JP2009287939A - ＮＯｘセンサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を提供すること。
【解決手段】本発明のＮＯｘセンサ素子１は、被測定ガスが導入される被測定ガス室５と、該被測定ガス室５に導入された被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極２１、２２を備えたセンサセル２と、被測定ガス室５中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極３１、３２を備えたポンプセル３と、被測定ガス中に含まれる酸素に活性であるとともに一対のモニタ用電極４１、４２を備えたモニタセル４と、通電により発熱するヒータ６とを有する。ヒータ６による加熱によりセンサセル２とポンプセル３とモニタセル４とを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点において、センサセル２とポンプセル３とモニタセル４とは、互いの温度差が７０℃以下となるよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定ガス中の窒素濃度を検出するＮＯｘセンサ素子に関する。

従来から、被測定ガスが導入される被測定ガス室と、該被測定ガス室に導入された上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するとともに一対のセンサ用電極を備えたセンサセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整するとともに一対のポンプ用電極を備えたポンプセルと、上記被測定ガス中に含まれる酸素に活性であるとともに一対のモニタ用電極を備えたモニタセルと、通電により発熱するヒータとを有するＮＯｘセンサ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかるＮＯｘセンサ素子１において、例えば上記センサセルを、該センサセルの温度を検出するための温度検出用セルとする。すなわち、上記従来のＮＯｘセンサ素子においては、センサセルに温度検出機能を持たせる。
そして、上記温度検出用セルである上記センサセルによってそのインピーダンス値を測定し、これをフィードバックしてヒータを制御する。

特開２０００−２０６０８５号公報

ところが、上記従来のＮＯｘセンサ素子においては、以下のような問題点がある。すなわち、上記のように温度検出用セル（センサセル）による測定値をフィードバックしてヒータを制御する場合、上記温度検出用セルにおいて測定した温度を用いてＮＯｘセンサ素子全体の温度調整を行う。しかしながら、セル同士の温度差が大きい場合には、上記センサセルの温度が一定となるように上記ヒータを制御しても、すべてのセルの温度が安定するまでに比較的時間がかかってしまう。また、上記被測定ガスの流速や温度等の外乱があった場合、上記センサセルの温度が所定の温度となるように制御しても、他のセルの温度との間に大きな温度差ができ、その温度を安定させるまでに時間がかかってしまう。
そしてこのように、上記従来のＮＯｘセンサ素子において、すべてのセルの温度が安定するまでに比較的時間がかかる場合には、精度の良いセンサ出力を早期に得ることが困難となるおそれがある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を提供しようとするものである。

第一の発明は、被測定ガスが導入される被測定ガス室と、該被測定ガス室に導入された上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極を備えたセンサセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極を備えたポンプセルと、通電により発熱するヒータとを有するＮＯｘセンサ素子であって、
上記ヒータによる加熱により上記センサセルと上記ポンプセルとを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点において、上記センサセルと上記ポンプセルとは、互いの温度差が７０℃以下となるよう構成されていることを特徴とするＮＯｘセンサ素子にある（請求項１）。

本発明のＮＯｘセンサ素子は、上記ヒータによる加熱により上記センサセルと上記ポンプセルとが温度上昇した後に温度が安定した時点において、上記センサセルと上記ポンプセルとは、互いの温度差が７０℃以下となるよう構成されている。これにより、センサセル及びポンプセルの双方の温度を早期に安定させることができ、早期に精度良くセンサ出力を得ることができる（後述する実施例３参照）。
その結果、ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

以上のとおり、本発明によれば、ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

第二の発明は、被測定ガスが導入される被測定ガス室と、該被測定ガス室に導入された上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極を備えたセンサセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極を備えたポンプセルと、通電により発熱するヒータとを有するＮＯｘセンサ素子であって、
上記ＮＯｘセンサ素子における上記センサセル及び上記ポンプセルの形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となるセル先端部と最も基端となるセル基端部との間の長さをＬ_k、上記ヒータにおける発熱部の形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となる発熱先端部と上記セル先端部との距離をＸ_H1、上記発熱部の形成領域のうち最も基端となる発熱基端部と上記セル先端部との距離をＸ_H2としたとき、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子にある（請求項３）。

