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JP2004354400A - Gas sensor and nitrogen oxide sensor - Google Patents

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JP2004354400A JP2004275283A JP2004275283A JP2004354400A JP 2004354400 A JP2004354400 A JP 2004354400A JP 2004275283 A JP2004275283 A JP 2004275283A JP 2004275283 A JP2004275283 A JP 2004275283A JP 2004354400 A JP2004354400 A JP 2004354400A
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Nobuhide Kato
伸秀 加藤
Kunihiko Nakagaki
邦彦 中垣
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To evade an influence of pulsation in exhaust gas pressure generated in measured gas and hereby enhance measurement precision in a detecting electrode. <P>SOLUTION: The first diffusion rate determining part 26 for imparting a prescribed diffusion resistance to the measured gas introduced into the first chamber 18 is constituted to have a slit 30 wherein an oblong opening part formed in a portion of a front end portion in the second spacer layer 12e to contact with an under face of the second solid electrolyte layer 12f is formed to have the same opening width up to the first chamber 18, and a slit 32 wherein an oblong opening part formed in a portion of a front end portion in the second spacer layer 12e to contact with an upper face of the first solid electrolyte layer 12d is formed to have the same opening width up to the first chamber 18. The slit 30, 32 are formed into the substantially same cross-sectional shape, and have 10μm or less of longitudinal-directional length, and about 2mm of lateral-directional length. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えば、車両の排気ガスや大気中に含まれるO2、NO、NO2、SO2、CO2、H2O等の酸化物や、CO、CnHm等の可燃ガスを測定するガスセンサ及び窒素酸化物センサに関する。 The present invention relates to a gas sensor for measuring oxides such as O 2 , NO, NO 2 , SO 2 , CO 2 , H 2 O, and flammable gases such as CO and CnHm contained in vehicle exhaust gas and air. And a nitrogen oxide sensor.

従来より、燃焼ガス等の被測定ガス中のNOxを測定する方法として、RhのNOx還元性を利用し、ジルコニア等の酸素イオン導伝性の固体電解質上にPt電極及びRh電極を形成したセンサを用い、これら両電極間の起電力を測定するようにした手法が知られている。   Conventionally, as a method for measuring NOx in a gas to be measured such as a combustion gas, a sensor using a NOx reducing property of Rh and forming a Pt electrode and a Rh electrode on an oxygen ion-conductive solid electrolyte such as zirconia is used. There is known a method of measuring the electromotive force between these two electrodes using the following method.

しかしながら、そのようなセンサは、被測定ガスである燃焼ガス中に含まれる酸素濃度の変化によって起電力が大きく変化するばかりでなく、NOxの濃度変化に対して起電力変化が小さく、そのためにノイズの影響を受けやすいという問題がある。   However, such a sensor not only has a large change in electromotive force due to a change in the concentration of oxygen contained in the combustion gas that is the gas to be measured, but also has a small change in electromotive force with respect to a change in the concentration of NOx. There is a problem that is easily affected by the.

また、NOxの還元性を引き出すためには、CO等の還元ガスが必須になるところから、一般に、大量のNOxが発生する燃料過少の燃焼条件下では、COの発生量がNOxの発生量を下回るようになるため、そのような燃焼条件下に形成される燃焼ガスでは、測定ができないという欠点があった。   In addition, since reducing gas such as CO is indispensable in order to bring out the reducibility of NOx, in general, under the combustion condition of insufficient fuel in which a large amount of NOx is generated, the amount of generated CO is reduced by the amount of generated NOx. As a result, the measurement cannot be performed with the combustion gas formed under such combustion conditions.

前記問題点を解決するために、被測定ガス存在空間に連通した第1の内部空所と該第1の内部空所に連通した第2の内部空所にNOx分解能力の異なるポンプ電極を配したNOxセンサと、第1の内部空所内の第1のポンプセルでO2濃度を調整し、第2の内部空所内に配された分解ポンプでNOを分解し、分解ポンプに流れるポンプ電流からNOx濃度を測定する方法が、例えば特許文献1に明らかにされている。 In order to solve the above problem, pump electrodes having different NOx decomposing abilities are arranged in a first internal space communicating with the measured gas existing space and a second internal space communicating with the first internal space. The NO 2 sensor and the first pump cell in the first internal space adjust the O 2 concentration, decompose NO by the decomposition pump disposed in the second internal space, and obtain NOx from the pump current flowing through the decomposition pump. A method for measuring the concentration is disclosed in Patent Document 1, for example.

更に、特許文献2には、酸素濃度が急変した場合でも第2の内部空所内の酸素濃度が一定に制御されるように、第2の内部空所内に補助ポンプ電極を配したセンサ素子が明らかにされている。   Further, Patent Document 2 discloses a sensor element in which an auxiliary pump electrode is arranged in the second internal space so that the oxygen concentration in the second internal space is controlled to be constant even when the oxygen concentration changes suddenly. Has been.

特開平8−271476号公報JP-A-8-271476 特開平9−113484号公報JP-A-9-113484

ところで、ガスセンサを自動車エンジン等の内燃機関の排気系に取り付けて前記内燃機関を駆動させた場合、通常は、図32の実線aに示すように、酸素濃度の変化に応じてセンサ出力が0を基点として比例的に変化するが、特定の運転条件においては、実線bに示すように、センサ出力が全体的にシフトアップすることが判明した。   By the way, when the gas sensor is attached to an exhaust system of an internal combustion engine such as an automobile engine to drive the internal combustion engine, normally, as shown by a solid line a in FIG. 32, the sensor output becomes 0 according to a change in oxygen concentration. Although it changes proportionally as a base point, it has been found that the sensor output as a whole shifts up under specific operating conditions, as shown by the solid line b.

一般に、自動車エンジンの排気ガスの全圧力は、図33に示すように、一定の静圧と排気圧の脈動によって生じる動圧からなり、該動圧の変動周期は、エンジンの爆発周期と同期しているが、センサ出力がシフトアップする原因を調査した結果、排気圧の脈動分(=動圧)が静圧に対して大きいときにシフトアップが生じることがわかった。   In general, as shown in FIG. 33, the total pressure of the exhaust gas of an automobile engine is composed of a constant static pressure and a dynamic pressure generated by a pulsation of the exhaust pressure, and the fluctuation cycle of the dynamic pressure is synchronized with the explosion cycle of the engine. However, as a result of investigating the cause of the shift up of the sensor output, it was found that the shift up occurs when the pulsation (= dynamic pressure) of the exhaust pressure is larger than the static pressure.

即ち、図34に示すように、動圧と静圧との比(動圧/静圧)に対するセンサ出力のシフト量を測定した結果、動圧/静圧が約25%以下の場合は、シフト量はほぼ0であるが、動圧/静圧が約25%を超えた段階からシフト量が比例的に増加することがわかった。   That is, as shown in FIG. 34, as a result of measuring the shift amount of the sensor output with respect to the ratio between the dynamic pressure and the static pressure (dynamic pressure / static pressure), if the dynamic pressure / static pressure is about 25% or less, the shift Although the amount was almost 0, it was found that the shift amount increased proportionally from the stage where the dynamic pressure / static pressure exceeded about 25%.

従って、動圧が大きくなると、第1空間での主ポンプでの酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性がどうしても悪くなり、この第1空間での酸素濃度の乱れは、第1空間に連通する第2空間での酸素濃度の制御及びNOx検知部である検出電極での測定精度の劣化を引き起こすおそれがある。   Therefore, when the dynamic pressure increases, the correlation between the oxygen pumping amount of the main pump in the first space and the oxygen concentration in the gas to be measured is inevitably deteriorated, and the disturbance of the oxygen concentration in the first space is There is a possibility that the control of the oxygen concentration in the second space communicating with the one space and the deterioration of the measurement accuracy at the detection electrode serving as the NOx detection unit may be caused.

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、検出電極での測定精度の向上を図ることができるガスセンサ及び窒素酸化物センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and can avoid the influence of pulsation of exhaust pressure generated in a gas to be measured, and can improve measurement accuracy at a detection electrode. It is an object to provide a gas sensor and a nitrogen oxide sensor.

本発明に係るガスセンサは、外部空間における被測定ガス中の被測定ガス成分の量を測定するガスセンサであって、少なくとも、前記外部空間に接する固体電解質と、前記固体電解質内部に形成された内部空所と、前記外部空間からガス導入口を介して所定の拡散抵抗の基に前記被測定ガスを導入するためのスリットで形成された拡散律速手段と、前記内部空所の内外に形成された内側ポンプ電極と外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素を前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理するポンプ手段とを具備したガスセンサにおいて、前記拡散律速手段の断面形状を形成する1因子の寸法を、10μm以下にして構成する。   The gas sensor according to the present invention is a gas sensor that measures an amount of a gas component to be measured in a gas to be measured in an external space, and includes at least a solid electrolyte in contact with the external space and an internal space formed inside the solid electrolyte. Diffusion controlling means formed by a slit for introducing the gas to be measured based on a predetermined diffusion resistance from the external space via a gas inlet, and an inner side formed inside and outside the internal space. A gas sensor having a pump electrode and an outer pump electrode, and a pump means for pumping oxygen contained in the gas to be measured introduced from the external space based on a control voltage applied between the electrodes. In the above, the dimension of one factor forming the cross-sectional shape of the diffusion rate controlling means is set to 10 μm or less.

前記ポンプ手段での限界電流値Ipは、以下の限界電流理論式で近似される。   The limiting current value Ip in the pump means is approximated by the following limiting current theoretical formula.

Ip≒(4F/RT)×D×(S/L)×(POe−POd)
なお、Fはファラデー定数(=96500A/sec)、Rは気体定数(=82.05cm3・atm/mol・K)、Tは絶対温度(K)、Dは拡散係数(cm2/sec)、Sは拡散律速手段の断面積(cm2)、Lは拡散律速手段の通路長(cm)、POeは拡散律速手段の外側における酸素分圧(atm)、POdは拡散律速手段の内側における酸素分圧(atm)を示す。
Ip ≒ (4F / RT) × D × (S / L) × (POe-POd)
Note that F is a Faraday constant (= 96500 A / sec), R is a gas constant (= 82.05 cm 3 · atm / mol · K), T is an absolute temperature (K), D is a diffusion coefficient (cm 2 / sec), S is the cross-sectional area (cm 2 ) of the diffusion controlling means, L is the path length of the diffusion controlling means (cm), POe is the oxygen partial pressure (atm) outside the diffusion controlling means, and POd is the oxygen content inside the diffusion controlling means. Indicates pressure (atm).

そして、この発明は、前記限流電流理論式における拡散律速手段の断面積Sの形成因子を規定するものであり、特に、断面積Sを形成する寸法の1因子を10μm以下にするものである。   The present invention defines a factor for forming the cross-sectional area S of the diffusion-limiting means in the theoretical formula for current-limiting current. In particular, one factor of the dimension for forming the cross-sectional area S is set to 10 μm or less. .

この場合、拡散律速手段における壁面抵抗によって排気圧の脈動(=動圧)が減衰され、具体的には、動圧と静圧との比(動圧/静圧)が25%以下のレベルにまで減衰するため、動圧の変動によるセンサ出力のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。   In this case, the pulsation (= dynamic pressure) of the exhaust pressure is attenuated by the wall resistance in the diffusion control means, and specifically, the ratio between the dynamic pressure and the static pressure (dynamic pressure / static pressure) is reduced to a level of 25% or less. Therefore, the shift-up phenomenon of the sensor output due to the fluctuation of the dynamic pressure can be effectively suppressed.

そして、前記構成において、前記拡散律速手段の断面形状が少なくとも1つの横型のスリットで形成されている場合は、前記1因子を前記スリットの縦方向の長さにしてもよい。また、前記拡散律速手段の断面形状が少なくとも1つの縦型のスリットで形成されている場合は、前記1因子を前記スリットの横方向の長さにしてもよい。   In the above-mentioned configuration, when the cross-sectional shape of the diffusion rate controlling means is formed by at least one horizontal slit, the one factor may be a length of the slit in the vertical direction. Further, when the cross-sectional shape of the diffusion rate controlling means is formed by at least one vertical slit, the one factor may be a horizontal length of the slit.

また、前記構成において、前記ガス導入口と拡散律速手段との間に緩衝空間を設けるようにしてもよい。通常、外部空間における排気圧の脈動によってガス導入口を通じて酸素がセンサ素子に急激に入り込むことになるが、この外部空間からの酸素は、直接処理空間に入り込まずに、その前段の緩衝空間に入り込むことになる。つまり、排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間によって打ち消され、内部空所に対する排気圧の脈動の影響はほとんど無視できる程度となる。   Further, in the above configuration, a buffer space may be provided between the gas inlet and the diffusion controlling means. Normally, oxygen suddenly enters the sensor element through the gas inlet due to the pulsation of the exhaust pressure in the external space, but oxygen from the external space does not directly enter the processing space but enters the buffer space at the preceding stage. Will be. That is, the rapid change of the oxygen concentration due to the pulsation of the exhaust pressure is canceled by the buffer space, and the effect of the pulsation of the exhaust pressure on the internal space is almost negligible.

