JPH11148918A - ガスセンサとそれを用いたガスセンサシステム、及びガスセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水蒸気の分解による可燃ガス成分検出精度へ
の影響が生じにくく、またリーンバーン条件での作動に
も適した排気ガスセンサを提供する。 【解決手段】 排気ガスセンサ１は下記の要件を含む。
第一処理室９：第一の気体流通部１１を介して排気ガ
スが導入される。第二処理室１０：第一処理室９の気
体が第二の気体流通部１３を介して導かれる。酸素濃
度検出素子４：第一処理室９の気体の酸素濃度を測定す
る。第一の酸素ポンプ素子３：第一処理室９へ導入さ
れた排気ガス中の酸素濃度を水蒸気の分解反応が実質的
に起こらない範囲内で減少させる。酸化触媒部１６：
第一処理室９から第二処理室１０内に導入された気体中
の可燃ガス成分の燃焼を促進させる。可燃ガス成分濃
度情報発生出力部５：第二処理室１０へ導入された気体
中の、可燃ガス成分との反応により消費される酸素量に
応じてその出力を変化させ、当該出力が排気ガス中の可
燃ガス成分の濃度検出情報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、ガスセンサとそれ
を用いた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等の可燃ガス成分を検出
するためのセンサとして、抵抗型センサが知られてい
る。例えば、ＨＣやＣＯ等の可燃性成分検出用のもの
は、検出素子としてＳｎＯ_２等の酸化物半導体（ｎ型）
を使用し、以下の原理により測定を行う。すなわち、雰
囲気中の酸素は検出素子に負電荷吸着するが、雰囲気中
にＨＣやＣＯ等の可燃性成分が含有されていると、その
吸着酸素との間で燃焼反応を起こし、該吸着酸素を離脱
させる。そして、この吸着酸素の離脱に伴う検出素子の
電気抵抗値変化が、雰囲気中の可燃性成分の濃度に依存
して増減することから、これを測定することにより該可
燃性成分の濃度を知ることができる。しかしながら、上
述のような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
や水蒸気濃度により変化しやすい欠点を有し、同じ汚染
物質濃度に対しても、排気ガス中の酸素濃度等により検
出出力値が変動してしまう問題がある。

【０００３】そこで、これを解決するために、特開平８
−２４７９９５号公報には、次のような構造の可燃ガス
成分の測定装置が開示されている。すなわち、該装置に
おいてはセンシング素子が２つの処理ゾーンを有し、第
一の拡散律速手段を介して排気ガスを第一の処理ゾーン
に導き、そこで第一の酸素ポンプ素子により酸素を汲み
出して、該第一の処理ゾーン内の酸素濃度を可燃ガス成
分が実質的に燃焼され得ない低い値に低下させる。次
に、こうして酸素濃度を低下させた気体を第二の拡散律
速手段を介して第二の処理ゾーンに導き、第二の酸素ポ
ンプ素子を用いてここに酸素を汲み込むことで可燃ガス
成分を燃焼させ、そのときに第二の酸素ポンプ素子を流
れる電流又は電圧の値に基づいて、可燃ガス成分量を測
定するようにしたものである。上記公報によれば、該構
成の採用により排気ガス中の可燃ガス成分の濃度を、酸
素濃度の影響を受けることなく有利に測定できるとして
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報の
装置においては、第一の処理ゾーンへ導入された排気ガ
ス中の酸素濃度は第一の酸素ポンプ素子により、「可燃
ガス成分が実質的に燃焼され得ない低い値」に低下させ
られるが、この値は、公報の記載によれば具体的には１
０^−１４ａｔｍ以下、好ましくは１０^−１６ａｔｍ以下
であり、通常は１０^−２０ａｔｍ程度の極めて低い値で
ある。しかしながら、第一の処理ゾーンでの酸素濃度を
このような低圧に設定すると、可燃ガス成分の測定精度
に関係する以下に述べるような問題が引き起こされるこ
ととなる。

【０００５】すなわち、排気ガス中には、一般には炭化
水素、一酸化炭素、水素といった可燃ガス成分以外に水
蒸気が相当量存在し、この水蒸気量は内燃機関の運転条
件等により刻々変化するのが通常である。本発明者らの
検討によれば、このような排気ガスを被検ガスとして、
その酸素濃度を上述のような値にまで低下させると、水
蒸気の一部が水素と酸素とに分解することが判明してい
る。分解の結果発生した酸素と水素のうち、酸素は第一
の酸素ポンプ素子により汲み出されるが、水素は排出さ
れることなく第二処理室に運ばれ、そこで燃焼を起こ
す。このような状態になると、例えば可燃ガス成分とし
て主に炭化水素を含有する被検ガスの場合は、水蒸気の
分解で生じた水素の燃焼により、炭化水素濃度の測定精
度が大きく影響を受けてしまうことになるのである。な
お、付言すれば、上記公報に開示された測定例は全て、
被検ガス中の水蒸気濃度を一定にした条件でのみ行われ
ており、水蒸気濃度変化の影響等については全く言及さ
れていない。

【０００６】この場合、前述の公報に開示されているよ
うに、プロトンポンプを併設して発生した水素の汲み出
しも行い、炭化水素のみを選択的に燃焼させることによ
り測定精度を改善することも考えられる。しかし、この
方法は結局のところは水蒸気の分解による水素発生を是
認した上での窮余索に過ぎないものであり、プロトンポ
ンプを追加する分だけセンサ構造及びその制御機構が複
雑化して装置価格が高騰することはいうまでもなく、ま
たプロトンポンプにより排出しきれなかった残留水素が
測定誤差を招く恐れもある。

【０００７】また、上記したものとは別に、次のような
問題もある。すなわち、近年では、大気汚染防止に対す
る排気ガス規制はますます強化される傾向にあり、不完
全燃焼等に伴う炭化水素の発生量を抑さえるために、ガ
ソリンエンジンあるいはディーゼルエンジン等の内燃機
関は、リーンバーン作動型のものに移行しつつある。こ
こで、リーンバーン条件での排気ガスはストイキあるい
はリッチ条件でのものより酸素濃度が高く、これに上記
従来の装置を適用した場合は、酸素濃度を上述のような
低い値にまで低下させるために、酸素ポンプ素子にかな
りの負担がかかることとなる。その結果、酸素ポンプ素
子の寿命が短くなったり、あるいは酸素ポンプ素子の作
動パワーを上げるために、周辺の制御回路も高出力のも
のを用いなければならず、装置価格の高騰を招く等の問
題につながる。

【０００８】本発明の課題は、水蒸気の分解による可燃
ガス成分検出精度への影響が生じにくく、またリーンバ
ーン条件での作動にも適したガスセンサとそれを用いた
ガスセンサシステムとを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上述の課
題を解決するために、本発明のガスセンサの第一は、下
記の要件を含んで構成されることを特徴とする（請求項
１）。 第一処理室形成部：周囲から区画されるとともに、第
一の気体流通部を介して被測定ガスが導入される第一処
理室を形成する。 第二処理室形成部：同じく周囲から区画されるととも
に、第一処理室内の気体が第二の気体流通部を介して導
かれる第二処理室を形成する。 酸素濃度検出素子：第一処理室内の気体の酸素濃度を
測定する。 第一の酸素ポンプ素子：酸素イオン伝導性固体電解質
により構成されて両面に電極が形成され、酸素を第一処
理室から汲み出す又は第一処理室へ汲み込むことによ
り、当該第一処理室内へ導入された被測定ガス中の酸素
濃度検出素子が検出する酸素濃度を、該被測定ガスに含
有される水蒸気の分解反応が実質的に起こらない所定の
範囲に調整する。 酸化触媒部：第二の気体流通部を介して第一処理室か
ら第二処理室内に導入された気体に対し、当該気体に含
まれる可燃ガス成分の燃焼を促進させる。 可燃ガス成分濃度情報発生出力部：第二処理室へ導入
された気体中の、可燃ガス成分との反応により消費され
る酸素量に応じてその出力を変化させ、当該出力が前記
被測定ガス中の前記可燃ガス成分の濃度検出情報として
取り出される。

【００１０】また、本発明のガスセンサシステムの第一
は、下記の要件を含んで構成されることを特徴とする
（請求項１９）。 (A)ガスセンサ：下記の要件を含んで構成される。 第一処理室形成部：周囲から区画されるとともに、第
一の気体流通部を介して被測定ガスが導入される第一処
理室を形成する。 第二処理室形成部：同じく周囲から区画されるととも
に、第一処理室内の気体が第二の気体流通部を介して導
かれる第二処理室を形成する。 酸素濃度検出素子：第一処理室内の気体の酸素濃度を
測定する。 第一の酸素ポンプ素子：酸素イオン伝導性固体電解質
により構成されて両面に電極が形成され、酸素を第一処
理室から汲み出す又は第一処理室へ汲み込む第一処理室
から酸素を汲み出す。 酸化触媒部：酸素ポンプ素子により酸素濃度が調整さ
れた後に第二の気体流通部を介して第一処理室から第二
処理室内に導入された気体に対し、当該気体に含まれる
可燃ガス成分の燃焼を促進させる。 可燃ガス成分濃度情報発生出力部：第二処理室へ導入
された気体中の、可燃ガス成分との反応により消費され
る酸素量に応じてその出力を変化させ、当該出力が被測
定ガス中の可燃ガス成分の濃度検出情報として取り出さ
れる。 (B)第一の酸素ポンプ作動制御手段：第一処理室内へ導
入された被測定ガス中の酸素濃度検出素子が検出する酸
素濃度が、該被測定ガスに含有される水蒸気の分解反応
が実質的に起こらない範囲内のものとなるように、第一
の酸素ポンプ素子の作動を制御する。

【００１１】なお、本発明のガスセンサ及びガスセンサ
システムが検出の対象とする可燃ガス成分としては、例
えば炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素及び水素の１種類又
は２種以上からなるものを例示できる。

【００１２】上記構成においては、第一処理室において
第一の酸素ポンプ素子の作動により、被測定ガス（例え
ば、内燃機関の排気ガス等）中の酸素濃度検出素子が検
出する酸素濃度を所定レベルに調整し、これを第二処理
室に導いて酸化触媒部の補助により可燃ガス成分を燃焼
させるとともに、可燃ガス成分濃度情報発生出力部が、
その燃焼により消費される酸素量に応じて出力を変化さ
せ、当該出力を被測定ガス中の可燃ガス成分の濃度検出
情報として取り出すようにする。そして、本発明のガス
センサあるいはガスセンサシステムの最大の特徴は、第
一の酸素ポンプ素子の作動による第一処理室内の酸素濃
度到達レベルを、被測定ガスに含有される水蒸気の分解
反応が実質的に起こらない範囲内で調整する点にある。
すなわち、酸素濃度の調整により水蒸気の分解による水
素発生を実質的に起こらなくすることで、該水素の燃焼
による可燃ガス成分の検出精度低下を防止することがで
きる。また、本発明のガスセンサ及びガスセンサシステ
ムはＨＣ、特にメタンに対する選択性に優れ、メタン濃
度を従来型のガスセンサよりもより正確に測定できる利
点も有する。

【００１３】なお、被測定ガス中に二酸化炭素が含有さ
れる場合、これが分解されると、水蒸気の場合の水素と
同様に、可燃ガス成分である一酸化炭素が発生し、この
一酸化炭素の燃焼により可燃ガス成分の検出精度低下が
生じる場合がある。この場合、第一の酸素ポンプ素子
は、第一処理室内へ導入された被測定ガス中の酸素濃度
検出素子が検出する酸素濃度を、二酸化炭素の分解反応
が実質的に起こらない所定の範囲に調整するものとする
ことがさらに望ましい。なお、二酸化炭素の分解が生ず
る酸素濃度は、通常は水蒸気が分解する酸素濃度よりも
低いので、水蒸気の分解が阻止される酸素濃度条件の採
用により、二酸化炭素の分解も同時に阻止できる場合が
多い。

【００１４】一方、本発明のガスセンサの第二の構成
は、第一の酸素ポンプ素子が下記のように構成される点
を除いて第一の構成と同様に構成される（請求項２）。 ’第一の酸素ポンプ素子：酸素イオン伝導性固体電解
質により構成されて両面に電極が形成され、酸素を第一
処理室から汲み出す又は第一処理室へ汲み込むことによ
り、当該第一処理室内へ導入された被測定ガス中の酸素
濃度検出素子が検出する酸素濃度を１０^−１２〜１０
^−６ａｔｍの範囲で調整する。

【００１５】また、本発明のガスセンサシステムの第二
の構成は、第一の酸素ポンプ作動制御手段が下記のよう
に構成される点を除いて第一の構成と同様に構成される
（請求項２０）。 (B)’第一の酸素ポンプ作動制御手段：第一処理室内へ
導入された被測定ガス中の酸素濃度検出素子が検出する
酸素濃度が、１０^−１２〜１０^−６ａｔｍの範囲で調整
されるように、第一の酸素ポンプ素子の作動を制御す
る。

【００１６】上記構成においては、第一の酸素ポンプ素
子の作動による第一処理室内の酸素濃度到達レベルを、
上述の範囲内で調整することにより、水蒸気の分解が抑
制され、ガスセンサあるいはガスセンサシステムの可燃
ガス成分の検出精度を高めることができる。また、調整
すべき到達酸素濃度レベルが、前述の従来技術における
１０^−２０〜１０^−１４ａｔｍと比較してはるかに高い
ので、例えばリーンバーン条件での測定でも第一のポン
プ素子への負担がかかりにくく、酸素ポンプ素子の寿命
を延ばすことができる。また、酸素ポンプ素子の作動パ
ワーもそれほど高くする必要がないので、周辺の制御回
路等も安価に構成できる利点がある。なお、この場合
も、第一の酸素ポンプ素子（あるいはその制御手段）
は、第一処理室内へ導入された被測定ガス中の酸素濃度
検出素子が検出する酸素濃度を、該被測定ガスに含有さ
れる水蒸気の分解反応が実質的に起こらない範囲内のも
のとなるように調整する構成とすることが望ましい（請
求項３、２１）。

