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公開番号2024105088
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-06
出願番号2023009647
出願日2023-01-25
発明の名称センサ素子
出願人日本碍子株式会社
代理人個人,個人
主分類G01N 27/416 20060101AFI20240730BHJP(測定;試験)
要約【課題】ガスセンサの長期間の使用による測定対象ガスの検出精度の低下を抑制できるセンサ素子を提供する。
【解決手段】長尺板状の基体部102の内部に形成された内部空所20と、基体部102の長手方向の一方の端部と内部空所20とを連通させる拡散律速通路13と、内部空所20内に配設された空所内ポンプ電極22を含む酸素ポンプセル21と、を含み、基体部102の幅方向において、拡散律速通路13の内部空所20への開口の幅方向の長さが、内部空所20の幅方向の長さに対して1/2以下であり、前記長手方向と前記幅方向とを含む平面に見て、拡散律速通路13の前記開口と、前記幅方向の各位置における空所内ポンプ電極22の前記長手方向の前記一方の端部に近い側の電極一方端との間の最短距離について、前記最短距離のうちの最小値の最大値に対する比が、0.5以上1以下である、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するセンサ素子101。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の内部に形成された内部空所と、
前記基体部の長手方向の一方の端部と前記内部空所とを連通させて、被測定ガスを前記内部空所内に導入する拡散律速通路と、
前記内部空所内に配設された空所内ポンプ電極、及び、前記内部空所とは異なる位置に配設され、前記空所内ポンプ電極と対応している空所外ポンプ電極を含む酸素ポンプセルと、
を含み、
前記長手方向と直交する前記基体部の幅方向において、前記拡散律速通路の前記内部空所への開口の前記幅方向の長さが、前記内部空所の前記幅方向の長さに対して１／２以下であり、
前記長手方向と前記幅方向とを含む平面に見て、前記空所内ポンプ電極は、前記幅方向の各位置について、それぞれ、前記基体部の前記長手方向の前記一方の端部に近い側の電極一方端から前記長手方向の電極他方端に向かって所定の長さを有し、
前記拡散律速通路の前記開口と、前記幅方向の各位置における前記空所内ポンプ電極の前記電極一方端との間の最短距離について、前記最短距離のうちの最小値の最大値に対する比が、０．５以上１以下である、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するセンサ素子。
続きを表示（約 510 文字）【請求項２】
前記最短距離のうちの前記最小値の前記最大値に対する前記比が、０．７以上１以下である請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記長手方向と前記幅方向とを含む平面に見て、前記空所内ポンプ電極は、前記基体部の前記長手方向の前記一方の端部に近い側の前記電極一方端において、凹状の形状である、請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記長手方向と前記幅方向とを含む平面に見て、前記空所内ポンプ電極は、前記基体部の前記長手方向の前記一方の端部に近い側の前記電極一方端において、凹状の円弧形状である、請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項５】
前記長手方向と前記幅方向とを含む平面に見て、前記空所内ポンプ電極は、前記基体部の前記長手方向の前記一方の端部に近い側の前記電極一方端において、前記拡散律速通路の前記開口と、前記幅方向の各位置における前記空所内ポンプ電極の前記電極一方端との間の最短距離が等しい形状である、請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項６】
請求項１に記載のセンサ素子を含む、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いたセンサ素子に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、自動車の排気ガス等の被測定ガス中の対象とするガス成分（酸素Ｏ
２
、窒素酸化物ＮＯｘ、アンモニアＮＨ
３
、炭化水素ＨＣ、二酸化炭素ＣＯ
２
等）の検出や濃度の測定に使用されている。例えば、自動車の排気ガス中の対象とするガス成分濃度を測定し、その測定値に基づいて自動車に搭載されている排気ガス浄化システムを最適に制御することが行われている。
【０００３】
このようなガスセンサとしては、ジルコニア（ＺｒＯ
２
）等の酸素イオン伝導性の固体電解質を用いたセンサ素子を備えたガスセンサが知られている（例えば、特開２０２１－１５６６１１号公報、特開２０２２－０５９９４１号公報）。
【０００４】
例えば、特開２０２１－１５６６１１号公報には、内側ポンプ電極を含む主ポンプセルと、測定電極を含む測定ポンプセルを有するセンサ素子を備えたＮＯｘセンサが開示されている。前記センサ素子において、主ポンプセルを構成する内側ポンプ電極でＮＯｘが分解されないように、内側ポンプ電極の金属材料として、Ａｕが添加されたＰｔを用いることが開示されている。なお、前記内側ポンプ電極は矩形状であり、センサ素子の内部に形成された内部空所に面して設けられていることが開示されている。
【０００５】
また、特開２０２２－０５９９４１号公報には、ガス導入口と内部空所を連通させる拡散律速部が形成されたセンサ素子が開示されており、センサ素子が、平面視において、長辺及び短辺を有し、前記拡散律速部が長辺方向に延びる孔を含むことが開示されている。前記孔の短辺方向の長さは、内部空所の短辺方向の長さよりも短いことが開示されており、この孔の形状によってセンサ素子の剛性を高めることができ、クラックが発生する可能性が低減されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２１－１５６６１１号公報
特開２０２２－０５９９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＮＯｘセンサ等のガスセンサに含まれるセンサ素子は、固体電解質を活性化させるために、高温（例えば、８００℃程度）に加熱された状態で使用される。この状態で、長期間にわたって高酸素濃度の被測定ガスに晒されると、センサ素子の内部空所内に配設された空所内ポンプ電極（内側ポンプ電極）に含まれるＰｔが酸化し、ＰｔやＡｕが蒸発することがある。空所内ポンプ電極からＡｕが蒸発すると、空所内ポンプ電極においてＮＯｘの分解が起こり、測定電極に到達するＮＯｘが減少してしまうことがある。また、空所内ポンプ電極から蒸発したＡｕが測定電極に付着することにより、測定電極におけるＮＯｘ分解活性が低下してしまうことがある。その結果、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する恐れがある。
【０００８】
例えば、特開２０２１－１５６６１１号公報には、主ポンプセルを流れる電流の電流密度が０．４ｍＡ／ｍｍ
２
以下であれば、主ポンプセルにおけるＮＯｘの分解が好適に抑制されることが開示されている（請求項３）。ただし、特開２０２１－１５６６１１号公報において、電流密度は、内側主ポンプ電極の平均的な電流密度を表したものである。
【０００９】
一方、上述のように、特開２０２２－０５９９４１号公報には、前記拡散律速部が長辺方向に延びる孔であって、前記孔の短辺方向の長さが内部空所の短辺方向の長さよりも短い孔を含むことにより、センサ素子の剛性を高めることができ、クラックが発生する可能性が低減されることが開示されている。
【００１０】
このような剛性を高めたセンサ素子においても、主ポンプセルにおけるＮＯｘの分解を十分に抑制し、長期間にわたって高い検出精度を維持することが求められる。
（【００１１】以降は省略されています）

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