JP2006234589A - Method and device for evaluating gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスセンサの評価方法及び評価装置に関するものである。 The present invention relates to a gas sensor evaluation method and an evaluation apparatus.
一般に、内燃機関の燃焼制御のために、排気ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサが用いられている。このガスセンサは、酸素イオン伝導性を有するジルコニア等のセラミックよりなる固体電解質体と、その固体電解質体の一方の表面に設けられ、被測定ガスに曝される白金等からなる測定電極と、固体電解質体の他方の表面に設けられ、基準ガスに接する白金等からなる基準電極とから構成されている。さらに、排気ガス中には、リン等の被毒物質が含まれており、被毒物質が測定電極に吸着すると安定した出力を得ることができない。そこで、測定電極の表面には、測定電極の被毒を防止するためのアルミナマグネシアスピネル等のセラミックからなる多孔質の電極保護層が形成されている。 In general, a gas sensor that detects an oxygen concentration in exhaust gas is used for combustion control of an internal combustion engine. This gas sensor includes a solid electrolyte body made of a ceramic such as zirconia having oxygen ion conductivity, a measurement electrode made of platinum or the like provided on one surface of the solid electrolyte body and exposed to a gas to be measured, and a solid electrolyte. The reference electrode is provided on the other surface of the body and is made of platinum or the like in contact with the reference gas. Further, the exhaust gas contains a poisoning substance such as phosphorus, and a stable output cannot be obtained when the poisoning substance is adsorbed on the measurement electrode. Therefore, a porous electrode protection layer made of ceramic such as alumina magnesia spinel for preventing the measurement electrode from being poisoned is formed on the surface of the measurement electrode.
そして、このガスセンサは、被測定ガス中の酸素濃度に応じて固体電解質体に発生する起電力を、基準電極と測定電極とから取り出し、この起電力の値(以下、「出力値」とも言う。)を用いて酸素濃度を検出するものである。 The gas sensor extracts an electromotive force generated in the solid electrolyte body in accordance with the oxygen concentration in the gas to be measured from the reference electrode and the measurement electrode, and also refers to the value of the electromotive force (hereinafter referred to as “output value”). ) Is used to detect the oxygen concentration.
ところで、近年の排気ガス規制の強化に対応するため、より精密な内燃機関の燃焼制御が要求されている。このため、上記ガスセンサにもより高度な測定精度が求められている。そして、ガスセンサがいかに精度よくその出力を行ないうるかを評価するための評価装置も要望されることとなる。このようなガスセンサの評価装置としては、例えば、特許文献1に記載のように、流量の等しい還元性ガスと酸化性ガスを交互に切替えたガスを被測定ガスとみなしてガスセンサに供給し、これに対するガスセンサの出力によりガスセンサの応答性を評価するものがある。
しかしながら、上記のガスセンサの評価装置では、ガスセンサの出力自体である応答性を評価するものであり、ガスセンサの良否を判断できるものの、応答性が悪かった場合にガスセンサのどの部分に不具合があるのかを特定することができなかった。特に、ガスセンサ素子の測定電極に施された保護層は、厚みや緻密度等の状態によりガスセンサの応答性を変化させる一つの要因となるが、ガスセンサの応答性から保護層の状態を直接評価することは困難であった。 However, the gas sensor evaluation apparatus evaluates the responsiveness, which is the output of the gas sensor itself, and can determine whether the gas sensor is good or bad. However, if the responsiveness is bad, it indicates which part of the gas sensor is defective. Could not be identified. In particular, the protective layer applied to the measurement electrode of the gas sensor element is one factor that changes the responsiveness of the gas sensor depending on the thickness, density, etc., but the state of the protective layer is directly evaluated from the responsiveness of the gas sensor. It was difficult.
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、ガスセンサ素子の測定電極を被覆する保護層の状態を評価するガスセンサの評価方法及び評価装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a gas sensor evaluation method and an evaluation apparatus for evaluating the state of a protective layer covering a measurement electrode of a gas sensor element.
