JP4563606B2 - 積層型センサ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は，車両用内燃機関の排気系に取付けて，排ガス中のＮＯｘ濃度等の検出に利用されるような積層型センサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
車両用内燃機関の排気系に取付け，排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するガスセンサに用いる素子として，図１７に示すごとき，二つのセルをもったＮＯｘ濃度検知可能な積層型センサ素子９が知られている。
【０００３】
このものは，固体電解質板６３，６５や絶縁板６４，６６を適宜積層して構成され，被測定ガスが導入される第１チャンバ１１及び第２チャンバ１２を有し，かつ上記第１チャンバ１１は積層型センサ素子９外部と第１拡散抵抗通路１１０によって連通され，上記第２チャンバ１２は上記第１チャンバ１１と第２拡散抵抗通路１２０によって連通されていると共に基準ガスが導入される基準ガス室１４を有する。
そして，上記第１チャンバ１１と対面し，印加電圧に対応した酸素を素子外部へ出し入れ可能な第１電気化学セル２を有し，上記第２チャンバ１２と対面し，所定の電圧を印加することで，排ガス中のＮＯｘ濃度に対応した出力が得られる第２電気化学セル３を有する。
【０００４】
上記第２電気化学セル３はＮＯｘを電極表面で還元して，該還元によって得られるイオン電流からＮＯｘ濃度を測定するよう構成されている。
このため，第２チャンバ１２内に余分の酸素が存在し，かつその酸素濃度が変動している場合，第２電気化学セル３の出力はＮＯｘ濃度と第２チャンバ１２内の変動する酸素濃度とに対応した値となってしまい，不正確なＮＯｘ濃度測定しかできなくなる。
【０００５】
そのため，第１チャンバ１１に面するよう第１電気化学セル２を設け，該第１電気化学セル２により第１チャンバ１１内の酸素を外部へ排出する等して，第１チャンバ１１，第２チャンバ１２内の酸素濃度を一定に保持するようにしていた。
【０００６】
【解決しようとする課題】
しかしながら，従来構成の積層型センサ素子９には，被測定ガスとなる排ガスにおいて，空燃比がリッチ側に傾いた場合，プロパン等の還元性ガスを酸化させるため，第１チャンバ１１内に酸素を汲み入れなければならないが，第１電気化学セル２の一方が基準ガス室１４に触れていないため，リッチへの切り替わりが検知不能であった。このため，リッチ側で第１電気化学セル２が機能しないという問題があった。
更にこの時，第２チャンバ１２内がリッチ雰囲気になるため，第２電気化学セル３に逆起電力がかかってしまい，ＮＯｘ濃度の検出もできなくなってしまう。
【０００７】
上記の問題はＮＯｘ濃度検出用の積層型センサ素子９の他，第２電気化学セルにおける電極で特定ガスを分解し，そこから発生した酸素イオンによるイオン電流を利用して，特定ガス濃度を測定しようとする機構をもった積層型センサ素子一般について生じる問題である。
【０００８】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，内燃機関の燃焼部のリーンからリッチまでの幅広い燃焼状態に応じて排出される排ガス中において，正確に特定ガス濃度を検出することができる積層型センサ素子を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバを有し，かつ上記第１チャンバはガスセンサ素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通され，また，基準ガスが導入される基準ガス室を有し，
一方の面が第１チャンバと対面し，他方の面が基準ガス室と対面し，印加電圧に対応した酸素を出し入れ可能な第１電気化学セルを有し，
一方の面が第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られる第２電気化学セルを有することを特徴とする積層型センサ素子にある。
【００１０】
本発明において最も注目すべきことは，第１チャンバと基準ガス室とに面した第１電気化学セルと，第２チャンバに面した第２電気化学セルとを有することにある。
【００１１】
次に，本発明の作用につき説明する。
第１電気化学セルは第１チャンバと基準ガス室とに面している。
空燃比がリッチ側に傾いた場合，第１電気化学セルの一方の面が基準ガス室に触れているので，リッチへの切り替わりが検知可能である。したがって，第１電気化学セルは第１チャンバ内へ酸素を汲み入れることができる。
【００１２】
また，第１電気化学セルが第１チャンバ内に酸素を汲み入れることで第２チャンバ内の酸素濃度を一定に保持できる。よって，第２電気化学セルに逆起電力がかかることを防止でき，リーンからリッチまで一貫して被測定ガス中の特定ガス濃度を測定することができる。
【００１３】
以上，本発明によれば，内燃機関の燃焼部のリーンからリッチまでの幅広い燃焼状態に応じて排出される排ガス中において，正確に特定ガス濃度を検出することができる積層型センサ素子を提供することができる。
【００１４】
また，本発明にかかる積層型センサ素子において，第１電気化学セルと該第１電気化学セルに接続された電気回路には，酸素の出し入れに伴う酸素イオン電流が流通する。
この酸素イオン電流の大きさは空燃比に対応しているため，第１電気化学セルを空燃比検出用のセルとして利用することができる。
この場合，一本の積層型センサ素子で特定ガス濃度と空燃比とを同時に測定することができる。
【００１５】
また，本発明はＮＯｘ濃度検出用の積層型センサ素子の他，ＣＯ，ＨＣ等のガス濃度測定に使用する素子について適用することができる。
【００１６】
次に，請求項２記載の発明は，上記第２電気化学セルの他方の面は上記基準ガス室に対面していることが好ましい。
これにより，上記第２電気化学セルの正極側の電位が安定化するため，より正確に特定ガス濃度を検出できる。
【００１７】
次に，請求項３記載の発明は，上記第１電気化学セルに対面する基準ガス室と，上記第２電気化学セルに対面する基準ガス室とは異なる室として構成されていることが好ましい。
これにより，第１電気化学セルのポンプ作用により，第１電気化学セルに対面する基準ガス室の酸素濃度が変動しても，第２電気化学セルに対面する基準ガス室には影響がないため，より正確に特定ガス濃度を検出することができる。
【００１８】
次に，請求項４に記載の発明のように，上記積層型センサ素子は一体的に設けた通電により発熱可能に構成した発熱体を内蔵するヒータを有しており，
上記第２電気化学セルと上記発熱体との間のイオン電流経路長さは，上記第１電気化学セルと上記発熱体との間のイオン電流経路長さよりも長いことが好ましい。
【００１９】
通常，積層型センサ素子における第２電気化学セルは活性化温度に達しなければ特定ガス濃度測定が困難である。従って，積層型センサ素子は通電により発熱する発熱体を内蔵したヒータが一体的に設けてある。
このような発熱体への電力供給は，第２電気化学セルの出力に比べると非常に大きいため，センサ出力のノイズ原因となる。
【００２０】
また，第１電気化学セルにも電流が流れているが，発熱体への電力供給の影響を受けて，第１電気化学セルに流れる電流にノイズが多少混じったとしても，センサ出力へ与える影響は軽微である。
なぜなら第１電気化学セルは酸素を出し入れ可能に構成したセルであり，流れる電流値はその機能に関係がないからである。
よって，上述したごとく，第２電気化学セルと発熱体との間のイオン電流経路長さは第１電気化学セルのそれと比較して長くなるよう構成することで，発熱体からの影響を小さくして，より正確な特定ガス濃度の測定を行なうことができる。
【００２１】
なお，イオン電流経路とは，酸素イオン電流が流通可能な経路長を意味している。通常は固体電解質体板など，積層型ガスセンサ素子における導電性箇所をつたう最短距離である。
【００２２】
次に，請求項５記載の発明のように，上記ヒータはアルミナを基材とすることが好ましい。
アルミナは絶縁材料であるため，発熱体へ電力供給される電流が積層型センサ素子の他の部分へ流れることを防止して，第１や第２の電気化学セルへの影響を軽減して，センサ出力にノイズが混じることを防止することができる。
【００２３】