【００１７】なお、第一処理室内へ導入された被測定ガ
ス中の酸素濃度が１０^−１２ａｔｍ未満になると、被測
定ガス中に水蒸気が含有されている場合、その水蒸気の
分解が顕著となり、生じた水素による可燃ガス成分の検
出精度低下が著しくなる。一方、酸素濃度が１０^−６ａ
ｔｍを超えると、第一処理室内での可燃ガス成分の燃焼
が著しくなり、第二処理室へ送り込まれる気体中の可燃
ガス成分濃度が小さくなって、所期の検出精度が達成さ
れなくなる場合がある。なお、上記酸素濃度は、より望
ましくは１０^−１１〜１０^−９ａｔｍの範囲で調整する
のがよい。

【００１８】例えばガスセンサの作動温度が６００〜８
００℃程度に設定され、被測定ガス中の水蒸気濃度が５
〜１５％程度の範囲で変動する場合、水蒸気及び水素と
平衡する酸素の分圧の最小値は１０^−１２ａｔｍ程度と
なり、これよりも酸素分圧が低くなると水蒸気の分解が
進行して、可燃ガス成分の検出精度に影響が出るように
なる。従って、この場合は、第一処理室の酸素濃度を上
記分圧値よりも大きく設定することが望ましいといえ
る。

【００１９】なお、本明細書において第一処理室内の酸
素濃度は、特に断らない限り、酸素濃度検出素子が検出
する酸素濃度を意味するものとする。例えば被測定ガス
中の可燃ガス成分の一部が燃焼して酸素を消費するよう
な場合等においては、酸素濃度検出素子が検出する酸素
濃度は、その燃焼消費が生ずる前の酸素濃度を必ずしも
意味しない場合がある。また、第一処理室に面して可燃
ガス成分の燃焼触媒となりうる多孔質電極等が存在した
り、あるいは酸素ポンプ素子による酸素のポンピング等
の要因により、第一処理室内の酸素濃度は場所によって
ばらつくこともある。この場合も、酸素濃度検出素子に
より検出される酸素濃度が、第一処理室内の酸素濃度を
代表して示すものと考える。そして、第一処理室へ導入
される被測定ガス中の酸素濃度が比較的高い場合は、酸
素濃度検出素子による検出酸素濃度を１０^−１２〜１０
^−６ａｔｍとするために、第一の酸素ポンプ素子は第一
処理室から主に酸素を汲み出す向きに作動することとな
る。他方、第一処理室内にて、後述する第一電極等を燃
焼触媒として燃焼する可燃ガス成分（例えば、一酸化炭
素、水素、アンモニア等）の量が増大して、酸素の燃焼
消費が活発に進行する場合は、第一の酸素ポンプ素子が
第一処理室に酸素を汲み出す向きに作動することもあ
る。

【００２０】また、上記ガスセンサ及びガスセンサシス
テムにおいて、水蒸気の分解をさらに効果的に防止ない
し抑制するには、導入された被測定ガスに含まれる可燃
ガス成分の一部が第一の電極を酸化触媒として燃焼する
程度の値に第一の処理室内の酸素濃度が調整されるよう
に、第一の酸素ポンプ素子を作動させることが望ましい
（請求項７、２５）。また、可燃ガス成分のうち、炭化
水素（特に、燃焼活性のやや低いメタンなど）の選択的
検出性を特に向上させたい場合には、第一処理室内の酸
素濃度検出素子が検出する酸素濃度を、炭化水素よりも
燃焼活性の高い成分（例えば、一酸化炭素、水素、アン
モニアなど）が、検出対象となる炭化水素よりも優先的
に燃焼される範囲のものとなるように調整することが望
ましい（請求項８、２６）。これにより、炭化水素（例
えばメタン）の選択検出精度をより良好なものとするこ
とができる。この場合の酸素濃度の範囲は、例えば後述
する第一電極や第四電極の有する、各種可燃ガス成分へ
の燃焼触媒活性によっても異なるが、１０^−１２〜１０
^−６ａｔｍ、望ましくは１０^−１１〜１０^−９ａｔｍで
ある。

【００２１】上記ガスセンサ（及びセンサシステム）に
おいて、外部から第一処理室に被測定ガスを導く第一の
気体流通部、及び第一処理室と第二処理室とを連通させ
る第二の気体流通部とは、その少なくとも一方を、一定
の拡散抵抗のもとに気体の流通を許容する拡散規制流通
部として構成することができる。このようにすること
で、被検出雰囲気における被測定ガス濃度が変動して
も、第一処理室ないし第二処理室に一旦導入されたガス
の組成変動は、流通部の拡散抵抗に応じて定まる一定の
期間は小さく抑さえられるので、可燃ガス成分の検出精
度を高めることができる。具体的には、拡散規制流通部
は、小孔やスリットあるいは各種絞り機構のほか、連通
気孔を有する金属ないしセラミックスの多孔質体で構成
することができる。

【００２２】次に、上記ガスセンサ及びガスセンサシス
テムにおいては、酸素濃度検出素子は、酸素イオン伝導
性固体電解質により構成されて両面に電極が形成される
とともに、一方の電極（第一電極）が第一処理室と接す
るように配置された第一の酸素濃淡電池素子とすること
ができる。また、可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、
酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
極が形成され、かつその一方の電極（第二電極）が第二
処理室と接するように配置されて、第二処理室内の気体
の酸素濃度を検出する第二の酸素濃淡電池素子を含むも
のとして構成することができる。この場合、第一電極と
第二電極とは、いずれも酸素分子解離能を有する多孔質
電極として構成されるととともに、第二電極は被測定ガ
ス中の可燃ガス成分に対する酸化触媒活性を有して酸化
触媒部として機能するものとなり、かつ第一電極は可燃
ガス成分に対する酸化触媒活性が第二電極よりも小さく
設定されたものとして構成することができる。そして、
可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、第二の酸素濃淡電
池素子の濃淡電池起電力に基づいて、可燃ガス成分濃度
検出情報を生成するものとなる（請求項４、２２）。

【００２３】上記構成では、該第二処理室内の酸素濃度
を第二の酸素濃淡電池素子により検出している。この、
第二の濃淡電池素子の濃淡電池起電力は、可燃ガス成分
の燃焼により消費される酸素量に応じて変化するので、
可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、該濃淡電池起電力
に基づいて可燃ガス成分濃度検出情報を簡単に生成する
ことができる。また、第一の電極の酸化触媒活性を第二
の電極の酸化触媒活性よりも低くすることで、第一の処
理室内で燃焼せずに残留した可燃ガス成分の少なくとも
一部を第二の処理室内では燃焼させることが確実に行え
るようになり、センサの感度を高めることができる。さ
らに、第二の濃淡電池素子の第二処理室に面する電極
（第二電極）が酸化触媒部に兼用されるため、センサな
いしセンサシステムの構成をより単純化できる利点があ
る。

【００２４】一方、本発明のガスセンサにおいては、以
下のような構成の電極を用いるとさらによい。具体的に
は、酸素ポンプ素子を、酸素イオン伝導性固体電解質に
より構成されて両面に電極が形成されるとともに、一方
の電極（以下、第四電極という）が第一処理室と接する
ように配置されたものとして構成する。そして、被検出
成分が例えばＣＯあるいはＨＣの場合、その第四電極
を、構成金属がＰｔ又はＰｔ−Ａｕ合金（Ａｕ含有量１
重量％以下）である多孔質金属からなる主電極層と、そ
の主電極層を覆う形で該第四電極の表層部を構成し、構
成金属がＡｕ及びＡｇのいずれかを主成分とする金属、
Ｐｔ−Ａｕ系合金、Ａｕ−Ｐｄ系合金、Ｐｔ−Ａｇ系合
金及びＰｔ−Ｎｉ系合金のいずれか（以下、これらを総
称して不活性金属という）である多孔質金属からなる表
面電極層との二層を含み、その可燃ガス成分に対する酸
化触媒活性が、第二電極、又は第二電極及び第三電極よ
りも小さいものとして構成する（請求項１１）。なお、
本明細書において、「Ｘ−Ｙ系合金」とは、該合金に含
まれるもっとも重量含有率の高い金属成分（すなわち主
成分）がＸであり、２番目に重量含有率が高い金属成分
がＹである合金を意味し、Ｘ−Ｙ系二元系合金、あるい
はＸ−Ｙとそれ以外の合金成分とを含んだ三元系以上の
合金とすることができる。

【００２５】酸素濃淡電池素子あるいは酸素ポンプ素子
の電極材料は、酸素分子に対する解離あるいは再結合に
対する十分な触媒活性を有している必要がある。例えば
Ｐｔ単体金属は、この点に関しては優れている材料であ
るが、第一処理室に面する電極の材料としては可燃ガス
成分に対する燃焼の触媒活性も極めて高いので、これを
若干緩和してやる必要がある。例えば、従来より行われ
ているように、燃焼触媒活性の低いＡｕを２０重量％程
度までの範囲内で配合してＰｔ−Ａｕ合金とするのも一
法であるが、Ａｕの含有量が増大すると、可燃ガス成分
に対する燃焼の触媒活性とともに酸素分子に対する解離
能も急速に低下するから、これら二つの触媒活性のバラ
ンス調整がなかなか行いにくい側面がある。

【００２６】そこで、上記構成のように、酸素分子に対
する解離能が高いＰｔ又はＰｔ−Ａｕ合金からなる多孔
質の主電極層の表面を、可燃ガス成分に対する燃焼の触
媒活性が低い不活性金属からなる多孔質の表面電極層に
て覆う多層構造電極の採用により、酸素分子解離は良好
に維持しつつ可燃ガス成分への燃焼触媒活性はなるべく
小さくするという、都合のよい調整が行いやすくなる。

【００２７】次に、表面電極層の構成金属は、ＣＯある
いはＨＣに対する燃焼触媒活性が特に小さく、酸素分子
に対する解離・再結合の触媒能もある程度有しているＡ
ｕ系の多孔質金属が本発明に好適に使用できるが、例え
ばＡｇを主成分とする金属、Ｐｔ−Ａｕ系合金（例えば
Ａｕが５重量％以上）、Ｐｔ−Ｐｂ系合金（例えばＰｂ
が１重量％以上）、Ｐｔ−Ａｇ系合金（例えばＡｇが１
重量％以上）、Ｐｔ−Ｎｉ系合金（例えばＮｉが１重量
％以上）等の多孔質金属も使用できる。

【００２８】また、表面電極層と主電極層とは、一層又
は二層以上の別の層を介して間接的に接する構成とする
こともできる。ただし、主電極層と表面電極層との二層
構造を採用すれば、製造工程が簡略なもので済む利点が
ある。この場合、構成金属がＡｕを主成分とするＡｕ系
金属である多孔質金属体からなる表面電極層を採用する
ことにより、酸素分子解離は良好に維持しつつ可燃ガス
成分への燃焼触媒活性を抑制する効果をとりわけ顕著に
達成することができる（請求項１２）。

【００２９】なお、上記のような多層構造電極は、酸素
濃度に対する鋭敏な応答性がそれほど要求されない酸素
ポンプ素子側の第四電極に特に好適に採用できるが、酸
素濃淡電池素子側の第一電極に用いることも不可能では
ない。ただし、酸素濃淡電池素子による第一処理室中の
酸素濃度の検出精度をさらに向上させるには、第一電極
は、構成金属がＰｔ、Ｐｔ−Ａｕ合金又はＰｔ−Ａｇ合
金で構成するのがよい（請求項１３）。この場合、第一
電極の面積を第四電極の面積よりも小さくすることによ
り、第一処理室内での第一電極に由来する可燃ガス成分
の燃焼が抑制されるので、第一処理室内での可燃ガス成
分の燃焼によるロスを小さくでき、センサの感度を一層
高めることができる。

【００３０】第一電極にＰｔ−ＡｕあるいはＰｔ−Ａｇ
合金を使用する場合、ＡｕあるいはＡｇはＣＯあるいは
ＨＣに対する燃焼触媒活性を抑制する目的で配合され
る。この場合、ＡｕあるいはＡｇの含有量が１％を超え
ると酸素分子解離能が低くなりすぎ、酸素濃度検出能の
低下につながる。他方、Ａｕあるいは含有量が０．１重
量％未満になると、燃焼触媒活性の抑制効果はほとんど
期待できなくなる。なお、ＡｕとＡｇとをＰｔに対し
て、その合計含有量が１重量％以下となるように共添加
することも可能である。

【００３１】また、可燃ガス成分のうち、炭化水素の選
択的検出性を特に向上させたい場合には、第一処理室に
おいて、炭化水素よりも燃焼活性の高い成分が、検出対
象となる炭化水素よりも優先的に燃焼されるようにする
ことが望ましい。この場合、前述のように、第一処理室
内の酸素濃度検出素子が検出する酸素濃度を調整するこ
とのほかに、該第一処理室に面する第一電極あるいは第
四電極の燃焼触媒活性あるいは第一処理室内の温度も重
要な因子となる。そして、第四電極の材質を、燃焼触媒
活性の比較的低い上記のような多層構造の電極とする一
方、第一電極を燃焼触媒活性の高いＰｔあるいはＰｔ合
金で構成することにより、燃焼活性のやや低い炭化水素
成分（例えばメタンなど）はあまり燃焼しない一方、そ
れよりも燃焼活性の高い一酸化炭素、水素あるいはアン
モニア等の成分は、第一電極上で優先的に燃焼し、炭化
水素成分を選択的に検出するために好都合な環境を形成
することができる。また、第一処理室内の温度が上昇す
ると、燃焼反応が進行しやすくなり、材質の異なる電極
間の燃焼触媒活性にも差を生じにくくなるので、炭化水
素成分の選択検出には一般には不利となる。しかしなが
ら、第四電極を前記のような多層構造とした場合は、か
なりの高温（例えば７００〜８００℃）になっても、Ｐ
ｔ等で構成した第一電極との間に顕著な触媒活性差を付
与でき、炭化水素成分の選択検出を効果的に行うことが
できる。

【００３２】なお、第四電極を前記のような多層構造電
極とする場合、本発明のガスセンサは以下の工程を含む
方法により製造できる（請求項１７）。下地電極層形
成工程：第一の酸素ポンプ素子に含まれる酸素イオン伝
導性固体電解質層の未焼成成形体（以下、未焼成固体電
解質成形体という）に対し、第四電極の主電極層の原料
粉末の未焼成層（以下、主未焼成電極層という）を含ん
だ下地電極パターンを形成してこれを未焼成固体電解質
成形体とともに一体焼成することにより、酸素イオン伝
導性固体電解質層の上に主電極層を含む下地電極層を形
成する。表面電極層形成工程：その下地電極層の上
に、表面電極層の原料粉末層を形成してこれを上記一体
焼成時よりも低温にて二次焼成することにより、表面電
極層を形成する。原料粉末層は、例えば原料粉末のペー
ストを主電極層上に塗布することにより形成することが
できる。

