(57)【要約】【課題】排ガスチャンバ内部の酸素ガスの放出を良好におこない、ＮＯＸガスをより精度良く検知することが可能な排ガスセンサを提供する。【解決手段】排ガスセンサの酸素ポンプ電極のうち隔壁の排ガスチャンバ内部側表面に配置される内部側電極を、チャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造をもつものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質を含む一対の隔壁の間に区画形成され排ガスが導入される排ガスチャンバと、該隔壁を挟んで配置され電圧の印加によって排ガスチャンバ内部の酸素イオンを排ガスチャンバ外部に放出する酸素ポンプ電極と、該隔壁を挟んで配置され電圧の印加によって排ガスチャンバ内部のＮＯＸを分解し生成した酸素イオンを排ガスチャンバ外部に放出するとともに該酸素イオンを放出する際に生じる電流値からＮＯＸ濃度が測定されるＮＯＸ検知電極と、を有し、
該酸素ポンプ電極のうち該隔壁の該排ガスチャンバ内部側表面に配置される内部側電極は、チャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造をもつことを特徴とする高精度排ガスセンサ。
【請求項２】
前記内部側電極は排ガスと接触する面積が大きな立体形状である請求項１に記載の高精度排ガスセンサ。
【請求項３】
前記内部側電極は前記隔壁上に配置されている固定部と複数の略小球状に立体形成され該固定部と離接可能に配置されている可動部とよりなる請求項１又は請求項２に記載の高精度排ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関より放出される排ガスの流路内に配置されＮＯＸ等の濃度を測定する排ガスセンサに関し、詳しくは低濃度のＮＯＸガスをより精度良くＮＯＸ濃度を測定することのできる排ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関より放出される排ガスには種々のガス成分が含まれ、近年、環境保全の観点からこれら種々のガス成分のうちＮＯＸガスの放出濃度低減への要求が高まっている。ＮＯＸガスを浄化しＮＯＸガスの濃度を低減するためには、排ガス中のＮＯＸガスの濃度を検知する必要があり、このため、従来より種々の排ガスセンサが開発されてきた。
【０００３】
排ガスセンサのうちＮＯＸを検知するためのＮＯＸ検知電極は他の成分ガスである酸素ガスに対しても多少の感受性をもつ場合がある。したがって、排ガスセンサにおけるＮＯＸ検出の精度向上のためには、ＮＯＸガスの干渉ガスである酸素ガスを選択的に放出・除去し、測定雰囲気中の酸素分圧を低下させることが重要な課題となる。このため、従来より、排ガスセンサには排ガス中より酸素を放出するための酸素ポンプ電極を設けることがなされている。（例えば、特許文献１〜３）。
【０００４】
特許文献１には、複数の電気化学的ポンプセルによって排ガス中の酸素を除去し、排ガス中の酸素分圧を低下させた上で、排ガスを測定用の電極に供給する排ガスセンサが記載されている。また、特許文献２には、主ポンプセルと補助ポンプセルとによって酸素の放出をおこなうＮＯＸセンサが記載されている。さらに、特許文献３にも、２つの酸素ポンプセルによって酸素の放出をおこなうガスセンサが記載されている。
【０００５】
これら従来の構成の排ガスセンサにおいては、排ガスは拡散律速壁を経て排ガスチャンバ内に導入される。排ガスチャンバには酸素ポンプ電極が配置され、この酸素ポンプ電極によって排ガス中の酸素が排ガスチャンバ外に放出されて被測定ガス中の酸素濃度が低減されるとともにＮＯＸ検知極によってＮＯＸガス濃度の測定がおこなわれる。
【０００６】
ここで、近年ではＮＯＸ排出基準がさらに厳しくなってきており、排ガスセンサのＮＯＸ検知精度はより低濃度のＮＯＸガスを検知するために、より高精度であることが要求されている。しかし、上述したような従来の構成の排ガスセンサでは、低濃度のＮＯＸガスを検知するのに充分な検知精度を得ることは困難であった。
【０００７】
すなわち、従来の構成の排ガスセンサにおいては、ＮＯＸガスの干渉ガスである酸素ガスの排気チャンバ外部への放出を、低濃度のＮＯＸガスの検出に干渉しない程度に充分におこなうことが困難であり、このため、酸素ガスの干渉により低濃度のＮＯＸガスを精度良く検知できない問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１１３４８４号公報
【特許文献２】
特開平１１−１８３４３４号公報
【特許文献３】
