JPH11237362A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を
回避して、検出電極での測定精度の向上を図る。 【解決手段】ＮＯｘに対する分解／還元能力がないか、
あるいは低い電極（内側ポンプ電極４０及び外側ポンプ
電極４２）を有する主ポンプセル４４を用いて、第１室
１８内の酸素濃度を実質的にＮＯが分解し得ない所定の
値に制御し、ＮＯｘに対する分解／還元能力があるか、
あるいは高い検出電極６０を用いてＮＯｘを分解し、そ
の際に発生する酸素の量を測定することによって、ＮＯ
ｘ濃度を測定するガスセンサ１０Ａにおいて、ガス導入
口２４と第１室１８との間に緩衝空間２２を設けて構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、車両の排
気ガスや大気中に含まれるＮＯ、ＮＯ₂ 、ＳＯ₂、ＣＯ
₂ 、Ｈ₂ Ｏ等の酸化物や、ＣＯ、ＣｎＨｍ等の可燃ガス
を測定するガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃焼ガス等の被測定ガス中の
ＮＯｘを測定する方法として、ＲｈのＮＯｘ還元性を利
用し、ジルコニア等の酸素イオン導伝性の固体電解質上
にＰｔ電極及びＲｈ電極を形成したセンサを用い、これ
ら両電極間の起電力を測定するようにした手法が知られ
ている。

【０００３】しかしながら、このようなセンサは、被測
定ガスである燃焼ガス中に含まれる酸素濃度の変化によ
って起電力が大きく変化するばかりでなく、ＮＯｘの濃
度変化に対して起電力変化が小さく、そのためにノイズ
の影響を受けやすいという問題がある。

【０００４】また、ＮＯｘの還元性を引き出すために
は、ＣＯ等の還元ガスが必須になるところから、一般
に、大量のＮＯｘが発生する燃料過少の燃焼条件下で
は、ＣＯの発生量がＮＯｘの発生量を下回るようになる
ため、そのような燃焼条件下に形成される燃焼ガスで
は、正確な測定ができないという欠点があった。

【０００５】前記問題点を解決するために、被測定ガス
存在空間に連通した第１の内部空所と該第１の内部空所
に連通した第２の内部空所にＮＯｘ分解能力の異なるポ
ンプ電極を配したＮＯｘセンサと、第１の内部空所内の
第１のポンプセルでＯ₂ 濃度を調整し、第２の内部空所
内に配された分解ポンプセルでＮＯを分解し、分解ポン
プに流れるポンプ電流からＮＯｘ濃度を測定する方法
が、例えば特開平８−２７１４７６号公報に明らかにさ
れている。

【０００６】更に、特開平９−１１３４８４号公報に
は、酸素濃度が急変した場合でも第２の内部空所内の酸
素濃度が一定に制御されるように、第２の内部空所内に
補助ポンプ電極を配したセンサ素子が明らかにされてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ガスセンサ
においては、実機での被測定ガス中に発生する排気圧脈
動の影響を受け、外部空間の酸素が第１空間に対して急
激に入り込むことになる。

【０００８】これを解決するために、ガス導入口と第１
空間との間に設けられる拡散律速部を多孔体で構成す
る、あるいは拡散律速部をスリット形状若しくはスリッ
ト内に多孔体を挿入するなどの構成を採用している。

【０００９】しかし、このような構成を採用しても、前
記排気圧の脈動の影響を効果的に回避することができな
いことが判明した。その理由は、前記排気圧の脈動によ
って、外部空間での圧力が第１空間内の圧力よりも正に
なると、外部空間の酸素が第１空間に対して突出するよ
うに急激に入り込むことになる。

【００１０】第１空間への酸素の突出供給が終了した時
点では、外部空間の圧力が第１空間内の圧力よりも負と
なるが、一旦、第１空間に供給された酸素は、前記拡散
律速部によって、供給経路の逆の経路を通じて排出され
るということはない。従って、この場合は、主ポンプに
よるポンピング動作によってしか外部空間に汲み出され
ないことになる。主ポンプは、第１空間内の酸素濃度が
所定の濃度になるようにポンピング処理するが、酸素濃
度が所定濃度に達するまでにはある程度時間が必要であ
り、その間に、再び排気圧の脈動によって第１空間に酸
素が急激に供給されるという現象が発生し、主ポンプに
よる第１空間内の酸素濃度を所定の濃度に制御するとい
う動作を効率よく行うことができない。

【００１１】その結果、第１空間での主ポンプによる酸
素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性が
どうしても悪くなり、この第１空間での酸素濃度の乱れ
は、第１空間に連通する第２空間での酸素濃度の制御及
びＮＯｘ検知部である検出電極での測定精度の劣化を引
き起こすおそれがある。

【００１２】本発明はこのような課題を考慮してなされ
たものであり、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の
影響を回避することができ、検出電極での測定精度の向
上を図ることができるガスセンサを提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るガスセンサ
は、外部空間に接する固体電解質にて区画形成された処
理空間にガス導入口を通じて導入された前記外部空間か
らの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、
前記処理空間における酸素分圧を測定対象である所定ガ
ス成分が分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手
段と、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の
被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／
又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した
酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備
し、前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該
測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被
測定ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセンサに
おいて、前記ガス導入口と前記処理空間との間に緩衝空
間を設けて構成する。

【００１４】まず、外部空間から処理空間内に導入され
た被測定ガスのうち、酸素が主ポンプ手段によってポン
ピング処理され、処理空間内の酸素は所定濃度に調整さ
れる。

【００１５】前記主ポンプ手段にて所定の酸素濃度に調
整された被測定ガスは、次の測定用ポンプ手段に導かれ
る。測定用ポンプ手段は、導かれた前記被測定ガスのう
ち、酸素をポンピング処理する。そして、前記測定用ポ
ンプ手段によりポンピング処理される酸素の量に応じて
該測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて被測
定ガス中の所定ガス成分の量が求められることとなる。

【００１６】そして、外部空間における排気圧の脈動に
よってガス導入口を通じて酸素がセンサ素子に急激に入
り込むことになるが、この外部空間からの酸素は、直接
処理空間に入り込まずに、その前段の緩衝空間に入り込
むことになる。つまり、排気圧の脈動による酸素濃度の
急激な変化は、緩衝空間によって打ち消され、処理空間
に対する排気圧の脈動の影響はほとんど無視できる程度
となる。

【００１７】その結果、処理空間での主ポンプでの酸素
ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性がよ
くなり、測定用ポンプ手段での測定精度の向上が図られ
ることになると同時に、処理空間を例えば空燃比を求め
るためのセンサとして兼用させることが可能となる。

【００１８】また、前記ガスセンサにおいては、前記測
定用ポンプ手段に代えて、前記主ポンプ手段にてポンピ
ング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定ガス成
分を触媒作用により分解させ、該分解によって発生した
酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた
起電力を発生する酸素分圧検出手段を設けて、前記酸素
分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測
定ガス中の前記所定ガス成分を測定するようにしてもよ
い。

【００１９】この場合、まず、外部空間から導入された
被測定ガスのうち、酸素が主ポンプ手段によってポンピ
ング処理され、処理空間内の酸素は所定濃度に調整され
る。

【００２０】前記主ポンプ手段にて所定の酸素濃度に調
整された被測定ガスは、次の濃度検出手段に導かれ、該
濃度検出手段において、前記主ポンプ手段にてポンピン
グ処理された後の被測定ガスに含まれる酸素の量と基準
ガス（大気）における酸素の量との差に応じた起電力が
発生する。この起電力に基づいて被測定ガス中の特定成
分量が求められることとなる。

【００２１】この場合も、外部空間における排気圧の脈
動によってガス導入口を通じて酸素がセンサ素子に急激
に入り込むことになるが、この外部空間からの酸素は、
直接処理空間に入り込まずに、その前段の緩衝空間に入
り込むことになり、処理空間に対する排気圧の脈動の影
響はほとんど無視できる程度となる。