その結果、処理空間におけるポンプ手段での酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性がよくなり、測定用ポンプ手段あるいは濃度検出手段での測定精度の向上が図られることになると同時に、内部空所を例えば空燃比を求めるためのセンサとして兼用させることが可能となる。   As a result, the correlation between the oxygen pumping amount by the pump means in the processing space and the oxygen concentration in the gas to be measured is improved, and the measurement accuracy is improved by the measuring pump means or the concentration detecting means. In addition, the internal space can be used also as a sensor for obtaining an air-fuel ratio, for example.

また、前記構成において、前記ガス導入口と前記内部空所(処理空間)との間に目詰まり防止部と緩衝空間とをシリーズに設け、前記目詰まり防止部の前面開口で前記ガス導入口を構成し、前記目詰まり防止部と前記緩衝空間の間に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する拡散律速部を設けるようにしてもよい。   Further, in the above configuration, a clogging prevention portion and a buffer space are provided in series between the gas introduction port and the internal space (processing space), and the gas introduction port is formed at a front opening of the clogging prevention portion. It may be configured such that a diffusion-controlling unit that provides a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured is provided between the clogging prevention unit and the buffer space.

この場合、外部空間の被測定ガス中に発生する粒子物(スート、オイル燃焼物等)が緩衝空間の入り口付近にて詰まるということが回避され、より高精度に所定ガス成分を測定することが可能となり、高精度な状態を長期にわたって維持できるようになる。   In this case, it is possible to avoid that particles (soot, oil combustion products, etc.) generated in the gas to be measured in the external space are clogged near the entrance of the buffer space, and to measure the predetermined gas component with higher accuracy. It is possible to maintain a high-accuracy state for a long time.

また、前記構成において、前記ポンプ手段で、前記内部空所に導入された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記内部空所(処理空間)における酸素分圧を前記被測定ガス中の所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御するようにしてもよい。   Further, in the above configuration, the pump means performs a pumping process on oxygen contained in the gas to be measured from the external space introduced into the internal space, thereby reducing an oxygen partial pressure in the internal space (processing space). The predetermined gas component in the measured gas may be controlled to a predetermined value that cannot be decomposed.

また、前記ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び/又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定するようにしてもよい。   A measuring pump means for decomposing a predetermined gas component contained in the gas to be measured after being pumped by the pump means by catalytic action and / or electrolysis, and pumping oxygen generated by the decomposition; And the predetermined gas component in the gas to be measured may be measured based on a pump current flowing through the measuring pump means by a pumping process of the measuring pump means.

あるいは、前記ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用により分解させ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧検出手段とを具備し、前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定するようにしてもよい。   Alternatively, a predetermined gas component contained in the gas to be measured after being pumped by the pump means is decomposed by a catalytic action, and the difference between the amount of oxygen generated by the decomposition and the amount of oxygen contained in the reference gas is decomposed. Oxygen partial pressure detecting means for generating an electromotive force according to the above, the predetermined gas component in the gas to be measured is measured based on the electromotive force detected by the oxygen partial pressure detecting means Is also good.

次に、本発明は、外部空間における被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定する窒素酸化物センサであって、少なくとも、前記外部空間に接する酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記固体電解質内に形成され、前記外部空間と連通した第1の内部空所と、所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを前記第1の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第1の拡散律速手段と、前記第1の内部空所内外に形成された第1の内側ポンプ電極と第1の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素を前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理して、前記第1の内部空所内の酸素分圧を実質的にNOが分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、前記第1の内部空所と連通した第2の内部空所と、所定の拡散抵抗の下に前記第1の内部空所内でポンピング処理された雰囲気を前記第2の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第2の拡散律速手段と、前記第2の内部空所内外に形成された第2の内側ポンプ電極と第2の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記第1の内部空所から導入された前記雰囲気中に含まれるNOを触媒作用及び/又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の窒素酸化物の量を測定する窒素酸化物センサにおいて、少なくとも、1つの拡散律速手段の断面形状を形成する1因子の寸法を、10μm以下にして構成する。   Next, the present invention is a nitrogen oxide sensor for measuring the amount of the nitrogen oxide component in the gas to be measured in the external space, at least, a substrate made of an oxygen ion conductive solid electrolyte in contact with the external space, A first internal space formed in the solid electrolyte and communicating with the external space; and a slit for introducing the gas to be measured into the first internal space under a predetermined diffusion resistance. A first diffusion-controlling means, a first inner pump electrode and a first outer pump electrode formed inside and outside the first internal space, and the measured object introduced from the external space. Oxygen contained in gas is pumped based on a control voltage applied between the electrodes to control the oxygen partial pressure in the first internal space to a predetermined value at which NO can be substantially decomposed. Main pump means and the first pump A second internal cavity communicating with the cavity, and a slit for introducing an atmosphere pumped in the first internal cavity into the second internal cavity under a predetermined diffusion resistance. A second diffusion-controlling means, a second inner pump electrode and a second outer pump electrode formed inside and outside the second internal space, and are introduced from the first internal space. Pump means for decomposing NO contained in the atmosphere by catalytic action and / or electrolysis and pumping oxygen generated by the decomposition, and performing the measurement by the pumping process of the measuring pump means. A nitrogen oxide sensor for measuring an amount of nitrogen oxides in the gas to be measured based on a pump current flowing through a pumping means for use in a sensor, wherein at least one factor forming a cross-sectional shape of one diffusion-controlling means , And configure to 10μm or less.

これにより、拡散律速手段における壁面抵抗によって排気圧の脈動(=動圧)が減衰され、具体的には、動圧と静圧との比(動圧/静圧)が25%以下のレベルにまで減衰するため、動圧の変動によるセンサ出力のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。   As a result, the pulsation (= dynamic pressure) of the exhaust pressure is attenuated by the wall resistance in the diffusion controlling means, and specifically, the ratio of the dynamic pressure to the static pressure (dynamic pressure / static pressure) is reduced to a level of 25% or less. Therefore, the shift-up phenomenon of the sensor output due to the fluctuation of the dynamic pressure can be effectively suppressed.

また、本発明は、外部空間における被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定する窒素酸化物センサであって、少なくとも、前記外部空間に接する酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、前記固体電解質内に形成され、前記外部空間と連通した第1の内部空所と、所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを前記第1の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第1の拡散律速手段と、前記第1の内部空所内外に形成された第1の内側ポンプ電極と第1の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素を前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理して、前記第1の内部空所内の酸素分圧を実質的にNOが分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、前記第1の内部空所と連通した第2の内部空所と、所定の拡散抵抗の下に前記第1の内部空所内でポンピング処理された雰囲気を前記第2の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第2の拡散律速手段と、前記第2の内部空所内外に形成された第2の内側測定電極と第2の外側測定電極を有し、かつ、前記第1の内部空所から導入された前記雰囲気中に含まれるNOを触媒作用により分解させ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧検出手段とを具備し、前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の窒素酸化物の量を測定する窒素酸化物センサにおいて、少なくとも、1つの拡散律速手段の断面形状を形成する1因子の寸法を、10μm以下にして構成する。   Further, the present invention is a nitrogen oxide sensor for measuring the amount of a nitrogen oxide component in a gas to be measured in an external space, at least a substrate made of an oxygen ion conductive solid electrolyte in contact with the external space, A first internal space formed in the solid electrolyte and communicating with the external space, and a slit for introducing the gas to be measured into the first internal space under a predetermined diffusion resistance. A first diffusion-controlling means, a first inner pump electrode and a first outer pump electrode formed inside and outside the first internal space, and the gas to be measured introduced from the external space A pumping process based on a control voltage applied between the electrodes to control oxygen partial pressure in the first internal space to a predetermined value at which substantially no NO can be decomposed. Pump means; A second internal cavity communicating with the cavity, and a slit for introducing an atmosphere pumped in the first internal cavity into the second internal cavity under a predetermined diffusion resistance. A second diffusion-controlling means, a second inner measurement electrode and a second outer measurement electrode formed inside and outside the second internal space, and are introduced from the first internal space. And oxygen partial pressure detecting means for decomposing NO contained in the atmosphere by a catalytic action and generating an electromotive force corresponding to a difference between the amount of oxygen generated by the decomposition and the amount of oxygen contained in the reference gas. A nitrogen oxide sensor for measuring the amount of nitrogen oxides in the gas to be measured based on the electromotive force detected by the oxygen partial pressure detection means, wherein at least one diffusion-controlling means has a cross-sectional shape Reduce the size of one factor to be formed to 10 μm or less Constitute.

この場合も、拡散律速手段における壁面抵抗によって排気圧の脈動(=動圧)が減衰され、具体的には、動圧と静圧との比(動圧/静圧)が25%以下のレベルにまで減衰するため、動圧の変動によるセンサ出力のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。   Also in this case, the pulsation (= dynamic pressure) of the exhaust pressure is attenuated by the wall resistance in the diffusion rate controlling means. Specifically, the ratio between the dynamic pressure and the static pressure (dynamic pressure / static pressure) is at a level of 25% or less. Therefore, the shift-up phenomenon of the sensor output due to the fluctuation of the dynamic pressure can be effectively suppressed.

以上説明したように、本発明に係るガスセンサ及び窒素酸化物センサによれば、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、検出電極での測定精度の向上を図ることができる。   As described above, according to the gas sensor and the nitrogen oxide sensor according to the present invention, the influence of the pulsation of the exhaust pressure generated in the gas to be measured can be avoided, and the measurement accuracy at the detection electrode is improved. be able to.

以下、本発明に係るガスセンサを例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるO2、NO、NO2、SO2、CO2、H2O等の酸化物や、CO、CnHm等の可燃ガスを測定するガスセンサに適用したいくつかの実施の形態例を図1A〜図31を参照しながら説明する。 Hereinafter, the gas sensor according to the present invention may be used, for example, to measure an exhaust gas of a vehicle or an oxide such as O 2 , NO, NO 2 , SO 2 , CO 2 , H 2 O, or a combustible gas such as CO or CnHm contained in the atmosphere. Several embodiments applied to a gas sensor for measurement will be described with reference to FIGS. 1A to 31.

第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aは、図1A、図1B及び図2に示すように、ZrO2等の酸素イオン導伝性固体電解質を用いたセラミックスによりなる例えば6枚の固体電解質層12a〜12fが積層されて構成されたセンサ素子14を有する。 As shown in FIGS. 1A, 1B and 2, the gas sensor 10A according to the first embodiment has, for example, six solid electrolyte layers 12a made of ceramics using an oxygen ion conductive solid electrolyte such as ZrO 2. To 12f are stacked.

このセンサ素子14は、下から1層目及び2層目が第1及び第2の基板層12a及び12bとされ、下から3層目及び5層目が第1及び第2のスペーサ層12c及び12eとされ、下から4層目及び6層目が第1及び第2の固体電解質層12d及び12fとされている。   In the sensor element 14, the first and second layers from the bottom are the first and second substrate layers 12a and 12b, and the third and fifth layers from the bottom are the first and second spacer layers 12c and 12c. 12e, and the fourth and sixth layers from the bottom are the first and second solid electrolyte layers 12d and 12f.

第2の基板層12bと第1の固体電解質層12dとの間には、酸化物測定の基準となる基準ガス、例えば大気が導入される空間16(基準ガス導入空間16)が、第1の固体電解質層12dの下面、第2の基板層12bの上面及び第1のスペーサ層12cの側面によって区画、形成されている。   Between the second substrate layer 12b and the first solid electrolyte layer 12d, a space 16 (reference gas introduction space 16) into which a reference gas serving as an oxide measurement reference, for example, the atmosphere, is introduced. The lower surface of the solid electrolyte layer 12d, the upper surface of the second substrate layer 12b, and the side surfaces of the first spacer layer 12c are defined and formed.

そして、第2の固体電解質層12fの下面と第1の固体電解質層12dの上面との間には、被測定ガス中の酸素分圧を調整するための第1室18と、被測定ガス中の酸素分圧を微調整し、更に被測定ガス中の酸化物、例えば窒素酸化物(NOx)を測定するための第2室20が区画、形成される。   Further, between the lower surface of the second solid electrolyte layer 12f and the upper surface of the first solid electrolyte layer 12d, a first chamber 18 for adjusting the oxygen partial pressure in the gas to be measured, A second chamber 20 for finely adjusting the oxygen partial pressure of the sample and measuring an oxide in the gas to be measured, for example, nitrogen oxide (NOx), is formed.

また、センサ素子14の先端に形成されたガス導入口22と前記第1室18は、第1の拡散律速部26を介して連通され、第1室18と第2室20は、第2の拡散律速部28を介して連通されている。   In addition, the gas inlet 22 formed at the tip of the sensor element 14 and the first chamber 18 communicate with each other via a first diffusion-controlling part 26, and the first chamber 18 and the second chamber 20 They are communicated via a diffusion control unit 28.

