JPH1144671A

JPH1144671A - ガスセンサ

Info

Publication number: JPH1144671A
Application number: JP9217042A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Otsuka; 孝喜大塚; Masafumi Ando; 雅史安藤; Noboru Ishida; 昇石田; Takafumi Oshima; 崇文大島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1999-02-16
Anticipated expiration: 2017-07-28
Also published as: JP3635191B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レベルの高い特定ガス濃度検出信号を出力する
ガスセンサ、特に、ｍＡオーダの検出信号を出力する窒
素酸化物センサの提供。【解決手段】第１拡散抵抗１を介して被検ガスが導入さ
れる第１測定室２、導入されたガス中の酸素濃度を制御
する第１酸素イオンポンプセル６、第１測定室２から第
２拡散抵抗３を介してガスが導入される第２測定室４、
酸素イオン導電体上に形成された一対の電極８ａ，８ｂ
を備え電極８ａ，８ｂに電圧が印加されて、電極８ａ，
８ｂ間に酸素イオン導電体を介して特定ガス濃度に応じ
た電流が流れる第２酸素イオンポンプセルを有し、第２
酸素イオンポンプセル８が備える一対の電極８ａ，８ｂ
が第２測定室４に配置されたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車、船舶、飛
行機等の移動用、産業用の内燃機関の排ガス中の特定ガ
ス濃度を測定するガスセンサ、あるいはボイラ等の燃焼
ガス中の特定ガス濃度を測定するガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、排ガス規制の強化に伴い、エンジ
ン等の排ガス中の窒素酸化物を直接測定し、エンジン制
御や触媒のコントロールを行う研究が行われている。特
に、ＺｒＯ₂等の酸素イオン導電体を用い、被検ガスを
導入する第１測定室において第１酸素イオンポンプセル
により、窒素酸化物が分解しない程度に酸素を外部へ汲
み出し、第２測定室において第２酸素イオンポンプセル
により、第１測定室から拡散した窒素酸化物を含む残留
ガスを更に酸素を汲み出すことで、窒素酸化物を分解
し、窒素酸化物が分解して生じる酸素をセンサ外部に排
出する際に、第２酸素イオンポンプセルが備える一対の
電極間に流れる電流（ガスセンサ出力）から窒素酸化物
濃度を検出する窒素酸化物センサは、ＨＣ、ＣＯ等の妨
害ガスの影響を受けずに窒素酸化物が測定できることか
ら、近年広く研究が行われている。例えば、特開平8-27
1476号公報に提案されたセンサにおいては、上記第２酸
素イオンポンプセルの一対の電極の一方は第２測定室内
に配置され、他方は基準空気通路内に配置され、これら
互いに異なる空間に配置された一対の電極間に所定電圧
を印加することにより、該電極間に流れる電流から窒素
酸化物濃度を検出している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の窒素酸化物センサが出力する電流量は、被検ガス中
の窒素酸化物濃度（通常ｐｐｍオーダ）及び第２測定室
に僅かに残留する酸素濃度に依存するため、その電流量
はμＡオーダーと小さくなり（上記特開平8-271476号公
報の図５など参照）、窒素酸化物センサに電気的に接続
される検出装置には極めて高い電流検出感度が要求され
る。このため、検出システム全体の価格が上昇し、ま
た、検出レベルが低いことにより検出が外乱の影響を受
け易く、測定精度が低下するおそれがあるという問題点
がある。

【０００４】以上の事情に鑑み、本発明の課題は、レベ
ルの高い特定ガス濃度検出信号を出力するガスセンサを
提供することである。特に、ｍＡオーダの検出信号を出
力する窒素酸化物センサを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段は、第１の視点において、前記第２酸素イオンポ
ンプセルが備える一対の電極が、前記第２測定室に配置
されたことを特徴とする。上記電極配置は、典型的には
下記の特徴を有するガスセンサに適用される。すなわ
ち、上記ガスセンサは、第１拡散抵抗を介して被検ガス
が導入される第１測定室と、前記第１測定室内に導入さ
れたガス中の酸素濃度を制御するための第１酸素イオン
ポンプセルと、前記第１測定室から第２拡散抵抗を介し
てガスが導入される第２測定室と、酸素イオン導電体と
該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を備え、
該一対の電極に電圧が印加されて、該一対の電極間に該
酸素イオン導電体を介し特定ガス濃度に応じた電流が流
れる第２酸素イオンポンプセルと、を有することを特徴
とする。