上記ＮＯｘセンサ素子は、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たす。そのため、ＮＯｘ濃度の検出精度に優れたＮＯｘセンサ素子を得ることができる。
すなわち、上記構成とすることにより、すべてのセルをヒータによって十分に加熱することができる。これにより、セル同士の温度差を小さくすることができ、すべてのセルの温度を早期に安定させることができる。すなわち、かかるＮＯｘセンサ素子においては、例えばある任意のセルの温度が一定となるようにヒータを制御した場合に上記任意のセル以外のセルにおいて被測定ガスの流速や温度等の外乱があっても、すべてのセルの温度を早期に安定させることができる。これにより、早期に精度良くセンサ出力を得ることができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。
その結果、ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

さらに、上記構成により、上記センサセル及び上記ポンプセルを上記ヒータにより十分に加熱することができる。これにより、ポンプセルによる被測定ガス中の酸素ガスのポンピング能力を十分に得ることができる。そしてこのため、被測定ガス室の酸素濃度をほぼ一定にすることができる。これによっても、ＮＯｘ濃度を精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

以上のとおり、本発明によれば、ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

第三の発明は、被測定ガスが導入される被測定ガス室と、該被測定ガス室に導入された上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極を備えたセンサセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極を備えたポンプセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を検出する一対のモニタ用電極を備えたモニタセルと、通電により発熱するヒータとを有するＮＯｘセンサ素子であって、
上記ヒータによる加熱により上記センサセルと上記ポンプセルと上記モニタセルとを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点において、上記センサセルと上記ポンプセルと上記モニタセルとは、互いの温度差が７０℃以下となるよう構成されていることを特徴とするＮＯｘセンサ素子にある（請求項９）。
本発明によれば、上記第一の発明（請求項１）と同様、ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

第四の発明は、被測定ガスが導入される被測定ガス室と、該被測定ガス室に導入された上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極を備えたセンサセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極を備えたポンプセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を検出する一対のモニタ用電極を備えたモニタセルと、通電により発熱するヒータとを有するＮＯｘセンサ素子であって、
上記ＮＯｘセンサ素子における上記センサセル、上記ポンプセル、及び上記モニタセルの形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となるセル先端部と最も基端となるセル基端部との間の長さをＬ_k、上記ヒータにおける発熱部の形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となる発熱先端部と上記セル先端部との距離をＸ_H1、上記発熱部の形成領域のうち最も基端となる発熱基端部と上記セル先端部との距離をＸ_H2としたとき、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子にある（請求項１１）。
本発明によれば、上記第二の発明（請求項３）と同様、ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

上記第一の発明（請求項１）、及び上記第三の発明（請求項９）において、上記温度差が７０℃を超える場合には、すべてのセルの温度を早期に安定させることが困難となるおそれがある（後述する実施例３参照）。
なお、上記の温度差７０℃は、各セルの素子表面温度を測定し、その温度の最大値及び最小値を用いて算出したものである。

上記第二の発明（請求項３）、及び上記第四の発明（請求項１１）において、Ｌ_k＞Ｘ_H2、又はＸ_H1＞０．２Ｌ_kの関係となる場合には、センサ出力のずれを防ぐことが困難となったり、被測定ガス室における酸素ガスのポンピング能力が低下したりしてしまうおそれがある。すなわち、センサセルの出力とポンプセルのポンピング能力との機能の両立を図ることが困難となるおそれがある。
そしてその結果、ＮＯｘ濃度を精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることが困難となってしまうおそれがある。

また、上記第一の発明（請求項１）において、上記ＮＯｘセンサ素子における上記センサセル及び上記ポンプセルの形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となるセル先端部と最も基端となるセル基端部との間の長さをＬ_k、上記ヒータにおける発熱部の形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となる発熱先端部と上記セル先端部との距離Ｘ_H1を、上記発熱部の形成領域のうち最も基端となる発熱基端部と上記セル先端部との距離をＸ_H2としたとき、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たすことが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記第二の発明（請求項３）と同様の作用効果により、ＮＯｘ濃度の検出精度をより確実に向上させることができる。

また、上記第一の発明（請求項１）及び上記第二の発明（請求項３）において、Ｘ_H2≦１．５Ｌ_kの関係を満たすことが好ましい（請求項４、請求項１２）。
この場合には、ヒータ電力の増大を抑制することができるとともに、ＮＯｘ濃度を精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。
なお、Ｘ_H2＞１．５Ｌ_kの関係となる場合には、ヒータ電力が急激に増大するおそれがある。

