(57)【特許請求の範囲】
【請求項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るとともに、上記第２基準ガス室と上記測定ガス室の間に配置され、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２固体電解質体の上記第１主面における、上記第２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）、上記第２固体電解質体の上記第２主面に形成された第３基準電極（５２）、及び上記センサ電極と上記第３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（２０２Ｂ）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検出するためのセンサセル（５）と、
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ポンプ電極の表面面積（Ｓ１）と、上記第２ポンプ電極の表面面積（Ｓ２）との合計は、１０ｍｍ2以上２５ｍｍ2以下であり、
上記ヒータの印加電圧は、上記第２ポンプセルのインピーダンスが目標とする値になるよう調整される、ガスセンサ（１）。
【請求項２】
上記センサ素子は、
上記第２固体電解質体の上記第１主面における、上記流れ方向に直交する方向に上記センサ電極と並んで形成されたモニタ電極（７１）、上記第２固体電解質体の上記第２主面に形成された第４基準電極（７２）、及び上記モニタ電極と上記第４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（２０３Ｂ）によって構成され、上記第４基準電極と上記モニタ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残留酸素を検出するモニタセル（７）をさらに備える、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
上記モニタ電極の貴金属成分は、上記第１ポンプ電極及び上記第２ポンプ電極の貴金属成分と同じである、請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
上記第２ポンプ電極における、上記流れ方向の長さ（Ｌ）は、２〜５ｍｍの範囲内にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
上記測定ガス室の高さ（Ｈ）は、６５〜１５０μｍの範囲内にある、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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を検出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第１固体電解質体及び第２固体電解質体と、第１固体電解質体と第２固体電解質体との間に形成され、測定ガスが導入される測定ガス室と、第２固体電解質体に対向して配置されたヒータとを備えている。第１固体電解質体及び第２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、第１固体電解質体には、測定ガス中の特定ガス成分を検出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。センサセルは、ヒータにより加熱されることにより活性化し、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検出するために用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−８８１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、センサセルによる特定ガス成分の検出精度を向上させるためには、センサセルの温度を目標とする温度範囲内に保つことが必要になる。特に、センサ素子の周辺温度が過渡的に変動した場合には、この影響を受けてセンサセルの温度も変動する。しかしながら、特許文献１のガスセンサのセンサ素子においては、センサセルは、ヒータに隣接する第２固体電解質体ではなく、ヒータから離れた第１固体電解質体に設けられている。そのため、ヒータが動作した際に発生する熱をセンサセルに素早く伝達するためには不十分であり、ヒータの動作によってセンサセルの温度を目標とする温度範囲内に更に安定して保つための更なる工夫が必要とされる。従って、センサ素子の周辺温度が過渡的に変動した場合においても、センサセルによる測定ガスにおける特定ガス成分の検出精度を向上させるためには、更に改良の余地がある。
