JP6933571B2 - Gas sensor - Google Patents
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Description
本開示は、被測定ガスに含まれる特定ガスを検出するガスセンサに関する。 The present disclosure relates to a gas sensor that detects a specific gas contained in a gas to be measured.
特許文献1のように、所定の活性化温度以上に加熱されることで、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出することが可能となるガスセンサが知られている。このようなガスセンサは、起動した後に早期に特定ガス濃度の検出が可能な状態(すなわち、活性化状態)となるように、ヒータを備えている。
As in
また、固体電解質体を備えて形成される検出素子の内部抵抗は、検出素子の温度と相関関係を有する形で変化する特性を有する。このため、検出素子を制御するセンサ制御装置は、この内部抵抗を検出し、検出された内部抵抗を用いて算出された温度に基づいてヒータを駆動することにより、検出素子が目標温度となるように制御することができる。 Further, the internal resistance of the detection element formed by the solid electrolyte body has a property of changing in a form correlating with the temperature of the detection element. Therefore, the sensor control device that controls the detection element detects this internal resistance and drives the heater based on the temperature calculated using the detected internal resistance so that the detection element reaches the target temperature. Can be controlled to.
しかし、ガスセンサの周囲の温度変化に起因して検出素子の温度が目標温度から外れると、ガスセンサによる特定ガス濃度の検出精度が低下する恐れがある。
本開示は、検出素子の温度変動を抑制することを目的とする。
However, if the temperature of the detection element deviates from the target temperature due to a temperature change around the gas sensor, the accuracy of detecting the specific gas concentration by the gas sensor may decrease.
An object of the present disclosure is to suppress temperature fluctuations of a detection element.
本開示の一態様は、検出素子と、金属製の収容部材と、金属製のプロテクタとを備えるガスセンサである。検出素子は、長尺状に形成されて、被測定ガスに含まれる特定ガスを検出する。収容部材は、軸線方向に延びる筒状に形成され、自身の内側に検出素子を収容する。 One aspect of the present disclosure is a gas sensor including a detection element, a metal accommodating member, and a metal protector. The detection element is formed in a long shape and detects a specific gas contained in the gas to be measured. The accommodating member is formed in a tubular shape extending in the axial direction, and accommodates the detection element inside itself.
プロテクタは、被測定ガスが通過する通気孔が形成され、検出素子の先端を覆うように収容部材に固定される。
また、本開示のガスセンサは、軸線方向に延びる筒状に形成され、収容部材との間に軸線方向に延びる環状または有端環状の空間が形成されるように配置される空間形成部材を備える。
The protector is fixed to the accommodating member so as to have a vent through which the gas to be measured passes and to cover the tip of the detection element.
Further, the gas sensor of the present disclosure includes a space forming member which is formed in a tubular shape extending in the axial direction and is arranged so as to form an annular or endless annular space extending in the axial direction between the gas sensor and the accommodating member.
検出素子は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、固体電解質体上に形成された一対の電極とを有する検出セルと、検出セルを所定の温度になるように加熱するヒータとを備える。検出セルは、空間の内側に配置される。なお、「空間の内側に配置される」とは、空間よりも径方向の内側に配置されることである。 The detection element includes a detection cell having an oxygen ion conductive solid electrolyte body and a pair of electrodes formed on the solid electrolyte body, and a heater for heating the detection cell to a predetermined temperature. The detection cell is arranged inside the space. In addition, "arranged inside the space" means that it is arranged inside the space in the radial direction.
このように構成された本開示のガスセンサでは、検出セルは、空間形成部材と空間と金属製の収容部材とが径方向に沿って積層された部分(以下、積層部)によって検出セルの周囲が覆われる。 In the gas sensor of the present disclosure configured in this way, in the detection cell, the periphery of the detection cell is formed by a portion in which the space forming member, the space, and the metal accommodating member are laminated along the radial direction (hereinafter referred to as the laminated portion). Be covered.
このため、ガスセンサの周囲の温度変化がガスセンサの検出セルの温度に影響を及ぼす一つの経路は、ガスセンサの周囲の熱が上記の積層部を伝導して検出セルに至る経路である。 Therefore, one path in which the temperature change around the gas sensor affects the temperature of the detection cell of the gas sensor is a path in which the heat around the gas sensor is conducted through the above-mentioned laminated portion to reach the detection cell.
そして積層部は、空間形成部材と収容部材との間に空間が形成されている。すなわち、空間形成部材と金属製の収容部材との間に気体が存在している。そして、気体は金属よりも熱伝導率が小さい。このため、本開示のガスセンサは、ガスセンサの周囲の熱が積層部を介して検出セルへ伝導し難くなり、検出セルの温度変動を抑制することができる。そして、検出セルの温度変動が抑制されることにより、検出素子の温度変動を抑制することができる。 In the laminated portion, a space is formed between the space forming member and the accommodating member. That is, a gas exists between the space forming member and the metal accommodating member. And gas has a lower thermal conductivity than metal. Therefore, in the gas sensor of the present disclosure, it becomes difficult for the heat around the gas sensor to be conducted to the detection cell through the laminated portion, and the temperature fluctuation of the detection cell can be suppressed. Then, by suppressing the temperature fluctuation of the detection cell, the temperature fluctuation of the detection element can be suppressed.
