JP6363500B2 - Gas sensor control device - Google Patents

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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Description

本発明は、測定対象ガス(被測定ガス)中に含まれる特定ガスを検出するためのガスセンサ素子と、そのガスセンサ素子の温度を制御する制御部とを備えたガスセンサ制御装置に関する。   The present invention relates to a gas sensor control device including a gas sensor element for detecting a specific gas contained in a measurement target gas (a gas to be measured) and a control unit for controlling the temperature of the gas sensor element.

従来、被測定ガス(例えば排気ガス等)に含まれる特定ガス(例えばNOx等)を検出するためのガスセンサ素子、およびそのようなガスセンサ素子を備えるガスセンサが知られている。   Conventionally, a gas sensor element for detecting a specific gas (for example, NOx or the like) contained in a gas to be measured (for example, exhaust gas), and a gas sensor including such a gas sensor element are known.

このガスセンサ素子としては、板型の固体電解質体と、固体電解質体の外面に形成される一対の電極と、を有するセルを複数備えているものがある(特許文献1参照)。
例えば、図14(a)に示すように、NOxを検出するガスセンサ素子は、セルとして、第1ポンプセル901、酸素濃度検知セル902、第2ポンプセル(NOx検知セル)903などを備えており、それらは、絶縁層910、920等を介して積層されている。
Some gas sensor elements include a plurality of cells each having a plate-type solid electrolyte body and a pair of electrodes formed on the outer surface of the solid electrolyte body (see Patent Document 1).
For example, as shown in FIG. 14A, the gas sensor element that detects NOx includes, as cells, a first pump cell 901, an oxygen concentration detection cell 902, a second pump cell (NOx detection cell) 903, and the like. Are stacked via insulating layers 910, 920 and the like.

このうち、第1ポンプセル901は、被測定ガス(排気ガス等)における酸素の汲み入れおよび汲み出し(ポンピング)を行い、被測定ガスの酸素濃度を調整する。酸素濃度検知セル902は、第1ポンプセル901によって調整された測定対象の酸素濃度を検知する。第2ポンプセル903には、酸素濃度が調整された被測定ガスに含まれるNOx濃度に応じた第2ポンピング電流が流れる。この第2ポンピング電流に基づいて被測定ガスにおけるNOx濃度を検出できる。   Among these, the first pump cell 901 pumps and pumps (pumps) oxygen in the gas to be measured (exhaust gas or the like) to adjust the oxygen concentration of the gas to be measured. The oxygen concentration detection cell 902 detects the oxygen concentration of the measurement target adjusted by the first pump cell 901. In the second pump cell 903, a second pumping current corresponding to the NOx concentration contained in the gas to be measured whose oxygen concentration is adjusted flows. Based on the second pumping current, the NOx concentration in the gas to be measured can be detected.

また、これとは別に、酸素濃度検知セルに配置された検知電極と基準電極との間に、所定の電流値の電流を流し、このときの検知電極と基準電極との間の電圧値と前記電流値とに基づいて、検知電極と基準電極との間の抵抗値(即ち酸素濃度検知セルの内部抵抗)を求め、この抵抗値に基づいて酸素濃度検知セルの温度を検知する技術が開示されている(特許文献2参照)。   Separately, a current of a predetermined current value is passed between the detection electrode and the reference electrode arranged in the oxygen concentration detection cell, and the voltage value between the detection electrode and the reference electrode at this time A technique for obtaining a resistance value (that is, an internal resistance of an oxygen concentration detection cell) between the detection electrode and the reference electrode based on the current value and detecting the temperature of the oxygen concentration detection cell based on the resistance value is disclosed. (See Patent Document 2).

この技術では、酸素濃度検知セルの温度に基づいて、ヒータへの印加電圧を制御して、ガスセンサ素子の温度をガス検知に好適な温度、即ち第1、第2ポンプセルや酸素濃度検知セルが機能を発揮できる活性化温度に制御している。   In this technology, the voltage applied to the heater is controlled based on the temperature of the oxygen concentration detection cell, so that the temperature of the gas sensor element is suitable for gas detection, that is, the first and second pump cells and the oxygen concentration detection cell function. The activation temperature is controlled so that

特開2010−122187号公報JP 2010-122187 A 特開2003−185626号公報JP 2003-185626 A

ところが、上述したヒータの温度制御を行う従来技術においては、温度を測定する位置とNOx濃度を検出する位置とが、ガスセンサ素子の長手方向に異なる場合には、ガスセンサの測定精度が低下することがあった。   However, in the above-described conventional technique for controlling the temperature of the heater, if the position where the temperature is measured and the position where the NOx concentration is detected are different in the longitudinal direction of the gas sensor element, the measurement accuracy of the gas sensor may decrease. there were.

例えば、図14(a)に示すように、温度を測定する位置(例えば酸素濃度検知セル902の検知電極902aと基準電極902bとが対向する位置)P1と、NOx濃度の検出に寄与する位置(例えばNOx濃度の検出のために被測定ガスに接触する第2内側電極
903aの位置)P2とが、ガスセンサ素子の長手方向(同図左右方向)に異なるガスセンサがある。
For example, as shown in FIG. 14A, a position for measuring temperature (for example, a position where the detection electrode 902a of the oxygen concentration detection cell 902 and the reference electrode 902b face each other) P1, and a position that contributes to the detection of NOx concentration ( For example, there is a gas sensor in which the position of the second inner electrode 903a in contact with the gas to be measured for detection of NOx concentration (P2) differs in the longitudinal direction of the gas sensor element (the left-right direction in the figure).

このガスセンサを、例えば排気管等に取り付けて、排気ガス中の例えばNOx濃度を検出する場合には、ガスセンサの主体金具の影響や排気ガスの流速の影響等によって、図14(b)に示すように、ガスセンサ素子の先端側から後端側における温度勾配の傾きが変化することがある。   When this gas sensor is attached to, for example, an exhaust pipe and the NOx concentration in the exhaust gas is detected, for example, as shown in FIG. 14B due to the influence of the metal fitting of the gas sensor, the influence of the exhaust gas flow velocity, or the like. In addition, the gradient of the temperature gradient from the front end side to the rear end side of the gas sensor element may change.

この図14(b)は、ガスセンサ素子の位置によるガスセンサ素子の温度勾配を示したものであり、図面左側がガスセンサ素子の先端側、図面右側がガスセンサ素子の後端側を示している。そして、○、△、◇は、それぞれ同じガスセンサ素子を示しており、例えば、あるガスセンサ素子の温度勾配が○でありながら、ガスセンサの主体金具の影響や排気ガスの流速の影響の度合の違いなどにより、位置P1を中心に温度勾配が△や◇のように変化することがあった。   FIG. 14B shows the temperature gradient of the gas sensor element depending on the position of the gas sensor element. The left side of the drawing shows the front end side of the gas sensor element, and the right side of the drawing shows the rear end side of the gas sensor element. ◯, △, and ◇ indicate the same gas sensor element, for example, while the temperature gradient of a certain gas sensor element is ◯, the difference in the degree of influence of the metal fitting of the gas sensor or the influence of the exhaust gas flow velocity, etc. As a result, the temperature gradient may change like Δ or ◇ around the position P1.

つまり、図14(b)に示すように、位置P1では、酸素濃度検知セル902の温度に基づいて、ガスセンサ素子の温度を制御しているため、それぞれ、○、△、◇のガスセンサ素子の温度は略同じ温度となっているにも関わらず、ガスセンサの主体金具の影響や排気ガスの流速の影響の度合の違いなどにより、ガスセンサ素子の先端側から後端側における温度勾配の傾きが変化し、位置P2においては、ガスセンサ素子の温度がばらつくことがある。   That is, as shown in FIG. 14B, since the temperature of the gas sensor element is controlled based on the temperature of the oxygen concentration detection cell 902 at the position P1, the temperatures of the gas sensor elements of ◯, Δ, and ◇ respectively. Although the temperature is almost the same, the gradient of the temperature gradient from the front end side to the rear end side of the gas sensor element changes due to the influence of the metal fittings of the gas sensor and the influence of the exhaust gas flow velocity. In the position P2, the temperature of the gas sensor element may vary.

つまり、温度を測定する位置P1とNOx濃度の検出に寄与する位置P2とが、ガスセンサ素子の長手方向に異なる場合には、NOx濃度の検出に寄与する位置P2の温度が目的とする温度からばらつくことがある。   That is, when the position P1 for measuring the temperature and the position P2 contributing to the detection of the NOx concentration are different in the longitudinal direction of the gas sensor element, the temperature at the position P2 contributing to the detection of the NOx concentration varies from the target temperature. Sometimes.

このNOx濃度の検出に寄与する位置P2の温度ばらつき、即ち、固体電解質体及び一対の電極からなる第2ポンセル(NOx検知セル)903の温度ばらつきは、電極活性、被測定ガス内の特定ガス以外のガス解離量、固体電解質体の内部抵抗などのばらつきを引き起こすことがあり、それによって、第2ポンピング電流がばらつくことがある。その結果、NOx濃度の検出精度の低下に繋がる恐れがある。   The temperature variation of the position P2 contributing to the detection of the NOx concentration, that is, the temperature variation of the second pon cell (NOx detection cell) 903 comprising the solid electrolyte body and the pair of electrodes is not the electrode activity or the specific gas in the gas to be measured. This may cause variations in the amount of gas dissociation, the internal resistance of the solid electrolyte body, etc., and thereby the second pumping current may vary. As a result, the NOx concentration detection accuracy may be reduced.

そこで、本発明は、特定ガスの検出精度の高いガスセンサ素子を備えたガスセンサ制御装置を提供すること、および、そのようなガスセンサ素子を有するガスセンサを備えたガスセンサ制御装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a gas sensor control device including a gas sensor element with high detection accuracy of a specific gas, and to provide a gas sensor control device including a gas sensor having such a gas sensor element. .

(1)本発明の第1局面におけるガスセンサ制御装置は、ガスセンサ素子と制御部とを有する。このうち、ガスセンサ素子は、三つ以上のセラミック層を積層してなり、第1測定室と、第2測定室と、導入路と、第1ポンプセルと、酸素濃度検知セルと、第2ポンプセルとを有する。   (1) The gas sensor control apparatus in the 1st aspect of this invention has a gas sensor element and a control part. Among these, the gas sensor element is formed by laminating three or more ceramic layers, and includes a first measurement chamber, a second measurement chamber, an introduction path, a first pump cell, an oxygen concentration detection cell, and a second pump cell. Have

第1測定室は、三つ以上のセラミック層のうち、二つのセラミック層の層間に形成さており、外部から被測定ガスが導入される。
第2測定室は、第1測定室を形成する層間とは異なる二つのセラミック層の層間に形成されており、第1測定室と少なくとも一部がセラミック層の積層方向に重なり合う。
The first measurement chamber is formed between two ceramic layers among three or more ceramic layers, and a gas to be measured is introduced from the outside.
The second measurement chamber is formed between two ceramic layers different from the layers forming the first measurement chamber, and at least a part of the first measurement chamber overlaps in the stacking direction of the ceramic layers.

導入路は、第1測定室と第2測定室との間に配置されるセラミック層を積層方向に貫いており、第1測定室と第2測定室とを連通する。
第1ポンプセルは、第1測定室に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けら
れ、第1測定室内に晒される第1内側電極と、第1内側電極と対をなす第1対電極とを備えている。この第1ポンプセルは、第1測定室内の被測定ガスに含まれる酸素をポンピングする。
The introduction path passes through the ceramic layer disposed between the first measurement chamber and the second measurement chamber in the stacking direction, and communicates the first measurement chamber and the second measurement chamber.
The first pump cell includes a ceramic layer adjacent to the first measurement chamber, a first inner electrode provided on the ceramic layer and exposed to the first measurement chamber, and a first counter electrode paired with the first inner electrode. It has. The first pump cell pumps oxygen contained in the gas to be measured in the first measurement chamber.

酸素濃度検知セルは、第1ポンプセルより被測定ガスの導入方向下流側に配置されている。この酸素濃度検知セルは、第1測定室に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、第1測定室内に晒される検知電極と、検知電極と対をなす基準電極とを備えている。この酸素濃度検知セルは、被測定ガス中の酸素濃度を測定する。   The oxygen concentration detection cell is arranged downstream of the first pump cell in the introduction direction of the gas to be measured. The oxygen concentration detection cell includes a ceramic layer adjacent to the first measurement chamber, a detection electrode provided on the ceramic layer and exposed to the first measurement chamber, and a reference electrode paired with the detection electrode. . This oxygen concentration detection cell measures the oxygen concentration in the gas to be measured.

第2ポンプセルは、酸素濃度検知セルより被測定ガスの導入方向下流側に配置されている。この第2ポンプセルは、第2測定室に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、第2測定室内に晒される第2内側電極と、第2内側電極が設けられたセラミック層の同一面上に設けられ、第2内側電極と対をなす第2対電極とを備えている。この第2ポンプセルは、第2測定室内における被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた電流(第2ポンピング電流)が流れる。 The second pump cell is disposed downstream of the oxygen concentration detection cell in the introduction direction of the gas to be measured. The second pump cell has the same ceramic layer adjacent to the second measurement chamber, the second inner electrode provided on the ceramic layer and exposed to the second measurement chamber, and the ceramic layer provided with the second inner electrode. And a second counter electrode provided on the surface and paired with the second inner electrode. In the second pump cell, a current (second pumping current) corresponding to the specific gas concentration in the gas to be measured in the second measurement chamber flows.

一方、制御部は、酸素濃度検知セルの内部抵抗に基づき、ガスセンサ素子の温度を制御する。
また、前記酸素濃度検知セルは、検知電極と基準電極との少なくとも一部が、セラミック層を介して対向しており、第2内側電極及び第2対電極のそれぞれの少なくとも一部は、ガスセンサ素子を積層方向に見た場合に、検知電極と基準電極との対向する対向領域の最外周に取り囲まれる特定領域に重なるように配置されている。更に、基準電極と第2対電極とは、基準ガスが導入される基準ガス導入部内に配置されている。
On the other hand, the control unit controls the temperature of the gas sensor element based on the internal resistance of the oxygen concentration detection cell.
In the oxygen concentration detection cell, at least a part of the detection electrode and the reference electrode are opposed to each other via a ceramic layer, and at least a part of each of the second inner electrode and the second counter electrode is a gas sensor element. Are arranged so as to overlap a specific region surrounded by the outermost periphery of the opposing region where the detection electrode and the reference electrode face each other. Furthermore, the reference electrode and the second counter electrode are arranged in a reference gas introduction part into which a reference gas is introduced.

