JP3973851B2

JP3973851B2 - Gas sensor element

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Publication number: JP3973851B2
Application number: JP2001076443A
Authority: JP
Inventors: 弘男今村; 圭吾水谷; 太輔牧野; 利孝斎藤
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: JP2001330586A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，自動車用内燃機関の排気系等に設置され，ＮＯｘ等の検知に利用されるるガスセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車用内燃機関等から排出される排ガスを原因とする大気汚染は現代社会に深刻な間題を引き起こしており，排ガス中の公害物質に対する浄化基準法規が年々厳しくなっている。排ガス中のＮＯｘ濃度を直接検出し，検出結果をエンジン燃焼制御モニタ，触媒モニタ等にフィードバックすれば，より効率よく排ガス浄化を行なうことができると考えられる。このような背景から，排ガス中のＮＯｘ濃度を精度よく検出可能なガスセンサ素子が求められていた。
【０００３】
ところで，従来よく知られたガスセンサ素子として，次のようなものが挙げられる（後述する図９，図１０等）。
第１チャンバ１１と対面するようポンプセル３が配置され，該ポンプセル３に電圧を印加することで第１チャンバ１１内にある酸素を第１チャンバ１１と素子外部との間でポンピングする。
第１チャンバ１１内の酸素濃度を検知可能なモニタセル９５を設け，このモニタセル９５の値から第１チャンバ１１内の酸素濃度が一定となるようポンプセル３がフィードバック制御される。
【０００４】
第２チャンバ１２には，ＮＯｘから生成された酸素イオンを測定することでＮＯｘ濃度を測定できるようなセンサセル２を設けておくが，上述したごとく第２チャンバ１２では酸素濃度の増減がなく，センサセル２を移動する酸素イオンの量，即ちセンサセル２における酸素イオン電流の大きさがＮＯｘ濃度に対応する。
これにより，排ガス中の酸素濃度の増減にかかわらず，正確なＮＯｘ濃度を測定することができる。
【０００５】
なお，センサセル２における電極（排ガスとする対面する側）をＮＯｘを酸素イオンと窒素イオンとに分解可能な材料で構成すれば，上述したごとくＮＯｘ濃度測定ができるが，他の材料で構成することで他のガス濃度の測定も可能となる。
【０００６】
【解決しようとする課題】
しかしながら，従来構造のガスセンサ素子には次のような問題がある。
モニタセルを第１チャンバに設けた場合，第２チャンバに設けたセンサセル近傍の酸素濃度をモニタすることができない。このため，第１及び第２チャンバ内の酸素濃度分布による誤差が生じやすい。
また，第１チャンバと第２チャンバとの間には第２拡散抵抗通路が存在し，ゆえに第２チャンバでは酸素濃度の変動が第１チャンバより遅れる。このため，第２チャンバにモニタセルを設けた場合，第１チャンバの制御に遅れが生じ，応答性が悪化するという間題がある。
【０００７】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するに当り，酸素に濃度分布がある際も正確な特定ガス濃度の検出が可能で，かつ応答性に優れたガスセンサ素子を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバを有し，かつ上記第１チャンバはガスセンサ素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通されており，
上記第１チャンバと対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能なポンプセルを有し，
上記第１及び第２チャンバとそれぞれ対面し，各チャンバ内における酸素濃度にそれぞれ対応した起電力が得られる第１及び第２モニタセルを有し，
上記第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られるセンサセルを有するガスセンサ素子であって，
上記第１モニタセルと上記第２モニタセルの起電力が同じ，またはその差が僅少である場合には，上記第２モニタセルに生じた起電力に基いて，上記ポンプセルに対する印加電圧の大きさを制御し，
上記第１モニタセルと上記第２モニタセルの起電力に差が生じた場合には，上記第１モニタセルに生じた起電力に基いて，上記ポンプセルに対する印加電圧の大きさを制御するよう構成されていることを特徴とするガスセンサ素子にある。
【０００９】
本発明において最も注目すべきことは，第１チャンバ，第２チャンバのそれぞれに対面する第１モニタセル，第２モニタセルを有し，かつ両者が共に自身の起電力の値に対応してポンプセルに対する印加電圧を制御可能に構成されていることである。
【００１０】
次に，本発明の作用につき説明する。
本発明にかかるガスセンサ素子は，第１チャンバ，第２チャンバのそれぞれに第１モニタセル，第２モニタセルが設けてある。この二つのモニタセルは第１チャンバ，第２チャンバと基準ガス室との間に設けてあり，酸素濃淡起電力式電池として機能する。
【００１１】
被測定ガス中の酸素濃度が安定している時，第１及び第２チャンバ内の酸素濃度に差があまりないことから，第１モニタセルと第２モニタセルとの起電力はそれぞれ同じ，または差が小さい。
この時，第１及び第２チャンバ内の酸素濃度分布による誤差を小さくするため，センサセル近傍の酸素濃度をモニタできる第２モニタセルに生じた起電力に基づいてポンプセルを制御する。
【００１２】
また，被測定ガス中の酸素濃度が大きく変化している時，第１チャンバに比べて，第２チャンバに濃度変化が伝わるのが遅れるため，第１モニタセルと第２モニタセルの起電力には大きな差が生じる。
【００１３】
なお，被測定ガス中の酸素濃度がだんだん高くなっている時は，第１モニタセルの電圧が第２モニタセルの電圧より低くなる。被測定ガス中の酸素濃度がだんだん低くなっている時は，第１モニタセルの電圧が第２モニタセルの電圧よりも高くなる。これは，第２拡散抵抗通路による被測定ガス流入の時間差に起因するものである。
【００１４】
このような状態の際は，応答性の低下による誤差を小さくするため，第１チャンバ内の酸素濃度をモニタできる第１モニタセルに生じた起電力に基づいてポンプセルを制御する。
このため，本発明にかかるガスセンサ素子を用いれば，酸素濃度が時間的，空間的に均一であるときも，そうでないときも，共に正確な特定ガス濃度の検出が可能となる。
【００１５】
以上，本発明によれば，被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するに当り，酸素に濃度分布がある際も正確な特定ガス濃度の検出が可能で，かつ応答性に優れたガスセンサ素子を提供することができる。
【００１６】
なお，各センサセル，ポンプセル，モニタセルはいずれも固体電解質体に設けた一対の電極よりなる構成で，各電極は各セルを設ける位置等によって異なる材料で構成する。
センサセルの第２チャンバに対面する側の電極は，検出しようとする特定ガスから酸素イオンを生じせしめる作用を持つ必要がある。
また，第１チャンバや第２チャンバに対面する側の各ポンプセル，モニタセルの電極は検出しようとする特定ガスに対し不活性であることが好ましい。
これにより，特定ガスの分解をセンサセル上に限定することができ，正確な特定ガス濃度の測定が可能となる。
【００１７】
次に，請求項２に記載の発明のように，上記第１モニタセル及び上記第２モニタセルは並列に接続されていることが好ましい。
これにより，両モニタセルの平均起電力を求め，この値の大小からポンプセル制御ができるため，制御機構を簡単にすることができる。
また，この制御を実現する回路構成を簡素なものとすることができる。
【００１８】
次に，参考発明として，被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバを有し，かつ上記第１チャンバはガスセンサ素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通されており，
上記第１チャンバと対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能なポンプセルを有し，
上記第１または第２チャンバのいずれか一方と対面するモニタセルを有し，
上記第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した値を得ることができるセンサセルが設けてあるガスセンサ素子であって，
上記モニタセルに電圧を印加して得られる限界電流の値から，上記ポンプセルに対する印加電圧の大きさを制御するよう構成されていることを特徴とするガスセンサ素子がある。
【００１９】
モニタセルは電圧印加により酸素濃度センサとして機能するよう構成されている。モニタセルに電圧を印加した場合，ある特定の電圧範囲では，電圧が増大しても電流の大きさは変わらない。このときの電流値が限界電流値である。
【００２０】
モニタセルが第１チャンバと対面する場合，上記限界電流値より第１チャンバ内における酸素濃度が分かるため，これを利用して第２チャンバ内で酸素濃度が低濃度で一定となるようポンプセルに対する印加電圧を制御できる。また，モニタセルにおける限界電流値より第１チャンバの酸素濃度を測定し，また，センサセルよりも上流側で２段階のポンピング，すなわち第１チャンバ内でモニタセルとポンプセルとからポンピングを行なうことができるため，特定ガス濃度検出にあたり酸素濃度依存性を小さくすることができる。
また，モニタセルには電圧が印加されているため，第１チャンバ内の酸素をポンピングする作用を持つ。
このため，被測定ガス中の酸素濃度が時間的に大きく変化するような場合，変動する酸素濃度はモニタセルにおけるポンピング作用が均すため，応答性の遅れによる問題も生じ難い。
【００２１】
モニタセルが第２チャンバと対面する場合，上記限界電流値より第２チャンバ内における酸素濃度が分かるため，これを利用して，第２チャンバ内で酸素濃度が低濃度で一定となるよう，ポンプセルに対する印加電圧を制御することができる。
このように，センサセル近傍の酸素濃度でポンプセルを制御できるため，酸素濃度が時間的に安定しており，かつ酸素の空間的な濃度分布がある際（第１と第２チャンバで酸素濃度が異なるなど）に正確な特定ガス濃度を検出できる。
【００２２】
また，モニタセルには電圧が印加されているため，第２チャンバ内の酸素をポンピングする作用を持つ。
このため，被測定ガス中の酸素濃度が時間的に大きく変化するような場合，変動する酸素濃度はモニタセルにおけるポンピング作用が均すため，応答性の遅れによる問題も生じ難い。
【００２３】
このため，上記参考発明にかかるガスセンサ素子を用いれば，酸素濃度が安定しているときも，そうでないときも共に正確な特定ガス濃度の検出が可能となる。
【００２４】
また，上記ガスセンサ素子は，モニタセルに流れる電流を測定してポンピングセルの制御に利用している。
そのため，特定ガス濃度が０の際に得られるオフセット電流（残留酸素やガスセンサ素子の各セル等からの漏電流により生じる）から発生する誤差が減るため，高い検出精度を得ることができる。
【００２５】
以上，本発明によれば，被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するに当り，酸素に濃度分布がある際も正確な特定ガス濃度の検出が可能で，かつ応答性に優れたガスセンサ素子を提供することができる。
【００２６】
また，ポンプセルに対する印加電圧が高くなりすぎると，ポンプセルの電極が特定ガスに対して不活性な材料で構成されている場合であっても特定ガスの分解が発生することがある。
これを防止するために，ポンプセルに流れる電流値を測定し，被測定ガス中の酸素濃度を測定し，この値に応じて基準とする限界電流値を変更することが好ましい。
【００２７】
次に，請求項３に記載の発明は，被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバを有し，かつ上記第１チャンバはガスセンサ素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通されており，