ここで、第1及び第2の拡散律速部26及び28は、第1室18及び第2室20にそれぞれ導入される被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するものである。第1の拡散律速部26は、図1Aに示すように、2本の横長のスリット30及び32にて形成されている。具体的には、この第1の拡散律速部26は、第2のスペーサ層12eの前端部分であって第2の固体電解質層12fの下面に接する部分に形成された横長の開口が第1室18まで同一の開口幅で形成されたスリット30と、第2のスペーサ層12eの前端部分であって第1の固体電解質層12dの上面に接する部分に形成された横長の開口が第1室18まで同一の開口幅で形成されたスリット32を有して構成されている。   Here, the first and second diffusion-controlling sections 26 and 28 impart a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced into the first chamber 18 and the second chamber 20, respectively. As shown in FIG. 1A, the first diffusion control section 26 is formed by two horizontally long slits 30 and 32. Specifically, the first diffusion-controlling portion 26 has a horizontally elongated opening formed at a front end portion of the second spacer layer 12e and in contact with a lower surface of the second solid electrolyte layer 12f. The first chamber 18 has a slit 30 formed with the same opening width up to 18 and a horizontally long opening formed at the front end portion of the second spacer layer 12e and in contact with the upper surface of the first solid electrolyte layer 12d. Up to the same opening width.

この第1の実施の形態では、各スリット30及び32はほぼ同じ断面形状を有し、図1Aに示すように、縦方向の長さtaを10μm以下、横方向の長さtbを約2mmとしている。   In the first embodiment, each of the slits 30 and 32 has substantially the same cross-sectional shape, and as shown in FIG. 1A, the vertical length ta is 10 μm or less, and the horizontal length tb is about 2 mm. I have.

第2の拡散律速部28も前記第1の拡散律速部26と同様の断面形状を有する2本の横長のスリット34及び36にて形成されている。第2の拡散律速部28のスリット34及び36内に、ZrO2等からなる多孔質体を充填、配置して、この第2の拡散律速部28の拡散抵抗が第1の拡散律速部26の拡散抵抗よりも大きくするようにしてもよい。第2の拡散律速部28の拡散抵抗は第1の拡散律速部26のそれよりも大きい方が好ましいが、小さくても問題はない。 The second diffusion control section 28 is also formed by two horizontally long slits 34 and 36 having the same cross-sectional shape as the first diffusion control section 26. A porous body made of ZrO 2 or the like is filled and arranged in the slits 34 and 36 of the second diffusion-controlling section 28, and the diffusion resistance of the second diffusion-controlling section 28 is equal to that of the first diffusion-controlling section 26. You may make it larger than a diffusion resistance. It is preferable that the diffusion resistance of the second diffusion control part 28 is larger than that of the first diffusion control part 26, but there is no problem if it is small.

そして、前記第2の拡散律速部28を通じて、第1室18内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第2室20内に導入されることとなる。   Then, the atmosphere in the first chamber 18 is introduced into the second chamber 20 under a predetermined diffusion resistance through the second diffusion control section 28.

また、前記第2の固体電解質層12fの下面のうち、前記第1室18を形づくる下面全面に、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極(例えばAu1%を含むPt・ZrO2のサーメット電極)からなる内側ポンプ電極40が形成され、前記第2の固体電解質層12fの上面のうち、前記内側ポンプ電極40に対応する部分に、外側ポンプ電極42が形成されており、これら内側ポンプ電極40、外側ポンプ電極42並びにこれら両電極40及び42間に挟まれた第2の固体電解質層12fにて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル44が構成されている。 Further, of the lower surface of the second solid electrolyte layer 12f, the entire lower surface to shape the first chamber 18, a flat substantially rectangular porous cermet electrode (for example Pt · ZrO 2 cermet electrode containing Au1%) Inner pump electrode 40 is formed, and an outer pump electrode 42 is formed in a portion corresponding to the inner pump electrode 40 on the upper surface of the second solid electrolyte layer 12f. An electrochemical pump cell, that is, a main pump cell 44 is constituted by the pump electrode 42 and the second solid electrolyte layer 12f interposed between the electrodes 40 and 42.

そして、前記主ポンプセル44における内側ポンプ電極40と外側ポンプ電極42間に、外部の可変電源46を通じて所望の制御電圧(ポンプ電圧)Vp1を印加して、外側ポンプ電極42と内側ポンプ電極40間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip1を流すことにより、前記第1室18内における雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは外部空間の酸素を第1室18内に汲み入れることができるようになっている。   Then, a desired control voltage (pump voltage) Vp1 is applied between the inner pump electrode 40 and the outer pump electrode 42 in the main pump cell 44 through an external variable power supply 46, so that the outer pump electrode 42 and the inner pump electrode 40 are By flowing the pump current Ip1 in the positive direction or the negative direction, oxygen in the atmosphere in the first chamber 18 can be pumped into the external space, or oxygen in the external space can be pumped into the first chamber 18. Has become.

また、前記第1の固体電解質層12dの下面のうち、基準ガス導入空間16に露呈する部分に基準電極48が形成されており、前記内側ポンプ電極40及び基準電極48並びに第2の固体電解質層12f、第2のスペーサ層12e及び第1の固体電解質層12dによって、電気化学的なセンサセル、即ち、制御用酸素分圧検出セル50が構成されている。   A reference electrode 48 is formed in a portion of the lower surface of the first solid electrolyte layer 12d exposed to the reference gas introduction space 16, and the inner pump electrode 40, the reference electrode 48, and the second solid electrolyte layer An electrochemical sensor cell, that is, a control oxygen partial pressure detection cell 50 is constituted by 12f, the second spacer layer 12e, and the first solid electrolyte layer 12d.

この制御用酸素分圧検出セル50は、第1室18内の雰囲気と基準ガス導入空間16内の基準ガス(大気)との間の酸素濃度差に基づいて、内側ポンプ電極40と基準電極48との間に発生する起電力V1を通じて、前記第1室18内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。   The control oxygen partial pressure detection cell 50 is configured to control the inner pump electrode 40 and the reference electrode 48 based on the oxygen concentration difference between the atmosphere in the first chamber 18 and the reference gas (atmosphere) in the reference gas introduction space 16. The oxygen partial pressure of the atmosphere in the first chamber 18 can be detected through an electromotive force V1 generated between the first and second chambers.

検出された酸素分圧値は可変電源46をフィードバック制御するために使用され、具体的には、第1室18内の雰囲気の酸素分圧が、次の第2室20において酸素分圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値となるように、主ポンプ用のフィードバック制御系52を通じて主ポンプセル44のポンプ動作が制御される。   The detected oxygen partial pressure value is used for feedback control of the variable power supply 46. Specifically, the oxygen partial pressure of the atmosphere in the first chamber 18 is controlled by the oxygen partial pressure in the next second chamber 20. The pump operation of the main pump cell 44 is controlled through the main pump feedback control system 52 so that the predetermined value is low enough to perform the following.

このフィードバック制御系52は、内側ポンプ電極40の電位と基準電極48の電位の差(検出電圧V1)が、所定の電圧レベルとなるように、外側ポンプ電極42と内側ポンプ電極40間のポンプ電圧Vp1をフィードバック制御する回路構成を有する。この場合、内側ポンプ電極40は接地とされる。   The feedback control system 52 controls the pump voltage between the outer pump electrode 42 and the inner pump electrode 40 so that the difference (detection voltage V1) between the potential of the inner pump electrode 40 and the potential of the reference electrode 48 becomes a predetermined voltage level. It has a circuit configuration for feedback-controlling Vp1. In this case, the inner pump electrode 40 is grounded.

従って、主ポンプセル44は、第1室18に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記ポンプ電圧Vp1のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み入れる。そして、前記一連の動作が繰り返されることによって、第1室18における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることになる。この状態で、外側ポンプ電極42と内側ポンプ電極40間に流れるポンプ電流Ip1は、被測定ガス中の酸素濃度と第1室18の制御酸素濃度の差を示しており、被測定ガス中の酸素濃度の測定に用いることができる。   Therefore, the main pump cell 44 pumps or pumps oxygen out of the gas to be measured introduced into the first chamber 18 by an amount corresponding to the level of the pump voltage Vp1. Then, by repeating the series of operations, the oxygen concentration in the first chamber 18 is feedback-controlled to a predetermined level. In this state, the pump current Ip1 flowing between the outer pump electrode 42 and the inner pump electrode 40 indicates the difference between the oxygen concentration in the gas to be measured and the control oxygen concentration in the first chamber 18, and the oxygen current in the gas to be measured It can be used for measuring the concentration.

なお、前記内側ポンプ電極40及び外側ポンプ電極42を構成する多孔質サーメット電極は、Pt等の金属とZrO2等のセラミックスとから構成されることになるが、被測定ガスに接触する第1室18内に配置される内側ポンプ電極40は、測定ガス中のNO成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いる必要があり、例えばLa3CuO4等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはAu等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいはAu等の触媒活性の低い金属とPt族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電極材料にAuとPt族金属の合金を用いる場合は、Au添加量を金属成分全体の0.03〜35vol%にすることが好ましい。 The porous cermet electrodes constituting the inner pump electrode 40 and the outer pump electrode 42 are composed of a metal such as Pt and a ceramic such as ZrO 2. For the inner pump electrode 40 disposed in the 18, it is necessary to use a material having reduced or no reduction ability to the NO component in the measurement gas, for example, a compound having a perovskite structure such as La 3 CuO 4 , Alternatively, a cermet of a metal having low catalytic activity such as Au and a ceramic, or a cermet of a metal having low catalytic activity such as Au and a Pt group metal and a ceramic is preferable. Further, when an alloy of Au and a Pt group metal is used as the electrode material, the amount of Au added is preferably set to 0.03 to 35 vol% of the entire metal component.

また、この第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aにおいては、前記第1の固体電解質層12dの上面のうち、前記第2室20を形づくる上面であって、かつ第2の拡散律速部28から離間した部分に、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極からなる検出電極60が形成され、この検出電極60を被覆するように、第3の拡散律速部62を構成するアルミナ膜が形成されている。そして、該検出電極60、前記基準電極48及び第1の固体電解質層12dによって、電気化学的なポンプセル、即ち、測定用ポンプセル64が構成される。   In the gas sensor 10A according to the first embodiment, the upper surface of the upper surface of the first solid electrolyte layer 12d that forms the second chamber 20, and the upper surface of the second solid electrolyte layer A detection electrode 60 formed of a porous cermet electrode having a substantially rectangular shape in a plane is formed in the separated portion, and an alumina film forming a third diffusion-controlling portion 62 is formed so as to cover the detection electrode 60. . The detection electrode 60, the reference electrode 48, and the first solid electrolyte layer 12d constitute an electrochemical pump cell, that is, a pump cell 64 for measurement.

前記検出電極60は、被測定ガス成分たるNOxを還元し得る金属とセラミックスとしてのジルコニアからなる多孔質サーメットにて構成され、これによって、第2室20内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒として機能するほか、前記基準電極48との間に、直流電源66を通じて一定電圧Vp2が印加されることによって、第2室20内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間16に汲み出せるようになっている。この測定用ポンプセル64のポンプ動作によって流れるポンプ電流Ip2は、電流計68によって検出されるようになっている。   The detection electrode 60 is formed of a porous cermet made of a metal capable of reducing NOx as a gas component to be measured and zirconia as a ceramic, and thereby reduces NOx present in the atmosphere in the second chamber 20. In addition to functioning as a NOx reduction catalyst, by applying a constant voltage Vp2 to the reference electrode 48 through a DC power supply 66, oxygen in the atmosphere in the second chamber 20 can be pumped into the reference gas introduction space 16. It has become. The pump current Ip2 flowing by the pump operation of the measuring pump cell 64 is detected by the ammeter 68.

前記一定電圧(直流)電源66は、第3の拡散律速部62により制限されたNOxの流入下において、測定用ポンプセル64で分解時に生成した酸素のポンピングに対して限界電流を与える大きさの電圧を印加できるようになっている。   The constant voltage (direct current) power supply 66 is a voltage having a magnitude that gives a limiting current to pumping of oxygen generated during decomposition by the measurement pump cell 64 under the inflow of NOx restricted by the third diffusion control unit 62. Can be applied.

一方、前記第2の固体電解質層12fの下面のうち、前記第2室20を形づくる下面全面には、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極(例えばAu1%を含むPt・ZrO2のサーメット電極)からなる補助ポンプ電極70が形成されており、該補助ポンプ電極70、前記第2の固体電解質層12f、第2のスペーサ層12e、第1の固体電解質層12d及び基準電極48にて補助的な電気化学的ポンプセル、即ち、補助ポンプセル72が構成されている。 On the other hand, of the lower surface of the second solid electrolyte layer 12f, the entire surface of the lower surface forming the second chamber 20 is provided with a porous cermet electrode having a substantially rectangular planar shape (for example, a Pt.ZrO 2 cermet electrode containing Au1%). The auxiliary pump electrode 70 is formed, and the auxiliary pump electrode 70, the second solid electrolyte layer 12f, the second spacer layer 12e, the first solid electrolyte layer 12d, and the reference electrode 48 support the auxiliary pump electrode 70. An electrochemical pump cell, that is, an auxiliary pump cell 72 is formed.

前記補助ポンプ電極70は、前記主ポンプセル44における内側ポンプ電極40と同様に、被測定ガス中のNO成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いている。この場合、例えばLa3CuO4等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはAu等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいはAu等の触媒活性の低い金属とPt族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電極材料にAuとPt族金属の合金を用いる場合は、Au添加量を金属成分全体の0.03〜35vol%にすることが好ましい。 As with the inner pump electrode 40 in the main pump cell 44, the auxiliary pump electrode 70 is made of a material that has reduced or no reduction ability with respect to the NO component in the gas to be measured. In this case, the cermet is composed of a compound having a perovskite structure such as La 3 CuO 4 , a cermet of a metal having low catalytic activity such as Au and ceramics, or a cermet of a metal having low catalytic activity such as Au and a Pt group metal and ceramics. Preferably. Further, when an alloy of Au and a Pt group metal is used as the electrode material, the amount of Au added is preferably set to 0.03 to 35 vol% of the entire metal component.

