JPH0264446A - ガスセンサ素子、組立体及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガス検出技術に関するものであり、特にはガ
ス（気体）の存在下でイオン伝導を示す固体電解質物質
を使用するガスセンサに関する。

本発明は例えば　排気ガス中の酸素濃度の測定に有益に
利用される。

１未垣韮 排気ガスのようなガス混合物中の酸素のような個々のガ
ス成分の濃度を測定するため、様々の技術及び装置が開
発され′てきた。これら技術の幾つかを使用した場合、
約０．１〜２０％の範囲における酸素濃度を測定するこ
とは困難である。成る型式のガスセンサの場合、一定期
間にわたって精度を維持することが困難である。幾つか
の技術は、ガス混合物中の酸素濃度に対して直線的にで
はな（、対数曲線的に変化する出力情報しか提供しない
。幾つかのセンサは酸素の分圧の僅かの変化に敏感でな
（、従って精度上問題がある。他の技術は、検知装置の
動作を制御するためのまた測定を実施するための複雑な
電子回路と関与する。

一つの有望な技術において、酸素の存在下でイオン伝導
を示す固体電解質物質がエレクトロケミカル・ガスポン
プにおいて使用されている。ガス混合物中の酸素濃度は
、固体電解質物質を通しての拡散により支配される電流
流れにより決定される。この技術は、ガス混合物中の酸
素濃度に直線的に比例する信号出力を提供する。ポンプ
の両電極間に一定電圧を提供するのに簡単な電源の使用
ですむ。直列レジスタが分析されるガス中の酸素濃度に
比例する出力信号を発生するのに使用される。

が　　しよ　とする この型式のセンサば、印加電圧の形でのエネルギーを必
要とする。必要とされる印加電圧は、電流密度、温度及
び酸素濃度の関数である。適用電圧が低いか、温度が低
いか或いは酸素濃度が高いなら、ポンピング電流と酸素
濃度との間に観測される関係は非線形である。もし適用
電圧が高過ぎるか、温度が高過ぎるか或いは酸素濃度が
低いなら、Ｈ２ＯやＣＯ□のような他の種酵素含有成分
或いは固体電解質物質自体が解離して、出力信号におけ
る誤電流をもたらす。加えて、固体電解質物質を通して
の酸素のポンピングはエネルギーを消費し、そして電解
質物質のオーム極性もまた温度及び電流密度の関数であ
る。斯（して、高い電流密度或いは低い温度においては
、電解質物質の抵抗を克服するために余剰の電圧が必要
とされる。

これら問題の故に、この技術に基づいて従来得られたガ
スセンサ素子は、動作温度範囲が制限された。加えて、
幾つかのセンサの電極はガス流れに曝露される。ある期
間の使用後、電極に必要とされる適用電圧の量が変わり
、これは出力信号のエラーにつながる。ガスセンサに対
する適正動作温度範囲を維持するためには加熱素子が必
要とされる。加熱素子は高い動作温度における構成材料
の不安定性の故に、寿命が短いものとなり易い。

ある種の装置は、ガスポンプの動作と関与する拡散機構
の故に圧力依存性の信号しか出力しない。

現在得られる装置の大半は、動作可能であるためにはか
なり高い電圧を必要とし、従って生じる高い温度におい
て解離による誤電流を含む危険性がある。

＝８を　゛するための 本発明はこうした課題を解決することを目的とする。

本発明に従うガスセンサ素子は、検出されるべきガスの
存在下でイオン伝導を示す固体電解質物質本体を含む。

第１室がそこと固体電解質物質本体外部との間を結ぶ通
路を備えて該本体内部に配置される。第２室が本体内部
に第１室から離間して配置される。第２室と本体外部と
の間に通路が設けられる。第１電極は第１室に面するタ
ブ部分を有する。第２電極は第２室に面するタブ部分を
有する。検出されるべきガスは、第１及び第２電極間へ
の電圧の適用に際して一方の室から他方の室へと介在す
る固体電解質を通してポンピングされる。

本発明に従うガス検出組立体は、ガスセンサ素子と２つ
のセラミックヒータを含んでいる。ガスセンサ素子は、
検出されるガスの存在下でイオン伝導を示す固体電解質
物質本体を備える。該本体は一般に直方体形態を有し、
主上面と主下面とを備える。本体は該上面の下側に配置
される第１室を含んでいる。第２室が該下面上方に且つ
第１室の丁度下側に配置され、固体電解質物質本体材料
が第１及び第２室間に介在する。第１室から本体外部に
通路が設けられ、第２室から本体外部まで通路が設けら
れる。第１電極は第１室に面するタブ部分を有し、第２
電極は第２室に面するタブ部分を有する。セラミックヒ
ータの各々は、平行な第１及び第２の平面状の主面を具
備する全体的に細長い矩形状の窒化珪素製基板を含んで
いる。伝導材料の薄い層が、基材の第１表面に抵抗加熱
要素とそこへの電導性リードとを形成するようなパター
ンを形成して付着される。セラミックヒータの一方は、
ガスセンサ素子と熱伝達関係で組み付けられる。この場
合、セラミックヒータの基板の第２主面がガスセンサ素
子の本体の主上面と対面する。他方のセラミックヒータ
も、やはりセラミックヒータの基板の第２主面がガスセ
ンサ素子本体の主下面と対面するようにしてガスセンサ
素子と熱伝達関係で組み付けられる。