上記第１チャンバと対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能な第１ポンプセルを有し，
上記第２チャンバと対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能な第２ポンプセルを有し，
上記第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られるセンサセルを有するガスセンサ素子であって，
上記第１チャンバと上記第２チャンバとにおいて，上記第１ポンプセルと上記第２ポンプセルとによって２段階で酸素濃度を制御し，
上記第１または第２ポンプセルの少なくとも一方は酸素のポンピングに対応して自身に生じるポンプ電流を利用して，自身に対する印加電圧の大きさを制御可能に構成されていることを特徴とするガスセンサ素子にある。
【００２８】
後述する図１８に示すごとく，印加電圧を上げてもポンプセルに流れる電流の大きさが変化しないある特定の電圧範囲が存在し，この一定の電流の値，限界電流値の大きさは酸素濃度に依存する。
このため，ポンプ電流に対応してポンプセルに対する印加電圧を変更することで，各チャンバ内の酸素濃度を一定に保つことができる。
また，本請求項にかかるガスセンサ素子は二つのポンプセルを有し，各チャンバで個別にポンピングが行われるため，各チャンバで酸素濃度分布が生じ難い。また，酸素濃度が大きく変動するような場合であっても，同様に各チャンバで個別にポンピングが行われるため，応答性の遅れも生じ難い。
【００２９】
以上，本請求項によれば，被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するに当り，酸素に濃度分布がある際も正確な特定ガス濃度の検出が可能で，かつ応答性に優れたガスセンサ素子を提供することができる。
【００３０】
また，本請求項にかかるガスセンサ素子の構成ではモニタセルを省略することが可能なため，構造が簡単で，制御機構がシンプルなガスセンサ素子を得ることができる。なお，後述する実施形態例４に示すごとく，モニタセルを設けることもできる。
【００３１】
次に，請求項４記載の発明によれば，被測定ガスが導入される第１チャンバ及び第２チャンバを有し，かつ上記第１チャンバはガスセンサ素子外部と第１拡散抵抗通路によって連通され，上記第２チャンバは上記第１チャンバと第２拡散抵抗通路によって連通されており，
上記第１または第２チャンバの少なくとも１つのチャンバと対面するモニタセルを有し，
上記第１チャンバと対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能な第１ポンプセルを有し，
上記第２チャンバと対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能な第２ポンプセルを有し，
上記第２チャンバと対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られるセンサセルを有するガスセンサ素子であって，
上記第１チャンバと上記第２チャンバとにおいて，上記第１ポンプセルと上記第２ポンプセルとによって２段階で酸素濃度を制御し，
少なくとも１つのポンプセルは，上記モニタセルに電圧を印加して得られる限界電流の値から，ポンプセルに対する印加電圧の大きさを制御可能に構成されていることを特徴とするガスセンサ素子にある。
【００３２】
これにより，上記モニタセルに電圧を印加して得られる限界電流値より上記ポンプセルに対する印加電圧の大きさを制御することができるため，請求項３と同様にオフセット電流から生じる誤差を減らすことができる。
また，第１ポンプセル，第２ポンプセルの２段階で酸素濃度を制御しているため，請求項４と同様に応答性の遅れも生じがたい。
【００３３】
以上，本請求項によれば，被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するに当り，酸素に濃度分布がある際も正確な特定ガス濃度の検出が可能で，かつ応答性に優れたガスセンサ素子を提供することができる。
【００３４】
請求項６の発明のように，各ポンプセルは基準ガス室に対面するよう配置されることが好ましい。
これにより，被測定ガスが内燃機関からの排ガスである場合，空燃比がリッチ側に傾いた際の特定ガス濃度の測定を容易に行なうことができる。
【００３５】
なお，本発明のガスセンサ素子としては，ＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘセンサ素子の他，ＣＯ，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ，ＳＯｘ等を測定するガスセンサ素子について適用可能である。なお，各実施形態例はＮＯｘ濃度測定について記載した。
【００３６】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかるガスセンサ素子につき，図１〜図１０を用いて説明する。
図１，図２に示すごとく，本例のガスセンサ素子１は，被測定ガスが導入される第１チャンバ１１及び第２チャンバ１２を有し，かつ上記第１チャンバ１１はガスセンサ素子外部と第１拡散抵抗通路１１０によって連通され，上記第２チャンバ１２は上記第１チャンバ１１と第２拡散抵抗通路１２０によって連通されている。上記第１チャンバと対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能なポンプセルを有する。
【００３７】
上記第１及び第２チャンバ１１，１２とそれぞれ対面し，各チャンバ１１，１２内における酸素濃度にそれぞれ対応した起電力が得られる第１及び第２モニタセル５，６を有し，上記第２チャンバ１２と対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した電流が得られるセンサセル２を有する。
上記第１モニタセル５と第２モニタセル６における起電力の値に基づいて，上記ポンプセル３に対する印加電圧の大きさを制御するよう構成されている。
【００３８】
また，このガスセンサ素子１は後述するガスセンサ７に組付けて自動車エンジンの排気管に取り付けられ，エンジンの燃焼制御，排ガス浄化用触媒のモニタ等に使用され，排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するよう構成されている。
【００３９】
本例のガスセンサ素子１について詳細に説明する。
図１に示すごとく，本例のガスセンサ素子１は，シート状の第１及び第２固体電解質体１４１，１４３と両固体電解質体１４１，１４３間に設け，第１及び第２チャンバ１１，１２を形成するスペーサ１４２と，第２固体電解質体１４３に設けた基準ガス室１３形成用のスペーサ１４４と，センサセル２，モニタセル５，６，ポンプセル３を活性温度まで加熱するためのヒータ１５とを順次積層した構成である。
【００４０】
センサセル２は，第２固体電解質体１４３に設けた一対にセンサ電極２１，２２より構成され，電源２５２，電流計２５１を備えたセンサ回路２５に接続されている。
上記センサ電極２１は第２チャンバ１２と対面し，センサ電極２２は基準ガス室１３と対面する。
なお，基準ガス室１３は基準ガスとして大気が導入されている。
【００４１】
上記ポンプセル３は，第１固体電解質体１４１に設けた一対のポンプ電極３１，３２よりなり，電源３５１を備えたポンプ回路３５に接続されている。
上記ポンプ電極３１は多孔質保護層１４０を介してガスセンサ素子１の外部と対面する。また，ポンプ電極３２は第１チャンバ１１と対面する。そして，ポンプ電極３１，３２上を貫通するように第１拡散抵抗通路１１０が第１固体電解質体１４１に設けてある。
上記第１及び第２拡散抵抗通路１１０，１２０はピンホールや細孔より構成されるが，例えば多孔質層で構成することもできる。
【００４２】
上記第１モニタセル５は第２固体電解質体１４３に設けた一対のモニタ電極５１，５２よりなり，第１電圧計５５１を備えた第１モニタ回路５５に接続されている。
同様に，上記第２モニタセル６は第２固体電解質体１４３に設けた一対のモニタ電極６１，６２よりなり，第２電圧計６５１を備えた第２モニタ回路６５に接続されている。
また，各モニタ回路５５，６５から，ポンプ回路３５に向けてフィードバック回路５６，６６が設けてある。
そして，上記モニタ電極５１は第１チャンバ１１に，モニタ電極６１は第２チャンバ１２，モニタ電極５２，６２は基準ガス室１３と対面する。
【００４３】
両固体電解質体１４１，１４３は酸素イオン導電性のジルコニア等よりなる。ポンプ電極３１，センサ電極２２，モニタ電極５２，６２はＰｔ等の貴金属よりなり，ポンプ電極３２，モニタ電極５１，６１はＮＯｘに対し不活性なＰｔ−Ａｕ等の貴金属よりなる。また，センサ電極２１はＮＯｘに活性なＲｈ，Ｐｔ−Ｐｈ等の貴金属よりなる。
なお，ここでいうＮＯｘに対する活性／不活性とは，ＮＯｘを酸素イオンと窒素イオンとに分解する作用を有する／有しないことを表している。
また，各スペーサ１４２，１４４は絶縁性のアルミナより構成される。
また，多孔質保護層１４０は絶縁性のセラミックよりなる。
【００４４】
上記ヒータ１５は絶縁性のヒータ基板１５１，１５２と両者の間に設けた発熱体１５０とよりなる。該発熱体１５０は外部からの電力供給で発熱する。
ヒータ基板１５１，１５２はアルミナ，発熱体１５０は白金等の貴金属より構成される。
【００４５】
また，本例にかかるガスセンサ素子１を搭載したガスセンサ７について説明する。
図３に示すごとく，上記ガスセンサ７における筒状ハウジング７０内には，絶縁材で外周を保持したガスセンサ素子１が収容されている。
ガスセンサ素子１の先端はハウジング７０より突出して先端側に延びて，ハウジング７０の先端に固定される排気カバー７１内に収容されている。
排気カバー７１は，ステンレス製の内部カバー７１１と外部カバー７１２との２重構造で，両カバー７１１，７１２の側壁と底壁には，被測定ガスである排ガスを排気カバー７１内に取り込むための導入口７１３，７１４がそれぞれ形成してある。
【００４６】
ハウジング７０の基端側には，筒状のメインカバー７２１とその基端側を被うサブカバー７２２とからなる大気カバー７２が固定されている。
これらメインカバー７２１およびサブカバー７２２は，側壁の対向位置に大気導入口７２３，７２４をそれぞれ有する。両大気導入口７２３，７２４より基準ガスである大気が大気カバー７２内に取り込むまれる。
【００４７】
また，大気導入口７２３，７２４の形成位置において，メインカバー７２１とサブカバー７２２の間に，防水のために撥水性のフィルタ７２５を設置してある。大気カバー７２は基端側が開口しており，ガスセンサ素子１の基端部に接続するリード線７３がこの開口部より外部に延びている。
【００４８】
本例のガスセンサ素子１について，動作原理を説明する。
排ガスが多孔質保護層１４０，第１拡散抵抗通路１１０を経由して，第１チャンバ１１内に導入される。導入される排ガス量は多孔質保護層１４０と第１拡散抵抗通路１１０との合計の拡散抵抗により定まる。
【００４９】
第１チャンバ１１において，電圧を印加されたポンプセル３により，排ガス中の酸素が酸素イオンとなる。ポンプセル３を通じて，第１チャンバ１１とガスセンサ素子１外部との間で上記酸素イオンの移動が発生する。
これにより第１チャンバ１１内で酸素のポンピングが発生する。
【００５０】
また，第１チャンバ１１内には第１モニタセル５が設けてあるが，このモニタセル５は酸素濃淡起電力式の電池として機能する。発生した起電力はモニタ回路５５の電圧計５５１によって計ることができる。第２チャンバ１２の第２モニタセル６でも同様に起電力を計ることができる。
これら両電圧計５５１，６５１の差に対応した信号がフィードバック回路５５，６５を通じてポンプ回路３５に運ばれる。
これにより，ポンプ回路３５の電源３５１の電圧が適宜変更され，ポンプセル３の酸素ポンピング量が制御される。
【００５１】
上記酸素ポンピング量の制御について詳細に説明する。
被測定ガス中の酸素濃度が安定している時，第１モニタセル５と第２モニタセル６の起電力は同じ，またはその差は僅少である。
この時，第１及び第２チャンバ１１，１２内の酸素濃度分布による誤差を小さくするため，センサセル２近傍の酸素濃度をモニタできる第２モニタセル６に生じた起電力に基づいてポンプセル３を制御する。
【００５２】
また，被測定ガス中の酸素濃度が大きく変化している時，第１モニタセル５の電圧と第２モニタセル６の起電力には大きな差が生じる。
