JP2002139468A

JP2002139468A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2002139468A
Application number: JP2000336917A
Authority: JP
Inventors: Keigo Mizutani; 圭吾水谷; Hiroo Imamura; 弘男今村; Tasuke Makino; 太輔牧野; Toshitaka Saito; 利孝斎藤
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】測定時間が短く、ガス感度の大きい、実用性
により優れたガスセンサを提供する。【解決手段】固体電解質体４とこれに接する一対の電
極２１、２２からなり、少なくとも一方の電極２１が、
窒素酸化物等、検出しようとする特定ガス成分を含む被
測定ガス存在空間に面するセンサセル２と、センサセル
２の一対の電極２１、２２間に所定の周波数の交流電圧
を印加して、これら電極間のインピーダンスの虚数成分
を測定するインピーダンス測定手段８を設ける。インピ
ーダンスの虚数成分を計測することで、窒素酸化物等に
対する感度が高くなり、また測定周波数範囲が小さいの
で、実用的で精度よいセンサが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定ガス中の特
定ガス成分濃度を測定するガスセンサに関し、特に、内
燃機関の排ガス中の窒素酸化物や炭化水素等のガス成分
を検出するのに適したガスセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】車両用エンジン等の内燃機関において、
近年、排気エミッションの規制が強化されている。従
来、排気エミッションを改善するための技術としては、
例えば、混合気の空燃比が理論空燃比となるように燃料
噴射量等をフィードバック制御してエミッションの発生
を抑制し、さらに内燃機関から排出される排ガス中のエ
ミッションを三元触媒コンバータにより除去して車外へ
の放出を防止する排気エミッション制御技術が採用され
ている。また、米国では既に自己診断規制（略称ＯＢＤ
−ＩＩ）が開始され、この規制によって、三元触媒コン
バータ等の排気エミッション抑制関連部品の故障を検知
してドライバーに認識させることが義務づけられるとと
もに、ドライバーも故障した排気エミッション抑制関連
部品の修理が義務となっている。

【０００３】これらの経緯を踏まえて、炭化水素や窒素
酸化物等の排気エミッション成分を直接検出できるガス
検出装置の必要性が高まっている。炭化水素や窒素酸化
物を直接検出することによって、燃焼状態や触媒の劣化
を知ることができるので、排気エミッションの制御精度
を高め、あるいは故障診断を確実に行うことができる。

【０００４】このようなガスセンサに固体電解質を用い
たものがある。例えば、特開平８−２７１４７６号公報
には、酸素イオン導電性固体電解質と一対の電極からな
る電気化学的セルを用いたセンサが記載され、窒素酸化
物を還元・分解した時に流れる酸素イオン電流により、
窒素酸化物を検出している。ただし、このセンサは、共
存ガス中に多量の酸素が存在する場合、窒素酸化物の検
出が困難であるため、感度を得るためには前段に酸素を
排気する機構を必要とする。また、センサ出力がμＡオ
ーダーと小さく、ノイズに弱いという問題があった。

【０００５】一方、起電力式の窒素酸化物濃度検出器
が、特開平８−１８９９１４号公報に記載されている。
このセンサは、基準電極にＰｔ、測定電極にＡｕを用
い、基準電極と測定電極での電極反応の違いによって生
じる起電力により、窒素酸化物を検出するものである。
ところが、このセンサでは、ＮＯとＮＯ₂に対する感度
の極性が異なるため、これらのガスが同時に存在すると
出力が相殺されるという問題があった。

【０００６】また、特許第２６９６１０９号公報には、
固体電解質に接して設けた一対の電極間に交流を印加
し、このうちの一方の電極と参照電極の間の電極反応に
起因するインピーダンスの実数成分を測定することによ
って、窒素酸化物濃度を検出するセンサが記載されてい
る。しかしながら、このセンサでは、電極反応に起因す
るインピーダンスの実数成分を検出するために、１００
ｍＨｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲でインピーダンスを計測
する必要がある。このため、測定に時間がかかり、実用
的でなかった。また、電極反応に起因するインピーダン
スの実数成分は、ＮＯｘ濃度の変化に対して、その変化
量が十分でなく、測定誤差が大きくなるという問題があ
った。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明では、
測定時間が短く、ガス感度の大きい、実用性により優れ
たガスセンサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１のガス
センサは、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出する
ためのガスセンサであって、固体電解質体と該固体電解
質体に接して設けられる一対の電極とからなり、上記一
対の電極のうち少なくとも一方の電極が、被測定ガス存
在空間に面するセンサセルと、上記センサセルの上記一
対の電極間に所定の周波数の交流電圧を印加し、上記一
対の電極間のインピーダンスの虚数成分を測定するイン
ピーダンス測定手段とを有し、上記インピーダンス測定
手段で測定された上記インピーダンスの虚数成分の値か
ら上記特定ガス成分濃度を検出することを特徴とする。

