WO2017104499A1 - ガスセンサ - Google Patents

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WO2017104499A1
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electrode
gas
sensor
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pump
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水谷　圭吾
圭祐 水谷
充伸 中藤
貴司 荒木
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株式会社デンソー
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Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor for measuring the concentration of a specific gas component in a gas to be measured such as exhaust gas.
  • Patent Document 1 discloses a gas sensor that measures the concentration of a specific gas component other than oxygen in exhaust gas.
  • the gas sensor disclosed in Patent Document 1 includes a pump electrode that adjusts the oxygen concentration of exhaust gas (that is, the gas to be measured) on the surface in contact with the gas chamber to be measured in the solid electrolyte body, and after the oxygen concentration is adjusted.
  • the monitor electrode for monitoring the residual oxygen concentration in the exhaust gas and the sensor electrode for detecting the concentration of the specific gas component in the exhaust gas after the oxygen concentration is adjusted are arranged. Further, the monitor electrode and the sensor electrode are arranged adjacent to each other on the downstream side of the pump electrode with respect to the flow of the gas to be measured in the gas chamber to be measured.
  • the pump electrode lead portion for energizing the pump electrode is disposed adjacent to the side of the sensor electrode. For this reason, the current flowing through the sensor electrode according to the concentration of the specific gas component may vary due to the influence of electrical noise based on the leakage of the current flowing through the pump electrode. For this reason, further improvement is required to increase the detection accuracy of the concentration of the specific gas component.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor capable of increasing the detection accuracy of the concentration of a specific gas component in a gas to be measured.
  • a gas sensor includes: A solid electrolyte plate having oxygen ion conductivity; A gas chamber to be measured formed adjacent to the first surface of the solid electrolyte plate; A pump electrode provided on the first surface of the solid electrolyte plate so as to be exposed to the gas to be measured in the gas chamber to be measured; Monitors provided adjacent to each other at a position downstream of the pump electrode with respect to the flow of the gas to be measured on the first surface of the solid electrolyte plate so as to be exposed to the gas to be measured in the gas chamber to be measured.
  • An electrode and a sensor electrode At least one reference electrode provided on a second surface of the solid electrolyte plate opposite the first surface to be exposed to a reference gas;
  • a heater that is disposed opposite the second surface of the solid electrolyte plate and heats the solid electrolyte plate;
  • a pump cell unit that adjusts the oxygen concentration of the gas to be measured in the gas chamber to be measured when a voltage is applied between the pump electrode and the reference electrode via the first portion of the solid electrolyte plate; The current flowing through the second part of the solid electrolyte plate is detected between the monitor electrode and the reference electrode, and the residual oxygen concentration in the gas to be measured after the oxygen concentration is adjusted by the pump electrode is detected.
  • a sensor cell unit for detecting In the width direction orthogonal to the direction of the flow of the gas to be measured, the monitor electrode is disposed between the sensor electrode and the pump electrode lead portion extending from the pump electrode toward the downstream side of the flow of the gas to be measured.
  • the pump electrode lead portion and the sensor electrode lead portion extending from the sensor electrode toward the downstream side with respect to the flow of the gas to be measured toward the downstream side with respect to the flow of the gas to be measured from the monitor electrode.
  • Extending monitor electrode lead part is arranged, A space of 0.5 mm or more is provided between the upstream portion of the pump electrode lead portion including the portion facing the monitor electrode from the width direction and the monitor electrode lead portion.
  • the arrangement relationship between the pump electrode lead portion and the sensor electrode is devised. Specifically, a monitor electrode is disposed between the pump electrode lead portion and the sensor electrode in the width direction orthogonal to the direction of the flow of the gas to be measured. A monitor electrode lead portion is disposed between the pump electrode lead portion and the sensor electrode lead portion.
  • the specific gas component detected by the sensor cell unit is only slightly present in the gas to be measured, and the current flowing through the sensor cell unit when the specific gas component is decomposed at the sensor electrode is weak.
  • the current flowing through the pump cell part flows when oxygen contained in the gas to be measured such as exhaust gas is reduced, and is significantly larger than the current flowing through the sensor cell part.
  • the sensor electrode that detects a weak current is kept away from the pump electrode lead portion through which a large current flows, so that the sensor cell portion is less susceptible to the influence of electrical noise generated when a current flows through the pump electrode lead portion.
  • a monitor electrode is interposed between the pump electrode lead portion and the sensor electrode. As a result, the monitor electrode serves to guard the sensor electrode, and the influence of electrical noise generated from the pump electrode lead portion on the sensor electrode can be reduced.
  • the concentration of the specific gas component in the gas to be measured after the oxygen concentration is adjusted by the pump electrode, but also the residual oxygen concentration is detected.
  • the gas sensor by subtracting the output of the monitor cell unit from the output of the sensor cell unit, the influence of the residual oxygen concentration in the gas to be measured after the oxygen concentration is adjusted on the concentration of the specific gas component can be reduced. .
  • the monitor cell unit is used for correcting the detection of the concentration of the specific gas component by reducing the influence of the residual oxygen concentration, and does not directly detect the concentration of the specific gas component. Therefore, the sensor electrode is affected by the electrical noise generated from the pump electrode lead, and the monitor electrode is affected by the electrical noise generated from the pump electrode lead, compared to the error that occurs in the detection of the concentration of the specific gas component. Accordingly, the error that occurs in the detection of the concentration of the specific gas component is small.
  • the detection accuracy of the concentration of the specific gas component can be increased by interposing the monitor electrode between the pump electrode lead portion and the sensor electrode.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor taken along the line II-II in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor as viewed in the direction of arrows III-III in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor as viewed in the direction of arrows IV-IV in FIG. 1.
  • the typical sectional view showing the whole gas sensor composition concerning an embodiment.
  • the graph which shows the relationship between the space
  • the gas sensor 1 includes a solid electrolyte plate 2, a gas chamber to be measured 101, a pump electrode 21, a monitor electrode 22, a sensor electrode 23, a reference electrode 24, a heater 5, and a pump cell unit. 31, a monitor cell unit 32 and a sensor cell unit 33.
  • the solid electrolyte plate 2 has oxygen ion conductivity and is formed in a plate shape.
  • the gas chamber 101 to be measured is formed adjacent to the first surface 201 of the solid electrolyte plate 2.
  • the pump electrode 21 is provided on the first surface 201 of the solid electrolyte plate 2 and is exposed to the measured gas G in the measured gas chamber 101.
  • the monitor electrode 22 and the sensor electrode 23 are provided adjacent to each other on the first surface 201 of the solid electrolyte plate 2 at a position downstream of the pump electrode 21 with respect to the flow of the gas G to be measured. It is exposed to the measurement gas G in the gas chamber 101.
  • the reference electrode 24 is provided on the second surface 202 of the solid electrolyte plate 2 on the opposite side of the first surface 201 and is exposed to the reference gas A.
  • the heater 5 is disposed opposite to the second surface 202 of the solid electrolyte plate 2 and heats the solid electrolyte plate 2.
  • the pump cell unit 31 adjusts the oxygen concentration of the measured gas G in the measured gas chamber 101 when a voltage is applied between the pump electrode 21 and the reference electrode 24 via the first portion 2A of the solid electrolyte plate 2. To do.