また、上記において、１．１Ｌ_k≦Ｘ_H2≦１．３Ｌ_kの関係を満たすことがさらに好ましい（請求項５、請求項１３）。
この場合には、ヒータ電力の増大を一層抑制することができるとともに、ＮＯｘ濃度を一層精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。
なお、Ｘ_H2＜１．１となる場合には、セルの温度が所定の温度から若干ずれてしまうおそれがある。
また、Ｘ_H2＞１．３Ｌ_kとなる場合には、ヒータ電力の増大を十分に抑制することが困難となってしまうおそれがある。

また、Ｌ_k≦Ｘ_H2−Ｘ_H1≦１．５Ｌ_kの関係を満たすことが好ましい（請求項６、請求項１４）。
この場合には、ヒータ電力の増大を抑制しつつＮＯｘ濃度を精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。
一方、Ｘ_H2−Ｘ_H1＞１．５Ｌ_kである場合には、ヒータ電力が増大してしまうおそれがある。

また、上記において、１．１Ｌ_k≦Ｘ_H2−Ｘ_H1≦１．３Ｌ_kの関係を満たすことがさらに好ましい（請求項７、請求項１５）。
この場合には、ヒータ電力の増大を一層抑制することができるとともに、ＮＯｘ濃度を一層精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

上記第一の発明（請求項１）において、上記センサセル、及び上記ポンプセルのいずれか一方は、それぞれにおける温度を検出するための温度検出用セルとすることができる（請求項８）。
この場合には、ある任意のセルを温度検出用測定セルとしてその温度を測定することによって、この測定温度をヒータの制御にフィードバックしてＮＯｘセンサ素子全体の温度調整をする。そしてこのため、素子温度が被測定ガスの流速や温度等に起因して所定の温度から大きくずれることを防ぐことができる。その結果、ＮＯｘ濃度を精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

また、上記第三の発明（請求項９）において、上記ＮＯｘセンサ素子における上記センサセル、上記ポンプセル、及び上記モニタセルの形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となるセル先端部と最も基端となるセル基端部との間の長さをＬ_k、上記ヒータにおける発熱部の形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となる発熱先端部と上記セル先端部との距離をＸ_H1、上記発熱部の形成領域のうち最も基端となる発熱基端部と上記セル先端部との距離をＸ_H2としたとき、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たすことが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記第二の発明（請求項３）と同様の作用効果により、ＮＯｘ濃度の検出精度をより確実に向上させることができる。

また、上記第三の発明（請求項９）及び上記第四の発明（請求項１１）において、上記センサセル、上記ポンプセル、及び上記モニタセルのいずれか一つは、それぞれにおける温度を検出するための温度検出用セルとすることができる（請求項１６）。
この場合には、上記請求項８と同様の作用効果により、ＮＯｘ濃度を精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることができる。

また、上記第一〜第四の発明において、上記ヒータによる加熱により上記センサセルと上記ポンプセルとを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点の上記センサセルの温度は、６５０〜８５０℃であることが好ましい（請求項１７）。
この場合には、ＮＯｘセンサ素子を十分に活性させて、ＮＯｘ濃度を精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を得ることをできる。

一方、上記センサセルの温度が６５０℃未満である場合には、ＮＯｘセンサ素子を十分に活性させることが困難となってしまい、センサ出力を十分に得ることが困難となるおそれがある。
また、上記センサセルの温度が８５０℃を超える場合には、センサ用電極で水蒸気を分解し、その際に生じた酸素イオン電流により出力ずれが生じてしまうおそれがある。

（実施例１）
本発明のＮＯｘセンサ素子に係る実施例について、図１、図２を用いて説明する。
図１、図２に示すように、本例のＮＯｘセンサ素子１は、被測定ガスが導入される被測定ガス室５と、通電により発熱するヒータ６とを有する。

また、ＮＯｘセンサ素子１は、ＮＯｘに活性であって被測定ガス室５に導入された被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極２１、２２を備えたセンサセル２と、ＮＯｘに不活性であって被測定ガス室中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極３１、３２を備えたポンプセル３と、被測定ガス室５中における残留酸素濃度を検出する一対のモニタ用電極４１、４２を備えたモニタセル４とを有する。

