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公開番号2024109302
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-14
出願番号2023014017
出願日2023-02-01
発明の名称ガスセンサ
出願人日本碍子株式会社
代理人個人,個人
主分類G01N 27/416 20060101AFI20240806BHJP(測定;試験)
要約【課題】被測定ガス中の複数の測定対象ガスを測定可能なガスセンサを提供する。
【解決手段】センサ素子101と、センサ素子101を制御する制御装置90とを含み、センサ素子101は、イオン伝導性の第1の固体電解質61と、第1の固体電解質61とは異なるイオン種を伝導させる第2の固体電解質62とを含む固体電解質層6を備える、長尺板状の基体部102と、被測定ガス流通空所15内の、第1の固体電解質61上に配設された空所内第1電極22、及び、空所外第1電極23を含む、第1ポンプセル21と、被測定ガス流通空所15内の、第2の固体電解質62上に配設された空所内第2電極32、及び、空所外第2電極33を含む、第2ポンプセル31と、を含み、制御装置90は、第1ポンプセル21及び第2ポンプセル31の動作を制御するポンプ制御部92を含む、ガスセンサ。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサであって、
前記センサ素子は、
イオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１の固体電解質とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質とを含む固体電解質層を備える、長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成され、前記第１の固体電解質及び前記第２の固体電解質が内表面に存在している被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第１電極と前記第１の固体電解質を介して接するように配設された空所外第１電極を含む、第１ポンプセルと、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第２電極と前記第２の固体電解質を介して接するように配設された空所外第２電極を含む、第２ポンプセルと、
を含み、
前記制御装置は、
前記第１ポンプセル及び前記第２ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流し、
前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極と前記空所外第２電極との間に所定の電圧を印加して、前記第２ポンプセルに第２電流を流す、ガスセンサ。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記固体電解質層において、前記長手方向と前記長手方向に直交する前記基体部の幅方向とを含む平面に見て、前記第１の固体電解質の領域と、前記第２の固体電解質の領域とが接している、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記固体電解質層において、前記長手方向と前記幅方向を含む平面に見て、前記第２の固体電解質の前記領域が、前記第１の固体電解質の前記領域に囲まれている、請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記センサ素子は、さらに、
前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内第１電極及び前記空所内第２電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置の第３の固体電解質上に配設された空所内第３電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第３電極と前記第３の固体電解質を介して接するように配設された空所外第３電極を含む、第３ポンプセルを含み、
前記ポンプ制御部は、さらに、
前記第３ポンプセルの前記空所内第３電極と前記空所外第３電極との間に所定の電圧を印加して、前記第３ポンプセルに第３電流を流す、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記第３の固体電解質は、前記第１の固体電解質と同じ固体電解質である、請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記センサ素子は、
前記基体部の内部に、基準ガスと接するように配設された基準電極を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記基準電極と前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極との間の起電力に基づいて、前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流す、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極とが一体化された電極として形成されているか、又は、
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが一体化された電極として形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極とが、導電体で連結されることにより電気的に一体化された電極として形成されているか、又は、
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、導電体で連結されることにより電気的に一体化された電極として形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極とが、各電極の少なくとも一部が互いに重なり合うことにより電気的に一体化された電極として形成されているか、又は、
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、各電極の少なくとも一部が互いに重なり合うことにより電気的に一体化された電極として形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導性の固体電解質を用いたセンサ素子を含むガスセンサに関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジン等の内燃機関の燃焼制御や排気ガス制御、環境制御、医療、バイオテクノロジー、農工業等の種々の分野において、被測定ガス中の対象とするガス成分（酸素Ｏ
２
、水蒸気Ｈ
２
Ｏ、二酸化炭素ＣＯ
２
、窒素酸化物ＮＯｘ、アンモニアＮＨ
３
、炭化水素ＨＣ等）の濃度を測定することが求められる。
【０００３】
濃度の測定には、種々の測定機器が用いられるが、その一例として、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、限界電流方式のガスセンサが知られている（例えば、特許第３０５０７８１号公報）。
【０００４】
また、例えば、特開２０１８－１４６３４６号公報には、プロトン導電性固体電解質を用いた、アンモニアセンサが開示されている。
【０００５】
特開２０２０－０６７４３２号公報には、センサ素子と制御ユニットを備える二酸化炭素検出装置が開示されている。センサ素子の実施形態の１つとして、酸素イオンを伝導させるイオン伝導体、水素プロトンを伝導させるプロトン伝導体、及び、前記イオン伝導体と前記プロトン伝導体との間に形成されたガス室を含むセンサ素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特許第３０５０７８１号公報
特開２０１８－１４６３４６号公報
特開２０２０－０６７４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のガスセンサにおいては、通常、１種類の固体電解質（例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質）が用いられることが多い。このようなガスセンサにおいては、複数のガス種について、同時に濃度を検出することが困難である。例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いたガスセンサにおいて、被測定ガス中の酸素濃度と水蒸気濃度とを同時に測定しようとする場合、固体電解質には、酸素ガス由来の酸素イオンと水蒸気由来の酸素イオンとを同時に伝導させることになる。しかしながら、固体電解質内を移動する酸素イオンのそれぞれが、酸素ガス由来であるか水蒸気由来であるかを直接的に判別することは困難である。従って、酸素イオン伝導の総量は、通常、電流値として検出されるが、検出された電流値を正確に酸素ガス由来の電流と水蒸気由来の電流とに切り分けることは困難である。そのため、１種類の固体電解質を用いて、複数のガス種について、同時に濃度を検出することは困難である。
【０００８】
被測定ガス中の複数のガス種を同時に測定したい場合には、ガス種毎に個別のガスセンサを用いることも考えられる。しかしながら、ガスセンサの設置可能位置やコスト等の観点から、複数のガス種を測定可能なガスセンサが求められる。
【０００９】
そこで、本発明は、被測定ガス中の複数の測定対象ガスを測定可能なガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、鋭意検討の結果、ガスセンサに複数の固体電解質を含む固体電解質層を備えることにより、被測定ガス中の複数の測定対象ガスを同時に、あるいは並行して、精度よく測定できることを見出した。
（【００１１】以降は省略されています）

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