JP2004132960A - Gas sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気系に設置して燃焼制御等に利用する積層型のガスセンサ素子に関する。 The present invention relates to a stacked gas sensor element which is installed in an exhaust system of an internal combustion engine and used for combustion control and the like.
自動車エンジンの燃焼制御等に用いるガスセンサに内蔵されるガスセンサ素子として、多くの素子が知られている。
例えば、固体電解質板と該固体電解質板に設けた一対の電極よりなる電気化学的セルと該電気化学的セルを複数備え、外部から被測定ガスを導入するガス導入路を有する被測定ガス室を備え、固体電解質と被測定ガスの形成用のスペーサを積層して構成した積層型のガスセンサ素子が知られている。
上記ガスセンサ素子において、上記被測定ガス室は、電気化学的セルを配置するセル配置室と、該セル配置室間を接続し、セル配置室間を移動する被測定ガスを拡散律速させる拡散律速通路とよりなる。
Many elements are known as gas sensor elements incorporated in gas sensors used for controlling combustion of an automobile engine.
For example, a plurality of electrochemical cells including a solid electrolyte plate and a pair of electrodes provided on the solid electrolyte plate and a plurality of the electrochemical cells, and a measured gas chamber having a gas introduction passage for introducing a gas to be measured from the outside. 2. Description of the Related Art There is known a stacked gas sensor element including a solid electrolyte and a spacer for forming a gas to be measured.
In the gas sensor element, the measured gas chamber is a cell arrangement chamber in which an electrochemical cell is arranged, and a diffusion-controlled passage that connects the cell arrangement chambers and diffusion-controls the measured gas moving between the cell arrangement chambers. And
このガスセンサ素子は、ガス導入路から被測定ガス室に被測定ガスを導入し、被測定ガス室内に設置した電気化学的セルにおいて被測定ガス濃度を測定する。上記ガスセンサ素子において、電気化学的セルは複数種類配置され、1つは被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセルであり、他の1つは被測定ガス室において特定ガス濃度を測定するセンサセルである。センサセルの電極上で濃度を測定したい特定ガスを分解し、発生した酸素イオンから得た酸素イオン電流を計ることで特定ガス濃度を検知する。
ところで、センサセルの電極近傍に酸素が存在する場合、センサセルに流れる酸素イオン電流は特定ガスに由来する電流と、酸素に由来する電流とを足し合わせたものとなる。
そのため、被測定ガス室のセンサセル付近で酸素濃度が時間的に変動した場合、酸素イオン電流は特定ガス濃度が変動せずとも酸素濃度の変動に伴って変化し、正しい特定ガス濃度を測定することが困難となって、測定精度が低下する。
By the way, when oxygen exists near the electrode of the sensor cell, the oxygen ion current flowing through the sensor cell is the sum of the current derived from the specific gas and the current derived from oxygen.
Therefore, when the oxygen concentration fluctuates in the vicinity of the sensor cell of the gas chamber to be measured, the oxygen ion current changes with the oxygen concentration even if the specific gas concentration does not fluctuate. Becomes difficult, and the measurement accuracy decreases.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、特定ガスに対する測定精度の高いガスセンサ素子を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a gas sensor element having high measurement accuracy for a specific gas.
第1の発明は、固体電解質板と該固体電解質板に設けた一対の電極よりなる電気化学的セルと、外部から被測定ガスを導入するよう構成した被測定ガス室を備え、上記固体電解質板に対し上記被測定ガス室形成用のスペーサを積層して構成した積層型のガスセンサ素子において、
上記ガスセンサ素子は電気化学的セルを複数有し、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室より酸素をポンピングし、該被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセルであり、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室中の特定ガスを分解し、該分解により生じた酸素イオンを利用して被測定ガス室中の特定ガス濃度を測定するセンサセルであり、
上記被測定ガス室に対し、外部から被測定ガスを導入するよう構成したガス導入路を有し、
上記被測定ガス室は、上記電気化学的セルを配置するセル配置室と、該セル配置室間を接続し、上記セル配置室間を移動する被測定ガスを拡散律速させる拡散律速通路とよりなり、
上記ガス導入路の経路長をL0、上記ガス導入路の経路長に対する直交方向における断面積をS0、上記拡散律速通路の経路長をLn、上記拡散律速通路の経路長に対する直交方向における断面積をSnとすると、
(Sn/Ln)/(S0/L0)≦0.4
であることを特徴とするガスセンサ素子にある(請求項1)。
According to a first aspect of the present invention, the solid electrolyte plate includes an electrochemical cell including a solid electrolyte plate, a pair of electrodes provided on the solid electrolyte plate, and a measured gas chamber configured to introduce a measured gas from outside. In the gas sensor element of a stacked type configured by stacking spacers for forming the gas chamber to be measured,
The gas sensor element has a plurality of electrochemical cells,
At least one electrochemical cell is a pump cell that pumps oxygen from the measured gas chamber and adjusts the oxygen concentration in the measured gas chamber.
At least one electrochemical cell is a sensor cell that decomposes a specific gas in the gas chamber to be measured and measures a specific gas concentration in the gas chamber to be measured using oxygen ions generated by the decomposition.
For the measured gas chamber, has a gas introduction path configured to introduce a measured gas from outside,
The measured gas chamber includes a cell arrangement chamber in which the electrochemical cell is arranged, and a diffusion-controlled passage connecting the cell arrangement chambers and diffusion-controlling the measured gas moving between the cell arrangement chambers. ,
The path length of the gas introduction path is L0, the cross-sectional area in the direction orthogonal to the path length of the gas introduction path is S0, the path length of the diffusion-controlled path is Ln, and the cross-sectional area in the direction perpendicular to the path length of the diffusion-controlled path is L0. If Sn
(Sn / Ln) / (S0 / L0) ≦ 0.4
The gas sensor element according to claim 1 (claim 1).
第1の発明にかかるガスセンサ素子は、ガス導入路の経路長L0、ガス導入路の断面積S0、拡散律速通路の経路長Ln、拡散律速通路の断面積Snとの間に(Sn/Ln)/(S0/L0)≦0.4という関係が成立する。
ところで、ガスセンサにおいて、被測定ガス導入路から被測定ガスが被測定ガス室に入り、被測定ガス室のポンプセルを設置したセル配置室において、ポンプセルのポンピングにより被測定ガス中の酸素は濃度が略一定(時間変動が小さい)かつ低濃度となる。
仮に十分なポンピングが行われる前に被測定ガスがセンサセルを設けたセル配置室に移動した場合、センサセルを設けたセル配置室において、酸素の濃度が高くなったり、酸素濃度が時間変動する可能性がある。
また、後述するごとく、ガスセンサ素子の使用環境によっては、ポンプセルのポンピング能力が一時的に低下する可能性もある。この場合、センサセルを設けたセル配置室に酸素濃度が高い被測定ガスや酸素濃度が時間的に変動する被測定ガスが移動する可能性がある。
The gas sensor element according to the first aspect of the present invention has a value (Sn / Ln) between the path length L0 of the gas introduction path, the cross-sectional area S0 of the gas introduction path, the path length Ln of the diffusion control path, and the cross-sectional area Sn of the diffusion control path. The relationship of /(S0/L0)≦0.4 is established.
By the way, in the gas sensor, the gas to be measured enters the gas chamber to be measured from the gas introduction passage, and in the cell arrangement chamber where the pump cell of the gas chamber to be measured is installed, the concentration of oxygen in the gas to be measured is substantially reduced by pumping of the pump cell. It is constant (small time fluctuation) and low in density.
If the gas to be measured moves to the cell placement room with the sensor cell before sufficient pumping is performed, the oxygen concentration may increase or the oxygen concentration may fluctuate over time in the cell placement room with the sensor cell. There is.
Further, as will be described later, the pumping ability of the pump cell may temporarily decrease depending on the usage environment of the gas sensor element. In this case, there is a possibility that the gas to be measured having a high oxygen concentration or the gas to be measured whose oxygen concentration fluctuates with time moves to the cell arrangement chamber provided with the sensor cells.
従って、ポンプセルを設けたセル配置室からセンサセルを設けたセル配置室に向かうガスの拡散を適当な状態に制御してやることで、被測定ガス中に含まれる酸素がセンサセルを設けたセル配置室に拡散する前に、ポンプセルを用いて十分に酸素を被測定ガス室から除去することができ、センサセルを設けたセル配置室における酸素濃度をより薄く、酸素濃度の時間変動が生じ難くして、センサセル近傍の高酸素濃度や時間変動が原因となるセンサセルの出力変動を非常に小さくすることができる。 Therefore, by controlling the diffusion of the gas from the cell arrangement chamber provided with the pump cell to the cell arrangement chamber provided with the sensor cell to an appropriate state, oxygen contained in the gas to be measured diffuses into the cell arrangement chamber provided with the sensor cell. Before the measurement, the oxygen can be sufficiently removed from the gas chamber to be measured by using the pump cell, the oxygen concentration in the cell arrangement chamber in which the sensor cell is provided is thinner, and the oxygen concentration hardly fluctuates over time. Therefore, the output fluctuation of the sensor cell caused by the high oxygen concentration and the time fluctuation can be extremely reduced.
また、特定ガス濃度がゼロの際もセンサセルから出力が生じ、この出力の原因となるセンサセルに流れる電流をオフセット電流という。
第1の発明にかかる構成は、センサセルを設けたセル配置室に対する酸素の拡散を制限することができるため、オフセット電流が低く、時間変動し難くなり、ガスセンサ素子の特定ガスに対する測定精度を高くすることができる。
また、センサセルを流れる特定ガスに由来する電流値に比べてオフセット電流が無視できない程大きくなった場合、ガスセンサ素子の特定ガスの濃度変化に対する分解能が低下するおそれがある。
仮に、(Sn/Ln)/(S0/L0)が0.4より大きい場合は、オフセット電流が大きくなり、特定ガス濃度の検出精度が悪化するおそれがある。
Further, even when the specific gas concentration is zero, an output is generated from the sensor cell, and a current flowing through the sensor cell causing the output is called an offset current.
In the configuration according to the first aspect of the present invention, the diffusion of oxygen into the cell arrangement chamber in which the sensor cell is provided can be limited, so that the offset current is low, time variation is difficult, and the measurement accuracy of the gas sensor element for a specific gas is increased. be able to.
Further, when the offset current is so large as to be not negligible as compared with the current value derived from the specific gas flowing through the sensor cell, the resolution of the gas sensor element with respect to the concentration change of the specific gas may be reduced.
If (Sn / Ln) / (S0 / L0) is larger than 0.4, the offset current becomes large, and the detection accuracy of the specific gas concentration may be deteriorated.