そしてまた、ＮＯｘセンサ素子１は、図１に示すように、ヒータ６による加熱によりセンサセル２とポンプセル３とモニタセル４とを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点において、センサセル２とポンプセル３とモニタセル４とは、互いの温度差が７０℃以下となるよう構成されている。

なお、本例では、センサセル２、ポンプセル３、及びモニタセル４のうち、最も温度が高くなるセルがポンプセル３であるとして説明する。具体的には、ポンプセル３とセンサセル２、ポンプセル３とモニタセル４とは互いの温度差が７０℃以下となるように構成してある。

また、本例のＮＯｘセンサ素子１は、被測定ガス室５、センサセル２、ポンプセル３、モニタセル４、ヒータ６のほか、図１に示すように、多孔質材料からなる多孔質拡散抵抗層７００と、後述するように基準ガスが導入される第一基準ガス室７１と第二基準ガス室７２とを有する。

以下、詳細に説明する。
センサセル２は、図１、図２に示すように、酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体２０と、被測定ガス室５に面しセンサ用固体電解質体２０の一方の面に配置したセンサ用電極２１（以下、第一センサ用電極２１という。）と、センサ用固体電解質体２０における第一センサ用電極２１を配設した側と反対側の面に配置したセンサ用電極（以下、第二センサ用電極２２という。）とを有する。なお、第一センサ用電極２１は、ＮＯｘに活性な例えばＰｔ（白金）とＲｈ（ロジウム）との合金からなる電極である。

そして、センサ用固体電解質体２０には、図１に示すように、被測定ガスを被測定ガス室５に導入するために設けられた導通孔２００が形成されている。
導通孔２００における外部に面する開口部２０１は、上述したように多孔質材料からなる多孔質拡散抵抗層２００によって覆われている。そして、多孔質拡散抵抗層７００を通過してきた被測定ガスは、さらに導通孔２００を介して被測定ガス室５へと導入される。

また、モニタセル４は、図１、図２に示すように、被測定ガス室５に面しセンサ用固体電解質体２０の一方の面に配設されたモニタ用電極（以下、第一モニタ用電極４１という。）と、センサ用固体電解質体２０における第一モニタ用電極４１を配設した側と反対側の面に配設されたモニタ用電極４２（以下、第二モニタ用電極４２という。）とを有する。
なお、第一モニタ用電極４１は、ＮＯｘに不活性な例えばＰｔとＡｕ（金）との合金からなる電極である。

かかる第二モニタ用電極４２は、例えば緻密な被覆層７１０によって囲まれている。そしてまた、このように、第二モニタ用電極４２を覆うように被覆層７１０を配設することにより、第一基準ガス室７１が形成されている。
なお、本例においてモニタセル４は、図２に示すように、ＮＯｘセンサ素子１の軸方向に直交する方向の断面においてセンサセル２と並列して配置されている。

ポンプセル３は、図１に示すように、酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体３０と、被測定ガス室５に面しポンプ用固体電解質体３０の一方の面に配設されたポンプ用電極３１（以下、第一ポンプ用電極３１という。）と、ポンプ用固体電解質体３０における第一ポンプ用電極３１を配設した側と反対側の面に配設されたポンプ用電極３２（以下、第二ポンプ用電極３２という。）とを有する。なお、第一ポンプ用電極３１は、ＮＯｘに不活性な例えばＰｔとＡｕとの合金からなる電極である。

そして、センサセル２は、その温度を検出するための温度検出用セル８として構成した。具体的には、センサセル２をセンサ用固体電解体２０のインピーダンス値を検出することにより温度測定を行う温度検出用セル８とした。
かかる温度検出用セル８によるインピーダンス制御は、以下のようにして行う。すなわち、第一センサ用電極２１と第二センサ用電極２２との間に交流電圧を印加したときに流れる電流値を測定し、これらの印加電圧と電流値との関係からインピーダンスを求め、そのインピーダンス値から温度を検出する。このように、温度検出用セル８によって測定したインピーダンス値をフィードバックしてヒータ６すなわち発熱体６０の制御を行い、各セルの温度を調整している。