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に記載のガスセンサの評価方法は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体に、被測定ガスに曝される測定電極と該測定電極に対向する基準電極とを配設し、少なくとも当該測定電極をセラミックの保護層により被覆したガスセンサ素子の特性を評価するガスセンサの評価方法であって、少なくとも水素ガス及び酸化性ガスを用い、これらのいずれか一方の流量を固定し、他方を変化させて作成する雰囲気に前記ガスセンサ素子を曝したとき、前記ガスセンサが出力する出力値により前記保護層の状態を評価することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a gas sensor evaluation method according to
また、本発明の請求項2に記載のガスセンサの評価方法は、請求項1に記載の発明の構成に加え、前記保護層の状態として、前記保護層の厚みを評価することを特徴とする。
Further, the gas sensor evaluation method according to
また、本発明の請求項3に記載のガスセンサの評価方法は、請求項1に記載の発明の構成に加え、前記保護層の状態として、前記保護層中に占める気孔の割合を示す緻密度を評価することを特徴とする。
In addition, the gas sensor evaluation method according to
また、本発明の請求項4に記載のガスセンサの評価方法は、請求項1に記載の発明の構成に加え、前記保護層の状態として、前記保護層に触媒金属粒子が担持されているか否かを評価することを特徴とする。
In addition to the configuration of the invention described in
さらに、本発明の請求項5に記載のガスセンサの評価装置は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体に、被測定ガスに曝される測定電極と該測定電極に対向する基準電極とを配設し、少なくとも当該測定電極をセラミック保護層により被覆したガスセンサ素子に、少なくとも水素ガス及び酸化性ガスから構成される雰囲気を供給するガス供給手段と、当該ガス供給手段により供給される前記水素ガス又は前記酸化性ガスのいずれか一方の流量を固定し、他方を変化させる流量調整手段と、当該流量調整手段により調整された前記雰囲気にガスセンサ素子を曝すことで該ガスセンサ素子を備えるガスセンサが出力する出力値を測定する出力測定手段と、当該出力測定手段により測定された出力値に基づき前記保護層の状態を評価する評価手段とを備えたことを特徴とする。
Furthermore, in the gas sensor evaluation apparatus according to
また、本発明の請求項6に記載のガスセンサの評価装置は、請求項5に記載の発明の構成に加え、前記評価手段が、前記保護層の厚みを評価することを特徴とする。
A gas sensor evaluation apparatus according to claim 6 of the present invention is characterized in that, in addition to the configuration of the invention according to
また、本発明の請求項7に記載のガスセンサの評価装置は、請求項5に記載の発明の構成に加え、前記評価手段が、前記保護層中に占める気孔の割合を示す緻密度を評価することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in addition to the configuration of the fifth aspect of the invention, the evaluation device evaluates the density indicating the proportion of pores in the protective layer. It is characterized by that.
また、本発明の請求項8に記載のガスセンサの評価装置は、請求項5に記載の発明の構成に加え、前記評価手段が、前記保護層に触媒金属粒子が担持されているか否かを評価することを特徴とする。
Further, in the gas sensor evaluation apparatus according to claim 8 of the present invention, in addition to the configuration of the invention according to
本発明の請求項1に記載のガスセンサの評価方法は、測定電極を多孔質のセラミック保護層により被覆したガスセンサを、少なくとも水素ガス及び酸化性ガスを用い、これらのいずれか一方の流量を固定し、他方を変化させて作成する雰囲気に曝すため、この雰囲気に対してガスセンサが出力する出力値により、厚みや緻密度等の保護層の状態を評価することができる。従って、ガスセンサの応答性からの評価のみで、他の要因に左右されずに保護層の状態を直接評価できる。また、ガスセンサを破壊検査しなくても、保護層の状態を評価できるので、評価対象のガスセンサを再使用したい場合にも有効である。
In the gas sensor evaluation method according to
また、本発明の請求項2に記載のガスセンサの評価方法は、請求項1に記載の発明の効果に加え、保護層の状態として、保護層の厚みを評価する。具体的には、水素ガス中の水素は粒子が小さいため、保護層での拡散速度が速い。それに対して、酸化性ガス中の酸素の粒子は水素ガスの粒子よりも大きいため、保護層での拡散速度が遅い。よって、保護層の厚みが大きい場合は、測定電極付近では外部から到達する水素が酸素よりも過剰になり、ガスセンサの出力がリッチ側となる。一方、保護層の厚みが小さくなるにつれて測定電極付近では水素と酸素とがほぼ同等になってくるので、ガスセンサの出力がよりリーン側に移動する。これにより、ガスセンサの応答性が悪い場合に、保護層が厚すぎることや剥離してしまっていること等の保護層の厚みに原因があるかどうかを特定することができる。
