(57)【要約】      （修正有）【課題】酸素・窒素酸化物複合センサを提供する。【解決手段】一般に、複合センサは、二つの異なる種の電極、すなわち酸素吸着多孔質電極層（１６ａ，１６ｃ）と酸素解離多孔質電極層（１６ｂ，１６ｄ）を含むセンサ本体（２２０）を用いる。本発明の一実施形態によれば、センサは、センサ本体と、酸素含有量電気信号出力端と、窒素含有量電気信号出力端を備える。センサ本体は、ガス中に配設され、複数の酸素吸着多孔質電極層と複数の酸素解離多孔質電極層を備える。酸素解離多孔質電極層は、窒素酸化物を窒素と酸素に解離するよう選択した材料で構成される。【選択図】図７
2008203265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサであって、
前記ガスの流れる方向における上流に配設されている酸素センサと、
前記ガスの流れる方向における下流に配設されている窒素酸化物センサ本体と、
から成り、
前記酸素センサは、前記酸素センサを通る前記ガスの酸素分圧を示す信号を供給し、
前記窒素酸化物センサ本体は、
複数の導電性酸素吸着多孔質電極層と、
窒素酸化物を触媒作用で窒素と酸素を解離すべく選択した材料から成る複数の導電性酸素解離多孔質電極層と、
前記複数の導電性酸素吸着多孔質電極層の各々と前記複数の導電性酸素解離多孔質電極層の各々との間に介挿された複数の酸素イオン導電セラミック層と、
前記複数の導電性酸素吸着多孔質電極層と前記複数の導電性酸素解離多孔質電極層との間に接続されている電源と、
酸素含有量電気信号出力端と、
窒素酸化物含有量電気信号出力端と、
から成り、
前記酸素含有量電気信号出力端は、前記複数の導電性酸素吸着多孔質電極層と結合されており、前記窒素酸化物含有量電気信号出力端は、前記複数の導電性酸素解離多孔質電極層と結合されており、前記酸素含有量電気信号出力端と前記窒素酸化物含有量電気信号出力端とは電気的に分離されており、
互いに隣接する前記導電性酸素吸着多孔質電極層と前記導電性酸素解離多孔質電極層とは、同じ極性を備えているとともに同じ電位を有しており、もって、前記互いに隣接する導電性酸素吸着多孔質電極層と導電性酸素解離多孔質電極層との間を酸素が移動することを抑制し、
前記窒素酸化物含有量電気信号出力端から得る読取り値は、前記酸素含有量電気信号出力端から得る読取り値を用いて背景酸素が測定されるように調整され、
前記窒素酸化物センサ本体は、更に、前記窒素酸化物センサの領域内において好ましい窒素酸化物対酸素比を維持する手段から成る、ことを特徴とする複合センサ。
【請求項２】
前記複合センサは、ガス通路を画成する内部を有する部分エンクロージャと、
前記部分エンクロージャの拡散制限部を画成する拡散障壁と、
を更に含み、
前記ガス通路は、前記部分エンクロージャの流入口部から前記拡散制限部を通って延びており、前記流入口部は前記酸素センサと繋がっており、
前記窒素酸化物センサ本体は、前記部分エンクロージャの前記拡散制限部内に配設されていることをさらに特徴とする請求項１記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項３】
前記ガス通路は、前記流入口部から前記部分エンクロージャの流出口部まで延びており、前記窒素酸化物センサ本体は、前記ガス通路の前記流出口部を横切って延びることを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項４】
前記部分エンクロージャの前記拡散制限部は、好ましい窒素酸化物対酸素比を維持するよう構成された酸素ポンピング部を画成することを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項５】
前記好ましい窒素酸化物対酸素比が約１対５以上であることを特徴とする請求項２載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項６】
前記複合センサは、前記窒素酸化物センサ本体と前記酸素ポンピング部の間に結合した帰還ループを更に有し、該帰還ループは、前記窒素酸化物センサ本体によって検出された酸素量の関数として前記酸素ポンピング部を制御するよう構成されていることを特徴とする請求項４記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項７】
前記帰還ループは、前記検出酸素量が減少するにつれ前記酸素ポンピング部のポンピング速度を低減する構成としたことを特徴とする請求項６記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項８】
前記部分エンクロージャの少なくとも一部は、酸素ポンピング部を画成しており、該酸素ポンピング部は、前記ガス通路の前記拡散制限部内部の前記部分エンクロージャの内面を覆って配置した酸素吸着多孔質カソード電極と、
前記ガス通路の前記拡散制限部外部の前記部分エンクロージャの外面を覆って配置した酸素吸着多孔質アノード電極と、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に介挿した酸素イオン導電セラミック材料と、
を含むことを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項９】
前記酸素吸着多孔質アノード電極は、白金を含み、前記酸素吸着多孔質カソード電極は、白金と金を含むことを特徴とする請求項８記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１０】
前記窒素酸化物センサ本体内の前記複数の酸素吸着多孔質電極層は、窒素酸化物の窒素と酸素への解離を抑制するよう選択した材料を含むことを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１１】
前記複数の酸素吸着多孔質電極層は、白金と金を含むことを特徴とする請求項１０記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１２】
前記窒素酸化物センサ本体内の前記複数の酸素解離多孔質電極層は、窒素酸化物を触媒作用で窒素と酸素の様々な形態のイオンに解離するよう選択された材料を含むことを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１３】
前記酸素解離多孔質電極層材料は、窒素酸化物に触媒作用を及ぼして窒素と酸素を解離するよう選択したことを特徴とすることを特徴とする請求項１２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１４】
