(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部が酸素イオン導電性の第一，第二及び第三固体電解質体によって形成されたサンプルガス室と，
該サンプルガス室内にサンプルガスを導くサンプルガス導入路と，
上記サンプルガス室内に面した上記第一固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなる第一酸素ポンプセルと，
上記サンプルガス室内に面した上記第二固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなる第二酸素ポンプセルと，
上記サンプルガス室内に面した上記第三固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなり，かつ上記サンプルガス室中の検出ガス濃度を検出するための検出セルとからなるガスセンサであって，
上記サンプルガス室内に面した上記第一酸素ポンプセルの電極と，上記第二酸素ポンプセルの電極とは，上記サンプルガス室の対向する面にそれぞれ設けられており，
かつ上記検出セルは，サンプルガス導入路からのサンプルガスの流れに対して，上記第一酸素ポンプセル及び第二酸素ポンプセルの下流側に設けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１において，上記第一酸素ポンプセルの電極と上記第二酸素ポンプセルの電極とは，上記サンプルガス室の対向する面において少なくともその一部が重なり合う位置関係にあることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または２において，上記第一酸素ポンプセルの電極と上記第二酸素ポンプセルの電極とは電気的に並列接続されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において，上記第一酸素ポンプセル及び上記第二酸素ポンプセルと上記検出セルとの間には，上記サンプルガス室内に面した第四固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなる酸素センサセルを設けてなり，
かつ該酸素センサセルからの信号により上記サンプルガス室内の酸素ガス濃度が一定となるように制御することを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において，上記検出セルは少なくとも２個設けられ，これら検出セルの電極の中で少なくとも２個の電極は上記サンプルガス室内において相対向する位置に設けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項５において，上記検出セルの電極の中で少なくとも２個の電極は電気的に並列接続されていることを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，サンプルガス中に混在している特定の検出ガス濃度，例えば内燃機関の排ガス中に存在するＮＯｘガス濃度等を検出するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より，内燃機関の排気経路には，後述の図４，図５に示すごとく，内燃機関の燃焼制御等の目的からＮＯｘセンサが設けてある。
上記ＮＯｘセンサとしては，固体電解質体の酸素イオン導電性（具体的には，安定化ジルコニア等の酸素イオン導電性）を利用して，排ガス中に存在するＮＯｘガス濃度を検出するものが知られている。
【０００３】
上記ＮＯｘセンサについて以下に説明する。
上記ＮＯｘセンサは，一部が酸素イオン導電性の固体電解質体によって形成されたサンプルガス室と，該サンプルガス室内にサンプルガス（この場合は内燃機関より排出された排ガス）を導くサンプルガス導入路と，上記サンプルガス室内に面した上記固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極よりなる検出セルとを有する。
なお，上記サンプルガス室内に面する上記検出セルの電極は，上記ＮＯｘ中の酸素原子を酸素イオンに還元する活性電極である。
【０００４】
このようなＮＯｘセンサにおいては，上記検出セルがＮＯｘ中の酸素原子を還元反応によりイオン化し，酸素イオンとなす。このイオン化した酸素が上記固体電解質体を流通することにより，該固体電解質体にイオン電流が発生する。上記イオン電流の大きさはＮＯｘガス量と比例することから，該イオン電流の値を測定することにより，ＮＯｘガス濃度を検出することができる。
【０００５】
しかしながら，上記サンプルガス（この場合は排ガス）は，通常は酸素ガスも含有している。このため，上記検出セルはＮＯｘ中の酸素原子と共に，酸素中の酸素原子をもイオン化してしまう。即ち，上記イオン電流はＮＯｘガス由来の酸素イオンと，酸素ガス由来の酸素イオンとが合算されたものである。
従って，上記構造のＮＯｘセンサにおいては正しくＮＯｘガス濃度に比例した検出値を得ることができなかった。
【０００６】
このため，従来，検出セルよりもサンプルガス流れの上流側に，該サンプルガス中の酸素ガスを除去するための酸素ポンプセルを設けたＮＯｘセンサが提案されている（特開平８−２９３８７号）。
【０００７】
上記酸素ポンプセルは，上記サンプルガス室内に面した固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなる。上記一対の電極間に電圧を付加することにより，上記酸素ポンプセル近傍の酸素ガスは酸素イオンとなって固体電解質体中を移動する。これにより，上記サンプルガス中の酸素ガスをサンプルガス室の外部に排出することができる。なお，上記サンプルガス室に面する上記酸素ポンプセルの電極は，上記ＮＯｘ中の酸素原子を酸素イオンに還元しない不活性電極である。
