JP2004233187A - ＮＯｘセンサの検査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸素分圧検知セルと酸素ポンプセルを備えたガスセンサ、特に、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価を省力化することができる検査装置を提供する。
【解決手段】ＮＯｘセンサの検査装置であって、酸素分圧検知セル３と第１酸素ポンプセル制御手段２０との間に接続された酸素分圧検知セル３が出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段４０と、第１酸素ポンプセル制御手段２０と外乱発生手段４０との間に接続された、外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で第１酸素ポンプセル制御手段２０に第１酸素ポンプセル１を制御させる遅延手段４１と、を有する。
【選択図】図２
【解決手段】ＮＯｘセンサの検査装置であって、酸素分圧検知セル３と第１酸素ポンプセル制御手段２０との間に接続された酸素分圧検知セル３が出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段４０と、第１酸素ポンプセル制御手段２０と外乱発生手段４０との間に接続された、外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で第１酸素ポンプセル制御手段２０に第１酸素ポンプセル１を制御させる遅延手段４１と、を有する。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサ、特に、ＮＯｘセンサの検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を測定するためのＮＯｘセンサとしては、例えば、特許文献１のように、被測定ガスの流通を制限する第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される第１測定室と、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極間の電位差に基づいて前記第１測定室内における被測定ガス中の酸素分圧を検出する酸素分圧検知セルと、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第１測定室の内側から外側へ又は外側から内側へ該一対の電極を介して酸素を汲み出すことにより、被測定ガス中の酸素分圧に応じた電流（以下「第１酸素ポンプ電流」という）が流れる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室からのガスの流通を制限する第２拡散抵抗を介してガスが導入される第２測定室と、前記第２測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第２測定室内の窒素酸化物を分解し、解離した酸素が移動することによりＮＯｘ濃度に応じた電流（以下「第２酸素ポンプ電流」という）が該一対の電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、を備えるＮＯｘセンサ素子を、第１測定室内の酸素分圧を検知する酸素分圧検知セルの検出出力に基づいて、第１酸素ポンプセルにより前記第１測定室内の酸素をポンピングして、第１測定室内の酸素分圧を所定濃度に制御する、すなわち、第１酸素ポンプセルに流れる第１酸素ポンプ電流をフィードバック制御するＮＯｘセンサが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１８３３３７号公報（第１頁、要約）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１のようなＮＯｘセンサにおいて、ＮＯｘセンサ素子にはそれぞれ個体差がある。そして本発明者らは、個体及び測定条件によっては、前記フィードバック制御において遅延が発生することで、第１酸素ポンプ電流が発振する現象が生じるおそれがあることを知見した。発振が生じると、ＮＯｘ濃度を正確に測定することができなくなる。
【０００５】
そこで、ＮＯｘセンサが発振するか否かを検査する必要があるが、ＮＯｘセンサ素子の周波数特性（第１酸素ポンプ電流の酸素分圧検知セルの検出出力に対する周波数特性）を幅広い測定条件で全数検査するには、後述するように手間がかかる。
【０００６】
本発明の目的は、酸素濃淡電池セル又は酸素分圧検知セルと、酸素ポンプセルを備えたガスセンサ、特に、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価を省力化することができる検査装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理及び本発明者らが得た知見を説明する。本発明者らは、ＮＯｘセンサにおける第１酸素ポンプ電流の発振現象は、ＮＯｘセンサ素子単独及びその制御回路単独に起因して起こるものではなく、ＮＯｘセンサ素子とその制御回路の合成の位相が−１８０゜付近の領域で起こることを知見した。そこでＮＯｘセンサ素子とその制御回路を接続し、通常の測定条件でＮＯｘセンサを起動させることで発振するか否かを検査することができる。
【０００８】
しかし、本発明者らは、検査中では発振しないものの、特別な測定条件等によっては、発振が起こる可能性があるＮＯｘセンサがあることを知見した。このＮＯｘセンサの場合、しかし、通常の測定条件で、ＮＯｘセンサを起動させるだけでは、そのＮＯｘセンサが発振する虞がある領域に属するものであるかどうかを判断することは困難である。
【０００９】
そこでセンサの発振検査方法としては、周波数アナライザ等を用いて、酸素分圧検知セルの検出出力に対する、第１酸素ポンプ電流の利得や位相遅れ等を測定する、具体的には、利得が０ｄＢ以上である全周波数領域で（なお、利得が０ｄＢ未満では発振が起こらない）、センサ素子とその制御回路の一巡の位相遅れを測定し、その位相遅れが発振する領域にあるかどうか（発振する虞のある領域と発振する虞のない領域との境に設けられた閾値を超えるか否か）を検査する方法が考えられる。
【００１０】
ところが、どの周波数で利得が０ｄＢ以上となるかは、センサの個体によって異なるため、発振検査を行った場合、発振が起こるセンサであるかどうかを正確に判定するには、全周波数領域において、利得が０ｄＢ以上となるときの位相遅れを測定する必要がある。このように、全周波数領域において、センサを全数検査した場合、検査に手間がかかりすぎるといった問題がある。
【００１１】
