(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質板とその表面に設けた一対の電極より構成された第１，第２及び第３電気化学セルを有し，
上記第１電気化学セルを用いた酸素ポンピングによる前処理を施した被測定ガスに対し第２電気化学セルを用いた特定ガス濃度検出が行われると共に，第３電気化学セルを用いた被測定ガスと基準ガスとの間の起電力差検出が行われるように構成されてなり，
上記第３電気化学セルの一対の電極は同一の固体電解質板の同一平面上に設けてあり，
上記第１及び第３電気化学セルは異なる固体電解質板に設けてあり，
かつ上記第１電気化学セルと上記第２電気化学セルとの間には，両セル間を絶縁可能とするアルミナ板を設けることを特徴とする複合積層型センサ素子。
【請求項２】
請求項１において，被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバのいずれか一方における酸素濃度を検出可能に構成された第４電気化学セルを有することを特徴とする複合積層型センサ素子。
【請求項３】
請求項２において，被測定ガスが導入される上記第１チャンバ及び第２チャンバを有し，上記第１チャンバは複合積層型センサ素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通されると共に，
上記第１電気化学セルは，一方の面が第１チャンバと対面し，上記第１電気化学セルに印加された電圧に応じた量の酸素を第１チャンバに対し出し入れ可能に構成され，
上記第２電気化学セルは，一方の面が第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られるよう構成されていることを特徴とする複合積層型センサ素子。
【請求項４】
請求項２または３において，基準ガス室を複数個有し，上記第２電気化学セルと第４電気化学セルとが共に同じ基準ガス室，第１チャンバまたは第２チャンバと対面するよう構成されていることを特徴とする複合積層型センサ素子。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項において，基準ガス室を複数個有し，上記第１電気化学セルと上記第３電気化学セルはそれぞれ異なる基準ガス室と対面するよう構成されていることを特徴とする複合積層型センサ素子。
【請求項６】
被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバを有し，また，基準ガスが導入される第１及び第２基準ガス室を有し，
上記第１チャンバは素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通されており，
上記第１チャンバと対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能な第１電気化学セルを有し，
上記第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られる第２電気化学セルを有し，
被測定ガス中の酸素濃度を測定可能に構成された第３電気化学セルを有する複合積層型センサ素子であって，
上記第１チャンバ及び上記第２チャンバは第１固体電解質板と第２固体電解質板との間に形成され，
上記第１基準ガス室は上記第１固体電解質板の素子外部と対面する側に設けてあり，上記第２基準ガス室は上記第２固体電解質板を介して上記第１及び第２チャンバと対面するよう設けてあり，
上記第１電気化学セルは，上記第２固体電解質板に設け第１チャンバと対面した被測定ガス側ポンプ電極と第２基準ガス室と対面した基準ポンプ電極とより構成され，
上記第２電気化学セルは，上記第１固体電解質板に設け第２チャンバと対面した被測定ガス側センサ電極と第１基準ガス室とに対面した基準センサ電極とより構成され，
上記第３電気化学セルは，上記第１固体電解質板に設け素子外部と対面した被測定ガス側酸素センサ電極と第１基準ガス室に対面した基準酸素センサ電極とより構成され，
上記第３電気化学セルにおける被測定ガス側酸素センサ電極と基準酸素センサ電極とは，共に第１固体電解質板の同じ平面上に設けてあることを特徴とする複合積層型センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，車両用内燃機関の排気系に取付けて，排ガス中のＮＯｘ濃度等の検出に利用されるような複合積層型センサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
車両用内燃機関の排気系に取付け，排ガス中のＮＯｘ濃度を測定すると共に排ガス中の酸素濃度をλ特性として検出するよう構成したガスセンサが知られている。このガスセンサはＮＯｘ，Ａ／Ｆ，λ特性を一本のセンサで検出できるため，非常に有用である。
【０００３】
このようなガスセンサに用いられる複合積層型センサ素子として，従来，図１３に示すごとく，４セル式の素子９が知られていた。
図１３に示すごとく，多孔質基板９１，固体電解質板９２，スペーサ９３，基板９４，スペーサ９５，固体電解質板９６，スペーサ９７，積層型ヒータ９９を順次積層して構成されている。
【０００４】
