JPH11352096A - ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温排ガス中での耐久性に優れ，検出精度の
高いガスセンサ素子を提供すること。 【解決手段】 固体電解質体１２と測定電極１０２と基
準電極１０１とよりなるセンサセルを有し，測定電極１
０２及び基準電極１０１は同一の被測定ガス存在空間に
曝されるよう構成され，基準電極１０１には被測定ガス
存在空間からの被測定ガス供給速度を制限するための流
速制御手段が設けてある。流速制御手段は測定電極１０
２及び基準電極１０１に対する被測定ガス供給速度を変
えて測定電極１０２と基準電極１０１との間に起電力を
発生させ，該起電力により被測定ガス中の特定ガス成分
濃度が検知可能となるよう構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，内燃機関の排ガス中における排
気エミッション成分である炭化水素や窒素酸化物の検出
のような，被測定ガス中の特定ガス成分濃度を測定する
ガスセンサ素子に関する。

【０００２】

【従来技術】車両用エンジン等の内燃機関において，例
えば混合気の空燃比が理論空燃比になるように燃料噴射
量等をフィードバック制御した後，内燃機関から排出さ
れる排ガス中のエミッションを三元触媒コンバータによ
り除去するようにした排気エミッション抑制技術が排気
エミッションを改善するため採用されている。

【０００３】近年，排気エミッションの規制が強化さ
れ，米国ではすでに自己診断規制（略称ＯＢＤ−ＩＩ）
が開始され，三元触媒コンバーター等の排気エミッショ
ン抑制関連部品の故障を検知してドライバーに認識させ
ることが義務づけられ，ドライバーも故障した排気エミ
ッション抑制関連部品の修理が義務づけられるようにな
った。三元触媒コンバーターの劣化診断技術としては，
排気管の三元触媒コンバータの上流および下流のそれぞ
れに酸素濃度センサを設けたいわゆる２Ｏ_２センサシス
テムが知られている。

【０００４】しかしながら，排ガス規制が上記ＯＢＤ−
ＩＩのＬＥＶ（Ｌｏｗ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｖｅｃｈｉ
ｃｌｅ）からＵＬＥＶ（Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｅｍｉｓ
ｓｉｏｎ Ｖｅｃｈｉｃｌｅ）へと進むと，２つの酸素
濃度センサの信号差から間接的に浄化率を検知する２Ｏ
_２センサシステムでは検出精度が不充分である。そこで
窒素酸化物や炭化水素等の排気エミッション成分を直接
検出できるガスセンサ素子の必要性が高まっている。

【０００５】従来，上記ガスセンサ素子としては，半導
体式のものや固体電解質式のものが知られている。上記
半導体式のセンサ素子とは，特定ガス成分を半導体表面
に吸着させ，吸着による半導体（ＳｎＯ_２等）の電気抵
抗変化から特定ガス成分濃度を検出するものであり，半
導体の種類を変えることによって，種々の特定ガス成分
を選択的に検出することができる。

【０００６】また，上記固体電解質式のガスセンサ素子
とは，固体電解質体の一面に被測定ガスに曝される測定
電極を設け，他の面に基準ガスに曝される基準電極を設
けたものである。このものはガス濃淡起電力式の電池と
して機能するため，起電力変化を測定することで特定ガ
ス成分濃度を検出することができる。または，上記両電
極に外部から電圧を印加することにより発生する限界電
流を測定することでも特定ガス成分濃度を検出すること
ができる。

【０００７】そして，上記固体電解質体としては，Ａｇ
Ｉ（ＮＯｘを測定可能なガスセンサ素子）やＮＡＳＩＣ
ＯＮ（ＮＯｘ，ＣＯ_２を測定可能なガスセンサ素子）等
を利用することが知られている。

【０００８】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来の半
導体式センサ素子は，半導体の耐熱温度が低いため，高
温の排ガス中では早期に劣化するという問題がある。一
方，固体電解質式のガスセンサ素子は，固体電解質体で
あるＡｇＩやＮＡＳＩＣＯＮの排ガス中での熱的，化学
的安定性に問題がある。

【０００９】このような熱的，化学的安定性の問題を鑑
みた従来技術として，電流変化により特定ガス成分の濃
度を検出する，特開平８−２７１４７６号公報記載のＮ
Ｏｘセンサが知られている。このものは電流変化により
ＮＯｘを検出しているが，ＮＯｘ分子内の結合酸素を電
荷担体としているため，低濃度での出力電流が小さく，
検出誤差が大きくなるという問題がある。

【００１０】また，他の従来技術として，起電力変化に
より特定ガス濃度を検出する，特開平７−６３７２４号
公報（ＮＯｘセンサ）や特開平５−３２２８４４号公報
（炭化水素センサ）記載のものが知られている。しか
し，特開平７−６３７２４号公報記載のＮＯｘセンサで
は，副電極として硝酸塩を用いているため高温排ガス中
での使用は難しい。また，特開平５−３２２８４４号公
報記載の炭化水素センサは，原理的に出力の酸素濃度依
存性があり，さらに高酸素濃度雰囲気になる程起電力変
化が小さくなるため，高い測定精度を得ることが困難で
ある。

【００１１】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，高温排ガス中での耐久性に優れ，検出精
度の高いガスセンサ素子を提供しようとするものであ
る。