本発明に従うガス検出装置は、検出されるべきガスの存
在下でイオン伝導を示す固体電解質物質本体を含むガス
センサ素子を備える。本体は一般に細長い、直方体形態
を有しそしてその一端に隣り合ってガスポンプを有して
いる。ガスポンプの電極に接続されるリード線はガスセ
ンサ素子の他端から伸延する。本装置はまた、一端に隣
り合って抵抗加熱要素を具備する、ほぼ細長い長方形状
のセラミックヒータをも含んでいる。抵抗加熱素子に接
続されるリード線は他端から伸延する。取付はカラーが
セラミックヒータをガスセンサ素子と熱伝達関係として
ガスセンサ素子とセラミックヒータとを支持する。ガス
ポンプを含むガスセンサ素子の固体電解質物質本体の一
端並びに抵抗加熱素子を含むセラミックヒータの一端は
取付はカラーの一方側に位置付けられる。電極リードは
、取付はカラーの反対側に置かれる。シールド部材が、
取付はカラーの一方側に配置されるガスセンサ素子及び
セラミックヒータ部分を包被する。シールド部材は取付
はカラーと接触状態にありそしてそれと気密シールを形
成する。シールド部材は分析されるべきガスがシールド
部材と取付はカラーとによって形成された試験室に流入
することを許容するように少なくとも一つに開口を具備
している。外部コネクタ手段が、ガスセンサ素子及びセ
ラミックヒータからのリード線に接続されて、そこへの
電気的接続を許容する。

及五五Ω１１ ここで記載されるガスセンサ素子は、ガス、特には酸素
の存在下でイオン伝導を示す固体電解質物質体を使用す
る。酸素と共にこの現象を示すものとして周知の物質は
、イツトリア（Ｙａｋｓ　）安定化ジルコニア（Ｚｒ０
ａ　）である。

ガスセンサ素子１０が第１図に分解図で示されている。

ガスセンサ素子１０は、７枚のイツトリア安定化ジルコ
ニアの層即ち積層材１１〜１７から成る。これら積層体
が固体電解質物質本体を構成する。積層材１１〜１７は
、例えば９２モル％ジルコニア粉末と８モル％イツトリ
ア粉末との混合物であるイツトリア安定化ジルコニア粉
末から作製される。例えば、こうした混合粉末は、Ｔｏ
ｙ。

５ｏｄａ　ＵＳＡ社から市販されるＴＺ−Ｙ８イツトリ
ア安定化ジルコニア粉末として表示されるものである。

イツトリア安定化ジルコニア粉末とポリビニルブチラー
ル（例えばＴａｍ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ、　Ｉｎｃ、から
販売されるＣｅｒｂｉｎｄ　＃　７３２１６　）バイン
ダーとからスラリーが調製される。スラリーは、例えば
５４重量％粉末及び４６重量％バインダーから成る。混
合物は、ジルコニアボールを混合用媒体として１８時間
ボールミリングされる。混合後、スラリーはそこに捕捉
空気が残留していないことを保証するために例えば３０
ｍｍＨｇの真空に１〜２分曝露される。スラリーは例え
ば５２ミルの厚さを設定するドクターブレードを使用し
てフィルム状に流し込まれる。フィルムは開放大気中で
３〜４時間乾燥されそして乾燥後フィルム厚さは約１０
〜１２ミルである。フィルムは、例えば１．９インチＸ
０．４２６インチの矩形積層材として適当な寸法に切断
される。

ガスセンサ素子におけるガス室を形成することになる穴
２１および２２が２枚の積層材、即ち一番上から次の積
層材１２と一番下から次の積層材１６を貫いてパンチン
グすることにより生成される。穴は例えば０．２５０イ
ンチ直径である。

これら積層材の゛あるものに電極が形成される。

電極は、酸素を吸収しそして酸素をイオンに解離する触
媒として作用する多孔質電導性材料から成る。使用され
る特定材料は白金（ｐｔ）である。

電極２５．２６．２７及び２８が、−格上の積層材１１
、上から３番目の積層材１３、下から３番目の積層材１
５及び−格下の積層材１７表面にそれぞれ形成される。

電極は白金インキを適当な表面上にスクリーン印刷する
ことにより積層材上に形成される。使用されつる白金イ
ンキの例は、Ｅｎｇｅｌｈａｒｄ　Ｃａｒｐ、から表示
Ａ４３３８として市販されるものである。このインキは
＃３２５メツシュスクリーンを通して塗布される。

