JP6640665B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1に記載されたガスセンサのセンサ素子は、酸素イオン伝導性を有する2つの固体電解質体と、2つの固体電解質体の間に形成され、測定ガスが導入される測定ガス室と、各固体電解質体にそれぞれ隣接して形成され、基準ガスが導入される2つの基準ガス室と、固体電解質体の外側に対向して配置されたヒータとを備えている。
上記センサ素子は、
上記測定ガスが導入される測定ガス室(3)と、
基準ガス(A)が導入される第1基準ガス室(31)及び第2基準ガス室(32)と、
酸素イオン伝導性を有し、上記第1基準ガス室と上記測定ガス室の間に配置され、上記第1基準ガス室に面する第1主面(21)、及び上記測定ガス室に面する第2主面(22)を有する板状の第1固体電解質体(2A)と、
酸素イオン伝導性を有し、上記測定ガス室を介して上記第1固体電解質体と対向して配置され、上記測定ガス室に面する第1主面(23)、及び上記第2基準ガス室に面する第2主面(24)を有する第2固体電解質体(2B)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面に形成された第1基準電極(42A)、上記第1固体電解質体の上記第2主面に形成された第1ポンプ電極(41A)、及び上記第1基準電極と上記第1ポンプ電極との間に挟まれた上記第1固体電解質体の一部(201A)によって構成され、上記第1基準電極と上記第1ポンプ電極との間への通電によって上記測定ガス室内の酸素濃度を調整する第1ポンプセル(4A)と、
上記第2固体電解質体の上記第1主面に形成された第2ポンプ電極(41B)、上記第2固体電解質体の上記第2主面に形成された第2基準電極(42B)、及び上記第2ポンプ電極と上記第2基準電極との間に挟まれた上記第2固体電解質体の一部(201B)によって構成され、上記第2基準電極と上記第2ポンプ電極との間への通電によって上記測定ガス室内の酸素濃度を調整する第2ポンプセル(4B)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面に形成された第3基準電極(52)、上記第1固体電解質体の上記第2主面における、上記第1ポンプセルよりも上記測定ガスの流れ方向(F)の下流側に形成されたセンサ電極(51)、及び上記第3基準電極と上記センサ電極との間に挟まれた上記第1固体電解質体の一部(202A)によって構成され、上記第3基準電極と上記センサ電極との間に流れる電流に基づいて、上記各ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の測定ガスにおける特定ガス成分を測定するためのセンサセル(5)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面又は上記第2固体電解質体の上記第2主面に対向して配置されたヒータ(6)と、を備え、
上記第1基準ガス室の上記流れ方向に直交する第1断面積(S1)を、上記第1基準ガス室の上記流れ方向の第1長さ(L1)によって除した値(S1/L1)は、上記第2基準ガス室の上記流れ方向に直交する第2断面積(S2)を、上記第2基準ガス室の上記流れ方向の第2長さ(L2)によって除した値(S2/L2)よりも、上記第1基準ガス室及び上記第2基準ガス室の上記流れ方向の全長に亘って大きい、ガスセンサにある。
本発明の他の態様は、酸素を含む測定ガス(G)中の特定ガス成分の濃度を測定するためのセンサ素子(1)を備えるガスセンサ(10)であって、
上記センサ素子は、
上記測定ガスが導入される測定ガス室(3)と、
基準ガス(A)が導入される第1基準ガス室(31)及び第2基準ガス室(32)と、
酸素イオン伝導性を有し、上記第1基準ガス室と上記測定ガス室の間に配置され、上記第1基準ガス室に面する第1主面(21)、及び上記測定ガス室に面する第2主面(22)を有する板状の第1固体電解質体(2A)と、
酸素イオン伝導性を有し、上記測定ガス室を介して上記第1固体電解質体と対向して配置され、上記測定ガス室に面する第1主面(23)、及び上記第2基準ガス室に面する第2主面(24)を有する第2固体電解質体(2B)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面に形成された第1基準電極(42A)、上記第1固体電解質体の上記第2主面に形成された第1ポンプ電極(41A)、及び上記第1基準電極と上記第1ポンプ電極との間に挟まれた上記第1固体電解質体の一部(201A)によって構成され、上記第1基準電極と上記第1ポンプ電極との間への通電によって上記測定ガス室内の酸素濃度を調整する第1ポンプセル(4A)と、