次に，上記第１電気化学セルと上記発熱体との間の絶縁抵抗よりも上記発熱体と上記第２電気化学セルとの間の絶縁抵抗のほうが大きく，
上記第１電気化学セルと上記発熱体との間の最短距離よりも上記発熱体と上記第２電気化学セルとの間の最短距離のほうが長いことが好ましい。
【００２４】
発熱体への電力供給は，第２電気化学セルの出力に比べると非常に大きいため，センサ出力のノイズ原因となるが，第１電気化学セルに流れる電流にノイズが多少混じったとしても，センサ出力へ与える影響は軽微である。
なぜなら第１電気化学セルは酸素を出し入れ可能に構成したセルであり，流れる電流値はその機能に関係がないからである。
よって，上述したごとく，第２電気化学セルと発熱体との間の絶縁抵抗を第１電気化学セルのそれと比較して大きくするよう構成することで，発熱体からの影響を小さくして，より正確な特定ガス濃度の測定を行なうことができる。
また，同様の理由から，発熱体と第２電気化学セルとの最短距離を長くすることで，より正確な特定ガス濃度の測定を行なうことができる。
【００２５】
次に，請求項６記載の発明のように，上記発熱体と上記第２電気化学セルとの間の絶縁抵抗は１０12Ω以上，リーク電流は２×１０-11Ａ以下，最短距離は０．４ｍｍ以上であることが好ましい。
上記条件を満たすことで，特定ガス濃度のより正確な測定を実現できる。
絶縁抵抗が１０12Ω未満となることで，発熱体から第２電気化学セルへ電流が漏れて，第２電気化学セルにノイズが混じり，センサ出力が不正確となるおそれがある。
なお，絶縁抵抗は大きければ大きいほど好ましい。
【００２６】
また，リーク電流とは，発熱体から第２電気化学セルへと漏れる電流の大きさである。これが２×１０-11Ａより大となった場合は，発熱体から第２電気化学セルへ漏れる電流が大きくなり，第２電気化学セルにノイズが混じり，センサ出力が不正確となるおそれがある。
なお，リーク電流は，小さければ小さいほど好ましい。
【００２７】
また，最短距離が０．４ｍｍ未満である場合は，発熱体から第２電気化学セルへ漏れる電流が大きくなり，第２電気化学セルにノイズが混じり，センサ出力が不正確となるおそれがある。
なお，最短距離の上限は１０ｍｍとすることが好ましい。これより大となると，素子の熱容量が大きくなるため，ヒータを通電してから各電気化学セルが活性温度に達するまでの時間が長くなってしまうおそれがある。
【００２８】
次に，請求項７記載の発明は，上記第１電気化学セル及び上記第２電気化学セルはいずれも固体電解質板と該固体電解質板に一対で設けられた電極より構成され，上記第１電気化学セル及び上記第２電気化学セルはそれぞれ異なる固体電解質板に構成されていることが好ましい。
第１電気化学セルに対する印加電圧は第２電気化学セルから得られるセンサ出力よりも大きいため，これらを異なる固体電解質体に設けることで，第１電気化学セルからの影響を小さくして，より正確な特定ガス濃度の測定を行なうことができる。
【００２９】
次に，請求項８記載の発明のように，上記第１電気化学セルと上記第２電気化学セルとの間にはアルミナ板が配置されていることが好ましい。
これにより，第１電気化学セルと第２電気化学セル間の電流リークを防止でき，より正確に特定ガス濃度を検出できる。
【００３０】
次は，請求項９記載の発明のように，少なくとも上記第１及び上記第２チャンバのいずれか一方の酸素濃度を測定可能に構成した第３電気化学セルを設けてあることが好ましい。
この場合，少なくとも第１及び第２チャンバのいずれか一方における酸素濃度を同時に測定できるため，少なくとも第１及び第２チャンバ内の酸素濃度を一定に保持することができる。よって，第２電気化学セルによる特定ガス濃度測定精度を一層高めることができる。
【００３１】
【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積層型センサ素子１につき，図１〜図６を用いて説明する。
本例にかかる積層型センサ素子１は，被測定ガスが導入される第１チャンバ１１及び第２チャンバ１２を有し，かつ上記第１チャンバ１１はガスセンサ素子１の外部と第１拡散抵抗通路１１０によって連通され，上記第２チャンバ１２は上記第１チャンバ１１と第２拡散抵抗通路１２０によって連通されていると共に基準ガスが導入される第２及び第１基準ガス室１３，１４を有する。
【００３２】
また，上記第１チャンバ１１と対面し，印加電圧に対応した酸素を出し入れ可能な第１電気化学セル２を有し，上記第２チャンバ１２と対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応した電流が得られる第２電気化学セル３を有する。
そして，上記第１電気化学セル２は第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間に設けてあり，第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間で酸素出し入れ可能に構成されている。
【００３３】
以下詳細に説明する。
本例にかかる積層型センサ素子１は，自動車の排気系に取付けて，排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するために用いる素子である。
図１に示すごとく，本例の積層型センサ素子１は，第１固体電解質板６３，絶縁板６４，第２固体電解質板６５，絶縁板６６，セラミック製のヒータ５を一体的に積層して構成されている。また，第１固体電解質板６３の被測定ガス側の面には多孔質板６１と絶縁スペーサ６２が積層されている。
上記多孔質板６１を介して外部から被測定ガス（本例では排ガス）が律速されつつ後述する第１拡散抵抗通路１１０を経て第１チャンバ１１に入り込む。
【００３４】
第１固体電解質板６３と第２固体電解質板６５との間には，絶縁板６４により形成された第１チャンバ１１，第２チャンバ１２とがある。第１チャンバ１１は被測定ガス流通用の第１拡散抵抗通路１１０で積層型センサ素子１外部と，また図２に示すごとく，第１チャンバ１１，第２チャンバ１２とは第２拡散抵抗通路１２０で排ガスが流通可能に接続されている。
【００３５】
また，第２固体電解質板６５と絶縁板６６，ヒータ５によって，第１基準ガス室１４が形成されている。また，第１固体電解質板６３と絶縁スペーサ６２との間には第２基準ガス室１３が形成されている。
また，ヒータ５はヒータ基板５１と通電による発熱体５０，被覆基板５２よりなる。ヒータ基板５１と被覆基板５２は絶縁性である。
第１固体電解質板６３，第２固体電解質板６５は酸素イオン導電性のジルコニア基板よりなり，その他の絶縁板６４等はすべてアルミナ基板よりなる。多孔質板６１も気孔率の高いアルミナ基板よりなる。
【００３６】
第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間にある第２固体電解質板６５には一対の電極２１，２２を持った第１電気化学セル２が設けてある。
また，第１チャンバと第２基準ガス室１３との間にある第１固体電解質板６３には一対の電極３１，３２を持った第２電気化学セル３が設けてある。
電極２１はＮＯｘを分解しない，ＮＯｘ不活性な電極，電極３２は逆にＮＯｘに対して活性でＮＯｘを酸素イオンと窒素とに分解できる。
【００３７】
第１電気化学セル２には電流計２５１と電源２５２とを持ったポンプ回路２５が接続されている。ポンプ回路２５において，電流計２５１と電源２５２との間はフィードバック回路２５５で結ばれている。
このフィードバック回路２５５によって，電流計２５１の値に応じて電源２５２が制御され，第１電気化学セル２による酸素出し入れが行われるのである。
【００３８】
また，第２電気化学セル３には電流計３５１と電源３５２を持ったセンサ回路３５が接続されている。電流計３５１の値は第２電気化学セル３を流通する酸素イオン電流の大きさに対応している。酸素イオン電流の変動はＮＯｘ濃度に対応しているため，電流計３５１の値からＮＯｘ濃度が分かるのである。
なお，ポンプ回路２５とセンサ回路３５の負極側は共にアースされている。
【００３９】
本例にかかる積層型センサ素子１の性能評価について以下に説明する。
本例にかかる積層型センサ素子１を自動車エンジン実機に搭載して，実際の排ガス雰囲気に曝して，第２電気化学セル電流，すなわち電流計３５１の示す値であるセンサ出力を測定した。