【０００８】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のＮＯｘセンサには以下に示す問題がある。
即ち，上記サンプルガス室において上記酸素ポンプセル近傍の酸素ガスは容易に除去することができるが，該酸素ポンプセルと離れた部分の酸素ガスの除去は困難である。特に，後述の図６（ａ）に示すごとく，上記酸素ポンプセルを設けた面の対向面近傍の酸素ガスの除去は困難である。
【０００９】
また，上記ＮＯｘセンサにおいてサンプルガス中の酸素ガスは酸素ポンプセルにより除去されるが，該酸素ガスがＮＯｘガス検出に障らないほどに除去されたかどうかは不明である。
このため，ＮＯｘセンサの出力が，真実サンプルガス中のＮＯｘガス濃度に比例しているのかどうかということが不明である。即ち，このＮＯｘセンサにおいて検出値が増大または減少した場合，ＮＯｘガス濃度が変化したのか，酸素ガス濃度が変化したのか，判別ができなかった。
【００１０】
この問題に対する解決手段としては，例えば，ＳＡＥ９６０３３４公報にかかるＮＯｘセンサに示すごとく，サンプルガス室内の酸素ガス濃度を監視・制御するための酸素濃淡電池式の酸素センサセルを上記固体電解質体に設けることが知られている。
上記酸素濃淡電池式の酸素センサセルは一対の電極からなり，一方の電極は上記サンプルガス室に，他方の電極はサンプルガス室とは別に設けた大気室に面するよう設けてある。なお，上記大気室には大気中の空気が導入されている。
【００１１】
しかしながら，上記酸素センサセルを設けたＮＯｘセンサについても以下に示す問題が生じるおそれがある。
つまり，酸素センサセルを設けることにより，酸素ポンプセルの大きさが制限され，その電極面積が縮小してしまう。上記酸素ポンプセルの酸素排出量は電極面積に比例するため，酸素ポンプセルの酸素排出量が減少してしまう。
この場合，サンプルガス中への酸素ガス残留を防止するために，上記サンプルガス室へのサンプルガス導入量を減じなくてはならない。
【００１２】
しかし，サンプルガス導入量を減じた場合には，上記ＮＯｘセンサの検出セルにおいて検出されるイオン電流はＮＯｘの単位濃度あたり略２〜６μＡ／１０００ｐｐｍとなってしまう。
即ち，上記酸素センサセルを設けることにより感度の低いＮＯｘセンサしか得ることができなくなるおそれがあった。
また，上記酸素センサセルを設けるためには，サンプルガス室とは別に大気室を必要とするため，ＮＯｘセンサの構造が複雑になるおそれがあった。
【００１３】
以上は，ＮＯｘガスを検出するＮＯｘセンサについて述べたが，これと同様の問題は，ＳＯｘガス濃度を検出するＳＯｘセンサ，Ｈ２  Ｏガス濃度を検出するＨ２  Ｏセンサ，ＣＯ２  を検出するＣＯ２  センサ等，検出セルにおいて検出ガスを還元することにより得られた酸素イオンが該検出セルを設けた固体電解質体を流通する際のイオン電流を元に検出ガス濃度を検出する構造のガスセンサにおいて共通に発生する。
【００１４】
本発明は，かかる問題点に鑑み，センサ出力に対する酸素ガス濃度の悪影響を排除でき，感度の高いガスセンサを提供しようとするものである。
【００１５】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，一部が酸素イオン導電性の第一，第二及び第三固体電解質体によって形成されたサンプルガス室と，
該サンプルガス室内にサンプルガスを導くサンプルガス導入路と，
上記サンプルガス室内に面した上記第一固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなる第一酸素ポンプセルと，
上記サンプルガス室内に面した上記第二固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなる第二酸素ポンプセルと，
上記サンプルガス室内に面した上記第三固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなり，かつ上記サンプルガス室中の検出ガス濃度を検出するための検出セルとからなるガスセンサであって，
上記サンプルガス室内に面した上記第一酸素ポンプセルの電極と，上記第二酸素ポンプセルの電極とは，上記サンプルガス室の対向する面にそれぞれ設けられており，
かつ上記検出セルは，サンプルガス導入路からのサンプルガスの流れに対して，上記第一酸素ポンプセル及び第二酸素ポンプセルの下流側に設けられていることを特徴とするガスセンサにある。
【００１６】
本発明の作用につき，以下に説明する。
本発明のガスセンサにおいては，上記サンプルガス室内に面した上記第一酸素ポンプセルの電極と上記第二酸素ポンプセルの電極とは上記サンプルガス室の対向する面にそれぞれ設けられている。
【００１７】
このため，後述の図６（ａ），（ｂ）に示すごとく，従来技術ではサンプルガス室の片面側の酸素ガスしか除去することができなかったが，本発明によれば，サンプルガス室の両側より酸素ガスを排出することができる。
従って，酸素排出量が大幅に向上し，より多くのサンプルガスをサンプルガス室に取り入れることが可能となる。よって，ガスセンサの感度も向上する。
【００１８】
以上のように，本発明によれば，センサ出力に対する酸素ガス濃度の悪影響を排除でき，かつ検出ガスに対する感度が高いガスセンサを提供することができる。
【００１９】
なお，上記固体電解質体としては，特に上記ガスセンサがＮＯｘガス濃度を検出するＮＯｘセンサである場合には，安定化ジルコニアを用いることができる。さらに，上記第一酸素ポンプセル及び上記第二酸素ポンプセルにおいて，サンプルガス室内に面するよう設けた電極としては，ＮＯｘガスを酸素イオンに還元しないＰｔ−Ａｕ合金よりなる不活性電極を用いることができる。
また，上記検出セルにおいて，サンプルガス室内に面するよう設けた電極としては，ＮＯｘガスを酸素イオンに還元するＰｔよりなる活性電極を用いることができる。