【０００６】さらに、第２の視点において、第１の視点
に基づき、前記第２酸素イオンポンプセルが備える一対
の電極が、同一の前記酸素イオン導電体の同一平面上に
形成されたことを特徴とする。

【０００７】第３の視点において、第１の視点に基づ
き、前記第２酸素イオンポンプセルが備える一対の電極
の一方ないし両方が、ガス拡散抵抗質により覆われたこ
とを特徴とする。

【０００８】第４の視点において、第１の視点に基づ
き、前記第２酸素イオンポンプセルが備える一方の電極
上で分解した酸素は、酸素イオンとなって前記酸素イオ
ン導電体を通り、他方の電極で再び酸素となることを特
徴とする。

【０００９】第５の視点において、第１の視点に基づ
き、前記第２酸素イオンポンプセルを通過した酸素が前
記第２酸素イオンポンプセルが備える一方の電極上で再
び分解することを特徴とする。

【００１０】また、第６の視点において、第１の視点に
基づき、さらに、前記第１測定室内の酸素分圧を検出す
るための酸素分圧検知電極を備えた酸素分圧検知セルを
有し、前記酸素分圧検知セルの出力に基づいて前記第１
酸素イオンポンプセルへの印加電圧が制御されることに
より、該第１酸素イオンポンプセルによる酸素汲み出し
量が制御されることを特徴とする。

【００１１】以下、本発明の原理を説明する。本発明者
らは、第２酸素イオンポンプセルの一対の電極が共に同
じ空間に位置されることにより、レベルの極めて高いセ
ンサ出力（感度）が得られ、精度よく、ＮＯ_X濃度など
を測定できることを見出した。上記ガスセンサによるＮ
Ｏ_Xガス濃度検出原理は下記の通りである。（１）被検
ガス中のＮＯ_Xは、第１測定室では分解されずに第２拡
散抵抗を介して第２測定室へ流入し、第２測定室内に配
置された第２酸素イオンポンプセルの一対の電極に印加
された電圧により、例えば貴金属電極上で酸素と窒素に
分解する。（２）分解の結果発生した酸素は、第２測
定室に配置された第２酸素イオンポンプセルの一方の電
極で酸素イオンとなり、酸素イオン導電性である固体電
解質を通り、第２測定室に配置された第２酸素イオンポ
ンプセルの他方の電極で再び酸素となる。双方の電極と
も同じ第２測定室内にあることにより、酸素ガスとなっ
た酸素イオンは再びＮＯ_Xを分解する一方の電極で酸素
イオンとなり、酸素イオン導電体（固体電解質）内に運
ばれる。（３）よって、第２酸素イオンポンプセルの
一対の電極間を酸素イオン導電体を介して流れる酸素イ
オンには、ＮＯ_Xが分解した結果発生した酸素イオン
と、運ばれた先で酸素となったものが再び酸素イオンと
なり流れるものが重畳されているので、従来のＮＯ_Xを
分解し解離した酸素イオンを外部に汲み出すものと比べ
て、酸素イオン導電体を流れる酸素イオンは多くなり、
その結果、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流、す
なわちガスセンサ出力が極めて大きくなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、好ましい発明の実施の形態
を説明する。

【００１３】第２酸素イオンポンプセルの一対の電極の
一方ないし両方を拡散抵抗質で覆う（拡散抵抗部、ガス
拡散律速部を設ける）。これによって、ガスセンサ出力
を制御できる。好ましくは、このような拡散抵抗部（拡
散抵抗層）を設ける方法として、アルミナ等の多孔質セ
ラミック材料を上記電極にコーティングする。この方法
によれば、拡散抵抗部が安定して製作でき、ガスセンサ
の積層厚さを薄くできる。このように、拡散抵抗部を設
ける主たる目的は限界電流（又はそれに近いもの）が流
れるようにすることであって、上記一方の電極上に設け
ることで十分である。また、一方の電極に対して拡散抵
抗部を設ける方が第２測定室内のガス拡散性が良好であ
り、第２測定室内の雰囲気が均一な状態に復帰しやすい
傾向がある。このように限界電流が得られることによっ
て、熱的な安定性、精度の向上（ゲイン／オフセット値
の上昇）、ＮＯ濃度に対する出力の直線性の向上が達成
される。