【００１２】

【課題の解決手段】請求項１の発明は，酸素イオン導電
性の固体電解質体と，該固体電解質体に接して設けられ
た測定電極と基準電極とよりなるセンサセルを有し，上
記測定電極及び基準電極は同一の被測定ガス存在空間に
曝されるよう構成されており，かつ上記基準電極には被
測定ガス存在空間からの被測定ガス供給速度を制限する
ための流速制御手段が設けてあり，該流速制御手段は上
記測定電極及び基準電極に対する被測定ガス供給速度を
変えて上記測定電極と基準電極との間に起電力を発生さ
せ，該起電力により被測定ガス中の特定ガス成分濃度が
検知可能となるよう構成されていることを特徴とするガ
スセンサ素子にある。

【００１３】次に，本発明の作用につき説明する。ここ
に一例として，被測定ガスがＮＯ−Ｏ_２−Ｎ_２系であ
り，測定すべき特定ガス成分がＮＯである場合について
説明する。流速制御手段がない場合，測定電極及び基準
電極上では次のような反応が進行していると考えられ
る。 カソード反応 Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２− アノード反応 ２ＮＯ＋２Ｏ^２−→２ＮＯ^２＋４ｅ⁻

【００１４】電圧測定では実質的な電流は０であるか
ら，カソード反応とアノード反応との反応速度が等しく
なるように，電極電位が決まる。一方，アノード反応の
反応速度はＮＯ濃度に依存するから，カソード反応とア
ノード反応とがバランスする電位もＮＯ濃度に依存して
変化する。

【００１５】本発明のガスセンサ素子のごとく，基準電
極に流速制御手段が設けてある場合，基準電極に対する
被測定ガスの供給が遅くなる。このため，基準電極上の
反応は熱力学的な平衡状態に近づき，カソード反応とア
ノード反応との反応速度が小さくなる。被測定ガスの供
給速度が遅くなるほど，電位変化は小さくなり，拡散律
速のような状態ではカソード反応とアノード反応との反
応速度は０となり，電位はＮＯが存在しない場合と同等
となる。

【００１６】従って，本発明においては，流速制御手段
により基準電極の電位はＮＯが存在しない場合と同等と
なり，測定電極の電位はＮＯの量に対応することとな
る。従って，両者の電位差を測定することで特定ガス成
分濃度に対応した起電力を得ることができる。つまり，
本発明の構造はガスセンサ素子として機能する（後述す
る実施形態例１参照）。

【００１７】なお，特定ガス成分が異なる場合の他の例
として，ＣＯ，Ｃ_３Ｈ_８等について後述したが，他のガ
ス成分でも酸素ガスを介した同様のアノード反応，カソ
ード反応が生じるものであれば，本発明にかかる構造の
ガスセンサ素子を用いて濃度検出を行うことができる。
また，被測定ガスが酸素を含んだガスであれば，本発明
の構造はガスセンサ素子として機能する。

【００１８】そして，本発明にかかるガスセンサ素子は
酸素イオン導電性の固体電解質体により構成されてお
り，固体電解質体の種類は特に限定されない。よって，
耐熱性に優れた固体電解質体を用いて構成することで，
熱的，化学的に安定し，例えば内燃機関より排出される
排ガス雰囲気等の高温雰囲気での使用においても充分実
用的な耐久性を確保することができる。

【００１９】また，後述する実施形態例１の図３，図４
に示すごとく，流速の違いによって得られた電位差は特
定ガス濃度成分の濃度を正確に反映するため，本発明の
ガスセンサ素子は高い精度を確保することができる。

【００２０】以上により，本発明によれば，高温排ガス
中での耐久性に優れ，検出精度の高いガスセンサ素子を
得ることができる。

【００２１】上記流速制御手段としては，後述する実施
形態例１に示すごとく，被測定ガス雰囲気に開口した空
間部を利用することが好ましい。また，多孔質体で基準
電極を被覆することで，該多孔質体を流速制御手段とし
て機能させることができるため，このような形態の流速
制御手段を用いることもできる。その他，スリット，ピ
ンホール等により流速制御手段を形成することができ
る。また，上記固体電解質体としては耐熱性に優れたジ
ルコニア等を利用することが好ましいが，例えばセリア
等を利用することもできる。

【００２２】次に，請求項２の発明のように，上記測定
電極には被測定ガス存在空間からの被測定ガス供給速度
を制限するための第２流速制御手段が設けてあることが
好ましい。上述したごとく，上記アノード反応，カソー
ド反応による電位変化は被測定ガスの流速に依存する。
本請求項にかかる第２流速制御手段を用いることで，測
定電極に対する被測定ガスの流速を常に一定に保つこと
ができ，より正確な特定ガス濃度の検出を可能とするこ
とができる。

【００２３】なお，上記第２流速制御手段としては，基
準電極に設けた流速制御手段よりも流速制御能力が低い
ものを用いる必要がある。こうすることで，測定電極側
の流速より基準電極側の流速を遅くして，基準電極上で
のアノード反応，カソード反応を抑制することができ
る。

【００２４】次に，請求項３の発明のように，上記ガス
センサ素子は，酸素イオン導電性の固体電解質体と該固
体電解質体に接して設けられた一対の変換電極からなる
変換セルを有し，該変換セルは上記センサセルに対向す
るよう配置されており，かつ上記測定電極と基準電極と
の間に発生する起電力を打ち消すような酸素イオン電流
を発生するよう構成されており，更に上記酸素イオン電
流により上記被測定ガス中の特定ガス成分濃度が検知可
能となるよう構成されていることが好ましい。

【００２５】これにより特定ガス成分濃度に比例した電
流値を得ることができ，電圧検出に比べ，特定ガス成分
濃度と出力電流との関係が直線に近くなるため，より正
確な特定ガス成分濃度の測定を行うことができる（実施
形態例３参照）。