前記複数の酸素解離多孔質電極層は、ロジウムを含むことを特徴とする請求項１３記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１５】
前記複合センサは、さらに電源を含み、前記電源は、前記窒素酸化物センサ本体の酸素吸着多孔質電極層及び酸素解離多孔質電極層が、整合極性及び実質的に等価な電位を有する隣接する一対の電極層の各々を画成し、もって前記酸素吸着多孔質電極層と前記酸素解離多孔質電極層との間の酸素のポンピングを抑制する構成としたことを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１６】
前記窒素酸化物センサ本体の前記酸素吸着多孔質電極層は、前記窒素酸化物センサ本体の前記酸素解離多孔質電極層から電気的に分離されていることを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１７】
前記窒素酸化物センサ本体の前記複数の酸素吸着多孔質電極層は、前記前記窒素酸化物センサ本体の前記酸素解離多孔質電極層を結合した電気信号出力端から独立している電気信号出力端に結合されていることを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１８】
前記酸素吸着多孔質電極層は、前記ガス通路の前記拡散制限部内のガスの酸素含有量を示す電気信号出力端に結合されており、前記酸素解離多孔質電極層は、前記ガス通路の前記拡散制限部内のガスの窒素酸化物含有量を示す電気信号出力端に結合されていることを特徴とする請求項１７記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項１９】
前記部分エンクロージャは、酸素イオン導電セラミック管を備え、前記拡散障壁は、前記管の内径に亙って延び、前記内径は、前記管内の前記ガス通路の内径となっており、前記拡散障壁は、前記部分エンクロージャの前記流入部と前記部分エンクロージャの拡散制限部とを分離していることを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項２０】
前記ガス通路の前記拡散制限部は、前記拡散障壁によって画成された拡散流入口と、前記窒素酸化物センサ本体によって画成されたセンサ出口とを含む実質的に密封された封止領域を備えることを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項２１】
前記実質的に密封された封止領域は、さらに酸素ポンピング部を備えることを特徴とする請求項２０記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項２２】
前記拡散障壁は、前記ガス通路の前記拡散制限部と前記ガス通路の前記流入口部との間に障壁を画成しており、前記酸素センサ本体は、前記ガス通路の前記流入口部内に配置されていることを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項２３】
前記拡散障壁は、ジルコニア隔壁を備えることを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項２４】
前記拡散障壁が前記ガス通路を横切って延びていることを特徴とする請求項２記載の、空気中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項２５】
前記拡散障壁はほぼ一様な隔壁を備えることを特徴とする請求項２４記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項２６】
前記拡散障壁は、前記ガス通路の流入口部内のガスの酸素分圧の関数として変化する一定量のガスを通過させる構成としたことを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項２７】
前記複合センサの動作温度を約８００℃へ昇温する構成としたヒータをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【請求項２８】
前記部分エンクロージャは、ジルコニア管を備え、前記ヒータは、前記ジルコニアエンクロージャの周囲に形成してあることを特徴とする請求項２７記載の、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０００年１２月７日提出の米国仮出願第６０／２５４，０８１号の優先権を主張する。本願は、１９９９年９月２３日提出の米国仮出願第６０／１５５，８１７号の優先権を主張する、２０００年９月１５日提出の米国特許出願第０９／６６２，７７３号の一部継続出願でもある。
【０００２】
本発明はガス中の酸素分圧を検出する装置に関し、特に、酸素イオン導電材を用いる能動型多層センサに関する。本発明は、また、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサにも関する。窒素酸化物は、本書では一酸化窒素、二酸化窒素、三酸化二窒素等を表わすのに用る。
【背景技術】
【０００３】
あらゆる燃焼プロセスの効率の監視に最も重要な診断法の一つが排気ガス中の酸素分圧の計測であることは、広く認識されている。かくして、酸素センサは、長期に亙って自動車の内燃機関或いは石炭、天然ガス、石油を燃焼させる発電施設などの様々な燃焼プロセスからの排気ガスの酸素含有量の計測に用いられてきた。
【０００４】
最も広く知られ用いられている酸素センサは、イオン導電体としての部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）に基づくものである。この種のセンサは、異なる酸素分圧にさらされるイオン導電体にかかる起電力（ＥＭＦ）を監視することで機能する。酸素は、高濃度酸素を含むガスからより低濃度のガスに移動する傾向がある。二つのガスを電極化酸素イオン導電体により互いに解離させる場合、酸素分子は導電体の一方の面で解離し、電子を吸収して酸素イオンを形成する。これらのイオンはそこでイオン含有導電体を介して拡散し、電子欠損（Ｏ２＋４ｅ＝２Ｏ−２）を伴って入口面から離れる。導電体の出口すなわち低酸素濃度側では、導電体を離れる酸素イオンが電子を放棄して分子状酸素を形成し、かくして出口面に過剰電子が残る。これにより、イオン導電体の二つの面間にＥＭＦが生成される。