また本開示の一態様では、空間形成部材は、収容部材との間に空間が形成された状態で、収容部材の外周面の少なくとも一部分を覆うように配置されるようにしてもよい。また本開示の一態様では、空間形成部材は、収容部材との間に空間が形成された状態で、収容部材の内周面の少なくとも一部分を覆うようにして収容部材の内部に配置されるようにしてもよい。 Further, in one aspect of the present disclosure, the space forming member may be arranged so as to cover at least a part of the outer peripheral surface of the accommodating member in a state where a space is formed between the space forming member and the accommodating member. Further, in one aspect of the present disclosure, the space forming member is arranged inside the accommodating member so as to cover at least a part of the inner peripheral surface of the accommodating member in a state where a space is formed between the space forming member and the accommodating member. You may do it.
また本開示の一態様では、検出素子は、測定室と、ポンピングセルと、酸素濃度検出セルとを備え、酸素濃度検出セルは、検出セルであり、ポンピングセルは、酸素濃度検出セルよりも検出素子の先端側に配置されるとともに、収容部材の内部に配置されるようにしてもよい。測定室は、被測定ガスが導入される。ポンピングセルは、酸素イオン伝導性の第1固体電解質体と、第1固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、測定室に導入された被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。酸素濃度検出セルは、酸素イオン伝導性の第2固体電解質体と、第2固体電解質体上に形成された検知電極と基準電極とを有し、検知電極が測定室に面して配置され、検知電極と基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる。 Further, in one aspect of the present disclosure, the detection element includes a measurement chamber, a pumping cell, and an oxygen concentration detection cell, the oxygen concentration detection cell is a detection cell, and the pumping cell detects more than the oxygen concentration detection cell. It may be arranged on the tip end side of the element and inside the accommodating member. The gas to be measured is introduced into the measurement room. The pumping cell has an oxygen ion conductive first solid electrolyte body and a pair of pumping electrodes formed on the first solid electrolyte body, and is measured by passing a pumping current between the pair of pumping electrodes. The oxygen in the gas to be measured introduced into the chamber is pumped out or pumped out. The oxygen concentration detection cell has a second solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, and a detection electrode and a reference electrode formed on the second solid electrolyte body, and the detection electrode is arranged so as to face the measurement chamber. An electromotive force is generated according to the difference in oxygen concentration between the detection electrode and the reference electrode.
このように構成された本開示のガスセンサでは、ポンピングセルが収容部材の内部に配置されているため、ポンピングセルは、その径方向の周囲が収容部材に覆われている。このため、本開示のガスセンサは、ガスセンサの周囲の熱がポンピングセルに至るのを収容部材によって抑制することができる。これにより、本開示のガスセンサは、検出素子の温度変動を更に抑制することができる。 In the gas sensor of the present disclosure configured in this way, since the pumping cell is arranged inside the accommodating member, the radial circumference of the pumping cell is covered with the accommodating member. Therefore, in the gas sensor of the present disclosure, the heat around the gas sensor can be suppressed from reaching the pumping cell by the accommodating member. Thereby, the gas sensor of the present disclosure can further suppress the temperature fluctuation of the detection element.