【００２６】次に，請求項４の発明のように，上記ガス
センサ素子は，酸素イオン導電性の固体電解質体と該固
体電解質体に接して設けられた一対の酸素ガス用測定電
極と酸素ガス用基準電極とよりなる酸素センサセルを有
し，上記酸素ガス用基準電極が露出するよう構成された
基準室を有し，かつ上記酸素センサセルは上記酸素ガス
用測定電極と酸素ガス用基準電極との間に発生する起電
力またはポンプ電流により被測定ガス中の酸素ガス濃度
を検知可能となるよう構成されていることが好ましい。

【００２７】これにより，酸素ガス濃度とその他の特定
ガス成分濃度との２種類を同時に測定可能な複合ガスセ
ンサ素子を得ることができる。このようなガスセンサ素
子は内燃機関の排気系のような狭い空間で何種類かの特
定ガス成分濃度を測定しなくてはならないような場合に
最適である。

【００２８】次に，請求項５の発明のように，上記ガス
センサ素子は，酸素イオン導電性の固体電解質体と該固
体電解質体に接して設けられた一対のポンプ電極からな
る酸素ポンプセルを有し，上記一対のポンプ電極の少な
くとも一方は上記測定電極と同一の被測定ガス存在空間
に設けてあり，上記酸素ポンプセルは上記測定電極が露
出する被測定ガス存在空間における酸素ガス濃度を所定
の濃度に制御可能となるよう構成されていることが好ま
しい。

【００２９】これにより，被測定ガス存在空間の酸素ガ
ス濃度を一定に保持することが可能となり，よって酸素
ガス濃度の変動の影響をより受け難い，より精度の高い
ガスセンサ素子を得ることができる

【００３０】次に，請求項６の発明のように，上記測定
電極及び基準電極はＡｕ，ＰｔあるいはＡｕ及びＰｔを
含む合金のいずれか一種により構成されていることが好
ましい。これにより，排気ガス中のような高温雰囲気で
も安定で精度の高いセンサ素子を得ることができる。

【００３１】次に，請求項７の発明のように，上記ガス
センサ素子はシート状の酸素イオン導電性の固体電解質
体と絶縁基板とを積層して構成することが好ましい。こ
れにより，各セル間やヒータとセル間の電気的なリーク
を防止することができる。

【００３２】次に，請求項８の発明のように，上記特定
ガス成分は炭化水素，水素，一酸化炭素であることが好
ましい。これにより，排気ガス中の上記可燃ガス成分濃
度を検出することができる。なお，このような特定ガス
成分を検出するガスセンサ素子の測定電極及び基準電極
上のアノード反応，カソード反応として以下にＣＯの場
合について記載する。また，実施形態例１にはＣ_３Ｈ_８
の反応を記載する。水素についても同様のアノード反
応，カソード反応が発生する。

【００３３】被測定ガスがＣＯ−Ｏ_２−Ｎ_２系であり，
測定すべき特定ガス成分がＣＯである場合の電極上の反
応は次式の通りである。 カソード反応 Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２− アノード反応 ＣＯ＋２Ｏ^２−→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻

【００３４】次に，請求項９の発明のように，上記特定
ガス成分は窒素酸化物，硫黄酸化物であることが好まし
い。これにより，排気ガス中の上記有害ガス成分濃度を
検出することができる。なお，硫黄酸化物についても，
上述したＮＯと同様のアノード反応，カソード反応が発
生する。

【００３５】次に，請求項１０の発明のように，上記測
定電極及び基準電極の少なくとも一方は酸化触媒層で被
覆されていることが好ましい。本発明を用いてＮＯｘ濃
度を測定するガスセンサ素子を構成し，被測定ガス中に
ＮＯｘ以外のＣＯ，ＨＣ，Ｈ_２等の雑ガス成分が含まれ
ている場合，本請求項のごとき酸化触媒層を設けること
で，雑ガス成分をＨ_２Ｏ，ＣＯ_２等に酸化して，これら
の雑ガス成分の影響を除去することができる。よって，
ＮＯｘのみに依存するアノード反応，カソード反応が電
極上で発生するため，電極間に現れる電位差もＮＯ濃度
を正しく反映した値となり，より正確な濃度測定を行う
ことができる。

【００３６】また，ＮＯｘ成分がＮＯ，ＮＯ_２等で構成
されている場合，酸化触媒層を設けることでＮＯをＮＯ
_２に変換することができる。ＮＯとＮＯ_２では本来ガス
センサ素子に対する感度が異なるが，このような変換を
行うことでより精度よくＮＯｘ濃度を測定することがで
きる。

【００３７】次に，請求項１１の発明のように，上記酸
化触媒層はＰｔ，Ｐｄ，Ａｇの少なくとも一種を含むこ
とが好ましい。これにより，高温排ガス中においても安
定で耐久性に優れた酸化触媒層を得ることができる。

【００３８】

【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素子について図
１〜図４を用いて説明する。図１，図２に示すごとく，
本例のガスセンサ素子１は，酸素イオン導電性の固体電
解質体１２と（例えばジルコニア［ＺｒＯ_２］とイット
リア［Ｙ_２Ｏ_３］との固溶体からなる），該固体電解質
体１２に接して設けられた測定電極１０２と基準電極１
０１とよりなるセンサセル１０を有する。

【００３９】上記基準電極１０１及び測定電極１０２は
同一の被測定ガス存在空間に曝されるよう構成されてお
り，かつ上記測定電極１０２には被測定ガス存在空間か
らの被測定ガス供給速度を制限するための流速制御手段
が設けてある。上記流速制御手段は上記基準電極１０１
及び測定電極１０２に対する被測定ガス供給速度を変え
て上記基準電極１０１と測定電極１０２との間に起電力
を発生させ，該起電力により被測定ガス中の特定ガス成
分濃度が検知可能となるよう構成されている。なお，本
例における流速制御手段とは空間部１１である。