特開平１０−２８２０５３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、排ガスチャンバ内部の酸素ガスの放出を良好におこない、ＮＯＸガスをより精度良く検知することが可能な排ガスセンサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明の高精度排ガスセンサは、固体電解質を含む一対の隔壁の間に区画形成され排ガスが導入される排ガスチャンバと、該隔壁を挟んで配置され電圧の印加により排ガスチャンバ内部の酸素イオンを排ガスチャンバ外部に放出する酸素ポンプ電極と、該隔壁を挟んで配置され電圧の印加により排ガスチャンバ内部のＮＯＸを分解し生成した酸素イオンを排ガスチャンバ外部に放出するとともに該酸素イオンを放出する際に生じる電流値からＮＯＸ濃度が測定されるＮＯＸ検知電極と、を有し、該酸素ポンプ電極のうち該隔壁の該排ガスチャンバ内部側表面に配置される内部側電極は、チャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造をもつことを特徴とする。
【００１１】
上述したように、従来の構成の排ガスセンサでは、低濃度のＮＯＸガスを検知するのに充分な検知精度を得ることは困難であった。すなわち、従来の構成の排ガスセンサにおいては、排ガスは排気チャンバ内に三次元的に分布しているのに対し、酸素ポンプ電極は二次元的に配置されている。このため、この酸素ポンプ電極に近接する酸素ガスは放出されやすいが、酸素ポンプ電極と離間して位置する酸素ガスを充分に放出することは困難であった。したがって、従来の構成の排ガスセンサでは被測定ガス中の残留酸素がＮＯＸ検出に及ぼす影響が大きくなり、ＮＯＸ検出時の測定誤差の要因となっていた。
【００１２】
本発明の高精度排ガスセンサによると、内部側電極がチャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造をもって配置されていることから、排ガスチャンバ内部に存在する排ガスは内部側電極と充分に近接することとなり、排ガス中の酸素ガスの放出を良好におこなうことが可能となる。
【００１３】
本発明の高精度排ガスセンサにおいて、上記内部側電極は排ガスと接触する面積が大きな立体形状であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の高精度排ガスセンサにおいて、上記内部側電極は上記隔壁上に配置されている固定部と複数の略小球状に立体形成され該固定部と離接可能に配置されている可動部と構成することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる高精度排ガスセンサは、固体電解質を含む一対の隔壁の間に区画形成され排ガスが導入される排ガスチャンバと、該隔壁を挟んで配置され電圧の印加により排ガスチャンバ内部の酸素イオンを排ガスチャンバ外部に放出する酸素ポンプ電極と、該隔壁を挟んで配置され電圧の印加により排ガスチャンバ内部のＮＯＸを分解し生成した酸素イオンを排ガスチャンバ外部に放出するとともに該酸素イオンを放出する際に生じる電流値からＮＯＸ濃度が測定されるＮＯＸ検知電極と、を有する。
【００１６】
固体電解質としては、酸素イオン導電性を持つものを使用することができ、例えばジルコニア，酸化ビスマス，酸化セリウム、あるいはこれらの材料にイットリア，カルシア，セリア，マグネシア等を添加したものなどの通常の固体電解質を用いることができる。
【００１７】
排ガスチャンバはこの固体電解質を含む一対の隔壁の間に区画形成されるものであり、排ガスの流路に配置されて排ガスが導入されるものである。この排ガスチャンバは、少なくとも一対の隔壁によって区画されるものであればよいが、通常のセンサと同様に、拡散律速壁やスペーサなどにより同時に区画されて外界より遮蔽される構成であることが好ましい。拡散律速壁はアルミナ等の多孔体や、多孔体あるいは非多孔体に細孔が形成された、排ガスを所定の拡散律速抵抗をもって排ガスチャンバ内部に導入可能な材料によって形成することができる。また、スペーサはアルミナ等の通常の材料によって形成することができる。
【００１８】
酸素ポンプ電極は、Ｐｔあるいは酸素感受性を有する既知の合金等の通常のものを用いることができる。
【００１９】
酸素ポンプ電極のうち、一方の電極は隔壁の排ガスチャンバ側表面に配置され、他方は排ガスチャンバの外部に向かう表面に配置されて酸素ポンプ電極を構成する。したがって、この酸素ポンプ電極に電圧を印加することにより、排ガスチャンバ内部の酸素は隔壁の排ガスチャンバ側表面に配置された電極である内部側電極に接し、隔壁に含まれる固体電解質を介して排ガスチャンバ外部に向かう表面に配置されている他方の電極である外部側電極に輸送されて排ガスチャンバ外部に放出される。この酸素ポンプ電極の作用で排ガスチャンバ内部の酸素分圧は低下する。
