JPH11190721A

JPH11190721A - 排気ガスセンサ及びそれを用いた排気ガスセンサシステム

Info

Publication number: JPH11190721A
Application number: JP9367547A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Inoue; 隆治井上; Shoji Kitanoya; 昇治北野谷; Takafumi Oshima; 崇文大島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-07-13

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の排気ガス成分濃度を１本のセンサで自
在に測定でき、ひいては汎用性に富む排気ガスセンサを
提供する。【解決手段】排気ガスセンサ１においては、第一処理
室９内へ導入された排気ガス中の酸素濃度は、酸素含有
ガス成分の分解反応が実質的に起こらない範囲内で減少
させられた後第二処理室１０内へ導かれる。該ガスは、
定電圧動作する第二ポンプ素子６により、酸素含有ガス
成分が分解するように酸素が汲み出される。この場合、
ガス中の酸素含有ガス成分の含有量が多いほど分解によ
り生ずる酸素量が増え、第二ポンプ素子６の電流値が増
大することから、これを読み取ることにより該酸素含有
ガス成分の濃度を知ることができる。そして、酸素含有
ガス成分は、種類によってその分解酸素分圧レベルが異
なるので、この第二ポンプ素子６の作動電圧を検出対象
となる酸素含有ガス成分の種類に応じて変更することに
より、その作動電圧に対応した酸素含有ガス成分を選択
的に検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガスセンサと
それを用いた排気ガスセンサシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の排気ガスに含有される各種被
検出成分を検出するためのセンサとして、酸素センサ、
炭化水素（以下、ＨＣという）やＣＯ等の可燃ガス成分
を検出するＨＣセンサ、ＣＯセンサ、あるいは窒素酸化
物（以下、ＮＯｘという）を検出するＮＯｘセンサ等が
知られている。このうち、ＮＯｘセンサとしては、例え
ば隔壁を介して隣接する２つの測定室を備えた構成を有
するものが知られており、次のような原理に従って作動
するものである。すなわち第一及び第二の測定室が隔壁
を挟んで隣接して形成され、排気ガスは多孔質セラミッ
ク等で構成された第一拡散孔を経て第一測定室に導かれ
る。排気ガス中の酸素濃度は、該第一測定室内で第一の
酸素ポンプ素子によりＮＯｘの分解を起こさない程度の
一定値に制御された後、上記隔壁に形成された第二拡散
孔を通って第二測定室に導かれる。そして、該第二測定
室に導かれたガスは、定電圧動作する第二の酸素ポンプ
素子により、ガス中のＮＯｘが完全に分解するように酸
素が汲み出される。ガス中のＮＯｘの含有量が多いほど
分解により生ずる酸素量が増え、第二ポンプ素子の電流
値が増大することから、これを読み取ることによりＮＯ
ｘ濃度を知ることができる。

【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ＮＯｘセンサは、例えば第一の酸素ポンプ素子の電
流から酸素濃度を測定できる点を除いては、当然のこと
ながらＮＯｘ以外の排気ガス成分濃度は測定できないよ
うになっており、構造が複雑で高価なわりに汎用性に乏
しい欠点があった。

【０００４】本発明の課題は、複数の排気ガス成分濃度
を１本のセンサで自在に測定でき、ひいては汎用性に優
れた排気ガスセンサと、それを用いた排気ガスセンサシ
ステムとを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明の
排気ガスセンサは、排気ガス中の成分のうち、酸素原子
を分子中に含む成分（以下、酸素含有ガス成分という）
を検出するためのものであり、上述の課題を解決するた
めに、周囲から区画されるとともに、第一の気体流通部
を介して排気ガスが導入される第一処理室と、周囲から
区画されるとともに、第一処理室内の気体が第二の気体
流通部を介して導かれる第二処理室と、第一処理室内の
気体の酸素濃度を測定する酸素濃度検出素子と、酸素イ
オン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形
成され、第一処理室から酸素を汲み出すことにより、当
該第一処理室内へ導入された排気ガス中の酸素濃度を、
酸素含有ガス成分の分解反応が実質的に起こらない範囲
内で減少させる第一の酸素ポンプ素子と、酸素イオン伝
導性固体電解質により構成されて両面に電極が形成さ
れ、かつその一方の電極（以下、第三電極という）が第
二処理室と接するように配置されるとともに、第二処理
室から酸素が汲み出される方向において電極間に定電圧
が印加されるようになっており、第二の気体流通部を介
して第一処理室から第二処理室内に導入された気体中の
酸素含有ガス成分の濃度に応じてその出力電流値を変化
させる第二の酸素ポンプ素子とを備え、該第二の酸素ポ
ンプ素子は、互いに異なる複数レベルの定電圧のいずれ
かが電極間に選択的に印加されるようになっており、該
定電圧の印加レベルに応じて異なる種類の酸素含有ガス
成分の濃度を、出力電流直に基づいて検出できるように
したことを特徴とする。

【０００６】また、本発明の排気ガスセンサシステム
は、周囲から区画されるとともに、第一の気体流通部を
介して排気ガスが導入される第一処理室と、周囲から区
画されるとともに、第一処理室内の気体が第二の気体流
通部を介して導かれる第二処理室と、第一処理室内の気
体の酸素濃度を測定する第一の酸素濃度検出素子と、酸
素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極
が形成され、第一処理室から酸素を汲み出すことによ
り、当該第一処理室内へ導入された排気ガス中の酸素濃
度を、酸素含有ガス成分の分解反応が実質的に起こらな
い範囲内で減少させる第一の酸素ポンプ素子と、酸素イ
オン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形
成され、かつその一方の電極（以下、第三電極という）
が第二処理室と接するように配置されるとともに、第二
処理室から酸素が汲み出される方向において電極間に定
電圧が印加されるようになっており、第二の気体流通部
を介して第一処理室から第二処理室内に導入された気体
中のガス成分の濃度に応じてその出力電流値を変化させ
る第二の酸素ポンプ素子と、を備えた排気ガスセンサ
と、該第二の酸素ポンプ素子に対し、互いに異なる複数
レベルの定電圧のいずれかが電極間に選択的に印加する
第二の酸素ポンプ素子制御手段とを備えて構成され、定
電圧の印加レベルに応じて種類の異なる酸素含有ガス成
分の濃度を、第二の酸素ポンプ素子の出力電流値に基づ
いて検出できるようにしたことを特徴とする。

【０００７】上記排気ガスセンサ及び排気ガスセンサシ
ステムにおいて、測定対象となる酸素含有ガス成分は、
例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（以下、ＳＯ
ｘという）、水蒸気及び二酸化炭素の少なくともいずれ
かを含む２種以上のものであって、その酸素含有分子が
分解する酸素分圧レベル（分解酸素分圧）が互いに異な
る２種以上のものである。

【０００８】上記本発明の排気ガスセンサ及び排気ガス
センサシステムにおいては、第一処理室内へ導入された
排気ガス中の酸素濃度は、上記酸素含有ガス成分の分解
反応が実質的に起こらない範囲内で減少させられた後、
第二処理室内へ導かれる。該ガスは、定電圧動作する第
二の酸素ポンプ素子により、酸素含有ガス成分が分解す
るように酸素が汲み出される。この場合、ガス中の酸素
含有ガス成分の含有量が多いほど分解により生ずる酸素
量が増え、第二ポンプ素子の電流値が増大することか
ら、これを読み取ることにより該酸素含有ガス成分の濃
度を知ることができる。そして、酸素含有ガス成分は、
種類によってその分解酸素分圧レベルが異なるので、こ
の第二の酸素ポンプ素子の作動電圧を検出対象となる酸
素含有ガス成分の種類に応じて変更することにより、そ
の作動電圧に対応した酸素含有ガス成分を選択的に検出
することができる。これにより、排気ガス中の複数の酸
素含有ガス成分濃度を自在に測定でき、汎用性に優れた
排気ガスセンサが実現される。

【０００９】ここで、第二の酸素ポンプ素子に印加する
定電圧Ｖｐのレベルであるが、被検出成分の種類に応じ
て下記のように設定可能である。ＮＯｘ：Ｖｐは０．３５〜０．７５Ｖとするのがよ
い。０．３５Ｖ未満ではＮＯｘの分解が不十分となり、
その検出精度が確保できなくなる。一方、０．７５Ｖを
超えると、ＮＯｘ以外の酸素含有ガス成分（ＮＯｘより
も分解酸素分圧の高いもの）の分解による測定誤差が大
きくなる。なお、この場合のＶｐは、望ましくは０．４
〜０．７Ｖ、より望ましくは０．４〜０．５Ｖとするの
がよい。ＳＯｘ：Ｖｐは０．７５〜１．０Ｖとするのがよい、
０．７５Ｖ未満ではＳＯｘの分解が不十分となり、その
を検出精度が確保できなくなる。一方、１．０Ｖを超え
ると、ＳＯｘ以外の酸素含有ガス成分（ＳＯｘよりも分
解酸素分圧の高いもの）の分解による測定誤差が大きく
なる。なお、この場合のＶｐは、より望ましくは０．８
〜０．９Ｖとするのがよい。水蒸気：Ｖｐは１〜１．２Ｖとするのがよい。１Ｖ未
満では水蒸気の分解が不十分となり、その検出精度が確
保できなくなる、一方、１．２Ｖを超えると、水蒸気以
外の酸素含有ガス成分（水蒸気よりも分解酸素分圧の高
いもの）の分解による測定誤差が大きくなる。ＣＯ₂：Ｖｐは１．２〜２Ｖとするのがよい。１．２
Ｖ未満ではＣＯ₂の分解が不十分となり、その検出精度
が確保できなくなる。一方、２Ｖを超えると、ＣＯ₂以
外の酸素含有ガス成分（ＣＯ₂よりも分解酸素分圧の高
いもの）の分解による測定誤差が大きくなる。なお、こ
の場合のＶｐは、より望ましくは１．９〜２Ｖとするの
がよい。

【００１０】上記排気ガスセンサは具体的には次のよう
に構成できる。すなわち、第一の酸素ポンプ素子は、測
定しようとする酸素含有ガス成分（以下、被測定成分と
いう）は実質的に分解せず、それよりも分解酸素分圧レ
ベルが高い他の酸素含有ガス成分は分解するように、第
一処理室内の酸素分圧を調整するものとする。また、第
二の酸素ポンプ素子には、被測定成分が分解し、それよ
りも分解酸素分圧レベルが低い他の酸素含有ガス成分は
実質的に分解しないように、該被測定成分の種類に対応
したレベルの定電圧を印加する。

【００１１】また、これに対応する排気ガスセンサシス
テムは以下のように構成できる。すなわち、測定しよう
とする酸素含有ガス成分（以下、被測定成分という）は
実質的に分解せず、それよりも分解酸素分圧レベルが高
い他の酸素含有ガス成分は分解するように、第一処理室
内の酸素分圧が調整されるよう、第一の酸素ポンプ素子
の作動を制御する第一の酸素ポンプ素子制御手段を設け
る。また、第二の酸素ポンプ素子制御手段は、被測定成
分が分解し、それよりも分解酸素分圧レベルが低い他の
酸素含有ガス成分は実質的に分解しないように、該被測
定成分の種類に対応したレベルの定電圧を印加するもの
とする。

【００１２】これによれば、第一処理室内で、酸素含有
ガス成分のうち測定対象となるものよりも分解酸素分圧
が高いものを予め除去ないし減少させた後、第二処理室
で測定対象の成分の分解を生じさせるようにした。これ
により、第一処理室内の酸素分圧設定及び第二酸素ポン
プ素子に印加される定電圧レベルに応じて、特定の酸素
含有ガス成分の濃度検出を的確かつ直接的に行なうこと
が可能となる。

【００１３】一方、排気ガスセンサは次のように構成し
てもよい。すなわち、第一の酸素ポンプ素子は、測定対
象となる複数の酸素含有ガス成分（以下、被測定成分と
いう）がいずれも実質的に分解しないように、第一処理
室内の酸素分圧を調整するものとする。また、第二の酸
素ポンプ素子は、被測定成分が分解酸素分圧レベルが高
い他の酸素含有ガス成分とともに分解し、該被測定成分
よりも分解酸素分圧レベルが低い他の酸素含有ガス成分
は実質的に分解しないように、該被測定成分の種類に対
応したレベルの定電圧が印加されるようにする。

【００１４】また、これに対応する排気ガスセンサシス
テムは以下のように構成できる。すなわち、測定対象と
なる複数の酸素含有ガス成分（以下、被測定成分とい
う）がいずれも実質的に分解しないように、第一処理室
内の酸素分圧が調整されるよう、第一の酸素ポンプ素子
の作動を制御する第一の酸素ポンプ素子制御手段を設け
る。また、第二の酸素ポンプ素子制御手段は、被測定成
分が分解酸素分圧レベルが高い他の酸素含有ガス成分と
ともに分解し、該被測定成分よりも分解酸素分圧レベル
が低い他の酸素含有ガス成分は実質的に分解しないよう
に、該被測定成分の種類に対応したレベルの定電圧を第
二の酸素ポンプ素子に印加するものとして構成する。

【００１５】この構成では、該第二の酸素ポンプ素子の
出力電流値は、定電圧印加レベルにより定まる閾値を境
として、それよりも分解酸素分圧レベルの高い酸素含有
ガス成分のいわば合計濃度の情報となるが、第一処理室
内の酸素分圧レベルは一定でよいので、第一の酸素ポン
プ素子制御手段の制御シーケンスを単純にできる利点が
ある。

【００１６】この場合、排気ガスセンサシステムには、
次のような検出濃度情報生成手段を設けることができ
る。すなわち、該検出濃度情報生成手段は、分解酸素分
圧レベルが高い他の酸素含有ガス成分とともに上記特定
の被測定成分が分解し、該被測定成分よりも分解酸素分
圧レベルが低い他の酸素含有ガス成分は実質的に分解し
ないように定電圧レベルが設定されたときの第二の酸素
ポンプ素子の出力電流値と、特定の被測定成分は分解せ
ず、それよりも分解酸素分圧レベルが高い他の酸素含有
ガス成分が分解するように定電圧レベルが設定されたと
きの第二の酸素ポンプ素子の出力電流値との差に基づい
て、持定の被測定成分の検出濃度惰報を生成する。これ
により、複数の酸素含有ガス成分のうち、特定のものの
濃度情報を個別的に得ることが可能となる。