【０００５】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、測定ガスにおける特定ガス成分の検出の応答性を高く維持したまま、特定ガス成分の検出精度を向上させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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るとともに、上記第２基準ガス室と上記測定ガス室の間に配置され、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２固体電解質体の上記第１主面における、上記第２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）、上記第２固体電解質体の上記第２主面に形成された第３基準電極（５２）、及び上記センサ電極と上記第３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（２０２Ｂ）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検出するためのセンサセル（５）と、
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ポンプ電極の表面面積（Ｓ１）と、上記第２ポンプ電極の表面面積（Ｓ２）との合計は、１０ｍｍ2以上２５ｍｍ2以下であり、
上記ヒータの印加電圧は、上記第２ポンプセルのインピーダンスが目標とする値になるよう調整される、ガスセンサ（１）にある。
【発明の効果】
【０００７】
上記ガスセンサのセンサ素子におけるヒータは、センサセルが形成された第２固体電解質体の第２主面に対向して配置されている。そのため、センサセルが形成されていない第１固体電解質体に対向してヒータが配置される場合に比べて、センサセルの配置位置をヒータの配置位置に近づけることができ、ガスセンサの始動時及び使用時において、ヒータが動作した際に発生する熱をセンサセルに素早く伝達することができる。これにより、センサ素子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、センサセルの温度変動が抑制され、センサセルによる、測定ガスにおける特定ガス成分の検出精度を向上させることができる。
【０００８】
また、ポンプセルが第１ポンプセルと第２ポンプセルとに分かれて構成されていることにより、流れ方向におけるポンプセルの形成長さが短くなる。これにより、各ポンプセルによって酸素濃度が調整された測定ガスがセンサセルのセンサ電極に到達するまでの時間が短くなり、測定ガスにおける特定ガス成分の検出の応答性を高く維持することができる。
【０００９】
以上のように、上記ガスセンサによれば、測定ガスにおける特定ガス成分の検出の応答性を高く維持したまま、特定ガス成分の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１における、センサ素子の断面を示す説明図。
【図２】図１における、II−II線断面矢指図。
【図３】実施形態１における、センサ素子の断面を示す説明図。
【図４】実施形態１における、センサ素子の分解斜視図。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】実施形態２における、センサ素子の断面を示す説明図。
【図１１】図１０における、XI−XI線断面矢指図。
【図１２】確認試験１における、試験品１についての試験時間と、センサ出力との関係を示すグラフ。
【図１３】確認試験１における、試験品２についての試験時間と、センサ出力との関係を示すグラフ。
【図１４】確認試験１における、比較品１についての試験時間と、センサ出力との関係を示すグラフ。
【図１５】確認試験２における、試験品１、試験品３、比較品１及び比較品２についての投入電力比の関係を示すグラフ。
【図１６】確認試験３における、ポンプ電極総面積と、センサ出力との関係を示すグラフ。
【図１７】確認試験４における、第２ポンプ電極の長さと、応答時間との関係を示すグラフ。
【図１８】確認試験５における、測定ガス室の高さと、応答時間との関係を示すグラフ。
【図１９】比較品１における、センサ素子の断面を示す説明図。
【図２０】比較品２における、センサ素子の断面を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（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、図２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ポンプセル４Ａと、第２ポンプセル４Ｂと、センサセル５と、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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
図１、図２に示すように、センサセル５は、第２固体電解質体２Ｂの第１主面２３における、第２ポンプセル４Ｂ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２固体電解質体２Ｂの第２主面２４に形成された第３基準電極５２と、センサ電極５１と第３基準電極５２との間に挟まれた第２固体電解質体２Ｂの一部２０２Ｂ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を検出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。
【００１５】
次に、本形態のガスセンサ１０につき、さらに詳説する。
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、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）の濃度を検出するものである。
