JP2022153760A - Sensor element and gas sensor - Google Patents

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JP2022153760A JP2021056449A JP2021056449A JP2022153760A JP 2022153760 A JP2022153760 A JP 2022153760A JP 2021056449 A JP2021056449 A JP 2021056449A JP 2021056449 A JP2021056449 A JP 2021056449A JP 2022153760 A JP2022153760 A JP 2022153760A
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雄介 藤井
Yusuke Fujii
修 中曽根
Osamu Nakasone
拓 岡本
Taku Okamoto
伸彦 森
Nobuhiko Mori
信和 生駒
Nobukazu Ikoma
稜 伊藤
Ryo Ito
正己 大島
Masami Oshima
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

To suppress a decrease in response properties of detection of a specific oxide gas concentration in a measured gas.SOLUTION: A sensor element 101 includes: an element body 101a in which a measured gas circulation part 9 for introducing and circulating a measured gas is provided inside; a main pump cell 21 having an inner pump electrode 22; a measurement electrode 44 for detecting a specific oxide gas concentration in a measured gas; a mixed potential cell 55 that has a detection electrode 56 and generates an electromotive voltage corresponding to an ammonia concentration in a measured gas; and a heater 72. Area of the measured gas circulation part 9 in a section is set to a sectional area Sf when the measured gas circulation part 9 and the detection electrode 56 are seen from the section vertical to a circulation direction of a measured gas, and an area ratio R as a value obtained by dividing a sectional area Sp by the sectional area Sf when area that the detection electrode 56 occupies in the sectional area Sf is the sectional area Sp is equal to or less than 0.5. The detection electrode 56 has length Lp in a circulation direction of 2 mm or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、センサ素子及びガスセンサに関する。 The present invention relates to sensor elements and gas sensors.

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOxやアンモニアなどの複数の成分の濃度を検出するガスセンサが知られている。例えば、特許文献1には、酸素イオン伝導性の固体電解質層からなる構造体と、混成電位電極と、主ポンプ電極と、測定電極と、基準電極と、を備えたガスセンサが記載されている。構造体には、被測定ガスが導入されるガス導入口と、ガス導入口に連通した予備空室,酸素濃度調整室及び測定空室が形成されている。予備空室には混成電位電極が配設され、酸素濃度調整室には主ポンプ電極が配設され、測定空室には測定電極が配設されている。このガスセンサでは、主ポンプ電極の電圧に基づいて酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御し、測定電極のポンプ電流に基づいて測定空室内のNO濃度を測定する。また、混成電位電極の混成電位に基づいてアンモニア濃度を測定する。また、混成電位電極を備えず、NOxの濃度を検出するガスセンサも知られている(例えば、特許文献2)。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a gas sensor that detects concentrations of multiple components such as NOx and ammonia in a gas to be measured such as automobile exhaust gas. For example, Patent Literature 1 describes a gas sensor including a structure composed of an oxygen ion-conducting solid electrolyte layer, a mixed potential electrode, a main pump electrode, a measurement electrode, and a reference electrode. The structure is formed with a gas introduction port into which the gas to be measured is introduced, and a preliminary chamber, an oxygen concentration adjustment chamber, and a measurement chamber communicating with the gas introduction port. A mixed potential electrode is arranged in the auxiliary chamber, a main pump electrode is arranged in the oxygen concentration adjusting chamber, and a measuring electrode is arranged in the measuring chamber. This gas sensor controls the oxygen concentration in the oxygen concentration adjustment chamber based on the voltage of the main pump electrode, and measures the NO concentration in the measurement chamber based on the pump current of the measurement electrode. Also, the ammonia concentration is measured based on the mixed potential of the mixed potential electrode. A gas sensor that detects the concentration of NOx without a mixed potential electrode is also known (for example, Patent Document 2).

特開2019-219177号公報JP 2019-219177 A 特開2016-188853号公報JP 2016-188853 A

ところで、特許文献1のようにセンサ素子の内部に混成電位電極(検知電極とも称する)が配置されたセンサ素子では、検知電極を備えない特許文献2のようなセンサ素子と比べて、NOxの濃度の検出の応答性が低下する場合があった。 By the way, in a sensor element in which a mixed potential electrode (also referred to as a detection electrode) is arranged inside the sensor element as in Patent Document 1, the NOx concentration There was a case where the responsiveness of the detection of

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度の検出の応答性の低下を抑制することを主目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve such a problem, and its main object is to suppress the decrease in responsiveness in detecting the specific oxide gas concentration in the gas to be measured.

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。 The present invention employs the following means in order to achieve the above main object.

本発明のセンサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられ、長手方向を有する素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室に配設された調整用ポンプ電極を有し、該酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた測定室の内周面上に配設され、前記被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度を検出するための測定電極と、
前記被測定ガス流通部のうちの前記調整用ポンプ電極よりも上流側に配設された検知電極を有し、前記被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた起電力を発生させる混成電位セルと、
前記素子本体を加熱するヒータと、
を備え、
前記被測定ガス流通部及び前記検知電極を前記被測定ガスの流通方向に垂直な断面で見たときに、該断面における前記被測定ガス流通部の面積を断面積Sfとし、該断面積Sfのうち前記検知電極が占める占める面積を断面積Spとしたときの、該断面積Spを該断面積Sfで除した値である面積割合Rが、0.5以下であり、
前記検知電極は、前記流通方向の長さLpが2mm以下である、
ものである。
The sensor element of the present invention is
an element main body having an oxygen ion-conducting solid electrolyte layer, a measuring gas flow section for introducing and circulating a measuring gas, and having a longitudinal direction;
an adjustment pump cell having an adjustment pump electrode disposed in the oxygen concentration adjustment chamber of the gas flow portion to be measured, and adjusting the oxygen concentration in the oxygen concentration adjustment chamber;
A sensor for detecting a concentration of a specific oxide gas in the gas to be measured, disposed on the inner peripheral surface of a measurement chamber provided downstream of the oxygen concentration adjustment chamber in the gas flow section to be measured. a measuring electrode;
a mixed potential cell having a detection electrode disposed upstream of the adjustment pump electrode in the gas flow portion to be measured and generating an electromotive force corresponding to the concentration of ammonia in the gas to be measured;
a heater for heating the element body;
with
When the measured gas flow portion and the detection electrode are viewed in a cross section perpendicular to the flow direction of the measured gas, the area of the measured gas flow portion in the cross section is defined as a cross-sectional area Sf, and the cross-sectional area Sf is When the area occupied by the detection electrode is defined as the cross-sectional area Sp, the area ratio R, which is the value obtained by dividing the cross-sectional area Sp by the cross-sectional area Sf, is 0.5 or less,
The detection electrode has a length Lp of 2 mm or less in the flow direction,
It is.

このセンサ素子を用いて、例えば以下のように被測定ガスに含まれる特定の酸化物ガス濃度及びアンモニア濃度を検出することができる。まず、調整用ポンプセルを動作させて、被測定ガス流通部内に導入された被測定ガスの酸素濃度を調整する。これにより、酸素濃度の調整後の被測定ガスが測定室に到達する。そして、特定の酸化物ガスに由来して測定室で発生する酸素(特定の酸化物ガスが測定室で還元されたときに発生する酸素)に応じた検出値を取得し、取得した検出値に基づいて被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度を検出する。また、混成電位セルにおいて被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた混成電位が生じるため、この混成電位に基づいてアンモニア濃度を検出する。上記の検出値は被測定ガス中のアンモニアの影響も受ける場合があるため、被測定ガス中のアンモニア濃度に基づいて特定の酸化物ガス濃度の補正を行ってもよい。そして、このセンサ素子では、素子本体の内部に設けられた被測定ガス流通部のうちの、調整用ポンプ電極及び測定電極よりも上流側に、検知電極が配設されている。また、被測定ガス流通部及び検知電極を被測定ガスの流通方向に垂直な断面で見たときに、その断面における被測定ガス流通部の面積を断面積Sfとし、その断面積Sfのうち検知電極が占める占める面積を断面積Spとする。このときの、断面積Spを断面積Sfで除した値である面積割合Rが、0.5以下となっている。また、検知電極は、流通方向の長さLpが2mm以下となっている。このように面積割合Rが0.5以下且つ長さLpが2mm以下であることで、検知電極が被測定ガス流通部内の被測定ガスの流れを阻害しにくいため、検知電極よりも下流側に配設された測定電極への被測定ガスの到達が遅れにくい。したがって、このセンサ素子では、酸化物ガス濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。面積割合Rは、0超過であればよく、0.1以上であってもよい。 Using this sensor element, it is possible to detect specific oxide gas concentration and ammonia concentration contained in the gas to be measured, for example, as follows. First, the adjustment pump cell is operated to adjust the oxygen concentration of the gas to be measured introduced into the gas flow section to be measured. As a result, the gas to be measured whose oxygen concentration has been adjusted reaches the measurement chamber. Then, a detection value corresponding to the oxygen generated in the measurement chamber due to the specific oxide gas (oxygen generated when the specific oxide gas is reduced in the measurement chamber) is obtained, and the obtained detection value is A specific oxide gas concentration in the gas to be measured is detected based on the above. Further, since a mixed potential corresponding to the ammonia concentration in the gas to be measured is generated in the mixed potential cell, the ammonia concentration is detected based on this mixed potential. Since the above detection value may be affected by ammonia in the gas to be measured, the specific oxide gas concentration may be corrected based on the ammonia concentration in the gas to be measured. In this sensor element, the detection electrode is disposed upstream of the adjustment pump electrode and the measurement electrode in the measured gas flow section provided inside the element body. Further, when the measured gas circulation part and the detection electrode are viewed in a cross section perpendicular to the direction of flow of the measured gas, the area of the measured gas circulation part in the cross section is defined as a cross-sectional area Sf, and the detection is performed within the cross-sectional area Sf. The area occupied by the electrodes is defined as a cross-sectional area Sp. At this time, the area ratio R, which is the value obtained by dividing the cross-sectional area Sp by the cross-sectional area Sf, is 0.5 or less. Moreover, the detection electrode has a length Lp of 2 mm or less in the flow direction. When the area ratio R is 0.5 or less and the length Lp is 2 mm or less, the detection electrode is less likely to block the flow of the gas to be measured in the gas flow part to be measured. Arrival of the gas to be measured to the arranged measurement electrodes is less likely to be delayed. Therefore, in this sensor element, it is possible to suppress a decrease in responsiveness in detecting the concentration of oxide gas. The area ratio R may be greater than 0, and may be 0.1 or more.

本発明のセンサ素子において、前記被測定ガス流通部の入口であるガス導入口から前記検知電極までの前記流通方向の距離Dが4mm以下であってもよい。ここで、センサ素子の使用時には素子本体がヒータによって加熱されて高温になっている。そのため、被測定ガスがセンサ素子と接触することで被測定ガス中のアンモニアが燃焼して、アンモニアの濃度検出の感度が低下する場合がある。これに対し、距離Dが4mm以下であれば、ガス導入口から被測定ガス流通部内に導入された被測定ガスが短時間で検知電極に到達するため、検知電極に到達するまでの間にアンモニアが燃焼しにくい。したがって、被測定ガス中のアンモニアの濃度検出の感度の低下を抑制できる。 In the sensor element of the present invention, a distance D in the direction of flow from a gas introduction port, which is an entrance of the gas flow portion to be measured, to the detection electrode may be 4 mm or less. Here, when the sensor element is used, the element body is heated by the heater to a high temperature. Therefore, when the gas to be measured comes into contact with the sensor element, the ammonia in the gas to be measured burns, and the sensitivity of detecting the concentration of ammonia may decrease. On the other hand, if the distance D is 4 mm or less, the measured gas introduced from the gas inlet into the measured gas circulation section reaches the detection electrode in a short time. is difficult to burn. Therefore, it is possible to suppress a decrease in sensitivity in detecting the concentration of ammonia in the gas to be measured.

本発明のセンサ素子において、前記被測定ガス流通部のうち入口であるガス導入口から前記検知電極までの間に、スリット状の隙間又は多孔質体で構成された拡散律速部が配設されていなくてもよい。こうすれば、ガス導入口から被測定ガス流通部内に導入された被測定ガスが短時間で検知電極に到達するため、検知電極に到達するまでの間にアンモニアが燃焼しにくい。したがって、被測定ガス中のアンモニアの濃度検出の感度の低下を抑制できる。 In the sensor element of the present invention, a slit-shaped gap or a diffusion rate-determining section made of a porous material is disposed between the gas introduction port, which is the entrance of the gas flow section to be measured, and the detection electrode. It doesn't have to be. With this configuration, the gas to be measured introduced into the gas-to-be-measured flow passage from the gas inlet reaches the detection electrode in a short time, so ammonia is less likely to burn before reaching the detection electrode. Therefore, it is possible to suppress a decrease in sensitivity in detecting the concentration of ammonia in the gas to be measured.

本発明のセンサ素子において、前記長手方向を前後方向として、該被測定ガス流通部の入口であるガス導入口は前記素子本体の前端面に開口しており、前記被測定ガス流通部は、前記ガス導入口から前記測定電極まで前後方向に延びる流路であり、前記検知電極と前記測定電極との前記前後方向の距離Cが11mm以下であってもよい。距離Cが11mm以下では、被測定ガスが検知電極の周辺を通過してから測定電極の周辺に到達するまでの時間が比較的短くなるため、センサ素子の酸化物ガス濃度の検出の応答性とアンモニア濃度の検出の応答性とが同程度になる。すなわち、酸化物ガス濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが比較的近い値になる。そのため、例えば時々刻々と被測定ガスの組成が変化する場合でも、酸化物ガス濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さくなる。 In the sensor element of the present invention, the longitudinal direction is defined as the front-rear direction, and the gas introduction port, which is the entrance of the measured gas circulation portion, opens in the front end surface of the element main body. The flow path may extend in the front-rear direction from the gas inlet to the measurement electrode, and the distance C in the front-rear direction between the detection electrode and the measurement electrode may be 11 mm or less. When the distance C is 11 mm or less, the time required for the gas to be measured to pass through the periphery of the sensing electrode and reach the periphery of the measurement electrode is relatively short. The responsiveness of ammonia concentration detection becomes comparable. That is, the response time for detecting the oxide gas concentration and the response time for detecting the ammonia concentration are relatively close to each other. Therefore, even if the composition of the gas to be measured changes from moment to moment, for example, the deviation in detection timing of the oxide gas concentration and the ammonia concentration is reduced.

本発明のセンサ素子において、前記被測定ガス流通部は、前記流通方向に垂直な断面が矩形状をしており、前記検知電極は、該矩形状の4辺を構成する前記被測定ガス流通部の4つの内周面のうち1以上に配設されていてもよい。この場合において、前記検知電極は、前記被測定ガス流通部の前記4つの内周面のいずれにも配設されたトンネル形状を有していてもよい。 In the sensor element of the present invention, the measured gas flow portion has a rectangular cross section perpendicular to the flow direction, and the detection electrode forms the four sides of the measured gas flow portion. may be disposed on one or more of the four inner peripheral surfaces of the . In this case, the sensing electrode may have a tunnel shape disposed on any one of the four inner peripheral surfaces of the measured gas flow portion.

本発明のガスセンサは、上述したいずれかの態様のセンサ素子を備えたものである。そのため、このガスセンサは、上述した本発明のセンサ素子と同様の効果、例えば被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度の検出の応答性の低下を抑制できる効果が得られる。 A gas sensor according to the present invention includes the sensor element according to any one of the aspects described above. Therefore, this gas sensor can obtain the same effect as the sensor element of the present invention described above, for example, the effect of being able to suppress the decrease in responsiveness in detecting the specific oxide gas concentration in the gas to be measured.

ガスセンサ100の断面模式図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 100; 図1の部分拡大図。FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1; 図2のA-A断面の一部を示す部分断面図。FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a part of the AA cross section of FIG. 2; 制御装置90と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the electrical connection relationship between a control device 90 and each cell; 変形例の検知電極156の配置を示す拡大断面図。FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view showing the arrangement of detection electrodes 156 of a modified example; 図5のB-B断面の一部を示す部分断面図。FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a part of the BB cross section of FIG. 5; 変形例のセンサ素子201の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the sensor element 201 of a modification.

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態であるガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図2は、図1の部分拡大図である。図3は、図2のA-A断面の一部を示す部分断面図である。図4は、制御装置90と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図である。このガスセンサ100は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関の排ガス管などの配管に取り付けられる。ガスセンサ100は、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中の特定の酸化物ガス(ここではNOx)の濃度と、被測定ガス中のアンモニアの濃度とを検出する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional schematic diagram schematically showing an example of the configuration of a gas sensor 100 that is an embodiment of the present invention. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1. FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a part of the AA cross section of FIG. 2. FIG. FIG. 4 is a block diagram showing electrical connections between the control device 90 and each cell. This gas sensor 100 is attached to a pipe such as an exhaust gas pipe of an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine. The gas sensor 100 detects the concentration of a specific oxide gas (here, NOx) in the gas under measurement and the concentration of ammonia in the gas under measurement, using exhaust gas from an internal combustion engine as the gas under measurement.

ガスセンサ100は、センサ素子101と、ガスセンサ100全体を制御する制御装置90と、を備えている。センサ素子101は、長尺な直方体形状をした素子本体101aと、素子本体101aの一部を含んで構成される各セル21,41,50,55,80~83と、素子本体101aを被覆する多孔質の保護層85と、を備えている。図1に示すように、素子本体101aの長手方向を前後方向、素子本体101aの厚み方向を上下方向とする。また、素子本体101aの幅方向(長手方向及び厚み方向に垂直な方向)を左右方向とする。 The gas sensor 100 includes a sensor element 101 and a control device 90 that controls the gas sensor 100 as a whole. The sensor element 101 includes an element body 101a having an elongated rectangular parallelepiped shape, cells 21, 41, 50, 55, 80 to 83 configured to include part of the element body 101a, and covering the element body 101a. and a porous protective layer 85 . As shown in FIG. 1, the longitudinal direction of the element body 101a is the front-rear direction, and the thickness direction of the element body 101a is the vertical direction. Also, the width direction of the element main body 101a (the direction perpendicular to the longitudinal direction and the thickness direction) is defined as the left-right direction.

センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体(素子本体101a)を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。 The sensor element 101 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, a third substrate layer 3, and a first solid electrolyte layer 4 each made of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). , a spacer layer 5, and a second solid electrolyte layer 6 are laminated in this order from the lower side in the view of the drawing (element main body 101a). Also, the solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The sensor element 101 is manufactured by, for example, performing predetermined processing and circuit pattern printing on ceramic green sheets corresponding to each layer, laminating them, and firing them to integrate them.