【００２２】その結果、処理空間での主ポンプでの酸素
ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性がよ
くなり、測定用ポンプ手段での測定精度の向上が図られ
ることになると同時に、処理空間を例えば空燃比を求め
るためのセンサとして兼用させることが可能となる。

【００２３】そして、本発明に係るガスセンサにおい
て、前記被測定ガスの前記緩衝空間への導入経路に、前
記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第１の
拡散律速部を設け、前記被測定ガスの前記緩衝空間から
前記処理空間への導入経路に、前記被測定ガスに対して
所定の拡散抵抗を付与する第２の拡散律速部を設けるよ
うにしてもよい。

【００２４】この場合、前記緩衝空間の容積は、少なく
とも前記第１の拡散律速部と前記第２の拡散律速部にお
ける各拡散抵抗に基づいて規定することができる。

【００２５】また、前記緩衝空間の前面開口で前記ガス
導入口を構成し、前記ガス導入口を覆うように前記第１
の拡散律速部を形成するようにしてもよい。

【００２６】前記ガスセンサにおいて、前記第１及び第
２の拡散律速部をそれぞれ狭い連通路にて形成するよう
にしてもよい。この場合、ガス導入方向に対向する投影
面でみたとき、第１の拡散律速部を構成する連通路の位
置と第２の拡散律速部を構成する連通路の位置とが一致
しないように各連通路を形成することが好ましい。

【００２７】なお、前記第１及び第２の拡散律速部をそ
れぞれ多孔質体にて構成することができる。

【００２８】また、前記ガスセンサにおいて、前記緩衝
空間におけるガス導入方向に対向する投影面の面積を、
前記処理空間におけるガス導入方向に対向する投影面の
面積以上にすることが望ましい。これにより、緩衝空間
の容積が大きくなることから、排気圧の脈動の打ち消し
作用が効果的に行われ、処理空間に対する排気圧の脈動
の影響をほとんどなくすことができる。

【００２９】また、前記ガスセンサにおいて、前記ガス
導入口と前記処理空間との間に目詰まり防止部と緩衝空
間とをシリーズに設け、前記目詰まり防止部の前面開口
で前記ガス導入口を構成し、前記目詰まり防止部と前記
緩衝空間の間に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵
抗を付与する拡散律速部を設けるようにしてもよい。

【００３０】この場合、外部空間の被測定ガス中に発生
する粒子物（スート、オイル燃焼物等）が緩衝空間の入
り口付近にて詰まるということが回避され、より高精度
に所定ガス成分を測定することが可能となる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスセンサを
例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ、Ｎ
Ｏ₂ 、ＳＯ₂ 、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏ等の酸化物や、ＣＯ、Ｃ
ｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに適用したい
くつかの実施の形態例を図１〜図２９を参照しながら説
明する。

【００３２】第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ
は、図１に示すように、ＺｒＯ₂ 等の酸素イオン導伝性
固体電解質を用いたセラミックスによりなる例えば６枚
の固体電解質層１２ａ〜１２ｆが積層されて構成された
センサ素子１４を有する。

【００３３】このセンサ素子１４は、下から１層目及び
２層目が第１及び第２の基板層１２ａ及び１２ｂとさ
れ、下から３層目及び５層目が第１及び第２のスペーサ
層１２ｃ及び１２ｅとされ、下から４層目及び６層目が
第１及び第２の固体電解質層１２ｄ及び１２ｆとされて
いる。

【００３４】第２の基板層１２ｂと第１の固体電解質層
１２ｄとの間には、酸化物測定の基準となる基準ガス、
例えば大気が導入される空間（基準ガス導入空間１６）
が、第１の固体電解質層１２ｄの下面、第２の基板層１
２ｂの上面及び第１のスペーサ層１２ｃの側面によって
区画、形成されている。

【００３５】そして、第２の固体電解質層１２ｆの下面
と第１の固体電解質層１２ｄの上面との間には、被測定
ガス中の酸素分圧を調整するための第１室１８と、被測
定ガス中の酸素分圧を微調整し、更に被測定ガス中の酸
化物、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を測定するための第
２室２０が区画、形成される。

【００３６】そして、この第１の実施の形態に係るガス
センサ１０Ａは、第２のスペーサ層１２ｅの前端部に緩
衝空間２２が形成されている。この緩衝空間２２の前端
開口はガス導入口２４を構成し、該ガス導入口２４を覆
うように第１の拡散律速部２６が形成されている。

【００３７】また、前記緩衝空間２２と前記第１室１８
は、第２の拡散律速部２８を介して連通され、第１室１
８と第２室２０は、第３の拡散律速部３０を介して連通
されている。即ち、前記緩衝空間２２は、前記第２のス
ペーサ層１２ｅの前端部において、第２の固体電解質層
１２ｆの下面、第１の固体電解質層１２ｄの上面、第１
の拡散律速部２６及び第２の拡散律速部２８にて区画、
形成されるようになっている。

【００３８】ここで、前記第１の拡散律速部２６は、緩
衝空間２２に導入される被測定ガスに所定の拡散抵抗を
付与するものであり、この例では、図１に示すように、
被測定ガスを導入することができる多孔質材料（例えば
アロンセラミック材料等）にて構成されている。一方、
第２及び第３の拡散律速部２８及び３０は、第１室１８
及び第２室２０にそれぞれ導入される被測定ガスに対し
て所定の拡散抵抗を付与するものであり、この例では、
図２並びに図３、図４及び図５に示すように、被測定ガ
スを導入することができる所定の断面積を有した縦長の
スリット３２及び３４として形成されている。これらス
リット３２及び３４は、共に第２のスペーサ層１２ｅの
幅方向ほぼ中央部分に形成されている。

【００３９】なお、第３の拡散律速部３０のスリット３
４内に、ＺｒＯ₂ 等からなる多孔質体を充填、配置し
て、前記第３の拡散律速部３０の拡散抵抗が第２の拡散
律速部２８の拡散抵抗よりも大きくなるようにしてもよ
い。第３の拡散律速部３０の拡散抵抗は第２の拡散律速
部２８のそれよりも大きい方が好ましいが、小さくても
問題はない。

【００４０】そして、前記第３の拡散律速部３０を通じ
て、第１室１８内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第２
室２０内に導入されることとなる。

【００４１】また、前記第２の固体電解質層１２ｆの下
面のうち、前記第１室１８を形づくる下面全面に、平面
ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極（例えばＡｕ１％を
含むＰｔ・ＺｒＯ₂ のサーメット電極）からなる内側ポ
ンプ電極４０が形成され、前記第２の固体電解質層１２
ｆの上面のうち、前記内側ポンプ電極４０に対応する部
分に、外側ポンプ電極４２が形成されており、これら内
側ポンプ電極４０、外側ポンプ電極４２並びにこれら両
電極４０及び４２間に挟まれた第２の固体電解質層１２
ｆにて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル４
４が構成されている。

【００４２】そして、前記主ポンプセル４４における内
側ポンプ電極４０と外側ポンプ電極４２との間に外部の
可変電源４６を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖ
ｐ１を印加して、外側ポンプ電極４２と内側ポンプ電極
４０との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ１
を流すことにより、前記第１室１８内における雰囲気中
の酸素を外部の外部空間に汲み出し、あるいは外部空間
の酸素を第１室１８内に汲み入れることができるように
なっている。

【００４３】また、前記第１の固体電解質層１２ｄの下
面のうち、基準ガス導入空間１６に露呈する部分に基準
電極４８が形成されており、前記内側ポンプ電極４０及
び基準電極４８並びに第２の固体電解質層１２ｆ、第２
のスペーサ層１２ｅ及び第１の固体電解質層１２ｄによ
って、電気化学的なセンサセル、即ち、制御用酸素分圧
検出セル５０が構成されている。

