JP2003247972A - ガスセンサ素子及びその製造方法，再生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超早期活性のガスセンサ素子及びその製造方
法を提供すること。 【解決手段】 部分安定化ジルコニア製の固体電解質体
１１と該固体電解質体１１に設けた一対の電極１４１，
１５１よりなる電気化学セル１０を１つ備えた１セル型
のガスセンサ素子１を製造するにあたり，一対の電極１
４１，１５１を介して上記電気化学セル１０に直流電流
を通電するエージング処理を行い，エージング処理にお
ける直流電流の電圧Ｖは，電気化学セル１０の限界電流
値における最大電圧をＶ₂とするとＶ₂≦Ｖ≦２Ｖ₂であ
る。また，ガスセンサ素子１の一対の電極１４１，１５
１に挟まれた箇所の固体電解質体１１は変色部を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，内燃機関の排気管に設置するガ
スセンサに内蔵され，空燃比フィードバック制御等に利
用するガスセンサ素子及びその製造方法，再生方法に関
する。

【０００２】

【従来技術】自動車エンジンの排気ガス中の大気汚染物
質を除去する三元触媒を効果的に機能させるためには，
自動車エンジンの燃焼室において空燃比が特定範囲内に
あることが重要である。従って，空燃比が特定範囲に収
まるように自動車エンジンの燃焼制御を行う（空燃比制
御）。空燃比制御に利用するガスセンサは，固体電解質
体と該固体電解質体に設けた一対の電極よりなる電気化
学セルを備えたガスセンサ素子を内蔵し，上記電気化学
セルが酸素センサセルとして機能して，排気ガス中の酸
素濃度または未燃ガス濃度を検出し，該酸素濃度または
未燃ガス濃度から自動車エンジン燃焼室の空燃比を検出
する。

【０００３】

【特許文献１】特開平１１−７２４７７号公報

【０００４】

【解決しようとする課題】しかしながら，ガスセンサ素
子は素子活性温度以上にならねば空燃比を検出できな
い。よって，自動車エンジンの始動直後から空燃比制御
を行うことは難しく，多くの場合はガスセンサ素子の温
度が素子活性温度以上に上昇した後から空燃比制御を行
っている。

【０００５】従って，従来は自動車エンジンの始動直後
からガスセンサ素子が素子活性温度に達するまでの間は
空燃比制御ができず，三元触媒が効果的に機能せず，汚
染物質の濃度が高い排気ガスがそのまま大気に排出され
るおそれがある。近年は排気ガス中の汚染物質濃度をよ
り低くするために，エンジン始動直後の早い時期から空
燃比制御を実現できることが望まれており，そのためガ
スセンサ素子が自動車エンジン始動後の非常に早い時間
から酸素濃度を検出できるといった超早期活性が望まれ
ている。

【０００６】また，ガスセンサ素子を自動車エンジンの
排気管で使用する場合，上記ガスセンサ素子は排気ガス
温度と常温との広い範囲にわたる冷熱サイクルにさらさ
れる。上記冷熱サイクルの熱履歴によってガスセンサ素
子の電気抵抗値が上昇し，当初低かった素子活性温度が
時間の経過と共に上昇し，製造直後に備えていた超早期
活性が次第に失われるおそれがある。

【０００７】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，超早期活性のガスセンサ素子及びその製
造方法，再生方法を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題の解決手段】第１の発明は，部分安定化ジルコニ
ア製の固体電解質体と該固体電解質体に設けた一対の電
極よりなる電気化学セルを少なくとも１つ備えたガスセ
ンサ素子を製造するにあたり，上記一対の電極を介して
上記電気化学セルの少なくとも１つに直流電流を通電す
るエージング処理を行い，上記エージング処理における
直流電流の電圧Ｖは，上記電気化学セルの限界電流域に
おける最大電圧をＶ₂とすると，Ｖ₂≦Ｖ≦２Ｖ₂である
ことを特徴とするガスセンサ素子の製造方法（請求項
１）にある。

【０００９】第１の発明にかかる製造方法では，電気化
学セルに一対の電極から直流電流を流すエージング処理
を行う。また，複数の電気化学セルを備えたガスセンサ
素子については，少なくとも１つの電気化学セルに上記
エージング処理を行う。ところで，電気化学セルに電圧
を印加した際の電圧と電流との関係，すなわち電圧−電
流特性は，図６に示すように，（１）電圧の増大と共に
電流が増大するＡ部（０〜Ｖ_１まで），（２）電圧は増
大するが電流が殆ど変化しないＢ部（Ｖ_１〜Ｖ₂ま
で），（３）電圧の増大と共に電流が増大するＣ部（Ｖ
₂以上），という三種類の領域を有し，ここにＢ部が限
界電流域で，該限界電流域での電流値を限界電流値とい
う。なお，限界電流域においては電圧−電流特性がフラ
ットであり，前記Ｂ部において０．１Ｖ以内の電圧変化
における電流変化幅が最大で１０％以下である状態を
『フラット』とみなす。

【００１０】限界電流域では，電極表面で酸素がイオン
化して発生する酸素イオン電流と電気化学セルに印加し
た電圧によって流れる電流とがバランスした状態にある
が，電気化学セルに印加した電圧が上昇し，Ｃ部の状態
に達すると固体電解質体のジルコニアが還元され，固体
電解質体における結晶構造が変化する。この変化により
固体電解質体の酸素イオン伝導率が改善され，電気化学
セルの活性温度が低下する。

【００１１】また，直流電流を加えることで電極に結合
した酸素が除去され，電極活性が高まる。この点からも
活性温度が低下する。第１の発明は直流電流を流してい
るため，交流電流と比較して固体電解質体や電極を容易
に活性化することができる。交流電流は電流の流れる方
向がサイクルごとに変動するため上述のような特定の電
圧範囲の電流を流すことができない。

【００１２】第２の発明は，部分安定化ジルコニア製の
固体電解質体と該固体電解質体に設けた一対の電極より
なる電気化学セルを少なくとも１つ備えたガスセンサ素
子で，上記固体電解質体において上記一対の電極により
挟まれた領域は変色部を有することを特徴とするガスセ
ンサ素子にある（請求項５）。

【００１３】第２の発明にかかるガスセンサ素子は，固
体電解質体の電極に挟まれた領域に変色部がある（後述
する図２，図３参照）。この変色部は固体電解質体を構
成するジルコニアが還元的であることを示し，通常のジ
ルコニアよりも導電性に優れた状態にある。よって，活
性温度も低い。なお，上記変色部は肉眼で確認でき，変
色していない通常の部分のジルコニアの色は白，灰色，
灰褐色，淡褐色であり，変色部の色は黒，褐色，濃茶色
等である。

【００１４】第３の発明は，固体電解質体と該固体電解
質体に設けた一対の電極よりなる電気化学セルを１つ備
えた１セル型のガスセンサ素子であって，上記電気化学
セルは，温度７００〜８００℃において電極間に印加す
る電圧を変化させることなく大気中において限界電流値
を検出可能であることを特徴とするガスセンサ素子にあ
る（請求項６）。

【００１５】第３の発明にかかるガスセンサ素子の電気
化学セルは温度７００〜８００℃において電極間に印加
する電圧を変化させることなく大気中において限界電流
値を検出可能であり，これにより内燃機関の始動後は非
常に短い時間で排気ガス中の酸素濃度を検出することが
できる。すなわち，内燃機関の種類にもよるが，自動車
エンジンの排気管に設置したガスセンサ素子が上記温度
に加熱されるまでの時間はだいたい３秒〜８秒程度と非
常に短時間であり，超早期活性を実現することができ
る。