素子本体101aの前端側(図1の左端部側)であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、緩衝空間12と、拡散律速部13と、第1内部空所20と、拡散律速部30と、第2内部空所40と、拡散律速部60と、第3内部空所61とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。 Between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 on the front end side (left end side in FIG. 1) of the element main body 101a, a gas introduction port 10 and a buffer space 12 are provided. , the diffusion rate-controlling portion 13, the first internal space 20, the diffusion rate-controlling portion 30, the second internal space 40, the diffusion rate-controlling portion 60, and the third internal space 61 communicate in this order. are formed adjacent to each other.

ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40と、第3内部空所61とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画された素子本体101a内部の空間である。 The gas inlet 10, the buffer space 12, the first internal cavity 20, the second internal cavity 40, and the third internal cavity 61 are provided in the upper part provided by hollowing out the spacer layer 5. The space inside the element body 101a is defined by the lower surface of the second solid electrolyte layer 6, the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 in the lower portion, and the side surface of the spacer layer 5 in the lateral portion.

拡散律速部13と、拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。また、拡散律速部60は、第2固体電解質層6の下面との隙間として形成された1本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第3内部空所61に至る部位を被測定ガス流通部9と称する。ガス導入口10は、被測定ガス流通部9の入口であり、素子本体101aの前端面に開口している。また、被測定ガス流通部9は、前後方向に延びる流路であり、ガス導入口10から後方に延びるように配設されている。そのため、ガス導入口10から被測定ガス流通部9内に導入された被測定ガスは、後方に移動していく。すなわち、本実施形態では、被測定ガス流通部9内の被測定ガスの流通方向は前後方向に沿っている。被測定ガス流通部9内には、ガス導入口10側から検知電極56,内側ポンプ電極22,補助ポンプ電極51,及び測定電極44がこの順に配設されている。被測定ガス流通部9は、ガス導入口10から測定電極44まで前後方向に延びる流路となっている。 Both the diffusion rate-controlling part 13 and the diffusion rate-controlling part 30 are provided as two horizontally long slits (the openings of which have the longitudinal direction in the direction perpendicular to the drawing). Diffusion control part 60 is provided as one laterally long slit (the opening has its longitudinal direction in the direction perpendicular to the drawing) formed as a gap with the lower surface of second solid electrolyte layer 6 . A portion extending from the gas introduction port 10 to the third internal space 61 is referred to as a gas flow portion 9 to be measured. The gas introduction port 10 is an inlet of the measured gas circulation portion 9 and opens at the front end surface of the element main body 101a. Further, the measured gas circulation portion 9 is a channel extending in the front-rear direction, and is arranged so as to extend rearward from the gas introduction port 10 . Therefore, the gas to be measured introduced from the gas inlet 10 into the gas-to-be-measured circulation portion 9 moves backward. That is, in the present embodiment, the flow direction of the gas to be measured in the gas flow part 9 to be measured is along the front-rear direction. In the measured gas flow section 9, a detection electrode 56, an inner pump electrode 22, an auxiliary pump electrode 51, and a measurement electrode 44 are arranged in this order from the gas inlet 10 side. The measured gas circulation part 9 is a flow path extending in the front-rear direction from the gas introduction port 10 to the measurement electrode 44 .

また、被測定ガス流通部9よりも前端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。 Further, at a position farther from the front end side than the measured gas circulation portion 9, between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5, a side portion of the first solid electrolyte layer 4 is provided. A reference gas introduction space 43 is provided at a position defined by . For example, atmospheric air is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas when measuring the NOx concentration.

大気導入層48は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。 The atmosphere introduction layer 48 is a layer made of porous ceramics, and the reference gas is introduced into the atmosphere introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43 . Also, the atmosphere introduction layer 48 is formed so as to cover the reference electrode 42 .

基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。また、後述するように、基準電極42を用いて第1内部空所20内,第2内部空所40内,及び第3内部空所61内の酸素濃度(酸素分圧)を測定することが可能となっている。基準電極42は、多孔質サーメット電極(例えば、PtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。 The reference electrode 42 is an electrode formed in a manner sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4, and as described above, is connected to the reference gas introduction space 43 around it. An atmosphere introduction layer 48 is provided. In addition, as will be described later, the reference electrode 42 can be used to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20, the second internal space 40, and the third internal space 61. It is possible. The reference electrode 42 is formed as a porous cermet electrode (eg, a Pt and ZrO 2 cermet electrode).

被測定ガス流通部9において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間から素子本体101a内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。緩衝空間12は、ガス導入口10より導入された被測定ガスを拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。緩衝空間12の前端部分が、ガス導入口10となっている。拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、素子本体101aの外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10から素子本体101aの内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、緩衝空間12、拡散律速部13を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空所20へ導入される被測定ガスの圧力変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第1内部空所20は、拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。 In the measured gas circulation portion 9, the gas introduction port 10 is a portion opened to the external space, and the gas to be measured is taken into the element main body 101a from the external space through the gas introduction port 10. ing. The buffer space 12 is a space provided for guiding the gas to be measured introduced from the gas introduction port 10 to the diffusion control section 13 . A front end portion of the buffer space 12 serves as a gas introduction port 10 . The diffusion control portion 13 is a portion that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas under measurement introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20 . When the gas to be measured is introduced into the first internal space 20 from the outside of the element main body 101a, the pressure fluctuation of the gas to be measured in the external space (if the gas to be measured is the exhaust gas of an automobile, the exhaust pressure) The gas to be measured that is rapidly taken into the element main body 101a through the gas inlet 10 due to pulsation is not introduced directly into the first internal space 20, but passes through the buffer space 12 and the diffusion control section 13 to be measured. The gas is introduced into the first internal cavity 20 after the pressure fluctuations have been canceled. As a result, pressure fluctuations of the gas to be measured introduced into the first internal cavity 20 are almost negligible. The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced through the diffusion control section 13 . The oxygen partial pressure is adjusted by operating the main pump cell 21 .

主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。外側ポンプ電極23は、被測定ガスに接触するように素子本体101aの外側に設けられている。本実施形態では、具体的には、外側ポンプ電極23は素子本体101aの上面に設けられている。 The main pump cell 21 includes an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal cavity 20, and an upper surface of the second solid electrolyte layer 6. This is an electrochemical pump cell composed of an outer pump electrode 23 provided in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a and a second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes. The outer pump electrode 23 is provided outside the element main body 101a so as to be in contact with the gas to be measured. Specifically, in this embodiment, the outer pump electrode 23 is provided on the upper surface of the element main body 101a.

内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。 The inner pump electrode 22 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (the second solid electrolyte layer 6 and the first solid electrolyte layer 4) that define the first internal cavity 20 and the spacer layer 5 that provides side walls. there is Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the first internal cavity 20, and a bottom electrode portion 22a is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface. A spacer layer in which electrode portions 22b are formed, and side electrode portions (not shown) constitute both side wall portions of the first internal cavity 20 so as to connect the ceiling electrode portion 22a and the bottom electrode portion 22b. 5, and arranged in a tunnel-shaped structure at the arrangement portion of the side electrode portion.

内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに
接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as porous cermet electrodes (for example, cermet electrodes of Pt and ZrO 2 containing 1% Au). The inner pump electrode 22 that comes into contact with the gas to be measured is made of a material that has a weakened ability to reduce NOx components in the gas to be measured.

主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。 In the main pump cell 21, a desired pump voltage Vp0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 to generate a positive or negative pump current between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23. By flowing Ip0, it is possible to pump oxygen in the first internal space 20 to the external space, or to pump oxygen in the external space into the first internal space 20 .

また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。 In order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4 , the third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control.

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力(電圧V0)を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、電圧V0が目標値となるように可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。 By measuring the electromotive force (voltage V0) in the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be known. Furthermore, the pump current Ip0 is controlled by feedback-controlling the pump voltage Vp0 of the variable power supply 24 so that the voltage V0 becomes the target value. Thereby, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be kept at a predetermined constant value.

拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。 The diffusion control section 30 applies a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and converts the gas to be measured into the second gas. It is a portion that leads to the internal cavity 40 .

第2内部空所40は、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、拡散律速部30を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ100においては精度の高いNOx濃度測定が可能となる。 In the second internal space 40 , the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in advance in the first internal space 20 , and then oxygen is added by the auxiliary pump cell 50 to the gas to be measured introduced through the diffusion control section 30 . It is provided as a space for adjusting the partial pressure. As a result, the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, so that the gas sensor 100 can measure the NOx concentration with high accuracy.

補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体
に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、素子本体101aの外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
The auxiliary pump cell 50 includes an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal cavity 40, and an outer pump electrode 23 (outer pump electrode 23 and a second solid electrolyte layer 6, which is an auxiliary electrochemical pump cell.

係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The auxiliary pump electrode 51 is arranged in the second internal space 40 in the same tunnel-like structure as the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20 . That is, the ceiling electrode portion 51a is formed on the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, and the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40 has , bottom electrode portions 51b are formed, and side electrode portions (not shown) connecting the ceiling electrode portions 51a and the bottom electrode portions 51b are formed on the spacer layer 5 that provides the sidewalls of the second internal cavity 40. It has a tunnel-like structure formed on both walls. As with the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51 is also made of a material having a weakened ability to reduce NOx components in the gas to be measured.

補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。 In the auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23, oxygen in the atmosphere inside the second internal cavity 40 is pumped out to the external space, or It is possible to pump from the space into the second internal cavity 40 .

また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。 In order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere inside the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, the reference electrode 42, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte The layer 4 and the third substrate layer 3 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump.

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力(電圧V1)に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。 The auxiliary pump cell 50 performs pumping with the variable power source 52 whose voltage is controlled based on the electromotive force (voltage V1) detected by the oxygen partial pressure detecting sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump. Thereby, the oxygen partial pressure in the atmosphere inside the second internal cavity 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx.

また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その電圧V0の上述した目標値が制御されることにより、拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。 Along with this, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, and by controlling the above-described target value of the voltage V0, the pump current Ip1 is transferred from the diffusion rate-determining section 30 to the second internal The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into the space 40 is controlled so as to be constant. When used as a NOx sensor, the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50 work to keep the oxygen concentration in the second internal cavity 40 at a constant value of approximately 0.001 ppm.

拡散律速部60は、第2内部空所40で補助ポンプセル50の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第3内部空所61に導く部位である。拡散律速部60は、第3内部空所61に流入するNOxの量を制限する役割を担う。 The diffusion control section 60 applies a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the auxiliary pump cell 50 in the second internal space 40, and converts the gas to be measured into the third gas. This is a portion that leads to the internal space 61 . The diffusion control section 60 serves to limit the amount of NOx flowing into the third internal cavity 61 .

第3内部空所61は、あらかじめ第2内部空所40において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、拡散律速部60を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、第3内部空所61において、測定用ポンプセル41の動作により行われる。 After the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in advance in the second internal space 40 , the third internal space 61 is introduced through the diffusion control section 60 to the gas under test, and the nitrogen in the gas under test is It is provided as a space for performing processing related to measurement of oxide (NOx) concentration. The NOx concentration is measured mainly in the third internal space 61 by operating the measuring pump cell 41 .

測定用ポンプセル41は、第3内部空所61内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第3内部空所61に面する第1固体電解質層4の上面に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極44は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を、内側ポンプ電極22よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第3内部空所61内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。 The measuring pump cell 41 measures the NOx concentration in the gas to be measured in the third internal space 61 . The measurement pump cell 41 includes a measurement electrode 44 provided on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the third internal cavity 61 , an outer pump electrode 23 , a second solid electrolyte layer 6 and a spacer layer 5 . , and the first solid electrolyte layer 4 . The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode made of a material having a higher ability to reduce NOx components in the gas to be measured than the inner pump electrode 22 . The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere inside the third internal cavity 61 .

測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。 In the measurement pump cell 41, oxygen generated by decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere around the measurement electrode 44 can be pumped out, and the amount of oxygen generated can be detected as a pump current Ip2.

また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力(電圧V2)に基づいて可変電源46が制御される。 Also, in order to detect the oxygen partial pressure around the measuring electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the measuring electrode 44 and the reference electrode 42 form an electrochemical sensor cell, i.e. An oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measuring pump is configured. The variable power supply 46 is controlled based on the electromotive force (voltage V2) detected by the measuring pump controlling oxygen partial pressure detecting sensor cell 82 .

第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で拡散律速部60を通じて第3内部空所61内の測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された電圧V2が一定(目標値)となるように可変電源46の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。 The measured gas guided into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 in the third internal space 61 through the diffusion control section 60 under the condition that the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxides in the gas to be measured around the measuring electrode 44 are reduced (2NO→N 2 +O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped by the measurement pump cell 41. At this time, the voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 is kept constant (target value). , the voltage Vp2 of the variable power supply 46 is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measuring electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured, the pump current Ip2 in the pump cell 41 for measurement is used to measure the nitrogen oxides in the gas to be measured. The concentration will be calculated.

また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力(電圧Vref)によりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。 An electrochemical sensor cell 83 is composed of the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23, and the reference electrode 42. The electromotive force (voltage Vref) obtained by the sensor cell 83 can be used to detect the partial pressure of oxygen in the gas to be measured outside the sensor.

このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。 In the gas sensor 100 having such a configuration, by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect NOx measurement). A gas to be measured is supplied to the measuring pump cell 41 . Therefore, the NOx concentration in the gas to be measured is determined based on the pump current Ip2 that flows when the oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out of the measuring pump cell 41 in substantially proportion to the concentration of NOx in the gas to be measured. It is possible to know.

また、素子本体101aには、検知電極56が配設されている。検知電極56は、素子本体101aの内部の被測定ガス流通部9内に配設されている。検知電極56は、被測定ガス流通部9のうちの内側ポンプ電極22よりも上流側(ここでは前方)に配設されている。検知電極56は、緩衝空間12を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、緩衝空間12の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部56aが形成され、また、緩衝空間12の底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部56bが形成されている。そして、天井電極部56aと底部電極部56bとを接続するように、側部電極部56c,56d(図3参照)が緩衝空間12の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内周面)に形成されている。側部電極部56cは緩衝空間12の左側面に配設されており、側部電極部56dは緩衝空間12の右側面に配設されている。このように、検知電極56は、天井電極部56a,底部電極部56b,及び側部電極部56c,56dを備えることで、緩衝空間12の上下左右の4つの内周面のいずれにも配設されたトンネル形状を有している。なお、上述したように緩衝空間12の前端部分がガス導入口10となっており、被測定ガス流通部9のうちガス導入口10から検知電極56までの間には、例えば拡散律速部13,30,60のようなスリット状の隙間で構成された拡散律速部は配設されていない。 A detection electrode 56 is arranged on the element main body 101a. The detection electrode 56 is arranged in the gas-to-be-measured circulation portion 9 inside the element main body 101a. The detection electrode 56 is disposed on the upstream side (here, forward) of the inner pump electrode 22 in the measured gas circulation section 9 . The sensing electrode 56 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (the second solid electrolyte layer 6 and the first solid electrolyte layer 4) that partition the buffer space 12 and the spacer layer 5 that provides side walls. Specifically, a ceiling electrode portion 56a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the buffer space 12, and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the buffer space 12 has a A bottom electrode portion 56b is formed. Side electrode portions 56c and 56d (see FIG. 3) form side wall surfaces (inner peripheral portions) of the spacer layer 5 forming both side wall portions of the buffer space 12 so as to connect the ceiling electrode portion 56a and the bottom electrode portion 56b. surface). The side electrode portion 56 c is arranged on the left side of the buffer space 12 , and the side electrode portion 56 d is arranged on the right side of the buffer space 12 . In this way, the detection electrode 56 is provided with the ceiling electrode portion 56a, the bottom electrode portion 56b, and the side electrode portions 56c and 56d, so that it can be arranged on any of the four inner peripheral surfaces of the buffer space 12, namely, the upper, lower, left, and right sides. It has a tunnel shape. As described above, the front end portion of the buffer space 12 serves as the gas introduction port 10, and the diffusion control portion 13, A diffusion rate-determining portion composed of slit-shaped gaps such as 30 and 60 is not provided.

この検知電極56と、基準電極42と、両電極間の固体電解質層である第2固体電解質層6,スペーサ層5,第1固体電解質層4,及び第3基板層3とによって、混成電位セル55が構成されている。混成電位セル55では、検知電極56において被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた混成電位(起電力EMF)が生じる。そして、検知電極56と基準電極42との間の起電力EMFの値が被測定ガス中のアンモニア濃度の検出に用いられる。検知電極56は、アンモニア濃度に応じた混成電位を生じ、アンモニア濃度に対する検出感度を有する材料を主成分として構成されている。検知電極56は、例えば金(Au)などの貴金属を主成分としてもよいし、導電性酸化物を主成分としてもよい。貴金属を主成分とする場合、検知電極56は、Au-Pt合金を主成分とすることが好ましい。ここで、主成分とは、含まれる成分全体のうち存在量(atm%,原子量比)が最も多い成分をいうものとする。本実施形態では、検知電極56は、Au-Pt合金とジルコニアとの多孔質サーメット電極とした。 The detection electrode 56, the reference electrode 42, and the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, and the third substrate layer 3, which are solid electrolyte layers between both electrodes, form a mixed potential cell. 55 are configured. In the mixed potential cell 55 , a mixed potential (electromotive force EMF) is generated at the detection electrode 56 according to the concentration of ammonia in the gas to be measured. Then, the value of the electromotive force EMF between the detection electrode 56 and the reference electrode 42 is used to detect the concentration of ammonia in the gas to be measured. The detection electrode 56 is mainly composed of a material that generates a mixed potential corresponding to the concentration of ammonia and has detection sensitivity to the concentration of ammonia. The detection electrode 56 may be composed mainly of a noble metal such as gold (Au), or may be composed mainly of a conductive oxide. When the main component is a noble metal, the detection electrode 56 preferably contains an Au--Pt alloy as the main component. Here, the main component means the component with the largest abundance (atm %, atomic weight ratio) among all the components contained. In this embodiment, the sensing electrode 56 is a porous cermet electrode of Au--Pt alloy and zirconia.

さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、素子本体101aを加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータコネクタ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74と、圧力放散孔75とを備えている。 Further, the sensor element 101 includes a heater section 70 that plays a role of temperature adjustment for heating the element body 101a to keep it warm in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater section 70 includes heater connector electrodes 71 , heaters 72 , through holes 73 , heater insulating layers 74 , and pressure dissipation holes 75 .

ヒータコネクタ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。 The heater connector electrode 71 is an electrode formed so as to be in contact with the lower surface of the first substrate layer 1 . By connecting the heater connector electrode 71 to an external power source, power can be supplied to the heater section 70 from the outside.