【００２０】
酸素分圧が低下することで、排ガスチャンバ内部のＮＯｘよりＮＯが生成し、このＮＯは後述するＮＯＸ検知電極によって検知される。また、酸素分圧が低下することで排ガスに含まれる酸素がＮＯＸ検知電極に接触することが低減され、酸素の干渉により生じるＮＯＸ検知電極の測定誤差が低減される。
【００２１】
この酸素ポンプ電極は一つの内部側電極と一つの外部側電極とからなる一対のみを配置することもできるし、あるいは複数対を配置することもできる。複数対を配置する場合、並列して同一の排ガスチャンバ内に配置することもできるし、拡散律速壁によって排ガスチャンバを排ガス流れ方向に複数に区画し、各々の内部側電極を各々の排ガスチャンバ内に分散させて配置することもできる。この場合、各々の酸素ポンプ電極の作用によって、排ガス流れの下流側に位置する排ガスチャンバの酸素分圧をより低下させることができ、ＮＯＸをより確実にＮＯとするとともに、ＮＯＸ濃度検知の酸素ガスによる干渉をより確実に回避することができる。
【００２２】
また、外部側電極を大気に曝される構成とし、大気に曝される外部電極と排ガスチャンバ内部に配置され排ガスに曝される内部側電極との電位差を測定する構成とすることもできる。この場合、大気中の酸素濃度を基準として排ガスチャンバ内の酸素濃度を算出することが可能となり、ＮＯＸ濃度の検知値を排ガスチャンバ内に残存する酸素濃度に基づいて補正することができる。
【００２３】
ＮＯＸ検知電極は、ＮＯＸの選択還元性のある電極を用いることができ、Ｐｔ／Ｒｈ電極等の通常用いられるものを使用することができる。このＮＯＸ検知電極は、酸素ポンプ電極と同様に、一方の電極である内部側ＮＯＸ検知極が隔壁の排ガスチャンバ側に配置され、他方の電極である外部検知電極は排ガスチャンバの外部に配置されてＮＯＸ検知電極を構成している。ＮＯＸ検知電極に電圧が印加されると、上述した酸素ポンプの作用により生成した排ガスチャンバ内部のＮＯが内部側ＮＯＸ検知極により分解されて酸素イオンが生じる。この酸素イオンは隔壁に含まれる固体電解質を経て外部検知電極に輸送されて排ガスチャンバ外部に放出され、このとき生じる電流値によってＮＯＸ濃度が測定される。ＮＯＸ検知電極は、酸素ポンプ電極を複数対配置する場合には、排ガス流れの最下流側に配置された酸素ポンプ電極と同程度の位置かさらに下流側に配置される。また、排ガスチャンバを排ガス流れ方向に複数に区画する場合には排ガス流れの最下流に位置する排ガスチャンバ内に配置される。
【００２４】
また、ＮＯＸ検知電極に限らず他の排ガス成分を検知するための各種電極を排ガスチャンバ内に同時に配置することもできる。
【００２５】
本発明の高精度排ガスセンサにおいて、酸素ポンプ電極のうち固体電解質壁の排ガスチャンバ内部側表面に配置される内部側電極は、チャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造をもつ。ここで、本明細書において、チャンバの厚さ方向とは一対の隔壁の間隔方向を指すものである。すなわち、一対の隔壁は離間して配置され、排ガスチャンバはこの一対の隔壁の間に区画形成されるものであることから、この隔壁同士の間隙方向がチャンバの厚さ方向となる。
【００２６】
内部側電極がチャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造をもつことで、この内部側電極を、排ガスチャンバ内部に三次元的に分布している排ガスと充分に近接して配置されたものとすることができ、排ガス中の酸素ガスを良好に放出することが可能となる。このため、排ガス中の酸素によるＮＯＸ検知電極の干渉をより確実に防止することができることから、排ガスセンサのＮＯＸ検知精度をより向上させることが可能となる。
【００２７】
内部側電極の、チャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造としては、種々の構造が挙げられる。たとえば、隔壁の排ガスチャンバを挟んで対向する各々の位置に２つの内部側電極をそれぞれ配置し、内部側電極がチャンバの厚さ方向の両側から排ガスと接するような構成とすることもできる。この場合、各内部側電極はチャンバの厚さ方向に分布をもって配置され、この２つの内部側電極によって三次元構造が構成されることとなる。
【００２８】
あるいは、内部側電極を排ガスと接触する面積が大きな立体形状とすることもできる。この場合、立体形状をもつ一つの内部側電極自体がチャンバの厚さ方向に分布をもって配置されることとなり、この一つの内部側電極によって三次元構造が構成されることとなる。