本発明者らは、酸素濃度検出信号（酸素分圧検知セルの検出出力）に対して、酸素をポンピングする制御を通常の測定時よりも位相が所定量遅延した条件で、センサの発振検査を行うことにより、発振が生じやすい位相状態で発振検査ができ、検査したセンサ特有の位相遅れが発振が起こる虞のある領域にあるかどうかを、正確かつ簡便に評価できることを知見した。
【００１２】
さらに、本発明者らはＮＯｘセンサ素子が発振し難いものであっても、その制御回路が発振し易いものであれば、発振が起こり易い傾向があることを知見した。したがって、本発明のように、制御側を発振が起こり易い条件に設定することで、より厳格なセンサの発振検査を行うことができる。また、本発明者らの知見から、制御側はそれぞれの個体差が小さいのに対して、ＮＯｘセンサ素子側は個体差が大きいということがわかっており、制御側を発振が起こり易い条件にすればより精度良く検査を行うことができる。
【００１３】
本発明は、第１の視点において、酸素分圧検知セルが出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段と、第１酸素ポンプセル制御手段と外乱発生手段との間に接続され、前記外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で該第１酸素ポンプセル制御手段に第１酸素ポンプセルを制御させる遅延手段と、を有し、少なくとも、前記外乱が重畳された酸素分圧検知信号に対する前記第１酸素ポンプ電流の位相の遅延ないし利得に基づいて、前記ＮＯｘセンサ素子の周波数特性を評価するＮＯｘセンサの検査装置を提供する。
【００１４】
前記検査装置は、被測定ガスの流通を制限する第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される第１測定室と、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極間の電位差に基づいて前記第１測定室内における被測定ガス中の酸素分圧を検出する酸素分圧検知セルと、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第１測定室の内側から外側へ又は外側から内側へ該一対の電極を介して酸素を汲み出すことにより、被測定ガス中の酸素分圧に応じた電流（以下「第１酸素ポンプ電流」という）が流れる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室からのガスの流通を制限する第２拡散抵抗を介してガスが導入される第２測定室と、前記第２測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第２測定室内の窒素酸化物を分解し、解離した酸素が移動することによりＮＯｘ濃度に応じた電流（以下「第２酸素ポンプ電流」という）が該一対の電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、を備えるＮＯｘセンサ素子と、前記酸素分圧検知セルの検出出力に基づいて所定の電圧を前記第１酸素ポンプセルに印加して前記第１酸素ポンプ電流を制御することにより、前記第１測定室内の酸素分圧を制御する第１酸素ポンプセル制御手段と、を備えるＮＯｘセンサ素子の制御手段と、を有するＮＯｘ測定装置（ＮＯｘセンサ）の検査装置として好適に適用される。
【００１５】
本発明は、他の視点において、被測定ガスの酸素分圧に基づいて、酸素ポンピングをすることにより所定酸素分圧の雰囲気を生成するフィードバック制御を行うガスセンサの検査方法であって、前記酸素分圧を示す信号に外乱を重畳する行程と、外乱が重畳された前記信号に基づいて検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で酸素ポンピングを行う行程と、少なくとも、前記外乱が重畳された信号に対する前記酸素ポンピングによる電流の位相の遅延ないし利得に基づいてガスセンサの周波数特性を評価する行程と、を含む、ことを特徴とするガスセンサの検査方法を提供する。
【００１６】
本発明の検査装置によれば、酸素濃度検出出力に対して酸素をポンピングする制御を遅延した条件でセンサを検査することにより、発振が生じやすい位相状態で、検査したセンサが発振が起こり易いセンサであるかどうかを評価することができる。このように、本発明の検査装置によれば、酸素濃度検出出力の周波数や位相条件を変えて多数の試験を行うことなく、特に、第１酸素ポンプ電流が発振するかどうかの評価を正確に行うことができるため、センサの周波数特性の評価を省力化して、センサの位相余裕を保証することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態に係るガスセンサの検査装置は、図２を参照して、酸素濃淡電池セル３が出力する酸素分圧検知信号に基づいて、酸素ポンプセル１により所定酸素分圧の雰囲気を生成するガスセンサの検査装置であって、酸素ポンプセル１とその制御手段２０の間に接続され、酸素濃淡電池セル３が出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段４０と、酸素ポンプセル１の制御手段２０と外乱発生手段４０との間に接続され、外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で酸素ポンプセル１の制御手段２０に酸素ポンプセル１を制御させる遅延手段４１と、を有し、少なくとも、外乱が重畳された酸素分圧検知信号に対する第１酸素ポンプセルに流れる電流の位相の遅延ないし利得に基づいて、ガスセンサの周波数特性を評価する。
【００１８】
なお、遅延手段として、好ましくは、抵抗とコンデンサの組合わせからなる時定数回路を用いることができる。時定数回路の抵抗値及び容量値を調整することにより、所望の遅延量を得ることができる。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態において、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価は、λ＝１の雰囲気を模擬した測定雰囲気に該ＮＯｘセンサを晒して行われる。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態において、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価は、Ｈ２Ｏ＝１％以上の雰囲気に該ＮＯｘセンサを晒して行われる。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態において、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価は、周波数１〜１００Ｈｚの外乱を前記酸素分圧検知信号に重畳して行われる。