【００４４】この制御用酸素分圧検出セル５０は、第１
室１８内の雰囲気と基準ガス導入空間１６内の基準ガス
（大気）との間の酸素濃度差に基づいて、内側ポンプ電
極４０と基準電極４８との間に発生する起電力を通じ
て、前記第１室１８内の雰囲気の酸素分圧が検出できる
ようになっている。

【００４５】検出された酸素分圧値は可変電源４６をフ
ィードバック制御するために使用され、具体的には、第
１室１８内の雰囲気の酸素分圧が、次の第２室２０にお
いて酸素分圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値
となるように、主ポンプ用のフィードバック制御系５２
を通じて主ポンプセル４４のポンプ動作が制御される。

【００４６】このフィードバック制御系５２は、内側ポ
ンプ電極４０の電位と基準電極４８の電位の差（検出電
圧Ｖ１）が、所定の電圧レベルとなるように、外側ポン
プ電極４２と内側ポンプ電極４０間のポンプ電圧Ｖｐ１
をフィードバック制御する回路構成を有する。この場
合、内側ポンプ電極４０は接地とされる。

【００４７】従って、主ポンプセル４４は、第１室１８
に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記ポンプ電圧
Ｖｐ１のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み
入れる。そして、前記一連の動作が繰り返されることに
よって、第１室１８における酸素濃度は、所定レベルに
フィードバック制御されることになる。この状態で、外
側ポンプ電極４２と内側ポンプ電極４０間に流れるポン
プ電流Ｉｐ１は、被測定ガス中の酸素濃度と第１室１８
の制御酸素濃度の差を示しており、被測定ガス中の酸素
濃度の測定に用いることができる。

【００４８】なお、前記内側ポンプ電極４０及び外側ポ
ンプ電極４２を構成する多孔質サーメット電極は、Ｐｔ
等の金属とＺｒＯ₂ 等のセラミックスとから構成される
ことになるが、被測定ガスに接触する第１室１８内に配
置される内側ポンプ電極４０は、測定ガス中のＮＯ成分
に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材
料を用いる必要があり、例えばＬａ₃ ＣｕＯ₄ 等のペロ
ブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒
活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいは
Ａｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミック
スのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電
極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金を用いる場合は、Ａｕ
添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にする
ことが好ましい。

【００４９】また、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１０Ａにおいては、前記第１の固体電解質層１２ｄ
の上面のうち、前記第２室２０を形づくる上面であっ
て、かつ第３の拡散律速部３０から離間した部分に、平
面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極からなる検出電極
６０が形成され、この検出電極６０を被覆するように、
第４の拡散律速部６２を構成するアルミナ膜が形成され
ている。そして、該検出電極６０、前記基準電極４８及
び第１の固体電解質層１２ｄによって、電気化学的なポ
ンプセル、即ち、測定用ポンプセル６４が構成される。

【００５０】前記検出電極６０は、被測定ガス成分たる
ＮＯｘを還元し得る金属とセラミックスとしてのジルコ
ニアからなる多孔質サーメットにて構成され、これによ
って、第２室２０内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元
するＮＯｘ還元触媒として機能するほか、前記基準電極
４８との間に、直流電源６６を通じて一定電圧Ｖｐ２が
印加されることによって、第２室２０内の雰囲気中の酸
素を基準ガス導入空間１６に汲み出せるようになってい
る。この測定用ポンプセル６４のポンプ動作によって流
れるポンプ電流Ｉｐ２は、電流計６８によって検出され
るようになっている。

【００５１】前記定電圧（直流）電源６６は、第４の拡
散律速部６２により制限されたＮＯｘの流入下におい
て、測定用ポンプセル６４で分解時に生成した酸素のポ
ンピングに対して限界電流を与える大きさの電圧を印加
できるようになっている。

【００５２】一方、前記第２の固体電解質層１２ｆの下
面のうち、前記第２室２０を形づくる下面全面には、平
面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極（例えばＡｕ１％
を含むＰｔ・ＺｒＯ₂ のサーメット電極）からなる補助
ポンプ電極７０が形成されており、該補助ポンプ電極７
０、前記第２の固体電解質層１２ｆ、第２のスペーサ層
１２ｅ、第１の固体電解質層１２ｄ及び基準電極４８に
て補助的な電気化学的ポンプセル、即ち、補助ポンプセ
ル７２が構成されている。

【００５３】前記補助ポンプ電極７０は、前記主ポンプ
セル４４における内側ポンプ電極４０と同様に、被測定
ガス中のＮＯ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは
還元能力のない材料を用いている。この場合、例えばＬ
ａ₃ ＣｕＯ₄ 等のペロブスカイト構造を有する化合物、
あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックスの
サーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰ
ｔ族金属とセラミックスのサーメットで構成されること
が好ましい。更に、電極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金
を用いる場合は、Ａｕ添加量を金属成分全体の０．０３
〜３５ｖｏｌ％にすることが好ましい。

【００５４】そして、前記補助ポンプセル７２における
補助ポンプ電極７０と基準電極４８間に、外部の直流電
源７４を通じて所望の一定電圧Ｖｐ３を印加することに
より、第２室２０内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空
間１６に汲み出せるようになっている。

【００５５】これによって、第２室２０内の雰囲気の酸
素分圧が、実質的に被測定ガス成分（ＮＯｘ）が還元又
は分解され得ない状況下で、かつ目的成分量の測定に実
質的に影響がない低い酸素分圧値とされる。この場合、
第１室１８における主ポンプセル４４の働きにより、こ
の第２室２０内に導入される酸素の量の変化は、被測定
ガスの変化よりも大幅に縮小されるため、第２室２０に
おける酸素分圧は精度よく一定に制御される。

【００５６】従って、前記構成を有する第１の実施の形
態に係るガスセンサ１０Ａでは、前記第２室２０内にお
いて酸素分圧が制御された被測定ガスは、検出電極６０
に導かれることとなる。

【００５７】また、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１０Ａにおいては、図１に示すように、第１及び第
２の基板層１２ａ及び１２ｂにて上下から挟まれた形態
において、外部からの給電によって発熱するヒータ８０
が埋設されている。このヒータ８０は、酸素イオンの導
伝性を高めるために設けられるもので、該ヒータ８０の
上下面には、第１及び第２の基板層１２ａ及び１２ｂと
の電気的絶縁を得るために、アルミナ等の絶縁層８２が
形成されている。

【００５８】前記ヒータ８０は、第１室１８から第２室
２０の全体にわたって配設されており、これによって、
第１室１８及び第２室２０がそれぞれ所定の温度に加熱
され、併せて主ポンプセル４４、制御用酸素分圧検出セ
ル５０及び測定用ポンプセル６４も所定の温度に加熱、
保持されるようになっている。

【００５９】次に、第１の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ａの動作について説明する。まず、ガスセンサ１０
Ａの先端部側が外部空間に配置され、これによって、被
測定ガスは、第１の拡散律速部２６、緩衝空間２２及び
第２の拡散律速部２８（スリット３２）を通じて所定の
拡散抵抗の下に、第１室１８に導入される。この第１室
１８に導入された被測定ガスは、主ポンプセル４４を構
成する外側ポンプ電極４２及び内側ポンプ電極４０間に
所定のポンプ電圧Ｖｐ１が印加されることによって引き
起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧
が所定の値、例えば１０^-7ａｔｍとなるように制御され
る。この制御は、フィードバック制御系５２を通じて行
われる。

【００６０】なお、第２の拡散律速部２８は、主ポンプ
セル４４にポンプ電圧Ｖｐ１を印加した際に、被測定ガ
ス中の酸素が測定空間（第１室１８）に拡散流入する量
を絞り込んで、主ポンプセル４４に流れる電流を抑制す
る働きをしている。

