JP2002257777A

JP2002257777A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2002257777A
Application number: JP2001052975A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kumazawa; 真治熊澤; Yuji Oi; 雄二大井; Nobuhiro Hayakawa; 暢博早川; Mineji Nasu; 峰次那須; Koji Shiotani; 宏治塩谷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2002-09-11
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: JP4532001B2

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間で使用可能となり、素子破壊が起きる
ことがないガスセンサを提供することを課題とする。【解決手段】該ガスセンサ素子の温度を昇温させて、
各固体電解質積層１、１２、１３が動作可能となる温度
に到達するまでの間、該第２電極３２１、３２２に酸素
が該基準酸素室側へ移動する極性である微小電位を印加
する。これにより、第２測定室２２に酸素が汲みこまれ
るのを防止することができ、活性後は早期に第２測定室
２２の酸素濃度を低減させ、窒素酸化物濃度を求めるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気ガ
ス等に含まれる窒化酸化物等のガスを測定するための、
酸素イオン伝導性固体電解質を用いたガスセンサに関す
る。更に詳しくは、ガスセンサを短時間で使用可能にす
るとともに、酸素イオン伝導性固体電解質及び制御回路
等のの破壊を防ぐガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】窒素酸化物の濃度を検出するためのガス
センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質層に電極を
設けた酸素イオンポンプセルを２基使用したガスセンサ
がある。このガスセンサは被測定ガスを、図１に示すガ
スセンサ素子の第１拡散通路４１を介して第１測定室２
１に導入し、且つ、第１測定室２１の第１電極３１１、
３１２に電圧を印加して、第２測定室２２入り口の酸素
濃度を一定にするように酸素を素子外へ汲み出す。尚、
この汲み出しによって一酸化窒素等の窒化酸化物も幾ら
か分解される。

【０００３】更に、第２測定室２２の第２電極３２１、
３２２に電圧を印加して、第１測定室２１の被測定ガス
が第２拡散通路４２を介して流入する第２測定室２２内
の酸素を汲み出すとともに、窒化酸化物を分解する。こ
のとき、第２測定室２２の第２電極３２１、３２２に流
れる電流Ｉp2は、窒化酸化物の濃度に比例する。このた
め、電流Ｉp2から窒化酸化物濃度を算出するとともに、
第１測定室２１の第１電極３１１、３１２に流れる電流
Ｉp1を用いた補正を行うことで、正確な窒化酸化物濃度
を求めることができる。

【０００４】また、このセンサ素子は酸素イオン伝導性
固体電解質を用いているため、この固体電解質が電解質
として機能する温度域（例えば５００〜９００℃）で使
用することが必要であり、温度域以外に電位差がある場
合は、無理にポンプとして機能しようとした結果、素子
破壊が起きる場合があった。このため、昇温中は素子破
壊を防ぐために、第２電極３２１、３２２に電圧を印加
しないことで、電位差を生じないようにしていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第２電極３２
１、３２２に電圧を印加することなく昇温を行うと、自
然に生じた電位差によって第２測定室２２側に酸素が汲
みこまれる場合があり、昇温後、酸素を余分に汲み出す
必要が生じて、使用できない時間が増えることがあっ
た。本発明は、このような問題点を解決するものであ
り、昇温中に第２測定室へ酸素が汲みこまれることがな
く、短時間で使用可能となり、素子破壊が起きることが
ないガスセンサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のガスセンサは、
拡散通路を介して測定ガスを拡散できる少なくとも１つ
の測定室と、該測定室に面して酸素イオン伝導性固体電
解質体からなる少なくとも１つのポンプセルを具備し、
該ポンプセルに電流を流すことで酸素を測定室内外へポ
ンピングし、その時に流れる電流値から測定ガス中の被
検出ガス濃度を測定するガスセンサであって、該ポンプ
セルに流れる電流は、該測定室内から酸素を汲み出す方
向、又は測定室内へ酸素を汲み入れる方向のいずれか一
方向に流れ、該一方向とは逆の方向に流れないことを特
徴とする。