電極の各々は一端にガス室を形成する穴２１及び２２と
少なくとも同じ寸法である拡大タブ部分を有する。タブ
は各電極組のタブが組立体の関連するガス室を挟んで対
面するように積層材に位置決めされる。電極は関連する
積層材の長さに沿って伸延しそして２９及び３０として
表示される孔に隣り合うように積層材の端部で終端する
。孔２９及び３０は後に述べるように積層材の組立後積
層材に形成される。電極は、一方の組を構成する上方の
電極２５及び２６が孔２９においてのみ導通しそして他
方の組を構成する下方の電極２７及び２８が孔３０との
み導通するように、関連する積層材上に配列される。

各ガス室とガスセンサ素子外部との間を繋ぐ被分析ガス
用の通路がオリフィス３１及び３２によって与えられ、
これらは積層過程中ガス室２１及び２２それぞれと素子
外部との間に形成される。

別法としては、各ガス室２１及び２２とセンサ素子外部
との間の通路はガス室２１及び２２それぞれの上及び下
の領域で多孔質である最上及び最下積層材１１及び１７
を使用することにより提供されつる。オリフィス３１及
び３２を形成するためには、容易に消失するプラスチッ
クワイヤあるいは他の適当なフィラメント材料が積層材
を積層のため積み重ねるに際して積層材１１及び１２の
間並びに積層材１６及び１７の間に置かれる。例えば積
層は６０℃の温度で行なわれそして積層材は例えｌｋ３
０ｍｍＨｇの真空中で１０００ｐｓｉの圧力の下で１０
〜１５分プレスされる。無灰？戸紙製のディスクが、積
層プロセス中穴壁が潰れるのを防止するために積層作業
前に穴２１及び２２内部に置かれる。

積層後、ガス室形成穴２１及び２２それぞれからセンサ
素子本体縁面まで伸びるオリフィス３１及び３２（第２
図）は、積層前に置かれたフィラメント材料を燃やすこ
とにより形成される。孔２９及び３０が積層体を通して
穿孔（例えばドリル加工）される。一般に、直方体形態
である生成積層体はその後、ベークアウト及び焼結過程
の下に置かれる。積層体の温度は、例えば、室温から４
００℃まで１５時間にわたりそして４００℃から１５０
０℃まで２時間にわたり昇温される。積層体は１５００
℃で１時間加熱されそして後２時間かけて室温まで冷却
される。このプロセスは開放大気中で実施される。

第２図に例示されるような完成ガスセンサ素子例におい
て、ガス室２１及び２２の各々は例えば約０．１７５イ
ンチ直径及び０．　ＯＯ２５インチ高さである。オリフ
ィス３１及び３２は約ｏ、ｏｏｔ５インチ直径でありそ
してガス室から素子外面までは約０．０５インチ長さを
有する。

第２図に例示されるように、５ミルの銀線製とされうる
リード線３７が孔２９を通して２つの上方電極２５及び
２６に付設される。同様に、リード線３８が孔３０を介
して２つの下方電極２７及び２８に付設される。リード
線３７及び３８はそれぞれの孔２９及び３０を通して結
線される。白金ペーストが良好な電気的接触を保証する
ため被覆される。リード線３７及び３８は絶縁と保護の
ためにガラスファイバチューブで被覆される。

第１及び２図のガスセンサ素子は、その一端における狭
い縁表面に隣り合って酸素ポンプを形成する。一方組の
電極２５及び２６と他方組の電極２７及び２８との間に
適用された電圧がオリフィス３１或いは３２を経てガス
室２１あるいは２２の一方に侵入する酸素をイオン化せ
しめる。イオンはイツトリア安定化ジルコニアを通して
他方の室に流れる。測定される電流流れは、ガスセンサ
素子が曝露されているガス混合物中の酸素の濃度の目安
である。

ガス検出組立体は、ガスセンサ素子１０と組み合わせて
使用される２つのセラミックヒータ５０を使用する。第
３図に例示されるような各セラミックヒータ５０は、窒
化珪素セラミック材料製の矩形状の部片である基板を使
用する。基板は１例えば約１．２インチ×０．３インチ
寸法でありそして４０ミル厚さを有する。窒化珪素材料
は好ましくは高密度化窒化珪素である。詳しくは、この
材料は、Ａ１２０ｍ　、　Ｙ、０．或いはＭｇＯを高密
度化助剤として使用することにより形成されるものであ
り、例えば米国特許第４．３８３．９５８　、４．６０
３．１１６及び４．６０８．３５４号に記載されるよう
にして形成される。