【００２２】
【実施例】
以上説明した本発明の好ましい実施の形態をさらに明確化するために、以下図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。
【００２３】
図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、本発明の一実施例に係る検査装置によって検査されるＮＯｘセンサの構成要素であるＮＯｘセンサ素子の構成及び測定原理を説明するための図である。
【００２４】
図１（Ａ）を参照すると、ＮＯｘセンサ素子は、主として、第１酸素ポンプセル１、第２酸素ポンプセル２及び酸素分圧検知セル３、さらにＮＯｘセンサ素子を所定の作動温度に加熱するヒータ４から構成されている。第１酸素ポンプセル１と酸素分圧検知セル３の間には、第１測定室５が形成されている。第１測定室５には、第１拡散孔７を介して、被測定ガスが導入される。第１測定室５は、第２拡散孔８を通じて、第２測定室６と連通している。
【００２５】
第１酸素イオンポンプセル１は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極９，１０から構成されている。電極１０は第１測定室５に面して配置され、電極９は外部に面して配置されている。電極１０上で第１測定室５内の酸素等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質を通って電極９上から外部へ導出され、このとき該固体電解質を通じて流れる電流が第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１である。
【００２６】
第２酸素イオンポンプセル２は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極１３，１４から構成されている。電極１３は第２測定室６に面して配置され、電極１４は第２測定室６外に配置されると共に酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。電極１３上で第２測定室６内のＮＯｘ等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質を通って電極１４上から外部へ導出され、このとき固体電解質を通じて流れる電流が第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２である。通常の測定モードにおいて、電極１３と電極１４間には一定の電圧が印加される。
【００２７】
酸素分圧検知セル３は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極１１，１２から構成されている。電極１１は第１測定室５に面して配置され、電極１２は酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。したがって、電極１１と電極１２の間に発生する電位差に基づいて、第１測定室５内の酸素濃度、結局、被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００２８】
図１（Ａ）を参照すると、センサ制御手段は、酸素分圧検知セルに現れる第１測定室５内の酸素濃度を検出すると共に、第１測定室５外に設けられた電極１２上の酸素濃度を制御する酸素分圧セル制御手段２１と、酸素分圧検知セル３の検出出力に基づいて第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１を制御することにより、第１測定室５内の酸素濃度を可及的に一定に制御する第１酸素ポンプセル制御手段２０と、第２酸素ポンプセル２に可及的に一定な所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度に応じた第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２が流れるように第２酸素ポンプセル２を制御する第２酸素ポンプセル制御手段２２と、を含んで構成される。
【００２９】
以上説明したＮＯｘセンサ素子及びその制御手段を用いたＮＯｘ測定原理については、図１（Ｂ）〜図１（Ｄ）に示すとおりであるから、これらを参照することとする。
【００３０】
図２は、図１に示したＮＯｘセンサに適用される、本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を説明するための図である。図２を参照すると、酸素分圧検知セル３と第１酸素ポンプセル制御手段２０との間には、酸素分圧検知セル３が出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段４０が接続されている。第１酸素ポンプセル制御手段２０と外乱発生手段４０との間には、外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で第１酸素ポンプセル制御手段２０に第１酸素ポンプセル１を制御させる遅延手段４１が接続されている。なお、外乱発生手段４０としては市販の周波数発生器を用いることができ、遅延手段４１としては時定数回路を用いることができる。
【００３１】
以上説明した本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いたＮＯｘセンサの検査例について説明する。
【００３２】
図３は、本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いたＮＯｘセンサの検査例の説明図であって、通常測定時（通常回路）と検査時（遅延回路）における、ＮＯｘセンサの制御回路の周波数特性をそれぞれ示している。図４は、特定条件で発振が起こるＮＯｘセンサの検査例の説明図であって、通常測定時におけるＮＯｘセンサの合成周波数特性（ＮＯｘセンサ素子とその制御回路の合成周波数特性）を示している。
【００３３】
本検査例においては、ＮＯｘセンサの制御回路（図２参照）において、酸素分圧検知セルと第１酸素ポンプセルの間に接続されている時定数回路（遅延手段）の時定数を、通常の測定時より大きく設定することにより、図３に示すように、制御回路の位相を所定量遅延させている。なお、制御回路の利得は、図３に示すように、通常測定時と同様に設定している。これは、利得が変化すると、利得が０ｄＢ以上となる周波数ポイント（利得が０ｄＢ以下では発振が生じない）が変化してしまうからである。
【００３４】