被測定ガスが導入される第１チャンバ８１及び第２チャンバ８２を有し，また，基準ガスが導入される基準ガス室８９を有し，上記第１チャンバ８１は素子外部と第１拡散抵抗通路８１０によって連通され，上記第２チャンバ８２は上記第１チャンバ８１と第２拡散抵抗通路８２０によって連通されている。
【０００５】
また，上記複合積層型センサ素子９は，上記第１チャンバ８１と対面し，印加電圧に対応した酸素を素子外部とポンピング可能な第１電気化学セル８３を有し，上記第２チャンバ８２と対面し，所定の電圧を印加することで，排ガス中のＮＯｘ濃度に対応した電流が得られる第２電気化学セル８５を有する。
更に，素子外部における排ガスの濃度を測定可能に構成された第３電気化学セル８４を有し，第２チャンバ８２と対面し，第２チャンバ８２内の酸素濃度をモニタする第４電気化学セル８６とを有する。
なお，第４電気化学セル８６から得られる起電力によって，上記第１電気化学セル８３に対する印加電圧が制御される。
【０００６】
このような複合積層型センサ素子を用いることで，排ガス中のＮＯｘ濃度と共に，排ガス中の酸素濃度を測定してλ特性や空燃比の測定を行なうことができる。
１本のセンサで同時にＮＯｘ濃度とλ特性（または空燃比）を測定することができるため，省スペースであり取付けコストの低減を実現できる。
【０００７】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上述した複合積層型センサ素子９は酸素濃度測定精度が低く，よってλ特性の測定精度も低いという問題がある。
主たる原因は第１電気化学セル８３と第３電気化学セル８４とが同一の固体電解質板９２に配置されていることである。第１電気化学セル８３に加わる電圧は変動する上，第３電気化学セル８４のセンサ出力よりかなり大きいため，第３電気化学セル８４の出力に大きな影響を与える。
【０００８】
また，図１３より明らかであるが，第３電気化学セル８４を構成する２つの電極間には第１固体電解質板９２から第２固体電解質板９６まで合わせて５枚の板が存在する。このため第３電気化学セル８４の内部抵抗は非常に大きく，外部の影響（温度等）を受け易い。
【０００９】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，λ特性の測定精度に優れた複合積層型センサ素子を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題の解決手段】
請求項１記載の発明は，固体電解質板とその表面に設けた一対の電極より構成された第１，第２及び第３電気化学セルを有し，
上記第１電気化学セルを用いた酸素ポンピングによる前処理を施した被測定ガスに対し第２電気化学セルを用いた特定ガス濃度検出が行われると共に，第３電気化学セルを用いた被測定ガスと基準ガスとの間の起電力差検出が行われるように構成されてなり，
上記第３電気化学セルの一対の電極は同一の固体電解質板の同一平面上に設けてあり，
上記第１及び第３電気化学セルは異なる固体電解質板に設けてあり，
かつ上記第１電気化学セルと上記第２電気化学セルとの間には，両セル間を絶縁可能とするアルミナ板を設けることを特徴とする複合積層型センサ素子にある。
【００１１】
次に，本発明の作用につき説明する。
本発明にかかる構成によれば，第３電気化学セルにおける一対の電極が，同一固体電解質板の同一平面上に設けてあり，両者が近接した状態にある。そのため，第３電気化学セルの内部抵抗が小さくなり，外部回路やセンサ出力測定用の機器類の影響を受け難くすることができる。
更に，一対の電極が近接しているため，第３電気化学セルの内部抵抗が小さくなり，外部雰囲気温度による影響も小さくなる。
【００１２】
更に，第３電気化学セルの一対の電極は同じ固体電解質板の同じ平面上に設けてあるため（後述する図１参照），該セルにかかる電圧は一定（時間変動しない）となり，第３電気化学セルの出力は時間変動し難い。
【００１３】
また，第１電気化学セルと第３電気化学セルは異なる固体電解質板に設けてある（後述する図１参照）。そのため，第１電気化学セルに対する時間変動する印加電圧の影響を第３電気化学セルは受けにくい。
このように第３電気化学セルによる被測定ガスと基準ガスとの間の起電力差検出の精度を高めることができる。上記起電力差は被測定ガス中の酸素濃度に比例するため，本発明にかかる複合積層型センサ素子を内燃機関の燃焼排気系に設置することで，第３電気化学セルは内燃機関のλ特性を精度よく測定することができる。
【００１４】
このとき，チャンバ内の酸素濃度を一定とするため，第１電気化学セルの印加電圧は，予め被測定ガスの酸素濃度にたいして得られる電流値からマップをつくり，その電流値から電圧を制御することで高精度を確保することができる。
次に，上記請求項１記載の発明においては，上記第１電気化学セルと上記第２電気化学セルとの間には，両セル間を絶縁可能とするアルミナ板を設けている。
そのため，第１電気化学セルと第２電気化学セルとの間を絶縁して，第２電気化学セルに対し，第１電気化学セルの電圧変化等の影響が及ばないようにすることができる。
【００１５】
以上，本発明によれば，λ特性の測定精度に優れた複合積層型センサ素子を提供することができる。
【００１６】