  • the monitor cell unit 32 detects the current flowing between the monitor electrode 22 and the reference electrode 24 through the second portion 2B of the solid electrolyte plate 2 and the gas to be measured after the oxygen concentration is adjusted by the pump electrode 21 The residual oxygen concentration in G is detected.
  • the sensor cell unit 33 detects a current flowing between the sensor electrode 23 and the reference electrode 24 via the third portion 2C of the solid electrolyte plate 2, and the gas to be measured after the oxygen concentration is adjusted by the pump electrode 21 The concentration of a specific gas component other than oxygen in G is detected.
  • the pump electrode extending from the pump electrode 21 toward the downstream side of the flow of the measurement gas G in the width direction W orthogonal to the flow direction F of the measurement gas G in the measurement gas chamber 101.
  • a monitor electrode 22 is disposed between the lead portion 211 and the sensor electrode 23. Between the pump electrode lead portion 211 and the sensor electrode lead portion 231 extending from the sensor electrode 23 toward the downstream side of the flow of the measurement gas G, the downstream side of the flow of the measurement gas G from the monitor electrode 22 A monitor electrode lead portion 221 extending toward is disposed.
  • a gap w1 of 0.5 mm or more is provided between the upstream electrode portion 211A including the portion facing the monitor electrode 22 from the width direction W in the pump electrode lead portion 211 and the monitor electrode lead portion 221.
  • the gas sensor 1 is used by being disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine in a vehicle, and detects the concentration of NOx (nitrogen oxide) as a specific gas component contained in the exhaust gas using the exhaust gas flowing through the exhaust passage as the gas to be measured G. To do.
  • the gas sensor 1 constitutes a sensor element and is formed in a long shape. A proximal end portion in the longitudinal direction L of the gas sensor 1 is held by an insulator 12, and the insulator 12 is held by a housing 13 attached to the internal combustion engine.
  • a detection unit 11 into which the gas G to be measured flows is provided at the distal end portion in the longitudinal direction L of the gas sensor 1, and the detection unit 11 is covered by a protective cover 14 provided with a through hole 141. ing.
  • the gas chamber 101 to be measured, the pump electrode 21, the monitor electrode 22, the sensor electrode 23, the reference electrode 24, the heater 5, the pump cell unit 31, the monitor cell unit 32, and the sensor cell unit 33 are provided in the detection unit 11.
  • the distal end side in the longitudinal direction L of the gas sensor 1 corresponds to the upstream side with respect to the flow of the measured gas G in the measured gas chamber 101
  • the proximal end side in the longitudinal direction L of the gas sensor 1 is This corresponds to the downstream side of the flow of the measurement gas G in the measurement gas chamber 101.
  • the solid electrolyte plate 2 is made of yttria-stabilized zirconia, and only one is disposed in the gas sensor 1.
  • a second insulating plate 42 is laminated on the first surface 201 of the solid electrolyte plate 2 with a notched first insulating plate 41 for forming the gas chamber 101 to be measured.
  • the first insulating plate 41 and the second insulating plate 42 are made of an insulator such as alumina.
  • the first insulating plate 41 is provided on the base end side portion in the longitudinal direction L and the both side portions in the width direction W on the first surface 201 of the solid electrolyte plate 2.
  • An opening is formed in the distal end portion of the first insulating plate 41 in the longitudinal direction L, and a diffusion resistor 44 made of a porous body is disposed in the opening.
  • the measured gas chamber 101 is formed between the first surface 201 of the solid electrolyte plate 2 and the second insulating plate 42 so as to be surrounded by the diffusion resistor 44 and the first insulating plate 41.
  • the measured gas G flows into the measured gas chamber 101 via the diffusion resistor 44.
  • the pump electrode 21, the monitor electrode 22, the sensor electrode 23, and the reference electrode 24 are provided on the same solid electrolyte plate 2.
  • the pump electrode 21 is positioned upstream of the flow of the gas G to be measured in the gas chamber 101 to be measured and is closer to the diffusion resistor 44 than the monitor electrode 22 and the sensor electrode 23.
  • the monitor electrode 22 and the sensor electrode 23 are formed to have the same size and are disposed at the same distance from the pump electrode 21.
  • the arrangement conditions of the monitor electrode 22 and the sensor electrode 23 are made equal to the flow of the measurement gas G after passing through the arrangement position of the pump electrode 21 in the measurement gas chamber 101.
  • One reference electrode 24 is provided at a position facing the pump electrode 21, the monitor electrode 22, and the sensor electrode 23 as a whole. In addition, three reference electrodes 24 can be separately provided at positions facing the pump electrode 21, the monitor electrode 22, and the sensor electrode 23.
  • the pump electrode 21 and the monitor electrode 22 are made of a cermet material containing a metal component such as a Pt—Au alloy that can decompose oxygen and not decompose a specific gas component.
  • the sensor electrode 23 is made of oxygen and a specific gas.
  • a cermet material containing a metal component such as a Pt—Rh alloy capable of decomposing the component is used.
  • the reference electrode 24 is configured using a cermet material containing a metal component such as Pt capable of decomposing oxygen.
  • the heater 5 includes two ceramic substrates 51 such as alumina, and a conductor layer 52 embedded between the two ceramic substrates 51.
  • the heater 5 is laminated on the second surface 202 of the solid electrolyte plate 2 via a third insulating plate 43 for forming a reference gas chamber 102 into which the atmosphere as the reference gas A is introduced.
  • the third insulating plate 43 is made of an insulator such as alumina.
  • the third insulating plate 43 is formed in a notch shape having an opening at the base end in the longitudinal direction L of the gas sensor 1.
  • the reference gas chamber 102 is formed between the second surface 202 of the solid electrolyte plate 2 and the ceramic substrate 51 so as to be surrounded on three sides by the third insulating plate 43.
  • the reference gas A flows into the reference gas chamber 102 from the proximal end portion in the longitudinal direction L of the gas sensor 1.
  • the conductor layer 52 of the heater 5 connects the pair of lead parts 521 connected to the energization means outside the gas sensor 1 and the pair of lead parts 521, and is applied to the pair of lead parts 521.
  • a heat generating portion 522 that generates heat when energized by voltage.
  • the heat generating portion 522 mainly generates heat due to Joule heat.
  • the pump electrode 21, the monitor electrode 22, and the sensor electrode 23 are heated to a desired operating temperature by the heat generated by the heat generating unit 522.
  • the resistance value of the heat generating part 522 is larger than the resistance value of the lead part 521.
  • the resistance value of the heat generating portion 522 can occupy 50% or more of the resistance value of the entire conductor layer 52.
  • the heat generating portion 522 is provided at a position facing substantially the entire planar area where the pump electrode 21, the monitor electrode 22, and the sensor electrode 23 are disposed.
  • the resistance value of the heat generating part 522 can be made larger than the resistance value of the lead part 521 by making the pattern wiring of the heat generating part 522 thinner than the pattern wiring of the lead part 521. Further, the heat generation portion 522 can also generate heat by making the film thickness of the heat generation portion 522 smaller than the film thickness of the lead portion 521 or by making the material of the heat generation portion 522 larger in specific resistance than the material of the lead portion 521. The resistance value of the part 522 can be made larger than the resistance value of the lead part 521. In addition, the resistance value of the heat generating part 522 can be made larger than the resistance value of the lead part 521 by combining techniques for changing the thickness, film thickness, constituent material, and the like of the pattern wiring.
