JP3314782B2 - 複合ガスセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，車両用内燃機関の排ガス浄化シ
ステム等において利用するガス濃度測定用の複合ガスセ
ンサに関する。

【０００２】

【従来技術】車両用内燃機関の排ガスによる大気汚染は
現代社会に深刻な間題を引き起こしており，排ガス中の
公害物質に対する浄化基準法規は年々厳しくなってい
る。そのため，ガソリンもしくはディーゼルエンジン等
の車両用内燃機関に対する燃焼制御，車両用内燃機関の
排ガス系に設置する触媒コンバータを利用した公害物質
の低減方法について種々の検討が行われている。

【０００３】このような検討から，従来，２つの酸素セ
ンサを用いたモニターシステムが導入されていた。しか
しながら，上記システムは排ガス中の空燃比を検出し，
内燃機関における燃料噴射量及びＥＧＲ率をより精密に
フィードバック制御することにより，排ガス中の公害物
質を低減しようとするシステムであって，排ガス中の公
害物質の多寡を直接検出するシステムではない。

【０００４】そして，米国のＯＢＤ−ＩＩ規制において
は，排ガスの浄化に使用する触媒が適切かどうかを判定
する機能を排ガスの浄化システムに要求している。この
ことから近年は，内燃機関の精密な燃焼制御と共に排ガ
ス中の公害物質，即ちＮＯｘ濃度を直接検出するシステ
ムが提案されている。

【０００５】即ち，内燃機関の排気系における排ガス通
路には，公害物質であるＮＯｘを除去するための触媒コ
ンバータが配置されている。この触媒コンバータの下流
にＮＯｘセンサを設け，ここにおいてＮＯｘ濃度を測定
することにより，触媒コンバータの劣化を検知すること
ができる。以上のように触媒コンバータの劣化検出シス
テムと内燃機関の燃焼制御のシステムとを組み合わせた
システムへの要求が，近年高まっていた。

【０００６】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記システム
の実現のためには，ＮＯｘセンサ，空燃比センサ，また
場合によっては酸素センサ，排ガス温度を測定する温度
センサを排気系に設置する必要がある。一般に内燃機関
の排気系は制限された非常に狭い空間である。このた
め，多数のセンサを設置する上述のようなシステムは車
両への塔載性について間題がある。特に設計上の困難や
組付け上の困難があった。また，複数センサを利用する
システムであるため，故障の確率が高くなるおそれもあ
る。更に，センサの数が増える分，コスト高となるおそ
れもある。

【０００７】本発明は，かかる間題点に鑑み，サンプル
ガス中のＮＯｘ濃度と酸素濃度とを同時に測定すること
ができる複合ガスセンサを提供しようとするものであ
る。

【０００８】

【課題の解決手段】請求項１の発明は，少なくとも一部
が酸素イオン導電性の固体電解質基板によって形成され
た基準ガス室及びサンプルガス室と，該サンプルガス室
にサンプルガスを導入するためのサンプルガス導入路
と，上記サンプルガス室内に面した固体電解質基板の一
つの面及び他の面に設けた一対の電極からなり，上記サ
ンプルガス室内の酸素ガスを排出するか，あるいはサン
プルガス室内へ酸素ガスを導入するためのポンプセル
と，上記サンプルガス室内に面した固体電解質基板の一
つの面及び上記基準ガス室内に面した固体電解質基板の
一つの面に設けた一対の電極からなり，上記サンプルガ
ス室内のＮＯｘ濃度を検出する検出セルと，上記サンプ
ルガス室内に面した固体電解質基板の一つの面及び上記
基準ガス室内に面した固体電解質基板の一つの面に設け
た一対の電極からなり，上記サンプルガス室内の酸素濃
度を検出するセンサセルと，上記サンプルガス室内に面
した固体電解質基板の他の面に設けられた上記ポンプセ
ルの電極と同じ面に設けた外部電極とを有し，上記検出
セルには第一電流計と電源とを備えた検出回路が接続さ
れ，上記センサセルには第一電圧計を備えた第一センサ
回路が接続され，上記ポンプセルには，可変電源を有す
るポンプ回路が接続され，上記サンプルガス室内に面し
た固体電解質基板の他の面に設けられた上記ポンプセル
の電極と同じ面に設けた上記外部電極と上記センサセル
の上記基準ガス室内に面した固体電解質基板の一つの面
に設けた電極との間に第二電圧計を備えた第二センサ回
路が接続されてなる複合ガスセンサであって，上記第一
電圧計の検出値が一定値に保持されるよう上記可変電源
を制御することにより，上記第一電流計の検出値に基づ
いてサンプルガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度
測定器と，上記第二電圧計の検出値に基づいてサンプル
ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器とを有する
ことを特徴とする複合センサにある。

【０００９】上記ポンプセルは限界電流式の酸素センサ
として機能する素子より構成することが好ましい。上記
ポンプセルは電圧を印加することにより複合ガスセンサ
の外部とサンプルガス室との間において，酸素イオンの
ポンピング作用を発揮することができる。印加電圧が高
い場合にはポンピング作用が活発となり，より多量の酸
素イオンを運ぶことができる。一方，印加電圧が低い場
合には少量の酸素イオンしか運ぶことができない。ま
た，酸素イオンのポンピングがサンプルガス室に対する
排出となるか，導入となるかについても印加する電圧の
寡多に依存する。

【００１０】上記検出セルのサンプルガス室に面した電
極は，ＮＯｘが接触することにより，該ＮＯｘを窒素イ
オンと酸素イオンとに分解する作用を有する物質にて構
成することが好ましい。そして，検出セルにかかる他方
の電極は基準ガス室に面しており，両電極の間は酸素イ
オン導電性の固体電解質基板よりなり，更に，検出回路
に備えられた電源により，両電極間には電位差が与えら
れている。このため，上記検出セルは限界電流式酸素セ
ンサとして機能し，サンプルガス中のＮＯｘ濃度に応じ
たイオン電流を検出回路に設けた第一電流計において測
定することができる。

【００１１】上記センサセルは酸素濃淡起電力式として
機能するように構成することが好ましい。上記センサセ
ルにかかる電極はそれぞれサンプルガス室と基準ガス室
とに面しており，よって両電極の間に両室の酸素濃度差
に対応した起電力が発生する。上記起電力はセンサ回路
の第一電圧計において測定することができる。

【００１２】また，上記ポンプセルの電極と同じ面に設
けた上記外部電極と，上記センサセルに設けた上記電極
との間に第二電圧計を備えた第二センサ回路において
は，上記第二電圧計によりサンプルガス中の酸素濃度を
検出することができる。

【００１３】なお，上記ポンプセル及びセンサセルのサ
ンプルガス室に面する電極はＮＯｘ不活性（ＮＯｘを還
元しない）な電極を使用することが好ましい。これによ
り，ポンプセル及びセンサセルにおけるＮＯｘの消費を
防止することができ，正確なＮＯｘ濃度を測定すること
ができる。

【００１４】本発明にかかる作用効果につき説明する。
本発明にかかる測定方法においては，上記第一電圧計の
検出値が一定値に保持されるようポンプセルに接続した
ポンプ回路が有する可変電源を制御することにより，上
記第一電流計の検出値に基づいてサンプルガス中のＮＯ
ｘ濃度を測定すると同時に，上記第二電圧計の検出値に
基づいてサンプルガス中の酸素濃度を測定する。

【００１５】ここに，第一電圧計の検出値が一定値であ
るということは，サンプルガス室の酸素濃度が一定であ
るということを意味する。従って，可変電源，即ちポン
プセルに対する印加電圧をサンプルガス室の酸素濃度を
基にして制御することにより，導入されるサンプルガス
中の酸素濃度の多寡に関わらず，サンプルガス室の酸素
濃度を一定に保持することができる。

【００１６】ところで，上記検出セルのサンプルガス室
に面した電極の上では，ＮＯｘの還元と同時に酸素のイ
オン化も生じるが，酸素量が一定であれば，第一電流計
において測定した値は（変動するＮＯｘ濃度）＋（一定
の酸素濃度）に比例することとなる。即ち，検出セルに
おいてＮＯｘ濃度を測定することができる。

【００１７】上記センサセルにかかる外部電極はサンプ
ルガス室に導入される前のサンプルガスと接しており，
外部電極と基準電極との間には複合ガスセンサの外部の
酸素濃度，基準ガス室の酸素濃度との差に対応した起電
力が発生する。そして，上記起電力は第二センサ回路の
第二電圧計において測定することができる。上記起電力
はセンサセルの電極が外部のサンプルガス，基準ガス室
の基準ガスに接しつづける限り生じることから，本請求
項の測定方法によれば，ＮＯｘ濃度と共に，サンプルガ
ス中の酸素濃度を検出することができる。

