JP6169763B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに関する。

特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサは、エンジンの排気管等の排ガスを排気する部位に配置され、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）等の濃度を検出している。
例えば、特許文献１のガスセンサ素子においては、固体電解質体に一対の電極を設けて、酸素ポンプセル、酸素モニタセル及びセンサセルを形成し、内部空間に導入されたガス中の特定ガス成分の濃度を検出している。また、特許文献１のガスセンサ素子においては、内部空間内の酸素濃度の影響を受けずに特定ガス成分の濃度を検出するために、内部空間にガスを導入するガス導入口から、酸素モニタセルの電極とセンサセルの電極との、ガス流れの上流側端部位置までの距離が同等となるようにしている。

特開２００２−３１０９８７号公報

しかしながら、ガスセンサによる特定ガス成分濃度の検出精度を向上させるためには、内部空間におけるガス流れ方向の酸素モニタセルの電極及びセンサセルの電極の位置を同等にするだけでは不十分である。すなわち、内部空間のガスの流れ方向において、酸素ポンプセルの電極の配置位置に対して、酸素モニタセルの電極及びセンサセルの電極の配置位置が僅かにずれた場合には、酸素モニタセルの電極とセンサセルの電極とへのガスの接触の仕方が異なることになる。この場合には、酸素モニタセルの電極とセンサセルの電極においてガス中の残留酸素を分解する量が異なることになり、ガスセンサによる特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることはできない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、酸素を含むガス（Ｇ）における、特定ガス成分の濃度を測定するガスセンサ（１）であって、
酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体（２）と、
該固体電解質体（２）の第１主面（２０１）の側に形成されて上記ガス（Ｇ）が導入されるガス室（１０１）と、
上記固体電解質体（２）の第２主面（２０２）の側に形成されて基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス室（１０２）と、
上記固体電解質体（２）の上記第１主面（２０１）に設けられたポンプ電極（２１）と、
上記固体電解質体（２）の上記第１主面（２０１）に設けられ、上記ポンプ電極（２１）が設けられた位置よりも上記ガス（Ｇ）の流れ方向（Ｆ）の下流側に位置するモニタ電極（２２）と、
上記固体電解質体（２）の上記第１主面（２０１）に設けられ、上記モニタ電極（２２）が設けられた位置に対して、上記流れ方向（Ｆ）に垂直な方向に並ぶセンサ電極（２３）と、
上記固体電解質体（２）の上記第２主面（２０２）に設けられた基準電極（２４）と、
上記ガス室（１０１）又は上記基準ガス室（１０２）を介して上記固体電解質体（２）に対向して配置され、該固体電解質体（２）を加熱するヒータ（６）と、を備え、
上記ポンプ電極（２１）と上記基準電極（２４）と上記固体電解質体（２）の一部とによって、上記ポンプ電極（２１）と上記基準電極（２４）との間に電圧が印加されることにより、上記ガス室（１０１）における上記ガス（Ｇ）中の酸素濃度を調整するポンプセル（４１）が形成されており、
上記モニタ電極（２２）と上記基準電極（２４）と上記固体電解質体（２）の一部とによって、上記モニタ電極（２２）と上記基準電極（２４）との間に流れる酸素イオン電流に基づいて上記ガス室（１０１）における酸素濃度を検出するモニタセル（４２）が形成されており、
上記センサ電極（２３）と上記基準電極（２４）と上記固体電解質体（２）の一部とによって、上記センサ電極（２３）と上記基準電極（２４）との間に流れる酸素イオン電流に基づいて上記ガス室（１０１）における上記特定ガス成分の濃度を検出するためのセンサセル（４３）が形成されており、
該センサセル（４３）によって検出される酸素イオン電流から、上記モニタセル（４２）によって検出される酸素イオン電流が差し引かれることにより、上記特定ガス成分の濃度が検出されるよう構成されており、
上記ポンプ電極（２１）、上記モニタ電極（２２）及び上記センサ電極（２３）が上記固体電解質体（２）に設けられた位置において、上記流れ方向（Ｆ）に直交する幅方向（Ｗ）における、上記ガス室（１０１）の空間幅（Ｗ０）が一定であり、
上記ヒータ（６）における通電体（６２）の発熱部（６２２）の少なくとも一部は、上記流れ方向（Ｆ）及び上記幅方向（Ｗ）に直交する厚み方向（Ｔ）において、上記ポンプ電極（２１）、上記モニタ電極（２２）及び上記センサ電極（２３）に重なる位置に設けられており、
上記流れ方向（Ｆ）において、上記ポンプ電極（２１）の下流側端面から上記モニタ電極（２２）の上流側端面までの距離（Ｂ１）と、上記ポンプ電極（２１）の下流側端面から上記センサ電極（２３）の上流側端面までの距離（Ｂ２）とは、同じであり、
上記発熱部（６２２）の発熱中心は、上記ポンプ電極（２１）、上記モニタ電極（２２）及び上記センサ電極（２３）が設けられた上記固体電解質体（２）の平面領域の全体における上記流れ方向（Ｆ）の中心に対して、上記ポンプ電極（２１）側に偏っている、ガスセンサにある。

上記一態様のガスセンサにおいては、ポンプ電極、モニタ電極、センサ電極及び基準電極を、同じ固体電解質体に設けている。そして、固体電解質体にポンプ電極、モニタ電極及びセンサ電極が設けられた位置における、ガス室の空間幅は一定になっている。
ガスの流れ方向において、ポンプ電極の下流側端面からモニタ電極の上流側端面までの距離と、ポンプ電極の下流側端面からセンサ電極の上流側端面までの距離とが、同じであることにより、ポンプ電極の配置位置を通過した後のガスが、モニタセルの電極とセンサセルの電極とに、極力同等に接触するようにすることができる。そのため、モニタ電極とセンサ電極とにおいて、ガス中の残留酸素を分解する量をできるだけ同等にすることができる。
それ故、上記一態様のガスセンサによれば、特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることができる。