【００１６】
図５に示すように、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。
【００１７】
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。後述する、各電極４１Ａ、４１Ｂ、４２Ａ、４２Ｂ、５１、５２のリード部及び発熱体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。
【００１８】
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。
【００１９】
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固体電解質体２Ａにおける第１基準電極４２Ａ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。
【００２０】
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固体電解質体２Ｂにおける第２基準電極４２Ｂ及び第３基準電極５２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。
【００２１】
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）からの指令を受けて動作する。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。
【００２２】
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。
【００２３】
図１に示すように、第２ポンプ電極４１Ｂと第２基準電極４２Ｂとの間には、第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスを測定する測定回路４４が接続されている。測定回路４４は、ガスセンサ１０の制御装置（ＳＣＵ）に設けられている。本形態のセンサ素子１の温度制御は、第２ポンプセル４Ｂの温度を制御することによって行う。ＳＣＵにおいては、第２ポンプセル４Ｂの温度と第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスとの関係が関係マップとして記憶されている。測定回路４４によって、第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスが測定されたときには、このインピーダンスが関係マップに照合され、この関係マップに基づいて第２ポンプセル４Ｂの温度が算出される。関係マップは、第２ポンプセル４Ｂの温度を変化させたときの第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスの変化を測定して両者の関係式等として構築されたものである。
【００２４】
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第１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２固体電解質体２Ｂ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、第１電流検出回路５３によって検出される。
【００２５】
本形態の第３基準電極５２は、第２ポンプセル４Ｂの第２基準電極４２Ｂ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。
【００２６】
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、第２ポンプセル４Ｂの温度を所定の目標温度に保つよう、測定回路４４によって測定される第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスが目標とする値になるよう調整される。
【００２７】
ＳＣＵにおいては、測定回路４４による第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスのフィードバックを受けて、このインピーダンスが目標とする値になるよう制御されることにより、第２ポンプセル４Ｂの温度制御が行われる。また、第２ポンプセル４Ｂの温度制御が行われることにより、第２固体電解質体２Ｂ上において第２ポンプセル４Ｂに隣接するセンサセル５の温度制御も行われる。
【００２８】
なお、測定回路４４は、図９に示すように、第１ポンプセル４Ａのインピーダンスを測定するために、第１ポンプ電極４１Ａと第１基準電極４２Ａとの間に接続してもよい。この場合には、ヒータ６の発熱体６１への印加電圧は、第１ポンプセル４Ａの温度を所定の目標温度に保つよう、測定回路４４によって測定される第１ポンプセル４Ａのインピーダンスが目標とする値になるよう調整される。
【００２９】