被測定ガス中の酸素濃度がだんだん高くなっている時は，第１モニタセル５の起電力が第２モニタセル６より低くなる。被測定ガス中の酸素濃度がだんだん低くなっている時は，第１モニタセル５の起電力が第２モニタセル６より高くなる。
【００５３】
これは，第２拡散抵抗通路１２０を被測定ガスが通過するにある程度の時間が必要であるため，被測定ガス中の酸素濃度の変化が第２チャンバ１２内の雰囲気に反映されるのが遅れるためである。
このような状態の際は，応答性の低下による誤差を小さくするため，第１チャンバ１１内の酸素濃度をモニタできる第１モニタセル５に生じた起電力に基づいてポンプセル３を制御する。
【００５４】
この制御において，ポンプセル３に対する印加電圧は，モニタ回路５５，６５の電圧計５５１，６５１の値が３００〜５００ｍＶとなるように制御する。こうすることで，第１チャンバ１１，第２チャンバ１２内の酸素濃度を１ｐｐｍ以下とすることができ，ＮＯｘ濃度測定に支障がない程度の酸素量とすることができる。
【００５５】
図４は，本例にかかる被測定ガス中のＮＯｘ濃度とセンサセルに対する印加電圧，センサセル電流との関係を示す特性図である。
この特性図より，本例においてセンサセル２には常に電圧Ａを与え，センサ回路２５での電流が０．２μＡの時はＮＯｘ濃度が０ｐｐｍ，２μＡの時は１０００ｐｐｍ，３．８μＡの時は電流値とＮＯｘ濃度との関係に直線性を持たせるため，２０００ｐｐｍであることが分かる。
【００５６】
次に，本例にかかるガスセンサ素子１と比較例１及び２にかかるガスセンサ素子９０１，９０２との性能を比較評価する。
比較例１のガスセンサ素子９０１は，図９に示すごとく，第１チャンバ１１と対面するポンプセル３及びモニタセル９５，第２チャンバ１２と対面するセンサセル２を有する。
また，比較例２のガスセンサ素子９０２は，図１０に示すごとく，第１チャンバ１１と対面するポンプセル３，第２チャンバ１２と対面するモニタセル９５，センサセル２を有する。
詳細な構成は本例と同様である。
【００５７】
（性能評価１，ＮＯｘ濃度検出の酸素濃度依存性）
本例にかかるガスセンサ素子１，比較例１及び２のガスセンサ素子９０１，９０２を用い，図３にかかるガスセンサ７に取り付けて，酸素濃度の異なる被測定ガスに曝してＮＯｘ濃度の測定を行なった。
被測定ガスとしては，（酸素１％，窒素９９％），（酸素５％，窒素９５％），（酸素２０％，窒素８０％）という組成のものを準備し，各被測定ガスについてＮＯｘ濃度を０から１０００ｐｐｍまで変化させた際のセンサ回路２５の電流計２５１の値を測定した。
【００５８】
（性能評価２，応答性）
また，上記ガスセンサ７に取り付けられた各ガスセンサ素子１，９０１，９０２をＮＯｘが１０００ｐｐｍ含有され，酸素を１％含有した被測定ガス中に曝した。その後，酸素濃度を１％から２０％へと切り替えた。
この時のポンプセル３に対する印加電圧がどのように変動したかをモニタした。
【００５９】
（性能評価１）の結果を図５と図７に記載した。
同図に示すごとく，第１チャンバ１１内にモニタセル９５を設けた比較例１のガスセンサ素子９０１は酸素濃度の変動に応じて大きくセンサセル２に流れる電流値が変化した。
また，第２チャンバ１２内にモニタセル９５を設けた比較例２のガスセンサ素子９０２や本例のガスセンサ素子１は，酸素濃度が変動してもセンサセル２の電流値は殆ど変化がなかった。
【００６０】
（性能評価２）の結果は図６と図８に記載した。
同図に示すごとく，比較例１のガスセンサ素子９０１と本例のガスセンサ素子１は共に酸素濃度が切り替えられてから６０ｍ秒程度でポンプセル３に対する印加電圧が変化し，モニタセル９５，５からの制御が迅速に行われたことが分かった。しかし，比較例２のガスセンサ素子９０２は１５０ｍ秒以上経過しないとポンプセル３に対する印加電圧が変化しなかった。
【００６１】
このように本例にかかるガスセンサ素子１は，酸素濃度分布がある際も正確なＮＯｘ濃度の検出が可能で，かつ応答性に優れていることが分かった。
比較例１は応答性は優れているが酸素濃度依存した出力しか得ることができず，比較例２はＮＯｘ濃度は正確に検出できるが応答性が悪いことが分かった。
【００６２】
本例の作用効果について説明する。
本例のガスセンサ素子は第１及び第２チャンバ１１，１２に第１及び第２モニタセル５，６をそれぞれ設けておいて，酸素濃度があまり変化しないときと大きく変化している時とで使い分ける。
このため，酸素濃度分布がある際も正確なＮＯｘ濃度を検出できて，かつ応答性に優れたＮＯｘセンサ素子を得ることができる。
【００６３】
このように，本例によれば，被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するに当り，酸素に濃度分布がある際も正確な特定ガス濃度の検出が可能で，かつ応答性に優れたガスセンサ素子を提供することができる。
なお，本例はＮＯｘ濃度について測定するガスセンサ素子について説明したが，センサセルの電極を例えばＣＯから炭素と酸素イオンとに分解可能な材料とすればＣＯセンサ素子を得ることができ，このものについても本例と同様の効果を得ることができる。
その他，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ，ＳＯｘ等のガスセンサ素子に対し本例の構成を適用できる。
【００６４】
実施形態例２
本例は，図１１，図１２に示すごとく，実施形態例１と同様の構成のガスセンサ素子で，第１モニタセルと第２モニタセルとを並列に接続したものについて説明する。
図１１に示すガスセンサ素子１は，第１モニタセル５と第２モニタセル６とがモニタ回路５９に対し並列に接続されたものである。
モニタ回路５９には電圧計５９１が設けてあり，この電圧計５９１により両モニタセル５，６の平均起電力が測定される。この電圧計５９１の値を元に，フィードバック回路５８を通じて，ポンプセル３に対する印加電圧を制御する。
その他の構成は実施形態例１と同様である。
【００６５】
被測定ガス中の酸素濃度が安定している時，第１モニタセル５と第２モニタセル６の起電力とは略等しい。
また，被測定ガス中の酸素濃度が変化している時，安定時の起電力よりも電圧計５９１の値が上がったり，下がったりする。従って，安定時の電圧計５９１の値を予め測定しておき，これを基準値として，該基準値から電圧計５９１の値が変化した際には，ポンプセルに対する印加電圧の大きさを制御してやる。
このように，本例によれば，ポンプセル３制御の際に電圧計５９１の値を元にして制御することができるため，制御機構を簡単にすることができる。
また，この制御を実現する回路構成を簡素なものとすることができる。
その他，実施形態例１と同様の作用効果を有する。
【００６６】
図１２に示すガスセンサ素子は，第１モニタセル５と第２モニタセル６とを第２拡散抵抗通路１２０を挟んで，一体化形成してある。この場合，モニタセルの電極の印刷形成が容易となり，また電極をモニタ回路５９に接続するためのリードの取り出しが簡素化され，製造上有効である。
このものについても，その他実施形態例１と同様の構成を有し，上記と同様の作用効果を有する。
【００６７】
実施形態例３
本例にかかるガスセンサ素子は，図１３〜図１５に示すごとく，第２チャンバ１２にモニタセルを設けたものである。
図１３，図１４に示すごとく，本例のガスセンサ素子１は，上記第１チャンバ１１と対面し，印加電圧に対応した酸素をポンピング可能なポンプセル３を有し，上記第２チャンバ１２と対面するモニタセル５００を有し，上記第２チャンバ１２と対面し，所定の電圧を印加することで，被測定ガス中のＮＯｘガス濃度に対応した値を得ることができるセンサセル２を有する。
そして，上記モニタセル５００に電圧を印加して得られる限界電流の値から，上記ポンプセル３に対する印加電圧の大きさを制御するよう構成されている。
【００６８】
上記モニタセル５００は第２チャンバ１２に面する第２固体電解質体１４３に設けた一対の電極５０１，５０２よりなり，電流計５５５と電源５５６とが接続されたモニタ回路５５０に接続されている。
また，モニタ回路５５０の電流計５５５からフィードバック回路５６０がポンプ回路３５の電源３５１へ接続されている。
また，ポンプセル３，センサセル２やその他の構成については，実施形態例１と同様である。
【００６９】
モニタセル５００に電圧を印加した場合，ある特定の電圧範囲では，電圧が増大しても電流の大きさは変わらない。これが限界電流値である。上記限界電流値より第２チャンバ１２内における酸素濃度が分かり，これに基づいてポンプセルに対する印加電圧を制御する。
このように，センサセル２近傍の酸素濃度でポンプセル３を制御できるため，酸素濃度分布がある際も正確にＮＯｘ濃度を検出できる。
【００７０】
また，モニタセル５００は電圧が印加されているため，第２チャンバ１２内の酸素をポンピングすることもできる。
このため，被測定ガス中の酸素濃度が大きく変化し，制御の遅れからポンプセル３が第１チャンバ１１内の酸素濃度を一定にできなくとも，変動する酸素濃度はモニタセル５００におけるポンピング作用が均すため，応答性の遅れによる問題も生じ難い。
【００７１】
このため，本例にかかるガスセンサ素子を用いれば，酸素濃度が安定しているときも，そうでないときも共に正確な特定ガス濃度の検出が可能となる。
【００７２】
また，本例にかかるガスセンサ素子１は，モニタセル５００の限界電流を測定し，ポンピングセル３の制御に利用しているため，オフセット電流から発生する誤差が減るため，高い検出精度を得ることができる。
【００７３】
本例のガスセンサ素子１の性能を実施形態例１と同様に評価する。
実施形態例１と同様の（性能評価１，ＮＯｘ濃度検出の酸素濃度依存性）についての測定結果を図１５に記載した。
同図より知れるごとく，本例にかかるガスセンサ素子１は酸素濃度分布がある際も正確なＮＯｘ濃度の検出が可能であることが分かった。
更に，実施形態例１と同様の（性能評価２，応答性）について測定したところ，実施形態例１にかかる図５と同様の結果が得られた。
このように本例のガスセンサ素子は応答性に優れることが分かった。
【００７４】
実施形態例４
本例は，第１及び第２チャンバ１１，１２にそれぞれ第１及び第２ポンプセル３，４を設けたガスセンサ素子１について図１６〜図２１を用いて説明する。
図１６，図１７に示すごとく，本例のガスセンサ素子１は，第１チャンバ１１と対面する第１ポンプセル３，第２チャンバ１２と対面する第２ポンプセル４を有する。また，第２チャンバ１２と対面するセンサセル２，モニタセル６を有する。
第１ポンプセル３は酸素のポンピングに対応して自身に生じるポンプ電流を利用して，自身に対する印加電圧の大きさを制御可能に構成されている。
また，第２ポンプセル４は第２チャンバ１２に設けたモニタセル６の起電力から印加電圧の大きさが制御される。
【００７５】
上記第１ポンプセル３は第１チャンバ１１に面する第１固体電解質体１４１に設けた一対の電極３１，３２からなり，電流計３５２と電源３５１とが接続されたポンプ回路３５に接続されている。また，電流計３５２から電源３５１へと向かうフィードバック回路３５３が設けてある。
第２ポンプセル４は第２チャンバ１２に面する第１固体電解質体１４１に設けた一対の電極４１，４２からなり，電源４５１とが接続されたポンプ回路４５に接続されている。
【００７６】
モニタセル６は第２チャンバ１２に面する固体電解質体１４３に設けた一対の電極６１，６２からなり，電圧計６５１が接続されたモニタ回路６５に接続されている。また，モニタ回路６５からフィードバック回路６６が上記ポンプ回路４５に接続されている。
また，その他の構成については，実施形態例１と同様である。
【００７７】
図１８に示すごとく，印加電圧を上げても第１ポンプセル３に流れる電流の大きさが変化しないある特定の電圧範囲が存在し，この一定の電流の値，限界電流値の大きさは酸素濃度に依存する。
このため，ポンプ電流に対応して第１ポンプセル３に対する印加電圧を変更することで，第１チャンバ１１内の酸素濃度を一定に保つことができる。
また，本例では二つの第１及び第２ポンプセル３，４が第１及び第２チャンバ１１，１２で個別にポンピングするので，第１及び第２チャンバ１１，１２の酸素濃度を容易に低濃度に保つことができる。また，酸素濃度が大きく変動するような場合であっても，同様に第１及び第２チャンバで個別にポンピングが行われるため，応答性の遅れも生じ難い。
【００７８】
以上，本例によれば，被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するに当り，酸素に濃度分布がある際も正確なＮＯｘ濃度の検出が可能で，かつ応答性に優れたガスセンサ素子を提供することができる。
【００７９】