上記第2固体電解質体の上記第1主面に形成された第2ポンプ電極(41B)、上記第2固体電解質体の上記第2主面に形成された第2基準電極(42B)、及び上記第2ポンプ電極と上記第2基準電極との間に挟まれた上記第2固体電解質体の一部(201B)によって構成され、上記第2基準電極と上記第2ポンプ電極との間への通電によって上記測定ガス室内の酸素濃度を調整する第2ポンプセル(4B)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面に形成された第3基準電極(52)、上記第1固体電解質体の上記第2主面における、上記第1ポンプセルよりも上記測定ガスの流れ方向(F)の下流側に形成されたセンサ電極(51)、及び上記第3基準電極と上記センサ電極との間に挟まれた上記第1固体電解質体の一部(202A)によって構成され、上記第3基準電極と上記センサ電極との間に流れる電流に基づいて、上記各ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の測定ガスにおける特定ガス成分を測定するためのセンサセル(5)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面又は上記第2固体電解質体の上記第2主面に対向して配置されたヒータ(6)と、を備え、
上記第1基準ガス室の上記流れ方向に直交する第1平均断面積(S1)を、上記第1基準ガス室の上記流れ方向の第1長さ(L1)によって除した値(S1/L1)は、上記第2基準ガス室の上記流れ方向に直交する第2平均断面積(S2)を、上記第2基準ガス室の上記流れ方向の第2長さ(L2)によって除した値(S2/L2)よりも大きく、
かつ、上記第1基準ガス室の、上記流れ方向の全長における、上記第1固体電解質体及び上記第2固体電解質体の積層方向の厚みは、第2基準ガス室の、上記流れ方向の全長における上記積層方向の厚みよりも大きい、ガスセンサにある。
具体的には、センサセルが設けられた第1固体電解質体の第1主面に面する第1基準ガス室における値(S1/L1)は、センサセルが設けられていない第2固体電解質体の第2主面に面する第2基準ガス室における値(S2/L2)よりも大きい。ここで、各値(S1/L1、S2/L2)は、各基準ガス室への基準ガスの導入のしやすさを示す尺度である。各値(S1/L1、S2/L2)は、各基準ガス室の平均断面積が大きいほど大きくなり、各基準ガス室の長さが長いほど小さくなる。そして、各値(S1/L1、S2/L2)が大きいほど、各基準ガス室へ基準ガスを導入しやすいことを示す。
以下に、上述したガスセンサの実施形態につき、図1〜図9を参照して説明する。
本実施形態のガスセンサ10は、酸素を含む測定ガスG中の特定ガス成分の濃度を測定するためのセンサ素子1を備える。センサ素子1は、図1に示すように、酸素イオン伝導性を有する第1固体電解質体2A及び第2固体電解質体2Bと、測定ガスGが導入される測定ガス室3と、基準ガスAが導入される第1基準ガス室31及び第2基準ガス室32と、第1固体電解質体2Aに設けられた第1ポンプセル4Aと、第2固体電解質体2Bに設けられた第2ポンプセル4Bと、第1固体電解質体2Aに設けられたセンサセル5と、第1固体電解質体2A及び第2固体電解質体2Bを加熱するヒータ6とを備える。
図5に示すように、ガスセンサ10は、車両における内燃機関の排気通路に配置されて用いられ、排気通路を流れる排ガスを測定ガスGとするとともに、酸素濃度が一定である大気を基準ガスAとして、排ガス中に含まれる特定ガスとしてのNOx(窒素酸化物)の濃度を測定するものである。
センサ素子1は絶縁碍子12に保持されており、絶縁碍子12はハウジング11に保持されている。ガスセンサ10は、ハウジング11によって排気通路に取り付けられ、センサ素子1の先端部は、排気通路内に配置される。また、ハウジング11には、センサ素子1の先端部を覆う二重のカバー18A、18Bが取り付けられている。
また、第1基準ガス室31の第1長さL1及び第2基準ガス室32の第2長さL2は、各基準電極42A、42B、52への基準ガスAの供給をより促すために、80mm以下とすることが好ましい。
本形態のガスセンサ10のセンサ素子1においては、センサセル5が設けられた第1固体電解質体2Aの第1主面21に面する第1基準ガス室31における値S1/L1は、第2固体電解質体2Bの第2主面24に面する第2基準ガス室32における値S2/L2よりも大きい。ここで、各値S1/L1、S2/L2は、各基準ガス室31、32への基準ガスAの導入のしやすさを示す尺度である。各値S1/L1、S2/L2は、各基準ガス室31、32の平均断面積S1、S2が大きいほど大きくなり、各基準ガス室31、32の長さL1、L2が長いほど小さくなる。そして、各値S1/L1、S2/L2が大きいほど、各基準ガス室31、32へ基準ガスAを導入しやすいことを示す。