そして、前記補助ポンプセル72における補助ポンプ電極70と基準電極48間に、外部の直流電源74を通じて所望の一定電圧Vp3を印加することにより、第2室20内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間16に汲み出せるようになっている。   Then, by applying a desired constant voltage Vp3 between the auxiliary pump electrode 70 and the reference electrode 48 in the auxiliary pump cell 72 through an external DC power supply 74, oxygen in the atmosphere in the second chamber 20 is reduced to the reference gas introduction space. 16 can be pumped out.

これによって、第2室20内の雰囲気の酸素分圧が、実質的に被測定ガス成分(NOx)が還元又は分解され得ない状況下で、かつ目的成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値とされる。この場合、第1室18における主ポンプセル44の働きにより、この第2室20内に導入される酸素の量の変化は、被測定ガスの変化よりも大幅に縮小されるため、第2室20における酸素分圧は精度よく一定に制御される。   As a result, the oxygen partial pressure of the atmosphere in the second chamber 20 does not substantially reduce or decompose the gas component (NOx) to be measured, and does not substantially affect the measurement of the target component amount. A low oxygen partial pressure value is used. In this case, the change in the amount of oxygen introduced into the second chamber 20 is greatly reduced by the operation of the main pump cell 44 in the first chamber 18 compared to the change in the gas to be measured. The oxygen partial pressure at is precisely and constantly controlled.

従って、前記構成を有する第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aでは、前記第2室20内において酸素分圧が制御された被測定ガスは、検出電極60に導かれることとなる。   Therefore, in the gas sensor 10 </ b> A according to the first embodiment having the above configuration, the gas to be measured whose oxygen partial pressure is controlled in the second chamber 20 is guided to the detection electrode 60.

また、この第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aにおいては、図1に示すように、第1及び第2の基板層12a及び12bにて上下から挟まれた形態において、外部からの給電によって発熱するヒータ80が埋設されている。このヒータ80は、酸素イオンの導伝性を高めるために設けられるもので、該ヒータ80の上下面には、第1及び第2の基板層12a及び12bとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等の絶縁層82が形成されている。   Further, in the gas sensor 10A according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, when the gas sensor 10A is sandwiched from above and below by the first and second substrate layers 12a and 12b, heat is generated by external power supply. Heater 80 is embedded. The heater 80 is provided to enhance the conductivity of oxygen ions. On the upper and lower surfaces of the heater 80, in order to obtain electrical insulation from the first and second substrate layers 12a and 12b, An insulating layer 82 of alumina or the like is formed.

前記ヒータ80は、第1室18から第2室20の全体にわたって配設されており、これによって、第1室18及び第2室20がそれぞれ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセル44、制御用酸素分圧検出セル50及び測定用ポンプセル64も所定の温度に加熱、保持されるようになっている。   The heater 80 is disposed over the entirety of the first chamber 18 to the second chamber 20, whereby the first chamber 18 and the second chamber 20 are each heated to a predetermined temperature, and the main pump cell 44, The control oxygen partial pressure detection cell 50 and the measurement pump cell 64 are also heated and maintained at a predetermined temperature.

次に、第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aの動作について説明する。まず、ガスセンサ10Aの先端部側が外部空間に配置され、これによって、被測定ガスは、第1の拡散律速部26(スリット30及び32)を通じて所定の拡散抵抗の下に、第1室18に導入される。この第1室18に導入された被測定ガスは、主ポンプセル44を構成する外側ポンプ電極42及び内側ポンプ電極40間に所定のポンプ電圧Vp1が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が所定の値、例えば10-7atmとなるように制御される。この制御は、フィードバック制御系52を通じて行われる。 Next, the operation of the gas sensor 10A according to the first embodiment will be described. First, the distal end side of the gas sensor 10A is arranged in the external space, whereby the gas to be measured is introduced into the first chamber 18 under a predetermined diffusion resistance through the first diffusion control part 26 (slits 30 and 32). Is done. The gas to be measured introduced into the first chamber 18 is subjected to an oxygen pumping action caused by application of a predetermined pump voltage Vp1 between the outer pump electrode 42 and the inner pump electrode 40 constituting the main pump cell 44. The oxygen partial pressure is controlled to a predetermined value, for example, 10 −7 atm. This control is performed through the feedback control system 52.

なお、第1の拡散律速部26は、主ポンプセル44にポンプ電圧Vp1を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間(第1室18)に拡散流入する量を絞り込んで、主ポンプセル44に流れる電流を抑制する働きをしている。   The first diffusion-controlling section 26 narrows down the amount of oxygen in the gas to be measured that diffuses and flows into the measurement space (first chamber 18) when the pump voltage Vp1 is applied to the main pump cell 44, It has the function of suppressing the current flowing through 44.

また、第1室18内においては、外部の被測定ガスによる加熱、更にはヒータ80による加熱環境下においても、内側ポンプ電極40にて雰囲気中のNOxが還元されない酸素分圧下の状態、例えばNO→1/2N2+1/2O2の反応が起こらない酸素分圧下の状況が形成されている。これは、第1室18内において、被測定ガス(雰囲気)中のNOxが還元されると、後段の第2室20内でのNOxの正確な測定ができなくなるからであり、この意味において、第1室18内において、NOxの還元に関与する成分(ここでは、内側ポンプ電極40の金属成分)にてNOxが還元され得ない状況を形成する必要がある。具体的には、前述したように、内側ポンプ電極40にNOx還元性の低い材料、例えばAuとPtの合金を用いることで達成される。 Further, in the first chamber 18, even under heating by an external gas to be measured and further under a heating environment by a heater 80, a state under an oxygen partial pressure where NOx in the atmosphere is not reduced by the inner pump electrode 40, for example, NO → A situation is established under an oxygen partial pressure at which the reaction of 1 / 2N 2 + 1 / 2O 2 does not occur. This is because if NOx in the gas to be measured (atmosphere) is reduced in the first chamber 18, accurate measurement of NOx in the subsequent second chamber 20 cannot be performed. In the first chamber 18, it is necessary to create a situation where NOx cannot be reduced by a component involved in the reduction of NOx (here, the metal component of the inner pump electrode 40). Specifically, as described above, this is achieved by using a material having a low NOx reducing property, for example, an alloy of Au and Pt for the inner pump electrode 40.

そして、前記第1室18内のガスは、第2の拡散律速部28を通じて所定の拡散抵抗の下に、第2室20に導入される。この第2室20に導入されたガスは、補助ポンプセル72を構成する補助ポンプ電極70及び基準電極48間に電圧Vp3が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が一定の低い酸素分圧値となるように微調整される。   The gas in the first chamber 18 is introduced into the second chamber 20 through the second diffusion-controlling section 28 under a predetermined diffusion resistance. The gas introduced into the second chamber 20 is subjected to an oxygen pumping action caused by application of the voltage Vp3 between the auxiliary pump electrode 70 and the reference electrode 48 constituting the auxiliary pump cell 72, and the oxygen partial pressure is reduced. Fine adjustment is made to a constant low oxygen partial pressure value.

前記第2の拡散律速部28は、前記第1の拡散律速部26と同様に、補助ポンプセル72に電圧Vp3を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間(第2室20)に拡散流入する量を絞り込んで、補助ポンプセル72に流れるポンプ電流Ip3を抑制する働きをしている。   Similarly to the first diffusion control unit 26, when the voltage Vp3 is applied to the auxiliary pump cell 72, the second diffusion control unit 28 transfers oxygen in the gas to be measured to the measurement space (the second chamber 20). It functions to reduce the amount of diffusion and inflow to suppress the pump current Ip3 flowing through the auxiliary pump cell 72.

そして、上述のようにして第2室20内において酸素分圧が制御された被測定ガスは、第3の拡散律速部62を通じて所定の拡散抵抗の下に、検出電極60に導かれることとなる。   Then, the gas to be measured whose oxygen partial pressure is controlled in the second chamber 20 as described above is guided to the detection electrode 60 through the third diffusion control part 62 under a predetermined diffusion resistance. .

前記主ポンプセル44を動作させて第1室18内の雰囲気の酸素分圧をNOx測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御しようとしたとき、換言すれば、制御用酸素分圧検出セル50にて検出される電圧V1が一定となるように、フィードバック制御系52を通じて可変電源46のポンプ電圧Vp1を調整したとき、被測定ガス中の酸素濃度が大きく、例えば0〜20%に変化すると、通常、第2室20内の雰囲気及び検出電極60付近の雰囲気の各酸素分圧は、僅かに変化するようになる。これは、被測定ガス中の酸素濃度が高くなると、第1室18の幅方向及び厚み方向に酸素濃度分布が生じ、この酸素濃度分布が被測定ガス中の酸素濃度により変化するためであると考えられる。   When the main pump cell 44 is operated to control the oxygen partial pressure of the atmosphere in the first chamber 18 to a low oxygen partial pressure that does not substantially affect the NOx measurement, in other words, the control oxygen partial pressure When the pump voltage Vp1 of the variable power supply 46 is adjusted through the feedback control system 52 so that the voltage V1 detected by the detection cell 50 is constant, the oxygen concentration in the gas to be measured is large, for example, 0 to 20%. When it changes, each oxygen partial pressure of the atmosphere in the second chamber 20 and the atmosphere near the detection electrode 60 usually slightly changes. This is because, when the oxygen concentration in the gas to be measured increases, an oxygen concentration distribution occurs in the width direction and the thickness direction of the first chamber 18, and the oxygen concentration distribution changes according to the oxygen concentration in the gas to be measured. Conceivable.

しかし、この第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aにおいては、第2室20に対して、その内部の雰囲気の酸素分圧を常に一定に低い酸素分圧値となるように、補助ポンプセル72を設けるようにしているため、第1室18から第2室20に導入される雰囲気の酸素分圧が被測定ガスの酸素濃度に応じて変化しても、前記補助ポンプセル72のポンプ動作によって、第2室20内の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い値とすることができ、その結果、NOxの測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御することができる。   However, in the gas sensor 10A according to the first embodiment, the auxiliary pump cell 72 is set in the second chamber 20 so that the oxygen partial pressure of the atmosphere inside the second chamber 20 is always a constant low oxygen partial pressure value. Even if the oxygen partial pressure of the atmosphere introduced from the first chamber 18 to the second chamber 20 changes in accordance with the oxygen concentration of the gas to be measured, the pump operation of the auxiliary pump cell 72 causes The oxygen partial pressure of the atmosphere in the two chambers 20 can always be kept at a constant low value. As a result, the oxygen partial pressure can be controlled to a low oxygen partial pressure value that does not substantially affect the measurement of NOx.

そして、検出電極60に導入された被測定ガスのNOxは、該検出電極60の周りにおいて還元又は分解されて、例えばNO→1/2N2+1/2O2の反応が引き起こされる。このとき、測定用ポンプセル64を構成する検出電極60と基準電極48との間には、酸素が第2室20から基準ガス導入空間16側に汲み出される方向に、所定の電圧Vp2、例えば430mV(700℃)が印加される。 Then, the NOx of the gas to be measured introduced into the detection electrode 60 is reduced or decomposed around the detection electrode 60 to cause, for example, a reaction of NO → 1 / N 2 ++ 1O 2 . At this time, a predetermined voltage Vp2, for example, 430 mV, is applied between the detection electrode 60 and the reference electrode 48 constituting the measurement pump cell 64 in a direction in which oxygen is pumped from the second chamber 20 to the reference gas introduction space 16 side. (700 ° C.).

従って、測定用ポンプセル64に流れるポンプ電流Ip2は、第2室20に導かれる雰囲気中の酸素濃度、即ち、第2室20内の酸素濃度と検出電極60にてNOxが還元又は分解されて発生した酸素濃度との和に比例した値となる。   Accordingly, the pump current Ip2 flowing through the measurement pump cell 64 is generated by reducing or decomposing NOx in the oxygen concentration in the atmosphere led to the second chamber 20, that is, the oxygen concentration in the second chamber 20 and the detection electrode 60. It is a value proportional to the sum of the calculated oxygen concentration.

この場合、第2室20内の雰囲気中の酸素濃度は、補助ポンプセル72にて一定に制御されていることから、前記測定用ポンプセル64に流れるポンプ電流Ip2は、NOxの濃度に比例することになる。また、このNOxの濃度は、第3の拡散律速部62にて制限されるNOxの拡散量に対応していることから、被測定ガスの酸素濃度が大きく変化したとしても、測定用ポンプセル64から電流計68を通じて正確にNOx濃度を測定することが可能となる。   In this case, since the oxygen concentration in the atmosphere in the second chamber 20 is controlled to be constant by the auxiliary pump cell 72, the pump current Ip2 flowing through the measurement pump cell 64 is proportional to the NOx concentration. Become. Further, since the NOx concentration corresponds to the NOx diffusion amount limited by the third diffusion-controlling section 62, even if the oxygen concentration of the gas to be measured greatly changes, the NOx concentration is measured by the measurement pump cell 64. It is possible to accurately measure the NOx concentration through the ammeter 68.

