JP2010249801A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】検知電極を第1内部電極よりも、第1検出室における被検出ガスのガス流の下流方向に配置し、第1検出室における被検出ガスが流れる空間部分の断面積であって、第1内部電極に面する空間部分の断面積は、0.03mm2以上0.22mm2以下であり、検知電極の中心を、第1内部電極の下流側の端よりも、固体電解質体と第1内部電極との積層方向に沿った空間部分の高さの10倍の距離以上ガス流の下流側に離れた位置に配置する。
【選択図】図7
Description
定している。これにより、酸素ポンプセルによる酸素のポンピング効率が向上できる。よって、ポンピングに用いられる消費電力が低減され得る。また、ガスセンサ素子における異なる位置の間の温度差を小さくすることができる。なお、0.03mm2未満であれば、検出室の形成が困難となり、ガスセンサの機能を果たさないことがある。他方、0.22mm2を超えると、検出室の小型化が図られず、上記効果を得ることができない。
なお、dL/dS<0.05となるとき、検知電極のガス流方向の長さが極端に短くなり、検知電極と被検出ガスとの接触面積が減少することとなる。その為、被検出ガス濃度を確実に測定することが困難となることがある。つまり、被検出ガスの検知精度が低下することがある。
また、1.20<dL/dSとなるとき、検知電極のガス流方向の長さが極端に長くなり、検知電極のガス流方向先端から後端まで被検出ガスが移動するまでの時間が長くなる。その為、検知電極のガス流方向先端と検知電極のガス流方向後端とで測定する濃度が等しくなるまでの時間、換言すれば被検出ガスの濃度が測定できるまでの時間が長くなることがある。つまり、応答性が低下することがある。
A.実施例:
B.変形例:
図1は、本発明の一実施例としてのガスセンサ200を示す断面図である。このガスセンサ200は、図示しない内燃機関(エンジン)の排気管に固定されて、窒素酸化物(NOx)の濃度を測定する(以下、ガスセンサ200のことを「NOxセンサ200」とも呼ぶ)。図1は、NOxセンサ200の長手方向D1と平行な断面を示している。以下、図1における下方向(下側)をNOxセンサ200の先端側FWDと呼び、図1における上方向(上側)をNOxセンサ200の後端側BWDと呼ぶ。
(図1における上方)の開口部には、グロメット150が配置されている。グロメット150には、リード線挿通孔161が形成されている。リード線挿通孔161には、6本のリード線146が挿通される(図1では5本のリード線146のみが示されている)。これらのリード線146は、NOxセンサ素子10の後端側の外表面に設けられた電極パッド(図示せず)にそれぞれ電気的に接続される。
第1結果CA:幅Wが0.98mm、高さtが0.03mm、面積が0.03mm2。
第2結果CB:幅Wが2.03mm、高さtが0.03mm、面積が0.06mm2。
第3結果CC:幅Wが0.98mm、高さtが0.11mm、面積が0.11mm2。
第4結果CD:幅Wが2.03mm、高さtが0.11mm、面積が0.22mm2。
面積は、小数第3位で四捨五入して得られる値である。ここで、第1内部電極11cの厚さ11ct(図6)は、各測定結果CA〜CDに共通である(本実施例では、0.01mm)。なお、検知電極12b(図5)の厚さも、第1内部電極11cの厚さと同じである。
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上述の各実施例において、ガスセンサ200とNOxセンサ素子10とのそれぞれの構成としては、図1〜図6に示す構成に限らず、他の種々の構成を採用可能である。例えば、第1拡散抵抗体15aが、第1内部電極11cの短手方向D3に配置されていてもよい。また、上述のガスセンサ200(ガスセンサ素子10)は、NOxに限らず、種々の酸化物の存在や濃度の検出に利用可能である。このような酸化物としては、例えば、CO2や、SO2や、H2O等を採用可能である。また、複数のセルが共通の電解質層(電解質体)を用いて形成されていてもよい。例えば、第2酸素ポンプセル13の電極13b、13cが、酸素濃度検知セル12と共通の第3固体電解質層12a上に形成されてもよい。一般には、ガスセンサは、第1酸素ポンプセルの電極が形成(接合)された第1電解質部分と、第2酸素ポンプセルの電極が形成(接合)された第2電解質部分と、酸素濃度検知セルの電極が形成(接合)された第3電解質部分とを有してよい。そして、これら3つの電解質部分が、それぞれ別体の電解質体で形成されていてもよい。また、任意の2つの電解質部分が、1つの電解質体で一体に形成されていてもよい。また、3つの電解質部分が、1つの電解質体で一体に形成されていてもよい。