【００２０】
また，上記検出セルを設ける第三固体電解質体は，上記第一固体電解質体または第二固体電解質体と一体品とすることもできる。または，これらとは別体とすることもできる。
【００２１】
なお，上記ガスセンサとしては，例えば，自動車用内燃機関の排ガス中におけるＮＯｘガス濃度を検出するＮＯｘセンサ，ＳＯｘガス濃度を検出するＳＯｘセンサ，Ｈ２  Ｏガス濃度を検出するＨ２  Ｏセンサ，ＣＯ２  を検出するＣＯ２  センサ等を挙げることができる。
【００２２】
次に，請求項２の発明のように，上記第一酸素ポンプセルの電極と上記第二酸素ポンプセルの電極とは，上記サンプルガス室の対向する面において少なくともその一部が重なり合う位置関係にあることが好ましい。
これにより，上記サンプルガス導入路から上記検出セルまでのサンプルガスの拡散距離を短縮でき，ガスセンサの感度を高めることができる（図７参照）。
【００２３】
次に，請求項３の発明のように，上記第一酸素ポンプセルの電極と上記第二酸素ポンプセルの電極とは電気的に並列接続されていることが好ましい。
これにより，上記第一及び第二酸素ポンプセルを駆動させる場合の端子の数を，１個の酸素ポンプセルを駆動させる場合と同じく２個で構成することができる。よって，ガスセンサの部品点数を減じ，アセンブリを容易とすることができる。さらに，上記第一及び第二酸素ポンプセルの制御を同時に行うことができる。
【００２４】
次に，請求項４の発明のように，上記第一酸素ポンプセル及び上記第二酸素ポンプセルと上記検出セルとの間には，上記サンプルガス室内に面した第四固体電解質体の１つの面及びその反対側の面に設けられた一対の電極からなる酸素センサセルを設けてなり，
かつ該酸素センサセルからの信号により上記サンプルガス室内の酸素ガス濃度が一定となるように制御することが好ましい。
【００２５】
これにより，上記サンプルガス室内の酸素ガス濃度をほぼ一定値に維持することができ，酸素ガス濃度がガスセンサの出力に与える影響を常に一定とすることができる。よって，酸素ガスの濃度に依存しない，精度の高いガスセンサを提供することができる。
なお，上記第四固体電解質体としては，上記第一〜第三固体電解質体のいずれかと一体品とすることができる。または，別体とすることができる。
【００２６】
また，上記酸素センサセルからの信号は，上記酸素センサセルを構成する電極間の電圧値であることが好ましい。
これにより，上記酸素センサセルからの信号を受けて上記酸素ポンプセルの動作を制御するための回路を簡易な構成とすることができ，ガスセンサの制御性が向上する。
【００２７】
また，上記酸素センサセルからの信号は，上記酸素センサセルに一定電圧を加えた場合の限界電流値であることが好ましい。
ところで限界電流式の酸素センサセルにおいては電極間に電圧を印加し，この電圧に抗して流れるイオン電流の値を利用して酸素ガス濃度を測定する。
従って，上記限界電流式の酸素センサセルには酸素ガスをサンプルガス室外に排出する酸素ポンプ作用がある。
よって，このような酸素センサセルを設けたガスセンサにおいては，より多くの酸素ガスをガスセンサ外に排出することができる。よって，より多量のサンプルガスをサンプルガス室内に導入することができる。
よって，より感度の高いガスセンサを得ることができる。
【００２８】
また，上記ガスセンサにおいては，サンプルガス室内の酸素ガス濃度は上記酸素センサセルにより常に一定となるようフィードバック制御されている。このためサンプルガス中の酸素ガス濃度は目標値に対してある程度の振幅を持った値となる（図１１参照）。
このような状態にあるサンプルガスに対し，更に，酸素センサセルによって酸素ガスが排出されることとなる。よって，後述の図１１に示すごとく，サンプルガス中の酸素ガス濃度の振幅はさらに減少し（Ｗ１よりＷ２となる），より目標値に近い値となる。
【００２９】
以上のように，限界電流式の酸素センサセルを有するガスセンサにおいては，酸素ガス濃度がガスセンサの出力に与える影響が高い精度で常に一定となる。よって，酸素ガス濃度の影響は容易かつ精密にキャンセルすることができる。従って，サンプルガス中の酸素ガス濃度に依存しない優れた精度を有するガスセンサを提供することができる。
さらに，限界電流式の酸素センサセルについては，ガスセンサの内部と大気雰囲気とを通気させる必要がないことから，より構成がシンプルなガスセンサを得ることができる。
【００３０】
次に，請求項５の発明のように，上記検出セルは少なくとも２個設けられ，これら検出セルの電極の中で少なくとも２個の電極は上記サンプルガス室内において相対向する位置に設けられていることが好ましい。
これにより，１個の検出セルにより検出ガスを検出する場合に検出できなかったサンプルガス室における対向面近傍の検出ガスを，もう一方の検出セルにより容易に検出することができる。
従って，検出能力が向上し，ガスセンサの感度を高めることができる。
【００３１】
次に，請求項６の発明のように，上記検出セルの電極の中で少なくとも２個の電極は電気的に並列接続されていることが好ましい。
これにより，上記第一及び第二検出セルの端子の数を，１個の検出セルを設けた場合と同じ２個で構成することができる。よって，ガスセンサの部品点数を減じ，アセンブリを容易とすることができる。
さらに，上記第一及び第二検出セルの限界電流値の和を容易に得ることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかるガスセンサにつき，図１〜図８を用いて説明する。なお，本例のガスセンサにおいて，サンプルガスは車両用の内燃機関より排出される排ガス，また検出ガスは上記排ガスに含まれるＮＯｘガスである。そして，上記ガスセンサは，図４，図５に示すごとく，内燃機関の排気経路中に配置されている。
【００３３】