【００４０】以下，詳細に説明する。図１，図２に示す
ごとく，本例のガスセンサ素子１は，センサセル１０を
構成する固体電解質体１２と，空間部１１を構成するア
ルミナ製のスペーサ１３とセンサセル１０を活性温度に
保持するためのヒータ１５とが積層一体化して構成され
ている。

【００４１】上記固体電解質体１２において空間部１１
と対面する面には基準電極１０１が設けてあり，該基準
電極１０１はＰｔにＡｕを添加した多孔質体より構成さ
れている。また，固体電解質体１２を挟んで上記基準電
極１０１と対面する面にＰｔにＡｕを添加した多孔質体
より構成された測定電極１０２が設けてある。また，上
記固体電解質体１２はジルコニアよりなる。また，図２
に示すごとく，上記固体電解質体１２にはセンサセル１
０からの出力を取出すためのリード部１０３，１０４，
端子１０５，１０６，１０７が設けてある。なお，端子
１０５と１０７との間はスルーホール１２０により導通
されている。

【００４２】上記アルミナ製のスペーサ１３を介して上
記固体電解質体１２にはヒータ１５が設けてある。上記
ヒータ１５はヒータ基板１５１と該ヒータ基板１５１に
設けられた発熱部１６０，リード部１６１，１６２，端
子１６３，１６４と，発熱部１６０等を被覆するための
被覆基板１５２とより構成されている。なおリード部１
６１，１６２と端子１６３，１６４との間はスルーホー
ル１５０により導通されている。

【００４３】次に，上記ガスセンサ素子１の作動原理に
ついて説明する。上記ガスセンサ素子１において可燃ガ
スであるＣ_３Ｈ_８を測定する場合，上記測定電極１０２
においては，次のような反応が発生する。なお，Ｏ^２−
は固体電解質体１２を構成するジルコニアの格子酸素で
ある。 カソード反応 ５Ｏ_２＋２０ｅ⁻→１０Ｏ^２− アノード反応 Ｃ_３Ｈ_８＋１０Ｏ^２−→３ＣＯ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋２０ｅ⁻ このため，測定電極１０２はＣ_３Ｈ_８の濃度に対応した
電位となる。

【００４４】一方，上記基準電極１０１は流速制御手段
である空間部１１に面している。上記空間部１１は被測
定ガス存在空間に対し開口しており，該被測定ガス存在
空間に対面する測定電極１０２と同一の雰囲気ではある
が，被測定ガスの流速が非常に遅い状態に保持されてい
る。このため，上述したごときカソード反応及びアノー
ド反応は基準電極１０１上においては熱力学的な平衡状
態に近く，殆ど発生しない。

【００４５】以上により，測定電極１０２と基準電極１
０１との間にＣ_３Ｈ_８濃度に対応した電位差が発生し，
この電位差をリード１０３，１０４，端子１０５，１０
６，１０７により取出して外部に設けた電圧計（後述す
る実施形態例３で説明する起電力検出回路９１参照）で
測定することにより，被測定ガス中のＣ_３Ｈ_８濃度に対
応した出力を得ることができる。

【００４６】次に，このガスセンサ素子１を用いて被測
定ガス中のＮＯ，Ｃ_３Ｈ_８を測定し，その結果について
説明する。上記ガスセンサ素子１を後述する図１４に示
すごときガスセンサ８に組付けて，被測定ガス存在空間
であるＮ_２−Ｏ_２−Ｃ_３Ｈ_８系のガス流れに曝した。な
お，このガス流れは流速１ｍ／ｓに保持されている。

【００４７】上記被測定ガス存在空間におけるＣ_３Ｈ_８
の濃度を変化させつつ，上記ガスセンサ素子１の出力電
圧を測定した。この結果を図３に記載した。同図によれ
ばガスセンサ素子１の出力はＣ_３Ｈ_８濃度に対応した値
を取ることが分かり，本例のガスセンサ素子１がＣ_３Ｈ
_８ガスセンサ素子として機能することが確認できた。

【００４８】次に，同様の試験をＮ_２−Ｏ_２−ＮＯ系の
ガス流れにおいてＮＯ濃度を変化させつつ行った。この
結果を図４に記載した。同図によればガスセンサ素子１
の出力はＮＯ濃度に対応した値を取ることが分かり，本
例のガスセンサ素子１がＮＯガスセンサ素子として機能
することが確認できた。

【００４９】本例の作用効果について説明する。本例の
ガスセンサ素子は，耐熱性に優れた酸素イオン導電性の
ジルコニア固体電解質体よりなるため，熱的，化学的に
安定しており，排ガス等の高温雰囲気での使用において
充分実用的な耐久性を確保することができる。また，前
述の図３，図４に示すごとく，流速の違いによって得ら
れた電位差は特定ガス濃度成分の濃度を正確に反映する
ため，高い精度を確保することができる。

【００５０】以上により，本例によれば，高温排ガス中
での耐久性に優れ，検出精度の高いガスセンサ素子を得
ることができる。

【００５１】実施形態例２ 本例にかかるガスセンサ素子１を図５，図６を用いて説
明する。本例のガスセンサ素子１は，図５，図６に示す
ごとく，実施形態例１と同様に固体電解質体１２と，該
固体電解質体１２に接して設けられた測定電極１０２と
基準電極１０１とよりなるセンサセル１０を有する。そ
して，上記基準電極１０１には被測定ガス存在空間から
の被測定ガス供給速度を制限するための流速制御手段と
なる多孔質層１８が設けてある。