次に，請求項２記載の発明のように，被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバのいずれか一方における酸素濃度を検出可能に構成された第４電気化学セルを有することが好ましい。
【００１７】
さらに第４電気化学セルで第１または第２チャンバの酸素濃度を検出して，第１電気化学セルの印加電圧制御することで，被測定ガス濃度を高精度に測定することができる。または，第４電気化学セルの測定値から補正することでも，被測定ガス濃度を高精度に測定できる。
このとき，第１及び第４の電気化学セルは，予め被測定ガス（ＮＯｘ）に不活性な電極（Ｐｔ／Ａｕ）から構成され，所定の電圧を印加することで，チャンバ内の酸素のみの濃度を測定できる。
または，チャンバ内の酸素と基準ガスとの起電力で酸素を測定してもよい。
【００１８】
次に，請求項３記載の発明のように，被測定ガスが導入される上記第１チャンバ及び第２チャンバを有し，上記第１チャンバは複合積層型センサ素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通されると共に，
上記第１電気化学セルは，一方の面が第１チャンバと対面し，上記第１電気化学セルに印加された電圧に応じた量の酸素を第１チャンバに対し出し入れ可能に構成され，
上記第２電気化学セルは，一方の面が第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られるよう構成されていることが好ましい。
【００１９】
これにより，第１電気化学セルにより第１及び第２チャンバ内の酸素濃度を一定に保持することができる。両チャンバ内の酸素濃度は，変動すると被測定ガスの擾乱となるため，一定に保つことが精度向上につながる。
従って，第２電気化学セルの特定ガス濃度に対応した電流値が，変動する被測定ガス中の酸素濃度の影響の及ばないようにすることができる。
上記第１及び第２拡散抵抗通路はピンホール等の細孔の他，多孔質体より構成することができる。
【００２０】
次に，請求項４記載の発明のように，基準ガス室を複数個有し，上記第２電気化学セルと第４電気化学セルとが共に同じ基準ガス室，第１チャンバまたは第２チャンバと対面するよう構成されていることが好ましい。
これにより，第１チャンバ，第２チャンバ内の残留する酸素濃度を精度よく測定できる。
【００２１】
次に，請求項５記載の発明のように，基準ガス室を複数個有し，上記第１電気化学セルと上記第３電気化学セルはそれぞれ異なる基準ガス室と対面するよう構成されていることが好ましい。
これにより，第１電気化学セルの電気的なノイズを受けることなく高精度に第３電気化学的セルを測定できる。
【００２２】
次に，上記請求項１記載の発明においては，上記第１電気化学セルと上記第２電気化学セルとの間には，両セル間を絶縁可能とするアルミナ板を設ける。
これにより，第１電気化学セルと第２電気化学セルとの間を絶縁して，第２電気化学セルに対し，第１電気化学セルの電圧変化等の影響が及ばないようにすることができる。
【００２３】
次に，請求項６記載の発明は，被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバを有し，また，基準ガスが導入される第１及び第２基準ガス室を有し，
上記第１チャンバは素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通されており，
上記第１チャンバと対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能な第１電気化学セルを有し，
上記第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られる第２電気化学セルを有し，
被測定ガス中の酸素濃度を測定可能に構成された第３電気化学セルを有する複合積層型センサ素子であって，
上記第１チャンバ及び上記第２チャンバは第１固体電解質板と第２固体電解質板との間に形成され，
上記第１基準ガス室は上記第１固体電解質板の素子外部と対面する側に設けてあり，上記第２基準ガス室は上記第２固体電解質板を介して上記第１及び第２チャンバと対面するよう設けてあり，
上記第１電気化学セルは，上記第２固体電解質板に設け第１チャンバと対面した被測定ガス側ポンプ電極と第２基準ガス室と対面した基準ポンプ電極とより構成され，
上記第２電気化学セルは，上記第１固体電解質板に設け第２チャンバと対面した被測定ガス側センサ電極と第１基準ガス室とに対面した基準センサ電極とより構成され，
上記第３電気化学セルは，上記第１固体電解質板に設け素子外部と対面した被測定ガス側酸素センサ電極と第１基準ガス室に対面した基準酸素センサ電極とより構成され，
上記第３電気化学セルにおける被測定ガス側酸素センサ電極と基準酸素センサ電極とは，共に第１固体電解質板の同じ平面上に設けてあることを特徴とする複合積層型センサ素子にある。
【００２４】
請求項７にかかる構成によれば，第３電気化学セルにおける被測定ガス酸素センサ電極と基準酸素センサ電極との距離が近接した状態にあるため，第３電気化学セルの内部抵抗が小さくなり，外部回路やセンサ出力測定用の機器類の影響を受け難く，より精度よい酸素濃度の測定ができる。