その結果，後述する従来構造の積層型センサ素子と異なり，自動車エンジン内の空燃比がストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．５）である場合も，リッチ（Ａ／Ｆ＜１４．５）である場合もリーンである場合と変わらない出力特性が得られた。
また，同様に第１電気化学セル電流（電流計２５１の出力）と空燃比との関係を測定したところ，図４にかかる測定結果が得られた。
即ち，第１電気化学セル電流から空燃比の測定が可能であることが分かった。
【００４０】
また，エンジン実機をリッチ状態（空燃比１２）で運転し，排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度を０から１０００ｐｐｍまで適宜変化させて，第２電気化学セル電流を測定し，結果を図３に記載した。
同図に示すごとく，本例の図１にかかる積層型センサ素子１からはＮＯｘ濃度に比例する第２電気化学セル電流が得られたことが分かった。
【００４１】
なお，従来構造の積層型センサ素子を図１７に記載した。
このものは本例の積層型センサ素子１と同様に第１電気化学セル２と第２電気化学セル３をもっているが，第１電気化学セル２は第１チャンバ１１と被測定ガス側雰囲気との間に配置されている。また，第２電気化学セル３は第２チャンバ１２と基準ガス室１４との間に配置されている。
このような積層型センサ素子９において，上記と同様の試験を行なったところ，リッチ側では第２チャンバ１２内がリッチ雰囲気となり，第２電気化学セル３に逆起電力がかかるという現象が起きて，まったくＮＯｘ濃度の測定ができなかった。
【００４２】
また，本例にかかる図１の積層型センサ素子１と従来例にかかる図１７の積層型センサ素子９とを酸素を１〜２０％含み，ＮＯが１０００ｐｐｍ含まれたモデルガスに曝して，同条件でＮＯ濃度測定を行ない，結果を図５に示す。
同図より，本例の積層型センサ素子１の測定精度に比べて，従来技術にかかる積層型センサ素子９は非常に測定精度が悪いことが分かった。
【００４３】
本例の作用効果について説明する。
本例にかかる積層型センサ素子１は，第１電気化学セル２が第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間に設けてあり，第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間で酸素出し入れ可能に構成されている。
よって，空燃比がリッチ側に傾いた場合においては，第１チャンバ１１内と第１基準ガス室１４との酸素濃度差による起電力が発生し，それを考慮して第１電気化学セル２に印加する電圧を制御することで，第１基準ガス室１４から第１チャンバ１１内に酸素を出し入れすることから，出し入れがリーン時と同じく継続して行われる。
その結果，第１チャンバ１１及び第２チャンバ１２内の酸素濃度がリーンと同じく一定にできることにより第２電気化学セル３に逆起電力がかかることもなく，リーン時からリッチ側まで一貫して排ガス中のＮＯｘ濃度を測定することができる。
【００４４】
以上，本例によれば，内燃機関の燃焼部のリーンからリッチまでの幅広い燃焼状態に応じて排出される排ガス中において，正確に特定ガス濃度を検出することができる積層型センサ素子を提供することができる。
【００４５】
更に，本例の積層型センサ素子１は，図１より明らかであるが，ヒータ５が一体的に設けてあり，第２電気化学セル３とヒータ５内部の発熱体５０との間のイオン電流経路長さは，第１電気化学セル２と発熱体５０との間のイオン電流経路長さよりも長くなるよう構成してある。
よって，発熱体５０に通電した際に第２電気化学セル３に対する影響が小さく，より正確なＮＯｘ濃度の測定を行なうことができる。
【００４６】
また，本例の積層型センサ素子１は，図１より明らかであるが，第２電気化学セル３と第１電気化学セル２とは異なる固体電解質板に設けてある。
よって，第１電気化学セル２に対する印加電圧からのリーク電流が第２電気化学セル３の出力に影響を及すことが防止され，より正確なＮＯｘ濃度の測定を行なうことができる。
【００４７】
実施形態例２
本例は図６に示すごとく，第３電気化学セルを持った積層型センサ素子である。
図６に示すごとく，本例の積層型センサ素子１８は，第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間に第３電気化学セル４を設け，該第３電気化学セル４は第２固体電解質板６５に設けた一対の電極４１，４２よりなる。
ただし，電極４１は第１電気化学セル２の電極２１と一体的に構成されている。
また，第３電気化学セル４には電圧計４５１を持ったモニタ回路４５が接続されており，該電圧計４５１からフィードバック回路４５５が電源２５２に接続されている。
【００４８】
そして，第３電気化学セル４は酸素濃淡起電力式の酸素センサ素子として機能して，第１チャンバ１１内の酸素濃度に応じた電圧を得ることができる。電圧計４５１の値に応じて，電源２５２が制御される。
その他，詳細は実施形態例１と同様である。
また，本例の積層型センサ素子１８についても実施形態例１と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
実施形態例３
本例は図７に示すごとく実施形態例１と同様の構成の積層型センサ素子で，被測定ガスが導入される箇所が異なる素子である。
図７に示すごとく，第１固体電解質板６３と第２固体電解質板６５との間の絶縁板６４の側面には多孔質体６４０が嵌め込まれており，この多孔質体６４０を通じて被測定ガスが第１チャンバ１１に導入されるよう構成されている。
その他は実施形態例１と同様の構成で，作用効果についても同様である。
【００５０】
実施形態例４
本例は，図８に示すごとく，第１チャンバ，第２チャンバ，第２基準ガス室，第１基準ガス室を積層型センサ素子の積層方向に並べて構成した素子について説明する。
図８に示すごとく，本例の積層型センサ素子７は，第１固体電解質板７２，絶縁板７３，７４，多孔質体７５０を持った絶縁板７５，第２固体電解質板７６，絶縁板７７，ヒータ５とを積層した構成で，第１固体電解質板７２の被測定ガス側には絶縁スペーサ７１が設けてある。
そして，絶縁スペーサ７１と第１固体電解質板７２との間に第２基準ガス室１３が，第２固体電解質板７６と絶縁板７７，ヒータ５との間に第１基準ガス室１４が形成される。
【００５１】
また，第１固体電解質板７２，絶縁板７３，７４との間に第２チャンバ１２が，第２固体電解質板７６と，絶縁板７４，７５との間に第１チャンバ１１が形成される。
第１チャンバ１１と第２チャンバ１２との間の第２拡散抵抗通路１２０は絶縁板７４に設けた貫通孔よりなり，第１チャンバ１１に対する排ガスの被測定ガスの導入は多孔質体７５０を介して行われる。
また，第１電気化学セル２は第２固体電解質板７６に，第２電気化学セル３は第１固体電解質板７２に設けてある。
その他詳細は実施形態例１と同様である。
【００５２】
本例にかかる構成とすることで，第２電気化学セル３の位置を更に第１電気化学セル２やヒータ５から遠ざけることができるため，一層正確なセンサ出力を得ることができる。その他詳細は実施形態例１と同様の作用効果を有する。
【００５３】
実施形態例５
本例の積層型センサ素子は，図９に示すごとく，第１及び第２電気化学セル２及び３を有し，第１電気化学セル２は一方の面が第１チャンバ１１と対面し，他方の面が第１基準ガス室１４と対面するよう構成され，第２電気化学セル３は，一方が第２チャンバ１２と対面し，他方が第２基準ガス室１３と対面するよう構成されている。また，第１及び第２電気化学セル２，３は別々の固体電解質板６３及び６５に設けてある。
【００５４】
第１電気化学セル２には電流計２５１と電源２５２とを持ったポンプ回路２５が接続されている。ポンプ回路２５において，電流計２５１と電源２５２との間はフィードバック回路２５５で結ばれている。
このフィードバック回路２５５によって，電流計２５１の値に応じて電源２５２が制御され，第１電気化学セル２による酸素出し入れが行われるのである。
【００５５】
また，第２電気化学セル３には電流計３５１と電源３５２を持ったセンサ回路３５が接続されている。電流計３５１の値は第２電気化学セル３を流通する酸素イオン電流の大きさに対応している。