図３に示すように、本形態のセンサ素子１において、第１ポンプ電極４１Ａの表面面積Ｓ１と第２ポンプ電極４１Ｂの表面面積Ｓ２との合計は、１０ｍｍ2以上である。表面面積Ｓ１、Ｓ２とは、各ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂにおける、固体電解質体２Ａ、２Ｂに略平行な主面の面積のことをいう。表面面積Ｓ１、Ｓ２には、各ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂの厚みによる側面の面積は含まないこととする。表面面積Ｓ１と表面面積Ｓ２との合計が１０ｍｍ2未満の場合には、各ポンプセル４Ａ、４Ｂが、測定ガス室３に導入された測定ガスＧ中の酸素を除去しきれず、センサセル５による測定ガスＧ中の特定ガス成分の検出精度が低下するおそれがある。表面面積Ｓ１と表面面積Ｓ２との合計は、センサ素子１のサイズの制約上、２５ｍｍ2以下とすることができる。
【００３０】
また、第２ポンプ電極４１Ｂにおける、流れ方向Ｆの長さＬは、２〜５ｍｍの範囲内にある。長さＬが２ｍｍ未満の場合には、各ポンプセル４Ａ、４Ｂが、測定ガス室３に導入された測定ガスＧ中の酸素を除去しきれず、センサセル５による測定ガスＧ中の特定ガス成分の検出精度が低下するおそれがある。一方、長さＬが５ｍｍ超過の場合には、第２ポンプセル４Ｂ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長くなり、センサセル５による特定ガス成分の検出の応答性が低下するおそれがある。また、第１ポンプ電極４１Ａにおける、流れ方向Ｆの長さＬも、２〜５ｍｍの範囲内にある。本形態のセンサ素子１においては、第１ポンプ電極４１Ａの長さＬと第２ポンプ電極４１Ｂの長さＬとは同じである。
【００３１】
また、図３に示すように、測定ガス室３の高さＨは、６５〜１５０μｍの範囲内にある。高さＨとは、第１固体電解質体２Ａの第２主面２２から第２固体電解質体２Ｂの第１主面２３までの高さのことをいう。高さＨには、ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂ及びセンサ電極５１の厚みは含まないこととする。高さＨが６５μｍ未満の場合、測定ガス室３内における測定ガスＧの流通性が悪くなり、センサセル５による特定ガス成分の検出の応答性が低下するおそれがある。一方、高さＨが１５０μｍ超過の場合には、測定ガス室３に導入される測定ガスＧが入れ替わる時間が長くなり、センサセル５による特定ガス成分の検出の応答性が低下するおそれがある。
【００３２】
次に、本形態のガスセンサ１０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、ヒータ６は、センサセル５が形成された第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。そのため、センサセル５が形成されていない第１固体電解質体２Ａに対向してヒータ６が配置される場合に比べて、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における特定ガス成分の検出精度を向上させることができる。
【００３３】
また、ポンプセル４Ａ、４Ｂが第１ポンプセル４Ａと第２ポンプセル４Ｂとに分かれて構成されていることにより、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検出の応答性を高く維持することができる。
【００３４】
ヒータ６の印加電圧は、ヒータ６に近い側に位置する第２固体電解質体２Ｂに設けられた第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスを用いて制御される。また、ヒータ６の印加電圧は、センサセル５が設けられた第２固体電解質体２Ｂと同じ第２固体電解質体２Ｂに設けられた第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスを用いて制御される。そして、ヒータ６と第１固体電解質体２Ａとの距離に比べてヒータ６と第２固体電解質体２Ｂとの距離が小さいことにより、ヒータ６から第１ポンプセル４Ａへの熱の伝達に比べてヒータ６から第２ポンプセル４Ｂへの熱の伝達は効果的に行われる。そのため、ヒータ６の発熱による熱が第２ポンプセル４Ｂに伝わりやすくなり、ヒータ６の発熱を受けて第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスが迅速に変化し、第２ポンプセル４Ｂの温度制御の応答性が良くなる。
【００３５】
これにより、センサ素子１の周辺温度が過渡的に変動した場合においても、第２ポンプセル４Ｂ及びセンサセル５の温度を目標とする温度範囲内に維持するために必要なヒータ６への投入電力を低減させることができる。その結果、ガスセンサ１０の電力消費量を低減させることができる。
【００３６】
以上のように、上記ガスセンサ１０によれば、測定ガスにおける特定ガス成分の検出の応答性を高く維持したまま、特定ガス成分の検出精度を向上させることができ、かつ、ガスセンサ１０の電力消費量を低減することができる。
【００３７】
（実施形態２）
本形態のガスセンサ１０のセンサ素子１は、図１０、図１１に示すように、センサセル５に隣接するモニタセル７を更に備えている。モニタセル７は、第２固体電解質体２Ｂの第１主面２３に形成されて測定ガス室３内の測定ガスＧに晒されるモニタ電極７１と、第２固体電解質体２Ｂの第２主面２４に形成されて基準ガスＡに晒される第４基準電極７２と、モニタ電極７１と第４基準電極７２との間に挟まれた第２固体電解質体２Ｂの一部２０３Ｂとによって構成されている。モニタ電極７１は、第２固体電解質体２Ｂの第１主面２３における、流れ方向Ｆに直交する方向に、センサ電極５１と並んで設けられている。
