JP2007327941A - Gas sensor, and internal combustion engine and transportation equipment equipped therewith - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスセンサに関し、特に、酸化物半導体層を備えた抵抗型ガスセンサに関する。また、本発明は、そのようなガスセンサを備えた内燃機関および輸送機器にも関する。 The present invention relates to a gas sensor, and more particularly, to a resistance type gas sensor including an oxide semiconductor layer. The present invention also relates to an internal combustion engine and a transportation device provided with such a gas sensor.
環境問題やエネルギー問題の観点から、内燃機関の燃費を向上させたり、内燃機関の排気ガス中に含まれる規制物質(NOxなど)の排出量を低減したりすることが求められている。このためには、常に最適な条件で燃料の燃焼が行えるよう、燃焼状態に応じて燃料と空気との比率を適切に制御する必要がある。空気と燃料との比率は空燃比(A/F)と呼ばれ、三元触媒を用いる場合、最適な空燃比は理論空燃比である。理論空燃比とは、空気と燃料とが過不足なく燃焼する空燃比である。 From the viewpoint of environmental problems and energy problems, it is required to improve the fuel consumption of an internal combustion engine and to reduce the emission amount of regulated substances (such as NOx) contained in the exhaust gas of the internal combustion engine. For this purpose, it is necessary to appropriately control the ratio of fuel to air in accordance with the combustion state so that the fuel can always be burned under optimum conditions. The ratio of air to fuel is called the air / fuel ratio (A / F), and when using a three-way catalyst, the optimum air / fuel ratio is the stoichiometric air / fuel ratio. The stoichiometric air-fuel ratio is an air-fuel ratio in which air and fuel burn without excess or deficiency.
理論空燃比で燃料が燃焼している場合、排気ガス中には一定の酸素が含まれる。空燃比が理論空燃比よりも小さい場合、つまり、燃料の濃度が高い場合には、排気ガス中の酸素量が、理論空燃比の場合の酸素量に比べて減少する。一方、空燃比が理論空燃比よりも大きい(燃料の濃度が低い)場合には、排気ガス中の酸素量は増加する。このため、排気ガス中の酸素量あるいは酸素濃度を計測することによって、空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを推定し、空燃比を調節して最適な条件で燃料が燃焼するように制御することが可能となる。 When the fuel is burned at the stoichiometric air-fuel ratio, certain oxygen is contained in the exhaust gas. When the air-fuel ratio is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, that is, when the fuel concentration is high, the oxygen amount in the exhaust gas decreases compared to the oxygen amount in the case of the stoichiometric air-fuel ratio. On the other hand, when the air-fuel ratio is larger than the stoichiometric air-fuel ratio (fuel concentration is low), the amount of oxygen in the exhaust gas increases. Therefore, by measuring the amount of oxygen or oxygen concentration in the exhaust gas, it is estimated how much the air-fuel ratio deviates from the stoichiometric air-fuel ratio, and the fuel is combusted under optimum conditions by adjusting the air-fuel ratio. It becomes possible to control.
排気ガス中の酸素濃度を計測するための酸素センサとしては、特許文献1に開示されているような固体電解質を用いた酸素センサや、特許文献2に開示されているような抵抗型の酸素センサが知られている。
As an oxygen sensor for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas, an oxygen sensor using a solid electrolyte as disclosed in
固体電解質を用いた酸素センサは、基準極および測定極間での酸素分圧の違いを起電力として検出することによって酸素濃度を測定する。このため、この方式の酸素センサでは、測定極および基準極を排気ガスおよび空気にそれぞれ曝す必要がある。従って、酸素センサ自体の構造が複雑になるとともに、排気管に酸素センサを取り付けるための構造も複雑化してしまう。また、構造が複雑になるために、酸素センサを小型化し難いという問題も生じる。 An oxygen sensor using a solid electrolyte measures an oxygen concentration by detecting a difference in oxygen partial pressure between a reference electrode and a measurement electrode as an electromotive force. For this reason, in this type of oxygen sensor, it is necessary to expose the measurement electrode and the reference electrode to exhaust gas and air, respectively. Therefore, the structure of the oxygen sensor itself is complicated, and the structure for attaching the oxygen sensor to the exhaust pipe is also complicated. Further, since the structure is complicated, there is a problem that it is difficult to reduce the size of the oxygen sensor.