ヒータ72は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータコネクタ電極71と接続されており、該ヒータコネクタ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、素子本体101aを形成する固体電解質の加熱と保温を行う。 The heater 72 is an electric resistor that is sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The heater 72 is connected to the heater connector electrode 71 through the through hole 73, and generates heat by being supplied with power from the outside through the heater connector electrode 71, thereby heating the solid electrolyte forming the element main body 101a and keeping it warm. .

また、ヒータ72は、第1内部空所20から第3内部空所61の全域に渡って埋設されており、素子本体101a全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。 Further, the heater 72 is embedded over the entire area from the first internal space 20 to the third internal space 61, and it is possible to adjust the entire element body 101a to a temperature at which the solid electrolyte is activated. ing.

ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。 The heater insulating layer 74 is an insulating layer formed on the upper and lower surfaces of the heater 72 with an insulator such as alumina. The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of providing electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72 .

圧力放散孔75は、第3基板層3及び大気導入層48を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。 The pressure dissipation hole 75 is a portion that is provided so as to penetrate the third substrate layer 3 and the atmosphere introduction layer 48 and communicate with the reference gas introduction space 43 . It is formed for the purpose of alleviating

ここで、センサ素子101のうち主に酸化物ガス濃度(ここではNOx濃度)を検出するため用いられる部分(本実施形態では各セル21,41,50,80~83)を、酸化物ガス検出部(本実施形態ではNOx検出部)とも称する。また、センサ素子101のうち主にアンモニア濃度を検出するために用いられる部分(本実施形態では混成電位セル55)を、アンモニア検出部とも称する。NOx検出部及びアンモニア検出部は、いずれも、素子本体101aのうちの前側、すなわち素子本体101aの前後方向の中央よりも素子本体101aの前端に近い領域に、配設されている。したがって、NOx検出部及びアンモニア検出部に含まれる各電極22,23,42,44,51,56も、素子本体101aのうちの前側に配設されている。 Here, the portion of the sensor element 101 that is mainly used for detecting the oxide gas concentration (here, the NOx concentration) (the cells 21, 41, 50, 80 to 83 in this embodiment) is used for oxide gas detection. section (NOx detection section in this embodiment). A portion of the sensor element 101 that is mainly used to detect the concentration of ammonia (the mixed potential cell 55 in this embodiment) is also called an ammonia detection portion. Both the NOx detection unit and the ammonia detection unit are disposed on the front side of the element body 101a, that is, in a region closer to the front end of the element body 101a than the center of the element body 101a in the front-rear direction. Accordingly, the electrodes 22, 23, 42, 44, 51, and 56 included in the NOx detection section and the ammonia detection section are also arranged on the front side of the element main body 101a.

ここで、被測定ガス流通部9及び検知電極56を被測定ガスの流通方向に垂直な断面で見たときに、その断面における被測定ガス流通部9の面積を断面積Sfとする。また、断面積Sfのうち検知電極56が占める占める面積を断面積Spとする。本実施形態のセンサ素子101は、このときの断面積Spを断面積Sfで除した値である面積割合R(=Sp/Sf)が、0.5以下となっている。面積割合Rは、被測定ガス流通部9の断面積Sfに占める検知電極56の断面積Spの割合である。さらに、検知電極56は、被測定ガスの流通方向に沿った長さLpが2mm以下である。このように面積割合Rが0.5以下且つ長さLpが2mm以下であることで、検知電極56が被測定ガス流通部9内の被測定ガスの流れを阻害しにくいため、センサ素子101におけるNOx濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。 Here, when the measured gas flow portion 9 and the detection electrode 56 are viewed in a cross section perpendicular to the flow direction of the measured gas, the area of the measured gas flow portion 9 in the cross section is defined as a cross-sectional area Sf. Moreover, the area occupied by the detection electrode 56 in the cross-sectional area Sf is assumed to be a cross-sectional area Sp. In the sensor element 101 of this embodiment, the area ratio R (=Sp/Sf), which is the value obtained by dividing the cross-sectional area Sp by the cross-sectional area Sf, is 0.5 or less. The area ratio R is the ratio of the cross-sectional area Sp of the detection electrode 56 to the cross-sectional area Sf of the gas flow part 9 to be measured. Furthermore, the detection electrode 56 has a length Lp of 2 mm or less along the flow direction of the gas to be measured. When the area ratio R is 0.5 or less and the length Lp is 2 mm or less, the detection electrode 56 is less likely to block the flow of the gas to be measured in the gas flow part 9 to be measured. A decrease in responsiveness of NOx concentration detection can be suppressed.

本実施形態では、被測定ガス流通部9における検知電極56付近を通過する被測定ガスの流通方向は、前後方向に沿っている。そのため、前後方向に垂直な断面、すなわち上下左右方向に平行な断面に現れる被測定ガス流通部9及び検知電極56の形状に基づいて、断面積Sf及び断面積Spが定まる。例えば、図3に示す断面は、図2のA-A断面であり、前後方向に垂直な断面である。この断面に現れる被測定ガス流通部9の形状は、左右の幅がWであり上下の高さがHである矩形状の形状をしている。そのため、幅Wと高さHとの積が断面積Sfに相当する。なお、高さHはスペーサ層5の厚みに相当する。また、断面積Sfは、検知電極56の断面積Spと、被測定ガス流通部9のうち被測定ガスが流通可能な空間部分の断面積Sa(図3では検知電極56で囲まれた矩形の面積)と、の和である。そのため、図3に示す断面では、R=Sp/Sf=Sp/(W×H)=Sp/(Sp+Sa)となる。また、検知電極56の断面積Spは、図3に示す断面に現れる天井電極部56a,底部電極部56b,及び側部電極部56c,56dの断面積の和に相当する。面積割合Rは、0.4以下が好ましく、0.2以下がより好ましい。また、面積割合Rは、0超過であればよく、0.1以上であってもよい。面積割合Rは、例えば検知電極56の厚みを変更することで調整できる。 In this embodiment, the flow direction of the gas to be measured passing near the detection electrode 56 in the gas to be measured circulating portion 9 is along the front-rear direction. Therefore, the cross-sectional area Sf and the cross-sectional area Sp are determined based on the shapes of the measured gas flow portion 9 and the detection electrode 56 appearing in a cross section perpendicular to the front-rear direction, that is, a cross section parallel to the vertical and horizontal directions. For example, the cross section shown in FIG. 3 is the AA cross section in FIG. 2 and is a cross section perpendicular to the front-rear direction. The shape of the measured gas circulation portion 9 appearing in this cross section is a rectangular shape with a width of W in the left and right direction and a height of H in the top and bottom directions. Therefore, the product of the width W and the height H corresponds to the cross-sectional area Sf. Note that the height H corresponds to the thickness of the spacer layer 5 . The cross-sectional area Sf is the cross-sectional area Sp of the detection electrode 56 and the cross-sectional area Sa of the space portion of the gas-to-be-measured flow section 9 through which the gas to be measured can flow (in FIG. area) and Therefore, in the cross section shown in FIG. 3, R=Sp/Sf=Sp/(W×H)=Sp/(Sp+Sa). The cross-sectional area Sp of the detection electrode 56 corresponds to the sum of the cross-sectional areas of the ceiling electrode portion 56a, the bottom electrode portion 56b, and the side electrode portions 56c and 56d appearing in the cross section shown in FIG. The area ratio R is preferably 0.4 or less, more preferably 0.2 or less. Also, the area ratio R may be greater than 0, and may be 0.1 or more. The area ratio R can be adjusted by changing the thickness of the sensing electrode 56, for example.

なお、実際に面積割合Rを算出する際には、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察して得られた画像(SEM画像)を用いて以下のように測定する。まず、検知電極56の前後の両端(被測定ガスの流通方向に沿った両端)を基準として、検知電極56を4等分する3つの断面を決定する。この3つの断面の各々は、図3と同様に被測定ガスの流通方向に垂直な断面である。次に、この3つの断面をそれぞれ観察面とするようにセンサ素子101を切断し、切断面の各々の樹脂埋め及び研磨を行って観察用資料とする。続いて、SEMの倍率を100倍から500倍に設定して観察用試料の観察面を撮影することで3つの断面の各々のSEM画像を得る。次に、3つの断面のSEM画像の各々について、検知電極56に相当する画素の数を数えて、それらの平均値に基づいて断面積Spを算出する。同様に、3つの断面のSEM画像の各々について、被測定ガス流通部9の画素の数(被測定ガス流通部9の空間部分に相当する画素の数と検知電極56に相当する画素の数との和)を算出して、それらの平均値に基づいて断面積Sfを算出する。そして、算出した断面積Sp及び断面積Sfから面積割合R(=Sp/Sf)を算出する。 When actually calculating the area ratio R, an image (SEM image) obtained by observation using a scanning electron microscope (SEM) is used for measurement as follows. First, with reference to the front and rear ends of the detection electrode 56 (both ends along the flow direction of the gas to be measured), three cross-sections that equally divide the detection electrode 56 into four are determined. Each of these three cross-sections is a cross-section perpendicular to the flow direction of the gas to be measured, as in FIG. Next, the sensor element 101 is cut so that each of these three cross-sections serves as an observation surface, and each cut surface is filled with resin and polished to obtain an observation material. Subsequently, the observation surface of the observation sample is photographed with the magnification of the SEM set to 100 times to 500 times to obtain SEM images of each of the three cross sections. Next, the number of pixels corresponding to the sensing electrode 56 is counted for each of the three cross-sectional SEM images, and the cross-sectional area Sp is calculated based on the average value thereof. Similarly, for each of the SEM images of the three cross-sections, the number of pixels in the measured gas flow portion 9 (the number of pixels corresponding to the space portion of the measured gas flow portion 9 and the number of pixels corresponding to the detection electrode 56 ) is calculated, and the cross-sectional area Sf is calculated based on the average value thereof. Then, the area ratio R (=Sp/Sf) is calculated from the calculated cross-sectional area Sp and cross-sectional area Sf.

上述したように、被測定ガス流通部9における検知電極56付近を通過する被測定ガスの流通方向は、前後方向に沿っている。そのため、本実施形態の長さLpは、検知電極56の前端から検知電極56の後端までの前後方向の長さである(図2参照)。なお、例えば天井電極部56aと底部電極部56bとで前後方向の長さが異なるなど、検知電極56の部位によって長さが異なる場合でも、検知電極56全体における前端(被測定ガスの流通方向の最も上流側にある部分)から後端(被測定ガスの流通方向の最も下流側にある部分)までの長さを長さLpとする。長さLpは、1mm以下がより好ましい。また、長さLpは、0.5mm以上であってもよい。 As described above, the flow direction of the gas to be measured passing near the detection electrode 56 in the gas-to-be-measured flow section 9 is along the front-rear direction. Therefore, the length Lp of this embodiment is the length in the front-rear direction from the front end of the detection electrode 56 to the rear end of the detection electrode 56 (see FIG. 2). Note that even if the length of the detection electrode 56 differs depending on the part of the detection electrode 56, for example, the length in the front-rear direction differs between the ceiling electrode part 56a and the bottom electrode part 56b, the front end of the detection electrode 56 as a whole (in the direction of flow of the gas to be measured) The length from the most upstream portion) to the rear end (the most downstream portion in the flow direction of the gas to be measured) is the length Lp. More preferably, the length Lp is 1 mm or less. Moreover, the length Lp may be 0.5 mm or more.

混成電位セル55の検知電極56,主ポンプセル21の内側ポンプ電極22,及びヒータ72は、ヒータ72により検知電極56及び内側ポンプ電極22が加熱されたときに、内側ポンプ電極22の方が検知電極56よりも高温になるように配置されていることが好ましい。また、図2に示す検知電極56と内側ポンプ電極22の前後方向の距離Aが、1mm以上となっていることが好ましい。これにより、検知電極56及び内側ポンプ電極22がヒータ72により加熱されたときに、両電極56,22に十分な温度差を生じさせることができ、混成電位セル55及び主ポンプセル21を共に適切に動作させることができる。 The sensing electrode 56 of the mixed potential cell 55 , the inner pump electrode 22 of the main pump cell 21 , and the heater 72 are arranged such that when the sensing electrode 56 and the inner pump electrode 22 are heated by the heater 72 , the inner pump electrode 22 becomes the sensing electrode. It is preferably arranged to be hotter than 56 . Moreover, it is preferable that the distance A in the front-rear direction between the detection electrode 56 and the inner pump electrode 22 shown in FIG. 2 is 1 mm or more. As a result, when the sensing electrode 56 and the inner pumping electrode 22 are heated by the heater 72, a sufficient temperature difference can be generated between the electrodes 56, 22, and both the mixed potential cell 55 and the main pumping cell 21 can be appropriately heated. can be operated.

検知電極56及び内側ポンプ電極22の温度の具体例について説明する。混成電位セル55の検知電極56及び主ポンプセル21の内側ポンプ電極22は、ヒータ72により加熱されたときに、第1温度条件を満たすことが好ましい。第1温度条件は、検知電極56の温度が550℃以上700℃以下の範囲内となり且つ内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上になるという条件である。この第1温度条件を満たすことで、混成電位セル55及び主ポンプセル21を共に適切に動作させることができるため、第1温度条件を満たすことが好ましい。第1温度条件は、言い換えると、ヒータ72により検知電極56の温度が550℃以上700℃以下の範囲内となるように加熱されたときに内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上になることを意味する。検知電極56の温度が550℃以上700℃以下の範囲内となるとは、検知電極56のいずれの部分の温度も550℃以上700℃以下の範囲から外れていないことを意味する。内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上になるとは、内側ポンプ電極22のいずれの部分の温度も725℃以上であることを意味する。距離Aが1mm以上であることで、両電極56,22に十分な温度差を生じさせることができるため、言い換えると、内側ポンプ電極22の最低温度を高くしても検知電極56の温度を低く維持しやすいため、第1温度条件を満たしやすい。 A specific example of the temperatures of the sensing electrode 56 and the inner pump electrode 22 will be described. The sense electrode 56 of the mixed potential cell 55 and the inner pump electrode 22 of the main pump cell 21 preferably meet a first temperature condition when heated by the heater 72 . The first temperature condition is that the temperature of the sensing electrode 56 is within the range of 550° C. or higher and 700° C. or lower, and the minimum temperature of the inner pump electrode 22 is 725° C. or higher. By satisfying the first temperature condition, both the mixed potential cell 55 and the main pump cell 21 can be properly operated, so it is preferable to satisfy the first temperature condition. In other words, the first temperature condition is that the minimum temperature of the inner pump electrode 22 is 725° C. or higher when the heater 72 heats the detection electrode 56 to a temperature in the range of 550° C. or higher and 700° C. or lower. means That the temperature of the detection electrode 56 is within the range of 550° C. or more and 700° C. or less means that the temperature of any part of the detection electrode 56 is within the range of 550° C. or more and 700° C. or less. That the lowest temperature of the inner pump electrode 22 is 725° C. or higher means that the temperature of any portion of the inner pump electrode 22 is 725° C. or higher. When the distance A is 1 mm or more, a sufficient temperature difference can be generated between the electrodes 56 and 22. Since it is easy to maintain, it is easy to satisfy the first temperature condition.

なお、ヒータ72により検知電極56の温度が550℃以上700℃以下の範囲内となるように加熱されたときに内側ポンプ電極22の最低温度が常に725℃以上に加熱される場合に限らず、そのような加熱が可能であれば、第1温度条件を満たしていると言える。例えば、検知電極56の温度が550℃以上600℃未満の範囲内にあるときには内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上とならない場合であっても、検知電極56の温度が600℃以上700℃以下の範囲内にあるときに内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上となるのであれば、検知電極56及び内側ポンプ電極22は第1温度条件を満たすように配置されていることになる。 It is not limited to the case where the lowest temperature of the inner pump electrode 22 is always 725° C. or higher when the heater 72 heats the detection electrode 56 so that the temperature of the detection electrode 56 is in the range of 550° C. or higher and 700° C. or lower. If such heating is possible, it can be said that the first temperature condition is satisfied. For example, when the temperature of the detection electrode 56 is in the range of 550° C. or more and less than 600° C., even if the lowest temperature of the inner pump electrode 22 does not reach 725° C. or more, the temperature of the detection electrode 56 is 600° C. or more and 700° C. If the lowest temperature of the inner pump electrode 22 is 725° C. or higher within the following range, the sensing electrode 56 and the inner pump electrode 22 are arranged so as to satisfy the first temperature condition.

また、上述した距離Aは4mm以下であることが好ましい。距離Aが4mm以下では、ヒータ72に加熱されたときの検知電極56と内側ポンプ電極22との温度差が大きくなりすぎないため、センサ素子101が熱衝撃に強くなり、熱衝撃によるセンサ素子101のクラックを抑制できる。距離Aは3mm以下としてもよい。 Moreover, the distance A described above is preferably 4 mm or less. When the distance A is 4 mm or less, the temperature difference between the detection electrode 56 and the inner pump electrode 22 when heated by the heater 72 does not become too large, so the sensor element 101 is resistant to thermal shock. cracks can be suppressed. The distance A may be 3 mm or less.

検知電極56及び内側ポンプ電極22の温度差が大きくなりすぎない場合の具体例について説明する。検知電極56及び内側ポンプ電極22は、ヒータ72により加熱されたときに、第2温度条件を満たすことが好ましい。第2温度条件は、検知電極56の最低温度と内側ポンプ電極22の最高温度との差が400℃以下になるという条件である。第2温度条件を満たすことで、ヒータ72に加熱されたときの検知電極56と内側ポンプ電極22との温度差が小さいため、センサ素子101が熱衝撃に強くなり、熱衝撃によるセンサ素子101のクラックを抑制できる。距離Aが4mm以下であることで、第2温度条件を満たしやすい。また、検知電極56の最低温度と内側ポンプ電極22の最高温度との差は350℃以下であることがより好ましい。 A specific example in which the temperature difference between the sensing electrode 56 and the inner pump electrode 22 does not become too large will be described. Sensing electrode 56 and inner pump electrode 22 preferably meet a second temperature condition when heated by heater 72 . The second temperature condition is that the difference between the lowest temperature of the detection electrode 56 and the highest temperature of the inner pump electrode 22 is 400° C. or less. By satisfying the second temperature condition, the temperature difference between the detection electrode 56 and the inner pump electrode 22 when heated by the heater 72 is small. Cracks can be suppressed. The second temperature condition is easily satisfied because the distance A is 4 mm or less. Moreover, it is more preferable that the difference between the lowest temperature of the sensing electrode 56 and the highest temperature of the inner pump electrode 22 is 350° C. or less.