図１〜図３に示すごとく，本例にかかるガスセンサは，一部が酸素イオン導電性の第一，第二固体電解質体１２，１３によって形成されたサンプルガス室１００と，該サンプルガス室１００内にサンプルガス８を導くサンプルガス導入路１２１とを有する。
【００３４】
また，上記サンプルガス室１００内に面した上記第一固体電解質体１２の１つの面及びその反対面１２９に設けられた一対の電極２１８，２１９からなる第一酸素ポンプセル２１と，上記サンプルガス室１００内に面した上記第二固体電解質体１３の１つの面及びその反対面１３９に設けられた一対の電極３１８，３１９からなる第二酸素ポンプセル３１とを有する。
【００３５】
なお，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１は，上記サンプルガス室１００内の酸素ガス８９を外部に排出するために設けてある。また，上記サンプルガス導入路１２１はピンホールより構成されている。
【００３６】
また，図１〜図３に示すごとく，本例のガスセンサ１は，上記サンプルガス室１００内に面した上記第一固体電解質体１２の１つの面及びその反対面１２９に設けられた一対の電極３８，３９からなる第一検出セル３と，上記サンプルガス室１００内に面した上記第二固体電解質体１３の一つの面及びその反対面１３９に設けられた一対の電極３３８，３３９からなる第二検出セル５１とを有する。なお，上記第一検出セル３及び第二検出セル５１は，上記サンプルガス室１００内の検出ガス濃度を検出するために設けてある。
【００３７】
また，上記上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の電極２１８，３１８は，上記検出ガスを酸素イオンに還元しない不活性電極である。
一方，上記第一検出セル３及び第二検出セル５１の電極３８，３９，３３８，３３９と，上記反対面１２９，１３９に設けられた上記上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の電極２１９，３１９は，上記検出ガスを酸素イオンに還元する活性電極である。
【００３８】
更に，上記上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１は上記サンプルガス室１００内において相対向する位置に設けられ，これらに接続された回路２４５は電源２４６に対し，電気的に並列接続されている。
そして，電源２４６により常に一定の電圧（例えば０．８Ｖ）が上記電極２１８−電極２１９間及び上記電極３１８−電極３１９間に印加されており，上記サンプルガス室１００内の酸素ガス濃度を略０（例えば０．０１ｐｐｍ以下）に維持するよう構成されている。
【００３９】
次に，上記ガスセンサ１につき詳細に説明する。
図１に示すごとく，上記ガスセンサ１は２枚の第一及び第二固体電解質体１２，１３と，アルミナ基板１２５，１３５と，アルミナヒータ基板１４１及びアルミナ保護基板１４２とにより構成された積層型のガスセンサ１である。
【００４０】
図１に示すごとく，上記第一固体電解質体１２と上記アルミナ基板１２５とによりサンプルガス室１００が，また上記第二固体電解質体１３と上記アルミナ基板１３５とにより開放室１５０が構成されている。
ここに開放室１５０とは，上記第二酸素ポンプセル３１及び上記第二検出セル５１により排出される酸素ガス８９が開放される空間である。ここに開放された酸素ガス８９は，小穴１４６を通過しガスセンサ１外部に拡散排気される。
【００４１】
図１に示すごとく，上記アルミナヒータ基板１４１にはヒータ部１４０が設けてあり，上記アルミナ保護基板１４２は該ヒータ部１４０を被覆するよう設けてある。
【００４２】
図３に示すごとく，上記第一固体電解質体１２には第一酸素ポンプセル２１及び第一検出セル３を構成する電極２１８，２１９，３８，３９が設けてある。また，上記電極２１８，２１９，３８，３９に回路２４５，３５を接続するための端子部２６７，２６８，２６９が設けてある。
更に，上記電極２１８，２１９，３８，３９と上記端子部２６８，２６９とを導通させるためにリード部２５８，２５９が設けてある。
なお，上記端子部２６８と２６７との間は第一固体電解質体１２を貫通するスルーホール２６６により導通がとられている。
【００４３】
同様に，図３に示すごとく，上記第二固体電解質体１３には第二酸素ポンプセル３１及び第二検出セル５１を構成する電極３１８，３１９，３３８，３３９が設けてある。また，上記電極３１８，３１９，３３８，３３９に回路２４５，３５を接続するための端子部３６８，３６９が設けてある。
更に，上記電極３１８，３１９，３３８，３３９と上記端子部３６８，３６９とを導通させるためのリード部３５８，３５９が設けてある。
【００４４】
なお，上記端子部３６８と２６７との間は第一固体電解質体１２，アルミナ基板１２５を貫通するスルーホール２６６により導通がとられており，上記端子部３６９と２６９との間は第一固体電解質体１２，アルミナ基板１２５及び第二固体電解質体１３を貫通するスルーホール２６６により導通がとられている。
【００４５】
図１，図３に示すごとく，上記スルーホール２６６は，上記電源２４６，３６に対し上記第一酸素ポンプセル２１，第二酸素ポンプセル３１，上記第一検出セル３及び第二検出セル５１とを電気的に並列接続する役目をも担っている。
また，上記第一固体電解質体１２には３つのピンホール状のサンプルガス導入路１２１が電極２１８，２１９を貫通して設けてある。
【００４６】
図３に示すごとく，上記アルミナ基板１２５にはサンプルガス室１００を形成するための窓部１２６が，上記アルミナ基板１３５には開放室１５０を形成するための窓部１３６が設けてある。
また，上記アルミナヒータ基板１４１にはヒータ部１４０が設けてある。
更に，上記アルミナヒータ基板１４１及び上記アルミナ保護基板１４２には，上記開放室１５０から酸素ガス８９を排出するための小穴１４６がそれぞれ設けてある。