【００１６】第４の発明は，部分安定化ジルコニア製の
固体電解質体と該固体電解質体に設けた一対の電極より
なる電気化学セルを少なくとも１つ有すると共に内燃機
関の排気管に取り付けるガスセンサ素子であって，該ガ
スセンサ素子における素子活性温度を低温に維持するた
めに，上記ガスセンサ素子を上記排気管に取り付けた状
態で，上記一対の電極を介して少なくとも１つの上記電
気化学セルに電圧Ｖの直流電流を通電し，かつ上記電圧
Ｖは，上記電気化学セルの限界電流域における最大電圧
をＶ₂とすると，Ｖ₂≦Ｖ≦２Ｖ₂として，上記素子活性
温度を回復させることを特徴とするガスセンサ素子の再
生方法にある（請求項８）。

【００１７】内燃機関の排気管に取り付けて，該内燃機
関からの排気ガス中で特定ガス濃度を測定したり，内燃
機関の空燃比等を測定するガスセンサ素子は，後述する
実施例１１に示すように，熱履歴に繰り返しさらされ，
次第に電気抵抗が高くなって，素子活性温度が上昇し，
超早期活性が失われていく。従って，このようなガスセ
ンサ素子に前述したエージング処理と同じ条件で直流電
流を流してやることで，再び素子活性温度を下げて，超
早期活性を維持することができる。

【００１８】また，ガスセンサ素子は，素子の作動に必
要な電流，電圧を印加し，またガス濃度検出によって発
生した出力を取り出すための電気回路を接続して使用す
る。通常，排気管においてガスセンサ素子はガスセンサ
に組み込まれ上記電気回路に接続されている。よって，
上記ガスセンサ素子に接続された電気回路を使用して直
流電流の通電を行うことができ，別の回路や装置を用い
ることなく，素子の再生を図って活性温度を回復するこ
とができる。

【００１９】以上，本発明によれば，超早期活性のガス
センサ素子及びその製造方法，再生方法を提供すること
ができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】第１〜第４の発明は限界電流式の
ガスセンサ素子，起電力式のガスセンサ素子のいずれに
対しても適用できる。限界電流式のガスセンサ素子と
は，後述する実施例１に示すように，ガスセンサ素子に
電圧を印加して限界電流の大きさを測定して，被測定ガ
ス中の特定ガス濃度を測定するよう構成した素子であ
る。この素子は拡散抵抗層を介することで，被測定ガス
の流量をある程度制限しながら被測定ガスを素子内部の
被測定ガス室に導入するよう構成する。このため，大気
雰囲気のように酸素を充分含んだ雰囲気でガスセンサ素
子の一対の電極に電圧を印加した場合，図６に示すよう
な限界電流域を備えた電圧−電流特性が発現する。

【００２１】起電力式のガスセンサ素子とは，後述する
実施例４に示すように，電気化学セルの一方の電極を被
測定ガスに，他方の電極を基準電極にさらし，被測定ガ
スと基準ガスとの間での特定ガス濃度差による起電力を
電極間に発生させ，該起電力を測定して，被測定ガス中
の特定ガス濃度を測定するよう構成した素子である。起
電力式のガスセンサ素子における電気化学セルの電圧−
電流特性において，大気雰囲気では，図１２に示すよう
にオームの法則に従っておおよそ電圧に比例した電流値
を得る。

【００２２】しかしながら，通常の起電力式のガスセン
サ素子において，被測定ガスにさらされる電極には，上
述した限界電流式のガスセンサ素子が備える拡散抵抗層
より更にポーラスな多孔質体の層を多孔質保護層として
設けてあるため（後述する図１１参照），該多孔質保護
層において若干の絞り効果を得て，図１３に示すよう
に，酸素濃度が非常に薄い雰囲気では，明確な限界電流
域（Ｖ₁とＶ₂との間のフラットな部分）を備えた電圧−
電流特性が発現する。起電力式のガスセンサ素子では，
このような酸素濃度がリーンである雰囲気において得た
電圧−電流特性からＶ₂を求め，該Ｖ₂に応じた電圧でエ
ージング処理を行うことができる。

【００２３】第１の発明（請求項１）で，エージング処
理は，電気化学セルの電極のいずれか一方を外部電源の
正極に，他方を負極に接続して直流電流を流すが，図７
に示すごとく，電気化学セルに対し正負いずれの電流を
流しても（範囲Ｄ及びＥ），本発明の効果を得ることが
できる。なお，Ｅ部は大気室（各図において１２０を付
した箇所）の拡散抵抗に基づく限界電流である。

【００２４】ただし，より低い活性温度を得るために
は，請求項３に記載したように，上記ガスセンサ素子に
おける一対の電極の一方は被測定ガスにさらされ，他方
は基準ガスにさらされるよう構成され，上記エージング
処理は，被測定ガスにさらされる電極から基準ガスにさ
らされる電極へと酸素イオンが流れるように直流電流の
電圧Ｖを印加して行うことがより好ましい。

【００２５】エージング処理において酸素はイオン化さ
れ，酸素イオン電流が電気化学セルの被測定ガスにさら
される電極から他方の電極へと流れる。酸素のイオン化
が生じる電極では，該電極に結合した酸素が除去され，
電極活性がより高まる。そしてガスセンサ素子による特
定ガス濃度検出の際は被測定ガス側の電極において酸素
をイオン化するため，電極の活性が高ければ酸素イオン
化の効率も高まって活性温度も低くなる。以上，上述し
たエージング処理を行うことで，より活性温度が低温と
なって，超早期活性のガスセンサ素子を得ることができ
る。

【００２６】また，上記エージング処理がＶ₂未満であ
れば，固体電解質体や電極が充分活性しないおそれがあ
る。２Ｖ₂より大であると固体電解質体のジルコニアの
結晶構造が大きく変化し，機械的強度が低下し，破壊が
発生するおそれがある。さらに好ましくは１．２Ｖ₂≦
Ｖ≦１．５Ｖ₂とする。

【００２７】また，上記エージング処理は，ガスセンサ
素子の温度を５００〜１０００℃に保持して行うことが
好ましい。温度が５００℃未満である場合は，各ガスセ
ンサ素子の個体差によるＶ₂のばらつきが広くなるた
め，全てのガスセンサ素子に対し直流電流をＶ₂≦Ｖ≦
２Ｖ₂の範囲で印加することが困難となるおそれがあ
る。また温度が１０００℃を越える場合は，直流電流を
印加する際に流れる電流の大きさのばらつきが大きくな
って，エージング処理による効果のばらつきも大きくな
る。よって，全てのガスセンサ素子において同様の効果
を得ることが難しくなり，ガスセンサ素子の性能の個体
差が大きくなるおそれがある。

【００２８】また，ガスセンサ素子の温度を上げるのは
ガスセンサ素子に一体的に設けたセラミックヒータ（図
１参照）等に通電してもよいし，別体のヒータから加熱
してやってもよい（図１６参照）。また，上記エージン
グ処理における直流電流の印加は３０秒〜１５分間で行
うことが好ましい。１５秒未満では時間が短すぎて固体
電解質体や電極を充分活性化できないおそれがある。１
５分を越えるとガスセンサ素子の強度低下が生じるおそ
れがあり，またエージング処理にかかる消費電力が増大
し，製造コストの増加につながるおそれがある。

【００２９】また，第１の発明において，上記エージン
グ処理は，酸素濃度が大気よりも低い低酸素濃度雰囲気
において行うことがある（請求項４）。上述したごと
く，起電力式のガスセンサ素子は低酸素濃度雰囲気で限
界電流域が電圧−電流特性に発現するため，限界電流域
が発現する酸素濃度範囲でエージング処理を行う必要が
ある。なお，１００％窒素雰囲気や真空中のような無酸
素雰囲気でエージング処理を行ってもよい。このときの
限界電流は０Ａである。