本例のガスセンサ素子の性能を実施形態例１と同様に評価する。
実施形態例１と同様の（性能評価１，ＮＯｘ濃度検出の酸素濃度依存性）について測定した結果，実施形態例１の図５と同様の結果が得られた。
更に，実施形態例１と同様の（性能評価２，応答性）について測定したところ，実施形態例１にかかる図６と同様の結果が得られた。
このように本例のガスセンサ素子は酸素濃度依存のない正確なＮＯｘ濃度を得ることができ，更に応答性に優れることが分かった。
【００８０】
また，本例にかかるガスセンサ素子１の異なる例として，図１９に示すごときものが挙げられる。これは第１ポンプセル３と同様に第２ポンプセル４についてもポンプ電流の大きさに応じて印加電圧の大きさを制御するよう構成したもので，第２ポンプセル４が電流計４５２と電源４５１とを持つポンプ回路４５に接続され，電流計４５２から電源４５１へと接続されたフィードバック回路を有する。
このものについても上記と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
また，本例にかかるガスセンサ素子の異なる例として，第２ポンプセルの制御をモニタセルに電圧を印加した時の限界電流の大きさに応じて，第２ポンプセル電圧の大きさを制御するようにしても，上記と同様の効果を得ることができる。
【００８２】
なお，従来品で，図２０，図２１にかかるガスセンサ素子９０３，９０４が知られており，これらはいずれもポンプセル３，４を第１及び第２チャンバ１１，１２に設け，各ポンプセル３，４に対しモニタセル５，６を設け，各チャンバ１１，１２内の酸素濃度に応じて各ポンプセル３，４に対する印加電圧を制御するよう構成してある。
この場合も本例と同程度の性能を得ることは可能であるが，セル数が多く，電極構成が複雑なので，製造困難である。また，ポンプセル４，５の制御に関する回路構成も複雑となり易く，その分耐久性に劣るような面もあった。
【００８３】
実施形態例５
本例は，実施形態例４の図１６と同様の構成のガスセンサ素子である。
図２２に示すごとく，第１ポンプセル３の酸素のポンピングは実施形態例４と同様に酸素のポンピングに対応して自身に生じるポンプ電流を利用して，自身に対する印加電圧の大きさを制御可能に構成されている。
なお，第１ポンプセル３の酸素のポンピングは第１チャンバ１１内に第１チャンバ１１と基準ガス室１３との間に別途モニタセルを設け，該モニタセルに発生する起電力が一定となるように（あるいはモニタセルに電圧を印加して，得られる電流値が一定となるように），第１ポンプセル３に対する印加電圧の大きさを制御する方法でもよい。
【００８４】
第２ポンプセル４の酸素ポンピングは実施形態例３の第１ポンプセル３の制御と同様に第２チャンバ１２内に設けたモニタセル６に電圧を印加して得られる電流値が一定値となるように，上記第２ポンプセル４に対する印加電圧の大きさを制御するよう構成されている。
この制御は，同図に示すごとく，モニタセル６に電流計６５２と電源６５３を備えたモニタ回路６５を接続し，上記電流計６５２からポンプ回路４５の電源４５１に接続されたフィードバック回路６６により実現される。
【００８５】
本例のガスセンサ素子１を用いれば，実施形態例３と同じ理由で被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するに当り，センサセル電流のオフセットの酸素濃度依存を少なくすることができる。実施形態例４と同じ理由で応答性の遅れも生じがたい。
【００８６】
本例のガスセンサ素子１の性能を実施形態例１と同様に評価する。
実施形態例１の図６の（性能評価１，ＮＯｘ濃度検出の酸素濃度依存性）について測定した結果，実施形態例１の図５の同様の結果を得られた。
さらに実施形態例１と同様の（性能評価２，応答性）について測定した結果，実施形態例１の図６と同様の結果が得られた。
このように本例のガスセンサ素子は酸素依存が少ない正確なＮＯｘ濃度を得ることができ，さらに応答性も優れることが分かった。
【００８７】
実施形態例６
本例は図２３に示すごとく，第１チャンバ１１と対面する第１ポンプセル３及びモニタセル５，第２チャンバ１２と対面する第２ポンプセル４，センサセル２を有し，第１ポンプセル３に対する印加電圧はモニタセル５に流れる限界電流値により制御され，第２ポンプセル４に対する印加電圧は第２ポンプセル４自身に流れるポンプ電流に基づいて制御されるガスセンサ素子１である。
【００８８】
本例のガスセンサ素子１を用いれば，実施形態例５と同じ理由で被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するに当り，センサセル電流のオフセットの酸素濃度依存を少なくすることができ，応答性の遅れも生じがたい。
【００８９】
なお，図２３に示すガスセンサ素子１において，第２チャンバ１２内の酸素濃度は低濃度で略一定であるため，第２ポンプセル４電圧は一定としてもよい。
また，第２ポンプセル４に対する印加電圧は第２チャンバ１２内に第２チャンバ１２と基準ガス室１３との間にモニタセルを設け，該モニタセルに発生する起電力で制御してもよい。
また，第１ポンプセル３に対する印加電圧をモニタセル５の起電力で制御してもよい。
【００９０】
また，図２４にかかる構造のガスセンサ素子がある。
図２４に示すごとく，本例のガスセンサ素子１は，第１チャンバ１１と対面する第１ポンプセル３及び第１モニタセル５，第２チャンバ１２と対面する第２ポンプセル４，第２モニタセル６及びセンサセル２を有する。符号５５０，６５０は各モニタセル５，６に接続されるモニタ回路，符号５５５，６５５は電流計，符号５５６，６５６は電源である。
【００９１】
そして，本例のガスセンサ素子１は，第１ポンプセル３に対する印加電圧は第１モニタセル５に流れる限界電流により制御され，第２ポンプセル４に対する印加電圧は第２モニタセル６に流れる限界電流により制御される。
このような構成のガスセンサ素子１についても，上記と同様，実施形態例５と同じ理由で被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するに当り，センサセル電流のオフセットの酸素濃度依存を少なくすることができ，応答性の遅れも生じがたい。
【００９２】
実施形態例７
本例は，実施形態例４の図１６と同様の構成のガスセンサ素子であるが，図２５に示すごとく，ポンプセル３が第１チャンバ１１と基準ガス室１３との間に設けてあるものである。
この場合，第１チャンバ１１の酸素ポンピングは基準ガス室１３との間で行われる。
基準ガスとしては大気が利用されるため，自動車エンジンの排ガス測定の際，該排ガスがリッチ側に傾いた際でも精度よくＮＯｘ濃度を測定できる。
その他，実施形態例４と同様の効果を得る。
また，実施形態例５，６及び７は，いずれも，酸素ポンピングを基準ガス室との間で行うと排ガスがリッチ側に傾いた際でも精度よくＮＯｘ濃度を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，ガスセンサ素子の断面説明図。
【図２】実施形態例１における，図１にかかるガスセンサ素子の斜視展開図。
【図３】実施形態例１における，ガスセンサ素子を組付けたガスセンサの縦断面説明図。
【図４】実施形態例１における，ＮＯｘ濃度とＮＯｘに由来する酸素イオン電流との関係を示す線図。
【図５】実施形態例１における，本例及び比較例２のＮＯｘ濃度，酸素濃度，センサセルに流れる電流値の関係を示す線図。
【図６】実施形態例１における，本例及び比較例１の酸素濃度切り替え後のポンプセル印加電圧の時間変化を示す線図。
【図７】実施形態例１における，比較例１のＮＯｘ濃度，酸素濃度，センサセルに流れる電流値の関係を示す線図。
【図８】実施形態例１における，比較例２の酸素濃度切り替え後のポンプセル印加電圧の時間変化を示す線図。
【図９】実施形態例１における，比較例１の断面説明図。
【図１０】実施形態例１における，比較例２の断面説明図。
【図１１】実施形態例２における，第１及び第２センサセルが並列に接続されたガスセンサ素子の断面説明図。
【図１２】実施形態例２における，第１及び第２センサセルが一体化されたガスセンサ素子の断面説明図。
【図１３】実施形態例３における，第２チャンバのみセンサセルを設けたガスセンサ素子の断面説明図。
【図１４】実施形態例３における，図１３にかかるガスセンサ素子の斜視展開図。
【図１５】実施形態例３における，ＮＯｘ濃度とＮＯｘに由来する酸素イオン電流との関係を示す線図。
【図１６】実施形態例４における，二つのポンプセルを有するガスセンサ素子の断面説明図。
【図１７】実施形態例４における，図１６にかかるガスセンサ素子の斜視展開図。
【図１８】実施形態例４における，ポンプセルに対する印加電圧とポンプ電流との特性を示す線図。
【図１９】実施形態例４における，二つのポンプセルを持ち，モニタセルを持たないガスセンサ素子の断面説明図。
【図２０】従来にかかる２つのポンプセルを持つガスセンサ素子の断面説明図。
【図２１】従来にかかる２つのポンプセルを持つガスセンサ素子の断面説明図。
【図２２】実施形態例５における，第１チャンバと基準ガスとの間にポンプセルを設けたガスセンサ素子の断面説明図。
【図２３】実施形態例６における，第１及び第２チャンバにそれぞれ対面する２つのポンプセルと第１チャンバに対面するモニタセルを設けたガスセンサ素子の断面説明図。
【図２４】実施形態例６における，第１及び第２チャンバにそれぞれ対面する２つのポンプセルと２つのモニタセルを設けたガスセンサ素子の断面説明図。
【図２５】実施形態例７における，ポンプセルを第１チャンバと基準ガス室との間に設けたガスセンサ素子の断面説明図。
【符号の説明】
１．．．ガスセンサ素子，
１１．．．第１チャンバ，
１１０．．．第１拡散抵抗通路，
１２．．．第２チャンバ，
１２０．．．第２拡散抵抗通路，
２．．．センサセル，
３，４．．．ポンプセル，
５，６．．．モニタセル，[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a gas sensor element that is installed in an exhaust system or the like of an internal combustion engine for automobiles and used for detecting NOx or the like.
[0002]
[Prior art]
Air pollution caused by exhaust gas emitted from automobile internal combustion engines and the like has caused serious problems in modern society, and purification standards and regulations for pollutants in exhaust gas have become stricter year by year. If the NOx concentration in the exhaust gas is directly detected and the detection result is fed back to the engine combustion control monitor, the catalyst monitor, etc., the exhaust gas purification can be performed more efficiently. From such a background, a gas sensor element capable of accurately detecting the NOx concentration in the exhaust gas has been demanded.
[0003]
By the way, the following is mentioned as a well-known gas sensor element (FIG. 9, FIG. 10, etc. mentioned later).
The pump cell 3 is disposed so as to face the first chamber 11, and by applying a voltage to the pump cell 3, oxygen in the first chamber 11 is pumped between the first chamber 11 and the outside of the element.