また、ガスセンサ素子を、自動車等の車両用エンジンの排気系に設置して用いた場合、エンジン運転条件の変動等により排気ガス中の酸素濃度や温度が変動して、ポンプセルの酸素ポンピング能力がばらつくことがある。ポンプセルの酸素ポンピング能力がばらついた場合、酸素のポンピング量に応じてオフセット電流の値が増減する。
第1の発明にかかるガスセンサ素子は、オフセット電流の値が小さく、オフセット電流の変動が小さいため、ポンプセルの酸素ポンピング能力がばらつく環境で、優れた精度で特定ガス濃度を検出することができる。
In addition, when the gas sensor element is installed and used in the exhaust system of a vehicle engine such as an automobile, the oxygen concentration and temperature in the exhaust gas fluctuate due to fluctuations in engine operating conditions and the like, and the oxygen pumping ability of the pump cell varies. Sometimes. When the oxygen pumping capability of the pump cell varies, the value of the offset current increases or decreases according to the amount of oxygen pumping.
The gas sensor element according to the first aspect of the invention can detect the specific gas concentration with excellent accuracy in an environment where the oxygen pumping ability of the pump cell varies because the value of the offset current is small and the fluctuation of the offset current is small.
第2の発明は、固体電解質板と該固体電解質板に設けた一対の電極よりなる電気化学的セルと、外部から被測定ガスを導入するよう構成した被測定ガス室を備え、上記固体電解質板に対し上記被測定ガス室形成用のスペーサを積層して構成した積層型のガスセンサ素子において、
上記ガスセンサ素子は電気化学的セルを複数有し、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室より酸素をポンピングし、該被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセルであり、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室中の特定ガスを分解し、該分解により生じた酸素イオンを利用して被測定ガス室中の特定ガス濃度を測定するセンサセルであり、
上記被測定ガス室に対し、外部から被測定ガスを導入するよう構成したガス導入路を有し、
上記被測定ガス室は、上記電気化学的セルを配置するセル配置室と、該セル配置室間を接続し、上記セル配置室間を移動する被測定ガスを拡散律速させる拡散律速通路とよりなり、
酸素濃度20%における、上記ポンプセルの電極間に流れるポンプ限界電流値Ip、上記センサセルの電極間に流れるセンサ限界電流値Is(但し、上記ポンプセルを作動させないでセンサセルのみ作動させた場合)との間に、Is/Ip≦0.3なる関係が成立することを特徴とするガスセンサ素子にある(請求項2)。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an electrochemical cell including a solid electrolyte plate, a pair of electrodes provided on the solid electrolyte plate, and a measured gas chamber configured to introduce a measured gas from the outside. In the gas sensor element of a stacked type configured by stacking spacers for forming the gas chamber to be measured,
The gas sensor element has a plurality of electrochemical cells,
At least one electrochemical cell is a pump cell that pumps oxygen from the measured gas chamber and adjusts the oxygen concentration in the measured gas chamber.
At least one electrochemical cell is a sensor cell that decomposes a specific gas in the gas chamber to be measured and measures a specific gas concentration in the gas chamber to be measured using oxygen ions generated by the decomposition.
For the measured gas chamber, has a gas introduction path configured to introduce a measured gas from outside,
The measured gas chamber includes a cell arrangement chamber in which the electrochemical cell is arranged, and a diffusion-controlled passage connecting the cell arrangement chambers and diffusion-controlling the measured gas moving between the cell arrangement chambers. ,
At the oxygen concentration of 20%, between the pump limit current value Ip flowing between the electrodes of the pump cell and the sensor limit current value Is flowing between the electrodes of the sensor cell (provided that only the sensor cell is operated without operating the pump cell) The gas sensor element is characterized in that a relationship of Is / Ip ≦ 0.3 is satisfied.
ガスセンサ素子において、ポンプセルに印加する電圧は変動するが、ポンプセルを流れるポンプ電流が殆ど変化せず、電流−電圧特性の線図がフラットな状態となる場合がある。このような電圧範囲における略一定な電流値を限界電流値という。ポンプセルにおける限界電流値をここではポンプ限界電流値と呼ぶ。ポンプセルの酸素のポンピング能力が高ければ、被測定ガスに含まれる酸素濃度が等しくともポンプ限界電流値が大きくなる。
また、センサセルにおける限界電流値を、ここではセンサ限界電流値と呼ぶ。
また、ポンプセルを作動させない状態でセンサセルに流れるセンサ電流値の大小は、被測定ガス中の酸素と上記被測定ガス中の測定したい特定ガスとから得られた酸素イオンの量に対応する。仮にセンサセル近傍への被測定ガスの拡散が制限されれば、Isは小さくなる。
In the gas sensor element, the voltage applied to the pump cell fluctuates, but the pump current flowing through the pump cell hardly changes, and the current-voltage characteristic diagram may be flat. A substantially constant current value in such a voltage range is called a limit current value. The limit current value in the pump cell is referred to herein as a pump limit current value. If the pumping ability of the pump cell for oxygen is high, the pump limit current value increases even if the oxygen concentration contained in the gas to be measured is equal.
The limit current value in the sensor cell is referred to as a sensor limit current value here.
The magnitude of the sensor current flowing through the sensor cell without operating the pump cell corresponds to the amount of oxygen ions obtained from oxygen in the gas to be measured and the specific gas to be measured in the gas to be measured. If the diffusion of the gas to be measured into the vicinity of the sensor cell is restricted, Is decreases.
第2の発明では、Is/Ip≦0.3となるようにガスセンサ素子を構成し、ポンプセルの酸素のポンピング能力を高くしつつ、ポンプセルを設けたセル配置室からセンサセルを設けたセル配置室へのガス拡散を制限して、センサセル近傍における酸素濃度をより薄く、センサセル近傍における酸素濃度の時間変動を小さくすることができる。
その結果、特定ガス濃度がゼロの際にセンサセルに流れるオフセット電流を小さくかつ時間変動し難くすることができ、ガスセンサ素子の特定ガス濃度に対する測定精度を高くすることができる。
In the second invention, the gas sensor element is configured so as to satisfy Is / Ip ≦ 0.3, and the pumping capacity of the pump cell for oxygen is increased, and the gas sensor element is moved from the cell placement chamber provided with the pump cell to the cell placement chamber provided with the sensor cell. , The oxygen concentration in the vicinity of the sensor cell can be made thinner, and the time variation of the oxygen concentration in the vicinity of the sensor cell can be reduced.
As a result, the offset current flowing through the sensor cell when the specific gas concentration is zero can be made small and hardly fluctuate with time, and the measurement accuracy of the gas sensor element for the specific gas concentration can be increased.
仮にIs/Ipが0.3より大である場合は、オフセット電流が、センサセルを流れる特定ガスに由来する電流値に比べて無視できない程大きいため、ガスセンサ素子の特定ガスの濃度変化に対する分解能が低下するおそれがある。
特に、センサセルを流れるセンサ電流の変動によって特定ガス濃度を検出する際、センサ電流の変動に対しオフセット電流の変動が支配的となった場合は、測定精度が非常に悪化するおそれがある。
If Is / Ip is greater than 0.3, the offset current is so large that it cannot be ignored compared to the current value derived from the specific gas flowing through the sensor cell. There is a possibility that.
In particular, when the specific gas concentration is detected by the fluctuation of the sensor current flowing through the sensor cell, if the fluctuation of the offset current becomes dominant with respect to the fluctuation of the sensor current, there is a possibility that the measurement accuracy may be significantly deteriorated.
第3の発明は、固体電解質板と該固体電解質板に設けた一対の電極よりなる電気化学的セルと、外部から被測定ガスを導入するよう構成した被測定ガス室を備え、上記固体電解質板に対し上記被測定ガス室形成用のスペーサを積層して構成した積層型のガスセンサ素子において、
上記ガスセンサ素子は電気化学的セルを複数有し、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室より酸素をポンピングし、該被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセルであり、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室中の特定ガスを分解し、該分解により生じた酸素イオンを利用して被測定ガス室中の特定ガス濃度を測定するセンサセルであり、
上記被測定ガス室に対し、外部から被測定ガスを導入するよう構成したガス導入路を有し、
上記被測定ガス室は、上記電気化学的セルを配置するセル配置室と、該セル配置室間を接続し、上記セル配置室間を移動する被測定ガスを拡散律速させる拡散律速通路とよりなり、
酸素濃度20%における、上記センサセルの電極間に流れるセンサ限界電流値Is(但し、上記ポンプセルを作動させないで、センサセルのみ作動させた場合)と上記ポンプセルの上記セル配置室に露出する電極面積をSpとの間にIs/Sp≦0.06mA/mm2なる関係が成立することを特徴とするガスセンサ素子にある(請求項3)。
A third invention provides an electrochemical cell comprising a solid electrolyte plate, a pair of electrodes provided on the solid electrolyte plate, and a measured gas chamber configured to introduce a measured gas from the outside. In the gas sensor element of a stacked type configured by stacking spacers for forming the gas chamber to be measured,
The gas sensor element has a plurality of electrochemical cells,
At least one electrochemical cell is a pump cell that pumps oxygen from the measured gas chamber and adjusts the oxygen concentration in the measured gas chamber.
At least one electrochemical cell is a sensor cell that decomposes a specific gas in the gas chamber to be measured and measures a specific gas concentration in the gas chamber to be measured using oxygen ions generated by the decomposition.
For the measured gas chamber, has a gas introduction path configured to introduce a measured gas from outside,
The measured gas chamber includes a cell arrangement chamber in which the electrochemical cell is arranged, and a diffusion-controlled passage connecting the cell arrangement chambers and diffusion-controlling the measured gas moving between the cell arrangement chambers. ,
The sensor limit current value Is flowing between the electrodes of the sensor cell at an oxygen concentration of 20% (where only the sensor cell is operated without operating the pump cell) and the electrode area of the pump cell exposed in the cell arrangement chamber are Sp. And the following relationship is satisfied: Is / Sp ≦ 0.06 mA / mm 2 (Claim 3).
ポンプセルの電極面積を大とすれば、ポンプセルの酸素ポンピング能力が高くなる。Is/Sp≦0.06mA/mm2とすることで、ポンプセルを設けたセル配置室からセンサセルを設けたセル配置室へのガス拡散の拡散量と比べて、ポンプセルの酸素ポンピング能力が大きくなるため、センサセル近傍における酸素濃度をより薄く、センサセル近傍における酸素濃度の時間変動を小さくすることができる。
その結果、特定ガス濃度がゼロの際にセンサセルに流れるオフセット電流を小さくかつ時間変動し難くすることができ、ガスセンサ素子の特定ガス濃度に対する測定精度を高くすることができる。
Increasing the electrode area of the pump cell increases the oxygen pumping capability of the pump cell. By setting Is / Sp ≦ 0.06 mA / mm 2 , the oxygen pumping capacity of the pump cell becomes larger than the diffusion amount of gas diffusion from the cell arrangement chamber provided with the pump cell to the cell arrangement chamber provided with the sensor cell. In addition, the oxygen concentration in the vicinity of the sensor cell can be made thinner, and the time variation of the oxygen concentration in the vicinity of the sensor cell can be reduced.
As a result, the offset current flowing through the sensor cell when the specific gas concentration is zero can be made small and hardly fluctuate with time, and the measurement accuracy of the gas sensor element for the specific gas concentration can be increased.