【００１８】このため，両測定は同時に行うことがで
き，また，これらの測定は一本の複合ガスセンサを利用
して行うことができる。

【００１９】以上のように，本発明によれば，サンプル
ガス中のＮＯｘ濃度と酸素濃度とを同時に測定するガス
濃度の測定方法を提供することができる。

【００２０】次に，上記ポンプセルには第二電流計と可
変電源とを備えたポンプ回路が接続され，上記第二電流
計の検出値に基づいてサンプルガス中の空燃比を測定す
る空燃比測定器が設けてあることが好ましい。この場合
には，第一電圧計の検出値を一定値に保持することによ
り，ＮＯｘ濃度の測定ができると共に上記第二電流計に
より空燃比の測定を行なうことができる。それ故，ＮＯ
ｘ濃度，酸素濃度及び空燃比を並行して測定することが
できる。

【００２１】上記ポンプセルに対する電圧の印加はポン
プ回路の可変電源が行い，また該ポンプ回路には第二電
流計が設けてあるため，上記酸素イオンのポンピングに
伴うイオン電流の大きさを測定することができる。

【００２２】そして，上記ポンプ回路には第二電流計が
設けてあるが，該第二電流計の検出する値は，サンプル
ガス中に存在する酸素量，即ち，サンプルガス中の空燃
比と比例する。よって，ポンプセルにおいて空燃比を測
定することができる。

【００２３】次に，請求項２の発明のように，上記サン
プルガス室は拡散通路にて連結された第一室と第二室と
よりなり，上記第一室にはサンプルガス導入路及びポン
プセルが設けてなり，上記第二室と上記基準ガス室との
間に検出セル及びセンサセルが設けてあることが好まし
い。この場合には，第一室においてポンプセルによりサ
ンプルガス中の酸素濃度を一定とすることができ，また
上記拡散通路を介して第二室へも酸素濃度が一定のサン
プルガスを送り込むことができる。そのため，上記検出
セルの第一電流計によって，高精度で，ＮＯｘ濃度を測
定することができる。

【００２４】次に，上記サンプルガス導入路はピンホー
ルまたは多孔質層よりなることが好ましい。このよう
に，ピンホールよりなるサンプルガス導入路を設けるこ
とにより，より多くのサンプルガスをサンプルガス室に
導入することができ，よって，より多くのＮＯｘ等を利
用してガス濃度測定を行うことができ，複合ガスセンサ
の感度を高めることができる。また，多孔質層よりなる
サンプルガス導入路を設けることにより，センサの温度
依存性を小さくすることができる。

【００２５】次に，請求項３の発明のように，上記サン
プルガス室内に面した固体電解質基板の他の面に設けら
れた上記ポンプセルの電極と，上記サンプルガス室内に
面した固体電解質基板の他の面に設けられた上記外部電
極とを保護するための電極保護層を有することが好まし
い。この場合には，ポンプセルにおける電極，及び上記
外部電極の表面が，上記電極保護層によって覆われるの
で，これら電極の損傷を防止することができる。

【００２６】また，上記の外，次に示す種々の態様があ
る。次に，少なくとも一部が酸素イオン導電性の固体電
解質基板によって形成された基準ガス室及びサンプルガ
ス室と，該サンプルガス室にサンプルガスを導入するた
めのサンプルガス導入路と，上記サンプルガス室内に面
した固体電解質基板の一つの面及び他の面に設けた一対
の電極からなり，上記サンプルガス室内の酸素ガスを排
出するか，あるいはサンプルガス室内へ酸素ガスを導入
するためのポンプセルと，上記サンプルガス室内に面し
た固体電解質基板の一つの面及び上記基準ガス室内に面
した固体電解質基板の一つの面に設けた一対の電極から
なり，上記サンプルガス室内のＮＯｘ濃度を検出する検
出セルと，上記サンプルガス室内に面した固体電解質基
板の一つの面及び上記基準ガス室内に面した固体電解質
基板の一つの面に設けた一対の電極からなり，上記サン
プルガス室内の酸素濃度を検出するセンサセルとよりな
ると共に，上記検出セルには第一電流計と電源とを備え
た検出回路が接続され，上記ポンプセルには第二電流計
と可変電源とを備えたポンプ回路が接続され，更に，上
記センサセルには第一電圧計を備えたセンサ回路が接続
されてなる複合ガスセンサを使用し，上記第一電圧計の
検出値が一定値に保持されるよう可変電源を制御するこ
とにより，上記第一電流計の検出値に基づいてサンプル
ガス中のＮＯｘ濃度を測定すると同時に，上記第二電流
計の検出値に基づいてサンプルガス中の空燃比を測定す
ることを特徴とするガス濃度の測定方法がある。

【００２７】そして，上記ポンプセル回路には第二電流
計が設けてあり，該第二電流計の検出する値は，サンプ
ルガス中に存在する酸素量，即ち，サンプルガス中の空
燃比と比例する。よって，ポンプセルにおいて空燃比を
測定することができる。

【００２８】そして，ＮＯｘ濃度の測定も空燃比の測定
も共に第一電圧計の検出値を一定値に保持するという一
つの操作によって行うことができる。このため，両測定
は同時に行うことができ，また，この測定は一本の複合
ガスセンサを利用して行うことができる。

【００２９】このため，従来技術に示すような，車両用
内燃機関におけるＮＯｘ濃度測定を利用した触媒コンバ
ータの劣化検出システムと空燃比を利用した燃焼制御の
システムとを組み合わせたシステムにかかるセンサを一
本の複合ガスセンサでまかなうことができる。

【００３０】以上のように，上記方法によれば，サンプ
ルガス中のＮＯｘ濃度と空燃比とを同時に測定するガス
濃度の測定方法を提供することができる。

【００３１】次に，上記センサセルは複合ガスセンサの
外部に露出形成された外部電極を有すると共に，上記セ
ンサセルにおける基準ガス室内に面した電極と上記外部
電極との間には第二電圧計を備えた第二センサ回路が接
続されてなり，上記第一電圧計の検出値が一定値に保持
されるよう可変電源を制御することにより，上記第一電
流計の検出値に基づいてサンプルガス中のＮＯｘ濃度を
測定すると同時に上記第二電流計の検出値に基づいてサ
ンプルガス中の空燃比を測定し，更に，上記第二電圧計
の検出値に基づいてサンプルガス中の酸素濃度を測定す
ることが好ましい。

【００３２】上記センサセルにかかる外部電極はサンプ
ルガス室に導入される前のサンプルガスと接しており，
外部電極と基準電極との間には複合ガスセンサの外部の
酸素濃度，基準ガス室の酸素濃度との差に対応した起電
力が発生する。上記起電力は第二センサ回路の第二電圧
計において測定することができる。上記起電力はセンサ
セルの電極が外部のサンプルガス，基準ガス室の基準ガ
スに接しつづける限り生じることから，本請求項の測定
方法によれば，ＮＯｘ濃度，空燃比と共に，サンプルガ
ス中の酸素濃度を検出することができる。

【００３３】次に，少なくとも一部が酸素イオン導電性
の固体電解質基板によって形成された基準ガス室及びサ
ンプルガス室と，該サンプルガス室にサンプルガスを導
入するためのサンプルガス導入路と，上記サンプルガス
室内に面した固体電解質基板の一つの面及び他の面に設
けた一対の電極からなり，上記サンプルガス室内の酸素
ガスを排出するか，あるいはサンプルガス室内へ酸素ガ
スを導入するためのポンプセルと，上記サンプルガス室
内に面した固体電解質基板の一つの面及び上記基準ガス
室内に面した固体電解質基板の一つの面に設けた一対の
電極からなり，上記サンプルガス室内のＮＯｘ濃度を検
出する検出セルと，上記サンプルガス室内に面した固体
電解質基板の一つの面及び上記基準ガス室内に面した固
体電解質基板の一つの面に設けた一対の電極からなり，
上記サンプルガス室内の酸素濃度を検出するセンサセル
とよりなると共に，上記検出セルには第一電流計と電源
とを備えた検出回路が接続され，上記ポンプセルには第
二電流計と可変電源とを備えたポンプ回路が接続され，
更に，上記センサセルには第一電圧計を備えたセンサ回
路が接続されてなる複合ガスセンサであって，上記第一
電圧計の検出値が一定値に保持されるよう可変電源を制
御する制御器と，上記第一電流計の検出値に基づいてサ
ンプルガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度測定器
と，上記第二電流計の検出値に基づいてサンプルガス中
の空燃比を測定する空燃比測定器とよりなることを特徴
とする複合ガスセンサがある。

【００３４】この複合ガスセンサにおいては，上記制御
器を操作し，第一電圧計の検出値を一定値に保持するこ
とにより，上記に記載したように，ＮＯｘ濃度の測定，
空燃比の測定を行うことができる。即ち，ＮＯｘ濃度と
空燃比とを同時に測定することができる。

【００３５】また，この複合ガスセンサにおいては，例
えば上記検出セルの近傍にセンサセルを設けることが好
ましい。これにより，残存する酸素量を抑え，オフセッ
ト電流を小さくすることができる。また，センサセルに
かかる電極としてＮＯｘに対して不活性な電極を採用す
ることが好ましい。これにより，センサセルにおけるＮ
Ｏｘ消費をなくすことができる。また，両セルの干渉を
なくすため，ポンプセルとセンサセルの各電極を離した
位置に配置することが好ましい。