【００１７】次に、上記排気ガスセンサは、次の要件を
付加することにより、ＨＣ成分等の可燃ガス成分の濃度
検出機能も兼ね備えたものとすることができる。すなわ
ち、第一の酸素ポンプ素子は、第一処理室内へ導入され
た排気ガス中の酸素濃度を、酸素含有ガス成分の分解反
応が実質的に起こらない範囲内で減少させる第一モード
と、同じく排気ガス中の水蒸気の分解反応が実質的に起
こらない範囲内で減少させる第二モードとの間で切り替
え可能とする。そして、第二処理室には、酸素濃度が範
囲に調整された後、第二の気体流通部を介して第一処理
室から第二処理室内に導入された気体に対し、当該気体
に含まれる可燃ガス成分の燃焼を促進させる酸化触媒部
と、第二モードにおいて、第二処理室へ導入された気体
中の、可燃ガス成分の燃焼により消費される酸素量に応
じてその出力を変化させ、当該出力が排気ガス中の可燃
ガス成分の濃度検出情報として取り出される可燃ガス成
分濃度情報発生出力部とを設ける。

【００１８】また、これに対応する排気ガスセンサシス
テムでは、第一の酸素ポンプ素子の作動モードを、第一
処理室内へ導入された排気ガス中の酸素濃度を、酸素含
有ガス成分の分解反応が実質的に起こらない範囲内で減
少させる第一モードと、同じく排気ガス中の水蒸気の分
解反応が実質的に起こらない範囲内で減少させる第二モ
一ドとの間で切り替えるモード切り替え手段が設けられ
る。

【００１９】以下、この第二モードにおける排気ガスセ
ンサ及び排気ガスセンサシステムの特徴と、各種具体的
な態様の構成例及び作用・効果について説明する。

【００２０】例えば特開平８−２４７９９５号公報に
は、次のような構造の可燃ガス成分の測定装置が開示さ
れている。すなわち、該装置においてはセンシング素子
が２つの処理ゾーンを有し、第一の拡散律速手段を介し
て排気ガスを第一の処理ゾーンに導き、そこで第一の酸
素ポンプ素子により酸素を汲み出して、該第一の処理ゾ
ーン内の酸素濃度を可燃ガス成分が実質的に燃焼され得
ない低い値に低下させる。次に、こうして酸素濃度を低
下させた気体を第二の拡散律速手段を介して第二の処理
ゾーンに導き、第二の酸素ポンプ素子を用いてここに酸
素を汲み込むことで可燃ガス成分を燃焼させ、そのとき
に第二の酸素ポンプ素子を流れる電流又は電圧の値に基
づいて、可燃ガス成分量を測定するようにしたものであ
る。上記公報によれば、該構成の採用により被測定ガス
中の可燃ガス成分の濃度を、酸素濃度の影響を受けるこ
となく有利に測定できるとしている。

【００２１】ところで、上記公報の装置においては、第
一の処理ゾーンへ導入された排気ガス中の酸素濃度は第
一の酸素ポンプ素子により、「可燃ガス成分が実質的に
燃焼され得ない低い値」に低下させられるが、この値
は、公報の記載によれば具体的には１０^-14ａｔｍ以
下、好ましくは１０^-16ａｔｍ以下であり、通常は１０
^-20ａｔｍ程度の極めて低い値である。しかしながら、
第一の処理ゾーン酸素濃度をこのような低圧に設定する
と、可燃ガス成分の測定精度に関係する以下に述べるよ
うな問題が引き起こされることとなる。

【００２２】すなわち、排気ガス中には、一般には炭化
水素、一酸化炭素、水素といった可燃ガス成分以外に水
蒸気が相当量存在し、この水蒸気量は内燃機関の運転条
件等により刻々変化するのが通常である。本発明者らの
検討によれば、このような排気ガスを被検ガスとして、
その酸素濃度を上述のような値にまで低下させると、水
蒸気の一部が水素と酸素とに分解することが判明してい
る。分解の結果発生した酸素と水素のうち、酸素は第一
の酸素ポンプ素子により汲み出されるが、水素は排出さ
れることなく第二処理室に運ばれ、そこで燃焼を起こ
す。このような状態になると、被検ガス中に本来存在し
た可燃ガス成分としての水素と、水蒸気に由来する水素
とは全く判別がつかないので、水素の検出精度に悪影響
が生じることはもちろんのこと、例えば可燃ガス成分と
して主に炭化水素を含有し、水素はあまり含有していな
いような被検ガスの場合は、水蒸気の分解で生じた水素
の燃焼により、炭化水素濃度の測定精度も大きく影響を
受けてしまうことになるのである。なお、付言すれば、
上記公報に開示された測定例は全て、被検ガス中の水蒸
気濃度を一定にした条件下でのみ行われており、水蒸気
濃度変化の影響等については全く言及されていない。

【００２３】この場合、前述の公報に開示されているよ
うに、プロトンポンプを併設して発生した水素の汲み出
しも行い、炭化水素のみを選択的に燃焼させることによ
り測定精度を改善することも考えられる。しかし、この
方法は結局のところは水蒸気の分解による水素発生を是
認した上での窮余索に過ぎないものであり、プロトンポ
ンプを追加する分だけセンサ構造及びその制御機構が複
雑化して装置価格が高騰することはいうまでもなく、ま
たプロトンポンプにより排出しきれなかった残留水素が
測定誤差を招く恐れもある。

【００２４】また、上記したものとは別に、次のような
問題もある。すなわち、近年では、大気汚染防止に対す
る排気ガス規制はますます強化される傾向にあり、不完
全燃焼等に伴う炭化水素の発生量を抑さえるために、ガ
ソリンエンジンあるいはディーゼルエンジン等の内燃機
関は、リーンバーン作動型のものに移行しつつある。こ
こで、リーンバーン条件での排気ガスはストイキあるい
はリッチ条件でのものより酸素濃度が高く、これに上記
従来の装置を適用した場合は、酸素濃度を上述のような
低い値にまで低下させるために、酸素ポンプ素子にかな
りの負担がかかることとなる。その結果、酸素ポンプ素
子の寿命が短くなったり、あるいは酸素ポンプ素子の作
動パワーを上げるために、周辺の制御回路も高出力のも
のを用いなければならず、装置価格の高騰を招く等の問
題につながる。

【００２５】そして、上記第二モードにおいては、第一
処理室において第一の酸素ポンプ素子の作動により、排
気ガス中の酸素濃度を所定レベルまで減少させ、これを
第二処理室に導いて酸化触媒部の補助により可燃ガス成
分を燃焼させるとともに、可燃ガス成分濃度情報発生出
力部が、その燃焼により消費される酸素量に応じて出力
を変化させ、当該出力を排気ガス中の可燃ガス成分の濃
度検出情報として取り出すようにする。この場合、その
特徴の要点は、第一の酸素ポンプ素子の作動による第一
処理室内の酸素濃度到達レベルを、排気ガスに含有され
る水蒸気の分解反応が実質的に起こらない範囲内で調整
する点にある。すなわち、酸素濃度の調整により水蒸気
の分解による水素発生を実質的に起こらなくすること
で、該水素の燃焼による可燃ガス成分の検出精度低下を
防止することができる。また、ＨＣ、特にメタンに対す
る選択性に優れ、メタン濃度を従来型の排気ガスセンサ
よりもより正確に測定できる利点も生ずる。

【００２６】この場合、第一の酸素ポンプ素子は、第二
モードにおいて次のように作動するものとして構成でき
る。すなわち、酸素イオン伝導性固体電解質により構成
されて両面に電極が形成され、酸素を第一処理室から汲
み出す又は第一処理室へ汲み込むことにより、当該第一
処理室内へ導入された排気ガス中の酸素濃度を１０^-12
〜１０^-7ａｔｍの範囲で調整する。また、これに対応し
て第一の酸素ポンプ作動制御手段は、第一処理室内へ導
入された排気ガス中の酸素濃度が、１０^-12〜１０^-7ａ
ｔｍの範囲で調整されるように、第一の酸素ポンプ素子
の作動を制御するものとされる。

【００２７】上記構成においては、第一の酸素ポンプ素
子の作動による第一処理室内の酸素濃度到達レベルを、
上述の範囲内で調整することにより、水蒸気の分解が抑
制され、排気ガスセンサあるいは排気ガスセンサシステ
ムの可燃ガス成分の検出精度を高めることができる。ま
た、調整すべき到達酸素濃度レベルが、前述の従来技術
における１０^-20〜１０^-14ａｔｍと比較してはるかに高
いので、例えばリーンバーン条件での測定でも第一のポ
ンプ素子への負担がかかりにくく、酸素ポンプ素子の寿
命を延ばすことができる。また、酸素ポンプ素子の作動
パワーもそれほど高くする必要がないので、周辺の制御
回路等も安価に構成できる利点がある。なお、水蒸気の
分解をさらに効果的に防止ないし抑制するには、導入さ
れた排気ガスに含まれる可燃ガス成分の一部が第一の電
極を酸化触媒として燃焼する程度の値に第一の処理室内
の酸素濃度が調整されるように、第一の酸素ポンプ素子
を作動させることが望ましい。

【００２８】なお、第一処理室内へ導入された排気ガス
中の酸素濃度が１０^-12ａｔｍ未満になると、排気ガス
中に水蒸気が含有されている場合、その水蒸気の分解が
顕著となり、生じた水素による可燃ガス成分の検出精度
低下が著しくなる。一方、酸素濃度が１０^-7ａｔｍを超
えると、第一処理室内での可燃ガス成分の燃焼が著しく
なり、第二処理室へ送り込まれる気体中の可燃ガス成分
濃度が小さくなって、所期の検出精度が達成されなくな
る場合がある。なお、上記酸素濃度は、より望ましくは
１０^-11〜１０^-9ａｔｍの範囲で調整するのがよい。

【００２９】例えば排気ガスセンサの作動温度が６００
〜８００℃程度に設定され、排気ガス中の水蒸気濃度が
５〜１５％程度の範囲で変動する場合、水蒸気及び水素
と平衡する酸素の分圧の最小値は１０^-12ａｔｍ程度と
なり、これよりも酸素分圧が低くなると水蒸気の分解が
進行して、可燃ガス成分の検出精度に影響が出るように
なる。従って、この場合は、第一処理室の酸素濃度を上
記分圧値よりも大きく設定することが望ましいといえ
る。

【００３０】次に、本発明の排気ガスセンサ（及びセン
サシステム）の、外部から第一処理室に排気ガスを導く
第一の気体流通部、及び第一処理室と第二処理室とを連
通させる第二の気体流通部とは、その少なくとも一方
を、一定の拡散抵抗のもとに気体の流通を許容する拡散
規制流通部として構成することができる。このようにす
ることで、被検出雰囲気における排気ガス濃度が変動し
ても、第一処理室ないし第二処理室に一旦導入されたガ
スの組成変動は、流通部の拡散抵抗に応じて定まる一定
の期間は小さく抑さえられるので、可燃ガス成分の検出
精度を高めることができる。具体的には、拡散規制流通
部は、小孔やスリットあるいは各種絞り機構のほか、連
通気孔を有する金属ないしセラミックスの多孔質体で構
成することができる。

【００３１】酸素濃度検出素子は、酸素イオン伝導性固
体電解質により構成されて両面に電極が形成されるとと
もに、一方の電極（第一電極）が第一処理室と接するよ
うに配置された第一の酸素濃淡電池素子とすることがで
きる。また、可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、酸素
イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が
形成され、かつその一方の電極（第二電極）が第二処理
室と接するように配置されて、第二処理室内の気体の酸
素濃度を検出する第二の酸素濃淡電池素子を含むものと
して構成することができる。この場合、第一電極と第二
電極とは、いずれも酸素分子解離能を有する多孔質電極
として構成されるととともに、第二電極は排気ガス中の
可燃ガス成分に対する酸化触媒活性を有して酸化触媒部
として機能するものとなり、かつ第一電極は可燃ガス成
分に対する酸化触媒活性が第二電極よりも小さく設定さ
れたものとして構成することができる。そして、可燃ガ
ス成分濃度情報発生出力部は、第二の酸素濃淡電池素子
の濃淡電池起電力に基づいて、可燃ガス成分濃度検出情
報を生成するものとなる。

【００３２】上記構成では、該第二処理室内の酸素濃度
を第二の酸素濃淡電池素子により検出している。この、
第二の酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力は、可燃ガス
成分の燃焼により消費される酸素量に応じて変化するの
で、可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、該濃淡電池起
電力に基づいて可燃ガス成分濃度検出情報を簡単に生成
することができる。また、第一電極の酸化触媒活性を第
二電極の酸化触媒活性よりも低くすることで、第一の処
理室内で燃焼せずに残留した可燃ガス成分の少なくとも
一部を第二の処理室内では燃焼させることが確実に行え
るようになり、センサの感度を高めることができる。さ
らに、第二の酸素濃淡電池素子の第二処理室に面する電
極（第二電極）が酸化触媒部に兼用されるため、センサ
ないしセンサシステムの構成をより単純化できる利点が
ある。

【００３３】被検出成分が例えばＣＯあるいはＨＣの場
合、酸化触媒活性が高くなるべき電極は、Ｐｔ、Ｐｄ及
びＲｈのいずれかを主体とする金属（単体又は合金）又
は、Ｐｔ−Ｒｈ系合金、Ｒｈ−Ｐｄ系合金、Ｐｄ−Ａｇ
系合金等（以下、本明細書においては、これらを高活性
金属グループという）で構成することができる。また、
逆に酸化触媒活性が低くなるべきものは、Ａｕ、Ｎｉ及
びＡｇのいずれかを主体とする金属（単体又は合金）又
は、Ｐｔ−Ｐｄ系合金、Ｐｔ−Ａｕ系合金、Ｐｔ−Ｎｉ
系合金、Ｐｔ−Ａｇ系合金，Ａｇ−Ｐｄ系合金、Ａｕ−
Ｐｄ系合金等（以下、本明細書において、これらを低活
性金属グループという）により構成することができる。
この場合、後述の酸素濃淡電池素子と酸素濃淡電池素子
の要部を構成する酸素イオン伝導性固体電解質がＺｒＯ
₂固体電解質である場合、低活性金属グループとして
は、ＺｒＯ₂固体電解質（焼成温度１４５０〜１５００
℃）と同時焼成可能な材質を採用することが、センサの
製造能率を向上させる上で望ましい。例えばＰｔ−Ａｕ
系合金を使用する場合は、Ｐｔに対しＡｕを０．１〜３
重量％の範囲で添加するのがよい。Ａｕの含有量が０．
１重量％未満になると電極の酸化触媒活性が高くなりす
ぎる場合がある。一方、３重量％を超えてＡｕを含有さ
せようとした場合、焼成時において合金から揮発するＡ
ｕ成分の量が増大するので、Ａｕ成分の無駄が多くな
る。