【０００５】
部分安定化ジルコニアセンサの使用に伴う問題点は、内部抵抗を電流計測が可能な点まで下げるべく約８００℃の温度域でそれらを動作させねばならないことにある。さらに、安定化ジルコニアの原材料コストは比較的高く、しかもジルコニアの融点は非常に高く（２７００℃）で、このためセンサの形成は高くつくことになる。
【０００６】
Lawless名義の米国特許第４，４６２，８９１号は、ニオブ酸ニッケルと酸化ビスマスに基づくセラミックイオン導電材を用いた受動型酸素センサを記載する。この酸素センサは、複数層のセラミック材と、交互配置したセラミック層と金属層を有する本体を形成するよう配置した多孔質金属導電体で、金属層の第１の交互配置分が本体の一側沿いに露出し、金属層の第２の交互配置分が本体の反対側沿いに露出する導電体を含む。金属層の第１と第２の交互配置分は別々のガスにさらされ、一方のガスが交互配置金属層に接続した電極にかかる電圧出力信号を生成する基準ガスとなる。電圧出力信号は、個別ガスの相対的な酸素分圧を示す。かくして、受動型酸素センサは、本体内に在る第１及び第２の金属層をサンプルガスと既知の酸素分圧を有する個別基準ガスにさらさない限り、すなわちセンサ本体両面を個別ガスにさらさない限り、酸素分圧指示をもたらすことはできない。
【０００７】
最近では、同様に部分安定化酸素ジルコニウムを用いるも動作用に基準ガスを必要としない電流滴定型センサが導入されている。この種のセンサ８０は、図１に示されるように、拡散孔１２０を介して未知のガスと連通するキャビティ１００を備える。キャビティ１００のベースは、電極１６０，１６０’を介して電源１７０に接続したＰＳＺ電解質１４０である。電圧印加により、酸素が矢印に示す如く拡散を通じてキャビティから雰囲気ガスへポンピングされる。キャビティがベース頂部で封止されている場合やキャビティ頂部が小さな拡散孔１２０を有する場合、電圧を増大させたときに拡散孔を介する進入量よりも多量の酸素をキャビティからポンピング排出させ得なくなる点に到達する。この点において引き込まれる電流は、電流滴定電流と呼ばれる。雰囲気ガス内での酸素分圧が大きくなればなるほど、電流滴定電流は大きくなる。かくして、電流滴定電流の計測値が、酸素分圧をもたらす。しかしながら、ここでもこのセンサは、材料と製作コストが高くつくという幾つかの同じ欠点を抱えるものである。約５μｍの極端に小さな拡散孔が要求され、その大きさがセンサの動作を左右するが故に精密加工が要求される。その上、図１のセンサの製作には、５回のシルクスクリーン処理と４回の焼成ステップが必要である。最後に、これらのセンサは約８０％酸素を超える感度は失われており、拡散孔は目詰まりしやすいものである。
【０００８】
従って、当業界には、比較的廉価に製造でき、向上した酸素感度をもたらす電流滴定型酸素センサに対する要望が存在する。ガス中の窒素酸化物の独立した指示をもたらすことのできるセンサ技術に対する要望もまた当業界に存在する。
【特許文献１】米国特許第４，４６２，８９１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の一つの目的は、上記要望を満たす改良された酸素・窒素酸化物検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、複合酸素・窒素酸化物センサを提供することで上記要望に応える。通常、複合センサには、二つの種別の異なる電極、すなわち酸素吸着多孔質電極層と酸素解離多孔質電極層を含むセンサ本体が用いられる。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサが提供される。センサは、センサ本体と酸素含有量電気信号出力端と窒素酸化物電気信号出力端を備える。センサ本体はガス中に配設され、（ｉ）複数の酸素吸着多孔質電極層と、（ｉｉ）窒素酸化物に触媒作用を及ぼして窒素と酸素に解離するよう選択した材料を含む複数の酸素解離多孔質電極層と、（ｉｉｉ）酸素吸着多孔質電極層の各々と酸素解離多孔質電極層の各々との間に介挿した複数の酸素イオン導電セラミック層を備える。酸素含有量電気信号出力端は、複数の酸素吸着多孔質電極層に結合してある。同様に、窒素酸化物電気信号出力端は、複数の酸素解離多孔質電極層に結合してある。窒素酸化物電気信号出力端は、酸素含有量電気信号出力端とは電気的に絶縁してある。
【００１２】
本発明の別の実施形態によれば、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサが提供され、酸素解離多孔質電極層が窒素酸化物に触媒作用を及ぼして窒素と酸素に解離するのに十分なロジウムを有する。
【００１３】
本発明のさらに別の実施形態によれば、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサが提供される。このセンサは、ガス通路を画成する部分エンクロージャとセンサ本体と拡散障壁を備える。拡散障壁はガス通路の拡散制限部を画成し、センサ本体はガス通路の拡散制限部内に配設される。
【００１４】
本発明のさらに別の実施形態によれば、センサ本体は、複数の酸素吸着多孔質電極層と、複数の酸素解離多孔質電極層と、複数の酸素イオン導電セラミック層を備える。酸素解離多孔質電極層は、窒素酸化物を触媒作用により窒素と酸素に解離するよう選択した材料を含む。複数の酸素イオン導電セラミック層が、酸素吸着多孔質電極層の各々と酸素解離多孔質電極層の各々との間に介挿してある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面を参照して読むときに最も良く理解することができ、ここでは同様の構成には同様の参照符号でもって示す。本発明は先ず電流滴定型酸素センサを参照し、次に酸素センサと基本的酸素センサ構造に類似の追加の構造を用いる複合酸素・窒素酸化物センサを参照して説明する。
【００１６】
電流滴定型酸素センサ
本発明に従って構成した電流滴定型酸素センサを表わす概略図が、図２に示してある。図示のごとく、酸素センサ１０は、酸素イオン導電材１４と酸素吸着多孔質導電材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの交互配置層を有するセンサ本体１２を含む。第１組の酸素吸着多孔質導電層１６ａ，１６ｂは、センサ本体１２の第１の端部１８沿いに露出する端部を有する。本発明を説明し規定する目的からすれば、酸素イオン導電体にはその結晶格子内での酸素イオンの変位に起因して導電性を獲得することのできるどんな材料も該当する。