このように、第1局面のガスセンサ制御装置では、(特定ガスの検出に用いられる)第2ポンプセルの第2内側電極少なくとも一部及び第2対電極の少なくとも一部は、ガスセンサ素子を積層方向に見た場合に、(ガスセンサの温度の制御に用いられる内部抵抗が検出される)酸素濃度検知セルの検知電極と基準電極との対向する対向領域の最外周に取り囲まれる特定領域に重なるように配置されているので、被測定ガス中の特定ガスの検出精度が高いという効果がある。   Thus, in the gas sensor control device of the first aspect, at least a part of the second inner electrode and at least a part of the second counter electrode of the second pump cell (used for detection of the specific gas) have the gas sensor elements in the stacking direction. When viewed, it is placed so as to overlap a specific area surrounded by the outermost periphery of the opposed area where the sensing electrode and reference electrode of the oxygen concentration sensing cell (where the internal resistance used to control the temperature of the gas sensor is detected) are opposed to each other Therefore, there is an effect that the detection accuracy of the specific gas in the gas to be measured is high.

つまり、第1局面のガスセンサ制御装置では、特定ガスを検出する第2内側電極及び第2対電極の配置された位置(以下ガス検出位置と称することもある)を、酸素濃度検知セルの内部抵抗を検出する位置(以下温度制御位置と称することもある)と重ねることで、ガス検出位置では、従来のようなガスセンサ素子の温度ばらつきの影響を受けにくい。   That is, in the gas sensor control device of the first aspect, the position where the second inner electrode and the second counter electrode for detecting the specific gas are arranged (hereinafter also referred to as gas detection position) is the internal resistance of the oxygen concentration detection cell. Is overlapped with a position (hereinafter also referred to as a temperature control position) to detect the gas, the gas detection position is hardly affected by temperature variations of conventional gas sensor elements.

すなわち、特定ガスの検出を行う場合には、温度制御位置にて検出された内部抵抗に基づくガスセンサ素子の温度を用いて、ガス検出位置にて特定ガス等の反応(特定ガスを検知する反応)が生じるとして、第2ポンプセルに流れる電流に基づいて特定ガスを検出するが、第1局面のガスセンサ制御装置では、温度制御位置とガス検出位置とが近接しているので、特定ガスを検出する際に温度ばらつきの影響を受けにくい。つまり、第2ポンピング電流のばらつきが生じにくいので、被測定ガス中の特定ガスの検出精度が高いという顕著な効果を奏する。   That is, when detecting a specific gas, a reaction of a specific gas or the like at the gas detection position (reaction for detecting a specific gas) using the temperature of the gas sensor element based on the internal resistance detected at the temperature control position. When the specific gas is detected based on the current flowing through the second pump cell, the temperature control position and the gas detection position are close to each other in the gas sensor control device of the first aspect. Less susceptible to temperature variations. That is, since the variation of the second pumping current is unlikely to occur, there is a remarkable effect that the detection accuracy of the specific gas in the gas to be measured is high.

特に、特定ガスの検出に用いられる第2内側電極と第2対電極との間に流れる第2ポンピング電流は、μAオーダーの微小な電流であることもあるので、わずかな温度ばらつきによる誤差でも、特定ガスの検出に与える影響は大きい。よって、上述した温度制御位置とガス検出位置の配置は重要である。   In particular, the second pumping current flowing between the second inner electrode and the second counter electrode used for detection of the specific gas may be a minute current on the order of μA. The influence on the detection of a specific gas is great. Therefore, the arrangement of the temperature control position and the gas detection position described above is important.

また、第1局面のガスセンサ素子では、基準電極と第2対電極とは、互いに基準ガスが導入される基準ガス導入部内に配置されているので、その点からも特定ガスの検出精度が
高いという利点がある。
Further, in the gas sensor element of the first aspect, the reference electrode and the second counter electrode are arranged in the reference gas introduction part into which the reference gas is introduced, so that the detection accuracy of the specific gas is also high from that point. There are advantages.

つまり、酸素濃度の検知に用いられる基準電極と特定ガスの検出に用いられる第2対電極とは、共に、同じ基準ガス導入部内の基準ガス(即ち酸素濃度が同じガス)に接するので、その点からも、検出精度が高いという利点がある。   That is, the reference electrode used for detecting the oxygen concentration and the second counter electrode used for detecting the specific gas are both in contact with the reference gas (that is, the gas having the same oxygen concentration) in the same reference gas introduction section. Therefore, there is an advantage that detection accuracy is high.

ここで、「特定ガスの検出」とは、特定ガスの有無の検出又は特定ガスの濃度の検出を含むものである。
また、酸素濃度検知セルは、検知電極の全てと基準電極の全てとが対向していてもよいし、検知電極の一部と基準電極の一部とが対向していてもよい。さらに、第2内側電極の全てと第2対電極の全てとが、それぞれ特定領域に重なっていてもよいし、第2内側電極の一部と基準電極の一部とが、それぞれ特定領域に重なっていてもよい。
Here, “detection of specific gas” includes detection of the presence or absence of specific gas or detection of the concentration of specific gas.
In the oxygen concentration detection cell, all of the detection electrodes and all of the reference electrodes may face each other, or part of the detection electrodes and part of the reference electrode may face each other. Further, all of the second inner electrode and all of the second counter electrode may overlap with the specific region, respectively, or part of the second inner electrode and part of the reference electrode may overlap with the specific region, respectively. It may be.

(2)本発明の第2局面のガスセンサ制御装置では、ガスセンサ素子を積層方向に見た場合に、検知電極及び基準電極は、それぞれ、少なくとも導入路よりも被測定ガスの導入方向上流側及び被測定ガスの導入方向下流側のセラミック層上に、導入路を囲むように設けられていると共に、導入路は、特定領域と少なくとも一部が重なるように設けられていてもよい。   (2) In the gas sensor control device according to the second aspect of the present invention, when the gas sensor element is viewed in the stacking direction, the detection electrode and the reference electrode are at least upstream of the gas to be measured in the introduction direction and the target electrode from the introduction path, respectively. The introduction path may be provided on the ceramic layer on the downstream side in the measurement gas introduction direction so as to surround the introduction path, and the introduction path may be provided so as to at least partially overlap the specific region.

第2局面のガスセンサ制御装置では、酸素濃度検知セルの検知電極及び基準電極の位置(温度制御位置)と、被測定ガスが導入される導入路と、第2ポンプセルの両電極が、近い位置に設定されていることにより、一層温度ばらつきなどの影響を受けにくく、被測定ガスの特定ガス中の検出精度が高いという効果がある。   In the gas sensor control device of the second aspect, the positions of the detection electrode and reference electrode of the oxygen concentration detection cell (temperature control position), the introduction path into which the gas to be measured is introduced, and both electrodes of the second pump cell are close to each other. By being set, there is an effect that the detection accuracy of the gas to be measured in the specific gas is high, which is less susceptible to temperature variations.

その上、導入路に導入される被測定ガスは、検知電極と接する位置(例えば導入路の開口部の周囲)などによって、第2測定室に導入される被測定ガス中に含まれる特定ガスの割合がばらつくことがある。それに対して、第2局面のガスセンサ制御装置では、両電極のうちの検知電極は、少なくとも導入路よりも被測定ガスの導入方向上流側及び被測定ガスの導入方向下流側のセラミック層上に、導入路を囲むように配置されているので、第2測定室に導入される被測定ガス中に含まれる特定ガスの割合のばらつきを抑制し、特定ガスの濃度を精度良く検出することができる。   In addition, the gas to be measured introduced into the introduction path is a specific gas contained in the gas to be measured introduced into the second measurement chamber depending on the position (for example, around the opening of the introduction path) in contact with the detection electrode. The proportion may vary. On the other hand, in the gas sensor control device of the second aspect, the detection electrode of both electrodes is at least on the ceramic layer on the upstream side in the introduction direction of the gas to be measured and on the downstream side in the introduction direction of the gas to be measured with respect to the introduction path. Since it arrange | positions so that an introduction path may be enclosed, the dispersion | variation in the ratio of the specific gas contained in the to-be-measured gas introduced into a 2nd measurement chamber can be suppressed, and the density | concentration of a specific gas can be detected accurately.

なお、各電極が導入路を囲む範囲としては、多い方が望ましいが、少なくとも前記導入路よりも被測定ガスの導入方向上流側(つまり第1ポンプセル側)及び被測定ガスの導入方向下流側を含むことが好適である(以下同様)。   It should be noted that the range in which each electrode surrounds the introduction path is preferably large, but at least the measurement gas introduction direction upstream (that is, the first pump cell side) and the measurement gas introduction direction downstream from the introduction path. It is preferable to include (the same applies hereinafter).

(3)本発明の第3局面のガスセンサの制御装置は、被測定ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子を有するガスセンサを備えたガスセンサ制御装置であって、前記ガスセンサ素子として、第1または第2局面のガスセンサ素子を備える。   (3) A gas sensor control device according to a third aspect of the present invention is a gas sensor control device including a gas sensor having a gas sensor element that detects a specific gas contained in a gas to be measured. A gas sensor element according to the second aspect is provided.

このように、上述のいずれかのガスセンサ素子を備えるガスセンサの制御装置は、特定ガスの検出精度が高いという効果がある。   As described above, the control device for the gas sensor including any one of the gas sensor elements described above has an effect that the detection accuracy of the specific gas is high.

本発明のガスセンサ制御装置によれば、被測定ガス中の特定ガスの検出精度が高いという効果がある。   According to the gas sensor control device of the present invention, there is an effect that the detection accuracy of the specific gas in the gas to be measured is high.

第1実施形態のNOxセンサを軸方向に沿って破断した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state which fractured | ruptured the NOx sensor of 1st Embodiment along the axial direction. 第1実施形態のガスセンサ素子の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the gas sensor element of 1st Embodiment. 第1実施形態のガスセンサ素子を分解して示す斜視図である。It is a perspective view which decomposes | disassembles and shows the gas sensor element of 1st Embodiment. 第1実施形態のガスセンサ素子の一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of gas sensor element of 1st Embodiment. 第1実施形態のガスセンサ素子の導入路の近傍の構成を、Z軸方向に沿って破断し拡大して模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which fractures | ruptures and expands along a Z-axis direction typically, and shows the structure of the vicinity of the introduction path of the gas sensor element of 1st Embodiment. 第1実施形態のガスセンサ素子における酸素濃度検知セル及び第2ポンプセルの各電極の配置を、Z軸方向に見たように重ね合わせて示す平面図である。It is a top view which shows the arrangement | positioning of each electrode of the oxygen concentration detection cell in a gas sensor element of 1st Embodiment, and a 2nd pump cell so that it may overlap, seeing in the Z-axis direction. 第1実施形態のガスセンサ素子をY軸方向に沿ってZ軸方向に破断し、その先端側における内部構造と制御部の構成とを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which fractures | ruptures the gas sensor element of 1st Embodiment in the Z-axis direction along the Y-axis direction, and shows typically the internal structure and the structure of a control part in the front end side. 第1実施形態のガスセンサ素子の成形体の製造方法に関する説明図である。It is explanatory drawing regarding the manufacturing method of the molded object of the gas sensor element of 1st Embodiment. (a)第2実施形態のガスセンサ素子の導入路の近傍の構成を、Z軸方向に沿って破断し拡大して模式的に示す断面図、(b)はその酸素濃度検知セル及び第2ポンプセルの各電極の配置を、Z軸方向に見たように重ね合わせて示す平面図である。(A) Cross-sectional view schematically showing a configuration in the vicinity of the introduction path of the gas sensor element of the second embodiment broken and expanded along the Z-axis direction, and (b) shows the oxygen concentration detection cell and the second pump cell. It is a top view which overlaps and shows arrangement | positioning of each electrode of this so that it may see in the Z-axis direction. (a)第3実施形態のガスセンサ素子の導入路の近傍の構成を、Z軸方向に沿って破断し拡大して模式的に示す断面図、(b)はその酸素濃度検知セル及び第2ポンプセルの各電極の配置を、Z軸方向に見たように、重ね合わせて示す平面図である。(A) Cross-sectional view schematically showing a configuration in the vicinity of the introduction path of the gas sensor element of the third embodiment by breaking and expanding along the Z-axis direction, and (b) showing the oxygen concentration detection cell and the second pump cell. It is a top view which shows the arrangement | positioning of each electrode so that it may overlap, as seen in the Z-axis direction. 第4実施形態のガスセンサ素子を分解して示す斜視図である。It is a perspective view which decomposes | disassembles and shows the gas sensor element of 4th Embodiment. 第4実施形態のガスセンサ素子の一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of gas sensor element of 4th Embodiment. 第4実施形態のガスセンサ素子の導入路の近傍の構成を、Z軸方向に沿って破断し拡大して模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which fractures | ruptures and expands along a Z-axis direction typically, and shows the structure of the vicinity of the introduction path of the gas sensor element of 4th Embodiment. (a)は従来のガスセンサ素子の断面図、(b)はそのガスセンサ素子の長手方向における温度ばらつきを示すグラフである。(A) is sectional drawing of the conventional gas sensor element, (b) is a graph which shows the temperature dispersion | variation in the longitudinal direction of the gas sensor element.

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下に示す実施形態では、ガスセンサの一種であるNOxセンサを備えたガスセンサ制御装置を例に挙げる。具体的には、自動車や各種内燃機関における排気管に装着されるガスセンサを備えたガスセンサ制御装置であって、測定対象となる排気ガス中の特定ガス(窒素酸化物:NOx)を検出するガスセンサ素子(検出素子)が組み付けられて構成されるNOxセンサを備えたガスセンサ制御装置を例に挙げて説明する。
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
In the embodiment described below, a gas sensor control device including a NOx sensor which is a kind of gas sensor is taken as an example. Specifically, a gas sensor control device including a gas sensor mounted on an exhaust pipe in an automobile or various internal combustion engines, which detects a specific gas (nitrogen oxide: NOx) in exhaust gas to be measured. A gas sensor control device provided with a NOx sensor constructed by assembling (detection element) will be described as an example.

[1.第1実施形態]
[1−1.NOxセンサの全体構成]
まず、第1実施形態のガスセンサ素子が使用されるNOxセンサの全体の構成について、図1に基づいて説明する。
[1. First Embodiment]
[1-1. Overall configuration of NOx sensor]
First, the overall configuration of the NOx sensor in which the gas sensor element of the first embodiment is used will be described with reference to FIG.

図1に示す様に、第1実施形態におけるNOxセンサ1は、排気管に固定するためのネジ部3が外表面に形成された筒状の主体金具5と、軸線O方向(NOxセンサ1の長手方向:図1の上下方向)に延びる板状形状のガスセンサ素子7と、ガスセンサ素子7の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ9と、軸線O方向に貫通する貫通孔11の内壁面がガスセンサ素子7の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される第1セパレータ13と、ガスセンサ素子7と第1セパレータ13との間に配置される6個(図1には2個のみ図示)の接続端子15、を主に備えている。   As shown in FIG. 1, the NOx sensor 1 according to the first embodiment includes a cylindrical metal shell 5 having a screw portion 3 formed on the outer surface for fixing to an exhaust pipe, and an axis O direction (of the NOx sensor 1). A plate-shaped gas sensor element 7 extending in the longitudinal direction (vertical direction in FIG. 1), a cylindrical ceramic sleeve 9 disposed so as to surround the circumference of the gas sensor element 7 in the radial direction, and a through-hole penetrating in the direction of the axis O 11 is disposed in a state in which the inner wall surface of the gas sensor element 7 surrounds the rear end portion of the gas sensor element 7, and six (2 in FIG. 1) are disposed between the gas sensor element 7 and the first separator 13. The connection terminal 15 is mainly provided.