【００３４】第一の酸素濃淡電池素子と、第二の酸素濃
淡電池素子とは、いずれもＺｒＯ₂を主体とする酸素イ
オン伝導性固体電解質（ＺｒＯ₂固体電解質）で構成す
ることができる。ここで、ＺｒＯ₂固体電解質を用いた
酸素濃淡電池素子において、一方の電極が酸素と可燃ガ
ス成分が混在した被測定ガスに接するようにしておき、
他方の電極が一定酸素濃度の基準雰囲気に接するように
配置した場合、その濃淡電池起電力は、酸素と可燃ガス
成分とが過不足なく反応する存在比率で混在している組
成（以下、ストイキ組成という）付近を境にして急激に
変化する性質を有している。一方、一般のガソリンエン
ジンあるいはディーゼルエンジンをリーンバーン条件で
運転したときの、発生する排気ガス中には可燃ガス成分
の総濃度はおおむね０〜１０００ｐｐｍＣ（ただしｐｐ
ｍＣは炭素当量で表した１００万分率を示す。以下同
じ）程度のものとなる。そして、この可燃ガス成分濃度
において、第一処理室で調整される排気ガスの酸素濃度
を前述の１０^-7ａｔｍ（望ましくは１０^-9ａｔｍ）以下
の範囲に調整することで、第二処理室に導入されるガス
は概ねストイキ組成か若干リッチ側の組成となり、第二
の酸素濃淡電池素子の出力を高めることができ、ひいて
は排気ガスセンサの感度を良好なものとすることが可能
となる。

【００３５】この場合、第二の酸素濃淡電池素子の濃淡
電池起電力は、前述の通り可燃ガス成分の燃焼により消
費される酸素量に応じて変化するので、この濃淡電池起
電力を可燃ガス成分濃度検出情報として出力することが
可能である。この場合、第二の酸素濃淡電池素子が可燃
ガス成分濃度情報発生出力部を構成することとなる。な
お、上記濃淡電池起電力は、可燃ガス成分濃度に対して
必ずしもリニアには変化しないことがある。この場合
は、本発明の排気ガスセンサシステムにおいて、次のよ
うな出力変換部を設けることができる。すなわち、該出
力変換部は、濃淡電池起電力の値と可燃ガス成分濃度の
値との関係を示す濃淡電池起電力−可燃ガス成分濃度関
係情報を記憶する起電力−濃度関係情報記憶部と、ここ
に記憶されている濃淡電池起電力−可燃ガス成分濃度関
係情報に基づいて、第二の酸素濃淡電池素子が出力する
濃淡電池起電力に対応する可燃ガス成分濃度の値を決定
する濃度決定手段と、その決定された濃度値を出力する
濃度値出力手段とを備える。これにより、センサ出力を
より直接的で利用しやすいものとすることができる。

【００３６】一方、上記排気ガスセンサは、次のように
構成することも可能である。すなわち、前述したものと
同様の構成の第一の酸素濃淡電池素子及び第二の酸素濃
淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体電解質により構成
されて両面に電極が形成され、かつその一方の電極（第
三電極）が第二の処理室と接するように配置され、外部
から該第二の処理室内に酸素を汲み込む第二の酸素ポン
プ素子とを設ける。そして、第二の酸素ポンプ素子は、
燃焼により減少する酸素を補う形で第二の処理室へ酸素
を汲み込むことにより、該第二の処理室内の酸素濃度を
ほぼ一定に維持するとともに、そのときのポンプ電流又
はポンプ電圧を可燃ガス成分濃度検出情報として出力す
ることにより、可燃ガス成分濃度情報発生出力部を構成
する。

【００３７】一方、これに対応する排気ガスセンサシス
テムは次のように構成される。すなわち、該システムに
おいては、前述したものと同様の構成の第一の酸素濃淡
電池素子及び第二の酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝
導性固体電解質により構成されて両面に電極が形成さ
れ、かつその一方の電極（第三電極）が第二の処理室と
接するように配置され、外部から該第二の処理室内に酸
素を汲み込む第二の酸素ポンプ素子と、燃焼により減少
する酸素を補う形で第二の処理室へ酸素が汲み込まれ、
該第二の処理室内の酸素濃度がほぼ一定に維持されるよ
うに第二の酸素ポンプ素子の作動を制御する第二の酸素
ポンプ作動制御手段とが設けられる。そして、第二の酸
素ポンプ素子は、燃焼により減少する酸素を補う形で第
二の処理室へ酸素を汲み込むことにより、該第二の処理
室内の酸素濃度をほぼ一定に維持するとともに、そのと
きのポンプ電流又はポンプ電圧を可燃ガス成分濃度検出
情報として出力することにより、可燃ガス成分濃度情報
発生出力部を構成する。

【００３８】上記構成によれば、第二の酸素ポンプ素子
のポンプ電流又は電圧が、可燃ガス成分濃度に対してほ
ぼリニアに変化するので、前述のような出力変換部をあ
えて設けなくとも、より利用しやすいセンサ出力を得る
ことができる。なお、第二の酸素ポンプ素子の一方の電
極（第三電極）が第二の処理室に面して新たに配置され
ることから、次のような構成が採用可能となる。すなわ
ち、第一電極〜第三電極を、いずれも酸素分子解離能を
有する多孔質電極として構成するととともに、第二電極
と第三電極の少なくともいずれかが、排気ガス中の可燃
ガス成分に対する酸化触媒活性を有して前述の酸化触媒
部として機能するものとする。そして、第一電極〜第三
電極は、第一の処理室よりも第二の処理室において、可
燃ガス成分の燃焼による酸素消費量が大きくなるよう
に、その酸化触媒活性を調整する。第二の酸素ポンプ素
子については、第二電極と第三電極のいずれか一方のみ
を第一電極よりも酸化触媒活性が高くなるように構成し
てもよいし、双方ともに酸化触媒活性が高くなるように
構成してもよい。この場合も、第一電極〜第三電極の材
質は、酸化触媒活性が上記関係を満たすように、前述の
高活性金属グループ及び低活性金属グループを適宜選択
して使用することができる。

【００３９】本発明の排気ガスセンサ及び排気ガスセン
サシステムにおいては、第一処理室と第二処理室とを、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成された隔壁を挟んで
互いに隣接して配置することができる。この場合、隔壁
には、第一処理室と第二処理室とを連通させる第二の気
体流通部を形成し、厚さ方向中間部に酸素基準電極を埋
設することができる。そして、隔壁の第一処理室に面す
る表面には第一の電極を形成し、該第一の電極と、酸素
基準電極と、それら電極の間に挟まれた酸素イオン伝導
性固体電解質の隔壁部分とが第一の酸素濃淡電池素子を
構成するようにする。また、隔壁の第二処理室に面する
表面には第二の電極を形成し、該第二の電極と、酸素基
準電極と、それら電極の間に挟まれた酸素イオン伝導性
固体電解質の隔壁部分とが第二の酸素濃淡電池素子を構
成するようにする。また、第一処理室を挟んで隔壁と反
対側に第一の酸素ポンプ素子が配置される。このように
すれば、２つの酸素濃淡電池素子の酸素基準電極を共通
化できるのでセンサをコンパクトに構成できる。なお、
第二の酸素ポンプ素子を設ける場合には、これを第二処
理室を挟んで隔壁と反対側に設けるようにすればよい。

【００４０】次に、第二モードでの可燃ガス成分検出
は、次のような可燃ガス成分濃度検出素子を用いて行な
うことも可能である。すなわち、該可燃ガス成分濃度検
出素子は、酸素イオン伝導性固体電解質により構成され
て両面に電極が形成され、その一方の電極が第二処理室
と接して配置されるとともに、それら両電極を介して一
定の電圧が印加されるようになっている。そして、第一
処理室から第二処理室内に導入された気体中の、可燃ガ
ス成分の燃焼により消費される酸素量に応じてその出力
電流を変化させ、当該出力電流が排気ガス中の可燃ガス
成分の濃度検出情報として取り出される。この場合、本
発明の排気ガスセンサシステムには、可燃ガス成分濃度
検出素子に対し電圧を印加する電圧印加手段が設けられ
る。

【００４１】上記構成においては、測定対象となる排気
ガスは、第一処理室において酸素ポンプ素子の作動によ
り酸素濃度が所定レベルまで減少させられる。そして、
これを第二処理室に導いて酸化触媒部の補助により可燃
ガス成分を燃焼させる。可燃ガス成分濃度検出素子は、
微小定電圧が印加された状態で上記燃焼により酸素量が
変化すると、その酸素量変化に応じて出力電流を変化さ
せるので、該出力電流の値から、もとの排気ガス中の可
燃ガス成分の濃度情報を得ることができる。測定対象と
なる排気ガスは、酸素濃度が所定レベルまで一旦減少さ
せられた後、可燃ガス成分の含有量測定が行なわれる形
となるので、その検出出力が排気ガス中に本来含まれて
いる酸素濃度の影響を受けにくく、可燃ガス成分濃度検
出素子の出力電流の可燃ガス成分濃度に対する直線性も
良好である。さらに、前述の特開平８−２４７９９５号
公報に示された従来のセンサにおいては、第二処理ゾー
ン（第二処理室）側で、酸素ポンプ素子と酸素濃度測定
用の素子との最低２つの素子が必要であったのに対し、
上記構成では可燃ガス成分濃度検出素子を設けるだけで
十分であり、センサ構造を簡略化できる。なお、可燃ガ
ス成分濃度検出素子もＺｒＯ₂固体電解質で構成するこ
とができる。

【００４２】可燃ガス成分濃度検出素子に対し上記電圧
は、第二処理室から酸素が汲み出される向きの酸素ポン
プ電流を当該可燃ガス成分濃度検出素子に発生させる極
性で印加することができる。この場合、該電圧のレベル
は、第二処理室内の酸素分圧が、導入された気体中の窒
素酸化物の分解が実質的に生じない範囲で調整するのが
よい。これにより、窒素酸化物分解により発生する酸素
の影響で、可燃ガス成分濃度の検出精度が低下すること
が防止できるようになる。

【００４３】上記排気ガスセンサ及び排気ガスセンサシ
ステムの構成においては、酸素濃度検出素子は、酸素イ
オン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形
成されるとともに、一方の電極が第一処理室と接するよ
うに配置された酸素濃淡電池素子とすることができる。
この場合、該酸素濃淡電池素子の該一方の電極を第一電
極とし、また、可燃ガス成分濃度検出素子の第二処理室
と接する電極を第二電極として、それら第一電極と第二
電極とは、いずれも酸素分子解離能を有する多孔質電極
として構成されるとともに、第二電極は排気ガス中の可
燃ガス成分に対する酸化触媒活性を有して上記酸化触媒
部として機能するものとすることができる。また、第一
電極は可燃ガス成分に対する酸化触媒活性が第二電極よ
りも小さく設定されたものを使用できる。

【００４４】上記構成では、第一電極の酸化触媒活性を
第二電極の酸化触媒活性よりも低くすることで、第一処
理室内で燃焼せずに残留した可燃ガス成分の少なくとも
一部を、第二処理室内では燃焼させることが確実に行え
るようになり、センサの感度を高めることができる。さ
らに、可燃ガス成分濃度検出素子の第二処理室に面する
電極（第二電極）が酸化触媒部に兼用されるため、セン
サないしセンサシステムの構成をより単純化できる利点
がある。

【００４５】可燃ガス成分濃度検出素子の第二処理室と
接する電極は、第二気体流通部と干渉しない位置に形成
することが、可燃ガス成分の検出出力を安定化させる上
で望ましい。上記電極を第二気体流通部と干渉する位置
に形成した場合、第一処理室から導入された排気ガスと
既に第二処理室内に導入されているガスとが平衡に到達
する前の状態で、可燃ガス成分の燃焼が起こる可能性が
あるが、干渉しない位置に形成した場合はこのような現
象が起こりにくくなり、出力安定化を図ることができる
ようになるものと考えられる。

【００４６】可燃ガス成分濃度検出素子を用いる場合
も、第一処理室と第二処理室とを、酸素イオン伝導性固
体電解質で構成された隔壁を挟んで互いに隣接して配置
することができる。この場合、隔壁には、第一処理室と
第二処理室とを連通させる第二気体流通部を形成し、厚
さ方向中間部に酸素基準電極を埋設することができる。
そして、隔壁の第一処理室に面する表面には第一電極を
形成し、該第一電極と、酸素基準電極と、それら電極の
間に挟まれた酸素イオン伝導性固体電解質の隔壁部分と
が酸素濃淡電池素子を構成するようにする。また、隔壁
の第二処理室に面する表面には第二電極を形成し、該第
二電極と、酸素基準電極と、それら電極の間に挟まれた
酸素イオン伝導性固体電解質の隔壁部分とが可燃ガス成
分濃度検出素子を構成するようにする。また、第一処理
室を挟んで隔壁と反対側に酸素ポンプ素子が配置され
る。このようにすれば、酸素濃度検出素子と可燃ガス成
分濃度検出素子との酸素基準電極を共通化できるのでセ
ンサをコンパクトに構成できる。

【００４７】この場合、酸素基準電極と、第二電極との
少なくともいずれかを、隔壁に対し第二気体流通部と干
渉しない位置に形成することが望ましく、双方ともに第
二気体流通部と干渉しない位置に形成すればさらによ
い。第二電極をこのような位置関係で配置することの利
点については、前述の通りである。また、酸素基準電極
を第二気体流通部が位置関係で設けることにより、基準
電極内に保持された酸素が第二気体流通部を通って漏洩
することが阻止され、酸素基準レベルひいては可燃ガス
成分の検出出力をさらに安定化させることができる。