電極２１はＮＯｘを分解しない，ＮＯｘ不活性な電極，電極３２は逆にＮＯｘに対して活性でＮＯｘを酸素イオンと窒素とに分解できる。従って，第２電気化学セル３での酸素イオン電流の変動はＮＯｘ濃度に対応しているため，電流計３５１の値からＮＯｘ濃度が分かるのである。
【００５６】
本実施例では，ポンプ回路２５とセンサ回路３５が独立しているので，第１電気化学セル２と第２電気化学セル３との間のリーク電流がなく，より正確に特定ガス濃度を検出できる。
その他詳細は実施形態例１と同様であり，同様の作用効果を得ることができる。
【００５７】
実施形態例６
また，図１０に示すごとく，第１電気化学セル２と第２電気化学セル３とを同じ基準ガス室１４に対し対面させて積層型センサ素子１を構成することもできる。その他詳細は実施形態例１と同様で，同様の作用効果を得ることができる。
【００５８】
実施形態例７
また，図１１に示すごとく，第１及び第２チャンバ１１，１２，第１及び第２基準ガス室１４及び１３を積層型センサ素子７の積層方向に構成することもできる。
図１１に示すごとく，本例の積層型センサ素子７は，第１固体電解質板７２，絶縁板７３，７４，多孔質体７５０を持った絶縁板７５，第２固体電解質板７６，絶縁板７７，ヒータ５とを積層した構成で，第１固体電解質板７２の被測定ガス側には絶縁スペーサ７１が設けてある。
そして，絶縁スペーサ７１と第１固体電解質板７２との間に第２基準ガス室１３が，第２固体電解質板７６と絶縁板７７，ヒータ５との間に第１基準ガス室１４が形成される。
【００５９】
また，第１固体電解質板７２，絶縁板７３，７４との間に第１チャンバ１１が，第２固体電解質板７６と，絶縁板７４，７５との間に第２チャンバ１２が形成される。
第１チャンバ１１と第２チャンバ１２との間の第２拡散抵抗通路１２０は絶縁板７４に設けた貫通孔よりなり，第１チャンバ１１に対する排ガスの被測定ガスの導入は多孔質体７５０を介して行われる。
また，第１電気化学セル２は第１固体電解質板７６に，第２電気化学セル３は第１固体電解質板７２に設けてある。
【００６０】
本実施例では，ポンプ回路２５とセンサ回路３５が独立しているので，第１電気化学セル２と第２電気化学セル３との間のリーク電流がなく，より正確に特定ガス濃度を検出できる。
その他詳細は実施形態例１，実施形態例４と同様である。
このような構成とした積層型センサ素子７は，発熱体５０と第２電気化学セル３との距離が遠くなるため，より精密なセンサ出力を得ることができる。
【００６１】
実施形態例８
また，図１２に示すごとく，被測定ガスの導入を第１固体電解質板６３と第２固体電解質板６５との間の絶縁板６４の側面に嵌め込んだ多孔質体６４０を通じて被測定ガスが第１チャンバ１１に導入されるよう構成することもできる。
その他は実施形態例１，実施形態例４と同様の構成で，作用効果についても同様である。
【００６２】
実施形態例９
また，図１３に示すごとく，第１，第２チャンバ１１，１２と並べて第２基準ガス室１３を構成することもできる。
この場合，第２電気化学的セル３の電極３１，３２は共に固体電解質板６５に設けられる。
その他は実施形態例１と同様の構成で，作用効果についても同様である。
【００６３】
実施形態例１０
また，図１４に示すごとく，第２チャンバ１２の酸素濃度を測定可能に構成した第３電気化学セル４を設けることもできる。
これは，第２チャンバ１２に，電極３２と同一の面に設けられた電極４２と，第２基準ガス室１３に，電極３１と一体的に設けられた電極４１とよりなり，この第３電気化学セル４に接続されたモニタ回路４５には電流計４５２が接続されてなる。
【００６４】
積層型センサ素子１の作動の際に，第３電気化学セル４に流れる電流から，第２チャンバ１２の酸素濃度が測定でき，この酸素濃度をもとに第１電気化学セル２の印可電圧を制御するため，第２チャンバ１２の酸素濃度が安定する。
従って，より安定したセンサ出力を得ることができる。
その他詳細は実施形態例１と同様の構成と作用効果を有する。
【００６５】
実施形態例１１
また，図１５に示すごとく，積層型センサ素子１は，第１固体電解質板６３，絶縁板６４，第２固体電解質板６５，絶縁板６６，セラミック製のヒータ５を一体的に積層して構成されている。また，第１固体電解質板６３の被測定ガス側の面には多孔質板６１と絶縁スペーサ６２が積層されている。
また，ヒータ５はヒータ基板５１と被覆基板５２から構成される。
これら全てがＺｒＯ2で構成されている。
その他詳細は実施形態例５と同様の構成で，同様の作用効果を有する。
【００６６】
実施形態例１２
また，図１６に示すごとく，積層型センサ素子１で，前述した実施形態例９のように第１，第２チャンバ１１，１２と並べて第２基準ガス室１３を構成し，また第２電気化学的セル３の電極３１，３２は共に固体電解質板６３に設けることができる。
その他詳細は実施形態例１と同様の構成と作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，積層型センサ素子の断面説明図。
【図２】実施形態例１における，絶縁板の平面図。
【図３】実施形態例１における，第２電気化学セル電流とＮＯｘ濃度との関係を示す線図。
【図４】実施形態例１における，第１電気化学セル電流と空燃比との関係を示す線図。
【図５】実施形態例１における，本例にかかる積層型センサ素子と従来型との精度を比較した線図。
【図６】実施形態例２における，第３電気化学セルを設けた積層型センサ素子の断面説明図。
【図７】実施形態例３における，被測定ガスの導入が異なる積層型センサ素子の断面説明図。
【図８】実施形態例４における，各チャンバ，各基準ガス室が積層方向に設けられた積層型センサ素子の断面説明図。
【図９】実施形態例５における，積層型センサ素子の断面説明図。
【図１０】実施形態例６における，第１及び第２電気化学セルを同じ基準ガス室に対し対面させた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１１】実施形態例７における，各チャンバ，各基準ガス室が積層方向に設けられた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１２】実施形態例８における，被測定ガスの導入が異なる積層型センサ素子の断面説明図。
【図１３】実施形態例９における，第１，第２チャンバと並べて第２基準ガス室を設けた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１４】実施形態例１０における，第３電気化学セルを設けた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１５】実施形態例１１における，ＺｒＯ2で構成された積層型センサ素子の断面説明図。
【図１６】実施形態例１２における，第１，第２チャンバと並べて第２基準ガス室を設けた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１７】従来にかかる積層型センサ素子の断面説明図。
【符号の説明】
１．．．積層型センサ素子，
１１．．．第１チャンバ，
１２．．．第２チャンバ，
１３．．．第２基準ガス室，
１４．．．第１基準ガス室，
２．．．第１電気化学セル，
３．．．第２電気化学セル，
５．．．ヒータ，
５０．．．発熱体，
【技術分野】
本発明は，車両用内燃機関の排気系に取付けて，排ガス中のＮＯｘ濃度等の検出に利用されるような積層型センサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
車両用内燃機関の排気系に取付け，排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するガスセンサに用いる素子として，図１７に示すごとき，二つのセルをもったＮＯｘ濃度検知可能な積層型センサ素子９が知られている。
【０００３】
このものは，固体電解質板６３，６５や絶縁板６４，６６を適宜積層して構成され，被測定ガスが導入される第１チャンバ１１及び第２チャンバ１２を有し，かつ上記第１チャンバ１１は積層型センサ素子９外部と第１拡散抵抗通路１１０によって連通され，上記第２チャンバ１２は上記第１チャンバ１１と第２拡散抵抗通路１２０によって連通されていると共に基準ガスが導入される基準ガス室１４を有する。
そして，上記第１チャンバ１１と対面し，印加電圧に対応した酸素を素子外部へ出し入れ可能な第１電気化学セル２を有し，上記第２チャンバ１２と対面し，所定の電圧を印加することで，排ガス中のＮＯｘ濃度に対応した出力が得られる第２電気化学セル３を有する。