また、発熱部の発熱中心がポンプ電極側に偏っていることにより、ポンプ電極の温度が、モニタ電極の温度及びセンサ電極の温度に比べて若干高くなるようにしている。そして、ヒータの発熱部によって、ポンプ電極、モニタ電極及びセンサ電極の温度を、それぞれ容易に最適な温度に制御することができる。

実施例１にかかる、ガスセンサを示す断面図。 実施例１にかかる、図１のII−II断面図。 実施例１にかかる、図１のIII−III断面図。 実施例１にかかる、図１のIV−IV断面図。 実施例１にかかる、ずれ量ΔＸ１と、ガスセンサによる特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示すグラフ。 実施例１にかかる、ポンプ電極の幅方向の中心位置からの、モニタ電極又はセンサ電極の側面の位置ΔＹ１と、ガスセンサによる特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示すグラフ。 実施例２にかかる、ガスセンサを示す図で、図１のIII−III断面相当図。 実施例２にかかる、ずれ量ΔＸ２と、ガスセンサによる特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示すグラフ。 実施例２にかかる、ポンプ電極の幅方向の中心位置からの、モニタ電極又はセンサ電極の側面の位置ΔＹ２と、ガスセンサによる特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示すグラフ。 実施例２にかかる、他のガスセンサを示す図で、図１のIII−III断面相当図。 実施例３にかかる、ガスセンサを示す図で、図１のIII−III断面相当図。 実施例３にかかる、ずれ量ΔＸ３と、ガスセンサによる特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示すグラフ。 実施例４にかかる、ガスセンサを示す断面図。 実施例４にかかる、図１３のXIV−XIV断面図。 実施例５にかかる、ガスセンサを示す断面図。 実施例５にかかる、図１５のXVI−XVI断面図。

上述したガスセンサにおける好ましい実施の形態につき説明する。
上記ガスセンサにおいては、上記幅方向に直交する厚み方向において、上記ポンプ電極の表面から上記発熱部の表面までの距離、上記モニタ電極の表面から上記発熱部の表面までの距離、及び上記センサ電極の表面から上記発熱部の表面までの距離は、略同一であることが好ましい。
この場合には、ヒータの発熱部から、ポンプ電極、モニタ電極及びセンサ電極が受ける電子伝導の影響を極力同等にすることができる。そのため、ポンプ電極、モニタ電極及びセンサ電極の温度を、容易に最適な温度に制御することができ、ガスセンサによる特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることができる。
なお、平板状のヒータ及び加熱部に対して平板状の固体電解質体を積層することにより、上記各距離を容易に同じにすることができる。

また、上記幅方向において、上記モニタ電極の幅と上記センサ電極の幅とは、略同一であることが好ましい。
また、上記流れ方向において、上記ポンプ電極の下流側端面から上記モニタ電極の上流側端面までの距離と、上記ポンプ電極の下流側端面から上記センサ電極の上流側端面までの距離とは、同じである。この場合には、ポンプ電極の配置位置を通過した後のガスが、モニタセルの電極とセンサセルの電極とに、極力同等に接触するようにすることができる。

また、上記一態様、他の態様及びさらに他の態様のガスセンサにおいては、上記ポンプ電極の幅Ｗ１と上記発熱部の全体幅Ｗ２とは、Ｗ１≦Ｗ２の関係を有していることが好ましい。
この場合には、ガスセンサの幅方向における温度分布を極力減らし、発熱部による電子伝導がモニタ電極とセンサ電極とに与える影響の差を減らすことができる。

（実施例１）
以下に、ガスセンサにかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例のガスセンサ１は、酸素を含むガスＧにおける、特定ガス成分の濃度を測定するものである。ガスセンサ１は、図１、図２に示すごとく、固体電解質体２、拡散抵抗体３、ガス室１０１、基準ガス室１０２、ポンプセル４１、モニタセル４２、センサセル４３及びヒータ６を備えている。
固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有しており、平板形状に形成されている。拡散抵抗体３は、ガスＧの流速を低下させて所定の流量で通過させる多孔質体から形成されている。ガス室１０１は、固体電解質体２の一方の表面である第１主面２０１の側に形成されており、拡散抵抗体３を通過するガスＧが導入される空間として形成されている。基準ガス室１０２は、固体電解質体２の他方の表面である第２主面２０２の側に形成されており、基準ガスＡが導入される空間として形成されている。固体電解質体２の第２主面２０２には、基準ガスＡとしての大気に曝される基準電極２４が設けられている。

ポンプセル４１は、固体電解質体２の第１主面２０１に、ガスＧに曝されるポンプ電極２１を有している。ポンプセル４１は、ポンプ電極２１と基準電極２４との間に電圧を印加して、ガス室１０１におけるガスＧ中の酸素濃度を調整するよう構成されている。
モニタセル４２は、固体電解質体２の第１主面２０１であって、ガスＧの流れ方向Ｆにおけるポンプ電極２１の配置位置よりも下流側の位置に、ガスＧに曝されるモニタ電極２２を有している。モニタセル４２は、モニタ電極２２と基準電極２４との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、ガス室１０１におけるガスＧ中の酸素濃度を検出するよう構成されている。

センサセル４３は、固体電解質体２の第１主面２０１であって、ガスＧの流れ方向Ｆに垂直な方向においてモニタ電極２２の配置位置と並ぶ位置に、ガスＧに曝されるセンサ電極２３を有している。センサセル４３は、センサ電極２３と基準電極２４との間に流れる酸素イオン電流に基づいて、ガス室１０１におけるガスＧ中の特定ガス成分濃度を検出するために用いられる。
ヒータ６は、固体電解質体２を加熱するものであり、基準ガス室１０２を介して固体電解質体（２）に対向して配置されている。
図２、図３に示すごとく、ガス室１０１は、固体電解質体２、固体電解質体２に積層された絶縁体５１，５２及び拡散抵抗体３によって囲まれて形成されている。ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が固体電解質体２に設けられた位置において、ガスＧの流れ方向Ｆに直交する幅方向Ｗにおける、ガス室１０１の空間幅Ｗ０は一定になっている。