(第1実施形態)
以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態のNOxセンサ1は、車両に搭載され、内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物(以下、NOx)を検出する。
(First Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
The
NOxセンサ1は、図1に示すように、主体金具2と、ガスセンサ素子3と、保持部4と、プロテクタ5と、外筒6と、複数のリード線7と、複数の接続端子8と、分離部9と、グロメット10を備える。図1において、NOxセンサ1の下端側を先端側FEといい、NOxセンサ1の上端側を後端側BEという。
As shown in FIG. 1, the
主体金具2は、例えばステンレス等の耐熱金属で筒状に形成された部材である。主体金具2は、本体部21と取付部22を備える。
本体部21は、NOxセンサ1の軸線Oの方向(以下、軸線方向DAという)に延びる円筒状に形成された部材である。また本体部21は、軸線方向DAに沿って貫通する貫通孔21aを備える。貫通孔21aの内周壁には、径方向内側に向かって突出する段部21bが形成されている。
The
The
取付部22は、本体部21に対して回転自在となるように本体部21を取り囲んでいる筒状部材であり、六角部22aとネジ部22bを備える。本体部21の外周面と取付部22の内周面との間には、軸線方向DAに延びる円筒状の空間23が形成されている。空間23は、有端環状であり、径方向に閉じられた空間となっている。より詳細には、図1の断面図では、空間23が軸線方向及び径方向にそれぞれ所定厚さをもって均一に形成されているが、取付部22の内周面と本体部21の外周面とは一部で接触している。従って、空間23は有端環状(C字状)となる。
The
六角部22aは、本体部21の外周から径方向に沿って外側へ延びて外周が六角形の板状に形成されている。六角部22aは、NOxセンサ1を排気管に取り付けるときに六角レンチ等の取付工具を嵌合させるための部位である。
The
ネジ部22bは、六角部22aより先端側FEに位置し、本体部21の外周から径方向に沿って外側へ延びて外周に雄ネジが形成されている。この雄ネジは、NOxセンサ1を内燃機関の排気管に取り付けるために排気管に設けられている取付ネジ孔に嵌め合わせることが可能な形状を有する。
The
ガスセンサ素子3は、素子本体部31と保護層32を備える。素子本体部31は、軸線方向DAに延びる長尺の板状に形成されている。そして、素子本体部31の先端側FEに、ガスセンサ素子3が晒される被測定ガス(本実施形態では内燃機関の排気ガス)に含まれる特定ガス(本実施形態ではNOx)の濃度を検出する検知部31aが形成されている。保護層32は、多孔質状のアルミナで形成されており、少なくとも検知部31aを覆うようにして素子本体部31の先端側FEに配置される。
The gas sensor element 3 includes an element
保持部4は、セラミックホルダ41と滑石粉末42とセラミックスリーブ43とパッキン44を備える。
セラミックホルダ41は、本体部21の段部21bによって支持された状態で本体部21の貫通孔21a内に収容可能な略円筒状に形成されたアルミナ製の部材である。セラミックホルダ41には、軸線方向DAに沿って貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔内にガスセンサ素子3が挿入される。
The holding
The
滑石粉末42は、セラミックホルダ41よりも後端側BEで本体部21の貫通孔21a内に充填される。
セラミックスリーブ43は、本体部21の貫通孔21a内に収容可能な略円筒状に形成されたアルミナ製の部材である。セラミックスリーブ43には、軸線方向DAに沿って貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔内にガスセンサ素子3が挿入される。これにより、セラミックスリーブ43は、滑石粉末42よりも後端側BEで本体部21の貫通孔21a内に収容される。
The
The
パッキン44は、本体部21の貫通孔21a内に収容可能な円環状に形成された部材である。パッキン44は、セラミックスリーブ43と、本体部21における後端側BEの端部21cとの間に配置される。本体部21の端部21cは、パッキン44を介してセラミックスリーブ43を先端側FEへ押し付けるように加締められる。これにより、滑石粉末42が圧縮充填され、保持部4は、ガスセンサ素子3の先端側FEがセラミックホルダ41の先端側FEより突出するとともに、ガスセンサ素子3の後端側BEが主体金具2の後端側BEより突出する状態で、ガスセンサ素子3を保持する。
The packing 44 is a member formed in an annular shape that can be accommodated in the through
なお、本体部21の段部21bは、ネジ部22bより後端側BEに配置されている。このため、保持部4は、ネジ部22bより後端側BEで、本体部21の貫通孔21a内に収容される。これにより、保持部4は、段部21bより先端側FEで検知部31aが貫通孔21a内に配置されている状態で、ガスセンサ素子3を保持する。
The
さらに、検知部31aの内部に設けられている後述の酸素濃度検出セル140は、本体部21の貫通孔21a内において、保持部4より先端側FEで、軸線方向DAに沿って空間23が存在する範囲Rs1に配置される。なお、範囲Rs1における貫通孔21aの径方向の長さ(すなわち、貫通孔21aの内径)は、範囲Rs1における本体部21のネジ部22bの径方向の長さ(すなわち、ネジ部22bの厚さ)よりも大きい。
Further, in the oxygen
プロテクタ5は、主体金具2から突出するガスセンサ素子3の先端側FEの端部を覆うように筒状に形成された金属製の部材である。プロテクタ5には、複数のガス取入孔5aが形成されている。プロテクタ5は、溶接により、主体金具2の先端側FEの外周に接合されている。
The
プロテクタ5は、二重構造をなしており、外側プロテクタ51と内側プロテクタ52を備える。外側には、有底円筒状の外側プロテクタ51が配置され、内側には、有底円筒状の内側プロテクタ52が配置される。
The
外筒6は、軸線方向DAに延びる筒状に形成された金属製の部材である。外筒6は、先端側FEの端部の開口部6a内に、主体金具2の本体部21において取付部22よりも後端側BEに位置する部分を嵌め込んだ状態で固定される。
The