【００１４】車両などの排ガス系にガスセンサを配置す
る場合、一般に排ガス中の酸素濃度は０〜２１％まで大
きく変化するため、酸素濃度の影響を排除して精度の高
い特定ガス濃度測定を行うためには、第１測定室におい
て酸素濃度を一定に制御する必要がある。このための手
段として、第１測定室内に酸素分圧検知電極（酸素分圧
検知セルが備える一方の電極）を設け、この電極の電位
をもとに第１酸素イオンポンプセルを駆動することによ
り、ＮＯ_Xが分解しない程度の酸素濃度に第１測定室内
の酸素濃度を制御することができる。

【００１５】好ましいガスセンサは、４枚の固体電解質
層がそれぞれ絶縁層を介して積層され、第１層目の固体
電解質層が第１酸素イオンポンプセル、第２層目の固体
電解質層が酸素分圧検知セル、第３層目の固体電解質層
が支持セル、第４層目の固体電解質層が第２酸素イオン
ポンプセルを構成し、第１酸素イオンポンプセルと酸素
分圧検知セルと絶縁層で第１測定室が構成され、支持セ
ルと第２酸素イオンポンプセルと絶縁層で第２測定室が
構成され、外部と第１測定室の間には多孔質の絶縁体か
らなる第１拡散抵抗部が設けられ、第１測定室と第２測
定室は多孔質の絶縁体からなる第２拡散抵抗部を介して
連通される。このガスセンサによれば、各固体電解質層
間の絶縁が確保され、各固体電解質層間を流れる電流の
リークが非常に少なくなり、特定ガス濃度を精度良く測
定できることとなる。

【００１６】また、固体電解質層の同一平面上に第２酸
素イオンポンプセルの一対の電極を両方とも形成するこ
とにより、例えば印刷法の場合は１回の印刷工程で２つ
の電極を同時に設けることができるため、製作上好まし
い。また、第１、第２酸素イオンポンプセルが備える電
極を、貴金属からなるものとする。また、第１、第２拡
散抵抗を多孔質の絶縁体から構成する。

【００１７】以下、図面を参照して、種々の本発明の好
ましい実施形態を説明する。図１を参照して、本発明の
一実施形態に係るガスセンサは、それぞれ２組の拡散抵
抗部、酸素イオンポンプセル、及び測定室を有し、第１
の固体電解質層９を挟んで設けられた一対の電極６ａ，
６ｂを備えた第１酸素イオンポンプセル６、第２の固体
電解質層９を挟んで設けられた一対の酸素分圧検知電極
７ａ，酸素基準電極７ｂを備えた酸素分圧検知セル７、
第３の固体電解質層９からなる支持セル９ｃ、第４の固
体電解質層９上に設けられた一対の電極８ａ，８ｂを備
えた第２酸素イオンポンプセル８の順に積層され、各固
体電解質層９の層間には絶縁層１０がそれぞれ形成され
ている。そして、第１酸素イオンポンプセル６と酸素分
圧検知セル７の層間には、絶縁層１０及び固体電解質層
９によって第１測定室２が画成され、同様に絶縁層１０
及び固体電解質層９により第２酸素イオンポンプセル８
の上部に第２測定室４が画成されている。さらに、第１
測定室２を囲む壁面には拡散抵抗を有する第１拡散孔１
が複数設けられ、第１測定室２内の第１拡散孔１と離間
した位置には第２拡散孔３の開口が設けられている。第
２拡散孔３は、酸素分圧検知セル７及び固体電解質層９
ｃを貫通して第１、第２測定室２，４を拡散抵抗をもっ
て連通する。