【００３０】また，エージング処理したいガスセンサ素
子が限界電流式であれば，酸素濃度は大気よりも濃くて
もかまわないが，そのような高濃度酸素雰囲気は危険で
あるし，コストも高くなるため大気雰囲気でエージング
処理を行うことが好ましい。

【００３１】第２の発明（請求項５）の変色部は電極に
よって挟まれた領域にある程度の体積分存在すれば，本
発明の効果を得ることができる。また，電極で挟まれた
以外の部分に変色部があってもよい。少なくとも電極に
よって挟まれた領域の８０体積％以上が変色部であれば
本発明の効果を得ることができる。なお，電極で挟まれ
た領域とは，電気化学セルにおいて酸素イオンの通り道
となる領域のことである。特に，板状の固体電解質体の
同一面上に電極が存在する構成の電気化学セルは，電極
と電極との間を接続する領域に変色部が存在することが
好ましい。

【００３２】また，第３の発明（請求項６）のガスセン
サ素子は温度７００〜８００℃で限界電流値を検出でき
るが，検出可能となる温度が上記温度範囲より高い場合
は超早期活性が実現し難くなるおそれがあり，上記温度
範囲より低い場合はガスセンサ素子の応答時間が遅くな
り，精密な燃焼制御ができなくなるおそれがある。

【００３３】また，上記電極の少なくとも１つはサーメ
ット電極よりなることが好ましい（請求項２）。サーメ
ット電極とは，電極材料に有機物よりなるペーストや共
材（ともざい）等を添加して得た電極ペーストを印刷等
で固体電解質体に塗布，その後焼成して焼き付けて作製
した電極である。

【００３４】サーメット電極は固体電解質体と同時に焼
成できるため製造が容易で，共材として固体電解質体と
同様の材料を使用することで固体電解質体との強固な接
合が得られるという有利な点がある。しかしながら，化
学メッキ等で作製した電極と比較して，電極材料の粒径
が大きく，厚さも厚い上，焼成の際に酸素が結合して，
活性が低下することが多かった。本発明は活性の低いサ
ーメット電極であってもエージング処理によって活性を
高めて超早期活性を実現することができる。そのため，
サーメット電極の製造の容易さ，高信頼性という特性を
活かして，優れたガスセンサ素子を製造することができ
る。

【００３５】また，第３の発明において，温度７００℃
で大気中における限界電流値をI₇₀₀，温度９００℃で大
気中における限界電流値をI₉₀₀とすると，両者の間には
０．８×I₉₀₀≦I₇₀₀≦１．２×I₉₀₀が成立することが好
ましい（請求項７）。限界電流値がこの条件を満たすこ
とで，素子の温度が変化してもセンサ素子の出力変動が
小さくて，精度の高い測定を実現することができる。I
₇₀₀が０．８×I₉₀₀未満またはI₇₀₀が１．２×I₉₀₀より
大である場合は，ガスセンサ素子の温度変化に伴う出力
変動が大きくなり，精度の高い測定ができなくなるおそ
れがある。

【００３６】第４の発明において，上記直流電流の通電
は，上記内燃機関の運転中で，該内燃機関より排気ガス
が排気管に排出されている状態で行うことが好ましい
（請求項９）。これにより，内燃機関の運転中に平行し
てガスセンサ素子の再生を行うことができ，効率的であ
る。また，第４の発明において，上記ガスセンサ素子に
おける一対の電極の一方は被測定ガスにさらされ，他方
は基準ガスにさらされるよう構成され，上記エージング
処理は，被測定ガスにさらされる電極から基準ガスにさ
らされる電極へと酸素イオンが流れる方向で直流電流の
電圧Ｖを印加して行うことが好ましい（請求項１０）。
上述したように，これによってより素子活性温度の低い
ガスセンサ素子を得ることができる。

【００３７】

【実施例】以下に，図面を用いて本発明の実施例につい
て説明する。 （実施例１）本例のガスセンサ素子は，自動車エンジン
の排気管に設置するガスセンサに内蔵するもので，排気
ガス中の酸素濃度または未燃ガス濃度を検出し，該酸素
濃度または未燃ガス濃度から自動車エンジンの燃焼室に
おける空燃比を求めて，空燃比制御に利用する。

【００３８】図１〜図３に示すごとく，部分安定化ジル
コニア製の固体電解質体１１と該固体電解質体１１に設
けた一対の電極１４１，１５１よりなる電気化学セル１
０を１つ備えた１セル型のガスセンサ素子１を製造する
際に，図３に示すように，上記一対の電極１４１，１５
１を介して上記電気化学セル１０に直流電流を通電する
エージング処理を行う。そして，上記エージング処理に
おける直流電流の電圧Ｖは，上記電気化学セル１０の限
界電流値における最大電圧をＶ₂とすると（図６参
照），Ｖ₂≦Ｖ≦２Ｖ ₂の範囲とする。

【００３９】以下，詳細に説明する。本例のガスセンサ
素子１は，図１〜図３に示すごとく，拡散抵抗層１３と
固体電解質体１１とスペーサ１２とセラミックヒータ１
９を積層構成した限界電流式の素子である。本例の素子
は自動車エンジンの排気管に設置して空燃比制御に利用
する。すなわち，排気ガス中の酸素濃度を検出し，該酸
素濃度から自動車エンジン燃焼室の空燃比を得るＡ／Ｆ
センサ素子である。また，電気化学セル１０を１つ有す
る１セル型の素子である。

【００４０】固体電解質体１１は一対の電極１４１，１
５１を有し，スペーサ１２側の電極１４１は基準電極，
拡散抵抗層１３に覆われた電極１５１は被測定ガス側電
極である。リード部１４２，１５２が電極として作用し
て生じるリーク電流を防止するため，アルミナ等の絶縁
材料で形成する絶縁層１６を固体電解質体１１に積層す
る。絶縁層１６は窓部１６０を有し，上記電極１５１は
この窓部１６０と対面する。この窓部１６０によって外
部から拡散抵抗層１３を介して被測定ガスを導入する被
測定ガス室が形成される。

【００４１】電極１４１はリード部１４２，端子１４
３，スルーホール１４４，絶縁層１６に設けたスルーホ
ール１６１を経て，端子１４５と導通する。また，電極
１５１はリード部１５２を介して端子１５３と導通す
る。ガスセンサ素子１に対する入出力はこれら端子１４
５，１５３を用いて行う。

【００４２】スペーサ１２は大気を導入して基準ガスと
する大気室１２０を形成する。また，上記セラミックヒ
ータ１９は基板１９１に発熱体１９０とリード部１９５
を設け，該リード部１９５はスルーホール１９６を通じ
て端子１９７と電気的に導通する。上記端子１９７から
発熱体１９０に電力を印加することができる。

【００４３】また，図２，図３に示すごとく，電極１４
１，１５１に挟まれた部分の固体電解質体１１は変色部
１１９を有する。通常の固体電解質体１１は灰色や淡褐
色であるが，変色部１１９は黒褐色や濃茶色を呈し，こ
れは肉眼ではっきりと識別できる。

【００４４】本例のガスセンサ素子１の製造方法を説明
する。まず，固体電解質体１１用の部分安定化ジルコニ
アグリーンシートを作製する。イットリアとジルコニア
よりなるイットリア部分安定化ジルコニア粉末に，バイ
ンダーとなるＰＶＢ（ポリビニルブチラール）等を秤量
し，上記原料をボールミル中にて混合した。