このことから、測定用ポンプセル64におけるポンプ電流値Ip2は、ほとんどがNOxが還元又は分解された量を表し、そのため、被測定ガス中の酸素濃度に依存するようなこともない。   From this, the pump current value Ip2 in the measurement pump cell 64 almost represents the amount of NOx reduced or decomposed, and therefore does not depend on the oxygen concentration in the gas to be measured.

ところで、通常、動圧と静圧との比(動圧/静圧)が約25%を超えた段階からシフト量が比例的に増加することとなるが(図34参照)、この第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aにおいては、第1の拡散律速部26(スリット30及び32)の断面形状を形成する1因子である縦方向の長さtaを10μm以下にしている。   By the way, the shift amount usually increases proportionally from the stage where the ratio of dynamic pressure to static pressure (dynamic pressure / static pressure) exceeds about 25% (see FIG. 34). In the gas sensor 10A according to the embodiment, the length ta in the vertical direction, which is one factor forming the cross-sectional shape of the first diffusion-controlling portion 26 (slits 30 and 32), is set to 10 μm or less.

主ポンプセル44での限界電流値Ip1は、以下の限界電流理論式で近似される。   The limit current value Ip1 in the main pump cell 44 is approximated by the following limit current theoretical formula.

Ip1≒(4F/RT)×D×(S/L)×(POe−POd)
なお、Fはファラデー定数(=96500A/sec)、Rは気体定数(=82.05cm3・atm/mol・K)、Tは絶対温度(K)、Dは拡散係数(cm2/sec)、Sは第1の拡散律速部26(スリット30又は32)の断面積(cm2)、Lは第1の拡散律速部26(スリット30又は32)の通路長(cm)、POeは外部空間の酸素分圧(atm)、POdは第1室18の酸素分圧(atm)を示す。
Ip1 ≒ (4F / RT) × D × (S / L) × (POe-POd)
Note that F is a Faraday constant (= 96500 A / sec), R is a gas constant (= 82.05 cm 3 · atm / mol · K), T is an absolute temperature (K), D is a diffusion coefficient (cm 2 / sec), S is the cross-sectional area (cm 2 ) of the first diffusion control part 26 (slit 30 or 32), L is the path length (cm) of the first diffusion control part 26 (slit 30 or 32), and POe is the external space. The oxygen partial pressure (atm) and POd indicate the oxygen partial pressure (atm) of the first chamber 18.

そして、この第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aは、前記限界電流理論式における第1の拡散律速部26(スリット30又は32)の断面積Sの形成因子を規定するものであり、特に、断面積Sを形成する寸法の1因子、この場合、縦方向の長さを、10μm以下にするものである。   The gas sensor 10A according to the first embodiment defines the formation factor of the cross-sectional area S of the first diffusion-controlling portion 26 (slit 30 or 32) in the theoretical formula for limiting current. One factor of the dimension for forming the cross-sectional area S, in this case, the length in the vertical direction is 10 μm or less.

これにより、第1の拡散律速部26における壁面抵抗によって排気圧の脈動(=動圧)が減衰され、具体的には、動圧と静圧との比(動圧/静圧)が25%以下のレベルにまで減衰するため、動圧の変動によるセンサ出力(測定用ポンプセルにおけるポンプ電流値Ip2あるいは主ポンプセルに流れるポンプ電流値Ip1)のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。   As a result, the pulsation (= dynamic pressure) of the exhaust pressure is attenuated by the wall resistance in the first diffusion-controlling section 26, and more specifically, the ratio of dynamic pressure to static pressure (dynamic pressure / static pressure) is 25%. Since the level is attenuated to the following level, a shift-up phenomenon of the sensor output (the pump current value Ip2 in the measurement pump cell or the pump current value Ip1 flowing in the main pump cell) due to the fluctuation of the dynamic pressure can be effectively suppressed.

ここで、2つの実験例(便宜的に第1及び第2の実験例と記す)を示す。第1の実験例は、実施例と比較例において、被測定ガスの酸素濃度を変化させたときに、センサ出力がどのように変化するかを測定したものであり、第2の実験例は、実施例と比較例において、被測定ガスのNOx濃度を変化させたときに、センサ出力がどのように変化するかを測定したものである。   Here, two experimental examples (referred to as first and second experimental examples for convenience) are shown. The first experimental example is a measurement of how the sensor output changes when the oxygen concentration of the gas to be measured is changed in the example and the comparative example. In the example and the comparative example, how the sensor output changes when the NOx concentration of the gas to be measured is changed is measured.

測定条件は、エンジンとして2.5Lのディーゼルエンジンを使用し、回転数を1000〜4000rpmとし、エンジン負荷を5〜20kgmとした。そして、回転数、エンジン負荷及びEGR開度を適宜変えてそのときのセンサ出力の変動も測定した。   The measurement conditions were as follows: a 2.5-liter diesel engine was used as the engine, the number of revolutions was 1,000 to 4,000 rpm, and the engine load was 5 to 20 kgm. Then, the rotation speed, the engine load, and the EGR opening were appropriately changed, and the fluctuation of the sensor output at that time was also measured.

実施例は、第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aと同様に、図3A、図3B及び図4に示すように、第1の拡散律速部26を上下2本の横長のスリット30及び32(横方向の長さ2mm×縦方向の長さ10μm以下)で構成した場合を示し、比較例は、図5A、図5B及び図6に示すように、第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aにおいて、第1の拡散律速部26を1本のスリット100(横方向の長さ0.2mm×縦方向の長さ0.2mm)で構成した場合を示す。   In the example, similarly to the gas sensor 10A according to the first embodiment, as shown in FIG. 3A, FIG. 3B and FIG. 4, the first diffusion control part 26 is formed by two upper and lower horizontally long slits 30 and 32 ( 5A, 5B and 6 show a comparative example in which the gas sensor 10A according to the first embodiment is configured as shown in FIG. 5A, FIG. 5B and FIG. And the case where the first diffusion-controlling portion 26 is constituted by one slit 100 (length in the horizontal direction 0.2 mm × length in the vertical direction 0.2 mm).

前記第1の実験例並びに第2の実験例の実験結果を図7及び図8(比較例)並びに図9及び図10(実施例)に示す。比較例は、図7及び図8に示すように、測定条件を変えることによって、センサ出力が変動し、特にエンジン負荷が高負荷側におけるセンサ出力の変動が著しいことがわかる。   The experimental results of the first and second experimental examples are shown in FIGS. 7 and 8 (comparative example) and FIGS. 9 and 10 (example). In the comparative example, as shown in FIGS. 7 and 8, the sensor output fluctuates by changing the measurement conditions, and it can be seen that the sensor output fluctuates remarkably especially when the engine load is high.

これは、図11A及び図11Bの波形図に示すように、ガス導入口付近の排気圧の変動と第1室18の入口付近の排気圧の変動がほぼ同じになり、測定条件の変化に伴う排気圧の変動がセンサ出力に直接影響を及ぼしていると考えられる。   This is because, as shown in the waveform diagrams of FIG. 11A and FIG. 11B, the fluctuation of the exhaust pressure near the gas inlet and the fluctuation of the exhaust pressure near the inlet of the first chamber 18 are almost the same, and the measurement conditions change. It is considered that the fluctuation of the exhaust pressure directly affects the sensor output.

一方、実施例においては、図9及び図10に示すように、測定条件を変えてもセンサ出力は変動せず、酸素濃度並びにNOx濃度の変化に応じたセンサ出力を高精度に得ることができる。これは、図12A及び図12Bの波形図に示すように、ガス導入口付近の排気圧の変動が第1の拡散律速部26の壁面抵抗によって減衰されることから、第1室18の入口付近の排気圧の変動がガス導入口付近の排気圧の変動よりも小さくなるからと考えられる。   On the other hand, in the embodiment, as shown in FIGS. 9 and 10, the sensor output does not fluctuate even if the measurement conditions are changed, and the sensor output according to the changes in the oxygen concentration and the NOx concentration can be obtained with high accuracy. . This is because the fluctuation of the exhaust pressure near the gas inlet is attenuated by the wall resistance of the first diffusion control part 26 as shown in the waveform diagrams of FIGS. It is considered that the fluctuation of the exhaust pressure of the gas becomes smaller than the fluctuation of the exhaust pressure near the gas inlet.

このように、第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aにおいては、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、測定用ポンプセル64での測定精度の向上を図ることができる。   As described above, in the gas sensor 10A according to the first embodiment, it is possible to avoid the influence of the pulsation of the exhaust pressure generated in the gas to be measured, and to improve the measurement accuracy of the measurement pump cell 64. Can be.

次に、第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aのいくつかの変形例、即ち、第1の拡散律速部26と第2の拡散律速部28の形状を主体にした変形例を図13A〜図30を参照しながら説明する。なお、図13A〜図30においては、図面の複雑化を避けるために電気回路系の図示を省略する。また、図1と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。   Next, some modified examples of the gas sensor 10A according to the first embodiment, that is, modified examples mainly based on the shapes of the first diffusion controlling section 26 and the second diffusion controlling section 28 are shown in FIGS. This will be described with reference to FIG. In FIGS. 13A to 30, illustration of an electric circuit system is omitted to avoid complication of the drawings. Also, components corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.

まず、第1の変形例に係るガスセンサ10Aaは、図13A、図13B及び図14に示すように、第1及び第2の拡散律速部26及び28がそれぞれ1本の横長のスリット110及び112にて形成されている点で異なる。   First, in the gas sensor 10Aa according to the first modification, as shown in FIGS. 13A, 13B, and 14, the first and second diffusion-controlling units 26 and 28 are respectively formed in one horizontally long slit 110 and 112. It is different in that it is formed.

具体的には、第1の拡散律速部26は、第2のスペーサ層12eの前端部分であって第1の固体電解質層12dの上面に接する部分に形成された横長の開口が第1室18まで同一の開口幅で形成されたスリット110を有して構成され、第2の拡散律速部28は、第2のスペーサ層12eにおける第1室18の終端部分であって第1の固体電解質層12dの上面に接する部分に形成された開口が第2室20まで同一の開口幅で形成されたスリット112を有して構成されている。この第1の変形例では、各スリット110及び112はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さtaを10μm以下、横方向の長さtbを約2mmとしている。   Specifically, the first diffusion-controlling portion 26 has a horizontally long opening formed in a front end portion of the second spacer layer 12e and in a portion in contact with the upper surface of the first solid electrolyte layer 12d. The second diffusion-controlling portion 28 is a terminal portion of the first chamber 18 in the second spacer layer 12e and has a first solid electrolyte layer. An opening formed in a portion in contact with the upper surface of 12d has a slit 112 formed with the same opening width up to the second chamber 20. In the first modification, each of the slits 110 and 112 has substantially the same cross-sectional shape, and has a vertical length ta of 10 μm or less and a horizontal length tb of about 2 mm.

次に、第2の変形例に係るガスセンサ10Abは、図15A、図15B及び図16に示すように、第1及び第2の拡散律速部26及び28がそれぞれ1本の横長のくさび形スリット114及び116にて形成されている点で異なる。   Next, as shown in FIG. 15A, FIG. 15B and FIG. 16, the gas sensor 10Ab according to the second modification has a configuration in which the first and second diffusion-controlling portions 26 and 28 each have one horizontally long wedge-shaped slit 114. And 116.

具体的には、第1の拡散律速部26は、第2のスペーサ層12eの前端部分であって第1の固体電解質層12dの上面に接する部分に形成された横長の開口の開口幅(縦方向の幅)が第1室18に向かって徐々に拡大して形成されたくさび形スリット114を有して構成され、第2の拡散律速部28は、第2のスペーサ層12eにおける第1室18の終端部分であって第1の固体電解質層12dの上面に接する部分に形成された横長の開口の開口幅が第2室20に向かって徐々に拡大して形成されたくさび形スリット116を有して構成されている。   Specifically, the first diffusion-controlling portion 26 has an opening width (vertical length) of a horizontally long opening formed at a front end portion of the second spacer layer 12e and at a portion in contact with the upper surface of the first solid electrolyte layer 12d. (Width in the direction) is gradually enlarged toward the first chamber 18 and is formed to have a wedge-shaped slit 114. The second diffusion-controlling part 28 is formed in the first chamber in the second spacer layer 12e. The wedge-shaped slit 116 formed by gradually increasing the opening width of the horizontally long opening formed at the end portion of the portion 18 and the portion in contact with the upper surface of the first solid electrolyte layer 12 d toward the second chamber 20 is formed. It is configured to have.

この第2の変形例では、各くさび形スリット114及び116のそれぞれの前端における最小開口はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さtaが10μm以下、横方向の長さtbが約2mmとされている。   In this second modification, the minimum opening at the front end of each of the wedge-shaped slits 114 and 116 has substantially the same cross-sectional shape, a vertical length ta of 10 μm or less, and a horizontal length tb of about 2 mm. It has been.