図３に示すごとく、ポンプ電極２１の幅方向Ｗの中心位置Ｏ１に対する、モニタ電極２２とセンサ電極２３との隙間Ｓの幅方向Ｗの中心位置Ｏ２のずれ量ΔＸ１は、ポンプ電極２１の幅をＷ１としたとき、ΔＸ１≦１／４Ｗ１の関係を有している。また、ポンプ電極２１の幅方向Ｗの中心位置Ｏ１からの、モニタ電極２２の側面２２１の位置及びセンサ電極２３の側面２３１の位置ΔＹ１は、ΔＹ１≦１／２Ｗ１の関係を有している。

以下に、本例のガスセンサ１につき、図１〜図６を参照して詳説する。
本例のガスセンサ１は、カバー内に配置された状態で、自動車の排気管内において使用される。また、ガスＧは排気管を通過する排ガスであり、ガスセンサ１は、排ガス中の特定ガス成分としてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するために用いられる。
固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアの基板である。ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３は、固体電解質体２における、ガスＧに曝される側の第１主面２０１に一定の厚みで設けられている。基準電極２４は、固体電解質体２における、基準ガスＡに曝される側の第２主面２０２に一定の厚みで設けられている。本例の基準電極２４は、固体電解質体２においてポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が位置する領域の全体の裏側の位置に設けられている。基準電極２４は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３の全体に対して１つ設ける以外にも、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３のそれぞれの裏側の位置に分散させて、３つ設けることもできる。

基準電極２４は、固体電解質体２の第１主面２０１にポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が形成された領域のほぼ全面に対して、固体電解質体２を挟んで対向して形成されていることが望ましい。言い換えれば、基準電極２４を厚み方向Ｔに投影した領域内に、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３の全体がほぼ含まれていることが望ましい。

図１、図２に示すごとく、固体電解質体２のガスＧ側の第１主面２０１には、拡散抵抗体３と、アルミナからなる平板状の基板である第１の絶縁体５１とが積層されている。拡散抵抗体３及び第１の絶縁体５１の表面には、アルミナからなる平板状の基板である第２の絶縁体５２が積層されている。拡散抵抗体３は、ガスセンサ１におけるガスＧの流れ方向Ｆとなる長手方向の上流側端部に配置されている。第１の絶縁体５１は、固体電解質体２のガスＧ側の第１主面２０１において、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３を三方から囲むように、長手方向の下流側端部及び幅方向Ｗの両側の端部に設けられている。ガス室１０１は、固体電解質体２と第２の絶縁体５２との間において、拡散抵抗体３及び第１の絶縁体５１によって、固体電解質体２のガスＧ側の第１主面２０１の四方が囲まれて形成されている。ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が固体電解質体２に設けられた位置において、ガス室１０１の、流れ方向Ｆ及び幅方向Ｗに直交する厚み方向Ｔにおける空間高さは一定になっている。

図１、図２に示すごとく、固体電解質体２の基準ガスＡ側の第２主面２０２には、アルミナからなる平板状の基板である第３の絶縁体５３が積層されている。第３の絶縁体５３は、固体電解質体２の基準ガスＡ側の第２主面２０２において、基準電極２４を三方から囲むように、長手方向の上流側端部及び幅方向Ｗの両側の端部に設けられている。
また、ヒータ６は、固体電解質体２を加熱するとともに、固体電解質体２に設けられたポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３を加熱する。ヒータ６は、平板状に形成されており、第３の絶縁体５３に積層されている。ヒータ６は、第３の絶縁体５３の表面に積層された第４の絶縁体６１と、第４の絶縁体６１に設けられ、通電が行われる通電体６２とを有している。第４の絶縁体６１は、２枚の絶縁プレート６１１によって通電体６２を挟み込んでいる。

基準ガス室１０２は、固体電解質体２と第４の絶縁体６１との間において、第３の絶縁体５３によって、固体電解質体２の基準ガスＡ側の第２主面２０２の、上流側端部及び幅方向Ｗの両側の端部の三方が囲まれて形成されている。
図４に示すごとく、通電体６２は、外部の通電手段が接続される一対の電極部６２１と、該一対の電極部６２１同士を繋ぎ、一対の電極部６２１に印加される電圧によって通電されて発熱する発熱部６２２とを有している。

発熱部６２２の断面積は、電極部６２１の断面積よりも小さい。そして、発熱部６２２の単位長さ当たりの抵抗値は、電極部６２１の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。そのため、一対の電極部６２１から通電体６２へ通電するときには、ジュール熱により主に発熱部６２２が発熱する。そして、発熱部６２２の発熱によって、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が所望の作動温度まで昇温される。

発熱部６２２の膜厚と電極部６２１の膜厚とを同じにする場合には、発熱部６２２のパターン線幅は、電極部６２１のパターン線幅に比べて、例えば１／４程度の幅に形成される。発熱部６２２の膜厚を電極部６２１の膜厚よりも小さくすること、又は発熱部６２２を構成する材料の比抵抗を、電極部６２１を構成する材料の比抵抗よりも大きくすることによっても、発熱部６２２の抵抗値を電極部６２１の抵抗値よりも大きくすることができる。また、発熱部６２２の抵抗値は、パターン線幅、膜厚、材料の組成等を異ならせる手法を合わせて、電極部６２１の抵抗値よりも大きくすることができる。
発熱部６２２の抵抗値は、通電体６２の全体の抵抗値における５０％以上の割合を占める。発熱部６２２は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が設けられた固体電解質体２の平面領域の全体が、第４の絶縁体６１の表面に厚み方向Ｔに投影された位置に設けられている。