上記第二ポンプ用電極３２は、図１に示すように、第二基準ガス室７２に面している。該第二基準ガス室７２は、第二ポンプ用電極３２を覆うように配設された第二基準ガス室形成層７２０とポンプ用固体電解質体３０とに囲まれてなる。
また、第二基準ガス室形成層７２０には、ヒータ６が内蔵されたヒータ基板６００が積層されている。

なお、センサセル２とポンプセル３とモニタセル４とを互いの温度差が７０℃以下となるよう構成するに当たっては、図１に示すように、センサセル２、ポンプセル３、及びモニタセル４の形成領域Ａと、発熱体６０の形成領域Ｂとを、ＮＯｘセンサ素子１の軸方向においてずれた位置に配置する。

本例において、センサ用固体電解質体２０及びポンプ用固体電解質体３０以外のセラミック部材はアルミナである。このため、ヒータ６やポンプセル３から、センサセル２やモニタセル４への電流漏れを低減することが可能となる。さらに、アルミナは熱伝導率が大きいため、ＮＯｘセンサ素子１の始動時の温度を早期に上昇させることができる。

具体的には、以下のようなＮＯｘセンサ素子１とした。すなわち、ＮＯｘセンサ素子１におけるセンサセル２、ポンプセル３、及びモニタセル４の形成領域ＡのうちＮＯｘセンサ素子１の長手方向の最も先端となるセル先端部１１と最も基端となるセル基端部１２との間の長さをＬ_k、ヒータ６の発熱部６１の形成領域ＢのうちＮＯｘセンサ素子１の長手方向の最も先端となる発熱先端部６１とセル先端部１１との距離をＸ_H1、上記発熱部６０の形成領域Ｂのうち最も基端となる発熱基端部６２とセル先端部１１との距離をＸ_H2とする。

本例においては、上述したとおり、セル先端部１１と発熱先端部６１とは、軸方向に互いにずれた位置に配置されるように配設してある。具体的には、発熱先端部６１とセル先端部１１との間の距離Ｘ_H1は、０．２Ｌ_k以下となるように構成してある。
また、本例のＮＯｘセンサ素子１は、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たすよう構成してある。

さらに、ＮＯｘセンサ素子は、１．１Ｌ_k≦Ｘ_H2−Ｘ_H1（本例及び後述する実施例において、Ｌ_Hと表記する。）≦１．３Ｌ_kの関係を満たすよう構成されている。
上記Ｘ_H1、Ｘ_H2、Ｌ_k、Ｌ_Hの具体的な寸法の一例を記載しておくと、Ｘ_H1は０．５ｍｍ、Ｘ_H2は１２．５ｍｍ、Ｌ_kは１０ｍｍ、Ｌ_Hは１２ｍｍとすることができる。

また、ＮＯｘセンサ素子１は、ヒータ６による加熱によりセンサセル２とポンプセル３とモニタセル４とを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点のセンサセル３及びモニタセル４の温度が６５０〜８５０℃となるように構成してある。

なお、本例においては、上述したとおり、センサセル２のインピーダンスを測定することにより温度を検出することとしたが、本発明の構成はかかる構成には限られず、ポンプセル３又はモニタセル４のインピーダンスを測定することにより温度を検出してもよく、いずれかのセルに熱電対を貼ったり、ヒータ６の抵抗を測定したりすることによっても、ＮＯｘセンサ素子１の温度を検出することができる。

また、本例とは異なり、ＮＯｘセンサ素子１がモニタセル４を有していない場合であっても、本発明の作用効果を十分に得ることができる。
さらに、上述したものとは異なり、センサセル２とモニタセル４とがＮＯｘセンサ素子１の軸方向に直交する方向の断面において並列配置されていなくても本発明の作用効果を十分に発揮し得る。

以下に、本例の作用効果について説明する。
本例のＮＯｘセンサ素子１は、ヒータ６による加熱によりセンサセル２とポンプセル３とモニタセル４とが温度上昇した後に温度が安定した時点において、センサセル２とポンプセル３とモニタセル４とは、互いの温度差が７０℃以下となるよう構成されている。これにより、センサセル２、ポンプセル３、及びモニタセル４のすべての温度を早期に安定させることができ、早期に精度良くセンサ出力を得ることができる。
その結果、ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子１を得ることができる。