【０００９】上記センサセルの上記一対の電極間のイン
ピーダンスは、検出しようとする上記特定ガス成分濃度
に依存して変化する。特に、インピーダンスの虚数成分
は、実数成分よりも、窒素酸化物や炭化水素等のガスに
対する感度が大きく、印加する交流電圧の周波数範囲も
小さいので、上記インピーダンス測定手段で、上記イン
ピーダンスの虚数成分を測定することで、測定時間が短
く、ガス感度の大きいガスセンサを得ることができ、実
用性が大きく向上する。

【００１０】請求項２のガスセンサは、固体電解質体と
該固体電解質体に接して設けられる一対の電極とからな
り、上記一対の電極のうち少なくとも一方の電極が、上
記被測定ガス存在空間に面するセンサセルと、上記セン
サセルの上記一対の電極間に所定の周波数の交流電圧を
印加し、上記一対の電極間の静電容量を測定する静電容
量測定手段を有し、上記静電容量測定手段で測定された
静電容量の値から上記特定ガス成分濃度を検出すること
を特徴とする。

【００１１】上記インピーダンス測定手段の代わりに、
上記センサセルの上記一対の電極間の静電容量を測定す
る静電容量測定手段を設けることもできる。静電容量
も、上記特定ガス成分濃度に依存して変化し、測定時間
が短く、ガス感度が大きい、実用性の高いガスセンサが
得れらる。

【００１２】請求項３のガスセンサは、上記請求項１ま
たは２記載のガスセンサ構成に加えて、さらに、所定の
酸素濃度ガスが導入される基準ガス空間と、酸素イオン
導電性の固体電解質体と該固体電解質体に接して設けら
れる一対の電極とからなり、上記一対の電極の一方の電
極が上記被測定ガス存在空間に面し、他方の電極が上記
基準ガス空間に面して、上記一対の電極間に上記被測定
ガス存在空間の酸素濃度に依存した電圧または電流を発
生する酸素センサセルとを備えている。

【００１３】上記酸素センサセルを用いて上記被測定ガ
ス存在空間の酸素濃度を測定し、上記センサセルで測定
した上記特定ガス成分濃度を補正すれば、測定精度をよ
り高めることができる。

【００１４】請求項４のガスセンサは、上記被測定ガス
が所定の拡散抵抗を有する拡散抵抗手段を介して導入さ
れる内部空間と、酸素イオン導電性の固体電解質体と該
固体電解質体に接して設けられる一対の電極とからな
り、上記一対の電極のうち少なくとも一方の電極が、上
記内部空間に面するセンサセルと、酸素イオン導電性の
固体電解質体と該固体電解質体に接して設けられる一対
の電極とからなり、上記一対の電極への通電により上記
内部空間に酸素を出し入れするポンプセルと、上記セン
サセルの上記一対の電極間に所定の周波数の交流電圧を
印加し、上記一対の電極間のインピーダンスの虚数成分
を測定するインピーダンス測定手段とを有し、上記イン
ピーダンス測定手段で測定された上記インピーダンスの
虚数成分の値から上記特定ガス成分濃度を検出すること
を特徴とする。

【００１５】上記ガスセンサにおいて、上記被測定ガス
は、所定の拡散抵抗の下に上記内部空間に導入される。
上記内部空間内は、上記ポンプセルによって所定の酸素
濃度に制御可能であるので、上記センサセルの上記一対
の電極のうち少なくとも一方の電極を上記内部空間に面
して設けることで、酸素濃度の影響を小さくすることが
できる。

【００１６】請求項５のガスセンサは、上記被測定ガス
が所定の拡散抵抗を有する拡散抵抗手段を介して導入さ
れる内部空間と、酸素イオン導電性の固体電解質体と該
固体電解質体に接して設けられる一対の電極とからな
り、上記一対の電極のうち少なくとも一方の電極が、上
記内部空間に面するセンサセルと、酸素イオン導電性の
固体電解質体と該固体電解質体に接して設けられる一対
の電極とからなり、上記一対の電極への通電により上記
内部空間に酸素を出し入れするポンプセルと、上記セン
サセルの上記一対の電極間に所定の周波数の交流電圧を
印加し、上記一対の電極間の静電容量を測定する静電容
量測定手段とを有し、上記静電容量測定手段で測定され
た静電容量の値から上記特定ガス成分を検出することを
特徴とする。

