JP6640665B2 - ガスセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、測定ガス中の特定ガス成分の濃度を測定するガスセンサに関する。
内燃機関の排気系においては、測定ガスとしての排ガス中における、酸素や窒素酸化物等の特定ガス成分の濃度を測定するガスセンサが用いられている。
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。
各固体電解質体には、測定ガス室内の酸素濃度を調整するためのポンプセルがそれぞれ設けられており、いずれかの固体電解質体には、測定ガス中の特定ガス成分を測定するためのセンサセルが、各ポンプセルが配置された位置よりも測定ガスの流れ方向の下流側の位置に設けられている。各ポンプセルにおいては、センサセルにおける特定ガス成分の測定に不要な酸素が各基準ガス室へ排出される。センサセルにおいては、特定ガス成分の濃度に応じて固体電解質体を伝導する酸素イオンの電流がセンサ出力として出力される。
特開２０１３−８８１１９号公報
ところで、特許文献１等に示される構造を有するガスセンサにおいては、発明者らの鋭意研究の結果、内燃機関の空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にある場合のリッチガスが測定ガスとして導入される際に、センサセルが設けられた第１固体電解質体に隣接する基準ガス室の容積と、センサセルが設けられていない第２固体電解質体に隣接する基準ガス室の容積との違いが、センサセルによるセンサ出力に影響を与えることが見出された。この理由としては、リッチガスがガスセンサに導入される際に、センサセルが設けられた第１固体電解質体における酸素イオンの移動量と、センサセルが設けられていない第２固体電解質体における酸素イオンの移動量とに差が生じることが起因していると考えられる。
特許文献１のガスセンサにおいては、センサセルが設けられた第１固体電解質体に隣接する基準ガス室の容積と、センサセルが設けられていない第２固体電解質体に隣接する基準ガス室の容積とが同等である。発明者らによれば、２つの基準ガス室の容積に何ら工夫がされていないと、リッチガスが導入される際に、センサセルによるセンサ出力の変動を小さく抑えることが難しくなることが見出された。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、センサセルによるセンサ出力の変動を小さく抑えることができるガスセンサを提供しようとするものである。
本発明の一態様は、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。
上記ガスセンサのセンサ素子においては、２つの固体電解質体を用いて２つのポンプセルを形成する場合において、センサセルによるセンサ出力を安定化させる工夫をしている。
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。
上記センサ素子の構成により、いわゆるリッチガスが測定ガスとして測定ガス室に導入される場合に、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基準ガス室内の酸素濃度の低下を抑制することができる。その結果、ガスセンサに導入される測定ガスがリッチガスとリーンガスとの間で変動する場合においても、センサセルによって特定ガス成分の濃度を測定する際のセンサ出力に生じる変動を小さく抑えることが可能になる。
上記センサ素子の構成により、センサ出力の変動を小さく抑えることが可能になる理由は、必ずしも明確ではないが、次のように考えられる。測定ガス室にＣＯ、ＨＣ、Ｈ2等を含むリッチガスが導入される場合には、リッチガス中のＣＯ及びＨＣをＣＯ2及びＨ2Ｏに変換するために、測定ガス室には、第１ポンプセル及び第２ポンプセルによって、第１基準ガス室及び第２基準ガス室から酸素が供給される。そして、第１基準ガス室内及び第２基準ガス室内の酸素濃度が低下しようとする。このとき、第１基準ガス室内の酸素濃度が低下すると、第３基準電極の電位が変動し、センサ出力が変動することになる。