また、本例においては、１．１Ｌ_k≦Ｘ_H2≦１．３Ｌ_kの関係を満たすため、ＮＯｘ濃度を一層早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子１を得ることができる。
また、センサセル２、ポンプセル３、及びモニタセル４をヒータにより十分に加熱することができる。そしてこれにより、ポンプセル３を十分に加熱することにより、ポンプセル３における被測定ガス中の酸素濃度のポンピング能力を十分に得ることができる。このため、被測定ガス室５の酸素濃度を一定にすることができる。
以上により、ＮＯｘ濃度の検出精度に優れたＮＯｘセンサ素子１を得ることができる。

また、ヒータ６による加熱によりセンサセル２とポンプセル３とモニタセル４とを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点のセンサセル２の温度は、６５０〜８５０℃である。これにより、ＮＯｘセンサ素子１を十分に活性させてＮＯｘ濃度の検出精度に優れたＮＯｘセンサ素子１を得ることをできる。

以上のとおり、本例によれば、ＮＯｘ濃度を早期に精度良く検出することができるＮＯｘセンサ素子を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図３に示すように、セル先端部１１と発熱先端部６１とがＮＯｘセンサ素子１の軸方向における同じ位置に配置されるように配設してなるＮＯｘセンサ素子１の例である。すなわち、図３に示すように、セル先端部１１と発熱先端部６１との距離Ｘ_H1は０である。さらには、セル先端部１１と発熱基端部６２との間の距離Ｘ_H2と上記距離Ｘ_H1との差であるＬ_H（＝Ｘ_H2−Ｘ_H1）は、Ｘ_H2と同一である。
その他は、実施例１と同様の構成及び作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図４に示すように、実施例１と同様の構成を有するＮＯｘセンサ素子において、センサセル２とポンプセル３との温度差と、各セルの温度がそれぞれ安定するまでの時間との関係を調べた例である。

すなわち、静止空気中において、ＮＯｘセンサ素子を露出させた状態（ＮＯｘセンサからＮＯｘセンサ素子を保護するための素子カバーを外した状態）でヒータ６に通電するとともに、サーモビュアにてセンサセル３及びポンプセル４の双方の温度を測定した。そして、センサセル２及びポンプセル３の双方の温度が安定するまでに要する時間であるセル温度安定時間と、そのセル温度安定時間におけるセンサセル２とポンプセル３との温度差とをそれぞれ測定しプロットした。
なお、図４に示すセル温度安定時間の基準値である５０秒は、エミッションへの影響が少ないとされるセル温度安定時間の目標値である。
また、本例において使用する符号は、図１において使用した符号に準ずる。

測定結果を図４に示す。
同図からわかるように、上記温度差が７０℃以下である場合には、セル温度安定時間を５０秒以下と、十分に短くすることができる。
一方、上記温度差が７０℃を超える場合には、セル温度安定時間が長くなってしまうことがわかる。
以上からわかるように、上記温度差を７０℃以下とすることにより、セル温度安定時間を短くすることができ、本発明の作用効果を発揮することができる。

（実施例４）
本例は、図５、図６に示すように、実施例１と同様の構成を有するＮＯｘセンサ素子において、発熱先端部６１と発熱基端部６２との距離Ｌ_H（＝Ｘ_H2−Ｘ_H1）と、セル先端部１１とセル基端部１２との距離Ｌ_Kとの関係を調べた例である。
すなわち、Ｌ_H／Ｌ_Kの値を種々変更して作製したＮＯｘセンサ素子のヒータ６に通電して、センサセル２及びポンプセル３の双方の温度が安定したときの両者の温度差を調べた。

なお、本例では、静止空気中において、ＮＯｘセンサ素子を露出させた状態でヒータ６に通電するとともに、サーモビュアにてセンサセル２とポンプセル３との温度差を測定した。
また、本例において使用した符号は、図１における符号に準ずる。

測定結果を図５に示す。
同図からわかるように、Ｌ_H／Ｌ_Kが１以上である場合には、上記温度差を７０℃以下と、十分に小さくすることができる。さらに、Ｌ_H／Ｌ_Kが１．１以上である場合には、上記温度差を５０℃以下と、一層小さくすることができる。
一方、Ｌ_H／Ｌ_Kが１未満である場合には、温度差が７０℃を超えてしまうことがわかる。
よって、温度差との関係からＬ_H≧Ｌ_kであることが好ましいことがわかる。