In addition, the gas sensor evaluation method according to
また、本発明の請求項3に記載のガスセンサの評価方法は、請求項1に記載の発明の効果に加え、保護層の状態として、保護層中に占める気孔の割合を示す緻密度を評価する。具体的には、上記にも述べたが、水素ガス中の水素は粒子が小さいため、保護層での拡散速度が速い。それに対して、酸化性ガス中の酸素の粒子は水素ガスの粒子よりも大きいため、保護層での拡散速度が遅い。よって、保護層の緻密度が大きい場合は、測定電極付近では外部から到達する水素が酸素よりも過剰になり、ガスセンサの出力がリッチ側となる。一方、保護層の緻密度が小さくなるにつれて測定電極付近では水素と酸素とがほぼ同等になってくるので、ガスセンサの出力がよりリーン側に移動する。これにより、ガスセンサの応答性が悪い場合に、保護層の気孔の割合(気孔率)が高いか低いか等の保護層の緻密度に原因があるかどうかを特定することができる。
The gas sensor evaluation method according to
また、本発明の請求項4に記載のガスセンサの評価方法は、請求項1に記載の発明の効果に加え、保護層に触媒金属粒子が担持されているか否かを評価する。具体的には、触媒金属粒子がある場合は、測定電極に到達する前に保護層で水素と酸素との反応が促進されるため、ガスセンサの出力がリーンとなる。一方、触媒金属粒子がない場合は、保護層での水素と酸素との反応が、触媒金属粒子がある場合と比べて抑制されるためリッチ側に移動する。これにより、ガスセンサの応答性が悪い場合に、その触媒金属粒子が担持されていないことが原因となっているかどうかを特定することができる。なお、触媒金属粒子としては、Pt、Pd、Rh、Ru等を挙げることができる。また、保護層すべてに触媒金属粒子が担持されていてもよいし、測定電極上に保護層を2層設け、表層にのみ触媒金属粒子を担持させてもよい。
The gas sensor evaluation method according to
さらに、本発明の請求項5に記載のガスセンサの評価装置は、測定電極を多孔質のセラミック保護層により被覆したガスセンサを、少なくとも水素ガス及び酸化性ガスを用い、これらのいずれか一方の流量を固定し、他方を変化させて作成する雰囲気に曝すため、この雰囲気に対してガスセンサが出力する出力値により、厚みや緻密度等の保護層の状態を評価することができる。従って、ガスセンサの応答性からの評価のみで、他の要因に左右されずに保護層の状態を直接評価できる。また、ガスセンサを破壊検査しなくても、保護層の状態を評価できるので、評価対象のガスセンサを再使用したい場合にも有効である。
Furthermore, the gas sensor evaluation apparatus according to
また、本発明の請求項6に記載のガスセンサの評価装置は、請求項5に記載の発明の効果に加え、保護層の状態として、保護層の厚みを評価する。具体的には、水素ガス中の水素は粒子が小さいため、保護層での拡散速度が速い。それに対して、酸化性ガス中の酸素の粒子は水素ガスの粒子よりも大きいため、保護層での拡散速度が遅い。よって、保護層の厚みが大きい場合は、測定電極付近では外部から到達する水素が酸素よりも過剰になり、ガスセンサの出力がリッチ側となる。一方、保護層の厚みが小さくなるにつれて測定電極付近では水素と酸素とがほぼ同等になってくるので、ガスセンサの出力がよりリーン側に移動する。これにより、ガスセンサの応答性が悪い場合にも、保護層が厚すぎることや剥離してしまっていること等の保護層の厚みに原因があるかどうかを特定することができる。
Moreover, the gas sensor evaluation apparatus according to claim 6 of the present invention evaluates the thickness of the protective layer as the state of the protective layer in addition to the effect of the invention according to
また、本発明の請求項7に記載のガスセンサの評価装置は、請求項5に記載の発明の効果に加え、保護層の状態として、保護層中に占める気孔の割合を示す緻密度を評価する。具体的には、上記にも述べたが、水素ガス中の水素は粒子が小さいため、保護層での拡散速度が速い。それに対して、酸化性ガス中の酸素の粒子は水素ガスの粒子よりも大きいため、保護層での拡散速度が遅い。よって、保護層の緻密度が大きい場合は、測定電極付近では外部から到達する水素が酸素よりも過剰になり、ガスセンサの出力がリッチ側となる。一方、保護層の緻密度が小さくなるにつれて測定電極付近では水素と酸素とがほぼ同等になってくるので、ガスセンサの出力がよりリーン側に移動する。これにより、ガスセンサの応答性が悪い場合に、保護層の気孔の割合(気孔率)が高いか低いか等の保護層の緻密度に原因があるかどうかを特定することができる。
The gas sensor evaluation apparatus according to
また、本発明の請求項8に記載のガスセンサの評価装置は、請求項5に記載の発明の効果に加え、金属粒子が担持されているか否かを評価する。具体的には、触媒金属粒子がある場合は、測定電極に到達する前に保護層で水素と酸素との反応が促進されるため、ガスセンサの出力がリーンとなる。一方、触媒金属粒子がない場合は、保護層での水素と酸素との反応が、触媒金属粒子がある場合と比べて抑制されるためリッチ側に移動する。これにより、ガスセンサの応答性が悪い場合に、その触媒金属粒子が担持されてていないことが原因となっているかどうかを特定することができる。
In addition to the effect of the invention according to
次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図1は、ガスセンサの評価装置100全体のシステム構成を概略的に示すブロック図である。図2は、ガスセンサ1の全体構成を示す断面図である。評価装置100は、ガスを供給するガス供給部110と、評価対象となるガスセンサ1を設置する応答部120とから構成されている。
Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram schematically showing the overall system configuration of the gas sensor evaluation apparatus 100. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the
ガス供給部110には、水素ガスが充填された水素ガスボンベ102、酸素ガスが充填された酸素ガスボンベ103、及び窒素ガスが充填された窒素ガスボンベ104の3つのガスボンベが設けられている。水素ガスボンベ102には、ここから供給される水素ガスの流量を調整するためのマスフロー・コントローラ(MFC)112が接続されている。また、酸素ガスボンベ103には、ここから供給される酸素ガスの流量を調整するためのマスフロー・コントローラ113が接続されている。さらに、窒素ガスボンベ104には、ここから供給される窒素ガスの流量を調整するためのマスフロー・コントローラ114が接続されている。なお、酸素ガスボンベ103から供給される酸素ガスが本発明の酸化性ガスであるが、酸素ガスの他、NOガスやNO2ガスも酸化性ガスとして用いることができる。 The gas supply unit 110 is provided with three gas cylinders: a hydrogen gas cylinder 102 filled with hydrogen gas, an oxygen gas cylinder 103 filled with oxygen gas, and a nitrogen gas cylinder 104 filled with nitrogen gas. Connected to the hydrogen gas cylinder 102 is a mass flow controller (MFC) 112 for adjusting the flow rate of hydrogen gas supplied therefrom. The oxygen gas cylinder 103 is connected to a mass flow controller 113 for adjusting the flow rate of oxygen gas supplied therefrom. Further, a mass flow controller 114 for adjusting the flow rate of nitrogen gas supplied from the nitrogen gas cylinder 104 is connected to the nitrogen gas cylinder 104. Note that the oxygen gas supplied from the oxygen gas cylinder 103 is the oxidizing gas of the present invention, but in addition to the oxygen gas, NO gas or NO 2 gas can also be used as the oxidizing gas.
ガス供給部110は、配管115に接続されており、各マスフロー・コントローラ112,113,114により流量を調整された水素ガス、酸素ガス、窒素ガスからなる混合ガスが被測定ガスとして配管115に供給される。本実施形態では、水素ガスボンベ102から供給される水素ガスの流量を一定とし、酸素ガスボンベ103から供給される酸素ガスの流量を増減させ、窒素ガスボンベ104から供給される窒素ガスの量を酸素ガスの量に応じて増減するようにマスフロー・コントローラ114により調整し、ガス供給部110から配管115に供給される混合ガスの全体の流量を一定としている。なお、流量を一定にするガスを酸素ガスとし、水素ガスの流量を増減させ、その流量に応じて窒素ガスの流量を調整するようにしてもよい。 The gas supply unit 110 is connected to a pipe 115, and a mixed gas composed of hydrogen gas, oxygen gas, and nitrogen gas whose flow rates are adjusted by the mass flow controllers 112, 113, and 114 is supplied to the pipe 115 as a gas to be measured. Is done. In the present embodiment, the flow rate of the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas cylinder 102 is made constant, the flow rate of the oxygen gas supplied from the oxygen gas cylinder 103 is increased or decreased, and the amount of the nitrogen gas supplied from the nitrogen gas cylinder 104 is changed. The flow rate is adjusted by the mass flow controller 114 so as to increase or decrease according to the amount, and the entire flow rate of the mixed gas supplied from the gas supply unit 110 to the pipe 115 is made constant. The gas whose flow rate is constant may be oxygen gas, the flow rate of hydrogen gas may be increased or decreased, and the flow rate of nitrogen gas may be adjusted according to the flow rate.