A monitor cell 95 capable of detecting the oxygen concentration in the first chamber 11 is provided, and the pump cell 3 is feedback-controlled based on the value of the monitor cell 95 so that the oxygen concentration in the first chamber 11 becomes constant.
[0004]
The second chamber 12 is provided with a sensor cell 2 that can measure the NOx concentration by measuring oxygen ions generated from NOx. However, as described above, there is no increase or decrease in the oxygen concentration in the second chamber 12, and the sensor cell. 2, that is, the magnitude of the oxygen ion current in the sensor cell 2 corresponds to the NOx concentration.
Thereby, it is possible to measure the exact NOx concentration regardless of the increase or decrease of the oxygen concentration in the exhaust gas.
[0005]
If the electrode (the side facing the exhaust gas) in the sensor cell 2 is made of a material capable of decomposing NOx into oxygen ions and nitrogen ions, the NOx concentration can be measured as described above, but it should be made of other materials. This makes it possible to measure other gas concentrations.
[0006]
[Problems to be solved]
However, the conventional gas sensor element has the following problems.
When the monitor cell is provided in the first chamber, the oxygen concentration in the vicinity of the sensor cell provided in the second chamber cannot be monitored. For this reason, an error due to the oxygen concentration distribution in the first and second chambers is likely to occur.
In addition, there is a second diffusion resistance path between the first chamber and the second chamber. Therefore, in the second chamber, the oxygen concentration fluctuation is delayed from the first chamber. For this reason, when a monitor cell is provided in the second chamber, there is a problem that a delay occurs in the control of the first chamber and the responsiveness deteriorates.
[0007]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and in detecting the specific gas concentration in the gas to be measured, it is possible to accurately detect the specific gas concentration even when there is a concentration distribution in oxygen. It is another object of the present invention to provide a gas sensor element excellent in responsiveness.
[0008]
[Means for solving problems]
  The invention described in claim 1 has a first chamber and a second chamber into which a gas to be measured is introduced, and the first chamber communicates with the outside of the gas sensor element by a first diffusion resistance passage, and the second chamber Is communicated with the first chamber by a second diffusion resistance passage,
  A pump cell facing the first chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage;
  The first and second monitor cells face the first and second chambers respectively, and can obtain electromotive forces corresponding to oxygen concentrations in the chambers, respectively.
  A gas sensor element having a sensor cell facing the second chamber and applying a predetermined voltage to obtain a current corresponding to a specific gas concentration in the gas to be measured,
  When the electromotive forces of the first monitor cell and the second monitor cell are the same or the difference between them is small, the magnitude of the voltage applied to the pump cell is controlled based on the electromotive force generated in the second monitor cell. ,
  When there is a difference in electromotive force between the first monitor cell and the second monitor cell, the magnitude of the voltage applied to the pump cell is controlled based on the electromotive force generated in the first monitor cell.It is comprised in the gas sensor element characterized by the above-mentioned.
[0009]
What should be noted most in the present invention is that the first chamber and the second chamber each have a first monitor cell and a second monitor cell, both of which are applied to the pump cell in accordance with their own electromotive force values. That is, the voltage can be controlled.
[0010]
Next, the operation of the present invention will be described.
In the gas sensor element according to the present invention, a first monitor cell and a second monitor cell are provided in each of the first chamber and the second chamber. These two monitor cells are provided between the first chamber, the second chamber, and the reference gas chamber, and function as an oxygen concentration electromotive force type battery.
[0011]
When the oxygen concentration in the gas to be measured is stable, there is not much difference between the oxygen concentrations in the first and second chambers. Therefore, the electromotive forces of the first monitor cell and the second monitor cell are the same or different, respectively. small.
At this time, in order to reduce the error due to the oxygen concentration distribution in the first and second chambers, the pump cell is controlled based on the electromotive force generated in the second monitor cell capable of monitoring the oxygen concentration in the vicinity of the sensor cell.
[0012]
In addition, when the oxygen concentration in the gas to be measured is greatly changed, the propagation of the concentration change to the second chamber is delayed as compared with the first chamber, so that the electromotive force of the first monitor cell and the second monitor cell is large. There is a difference.
[0013]
When the oxygen concentration in the gas to be measured is gradually increasing, the voltage of the first monitor cell becomes lower than the voltage of the second monitor cell. When the oxygen concentration in the gas to be measured is gradually decreasing, the voltage of the first monitor cell becomes higher than the voltage of the second monitor cell. This is due to the time difference of the measurement gas inflow through the second diffusion resistance passage.
[0014]
In such a state, the pump cell is controlled based on the electromotive force generated in the first monitor cell capable of monitoring the oxygen concentration in the first chamber in order to reduce the error due to the decrease in responsiveness.
Therefore, by using the gas sensor element according to the present invention, it is possible to accurately detect the specific gas concentration both when the oxygen concentration is temporally and spatially uniform and when it is not.
[0015]
As described above, according to the present invention, when detecting a specific gas concentration in a gas to be measured, a gas sensor element capable of detecting a specific gas concentration accurately even when oxygen has a concentration distribution and having excellent responsiveness is provided. Can be provided.
[0016]
Each sensor cell, pump cell, and monitor cell is composed of a pair of electrodes provided on the solid electrolyte body, and each electrode is composed of different materials depending on the position where each cell is provided.
The electrode facing the second chamber of the sensor cell needs to have an action of generating oxygen ions from the specific gas to be detected.
The electrodes of the pump cells and monitor cells on the side facing the first chamber and the second chamber are preferably inert to the specific gas to be detected.
As a result, the decomposition of the specific gas can be limited to the sensor cell, and the specific gas concentration can be accurately measured.
[0017]
Next, as in a second aspect of the present invention, it is preferable that the first monitor cell and the second monitor cell are connected in parallel.
As a result, the average electromotive force of both monitor cells is obtained, and the pump cell can be controlled from the magnitude of this value, so that the control mechanism can be simplified.
Further, the circuit configuration for realizing this control can be simplified.
[0018]
  next,As a reference invention, Having a first chamber and a second chamber into which a gas to be measured is introduced, and the first chamber communicates with the outside of the gas sensor element by a first diffusion resistance passage, and the second chamber is connected to the first chamber and the second chamber. Communicated by diffusion resistance passages,
  A pump cell facing the first chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage;
  A monitor cell facing either one of the first or second chamber;
  A gas sensor element provided with a sensor cell facing the second chamber and capable of obtaining a value corresponding to a specific gas concentration in a gas to be measured by applying a predetermined voltage,
  A gas sensor element configured to control the magnitude of a voltage applied to the pump cell from a value of a limit current obtained by applying a voltage to the monitor cell.Butis there.
[0019]
The monitor cell is configured to function as an oxygen concentration sensor when a voltage is applied. When a voltage is applied to the monitor cell, the magnitude of the current does not change even if the voltage increases in a specific voltage range. The current value at this time is the limit current value.
[0020]
When the monitor cell faces the first chamber, the oxygen concentration in the first chamber can be determined from the above limit current value, so that the applied voltage to the pump cell can be used to keep the oxygen concentration low and constant in the second chamber. Can be controlled. In addition, the oxygen concentration in the first chamber can be measured from the limit current value in the monitor cell, and two stages of pumping can be performed upstream from the sensor cell, that is, pumping can be performed from the monitor cell and the pump cell in the first chamber. In detecting the specific gas concentration, the oxygen concentration dependency can be reduced.
Further, since a voltage is applied to the monitor cell, it has an action of pumping oxygen in the first chamber.
For this reason, when the oxygen concentration in the gas to be measured varies greatly with time, the pumping action in the monitor cell is equalized with the varying oxygen concentration, so that a problem due to delay in response is unlikely to occur.
[0021]
When the monitor cell faces the second chamber, the oxygen concentration in the second chamber can be determined from the limit current value. Therefore, the oxygen concentration in the second chamber can be kept constant at a low concentration in the second chamber by using this. The applied voltage can be controlled.
As described above, since the pump cell can be controlled by the oxygen concentration in the vicinity of the sensor cell, the oxygen concentration is stable in time and there is a spatial concentration distribution of oxygen (the oxygen concentration differs between the first and second chambers). Etc.) can be detected accurately.
[0022]
Further, since a voltage is applied to the monitor cell, it has an action of pumping oxygen in the second chamber.
For this reason, when the oxygen concentration in the gas to be measured varies greatly with time, the pumping action in the monitor cell is equalized with the varying oxygen concentration, so that a problem due to delay in response is unlikely to occur.
[0023]
  For this reason,Reference aboveBy using the gas sensor element according to the invention, it is possible to accurately detect the specific gas concentration both when the oxygen concentration is stable and when it is not.
[0024]
  Also,the aboveThe gas sensor element measures the current flowing through the monitor cell and uses it to control the pumping cell.
  For this reason, an error generated from an offset current (generated due to residual oxygen or leakage current from each cell of the gas sensor element) obtained when the specific gas concentration is 0 is reduced, so that high detection accuracy can be obtained.
[0025]
As described above, according to the present invention, when detecting a specific gas concentration in a gas to be measured, a gas sensor element capable of detecting a specific gas concentration accurately even when oxygen has a concentration distribution and having excellent responsiveness is provided. Can be provided.
[0026]
If the applied voltage to the pump cell becomes too high, the specific gas may be decomposed even when the electrode of the pump cell is made of a material that is inert to the specific gas.
In order to prevent this, it is preferable to measure the current value flowing through the pump cell, measure the oxygen concentration in the gas to be measured, and change the reference limit current value according to this value.
[0027]
  Next, the claim3The invention described in (1) has a first chamber and a second chamber into which a gas to be measured is introduced, and the first chamber communicates with the outside of the gas sensor element by a first diffusion resistance passage, and the second chamber is the first chamber. Communicated with one chamber by a second diffusion resistance passage,
  It has a first pump cell facing the first chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage.
  A second pump cell facing the second chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage;
  A gas sensor element having a sensor cell facing the second chamber and applying a predetermined voltage to obtain a current corresponding to a specific gas concentration in the gas to be measured,
  In the first chamber and the second chamber, the oxygen concentration is controlled in two stages by the first pump cell and the second pump cell,
  At least one of the first and second pump cells is configured to be able to control the magnitude of the voltage applied to itself by using a pump current generated in response to oxygen pumping. It is in.
[0028]
As shown in FIG. 18 to be described later, there is a specific voltage range in which the magnitude of the current flowing through the pump cell does not change even when the applied voltage is raised, and the magnitude of the constant current value and the limit current value depends on the oxygen concentration. Dependent.
For this reason, the oxygen concentration in each chamber can be kept constant by changing the voltage applied to the pump cell in accordance with the pump current.
In addition, the gas sensor element according to the present invention has two pump cells, and pumping is performed individually in each chamber, so that an oxygen concentration distribution hardly occurs in each chamber. Even in the case where the oxygen concentration fluctuates greatly, similarly, since the pumping is performed individually in each chamber, delay in response is unlikely to occur.
[0029]
As described above, according to this claim, in detecting the specific gas concentration in the gas to be measured, the gas sensor element capable of accurately detecting the specific gas concentration even when oxygen has a concentration distribution and having excellent responsiveness. Can be provided.
[0030]
Further, since the monitor cell can be omitted in the configuration of the gas sensor element according to the present invention, a gas sensor element having a simple structure and a simple control mechanism can be obtained. Note that a monitor cell may be provided as shown in the fourth embodiment described later.