【００１７】上記静電容量測定手段を備えるガスセンサ
においても、上記内部空間と上記ポンプセルを設けるこ
とによって、酸素濃度の影響を小さくする同様の効果が
得られる。

【００１８】請求項６のガスセンサは、上記請求項４ま
たは５記載のガスセンサ構成に加えて、さらに、所定の
酸素濃度ガスが導入される基準ガス空間と、酸素イオン
導電性の固体電解質体と該固体電解質体に接して設けら
れる一対の電極とからなり、上記一対の電極の一方の電
極が上記内部空間に面し、他方の電極が上記基準ガス空
間に面して、上記一対の電極間に上記内部空間の酸素濃
度に依存した電圧を発生する酸素センサセルとを備えて
おり、上記酸素センサセルの一対の電極間の電圧値が所
定の値となるように、上記ポンプセルの一対の電極間の
電圧を制御する。

【００１９】上記酸素センサセルを用いて上記内部空間
の酸素濃度を測定し、これを基に、上記ポンプセルを制
御すれば、測定精度をより高めることができる。具体的
には、上記酸素センサセルの出力電圧が所定の値となる
ように上記ポンプセルを制御することで、上記内部空間
の酸素濃度が一定値に保たれ、酸素濃度の影響を小さく
することができる。

【００２０】請求項７のガスセンサは、上記各ガスセン
サ構成において、さらに、上記センサセルの前段に設置
される酸化触媒層を有しており、被測定ガス中の窒素酸
化物を上記特定ガス成分として検出するものである。

【００２１】上記センサセルの前段に酸化触媒層を設置
すると、ＮＯｘ検出の際、妨害ガスとなる可燃性ガスが
燃焼できるため、精度が向上する。また、酸化触媒層に
より被測定ガス中のＮＯが酸化されてＮＯ₂となる。上
記各ガスセンサは、窒素酸化物の中でもＮＯ₂に対する
感度が高いので、ＮＯを含む窒素酸化物全体の濃度を測
定する場合に有利である。

【００２２】請求項８のガスセンサは、上記各ガスセン
サ構成において、上記センサセルの上記少なくとも一方
の電極をＲｈを主成分金属として含有する電極とする。

【００２３】上記被測定ガス空間または内部空間に面
し、検出しようとする窒素酸化物等のガスに晒される電
極には、これらガスに対する感度の高い電極を用いると
よく、具体的には、Ｒｈを主成分金属として含有する電
極が好適に用いられる。

【００２４】請求項９のように、上記各ガスセンサ構成
において、上記センサセルの一対の電極間に印加する交
流電圧の周波数は、１〜１００Ｈｚの範囲とするのがよ
い。

【００２５】本発明のガスセンサが、検出しようとする
特定ガス成分に感度を有するのは、これらガスの存在に
より電極反応速度が変化するからと考えられる。上記セ
ンサセルに印加する交流電圧の周波数は、この電極反応
の影響が大きく現れる１〜１００Ｈｚとするのがよく、
インピーダンスの虚数成分や静電容量の変化に基づくガ
ス濃度の検出を効果的に行うことができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
について図１〜４を用いて説明する。図１は本発明のガ
スセンサの全体断面図で、例えば、内燃機関の排気ガス
中の特定ガス成分を検出するために用いられる。図１に
おいて、筒状ハウジングＨ内には、絶縁材に外周を保持
せしめてガスセンサ本体部１が収納されている。該ガス
センサ本体部１は細長い平板状で、その先端部（図の下
端部）は、ハウジングＨより突出して図の下方に延び、
ハウジングＨの下端に固定される容器状の排気カバーＨ
１内に位置している。排気カバーＨ１は、ステンレス製
の内部カバーＨ１１と外部カバーＨ１２の二重構造とな
っており、これらカバーＨ１１、Ｈ１２の側壁と底壁に
は、被測定ガスである排気ガスを排気カバーＨ１内に取
り込むための排気口Ｈ１３、Ｈ１４がそれぞれ形成して
ある。

【００２７】ハウジングＨの上端には、筒状のメインカ
バーＨ２１とその後端部を被うサブカバーＨ２２とから
なる大気カバーＨ２が固定されており、ハウジングＨよ
り突出する上記ガス検出部１の後端部（図の上端部）、
および該後端部に接続されるリード線Ｈ３を保護してい
る。メインカバーＨ２１およびサブカバーＨ２２は、そ
の側壁の対向位置に大気口Ｈ２３、Ｈ２４をそれぞれ有
して、これら大気口Ｈ２３、Ｈ２４より基準酸素濃度ガ
スである大気を、大気カバーＨ２内に取り込むようにな
している。また、大気口Ｈ２３、Ｈ２４の形成部位にお
いて、メインカバーＨ２１とサブカバーＨ２２の間に、
防水のために撥水性のフィルタＨ２５を設置している。
大気カバーＨ２は上端が開口しており、リード線Ｈ３の
他端がこの上端開口より外部に延びている。

