源に接続されて
いる。ヒータ６に供給する電力は、酸素イオン導電性固
体電解質２１の温度が活性温度、通常、３００℃以上に
なるように、エンジン条件に応じて予め作成したマップ
によって制御するか、あるいはヒータ６の発熱体の抵抗
値をもとにフィードバック制御する。

【００４０】上記構成によれば、ヒータ６を設けること
により、エンジンの冷間始動時や低負荷時の排気温度が
低い条件でも、触媒層の水素除去能力を確保することが
できるため、より広い範囲においてセンサ出力のずれを
防止することができる。

【００４１】図９に本発明の第３の実施の形態を示す。
本実施の形態の特徴は、上記各実施の形態のＯ₂ センサ
構成に加えて、触媒層５の外側を覆って多孔質層よりな
るトラップ層７を設けたことにある。その他の構成は上
記第１の実施の形態と同様である。トラップ層７は多孔
質のセラミックス、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ 等よりなり、その
気孔率は、触媒層５の気孔率より大きく、通常、２０％
以上とすることが望ましい。より好ましくは、４０〜６
０％の範囲とする。このトラップ層７を設けることによ
り、エンジンオイルの燃焼等によって生じるデポジット
成分が触媒層５を通過して、さらに保護皮膜２４内に侵
入することを防止することができる。よって、保護皮膜
２４の目詰まりを防ぎ、また、触媒層５へ排気が直接導
入されるのを抑制して、触媒金属の飛散や触媒層５の剥
がれを防止することができる。トラップ層７を、気孔率
の異なる複数の多孔質層を積層して形成してもよい。

【００４２】図１０に本発明の第４の実施の形態を示
す。本実施の形態は、拡散抵抗層を有する限界電流式の
空燃比センサに本発明を適用したものである。より広域
の空燃比を検出する空燃比センサにおいても、天然ガス
エンジンに使用することで出力ずれの問題が生じ、これ
を同様の手段で解決することができる。なお、空燃比セ
ンサの全体構成は図２に示したＯ₂ センサ構成とほぼ同
様であり、以下、相違点について説明する。

【００４３】図１０は空燃比センサに用いられるガス検
出素子２の主要部を示すもので、試験管状に成形したジ
ルコニア等の酸素イオン導電性固体電解質２５には、内
周面に沿って、Ｐｔ等よりなる第１の電極たる内側電極
２６が形成されている。また、酸素イオン導電性固体電
解質２５の外周面には、先端部近傍において、Ｐｔ等よ
りなる第２の電極たる外側電極２７が所定幅で設けてあ
る。上記内側電極２６、外側電極２７は、酸素イオン導
電性固体電解質２１表面に押圧接触した金属端子を通じ
て外部へ延びるリード線（図略）に接続される。上記ガ
ス検出素子２の中空部内には、素子加熱用の棒状のヒー
タ６が収容されている。該ヒータ６はリード線により外
部の電源に接続されている。

【００４４】上記外側電極２７の表面、および上記固体
電解質２５の外表面には、多孔質膜たる拡散抵抗層２８
が形成されている。拡散抵抗層２８は、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の
多孔質セラミックスからなり、その気孔率は、通常、２
〜７％となるように形成される。また、拡散抵抗層２８
の厚みは、通常、４００〜７００μｍ程度の範囲で形成
される。

【００４５】上記拡散抵抗層２８の外表面は、酸化作用
を有する触媒層５で被覆される。上記触媒層５は、Ａｌ
₂ Ｏ₃ 等の多孔質セラミックスに、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｈ等
の触媒金属を担持してなり、拡散抵抗層２８を通過する
前に、排出ガスに含まれるＨ₂ を酸化してセンサの出力
ずれを防止する。ここで、触媒層５の気孔率は、応答性
を確保するために、少なくとも１０％以上、好ましくは
２０％以上とする。触媒金属の担持量は、Ｏ₂ センサ同
様、上記触媒層５の全重量に対して、０．５重量％以上
とすることでセンサの出力ずれに対し十分な効果が得ら
れる。また、応答性を確保するために、触媒金属の担持
量を２重量％以下とするのがよい。上記触媒層５の膜厚
は、通常、１０〜５０μｍ程度とすることが望ましい。