【００４５】得たスラリーをドクターブレード法にて所
定の厚さに成形し，所定の大きさに切断してグリーンシ
ートを得た。次に，スルーホール用のピンホールを設
け，ピンホールにＰｔ等の導電性のペーストを充填し
た。次に絶縁層１６用の印刷部にアルミナペーストをス
クリーン印刷し，電極１４１，１５１，リード部１４
２，１５２用のＰｔペーストをスクリーン印刷し電気化
学セル１０を作製した。

【００４６】次に，ヒータ基板１９１とスペーサ１２用
のグリーンシートを作製する。アルミナ粉末にバインダ
ーとなるＰＶＢ等を秤量して添加，上記原料をボールミ
ル中にて混合した。得たスラリーをドクターブレード法
にてヒータ基板１９１用，スペーサ１２用それぞれの所
定の厚さに成形し，所定の大きさに切断してグリーンシ
ートを得た。ヒータ基板１９１用グリーンシートにスル
ーホール１９６用のピンホールを設け，ピンホールにＰ
ｔ等の導電性のペーストを充填した。次に発熱部１９
０，リード部１９５，端子部１９７用のＰｔペーストを
印刷し，セラミックヒータ１９を作製した。

【００４７】スペーサ１２用グリーンシートには，切削
加工，プレス加工等で大気室１２０となる窓部を形成
し，スペーサ１２を作製した。また，ヒータ基板１９
１，スペーサ１２用と比較して焼結性の劣るアルミナ粉
末を同様にスラリーにして，ドクターブレード法で所定
の厚さに成形，切断し，拡散抵抗層１３用のグリーンシ
ートを得た。

【００４８】これらのグリーンシートや未焼積層体を図
１に示すような順序で積層し，加圧して相互を接着す
る。その後，温度１４００〜１５００℃で焼成した。焼
成を終えた後に，図３に示すように，電極１４１，１５
１にエージング用の電源２１を備えたエージング処理回
路２を接続した。電圧２Ｖの直流電流を６０秒間印加し
た。以上により，電極１４１，１５１間に変色部１１９
を有するガスセンサ素子１を得た。

【００４９】次に，本例にかかるエージング処理による
変色部１１９をもったガスセンサ素子１と，エージング
処理をせず，変色部を持たない従来例となるガスセンサ
素子との温度及び電圧−電流特性の関係について測定し
た。変色部を持たないガスセンサ素子は，電極に対し＋
２Ｖを３０秒，極性を反転して−２Ｖを３０秒それぞれ
印加した。

【００５０】そして，変色部１１９のある／ないガスセ
ンサ素子をそれぞれガスセンサ（図示略）に内蔵し，大
気中に曝露する。ついで，セラミックヒータ１９に通電
し，ガスセンサ素子の温度を一定とする。この時の温度
はそれぞれ７００℃，８００℃，９００℃とした。この
状態で変色部のある／ないガスセンサ素子のそれぞれの
電気化学セルに通電した。そして，電圧−電流特性を測
定し，図４，図５の線図にそれぞれ記載した。

【００５１】図４，図５より知れるごとく，温度が９０
０℃の場合は変色部１１９の有無にかかわらずフラット
な限界電流域が印加電圧が０．１Ｖを越えたあたりから
生じる。温度が７００℃，８００℃では，本例にかかる
変色部１１９有りのガスセンサ素子１は９００℃の場合
と同じような限界電流域が存在するが，変色部のないガ
スセンサ素子は，図より明らかであるが，９００℃の場
合と電圧−電流特性の形状が大きく違う。このため，変
色部なしのガスセンサ素子を用いて温度７００℃，８０
０℃において酸素濃度の正確な検知は困難であることが
分かった。

【００５２】本例にかかるガスセンサ素子１は，製造工
程において通電してエージング処理を施すため，電気化
学セル１０の電極１４１，１５１間の固体電解質体１１
が変色する。この変色した部分の活性は高いため，より
低温での酸素濃度検出が可能となる。従って，本例のガ
スセンサ素子１を自動車エンジンの排気管に設置するガ
スセンサに内蔵した場合，エンジンの始動後，比較的短
い時間（５秒程度）で排気ガス中の酸素濃度を検出でき
るようになる。つまりエンジン始動直後から空燃比制御
が行えるため，三元触媒は効率よく排気ガス中の大気汚
染物質を除去することができる。

【００５３】なお，実施例１では板状の固体電解質体に
ついて記載したが，固体電解質体の形状は板状に限定さ
れるものではなく，コップ形状の固体電解質体をもつガ
スセンサ素子についても同様の効果を得ることができる
（後述する実施例４参照）。さらに，実施例１では１セ
ル型のＡ／Ｆセンサ素子について述べたが，本発明はこ
れに限定されることなく，エージング処理を２セル型の
Ａ／Ｆセンサ素子（後述する実施例６等を参照）に適用
することも可能である。さらにまた，本発明は，Ａ／
Ｆ，酸素センサ素子以外にも，ＮＯｘ，ＨＣ及びＣＯセ
ンサ素子にも適用することができる（後述する実施例５
等を参照）。

【００５４】（実施例２）本例では，実施例１で示した
ガスセンサ素子に条件を変えてエージング処理を行っ
た。実施例１にかかるガスセンサ素子を何本か準備し，
実施例１と同様にエージング処理を行った。各ガスセン
サ素子に対する直流電流の電圧Ｖはそれぞれ０．９Ｖ₂
〜４Ｖ₂，通電時間は１分とした。また比較のために通
電しないガスセンサ素子も１本準備した。そして，各ガ
スセンサ素子の素子活性温度を大気中にてガスセンサ素
子の基準ガス側の電極を正極，被測定ガス側の電極を負
極として，０．４Ｖの電圧を印加する。次に内蔵ヒータ
に電力を投入する。このとき放射温度計で素子温度を計
測しながら，所望の温度で安定するようヒータの電力を
調整する。

【００５５】こうして素子温度とセンサセルの電極間に
流れる電流値の関係を得る。このときセンサセルの電極
間に流れる電流は温度が上昇すると共に増加する。素子
の温度が８００℃の時の電流値をＩＬ₈₀₀とすると，セ
ンサセルの電極間に流れる電流が０．８×ＩＬ₈₀₀とな
る温度を活性温度とした。そして，結果を図８の線図に
記載した。図８より，通電しないガスセンサ素子よりも
Ｖ₂以上の電圧を加えてエージング処理を行うことで急
激に素子活性温度が低下することが分かった。

【００５６】また，同様に各ガスセンサ素子にＶ₂以上
の直流電流を加えて１０分のエージング処理を行った。
また比較のために通電しないガスセンサ素子も１本準備
した。そして，エージング処理終了後の（比較のための
素子はそのままの状態で）ガスセンサ素子の拡散抵抗層
を研磨等で除去し，部分安定化ジルコニア表面を露出さ
せ，被測定ガス側電極の中央を針状のピンで押し，部分
安定化ジルコニアが破壊に至る荷重を測定した。そし
て，結果を図９の線図に記載した。なお，エージング処
理しなかったガスセンサ素子の平均強度を１．０とし
て，他のものの素子強度を相対強度で記載した。図９よ
り，エージング処理の電圧が高くなるとガスセンサ素子
の強度が低下することが分かった。従って，印加電圧は
使用するガスセンサ素子の使用目的等に応じて適当な大
きさとする必要がある。

【００５７】（実施例３）本例はエージング処理を，図
１０に示すごとく，基準ガスである大気を導入する大気
室１２０に面する電極１４１を正極に，被測定ガスが拡
散抵抗層１３を通じて導入される窓部１６０に面する電
極１５１を負極として，直流電流を印加して行った。