【００１８】次に、このガスセンサの特徴（第２酸素イ
オンポンプセルの一対の電極配置構造）を、図８に示す
比較例のセンサ構造と対比して説明する。比較例の構造
では、第２酸素イオンポンプセル８の一対の電極８ａ，
８ｂは、一方の電極８ａが第２測定室４内、他方の電極
８ｂが第２測定室４外部に配置されている（電極８ｂは
絶縁層１０内に拡散抵抗を有するリードを介して被検ガ
スに連通している）。これに対し、本実施形態において
は、第２酸素イオンポンプセル８の一対の電極８ａ，８
ｂは、固体電解質層９の一面側に形成されると共に、い
ずれも第２測定室４内に配置されている。このような電
極配置の相違によって、比較例のガスセンサにおいて
は、第２酸素イオンポンプセル８によって汲み出された
酸素はセンサ外部に排出されるのに対して、本実施形態
のガスセンサにおいては第２測定室４内に戻る。よっ
て、本実施形態のガスセンサにおいては、第２酸素イオ
ンポンプセル８に流れる電流量を決定する酸素イオンの
量が多くなり、第２酸素イオンポンプ電流値、すなわち
ガスセンサ出力が、比較例に比べて極めて高くなる。

【００１９】次に、図２〜図７を参照して、本発明の他
の実施形態（変形例）を説明する。なお、基本的構造は
図１に示したガスセンサと同様であるので、図１のガス
センサとの相違点のみを説明する。図２に示したガスセ
ンサは第２測定室４が拡散抵抗質で充填された構造（拡
散抵抗部１３）を有する。図３〜５においては第２測定
室４の一方または両方のポンプ電極を拡散抵抗質で被覆
した構造（拡散抵抗部１３）を有する。図６においては
第３固体電解質層９ｃが第２酸素イオンポンプセル８を
構成する。図７においては第２拡散孔３が空洞とされ、
第２測定室４が拡散抵抗質で充填された構造（拡散抵抗
部１３）を有する。

【００２０】次に、第２酸素イオンポンプセル８の一対
の電極配置の詳細を示す。図９は、図１に示した実施形
態における電極構造を説明するための図である。図１０
及び図１１は他の電極構造例を示したもので、これらの
構造によれば応答性の向上、検出電流の増加が期待され
る。図９において、電極８ａ，８ｂはこれらの電極８
ａ，８ｂに電気的に接続するリードの延在方向に互いに
対向して配置されている。図１０において、電極８ａ，
８ｂはリードの延在方向に直交する方向に互いに対向し
て配置されている。図１１において、電極８ａ，８ｂは
分割されて凹部に他方電極の凸部が進入し互い違いに組
み合わされ（櫛状構造）、分割された電極片はリードの
延在方向及び直交する方向に互いに対向して配置されて
いる。

【００２１】次に、本実施形態のガスセンサを用いた特
定ガス濃度検出システムについて説明する。図１２のよ
うに、ガスセンサ素子を適正温度で動作させるために、
ガスセンサ素子を挟んで、その両外層にヒータ基板１１
を貼り合わせれる。そして、ヒータ基板１１に電気的に
接続する不図示のヒータコントローラにより、ガスセン
サ素子を一定の温度に保つ。例えば、後述の測定例にお
いては、ヒータ温度を約８００℃に保った。図１３に、
本実施形態のガスセンサを用いた特定ガス濃度検出シス
テムを示す。このシステムにおいては、酸素分圧検知セ
ル７に発生する起電力及び基準電圧を差動増幅器１２に
入力し、差動増幅器１２はこの起電力が基準電圧と等し
くなるように、第１酸素イオンポンプセル６を制御す
る。従って、電流計Ａ１によって被検ガス中の酸素濃度
を検出できる。また、第２酸素イオンポンプセル８には
所定電圧が印加され、電流計Ａ２によって被検ガス中の
特定ガス濃度を測定することができる。

【００２２】ガスセンサ（素子）の好ましい一製造例を
説明する。ガスセンサ素子はＺｒＯ₂グリーンシート及
び電極用のペーストなどが積層され焼成されることによ
り作製される。絶縁コート、電極用のペースト材料は、
所定のＺｒＯ₂グリーンシートにスクリーン印刷される
ことにより、絶縁層、電極が所定位置に積層形成され
る。次に、ＺｒＯ₂グリーンシートなど各構成部品の製
造例を説明する。