次に、第3の変形例に係るガスセンサ10Acは、図17A、図17B及び図18に示すように、第1の拡散律速部26が3本の横長のスリット118a、118b及び118cが互いに並列して形成されている点と、第2の拡散律速部28が1本の横長のスリット120で形成されている点で異なる。   Next, in a gas sensor 10Ac according to a third modification, as shown in FIGS. 17A, 17B, and 18, the first diffusion-controlling unit 26 includes three horizontally long slits 118a, 118b, and 118c arranged in parallel. In that the second diffusion-controlling portion 28 is formed by a single horizontally elongated slit 120.

具体的には、第1の拡散律速部26は、第2のスペーサ層12eの前端部分であって第1の固体電解質層12dの上面に接する部分に互いに並列して形成された3本の横長の開口が第1室18までそれぞれ同一の開口幅で形成された3本のスリット118a、118b及び118cを有して構成され、第2の拡散律速部28は、第2のスペーサ層12eにおける第1室18の終端部分であって第1の固体電解質層12dの上面に接する部分に形成された1本の横長の開口が第2室20まで同一の開口幅で形成された1本のスリット120を有して構成されている。この第3の変形例では、各スリット118a、118b及び118c並びに120の縦方向の長さtaはそれぞれ10μm以下とされている。   Specifically, the first diffusion-controlling portion 26 is formed of three horizontally long portions formed in parallel with each other at a front end portion of the second spacer layer 12e and a portion in contact with the upper surface of the first solid electrolyte layer 12d. Are formed to have three slits 118a, 118b, and 118c each having the same opening width up to the first chamber 18, and the second diffusion-controlling portion 28 One slit 120 formed at a terminal end portion of the one chamber 18 and a portion in contact with the upper surface of the first solid electrolyte layer 12 d has the same opening width as the second chamber 20. Is configured. In the third modification, the length ta in the vertical direction of each of the slits 118a, 118b, 118c, and 120 is set to 10 μm or less.

次に、第4の変形例に係るガスセンサ10Adは、図19A、図19B及び図20に示すように、ガス導入口22と第1の拡散律速部26との間に空間部122と緩衝空間124とがシリーズに設けられ、該空間部122の前面開口がガス導入口22を構成し、該空間部122と緩衝空間124の間に、被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第4の拡散律速部126を有している点で異なる。   Next, as shown in FIGS. 19A, 19B, and 20, a gas sensor 10Ad according to a fourth modification includes a space 122 and a buffer space 124 between the gas inlet 22 and the first diffusion-controlling unit 26. Are provided in series, the front opening of the space 122 constitutes the gas inlet 22, and a fourth diffusion resistance is provided between the space 122 and the buffer space 124 for providing a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured. In that it has a diffusion-controlling part 126.

第1の拡散律速部26並びに第2の拡散律速部28は、第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aと同様に、それぞれ2本の横長のスリット30及び32並びに34及び36にて形成されている。   The first diffusion control part 26 and the second diffusion control part 28 are formed by two horizontally long slits 30 and 32 and 34 and 36, respectively, similarly to the gas sensor 10A according to the first embodiment. I have.

第4の拡散律速部126は、第2のスペーサ層12eにおける空間部122の終端部分であって第2の固体電解質層12fの下面に接する部分に形成された横長の開口が緩衝空間124まで同一の開口幅で形成されたスリット128と、第2のスペーサ層12eにおける空間部122の終端部分であって第1の固体電解質層12dの上面に接する部分に形成された横長の開口が緩衝空間124まで同一の開口幅で形成されたスリット130を有して構成されている。   The fourth diffusion-controlling portion 126 has a horizontally elongated opening formed at a terminal portion of the space portion 122 in the second spacer layer 12e and in contact with the lower surface of the second solid electrolyte layer 12f, and is the same as the buffer space 124. And a laterally elongated opening formed at a terminal portion of the space 122 in the second spacer layer 12e and in contact with the upper surface of the first solid electrolyte layer 12d. Up to the same opening width.

次に、第5の変形例に係るガスセンサ10Aeにおいては、図21A、図21B及び図22に示すように、第1及び第2の拡散律速部26及び28がそれぞれ1本の縦長のスリット132及び134にて形成されている点で異なる。   Next, in the gas sensor 10Ae according to the fifth modified example, as shown in FIGS. 21A, 21B, and 22, the first and second diffusion-controlling sections 26 and 28 each have one vertically long slit 132 and The difference is that it is formed at 134.

具体的には、第1の拡散律速部26は、第2のスペーサ層12eの前端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が第1室18まで同一の開口幅で形成されたスリット132を有して構成され、第2の拡散律速部28は、第2のスペーサ層12eにおける第1室18の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が第2室20まで同一の開口幅で形成されたスリット134を有して構成されている。この第5の変形例では、各スリット132及び134はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さtcが第2のスペーサ層12eの厚みと同じであり、横方向の長さtdが10μm以下とされている。   Specifically, the first diffusion-controlling portion 26 has a vertically long opening formed at the front end portion of the second spacer layer 12e and substantially at the center in the width direction, and has the same opening width up to the first chamber 18. The second diffusion-controlling portion 28 has a vertically elongated opening formed at the end of the first chamber 18 in the second spacer layer 12e and substantially at the center in the width direction. The second chamber 20 has a slit 134 formed with the same opening width. In the fifth modification, the slits 132 and 134 have substantially the same cross-sectional shape, the vertical length tc is the same as the thickness of the second spacer layer 12e, and the horizontal length td is 10 μm. It is as follows.

次に、第6の変形例に係るガスセンサ10Afは、図23A、図23B及び図24に示すように、第1及び第2の拡散律速部26及び28がそれぞれ1本の縦長のくさび形スリット136及び138にて形成されている点で異なる。   Next, as shown in FIGS. 23A, 23B, and 24, the gas sensor 10Af according to the sixth modified example is such that the first and second diffusion control portions 26 and 28 each have one vertically long wedge-shaped slit 136. And 138.

具体的には、第1の拡散律速部26は、第2のスペーサ層12eの前端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口の開口幅(横方向の幅)が第1室18に向かって徐々に拡大して形成されたくさび形スリット136を有して構成され、第2の拡散律速部28は、第2のスペーサ層12eにおける第1室18の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口の開口幅(横方向の幅)が第2室20に向かって徐々に拡大して形成されたくさび形スリット138を有して構成されている。   Specifically, the first diffusion-controlling portion 26 has a first elongated portion formed at the front end portion of the second spacer layer 12e and substantially at the center in the width direction, and has an opening width (width in the horizontal direction) of the first portion. It has a wedge-shaped slit 136 that is gradually enlarged toward the chamber 18, and the second diffusion-controlling portion 28 is a terminal portion of the first chamber 18 in the second spacer layer 12 e. The opening width (width in the horizontal direction) of the vertically long opening formed substantially at the center in the width direction has a wedge-shaped slit 138 formed so as to gradually increase toward the second chamber 20.

この第6の変形例では、各くさび形スリット136及び138のそれぞれの前端における最小開口はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さtcが第2のスペーサ層12eの厚みと同じであり、横方向の長さtdが10μm以下とされている。   In the sixth modification, the minimum opening at the front end of each of the wedge-shaped slits 136 and 138 has substantially the same cross-sectional shape, and the vertical length tc is the same as the thickness of the second spacer layer 12e. , The horizontal length td is set to 10 μm or less.

次に、第7の変形例に係るガスセンサ10Agは、図25A、図25B及び図26に示すように、第1の拡散律速部26が1本の平面ほぼ砂時計形のスリット140で形成され、第2の拡散律速部28が1本の縦長のスリット142で形成されている点で異なる。   Next, in a gas sensor 10Ag according to a seventh modification, as shown in FIGS. 25A, 25B, and 26, the first diffusion-controlling portion 26 is formed by one planar, substantially hourglass-shaped slit 140. The difference is that the two diffusion-controlling portions 28 are formed by one vertically elongated slit 142.

具体的には、第1の拡散律速部26は、第2のスペーサ層12eの前端部分に形成された横長の開口の開口幅(横方向の幅)が第1の拡散律速部26の奥行き方向ほぼ中央に向かって徐々に縮小して縦長のスリット144とされ、更に、このスリット144の開口幅(横方向の幅)が第1室18に向かって徐々に拡大して形成されたほぼ砂時計形のスリット140を有して構成されている。   Specifically, the first diffusion-controlling portion 26 is configured such that the opening width (width in the horizontal direction) of the horizontally long opening formed at the front end portion of the second spacer layer 12 e is in the depth direction of the first diffusion-controlling portion 26. The slit 144 is gradually reduced toward the center to form a vertically elongated slit 144, and the opening width (width in the horizontal direction) of the slit 144 is gradually increased toward the first chamber 18. Is provided.

一方、第2の拡散律速部28は、第2のスペーサ層12eにおける第1室18の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が第2室20まで同一の開口幅で形成されたスリット142を有して構成されている。   On the other hand, the second diffusion-controlling portion 28 has a vertically elongated opening formed at the terminal end of the first chamber 18 in the second spacer layer 12e and substantially at the center in the width direction thereof, and has the same opening width up to the second chamber 20. Is formed.

この第7の変形例では、第1の拡散律速部26を構成する砂時計形のスリット140の最小開口(スリット144)と第2の拡散律速部28を構成するスリット142はほぼ同じ断面形状を有し、縦方向の長さtcが第2のスペーサ層12eの厚みと同じであり、横方向の長さtdが10μm以下とされている。   In the seventh modification, the minimum opening (slit 144) of the hourglass-shaped slit 140 forming the first diffusion-controlling portion 26 and the slit 142 forming the second diffusion-controlling portion 28 have substantially the same cross-sectional shape. The vertical length tc is the same as the thickness of the second spacer layer 12e, and the horizontal length td is 10 μm or less.

次に、第8の変形例に係るガスセンサ10Ahは、図27A、図27B及び図28に示すように、第1の拡散律速部26が5本の縦長のスリット146a〜146eが互いに並列して形成されている点と、第2の拡散律速部28が1本の縦長のスリット148で形成されている点で異なる。   Next, in a gas sensor 10Ah according to an eighth modification, as shown in FIGS. 27A, 27B, and 28, the first diffusion-controlling portion 26 includes five vertically long slits 146a to 146e formed in parallel with each other. And that the second diffusion-controlling portion 28 is formed by one vertically elongated slit 148.

具体的には、第1の拡散律速部26は、第2のスペーサ層12eの前端部分において互いに並列して形成された5本の縦長の開口が第1室18までそれぞれ同一の開口幅で形成された5本のスリット146a〜146eを有して構成され、第2の拡散律速部28は、第2のスペーサ層12eにおける第1室18の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が第2室20まで同一の開口幅で形成された1本のスリット148を有して構成されている。この第8の変形例では、各スリット146a〜146e並びに148の横方向の長さtdはそれぞれ10μm以下とされている。   Specifically, the first diffusion-controlling portion 26 has five vertically long openings formed in parallel at the front end portion of the second spacer layer 12 e with the same opening width up to the first chamber 18. The second diffusion-controlling portion 28 is formed at the terminal end portion of the first chamber 18 in the second spacer layer 12e and substantially at the center in the width direction thereof. The vertically long opening has a single slit 148 formed with the same opening width up to the second chamber 20. In the eighth modification, each of the slits 146a to 146e and 148 has a horizontal length td of 10 μm or less.

次に、第9の変形例に係るガスセンサ10Aiは、図29A、図29B及び図30に示すように、ガス導入口22と第1の拡散律速部26との間に空間部122と緩衝空間124とがシリーズに設けられ、該空間部122の前面開口がガス導入口22を構成し、該空間部122と緩衝空間124の間に、被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第4の拡散律速部126を有している点で異なる。   Next, a gas sensor 10Ai according to a ninth modification includes a space 122 and a buffer space 124 between the gas inlet 22 and the first diffusion control part 26, as shown in FIGS. 29A, 29B and 30. Are provided in series, the front opening of the space 122 constitutes the gas inlet 22, and a fourth diffusion resistance is provided between the space 122 and the buffer space 124 for providing a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured. In that it has a diffusion-controlling part 126.

第1の拡散律速部26及び第2の拡散律速部28は、第5の変形例に係るガスセンサ10Ae(図21A、図21B及び図22参照)と同様に、それぞれ1本の縦長のスリット132及び134にて形成されている。   The first diffusion-controlling portion 26 and the second diffusion-controlling portion 28 each have one longitudinal slit 132 and a single longitudinal slit 132, similarly to the gas sensor 10Ae according to the fifth modification (see FIGS. 21A, 21B, and 22). 134.

第4の拡散律速部126は、第2のスペーサ層12eにおける空間部122の終端部分であってその幅方向ほぼ中央に形成された縦長の開口が緩衝空間124まで同一の開口幅で形成されたスリット150を有して構成されている。   The fourth diffusion-controlling portion 126 has a vertically elongated opening substantially at the center of the second spacer layer 12e in the width direction at the terminal portion of the space portion 122e and the same opening width up to the buffer space 124. It has a slit 150.

前記第1〜第9の変形例に係るガスセンサ10Aa〜10Aiにおいては、第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aと同様に、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、測定用ポンプセル64での測定精度の向上を図ることができる。   In the gas sensors 10Aa to 10Ai according to the first to ninth modified examples, similarly to the gas sensor 10A according to the first embodiment, it is possible to avoid the influence of the pulsation of the exhaust pressure generated in the gas to be measured. Thus, the measurement accuracy of the measurement pump cell 64 can be improved.