【００３３】主電極層を含む下地電極層は、Ｐｔあるい
は前記組成のＰｔ−ＡｕあるいはＰｔ−Ａｇ合金のよう
な高融点金属で構成されるので、各素子の要部を構成す
るジルコニア等の固体電解質セラミックと該層との同時
焼成が可能である。しかしながら、表面電極層をＡｕ系
金属で構成する場合、Ａｕ系金属は融点が低いことから
固体電解質セラミックと同時焼成すると、多孔質状態を
保持することが不可能であり、かつ下地電極層へＡｕが
拡散して燃焼触媒活性を抑制する効果が達成できなくな
る。そこで、表面電極層を、下地電極層と固体電解質層
との一体焼成温度よりも低温で二次焼成して、下地電極
層上に焼きつける工程を採用することで、このような不
具合を解消でき、所期の性能の多層電極が得られる。

【００３４】なお、二次焼成時、あるいは高温となるセ
ンサ使用時において、表面電極層の成分（例えばＡｕ）
が、主電極層中に拡散する場合がある。例えば、二次焼
成前の主電極層の構成金属を実質的にＰｔからなるもの
として構成していても、表面電極層側からのＡｕの拡散
により、主電極層の構成金属がＰｔ−Ａｕ合金となる場
合がある。この場合、表面電極層の主電極層側への拡散
が進み過ぎると、表面電極層の厚さが不十分となった
り、あるいは甚だしい場合には表面電極層が消失したり
するといった不具合が発生することもありうる。例え
ば、表面電極層をＡｕを主体に構成し、主電極層をＰｔ
を主体に構成したい場合には、Ａｕ成分の主電極層側へ
の過度の拡散を防止するために、二次焼成温度は８００
〜１０５０℃程度に設定するのがよい。二次焼成温度が
８００℃未満になると、表面電極層の燒結が不十分とな
り、密着不足による表面電極層の剥離等の不具合につな
がる場合がある。他方、二次焼成温度が１０５０℃を超
えると、Ａｕ成分の拡散により表面電極層の厚さが不十
分となったり、あるいは燒結が進行し過ぎて多孔質構造
が損なわれ、多孔質電極として必要な酸素透過性を確保
できなくなる場合がある。なお、主電極層の構成金属中
にはじめから３〜１０重量％（例えば１０重量％）程度
の範囲でＡｕを配合しておけば、Ｐｔ中へのＡｕの固溶
限が比較的小さい（８００℃で５重量％程度）ことを利
用して、表面電極層から主電極層へのＡｕの拡散を抑制
することができ、ひいては表面電極層の厚さ減少等の発
生を効果的に防止することができる。

【００３５】本発明のガスセンサを、第一の酸素ポンプ
素子を含んで構成されたポンプセルユニットと、酸素濃
度検知素子、第二処理室、可燃ガス成分濃度情報発生出
力部を含んで構成されたセンサセルユニットとを各々別
体に形成し、それら両ユニットを接合材を用いて互いに
接合し一体化する構成としておけば、上記二次焼成工程
を含んだ製造方法を合理的に実施することが可能となる
（請求項１５）。この場合、表面電極層を形成せず、下
地電極層を形成した状態のポンプセルユニットを焼成に
より製造し、次いでそのポンプセルユニット上の下地電
極層の上に二次焼成により表面電極層を形成し、これを
別途焼成により製造したセンサセルユニットと一体化す
ることによりガスセンサを得るようにする（請求項１
８）。なお、ポンプセルユニットにポンプセル側嵌合部
を形成し、センサセルユニットにこれと嵌合するセンサ
セル側嵌合部を形成しておけば、それら両嵌合部の嵌合
面においてポンプセルユニットとセンサセルユニットと
を嵌合させることにより、接合時の位置決めが行いやす
く、センサの製造能率を向上させることができる（請求
項１６）。

【００３６】次に、第一の酸素濃淡電池素子と、第二の
酸素濃淡電池素子とは、いずれもＺｒＯ_２を主体とする
酸素イオン伝導性固体電解質（ＺｒＯ_２固体電解質）で
構成することができる。ここで、ＺｒＯ_２固体電解質を
用いた酸素濃淡電池素子において、一方の電極が酸素と
可燃ガス成分が混在した被測定ガスに接するようにして
おき、他方の電極が一定酸素濃度の基準雰囲気に接する
ように配置した場合、その濃淡電池起電力は、酸素と可
燃ガス成分とが過不足なく反応する存在比率で混在して
いる組成（以下、ストイキ組成という）付近を境にして
急激に変化する性質を有している。一方、一般のガソリ
ンエンジンあるいはディーゼルエンジンをリーンバーン
条件で運転したときの、発生する被測定ガス中には可燃
ガス成分の総濃度はおおむね０〜１０００ｐｐｍＣ（た
だしｐｐｍＣは炭素当量で表した１００万分率を示す。
以下同じ）程度のものとなる。そして、この可燃ガス成
分濃度において、第一処理室で調整される被測定ガスの
酸素濃度を前述の１０^−６ａｔｍ（望ましくは１０^−９
ａｔｍ）以下の範囲に調整することで、第二処理室に導
入されるガスは概ねストイキ組成か若干リッチ側の組成
となり、第二の酸素濃淡電池素子の出力を高めることが
でき、ひいてはガスセンサの感度を良好なものとするこ
とが可能となる。

【００３７】この場合、第二の酸素濃淡電池素子の濃淡
電池起電力は、前述の通り可燃ガス成分の燃焼により消
費される酸素量に応じて変化するので、この濃淡電池起
電力を可燃ガス成分濃度検出情報として出力することが
可能である（請求項５、１４）。この場合、第二の酸素
濃淡電池素子が可燃ガス成分濃度情報発生出力部を構成
することとなる。なお、上記濃淡電池起電力は、可燃ガ
ス成分濃度に対して必ずしもリニアには変化しないこと
がある。この場合は、本発明のガスセンサシステムにお
いて、次のような出力変換部を設けることができる。す
なわち、該出力変換部は、濃淡電池起電力の値と可燃ガ
ス成分濃度の値との関係を示す濃淡電池起電力−可燃ガ
ス成分濃度関係情報を記憶する起電力−濃度関係情報記
憶部と、ここに記憶されている濃淡電池起電力−可燃ガ
ス成分濃度関係情報に基づいて、第二の酸素濃淡電池素
子が出力する濃淡電池起電力に対応する可燃ガス成分濃
度の値を決定する濃度決定手段と、その決定された濃度
値を出力する濃度値出力手段とを備える。これにより、
センサ出力をより直接的で利用しやすいものとすること
ができる。

【００３８】一方、上記ガスセンサは、次のように構成
することも可能である。すなわち、前述したものと同様
の構成の第一の酸素濃淡電池素子及び第二の酸素濃淡電
池素子と、酸素イオン伝導性固体電解質により構成され
て両面に電極が形成され、かつその一方の電極（第三電
極）が第二の処理室と接するように配置され、外部から
該第二の処理室内に酸素を汲み込む第二の酸素ポンプ素
子とを設ける。そして、第二の酸素ポンプ素子は、燃焼
により減少する酸素を補う形で第二の処理室へ酸素を汲
み込むことにより、該第二の処理室内の酸素濃度をほぼ
一定に維持するとともに、そのときのポンプ電流又はポ
ンプ電圧を可燃ガス成分濃度検出情報として出力するこ
とにより、可燃ガス成分濃度情報発生出力部を構成す
る。

【００３９】一方、これに対応するガスセンサシステム
は次のように構成される。すなわち、該システムにおい
ては、前述したものと同様の構成の第一の酸素濃淡電池
素子及び第二の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電極が形成され、か
つその一方の電極（第三電極）が第二の処理室と接する
ように配置され、外部から該第二の処理室内に酸素を汲
み込む第二の酸素ポンプ素子と、燃焼により減少する酸
素を補う形で第二の処理室へ酸素が汲み込まれ、該第二
の処理室内の酸素濃度がほぼ一定に維持されるように第
二の酸素ポンプ素子の作動を制御する第二の酸素ポンプ
作動制御手段とが設けられる。そして、第二の酸素ポン
プ素子は、燃焼により減少する酸素を補う形で第二の処
理室へ酸素を汲み込むことにより、該第二の処理室内の
酸素濃度をほぼ一定に維持するとともに、そのときのポ
ンプ電流又はポンプ電圧を可燃ガス成分濃度検出情報と
して出力することにより、可燃ガス成分濃度情報発生出
力部を構成する。

【００４０】上記構成によれば、第二の酸素ポンプ素子
のポンプ電流又は電圧が、可燃ガス成分濃度に対してほ
ぼリニアに変化するので、前述のような出力変換部をあ
えて設けなくとも、より利用しやすいセンサ出力を得る
ことができる。なお、第二の酸素ポンプ素子の一方の電
極（第三電極）が第二の処理室に面して新たに配置され
ることから、次のような構成が採用可能となる。すなわ
ち、第一電極〜第三電極を、いずれも酸素分子解離能を
有する多孔質電極として構成するととともに、第二電極
と第三電極の少なくともいずれかが、被測定ガス中の可
燃ガス成分に対する酸化触媒活性を有して前述の酸化触
媒部として機能するものとする。そして、第一電極〜第
三電極は、第一の処理室よりも第二の処理室において、
可燃ガス成分の燃焼による酸素消費量が大きくなるよう
に、その酸化触媒活性を調整する（請求項６、２４）。
第二の酸素ポンプ素子については、第二電極と第三電極
のいずれか一方のみを第一電極よりも酸化触媒活性が高
くなるように構成してもよいし、双方ともに酸化触媒活
性が高くなるように構成してもよい。

【００４１】本発明のガスセンサ及びガスセンサシステ
ムにおいては、第一処理室と第二処理室とを、酸素イオ
ン伝導性固体電解質で構成された隔壁を挟んで互いに隣
接して配置することができる。この場合、隔壁には、第
一処理室と第二処理室とを連通させる第二の気体流通部
を形成し、厚さ方向中間部に酸素基準電極を埋設するこ
とができる。そして、隔壁の第一処理室に面する表面に
は第一の電極を形成し、該第一の電極と、酸素基準電極
と、それら電極の間に挟まれた酸素イオン伝導性固体電
解質の隔壁部分とが第一の酸素濃淡電池素子を構成する
ようにする。また、隔壁の第二処理室に面する表面には
第二の電極を形成し、該第二の電極と、酸素基準電極
と、それら電極の間に挟まれた酸素イオン伝導性固体電
解質の隔壁部分とが第二の酸素濃淡電池素子を構成する
ようにする。また、第一処理室を挟んで隔壁と反対側に
第一の酸素ポンプ素子が配置される（請求項９）。この
ようにすれば、２つの酸素濃淡電池素子の酸素基準電極
を共通化できるのでセンサをコンパクトに構成できる。
なお、第二の酸素ポンプ素子を設ける場合には、これを
第二処理室を挟んで隔壁と反対側に設けるようにすれば
よい（請求項１０）。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示すいくつかの実施例を参照して説明する。 （実施例１）図１は、本発明の一実施例としてのガスセ
ンサ１を示している。すなわち、ガスセンサ１は、それ
ぞれ横長板状に形成された第一ヒータ２、第一の酸素ポ
ンプ素子（以下、第一ポンプ素子という）３、第一の酸
素濃淡電池素子（酸素濃度検出素子：以下、第一電池素
子という）４、第二の酸素濃淡電池素子（以下、第二電
池素子という）５、遮蔽部材６及び第二ヒータ８がこの
順序で積層され一体化されたものとして構成されている
（なお、本構成では、後述の第二の酸素ポンプ素子は含
まれていない）。また、第一ポンプ素子３と第一電池素
子４との間には第一処理室９が、第二電池素子５と遮蔽
部材６との間には第二処理室１０が形成されている。す
なわち、第一ポンプ素子３と第一電池素子４とが第一処
理室形成部の要部をなし、第二電池素子５と遮蔽部材６
とが第二処理室形成部の要部をなす。

【００４３】各素子３〜５及び遮蔽部材６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、Ｙ_２Ｏ_３ないしＣａＯを
固溶させたＺｒＯ_２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ＺｒＯ
_２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺ
ｒＯ_２にはＨｆＯ_２が含有されていてもよい。本実施例
では、Ｙ_２Ｏ_３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ_２固体
電解質セラミックが使用されているものとする。一方、
第一及び第二のヒータ２，８は、公知のセラミックヒー
タで構成されており、各素子３〜５を所定の作動温度
（６５０〜７５０℃）に加熱する役割を果たす。そし
て、各素子３〜５及び遮蔽部材６の境界部分には、Ａｌ
_２Ｏ_３等を主体とした絶縁層（図４に示す絶縁層２６０
等：図１では示さず）が介挿されている。このような積
層一体化されたセンサの構造は、上記各部３〜６となる
べきセラミックグリーンシート（セラミック成形体）を
積層して焼成することにより製造することができる。

【００４４】次に、第一処理室９の両側壁部分には、該
第一処理室９と外部の被測定空間とを連通させる第一の
気体流通部１１が形成されている。図２に示すように、
第一の気体流通部１１は、第一処理室９の幅方向両側に
おいて第一ポンプ素子３と第一電池素子４との間にまた
がる形態で形成されるとともに、第一処理室９の側縁に
沿って第一ポンプ素子３ないし第一電池素子４の長手方
向に延びており、多孔質Ａｌ_２Ｏ_３焼成体等により連通
気孔を有する多孔質セラミック体として構成されてい
る。これにより、該第一の気体流通部１１は、外部から
の被測定ガスを一定の拡散抵抗のもとに第一処理室９内
に導く拡散規制流通部として機能する。

【００４５】次に、第一電池素子４と第二電池素子５と
は互いに重ね合わされるとともに、第一処理室９と第二
処理室１０とに挟まれた部分は、酸素イオン伝導性固体
電解質で構成された隔壁１２となっている。換言すれ
ば、上記２つの処理室９，１０は、該隔壁１２を挟んで
隣接して配置されている。そして、この隔壁１２には、
第一処理室９と第二処理室１０とを連通させる第二の気
体流通部１３が形成されており、その厚さ方向中間部に
は酸素基準電極１４が埋設されている。第二の気体流通
部１３も、第一の気体流通部１１と同様に多孔質セラミ
ック体として構成されており、第一処理室９内の気体を
第二処理室１０へ一定の拡散抵抗のもとに導く拡散規制
流通部として機能する。なお、上記拡散規制流通部は、
多孔質セラミック体（あるいは金属体）で形成する代わ
りに、小孔やスリットで構成してもよい。