【００２３】［ＺｒＯ₂グリーンシート成形］ＺｒＯ₂粉
末を600℃×２時間、大気炉にて仮焼する。仮焼したＺ
ｒＯ₂粉末30kg、分散剤150g、有機溶剤10kgを球石60kg
とともにトロンメルに入れ、約50時間混合し、分散さ
せ、これに有機バインダー４kgを有機溶剤10kgに溶解さ
せたものを添加し、20時間混合して10Pa・s程度の粘度を
有するスラリーを得た。このスラリーからドクターブレ
ード法により、厚さ0.4ｍｍ程度のＺｒＯ₂グリーンシー
トを作製し、100℃×１時間乾燥する。

【００２４】［印刷用ペースト］ (１)第１酸素イオンポンプ電極（外側）、酸素分圧検知
電極（酸素基準電極）、第２酸素イオンポンプ電極用：
白金粉末20g、ＺｒＯ₂粉末2.8g、適量の有機溶剤を、
らいかい機（或いはポットミル）に入れ、４時間混合
し、分散させ、これに有機バインダー２gを有機溶剤20g
に溶解させたものを添加し、さらに粘度調整剤５gを添
加し、４時間混合して粘度150Pa・s程度のペーストを作
製する。

【００２５】(２)第１酸素イオンポンプ電極（内側）、
酸素分圧検知電極（測定電極）用：白金粉末19.8g、Ｚ
ｒＯ₂粉末2.8g、金粉末0.2ｇ、適量の有機溶剤を、らい
かい機（或いはポットミル）に入れ、４時間混合し、分
散させ、これに有機バインダー２gを有機溶剤20gに溶解
させたものを添加し、さらに粘度調整剤５gを添加し、
４時間混合して粘度150Pa・s程度のペーストを作製す
る。

【００２６】(３)絶縁コート、保護コート用：アルミ
ナ粉末50gと適量の有機溶剤を、らいかい機（或いはポ
ットミル）に入れ、１２時間混合し、溶解させ、さらに
粘度調整剤20ｇを添加し、３時間混合して粘度100Pa・s
程度のペーストを作製する。

【００２７】(４)Pt入り多孔質用（リード線用）：ア
ルミナ粉末10g、白金粉末1.5g、有機バインダ2.5g、有
機溶剤20gを、らいかい機（或いはポットミル）に入
れ、４時間混合し、さらに粘度調整剤10gを添加し、４
時間混合して粘度100Pa・s程度のペーストを作製する。

【００２８】(５)第１拡散孔用：平均粒径２μｍ程度
のアルミナ粉末10g、有機バインダ２g、有機溶剤20g
を、らいかい機（或いはポットミル）に入れ、混合し、
分散させ、さらに粘度調整剤10gを添加し、４時間混合
して粘度400Pa・s程度のペーストを作製する。

【００２９】(６)カーボンコート用：カーボン粉末４
g、有機バインダ２g、有機溶剤40gを、らいかい機（或
いはポットミル）に入れ、混合し、分散させ、さらに粘
度調整剤５gを添加し、４時間混合してペーストを作製
する。なお、カーボンコートを印刷形成することによ
り、一例を挙げれば、電極間の電気的接触が防止され
る。また、カーボンコートは第１測定室及び第２測定室
を形成するために用いられる。カーボンは焼成途中で焼
失するので、カーボンコート層は焼成体には存在しな
い。

【００３０】第２拡散孔用：平均粒径２μｍ程度のア
ルミナ粉末20g、有機バインダ８g、有機溶剤20gを、ら
いかい機（或いはポットミル）に入れ、１時間混合し、
造粒し、金型プレスにて約２t/cm²圧を加え直径１．３
ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円柱状のプレス成形体（グリー
ン状態）を作製する。このグリーン状態のプレス成形体
を、２、３層目のＺｒＯ₂グリーンシートの所定箇所に
挿入され、圧着して一体化した後、焼成することによ
り、ガスセンサ中に第２拡散孔を形成する。

【００３１】［ＺｒＯ₂積層方法］２、３層目圧着
後、第２拡散孔が貫通する部分（直径１．３ｍｍ）を打
ち抜く。打ち抜き後、第２拡散孔となるグリーン円柱状
成形体を埋め込み、１〜４層のＺｒＯ₂グリーンシート
を加圧力：５kg/cm²、加圧時間：１分で圧着する。