ガスセンサ素子7は、後に詳述する様に、長手方向に伸びる直方体形状(板型形状)に形成されており、その先端側に、被測定ガスに含まれる特定ガス(ここではNOx)を検出する検知部17を備える。また、ガスセンサ素子7は、後端側(図1の上方:長手方向後端部)の外表面のうち表裏の位置関係となる第1主面21および第2主面23に、電極パッド25,26,27,28,29,30(詳細は、図2、図3参照)が形成されている。   As will be described in detail later, the gas sensor element 7 is formed in a rectangular parallelepiped shape (plate shape) extending in the longitudinal direction, and detects a specific gas (in this case, NOx) contained in the gas to be measured at the tip side thereof. A detection unit 17 is provided. In addition, the gas sensor element 7 has electrode pads 25 on the first main surface 21 and the second main surface 23 that are in a positional relationship of the front and back of the outer surface on the rear end side (upper side in FIG. 1: rear end portion in the longitudinal direction). 26, 27, 28, 29, and 30 (refer to FIGS. 2 and 3 for details) are formed.

接続端子15は、ガスセンサ素子7の電極パッド25,26,27,28,29,30にそれぞれ電気的に接続されるとともに、外部からNOxセンサ1の内部に配設されるリード線35にも電気的に接続されている。これにより、リード線35が接続される外部機器と電極パッド25,26,27,28,29,30との間に流れる電流の電流経路が形成される。   The connection terminal 15 is electrically connected to the electrode pads 25, 26, 27, 28, 29, and 30 of the gas sensor element 7, and is also electrically connected to the lead wire 35 disposed inside the NOx sensor 1 from the outside. Connected. As a result, a current path for current flowing between the external device to which the lead wire 35 is connected and the electrode pads 25, 26, 27, 28, 29, 30 is formed.

主体金具5は、軸線O方向に貫通する貫通孔37を有し、貫通孔37の径方向内側に突出する棚部39を有する略筒状形状に構成されている。この主体金具5は、検知部17を貫通孔37の先端よりも先端側に配置し、電極パッド25,26,27,28,29,30を貫通孔37の後端よりも後端側に配置する状態で、貫通孔37に挿通されたガスセンサ素子7を保持するよう構成されている。   The metal shell 5 has a through-hole 37 that penetrates in the direction of the axis O, and has a substantially cylindrical shape having a shelf 39 that protrudes radially inward of the through-hole 37. In the metal shell 5, the detection unit 17 is disposed on the front end side with respect to the front end of the through hole 37, and the electrode pads 25, 26, 27, 28, 29, and 30 are disposed on the rear end side with respect to the rear end of the through hole 37. In this state, the gas sensor element 7 inserted through the through hole 37 is held.

また、主体金具5の貫通孔37の内部には、ガスセンサ素子7の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ41、滑石リング43,45、及び上述のセラミックスリーブ9が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。   An annular ceramic holder 41, talc rings 43 and 45, and the above-described ceramic sleeve 9 are arranged in this order in the through hole 37 of the metal shell 5 so as to surround the periphery of the gas sensor element 7 in the radial direction. It is laminated from the side to the rear end side.

このセラミックスリーブ9と主体金具5の後端部47との間には、加締パッキン49が配置され、一方、セラミックホルダ41と主体金具5の棚部39との間には、滑石リング43,45やセラミックホルダ41を保持するための金属ホルダ51が配置されている。なお、主体金具5の後端部47は、加締パッキン49を介して、セラミックスリーブ9を先端側に押し付けるように、加締められている。   A caulking packing 49 is disposed between the ceramic sleeve 9 and the rear end portion 47 of the metal shell 5, while a talc ring 43, between the ceramic holder 41 and the shelf 39 of the metal shell 5 is provided. 45 and a metal holder 51 for holding the ceramic holder 41 are arranged. The rear end portion 47 of the metal shell 5 is crimped so as to press the ceramic sleeve 9 against the distal end side via a crimping packing 49.

更に、主体金具5の先端部53の外周には、ガスセンサ素子7の突出部分を覆う金属製(例えば、ステンレスなど)の二重構造とされたプロテクタ55が溶接等によって取り付けられている。   Further, a metal double protector 55 (for example, stainless steel) covering the protruding portion of the gas sensor element 7 is attached to the outer periphery of the distal end portion 53 of the metal shell 5 by welding or the like.

一方、主体金具5の後端側外周には、外筒57が固定されており、外筒57の後端側の開口部には、グロメット59が配置されている。このグロメット59には、各電極パッド25,26,27,28,29,30とそれぞれ電気的に接続される6本のリード線35(図1では2本が図示)が挿通されるリード線挿通孔61が形成されている。   On the other hand, an outer cylinder 57 is fixed to the outer periphery on the rear end side of the metal shell 5, and a grommet 59 is disposed in an opening on the rear end side of the outer cylinder 57. In this grommet 59, lead wires are inserted, through which six lead wires 35 (two are shown in FIG. 1) electrically connected to the electrode pads 25, 26, 27, 28, 29, 30 are inserted. A hole 61 is formed.

なお、第1セパレータ13の外周には、鍔部63が形成されており、鍔部63は、保持部材65を介して外筒57に固定されている。また、第1セパレータ13の後端側には、第1セパレータ13とグロメット59に狭持される第2セパレータ67が配置されており、接続端子15の後端側が第2セパレータ67内に挿入されている。   A flange 63 is formed on the outer periphery of the first separator 13, and the flange 63 is fixed to the outer cylinder 57 via a holding member 65. A second separator 67 sandwiched between the first separator 13 and the grommet 59 is disposed on the rear end side of the first separator 13, and the rear end side of the connection terminal 15 is inserted into the second separator 67. ing.

[1−2.ガスセンサ素子の構成]
次に、ガスセンサ素子7の構成について、図2〜図6に基づいて説明する。
なお、図2において、長手方向がガスセンサの軸線O方向に沿う形態となる。また図2のZ軸方向は、長手方向に垂直な積層方向(以下平面視と称することもある)であり、X軸方向は、長手方向及び積層方向に垂直な幅方向である。また、図3、図4において、左方向がガスセンサ素子7の先端側であり、右方向がガスセンサ素子7の後端側である。
[1-2. Configuration of gas sensor element]
Next, the configuration of the gas sensor element 7 will be described with reference to FIGS.
In FIG. 2, the longitudinal direction is along the direction of the axis O of the gas sensor. Further, the Z-axis direction in FIG. 2 is a stacking direction perpendicular to the longitudinal direction (hereinafter also referred to as a plan view), and the X-axis direction is a width direction perpendicular to the longitudinal direction and the stacking direction. 3 and 4, the left direction is the front end side of the gas sensor element 7, and the right direction is the rear end side of the gas sensor element 7.

<ガスセンサ素子の全体構成>
図2に示す様に、ガスセンサ素子7は、長手方向(Y軸方向)に延びる長尺で、直方体形状の板材である。
<Overall configuration of gas sensor element>
As shown in FIG. 2, the gas sensor element 7 is a long, rectangular parallelepiped plate material extending in the longitudinal direction (Y-axis direction).

このガスセンサ素子7は、長手方向に伸びる板状の素子部71と、同じく長手方向に延びる板状のヒータ73とが、積層されて構成されている。また、ガスセンサ素子7は、そ
の先端側に、被測定ガスに含まれる特定ガスを検出する検知部17を備える。
The gas sensor element 7 is configured by laminating a plate-shaped element portion 71 extending in the longitudinal direction and a plate-shaped heater 73 extending in the longitudinal direction. Moreover, the gas sensor element 7 includes a detection unit 17 that detects a specific gas contained in the gas to be measured on the tip side.

つまり、ガスセンサ素子7は、図3に示すように、積層方向(図3の上下方向)の一方の側(図3の上側)に配置されて、長手方向に伸びる板状の素子部71と、素子部71の反対側(裏側)に配置されて、同じく長手方向に延びる板状のヒータ73とを備える。   That is, as shown in FIG. 3, the gas sensor element 7 is disposed on one side (upper side in FIG. 3) in the stacking direction (up and down direction in FIG. 3) and extends in the longitudinal direction, A plate-like heater 73 is disposed on the opposite side (back side) of the element portion 71 and extends in the longitudinal direction.

素子部71は、後述するように、第1ポンプセル75と、酸素濃度検知セル77と、第2ポンプセル79とを備える。
<素子部及びヒータの構成>
素子部71は、第1絶縁層81、第1セラミック層83、第2絶縁層85、第2セラミック層87、第3絶縁層89、第3セラミック層91を、この順に積層した構造を有する。また、ヒータ73は、第4絶縁層93、第5絶縁層95をこの順に積層した構造を有する。
The element unit 71 includes a first pump cell 75, an oxygen concentration detection cell 77, and a second pump cell 79, as will be described later.
<Configuration of element part and heater>
The element unit 71 has a structure in which a first insulating layer 81, a first ceramic layer 83, a second insulating layer 85, a second ceramic layer 87, a third insulating layer 89, and a third ceramic layer 91 are laminated in this order. The heater 73 has a structure in which a fourth insulating layer 93 and a fifth insulating layer 95 are stacked in this order.

また、第1〜第3セラミック層83,87,91は、ガスセンサ素子7の長手方向に延びる板状である。
第1セラミック層83と第2セラミック層87との間には、第1測定室97が形成されている。第1測定室97の先端側領域は、2つの拡散抵抗体99を介して外部に繋がっており、拡散抵抗体99を介して外部から外気である被測定ガス(排気ガス)がガスセンサ素子7の内部に導入される。第1測定室97は、その後端側領域において、第2セラミック層87に形成される導入路101を介して、第3絶縁層89に形成される第2測定室103に繋がっている。
The first to third ceramic layers 83, 87, 91 are plate-shaped extending in the longitudinal direction of the gas sensor element 7.
A first measurement chamber 97 is formed between the first ceramic layer 83 and the second ceramic layer 87. The front end side region of the first measurement chamber 97 is connected to the outside via two diffusion resistors 99, and the gas to be measured (exhaust gas) that is outside air from the outside is connected to the gas sensor element 7 via the diffusion resistors 99. Introduced inside. The first measurement chamber 97 is connected to the second measurement chamber 103 formed in the third insulating layer 89 via the introduction path 101 formed in the second ceramic layer 87 in the rear end region.

なお、導入路101の形状は、積層方向に見て(即ち積層方向と同じ方向で見た場合(平面視で))例えば円形である。つまり、導入路101は、円柱状の空間として形成されている。   The shape of the introduction path 101 is, for example, circular when viewed in the stacking direction (that is, when viewed in the same direction as the stacking direction (in plan view)). That is, the introduction path 101 is formed as a cylindrical space.

第4、第5絶縁層93,95の間には、タングステン等の導体によって形成された発熱抵抗体105が備えられている。発熱抵抗体105は、ヒータ73の一部として備えられている。   A heating resistor 105 formed of a conductor such as tungsten is provided between the fourth and fifth insulating layers 93 and 95. The heating resistor 105 is provided as a part of the heater 73.

ヒータ73は、外部から供給された電力によって発熱抵抗体105が発熱することで、ガスセンサ素子7(特に、素子部71)を所定の活性温度に昇温し、固体電解質体の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。   The heater 73 heats up the gas sensor element 7 (in particular, the element unit 71) to a predetermined activation temperature when the heating resistor 105 generates heat by electric power supplied from the outside, and conducts oxygen ions in the solid electrolyte body. Is used to stabilize the operation.

なお、前記第1〜第3セラミック層83、87、91は、それぞれ、酸素イオン伝導性を有する固体電解質である例えばジルコニアを主成分に用いて形成されている。また、第1〜第5絶縁層81、85、89、93、95は、電気絶縁材料である例えばアルミナを主成分に用いて形成されており、気体等の流体の透過(流通)を防止できる程度に密に形成されている。拡散抵抗体99は、アルミナ等の多孔質物質を用いて形成され、気体の流通が可能になっている。   The first to third ceramic layers 83, 87, 91 are each formed using, for example, zirconia, which is a solid electrolyte having oxygen ion conductivity, as a main component. In addition, the first to fifth insulating layers 81, 85, 89, 93, and 95 are formed using, for example, alumina, which is an electrical insulating material, as a main component, and can prevent permeation (circulation) of fluid such as gas. It is densely formed to the extent. The diffusion resistor 99 is formed using a porous material such as alumina, and gas can be circulated.

ここで、主成分とは「セラミック層中の主材料の含有量が50wt%以上であること」を指し、例えば、第1〜第3セラミック層83、87、91は、ジルコニアが50wt%以上含有されている。   Here, the main component means that “the content of the main material in the ceramic layer is 50 wt% or more”. For example, the first to third ceramic layers 83, 87, 91 contain 50 wt% or more of zirconia. Has been.

<各セルの構成>
図3及び図4に示すように、素子部71は、第1ポンプセル75と、酸素濃度検知セル77と、第2ポンプセル79とを有している。
<Configuration of each cell>
As shown in FIGS. 3 and 4, the element unit 71 includes a first pump cell 75, an oxygen concentration detection cell 77, and a second pump cell 79.

第1ポンプセル75は、固体電解質体からなる第1セラミック層83と、これを挟持するように配置された一対の矩形状の電極、即ち第1内側電極111及び第1対電極113とを備えている。第1内側電極111は、第1測定室97に面している。   The first pump cell 75 includes a first ceramic layer 83 made of a solid electrolyte body, and a pair of rectangular electrodes arranged so as to sandwich the first ceramic layer 83, that is, a first inner electrode 111 and a first counter electrode 113. Yes. The first inner electrode 111 faces the first measurement chamber 97.

第1対電極113は、第1絶縁層81のうちの第1対電極113と対向する部分(開口部115)に埋め込まれた多孔質部117(例えば、アルミナ)により覆われている。多孔質部117は、ガス(例えば、酸素)が通過可能に構成されている。   The first counter electrode 113 is covered with a porous portion 117 (for example, alumina) embedded in a portion (opening 115) of the first insulating layer 81 that faces the first counter electrode 113. The porous part 117 is configured to allow gas (for example, oxygen) to pass therethrough.