【００５２】また，上記測定電極１０２にも被測定ガス
存在空間からの被測定ガス供給速度を制限するための第
２流速制御手段となる多孔質層１９が設けてある。そし
て，上記多孔質層１８のほうが上記多孔質層１９よりも
緻密である。なお，両多孔質層１８，１９はアルミナよ
りなる。その他は実施形態例１と同様である。

【００５３】上述したごとく，本例にかかるガスセンサ
素子１の測定電極１０２でのアノード反応，カソード反
応による電位変化は被測定ガスの流速に依存する。よっ
て測定電極１０２に第２流速制御手段となる多孔質層１
９を設けることで，測定電極１０２に対する被測定ガス
の流速を常に一定に保つことができる。よって，より正
確な特定ガス濃度の検出が可能となる。その他は実施形
態例１と同様である。

【００５４】実施形態例３ 本例にかかるガスセンサ素子１を図７〜図１１を用いて
説明する。本例のガスセンサ素子１は，図７，図８に示
すごとく，実施形態例１と同様の固体電解質体１２と，
該固体電解質体１２に接して設けられた測定電極１０２
と基準電極１０１とよりなるセンサセル１０を有する。

【００５５】また，上記ガスセンサ素子１は，酸素イオ
ン導電性の固体電解質体２２と該固体電解質体２２に接
して設けられた一対の変換電極２０１，２０２からなる
変換セル２０を有し，該変換セル２０は上記センサセル
１０に対向するよう配置されている。また，上記変換セ
ル２０は，上記測定電極１０２と基準電極１０１との間
に発生する起電力を打ち消すような酸素イオン電流を発
生し，該酸素イオン電流により上記被測定ガス中の特定
ガス成分濃度が検知可能となるよう構成されている。

【００５６】以下，詳細に説明する。本例のガスセンサ
素子１は，センサセル１０を構成する固体電解質体１２
と，空間部１１を構成するアルミナ製のスペーサ１３
と，変換セル２０を構成する固体電解質体２２と，酸素
ガス排出空間２１を構成するスペーサー２３と，上記セ
ンサセル１０及び変換セル２０を活性温度に保持するた
めのヒータ１５とが積層されて一体となったものであ
る。

【００５７】上記固体電解質体１２において空間部１１
と対面する面には基準電極１０１が設けてある。また，
固体電解質体１２を挟んで上記基準電極１０１と対面す
る面に測定電極１０２が設けてある。上記固体電解質体
１２にはセンサセル１０からの出力を取出すためのリー
ド部１０３，１０４，端子１０５，１０６，１０７が設
けてある。なお，端子１０５と１０７との間はスルーホ
ール１２０により導通されている。

【００５８】上記アルミナ製のスペーサ１３を介して上
記固体電解質体１２には変換セル２０用の固体電解質体
２２が設けてある。上記固体電解質体２２には一対の変
換電極２０１，２０２と，該変換電極２０１，２０２に
通電するためのリード部２０３，２０４，端子２０５，
２０６が設けてある。なお，上記変換電極２０１は酸素
ガス排出空間２１に面している。

【００５９】また，上記端子２０５，２０６はスルーホ
ール２２０，１３０，１２０を介して固体電解質体１２
に設けられた端子２０７，２０８に導通されている。ま
た，上記固体電解質体２２にはスペーサ２３を介してヒ
ータ１５が設けてある。その他は実施形態例１と同様で
ある。

【００６０】本例のガスセンサ素子１は次のように機能
する。実施形態例１に示すごとく，本例のガスセンサ素
子１においても，測定電極１０２と基準電極１０１との
間に特定ガス成分濃度に対応した電位差が発生する。

【００６１】ガスセンサ素子１においては，測定電極１
０２と基準電極１０１の間に発生した起電力を変換セル
２０により電流値に変換する回路が設けてある。図９は
その作動を示すブロック図である。変換セル制御手段９
はセンサセル１０の一対の電極１０１，１０２間の電圧
を入力とする起電力検出回路９１と，これより出力され
る起電力信号を入力とする後段の変換セル制御回路９２
からなる。

【００６２】変換セル制御回路９２の前段の比較回路９
２１は起電力検出回路９１から出力される起電力信号を
起電力信号の基準信号値（例えば０ｍＶ）と比較し，そ
の差を変換セル制御回路９２の変換セル駆動部９２２に
出力する。変換セル駆動部９２２は変換セル２０の電極
２０１，２０２間に電圧を印加するとともに，上記起電
力信号と上記基準信号値の差を必要な修正量として変換
セル２０の一対の電極２０１，２０２間に印加する電圧
を増減するようになっている。

【００６３】信号検出手段７は，変換セル駆動回路９２
２と，電極２０１，２０２を出入する電流を測定して変
換セル２０の固体電解質体２２に流れるイオン電流を検
出するイオン電流検出回路７１とから構成してある。

【００６４】この構成のセンサでは，変換セル２０の電
極２０１，２０２間の印加電圧を制御することで，変換
セル２０の酸素ポンブ作用により，空間部１１内の酸素
濃度を増減させる。すると，センサセル１０の一対の電
極１０１，１０２間に酸素濃度の違いにもとづいた起電
力が発生する。この酸素濃度の違いによる起電力を利用
して，センサセル１０の一対の電極１０１，１０２間の
電圧を一定の基準値に制御すると，変換セル２０の電極
２０１，２０２間に流れる電流値により，特定ガス成分
濃度を測定することができる。その他は実施形態例１と
同様である。