応答部120は、ガス供給部110から各ガスが供給される配管115に接続された配管121内に、ガスセンサ1、空燃比センサ125、ヒータ124を設けている。ガスセンサ1からの出力は、応答部120の外に設けられたコンピュータからなる計測部123により測定される。電気式のヒータ124は、配管115に供給される混合ガスを加熱するためのものであり、ヒータ124の通電を制御することにより、ガスセンサ1に供給されるガスの温度がほぼ一定に保たれるようになっている。また、配管121には、モニタ用の空燃比センサ125が設けられ、この空燃比センサ125の出力は空燃比(A/F)計126に測定され、計測部123に入力される。なお、配管121に供給される混合ガスの割合は、ガスアナライザ127により分析され、適正割合が担保されるようになっている。
The response unit 120 includes a
ここで、評価装置100において評価される対象となるガスセンサ1について説明する。図2に示すように、ガスセンサ1は、先端部が閉じた有底筒状をなすセンサ素子2、センサ素子2の有底孔25に挿入されるセラミックヒータ3と、センサ素子2を自身の内側にて保持する主体金具5を備える。なお、本実施形態において、図2に示すセンサ素子2の軸に沿う方向のうち、測定対象ガス(排気ガス)に曝される先端部に向かう側(閉じている側、図中の下側)を「先端側」とし、これと反対方向(図中上側)に向かう側を「後端側」として説明する。
Here, the
このセンサ素子2は、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主成分とする酸素イオン伝導性を有する固体電解質体28と、その固体電解質体28の有底孔25の内面に、そのほぼ全面を覆うようにPtまたはPt合金により多孔質状に形成された内部電極層27(本発明の基準電極に相当する)と、固体電解質体28の外面に、内部電極層27と同様に多孔質状に形成された外部電極層26(本発明の測定電極に相当する)を有している。また、センサ素子2には、外部電極層26を被覆する多孔質状の電極保護層99がさらに設けられている。この保護層は、アルミナマグネシアスピネル等の耐熱性セラミックよりなり、触媒金属粒子を担持している。また、このセンサ素子2の軸線方向の略中間位置には、径方向外側に向かって突出する係合フランジ部92が設けられている。また、セラミックヒータ3は、棒状に形成されると共に、内部に発熱抵抗体を有する発熱部42を備えている。このセラミックヒータ3は、後述するヒータ用リード線19,22を介して通電されることにより発熱部42が発熱することになり、センサ素子2を活性化させるべく当該センサ素子2を加熱する機能を果たす。
The
主体金具5は、ガスセンサ1を排気管の取り付け部に取り付けるためのネジ部66と、排気管の取付部への取り付け時に取付工具をあてがう六角部93を有している。また、主体金具5は、センサ素子2を先端側から支持するアルミナ製の支持部材51と、支持部材51の後端側に充填される滑石粉末からなる充填部材52と、充填部材52を後端側から先端側に向けて押圧するアルミナ製のスリーブ53とを内部に収納可能に構成されている。
The
主体金具5には、先端側内周に径方向内側に向かって突出した金具側段部54が設けられており、この金具側段部54にパッキン55を介して支持部材51を係止させている。なお、センサ素子2は、係合フランジ部92が支持部材51上に支持されることにより、主体金具5に支持される。支持部材51の後端側における主体金具5の内面とセンサ素子2の外面との間には、充填部材52が配設され、さらにこの充填部材52の後端側にスリーブ53及び環状リング15が順次同軸状に内挿された状態で配置される。
The
また、主体金具5の後端側内側にはSUS304Lからなる内筒部材14の先端側が挿入されている。この内筒部材14は、先端側の拡径した開口端部(先端開口端部59)を環状リング15に当接させた状態で、主体金具5の金具側後端部60を内側先端方向に加締めることで、主体金具5に固定されている。なお、ガスセンサ1においては、主体金具5の金具側後端部60を加締めることを通じて、充填部材52がスリーブ53を介して圧縮充填される構造になっており、これによりセンサ素子2が筒状の主体金具5の内側に気密状に保持されている。
A front end side of the
内筒部材14は、軸線方向における略中間位置に内筒段付き部83が形成されており、内筒段付き部83よりも先端側が内筒先端側胴部61として形成され、内筒段付き部83よりも後端側が内筒後端側胴部62として形成される。内筒後端側胴部62は、内筒先端側胴部61よりも内径、外径がともに小さく形成され、その内径は後述するセパレータ7のセパレータ本体部85の外径よりも若干大きく形成されている。また、内筒後端側胴部62には、周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔67が形成されている。
The
外筒部材16は、SUS304Lの板材を深絞り加工することにより筒状に成型されており、後端側に外部から内部に通じる開口を含む外筒後端側部63、先端側に内筒部材14に対して後端側から同軸状に連結される外筒先端側部64、外筒後端側部63と外筒先端側部64とを繋ぐ外筒段部35が形成される。なお、外筒後端側部63には、弾性シール部材11を気密状に固定するための加締め部88が形成されている。
The