ジグザグ模様の抵抗加熱要素５１とそこからの電導性リ
ード５２及び５３が、セラミック基板の平坦主面上にス
クリーン印刷により形成される。

例えば、Ｅｌｅｃｔｒｏ−３ｃｉｅｎｃｅ　Ｌａｂｓか
ら入手しうる白金インキ＃５５４４が＃３２５メツシュ
篩を通して塗布される。加熱要素５１並びにリード５２
及び５３のパターンが被覆された後、基板は大気中で焼
成される。例えば、温度は室温から１２５０℃まで２時
間かけて昇温され、１２５０℃での焼成が１０分実施さ
れ、室温への冷却が２時間にわたって行なわれる。穴５
４及び５５が、ヒータ基板の抵抗加熱要素５１とは反対
側の端部において印刷された電導性リード５２及び５３
に形成される。５ミル銀線としうるリード線５６及び５
７が穴５４及び５５を通りそしてリード５２及び５３と
それぞれ電気的接触を為す。銀ペーストが良好な電気的
及び物理的接触を保証するために被覆され、そしてリー
ド線５６及び５７はガラスファイバスリーブで保護され
る。セラミックヒータのあるものにおいて、開口５８が
電導性リード材料により被覆されていない領域において
、但し抵抗加熱要素５１に近接して基板を貫いて形成さ
れる。

第４図は、２つのセラミックヒータ５０間に挾まれるガ
スセンサ素子１０を使用しそして例えば内燃機関からの
排ガス管内部に取り付けるに適したガス検出装置を例示
する。第５図に例示されるように、ガスセンサ素子１０
．２つのセラミックヒータ５０そしてまた熱電対６０が
取付はカラー６１内に装着される。各セラミックヒータ
５０の抵抗加熱要素を含む表面とは反対の平坦な主面は
ガスセンサ素子１０の主面と緊密な物理的及び熱伝達接
触状態にある。取付はカラー６１は、例えばＬｅｅｄｓ
　ａｎｄ　Ｎｏｒｔｈｒｏｐ　（：ｏｍｐａｎｙ社から
購入しうる＃５０２−６００機械加工可能なセラミック
から作製される。取付はカラー６１は円形断面を有しそ
してその周辺の前後側において面取りした或いはテーパ
づけされた縁辺６３及び６４を有する。

ガスセンサ素子１０とセラミックヒータ５０は取付はカ
ラー６１の中央開口を貫入する。セラミックヒータ５０
の端部における抵抗加熱要素はガスセンサ素子１０の端
部におけるガスポンプに近接し取付はカラー６１より前
方側にある。ガスセンサ素子及びセラミックヒータの、
リード線を取り付けた、上記と反対の端部は取付はカラ
ー６１の背後側へと伸延する。熱電対６０は、−格上の
セラミックヒータ６０における開口５８内に嵌入しそし
てそのリード線６６及び６７は取付はカラー６１の開口
６２を貫いてその背後側へと伸延する。

組立てられた要素はセラミック製取付はカラー６１の開
口６２内に適当なセラミックセメント、例えばＬｅｅｄ
ｓ　ａｎｄ　Ｎｏｒｔｈｒｏｐ　Ｃｏｍｐａｎｙ社から
購入しつるスタンダード３３３３フオーリンジヨイント
セメントにより封着される。セメントが被覆された後、
セメントは室温で２４時間大気乾燥され、続いて１００
℃のオーブン内で１時間アニールされる。硬化したセラ
ミックセメント６５は取付けカラー６１の背後側で組み
立てられた要素の端部を完全に取り巻（塊の形をなす。

セメント６５は取付はカラーの表面に密着して要素の周
囲に気密シールを形成しそして開口６２をシールする。

ガスセンサ素子、セラミックヒータ及び熱電対からのリ
ード線は気密シールを破ることな（セメント６５を貫い
て引き出される。

中空筒状ハウジング部材７０は一端に外側に拡開する部
分即ちフランジ７１を有する。７つの接点部材７３を貫
通状態で有する標準的な電気的コネクタ７２が、ハウジ
ング部材７０の他端に装着される。組立てられた素子か
らのリード線は中空筒状ハウジング部材を通して伸び、
コネクタ７２の接点部材７３に接続されて、そこへの電
気的接続を可能ならしめる。ハウジング部材７０の端に
おけるフランジ７１は取付はカラー６１の面取り表面６
４に衝接しそして以下に述べるようにそこと密接状態に
保持される。

組立てられた素子の、ガスポンプ及び抵抗加熱ヒータを
含みそして取付はカラー６１の前側から伸延する能動部
分は、シールド部材８０により包囲される。好ましくは
ステンレス鋼製とされつるシールド部材は筒状でありそ
して一端において閉成される。他端は、取付はカラー６
１の面取り表面６３と合着するように外側に拡開する部
分即ちフランジ８１を有する。シールド部材８０は、そ
れと取付はカラー６１とによって形成される包囲試験室
に分析されるべきガスが侵入することを可能ならしめる
ようにその壁を貫く単数乃至複数の開口８２を有する。

