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公開番号2025155793
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-14
出願番号2024226355
出願日2024-12-23
発明の名称センサ素子及びガスセンサ
出願人日本碍子株式会社
代理人個人,個人
主分類G01N 27/416 20060101AFI20251002BHJP(測定;試験)
要約【課題】センサ素子の温度が変化した場合であっても、高い測定精度を維持できるセンサ素子を提供する。
【解決手段】酸素イオン伝導性の固体電解質層1,2,3,4,5,6を含む長尺板状の基体部102と、ガス導入口10と第1拡散律速通路11を介して連通する第1内部空所20とを有する被測定ガス流通空所15と、第1内部空所20内に配設された空所内酸素ポンプ電極22と、空所内酸素ポンプ電極22と対応している空所外酸素ポンプ電極23とを含む酸素ポンプセル21と、を含み、空所内酸素ポンプ電極22と空所外酸素ポンプ電極23との間のインピーダンスに関して、周波数1Hzにおけるインピーダンスの実部(1Hzにおける抵抗値R1)の周波数0.1Hzにおけるインピーダンスの実部(0.1Hzにおける抵抗値R0)に対する比R1/R0が93%以下である、センサ素子及びガスセンサ。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
被測定ガス中の測定対象ガスを検出するセンサ素子であって、
前記センサ素子は、
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、
前記基体部の表面に開口するガス導入口と、前記ガス導入口と第１拡散律速通路を介して連通する第１内部空所とを有する被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所の前記第１内部空所内に配設された空所内酸素ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内酸素ポンプ電極と対応している空所外酸素ポンプ電極とを含む酸素ポンプセルと、
を含み、
前記酸素ポンプセルの前記空所内酸素ポンプ電極と前記空所外酸素ポンプ電極との間のインピーダンスに関して、周波数１Ｈｚにおけるインピーダンスの実部を１Ｈｚにおける抵抗値Ｒ１と表し、周波数０．１Ｈｚにおけるインピーダンスの実部を０．１Ｈｚにおける抵抗値Ｒ０と表した時、前記１Ｈｚにおける抵抗値Ｒ１の前記０．１Ｈｚにおける抵抗値Ｒ０に対する比Ｒ１／Ｒ０が９３％以下である、センサ素子。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記酸素ポンプセルの前記空所内酸素ポンプ電極と前記空所外酸素ポンプ電極との間の前記０．１Ｈｚにおける抵抗値Ｒ０は、前記酸素ポンプセルの温度低下１℃当たりの抵抗増加が、１Ω／℃未満である、請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記空所内酸素ポンプ電極及び前記空所外酸素ポンプ電極の少なくとも一方の電極において、厚みが４μｍ以上４０μｍ以下である、請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記空所内酸素ポンプ電極及び前記空所外酸素ポンプ電極の少なくとも一方の電極は、金属と酸素イオン伝導性の固体電解質とのサーメット電極であり、
前記少なくとも一方の電極の表面をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により測定した時に得られるスペクトルにおいて、ケイ素のピーク強度のジルコニウムのピーク強度に対するピーク強度比が２０以下である、請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項５】
酸素濃度２０．５％の被測定ガスが前記第１内部空所内に導入された場合において、前記酸素ポンプセルにより前記第１内部空所内の酸素を汲み出す時に、前記酸素ポンプセルに流れるポンプ電流の電流値が０．５ｍＡ以上４．０ｍＡ以下である、請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項６】
前記第１内部空所とは第２拡散律速通路を介して連通する第２内部空所と、
前記被測定ガス流通空所の前記第２内部空所内に配設された空所内補助ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内補助ポンプ電極と対応している空所外補助ポンプ電極とを含む補助ポンプセルと、
前記被測定ガス流通空所の前記第２内部空所内の前記空所内補助ポンプ電極よりも前記第２拡散律速通路から遠い位置、又は、前記第２内部空所とは第３拡散律速通路を介して連通する前記第３内部空所内に配設された空所内測定電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内測定電極と対応している空所外測定電極とを含む測定用ポンプセルと、