【００３６】次に，上記サンプルガス室は拡散通路にて
連結された第一室と第二室とよりなり，上記第一室には
サンプルガス導入路及びポンプセルが設けてなり，上記
第二室と上記基準ガス室との間に検出セル及びセンサセ
ルが設けてあることが好ましい。

【００３７】これにより，第一室においてポンプセルに
よりサンプルガス中の酸素濃度を一定とすることがで
き，第二室は酸素濃度が一定のサンプルガスを送り込む
ことができる。このため，精度の高いＮＯｘ濃度の検出
が可能な複合ガスセンサを得ることができる。

【００３８】次に，上記センサセルは複合ガスセンサの
外部に露出形成された外部電極を有し，上記センサセル
における基準ガス室内に面した電極と上記外部電極との
間には第二電圧計を備えた第二センサ回路が接続されて
なり，上記第二電圧計の検出値に基づいてサンプルガス
中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器を有することが
好ましい。これにより，ＮＯｘ濃度，空燃比と共に，サ
ンプルガス中の酸素濃度を検出可能な複合ガスセンサを
得ることができる。

【００３９】次に，上記サンプルガス室及び基準ガス室
は同一平面上に設けてあることが好ましい。これによ
り，複合ガスセンサを薄化することができ，速熱性を高
めることができる。上記複合ガスセンサを構成するポン
プセル，検出セル，センサセルはいずれも活性温度に達
しなければ機能しない。従って，特に車両用内燃機関に
設置した際には，エンジン始動直後からのガス濃度の測
定を可能とすることができる。また，よりコンパクトな
センサを得ることができる。

【００４０】なお，同一平面上とは，後述の図６〜図８
に示されるごとく，例えば２枚の固体電解質基板の間に
サンプルガス室と基準ガス室とが形成されるような状態
を示している。

【００４１】次に，上記検出セル及び上記センサセルに
かかる基準ガス室内に面した電極は一体的に構成されて
なることが好ましい。これにより，電極の数と共に該電
極を検出回路，センサ回路に接続する端子部の数を減ら
すことができる。このため，複合ガスセンサの製造を容
易とすることができる。また，検出回路とセンサ回路と
において，部分的な共有回路を設けることができるた
め，この点でもコンパクトな構造とすることができる。
また，配線の手間を省くこともできる。

【００４２】次に，上記サンプルガス導入路はピンホー
ルまたは多孔質層よりなることが好ましい。ピンホール
よりなるサンプルガス導入路を設けることにより，より
多くのサンプルガスをサンプルガス室に導入することが
でき，よって，より多くのＮＯｘ等を利用してガス濃度
測定を行うことができ，複合ガスセンサの感度を高める
ことができる。また，多孔質層よりなるサンプルガス導
入路を設けることにより，センサの温度依存性を小さく
することができる。

【００４３】次に，少なくとも一部が酸素イオン導電性
の固体電解質基板によって形成された基準ガス室及びサ
ンプルガス室と，該サンプルガス室にサンプルガスを導
入するためのサンプルガス導入路と，上記サンプルガス
室内に面した固体電解質基板の一つの面及び他の面に設
けた一対の電極からなり，上記サンプルガス室内の酸素
ガスを排出するか，あるいはサンプルガス室内へ酸素ガ
スを導入するためのポンプセルと，上記サンプルガス室
内に面した固体電解質基板の一つの面及び上記基準ガス
室内に面した固体電解質基板の一つの面に設けた一対の
電極からなり，上記サンプルガス室内のＮＯｘ濃度を検
出する検出セルと，上記サンプルガス室内に面した固体
電解質基板の一つの面及び上記基準ガス室内に面した固
体電解質基板の一つの面に設けた一対の電極からなり，
上記サンプルガス室内の酸素濃度を検出するセンサセル
とよりなると共に，上記検出セルには第一電流計と電源
とを備えた検出回路が接続され，上記ポンプセルには第
二電流計と可変電源とを備えたポンプ回路が接続され，
更に，上記センサセルには第一電圧計を備えたセンサ回
路が，並びに上記ポンプ回路には上記ポンプセルのイン
ピーダンスを測定するためのインピーダンス測定器とが
接続されてなる複合ガスセンサを使用し，上記第一電圧
計の検出値が一定値に保持されるよう可変電源を制御す
ることにより，上記第一電流計の検出値に基づいてサン
プルガス中のＮＯｘ濃度を測定すると同時に，上記第二
電流計の検出値に基づいてサンプルガス中の空燃比を測
定し，更にインピーダンス測定器の出力値からサンプル
ガスの温度を測定することを特徴とするガス濃度測定方
法がある。

【００４４】この複合ガスセンサは，上記複合ガスセン
サと同様の構造のセンサのポンプ回路に対し，インピー
ダンス測定器を設けたものである。上記インピーダンス
回路によりポンプセルのインピーダンスを測定すること
ができ，またインピーダンスの値は温度に依存すること
が知られている。更に，上記ポンプセルはサンプルガス
をサンプルガス室に導入または排出するよう構成されて
いるため，ポンプセルの温度は略サンプルガスの温度に
一致する。よって，上記ポンプセルのインピーダンスを
測定することによりサンプルガス温度を測定することが
できる。以上により，ＮＯｘ濃度，空燃比の他にサンプ
ルガスの温度の測定も行うことができる。

【００４５】このため，この複合センサをエンジン等の
排ガスにおけるガス濃度測定に応用した場合には，例え
ばエンジンの失火に伴う排ガス温度の低下をモニタする
ことができる。これにより，排ガス温度が低下したとい
う信号をエンジン制御回路にフィードバックさせること
ができ，エンジンの燃焼制御を行うことができる。ま
た，上記排ガスのガス濃度測定において排ガス浄化用の
触媒の異常発熱をモニタすることもできる。これによ
り，触媒劣化検知を行うことができる。

【００４６】なお，上記インピーダンス測定器として
は，例えばアナログ回路にて周波数５ｋＨｚの正弦波を
印加できる測定器等を用いることができる。

【００４７】次に，少なくとも一部が酸素イオン導電性
の固体電解質基板によって形成された基準ガス室及びサ
ンプルガス室と，該サンプルガス室にサンプルガスを導
入するためのサンプルガス導入路と，上記サンプルガス
室内に面した固体電解質基板の一つの面及び他の面に設
けた一対の電極からなり，上記サンプルガス室内の酸素
ガスを排出するか，あるいはサンプルガス室内へ酸素ガ
スを導入するためのポンプセルと，上記サンプルガス室
内に面した固体電解質基板の一つの面及び上記基準ガス
室内に面した固体電解質基板の一つの面に設けた一対の
電極からなり，上記サンプルガス室内のＮＯｘ濃度を検
出する検出セルと，上記サンプルガス室内に面した固体
電解質基板の一つの面及び上記基準ガス室内に面した固
体電解質基板の一つの面に設けた一対の電極からなり，
上記サンプルガス室内の酸素濃度を検出するセンサセル
とよりなり，また，上記ポンプセル上にはサンプルガス
が通過する多孔質の基板と，該基板の外表面に設けた抵
抗体及びリード線とよりなる温度検出セルが設けてあ
り，上記検出セルには第一電流計と電源とを備えた検出
回路が接続され，上記ポンプセルには第二電流計と可変
電源とを備えたポンプ回路が接続され，更に，上記セン
サセルには第一電圧計を備えたセンサ回路が接続されて
なる複合ガスセンサを使用し，上記第一電圧計の検出値
が一定値に保持されるよう可変電源を制御することによ
り，上記第一電流計の検出値に基づいてサンプルガス中
のＮＯｘ濃度を測定すると同時に，上記第二電流計の検
出値に基づいてサンプルガス中の空燃比を測定し，上記
温度検出セルにおける抵抗体の抵抗値に基づいてサンプ
ルガスの温度を測定することを特徴とするガス濃度の測
定方法がある。

【００４８】この方法において使用する複合ガスセンサ
は，請求項１にかかる複合ガスセンサと同様の構造のセ
ンサのポンプセルに対し多孔質の基板等よりなる温度検
出セルを設けたものである。この温度検出セルは熱伝導
の悪い多孔質の基板よりなるため，複合ガスセンサの他
の部分が保有する熱（例えば後述の各実施形態例にて記
載されたヒータ等が発する熱）の影響を受け難い。ま
た，ポンプセルはサンプルガスに接するよう構成されて
おり，このようなポンプセルに設けた基板の外表面に抵
抗体は設けてあるため，上記抵抗体はサンプルガスに曝
されるように構成されている。従って，この温度検出セ
ルの出力はサンプルガスの温度に比例することができ
る。以上により，ＮＯｘ濃度，空燃比の他にサンプルガ
スの温度の測定も行うことができる。

【００４９】このため，上記と同様に例えばエンジンの
失火に伴う排ガス温度の低下をモニタし，排ガス温度が
低下したという信号をエンジン制御回路にフィードバッ
クして，エンジンの燃焼制御を行うことができる。更
に，ＥＧＲ制御の温度センサとしての利用，ＮＯｘ触媒
のウィンドウ検知，ストイキ及びリッチ検知等幅広く利
用することができる。