【００５８】このエージング処理によって，窓部１６０
内に存在する酸素はイオン化し，電極１５１から電極１
４１へ向かって移動する。すなわち，酸素イオン電流が
電極１５１から電極１４１へと流れ，酸素のイオン化が
発生する電極１５１では，該電極１５１に結合した酸素
が除去され，電極活性がより高まる。そして，ガスセン
サ素子１による酸素濃度検出の際は電極１５１において
酸素をイオン化するため，電極１５１の活性が高ければ
酸素イオン化の効率も高まってより活性温度も低くな
る。

【００５９】ここに，実施例１にかかる方向でエージン
グ処理をしたガスセンサ素子と，本例にかかる方向でエ
ージング処理をしたガスセンサ素子と（電圧は共に１．
５Ｖ ₂），まったくエージング処理をしていないガスセ
ンサ素子とを準備して，それぞれの素子活性温度を比較
した（測定方法は実施例２を参照）。その結果，実施例
１のガスセンサ素子は６５０℃，本例では６３０℃であ
り，エージング処理をしていないものは７５０℃となっ
た。以上，本例に示すようなエージング処理を行うこと
で，より活性温度が低温となって，更に超早期活性のガ
スセンサ素子を得ることができる。

【００６０】（実施例４）本例は起電力式のガスセンサ
素子にエージング処理を行う場合について説明する。本
例にかかるガスセンサ素子３は，図１１に示すごとく，
多孔質保護層３１と固体電解質体１１とスペーサ１２と
セラミックヒータ１９を積層構成した起電力式の素子で
ある。固体電解質体１１は一対の電極１４１，１５１を
有し，スペーサ１２側の電極１４１は基準電極，多孔質
保護層３１に覆われた電極１５１は被測定ガス側電極で
ある。

【００６１】本例にかかる起電力式のガスセンサ素子３
は，被測定ガスと基準ガスとの間の酸素濃度の差により
発生する電極１４１，１５１間の電位差を測定すること
で，酸素濃度を測定する。本例にかかるガスセンサ素子
３の多孔質保護層は気孔率が１８％と，実施例１の限界
電流式の素子で用いた拡散抵抗層（気孔率１４％）より
も更にポーラスである。

【００６２】よって，ガスセンサ素子３の電圧−電流特
性は，大気雰囲気では，図１２に示すようにだいたいオ
ームの法則に従って電圧に比例した電流が流れる。しか
しながら，電極保護層において若干の絞り効果を得るた
め，図１３に示すように酸素濃度が非常に薄い雰囲気
（０．１％）で，明確な限界電流域を備えた電圧−電流
特性が発現する。このような酸素濃度がリーンである雰
囲気において得た電圧−電流特性からＶ₂を求め，実施
例１や実施例３に示したようなエージング処理を酸素濃
度が非常に薄い雰囲気で行う。その他，本例にかかるガ
スセンサ素子は実施例１と同様の構成を備え，同様の作
用効果を有する。

【００６３】（実施例５）本例は２セル型のガスセンサ
素子について説明する。本例にかかるガスセンサ素子４
は，図１４に示すごとく，多孔質保護層４３と固体電解
質体４４，４６とスペーサ４５，１２とセラミックヒー
タ１９を積層構成した２セル型で，被測定ガス中のＮＯ
ｘ濃度を測定する素子である。

【００６４】第１電気化学セル４１は，固体電解質体４
４と一対の電極４１１，４１２とよりなり，電極４１１
は多孔質保護層４３を介して外部の被測定ガスと接して
おり，電極４１２はガスセンサ素子４の内部の被測定ガ
ス室４５０と対面する。被測定ガス室４５０はスペーサ
４５に設けた窓部にて構成され，またスペーサ４５はポ
ーラスなアルミナセラミックよりなるため，スペーサ４
５を介して外部から被測定ガスを導入することができ
る。また，第２電気化学セル４２は，固体電解質体４６
と一対の電極４２１，４２２とよりなり，電極４２１は
上記被測定ガス室４５０と接し，電極４２２は大気が導
入される大気室１２０と対面する。

【００６５】このガスセンサ素子４の作動について説明
する。第１電気化学セル４１は通電により被測定ガス室
４５０と外部の被測定ガスとの間で酸素のポンピングを
行うことができる。よって，第１電気化学セル４１を用
いて被測定ガス室４５０の酸素濃度を調整し，酸素濃度
を略０としたり，酸素濃度が時間的に殆ど変動しないよ
うにできる。

【００６６】そして，第２電気化学セル４２の電極４２
１はＮＯｘ分解活性を備えており，電極４２１は被測定
ガス中のＮＯｘを窒素イオンと酸素イオンとに分解する
ことができる。従って，第２電気化学セル４２に通電す
ることで，ＮＯｘが分解して発生した酸素イオンが電極
４２１から固体電解質体４６を通って電極４２２に移動
する。また被測定ガス室４５０内の酸素濃度は第１電気
化学セルによって調整されているため，第２電気化学セ
ル４２に流れる電流を測定することで被測定ガス室４５
０内のＮＯｘ濃度を測定することができる。

【００６７】そして，本例にかかるガスセンサ素子４に
ついても，実施例１と同様に第１電気化学セル４１及び
第２電気化学セル４２において直流電流を電極４１１，
４１２の間，電極４２１，４２２の間に流してエージン
グ処理を行うことで，第１及び第２電気化学セル４１，
４２の活性が向上し，素子活性温度が低下する。従っ
て，超早期活性のガスセンサ素子を得ることができる。

【００６８】なお，直流電流を流す際は，電極４１１と
電極４２２を正極に接続することで更に素子活性温度を
下げることができる。その他詳細は実施例１と同様であ
る。

【００６９】なお，第１と第２の電気化学セル４１，４
２のいずれか１つに対してのみエージング処理を施すこ
とで，超早期活性の効果を得ることができる。少なくと
も一方の電気化学セルの活性が高まるためである。勿
論，両方にエージング処理を行うほうがより好ましい。

【００７０】（実施例６）本例は，実施例５の図１４に
かかる構成のガスセンサ素子と同じ２セル型のガスセン
サ素子で，空燃比センサ素子として用いることができる
素子について説明する。なお，実施例５と同じ図面，同
じ符合を用いて説明する。

【００７１】すなわち，本例にかかるガスセンサ素子４
は，図１４に示すごとく，多孔質保護層４３と固体電解
質体４４，４６とスペーサ４５，１２とセラミックヒー
タ１９を積層構成した２セル型で，自動車エンジンの排
気管に設置して，排気ガス中の酸素濃度からエンジンの
空燃比を測定する素子である。

【００７２】第１電気化学セル４１は，固体電解質体４
４と一対の電極４１１，４１２とよりなり，電極４１１
は多孔質保護層４３を介して外部の被測定ガスと接して
おり，電極４１２はガスセンサ素子４の内部の被測定ガ
ス室４５０と対面する。被測定ガス室４５０はスペーサ
４５に設けた窓部にて構成され，またスペーサ４５はポ
ーラスなアルミナセラミックよりなるため，スペーサ４
５を介して外部から被測定ガスを導入することができ，
拡散抵抗層として機能する。

【００７３】第２電気化学セル４２は，固体電解質体４
６と一対の電極４２１，４２２とよりなり，電極４２１
は上記被測定ガス室４５０と接し，電極４２２は大気が
導入される大気室１２０と対面する。また，電極４２１
は実施例５とは異なり，ＮＯｘ分解性を持たせなくても
よい。

【００７４】第１電気化学セル４１は通電により被測定
ガス室４５０と外部の被測定ガスとの間で酸素のポンピ
ングを行うことができる。このときポンピングによって
酸素イオン電流Ｉｐが流れる。第２電気化学セル４２の
電極４２１と４２２との間で被測定ガス室４５０内と大
気室１２０の酸素濃度差による濃淡起電力Ｖｓが発生す
る。ここでＶｓが一定の値になるようにＩｐを調整し被
測定ガス室４５０の酸素濃度を一定に保つようにすれば
空燃比に対応したＩｐ値が得られる。