仮に、Is/Spが0.06mA/mm2より大である場合は、オフセット電流が、センサセルを流れる特定ガスに由来する電流値に比べて無視できない程大きいため、ガスセンサ素子の特定ガスの濃度変化に対する分解能が低下するおそれがある。
特に、センサセルを流れるセンサ電流の変動によって特定ガス濃度を検出する際、センサ電流の変動に対しオフセット電流の変動が支配的となった場合は、測定精度が非常に悪化するおそれがある。
また、より好ましくはIs/Sp≦0.05以下とすることがよい。
If Is / Sp is larger than 0.06 mA / mm 2 , the offset current is so large that it cannot be ignored compared to the current value derived from the specific gas flowing through the sensor cell. Resolution may decrease.
In particular, when the specific gas concentration is detected by the fluctuation of the sensor current flowing through the sensor cell, if the fluctuation of the offset current becomes dominant with respect to the fluctuation of the sensor current, there is a possibility that the measurement accuracy may be significantly deteriorated.
It is more preferable that Is / Sp ≦ 0.05 or less.
以上、第1〜第3の発明によれば、特定ガスに対する測定精度の高いガスセンサ素子を提供することができる。 As described above, according to the first to third aspects, a gas sensor element having high measurement accuracy for a specific gas can be provided.
第1の発明(請求項1)において、(Sn/Ln)/(S0/L0)は、より好ましくは0.04以下とする。
これによりオフセット電流を更に小さくすることができ、上記ガスセンサ素子を自動車等の車両用エンジンの排気系に設置して用いた場合、エンジンの運転条件が変動しオフセット電流が変化した場合に、特定ガスの検出精度のばらつきを±1%以下とすることができる。
In the first invention (claim 1), (Sn / Ln) / (S0 / L0) is more preferably not more than 0.04.
As a result, the offset current can be further reduced, and when the gas sensor element is used in an exhaust system of a vehicle engine such as an automobile, when the operating condition of the engine fluctuates and the offset current changes, the specific gas can be reduced. Of the detection accuracy can be made ± 1% or less.
第1〜第3の発明のガスセンサ素子を自動車等の車両用エンジンの排気系において、排気ガス中の大気汚染物質浄化触媒に対し後置して取り付けることで(つまり浄化触媒に対しガスセンサ素子を排気ガス流れ下流側に設置することで)、触媒の劣化検知をより正確にモニタすることができる。浄化触媒が劣化すれば、大気汚染物質がより多く浄化触媒の下流側で検出され、第1〜第3の発明にかかるガスセンサ素子は大気汚染物質のひとつであるNOx濃度検出に利用することができるためである。
また、触媒が劣化したときにガスセンサ素子で検出して、リッチパージや再生処理を行うことで、浄化率を高い水準で維持することができる。
そして、検出精度の高い第1〜第3の発明にかかるガスセンサ素子を用いることで、上記浄化触媒の浄化率を高性能に保持することができる。
In the exhaust system of a vehicle engine such as an automobile, the gas sensor element according to the first to third aspects of the present invention is mounted after the air pollutant purification catalyst in the exhaust gas (that is, the gas sensor element is exhausted from the purification catalyst). By installing the catalyst downstream of the gas flow), the detection of catalyst deterioration can be monitored more accurately. If the purification catalyst deteriorates, more air pollutants are detected downstream of the purification catalyst, and the gas sensor elements according to the first to third inventions can be used for detecting the concentration of NOx, one of the air pollutants. That's why.
Further, when the catalyst is deteriorated, it is detected by the gas sensor element, and the purging rate can be maintained at a high level by performing the rich purge and the regeneration processing.
By using the gas sensor element according to the first to third inventions having high detection accuracy, the purification rate of the purification catalyst can be maintained at a high level.
また、(Sn/Ln)/(S0/L0)の値の下限は0.01とすることが好ましい。これより小さくなる場合、導入される被測定ガス量が非常に少なくなり、よってセンサセルを流れる酸素イオン電流量も小さくなる。よって、センサセルにおける酸素イオン電流を検出することが困難となって、測定精度が低下するおそれがある。 下限 The lower limit of the value of (Sn / Ln) / (S0 / L0) is preferably set to 0.01. If it is smaller than this, the amount of gas to be measured becomes very small, and accordingly, the amount of oxygen ion current flowing through the sensor cell also becomes small. Therefore, it becomes difficult to detect the oxygen ion current in the sensor cell, and the measurement accuracy may be reduced.
また、電気化学的セルとしては、上述したポンプセル、センサセルの他、被測定ガス室の酸素濃度を監視するモニタセルや、素子外部における酸素濃度を測定する酸素センサセル等がある。
また、第1〜第3の発明にかかるガスセンサ素子を、特にエンジンの排気系に設置するガスセンサに内蔵して使用する場合、上記電気化学的セルとして、酸素センサセルにおいて検出した酸素濃度からエンジン燃焼室の空燃比を検出する空燃比セルや理論空燃比を検出するλセル等がある。
Examples of the electrochemical cell include the above-described pump cell and sensor cell, a monitor cell for monitoring the oxygen concentration in the gas chamber to be measured, an oxygen sensor cell for measuring the oxygen concentration outside the element, and the like.
In the case where the gas sensor element according to the first to third aspects of the present invention is used by being built in a gas sensor particularly installed in an exhaust system of an engine, the electrochemical cell is used as the electrochemical cell based on the oxygen concentration detected in the oxygen sensor cell. There is an air-fuel ratio cell for detecting the air-fuel ratio, a λ cell for detecting the stoichiometric air-fuel ratio, and the like.
また、酸素センサセルとしては、被測定ガス室と基準ガス室にそれぞれ面する電極を備え、両電極によって生じる起電力から酸素濃度を測定する構成のセルと、被測定ガス室と基準ガス室にそれぞれ面する電極を備え、両電極に電圧を印加して発生する限界電流から酸素濃度を測定する構成のセルとがある。 The oxygen sensor cell includes electrodes facing the measured gas chamber and the reference gas chamber, and measures the oxygen concentration from the electromotive force generated by both electrodes. There is a cell that includes electrodes facing each other and measures the oxygen concentration from a limit current generated by applying a voltage to both electrodes.
第1〜第3の発明において、外部から被測定ガスを導入するガス導入路は、ピンホール等の貫通穴で構成することができる。または、上記ガス導入路は、入り口側を多孔質体で覆ったピンホール等の貫通穴で構成することができる(図1、図3参照)。
特に第1の発明において、後者の場合、上記ガス導入路の経路長L0は、ピンホール等の貫通穴と入り口側を覆う多孔質体とを合わせた最短距離である。上記ガス導入路の経路長に対する直交方向における断面積S0は、ピンホール等の貫通穴における断面積とする。
また、上記ガス導入路は、ピンホール等の貫通穴の内部に多孔質体を充填した構成とすることもできる。内部の一部のみに充填してもよいし、内部全体を充填することもできる。
In the first to third inventions, the gas introduction path for introducing the gas to be measured from the outside can be constituted by a through hole such as a pinhole. Alternatively, the gas introduction path can be constituted by a through hole such as a pinhole whose entrance side is covered with a porous body (see FIGS. 1 and 3).
Particularly in the first invention, in the latter case, the path length L0 of the gas introduction path is the shortest distance of the through hole such as a pinhole and the porous body covering the entrance side. The cross-sectional area S0 in the direction orthogonal to the path length of the gas introduction path is a cross-sectional area in a through hole such as a pinhole.
Further, the gas introduction path may be configured such that a porous body is filled in a through hole such as a pinhole. Only a part of the inside may be filled, or the entire inside may be filled.
第1〜第3の発明において、被測定ガス室は、上述したようにセル配置室と拡散律速通路とよりなる。
被測定ガス室を、セル配置室とセル配置室との間に拡散律速通路を備える構成とすることができる。他に、一部のセル配置室とセル配置室とが直接隣接して接続し、間に拡散律速通路を設けない構成とすることもできる。
上記拡散律速通路をセル配置室よりも幅狭の絞り部より構成することもあるが、セル配置室と同程度の幅を持つように構成することもできる(後述する図6参照)。
In the first to third inventions, the gas chamber to be measured includes the cell arrangement chamber and the diffusion-controlled passage as described above.
The gas chamber to be measured may be provided with a diffusion-controlled passage between the cell arrangement chambers. Alternatively, a configuration may be adopted in which some of the cell arrangement chambers are directly adjacently connected to each other, and no diffusion-controlling passage is provided therebetween.
The diffusion-controlling passage may be constituted by a narrowed portion narrower than the cell arrangement chamber, but may be constituted so as to have the same width as the cell arrangement chamber (see FIG. 6 described later).
ガス導入路の経路長はL0、上記ガス導入路の経路長に対する直交方向における断面積はS0である。
ガス導入路を複数備えた構成の場合、上記経路長L0は複数のガス導入路の中で最も短いものを採用する。また、断面積S0は複数のガス導入路の総断面積を採用する。
また、ガス導入路の経路長L0は、ガス導入路のガスの入口側(ガスセンサ素子の外側に面し、被測定ガスが入る場所)における中心と出口側(被測定ガス室に面し、被測定ガスが被測定ガス室に入る場所)における中心とを結ぶ線分で、被測定ガスがガス導入路を通過する際の最短長である。この経路長に直交する面での断面積が上記S0となる。
The path length of the gas introduction path is L0, and the cross-sectional area in the direction orthogonal to the path length of the gas introduction path is S0.
In the case of a configuration having a plurality of gas introduction paths, the path length L0 employs the shortest of the plurality of gas introduction paths. Also, the cross-sectional area S0 employs the total cross-sectional area of a plurality of gas introduction paths.
The path length L0 of the gas introduction path is determined by the center and the exit side (facing the measured gas chamber) of the gas introduction path on the gas inlet side (facing the outside of the gas sensor element and entering the gas to be measured). This is a line segment connecting the center of the measurement gas (where the measurement gas enters the measurement gas chamber) and the shortest length when the measurement gas passes through the gas introduction path. The cross-sectional area on a plane orthogonal to the path length is S0.
最も単純な被測定ガス室の構成は、後述する実施例1に示すような、2つのセル配置室と両者の間に設けた拡散律速通路からなる構成である。また、セル配置室が3つあり、仮にこれをA、B、Cとすると、AとBにかかるセル配置室の間は拡散律速通路がなく、BとCにかかるセル配置室の間は拡散律速通路がある構成もある。
また、拡散律速通路を複数持つ場合もある。例えば、セル配置室が3つあり、それぞれのセル配置室の間が拡散律速通路で結ばれた構成である。
このように拡散律速通路が複数ある場合のSn/Lnは、各拡散律速通路においてSn/Lnの値を計算した結果、最も小さい値を持つSn/Lnを第1の発明の式において採用する。
The simplest configuration of the gas chamber to be measured is a configuration including two cell disposition chambers and a diffusion-controlling passage provided between the two cell disposition chambers, as described in Example 1 described later. Further, if there are three cell arrangement chambers, which are assumed to be A, B, and C, there is no diffusion-controlling path between the cell arrangement chambers for A and B, and there is no diffusion control between the cell arrangement chambers for B and C. Some configurations have a rate-limiting passage.