【００５０】なお，上記温度検出セルにおいては，正の
抵抗温度係数を有する材料にて帯状のパターンが形成さ
れており，このパターンの抵抗は外気温に比例するため
サンプルガスの温度に比例する出力を得ることができ
る。

【００５１】また，上記ポンプセル上に設けられる多孔
質の基板としてはアルミナ等の絶縁性材料からなり，そ
の気孔率はガス透過性の観点より５〜１０％とすること
が好ましい。また，上記抵抗体はリード線よりも抵抗温
度係数が大きく，抵抗体内部の抵抗値がリード線よりも
大きく構成することが好ましい。

【００５２】なお，複合ガスセンサにおいては一般に検
出セルの活性化を目的としてポンプセルとは反対側の面
にヒータを設けることが多く（後述の各実施形態例参
照），その点からもポンプセルに温度センサセルを設け
ることによりヒータからの影響を最小とすることができ
る。

【００５３】

【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の測定方法及び複合ガ
スセンサにつき，図１〜図３を用いて説明する。図１に
示すごとく，本例の複合ガスセンサ１は，少なくとも一
部が酸素イオン導電性の固体電解質基板１１，１２によ
って形成された基準ガス室１０３及びサンプルガス室１
００と，該サンプルガス室１００にサンプルガスを導入
するためのサンプルガス導入路１１０とを有する。

【００５４】そして，上記サンプルガス室１００内に面
した固体電解質基板１１の一つの面１１８及び他の面１
１９に設けた一対の電極２１８，２１９からなり，上記
サンプルガス室１００内の酸素ガスを排出するか，ある
いはサンプルガス室１００内へ酸素ガスを導入するため
のポンプセル２１を有する。また，上記サンプルガス室
１００内に面した固体電解質基板１２の一つの面１２８
及び上記基準ガス室１０３内に面した固体電解質基板１
２の一つの面１２９に設けた一対の電極３１８，３１９
からなり，上記サンプルガス室１００内のＮＯｘ濃度を
検出する検出セル３１を有する。

【００５５】また，上記サンプルガス室１００内に面し
た固体電解質基板１２の一つの面１２８及び上記基準ガ
ス室１０３内に面した固体電解質基板１２の一つの面１
２９に設けた一対の電極４１８，４１９からなり，上記
サンプルガス室１００内の酸素濃度を検出するセンサセ
ル４１を有する。

【００５６】また，上記検出セル３１には第一電流計３
２１と電源３２９とを備えた検出回路３２が接続され，
上記ポンプセル２１には第二電流計２２１と可変電源２
２９とを備えたポンプ回路２２が接続され，更に，上記
センサセル４１には第一電圧計４２１を備えたセンサ回
路４２が接続されてなる。

【００５７】そして，上記第一電圧計４２１の検出値が
一定値に保持されるよう可変電源２２９を制御する制御
器２５１と，上記第一電流計３２１の検出値に基づいて
サンプルガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度測定
器３と，上記第二電流計２２１の検出値に基づいてサン
プルガス中の空燃比を測定する空燃比測定器２とよりな
る。

【００５８】また，上記サンプルガス室１００は拡散通
路１０４にて連結された第一室１０１と第二室１０２と
より構成されており，上記第一室１０１にはサンプルガ
ス導入路１１０及びポンプセル２１が設けてなり，上記
第二室１０２と上記基準ガス室１０３との間には検出セ
ル３１及びセンサセル４１が設けてある。また，上記第
一室１０１は第一固体電解質基板１１，基板１３３，１
３２により構成され，上記第二室１０２は第二固体電解
質基板１２，基板１３２，１３１より構成されている。
更に，上記基準ガス室１０３は第二固体電解質基板１２
と基板１４１，ヒータ１９の被覆板１９２により構成さ
れている。

【００５９】このような複合ガスセンサ１において，上
記第一電圧計４２１の検出値が一定値に保持されるよう
制御器２５１を操作し，可変電源２２９を制御する。こ
れにより，上記第一電流計３２１の検出値に基づいてサ
ンプルガス中のＮＯｘ濃度を測定すると共に，上記第二
電流計２２１の検出値に基づいてサンプルガス中の空燃
比を測定する。

【００６０】更に，本例に係る複合ガスセンサ１につい
て，詳細に説明する。図１に示すごとく，上記複合ガス
センサ１は，第一及び第二固体電解質基板１１，１２，
基板１３１，１３２，１３３，１４１及びヒータ１９を
積層することにより構成されたセンサである。なお，上
記基板１３１，１３２，１３３は第一及び第二固体電解
質基板１１，１２と同材質である。また，基板１４１は
ヒータ１９を構成するヒータ基板１９１，被覆板１９２
と同材質である。

【００６１】上記ポンプセル２１は，第一固体電解質１
１と，該第一固体電解質基板１１における複合ガスセン
サ１の外部に露出する面１１８に設けた電極２１８と第
一室１０１に対面する反対面１１９に設けた電極２１９
とよりなる。そして，図示を略したリード部及び端子部
等を経由して，上記電極２１８，２１９に対しポンプ回
路２２が接続されている。そして，上記電極２１８，２
１９の中央にはサンプルガス導入路１１０となるピンホ
ールが設けてある。なお，上記電極２１９はＮＯｘに対
して不活性なＡｕ添加Ｐｔ電極である。上記電極２１８
はＰｔ電極である。

【００６２】上記基板１３３には第一室１０１となる窓
部が設けてなり，上記基板１３２には拡散通路１０４と
なるピンホールが設けてなり，上記基板１３１には第二
室１０２となる窓部が設けてある。

【００６３】上記検出セル３１は，第二固体電解質基板
１２と，該第二固体電解質基板１２における第二室１０
２に対面する面１２８に設けた電極３１８と基準ガス室
１０３に対面する反対面１２９に設けた電極３１９とよ
りなる。そして，図示を略したリード部及び端子部を経
由して，上記電極３１８，３１９に対し検出回路３２が
接続されている。なお，上記電極３１８はＮＯｘを窒素
イオンと酸素イオンとに分解する活性電極で，Ｐｔまた
はＰｔ／Ｒｈ電極である。上記電極３１９はＰｔ電極で
ある。

【００６４】上記センサセル４１は，第二固体電解質基
板１２と，該第二固体電解質基板１２における第二室１
０２に対面する面１２８に設けた電極４１８と基準ガス
室１０３に対面する反対面１２９に設けた電極４１９と
よりなる。そして，図示を略したリード部及び端子部等
を経由して，上記電極４１８，４１９に対しセンサ回路
４２が接続されている。なお，上記電極４１８はＮＯｘ
に対して不活性なＡｕ添加Ｐｔ電極で，４１９はＰｔ電
極である。

【００６５】上記絶縁性基板１４１には基準ガス室１０
３となる窓部が設けてある。また，上記絶縁性基板１４
１の下方に隣接して，ヒータ部１９が設けてある。上記
ヒータ部１９はヒータ基板１９１と発熱部１９０，そし
て両者を被覆する被覆板１９２とよりなる。上記発熱部
１９０は，複合ガスセンサ１を投影的にみて，ポンプセ
ル２１，検出セル３１，センサセル４１の全体を覆うよ
うな位置に形成する。また，上記発熱部に通電するため
のリード部，端子部も形成されている（図示略）。な
お，上記ヒータ基板１９１，被覆板１９２は共にアルミ
ナ基板よりなる。

【００６６】次に，本例にかかる複合ガスセンサ１の製
造方法について説明する。まず，上記第一及び第二固体
電解質基板１１，１２，基板１３１〜１３３用のジルコ
ニアグリーンシートの作製につき説明する。６モル％の
イットリアと９４モル％ジルコニアよりなる平均粒径
０．５μｍのイットリア部分安定化ジルコニアを１００
部（重量部，以下同じ），α−アルミナを１部，ＰＶＢ
（ポリビニルブチラール）を５部，ＤＢＰ（ディブチル
ブチラール）を１０部，エタノールを１０部，トルエン
１０部を秤量した。上記原料をボールミル中にて混合
し，得られたスラリーをドクターブレード法にて乾燥厚
みが０．３ｍｍとなるように成形，５×７０ｍｍの長方
形に切断し，５枚のシート成形体を作製した。

【００６７】上記第一固体電解質基板１１用のシート成
形体に対し，電極２１８用の印刷部，またリード部，端
子部用の印刷部をそれぞれＰｔペーストを用いスクリー
ン印刷法にて作製した。また，電極２１９用の印刷部を
１〜１０ｗｔ％のＡｕを添加したＰｔペーストにて作製
した。上記基板１３３，１３１用のシート成形体に対
し，上記第一室１０１及び第二室１０２用の２×１５ｍ
ｍの角穴よりなる窓部を設けた。また，上記基板１３２
用のシート成形体に対し，拡散通路１０４用のピンホー
ルを設けた。

【００６８】上記第二固体電解質基板１２用のシート成
形体に対し，電極３１８用の印刷部を０〜１０ｗｔ％の
Ｒｈを添加したＰｔペーストにて作製した。また，Ｐｔ
ペーストにて，他の電極３１８，４１９，リード部，端
子部等を作製し，電極４１８は１〜１０ｗｔ％のＡｕ添
加Ｐｔペーストにて作製した。