試験室には、取付はカラーの前面から突出する組立て素
子部分を取り巻いて多孔質断熱材８５が充填される。断
熱材８５はダミーのセンサ組立体の周囲にガラス繊維材
料を巻き付けそして後ガラス繊維電気用テープを巻くこ
とにより予備成形される。ガラス繊維を巻き付けたダミ
ーのセンサ組立体はシールド部材中に挿入される。この
組体が６５０℃で３０分焼成され、ガラス繊維断熱体及
びテープ中のバインダーを燃やして除去する。その後、
ダミーセンサ組立体が取り除かれそして断熱材８５を然
るべ（配したシールド部材８０はガスセンサ組体にフラ
ンジ８１を取付はカラー６１の面取り縁部に衝接して組
み付けられる。

ハウジング部材７０とシールド部材８０とは共にグラン
ドナツト９０及びハウジングナツト９１から成る締着構
造体により取付はカラー６１に対して然るべく締着され
る。グランドナツト９０（これはコネクタ７２の付設前
にハウジング部材７０周囲に装着される）は、ハウジン
グ部材７０のフランジ７１に当接するよう面取り或いは
テーバづけ表面９２を有する。グランドナツト９０は面
取り或いはテーバづけ表面９２に隣り合う前方領域に外
部ネジ９３を有する。ハウジングナツト９１はグランド
ナツトの外部ネジ９３と合致するようその後端部におい
て内部ネジ９５を有し、そしてその中間領域においてシ
ールド部材８０のフランジ８１に当接するテーバ表面９
６を有する。

グランドナツト９０及びハウジングナツト９１は互いに
締め付けられてハウジング部材７０とシールド部材８０
とを取付はカラー６１の両端に密着状態に押しやる。グ
ランドナツト９０の面取り或いはテーバづけ表面９２は
、ハウジング部材７０のフランジ７１を取付はカラー６
１の面取り表面６４に密着状態に締着しそしてハウジン
グナツト９１のテーバづけ表面９６はシールド部材８０
のフランジ８１を取付はカラー６１の面取り表面６３に
密着状態に締着する。ハウジングナツト９１、シールド
部材８０及び取付はカラー６１間の物理的連結は気密シ
ールである。ハウジングナツト９１はシールド部材８ｏ
を分析されるべきガス雰囲気中に突出せしめた状態で装
置を取り付けつるようにネジ付き外面９７を有する。

第６図は、ガス混合物中の酸素濃度を測定するための装
置への電気的的接続を例示する概略図である。２つのセ
ラミックヒータ５０がらのリード線５６及び５７並びに
熱電対６０からのリード線６６及び６７がヒータ制御装
置１００に接続される（リード線５６は共通に接続され
るものとして示しである）。ヒータ制御装置はセラミッ
クヒータ５０に２４〜３０　Ｖ　（ＡＣ）において電力
を提供する。その温度は熱電対６０により検出されそし
てヒータ制御装置１００はガスセンサ組立体を装置作動
のために所望される温度水準に維持するよう機能する。

ガスセンサ素子の一方のリード線３８は正の電圧源（約
３　Ｖ　（ＤＣ））に接続されそして他方のリード線３
７は直列レジスタ１０１を介して接地される。レジスタ
１０１の両端の電位が適当な計器により測定されて、ガ
スセンサ素子１ｏを通しての電流を測定する。

第７図は、以上説明したガスセンサ素子の異なった動作
温度での測定出力をプロットしたものである。印加電圧
は２組の電極と１００Ωの直列抵抗を通して５００ｍＶ
の分極を発生するようなものである。

工旦」と夾里 記述した装置は４５０〜８００℃の温度において０．１
％濃度から空気酸素濃度までの酸素を測定することが出
来る。装置は比較的簡単でありそしておおよそ標準的な
自動車の点火プラグの寸法及び形態のものと為し得る。

測定出力電流は分析される排気ガス中の酸素の濃度に関
して直線的である。本装置を使用した場合、限界電流密
度は殊に基準ガスとして空気を使用して４５０℃におい
て低く維持され、電流密度範囲は０．８〜３　ｍＡ／ｃ
ｍ”である。装置は５００ｍＶの適用分極しか要しない
から、固体電解質物質の還元は起こらない。

各ガス室において一組２枚の電極を持つ２重電極設計の
使用は高いポンピング効率を提供する。

電極は、露出電極表面へのガスの接近を与える極小さな
オリフィスを備えるガス室を除いては完全に包囲されて
いる。従って、電極はガス侵食及び汚染から良好に防護
される。窒化珪素製ヒータはガスポンプの動作中温度安
定性を提供する。窒化珪素製ヒータの性能及び使用寿命
は窒化珪素材料の耐熱衝撃性により優れている。

ガスセンサ組立体はセラミックヒータにより発生しそし
てガスセンサ素子に伝達される熱を検出するための良好
な位置に配置される熱電対を含み得る。要求に応じ、シ
ールド部材の異なった型式のものが使用されつる。圧力
依存性の測定及びガス中の酸素濃度の変化への迅速応答
のためには、シールド部材の排気ガス曝露部分に複数の
開口が設けられる。圧力に依存しない測定及び酸素濃度
変化への遅い応答のためには、単一の開口がシールド部
材にハウジングナツトの前端より後方にハウジングナツ
トとシールド部材との間に試験される排気ガス用の通路
を備えて設けられる。