【００４６】図２に示すように、隔壁１２の第一処理室
９に面する表面には第一の電極１５が形成されており、
第一電池素子４の要部は、該第一の電極１５と、酸素基
準電極１４と、それら電極１５，１４の間に挟まれた隔
壁部分１２ａとによって構成されている。一方、隔壁１
２の第二処理室１０に面する表面には第二の電極１６が
形成されており、該第二の電極１６と、酸素基準電極１
４と、それら電極１６，１４の間に挟まれた隔壁部分１
２ｂとが第二電池素子５の要部を構成している。なお、
第一ポンプ素子３にも、その両面に電極１９，２０がそ
れぞれ形成されている。

【００４７】上記各電極１４〜１６，１９，２０はいず
れも、各素子３〜５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（酸素解離触媒機能）を有するものとされ
ている。その材質であるが、第一処理室９に面する２つ
の電極、すなわち第一ポンプ素子３の電極１９と第一電
池素子４の第一電極１５とは、第二処理室１０に面する
電極、すなわち第二電池素子５の第二電極１６よりも、
メタン等の被検出成分の酸化（すなわち燃焼）の触媒活
性が小さくなるように選定されている。本実施例では、
電極１９，１５がＰｔ−Ａｕ合金（例えばＰｔ−１重量
％Ａｕ合金）により、他の電極がＰｔにより構成されて
いる。このような多孔質電極は、例えば上記金属ないし
合金の粉末と、下地となる固体電解質セラミックとの密
着強度を向上させるために該下地と同材質の固体電解質
セラミック粉末を適量配合してペーストを作り、これを
用いて下地となるべきセラミックグリーンシート上に電
極パターンを印刷形成して、一体焼成することにより形
成される。なお、低触媒活性側の電極１９，１５は、酸
化触媒活性のより低いＡｕ等で構成してもよいが、上述
のようなＰｔ−Ａｕ合金とすることにより、ＺｒＯ_２固
体電解質セラミックとの同時焼成が可能となり、ガスセ
ンサ１の製造能率が向上する。

【００４８】なお、図１に示すように、各素子３〜５の
各電極１４〜１６，１９，２０からは、素子の長手方向
に沿ってガスセンサ１の取付基端側に向けて延びる電極
リード部１４ａ〜１６ａ，１９ａ，２０ａがそれぞれ一
体に形成されており、該基端側において各素子３〜５に
は接続端子１４ｂ〜１６ｂ，１９ｂ，２０ｂの一端が埋
設されている。そして、図３（ａ）に示すように、各接
続端子（２０ｂ）は、金属ペーストの焼結体として素子
の厚さ方向に形成された導通部（２０ｃ）により、電極
リード部（２０ａ）の末端に対して電気的に接続されて
いる（図では、電極リード部２０ａの場合について代表
させて示している）。また、図２に示すように、電極１
４〜１６については、第二の気体流通部１３に対応する
位置に貫通穴１４ｄ〜１６ｄがそれぞれ形成されてい
る。

【００４９】次に、図４（ｂ）に示すように、第一処理
室９及び第二処理室１０には、焼成時の処理室空間の潰
れを防止する支柱部２１０が、散点状あるいは千鳥状に
形成されている。このような構造の製造方法を第一処理
室９を例にとって説明する。すなわち、図４（ａ）に示
すように、第一ポンプ素子３となるべきセラミックグリ
ーンシート２２０と、同じく第一電池素子４となるべき
セラミックグリーンシート２３０との各々の対向面にお
いて第一処理室９に予定された領域に、セラミック粉末
ペースト（例えば多孔質Ａｌ_２Ｏ_３粉末ペースト）を用
いて、支柱部２１０となるべき支柱部パターン２６６ａ
及び２６６ｂを形成する。また、その支柱部パターン２
６６ａ及び２６６ｂと重なりを生じない位置において同
じく該第一処理室９に予定された領域に、焼成時に燃焼
ないし分解する材質の粉末ペースト（例えばカーボンペ
ースト）により補助支持パターン２６７ａ及び２６７ｂ
を形成する。さらに、上記第一処理室９に予定された領
域を除く他の領域には、絶縁層パターンとしての貼合わ
せコート２６９がＡｌ_２Ｏ_３粉末ペースト等により支柱
部パターン２１０の高さよりも小さい厚さで形成され
る。また、図示はしていないが、第一処理室９となるべ
き領域の両側には、多孔質Ａｌ_２Ｏ_３焼成体による第一
の気体流通部１１を形成するための連通部パターンが多
孔質Ａｌ_２Ｏ_３粉末ペーストにより形成される。

【００５０】これを焼成することにより、図４（ｂ）に
示すように、第一ポンプ素子３と第一電池素子４との間
においては、補助支持パターン２６７ａ及び２６７ｂが
消失するとともに、上記支柱部パターン２６６ａ，２６
６ｂが焼成により一体化して支柱部２１０が形成され
る。また、この支柱部２１０により大きさが規定された
形で第一処理室９が形成され、その幅方向両側には図２
に示すような多孔質セラミック体による第一の気体流通
部１１が形成される。一方、第一処理室９を除く他の領
域においてそれら第一電池素子４と第一ポンプ素子３と
は、貼合わせコート２６９に基づく絶縁層２６０を介し
て互いに接合される。

【００５１】ここで、図５に示すように、支柱部パター
ン２６６ａ，２６６ｂと、補助支持パターン２６７ａ，
２６７ｂとは平面をほぼ埋め尽くすように相補的に形成
され、例えば図４（ａ）のグリーンシート２２０及び２
３０を互いに積層した際に、補助支持パターン２６７
ａ，２６７ｂによる補強効果に基づき、支柱部パターン
２６６ａ，２６６ｂが両者の間で潰れることが防止ない
し抑制される。また、その要部がグリーンシート２２０
及び２３０は柔軟であり、図４（ａ）に誇張して示すよ
うに、貼合わせコート２６９が２６６ａ，２６６ｂの合
計厚さよりもかなり薄く形成されていたとしても、グリ
ーンシート２２０及び２３０が少し橈むことで、両者は
貼合わせコート２６９を介して密着でき、焼成により支
障なく一体化することができる。

【００５２】なお、図３（ｂ）に示すように、第一処理
室９は、該処理室９を形成するための空隙２５ａを有す
るスペーサ部２５（ＺｒＯ_２固体電解質セラミックで形
成できる）を、第一ポンプ素子３と第一電池素子４との
間に挟み込んだ形で焼成・一体化することにより形成し
てもよい。また、第二処理室１０も、同様の空隙２６ａ
を有するスペーサ部２６を第二電池素子５と遮蔽部材６
との間に挿入することにより形成できる。

【００５３】以下、上記ガスセンサ１を使用したガスセ
ンサシステムの構成例について説明する。図６は、ガス
センサ１を用いたガスセンサシステム（以下、単にセン
サシステムという）の一例の電気的構成を示すブロック
図である。すなわち、該センサシステム５０は、上記ガ
スセンサ１と、マイクロプロセッサ５２と、ガスセンサ
１とマイクロプロセッサ５２とを接続する周辺回路５１
とから構成されている。マイクロプロセッサ５２は、出
力変換部の要部を構成するものであり、出入力インター
フェースとしてのＩ／Ｏポート５６、及びこれに接続さ
れたＣＰＵ５３、ＲＡＭ５４、ＲＯＭ５５等により構成
されている。ＲＡＭ５４には、ＣＰＵ５３のワークエリ
ア５４ａと、被検出成分の濃度算出値の格納エリア５４
ｂとが形成されている。また、ＲＯＭ５５には、センサ
システム５０の被検出成分の出力値決定の演算とその出
力制御を司る制御プログラム５５ａと、該制御プログラ
ム５５ａが使用するＨＣ濃度変換テーブル５５ｂとが格
納されている。なお、ＣＰＵ５３は、ＲＯＭ５５に格納
された制御プログラム５５ａにより、濃度決定手段の主
体をなす。また、Ｉ／Ｏポート５６は濃度値出力手段と
して機能する。

【００５４】上記ガスセンサシステム５０におけるガス
センサ１の作動の概略は以下の通りである。すなわち、
ガスセンサ１は図２等に示す第一ヒータ２及び第二ヒー
タ８（いずれか一方を省略してもよい）により、所定の
作動温度、すなわち各素子３〜５を構成するＺｒＯ_２固
体電解質が活性化する温度まで加熱され、その状態で第
一の気体流通部１１を通って第一処理室９に被測定ガス
が導入される。この導入された被測定ガス中の酸素濃度
は第一電池素子４により検出され、第一ポンプ素子３
は、第一電池素子４の検出する酸素濃度が、１０^−１２
〜１０^−６ａｔｍ（望ましくは１０^−１１〜１０^−９ａ
ｔｍ）の範囲で設定された所定の目標値に近づくよう
に、より具体的には被測定ガスに含まれる水蒸気の分解
反応が実質的に起こらない酸素濃度目標値に近づくよう
に、第一処理室９内の気体から酸素を汲み出すあるいは
汲み込む作動をする。なお、被測定ガス中の酸素濃度
は、一般には上記酸素濃度目標値よりも大きいのが通常
であり、この場合には第一ポンプ素子３は、主として第
一処理室９内の酸素濃度を減少させる方向に作動するこ
ととなる。なお、第一電池素子４の検出酸素濃度が１０
^−１２〜１０^−６ａｔｍとなる場合、該第一電池素子４
の対応する濃淡電池起電力の範囲は、概ね３００ｍＶ
（１０^−６ａｔｍに対応）〜６００ｍＶ（１０^−１２ａ
ｔｍに対応）となる。

【００５５】こうして、酸素濃度が一定レベルまで減少
させられた気体は第二の気体流通部１３を通って第二処
理室１０内に流入する。ここで、ＨＣ等の可燃ガス成分
に対する酸化触媒活性が第一電極１５よりも第二電極１
６の方が大きく設定されているので、第二処理室１０内
に流入した気体中の可燃ガス成分は、第二電極１６を酸
化触媒部として燃焼し、酸素を消費する。第二処理室１
０内の酸素濃度はこの燃焼による消費量、すなわち可燃
ガス成分の濃度に応じて変化するので、該濃度を第二電
池素子５の濃淡電池起電力の形で検出すれば、その値か
ら被測定ガス中に含まれていた可燃ガス成分の濃度を知
ることができる。

【００５６】なお、図２に示すように、第二処理室１０
を挟んで隔壁１２と反対側に配置された遮蔽部材６の、
当該第二処理室１０に面する表面に、第二電極１６とは
別体の多孔質金属層１７を形成することもできる。該多
孔質金属層１７は、電極１９，１５よりも可燃ガス成分
の燃焼に対する触媒活性の高い金属、例えばＰｔにより
構成できる。これにより、多孔質金属層１７は第二電極
１６とともに酸化触媒部として機能するようになり、第
二処理室１０内での可燃ガス成分の燃焼効率を高めて排
気ガスセンサ１の感度を向上させる効果を達成すること
ができる。なお、多孔質金属層１７の触媒活性が十分に
高い場合、第二電極１６を触媒活性の低い材質、例えば
電極１９，１５と同様のＰｔ−Ａｕ合金で構成してもよ
い。

【００５７】以下、センサシステム５０の回路構成と作
動について、図６等によりさらに詳細に説明する。ガス
センサ１は、その第一ポンプ素子３の第一処理室９側の
電極１９及び酸素基準電極１４が接地される。また、第
一電池素子４の第一電極１５は差動増幅器５７の一方の
入力端子に接続されており、第一電池素子４の濃淡電池
起電力Ｅが入力されるようになっている。一方、差動増
幅器５７の他方の入力端子には酸素濃度設定目標値に対
応する起電力目標値ＥCを与えるための電源回路５８が
接続されている。そして、差動増幅器５７は濃淡電池起
電力Ｅと起電力目標値ＥCとの差を増幅して、これを第
一ポンプ素子３の電極２０側に入力する。第一ポンプ素
子３は、差動増幅器５７からの出力を受けて、第一電池
素子４の濃淡電池起電力Ｅ（すなわち第一処理室９内の
酸素濃度）が、前述の酸素濃度設定目標値に対応する起
電力目標値ＥCに近づく方向に、第一処理室９に対し酸
素を汲み出す又は汲み込むように作動する。すなわち、
作動増幅器５７は第一の酸素ポンプ制御手段を構成す
る。

【００５８】なお、電源回路５８は、固定電圧出力によ
り起電力目標値ＥCを固定的に設定するものとしてもよ
いが、この設定値を可変に構成してもよい。例えばオペ
アンプ５７との間に起電力目標値変更用の可変抵抗器５
７ｆ（あるいは半固定抵抗器）を挿入し、この可変抵抗
器５７ｆの電気抵抗値を変化させることにより、起電力
目標値ＥCを一定の範囲で変更することができるように
なる。

【００５９】次に、第二処理室１０内の酸素濃度を検出
する第二電池素子５の濃淡電池起電力は、第二電極１６
側から取り出される。この出力は、オペアンプ５９ａを
含んだボルテージフォロワ回路５９を経てオペアンプ６
０ａと周辺の抵抗器６０ｂ〜６０ｅ等からなる増幅回路
６０により増幅され、さらにＡ／Ｄ変換器６１でデジタ
ル変換されてマイクロプロセッサ５２に入力される。な
お、第一電池素子４と第二電池素子５とは共通の酸素基
準電極１４を有しているが、この酸素基準電極１４と第
一電極１５（あるいは第二電極１６）との間には、定電
流電源６４により、酸素基準電極１４側へ酸素が汲み込
まれる方向の微小直流電流が常時印加されている。これ
により、酸素基準電極１４内の空隙は常時酸素１００％
に近い基準ガスで満たされた状態となるので、第一電池
素子４及び第二電池素子５の濃淡電池起電力が高めら
れ、ひいてはガスセンサ１の測定精度及び感度の向上が
図られている。