図１に示すごとく、ヒータ６の第４の絶縁体６１及び通電体６２は、固体電解質体２に対して平行に配置されており、通電体６２は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３に対して平行に配置されている。そして、ガスセンサ１の流れ方向Ｆ及び幅方向Ｗに直交する厚み方向Ｔにおいて、ポンプ電極２１の表面から発熱部６２２の表面までの距離Ｄ１、モニタ電極２２の表面から発熱部６２２の表面までの距離Ｄ２、及びセンサ電極２３の表面から発熱部６２２の表面までの距離Ｄ３はほぼ同等になっている。これにより、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３のそれぞれを発熱部６２２に接近させることができる。なお、ポンプ電極２１の表面から発熱部６２２の表面までの距離Ｄ１、モニタ電極２２の表面から発熱部６２２の表面までの距離Ｄ２、及びセンサ電極２３の表面から発熱部６２２の表面までの距離Ｄ３は、若干異なっていてもよく、より具体的には±１０％までは異なっていてもよい。

また、ポンプ電極２１を含むポンプセル４１には、モニタ電極２２を含むモニタセル４２及びセンサ電極２３を含むセンサセル４３に比べて多くの酸素イオン電流が流れる。そのため、モニタ電極２２及びセンサ電極２３に比べてポンプ電極２１が若干加熱されやすくなるよう、発熱部６２２の発熱中心をポンプ電極２１側に偏って配置している。これにより、ポンプ電極２１の温度が、モニタ電極２２の温度及びセンサ電極２３の温度に比べて若干高くなるようにしている。
こうして、ヒータ６の発熱部６２２によって、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３の温度を、それぞれ容易に最適な温度に制御することができる。

ガスセンサ１の幅方向Ｗにおいて、モニタ電極２２の幅Ａ１とセンサ電極２３の幅Ａ２とは、ほぼ同等になっている。また、本例のモニタ電極２２の面積とセンサ電極２３の面積とは、ほぼ同等になっている。なお、モニタ電極２２の幅Ａ１とセンサ電極２３の幅Ａ２とは、若干異なっていてもよく、より具体的には±１０％までは異なっていてもよい。また、モニタ電極２２の面積とセンサ電極２３の面積とは、若干異なっていてもよく、より具体的には±１０％までは異なっていてもよい。
ポンプ電極２１の下流側端面は、幅方向Ｗに平行になっており、モニタ電極２２及びセンサ電極２３の上流側端面も、幅方向Ｗに平行になっている。そして、ガスセンサ１の流れ方向Ｆにおいて、ポンプ電極２１の下流側端面からモニタ電極２２の上流側端面までの距離Ｂ１と、ポンプ電極２１の下流側端面からセンサ電極２３の上流側端面までの距離Ｂ２とは、ほぼ同等になっている。なお、ポンプ電極２１の下流側端面からモニタ電極２２の上流側端面までの距離Ｂ１と、ポンプ電極２１の下流側端面からセンサ電極２３の上流側端面までの距離Ｂ２とは、若干異なっていてもよく、より具体的には±１０％までは異なっていてもよい。

モニタ電極２２は、ガスＧ中の特定ガス成分（ＮＯｘ）を分解しない電極であり、センサ電極２３は、ガスＧ中の特定ガス成分を分解可能な電極である。モニタセル４２においては、酸素濃度に依存して酸素イオン電流が検出される一方、センサセル４３においては、酸素濃度及びＮＯｘ濃度に依存して酸素イオン電流が検出される。そして、ガスセンサ１においては、センサセル４３によって検出される酸素イオン電流から、モニタセル４２によって検出される酸素イオン電流が差し引かれることにより、ガスＧ中の特定ガス成分の濃度が検出される。

本例のガスセンサ１は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２、センサ電極２３及び基準電極２４の全てを同じ固体電解質体２に設けており、ガス室１０１の空間幅Ｗ０を一定にした特殊な構造を有するものである。そして、この特殊な構造のガスセンサ１において、ガス室１０１における、ポンプ電極２１の配置位置を通過した後のガスＧの流れに対する、モニタ電極２２とセンサ電極２３との配置条件をできるだけ同等にしている。

このようなガスセンサ１の構造においては、ポンプ電極２１の幅方向Ｗの中心位置Ｏ１に対する、モニタ電極２２とセンサ電極２３との隙間Ｓの幅方向Ｗの中心位置Ｏ２のずれ量ΔＸ１の規定が重要となる。具体的には、ずれ量ΔＸ１は、ポンプ電極２１の幅をＷ１としたとき、ΔＸ１≦１／４Ｗ１の関係を有している。また、ポンプ電極２１の幅方向Ｗの中心位置Ｏ１に対する、モニタ電極２２の側面２２１の位置及びセンサ電極２３の側面２３１の位置ΔＹ１は、ΔＹ１≦１／２Ｗ１の関係を有している。言い換えれば、モニタ電極２２の側面２２１の位置は、ポンプ電極２１の側面２１１の位置と同じ又はポンプ電極２１の側面２１１の位置よりも内側に位置しており、センサ電極２３の側面２３１の位置は、ポンプ電極２１の側面２１１の位置と同じ又はポンプ電極２１の側面２１１の位置よりも内側に位置している。

これにより、ずれ量ΔＸ１、及び中心位置Ｏ１からの各側面２２１，２３１の位置ΔＹ１の許容範囲を定めることができる。そして、ポンプ電極２１の配置位置を通過した後のガスＧが、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにできるだけ同等に接触するようにすることができる。そのため、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにおいて、ガスＧ中の残留酸素を分解する量をできるだけ同等にすることができる。
それ故、本例のガスセンサ１によれば、特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることができる。

また、上記距離Ｂ１と上記距離Ｂ２を同じにすることにより、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにおける、ガスＧ中の残留酸素の分解量が同等になるようにすることができる。また、この距離Ｂ１及び距離Ｂ２の両方が十分に長くなると、モニタ電極２２とセンサ電極２３とに生じる、ガスＧ中の残留酸素の影響が小さくなる。ただし、ただし、距離Ｂ１及び距離Ｂ２の両方が十分に長くなると、ガスセンサ１が長手方向に長くなってしまい、応答性遅延など他特性に対して悪影響を及ぼす。そのため、距離Ｂ１及距離Ｂ２は、０．１〜３．０ｍｍの範囲内で決定することが好ましい。