【０００４】
上記第２電気化学セル３はＮＯｘを電極表面で還元して，該還元によって得られるイオン電流からＮＯｘ濃度を測定するよう構成されている。
このため，第２チャンバ１２内に余分の酸素が存在し，かつその酸素濃度が変動している場合，第２電気化学セル３の出力はＮＯｘ濃度と第２チャンバ１２内の変動する酸素濃度とに対応した値となってしまい，不正確なＮＯｘ濃度測定しかできなくなる。
【０００５】
そのため，第１チャンバ１１に面するよう第１電気化学セル２を設け，該第１電気化学セル２により第１チャンバ１１内の酸素を外部へ排出する等して，第１チャンバ１１，第２チャンバ１２内の酸素濃度を一定に保持するようにしていた。
【０００６】
【解決しようとする課題】
しかしながら，従来構成の積層型センサ素子９には，被測定ガスとなる排ガスにおいて，空燃比がリッチ側に傾いた場合，プロパン等の還元性ガスを酸化させるため，第１チャンバ１１内に酸素を汲み入れなければならないが，第１電気化学セル２の一方が基準ガス室１４に触れていないため，リッチへの切り替わりが検知不能であった。このため，リッチ側で第１電気化学セル２が機能しないという問題があった。
更にこの時，第２チャンバ１２内がリッチ雰囲気になるため，第２電気化学セル３に逆起電力がかかってしまい，ＮＯｘ濃度の検出もできなくなってしまう。
【０００７】
上記の問題はＮＯｘ濃度検出用の積層型センサ素子９の他，第２電気化学セルにおける電極で特定ガスを分解し，そこから発生した酸素イオンによるイオン電流を利用して，特定ガス濃度を測定しようとする機構をもった積層型センサ素子一般について生じる問題である。
【０００８】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，内燃機関の燃焼部のリーンからリッチまでの幅広い燃焼状態に応じて排出される排ガス中において，正確に特定ガス濃度を検出することができる積層型センサ素子を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバを有し，かつ上記第１チャンバはガスセンサ素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通され，また，基準ガスが導入される基準ガス室を有し，
一方の面が第１チャンバと対面し，他方の面が基準ガス室と対面し，印加電圧に対応した酸素を出し入れ可能な第１電気化学セルを有し，
一方の面が第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られる第２電気化学セルを有することを特徴とする積層型センサ素子にある。
【００１０】
本発明において最も注目すべきことは，第１チャンバと基準ガス室とに面した第１電気化学セルと，第２チャンバに面した第２電気化学セルとを有することにある。
【００１１】
次に，本発明の作用につき説明する。
第１電気化学セルは第１チャンバと基準ガス室とに面している。
空燃比がリッチ側に傾いた場合，第１電気化学セルの一方の面が基準ガス室に触れているので，リッチへの切り替わりが検知可能である。したがって，第１電気化学セルは第１チャンバ内へ酸素を汲み入れることができる。
【００１２】
また，第１電気化学セルが第１チャンバ内に酸素を汲み入れることで第２チャンバ内の酸素濃度を一定に保持できる。よって，第２電気化学セルに逆起電力がかかることを防止でき，リーンからリッチまで一貫して被測定ガス中の特定ガス濃度を測定することができる。
【００１３】
以上，本発明によれば，内燃機関の燃焼部のリーンからリッチまでの幅広い燃焼状態に応じて排出される排ガス中において，正確に特定ガス濃度を検出することができる積層型センサ素子を提供することができる。
【００１４】
また，本発明にかかる積層型センサ素子において，第１電気化学セルと該第１電気化学セルに接続された電気回路には，酸素の出し入れに伴う酸素イオン電流が流通する。
この酸素イオン電流の大きさは空燃比に対応しているため，第１電気化学セルを空燃比検出用のセルとして利用することができる。
この場合，一本の積層型センサ素子で特定ガス濃度と空燃比とを同時に測定することができる。
【００１５】
また，本発明はＮＯｘ濃度検出用の積層型センサ素子の他，ＣＯ，ＨＣ等のガス濃度測定に使用する素子について適用することができる。
【００１６】
次に，請求項２記載の発明は，上記第２電気化学セルの他方の面は上記基準ガス室に対面していることが好ましい。
これにより，上記第２電気化学セルの正極側の電位が安定化するため，より正確に特定ガス濃度を検出できる。
【００１７】
次に，請求項３記載の発明は，上記第１電気化学セルに対面する基準ガス室と，上記第２電気化学セルに対面する基準ガス室とは異なる室として構成されていることが好ましい。
これにより，第１電気化学セルのポンプ作用により，第１電気化学セルに対面する基準ガス室の酸素濃度が変動しても，第２電気化学セルに対面する基準ガス室には影響がないため，より正確に特定ガス濃度を検出することができる。
【００１８】
次に，請求項４に記載の発明のように，上記積層型センサ素子は一体的に設けた通電により発熱可能に構成した発熱体を内蔵するヒータを有しており，
上記第２電気化学セルと上記発熱体との間のイオン電流経路長さは，上記第１電気化学セルと上記発熱体との間のイオン電流経路長さよりも長いことが好ましい。
【００１９】
通常，積層型センサ素子における第２電気化学セルは活性化温度に達しなければ特定ガス濃度測定が困難である。従って，積層型センサ素子は通電により発熱する発熱体を内蔵したヒータが一体的に設けてある。
このような発熱体への電力供給は，第２電気化学セルの出力に比べると非常に大きいため，センサ出力のノイズ原因となる。
【００２０】
また，第１電気化学セルにも電流が流れているが，発熱体への電力供給の影響を受けて，第１電気化学セルに流れる電流にノイズが多少混じったとしても，センサ出力へ与える影響は軽微である。
なぜなら第１電気化学セルは酸素を出し入れ可能に構成したセルであり，流れる電流値はその機能に関係がないからである。
よって，上述したごとく，第２電気化学セルと発熱体との間のイオン電流経路長さは第１電気化学セルのそれと比較して長くなるよう構成することで，発熱体からの影響を小さくして，より正確な特定ガス濃度の測定を行なうことができる。
【００２１】
なお，イオン電流経路とは，酸素イオン電流が流通可能な経路長を意味している。通常は固体電解質体板など，積層型ガスセンサ素子における導電性箇所をつたう最短距離である。
【００２２】
次に，請求項５記載の発明のように，上記ヒータはアルミナを基材とすることが好ましい。
アルミナは絶縁材料であるため，発熱体へ電力供給される電流が積層型センサ素子の他の部分へ流れることを防止して，第１や第２の電気化学セルへの影響を軽減して，センサ出力にノイズが混じることを防止することができる。
【００２３】
次に，上記第１電気化学セルと上記発熱体との間の絶縁抵抗よりも上記発熱体と上記第２電気化学セルとの間の絶縁抵抗のほうが大きく，
上記第１電気化学セルと上記発熱体との間の最短距離よりも上記発熱体と上記第２電気化学セルとの間の最短距離のほうが長いことが好ましい。
【００２４】
発熱体への電力供給は，第２電気化学セルの出力に比べると非常に大きいため，センサ出力のノイズ原因となるが，第１電気化学セルに流れる電流にノイズが多少混じったとしても，センサ出力へ与える影響は軽微である。
なぜなら第１電気化学セルは酸素を出し入れ可能に構成したセルであり，流れる電流値はその機能に関係がないからである。
よって，上述したごとく，第２電気化学セルと発熱体との間の絶縁抵抗を第１電気化学セルのそれと比較して大きくするよう構成することで，発熱体からの影響を小さくして，より正確な特定ガス濃度の測定を行なうことができる。
また，同様の理由から，発熱体と第２電気化学セルとの最短距離を長くすることで，より正確な特定ガス濃度の測定を行なうことができる。
【００２５】
次に，請求項６記載の発明のように，上記発熱体と上記第２電気化学セルとの間の絶縁抵抗は１０12Ω以上，リーク電流は２×１０-11Ａ以下，最短距離は０．４ｍｍ以上であることが好ましい。
上記条件を満たすことで，特定ガス濃度のより正確な測定を実現できる。