【００４６】次に、上記構成の空燃比センサの検出原理
について説明する。図１１（ａ）において、酸素濃度検
出素子２の両面に設けた内側電極２６、外側電極２７間
に電圧Ｖ₀ を印加すると、両電極２６、２７間の酸素濃
度差に応じて、酸素イオン導電性固体電解質２１内を酸
素イオン（Ｏ₂ ^-）が移動する。よって、両電極２６、
２７間に、空気過剰率（λ）＝１で生じる起電力に相当
する電圧０．５Ｖ（図１１（ｂ）参照）を逆向きに印加
した時に、両電極２６、２７間を流れる限界電流値から
空燃比を検出することができる。

【００４７】この電流は、ストイキ（理論空燃比）時に
は、素子の起電力が印加電圧と釣り合うため０となり
（図１１（ｄ））、リーン時には素子の起電力が０とな
るため、印加電圧により、拡散抵抗層２８を通過して外
側電極２７に達した排出ガス中の酸素が、酸素イオン導
電性固体電解質２５内を通って内側電極２６に至り、＋
電流を生じる（図１１（ｅ））また、リッチ時には素子
の起電力が１Ｖとなるため、印加電圧との差により内側
電極２６から外側電極２７へ向けて酸素が移動し、−電
流を生じる（図１１（ｃ））。この時流れる電流は、リ
ーン時には拡散抵抗層２８を通るＯ₂ 量、リッチ時は拡
散抵抗層２８を通るＨＣ、ＣＯ₂ 量によって決まるた
め、天然ガスエンジンのように排気中にＨ₂ が多く存在
すると、同じ空燃比であっても電流値が異なってくる。

【００４８】図１２に、天然ガスエンジンの排気管内に
設置される三元触媒の上流、下流位置における空気過剰
率（λ）と限界電流値の関係を示す。図のように、スト
イキからリッチ領域では、排出ガス中のＨ₂ 量が急激に
増加するため（図１３）、センサの外側電極２７近傍で
Ｈ₂ リッチとなり、センサ出力がリッチ側にシフトす
る。本発明は、この出力ずれを、Ｏ₂ センサの場合と同
様、上記触媒層５を設けることにより解決するものであ
る。図１３の上段は、触媒担持量を増加していった時
の、空気過剰率（λ）＝１での出力電流の変化を、下段
にはセンサの応答時間の変化を示すもので、触媒担持量
の増加とともに、出力電流も増加し、０．５重量％以上
でほぼ０となる。これは、触媒担持量０．５重量％以上
で、出力ずれの原因となるＨ₂ を完全に除去できること
を意味する。また、応答性は、２重量％を越えると低下
する。以上のことから、触媒担持量０．５重量％〜２重
量％の範囲とすることで、センサの出力ずれの抑制と応
答性とを両立することが可能となる。

【００４９】さらに、天然ガスエンジンでは、トルク向
上のため、点火時期を進角する場合が多いことから排気
温度がガソリンエンジンに比べて低い。このため、素子
温度が活性化温度に達するのに時間がかかり、制御開始
が遅れて制御性が低下する懸念があった。特に、限界電
流式の空燃比センサでは、最低作動温度が約３００℃程
度であるＯ₂ センサに対し約７００℃程度と高いため、
昇温に時間を要し、素子加熱用として設置されるヒータ
６に要求される電力量も大きくなる。しかも、図１０の
ように、試験管状のガス検出素子２の中空部内にヒータ
６を配設する場合、ヒータと素子が別体で伝熱効率が悪
いため、消費電力量が大きくなりやすい、といった問題
があったが、これらの問題についても触媒層５を設ける
ことで解決することができる。すなわち、触媒層５にお
いてＨ₂ が酸化反応する際に発生する熱で、上記ガス検
出素子２の昇温を補助することができ、しかも、触媒層
５はガス検出素子２と一体に設けられるので、伝熱効率
が高い。よって、活性化時間を大きく短縮することがで
き、より早い作動が可能になるので、上記図２６に示し
たように排気エミッションを低減する効果が得られる。
また、ヒータの消費電力を低減し、ヒータ寿命を向上さ
せることができる。