また、主体金具5の先端側外周には、センサ素子2の主体金具5の先端から突出する先端部を覆うとともに、複数のガス取入れ孔を有する金属製の二重のプロテクタ81,82が溶接によって取り付けられている。
Further, a metal
さらに、内筒部材14の内筒後端側胴部62の外側には、大気導入孔67から水が侵入するのを防止するための筒状のフィルタ68が配置されている。なお、フィルタ68は、例えばポリテトラフルオロエチレンの多孔質繊維構造体(商品名:ゴアテックス(ジャパンゴアテックス(株))のように、水を主体とする液体の透過は阻止する一方、空気などの気体の透過は許容する撥水性フィルタとして構成される。
Further, a
外筒部材16の外筒先端側部64は、フィルタ68が配置された内筒部材14(詳細には内筒後端側胴部62)を外側から覆う形状に形成されており、外筒先端側部64のうち、フィルタ68に対応する位置には周方向に沿って所定の間隔で複数の大気導入孔84が形成されている。
The outer cylinder front
なお、外筒部材16と内筒部材14とは、外筒部材16の外筒先端側部64のうちで大気導入孔84よりも後端側の少なくとも一部を、フィルタ68を介して径方向内側に加締めることで形成した第1加締め部56と、大気導入孔84よりも先端側の少なくとも一部を、同じくフィルタ68を介して径方向内側に加締めることで形成した第2加締め部57とによって固定されている。このとき、フィルタ68は、外筒部材16と内筒部材14との間で気密状に保持されることになる。また、外筒部材16の外筒先端側部64は内筒先端側胴部61に対し外側から重なりを生じるように配置されており、その重なり部の少なくとも一部が周方向の内側に向けて加締められることで、連結加締め部75が形成されている。
The
これにより、基準ガスとしての大気は、大気導入孔84,フィルタ68および大気導入孔67、内筒部材14の内部に導入され、センサ素子2の有底孔25に導入される。一方、水滴はフィルタ68を通過することができないため、内筒部材14の内側への侵入が阻止される。
Thereby, the atmosphere as the reference gas is introduced into the
外筒部材16の後端内側(外筒後端側部63)に配置される弾性シール部材11は、センサ素子2に電気的に接続される2本の素子用リード線20、21と、セラミックヒータ3に電気的に接続される2本のヒータ用リード線19、22とを挿通するための4つのリード線挿通孔17が、先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。
The elastic seal member 11 disposed inside the rear end of the outer cylinder member 16 (outer cylinder rear end side portion 63) includes two
また、内筒部材14の内筒後端側胴部62に自身の先端側が挿入配置されるセパレータ7は、素子用リード線20、21と、ヒータ用リード線19,22とを挿通するためのセパレータリード線挿通孔71が先端側から後端側にかけて貫通するように形成されている。また、セパレータ7には、先端面に開口する有底状の保持孔95が軸線方向に形成されている。この保持孔95内には、セラミックヒータ3の後端部が挿入され、セラミックヒータ3の後端面が保持孔95の底面に当接することでセパレータ7に対するセラミックヒータ3の軸線方向の位置決めがなされる。
In addition, the
このセパレータ7は、内筒部材14の後端内側に挿入されるセパレータ本体部85を有するとともに、セパレータ本体部85の後端部から周方向外側に延設されたセパレータフランジ部86を有している。つまり、セパレータ7は、セパレータ本体部85が内筒部材14に挿入されるとともに、セパレータフランジ部86が内筒部材14の後端面にフッ素ゴムからなる環状シール部材40を介して支持される状態で、外筒部材16の内側に配置される。
The
また、素子用リード線20、21及びヒータ用リード線19、22は、セパレータ7のセパレータリード線挿通孔71、弾性シール部材11のリード線挿通孔17を通じて、内筒部材14及び外筒部材16の内部から外部に向かって引き出されている。なお、これら4本のリード線19、20、21、22は外部において、図示しないコネクタに接続される。そして、このコネクタを介してECU等の外部機器と各リード線19、20、21、22とは電気信号の入出力が行なわれることになる。
The
また、各リード線19、20、21、22は、詳細は図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて被覆した構造を有しており、導線の後端側がコネクタに設けられるコネクタ端子に接続される。そして、素子用リード線20の導線の先端側は、センサ素子2の外面に対して外嵌される端子金具43の後端部と加締められ、素子用リード線21の導線の先端側は、センサ素子2の内面に対して圧入される端子金具44の後端部と加締められる。これにより、素子用リード線20は、センサ素子2の外部電極層26と電気的に接続され、素子用リード線21は、内部電極層27と電気的に接続される。他方、ヒータ用リード線19、22の導線の先端部は、セラミックヒータ3の発熱抵抗体と接合された一対のヒータ用端子金具と各々接続される。
Further, although not shown in detail, each