酸素濃度検知セル77は、固体電解質体からなる第2セラミック層87と、これを挟持するように配置された円環状の一対の電極、即ち検知電極119及び基準電極121とを備えている。また、第2セラミック層87には、検知電極119及び基準電極121の中心(平面視)に、第2セラミック層87を厚み方向に貫通する導入路101が設けられている。なお、導入路101は、平面視で円形である。   The oxygen concentration detection cell 77 includes a second ceramic layer 87 made of a solid electrolyte body, and a pair of annular electrodes arranged so as to sandwich the layer, that is, a detection electrode 119 and a reference electrode 121. The second ceramic layer 87 is provided with an introduction path 101 that penetrates the second ceramic layer 87 in the thickness direction at the center (in plan view) of the detection electrode 119 and the reference electrode 121. The introduction path 101 is circular in plan view.

第3絶縁層89のうち、基準電極121に接する部分には、第3絶縁層89の厚さ方向に貫通する空間部分としての基準酸素室123が形成されている。この基準酸素室123内には、第3セラミック層91側に多孔質部125(図7参照)が配置され、第2セラミック層87側は空間となっている。なお、基準酸素室123は、平面視で例えば1箇所が欠けた円環状(即ちC字状)に形成されている。   A reference oxygen chamber 123 as a space portion penetrating in the thickness direction of the third insulating layer 89 is formed in a portion of the third insulating layer 89 in contact with the reference electrode 121. In the reference oxygen chamber 123, a porous portion 125 (see FIG. 7) is disposed on the third ceramic layer 91 side, and a space is formed on the second ceramic layer 87 side. In addition, the reference oxygen chamber 123 is formed in an annular shape (that is, a C shape) lacking, for example, one place in a plan view.

また、第3絶縁層89のうち、基準酸素室123の中央(平面視)には、第3絶縁層89の厚さ方向に貫通する空間部分としての第2測定室103が形成されている。なお、第2測定室103は、平面視で円形である。   In the third insulating layer 89, a second measurement chamber 103 is formed as a space portion penetrating in the thickness direction of the third insulating layer 89 in the center (plan view) of the reference oxygen chamber 123. The second measurement chamber 103 is circular in plan view.

なお、円環状の基準酸素室123と円形の第2測定室103とは、環状隔壁127を介して同心状に形成されており、環状隔壁127は、基準酸素室123を横断するようにして設けられた直線状隔壁129により、基準酸素室123の外周側と接続されている(図4(d)参照)。   The annular reference oxygen chamber 123 and the circular second measurement chamber 103 are formed concentrically via an annular partition 127, and the annular partition 127 is provided so as to cross the reference oxygen chamber 123. The linear partition wall 129 is connected to the outer peripheral side of the reference oxygen chamber 123 (see FIG. 4D).

前記酸素濃度検知セル77については、予め定められた微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素が酸素濃度検知セル77を介して第1測定室97から基準酸素室123に送り込まれる。そして、基準酸素室123の酸素濃度は、所定の濃度に維持される。これにより、基準酸素室123は、酸素濃度の基準として利用される。   With respect to the oxygen concentration detection cell 77, oxygen flows into the reference oxygen chamber 123 from the first measurement chamber 97 through the oxygen concentration detection cell 77 by passing a predetermined weak constant current. The oxygen concentration in the reference oxygen chamber 123 is maintained at a predetermined concentration. Thereby, the reference oxygen chamber 123 is used as a reference for the oxygen concentration.

第2ポンプセル79は、固体電解質からなる第3セラミック層91と、第3セラミック層91のうち、第2測定室103に面した表面に配置された第2内側電極131と、基準酸素室123に面した表面に配置された第2対電極133とを備えている。   The second pump cell 79 includes a third ceramic layer 91 made of a solid electrolyte, a second inner electrode 131 disposed on the surface of the third ceramic layer 91 facing the second measurement chamber 103, and a reference oxygen chamber 123. And a second counter electrode 133 disposed on the facing surface.

このうち、第2内側電極131は、平面視で円形であり、導入路101と重なる位置(即ち導入路101の直下に:図5参照)配置されている。また、第2対電極133は、第2内側電極131の外周側を囲むように配置された、一部が欠けた円環状(即ちC字状:図4(c)参照)であり、第2対電極133の表面は、前記多孔質部125により覆われている(図7参照)。   Among these, the 2nd inner side electrode 131 is circular by planar view, and is arrange | positioned in the position which overlaps with the introduction path 101 (namely, directly under the introduction path 101: FIG. 5). In addition, the second counter electrode 133 is arranged to surround the outer peripheral side of the second inner electrode 131, and is a partly cut annular shape (that is, a C shape: see FIG. 4C). The surface of the counter electrode 133 is covered with the porous portion 125 (see FIG. 7).

また、第1絶縁層81の後端側外表面には、3つの電極パッド25,26,27が形成されており、第5絶縁層95の後端側外表面にも、3つの電極パッド28,29,30が形成されている。   Three electrode pads 25, 26, and 27 are formed on the outer surface on the rear end side of the first insulating layer 81, and three electrode pads 28 are also formed on the outer surface on the rear end side of the fifth insulating layer 95. , 29, 30 are formed.

なお、前記各電極111,113,119,121,131,133及び電極パッド25,26,27,28,29,30は、いずれも白金を主成分として形成されている。ま
た、各電極111,113,119,121,131,133は、電極反応を良好に維持するために、気体を内部に流通可能な程度の多孔質状に形成されている。すなわち、被測定ガスの気体(酸素やNOx等の気相)と電極(触媒相)と固体電解質(酸素イオン伝導相)とが接する三相界面を良好に形成する程度の多孔質状に形成されている。
Each of the electrodes 111, 113, 119, 121, 131, 133 and the electrode pads 25, 26, 27, 28, 29, 30 is formed mainly of platinum. Moreover, each electrode 111,113,119,121,131,133 is formed in the porous form which can distribute | circulate a gas inside, in order to maintain an electrode reaction favorably. In other words, it is formed in a porous shape that can satisfactorily form a three-phase interface where the gas to be measured (gas phase such as oxygen or NOx), the electrode (catalyst phase), and the solid electrolyte (oxygen ion conduction phase) are in contact. ing.

また、図3に示すように、各電極111,113,119,121,131,133および発熱抵抗体105は、配線ユニットL1,L2,L3,L4,L5,L6によって、対応する電極パッド25,26,27,28,29,30と電気的に接続されている。   Further, as shown in FIG. 3, each of the electrodes 111, 113, 119, 121, 131, 133 and the heating resistor 105 is connected to the corresponding electrode pad 25, by the wiring units L1, L2, L3, L4, L5, L6. 26, 27, 28, 29, 30 are electrically connected.

詳細には、第1電極パッド25は、第1配線ユニットL1によって第1対電極113と電気的に接続される。第2電極パッド26は、第2配線ユニットL2によって基準電極121と電気的に接続される。第3電極パッド27は、第3配線ユニットL3によって第1内側電極111、検知電極119、第2内側電極131に電気的に接続される。第4電極パッド30は、第4配線ユニットL4によって第2対電極133に電気的に接続される。   Specifically, the first electrode pad 25 is electrically connected to the first counter electrode 113 by the first wiring unit L1. The second electrode pad 26 is electrically connected to the reference electrode 121 by the second wiring unit L2. The third electrode pad 27 is electrically connected to the first inner electrode 111, the detection electrode 119, and the second inner electrode 131 by the third wiring unit L3. The fourth electrode pad 30 is electrically connected to the second counter electrode 133 by the fourth wiring unit L4.

第1ヒータ用電極パッド28は、第1ヒータ用配線ユニットL5によって発熱抵抗体105に電気的に接続される。第2ヒータ用電極パッド29は、第2ヒータ用配線ユニットL6によって発熱抵抗体105に電気的に接続される。   The first heater electrode pad 28 is electrically connected to the heating resistor 105 by the first heater wiring unit L5. The second heater electrode pad 29 is electrically connected to the heating resistor 105 by the second heater wiring unit L6.

そして、前記各配線ユニットL1,L2,L3,L4,L5,L6のうち、第1配線ユニットL1は、第1リード部L1aと第1スルーホール導体部L1bとを有する。第1スルーホール導体部L1bは、貫通孔H1によって形成される。第1スルーホール導体部L1bは、貫通孔H1の内表面に導体を形成することで作成される(なお、他のスルーホール導体部の導体の形成も同様である)。   Of the wiring units L1, L2, L3, L4, L5, and L6, the first wiring unit L1 has a first lead portion L1a and a first through-hole conductor portion L1b. The first through hole conductor portion L1b is formed by the through hole H1. The first through-hole conductor portion L1b is created by forming a conductor on the inner surface of the through-hole H1 (the same applies to the formation of conductors in other through-hole conductor portions).

第2配線ユニットL2は、第2リード部L2aと、第2スルーホール導体部L2bとを有する。第2スルーホール導体部L2bは、各貫通孔H2,H3,H4,H5によって形成される。   The second wiring unit L2 has a second lead portion L2a and a second through-hole conductor portion L2b. The second through-hole conductor portion L2b is formed by the through holes H2, H3, H4, and H5.

第3配線ユニットL3は、第3aリード部L3aと、第3bリード部L3bと、第3cリード部L3cと、第3スルーホール導体部L3dとを有する。第3スルーホール導体部L3dは、各貫通孔H6,H7,H8,H9,H10によって形成される。   The third wiring unit L3 includes a third a lead portion L3a, a third b lead portion L3b, a third c lead portion L3c, and a third through-hole conductor portion L3d. The third through-hole conductor portion L3d is formed by the through holes H6, H7, H8, H9, and H10.

上記のように、第1内側電極111、検知電極119、第2内側電極131は、共通の第3電極パッド27に電気的に接続されている。
第4配線ユニットL4は、第4リード部L4aと、第4スルーホール導体部L4bとを有する。第4スルーホール導体部L4bは、各貫通孔H11,H12,H13によって形成される。
As described above, the first inner electrode 111, the detection electrode 119, and the second inner electrode 131 are electrically connected to the common third electrode pad 27.
The fourth wiring unit L4 includes a fourth lead portion L4a and a fourth through-hole conductor portion L4b. The fourth through hole conductor portion L4b is formed by the through holes H11, H12, and H13.

第1ヒータ用配線ユニットL5は、第1ヒータ用リード部L5aと、第1ヒータ用スルーホール導体部L5bとを有する。第1ヒータ用スルーホール導体部L5bは、貫通孔H14によって形成される。   The first heater wiring unit L5 includes a first heater lead L5a and a first heater through-hole conductor L5b. The first heater through-hole conductor L5b is formed by the through hole H14.

第2ヒータ用配線ユニットL6は、第2ヒータ用リード部L6aと、第2ヒータ用スルーホール導体部L6bとを有する。第2ヒータ用スルーホール導体部L6bは、貫通孔H15によって形成される。   The second heater wiring unit L6 includes a second heater lead L6a and a second heater through-hole conductor L6b. The second heater through-hole conductor L6b is formed by the through hole H15.

なお、各配線ユニットL1〜L6は、白金を主成分とし、セラミック(例えばアルミナ)を含む材料から構成されている。
<導入路の周囲の構成>
次に、本実施形態の要部である導入路101の周囲における各電極119、121、131、133の配置について、図5及び図6に基づいて、詳細に説明する。
In addition, each wiring unit L1-L6 is comprised from the material which has platinum as a main component and contains ceramics (for example, alumina).
<Configuration around the introduction path>
Next, the arrangement of the electrodes 119, 121, 131, 133 around the introduction path 101, which is the main part of the present embodiment, will be described in detail with reference to FIGS.

図5及び図6に示すように、第2セラミック層87の上面には、導入路101を囲むように、円環状の検知電極119が配置されており、第2セラミック層87の下面には、導入路101を囲むように、円環状の基準電極121が配置されている。   As shown in FIGS. 5 and 6, an annular detection electrode 119 is arranged on the upper surface of the second ceramic layer 87 so as to surround the introduction path 101, and on the lower surface of the second ceramic layer 87, An annular reference electrode 121 is disposed so as to surround the introduction path 101.

検知電極119の幅は、基準電極121の幅より大きいので、平面視で、基準電極121は検知電極119の範囲内にて、重なるように配置されている。つまり、基準電極121は検知電極119の投影領域内に配置され、所定の円環状の対向領域R1(即ち基準電極121と一致する領域)にて重なっている。   Since the width of the detection electrode 119 is larger than the width of the reference electrode 121, the reference electrode 121 is disposed so as to overlap within the range of the detection electrode 119 in plan view. That is, the reference electrode 121 is disposed in the projection region of the detection electrode 119 and overlaps with a predetermined annular facing region R1 (that is, a region matching the reference electrode 121).

また、第3絶縁層89には、導入路101の直下(図5の下方)に、円形の第2測定室103が設けられており、その外周側には、基準酸素室123がC字状(図4(c)参照)に設けられている。   Further, the third insulating layer 89 is provided with a circular second measurement chamber 103 immediately below the introduction path 101 (downward in FIG. 5), and a reference oxygen chamber 123 is C-shaped on the outer peripheral side thereof. (See FIG. 4C).

更に、第3セラミック層91の上面には、導入路101の直下に、円形の第2内側電極131が、第2測定室103内に配置されると共に、第2内側電極131の外周側には、C字状の第2対電極133が、基準酸素室123内に配置されている。   Further, on the upper surface of the third ceramic layer 91, a circular second inner electrode 131 is disposed in the second measurement chamber 103 immediately below the introduction path 101, and on the outer peripheral side of the second inner electrode 131. A C-shaped second counter electrode 133 is arranged in the reference oxygen chamber 123.

特に、第1実施形態では、平面視で、基準電極121の円環状の外周(後述する最外周)GSより内側の範囲(特定領域R2:図6の点線で囲まれる範囲内)に、第2内側電極131及び第2対電極133の全体が配置されている。   In particular, in the first embodiment, in a plan view, the second region is within a range (specific region R2: a range surrounded by a dotted line in FIG. 6) inside the annular outer periphery (the outermost periphery described later) GS of the reference electrode 121. The entire inner electrode 131 and second counter electrode 133 are arranged.

つまり、第1実施形態では、第2内側電極131の少なくとも一部及び第2対電極133の少なくとも一部が、検知電極119と基準電極121との対向する対向領域R1の最外周(ここでは、基準電極121の外周GSと同じ)に取り囲まれる特定領域R2に重なるように配置されている。また、基準電極121と第2対電極133とは、基準ガスが導入される基準酸素室123内に配置されている。   That is, in the first embodiment, at least a part of the second inner electrode 131 and at least a part of the second counter electrode 133 are arranged on the outermost periphery of the facing region R1 where the detection electrode 119 and the reference electrode 121 are opposed (here, (It is the same as the outer periphery GS of the reference electrode 121) and is disposed so as to overlap the specific region R2 surrounded by the same. Further, the reference electrode 121 and the second counter electrode 133 are disposed in the reference oxygen chamber 123 into which the reference gas is introduced.