【００５０】触媒層５による効果を図１５に示す。触媒
層５を設けない場合、排気温度が低いガソリンエンジン
に比べて低い天然ガスエンジン（ＣＮＧ）では、始動開
始からの素子温度の上昇が遅く、素子温度７００℃に達
するまでの時間は、ガソリンエンジンの１０秒に対し、
１５秒となっている。一方、触媒層５を設けた場合は、
素子温度３００℃付近から温度上昇が促進され、結果と
してガソリンエンジンと同等の活性化時間となってい
る。つまり、触媒層５を設けることで、活性化時間を大
幅に短縮するできることがわかる。なお、この昇温効果
は、排気温度が低い天然ガスエンジンでより効果的に発
揮されるが、天然ガスエンジンに限らず、ガソリンエン
ジン等においてももちろん有効であり、触媒層５を設け
ることで、より早いセンサの作動が可能になる。

【００５１】以上のように、上記構成によれば、センサ
出力ずれのない、検出精度に優れた天然ガスエンジン用
の空燃比センサを実現できる。また、センサを早期に活
性化することができる。よって、これを、例えばインジ
ェクションシステムの天然ガスエンジンに用いること
で、空燃比制御を高精度に行い、排気エミッションを改
善することができるので、例えば、米国における新たな
排出ガス規制等に対しても、十分対応が可能であり、よ
り広範な地域での活用が期待できる。なお、上記構成の
空燃比センサに、図９に示したトラップ層を設けること
もでき、同様の効果が得られる。

【００５２】上記各実施の形態では、ガス検出素子２と
して、試験管状の酸素イオン導電性固体電解質の内外周
面に第１の電極、第２の電極を形成した例について説明
したが、ガス検出素子２の形状は、これに限定されるも
のではなく、図１６に示す本発明の第５の実施の形態の
ように積層構造としてもよい。図中、平板状の酸素イオ
ン導電性固体電解質８１の上下表面の対向位置に、第１
の電極８２、第２の電極８３が形成してあり、排気側の
第１の電極８２上には保護皮膜または拡散抵抗層となる
多孔質膜８４を介して触媒層５が形成されている。大気
側の第２の電極８３の下面には、大気室８５ａおよびこ
れに連通する大気通路８５ｂを形成するための平板状支
持体８５が積層される。該支持体８５の下面にはさらに
ヒータ８６、絶縁シート８７が積層配設される。このよ
うなガス検出素子２を上記Ｏ₂ センサ、空燃比センサに
適用することもでき、同様の効果が得られる。

【００５３】図１７に本発明の第６の実施の形態を示
す。本実施の形態は、２セル式の空燃比センサに本発明
を適用したものである。本実施の形態の全体構成は、図
１０に示した空燃比センサとほぼ同様であり、以下、相
違点であるガス検出素子２の形状について説明する。図
１７（ａ）、（ｂ）において、ガス検出素子２は、平板
状の酸素イオン導電性固体電解質９１ｃの上下表面に一
対のポンプ電極９１ａ、９１ｂを形成したポンプセル９
１と、平板状の酸素イオン導電性固体電解質９２ｃの上
下表面に一対のセンサ電極９２ａ、９２ｂを有するセン
サセル９２を、スペーサ９３を介して積層してなる。ス
ペーサ９３内には、両セル９１、９２によりその上下二
面を覆われてなる排出ガス室Ａが形成され、この排出ガ
ス室Ａにポンプ電極９１ｂとセンサ電極９２ａが露出し
ている。センサセル９２の下方には、スペーサ９４を介
して両セル９１、９２を加熱するためのヒータ電極９５
ａを備えたヒータ部９５が積層されている。スペーサ９
４内には、基準酸素濃度ガスである大気が導入される大
気室Ｂが形成され、センサ電極９２ｂが露出している。
なお、図１７（ａ）において、９１ｄは通電用のリード
線である。