Further, there may be a case where a plurality of diffusion control paths are provided. For example, there are three cell arrangement chambers, and the respective cell arrangement chambers are connected by a diffusion-controlled passage.
As for Sn / Ln in the case where there are a plurality of diffusion control paths, Sn / Ln having the smallest value as a result of calculating the value of Sn / Ln in each diffusion control path is adopted in the equation of the first invention.
また、第1〜第3の発明にかかるガスセンサ素子は、電気化学的セルを形成する固体電解質板、被測定ガス室を形成するスペーサの他、基準ガス室用のスペーサのほか、ガスセンサ素子を所定の活性化温度に加熱するための板状のセラミックヒータ等を積層して構成することができる。
また、第1〜第3の発明にかかるガスセンサ素子における特定ガスとは、NOxやCO、HC等のガスである。
The gas sensor element according to the first to third aspects of the present invention includes a solid electrolyte plate forming an electrochemical cell, a spacer forming a gas chamber to be measured, a spacer for a reference gas chamber, and a gas sensor element having a predetermined shape. And a plate-shaped ceramic heater or the like for heating to the activation temperature.
Further, the specific gas in the gas sensor element according to the first to third inventions is a gas such as NOx, CO, and HC.
また、第2、第3の発明において、ポンプセルとは、酸素をポンピングする能力を備えた電気化学的セルのことで、被測定ガス室内の酸素濃度を検出する電気化学的セルを本発明におけるポンプセルに含めることがある。これは酸素濃度検出の際にイオン化した酸素が電極間を流れるため、酸素ポンピング能力を発揮することがあるためである。その他の機能を有する電気化学的セルも同様に酸素ポンピング能力を発揮することがあり、この場合も本発明におけるポンプセルに含めることがある。 In the second and third inventions, the pump cell is an electrochemical cell having the ability to pump oxygen, and the electrochemical cell for detecting the oxygen concentration in the measured gas chamber is a pump cell according to the present invention. May be included. This is because oxygen ionized at the time of detecting the oxygen concentration flows between the electrodes, and may exhibit oxygen pumping ability. Electrochemical cells having other functions may also exhibit oxygen pumping capability, and may be included in the pump cell of the present invention.
また、ガスセンサ素子長手方向に直交する幅方向の拡散律速通路の幅Wnは0.8mm以下であることが好ましい(請求項4)。
これによりオフセット電流を小さくできる。仮に0.8mmより幅太の場合は、オフセット電流が大きくなるおそれがある。
Further, the width Wn of the diffusion-controlling passage in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of the gas sensor element is preferably 0.8 mm or less (claim 4).
Thereby, the offset current can be reduced. If the width is larger than 0.8 mm, the offset current may increase.
また、幅Wnは0.4mm以下とすることがより好ましい。
これによりオフセット電流を更に小さくすることができ、第1の発明にかかるガスセンサ素子を上述のように自動車エンジンの排気系に設置して用いた場合にエンジンの運転条件が変動する等してオフセット電流が変化した場合でも、特定ガスの検出精度のばらつきを±1%以下とすることができる。
また、幅Wnの下限は0.1mmとすることができる。これより小さくなる場合は製造が困難となるおそれがある。また、ガスセンサ素子の応答性が低下するおそれがある。なお、拡散律速通路が複数ある場合、全ての拡散律速通路について上述の要件が成立することが好ましい。
More preferably, the width Wn is 0.4 mm or less.
This makes it possible to further reduce the offset current, and when the gas sensor element according to the first invention is installed and used in the exhaust system of an automobile engine as described above, the operating conditions of the engine fluctuate, and so on. Can be reduced to ± 1% or less in the detection accuracy of the specific gas.
The lower limit of the width Wn can be set to 0.1 mm. If it is smaller than this, manufacturing may be difficult. Further, the response of the gas sensor element may be reduced. When there are a plurality of diffusion-controlled paths, it is preferable that the above-mentioned requirements are satisfied for all the diffusion-controlled paths.
また、上記拡散律速通路の経路長Lnは0.4mm以上であることが好ましい(請求項5)。
これによりオフセット電流を小さくすることができる。
仮に0.4mmより短い場合はオフセット電流が大きくなってガスセンサ素子の測定精度が悪化するおそれがある。
また、経路長Lnは0.6mm以上とすることがより好ましい。
Further, it is preferable that the path length Ln of the diffusion control path is 0.4 mm or more.
Thus, the offset current can be reduced.
If the length is shorter than 0.4 mm, the offset current may increase and the measurement accuracy of the gas sensor element may deteriorate.
Further, the path length Ln is more preferably set to 0.6 mm or more.
また、経路長Lnの上限は3mmとすることが好ましい。これより長くなる場合、被測定ガスが導入路より入って各セル配置室に達するに要する時間がより長くなり、ガスセンサ素子の応答性が低下するおそれがある。
なお、拡散律速通路が複数ある場合、その全てについて上述の要件が成立することが好ましい。
The upper limit of the path length Ln is preferably set to 3 mm. If the length is longer than this, the time required for the gas to be measured to enter from the introduction path and reach each cell arrangement chamber becomes longer, and the response of the gas sensor element may be reduced.
When there are a plurality of diffusion-controlled paths, it is preferable that the above-mentioned requirements be satisfied for all of them.
また、最もガス導入路に近いセル配置室に上記ポンプセルを、最もガス導入路より遠いセル配置室に上記センサセルを配置し、
上記センサセルを配置したセル配置室の体積をv、上記セル配置室の総体積をVとすると、v/V≦0.5であることが好ましい(請求項6)。
ポンプセルによる酸素濃度調整を行った後の被測定ガスをセンサセルに与えてやる必要があるため、センサセルを被測定ガス流れのより下流側に設ける必要がある。その上で、v/V≦0.5とすることで、オフセット電流を小さくし精度の向上を図って良好な応答性を得ることができる。仮に0.5より大きくなった場合はオフセット電流が大きくなるおそれがある。
In addition, the pump cell is arranged in a cell arrangement chamber closest to the gas introduction path, and the sensor cell is arranged in a cell arrangement chamber farthest from the gas introduction path,
Assuming that the volume of the cell arrangement chamber in which the sensor cells are arranged is v and the total volume of the cell arrangement chamber is V, v / V ≦ 0.5 is preferred (claim 6).
Since the gas to be measured after the adjustment of the oxygen concentration by the pump cell needs to be supplied to the sensor cell, it is necessary to provide the sensor cell downstream of the flow of the gas to be measured. In addition, by setting v / V ≦ 0.5, it is possible to reduce the offset current, improve the accuracy, and obtain good responsiveness. If it becomes larger than 0.5, the offset current may increase.
また、v/Vは0.25以下とすることがより好ましい。
これにより、第1の発明にかかるガスセンサ素子を上述のように自動車エンジンの排気系に設置して用いた場合にエンジンの運転条件が変動する等してオフセット電流が変化した場合でも、特定ガスの検出精度のばらつきを±1%以下とすることができる。
また、v/Vの下限は0.1とすることが好ましい。これにより小さくなる場合は、出力感度が低下するおそれがある。
Further, v / V is more preferably set to 0.25 or less.
Thus, when the gas sensor element according to the first invention is installed and used in the exhaust system of an automobile engine as described above, even when the offset current changes due to a change in the operating conditions of the engine, etc. Variation in detection accuracy can be made ± 1% or less.
The lower limit of v / V is preferably set to 0.1. If this is the case, the output sensitivity may be reduced.
また、上記ガスセンサ素子の積層方向に沿った上記セル配置室の厚みtは0.16mm以下であることが好ましい(請求項7)。
これにより、オフセット電流を小さくすることができる。仮に0.16mmより厚い場合は、オフセット電流が大きくなるおそれがある。
Further, it is preferable that the thickness t of the cell arrangement chamber along the stacking direction of the gas sensor elements is 0.16 mm or less.
Thereby, the offset current can be reduced. If it is thicker than 0.16 mm, the offset current may increase.
また、セル配置室の厚みtは0.1mm以下とすることがより好ましい。更に好ましくは0.05mm以下とする。
これにより、第1の発明にかかるガスセンサ素子を上述のように自動車エンジンの排気系に設置して用いた場合にエンジンの運転条件が変動する等してオフセット電流が変化した場合でも、特定ガスの検出精度のばらつきを±1%以下とすることができる。
また、セル配置室の厚みtの下限は0.01mmとすることが好ましい。これより厚みtが薄くなる場合、出力電流が小さくなるおそれがある。また、応答性が低下するおそれがある。
なお、複数のセル配置室があったり、一つのセル配置室の中で厚みtがそれぞれ異なる場合は、最小の厚みについて上述の要件が成立する。
Further, it is more preferable that the thickness t of the cell arrangement chamber is 0.1 mm or less. More preferably, it is 0.05 mm or less.
Thus, when the gas sensor element according to the first invention is installed and used in the exhaust system of an automobile engine as described above, even when the offset current changes due to a change in the operating conditions of the engine, etc. Variation in detection accuracy can be made ± 1% or less.
The lower limit of the thickness t of the cell arrangement chamber is preferably set to 0.01 mm. If the thickness t is smaller than this, the output current may be smaller. In addition, responsiveness may be reduced.
In addition, when there are a plurality of cell arrangement chambers or when the thickness t is different in one cell arrangement chamber, the above-mentioned requirement is satisfied for the minimum thickness.
また、上記セル配置室の総体積は4.1mm3以下であることが好ましい(請求項8)。
これにより、オフセット電流を小さくすることができる。
仮に4.1mm3より総体積が大きい場合は、オフセット電流が大きくなるおそれがある。
Further, it is preferable that the total volume of the cell arrangement chamber is 4.1 mm 3 or less (claim 8).
Thereby, the offset current can be reduced.
If the total volume is larger than 4.1 mm 3 , the offset current may increase.
また、セル配置室の総体積は3.6mm3以下とすることがより好ましい。
これにより、第1の発明にかかるガスセンサ素子を上述のように自動車エンジンの排気系に設置して用いた場合にエンジンの運転条件が変動する等してオフセット電流が変化した場合でも、特定ガスの検出精度のばらつきを±1%以下とすることができる。またセル配置室の総体積が0.1mm3となった場合は出力電流が小さくなりすぎるため、これを下限とすることが好ましい。
Further, the total volume of the cell arrangement chamber is more preferably not more than 3.6 mm 3 .
Thus, when the gas sensor element according to the first invention is installed and used in the exhaust system of an automobile engine as described above, even when the offset current changes due to a change in the operating conditions of the engine, etc. Variation in detection accuracy can be made ± 1% or less. When the total volume of the cell arrangement chamber is 0.1 mm 3 , the output current is too small.