  • the pump cell unit 31 includes a pump electrode 21, a part of the reference electrode 24, and a first part 2 ⁇ / b> A of the solid electrolyte plate 2 sandwiched between the pump electrode 21 and a part of the reference electrode 24. And is composed of.
  • a voltage application circuit 61 for applying a voltage between the electrodes 21 and 24 is provided.
  • oxygen in the gas G to be measured that contacts the pump electrode 21 is decomposed and passed through the solid electrolyte plate 2. Oxygen ions permeate the reference electrode 24, and oxygen in the measurement gas G in the measurement gas chamber 101 is reduced.
  • the monitor cell unit 32 includes a monitor electrode 22, a part of the reference electrode 24, and a second part of the solid electrolyte plate 2 sandwiched between the monitor electrode 22 and a part of the reference electrode 24. 2B.
  • a first current detection circuit for detecting a current flowing between the electrodes 22 and 24 between the monitor electrode 22 and the reference electrode 24 in a state where a predetermined voltage is applied between the electrodes 22 and 24. 62 is provided. When residual oxygen in the measurement gas G that contacts the monitor electrode 22 is decomposed, oxygen ions permeate the reference electrode 24 through the solid electrolyte plate 2. At this time, the current flowing between the monitor electrode 22 and the reference electrode 24 via the second portion 2B of the solid electrolyte plate 2 is detected by the first current detection circuit 62.
  • the sensor cell part 33 includes a sensor electrode 23, a part of the reference electrode 24, and a third part of the solid electrolyte plate 2 sandwiched between the sensor electrode 23 and a part of the reference electrode 24. 2C.
  • a second current detection circuit that detects a current flowing between the electrodes 23 and 24 in a state where a predetermined voltage is applied between the electrodes 23 and 24. 63 is provided.
  • oxygen ions permeate the reference electrode 24 through the solid electrolyte plate 2.
  • the current flowing between the sensor electrode 23 and the reference electrode 24 via the third portion 2C of the solid electrolyte plate 2 is detected by the second current detection circuit 63.
  • movement of the gas sensor 1 the influence of the residual oxygen in the waste gas which is the to-be-measured gas G is relieve
  • the concentration of NOx that is the specific gas component is obtained.
  • the pump electrode lead portion 211 is formed on the first surface 201 of the solid electrolyte plate 2 so as to be connected to the pump electrode 21.
  • the pump electrode lead portion 211 is for connecting the pump electrode 21 to the voltage application circuit 61.
  • the pump electrode lead 211 is displaced from the downstream end of one side surface in the width direction W of the pump electrode 21 to one side in the width direction W, and the flow of the gas G to be measured in the gas chamber 101 to be measured. Is provided toward the downstream side (the base end side in the longitudinal direction L of the gas sensor 1).
  • the entire pump electrode lead portion 211 excluding the portion 212 connected to the pump electrode 21 is embedded between the solid electrolyte plate 2 and the first insulating plate 41.
  • the entire downstream portion 211B located on the downstream side with respect to the flow of the gas G is embedded between the solid electrolyte plate 2 and the first insulating plate 41.
  • the pump electrode lead portion 211 can be enclosed by the solid electrolyte plate 2 and the first insulating plate 41.
  • the monitor electrode lead portion 221 extending from the monitor electrode 22 toward the downstream side of the flow of the gas G to be measured is connected to the downstream end portion of the monitor electrode 22.
  • the monitor electrode lead 221 is for connecting the monitor electrode 22 to the first current detection circuit 62.
  • the monitor electrode lead part 221 is linearly provided toward the downstream side of the flow of the gas G to be measured.
  • the whole of the monitor electrode lead part 221 except the portion 222 connected to the monitor electrode 22 is embedded between the solid electrolyte plate 2 and the first insulating plate 41.
  • a sensor electrode lead portion 231 extending from the sensor electrode 23 toward the downstream side of the flow of the gas G to be measured is connected to the downstream end portion of the sensor electrode 23.
  • the sensor electrode lead portion 231 is for connecting the sensor electrode 23 to the second current detection circuit 63.
  • the sensor electrode lead portion 231 is linearly provided toward the downstream side with respect to the flow of the gas G to be measured.
  • the entire sensor electrode lead portion 231 except the portion 232 connected to the sensor electrode 23 is buried between the solid electrolyte plate 2 and the first insulating plate 41.
  • the monitor electrode lead portion 221 is disposed between the pump electrode lead portion 211 and the sensor electrode lead portion 231 in the width direction W of the gas sensor 1.
  • the monitor electrode lead portion 221 is connected to the monitor electrode 22 while being biased to the side away from the pump electrode lead portion 211. More specifically, the monitor electrode lead portion 221 is connected to a position farthest from the pump electrode lead portion 211 at the downstream end portion of the monitor electrode 22. With this configuration, the monitor electrode lead portion 221 can be easily moved away from the pump electrode lead portion 211.
  • the sensor electrode lead portion 231 is connected to the sensor electrode 23 while being biased to the side away from the pump electrode lead portion 211.
  • the sensor electrode lead portion 231 is connected to a position farthest from the pump electrode lead portion 211 at the downstream end portion of the sensor electrode 23. With this configuration, it becomes easy to move the sensor electrode lead portion 231 away from the pump electrode lead portion 211.
  • the interval w1 between the upstream portion 211A of the pump electrode lead portion 211 and the monitor electrode lead portion 221 is the interval between the downstream portion 211B of the pump electrode lead portion 211 and the monitor electrode lead portion 221. Greater than w2.
  • the upstream portion 211A of the pump electrode lead portion 211 is arranged around the one side in the width direction W so as to be away from the monitor electrode 22, and the downstream portion 211B of the pump electrode lead portion 211 is disposed upstream. It is arranged closer to the monitor electrode lead portion 221 than the portion 211A.
  • an interval w1 of 0.5 mm or more is provided between the upstream portion 211A of the pump electrode lead portion 211 and the monitor electrode lead portion 221. This interval w1 can be set to 1.5 mm or less in consideration of the size of the gas sensor 1 actually manufactured.
  • the pump electrode 21, the monitor electrode 22, and the sensor electrode 23 are heated to 650 ° C. or more by the heat generating part 522 of the heater 5.
  • the center of heating by the heat generating part 522 of the heater 5 is set at a position facing the pump electrode 21.
  • the upstream portion 211 ⁇ / b> A of the pump electrode lead portion 211 is heated to 650 ° C. or more by the heat generating portion 522 of the heater 5.
  • the front end portion of the gas sensor 1 is in a high temperature region of 650 ° C. or higher, and is easily affected by electrical noise generated from the pump electrode lead portion 211 when a current is passed through the pump electrode 21 due to the high temperature. .
  • the pump electrode lead portion 211 can be separated from the monitor electrode 22 and the sensor electrode 23 as much as possible by diverting the upstream portion 211A of the pump electrode lead portion 211 from the monitor electrode 22 to one side in the width direction W. Further, when the arrangement position of the pump electrode lead portion 211 is too close to the outer end face in the width direction W between the solid electrolyte plate 2 and the first insulating plate 41, the solid electrolyte plate 2 and the first insulating plate 41 are arranged. It becomes easy to produce the trouble at the time of joining. In this case, the measurement gas G leaks easily from the measurement gas chamber 101 to the outside of the gas sensor 1. Therefore, the downstream portion 211 ⁇ / b> B of the pump electrode lead portion 211 is disposed at a position close to the monitor electrode lead portion 221.