【００２９】
このときの立体形状は排ガスセンサの形状や内部側電極の材料，所望のＮＯＸ検知精度等によって適宜設定することができ、たとえば内部側電極を所定の間隔の凹凸を有するものとし、この凹凸を立体形状とすることもできる。また、この凹凸を酸素ガスの平均自由行程に応じた間隔で設けた突起とすることもできる。ここで、内部側電極の立体形状はＮＯＸガス等の被測定ガスを拡散律速させない程度に形成されることが好ましい。被測定ガスの拡散律速が生じると、排ガスチャンバ内部の被測定ガスの濃度勾配が検出時の応答性へ影響する程度に大きくなるため良好な検出をおこなうことが困難になる。この場合、例えば、三次元電極の気孔率を１５％程度にまで大きくするなどの調整をおこなうことで、拡散律速が生じることを抑制することができる。
【００３０】
また、内部側電極を複数の小球状電極の複合体とすることもできる。この場合、内部側電極を略小球状に形成し、排ガスチャンバ内にこの内部側電極を充填することで、内部側電極をチャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造のものとすることができる。この場合、各々の小球状電極は固着して一体化したものとすることもできるし、あるいは固着せず各々の電極が単に接するように配置されたものとすることもできる。小球状電極の少なくとも一部を固着しないものとする場合、固着されていない小球状電極は排ガスチャンバ内へ進入した排ガスの流れによって排ガスチャンバ内を移動し、この小球状電極が隔壁の固体電解質と接する部分で内部側電極から固体電解質への酸素イオンの輸送がおこなわれる。何れの場合も、排ガスは各々の小球状電極の間隙を流通することとなり、また、各々の小球状電極が接するあるいは固着する部分で各々の小球状電極間の酸素の輸送がおこなわれることとなる。
【００３１】
この小球状電極は、その全体がＰｔ等の金属で形成されるものであっても良いし、また、他の材料で形成された小球の表面がＰｔ等の金属でコートされるものであっても良い。小球状電極の内部を構成する他の材料としてはアルミナ等の非酸素イオン導電性材料を用いることもできるし、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料を用いることもできるが、酸素の放出をより良好におこなうためには、酸素イオン導電性材料を用いることが好ましい。
【００３２】
また、この場合、内部側電極を小球状電極のみで構成することもできるし、隔壁上に略平板状の電極を固定配置した上で小球状電極を配置することもできる。固定配置された略平板状の電極と小球状電極とを組み合わせて配置する場合、各小球状電極から隔壁に含まれる固体電解質への酸素イオンの輸送は、固定配置された電極によって良好におこなわれるため、酸素ポンプ電極による酸素の放出はより良好におこなわれることとなる。
【００３３】
また、上述した隔壁上に固定配置された電極を固定部とし、固着せず各々の電極が単に接するように配置された小球状電極を可動部として、内部側電極を、隔壁上に配置されている固定部と複数の略小球状に立体形成され固定部と離接可能に配置されている可動部とより構成することもできる。この場合、排ガス流れによって可動部が排気チャンバ内部を移動し、固定部と離接することから、可動部表面と固定部表面とには物理的な摩擦が生じる。このため、可動部表面や固定部表面に排ガス中の被毒成分が付着した場合にも、この摩擦によって被毒成分が除去される。
【００３４】
この場合、可動部の表面積は固定部の表面積の２倍以上であることが望ましい。可動部の表面積がこの範囲であると、可動部は排ガス中の酸素ガスとより良好に接触し、酸素ガスの放出をより良好におこなうことができる。
【００３５】
また、上述した内部側電極を所定の間隔の凹凸を有する場合にも、同様に、隔壁上に固定部を配置し、それに加えて凹凸形状の電極を配置する構成とすることもできる。この場合も、凹凸形状の電極は固定部の２倍以上の表面積とすることが望ましい。
【００３６】
本発明の高精度排ガスセンサにおいて、内部側電極の形状は上述した各構成に限定されるものではなく、チャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造に形成されるものであれば排ガス中の酸素ガスの放出を良好におこなうことが可能である。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を基にして説明する。
【００３８】
（実施例１）