ＮＯｘセンサの合成周波数特性を示す図４を参照すると、周波数が約１〜２０Ｈｚの領域で、利得が０ｄＢ以上となっている。そこで、センサの個体差を考慮して、全てのセンサは、周波数が１〜１００Ｈｚの領域で利得が０ｄＢ以上となると仮定した。また、位相に関して、発振が起こる領域は−１８０゜付近である。図４を参照すると、周波数が１〜１００Ｈｚの領域で位相の最低値は約−１６５゜である。そこで、センサの個体差を考慮して前記時定数回路の時定数を調整して、ＮＯｘセンサ素子の制御回路の位相が、図３に示すように、通常測定時よりも２０゜遅れるように設定した。なお、図３を参照すると、周波数が１００Ｈｚを大きく超える領域では、位相遅れが２０゜以上になっているが、前述したように、利得が０ｄＢ以上となる領域（発振する可能性がある領域）は、周波数が１〜１００Ｈｚの領域であるので、この周波数が１〜１００Ｈｚの領域で位相が２０゜遅れれば、発振する虞のあるセンサを確実に捉えることができる。
【００３５】
このように、位相を遅らせて発振検査を行うことにより、通常の測定条件では発振しないが、特定の測定条件で発振するセンサ、例えば、通常の測定条件では位相が−１７０゜までしか遅れないセンサを、全周波数領域について発振試験を行うことなく、発振する虞があるセンサとして掴まえることができる。
【００３６】
次に、発振検査方法の一例について説明する。まず、ＮＯｘセンサ素子を測定チャンバー内に設置し、測定チャンバーに内燃機関の排気ガスを模擬した所定のモデルガス、例えば、λ＝１のときの組成を模擬したモデルガスを流入させる。測定雰囲気の一例は、ＣＯ２＝１０％、Ｈ２Ｏ＝５％、Ｎ２＝ｂａｌ．である。次に、ＮＯｘセンサの制御手段の電源をオンし、ヒータ通電を行い、所定時間経過後、酸素分圧検知信号に外乱（ｓｉｎ波）を入力ないし重畳して、第１酸素ポンプ電流ないし第１酸素ポンプセルに印加される電圧を計測して、酸素分圧検知信号と第１酸素ポンプ電流ないし第１酸素ポンプセルに印加される電圧を入力とする周波数応答分析器を用いて、第１酸素ポンプ電流が発振するかどうかを検査する。
【００３７】
なお、評価方法としては、例えば、ＮＯｘセンサの発振試験中、第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１ないし第１酸素ポンプセルに印加される電圧Ｖｐ１が閾値（所定の位相以下になった場合）を所定回数以上通過した場合、そのＮＯｘセンサを不良品と判定することができる。また、外乱を酸素分圧検知信号に重畳する方法として、電気的外乱、圧力変化、センサ素子の温度変化、センサ雰囲気の温度変化、電磁波の印加などがある。
【００３８】
次に、本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いて、測定雰囲気、特に、Ｈ２Ｏ濃度がＮＯｘセンサの周波数特性に与える影響を調べた。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、測定雰囲気、特に、Ｈ２Ｏ濃度がＮＯｘセンサの周波数特性に与える影響を示すグラフである。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を参照すると、Ｈ２Ｏ濃度が利得及び位相に影響を与えており、Ｈ２Ｏ濃度が高いほど利得が高く、位相遅れが大きいことがわかる。したがって、内燃機関の排気ガスの組成及びその変動を考慮すると、Ｈ２Ｏ＝１％以上付近で発振検査を行うことが好ましいことがわかる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、酸素濃淡電池セル又は酸素分圧検知セルと、酸素ポンプセルを備えたガスセンサ、特に、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価を省力化することができる検査装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の一実施例に係る検査装置によって検査されるＮＯｘセンサの構成要素であるＮＯｘセンサ素子の構成及び測定原理を説明するための図である。
【図２】図１に示したＮＯｘセンサに適用される、本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いたＮＯｘセンサの検査例の説明図であって、通常測定時（通常回路）と検査時（遅延回路）における、ＮＯｘセンサの制御回路の周波数特性をそれぞれ示している。
【図４】本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いたＮＯｘセンサの検査例の説明図であって、通常測定時におけるＮＯｘセンサの合成周波数特性（ＮＯｘセンサ素子とその制御回路の合成周波数特性をそれぞれ示している。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、測定雰囲気、特に、Ｈ２Ｏ濃度がＮＯｘセンサの周波数特性に与える影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 第１酸素ポンプセル
２ 第２酸素ポンプセル
３ 酸素分圧検知セル
４ ヒータ
５ 第１測定室
６ 第２測定室
７ 第１拡散孔
８ 第２拡散孔
９ 電極
１０ 電極
１１ 電極
１２ 電極
１３ 電極
１４ 電極
２０ 第１酸素ポンプセル制御手段（Ｉｐ１ドライブ）
２０ａ 検出抵抗
２１ 酸素分圧検知セル制御手段（Ｖｓドライブ）
２２ 第２酸素ポンプセル制御手段（Ｉｐ２ドライブ）
２２ａ 検出抵抗
４０ 外乱発生手段
４１ 遅延手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサ、特に、ＮＯｘセンサの検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を測定するためのＮＯｘセンサとしては、例えば、特許文献１のように、被測定ガスの流通を制限する第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される第１測定室と、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極間の電位差に基づいて前記第１測定室内における被測定ガス中の酸素分圧を検出する酸素分圧検知セルと、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第１測定室の内側から外側へ又は外側から内側へ該一対の電極を介して酸素を汲み出すことにより、被測定ガス中の酸素分圧に応じた電流（以下「第１酸素ポンプ電流」という）が流れる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