また、センサセルにおいては、ＮＯｘの分解反応が行われると共に、Ｈ2Ｏの電気分解も行われることがある。この場合、第１固体電解質体においては、測定ガス室から第１基準ガス室へは、ＮＯｘ分解時の酸素イオンとＨ2Ｏ分解時の酸素イオンとが伝導する。このとき、第１基準ガス室内の酸素濃度が低下していると、Ｈ2Ｏの電気分解が促進されると考えられる。そのため、上記センサ素子においては、第１基準ガス室における値（Ｓ１／Ｌ１）を、第２基準ガス室における値（Ｓ２／Ｌ２）よりも大きくすることにより、第１基準ガス室内の酸素濃度の低下を抑制する。この構成により、第３基準電極の電位の変動が抑えられると共にセンサセルにおけるＨ2Ｏの電気分解が抑えられ、センサセルによるセンサ出力の変動が小さく抑えられると考えられる。
以上のように、上記ガスセンサによれば、センサセルによるセンサ出力の変動を小さく抑えることができる。
実施形態１における、センサ素子の断面を示す説明図。 図１における、II−II線断面矢視図。 実施形態１における、センサ素子の断面を示す説明図。 実施形態１における、センサ素子を模式的に示す分解斜視図。 実施形態１における、センサ素子を備えるガスセンサの断面図。 実施形態１における、他のセンサ素子の断面を示す説明図。 実施形態１における、他のセンサ素子の断面を示す説明図。 実施形態１における、他のセンサ素子の断面を示す説明図。 実施形態１における、ポンプセル及びセンサセルの動作を示す説明図。 実施形態２における、センサ素子の断面を示す説明図。 確認試験１における、第２基準ガス室における値（Ｓ２／Ｌ２）に対する第１基準ガス室における値（Ｓ１／Ｌ１）の比と、センサ出力のズレ量との関係を示すグラフ。 確認試験２における、値（Ｓ１／Ｌ１）と値（Ｓ２／Ｌ２）との合計と、センサ出力のズレ量との関係を示すグラフ。
（実施形態１）
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。
第１固体電解質体２Ａは、第１基準ガス室３１と測定ガス室３との間に配置されている。第１固体電解質体２Ａは、第１基準ガス室３１に面する第１主面２１と、測定ガス室３に面する第２主面２２とを有する。第２固体電解質体２Ｂは、測定ガス室３を介して第１固体電解質体２Ａと対向して配置されている。第２固体電解質体２Ｂは、測定ガス室３に面する第１主面２３と、第２基準ガス室３２に面する第２主面２４とを有する。
図１に示すように、第１ポンプセル４Ａは、第１固体電解質体２Ａの第１主面２１に形成された第１基準電極４２Ａと、第１固体電解質体２Ａの第２主面２２に形成された第１ポンプ電極４１Ａと、第１基準電極４２Ａと第１ポンプ電極４１Ａとの間に挟まれた第１固体電解質体の一部２０１Ａとによって構成されている。第１ポンプセル４Ａは、第１基準電極４２Ａと第１ポンプ電極４１Ａとの間への通電によって、測定ガス室３内の酸素濃度を調整するために用いられる。
第２ポンプセル４Ｂは、第２固体電解質体２Ｂの第１主面２３における、第１ポンプ電極４１Ａと対向する位置に形成された第２ポンプ電極４１Ｂと、第２固体電解質体２Ｂの第２主面２４に形成された第２基準電極４２Ｂと、第２ポンプ電極４１Ｂと第２基準電極４２Ｂとの間に挟まれた第２固体電解質体の一部２０１Ｂとによって構成されている。第２ポンプセル４Ｂは、第２基準電極４２Ｂと第２ポンプ電極４１Ｂとの間への通電によって、測定ガス室３内の酸素濃度を調整するために用いられる。