以上、本発明について具体的に説明したが、本発明の範
囲内で多（の改変を為しうることを銘記されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従うガスセンサ素子の構成部品の分
解図である。 第２図は、本発明に従うガスセンサ素子の組立て状態の
斜視図である。 第３図は、本発明に従うガス検出装置において使用され
るセラミックヒータの斜視図である。 第４図は、本発明に従うガス検出装置の垂直断面図であ
る。 第５図は、第４図の装置の中心部の斜視図である。 第６図は、第４図の装置と共に使用される電気回路の概
略図である。 第７図は、異なった温度において様々の酸素濃度での本
ガス検出装置の出力測定曲線を例示するグラフである。 ｌＯ：ガスセンサ素子 １１〜１７：積層材 ２１．２２：穴（ガス室） ３１．３２ニオリフィス ２５〜２８：電極 ２９．３０：孔 ３７．３８：リード線 ５０：セラミックヒータ ５１：抵抗加熱要素 ５２．５３：リード ５６．５７：　リード線 ６０：熱電対 ６１：取付はカラー ６３．６４：面取り部 ６５：セメント ７０：ハウジング部材 ７１：フランジ ７２：コネクタ ８０：シールド部材 ８１：フランジ ８２：開口 ８５：断熱材 ９０ニゲランドナツト ９１：ハウジングナット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）検出されるべきガスの存在下でイオン伝導を示す固
   体電解質物質から成る本体と、 該本体内の第１室と、 該第１室と前記本体外部との間の通路と、 前記本体内部に前記第１室から離間して配置される第２
   室と、 該第２室と本体外部との間の通路と、 前記第１室に面するタブ部分を有する第１電極と、 前記第２室に面するタブ部分を有する第２電極と を包含し、検出されるべきガスが前記第１及び第２電極
   間への電圧の適用に際して一方の室から他方の室へと介
   在する固体電解質を通してポンピングされることを特徴
   とするガスセンサ素子。 ２）第１室を挟んで互いに対面するタブ部分を有する第
   １組の２つの電極と、 第２室を挟んで互いに対面するタブ部分を有する第２組
   の２つの電極と を含み、検出されるべきガスが前記第１組の電極及び第
   ２組の電極間への電圧の適用に際して一方の室から他方
   の室へと介在する固体電解質を通してポンピングされる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガスセン
   サ素子。 ３）本体が全体的に直方体状でありそして主上面と主下
   面とを有し、 第１室が前記主上面の下方に配置されそして第２室が前
   記主下面上方で且つ第１室の丁度下方に配置され、そし
   て固体電解質本体材料が該第１及び第２室間に介在し、 第１オリフィスが該第１室から前記主面に平行に伸延し
   そして該主面に直交する縁表面において終端し、 第２オリフィスが該第２室から前記主面に平行に伸延し
   そして該主面に直交する縁表面において終端し、 第１組の２つの電極と第２組の２つの電極とが平坦で且
   つ平面状であり、そして前記主面に平行に存在し、 第１組の電極の一方がタブ部分を第１室の上壁面を覆っ
   て配置せしめそして第１組の電極の他方がタブ部分を第
   １室の下壁面を覆って配置せしめ、そして 第２組の電極の一方がタブ部分を第２室の上壁面を覆っ
   て配置せしめそして第２組の電極の他方がタブ部分を第
   ２室の下壁面を覆って配置せしめた 特許請求の範囲第２項記載のガスセンサ素子。 ４）第１及び第２室の各々が本体の狭い方の縁表面の一
   方に隣り合って位置付けられ、 第１及び第２電極の各々がタブ部分から伸延しそして本
   体の狭い方の縁表面の他方に隣り合って終端し、 第１組の２つの電極が共通の電気的接続が為されるよう
   に互いに近接して終端し、そして第２組の２つの電極が
   共通の電気的接続が為されるように互いに近接して終端
   する 特許請求の範囲第３項記載のガスセンサ素子。 ５）固体電解質物質がイットリア−安定化ジルコニアで
   ある特許請求の範囲第４項記載のガスセンサ素子。 ６）電極が検出されるガスのイオン化に触媒として作用
   する電導性材料製の多孔質皮膜である特許請求の範囲第
   ４項記載のガスセンサ素子。 ７）電極電導性材料が白金である特許請求の範囲第６項
   記載のガスセンサ素子。 ８）酸素をイオン伝導する固体電解質物質の積層材から
   成る一体化本体を備え、 該本体が主上面と主下面とを備える、一般に直方体状で
   あり、 積層材の各々は主上面と主下面とを有するほぼ矩形状を
   有し、 上から２番目の積層材はその主上面から主下面まで貫通