【００６５】次に，このガスセンサ素子１を用いて被測
定ガス中のＮＯ，Ｃ_３Ｈ_８を測定し，その結果について
説明する。なお，測定方法等の詳細は実施形態例１と同
様である。つまり，実施形態例１と同様にガスセンサに
対し本例のガスセンサ素子を組付け，被測定ガス存在空
間に曝した。そして，上記被測定ガス存在空間における
Ｃ _３Ｈ_８の濃度を変化させつつ，上記ガスセンサ素子１
の出力電流を測定した。この結果を図１０に記載した。
同図によればガスセンサ素子１の出力電流はＣ_３Ｈ_８濃
度に対応した値を取ることが分かり，本例のガスセンサ
素子１がＣ_３Ｈ_８ガスセンサ素子として機能することが
確認できた。

【００６６】次に，同様の試験をＮ_２−Ｏ_２−ＮＯ系の
ガス流れにおいてＮＯ濃度を変化させつつ行った。この
結果を図１１に記載した。同図によればガスセンサ素子
１の出力電流はＮＯ濃度に対応した値を取ることが分か
り，本例のガスセンサ素子１がＮＯガスセンサ素子とし
て機能することが確認できた。

【００６７】実施形態例４ 本例にかかるガスセンサ素子１を図１２〜図１４を用い
て説明する。上記ガスセンサ素子１は，図１２，図１３
に示すごとく，実施形態例１と同様に固体電解質体１２
と，該固体電解質体１２に接して設けられた測定電極１
０２と基準電極１０１とよりなるセンサセル１０を有す
る。

【００６８】また，上記ガスセンサ素子１は，一対の酸
素ガス用測定電極３０２と酸素ガス用基準電極３０１と
よりなる酸素センサセル３０を有し，上記酸素ガス用基
準電極３０１が露出するよう構成された基準室３１を有
する。そして，上記酸素センサセル３０は上記酸素ガス
用測定電極３０２と酸素ガス用基準電極３０１との間に
発生する起電力により被測定ガス中の酸素ガス濃度を検
知可能となるよう構成されている。

【００６９】以下，詳細に説明する。図１２，図１３に
示すごとく，本例のガスセンサ素子１は，センサセル１
０を構成する固体電解質体１２と，空間部１１を構成す
るアルミナ製のスペーサ１３と酸素センサセル３０を構
成する固体電解質体３２と，基準室３１を構成するスペ
ーサー３３と，センサセル１０及び酸素センサセル３０
を活性温度に保持するためのヒータ１５とが積層一体化
して構成されている。

【００７０】上記固体電解質体１２において空間部１１
と対面する面には基準電極１０１が設けてあり，該固体
電解質体１２を挟んで上記基準電極１０１と対面する面
に測定電極１０２が設けてある。また，図１３に示すご
とく，上記固体電解質体１２にはセンサセル１０からの
出力を取出すためのリード部１０３，１０４，端子１０
５，１０６，１０７が設けてある。なお，端子１０５と
１０７との間はスルーホール１２０により導通されてい
る。

【００７１】図１３に示すごとく，上記固体電解質体１
２には，上記アルミナ製のスペーサ１３を介して固体電
解質体３２が設けてある。上記固体電解質体３２には，
上記酸素ガス用測定電極３０２と酸素ガス用基準電極３
０１と，これら電極３０１，３０２に導通し，酸素セン
サセル３０の出力を取出すためのリード部３０３，３０
４，端子３０５，３０６が設けてある。また，上記端子
３０５，３０６は固体電解質体１２に設けられた端子３
０７，３０８とスルーホール３２０，１３０，１２０を
介して導通されている。そして，上記固体電解質体３２
にはスペーサー３３を介してヒータ１５が設けてある。
その他は実施形態例１と同様である。

【００７２】本例のガスセンサ素子１を設けたガスセン
サ８について説明する。図１４に示すごとく，上記ガス
センサ８の筒状ハウジング８０内に絶縁材に外周を保持
されたガスセンサ素子１が収容されている。上記ガスセ
ンサ素子１の先端部（センサセル１０が設けてある部
分）は，上記ハウジング８０より突出した状態にあり，
ハウジング８０の下端に固定された容器状のカバー８１
内に収容されている。上述の被測定ガス雰囲気とはこの
カバー８１内の雰囲気を示している。

【００７３】上記カバー８１は，ステンレス製の内部カ
バー８１１と外部カバー８１２の２重構造となってお
り，これらカバー８１１，８１２の側壁と底壁には，被
測定ガスをカバー８１内に取り込むための導入孔８１
３，８１４が設けてある。

【００７４】上記ハウジングの８０の上端には，筒状の
カバー８２１，８２２と該カバー８２２の後端部を覆う
カバー８２３とからなる大気カバー８２が固定されてい
る。これらカバー８２２，カバー８２３の側壁には，互
いに対向するように大気口８２４，８２５が設けてあ
る。上記大気口８２４，８２５より取り込まれた大気は
内部空間８００を経て，ガスセンサ素子１の基準室３１
に取り込まれる。

【００７５】また，上記大気口８２４，８２５付近には
防水のために撥水性フィルタ８２０が設置されている。
また，上記大気カバー８２は上端が開口しており，ガス
センサ素子１の端子１０６，１０７，１６３，１６４，
３０７，３０８に接続するための導線８３が，この上端
より外部に延びている。

【００７６】本例のガスセンサ素子の作動について説明
する。実施形態例１に示すごとく，本例のガスセンサ素
子１においても，測定電極１０２と基準電極１０１との
間に特定ガス成分濃度に対応した電位差が発生する。こ
れにより，特定ガス成分濃度を測定することができる。