【００６１】また、第１室１８内においては、外部の被
測定ガスによる加熱、更にはヒータ８０による加熱環境
下においても、内側ポンプ電極４０にて雰囲気中のＮＯ
ｘが還元されない酸素分圧下の状態、例えばＮＯ→１／
２Ｎ₂ ＋１／２Ｏ₂ の反応が起こらない酸素分圧下の状
況が形成されている。これは、第１室１８内において、
被測定ガス（雰囲気）中のＮＯｘが還元されると、後段
の第２室２０内でのＮＯｘの正確な測定ができなくなる
からであり、この意味において、第１室１８内におい
て、ＮＯｘの還元に関与する成分（ここでは、内側ポン
プ電極４０の金属成分）にてＮＯｘが還元され得ない状
況を形成する必要がある。具体的には、前述したよう
に、内側ポンプ電極４０にＮＯｘ還元性の低い材料、例
えばＡｕとＰｔの合金を用いることで達成される。

【００６２】そして、前記第１室１８内のガスは、第３
の拡散律速部３０を通じて所定の拡散抵抗の下に、第２
室２０に導入される。この第２室２０に導入されたガス
は、補助ポンプセル７２を構成する補助ポンプ電極７０
及び基準電極４８間に電圧Ｖｐ３が印加されることによ
って引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その
酸素分圧が一定の低い酸素分圧値となるように微調整さ
れる。

【００６３】前記第３の拡散律速部３０は、前記第２の
拡散律速部２８と同様に、補助ポンプセル７２に電圧Ｖ
ｐ３を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間
（第２室２０）に拡散流入する量を絞り込んで、補助ポ
ンプセル７２に流れるポンプ電流Ｉｐ３を抑制する働き
をしている。

【００６４】そして、上述のようにして第２室２０内に
おいて酸素分圧が制御された被測定ガスは、第４の拡散
律速部６２を通じて所定の拡散抵抗の下に、検出電極６
０に導かれることとなる。

【００６５】前記主ポンプセル４４を動作させて第１室
１８内の雰囲気の酸素分圧をＮＯｘ測定に実質的に影響
がない低い酸素分圧値に制御しようとしたとき、換言す
れば、制御用酸素分圧検出セル５０にて検出される電圧
Ｖ１が一定となるように、フィードバック制御系５２を
通じて可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ１を調整したと
き、被測定ガス中の酸素濃度が大きく、例えば０〜２０
％に変化すると、通常、第２室２０内の雰囲気及び検出
電極６０付近の雰囲気の各酸素分圧は、僅かに変化する
ようになる。これは、被測定ガス中の酸素濃度が高くな
ると、第１室１８の幅方向及び厚み方向に酸素濃度分布
が生じ、この酸素濃度分布が被測定ガス中の酸素濃度に
より変化するためであると考えられる。

【００６６】しかし、この第１の実施の形態に係るガス
センサ１０Ａにおいては、第２室２０に対して、その内
部の雰囲気の酸素分圧を常に一定に低い酸素分圧値とな
るように補助ポンプセル７２を設けるようにしているた
め、第１室１８から第２室２０に導入される雰囲気の酸
素分圧が被測定ガスの酸素濃度に応じて変化しても、前
記補助ポンプセル７２のポンプ動作によって、第２室２
０内の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い値とすること
ができ、その結果、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない
低い酸素分圧値に制御することができる。

【００６７】そして、検出電極６０に導入された被測定
ガスのＮＯｘは、該検出電極６０の周りにおいて還元又
は分解されて、例えばＮＯ→１／２Ｎ₂ ＋１／２Ｏ₂ の
反応が引き起こされる。このとき、測定用ポンプセル６
４を構成する検出電極６０と基準電極４８との間には、
酸素が第２室２０から基準ガス導入空間１６側に汲み出
される方向に、所定の電圧Ｖｐ２、例えば４３０ｍＶ
（７００℃）が印加される。

【００６８】従って、測定用ポンプセル６４に流れるポ
ンプ電流Ｉｐ２は、第２室２０に導かれる雰囲気中の酸
素濃度、即ち、第２室２０内の酸素濃度と検出電極６０
にてＮＯｘが還元又は分解されて発生した酸素濃度との
和に比例した値となる。

【００６９】この場合、第２室２０内の雰囲気中の酸素
濃度は、補助ポンプセル７２にて一定に制御されている
ことから、前記測定用ポンプセル６４に流れるポンプ電
流Ｉｐ２は、ＮＯｘの濃度に比例することになる。ま
た、このＮＯｘの濃度は、第４の拡散律速部６２にて制
限されるＮＯｘの拡散量に対応していることから、被測
定ガスの酸素濃度が大きく変化したとしても、測定用ポ
ンプセル６４から電流計６８を通じて正確にＮＯｘ濃度
を測定することが可能となる。

【００７０】このことから、測定用ポンプセル６４にお
けるポンプ電流値Ｉｐ２は、ほとんどがＮＯｘが還元又
は分解された量を表し、そのため、被測定ガス中の酸素
濃度に依存するようなこともない。

【００７１】ところで、この第１の実施の形態に係るガ
スセンサ１０Ａにおいては、外部空間における排気圧の
脈動によって、ガス導入口２４を通じて酸素がセンサ素
子１４内に急激に入り込むことになるが、この外部空間
からの酸素は、直接第１室１８に入り込まずに、その前
段の緩衝空間２２に入り込むことになる。つまり、排気
圧の脈動による酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間２２
によって打ち消され、第１室１８に対する排気圧の脈動
の影響はほとんど無視できる程度となる。

【００７２】その結果、第１室１８における主ポンプセ
ル４４による酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃
度との相関性がよくなり、測定用ポンプセル６４での測
定精度の向上が図られると同時に、第１室１８を例えば
空燃比を求めるためのセンサとして兼用させることが可
能となる。

【００７３】ここで、２つの実験例（便宜的に、第１の
実験例及び第２の実験例と記す）を示す。第１の実験例
は、実施例１と比較例において、被測定ガス中に含まれ
る酸素の濃度を変えたときの主ポンプセル４４に流れる
ポンプ電流Ｉｐ１の値をプロットしたものであり、その
結果を図６Ａ（比較例）及び図６Ｂ（実施例１）に示
す。

【００７４】また、第２の実験例は、実施例１と比較例
において、被測定ガス中に含まれる酸素の濃度を変えた
ときの測定用ポンプセル６４に流れる検出電流Ｉｐ２の
値をプロットしたものであり、その結果を図７Ａ（比較
例）及び図７Ｂ（実施例１）に示す。

【００７５】ここで、比較例は第１の実施の形態に係る
ガスセンサ１０Ａにおいて、第１の拡散律速部２６を取
り除いて、第１室１８の前段に緩衝空間２２を設置しな
い構成としたものであり、実施例１は第１の実施の形態
に係るガスセンサ１０Ａと同じ構成としたものである。

【００７６】これらの実験結果から、比較例において
は、図６Ａに示すように、酸素濃度が同じであってもポ
ンプ電流Ｉｐ１の値に大きなばらつきがあり、酸素濃度
とポンプ電流Ｉｐ１との間の相関性がほとんど失われて
いることがわかる。これにより、図７Ａに示すように、
検出電流Ｉｐ２にもばらつきが生じ、ＮＯｘに対する測
定精度が劣化している。これは第１室１８が外部空間で
の排気圧の脈動による影響を直接受けていることに起因
している。

【００７７】一方、実施例１においては、図６Ｂに示す
ように、ポンプ電流Ｉｐ１の値と酸素濃度とに相関性が
あり、その結果、図７Ｂに示すように、検出電流Ｉｐ２
もほとんどばらつきがなくなっていることがわかる。こ
れは、緩衝空間２２の存在によって外部空間での排気圧
の脈動による影響がほとんど打ち消されていることに起
因する。

【００７８】次に、第１の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ａの変形例１０Ａａについて図５を参照しながら説
明する。なお、図１と対応するものについては同符号を
記してその重複説明を省略する。

【００７９】この変形例に係るガスセンサ１０Ａａは、
図８に示すように、第１の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ａ（図１参照）とほぼ同様の構成を有するが、測定
用ポンプセル６４に代えて、測定用酸素分圧検出セル９
０が設けられている点で異なる。