【００６０】次に、マイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５
５には、前述の通り制御プログラム５５ａと濃度変換テ
ーブル５５ｂとが格納されている。図７は、濃度変換テ
ーブル５５ｂの内容の一例を示すものであり、可燃ガス
成分濃度（例えばＨＣ濃度）の各値Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3、‥
‥に対応する第二電池素子５の濃淡電池起電力Ｅ1、Ｅ
2、Ｅ3、‥‥の値を記憶している。これらの値は、実験
等により予め定められたものである。そして、図６に示
すＣＰＵ５３は、制御プログラム５５ａによりＲＡＭ５
４をワークエリアとして、図８のフローチャートに示す
ようなセンサ出力制御を実行する。

【００６１】すなわち、図示しないタイマーにより測定
タイミングを計測し、Ｓ１において該タイミングが到来
したら、Ｓ２で第二電池素子５からの濃淡電池起電力出
力のサンプリングを行う。そして、Ｓ３でそのサンプリ
ングされた値に対応する可燃ガス成分濃度の値を、図７
の濃度変換テーブル５５ｂを参照して補間法により算出
し、Ｓ４でその算出した値をＲＡＭ５４の算出値格納エ
リア５４ｂに格納する。なお、該エリア５４ｂに書き込
まれていた値は上書き消去する。そして、Ｓ５におい
て、そのエリア５４ｂに書き込まれた算出値を、被測定
ガス中の可燃ガス成分濃度の情報としてＩ／Ｏポート５
６より出力する。なお、この出力はそのままデジタル出
力してもよいし、Ｉ／Ｏポート５６に接続されたＤ／Ａ
変換器６２でアナログ変換して出力してもよい。さら
に、Ｉ／Ｏポート５６に接続された表示部６３に、濃度
値を視覚的に表示出力するようにしてもよい。

【００６２】上記ガスセンサシステム５０の構成及び作
動によれば、第一処理室９において第一ポンプ素子３の
作動により、被測定ガス中の酸素濃度が所定レベル、具
体的には１０^−１２〜１０^−６ａｔｍの範囲内にある所
定値まで減少させられ、これが第二処理室１０に導かれ
て可燃ガス成分が燃焼する。そして、その燃焼により消
費される酸素量に応じて第二電池素子５の濃淡電池起電
力出力が変化し、当該出力を被測定ガス中の可燃ガス成
分の濃度検出情報として取り出すようにしている。ま
た、第一ポンプ素子３の作動により達成される第一処理
室９内の上記酸素濃度到達レベルは、被測定ガスに含有
される水蒸気の分解反応が実質的に起こらないか、起こ
ってもごく僅かな程度のものであるため、水蒸気の分解
により発生した水素の燃焼による可燃ガス成分の検出精
度低下が、極めて効果的に防止されることとなる。

【００６３】以下、上記本発明のガスセンサ１あるいは
ガスセンサシステム５０の適用例について説明する。ま
ず、図９（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
、被測定ガスとしての排気ガス中の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。

【００６４】排気ガス中の酸素濃度は、別途設けられた
酸素センサを用いて測定してもよいが、上記ガスセン
サ１の第一の酸素ポンプ素子３を流れる電流値は、排気
ガス中の酸素濃度に応じてほぼ直線的に変化するため、
該電流値により排気ガス中の酸素濃度の情報を得るよう
にすれば、酸素センサは省略することができる。

【００６５】一方、図９（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、
ＮＯX浄化触媒とがこの順序で配置されており、該ＮＯX
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ＮＯX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、本発明のガスセンサ１は上
記ＮＯX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。

【００６６】なお、上記ガスセンサ１の第一及び第二の
酸素濃淡電池素子４及び５はＺｒＯ _２固体電解質で構成
されている。ここで、ＺｒＯ_２固体電解質を用いた酸素
濃淡電池素子において、一方の電極が酸素と可燃ガス成
分が混在した被測定ガスに接するようにしておき、他方
の電極が一定酸素濃度の基準雰囲気に接するように配置
した場合、その濃淡電池起電力は、酸素と可燃ガス成分
とが過不足なく反応する存在比率で混在している組成
（ストイキ組成）付近を境にして急激に変化する性質を
有している。一方、一般のガソリンエンジンあるいはデ
ィーゼルエンジンをリーンバーン条件で運転したとき
に、発生する排気ガス中の可燃ガス成分の総濃度はおお
むね０〜１０００ｐｐｍＣ程度の範囲のものとなる。そ
して、この可燃ガス成分濃度において、第一処理室９で
調整される排気ガスの酸素濃度を前述の１０^−６ａｔｍ
（望ましくは１０^−９ａｔｍ）以下の範囲に調整するこ
とで、第二処理室１０に導入されるガスは概ねストイキ
組成か若干リッチ側の組成となるので、第二電池素子５
の濃淡電池起電力出力が高められ、ひいてはガスセンサ
１の感度も良好なものとなる。

【００６７】次に、上記ガスセンサ１においては、図１
及び図１０に示すように、第二処理室１０側の遮蔽部材
６に代えて、第二の酸素ポンプ素子（以下、第二ポンプ
素子という）７を設けるようにしてもよい。この場合、
第二ポンプ素子７の構造は前述の第一ポンプ素子３とほ
ぼ同様であり、第二処理室１０に面する側とこれと反対
側にそれぞれ電極１７及び１８が形成される（第二処理
室１０に面する側の電極を以下、第三電極１７と呼
ぶ）。この場合、第一ポンプ素子３及び第一電池素子４
が第一処理室形成部の要部をなし、第二電池素子５及び
第二ポンプ素子７が第二処理室形成部の要部をなす。こ
のガスセンサ１の作動の特徴であるが、前述のように第
二処理室１０内の酸素濃度情報を第二電池素子５の濃淡
電池起電力の情報としてそのまま出力するのではなく、
第二ポンプ素子７が、燃焼により減少する酸素を補う形
で第二処理室１０へ酸素を汲み込むことにより、該第二
処理室１０内の酸素濃度をほぼ一定に維持するととも
に、そのときの第二ポンプ素子７のポンプ電流（又はポ
ンプ電圧）を可燃ガス成分濃度検出情報として出力する
ようにした点にある。

【００６８】図１１は、この場合のガスセンサシステム
５０の回路構成例を示している。このうち、第一処理室
９側の構成は図６と全く同様であるが、第二処理室１０
側においては、第二電池素子５の第二電極１６側が、オ
ペアンプ７０ａと周辺の抵抗器７０ｂ〜７０ｅとから構
成される差動増幅器７０の一方の入力端子に接続されて
おり、第二電池素子５の濃淡電池起電力Ｅ’が入力され
るようになっている。一方、差動増幅器７０の他方の入
力端子には酸素濃度設定目標値に対応する起電力目標値
ＥC’を与えるための電源回路７１が接続されている。
そして、差動増幅器７０は濃淡電池起電力Ｅ’と起電力
目標値ＥC’との差を増幅して、これを第二ポンプ素子
７の電極１７側に入力する。第二ポンプ素子７は、差動
増幅器７０からの出力を受けて、第二電池素子５の濃淡
電池起電力Ｅ’（すなわち第二処理室１０内の酸素濃
度）が、前述の酸素濃度設定目標値に対応する起電力目
標値ＥC’に近づく方向に、第二処理室１０に対し酸素
を汲み出す又は汲み込むように作動する。すなわち、差
動増幅器７０は第二の酸素ポンプ制御手段を構成する。
なお、第一処理室９側から導かれる気体に対し、含有さ
れる水蒸気の分解を抑制させる観点からは、第二処理室
１０側の酸素濃度設定目標値は、第一処理室９側で設定
されたものよりも大きくするのがよい。この場合、第二
ポンプ素子７は、第二処理室１０内の酸素濃度を上昇さ
せるように作動することとなる。

【００６９】そして、第二電池素子５の濃淡電池起電力
Ｅがほぼ一定になると、第二ポンプ素子７のポンプ電流
値もほぼ一定の値となる。そして、第二処理室１０へ導
入される気体中の可燃ガス成分濃度が高いほど、消費さ
れる酸素量も多くなり、第二ポンプ素子７により第二処
理室１０へ汲み込まれる酸素量、すなわちポンプ電流値
も高くなり、具体的には第二ポンプ素子７のポンプ電流
は、可燃ガス成分濃度に対してほぼリニアに変化するこ
ととなる。従って、このポンプ電流値をそのまま直線性
の高いセンサ出力として使用することが可能となる。例
えば、図１１では、差動増幅器７０の出力路上に電流検
出用の抵抗器ＲSを設け、その抵抗器ＲSの両端電圧を差
動増幅器７２（オペアンプ７２ａと周辺の抵抗器７２ｂ
〜７２ｅとから構成される）で増幅して、ポンプ電流値
を電圧変換した形で出力するようにしている。なお、こ
の出力は、そのままアナログセンサ出力として使用で
き、Ａ／Ｄ変換器７３によりデジタル変換すれば、デジ
タルセンサ出力として使用できる。

【００７０】なお、上記ガスセンサ１の構成では、第二
ポンプ素子７の第三電極１７が第二処理室１０に面して
新たに配置される。この場合、第一処理室９よりも第二
処理室１０において可燃ガス成分の燃焼による酸素消費
量が大きくなるようにするには、第二電極１６と第三電
極１７のいずれか一方のみを第一電極１５よりも酸化触
媒活性が高くなるように構成してもよいし、双方ともに
酸化触媒活性が高くなるように構成してもよい。

【００７１】（実施例２）図１９のガスセンサ１００
は、図１のガスセンサ１の変形例を示すものである。以
下、ガスセンサ１と共通する部分には同一の符号を付与
して詳細な説明は省略し、主にその相違点について説明
する。該センサ１００においては第一ポンプ素子３に図
３（ｂ）に示すものと同様のスペーサ部２５が一体化さ
れており、第一処理室がそのスペーサ部２５の空隙２５
ａにより形成されるようになっている。そして、センサ
１００の全体が、そのスペーサ部２５と酸素濃淡電池素
子４との間で二分され、第一ポンプ素子３が含まれる側
がポンプセルユニット１１１、酸素濃淡電池素子４（酸
素濃度検知素子）及び第二処理室（図面には現われてい
ないが、図１のセンサ１と同様に形成されている）、第
二電池素子５及び遮蔽部材６の含まれる側がセンサセル
ユニット１１２となっている。なお、第一ポンプ素子
３、第一電池素子４及びスペーサ部２５が第一処理室形
成部の要部をなし、第二電池素子５と遮蔽部材６とが第
二処理室形成部の要部をなす。

【００７２】これらポンプセルユニット１１１とセンサ
セルユニット１１２とは第四電極１９と第二電極１５と
が対向するように互いに積層されるとともに、その積層
面においてガラス等の接合材により接合・一体化され
る。また、ポンプセルユニット１１１の積層面には、そ
の幅方向両側においてその縁に沿う形でリブ状の嵌合凸
部１１１ａ，１１１ａ（ポンプセル側嵌合部）が形成さ
れ、これがセンサセルユニット１１２側の対応する位置
に形成された嵌合凹部１１２ａ，１１２ａ（センサセル
側嵌合部）と嵌合し、積層の位置決めがなされている。

【００７３】次に、第四電極１９は、図２０（ａ）に示
すように、構成金属がＰｔ又はＰｔ−Ａｕ合金（本実施
例では、その略全体がＰｔからなるものとする）である
多孔質金属体からなる主電極層１５１と、電極表層部を
構成し、構成金属がＡｕを主成分とするＡｕ系金属（本
実施例では、実質的にその全体がＡｕからなるものとす
る）である多孔質金属体からなる表面電極層１５２とか
らなる二層構造を有するものとなっている。他方、図１
９において第一電極１５は、第四電極１９以外の他の電
極とともに、構成金属がＰｔ又はＡｕ含有量１重量％以
下のＰｔ−Ａｕ合金（本実施例では、その略全体がＰｔ
からなるものとする）である多孔質金属として構成され
ている。

【００７４】酸素分子に対する解離能が高いＰｔからな
る多孔質の主電極層１５１の表面を、可燃ガス成分に対
する燃焼の触媒活性が低いＡｕからなる多孔質の表面電
極層１５２にて覆うことにより、第一処理室内におい
て、酸素分子解離は良好に維持しつつ可燃ガス成分への
燃焼触媒活性を小さくできるので、ＨＣ等の可燃ガス成
分からなる被検出成分のロスを少なくでき、センサ感度
を向上させることができる。なお、主電極層１５１の構
成金属の実質的にほぼ全体がＰｔからなり、同じく表面
電極層１５２の構成金属の実質的にほぼ全体がＡｕから
なる場合、第四電極１９全体におけるＰｔの重量含有量
をＷPt、同じくＡｕの重量含有量をＷAuとして、｛ＷAu
／（ＷPt＋ＷAu）｝×１００の値が２〜２０重量％とな
っているのがよい。該値が２重量％未満では、第四電極
１９の燃焼触媒活性を十分に小さくできなくなり、セン
サの感度低下につながる場合がある。他方、該値が２０
重量％を超えると、第四電極１９の酸素分子の解離・再
結合反応に対する触媒能が小さくなり過ぎ、酸素ポンプ
素子３の機能が不十分となる場合がある。なお、上記値
は、さらに望ましくは３〜１０重量％とするのがよい。

【００７５】主電極層１５１上に表面電極層１５２を形
成する方法としては、例えば図２０（ｂ）に示すよう
に、表面電極層１５２の材料粒子を含んだペーストを、
焼成済の主電極層１５１上に塗付して、その主電極層１
５１の焼成温度よりも低温で焼成する方法により形成す
ることができる。他方、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成膜法により表面電極層
１５２を形成することができる。なお、上記図２０
（ｂ）ないし（ｃ）に示すように、多孔質に形成された
主電極層１５１には、多数の空隙Ｐが入り組んで形成さ
れているため、表面電極層１５２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。これにより、主電極層１５１には表面電極層１５２
で覆われない露出部が形成されることとなるが、この露
出部は酸素分子に対する解離・再結合反応に対しては強
い触媒活性を示すので、酸素ポンプ素子の機能確保上は
むしろ望ましいことともいえる。