図１、図２に示すように、センサセル５は、第１固体電解質体２Ａの第１主面２１に形成された第３基準電極５２と、第１固体電解質体２Ａの第２主面２２における、第１ポンプセル４Ａよりも測定ガスＧの流れ方向Ｆの下流側に形成されたセンサ電極５１と、第３基準電極５２とセンサ電極５１との間に挟まれた第１固体電解質体２Ａの一部２０２Ａとによって構成されている。センサセル５は、第３基準電極５２とセンサ電極５１との間に流れる電流に基づいて、各ポンプセル４Ａ、４Ｂによって酸素濃度が調整された後の測定ガスＧにおける特定ガス成分の濃度を測定するために用いられる。ヒータ６は、第２固体電解質体２Ｂの第２主面２４に対向して配置されている。
図２、図３に示すように、第１基準ガス室３１の流れ方向Ｆに直交する第１平均断面積Ｓ１を、第１基準ガス室３１の流れ方向Ｆの第１長さＬ１によって除した値を、Ｓ１／Ｌ１とする。また、第２基準ガス室３２の流れ方向Ｆに直交する第２平均断面積Ｓ２を、第２基準ガス室３２の流れ方向Ｆの第２長さＬ２によって除した値を、Ｓ２／Ｌ２とする。このとき、Ｓ１／Ｌ１は、Ｓ２／Ｌ２よりも大きい。
次に、本形態のガスセンサ１０につき、さらに詳説する。
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。
ガスセンサ１０は、センサ素子１、ハウジング１１、絶縁碍子１２、１３、接点端子１４、リード線１５、カバー１６、ブッシュ１７、二重のカバー１８Ａ、１８Ｂ等を備える。
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。
絶縁碍子１２の基端側には、接点端子１４を保持する別の絶縁碍子１３が配置されている。各電極４１Ａ、４１Ｂ、４２Ａ、４２Ｂ、５１、５２のリード部及びヒータ６の発熱体６１のリード部は、センサ素子１の基端部に引き出され、接点端子１４に接続されている。接点端子１４に接続されたリード線１５は、ハウジング１１の基端側に取り付けられたカバー１６内において、ブッシュ１７によって保持されている。
図１、図４に示すように、固体電解質体２Ａ、２Ｂは、板形状のイットリア安定化ジルコニアによって形成されている。測定ガス室３は、第１固体電解質体２Ａの第２主面２２と第２固体電解質体２Ｂの第１主面２３との間に挟まれて形成されており、ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂ及びセンサ電極５１は測定ガス室３に配置されている。測定ガス室３は、測定ガスＧを所定の拡散速度で通過させる拡散抵抗層３３及びアルミナ等のセラミックスからなる絶縁体３４によって囲まれて形成されている。拡散抵抗層３３は、多孔質のセラミックスによって形成されている。測定ガスＧは、拡散抵抗層３３を通過して測定ガス室３に導入される。絶縁体３４には、測定ガス室３を形成するための切欠きが形成されている。
センサ素子１は、長尺形状に形成されており、拡散抵抗層３３は、長尺形状のセンサ素子１の先端部に設けられている。測定ガスＧは、センサ素子１の先端部における拡散抵抗層３３から測定ガス室３に導入され、測定ガス室３において、長尺形状のセンサ素子１の長尺方向Ｌに沿って流れる。そして、流れ方向Ｆは、長尺形状のセンサ素子１の長尺方向Ｌに沿った先端側から基端側への方向となる。
第１固体電解質体２Ａの第１主面２１には、基準ガスＡが導入される第１基準ガス室３１が隣接して形成されており、第１基準電極４２Ａ及び第３基準電極５２は、第１基準ガス室３１に配置されている。第１基準ガス室３１は、アルミナ等のセラミックスからなる絶縁体３５１、３５２によって囲まれて形成されている。絶縁体３５１には、第１基準ガス室３１を形成するための切欠きが形成されている。第２固体電解質体２Ｂの第２主面２４には、基準ガスＡが導入される第２基準ガス室３２が隣接して形成されており、第２基準電極４２Ｂは、第２基準ガス室３２に配置されている。第２基準ガス室３２は、ヒータ６及びアルミナ等のセラミックスからなる絶縁体３６によって囲まれて形成されている。絶縁体３６には、第２基準ガス室３２を形成するための切欠きが形成されている。