更に、検知電極119及び基準電極121は、それぞれ導入路101の周囲に(即ち導入路の外周側を全て囲むよう)設けられていると共に、導入路101は、特定領域R2と少なくとも一部が重なるように設けられている。なお、導入路101の直下に(即ち導入路101の軸方向に)第2内側電極131が配置されている。   Further, the detection electrode 119 and the reference electrode 121 are respectively provided around the introduction path 101 (that is, so as to surround the entire outer periphery of the introduction path), and the introduction path 101 at least partially overlaps the specific region R2. It is provided as follows. Note that the second inner electrode 131 is disposed immediately below the introduction path 101 (that is, in the axial direction of the introduction path 101).

[1−3.ガスセンサ制御装置の構成]
次に、ガスセンサ制御装置の全体構成について、図7に基づいて説明する。
図7に示すように、第1実施形態のガスセンサ制御装置141は、上述したガスセンサ素子7と、ガスセンサ素子7の動作を制御する制御部143とを備えている。
[1-3. Configuration of gas sensor control device]
Next, the overall configuration of the gas sensor control device will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 7, the gas sensor control device 141 of the first embodiment includes the gas sensor element 7 described above and a control unit 143 that controls the operation of the gas sensor element 7.

制御部143は、マイクロコンピュータ145、電気回路部147等を有している。
マイクロコンピュータ145は、各種演算を実行するCPU149と、演算結果等が記憶されるRAM151と、CPU149が実行するプログラム等を記憶するROM153とを備えている。また、A/Dコンバータ155と、そのA/Dコンバータ155を介して電気回路部147と接続されると共に、電子制御装置(以下、ECUと記載する)157と通信するための信号入出力部159と、図示しないタイマクロック等を備えている。
The control unit 143 includes a microcomputer 145, an electric circuit unit 147, and the like.
The microcomputer 145 includes a CPU 149 that executes various calculations, a RAM 151 that stores calculation results, and a ROM 153 that stores programs executed by the CPU 149. In addition, the A / D converter 155 is connected to the electric circuit unit 147 through the A / D converter 155, and the signal input / output unit 159 communicates with an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 157. And a timer clock (not shown).

電気回路部147は、基準電圧比較回路161、Ip1ドライブ回路163、Vs検出回路165、Icp供給回路167、Rpvs検出回路169、Ip2検出回路171、Vp2印加回路173、ヒータ駆動回路175から構成され、マイクロコンピュータ14
5による制御を受けて、ガスセンサ素子7を用いて排気ガス中のNOx濃度の検出を行う。
The electric circuit unit 147 includes a reference voltage comparison circuit 161, an Ip1 drive circuit 163, a Vs detection circuit 165, an Icp supply circuit 167, an Rpvs detection circuit 169, an Ip2 detection circuit 171, a Vp2 application circuit 173, and a heater drive circuit 175. Microcomputer 14
Under the control of 5, the NOx concentration in the exhaust gas is detected using the gas sensor element 7.

尚、第1ポンプセル75の第1測定室97側の第1内側電極111、酸素濃度検知セル77の第1測定室97側の検知電極119、第2ポンプセル79の第2測定室103側の第2内側電極131は、基準電位に接続されている。   The first inner electrode 111 on the first measurement chamber 97 side of the first pump cell 75, the detection electrode 119 on the first measurement chamber 97 side of the oxygen concentration detection cell 77, and the second measurement chamber 103 side of the second pump cell 79 on the second measurement chamber 103 side. The two inner electrodes 131 are connected to a reference potential.

Icp供給回路167は、酸素濃度検知セル77の検知電極119と基準電極121との間に電流Icpを供給し、第1測定室97内から基準酸素室123内への酸素の汲み出しを行う。   The Icp supply circuit 167 supplies a current Icp between the detection electrode 119 and the reference electrode 121 of the oxygen concentration detection cell 77 and pumps out oxygen from the first measurement chamber 97 into the reference oxygen chamber 123.

Vs検出回路165は、検知電極119と基準電極121との間の電圧Vsを検出するための回路であり、その検出結果を基準電圧比較回路161に対し出力している。
基準電圧比較回路161は、Vs検出回路165により検出された検知電極119と基準電極121との間の電圧Vsを、基準となる基準電圧(例えば425mV)と比較するための回路であり、その比較結果をIp1ドライブ回路163に対し出力している。
The Vs detection circuit 165 is a circuit for detecting the voltage Vs between the detection electrode 119 and the reference electrode 121, and outputs the detection result to the reference voltage comparison circuit 161.
The reference voltage comparison circuit 161 is a circuit for comparing the voltage Vs between the detection electrode 119 and the reference electrode 121 detected by the Vs detection circuit 165 with a reference voltage (for example, 425 mV) as a reference. The result is output to the Ip1 drive circuit 163.

Ip1ドライブ回路163は、第1ポンプセル75の第1内側電極111と第1対電極113との間に電流(第1ポンピング電流)Ip1を供給するための回路である。電流Ip1の大きさや向きは、基準電圧比較回路161による検知電極119と基準電極121との間の電圧の比較結果に基づいて、検知電極119と基準電極121との間の電圧が予め設定された基準電圧と略一致するように調整されている。   The Ip1 drive circuit 163 is a circuit for supplying a current (first pumping current) Ip1 between the first inner electrode 111 and the first counter electrode 113 of the first pump cell 75. The magnitude and direction of the current Ip1 is preset based on the voltage comparison result between the detection electrode 119 and the reference electrode 121 by the reference voltage comparison circuit 161. It is adjusted so as to substantially match the reference voltage.

その結果、第1ポンプセル75により、第1測定室97内からガスセンサ素子7外部への酸素の汲み出し、或いはガスセンサ素子7外部から第1測定室97内への酸素の汲み入れが行われる。換言すると、第1ポンプセル75は、検知電極119と基準電極121との間の電圧が一定値(基準電圧の値)に保たれるように、第1測定室97内における酸素濃度の調整を行っている。   As a result, the first pump cell 75 pumps out oxygen from the first measurement chamber 97 to the outside of the gas sensor element 7 or pumps oxygen into the first measurement chamber 97 from the outside of the gas sensor element 7. In other words, the first pump cell 75 adjusts the oxygen concentration in the first measurement chamber 97 so that the voltage between the detection electrode 119 and the reference electrode 121 is maintained at a constant value (reference voltage value). ing.

また、Vp2印加回路173は、第2ポンプセル79の第2内側電極131と第2対電極133との間へ電圧Vp2(例えば450mV)を印加するための回路であり、これにより、第2測定室103内から基準酸素室123への酸素の汲み出しが行われる。   Further, the Vp2 application circuit 173 is a circuit for applying a voltage Vp2 (for example, 450 mV) between the second inner electrode 131 and the second counter electrode 133 of the second pump cell 79, whereby the second measurement chamber Oxygen is pumped from the inside 103 to the reference oxygen chamber 123.

Ip2検出回路171は、第2内側電極131から第2対電極133に流れた電流(第2ポンピング電流)Ip2の値の検出を行う回路である。
Rpvs検出回路169は、前記酸素濃度検知セル77の検知電極119と基準電極121と間に瞬間的に電流Irを供給し、供給された電流Irによって発生した検知電極119と基準電極121と間の電圧Vrを検出する。この検出された電圧Vrはマイクロコンピュータ145に出力される。
The Ip2 detection circuit 171 is a circuit that detects the value of the current (second pumping current) Ip2 flowing from the second inner electrode 131 to the second counter electrode 133.
The Rpvs detection circuit 169 instantaneously supplies a current Ir between the detection electrode 119 and the reference electrode 121 of the oxygen concentration detection cell 77, and between the detection electrode 119 and the reference electrode 121 generated by the supplied current Ir. The voltage Vr is detected. The detected voltage Vr is output to the microcomputer 145.

なお、マイクロコンピュータでは、前記電流Irと電圧Vrとに基づいて、酸素濃度検知セル77の内部抵抗Rpvs(パルス抵抗)を算出する。この内部抵抗Rpvsは、酸素濃度検知セル77の温度と対応しているので、周知のように、内部抵抗Rpvsから、酸素濃度検知セル77の温度を求めることができる。   In the microcomputer, the internal resistance Rpvs (pulse resistance) of the oxygen concentration detection cell 77 is calculated based on the current Ir and the voltage Vr. Since the internal resistance Rpvs corresponds to the temperature of the oxygen concentration detection cell 77, the temperature of the oxygen concentration detection cell 77 can be obtained from the internal resistance Rpvs as is well known.

ヒータ駆動回路175は、CPU149により制御され、ヒータ95の発熱抵抗体105へ電圧を印加し、第1ポンプセル75、酸素濃度検知セル77、第2ポンプセル79(即ち各セル75、77、79の固体電解質)の加熱を行うと共に、それらの固体電解質の温度を所定の温度に保たせるための回路である。   The heater drive circuit 175 is controlled by the CPU 149 to apply a voltage to the heating resistor 105 of the heater 95, and the first pump cell 75, the oxygen concentration detection cell 77, and the second pump cell 79 (that is, the solid of each cell 75, 77, 79). This is a circuit for heating the electrolyte) and maintaining the temperature of the solid electrolyte at a predetermined temperature.

[1−4.ガスセンサ素子の動作]
次に、ガスセンサ素子7の動作の一例について説明する。
まず、エンジンの始動によって制御部143が起動すると、制御部143は、ヒータ73に電力を供給する。ヒータ73は、第1ポンプセル75、酸素濃度検知セル77、第2ポンプセル79を活性化温度まで加熱する。
[1-4. Operation of gas sensor element]
Next, an example of the operation of the gas sensor element 7 will be described.
First, when the control unit 143 is activated by starting the engine, the control unit 143 supplies power to the heater 73. The heater 73 heats the first pump cell 75, the oxygen concentration detection cell 77, and the second pump cell 79 to the activation temperature.

ここで、ヒータ73の制御について説明する。
上述したように、マイクロコンピュータ149では、酸素濃度検知セル77の内部抵抗Rpvsから求めた酸素濃度検知セル77の温度に基づいて、ヒータ駆動回路175の動作を制御して、第1ポンプセル75、酸素濃度検知セル77、第2ポンプセル79の加熱を行って、各セル75、77、79の温度を所定の温度に制御する。
Here, control of the heater 73 will be described.
As described above, the microcomputer 149 controls the operation of the heater drive circuit 175 on the basis of the temperature of the oxygen concentration detection cell 77 obtained from the internal resistance Rpvs of the oxygen concentration detection cell 77, so that the first pump cell 75, oxygen The concentration detection cell 77 and the second pump cell 79 are heated to control the temperature of each cell 75, 77, 79 to a predetermined temperature.

つまり、ヒータ駆動回路175では、各セル75、77、79の固体電解質(本第1実施形態では、具体的に酸素濃度検知セル77の固体電解質)が狙いとする温度になるように、発熱抵抗体105をPWM通電制御して当該発熱抵抗体105に電圧を印加する制御を行う。   That is, in the heater drive circuit 175, the heating resistance is set so that the solid electrolyte of each of the cells 75, 77, and 79 (specifically, the solid electrolyte of the oxygen concentration detection cell 77 in the first embodiment) has a target temperature. The body 105 is subjected to PWM energization control so that a voltage is applied to the heating resistor 105.

そして、上述したヒータ73の制御によって、各セル75、77、79が活性化温度まで加熱されると、制御部143は、第1ポンプセル75に電流(第1ポンピング電流)Ip1を流す。これにより、第1ポンプセル75は、固体電解質を介して第1内側電極111と第1対電極113との間で酸素を移動させることで、第1測定室97に流入した被測定ガス(排気ガス)における酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う。   When each cell 75, 77, 79 is heated to the activation temperature under the control of the heater 73 described above, the control unit 143 causes a current (first pumping current) Ip 1 to flow through the first pump cell 75. As a result, the first pump cell 75 moves oxygen between the first inner electrode 111 and the first counter electrode 113 via the solid electrolyte, so that the gas to be measured (exhaust gas) flowing into the first measurement chamber 97 is obtained. ) Oxygen is pumped in and out.

制御部143は、酸素濃度検知セル77の電極間電圧(端子間電圧)が一定電圧V1(例えば425mV)になるように、第1ポンプセル75に通電する第1ポンピング電流Ip1を制御する。酸素濃度検知セル77の電圧は、基準酸素室123の酸素濃度を基準として、検知電極119における酸素濃度に応じた値となる。この制御によって、第1測定室97の内部の酸素濃度は、NOxが分解しない程度に調整される。   The control unit 143 controls the first pumping current Ip1 that is supplied to the first pump cell 75 so that the interelectrode voltage (interterminal voltage) of the oxygen concentration detection cell 77 becomes a constant voltage V1 (for example, 425 mV). The voltage of the oxygen concentration detection cell 77 is a value corresponding to the oxygen concentration in the detection electrode 119 with the oxygen concentration in the reference oxygen chamber 123 as a reference. By this control, the oxygen concentration in the first measurement chamber 97 is adjusted to such an extent that NOx is not decomposed.

第1測定室97にて酸素濃度が調整された被測定ガスは、酸素濃度検知セル77の導入路101を介して、第2測定室103に向かってさらに流れる。
制御部143は、第2ポンプセル79に電極間電圧(端子間電圧)を印加する。この電圧は、被測定ガス中のNOxガスが酸素と窒素ガスに分解する程度の一定電圧に設定されている(酸素濃度検知セル77の制御電圧の値より高い電圧、例えば450mV)。これにより、被測定ガス中のNOxが、窒素と酸素に分解される。
The gas to be measured whose oxygen concentration is adjusted in the first measurement chamber 97 further flows toward the second measurement chamber 103 through the introduction path 101 of the oxygen concentration detection cell 77.
The controller 143 applies an interelectrode voltage (interterminal voltage) to the second pump cell 79. This voltage is set to a constant voltage such that the NOx gas in the gas to be measured is decomposed into oxygen and nitrogen gas (a voltage higher than the control voltage value of the oxygen concentration detection cell 77, for example, 450 mV). Thereby, NOx in the measurement gas is decomposed into nitrogen and oxygen.

制御部143は、NOxの分解により生じた酸素を第2測定室103から汲み出すように、第2ポンプセル79に電流(第2ポンピング電流)Ip2が流れる。第2ポンピング電流Ip2とNOx濃度の間には比例関係があるので、第2ポンピング電流Ip2の電流値を検出することによって被測定ガス中のNOx濃度を検出することができる。   The control unit 143 causes a current (second pumping current) Ip2 to flow through the second pump cell 79 so that oxygen generated by the decomposition of NOx is pumped from the second measurement chamber 103. Since there is a proportional relationship between the second pumping current Ip2 and the NOx concentration, the NOx concentration in the gas to be measured can be detected by detecting the current value of the second pumping current Ip2.