【００２８】図２（ａ）、図３は各々、ガスセンサ本体
部１の先端部の模式的断面図および展開図である。ガス
センサ本体部１は、センサセル２、酸素センサセル３を
構成するためのシート状の固体電解質体４と、基準ガス
空間Ａを形成するためのシート状のスペーサ５と、これ
らを加熱するためのヒータ６とが、順に積層された構成
を有している。

【００２９】センサセル２は、被測定ガス中の特定ガ
ス、例えば、窒素酸化物や炭化水素の濃度を検出するた
めのもので、ジルコニアやセリア等の酸素イオン導電性
を有する固体電解質体４と、固体電解質体４を挟むよう
に対向配置された一対の電極２１、２２とからなる。一
対の電極２１、２２のうち、一方の電極２１は、被測定
ガス存在空間（図１における排気カバーＨ１内空間）に
面するように固体電解質体４の上面に接して設けられ、
他方の電極２２は、基準ガス空間Ａに面するように固体
電解質体４の下面に接して設けられている。図１の排気
カバーＨ１内外の排気ガスの流れを、図に矢印Ｙ１で示
す。

【００３０】基準ガス空間Ａは、固体電解質体４の下面
に積層したスペーサ５に設けた抜き穴５１（図３）にて
形成される。スペーサ５は、アルミナ等の絶縁材料をシ
ート状に成形してなり、抜き穴５１はガスセンサ本体１
の長手方向に延びる連通溝５２を有し、この連通溝５２
を通して基準ガスである大気が導入される。連通溝５２
の右端は、図１における大気カバーＨ２内空間に開口し
ている。基準ガスである大気の流れを図１に矢印Ｙ２で
示す。

【００３１】酸素センサセル３は、被測定ガス中の酸素
濃度を検出するためのもので、固体電解質体４と、固体
電解質体４を挟むように対向配置された一対の電極３
１、２２とからなる。一対の電極３１、２２のうち、一
方の電極３１は、被測定ガス存在空間に面するように固
体電解質体４の上面に接して設けられ、センサセル２の
一方の電極２１とは隣合っている。他方の電極２２は、
センサセル２の他方の電極２２と共通で、基準ガス空間
Ａに面するように固体電解質体４の下面に接して設けら
れている。

【００３２】ここで、センサセル２の電極２１には、窒
素酸化物や炭化水素に感度のあるＲｈを主成分とする多
孔質サーメット電極が好適に使用される。多孔質サーメ
ット電極は、金属成分とジルコニア、アルミナ等のセラ
ミックスをペースト化し、焼成することにより得られ
る。また、酸素センサセル３の電極３１と、センサセル
２および酸素センサセル３共通の電極２２には、窒素酸
化物や炭化水素に感度の小さい電極、例えば、Ｐｔ多孔
質サーメット電極が好適に使用される。図３に示すよう
に、これら電極２１、２２、３１には、各電極から電気
信号を取り出すためのリード２１ａ、２２ａ、３１ａが
一体に形成されている。

【００３３】なお、固体電解質体４の上下表面には、電
極２１、２２、３１の形成部位以外、特にリード２１
ａ、２２ａ、３１ａ形成部位において、固体電解質体４
とリード２１ａ、２２ａ、３１ａの間に介在するように
アルミナ等の絶縁層（図略）を形成しておくことが好ま
しい。また、固体電解質体４の上面には、電極２１、３
１を被覆するように、多孔質アルミナ等よりなる多孔質
保護層７が形成してあり、電極２１、３１の被毒を防止
している。

【００３４】ヒータ６は、アルミナ等の絶縁材料からな
るヒータシート６３の上面に、通電により発熱するヒー
タ電極６２をパターニング形成し、その上面（スペーサ
５側の面）を覆ってアルミナ等の絶縁層６１を形成して
なる。ヒータ電極６２は、通常、Ｐｔとアルミナ等のセ
ラミックスとのサーメットにて形成される。ヒータ６
は、ヒータ電極６２を外部からの給電により発熱させ
て、各セル２、３を活性化温度まで加熱するものであ
る。