【００４８】また、上記排気ガスセンサの酸素ポンプ素
子を流れる電流値、すなわち酸素ポンプ電流値は、排気
ガス中の酸素濃度に応じて変化するため、該ポンプ電流
値は、排気ガス中の酸素濃度の情報を反映したものとな
る。そこで、本発明の排気ガスセンサシステムにおいて
は、上記ポンプ電流値に反映された排気ガス中の酸素濃
度の情報に基づいて、可燃ガス成分濃度検出素子の検出
出力を補正する補正手段を設けることができる。すなわ
ち、本発明の排気ガスセンサシステムにおいて、可燃ガ
ス成分濃度検出素子の検出出力は前述の通り排気ガス中
の酸素濃度を本質的に受けにくい特質を有するが、酸素
濃度により検出出力に多少の変動が生ずる場合は、これ
を上記補正手段により補正することで、可燃ガス成分濃
度の検出精度を一層向上させることが可能となる。

【００４９】この場合、上記補正手段は具体的には、可
燃ガス成分濃度検出素子の出力電流値と可燃ガス成分濃
度との関係を表す出力電流値−可燃ガス成分濃度関係情
報を、各種酸素濃度（あるいはポンプ電流値）毎に記憶
する出力電流値−可燃ガス成分濃度関係情報記憶手段
と、可燃ガス成分濃度検出素子の検出された出力電流値
と、上記出力電流値−可燃ガス成分濃度関係情報とに基
づいて、補正後の出力電流値（あるいは対応する可燃ガ
ス成分濃度）の値を決定する補正値決定手段とを備える
ものとして構成できる。これにより、検出される可燃ガ
ス成分濃度の補正を合理的に行うことが可能となる。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例を参照して説明する。図１は、本発明の一
実施例としての排気ガスセンサ１を示している。すなわ
ち、排気ガスセンサ１は、それぞれ横長板状に形成され
た第一ヒータ２、第一ポンプ素子３、第一の酸素濃淡電
池素子（酸素濃度検出素子：以下、第一電池素子とい
う）４、第二の酸素濃淡電池素子（以下、第二電池素子
という）５、第二ポンプ素子６及び第二ヒータ８がこの
順序で積層され一体化されたものとして構成されてい
る。また、第一ポンプ素子３と第一電池素子４との間に
は第一処理室９が、第二電池素子５と第二ポンプ素子６
との間には第二処理室１０が形成されている。なお、第
二電池素子５は、後述の第一モードでは酸素濃淡電池素
子として機能し、第二モードでは可燃ガス成分検出素子
として機能する。

【００５１】各素子３〜５及び第二ポンプ素子６は、酸
素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されてい
る。そのような固体電解質としては、Ｙ₂Ｏ₃ないしＣａ
Ｏを固溶させたＺｒＯ₂が代表的なものであるが、それ
以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺ
ｒＯ₂との固溶体を使用してもよい。また、ベースとな
るＺｒＯ₂にはＨｆＯ₂が含有されていてもよい。本実施
例では、Ｙ₂Ｏ₃ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ₂固体
電解質セラミックが使用されているものとする。一方、
第一及び第二ヒータ２，８は、公知のセラミックヒータ
で構成されており、各素子３〜５を所定の作動温度に加
熱する役割を果たす。そして、各素子３〜５及び第二ポ
ンプ素子６の境界部分には、Ａｌ₂Ｏ₃等を主体とした絶
縁層（図３に示す絶縁層２６０等：図１では示さず）が
介挿されている。このような積層一体化されたセンサの
構造は、上記各部３〜６となるべきセラミックグリーン
シート（セラミック成形体）を積層して焼成することに
より製造することができる。

【００５２】次に、第一処理室９の両側壁部分には、該
第一処理室９と外部の被測定空間とを連通させる第一気
体流通部１１が形成されている。図１（ｂ）に示すよう
に、第一気体流通部１１は、第一処理室９の幅方向両側
において第一ポンプ素子３と第一電池素子４との間にま
たがる形態で形成されるとともに、第一処理室９の側縁
に沿って第一ポンプ素子３ないし第一電池素子４の長手
方向に延びており、多孔質Ａｌ₂Ｏ₃焼成体等により連通
気孔を有する多孔質セラミック体として構成されてい
る。これにより、該第一気体流通部１１は、外部からの
排気ガスを一定の拡散抵抗のもとに第一処理室９内に導
く拡散規制流通部として機能する。

【００５３】次に、第一電池素子４と第二電池素子５と
は互いに重ね合わされるとともに、第一処理室９と第二
処理室１０とに挟まれた部分は、酸素イオン伝導性固体
電解質で構成された隔壁１２となっている。換言すれ
ば、上記２つの処理室９，１０は、該隔壁１２を挟んで
隣接して配置されている。そして、この隔壁１２には、
第一処理室９と第二処理室１０とを連通させる第二気体
流通部１３が形成されており、その厚さ方向中間部には
酸素基準電極１４が埋設されている。第二気体流通部１
３も、第一気体流通部１１と同様に多孔質セラミック体
として構成されており、第一処理室９内の気体を第二処
理室１０へ一定の拡散抵抗のもとに導く拡散規制流通部
として機能する。なお、上記拡散規制流通部は、多孔質
セラミック体（あるいは金属体）で形成する代わりに、
小孔やスリットで構成してもよい。

【００５４】隔壁１２の第一処理室９に面する表面には
第一電極１５が形成されており、第一電池素子４の要部
は、該第一電極１５と、酸素基準電極１４と、それら電
極１５，１４の間に挟まれた隔壁部分１２ａとによって
構成されている。一方、隔壁１２の第二処理室１０に面
する表面には第二電極１６が形成されており、該第二電
極１６と、酸素基準電極１４と、それら電極１６，１４
の間に挟まれた隔壁部分１２ｂとが第二電池素子５の要
部を構成している。なお、第一ポンプ素子３にも、その
両面に電極１９，２０がそれぞれ形成されている。な
お、電極１５，１４は、第一電池素子４の長手方向にお
いて互いにずれた位置関係で形成されている。また、第
二ポンプ素子６の両面にも、第三電極１７及び第四電極
１８がそれぞれ形成されている。

【００５５】上記各電極１４〜２０はいずれも、各素子
３〜６を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸
素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出さ
せるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能
（酸素解離触媒機能）を有するものとされている。その
材質であるが、第一処理室９に面する２つの電極、すな
わち第一ポンプ素子３の電極１９と第一電池素子４の第
一電極１５とは、第二処理室１０に面する電極、すなわ
ち第二電池素子５の第二電極１６及び第二ポンプ素子６
の第三電極１７よりも、メタン等の被検出成分の酸化
（すなわち燃焼）の触媒活性が小さくなるように選定さ
れている。本実施例では、電極１９，１５がＰｔ−Ａｕ
合金（例えばＰｔ−１重量％Ａｕ合金）により、他の電
極がＰｔにより構成されている。このような多孔質電極
は、例えば上記金属ないし合金の粉末と、下地となる固
体電解質セラミックとの密着強度を向上させるために該
下地と同材質の固体電解質セラミック粉末を適量配合し
てペーストを作り、これを用いて下地となるべきセラミ
ックグリーンシート上に電極パターンを印刷形成して、
一体焼成することにより形成される。なお、低触媒活性
側の電極１９，１５は、酸化触媒活性のより低いＡｕ等
で構成してもよいが、上述のようなＰｔ−Ａｕ合金とす
ることにより、ＺｒＯ₂固体電解質セラミックとの同時
焼成が可能となり、排気ガスセンサ１の製造能率が向上
する。

【００５６】なお、図１に示すように、各素子３〜６の
各電極１４〜２０からは、素子の長手方向に沿って排気
ガスセンサ１の取付基端側に向けて延びる電極リード部
（図示せず）がそれぞれ一体に形成されており、該基端
側において各素子３〜６には接続端子１４ｂ〜２０ｂの
一端が埋設されている。そして、図２に示すように、各
接続端子（図では２０ｂで代表させている）は、金属ペ
ーストの焼結体として素子の厚さ方向に形成された導通
部（図では２０ｃで代表させている）により、電極リー
ド部（図では２０ａで代表させている）の末端に対して
電気的に接続されている。

【００５７】なお、図１に示すように、酸素基準電極１
４と第二電池素子５の第二電極１６とは、第二気体流通
部１３と干渉しない位置に形成されている。これによ
り、可燃ガス成分の検出出力をより安定化させることが
できる。一方、第一電池素子４の第一電極１５は、第二
気体流通部１３と重なりを有する位置に形成され、該第
二気体流通部１３に対応する位置には、気体の流通を確
保するために貫通穴１５ｈが形成されている。

【００５８】次に、図３（ｂ）に示すように、第一処理
室９及び第二処理室１０（図では第一処理室９で代表さ
せる）には、焼成時の処理室空間の潰れを防止する支柱
部２１０が、散点状あるいは千鳥状に形成されている。
このような構造の製造方法を第一処理室９を例にとって
説明する。すなわち、図３（ａ）に示すように、第一ポ
ンプ素子３となるべきセラミックグリーンシート２２０
と、同じく第一電池素子４となるべきセラミックグリー
ンシート２３０との各々の対向面において第一処理室９
に予定された領域に、セラミック粉末ペースト（例えば
多孔質Ａｌ₂Ｏ₃粉末ペースト）を用いて、支柱部２１０
となるべき支柱部パターン２６６ａ及び２６６ｂを形成
する。また、その支柱部パターン２６６ａ及び２６６ｂ
と重なりを生じない位置において同じく該第一処理室９
に予定された領域に、焼成時に燃焼ないし分解する材質
の粉末ペースト（例えばカーボンペースト）により補助
支持パターン２６７ａ及び２６７ｂを形成する。さら
に、上記第一処理室９に予定された領域を除く他の領域
には、絶縁層パターンとしての貼合わせコート２６９が
Ａｌ₂Ｏ₃粉末ペースト等により支柱部パターン２１０の
高さよりも小さい厚さで形成される。また、図示はして
いないが、第一処理室９となるべき領域の両側には、多
孔質Ａｌ₂Ｏ₃焼成体による第一気体流通部１１を形成す
るための連通部パターンが多孔質Ａｌ₂Ｏ₃粉末ペースト
により形成される。

【００５９】これを焼成することにより、図３（ｂ）に
示すように、第一ポンプ素子３と第一電池素子４との間
においては、補助支持パターン２６７ａ及び２６７ｂが
消失するとともに、上記支柱部パターン２６６ａ，２６
６ｂが焼成により一体化して支柱部２１０が形成され
る。また、この支柱部２１０により大きさが規定された
形で第一処理室９が形成され、その幅方向両側には図１
（ｂ）に示すような多孔質セラミック体による第一気体
流通部１１が形成される。一方、第一処理室９を除く他
の領域においてそれら第一電池素子４と第一ポンプ素子
３とは、貼合わせコート２６９に基づく絶縁層２６０を
介して互いに接合される。

【００６０】ここで、図４に示すように、支柱部パター
ン２６６ａ，２６６ｂと、補助支持パターン２６７ａ，
２６７ｂとは平面をほぼ埋め尽くすように相補的に形成
され、例えば図３（ａ）のグリーンシート２２０及び２
３０を互いに積層した際に、補助支持パターン２６７
ａ，２６７ｂによる補強効果に基づき、支柱部パターン
２６６ａ，２６６ｂが両者の間で潰れることが防止ない
し抑制される。また、図３（ａ）に誇張して示すよう
に、貼合わせコート２６９が２６６ａ，２６６ｂの合計
厚さよりもかなり薄く形成されていたとしても、グリー
ンシート２２０及び２３０は柔軟であり、グリーンシー
ト２２０及び２３０が少し橈むことで、両者は貼合わせ
コート２６９を介して密着でき、焼成により支障なく一
体化することができる。

【００６１】以下、上記排気ガスセンサ１を使用した排
気ガスセンサシステムの構成例と、その作動について説
明する。図５は、排気ガスセンサ１を用いた排気ガスセ
ンサシステム（以下、単にセンサシステムという）の一
例の電気的構成を示すブロック図である。すなわち、該
センサシステム５０は、上記排気ガスセンサ１と、マイ
クロプロセッサ５２と、排気ガスセンサ１とマイクロプ
ロセッサ５２とを接続する周辺回路５１とから構成され
ている。マイクロプロセッサ５２は、出力変換部の要部
を構成するものであり、出入力インターフェースとして
のＩ／Ｏポート５６と、これに接続されたＣＰＵ５３、
ＲＡＭ５４、ＲＯＭ５５等により構成されている。ＲＡ
Ｍ５４はＣＰＵ５３のワークエリアとして機能する。ま
た、ＲＯＭ５５には、センサシステム５０の被検出成分
の出力値決定の演算とその出力制御とを司る制御プログ
ラムと、該制御プログラムが使用する濃度変換テーブル
とが格納されている。なお、ＣＰＵ５３は、ＲＯＭ５５
に格納された上記制御プログラムにより、濃度決定手段
の主体をなす。

【００６２】周辺回路５１は、第一回路１５１と第二回
路２５１とを備え、排気ガスセンサ１は、マイクロプロ
セッサ５２からの指令を受けて作動する切替回路３００
（モード切り替え手段）により、それら第一回路１５１
と第二回路２５１とのいずれれかに選択的に接続される
ようになっている。

【００６３】このうち、第一回路１５１は、排気ガスセ
ンサ１を、２種以上の酸素含有ガス成分の濃度を検出す
る第一モードで作動させるためのものである。本実施例
では、そのような酸素含有ガス成分として、ＮＯｘと水
蒸気（Ｈ₂Ｏ）との２種の成分の濃度を個別に検出する
場合を例にとる。この第一モードでのセンサシステム５
０の作動の概略は以下の通りである。