なお、ガスセンサ素子7は、接続端子15およびリード線35を介して、外部機器(EUC157)に接続される。制御部143は、ヒータ73に発熱用の電力を供給するとともに、素子部71の各セル(第1ポンプセル75,酸素濃度検知セル77,第2ポンプセル79)との間で信号を送受信することによって、ガスセンサ素子7を制御する。   The gas sensor element 7 is connected to an external device (EUC157) via the connection terminal 15 and the lead wire 35. The control unit 143 supplies power for heating to the heater 73 and transmits / receives signals to / from each cell (first pump cell 75, oxygen concentration detection cell 77, second pump cell 79) of the element unit 71. The gas sensor element 7 is controlled.

[1−5.ガスセンサの製造方法]
次に、第1実施形態のNOxセンサ1の製造方法について、前記図3及び図8を用いて説明する。
[1-5. Manufacturing method of gas sensor]
Next, a method for manufacturing the NOx sensor 1 of the first embodiment will be described with reference to FIGS.

ガスセンサ素子7を製造する場合、まず、公知のガスセンサ素子7の材料を作製する。
具体的には、素子部71の各セル75、77、79の固体電解質体となる未焼成固体電解質シート、素子部71の第1絶縁層81となる未焼成絶縁シート、素子部71の第2、第3絶縁層85、89となる未焼成絶縁部(スクリーン印刷により形成される未焼成絶縁部)の材料、ヒータ73の第4、第5絶縁層93、95となる未焼成絶縁シートなどを作製する。
When manufacturing the gas sensor element 7, first, a known material for the gas sensor element 7 is prepared.
Specifically, an unsintered solid electrolyte sheet serving as the solid electrolyte body of each cell 75, 77, 79 of the element unit 71, an unsintered insulating sheet serving as the first insulating layer 81 of the element unit 71, and the second of the element unit 71. , A material of an unsintered insulating part (unsintered insulating part formed by screen printing) to be the third insulating layers 85 and 89, an unsintered insulating sheet to be the fourth and fifth insulating layers 93 and 95 of the heater 73, and the like. Make it.

これらのうち、例えば、未焼成固体電解質シートを形成する場合、まず、ジルコニアを主体とするセラミック粉末に対して、アルミナ粉末やブチラール樹脂などを加えて、さらに混合溶媒(トルエン及びメチルエチルケトン)を混合して、スラリーを生成する。そして、このスラリーをドクターブレード法によりシート状とし、混合溶媒を揮発させることで未焼成固体電解質シートが作製される。   Among these, for example, when forming an unfired solid electrolyte sheet, first, alumina powder or butyral resin is added to ceramic powder mainly composed of zirconia, and a mixed solvent (toluene and methyl ethyl ketone) is further mixed. To produce a slurry. The slurry is made into a sheet by the doctor blade method, and the mixed solvent is volatilized to produce an unfired solid electrolyte sheet.

また、未焼成絶縁シートを形成する場合、まず、アルミナを主体とするセラミック粉末に対して、ブチラール樹脂とジブチルフタレートとを加えて、更に混合溶媒(トルエン及びメチルエチルケトン)を混合して、スラリーを生成する。そして、このスラリーをドクターブレード法によりシート状とし、混合溶媒を揮発させることで未焼成絶縁シートが作製される。なお、未焼成絶縁部の材料として、未焼成絶縁シートを形成する材料と同様なスラリーを作製する。   When forming an unsintered insulating sheet, first, butyral resin and dibutyl phthalate are added to ceramic powder mainly composed of alumina, and a mixed solvent (toluene and methyl ethyl ketone) is further mixed to produce a slurry. To do. The slurry is made into a sheet by a doctor blade method, and the mixed solvent is volatilized to produce an unfired insulating sheet. Note that, as the material for the unfired insulating portion, a slurry similar to the material for forming the unfired insulating sheet is prepared.

さらに、焼成後に、拡散抵抗体99、多孔質部117、多孔質部125になる未焼成の多孔質部を形成する場合、まず、アルミナ粉末100質量%、加熱焼失材(例えば、カーボンなど)及び可塑剤を湿式混合により分散した多孔質用のスラリーを生成する。可塑剤はブチラール樹脂及びDBPを有する。   Further, when forming an unfired porous portion that becomes the diffusion resistor 99, the porous portion 117, and the porous portion 125 after firing, first, 100% by mass of alumina powder, a heat-dissipated material (for example, carbon) and the like A porous slurry in which a plasticizer is dispersed by wet mixing is produced. The plasticizer has a butyral resin and DBP.

そして、これらのシートや材料を用いて、従来と同様に、例えば下記の手順で、焼成後にガスセンサ素子7となる未圧着積層体を作製する。
例えば、図3の下側の層から順に積層する場合には、まず、第5絶縁層95となる未焼成絶縁シートを配置し、その上面に、発熱抵抗体105となる白金ペーストをスクリーン印刷してヒータパターンを形成する。
Then, using these sheets and materials, an uncompressed laminated body that becomes the gas sensor element 7 after firing is produced in the following procedure, for example, as in the conventional case.
For example, when laminating in order from the lower layer of FIG. 3, first, an unfired insulating sheet to be the fifth insulating layer 95 is disposed, and a platinum paste to be the heating resistor 105 is screen-printed on the upper surface thereof. To form a heater pattern.

次に、第5絶縁層95となる未焼成絶縁シートの上面に、ヒータパターンを覆うように、第4絶縁層93となる未焼成絶縁シートを積層する。
次に、第4絶縁層93となる未焼成絶縁シートの上面に、第3セラミック層91となる未焼成固体電解質シートを積層する。
Next, an unfired insulating sheet to be the fourth insulating layer 93 is laminated on the unfired insulating sheet to be the fifth insulating layer 95 so as to cover the heater pattern.
Next, an unsintered solid electrolyte sheet to be the third ceramic layer 91 is laminated on the upper surface of the unsintered insulating sheet to be the fourth insulating layer 93.

次に、第3セラミック層91となる未焼成固体電解質シートの上面に、白金のメタライズインクを用いたスクリーン印刷によって、第2内側電極131及び第2対電極133となる電極パターンを形成する。また、白金にアルミナを加えたペーストを用いたスクリーン印刷によって、第3cリード部L3c及び第4リード部L4aとなるリードパターンを形成する。   Next, an electrode pattern to be the second inner electrode 131 and the second counter electrode 133 is formed on the upper surface of the unfired solid electrolyte sheet to be the third ceramic layer 91 by screen printing using platinum metallized ink. Moreover, the lead pattern used as the 3c lead part L3c and the 4th lead part L4a is formed by screen printing using the paste which added the alumina to platinum.

次に、第3セラミック層91となる未焼成固体電解質シートの上面に、未焼成絶縁部のスラリーを用いてスクリーン印刷して、第3絶縁層89となる未焼成絶縁部を形成する。この未焼成絶縁部の基準酸素室123内には、多孔質部125となる多孔質用のスラリーを充填し、その上に、カーボンペーストを充填する。   Next, screen printing is performed on the upper surface of the unfired solid electrolyte sheet to be the third ceramic layer 91 using the slurry of the unfired insulating portion to form the unfired insulating portion to be the third insulating layer 89. The reference oxygen chamber 123 of the unfired insulating portion is filled with a porous slurry that becomes the porous portion 125, and a carbon paste is filled thereon.

次に、第3絶縁層89となる未焼成絶縁部の上面に、第2セラミック層87となる未焼成固体電解質シートを積層する。この未焼成固体電解質シートには、予め、導入路101となる貫通孔を開けておく。また、未焼成固体電解質シートの上面及び下面に、予め、基
準電極121及び検知電極119となる電極パターンを前記と同様に形成し、第2リード部L2a及び第3bリード部L3bとなるリードパターンを前記と同様に形成する。
Next, an unfired solid electrolyte sheet to be the second ceramic layer 87 is laminated on the upper surface of the unfired insulating portion to be the third insulating layer 89. In this unfired solid electrolyte sheet, a through-hole serving as the introduction path 101 is formed in advance. In addition, on the upper and lower surfaces of the unfired solid electrolyte sheet, electrode patterns to be the reference electrode 121 and the detection electrode 119 are formed in the same manner as described above, and the lead patterns to be the second lead portion L2a and the third b lead portion L3b are formed. It is formed in the same manner as described above.

次に、第2セラミック層87となる未焼成固体電解質シートの上面に、未焼成絶縁部のスラリーを用いてスクリーン印刷して、第2絶縁層85となる未焼成絶縁部を形成する。
なお、この未焼成絶縁部のうち、拡散抵抗体99となる開口には、前記多孔質用のスラリーをスクリーン印刷する。また、第1測定室97となる開口には、カーボンペーストをスクリーン印刷する。
Next, screen printing is performed on the upper surface of the unsintered solid electrolyte sheet to be the second ceramic layer 87 using the slurry of the unsintered insulating part to form the unsintered insulating part to be the second insulating layer 85.
In addition, the porous slurry is screen-printed in the opening that becomes the diffusion resistor 99 in the unsintered insulating portion. A carbon paste is screen-printed in the opening that becomes the first measurement chamber 97.

次に、第2絶縁層85となる未焼成絶縁部の上面に、第1セラミック層83となる未焼成固体電解質シートを積層する。この未焼成固体電解質シートの上面及び下面には、予め、第1内側電極111及び第1対電極113となる電極パターンを前記と同様に形成し、第1リード部L1a及び第3aリード部L3aとなるリードパターンを前記と同様に形成する。   Next, an unsintered solid electrolyte sheet to be the first ceramic layer 83 is laminated on the upper surface of the unsintered insulating part to be the second insulating layer 85. On the upper and lower surfaces of the unfired solid electrolyte sheet, an electrode pattern to be the first inner electrode 111 and the first counter electrode 113 is formed in advance in the same manner as described above, and the first lead portion L1a and the third a lead portion L3a A lead pattern is formed in the same manner as described above.

次に、第1セラミック層83となる未焼成固体電解質シートの上面に、第1絶縁層81となる未焼成絶縁シートを積層する。この未焼成絶縁シートには、予め、開口部115となる貫通孔を空けおく。そして、この貫通孔に、多孔質部117となる多孔質用のスラリーをスクリーン印刷する。   Next, an unfired insulating sheet to be the first insulating layer 81 is laminated on the upper surface of the unfired solid electrolyte sheet to be the first ceramic layer 83. In this unfired insulating sheet, a through-hole that becomes the opening 115 is made in advance. And the slurry for the porous used as the porous part 117 is screen-printed in this through-hole.

このようにして未圧着積層体が形成される。なお、この未圧着積層体には、電極パッド25,26,27,28,29,30となる未焼成電極パッドなどが形成されている。
そして、この未圧着積層体を1MPaで加圧することにより、図8に示す様な圧着された成形体181を得る。
In this way, an uncompressed laminate is formed. In addition, unfired electrode pads to be the electrode pads 25, 26, 27, 28, 29, 30 and the like are formed in this non-bonded laminate.
And by pressing this uncompressed laminated body at 1 MPa, a compacted molded body 181 as shown in FIG. 8 is obtained.

そして、加圧により得られた成形体181を、所定の大きさで切断することにより、ガスセンサ素子7と大きさが同等の複数(例えば10個)の未焼成積層体を得る。
その後、この未焼成積層体を樹脂抜きし、さらに焼成温度1500℃にて、1時間で本焼成して、図2に示す様なガスセンサ素子7を得る。
Then, the green body 181 obtained by pressurization is cut into a predetermined size to obtain a plurality (for example, 10) of unfired laminated bodies having the same size as the gas sensor element 7.
Thereafter, the unfired laminate is removed from the resin, and further fired at a firing temperature of 1500 ° C. for 1 hour to obtain a gas sensor element 7 as shown in FIG.

このようにしてガスセンサ素子7を得た後、ガスセンサ素子7を主体金具5に組み付ける組付工程を行う。
即ち、この工程では、上記製造方法で作製されたガスセンサ素子7を金属ホルダ51に挿入し、さらにガスセンサ素子7をセラミックホルダ41、滑石リング43で固定し、組み立て体を作製する。その後、この組み立て体を主体金具5に固定し、ガスセンサ素子7の軸線O方向後端部側を滑石リング45、セラミックスリーブ9に挿通させつつ、これらを主体金具5に挿入する。
After obtaining the gas sensor element 7 in this way, an assembling step for assembling the gas sensor element 7 to the metal shell 5 is performed.
That is, in this step, the gas sensor element 7 produced by the above manufacturing method is inserted into the metal holder 51, and the gas sensor element 7 is fixed by the ceramic holder 41 and the talc ring 43, thereby producing an assembly. Thereafter, the assembly is fixed to the metal shell 5, and the rear end side of the gas sensor element 7 in the direction of the axis O is inserted into the talc ring 45 and the ceramic sleeve 9, and these are inserted into the metal shell 5.

そして、主体金具5の後端部47にてセラミックスリーブ9を加締め、下部組立体を作製する。なお、下部組立体には、あらかじめプロテクタ55が取付けられている。
一方、外筒57、セパレータ13、グロメット61などを組みつけ、上部組立体を作製する。そして、下部組立体と上部組立体とを接合し、NOxセンサ1を得る。
Then, the ceramic sleeve 9 is caulked at the rear end portion 47 of the metallic shell 5 to produce a lower assembly. A protector 55 is attached to the lower assembly in advance.
On the other hand, the outer cylinder 57, the separator 13, the grommet 61, and the like are assembled to produce an upper assembly. Then, the lower assembly and the upper assembly are joined to obtain the NOx sensor 1.

[1−6.効果]
(1)第1実施形態のガスセンサ制御装置141では、NOxの検出に用いられる第2ポンプセル79の第2内側電極131及び第2対電極133のそれぞれの少なくとも一部は、ガスセンサ素子7を積層方向に見た場合に、酸素濃度検知セル77の検知電極119と基準電極121との対向する対向領域R1の最外周SGに取り囲まれる特定領域R2に重なるように配置されているので、排気ガス中のNOxの検出精度が高いという効果がある。
[1-6. effect]
(1) In the gas sensor control device 141 of the first embodiment, at least a part of each of the second inner electrode 131 and the second counter electrode 133 of the second pump cell 79 used for the detection of NOx has the gas sensor element 7 in the stacking direction. Is disposed so as to overlap with the specific region R2 surrounded by the outermost periphery SG of the opposing region R1 where the detection electrode 119 and the reference electrode 121 of the oxygen concentration detection cell 77 face each other. There is an effect that the detection accuracy of NOx is high.

つまり、NOxを検出する第2ポンプセル79の第2内側電極131及び第2対電極133の配置された位置(ガス検出位置)を、酸素濃度検知セル77の内部抵抗を検出する位置(温度制御位置)と重ねることで、ガス検出位置では、ガスセンサ素子7の長手方向における温度ばらつきの影響を受けにくい。   That is, the position (gas detection position) where the second inner electrode 131 and the second counter electrode 133 of the second pump cell 79 that detects NOx are arranged is the position (temperature control position) where the internal resistance of the oxygen concentration detection cell 77 is detected. ), The gas detection position is less susceptible to temperature variations in the longitudinal direction of the gas sensor element 7.