【００８０】この測定用酸素分圧検出セル９０は、第１
の固体電解質層１２ｄの上面のうち、前記第２室２０を
形づくる上面に形成された検出電極９２と、前記第１の
固体電解質層１２ｄの下面に形成された前記基準電極４
８と、これら両電極９２及び４８間に挟まれた第１の固
体電解質層１２ｄによって構成されている。

【００８１】この場合、前記測定用酸素分圧検出セル９
０における検出電極９２と基準電極４８との間に、検出
電極９２の周りの雰囲気と基準電極４８の周りの雰囲気
との間の酸素濃度差に応じた起電力（酸素濃淡電池起電
力）Ｖ２が発生することとなる。

【００８２】従って、前記検出電極９２及び基準電極４
８間に発生する起電力（電圧Ｖ２）を電圧計９４にて測
定することにより、検出電極９２の周りの雰囲気の酸素
分圧、換言すれば、被測定ガス成分（ＮＯｘ）の還元又
は分解によって発生する酸素によって規定される酸素分
圧が電圧値Ｖ２として検出される。

【００８３】この変形例に係るガスセンサ１０Ａａにお
いても、ガス導入口２４と第１室１８との間に緩衝空間
２２を有することから、排気圧の脈動による酸素濃度の
急激な変化が、緩衝空間２２によって打ち消され、第１
室１８に対する排気圧の脈動の影響はほとんど無視でき
る程度となる。

【００８４】その結果、第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１０Ａと同様に、第１室１８における主ポンプセル
４４による酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度
との相関性がよくなり、測定用酸素分圧検出セル９０で
の測定精度の向上が図られることになると同時に、第１
室１８を例えば空燃比を求めるためのセンサとして兼用
させることが可能となる。

【００８５】次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｂについて図９〜図１４Ｂを参照しながら説明す
る。なお、図１と対応するものについては同符号を記し
てその重複説明を省略する。

【００８６】この第２の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｂは、図９及び図１０に示すように、第１の実施の形
態に係るガスセンサ１０Ａ（図１参照）とほぼ同様の構
成を有するが、以下の点で構成が異なる。

【００８７】即ち、第１の拡散律速部２６の構成が、図
１１にも示すように、第２のスペーサ層１２ｅの前端部
分における第２の固体電解質層１２ｆの上面に接する部
分に形成された横長の連通孔１００である点と、第２の
拡散律速部２８の構成が、図１２にも示すように、緩衝
空間２２と第１室１８間に介在する第２のスペーサ層１
２ｅの第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に
形成された横長の連通孔１０２である点と、第３の拡散
律速部３０の構成が、図１３にも示すように、第１室１
８と第２室２０間に介在する第２のスペーサ層１２ｅの
第１の固体電解質層１２ｄの上面に接する部分に形成さ
れた横長の連通孔１０４である点で第１の実施の形態に
係るガスセンサ１０Ａと異なる。

【００８８】前記第１の拡散律速部２６を構成する連通
孔１００と第２の拡散律速部２８を構成する連通孔１０
２の配置関係は、ガス導入方向に対向する投影面でみた
とき、第１の拡散律速部２６を構成する連通孔１００と
第２の拡散律速部２８を構成する連通孔１０２とが重な
らない位置とされている。即ち、緩衝空間２２への入力
と出力が一直線上に揃わないかたちとなっている。もち
ろん、前記連通孔１００及び１０２は位置的に一部重な
るように配置してもよいし、一致するように配置しても
よい。また、前記連通孔１００及び／又は連通孔１０２
内にアルミナ等の多孔質体を埋め込むようにしてもよ
い。

【００８９】なお、第３の拡散律速部３０を構成する連
通孔１０４は、図９及び図１０並びに図１３の例では、
第１の固体電解質層１２ｄの上面に接するように形成し
たが、その他、第２の固体電解質層１２ｆの下面に接す
るように形成するようにしてもよい。

【００９０】そして、第２の実施の形態に係るガスセン
サ１０Ｂにおいては、外部空間における排気圧の脈動に
よってガス導入口２４を通じて酸素がセンサ素子１４に
急激に入り込むことになるが、この外部空間からの酸素
は、直接第１室１８に入り込まずに、その前段の緩衝空
間２２に入り込むことになる。つまり、排気圧の脈動に
よる酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間２２によって打
ち消され、第１室１８に対する排気圧の脈動の影響はほ
とんど無視できる程度となる。

【００９１】その結果、第１室１８における主ポンプセ
ル４４による酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃
度との相関性がよくなり、測定用ポンプセル６４での測
定精度の向上が図られると同時に、第１室１８を例えば
空燃比を求めるためのセンサとして兼用させることが可
能となる。

【００９２】ここで、１つの実験例（便宜的に、第３の
実験例と記す）を示す。この第３の実験例は、実施例２
と比較例において、被測定ガス中に含まれる酸素の濃度
を変えたときの主ポンプセル４４に流れるポンプ電流Ｉ
ｐ１の値をプロットしたものであり、その結果を図１４
Ａ（比較例）及び図１４Ｂ（実施例２）に示す。

【００９３】ここで、比較例は前記第１及び第２の実験
例で用いたガスセンサと同様の構成を有しており、実施
例２は第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂと同じ
構成としたものである。

【００９４】これらの実験結果から、比較例において
は、図１４Ａに示すように、酸素濃度が同じであっても
ポンプ電流Ｉｐ１の値に大きなばらつきがあり、酸素濃
度とポンプ電流Ｉｐ１との間の相関性がほとんど失われ
ていることがわかる。これにより、検出電流Ｉｐ２にも
ばらつきが生じ、ＮＯｘに対する測定精度が劣化してい
る。これは第１室１８が外部空間での排気圧の脈動によ
る影響を直接受けていることに起因している。

【００９５】一方、実施例２においては、図１４Ｂに示
すように、ポンプ電流Ｉｐ１の値と酸素濃度とに相関性
があり、その結果、検出電流Ｉｐ２もほとんどばらつき
がなくなっていることがわかる。これは、緩衝空間２２
の存在によって外部空間での排気圧の脈動による影響が
ほとんど打ち消されていることに起因する。

【００９６】次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｂの変形例１０Ｂａについて図１５を参照しながら
説明する。なお、図９と対応するものについては同符号
を記してその重複説明を省略する。

【００９７】この変形例に係るガスセンサ１０Ｂａは、
図１５に示すように、第２の実施の形態に係るガスセン
サ１０Ｂ（図９参照）とほぼ同様の構成を有するが、測
定用ポンプセル６４に代えて、測定用酸素分圧検出セル
９０が設けられている点で異なる。

【００９８】この場合、第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１０Ａの変形例１０Ａａ（図８参照）と同様に、前
記測定用酸素分圧検出セル９０における検出電極９２と
基準電極４８との間に、検出電極９２の周りの雰囲気と
基準電極４８の周りの雰囲気との間の酸素濃度差に応じ
た起電力（酸素濃淡電池起電力）Ｖ２が発生することと
なる。

【００９９】従って、前記検出電極９２及び基準電極４
８間に発生する起電力（電圧Ｖ２）を電圧計９４にて測
定することにより、検出電極９２の周りの雰囲気の酸素
分圧、換言すれば、被測定ガス成分（ＮＯｘ）の還元又
は分解によって発生する酸素によって規定される酸素分
圧が電圧値として検出される。

【０１００】この変形例に係るガスセンサ１０Ｂａにお
いても、ガス導入口２４と第１室１８との間に緩衝空間
２２を有することから、排気圧の脈動による酸素濃度の
急激な変化が緩衝空間２２によって打ち消され、第１室
１８に対する排気圧の脈動の影響はほとんど無視できる
程度となる。

【０１０１】その結果、第１の実施の形態に係るガスセ
ンサの変形例１０Ａａと同様に、第１室１８における主
ポンプセル４４による酸素ポンピング量と被測定ガス中
の酸素濃度との相関性がよくなり、測定用酸素分圧検出
セル９０での測定精度の向上が図られると同時に、第１
室１８を例えば空燃比を求めるためのセンサとして兼用
させることが可能となる。