【００１７】
導電性酸素吸着多孔質端子２２を導電層１６ａ，１６ｂの端部に焼成して複数のカソード層を形成することで、導電層１６ａ，１６ｂに対し電気的な接続がなされる。第２組の酸素吸着多孔質導電層１６ｃ，１６ｄは、センサ本体１２の第２の端部２０沿いに露出する端部を有する。導電層１６ｃ，１６ｄは、導電性酸素吸着多孔質端子２４により互いに電気的に接続され、複数のアノード電極を形成している。銀或いは酸素吸着多孔質白金が、導電性酸素吸着多孔質端子２２，２４として用いるに適した材料である。端子２２，２４は、センサの電気抵抗を低減して増大した電流滴定電流を可能にすべくセラミック層を電気的に並列接続するのに用いられる。
【００１８】
各導電層１６ａ〜１６ｄは、二つの主面を含む。例えば、導電層１６ａは主面２，４を含む。各酸素イオン導線層１４は、対向する導電層の主面間に配設してある。さらに、各導電層の両主面は露出しておらず、すなわちセンサ本体１２により封じ込めてある。任意の数の酸素吸着多孔質導電層とイオン導電層を用いてセンサ本体１２を構成することは、本発明により熟慮してある。図２に示した層の数は、単に例示目的に提示したに過ぎない。
【００１９】
電源２６が、端子２２，２４に電気的に接続してある。こうして、電源２６の第１の電極２６ａは導電層１６ａ，１６ｂで出来たカソード層に電気的に接続され、電源２６の第２の電極２６ｂは導電層１６ｃ，１６ｄで出来たアノード層に電気的に接続される。電流滴定型電流計２８が、電源２６と端子２４の間に接続してある。電圧計３０が、電源２６の両端に接続してある。
【００２０】
導電層１６ａ〜ｄを形成する酸素吸着多孔質電気導電材は酸素吸着多孔質白金で構成してあるが、酸素に対し多孔質であって、カソード層において酸素分子に触媒作用を及ぼしてイオンとし、アノード層においてイオンに触媒作用を及ぼして酸素分子とする適当な導電材を用いることができる。
【００２１】
白金電極は、周知の方法により酸素に対し多孔質に製作することができる。例えば、電極化インク中の粗い白金粒子の使用が、多孔質電極を生み出す。ジルコニア粒子などの電極インクへの他の添加物が、有孔率をさらに増大させる。その体積の５乃至３０％を孔が占める白金電極は、一つの好ましい例である。別の例としては、ドイツ国ハーナウ（Ｈａｎａｕ）市のＤｅｍｅｔｒｏｎ有限会社の品番６４３２＼０１０１白金粉末として入手可能な重量比８５の白金粗粉末に対し、適切なシルクスクリーニングスラリーをなす粒度４００のジルコニア粉末を重量比１５で組み合わせることができる。
【００２２】
本発明の一実施形態では、センサ本体１２の幅、すなわち第１の端部１８から第２の端部２０までのセンサ本体の寸法は、約０．２０インチ（０．５ｃｍ）であり、導電層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの短端部は、個々の側端部から約０．０３０インチ（０．０７５ｃｍ）で終端してあり、０．１４インチ（０．３６ｃｍ）の導電層重複部分を残している。センサ本体１２の長さは、約０．１８インチ（０．４６ｃｍ）である。センサ本体１２の肉厚は、酸素イオン導電層１４の数及び肉厚と、導電層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄと、加熱回路（後述）に用いた全ての層とにより規定される。本発明の一実施形態では、１１個の酸素イオン導電層１４が１２個の導電層１６ａ，１６ｂ，１６ｅ，１６ｄの交互配置層間に配置してある。酸素イオン導電層１４は、肉厚０．００３０インチ（０．０７６ｍｍ）のイットリア安定化ジルコニアで構成することができる。導電層は、肉厚０．０００１インチ（０．００２５ｍｍ）の多孔質白金で構成してある。その結果得られる酸素センサは、大きさが比較的コンパクトであり、比較的廉価に製造することができる。
【００２３】
幾つかのセラミック酸素イオン導電材を、本発明に従い用いることができる。実際、センサの幾何構造に起因する簡単な構成と低減された電気抵抗の本発明の利点は、使用する実に様々なセラミック材料のどれにも適用可能である。好ましくは、本発明の酸素イオン導電体はセラミック電解質であり、より詳しくはイットリア安定化ジルコニア（Ｙ２Ｏ３で安定化したＺｒＯ２）から構成されるが、安定化酸化ビスマスや安定化セリア等で構成することもできる。ジルコニアセラミックは、Ｙ２Ｏ３以外の材料で安定化させることもできる。
【００２４】
ＺｒＯ２：Ｙ２Ｏ３の微粒子寸法粉末を１１５０〜１３００℃で高密度に焼結し、この酸素イオン導電体から多層センサ本体を製造可能にすることができる。本発明のセラミック材料の好都合な焼結温度が故に、セラミックはモノリシック本体へ「テープ」成形することができる。セラミック技術に公知であるが、テープ成形は多層化本体（例えばセラミックコンデンサ）の製作プロセスであり、そこでは適当な金属電極がセラミック層の間に介挿される。テープ成形技法には本願明細書に参照用に組み込む米国特許第４，４６２，８９１号に記載されたもの等を用いることができる。セラミック層は、約２５〜１００μｍのごく薄い肉厚のものである。さらに、このテープ成形法には、一回のシルクスクリーン処理と一回の焼成ステップしか必要ではない。
【００２５】
導電層内のより高い多孔質レベルは、例えば酸素分圧が１ｐｐｍ程度に低いガス中の非常に低レベルの酸素の検出により適したものとなる。逆に、導電層内のより低い多孔質レベルは、最大１０６ｐｐｍまでの広範囲の酸素分圧の検出アプリケーションにより適したものとなる。本発明の一実施形態によれば、電流滴定型酸素センサ１０は、センサ本体１２全体、すなわち酸素イオン導電層１４と導電層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄと加熱回路１２に用いたあらゆる層を、導電層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ内で所定の酸素吸着多孔質をもたらすよう選択した焼結温度で焼結することにより生成される。比較的多量の時間に亙って比較的高い温度で焼結することで電極層内の有孔率は減少するが、これはセンサ本体の密度が増大するからである。逆に、比較的少量の時間に亙って比較的低い温度で焼結しても電極層内の有孔率が等しく相当に減少することには結びつかず、これはより高い温度とより長期の焼結にとってそうであるほどにはセンサ本体の密度が増大しないからである。
【００２６】