更に，第３電気化学セルの内部抵抗が小さいため，外部雰囲気温度による影響も小さくなり，温度依存性が小さい，精度の良い酸素濃度測定ができる。
【００２５】
更に，第３電気化学セルと同じ第１固体電解質板に設けてあるのは，第１電気化学的セルではなくて第２電気化学セルである。第２電気化学セルに加わる電圧は一定（時間変動しない）なので，第３電気化学セルの測定精度が第２電気化学セルによって影響され難い。
【００２６】
また，第１電気化学セルは第１固体電解質板，第１チャンバを介して設けられた第２固体電解質板上に設けてある。従って，第１電気化学セルに与えられる変動する電圧の影響を第３電気化学セルは受けにくい。
このように第３電気化学セルの測定精度を高くすることができるため，λ特性の測定精度も高くすることができる。
【００２７】
以上，本発明によれば，λ特性の測定精度に優れた複合積層型センサ素子を提供することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明にかかる複合積層型センサ素子について，図１〜図５を用いて説明する。
図１に示すごとく，本例の複合積層型センサ素子１は，固体電解質板５３，５５とその表面に設けた一対の電極２１，２２，３１，３２，４１，４２より構成された第１，第２及び第３電気化学セル２，３，４を有し，上記第１電気化学セル２を用いた酸素ポンピングによる前処理を施した被測定ガスにおいて，第２電気化学セル３を用いた特定ガス濃度検出が行われると共に，第３電気化学セル４を用いた被測定ガスと基準ガスとの間の起電力差検出が行われるように構成されている。
上記第３電気化学セル４の一対の電極４１，４２は同一の固体電解質板５３の同じ表面５３０に設けてあり，また，第１及び第３電気化学セル２，４は異なる固体電解質板５３，５５に設けてある。
【００２９】
以下，詳細に説明する。
本例のガスセンサ素子は自動車エンジンの排気系に取付けて排ガス中の大気汚染物質となるＮＯｘ濃度の測定，エンジンにおけるλ特性と空燃比の検出を兼用する複合積層型センサ素子である。
【００３０】
複合積層型センサ素子１は，図１に示すごとく，ヒータ１５，スペーサ５６，第２固体電解質基板５５，スペーサ５４，第１固体電解質板５３，多孔質板５１，スペーサ５２よりなる。
各スペーサ５２，５４，５６はアルミナセラミック板，第１及び第２固体電解質板５３，５５は酸素イオン導電性のジルコニアセラミックよりなる。
また，上記ヒータ１５は絶縁性のアルミナセラミックに発熱部１５０を内蔵したセラミックヒータである。
【００３１】
第１固体電解質板５３には第１拡散抵抗通路１１０となる貫通孔が設けてあり，多孔質板５１はこの拡散通路１１０を覆うよう設けてある。多孔質板５１に隣接してスペーサ５２が設けてあり，このスペーサ５２と第１固体電解質板５３とによって，第１基準ガス室１３が形成される。
【００３２】
第１チャンバ１１，第２チャンバ１２は第１固体電解質板５３，スペーサ５４，第２固体電解質板５５により囲まれた空間よりなる。
第２基準ガス室１４は第２固体電解質板５５とスペーサ５６により囲まれた空間よりなる。
図１及び図２に示すごとく，第１チャンバ１１と第２チャンバ１２との間は細い第２拡散抵抗通路１２０により連通されている。
【００３３】
本例の第３電気化学セル４は酸素濃淡起電力式電池として機能する。
第３電気化学セル４を構成する被測定ガス側酸素センサ電極４１は第１固体電解質板５３と多孔質板５１との間に配置され，基準酸素センサ電極４２は第１基準ガス室１３と対面して設けてある。第３電気化学セル４は電圧計４５１を有する酸素センサ回路４５に接続されている。
電圧計４５１は両電極４１及び４２の間の起電力（この起電力は，複合積層型センサ素子外部の被測定ガス雰囲気と第１基準ガス室雰囲気との酸素濃淡によって発生する。）を測定する。この起電力が第３電気化学セル４の出力である。
【００３４】
本例の第１電気化学セル２はポンプセルとして機能する。
第４電気化学セル６の電流計６５１の電流値によってフィードバック制御された電源２５２から電圧が印加され，この印加電圧に対応した酸素を第１チャンバ１１と第２基準ガス室１４との間で出し入れするよう機能する。
また，図８のようにポンプ電流によって予め設定されたマップからフィードバック制御してもよい。
【００３５】
第１電気化学セル２は第２固体電解質板５５に設けられ，第１チャンバ１１と対面した被測定ガス側ポンプ電極２１と第２基準ガス室１４と対面した基準ポンプ電極２２とより構成され，両電極２１，２２との間には電流計２５１，電源２５２が接続されたポンプ回路２５が設けてある。また，後述する電流計６５１と電源２５２との間はフィードバック回路６５５が設けてある。
【００３６】
ポンプ電流は第１チャンバ１１内の酸素濃度に対応しており，フィードバック回路６５５を利用して第４電気化学セル６の電流が常に一定値をとるように電源２５２が制御される。この制御で第１電気化学セル２は第１チャンバ１１内，ひいては第１チャンバ１１と連通する第２チャンバ１２の酸素濃度を一定に保持することができる。
なお，被測定ガス側ポンプ電極２１はＮＯｘを分解しない，ＮＯｘに対して不活性な電極である。
【００３７】