図１に示すように、第１ポンプセル４Ａ及び第２ポンプセル４Ｂには、第１ポンプ電極４１Ａと第１基準電極４２Ａとの間及び第２ポンプ電極４１Ｂと第２基準電極４２Ｂとの間に電圧を印加する電圧印加回路４３が接続されている。電圧印加回路４３は、ガスセンサ１０の制御装置（ＳＣＵ）に設けられている。ＳＣＵは、内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）からの指令を受け動作する。電圧印加回路４３によって、ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂと基準電極４２Ａ、４２Ｂとの間に電圧が印加されるときに、ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂに接触する測定ガスＧ中の酸素が分解されて、固体電解質体２Ａ、２Ｂを介して基準電極４２Ａ、４２Ｂへ酸素イオンが透過し、測定ガス室３における測定ガスＧ中の酸素が除去される。
本形態において、第１ポンプ電極４１Ａと第２ポンプ電極４１Ｂとは、同じ大きさに形成されて流れ方向Ｆの同じ位置に配置されている。これ以外にも、例えば、図６に示すように、第１ポンプ電極４１Ａの流れ方向Ｆの位置と第２ポンプ電極４１Ｂの流れ方向Ｆの位置とは互いに異なっていてもよい。また、例えば、図７に示すように、第１ポンプ電極４１Ａの大きさと第２ポンプ電極４１Ｂの大きさとは互いに異なっていてもよい。
図１、図２に示すように、センサセル５には、センサ電極５１と第３基準電極５２との間に所定の電圧を印加した状態で、これらの電極５１、５２の間に流れる電流を検出する電流検出回路５３が接続されている。センサ電極５１に接触する、測定ガスＧ中の特定ガス成分が分解されるときには、センサ電極５１から第１固体電解質体２Ａを介して第３基準電極５２へ酸素イオンが透過し、この酸素イオンによる電流が、電流検出回路５３によって検出される。
本形態の第３基準電極５２は、第１ポンプセル４Ａの第１基準電極４２Ａと一体的に形成されている。なお、第３基準電極５２は、図８に示すように、第１固体電解質体２Ａを介してセンサ電極５１と対向する位置に、第１基準電極４２Ａとは別体として形成してもよい。
ヒータ６は、図１、図４に示すように、通電によって発熱する発熱体６１と、発熱体６１を埋設するセラミック基板６２とによって構成されている。ヒータ６の発熱体６１に電圧が印加されると、発熱体６１が発熱し、センサ素子１が加熱される。ガスセンサ１０の始動時には、ヒータ６の加熱によって固体電解質体２Ａ、２Ｂ、ポンプセル４Ａ、４Ｂ及びセンサセル５が活性化される。ガスセンサ１０の使用時には、ヒータ６によって、センサ素子１の温度制御が行われる。そして、ヒータ６の発熱体６１への印加電圧は、センサ素子１の温度を所定の目標温度に保つよう調整される。
図３、図４に示すように、本形態の第１基準ガス室３１は、測定ガスＧの流れ方向Ｆの上流側の端部が絶縁体３５１によって閉塞され、流れ方向Ｆの下流側の端部が開口される状態で形成されている。第２基準ガス室３２は、測定ガスＧの流れ方向Ｆの上流側の端部が絶縁体３６によって閉塞され、流れ方向Ｆの下流側の端部が開口される状態で形成されている。
本形態の第１基準ガス室３１の第１長さＬ１は、絶縁体３５１に形成された切欠きの流れ方向Ｆの長さとなり、言い換えれば、絶縁体３５１における長尺方向Ｌの内側の端面から絶縁体３５１（又はセンサ素子１）の基端までの長さとなる。また、本形態の第２基準ガス室３２の第２長さＬ２は、絶縁体３６に形成された切欠きの流れ方向Ｆの長さとなり、言い換えれば、絶縁体３６における長手方向Ｌの内側の端面から絶縁体３６（又はセンサ素子１）の基端までの長さとなる。本形態の第１基準ガス室３１及び第２基準ガス室３２は、長尺方向Ｌに沿って直線状に形成されており、第１長さＬ１と第２長さＬ２とは同じである。