   する穴を有し、 一番上の積層材はその主下面に付着されそして前記上か
   ら２番目の積層材における穴を覆って配置されるタブ部
   分を有する電導性材料層の電極を有し、 上から３番目の積層材はその主上面に付着されそして前
   記上から２番目の積層材における穴を覆って配置される
   タブ部分を有する電導性材料層の電極を有し、 下から２番目の積層材はその主上面から主下面まで貫通
   しそして前記上から２番目の積層材における穴の丁度下
   方に配置される穴を有し、一番下の積層材はその主上面
   に付着されそして前記下から２番目の積層材における穴
   を覆って配置されるタブ部分を有する電導性材料層の電
   極を有し、 下から３番目の積層材はその主下面に付着されそして前
   記下から２番目の積層材における穴を覆って配置される
   タブ部分を有する電導性材料層の電極を有し、 第１オリフィスが前記上から２番目の積層材における穴
   から該積層材の縁辺表面まで伸延し、そして 第２オリフィスが前記下から２番目の積層材における穴
   から該積層材の縁辺表面まで伸延することを特徴とする
   ガスセンサ素子。 ９）前記穴の各々が関連する積層材の狭い方の縁表面の
   一方に隣り合って位置付けられ、前記電極の各々が前記
   タブ部分から伸延しそして関連する積層材の狭い方の縁
   表面の他方に隣り合って終端し、 一番上及び上から３番目の積層材に付着される電極が共
   通の電気的接続が為されるように互いに近接して終端し
   、そして 一番下及び下から３番目の積層材に付着される電極が共
   通の電気的接続が為されるように互いに近接して終端す
   る 特許請求の範囲第８項記載のガスセンサ素子。 １０）穴が約０．０１７５インチ直径と０．００２５イ
   ンチ高さを有する円穴であり、そして オリフィスが約０．００１５インチ直径と穴から外縁表
   面まで約０．０５インチの長さを有する特許請求の範囲
   第９項記載のガスセンサ素子。 １１）検出されるガスの存在下でイオン伝導を示す固体
   電解質物質から成りそして一般に直方体形態を有し、主
   上面と主下面とを備える本体と、前記本体内で該主上面
   の下側に配置される第１室と、 前記本体内で前記主下面の上方で且つ前記第１室の丁度
   下側に固体電解質物質本体材料を間に介在して配置され
   る第２室と、 前記第１室から主上下面に平行に本体外部まで伸延しそ
   して本体縁表面で終端する第１オリフィスと、 前記第２室から主上下面に平行に本体外部まで伸延しそ
   して本体縁表面で終端する第２オリフィスと、 前記第１室に面するタブ部分を有する第１電極と、 前記第２室に面するタブ部分を有する第２電極と を備えるガスセンサ素子、及び 平行な第１及び第２の平面状の主面を具備する全体的に
   細長い矩形状の窒化珪素製基板と、前記基材の第１表面
   に抵抗加熱要素とそこへの電導性リードとを形成するよ
   うなパターンを形成して付着される薄い電導性材料層と
   を備えるセラミックヒータを含み、前記セラミックヒー
   タの一方は、ガスセンサ素子とセラミックヒータの基板
   の第２主面がガスセンサ素子の本体の主上面と対面する
   熱伝達関係で組み付けられ、そして前記セラミックヒー
   タの他方は、ガスセンサ素子とセラミックヒータの基板
   の第２主面がガスセンサ素子の本体の主下面と対面する
   熱伝達関係で組み付けられることを特徴とするガス検出
   組立体。 １２）前記ガスセンサ素子の室の各々は前記本体の狭い
   方の縁表面の一方に隣り合って位置付けられ、 前記ガスセンサ素子の電極の各々がタブ部分から伸延し
   そして本体の狭い方の縁表面の他方に隣り合って終端し
   、 前記セラミックヒータの各々の基板の第１主面に付着さ
   れる薄い電導性材料層がその一端に隣り合う抵抗加熱要
   素と該抵抗加熱要素から基板他端まで延在する電導性リ
   ードとを形成するパターンをなし、 前記セラミックヒータがその一端を前記ガスセンサ素子
   本体の狭い方の縁表面の一方に隣り合って位置付けされ
   るよう前記ガスセンサ素子と組み立てられる 特許請求の範囲第１１項記載のガス検出組立体。 １３）窒化珪素材料製の、平坦な平面状主表面を有する
   基板と、 前記基板主表面に抵抗加熱要素とそこへの電導性リード
   とを形成するパターンをなして付着される薄い電導性材
   料層と を包含するセラミックヒータ。 １４）全体として細長い矩形状の窒化珪素材料製の、平
   坦な平面状の第１及び第２主表面を有する基板と、 前記基板第１主表面に該基板の一端に隣り合う抵抗加熱
   要素と該抵抗加熱要素から基板他端に隣り合う地点まで
   伸延する電導性リードとを形成するパターンをなして付