室からのガスの流通を制限する第２拡散抵抗を介してガスが導入される第２測定室と、前記第２測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第２測定室内の窒素酸化物を分解し、解離した酸素が移動することによりＮＯｘ濃度に応じた電流（以下「第２酸素ポンプ電流」という）が該一対の電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、を備えるＮＯｘセンサ素子を、第１測定室内の酸素分圧を検知する酸素分圧検知セルの検出出力に基づいて、第１酸素ポンプセルにより前記第１測定室内の酸素をポンピングして、第１測定室内の酸素分圧を所定濃度に制御する、すなわち、第１酸素ポンプセルに流れる第１酸素ポンプ電流をフィードバック制御するＮＯｘセンサが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１８３３３７号公報（第１頁、要約）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１のようなＮＯｘセンサにおいて、ＮＯｘセンサ素子にはそれぞれ個体差がある。そして本発明者らは、個体及び測定条件によっては、前記フィードバック制御において遅延が発生することで、第１酸素ポンプ電流が発振する現象が生じるおそれがあることを知見した。発振が生じると、ＮＯｘ濃度を正確に測定することができなくなる。
【０００５】
そこで、ＮＯｘセンサが発振するか否かを検査する必要があるが、ＮＯｘセンサ素子の周波数特性（第１酸素ポンプ電流の酸素分圧検知セルの検出出力に対する周波数特性）を幅広い測定条件で全数検査するには、後述するように手間がかかる。
【０００６】
本発明の目的は、酸素濃淡電池セル又は酸素分圧検知セルと、酸素ポンプセルを備えたガスセンサ、特に、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価を省力化することができる検査装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理及び本発明者らが得た知見を説明する。本発明者らは、ＮＯｘセンサにおける第１酸素ポンプ電流の発振現象は、ＮＯｘセンサ素子単独及びその制御回路単独に起因して起こるものではなく、ＮＯｘセンサ素子とその制御回路の合成の位相が−１８０゜付近の領域で起こることを知見した。そこでＮＯｘセンサ素子とその制御回路を接続し、通常の測定条件でＮＯｘセンサを起動させることで発振するか否かを検査することができる。
【０００８】
しかし、本発明者らは、検査中では発振しないものの、特別な測定条件等によっては、発振が起こる可能性があるＮＯｘセンサがあることを知見した。このＮＯｘセンサの場合、しかし、通常の測定条件で、ＮＯｘセンサを起動させるだけでは、そのＮＯｘセンサが発振する虞がある領域に属するものであるかどうかを判断することは困難である。
【０００９】
そこでセンサの発振検査方法としては、周波数アナライザ等を用いて、酸素分圧検知セルの検出出力に対する、第１酸素ポンプ電流の利得や位相遅れ等を測定する、具体的には、利得が０ｄＢ以上である全周波数領域で（なお、利得が０ｄＢ未満では発振が起こらない）、センサ素子とその制御回路の一巡の位相遅れを測定し、その位相遅れが発振する領域にあるかどうか（発振する虞のある領域と発振する虞のない領域との境に設けられた閾値を超えるか否か）を検査する方法が考えられる。
【００１０】
ところが、どの周波数で利得が０ｄＢ以上となるかは、センサの個体によって異なるため、発振検査を行った場合、発振が起こるセンサであるかどうかを正確に判定するには、全周波数領域において、利得が０ｄＢ以上となるときの位相遅れを測定する必要がある。このように、全周波数領域において、センサを全数検査した場合、検査に手間がかかりすぎるといった問題がある。
【００１１】
本発明者らは、酸素濃度検出信号（酸素分圧検知セルの検出出力）に対して、酸素をポンピングする制御を通常の測定時よりも位相が所定量遅延した条件で、センサの発振検査を行うことにより、発振が生じやすい位相状態で発振検査ができ、検査したセンサ特有の位相遅れが発振が起こる虞のある領域にあるかどうかを、正確かつ簡便に評価できることを知見した。
【００１２】
さらに、本発明者らはＮＯｘセンサ素子が発振し難いものであっても、その制御回路が発振し易いものであれば、発振が起こり易い傾向があることを知見した。したがって、本発明のように、制御側を発振が起こり易い条件に設定することで、より厳格なセンサの発振検査を行うことができる。また、本発明者らの知見から、制御側はそれぞれの個体差が小さいのに対して、ＮＯｘセンサ素子側は個体差が大きいということがわかっており、制御側を発振が起こり易い条件にすればより精度良く検査を行うことができる。
【００１３】
本発明は、第１の視点において、酸素分圧検知セルが出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段と、第１酸素ポンプセル制御手段と外乱発生手段との間に接続され、前記外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で該第１酸素ポンプセル制御手段に第１酸素ポンプセルを制御させる遅延手段と、を有し、少なくとも、前記外乱が重畳された酸素分圧検知信号に対する前記第１酸素ポンプ電流の位相の遅延ないし利得に基づいて、前記ＮＯｘセンサ素子の周波数特性を評価するＮＯｘセンサの検査装置を提供する。
【００１４】
前記検査装置は、被測定ガスの流通を制限する第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される第１測定室と、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極間の電位差に基づいて前記第１測定室内における被測定ガス中の酸素分圧を検出する酸素分圧検知セルと、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第１測定室の内側から外側へ又は外側から内側へ該一対の電極を介して酸素を汲み出すことにより、被測定ガス中の酸素分圧に応じた電流（以下「第１酸素ポンプ電流」という）が流れる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室からのガスの流通を制限する第２拡散抵抗を介してガスが導入される第２測定室と、前記第２測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第２測定室内の窒素酸化物を分解し、解離した酸素が移動することによりＮＯｘ濃度に応じた電流（以下「第２酸素ポンプ電流」という）が該一対の電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、を備えるＮＯｘセンサ素子と、前記酸素分圧検知セルの検出出力に基づいて所定の電圧を前記第１酸素ポンプセルに印加して前記第１酸素ポンプ電流を制御することにより、前記第１測定室内の酸素分圧を制御する第１酸素ポンプセル制御手段と、を備えるＮＯｘセンサ素子の制御手段と、を有するＮＯｘ測定装置（ＮＯｘセンサ）の検査装置として好適に適用される。