【０００７】また、本発明のガスセンサは、拡散通路を
介して測定ガスを拡散できる少なくとも１つの測定室
と、該測定室に面して酸素イオン伝導性固体電解質体か
らなる少なくとも１つのポンプセルを具備し、該ポンプ
セルに電流を流すことで酸素を測定室内外へポンピング
し、その時に流れる電流値から測定ガス中の被検出ガス
濃度を測定するガスセンサであって、該ポンプセルに流
れる電流を該測定室内から酸素を汲み出す方向、又は該
測定室内へ酸素を汲み入れる方向のいずれか一方向に流
し、該一方向とは逆の方向に流れる電流を抑制する逆電
流抑制手段を備えることを特徴とする。

【０００８】更に、本ガスセンサは、拡散通路を介して
測定ガスを拡散できる第１及び第２測定室と、該第１及
び第２測定室に面して酸素イオン伝導性固体電解質体か
らなる第１及び第２ポンプセルを具備し、該第１ポンプ
セルは該第１測定室に面し、該第２ポンプセルは該第２
測定室に面し、該第１測定室は拡散抵抗下で周囲の測定
ガスと連通し、該第２測定室は拡散抵抗下で該第１測定
室と連通し、該第１ポンプセルによって該第１測定室中
の酸素濃度を制御することで、第２測定室に流入する酸
素量を所定量に制御し、該第２ポンプセルによって該第
２測定室中の酸素濃度を制御することで、該第２測定室
に流入する被検出ガス濃度を測定するガスセンサであっ
て、該第２ポンプセルに流れる電流は、該第２測定室内
から酸素を汲み出す方向、又は該第２測定室内へ酸素を
汲み入れる方向のいずれか一方向に流れ、該一方向とは
逆の方向に流れないことを特徴とする。

【０００９】また、本ガスセンサは、拡散通路を介して
測定ガスを拡散できる第１及び第２測定室と、該第１及
び第２測定室に面して酸素イオン伝導性固体電解質体か
らなる第１及び第２ポンプセルを具備し、該第１ポンプ
セルは該第１測定室に面し、該第２ポンプセルは該第２
測定室に面し、該第１測定室は拡散抵抗下で周囲の測定
ガスと連通し、該第２測定室は拡散抵抗下で該第１測定
室と連通し、該第１ポンプセルによって該第１測定室中
の酸素濃度を制御することで、第２測定室に流入する酸
素量を所定量に制御し、該第２ポンプセルによって該第
２測定室中の酸素濃度を制御することで、該第２測定室
に流入する被検出ガス濃度を測定するガスセンサであっ
て、該第２ポンプセルに流れる電流を該第２測定室内か
ら酸素を汲み出す方向、又は該第２測定室内へ酸素を汲
み入れる方向のいずれか一方向に流し、該一方向とは逆
の方向に流れる電流を抑制する逆電流抑制手段を備える
ことを特徴とする。

【００１０】上記「逆電流抑制手段」は、酸素イオン伝
導性固体電解質体や制御回路の各素子に逆電流が流れ、
素子破壊を防ぐ為の手段である。この手段は任意に選択
することができる。つまり、上記逆電流抑制手段は、ダ
イオードとしたり、直流電源を用いることを挙げること
ができる。また、トランジスタや電界効果トランジスタ
等の制御素子としてもよいし、制御回路の各素子内に一
体として備えることもできる。また、上記直流電源の電
圧は１０〜２００ｍＶ（特に２０〜１２０ｍＶ、更に好
ましくは３０〜１００ｍＶ）が好ましい。電位の範囲が
１０ｍＶ未満では、十分な抑止効果が得られず第２測定
室に酸素が汲みこまれる恐れがあるし、２００ｍＶを超
えると、無理に第２測定室から酸素を汲み出すほどの電
位となって、固体電解質積層の破壊を起こす恐れが生じ
るからである。