【００３２】［脱バインダー及び焼成］圧着した成形
体を、400℃×２時間脱バインダーし、1500℃×１時間
焼成する。

【００３３】第２酸素イオンポンプセルの電極を覆う拡
散抵抗部又は第２測定室内に充填される拡散抵抗部は、
上記第１ないし第２拡散孔と同様の方法で形成すること
ができる。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を説明する。本発明
の一実施例に係るガスセンサの構造は図１、第２酸素イ
オンポンプセルの一対の電極配置は図９をそれぞれ参照
して、実施の形態の欄でそれぞれ説明した通りであり、
このガスセンサは上記実施の形態の欄で説明した製造例
と同様な方法（特願平８−３５４１３５号の明細書及び
図９に開示される製造方法）で作製されたものである。
ガスセンサ素子の寸法は下記の通りである。長手方向の
長さ５０ｍｍ、幅（短手方向）４ｍｍ、厚さ（積層方
向）１．３ｍｍ、第１酸素イオンポンプセルの厚さ０．
３ｍｍ、電極６ａ，６ｂの長手方向の長さは７ｍｍ、短
手方向の長さ２ｍｍ、第１測定室の長手方向の長さ７ｍ
ｍ、短手方向の長さ２ｍｍ、高さ５０μｍ、第２測定室
の長手方向長さ７ｍｍ、短手方向の長さ２ｍｍ、高さ５
０μｍ、第１拡散孔の長手方向の長さ２ｍｍ、短手方向
の長さ１ｍｍ、厚さ５０μｍ、第２拡散孔の大きさは直
径１ｍｍ。次に、このガスセンサを用いた測定例を説明
する。

【００３５】［測定例１］ＮＯ感度：上記ガスセンサを用い、図１２に示したようにガスセン
サ素子を挟むように２枚のヒータ基板１１を貼り付け、
図１３に示した制御システムによって、被検ガス中のＮ
Ｏ濃度を変えたときの第２酸素イオンポンプ電流（Ｉp
2）を測定した。測定条件は下記の通りであり、測定結
果をゲインとして整理し、表１及び図１４に示す。な
お、ゲインとは、ＮＯ投入時のＩp2変化量のことであ
る。例えば、ＮＯ１５００ｐｐｍを投入したときのＩp2
と、ＮＯを投入しないとき（ＮＯ＝０ｐｐｍ）のＩp2の
差である。測定条件：被検ガス組成：Ｏ₂＝７又は１６
％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝０％、Ｎ₂＝Ｂａｌ．、被
検ガス温度：３００℃、ヒータ電力：２１Ｗ、酸素分圧
検知電極の電圧：５５０ｍＶ。

【００３６】

【表１】

【００３７】図１４より、本実施例のガスセンサによれ
ば、ゲインのレベルが極めて高いと共に、ＮＯ濃度が同
一であれば酸素濃度によってゲイン値がほとんど変わら
ず、Ｉp2からＮＯ濃度を精度よく測定することが可能で
あることが分かる。

【００３８】［測定例２］酸素濃度の変化によるセンサ
特性：測定例１と同一のシステムにおいて、被検ガス中の酸素
濃度を変えたときの第２酸素イオンポンプ電流（Ｉp2）
を、ＮＯガス濃度０と1500ｐｐｍの場合について測定し
た。また、比較例として図８に示した構造を有するガス
センサを用いて同様に測定を行った。測定条件は下記の
通りであり、測定結果をオフセット及びゲインとして整
理し、表２及び図１５に示す。なお、オフセットとは、
被検ガスがＮＯを含まないときのＩp2値である。測定条
件：被検ガス成分：ＮＯ：０，１５００ｐｐｍ、Ｏ₂：
０〜１６％、ＣＯ₂：１０％、Ｎ₂：Ｂａｌ．、被検ガス
温度：３００℃、ヒータ電力：１８Ｗ、酸素分圧検知電
極の電圧：５５０ｍＶ、第２測定室電極の電圧：８００
ｍＶ。