【００３５】図３に示すように、各セル２、３の電極２
１、２２、３１は、それぞれリード線２１ａ、２２ａ、
３１ａと、固体電解質体４に形成されたスルーホールＳ
Ｈを通して、センサ基部の端子Ｐまで接続されている。
そして、この端子Ｐには、コネクタを介して圧着やろう
付け等によりリード線が接続され、外部回路との信号の
やり取りが可能となっている（図略）。具体的には、図
２（ａ）に示すように、センサセル２の一対の電極２
１、２２は、これら電極間に所定の周波数の交流電圧を
印加してその間のインピーダンスの虚数成分を測定する
インピーダンス測定手段８に接続しており、酸素センサ
セル３の一対の電極３１、２２は、電圧計８１に接続し
ており、これら電極３１、２２間に発生する電圧値から
被測定ガス存在空間の酸素濃度を検出する。また、ヒー
タ電極６２は、ヒータシート６３に形成されたスルーホ
ールＳＨを通して、外部の給電手段（図略）に接続され
る。

【００３６】なお、固体電解質体４、スペーサ５および
ヒータシート６３は、ドクダーブレード法や押出成形法
等により、シート形状に成形することができる。また、
電極２１、２２、３１やヒータ電極６２、リード２１
ａ、２２ａ、３１ａと端子Ｐは、スクリーン印刷等によ
り、各シート上に形成することができる。そして、これ
ら電極２１、２２、３１、ヒータ電極６２、リード線２
１ａ、２２ａ、３１ａ等を形成した各シートを積層して
焼成することにより、一体化される。

【００３７】次に、上記構成のガス検出装置を用いたガ
ス濃度の測定方法を説明する。図１において、被測定ガ
スである排気ガスは、通気孔Ｈ１３、１４を通過してガ
スセンサ本体部１表面に至り、さらに多孔質保護層７を
通過してセンサセル２の電極２１および酸素センサセル
３の電極３１に到達する。本発明では、センサセル２の
電極２１、２２間に所定の周波数の交流電圧を印加し、
電極間のインピーダンスの虚数成分をインピーダンス測
定手段８により計測する。これは、インピーダンスの虚
数成分を測定するのは、インピーダンスの実数成分に比
べ、虚数成分の方が、窒素酸化物や炭化水素といった検
出しようとする特定ガス成分に対する感度が大きいため
である。

【００３８】ここで、図４（ａ）、（ｂ）に、窒素酸化
物（ＮＯ、ＮＯ₂）濃度とインピーダンスの虚数成分と
の関係、あるいはインピーダンスの実数成分との関係を
それぞれ示す。図示されるように、インピーダンスの実
数成分に比べて虚数成分の方が、窒素酸化物、特にＮＯ
₂に対する感度が大きくなっている。図４（ｃ）、
（ｄ）に比較して示すように、検出するガス成分が炭化
水素（ＣＨ₄、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₃Ｈ₆）である場合も同様
である。これら特定ガス成分に対して、感度が出る理由
は明確ではないが、被測定ガス中に、例えばＮＯ₂やＣ
Ｈ₄が存在すると、センサセル２の電極２１上で下記
（１）、（２）に示す反応が起こり、電極反応速度が変
化するためと考えられる。ＮＯ₂＋２ｅ^-→ＮＯ＋Ｏ^2-・・・（１）ＣＨ₄＋４Ｏ^2-→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋８ｅ^-・・・（２）

【００３９】また、図５は、窒素酸化物（ＮＯ、Ｎ
Ｏ₂）濃度とセンサセル２の電極２１、２２間の静電容
量との関係を示すもので、同様に、窒素酸化物濃度に依
存して静電容量が変化している。この理由も同様と考え
られ、インピーダンス測定手段８を設ける代わりに、セ
ンサセル２の一対の電極２１、２２間に所定の周波数の
交流電圧を印加し、これら電極間の静電容量を測定する
静電容量測定手段を設けることもできる。

【００４０】このように、本発明によれば、上記図４
（ａ）、（ｃ）に示す関係を予め知り、インピーダンス
の虚数成分をインピーダンス測定手段８により計測する
ことで、あるいは、図５に示す関係から、静電容量測定
手段で静電容量を計測することで、被測定ガス中の特定
ガス成分濃度を検出することができる。また、センサセ
ル２の電極２１にＲｈを主成分とする電極を用いると、
ＮＯ₂を選択的に検出することができる。