【００４７】
また，図３に示すごとく，上記アルミナヒータ基板１４１におけるヒータ部１４０は，上記小穴１４６と干渉しないように設けてある。上記ヒータ部１４０は，アルミナヒータ基板１４１の反対面に設けた端子部１４７と導通したリード部１４９を設けてある。なお，上記端子部１４７とリード部１４９との導通は，アルミナヒータ基板１４１に設けたスルーホール１４６によりとられている。
【００４８】
図１に示すごとく，上記上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１において，上記電極２１８，３１８及び２１９，３１９との間には，電源２４６，電圧計Ｖ１を介して回路２４５が形成されている。上記電圧計Ｖ１は，電極２１８−電極２１９間及び電極３１８−電極３１９間の電圧を検出するためのものである。また，上記第一検出セル３及び第二検出セル５１において，上記電極３８，３３８及び３９，３３９との間には，電源３６，電流計Ａ０を介して回路３５が形成されている。上記電流計Ａ０は，電極３８−電極３９間及び電極３３８−電極３３９間に流れる限界電流の和を検出するものである。
【００４９】
上記第一及び第二固体電解質体１２，１３はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）より構成されており，幅７ｍｍ，長さ６１ｍｍ，厚さ０．１６ｍｍである。
上記アルミナ基板１２５，１３５，アルミナヒータ基板１４１，アルミナ保護基板１４２はアルミナよりなり，幅７ｍｍ，長さ６１ｍｍ，厚さ０．１６ｍｍである。
【００５０】
また，上記サンプルガス室１００内に面する上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の電極２１８，３１８はＰｔ−Ａｕ合金からなり，該合金においてＡｕの含有量は１重量％である。
一方，上記第一及び第二検出セル３，５１の電極３８，３９，３１８，３３９と，上記反対面１２９，１３９に設けられた上記上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の電極２１９，３１９はＰｔからなる。
さらに，上記ヒータ部１４０は，Ｐｔからなる。
【００５１】
また，上記上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の電極２１８，２１９，３１８，３１９の面積は，それぞれ略７０ｍｍ２  である。上記第一検出セル３及び第二検出セル５１の電極３８，３９，３３８，３３９の面積は，それぞれ略１２ｍｍ２  である。
【００５２】
次に，上記ガスセンサ１の組立及び製造につき説明する。
まず，焼成後には第一及び第二固体電解質体１２，１３，アルミナ基板１２５，１３５，アルミナヒータ基板１４１及びアルミナ保護基板１４２となるグリーンシートを作成する。それぞれのグリーンシートの形状は，図３に示す焼成後の形状とほぼ同じである。
【００５３】
次いで，焼成後には第一固体電解質体１２となるグリーンシートに対し，電極２１８，２１９，３８，３９，リード部２５８，２５９，端子部２６７，２６８，２６９を印刷形成する。
また，焼成後には第二固体電解質体１３となるグリーンシートに対し，電極３１８，３１９，３３８，３３９，リード部３５８，３５９，端子部３６８，３６９を印刷形成する。
更に，焼成後にはアルミナヒータ基板１４１となるグリーンシートに対し，ヒータ部１４０，リード部１４９，端子部１４７を印刷形成する。
【００５４】
次に，各グリーンシートを図３に示す構成となるよう積層して積層体となし，該積層体を加圧しながら約１５００℃ないし１６００℃で焼成し，一体品とする。これによりガスセンサ１を得る。
【００５５】
次に，ガスセンサ１を自動車の排気経路に取り付ける方法につき説明する。
図４に示すごとく，上記ガスセンサ１は，ガスセンサアッセンブリ４に組み付けられ，このガスセンサアッセンブリ４ごと排気経路に取り付ける。
上記ガスセンサアッセンブリ４は，ガスセンサ１を保持するホルダ４２と，該ホルダ４２の前方を被覆し，サンプルガスである排ガスよりガスセンサ１を保護するためのカバー４１よりなる。
【００５６】
また，上記ガスセンサ１には，出力の引き出し，電圧の印加等の目的から複数のリード線が接続されているが，該リード線を格納するためのハウジング４４が上記ガスセンサアッセンブリ４に設けてある。
更に，上記ガスセンサアッセンブリ４には，これを排気経路に固定するためのフランジ４３が設けてある。なお，上記カバー４１にはサンプルガスとなる排ガスを流通させるための通気穴４１０が複数段けてある。
【００５７】
そして，図５に示すごとく，上記ガスセンサアッセンブリ４は，自動車用エンジン５１の排気経路である排気管５０において，三元触媒５３の下流側に設置される。そして，上記排気経路には，フランジ４３において，図示されていないガスケットを介し，ポルトにより固定されている。なお，上記三元触媒５３の上流側にはＡ／Ｆセンサ５２が配置される。
【００５８】
上記の構成において，本例のガスセンサ１及びＡ／Ｆセンサ５２の信号をもとに，上記エンジン５１のリーンバーン精密制御，あるいは三元触媒５３の劣化検出が行われる。
【００５９】
次に，本例における作用効果につき説明する。
本例のガスセンサ１において上記サンプルガス８中の検出ガス濃度，即ち排ガス中のＮＯｘガス濃度は以下に示すごとく検出される。
まず，図５に示すごとく，上記エンジン５１から排出された排ガスは上記三元触媒５３を経て，上記ガスセンサ１のまわりにサンプルガス８として到達する。そして，図１に示すごとく，上記サンプルガス８は上記サンプルガス導入路１２１を通過し，上記サンプルガス室１００内に拡散する。
【００６０】
そして，上記サンプルガス室１００内の酸素ガス８９は，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１によってセンサ外部に排出される。