そして、セパレータ7の後端側には、耐熱性に優れるフッ素ゴム等からなる弾性シール部材11が、外筒部材16を加締め、加締め部88を形成することにより、外筒部材16に固定されている。この弾性シール部材11は、本体部31、本体部31の先端側の側周面から径方向外側に向けて延びるシール部材鍔部32を有している。そして、この本体部31を軸線方向に貫くように4つのリード線挿通孔17が形成されている。
An elastic seal member 11 made of fluorine rubber or the like having excellent heat resistance is fixed to the
次に、評価装置100により、ガスセンサ1の保護層の状態を評価する方法について以下の実施例により説明する。
Next, a method for evaluating the state of the protective layer of the
[実施例1]
ガスセンサ1について、センサ素子2の保護層99の厚みの異なる3種類を用意して、ガスセンサの出力値を測定した。保護層99の厚みは、100μm,200μm,及び300μmとした。また、センサ素子2の温度は600℃に調整した。なお、センサ素子2の温度としては、280℃〜900℃の間に調整することが好ましい。さらに、ガス供給部110から供給される被測定ガスの全体流量は毎分40L、被測定ガスの温度は450度に設定した。被測定ガスのうち、水素ガスボンベ102から供給される水素ガスの濃度を全体の0.35%で固定し、酸素ガスボンベ103から供給される酸素ガスの流量を少量から多量に変化させ、残量を窒素ガスボンベ104から供給される窒素ガスにて調整して全体流量が常に一定になるようにした。以上の条件で、ガスセンサ1が発生する起電力を測定した。その測定結果を図3に示す。図3は、保護層の厚みとガスセンサの出力値の関係を示すグラフである。
[Example 1]
For the
図3に示すように、保護層の厚みが200μmのガスセンサ1に比べ、保護層の厚みが100μmの場合はλの値がリッチ側にずれる。逆に、保護層の厚みが300μmの場合には、λの値がリーン側にずれることがわかる。従って、本実施形態の評価装置100を用いて、水素ガス濃度を固定し、酸素ガス濃度を変化させる被測定ガスにガスセンサ1を曝し、その出力値を測定してλの値をみることにより、ガスセンサの保護層の厚みが標準値よりも過剰であるか過少であるかを評価することができる。
As shown in FIG. 3, the value of λ shifts to the rich side when the thickness of the protective layer is 100 μm, compared to the
[実施例2]
ガスセンサ1について、保護層に担持させた触媒金属粒子の担持量の異なる2種類を用意して、ガスセンサの出力値を測定した。触媒金属粒子は白金とし、担持量は、0mg及び0.1mgとした。また、センサ素子2の温度は600℃に調整した。ガス供給部110から供給される被測定ガスの全体流量は毎分40L、被測定ガスの温度は450度に設定した。被測定ガスのうち、水素ガスボンベ102から供給される水素ガスの濃度を全体の0.35%で固定し、酸素ガスボンベ103から供給される酸素ガスの流量を少量から多量に変化させ、残量を窒素ガスボンベ104から供給される窒素ガスにて調整して全体流量が常に一定になるようにした。以上の条件で、ガスセンサ1が発生する起電力を測定した。その測定結果を図4に示す。図4は、保護層に担持した触媒金属粒子の担持量とガスセンサの出力値の関係を示すグラフである。
[Example 2]
Two types of
図4に示すように、保護層に触媒となる白金粒子が担持されていない(担持量0mg)場合に比べ、担持量が0.1mgの場合ではλの値がリッチ側に移動する。従って、本実施形態の評価装置100を用いて、水素ガス濃度を固定し、酸素ガス濃度を変化させる被測定ガスにガスセンサ1を曝し、その出力値を測定してλの値をみることにより、ガスセンサの保護層に触媒金属粒子が担持されているか否かを把握することができ、適切な量の触媒金属粒子を持つガスセンサ1を選択することができる。
As shown in FIG. 4, the value of λ moves to the rich side when the loading amount is 0.1 mg, compared to the case where platinum particles as a catalyst are not loaded on the protective layer (the loading amount is 0 mg). Therefore, by using the evaluation apparatus 100 of the present embodiment, by exposing the
以上説明したように、本実施形態の評価装置100によれば、保護層の厚みや保護層に触媒金属粒子が担持されているか否かのようなガスセンサ1の保護層の状態を直接評価することができる。破壊検査をする必要がなく、他の要因による評価結果への影響がないため、効果的に保護層の状態のみを評価できる。
As described above, according to the evaluation apparatus 100 of the present embodiment, the state of the protective layer of the