【００１１】更に、このようなガスセンサは、上記ポン
プセルがポンピング可能である活性状態にあるかを判定
する判定手段を備え、上記逆電流抑制手段は該判定手段
の結果が未活性状態であれば上記逆の方向に流れる電流
を抑制することができる。この活性状態の判断は任意の
方法で行うことができるが、動作可能温度未満であれば
未活性状態とし、動作可能温度以上であれば活性状態と
することを例示できる。尚、上記測定ガスは窒素酸化物
等とすることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガスセンサに関す
る実施例により本発明を更に詳しく説明する。本ガスセ
ンサは、ガソリンエンジン等の内燃機関の排気管に接続
され、排気ガス中の窒化酸化物ガス濃度を測定するため
に用いられる。

【００１３】〔実施例１〕本実施例１のガスセンサは、
逆電流抑制手段にダイオードを用いたガスセンサであ
る。本ガスセンサに用いられるガスセンサ素子は、図１
に示すように、対向する２枚のヒータ６１、６２と、ヒ
ータ６１、６２の間に設けられる、薄膜状ジルコニアか
らなる第１固体電解質層１１、第２固体電解質層１２及
び第３固体電解質層１３を備える。また、各固体電解質
層１１、１２、１３の間には、それぞれアルミナからな
る絶縁層５１、５２が挟まれている。第１固体電解質層
１１及び第２固体電解質層１２の間には空隙とした第１
測定室２１が設けられている。また、第２固体電解質層
１２及び第３固体電解質層１３の間には、第２測定室２
２と、絶縁層５２内に形成される基準酸素室２３とが設
けられている。更に、第１測定室２１は、連通孔を設け
た絶縁層４１である第１拡散通路４１を介して外気に通
じる。また、第２測定室２２は、第２固体電解質層１２
に設けられた第２拡散通路４２を介して第１測定室２１
に接続されている。

【００１４】第１固体電解質層１１の表裏面上には第１
電極（Ｐ1）が設けられており、第１ポンプセルとして
機能する。このうち、陽極側である第１電極３１１（Ｐ
1⁺）はヒータ６１側であり、陰極側である第１電極３１
２（Ｐ1^-）は第１測定室２１内に位置する。また、第３
固体電解質層１３の表面上には第２電極（Ｐ2）が設け
られており、第２ポンプセルとして機能する。このう
ち、陽極側である第２電極３２１（Ｐ2⁺）は基準酸素室
２３内、陰極側である第２電極３２２（Ｐ2^-）は第２測
定室２２内に位置する。更に、第２固体電解質層１２の
表裏面上には基準電極（Ｓ）が設けられている。このう
ち、陽極側である基準電極３３１（Ｓ⁺）は基準酸素室
２３内、陰極側である基準電極３３２（Ｓ^-）は第１測
定室２１内に位置する。

【００１５】図２に本実施例１のガスセンサ素子の制御
回路図を示す。第１電極３１２（Ｐ1^-）、第２電極３２
２（Ｐ2^-）及び基準電極３３２（Ｓ^-）は互いに接続さ
れ、オペアンプ７１の入力側、ＰＩＤ（比例積分微分）
素子７３の出力側に接続されている。また、第１電極３
１１（Ｐ1⁺）はオペアンプ７１の出力側に、第２電極３
２１（Ｐ2⁺）は、逆電流抑制手段であるダイオード８を
介してオペアンプ７２の出力側に、そして基準電極３３
１（Ｓ⁺）はＰＩＤ７３の入力側に接続されている。

【００１６】次いで、上記ガスセンサ素子及びその制御
回路を用いたガスセンサの昇温時の動作を説明する。各
固体電解質層１１、１２、１３を活性化し、ガスセンサ
素子を使用可能な温度域にするには、ヒータ６１、６２
を通電し、ガスセンサ素子の温度が５００〜９００℃に
達するまで加熱する。