絶縁抵抗が１０12Ω未満となることで，発熱体から第２電気化学セルへ電流が漏れて，第２電気化学セルにノイズが混じり，センサ出力が不正確となるおそれがある。
なお，絶縁抵抗は大きければ大きいほど好ましい。
【００２６】
また，リーク電流とは，発熱体から第２電気化学セルへと漏れる電流の大きさである。これが２×１０-11Ａより大となった場合は，発熱体から第２電気化学セルへ漏れる電流が大きくなり，第２電気化学セルにノイズが混じり，センサ出力が不正確となるおそれがある。
なお，リーク電流は，小さければ小さいほど好ましい。
【００２７】
また，最短距離が０．４ｍｍ未満である場合は，発熱体から第２電気化学セルへ漏れる電流が大きくなり，第２電気化学セルにノイズが混じり，センサ出力が不正確となるおそれがある。
なお，最短距離の上限は１０ｍｍとすることが好ましい。これより大となると，素子の熱容量が大きくなるため，ヒータを通電してから各電気化学セルが活性温度に達するまでの時間が長くなってしまうおそれがある。
【００２８】
次に，請求項７記載の発明は，上記第１電気化学セル及び上記第２電気化学セルはいずれも固体電解質板と該固体電解質板に一対で設けられた電極より構成され，上記第１電気化学セル及び上記第２電気化学セルはそれぞれ異なる固体電解質板に構成されていることが好ましい。
第１電気化学セルに対する印加電圧は第２電気化学セルから得られるセンサ出力よりも大きいため，これらを異なる固体電解質体に設けることで，第１電気化学セルからの影響を小さくして，より正確な特定ガス濃度の測定を行なうことができる。
【００２９】
次に，請求項８記載の発明のように，上記第１電気化学セルと上記第２電気化学セルとの間にはアルミナ板が配置されていることが好ましい。
これにより，第１電気化学セルと第２電気化学セル間の電流リークを防止でき，より正確に特定ガス濃度を検出できる。
【００３０】
次は，請求項９記載の発明のように，少なくとも上記第１及び上記第２チャンバのいずれか一方の酸素濃度を測定可能に構成した第３電気化学セルを設けてあることが好ましい。
この場合，少なくとも第１及び第２チャンバのいずれか一方における酸素濃度を同時に測定できるため，少なくとも第１及び第２チャンバ内の酸素濃度を一定に保持することができる。よって，第２電気化学セルによる特定ガス濃度測定精度を一層高めることができる。
【００３１】
【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積層型センサ素子１につき，図１〜図６を用いて説明する。
本例にかかる積層型センサ素子１は，被測定ガスが導入される第１チャンバ１１及び第２チャンバ１２を有し，かつ上記第１チャンバ１１はガスセンサ素子１の外部と第１拡散抵抗通路１１０によって連通され，上記第２チャンバ１２は上記第１チャンバ１１と第２拡散抵抗通路１２０によって連通されていると共に基準ガスが導入される第２及び第１基準ガス室１３，１４を有する。
【００３２】
また，上記第１チャンバ１１と対面し，印加電圧に対応した酸素を出し入れ可能な第１電気化学セル２を有し，上記第２チャンバ１２と対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応した電流が得られる第２電気化学セル３を有する。
そして，上記第１電気化学セル２は第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間に設けてあり，第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間で酸素出し入れ可能に構成されている。
【００３３】
以下詳細に説明する。
本例にかかる積層型センサ素子１は，自動車の排気系に取付けて，排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するために用いる素子である。
図１に示すごとく，本例の積層型センサ素子１は，第１固体電解質板６３，絶縁板６４，第２固体電解質板６５，絶縁板６６，セラミック製のヒータ５を一体的に積層して構成されている。また，第１固体電解質板６３の被測定ガス側の面には多孔質板６１と絶縁スペーサ６２が積層されている。
上記多孔質板６１を介して外部から被測定ガス（本例では排ガス）が律速されつつ後述する第１拡散抵抗通路１１０を経て第１チャンバ１１に入り込む。
【００３４】
第１固体電解質板６３と第２固体電解質板６５との間には，絶縁板６４により形成された第１チャンバ１１，第２チャンバ１２とがある。第１チャンバ１１は被測定ガス流通用の第１拡散抵抗通路１１０で積層型センサ素子１外部と，また図２に示すごとく，第１チャンバ１１，第２チャンバ１２とは第２拡散抵抗通路１２０で排ガスが流通可能に接続されている。
【００３５】
また，第２固体電解質板６５と絶縁板６６，ヒータ５によって，第１基準ガス室１４が形成されている。また，第１固体電解質板６３と絶縁スペーサ６２との間には第２基準ガス室１３が形成されている。
また，ヒータ５はヒータ基板５１と通電による発熱体５０，被覆基板５２よりなる。ヒータ基板５１と被覆基板５２は絶縁性である。
第１固体電解質板６３，第２固体電解質板６５は酸素イオン導電性のジルコニア基板よりなり，その他の絶縁板６４等はすべてアルミナ基板よりなる。多孔質板６１も気孔率の高いアルミナ基板よりなる。
【００３６】
第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間にある第２固体電解質板６５には一対の電極２１，２２を持った第１電気化学セル２が設けてある。
また，第１チャンバと第２基準ガス室１３との間にある第１固体電解質板６３には一対の電極３１，３２を持った第２電気化学セル３が設けてある。
電極２１はＮＯｘを分解しない，ＮＯｘ不活性な電極，電極３２は逆にＮＯｘに対して活性でＮＯｘを酸素イオンと窒素とに分解できる。
【００３７】
第１電気化学セル２には電流計２５１と電源２５２とを持ったポンプ回路２５が接続されている。ポンプ回路２５において，電流計２５１と電源２５２との間はフィードバック回路２５５で結ばれている。
このフィードバック回路２５５によって，電流計２５１の値に応じて電源２５２が制御され，第１電気化学セル２による酸素出し入れが行われるのである。
【００３８】
また，第２電気化学セル３には電流計３５１と電源３５２を持ったセンサ回路３５が接続されている。電流計３５１の値は第２電気化学セル３を流通する酸素イオン電流の大きさに対応している。酸素イオン電流の変動はＮＯｘ濃度に対応しているため，電流計３５１の値からＮＯｘ濃度が分かるのである。
なお，ポンプ回路２５とセンサ回路３５の負極側は共にアースされている。
【００３９】
本例にかかる積層型センサ素子１の性能評価について以下に説明する。
本例にかかる積層型センサ素子１を自動車エンジン実機に搭載して，実際の排ガス雰囲気に曝して，第２電気化学セル電流，すなわち電流計３５１の示す値であるセンサ出力を測定した。
その結果，後述する従来構造の積層型センサ素子と異なり，自動車エンジン内の空燃比がストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．５）である場合も，リッチ（Ａ／Ｆ＜１４．５）である場合もリーンである場合と変わらない出力特性が得られた。
また，同様に第１電気化学セル電流（電流計２５１の出力）と空燃比との関係を測定したところ，図４にかかる測定結果が得られた。
即ち，第１電気化学セル電流から空燃比の測定が可能であることが分かった。
【００４０】
また，エンジン実機をリッチ状態（空燃比１２）で運転し，排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度を０から１０００ｐｐｍまで適宜変化させて，第２電気化学セル電流を測定し，結果を図３に記載した。
同図に示すごとく，本例の図１にかかる積層型センサ素子１からはＮＯｘ濃度に比例する第２電気化学セル電流が得られたことが分かった。
【００４１】
なお，従来構造の積層型センサ素子を図１７に記載した。
このものは本例の積層型センサ素子１と同様に第１電気化学セル２と第２電気化学セル３をもっているが，第１電気化学セル２は第１チャンバ１１と被測定ガス側雰囲気との間に配置されている。また，第２電気化学セル３は第２チャンバ１２と基準ガス室１４との間に配置されている。