  • the pump electrode lead part 211, the monitor electrode lead part 221 and the sensor electrode lead part 231 are made of a cermet material containing a metal component such as Pt.
  • Each lead portion is provided up to the base end portion in the longitudinal direction L of the gas sensor 1 and is electrically connected to a control device outside the gas sensor 1 via a metal fitting, a lead wire, and the like.
  • the monitor electrode 22 and the monitor electrode lead part 221 are arranged between the pump electrode lead part 211 and the sensor electrode 23 and the sensor electrode lead part 231 in the width direction W of the gas sensor 1.
  • the specific gas component such as NOx detected by the sensor cell unit 33 is only slightly present in the measured gas G such as exhaust gas, and the current flowing through the sensor cell unit 33 when the specific gas component is decomposed at the sensor electrode 23 is It is weak.
  • the current flowing through the pump cell unit 31 flows when the oxygen contained in the measurement gas G is reduced, and is significantly larger than the current flowing through the sensor cell unit 33.
  • the sensor electrode 23 for detecting a weak current is moved away from the pump electrode lead part 211 through which a large current flows, so that the sensor cell part 33 causes a leakage current or the like generated when a current flows through the pump electrode lead part 211. It can be made less susceptible to the effects of electrical noise.
  • the monitor electrode 22 is interposed between the pump electrode lead portion 211 and the sensor electrode 23. Thereby, the monitor electrode 22 plays a role of guarding the sensor electrode 23, and the influence of electrical noise generated from the pump electrode lead portion 211 on the sensor electrode 23 can be reduced.
  • the monitor cell unit 32 is used for correcting the detection of the concentration of the specific gas component by reducing the influence of the residual oxygen concentration, and directly detects the concentration of the specific gas component. It is not a thing. Therefore, the sensor electrode 23 is affected by the electrical noise generated from the pump electrode lead portion 211, and the monitor electrode 22 is electrically generated from the pump electrode lead portion 211 as compared with the error generated in the detection of the concentration of the specific gas component. The error that occurs in the detection of the concentration of a specific gas component due to the influence of noise is small.
  • the following effects can be obtained by interposing the monitor electrode 22 between the pump electrode lead portion 211 and the sensor electrode 23 in the width direction W of the gas sensor 1.
  • the gas sensor 1 when the laminated body in which the solid electrolyte plate 2, the insulating plates 41, 42, 43, the heater 5, etc. are laminated, or when the gas sensor 1 is used, a high temperature environment is used. There is a possibility that the metal components and the like of the pump electrode lead part 211 exposed to the vaporization may volatilize.
  • FIG. 6 an error in the concentration of nitric oxide detected by the gas sensor 1 with respect to the actual concentration of nitric oxide is shown as a detection error.
  • the detection error increases as the interval w1 between the upstream portion 211A of the pump electrode lead portion 211 and the monitor electrode lead portion 221 decreases.
  • the detection error increases rapidly.
  • the interval w1 between the lead portions 211A and 221 is smaller than 0.5 mm, the electrical insulation between the upstream portion 211A of the pump electrode lead portion 211 and the monitor electrode lead portion 221 decreases. This is considered to be because the leakage current generated between these lead portions 211A and 221 is increased.