【００５４】ポンプセル９１には、一対のポンプ電極９
１ａ、９１ｂを貫通する連通孔９６が形成され、該連通
孔９６を介して排出ガス室Ａに排出ガスが導入されるよ
うになしてある。排出ガスに露出するポンプセル９１の
上面には、連通孔９６の排出ガス側およびポンプ電極９
１ａを覆って拡散抵抗層９７が形成され、さらにその表
面には酸化作用を有する触媒層５が形成してある。これ
ら拡散抵抗層９７、触媒層５の構成は、図１０に示した
空燃比センサと同様であり、触媒層５の触媒担持量を
０．５〜２重量％とすることで応答性を確保しつつセン
サの出力ずれを防止することができる。

【００５５】上記構成の２セル式の空燃比センサの検出
原理について説明する。センサセル９２の一対のセンサ
電極９２ａ、９２ｂは、それぞれ排出ガスが導入される
排出ガス室Ａ、大気が導入される大気室Ｂに露出してお
り、一対のセンサ電極９２ａ、９２ｂ間には、これらガ
ス中の酸素濃度差に応じた起電力が発生する。よって、
一対のセンサ電極９２ａ、９２ｂ間に生じるセンシング
電圧が一定の値となるように、つまり、排出ガス室Ａ内
の酸素濃度が所定の濃度となるように、ポンプ電極９１
ａのリード線９１ｄおよび図示されないポンプ電極９１
ｂのリード線を介してポンプセル９１に電圧を印加する
と、これに応じて酸素イオンが固体電解質９１ｃ内を移
動する。この時、ポンプセル９１を流れるポンピング電
流が排出ガス中の酸素濃度に相関し、このポンピング電
流を測定することで空燃比を検出することができる。

【００５６】２セル式の空燃比センサにおいても、天然
ガスエンジンのように排気中にＨ₂が多く存在すると、
センサの出力にずれが生じる問題があるが、拡散抵抗層
９７の表面に触媒層５を形成しておくことで、排出ガス
室Ａ内に導入される排出ガス中のＨ₂ を除去して、出力
ずれを防止することができる。また、ヒータ部９５とポ
ンプセル９１とが離れているため、ヒータ部９５の熱が
ポンプセル９１に伝わりにくい問題があったが、触媒層
５で発生する熱によりポンプセル９１の昇温が効率よく
なされるため、活性化時間が短縮され、より早い作動が
可能になる。よって、排気エミッションやヒータ電力を
低減する同様の効果が得られる。

【００５７】上記図１７の構成では、拡散抵抗層９７を
連通孔９６の排出ガス側に形成したが、図１８に示す本
発明の第７の実施の形態のように、拡散抵抗層９７を連
通孔９６内に形成し、その排出ガス側の表面を覆うよう
に触媒層５を形成することもできる。また、図１９に示
す本発明の第８の実施の形態のように、拡散抵抗層９７
に代えて、同様の拡散抵抗作用を有するピンホール９８
を設けることもでき、その排出ガス側に触媒層５を形成
することで同様の効果が得られる。あるいは、図２０に
示す本発明の第９の実施の形態のように、ピンホール９
８を設けた構成において、触媒層５を排出ガス室Ａに露
出するセンサ電極９２ａの表面に形成してもよい。この
ように触媒層５を上記排出ガス室Ａ側に設けることもで
き、その場合、ピンホール９８の上記排出ガス室Ａ側の
端部からポンプ電極９１ａに至る間であれば形成位置は
特に制限されない。ピンホール９８に限らず、他の拡散
抵抗手段である拡散抵抗層９７を設けた構成において、
触媒層５を排出ガス室Ａ側に形成することもできる。