本例の第２電気化学セル３は定電圧（時間的に変動しない）が加えられ，該定電圧によって発生する酸素イオン電流を利用してＮＯｘ濃度を測定する。
第２電気化学セル３は第１固体電解質板５３に設け第２チャンバ１２と対面した被測定ガス側センサ電極３１と第１基準ガス室１３とに対面した基準センサ電極３２とより構成される。両電極３１，３２との間には電流計３５１と電源３５２とを有するセンサ回路３５が設けてある。
なお，上記基準センサ電極３２は，後述する基準酸素センサ電極４２及び６２と一体的に設けてある。
【００３８】
被測定ガス側センサ電極３１はＮＯｘを窒素と酸素とに分解可能な活性電極である。第２電気化学セル３に電圧を印加することで，酸素イオンが被測定ガス側センサ電極３１表面で発生し，該酸素イオンは第１固体電解質板５３をイオン電流となって流通する。電流計３５１がイオン電流を測定する。
このイオン電流は第１電気化学セル３の被測定ガス側ポンプ電極２１がＮＯｘを分解しなければ，被測定ガス中のＮＯｘ濃度に比例するため，電流計３５１から読み取れる値がＮＯｘ濃度となる。
【００３９】
なお，被測定ガス側センサ電極３１上では被測定ガス中の酸素も分解するが，被測定ガス中の酸素濃度は第１電気化学セル２によって略一定に保たれているので，あらかじめＮＯｘ濃度が０の際の電流計３５１の値を測定しておくことで，正しくＮＯｘ由来のイオン電流の大きさを測定することができる。
または，第４電気化学セル６の電流値，すなわちチャンバ１２内の残留酸素濃度の補正を引き算することで正しく測定できる。
【００４０】
また，本例の第４電気化学セル６は酸素ポンプセルとして機能し，第２チャンバ１２内の酸素濃度を測定するよう構成されている。
第４電気化学セル６は第１固体電解質板５３に設けられ，第２チャンバ１２と対面した被測定ガス側センサ電極６１と第１基準ガス室１３と対面した基準センサ電極６２とより構成され，両電極６１，６２との間には電流計６５１，電源６５２が接続されたセンサ回路６５が設けてある。また，電流計６５１と前述した電源２５２との間はフィードバック回路６５５が設けてある。
【００４１】
被測定ガス側センサ電極６１はＮＯｘに対する不活性電極である。第４電気化学セル６は，第２チャンバ１２の酸素濃度に対応した電流が生じ，この電流を電流計６５１において検知することで，フィードバック回路６５５を利用し，第１電気化学セル２のポンピングを制御する。
【００４２】
本例の積層型複合センサ素子１の作動原理について説明する。
被測定ガスである排ガスが多孔質板５１と第１拡散抵抗通路１１０とを通じて第１チャンバ１１内に拡散する。また，第２拡散抵抗通路１２０を通じて第２チャンバ１２に拡散する。また，排ガス中にはＮＯｘ，酸素，ＨＣ等が含まれている。
第１電気化学セル２は第１チャンバ１１と対面し，第４電気化学セル６は第２チャンバ１２と対面する。
第４電気化学セル６は，第２チャンバ１２の酸素濃度に対応した電流が生じ，該電流は電流計６５１により検知される。この値がＡ４である。
【００４３】
酸素濃度変動に応じて変動するＡ４に基づいてフィードバック回路６５５が第１電気化学セル２の電源２５２を制御する。
電源２５２により第１電気化学セル２の第１チャンバ１１と第２基準ガス室１４との間の酸素の出し入れが制御され，第１チャンバ１１及び第２チャンバ１２の酸素濃度が一定となるようにする。酸素濃度がリーンの時は酸素イオンが第２基準ガス室５５へ移動するように，酸素濃度がリッチの時は酸素イオンが第１チャンバ１１へ移動するように制御する。
【００４４】
上記の酸素の出し入れの結果，第１電気化学セル２には酸素イオン電流が流れ，これが電流計２５１により検出される。この電流計の値と排気系における空燃比との対応を図４に示す。このように第１電気化学セル２の出力は空燃比測定に利用できる。
【００４５】
そして，第２チャンバ１２と対面する第２電気化学セル３において，被測定ガス中に存在するＮＯｘを電極３１で分解し，酸素イオン電流を生じせしめ，このイオン電流を電流計３５１で測定する。
このイオン電流の値Ａ２は第２チャンバ１２の，ひいては被測定ガス中のＮＯｘ濃度に比例し，その対応を図３に示す。
【００４６】
また，第３電気化学セル４は，第１基準ガス室と１３と第１チャンバ１１内に導入される前の被測定ガスとの間の酸素濃度濃淡に対応した起電力が生じ，電圧計４５１において検知される。この値がＶ３で，この値は排気系におけるλに対応し，図５にλとの関係を記載する。
【００４７】
本例の作用効果について説明する。
本例では，第３電気化学セル４における一対の電極４１，４２が共に第１固体電解質板５３の表面５３０に設けてあり，両者が近接した状態にある。そのため，第３電気化学セル４の内部抵抗が小さくなり，外部の影響を受け難く，出力が安定する。更に，第３電気化学セル４にかかる電圧は時間変動しないため，出力も時間変動し難く安定する。
【００４８】
また，第１電気化学セル２と第３電気化学セル４は別の固体電解質板に設けてあり，第１電気化学セル２への印加電圧の影響を第３電気化学セル４は受けにくい。
以上により，本例によれば第３電気化学セル４による被測定ガスと基準ガスとの間の起電力差検出の精度を高めることができ，λ特性を精度よく測定することができる。
【００４９】
以上，本発明によれば，λ特性の測定精度に優れた複合積層型センサ素子を提供することができる。