【００６４】すなわち、図１に示す第一ヒータ２及び第
二ヒータ８（いずれか一方を省略してもよい）により、
所定の作動温度、すなわち各素子３〜５を構成するＺｒ
Ｏ₂固体電解質が活性化する温度まで加熱され、その状
態で気体流通部１１を通って第一処理室９に排気ガスが
導入される。第一処理室９内へ導入された排気ガス中の
酸素濃度は第一ポンプ素子３により、酸素含有ガス成分
が実質的に分解しない範囲内で減少させられた後、第二
気体流通部１３を経て第二処理室内へ導かれる。該ガス
は、定電圧動作する第二ポンプ素子６により、酸素含有
ガス成分が分解するように酸素が汲み出される。この場
合、ガス中の酸素含有ガス成分の含有量が多いほど分解
により生ずる酸素量が増え、第二ポンプ素子６の電流値
が増大することから、これを読み取ることにより該酸素
含有ガス成分の濃度を知ることができる。そして、酸素
含有ガス成分（本実施例ではＮＯｘと水蒸気）は、種類
によってその分解酸素分圧レベルが異なるので、第二ポ
ンプ素子６の作動電圧を、検出対象となる酸素含有ガス
成分の種類に応じてマイクロプロセッサ５２からの指示
により変更すれば、その作動電圧に対応した酸素含有ガ
ス成分を選択的に検出することができる。

【００６５】図６は、第一回路１５１の電気的構成例
を、排気ガスセンサ１と接続された状態において示す回
路図である（ただし、この図では切替回路３００を省略
して描いている）。排気ガスセンサ１は、その第一ポン
プ素子３の第一処理室９側の電極１９（）及び酸素基
準電極１４（）が接地される。また、第一電池素子４
の第一電極１５（）は、オペアンプ１５７ａと周辺の
抵抗器１５７ｂ〜１５７ｅとから構成される差動増幅器
１５７の一方の入力端子に接続されており、第一電池素
子４の濃淡電池起電力Ｅが入力されるようになってい
る、一方、差動増幅器１５７の他方の入力端子には酸素
濃度設定目標値に対応する起電力目標値ＥCを与えるた
めの電源回路１５８が接続されている。そして、差動増
幅器１５７は濃淡電池起電力Ｅと起電力目標値ＥCとの
差を増幅して、これを第一ポンプ素子３の電極２０側
（）に入力する。第一ポンプ素子３は、差動増幅器１
５７からの出力を受けて、第一電池素子４の濃淡電池起
電力Ｅ（すなわち第一処理室９内の酸素濃度）が、前述
の酸素濃度設定目標値に対応する起電力目標値ＥCに近
づく方向に、第一処理室９に対し酸素を汲み出す又は汲
み込むように作動する。すなわち、差動増幅器１５７は
第一の酸素ポンプ制御手段を構成する。

【００６６】ここで、起電力目標値ＥCは、第一処理室
９内の酸素分圧が、測定対象となる複数の酸素含有ガス
成分（被測定成分）、この場合、ＮＯｘと水蒸気とがい
ずれも実質的に分解しないレベルとなるように設定され
る。上記酸素分圧の値は、具体体には１０^-8〜１０^-6ａ
ｔｍの範囲である。

【００６７】一方、第二処理室１０側においては、第二
ポンプ素子６の第四電極１８側（）にマイクロプロセ
ッサ５２からの指示電圧値Ｖｐが、Ｄ／Ａ変換器１６０
及び増幅器１７３（オペアンプ１７３ａと周辺の抵抗器
１７３ｂ〜１７３ｅとからなる）を介して入カされる一
方、第三電極１７側（）側が接地される。これによ
り、第二ポンプ素子６には第二処理室１３内に酸素が汲
み込まれる方向に定電圧Ｖｐ（指示電圧）が印加される
こととなる。ここで、検出対象となる成分がＮＯｘであ
る場合は、ＶｐはＶ1＝０．３５〜０．７５Ｖの範囲で
設定される。また、検出対象となる成分が水蒸気である
場合には、ＶｐはＶ2＝１〜１．２Ｖで設定される。

【００６８】そして、第二ポンプ素子６のポンプ電流
は、電流検出用抵抗器ＲSの両端電圧を差動増幅器１７
２（オペアンプ１７２ａと周辺の抵抗器１７２ｂ〜１７
２ｅとから構成される）で増幅して、電圧変換した形で
出力される。なお、この出力は、そのままアナログセン
サ出力として使用でき、Ａ／Ｄ変換器１７３によりデジ
タル変換すれば、デジタルセンサ出として使用できる。

【００６９】図７は、その第一モードでのセンサシステ
ム５０の作動の流れを示すフローチャートである。すな
わち、図５でマイクロプロセッサ５２は、所定の測定タ
イミングが到来すると切替回路３００に指示を出し、第
一回路１５１を排気ガスセンサ１に接続する、そして、
図７のＳ１０１において、第二ポンプ素子の設定電圧
（以下、ポンプ電圧）ＶｐをＮＯｘ検出用のＶ1に設定
する。これにより、第二処理室１０に導かれたガス中の
ＮＯｘはほぼ全てが分解するが、水蒸気はほとんど分解
しない。従って、この場合は第二ポンプ素子６は、主に
ＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出す形となり、そ
の出力電流Ｉ1はＮＯｘ濃度を反映したものとなる。

【００７０】そして、図５のＲＯＭ５５には濃度変換テ
ーブルとして、図８（ａ）に示すように、上記Ｉ1の各
値に対応するＮＯｘ濃度の値Ｃ1を記憶したＮＯｘテー
ブル５０１が記憶されている。そして、図７のＳ１０２
では、第二ポンプ素子６の電流Ｉ1を読み取り、Ｓ１０
３でその電流Ｉ1に対応するＮＯｘ濃度をＮＯｘテーブ
ル５０１を参照して補間法により決定し、出力する。

【００７１】次に、Ｓ１０４では、第二ポンプ素子の設
定電圧（以下、ポンプ電圧）Ｖｐを水蒸気検出用のＶ2
に設定する。これにより、第二処理室１０に導かれたガ
スは、ＮＯｘと水蒸気がいずれもほぼ全て分解すること
となる。従って、この場合は第二ポンプ素子６は、ＮＯ
ｘと水蒸気との双方の分解により生じた酸素を汲み出す
形となり、そのときの出力電流Ｉ2は、ＮＯｘと水蒸気
との合計濃度を反映したものとなる。

【００７２】そこで、図７のＳ１０６では、先に測定し
たＩ1、すなわちＮＯｘの分解に由来する電流成分を上
記Ｉ2から減じることにより、水蒸気の分解に由来する
電流成分Ｉ3を算出する。図５のＲＯＭ５５には濃度変
換テーブルとして、図８（ｂ）に示すように、上記Ｉ3
の各値に対応する水蒸気濃度の値Ｃ2を記憶したＨ₂Ｏテ
ーブル５０２が記憶されており、図７のＳ１０７では、
これを参照して上記Ｉ3に対応する水蒸気濃度を補間法
により決定し、出力する。

【００７３】なお、上記例では、第一処理室９内の酸素
分圧は、被測定成分の種類に応じて随時変更するように
してもよい。具体的には、第一ポンプ素子３は、測定し
ようとする被測定成分は実質的に分解せず、それよりも
分解酸素分圧レベルが高い他の酸素含有ガス成分は分解
するように、第一処理室内の酸素分圧を調整するものと
して構成する。この場合の回路構成は、例えば図９に示
すように、差動増幅器１５７への起電力目標値ＥCを、
図６のように定電圧電源１５８による一定値とするので
はなく、マイクロプロセッサ５２からの指示電圧値Ｖｐ
として、Ｄ／Ａ変換器１６０及び増幅器１７４（オペア
ンプ１７４ａと周辺の１７４ｂ〜１７４ｅとからなる）
を介して可変入力されるように構成する。

【００７４】この場合のセンサシステム５０の作動の流
れを図１０に示している。すなわち、Ｓ２００におい
て、第一ポンプ素子３への起電力目標直ＥCを、ＮＯｘ
も水蒸気もいずれも分解しない酸素分圧となる値Ｅ1に
設定し、Ｓ２０１で第二ポンプ素子の設定電圧（以下、
ポンプ電圧）ＶｐをＮＯｘ検出用のＶ1に設定する。こ
の場合は第二ポンプ素子６の出力電流Ｉ1は、先の例と
同様にＮＯｘ濃度を反映したものとなるのでＳ２０２で
これを読み取り、Ｓ２０３でその電流Ｉ1に対応するＮ
Ｏｘ濃度を、図８（ａ）のＮＯｘテーブル５０１を参照
して補間法により決定し出力する。

【００７５】次に、Ｓ２０４では、第一ポンプ素子３へ
の起電力目標値ＥCを、ＮＯｘはほぼ完全に分解し、水
蒸気は分解しない酸素分圧（例えば１０^-8〜１０^-6ａｔ
ｍ）となる値Ｅ2に設定する。また、Ｓ２０５では、第
二ポンプ素子６の設定電圧（以下、ポンプ電圧）Ｖｐを
水蒸気検出用のＶ2に設定する。この場合、排気ガス中
のＮＯｘは第一処理室９内で分解され、第一ポンプ素子
３により排出されることから、第二処理室１０に導かれ
たガス中には実質的にＮＯｘが存在せず水蒸気のみが存
在する形となる。従って、第二ポンプ素子６は、水蒸気
の分解により生じた酸素を汲み出す形となり、そのとき
の出力電流Ｉ2は、水蒸気濃度を反映したものとなる。

【００７６】この場合、図５のＲＯＭ５５には濃度変換
テーブルとして、図８（ｃ）に示すように、上記Ｉ2の
値に対応する水蒸気濃度の値Ｃ2を記憶したＨ₂Ｏテーブ
ル５０３を記憶しておく。そしてＳ２０６でＩ2の値を
読み取り、図７のＳ１０７では、Ｈ₂Ｏテーブル５０３
を参照して上記Ｉ2に対応する水蒸気濃度を補間法によ
り決定し出力する。

【００７７】さて、図５に戻り、第二回路２５１は、排
気ガスセンサ１をＨＣ濃度を検出する第二モードで作動
させるためのものである。この第二モードでのセンサシ
ステム５０の作動の概略は以下の通りである。

【００７８】まず、第一処理室９に導入された排気ガス
中の酸素濃度は第一電池素子４により検出され、第一ポ
ンプ素子３はその酸素濃度が１０^-12〜１０^-7ａｔｍ
（望ましくは１０^-11〜１０^-9ａｔｍ）の範囲で設定さ
れた所定の目標値に近づくように、より具体的には排気
ガスに含まれる水蒸気の分解反応が実質的に起こらない
酸素濃度目標値に近づくように、第一処理室９内の気体
から酸素を汲み出すあるいは汲み込む作動をする。な
お、排気ガス中の酸素濃度は、一般には上記酸素濃度目
標値よりも大きいのが通常であり、この場合には第一ポ
ンプ素子３は第一処理室９内の酸素濃度を減少させる方
向に作動することとなる。

【００７９】こうして、酸素濃度が一定レベルまで減少
させられた気体は第二気体流通部１３を通って第二処理
室１０内に流入する。ここで、ＨＣ等の可燃ガス成分に
対する酸化触媒活性が第一電極１５よりも第二電極１６
の方が大きく設定されているので、第二処理室１０内に
流入した気体中の可燃ガス成分は、第二電極１６を酸化
触媒部として燃焼し、酸素を消費する。第二処理室１０
内の酸素濃度はこの燃焼による消費量、すなわち可燃ガ
ス成分の濃度に応じて変化する。

【００８０】一方、第二電池素子５には、図１１の直流
定電圧電源２７１により、電極１４，１６を介して一定
の電圧ＶCが印加されるようになっている。この電圧ＶC
の印加の極性は、本実施例では、第二電池素子５に第二
処理室１０側から酸素基準電極１４側へ酸素が汲み出さ
れる方向に設定される。また、ＶCの電圧レベルは、可
燃ガス成分濃度の検出感度が十分確保でき、かつ第二処
理室１０内の酸素分圧が、排気ガス中の窒素酸化物（Ｎ
Ｏ_X）の分解が生じるレベルまでは低下しない範囲で設
定される。ただし、第二電池素子５の出力電流の極性
は、第一電池素子４の起電力の絶対値及び極性と、第二
処理室１０内の酸素濃度との関係により、上記電圧ＶC
の極性とは逆になることもある。

【００８１】なお、酸素基準電極１４側の基準電位レベ
ル（あるいはその空隙に保持されるガス中の酸素濃度レ
ベル）を、測定上の支障を来たさない範囲に維持できる
ようであれば、ＶCの印加極性は上記と逆、すなわち、
酸素基準電極１４側から第二処理室１０側へ酸素が汲み
込まれる方向に設定してもよい。また、酸素基準電極１
４は隔壁部分１２ａに埋設された形になっているが、例
えば大気連通部を介して基準ガスとしての大気が導入さ
れる基準室を隔壁部分１２ａに設け、この基準室の内面
に酸素基準電極１４を形成してもよい。この場合、ＶC
の印加極性は第二処理室１０側から酸素基準電極１４側
へ酸素が汲み出される方向に設定しても、酸素基準電極
１４側から第二処理室１０側へ酸素が汲み込まれる方向
に設定しても、いずれでもよい。

【００８２】そして、第二電池素子５の出力電流値は、
第二処理室１０内に導入された気体中の、可燃ガス成分
の燃焼により消費される酸素量に応じて変化し、当該出
力電流の値から排気ガス中の可燃ガス成分の濃度を知る
ことができる。すなわち、第二電池素子５は可燃ガス成
分濃度検出素子として機能している。また、第一モード
との関連で該素子５は「酸素濃淡電池素子」と称してい
るが、該第二モードでは、ＶCの印加により酸素のポン
ピングを行う１種の酸素ポンプ素子として機能している
と見ることができる。

【００８３】図１１は、第二回路２５１の電気的構成例
を、排気ガスセンサ１と接続された状態において示す回
路図である（この図では切替回路３００を省略して描い
ている）。排気ガスセンサ１は、第一ポンプ素子３の第
一処理室９側の電極１９（）と、第一電池素子４の第
一電極１５（）とが接地される。また、酸素基準電極
１４（）は、オペアンプ２５７ａと周辺の抵抗器２５
７ｂ〜２５７ｅとから構成される差動増幅器２５７の一
方の入力端子に接続される。また、第二電池素子５に
は、前述の通り電極１４，１６を介してこれに電圧ＶC
を印加するための直流定電圧電源２７１が接続されるよ
うになっている（、）。これにより、差動増幅器２
５７の上記一方の端子には、第一電池素子４の濃淡電池
起電力Ｅに上記電圧ＶCが重畳されて入力されるように
なっている。なお、この実施例では、第二モードでは第
二ポンプ素子６は使用されない。