従って、本発明になる電流滴定型酸素センサは、非焼結センサ本体を供給し、酸素吸着多孔質電極層の目標有孔率を選択し、センサ本体用に対応焼結温度を選択することで生成することができる。焼結温度は、目標有孔率に対応すべく選択してあり、実験を通じて決定することができる。センサ本体は選択された焼結温度で焼結させられ、目標有孔率を有する酸素吸着多孔質電極層を含む焼結センサ本体をもたらす。例えば、導電層を約１２００℃で約２時間の期間に亙って焼結した場合、焼結したセンサ本体は、通常空気中に見られる値から１ｐｐｍ以下ほどの低い値までに亙る酸素含有量を有するガス内での酸素検出に適したものとなる。センサ本体を同じ期間に亙ってより高い温度、例えば１２７５℃で焼結した場合、より有孔率の少ない層が形成され、焼結センサ本体はより高い酸素濃度、例えば１００％酸素までのより高い酸素濃度を有するガスの酸素検出により適したものとなる。
【００２７】
センサの動作温度での電極内の白金粒子の焼結の結果、時の経過とともに酸素吸着多孔質電極層内で幾分か抵抗の増加が生じよう。本発明になるセンサの長期安定性は、焼結に対し酸素吸着多孔質電極層を安定化させることで幾つかの事例で改善することができる。本発明の実施者には、焼結に対して白金電極を安定化させる様々な方法が利用可能であることは理解さるべきである。
【００２８】
動作時に、酸素センサ１０は酸素分圧を計測しようとするガス中に浸される。多孔質導電層１６ａ〜ｄに未だ酸素が存在しない場合は、ガスからの酸素が多孔質端子２２，２４を通過し、拡散を通じて多孔質電極１６ａ〜ｄへ侵入する。電源２６からの電圧が、端子２２，２４の両端に印加される。ここではカソード層とも呼ぶ導電層１６ａ，１６ｂ間と、ここではアノード層とも呼ぶ導電層１６ｃ，１６ｄ間にここで生じた電圧差により、酸素は酸素イオン導電材料１４の層を通ってポンピングされる。多孔質電極層１６ａ〜ｄがカソード電極１６ａ，１６ｂで酸素分子に触媒作用を及ぼしてイオンとし、アノード電極１６ｃ，１６ｄにてイオンに触媒作用を及ぼして酸素分子とするので、酸素はカソード層１６ａ，１６ｂにて侵入し、イオン導電材１４の層を介してポンピングされ、アノード層１６ｃ，１６ｄを介して排出される。結果生成する電流は、電流滴定型計器２８により計測され、ガスの酸素分圧を指示する。
【００２９】
安定化ジルコニアに基づくセンサは、７００℃を超える動作温度を有する傾向がある。印加電圧は、電圧計測器３０により監視される。０．２ボルト以上の直流電圧の印加が多くの場合センサの不安定性に通ずるものであり、０．０５ボルトの印加電圧が大きな酸素分圧において不安定な電流信号をもたらすことが分かっている。０．１ボルトの印加電圧が、好適なバイアス電圧となる。電源は、直流電源でも約３Ｈｚで動作する交流電源でもよい。好適な周波数は５０Ｈｚ未満であり、周波数が増えるにつれ酸素に対するセンサの応答性は低下する。本発明の酸素センサが高い温度で動作するため、センサ本体に対しヒータと温度計を配設することが好ましい。
【００３０】
抵抗加熱電極３５が、図２〜５に示す仕方で備わっている。図２乃至５に示す如く、白金トラックの形をしたカバープレート加熱電極３５が、センサ本体１２のイオン導電材１４内、より具体的には頂部及び底部カバープレート３２に埋設してある。図３〜５を参照するに、センサ本体１２には頂部加熱トラック２と底部加熱トラック４が備わっている。センサ本体１２の背面５には、頂部加熱トラック２を底部加熱トラック４へ導電接続するよう配置した導電端子が備わっている。加えて、センサ本体１２の前面７には頂部加熱トラック２と底部加熱トラック４の個々の一つに導電結合した一対の導電端子６が備わっている。こうして、（加熱回路コントローラ５０内に組み込んだ）加熱電源と端子８を導電端子６の個別の一つへ結合することで、完全な回路が形成される。
【００３１】
埋設白金ヒータトラック３５内での計測抵抗は、一般に２５℃と８００℃の間で、それぞれ約２．３〜６．５Ωへ変化する。センサ本体１２の維持に必要な計測加熱電力は、好適なセンサ動作温度である８００℃で約２ワットまでの範囲にある。加熱電圧は、加熱電源を加熱電極３５の両端に接続することで加熱回路の両端に印加される。加熱回路の抵抗が、電圧印加時に熱を発生する。加熱電極３５の抵抗は、温度の関数として変化する。この温度／抵抗関係が、センサ本体１２の温度計測手段をもたらす。好ましくは、加熱電極３５は、加熱電極３５に定電流を印加してそこへの印加電圧を制御することで加熱電極３５の抵抗を制御するようプログラムされた加熱回路コントローラ５０へ結合してある。
【００３２】
図２〜５に示す如く、頂部及び底部誘電体カバープレート３２は、好ましくは電気的絶縁と構造的一体性に向けたセンサ本体１２の最上部電極層と最下部電極層の上側と下側に追加される肉厚０．０２インチ（０．０５ｃｍ）の誘電体材料で構成してある。センサ本体１２は、加熱回路用の二つの接続とカソード接続とアノード接続を備え、断熱材により囲繞し、テフロン（登録商標）（四弗化フルオロエチレン）粒子フィルタにより封じ込めた４ピンパッケージ内に組み込むことができる。
【００３３】
導電性の金又は白金リード線が、金又は白金ペーストを用いてセンサ本体１２上の露出電極部にリード線を取り付けることで様々なセンサ電極に結合することができる。或いは、導電性リード線をセンサ本体１２内に埋設することでセンサパッケージを簡単化することもできる。具体的には、焼結前にセンサ本体１２内に小孔（〜０．６ｍｍ）を穿孔し、適当な導電性ペーストとともに白金或いは金の線材を孔内に挿入することができる。
【００３４】
好適な加熱制御方式では、加熱電極３５に矩形波パルスで一定電流を印加し、電圧信号を用いて電流パルスのパルス幅を制御（パルス幅変調）する。帰還制御の下でパルス幅は変調されて電圧を一定に保ち、それによって加熱電極３５の抵抗を所望値に維持する。換言すれば、電流のパルス幅変調が加熱電極３５に印加する加熱電力を制御してセンサ温度を一定に保つ。この電圧は、１６ビットＡ／Ｄ変換器を用いて±０．００１５％の精度で簡単に読み取ることができる。従来の電流制御方式では、約０．０１％の範囲内で一定電流が維持されるようになっていた。それ故、集積化センサ本体の温度は許容範囲内で制御することができる。
【００３５】
好適なマイクロプロセッサ準拠加熱回路コントローラ５０は、温度制御部とセンサ出力部からなる。後者の断面は加熱電極３５に一定の電圧を供給し、加熱電極３５内で電流滴定電流を読み取る。電流信号は酸素分圧読み取り値に変換され、燃焼プロセスの制御用に好適な出力へ変換することができる。
【００３６】