【００５８】さらに、図２１に示す本発明の第１０の実
施の形態のように、排出ガス室Ａに排出ガスを導入する
ための連通孔９６を複数、形成することもできる。ま
た、本実施の形態では、大気室Ｂを、排出ガス室Ａと同
じスペーサ９３内に形成しており、素子構成がよりコン
パクトにできる。図２２に示す本発明の第１１の実施の
形態のように、複数の連通孔９６をポンプ電極９１ａの
周囲に形成してもよい。上記各実施の形態では、ポンプ
セル９１とセンサセル９２で排出ガス室Ａの上下面を構
成しているが、図２３に示す本発明の第１２の実施の形
態のように、ポンプセル９１が排出ガス室Ａの側面を構
成するように配置してもよい。本実施の形態では、連通
孔９６を排出ガス室Ａの上面に形成し、その表面を覆っ
て触媒層５を設けている。

【００５９】２セル式の空燃比センサにおいても、図２
４に示す本発明の第１３の実施の形態のように、触媒層
５の表面にトラップ層７を設けることもできる。ここで
は、図２１の構成を基本構成としているが、他の構成に
トラップ層７を設けた構成とすることもできる。図２５
（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１４の実施の形態で、図の
ように、ポンプセル９１とセンサセル９２で覆われる上
下面を除く上記排出ガス室Ａの両側面に、拡散抵抗層９
７を形成し、その外表面を覆って触媒層５を設けてもよ
い。また、ここではヒータ部９５をポンプセル９１側に
スペーサ１００を介して間隔をおいて対向配設してお
り、ポンプセル９１が昇温しやすいようにしている。

【００６０】上記各実施の形態では、本発明を天然ガス
エンジンの空燃比制御用Ｏ₂ センサ、天然ガスエンジン
またはガソリンエンジン用の広域空燃比センサに適用し
た例について説明したが、本発明はこれら用途に限定さ
れるものはなく、ガス中の酸素濃度の変化から間接的に
検出可能な他のガス成分を検出するためのガスセンサ等
のいずれにも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示すＯ₂ センサの
主要部拡大断面図である。

【図２】第１の実施の形態のＯ₂ センサの全体断面図で
ある。

【図３】天然ガスエンジンでのセンサ出力特性を示す図
である。

【図４】Ｏ₂ センサの触媒担持量とセンサ出力、応答性
との関係を示す図である。

【図５】第１の実施の形態のＯ₂ センサの主要部断面を
模式的に示す図である。

【図６】保護皮膜の気孔率と触媒担持量、応答性の関係
を示す図である。

【図７】保護皮膜の気孔率、触媒担持量と耐久性、応答
性の関係を示す図である。

【図８】（ａ）は本発明の第２の実施の形態を示すＯ₂
センサの全体断面図、（ｂ）はＯ₂ センサの主要部拡大
断面図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態を示すＯ₂ センサの
主要部拡大断面図である。

【図１０】本発明の第４の実施の形態を示す広域空燃比
センサの主要部拡大断面図である。

【図１１】（ａ）〜（ｅ）は広域空燃比センサの検出原
理を説明するための図である。

【図１２】広域空燃比センサの出力特性図である。

【図１３】広域空燃比センサの触媒担持量とセンサ出
力、応答性との関係を示す図である。

【図１４】天然ガスエンジンでの空燃比と水素生成量の
関係を示す図である。

【図１５】触媒層の有無と素子温度の関係を示す図であ
る。

【図１６】（ａ）は本発明の第５の実施の形態における
ガス検出素子の積層構造を示す展開図、（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ線断面図である。

【図１７】（ａ）は本発明の第６の実施の形態を示す広
域空燃比センサの主要部斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−
Ｂ線断面図である。