第１基準ガス室３１及び第２基準ガス室３２の少なくとも一方の基端部は、例えば、センサ素子１の基端まで形成せず、センサ素子１の長尺方向Ｌの中間部位において側方に開口する状態にすることもできる。この場合、第１長さＬ１又は第２長さＬ２の一方が他方に比べて短くなることがある。
第１平均断面積Ｓ１を第１長さＬ１で割り、第２平均断面積Ｓ２を第２長さＬ２で割る理由は、各長さＬ１、Ｌ２が長くなると、基準ガスＡが各基準ガス室３１、３２へ流入するための抵抗（又は損失）が大きくなるためである。従って、第１平均断面積Ｓ１と第２平均断面積Ｓ２とを直接比較するのではなく、第１長さＬ１と第２長さＬ２とが異なる場合も考慮して、第１平均断面積Ｓ１を第１長さＬ１で割った値Ｓ１／Ｌ１と、第２平均断面積Ｓ２を第２長さＬ２で割った値Ｓ２／Ｌ２とを比較する。
図２に示すように、第１基準ガス室３１の第１平均断面積Ｓ１は、第１基準電極４２Ａの厚みは考慮せず、固体電解質体２Ａの第１主面２１と絶縁体３５２の内側面との間の積層方向Ｄの距離と、絶縁体３５１における切欠きの幅方向Ｗの距離との積によって求められる値の平均値となる。また、第２基準ガス室３２の第２平均断面積Ｓ２は、第２基準電極４２Ｂの厚みは考慮せず、固体電解質体２Ｂの第２主面２４とセラミック基板６２の内側面との間の積層方向Ｄの距離と、絶縁体３６における切欠きの幅方向Ｗの距離との積によって求められる値の平均値となる。
ここで、積層方向Ｄとは、各固体電解質体２Ａ、２Ｂ及び各絶縁体３４、３５１、３５２、３６が積層された方向のことをいう。幅方向Ｗとは、長尺方向Ｌ（又は測定ガスＧの流れ方向Ｆ）及び積層方向Ｄに直交する方向のことをいう。
固体電解質体２Ａの第１主面２１と絶縁体３５２の内側面との間の積層方向Ｄの距離、及び絶縁体３５１における切欠きの幅方向Ｗの距離は、それぞれ一定になるようにしている。固体電解質体２Ｂの第２主面２４とセラミック基板６２の内側面との間の積層方向Ｄの距離、及び絶縁体３６における切欠きの幅方向Ｗの距離は、それぞれ一定になるようにしている。
第１基準ガス室３１及び第２基準ガス室３２の、流れ方向Ｆに直交する断面積は、一定にすることが好ましいが、センサ素子１の製造の仕方によっては、必ずしも一定にならない。例えば、図１における二点鎖線で示すように、第１基準ガス室３１における、流れ方向Ｆの上流側端部を構成する内壁には、曲面状の角部３５５が形成されていてもよい。この曲面状の角部３５５は、絶縁体３５１と絶縁体３５２とが一体となったセラミックシートを用いる場合に、第１基準ガス室３１に相当する部分を工具等によって除去加工するときに形成された部分とすることができる。
本形態のセンサ素子１において、第１基準ガス室３１における値Ｓ１／Ｌ１は、第２基準ガス室３２における値Ｓ２／Ｌ２に比べて２．６倍以上７０倍以下である。また、Ｓ１／Ｌ１とＳ２／Ｌ２との合計は、０．００６ｍｍ以上である。
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。
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
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。
センサ素子１の構成により、いわゆるリッチガスが測定ガスＧとして測定ガス室３に導入される場合に、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内の酸素濃度の低下を抑制することができる。その結果、ガスセンサ１０に導入される測定ガスＧがリッチガスとリーンガスとの間で変動する場合においても、センサセル５によって特定ガス成分の濃度を測定する際のセンサ出力に生じる変動を小さく抑えることが可能になる。