【００７５】（実施例７）本例は電極が複数箇所に分散
した２セル型のガスセンサ素子について説明する。本例
にかかるガスセンサ素子５は，図１５に示すごとく，固
体電解質体５３，５５，スペーサ５２，５４，絶縁板５
１，セラミックヒータ１９を積層構成した２セル型で，
被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する素子である。

【００７６】第１電気化学セル５６は，固体電解質体５
５と一対の電極５６１，５６２，５６３とよりなり，電
極５６１は外部の被測定ガスと直に接しており，電極５
６２，５６３はガスセンサ素子５の内部の被測定ガス室
５４０と対面する。この被測定ガス室５４０はスペーサ
５４に設けた窓部にて構成され，固体電解質体５５や多
孔質層５４１に設けた貫通穴５４２を通じて被測定ガス
が被測定ガス室５４０に入るよう構成する。

【００７７】また，第２電気化学セル５７は，固体電解
質体５３と一対の電極５６３，５６５，５６６とよりな
り，電極５６３，５６５は上記被測定ガス室５４０と接
し，電極５６６は大気が導入される大気室５２０と対面
する。なお，大気室５２０はスペーサ５２と絶縁板５１
とによって囲まれている。

【００７８】このガスセンサ素子５の作動について説明
する。第１電気化学セル５６は通電により被測定ガス室
５４０と外部の被測定ガスとの間で酸素のポンピングを
行うことができる。よって，第１電気化学セル５６を用
いて被測定ガス室５４０の酸素濃度を調整し，酸素濃度
を略０としたり，酸素濃度が時間的に変動しないように
できる。

【００７９】そして，第２電気化学セル５７の電極５６
３，５６５はＮＯｘ分解活性を備えており，電極５６
３，５６５は被測定ガス中のＮＯｘを窒素イオンと酸素
イオンとに分解することができる。従って，第２電気化
学セル５７に通電することで，ＮＯｘを分解して得た酸
素イオンが電極５６３，５６５から固体電解質体５３を
通って電極５６６に移動する。被測定ガス室５４０内の
酸素濃度は第１電気化学セル５６によって調整されてい
るため，第２電気化学セル５７に流れる電流を測定する
ことで被測定ガス室５４０内のＮＯｘ濃度を測定するこ
とができる。

【００８０】そして，本例にかかるガスセンサ素子５に
ついても，実施例１や実施例５と同様に第１電気化学セ
ル５６及び第２電気化学セル５７において直流電流を電
極５６１と５６２，５６４との間，電極５６３，５６５
と５６６との間に流してエージング処理を行うことで，
第１及び第２電気化学セル５６，５７の活性が向上し，
素子活性温度を下げて，超早期活性のガスセンサ素子５
を得ることができる。なお，エージング処理は第１電気
化学セル５６，第２電気化学セル５７のいずれか一方で
もよい。その他詳細は実施例１や実施例５と同様であ
る。

【００８１】（実施例８）本例は，実施例７の図１５に
かかる構成のガスセンサ素子と同じ２セル型のガスセン
サ素子で，空燃比センサ素子として用いることができる
素子について説明する。なお，実施例７と同じ図面，同
じ符合を用いて説明する。本例にかかるガスセンサ素子
５は，図１５に示すごとく，固体電解質体５３，５５，
スペーサ５２，５４，絶縁板５１，セラミックヒータ１
９を積層構成した２セル型で，自動車エンジンの排気管
に設置して，排気ガス中の酸素濃度からエンジンの空燃
比を測定する素子である。

【００８２】第１電気化学セル５６は，固体電解質体５
５と一対の電極５６１，５６２，５６３とよりなり，電
極５６１は外部の被測定ガスと直に接しており，電極５
６２，５６３はガスセンサ素子５の内部の被測定ガス室
５４０と対面する。この被測定ガス室５４０はスペーサ
５４に設けた窓部にて構成され，固体電解質体５５や多
孔質層５４１に設けた貫通穴５４２を通じて被測定ガス
が被測定ガス室５４０に入るよう構成する。

【００８３】また，第２電気化学セル５７は，固体電解
質体５３と一対の電極５６３，５６５，５６６とよりな
り，電極５６３，５６５は上記被測定ガス室５４０と接
し，電極５６６は大気が導入される大気室５２０と対面
する。なお，大気室５２０は固体電解質体５３，スペー
サ５２，絶縁板５１とによって囲まれている。また，電
極５６３，５６４は実施例７とは異なり，ＮＯｘ分解性
を持たせなくてもよい。

【００８４】第１電気化学セル５６は通電により被測定
ガス室５４０と外部の被測定ガスとの間で酸素のポンピ
ングを行うことができる。このときポンピングによって
酸素イオン電流Ｉｐが流れる。第２電気化学セル５７の
電極５６３，５６５と５６６との間で被測定ガス室５４
０内と大気室５２０の酸素濃度差による濃淡起電力Ｖｓ
が発生する。ここでＶｓが一定の値になるようにＩｐを
調整し被測定ガス室５４０の酸素濃度を一定に保つよう
にすれば空燃比に対応したＩｐ値が得られる。

【００８５】そして，本例にかかるガスセンサ素子５に
ついても，実施例１や実施例５と同様に第１電気化学セ
ル５６及び第２電気化学セル５７において直流電流を電
極５６１と５６２，５６４との間，電極５６３，５６５
と５６６との間に流してエージング処理を行うことで，
第１及び第２電気化学セル５６，５７の活性が向上し，
素子活性温度を下げて，超早期活性のガスセンサ素子５
を得ることができる。なお，エージング処理は第１電気
化学セル５６，第２電気化学セル５７のいずれか一方で
もよい。その他詳細は実施例１や実施例５と同様であ
る。

【００８６】（実施例９）本例にかかるガスセンサ素子
６はセラミックヒータ１９を独立に設け，かつ基準ガス
室を持たない構成である。図１６に示すごとく，独立し
たセラミックヒータ１９と素子本体６０とよりなり，素
子本体６０は，固体電解質体６１，６３，スペーサ６２
とよりなり，被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する素子
である。

【００８７】第１電気化学セル６４は，固体電解質体６
１と電極６４１，６４２とよりなり，電極６４１は固体
電解質体６１内部に埋め込まれ，電極６４２はガスセン
サ素子６の内部の被測定ガス室６２０と対面する。この
被測定ガス室６２０はスペーサ６２に設けた窓部にて構
成され，またスペーサ６２はポーラスなアルミナセラミ
ックよりなり，スペーサ６２を介して外部から被測定ガ
スを導入することができる。

【００８８】第２電気化学セル６５は，固体電解質体６
３と電極６５１，６５２とよりなり，電極６５２は被測
定ガス室６２０と対面し，電極６５２は素子本体６０と
セラミックヒータ１９との間に広がる素子外部の被測定
ガス雰囲気にさらされる。

【００８９】このガスセンサ素子６の作動について説明
する。第２電気化学セル６５は電源６５６を備えた回路
６５５を用いて通電することにより被測定ガス室６２０
と外部の被測定ガスとの間で酸素のポンピングを行うこ
とができる。よって，第２電気化学セル６５を用いて被
測定ガス室６２０の酸素濃度を調整し，酸素濃度を略０
としたり，酸素濃度が時間的に変動しないようにでき
る。