複数のリード線7は、素子本体部31の後端側BEに形成された図示しない複数の電極パッドのそれぞれに対応して設けられており、素子本体部31と、ガスセンサ素子3を駆動制御するセンサ制御装置170とを電気的に接続するための導線である。なお、図1では2本のリード線7を示す。また、センサ制御装置170は、図1に示しておらず、図2に示している。
The plurality of
複数の接続端子8は、複数のリード線7のそれぞれに対応して設けられ、対応するリード線7の一端部に取り付けられる。
分離部9は、セパレータ91と保持部材92を備える。セパレータ91は、軸線方向DAに延びる円筒状に形成されたセラミック製の部材であり、外筒6内に配置される。セパレータ91の内部には、複数の接続端子8と、素子本体部31の後端側BEの一部分とを収容可能な空間が形成されている。セパレータ91は、複数の接続端子8の後端側BEがセパレータ91の後端側BEより突出しており且つ複数の接続端子8が互いに接触しない状態を保持して、複数の接続端子8を内部に収容する。またセパレータ91は、複数の接続端子8がそれぞれ素子本体部31の電極パッドに接触している状態を保持する。また、セパレータ91の後端側BEの外周面には、径方向に沿って外側へ延びる鍔部91aが形成されている。
The plurality of
The separation unit 9 includes a
保持部材92は、本体部92aと湾曲部92bを備える。本体部92aは、軸線方向DAに延びる筒状に形成された金属製の部材である。湾曲部92bは、本体部92aの後端側BEから延びてU字状に曲げられた部材である。保持部材92は、鍔部91aよりも先端側FEで外筒6とセパレータ91との間に位置するように設置される。これにより、本体部92aは、外筒6の内周面に接触する状態となり、湾曲部92bは、セパレータ91の鍔部91aをその内側に向けて押し付ける状態となる。このため、セパレータ91は保持部材92によって外筒6内に保持される。
The holding
グロメット10は、軸線方向DAに延びる円筒状に形成されたフッ素ゴム製の弾性部材である。グロメット10には、軸線方向DAに沿って貫通する複数の貫通孔が形成されている。複数の貫通孔は、上記の複数のリード線7のそれぞれに対応して設けられており、複数の貫通孔には、それぞれ対応するリード線7が挿入される。
The
グロメット10は、外筒6における後端側BEの端部の開口部6bの内側に配置され、外筒6を介して径方向に加締められる。これにより、外筒6における後端側BEの端部の開口部6bが閉塞される。
The
ガスセンサ素子3の素子本体部31は、図2に示すように、絶縁層113、セラミック層114、絶縁層115、セラミック層116、絶縁層117、セラミック層118、絶縁層119および絶縁層120が順次積層されて構成されている。絶縁層113,115,117,119,120は、アルミナを主体として形成されている。
As shown in FIG. 2, the element
素子本体部31は、セラミック層114とセラミック層116との間に形成される第1測定室121を備える。素子本体部31は、第1測定室121に隣接するようにしてセラミック層114とセラミック層116との間に配置された拡散抵抗体122を介して、外部から第1測定室121の内部に排気ガスを導入する。拡散抵抗体122は、アルミナ等の多孔質材料で形成されている。
The element
素子本体部31は、第1ポンピングセル130を備える。第1ポンピングセル130は、固体電解質層131と、ポンピング電極132,133を備える。
固体電解質層131は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。第1測定室121と接触する領域における一部分のセラミック層114が除去され、セラミック層114の代わりに固体電解質層131が充填されている。
The element
The
ポンピング電極132,133は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極132は、固体電解質層131において第1測定室121と接触する面上に配置される。ポンピング電極133は、固体電解質層131を挟んでポンピング電極132とは反対側で固体電解質層131の面上に配置される。ポンピング電極133が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層113は除去され、絶縁層113の代わりに多孔質体134が充填される。多孔質体134は、ポンピング電極133と外部との間でガス(例えば、酸素)の出入りを可能とする。
The pumping
素子本体部31は、酸素濃度検出セル140を備える。酸素濃度検出セル140は、固体電解質層141と、検知電極142と、基準電極143を備える。
固体電解質層141は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。固体電解質層131よりも後端側(すなわち、図2の右側)の領域における一部分のセラミック層116が除去され、セラミック層116の代わりに固体電解質層141が充填されている。
The element
The
検知電極142と基準電極143は、白金を主体として形成されている。検知電極142は、固体電解質層141における第1測定室121と接触する面上に配置される。基準電極143は、固体電解質層141を挟んで検知電極142とは反対側で固体電解質層141の面上に配置される。
The
素子本体部31は、基準酸素室146を備える。基準酸素室146は、基準電極143が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層117が除去されることにより形成された貫通孔である。
The element
素子本体部31は、第2測定室148を備える。第2測定室148は、検知電極142および基準電極143よりも後端側で固体電解質層141および絶縁層117を貫通して形成される。素子本体部31は、第1測定室121から排出された排気ガスを第2測定室148の内部に導入する。
The element
素子本体部31は、第2ポンピングセル150を備える。第2ポンピングセル150は、固体電解質層151と、ポンピング電極152,153を備える。
固体電解質層151は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。基準酸素室146および第2測定室148と接触する領域とその周辺の領域のセラミック層118が除去され、セラミック層118の代わりに固体電解質層151が充填されている。
The element
The
ポンピング電極152,153は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極152は、固体電解質層151において第2測定室148と接触する面上に配置される。ポンピング電極153は、基準酸素室146を挟んで基準電極143とは反対側で固体電解質層151の面上に配置される。基準酸素室146の内部において、ポンピング電極153を覆うように多孔質体147が配置されている。