図５には、ずれ量ΔＸ１と、ガスセンサ１による特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示す。同図においては、ずれ量ΔＸ１が０（ゼロ）の場合の検出誤差を基準値（１倍）として、ずれ量ΔＸ１が変化したときの検出誤差の基準値に対する増加比（倍）を示す。また、ガスＧの酸素濃度が２０％の場合について示す。同図に示すごとく、ずれ量ΔＸ１が１／８Ｗ１を超える付近から検出誤差は徐々に増加し、ずれ量ΔＸ１が１／４Ｗ１を超える付近から検出誤差は急激に増加していることがわかる。

例えば、モニタ電極２２が幅方向Ｗの中心側に位置し、センサ電極２３が幅方向Ｗの外側に位置することになると、ガスＧ中の残留酸素は、センサ電極２３に比べてモニタ電極２２の方がより多く分解しやすくなると考えられる。この場合、残留酸素によってモニタセル４２とセンサセル４３とに流れる酸素イオン電流の量が異なり、ガスセンサ１による検出誤差が大きくなる。
ずれ量ΔＸ１は、モニタ電極２２及びセンサ電極２３の幅方向Ｗの幅が、ポンプ電極２１の幅方向Ｗの幅の１／４未満まで小さくなれば、ΔＹ１≦１／２Ｗ１の関係が満たされる範囲で１／４Ｗ１以下まで許容される。このことより、ずれ量ΔＸ１は、ΔＸ１≦１／４Ｗ１の関係を有していることが好ましく、ΔＸ１≦１／８Ｗ１の関係を有していることがさらに好ましいといえる。

図６には、ポンプ電極２１の幅方向Ｗの中心位置Ｏ１からの、モニタ電極２２又はセンサ電極２３の側面２２１，２３１の位置ΔＹ１と、ガスセンサ１による特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示す。同図においては、モニタ電極２２の側面２２１の位置がポンプ電極２１の側面２１１の位置と同じ場合の検出誤差を基準値（１倍）として、側面２２１，２３１の位置ΔＹ１が変化したときの検出誤差の基準値に対する増加比（倍）を示す。また、ガスＧの酸素濃度が２０％の場合について示す。同図に示すごとく、中心位置Ｏ１からの側面２２１，２３１の位置ΔＹ１が、１／２Ｗ１を超える付近から検出誤差は増加していることがわかる。この理由は、上記ずれ量ΔＸ１の場合と同様に考える。このことより、中心位置Ｏ１からの側面２２１，２３１の位置ΔＹ１は、ΔＹ１≦１／２Ｗ１の関係を有していることが好ましいといえる。

（実施例２）
本例のガスセンサ１においては、モニタ電極２２とセンサ電極２３との隙間Ｓの中心位置のずれ量ΔＸ２を、ヒータ６における発熱部６２２との関係で規定している。
具体的には、図７に示すごとく、ガスセンサ１の幅方向Ｗにおいて、発熱部６２２の中心位置Ｏ３に対する、モニタ電極２２とセンサ電極２３との隙間Ｓの中心位置Ｏ４のずれ量ΔＸ２は、発熱部６２２の幅方向Ｗの全体幅をＷ２としたとき、ΔＸ２≦１／４Ｗ２の関係を有している。

また、ガスセンサ１の幅方向Ｗにおいて、発熱部６２２の中心位置Ｏ３からの、モニタ電極２２の側面２２１の位置及びセンサ電極２３の側面２３１の位置ΔＹ２は、ΔＹ２≦１／２Ｗ２の関係を有している。言い換えれば、モニタ電極２２の側面２２１の位置は、発熱部６２２の側面６２３の位置と同じ又は発熱部６２２の側面６２３の位置よりも内側に位置しており、センサ電極２３の側面２３１の位置は、発熱部６２２の側面６２３の位置と同じ又は発熱部６２２の側面６２３の位置よりも内側に位置している（図６参照）。

ここで、本例のヒータ６の構造は、上記実施例１の図４に示したものと同じである。そして、同図に示したように、ポンプ電極２１の中心位置Ｏ１と、発熱部６２２の中心位置Ｏ３とは、いずれもガスセンサ１の幅方向Ｗの中心位置にある。
また、ポンプ電極２１の幅方向Ｗの幅Ｗ１と発熱部６２２の幅方向Ｗの全体幅Ｗ２とは、Ｗ１≦Ｗ２の関係を有している。これにより、ガスセンサ１の幅方向Ｗにおける温度分布を極力減らし、発熱部６２２による電子伝導がモニタ電極２２とセンサ電極２３とに与える影響の差を減らすことができる。

本例のガスセンサ１も、上記実施例１の場合と同様の特殊な構造を有するものである。そして、この特殊な構造のガスセンサ１において、ヒータ６の発熱部６２２の配置位置に対する、モニタ電極２２とセンサ電極２３との配置条件をできるだけ同等にしている。具体的には、このような特殊な構造のガスセンサ１において、ずれ量ΔＸ２がΔＸ２≦１／４Ｗ２の関係を有し、中心位置Ｏ３からの各側面２２１，２３１の位置ΔＹ２がΔＹ２≦１／２Ｗ２の関係を有している。

これにより、ずれ量ΔＸ２、及び中心位置Ｏ３からの各側面２２１，２３１の位置ΔＹ２の許容範囲を定めることができる。そして、固体電解質体２の温度に依存する、発熱部６２２からの電子伝導の影響が、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにできるだけ同等に生じるようにすることができる。なお、モニタ電極２２とセンサ電極２３とがそれぞれ電子伝導の影響を受けると、モニタセル４２及びセンサセル４３にそれぞれ微小な電流が流れることになる。この微小な電流の検出は、センサセル４３における酸素イオン電流とモニタセル４２における酸素イオン電流との差分を取って特定ガス成分濃度を求める際に、互いに打ち消し合うことができる。そして、この微小な電流が特定ガス成分濃度の検出に与える影響をほとんどなくすことができる。
それ故、本例のガスセンサ１によっても、特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることができる。