特に、第4及び第9の変形例に係るガスセンサ10Ad及び10Aiにおいては、第1の拡散律速部26の前段に緩衝空間124を設けるようにしている。通常、外部空間における排気圧の脈動によってガス導入口22を通じて酸素がセンサ素子14に急激に入り込むことになるが、この外部空間からの酸素は、直接処理空間に入り込まずに、その前段の緩衝空間124に入り込むことになる。つまり、排気圧の脈動による酸素濃度の急激な変化は、緩衝空間124によって打ち消され、第1室18に対する排気圧の脈動の影響はほとんど無視できる程度となる。   In particular, in the gas sensors 10Ad and 10Ai according to the fourth and ninth modified examples, the buffer space 124 is provided before the first diffusion control part 26. Normally, oxygen rushes into the sensor element 14 through the gas inlet 22 due to the pulsation of the exhaust pressure in the external space. However, the oxygen from the external space does not directly enter the processing space but the buffer space in the preceding stage. 124. That is, the rapid change in the oxygen concentration due to the pulsation of the exhaust pressure is canceled by the buffer space 124, and the influence of the pulsation of the exhaust pressure on the first chamber 18 is almost negligible.

その結果、第1室18における主ポンプセル44での酸素ポンピング量と被測定ガス中の酸素濃度との相関性がよくなり、測定用ポンプセル64での測定精度の向上が図られることになると同時に、第1室18を例えば空燃比を求めるためのセンサとして兼用させることが可能となる。   As a result, the correlation between the oxygen pumping amount in the main pump cell 44 in the first chamber 18 and the oxygen concentration in the gas to be measured is improved, and the measurement accuracy in the measurement pump cell 64 is improved. For example, the first chamber 18 can also be used as a sensor for obtaining an air-fuel ratio.

また、前記第4及び第9の変形例に係るガスセンサ10Ad及び10Aiにおいては、ガス導入口22と第1の拡散律速部26との間に空間部122と緩衝空間124とをシリーズに設け、空間部122の前面開口でガス導入口22を構成するようにしている。この空間部122は、外部空間の被測定ガス中に発生する粒子物(スート、オイル燃焼物等)が緩衝空間124の入口付近にて詰まることを回避するための目詰まり防止部として機能するものであり、これにより、測定用ポンプセル64において、より高精度にNOx成分を測定することが可能となり、高精度な状態を長期にわたって維持できるようになる。   In the gas sensors 10Ad and 10Ai according to the fourth and ninth modified examples, the space 122 and the buffer space 124 are provided in series between the gas inlet 22 and the first diffusion-controlling unit 26, The gas inlet 22 is formed by the front opening of the portion 122. The space portion 122 functions as a clogging prevention portion for preventing particulate matter (soot, oil combustion material, etc.) generated in the gas to be measured in the external space from being clogged near the entrance of the buffer space 124. Accordingly, the measurement pump cell 64 can measure the NOx component with higher accuracy, and can maintain a high-accuracy state for a long period of time.

上述の第1の実施の形態に係るガスセンサ10Aと第1〜第4の変形例に係るガスセンサ10Aa〜10Adは第1及び第2の拡散律速部26及び28を横長のスリットで構成し、第5〜第9の変形例に係るガスセンサ10Ae〜10Aiは第1及び第2の拡散律速部26及び28を縦長のスリットで構成するようにしているが、例えば第1の拡散律速部26を横長のスリットで構成し、第2の拡散律速部28を縦長のスリットで構成するようにしてもよいし、その逆の構成を採用するようにしてもよい。   The gas sensor 10A according to the above-described first embodiment and the gas sensors 10Aa to 10Ad according to the first to fourth modified examples are configured such that the first and second diffusion-controlling portions 26 and 28 are configured by horizontally long slits. In the gas sensors 10Ae to 10Ai according to the ninth to the ninth modified examples, the first and second diffusion control sections 26 and 28 are configured by vertically long slits. For example, the first diffusion control section 26 is formed by a horizontally long slit. And the second diffusion-controlling section 28 may be constituted by a vertically long slit, or the reverse arrangement may be adopted.

また、第1及び第2の拡散律速部26及び28の形状はスリット形状でなくても、その断面積を構成する1因子が10μm以下であればよく、例えば昇華性ファイバを埋め込み、焼成後に直径10μm以下の円筒状の拡散律速部を構成しても同様の効果を得ることができる。   The shape of the first and second diffusion-controlling portions 26 and 28 does not have to be a slit shape, and it is sufficient if one factor constituting the cross-sectional area is 10 μm or less. The same effect can be obtained by forming a cylindrical diffusion-controlling portion of 10 μm or less.

次に、第2の実施の形態に係るガスセンサ10Bについて図31を参照しながら説明する。なお、図2と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。   Next, a gas sensor 10B according to a second embodiment will be described with reference to FIG. Components corresponding to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

この第2の実施の形態に係るガスセンサ10Bは、図31に示すように、第1の実施の形態に係るガスセンサ10A(図2参照)とほぼ同様の構成を有するが、測定用ポンプセル64に代えて、測定用酸素分圧検出セル160が設けられている点で異なる。   The gas sensor 10B according to the second embodiment has substantially the same configuration as the gas sensor 10A according to the first embodiment (see FIG. 2) as shown in FIG. The difference is that a measurement oxygen partial pressure detection cell 160 is provided.

この測定用酸素分圧検出セル160は、第1の固体電解質層12dの上面のうち、前記第2室20を形づくる上面に形成された検出電極162と、前記第1の固体電解質層12dの下面に形成された前記基準電極48と、これら両電極162及び48間に挟まれた第1の固体電解質層12dによって構成されている。   The measurement oxygen partial pressure detection cell 160 includes a detection electrode 162 formed on an upper surface of the first solid electrolyte layer 12d which forms the second chamber 20, and a lower surface of the first solid electrolyte layer 12d. And the first solid electrolyte layer 12d sandwiched between the two electrodes 162 and 48.

この場合、前記測定用酸素分圧検出セル160における検出電極162と基準電極48との間に、検出電極162の周りの雰囲気と基準電極48の周りの雰囲気との間の酸素濃度差に応じた起電力(酸素濃淡電池起電力)V2が発生することとなる。   In this case, the oxygen concentration difference between the atmosphere around the detection electrode 162 and the atmosphere around the reference electrode 48 between the detection electrode 162 and the reference electrode 48 in the measurement oxygen partial pressure detection cell 160 is determined. An electromotive force (electromotive force of oxygen concentration cell) V2 is generated.

従って、前記検出電極162及び基準電極48間に発生する起電力(電圧)V2を電圧計164にて測定することにより、検出電極162の周りの雰囲気の酸素分圧、換言すれば、被測定ガス成分(NOx)の還元又は分解によって発生する酸素によって規定される酸素分圧が電圧値V2として検出される。   Therefore, by measuring the electromotive force (voltage) V2 generated between the detection electrode 162 and the reference electrode 48 with the voltmeter 164, the oxygen partial pressure of the atmosphere around the detection electrode 162, in other words, the measured gas An oxygen partial pressure defined by oxygen generated by reduction or decomposition of the component (NOx) is detected as a voltage value V2.

この第2の実施の形態に係るガスセンサ10Bにおいても、第1の拡散律速部26における壁面抵抗によって排気圧の脈動(=動圧)が減衰されるため、動圧の変動によるセンサ出力(測定用ポンプセルにおけるポンプ電流値)のシフトアップ現象を有効に抑圧することができる。その結果、被測定ガス中に発生する排気圧の脈動の影響を回避することができ、測定用酸素分圧検出セル160での測定精度の向上を図ることができる。   Also in the gas sensor 10B according to the second embodiment, the pulsation (= dynamic pressure) of the exhaust pressure is attenuated by the wall resistance in the first diffusion-controlling section 26, and thus the sensor output (measurement The shift-up phenomenon of the pump current value in the pump cell can be effectively suppressed. As a result, the influence of the pulsation of the exhaust pressure generated in the gas to be measured can be avoided, and the measurement accuracy in the measurement oxygen partial pressure detection cell 160 can be improved.

そして、この第2の実施の形態に係るガスセンサ10Bにおいても、第1〜第9の変形例に係るガスセンサ10Aa〜10Aiの構成を採用することができる。   The configuration of the gas sensors 10Aa to 10Ai according to the first to ninth modifications can also be adopted in the gas sensor 10B according to the second embodiment.

前記第1及び第2の実施の形態に係るガスセンサ10A及び10B(各変形例を含む)では、測定すべき被測定ガス成分として酸素並びにNOxを対象としたが、被測定ガス中に存在する酸素の影響を受けるNOx以外の結合酸素含有ガス成分、例えばH2 OやCO2 等の測定にも有効に適用することができる。 In the gas sensors 10A and 10B (including the respective modifications) according to the first and second embodiments, oxygen and NOx are targeted as the gas components to be measured. Can be effectively applied to the measurement of a bound oxygen-containing gas component other than NOx, such as H 2 O or CO 2 , which is affected by the above.

例えばCO2やH2Oを電気分解して発生したO2を酸素ポンプで汲み出す構成のガスセンサや、H2Oを電気分解して発生したH2をプロトンイオン伝導性固体電解質を用いてポンピング処理するガスセンサにも適用させることができる。 For example the CO 2 and H 2 O 2 to O were generated by electrolysis and gas sensor pumped composed oxygen pump, and H 2 generated by electrolyzing with H 2 O using proton ion conductive solid electrolyte pumping The present invention can also be applied to a gas sensor to be processed.

なお、この発明に係るガスセンサ及び窒素酸化物センサは、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。   Note that the gas sensor and the nitrogen oxide sensor according to the present invention are not limited to the above-described embodiment, but may adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.

図1Aは第1の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図1Bはその平面図である。FIG. 1A is a front view showing the configuration of the gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 1B is a plan view thereof. 図1BにおけるII−II線上の断面図である。It is sectional drawing on the II-II line in FIG. 1B. 図3Aは第1及び第2の実験例で使用した実施例の構成を示す正面図であり、図3Bはその平面図である。FIG. 3A is a front view showing the configuration of the embodiment used in the first and second experimental examples, and FIG. 3B is a plan view thereof. 第1及び第2の実験例で使用した実施例の構成、特に、第1及び第2の拡散律速部の構成を抜き出して示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a configuration of an example used in first and second experimental examples, particularly, a configuration of first and second diffusion-controlling portions. 図5Aは第1及び第2の実験例で使用した比較例の構成を示す正面図であり、図5Bはその平面図である。FIG. 5A is a front view showing a configuration of a comparative example used in the first and second experimental examples, and FIG. 5B is a plan view thereof. 第1及び第2の実験例で使用した比較例の構成、特に、第1及び第2の拡散律速部の構成を抜き出して示す斜視図である。FIG. 9 is a perspective view illustrating a configuration of a comparative example used in first and second experimental examples, particularly, a configuration of first and second diffusion control units. 比較例において、測定条件を変えたときの酸素濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。FIG. 9 is a characteristic diagram illustrating a change in sensor output with respect to oxygen concentration when measurement conditions are changed in a comparative example. 比較例において、測定条件を変えたときのNOx濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。FIG. 9 is a characteristic diagram showing a change in sensor output with respect to a NOx concentration when a measurement condition is changed in a comparative example. 実施例において、測定条件を変えたときの酸素濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram illustrating a change in sensor output with respect to an oxygen concentration when a measurement condition is changed in the example. 実施例において、測定条件を変えたときのNOx濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。FIG. 9 is a characteristic diagram illustrating a change in sensor output with respect to a NOx concentration when a measurement condition is changed in the example. 図11Aは比較例におけるガス導入口付近の排気圧の変動を示す波形図であり、図11Bは第1室の入口付近の排気圧の変動を示す波形図である。FIG. 11A is a waveform diagram showing a change in exhaust pressure near the gas inlet in the comparative example, and FIG. 11B is a waveform diagram showing a change in exhaust pressure near the inlet of the first chamber. 図12Aは実施例におけるガス導入口付近の排気圧の変動を示す波形図であり、図12Bは第1室の入口付近の排気圧の変動を示す波形図である。FIG. 12A is a waveform diagram showing a change in exhaust pressure near the gas inlet in the embodiment, and FIG. 12B is a waveform diagram showing a change in exhaust pressure near the inlet of the first chamber. 図13Aは第1の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図13Bはその平面図である。FIG. 13A is a front view illustrating a configuration of a gas sensor according to a first modification, and FIG. 13B is a plan view thereof. 図13BにおけるXIV−XIV線上の断面図である。It is sectional drawing on the XIV-XIV line in FIG. 13B. 図15Aは第2の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図15Bはその平面図である。FIG. 15A is a front view illustrating a configuration of a gas sensor according to a second modification, and FIG. 15B is a plan view thereof. 図15BにおけるXVI−XVI線上の断面図である。It is sectional drawing on the XVI-XVI line in FIG. 15B. 図17Aは第3の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図17Bはその平面図である。FIG. 17A is a front view illustrating a configuration of a gas sensor according to a third modification, and FIG. 17B is a plan view thereof. 図17BにおけるXVIII−XVIII線上の断面図である。It is sectional drawing on the XVIII-XVIII line in FIG. 17B. 図19Aは第4の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図19Bはその平面図である。FIG. 19A is a front view illustrating a configuration of a gas sensor according to a fourth modification, and FIG. 19B is a plan view thereof. 図19BにおけるXX−XX線上の断面図である。It is sectional drawing on the XX-XX line in FIG. 19B. 図21Aは第5の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図21Bはその平面図である。FIG. 21A is a front view showing a configuration of a gas sensor according to a fifth modification, and FIG. 21B is a plan view thereof. 図21BにおけるXXII−XXII線上の断面図である。It is sectional drawing on the XXII-XXII line in FIG. 21B. 図23Aは第6の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図23Bはその平面図である。FIG. 23A is a front view illustrating a configuration of a gas sensor according to a sixth modification, and FIG. 23B is a plan view thereof. 図23BにおけるXXIV−XXIV線上の断面図である。It is sectional drawing on the XXIV-XXIV line in FIG. 23B. 図25Aは第7の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図25Bはその平面図である。FIG. 25A is a front view illustrating a configuration of a gas sensor according to a seventh modification, and FIG. 25B is a plan view thereof. 図25BにおけるXXVI−XXVI線上の断面図である。It is sectional drawing on the XXVI-XXVI line in FIG. 25B. 図27Aは第8の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図27Bはその平面図である。FIG. 27A is a front view illustrating a configuration of a gas sensor according to an eighth modification, and FIG. 27B is a plan view thereof. 図27BにおけるXXVIII−XXVIII線上の断面図である。FIG. 27 is a sectional view taken along line XXVIII-XXVIII in FIG. 27B. 図29Aは第9の変形例に係るガスセンサの構成を示す正面図であり、図29Bはその平面図である。FIG. 29A is a front view illustrating a configuration of a gas sensor according to a ninth modification, and FIG. 29B is a plan view thereof. 図29BにおけるXXX−XXX線上の断面図である。It is sectional drawing on the XXX-XXX line in FIG. 29B. 第2の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す断面図である。It is a sectional view showing the composition of the gas sensor concerning a 2nd embodiment. 従来のガスセンサの酸素濃度に対するセンサ出力の変化を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing a change in sensor output with respect to an oxygen concentration of a conventional gas sensor. 自動車エンジンの排気ガスの全圧力を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the total pressure of exhaust gas of an automobile engine. 動圧と静圧との比(動圧/静圧)に対するセンサ出力のシフト量を示す特性図である。FIG. 9 is a characteristic diagram illustrating a shift amount of a sensor output with respect to a ratio between a dynamic pressure and a static pressure (dynamic pressure / static pressure).