The pumping
素子本体部31は、ヒータ160を備える。ヒータ160は、白金を主体として形成され、通電されることで発熱する発熱抵抗体であり、絶縁層119と絶縁層120との間に配置される。
The element
素子本体部31は、センサ制御装置170に接続されている。センサ制御装置170は、素子本体部31を制御するとともに、素子本体部31の検出結果に基づいて、排気ガス中のNOx濃度を算出する。
The element
センサ制御装置170は、制御回路180と、マイクロコンピュータ190(以下、マイコン190)を備える。
制御回路180は、回路基板上に配置されたアナログ回路である。制御回路180は、Ip1ドライブ回路181、Vs検出回路182、基準電圧比較回路183、Icp供給回路184、Rpvs検出回路185、Vp2印加回路186、Ip2検出回路187およびヒータ駆動回路188を備える。
The
The
そして、ポンピング電極132、検知電極142およびポンピング電極152は、基準電位に接続される。ポンピング電極133は、Ip1ドライブ回路181に接続される。基準電極143は、Vs検出回路182とIcp供給回路184とRpvs検出回路185に接続される。ポンピング電極153は、Vp2印加回路186とIp2検出回路187に接続される。ヒータ160は、ヒータ駆動回路188に接続される。
Then, the pumping
Ip1ドライブ回路181は、ポンピング電極132とポンピング電極133との間に電圧Vp1を印加して第1ポンピング電流Ip1を供給するとともに、供給した第1ポンピング電流Ip1を検出する。
The
Vs検出回路182は、検知電極142と基準電極143との間の電圧Vsを検出し、検出した結果を基準電圧比較回路183へ出力する。
基準電圧比較回路183は、基準電圧(例えば、425mV)とVs検出回路182の出力(すなわち、電圧Vs)とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路181へ出力する。そしてIp1ドライブ回路181は、電圧Vsが基準電圧と等しくなるように、第1ポンピング電流Ip1の流れる向きと第1ポンピング電流Ip1の大きさとを制御するとともに、第1測定室121内の酸素濃度を、NOxが分解しない程度の所定値に調整する。
The
The reference
Icp供給回路184は、検知電極142と基準電極143との間に微弱な電流Icpを流す。これにより、酸素が第1測定室121から固体電解質層141を介して基準酸素室146に送り込まれるため、基準酸素室146は、基準となる所定の酸素濃度に設定される。
The
Rpvs検出回路185は、酸素濃度検出セル140の検知電極142と基準電極143との間に瞬間的に電流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142と基準電極143との間の電圧Vrを検出する。なお、マイコン190は、電流Irと電圧Vrとに基づいて、酸素濃度検出セル140の内部抵抗Rpvsを算出する。この内部抵抗Rpvsは、酸素濃度検出セル140の温度と対応しているため、周知のように、内部抵抗Rpvsから、酸素濃度検出セル140の温度を算出することができる。
The
Vp2印加回路186は、ポンピング電極152とポンピング電極153との間に、一定電圧Vp2(例えば、450mV)を印加する。これにより、第2測定室148では、第2ポンピングセル150を構成するポンピング電極152,153の触媒作用によって、NOxが解離される。この解離により得られた酸素イオンがポンピング電極152とポンピング電極153との間の固体電解質層151を移動することにより第2ポンピング電流Ip2が流れる。Ip2検出回路187は、第2ポンピング電流Ip2を検出する。
The
ヒータ駆動回路188は、発熱抵抗体であるヒータ160の一端にヒータ通電用の正電圧を印加するともに、ヒータ160の他端にヒータ通電用の負電圧を印加することにより、ヒータ160を駆動する。
The
マイコン190は、CPU191、ROM192、RAM193および信号入出力部194を備える。
CPU191は、ROM192に記憶されたプログラムに基づいて、NOxセンサ1を制御するための処理を実行する。信号入出力部194は、Ip1ドライブ回路181、Vs検出回路182、Rpvs検出回路185、Ip2検出回路187およびヒータ駆動回路188に接続される。
The
The
CPU191は、信号入出力部194を介して回路181,182,185,187から入力される信号に基づいて、排気ガス中のNOx濃度と、酸素濃度検出セル140の温度を算出する。またCPU191は、信号入出力部194を介してヒータ駆動回路188へ駆動信号を出力することによりヒータ160を制御する。
The
次に、ガスセンサ素子3の動作の一例について説明する。
まず、センサ制御装置170が起動すると、センサ制御装置170は、ヒータ160に電力を供給する。ヒータ160は、第1ポンピングセル130、酸素濃度検出セル140および第2ポンピングセル150を活性化温度まで加熱する。
Next, an example of the operation of the gas sensor element 3 will be described.
First, when the
そして、各セル130,140,150が活性化温度まで加熱されると、センサ制御装置170は、第1ポンピングセル130に第1ポンピング電流Ip1を流す。これにより、第1ポンピングセル130は、固体電解質層131を介してポンピング電極132とポンピング電極133との間で酸素を移動させることで、第1測定室121に流入した排気ガスに含まれる酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う。
Then, when each of the
センサ制御装置170は、酸素濃度検出セル140の検知電極142と基準電極143との間の電圧Vsが基準電圧(例えば425mV)になるように、第1ポンピングセル130に流す第1ポンピング電流Ip1を制御する。酸素濃度検出セル140の電圧Vsは、基準酸素室146の酸素濃度を基準として、検知電極142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121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
第1測定室121にて酸素濃度が調整された排気ガスは、第2測定室148に向かってさらに流れる。