センサ１０を較正し、所望の動作温度範囲内で先ず加熱電極３５の抵抗を特定することで用いる。この抵抗値、例えば６００℃で９〜１０Ωは既知であり、一般に所与の温度範囲内で良好に規定される。対応する電流及び電圧パラメータ、例えば０．４７アンペア、４．１ボルトは、加熱回路コントローラ５０内にプログラムされていて、コントローラ５０はこれらの値を維持するようプログラムしてある。任意の個別センサの実際の動作温度は、センサ動作範囲内で一定に保たれる。
【００３７】
１ミル＝０．００１インチ＝０．０２５４ｍｍとした一例示例として、好適なセンサ本体は１６６ミル×１２４ミル×５３ミル（４．２２ｍｍ×３．１５ｍｍ×１．３５ｍｍ）であり、重量が１４４ｍｇである。カバープレート加熱電極３５を用いる本発明の一実施形態では、層ごとの全電極重複面積は好ましくは約１２．７mm2であり、酸素センサ本体１２の全面積対肉厚比は約１９９ｃｍである。各電極の露出端部は５０ミル（１．２７ｍｍ）幅であり、各電極は本体内に１５３ミル（３．８９ｍｍ）延びている。抵抗加熱電極は、好ましくは約長さが１６６ｍｍミル（４．２２ｍｍ）で幅が２２ミル（０．５５９ｍｍ）の多孔質白金トラックであり、これにより約６００℃の制御温度に対し加熱電流２２３ｍＡが一般的となる。
【００３８】
ここで図６Ａ，６Ｂを参照するに、本発明の一実施形態になるパッケージ化方式を説明する。例示実施形態では、センサ本体１２は不錆鋼管６０内に閉じ込めてある。管６０の肉厚は、好ましくは隔壁或いは排気管内にパッケージ装着用螺子を機械加工できるよう選択される。センサ本体１２は安定化してあり、適当なガス浸透可能な断熱部６２（例えばＮｅｘｔｅｌ３１２断熱材）によって管６０内に断熱してある。管６０の後端６４は、セラミック６６で封止してある。センサ本体１２に対する電気的接続６８は、セラミック６６中に注封してあり、絶縁部６２を介して振り分けてある。好ましくは、電気的接続は４本のセンサリード線に結合した２０本の計器用銅リード線で構成してある。管６０の前端６５には、ガスをセンサ本体１２に到達させるべく不錆鋼スクリーン６９が設けてある。
【００３９】
本発明を例示する目的で、幾つかの代表的な実施形態と詳細について示してきたが、ここに開示した方法と装置における様々な変形が添付特許請求の範囲に規定した本発明範囲から逸脱することなく可能であることは当業者には明らかであろう。例えば、本発明のセンサ１０は過剰酸素分圧の計測に非常に適したものであるが、それは酸素吸着多孔質端子２２，２４が一酸化炭素と他の可燃物に対し触媒領域を提示するからであり、過剰酸素分圧ではなく実際の酸素分圧を計測するよう本発明を構成できることに注意されたい。具体的には、センサ本体１２の第１の端部１８上に露出するカソード電極１６ａ，１６ｂは非常に薄く、一酸化炭素や他の可燃物の燃焼用に非常に小さな触媒領域を提示する。従って、酸素吸着多孔質端子２２，２４を省略することで、本発明のセンサ１０は過剰酸素分圧ではなく実際の酸素分圧の計測用に構成することができる。
【００４０】
さらに、酸素吸着多孔質端子２２，２４を一方のセンサ本体上にのみ配設するだけで、一対のセンサを実際の酸素計測値と過剰酸素計測値の両方をもたらすようパッケージ化でき得ることは熟慮してある。最後に、二つのセンサを用いて実際の酸素と過剰酸素を計測する代替手法が、同じく単一パッケージ内で一方のセンサを一酸化炭素の着火温度（６００〜６５０℃）未満とし、第２のセンサをこの温度を超えるものに保つようになるであろうことに注意されたい。
【００４１】
複合酸素・窒素酸化物センサ
ここで図７及び図８Ａ〜８Ｃを参照し、ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサ２００を説明する。センサ２００は、部分エンクロージャ２１０と、部分エンクロージャ２１０内に配設したセンサ本体２２０と、拡散障壁２３０と、酸素センサ２４０を備える。以下にやや詳しく説明する如く、センサ本体２２０はガスの窒素酸化物含有量の指示をもたらすよう構成してあり、酸素センサ２４０はガスの酸素含有量の指示をもたらすよう構成してある。センサ２００は、図２を参照して前に詳述したものと同一或いは同様の構成の多数の構成要素を含む。図２，７では同様の要素に対応させて同様の参照符号を用いており、これらの要素に関する説明用に図２の説明への参照がなされる。
【００４２】
部分エンクロージャ２１０がガス通路２１２を画成しており、ここで「部分的」と呼ぶのは、それが画成空間を取り囲んでいるものの、ガス通路２１２と流入口部２１４と流出口部２１６を画成してもいるからである。部分エンクロージャ２１０は、一般に酸素イオン導電体セラミック管を備える。エンクロージャは矩形断面をもって図示してあるが、円形断面をもったエンクロージャも恐らくより効果的であって製造がより簡単であることに注意されたい。
【００４３】
拡散障壁２３０は、ガス通路２１２を横切って延び、流入口部２１４と流出口部２１６の間にガス通路２１２の拡散制限部２１８を画成している。エンクロージャ２１０と拡散障壁２３０とセンサ本体２２０は、ガス通路２１２の拡散制限部２１８が拡散障壁２３０により画成された拡散流入口とセンサ本体２２０により画成されたセンサ出口を含む密封封止領域を備えるよう構成してある。以下に詳述する酸素ポンピング部２５０もまた、密封封止領域内に備わっている。
【００４４】
拡散障壁２３０は酸素と窒素酸化物に対し多孔質であり、例えばほぼ一様なジルコニア隔壁を含もう。一般に、拡散障壁はガス通路の流入口部内のガスの酸素分圧の関数として変化する一定量のガスを通過させるよう構成してある。拡散障壁が例えば透孔付きプレートや単一の被拘束アパチャを有するプレート等を含む様々な形状を画成できることは、熟慮してある。
【００４５】
センサ本体２２０は、ガス通路２１２の流出口部２１６を横切って延びており、ガス通路２１２の拡散制限部２１８内に配設してある。センサ本体２２０は、酸素吸着多孔質導電体層の選択された一つが窒素酸化物に触媒作用を及ぼして窒素と酸素を解離する材料から出来ている点で、図２に示したセンサ本体１２とは異なるものである。こうして、解離された酸素は電流滴定電流として計測され、電流滴定電流は窒素酸化物含有量に関連付けることができる。窒素酸化物に触媒作用を及ぼして窒素と酸素を解離させることのない導電層、すなわち非解離性電極層を用い、この後に詳述する如く、酸素含有量の指示をもたらす。
【００４６】