【００７７】また，上記ガスセンサ素子１には，空間部
１１に測定電極３０２が，大気が導入された基準室３１
に基準電極３０１が露出した酸素センサセル３０が設け
てある。上記空間部１１は被測定ガス存在空間と同一の
雰囲気にあるため，酸素センサセル３０は酸素濃淡起電
力式の電池として機能する。つまり，酸素センサセル３
０が発する出力電圧を測定することで，被測定ガス存在
空間の酸素ガス濃度を測定することができる。

【００７８】従って，本例にかかるガスセンサ素子は特
定ガス濃度を測定するガスセンサであると共に酸素ガス
濃度を測定することができる複合センサ素子としの機能
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。

【００７９】実施形態例５ 本例のガスセンサ素子は内燃機関の排ガス中におけるＮ
Ｏｘ成分測定用のガスセンサ素子で，図１５，図１６に
示すごとく，実施形態例１と同じ構造を持っている。但
し，測定電極１０２及び基準電極１０１には，これを被
覆するようにＰｔ及びＰｄを含有した酸化触媒層１７が
設けてある。その他は実施形態例１と同様である。

【００８０】本例の作用効果について説明する。ところ
で内燃機関の排ガスは，空気（Ｏ_２＋Ｎ_２）の他に燃料
の燃焼により発生したＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２，ＨＣ，Ｈ_２
Ｏ，ＮＯ，ＮＯ_２等が含まれている。このような成分系
をもったガスが被測定ガスである場合，ＣＯ，Ｈ_２，Ｈ
Ｃ，ＮＯ，ＮＯ_２のそれぞれに基づくアノード反応とカ
ソード反応とが測定電極１０２上で発生し，該測定電極
１０２上の電位はこれらの反応による電位変化を足し合
わせたものとなる。

【００８１】上記成分を有する酸化触媒層１７を設ける
ことにより，ＣＯ，Ｈ_２，ＨＣは酸化触媒層１７を通過
する際に酸化される。また，ＮＯ，ＮＯ_２の反応に基づ
く電位変化はそれぞれ異なるが，上記酸化触媒層によっ
てＮＯはＮＯ_２に酸化される。このため，測定電極１０
２上ではＮＯ_２に関する反応のみが発生することとな
る。よって，電極間に現れる電位差もＮＯ_２濃度を正し
く反映した値となり，より正確なＮＯｘ成分の測定を行
うことができる。その他は実施形態例１と同様の作用効
果を有する。

【００８２】実施形態例６ 本例は，図１７，図１８に示すごとく，ポンプセルを設
けたガスセンサ素子である。図１７，図１８に示すごと
く，上記ガスセンサ素子４は，酸素イオン導電性の固体
電解質体４２と該固体電解質体４２に接して設けられた
一対のポンプ電極４０１，４０２からなる酸素ポンプセ
ル４０を有する。そして，上記ポンプ電極４０１はセン
サセル１０の測定電極１０２と同一の被測定ガス存在空
間に設けてある。

【００８３】以下，詳細に説明する。本例のガスセンサ
素子１は，酸素ポンプセル４０を設けた固体電解質体４
２と，被測定ガス室４１を形成するためのスペーサ４３
と，センサセル１０を設ける固体電解質体１２とヒータ
１５とが積層一体化されて構成されている。

【００８４】上記固体電解質体４２には一対のポンプ電
極４０１，４０２が設けてあり，該ポンプ電極４０１，
４０２の中央には被測定ガス導入用の導入孔４００が設
けてある。そして，上記固体電解質体４２には，ポンプ
電極４０１，４０２と導通したリード部４０３，４０
４，端子４０５，４０６，４０７が設けてある。また，
端子４０５と４０７との間はスルーホール４２０により
導通されている。

【００８５】また，固体電解質体１２の同一の面に設け
た測定電極１０２と基準電極１０１とにより本例のセン
サセル１０は構成されている。また，基準電極１０１の
表面は多孔質層よりなる流速制御手段１８により被覆さ
れ，測定電極１０２の表面も多孔質層よりなる第２流速
制御手段１９により覆われている。

【００８６】そして，上記固体電解質体１２には測定電
極１０２と基準電極１０１と導通したリード部１０３，
１０４，端子１０５，１０６とが設けてある。また，端
子１０５，１０６はスペーサ４３に設けたスルーホール
４３０を介して固体電解質体４２に設けた端子４２０と
導通されている。その他は実施形態例１と同様である。

【００８７】本例の作用効果について説明する。ポンプ
セル４０が作動することにより，被測定ガス室４１にお
ける酸素ガス濃度はほぼ一定値に保持されることとな
る。ところで，測定電極１０２におけるアノード反応，
カソード反応は被測定ガス存在空間から酸素ガスが非常
に少なくなった場合には反応が生じ難くなり，結果とし
て特定ガス成分濃度に対応した値をセンサセル１０から
得ることが困難となる。

【００８８】本例においては，被測定ガス存在空間と導
通した被測定ガス室４１を設け，ここに測定電極１０２
が露出するようにセンサセル１０を設けてある。被測定
ガス室４１には酸素ポンプセル４０が設けてあるため，
この部分の酸素ガス濃度は常に一定に保持されることと
なる。従って，センサセル１０の出力は被測定ガス存在
空間の酸素濃度に依存せず特定ガス成分濃度に精度よく
対応した値を取ることができる。その他は実施形態例１
と同様である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１にかかる，ガスセンサ素子の断面
説明図。