センサ制御装置170は、第2ポンピングセル150のポンピング電極152とポンピング電極153との間に一定電圧Vp2を印加する。この電圧は、排気ガス中のNOxガスが酸素と窒素ガスに分解する程度の電圧に設定されている。これにより、排気ガス中のNOxが、窒素と酸素に分解される。NOxの分解により生じた酸素を第2測定室148から汲み出すように、第2ポンピングセル150に第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排気ガス中のNOx濃度を検出することができる。
The exhaust gas whose oxygen concentration has been adjusted in the
The
またセンサ制御装置170は、内部抵抗Rpvsに基づいて算出した酸素濃度検出セル140の温度を用いて、ガスセンサ素子3が目標とする温度になるように、ヒータ駆動回路188を介してヒータ160に電流を供給する制御を行う。
Further, the
このように構成されたNOxセンサ1は、ガスセンサ素子3と、金属製の本体部21と、金属製のプロテクタ5とを備える。ガスセンサ素子3は、長尺状に形成されて、排気ガスに含まれるNOxを検出する。本体部21は、軸線方向DAに延びる筒状に形成され、自身の内側にガスセンサ素子3を収容する。プロテクタ5は、排気ガスが通過するガス取入孔5aが形成され、ガスセンサ素子3の先端側FEの端部を覆うように本体部21に固定される。
The
またNOxセンサ1は、軸線方向DAに延びる筒状に形成され、本体部21との間に軸線方向DAに延びる有端環状の空間23が形成されるように配置される取付部22を備える。取付部22は、本体部21との間に空間23が形成された状態で、本体部21の外周面の少なくとも一部分を覆うように配置される。
Further, the
ガスセンサ素子3は、酸素イオン伝導性の固体電解質層141と、固体電解質層141上に形成された一対の検知電極142および基準電極143とを有する酸素濃度検出セル140と、酸素濃度検出セル140を所定の温度になるように加熱するヒータ160とを備える。酸素濃度検出セル140は、空間23の内側に配置される。
The gas sensor element 3 includes an oxygen
このようにNOxセンサ1では、酸素濃度検出セル140は、取付部22と空間23と金属製の本体部21とが径方向に沿って積層された部分(以下、第1積層部)によって酸素濃度検出セル140の周囲が覆われる。
As described above, in the
このため、NOxセンサ1の周囲の温度変化が酸素濃度検出セル140の温度に影響を及ぼす一つの経路は、NOxセンサ1の周囲の熱が上記の第1積層部を伝導して酸素濃度検出セル140に至る経路である。
Therefore, one path in which the temperature change around the
そして第1積層部は、取付部22と本体部21との間に空間23が形成されている。すなわち、取付部22と金属製の本体部21との間に気体が存在している。そして、気体は金属よりも熱伝導率が小さい。このため、NOxセンサ1は、NOxセンサ1の周囲の熱が第1積層部を介して酸素濃度検出セル140へ伝導し難くなり、酸素濃度検出セル140の温度変動を抑制することができる。そして、酸素濃度検出セル140の温度変動が抑制されることにより、ガスセンサ素子3の温度変動を抑制することができる。
In the first laminated portion, a
またNOxセンサ1では、ガスセンサ素子3は、第1測定室121と、第1ポンピングセル130とを備え、第1ポンピングセル130は、酸素濃度検出セル140よりもガスセンサ素子3の先端側FEに配置されるとともに、本体部21の内部に配置される。
Further, in the
第1測定室121は、排気ガスが導入される。第1ポンピングセル130は、酸素イオン伝導性の固体電解質層131と、固体電解質層131上に形成された一対のポンピング電極132,133とを有し、一対のポンピング電極132,133の間で第1ポンピング電流Ip1を流すことにより、第1測定室121に導入された排気ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。酸素濃度検出セル140は、固体電解質層141と、固体電解質層141上に形成された検知電極142と基準電極143とを有し、検知電極142が第1測定室121に面して配置され、検知電極142と基準電極143との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる。
Exhaust gas is introduced into the
このようにNOxセンサ1では、第1ポンピングセル130が本体部21の内部に配置されているため、第1ポンピングセル130は、その径方向の周囲が本体部21に覆われている。このため、NOxセンサ1は、NOxセンサ1の周囲の熱が第1ポンピングセル130に至るのを本体部21によって抑制することができる。これにより、NOxセンサ1は、ガスセンサ素子3の温度変動を更に抑制することができる。
As described above, in the
なお、NOxセンサ1はガスセンサに相当し、ガスセンサ素子3は検出素子に相当し、本体部21は収容部材に相当し、ガス取入孔5aは通気孔に相当する。
また、取付部22は空間形成部材に相当し、空間23は有端環状の空間に相当し、固体電解質層141は固体電解質体に相当し、検知電極142および基準電極143は一対の電極に相当し、酸素濃度検出セル140は検出セルに相当する。
The
Further, the mounting
また、排気ガスは被測定ガスに相当し、NOxは特定ガスに相当する。
また、第1測定室121は測定室に相当し、固体電解質層131は第1固体電解質体に相当し、ポンピング電極132,133はポンピング電極に相当し、第1ポンピングセル130はポンピングセルに相当し、固体電解質層141は第2固体電解質体に相当する。
Further, the exhaust gas corresponds to the gas to be measured, and NOx corresponds to the specific gas.
Further, the
(第2実施形態)
以下に本開示の第2実施形態を図面とともに説明する。なお第2実施形態では、第1実施形態と異なる部分を説明する。共通する構成については同一の符号を付す。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present disclosure will be described below together with the drawings. In the second embodiment, a part different from the first embodiment will be described. The same reference numerals are given to common configurations.