本形態においては、ヒータ6の他の態様を示す。本形態においては、ヒータ6の配置位置が実施形態1の場合と異なる。
図10に示すように、ヒータ6は、第1固体電解質体2Aの第1主面21に対向して配置されている。
その他の構成は、実施形態1と同様である。なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
その他、実施形態1と同様の効果を得ることができる。
本確認試験においては、実施形態1のガスセンサ10の各サンプルを準備し、各サンプルについての第2基準ガス室32における値S2/L2(mm)に対する第1基準ガス室31における値S1/L1(mm)の比(S1/L1)/(S2/L2)を変化させた、センサ出力のズレ量を測定した。センサ出力のズレ量とは、測定ガスG中の特定ガス成分を測定した場合における、各サンプルによるセンサ出力と、理論上のセンサ出力とのズレ量のことをいう。センサ出力のズレ量は、0.1μA以内に収めることにより、ガスセンサ10のセンサ出力の変動を小さく抑えることができる。なお、本確認試験においては、センサ出力のズレ量を絶対値として表す。
本確認試験においては、第1基準ガス室31における値S1/L1と第2基準ガス室32における値S2/L2との合計を変化させた実施形態1のガスセンサ10の各サンプルを準備し、各サンプルについてのセンサ出力のズレ量を測定した。(S1/L1)/(S2/L2)は、2.6倍とし、第1基準ガス室31の第1長さL1及び第2基準ガス室32の第2長さL2は、60mmとした。本確認試験においては、測定ガス室3への測定ガスGの供給は確認試験1の場合と同様にして、リーンガス、リッチガス、リーンガスと順次変化させた。このときの各サンプルのセンサ出力のズレ量を図12に示す。
10 ガスセンサ
2A 第1固体電解質体
2B 第2固体電解質体
3 測定ガス室
4A 第1ポンプセル
4B 第2ポンプセル
5 センサセル
6 ヒータ
Claims (6)
- 酸素を含む測定ガス(G)中の特定ガス成分の濃度を測定するためのセンサ素子(1)を備えるガスセンサ(10)であって、
上記センサ素子は、
上記測定ガスが導入される測定ガス室(3)と、
基準ガス(A)が導入される第1基準ガス室(31)及び第2基準ガス室(32)と、
酸素イオン伝導性を有し、上記第1基準ガス室と上記測定ガス室の間に配置され、上記第1基準ガス室に面する第1主面(21)、及び上記測定ガス室に面する第2主面(22)を有する板状の第1固体電解質体(2A)と、
酸素イオン伝導性を有し、上記測定ガス室を介して上記第1固体電解質体と対向して配置され、上記測定ガス室に面する第1主面(23)、及び上記第2基準ガス室に面する第2主面(24)を有する第2固体電解質体(2B)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面に形成された第1基準電極(42A)、上記第1固体電解質体の上記第2主面に形成された第1ポンプ電極(41A)、及び上記第1基準電極と上記第1ポンプ電極との間に挟まれた上記第1固体電解質体の一部(201A)によって構成され、上記第1基準電極と上記第1ポンプ電極との間への通電によって上記測定ガス室内の酸素濃度を調整する第1ポンプセル(4A)と、
上記第2固体電解質体の上記第1主面に形成された第2ポンプ電極(41B)、上記第2固体電解質体の上記第2主面に形成された第2基準電極(42B)、及び上記第2ポンプ電極と上記第2基準電極との間に挟まれた上記第2固体電解質体の一部(201B)によって構成され、上記第2基準電極と上記第2ポンプ電極との間への通電によって上記測定ガス室内の酸素濃度を調整する第2ポンプセル(4B)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面に形成された第3基準電極(52)、上記第1固体電解質体の上記第2主面における、上記第1ポンプセルよりも上記測定ガスの流れ方向(F)の下流側に形成されたセンサ電極(51)、及び上記第3基準電極と上記センサ電極との間に挟まれた上記第1固体電解質体の一部(202A)によって構成され、上記第3基準電極と上記センサ電極との間に流れる電流に基づいて、上記各ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の測定ガスにおける特定ガス成分を測定するためのセンサセル(5)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面又は上記第2固体電解質体の上記第2主面に対向して配置されたヒータ(6)と、を備え、