符号の説明Explanation of reference numerals

10A、10Aa〜10Ai、10B…ガスセンサ
14…センサ素子 18…第1室
20…第2室 22…ガス導入口
26…第1の拡散律速部 28…第2の拡散律速部
30、32、34、36A…スリット 44…主ポンプセル
64…測定用ポンプセル 72…補助ポンプセル
100、110、112…スリット 114、116…くさび形スリット
118a〜118c、120…スリット 122…空間部
124…緩衝空間 126…第4の拡散律速部
128、130、132、134…スリット
136、138…くさび形スリット 140…砂時計形のスリット
142、144、146a〜146e、148、150…スリット
160…測定用酸素分圧検出セル
10A, 10Aa to 10Ai, 10B ... gas sensor 14 ... sensor element 18 ... first chamber 20 ... second chamber 22 ... gas inlet 26 ... first diffusion control part 28 ... second diffusion control part 30, 32, 34, 36A: slit 44: main pump cell 64: measuring pump cell 72: auxiliary pump cell 100, 110, 112: slit 114, 116: wedge-shaped slits 118a to 118c, 120: slit 122: space 124: buffer space 126: fourth Diffusion controlling parts 128, 130, 132, 134: slits 136, 138: wedge-shaped slit 140: hourglass-shaped slits 142, 144, 146a to 146e, 148, 150: slit 160: oxygen partial pressure detection cell for measurement

Claims (10)

外部空間における被測定ガス中の被測定ガス成分の量を測定するガスセンサであって、少なくとも、
前記外部空間に接する固体電解質と、
前記固体電解質内部に形成された内部空所と、
前記外部空間からガス導入口を介して所定の拡散抵抗の基に前記被測定ガスを導入するためのスリットで形成された拡散律速手段と、
前記内部空所の内外に形成された内側ポンプ電極と外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素を前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理するポンプ手段とを具備したガスセンサにおいて、
前記拡散律速手段の断面形状を形成する1因子の寸法が、10μm以下であることを特徴とするガスセンサ。
A gas sensor for measuring the amount of the gas component to be measured in the gas to be measured in the external space, at least,
A solid electrolyte in contact with the external space,
An internal space formed inside the solid electrolyte,
Diffusion-controlled means formed by a slit for introducing the gas to be measured under a predetermined diffusion resistance from the external space via a gas inlet,
An inner pump electrode and an outer pump electrode formed inside and outside the internal space, and based on a control voltage applied between the electrodes, oxygen contained in the gas to be measured introduced from the external space is applied. And a pump means for performing a pumping process.
A dimension of one factor forming a cross-sectional shape of the diffusion-controlling means is 10 μm or less.
請求項1記載のガスセンサにおいて、
前記拡散律速手段の断面形状が少なくとも1つの横型のスリットで形成されている場合に、前記1因子が前記スリットの縦方向の長さであることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
When the cross-sectional shape of the diffusion control means is formed by at least one horizontal slit, the one factor is a vertical length of the slit.
請求項1記載のガスセンサにおいて、
前記拡散律速手段の断面形状が少なくとも1つの縦型のスリットで形成されている場合に、前記1因子が前記スリットの横方向の長さであることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1,
When the cross-sectional shape of the diffusion-controlling means is formed by at least one vertical slit, the one factor is a horizontal length of the slit.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス導入口と拡散律速手段との間に緩衝空間が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 3,
A gas sensor, wherein a buffer space is provided between the gas inlet and the diffusion control means.
請求項4記載のガスセンサにおいて、
前記ガス導入口と前記内部空所との間に目詰まり防止部と緩衝空間とがシリーズに設けられ、
前記目詰まり防止部の前面開口で前記ガス導入口を構成し、
前記目詰まり防止部と前記緩衝空間の間に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する拡散律速部が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 4,
A clogging prevention part and a buffer space are provided in series between the gas inlet and the internal space,
Constituting the gas inlet with the front opening of the clogging prevention unit,
A gas sensor, characterized in that a diffusion-controlling part for providing a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured is provided between the clogging prevention part and the buffer space.
請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスセンサにおいて、
前記ポンプ手段は、前記内部空所に導入された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記内部空所における酸素分圧を前記被測定ガス中の所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御することを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 5,
The pump means performs a pumping process on oxygen contained in the gas to be measured from the external space introduced into the internal space, and a predetermined gas component in the gas to be measured changes an oxygen partial pressure in the internal space. A gas sensor controlled to a predetermined value that cannot be decomposed.
請求項6記載のガスセンサにおいて、
前記ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び/又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定することを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 6,
A measuring pump means for decomposing a predetermined gas component contained in the gas to be measured after being pumped by the pump means by catalytic action and / or electrolysis, and for pumping oxygen generated by the decomposition; A gas sensor, wherein the predetermined gas component in the gas to be measured is measured based on a pump current flowing through the measuring pump means by a pumping process of the measuring pump means.
請求項6記載のガスセンサにおいて、
前記ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用により分解させ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧検出手段とを具備し、
前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定することを特徴とするガスセンサ。
The gas sensor according to claim 6,
A predetermined gas component contained in the gas to be measured after being subjected to the pumping treatment by the pump means is decomposed by a catalytic action, and according to a difference between the amount of oxygen generated by the decomposition and the amount of oxygen contained in the reference gas. Oxygen pressure detecting means for generating an electromotive force,
A gas sensor, wherein the predetermined gas component in the measured gas is measured based on an electromotive force detected by the oxygen partial pressure detecting means.
外部空間における被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定する窒素酸化物センサであって、少なくとも、
前記外部空間に接する酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、
前記固体電解質内に形成され、前記外部空間と連通した第1の内部空所と、
所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを前記第1の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第1の拡散律速手段と、
前記第1の内部空所内外に形成された第1の内側ポンプ電極と第1の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素を前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理して、前記第1の内部空所内の酸素分圧を実質的にNOが分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、
前記第1の内部空所と連通した第2の内部空所と、
所定の拡散抵抗の下に前記第1の内部空所内でポンピング処理された雰囲気を前記第2の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第2の拡散律速手段と、
前記第2の内部空所内外に形成された第2の内側ポンプ電極と第2の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記第1の内部空所から導入された前記雰囲気中に含まれるNOを触媒作用及び/又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、
前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の窒素酸化物の量を測定する窒素酸化物センサにおいて、
少なくとも、1つの拡散律速手段の断面形状を形成する1因子の寸法が、10μm以下であることを特徴とする窒素酸化物センサ。
A nitrogen oxide sensor for measuring the amount of the nitrogen oxide component in the gas to be measured in the external space, at least,
A substrate made of an oxygen ion conductive solid electrolyte in contact with the external space,
A first internal cavity formed in the solid electrolyte and communicating with the external space;
First diffusion limiting means formed by a slit for introducing the gas to be measured into the first internal space under a predetermined diffusion resistance;
A first inner pump electrode and a first outer pump electrode formed inside and outside the first internal space, and oxygen contained in the gas to be measured introduced from the external space is supplied between the electrodes. Main pump means for performing a pumping process based on a control voltage applied to the first internal space to control the oxygen partial pressure in the first internal space to a predetermined value at which NO can be substantially not decomposed;
A second internal space communicating with the first internal space;
A second diffusion-controlling means formed by a slit for introducing an atmosphere pumped in the first internal space into the second internal space under a predetermined diffusion resistance;
It has a second inner pump electrode and a second outer pump electrode formed inside and outside the second internal space, and contains NO contained in the atmosphere introduced from the first internal space. A measuring pump means for decomposing by catalytic action and / or electrolysis and pumping oxygen generated by the decomposition;
In a nitrogen oxide sensor for measuring the amount of nitrogen oxides in the gas to be measured based on a pump current flowing through the pump for measurement by the pumping process of the pump for measurement,
A nitrogen oxide sensor characterized in that at least one dimension forming a cross-sectional shape of one diffusion-controlling means is 10 μm or less.
外部空間における被測定ガス中の窒素酸化物成分の量を測定する窒素酸化物センサであって、少なくとも、
前記外部空間に接する酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体と、
前記固体電解質内に形成され、前記外部空間と連通した第1の内部空所と、
所定の拡散抵抗の下に前記被測定ガスを前記第1の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第1の拡散律速手段と、
前記第1の内部空所内外に形成された第1の内側ポンプ電極と第1の外側ポンプ電極を有し、かつ、前記外部空間から導入された前記被測定ガスに含まれる酸素を前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理して、前記第1の内部空所内の酸素分圧を実質的にNOが分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、
前記第1の内部空所と連通した第2の内部空所と、
所定の拡散抵抗の下に前記第1の内部空所内でポンピング処理された雰囲気を前記第2の内部空所へ導入するためのスリットで形成された第2の拡散律速手段と、
前記第2の内部空所内外に形成された第2の内側測定電極と第2の外側測定電極を有し、かつ、前記第1の内部空所から導入された前記雰囲気中に含まれるNOを触媒作用により分解させ、該分解によって発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生する酸素分圧検出手段とを具備し、
前記酸素分圧検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の窒素酸化物の量を測定する窒素酸化物センサにおいて、
少なくとも、1つの拡散律速手段の断面形状を形成する1因子の寸法が、10μm以下であることを特徴とする窒素酸化物センサ。
A nitrogen oxide sensor for measuring the amount of the nitrogen oxide component in the gas to be measured in the external space, at least,
A substrate made of an oxygen ion conductive solid electrolyte in contact with the external space,
A first internal cavity formed in the solid electrolyte and communicating with the external space;
First diffusion limiting means formed by a slit for introducing the gas to be measured into the first internal space under a predetermined diffusion resistance;
A first inner pump electrode and a first outer pump electrode formed inside and outside the first internal space, and oxygen contained in the gas to be measured introduced from the external space is supplied between the electrodes. Main pump means for performing a pumping process based on a control voltage applied to the first internal space to control the oxygen partial pressure in the first internal space to a predetermined value at which NO can be substantially not decomposed;
A second internal space communicating with the first internal space;
A second diffusion-controlling means formed by a slit for introducing an atmosphere pumped in the first internal space into the second internal space under a predetermined diffusion resistance;
It has a second inner measurement electrode and a second outer measurement electrode formed inside and outside the second internal space, and includes NO contained in the atmosphere introduced from the first internal space. Comprising oxygen partial pressure detection means for generating an electromotive force in accordance with the difference between the amount of oxygen generated by the decomposition and the amount of oxygen contained in the reference gas,
In a nitrogen oxide sensor that measures the amount of nitrogen oxide in the gas to be measured based on the electromotive force detected by the oxygen partial pressure detection means,
A nitrogen oxide sensor characterized in that at least one dimension forming a cross-sectional shape of one diffusion-controlling means is 10 μm or less.
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