【００６９】次に，基板１４１，ヒータ基板１９１，被
覆板１９２用のアルミナグリーンシートについて説明す
る。平均粒径０．３μｍのα−アルミナを９８部，６モ
ル％のイットリアと９４モル％ジルコニアよりなるイッ
トリア部分安定化ジルコニアを３部，ＰＶＢを１０部，
ＤＢＰを１０部，エタノールを３０部，トルエンを３０
部秤量した。上記原料をボールミル中にて混合し，得ら
れたスラリーをドクターブレード法にて乾燥厚みが０．
３ｍｍとなるように成形，５×７０ｍｍの長方形に切断
し，３枚のシート成形体を作製した。

【００７０】上記基板１４１用のシート成形体に対し，
２×６５ｍｍのスリットを形成した。これにより，上記
シート成形体は先端がコの字となった。このスリットが
基準ガス室１０３となる。また，上記ヒータ基板１９１
用のシート成形体に対し，発熱部１９０及びリード部用
の印刷部，リード部，端子部を１０ｗｔ％のアルミナ添
加のＰｔペーストを用いて作製した。また，被覆板１９
２用のシート成形体はグリーンシートをそのまま使用す
る。

【００７１】以上のように得られた各シート成形体を図
１に示すごとき順序に積層し，８０℃にてプレスするこ
とにより積層体とした。上記積層体を大気中１５００℃
にて１時間焼成し，焼成体を得た。上記焼成体に対し，
ポンプ回路２２，検出回路３２，センサ回路４２を接続
することにより，本発明にかかる複合ガスセンサ１を得
た。

【００７２】次に，本例の複合ガスセンサ１を用いたガ
ス濃度の測定について説明する。まず，上記サンプルガ
ス導入路１１０を通過し，サンプルガスが上記第一室１
０１，更には拡散通路１０４を介して第二室１０２内に
も拡散する。

【００７３】この時，上記第二室１０２内の酸素濃度は
上記センサセル４１によって監視されている。上記セン
サセル４１の電極４１８は第二室１０２に，電極４１９
は基準ガス室１０３に面していることから，このセンサ
セル４１は酸素濃淡起電力式の電池として作用する。従
って，両電極４１８，４１９間に第二室の酸素濃度に対
応した起電力が生じ，第一電圧計４２１により上記起電
力が検出される。

【００７４】この起電力が常に一定となるように，即
ち，第二室１０２の酸素濃度が基準濃度となるようにフ
ィードバック回路２５を通じて，上記ポンプ回路２２の
可変電源２２９を，制御器２５１でもってオペアンプを
組合わせたコンパレータにて制御する。

【００７５】即ち，第二室１０２において基準濃度より
酸素濃度が高い場合には，第一電圧計４２１の値が基準
濃度を示す起電力，０．４Ｖより低い値となる。この場
合には，フィードバック回路２５を通じて上記第一電圧
計４２１の値が制御回路２５１に対し入力され，可変電
源２２９を制御し，ポンプ回路２２の電圧を高め，ポン
プセル２１における酸素の排出を促進する。

【００７６】一方，第二室１０２の酸素濃度が基準濃度
より低い場合には，第一電圧計４２１の値が目標値
（０．４Ｖ）より高い値となる。この場合には，上記制
御回路２５１が可変電源２２９を制御し，ポンプ回路２
２の電圧を下げて，ポンプセル２１における酸素の排出
を抑制する。場合によっては，酸素の排出を停止させ，
酸素の導入を行わせる。

【００７７】以上の制御により，第一室１０１の酸素濃
度は，若干の変動はあるもののだいたい基準濃度の値と
なる。この状態にあるサンプルガスが第二室１０２に流
れ込むため，第二室１０２の酸素濃度もほぼ基準濃度と
なる。なお，上記基準濃度とはセンサセルにおける第一
電圧計の値が０．４Ｖとなる値で，この値にはネルンス
トの式が示すところによるとＯ₂濃度１ｐｐｍ以下を意
味する。

【００７８】次に，上記検出セル３１において，上記第
二室１０２のＮＯｘは電極３１８と接触し，還元され，
酸素イオンとなる。また，第二室１０２に残留していた
酸素も同様に還元されて酸素イオンとなる。上記検出セ
ル３１と導通した検出回路３２においては，電源３２９
により常に一定の電圧（０．４５Ｖ）が電極３１８，３
１９の間に印加されており，上記酸素イオンの濃度に対
応した限界電流値を第一電流計３２１において検出する
ことができる。

【００７９】ここに，上記第二室１０２における酸素濃
度はほぼ一定であることから，上記酸素ガス由来の酸素
イオンの量もほぼ一定である。従って，電流計３２１に
与える影響もほぼ一定となる。以上により，上記限界電
流値の値より，ＮＯｘ濃度の変動量を測定することがで
きる。上記電流計３２１の値がＮＯｘ濃度測定器３に入
力され，ここにおいてＮＯｘ濃度を知ることができる。

【００８０】また，上記ポンプ回路２２には第二電流計
２２１が設けてある。上記第二室１０２の酸素濃度を一
定にする様にポンプセル電圧をコントロールしているた
め，排ガスの空燃比，即ち酸素量に応じてポンプ電流が
流れることになるが，この電流値は酸素量即ち空燃比に
比例する。これにより，上記第二電流計２２１において
サンプルガス中の空燃比を測定することができる。以上
により，上記複合ガスセンサ１においてはＮＯｘ濃度と
共に空燃比を測定することができる。

【００８１】次に，本例における作用効果につき説明す
る。本例においては，上述したごとく上記第一電圧計４
２１の検出値が一定値に保持されるよう制御器２５１で
可変電源２２９を制御することにより，上記第一電流計
３２１の検出値に基づいてサンプルガス中のＮＯｘ濃度
を測定すると共に，上記第二電流計２２１の検出値に基
づいてサンプルガス中の空燃比を測定することができ
る。以上のように，本例によれば，サンプルガス中のＮ
Ｏｘ濃度と空燃比とを同時に測定するガス濃度の測定方
法を提供することができる。

【００８２】また，この測定は一本の複合ガスセンサ１
を利用して行うことができるため，車両用内燃機関にお
けるＮＯｘ濃度測定を利用した触媒コンバータの劣化検
出システムと空燃比を利用した燃焼制御のシステムとを
組み合わせたシステムにかかるセンサを一本の複合ガス
センサでまかなうことができる。

【００８３】なお，本例にかかる複合ガスセンサ１にお
いて上記電極２１８は複合ガスセンサ１の外部に露出し
ている。このため，上記電極２１８がサンプルガス中に
含まれる被毒物により被毒され，電極２１８としての活
性が失われるおそれがあった。図２を示すごとく，上記
電極２１８の表面全体を被覆するように被毒物トラップ
層１８１，電極保護層１８２を設けることにより，電極
２１８の保護を図ることができる。

【００８４】また，サンプルガスの導入についてである
が，図１に示すごとき，ピンホールではなく，図３に示
すごとく，複合ガスセンサ１の側面に設けた多孔質層１
５を介して導入することもできる。これにより，複合ガ
スセンサの温度依存性を小さくすることができる。

【００８５】実施形態例２ 本例は，図４，図５に示すごとく，センサセルに対し，
第一センサ回路と第二センサ回路とを設けたものであ
る。図４に示すごとく，本例にかかる複合ガスセンサ１
は，一部が酸素イオン導電性の第一及び第二固体電解質
基板１１，１２によって形成された基準ガス室１０３及
びサンプルガス室１００を有し，またポンプセル２１，
検出セル３１，センサセル４１を有する。そして，上記
サンプルガス室１００は拡散通路１０４により接続され
た第一室１０１，第二室１０２により構成されている。
なお，符号１８は電極２１８，後述する外部電極４１０
を保護するための電極保護層である。

【００８６】そして，上記センサセル４１は，上記第二
室１０２内に面した電極４１８と上記基準ガス室１０３
内に面した電極４１９，また第一固体電解質基板１１に
設け，複合ガスセンサ１の外部に形成した外部電極４１
０よりなる。

【００８７】また，上記センサセル４１における電極４
１８と電極４１９との間には第一電圧計４２１を備えた
第一センサ回路４２が接続されてなる。また，電極４１
９と外部電極４１０との間には第二電圧計４３１を備え
た第二センサ回路４３が接続されてなる。そして，上記
第二電圧計４３１の検出値に基づいてサンプルガス中の
酸素濃度を測定する酸素濃度測定器４を有する。その他
は実施形態例１と同様の構造である。

【００８８】本例にかかる複合ガスセンサ１におけるＮ
Ｏｘ濃度及び空燃比の測定は実施形態例１と同様に行う
ことができる。ところで，上記センサセル４１の外部電
極４１０は複合ガスセンサ１の外部に面し，電極４１９
は基準ガス室１０３に面していることから，この両電極
４１０，４１９は酸素濃淡起電力式の電池として作用す
る。従って，両電極４１０，４１９間には複合ガスセン
サ１の外部に流通するサンプルガス中の酸素濃度に対応
した起電力が生じる。そして，この起電力が第二電圧計
４３１により検出され，酸素濃度測定器４にて酸素濃度
として測定できる。