この時，上記サンプルガス室１００内の酸素ガス濃度は，一定電圧（例えば０．８Ｖ）がかけられた上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１によって，略０（例えば０．０１ｐｐｍ以下）になるまで低減される。
【００６１】
このようにして酸素ガス濃度が低い状態に達したサンプルガス８は，上記第一検出セル３及び第二検出セル５１の電極３８，３３８のまわりに到達する。上記第一及び第二検出セル３，５１において，上記サンプルガス８中の検出ガス，即ちＮＯｘガスは，上記電極３８，３３８と接触し，還元され，酸素イオンとなる。
【００６２】
そして，上記第一検出セル３及び第二検出セル５１と導通した回路３５においては，電源３６により常に一定の電圧（例えば０．５Ｖ）が電極３８，３９間及び電極３３８，３３９間に印加されており，上記酸素イオンの濃度に対応した限界電流値を電流計Ａ０において検出することができる。
【００６３】
ここで，図６（ａ）に示すごとく，サンプルガス室１００の一面のみに酸素ポンプセル９０を設けた場合には，同図における左方の線図に示すごとく，酸素ポンプセル９０を設けた対向面近傍に酸素ガス８９が残存する。
よって，酸素ガス濃度を略０（例えば０．０１ｐｐｍ以下）になるまで低減することは困難であった。
【００６４】
しかし，図６（ｂ）に示すごとく，サンプルガス室１００の対向する二面に第一酸素ポンプセル２１，第二酸素ポンプセル３１を設ける方法では，第一酸素ポンプセル２１によって排出できずに残留した該第一酸素ポンプセル２１を設けた対向面近傍の酸素ガス８９を，上記第一酸素ポンプセル２１と相対向する位置に設けた上記第二酸素ポンプセル３１によって容易に排出することができる。
従って，本例にかかるガスセンサ１におけるサンプルガス室１００の酸素ガス８９は略０（例えば０．０１ｐｐｍ以下）となるまで低減することができる。
【００６５】
また，上述においても明らかであるが，本例にかかるガスセンサ１におけるサンプルガス室１００からの酸素排出能力は大幅に向上している。
よって，より多くのサンプルガス８を取り入れることが可能となり，ＮＯｘガスに対する感度も向上する。
【００６６】
単に酸素排出能力を高めるためには，図７（ａ）に示すごとく，酸素ポンプセル９１の電極面積Ｓを大きくすればよい。しかしこの場合には電極面積と同時に電極長さが長くなるため，結果としてサンプルガスの拡散距離Ｌが長くなってしまう。この場合には，検出セル５１に拡散するＮＯｘが減少し，ガスセンサ１の感度が低下するおそれがあった。
なお，サンプルガス拡散距離Ｌとは，図７に示すごとく，サンプルガス導入路１２１と検出セル５１の端部との間の距離である。
【００６７】
しかし，図７（ｂ）に示す本例のガスセンサ１に示すごとく，第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１を設けることにより拡散距離Ｌを変化させることなく，酸素ポンプセルの電極面積を増大させ，よってガスセンサ１における酸素排出能力を高めることができる。
よって，感度の高いガスセンサ１を得ることができる。
【００６８】
また，本例のガスセンサ１は，図１に示すごとく，上記サンプルガス室１００内に第一及び第二検出セル３，５１が設けられ，上記第一検出セル３の電極３８，３９と，上記第二検出セル５１の電極３３８，３３９とは相対向する位置に設けてある。
これにより，第一検出セル３により検出できなかった対向面近傍の検出ガスを，もう一方の第二検出セル５１が検出することができる。
従って，ガスセンサの検出能力が向上し，感度も向上する。
【００６９】
また，本例のガスセンサ１は，図１に示すごとく，上記第一酸素ポンプセル２１の電極２１８，２１９と上記第二酸素ポンプセル３１の電極３１８，３１９とは電気的に並列接続されている。
これにより，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１を駆動させる場合の端子の数を１個の酸素ポンプセルを駆動させる場合と同じ２個で構成することができる。さらに，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の制御を同時に行うことができる。
【００７０】
同様に，本例のガスセンサ１は，図１に示すごとく，上記第一検出セル３の電極３８，３９と上記第二検出セル５１の電極３３８，３３９とは，電気的に並列接続されている。これにより，上記第一及び第二検出セル３，５１を作動させる場合の端子の数を１個の検出セルを作動させる場合と同じ２個で構成することができる。さらに，上記第一及び第二検出セル３，５１の限界電流値の和を容易に得ることができる。
【００７１】
以上のように，本例によれば，センサ出力に対する酸素ガスの悪影響を確実に排除でき，感度の高いガスセンサを提供することができる。
【００７２】
また，本例のガスセンサ１において，第一酸素ポンプセル２１，第二酸素ポンプセル３１，第一及び第二検出セル３，５１は，上記サンプルガス流れに対し，第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１，第一及び第二検出セル３，５１の順に設けてある。
これにより，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１で十分に酸素ガス８９をガスセンサ１の外に排出した後，第一及び第二検出セル３，５１にて検出ガスであるＮＯｘガスを検出することができる。
【００７３】
また，本例において上記サンプルガス導入路１２１はピンホール，上記開放室１５０からの酸素ガス８９の開放穴は小穴１４６としたが，ピンホールまたは小穴に多孔質体を充填した構造としてもよい。
【００７４】