【００８４】一方、差動増幅器２５７の他方の入力端子
には酸素濃度設定目標値に対応する起電力目標値ＥCを
与えるための電源回路２５８（ただし、実際の設定電圧
はＥC＋ＶCとなる）が接続されている。そして、差動増
幅器２５７は濃淡電池起電力Ｅと起電力目標値ＥCとの
差を増幅して、これを第一ポンプ素子３の電極２０側
（）に入力する。第一ポンプ素子３は、差動増幅器２
５７からの出力を受けて、第一電池素子４の濃淡電池起
電力Ｅ（すなわち第一処理室９内の酸素濃度）が、前述
の酸素濃度目標値に対応する起電力目標値ＥCに近づく
方向に、第一処理室９に対し酸素を汲み出す又は汲み込
むように作動する。すなわち、差動増幅器２５７は酸素
ポンプ作動制御手段を構成する。なお、電源回路２５８
は、固定電圧出力により起電力目標値ＥCを固定的に設
定するものとしてもよいが、この設定値を可変に構成し
てもよい。

【００８５】なお、第一電池素子４と第二電池素子５と
は共通の酸素基準電極１４を有しているが、この酸素基
準電極１４と第一電極１５（あるいは第二電極１６）と
の間には、定電流電源２７２により、酸素基準電極側１
４側へ酸素が汲み込まれる方向の微小直流電流が常時印
加されている。これにより、酸素基準電極１４内の空隙
は常時酸素１００％に近い基準ガスで満たされた状態と
なるので、第一電池素子４及び第二電池素子５の濃淡電
池起電力が高められ、ひいては排気ガスセンサ１の測定
精度及び感度の向上が図られている。

【００８６】上記定電流電源２７２による印加電圧のレ
ベルは、第一電池素子４の濃淡電池起電力Ｅの出力レベ
ルよりも十分小さく、かつ酸素基準電極１４内の酸素濃
度を１００％に十分近付けられる程度の大きさに設定さ
れる。

【００８７】第二電池素子５の出力電流は、例えば電流
検出用の抵抗器２７０の両端電圧の差として検出され
る。本実施例では、該出力電流信号は、差動増幅器２６
０（オペアンプ２６０ａと周辺の抵抗器２６０ｂ〜２６
０ｅとから構成される）により電圧変換した形で取り出
された後、さらにＡ／Ｄ変換器２７５でデジタル変換さ
れてマイクロプロセッサ５２に入力されるようになって
いる。

【００８８】次に、マイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５
５には、前述の通り制御プログラム５５ａと濃度変換テ
ーブル５５ｂとが格納されている。図１２は、濃度変換
テーブル５５ｂの内容の一例を示すものであり、可燃ガ
ス成分濃度（例えばＨＣ濃度）の各値Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3、
‥‥に対応する第二電池素子５の検出電流値Ｉd1、Ｉd
2、Ｉd3、‥‥の値を記憶している。これらの値は、実
験等により予め定められたものである。そして、図１１
に示すＣＰＵ５３は、制御プログラム５５ａによりＲＡ
Ｍ５４をワークエリアとして、図１３のフローチャート
に示すようなセンサ出力制御を実行する。

【００８９】すなわち、図示しないタイマーにより測定
タイミングを計測し、Ｓ１において該タイミングが到来
したら、Ｓ２で第二電池素子５からの検出電流値Ｉdの
サンプリングを行う。そして、Ｓ３でそのサンプリング
された値に対応する可燃ガス成分濃度の値を、図１２の
濃度変換テーブル５５ｂを参照して補間法により算出
し、Ｓ４でその算出した値をＲＡＭ５４の算出値格納エ
リア５４ｂに格納する。なお、該エリア５４ｂに書き込
まれていた値は上書き消去する。そして、Ｓ５におい
て、そのエリア５４ｂに書き込まれた算出値を、排気ガ
ス中の可燃ガス成分濃度の情報として図１１のＩ／Ｏポ
ート５６より出力する。なお、この出力はそのままデジ
タル出力してもよいし、Ｉ／Ｏポート５６に接続された
Ｄ／Ａ変換器２６２でアナログ変換して出力してもよ
い。

【００９０】上記第二モードによる排気ガスセンサシス
テム５０の作動では、第一処理室９において第一ポンプ
素子３の作動により、排気ガス中の酸素濃度が所定レベ
ル、具体的には１０^-12〜１０^-7ａｔｍの範囲内にある
所定値まで減少させられ、これが第二処理室１０に導か
れて可燃ガス成分が燃焼する。そして、その燃焼により
消費される酸素量に応じて第二電池素子５の検出電流値
Ｉdが変化し、当該出力を排気ガス中の可燃ガス成分の
濃度検出情報として取り出すようにしている。ここで、
第一ポンプ素子３の作動により達成される第一処理室９
内の上記酸素濃度到達レベルは、排気ガスに含有される
水蒸気の分解反応が実質的に起こらないか、起こっても
ごく僅かな程度のものであるため、水蒸気の分解により
発生した水素の燃焼による可燃ガス成分の検出精度低下
が、極めて効果的に防止されることとなる。

【００９１】なお、上記排気ガスセンサ１の第一電池素
子４及び第二電池素子５はＺｒＯ₂固体電解質で構成さ
れている。ここで、ＺｒＯ₂固体電解質を用いた酸素濃
淡電池素子において、一方の電極が酸素と可燃ガス成分
が混在した被測定ガスに接するようにしておき、他方の
電極が一定酸素濃度の基準雰囲気に接するように配置し
た場合、その濃淡電池起電力は、酸素と可燃ガス成分と
が過不足なく反応する存在比率で混在している組成（ス
トイキ組成）付近を境にして急激に変化する性質を有し
ている。一方、一般のガソリンエンジンあるいはディー
ゼルエンジンをリーンバーン条件で運転したときに、発
生する排気ガス中の可燃ガス成分の総濃度はおおむね０
〜１０００ｐｐｍＣ程度の範囲のものとなる。そして、
この可燃ガス成分濃度において、第一処理室９で調整さ
れる排気ガスの酸素濃度を前述の１０^-7ａｔｍ（望まし
くは１０^-9ａｔｍ）以下の範囲に調整することで、第二
処理室１０に導入されるガスは概ねストイキ組成か若干
リッチ側の組成となるので、第二電池素子５の濃淡電池
起電力出力が高められ、ひいては排気ガスセンサ１の感
度も良好なものとなる。

【００９２】上記排気ガスセンサシステム５０において
は、第一処理室９内で酸素濃度を一定レベルまで減じて
から第二処理室１０内で可燃ガス成分濃度の検出を行な
うようにしているから、第二電池素子５の検出出力は排
気ガス中の酸素濃度の影響を本質的に受けにくい特質を
有している。しかしながら、酸素濃度により検出出力に
多少の変動が生じる場合は、排気ガス中の酸素濃度に応
じて第二電池素子５の検出出力を補正するようにすれ
ば、可燃ガス成分濃度の検出精度を一層向上させること
ができる。

【００９３】この場合、排気ガス中の酸素濃度は、別途
設けられた酸素センサを用いて測定してもよいが、上記
排気ガスセンサ１の第一ポンプ素子３を流れる電流値、
すなわち酸素ポンプ電流値ＩPは、排気ガス中の酸素濃
度に応じてほぼ直線的に変化するため、該ポンプ電流値
ＩPにより排気ガス中の酸素濃度の情報を得るようにす
れば、新たな酸素センサを設けなくて済む利点がある
（この測定は第一モードと第二モードとのいずれにおい
ても実行できる）。

【００９４】具体例としては例えば以下のような構成が
可能である。すなわち、図１１に示すように、差動増幅
器２５７の出力路上に電流検出用の抵抗器２７３を設
け、その抵抗器２７３の両端電圧の形でポンプ電流値Ｉ
Pを差動増幅器２５９（オペアンプ２５９ａと周辺の抵
抗器２５９ｂ〜２５９ｅとから構成される）により検出
し、これをＡ／Ｄ変換器２７４を介してマイクロプロセ
ッサ５２に入力する。そして、ＲＯＭ５５の濃度変換テ
ーブル５５ｂは、図１４に示すように、第二電池素子５
の検出電流の各種値Ｉd1、Ｉd2、Ｉd3、‥‥に対応する
可燃ガス成分濃度（例えばＨＣ濃度）の値の組を、各種
ポンプ電流値ＩP（すなわち酸素濃度）の値毎に記憶し
た二次元テーブルとしておく。そして、測定されたポン
プ電流値ＩPと検出電流値Ｉdの値の組に対応する可燃ガ
ス成分濃度の値を、上記濃度変換テーブル５５ｂを参照
して二次元補間法により算出し、これを補正された濃度
検出値として出力する。この場合、濃度変換テーブル５
５ｂの内容が出力電流値−可燃ガス成分濃度関係情報を
構成し、ＲＯＭ５５はその記憶手段となる。また、マイ
クロプロセッサ５２のＣＰＵ５３は、補正手段として機
能する。

【００９５】なお、第二モードでのＨＣ濃度の測定は、
例えば図１５に示すように、第二処理室１０内の酸素濃
度を検出する第二電池素子５の濃淡電池起電力により行
ってもよい。この場合、該濃淡電池起電力は第二電極１
６側から取り出され、オペアンプ２５９ａを含んだボル
テージフォロワ回路２５９を経てオペアンプ２６０ａと
周辺の抵抗器２６０ｂ〜２６０ｅ等からなる増幅回路２
６０により増幅され、さらにＡ／Ｄ変換器２６１でデジ
タル変換されてマイクロプロセッサ５２に入力される。
そして、マイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５５に、ＨＣ
濃度の各値Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3、・・・に対応する濃淡電池
起電力Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3、・・・の値を記憶した濃度変換
テーブル５５ｂを格納しておき、入力された濃淡電池起
電力に対応するＨＣ濃度の値を補間法により算出し、デ
ジタル出力ないしＤ／Ａ変換器２６２を経てアナログ出
力する。

【００９６】また、図１６に示すように、第二処理室１
０内の酸素濃度情報を第二電池素子５の濃淡電池起電力
の情報としてそのまま出力するのではなく、第二ポンプ
素子６が、燃焼により減少する酸素を補う形で第二処理
室１０へ酸素を汲み込むことにより、該第二処理室１０
内の酸素濃度をほぼ一定に維持するとともに、そのとき
の第二ポンプ素子６のポンプ電流（又はポンプ電圧）を
可燃ガス成分濃度検出情報として出力するようにしても
よい。なお、図１６では切替回路３００とマイクロプロ
セッサ５２とを省略して描いている。

【００９７】この場合、第一処理室９側の構成は図６と
全く同様であるが、第二処理室１０側においては、第二
電池素子５の第二電極１６側が、オペアンプ２７０ａと
周辺の抵抗器２７０ｂ〜２７０ｅとから構成される差動
増幅器２７０の一方の入力端子に接続されており、第二
電池素子５の濃淡電池起電力Ｅ’が入力されるようにな
っている。一方、差動増幅器２７０の他方の入力端子に
は酸素濃度設定目標値に対応する起電力目標値ＥC’を
与えるための電源回路２７１が接続されている。そし
て、差動増幅器２７０は濃淡電池起電力Ｅ’と起電力目
標値ＥC’との差を増幅して、これを第二ポンプ素子６
の電極１７側に入力する。第二ポンプ素子６は、差動増
幅器２７０からの出力を受けて、第二電池素子５の濃淡
電池起電力Ｅ’（すなわち第二処理室１０内の酸素濃
度）が、前述の酸素濃度設定目標値に対応する起電力目
標値ＥC’に近づく方向に、第二処理室１０に対し酸素
を汲み出す又は汲み込むように作動する。すなわち、差
動増幅器２７０は第二の酸素ポンプ制御手段を構成す
る。なお、第一処理室９側から導かれる気体に対し、含
有される水蒸気の分解を抑制させる観点からは、第二処
理室１０側の酸素濃度設定目標値は、第一処理室９側で
設定されたものよりも大きくするのがよい。この場合、
第二ポンプ素子６は、第二処理室１０内の酸素濃度を上
昇させるように作動することとなる。

【００９８】そして、第二電池素子５の濃淡電池起電力
Ｅがほぼ一定になると、第二ポンプ素子６のポンプ電流
値もほぼ一定の値となる。そして、第二処理室１０へ導
入される気体中の可燃ガス成分濃度が高いほど、消費さ
れる酸素量も多くなり、第二ポンプ素子６により第二処
理室１０へ汲み込まれる酸素量、すなわちポンプ電流値
も高くなり、具体的には第二ポンプ素子６のポンプ電流
は、可燃ガス成分濃度に対してほぼリニアに変化するこ
ととなる。従って、このポンプ電流値をそのまま直線性
の高いセンサ出力として使用することが可能となる。例
えば、図１６では、差動増幅器２７０の出力路上に電流
検出用の抵抗器ＲSを設け、その抵抗器ＲSの両端電圧を
差動増幅器２７２（オペアンプ２７２ａと周辺の抵抗器
２７２ｂ〜２７２ｅとから構成される）で増幅して、ポ
ンプ電流値を電圧変換した形で出力するようにしてい
る。なお、この出力は、そのままアナログセンサ出力と
して使用でき、Ａ／Ｄ変換器２７３によりデジタル変換
すれば、デジタルセンサ出力として使用できる。

【００９９】

【実施例】以下、第二モードにおける排気ガスセンサ１
のさらに具体的な実施例を、実験結果ともに示す。（実施例１）図１に示す排気ガスセンサ１において、Ｙ
₂Ｏ₃を５重量％含有するＺｒＯ₂固体電解質で各素子３
〜６を構成した。また、各多孔質電極１４〜１６，１
９，２０のうち、電極１５及び１６をＰｔ−１重量％Ａ
ｕ合金により、他の電極をＰｔにより構成した。なお、
第一処理室９及び第二処理室１０は、それぞれ高さ０．
０２mm、幅２２mm、長さ７mmとした。該センサ１を図５
（第二回路は図１１）の排気ガスセンサシステム５０に
組み込み、酸素７％、水蒸気１０％、炭酸ガス１０％、
一酸化窒素５００ｐｐｍ、及び可燃性ガス成分としての
メタンを０〜５００ｐｐｍＣの各種値で含有し、残部窒
素からなる試験ガス中に該センサ１を保持して各素子３
〜５が６５０℃になるようにヒータ２，８により加熱し
た。