本実施例１の高精度排ガスセンサは、隔壁の排ガスチャンバを挟んで対向する位置に２つの内部側電極をそれぞれ配置し、各々の内部側電極がチャンバの厚さ方向の両側から排ガスと接する構成としたものである。本実施例１の高精度排ガスセンサの模式断面図を図１に示す。
【００３９】
本実施例１の高精度排ガスセンサ１は、第１の隔壁２，第２の隔壁３，第１の拡散律速壁５，および第１のスペーサ６で区画形成された排ガスチャンバ７を有する。また、排ガスチャンバ７はさらに第２の拡散律速壁８で排ガス流れ方向に区画されて、排ガス流れ方向の上流側に位置する第１の排ガスチャンバ１０と排ガス流れ方向の下流側に位置する第２の排ガスチャンバ１１とに区画されている。本実施例１の高精高精度排ガスセンサ１では、第１の拡散律速壁５を経て第１の排ガスチャンバ１０内部への排ガスの導入がおこなわれ、この第１の排ガスチャンバ１０より第２の拡散律速壁８を経て第２の排ガスチャンバ１１への排ガスの導入がおこなわれる。また、第１の隔壁２および第２の隔壁３はジルコニアを材料として形成され、対向して配置されて一対の隔壁１２を構成している。そして、第１の隔壁２の排ガスチャンバ７外部側と、第２の隔壁３の排ガスチャンバ７外部側はそれぞれ大気に曝されるようになっている。
【００４０】
第１の隔壁２の第１の排ガスチャンバ１０内部側に位置する表面には第１の内部側電極１３が配置されている。また、第２の隔壁３の第１の排ガスチャンバ１０内部側に位置する表面のうち第１の内部側電極１３と対向する位置には、第２の内部側電極１５が配置されている。本実施例においては、この第１の内部側電極１３と第２の内部側電極１５とで内部側電極１６が構成されている。
【００４１】
第１の内部側電極１３および第２の内部側電極１５はＰｔ／Ａｕを材料として、隔壁１２上に平板状に印刷形成されている。これら内部側電極１６をＰｔ材のみではなくＡｕを混入して形成することで、内部側電極１６のＮＯＸの分解性を抑制することができる。
【００４２】
また、第１の隔壁２の排ガスチャンバ７外部に向かう表面のうち第１の内部側電極１３と対向する位置には、第２の排ガスチャンバ１１側に延びるように第１の外部側電極１７が配置され、この第１の外部側電極１７と第１の内部側電極１３とで第１の酸素ポンプ電極１８が構成されている。
【００４３】
そして、第２の隔壁３の排ガスチャンバ７外部に向かう表面のうち第２の内部側電極１５と対向する位置には、第２の排ガスチャンバ１１側に延びるように第２の外部側電極２０が配置され、この第２の外部側電極２０と第２の内部側電極１５とで第２の酸素ポンプ電極２１が構成されている。第１の外部側電極１７および第２の外部側電極２０は、Ｐｔを材料として隔壁１２上に平板状に印刷形成されている。第１の外部側電極１７および第２の外部側電極２０は排ガスチャンバ７の外部に配置されるものであることから、特に排ガス成分との反応性を考慮に入れる必要性はないため、Ｐｔのみで形成することが可能である。また、この第１の酸素ポンプ電極１８および第２の酸素ポンプ電極２１には図示しない外部電源が接続され、外部電源からの電圧の印加によって第１の排ガスチャンバ１０内の酸素ガスの放出がおこなわれる。
【００４４】
また、第１の隔壁２の第２の排ガスチャンバ１１内部側に位置する表面には、内部側酸素検知極２２が配置されている。内部側酸素検知極２２は、第１の内部側電極１３および第２の内部側電極１５と同じ材料によって同じ平板状に形成されたものである。この内部側酸素検知極２２は、上述した第１の外部側電極１７の第２の排ガスチャンバ１１側に延びる部分と対向するように配置されており、この内部側酸素検知極２２と第１の外部側電極１７とで酸素検知電極２３が構成されている。また、酸素検知電極２３は図示しない外部電源および酸素検知手段に接続されている。この酸素検知電極２３では、外部電源からの電圧の印加によって第２の排ガスチャンバ１１内部の酸素ガスの排ガスチャンバ７外部への放出がおこなわれるとともに、第２の排ガスチャンバ１１内部に配置され排ガスに曝されている内部側酸素検知極２２と、排ガスチャンバ７外部に配置され大気に曝されている第１の外部側電極１７との電位差が酸素検知手段に伝達される。酸素検知手段では、第２の排ガスチャンバ１１内部の酸素濃度が算出され、後述するＮＯＸ検知電極２５による測定値はここで算出された酸素濃度によって補正される。
【００４５】
また、第２の隔壁３の排ガスチャンバ７外部側には、第１の拡散律速壁５とほぼ対向する位置に略平板状の第２のスペーサ２６が配置されており、この第２のスペーサ２６を挟んで第２の隔壁３と対向するようにヒータ壁２７が配置されている。ヒータ壁２７はアルミナを材料として形成され、ヒータ壁２７の内部には加熱用のヒータ２８が配置されている。ヒータ２８は図示しない外部電源に接続され、このヒータ２８によって高精度排ガスセンサ１内が所定の温度に加熱されている。