【図１８】本発明の第７の実施の形態を示す広域空燃比
センサの主要部拡大断面図である。

【図１９】本発明の第８の実施の形態を示す広域空燃比
センサの主要部拡大断面図である。

【図２０】本発明の第９の実施の形態を示す広域空燃比
センサの主要部拡大断面図である。

【図２１】（ａ）は本発明の第１０の実施の形態を示す
広域空燃比センサの主要部拡大図、（ｂ）は主要部拡大
断面図である。

【図２２】（ａ）は本発明の第１１の実施の形態を示す
広域空燃比センサの主要部拡大図、（ｂ）は主要部拡大
断面図である。

【図２３】本発明の第１２の実施の形態を示す広域空燃
比センサの主要部拡大断面図である。

【図２４】（ａ）は本発明の第１３の実施の形態を示す
広域空燃比センサの主要部拡大図、（ｂ）は主要部拡大
断面図である。

【図２５】（ａ）および（ｂ）は本発明の第１４の実施
の形態を示す広域空燃比センサの主要部斜視図、（ｃ）
は（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図である。

【図２６】素子活性化時間と排気エミッションの関係を
示す図である。

【符号の説明】

１ハウジング１１フランジ１２筒状部材２ガス検出素子２１酸素イオン導電性固体電解質２２内側電極（第１の電極）２３外側電極（第２の電極）２４保護皮膜（多孔質膜）２５酸素イオン導電性固体電解質２６内側電極（第１の電極）２７外側電極（第２の電極）２８拡散抵抗層（多孔質膜）３カバー体４リード線５触媒層６ヒータ（ヒータ部材）７トラップ層９１ポンプセル９１ａ、９１ｂ一対のポンプ電極９１ｃ酸素導電性固体電解質９２センサセル９２ａ、９２ｂ一対のポンプ電極９２ｃ酸素導電性固体電解質９５ヒータ部９６連通孔９７拡散抵抗層９８ピンホールＡ排出ガス室（室）Ｂ大気室