  • the arrangement relationship between the pump electrode lead portion 211, the sensor electrode 23, and the monitor electrode 22 is made appropriate, and the distance between the upstream portion 211A of the pump electrode lead portion 211 and the monitor electrode 22 is increased. It is important to make w1 appropriate.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the scope of the invention.

Abstract

ガスセンサ１は、ポンプ電極２１を用いて被測定ガスＧの酸素濃度を調整するポンプセル部と、モニタ電極２２を用いて被測定ガスＧの残留酸素濃度を検出するモニタセル部と、センサ電極２３を用いて被測定ガスＧにおける特定ガス成分の濃度を検出するセンサセル部と、を備える。ポンプ電極リード部２１１と、センサ電極２３との間には、モニタ電極２２が配置されている。ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａと、モニタ電極リード部２２１との間には、０．５ｍｍ以上の間隔ｗ１が設けられている。

Description

ガスセンサ
　本発明は、排ガス等の被測定ガスにおける特定ガス成分の濃度を測定するガスセンサに関する。
　ガスセンサは、内燃機関から排出される排ガスにおける酸素濃度や酸素以外の特定ガス成分（例えば、ＮＯｘ）の濃度等を測定するために用いられる。例えば、特許文献１には、排ガスにおける酸素以外の特定ガス成分の濃度を測定するガスセンサが開示されている。
　特許文献１に開示されたガスセンサは、固体電解質体における、被測定ガス室に接する表面には、排ガス（即ち、被測定ガス）の酸素濃度を調整するポンプ電極と、酸素濃度が調整された後の排ガスにおける残留酸素濃度を監視するモニタ電極と、酸素濃度が調整された後の排ガスにおける特定ガス成分の濃度を検出するセンサ電極と、を配置して構成されている。また、モニタ電極とセンサ電極とは、被測定ガス室における被測定ガスの流れについてのポンプ電極の下流側に互いに隣接して配置されている。
特開２０１５－６２０１３号公報
　しかしながら、ポンプ電極においては、排ガスの酸素濃度を少なくするために、大きな電流を流しており、ポンプ電極に流れる電流値は、モニタ電極及びセンサ電極に流れる電流値と比べて桁違いに大きい。特許文献１に開示されたガスセンサにおいては、ポンプ電極に通電を行うためのポンプ電極リード部は、センサ電極の側方に隣接して配置されている。そのため、特定ガス成分の濃度に応じてセンサ電極に流れる電流が、ポンプ電極に流れる電流の漏洩等に基づく電気的ノイズの影響を受けて変動するおそれがある。そのため、特定ガス成分の濃度の検出精度を高めるためには更なる工夫が必要とされる。
　本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、被測定ガスにおける特定ガス成分の濃度の検出精度を高めることができるガスセンサを提供することを目的としている。
　本発明の一実施形態に係るガスセンサは、
　酸素イオン伝導性を有する固体電解質板と、
　該固体電解質板の第１表面に隣接して形成された被測定ガス室と、
　上記被測定ガス室における被測定ガスに晒されるよう、上記固体電解質板の上記第１表面に設けられたポンプ電極と、
　上記被測定ガス室における被測定ガスに晒されるよう、上記固体電解質板の上記第１表面における、被測定ガスの流れについての上記ポンプ電極の下流側の位置に、互いに隣接して設けられたモニタ電極及びセンサ電極と、
　基準ガスに晒されるよう、上記第１表面の反対側にある、上記固体電解質板の第２表面に設けられた少なくとも１つの基準電極と、
　上記固体電解質板の上記第２表面に対向して配置され、該固体電解質板を加熱するヒータと、
　上記ポンプ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の第一部分を介して電圧が印加されるときに、上記被測定ガス室における被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル部と、
　上記モニタ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の第二部分を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスにおける残留酸素濃度を検出するモニタセル部と、
　上記センサ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の第三部分を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスにおける特定ガス成分の濃度を検出するセンサセル部と、を備え、
　被測定ガスの流れの方向に直交する幅方向において、上記ポンプ電極から被測定ガスの流れについての下流側に向けて伸びるポンプ電極リード部と、上記センサ電極との間には、上記モニタ電極が配置されており、
　上記ポンプ電極リード部と、上記センサ電極から被測定ガスの流れについての下流側に向けて伸びるセンサ電極リード部との間には、上記モニタ電極から被測定ガスの流れについての下流側に向けて伸びるモニタ電極リード部が配置されており、
　上記ポンプ電極リード部における、上記幅方向から上記モニタ電極に対向する部分を含む上流側部分と、上記モニタ電極リード部との間には、０．５ｍｍ以上の間隔が設けられている。
　上記ガスセンサにおいては、ポンプ電極リード部とセンサ電極との配置関係に工夫をしている。具体的には、被測定ガスの流れの方向に直交する幅方向において、ポンプ電極リード部とセンサ電極との間にモニタ電極が配置されている。また、ポンプ電極リード部とセンサ電極リード部との間には、モニタ電極リード部が配置されている。
　センサセル部によって検出する特定ガス成分は、被測定ガス中に僅かしか存在せず、この特定ガス成分がセンサ電極において分解される際にセンサセル部に流れる電流は微弱である。一方、ポンプセル部に流れる電流は、排ガス等の被測定ガスに含まれる酸素を減らす際に流れるものであり、センサセル部に流れる電流に比べて桁違いに大きい。
　そのため、微弱な電流を検出するセンサ電極を、大電流が流れるポンプ電極リード部から遠ざけることにより、センサセル部が、ポンプ電極リード部に電流を流す際に生じる電気的ノイズの影響を受けにくくすることができる。特に、上記ガスセンサにおいては、ポンプ電極リード部とセンサ電極との間にモニタ電極を介在させている。これにより、モニタ電極がセンサ電極をガードする役割を果たし、ポンプ電極リード部から生じる電気的ノイズがセンサ電極に与える影響を少なくすることができる。
　センサセル部においては、ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスにおける特定ガス成分の濃度だけでなく、残留酸素濃度も検出される。そして、ガスセンサにおいては、センサセル部の出力からモニタセル部の出力を差し引くことにより、酸素濃度が調整された後の被測定ガスにおける残留酸素濃度が特定ガス成分の濃度に与える影響を緩和することができる。
　このように、モニタセル部は、残留酸素濃度による影響を緩和して特定ガス成分の濃度の検出の補正を行うために用いられるものであり、特定ガス成分の濃度の検出を直接行うものではない。そのため、センサ電極が、ポンプ電極リード部から生じる電気的ノイズの影響を受けて、特定ガス成分の濃度の検出に生じる誤差に比べて、モニタ電極が、ポンプ電極リード部から生じる電気的ノイズの影響を受けて、特定ガス成分の濃度の検出に生じる誤差は小さい。
　特に、ポンプ電極リード部の上流側部分と、モニタ電極リード部との間に、０．５ｍｍ以上の間隔を設けることにより、特定ガス成分の濃度の検出に生じる誤差をより小さくすることができる。
　それ故、上記ガスセンサにおいては、ポンプ電極リード部とセンサ電極との間にモニタ電極を介在させることによって、特定ガス成分の濃度の検出精度を高めることができる。
実施形態にかかるガスセンサの構成を示す模式的断面図。 図１のII－II矢視によるガスセンサの模式的断面図。 図１のIII－III矢視によるガスセンサの模式的断面図。 図１のIV－IV矢視によるガスセンサの模式的断面図。 実施形態にかかるガスセンサの全体構成を示す模式的断面図。 ポンプ電極リード部の上流側部分とモニタ電極リード部との間の間隔とガスセンサの検出誤差との関係を示すグラフ。
　本形態に係るガスセンサ１は、図１～図３に示すように、固体電解質板２、被測定ガス室１０１、ポンプ電極２１、モニタ電極２２、センサ電極２３、基準電極２４、ヒータ５、ポンプセル部３１、モニタセル部３２及びセンサセル部３３を備える。