また，本例のガスセンサ１は，第一酸素ポンプセル２１，第二酸素ポンプセル３１，第一及び第二検出セル３，５１のまわりを加熱するためのヒータ部１４０が一体的に設けてある。
これにより，エンジン５１の始動後，短時間で各電極を活性温度に加熱することができ，ＮＯｘガス濃度検出を行うことができる。
したがってエンジン５１の始動後，速やかにエンジン５１のリーンバーン精密制御，あるいは三元触媒５３の劣化検出が可能となる。
【００７５】
また，図８に示すごとく，本例のガスセンサ１において，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１は拡散方向に対する垂直平面において重なる位置に配設したが，上記垂直平面において重ならない位置に設けることもできる。
この場合においても，第一酸素ポンプセル２１により酸素ガス８９を排出し，これによって排出できなかった対向面近傍の酸素ガス８９は，該対向面近傍の下流側に設けられた第二酸素ポンプセル３１が排出することができる。
【００７６】
これは，上記対向面近傍の酸素ガス８９の大半が再び上記第一酸素ポンプセル２１に拡散する前に，第二酸素ポンプセル３１により酸素ガス８９を排出することができるからである。
このため，同図の左右に設けた線図に示すごとく，サンプルガス室１００の酸素ガス濃度は略０（例えば０．０１ｐｐｍ以下）となるまで低減することができる。
【００７７】
実施形態例２
本例は，図９〜図１１に示すごとく，第一及び第二酸素ポンプセルと検出セルとの間にサンプルガス室の酸素ガス濃度を制御するための酸素センサセルを設けたガスセンサである。
【００７８】
図９に示すごとく，本例のガスセンサ５は，実施形態例１と同様にサンプルガス室１００，サンプルガス導入路１２１，第一酸素ポンプセル２１，第二酸素ポンプセル３１，第一検出セル３（ただし，検出セルは実施形態例１と異なり一つしか設けていない）を有する。
【００７９】
そして，上記ガスセンサ５は，上記サンプルガス室１００内に面した第一固体電解質体１２の１つの面及びその反対面１２９に設けた一対の電極２２８，２２９からなり，上記サンプルガス室１００内の酸素ガス８９を上記両電極２２８，２２９を通じて外部へ透過させながら上記サンプルガス８中の酸素ガス濃度を検出するポンプ式の酸素センサセル２２を有する。
【００８０】
上記サンプルガス室１００内における，上記ポンプ式酸素センサセル２２の電極２２８は，上記検出ガスを酸素イオンに還元しない不活性電極である。
また，上記反対面１２９に設けた上記ポンプ式酸素センサセル２２の電極２２９は，上記検出ガスを酸素イオンに還元する活性電極である。
【００８１】
更に，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１は，上記ポンプ式酸素センサセル２２からの信号値に基づき，上記サンプルガス室１００内の酸素ガス濃度を一定値に保つよう構成されている。上記信号値とは，上記ポンプ式酸素センサセル２２に回路２２５を通じて一定電圧を加えた場合に生じる限界電流値である。
図９に示すごとく，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１において，上記電極２１８，３１８と上記電極２１９，３１９との間には，コントローラ２１６を介して回路２１５が形成されている。
【００８２】
上記コントローラ２１６は上記電極２１８，３１８と上記電極２１９，３１９との間に電圧を印加する電源と，上記電圧を制御する可変抵抗器を有する。また，ポンプ式酸素センサセル２２において，上記電極２２８と２２９との間には，電源２２６及び電流計Ａ１を介して回路２２５が形成されている。
【００８３】
上記電流計Ａ１は電極２２８−電極２２９間に流れる限界電流を検出するものである。また，電流計Ａ１と上記コントローラ２１６との間には，フィードバック回路２５が設けてなり，この回路を通じて上記電流計Ａ１において検知された限界電流の値によるコントローラ２１６を利用した上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の作動制御が行われる。
【００８４】
なお，上記サンプルガス室１００内における，上記ポンプ式酸素センサセル２２の電極２２８はＰｔ−Ａｕ合金からなり，該合金においてＡｕの含有量は１重量％である。
また，上記反対面１２９に設けられた上記ポンプ式酸素センサセル２２の電極２２９はＰｔからなる。
また，上記ポンプ式酸素センサセル２２の電極２２８，２２９の面積は，略１２ｍｍ２  である。
その他は，実施形態例１と同様である。
【００８５】
次に，本例における作用効果につき説明する。
本例のガスセンサ５において，サンプルガス８中の検出ガス濃度，即ち排ガス中のＮＯｘガス濃度は以下に示すごとく検出される。
まず，前述の図５に示すごとく，上記エンジン５１から排出された排ガスは上記三元触媒５３を経て，上記ガスセンサ１のまわりにサンプルガス８として到達する。そして，図９に示すごとく，上記サンプルガス８は上記サンプルガス導入路１２１を通過し，上記サンプルガス室１００内に拡散する。
【００８６】
上記サンプルガス室１００内の酸素ガス８９は，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１によってセンサ外部に排出される。この時，上記サンプルガス室１００内の酸素ガス濃度は，図９に示すごとく，一定電圧（例えば０．８Ｖ）が印加された上記ポンプ式酸素センサセル２２における限界電流値によって監視されている。
【００８７】
上記限界電流値はポンプ式酸素センサセル２２と導通した回路２２５中の電流計Ａ１によって検知される。この限界電流値が一定となるように，フィードバック回路２５を通じて，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１と導通した回路２１５中のコントローラ２１６が制御される。
【００８８】