[0031]
  Next, the claim4According to the described invention, the first chamber and the second chamber into which the gas to be measured is introduced are communicated with the outside of the gas sensor element by the first diffusion resistance passage, and the second chamber is the above-mentioned Communicated by the first chamber and the second diffusion resistance passage,
  A monitor cell facing at least one chamber of the first or second chamber;
  It has a first pump cell facing the first chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage.
  A second pump cell facing the second chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage;
  A gas sensor element having a sensor cell facing the second chamber and applying a predetermined voltage to obtain a current corresponding to a specific gas concentration in the gas to be measured,
  In the first chamber and the second chamber, the oxygen concentration is controlled in two stages by the first pump cell and the second pump cell,
  At least one pump cell is in a gas sensor element characterized in that the magnitude of the applied voltage to the pump cell can be controlled from the value of the limit current obtained by applying a voltage to the monitor cell.
[0032]
Thus, since the magnitude of the applied voltage to the pump cell can be controlled from the limit current value obtained by applying the voltage to the monitor cell, the error caused by the offset current can be reduced as in the third aspect.
In addition, since the oxygen concentration is controlled in two stages of the first pump cell and the second pump cell, a delay in response is unlikely to occur as in the fourth aspect.
[0033]
As described above, according to this claim, in detecting the specific gas concentration in the gas to be measured, the gas sensor element capable of accurately detecting the specific gas concentration even when oxygen has a concentration distribution and having excellent responsiveness. Can be provided.
[0034]
As in the invention of claim 6, each pump cell is preferably arranged so as to face the reference gas chamber.
Thereby, when the gas to be measured is exhaust gas from the internal combustion engine, it is possible to easily measure the specific gas concentration when the air-fuel ratio is inclined to the rich side.
[0035]
As the gas sensor element of the present invention, in addition to the NOx sensor element for measuring the NOx concentration, CO, CO₂, H₂The present invention is applicable to gas sensor elements that measure O, SOx, and the like. Each embodiment described the NOx concentration measurement.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1
A gas sensor element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, the gas sensor element 1 of the present example includes a first chamber 11 and a second chamber 12 into which a gas to be measured is introduced, and the first chamber 11 is connected to the outside of the gas sensor element and the first chamber 11. The second chamber 12 is communicated by the diffusion resistance passage 110, and the second chamber 12 is communicated by the first chamber 11 and the second diffusion resistance passage 120. It has a pump cell facing the first chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage.
[0037]
The first and second chambers 11 and 12 are opposed to each other, and have first and second monitor cells 5 and 6 that can obtain electromotive forces corresponding to the oxygen concentrations in the chambers 11 and 12, respectively. 12 has a sensor cell 2 that can obtain a current corresponding to a specific gas concentration in a gas to be measured by applying a predetermined voltage.
Based on the value of the electromotive force in the first monitor cell 5 and the second monitor cell 6, the magnitude of the voltage applied to the pump cell 3 is controlled.
[0038]
The gas sensor element 1 is assembled to a gas sensor 7 to be described later, and is attached to an exhaust pipe of an automobile engine. The gas sensor element 1 is used for engine combustion control, monitoring of an exhaust gas purifying catalyst, etc., and measures NOx concentration in exhaust gas. Has been.
[0039]
The gas sensor element 1 of this example will be described in detail.
As shown in FIG. 1, the gas sensor element 1 of this example is provided between sheet-like first and second solid electrolyte bodies 141 and 143 and both solid electrolyte bodies 141 and 143, and the first and second chambers 11 and 12 are provided. A spacer 142 to be formed, a spacer 144 for forming the reference gas chamber 13 provided in the second solid electrolyte body 143, and a heater 15 for heating the sensor cell 2, the monitor cell 5, 6, 6 and the pump cell 3 to the activation temperature are sequentially laminated. This is the configuration.
[0040]
The sensor cell 2 includes a pair of sensor electrodes 21 and 22 provided on the second solid electrolyte body 143 and is connected to a sensor circuit 25 including a power source 252 and an ammeter 251.
The sensor electrode 21 faces the second chamber 12, and the sensor electrode 22 faces the reference gas chamber 13.
The reference gas chamber 13 is introduced with air as a reference gas.
[0041]
The pump cell 3 includes a pair of pump electrodes 31 and 32 provided on the first solid electrolyte body 141 and is connected to a pump circuit 35 having a power source 351.
The pump electrode 31 faces the outside of the gas sensor element 1 through the porous protective layer 140. The pump electrode 32 faces the first chamber 11. And the 1st diffusion resistance channel | path 110 is provided in the 1st solid electrolyte body 141 so that the pump electrodes 31 and 32 may be penetrated.
The first and second diffusion resistance passages 110 and 120 are configured by pinholes or pores, but may be configured by, for example, a porous layer.
[0042]
The first monitor cell 5 includes a pair of monitor electrodes 51 and 52 provided on the second solid electrolyte body 143, and is connected to a first monitor circuit 55 having a first voltmeter 551.
Similarly, the second monitor cell 6 includes a pair of monitor electrodes 61 and 62 provided on the second solid electrolyte body 143, and is connected to a second monitor circuit 65 including a second voltmeter 651.
Feedback circuits 56 and 66 are provided from the monitor circuits 55 and 65 toward the pump circuit 35.
The monitor electrode 51 faces the first chamber 11, the monitor electrode 61 faces the second chamber 12, and the monitor electrodes 52 and 62 face the reference gas chamber 13.
[0043]
Both solid electrolyte bodies 141 and 143 are made of oxygen ion conductive zirconia or the like. The pump electrode 31, the sensor electrode 22, and the monitor electrodes 52 and 62 are made of a noble metal such as Pt, and the pump electrode 32 and the monitor electrodes 51 and 61 are made of a noble metal such as Pt—Au that is inactive to NOx. The sensor electrode 21 is made of a noble metal such as Rh or Pt—Ph active for NOx.
Here, the activity / inactivity with respect to NOx means having / not having an action of decomposing NOx into oxygen ions and nitrogen ions.
The spacers 142 and 144 are made of insulating alumina.
The porous protective layer 140 is made of an insulating ceramic.
[0044]
The heater 15 includes insulating heater substrates 151 and 152 and a heating element 150 provided therebetween. The heating element 150 generates heat when power is supplied from the outside.
The heater substrates 151 and 152 are made of alumina, and the heating element 150 is made of a noble metal such as platinum.
[0045]
A gas sensor 7 equipped with the gas sensor element 1 according to this example will be described.
As shown in FIG. 3, the gas sensor element 1 whose outer periphery is held by an insulating material is accommodated in the cylindrical housing 70 of the gas sensor 7.
The distal end of the gas sensor element 1 protrudes from the housing 70 and extends to the distal end side, and is accommodated in an exhaust cover 71 fixed to the distal end of the housing 70.
The exhaust cover 71 has a double structure of an inner cover 711 and an outer cover 712 made of stainless steel, and the exhaust gas, which is a gas to be measured, is taken into the exhaust cover 71 on the side walls and the bottom wall of both covers 711 and 712. Inlet ports 713 and 714 are respectively formed.
[0046]
An air cover 72 including a cylindrical main cover 721 and a sub cover 722 covering the base end side is fixed to the base end side of the housing 70.
The main cover 721 and the sub cover 722 have air introduction ports 723 and 724 at positions opposed to the side walls, respectively. The atmosphere as the reference gas is taken into the atmosphere cover 72 from both the atmosphere introduction ports 723 and 724.
[0047]
Further, a water-repellent filter 725 is installed between the main cover 721 and the sub-cover 722 at the position where the atmosphere introduction ports 723 and 724 are formed for waterproofing. The air cover 72 has an opening on the base end side, and a lead wire 73 connected to the base end portion of the gas sensor element 1 extends from the opening to the outside.
[0048]
The operation principle of the gas sensor element 1 of this example will be described.
The exhaust gas is introduced into the first chamber 11 through the porous protective layer 140 and the first diffusion resistance passage 110. The amount of exhaust gas introduced is determined by the total diffusion resistance of the porous protective layer 140 and the first diffusion resistance passage 110.
[0049]
In the first chamber 11, oxygen in the exhaust gas becomes oxygen ions by the pump cell 3 to which a voltage is applied. Through the pump cell 3, the oxygen ions move between the first chamber 11 and the outside of the gas sensor element 1.
As a result, oxygen pumping occurs in the first chamber 11.
[0050]
Further, the first monitor cell 5 is provided in the first chamber 11, and this monitor cell 5 functions as an oxygen concentration electromotive force type battery. The generated electromotive force can be measured by a voltmeter 551 of the monitor circuit 55. The electromotive force can be similarly measured in the second monitor cell 6 of the second chamber 12.
A signal corresponding to the difference between the two voltmeters 551 and 651 is conveyed to the pump circuit 35 through the feedback circuits 55 and 65.
As a result, the voltage of the power source 351 of the pump circuit 35 is appropriately changed, and the oxygen pumping amount of the pump cell 3 is controlled.
[0051]
The control of the oxygen pumping amount will be described in detail.
When the oxygen concentration in the gas to be measured is stable, the electromotive forces of the first monitor cell 5 and the second monitor cell 6 are the same or the difference between them is small.
At this time, in order to reduce an error due to the oxygen concentration distribution in the first and second chambers 11 and 12, the pump cell 3 is controlled based on the electromotive force generated in the second monitor cell 6 which can monitor the oxygen concentration in the vicinity of the sensor cell 2. .
[0052]
Further, when the oxygen concentration in the gas to be measured changes greatly, there is a large difference between the voltage of the first monitor cell 5 and the electromotive force of the second monitor cell 6.
When the oxygen concentration in the gas to be measured is gradually increasing, the electromotive force of the first monitor cell 5 is lower than that of the second monitor cell 6. When the oxygen concentration in the gas to be measured is gradually lower, the electromotive force of the first monitor cell 5 is higher than that of the second monitor cell 6.
[0053]
This is because a certain amount of time is required for the gas to be measured to pass through the second diffusion resistance passage 120, so that the change in the oxygen concentration in the gas to be measured is delayed from being reflected in the atmosphere in the second chamber 12. Because.
In such a state, the pump cell 3 is controlled based on the electromotive force generated in the first monitor cell 5 that can monitor the oxygen concentration in the first chamber 11 in order to reduce an error due to a decrease in responsiveness.
[0054]
In this control, the voltage applied to the pump cell 3 is controlled so that the values of the voltmeters 551 and 651 of the monitor circuits 55 and 65 are 300 to 500 mV. By doing so, the oxygen concentration in the first chamber 11 and the second chamber 12 can be reduced to 1 ppm or less, and the oxygen amount can be set so as not to hinder the NOx concentration measurement.
[0055]
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the NOx concentration in the gas to be measured according to this example, the applied voltage to the sensor cell, and the sensor cell current.
From this characteristic diagram, in this example, voltage A is always applied to the sensor cell 2, and when the current in the sensor circuit 25 is 0.2 μA, the NOx concentration is 0 ppm, when it is 2 μA, 1000 ppm, and when it is 3.8 μA, the current value. In order to give linearity to the relationship between the NOx concentration and NOx concentration, it can be seen that it is 2000 ppm.
[0056]
Next, the performance of the gas sensor element 1 according to this example and the gas sensor elements 901 and 902 according to comparative examples 1 and 2 are compared and evaluated.
As shown in FIG. 9, the gas sensor element 901 of Comparative Example 1 includes a pump cell 3 and a monitor cell 95 that face the first chamber 11, and a sensor cell 2 that faces the second chamber 12.
Further, as shown in FIG. 10, the gas sensor element 902 of Comparative Example 2 includes a pump cell 3 facing the first chamber 11, a monitor cell 95 facing the second chamber 12, and a sensor cell 2.