【００８９】よって，本例にかかる複合ガスセンサ１に
おいては，上記第二電圧計４３１によりサンプルガス中
の酸素濃度を測定し，第一電流計３２１によりＮＯｘ濃
度を測定し，第二電流計２２１により空燃比を同時に検
出することができる。従って，特に本例にかかる複合ガ
スセンサ１を使用することにより，ＮＯｘセンサシステ
ム，Ａ／Ｆセンサシステム，２Ｏ₂センサシステムとを
組合わせたハイブリッドシステムにかかるセンサを一本
でまかなうことができる。その他は実施形態例１と同様
の作用効果を有する。

【００９０】なお，サンプルガスの導入についてである
が，図４に示すごとき，ピンホールではなく，図５に示
すごとく，複合ガスセンサ１の側面に設けた多孔質層１
５を介して導入することもできる。

【００９１】実施形態例３ 本例は，図６〜図８に示すごとく，同一平面上にサンプ
ルガス室と基準ガス室とを設けた複合ガスセンサであ
る。図６に示すごとく，本例にかかる複合ガスセンサ５
は，第一固体電解質基板５１，第二固体電解質基板５２
と両者の間に形成されたサンプルガス室１００，基準ガ
ス室１０３を有し，またポンプセル２１，検出セル３
１，センサセル４１を有する。そして，上記サンプルガ
ス室１００は拡散通路１０４により接続された第一室１
０１，第二室１０２により構成されている。

【００９２】そして，上記第一室１０１にはサンプルガ
ス導入路１１０，ポンプセル２１が設けてなり，上記第
二室１０２には検出セル３１とセンサセル４１とが設け
てある。そして，上記検出セル３１，センサセル４１に
おける第二室１０２に面した電極３１８，４１８は第二
固体電解質基板５２の同じ面に設けてある。また，上記
検出セル３１，センサセル４１における基準ガス室１０
３に面した電極は一枚の共有電極５１９よりなる。

【００９３】また，上記検出セル３１には検出回路３２
が接続され，上記ポンプセル２１にはポンプ回路２２が
接続され，更に，上記センサセル４１にはセンサ回路４
２が接続されてなる。そして，検出回路３２及びセンサ
回路４２は共有回路５５に対し接続され，ここを介して
共有電極５１９に対し接続されている。なお，符号５３
１はサンプルガス室，基準ガス室を形成する窓部を設け
た絶縁性基板，符号５３２はヒータ１９の保持部となる
絶縁性基板である。その他の構造は，実施形態例１と同
様である。また，ＮＯｘ濃度の測定，空燃比の検出につ
いても実施形態例１と同様である。

【００９４】本例の複合ガスセンサ５は，サンプルガス
室１００と基準ガス室１０３とが同一平面上に形成され
ることから，厚みの薄いセンサである。従って，ヒータ
１９によって素早く加熱することができる。そして，上
記複合ガスセンサ５を構成するポンプセル２１，検出セ
ル３１，センサセル４１はいずれも活性温度に達しなけ
れば機能しない。従って，特に車両用内燃機関に本例に
かかる複合ガスセンサ５を設置した際には，エンジン始
動直後からのガス濃度の測定を可能とすることができ
る。

【００９５】更に，本例の複合ガスセンサ５において
は，基準ガス室１０３側に設けた電極が共有されてお
り，また，検出回路３１，センサ回路４１についても共
有回路５５において接続されている。このため，複合ガ
スセンサ５からの出力の取出しに際して，接続に要する
リード線を減らすことができ，製造容易なガスセンサと
することができる。また，よりコンパクトなセンサを得
ることができる。その他は実施形態例１と同様の作用効
果を有する。

【００９６】なお，図７に示すごとく，複合ガスセンサ
５の側面に設けた多孔質層１５を介してサンプルガスを
導入することもできる。

【００９７】更に，図８に示すごとく，サンプルガス導
入路１１０をポンプセル２１とは別の位置に配置するこ
ともできる。

【００９８】実施形態例４ 本例は，図９に示すごとく，実施形態例１の図１に示し
た複合ガスセンサと同一の構造を有するセンサにおいて
ポンプ回路２２にインピーダンス測定器６を設けて構成
した複合ガスセンサである。構造的にその他は実施形態
例１と同様である。

【００９９】本例にかかる作用効果について説明する。
本例にかかる複合ガスセンサ１は，上記インピーダンス
測定器６によりポンプセル２１のインピーダンスを測定
することができ，またインピーダンスの値は温度に依存
することが知られている。更に，上記ポンプセル２１は
サンプルガスをサンプルガス室１０１に導入または排出
するよう構成されているため，ポンプセル２１の温度は
略サンプルガスの温度に一致する。

【０１００】よって，上記ポンプセル１２のインピーダ
ンスを測定することによりサンプルガス温度を測定する
ことができる。以上により，本例にかかる複合ガスセン
サ１を使用することにより，ＮＯｘ濃度，空燃比の他に
サンプルガスの温度の測定も行うことができる。

【０１０１】このため，本例の複合ガスセンサ１をエン
ジン等の排ガスにおけるガス濃度測定に応用した場合に
は，例えばエンジンの失火に伴う排ガス温度の低下をモ
ニタすることができる。これにより，排ガス温度が低下
したという信号をエンジン制御回路にフィードバックさ
せることができ，エンジンの燃焼制御を行うことができ
る。また，上記排ガス浄化用の触媒の異常発熱をモニタ
することもできる。これにより，触媒劣化検知を行うこ
とができる。

【０１０２】実施形態例５ 本例は図１０に示すごとく，実施形態例１の図１に示し
た複合ガスセンサと同一の構造を有するセンサにおいて
更にポンプセル上に多孔質の基板等よりなる温度検出セ
ルを設けて構成した複合ガスセンサである。

【０１０３】図１０に示すごとく，本例の複合ガスセン
サ１は，少なくとも一部が酸素イオン導電性の固体電解
質基板１１，１２によって形成された基準ガス室１０３
及びサンプルガス室１００と，該サンプルガス室１００
にサンプルガスを導入するためのサンプルガス導入路１
１０とを有する。

【０１０４】そして，上記サンプルガス室１００内に面
した固体電解質基板１１の一つの面１１８及び他の面１
１９に設けた一対の電極２１８，２１９からなり，上記
サンプルガス室１００内の酸素ガスを排出するか，ある
いはサンプルガス室１００内へ酸素ガスを導入するため
のポンプセル２１を有する。

【０１０５】このポンプセル２１の上には抵抗測定器５
０４が接続された温度検出セル５０が設けてある。上記
温度検出セル５０は，サンプルガスの通過が可能でポン
プセル電極２１８が直接ポンプセルに曝されることを防
止する多孔質基板５０１からなり，該多孔質基板５０１
のサンプルガスに曝される側に抵抗体５０３とリード線
５０２とが設けてある。

【０１０６】また，上記サンプルガス室１００内に面し
た固体電解質基板１２の一つの面１２８及び上記基準ガ
ス室１０３内に面した固体電解質基板１２の一つの面１
２９に設けた一対の電極３１８，３１９からなり，上記
サンプルガス室１００内のＮＯｘ濃度を検出する検出セ
ル３１を有する。

【０１０７】また，上記サンプルガス室１００内に面し
た固体電解質基板１２の一つの面１２８及び上記基準ガ
ス室１０３内に面した固体電解質基板１２の一つの面１
２９に設けた一対の電極４１８，４１９からなり，上記
サンプルガス室１００内の酸素濃度を検出するセンサセ
ル４１を有する。

【０１０８】また，上記検出セル３１には第一電流計３
２１と電源３２９とを備えた検出回路３２が接続され，
上記ポンプセル２１には第二電流計２２１と可変電源２
２９とを備えたポンプ回路２２が接続され，更に，上記
センサセル４１には第一電圧計４２１を備えたセンサ回
路４２が接続されてなる。

【０１０９】そして，上記第一電圧計４２１の検出値が
一定値に保持されるよう可変電源２２９を制御する制御
器２５１と，上記第一電流計３２１の検出値に基づいて
サンプルガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度測定
器３と，上記第二電流計２２１の検出値に基づいてサン
プルガス中の空燃比を測定する空燃比測定器２とよりな
る。

【０１１０】また，上記サンプルガス室１００は拡散通
路１０４にて連結された第一室１０１と第二室１０２と
より構成されており，上記第一室１０１にはサンプルガ
ス導入路１１０及びポンプセル２１が設けてなり，上記
第二室１０２と上記基準ガス室１０３との間には検出セ
ル３１及びセンサセル４１が設けてあるまた，上記第一
室１０１は第一固体電解質基板１１，基板１３３，１３
２により構成され，上記第二室１０２は第二固体電解質
基板１２，基板１３２，１３１より構成されている。更
に，上記基準ガス室１０３は第二固体電解質基板１２と
基板１４１，ヒータ１９の被覆板１９２により構成され
ている。