【００４１】ただし、インピーダンスの虚数成分や静電
容量は被測定ガス中の酸素濃度により変化する。そこ
で、本実施の形態のガスセンサでは、酸素センサセル３
を設けている。酸素センサセル３の電極３１、２２間に
は、両電極が接するガス中の酸素濃度の違いにより、い
わゆる酸素濃淡電池の原理に基づいた起電力が発生す
る。従って、電極３１、２２間の電圧を測定することに
より、酸素濃度を検出し、この酸素濃度の値により、セ
ンサセルで検出したガス濃度を補正することができるの
で、より正確な測定が可能となる。

【００４２】なお、センサセル２の電極２１、２２間に
印加する交流電圧の周波数は、上記（１）、（２）の電
極反応の影響が大きく現れる１〜１００Ｈｚの範囲とす
るのがよい。この範囲で上記（１）、（２）の電極反応
に起因するインピーダンスの虚数成分が大きくなり、感
度よい測定が可能である。これより小さい周波数領域で
は実数成分が大きくなるが、計測時間が長くなるため実
数成分による測定は実用上困難であり、また、１００Ｈ
ｚより大きい周波数領域では、インピーダンスへの上記
（１）、（２）の電極反応の影響が小さいため、十分な
感度が得られない。本発明者等の実測によると、１〜１
００Ｈｚの周波数範囲で、実数成分に対し虚数成分では
３〜１０倍の感度となり、その分精度が向上する。さら
に、応答性やガス感度等のセンサ性能を考慮すると、よ
り好ましくは、１０〜５０Ｈｚの範囲とするのがよい。
また、印加電圧は１Ｖ程度までの範囲で設定できるが、
窒素酸化物や水蒸気の分解等の副反応を抑え、かつイン
ピーダンスや静電容量の測定精度を確保することを考え
ると、５０〜５００ｍＶの範囲で設定するのがより好ま
しい。

【００４３】ここで、センサセル２の電極２１、２２
は、必ずしも対面している必要はなく、図２（ｂ）に第
２の実施の形態として示すように、固体電解質４の同一
面（被測定ガス存在空間側）に配置してもよい（展開図
は略す）。この場合、電極２１、２２には、窒素酸化物
や炭化水素に感度のあるＲｈを主成分とする多孔質サー
メット電極がいずれも好適に使用される。

【００４４】図６、７は本発明の第３の実施の形態であ
り、各々、ガスセンサ本体部１の先端部の模式的断面図
および展開図を示す。ガスセンサ本体部１は、センサセ
ル２を構成するためのシート状の固体電解質体４´と、
酸素ポンプセル９、酸素センサセル３を構成するための
シート状の固体電解質体４と、内部空間Ｂを形成するた
めのシート状のスペーサ５´と、基準ガス空間Ａを形成
するためのシート状のスペーサ５と、これらを加熱する
ためのヒータ６とが、順次積層されて構成される。

【００４５】内部空間Ｂは、被測定ガス存在空間より被
測定ガスとしての排気ガスが導入される室であり、図７
に示すように、スペーサ５´に設けた抜き穴５１´にて
形成される。内部空間Ｂは、固体電解質体４´を貫通す
る拡散抵抗手段としてのピンホール１１を介して、被測
定ガス存在空間と連通している。このピンホール１１の
大きさは、これを通過して内部空間Ｂに導入される被測
定ガスの拡散速度が所定の速度となるように、適宜設定
される。本実施の形態では、センサセル２をこの固体電
解質体４´の下面（内部空間Ｂ側の面）に接して、同一
面上に設けている。また、固体電解質体４´には、被測
定ガス存在空間側から、ピンホール１１を被覆するよう
に、多孔質アルミナ等よりなる多孔質保護層７が形成し
てあり、内部空間Ｂ内に位置する電極２１、２２の被毒
やピンホール１１が排気ガスに含まれるスス等で目詰ま
りするのを防止している。拡散抵抗手段としては、ピン
ホール１１以外にも、通気可能な多孔質体をピンホール
１１の形成位置に設けたものでもよい。

【００４６】酸素ポンプセル９は、ジルコニアやセリア
等の酸素イオン導電性を有する固体電解質体４と、固体
電解質体４を挟むように対向配置された一対の電極９
１、９２とからなる。一対の電極９１、９２のうち、一
方の電極９１は、内部空間Ｂに面するように固体電解質
体４の上面に接して設けられ、他方の電極９２は、基準
ガス空間Ａに面するように固体電解質体４の下面に接し
て設けられている。

【００４７】ここで、酸素ポンプセル９の電極９１、９
２には、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が好適に使
用される。より好ましくは、内部空間Ｂに面する酸素ポ
ンプセル９の一方の電極９１には、被測定ガス中の特定
ガス成分である窒素酸化物の分解や炭化水素の酸化を抑
制するために、これらの反応に対する活性の低い電極を
用いるとよい。具体的には、主成分としてＰｔとＡｕを
含有する多孔質サーメット電極が好適に使用される。こ
の際、金属成分中のＡｕの含有量は、１〜１０重量％程
度とするのがよい。