　固体電解質板２は、酸素イオン伝導性を有しており、板状に形成されている。被測定ガス室１０１は、固体電解質板２の第１表面２０１に隣接して形成されている。ポンプ電極２１は、固体電解質板２の第１表面２０１に設けられており、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧに晒されている。モニタ電極２２とセンサ電極２３とは、固体電解質板２の第１表面２０１における、被測定ガスＧの流れについてのポンプ電極２１の下流側の位置に、互いに隣接して設けられており、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧに晒されている。基準電極２４は、第１表面２０１の反対側にある、固体電解質板２の第２表面２０２に設けられており、基準ガスＡに晒されている。
　ヒータ５は、固体電解質板２の第２表面２０２に対向して配置されており、固体電解質板２を加熱するものである。ポンプセル部３１は、ポンプ電極２１と基準電極２４との間に固体電解質板２の第一部分２Ａを介して電圧が印加されるときに、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧの酸素濃度を調整するものである。モニタセル部３２は、モニタ電極２２と基準電極２４との間に固体電解質板２の第二部分２Ｂを介して流れる電流を検出して、ポンプ電極２１によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスＧにおける残留酸素濃度を検出するものである。センサセル部３３は、センサ電極２３と基準電極２４との間に固体電解質板２の第三部分２Ｃを介して流れる電流を検出して、ポンプ電極２１によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスＧにおける酸素以外の特定ガス成分の濃度を検出するものである。
　図３に示すように、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧの流れの方向Ｆに直交する幅方向Ｗにおいて、ポンプ電極２１から被測定ガスＧの流れについての下流側に向けて伸びるポンプ電極リード部２１１と、センサ電極２３との間には、モニタ電極２２が配置されている。ポンプ電極リード部２１１と、センサ電極２３から被測定ガスＧの流れについての下流側に向けて伸びるセンサ電極リード部２３１との間には、モニタ電極２２から被測定ガスＧの流れについての下流側に向けて伸びるモニタ電極リード部２２１が配置されている。ポンプ電極リード部２１１における、幅方向Ｗからモニタ電極２２に対向する部分を含む上流側部分２１１Ａと、モニタ電極リード部２２１との間には、０．５ｍｍ以上の間隔ｗ１が設けられている。
　以下に、本形態に係るガスセンサ１の構成について、詳細に説明する。
　ガスセンサ１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被測定ガスＧとして、排ガス中に含まれる特定ガス成分としてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するものである。図５に示すように、ガスセンサ１は、センサ素子を構成するものであり、長尺形状に形成されている。ガスセンサ１の長尺方向Ｌの基端側部分は、絶縁碍子１２に保持されており、絶縁碍子１２は、内燃機関に取り付けられるハウジング１３に保持されている。また、ガスセンサ１の長尺方向Ｌの先端側部分には、被測定ガスＧが流入する検知部１１が設けられており、検知部１１は、貫通孔１４１が設けられた保護カバー１４によって覆われている。被測定ガス室１０１、ポンプ電極２１、モニタ電極２２、センサ電極２３、基準電極２４、ヒータ５、ポンプセル部３１、モニタセル部３２及びセンサセル部３３等は、検知部１１に設けられている。
　本形態において、ガスセンサ１の長尺方向Ｌの先端側は、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧの流れについての上流側に相当し、ガスセンサ１の長尺方向Ｌの基端側は、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧの流れについての下流側に相当する。
　図１、図２に示すように、固体電解質板２は、イットリア安定化ジルコニアによって構成されており、ガスセンサ１において１枚だけ配置されている。固体電解質板２の第１表面２０１には、被測定ガス室１０１を形成するための切欠き形状の第１絶縁板４１を介して第２絶縁板４２が積層されている。第１絶縁板４１及び第２絶縁板４２は、アルミナ等の絶縁物によって構成されている。第１絶縁板４１は、固体電解質板２の第１表面２０１における、長尺方向Ｌの基端側部分及び幅方向Ｗの両側部分に設けられている。第１絶縁板４１の長尺方向Ｌの先端側部分には、開口部が形成されており、この開口部には、多孔質体からなる拡散抵抗体４４が配置されている。被測定ガス室１０１は、固体電解質板２の第１表面２０１と第２絶縁板４２との間において、拡散抵抗体４４と第１絶縁板４１とによって四方が囲まれて形成されている。被測定ガスＧは、拡散抵抗体４４を経由して被測定ガス室１０１に流入する。
　図１、図３に示すように、ポンプ電極２１、モニタ電極２２、センサ電極２３及び基準電極２４は、同じ固体電解質板２に設けられている。ポンプ電極２１は、被測定ガス室１０１における、被測定ガスＧの流れについての上流側の位置であって、モニタ電極２２及びセンサ電極２３に比べて拡散抵抗体４４に近い位置に配置されている。モニタ電極２２とセンサ電極２３とは、同等の大きさに形成されており、ポンプ電極２１から同等の距離に配置されている。そして、被測定ガス室１０１における、ポンプ電極２１の配置位置を通過した後の被測定ガスＧの流れに対して、モニタ電極２２とセンサ電極２３との配置条件を同等にしている。
　基準電極２４は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３の全体に対向する位置に１つ設けられている。これ以外にも、基準電極２４は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３のそれぞれに対向する位置に別々に３つ設けることもできる。
　ポンプ電極２１及びモニタ電極２２は、酸素を分解可能で特定ガス成分を分解しない、Ｐｔ－Ａｕ合金等の金属成分を含むサーメット材料を用いて構成されており、センサ電極２３は、酸素及び特定ガス成分を分解可能な、Ｐｔ－Ｒｈ合金等の金属成分を含むサーメット材料を用いて構成されている。基準電極２４は、酸素を分解可能な、Ｐｔ等の金属成分を含むサーメット材料を用いて構成されている。
　図１、図２、図４に示すように、ヒータ５は、アルミナ等の２枚のセラミック基板５１と、２枚のセラミック基板５１の間に埋設された導体層５２とを有している。ヒータ５は、基準ガスＡとしての大気が導入される基準ガス室１０２を形成するための第３絶縁板４３を介して、固体電解質板２の第２表面２０２に積層されている。第３絶縁板４３は、アルミナ等の絶縁物によって構成されている。
　第３絶縁板４３は、ガスセンサ１の長尺方向Ｌの基端部に開口部を有する切欠き形状に形成されている。基準ガス室１０２は、固体電解質板２の第２表面２０２とセラミック基板５１との間において、第３絶縁板４３によって三方が囲まれて形成されている。基準ガスＡは、ガスセンサ１の長尺方向Ｌの基端部から基準ガス室１０２に流入する。
　図４に示すように、ヒータ５の導体層５２は、ガスセンサ１の外部における通電手段に接続される一対のリード部５２１と、一対のリード部５２１を繋ぎ、一対のリード部５２１に印加される電圧によって通電されるときに発熱する発熱部５２２とを有している。導体層５２に通電が行われるときには、ジュール熱によって主に発熱部５２２が発熱する。そして、この発熱部５２２の発熱によって、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が所望の作動温度に昇温される。
　発熱部５２２の抵抗値は、リード部５２１の抵抗値よりも大きい。発熱部５２２の抵抗値は、導体層５２全体の抵抗値の５０％以上を占めるようにすることができる。発熱部５２２は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３が配置された平面領域の略全体に対向する位置に設けられている。
　発熱部５２２のパターン配線を、リード部５２１のパターン配線よりも細くすることによって、発熱部５２２の抵抗値をリード部５２１の抵抗値よりも大きくすることができる。また、発熱部５２２の膜厚をリード部５２１の膜厚よりも小さくすること、または発熱部５２２の構成材料をリード部５２１の構成材料よりも比抵抗の大きな材料とすること等によっても、発熱部５２２の抵抗値をリード部５２１の抵抗値よりも大きくすることができる。また、パターン配線の太さ、膜厚、構成材料等を変化させる手法を組み合わせて、発熱部５２２の抵抗値をリード部５２１の抵抗値よりも大きくすることもできる。