上述の各実施例において、ガスセンサ200の各部材の寸法としては、上述の寸法に限らず、他の寸法を採用してもよい。例えば、第1内部電極11cの厚さ11ct(図6)は、0.01mmと比べて、厚くてもよく薄くてもよい。検知電極12bの厚さについても、同様である。また、検知電極12bの幅が第1検出室16の幅Wよりも狭くてもよい。第1内部電極11cの幅についても、同様である。また、検知電極12bの長さdL(図5)は、0.05≦dL/dS≦1.20を満たしていれば、1.2mmと比べて、長くてもよく短くてもよい。また、第1内部電極11cの長さ(上流端11cuから下流端11cdまでの長さ)は、第1検出室16内の酸素濃度を制御するのに十分な長さに設定すればよい。
変形例2において、検知電極12bの厚み及び幅Wは、他の寸法を採用しても良いと述べたが、より好ましくは、検知電極を多孔質体により形成し、さらにガス流の方向GFDに沿って検知電極12bが存在する位置における第1検出室の第2断面を見た時に、第2断面の総面積に対する検知電極の占める割合が、半分以上である箇所を有するように形成することが、より好ましい。つまり、検知電極の厚みをhとすると、図10のように検知電極を形成する際には、W×H≦2×W×hを満たすような厚みh、つまりH≦2hとすると良い。なお、図10は、図3のA−A断面における検知電極の断面図の一例である。
上述の各実施例において、電極の導電材料としては、白金に限らず、他の種々の導電材料を採用可能である。例えば、金や銀を採用してもよい。また、他の部材の材料としても、種々の材料を採用可能である。
上述の各実施例において、ガスセンサ(ガスセンサ素子)としては、図2に示すNOxセンサに限らず、他の種々のセンサ(素子)を採用可能である。例えば、第1酸素ポンプセルと酸素濃度検知セルとを備える空燃比センサ(酸素センサ)を採用してもよい。このような空燃比センサの構成としては、図2に示すガスセンサ素子10から、第2検出室18と第2酸素ポンプセル13とを省略した構成を採用可能である。
11…第1酸素ポンプセル
11a…第1固体電解質層
11b…外側第1ポンプ電極(第1対極電極)
11c…内側第1ポンプ電極(第1内部電極)
11e…保護層
11cd…下流端
11ct…厚さ
11cu…上流端
12…酸素濃度検知セル
12a…第3固体電解質層
12b…検知電極
12c…基準電極
12bc…中心
12bd…下流端
12bu…上流端
13…第2酸素ポンプセル
13a…第2固体電解質層
13b…内側第2ポンプ電極
13c…対極第2ポンプ電極
14a、14b、14c、14d、14e…絶縁層
15a…第1拡散抵抗体
15b…第2拡散抵抗体
16…第1検出室
16s…空間部分
17…基準酸素室
18…第2検出室
50…発熱抵抗体
51…発熱体
52…発熱リード部
60…ヒータ
106…セラミックスリーブ
110…接続端子
138…主体金具
139…ねじ部
140…後端部
142…外部プロテクタ
143…内部プロテクタ
144…外筒
146…リード線
150…グロメット
151…セラミックホルダ
152…棚部
153、156…滑石リング(粉末充填層)
154…貫通孔
157…パッキン
158…金属ホルダ
160…保持部
161…リード線挿通孔
166…絶縁コンタクト部材
167…鍔部
168…コンタクト挿通孔
169…保持部材
200…ガスセンサ(NOxセンサ)
BL…空気ブロワ
FP…ガス流路
ES…評価システム
CU…制御部
Claims (9)
- 第1拡散抵抗部を介して被検出ガスが導入される第1検出室と、