ヒータ72と検知電極56と内側ポンプ電極22との互いの位置関係を調整することで、ヒータ72により加熱されたときに内側ポンプ電極22の方が検知電極56よりも高温になるようにすることができる。例えば、ヒータ72の発熱中心(最も高温になる部分であり、例えばヒータ72の前後左右の中心)の真上に内側ポンプ電極22を配置することで、内側ポンプ電極22の温度を検知電極56よりも高くしやすい。また、検知電極56と内側ポンプ電極22との位置関係を調整することで、距離Aを調整できる。 By adjusting the mutual positional relationship between the heater 72, the detection electrode 56, and the inner pump electrode 22, the inner pump electrode 22 becomes hotter than the detection electrode 56 when heated by the heater 72. can be done. For example, by arranging the inner pump electrode 22 directly above the center of heat generation of the heater 72 (the portion that reaches the highest temperature, for example, the center of the front, back, left, and right of the heater 72), the temperature of the inner pump electrode 22 can be detected by the detection electrode 56. easy to raise. Also, the distance A can be adjusted by adjusting the positional relationship between the detection electrode 56 and the inner pump electrode 22 .

また、図2に示すガス導入口10から測定電極44までの前後方向の距離Lが、13mm以下となっていることが好ましい。距離Lが13mm以下であることで、NOx濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。距離Lは11mm以下がより好ましい。 Moreover, it is preferable that the distance L in the front-rear direction from the gas inlet 10 to the measurement electrode 44 shown in FIG. 2 is 13 mm or less. Since the distance L is 13 mm or less, it is possible to suppress a decrease in responsiveness of NOx concentration detection. More preferably, the distance L is 11 mm or less.

検知電極56は、図1に示すように、外側ポンプ電極23よりも前方に配設されている。また、本実施形態では、外側ポンプ電極23は、上面視で内側ポンプ電極22とほぼ同じ大きさ及び同じ位置になるように配設されている。そのため、検知電極56と外側ポンプ電極23との前後方向の距離は、上述した距離Aと同じ値となっている。 The detection electrode 56 is arranged in front of the outer pump electrode 23, as shown in FIG. Further, in the present embodiment, the outer pump electrode 23 is arranged so as to have substantially the same size and position as the inner pump electrode 22 in top view. Therefore, the distance in the front-rear direction between the detection electrode 56 and the outer pump electrode 23 has the same value as the distance A described above.

センサ素子101は、図1に示すように、緩衝層84を備えている。緩衝層84は、多孔質体であり、素子本体101aの表面に配設されて保護層85と素子本体101aとを接着する役割を果たす。緩衝層84は、第2固体電解質層6の上面の少なくとも一部を被覆する上側緩衝層84aと、第1基板層1の下面の少なくとも一部を被覆する下側緩衝層84bと、を備えている。上側緩衝層84aは、外側ポンプ電極23も被覆している。上側緩衝層84a及び下側緩衝層84bの各々は、素子本体101aの前端から、NOx検出部及びアンモニア検出部に含まれる各電極22,23,42,44,51,56よりも後方までの領域に存在している。また、上側緩衝層84a及び下側緩衝層84bの各々は、被測定ガス流通部9の後端及び保護層85の後端よりも後方まで存在している。緩衝層84は、例えばアルミナ、ジルコニア、スピネル、コージェライト,マグネシアなどの多孔質セラミックスからなるものである。緩衝層84の主成分は、保護層85の主成分と同じであることが好ましい。本実施形態では、緩衝層84はアルミナからなる多孔質セラミックスであるものとした。 The sensor element 101 comprises a buffer layer 84, as shown in FIG. The buffer layer 84 is a porous body, is disposed on the surface of the element body 101a, and serves to bond the protective layer 85 and the element body 101a. The buffer layer 84 includes an upper buffer layer 84a covering at least part of the upper surface of the second solid electrolyte layer 6 and a lower buffer layer 84b covering at least part of the lower surface of the first substrate layer 1. there is Upper buffer layer 84 a also covers outer pump electrode 23 . Each of the upper buffer layer 84a and the lower buffer layer 84b extends from the front end of the element main body 101a to the rear of the electrodes 22, 23, 42, 44, 51, 56 included in the NOx detection section and the ammonia detection section. exists in Also, the upper buffer layer 84 a and the lower buffer layer 84 b each exist to the rear of the rear end of the measured gas circulation portion 9 and the rear end of the protective layer 85 . The buffer layer 84 is made of porous ceramics such as alumina, zirconia, spinel, cordierite and magnesia. The main component of buffer layer 84 is preferably the same as that of protective layer 85 . In this embodiment, the buffer layer 84 is made of porous ceramics made of alumina.

保護層85は、多孔質体であり、素子本体101aの前端部の周辺、より具体的にはNOx検出部及びアンモニア検出部が存在する領域の周囲を被覆している。保護層85は、素子本体101aの前端面を全て被覆し、素子本体101aの上下左右の面の一部を被覆している。保護層85は緩衝層84よりも外側に配置されており、上側緩衝層84aの上面及び下側緩衝層84bの下面を被覆している。保護層85は、被測定ガス流通部9の後端よりも後方まで存在している。保護層85は、例えば被測定ガス中の水分等が付着して素子本体101aにクラックが生じるのを抑制する役割を果たす。保護層85は、例えばアルミナ、ジルコニア、スピネル、コージェライト,マグネシアなどの多孔質セラミックスからなるものである。本実施形態では、保護層85はアルミナからなる多孔質セラミックスであるものとした。保護層85は多孔質体であるため、被測定ガスは保護層85の内部を流通してガス導入口10に到達可能である。また、保護層85及び緩衝層84は多孔質体であるため、被測定ガスは保護層85及び緩衝層84の内部を流通して外側ポンプ電極23に到達可能である。なお、センサ素子101は緩衝層84及び保護層85を備えなくてもよい。 The protective layer 85 is a porous body and covers the periphery of the front end portion of the element body 101a, more specifically, the periphery of the area where the NOx detection section and the ammonia detection section are present. The protective layer 85 covers the entire front end surface of the element body 101a and partially covers the top, bottom, left, and right surfaces of the element body 101a. The protective layer 85 is arranged outside the buffer layer 84 and covers the upper surface of the upper buffer layer 84a and the lower surface of the lower buffer layer 84b. The protective layer 85 exists to the rear of the rear end of the measured gas circulation section 9 . The protective layer 85 plays a role of suppressing cracks in the element main body 101a due to adhesion of moisture or the like in the gas to be measured, for example. The protective layer 85 is made of porous ceramics such as alumina, zirconia, spinel, cordierite and magnesia. In this embodiment, the protective layer 85 is made of porous ceramics made of alumina. Since the protective layer 85 is a porous body, the gas to be measured can flow through the inside of the protective layer 85 and reach the gas inlet 10 . Moreover, since the protective layer 85 and the buffer layer 84 are porous bodies, the gas to be measured can flow through the protective layer 85 and the buffer layer 84 to reach the outer pump electrode 23 . Note that the sensor element 101 does not have to include the buffer layer 84 and the protective layer 85 .

制御装置90は、図4に示すように、上述した可変電源24,46,52と、制御部91と、を備えている。 The control device 90 includes the above-described variable power sources 24, 46, and 52 and a control section 91, as shown in FIG.

制御部91は、CPU92,図示しないRAM,及び記憶部94などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部94は、例えばEEPROMなどの情報の書き換えが可能な不揮発性メモリであり、各種データを記憶する装置である。制御部91は、混成電位セル55にて検出される起電力EMF、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80にて検出される電圧V0、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される電圧V1、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出される電圧V2、センサセル83にて検出される電圧Vref、主ポンプセル21にて検出されるポンプ電流Ip0、補助ポンプセル50にて検出されるポンプ電流Ip1及び測定用ポンプセル41にて検出されるポンプ電流Ip2を入力する。また、制御部91は、可変電源24,46,52が出力する電圧Vp0,Vp1,Vp2を制御し、これにより、主ポンプセル21,測定用ポンプセル41及び補助ポンプセル50を制御する。記憶部94には、後述する目標値V0*,V1*,V2*なども記憶されている。制御部91のCPU92は、これらの目標値V0*,V1*,V2*を参照して、各セル21,41,50の制御を行う。また、制御部91は、ヒータ72に通電する図示しないヒータ電源を制御して、ヒータ電源がヒータ72に供給する電力を制御する。 The control unit 91 is a microprocessor including a CPU 92, a RAM (not shown), a storage unit 94, and the like. The storage unit 94 is a rewritable nonvolatile memory such as an EEPROM, and is a device that stores various data. The control unit 91 controls the electromotive force EMF detected by the mixed potential cell 55, the voltage V0 detected by the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, and the voltage V0 detected by the oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump. voltage V1 detected by the measuring pump controlling oxygen partial pressure detection sensor cell 82; voltage Vref detected by the sensor cell 83; pump current Ip0 detected by the main pump cell 21; The detected pump current Ip1 and the pump current Ip2 detected by the measuring pump cell 41 are input. The control unit 91 also controls the voltages Vp0, Vp1 and Vp2 output by the variable power supplies 24, 46 and 52, thereby controlling the main pump cell 21, the measurement pump cell 41 and the auxiliary pump cell 50. FIG. The storage unit 94 also stores target values V0*, V1*, V2*, etc., which will be described later. The CPU 92 of the control unit 91 controls each cell 21, 41, 50 with reference to these target values V0*, V1*, V2*. The control unit 91 also controls a heater power supply (not shown) that supplies power to the heater 72 to control the power that the heater power supply supplies to the heater 72 .

制御部91は、電圧V0が目標値(目標値V0*と称する)となるように(つまり第1内部空所20の酸素濃度が目標濃度となるように)可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御する。そのため、ポンプ電流Ip0は被測定ガスの酸素濃度に応じて変化する。そのため、制御部91は、ポンプ電流Ip0に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出できる。例えば、ポンプ電流Ip0と被測定ガス中の酸素濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成して記憶部94に記憶しておく。そして、制御部91はポンプ電流Ip0とこの対応関係とを用いて、被測定ガス中の酸素濃度を検出する。 The control unit 91 feeds back the pump voltage Vp0 of the variable power supply 24 so that the voltage V0 becomes a target value (referred to as a target value V0*) (that is, so that the oxygen concentration in the first internal space 20 becomes the target concentration). Control. Therefore, the pump current Ip0 changes according to the oxygen concentration of the gas to be measured. Therefore, the control section 91 can detect the oxygen concentration in the gas under measurement based on the pump current Ip0. For example, a relational expression, map, or the like representing the correspondence between the pump current Ip0 and the oxygen concentration in the gas to be measured is prepared in advance by experiments and stored in the storage unit 94 . Then, the control unit 91 uses the pump current Ip0 and this correspondence relationship to detect the oxygen concentration in the gas to be measured.

また、制御部91は、電圧V1が一定値(目標値V1*と称する)となるように(つまり第2内部空所40の酸素濃度がNOxの測定に実質的に影響がない所定の低酸素濃度となるように)可変電源52の電圧Vp1をフィードバック制御する。これとともに、制御部91は、電圧Vp1によって流れるポンプ電流Ip1が一定値(目標値Ip1*と称する)となるように、ポンプ電流Ip1に基づいて起電力V0の目標値V0*を設定(フィードバック制御)する。これにより、拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となる。また、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧が、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御される。目標値V0*は、第1内部空所20の酸素濃度が0%よりは高く且つ低酸素濃度となるような値に設定される。 In addition, the control unit 91 controls the voltage V1 to a constant value (referred to as a target value V1*) (that is, the oxygen concentration in the second internal space 40 is set to a predetermined low oxygen concentration that does not substantially affect the measurement of NOx). The voltage Vp1 of the variable power supply 52 is feedback-controlled so as to obtain the concentration. Along with this, the control unit 91 sets the target value V0* of the electromotive force V0 based on the pump current Ip1 (feedback control) so that the pump current Ip1 flowing by the voltage Vp1 becomes a constant value (referred to as the target value Ip1*). )do. As a result, the gradient of the partial pressure of oxygen in the gas to be measured introduced into the second internal space 40 from the diffusion control section 30 is always constant. Also, the oxygen partial pressure in the atmosphere within the second internal cavity 40 is controlled to a low partial pressure that has substantially no effect on NOx measurements. The target value V0* is set to a value such that the oxygen concentration in the first internal space 20 is higher than 0% and is low.

さらに、制御装置90は、起電力V2が一定値(目標値V2*と称する)となるように(つまり第3内部空所61内の酸素濃度が所定の低濃度になるように)可変電源46の電圧Vp2をフィードバック制御する。これにより、被測定ガス中のNOxが第3内部空所61で還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、第3内部空所61内から酸素が汲み出される。そして、制御装置90は、特定の酸化物ガス(ここではNOx)に由来して第3内部空所61で発生する酸素に応じた検出値としてのポンプ電流Ip2を取得し、このポンプ電流Ip2に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を導出する。 Furthermore, the control device 90 controls the variable power supply 46 so that the electromotive force V2 becomes a constant value (referred to as a target value V2*) (that is, so that the oxygen concentration in the third internal space 61 becomes a predetermined low concentration). feedback control of the voltage Vp2. As a result, oxygen is pumped out of the third internal space 61 so that the amount of oxygen generated by reduction of NOx in the gas under measurement in the third internal space 61 is substantially zero. Then, the control device 90 obtains a pump current Ip2 as a detected value corresponding to oxygen generated in the third internal cavity 61 due to a specific oxide gas (here, NOx), and determines the pump current Ip2. Based on this, the NOx concentration in the measured gas is derived.

また、制御部91は、混成電位セル55の起電力EMFを取得し、起電力EMFに基づいて被測定ガス中のアンモニア濃度を検出する。起電力EMFは被測定ガス中の酸素の影響も受けるため、制御部91は、起電力EMFと、ポンプ電流Ip0に基づいて導出した被測定ガス中の酸素濃度と、を用いて被測定ガス中のアンモニア濃度を検出することが好ましい。例えば、被測定ガス中の酸素濃度(又は酸素濃度を表す値としてのポンプ電流Ip0)と起電力EMFとアンモニア濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成して記憶部94に記憶しておく。そして、制御部91は被測定ガス中の酸素濃度と起電力EMFとこの対応関係とを用いて、被測定ガス中のアンモニア濃度を検出する。これにより、制御部91は、酸素濃度による起電力EMFの誤差を補正したアンモニア濃度を導出できる。 Further, the control unit 91 acquires the electromotive force EMF of the mixed potential cell 55 and detects the concentration of ammonia in the gas to be measured based on the electromotive force EMF. Since the electromotive force EMF is also affected by oxygen in the gas under measurement, the control unit 91 uses the electromotive force EMF and the concentration of oxygen in the gas under measurement derived based on the pump current Ip0 to determine the concentration of oxygen in the gas under measurement. is preferably detected. For example, a relational expression or a map representing the correspondence between the oxygen concentration in the gas to be measured (or the pump current Ip0 as a value representing the oxygen concentration), the electromotive force EMF, and the ammonia concentration is created in advance by experiments and stored in the storage unit 94. store in Then, the control unit 91 detects the concentration of ammonia in the gas to be measured using the oxygen concentration in the gas to be measured, the electromotive force EMF, and their corresponding relationship. Thereby, the control unit 91 can derive the ammonia concentration in which the error in the electromotive force EMF due to the oxygen concentration is corrected.

ポンプ電流Ip2は、被測定ガス中のアンモニアの影響も受ける。これは、以下の理由による。被測定ガス中にアンモニアが含まれると、アンモニアが被測定ガス流通部9内で酸素と反応してNOが生じ、そのNOに由来して第3内部空所61内で酸素が発生する。そのため、測定用ポンプセル41が汲み出す酸素には、このようなアンモニア由来の酸素が含まれてしまう。したがって、ポンプ電流Ip2の値は被測定ガス中のアンモニア濃度によっても変化する。そのため、制御部91は、ポンプ電流Ip2と、上述した起電力EMFに基づいて導出した被測定ガス中のアンモニア濃度と、を用いて被測定ガス中のNOx濃度を検出することが好ましい。例えば、ポンプ電流Ip2とアンモニア濃度とNOx濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成して記憶部94に記憶しておく。そして、制御部91はポンプ電流Ip2と被測定ガス中のアンモニア濃度とこの対応関係とを用いて、被測定ガス中のNOx濃度を導出する。これにより、制御部91は、アンモニア濃度によるポンプ電流Ip2の誤差を補正したNOx濃度を導出できる。 Pump current Ip2 is also affected by ammonia in the gas to be measured. This is for the following reasons. When ammonia is contained in the gas to be measured, the ammonia reacts with oxygen in the gas-to-be-measured flow passage 9 to generate NO, and oxygen is generated in the third internal space 61 from the NO. Therefore, the oxygen pumped by the measurement pump cell 41 contains such oxygen derived from ammonia. Therefore, the value of the pump current Ip2 also changes depending on the concentration of ammonia in the gas to be measured. Therefore, the control unit 91 preferably detects the NOx concentration in the gas under measurement using the pump current Ip2 and the ammonia concentration in the gas under measurement derived based on the electromotive force EMF described above. For example, a relational expression, a map, or the like representing the correspondence between the pump current Ip2, the ammonia concentration, and the NOx concentration is created in advance through experiments and stored in the storage unit 94 . Then, the controller 91 uses the pump current Ip2, the ammonia concentration in the gas to be measured, and the corresponding relationship to derive the NOx concentration in the gas to be measured. Thereby, the control unit 91 can derive the NOx concentration in which the error of the pump current Ip2 due to the ammonia concentration is corrected.

こうして構成されたガスセンサ100の使用例を以下に説明する。制御部91のCPU92は、まず、ヒータ電源を制御してヒータ72に電力を供給して、ヒータ72の温度が目標温度(例えば900℃など)になるように制御する。CPU92は、例えばヒータ72の温度に換算可能な値(例えばヒータ72の抵抗値,又は電流値など)を取得し、その値に基づいてヒータ電源をフィードバック制御することで、ヒータ72の温度を制御する。ヒータ72の目標温度は、各セル21,41,50,55,80~83の固体電解質が活性化するような値として、予め定めておく。また、ヒータ72の目標温度は、検知電極56及び内側ポンプ電極22が上述した第1温度条件と第2温度条件との少なくとも一方を満たすように定められていることが好ましい。本実施形態では、第1温度条件と第2温度条件とを共に満たすような値として、ヒータ72の目標温度が定められている。 A usage example of the gas sensor 100 configured in this manner will be described below. The CPU 92 of the control unit 91 first controls the heater power source to supply power to the heater 72 so that the temperature of the heater 72 reaches a target temperature (for example, 900° C.). The CPU 92 acquires, for example, a value that can be converted to the temperature of the heater 72 (for example, the resistance value or the current value of the heater 72), and feedback-controls the heater power supply based on the value, thereby controlling the temperature of the heater 72. do. The target temperature of the heater 72 is predetermined as a value that activates the solid electrolyte of each cell 21, 41, 50, 55, 80-83. Moreover, the target temperature of the heater 72 is preferably determined so that the detection electrode 56 and the inner pump electrode 22 satisfy at least one of the first temperature condition and the second temperature condition described above. In this embodiment, the target temperature of the heater 72 is determined as a value that satisfies both the first temperature condition and the second temperature condition.