【００９０】そして，第１電気化学セル６４の電極６４
２はＮＯｘ分解活性を備えており，該電極６４２は被測
定ガス中のＮＯｘを窒素イオンと酸素イオンとに分解す
ることができる。また，第１電気化学セル６４は電源６
４６と測定器６４７を備えた回路６４５に接続される。
従って，電源６４６から第１電気化学セル６４に通電
し，ＮＯｘを分解して発生した酸素イオンは電極６４２
から固体電解質体６１を通って電極６４１に移動する。
被測定ガス室６２０内の酸素濃度は第２電気化学セル６
５によって調整されているため，第１電気化学セル６４
に流れる電流を測定器６４７で測定することで被測定ガ
ス室６２０内のＮＯｘ濃度を測定することができる。

【００９１】そして，本例にかかるガスセンサ素子６に
ついても，実施例１や実施例５，実施例７と同様に第１
電気化学セル６４及び第２電気化学セル６５において直
流電流を電極６４１と６４２，６５１と６５２との間に
流してエージング処理を行うことで，第１及び第２電気
化学セル６４，６５の活性が向上し，素子活性温度が低
下する。従って，超早期活性のガスセンサ素子６を得る
ことができる。なお，エージング処理は第１電気化学セ
ル６４，第２電気化学セル６５のいずれか一方でもよ
い。その他詳細は実施例１や実施例５，実施例７と同様
である。

【００９２】（実施例１０）本例は，実施例９の図１６
にかかる構成のガスセンサ素子と同じ２セル型のガスセ
ンサ素子で，空燃比センサ素子として用いることができ
る素子について説明する。なお，実施例９と同じ図面，
同じ符合を用いて説明する。図１６に示すごとく，独立
したセラミックヒータ１９と素子本体６０とよりなり，
素子本体６０は，固体電解質体６１，６３，スペーサ６
２とよりなり，被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する素
子である。

【００９３】第１電気化学セル６４は，固体電解質体６
１と電極６４１，６４２とよりなり，電極６４１は固体
電解質体６１内部に埋め込まれ，電極６４２はガスセン
サ素子６の内部の被測定ガス室６２０と対面する。この
被測定ガス室６２０はスペーサ６２に設けた窓部にて構
成され，またスペーサ６２はポーラスなアルミナセラミ
ックよりなり，スペーサ６２を介して外部から被測定ガ
スを導入することができる。

【００９４】第２電気化学セル６５は，固体電解質体６
３と電極６５１，６５２とよりなり，電極６５２は被測
定ガス室６２０と対面し，電極６５２は素子本体６０と
セラミックヒータ１９との間に広がる素子外部の被測定
ガス雰囲気にさらされる。

【００９５】このガスセンサ素子６の作動について説明
する。第２電気化学セル６５は電源６５６を備えた回路
６５５を用いて通電することにより被測定ガス室６２０
と外部の被測定ガスとの間で酸素のポンピングを行うこ
とができる。このときポンピングによって酸素イオン電
流Ｉｐが流れる。

【００９６】ところで，本例にかかるガスセンサ素子６
で，回路６４５の電源６４６から第１電気化学セル４２
の電極６４２と６４１とに対し微弱な電圧を印加してや
る。これによって，電極６４２付近の酸素イオンがイオ
ン化して，電極６４１側に移動し，電極６４２と電極６
４１との間で電位差Ｖｓが生じ，この電位差Ｖｓを測定
器６４７を用いて測定することができる。ここでＶｓが
一定の値になるようにＩｐを調整し被測定ガス室６２０
の酸素濃度を一定に保つようにすれば空燃比に対応した
Ｉｐ値が得られる。

【００９７】（実施例１１）本例はコップ型のガスセン
サ素子７１とエージング処理とについて説明する。図１
７に示すごとく，本例のガスセンサ素子７１は，ガスセ
ンサ７のハウジング７０に挿通固定して使用するタイプ
の素子である。ガスセンサ素子７１の先端側は被測定ガ
ス側カバー７０１によって保護され，基端側は大気側カ
バー７０２によって保護される。大気側カバー７０２の
内部において，ガスセンサ素子７１はリード端子７２
１，接続端子７２２，リード線７２３によって，外部の
回路と電気的に導通し，この回路に設けた電流計や電源
によって，電圧が印加されたり，電圧の印加により生じ
た電流を測定することで，被測定ガス側カバー７０１内
において酸素濃度を測定することができる。

【００９８】図１８に示すごとく，本例のガスセンサ素
子７１の固体電解質体７１０の内部は大気を導入する大
気室７１９と該大気室７１９に面する電極７１１と該電
極７１１と電気的に導通したリード部７１３とを有し，
ガスセンサ素子７１の外部には電極７１２と該電極７１
２と電気的に導通したリード部７１４とを有し，電極７
１２とリード部７１４を覆う多孔質保護層（または拡散
抵抗層）７１５がある。

【００９９】このガスセンサ素子７１の電気化学セル７
１８はガスセンサ７に取り付けたときに被測定ガス側カ
バー７０１内に位置する部分であり，電極７１１，７１
２と固体電解質体７１０より構成される。そして，この
ガスセンサ素子７１は，リード部７１３，７１４を介し
て電気化学セル７１８の電極７１１，７１２に電圧を印
加することで起電力式の素子として用いることができ
る。

【０１００】そして，本例にかかるガスセンサ素子７１
についても，実施例１と同様に，電源７１６を備えた回
路７１５からリード部７１３，７１４を通じて電極７１
１，７１２に直流電流を与えることでエージング処理を
行って，電気化学セル７１８の活性を高めて，素子活性
温度を下げることができる。従って，超早期活性のガス
センサ素子７１を得ることができる。その他詳細は実施
例１と同様である。

【０１０１】（実施例１２）自動車エンジンの排気管に
取り付けたガスセンサが内蔵するガスセンサ素子に対し
て，本発明にかかる再生処理を行う場合について説明す
る。図１９は自動車エンジンの模式図である。燃焼室８
１から発生した排気ガスを車外に導出するための排気管
８３及び８６との間に触媒コンバータ８４を設置する。
この触媒コンバータ８４に内蔵された三元触媒によって
排気ガス中の大気汚染物質であるＮＯｘ等が除去され
る。

【０１０２】ところで，三元触媒は燃焼室８１の空燃比
が理論空燃比であるときもっとも浄化効率が高くなるた
め，触媒コンバーター８４の排気ガス流れ上流側には空
燃比センサ８２を設けて，排気ガス中の酸素濃度に基づ
いて燃焼室の空燃比を検出し，該空燃比を利用して燃焼
室を制御する。また，排気ガスの浄化を長時間を行うこ
とで三元触媒が劣化するため，三元触媒の劣化状態を検
出するために，触媒コンバータ８４の排気ガス流れ下流
側にＮＯｘセンサ８５を設けて，排気ガス中のＮＯｘ濃
度を測定し，該ＮＯｘ濃度に基づいて触媒コンバーター
８４の再生処理を行う。

【０１０３】上記空燃比センサ８２には，例えば実施例
１に示したようなガスセンサ素子１（勿論，他の実施例
に示した素子を用いることもできる）が内蔵されてお
り，上記ＮＯｘセンサ８５には例えば実施例５の図１４
のようなガスセンサ素子４が内蔵されている。このよう
に空燃比センサ８２，ＮＯｘセンサ８５の測定値に基づ
いて自動車から排出される排気ガスの状態が定まるた
め，空燃比センサ８２やＮＯｘセンサ８５の性能は排気
ガス浄化に大いに影響する。

【０１０４】しかしながら，排気管８３，８６などは自
動車が停車している際は自動車の周囲環境に応じた温度
であり，自動車の走行時で熱い排気ガスが排出されてい
る場合は１０００℃近い温度となる。よって，空燃比セ
ンサ８２，ＮＯｘセンサ８５に内蔵されるガスセンサ素
子は−２０℃くらいから１０００℃に至る冷熱サイクル
にさらされ，長期の使用においてこの冷熱サイクルによ
る熱履歴から電気化学セルの活性が低下する。