このような積層型センサ素子９において，上記と同様の試験を行なったところ，リッチ側では第２チャンバ１２内がリッチ雰囲気となり，第２電気化学セル３に逆起電力がかかるという現象が起きて，まったくＮＯｘ濃度の測定ができなかった。
【００４２】
また，本例にかかる図１の積層型センサ素子１と従来例にかかる図１７の積層型センサ素子９とを酸素を１〜２０％含み，ＮＯが１０００ｐｐｍ含まれたモデルガスに曝して，同条件でＮＯ濃度測定を行ない，結果を図５に示す。
同図より，本例の積層型センサ素子１の測定精度に比べて，従来技術にかかる積層型センサ素子９は非常に測定精度が悪いことが分かった。
【００４３】
本例の作用効果について説明する。
本例にかかる積層型センサ素子１は，第１電気化学セル２が第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間に設けてあり，第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間で酸素出し入れ可能に構成されている。
よって，空燃比がリッチ側に傾いた場合においては，第１チャンバ１１内と第１基準ガス室１４との酸素濃度差による起電力が発生し，それを考慮して第１電気化学セル２に印加する電圧を制御することで，第１基準ガス室１４から第１チャンバ１１内に酸素を出し入れすることから，出し入れがリーン時と同じく継続して行われる。
その結果，第１チャンバ１１及び第２チャンバ１２内の酸素濃度がリーンと同じく一定にできることにより第２電気化学セル３に逆起電力がかかることもなく，リーン時からリッチ側まで一貫して排ガス中のＮＯｘ濃度を測定することができる。
【００４４】
以上，本例によれば，内燃機関の燃焼部のリーンからリッチまでの幅広い燃焼状態に応じて排出される排ガス中において，正確に特定ガス濃度を検出することができる積層型センサ素子を提供することができる。
【００４５】
更に，本例の積層型センサ素子１は，図１より明らかであるが，ヒータ５が一体的に設けてあり，第２電気化学セル３とヒータ５内部の発熱体５０との間のイオン電流経路長さは，第１電気化学セル２と発熱体５０との間のイオン電流経路長さよりも長くなるよう構成してある。
よって，発熱体５０に通電した際に第２電気化学セル３に対する影響が小さく，より正確なＮＯｘ濃度の測定を行なうことができる。
【００４６】
また，本例の積層型センサ素子１は，図１より明らかであるが，第２電気化学セル３と第１電気化学セル２とは異なる固体電解質板に設けてある。
よって，第１電気化学セル２に対する印加電圧からのリーク電流が第２電気化学セル３の出力に影響を及すことが防止され，より正確なＮＯｘ濃度の測定を行なうことができる。
【００４７】
実施形態例２
本例は図６に示すごとく，第３電気化学セルを持った積層型センサ素子である。
図６に示すごとく，本例の積層型センサ素子１８は，第１チャンバ１１と第１基準ガス室１４との間に第３電気化学セル４を設け，該第３電気化学セル４は第２固体電解質板６５に設けた一対の電極４１，４２よりなる。
ただし，電極４１は第１電気化学セル２の電極２１と一体的に構成されている。
また，第３電気化学セル４には電圧計４５１を持ったモニタ回路４５が接続されており，該電圧計４５１からフィードバック回路４５５が電源２５２に接続されている。
【００４８】
そして，第３電気化学セル４は酸素濃淡起電力式の酸素センサ素子として機能して，第１チャンバ１１内の酸素濃度に応じた電圧を得ることができる。電圧計４５１の値に応じて，電源２５２が制御される。
その他，詳細は実施形態例１と同様である。
また，本例の積層型センサ素子１８についても実施形態例１と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
実施形態例３
本例は図７に示すごとく実施形態例１と同様の構成の積層型センサ素子で，被測定ガスが導入される箇所が異なる素子である。
図７に示すごとく，第１固体電解質板６３と第２固体電解質板６５との間の絶縁板６４の側面には多孔質体６４０が嵌め込まれており，この多孔質体６４０を通じて被測定ガスが第１チャンバ１１に導入されるよう構成されている。
その他は実施形態例１と同様の構成で，作用効果についても同様である。
【００５０】
実施形態例４
本例は，図８に示すごとく，第１チャンバ，第２チャンバ，第２基準ガス室，第１基準ガス室を積層型センサ素子の積層方向に並べて構成した素子について説明する。
図８に示すごとく，本例の積層型センサ素子７は，第１固体電解質板７２，絶縁板７３，７４，多孔質体７５０を持った絶縁板７５，第２固体電解質板７６，絶縁板７７，ヒータ５とを積層した構成で，第１固体電解質板７２の被測定ガス側には絶縁スペーサ７１が設けてある。
そして，絶縁スペーサ７１と第１固体電解質板７２との間に第２基準ガス室１３が，第２固体電解質板７６と絶縁板７７，ヒータ５との間に第１基準ガス室１４が形成される。
【００５１】
また，第１固体電解質板７２，絶縁板７３，７４との間に第２チャンバ１２が，第２固体電解質板７６と，絶縁板７４，７５との間に第１チャンバ１１が形成される。
第１チャンバ１１と第２チャンバ１２との間の第２拡散抵抗通路１２０は絶縁板７４に設けた貫通孔よりなり，第１チャンバ１１に対する排ガスの被測定ガスの導入は多孔質体７５０を介して行われる。
また，第１電気化学セル２は第２固体電解質板７６に，第２電気化学セル３は第１固体電解質板７２に設けてある。
その他詳細は実施形態例１と同様である。
【００５２】
本例にかかる構成とすることで，第２電気化学セル３の位置を更に第１電気化学セル２やヒータ５から遠ざけることができるため，一層正確なセンサ出力を得ることができる。その他詳細は実施形態例１と同様の作用効果を有する。
【００５３】
実施形態例５
本例の積層型センサ素子は，図９に示すごとく，第１及び第２電気化学セル２及び３を有し，第１電気化学セル２は一方の面が第１チャンバ１１と対面し，他方の面が第１基準ガス室１４と対面するよう構成され，第２電気化学セル３は，一方が第２チャンバ１２と対面し，他方が第２基準ガス室１３と対面するよう構成されている。また，第１及び第２電気化学セル２，３は別々の固体電解質板６３及び６５に設けてある。
【００５４】
第１電気化学セル２には電流計２５１と電源２５２とを持ったポンプ回路２５が接続されている。ポンプ回路２５において，電流計２５１と電源２５２との間はフィードバック回路２５５で結ばれている。
このフィードバック回路２５５によって，電流計２５１の値に応じて電源２５２が制御され，第１電気化学セル２による酸素出し入れが行われるのである。
【００５５】
また，第２電気化学セル３には電流計３５１と電源３５２を持ったセンサ回路３５が接続されている。電流計３５１の値は第２電気化学セル３を流通する酸素イオン電流の大きさに対応している。
電極２１はＮＯｘを分解しない，ＮＯｘ不活性な電極，電極３２は逆にＮＯｘに対して活性でＮＯｘを酸素イオンと窒素とに分解できる。従って，第２電気化学セル３での酸素イオン電流の変動はＮＯｘ濃度に対応しているため，電流計３５１の値からＮＯｘ濃度が分かるのである。
【００５６】
本実施例では，ポンプ回路２５とセンサ回路３５が独立しているので，第１電気化学セル２と第２電気化学セル３との間のリーク電流がなく，より正確に特定ガス濃度を検出できる。
その他詳細は実施形態例１と同様であり，同様の作用効果を得ることができる。
【００５７】
実施形態例６
また，図１０に示すごとく，第１電気化学セル２と第２電気化学セル３とを同じ基準ガス室１４に対し対面させて積層型センサ素子１を構成することもできる。その他詳細は実施形態例１と同様で，同様の作用効果を得ることができる。
【００５８】
実施形態例７
また，図１１に示すごとく，第１及び第２チャンバ１１，１２，第１及び第２基準ガス室１４及び１３を積層型センサ素子７の積層方向に構成することもできる。
図１１に示すごとく，本例の積層型センサ素子７は，第１固体電解質板７２，絶縁板７３，７４，多孔質体７５０を持った絶縁板７５，第２固体電解質板７６，絶縁板７７，ヒータ５とを積層した構成で，第１固体電解質板７２の被測定ガス側には絶縁スペーサ７１が設けてある。
そして，絶縁スペーサ７１と第１固体電解質板７２との間に第２基準ガス室１３が，第２固体電解質板７６と絶縁板７７，ヒータ５との間に第１基準ガス室１４が形成される。
