JP7470610B2 - センサ素子及びガスセンサ - Google Patents
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Description
図1は、ガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電界質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工及び回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
図2は、本実施の形態に従うガスセンサ100の平面の一部を模式的に示す図である。図2に示されるように、センサ素子101は、平面視において、長辺及び短辺を有している。センサ素子101の長辺が延びる方向を以下では単に「長辺方向」とも称し、センサ素子101の短辺が延びる方向を以下では単に「短辺方向」とも称する。
例えば、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13における圧力損失が大きくなる程、被測定ガスの脈動が抑制されるため、動圧依存性は小さくなる。流体力学上、圧力損失に関して、以下の式(1)が存在する。式(1)は、いわゆるダルシー・ワイスバッハの式である。
以上のように、本実施の形態に従うセンサ素子101においては、第1拡散律速部11における開口部の外周長と第1拡散律速部11における開口部の長辺方向の長さとの積を第1拡散律速部11における開口部の断面積で除算した値と、第2拡散律速部13における開口部の外周長と第2拡散律速部13における開口部の長辺方向の長さとの積を第2拡散律速部13における開口部の断面積で除算した値との和が75以上である。したがって、センサ素子101によれば、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13の各々の開口部の形状にかかわらず、エンジンの動作に起因する動圧の影響を抑制することができる。すなわち、センサ素子101によれば、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13の各々における開口部の形状を工夫することによって、エンジンの動作に起因する動圧の影響を抑制しながら、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13の構造次第で生じ得る他のデメリットを抑制することができる。
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。
上記実施の形態に従うガスセンサ100において、センサ素子101には、第1内部空所20と、第2内部空所40とが形成されていた。すなわち、センサ素子101は、2室構造であった。しかしながら、センサ素子101は、必ずしも2室構造である必要はない。例えば、センサ素子101は、3室構造であってもよい。
上記実施の形態に従うセンサ素子101において、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13の断面形状は、それぞれ図3及び図4に示される形状であった。しかしながら、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13の各々の断面形状は、このような形状に限定されない。第1拡散律速部11における開口部の外周長と第1拡散律速部11における開口部の長辺方向の長さとの積を第1拡散律速部11における開口部の断面積で除算した値と、第2拡散律速部13における開口部の外周長と第2拡散律速部13における開口部の長辺方向の長さとの積を第2拡散律速部13における開口部の断面積で除算した値との和が7層5以上であるという条件が満たされる限り、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13の断面形状はどのような形状であってもよい。
上記実施の形態に従うセンサ素子101において、第1拡散律速部11はスリット構造であり、第2拡散律速部13は打抜き構造であった。しかしながら、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13の各々の構造はこれに限定されない。第1拡散律速部11における開口部の外周長と第1拡散律速部11における開口部の長辺方向の長さとの積を第1拡散律速部11における開口部の断面積で除算した値と、第2拡散律速部13における開口部の外周長と第2拡散律速部13における開口部の長辺方向の長さとの積を第2拡散律速部13における開口部の断面積で除算した値との和が75以上であるという条件が満たされる限り、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13の構造はどのような構造であってもよい。例えば、第1拡散律速部11及び第2拡散律速部13の両方がスリット構造であってもよいし、第1拡散律速部11が打抜き構造で第2拡散律速部13がスリット構造であってもよい。例えば、第1拡散律速部11が打抜き構造で第2拡散律速部13がスリット構造である場合には、第1拡散律速部11における開口部の外周長と第1拡散律速部11における開口部の長辺方向の長さとの積を、第2拡散律速部13における開口部の外周長と第2拡散律速部13における開口部の長辺方向の長さとの積で除算することによって得られた値が0.1より小さくてもよい。
<6-1.実施例及び比較例>
(実施例1)