また、本例のガスセンサ１も、上記実施例１に示したΔＸ１≦１／４Ｗ１の関係及びΔＹ１≦１／２Ｗ１の関係を有していることが好ましい。
本例のガスセンサ１のその他の構成及び図中の符号は上記実施例１と同様であり、本例のその他の作用効果は、上記実施例１と同様である。

図８には、ずれ量ΔＸ２と、ガスセンサ１による特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示す。同図においては、ずれ量ΔＸ２が０（ゼロ）の場合の検出誤差を基準値（１倍）として、ずれ量ΔＸ２が変化したときの検出誤差の基準値に対する増加比（倍）を示す。また、ガスＧの酸素濃度が２０％の場合について示す。同図に示すごとく、ずれ量ΔＸ２が１／８Ｗ２を超える付近から検出誤差は徐々に増加し、ずれ量ΔＸ２が１／４Ｗ２を超える付近から検出誤差は急激に増加していることがわかる。

例えば、モニタ電極２２が幅方向Ｗの中心側に位置し、センサ電極２３が幅方向Ｗの外側に位置することになると、モニタ電極２２の方がセンサ電極２３に比べて温度が高くなり、電子伝導の影響を、センサ電極２３に比べてモニタ電極２２が強く受けることになると考えられる。この場合、電子伝導による微小な電流が、センサセル４３における酸素イオン電流に与える影響と、モニタセル４２における酸素イオン電流に与える影響とを互いに打ち消し合うことができず、ガスセンサ１による検出誤差が大きくなる。
ずれ量ΔＸ２は、モニタ電極２２及びセンサ電極２３の幅方向Ｗの幅が、発熱部６２２の幅方向Ｗの幅の１／４未満まで小さくなれば、ΔＹ２≦１／２Ｗ２の関係が満たされる範囲で１／４Ｗ２以下まで許容される。このことより、ずれ量ΔＸ２は、ΔＸ２≦１／４Ｗ２の関係を有していることが好ましく、ΔＸ２≦１／８Ｗ２の関係を有していることがさらに好ましいといえる。

図９には、発熱部６２２の幅方向Ｗの中心位置Ｏ３からのモニタ電極２２又はセンサ電極２３の側面２２１，２３１の位置ΔＹ２と、ガスセンサ１による特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示す。同図においては、モニタ電極２２の側面２２１の位置が発熱部６２２の側面６２３の位置と同じ場合の検出誤差を基準値（１倍）として、側面２２１，２３１の位置ΔＹ２が変化したときの検出誤差の基準値に対する増加比（倍）を示す。

また、同図においては、ガスＧの酸素濃度が２０％の場合について示す。同図に示すごとく、側面２２１，２３１の位置ΔＹ２が、１／２Ｗ２を超える付近から検出誤差は増加していることがわかる。この理由は、上記ずれ量ΔＸ２の場合と同様に考える。このことより、側面の位置ΔＹ２は、ΔＹ２≦１／２Ｗ２の関係を有していることが好ましいといえる。
なお、発熱部６２２は、ガスセンサ１の幅方向Ｗにおいて略対称に形成されていればよい。発熱部６２２の中心位置Ｏ３は、幅方向Ｗの対称線に相当する。発熱部６２２は、例えば、図１０に示すようなパターンで形成することができる。この場合においても、作用効果は上記実施例２と同様である。

（実施例３）
本例は、図１１に示すごとく、ガス室１０１が、ポンプ電極２１が配置された第１ガス室１０３と、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が配置された第２ガス室１０４と、第１ガス室１０３と第２ガス室１０４との間に位置する狭小空間１０５とによって形成された場合について示す。
狭小空間１０５の幅方向Ｗにおける空間幅Ｗ３は、第１ガス室１０３の幅方向Ｗにおける空間幅Ｗ０’、及び第２ガス室１０４の幅方向Ｗにおける空間幅Ｗ０’’に比べて狭くなっている。第１ガス室１０３の空間幅Ｗ０’と第２ガス室１０４の空間幅Ｗ０’’とはほぼ同じである。

本例のガスセンサ１においては、ガス室１０１における狭小空間１０５を通過した後のガスＧの流れに対する、モニタ電極２２とセンサ電極２３との配置条件をできるだけ同等にしている。そして、ガスセンサ１の幅方向Ｗにおいて、狭小空間１０５の中心位置Ｏ５に対する、モニタ電極２２とセンサ電極２３との隙間Ｓの中心位置Ｏ６のずれ量ΔＸ３は、ΔＸ３≦１／４Ｗ３の関係を有している。これにより、ずれ量ΔＸ３の許容範囲を定めることができる。そして、ポンプ電極２１の配置位置から狭小空間１０５を通過した後のガスＧが、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにできるだけ同等に接触するようにすることができる。そのため、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにおいて、ガスＧ中の残留酸素を分解する量をできるだけ同等にすることができる。
それ故、本例のガスセンサ１によっても、特定ガス成分濃度の検出精度を向上させることができる。

また、本例のガスセンサ１も、上記実施例１に示したΔＸ１≦１／４Ｗ１の関係及びΔＹ１≦１／２Ｗ１の関係を有していることが好ましい。さらに、上記実施例２に示したΔＸ２≦１／４Ｗ２の関係及びΔＹ２≦１／２Ｗ２の関係を有していることが好ましい。
本例のガスセンサ１のその他の構成及び図中の符号は上記実施例１、２と同様であり、本例のその他の作用効果は、上記実施例１、２と同様である。