また、上記ガス導入路、セル配置室及び拡散律速通路のいずれか一部には多孔質体を配置してなることが好ましい(請求項9)。
これにより、オフセット電流を小さくすることができる。
また、上記多孔質体の気孔率は10〜50%であることが好ましい(請求項10)
これによりオフセット電流を小さくすることができると共にガスセンサ素子の応答性能を適切な状態とすることができる。
10%未満である場合は、被測定ガスの拡散が阻害され、ガスセンサ素子の応答性能低下が発生するおそれがある。また、50%より大である場合はオフセット電流の低減効果が小さくなるおそれがある。
また、上記多孔質材料はアルミナ及び/またはジルコニア含有材料であることが好ましい。
In addition, it is preferable that a porous body is disposed in any part of the gas introduction path, the cell arrangement chamber, and the diffusion control path (claim 9).
Thereby, the offset current can be reduced.
The porosity of the porous body is preferably 10 to 50%.
Thereby, the offset current can be reduced, and the response performance of the gas sensor element can be set to an appropriate state.
If it is less than 10%, the diffusion of the gas to be measured is hindered, and the response performance of the gas sensor element may be reduced. If it is more than 50%, the effect of reducing the offset current may be reduced.
Further, the porous material is preferably an alumina and / or zirconia-containing material.
また、上記ポンプセルの上記セル配置室に露出する電極は、上記ガスセンサ素子の使用時に表面温度が800℃以上となる領域を有することが好ましい(請求項11)。
電極の温度が高いほうが、ポンプセルのポンピング能力が高くなるため、ガスセンサ素子の耐熱限界を超えない程度に高温であるほうが、オフセット電流を減らすためには望ましい。
Further, it is preferable that the electrode exposed in the cell arrangement chamber of the pump cell has a region where the surface temperature becomes 800 ° C. or more when the gas sensor element is used (claim 11).
The higher the temperature of the electrode, the higher the pumping ability of the pump cell. Therefore, the higher the temperature, which does not exceed the heat resistance limit of the gas sensor element, is preferable to reduce the offset current.
(実施例1)
第1の発明にかかるガスセンサ素子1は、図1〜図3に示すごとく、固体電解質板11に設けた一対の電極31と32、41と42、51と52及び固体電解質板13に設けた一対の電極21と22よりなる電気化学的セルと、外部から被測定ガスを導入するよう構成した被測定ガス室を備え、上記固体電解質板11、13に対し上記被測定ガス室形成用のスペーサ12を積層して構成した積層型のガスセンサ素子1である。
(Example 1)
As shown in FIGS. 1 to 3, the gas sensor element 1 according to the first invention has a pair of
上記ガスセンサ素子1は電気化学的セルを複数有する。
1つの電気化学的セルは被測定ガス室より酸素をポンピングし、該被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセル2である。
また1つの電気化学的セルは被測定ガス室中のNOxを分解し、該分解により生じた酸素イオンを利用して被測定ガス室中のNOx濃度を測定するセンサセル4である。
その他、電気化学的セルとしてモニタセル3、λセル5を有する。
The gas sensor element 1 has a plurality of electrochemical cells.
One electrochemical cell is a
One electrochemical cell is a
In addition, it has a
また、上記被測定ガス室に対し、外部から被測定ガスを導入するよう構成したガス導入路10を有し、上記被測定ガス室は、上記電気化学的セル2、3、4を配置する第1及び第2セル配置室121、122と、該セル配置室121、122間を接続し、上記セル配置室121、122間を移動する被測定ガスを拡散律速させる拡散律速通路103とよりなる。
Further, a
図3に示すごとく、上記ガス導入路10の経路長をL0、上記ガス導入路10の経路長に対する直交方向における断面積をS0、上記拡散律速通路103の経路長をLn、上記拡散律速通路103の経路長に対する直交方向における断面積をSnとすると、(Sn/Ln)/(S0/L0)≦0.4である。
As shown in FIG. 3, the path length of the
以下、詳細に説明する。
本例のガスセンサ素子1は、自動車エンジンの排気系に設置してエンジンの燃焼制御に利用するガスセンサに内蔵して用いる。そして、排気ガス中のNOx濃度を測定し、また酸素濃度を測定し、またエンジンにおけるλ点(理論空燃比点)を検出する。
The details will be described below.
The gas sensor element 1 of this embodiment is installed in an exhaust system of an automobile engine and is used by being incorporated in a gas sensor used for controlling combustion of the engine. Then, the NOx concentration in the exhaust gas is measured, the oxygen concentration is measured, and the λ point (the stoichiometric air-fuel ratio point) in the engine is detected.
ガスセンサ素子1は、第1及び第2セル配置室121、122と第1及び第2基準ガス室140、160を備え、第1セル配置室121に対して酸素をポンピングするポンプセル2、第2セル配置室122の酸素濃度を監視するモニタセル3、第2セル配置室122のNOx濃度を検知するセンサセル4、ガスセンサ素子1外部の被測定ガス中の酸素濃度に基づいてエンジンのλ点を検出するλセル5を有する。
The gas sensor element 1 includes first and second
図1に示すごとく、本例は、図面下方から順にヒータ部6、第1基準ガス室140用スペーサ14、ポンプセル用固体電解板13、第1及び第2セル配置室121、122及び拡散律速通路103からなる被測定ガス室の形成用スペーサ12、固体電解質板11、第2基準ガス室160形成用スペーサ16及び多孔質体17を順に積層して構成したガスセンサ素子1である。
第1及び第2セル配置室121、122にはガス導入路10を通じて外部から排気ガスを導入し、第1及び第2基準ガス室140、160には大気を導入する。
As shown in FIG. 1, in this example, the
Exhaust gas is introduced into the first and second
第1セル配置室121はガス導入路10と直接連通し、ポンプセル2を配置する場所となる。第2セル配置室122は、第1セル配置室121と拡散抵抗通路103を通じて連通し、モニタセル3とセンサセル4とを配置する場所となる。なお、図2に示すごとく、モニタセル3とセンサセル4とは、ガスセンサ素子1の幅方向に並べて配置する。
The first
固体電解質板11、ポンプセル用固体電解質板13、スペーサ12との間に第1及び第2セル配置室121、122が形成される。
また、本例のガスセンサ素子1は、上記固体電解質板11のガス導入路10を覆う多孔質体17を有し、該多孔質体17と隣接して、第2基準ガス室160を形成するスペーサ16を配置する。
また、ポンプセル用固体電解質板13、スペーサ14、ヒータ部6との間に第1基準ガス室140がスペーサ14により形成される。
First and second
Further, the gas sensor element 1 of the present example has a
Further, a first
上記ヒータ部6は、ヒータ基板15と該ヒータ基板15上に設けた発熱体61を有する。そして、上記固体電解質板11、ポンプセル用固体電解質板13はジルコニアセラミック、ヒータ基板15、スペーサ14、12、16、多孔質体17は絶縁性のアルミナセラミックよりなる。
The
図1、図2に示すごとく、上記ポンプセル2はポンプセル用固体電解質板13に設けた第1セル配置室121と面する第1ポンプ電極21、第1基準ガス室140と面する第2ポンプ電極22とよりなる。両電極21、22は可変電源251及び電流計252を備えたポンプ回路25に接続される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
上記モニタセル3は固体電解質板11に設けた第2セル配置室122とする被測定ガス側電極32、第2基準ガス室160と面する基準電極31とよりなる。両電極31、32は電源351及び電流計352を備えたモニタ回路35に接続される。
そして、モニタセル3でポンプセル2の動作を制御するため、電流計352から電源251に向かうフィードバック回路255を設ける。
なお、フィードバック回路255は図1と図2において分断して記載したが、両図面に記したzの位置が分断箇所である。
The
In order to control the operation of the
Although the
上記センサセル4は固体電解質板11に設けた第2セル配置室122と面する被測定ガス側電極42、第2基準ガス室160と面する基準電極41とよりなる。両電極41、42は電源451及び電流計452を備えたセンサ回路45に接続する。
The
図1に示すごとく、上記λセル5は固体電解質板11と多孔質体17との間に設け、多孔質体17を通じて素子外部の被測定ガスに接する被測定ガス側電極52、第2基準ガス室160と面する基準電極51とよりなる。両電極51、52は電圧計552を備えたλセル回路55に接続する。
また、ヒータ部6にかかる発熱体61は、図示を略したヒータリードや端子を通じて電源651を備えたヒータ回路65に接続する。
モニタセル3、センサセル4、λセル5の基準電極31、41、51は、図1、図2に示すごとく一体に形成された共通電極よりなる。
As shown in FIG. 1, the
The
The
また、図1、図3(a)に示すごとく、本例のガス導入路10は、入り口側を多孔質体101で覆ったピンホール102からなる。そのため、上記ガス導入路10の経路長L0は、ピンホール102と入り口側を覆う多孔質体101とを合わせた最短距離である。上記ガス導入路10の経路長L0に対する直交方向における断面積S0は、ピンホール102における断面積から決定する。
そして、図3(a)、(b)に示すごとく、本例にかかるガスセンサ素子1のガス導入路10の経路長L0が0.28mm、ガス導入路10の断面積S0が0.13mm2、拡散律速通路103経路長Lnが1.6mm、拡散律速通路103の断面積Snが0.04mm2である。従って、(Sn/Ln)/(S0/L0)は0.05となり、0.4以下である。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3A, the
Then, as shown in FIGS. 3A and 3B, the path length L0 of the
ガスセンサ素子1の長手方向に直交する幅方向の拡散律速通路の幅Wnは0.32mmであり0.8mm以下である。
センサセル4を配置した第2セル配置室122の体積vは0.94mm3、ガス導入路10が直接連通する第1セル配置室121の体積は1.54mm3、総体積Vは2.48mm3であり、v/V=0.38で0.5以下となる。
The width Wn of the diffusion-controlling passage in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of the gas sensor element 1 is 0.32 mm, which is 0.8 mm or less.
The volume v of the second
また、ガスセンサ素子1の積層方向に沿った第1及び第2セル配置室121、122の厚みtは、固体電解質板13に設けた電極21の表面と該電極21と対向する固体電解質板11との距離、または固体電解質板13の表面と対向する固体電解質板11に設けた電極32または42との距離のいずれか値の小さいほうである。
本例にかかるガスセンサ素子1では、図3(a)に示すtがセル配置室の厚みとなり、0.12mmで0.16mm以下である。
また、本例のガスセンサ素子1において、第1と第2のセル配置室121、122の総体積は2.48mm3で、4.1mm3以下である。
In addition, the thickness t of the first and second
In the gas sensor element 1 according to this example, t shown in FIG. 3A is the thickness of the cell arrangement chamber, and is 0.12 mm or less and 0.16 mm or less.