前記基体部の内部に、前記被測定ガス流通空所とは離隔して形成された基準ガス室と、
前記基準ガス室内に配設された基準電極と、
を、さらに含む、請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項７】
請求項１に記載のセンサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置を含み、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するセンサ素子及びガスセンサに関する。
続きを表示（約 2,000 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。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、特許第６６７８１３４号公報、特開２０２０－１６５９６６号公報、及び特許第６９３４８２８号公報）。
【０００３】
例えば、特許第６６７８１３４号公報には、固体電解質体と、前記固体電解質体の一方面に設けられた第１の電極膜と、前記固体電解質体の他方面に設けられた第２の電極膜とを有するガスセンサ素子が開示されている。前記ガスセンサ素子の前記電極膜の少なくとも一方において、電極膜内部全体の静電容量、及び、電極膜断面当たりの貴金属粒子と固体電解質粒子とによる二層界面の総長さの電極膜断面当たりの固体電解質粒子の総周長に対する比を、所定の範囲にすることにより、ガス切り替わり時のガスセンサの応答性を向上させることができることが開示されている。
【０００４】
例えば、特開２０２０－１６５９６６号公報には、基準電極と、基準ガスを導入して前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部とを有するセンサ素子を備えるガスセンサが開示されている。前記ガスセンサにおいて、前記基準電極の反応抵抗Ｒ１と前記基準ガス導入部の拡散抵抗Ｒ２との比Ｒ１／Ｒ２を所定の範囲にすることにより、基準電極の周囲の酸素濃度変化に起因する特定ガス濃度の検出精度低下を抑制することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許第６６７８１３４号公報
特開２０２０－１６５９６６号公報
特許第６９３４８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガスセンサが測定対象ガスの測定を行う際には、通常、センサ素子が高温（例えば、８００℃程度）に保たれ、センサ素子を構成する固体電解質が酸素イオン伝導性を発現するようになされている。しかしながら、例えば、被測定ガスの流速が速い等の外部環境により、ガスセンサのセンサ素子が冷やされて、一時的に通常の駆動温度よりも低い温度になることが起こり得る。また、ガスセンサが自動車の排気経路上に取り付けられている場合などには、自動車の振動の影響より、ガスセンサの内部の電気的な接続部の抵抗が増加し（接点不良）、センサ素子の温度制御が変動してセンサ素子の温度が変化することも起こり得る。
【０００７】
このようなセンサ素子の温度変化が起こった場合に、測定対象ガスの測定精度が低下することは好ましくない。
【０００８】
そこで、本発明は、何らかの要因でセンサ素子の温度が変化した場合であっても、高い測定精度を維持できる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】
【０００９】
本発明者らは、鋭意検討し、ガスセンサにおいて、被測定ガス中の酸素のポンピングを行う酸素ポンプセルの抵抗値を所定の範囲として、前記抵抗値の温度依存性を低減することにより、高い測定精度を維持できることを見出した。本発明には、以下の発明が含まれる。
【００１０】
（１）被測定ガス中の測定対象ガスを検出するセンサ素子であって、
前記センサ素子は、
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、
前記基体部の表面に開口するガス導入口と、前記ガス導入口と第１拡散律速通路を介して連通する第１内部空所とを有する被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所の前記第１内部空所内に配設された空所内酸素ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内酸素ポンプ電極と対応している空所外酸素ポンプ電極とを含む酸素ポンプセルと、
を含み、
前記酸素ポンプセルの前記空所内酸素ポンプ電極と前記空所外酸素ポンプ電極との間のインピーダンスに関して、周波数１Ｈｚにおけるインピーダンスの実部を１Ｈｚにおける抵抗値Ｒ１と表し、周波数０．１Ｈｚにおけるインピーダンスの実部を０．１Ｈｚにおける抵抗値Ｒ０と表した時、前記１Ｈｚにおける抵抗値Ｒ１の前記０．１Ｈｚにおける抵抗値Ｒ０に対する比Ｒ１／Ｒ０が９３％以下である、センサ素子。
（【００１１】以降は省略されています）

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