【００５０】
また，第４電気化学セル６が設けてあり，これが第２チャンバ１２の酸素濃度を測定して，この値にもとづいて第１電気化学セル２を正確に制御すると共に被測定ガスの空燃比検出を行なうことができ，別途空燃比センサ素子を設ける必要がなくなり，コストパフォーマンスに優れた素子を得ることができる。
【００５１】
実施形態例２
本例は図６に示すごとく，実施形態例１とまったく同様の構成の積層型センサ素子である。
ただし，複合積層型センサ素子１を構成する，各スペーサ５２，５４，５６，第１及び第２固体電解質板５３，５５はジルコニアセラミックよりなる。さらにヒータ１５もジルコニアセラミックよりなる。
その他詳細は実施形態例１と同様であり，実施形態例１と同様の作用効果を有する。
また，すべてがジルコニアで構成されているため，複合積層型センサ素子１は異なる材料間の熱応力によるクラックや素子割れが生じ難くなる。
【００５２】
実施形態例３
本例は図７に示すごとく第１，第２及び第３の電気化学セルが異なる固体電解質板に設けてある複合積層型センサ素子である。
本例の複合積層型センサ素子１は，多孔質板７１，スペーサ７２，７４，７６，７８，３枚の固体電解質板７３，７５，７７，そしてヒータ１５からなる。
【００５３】
固体電解質板７３，スペーサ７４，固体電解質板７５により被測定ガス側空間７３１が設けてあり，固体電解質板７３に設けた通路７３０より外部から被測定ガスが導入されるよう構成されている。
また，第１チャンバ１１，第２チャンバ１２は，固体電解質板７５，７７，スペーサ７６により構成され，第１チャンバ１１は被測定ガス側空間７３１より第１拡散抵抗通路１１０を介して被測定ガスが導入されるよう構成されている。
【００５４】
そして，第１電気化学セル２は固体電解質板７７に設けられ，第１チャンバ１１と第２基準ガス室１４に対し対面する。第２電気化学セル３は固体電解質板７５に設けられ，第２チャンバ１２と被測定ガス室７３１に対し対面する。
第３電気化学セル４は固体電解質板７３に設けられ，多孔質板７１と第１基準ガス室１３とに対面する。第４電気化学セル６は固体電解質板７５に設けられ，第２チャンバ１２と被測定ガス側空間部７３１に対面する。
その他詳細は実施形態例１と同様である。
【００５５】
本例の複合型積層センサ素子１は，第１〜第３の電気化学セル２，３，４が異なる固体電解質板７３，７５，７７に設けてあるため，それぞれのセルに流れる電流等で他のセルが影響を受けることを防止できる。
よって，より正確なＮＯｘ，λ特性，空燃比等の測定を行なうことができる。
その他詳細は実施形態例１と同様の作用効果を有する。
【００５６】
実施形態例４
本例の複合積層型センサ素子につき，図８〜図１２を用いて説明する。
図８に示すごとく，本例にかかる複合積層型センサ素子１は，被測定ガスが導入される第１チャンバ１１及び第２チャンバ１２を有し，また，基準ガスが導入される第１及び第２基準ガス室１３，１４を有する。
上記第１チャンバ１１は素子外部と第１拡散抵抗通路１１０によって連通され，上記第２チャンバ１２は上記第１チャンバ１１と第２拡散抵抗通路１２０によって連通される。
【００５７】
上記第１チャンバ１１と対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能な第１電気化学セル２を有し，上記第２チャンバ１２と対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られる第２電気化学セル３を有し，被測定ガス中の酸素濃度を測定可能に構成された第３電気化学セル４を有する。
【００５８】
上記第１チャンバ１１及び上記第２チャンバ１２は第１固体電解質板５３と第２固体電解質板５５との間に形成され，上記第１基準ガス室１３は上記第１固体電解質板５３の素子外部と対面する側に設けてあり，上記第２基準ガス室１４は上記第２固体電解質板５５を介して上記第１及び第２チャンバ１１，１２と対面するよう設けてある。
【００５９】
上記第１電気化学セル２は，上記第２固体電解質板５５に設け第１チャンバ１１と対面した被測定ガス側ポンプ電極２１と第２基準ガス室１４と対面した基準ポンプ電極２２とより構成されている。
【００６０】
上記第２電気化学セル３は，上記第１固体電解質板５３に設け第２チャンバ１２と対面した被測定ガス側センサ電極３１と第１基準ガス室１３とに対面した基準センサ電極３２とより構成されている。
上記第３電気化学セル４は，上記第１固体電解質板５３に設け素子外部と対面した被測定ガス側酸素センサ電極４１と第１基準ガス室１３に対面した基準酸素センサ電極４２とより構成されている。
【００６１】
そして，上記第３電気化学セル４における被測定ガス側酸素センサ電極４１と基準酸素センサ電極４２とは，共に第１固体電解質板５３の同じ平面上に設けてある。
【００６２】
以下，詳細に説明する。
本例にかかる複合積層型センサ素子１は自動車用エンジンの排気系に取付て，排ガス中のＮＯｘ濃度と共に排ガス中の酸素濃度や空燃比やλ特性を測定するガスセンサに取付て使用される。
【００６３】
上記複合積層型センサ素子１は，図８に示すごとく，ヒータ１５，スペーサ５６，第２固体電解質基板５５，スペーサ５４，第１固体電解質板５３，多孔質板５１，スペーサ５２よりなる。