【００３８】
モニタセル７は、第４基準電極７２とモニタ電極７１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における残留酸素を検出するために用いられる。また、本形態のセンサセル５は、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における特定ガス及び残留酸素を検出するために用いられる。
【００３９】
図１０、図１１に示すように、モニタ電極７１は測定ガス室３に配置されており、第４基準電極７２は、第２基準ガス室３２に配置されている。ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂ及びモニタ電極７１は、測定ガスＧ中の酸素を分解可能で特定ガス成分を分解しない、Ｐｔ、Ｐｔ−Ａｕ合金等の貴金属成分と、ジルコニア成分とを含むサーメット材料を用いて構成されている。一方、センサ電極５１は、酸素及び特定ガスを分解可能な、Ｐｔ−Ｒｈ合金等の貴金属成分と、ジルコニア成分とを含むサーメット材料を用いて構成されている。
【００４０】
基準電極４２Ａ、４２Ｂ、５２、７２は、酸素を分解可能な、Ｐｔ等の貴金属成分と、ジルコニア成分とを含むサーメット材料を用いて構成されている。モニタ電極７１の貴金属成分は、第１ポンプ電極４１Ａ及び第２ポンプ電極４１Ｂの貴金属成分と同じである。これにより、酸素に対するモニタ電極７１の触媒活性を、酸素に対するポンプ電極４１Ａ、４１Ｂの触媒活性と同等にすることができる。
【００４１】
図１１に示すように、モニタセル７には、モニタ電極７１と第４基準電極７２との間に所定の電圧を印加した状態で、これらの電極７１、７２の間に流れる電流を検出する第２電流検出回路７３が接続されている。モニタ電極７１に接触する残留酸素が分解されるときには、モニタ電極７１から第２固体電解質体２Ｂを介して第４基準電極７２へ酸素イオンが透過し、この酸素イオンによる電流が、第２電流検出回路７３によって検出される。
【００４２】
本形態の第４基準電極７２は、第２ポンプセル４Ｂの第２基準電極４２Ｂ及びセンサセル５の第３基準電極５２と一体的に形成されている。なお、第４基準電極７２は、第２固体電解質体２Ｂを介してモニタ電極７１と対向する位置に、第２基準電極４２Ｂ及び第３基準電極５２とは別体として形成してもよい。
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。
【００４３】
本形態のガスセンサ１０においては、センサセル５の出力からモニタセル７の出力が減算され、この減算された出力がガスセンサ１０のセンサ出力となる。これにより、ガスセンサ１０のセンサ出力に、測定ガスＧ中の残留酸素及びヒータ６の発熱による電子伝導が及ぼす影響を小さくすることができる。そのため、本形態のガスセンサ１０によれば、測定ガスＧ中の特定ガスの検出精度をより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。
【００４４】
（確認試験１）
本確認試験においては、実施形態１のセンサ素子１（試験品１）、実施形態２のセンサ素子１（試験品２）及び従来のセンサ素子９（比較品１）の各サンプルを準備し、各サンプルを用いたガスセンサについて、測定ガスＧの組成を変化させたときのセンサ出力の変化を測定した。
【００４５】
図１９には、比較品１のセンサ素子９を示す。比較品１のセンサ素子９においては、同図に示すように、センサセル９５がヒータ６から離れた第１固体電解質体２Ａに設けられている。また、センサ素子９においては、測定回路４４が第２ポンプ電極４１Ｂと第２基準電極４２Ｂとの間に接続されている。なお、各サンプルにおけるポンプ電極４１Ａ、４１Ｂの長さは、全て３．０ｍｍに固定した。
【００４６】
本確認試験においては、まず、試験品１、試験品２及び比較品１の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、９５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、９５の温度が安定した後、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、残部が窒素である測定ガスＧを供給した。そして、測定ガスＧを供給してから１５００ｍｓｅｃが経過するまでは、測定ガスＧの温度を５００℃に設定し、１５００ｍｓｅｃが経過した後には、測定ガスＧの温度を０℃に変化させた。このときの試験品１のセンサ出力の変動を図１２に示し、試験品２のセンサ出力の変動を図１３に示し、比較品１のセンサ出力の変動を図１４に示す。
【００４７】
図１２に示されるように、試験品１のサンプルのセンサ出力における変動幅は、約０．１μＡとなったのに対し、図１４に示されるように、比較品１のサンプルのセンサ出力における変動幅は、約０．２μＡとなった。また、試験品１のサンプルのセンサ出力の変動時間は、比較品１のサンプルのセンサ出力の変動時間よりも短くなった。このことより、試験品１のセンサ出力は、比較品１のセンサ出力に比べて測定ガスＧの温度変化による影響を受けにくいことが分かった。そして、センサセル５は、ヒータ６の配置位置から遠い側の第１固体電解質体２Ａに設けるよりも、ヒータ６の配置位置に近い側の第２固体電解質体２Ｂに設けることが、検出精度において有利であることが分かった。これにより、ガスセンサ１０の検出精度を向上させるためには、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好ましいことが分かった。