【００７６】以下、図９のポンプセルユニット１１１と
センサセルユニット１１２との製造方法の一例を、図２
１及び図２２を参照して説明する。まず、図２１は、ポ
ンプセルユニット１１１を製造するための第一未焼成組
立体２１１の積層構造を示している。第一未焼成組立体
２１１は、第一ポンプ素子３の本体となるべきＺｒＯ _２
グリーンシート（以下、単にグリーンシートともいう）
２２０を主体とする第一部分２１１ａと、スペーサ部２
５となるべきグリーンシート２３１を主体とする第二部
分２１１ｂとを含んでいる。グリーンシートは、ＺｒＯ
_２粉末を有機バインダ等の成形助剤及び有機溶媒ととも
に混練した生素地をシート状に加工して作られるもので
ある。

【００７７】第一部分２１１ａにおいては、グリーンシ
ート２２０の両面の、電極２０，１９（図１９等：以
下、符号については図１も参照）の形成が予定された部
分を除く領域に、リード部２０ａ，１９ａと第一ポンプ
素子３との間を絶縁するための絶縁コート（絶縁層パタ
ーン）２２１及び２２２がＡｌ_２Ｏ_３ペースト等を用い
て形成される。それら絶縁コート２２１及び２２２を形
成した後、電極２０，１９（ただし、後者は主電極層１
５１（図２０）のみ）及びリード部２０ａ，１９ａを形
成するための電極パターン２２３及び２２４ａがＰｔペ
ースト等により印刷形成される。また外側電極２０とな
る側の電極パターン２２３の上には保護用のオーバーコ
ート２２５がＡｌ_２Ｏ_３ペースト等により形成される。

【００７８】他方、第二部分２１１ｂにおいては、グリ
ーンシート２３１の両面に絶縁コート２３０，２３２が
同様に形成され、そのグリーンシート２２０への積層側
の面には、第一の気体流通部１１を形成するためのパタ
ーン２２９が多孔質Ａｌ_２Ｏ _３粉末ペーストにより形成
されている。また、グリーンシート２３１の反対側の面
には、嵌合凸部１１１ａ，１１１ａを形成するためのグ
リーンシート２３４が、貼合わせコート２３３（アルミ
ナペーストからなる）を用いて接合されている。

【００７９】上記第一部分２１１ａと第二部分２１１ｂ
とは、各電極２０，１９の端子部となるべきＰｔ−Ｒｈ
合金線２２７ａ，２２７ｂの端部を挟み込んだ形で、貼
合わせコート２２８により積層・一体化される。そし
て、上記第一未焼成組立体２１１を焼成することによ
り、第四電極１９の表面電極層１５２（図２０）が未形
成の状態のポンプセルユニットが得られる。そして、図
２１に示すように、Ａｕ粉末ペーストを用いてパターン
２２４ｂを、焼成済の主電極層の対応する位置にペース
ト印刷し、さらにセラミックスの焼成温度より低い温度
（例えば８５０〜１０００℃）で焼き付けて二次メタラ
イズ処理することにより、多層構造の第四電極１９が形
成されてポンプセルユニット１１１が完成する。

【００８０】次に、図２２は、センサセルユニット１１
２を製造するための第二未焼成組立体２１２の積層構造
を示している。第一未焼成組立体２１２は、第一電池素
子４の要部となるグリーンシート２３８及び第二電池素
子５の要部となるグリーンシート２４４とを主体とする
第一部分２１２ａと、遮蔽部材６となるべきグリーンシ
ート２５３を主体とする第二部分２１２ｂとを含んでい
る。

【００８１】第一部分２１２ａにおいては、グリーンシ
ート２３８の両面の、電極１５，１４（図１９等：以
下、符号については図１も参照）の形成が予定された部
分を除く領域に、リード部１５ａ，１４ａと第一電池素
子４との間を絶縁するための絶縁コート２３７，２３９
が形成される。それら絶縁コート２３７，２３９を形成
した後、電極１５，１４及びリード部１５ａ，１４ａを
形成するための電極パターン２３６及び２４０がＰｔペ
ースト等により印刷形成される。またグリーンシート２
４４の両面には絶縁コート２４３，２４５が施され、グ
リーンシート２３８の積層側と反対の面に電極１６及び
リード部１６ａを形成するための電極パターン２４６が
形成される。そして、グリーンシート２３８の積層側の
面は貼合わせコート２４１によりグリーンシート２３８
側に接合される。なお、グリーンシート２３８及び２４
４には、第二の気体流通部１３を形成するための貫通孔
２３８ａ及び２４４ａが孔設されており、ここにパター
ン２４２の印刷により多孔質Ａｌ_２Ｏ_３粉末ペーストが
充填されている。また、グリーンシート２３８の幅方向
両縁部は、嵌合凹部１１２ａ（図１９）を形成するため
に切り欠かれている。

【００８２】他方、第二部分２１２ｂにおいては、グリ
ーンシート２５３の両面に絶縁コート２５２，２５４が
形成され、そのグリーンシート２４４への積層側の面に
は、可燃ガス成分燃焼促進用の多孔質金属焼結層を形成
するためのパターン２５１がＰｔペースト等により印刷
形成されている（ただし、これは省略してもよい）。そ
して、そのさらに上側には、第二処理室１０を形成する
ために、図４等に示したものと同様に、支柱部となるべ
き支柱部パターン２５０をと補助支持パターン２４９が
形成されている。

【００８３】上記第一部分２１２ａと第二部分２１２ｂ
とは、各電極１５，１４、１６の端子部となるべきＰｔ
−Ｒｈ合金線２４７ａ，２４７ｂ，２４７ｃの端部を挟
み込んだ形で、貼合わせコート２４８により積層・一体
化される。そして、上記第二未焼成組立体２１２を焼成
することにより、図１９のセンサセルユニット１１２が
得られる。

【００８４】

【実施例】（実験例１）図１に示すガスセンサ１におい
て、Ｙ_２Ｏ_３を５重量％含有するＺｒＯ_２固体電解質で
各素子３〜５及び遮蔽部材６を構成した。また、各多孔
質電極１４〜１６，１９，２０のうち、電極１５及び１
６をＰｔ−１重量％Ａｕ合金により、他の電極をＰｔに
より構成した。なお、第一処理室９及び第二処理室１０
は、それぞれ高さ０．０２mm、幅２．２mm、長さ７mmと
した。該センサ１を図６のガスセンサシステム５０に組
み込み、酸素７％、水蒸気１０％、炭酸ガス１０％、及
び可燃性ガス成分としてのメタンを０〜５００ｐｐｍＣ
の各種値で含有し、残部窒素からなる試験ガス中に該セ
ンサ１を保持して各素子３〜５が６５０℃になるように
ヒータ２，８により加熱した。

【００８５】この状態で、ガスセンサ１を第一電池素子
４の起電力目標値ＥCを、第一処理室９内の酸素濃度設
定目標値（Ｐｘ）が１０^−１１ａｔｍとなる値（約５５
０ｍＶ）に設定してセンサシステム５０を作動させると
ともに、第二電池素子５の濃淡電池起電力がメタン濃度
によりどのように変化するかを調べた。結果を図１２に
示す。すなわち、本発明のガスセンサ１は、センサ出力
はメタン濃度により大きく変化し、メタンに対して良好
な検出能を有していることがわかる。

【００８６】また、図１３は、各メタン濃度における第
一ポンプ素子３のポンプ電流値ＩPを示すものである。
すなわち、ポンプ電流値ＩPはメタン濃度が増えるに従
い減少していることがわかる。このことは、第一処理室
９内の酸素濃度を上記値で設定した場合、メタンの一部
が燃焼を起こしていることを示すものである。すなわ
ち、メタン濃度が増大するほど、その燃焼量も増大し、
目標酸素濃度に維持するための第一ポンプ素子３による
酸素汲み出し量、すなわちポンプ電流値ＩPは減少する
ものと考えられる。

【００８７】一方、メタン濃度を０及び５００ｐｐｍＣ
のいずれかとし、また水蒸気濃度を５％と１０％とのい
ずれかとし、他のガス成分の濃度は上記と同一として同
様の実験を行った。結果を図１４に示す。すなわち、水
蒸気濃度が５％と１０％とのいずれにおいても、各メタ
ン濃度に対応するセンサ出力はほとんど変化していな
い。このことから、本発明のガスセンサ１は、検出中に
水蒸気の分解をほとんど起こさないため、水蒸気濃度に
よらず、メタンに対して常に安定した濃度検出出力が得
られることがわかる。なお、比較例として、第一電池素
子４の起電力目標値ＥCを、第一処理室９内の酸素濃度
設定目標値（Ｐｘ）が１０^−１３ａｔｍとなる値（約６
５１ｍＶ）に設定し、同様の実験を行った場合の結果を
図１５に示す。センサ出力は水蒸気濃度の影響を大きく
受けていることがわかる。

【００８８】（実験例２）実験例１と同じガスセンサ１
を図６のガスセンサシステム５０に組み込むとともに、
メタン濃度を０及び５００ｐｐｍＣのいずれかとし、Ｃ
Ｏを０〜５００ｐｐｍＣの各種値で含有し、酸素７％、
水蒸気１０％、炭酸ガス１０％、残部窒素とした試験ガ
ス中に該センサ１を配置して、各素子３〜５が６５０℃
になるようにヒータ２，８により加熱した。この状態
で、第一電池素子４の起電力目標値ＥCを、第一処理室
９内の酸素濃度設定目標値（Ｐｘ）が１０^−１１ａｔｍ
となる値（約５５０ｍＶ）に設定してセンサシステム５
０を作動させ、第二電池素子５の濃淡電池起電力をセン
サ出力として測定した。結果を図１７に示す。すなわ
ち、いずれのＣＯ濃度においても、各メタン濃度に対応
するセンサ出力はほとんど変化していない。このことか
ら、本発明のガスセンサ１は、ＣＯ濃度によらず常に安
定したメタン濃度検出出力が得られることがわかる。一
方、メタンに代えて水素を０もしくは５００ｐｐｍ、又
はプロパンを０もしくは５００ｐｐｍＣの濃度で含有
し、酸素７％、水蒸気１０％、炭酸ガス１０％、及び残
部窒素からなる試験ガスを用いて同様の実験を行った結
果を図１８に示す。試験ガスがメタンを含まない場合は
センサ出力は小さく、しかも水素濃度及びプロパン濃度
によりほとんど変化しないことがわかる。以上の結果か
ら、本発明のガスセンサ１は、メタン検出に対する選択
性に特に優れていることがわかる。

【００８９】（実験例３）図１９（符号については図２
も参照）に示すガスセンサ１００において、各多孔質電
極１４〜１６，１９，２０のうち、第四電極１９を除く
他の電極をＰｔ−１重量％Ａｕ合金により構成した。ま
た、第四電極１９は、Ｐｔ−１重量％Ａｕ合金により主
電極層１５１（図２０）をポンプセルユニット１１１と
の一体焼成により形成する一方、その主電極層１５１の
上にＡｕ粉末ペーストを塗布して二次焼成（二次焼成温
度９００℃）することに表面電極層１５２を形成して得
られる二層構造電極とした。 第一処理室９及び第二処
理室１０は、実験例１と同様に、それぞれ高さ０．０２
mm、幅２２mm、長さ７mmとした。また、第四電極１９の
膜厚方向の断面をとり、その断面上にて電子線プローブ
微小分析（ＥＰＭＡ：ただしエネルギー分散方式）によ
る組成分析を行った。その結果、主電極部のＡｕ及びＰ
ｔの合計を１００重量％として、Ａｕ含有量はおよそ
４．１重量％であった。他方、その表層部には、Ａｕを
主体とする表面電極層１５２が形成されていることが確
認できた。

【００９０】該センサ１００を図６のガスセンサシステ
ム５０に組み込み、酸素７％、水蒸気１０％、炭酸ガス
１０％、一酸化窒素５００ｐｐｍ、及び可燃性ガス成分
としてのメタンを２００ｐｐｍＣ含有し、残部窒素から
なる試験ガス中に該センサ１を保持して各素子３〜５が
７５０℃となるようにヒータ２，８（図１）により加熱
した。この状態で、ガスセンサ１００を、第一の酸素濃
淡電池素子４の起電力目標値ＥCを、第一処理室９内の
酸素濃度設定目標値ＰXが１０^−１１ａｔｍとなる値
（約５５０ｍＶ）に設定してセンサシステム５０を作動
させるとともに、第二の酸素濃淡電池素子５の起電力Ｅ
がメタン濃度によりどのように変化するかを調べた。そ
の結果、該排気ガスセンサのメタン２００ｐｐｍに対応
する起電力Ｅの値は３５０ｍＶ程度であり、実験例１の
センサを用いたときの約２４０ｍＶと比較して大きな値
となることがわかった。このようにセンサの感度が向上
する理由として、第四電極１９を上記二層構造とするこ
とによりメタンの燃焼に対する触媒活性が和らげられ、
第一処理室９内におけるメタンの燃焼による損失が少な
くなったことが考えられる。

【００９１】なお、図２３は、二次焼成後において未使
用状態の第四電極に対しＳＥＭに付属するＥＰＭＡによ
り調べた、Ｐｔ（（ａ））、Ａｕ（（ｂ））及びＺｒ
（（ｃ））の各元素に対する断面の特性Ｘ線像（倍率：
約１０００倍）である。図中、明るい部分ほど、特性Ｘ
線の強度（すなわち元素濃度）が高いことを示してい
る。（ａ）と（ｃ）とを比較することにより、ＺｒＯ_２
を主体とする固体電解質層の上にＰｔ多孔質からなる主
電極層が厚さ約２０μｍ程度にて形成されていることが
わかる。また、多孔質電極と固体電解質層との間の熱膨
張率の差を小さくして電極の密着強度を向上させるため
に、ＺｒＯ_２粉末を配合したＰｔペーストを電極原料と
して使用したので、主電極層中にもＺｒの特性Ｘ線の分
布領域が観察される。また、（ａ）と（ｂ）とを比較す
ることにより、主電極層の最表層部には、Ａｕを主体と
する表面電極層が形成されていることがわかる。他方、
主電極層に対応する領域にはＡｕの特性Ｘ線が薄く分散
しているが、これは、二次焼成時に表面電極層側から主
電極層側にＡｕが拡散したためであると考えられる。