第2実施形態のNOxセンサ1は、主体金具2の構成が変更された点が第1実施形態と異なる。
具体的には、図3に示すように、主体金具2は、本体部21と、取付部22と、空間形成部材25とを備える。
The
Specifically, as shown in FIG. 3, the
空間形成部材25は、軸線方向DAに延びる筒状に形成された金属製の部材である。空間形成部材25は、円筒部25aと拡径部25bとを備える。
円筒部25aは、その直径が、段部21bより先端側FEにおける貫通孔21aの直径よりも小さくなるようにして円筒状に形成されている。
The
The
拡径部25bは、円筒部25aにおける後端側BEの端部から延びて、後端側BEに向かうに従い拡径する形状に形成されている。そして拡径部25bは、その後端側BEにおける開口部の直径が、段部21bより後端側BEにおける貫通孔21aの直径よりも小さくなるように形成されている。
The diameter-expanded
空間形成部材25は、拡径部25bが段部21bとセラミックホルダ41とにより挟まれることにより、貫通孔21a内に保持される。これにより、円筒部25aは、段部21bより先端側FEにおける貫通孔21a内に配置される。そして、円筒部25aの外周面と貫通孔21aの内周面との間に、軸線方向DAに延びる円筒状の空間26が形成される。
The
検知部31aの内部に設けられている酸素濃度検出セル140は、本体部21の貫通孔21a内において、保持部4より先端側FEで、軸線方向DAに沿って空間26が存在する範囲Rs2に配置される。なお、範囲Rs2における円筒部25aの径方向の長さ(すなわち、円筒部25aの内径)は、範囲Rs2における本体部21のネジ部22bの径方向の長さ(すなわち、ネジ部22bの厚さ)よりも大きい。
The oxygen
このように構成されたNOxセンサ1は、軸線方向DAに延びる筒状に形成され、本体部21との間に軸線方向DAに延びる環状の空間26が形成されるように配置される空間形成部材25を備える。空間形成部材25は、本体部21との間に空間26が形成された状態で、本体部21の内周面の少なくとも一部分を覆うようにして本体部21の内部に配置される。
The
酸素濃度検出セル140は、軸線方向DAに対して垂直な方向(以下、径方向)に沿って酸素濃度検出セル140を通る直線(以下、径方向直線)上に、空間26が位置するように配置される。
In the oxygen
このようにNOxセンサ1では、酸素濃度検出セル140は、金属製の空間形成部材25と空間26と金属製の本体部21とが径方向に沿って積層された部分(以下、第2積層部)によって酸素濃度検出セル140の周囲が覆われる。
As described above, in the
このため、NOxセンサ1の周囲の温度変化が酸素濃度検出セル140の温度に影響を及ぼす一つの経路は、NOxセンサ1の周囲の熱が上記の第2積層部を伝導して酸素濃度検出セル140に至る経路である。
Therefore, one path in which the temperature change around the
そして第2積層部は、空間形成部材25と本体部21との間に空間26が形成されている。すなわち、空間形成部材25と金属製の本体部21との間に気体が存在している。そして、気体は金属よりも熱伝導率が小さい。このため、NOxセンサ1は、NOxセンサ1の周囲の熱が第2積層部を介して酸素濃度検出セル140へ伝導し難くなり、酸素濃度検出セル140の温度変動を抑制することができる。
なお、空間26は環状の空間に相当する。
In the second laminated portion, a
The
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
例えば上記実施形態では、取付部22の内周面と本体部21の外周面とにより形成される空間23が有端環状であったが、環状の空間であってもよい。
また上記実施形態では、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサとして、排気ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサについて説明したが、本開示のガスセンサは、NOxセンサに限定されることはない。本開示のガスセンサは、内部抵抗を検出するために検出用電流が供給されるセルを有するガスセンサであればよく、例えば、全領域空燃比センサなどが挙げられる。
また上記実施形態では、酸素濃度検出セルの検知電極と基準電極との間に電流を供給し、酸素濃度検知セルの内部抵抗Rpvsを算出したが、これに限定されることはなく、例えば、電圧を供給し、供給された電圧によって発生した電流から内部抵抗を算出してもよい。また、検出素子の内部抵抗と相関がある他の物理量がある場合は、検出素子の内部抵抗ではなく、当該物理量に基づいてヒータを駆動してもよい。
Although one embodiment of the present disclosure has been described above, the present disclosure is not limited to the above embodiment, and can be implemented in various modifications.
For example, in the above embodiment, the
Further, in the above embodiment, the NOx sensor for detecting the NOx concentration in the exhaust gas has been described as a gas sensor for detecting the concentration of the specific gas contained in the gas to be measured, but the gas sensor of the present disclosure is limited to the NOx sensor. There is no such thing. The gas sensor of the present disclosure may be a gas sensor having a cell to which a detection current is supplied to detect the internal resistance, and examples thereof include an all-region air-fuel ratio sensor.
Further, in the above embodiment, a current is supplied between the detection electrode and the reference electrode of the oxygen concentration detection cell to calculate the internal resistance Rpvs of the oxygen concentration detection cell, but the present invention is not limited to this, and for example, voltage. And the internal resistance may be calculated from the current generated by the supplied voltage. If there is another physical quantity that correlates with the internal resistance of the detection element, the heater may be driven based on the physical quantity instead of the internal resistance of the detection element.