【０１０２】ここで、主ポンプセル４４に流れるポンプ
電流Ｉｐ１と緩衝空間２２の容積の関係について考察す
る。

【０１０３】好適な緩衝空間２２の容積は、主ポンプセ
ル４４に流れるポンプ電流Ｉｐ１と何らかの関係がある
ものと考えられる。

【０１０４】第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂ
（図９参照）において、第１及び第２の拡散律速部２６
及び２８における各ガス拡散抵抗をＤ１及びＤ２、第１
の拡散律速部２６を構成する横長の連通孔１００及び第
２の拡散律速部２８を構成する横長の連通孔１０２の各
断面積をＳ１及びＳ２、これら連通孔１００及び１０２
のガス導入方向に沿った長さをＬ１及びＬ２としたと
き、 Ｄ１＝Ｌ１／Ｓ１ Ｄ２＝Ｌ２／Ｓ２ となる。

【０１０５】また、主ポンプセル４４に流れるポンプ電
流Ｉｐ１は、以下の式で近似される。

【０１０６】Ｉｐ１≒（４Ｆ／ＲＴ）×Ｄ×（Ｓ／Ｌ）
×（ＰＯｅ−ＰＯｄ） なお、Ｆはファラデー数（Ａ・ｓｅｃ）、Ｒは気体定数
（＝８２．０５ｃｍ³・ａｔｍ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは絶
対温度（Ｋ）、Ｄは酸素のガス拡散係数（＝１．６８ｃ
ｍ² ／ｓｅｃ）、Ｓ／Ｌは拡散抵抗Ｄ１及びＤ２の合成
値の逆数、ＰＯｅ−ＰＯｄは外部空間における被測定ガ
スの酸素濃度と第１室１８内の酸素濃度との差を示す。

【０１０７】そして、第１及び第２の実施の形態に係る
ガスセンサ１０Ａ及び１０Ｂ（各変形例１０Ａａ及び１
０Ｂａを含む）においては、緩衝空間２２の容積を拡散
抵抗Ｄ１及びＤ２の合成値Ｌ／Ｓの大きさに応じて構成
するようにしている。

【０１０８】例えば、前記第１及び第２の実施の形態に
係るガスセンサ１０Ａ及び１０Ｂにおいては、共に第１
の拡散律速部２６と第２の拡散律速部２８がシリーズに
設けられた形態を有するため、各拡散抵抗Ｄ１及びＤ２
の合成値はＤ１＋Ｄ２となることから、緩衝空間２２の
容積はＤ１＋Ｄ２に応じた大きさとなる。

【０１０９】特に、前記第１及び第２の実施の形態に係
るガスセンサ１０Ａ及び１０Ｂにおいては、第１の拡散
律速部２６における拡散抵抗Ｄ１を第２の拡散律速部２
８における拡散抵抗Ｄ２よりも大きく設定するようにし
てある。

【０１１０】そのため、前記第１及び第２の実施の形態
に係るガスセンサ１０Ａ及び１０Ｂ（各変形例１０Ａａ
及び１０Ｂａを含む）においては、外部空間における排
気圧の脈動による被測定ガスの緩衝空間２２への急激な
入り込みをより効果的に抑制することができ、第１室１
８に対する排気圧の脈動の影響をなくすという緩衝空間
２２の効果をより一層発揮させることが可能となる。

【０１１１】なお、図示しないが、第１の拡散律速部２
６を構成する連通孔１００と第２の拡散律速部２８を構
成する連通孔１０２の形成位置を第２の実施の形態（図
９参照）と逆の位置にしてもよい。即ち、連通孔１００
を第１の固体電解質層１２ｄ寄りに形成し、連通孔１０
２を第２の固体電解質層１２ｆ寄りに形成するようにし
てもよい。

【０１１２】この場合も、第３の拡散律速部３０を構成
する連通孔１０４は、第２の固体電解質層１２ｆの下面
に接するように形成してもよいし、図示しないが、第１
の固体電解質層１２ｄの上面に接するように形成するよ
うにしてもよい。

【０１１３】次に、前記第２の実施の形態に係るガスセ
ンサ１０Ｂ（その変形例１０Ｂａを含む）における第１
及び第２の拡散律速部２６及び２８の構成に関し、２つ
の変形例を図１６〜図３５を参照しながら説明する。

【０１１４】まず、第１の変形例は、図１６及び図１７
に示すように、第２の実施の形態に係るガスセンサ１０
Ｂにおいて、第１の固体電解質層１２ｄのうち、前記緩
衝空間２２に接する部分を除去して、該緩衝空間２２の
容積を２倍にしたものである。これにより、第１室１８
に対する排気圧の脈動による影響を更に低減することが
できる。

【０１１５】この場合、第１の拡散律速部２６を構成す
る連通孔１００を第２のスペーサ層１２ｅにおける第２
の固体電解質層１２ｆ寄りに形成するようにしたが、そ
の他、第２のスペーサ層１２ｅにおける第１の固体電解
質層１２ｄ寄りに形成するようにしてもよい。また、前
記連通孔１００を第１の固体電解質層１２ｄにおける第
２のスペーサ層１２ｅ寄り、あるいは第１の固体電解質
層１２ｄにおける第１のスペーサ層１２ｃ寄りに形成す
るようにしてもよい。

【０１１６】次に、第２の変形例は、図１８及び図１９
に示すように、第２の実施の形態に係るガスセンサ１０
Ｂにおいて、第１の固体電解質層１２ｄのうち、前記緩
衝空間２２に接する部分を除去し、更に、その下層の第
１のスペーサ層１２ｃの一部を除去して、該緩衝空間２
２の容積を３倍にしたものである。これにより、第１室
１８に対する排気圧の脈動による影響を前記第１の変形
例（図１６参照）の場合よりも更に低減することができ
る。

【０１１７】図１８の例では、第１の拡散律速部２６を
構成する連通孔１００を第２のスペーサ層１２ｅにおけ
る第２の固体電解質層１２ｆ寄りに形成するようにした
が、その他、第２のスペーサ層１２ｅにおける第１の固
体電解質層１２ｄ寄りに形成するようにしてもよい。

【０１１８】また、前記連通孔１００を第１の固体電解
質層１２ｄにおける第２のスペーサ層１２ｅ寄り、ある
いは第１の固体電解質層１２ｄにおける第１のスペーサ
層１２ｃ寄りに形成するようにしてもよいし、第１のス
ペーサ層１２ｃにおける第１の固体電解質層１２ｄ寄
り、あるいは第１のスペーサ層１２ｃにおける第２の基
板層１２ｂ寄りに形成するようにしてもよい。

【０１１９】次に、第３の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｃについて図２０〜図２４を参照しながら説明す
る。なお、図９と対応するものについては同符号を記し
てその重複説明を省略する。

【０１２０】この第３の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｃは、図２０〜図２２に示すように、第２の実施の形
態に係るガスセンサ１０Ｂ（図９参照）とほぼ同様の構
成を有するが、第１及び第２の拡散律速部２６及び２８
が縦長のスリット１２０及び１２２である点で異なる。

【０１２１】図２１及び図２２の例では、第１の拡散律
速部２６を構成するスリット１２０と、第２の拡散律速
部２８を構成するスリット１２２とを、ガス導入方向に
対向する投影面でみたとき、ほぼ一致する位置に形成し
た場合を示している。

【０１２２】もちろん、前記スリット１２０及び１２２
は、位置的に一部重なるように配置してもよいし、まっ
たく重ならないように配置してもよい。また、前記スリ
ット１２０及び／又はスリット１２２内にアルミナ等の
多孔質体を埋め込むようにしてもよい。