ここで、リッチガスとは、内燃機関における、燃料に対する空気の質量比である空燃比（Ａ／Ｆ）が、燃料を完全燃焼させる場合の空気の比率を示す理論空燃比よりもリッチ側（燃料の割合が多い側）にある場合の排ガスのことをいう。一方、リーンガスとは、内燃機関における空燃比が、理論空燃比よりもリーン側（空気の割合が多い側）にある場合の排ガスのことをいう。ガスセンサ１０には、リッチガス又はリーンガスによって燃焼が行われた後の排ガスが測定ガスＧとして導入される。
センサ素子１の構成により、センサ出力の変動を小さく抑えることが可能になる理由は、必ずしも明確ではないが、次のように考えられる。図９に示すように、測定ガス室３にＣＯ、ＨＣ、Ｈ2等を含むリッチガスＧ１が導入される場合には、リッチガスＧ１中のＣＯ及びＨＣをＣＯ2及びＨ2Ｏに変換するために、測定ガス室３には、図９における矢印Ｔ１、Ｔ２に示すように、第１ポンプセル４Ａ及び第２ポンプセル４Ｂによって、第１基準ガス室３１及び第２基準ガス室３２から酸素が供給される。そして、第１基準ガス室３１内及び第２基準ガス室３２内の酸素濃度が低下しようとする。このとき、第１基準ガス室３１内の酸素濃度が低下すると、第３基準電極５２の電位が変動し、センサ出力が変動することになる。
また、センサセル５においては、ＮＯｘの分解反応が行われると共に、Ｈ2Ｏの電気分解も行われることがある。この場合、第１固体電解質体２Ａにおいては、図９における矢印Ｔ３に示すように、測定ガス室３から第１基準ガス室３１へは、ＮＯｘ分解時の酸素イオンとＨ2Ｏ分解時の酸素イオンとが伝導する。このとき、第１基準ガス室３１内の酸素濃度が低下していると、Ｈ2Ｏの電気分解が促進されると考えられる。そのため、本形態のガスセンサ１０においては、第１基準ガス室３１における値Ｓ１／Ｌ１を、第２基準ガス室３２における値Ｓ２／Ｌ２よりも大きくすることにより、第１基準ガス室３１内の酸素濃度の低下を抑制する。この構成により、第３基準電極５２の電位が安定すると共にセンサセル５におけるＨ2Ｏの電気分解が抑えられ、センサセル５によるセンサ出力の変動が小さく抑えられると考えられる。
また、ポンプセル４Ａ、４Ｂを第１ポンプセル４Ａと第２ポンプセル４Ｂとに分けることにより、流れ方向Ｆにおけるポンプセル４Ａ、４Ｂの形成長さが短くなる。これにより、各ポンプセル４Ａ、４Ｂの各ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂによって酸素濃度が調整された測定ガスＧがセンサセル５のセンサ電極５１に到達するまでの時間が短くなり、測定ガスＧにおける特定ガス濃度の測定の応答性を高く維持することができる。
以上のように、上記ガスセンサ１０によれば、測定の応答性を高く維持したまま、センサセル５によるセンサ出力の変動を小さく抑えることができる。
（実施形態２）
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。
本形態のガスセンサ１０におけるヒータ６は、センサセル５が形成された第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。そのため、センサセル５が形成されていない第２固体電解質体２Ｂの第２主面２４に対向してヒータ６が配置される実施形態１の場合に比べて、センサセル５の配置位置をヒータ６の配置位置に近づけることができ、ガスセンサ１０の始動時及び使用時において、ヒータ６が動作した際に発生する熱をセンサセル５に素早く伝達することができる。これにより、ガスセンサ１０の周辺温度が過渡的に変動した場合においても、センサセル５の温度を目標とする温度範囲内に保つことが容易になる。この結果、センサセル５の温度変動が抑制され、センサセル５による測定ガスＧにおける特定ガス濃度の測定精度を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
（確認試験１）
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。