【００１７】ガスセンサ素子の昇温時に第２電極（Ｐ
2）に電位を掛けないことで、第２測定室２２に酸素が
汲みこまれるのを防止することができる。このため、活
性後は早期に第２測定室２２の酸素濃度を低減させ、窒
素酸化物濃度を求めることができる。更に、オペアンプ
７２の出力先に逆電流抑制手段であるダイオード８を設
けたため、第２測定室２２に酸素が汲みこむ方向に電流
が流れるのを防止することができるとともに、オペアン
プ７２の破壊を防止することができる。

【００１８】尚、各固体電解質層１１、１２、１３が活
性化し、使用可能な温度域に達した後は、第１電極（Ｐ
1）、第２電極（Ｐ2）に通常の印加を行い、窒素酸化物
濃度を求めることができる。また、第１電極（Ｐ1）３
１１、３１２間では、４００ｍＶ程度の電位差があるた
め、窒素酸化物も２０〜３０％程度分解される。

【００１９】〔実施例２〕本実施例２のガスセンサは、
逆電流抑制手段にダイオードを用いたガスセンサであ
る。本ガスセンサに用いられるガスセンサ素子は図１に
示すように、実施例１と同じ構成である。

【００２０】図３に本実施例１のガスセンサ素子の制御
回路図を示す。第１電極３１２（Ｐ1^-）、第２電極３２
２（Ｐ2^-）及び基準電極３３２（Ｓ^-）は互いに接続さ
れ、オペアンプ７１の入力側、ＰＩＤ（比例積分微分）
素子７３の出力側、及び定電圧電源８２の入力側に接続
されている。また、第１電極３１１（Ｐ1⁺）はオペアン
プ７１の出力側に、第２電極３２１（Ｐ2⁺）は、定電圧
電源８２及びオペアンプ７２の出力側に、そして基準電
極３３１（Ｓ⁺）はＰＩＤ素子７３の入力側に接続され
ている。

【００２１】次いで、上記ガスセンサ素子及びその制御
回路を用いたガスセンサの昇温時の動作を説明する。各
固体電解質層１１、１２、１３を活性化し、ガスセンサ
素子を使用可能な温度域にするには、ヒータ６１、６２
を通電し、ガスセンサ素子の温度が５００〜９００℃に
達するまで加熱する。また、第２電極（Ｐ2）には、定
電圧電源８２を用いて、酸素が該基準酸素室側へ移動す
る極性の電位を印加する。つまり、第２電極３２１（Ｐ
2⁺）が正、第２電極３２２（Ｐ2^-）が負となるように、
４０〜７０ｍＶの電位をかける。

【００２２】ガスセンサ素子の昇温時に第２電極（Ｐ
2）にポンピングが起きない程度の電位を掛けること
で、第２電極（Ｐ2）間の電位によるポンプ作用が起き
ず、第２測定室２２に酸素が汲みこまれるのを防止する
ことができる。このため、活性後は早期に第２測定室２
２の酸素濃度を低減させ、窒素酸化物濃度を求めること
ができる。また、印加する電位は、酸素の汲み出しに必
要な電位より低い２００ｍＶ以下の４０〜７０ｍＶであ
るため、実際には酸素の移動が抑制され、固体電解質の
破壊を防止することができる。

【００２３】〔実施例３〕本実施例３のガスセンサは、
第２ポンプセルの電圧印加用の電源自体を逆電流抑制手
段として用いたガスセンサである。本ガスセンサに用い
られるガスセンサ素子は図１に示すように、実施例１と
同じ構成である。

【００２４】図４に本実施例１のガスセンサ素子の制御
回路図を示す。第１電極３１２（Ｐ1^-）、第２電極３２
２（Ｐ2^-）及び基準電極３３２（Ｓ^-）は互いに接続さ
れ、オペアンプ７１の入力側、ＰＩＤ（比例積分微分）
素子７３の出力側に接続されている。また、第１電極３
１１（Ｐ1⁺）はオペアンプ７１の出力側に、第２電極３
２１（Ｐ2⁺）はオペアンプ７２の出力側に、そして基準
電極３３１（Ｓ⁺）はＰＩＤ素子７３の入力側に接続さ
れている。