また、上記ＮＯｘセンサ素子を用いて、図６に示すように、ヒータ電力とＬ_H／Ｌ_Kとの関係を調べた。
なお、センサセル２及びポンプセル３の平均表面温度が７００℃となるようにヒータ６の電圧を調整した。

測定結果を図６に示す。
同図からわかるように、Ｌ_H／Ｌ_Kが１．５以下の場合には、ヒータ電力を２５Ｗ以下と、十分に小さくすることができる。さらに、Ｌ_H／Ｌ_Kが１．３以下である場合には、ヒータ電力を略２０Ｗと、一層小さくすることができる。

一方、Ｌ_H／Ｌ_Kが１．５を超える場合には、ヒータ電力が急激に大きくなってしまうことがわかる。
以上からわかるように、温度差との関係から、１．０Ｌ_k≦Ｌ_H≦１．５Ｌ_kとすることが好ましく、１．１Ｌ_k≦Ｌ_H≦１．３Ｌ_kとすることがより好ましい。

（実施例５）
本例は、図７に示すように、実施例１と同様の構成を有するＮＯｘセンサ素子において、ポンプセル３の最高温度と、セル先端部１１と発熱先端部６１との距離Ｘ_H1に対するセル先端部１１とセル基端部１２との距離Ｌ_Kとの関係を示すＸ_H1／Ｌ_Kとの関係を調べた例である。

すなわち、Ｘ_H1／Ｌ_Kの値を種々変更して作製したＮＯｘセンサ素子のヒータ６に通電して、ポンプセル３の最高温度を測定した。
なお、本例では、静止空気中において、ＮＯｘセンサ素子を露出させた状態でヒータ６に通電するとともに、サーモビュアにてポンプセル３の温度を測定した。
また、図７に示すポンプセル３の最高温度の基準値である７５０℃は、被測定ガス室５に取り込まれた被測定ガス中の酸素ガスをポンピングするための、ポンプセル３におけるポンピング能力として最低限必要な温度である。
また、本例において使用した符号は、図１において使用した符号に準ずる。

測定結果を図７に示す。
同図からわかるように、Ｘ_H1／Ｌ_Kが０．２以下である場合には、ポンプセル３の最高温度が７５０℃以上と、十分に大きくすることができる。そしてこの場合には、ポンプセル３のポンピング能力を十分に確保することができる。

一方、Ｘ_H1／Ｌ_Kが０．２を超える場合には、ポンプセル３の最高温度が７５０℃未満となることがわかる。そしてこの場合には、ポンプセル３のポンピング能力を十分に得ることが困難となる。
以上からわかるように、ポンプセル３における酸素ガスのポンピング能力を確保するという観点から、Ｘ_H1／Ｌ_Kは０．２以下であることが必要である。

実施例１における、ＮＯｘセンサ素子の断面説明図。 図１における、Ｘ−Ｘ線断面図。 実施例２における、ＮＯｘセンサ素子の断面説明図。 実施例３における、セル温度安定時間と、センサセルとポンプセルとの温度差との関係を示す線図。 実施例４における、センサセルとポンプセルとの温度差と、Ｌ_H／Ｌ_Kとの関係を示す線図。 実施例４における、ヒータ電力とＬ_H／Ｌ_Kとの関係を示す線図。 実施例５における、ポンプセルの最高温度とＸ_H1／Ｌ_Kとの関係を示す線図。

符号の説明

１ ＮＯｘセンサ素子
２ センサセル
３ ポンプセル
５ 被測定ガス室
６ ヒータ
６１ 発熱部

Claims (17)