【００１５】
本発明は、他の視点において、被測定ガスの酸素分圧に基づいて、酸素ポンピングをすることにより所定酸素分圧の雰囲気を生成するフィードバック制御を行うガスセンサの検査方法であって、前記酸素分圧を示す信号に外乱を重畳する行程と、外乱が重畳された前記信号に基づいて検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で酸素ポンピングを行う行程と、少なくとも、前記外乱が重畳された信号に対する前記酸素ポンピングによる電流の位相の遅延ないし利得に基づいてガスセンサの周波数特性を評価する行程と、を含む、ことを特徴とするガスセンサの検査方法を提供する。
【００１６】
本発明の検査装置によれば、酸素濃度検出出力に対して酸素をポンピングする制御を遅延した条件でセンサを検査することにより、発振が生じやすい位相状態で、検査したセンサが発振が起こり易いセンサであるかどうかを評価することができる。このように、本発明の検査装置によれば、酸素濃度検出出力の周波数や位相条件を変えて多数の試験を行うことなく、特に、第１酸素ポンプ電流が発振するかどうかの評価を正確に行うことができるため、センサの周波数特性の評価を省力化して、センサの位相余裕を保証することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態に係るガスセンサの検査装置は、図２を参照して、酸素濃淡電池セル３が出力する酸素分圧検知信号に基づいて、酸素ポンプセル１により所定酸素分圧の雰囲気を生成するガスセンサの検査装置であって、酸素ポンプセル１とその制御手段２０の間に接続され、酸素濃淡電池セル３が出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段４０と、酸素ポンプセル１の制御手段２０と外乱発生手段４０との間に接続され、外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で酸素ポンプセル１の制御手段２０に酸素ポンプセル１を制御させる遅延手段４１と、を有し、少なくとも、外乱が重畳された酸素分圧検知信号に対する第１酸素ポンプセルに流れる電流の位相の遅延ないし利得に基づいて、ガスセンサの周波数特性を評価する。
【００１８】
なお、遅延手段として、好ましくは、抵抗とコンデンサの組合わせからなる時定数回路を用いることができる。時定数回路の抵抗値及び容量値を調整することにより、所望の遅延量を得ることができる。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態において、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価は、λ＝１の雰囲気を模擬した測定雰囲気に該ＮＯｘセンサを晒して行われる。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態において、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価は、Ｈ２Ｏ＝１％以上の雰囲気に該ＮＯｘセンサを晒して行われる。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態において、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価は、周波数１〜１００Ｈｚの外乱を前記酸素分圧検知信号に重畳して行われる。
【００２２】
【実施例】
以上説明した本発明の好ましい実施の形態をさらに明確化するために、以下図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。
【００２３】
図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、本発明の一実施例に係る検査装置によって検査されるＮＯｘセンサの構成要素であるＮＯｘセンサ素子の構成及び測定原理を説明するための図である。
【００２４】
図１（Ａ）を参照すると、ＮＯｘセンサ素子は、主として、第１酸素ポンプセル１、第２酸素ポンプセル２及び酸素分圧検知セル３、さらにＮＯｘセンサ素子を所定の作動温度に加熱するヒータ４から構成されている。第１酸素ポンプセル１と酸素分圧検知セル３の間には、第１測定室５が形成されている。第１測定室５には、第１拡散孔７を介して、被測定ガスが導入される。第１測定室５は、第２拡散孔８を通じて、第２測定室６と連通している。
【００２５】
第１酸素イオンポンプセル１は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極９，１０から構成されている。電極１０は第１測定室５に面して配置され、電極９は外部に面して配置されている。電極１０上で第１測定室５内の酸素等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質を通って電極９上から外部へ導出され、このとき該固体電解質を通じて流れる電流が第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１である。
【００２６】
第２酸素イオンポンプセル２は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極１３，１４から構成されている。電極１３は第２測定室６に面して配置され、電極１４は第２測定室６外に配置されると共に酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。電極１３上で第２測定室６内のＮＯｘ等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質を通って電極１４上から外部へ導出され、このとき固体電解質を通じて流れる電流が第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２である。通常の測定モードにおいて、電極１３と電極１４間には一定の電圧が印加される。
【００２７】