【００９２】次に、図２４は、センサを大気中にて７８
０℃にて５００時間エージングを施した後の、Ｐｔ
（（ａ））、Ａｕ（（ｂ））及びＺｒ（（ｃ））の各元
素に対する、第四電極の断面の特性Ｘ線像（倍率：約１
０００倍）である。これによれば、図２３と比較して、
Ａｕ濃度の高い表面電極層の領域が広がるとともに、該
領域内のＰｔの濃度が高くなっていることがわかる。Ａ
ｕ−Ｐｔ系平衡状態図によると、７８０℃におけるＡｕ
側のＰｔの固溶限が約２０重量％と高い一方、Ｐｔ側の
Ａｕの固溶限は約５重量％と低い。そして、主電極層中
の、表面電極層との界面付近のＡｕ濃度は、二次焼成に
より、Ｐｔ中における飽和濃度に比較的近い値まで上昇
している可能性が高いと思われることから、上記のよう
なエージングを施すと、表面電極層側のＡｕの主電極層
側への拡散は比較的鈍く、他方、主電極層側から表面電
極層側へのＰｔ成分の拡散は比較的進みやすくなると考
えられる。

【００９３】その結果、Ｐｔ成分の表面電極層側へ拡散
が優先的に進行して、表面電極層の領域が広がったもの
と推測される。なお、このエージングにより表面電極層
中のＰｔ濃度は上記Ａｕに対する固溶限程度（例えば７
８０℃で２０重量％）までは増大するが、この程度の濃
度までであれば、表面電極層による電極の燃焼触媒活性
抑制の効果は十分に確保することができる。また、セン
サ使用時における表面電極層中のＰｔ濃度の経時変化が
小さければ、センサ特性（例えば酸素濃淡電池素子のオ
フセット起電力）の経時的安定性を向上させる上で都合
がよいこともある。このような場合は、センサを出荷す
る前に上記のようなエージングを積極的に施して、表面
電極層側へのＰｔの拡散を十分進行させておくことが望
ましいといえる。

【００９４】（実験例４）図１０に示すガスセンサ１に
おいて、Ｙ_２Ｏ_３を５重量％含有するＺｒＯ_２固体電解
質で各素子３〜５，７を構成した。各多孔質電極１４〜
２０のうち、第四電極１９を除く他の電極をＰｔ−１重
量％Ａｕ合金により構成した。また、第四電極１９は、
Ｐｔ−１重量％Ａｕ合金により主電極層１５１（図２
０）をポンプセルユニット１１１との一体焼成により形
成する一方、その主電極層１５１の上にＡｕ粉末ペース
トを塗布して二次焼成（二次焼成温度９００℃）するこ
とにより表面電極層１５２を形成して得られる二層構造
電極とした。 第一処理室９及び第二処理室１０は、そ
れぞれ高さ０．０２mm、幅２２mm、長さ７mmとした。ま
た、第四電極１９の膜厚方向の断面をとり、その断面上
にて電子線プローブ微小分析（ＥＰＭＡ：ただしエネル
ギー分散方式）による組成分析を行った。その結果、主
電極部のＡｕ及びＰｔの合計を１００重量％として、Ａ
ｕ含有量はおよそ４．１重量％であった。他方、その表
層部には、Ａｕを主体とする表面電極層１５２が形成さ
れていることが確認できた。

【００９５】このセンサ１を図１１のセンサシステム５
０に組み込み、試験ガス中のメタンを２００ｐｐｍＣ、
酸素１％、水蒸気３〜１５％、炭酸ガス１０％、残部窒
素とした試験ガス中にガスセンサ１を配置して、各素子
３〜５，７が６５０℃になるようにヒータ２，８により
加熱した。そして、酸素濃淡電池素子４の起電力目標値
ＥCを、第一処理室９内の酸素濃度設定目標値ＰXが１０
^−１５〜１０^−５ａｔｍとなる各種値（具体的には、２
５０ｍＶ（１０^−５ａｔｍに対応）〜７５０ｍＶ（１０
^−１５ａｔｍに対応））に設定してセンサシステム５０
を作動させ、酸素ポンプ素子７の出力電流Ｉdを測定し
た。

【００９６】図１６は、各水蒸気濃度に対するＩdとＰX
との関係を示している（データ点は丸印が水蒸気３％、
三角印が水蒸気１０％、四角印が水蒸気１５％）。ＰX
が１０^−１２〜１０^−６ａｔｍの範囲にて、いずれの水
蒸気濃度においてもＰXの値によらずほぼ一定のセンサ
出力が得られていることがわかる。他方、ＰXが１０
^−１２ａｔｍ以下の条件では、本来一定であるべきＩd
が急速に減少している（すなわち、見かけの可燃ガス成
分濃度が増加している）。これは、水蒸気の分解によ
り、可燃ガス成分である水素が多量に発生したためであ
ると推測される。他方、ＰXが１０^−６ａｔｍ以上の条
件では、Ｉdが急速に増大している（すなわち、見かけ
の可燃ガス成分濃度が減少している）。これは、酸素濃
度が過剰であるため第一処理室内でメタンが燃焼し、い
わば目減りしてしまうためであると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１のガスセンサの一実施例を示
す正面図、平面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図及びＤ
−Ｄ断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】電極リード部と端子部との接続構造の一例を示
す断面図、及び図１のガスセンサの変形例を示す断面
図。

【図４】図１のガスセンサにおける処理室の形成方法を
示す説明図。

【図５】同じく別の説明図。

【図６】図１のガスセンサを用いたガスセンサシステム
の回路構成例を示すブロック図。

【図７】濃度変換テーブルの内容例を示す説明図。

【図８】図６のガスセンサシステムの制御プログラムの
処理の流れを示すフローチャート。

【図９】本発明のガスセンサのいくつかの適用例を示す
模式図。

【図１０】図１のガスセンサの別の変形例を示す断面
図。

【図１１】図１０のガスセンサを用いたガスセンサシス
テムの回路構成例を示すブロック図。

【図１２】本発明のガスセンサを用いた実験例１におけ
る、センサ出力のメタン濃度依存性の結果を示すグラ
フ。

【図１３】同じく第一ポンプ素子のポンプ電流のメタン
濃度依存性の結果を示すグラフ。

【図１４】同じくセンサ出力に及ぼす水蒸気濃度の影響
を示すグラフ。

【図１５】比較例におけるセンサ出力への水蒸気濃度の
影響を示すグラフ。

【図１６】センサ感度に及ぼす第一処理室内の酸素濃度
設定値の影響を示すグラフ。

【図１７】本発明のガスセンサを用いた実験例２におけ
る、センサ出力のＣＯ濃度依存性の結果を示すグラフ。

【図１８】同じく、水素濃度あるいはプロパン濃度によ
るセンサ出力への影響を示すグラフ。

【図１９】実施例２のガスセンサを、ポンプセルユニッ
トの裏面側の様子とともに示す分解斜視図。

【図２０】その第四電極の構造を示す模式図。

【図２１】図１９のガスセンサのポンプセルユニットの
製造方法を示す分解斜視図。

【図２２】同じくセンサセルユニットの製造方法を示す
分解斜視図。

【図２３】実験例３で使用したセンサの第四電極断面
の、ＥＰＭＡによるＰｔ、Ａｕ、Ｚｒの特性Ｘ線像（エ
ージング前）。

【図２４】実験例３で使用したセンサの第四電極断面
の、ＥＰＭＡによるＰｔ、Ａｕ、Ｚｒの特性Ｘ線像（エ
ージング後）。

【符号の説明】

１，１００ ガスセンサ ２ 第一ヒータ ３ 第一の酸素ポンプ素子 ４ 第一の酸素濃淡電池素子（酸素濃度検出素子） ５ 第二の酸素濃淡電池素子（可燃ガス成分濃度情報発
生出力部） ６ 遮蔽部材 ７ 第二の酸素ポンプ素子（可燃ガス成分濃度情報発生
出力部） ８ 第二ヒータ ９ 第一処理室 １０ 第二処理室 １１ 第一の気体流通部 １２ 隔壁 １３ 第二の気体流通部 １４ 酸素基準電極 １５ 第一電極 １６ 第二電極（酸化触媒部） １７ 第三電極（酸化触媒部） １９ 第四電極 ５０ ガスセンサシステム ５１ 周辺回路 ５２ マイクロプロセッサ ５３ ＣＰＵ ５４ ＲＯＭ ５５ ＲＡＭ ５６ Ｉ／Ｏポート ５７ 差動増幅器（第一の酸素ポンプ作動制御手段） ７０ 差動増幅器（第二の酸素ポンプ作動制御手段） １１１ ポンプセルユニット １１１ａ 嵌合凸部（ポンプセル側嵌合部） １１２ センサセルユニット １１２ａ 嵌合凹部（センサセル側嵌合部） １５１ 主電極層 １５２ 表面電極層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 夫馬 智弘 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