まず、次に説明する方法により、実施例1となるセンサ素子101を作成した。
実施例2-4となるセンサ素子は、実施例1となるセンサ素子と比較して、第1拡散律速部11及び/又は第2拡散律速部13が異なるのみであり、実施例1となるセンサ素子と略同一の方法で得られた。
比較例となるセンサ素子は、実施例1となるセンサ素子と比較して、第1拡散律速部11のみが異なっており、実施例1となるセンサ素子と略同一の方法で得られた。比較例となるセンサ素子は、第1拡散律速部11が打抜き構造であった。また、比較例となるセンサ素子は、実施例1と比較して、第1拡散律速部11の長辺方向の長さが異なっていた。
実施例1-4及び比較例のセンサ素子に関し、各センサ素子を含むガスセンサを用いて動圧測定を行なった。
図13は、実施例1-4及び比較例の各々におけるIp0の変化率をまとめた図である。図13を参照して、直線510,520,530,540は、それぞれ実施例1,2,3,4におけるIp0の変化率を線形近似した直線を示す。直線550は、比較例におけるIp0の変化率を線形近似した直線を示す。
Claims (8)
- 被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度の測定に用いられるセンサ素子であって、
前記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質を備え、
前記センサ素子は、平面視において、長辺及び短辺を有し、
前記長辺方向において、前記センサ素子の一方の端部には、前記センサ素子の外部空間から前記センサ素子の内部に前記被測定ガスを取り込むためのガス導入口が形成されており、
前記センサ素子の内部には、前記ガス導入口を介して取り込まれた前記被測定ガスが導入される内部空所が形成されており、
前記ガス導入口と前記内部空所との間には、拡散律速部が形成されており、
前記拡散律速部は、前記長辺方向に並ぶ第1及び第2拡散律速部を含み、
前記第1拡散律速部は、第1開口部を含み、
前記第2拡散律速部は、第2開口部を含み、
前記第1開口部の外周長と前記第1開口部の前記長辺方向の長さとの積を前記第1開口部の断面積で除算した値と、前記第2開口部の外周長と前記第2開口部の前記長辺方向の長さとの積を前記第2開口部の断面積で除算した値との和は、75以上であり、
前記第1開口部の形状と、前記第2開口部の形状とは、互いに異なる、
センサ素子。 - 被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度の測定に用いられるセンサ素子であって、
前記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質を備え、
前記センサ素子は、平面視において、長辺及び短辺を有し、
前記長辺方向において、前記センサ素子の一方の端部には、前記センサ素子の外部空間から前記センサ素子の内部に前記被測定ガスを取り込むためのガス導入口が形成されており、
前記センサ素子の内部には、前記ガス導入口を介して取り込まれた前記被測定ガスが導入される内部空所が形成されており、
前記ガス導入口と前記内部空所との間には、拡散律速部が形成されており、
前記拡散律速部は、前記長辺方向に並ぶ第1及び第2拡散律速部を含み、
前記第1拡散律速部は、第1開口部を含み、
前記第2拡散律速部は、第2開口部を含み、
前記第1開口部の外周長と前記第1開口部の前記長辺方向の長さとの積を前記第1開口部の断面積で除算した値と、前記第2開口部の外周長と前記第2開口部の前記長辺方向の長さとの積を前記第2開口部の断面積で除算した値との和は、75以上であり、
前記第1開口部の外周長と前記第1開口部の前記長辺方向の長さとの積を、前記第2開口部の外周長と前記第2開口部の前記長辺方向の長さとの積で除算することによって得られた値は、10より大きい、又は、0.1より小さい、
センサ素子。 - ポンプセルを備え、
前記ポンプセルは、
前記内部空所内に形成された内側ポンプ電極と、
前記内部空所とは異なる空間に形成された外側ポンプ電極とを備え、
前記ポンプセルは、前記内側ポンプ電極及び前記外側ポンプ電極の間に電圧を印加することによって、前記内部空所内の酸素を汲み出すように構成されている、請求項1または2に記載のセンサ素子。 - 前記和は、180以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のセンサ素子。
- 前記第1開口部の形状と、前記第2開口部の形状とは、互いに異なる、請求項2から請求項4のいずれか1項に記載のセンサ素子。
- 前記第1及び第2開口部の一方は、前記センサ素子の厚み方向に並んだ2つのスリットによって構成され、
前記第1及び第2開口部の他方は、前記長辺方向に延びる孔によって構成され、
前記孔に関して、前記厚み方向における前記孔の長さに対する、前記短辺方向における前記孔の長さの割合は、0.3以上、2.0以下である、請求項1または5に記載のセンサ素子。 - 前記第1開口部の外周長と前記第1開口部の前記長辺方向の長さとの積を、前記第2開口部の外周長と前記第2開口部の前記長辺方向の長さとの積で除算することによって得られた値は、10より大きい、又は、0.1より小さい、請求項1、3、4、5、6のいずれか1項に記載のセンサ素子。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のセンサ素子を備える、ガスセンサ。
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