上記第1基準ガス室の上記流れ方向に直交する第1断面積(S1)を、上記第1基準ガス室の上記流れ方向の第1長さ(L1)によって除した値(S1/L1)は、上記第2基準ガス室の上記流れ方向に直交する第2断面積(S2)を、上記第2基準ガス室の上記流れ方向の第2長さ(L2)によって除した値(S2/L2)よりも、上記第1基準ガス室及び上記第2基準ガス室の上記流れ方向の全長に亘って大きい、ガスセンサ。 - 酸素を含む測定ガス(G)中の特定ガス成分の濃度を測定するためのセンサ素子(1)を備えるガスセンサ(10)であって、
上記センサ素子は、
上記測定ガスが導入される測定ガス室(3)と、
基準ガス(A)が導入される第1基準ガス室(31)及び第2基準ガス室(32)と、
酸素イオン伝導性を有し、上記第1基準ガス室と上記測定ガス室の間に配置され、上記第1基準ガス室に面する第1主面(21)、及び上記測定ガス室に面する第2主面(22)を有する板状の第1固体電解質体(2A)と、
酸素イオン伝導性を有し、上記測定ガス室を介して上記第1固体電解質体と対向して配置され、上記測定ガス室に面する第1主面(23)、及び上記第2基準ガス室に面する第2主面(24)を有する第2固体電解質体(2B)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面に形成された第1基準電極(42A)、上記第1固体電解質体の上記第2主面に形成された第1ポンプ電極(41A)、及び上記第1基準電極と上記第1ポンプ電極との間に挟まれた上記第1固体電解質体の一部(201A)によって構成され、上記第1基準電極と上記第1ポンプ電極との間への通電によって上記測定ガス室内の酸素濃度を調整する第1ポンプセル(4A)と、
上記第2固体電解質体の上記第1主面に形成された第2ポンプ電極(41B)、上記第2固体電解質体の上記第2主面に形成された第2基準電極(42B)、及び上記第2ポンプ電極と上記第2基準電極との間に挟まれた上記第2固体電解質体の一部(201B)によって構成され、上記第2基準電極と上記第2ポンプ電極との間への通電によって上記測定ガス室内の酸素濃度を調整する第2ポンプセル(4B)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面に形成された第3基準電極(52)、上記第1固体電解質体の上記第2主面における、上記第1ポンプセルよりも上記測定ガスの流れ方向(F)の下流側に形成されたセンサ電極(51)、及び上記第3基準電極と上記センサ電極との間に挟まれた上記第1固体電解質体の一部(202A)によって構成され、上記第3基準電極と上記センサ電極との間に流れる電流に基づいて、上記各ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の測定ガスにおける特定ガス成分を測定するためのセンサセル(5)と、
上記第1固体電解質体の上記第1主面又は上記第2固体電解質体の上記第2主面に対向して配置されたヒータ(6)と、を備え、
上記第1基準ガス室の上記流れ方向に直交する第1平均断面積(S1)を、上記第1基準ガス室の上記流れ方向の第1長さ(L1)によって除した値(S1/L1)は、上記第2基準ガス室の上記流れ方向に直交する第2平均断面積(S2)を、上記第2基準ガス室の上記流れ方向の第2長さ(L2)によって除した値(S2/L2)よりも大きく、
かつ、上記第1基準ガス室の、上記流れ方向の全長における、上記第1固体電解質体及び上記第2固体電解質体の積層方向の厚みは、第2基準ガス室の、上記流れ方向の全長における上記積層方向の厚みよりも大きい、ガスセンサ。 - 上記第1基準ガス室及び上記第2基準ガス室の、上記流れ方向と、上記第1固体電解質体及び上記第2固体電解質体の積層方向との双方に直交する幅方向の幅は、上記第1基準ガス室及び上記第2基準ガス室の上記流れ方向の全長に亘って一定である、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 上記値(S1/L1)は、上記値(S2/L2)の2.6倍以上70倍以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 上記値(S1/L1)と上記値(S2/L2)との合計は、0.006mm以上である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 上記第1基準ガス室における、上記流れ方向の上流側端部を構成する内壁には、曲面状の角部(355)が形成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のガスセンサ。
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