各サンプルにおける第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Ｓ１／Ｌ１＋Ｓ２／Ｌ２は、０．００８ｍｍとした。第１基準ガス室３１の第１平均断面積Ｓ１と第２基準ガス室３２の第２平均断面積Ｓ２との合計Ｓ１＋Ｓ２は、０．３６ｍｍ2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、４５ｍｍとした。
本確認試験においては、まず、各サンプルのヒータ６により、各サンプルのセンサセル５の温度が７５０℃になるまで加熱した。各サンプルのセンサセル５の温度が安定した後、０〜６００秒の経過時間の間、各サンプルの測定ガス室３へ、酸素の濃度が２１％、一酸化窒素の濃度が４００ｐｐｍ、残部が窒素の測定ガスＧを供給した。次いで、６００〜１２００秒の経過時間の間、各サンプルの測定ガス室３へ、酸素の濃度が０％、一酸化窒素の濃度が４００ｐｐｍ、一酸化炭素の濃度が１．５％、水素の濃度が４％、プロパンの濃度が２％の測定ガスＧを供給した。その後、再び、各サンプルの測定ガス室３へ、酸素の濃度が２１％、一酸化窒素の濃度が４００ｐｐｍ、残部が窒素の測定ガスＧを供給した。こうして、測定ガスＧをリーンガス、リッチガス、リーンガスと変化させたときの各サンプルのセンサ出力のズレ量を図１１に示す。
同図に示されるように、各サンプルのセンサ出力のズレ量は、（Ｓ１／Ｌ１）／（Ｓ２／Ｌ２）が２．６倍以上７０倍以下になる場合には、判断基準である０．１μＡ以内となった。一方、各サンプルのセンサ出力のズレ量は、（Ｓ１／Ｌ１）／（Ｓ２／Ｌ２）が２．６倍未満になる場合には、判断基準である０．１μＡを著しく超えた。この理由としては、第１基準ガス室３１における値Ｓ１／Ｌ１が第２基準ガス室３２における値Ｓ２／Ｌ２よりも十分に大きくないことにより、第１基準ガス室３１内の酸素濃度が低下し、センサセル５においてＨ2Ｏの電気分解が生じたためと考えられる。
一方、各サンプルのセンサ出力のズレ量は、（Ｓ１／Ｌ１）／（Ｓ２／Ｌ２）が７０倍超過になる場合にも、判断基準である０．１μＡを超えた。この理由としては、基準電極４２Ｂへの基準ガスＡの供給量が不足し、ポンプセル４ＢにおいてＣＯがＣＯ2へ十分に変換されず、センサセル５に一部のＣＯが到達し、センサセル５におけるセンサ電極５１においてＣＯとＮＯの反応が生じたためと考えられる。このことより、ガスセンサ１０のセンサ出力の変動を小さく抑えるためには、（Ｓ１／Ｌ１）／（Ｓ２／Ｌ２）は２．６倍以上７０倍以下とすることが好ましいことが分かった。
（確認試験２）
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。
同図に示されるように、各サンプルのセンサ出力のズレ量は、Ｓ１／Ｌ１＋Ｓ２／Ｌ２が０．００６ｍｍ以上になる場合には、判断基準である０．１μＡ以内となった。一方、各サンプルのセンサ出力のズレ量は、Ｓ１／Ｌ１＋Ｓ２／Ｌ２が０．００６ｍｍ未満になる場合には、判断基準である０．１μＡを著しく超えた。この理由としては、リッチガスにおけるＣＯをＣＯ2に変換するための第１基準ガス室３１及び第２基準ガス室３２における酸素量が不足し、センサセル５のセンサ電極５１において、ＣＯとＮＯとの反応が生じたためと考えられる。このことより、ガスセンサ１０のセンサ出力の変動を小さく抑えるためには、Ｓ１／Ｌ１＋Ｓ２／Ｌ２は０．００６ｍｍ以上とすることが好ましいことが分かった。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態を構成することが可能である。
１ センサ素子
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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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