【００４６】
第２の隔壁３の第２の排ガスチャンバ１１内部側の表面には、第２の外部側電極２０の第２の排ガスチャンバ１１側に延びる部分と対向するように内部側ＮＯＸ検知極３０が配置されており、この内部側ＮＯＸ検知極３０と第２の外部側電極２０とでＮＯＸ検知電極２５が構成されている。内部側ＮＯＸ検知極３０はＰｔ／Ｒｈを材料として隔壁１２上に平板状に印刷形成されたものである。この内部側ＮＯＸ検知極３０には、ＮＯＸの分解性を向上させるためにＲｈが混入されている。また、ＮＯＸ検知電極２５には図示しない外部電源およびＮＯＸ検知手段が接続され、外部電源からの電圧の印加によってＮＯを分解し酸素イオンを生成するとともに、ＮＯＸ検知手段によってＮＯＸ濃度の測定がおこなわれる。
【００４７】
本実施例１の高精度排ガスセンサ１によると、先ず、排ガスが第１の拡散律速壁５を経て第１の排ガスチャンバ１０内部に導入される。第１の排ガスチャンバ１０内部には第１の内部側電極１３および第２の内部側電極１５が配置されている。第１の排ガスチャンバ１０に導入された排ガスのうち酸素ガスは、この第１の内部側電極１３および第２の内部側電極１５からなる内部側電極１６に接し、第１の酸素ポンプ電極１８および第２の酸素ポンプ電極２１によって排ガスチャンバ７外部に放出される。ここで、この第１の内部側電極１３および第２の内部側電極１５は、チャンバの厚さ方向に対向して配置されていることから、内部側電極１６はチャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造をとるものとなる。したがって、第１の排ガスチャンバ１０内部の酸素ガスは排ガスチャンバ７の厚さ方向でも内部側電極１６と近接することとなり、酸素ガスの放出は良好におこなわれることとなる。
【００４８】
第１の酸素ポンプ電極１８および第２の酸素ポンプ電極２１により酸素分圧が低減された排ガスは、第１の排ガスチャンバ１０内部より第２の拡散律速壁８を経て第２の排ガスチャンバ１１内部に導入される。第２の排ガスチャンバ１１内部には内部側酸素検知極２２が配置され、第２の排ガスチャンバ１１内部に導入された排ガスに含まれる酸素ガスは、この内部側酸素検知極２２と接して排ガスチャンバ７外部に放出される。このとき、酸素検知手段によって内部側酸素検知極２２と第１の外部側電極１７との電位差又は限界電流値が測定され、第２の排ガスチャンバ１１内部の酸素濃度が算出される。
【００４９】
また、第２の排ガスチャンバ１１内部には内部側ＮＯＸ検知極３０が配置されている。第２の排ガスチャンバ１１内に導入された排ガスのうちＮＯが、この内部側ＮＯＸ検知極３０と接して分解されると酸素イオンが生じ、この酸素イオンは内部側ＮＯＸ検知極３０より固体電解質を経て外部側ＮＯＸ検知極に輸送されて排ガスチャンバ７外部に放出される。ＮＯＸ検知電極２５に接続されているＮＯＸ検知手段にこのとき生じる電流値が検知されてＮＯＸ濃度が測定される。ここで、上述した第１のポンプ電極，第２のポンプ電極の作用、さらには酸素検知電極２３の作用によって第２の排ガスチャンバ１１内部の酸素分圧は充分に低いものとなっている。このため、排ガス中に含まれるＮＯＸが低濃度である場合にも、酸素ガスによるＮＯＸ検知への干渉は低減し、ＮＯＸ検知電極２５によるＮＯＸ濃度の測定は良好におこなわれる。
【００５０】
（実施例２）
本実施例２の高精度排ガスセンサは、内部側電極を所定の間隔でチャンバの厚さ方向に凹凸した形状に形成したものである。本実施例２の高精度排ガスセンサの模式断面図を図２に示す。
【００５１】
本実施例２の高精度排ガスセンサ３１は、内部側電極３２，内部側酸素検知極３３および内部側ＮＯＸ検知極３５の形状以外は実施例１の高精度排ガスセンサ１と同様に形成されたものである。
【００５２】
本実施例２において内部側電極３２は、第１の隔壁３６上に平板状に印刷形成された第１の固定部３７と、第２の隔壁３８上に平板状に印刷形成された第２の固定部４０と、第１の固定部３７と第２の固定部４０との間隙に配置された複数の略四角柱状体よりなる酸素ポンプ突出部４１と、より構成される。第１の固定部３７および第２の固定部４０は実施例１の第１の内部側電極１３および第２の内部側電極１５と同様に形成したものである。酸素ポンプ突出部４１は、略四角柱状に焼成されたジルコニア基材の表面に第１の固定部３７および第２の固定部４０と同じ電極材料を無電解メッキしてして形成したものである。本実施例２においては、第１の固定部３７，第２の固定部４０および酸素ポンプ突出部４１で内部側電極４５が構成されている。