ヒータ72の温度が目標温度(又は目標温度付近)に到達すると、CPU92は、上述した各ポンプセル21,41,50の制御や、上述した各センサセル80~83からの各電圧V0,V1,V2,Vrefの取得、及び混成電位セル55からの起電力EMFの取得を開始する。この状態で、被測定ガスがガス導入口10から導入されると、被測定ガスは、緩衝空間12内の検知電極56に到達して、混成電位セル55が起電力EMFを発生させる。また、被測定ガスは、緩衝空間12及び拡散律速部13を通過し、第1内部空所20に到達する。そして、第1内部空所20及び第2内部空所40において被測定ガスの酸素濃度が主ポンプセル21及び補助ポンプセル50によって調整され、調整後の被測定ガスが第3内部空所61に到達する。そして、CPU92は、上述したようにポンプ電流Ip0,起電力EMF,ポンプ電流Ip2,及び記憶部94に記憶された各種の対応関係に基づいて、被測定ガス中のアンモニア濃度及びNOx濃度を導出する。CPU92は、導出したアンモニア濃度及びNOx濃度を例えばエンジンECUに送信する。なお、CPU92は、アンモニア濃度についてはNOx濃度の算出時の補正に用いるのみとして、最終的にエンジンECUに送信するのはNOx濃度のみであってもよい。 When the temperature of the heater 72 reaches the target temperature (or near the target temperature), the CPU 92 controls the pump cells 21, 41, and 50 described above, and the voltages V0, V1, V2, Acquisition of Vref and acquisition of the electromotive force EMF from the mixed potential cell 55 are started. In this state, when the gas to be measured is introduced from the gas inlet 10, the gas to be measured reaches the detection electrode 56 in the buffer space 12, and the mixed potential cell 55 generates an electromotive force EMF. Also, the gas to be measured passes through the buffer space 12 and the diffusion control section 13 and reaches the first internal space 20 . Then, the oxygen concentration of the gas to be measured is adjusted by the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50 in the first internal space 20 and the second internal space 40, and the gas to be measured after adjustment reaches the third internal space 61. . Then, the CPU 92 derives the concentration of ammonia and the concentration of NOx in the gas to be measured based on the pump current Ip0, the electromotive force EMF, the pump current Ip2, and various correspondences stored in the storage section 94 as described above. . The CPU 92 transmits the derived ammonia concentration and NOx concentration to the engine ECU, for example. The CPU 92 may only use the ammonia concentration for correction when calculating the NOx concentration, and only the NOx concentration may be finally transmitted to the engine ECU.

このように制御装置90がセンサ素子101を用いてアンモニア濃度及びNOx濃度を検出するにあたり、本実施形態のセンサ素子101では、上述したように、検知電極56の断面積Spを被測定ガス流通部9の断面積Sfで除した値である面積割合Rが0.5以下であり、且つ、検知電極56の長さLpが2mm以下である。ここで、面積割合Rが大きい場合には、被測定ガス流通部9の流路断面のうちより多くの部分を検知電極56が閉塞することになり、被測定ガスの流れが阻害される。これに対し、面積割合Rが0.5以下では、検知電極56が被測定ガス流通部9内の被測定ガスの流れを阻害しにくい。また、検知電極56の長さLpが長い場合には、被測定ガス流通部(ここでは緩衝空間12)のうち検知電極56によって流路断面が狭くなっている部分が多いことになり、被測定ガスの流れが阻害される。これに対し、検知電極56の長さLpが2mm以下では、被測定ガス流通部のうち検知電極56によって流路断面が狭くなっている部分が少ないことになるため、検知電極56が被測定ガスの流れを阻害しにくい。これらのことから、面積割合Rが0.5以下且つ長さLpが2mm以下であれば、検知電極56よりも下流側に配設された測定電極44への被測定ガスの到達が遅れにくい。したがって、検知電極56が被測定ガス流通部9内に配設されていても、センサ素子101におけるNOx濃度の検出の応答性が低下しにくい。 When the control device 90 detects the ammonia concentration and the NOx concentration using the sensor element 101 in this way, the sensor element 101 of the present embodiment uses the cross-sectional area Sp of the detection electrode 56 as described above. 9 is 0.5 or less, and the length Lp of the sensing electrode 56 is 2 mm or less. Here, when the area ratio R is large, the detection electrode 56 closes a larger portion of the cross section of the flow path of the measured gas circulation portion 9, thereby impeding the flow of the measured gas. On the other hand, when the area ratio R is 0.5 or less, the detection electrode 56 is less likely to block the flow of the gas to be measured in the gas flow section 9 to be measured. In addition, when the length Lp of the detection electrode 56 is long, there are many portions of the gas flow portion to be measured (here, the buffer space 12) where the cross section of the flow path is narrowed by the detection electrode 56. Gas flow is obstructed. On the other hand, when the length Lp of the detection electrode 56 is 2 mm or less, the part where the cross section of the flow path is narrowed by the detection electrode 56 in the measurement gas circulation portion is small. It is difficult to obstruct the flow of For these reasons, if the area ratio R is 0.5 or less and the length Lp is 2 mm or less, the gas to be measured is less likely to reach the measurement electrode 44 downstream of the detection electrode 56 . Therefore, even if the detection electrode 56 is arranged in the measurement gas circulation section 9, the responsiveness of the sensor element 101 to detect the NOx concentration is less likely to deteriorate.

また、上述したように、ヒータ72により加熱されたときに内側ポンプ電極22の方が検知電極56よりも高温になるように、検知電極56,内側ポンプ電極22,及びヒータ72が配置されている。そして、検知電極56と内側ポンプ電極22との前後方向の距離Aが1mm以上となっている。これにより、検知電極56及び内側ポンプ電極22がヒータ72により加熱されたときに両電極に十分な温度差を生じさせることができる。ここで、主ポンプセル21を構成する固体電解質が十分活性化して主ポンプセル21の酸素のポンプ能力が十分高くなるため、主ポンプセル21は比較的高い温度にすることが好ましい。例えば上述した第1温度条件として説明したように、主ポンプセル21の内側ポンプ電極22の最低温度を725℃以上にすることが好ましい。一方、検知電極56の温度が高すぎると検知電極56周辺のアンモニアが燃焼してしまいアンモニア濃度の検出精度が低下する場合があるため、検知電極56の温度は高すぎないことが好ましい。例えば上述した第1温度条件として説明したように、検知電極56の温度が700℃以下であることが好ましい。本実施形態のセンサ素子101では、内側ポンプ電極22の方が検知電極56よりも高温になるように両電極22,56及びヒータ72が配置され且つ距離Aが1mm以上であることで、主ポンプセル21の温度が十分高く且つ検知電極56の温度が高くなりすぎない状態でセンサ素子101を使用できる。これにより、混成電位セル55と内側ポンプ電極22とを共に適切に動作させることができ、被測定ガス中のNOx濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出できる。 Further, as described above, the sensing electrode 56, the inner pump electrode 22, and the heater 72 are arranged so that the inner pump electrode 22 becomes hotter than the sensing electrode 56 when heated by the heater 72. . A distance A in the front-rear direction between the detection electrode 56 and the inner pump electrode 22 is 1 mm or more. As a result, when the sensing electrode 56 and the inner pump electrode 22 are heated by the heater 72, a sufficient temperature difference can be generated between both electrodes. At this time, the solid electrolyte forming the main pump cell 21 is sufficiently activated, and the oxygen pumping capacity of the main pump cell 21 is sufficiently increased. For example, as described above as the first temperature condition, it is preferable to set the lowest temperature of the inner pump electrode 22 of the main pump cell 21 to 725° C. or higher. On the other hand, if the temperature of the sensing electrode 56 is too high, the ammonia around the sensing electrode 56 may burn and the ammonia concentration detection accuracy may drop. For example, as described above as the first temperature condition, the temperature of the detection electrode 56 is preferably 700° C. or lower. In the sensor element 101 of this embodiment, both the electrodes 22 and 56 and the heater 72 are arranged such that the inner pump electrode 22 has a higher temperature than the detection electrode 56, and the distance A is 1 mm or more. The sensor element 101 can be used with the temperature of 21 sufficiently high and the temperature of the sensing electrode 56 not too high. As a result, both the mixed potential cell 55 and the inner pump electrode 22 can be appropriately operated, and the NOx concentration and the ammonia concentration in the gas to be measured can be detected with high accuracy.

さらに、本実施形態のセンサ素子101では、ガス導入口10から測定電極44までの前後方向の距離Lが13mm以下となっている。上述したように被測定ガス流通部9はガス導入口10から測定電極44まで前後方向に延びる流路となっており、距離Lはガス導入口10から被測定ガス流通部9に流入した被測定ガスが測定電極44に到達するまでに要する時間と相関がある。そのため、距離Lは、NOx濃度の検出の応答性と相関がある。この距離Lが大きすぎると、NOx濃度の検出の応答性が低下する場合があるが、距離Lが13mm以下であることで、応答性の低下を抑制できる。 Furthermore, in the sensor element 101 of this embodiment, the distance L in the front-rear direction from the gas inlet 10 to the measurement electrode 44 is 13 mm or less. As described above, the measured gas circulation portion 9 is a flow path extending in the front-rear direction from the gas introduction port 10 to the measurement electrode 44 , and the distance L is the distance from the gas introduction port 10 to the measured gas flowing into the measured gas circulation portion 9 . There is a correlation with the time required for the gas to reach the measuring electrode 44 . Therefore, the distance L has a correlation with the responsiveness of NOx concentration detection. If the distance L is too large, the responsiveness of detecting the NOx concentration may decrease, but if the distance L is 13 mm or less, the decrease in responsiveness can be suppressed.

以上のことから、本実施形態のセンサ素子101では、距離Aが1mm以上であり且つ距離Lが13mm以下であることが好ましい。これにより、被測定ガス中のNOx濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出でき且つNOx濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。なお、上述したようにアンモニア濃度をNOx濃度の導出に用いる場合は、アンモニア濃度の検出精度が向上することによっても、NOx濃度の検出精度が向上する。 From the above, in the sensor element 101 of this embodiment, it is preferable that the distance A is 1 mm or more and the distance L is 13 mm or less. As a result, the NOx concentration and the ammonia concentration in the gas to be measured can be detected with high accuracy, and a decrease in responsiveness in detecting the NOx concentration can be suppressed. Note that when the ammonia concentration is used to derive the NOx concentration as described above, the NOx concentration detection accuracy also improves due to the improvement in the ammonia concentration detection accuracy.

また、図2に示す内側ポンプ電極22の前端から測定電極44の前端までの距離Bは、小さすぎると、測定電極44が内側ポンプ電極22に近いことで測定電極44の温度が高くなり、測定電極44に流れるリーク電流の影響でポンプ電流Ip2が過剰な値になりNOx濃度を実際より高めに検出してしまう場合がある。そのため、距離Bはある程度以上の長さ(例えば5mm以上)を確保することが好ましい。そして、距離Bをある程度以上の長さに設定しようとする場合、距離Aを長くすると距離L(>距離A+距離B)が長くなりやすい。しかし、距離Lが長すぎると上述したようにNOx濃度の検出の応答性が低下するため、この場合でも距離Aが1mm以上且つ距離Lが13mm以下となるように、距離A及び距離Lを定めることが好ましい。また、距離Bが大きすぎると測定電極44の温度が低くなり、測定電極44のNOx還元触媒としての機能が減少してNOx濃度を実際より低めに検出してしまう場合があるため、距離Bは例えば10mm以下にすることが好ましい。 Also, if the distance B from the front end of the inner pump electrode 22 to the front end of the measurement electrode 44 shown in FIG. The leakage current flowing through the electrode 44 may cause the pump current Ip2 to become an excessive value, and the NOx concentration may be detected to be higher than the actual value. Therefore, it is preferable to ensure that the distance B is at least a certain length (for example, 5 mm or more). When the distance B is set to a certain length or longer, increasing the distance A tends to increase the distance L (>distance A+distance B). However, if the distance L is too long, the responsiveness of NOx concentration detection decreases as described above. is preferred. Also, if the distance B is too large, the temperature of the measurement electrode 44 becomes low, and the function of the measurement electrode 44 as a NOx reduction catalyst is reduced, and the NOx concentration may be detected lower than the actual value. For example, it is preferably 10 mm or less.

検知電極56は、測定電極44との前後方向の距離Cが11mm以下であることが好ましい。図2に示すように、距離Cは距離Aと距離Bとの和に等しい。距離Cが11mm以下では、被測定ガスが検知電極56の周辺を通過してから測定電極44の周辺に到達するまでの時間が比較的短くなるため、センサ素子101のNOx濃度の検出の応答性とアンモニア濃度の検出の応答性とが同程度になる。すなわち、NOx濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが比較的近い値になる。NOx濃度の検出の応答時間とは、具体的には、被測定ガス中のNOx濃度の変化に応じて検出部23におけるNOx濃度を表す検出値(ここではポンプ電流Ip2)が変化するまでの時間である。同様に、アンモニア濃度の検出の応答時間とは、具体的には、被測定ガス中のアンモニア濃度の変化に応じて混成電位セル55におけるアンモニア濃度を表す検出値(ここでは起電力EMF)が変化するまでの時間である。そして、このNOx濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが比較的近いことで、例えば時々刻々と被測定ガスの組成が変化する場合でも、センサ素子101によるNOx濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さくなる。距離Cは、9mm以下がより好ましく、7mm以下がさらに好ましい。 The distance C between the detection electrode 56 and the measurement electrode 44 in the front-rear direction is preferably 11 mm or less. Distance C is equal to the sum of distance A and distance B, as shown in FIG. When the distance C is 11 mm or less, the time required for the gas to be measured to reach the periphery of the measurement electrode 44 after passing through the periphery of the detection electrode 56 is relatively short. and the responsiveness of ammonia concentration detection become comparable. That is, the response time for detecting the NOx concentration and the response time for detecting the ammonia concentration are relatively close to each other. Specifically, the response time for detecting the NOx concentration is the time until the detected value (here, the pump current Ip2) representing the NOx concentration in the detection unit 23 changes in accordance with the change in the NOx concentration in the gas to be measured. is. Similarly, the response time for detection of ammonia concentration means that the detection value (here, electromotive force EMF) representing the ammonia concentration in the mixed potential cell 55 changes in response to changes in the ammonia concentration in the gas to be measured. It is time to Since the response time for detecting the NOx concentration and the response time for detecting the ammonia concentration are relatively close, the sensor element 101 detects the NOx concentration and the ammonia concentration even when the composition of the gas to be measured changes from moment to moment. detection timing deviation becomes smaller. The distance C is more preferably 9 mm or less, and even more preferably 7 mm or less.

検知電極56は、ガス導入口10から検知電極56までの被測定ガスの流通方向に沿った距離Dが4mm以下となる位置に配設されていることが好ましい。本実施形態の距離Dは、長さLpと同じく、前後方向に沿った距離である(図2参照)。ここで、センサ素子101の使用時には上述したように素子本体101aがヒータ72によって加熱されて高温になっている。そのため、被測定ガスがセンサ素子101と接触することで被測定ガス中のアンモニアが燃焼して、アンモニアの濃度検出の感度が低下する場合がある。すなわち、アンモニアの濃度検出の精度が低下する場合がある。これに対し、距離Dが4mm以下であれば、ガス導入口10から被測定ガス流通部9内に導入された被測定ガスが短時間で検知電極56に到達するため、検知電極56に到達するまでの間にアンモニアが燃焼しにくい。したがって、被測定ガス中のアンモニアの濃度検出の感度の低下を抑制できる。距離Dは2mm以下とすることがより好ましく、1mm未満とすることがさらに好ましい。 The detection electrode 56 is preferably arranged at a position where the distance D from the gas introduction port 10 to the detection electrode 56 along the flow direction of the gas to be measured is 4 mm or less. The distance D in this embodiment is a distance along the front-rear direction, like the length Lp (see FIG. 2). Here, when the sensor element 101 is used, the element main body 101a is heated by the heater 72 to a high temperature as described above. Therefore, when the gas to be measured comes into contact with the sensor element 101, the ammonia in the gas to be measured burns, and the sensitivity of ammonia concentration detection may decrease. In other words, the accuracy of ammonia concentration detection may decrease. On the other hand, if the distance D is 4 mm or less, the gas to be measured introduced from the gas introduction port 10 into the gas flow part 9 to be measured reaches the detection electrode 56 in a short time. Ammonia is difficult to burn until. Therefore, it is possible to suppress a decrease in sensitivity in detecting the concentration of ammonia in the gas to be measured. The distance D is more preferably 2 mm or less, and even more preferably less than 1 mm.

上述した第1温度条件のうち「検知電極56の温度が550℃以上」に関して補足する。検知電極56の温度が550℃以上では、検知電極56の表面に吸着したアンモニアが検知電極56の触媒作用によって燃焼するが、検知電極56の温度が550℃未満では、アンモニアが燃焼しにくくなり検知電極56の表面にアンモニアが残ってしまうことでアンモニア濃度の変化に対する混成電位(起電力EMF)の応答性が低下する場合がある。検知電極56の温度が550℃以上となるようにすれば、そのような応答性の低下を抑制できる。ヒータ72の目標温度を高くすれば検知電極56と内側ポンプ電極22の温度を共に高くできるため、これにより検知電極56の温度を550℃以上にすることができる。また、距離Aが4mm以下であれば、上述したように検知電極56と内側ポンプ電極22との温度差が大きくなりすぎないため、検知電極56の温度を550℃以上にしやすい。 Of the first temperature conditions described above, "the temperature of the detection electrode 56 is 550° C. or higher" will be supplemented. When the temperature of the sensing electrode 56 is 550° C. or higher, the ammonia adsorbed on the surface of the sensing electrode 56 burns due to the catalytic action of the sensing electrode 56. However, when the temperature of the sensing electrode 56 is less than 550° C., the ammonia becomes difficult to burn and is detected. Ammonia remaining on the surface of the electrode 56 may reduce the responsiveness of the mixed potential (electromotive force EMF) to changes in ammonia concentration. By setting the temperature of the detection electrode 56 to 550° C. or higher, such a decrease in responsiveness can be suppressed. If the target temperature of the heater 72 is raised, both the temperatures of the sensing electrode 56 and the inner pump electrode 22 can be raised, so the temperature of the sensing electrode 56 can be raised to 550° C. or higher. Further, if the distance A is 4 mm or less, the temperature difference between the detection electrode 56 and the inner pump electrode 22 does not become too large as described above, so the temperature of the detection electrode 56 can be easily raised to 550° C. or higher.