1. 被測定ガスが導入される被測定ガス室と、該被測定ガス室に導入された上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極を備えたセンサセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極を備えたポンプセルと、通電により発熱するヒータとを有するＮＯｘセンサ素子であって、
   上記ヒータによる加熱により上記センサセルと上記ポンプセルとを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点において、上記センサセルと上記ポンプセルとは、互いの温度差が７０℃以下となるよう構成されていることを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
2. 請求項１において、上記ＮＯｘセンサ素子における上記センサセル及び上記ポンプセルの形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となるセル先端部と最も基端となるセル基端部との間の長さをＬ_k、上記ヒータにおける発熱部の形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となる発熱先端部と上記セル先端部との距離Ｘ_H1を、上記発熱部の形成領域のうち最も基端となる発熱基端部と上記セル先端部との距離をＸ_H2としたとき、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
3. 被測定ガスが導入される被測定ガス室と、該被測定ガス室に導入された上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極を備えたセンサセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極を備えたポンプセルと、通電により発熱するヒータとを有するＮＯｘセンサ素子であって、
   上記ＮＯｘセンサ素子における上記センサセル及び上記ポンプセルの形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となるセル先端部と最も基端となるセル基端部との間の長さをＬ_k、上記ヒータにおける発熱部の形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となる発熱先端部と上記セル先端部との距離をＸ_H1、上記発熱部の形成領域のうち最も基端となる発熱基端部と上記セル先端部との距離をＸ_H2としたとき、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
4. 請求項２又は３において、Ｘ_H2≦１．５Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
5. 請求項４において、１．１Ｌ_k≦Ｘ_H2≦１．３Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
6. 請求項２〜５のいずれか一項において、Ｌ_k≦Ｘ_H2−Ｘ_H1≦１．５Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
7. 請求項６において、１．１Ｌ_k≦Ｘ_H2−Ｘ_H1≦１．３Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記センサセル、及び上記ポンプセルのいずれか一方は、それぞれにおける温度を検出するための温度検出用セルであることを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
9. 被測定ガスが導入される被測定ガス室と、該被測定ガス室に導入された上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極を備えたセンサセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極を備えたポンプセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を検出する一対のモニタ用電極を備えたモニタセルと、通電により発熱するヒータとを有するＮＯｘセンサ素子であって、
   上記ヒータによる加熱により上記センサセルと上記ポンプセルと上記モニタセルとを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点において、上記センサセルと上記ポンプセルと上記モニタセルとは、互いの温度差が７０℃以下となるよう構成されていることを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
10. 請求項９において、上記ＮＯｘセンサ素子における上記センサセル、上記ポンプセル、及び上記モニタセルの形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となるセル先端部と最も基端となるセル基端部との間の長さをＬ_k、上記ヒータにおける発熱部の形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となる発熱先端部と上記セル先端部との距離をＸ_H1、上記発熱部の形成領域のうち最も基端となる発熱基端部と上記セル先端部との距離をＸ_H2としたとき、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
11. 被測定ガスが導入される被測定ガス室と、該被測定ガス室に導入された上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する一対のセンサ用電極を備えたセンサセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を調整する一対のポンプ用電極を備えたポンプセルと、上記被測定ガス室中の酸素濃度を検出する一対のモニタ用電極を備えたモニタセルと、通電により発熱するヒータとを有するＮＯｘセンサ素子であって、
    上記ＮＯｘセンサ素子における上記センサセル、上記ポンプセル、及び上記モニタセルの形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となるセル先端部と最も基端となるセル基端部との間の長さをＬ_k、上記ヒータにおける発熱部の形成領域のうち上記ＮＯｘセンサ素子の長手方向の最も先端となる発熱先端部と上記セル先端部との距離をＸ_H1、上記発熱部の形成領域のうち最も基端となる発熱基端部と上記セル先端部との距離をＸ_H2としたとき、Ｌ_k≦Ｘ_H2、Ｘ_H1≦０．２Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
12. 請求項１０又は１１において、Ｘ_H2≦１．５Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
13. 請求項１２において、１．１Ｌ_k≦Ｘ_H2≦１．３Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
14. 請求項１０〜１３のいずれか一項において、Ｌ_k≦Ｘ_H2−Ｘ_H1≦１．５Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
15. 請求項１４において、１．１Ｌ_k≦Ｘ_H2−Ｘ_H1≦１．３Ｌ_kの関係を満たすことを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
16. 請求項９〜１５のいずれか一項において、上記センサセル、上記ポンプセル、及び上記モニタセルのいずれか一つは、それぞれにおける温度を検出するための温度検出用セルであることを特徴とするＮＯｘセンサ素子。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項において、上記ヒータによる加熱により上記センサセルと上記ポンプセルとを温度上昇させた後であってその温度が安定した時点の上記センサセルの温度は、６５０〜８５０℃であることを特徴とするＮＯｘセンサ素子。

Images