酸素分圧検知セル３は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極１１，１２から構成されている。電極１１は第１測定室５に面して配置され、電極１２は酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。したがって、電極１１と電極１２の間に発生する電位差に基づいて、第１測定室５内の酸素濃度、結局、被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００２８】
図１（Ａ）を参照すると、センサ制御手段は、酸素分圧検知セルに現れる第１測定室５内の酸素濃度を検出すると共に、第１測定室５外に設けられた電極１２上の酸素濃度を制御する酸素分圧セル制御手段２１と、酸素分圧検知セル３の検出出力に基づいて第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１を制御することにより、第１測定室５内の酸素濃度を可及的に一定に制御する第１酸素ポンプセル制御手段２０と、第２酸素ポンプセル２に可及的に一定な所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度に応じた第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２が流れるように第２酸素ポンプセル２を制御する第２酸素ポンプセル制御手段２２と、を含んで構成される。
【００２９】
以上説明したＮＯｘセンサ素子及びその制御手段を用いたＮＯｘ測定原理については、図１（Ｂ）〜図１（Ｄ）に示すとおりであるから、これらを参照することとする。
【００３０】
図２は、図１に示したＮＯｘセンサに適用される、本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を説明するための図である。図２を参照すると、酸素分圧検知セル３と第１酸素ポンプセル制御手段２０との間には、酸素分圧検知セル３が出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段４０が接続されている。第１酸素ポンプセル制御手段２０と外乱発生手段４０との間には、外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で第１酸素ポンプセル制御手段２０に第１酸素ポンプセル１を制御させる遅延手段４１が接続されている。なお、外乱発生手段４０としては市販の周波数発生器を用いることができ、遅延手段４１としては時定数回路を用いることができる。
【００３１】
以上説明した本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いたＮＯｘセンサの検査例について説明する。
【００３２】
図３は、本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いたＮＯｘセンサの検査例の説明図であって、通常測定時（通常回路）と検査時（遅延回路）における、ＮＯｘセンサの制御回路の周波数特性をそれぞれ示している。図４は、特定条件で発振が起こるＮＯｘセンサの検査例の説明図であって、通常測定時におけるＮＯｘセンサの合成周波数特性（ＮＯｘセンサ素子とその制御回路の合成周波数特性）を示している。
【００３３】
本検査例においては、ＮＯｘセンサの制御回路（図２参照）において、酸素分圧検知セルと第１酸素ポンプセルの間に接続されている時定数回路（遅延手段）の時定数を、通常の測定時より大きく設定することにより、図３に示すように、制御回路の位相を所定量遅延させている。なお、制御回路の利得は、図３に示すように、通常測定時と同様に設定している。これは、利得が変化すると、利得が０ｄＢ以上となる周波数ポイント（利得が０ｄＢ以下では発振が生じない）が変化してしまうからである。
【００３４】
ＮＯｘセンサの合成周波数特性を示す図４を参照すると、周波数が約１〜２０Ｈｚの領域で、利得が０ｄＢ以上となっている。そこで、センサの個体差を考慮して、全てのセンサは、周波数が１〜１００Ｈｚの領域で利得が０ｄＢ以上となると仮定した。また、位相に関して、発振が起こる領域は−１８０゜付近である。図４を参照すると、周波数が１〜１００Ｈｚの領域で位相の最低値は約−１６５゜である。そこで、センサの個体差を考慮して前記時定数回路の時定数を調整して、ＮＯｘセンサ素子の制御回路の位相が、図３に示すように、通常測定時よりも２０゜遅れるように設定した。なお、図３を参照すると、周波数が１００Ｈｚを大きく超える領域では、位相遅れが２０゜以上になっているが、前述したように、利得が０ｄＢ以上となる領域（発振する可能性がある領域）は、周波数が１〜１００Ｈｚの領域であるので、この周波数が１〜１００Ｈｚの領域で位相が２０゜遅れれば、発振する虞のあるセンサを確実に捉えることができる。
【００３５】
このように、位相を遅らせて発振検査を行うことにより、通常の測定条件では発振しないが、特定の測定条件で発振するセンサ、例えば、通常の測定条件では位相が−１７０゜までしか遅れないセンサを、全周波数領域について発振試験を行うことなく、発振する虞があるセンサとして掴まえることができる。
【００３６】
次に、発振検査方法の一例について説明する。まず、ＮＯｘセンサ素子を測定チャンバー内に設置し、測定チャンバーに内燃機関の排気ガスを模擬した所定のモデルガス、例えば、λ＝１のときの組成を模擬したモデルガスを流入させる。測定雰囲気の一例は、ＣＯ２＝１０％、Ｈ２Ｏ＝５％、Ｎ２＝ｂａｌ．である。次に、ＮＯｘセンサの制御手段の電源をオンし、ヒータ通電を行い、所定時間経過後、酸素分圧検知信号に外乱（ｓｉｎ波）を入力ないし重畳して、第１酸素ポンプ電流ないし第１酸素ポンプセルに印加される電圧を計測して、酸素分圧検知信号と第１酸素ポンプ電流ないし第１酸素ポンプセルに印加される電圧を入力とする周波数応答分析器を用いて、第１酸素ポンプ電流が発振するかどうかを検査する。
【００３７】
なお、評価方法としては、例えば、ＮＯｘセンサの発振試験中、第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１ないし第１酸素ポンプセルに印加される電圧Ｖｐ１が閾値（所定の位相以下になった場合）を所定回数以上通過した場合、そのＮＯｘセンサを不良品と判定することができる。また、外乱を酸素分圧検知信号に重畳する方法として、電気的外乱、圧力変化、センサ素子の温度変化、センサ雰囲気の温度変化、電磁波の印加などがある。
【００３８】