上述した第1温度条件のうち「内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上」に関して補足する。主ポンプセル21の他に補助ポンプ電極51及び測定用ポンプセル41も酸素のポンピングを行うが、第1内部空所20は第2内部空所40及び第3内部空所61の上流に位置しており、主ポンプセル21が汲み出す酸素の量は補助ポンプ電極51及び測定用ポンプセル41が汲み出す酸素の量よりもはるかに多い。そのため、主ポンプセル21,補助ポンプ電極51及び測定用ポンプセル41の中でも特に主ポンプセル21についてはポンプ能力が十分高くなるようにする必要がある。したがって、補助ポンプセル50の補助ポンプ電極51及び測定用ポンプセル41の測定電極44については、内側ポンプ電極22ほど高温にする必要はない。 Of the first temperature conditions described above, "the minimum temperature of the inner pump electrode 22 is 725° C. or higher" will be supplemented. Besides the main pump cell 21 , the auxiliary pump electrode 51 and the measuring pump cell 41 also pump oxygen, the first internal cavity 20 being located upstream of the second internal cavity 40 and the third internal cavity 61 . , the amount of oxygen pumped by the main pump cell 21 is much greater than the amount of oxygen pumped by the auxiliary pump electrode 51 and the measuring pump cell 41 . Therefore, among the main pump cell 21, the auxiliary pump electrode 51 and the measurement pump cell 41, the main pump cell 21 in particular needs to have a sufficiently high pumping capacity. Therefore, the auxiliary pump electrode 51 of the auxiliary pump cell 50 and the measurement electrode 44 of the measurement pump cell 41 do not need to be as hot as the inner pump electrode 22 .

こうしたガスセンサ100の製造方法の一例を以下に説明する。ガスセンサ100のセンサ素子101を製造する際には、まず、素子本体101aに対応する複数(ここでは6枚)の未焼成のセラミックスグリーンシートを用意する。このグリーンシートには、印刷時や積層時の位置決めに用いるシート穴や必要なスルーホール等を予め複数形成しておく。また、スペーサ層5となるグリーンシートには被測定ガス流通部9となる空間を予め打ち抜き処理などによって設けておく。そして、第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6のそれぞれに対応して、各セラミックスグリーンシートに種々のパターンを形成するパターン印刷処理・乾燥処理を行う。形成するパターンは、具体的には、例えば上述した各電極や各電極に接続される配線、大気導入層48,ヒータ部70,などのパターンである。パターン印刷は、それぞれの形成対象に要求される特性に応じて用意したパターン形成用ペーストを、公知のスクリーン印刷技術を利用してグリーンシート上に塗布することにより行う。検知電極56となるパターンは、第2固体電解質層6の下面に設けられる天井電極部56aとなるパターンと、第1固体電解質層4の上面に設けられる底部電極部56bとなるパターンと、スペーサ層5のうち緩衝空間12となるとなる部分の左右の側面に設けられる側部電極部56c及び側部電極部56dとなるパターンと、をそれぞれ分けて形成する。側部電極部56c及び側部電極部56dとなるパターンは、例えば公知のスルーホール印刷によって形成できる。具体的には、まず、側部電極部56c及び側部電極部56dとなるペーストからなるパターンを、スクリーン印刷により、スペーサ層5となるグリーンシートの上面の緩衝空間12となる空間(打ち抜き孔)の周辺に形成する。そして、スペーサ層5となるグリーンシートの下面側を負圧にして、緩衝空間12となる空間にペーストを流入させ、緩衝空間12の左右の側面となる部分にペーストを塗布する。これにより、側部電極部56c及び側部電極部56dとなるパターンが形成される。乾燥処理についても、公知の乾燥手段を用いて行う。パターン印刷・乾燥が終わると、各層に対応するグリーンシート同士を積層・接着するための接着用ペーストの印刷・乾燥処理を行う。そして、接着用ペーストを形成したグリーンシートをシート穴により位置決めしつつ所定の順序に積層して、所定の温度・圧力条件を加えることで圧着させ、一つの積層体とする圧着処理を行う。こうして得られた積層体は、複数個のセンサ素子101を包含したものである。その積層体を切断してセンサ素子101の大きさに切り分ける。そして、切り分けた積層体を所定の焼成温度で焼成し、センサ素子101を得る。 An example of a method for manufacturing such a gas sensor 100 will be described below. When manufacturing the sensor element 101 of the gas sensor 100, first, a plurality (here, six sheets) of unfired ceramic green sheets corresponding to the element main body 101a are prepared. In this green sheet, a plurality of sheet holes used for positioning at the time of printing or stacking, necessary through holes, etc. are formed in advance. In addition, the green sheet that will be the spacer layer 5 is previously provided with a space that will be the gas flow part 9 to be measured by a punching process or the like. Then, corresponding to each of the first substrate layer 1, the second substrate layer 2, the third substrate layer 3, the first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the second solid electrolyte layer 6, each A pattern printing process and a drying process are performed to form various patterns on the ceramic green sheet. Specifically, the patterns to be formed are, for example, patterns of the above-described electrodes, wirings connected to the electrodes, the atmosphere introduction layer 48, the heater section 70, and the like. Pattern printing is carried out by applying a pattern forming paste prepared according to the characteristics required for each object to be formed onto the green sheet using a known screen printing technique. The pattern to be the detection electrode 56 includes a pattern to be the ceiling electrode portion 56a provided on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6, a pattern to be the bottom electrode portion 56b provided on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, and a spacer layer. 5, patterns to be the side electrode portions 56c and 56d provided on the left and right side surfaces of the portion to be the buffer space 12 are separately formed. The pattern for the side electrode portion 56c and the side electrode portion 56d can be formed, for example, by known through-hole printing. Specifically, first, a paste pattern for the side electrode portion 56c and the side electrode portion 56d is formed by screen-printing a space (punched hole) that will be the buffer space 12 on the upper surface of the green sheet that will be the spacer layer 5. formed around the Then, the lower surface side of the green sheet to be the spacer layer 5 is set to a negative pressure to flow the paste into the space to be the buffer space 12 , and the paste is applied to the left and right side surfaces of the buffer space 12 . As a result, a pattern that becomes the side electrode portion 56c and the side electrode portion 56d is formed. The drying treatment is also performed using a known drying means. After pattern printing and drying, an adhesive paste for laminating and bonding the green sheets corresponding to each layer is printed and dried. Then, the green sheets on which the adhesive paste is formed are laminated in a predetermined order while being positioned by the sheet holes, and are crimped under predetermined temperature and pressure conditions to form a laminate. The laminate thus obtained includes a plurality of sensor elements 101 . The laminate is cut into pieces of the size of the sensor element 101 . Then, the cut laminate is fired at a predetermined firing temperature to obtain the sensor element 101 .

このようにしてセンサ素子101を得ると、センサ素子101を図示しない素子封止体に組み込んだセンサ組立体を製造し、保護カバーなどを取り付け、センサ素子101と制御装置90とを電気的に接続することで、ガスセンサ100が得られる。 After obtaining the sensor element 101 in this manner, a sensor assembly is manufactured by incorporating the sensor element 101 into an element sealing body (not shown), a protective cover or the like is attached, and the sensor element 101 and the control device 90 are electrically connected. By doing so, the gas sensor 100 is obtained.

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の被測定ガス流通部9が本発明の被測定ガス流通部に相当し、素子本体101aが素子本体に相当し、第1内部空所20が酸素濃度調整室に相当し、内側ポンプ電極22が調整用ポンプ電極に相当し、主ポンプセル21が調整用ポンプセルに相当し、第3内部空所61が測定室に相当し、測定電極44が測定電極に相当し、検知電極56が検知電極に相当し、混成電位セル55が混成電位セルに相当し、ヒータ72がヒータに相当する。 Here, correspondence relationships between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. The measured gas circulation part 9 of the present embodiment corresponds to the measured gas circulation part of the present invention, the element main body 101a corresponds to the element main body, the first internal space 20 corresponds to the oxygen concentration adjustment chamber, and the inner pump. The electrode 22 corresponds to the adjustment pump electrode, the main pump cell 21 corresponds to the adjustment pump cell, the third internal cavity 61 corresponds to the measurement chamber, the measurement electrode 44 corresponds to the measurement electrode, and the detection electrode 56 corresponds to the detection. It corresponds to an electrode, the mixed potential cell 55 corresponds to a mixed potential cell, and the heater 72 corresponds to a heater.

以上説明した本実施形態のガスセンサ100によれば、センサ素子101の検知電極56の断面積Spを被測定ガス流通部9の断面積Sfで除した値である面積割合Rが0.5以下であり、且つ検知電極56は被測定ガス流通部9の流通方向の長さLpが2mm以下であるため、検知電極56が被測定ガス流通部9内の被測定ガスの流れを阻害しにくい。したがって、センサ素子101におけるNOx濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。 According to the gas sensor 100 of the present embodiment described above, the area ratio R, which is the value obtained by dividing the cross-sectional area Sp of the detection electrode 56 of the sensor element 101 by the cross-sectional area Sf of the gas flow portion 9 to be measured, is 0.5 or less. In addition, since the detection electrode 56 has a length Lp of 2 mm or less in the flow direction of the gas flow portion 9 to be measured, the detection electrode 56 is less likely to block the flow of the gas to be measured in the gas flow portion 9 to be measured. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the NOx concentration detection responsiveness of the sensor element 101 .

さらに、被測定ガス流通部9の入口であるガス導入口10から検知電極56までの被測定ガスの流通方向の距離Dが4mm以下であることで、ガス導入口10から被測定ガス流通部9内に導入された被測定ガスが短時間で検知電極56に到達する。これにより、検知電極56に到達するまでの間に被測定ガス中のアンモニアが燃焼しにくい。したがって、センサ素子101における被測定ガス中のアンモニアの濃度検出の感度の低下を抑制できる。 Furthermore, since the distance D in the flow direction of the measured gas from the gas introduction port 10, which is the entrance of the measured gas circulation portion 9, to the detection electrode 56 is 4 mm or less, The gas to be measured introduced inside reaches the detection electrode 56 in a short time. This makes it difficult for the ammonia in the gas to be measured to burn until it reaches the detection electrode 56 . Therefore, it is possible to suppress a decrease in the sensitivity of detection of the concentration of ammonia in the gas under test in the sensor element 101 .

さらにまた、被測定ガス流通部9のうちガス導入口10から検知電極56までの間に、スリット状の隙間で構成された拡散律速部が配設されていない。これにより、ガス導入口10から被測定ガス流通部9内に導入された被測定ガスが短時間で検知電極56に到達するため、検知電極56に到達するまでの間に被測定ガス中のアンモニアが燃焼しにくい。したがって、センサ素子101における被測定ガス中のアンモニアの濃度検出の感度の低下を抑制できる。 Furthermore, no diffusion rate-determining section constituted by a slit-like gap is provided between the gas introduction port 10 and the detection electrode 56 in the measured gas circulation section 9 . As a result, the measured gas introduced into the measured gas circulation section 9 from the gas inlet 10 reaches the detection electrode 56 in a short period of time. is difficult to burn. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the sensitivity of detection of the concentration of ammonia in the gas under test in the sensor element 101 .

そして、検知電極56は、測定電極44との前後方向の距離Cが11mm以下であるため、被測定ガスが検知電極56の周辺を通過してから測定電極44の周辺に到達するまでの時間が比較的短くなる。これにより、センサ素子101のNOx濃度の検出の応答性とアンモニア濃度の検出の応答性とが同程度になるため、例えば時々刻々と被測定ガスの組成が変化する場合でも、センサ素子101によるNOx濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さくなる。 Since the distance C between the detection electrode 56 and the measurement electrode 44 in the front-rear direction is 11 mm or less, the time required for the gas to be measured to reach the circumference of the measurement electrode 44 after passing through the circumference of the detection electrode 56 is relatively short. As a result, the responsiveness of the sensor element 101 in detecting the NOx concentration and the responsiveness in detecting the ammonia concentration are approximately the same. The difference between the detection timings of concentration and ammonia concentration is reduced.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present invention.

例えば、上述した実施形態では、被測定ガス流通部9が被測定ガスの流通方向に垂直な断面が矩形状をしており、検知電極56はその矩形状の4辺を構成する被測定ガス流通部9の4つの内周面のいずれにも配設されていたが、これに限られない。検知電極56は、被測定ガス流通部9の4つの内周面のうち1以上に配設されていればよい。言い換えると、検知電極56は、上述した実施形態では天井電極部56a,底部電極部56b,及び側部電極部56c,56dを備えていたが、これらのうち1以上を備えていればよい。例えば、図5,6に示す変形例の検知電極156は、天井電極部56aのみを備えている。図5は、変形例の検知電極156の配置を示す拡大断面図であり、図6は、図5のB-B断面の一部を示す部分断面図である。この場合も、上述した実施形態と同様に、検知電極156の断面積Spを被測定ガス流通部9の断面積Sfで除した値である面積割合Rが0.5以下、且つ検知電極156の長さLpが2mm以下となっていれば、センサ素子101におけるNOx濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。図5,6の例では、検知電極156の断面積Spは、天井電極部56aの厚さと左右の幅との積に略等しい。 For example, in the above-described embodiment, the measured gas flow section 9 has a rectangular cross section perpendicular to the flow direction of the measured gas, and the detection electrode 56 forms the four sides of the rectangular shape. Although they are arranged on any of the four inner peripheral surfaces of the portion 9, the present invention is not limited to this. The detection electrode 56 may be arranged on one or more of the four inner peripheral surfaces of the measured gas circulation section 9 . In other words, the detection electrode 56 includes the ceiling electrode portion 56a, the bottom electrode portion 56b, and the side electrode portions 56c and 56d in the above-described embodiment, but may include one or more of these. For example, the modified detection electrode 156 shown in FIGS. 5 and 6 includes only the ceiling electrode portion 56a. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the arrangement of detection electrodes 156 of a modified example, and FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a part of the BB cross section of FIG. Also in this case, as in the above-described embodiment, the area ratio R, which is the value obtained by dividing the cross-sectional area Sp of the detection electrode 156 by the cross-sectional area Sf of the gas flow part 9 to be measured, is 0.5 or less, and If the length Lp is 2 mm or less, it is possible to suppress a decrease in the NOx concentration detection responsiveness of the sensor element 101 . In the examples of FIGS. 5 and 6, the cross-sectional area Sp of the sensing electrode 156 is approximately equal to the product of the thickness of the ceiling electrode portion 56a and the left and right widths.

上述した実施形態では、被測定ガス流通部9のうちガス導入口10から検知電極56までの間に拡散律速部が配設されていなかったが、拡散律速部が配設されていてもよい。ただし、上述したように被測定ガス中のアンモニアの濃度検出の感度の低下を抑制できるため、拡散律速部が配設されていないことが好ましい。 In the above-described embodiment, no diffusion control section is provided between the gas introduction port 10 and the detection electrode 56 in the measured gas circulation section 9, but a diffusion control section may be provided. However, as described above, it is preferable that no diffusion rate-limiting section is provided because it is possible to suppress a decrease in the sensitivity for detecting the concentration of ammonia in the gas to be measured.

上述した実施形態では、拡散律速部13,30,60はいずれもスリット状の隙間として構成されていたが、これに限られない。例えば、拡散律速部13,30,60のうち1以上が、被測定ガス流通部9内に上流側と下流側とを区画するように配設された多孔質体(例えばアルミナ(Al23)などのセラミックス多孔質体)として構成されていてもよい。この場合、多孔質体の気孔率や気孔径などを調整することで拡散律速部の拡散抵抗を調整できる。なお、ガス導入口10から検知電極56までの間には、スリット状の隙間であるか多孔質体であるかに関わらず、拡散律速部が配設されていないことが好ましい。 In the above-described embodiments, the diffusion control portions 13, 30, and 60 are all configured as slit-shaped gaps, but the present invention is not limited to this. For example, one or more of the diffusion control sections 13, 30 and 60 are porous bodies (for example, alumina (Al 2 O 3 ) may be configured as a ceramic porous body). In this case, the diffusion resistance of the diffusion control section can be adjusted by adjusting the porosity and pore diameter of the porous body. It should be noted that it is preferable that no diffusion control section is provided between the gas introduction port 10 and the detection electrode 56, regardless of whether it is a slit-like gap or a porous body.

上述した実施形態では、素子本体101aには基準電極42が1つ配設され、基準電極42がNOx検出部の基準電極とアンモニア検出部の基準電極とを兼ねていたが、これに限られない。例えば、基準電極42はNOx検出部用の基準電極とし、アンモニア検出部の混成電位セル55が備える基準電極を基準電極42とは別に設けてもよい。 In the above-described embodiment, one reference electrode 42 is provided in the element main body 101a, and the reference electrode 42 serves as both the reference electrode of the NOx detection section and the reference electrode of the ammonia detection section, but the present invention is not limited to this. . For example, the reference electrode 42 may be the reference electrode for the NOx detection section, and the reference electrode included in the mixed potential cell 55 of the ammonia detection section may be provided separately from the reference electrode 42 .

上述した実施形態では、外側ポンプ電極23は、主ポンプセル21の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに接触する部分に配設された外側主ポンプ電極と、補助ポンプセル50の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに接触する部分に配設された外側補助ポンプ電極と、測定用ポンプセル41の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに接触する部分に配設された外側測定電極と、を兼ねていたが、これに限られない。外側主ポンプ電極,外側補助ポンプ電極,及び外側測定電極のうちのいずれか1以上を、外側ポンプ電極23とは別にセンサ素子101の外側に設けてもよい。 In the above-described embodiment, the outer pumping electrode 23 is a part of the main pumping cell 21 and is disposed on the outside of the sensor element 101 in contact with the gas to be measured, and a part of the auxiliary pumping cell 50 and an outer auxiliary pump electrode disposed in a portion of the sensor element 101 that contacts the gas to be measured, and a part of the measuring pump cell 41 that is disposed in a portion of the sensor element 101 that contacts the gas to be measured. Although it also serves as the provided outer measurement electrode, it is not limited to this. Any one or more of the outer main pump electrode, the outer auxiliary pump electrode, and the outer measurement electrode may be provided outside the sensor element 101 separately from the outer pump electrode 23 .