【００５３】
内部側酸素検知極３３は、第１の隔壁３６上に平板状に印刷形成された酸素検知固定部４２と酸素検知突出部４３とよりなり、この酸素検知固定部４２および酸素検知突出部４３は内部側電極３２と同様に形成されている。
【００５４】
内部側ＮＯＸ検知極３５は第２の隔壁３８上に平板状に印刷形成されたＮＯＸ検知固定部４６とＮＯＸ検知突出部４７とよりなり、このうちＮＯＸ検知固定部４６は実施例１の内部側ＮＯＸ検知極３０と同様に形成したものである。また、ＮＯＸ検知突出部４７は酸素ポンプ突出部４１と同じジルコニア基材にＮＯＸ検知固定部４６と同じ電極材料を無電解メッキして形成したものである。
【００５５】
本実施例２において、第１の固定部３７，第２の固定部４０，酸素検知固定部４２およびＮＯＸ検知固定部４６は隔壁４８上に直接印刷形成することで形成した。また、酸素ポンプ突出部４１，酸素検知突出部４３およびＮＯＸ検知突出部４７は、粘着性のあるゴムパッド上に予め形成した各々の突出部５０を所定の間隔をもって配置し、このゴムパッドごと第１の隔壁３６または第２の隔壁３８の所定位置に貼付して焼成することで各々の固定部５１と各々の突出部５０とを一体化して形成した。
【００５６】
本実施例２の高精度排ガスセンサ３１では、内部側電極３２が第１の固定部３７，第２の固定部４０および酸素ポンプ突出部４１によって構成される。したがって、第１の固定部３７および第２の固定部４０がチャンバの厚さ方向に対向して配置されるとともに、酸素ポンプ突出部４１自体がチャンバの厚さ方向に分布をもって形成されることとなり、内部側電極４５はチャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造に形成されたものとなる。したがって、第１の排ガスチャンバ５２内部の酸素ガスはチャンバの厚さ方向で内部側電極４５と近接することとなり、酸素ガスの放出は良好におこなわれることとなる。
【００５７】
さらに、本実施例２では酸素検知電極５３の内部側酸素検知極３３も酸素検知突出部４３がチャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造に形成されていることから、酸素検知電極５３による酸素ガスの放出も良好におこなわれる。さらに、酸素検知電極５３の内部側酸素検知極３３と、ＮＯＸ検知電極５５の内部側ＮＯＸ検知極３５とがチャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造に形成されていることから、内部側酸素検知極３３および内部側ＮＯＸ検知極３５と被測定ガスである酸素ガスやＮＯＸガスとの接触面積が大きくなり、排ガスチャンバ５６内でのガス濃度勾配等に由来する測定誤差が低減される。
【００５８】
（実施例３）
本実施例３の高精度排ガスセンサは、内部側電極を固定部と複数の略小球状の可動部とにより構成したものである。本実施例３の高精度排ガスセンサの模式断面図を図３に示す。
【００５９】
本実施例３の高精度排ガスセンサ５８は、内部側電極６０の形状以外は実施例１と同様に形成されたものである。
【００６０】
本実施例３において、内部側電極６０は固定部６１と可動部６２とによって構成される。固定部６１は、実施例２と同様に形成された第１の固定部６３と第２の固定部６４とよりなる。また、可動部６２は、略小球状に焼成されたジルコニア基材の表面に固定部６１と同じ電極材料を無電解メッキして形成した複数の小球状電極６５を実施例２の突出部５０と同様にゴムパッドを介して隔壁６６上に配置し、焼成することで第１の排ガスチャンバ６７内に配置したものである。本実施例３では、小球状電極６５同士が固着した部分と、固着せず単に接している部分との両方が混在して可動部６２を構成しているが、焼成温度や焼成時間等を適宜設定することによってこの割合を適宜設定することも可能である。
【００６１】
本実施例３の高精度排ガスセンサ５８では、内部側電極６０が第１の固定部６３，第２の固定部６４および可動部６２によって構成される。したがって、第１の固定部６３および第２の固定部６４がチャンバの厚さ方向に対向して配置されるとともに、可動部６２自体がチャンバの厚さ方向に分布をもって形成されることとなり、内部側電極６０はチャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造に形成されたものとなる。このため、第１の排ガスチャンバ６７内部の酸素ガスはチャンバの厚さ方向でも内部側電極６０と近接することとなり、酸素ガスの放出は良好におこなわれることとなる。
【００６２】