【００４８】
一方、図１３に示されるように、試験品２のサンプルのセンサ出力における変動幅は、約０．０５μＡとなった。また、試験品２のサンプルのセンサ出力の変動時間は、試験品１のサンプルのセンサ出力の変動時間よりも短くなった。これにより、試験品２のセンサ出力は、試験品１のセンサ出力に比べて測定ガスＧの温度変化による影響をより受けにくいことが分かった。この理由としては、センサ出力からモニタセル７の出力を減算することにより、センサ出力において測定ガスＧ中の残留酸素及びヒータ６の発熱による電子伝導の影響が小さくなったためと考えられる。このことより、ガスセンサ１０の検出精度をより向上させるためには、モニタセル７をセンサセル５に隣接して設けることが好ましいことが分かった。
【００４９】
（確認試験２）
本確認試験においては、測定回路４４によって第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスを測定する実施形態１の図１のセンサ素子１（試験品１）、及び測定回路４４によって第１ポンプセル４Ａのインピーダンスを測定する実施形態１の図９の他のセンサ素子１（試験品３）の各サンプルを準備した。また、測定回路４４によって第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスを測定する従来の図１９のセンサ素子９（比較品１）、及び測定回路４４によって第１ポンプセル４Ａのインピーダンスを測定する従来の図２０のセンサ素子９（比較品２）の各サンプルを準備した。
【００５０】
そして、各サンプルについて、ヒータ６への投入電力を測定し、投入電力比を算出した。この投入電力比は、試験品１の投入電力を基準値である１．００（百分率で示すと１００％となる。）として、試験品３、比較品１及び比較品２の投入電力を基準値に対する倍率によって表すものである。
【００５１】
図２０には、比較品２のセンサ素子９を示す。比較品２のセンサ素子９においては、同図に示すように、センサセル９５がヒータ６から離れた第１固体電解質体２Ａに設けられている。また、センサ素子９においては、測定回路４４が第１ポンプ電極４１Ａと第１基準電極４２Ａとの間に接続されている。なお、各サンプルにおけるポンプ電極４１Ａ、４１Ｂの長さは、全て３．０ｍｍに固定した。
【００５２】
本確認試験においては、試験品１、試験品３、比較品１及び比較品２の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、９５の温度が７５０℃になるまで加熱した。このときの試験品１、試験品３、比較品１及び比較品２の投入電力比を図１５に示す。
【００５３】
同図に示されるように、試験品１の投入電力は、比較品１の投入電力よりも小さくなった。また、試験品３の投入電力は、比較品２の投入電力よりも小さくなった。この理由は、センサセル５がヒータ６に近い側に位置する第２固体電解質体２Ｂに設けられていることにより、センサセル５を目標とする７５０℃に迅速に加熱できたためであると考えられる。この結果より、センサセル５は、ヒータ６の配置位置から遠い側の第１固体電解質体２Ａに設けるよりも、ヒータ６の配置位置に近い側の第２固体電解質体２Ｂに設けることが、ヒータ６への投入電力において有利であることが分かった。
【００５４】
また、試験品１の投入電力は、試験品３の投入電力よりも小さくなった。さらに、比較品１の投入電力は、比較品２の投入電力よりも小さくなった。この理由は、ヒータ６に近い第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスを用いてヒータ６の加熱制御を行うことにより、センサセル５を目標とする７５０℃に迅速に加熱できたためであると考えられる。この結果より、測定回路４４は、ヒータ６から遠い第１ポンプセル４Ａのインピーダンスを測定するよりも、ヒータ６に近い第２ポンプセル４Ｂのインピーダンスを測定することが、ヒータ６への投入電力において有利であることが分かった。
【００５５】
（確認試験３）
本確認試験においては、実施形態１の図１のセンサ素子１について、センサ素子１のポンプ電極総面積を変化させた各サンプルについてのセンサ出力の変化を測定した。ここで、ポンプ電極総面積とは、ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂの表面面積Ｓ１、Ｓ２を合計したものである。
【００５６】
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、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、残部が窒素である測定ガスＧを供給した。このときの各サンプルのセンサ出力を図１６に示す。
【００５７】
同図に示されるように、各サンプルのセンサ出力は、ポンプ電極総面積が１０ｍｍ2以上になる場合には、１．６〜１．８μＡの間となり安定した。一方、各サンプルのセンサ出力は、ポンプ電極総面積が１０ｍｍ2未満になる場合には、約１μＡ程度高くなるよう変動した。この理由としては、ポンプ電極４１Ａ、４１Ｂの表面面積Ｓ１、Ｓ２が十分に大きくないことにより、測定ガス室３に導入された測定ガスＧ中の酸素を除去しきれず、センサセル５において残留酸素が検出されたためと考えられる。このことより、ガスセンサ１０の検出精度を向上させるためには、ポンプ電極総面積は１０ｍｍ2以上とすることが好ましいことが分かった。