【００３９】

【表２】

【００４０】図１５より、比較例のガスセンサにおいて
は、そのゲインは高々１２μＡであるのに対して、実施
例のガスセンサは約０．７５ｍＡのゲインを有してお
り、ゲイン値が約６０倍増加していること、ｍＡオーダ
のガスセンサ出力Ｉp2が得られたことが分かる。

【００４１】［測定例３］水蒸気を含む雰囲気でのセン
サ特性：測定例１と同一のシステムにおいて、水蒸気混入時のオ
フセットの変化を第２酸素イオンポンプセル８の一対の
電極８ａ，８ｂ間に印加する電圧ＶP2を変えて測定し
た。測定条件は下記の通りであり、測定結果を表３及び
図１６に示す。測定条件：被検ガス組成：Ｏ₂＝１６
％、ＣＯ₂＝１０％、Ｈ₂Ｏ＝０，１０％、Ｎ₂＝Ｂａ
ｌ．、被検ガス温度：３００℃、ヒータ電力：２１Ｗ、
酸素分圧検知電極の電圧：４５０ｍＶ。

【００４２】

【表３】

【００４３】図１６より、水蒸気によるセンサ特性（オ
フセット）の変化は小さく、水蒸気の影響は認められな
いことが分かる。

【００４４】［測定例４］起電力成分の測定：酸素イオン導電性のある固体電解質において酸素濃度濃
淡差により起電力が発生することは、公知である。そこ
で、第２酸素イオンポンプセル８の一対の電極８ａ，８
ｂ間に発生している起電力を測定し、酸素濃度濃淡差の
影響を調べた。測定には、測定例１と同様のガスセンサ
を用い、このガスセンサを稼動させた（第２酸素イオン
ポンプセルに所定電圧を印加し）た後、稼動停止（電圧
印加停止）し、第２酸素イオンポンプセルの一対の電極
間の電圧変化を測定した。測定条件は下記の通りであ
り、比較例に係る測定結果を図１７、実施例１に係る測
定結果を図１８にそれぞれ示す。測定条件：雰囲気：大
気中、室温、ヒータ：２１Ｗ、酸素分圧検知電極間電
圧：５５０ｍＶ（本構造）、４５０ｍＶ（比較例）、第
２酸素イオンポンプセルの一対の電極間の電圧：８００
ｍＶ（本構造）、４５０ｍＶ（比較例）。なお、第２酸
素イオンポンプセルの一対の電極間の電圧は、それぞれ
実用的に好ましい電圧を印加したものであって、４５０
ｍＶで水分濃度の影響が小さく感度が大きく、８００ｍ
Ｖで酸素濃度の影響が小さくなる。

【００４５】図１７及び図１８を参照して、稼働停止直
後の第２酸素イオンポンプセルの一対の電極間の電圧
は、比較例：２５０〜３５０ｍＶ、実施例：２０〜３０
ｍＶであることから、実施例のガスセンサにおいて上記
電極間に発生している起電力は小さく、ＮＯ_Xガス濃度
検出に対して一対の電極上の酸素濃淡差の影響が小さい
ことが確認された。また、第２酸素イオンポンプセル印
加電圧は８００ｍＶ以上（酸素濃度依存性が小さい）１
４００ｍＶ以下（水分濃度の影響が小さい）が好ましか
った。

【００４６】

【発明の効果】本発明のガスセンサによれば、μＡオー
ダの出力しか得られなかった従来のガスセンサに比べ
て、極めて高いｍＡオーダーのガスセンサ出力を得るこ
とができる。このため、本発明のガスセンサを用いる場
合、ｍＡオーダの電流を検出できる電流検出システムを
構築すれば十分であるため、μＡオーダの電流検出シス
テムを必要とした従来のガスセンサに比べて、システム
全体の価格を押し下げることができる。さらに、測定雰
囲気の酸素濃度が特定ガス濃度検出に与える影響が低減
されており、ガスセンサ出力のバラツキが少なく測定精
度が向上される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るガスセンサを説明す
るための図である。