Further, in the gas sensor element 1 of this embodiment, the total volume of the first and second
また、図3(b)に示すごとく、スペーサ12において、ガスセンサ素子1の側面191、192と第1セル配置室121の内側面195、196との最小距離K1、ガスセンサ素子1の側面191、192と第2セル配置室122の内側面193、194との最小距離K2は同図に記載した通りであり、この距離K1、K2はいずれも0.5mm以上とすることが好ましい。これにより、第1や第2セル配置室121、122からガスセンサ素子1側面において被測定ガスの漏れが発生しがたくなる。また、より好ましくは、距離K1、K2を0.8mm以上とする。
Further, as shown in FIG. 3B, in the
また、本例のガスセンサ素子1の製造方法について説明する。
ヒータ基板15、スペーサ14、固体電解質板13、固体電解質板11、多孔質体17のグリーンシートをそれぞれ作成する。
ヒータ基板15に発熱体等となる印刷部を導電性材料を含んだペーストを印刷して形成する。また、固体電解質板13には各電極となる印刷部を電極材料を含んだペーストを印刷して形成すると共にスペーサ12となる部分を、セラミック材料を含んだペーストを用いて印刷形成する。
また、固体電解質板11にも各電極となる印刷部をペーストにより形成すると共にスペーサ16となる部分を、セラミック材料を含んだペーストを用いて印刷形成する。
その後、各グリーンシートを積層、圧着して一体化し、焼成する。
Further, a method for manufacturing the gas sensor element 1 of the present example will be described.
Green sheets of the
A printed portion serving as a heating element or the like is formed on the
In addition, a printed portion serving as each electrode is also formed on the
Thereafter, the green sheets are laminated, pressed and integrated, and fired.
本例の作用効果について説明する。
本例のガスセンサ素子1は、ガス導入路10の経路長L0、ガス導入路10の断面積S0、拡散律速通路103の経路長Ln、拡散律速通路103の断面積Snとの間に(Sn/Ln)/(S0/L0)≦0.4という関係が成立する。
そのため、ガス導入路10から拡散した被測定ガス中の酸素がNOxを検出するセンサセル4を設けた第2セル配置室122に拡散する前に、ポンプセル2で酸素を被測定ガス室から除去することができる。よって、被測定ガス室内における酸素濃度をより薄く、酸素濃度の時間変動を非常に小さくすることができる。
その結果、NOx濃度がゼロの際にセンサセル4に流れるオフセット電流が小さくかつ時間変動し難くなり(実施例2参照)、ガスセンサ素子1のNOxに対する測定精度を高くすることができる。
The operation and effect of this example will be described.
The gas sensor element 1 of the present example has a value (Sn / Sn) between the path length L0 of the
Therefore, before the oxygen in the gas to be measured diffused from the
As a result, when the NOx concentration is zero, the offset current flowing through the
以上、本例によれば、特定ガスに対する測定精度の高いガスセンサ素子を提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a gas sensor element having high measurement accuracy for a specific gas.
(実施例2)
本例は、実施例1にかかるガスセンサ素子1の性能について評価した。
(Sn/Ln)/(S0/L0)が異なるガスセンサ素子を何本か準備し、これらのガスセンサ素子について、被測定ガス中のNO濃度がゼロである際にセンサセルに流れる電流(オフセット電流)を測定した。ガスセンサ素子の構成は実施例1に示したものと同形状であり、オフセット電流は図2の電流計452によって測定できる。
(Example 2)
In this example, the performance of the gas sensor element 1 according to Example 1 was evaluated.
Several gas sensor elements having different (Sn / Ln) / (S0 / L0) are prepared, and the current (offset current) flowing through the sensor cell when the NO concentration in the gas to be measured is zero is prepared for these gas sensor elements. It was measured. The configuration of the gas sensor element is the same as that shown in the first embodiment, and the offset current can be measured by the
また、(Sn/Ln)/(S0/L0)が異なるガスセンサ素子を何本か準備し、これらのガスセンサ素子を、NO濃度を300ppmから100ppmへと切り替えた被測定ガス中にさらして、センサセルに流れる電流を図2の電流計452によって測定した。
NO濃度を切り替えた時刻をT0、時刻T0より以前の、NO濃度300ppmに対応した電流計452の値をI0、時刻T0以降、電流計452の値が0.6I0(60%低下した値)となった時刻をT1として、T1−T0の値を測定した。このT1−T0の値が小さければ小さい程、ガスセンサ素子は応答性に優れている。
そして、オフセット電流を左縦軸に、T1−T0の値を応答性として単位をmsで右縦軸に、(Sn/Ln)/(S0/L0)を横軸に採用した線図に測定結果を記載して、これを図4とした。
Further, several gas sensor elements having different (Sn / Ln) / (S0 / L0) are prepared, and these gas sensor elements are exposed to a gas to be measured in which the NO concentration is switched from 300 ppm to 100 ppm, and the gas sensor elements are exposed to the sensor cells. The flowing current was measured by the
The time at which the NO concentration was switched is T0, the value of the
Then, the measurement results are shown in a diagram in which the offset current is plotted on the left vertical axis, the value of T1−T0 is the response, the unit is ms, and the right vertical axis is (Sn / Ln) / (S0 / L0) on the horizontal axis. And this is shown in FIG.
同図に示すように、(Sn/Ln)/(S0/L0)が0.4より大となると、オフセット電流が0.1μAを越えることが分かった。また、(Sn/Ln)/(S0/L0)の増加に応じてオフセット電流が増大することが分かった。
この時、オフセット電流が0.1μAを越えたものでは、以下、図5に示したように、酸素濃度を変化させた時の精度が10%を越えてしまう結果になる。
また、(Sn/Ln)/(S0/L0)が0.2以上となると、応答性は2000msより小さくなり、それ以降は(Sn/Ln)/(S0/L0)が増加しても、応答性は殆ど変化しないことが分かった。
従って、同図より(Sn/Ln)/(S0/L0)を0.4以下と設定することで測定精度が高く、応答性に優れたガスセンサ素子が得られることが分かった。
As shown in the figure, it was found that when (Sn / Ln) / (S0 / L0) was larger than 0.4, the offset current exceeded 0.1 μA. In addition, it was found that the offset current increases as (Sn / Ln) / (S0 / L0) increases.
At this time, when the offset current exceeds 0.1 μA, the accuracy when the oxygen concentration is changed exceeds 10% as shown in FIG.
When (Sn / Ln) / (S0 / L0) is 0.2 or more, the response becomes smaller than 2000 ms, and after that, even if (Sn / Ln) / (S0 / L0) increases, the response becomes smaller. Gender was found to hardly change.
Therefore, it can be seen from FIG. 3 that by setting (Sn / Ln) / (S0 / L0) to 0.4 or less, a gas sensor element having high measurement accuracy and excellent responsiveness can be obtained.
また、実施例1にかかるガスセンサ素子で、(Sn/Ln)/(S0/L0)が異なるものを何本か準備し、被測定ガス中のNO濃度は一定で0ppm、酸素濃度を0から20%へシフトさせた際にセンサセルに流れる電流を、図2の電流計452で測定した。
酸素濃度0%での電流値に対し、酸素濃度を20%にシフトさせた際の電流値から、電流値の変化率を求めた。
また、酸素濃度0%で、NO濃度を100ppmにした時の電流地から、同酸素濃度でNO濃度0ppmにおける電流値を差し引いたものをNO感度として、NO感度に対する上記変化量の比率を変化率として求めた。
理想的には電流計452の値は変化せず、よって変化率は0となるはずである。しかし、実際には、酸素が分解して発生した酸素イオン電流からの寄与分もあり、変化率は0とならない。
そして、この変化率を精度として縦軸に採用し、横軸を(Sn/Ln)/(S0/L0)とした線図を図5に記載した。
In addition, several gas sensor elements according to the first embodiment having different (Sn / Ln) / (S0 / L0) were prepared, the NO concentration in the gas to be measured was constant at 0 ppm, and the oxygen concentration was 0 to 20. %, The current flowing through the sensor cell was measured by the
The change rate of the current value was determined from the current value when the oxygen concentration was shifted to 20% with respect to the current value at the oxygen concentration of 0%.
Further, a value obtained by subtracting the current value at the same oxygen concentration and the NO concentration of 0 ppm from the current position when the oxygen concentration is 0% and the NO concentration is set to 100 ppm is defined as the NO sensitivity. Asked.
Ideally, the value of the
FIG. 5 shows a diagram in which this change rate is adopted as accuracy as the ordinate and the abscissa is (Sn / Ln) / (S0 / L0).
同図に示すように、(Sn/Ln)/(S0/L0)が0.4を越えると、酸素濃度の変化と共にセンサ電流が大きく増大して精度が10%を越えてしまった。
つまり、(Sn/Ln)/(S0/L0)≦0.4とすることで、酸素濃度に依存し難いセンサ電流を得て、測定精度に優れたガスセンサ素子が得られることが分かった。
ガスセンサ素子の精度が10%を越えてしまうと、触媒劣化の誤検出を起こしてしまう場合があり、また触媒の高浄化率を維持するための再生処理の頻度が過剰となり、逆に燃費が悪化してしまう。
一方、応答性に関しては2秒を越えてしまうと、車両走行中の排ガス濃度変動に追随できず、リアルタイム測定が困難となる。
As shown in the figure, when (Sn / Ln) / (S0 / L0) exceeds 0.4, the sensor current greatly increases with the change in oxygen concentration, and the accuracy exceeds 10%.
That is, it was found that by setting (Sn / Ln) / (S0 / L0) ≦ 0.4, a sensor current that hardly depends on the oxygen concentration was obtained, and a gas sensor element with excellent measurement accuracy was obtained.
If the accuracy of the gas sensor element exceeds 10%, erroneous detection of catalyst deterioration may occur, and the frequency of regeneration processing for maintaining a high purification rate of the catalyst becomes excessive, and consequently fuel efficiency deteriorates. Resulting in.
On the other hand, if the response exceeds 2 seconds, it is impossible to follow the fluctuation in exhaust gas concentration during running of the vehicle, and real-time measurement becomes difficult.
(実施例3)
本例は、図6に示すごとき被測定ガス室7を備えたガスセンサ素子1について説明する。
図6(a)に示すごとく、本例のガスセンサ素子1は、固体電解質板11、ポンプセル用固体電解質板13、スペーサ12との間に被測定ガス室7が形成される。また、上記固体電解質板11のガス導入路10を覆う多孔質体17を有し、該多孔質体17と隣接して、第2基準ガス室160を形成するスペーサ16を配置する。
また、ポンプセル用固体電解質板13、スペーサ14、ヒータ部6との間に第1基準ガス室140がスペーサ14により形成される。
(Example 3)
In this example, a gas sensor element 1 including a
As shown in FIG. 6A, in the gas sensor element 1 of the present example, a
Further, a first
本例の被測定ガス室7は、第1、第2及び第3セル配置室71、72、74と第2セル配置室72と第3セル配置室74との間にある拡散抵抗通路73とよりなる。
ポンプセル2は固体電解質板13に設けた一対の電極21、22よりなり、両電極21、22は共に第1〜第3のセル配置室71〜74にまたがるように形成する。モニタセル3は第2セル配置室72に、センサセル4は第3セル配置室74に配置する。
また、拡散抵抗通路73と第1〜第3のセル配置室71〜74は全て同じ幅である。
The
The
The
本例にかかるガスセンサ素子1において、ガス導入路10の経路長L0=0.28mm、ガス導入路10の断面積S0=0.126mm2である。拡散律速通路73の経路長Ln=1.6mm、拡散律速通路73の断面積Sn=0.038mm2である。従って、(Sn/Ln)/(S0/L0)=0.05であり、0.4以下となる。その他詳細は実施例1と同様である。また、本例にかかるガスセンサ素子1も、実施例1と同様の作用効果を有する。
In the gas sensor element 1 according to this example, the path length L0 of the
(実施例4)
本例は、実施例1と同じ構成のガスセンサ素子であるが、図7に示すごとく、第2セル配置室122を多孔質材料で充填して構成した。
この多孔質材料は第2セル配置室122等を形成するスペーサ12と同じ組成のアルミナセラミックよりなり、気孔率は25%である。
その他詳細は実施例1と同様の構成であり、ポンプセルにおいて酸素を充分に排出できると共に実施例1と同じ作用効果を有する。
(Example 4)
The present embodiment is a gas sensor element having the same configuration as that of the first embodiment, however, as shown in FIG. 7, the second
This porous material is made of alumina ceramic having the same composition as the
The other details are the same as those of the first embodiment. The pump cell can sufficiently discharge oxygen and have the same functions and effects as those of the first embodiment.