1 ガスセンサ
2 センサ素子
26 外部電極層
27 内部電極層
28 固体電解質体
99 電極保護層
100 評価装置
102 水素ガスボンベ
103 酸素ガスボンベ
104 窒素ガスボンベ
110 ガス供給部
112 マスフロー・コントローラ
113 マスフロー・コントローラ
114 マスフロー・コントローラ
123 計測部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
少なくとも水素ガス及び酸化性ガスを用い、これらのいずれか一方の流量を固定し、他方を変化させて作成する雰囲気に前記ガスセンサ素子を曝したとき、前記ガスセンサが出力する出力値により前記保護層の状態を評価することを特徴とするガスセンサの評価方法。 A gas sensor element in which a measurement electrode exposed to a gas to be measured and a reference electrode facing the measurement electrode are disposed on a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, and at least the measurement electrode is covered with a ceramic protective layer. A gas sensor evaluation method for evaluating characteristics,
When the gas sensor element is exposed to an atmosphere created by using at least hydrogen gas and oxidizing gas, fixing the flow rate of one of these and changing the other, the output value of the gas sensor outputs the protective layer. A method for evaluating a gas sensor, characterized by evaluating a state.
当該ガス供給手段により供給される前記水素ガス又は前記酸化性ガスのいずれか一方の流量を固定し、他方を変化させる流量調整手段と、
当該流量調整手段により調整された前記雰囲気にガスセンサ素子を曝すことで該ガスセンサ素子を備えるガスセンサが出力する出力値を測定する出力測定手段と、
当該出力測定手段により測定された出力値に基づき前記保護層の状態を評価する評価手段とを備えたことを特徴とするガスセンサの評価装置。 A gas sensor element in which a measurement electrode exposed to a gas to be measured and a reference electrode facing the measurement electrode are disposed on a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, and at least the measurement electrode is covered with a ceramic protective layer. Gas supply means for supplying an atmosphere composed of at least hydrogen gas and oxidizing gas;
A flow rate adjusting means for fixing either one of the hydrogen gas or the oxidizing gas supplied by the gas supply means and changing the other;
An output measuring means for measuring an output value output from a gas sensor including the gas sensor element by exposing the gas sensor element to the atmosphere adjusted by the flow rate adjusting means;
An evaluation apparatus for a gas sensor, comprising: evaluation means for evaluating a state of the protective layer based on an output value measured by the output measurement means.
6. The gas sensor evaluation apparatus according to claim 5, wherein the evaluation unit evaluates whether or not catalyst metal particles are supported on the protective layer.
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