【０１０５】電気化学セルの活性低下はガスセンサ素子
の素子活性温度を高くしてしまう。よって，本例に示す
構成で使用する空燃比センサ８２，ＮＯｘセンサ８５に
対し，自動車の走行中に定期的に電圧Ｖの直流電流を通
電して，素子活性温度が回復する再生処理を行う。

【０１０６】直流電流の印加は，ガスセンサ素子の出力
を取り出したり，素子に電圧を印加するための回路を利
用して，空燃比やＮＯｘ濃度測定のインターバル時に行
うことが望ましいが，再生処理専用の電気回路を別回路
で設けることもできる。また，このときの電圧Ｖは，エ
ージング処理の場合と同様にＶ₂≦Ｖ≦２Ｖ₂とする。Ｖ
₂は，各ガスセンサ素子における電気化学セルの限界電
流域における最大電圧である。

【０１０７】なお，実施例１等のガスセンサ素子製造時
のエージング処理であるが，本例に記載したように自動
車に取り付けて使用するガスセンサ素子の場合は，ガス
センサ素子を製造し，ガスセンサに内蔵し，自動車の排
気管の所定の位置に取り付けてからエージング処理にか
かる直流電流を印加してもよい。勿論，ガスセンサ素子
製造の際にエージング処理用の電気回路を用いて，ガス
センサに内蔵させる前に処理することもできる。また
は，ガスセンサに内蔵させた後にエージング処理を行う
こともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における，ガスセンサ素子の斜視展開
図。

【図２】実施例１における，ガスセンサ素子の長手方向
の断面説明図。

【図３】実施例１における，ガスセンサ素子の幅方向の
断面説明図及びエージング処理の説明図。

【図４】実施例１における，変色部のないガスセンサ素
子の各温度における電圧−電流特性を示す線図。

【図５】実施例１における，本例のガスセンサ素子の各
温度における電圧−電流特性を示す線図。

【図６】ガスセンサ素子の電圧−電流特性と限界電流域
を示す線図。

【図７】ガスセンサ素子の限界電流特性とエージング処
理のときに流す電流の大きさを示す線図。

【図８】実施例２にかかる，エージング処理の印加電圧
と素子活性温度との関係を示す線図。

【図９】実施例２にかかる，エージング処理の印加電圧
とガスセンサ素子の強度との関係を示す線図。

【図１０】実施例３にかかる，被測定ガスにさらされる
電極から基準ガスにさらされる電極へと酸素イオンが流
れるようにエージング処理を行う方法を示す説明図。

【図１１】実施例４にかかる，起電力式のガスセンサ素
子の断面説明図。

【図１２】実施例４にかかる，起電力式のガスセンサ素
子における大気中での電圧−電流特性を示す線図。

【図１３】実施例４にかかる，起電力式のガスセンサ素
子における酸素濃度０．１％での電圧−電流特性を示す
線図。

【図１４】実施例５にかかる，２セル型のガスセンサ素
子の断面説明図。

【図１５】実施例７にかかる，２セル型のガスセンサ素
子の断面説明図。

【図１６】実施例９にかかる，２セル型でセラミックヒ
ータが分離したタイプのガスセンサ素子の断面説明図。

【図１７】実施例１１にかかる，コップ型のガスセンサ
素子を内蔵したガスセンサを示す説明図。

【図１８】実施例１１にかかる，コップ型のガスセンサ
素子に対するエージング処理の説明図。

【図１９】実施例１２にかかる，自動車エンジンの排気
管に設置した空燃比センサとＮＯｘセンサの説明図。

【符号の説明】

１．．．ガスセンサ素子， １０．．．電気化学セル， １１．．．固体電解質体， １１９．．．変色部， １４１，１５１．．．電極，

フロントページの続き (72)発明者 藤井 並次 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 佐野 博美 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 杉山 富夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 中川 和也 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 (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 部分安定化ジルコニア製の固体電解質体
   と該固体電解質体に設けた一対の電極よりなる電気化学
   セルを少なくとも１つ備えたガスセンサ素子を製造する
   にあたり，上記一対の電極を介して上記電気化学セルの
   少なくとも１つに直流電流を通電するエージング処理を
   行い，上記エージング処理における直流電流の電圧Ｖ
   は，上記電気化学セルの限界電流域における最大電圧を
   Ｖ₂とすると，Ｖ₂≦Ｖ≦２Ｖ₂であることを特徴とする
   ガスセンサ素子の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記電極の少なくと
   も１つはサーメット電極よりなることを特徴とするガス
   センサ素子の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２において，上記ガスセ
   ンサ素子における一対の電極の一方は被測定ガスにさら
   され，他方は基準ガスにさらされるよう構成され，上記
   エージング処理は，被測定ガスにさらされる電極から基
   準ガスにさらされる電極へと酸素イオンが流れるように
   直流電流の電圧Ｖを印加して行うことを特徴とするガス
   センサ素子の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項において，
   上記エージング処理は，酸素濃度が大気よりも低い低酸
   素濃度雰囲気において行うことを特徴とするガスセンサ
   素子の製造方法。
5. 【請求項５】 部分安定化ジルコニア製の固体電解質体
   と該固体電解質体に設けた一対の電極よりなる電気化学
   セルを少なくとも１つ備えたガスセンサ素子で，上記固
   体電解質体において上記一対の電極により挟まれた領域
   は変色部を有することを特徴とするガスセンサ素子。
6. 【請求項６】 固体電解質体と該固体電解質体に設けた
   一対の電極よりなる電気化学セルを１つ備えた１セル型
   のガスセンサ素子であって，上記電気化学セルは，温度
   ７００〜８００℃において電極間に印加する電圧を変化
   させることなく大気中において限界電流値を検出可能で
   あることを特徴とするガスセンサ素子。
7. 【請求項７】 請求項６において，温度７００℃で大気
   中における限界電流値をI₇₀₀，温度９００℃で大気中に
   おける限界電流値をI₉₀₀とすると，両者の間には０．８
   ×I₉₀₀≦I₇₀₀≦１．２×I₉₀₀が成立することを特徴とす
   るガスセンサ素子。
8. 【請求項８】 部分安定化ジルコニア製の固体電解質体
   と該固体電解質体に設けた一対の電極よりなる電気化学
   セルを少なくとも１つ有すると共に内燃機関における排
   気管に取り付るガスセンサ素子において，上記ガスセン
   サ素子を上記排気管に取り付けた状態で，上記一対の電
   極を介して上記電気化学セルに電圧Ｖの直流電流を通電
   して上記ガスセンサ素子における素子活性温度を低温に
   維持するために上記素子活性温度を回復させ，かつ上記
   電圧Ｖは，上記電気化学セルの限界電流域における最大
   電圧をＶ₂とするとＶ₂≦Ｖ≦２Ｖ₂であることを特徴と
   するガスセンサ素子の再生方法。
9. 【請求項９】 請求項８において，上記直流電流の通電
   は，上記内燃機関の運転中で，該内燃機関より排気ガス
   が排気管に排出されている状態で行うことを特徴とする
   ガスセンサ素子の再生方法。
10. 【請求項１０】 請求項８または９において，上記ガス
    センサ素子における一対の電極の一方は被測定ガスにさ
    らされ，他方は基準ガスにさらされるよう構成され，上
    記エージング処理は，被測定ガスにさらされる電極から
    基準ガスにさらされる電極へと酸素イオンが流れる方向
    で直流電流の電圧Ｖを印加して行うことを特徴とするガ
    スセンサ素子の再生方法。