The detailed configuration is the same as in this example.
[0057]
(Performance evaluation 1, oxygen concentration dependence of NOx concentration detection)
Using the gas sensor element 1 according to the present example and the gas sensor elements 901 and 902 of Comparative Examples 1 and 2, the NOx concentration was measured by attaching to the gas sensor 7 according to FIG.
Gases to be measured are prepared as follows: (oxygen 1%, nitrogen 99%), (oxygen 5%, nitrogen 95%), (oxygen 20%, nitrogen 80%), and the NOx concentration for each gas to be measured The value of the ammeter 251 of the sensor circuit 25 when the value was changed from 0 to 1000 ppm was measured.
[0058]
(Performance evaluation 2, responsiveness)
In addition, each gas sensor element 1,901,902 attached to the gas sensor 7 was exposed to a gas to be measured that contained 1000 ppm NOx and 1% oxygen. Thereafter, the oxygen concentration was switched from 1% to 20%.
At this time, it was monitored how the applied voltage to the pump cell 3 fluctuated.
[0059]
The results of (Performance Evaluation 1) are shown in FIG. 5 and FIG.
As shown in the figure, in the gas sensor element 901 of the comparative example 1 in which the monitor cell 95 is provided in the first chamber 11, the value of the current flowing through the sensor cell 2 greatly changed according to the change in the oxygen concentration.
Further, in the gas sensor element 902 of the comparative example 2 in which the monitor cell 95 is provided in the second chamber 12 and the gas sensor element 1 of this example, the current value of the sensor cell 2 hardly changed even when the oxygen concentration fluctuated.
[0060]
The results of (Performance Evaluation 2) are shown in FIG. 6 and FIG.
As shown in the figure, in both the gas sensor element 901 of the comparative example 1 and the gas sensor element 1 of this example, the applied voltage to the pump cell 3 changes in about 60 milliseconds after the oxygen concentration is switched, and the control from the monitor cells 95 and 5 is controlled. It turns out that it was done quickly. However, in the gas sensor element 902 of Comparative Example 2, the applied voltage to the pump cell 3 did not change unless 150 msec had elapsed.
[0061]
Thus, it was found that the gas sensor element 1 according to this example can accurately detect the NOx concentration even when there is an oxygen concentration distribution, and is excellent in responsiveness.
Comparative Example 1 was excellent in responsiveness, but only an output depending on the oxygen concentration could be obtained. Comparative Example 2 was found to be able to accurately detect the NOx concentration but poor in responsiveness.
[0062]
The effect of this example will be described.
The gas sensor element of this example is provided with first and second monitor cells 5 and 6 in the first and second chambers 11 and 12, respectively, and the gas sensor element is selectively used when the oxygen concentration does not change so much and when it changes greatly.
For this reason, even when there is an oxygen concentration distribution, an accurate NOx concentration can be detected, and a NOx sensor element with excellent responsiveness can be obtained.
[0063]
As described above, according to this example, when detecting the specific gas concentration in the gas to be measured, the gas sensor can accurately detect the specific gas concentration even when the oxygen has a concentration distribution and has excellent responsiveness. An element can be provided.
In this example, the gas sensor element for measuring the NOx concentration has been described. However, if the electrode of the sensor cell is made of a material that can be decomposed into carbon and oxygen ions from CO, for example, a CO sensor element can be obtained. The same effect as this example can be obtained.
Other, CO₂, H₂The configuration of this example can be applied to gas sensor elements such as O and SOx.
[0064]
Embodiment 2
In this example, as shown in FIGS. 11 and 12, a gas sensor element having the same configuration as that of the first embodiment and a first monitor cell and a second monitor cell connected in parallel will be described.
In the gas sensor element 1 shown in FIG. 11, a first monitor cell 5 and a second monitor cell 6 are connected in parallel to a monitor circuit 59.
The monitor circuit 59 is provided with a voltmeter 591, and the voltmeter 591 measures the average electromotive force of both the monitor cells 5 and 6. Based on the value of the voltmeter 591, the voltage applied to the pump cell 3 is controlled through the feedback circuit 58.
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
[0065]
When the oxygen concentration in the gas to be measured is stable, the electromotive forces of the first monitor cell 5 and the second monitor cell 6 are substantially equal.
Further, when the oxygen concentration in the gas to be measured is changing, the value of the voltmeter 591 increases or decreases from the electromotive force at the time of stabilization. Accordingly, the value of the voltmeter 591 at the time of stabilization is measured in advance, and when this is used as a reference value, when the value of the voltmeter 591 changes from the reference value, the magnitude of the voltage applied to the pump cell is controlled.
Thus, according to this example, the pump cell 3 can be controlled based on the value of the voltmeter 591, so that the control mechanism can be simplified.
Further, the circuit configuration for realizing this control can be simplified.
In addition, it has the same effects as the first embodiment.
[0066]
In the gas sensor element shown in FIG. 12, the first monitor cell 5 and the second monitor cell 6 are integrally formed with the second diffusion resistance passage 120 interposed therebetween. In this case, it is easy to print the electrodes of the monitor cell, and the lead extraction for connecting the electrodes to the monitor circuit 59 is simplified, which is effective in manufacturing.
This also has the same configuration as that of the first embodiment and has the same effects as described above.
[0067]
Embodiment 3
As shown in FIGS. 13 to 15, the gas sensor element according to this example is provided with a monitor cell in the second chamber 12.
As shown in FIGS. 13 and 14, the gas sensor element 1 of the present example faces the first chamber 11, has a pump cell 3 capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage, and faces the second chamber 12. It has a monitor cell 500, has a sensor cell 2 that can face the second chamber 12 and obtain a value corresponding to the NOx gas concentration in the gas to be measured by applying a predetermined voltage.
The magnitude of the applied voltage to the pump cell 3 is controlled from the value of the limit current obtained by applying a voltage to the monitor cell 500.
[0068]
The monitor cell 500 includes a pair of electrodes 501 and 502 provided on the second solid electrolyte body 143 facing the second chamber 12, and is connected to a monitor circuit 550 to which an ammeter 555 and a power source 556 are connected.
A feedback circuit 560 is connected from the ammeter 555 of the monitor circuit 550 to the power supply 351 of the pump circuit 35.
The pump cell 3, the sensor cell 2, and other configurations are the same as those in the first embodiment.
[0069]
When a voltage is applied to the monitor cell 500, the magnitude of the current does not change even if the voltage increases in a specific voltage range. This is the limit current value. The oxygen concentration in the second chamber 12 is known from the limit current value, and the voltage applied to the pump cell is controlled based on this.
Thus, since the pump cell 3 can be controlled by the oxygen concentration in the vicinity of the sensor cell 2, the NOx concentration can be accurately detected even when there is an oxygen concentration distribution.
[0070]
Further, since a voltage is applied to the monitor cell 500, oxygen in the second chamber 12 can be pumped.
For this reason, even if the oxygen concentration in the gas to be measured changes greatly and the pump cell 3 cannot keep the oxygen concentration in the first chamber 11 constant due to a delay in control, the pumping action in the monitor cell 500 is equalized even if the pump cell 3 cannot keep the oxygen concentration in the first chamber 11 constant. Therefore, problems due to delay in response are unlikely to occur.
[0071]
For this reason, when the gas sensor element according to this example is used, it is possible to accurately detect the specific gas concentration both when the oxygen concentration is stable and when it is not.
[0072]
Further, since the gas sensor element 1 according to this example measures the limit current of the monitor cell 500 and uses it for controlling the pumping cell 3, an error generated from the offset current is reduced, so that high detection accuracy can be obtained. .
[0073]
The performance of the gas sensor element 1 of this example is evaluated in the same manner as in the first embodiment.
The measurement results for the same performance evaluation example 1 (performance evaluation 1, oxygen concentration dependency of NOx concentration detection) are shown in FIG.
As can be seen from the figure, it was found that the gas sensor element 1 according to this example can accurately detect the NOx concentration even when there is an oxygen concentration distribution.
Furthermore, the same results as in the first embodiment (performance evaluation 2, responsiveness) were measured, and the same results as in FIG. 5 according to the first embodiment were obtained.
Thus, it was found that the gas sensor element of this example was excellent in responsiveness.
[0074]
Embodiment 4
In this example, a gas sensor element 1 in which first and second pump cells 3 and 4 are provided in first and second chambers 11 and 12, respectively, will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 16 and 17, the gas sensor element 1 of the present example includes a first pump cell 3 facing the first chamber 11 and a second pump cell 4 facing the second chamber 12. In addition, the sensor cell 2 and the monitor cell 6 facing the second chamber 12 are provided.
The first pump cell 3 is configured to be able to control the magnitude of the voltage applied to itself by using a pump current generated in itself corresponding to oxygen pumping.
Further, the magnitude of the applied voltage of the second pump cell 4 is controlled from the electromotive force of the monitor cell 6 provided in the second chamber 12.
[0075]
The first pump cell 3 includes a pair of electrodes 31 and 32 provided on the first solid electrolyte body 141 facing the first chamber 11, and is connected to a pump circuit 35 to which an ammeter 352 and a power source 351 are connected. . In addition, a feedback circuit 353 from the ammeter 352 to the power source 351 is provided.
The second pump cell 4 includes a pair of electrodes 41 and 42 provided on the first solid electrolyte body 141 facing the second chamber 12, and is connected to a pump circuit 45 connected to a power source 451.
[0076]
The monitor cell 6 includes a pair of electrodes 61 and 62 provided on the solid electrolyte body 143 facing the second chamber 12, and is connected to a monitor circuit 65 to which a voltmeter 651 is connected. Further, a feedback circuit 66 from the monitor circuit 65 is connected to the pump circuit 45.
Other configurations are the same as those in the first embodiment.
[0077]
As shown in FIG. 18, there is a specific voltage range in which the magnitude of the current flowing through the first pump cell 3 does not change even when the applied voltage is increased. The value of the constant current and the limit current value are the oxygen concentration. Depends on.
For this reason, the oxygen concentration in the first chamber 11 can be kept constant by changing the voltage applied to the first pump cell 3 corresponding to the pump current.
In this example, since the two first and second pump cells 3 and 4 are individually pumped in the first and second chambers 11 and 12, the oxygen concentration in the first and second chambers 11 and 12 is easily reduced to a low concentration. Can be kept in. Even in the case where the oxygen concentration varies greatly, similarly, since the pumping is performed individually in the first and second chambers, delay in response hardly occurs.
[0078]
As described above, according to this example, in detecting the NOx concentration in the gas to be measured, a gas sensor element that can accurately detect the NOx concentration even when the oxygen has a concentration distribution and has excellent responsiveness is provided. be able to.
[0079]
The performance of the gas sensor element of this example is evaluated in the same manner as in the first embodiment.
As a result of measuring the same (performance evaluation 1, oxygen concentration dependency of NOx concentration detection) as in the first embodiment, the same result as in FIG. 5 of the first embodiment was obtained.
Furthermore, when the same measurement (performance evaluation 2, responsiveness) as in the first embodiment was measured, the same result as in FIG. 6 according to the first embodiment was obtained.
Thus, it was found that the gas sensor element of this example can obtain an accurate NOx concentration that does not depend on the oxygen concentration, and further has excellent responsiveness.
[0080]
Further, as a different example of the gas sensor element 1 according to the present example, there is the one shown in FIG. As in the first pump cell 3, the second pump cell 4 is configured to control the magnitude of the applied voltage in accordance with the magnitude of the pump current. The second pump cell 4 has an ammeter 452 and a power source 451. And a feedback circuit connected to a power source 451 from an ammeter 452.