【００５９】
また，第１固体電解質板７２，絶縁板７３，７４との間に第１チャンバ１１が，第２固体電解質板７６と，絶縁板７４，７５との間に第２チャンバ１２が形成される。
第１チャンバ１１と第２チャンバ１２との間の第２拡散抵抗通路１２０は絶縁板７４に設けた貫通孔よりなり，第１チャンバ１１に対する排ガスの被測定ガスの導入は多孔質体７５０を介して行われる。
また，第１電気化学セル２は第１固体電解質板７６に，第２電気化学セル３は第１固体電解質板７２に設けてある。
【００６０】
本実施例では，ポンプ回路２５とセンサ回路３５が独立しているので，第１電気化学セル２と第２電気化学セル３との間のリーク電流がなく，より正確に特定ガス濃度を検出できる。
その他詳細は実施形態例１，実施形態例４と同様である。
このような構成とした積層型センサ素子７は，発熱体５０と第２電気化学セル３との距離が遠くなるため，より精密なセンサ出力を得ることができる。
【００６１】
実施形態例８
また，図１２に示すごとく，被測定ガスの導入を第１固体電解質板６３と第２固体電解質板６５との間の絶縁板６４の側面に嵌め込んだ多孔質体６４０を通じて被測定ガスが第１チャンバ１１に導入されるよう構成することもできる。
その他は実施形態例１，実施形態例４と同様の構成で，作用効果についても同様である。
【００６２】
実施形態例９
また，図１３に示すごとく，第１，第２チャンバ１１，１２と並べて第２基準ガス室１３を構成することもできる。
この場合，第２電気化学的セル３の電極３１，３２は共に固体電解質板６５に設けられる。
その他は実施形態例１と同様の構成で，作用効果についても同様である。
【００６３】
実施形態例１０
また，図１４に示すごとく，第２チャンバ１２の酸素濃度を測定可能に構成した第３電気化学セル４を設けることもできる。
これは，第２チャンバ１２に，電極３２と同一の面に設けられた電極４２と，第２基準ガス室１３に，電極３１と一体的に設けられた電極４１とよりなり，この第３電気化学セル４に接続されたモニタ回路４５には電流計４５２が接続されてなる。
【００６４】
積層型センサ素子１の作動の際に，第３電気化学セル４に流れる電流から，第２チャンバ１２の酸素濃度が測定でき，この酸素濃度をもとに第１電気化学セル２の印可電圧を制御するため，第２チャンバ１２の酸素濃度が安定する。
従って，より安定したセンサ出力を得ることができる。
その他詳細は実施形態例１と同様の構成と作用効果を有する。
【００６５】
実施形態例１１
また，図１５に示すごとく，積層型センサ素子１は，第１固体電解質板６３，絶縁板６４，第２固体電解質板６５，絶縁板６６，セラミック製のヒータ５を一体的に積層して構成されている。また，第１固体電解質板６３の被測定ガス側の面には多孔質板６１と絶縁スペーサ６２が積層されている。
また，ヒータ５はヒータ基板５１と被覆基板５２から構成される。
これら全てがＺｒＯ2で構成されている。
その他詳細は実施形態例５と同様の構成で，同様の作用効果を有する。
【００６６】
実施形態例１２
また，図１６に示すごとく，積層型センサ素子１で，前述した実施形態例９のように第１，第２チャンバ１１，１２と並べて第２基準ガス室１３を構成し，また第２電気化学的セル３の電極３１，３２は共に固体電解質板６３に設けることができる。
その他詳細は実施形態例１と同様の構成と作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，積層型センサ素子の断面説明図。
【図２】実施形態例１における，絶縁板の平面図。
【図３】実施形態例１における，第２電気化学セル電流とＮＯｘ濃度との関係を示す線図。
【図４】実施形態例１における，第１電気化学セル電流と空燃比との関係を示す線図。
【図５】実施形態例１における，本例にかかる積層型センサ素子と従来型との精度を比較した線図。
【図６】実施形態例２における，第３電気化学セルを設けた積層型センサ素子の断面説明図。
【図７】実施形態例３における，被測定ガスの導入が異なる積層型センサ素子の断面説明図。
【図８】実施形態例４における，各チャンバ，各基準ガス室が積層方向に設けられた積層型センサ素子の断面説明図。
【図９】実施形態例５における，積層型センサ素子の断面説明図。
【図１０】実施形態例６における，第１及び第２電気化学セルを同じ基準ガス室に対し対面させた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１１】実施形態例７における，各チャンバ，各基準ガス室が積層方向に設けられた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１２】実施形態例８における，被測定ガスの導入が異なる積層型センサ素子の断面説明図。
【図１３】実施形態例９における，第１，第２チャンバと並べて第２基準ガス室を設けた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１４】実施形態例１０における，第３電気化学セルを設けた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１５】実施形態例１１における，ＺｒＯ2で構成された積層型センサ素子の断面説明図。
【図１６】実施形態例１２における，第１，第２チャンバと並べて第２基準ガス室を設けた積層型センサ素子の断面説明図。
【図１７】従来にかかる積層型センサ素子の断面説明図。
【符号の説明】
１．．．積層型センサ素子，
１１．．．第１チャンバ，
１２．．．第２チャンバ，
１３．．．第２基準ガス室，
１４．．．第１基準ガス室，
２．．．第１電気化学セル，
３．．．第２電気化学セル，
５．．．ヒータ，
５０．．．発熱体，
Claims (9)
- 被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバを有し，かつ上記第１チャンバはガスセンサ素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通され，また，基準ガスが導入される基準ガス室を有し，
一方の面が第１チャンバと対面し，他方の面が基準ガス室と対面し，印加電圧に対応した酸素を出し入れ可能な第１電気化学セルを有し，
一方の面が第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られる第２電気化学セルを有することを特徴とする積層型センサ素子。 - 請求項１において，上記第２電気化学セルの他方の面は上記基準ガス室に対面していることを特徴とする積層型センサ素子。
- 請求項２において，上記第１電気化学セルに対面する基準ガス室と，上記第２電気化学セルに対面する基準ガス室とは異なる室として構成されていることを特徴とする積層型センサ素子。
- 請求項１〜３のいずれか一項において，上記積層型センサ素子は一体的に設けた通電により発熱可能に構成した発熱体を内蔵するヒータを有しており，
上記第２電気化学セルと上記発熱体との間のイオン電流経路長さは，上記第１電気化学セルと上記発熱体との間のイオン電流経路長さよりも長いことを特徴とする積層型センサ素子。 - 請求項４において，上記ヒータはアルミナを基材とすることを特徴とする積層型センサ素子。
- 請求項４又は５において，上記発熱体と上記第２電気化学セルとの間の絶縁抵抗は１０ 12 Ω以上，リーク電流は２×１０ -11 Ａ以下，最短距離は０．４ｍｍ以上であることを特徴とする積層型センサ素子。
- 請求項１〜６のいずれか一項において，上記第１電気化学セル及び上記第２電気化学セルはいずれも固体電解質板と該固体電解質板に一対で設けられた電極より構成され，上記第１電気化学セル及び上記第２電気化学セルはそれぞれ異なる固体電解質板に構成されていることを特徴とする積層型ガスセンサ素子。
- 請求項１〜７のいずれか一項において，上記第１電気化学セルと上記第２電気化学セルとの間にはアルミナ板が配置されていることを特徴とする積層型センサ素子。
- 請求項１〜８のいずれか一項において，少なくとも上記第１及び上記第２チャンバのいずれか一方の酸素濃度を測定可能に構成した第３電気化学セルを設けてあることを特徴とする積層型センサ素子。
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