   着される薄い電導性材料層と を包含するセラミックヒータ。 １５）基板が高密度化窒化珪素製である特許請求の範囲
   第１４項記載のセラミックヒータ。 １６）電導性材料が基板主面にスクリーン印刷されそし
   て焼成された白金である特許請求の範囲第１５項記載の
   セラミックヒータ。 １７）検出されるべきガスの存在下でイオン伝導を示す
   固体電解質物質本体を含み、該本体は一般に細長い、直
   方体形態を有しそして該本体の一端に隣り合ってガスポ
   ンプを有しそして該ガスポンプの電極に接続されるリー
   ド線が該本体の他端から伸延するガスセンサ素子と、 一端に隣り合って抵抗加熱要素を具備しそして該抵抗加
   熱素子に接続されるリード線が他端から延在する、ほぼ
   細長い長方形状のセラミックヒータと、 前記セラミックヒータと前記ガスセンサ素子とを両者を
   熱伝達関係として支持する取付けカラーにして、該ガス
   センサ素子の本体の一端並びにセラミックヒータの一端
   を取付けカラーの一方側に位置付けそして前記リード線
   を取付けカラーの反対側に置く取付けカラーと、 前記取付けカラーの一方側に配置されるガスセンサ素子
   及びセラミックヒータ部分を包被し且つ前記取付けカラ
   ーと接触状態にありそしてそれと気密シールを形成する
   シールド部材にして、分析されるべきガスがシールド部
   材と取付けカラーとによって形成された試験室に流入す
   ることを許容するように少なくとも一つの開口を具備す
   るシールド部材と、 前記ガスセンサ素子及びセラミックヒータからのリード
   線に接続されて、そこへの電気的接続を許容する外部コ
   ネクタ手段とを包含するガス検出装置。 １８）多孔質断熱材がシールド部材内の試験室を充填し
   、そしてそこに配置されるガスセンサ素子及びセラミッ
   クヒータ部分を包囲する特許請求の範囲第１７項記載の
   ガス検出装置。 １９）セラミックヒータが抵抗加熱素子に隣り合って貫
   通開口を有し、熱電対が該セラミックヒータ開口内に下
   側のガスセンサ素子と物理的接触状態で取付けられ、そ
   してリード線が熱電対から伸延し、外部コネクタ手段が
   熱電対からのリード線に接続されて、熱電対への電気的
   接続を許容する特許請求の範囲第１８項記載のガス検出
   装置。 ２０）検出されるべきガスの存在下でイオン伝導を示す
   固体電解質物質本体を含み、該本体は一般に細長い、直
   方体形態を有して平行な第１及び第２主面を備え、そし
   て該本体の一端に隣り合ってガスポンプを有しそして該
   ガスポンプの電極に接続されるリード線が該本体の他端
   から伸延するガスセンサ素子と、 平行な第１及び第２主面を有するほぼ細長い長方形状の
   セラミックヒータにして、一端に隣り合って抵抗加熱要
   素を具備しそして該抵抗加熱素子に接続されるリード線
   が他端から伸延する２枚のセラミックヒータと、 一側から他側まで貫通する中央開口を具備する絶縁材料
   製取付けカラーにして、前記ガスセンサ素子と２枚のセ
   ラミックヒータとをセラミックヒータの一方の主面をガ
   スセンサ素子の第１主面と緊密な物理的接触状態として
   そしてセラミックヒータの他方の主面をガスセンサ素子
   の第２主面と緊密な物理的接触状態としてまた該ガスセ
   ンサ素子のガスポンプを有する一端並びにセラミックヒ
   ータ各々の抵抗加熱要素を有する一端を取付けカラーの
   一方側に位置付けそして前記ガスセンサ素子及びセラミ
   ックヒータからのリード線を取付けカラーの反対側に置
   くように該中央開口に取り付ける取付けカラーと、 前記ガスセンサ素子及びセラミックヒータを取付けカラ
   ーにおける開口内に封着して該開口の気密シールを提供
   するシール手段と、 前記取付けカラーの一方側に配置されるガスセンサ素子
   及びセラミックヒータ部分を包被しそして前記取付けカ
   ラーと該一方側において接触状態として包囲試験室を形
   成し、分析されるべきガスが該試験室に流入することを
   許容するよう少なくとも一つの開口を具備するシールド
   部材と、前記取付けカラーと前記反対側において接触す
   る一端とそこから離間した他端を有するハウジング部材
   と、 前記ハウジング部材他端に取付けられそして前記ガスセ
   ンサ素子及びセラミックヒータからのリード線に接続さ
   れそしてハウジング部材の外方に突出する接点を有する
   電気的コネクタと、前記シールド部材及びハウジング部
   材を前記取付けカラーとその一方側及び反対側それぞれ
   においてシールド部材が取付けカラーと気密シールを形
   成するようにして保持する固定手段とを包含するガス検
   出装置。