フロントページの続き (72)発明者金原賢治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 (72)発明者飯塚基正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 (72)発明者林秀隆愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】天然ガスエンジンからの排出ガスに含ま
れる特定ガス成分を検出するためのガスセンサであっ
て、酸素イオン導電性固体電解質の表面に、上記排出ガ
スに晒される第１の電極と、基準酸素濃度ガスに晒され
る第２の電極とを設け、上記第１の電極の表面を覆う多
孔質膜を設けて、上記多孔質膜の表面に酸化作用を有す
る触媒層を形成するとともに、該触媒層の全重量に対す
る触媒の担持量を０．５〜２重量％としたことを特徴と
するガスセンサ。
【請求項２】天然ガスエンジンからの排出ガスに含ま
れる特定ガス成分を検出するためのガスセンサであっ
て、酸素イオン導電性固体電解質の表面に、上記排出ガ
スに晒される第１の電極と、基準酸素濃度ガスに晒され
る第２の電極とを設け、上記第１の電極の表面を覆う多
孔質膜を設けて、上記多孔質膜の表面に酸化作用を有す
る触媒層を形成するとともに、該触媒層の全重量に対す
る触媒の担持量を２〜５重量％とし、かつ上記多孔質膜
の気孔率を１０〜２５％としたことを特徴とするガスセ
ンサ。
【請求項３】上記第１の電極を上記酸素イオン導電性
固体電解質の一方の表面に、上記第２の電極を上記酸素
イオン導電性固体電解質の他方の表面に設けた請求項１
または２記載のガスセンサ。
【請求項４】上記触媒層は、多孔質セラミックスに触
媒金属を担持してなる請求項１ないし３のいずれか記載
のガスセンサ。
【請求項５】上記触媒層を加熱するためのヒータ部材
を設けた請求項１ないし４のいずれか記載のガスセン
サ。
【請求項６】上記触媒層の表面に該触媒層の気孔率よ
りも大きい気孔率の多孔質層を設けてトラップ層となし
た請求項１ないし５のいずれか記載のガスセンサ。
【請求項７】上記トラップ層の気孔率を４０〜６０％
とした請求項６記載のガスセンサ。
【請求項８】上記多孔質膜が保護皮膜であり、上記第
１の電極と上記第２の電極間に生じる起電力を検出する
酸素センサとして用いられる請求項１ないし７のいずれ
か記載のガスセンサ。
【請求項９】上記天然ガスエンジンがインジェクショ
ンシステムの燃料供給システムを備えている請求項１な
いし８のいずれか記載のガスセンサ。
【請求項１０】酸素イオン導電性固体電解質の表面
に、内燃機関からの排出ガスに晒される第１の電極と、
基準酸素濃度ガスに晒される第２の電極とを設け、上記
第１の電極の表面を覆う多孔質膜よりなる拡散抵抗層を
設けて、所定の電圧を印加した時に上記第１の電極と上
記第２の電極間を流れる限界電流から空燃比を検出する
ようになしてあり、かつ上記拡散抵抗層の表面に酸化作
用を有する触媒層を形成したことを特徴とするガスセン
サ。
【請求項１１】一対のポンプ電極を有するポンプセル
と、一対のセンサ電極を有するセンサセルと、これら両
セルにより少なくともその二面を覆われてなる室と、上
記室に内燃機関からの排出ガスを導入するための少なく
とも１つないしそれ以上の連通孔とを設け、上記連通孔
の上記排出ガス側または上記連通孔内のいずれか一方あ
るいはその両方に多孔質膜よりなる拡散抵抗層を設け
て、上記センサセルの上記一対の電極間に生じるセンシ
ング電圧が所定の値となるように上記ポンプセルに電圧
を印加した時に上記ポンプセルを流れるポンピング電流
から空燃比を検出するようになしてあり、かつ上記拡散
抵抗層の上記排出ガス側の表面に酸化作用を有する触媒
層を形成したことを特徴とするガスセンサ。
【請求項１２】一対のポンプ電極を有するポンプセル
と、一対のセンサ電極を有するセンサセルと、これら両
セルにより少なくともその二面を覆われてなる室と、上
記室に内燃機関からの排出ガスを導入するための少なく
とも１つないしそれ以上の拡散抵抗作用を有するピンホ
ールを設けて、上記センサセルの上記一対の電極間に生
じるセンシング電圧が所定の値となるように上記ポンプ
セルに電圧を印加した時に上記ポンプセルを流れるポン
ピング電流から空燃比を検出するようになしてあり、か
つ上記ピンホールの上記排出ガス側を覆って酸化作用を
有する触媒層を形成したことを特徴とするガスセンサ。
【請求項１３】一対のポンプ電極を有するポンプセル
と、一対のセンサ電極を有するセンサセルと、これら両
セルにより少なくともその二面を覆われてなる室と、上
記室に内燃機関からの排出ガスを導入するための少なく
とも１つないしそれ以上の拡散抵抗手段を設けて、上記
センサセルの上記一対の電極間に生じるセンシング電圧
が所定の値となるように上記ポンプセルに電圧を印加し
た時に上記ポンプセルを流れるポンピング電流から空燃
比を検出するようになしてあり、かつ上記拡散抵抗手段
の上記室側の端部と上記室内に露出する上記センサ電極
の間に酸化作用を有する触媒層を形成したことを特徴と
するガスセンサ。
【請求項１４】上記触媒層において、該触媒層の全重
量に対する触媒の担持量を０．５〜２重量％とした請求
項１０ないし１３のいずれか記載のガスセンサ。
【請求項１５】上記内燃機関がインジェクションシス
テムの燃料供給システムを備えている請求項１０ないし
１４のいずれか記載のガスセンサ。
【請求項１６】上記内燃機関が天然ガスエンジンであ
る請求項１０ないし１５のいずれか記載のガスセンサ。