(実施例5)
本例は、実施例1と同じ構成のガスセンサ素子1であるが、図8に示すごとく、セル配置室81、83、85が3つ、各セル配置室81、83、85間で連通する拡散抵抗通路82、84が2つ、またガス導入路801、802が2つある被測定ガス室8を有する。
このガスセンサ素子1は、図8(b)に示すごとく、固体電解質板11、ポンプセル用固体電解質板13、スペーサ12との間に被測定ガス室8が形成される。また、上記固体電解質板11に第2基準ガス室160を形成するスペーサ16を配置する。
また、ポンプセル用固体電解質板13、スペーサ14、ヒータ部6との間に第1基準ガス室140がスペーサ14により形成される。
(Example 5)
The present embodiment is a gas sensor element 1 having the same configuration as that of the first embodiment, but as shown in FIG. 8, three
As shown in FIG. 8B, in the gas sensor element 1, a
Further, a first
本例の被測定ガス室8は、第1、第2及び第3セル配置室81、83、85と第1セル配置室81と第2セル配置室83との間の拡散抵抗通路82、第2セル配置室83と第3セル配置室85との間にある拡散抵抗通路84とよりなる。
ポンプセル2は第1セル配置室81に、モニタセル3は第2セル配置室83に、センサセル4は第3セル配置室85に配置する。
また、第1セル配置室81に連通するガス導入路801、802もスペーサ12に設けてあり、ガスセンサ素子の側面805より被測定ガスを導入する構成である。
The measured
The
Further,
本例にかかるガスセンサ素子1において、ガス導入路801、802は共に経路長L0が等しく0.28mmである。また、ガス導入路801、802をあわせた断面積S0は0.13mm2である。
拡散律速通路82、84の経路長Lnも共に等しく0.8mm、拡散律速通路82、84の断面積Snも共に等しく0.038mm2である。
従って、(Sn/Ln)/(S0/L0)=0.05であり、0.4以下となる。
その他詳細は実施例1と同様である。
また、本例にかかるガスセンサ素子1も、実施例1と同様の作用効果を有する。
In the gas sensor element 1 according to the present example, the
The path lengths Ln of the
Therefore, (Sn / Ln) / (S0 / L0) = 0.05, which is 0.4 or less.
Other details are the same as in the first embodiment.
Further, the gas sensor element 1 according to the present embodiment also has the same operation and effect as the first embodiment.
(実施例6)
本例にかかるガスセンサ素子1は、図9〜図12に示すごとき、ガスセンサ素子1である。
すなわち、ポンプセル2とモニタセル3、センサセル4とを有するガスセンサ素子2であって、ポンプセル2の第1セル配置室に面する第1ポンプ電極21は、図11に示すごとく、第1セル配置室121、拡散律速通路103、第2セル配置室122を覆うように形成する。このときポンプセルの第1ポンプ電極21の面積は20mm2である。
ポンプセル2の第1基準ガス室140と面する第2ポンプ電極22は、図12に示すごとく、第1セル配置室121よりも小さくてもよい。
ポンプセル2にかかる第1ポンプ電極21の面積を20mm2と大きくすることで、被測定ガス中の妨害ガスである酸素をより効果的に排出することができる。
(Example 6)
The gas sensor element 1 according to the present example is the gas sensor element 1 as shown in FIGS.
That is, in the
The
By increasing the area of the
本例のポンプセル2は可変電源251及び電流計252を備えたポンプ回路25に接続され、可変電源251からポンプセル2に印加する電圧は、電流計252の値、すなわちポンプ電流の値に応じてフィードバック制御して、およそ電流計252の値が一定となるようにポンプセル2に電圧を印加する。
図10に示すごとく、第2セル配置室122にはモニタセル3の被測定ガス側電極32とセンサセル4の被測定ガス側電極42が面しており、両者の面積は等しく、3.6mm2である。
本例の第1セル配置室121、拡散律速通路103、第2セル配置室122の各部寸法D1〜D5は、D1=5mm、D2=1.6mm、D3=2.7mm、D4=14mm、D5=0.24mmである。
The
As shown in FIG. 10, the measured gas-
The respective dimensions D1 to D5 of the first
本例にかかるガスセンサ素子1について、ポンプセル2の電極21,22間に流れるポンプ限界電流値Ip、センサセル4の電極41,42間に流れるセンサ電流値Is(但し、上記ポンプセル2を作動させない場合)と、オフセット電流について以下に示すごとく測定を行った。
即ち、試料となるガスセンサ素子を準備し、被測定ガスとして酸素濃度20%の窒素希釈混合ガスを供給し、第1及び第2基準ガス室140,160に酸素濃度が21%である空気を供給した。ポンプ回路25の可変電源251をオフにした状態で、センサ回路45に接続した電流計452の値がIsである。また、可変電源251から0.45Vという電圧を供給した際の電流計252の値がIpである。
With respect to the gas sensor element 1 according to this example, the pump limit current value Ip flowing between the
That is, a gas sensor element serving as a sample is prepared, a nitrogen-diluted mixed gas having an oxygen concentration of 20% is supplied as a gas to be measured, and air having an oxygen concentration of 21% is supplied to the first and second
上記と同じガスセンサ素子1に、被測定ガスとして、NOxを含まない、酸素濃度0〜20%の窒素希釈混合ガスを供給して、可変電源251から0〜0.45Vという電圧を供給し、電流計252が各酸素濃度に対応するポンプセル限界電流値という状態となった時の、電流計452の値を測定し、これをオフセット電流とした。
このような測定を、7本の拡散律速通路103のは幅であるK5を違えたガスセンサ素子1について行って、測定結果を図13に記載した。
同図より明らかであるが、Is/Ip≦0.3とすることで、オフセット電流を0.1μA以下と低く抑制できることがわかった。
To the same gas sensor element 1 as described above, a nitrogen-diluted mixed gas containing no NOx and having an oxygen concentration of 0 to 20% is supplied as a gas to be measured, and a voltage of 0 to 0.45 V is supplied from the
Such a measurement was performed on the gas sensor elements 1 having different widths K5 of the seven diffusion-controlled
As is clear from the figure, it was found that the offset current can be suppressed to as low as 0.1 μA or less by setting Is / Ip ≦ 0.3.
更に、実施例2と同じ要領で、ガスセンサ素子の応答性について測定した。
その結果、Is/Ipが非常に小さい場合でも、応答性は2000msであり、上記の測定結果とも合わせて、Is/Ip≦0.3であれば、オフセット電流が小さく、応答性に優れた素子が得られることが分かった。
Further, the response of the gas sensor element was measured in the same manner as in Example 2.
As a result, even when Is / Ip is very small, the response is 2000 ms. In addition to the above measurement results, if Is / Ip ≦ 0.3, the offset current is small and the element has excellent response. Was obtained.
(実施例7)
本例にかかるガスセンサ素子1は、図14、図15に示すごとく、電気化学的セルを5つ有する構成である。
すなわち、図14に示すごとく、本例のガスセンサ素子1は、多孔質体921、固体電解質板922、スペーサ923、固体電解質板924、スペーサ925、基板926を積層してなり、スペーサ925と基板926との間には、アルミナからなる2枚の絶縁板927、928で挟持され、通電により発熱する発熱体61を有する。
(Example 7)
The gas sensor element 1 according to the present example has a configuration having five electrochemical cells as shown in FIGS.
That is, as shown in FIG. 14, the gas sensor element 1 of this example is formed by laminating a
固体電解質板922とスペーサ923、固体電解質板924との間には、ガス導入路97、第1セル配置室121、拡散律速通路103、第2セル配置室122を有する。固体電解質板924とスペーサ925との間には基準ガス室9240がある。
固体電解質板922と多孔質体921との間には電極911が、固体電解質板922の表面で第1セル配置室121と面する側に電極912が、固体電解質板924で第1セル配置室121と面する側には電極913がある。
Between the
An
固体電解質板924の表面で第2セル配置室122と面する側に電極914、916が設けてある。電極916は表面を多孔質体9230で覆われている。また、電極914のほうが拡散律速通路103に近い位置にある。
固体電解質板924とスペーサ925との間に電極915がある。電極915の一部は基準ガス室9240と面する。
There is an
本例のガスセンサ素子1が有する5つの電気化学的セルについて説明する。
5つの電気化学的セルはそれぞれポンプセル93、λセル94、モニタセル945、サブポンプセル95、センサセル96である。
ポンプセル93の第1セル配置室121から酸素を素子外部に排出するセルで、電極911、電極912、電極913、固体電解質板922からなり、可変電源931と電流計932とを有するポンプ回路930に接続される。
λセル94は被測定ガス中の酸素濃度を測定することでλ点を検出するセルである。電極911と電極915、固体電解質板922、924からなり、電極915を基準極とした起電力式のセルである。λセル94は電圧計942を有するλ回路940に接続される。
Five electrochemical cells of the gas sensor element 1 of the present example will be described.