　図１に示すように、ポンプセル部３１は、ポンプ電極２１と、基準電極２４の一部と、ポンプ電極２１と基準電極２４の一部との間に挟まれた固体電解質板２の第一部分２Ａとによって構成されている。ポンプ電極２１と基準電極２４との間には、これらの電極２１，２４の間に電圧を印加する電圧印加回路６１が設けられている。電圧印加回路６１によって、ポンプ電極２１と基準電極２４との間に電圧が印加されるときに、ポンプ電極２１に接触する被測定ガスＧ中の酸素が分解されて、固体電解質板２を介して基準電極２４へ酸素イオンが透過し、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧ中の酸素が減らされる。
　図２に示すように、モニタセル部３２は、モニタ電極２２と、基準電極２４の一部と、モニタ電極２２と基準電極２４の一部との間に挟まれた固体電解質板２の第二部分２Ｂとによって構成されている。モニタ電極２２と基準電極２４との間には、これらの電極２２，２４の間に所定の電圧を印加した状態で、これらの電極２２，２４の間に流れる電流を検出する第一電流検出回路６２が設けられている。モニタ電極２２に接触する被測定ガスＧ中の残留酸素が分解されるときには、固体電解質板２を介して基準電極２４へ酸素イオンが透過する。このとき、モニタ電極２２と基準電極２４との間に固体電解質板２の第二部分２Ｂを介して流れる電流が、第一電流検出回路６２によって検出される。
　同図に示すように、センサセル部３３は、センサ電極２３と、基準電極２４の一部と、センサ電極２３と基準電極２４の一部との間に挟まれた固体電解質板２の第三部分２Ｃとによって構成されている。センサ電極２３と基準電極２４との間には、これらの電極２３，２４の間に所定の電圧を印加した状態で、これらの電極２３，２４の間に流れる電流を検出する第二電流検出回路６３が設けられている。センサ電極２３に接触する被測定ガスＧ中の残留酸素及び特定ガス成分が分解されるときには、固体電解質板２を介して基準電極２４へ酸素イオンが透過する。このとき、センサ電極２３と基準電極２４との間に固体電解質板２の第三部分２Ｃを介して流れる電流が、第二電流検出回路６３によって検出される。
　また、ガスセンサ１の動作を制御する制御部においては、センサセル部３３の電流の出力からモニタセル部３２の電流の出力が差し引かれることにより、被測定ガスＧである排ガス中の残留酸素の影響が緩和されて、特定ガス成分であるＮＯｘの濃度が求められる。
　図３に示すように、ポンプ電極リード部２１１は、固体電解質板２の第１表面２０１において、ポンプ電極２１に繋がって形成されている。ポンプ電極リード部２１１は、ポンプ電極２１を電圧印加回路６１に接続するためのものである。ポンプ電極リード部２１１は、ポンプ電極２１の幅方向Ｗにおける一方側の側面の下流側端部から、幅方向Ｗにおける一方側に位置ずれして、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧの流れについての下流側（ガスセンサ１の長尺方向Ｌの基端側）に向けて設けられている。ポンプ電極リード部２１１における、ポンプ電極２１に繋がる部分２１２を除く全体は、固体電解質板２と第１絶縁板４１との間に埋設されている。
　より具体的には、ポンプ電極リード部２１１における、ポンプ電極２１に繋がる部分２１２を除く、幅方向Ｗからモニタ電極２２に対向する部分を含む上流側部分２１１Ａと、上流側部分２１１Ａよりも被測定ガスＧの流れについての下流側に位置する下流側部分２１１Ｂの全体とは、固体電解質板２と第１絶縁板４１との間に埋設されている。この構成により、ポンプ電極リード部２１１を固体電解質板２と第１絶縁板４１とによって包み込むことができる。これにより、ガスセンサ１を製造する際に、固体電解質板２、各絶縁板４１，４２，４３及びヒータ５等を積層した積層体の燒結を行うとき、あるいはガスセンサ１を使用するときにおいて、高温の環境下に晒されたポンプ電極リード部２１１の金属成分等が揮発して、センサ電極２３やモニタ電極２２に付着することを抑制することができる。
　固体電解質板２の第１表面２０１において、モニタ電極２２の下流側端部には、モニタ電極２２から被測定ガスＧの流れについての下流側に向けて伸びるモニタ電極リード部２２１が繋がっている。モニタ電極リード部２２１は、モニタ電極２２を第一電流検出回路６２に接続するためのものである。モニタ電極リード部２２１は、被測定ガスＧの流れについての下流側に向けて直線状に設けられている。モニタ電極リード部２２１における、モニタ電極２２に繋がる部分２２２を除く全体は、固体電解質板２と第１絶縁板４１との間に埋設されている。
　固体電解質板２の第１表面２０１において、センサ電極２３の下流側端部には、センサ電極２３から被測定ガスＧの流れについての下流側に向けて伸びるセンサ電極リード部２３１が繋がっている。センサ電極リード部２３１は、センサ電極２３を第二電流検出回路６３に接続するためのものである。センサ電極リード部２３１は、被測定ガスＧの流れについての下流側に向けて直線状に設けられている。センサ電極リード部２３１における、センサ電極２３に繋がる部分２３２を除く全体は、固体電解質板２と第１絶縁板４１との間に埋設されている。
　図３に示すように、モニタ電極リード部２２１は、ガスセンサ１の幅方向Ｗにおいて、ポンプ電極リード部２１１とセンサ電極リード部２３１との間に配置されている。
　モニタ電極リード部２２１は、ポンプ電極リード部２１１から離れた側に偏ってモニタ電極２２に繋がっている。より具体的には、モニタ電極リード部２２１は、モニタ電極２２の下流側端部における、ポンプ電極リード部２１１から最も離れた位置に繋がっている。この構成により、モニタ電極リード部２２１をポンプ電極リード部２１１から遠ざけることが容易になる。また、センサ電極リード部２３１は、ポンプ電極リード部２１１から離れた側に偏ってセンサ電極２３に繋がっている。より具体的には、センサ電極リード部２３１は、センサ電極２３の下流側端部における、ポンプ電極リード部２１１から最も離れた位置に繋がっている。この構成により、センサ電極リード部２３１をポンプ電極リード部２１１から遠ざけることが容易になる。
　同図に示すように、ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａと、モニタ電極リード部２２１との間隔ｗ１は、ポンプ電極リード部２１１の下流側部分２１１Ｂと、モニタ電極リード部２２１との間隔ｗ２よりも大きい。そして、ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａは、モニタ電極２２から離れるように幅方向Ｗの一方側に迂回して配置されており、ポンプ電極リード部２１１の下流側部分２１１Ｂは、上流側部分２１１Ａに比べてモニタ電極リード部２２１に近づいて配置されている。また、ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａと、モニタ電極リード部２２１との間には、０．５ｍｍ以上の間隔ｗ１が設けられている。この間隔ｗ１は、実際に製造するガスセンサ１の大きさを考慮して、１．５ｍｍ以下とすることができる。
　ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３は、ヒータ５の発熱部５２２によって６５０℃以上に加熱される。ヒータ５の発熱部５２２による加熱中心は、ポンプ電極２１と対向する位置に設定されている。また、ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａも同様に、ヒータ５の発熱部５２２によって６５０℃以上に加熱される。そして、ガスセンサ１の先端側部分は、６５０℃以上の高温領域となり、高温であることによって、ポンプ電極２１に電流を流す際に、ポンプ電極リード部２１１から生じる電気的ノイズの影響を受けやすくなる。
　ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａを、モニタ電極２２から幅方向Ｗの一方側に迂回させることにより、ポンプ電極リード部２１１をモニタ電極２２及びセンサ電極２３から極力離すことができる。また、ポンプ電極リード部２１１の配置位置が、固体電解質板２と第１絶縁板４１との間における幅方向Ｗの外側の端面に近づき過ぎる場合には、固体電解質板２と第１絶縁板４１とを接合する際の不具合が生じやすくなる。また、この場合には、被測定ガス室１０１からガスセンサ１の外部への被測定ガスＧのリークが生じやすくなる。そのため、ポンプ電極リード部２１１の下流側部分２１１Ｂは、モニタ電極リード部２２１に近くなる位置に配置している。
　ポンプ電極リード部２１１、モニタ電極リード部２２１及びセンサ電極リード部２３１は、Ｐｔ等の金属成分を含むサーメット材料によって構成されている。各リード部は、ガスセンサ１の長尺方向Ｌの基端部まで設けられ、金具、リード線等を介してガスセンサ１の外部における制御機器に電気的に接続される。
　本形態のガスセンサ１においては、ガスセンサ１の幅方向Ｗにおいて、ポンプ電極リード部２１１と、センサ電極２３及びセンサ電極リード部２３１との間に、モニタ電極２２及びモニタ電極リード部２２１を配置している。