すなわち、温度制御位置とガス検出位置とが近接している場合には、NOx濃度を検出する際に、第2ポンピング電流Ip2が温度ばらつきの影響を受けにくいので、NOxの検出精度が高いという顕著な効果を奏する。   That is, when the temperature control position and the gas detection position are close to each other, the second pumping current Ip2 is not easily affected by temperature variations when detecting the NOx concentration, so that the detection accuracy of NOx is high. Has an effect.

また、第1実施形態では、基準電極121と第2対電極133とは、互いに同じ基準酸素室123内に配置されているので、基準ガスが同じであり、その点からもNOxの検出精度が高いという利点がある。   In the first embodiment, since the reference electrode 121 and the second counter electrode 133 are disposed in the same reference oxygen chamber 123, the reference gas is the same, and the detection accuracy of NOx is also from that point. There is an advantage of high.

更に、導入路101の直下に、第2測定電極131が配置されているので、導入路101から導入された被測定ガスが第2測定電極に接触し易く、NOxの検出精度が高いという効果がある。   Furthermore, since the second measurement electrode 131 is disposed immediately below the introduction path 101, the gas to be measured introduced from the introduction path 101 can easily come into contact with the second measurement electrode, and the NOx detection accuracy is high. is there.

(2)また、第1実施形態では、酸素濃度検知セル77の検知電極119及び基準電極121の位置と、導入路101と、第2ポンプセル79とが、近い位置(即ち積層方向に重なるような位置)に設定されているので、NOxの検出精度が高いという効果がある。   (2) In the first embodiment, the positions of the detection electrode 119 and the reference electrode 121 of the oxygen concentration detection cell 77, the introduction path 101, and the second pump cell 79 are close to each other (that is, overlap in the stacking direction). Position), there is an effect that the NOx detection accuracy is high.

その上、導入路101に導入される被測定ガスは、検知電極119と接する位置(例えば導入路101の開口部の周囲)などによって、第2測定室103に導入される被測定ガス中に含まれるNOxの割合がばらつくことがある。それに対して、第1実施形態では、検知電極119及び基準電極は、少なくとも被測定ガスの導入方向上流側及び被測定ガスの導入方向下流側の第2セラミック層87上に、導入路101を囲むように配置されているので、第2測定室103に導入される被測定ガス中に含まれるNOxの割合のばらつきを抑制し、NOxの濃度を精度良く検出することできる。   In addition, the gas to be measured introduced into the introduction path 101 is included in the gas to be measured introduced into the second measurement chamber 103 depending on the position in contact with the detection electrode 119 (for example, around the opening of the introduction path 101). The ratio of NOx that is generated may vary. On the other hand, in the first embodiment, the detection electrode 119 and the reference electrode surround the introduction path 101 on the second ceramic layer 87 at least upstream in the introduction direction of the measurement gas and downstream in the introduction direction of the measurement gas. Therefore, the variation in the ratio of NOx contained in the gas to be measured introduced into the second measurement chamber 103 can be suppressed, and the concentration of NOx can be detected with high accuracy.

[1−7.特許請求の範囲との対応関係]
ここで、特許請求の範囲と第1実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
NOxセンサ1、ガスセンサ素子7、第1ポンプセル75、酸素濃度検知セル77、第2ポンプセル79が、それぞれ、ガスセンサ、ガスセンサ素子、第1ポンプセル、酸素濃度検知セル、第2ポンプセルの一例に相当する。
[1-7. Correspondence with Claims]
Here, the correspondence relationship of the words in the claims and the first embodiment will be described.
The NOx sensor 1, the gas sensor element 7, the first pump cell 75, the oxygen concentration detection cell 77, and the second pump cell 79 correspond to examples of the gas sensor, the gas sensor element, the first pump cell, the oxygen concentration detection cell, and the second pump cell, respectively.

また、第1測定室97、導入路101、第2測定室103が、それぞれ、第1測定室、導入路、第2測定室の一例に相当する。
また、セラミック層83,87,91がセラミック層の一例に相当し、第1内側電極111、第1対電極113、検知電極119、基準電極121、基準酸素室123、第2内側電極131、第2対電極133が、それぞれ、第1内側電極、第1対電極、検知電極、基準電極、基準ガス導入部、第2内側電極、第2対電極の一例に相当する。
The first measurement chamber 97, the introduction path 101, and the second measurement chamber 103 correspond to examples of the first measurement chamber, the introduction path, and the second measurement chamber, respectively.
The ceramic layers 83, 87, and 91 correspond to an example of a ceramic layer. The first inner electrode 111, the first counter electrode 113, the detection electrode 119, the reference electrode 121, the reference oxygen chamber 123, the second inner electrode 131, The two counter electrodes 133 correspond to examples of a first inner electrode, a first counter electrode, a detection electrode, a reference electrode, a reference gas introduction part, a second inner electrode, and a second counter electrode, respectively.

[2.第2実施形態]
次に、第2実施形態のガスセンサ制御装置について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第1実施形態と同様な構成の番号については、第1実施形態と同様な番号を使用する。
[2. Second Embodiment]
Next, although the gas sensor control apparatus of 2nd Embodiment is demonstrated, description of the content similar to the said 1st Embodiment is abbreviate | omitted. In addition, about the number of the structure similar to 1st Embodiment, the number similar to 1st Embodiment is used.

第2実施形態のガスセンサ制御装置では、図9(a)に示すように、第1実施形態と同様に、上側(図9(a)の上側)より、酸素濃度検知セル77の第2セラミック層87、
第3絶縁層89、第2ポンプセル79の第3セラミック層91などが配置されている。
In the gas sensor control device of the second embodiment, as shown in FIG. 9A, the second ceramic layer of the oxygen concentration detection cell 77 is formed from the upper side (upper side of FIG. 9A) as in the first embodiment. 87,
A third insulating layer 89, a third ceramic layer 91 of the second pump cell 79, and the like are disposed.

また、第2セラミック層87の上面に、円環状の検知電極119が配置され、第2セラミック層87の下面に、同心状に円環状の基準電極121が配置されている。さらに、第3セラミック層91の上面に、円形の第2内側電極131及びC字状の第2対電極133が配置されている。なお、各電極119、121、131、133の形状は平面視のものである(以下同様)。   An annular detection electrode 119 is disposed on the upper surface of the second ceramic layer 87, and an annular reference electrode 121 is disposed concentrically on the lower surface of the second ceramic layer 87. Further, a circular second inner electrode 131 and a C-shaped second counter electrode 133 are disposed on the upper surface of the third ceramic layer 91. Each electrode 119, 121, 131, 133 has a shape in plan view (the same applies hereinafter).

なお、第2内側電極131は第2測定室103内に配置され、基準電極121及び第2対電極133は基準酸素室123内に配置されている。
第2実施形態においても、基準電極121は検知電極119の投影領域内に配置されており、基準電極121と検知電極119とは、平面視で所定の円環状の対向領域R1(即ち基準電極121と一致する領域)にて重なっている。また、導入路101の直下に、第2内側電極131が配置されている。
The second inner electrode 131 is disposed in the second measurement chamber 103, and the reference electrode 121 and the second counter electrode 133 are disposed in the reference oxygen chamber 123.
Also in the second embodiment, the reference electrode 121 is disposed in the projection region of the detection electrode 119, and the reference electrode 121 and the detection electrode 119 are in a predetermined annular facing region R1 (that is, the reference electrode 121) in plan view. In the same area). In addition, a second inner electrode 131 is disposed immediately below the introduction path 101.

更に、平面視で、基準電極121の外周(従って前記最外周)GSより内側の範囲(特定領域R2:図9(b)の点線で囲まれる範囲内)に、第2内側電極131及び第2対電極133が配置されている。   Furthermore, in plan view, the second inner electrode 131 and the second inner electrode 131 and the second inner electrode 131 are located in a range (specific region R2: a range surrounded by a dotted line in FIG. 9B) inside the outer circumference of the reference electrode 121 (and hence the outermost circumference) GS. A counter electrode 133 is disposed.

第2実施形態では、平面視で、第2対電極133の外径が基準電極121の外径より大きいので、基準電極121の外周GSが、第2対電極133の内周と外周との間に位置している。   In the second embodiment, since the outer diameter of the second counter electrode 133 is larger than the outer diameter of the reference electrode 121 in plan view, the outer periphery GS of the reference electrode 121 is between the inner periphery and the outer periphery of the second counter electrode 133. Is located.

第2実施形態においても、第1実施形態と同様な効果を奏する。
[3.第3実施形態]
次に、第3実施形態のガスセンサ制御装置について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第1実施形態と同様な構成の番号については、第1実施形態と同様な番号を使用する。
In the second embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained.
[3. Third Embodiment]
Next, the gas sensor control device of the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted. In addition, about the number of the structure similar to 1st Embodiment, the number similar to 1st Embodiment is used.

第3実施形態のガスセンサ制御装置では、図10(a)に示すように、第1実施形態と同様に、上側(図10(a)の上側)より、酸素濃度検知セル77の第2セラミック層87、第3絶縁層89、第2ポンプセル79の第3セラミック層91などが配置されている。   In the gas sensor control device of the third embodiment, as shown in FIG. 10 (a), the second ceramic layer of the oxygen concentration detection cell 77 from the upper side (upper side of FIG. 10 (a)) as in the first embodiment. 87, the third insulating layer 89, the third ceramic layer 91 of the second pump cell 79, and the like are disposed.

また、第2セラミック層87の上面に、円環状の検知電極119が配置され、第2セラミック層87の下面に、同心状に円環状の基準電極121が配置されている。第3セラミック層91の上面に、円形の第2内側電極131及びC字状の第2対電極133が配置されている。   An annular detection electrode 119 is disposed on the upper surface of the second ceramic layer 87, and an annular reference electrode 121 is disposed concentrically on the lower surface of the second ceramic layer 87. A circular second inner electrode 131 and a C-shaped second counter electrode 133 are disposed on the upper surface of the third ceramic layer 91.

なお、第2内側電極131は第2測定室103内に配置され、基準電極121及び第2対電極133は基準酸素室123内に配置されている。
第3実施形態においては、平面視で、基準電極121と検知電極119とは、所定の環状の対向領域R1にて重なっている。また、導入路101の直下に、第2内側電極131が配置されている。
The second inner electrode 131 is disposed in the second measurement chamber 103, and the reference electrode 121 and the second counter electrode 133 are disposed in the reference oxygen chamber 123.
In the third embodiment, the reference electrode 121 and the detection electrode 119 overlap each other in a predetermined annular facing region R1 in plan view. In addition, a second inner electrode 131 is disposed immediately below the introduction path 101.

更に、平面視で、検知電極119の外周(従って前記最外周)GSより内側の範囲(特定領域R2:図10(b)の点線で囲まれる範囲内)に、第2内側電極131及び第2対電極133の少なくとも一部が配置されている。   Further, in plan view, the second inner electrode 131 and the second inner electrode 131 are disposed in a range (specific region R2: a range surrounded by a dotted line in FIG. 10B) inside the outer periphery (and hence the outermost periphery) GS of the detection electrode 119. At least a part of the counter electrode 133 is disposed.

なお、第3実施形態では、平面視で、基準電極121の外径が検知電極119の外径よ
り大きいので、検知電極119の外周GSが基準電極121の内周と外周との間に位置している。
In the third embodiment, since the outer diameter of the reference electrode 121 is larger than the outer diameter of the detection electrode 119 in plan view, the outer periphery GS of the detection electrode 119 is located between the inner periphery and the outer periphery of the reference electrode 121. ing.

第3実施形態においても、第1実施形態と同様な効果を奏する。
[4.第4実施形態]
次に、第4実施形態のガスセンサ制御装置について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第1実施形態と同様な構成の番号については、第1実施形態と同様な番号を使用する。
The third embodiment also has the same effect as the first embodiment.
[4. Fourth Embodiment]
Next, although the gas sensor control apparatus of 4th Embodiment is demonstrated, description of the content similar to the said 1st Embodiment is abbreviate | omitted. In addition, about the number of the structure similar to 1st Embodiment, the number similar to 1st Embodiment is used.

第4実施形態では、検知電極、基準電極、第2内側電極、第2対電極や、その近傍の構成が、第1実施形態と大きく異なっている。
<ガスセンサ素子の構成>
まず、第4実施形態のガスセンサ制御装置のうち、ガスセンサ素子7の構成について、図11及び図12に基づいて説明する。なお、ガスセンサ素子7以外は、第1実施形態と同様である。
In the fourth embodiment, the configuration of the detection electrode, the reference electrode, the second inner electrode, the second counter electrode, and the vicinity thereof is greatly different from that of the first embodiment.
<Configuration of gas sensor element>
First, the configuration of the gas sensor element 7 in the gas sensor control device of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12. Except for the gas sensor element 7, it is the same as in the first embodiment.

第4実施形態のガスセンサ素子7は、素子部71とヒータ73とを備えており、素子部71は、第1ポンプセル75と酸素濃度検知セル77と第2ポンプセル79とを備えている。   The gas sensor element 7 of the fourth embodiment includes an element unit 71 and a heater 73, and the element unit 71 includes a first pump cell 75, an oxygen concentration detection cell 77, and a second pump cell 79.

このうち、第1ポンプセル75は、固体電解質体からなる第1セラミック層83の両側に、第1内側電極111と第1対電極113とを備えている。なお、第1ポンプセル75の上面側には、多孔質部117を有する第1絶縁層81を備えており、下面側には、第1測定室97を有する第2絶縁層85を備えている。   Among these, the 1st pump cell 75 is provided with the 1st inner side electrode 111 and the 1st counter electrode 113 on both sides of the 1st ceramic layer 83 which consists of a solid electrolyte body. A first insulating layer 81 having a porous portion 117 is provided on the upper surface side of the first pump cell 75, and a second insulating layer 85 having a first measurement chamber 97 is provided on the lower surface side.

酸素濃度検知セル77は、導入路101を有し固体電解質体からなる第2セラミック層87の両側に、検知電極119と基準電極121とを備えている。
第2ポンプセル79は、固体電解質体からなる第3セラミック層91の上面に、第2内側電極131と第2対電極133とを備えている。
The oxygen concentration detection cell 77 includes a detection electrode 119 and a reference electrode 121 on both sides of a second ceramic layer 87 having an introduction path 101 and made of a solid electrolyte body.
The second pump cell 79 includes a second inner electrode 131 and a second counter electrode 133 on the upper surface of the third ceramic layer 91 made of a solid electrolyte body.