The five electrochemical cells are a
A cell that discharges oxygen from the first
The
モニタセル945は第1セル配置室121の酸素濃度を監視して、ポンプセル93の作動を制御するために設けてあり、電極913と電極915、固体電解質板924からなり、電極915を基準極とした起電力式のセルである。モニタセル945は電圧計946を有するモニタ回路9450に接続され、電圧計946の出力に基いてポンプ回路930の可変電源931を制御できるよう制御回路947が設けてある。
サブポンプセル95は第2セル配置室122に残留する酸素を排出するセルで、電極914、電極915と固体電解質板924からなる。サブポンプセル95は、電源951と電流計952を有するサブポンプ回路950に接続される。
The
The
センサセル96は第2セル配置室122において特定ガス濃度(NOx等)を測定するセルで、電極916と電極915、固体電解質板924からなる。サブポンプセル95との違いは、電極915の基準ガス室9240に露出した側で構成されていること、電極916の表面は直接第2セル配置室122に露出せず、通気性のある多孔質体9230で覆われて間接的に露出していることである。センサセル96は、電源961、電流計962を有するセンサ回路960に接続される。
The
本例にかかる構成のガスセンサ素子1ついて、ポンプセル93、サブポンプセル95に流れるポンプ限界電流値Ip、センサセル96に流れるセンサ電流値Is(但し、上記ポンプセル93,サブポンプセル95を作動させない場合)との間にIs/Ip≦0.3なる関係が成立した場合、オフセット電流を小さく抑制することができて、精度の高い測定が可能なガスセンサ素子を得ることができる。その他詳細は実施例6と同様である。
With respect to the gas sensor element 1 having the configuration according to this example, the pump limit current value Ip flowing through the
(実施例8)
本例は、拡散律速通路の幅Wnの長さとオフセット電流、応答性との関係について評価した。
実施例1に記載したガスセンサ素子で拡散律速通路の幅Wnの異なるものを複数種類用意して、実施例2に記載した要領で、オフセット電流と応答性について測定し、図16の線図に結果を記載した。
同図から、Wnを0.8mm以下と設定することでオフセット電流が小さく、応答性に優れたガスセンサ素子が得られることが分かった。
(Example 8)
In this example, the relationship between the length of the width Wn of the diffusion controlled passage, the offset current, and the response was evaluated.
A plurality of gas sensor elements described in Example 1 having different diffusion-controlled passage widths Wn were prepared, and the offset current and the responsiveness were measured in the manner described in Example 2, and the results were shown in the diagram of FIG. Was described.
From the figure, it was found that by setting Wn to 0.8 mm or less, a gas sensor element having a small offset current and excellent responsiveness can be obtained.
(実施例9)
本例は、拡散律速通路の長さLnの長さとオフセット電流、応答性との関係について評価した。
実施例1に記載したガスセンサ素子で拡散律速通路の長さLnの異なるものを複数種類用意して、実施例2に記載した要領で、オフセット電流と応答性について測定し、図17の線図に結果を記載した。
同図から、Lnを0.4mm以下と設定することでオフセット電流が小さく、応答性に優れたガスセンサ素子が得られることが分かった。
(Example 9)
In this example, the relationship between the length Ln of the diffusion-controlled path, the offset current, and the response was evaluated.
A plurality of gas sensor elements described in Example 1 having different lengths Ln of diffusion-controlled paths were prepared, and the offset current and the responsiveness were measured in the manner described in Example 2; The results are described.
From the figure, it was found that by setting Ln to 0.4 mm or less, a gas sensor element having a small offset current and excellent responsiveness can be obtained.
(実施例10)
本例は、セル配置室の厚みtの厚さとオフセット電流、応答性との関係について評価した。
実施例1に記載したガスセンサ素子でセル配置室の厚みtの異なるものを複数種類用意して、実施例2に記載した要領で、オフセット電流と応答性について測定し、図18の線図に結果を記載した。
同図から、tを0.4mm以下と設定することでオフセット電流が小さく、応答性に優れたガスセンサ素子が得られることが分かった。
(Example 10)
In the present example, the relationship between the thickness t of the cell placement chamber, the offset current, and the response was evaluated.
A plurality of gas sensor elements having different cell arrangement chamber thicknesses t were prepared in the first embodiment, and the offset current and the response were measured in the manner described in the second embodiment. Was described.
From the figure, it was found that by setting t to 0.4 mm or less, a gas sensor element having a small offset current and excellent responsiveness can be obtained.
1 ガスセンサ素子
10 ガス導入路
11、13 固体電解質板
12、14 スペーサ
121 第1セル配置室
122 第2セル配置室
103 拡散抵抗通路
2 ポンプセル
3 モニタセル
4 センサセル
5 λセル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (11)
上記ガスセンサ素子は電気化学的セルを複数有し、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室より酸素をポンピングし、該被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセルであり、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室中の特定ガスを分解し、該分解により生じた酸素イオンを利用して被測定ガス室中の特定ガス濃度を測定するセンサセルであり、
上記被測定ガス室に対し、外部から被測定ガスを導入するよう構成したガス導入路を有し、
上記被測定ガス室は、上記電気化学的セルを配置するセル配置室と、該セル配置室間を接続し、上記セル配置室間を移動する被測定ガスを拡散律速させる拡散律速通路とよりなり、
上記ガス導入路の経路長をL0、上記ガス導入路の経路長に対する直交方向における断面積をS0、上記拡散律速通路の経路長をLn、上記拡散律速通路の経路長に対する直交方向における断面積をSnとすると、
(Sn/Ln)/(S0/L0)≦0.4
であることを特徴とするガスセンサ素子。 An electrochemical cell including a solid electrolyte plate and a pair of electrodes provided on the solid electrolyte plate, and a measured gas chamber configured to introduce a measured gas from the outside, wherein the measured gas is applied to the solid electrolyte plate. In a laminated gas sensor element configured by laminating chamber forming spacers,
The gas sensor element has a plurality of electrochemical cells,
At least one electrochemical cell is a pump cell that pumps oxygen from the measured gas chamber and adjusts the oxygen concentration in the measured gas chamber.
At least one electrochemical cell is a sensor cell that decomposes a specific gas in the gas chamber to be measured and measures a specific gas concentration in the gas chamber to be measured using oxygen ions generated by the decomposition.
For the measured gas chamber, has a gas introduction path configured to introduce a measured gas from outside,
The measured gas chamber includes a cell arrangement chamber in which the electrochemical cell is arranged, and a diffusion-controlled passage connecting the cell arrangement chambers and diffusion-controlling the measured gas moving between the cell arrangement chambers. ,
The path length of the gas introduction path is L0, the cross-sectional area in the direction orthogonal to the path length of the gas introduction path is S0, the path length of the diffusion-controlled path is Ln, and the cross-sectional area in the direction perpendicular to the path length of the diffusion-controlled path is L0. If Sn
(Sn / Ln) / (S0 / L0) ≦ 0.4
A gas sensor element, characterized in that:
上記ガスセンサ素子は電気化学的セルを複数有し、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室より酸素をポンピングし、該被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセルであり、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室中の特定ガスを分解し、該分解により生じた酸素イオンを利用して被測定ガス室中の特定ガス濃度を測定するセンサセルであり、
上記被測定ガス室に対し、外部から被測定ガスを導入するよう構成したガス導入路を有し、
上記被測定ガス室は、上記電気化学的セルを配置するセル配置室と、該セル配置室間を接続し、上記セル配置室間を移動する被測定ガスを拡散律速させる拡散律速通路とよりなり、
酸素濃度20%における、上記ポンプセルの電極間に流れるポンプ限界電流値Ip、上記センサセルの電極間に流れるセンサ限界電流値Is(但し、上記ポンプセルを作動させないでセンサセルのみ作動させた場合)との間に、Is/Ip≦0.3なる関係が成立することを特徴とするガスセンサ素子。 An electrochemical cell including a solid electrolyte plate and a pair of electrodes provided on the solid electrolyte plate, and a measured gas chamber configured to introduce a measured gas from the outside, wherein the measured gas is applied to the solid electrolyte plate. In a laminated gas sensor element configured by laminating chamber forming spacers,
The gas sensor element has a plurality of electrochemical cells,
At least one electrochemical cell is a pump cell that pumps oxygen from the measured gas chamber and adjusts the oxygen concentration in the measured gas chamber.
At least one electrochemical cell is a sensor cell that decomposes a specific gas in the gas chamber to be measured and measures a specific gas concentration in the gas chamber to be measured using oxygen ions generated by the decomposition.
For the measured gas chamber, has a gas introduction path configured to introduce a measured gas from outside,
The measured gas chamber includes a cell arrangement chamber in which the electrochemical cell is arranged, and a diffusion-controlled passage connecting the cell arrangement chambers and diffusion-controlling the measured gas moving between the cell arrangement chambers. ,
At the oxygen concentration of 20%, between the pump limit current value Ip flowing between the electrodes of the pump cell and the sensor limit current value Is flowing between the electrodes of the sensor cell (provided that only the sensor cell is operated without operating the pump cell) Wherein a relationship of Is / Ip ≦ 0.3 is satisfied.
上記ガスセンサ素子は電気化学的セルを複数有し、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室より酸素をポンピングし、該被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセルであり、
少なくとも1つの電気化学的セルは被測定ガス室中の特定ガスを分解し、該分解により生じた酸素イオンを利用して被測定ガス室中の特定ガス濃度を測定するセンサセルであり、
上記被測定ガス室に対し、外部から被測定ガスを導入するよう構成したガス導入路を有し、
上記被測定ガス室は、上記電気化学的セルを配置するセル配置室と、該セル配置室間を接続し、上記セル配置室間を移動する被測定ガスを拡散律速させる拡散律速通路とよりなり、
酸素濃度20%における、上記センサセルの電極間に流れるセンサ限界電流値Is(但し、上記ポンプセルを作動させないで、センサセルのみ作動させた場合)と上記ポンプセルの上記セル配置室に露出する電極面積をSpとの間にIs/Sp≦0.06mA/mm2なる関係が成立することを特徴とするガスセンサ素子。 An electrochemical cell including a solid electrolyte plate and a pair of electrodes provided on the solid electrolyte plate, and a measured gas chamber configured to introduce a measured gas from the outside, wherein the measured gas is applied to the solid electrolyte plate. In a laminated gas sensor element configured by laminating chamber forming spacers,
The gas sensor element has a plurality of electrochemical cells,
At least one electrochemical cell is a pump cell that pumps oxygen from the measured gas chamber and adjusts the oxygen concentration in the measured gas chamber.
At least one electrochemical cell is a sensor cell that decomposes a specific gas in the gas chamber to be measured and measures a specific gas concentration in the gas chamber to be measured using oxygen ions generated by the decomposition.
For the measured gas chamber, has a gas introduction path configured to introduce a measured gas from outside,
The measured gas chamber includes a cell arrangement chamber in which the electrochemical cell is arranged, and a diffusion-controlled passage connecting the cell arrangement chambers and diffusion-controlling the measured gas moving between the cell arrangement chambers. ,
The sensor limit current value Is flowing between the electrodes of the sensor cell at an oxygen concentration of 20% (where only the sensor cell is operated without operating the pump cell) and the electrode area of the pump cell exposed in the cell arrangement chamber are Sp. And a relationship of Is / Sp ≦ 0.06 mA / mm 2 is established.
上記センサセルを配置したセル配置室の体積をv、上記セル配置室の総体積をVとすると、v/V≦0.5であることを特徴とするガスセンサ素子。 The pump cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the pump cell is arranged in a cell arrangement chamber closest to the gas introduction path, and the sensor cell is arranged in a cell arrangement chamber farthest from the gas introduction path.
A gas sensor element, wherein v / V ≦ 0.5, where v is the volume of the cell arrangement chamber in which the sensor cells are arranged, and V is the total volume of the cell arrangement chamber.
The gas sensor element according to any one of claims 1 to 10, wherein the electrode of the pump cell, which is exposed in the cell arrangement chamber, has a region where the surface temperature is 800 ° C or higher when the gas sensor element is used.
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