【００５８】
（確認試験４）
本確認試験においては、実施形態１の図１のセンサ素子１について、センサ素子１の第２ポンプ電極４１Ｂの長さＬを変化させた各サンプルについての応答時間を測定した。この応答時間は、センサ出力が最終出力の１０％から６３％に変化するまでの６３％応答時間とした。応答時間は、１０００ｍｓｅｃ以内に収めることにより、ガスセンサ１０の応答性を確保することができる。なお、各サンプルにおける測定ガス室３の高さＨは、１００μｍに固定した。
【００５９】
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、各サンプルの測定ガス室３へ、一酸化窒素の濃度が５０ｐｐｍ、残部が窒素である測定ガスＧを流速２０ｍ／ｓｅｃで供給した。そして、各サンプルのセンサ出力が安定した後には、一酸化窒素の濃度を３００ｐｐｍに変化させた。このときの各サンプルの応答時間を図１７に示す。
【００６０】
同図に示されるように、各サンプルの応答時間は、第２ポンプ電極４１Ｂの長さＬが５ｍｍ以下になる場合には、基準値である１０００ｍｓｅｃ以下となった。一方、各サンプルの応答時間は、第２ポンプ電極４１Ｂの長さＬが５ｍｍ超過になる場合には、基準値である１０００ｍｓｅｃを超えた。この理由としては、第２ポンプ電極４１Ｂの長さＬが長くなることにより、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長くなるためと考えられる。
【００６１】
また、第２ポンプ電極４１Ｂの長さＬが２ｍｍ未満になる場合には、測定ガス室３に導入された測定ガスＧの酸素を除去することが困難になり、ガスセンサ１０による特定ガスの測定が困難になるおそれがある。このことより、ガスセンサ１０の応答性を維持させるためには、第２ポンプ電極４１Ｂの長さＬは２ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが好ましいことが分かった。
【００６２】
（確認試験５）
本確認試験においては、実施形態１の図１のセンサ素子１について、センサ素子１の測定ガス室３の高さＨを変化させた各サンプルについての応答時間を測定した。応答時間は、確認試験４の場合と同じく、１０００ｍｓｅｃ以内に収めることにより、ガスセンサ１０の応答性を確保することができる。なお、各サンプルにおける第２ポンプ電極４１Ｂの長さＬは、３．５ｍｍに固定した。本試験においても、測定ガス室３への測定ガスＧの供給の仕方は確認試験４の場合と同様であり、一酸化窒素の濃度を変化させたときの各サンプルの応答時間を図１８に示す。
【００６３】
同図に示されるように、各サンプルの応答時間は、測定ガス室３の高さＨが６５μｍ以上１５０μｍ以下になる場合には、基準値である１０００ｍｓｅｃ以下となった。一方、各サンプルの応答時間は、測定ガス室３の高さＨが６５μｍ未満になる場合には、基準値である１０００ｍｓｅｃを超えた。この理由としては、測定ガス室３の高さＨが６５μｍ未満になることにより、測定ガス室３内における測定ガスＧの流通性が悪くなるためと考えられる。
【００６４】
一方、各サンプルの応答時間は、測定ガス室３の高さＨが１５０μｍ超過になる場合にも、基準値である１０００ｍｓｅｃを超えた。この理由としては、測定ガス室３の高さＨが１５０μｍ超過になることにより、測定ガス室３に導入される測定ガスＧが入れ替わる時間が長くなるためと考えられる。このことより、ガスセンサ１０の応答性を維持させるためには、測定ガス室３の高さＨは６５μｍ以上１５０μｍ以下とすることが好ましいことが分かった。
【００６５】
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。
【符号の説明】
【００６６】
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
【図１】
0006731283.tif 000002
【図２】
0006731283.tif 000003
【図３】
0006731283.tif 000004
【図４】
0006731283.tif 000005
【図５】
0006731283.tif 000006
【図６】
0006731283.tif 000007
【図７】
0006731283.tif 000008
【図８】
0006731283.tif 000009
【図９】
0006731283.tif 000010
【図１０】
0006731283.tif 000011
【図１１】
0006731283.tif 000012
【図１２】
0006731283.tif 000013
【図１３】
0006731283.tif 000014
【図１４】
0006731283.tif 000015
【図１５】
0006731283.tif 000016
【図１６】
0006731283.tif 000017
【図１７】
0006731283.tif 000018
【図１８】
0006731283.tif 000019
【図１９】
0006731283.tif 000020
【図２０】
0006731283.tif 000021