【０１００】この状態で、排気ガスセンサ１を第一電池
素子４の起電力目標値ＥCを、第一処理室９内の酸素濃
度設定目標値ＰXが１０^-11ａｔｍとなる値（約５５０ｍ
Ｖ）に設定してセンサシステム５０を前記第二モードで
作動させるとともに、第二電池素子５の出力電流Ｉdが
メタン濃度によりどのように変化するかを調べた。ただ
し、定電圧直流電流２５８（図１１）による第二電池素
子５への電圧Ｖcの印加レベルは２５０ｍＶとした。該
結果を図１７に示す。すなわち、本発明の排気ガスセン
サ１の出力電流Ｉdは、メタン濃度により大きく変化
し、メタンに対して良好な検出能を有していることがわ
かる。

【０１０１】また、図１８は、各メタン濃度における第
一ポンプ素子３のポンプ電流値ＩPを示すものである。
すなわち、ポンプ電流値ＩPはメタン濃度が増えるに従
い減少していることがわかる。このことは、第一処理室
９内の酸素濃度を上記値で設定した場合、メタンの一部
が燃焼を起こしていることを示すものである。すなわ
ち、メタン濃度が増大するほど、その燃焼量も増大し、
目標酸素濃度に維持するための第一ポンプ素子３による
酸素汲み出し量、すなわちポンプ電流値ＩPは減少する
ものと考えられる。

【０１０２】（実施例２）実施例１と同じセンサシステ
ム５０を用い、メタン濃度を０及び５００ｐｐｍＣのい
ずれかとし、また水蒸気濃度を５％と１０％とのいずれ
かとし、他のガス成分の濃度は実施例１と同一として同
様の実験を行った。ただし、第二モードでの作動条件は
実施例１と同じである。結果を図１９に示す。すなわ
ち、水蒸気濃度が５％と１０％とのいずれにおいても、
各メタン濃度に対応する出力電流Ｉdはほとんど変化し
ていない。このことから、本発明の排気ガスセンサ１
は、検出中に水蒸気の分解をほとんど起こさないため、
水蒸気濃度によらず、メタンに対して常に安定した濃度
検出出力が得られることがわかる。なお、比較例とし
て、第一電池素子４の起電力目標値ＥCを、第一処理室
９内の酸素濃度設定目標値ＰXが１０^-13ａｔｍとなる値
（約６５１ｍＶ）に設定し、同様の実験を行った場合の
結果を図２０に示す。センサ出力は水蒸気濃度の影響を
大きく受けていることがわかる。

【０１０３】（実施例３）実施例１と同じセンサシステ
ム５０を用い、メタンを０又は５００ｐｐｍＣ、一酸化
窒素５００ｐｐｍ、酸素７％、水蒸気１０％、炭酸ガス
１０％、残部窒素とした試験ガス中に排気ガスセンサ１
を配置して、各素子３〜５が６５０℃になるようにヒー
タ２，８により加熱した。そして、第一電池素子４の起
電力目標値ＥCを、第一処理室９内の酸素濃度設定目標
値ＰXが１０^-13〜１０^-5ａｔｍとなる各種値に設定して
センサシステム５０を作動させ、第二電池素子５の出力
電流Ｉdを測定した。なお、定電圧直流電源２５８（図
１１）による第二電池素子５への電圧ＶCの印加レベル
は２５０ｍＶとした。そして、メタン０ｐｐｍＣでの出
力電流ＩdをＩd1、同じく５００ｐｐｍＣでの出力電流
ＩdをＩd2として、ΔＩd＝Ｉd1−Ｉd2をＰXの値に対し
てプロットした結果を図２１に示す。すなわち、ＰXが
１０^-7ａｔｍ以上の条件ではΔＩdが小さくなり、十分
なセンサ出力が得られなくなることがわかる。

【０１０４】（実施例４）実施例１と同じセンサシステ
ム５０を用い、酸素７％、水蒸気１０％、炭酸ガス１０
％、一酸化窒素５００ｐｐｍ、及びメタンを５００ｐｐ
ｍＣを含有し、残部窒素からなる試験ガス中に該センサ
１を保持して各素子３〜５が６００〜７７０℃の各温度
となるようにヒータ２，８により加熱した。そして、第
一電池素子４の起電力目標値ＥCを、第一処理室９内の
酸素濃度設定目標値ＰXが１０^-9ａｔｍとなる値（約４
５０ｍＶ）に設定してセンサシステム５０を作動させ、
第二電池素子５の出力電流Ｉdと、そのときに第一ポン
プ素子３に印加されている電圧値（ポンプ電圧値）ＶP
を測定した。なお、定電圧直流電源２５８（図１１）に
よる第二電池素子５への電圧ＶCの印加レベルは２５０
ｍＶとした。結果を図２２に示す。素子温度が７００℃
を超えると、出力電流値Ｉdのレベルが低くなり過ぎ、
排気ガスセンサの感度が低下することがわかる。一方、
作動温度が低下するとポンプ電圧値ＶPが増大している
ことがわかる。これは、第一ポンプ素子３の内部抵抗が
増大するためである。そして、素子温度が６５０℃未満
になると、ポンプ電圧値ＶPが極端に大きくなって第一
ポンプ素子３の作動が不安定化した。

【０１０５】（実施例５）実施例１と同じセンサシステ
ム５０を用い、メタン０又は５００ｐｐｍＣ、酸素７
％、水蒸気１０％、炭酸ガス１０％、及び一酸化窒素
０、５００、１０００ｐｐｍのいずれかとして残部窒素
とした試験ガス中に排気ガスセンサ１を配置し、各素子
３〜５が６５０℃になるようにヒータ２，８により加熱
した。そして、第一電池素子４の起電力目標値ＥCを、
第一処理室９内の酸素濃度設定目標値ＰXが１０^-9ａｔ
ｍとなる値（約４５０ｍＶ）に設定してセンサシステム
５０を作動させ、第二電池素子５の出力電流Ｉdを測定
した。なお、定電圧直流電源２５８（図１１）による第
二電池素子５への電圧ＶCの印加レベルは２５０ｍＶと
した。結果を図２３に示す。すなわち、出力電流Ｉdは
ＮＯ濃度の影響をほとんど受けていないことがわかる。

【０１０６】（実施例６）実施例１と同じセンサシステ
ム５０を用い、メタン０又は５００ｐｐｍＣ、酸素７
％、一酸化窒素５００ｐｐｍ、炭酸ガス１０％、及び水
蒸気５、１０、１５％のいずれかとして残部窒素とした
試験ガス中に配置し、各素子３〜５が６５０℃になるよ
うにヒータ２，８により加熱した。そして、第一電池素
子４の起電力目標値ＥCを、第一処理室９内の酸素濃度
設定目標値ＰXが１０^-9ａｔｍとなる値（約４５０ｍ
Ｖ）に設定してセンサシステム５０を作動させ、第二電
池素子５の出力電流Ｉdを測定した。なお、定電圧直流
電源２５８（図１１）による第二電池素子５への電圧Ｖ
Cの印加レベルは２５０ｍＶとした。結果を図２４に示
す。すなわち、出力電流Ｉdは水蒸気濃度の影響をほと
んど受けていないことがわかる。

【０１０７】（実施例７）実施例１と同じセンサシステ
ム５０を用い、メタン０ｐｐｍＣ又は５００ｐｐｍＣ、
酸素７％、水蒸気１０％、一酸化窒素５００ｐｐｍ、炭
酸ガス１０％、及び一酸化炭素を０、５００、１０００
のいずれかとして残部窒素とした試験ガス中に排気ガス
センサ１を配置して、各素子３〜５が６５０℃になるよ
うにヒータ２，８により加熱した。そして、第一電池素
子４の起電力目標値ＥCを、第一処理室９内の酸素濃度
設定目標値ＰXが１０^-9ａｔｍとなる値（約４５０ｍ
Ｖ）に設定してセンサシステム５０を作動させ、第二電
池素子５の出力電流Ｉdを測定した。なお、定電圧直流
電源２５８（図１１）による第二電池素子５への電圧Ｖ
Cの印加レベルは２５０ｍＶとした。結果を図２５に示
す。すなわち、出力電流Ｉdは一酸化炭素濃度の影響を
ほとんど受けていないことがわかる。

【０１０８】（実施例８）実施例１と同じセンサシステ
ム５０を用い、メタン０ｐｐｍＣ又は５００ｐｐｍＣ、
酸素７％、水蒸気１０％、一酸化窒素５００ｐｐｍ、炭
酸ガス１０％、及び水素を０、５００、１０００のいず
れかとして残部窒素とした試験ガス中に排気ガスセンサ
１を配置して、各素子３〜５が６５０℃になるようにヒ
ータ２，８により加熱した。そして、第一電池素子４の
起電力目標値ＥCを、第一処理室９内の酸素濃度設定目
標値ＰXが１０^-9ａｔｍとなる値（約４５０ｍＶ）に設
定してセンサシステム５０を作動させ、第二電池素子５
の出力電流Ｉdを測定した。なお、定電圧直流電源２５
８（図１１）による第二電池素子５への電圧ＶCの印加
レベルは２５０ｍＶとした。結果を図２６に示す。すな
わち、出力電流Ｉdは水素濃度の影響をほとんど受けて
いないことがわかる。排気ガス中に含有されていた水素
は、第一処理室９に導入された時点で、大半が燃焼によ
り消費されてしまうものと推測される。

【０１０９】（実施例９）実施例１と同じセンサシステ
ム５０を用い、酸素４、７、１０％のいずれか、水蒸気
１０％、一酸化窒素５００ｐｐｍ、炭酸ガス１０％、及
びメタンを０〜５００ｐｐｍＣの各種値で含有し、残部
窒素とした試験ガス中に排気ガスセンサ１を配置して、
各素子３〜５が６５０℃になるようにヒータ２，８によ
り加熱した。そして、第一電池素子４の起電力目標値Ｅ
Cを、第一処理室９内の酸素濃度設定目標値ＰXが１０^-9
ａｔｍとなる値（約４５０ｍＶ）に設定してセンサシス
テム５０を作動させ、第二電池素子５の出力電流Ｉdを
測定した。なお、定電圧直流電源５８（図１１）による
第二電池素子５への電圧ＶCの印加レベルは２５０ｍＶ
とした。結果を図２７に示す。すなわち、出力電流Ｉd
のメタン濃度依存性は、酸素濃度の影響をあまり受けて
いないことがわかる。

【０１１０】（実施例１０）実施例１と同じセンサシス
テム５０を用い、メタン０又は５００ｐｐｍＣのいずれ
か、酸素７％、水蒸気１０％、一酸化窒素０、５００、
１０００ｐｐｍのいずれか、炭酸ガス１０％、残部窒素
とした試験ガス中に排気ガスセンサ１を配置して、各素
子３〜５が６５０℃になるようにヒータ２，８により加
熱した。そして、第一電池素子４の起電力目標値ＥC
を、第一処理室９内の酸素濃度設定目標値ＰXが１０^-9
ａｔｍとなる値（約４５０ｍＶ）に設定し、電圧直流電
源２５８（図１１）による第二電池素子５への電圧ＶC
の印加レベルを２５０ｍＶ及び４５０ｍＶのいずれかと
して、センサシステム５０を作動させ、第二電池素子５
の出力電流Ｉdを測定した。結果を図２８に示す。すな
わち、出力電流Ｉdは、ＶC＝２５０ｍＶでは一酸化窒素
濃度の影響をあまり受けていないことがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ガスセンサの一実施例を示す正面
断面図、及びそのＡ−Ａ断面図とＢ−Ｂ断面図。

【図２】電極リード部と端子部との接続構造の一例を示
す断面図。

【図３】図１の排気ガスセンサにおける処理室の形成方
法を示す説明図。

【図４】同じく別の説明図。

【図５】図１の排気ガスセンサを用いた排気ガスセンサ
システムの回路構成例を示すブロック図。

【図６】その第一回路の構成例を示すブロック図。

【図７】第一モードにおける排気ガスセンサシステムの
作動の流れを示すフローチャート。

【図８】ＮＯx及び水蒸気濃度算出用の濃度変換テーブ
ルの内容例を示す説明図。

【図９】第一回路の変形例を示すブロック図。

【図１０】図９の回路を用いた場合の第一モードにおけ
る排気ガスセンサシステムの作動の流れを示すフローチ
ャート。

【図１１】第二回路の構成例を示すブロック図。

【図１２】ＨＣ濃度算出用の濃度変換テーブルの内容例
を示す説明図。

【図１３】第二モードにおける排気ガスセンサシステム
の作動の流れを示すフローチャート。

【図１４】ＨＣ濃度算出用の濃度変換テーブルの変形例
を示す説明図。

【図１５】第二回路の変形例を示すブロック図。

【図１６】同じく別の変形例を示すブロック図。

【図１７】本発明の排気ガスセンサを用いた実施例１の
実験における、センサ出力のメタン濃度依存性の結果を
示すグラフ。

【図１８】同じく酸素ポンプ素子のポンプ電流のメタン
濃度依存性の結果を示すグラフ。

【図１９】実施例２の実験における、センサ出力に及ぼ
す水蒸気濃度の影響を示すグラフ。

【図２０】同じくその比較例における、センサ出力への
水蒸気濃度の影響を示すグラフ。

【図２１】実施例３の実験における、センサ感度に及ぼ
す第一処理室内の酸素濃度設定値の影響を示すグラフ。

【図２２】実施例４の実験における、センサ出力及び酸
素ポンプ電圧に及ぼす素子温度の影響を示すグラフ。

【図２３】実施例５の実験における、センサ出力に及ぼ
す試験ガス中の一酸化窒素濃度の影響を示すグラフ。

【図２４】実施例６の実験における、センサ出力に及ぼ
す試験ガス中の水蒸気濃度の影響を示すグラフ。

【図２５】実施例７の実験における、センサ出力に及ぼ
す試験ガス中の一酸化炭素濃度の影響を示すグラフ。

【図２６】実施例８の実験における、センサ出力に及ぼ
す試験ガス中の水素濃度の影響を示すグラフ。

【図２７】実施例９の実験における、センサ出力に及ぼ
す試験ガス中の酸素濃度の影響を示すグラフ。

【図２８】実施例１０の実験における、センサ出力に及
ぼす試験ガス中の一酸化窒素濃度の影響と、その可燃ガ
ス成分濃度検出素子への印加電圧レベルとの関係を示す
グラフ。