さらに、可動部６２は排ガス流れによって第１の排ガスチャンバ６７内部を移動し、固定部６１と離接可能に配置されていることから、可動部６２表面と固定部６１表面とには物理的な摩擦が生じる。このため、可動部６２表面や固定部６１表面に排ガス中の被毒成分が付着した場合にも、この摩擦によって被毒成分が除去される。
【００６３】
（比較例１）
本比較例１の排ガスセンサは、実施例１の高精度排ガスセンサより第２の酸素ポンプ電極を除いたものである。すなわち、本比較例１の排ガスセンサ７０は実施例１の高精度排ガスセンサと同じ第１の酸素ポンプ電極７１，酸素検知電極７２およびＮＯＸ検知電極７３を有するものである。本比較例１の排ガスセンサの模式断面図を図４に示す。
【００６４】
（性能試験）
実施例１〜３の高精度排ガスセンサおよび比較例１の排ガスセンサに、０〜１５％の各濃度で酸素を含有する排ガスを流通させて、各センサの酸素検知電極の出力値をモニターした。各酸素濃度における酸素検知電極の出力値を表すグラフを図５に示す。
【００６５】
図５に示すように、比較例１の排ガスセンサでは排ガス中の酸素濃度が高くなるほど酸素検知電極の出力値も高い値を示した。これに対して本発明の実施例１の高精度排ガスセンサでは、酸素検知電極の出力値は比較例のものと比べて著しく低い値を示した。また、実施例２および実施例３の高精度排ガスセンサでは、酸素検知電極値の出力値は実施例１のものよりもさらに低い値を示した。
【００６６】
この結果から、比較例１の従来の排ガスセンサと比較して、本発明の高精度排ガスセンサでは、酸素ガスの排ガスチャンバ外部への放出をより良好におこない、排ガスチャンバ内部の酸素分圧をより低減させることができることがわかる。これは、本発明の高精度排ガスセンサでは、内部側電極がチャンバの厚さ方向に分布をもつ三次元構造をもつことで、内部側電極が排ガスチャンバの厚さ方向で排ガスとより近接しているためだと考えられる。
【００６７】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明の高精度排ガスセンサによると、排ガスチャンバ内部の酸素ガスの排ガスチャンバ外部への放出をより良好におこなうことができ、排ガスチャンバ内部の酸素分圧をより低下させることができる。したがって、本発明の高精度排ガスセンサでは、排ガス中の酸素ガスによるＮＯＸガスの干渉をより低減することができ、低濃度のＮＯＸガスの検知・測定をより高精度におこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の高精度排ガスセンサの模式断面図である。
【図２】本発明の実施例２の高精度排ガスセンサの模式断面図である
【図３】本発明の実施例３の高精度排ガスセンサの模式断面図である。
【図４】比較例１の排ガスセンサの模式断面図である。
【図５】実施例１〜３および比較例１の各排ガスセンサによる各酸素濃度における酸素検知電極の出力値を表すグラフである。
【符号の説明】
１：高精度排ガスセンサ  ２：第１の隔壁  ３：第２の隔壁  ５：第１の拡散律速壁  ６：第１のスペーサ  ７：排ガスチャンバ  ８：第２の拡散律速壁  １０：第１の排ガスチャンバ  １１：第２の排ガスチャンバ  １２：隔壁  １３：第１の内部側電極  １５：第２の内部側電極  １６：内部側電極  １７：第１の外部側電極  １８：第１の酸素ポンプ電極  ２０：第２の外部側電極  ２１：第２の酸素ポンプ電極  ２２：内部側酸素検知極  ２３：酸素検知電極  ２５：ＮＯＸ検知電極  ２６：第２のスペーサ  ２７：ヒータ壁  ２８：ヒータ  ３０：内部側ＮＯＸ検知極
３１：高精度排ガスセンサ  ３２：内部側電極  ３３：内部側酸素検知極  ３５：内部側ＮＯＸ検知極  ３６：第１の隔壁  ３７：第１の固定部  ３８：第２の隔壁  ４０：第２の固定部  ４１：酸素ポンプ突出部  ４２：酸素検知固定部
４３：酸素検知突出部  ４６：ＮＯＸ検知固定部  ４７：ＮＯＸ検知突出部  ４８：隔壁  ５０：突出部  ５１：固定部  ５２：第１の排ガスチャンバ  ５３：酸素検知電極  ５５：ＮＯＸ検知電極  ５６：排ガスチャンバ
５８：高精度排ガスセンサ  ６０：内部側電極  ６１：固定部  ６２：可動部
６３：第１の固定部  ６４：第２の固定部  ６５：小球状電極  ６６：隔壁  ６７：第１の排ガスチャンバ
７０：排ガスセンサ  ７１：第１の酸素ポンプ電極  ７２：酸素検知電極  ７３：ＮＯＸ検知電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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