各スペーサ５６，５４，５２はアルミナセラミック板より構成される。
また，第１及び第２固体電解質板５３，５５は酸素イオン導電性のジルコニアセラミックよりなる。
また，上記ヒータ１５は絶縁性のアルミナセラミックに発熱部を内蔵したセラミックヒータである。
【００６４】
第１固体電解質板５３には第１拡散抵抗通路１１０となる貫通孔が設けてあり，多孔質板５１はこの拡散通路１１０を覆うよう設けてある。多孔質板５１に隣接してスペーサ５２が設けてあり，このスペーサ５２と第１固体電解質板５３とによって，第１基準ガス室１３が形成される。
【００６５】
第１チャンバ１１，第２チャンバ１２は第１固体電解質板５３，スペーサ５４，第２固体電解質板５５により囲まれた空間よりなる。
第２基準ガス室１４は第２固体電解質板５５とスペーサ５６により囲まれた空間よりなる。
【００６６】
本例の第３電気化学セル４は酸素濃淡起電力式電池として機能する。
第３電気化学セル４を構成する被測定ガス側酸素センサ電極４１は第１固体電解質板５３と多孔質板５１との間に配置され，基準酸素センサ電極４２は第１基準ガス室１３と対面して設けてある。第３電気化学セル４は電圧計４５１を有する酸素センサ回路４５に接続されている。
電圧計４５１は両電極間の起電力（この起電力は，排ガスと第１基準ガス室雰囲気との酸素濃淡によって生じる。）を測定する。この起電力が第３電気化学セル４の出力である。
【００６７】
本例の第１電気化学セル２はポンプ電流によってフィードバック制御された電源から電圧が印加され，この印加電圧に対応した酸素を第１チャンバ１１と第２基準ガス室１４との間でポンピングするよう機能する。
【００６８】
第１電気化学セル２は第２固体電解質板５５に設け第１チャンバ１１と対面した被測定ガス側ポンプ電極２１と第２基準ガス室１４と対面した基準ポンプ電極２２とより構成され，両電極の間には電流計２５１，電源２５２が接続されたポンプ回路２５が設けてある。また，電流計２５１と電源２５２との間はフィードバック回路２５５が設けてある。
【００６９】
ポンプ電流は第１チャンバ１１内の酸素濃度に対応しており，フィードバック回路２５５を利用してポンプ電流の値により電源２５２を調整してやる。この調整で第１電気化学セル３は第１チャンバ１１内，ひいては第１チャンバ１１と連通する第２チャンバ１２の酸素濃度を一定に保持することができる。
なお，被測定ガス側ポンプ電極２１はＮＯｘを分解しない，ＮＯｘに対して不活性な電極である。
【００７０】
本例の第２電気化学セル３は定電圧（時間的に変動しない）が加えられ，該電圧によって発生する酸素イオン電流を利用してＮＯｘ濃度を測定する。
第２電気化学セル３は第１固体電解質板５３に設け第２チャンバ１２と対面した被測定ガス側センサ電極３１と第１基準ガス室１３とに対面した基準センサ電極３２とより構成される。両電極間は電流計３５１と電源３５２とを有するセンサ回路３５が設けてある。
【００７１】
被測定ガス側センサ電極３１はＮＯｘを窒素と酸素とに分解可能な活性電極である。第２電気化学セル３に電圧を印加することで，酸素イオンが被測定ガス側センサ電極３１表面で発生し，該酸素イオンは第１固体電解質板５３をイオン電流となって流通する。電流計３５１がイオン電流を測定する。
このイオン電流は第１電気化学セル２の被測定ガス側ポンプ電極２１がＮＯｘを分解しなければ，被測定ガス中のＮＯｘ濃度に比例するため，電流計３５１から読み取れる値がＮＯｘ濃度となる。
【００７２】
なお，被測定ガス側センサ電極３１上では被測定ガス中の酸素も分解するが，被測定ガス中の酸素濃度は第１電気化学セル２によって略一定に保たれているので，あらかじめＮＯｘ濃度０の際の電流計の値を測定しておくことで，正しくＮＯｘ由来のイオン電流の大きさを測定することができる。
【００７３】
本例にかかる複合積層型センサ素子１のλ特性測定能力を評価する。
本例の複合積層型センサ素子１と図１３に記載した従来技術にかかる複合積層型センサ素子９とを同じ構造のガスセンサに組付けて，自動車エンジンの排気系に配置した。
エンジンを動かして，排ガスを発生させて，該排ガスの温度が４００〜６００℃の範囲内にある際のλ特性を測定した。
ところでλ特性には温度依存性があるため，排ガス温度を上述したごとく変化させた場合，図１０に示すごとく，λ特性は低温時と高温時とでは異なる挙動を示す。同図に示すごとく上述温度範囲でのλ特性の幅Δλを測定し，これを素子の能力として評価した。
【００７４】
その結果，図９に示すごとく，従来品はΔλ＝±０．０８，本例の複合積層型センサ素子１はΔλ＝±０．０４となった。
上記Δλが±０．０６を越えると，自動車エンジン排気系におけるλ特性測定器としては検出精度が悪く，結果として自動車から排出されるエミッションが悪化（ＮＯｘ，ＨＣ等の排出量が増大）するため，本例にかかる複合積層型センサ素子１は上記用途に耐えうることが分かった。
【００７５】
また，本例と従来品にかかる複合積層型センサ素子１，複合積層型センサ素子９について，第３電気化学セルの両電極間距離Ａと，第３電気化学セルにおける被測定ガス側酸素センサ電極と最も最短距離にある他の電極（基準ポンプ電極，または被測定ガス側ポンプ電極）との距離Ｂとを測定した。