【０１２３】前記スリット１２０及び１２２を互いに重
ならないように配置するには、例えば図２３に示すよう
に、センサ素子１４を正面からみたときに、第１の拡散
律速部２６を構成する縦長のスリット１２０を例えば右
側寄り（又は左側寄り）に形成し、図２４に示すよう
に、前記第２の拡散律速部２８を構成するスリット１２
２を左側寄り（又は右側寄り）に形成することで実現で
きる。

【０１２４】この第３の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｃにおいても、第２の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｂの変形例１０Ｂａ（図１５参照）と同様に、測定用
ポンプセル６４に代えて、測定用酸素分圧検出セル９０
を設けるようにしてもよい。

【０１２５】また、第２の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｂの第１の変形例（図１６参照）及び第２の変形例
（図１８参照）と同様に、第１の固体電解質層１２ｄの
うち、前記緩衝空間２２に接する部分を除去して、該緩
衝空間２２の容積を２倍にするようにしてもよいし、第
１の固体電解質層１２ｄのうち、前記緩衝空間２２に接
する部分を除去し、更に、その下層の第１のスペーサ層
１２ｃの一部を除去して、該緩衝空間２２の容積を３倍
にするようにしてもよい。

【０１２６】これらの例においても、第１の拡散律速部
２６を構成するスリット１２０を第１の固体電解質層１
２ｄに設けるようにしてもよいし、特に、緩衝空間２２
の容積を３倍にするタイプ（図１８参照）については、
前記スリット１２０を第１のスペーサ層１２ｃに設ける
ようにしてもよい。

【０１２７】次に、第４の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｄについて図２５〜図２７を参照しながら説明す
る。なお、図９と対応するものについては同符号を記し
てその重複説明を省略する。

【０１２８】この第４の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｄは、図２５〜図２７に示すように、第２の実施の形
態に係るガスセンサ１０Ｂ（図９参照）とほぼ同様の構
成を有するが、第１及び第２の拡散律速部２６及び２８
が断面ほぼ円形の小孔１１０及び１１２である点で異な
る。

【０１２９】この場合、ガス導入方向に対向する投影面
でみたとき、第１の拡散律速部２６を構成する小孔１１
０と第２の拡散律速部２８を構成する小孔１１２とが重
ならないようにすることが好ましい。これは、例えば図
２６及び図２７にも示すように、第１の拡散律速部２６
を構成する小孔１００を第２のスペーサ層１２ｅにおけ
る幅方向のほぼ中央部分であって、上層の第２の固体電
解質層１２ｆに近接する部分に形成し、第２の拡散律速
部２８を構成する小孔１１２を第２のスペーサ層１２ｅ
における幅方向のほぼ中央部分であって、下層の第１の
固体電解質層１２ｄに近接する部分に形成することで実
現できる。

【０１３０】もちろん、前記第１の拡散律速部２６を構
成する小孔１１０を、センサ素子１４を正面からみたと
きに、例えば右側寄りに形成し、前記第２の拡散律速部
２８を構成する小孔１１２を左側寄りに形成することで
も実現できる。

【０１３１】なお、前記小孔１１０及び１１２は位置的
に一部重なるように配置してもよいし、一致するように
配置してもよい。また、前記小孔１１０及び／又は小孔
１１２内にアルミナ等の多孔質体を埋め込むようにして
もよい。

【０１３２】この第４の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｄにおいても、第２の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｂの変形例１０Ｂａ（図１５参照）と同様に、測定用
ポンプセル６４に代えて、測定用酸素分圧検出セル９０
を設けるようにしてもよい。

【０１３３】また、第２の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｂの第１の変形例（図１６参照）及び第２の変形例
（図１８参照）と同様に、第１の固体電解質層１２ｄの
うち、前記緩衝空間２２に接する部分を除去して、該緩
衝空間２２の容積を２倍にするようにしてもよいし、第
１の固体電解質層１２ｄのうち、前記緩衝空間２２に接
する部分を除去し、更に、その下層の第１のスペーサ層
１２ｃの一部を除去して、該緩衝空間２２の容積を３倍
にするようにしてもよい。

【０１３４】これらの例においても、第１の拡散律速部
２６を構成する小孔１１０を第１の固体電解質層１２ｄ
に設けるようにしてもよいし、特に、緩衝空間２２の容
積を３倍にするタイプ（図１８参照）については、前記
小孔１１０を第１のスペーサ層１２ｃに設けるようにし
てもよい。

【０１３５】次に、第５の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｅについて図２８及び図２９を参照しながら説明す
る。なお、図９と対応するものについては同符号を記し
てその重複説明を省略する。

【０１３６】この第５の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｅは、図２８に示すように、前記第２の実施の形態に
係るガスセンサ１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、第
２のスペーサ層１２ｅの前端部に形成されたガス導入口
２４と第１の拡散律速部２６の間に空間部１３０が形成
されている点で異なる。この空間部１３０は、外部空間
の被測定ガス中に発生する粒子物（スート、オイル燃焼
物等）が緩衝空間２２の入り口付近にて詰まるというこ
とを回避するための目詰まり防止部１３０として機能す
るものであり、これにより、測定用ポンプセル６４にお
いて、より高精度にＮＯｘ成分を測定することが可能と
なる。

【０１３７】この第５の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｅにおいても、第２の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｂの変形例１０Ｂａ（図１５参照）と同様に、測定用
ポンプセル６４に代えて、測定用酸素分圧検出セル９０
を設けるようにしてもよい。

【０１３８】また、第２の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｂの第１の変形例（図１６参照）及び第２の変形例
（図１８参照）と同様に、第１の固体電解質層１２ｄの
うち、前記緩衝空間２２に接する部分を除去して、該緩
衝空間２２の容積を２倍にするようにしてもよいし、第
１の固体電解質層１２ｄのうち、前記緩衝空間２２に接
する部分を除去し、更に、その下層の第１のスペーサ層
１２ｃの一部を除去して、該緩衝空間２２の容積を３倍
にするようにしてもよい。

【０１３９】これらの例においても、第１の拡散律速部
２６を構成する連通孔１００を第２のスペーサ層１２ｅ
における第１の固体電解質層１２ｄ寄りに設けるように
してもよい。また、前記連通孔１００を第１の固体電解
質層１２ｄにおける第２のスペーサ層１２ｅ寄り、ある
いは第１の固体電解質層１２ｄにおける第１のスペーサ
層１２ｃ寄りに形成するようにしてもよいし、第１のス
ペーサ層１２ｃにおける第１の固体電解質層１２ｄ寄
り、あるいは第１のスペーサ層１２ｃにおける第２の基
板層１２ｂ寄りに形成するようにしてもよい。

【０１４０】特に、緩衝空間２２の容積を３倍にするタ
イプ（図１８参照）と同様の構成を採用する場合は、例
えば図２９に示すように、目詰まり防止部１３０の開口
を、第１のスペーサ層１２ｃ、第１の固体電解質層１２
ｄ及び第２のスペーサ層１２ｅにわたって連続的に形成
したものでもよい。

【０１４１】前記第１〜第５の実施の形態に係るガスセ
ンサ１０Ａ〜１０Ｅ（各変形例１０Ａａ、１０Ｂａを含
む）では、測定すべき所定ガス成分としてＮＯｘを対象
としたが、被測定ガス中に存在する酸素の影響を受ける
ＮＯｘ以外の結合酸素含有ガス成分、例えばＨ₂ ＯやＣ
Ｏ₂ 等の測定にも有効に適用することができる。

【０１４２】例えばＣＯ₂ やＨ₂ Ｏを電気分解して発生
したＯ₂ を酸素ポンプで汲み出す構成のガスセンサや、
Ｈ₂ Ｏを電気分解することによって発生したＨ₂ をプロ
トンイオン伝導性固体電解質を用いてポンピング処理す
るガスセンサにも適用させることができる。

【０１４３】なお、この発明に係るガスセンサは、上述
の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱すること
なく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

【０１４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るガス
センサによれば、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動
の影響を回避することができ、検出電極での測定精度の
向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサの構成を示
す断面図である。