　センサセル部３３によって検出するＮＯｘ等の特定ガス成分は、排ガス等の被測定ガスＧ中に僅かしか存在せず、この特定ガス成分がセンサ電極２３において分解される際にセンサセル部３３に流れる電流は微弱である。一方、ポンプセル部３１に流れる電流は、被測定ガスＧに含まれる酸素を減らす際に流れるものであり、センサセル部３３に流れる電流に比べて桁違いに大きい。
　そのため、微弱な電流を検出するためのセンサ電極２３を、大電流が流れるポンプ電極リード部２１１から遠ざけることにより、センサセル部３３が、ポンプ電極リード部２１１に電流を流す際に生じるリーク電流等の電気的ノイズの影響を受けにくくすることができる。ガスセンサ１においては、ポンプ電極リード部２１１とセンサ電極２３との間にモニタ電極２２を介在させている。これにより、モニタ電極２２がセンサ電極２３をガードする役割を果たし、ポンプ電極リード部２１１から生じる電気的ノイズがセンサ電極２３に与える影響を少なくすることができる。
　また、上述したように、モニタセル部３２は、残留酸素濃度による影響を緩和して特定ガス成分の濃度の検出の補正を行うために用いられるものであり、特定ガス成分の濃度の検出を直接行うものではない。そのため、センサ電極２３が、ポンプ電極リード部２１１から生じる電気的ノイズの影響を受けて、特定ガス成分の濃度の検出に生じる誤差に比べて、モニタ電極２２が、ポンプ電極リード部２１１から生じる電気的ノイズの影響を受けて、特定ガス成分の濃度の検出に生じる誤差は小さい。特に、ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａと、モニタ電極リード部２２１との間に、０．５ｍｍ以上の間隔を設けることにより、特定ガス成分の濃度の検出に生じる誤差をより小さくすることができる。
　それ故、ガスセンサ１においては、ポンプ電極リード部２１１とセンサ電極２３との間にモニタ電極２２を介在させることによって、特定ガス成分の濃度の検出精度を高めることができる。
　また、ガスセンサ１の幅方向Ｗにおいて、ポンプ電極リード部２１１とセンサ電極２３との間にモニタ電極２２を介在させることによって、次の効果を得ることもできる。
　ガスセンサ１を製造する際に、固体電解質板２、各絶縁板４１，４２，４３及びヒータ５等を積層した積層体の燒結を行うとき、あるいはガスセンサ１を使用するときにおいては、高温の環境下に晒されたポンプ電極リード部２１１の金属成分等が揮発するおそれがある。この場合、ポンプ電極リード部２１１から揮発した金属成分等がセンサ電極２３に付着して、センサ電極２３が被毒すると、特定ガス成分の濃度の検出精度を悪化させる要因となり得る。そのため、ポンプ電極リード部２１１とセンサ電極２３との間にモニタ電極２２を介在させ、センサ電極２３をポンプ電極リード部２１１からできるだけ遠ざけることによって、センサ電極２３の被毒のおそれを少なくすることができる。
（確認試験）
　本確認試験においては、ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａとモニタ電極リード部２２１との間に設けられた間隔ｗ１と、ガスセンサ１による特定ガス成分の濃度の検出誤差との関係を測定した。そして、このリード部２１１Ａ，２２１同士の間の間隔ｗ１が異なる複数のガスセンサ１を試作し、各ガスセンサ１の被測定ガス室１０１には、酸素の濃度が５％、一酸化窒素（ＮＯ）の濃度が１００ｐｐｍ、残部が窒素である被測定ガスＧを流入させて、特定ガス成分の濃度の検出を行った。
　図６においては、実際の一酸化窒素の濃度に対する、ガスセンサ１によって検出した一酸化窒素の濃度の誤差を検出誤差として示す。同図に示すように、ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａとモニタ電極リード部２２１との間の間隔ｗ１が狭くなるほど検出誤差が大きくなる。特に、リード部２１１Ａ，２２１同士の間の間隔ｗ１が０．５ｍｍよりも小さくなると、検出誤差が急激に増加することが分かる。この理由は、リード部２１１Ａ，２２１同士の間の間隔ｗ１が０．５ｍｍよりも小さくなると、ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａとモニタ電極リード部２２１との間の電気的絶縁性が低下して、これらのリード部２１１Ａ，２２１間に生じるリーク電流が増大したためであると考える。
　特定ガス成分の濃度に起因する微小な電流を検出する本形態のガスセンサ１においては、電気的ノイズが特定ガス成分の濃度の検出に与える影響が無視できない。そのため、上述したように、ポンプ電極リード部２１１と、センサ電極２３及びモニタ電極２２との配置関係を適切にし、かつ、ポンプ電極リード部２１１の上流側部分２１１Ａとモニタ電極２２との間の間隔ｗ１を適切にすることが重要となる。
　本発明は、上述した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様々な形態で実施することができる。
　１　ガスセンサ
　１０１　被測定ガス室
　２　固体電解質板
　２１　ポンプ電極
　２１１　ポンプ電極リード部
　２２　モニタ電極
　２３　センサ電極
　２４　基準電極
　５　ヒータ

Claims (4)

  1. 　酸素イオン伝導性を有する固体電解質板（２）と、
    　該固体電解質板の第１表面（２０１）に隣接して形成された被測定ガス室（１０１）と、
    　上記被測定ガス室における被測定ガス（Ｇ）に晒されるよう、上記固体電解質板の上記第１表面に設けられたポンプ電極（２１）と、
    　上記被測定ガス室における被測定ガスに晒されるよう、上記固体電解質板の上記第１表面における、被測定ガスの流れについての上記ポンプ電極の下流側の位置に、互いに隣接して設けられたモニタ電極（２２）及びセンサ電極（２３）と、
    　基準ガス（Ａ）に晒されるよう、上記第１表面の反対側にある、上記固体電解質板の第２表面（２０２）に設けられた少なくとも１つの基準電極（２４）と、
    　上記固体電解質板の上記第２表面に対向して配置され、該固体電解質板を加熱するヒータ（５）と、
    　上記ポンプ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の第一部分（２Ａ）を介して電圧が印加されるときに、上記被測定ガス室における被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル部（３１）と、
    　上記モニタ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の第二部分（２Ｂ）を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスにおける残留酸素濃度を検出するモニタセル部（３２）と、
    　上記センサ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の第三部分（２Ｃ）を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスにおける特定ガス成分の濃度を検出するセンサセル部（３３）と、を備え、
    　被測定ガスの流れの方向（Ｆ）に直交する幅方向（Ｗ）において、上記ポンプ電極から被測定ガスの流れについての下流側に向けて伸びるポンプ電極リード部（２１１）と、上記センサ電極との間には、上記モニタ電極が配置されており、
    　上記ポンプ電極リード部と、上記センサ電極から被測定ガスの流れについての下流側に向けて伸びるセンサ電極リード部（２３１）との間には、上記モニタ電極から被測定ガスの流れについての下流側に向けて伸びるモニタ電極リード部（２２１）が配置されており、
    　上記ポンプ電極リード部における、上記幅方向から上記モニタ電極に対向する部分を含む上流側部分（２１１Ａ）と、上記モニタ電極リード部との間には、０．５ｍｍ以上の間隔（ｗ１）が設けられている、ガスセンサ（１）。
  2. 　上記モニタ電極リード部は、上記ポンプ電極リード部から離れた側に偏って上記モニタ電極に繋がっており、
    　上記センサ電極リード部は、上記ポンプ電極リード部から離れた側に偏って上記センサ電極に繋がっている、請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 　上記ポンプ電極リード部の上記上流側部分は、上記固体電解質板と、上記被測定ガス室を形成する絶縁板（４１）との間に埋設されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
  4. 　上記ポンプ電極リード部の上記上流側部分と上記モニタ電極リード部との間に設けられた上記間隔は、上記ポンプ電極リード部における、上記上流側部分よりも被測定ガスの流れについての下流側に位置する下流側部分（２１１Ｂ）と上記モニタ電極リード部との間に設けられた間隔（ｗ２）よりも大きい、請求項１～３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
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