【０１１１】このような複合ガスセンサ１において，上
記第一電圧計４２１の検出値が一定値に保持されるよう
制御器２５１を操作し，可変電源２２９を制御する。こ
れにより，上記第一電流計３２１の検出値に基づいてサ
ンプルガス中のＮＯｘ濃度を測定すると共に，上記第二
電流計２２１の検出値に基づいてサンプルガス中の空燃
比を測定する。更に，上記温度検出セル５０に設けられ
た抵抗体５０３の抵抗値を抵抗測定器５０４にて検知
し，サンプルガスの温度を測定する。

【０１１２】更に，本例にかる複合ガスセンサ１につい
て，詳細に説明する。図１０に示すごとく，上記複合ガ
スセンサ１は，多孔質基板５０１，第一及び第二固体電
解質基板１１，１２，基板１３１，１３２，１３３，１
４１及びヒータ１９を積層することにより構成されたセ
ンサである。なお，上記基板１３１，１３２，１３３は
第一及び第二固体電解質基板１１，１２と同材質であ
る。また，基板１４１はヒータ１９を構成するヒータ基
板１９１，被覆板１９２と同材質である。また，多孔質
基板５０１は気孔率が異なるだけで材質は１９１，１９
２と同材質である。

【０１１３】上記ポンプセル２１は，第一固体電解質１
１と，該第一固体電解質基板１１における複合ガスセン
サ１のサンプルガスに曝される面１１８に設けた電極２
１８と第一室１０１に対面する反対面１１９に設けた電
極２１９とよりなる。そして，図示を略したリード部及
び端子部等を経由して，上記電極２１８，２１９に対し
ポンプ回路２２が接続されている。そして，上記電極２
１８，２１９の中央にはサンプルガス導入路１１０とな
るピンホールが設けてある。なお，上記電極２１９はＮ
Ｏｘに対して不活性なＡｕ添加Ｐｔ電極である。上記電
極２１８はＰｔ電極である。

【０１１４】上記基板１３３には第一室１０１となる窓
部が設けてなり，上記基板１３２には拡散通路１０４と
なるピンホールが設けてなり，上記基板１３１には第二
室１０２となる窓部が設けてある。

【０１１５】上記検出セル３１は，第二固体電解質基板
１２と，該第二固体電解質基板１２における第二室１０
２に対面する面１２８に設けた電極３１８と基準ガス室
１０３に対面する反対面１２９に設けた電極３１９とよ
りなる。そして，図示を略したリード部及び端子部を経
由して，上記電極３１８，３１９に対し検出回路３２が
接続されている。なお，上記電極３１８はＮＯｘを窒素
イオンと酸素イオンとに分解する活性電極で，Ｐｔまた
はＰｔ／Ｒｈ電極である。上記電極３１９はＰｔ電極で
ある。

【０１１６】上記センサセル４１は，第二固体電解質基
板１２と，該第二固体電解質基板１２における第二室１
０２に対面する面１２８に設けた電極４１８と基準ガス
室１０３に対面する反対面１２９に設けた電極４１９と
よりなる。そして，図示を略したリード部及び端子部等
を経由して，上記電極４１８，４１９に対しセンサ回路
４２が接続されている。なお，上記電極４１８はＮＯｘ
に対して不活性なＡｕ添加Ｐｔ電極で，４１９はＰｔ電
極である。

【０１１７】上記絶縁性基板１４１には基準ガス室１０
３となる窓部が設けてある。また，上記絶縁性基板１４
１の下方に隣接して，ヒータ部１９が設けてある。上記
ヒータ部１９はヒータ基板１９１と発熱部１９０，そし
て両者を被覆する被覆板１９２とよりなる。上記発熱部
１９０は，複合ガスセンサ１を投影的にみて，ポンプセ
ル２１，検出セル３１，センサセル４１の全体を覆うよ
うな位置に形成する。また，上記発熱部に通電するため
のリード部，端子部も形成されている（図示略）。な
お，上記ヒータ基板１９１，被覆板１９２は共にアルミ
ナ基板よりなる。

【０１１８】また，上記温度検出セル５０は，アルミナ
等の絶縁体からなる気孔率が５〜１５％の多孔質基板５
０１と，抵抗温度係数の大きな抵抗体５０３及び抵抗温
度係数が上記抵抗体５０３よりも小さなリード線５０
２，このリード線５０２に対し接続された抵抗測定器５
０４とよりなる。ここに上記抵抗体５０３の抵抗値はリ
ード線５０２の抵抗値の１０倍以上とした。

【０１１９】次に，本例にかかる複合ガスセンサ１の製
造方法について説明する。まず，上記第一及び第二固体
電解質基板１１，１２，基板１３１〜１３３用のジルコ
ニアグリーンシートの作製につき説明する。６モル％の
イットリアと９４モル％ジルコニアよりなる平均粒径
０．５μｍのイットリア部分安定化ジルコニアを１００
部（重量部，以下同じ），α−アルミナを１部，ＰＶＢ
（ポリビニルブチラール）を５部，ＤＢＰ（ディブチル
ブチラール）を１０部，エタノールを１０部，トルエン
１０部を秤量した。上記原料をボールミル中にて混合
し，得られたスラリーをドクターブレード法にて乾燥厚
みが０．３ｍｍとなるように成形，５×７０ｍｍの長方
形に切断し，５枚のシート成形体を作製した。

【０１２０】上記第一固体電解質基板１１用のシート成
形体に対し，電極２１８用の印刷部，またリード部，端
子部用の印刷部をそれぞれＰｔペーストを用いスクリー
ン印刷法にて作製した。また，電極２１９用の印刷部を
１〜１０ｗｔ％のＡｕを添加したＰｔペーストにて作製
した。上記基板１３３，１３１用のシート成形体に対
し，上記第一室１０１及び第二室１０２用の２×１５ｍ
ｍの角穴よりなる窓部を設けた。また，上記基板１３２
用のシート成形体に対し，拡散通路１０４用のピンホー
ルを設けた。

【０１２１】上記第二固体電解質基板１２用のシート成
形体に対し，電極３１８用の印刷部を０〜１０ｗｔ％の
Ｒｈを添加したＰｔペーストにて作製した。また，Ｐｔ
ペーストにて，他の電極３１８，４１９，リード部，端
子部等を作製し，電極４１８は１〜１０ｗｔ％のＡｕ添
加Ｐｔペーストにて作製した。

【０１２２】次に，基板１４１，ヒータ基板１９１，被
覆板１９２用のアルミナグリーンシートについて説明す
る。平均粒径０．３μｍのα−アルミナを９８部，６モ
ル％のイットリアと９４モル％ジルコニアよりなるイッ
トリア部分安定化ジルコニアを３部，ＰＶＢを１０部，
ＤＢＰを１０部，エタノールを３０部，トルエンを３０
部秤量した。上記原料をボールミル中にて混合し，得ら
れたスラリーをドクターブレード法にて乾燥厚みが０．
３ｍｍとなるように成形，５×７０ｍｍの長方形に切断
し，３枚のシート成形体を作製した。

【０１２３】上記基板１４１用のシート成形体に対し，
２×６５ｍｍのスリットを形成した。これにより，上記
シート成形体は先端がコの字となった。このスリットが
基準ガス室１０３となる。また，上記ヒータ基板１９１
用のシート成形体に対し，発熱部１９０及びリード部用
の印刷部，リード部，端子部を１０ｗｔ％のアルミナ添
加のＰｔペーストを用いて作製した。また，被覆板１９
２用のシート成形体はグリーンシートをそのまま使用す
る。

【０１２４】次に，多孔質基板５０１用のアルミナグリ
ーンシートについて説明する。平均粒径０．４μｍのα
−アルミナ１００部，ＰＶＢ１０部，ＤＢＰを１０部エ
タノール３０部，トルエン３０部を秤量した。上記原料
をボールミル中にて混合し，得られたスラリーをドクタ
ーブレード法にて乾燥厚みが０．３ｍｍとなるように成
形，５×７０ｍｍの長方形に切断し，このシート上に１
０ｗｔ％のアルミナを添加したＰｔペーストを用いて抵
抗体５０３用の印刷部を形成した。また，１０ｗｔ％の
アルミナ添加Ｐｔ／Ｒｈペーストを用いてリード線５０
２用の印刷部を形成した。これにより温度検出セル５０
用の生シートを得た。

【０１２５】以上のように得られた各シート成形体を図
１０に示すごとき順序に積層し，８０℃にてプレスする
ことにより積層体とした。上記積層体を大気中１５００
℃にて１時間焼成し，焼成体を得た。上記焼成体に対
し，ポンプ回路２２，検出回路３２，センサ回路４２を
接続することにより，本発明にかかる複合ガスセンサ１
を得た。

【０１２６】次に，本例の複合ガスセンサ１を用いたガ
ス濃度の測定について説明する。まず，上記サンプルガ
ス導入路１１０を通過し，サンプルガスが上記第一室１
０１，第二室１０２内に拡散する。

【０１２７】この時，上記第二室１０２内の酸素濃度は
上記センサセル４１によって監視されている。上記セン
サセル４１の電極４１８は第二室１０２に，電極４１９
は基準ガス室１０３に面していることから，このセンサ
セル４１は酸素濃淡起電力式の電池として作用する。従
って，両電極４１８，４１９間に第二室の酸素濃度に対
応した起電力が生じ，第一電圧計４２１により上記起電
力が検出される。