【００２５】次いで、上記ガスセンサ素子及びその制御
回路を用いたガスセンサの昇温時の動作を説明する。各
固体電解質層１１、１２、１３を活性化し、ガスセンサ
素子を使用可能な温度域にするには、ヒータ６１、６２
を通電し、ガスセンサ素子の温度が５００〜９００℃に
達するまで加熱する。また、第２電極（Ｐ2）には、定
電圧源Ｖｒｅｆ２及びオペアンプ７２を用いて、酸素が
該基準酸素室側へ移動する極性の電位を印加する。つま
り、第２電極３２１（Ｐ2⁺）が正、第２電極３２２（Ｐ
2^-）が負となるように、４０〜７０ｍＶの電位をかけ
る。

【００２６】ガスセンサ素子の昇温時に第２電極（Ｐ
2）にポンピングが起きない程度の電位を掛けること
で、第２電極（Ｐ2）間の電位によるポンプ作用が起き
ず、第２測定室２２に酸素が汲みこまれるのを防止する
ことができる。このため、活性後は早期に第２測定室２
２の酸素濃度を低減させ、窒素酸化物濃度を求めること
ができる。また、印加する電位は、酸素の汲み出しに必
要な電位より低い２００ｍＶ以下の４０〜７０ｍＶであ
るため、実際には酸素の移動が抑制され、固体電解質の
破壊を防止することができる。

【００２７】尚、本発明においては、上記実施例に示す
ものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で
種々変更した態様とすることができる。即ち、ガスセン
サ素子の制御回路に用いられている逆電流抑制手段は、
図２に示すダイオード８に限らず、任意の素子を用いる
ことができる。また、オペアンプ７２内に一体として備
えることができる。更に、必要に応じてオペアンプ７１
及びＰＩＤ７３に逆電流抑制手段を設けることができ
る。また、本実施例で検知するガスの種類は、窒素酸化
物ガスのみとしたが、電極Ｓを酸素濃度検出用として用
い、酸素及び窒素酸化物ガス濃度を求めることができ
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明のガスセンサによれば、ガスセン
サ素子の昇温中に第２測定室に酸素が汲みこまれること
が無く、短時間で使用可能にすることができる。また、
ガスセンサ素子の素子破壊を防ぐことができる。更に、
ガスセンサ素子昇温時に制御回路の破壊を防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のガスセンサに用いるガスセンサ素子
の構造を説明するための断面図である。