なお，この距離は直線距離ではなくイオン電流の通り道となることができる固体間距離である。
【００７６】
同図より知れるごとく，従来品はＡ／Ｂ＝０．２５，本例はＡ／Ｂ＝２である。
また，各種の複合積層型センサ素子を多数作製し，各素子についてλ特性精度とＡ／Ｂとの関係を測定したところ，両者の相関を表わす曲線は図９の実線のような曲線となった。
このように，本例にかかる構成は精度よくλ特性が測定可能であることがわかり，λ特性の測定精度は上述のＡ／Ｂを大きくすることで改善できることが分かった。
【００７７】
本例の作用効果について説明する。
本例にかかる構成によれば，第３電気化学セル４における被測定ガス酸素センサ電極４１と基準酸素センサ電極４２との距離が近接するため，第３電気化学セル４の内部抵抗が小さくなり，より精度よい酸素濃度の測定ができる。
更に，内部抵抗が小さいため，外部雰囲気温度による影響も小さくなり，温度依存性小さく酸素濃度の測定ができる。
【００７８】
更に，第３電気化学セル４と同じ第１固体電解質板５３に設けてあるのは第２電気化学セル３である。第２電気化学セル３に加わる電圧は一定（時間変動しない）なので，第３電気化学セル４の測定精度にあまり影響を与えない。
【００７９】
また，第１電気化学セル２の設置場所は，第１固体電解質板５３，第１チャンバ１１を介して設けられた第２固体電解質板５５である。従って，第１電気化学セル２に与えられる変動する電圧の影響を第３電気化学セル４は受けにくい。
このように第３電気化学セル４の測定精度を高くすることができるため，λ特性の測定精度も高くすることができる。
【００８０】
以上，本例によれば，λ特性の測定精度に優れた複合積層型センサ素子を提供することができる。
【００８１】
また，本例にかかる複合積層型センサ素子１として，図１１，図１２に示すような構成のものもある。
図１１にかかる複合積層型センサ素子１は，第３電気化学セル４と第２電気化学セル３における基準酸素センサ電極４２と基準センサ電極３２とが一枚の電極から構成されている。
その他は図１にかかるものと同様である。
【００８２】
図１２にかかる複合積層型センサ素子１は，ヒータ１５，スペーサ５６，第２固体電解質基板５５，スペーサ５４，第１固体電解質板５３，多孔質板５１，スペーサ５２が酸素イオン導電性のジルコニアセラミックより構成されている。
その他は図８にかかるものと同様である。
図１１，図１２についても本例と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
また，本例はＮＯｘ濃度測定可能な素子について説明したが，第２電気化学セル３における被測定ガス側センサ電極の種類を適宜変更したりして，ＨＣ濃度を測定可能とすることもできるし，ＣＯを測定可能な素子とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，複合積層型センサ素子の断面説明図。
【図２】実施形態例１における，スペーサの平面図。
【図３】実施形態例１における，第２電気化学セルにおける電流とＮＯｘ濃度との関係を示す線図。
【図４】実施形態例１における，第１電気化学セルにおける電流と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を示す線図。
【図５】実施形態例１における，第４電気化学セルにおける起電力とλ特性との関係を示す線図。
【図６】実施形態例２における，ジルコニアセラミックよりなる複合積層型センサ素子の断面説明図。
【図７】実施形態例３における，固体電解質板が３枚設けてある複合積層型センサ素子の断面説明図。
【図８】実施形態例４における，複合積層型センサ素子の断面説明図。
【図９】実施形態例４における，本例及び従来品のλ特性精度を示す線図。
【図１０】実施形態例４における，λ特性の温度依存性を示す線図。
【図１１】実施形態例４における，他の構造の複合積層型センサ素子の断面説明図。
【図１２】実施形態例４における，他の構造の複合積層型センサ素子の断面説明図。
【図１３】従来例にかかる，複合積層型センサ素子の断面説明図。
【符号の説明】
１．．．複合積層型センサ素子，
１１．．．第１チャンバ，
１２．．．第２チャンバ，
１３．．．第１基準ガス室，
１４．．．第２基準ガス室，
２．．．第１電気化学セル，
３．．．第２電気化学セル，
４．．．第３電気化学セル，
５３．．．第１固体電解質板，
５５．．．第２固体電解質板，
【図１】
0004563601.tif 000002
【図２】
0004563601.tif 000003
【図３】
0004563601.tif 000004
【図４】
0004563601.tif 000005
【図５】
0004563601.tif 000006
【図６】
0004563601.tif 000007
【図７】
0004563601.tif 000008
【図８】
0004563601.tif 000009
【図９】
0004563601.tif 000010
【図１０】
0004563601.tif 000011
【図１１】
0004563601.tif 000012
【図１２】
0004563601.tif 000013
【図１３】
0004563601.tif 000014