また上記実施形態では、酸素濃度検出セル140が範囲Rs1または範囲Rs2に配置されるものを示した。このように、酸素濃度検出セル140が範囲Rs1,Rs2に配置されるようにするために、本体部21内におけるガスセンサ素子3の配置を変えるようにしてもよいし、ガスセンサ素子3の配置を変えることなくガスセンサ素子3内における酸素濃度検出セル140の配置を変えるようにしてもよい。
Further, in the above embodiment, the oxygen
上記各実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。 The function of one component in each of the above embodiments may be shared by a plurality of components, or the function of the plurality of components may be exerted by one component. Further, a part of the configuration of each of the above embodiments may be omitted. In addition, at least a part of the configuration of each of the above embodiments may be added or replaced with respect to the configuration of the other embodiment. It should be noted that all aspects included in the technical idea specified from the wording described in the claims are embodiments of the present disclosure.
1…NOxセンサ、2…主体金具、3…ガスセンサ素子、5…プロテクタ、5a…ガス取入孔、21…本体部、22…取付部、23,26…空間、25…空間形成部材、140…酸素濃度検出セル、141…固体電解質層、142…検知電極、143…基準電極、160…ヒータ 1 ... NOx sensor, 2 ... Main metal fittings, 3 ... Gas sensor element, 5 ... Protector, 5a ... Gas intake hole, 21 ... Main body, 22 ... Mounting part, 23, 26 ... Space, 25 ... Space forming member, 140 ... Oxygen concentration detection cell, 141 ... solid electrolyte layer, 142 ... detection electrode, 143 ... reference electrode, 160 ... heater
Claims (4)
軸線方向に延びる筒状に形成され、自身の内側に前記検出素子を収容する金属製の収容部材と、
前記被測定ガスが通過する通気孔が形成され、前記検出素子の先端を覆うように前記収容部材に固定される金属製のプロテクタと
を備えるガスセンサであって、
前記軸線方向に延びる筒状に形成され、前記収容部材との間に前記軸線方向に延びる環状または有端環状の空間が形成されるように配置される空間形成部材を備え、
前記検出素子は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、前記固体電解質体上に形成された一対の電極とを有する検出セルと、
前記検出セルを所定の温度になるように加熱するヒータとを備え、
前記検出セルは、前記空間の内側に配置され、
前記検出セルは、前記収容部材および前記空間形成部材と径方向に離間して配置されるガスセンサ。 A detection element that is formed in a long shape and detects a specific gas contained in the gas to be measured,
A metal accommodating member formed in a tubular shape extending in the axial direction and accommodating the detection element inside itself, and a metal accommodating member.
A gas sensor having a vent hole through which the gas to be measured passes and a metal protector fixed to the accommodating member so as to cover the tip of the detection element.
A space forming member formed in a tubular shape extending in the axial direction and arranged so as to form an annular or endless annular space extending in the axial direction with the accommodating member.
The detection element includes a detection cell having an oxygen ion conductive solid electrolyte body and a pair of electrodes formed on the solid electrolyte body.
A heater for heating the detection cell to a predetermined temperature is provided.
The detection cell is arranged inside the space and
The detection cell, the housing member and the space forming member and radially apart from disposed Ru gas sensor.
前記空間形成部材は、前記収容部材との間に前記空間が形成された状態で、前記収容部材の外周面の少なくとも一部分を覆うように配置されるガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1.
The space forming member is a gas sensor arranged so as to cover at least a part of an outer peripheral surface of the accommodating member in a state where the space is formed between the accommodating member and the accommodating member.
前記空間形成部材は、前記収容部材との間に前記空間が形成された状態で、前記収容部材の内周面の少なくとも一部分を覆うようにして前記収容部材の内部に配置されるガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1.
The space forming member is a gas sensor arranged inside the accommodating member so as to cover at least a part of the inner peripheral surface of the accommodating member in a state where the space is formed between the accommodating member and the accommodating member.
前記検出素子は、
前記被測定ガスが導入される測定室と、
酸素イオン伝導性の第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体上に形成された一対のポンピング電極とを有し、前記一対のポンピング電極の間でポンピング電流を流すことにより、前記測定室に導入された前記被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、
酸素イオン伝導性の第2固体電解質体と、前記第2固体電解質体上に形成された検知電極と基準電極とを有し、前記検知電極が前記測定室に面して配置され、前記検知電極と前記基準電極との間の酸素濃度の差に応じた起電力を発生させる酸素濃度検出セルとを備え、
前記酸素濃度検出セルは、前記検出セルであり、
前記ポンピングセルは、前記酸素濃度検出セルよりも前記検出素子の先端側に配置されるとともに、前記収容部材の内部に配置されるガスセンサ。 The gas sensor according to any one of claims 1 to 3.
The detection element is
The measurement room into which the gas to be measured is introduced and
The measurement chamber has an oxygen ion conductive first solid electrolyte body and a pair of pumping electrodes formed on the first solid electrolyte body, and a pumping current is passed between the pair of pumping electrodes. A pumping cell for pumping or pumping oxygen in the gas to be measured, which was introduced into the above.
It has an oxygen ion conductive second solid electrolyte body, a detection electrode and a reference electrode formed on the second solid electrolyte body, and the detection electrode is arranged facing the measurement chamber, and the detection electrode It is provided with an oxygen concentration detection cell that generates an electromotive force according to the difference in oxygen concentration between the reference electrode and the reference electrode.
The oxygen concentration detection cell is the detection cell and
The pumping cell is a gas sensor that is arranged closer to the tip of the detection element than the oxygen concentration detection cell and is arranged inside the accommodating member.
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