具体的には、センサ本体２２０は複数の酸素吸着多孔質電極層１６ａ，１６ｃと複数の酸素解離多孔質電極層１６ｂ，１６ｄを含む。図２の酸素センサを参照して前記した如く、酸素吸着多孔質電極層１６ａ，１６ｃは、カソード層において酸素分子に触媒作用を及ぼしてイオンとし、アノード層においてイオンに触媒作用を及ぼして酸素分子とすることで、酸素イオン導電材１４の層を介して原因酸素に触媒作用を及ぼす。すなわち、生成電流は、電流滴定計測器２８により計測され、ガスの酸素分圧を示す。酸素解離多孔質電極層１６ｂ，１６ｄがこのプロセスを通じても酸素をポンピングするが、窒素酸化物をカソード層において触媒作用により窒素と酸素に解離することでガス中の窒素酸化物から酸素を追加的にポンピングする。その結果、酸素解離多孔質電極層１６ｂ，１６ｄに生成される電流がガス中に存在する窒素酸化物の指示をもたらす。
【００４７】
図２の実施形態でそうである如く、複数の酸素イオン導電セラミック層が酸素吸着多孔質電極層１６ａ，１６ｃの個別の一つと酸素解離多孔質電極層１６ｂ，１６ｅの一つとの間に介挿されている。本発明の実施者には言うまでもないことであるが、酸素含有量電気信号出力端が複数の酸素吸着多孔質電極層１６ａ，１６ｃに結合した電気リード線の形で配設してある。同様に、窒素酸化物電気信号出力端が複数の酸素解離多孔質電極層１６ｂ，１６ｄに結合した電気リード線の形で配設してある。こうして、酸素吸着多孔質電極層１６ａ，１６ｂがガス通路２１２の拡散制限部２１８内のガスの酸素含有量を示す電気信号出力端に結合してあり、酸素解離多孔質電極層１６ｂ，１６ｄがガス通路２１２の拡散制限部２１８内のガスの窒素酸化物含有量を示す電気信号出力端に結合してある。
【００４８】
窒素酸化物含有量電気信号出力端は、適正な装置性能を保証すべく酸素含有量電気信号出力端から電気的に絶縁してある。装置性能をさらに向上させるため、電源３０と電極層１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは、酸素吸着多孔質電極層１６ａと酸素解離多孔質電極層１６ｂが異なる種別の電極層の隣接対だけを画成し、整合極性を有するよう構成してある。電極層１６ａ，１６ｂはまた、電気的にはほぼ等価な電位（例えば直流０．１ボルト）にある。こうして、酸素吸着多孔質電極層１６ａと酸素解離多孔質電極層１６ｂの間での酸素のポンピングは抑制される。対照的に、図２に示すセンサ構成は交互配置極性の電極層を含む。
【００４９】
昇温した温度、例えば約６００℃では、ロジウムが窒素酸化物窒素を酸素と窒素に触媒作用を及ぼして分離する。従って、酸素解離多孔質電極層１６ｂ，１６ｄは、ロジウムから構成することができる。非解離性電極層１６ａ，１６ｃは、前述の如く、酸素吸着多孔質白金を含み、窒素酸化物の触媒解離を阻止するに十分な量の金を追加的に含めることもできる。図２の酸素センサを参照して前記した如く、加熱電極のヒータは好ましくは複合センサの動作温度を室温をかなり超えて通常は約８００℃の動作温度近傍へ昇温させるよう構成される。このセンサは、このレンジでは温度依存しなくなる。ヒータは、例えばエンクロージャ２１０の雰囲気に形成した加熱電極の形で設けることができる。
【００５０】
部分エンクロージャ２１０はまた、ガス通路２１２の拡散制限部２１８内で好都合な窒素酸化物対酸素比を維持するよう構成した酸素ポンピング部２５０を画成している。本発明と共に用いる機器の動作制約に応じて、窒素酸化物の正確な計測は、拡散制限部内酸素量対窒素酸化物量が余りに高い場合には問題含みとなることがある。酸素ポンピング部２５０は、酸素吸着多孔質カソード電極２５２と酸素吸着多孔質アノード電極２５４と酸素イオン導電セラミック材２５６を備える。酸素吸着多孔質カソード電極２５２は、ガス通路２１２の拡散制限部２１８内の部分エンクロージャ２１０の内面を覆って配置してある。酸素吸着多孔質アノード電極２５４は、ガス通路２１２の拡散制限部２１８外部の部分エンクロージャ２１０の外面を覆って配置してある。酸素イオン導電セラミック材料２５６は一般にエンクロージャ２１０の本体により形成されており、そのままカソード電極２５２とアノード電極２５４の間に介挿される。酸素吸着多孔質アノード電極２５４は白金で構成してあり、酸素吸着多孔質カソード電極２５２もまた窒素酸化物の解離を阻止するに十分な量の金添加物を有する白金で構成してある。
【００５１】
好ましくは、拡散制限部２１８内の窒素酸化物対酸素比は、酸素約５に対し窒素酸化物１未満であるが、機器を電流滴定電流の計測に用いた場合はより高くなることがあり、電極での電圧制御はより高い酸素レベルに応えるべく最適化される。窒素酸化物量に対して拡散制限部内の酸素量が余りに高い場合は、窒素酸化物含有量の正確な計測は問題となる。例えば、電流滴定電流と１０００ｐｐｍ未満の酸素分圧との間に対数的に線形な関係が存在するが、このレベルを超える正確な計測は問題となる。帰還ループを、センサ本体２２０と酸素ポンピング部２５０の間に結合することができる。この帰還ループは、センサ本体２２０が検出した酸素量に応じて酸素ポンピング部２５０を制御するよう構成することができる。具体的には、センサ本体２２０からの酸素計測値を用い、拡散制限部２１８外への酸素のポンピング速度を連続的に調整し、これにより窒素酸化物含有量の正確な計測をもたらすのに必要とされる量以上に多量の酸素が管内部からポンピング排出されないよう（例えば、酸素解放窒素酸化物対背景酸素の比をほぼ１対５に維持するよう）にできる。帰還ループはまた、検出した酸素量に応じてポンピング機能をオン／オフ切り替えるよう構成することもできる。こうして、酸素ポンピング部２５０は複合センサ２００の消費電力を最小化するよう動作させることができる。
【００５２】
酸素センサ２４０は、ガス通路２１２の流入口部２１４内に配置してあり、流入口部２１４内のガスの酸素分圧を示す信号を供給する。このように、複合センサ２００は、酸素分圧と窒素酸化物含有量の独立した指示をもたらす構成としてある。
【００５３】
ここで窒素酸化物含有量を割り出す仕方に言及するに、拡散制限部２１８内のガス内に存在する窒素酸化物は酸素解離多孔質電極層１６ｂ，１６ｄ上で解離し、放出酸素が窒素酸化物電気信号出力端に電流滴定電流を生成する。雰囲気ガス内の酸素もまた窒素酸化物含有量電気信号出力に寄与して電流滴定電流を増大させるが、これは解離性電極１６ｂ，１６ｄがガス内の酸素とガス内に存在する窒素酸化物から解離された酸素をポンピングするからである。この「背景」酸素と増大した電流滴定電流は、電極１６ａ，１６ｃから出力される酸素含有量電気信号の使用根拠にできるが、これは非解離性電極１６ａ，１６ｃにおける対応する電流滴定電流が背景酸素の独立した測度をもたらすからである。
【００５４】