【符号の説明】

１排気ガスセンサ２第一ヒータ３第一の酸素ポンプ素子４第一の酸素濃淡電池素子（第一の酸素濃度検出素
子）５第二の酸素濃淡電池素子（可燃ガス成分濃度検出素
子）６第二の酸素ポンプ素子８第二ヒータ９第一処理室１０第二処理室１１第一気体流通部１２隔壁１３第二気体流通部１４酸素基準電極１５第一電極１６第二電極（酸化触媒部）１７第三電極（酸化触媒部）５０排気ガスセンサシステム５１周辺回路５２マイクロプロセッサ５３ＣＰＵ（補正手段）５４ＲＡＭ５５ＲＯＭ５６Ｉ／Ｏポート１５７差動増幅器（第一の酸素ポンプ素子制御手段）１７２差動増幅器（第二の酸素ポンプ素子制御手段）２５７差動増幅器（第一の酸素ポンプ素子制御手段）２７１直流定電圧電源（電圧印加手段）３００切替回路（モード切り替え手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気ガス中の成分のうち、酸素原子を分
子中に含む成分（以下、酸素含有ガス成分という）を検
出するための排気ガスセンサであって、周囲から区画されるとともに、第一の気体流通部を介し
て排気ガスが導入される第一処理室と、周囲から区画されるとともに、前記第一処理室内の気体
が第二の気体流通部を介して導かれる第二処理室と、前記第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度
検出素子と、酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
極が形成され、前記第一処理室から酸素を汲み出すこと
により、当該第一処理室内へ導入された前記排気ガス中
の酸素濃度を、前記酸素含有ガス成分の分解反応が実質
的に起こらない範囲内で減少させる第一の酸素ポンプ素
子と、酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
極が形成され、かつその一方の電極（以下、第三電極と
いう）が前記第二処理室と接するように配置されるとと
もに、前記第二処理室から酸素が汲み出される方向にお
いて前記電極間に定電圧が印加されるようになってお
り、前記第二の気体流通部を介して前記第一処理室から
第二処理室内に導入された気体中の前記酸素含有ガス成
分の濃度に応じてその出力電流値を変化させる第二の酸
素ポンプ素子とを備え、該第二の酸素ポンプ素子は、互いに異なる複数レベルの
定電圧のいずれかが前記電極間に選択的に印加されるよ
うになっており、該定電圧の印加レベルに応じて異なる
種類の酸素含有ガス成分の濃度を、前記出力電流値に基
づいて検出できるようにしたことを特徴とする排気ガス
センサ。
【請求項２】測定対象となる前記酸素含有ガス成分
は、窒素酸化物、硫黄酸化物、水蒸気及び二酸化炭素の
少なくともいずれかを含む２種以上のものであって、そ
の酸素含有分子が分解する酸素分圧レベル（以下、分解
酸素分圧レベルという）が互いに異なる２種以上のもの
である請求項１記載の排気ガスセンサ。
【請求項３】前記第一の酸素ポンプ素子は、測定しよ
うとする酸素含有ガス成分（以下、被測定成分という）
が実質的に分解せず、それよりも前記分解酸素分圧レベ
ルが高い他の酸素含有ガス成分は分解するように、前記
第一処理室内の酸素分圧を調整するものとされ、前記第二の酸素ポンプ素子は、前記被測定成分が分解
し、それよりも前記分解酸素分圧レベルが低い他の酸素
含有ガス成分が実質的に分解しないように、該被測定成
分の種類に対応したレベルの定電圧が印加されるように
なっている請求項１又は２に記載の排気ガスセンサ。
【請求項４】前記第一の酸素ポンプ素子は、測定対象
となる複数の酸素含有ガス成分（以下、被測定成分とい
う）がいずれも実質的に分解しないように、前記第一処
理室内の酸素分圧を調整するものとされ、前記第二の酸素ポンプ素子は、前記被測定成分が前記分
解酸素分圧レベルが高い他の酸素含有ガス成分とともに
分解し、該被測定成分よりも前記分解酸素分圧レベルが
低い他の酸素含有ガス成分は実質的に分解しないよう
に、該被測定成分の種類に対応したレベルの定電圧が印
加されるようになっている請求項１又は２に記載の排気
ガスセンサ。
【請求項５】前記第一の酸素ポンプ素子は、前記第一
処理室内へ導入された前記排気ガス中の酸素濃度を、前
記酸素含有ガス成分の分解反応が実質的に起こらない範
囲内で減少させる第一モードと、同じく前記排気ガス中
の水蒸気の分解反応が実質的に起こらない範囲内で減少
させる第二モードとの間で切り替え可能とされており、前記第二処理室には、酸素濃度が前記範囲に調整された後、前記第二の気体流
通部を介して前記第一処理室から第二処理室内に導入さ
れた気体に対し、当該気体に含まれる可燃ガス成分の燃
焼を促進させる酸化触媒部と、前記第二モードにおいて、前記第二処理室へ導入された
気体中の、前記可燃ガス成分の燃焼により消費される酸
素量に応じてその出力を変化させ、当該出力が前記排気
ガス中の前記可燃ガス成分の濃度検出情報として取り出
される可燃ガス成分濃度情報発生出力部と、が設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載の
排気ガスセンサ。
【請求項６】前記酸素濃度検出素子は、酸素イオン伝
導性固体電解質により構成されて両面に電極が形成され
るとともに、一方の電極（以下、第一電極という）が前
記第一処理室と接するように配置された第一の酸素濃淡
電池素子であり、また、前記可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、酸素イ
オン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形
成され、かつその一方の電極（以下、第二電極という）
が前記第二処理室と接するように配置されて、前記第二
処理室内の気体の酸素濃度を検出する第二の酸素濃淡電
池素子を含んで構成され、前記第一電極と前記第二電極とは、いずれも酸素分子解
離能を有する多孔質電極として構成されるととともに、
前記第二電極は前記排気ガス中の可燃ガス成分に対する
酸化触媒活性を有して前記酸化触媒部として機能するも
のとされ、かつ前記第一電極は前記可燃ガス成分に対す
る酸化触媒活性が前記第二電極よりも小さく設定されて
おり、前記可燃ガス成分濃度情報発生出力部は、前記第二の酸
素濃淡電池素子の濃淡電池起電力に基づいて、前記可燃
ガス成分濃度検出情報を生成するものである請求項５記
載の排気ガスセンサ。
【請求項７】酸素イオン伝導性固体電解質により構成
されて両面に電極が形成されるとともに、一方の電極
（以下、第一電極という）が前記第一処理室と接するよ
うに配置された、前記酸素濃度検出素子としての第一の
酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
極が形成され、かつその一方の電極（以下、第二電極と
いう）が前記第二処理室と接するように配置されて、前
記第二処理室内の気体の酸素濃度を検出する第二の酸素
濃淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体電解質により
構成されて両面に電極が形成され、かつその一方の電極
（以下、第三電極という）が前記第二処理室と接するよ
うに配置され、外部から該第二処理室内に酸素を汲み込
む第二の酸素ポンプ素子とを備え、前記第一電極〜前
記第三電極は、いずれも酸素分子解離能を有する多孔質
電極として構成されるととともに、前記第二電極と前記
第三電極との少なくともいずれかが、前記排気ガス中の
前記可燃ガス成分に対する酸化触媒活性を有して前記酸
化触媒部として機能するものとされ、かつ前記第一電極〜第三電極は、前記第一処理室よりも
前記第二処理室において、前記可燃ガス成分の燃焼によ
る酸素消費量が大きくなるように、その酸化触媒活性が
調整されており、前記第二モードにおいて前記第二の酸素ポンプ素子は、
前記燃焼により減少する酸素を補う形で前記第二処理室
へ酸素を汲み込むことにより、該第二処理室内の酸素濃
度をほぼ一定に維持するとともに、そのときのポンプ電
流又はポンプ電圧を前記可燃ガス成分濃度情報として出
力することにより、前記可燃ガス成分濃度情報発生出力
部として作動する請求項５記載の排気ガスセンサ。
【請求項８】酸素イオン伝導性固体電解質により構成
されて両面に電極が形成され、その一方の電極が前記第
二処理室と接して配置されるとともに、前記第二モード
において前記両電極を介して一定の電圧が印加されるよ
うになっており、前記第一処理室から前記第二処理室内
に導入された気体中の、前記可燃ガス成分の燃焼により
消費される酸素量に応じてその出力電流を変化させ、当
該出力電流が前記排気ガス中の前記可燃ガス成分の濃度
検出情報として取り出される可燃ガス成分濃度検出素子
が設けられている請求項５記載の排気ガスセンサ。
【請求項９】排気ガス中のガス成分のうち、酸素原子
を分子中に含む成分（以下、酸素含有ガス成分という）
を検出するための排気ガスセンサシステムであって、周囲から区画されるとともに、第一の気体流通部を介し
て排気ガスが導入される第一処理室と、周囲から区画されるとともに、前記第一処理室内の気体
が第二の気体流通部を介して導かれる第二処理室と、前記第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度
検出素子と、酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
極が形成され、前記第一処理室から酸素を汲み出すこと
により、当該第一処理室内へ導入された前記排気ガス中
の酸素濃度を、前記酸素含有ガス成分の分解反応が実質
的に起こらない範囲内で減少させる第一の酸素ポンプ素
子と、酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に電
極が形成され、かつその一方の電極（以下、第三電極と
いう）が前記第二処理室と接するように配置されるとと
もに、前記第二処理室から酸素が汲み出される方向にお
いて前記電極間に定電圧が印加されるようになってお
り、前記第二の気体流通部を介して前記第一処理室から
第二処理室内に導入された気体中の前記ガス成分の濃度
に応じてその出力電流値を変化させる第二の酸素ポンプ
素子と、を備えた排気ガスセンサと、該第二の酸素ポンプ素子に対し、互いに異なる複数レベ
ルの定電圧のいずれかを前記電極間に選択的に印加する
第二の酸素ポンプ素子制御手段とを備えて構成され、前記定電圧の印加レベルに応じて種類の異なる酸素含有
ガス成分の濃度を、前記第二の酸素ポンプ素子の出力電
流値に基づいて検出できるようにしたことを特徴とする
排気ガスセンサシステム。
【請求項１０】測定しようとする酸素含有ガス成分
（以下、被測定成分という）が実質的に分解せず、それ
よりも前記分解酸素分圧レベルが高い他の酸素含有ガス
成分は分解するように、前記第一処理室内の酸素分圧が
調整されるよう、前記第一の酸素ポンプ素子の作動を制
御する第一の酸素ポンプ素子制御手段を備え、また、前記第二の酸素ポンプ素子制御手段は、前記被測
定成分が分解し、それよりも前記分解酸素分圧レベルが
低い他の酸素含有ガス成分は実質的に分解しないよう
に、該被測定成分の種類に対応したレベルの定電圧を前
記第二の酸素ポンプ素子に印加するものである請求項９
記載の排気ガスセンサシステム。
【請求項１１】測定対象となる複数の酸素含有ガス成
分（以下、被測定成分という）がいずれも実質的に分解
しないように、前記第一処理室内の酸素分圧が調整され
るよう、前記第一の酸素ポンプ素子の作動を制御する第
一の酸素ポンプ素子制御手段を備え、また、前記第二の酸素ポンプ素子制御手段は、前記被測
定成分が前記分解酸素分圧レベルが高い他の酸素含有ガ
ス成分とともに分解し、該被測定成分よりも前記分解酸
素分圧レベルが低い他の酸素含有ガス成分は実質的に分
解しないように、該被測定成分の種類に対応したレベル
の定電圧を前記第二の酸素ポンプ素子に印加するもので
ある請求項９記載の排気ガスセンサシステム。
【請求項１２】特定の被測定成分が前記分解酸素分圧
レベルが高い他の酸素含有ガス成分とともに分解し、該
被測定成分よりも前記分解酸素分圧レベルが低い他の酸
素含有ガス成分は実質的に分解しないように前記定電圧
レベルが設定されたときの前記第二の酸素ポンプ素子の
出力電流値と、前記特定の被測定成分は分解せず、それ
よりも前記分解酸素分圧レベルが高い他の酸素含有ガス
成分が分解するように前記定電圧レベルが設定されたと
きの前記第二の酸素ポンプ素子の出力電流直との差に基
づいて、前記特定の被測定成分の検出濃度情報を生成す
る検出濃度情報生成手段が設けられている請求項１０記
載の排気ガスセンサシステム。
【請求項１３】前記第一の酸素ポンプ素子の作動モー
ドを、前記第一処理室内へ導入された前記排気ガス中の
酸素濃度を、前記酸素含有ガス成分の分解反応が実質的
に起こらない範囲内で減少させる第一モードと、同じく
前記排気ガス中の水蒸気の分解反応が実質的に起こらな
い範囲内で減少させる第二モードとの間で切り替えるモ
ード切り替え手段が設けられ、また、前記排気ガスセンサの前記第二処理室に、酸素濃度が前記範囲に調整された後、前記第二の気体流
通部を介して前記第一処理室から第二処理室内に導入さ
れた気体に対し、当該気体に含まれる可燃ガス成分の燃
焼を促進させる酸化触媒部と、前記第二モードにおいて、前記第二処理室へ導入された
気体中の、前記可燃ガス成分の燃焼により消費される酸
素量に応じてその出力を変化させ、当該出力が前記排気
ガス中の前記可燃ガス成分の濃度検出情報として取り出
される可燃ガス成分濃度情報発生出力部と、が設けられている請求項９ないし１２のいずれかに記載
の排気ガスセンサシステム。