The same effect as described above can be obtained for this.
[0081]
As another example of the gas sensor element according to this example, the second pump cell voltage may be controlled according to the magnitude of the limit current when a voltage is applied to the monitor cell. , Effects similar to those described above can be obtained.
[0082]
Note that gas sensor elements 903 and 904 according to FIGS. 20 and 21 are known as conventional products, both of which are provided with pump cells 3 and 4 in the first and second chambers 11 and 12, respectively. On the other hand, monitor cells 5 and 6 are provided, and the applied voltage to each pump cell 3 and 4 is controlled in accordance with the oxygen concentration in each chamber 11 and 12.
In this case as well, it is possible to obtain the same level of performance as this example, but it is difficult to manufacture because the number of cells is large and the electrode configuration is complicated. In addition, the circuit configuration related to the control of the pump cells 4 and 5 is likely to be complicated, and there is a problem that the durability is inferior.
[0083]
Embodiment 5
This example is a gas sensor element having the same configuration as that of FIG.
As shown in FIG. 22, the pumping of oxygen in the first pump cell 3 can control the magnitude of the voltage applied to itself by using the pump current generated in response to the pumping of oxygen as in the fourth embodiment. It is configured.
For the oxygen pumping of the first pump cell 3, a separate monitor cell is provided in the first chamber 11 between the first chamber 11 and the reference gas chamber 13, so that the electromotive force generated in the monitor cell is constant (or A method of controlling the magnitude of the voltage applied to the first pump cell 3 may be used so that a voltage is applied to the monitor cell and the obtained current value becomes constant.
[0084]
Similarly to the control of the first pump cell 3 in the third embodiment, the oxygen pumping of the second pump cell 4 is performed so that the current value obtained by applying a voltage to the monitor cell 6 provided in the second chamber 12 becomes a constant value. The voltage applied to the second pump cell 4 is controlled.
This control is realized by connecting a monitor circuit 65 having an ammeter 652 and a power source 653 to the monitor cell 6 and a feedback circuit 66 connected from the ammeter 652 to the power source 451 of the pump circuit 45 as shown in FIG. The
[0085]
If the gas sensor element 1 of this example is used, the dependency of the offset of the sensor cell current on the oxygen concentration can be reduced when detecting the NOx concentration in the gas to be measured for the same reason as in the third embodiment. Responsiveness delay is unlikely to occur for the same reason as the fourth embodiment.
[0086]
The performance of the gas sensor element 1 of this example is evaluated in the same manner as in the first embodiment.
As a result of measuring (performance evaluation 1, oxygen concentration dependence of NOx concentration detection) in FIG. 6 of the first embodiment, the same result as in FIG. 5 of the first embodiment was obtained.
Furthermore, as a result of measuring the same (performance evaluation 2, responsiveness) as in the first embodiment, the same result as in FIG. 6 of the first embodiment was obtained.
Thus, it was found that the gas sensor element of this example can obtain an accurate NOx concentration with little oxygen dependence, and further has excellent responsiveness.
[0087]
Embodiment 6
As shown in FIG. 23, this example has a first pump cell 3 facing the first chamber 11 and a monitor cell 5, a second pump cell 4 facing the second chamber 12, and a sensor cell 2. The applied voltage to the first pump cell 3 is The gas sensor element 1 is controlled by the limit current value flowing through the monitor cell 5 and the voltage applied to the second pump cell 4 is controlled based on the pump current flowing through the second pump cell 4 itself.
[0088]
If the gas sensor element 1 of this example is used, in detecting the NOx concentration in the gas to be measured for the same reason as the fifth embodiment, the dependence of the sensor cell current offset on the oxygen concentration can be reduced, and the response delay is reduced. Also difficult to occur.
[0089]
In the gas sensor element 1 shown in FIG. 23, since the oxygen concentration in the second chamber 12 is low and substantially constant, the voltage of the second pump cell 4 may be constant.
The voltage applied to the second pump cell 4 may be controlled by an electromotive force generated in the monitor cell provided in the second chamber 12 between the second chamber 12 and the reference gas chamber 13.
Further, the voltage applied to the first pump cell 3 may be controlled by the electromotive force of the monitor cell 5.
[0090]
Further, there is a gas sensor element having the structure shown in FIG.
As shown in FIG. 24, the gas sensor element 1 of this example includes the first pump cell 3 and the first monitor cell 5 facing the first chamber 11, the second pump cell 4 and the second monitor cell 6 and sensor cell 2 facing the second chamber 12. Have Reference numerals 550 and 650 are monitor circuits connected to the monitor cells 5 and 6, reference numerals 555 and 655 are ammeters, and reference numerals 556 and 656 are power supplies.
[0091]
In the gas sensor element 1 of this example, the voltage applied to the first pump cell 3 is controlled by the limit current flowing through the first monitor cell 5, and the voltage applied to the second pump cell 4 is controlled by the limit current flowing through the second monitor cell 6. .
Also in the gas sensor element 1 having such a configuration, the dependency of the offset of the sensor cell current on the oxygen concentration can be reduced when detecting the NOx concentration in the gas to be measured for the same reason as in the fifth embodiment. , Delay in response is unlikely to occur.
[0092]
Embodiment 7
This example is a gas sensor element having the same configuration as that of FIG. 16 of the fourth embodiment. However, as shown in FIG. 25, the pump cell 3 is provided between the first chamber 11 and the reference gas chamber 13. .
In this case, oxygen pumping of the first chamber 11 is performed with the reference gas chamber 13.
Since the atmosphere is used as the reference gas, the NOx concentration can be accurately measured even when the exhaust gas is tilted to the rich side when measuring the exhaust gas of the automobile engine.
In addition, the same effects as those of the fourth embodiment are obtained.
In all of Embodiments 5, 6, and 7, when the oxygen pumping is performed between the reference gas chamber and the exhaust gas is inclined to the rich side, the NOx concentration can be accurately measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element according to Embodiment 1;
2 is an exploded perspective view of the gas sensor element according to FIG. 1 in Embodiment 1. FIG.
FIG. 3 is a longitudinal cross-sectional explanatory view of a gas sensor in which a gas sensor element is assembled in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between NOx concentration and oxygen ion current derived from NOx in Embodiment 1;
5 is a diagram showing the relationship between the NOx concentration, the oxygen concentration, and the current value flowing through the sensor cell of the present example and comparative example 2 in Embodiment 1. FIG.
6 is a diagram showing the change over time of the pump cell applied voltage after the oxygen concentration switching in the present example and comparative example 1 in Embodiment 1. FIG.
7 is a diagram showing the relationship between the NOx concentration, the oxygen concentration, and the current value flowing through the sensor cell of Comparative Example 1 in Embodiment 1. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing the change over time of the pump cell applied voltage after switching the oxygen concentration in Comparative Example 2 in Embodiment 1;
9 is a cross-sectional explanatory view of Comparative Example 1 in Embodiment Example 1. FIG.
10 is a cross-sectional explanatory diagram of a comparative example 2 in the embodiment example 1. FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element in which first and second sensor cells are connected in parallel in the second embodiment.
12 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element in which the first and second sensor cells are integrated in Embodiment 2. FIG.
13 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element in which a sensor cell is provided only in the second chamber in Embodiment 3. FIG.
14 is a perspective development view of the gas sensor element according to FIG. 13 in Embodiment 3. FIG.
15 is a diagram showing the relationship between NOx concentration and oxygen ion current derived from NOx in Embodiment 3. FIG.
FIG. 16 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element having two pump cells in the fourth embodiment.
17 is a perspective development view of the gas sensor element according to FIG. 16 in Embodiment 4. FIG.
FIG. 18 is a diagram showing characteristics of an applied voltage and a pump current for a pump cell in the fourth embodiment.
FIG. 19 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element having two pump cells and no monitor cell in the fourth embodiment.
FIG. 20 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element having two pump cells according to the related art.
FIG. 21 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element having two pump cells according to the related art.
22 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element in which a pump cell is provided between a first chamber and a reference gas in Embodiment 5. FIG.
FIG. 23 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element provided with two pump cells facing the first and second chambers and a monitor cell facing the first chamber in Embodiment 6.
24 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element provided with two pump cells and two monitor cells facing the first and second chambers in Embodiment 6. FIG.
25 is a cross-sectional explanatory view of a gas sensor element in which a pump cell is provided between a first chamber and a reference gas chamber in Embodiment 7. FIG.
[Explanation of symbols]
1. . . Gas sensor element,
11. . . The first chamber,
110. . . A first diffusion resistance passage,
12 . . A second chamber,
120. . . A second diffusion resistance passage,
2. . . Sensor cell,
3,4. . . Pump cell,
5,6. . . Monitor cell,

Claims

The first chamber has a first chamber and a second chamber into which a gas to be measured is introduced, and the first chamber communicates with the outside of the gas sensor element by a first diffusion resistance passage, and the second chamber has a second diffusion with the first chamber. Communicated by a resistance passage,
A pump cell facing the first chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage;
The first and second monitor cells face the first and second chambers respectively, and can obtain electromotive forces corresponding to oxygen concentrations in the chambers, respectively.
A gas sensor element having a sensor cell facing the second chamber and applying a predetermined voltage to obtain a current corresponding to a specific gas concentration in the gas to be measured,
When the electromotive forces of the first monitor cell and the second monitor cell are the same or the difference between them is small, the magnitude of the voltage applied to the pump cell is controlled based on the electromotive force generated in the second monitor cell. ,
When there is a difference in electromotive force between the first monitor cell and the second monitor cell, the magnitude of the voltage applied to the pump cell is controlled based on the electromotive force generated in the first monitor cell . The gas sensor element characterized by the above-mentioned.

2. The gas sensor element according to claim 1, wherein the first monitor cell and the second monitor cell are connected in parallel.

The first chamber has a first chamber and a second chamber into which a gas to be measured is introduced, and the first chamber communicates with the outside of the gas sensor element by a first diffusion resistance passage, and the second chamber has a second diffusion with the first chamber. Communicated by a resistance passage,
It has a first pump cell facing the first chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage.
A second pump cell facing the second chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage;
A gas sensor element having a sensor cell facing the second chamber and applying a predetermined voltage to obtain a current corresponding to a specific gas concentration in the gas to be measured,
In the first chamber and the second chamber, the oxygen concentration is controlled in two stages by the first pump cell and the second pump cell,
At least one of the first and second pump cells is configured to be able to control the magnitude of the voltage applied to itself by using a pump current generated in response to pumping of oxygen. .

The first chamber has a first chamber and a second chamber into which a gas to be measured is introduced, and the first chamber communicates with the outside of the gas sensor element by a first diffusion resistance passage, and the second chamber has a second diffusion with the first chamber. Communicated by a resistance passage,
A monitor cell facing at least one chamber of the first or second chamber;
It has a first pump cell facing the first chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage.
A second pump cell facing the second chamber and capable of pumping oxygen corresponding to the applied voltage;
A gas sensor element having a sensor cell facing the second chamber and applying a predetermined voltage to obtain a current corresponding to a specific gas concentration in the gas to be measured,
In the first chamber and the second chamber, the oxygen concentration is controlled in two stages by the first pump cell and the second pump cell,
The gas sensor element, wherein at least one pump cell is configured to be able to control the magnitude of an applied voltage to the pump cell from a value of a limit current obtained by applying a voltage to the monitor cell .

5. The gas sensor element according to claim 1, wherein each pump cell is disposed so as to face the reference gas chamber .