【図２】本実施例１のガスセンサの制御回路を説明する
ための回路図である。

【図３】本実施例２のガスセンサの制御回路を説明する
ための回路図である。

【図４】本実施例２のガスセンサの制御回路を説明する
ための回路図である。

【符号の説明】

１１；第１固体電解質層、１２；第２固体電解質層、１
３；第３固体電解質層、２１；第１測定室、２２；第２
測定室、２３；基準酸素室、３１１；第１電極（Ｐ
1⁺）、３１２；第１電極（Ｐ1^-）、３２１；第２電極
（Ｐ2⁺）、３２２；第２電極（Ｐ2^-）、３３１；基準電
極（Ｓ⁺）、３３２；基準電極（Ｓ^-）、４１；第１拡散
通路、４２；第２拡散通路、５１、５２；絶縁層、６
１、６２；ヒータ、７１、７２；オペアンプ、７３；Ｐ
ＩＤ素子、８１；ダイオード、８２；定電圧電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者早川暢博名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者那須峰次名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者塩谷宏治名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】拡散通路を介して測定ガスを拡散できる
少なくとも１つの測定室と、該測定室に面して酸素イオ
ン伝導性固体電解質体からなる少なくとも１つのポンプ
セルを具備し、該ポンプセルに電流を流すことで酸素を
測定室内外へポンピングし、その時に流れる電流値から
測定ガス中の被検出ガス濃度を測定するガスセンサであ
って、該ポンプセルに流れる電流は、該測定室内から酸素を汲
み出す方向、又は測定室内へ酸素を汲み入れる方向のい
ずれか一方向に流れ、該一方向とは逆の方向に流れない
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】拡散通路を介して測定ガスを拡散できる
少なくとも１つの測定室と、該測定室に面して酸素イオ
ン伝導性固体電解質体からなる少なくとも１つのポンプ
セルを具備し、該ポンプセルに電流を流すことで酸素を
測定室内外へポンピングし、その時に流れる電流値から
測定ガス中の被検出ガス濃度を測定するガスセンサであ
って、該ポンプセルに流れる電流を該測定室内から酸素を汲み
出す方向、又は該測定室内へ酸素を汲み入れる方向のい
ずれか一方向に流し、該一方向とは逆の方向に流れる電
流を抑制する逆電流抑制手段を備えることを特徴とする
ガスセンサ。
【請求項３】上記ポンプセルがポンピング可能である
活性状態にあるかを判定する判定手段を備え、上記逆電
流抑制手段は該判定手段の結果が未活性状態であれば上
記逆の方向に流れる電流を抑制する請求項２記載のガス
センサ。
【請求項４】拡散通路を介して測定ガスを拡散できる
第１及び第２測定室と、該第１及び第２測定室に面して
酸素イオン伝導性固体電解質体からなる第１及び第２ポ
ンプセルを具備し、該第１ポンプセルは該第１測定室に面し、該第２ポンプ
セルは該第２測定室に面し、該第１測定室は拡散抵抗下
で周囲の測定ガスと連通し、該第２測定室は拡散抵抗下
で該第１測定室と連通し、該第１ポンプセルによって該
第１測定室中の酸素濃度を制御することで、第２測定室
に流入する酸素量を所定量に制御し、該第２ポンプセル
によって該第２測定室中の酸素濃度を制御することで、
該第２測定室に流入する被検出ガス濃度を測定するガス
センサであって、該第２ポンプセルに流れる電流は、該第２測定室内から
酸素を汲み出す方向、又は該第２測定室内へ酸素を汲み
入れる方向のいずれか一方向に流れ、該一方向とは逆の
方向に流れないことを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】拡散通路を介して測定ガスを拡散できる
第１及び第２測定室と、該第１及び第２測定室に面して
酸素イオン伝導性固体電解質体からなる第１及び第２ポ
ンプセルを具備し、該第１ポンプセルは該第１測定室に面し、該第２ポンプ
セルは該第２測定室に面し、該第１測定室は拡散抵抗下
で周囲の測定ガスと連通し、該第２測定室は拡散抵抗下
で該第１測定室と連通し、該第１ポンプセルによって該
第１測定室中の酸素濃度を制御することで、第２測定室
に流入する酸素量を所定量に制御し、該第２ポンプセル
によって該第２測定室中の酸素濃度を制御することで、
該第２測定室に流入する被検出ガス濃度を測定するガス
センサであって、該第２ポンプセルに流れる電流を該第２測定室内から酸
素を汲み出す方向、又は該第２測定室内へ酸素を汲み入
れる方向のいずれか一方向に流し、該一方向とは逆の方
向に流れる電流を抑制する逆電流抑制手段を備えること
を特徴とするガスセンサ。
【請求項６】上記第２ポンプセルがポンピング可能で
ある活性状態にあるかを判定する判定手段を備え、上記
逆電流抑制手段は該判定手段の結果が未活性状態であれ
ば上記逆の方向に流れる電流を抑制する請求項５記載の
ガスセンサ。
【請求項７】上記逆電流抑制手段は、ダイオードであ
る請求項２、３、５又は６記載のガスセンサ。
【請求項８】上記逆電流抑制手段は、直流電源である
請求項２、３、５又は６記載のガスセンサ。
【請求項９】上記直流電源の電圧は１０〜２００ｍＶ
である請求項８記載のガスセンサ。
【請求項１０】上記測定ガスは窒素酸化物である請求
項１乃至９のいずれか一項に記載のガスセンサ。