【００４８】また、酸素ポンプセル９の電極９１、９２
には、これら電極９１、９２から電気信号を取り出すた
めのリード９１ａ、９２ａが一体に形成されている。こ
の場合も、固体電解質体４の上下表面には、電極形成部
位以外、特にリード９１ａ、９２ａ、３１ａ、３２ａ形
成部位には、固体電解質体４とこれらリードの間に介在
するようにアルミナ等の絶縁層（図略）を形成しておく
ことが好ましい。

【００４９】酸素センサセル３は、一方の電極３１が内
部空間Ｂに面するように、他方の電極３２が基準ガス空
間Ａに面するように設けられる。本実施の形態では、こ
れら電極３１、３２間の電圧を電圧計８１で測定し、こ
れに基づいて、酸素ポンプセル９の電極９１、９２間に
印加する電圧を制御する。その他の構成は第１の実施の
形態と同様である。

【００５０】本実施の形態のガスセンサを用いたガス濃
度を測定方法を、第１の実施の形態との相違点を中心に
説明する。上記構成において、酸素センサセル３の電極
３１、３２間には、両電極の接するガス中の酸素濃度の
違いにより、いわゆる酸素濃淡電池の原理に基づいた起
電力が発生する。この起電力（すなわち電圧計８１の測
定値）が一定となるように、酸素ポンプセル９の電極９
１、９２間に印加する電圧を制御する。これにより、内
部空間Ｂ内の酸素濃度が所定の一定値に制御され、セン
サセル２で測定されるインピーダンスや静電容量への酸
素濃度の影響をなくすことができる。その他の作動は第
１の実施の形態と同様である。従って、本実施の形態に
よれば、酸素濃度の影響をより小さくして、精度よい検
出が可能である。

【００５１】図８は本発明の第４の実施の形態であり、
上記第３の実施の形態の構成に加えてセンサセル２の前
段に酸化触媒層１２を設置してある。具体的には、酸化
触媒層１２を、センサセル２の一対の電極２１、２２の
全面を覆うように配設し、被測定ガス中の可燃性ガスを
酸化触媒層１２で燃焼させる。従って、電極２１、２２
においてＮＯｘを検出する際に、妨害ガスとなる可燃性
ガスの影響を小さくできるので、ＮＯｘ検出精度が向上
する。また、被測定ガスが窒素酸化物としてＮＯとＮＯ
₂を含む場合、酸化触媒層１２を設置すると被測定ガス
中のＮＯが酸化されてＮＯ₂になる。上述したように、
上記構成のガスセンサは、特にＮＯ₂に対する感度が大
きいので、酸化触媒層１２でＮＯをＮＯ₂に変換するこ
とにより、ＮＯｘ全体の濃度を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態におけるガスセンサの全体断
面図である。

【図２】（ａ）は第１の実施の形態におけるガスセンサ
本体部の概略構成を示す断面図、（ｂ）は第２の実施の
形態におけるガスセンサ本体部の概略構成を示す断面図
である。

【図３】図２（ａ）の展開図である。

【図４】（ａ）は窒素酸化物濃度とインピーダンスの虚
数成分の関係を示す図、（ｂ）は窒素酸化物濃度とイン
ピーダンスの実数成分の関係を示す図、（ｃ）は炭化水
素濃度とインピーダンスの虚数成分の関係を示す図、
（ｄ）は炭化水素濃度とインピーダンスの実数成分の関
係を示す図である。