酸素濃度検知セル77と第2ポンプセル79との間には、上層89aと下層89bとからなる第3絶縁層89が配置されている。
詳しくは、図12に示すように、上層89aには、基準酸素室123の一部(図13の上部)を構成する円形の貫通孔123aが形成され、下層89bには、基準酸素室123の一部(図13の下部)を構成する円形の貫通孔123bが形成されている。
Between the oxygen concentration detection cell 77 and the second pump cell 79, a third insulating layer 89 composed of an upper layer 89a and a lower layer 89b is disposed.
Specifically, as shown in FIG. 12, the upper layer 89a is formed with a circular through-hole 123a that constitutes a part of the reference oxygen chamber 123 (upper part of FIG. 13), and the lower layer 89b has the reference oxygen chamber 123. A circular through hole 123b constituting a part (lower part of FIG. 13) is formed.

また、上層89aには、第2測定室103の一部(図13の上部)を構成する矩形状の貫通孔103aが形成され、下層89bには、第2測定室103の一部(図13の下部)を構成する矩形状の貫通孔103bが形成されている。なお、下層89bの貫通孔103bは、上層89aの貫通孔103aよりも、先端側に長く延びるように構成されている。   Further, a rectangular through hole 103a constituting a part of the second measurement chamber 103 (upper part of FIG. 13) is formed in the upper layer 89a, and a part of the second measurement chamber 103 (FIG. 13) is formed in the lower layer 89b. A rectangular through-hole 103b is formed. The through hole 103b in the lower layer 89b is configured to extend longer to the tip side than the through hole 103a in the upper layer 89a.

なお、ヒータ73は、第4絶縁層93と第5絶縁層95との間に、発熱抵抗体105を備えている。
<導入路の周囲の構成>
次に、第4実施形態の要部である導入路101の周囲の構成について、図12及び図13に基づいて、詳細に説明する。
The heater 73 includes a heating resistor 105 between the fourth insulating layer 93 and the fifth insulating layer 95.
<Configuration around the introduction path>
Next, the configuration around the introduction path 101, which is the main part of the fourth embodiment, will be described in detail with reference to FIGS.

図12及び図13に示すように、酸素濃度検知セル77の検知電極119は矩形状であり、基準電極121は、矩形状の1箇所の角部が凹んだ形状である。
また、検知電極119と基準電極121とのガスセンサ素子7の長手方向(図12、図
13の左右方向)における寸法は同じであり、検知電極119と基準電極121との幅方向(図12の上下方向)における寸法は、検知電極119の方が基準電極121より長く設定されている。
As shown in FIGS. 12 and 13, the detection electrode 119 of the oxygen concentration detection cell 77 has a rectangular shape, and the reference electrode 121 has a shape in which one corner of the rectangular shape is recessed.
Further, the dimensions of the detection electrode 119 and the reference electrode 121 in the longitudinal direction of the gas sensor element 7 (left and right direction in FIGS. 12 and 13) are the same, and the width direction of the detection electrode 119 and the reference electrode 121 (up and down in FIG. 12). The dimension in the direction) is set so that the detection electrode 119 is longer than the reference electrode 121.

更に、検知電極119と基準電極121とは、平面視で、検知電極119の投影領域内に基準電極121が含まれているように配置されている。なお、図13では、基準電極121の外周(従って前記最外周)GSを点線で示してある。   Furthermore, the detection electrode 119 and the reference electrode 121 are arranged so that the reference electrode 121 is included in the projection region of the detection electrode 119 in plan view. In FIG. 13, the outer periphery (and hence the outermost periphery) GS of the reference electrode 121 is indicated by a dotted line.

また、第2内側電極131と第2対電極133とは矩形状であり、ガスセンサ素子7の後端側(図13の右側)より順番に、幅方向に沿って平行に配置されている。
なお、平面視で、第2内側電極131は、第2測定室103の貫通孔103bの範囲内に形成されており、第2対電極133は、基準酸素室123全体を含むように形成されている。
The second inner electrode 131 and the second counter electrode 133 have a rectangular shape, and are arranged in parallel along the width direction in order from the rear end side (the right side in FIG. 13) of the gas sensor element 7.
In plan view, the second inner electrode 131 is formed within the range of the through hole 103b of the second measurement chamber 103, and the second counter electrode 133 is formed to include the entire reference oxygen chamber 123. Yes.

つまり、第4実施形態においては、平面視で、基準電極121と検知電極119とは、所定の対向領域R1(即ち基準電極121と同じ領域)にて重なっている。また、導入路101の直下に、第2内側電極131の一部が配置されている。   That is, in the fourth embodiment, the reference electrode 121 and the detection electrode 119 overlap each other in a predetermined facing region R1 (that is, the same region as the reference electrode 121) in plan view. In addition, a part of the second inner electrode 131 is disposed immediately below the introduction path 101.

更に、平面視で、基準電極121の外周GSより内側の範囲(特定領域R2:図12の点線で囲まれる範囲内)に、第2内側電極131の一部と第2対電極133の全体が配置されている。   Furthermore, in plan view, a part of the second inner electrode 131 and the entire second counter electrode 133 are within a range inside the outer periphery GS of the reference electrode 121 (specific region R2: a range surrounded by a dotted line in FIG. 12). Has been placed.

従って、ここでは、前記対向領域R1と前記特定領域R2とは同じ範囲となっている。
第4実施形態においても、実施例1と同様な効果を奏する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
Accordingly, here, the facing region R1 and the specific region R2 are in the same range.
In the fourth embodiment, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is possible to implement in various aspects.

(1)例えば、導入路の平面形状としては、円形が挙げられるが、それ以外の多角形や楕円形等の他の形状であってもよい。
(2)検知電極及び基準電極の平面形状としては、円環状が挙げられるが、それ以外の各種の環状の形状であってもよい。また、環状でなくてもよい。
(1) For example, the planar shape of the introduction path may be a circle, but may be other shapes such as a polygon or an ellipse.
(2) The planar shape of the detection electrode and the reference electrode includes an annular shape, but may be various other annular shapes. Moreover, it does not need to be annular.

(3)第2内側電極の平面形状としては、円形が挙げられるが、それ以外の多角形や楕円形等の他の形状であってもよい。
(4)第2対電極の平面形状としては、一部が切り欠かれた円環状(例えばC字状)が挙げられるが、それ以外の各種の環状などの形状であってもよい。また、環状でなくてもよい。
(3) The planar shape of the second inner electrode includes a circle, but may be other shapes such as a polygon or an ellipse.
(4) The planar shape of the second counter electrode includes an annular shape (for example, a C shape) with a part cut away, but may be other various annular shapes. Moreover, it does not need to be annular.

(5)基準酸素室の平面形状としては、一部が切り欠かれた円環状(例えばC字状)が挙げられるが、それ以外の多角形や楕円形等などの他の環状の形状であってもよい。
また、基準酸素室としては、周囲が密閉された空間を採用できるが、例えば大気と連通するように構成してもよい。
(5) The planar shape of the reference oxygen chamber may be an annular shape with a part cut away (for example, a C shape), but may have other annular shapes such as a polygon or an ellipse. May be.
Further, as the reference oxygen chamber, a space whose periphery is sealed can be adopted, but it may be configured to communicate with the atmosphere, for example.

(6)第1ポンプセル75は、上記各実施形態では、第1セラミック層83を用いて形成されていたが、例えば、第2セラミック層87を用いて形成してもよい。具体的には、第2セラミック層87の酸素濃度検知セル77よりも先端側に、第1ポンプセル75を配置してもよい。つまり、この場合には、第2セラミック層87は、第1ポンプセル75のセラミック層と酸素濃度検知セル77のセラミック層とを兼ねる。   (6) The first pump cell 75 is formed using the first ceramic layer 83 in each of the above embodiments, but may be formed using the second ceramic layer 87, for example. Specifically, the first pump cell 75 may be disposed on the tip side of the oxygen concentration detection cell 77 of the second ceramic layer 87. That is, in this case, the second ceramic layer 87 serves as both the ceramic layer of the first pump cell 75 and the ceramic layer of the oxygen concentration detection cell 77.

(7)上記実施形態では、ガスセンサとしてNOxセンサを例に挙げたが、本発明は、例えばアンモニアセンサ等の他のガスセンサにも適用することができる。   (7) In the above embodiment, the NOx sensor is exemplified as the gas sensor, but the present invention can also be applied to other gas sensors such as an ammonia sensor.

1…ガスセンサ、7…ガスセンサ素子、75…第1ポンプセル、77…酸素濃度検知セル、79…第2ポンプセル、83、87、91…セラミック層、97…第1測定室、101…導入路、103…第2測定室、111…第1内側電極、113…第1対電極、119…検知電極、121…基準電極、123…基準酸素室、131…第2内側電極、133…第2対電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas sensor, 7 ... Gas sensor element, 75 ... 1st pump cell, 77 ... Oxygen concentration detection cell, 79 ... 2nd pump cell, 83, 87, 91 ... Ceramic layer, 97 ... 1st measurement chamber, 101 ... Introduction path, 103 ... second measurement chamber, 111 ... first inner electrode, 113 ... first counter electrode, 119 ... detection electrode, 121 ... reference electrode, 123 ... reference oxygen chamber, 131 ... second inner electrode, 133 ... second counter electrode

Claims (3)

三つ以上のセラミック層を積層してなるガスセンサ素子であり、
三つ以上の前記セラミック層のうち、二つのセラミック層の層間に形成されると共に、外部から被測定ガスが導入される第1測定室と、
前記第1測定室を形成する前記層間とは異なる二つのセラミック層の層間に形成されると共に、前記第1測定室と少なくとも一部が積層方向に重なり合う第2測定室と、
前記第1測定室と前記第2測定室との間に配置されるセラミック層を前記積層方向に貫くと共に、前記第1測定室と前記第2測定室とを連通する導入路と、
前記第1測定室内の前記被測定ガスに含まれる酸素をポンピングする第1ポンプセルであり、前記第1測定室に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、前記第1測定室内に晒される第1内側電極と、該第1内側電極と対をなす第1対電極とを備える第1ポンプセルと、
前記第1ポンプセルより前記被測定ガスの導入方向下流側に配置され、前記被測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度検知セルであり、前記第1測定室に隣接するセラミックと、該セラミック層上に設けられ、前記第1測定室内に晒された検知電極と、該検知電極と対をなす基準電極とを備える酸素濃度検知セルと、
前記酸素濃度検知セルより前記被測定ガスの導入方向下流側に配置され、前記第2測定室内における被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた電流が流れる第2ポンプセルであり、前記第2測定室に隣接するセラミック層と、該セラミック層上に設けられ、前記第2測定室内に晒される第2内側電極と、該第2内側電極が設けられた前記セラミック層の同一面上に設けられ、該第2内側電極と対をなす第2対電極とを備える第2ポンプセルと
を有するガスセンサ素子と、
前記酸素濃度検知セルの内部抵抗に基づき、前記ガスセンサ素子の温度を制御する制御部と、
を有するガスセンサ制御装置であって、
前記酸素濃度検知セルは、前記検知電極と前記基準電極との少なくとも一部が、前記セラミック層を介して対向しており、
前記第2ポンプセルの前記第2内側電極及び前記第2対電極のそれぞれの少なくとも一部は、前記ガスセンサ素子を前記積層方向に見た場合に、前記検知電極と前記基準電極との対向する対向領域の最外周に取り囲まれる特定領域に重なるように配置されており、
且つ、前記基準電極と前記第2対電極とは、基準ガスが導入される基準ガス導入部内に配置されていることを特徴とするガスセンサ制御装置。
It is a gas sensor element formed by laminating three or more ceramic layers,
A first measurement chamber formed between two ceramic layers among the three or more ceramic layers, and a gas to be measured is introduced from the outside;
A second measurement chamber formed between two ceramic layers different from the interlayer forming the first measurement chamber, and at least a part of which overlaps with the first measurement chamber in the stacking direction;
An introduction path that passes through the ceramic layer disposed between the first measurement chamber and the second measurement chamber in the stacking direction and communicates the first measurement chamber and the second measurement chamber;
A first pump cell for pumping oxygen contained in the gas to be measured in the first measurement chamber; the ceramic layer adjacent to the first measurement chamber; the ceramic layer provided on the ceramic layer; and exposed to the first measurement chamber A first pump cell comprising a first inner electrode and a first counter electrode paired with the first inner electrode;
An oxygen concentration detection cell that is arranged downstream of the first pump cell in the introduction direction of the gas to be measured and measures the oxygen concentration in the gas to be measured; a ceramic adjacent to the first measurement chamber; and the ceramic layer An oxygen concentration detection cell comprising a detection electrode provided above and exposed to the first measurement chamber; and a reference electrode paired with the detection electrode;
A second pump cell that is arranged downstream of the oxygen concentration detection cell in the introduction direction of the gas to be measured, and in which a current corresponding to a specific gas concentration in the gas to be measured flows in the second measurement chamber; A ceramic layer adjacent to the ceramic layer, a second inner electrode provided on the ceramic layer and exposed to the second measurement chamber, and provided on the same surface of the ceramic layer provided with the second inner electrode, A gas sensor element comprising: a second pump cell comprising a second counter electrode paired with a second inner electrode;
A control unit for controlling the temperature of the gas sensor element based on the internal resistance of the oxygen concentration detection cell;
A gas sensor control device comprising:
In the oxygen concentration detection cell, at least a part of the detection electrode and the reference electrode are opposed via the ceramic layer,
At least a part of each of the second inner electrode and the second counter electrode of the second pump cell is a facing region where the detection electrode and the reference electrode face each other when the gas sensor element is viewed in the stacking direction. It is arranged so as to overlap a specific area surrounded by the outermost periphery of
The gas sensor control device is characterized in that the reference electrode and the second counter electrode are arranged in a reference gas introduction part into which a reference gas is introduced.
前記ガスセンサ素子を前記積層方向に見た場合に、前記検知電極及び前記基準電極は、それぞれ、少なくとも前記導入路よりも前記被測定ガスの導入方向上流側及び前記被測定ガスの導入方向下流側の前記セラミック層上に、前記導入路を囲むように設けられていると共に、前記導入路は、前記特定領域と少なくとも一部が重なるように設けられていることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ制御装置。   When the gas sensor element is viewed in the stacking direction, the detection electrode and the reference electrode are at least upstream of the introduction direction of the measurement gas and downstream of the introduction direction of the measurement gas with respect to the introduction path, respectively. The said introduction path is provided on the said ceramic layer so that the said introduction path may be enclosed, and the said specific path is provided so that at least one part may overlap. Gas sensor control device. 被測定ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサ素子を有するガスセンサを備えたガスセンサ制御装置であって、
前記ガスセンサ素子として、請求項1又は請求項2に記載のガスセンサ素子を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。
A gas sensor control device including a gas sensor having a gas sensor element for detecting a specific gas contained in a gas to be measured,
A gas sensor control device comprising the gas sensor element according to claim 1 or 2 as the gas sensor element.
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