【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線上の断面図である。

【図３】第１の実施の形態に係るガスセンサの正面図で
ある。

【図４】図１におけるＩＶ−ＩＶ線上の断面図である。

【図５】図１におけるＶ−Ｖ線上の断面図である。

【図６】図６Ａは、比較例において、被測定ガス中に含
まれる酸素の濃度を変えたときの主ポンプセルに流れる
ポンプ電流の値をみた第１の実験例の結果を示す特性図
であり、図６Ｂは、実施例１において、前記第１の実験
例の結果を示す特性図である。

【図７】図７Ａは、比較例において、被測定ガス中に含
まれる酸素の濃度を変えたときの測定用ポンプセルに流
れる検出電流の値をみた第２の実験例の結果を示す特性
図であり、図７Ｂは、実施例１において、前記第２の実
験例の結果を示す特性図である。

【図８】第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例を
示す断面図である。

【図９】第２の実施の形態に係るガスセンサの構成を示
す断面図である。

【図１０】図９におけるＸ−Ｘ線上の断面図である。

【図１１】第２の実施の形態に係るガスセンサの正面図
である。

【図１２】図９におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線上の断面図で
ある。

【図１３】図９におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線上の断面
図である。

【図１４】図１４Ａは、比較例において、被測定ガス中
に含まれる酸素の濃度を変えたときの主ポンプセルに流
れるポンプ電流の値をみた第３の実験例の結果を示す特
性図であり、図１４Ｂは、実施例２において、前記第３
の実験例の結果を示す特性図である。

【図１５】第２の実施の形態に係るガスセンサの変形例
を示す断面図である。

【図１６】第２の実施の形態に係るガスセンサにおける
拡散律速部についての第１の変形例の構成を示す断面図
である。

【図１７】図１６におけるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線上の断
面図である。

【図１８】第２の実施の形態に係るガスセンサにおける
拡散律速部についての第２の変形例の構成を示す断面図
である。

【図１９】図１８におけるＸＩＸ−ＸＩＸ線上の断面図
である。

【図２０】第３の実施の形態に係るガスセンサの構成を
示す断面図である。

【図２１】第３の実施の形態に係るガスセンサの正面図
である。

【図２２】図２０におけるＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線上の断
面図である。

【図２３】第３の実施の形態に係るガスセンサの変形例
を示す正面図である。

【図２４】第３の実施の形態に係るガスセンサの変形例
を示し、図２０におけるＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線上と同様
の線上の断面図である。

【図２５】第４の実施の形態に係るガスセンサの構成を
示す断面図である。

【図２６】第４の実施の形態に係るガスセンサを示す正
面図である。

【図２７】図２５におけるＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ線上
の断面図である。

【図２８】第５の実施の形態に係るガスセンサの構成を
示す断面図である。

【図２９】第５の実施の形態に係るガスセンサの変形例
の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１０Ａ、１０Ａａ、１０Ｂ、１０Ｂａ、１０Ｃ、１０
Ｄ、１０Ｅ…ガスセンサ １４…センサ素子 １８…第１室 ２０…第２室 ２２…緩衝空
間 ２４…ガス導入口 ２６…第１の
拡散律速部 ２８…第２の拡散律速部 ３０…第３の
拡散律速部 ３２、３４…縦長のスリット ４０…内側ポ
ンプ電極 ４２…外側ポンプ電極 ４４…主ポン
プセル ４８…基準電極 ５０…制御用
酸素分圧検出セル ６４…測定用ポンプセル ７２…補助ポ
ンプセル ９０…測定用酸素分圧検出セル １００、１０２、１０４…横長の連通孔 １１０、１１
２…小孔 １２０、１２２…スリット １３０…目詰
まり防止部

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外部空間に接する固体電解質にて区画形成
   された処理空間にガス導入口を通じて導入された前記外
   部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処
   理して、前記処理空間における酸素分圧を測定対象であ
   る所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御する主
   ポンプ手段と、 前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定
   ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／又は電
   気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素を
   ポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、 前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定
   用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定
   ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセンサにおい
   て、 前記ガス導入口と前記処理空間との間に緩衝空間が設け
   られていることを特徴とするガスセンサ。
2. 【請求項２】外部空間に接する固体電解質にて区画形成
   された処理空間にガス導入口を通じて導入された前記外
   部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処
   理して、前記処理空間における酸素分圧を測定対象であ
   る所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御する主
   ポンプ手段と、 前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定
   ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用により分解さ
   せ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含ま
   れる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧
   検出手段とを具備し、 前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて
   前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセ
   ンサにおいて、 前記ガス導入口と前記処理空間との間に緩衝空間が設け
   られていることを特徴とするガスセンサ。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載のガスセンサにおい
   て、 前記被測定ガスの前記緩衝空間への導入経路に、前記被
   測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第１の拡散
   律速部が設けられ、 前記被測定ガスの前記緩衝空間から前記処理空間への導
   入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付
   与する第２の拡散律速部が設けられていることを特徴と
   するガスセンサ。
4. 【請求項４】請求項３記載のガスセンサにおいて、 前記緩衝空間は、その容積が少なくとも前記第１の拡散
   律速部と前記第２の拡散律速部における各拡散抵抗に基
   づいて規定されていることを特徴とするガスセンサ。
5. 【請求項５】請求項３又は４記載のガスセンサにおい
   て、 前記緩衝空間の前面開口が前記ガス導入口を構成し、 前記ガス導入口を覆うように前記第１の拡散律速部が形
   成されていることを特徴とするガスセンサ。
6. 【請求項６】請求項３〜５のいずれか１項に記載のガス
   センサにおいて、 前記第１及び第２の拡散律速部がそれぞれ狭い連通路に
   て形成されていることを特徴とするガスセンサ。
7. 【請求項７】請求項６記載のガスセンサにおいて、 ガス導入方向に対向する投影面でみたとき、第１の拡散
   律速部を構成する連通路の位置と第２の拡散律速部を構
   成する連通路の位置とが一致していないことを特徴とす
   るガスセンサ。
8. 【請求項８】請求項３〜５のいずれか１項に記載のガス
   センサにおいて、 前記第１及び第２の拡散律速部がそれぞれ多孔質体にて
   構成されていることを特徴とするガスセンサ。
9. 【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス
   センサにおいて、 前記緩衝空間におけるガス導入方向に対向する投影面の
   面積が、前記処理空間におけるガス導入方向に対向する
   投影面の面積以上であることを特徴とするガスセンサ。
10. 【請求項１０】外部空間に接する固体電解質にて区画形
    成された処理空間にガス導入口を通じて導入された前記
    外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング
    処理して、前記処理空間における酸素分圧を測定対象で
    ある所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御する
    主ポンプ手段と、 前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定
    ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／又は電
    気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素を
    ポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、 前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定
    用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定
    ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセンサにおい
    て、 前記ガス導入口と前記処理空間との間に目詰まり防止部
    と緩衝空間とがシリーズに設けられ、 前記目詰まり防止部の前面開口が前記ガス導入口を構成
    し、 前記目詰まり防止部と前記緩衝空間の間に、前記被測定
    ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する拡散律速部が設
    けられていることを特徴とするガスセンサ。
11. 【請求項１１】外部空間に接する固体電解質にて区画形
    成された処理空間にガス導入口を通じて導入された前記
    外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング
    処理して、前記処理空間における酸素分圧を測定対象で
    ある所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御する
    主ポンプ手段と、 前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定
    ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用により分解さ
    せ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含ま
    れる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧
    検出手段とを具備し、 前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて
    前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセ
    ンサにおいて、 前記ガス導入口と前記処理空間との間に目詰まり防止部
    と緩衝空間とがシリーズに設けられ、 前記目詰まり防止部の前面開口が前記ガス導入口を構成
    し、 前記目詰まり防止部と前記緩衝空間の間に、前記被測定
    ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する拡散律速部が設
    けられていることを特徴とするガスセンサ。