上述した実施形態では、ガスセンサ100のセンサ素子101は第1内部空所20,第2内部空所40,第3内部空所61を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、図7のセンサ素子201のように、第3内部空所61を備えないものとしてもよい。図7に示した変形例のセンサ素子201では、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、緩衝空間12と、拡散律速部13と、第1内部空所20と、拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。また、測定電極44は、第2内部空所40内の第1固体電解質層4の上面に配設されている。測定電極44は、拡散律速部45によって被覆されてなる。拡散律速部45は、アルミナ(Al23)などのセラミックス多孔体にて構成される膜である。拡散律速部45は、上述した実施形態の拡散律速部60と同様に、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担う。また、拡散律速部45は、測定電極44の保護膜としても機能する。補助ポンプ電極51の天井電極部51aは、測定電極44の直上まで形成されている。このような構成のセンサ素子201であっても、上述した実施形態と同様に例えばポンプ電流Ip2に基づいてNOx濃度を検出できる。この場合、測定電極44の周囲が測定室として機能することになる。 In the embodiment described above, the sensor element 101 of the gas sensor 100 is provided with the first internal space 20, the second internal space 40, and the third internal space 61, but it is not limited to this. For example, like the sensor element 201 in FIG. 7, the third internal cavity 61 may not be provided. In the sensor element 201 of the modified example shown in FIG. 7, between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, the gas introduction port 10, the buffer space 12, the diffusion control portion 13, a first internal space 20, a diffusion control portion 30, and a second internal space 40 are formed adjacent to each other in a manner communicating with each other in this order. Further, the measurement electrode 44 is arranged on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 inside the second internal cavity 40 . The measurement electrode 44 is covered with a diffusion control portion 45 . The diffusion control portion 45 is a film made of a porous ceramic material such as alumina (Al 2 O 3 ). The diffusion control section 45 plays a role of limiting the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44, like the diffusion control section 60 of the above-described embodiment. In addition, the diffusion control section 45 also functions as a protective film for the measurement electrode 44 . A ceiling electrode portion 51 a of the auxiliary pump electrode 51 is formed up to just above the measurement electrode 44 . Even with the sensor element 201 having such a configuration, the NOx concentration can be detected based on, for example, the pump current Ip2 as in the above-described embodiment. In this case, the area around the measuring electrode 44 functions as a measuring chamber.

上述した実施形態では、センサ素子101の素子本体101aは複数の固体電解質層(層1~6)を有する積層体としたが、これに限られない。素子本体101aは、酸素イオン伝導性の固体電解質層を少なくとも1つ含み、且つ被測定ガス流通部9が内部に設けられていればよい。例えば、図1において第2固体電解質層6以外の層1~5は固体電解質以外の材質からなる構造層(例えばアルミナからなる層)としてもよい。この場合、センサ素子101が有する各電極は第2固体電解質層6に配設されるようにすればよい。例えば、図1の測定電極44は第2固体電解質層6の下面に配設すればよい。また、基準ガス導入空間43を第1固体電解質層4の代わりにスペーサ層5に設け、大気導入層48を第1固体電解質層4と第3基板層3との間に設ける代わりに第2固体電解質層6とスペーサ層5との間に設け、基準電極42を第3内部空所61よりも後方且つ第2固体電解質層6の下面に設ければよい。 In the above-described embodiment, the element body 101a of the sensor element 101 is a laminate having a plurality of solid electrolyte layers (layers 1 to 6), but it is not limited to this. The element main body 101a only needs to include at least one oxygen ion conductive solid electrolyte layer and to have the measurement gas flow section 9 provided therein. For example, layers 1 to 5 other than the second solid electrolyte layer 6 in FIG. 1 may be structural layers made of a material other than the solid electrolyte (for example, layers made of alumina). In this case, each electrode of sensor element 101 may be arranged on second solid electrolyte layer 6 . For example, the measurement electrode 44 in FIG. 1 may be arranged on the bottom surface of the second solid electrolyte layer 6 . Further, the reference gas introduction space 43 is provided in the spacer layer 5 instead of the first solid electrolyte layer 4, and the air introduction layer 48 is provided in the second solid electrolyte layer 4 instead of providing it between the first solid electrolyte layer 4 and the third substrate layer 3. It may be provided between the electrolyte layer 6 and the spacer layer 5 , and the reference electrode 42 may be provided behind the third internal space 61 and on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 .

上述した実施形態では、ガスセンサ100は特定の酸化物ガス濃度としてNOx濃度を検出したが、これに限らず他の酸化物濃度を特定の酸化物ガス濃度としてもよい。特定の酸化物ガス濃度を測定する場合には、上述した実施形態と同様に特定の酸化物ガスそのものを第3内部空所61で還元したときに酸素が発生するから、制御部91はこの酸素に応じた検出値を取得して特定の酸化物ガス濃度を検出できる。この場合も、アンモニア濃度に基づく酸化物ガス濃度の補正は上述した実施形態と同様に行うことができる。 In the above-described embodiment, the gas sensor 100 detects the NOx concentration as the specific oxide gas concentration, but the specific oxide gas concentration may be other oxide concentrations without being limited to this. When measuring the specific oxide gas concentration, oxygen is generated when the specific oxide gas itself is reduced in the third internal space 61 as in the above-described embodiment. can be obtained to detect a specific oxide gas concentration. Also in this case, correction of the oxide gas concentration based on the ammonia concentration can be performed in the same manner as in the above-described embodiment.

上述した実施形態では、CPU92は、測定用ポンプ制御処理として、起電力V2が目標値V2*となるように可変電源46の電圧Vp2をフィードバック制御する処理を行い、このときの検出値(ポンプ電流Ip2)に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を検出したが、これに限られない。例えば、CPU92は、測定用ポンプ制御処理として、ポンプ電流Ip2が一定の目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41を制御(例えば電圧Vp2を制御)し、このときの検出値(起電力V2)を用いてNOx濃度を検出してもよい。ポンプ電流Ip2が目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41が制御されることで、ほぼ一定の流量で第3内部空所61から酸素が汲み出されることになる。そのため、被測定ガス中のNOxが第3内部空所61で還元されることにより発生する酸素の多寡に応じて第3内部空所61の酸素濃度が変化し、これにより起電力V2が変化する。したがって、起電力V2が被測定ガス中のNOx濃度に応じた値になる。そのため、この起電力V2に基づいてNOx濃度を算出できる。例えば予め記憶部94に起電力V2とNOx濃度との対応関係を記憶しておけばよい。 In the above-described embodiment, the CPU 92 performs feedback control of the voltage Vp2 of the variable power supply 46 so that the electromotive force V2 becomes the target value V2* as the measurement pump control processing. Although the NOx concentration in the measured gas was detected based on Ip2), it is not limited to this. For example, as the measurement pump control process, the CPU 92 controls the measurement pump cell 41 (for example, controls the voltage Vp2) so that the pump current Ip2 becomes a constant target value Ip2*, and the detected value (electromotive force V2 ) may be used to detect the NOx concentration. By controlling the measuring pump cell 41 so that the pump current Ip2 becomes the target value Ip2*, oxygen is pumped out of the third internal cavity 61 at a substantially constant flow rate. Therefore, the oxygen concentration in the third internal space 61 changes according to the amount of oxygen generated by reduction of NOx in the gas to be measured in the third internal space 61, thereby changing the electromotive force V2. . Therefore, the electromotive force V2 becomes a value corresponding to the NOx concentration in the gas to be measured. Therefore, the NOx concentration can be calculated based on this electromotive force V2. For example, the correspondence relationship between the electromotive force V2 and the NOx concentration may be stored in the storage unit 94 in advance.

上述した実施形態では、制御部91は、ポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるように、ポンプ電流Ip1に基づいて起電力V0の目標値V0*を設定(フィードバック制御)し、起電力V0が目標値V0*となるようにポンプ電圧Vp0をフィードバック制御したが、他の処理を行ってもよい。例えば、制御部91は、ポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるように、ポンプ電流Ip1に基づいてポンプ電圧Vp0をフィードバック制御してもよい。すなわち、制御部91は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80からの起電力V0の取得や目標値V0*の設定を省略して、ポンプ電流Ip1に基づいて直接的にポンプ電圧Vp0を制御(ひいてはポンプ電流Ip0を制御)してもよい。 In the above-described embodiment, the control unit 91 sets the target value V0* of the electromotive force V0 based on the pump current Ip1 (feedback control) so that the pump current Ip1 becomes the target value Ip1*. Although the pump voltage Vp0 is feedback-controlled so as to achieve the target value V0*, other processing may be performed. For example, the control unit 91 may feedback-control the pump voltage Vp0 based on the pump current Ip1 so that the pump current Ip1 becomes the target value Ip1*. That is, the control unit 91 omits acquisition of the electromotive force V0 from the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control and setting of the target value V0*, and directly controls the pump voltage Vp0 based on the pump current Ip1. (and thus control the pump current Ip0).

上述した実施形態では、制御部91は、電圧V2が目標値V2*となるように可変電源46の電圧Vp2をフィードバック制御する処理を行い、このときのポンプ電流Ip2を検出値として取得し、この検出値に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を検出したが、これに限られない。例えば、制御部91は、ポンプ電流Ip2が一定の目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41を制御(例えば電圧Vp2を制御)し、このときの電圧V2を検出値として取得し、この検出値を用いてNOx濃度を検出してもよい。ポンプ電流Ip2が目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41が制御されることで、ほぼ一定の流量で第3内部空所61から酸素が汲み出されることになる。そのため、被測定ガス中のNOxが第3内部空所61で還元されることにより発生する酸素の多寡に応じて第3内部空所61の酸素濃度が変化し、これにより電圧V2が変化する。したがって、電圧V2が被測定ガス中のNOx濃度に応じた値になる。そのため、この電圧V2に基づいてNOx濃度を算出できる。この場合も、アンモニア濃度に基づくNOx濃度の補正は上述した実施形態と同様に行うことができる。例えば、電圧V2とアンモニア濃度とNOx濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成して記憶部94に記憶しておけばよい。 In the above-described embodiment, the control unit 91 performs feedback control of the voltage Vp2 of the variable power supply 46 so that the voltage V2 becomes the target value V2*, acquires the pump current Ip2 at this time as the detected value, and obtains the detected value. Although the NOx concentration in the measured gas was detected based on the detected value, the present invention is not limited to this. For example, the control unit 91 controls the measurement pump cell 41 (for example, controls the voltage Vp2) so that the pump current Ip2 becomes a constant target value Ip2*, acquires the voltage V2 at this time as a detection value, and obtains the voltage V2 at this time as a detection value. The value may be used to detect NOx concentration. By controlling the measuring pump cell 41 so that the pump current Ip2 becomes the target value Ip2*, oxygen is pumped out of the third internal cavity 61 at a substantially constant flow rate. Therefore, the oxygen concentration in the third internal space 61 changes according to the amount of oxygen generated by reduction of NOx in the gas under measurement in the third internal space 61, thereby changing the voltage V2. Therefore, the voltage V2 has a value corresponding to the NOx concentration in the gas to be measured. Therefore, the NOx concentration can be calculated based on this voltage V2. Also in this case, the correction of the NOx concentration based on the ammonia concentration can be performed in the same manner as in the above-described embodiment. For example, a relational expression, a map, or the like representing the correspondence between the voltage V2, the ammonia concentration, and the NOx concentration may be prepared in advance through experiments and stored in the storage unit 94 .

以下には、ガスセンサの具体的な例を実施例として説明する。実験例1~5,8~11,14~27が本発明の実施例に相当し、実験例6,7,12,13が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Specific examples of the gas sensor will be described below as examples. Experimental Examples 1 to 5, 8 to 11 and 14 to 27 correspond to the examples of the present invention, and Experimental Examples 6, 7, 12 and 13 correspond to comparative examples. In addition, the present invention is not limited to the following examples.

[実験例1]
上述した製造方法により図1~4に示したガスセンサ100を作製して、実験例1とした。なお、センサ素子101を作製するにあたり、セラミックスグリーンシートは、安定化剤のイットリアを4mol%添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形により成形した。検知電極56用のパターンは、Ptの粉末にAuをコーティングしたコーティング粉末と、ジルコニア粉末と、バインダーとを混合して作製したペーストを用いて形成した。測定電極44は、Ptとジルコニアとの多孔質サーメット電極とした。測定電極44用のパターンは、Ptの粉末と、ジルコニア粉末と、バインダーと、造孔材と、を混合して作製したペーストを用いて形成した。実験例1のセンサ素子101の面積割合Rを上述した方法で測定したところ、0.1であった。また、検知電極56の長さLpは1mmであった。
[Experimental example 1]
The gas sensor 100 shown in FIGS. 1 to 4 was manufactured by the manufacturing method described above, and was designated as Experimental Example 1. FIG. In fabricating the sensor element 101, the ceramic green sheet was formed by mixing zirconia particles to which 4 mol % of yttria as a stabilizer was added, an organic binder, and an organic solvent, and forming the mixture by tape forming. The pattern for the detection electrode 56 was formed using a paste prepared by mixing coating powder obtained by coating Pt powder with Au, zirconia powder, and a binder. The measurement electrode 44 was a porous cermet electrode of Pt and zirconia. A pattern for the measurement electrode 44 was formed using a paste prepared by mixing Pt powder, zirconia powder, a binder, and a pore-forming material. When the area ratio R of the sensor element 101 of Experimental Example 1 was measured by the method described above, it was 0.1. Also, the length Lp of the detection electrode 56 was 1 mm.

[実験例2~7,8~13]
面積割合Rを後に示す表1のように種々変更した点以外は実験例1と同じガスセンサ100を作製して、実験例2~7とした。また、面積割合Rが0.3であり長さLpを後に示す表2のように種々変更した点以外は実験例1と同じガスセンサ100を作製して、実験例8~13とした。
[Experimental Examples 2 to 7, 8 to 13]
Experimental Examples 2 to 7 were prepared by manufacturing the same gas sensor 100 as in Experimental Example 1 except that the area ratio R was variously changed as shown in Table 1 below. Further, the same gas sensor 100 as that of Experimental Example 1 was manufactured except that the area ratio R was 0.3 and the length Lp was variously changed as shown in Table 2 below, and designated as Experimental Examples 8 to 13.

[NOx濃度検出の応答性の評価]
実験例1~13の各々について、NOx濃度検出の応答性を評価した。具体的には、まず、実験例1のガスセンサ100を配管に取り付け、制御部91がヒータ72の温度を制御してヒータ72が所定の目標温度に到達した状態、且つ、制御部91が上述した各ポンプセル21,41,50の制御や、上述した各センサセル80~83からの各電圧V0,V1,V2,Vrefの取得、及び混成電位セル55からの起電力EMFの取得を行っている状態とした。この状態で、ベースガスが窒素でありNOx濃度が0ppmであるモデルガスを被測定ガスとして、被測定ガスを配管に流し、ポンプ電流Ip2の値が安定するまで待った。そして、配管内に流す被測定ガスのNOx濃度を0ppmから500ppmに変化させた場合における、ポンプ電流Ip2の値の時間変化を調べた。NOx濃度を変化させる直前のポンプ電流Ip2の値を0%、NOx濃度の変化後にポンプ電流Ip2が変化して安定したときの値を100%として、ポンプ電流Ip2の値が10%を越えたときから90%を越えるまでの経過時間をNOx濃度検出の応答時間[sec]とした。この応答時間が短いほどセンサ素子101のNOx濃度検出の応答性が高いことを意味する。そして、NOx濃度検出の応答時間が1.1sec以下であった場合にNOx濃度検出の応答性を「A(優)」と判定し、1.2sec以下であった場合にNOx濃度検出の応答性を「B(可)」と判定し、1.2secを超えていた場合にNOx濃度検出の応答性を「F(不可)」と判定した。実験例2~13についても、実験例1と同様にしてNOx濃度検出の応答時間を測定して、応答性を評価した。表1及び表2に、実験例1~7,8~13の各々における面積割合Rと、長さLpと、NOx濃度検出の応答時間と、応答性の評価結果と、をまとめて示す。
[Evaluation of Responsiveness of NOx Concentration Detection]
Each of Experimental Examples 1 to 13 was evaluated for NOx concentration detection responsiveness. Specifically, first, the gas sensor 100 of Experimental Example 1 is attached to a pipe, and the controller 91 controls the temperature of the heater 72 so that the heater 72 reaches a predetermined target temperature. A state in which the pump cells 21, 41, 50 are controlled, the voltages V0, V1, V2, Vref are obtained from the sensor cells 80 to 83, and the electromotive force EMF is obtained from the mixed potential cell 55. did. In this state, a model gas having a nitrogen base gas and a NOx concentration of 0 ppm was used as the gas to be measured. Then, the temporal change in the value of the pump current Ip2 was investigated when the NOx concentration of the gas to be measured flowing through the pipe was changed from 0 ppm to 500 ppm. When the value of the pump current Ip2 exceeds 10%, where the value of the pump current Ip2 immediately before the NOx concentration is changed is 0%, and the value when the pump current Ip2 changes and stabilizes after the NOx concentration is changed is 100%. The elapsed time from when the concentration exceeded 90% was defined as the response time [sec] of the NOx concentration detection. It means that the shorter the response time, the higher the responsiveness of the sensor element 101 in detecting the NOx concentration. If the NOx concentration detection response time is 1.1 sec or less, the NOx concentration detection responsiveness is determined as "A (excellent)", and if the NOx concentration detection response time is 1.2 sec or less, the NOx concentration detection responsiveness is determined. was determined as "B (possible)", and when it exceeded 1.2 sec, the responsiveness of NOx concentration detection was determined as "F (impossible)". For Experimental Examples 2 to 13, the response time for NOx concentration detection was measured in the same manner as in Experimental Example 1 to evaluate the responsiveness. Tables 1 and 2 collectively show the area ratio R, the length Lp, the NOx concentration detection response time, and the responsiveness evaluation results in each of Experimental Examples 1 to 7 and 8 to 13.