前記した如く、窒素酸化物含有量を正確に計測するため、拡散制限部内の背景酸素を酸素を放出した窒素酸化物に相応したレベル（例えば酸素の対窒素酸化物比が約５対１の比率）へ低減させることもまた必要である。
【００５５】
前記した如く、センサ本体２２０は二組の分離された多孔質電極を有し、その一方が窒素酸化物に触媒作用を及ぼして窒素と酸素を解離する。図示の便宜上、図７は各組内の一対の電極層を図示するに過ぎない。しかしながら、大量の電極層を各組内に配設できることも熟慮してある。好ましくは、同数の電極層が各組内に配設される。しかしながら、本発明では続く窒素酸化物含有量の計算にとって数の上での差異が意味ある限り、他方についてよりもより多くの電極層を一方の組内に配設することができることは熟慮してある。
【００５６】
センサ２００は、排気ガスやサンプルガス内に直接取り付けることができる。基準ガス供給の必要は、存在しない。微粒子フィルタ或いは他の種類のフィルタを設け、センサに対する損傷を防止すると共にセンサ寿命を延ばす。
【００５７】
センサ２００は、好ましくは図２の酸素センサを参照して前述したのと同様の仕方でもって製造される。様々な製造技術が利用可能であるが、多層製造プロセスは同じセンサ本体内に白金／金付き電極化層とロジウム付き個別電極化層を生成する柔軟性を有する。センサリード線は、好ましくは未加工状態のセンサ本体２２０に小孔（約０．５ｍｍ）を穿孔することでセンサ本体内に埋設してある。センサ本体２２０はそこで焼結させられ、白金の線材が白金ペーストをもった孔内で焼成される。白金線材の硬さは、機械的な支持をもたらす利点を有する。酸素センサ２４０用のリード線が、同様に埋設してある。
【００５８】
実際の複合センサの長さは、約１インチ（２．５ｃｍ）であり、主要な外径は幅１／２インチ（１．２５ｃｍ）となろう。エンクロージャ２１０は、鋳込み成形により製造したジルコニア管で構成することができる。この管は、電気リード線のための通路をもたらすよう未加工状態で研磨し、続いて後焼結する。白金／金及び白金電極２５２，２５４はそこで、管の内部と外部でそれぞれ焼成する。最後に、ジルコニア部分を併せ封止するためのセラミックガラスを用い、センサ本体２２０と拡散障壁２３０と酸素センサ２４０を、一回の焼成でジルコニア管内に封止する。第１の二つの構成要素は、密封封止される。内部白金／金電極用の白金リード線が管壁を挿通し、同様に密封封止される。大きな開口端におけるジルコニア管内のスロットが、二つの酸素センサのリード線用に通路をもたらし、小さな閉じた端部内の対向スロットが四つの双対センサのリード線に対する通路をもたらす。センサ本体すなわち双対センサ２２０とその４本のリード線は、市場で入手できるガラスを用いてジルコニア内に密封封止される。
【００５９】
通常、複合センサ２００の動作は、次の通りである。この装置は、動作温度（例えば８００℃）まで加熱されてこれを保ち、酸素センサ２４０が排気ガスすなわちサンプルガスの酸素分圧を計測する。ガスは拡散障壁２３０を介してエンクロージャ内部拡散制限部２１８内へすなわち管２１０へ拡散する。カソード２５２とアノード２５４にかかる電圧により、内部の酸素は十分低いレベルへポンピングされる。センサ本体２２０が、非解離性層１６ａ，１６ｃを用いてこの低酸素レベルを計測する。解離性電極層１６ｂ，１６ｄが、低酸素レベルと窒素酸化物の解離で放出された酸素の双方を計測する。両方の電極集合からのこれらの電流滴定電流は、そこで窒素酸化物含有量の割り出しに用いられる。
【００６０】
ジルコニア拡散障壁２３０が、管内部に侵入する排気ガスの量を制限し、それによって低レベルの酸素がポンピングプロセスによって内部に進入到達できるよう保証する（すなわち、このプラグが無いと、内部は排気ガスで常に溢れかえることになる）。窒素酸化物は、分子状窒素酸化物としてこのプラグを通って拡散する。
【００６１】
ヒータ（図２には図示せず）は温度依存抵抗を有しており、それによって動作温度を計測し制御する手段をもたらす。しかしながら、動作温度には交換条件が常に付きまとう。一方で、温度を高くするほど、この温度の維持にヒータはより多くの動力を消費することになる。他方、その温度は、ジルコニア管の抵抗を低値へ低減して管内部からの酸素のポンピング排出に大量の動力消費を回避できるほど十分高いものとすべきである。
【００６２】
本発明を説明し規定する目的から、「ほぼ」なる用語はここでは量的な比較や値や計測値や他の表現に帰すことのできる固有の不確実性の程度を表わすものとして用いていることには注意されたい。「ほぼ」なる用語は、ここでは問題とする主要事項の基本的機能における変化を招くことなく表明基準から量的な表現が変化する程度を表わすものとしても用いている。
【００６３】
本発明をその好適な実施形態を参照して詳細に説明したが、添付特許請求の範囲に規定した本発明範囲から逸脱することなく改変と変形が可能であることは明白である。より具体的には、本発明の一部態様をここでは好適な或いは特別な利点として特定したが、本発明が必ずしも本発明のこれらの好適な態様に限定されるものでないことは熟慮してある。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】先行技術の酸素センサを表わす概略図である。
【図２】本発明になる酸素センサを表わす概略図である。
【図３】本発明になる代替加熱回路構成を示す図である。
【図４】本発明になる代替加熱回路構成を示す図である。
【図５】本発明になる代替加熱回路構成を示す図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態になるパッケージ化方式を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態になるパッケージ化方式を示す図である。
【図７】ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサに用いるセンサ本体を示す図である。
【図８Ａ】ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサを示す図である。
【図８Ｂ】ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサを示す図である。
【図８Ｃ】ガス中の酸素含有量と窒素酸化物含有量を計測する複合センサを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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