これにより，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１の酸素ポンプ能力はポンプ式酸素センサセル２２により制御することができる。
即ち，図１０に示すごとく，ポンプ式酸素センサセル２２において酸素ガス濃度が高い場合には，電流計Ａ１の値が目標とする酸素ガス濃度を示す限界電流値Ｉ０より限界電流値Ｉ２へと上昇する。
【００８９】
この場合には，フィードバック回路２５を通じて上記電流計Ａ１の値がコントローラ２１６に対し入力され，該コントローラ２１６は回路２１５の電圧を高め，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１における酸素ガス８９の放出を促進する。
なお，上記限界電流値とは，図１０における，電流−電圧曲線において傾き０となっている部分である。
【００９０】
一方，酸素ガス濃度が低い場合には，電流計Ａ１の値が目標とする酸素ガス濃度を示す限界電流値Ｉ０より限界電流値Ｉ１ヘと低下する。この場合には，上記コントローラ２１６は回路２１５の電圧を下げて，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１における酸素ガス８９の放出を抑制する。
以上の制御により，図１１に示すごとく，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１周りを通過するサンプルガス中の酸素ガス濃度は，若干の変動（振れ幅Ｗ１）はあるものの，だいたい一定の範囲内の値，平均してＹ１となる。
【００９１】
更に，本例のガスセンサ５においては，ポンプ式酸素センサセル２２においても，絶えず一定量の酸素ガス８９がサンプルガス室１００の外部へ運び出されている。このため，図１１に示すごとく，ポンプ式酸素センサセル２２周りを通過するサンプルガス中の酸素ガス濃度は，上記第一及び第二酸素ポンプセル２１，３１周りの時よりも更に減少し，平均してＹ２となる。また，この時，酸素ガス濃度の変動（振れ幅Ｗ２）も更に小さくなる。
【００９２】
そして，このように酸素ガス濃度の振れ幅が小さく，かつ酸素ガス濃度が低い状態にあるサンプルガス８が，検出セル３周りに到達する。上記検出セル３において，上記サンプルガス８中の検出ガス，即ちＮＯｘガスは上記電極３８と接触し，還元され，酸素イオンとなる。
【００９３】
そして，上記検出セル３と導通した回路３５においては，電源３６により常に一定の電圧（例えば０．５Ｖ）が電極３８，３９間に印加されており，上記酸素イオンの濃度に対応した限界電流値を電流計Ａ０において検出することができる。
【００９４】
ここに，図１１に示すごとく，サンプルガス室１００における酸素ガス濃度はほぼ一定であることから，上記酸素ガス濃度由来の酸素イオンの量もほぼ一定である。従って，電流計Ａ０に与える影響もほぼ一定となる。以上により，上記限界電流の値により，ＮＯｘガス濃度の変動を検知することができる。
その他は，実施形態例１と同様である。
【００９５】
また，本例において，サンプルガス室内に拡散する酸素の濃度を一定に保つための酸素センサセルの信号は，酸素センサセルの両電極間に一定電圧を加えた場合の限界電流値としたが，酸素センサセル電極間の電圧値としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，ガスセンサの断面説明図（図２にかかるＡ−Ａ矢視断面図）。
【図２】実施形態例１における，ガスセンサの平面説明図。
【図３】実施形態例１における，ガスセンサの展開説明図。
【図４】実施形態例１における，ガスセンサアッセンブリの一部断面説明図。
【図５】実施形態例１における，車両用の内燃機関の排気経路中における，ガスセンサの配置説明図。
【図６】実施形態例１における，（ａ）サンプルガス室の片面にのみ酸素ポンプセルを設けたガスセンサの要部説明図及びこの場合の酸素ガス濃度の分布を示す線図，（ｂ）サンプルガス室の対向面に第一及び第二酸素ポンプセルを設けたガスセンサの要部説明図及びこの場合の酸素ガス濃度の分布を示す線図。
【図７】実施形態例１における，（ａ）サンプルガス室に電極面積大の酸素ポンプセルを設けたガスセンサ要部断面説明図，（ｂ）サンプルガス室に第一及び第二ポンプセルを設けたガスセンサの要部断面説明図。
【図８】実施形態例１における，第一及び第二酸素ポンプセルを対面しないように設けた場合のガスセンサの要部断面説明図。
【図９】実施形態例２における，酸素センサセルを設けたガスセンサの断面説明図。
【図１０】実施形態例２における，ポンプ式酸素センサセルによる電流と電圧の関係を示す線図。
【図１１】実施形態例２にかかる，ガスセンサのサンプルガス室における酸素ガス濃度の変化を示す線図。
【符号の説明】
１，５．．．ガスセンサ，
１００．．．サンプルガス室，
１２．．．第一固体電解質体，
１２９，１３９．．．反対面，
１３．．．第二固体電解質体，
２１．．．第一酸素ポンプセル，
２１８，２１９，３１９，３１８，３３８，３３９，３８，３９．．．電極，
３．．．第一検出セル，
３１．．．第二酸素ポンプセル，
５１．．．第二検出セル，
８．．．サンプルガス，
８９．．．酸素ガス，
【図１】
0003607453.tif 000002
【図２】
0003607453.tif 000003
【図３】
0003607453.tif 000004
【図４】
0003607453.tif 000005
【図５】
0003607453.tif 000006
【図６】
0003607453.tif 000007
【図７】
0003607453.tif 000008
【図８】
0003607453.tif 000009
【図９】
0003607453.tif 000010
【図１０】
0003607453.tif 000011
【図１１】
0003607453.tif 000012