【０１２８】この起電力が常に一定となるように，即
ち，第二室１０２の酸素濃度が基準濃度となるようにフ
ィードバック回路２５を通じて，上記ポンプ回路２２の
可変電源２２９を，制御器２５１でもってオペアンプを
組合わせたコンパレータにて制御する。

【０１２９】即ち，第二室１０２において基準濃度より
酸素濃度が高い場合には，第一電圧計４２１の値が基準
濃度を示す起電力，０．４Ｖより低い値となる。この場
合には，フィードバック回路２５を通じて上記第一電圧
計４２１の値が制御回路２５１に対し入力され，可変電
源２２９を制御し，ポンプ回路２２の電圧を高め，ポン
プセル２１における酸素の排出を促進する。

【０１３０】一方，第二室１０２の酸素濃度が基準濃度
より低い場合には，第一電圧計４２１の値が目標値
（０．４Ｖ）より高い値となる。この場合には，上記制
御回路２５１が可変電源２２９を制御し，ポンプ回路２
２の電圧を下げて，ポンプセル２１における酸素の排出
を抑制する。場合によっては，酸素の排出を停止させ，
酸素の導入を行わせる。

【０１３１】以上の制御により，第一室１０１の酸素濃
度は，若干の変動はあるもののだいたい基準濃度の値と
なる。この状態にあるサンプルガスが第二室１０２に流
れ込むため，第二室１０２の酸素濃度もほぼ基準濃度と
なる。なお，上記基準濃度とはセンサセルにおける第一
電圧計の値が０．４Ｖとなる値で，この値にはネルンス
トの式が示すところによるとＯ₂濃度１ｐｐｍ以下を意
味する。

【０１３２】次に，上記検出セル３１において，上記第
二室１０２のＮＯｘは電極３１８と接触し，還元され，
酸素イオンとなる。また，第二室１０２に残留していた
酸素も同様に還元されて酸素イオンとなる。上記検出セ
ル３１と導通した検出回路３２においては，電源３２９
により常に一定の電圧（０．４５Ｖ）が電極３１８，３
１９の間に印加されており，上記酸素イオンの濃度に対
応した限界電流値を第一電流計３２１において検出する
ことができる。

【０１３３】ここに，上記第二室１０２における酸素濃
度はほぼ一定であることから，上記酸素ガス由来の酸素
イオンの量もほぼ一定である。従って，電流計３２１に
与える影響もほぼ一定となる。以上により，上記限界電
流値の値より，ＮＯｘ濃度の変動量を測定することがで
きる。上記電流計３２１の値がＮＯｘ濃度測定器３に入
力され，ここにおいてＮＯｘ濃度を知ることができる。

【０１３４】また，上記ポンプ回路２２には第二電流計
２２１が設けてある。上記第二室１０２の酸素濃度を一
定にする様にポンプセル電圧をコントロールしているた
め，排ガスの空燃比，即ち酸素量に応じてポンプ電流が
流れることになるが，この電流値は酸素量即ち空燃比に
比例する。これにより，上記第二電流計２２１において
サンプルガス中の空燃比を測定することができる。以上
により，上記複合ガスセンサ１においてはＮＯｘ濃度と
共に空燃比を測定することができる。

【０１３５】次に，本例における作用効果につき説明す
る。本例においては，上述したごとく上記第一電圧計４
２１の検出値が一定値に保持されるよう制御器２５１で
可変電源２２９を制御することにより，上記第一電流計
３２１の検出値に基づいてサンプルガス中のＮＯｘ濃度
を測定すると共に，上記第二電流計２２１の検出値に基
づいてサンプルガス中の空燃比を測定することができ
る。

【０１３６】また，温度検出セル５０に設けられた抵抗
体５０３の抵抗値はサンプルガス温度に応じて変化する
ため，この抵抗値を抵抗測定器５０４にて検出すること
によりサンプルガス温度を測定することができる。以上
のように，本例によれば，サンプルガス中のＮＯｘ濃度
と空燃比，サンプルガス温度とを同時に測定するガス濃
度の測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，複合ガスセンサの要部
断面説明図。

【図２】実施形態例１における，電極保護層を設けた複
合ガスセンサの要部断面説明図。

【図３】実施形態例１における，サンプルガス導入路が
多孔質層よりなる複合ガスセンサの要部断面説明図。

【図４】実施形態例２における，ＮＯｘ濃度，空燃比及
び酸素濃度を測定可能な複合ガスセンサの要部断面説明
図。

【図５】実施形態例２における，サンプルガス導入路が
多孔質層よりなる複合ガスセンサの要部断面説明図。

【図６】実施形態例３における，サンプルガス室と基準
ガス室とが同一平面上に設けてある複合ガスセンサの要
部断面説明図。

【図７】実施形態例３における，サンプルガス導入路が
多孔質層よりなる複合ガスセンサの要部断面説明図。

【図８】実施形態例３における，サンプルガス室と基準
ガス室とが同一平面上に設けてある他の複合ガスセンサ
の要部断面説明図。

【図９】実施形態例４における，インピーダンス測定器
を設けてある複合ガスセンサの要部断面説明図。

【図１０】実施形態例５における，温度検出セルを設け
てある複合ガスセンサの要部断面説明図。

【符号の説明】

１，５．．．複合ガスセンサ， １００．．．サンプルガス室， １０３．．．基準ガス室， １０４．．．拡散通路， １１０．．．サンプルガス導入路， １１，５１．．．第一固体電解質基板， １２，５２．．．第二固体電解質基板， ２１．．．ポンプセル， ２２．．．ポンプ回路， ２２１．．．第二電流計， ２２９．．．可変電源， ３１．．．検出セル， ３２．．．検出回路， ３２１．．．第一電流計， ３２９．．．電源， ４１．．．センサセル， ４２．．．センサ回路， ４２１．．．第一電圧計， ４３．．．第二センサ回路， ４３１．．第二電圧計， ６．．．インピーダンス測定器， ５０．．．温度検出セル，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 田中 章夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式 会社デンソー内 (56)参考文献 特開 平11−72477（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−113482（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−113484（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−288084（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−288087（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−329578（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−38845（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−90222（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−123094（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−142194（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−185866（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−227760（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−253586（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−267893（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−282053（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−2620（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−2621（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−14589（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−14592（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−14587（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−23523（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−37972（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−94794（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−271476（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/419 G01N 27/416

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一部が酸素イオン導電性の固
   体電解質基板によって形成された基準ガス室及びサンプ
   ルガス室と， 該サンプルガス室にサンプルガスを導入するためのサン
   プルガス導入路と， 上記サンプルガス室内に面した固体電解質基板の一つの
   面及び他の面に設けた一対の電極からなり，上記サンプ
   ルガス室内の酸素ガスを排出するか，あるいはサンプル
   ガス室内へ酸素ガスを導入するためのポンプセルと， 上記サンプルガス室内に面した固体電解質基板の一つの
   面及び上記基準ガス室内に面した固体電解質基板の一つ
   の面に設けた一対の電極からなり，上記サンプルガス室
   内のＮＯｘ濃度を検出する検出セルと， 上記サンプルガス室内に面した固体電解質基板の一つの
   面及び上記基準ガス室内に面した固体電解質基板の一つ
   の面に設けた一対の電極からなり，上記サンプルガス室
   内の酸素濃度を検出するセンサセルと， 上記サンプルガス室内に面した固体電解質基板の他の面
   に設けられた上記ポンプセルの電極と同じ面に設けた外
   部電極とを有し， 上記検出セルには第一電流計と電源とを備えた検出回路
   が接続され， 上記センサセルには第一電圧計を備えた第一センサ回路
   が接続され，上記ポンプセルには，可変電源を有するポンプ回路が接
   続され， 上記サンプルガス室内に面した固体電解質基板の他の面
   に設けられた上記ポンプセルの電極と同じ面に設けた上
   記外部電極と上記センサセルの上記基準ガス室内に面し
   た固体電解質基板の一つの面に設けた電極との間に第二
   電圧計を備えた第二センサ回路が接続されてなる複合ガ
   スセンサであって， 上記第一電圧計の検出値が一定値に保持されるよう上記
   可変電源を制御することにより，上記第一電流計の検出
   値に基づいてサンプルガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮ
   Ｏｘ濃度測定器と，上記第二電圧計の検出値に基づいて
   サンプルガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器と
   を有することを特徴とする複合センサ。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記サンプルガス室
   は拡散通路にて連結された第一室と第二室とよりなり，
   上記第一室にはサンプルガス導入路及びポンプセルが設
   けてなり，上記第二室と上記基準ガス室との間に検出セ
   ル及びセンサセルが設けてあることを特徴とする複合ガ
   スセンサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２において，上記サンプ
   ルガス室内に面した固体電解質基板の他の面に設けられ
   た上記ポンプセルの電極と，上記サンプルガス室内に面
   した固体電解質基板の他の面に設けられた上記外部電極
   とを保護するための電極保護層を有することを特徴とす
   る複合センサ。