Figure 2022153760000002
Figure 2022153760000002

Figure 2022153760000003
Figure 2022153760000003

表1,2に示すように、面積割合R及び長さLpが小さいほど、NOx濃度検出の応答時間が短くなる傾向が確認された。具体的には、面積割合Rが0.5以下且つ長さLpが2mm以下である実験例1~5,8~11では、NOx濃度検出の応答時間がいずれも1.2sec以下であり、応答性の評価は「A(優)」又は「B(可)」であった。特に、面積割合Rが0.4以下且つ長さLpが2mm以下である実験例1~4,8~11は、NOx濃度検出の応答時間がいずれも1.1sec以下であり、応答性の評価は「A(優)」であった。これに対し、面積割合Rが0.5を超えている実験例5~7及び長さLpが2mmを超えている実験例12,13は、NOx濃度検出の応答時間が1.3secであり、応答性の評価は「F(不可)」であった。これらの結果から、面積割合Rが0.5以下且つ長さLpが2mm以下であることで、NOx濃度濃度検出の応答性の低下を抑制できることが確認された。また、表1の結果から、面積割合Rは0.4以下が好ましく、0.2以下がさらに好ましいと考えられる。表2の結果から、長さLpは1mm以下が好ましいと考えられる。 As shown in Tables 1 and 2, it was confirmed that the smaller the area ratio R and the length Lp, the shorter the response time for NOx concentration detection. Specifically, in Experimental Examples 1 to 5 and 8 to 11 in which the area ratio R is 0.5 or less and the length Lp is 2 mm or less, the NOx concentration detection response time is 1.2 sec or less. The quality evaluation was "A (excellent)" or "B (acceptable)". In particular, in Experimental Examples 1 to 4 and 8 to 11, in which the area ratio R is 0.4 or less and the length Lp is 2 mm or less, the NOx concentration detection response time is 1.1 sec or less, and the responsiveness is evaluated. was "A (excellent)". On the other hand, in Experimental Examples 5 to 7 in which the area ratio R exceeds 0.5 and in Experimental Examples 12 and 13 in which the length Lp exceeds 2 mm, the NOx concentration detection response time is 1.3 sec. Responsiveness evaluation was "F (failure)". From these results, it was confirmed that when the area ratio R is 0.5 or less and the length Lp is 2 mm or less, a decrease in the responsiveness of NOx concentration detection can be suppressed. Moreover, from the results of Table 1, it is considered that the area ratio R is preferably 0.4 or less, more preferably 0.2 or less. From the results of Table 2, it is considered that the length Lp is preferably 1 mm or less.

[実験例14~20]
図2に示した距離Dを種々変更した点以外は実験例3(面積割合Rが0.3,長さLpが1mm)と同じガスセンサ100を作製して、実験例14~20とした。
[Experimental Examples 14 to 20]
Experimental examples 14 to 20 were prepared by manufacturing the same gas sensor 100 as in experimental example 3 (area ratio R: 0.3, length Lp: 1 mm) except that the distance D shown in FIG.

[アンモニア濃度検出感度の評価]
実験例14~20の各々について、検知電極56によるアンモニア濃度検出の感度を調べた。具体的には、まず、実験例14のガスセンサ100を配管に取り付け、制御部91が上述した各ポンプセル等の制御を行っている状態とした。この状態で、ベースガスが窒素でありアンモニア濃度が500ppmであるモデルガスを被測定ガスとして、被測定ガスを配管に流し、混成電位セル55の起電力EMFの値が安定したときの値を、アンモニア濃度検出の感度を表す値とした。このアンモニア濃度検出の感度を表す値(起電力EMF)が小さいほど、混成電位セル55のアンモニア濃度の検出精度が低いことを意味する。そして、起電力EMFが140mV以上であった場合に混成電位セル55を用いたアンモニア濃度の検出精度を「A(優)」と判定し、起電力EMFが100mV以上であった場合にアンモニア濃度の検出精度を「B(可)」と判定し、100mV未満であった場合にアンモニア濃度の検出精度を「F(不可)」と判定した。表3に、実験例14~20の各々における、距離Dと、アンモニア濃度検出の感度(起電力EMF)と、検出感度の評価と、をまとめて示す。
[Evaluation of ammonia concentration detection sensitivity]
For each of Experimental Examples 14 to 20, the sensitivity of ammonia concentration detection by the sensing electrode 56 was examined. Specifically, first, the gas sensor 100 of Experimental Example 14 was attached to the pipe, and the control unit 91 was in a state of controlling the above-described pump cells and the like. In this state, a model gas having a nitrogen base gas and an ammonia concentration of 500 ppm is used as the gas to be measured. A value representing the sensitivity of ammonia concentration detection. The smaller the value (electromotive force EMF) representing the sensitivity of ammonia concentration detection, the lower the ammonia concentration detection accuracy of the mixed potential cell 55 . Then, when the electromotive force EMF was 140 mV or more, the ammonia concentration detection accuracy using the mixed potential cell 55 was determined as "A (excellent)", and when the electromotive force EMF was 100 mV or more, the ammonia concentration The detection accuracy was determined as "B (acceptable)", and when it was less than 100 mV, the ammonia concentration detection accuracy was determined as "F (impossible)". Table 3 summarizes the distance D, the ammonia concentration detection sensitivity (electromotive force EMF), and the detection sensitivity evaluation in each of Experimental Examples 14 to 20.

Figure 2022153760000004
Figure 2022153760000004

表3に示すように、距離Dが小さいほど、アンモニア濃度検出の感度が高くなる傾向が確認された。具体的には、距離Dが4mm以下である実験例14~18では、アンモニア濃度検出の感度を表す混成電位セル55の起電力EMFがいずれも100mV以上であり、アンモニア濃度の検出感度の評価は「A(優)」又は「B(可)」であった。特に、距離Dが0mmである実験例14では起電力EMFが140mVであり検出感度の評価は「A(優)」であった。これに対し、距離Dが4mmを超えている実験例19,20では、起電力EMFが90mV以下に低下しており、アンモニア濃度の検出精度の評価は「F(不可)」であった。これらの結果から、距離Dが4mm以下であれば、検知電極56を用いたアンモニア濃度の検出感度が高くなることが確認された。また、距離Dは2mm以下が好ましく、1mm以下がより好ましく、0mmがさらに好ましいと考えられる。 As shown in Table 3, it was confirmed that the smaller the distance D, the higher the sensitivity of ammonia concentration detection. Specifically, in Experimental Examples 14 to 18 in which the distance D is 4 mm or less, the electromotive force EMF of the mixed potential cell 55 representing the sensitivity of ammonia concentration detection is all 100 mV or more, and the evaluation of the ammonia concentration detection sensitivity is It was "A (excellent)" or "B (fair)". In particular, in Experimental Example 14 in which the distance D was 0 mm, the electromotive force EMF was 140 mV and the detection sensitivity was evaluated as "A (excellent)". On the other hand, in Experimental Examples 19 and 20 in which the distance D exceeded 4 mm, the electromotive force EMF decreased to 90 mV or less, and the ammonia concentration detection accuracy was evaluated as "F (impossible)". From these results, it was confirmed that if the distance D is 4 mm or less, the detection sensitivity of the ammonia concentration using the detection electrode 56 is increased. Moreover, it is considered that the distance D is preferably 2 mm or less, more preferably 1 mm or less, and even more preferably 0 mm.

[実験例21~27]
図2に示した距離Cを種々変更したガスセンサ100を作製して、実験例21~27とした。実験例21~27は、いずれも、面積割合Rが0.3,長さLpが1mm、距離Dが0.65mmとした。
[Experimental Examples 21 to 27]
Experimental Examples 21 to 27 were prepared by manufacturing gas sensors 100 with various distances C shown in FIG. In Experimental Examples 21 to 27, the area ratio R was 0.3, the length Lp was 1 mm, and the distance D was 0.65 mm.

[アンモニア濃度検出の応答時間とNOx濃度検出の応答時間との差の評価]
実験例21~27の各々について、NOx濃度検出の応答時間とアンモニア濃度検出の応答時間との差を調べた。具体的には、ベースガスが窒素でありアンモニア濃度が0ppmであるモデルガスを被測定ガスとして、被測定ガスを配管に流し、混成電位セル55の起電力EMFの値及び測定用ポンプセル41のポンプ電流Ip2の値が安定するまで待った。そして、配管内に流す被測定ガスのアンモニア濃度を0ppmから500ppmに変化させた場合における、起電力EMFの値及びポンプ電流Ip2の値の時間変化を調べた。アンモニア濃度を変化させる直前の起電力EMFの値を0%、アンモニア濃度の変化後に起電力EMFが変化して安定したときの値を100%として、起電力EMFの値が10%を越えたときから90%を越えるまでの経過時間をアンモニア濃度検出の応答時間[sec]とした。同様の方法で、ポンプ電流Ip2の値が10%を越えたときから90%を越えるまでの経過時間をNOx濃度検出の応答時間[sec]とした。上述したように、被測定ガス中のアンモニア濃度が変化するとポンプ電流Ip2も変化するため、アンモニアを含むモデルガスを用いることで、NOx濃度検出の応答時間とアンモニア濃度検出の応答時間との両方を調べることができる。そして、得られた両者の応答時間の差を算出した。応答時間の差が小さいほど、センサ素子101によるNOx濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さいことを意味する。そして、応答時間の差が0.8sec以下であった場合に応答時間の差を「A(差が非常に小さい)」と判定し、0.9sec以下であった場合に応答時間の差を「B(差が小さい)」と判定し、0.9secを超えていた場合に応答時間の差を「F(差が大きい)」と判定した。表4に、実験例21~27の各々における、距離Cと、アンモニア濃度検出の応答時間と、NOx濃度検出の応答時間と、応答時間の差と、応答時間の差の評価と、をまとめて示す。
[Evaluation of difference between response time of ammonia concentration detection and response time of NOx concentration detection]
For each of Experimental Examples 21 to 27, the difference between the NOx concentration detection response time and the ammonia concentration detection response time was examined. Specifically, a model gas having a nitrogen base gas and an ammonia concentration of 0 ppm is used as the gas to be measured. We waited until the value of the current Ip2 stabilized. Then, changes over time in the value of the electromotive force EMF and the value of the pump current Ip2 were examined when the ammonia concentration of the gas to be measured flowing through the pipe was changed from 0 ppm to 500 ppm. When the value of the electromotive force EMF exceeds 10%, where the value of the electromotive force EMF immediately before the ammonia concentration is changed is 0%, and the value when the electromotive force EMF changes and stabilizes after the ammonia concentration is changed is 100%. A response time [sec] for detection of the ammonia concentration was defined as the elapsed time from when the concentration exceeded 90%. In a similar manner, the elapsed time from when the value of the pump current Ip2 exceeded 10% to when it exceeded 90% was defined as the NOx concentration detection response time [sec]. As described above, when the ammonia concentration in the gas under measurement changes, the pump current Ip2 also changes. can be examined. Then, the difference between the two obtained response times was calculated. The smaller the difference in response time, the smaller the difference in detection timing of the NOx concentration and the ammonia concentration by the sensor element 101 . Then, if the difference in response time is 0.8 sec or less, the difference in response time is determined as "A (difference is very small)", and if it is 0.9 sec or less, the difference in response time is determined as " The difference in response time was determined as "B (small difference)", and when it exceeded 0.9 sec, the difference in response time was determined as "F (large difference)". Table 4 summarizes the distance C, the response time for ammonia concentration detection, the response time for NOx concentration detection, the difference in response time, and the evaluation of the difference in response time in each of Experimental Examples 21 to 27. show.

Figure 2022153760000005
Figure 2022153760000005

表4に示すように、距離Cが小さいほど、アンモニア濃度検出の応答時間とNOx濃度検出の応答時間との差が小さくなる傾向が確認された。具体的には、距離Cが11mm以下となっている実験例21~26では、応答時間の差がいずれも0.9sec以下であり、応答時間の差の評価は「A(差が非常に小さい)」又は「B(差が小さい)」であった。特に、距離Cが9mm以下である実験例21~24は、応答時間の差がいずれも1.1sec以下であり、応答時間の差の評価は「A(差が非常に小さい)」であった。これに対し、距離Cが11mmを超えている実験例27は、応答時間の差が1.3secであり、応答時間の差の評価は「F(差が大きい)」であった。これらの結果から、距離Cが11mm以下であれば、NOx濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さくなることが確認された。また、距離Cは9mm以下が好ましく、7mm以下がより好ましいと考えられる。 As shown in Table 4, it was confirmed that the smaller the distance C, the smaller the difference between the ammonia concentration detection response time and the NOx concentration detection response time. Specifically, in Experimental Examples 21 to 26 in which the distance C is 11 mm or less, the difference in response time is 0.9 sec or less, and the evaluation of the difference in response time is "A (difference is very small). )” or “B (small difference)”. In particular, in Experimental Examples 21 to 24 in which the distance C was 9 mm or less, the difference in response time was 1.1 sec or less, and the evaluation of the difference in response time was "A (very small difference)". . On the other hand, in Experimental Example 27 in which the distance C exceeds 11 mm, the difference in response time was 1.3 sec, and the evaluation of the difference in response time was "F (large difference)". From these results, it was confirmed that when the distance C is 11 mm or less, the deviation in detection timing of the NOx concentration and the ammonia concentration becomes small. Moreover, it is considered that the distance C is preferably 9 mm or less, and more preferably 7 mm or less.

1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、9 被測定ガス流通部、10 ガス導入口、12 緩衝空間、13 拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、24 可変電源、30 拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 拡散律速部、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、55 混成電位セル、56 検知電極、56a 天井電極部、56b 底部電極部、56c,56d 側部電極部、60 拡散律速部、61 第3内部空所、70 ヒータ部、71 ヒータコネクタ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、84 緩衝層、84a 上側緩衝層、84b 下側緩衝層、85 保護層、90 制御装置、91 制御部、92 CPU、94 記憶部、100 ガスセンサ、101,201 センサ素子、101a 素子本体、156 検知電極。 REFERENCE SIGNS LIST 1 first substrate layer 2 second substrate layer 3 third substrate layer 4 first solid electrolyte layer 5 spacer layer 6 second solid electrolyte layer 9 measured gas flow portion 10 gas introduction port 12 buffer space, 13 diffusion rate-limiting part, 20 first internal space, 21 main pump cell, 22 inner pump electrode, 22a ceiling electrode part, 22b bottom electrode part, 23 outer pump electrode, 24 variable power supply, 30 diffusion rate-limiting part, 40 second second Internal cavity 41 Measurement pump cell 42 Reference electrode 43 Reference gas introduction space 44 Measurement electrode 45 Diffusion control section 46 Variable power supply 48 Atmosphere introduction layer 50 Auxiliary pump cell 51 Auxiliary pump electrode 51a Ceiling electrode section , 51b bottom electrode portion, 52 variable power source, 55 mixed potential cell, 56 detection electrode, 56a ceiling electrode portion, 56b bottom electrode portion, 56c, 56d side electrode portions, 60 diffusion rate-limiting portion, 61 third internal space, 70 Heater part 71 Heater connector electrode 72 Heater 73 Through hole 74 Heater insulating layer 75 Pressure dissipation hole 80 Oxygen partial pressure detection sensor cell for main pump control 81 Oxygen partial pressure detection sensor cell for auxiliary pump control 82 For measurement Pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 83 sensor cell 84 buffer layer 84a upper buffer layer 84b lower buffer layer 85 protective layer 90 controller 91 controller 92 CPU 94 storage 100 gas sensor 101 , 201 sensor element, 101a element body, 156 detection electrode.

Claims (5)

酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられ、長手方向を有する素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室に配設された調整用ポンプ電極を有し、該酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた測定室の内周面上に配設され、前記被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度を検出するための測定電極と、
前記被測定ガス流通部のうちの前記調整用ポンプ電極よりも上流側に配設された検知電極を有し、前記被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた起電力を発生させる混成電位セルと、
前記素子本体を加熱するヒータと、
を備え、
前記被測定ガス流通部及び前記検知電極を前記被測定ガスの流通方向に垂直な断面で見たときに、該断面における前記被測定ガス流通部の面積を断面積Sfとし、該断面積Sfのうち前記検知電極が占める占める面積を断面積Spとしたときの、該断面積Spを該断面積Sfで除した値である面積割合Rが、0.5以下であり、
前記検知電極は、前記流通方向の長さLpが2mm以下である、
センサ素子。
an element main body having an oxygen ion-conducting solid electrolyte layer, a measuring gas flow section for introducing and circulating a measuring gas, and having a longitudinal direction;
an adjustment pump cell having an adjustment pump electrode disposed in the oxygen concentration adjustment chamber of the gas flow portion to be measured, and adjusting the oxygen concentration in the oxygen concentration adjustment chamber;
A sensor for detecting a concentration of a specific oxide gas in the gas to be measured, disposed on the inner peripheral surface of a measurement chamber provided downstream of the oxygen concentration adjustment chamber in the gas flow section to be measured. a measuring electrode;
a mixed potential cell having a detection electrode disposed upstream of the adjustment pump electrode in the gas flow portion to be measured and generating an electromotive force corresponding to the concentration of ammonia in the gas to be measured;
a heater for heating the element body;
with
When the measured gas flow portion and the detection electrode are viewed in a cross section perpendicular to the flow direction of the measured gas, the area of the measured gas flow portion in the cross section is defined as a cross-sectional area Sf, and the cross-sectional area Sf is When the area occupied by the detection electrode is defined as the cross-sectional area Sp, the area ratio R, which is the value obtained by dividing the cross-sectional area Sp by the cross-sectional area Sf, is 0.5 or less,
The detection electrode has a length Lp of 2 mm or less in the flow direction,
sensor element.
前記被測定ガス流通部の入口であるガス導入口から前記検知電極までの前記流通方向の距離Dが4mm以下である、
請求項1に記載のセンサ素子。
The distance D in the direction of flow from the gas introduction port, which is the entrance of the gas flow part to be measured, to the detection electrode is 4 mm or less.
A sensor element according to claim 1 .
前記被測定ガス流通部のうち入口であるガス導入口から前記検知電極までの間に、スリット状の隙間又は多孔質体で構成された拡散律速部が配設されていない、
請求項1又は2に記載のセンサ素子。
No slit-like gap or a diffusion rate-limiting portion made of a porous material is provided between the gas introduction port, which is the entrance of the gas flow portion to be measured, and the detection electrode.
3. A sensor element according to claim 1 or 2.
前記長手方向を前後方向として、該被測定ガス流通部の入口であるガス導入口は前記素子本体の前端面に開口しており、
前記被測定ガス流通部は、前記ガス導入口から前記測定電極まで前後方向に延びる流路であり、
前記検知電極と前記測定電極との前記前後方向の距離Cが11mm以下である、
請求項1~3のいずれか1項に記載のセンサ素子。
With the longitudinal direction as the front-rear direction, a gas introduction port, which is an inlet of the measured gas flow portion, opens in the front end surface of the element main body,
the measured gas flow portion is a flow path extending in the front-rear direction from the gas introduction port to the measurement electrode;
The distance C between the detection electrode and the measurement electrode in the front-rear direction is 11 mm or less,
The sensor element according to any one of claims 1-3.
請求項1~4のいずれか1項に記載のセンサ素子を備えたガスセンサ。 A gas sensor comprising the sensor element according to any one of claims 1 to 4.
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