【図２】本発明の他の実施形態に係るガスセンサを説明
するための図である。

【図３】本発明の他の実施形態に係るガスセンサを説明
するための図である。

【図４】本発明の他の実施形態に係るガスセンサを説明
するための図である。

【図５】本発明の他の実施形態に係るガスセンサを説明
するための図である。

【図６】本発明の他の実施形態に係るガスセンサを説明
するための図である。

【図７】本発明の他の実施形態に係るガスセンサを説明
するための図である。

【図８】比較例に係るガスセンサを説明するための図で
ある。

【図９】図１に示した第２酸素イオンポンプセルの一対
の電極構造の詳細を説明するための図である。

【図１０】本発明の実施形態に適用される、他の第２酸
素イオンポンプセルの一対の電極構造の詳細を説明する
ための図である。

【図１１】本発明の実施形態に適用される、他の第２酸
素イオンポンプセルの一対の電極構造の詳細を説明する
ための図である。

【図１２】図１に示したガスセンサにヒータを張り合わ
せた例を説明するための図である。

【図１３】図１に示したガスセンサに接続される制御回
路の例を説明するための図である。

【図１４】測定例１に係る、所定ＮＯ濃度において、酸
素濃度に対する第２酸素イオンポンプ電流のゲイン特性
を示す図である。

【図１５】測定例２に係る、所定酸素濃度における第２
酸素イオンポンプ電流のオフセット及び１０００ｐｐｍ
のＮＯに対するゲインを示す図であって、各酸素濃度に
おいて左側の２本が実施例のガスセンサのデータ、右側
の２本が比較例のガスセンサのデータを示す。

【図１６】測定例３に係る、水蒸気に対する第２酸素イ
オンポンプ電流のオフセット特性を示す図である。

【図１７】測定例４に係る、ガスセンサ（比較例）の稼
動停止直後の第２酸素イオンポンプセルの一対の電極間
の電圧変化を示す図である。

【図１８】測定例４に係る、ガスセンサ（実施例）の稼
動停止直後の第２酸素イオンポンプセルの一対の電極間
の電圧変化を示す図である。

【符号の説明】

１：第１拡散孔（第１拡散抵抗）２：第１測定室３：第２拡散孔（第２拡散抵抗）４：第２測定室６：第１酸素イオンポンプセル６ａ，６ｂ：電極７：酸素分圧検知セル７ａ，７ｂ：電極８：第２酸素イオンポンプセル８ａ，８ｂ：電極９固体電解質層９ｃ支持セル１０絶縁層１１ヒータ基板１２差動増幅器１３拡散抵抗部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大島崇文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

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１拡散抵抗を介して被検ガスが導入され
る第１測定室と、前記第１測定室内に導入されたガス中
の酸素濃度を制御するための第１酸素イオンポンプセル
と、前記第１測定室から第２拡散抵抗を介してガスが導
入される第２測定室と、酸素イオン導電体と該酸素イオ
ン導電体上に形成された一対の電極を備え、該一対の電
極に電圧が印加されて、該一対の電極間に該酸素イオン
導電体を介し特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２酸
素イオンポンプセルと、を有するガスセンサにおいて、前記第２酸素イオンポンプセルが備える一対の電極が、
前記第２測定室に配置されたことを特徴とするガスセン
サ。
【請求項２】前記第２酸素イオンポンプセルが備える一
対の電極が、同一の前記酸素イオン導電体の同一平面上
に形成されたことを特徴とする請求項１記載のガスセン
サ。
【請求項３】前記第２酸素イオンポンプセルが備える一
対の電極の一方ないし両方が、ガス拡散抵抗質により覆
われたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスセン
サ。
【請求項４】前記第２酸素イオンポンプセルが備える一
方の電極上で分解した酸素は、酸素イオンとなって前記
酸素イオン導電体を通り、他方の電極で再び酸素となる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載のガ
スセンサ。
【請求項５】前記第２酸素イオンポンプセルを通過した
酸素が前記第２酸素イオンポンプセルが備える一方の電
極上で再び分解することを特徴とする請求項１〜４のい
ずれか一に記載のガスセンサ。
【請求項６】さらに、前記第１測定室内の酸素分圧を検
出するための酸素分圧検知電極を備えた酸素分圧検知セ
ルを有し、前記酸素分圧検知セルの出力に基づいて前記
第１酸素イオンポンプセルへの印加電圧が制御されるこ
とにより、該第１酸素イオンポンプセルによる酸素汲み
出し量が制御されることを特徴とする請求項１〜５のい
ずれか一に記載のガスセンサ。