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周囲から区画されるとともに、第一の気
   体流通部を介して被測定ガスが導入される第一処理室を
   形成するための第一処理室形成部と、 周囲から区画されるとともに、前記第一処理室内の気体
   が第二の気体流通部を介して導かれる第二処理室を形成
   するための第二処理室形成部と、 前記第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度
   検出素子と、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
   極が形成され、酸素を前記第一処理室から汲み出す又は
   前記第一処理室へ汲み込むことにより、当該第一処理室
   内へ導入された前記被測定ガス中の前記酸素濃度検出素
   子が検出する酸素濃度を、該被測定ガスに含有される水
   蒸気の分解反応が実質的に起こらない所定の範囲に調整
   する第一の酸素ポンプ素子と、 前記第二の気体流通部を介して前記第一処理室から第二
   処理室内に導入された気体に対し、当該気体に含まれる
   可燃ガス成分の燃焼を促進させる酸化触媒部と、 前記第二処理室へ導入された気体中の、前記可燃ガス成
   分の燃焼により消費される酸素量に応じてその出力を変
   化させ、当該出力が前記被測定ガス中の前記可燃ガス成
   分の濃度検出情報として取り出される可燃ガス成分濃度
   情報発生出力部と、 を備えたことを特徴とするガスセンサ。
2. 【請求項２】 周囲から区画されるとともに、第一の気
   体流通部を介して被測定ガスが導入される第一処理室を
   形成するための第一処理室形成部と、 周囲から区画されるとともに、前記第一処理室内の気体
   が第二の気体流通部を介して導かれる第二処理室を形成
   するための第二処理室形成部と、 前記第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度
   検出素子と、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
   極が形成され、酸素を前記第一処理室から汲み出す又は
   前記第一処理室へ汲み込むことにより、当該第一処理室
   内へ導入された前記被測定ガス中の前記酸素濃度検出素
   子が検出する酸素濃度を１０^−１２〜１０^−６ａｔｍの
   範囲で調整する第一の酸素ポンプ素子と、 酸素濃度が前記範囲に調整された後、前記第二の気体流
   通部を介して前記第一処理室から第二処理室内に導入さ
   れた気体に対し、当該気体に含まれる可燃ガス成分の燃
   焼を促進させる酸化触媒部と、 前記第二処理室へ導入された気体中の、前記可燃ガス成
   分の燃焼により消費される酸素量に応じてその出力を変
   化させ、当該出力が前記被測定ガス中の前記可燃ガス成
   分の濃度検出情報として取り出される可燃ガス成分濃度
   情報発生出力部と、 を備えたことを特徴とするガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記第一の酸素ポンプ素子は、前記第一
   処理室内へ導入された前記被測定ガス中の前記酸素濃度
   検出素子が検出する酸素濃度を、該被測定ガスに含有さ
   れる水蒸気の分解反応が実質的に起こらない範囲内のも
   のとなるように調整するものである請求項２記載のガス
   センサ。
4. 【請求項４】 前記酸素濃度検出素子は、酸素イオン伝
   導性固体電解質により構成されて両面に電極が形成され
   るとともに、一方の電極（以下、第一電極という）が前
   記第一処理室と接するように配置された第一の酸素濃淡
   電池素子であり、 また、前記可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、酸素イ
   オン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形
   成され、かつその一方の電極（以下、第二電極という）
   が前記第二処理室と接するように配置されて、前記第二
   処理室内の気体の酸素濃度を検出する第二の酸素濃淡電
   池素子を含んで構成され、 前記第一電極と前記第二電極とは、いずれも酸素分子解
   離能を有する多孔質電極として構成されるととともに、
   前記第二電極は前記被測定ガス中の可燃ガス成分に対す
   る酸化触媒活性を有して前記酸化触媒部として機能する
   ものとされ、かつ前記第一電極は前記可燃ガス成分に対
   する酸化触媒活性が前記第二電極よりも小さく設定され
   ており、 前記可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、前記第二の酸
   素濃淡電池素子の濃淡電池起電力に基づいて、前記可燃
   ガス成分濃度検出情報を生成するものである請求項１な
   いし３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. 【請求項５】 前記第二の酸素濃淡電池素子は、その濃
   淡電池起電力を前記可燃ガス成分濃度検出情報として出
   力することにより、前記可燃ガス成分濃度情報発生出力
   部を構成するものである請求項４記載のガスセンサ。
6. 【請求項６】 酸素イオン伝導性固体電解質により構成
   されて両面に電極が形成されるとともに、一方の電極
   （以下、第一電極という）が前記第一処理室と接するよ
   うに配置された、前記酸素濃度検出素子としての第一の
   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電
   極が形成され、かつその一方の電極（以下、第二電極と
   いう）が前記第二処理室と接するように配置されて、前
   記第二処理室内の気体の酸素濃度を検出する第二の酸素
   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電
   極が形成され、かつその一方の電極（以下、第三電極と
   いう）が前記第二処理室と接するように配置され、外部
   から該第二処理室内に酸素を汲み込む第二の酸素ポンプ
   素子とを備え、 前記第一電極〜前記第三電極は、いずれも酸素分子解離
   能を有する多孔質電極として構成されるととともに、前
   記第二電極と前記第三電極の少なくともいずれかが、前
   記被測定ガス中の前記可燃ガス成分に対する酸化触媒活
   性を有して前記酸化触媒部として機能するものとされ、 かつ前記第一電極〜第三電極は、前記第一処理室よりも
   前記第二処理室において、前記可燃ガス成分の燃焼によ
   る酸素消費量が大きくなるように、その酸化触媒活性が
   調整されており、 前記第二の酸素ポンプ素子は、前記燃焼により減少する
   酸素を補う形で前記第二処理室へ酸素を汲み込むことに
   より、該第二処理室内の前記酸素濃度検出素子が検出す
   る酸素濃度をほぼ一定に維持するとともに、そのときの
   ポンプ電流又はポンプ電圧を前記可燃ガス成分濃度検出
   情報として出力することにより、前記可燃ガス成分濃度
   情報発生出力部を構成するものである請求項１ないし５
   のいずれかに記載のガスセンサ。
7. 【請求項７】 前記第一の酸素ポンプ素子は前記第一処
   理室内の前記酸素濃度検出素子が検出する酸素濃度を、
   導入された前記被測定ガスに含まれる前記可燃ガス成分
   の一部が、前記第一の電極を酸化触媒として燃焼する程
   度の値に調整するものである請求項１ないし６のいずれ
   かに記載のガスセンサ。
8. 【請求項８】 前記第一の酸素ポンプ素子は、前記酸素
   濃度検出素子が検出する前記第一処理室内の酸素濃度
   を、検出対象となる炭化水素よりも燃焼活性の高い成分
   が、該検出対象となる炭化水素よりも優先的に燃焼され
   る範囲のものとなるように調整する請求項７記載のガス
   センサ。
9. 【請求項９】 前記第一処理室と前記第二処理室とは、
   酸素イオン伝導性固体電解質で構成された隔壁を挟んで
   互いに隣接して配置され、 前記隔壁には、前記第一処理室と前記第二処理室とを連
   通させる前記第二の気体流通部が形成されるとともに、
   厚さ方向中間部には酸素基準電極が埋設され、 前記隔壁の前記第一処理室に面する表面には前記第一の
   電極が形成され、該第一の電極と、前記酸素基準電極
   と、それら電極の間に挟まれた酸素イオン伝導性固体電
   解質の隔壁部分とが前記第一の酸素濃淡電池素子を構成
   し、 前記隔壁の前記第二処理室に面する表面には前記第二の
   電極が形成され、該第二の電極と、前記酸素基準電極
   と、それら電極の間に挟まれた酸素イオン伝導性固体電
   解質の隔壁部分とが前記第二の酸素濃淡電池素子を構成
   し、 前記第一処理室を挟んで前記隔壁と反対側に前記第一の
   酸素ポンプ素子が配置される請求項４ないし８のいずれ
   かに記載のガスセンサ。
10. 【請求項１０】 前記第二処理室を挟んで前記隔壁と反
    対側に前記第二の酸素ポンプ素子が配置される請求項９
    記載のガスセンサ。
11. 【請求項１１】 前記第一の酸素ポンプ素子は、酸素イ
    オン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形
    成されるとともに、一方の電極（以下、第四電極とい
    う）が前記第一処理室と接するように配置され、 当該第四電極は、 構成金属がＰｔ又はＰｔ−Ａｕ合金である多孔質金属か
    らなる主電極層と、 その主電極層を覆う形で当該第四電極の表層部を構成
    し、構成金属がＡｕ及びＡｇのいずれかを主成分とする
    金属、Ｐｔ−Ａｕ系合金、Ａｕ−Ｐｄ系合金、Ｐｔ−Ａ
    ｇ系合金、Ｐｔ−Ｎｉ系合金のいずれかである多孔質金
    属からなる表面電極層と、 を含む少なくとも二層により形成され、その前記可燃ガ
    ス成分に対する酸化触媒活性が、前記第二電極、又は前
    記第二電極及び前記第三電極よりも小さいものである請
    求項４ないし１０のいずれかに記載のガスセンサ。
12. 【請求項１２】 前記第四電極は、構成金属がＰｔ又は
    Ｐｔ−Ａｕ合金である多孔質金属からなる主電極層と、 前記第四電極の表層部を構成し、構成金属がＡｕを主成
    分とするＡｕ系金属である多孔質金属からなる表面電極
    層とからなる二層構造である請求項１１に記載のガスセ
    ンサ。
13. 【請求項１３】 前記酸素濃度検出素子は、酸素イオン
    伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形成さ
    れるとともに、一方の電極（以下、第一電極という）が
    前記第一処理室と接するように配置された第一の酸素濃
    淡電池素子であり、 前記第一電極は、構成金属がＰｔ、Ｐｔ−Ａｕ合金又は
    Ｐｔ−Ａｇ合金である多孔質金属からなる請求項１ない
    し１２のいずれかに記載のガスセンサ。
14. 【請求項１４】 前記第一電極の面積が、前記第四電極
    の面積よりも小さく設定されている請求項１１ないし１
    ３のいずれかに記載のガスセンサ。
15. 【請求項１５】 前記第一の酸素ポンプ素子を含んで構
    成されたポンプセルユニットと、前記酸素濃度検知素
    子、前記第二処理室、前記可燃ガス成分濃度情報発生出
    力部を含んで構成されたセンサセルユニットとが各々別
    体に形成され、それら両ユニットが接合材を用いて互い
    に接合され一体化されている請求項１１ないし１４のい
    ずれかに記載のガスセンサ。
16. 【請求項１６】 前記ポンプセルユニットにはポンプセ
    ル側嵌合部が形成される一方、前記センサセルユニット
    にこれと嵌合するセンサセル側嵌合部が形成され、 それら両嵌合部の嵌合面において前記ポンプセルユニッ
    トと前記センサセルユニットとが接合され一体化されて
    いる請求項１５記載のガスセンサ。
17. 【請求項１７】 請求項１１記載のガスセンサの製造方
    法であって、 前記第一の酸素ポンプ素子に含まれる酸素イオン伝導性
    固体電解質層の未焼成成形体（以下、未焼成固体電解質
    成形体という）に対し、前記第四電極の前記主電極層の
    原料粉末の未焼成層（以下、主未焼成電極層という）を
    含んだ下地電極パターンを形成してこれを前記未焼成固
    体電解質成形体とともに一体焼成することにより、前記
    酸素イオン伝導性固体電解質層の上に前記主電極層を含
    む下地電極層を形成する下地電極層形成工程と、 その下地電極層の上に、前記表面電極層の原料粉末層を
    形成してこれを前記一体焼成時よりも低温にて二次焼成
    することにより、前記表面電極層を形成する表面電極層
    形成工程とを、 含むガスセンサの製造方法。
18. 【請求項１８】 前記ガスセンサは、前記第一の酸素ポ
    ンプ素子を含んで構成されたポンプセルユニットと、前
    記酸素濃度検知素子、前記第二処理室、前記可燃ガス成
    分濃度情報発生出力部を含んで構成されたセンサセルユ
    ニットとが各々別体に形成され、それら両ユニットが接
    合材を用いて互いに接合され一体化されたものであり、
    これを製造するために、 前記表面電極層を形成せず、下地電極層を形成した状態
    のポンプセルユニットを焼成により製造し、 次いでそのポンプセルユニット上の下地電極層の上に前
    記二次焼成により前記表面電極層を形成し、これを別途
    焼成により製造した前記センサセルユニットと一体化す
    ることにより前記ガスセンサを得る請求項１７に記載の
    製造方法。
19. 【請求項１９】 周囲から区画されるとともに、第一の
    気体流通部を介して被測定ガスが導入される第一処理室
    を形成するための第一処理室形成部と、 同じく周囲から区画されるとともに、前記第一処理室内
    の気体が第二の気体流通部を介して導かれる第二処理室
    を形成するための第二処理室形成部と、 前記第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度
    検出素子と、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
    極が形成され、酸素を前記第一処理室から汲み出す又は
    前記第一処理室へ汲み込む第一の酸素ポンプ素子と、 その酸素ポンプ素子により酸素濃度が調整された後に前
    記第二の気体流通部を介して前記第一処理室から第二処
    理室内に導入された気体に対し、当該気体に含まれる可
    燃ガス成分の燃焼を促進させる酸化触媒部と、 前記第二処理室へ導入された気体中の、前記可燃ガス成
    分の燃焼により消費される酸素量に応じてその出力を変
    化させ、当該出力が前記被測定ガス中の可燃ガス成分濃
    度の検出情報として取り出される可燃ガス成分濃度情報
    発生出力部と、 を備えたガスセンサと、 前記第一処理室内へ導入された前記被測定ガス中の前記
    酸素濃度検出素子が検出する酸素濃度が、該被測定ガス
    に含有される水蒸気の分解反応が実質的に起こらない範
    囲内のものとなるように調整するために、前記第一の酸
    素ポンプ素子の作動を制御する第一の酸素ポンプ作動制
    御手段と、 を備えたことを特徴とするガスセンサシステム。
20. 【請求項２０】 周囲から区画されるとともに、第一の
    気体流通部を介して被測定ガスが導入される第一処理室
    を形成するための第一処理室形成部と、 同じく周囲から区画されるとともに、前記第一処理室内
    の気体が第二の気体流通部を介して導かれる第二処理室
    を形成するための第二処理室形成部と、 前記第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度
    検出素子と、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
    極が形成され、酸素を前記第一処理室から汲み出す又は
    前記第一処理室へ汲み込む第一の酸素ポンプ素子と、 前記第二の気体流通部を介して前記第一処理室から第二
    処理室内に導入された気体に対し、当該気体に含まれる
    可燃ガス成分と酸素との反応を促進させる酸化触媒部
    と、 前記第二処理室へ導入された気体の、前記可燃ガス成分
    の燃焼により消費される酸素量に応じてその出力を変化
    させ、当該出力が前記被測定ガス中の前記可燃ガス成分
    の濃度検出情報として取り出される可燃ガス成分濃度情
    報発生出力部と、 を備えたガスセンサと、 前記第一処理室内へ導入された前記被測定ガス中の前記
    酸素濃度検出素子が検出する酸素濃度が、１０^−１２〜
    １０^−６ａｔｍの範囲で調整されるように、前記第一の
    酸素ポンプ素子の作動を制御する第一の酸素ポンプ作動
    制御手段と、を備えたことを特徴とするガスセンサシス
    テム。
21. 【請求項２１】 前記第一の酸素ポンプ作動制御手段
    は、前記第一処理室内へ導入された前記被測定ガス中の
    前記酸素濃度検出素子が検出する酸素濃度が、該被測定
    ガスに含有される水蒸気の分解反応が実質的に起こらな
    い範囲内のものに調整されるように、前記第一の酸素ポ
    ンプ素子の作動を制御するものである請求項２０記載の
    ガスセンサシステム。
22. 【請求項２２】 前記酸素濃度検出素子は、酸素イオン
    伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形成さ
    れるとともに、一方の電極（以下、第一電極という）が
    前記第一処理室と接するように配置された第一の酸素濃
    淡電池素子であり、 また、前記可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、酸素イ
    オン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形
    成され、かつその一方の電極（以下、第二電極という）
    が前記第二処理室と接するように配置されて、前記第二
    処理室内の気体の酸素濃度を検出する第二の酸素濃淡電
    池素子を含んで構成され、 前記第一電極と前記第二電極とは、いずれも酸素分子解
    離能を有する多孔質電極として構成されるととともに、
    前記第二電極は前記被測定ガス中の前記可燃ガス成分に
    対する酸化触媒活性を有して前記酸化触媒部として機能
    するものとされ、かつ前記第一電極は前記可燃ガス成分
    に対する酸化触媒活性が前記第二電極よりも小さく設定
    されており、 前記可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、前記第二の酸
    素濃淡電池素子の濃淡電池起電力に基づいて、前記可燃
    ガス成分濃度検出情報を生成するものである請求項１９
    ないし２１のいずれかに記載のガスセンサシステム。
23. 【請求項２３】 前記第二の酸素濃淡電池素子は、その
    濃淡電池起電力を前記可燃ガス成分濃度検出情報として
    出力することにより、前記可燃ガス成分濃度情報発生出
    力部を構成する請求項２２記載のガスセンサシステム。
24. 【請求項２４】 酸素イオン伝導性固体電解質により構
    成されて両面に電極が形成されるとともに、一方の電極
    （以下、第一電極という）が前記第一処理室と接するよ
    うに配置された、前記酸素濃度検出素子としての第一の
    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電
    極が形成され、かつその一方の電極（以下、第二電極と
    いう）が前記第二処理室と接するように配置されて、前
    記第二処理室内の気体の酸素濃度を検出する第二の酸素
    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電
    極が形成され、かつその一方の電極（以下、第三電極と
    いう）が前記第二処理室と接するように配置され、外部
    から該第二処理室内に酸素を汲み込む第二の酸素ポンプ
    素子と、 前記燃焼により減少する酸素を補う形で前記第二処理室
    へ酸素が汲み込まれ、該第二処理室内の酸素濃度がほぼ
    一定に維持されるように前記第二の酸素ポンプ素子の作
    動を制御する第二の酸素ポンプ作動制御手段とを備え、 前記第一電極〜前記第三電極は、いずれも酸素分子解離
    能を有する多孔質電極として構成されるとともに、前記
    第二電極と前記第三電極との少なくともいずれかが、前
    記被測定ガス中の可燃ガス成分に対する酸化触媒活性を
    有して前記酸化触媒部として機能するものとされ、 かつ前記第一電極〜第三電極は、前記第一処理室よりも
    前記第二処理室において、前記可燃ガス成分の燃焼によ
    る酸素消費量が大きくなるように、その酸化触媒活性が
    調整されており、 前記第二の酸素ポンプ素子は、前記燃焼により減少する
    酸素を補う形で前記第二処理室へ酸素を汲み込むことに
    より、該第二処理室内の酸素濃度をほぼ一定に維持する
    とともに、そのときのポンプ電流又はポンプ電圧を前記
    可燃ガス成分濃度検出情報として出力することにより、
    前記可燃ガス成分濃度情報発生出力部を構成するもので
    ある請求項１９ないし２３のいずれかに記載のガスセン
    サシステム。
25. 【請求項２５】 前記第一の酸素ポンプ作動制御手段
    は、前記第一処理室内の前記酸素濃度検出素子が検出す
    る酸素濃度が、導入された前記被測定ガスに含まれる前
    記可燃ガス成分の一部が、前記第一の電極を酸化触媒と
    して燃焼する程度の値に調整されるように、前記第一の
    酸素ポンプ素子の作動を制御するものである請求項１９
    ないし２４のいずれかに記載のガスセンサシステム。
26. 【請求項２６】 前記第一の酸素ポンプ作動制御手段
    は、前記酸素濃度検出素子が検出する前記第一処理室内
    の酸素濃度を、検出対象となる炭化水素よりも燃焼活性
    の高い成分が、該検出対象となる炭化水素よりも優先的
    に燃焼される範囲のものとなるように調整するように、
    前記第一の酸素ポンプ素子の作動を制御するものである
    請求項２５記載のガスセンサシステム。