図１２には、ずれ量ΔＸ３と、ガスセンサ１による特定ガス成分濃度の検出誤差の比との関係を示す。同図においては、ずれ量ΔＸ３が０（ゼロ）の場合の検出誤差を基準値（１倍）として、ずれ量ΔＸ３が変化したときの検出誤差の基準値に対する増加比（倍）を示す。また、ガスＧの酸素濃度が２０％の場合について示す。同図に示すごとく、ずれ量ΔＸ３が１／８Ｗ３を超える付近から検出誤差は徐々に増加し、ずれ量ΔＸ３が１／４Ｗ３を超える付近から検出誤差は急激に増加していることがわかる。

例えば、モニタ電極２２が狭小空間１０５の幅方向Ｗの中心側に位置し、センサ電極２３が幅方向Ｗの外側に位置することになると、ガスＧ中の残留酸素は、センサ電極２３に比べてモニタ電極２２の方がより多く分解しやすくなると考えられる。この場合、残留酸素によってモニタセル４２とセンサセル４３とに流れる酸素イオン電流の量が異なり、ガスセンサ１による検出誤差が大きくなる。
このことより、ずれ量ΔＸ３は、ΔＸ３≦１／４Ｗ３の関係を有していることが好ましく、ΔＸ３≦１／８Ｗ３の関係を有していることがさらに好ましいといえる。

（実施例４）
本例は、図１３、図１４に示すごとく、ガスセンサ１が上記実施例１の構成に加えて、第２ポンプセル４５を有している場合について示す。
第２ポンプセル４５は、固体電解質体２のガス室１０１側の第１主面２０１に、ガスＧに曝される第２ポンプ電極２５を有している。第２ポンプ電極２５は、固体電解質体２の第１主面２０１において、ポンプ電極２１とモニタ電極２２及びセンサ電極２３との間に配置されている。なお、ポンプセル４１におけるポンプ電極２１が第１ポンプ電極となる。

第２ポンプセル４５は、第２ポンプ電極２５と基準電極２４との間に電圧を印加して、ガス室１０１におけるガスＧ中の酸素濃度を調整するよう構成されている。ガス室１０１においては、第１ポンプセル４１と第２ポンプセル４５とによって、２段階にガスＧ中の酸素濃度が調整される。
本例のガスセンサ１においては、ガス室１０１におけるガスＧ中の酸素濃度は、始めにポンプセル４１によって調整され、その後、第２ポンプセル４５によってさらに精密に調整される。そのため、モニタ電極２２及びセンサ電極２３に到達するガスＧ中の酸素濃度を、より精密に制御することができ、ガスセンサ１の検出誤差をより小さくすることができる。

本例のガスセンサ１においては、モニタ電極２２及びセンサ電極２３に到達するガスＧ中の酸素濃度は、最終的に第２ポンプセル４５によって調整されており、第２ポンプ電極２５の幅方向Ｗの中心位置がＯ１となる。そして、第２ポンプ電極２５の幅をＷ１としたとき、モニタ電極２２とセンサ電極２３との隙間Ｓの幅方向Ｗの中心位置Ｏ２のずれ量ΔＸ１は、ΔＸ１≦１／４Ｗ１の関係を有している。また、第２ポンプ電極２５の幅方向Ｗの中心位置Ｏ１に対する、モニタ電極２２の側面２２１の位置及びセンサ電極２３の側面２３１の位置ΔＹ１は、ΔＹ１≦１／２Ｗ１の関係を有している。
言い換えれば、モニタ電極２２の側面２２１の位置は、第２ポンプ電極２５の側面２５１の位置と同じ又は第２ポンプ電極２５の側面２５１の位置よりも内側に位置しており、センサ電極２３の側面２３１の位置は、第２ポンプ電極２５の側面２５１の位置と同じ又は第２ポンプ電極２５の側面２５１の位置よりも内側に位置している。

本例においては、第２ポンプ電極２５の配置位置を通過した後のガスＧが、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにできるだけ同等に接触するようにすることができる。そのため、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにおいて、ガスＧ中の残留酸素を分解する量をできるだけ同等にすることができる。
本例のガスセンサ１のその他の構成及び図中の符号は上記実施例１、２と同様であり、本例のその他の作用効果は、上記実施例１、２と同様である。

（実施例５）
本例は、図１５、図１６に示すごとく、ガスセンサ１が上記実施例１の構成に加えて、ポンプ制御セル４６を有している場合について示す。
ポンプ制御セル４６は、固体電解質体２のガス室１０１側の第１主面２０１に、ガスＧに曝されるポンプ制御電極２６を有している。ポンプ制御電極２６は、固体電解質体２の第１主面２０１において、ポンプ電極２１とモニタ電極２２及びセンサ電極２３との間に配置されている。

ポンプ制御セル４６は、ポンプ制御電極２６と基準電極２４との間に発生する起電力から、ガス室１０１におけるガスＧ中の酸素濃度を検出するよう構成されている。本例のガスセンサ１においては、ガス室１０１におけるガスＧ中の酸素濃度は、ポンプ制御セル４６に発生する起電力が所定の値になるようにポンプセル４１を制御することによって調整される。ポンプ制御電極２６は、ガスＧの流れ方向において、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が配置された位置の直前の位置に配置されている。そのため、本例においては、モニタ電極２２及びセンサ電極２３に到達するガスＧ中の酸素濃度をより精密に制御することができ、ガスセンサ１における検出誤差をより小さくすることができる。

本例のガスセンサ１においては、モニタ電極２２及びセンサ電極２３に到達するガスＧ中の酸素濃度は、最終的にポンプ制御セル４６によって調整されており、ポンプ制御電極２６の幅方向Ｗの中心位置がＯ１となる。そして、ポンプ制御電極２６の幅をＷ１としたとき、モニタ電極２２とセンサ電極２３との隙間Ｓの幅方向Ｗの中心位置Ｏ２のずれ量ΔＸ１は、ΔＸ１≦１／４Ｗ１の関係を有している。また、ポンプ制御電極２６の幅方向Ｗの中心位置Ｏ１に対する、モニタ電極２２の側面２２１の位置及びセンサ電極２３の側面２３１の位置ΔＹ１は、ΔＹ１≦１／２Ｗ１の関係を有している。