次に、本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いて、測定雰囲気、特に、Ｈ２Ｏ濃度がＮＯｘセンサの周波数特性に与える影響を調べた。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、測定雰囲気、特に、Ｈ２Ｏ濃度がＮＯｘセンサの周波数特性に与える影響を示すグラフである。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を参照すると、Ｈ２Ｏ濃度が利得及び位相に影響を与えており、Ｈ２Ｏ濃度が高いほど利得が高く、位相遅れが大きいことがわかる。したがって、内燃機関の排気ガスの組成及びその変動を考慮すると、Ｈ２Ｏ＝１％以上付近で発振検査を行うことが好ましいことがわかる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、酸素濃淡電池セル又は酸素分圧検知セルと、酸素ポンプセルを備えたガスセンサ、特に、ＮＯｘセンサの周波数特性の評価を省力化することができる検査装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の一実施例に係る検査装置によって検査されるＮＯｘセンサの構成要素であるＮＯｘセンサ素子の構成及び測定原理を説明するための図である。
【図２】図１に示したＮＯｘセンサに適用される、本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いたＮＯｘセンサの検査例の説明図であって、通常測定時（通常回路）と検査時（遅延回路）における、ＮＯｘセンサの制御回路の周波数特性をそれぞれ示している。
【図４】本発明の一実施例に係るＮＯｘセンサの検査装置を用いたＮＯｘセンサの検査例の説明図であって、通常測定時におけるＮＯｘセンサの合成周波数特性（ＮＯｘセンサ素子とその制御回路の合成周波数特性をそれぞれ示している。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、測定雰囲気、特に、Ｈ２Ｏ濃度がＮＯｘセンサの周波数特性に与える影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 第１酸素ポンプセル
２ 第２酸素ポンプセル
３ 酸素分圧検知セル
４ ヒータ
５ 第１測定室
６ 第２測定室
７ 第１拡散孔
８ 第２拡散孔
９ 電極
１０ 電極
１１ 電極
１２ 電極
１３ 電極
１４ 電極
２０ 第１酸素ポンプセル制御手段（Ｉｐ１ドライブ）
２０ａ 検出抵抗
２１ 酸素分圧検知セル制御手段（Ｖｓドライブ）
２２ 第２酸素ポンプセル制御手段（Ｉｐ２ドライブ）
２２ａ 検出抵抗
４０ 外乱発生手段
４１ 遅延手段
Claims (5)
- 被測定ガスの流通を制限する第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される第１測定室と、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極間の電位差に基づいて前記第１測定室内における被測定ガス中の酸素分圧を検出する酸素分圧検知セルと、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第１測定室の内側から外側へ又は外側から内側へ該一対の電極を介して酸素を汲み出すことにより、被測定ガス中の酸素分圧に応じた電流（以下「第１酸素ポンプ電流」という）が流れる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室からのガスの流通を制限する第２拡散抵抗を介してガスが導入される第２測定室と、前記第２測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第２測定室内の窒素酸化物を分解し、解離した酸素が移動することによりＮＯｘ濃度に応じた電流（以下「第２酸素ポンプ電流」という）が該一対の電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、を備えるＮＯｘセンサ素子と、前記酸素分圧検知セルの検出出力に基づいて所定の電圧を前記第１酸素ポンプセルに印加して前記第１酸素ポンプ電流を制御することにより、前記第１測定室内の酸素分圧を制御する第１酸素ポンプセル制御手段と、を有するＮＯｘセンサの検査装置であって、
前記酸素分圧検知セルと前記第１酸素ポンプセル制御手段との間に接続され、前記酸素分圧検知セルが出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段と、
前記第１酸素ポンプセル制御手段と前記外乱発生手段との間に接続され、前記外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で該第１酸素ポンプセル制御手段に前記第１酸素ポンプセルを制御させる遅延手段と、を有し、
少なくとも、前記外乱が重畳された酸素分圧検知信号に対する前記第１酸素ポンプ電流の位相の遅延ないし利得に基づいて、前記ＮＯｘセンサの周波数特性を評価することを特徴とするＮＯｘセンサの検査装置。 - 前記遅延手段は、前記外乱が重畳された酸素分圧検知信号に対して位相が２０度遅延して前記第１酸素ポンプセルを制御することを特徴とする請求項１記載のＮＯｘセンサの検査装置。
- 前記ＮＯｘセンサの周波数特性の評価は、λ＝１の雰囲気を模擬した測定雰囲気に該ＮＯｘセンサを晒して行われることを特徴とする請求項１又は２記載のＮＯｘセンサの検査装置。
- 前記ＮＯｘセンサの周波数特性の評価は、Ｈ２Ｏ＝１％以上の雰囲気に該ＮＯｘセンサを晒して行われることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のＮＯｘセンサの検査装置。
- 酸素濃淡電池セルが出力する酸素分圧検知信号に基づいて、酸素ポンプセルにより所定酸素分圧の雰囲気を生成するガスセンサの検査装置であって、
前記酸素ポンプセルとその制御手段の間に接続され、酸素濃淡電池セルが出力する酸素分圧検知信号に外乱を重畳する外乱発生手段と、
前記酸素ポンプセルの制御手段と前記外乱発生手段との間に接続され、前記外乱が重畳された酸素分圧検知信号に基づいて、検査時に通常の測定時よりも位相が所定量遅延した状態で該酸素ポンプセルの制御手段に前記第１酸素ポンプセルを制御させる遅延手段と、を有し、
少なくとも、前記外乱が重畳された酸素分圧検知信号に対する前記第１酸素ポンプセルに流れる電流の位相の遅延ないし利得に基づいて、ガスセンサの周波数特性を評価することを特徴とするガスセンサの検査装置。
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2003
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