【図２】実施形態例１にかかる，ガスセンサ素子の斜視
展開図。

【図３】実施形態例１にかかる，Ｃ_３Ｈ_８濃度と出力電
圧との関係を示す線図。

【図４】実施形態例１にかかる，ＮＯ濃度と出力電圧と
の関係を示す線図。

【図５】実施形態例２にかかる，測定電極と基準電極と
の双方に流速制御手段を設けたガスセンサ素子の断面説
明図。

【図６】実施形態例２にかかる，ガスセンサ素子の斜視
展開図。

【図７】実施形態例３にかかる，変換セルを有するガス
センサ素子の断面説明図。

【図８】実施形態例３にかかる，ガスセンサ素子の斜視
展開図。

【図９】実施形態例３にかかる，起電力を電流値に変換
する回路のブロック図。

【図１０】実施形態例３にかかる，Ｃ_３Ｈ_８濃度と出力
電流との関係を示す線図。

【図１１】実施形態例３にかかる，ＮＯ濃度と出力電流
との関係を示す線図。

【図１２】実施形態例４にかかる，酸素センサセルを有
するガスセンサ素子の断面説明図。

【図１３】実施形態例４にかかる，ガスセンサ素子の斜
視展開図。

【図１４】実施形態例４にかかる，ガスセンサの断面
図。

【図１５】実施形態例５にかかる，測定電極及び基準電
極の表面に酸化触媒層を設けたガスセンサ素子の断面説
明図。

【図１６】実施形態例５にかかる，ガスセンサ素子の斜
視展開図。

【図１７】実施形態例６にかかる，ポンプセルを設けた
ガスセンサ素子の断面図。

【図１８】実施形態例６にかかる，ガスセンサ素子の斜
視展開図。

【符号の説明】

１．．．ガスセンサ素子， １０．．．センサセル， １０１．．．基準電極， １０２．．．測定電極， １２．．．固体電解質体，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河内 秀臣 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 (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素イオン導電性の固体電解質体と，該
   固体電解質体に接して設けられた測定電極と基準電極と
   よりなるセンサセルを有し，上記測定電極及び基準電極
   は同一の被測定ガス存在空間に曝されるよう構成されて
   おり，かつ上記基準電極には被測定ガス存在空間からの
   被測定ガス供給速度を制限するための流速制御手段が設
   けてあり，該流速制御手段は上記測定電極及び基準電極
   に対する被測定ガス供給速度を変えて上記測定電極と基
   準電極との間に起電力を発生させ，該起電力により被測
   定ガス中の特定ガス成分濃度が検知可能となるよう構成
   されていることを特徴とするガスセンサ素子。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記測定電極には被
   測定ガス存在空間からの被測定ガス供給速度を制限する
   ための第２流速制御手段が設けてあることを特徴とする
   ガスセンサ素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において，上記ガスセン
   サ素子は，酸素イオン導電性の固体電解質体と該固体電
   解質体に接して設けられた一対の変換電極からなる変換
   セルを有し，該変換セルは上記センサセルに対向するよ
   う配置されており，かつ上記測定電極と基準電極との間
   に発生する起電力を打ち消すような酸素イオン電流を発
   生するよう構成されており，更に上記酸素イオン電流に
   より上記被測定ガス中の特定ガス成分濃度が検知可能と
   なるよう構成されていることを特徴とするガスセンサ素
   子。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項において，
   上記ガスセンサ素子は，酸素イオン導電性の固体電解質
   体と該固体電解質体に接して設けられた一対の酸素ガス
   用測定電極と酸素ガス用基準電極とよりなる酸素センサ
   セルを有し，上記酸素ガス用基準電極が露出するよう構
   成された基準室を有し，かつ上記酸素センサセルは上記
   酸素ガス用測定電極と酸素ガス用基準電極との間に発生
   する起電力またはポンプ電流により被測定ガス中の酸素
   ガス濃度を検知可能となるよう構成されていることを特
   徴とするガスセンサ素子。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一項において，
   上記ガスセンサ素子は，酸素イオン導電性の固体電解質
   体と該固体電解質体に接して設けられた一対のポンプ電
   極からなる酸素ポンプセルを有し，上記一対のポンプ電
   極の少なくとも一方は上記測定電極と同一の被測定ガス
   存在空間に設けてあり，上記酸素ポンプセルは上記測定
   電極が露出する被測定ガス存在空間における酸素ガス濃
   度を所定の濃度に制御可能となるよう構成されているこ
   とを特徴とするガスセンサ素子。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか一項において，
   上記測定電極及び基準電極はＡｕ，ＰｔあるいはＡｕ及
   びＰｔを含む合金のいずれか一種により構成されている
   ことを特徴とするガスセンサ素子。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか一項において，
   上記ガスセンサ素子はシート状の酸素イオン導電性の固
   体電解質体と絶縁基板とを積層して構成することを特徴
   とするガスセンサ素子。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか一項において，
   上記特定ガス成分は炭化水素，水素，一酸化炭素である
   ことを特徴とするガスセンサ素子。
9. 【請求項９】 請求項１〜７のいずれか一項において，
   上記特定ガス成分は窒素酸化物，硫黄酸化物であること
   を特徴とするガスセンサ素子。
10. 【請求項１０】 請求項９において，上記測定電極及び
    基準電極の少なくとも一方は酸化触媒層で被覆されてい
    ることを特徴とするガスセンサ素子。
11. 【請求項１１】 請求項１０において，上記酸化触媒層
    はＰｔ，Ｐｄ，Ａｇの少なくとも一種を含むことを特徴
    とするガスセンサ素子。