【図５】窒素酸化物濃度と静電容量の関係を示す図であ
る。

【図６】第３の実施の形態におけるガスセンサ本体部の
概略構成を示す断面図である。

【図７】図６の展開図である。

【図８】第４の実施の形態におけるガスセンサ本体部の
概略構成を示す断面図である。

【符号の説明】

Ａ基準空間Ｂ内部空間１ガスセンサ本体部１１ピンホール（拡散抵抗手段）２センサセル２１、２２一対の電極３酸素センサセル３１、３２一対の電極４、４´ 固体電解質体５、５´ スペーサ６ヒータ部７多孔質保護層８インピーダンス測定手段８１電圧計９酸素ポンプセル９１、９２一対の電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/419 Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２５Ｇ３２５Ｄ３２７Ｃ３２７Ｇ (72)発明者今村弘男愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者牧野太輔愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者斎藤利孝愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 2G060 AA18 AB10 AB16 AB17 AB18 AB19 AE19 AF06 AF10 AG10 BA09 BB09 BB11 BB15 BC05 BC07 GA03 HA02 HB06 HC07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出
するためのガスセンサであって、固体電解質体と該固体電解質体に接して設けられる一対
の電極とからなり、上記一対の電極のうち少なくとも一
方の電極が、被測定ガス存在空間に面するセンサセル
と、上記センサセルの上記一対の電極間に所定の周波数の交
流電圧を印加し、上記一対の電極間のインピーダンスの
虚数成分を測定するインピーダンス測定手段とを有し、上記インピーダンス測定手段で測定された上記インピー
ダンスの虚数成分の値から上記特定ガス成分濃度を検出
することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出
するためのガスセンサであって、固体電解質体と該固体電解質体に接して設けられる一対
の電極とからなり、上記一対の電極のうち少なくとも一
方の電極が、被測定ガス存在空間に面するセンサセル
と、上記センサセルの上記一対の電極間に所定の周波数の交
流電圧を印加し、上記一対の電極間の静電容量を測定す
る静電容量測定手段を有し、上記静電容量測定手段で測定された静電容量の値から上
記特定ガス成分濃度を検出することを特徴とするガスセ
ンサ。
【請求項３】所定の酸素濃度ガスが導入される基準ガ
ス空間と、酸素イオン導電性の固体電解質体と該固体電解質体に接
して設けられる一対の電極とからなり、上記一対の電極
の一方の電極が上記被測定ガス存在空間に面し、他方の
電極が上記基準ガス空間に面して、上記一対の電極間に
上記被測定ガス存在空間の酸素濃度に依存した電圧また
は電流を発生する酸素センサセルとを備える請求項１ま
たは２記載のガスセンサ。
【請求項４】被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出
するためのガスセンサであって、上記被測定ガスが所定の拡散抵抗を有する拡散抵抗手段
を介して導入される内部空間と、酸素イオン導電性の固体電解質体と該固体電解質体に接
して設けられる一対の電極とからなり、上記一対の電極
のうち少なくとも一方の電極が、上記内部空間に面する
センサセルと、酸素イオン導電性の固体電解質体と該固体電解質体に接
して設けられる一対の電極とからなり、上記一対の電極
への通電により上記内部空間に酸素を出し入れするポン
プセルと、上記センサセルの上記一対の電極間に所定の周波数の交
流電圧を印加し、上記一対の電極間のインピーダンスの
虚数成分を測定するインピーダンス測定手段とを有し、上記インピーダンス測定手段で測定された上記インピー
ダンスの虚数成分の値から上記特定ガス成分濃度を検出
することを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出
するためのガスセンサであって、上記被測定ガスが所定の拡散抵抗を有する拡散抵抗手段
を介して導入される内部空間と、酸素イオン導電性の固体電解質体と該固体電解質体に接
して設けられる一対の電極とからなり、上記一対の電極
のうち少なくとも一方の電極が、上記内部空間に面する
センサセルと、酸素イオン導電性の固体電解質体と該固体電解質体に接
して設けられる一対の電極とからなり、上記一対の電極
への通電により上記内部空間に酸素を出し入れするポン
プセルと、上記センサセルの上記一対の電極間に所定の周波数の交
流電圧を印加し、上記一対の電極間の静電容量を測定す
る静電容量測定手段とを有し、上記静電容量測定手段で測定された静電容量の値から上
記特定ガス成分を検出することを特徴とするガスセン
サ。
【請求項６】所定の酸素濃度ガスが導入される基準ガ
ス空間と、酸素イオン導電性の固体電解質体と該固体電解質体に接
して設けられる一対の電極とからなり、上記一対の電極
のうち一方の電極が上記内部空間に面し、他方の電極が
上記基準ガス空間に面して、上記一対の電極間に上記内
部空間の酸素濃度に依存した電圧を発生する酸素センサ
セルとを備えており、上記酸素センサセルの一対の電極間の電圧値が所定の値
となるように、上記ポンプセルの一対の電極間の電圧を
制御する請求項４または５記載のガスセンサ。
【請求項７】上記センサセルの前段に設置される酸化
触媒層を有しており、上記特定ガス成分が窒素酸化物で
ある請求項１ないし６のいずれか記載のガスセンサ。
【請求項８】上記センサセルの上記少なくとも一方の
電極がＲｈを主成分金属として含有する請求項１ないし
７のいずれか記載のガスセンサ。
【請求項９】上記センサセルの一対の電極間に印加す
る交流電圧の周波数が、１〜１００Ｈｚの範囲にある請
求項１ないし８のいずれか記載のガスセンサ。