本例においては、ポンプ制御電極２６の配置位置を通過した後のガスＧが、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにできるだけ同等に接触するようにすることができる。そのため、モニタ電極２２とセンサ電極２３とにおいて、ガスＧ中の残留酸素を分解する量をできるだけ同等にすることができる。
本例のガスセンサ１のその他の構成及び図中の符号は上記実施例１、２と同様であり、本例のその他の作用効果は、上記実施例１、２と同様である。

１ ガスセンサ
１０１ ガス室
１０２ 基準ガス室
１０３ 第１ガス室
１０４ 第２ガス室
１０５ 狭小空間
２ 固体電解質体
２１ ポンプ電極
２２ モニタ電極
２３ センサ電極
２４ 基準電極
３ 拡散抵抗体
４１ ポンプセル
４２ モニタセル
４３ センサセル
６ ヒータ
６１ 絶縁体
６２ 通電体
６２２ 発熱部
Ｇ ガス
Ａ 基準ガス
Ｓ 隙間

Claims (5)

1. 酸素を含むガス（Ｇ）における、特定ガス成分の濃度を測定するガスセンサ（１）であって、
   酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体（２）と、
   該固体電解質体（２）の第１主面（２０１）の側に形成されて上記ガス（Ｇ）が導入されるガス室（１０１）と、
   上記固体電解質体（２）の第２主面（２０２）の側に形成されて基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス室（１０２）と、
   上記固体電解質体（２）の上記第１主面（２０１）に設けられたポンプ電極（２１）と、
   上記固体電解質体（２）の上記第１主面（２０１）に設けられ、上記ポンプ電極（２１）が設けられた位置よりも上記ガス（Ｇ）の流れ方向（Ｆ）の下流側に位置するモニタ電極（２２）と、
   上記固体電解質体（２）の上記第１主面（２０１）に設けられ、上記モニタ電極（２２）が設けられた位置に対して、上記流れ方向（Ｆ）に垂直な方向に並ぶセンサ電極（２３）と、
   上記固体電解質体（２）の上記第２主面（２０２）に設けられた基準電極（２４）と、
   上記ガス室（１０１）又は上記基準ガス室（１０２）を介して上記固体電解質体（２）に対向して配置され、該固体電解質体（２）を加熱するヒータ（６）と、を備え、
   上記ポンプ電極（２１）と上記基準電極（２４）と上記固体電解質体（２）の一部とによって、上記ポンプ電極（２１）と上記基準電極（２４）との間に電圧が印加されることにより、上記ガス室（１０１）における上記ガス（Ｇ）中の酸素濃度を調整するポンプセル（４１）が形成されており、
   上記モニタ電極（２２）と上記基準電極（２４）と上記固体電解質体（２）の一部とによって、上記モニタ電極（２２）と上記基準電極（２４）との間に流れる酸素イオン電流に基づいて上記ガス室（１０１）における酸素濃度を検出するモニタセル（４２）が形成されており、
   上記センサ電極（２３）と上記基準電極（２４）と上記固体電解質体（２）の一部とによって、上記センサ電極（２３）と上記基準電極（２４）との間に流れる酸素イオン電流に基づいて上記ガス室（１０１）における上記特定ガス成分の濃度を検出するためのセンサセル（４３）が形成されており、
   該センサセル（４３）によって検出される酸素イオン電流から、上記モニタセル（４２）によって検出される酸素イオン電流が差し引かれることにより、上記特定ガス成分の濃度が検出されるよう構成されており、
   上記ポンプ電極（２１）、上記モニタ電極（２２）及び上記センサ電極（２３）が上記固体電解質体（２）に設けられた位置において、上記流れ方向（Ｆ）に直交する幅方向（Ｗ）における、上記ガス室（１０１）の空間幅（Ｗ０）が一定であり、
   上記ヒータ（６）における通電体（６２）の発熱部（６２２）の少なくとも一部は、上記流れ方向（Ｆ）及び上記幅方向（Ｗ）に直交する厚み方向（Ｔ）において、上記ポンプ電極（２１）、上記モニタ電極（２２）及び上記センサ電極（２３）に重なる位置に設けられており、
   上記流れ方向（Ｆ）において、上記ポンプ電極（２１）の下流側端面から上記モニタ電極（２２）の上流側端面までの距離（Ｂ１）と、上記ポンプ電極（２１）の下流側端面から上記センサ電極（２３）の上流側端面までの距離（Ｂ２）とは、同じであり、
   上記発熱部（６２２）の発熱中心は、上記ポンプ電極（２１）、上記モニタ電極（２２）及び上記センサ電極（２３）が設けられた上記固体電解質体（２）の平面領域の全体における上記流れ方向（Ｆ）の中心に対して、上記ポンプ電極（２１）側に偏っている、ガスセンサ。
2. 上記厚み方向（Ｔ）において、上記ポンプ電極（２１）の表面から上記発熱部（６２２）の表面までの距離（Ｄ１）、上記モニタ電極（２２）の表面から上記発熱部（６２２）の表面までの距離（Ｄ２）、及び上記センサ電極（２３）の表面から上記発熱部（６２２）の表面までの距離（Ｄ３）は、互いに同じである、請求項１に記載のガスセンサ（１）。
3. 上記幅方向（Ｗ）において、上記モニタ電極（２２）の幅（Ａ１）と上記センサ電極（２３）の幅（Ａ２）とは、同じである、請求項１又は２に記載のガスセンサ（１）。
4. 上記モニタ電極（２２）の面積と上記センサ電極（２３）の面積とは、同じである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。
5. 上記ポンプ電極（２１）の上記幅方向（Ｗ）の幅（Ｗ１）と上記発熱部（６２２）の上記幅方向（Ｗ）の全体幅（Ｗ２）とは、Ｗ１≦Ｗ２の関係を有している、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。

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