固体電解質体および該固体電解質体上に形成された一対の第1電極を有し、前記一対の第1電極のうちの一方の電極である第1内部電極が前記第1検出室内に配置され、前記第1検出室に導入された前記被検出ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第1酸素ポンプセルと、
前記第1検出室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記被検出ガスが第2拡散抵抗部を介して導入される第2検出室と、
固体電解質体および該固体電解質体上に形成された一対の第2電極を有し、前記一対の第2電極のうちの一方の電極である内側第2ポンプ電極が前記第2検出室内に配置され、前記第2検出室における特定ガス成分の濃度に応じて電流が流れる第2酸素ポンプセルと、
固体電解質体および該固体電解質体上に配置された一対の第3電極を有し、前記一対の第3電極のうちの一方の電極である検知電極が前記第1検出室内に配置され、前記第1検出室内の酸素濃度に応じて前記第3電極間に電圧を発生する酸素濃度検知セルと、
を有するガスセンサ素子を備えたガスセンサにおいて、
前記検知電極は、前記第1内部電極よりも、前記第1検出室における前記被検出ガスのガス流の下流側に配置されており、
前記第1検出室における前記被検出ガスが流れる空間部分の断面積であって、前記第1内部電極に面する空間部分の断面積は、0.03mm2以上0.22mm2以下の範囲内に設定され、
前記検知電極の中心は、前記第1内部電極の下流側の端よりも、前記第1固体電解質体と前記第1内部電極との積層方向に沿った前記空間部分の高さの10倍の距離以上離れた下流に配置されていることを特徴とする、
ガスセンサ。 - 請求項1に記載のガスセンサであって、
前記高さは、0.03mm以上0.11mm以下の範囲に設定されている、
ガスセンサ。 - 請求項1または請求項2に記載のガスセンサであって、
前記空間部分の、前記高さと前記ガス流の方向との両方と垂直な方向の幅は、0.98mm以上2.03mm以下の範囲に設定されている、
ガスセンサ。 - 請求項1〜3の何れか1つに記載のガスセンサであって、
前記検知電極は多孔質体であり、
前記ガス流の方向に沿って前記検知電極が存在する位置における前記第1検出室の第2断面を見た時に、該第2断面の総面積に対する前記検知電極の占める割合が半分以上である箇所を有する、
ガスセンサ。 - 請求項1〜4の何れか1つに記載のガスセンサであって、
前記検知電極の前記ガス流の方向の長さdLを、前記第1内部電極の前記ガス流の方向の長さをdSとすると、0.05≦dL/dS≦1.20の関係を満たす、
ガスセンサ。 - 請求項1〜5の何れか1つに記載のガスセンサであって、
前記検知電極の前記ガス流の方向における下流側の端は、前記第2拡散抵抗部よりも上流側に位置する、
ガスセンサ。 - 請求項1〜6の何れか1つに記載のガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子は、前記ガス流の方向に沿って延び、前記ガスセンサ素子を加熱する発熱部を有するヒータが積層されており、
前記発熱部は、前記ガス流の方向における、前記第1内部電極の上流側の端と前記内側第2ポンプ電極の下流側の端とに届くように存在する、
ガスセンサ。 - 請求項1〜7の何れか1つに記載のガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子は、前記ガス流の方向に沿って延び、前記ガスセンサ素子を加熱する発熱部を有するヒータが積層されており、
前記発熱部の発熱中心は、前記ガス流の方向において前記第1内部電極と重なる、
ガスセンサ。 - 請求項1〜8の何れか1つに記載のガスセンサであって、
前記ガスセンサ素子は、前記ガス流の方向に沿って延び、前記ガスセンサ素子を加熱する発熱部を有するヒータが積層されており、
前記ガスセンサは、前記ガスセンサ素子を径方向から取り囲んで保持する保持部を有し、当該保持部の軸線方向先端よりも先端側に、前記発熱部が位置している、
ガスセンサ。
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