これに対して、抵抗型酸素センサは、排気ガスに接するように設けられた酸化物半導体層の抵抗率の変化を検出する。排気ガス中の酸素分圧が変化すると、酸化物半導体層中の酸素空孔濃度が変動するので、酸化物半導体層の抵抗率が変化する。従って、この抵抗率の変化を検出することにより、酸素濃度を測定することができる。抵抗型酸素センサは、基準極を必要としないため、酸素センサ自体の構造を簡単にすることができる。また、排気管に酸素センサを取り付けるための構造も簡単にすることができる。 On the other hand, the resistance-type oxygen sensor detects a change in resistivity of the oxide semiconductor layer provided so as to be in contact with the exhaust gas. When the oxygen partial pressure in the exhaust gas changes, the oxygen vacancy concentration in the oxide semiconductor layer fluctuates, so that the resistivity of the oxide semiconductor layer changes. Therefore, the oxygen concentration can be measured by detecting this change in resistivity. Since the resistance-type oxygen sensor does not require a reference electrode, the structure of the oxygen sensor itself can be simplified. Further, the structure for attaching the oxygen sensor to the exhaust pipe can be simplified.
抵抗型酸素センサに用いられる酸化物半導体としては、耐久性や安定性の点から酸化セリウムが有望視されている。特許文献3に開示されているように、酸化物半導体層に含まれる酸化セリウム微粒子の平均粒径を200nm以下にすることによって、酸化セリウムを用いた抵抗型酸素センサの応答性を改善することができる。 As an oxide semiconductor used for a resistance-type oxygen sensor, cerium oxide is considered promising from the viewpoint of durability and stability. As disclosed in Patent Document 3, the responsiveness of a resistance-type oxygen sensor using cerium oxide can be improved by setting the average particle size of the cerium oxide fine particles contained in the oxide semiconductor layer to 200 nm or less. it can.
また、特許文献4に開示されているように、セリウムを含む酸化物にジルコニウムを添加すると、酸化物半導体層の電子伝導率が上がり、酸素センサの出力の酸素分圧依存性が大きくなるので、検出精度を向上させることができる。
しかしながら、近年、環境問題への関心がさらに高まってきており、酸素濃度をより高い精度で検出することが求められている。 However, in recent years, interest in environmental issues has further increased, and it is required to detect oxygen concentration with higher accuracy.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層を備えた抵抗型ガスセンサの検出精度を向上させることにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve the detection accuracy of a resistance type gas sensor including an oxide semiconductor layer formed from an oxide containing cerium.
本発明によるガスセンサは、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層の抵抗率を検出する検出電極とを備えた抵抗型のガスセンサであって、前記酸化物半導体層は、アルミナを含むアルミナ含有層を含み、前記検出電極は、前記アルミナ含有層に接触するように設けられており、そのことによって上記目的が達成される。 The gas sensor according to the present invention is a resistance type gas sensor comprising an oxide semiconductor layer formed of an oxide containing cerium and a detection electrode for detecting a resistivity of the oxide semiconductor layer, wherein the oxide semiconductor The layer includes an alumina-containing layer containing alumina, and the detection electrode is provided in contact with the alumina-containing layer, thereby achieving the above-described object.
ある好適な実施形態において、前記アルミナ含有層は、4.5wt%以上12wt%以下のアルミナを含む。 In a preferred embodiment, the alumina-containing layer contains 4.5 wt% or more and 12 wt% or less of alumina.
ある好適な実施形態において、前記酸化物半導体層の一部のみが前記アルミナ含有層である。 In a preferred embodiment, only a part of the oxide semiconductor layer is the alumina-containing layer.
ある好適な実施形態において、前記酸化物半導体層の全部が前記アルミナ含有層である。 In a preferred embodiment, all of the oxide semiconductor layer is the alumina-containing layer.
ある好適な実施形態において、前記酸化物半導体層は、酸化物半導体粒子を含む多孔質構造を有し、前記酸化物半導体粒子の平均粒径は、200nm以下である。 In a preferred embodiment, the oxide semiconductor layer has a porous structure including oxide semiconductor particles, and the average particle diameter of the oxide semiconductor particles is 200 nm or less.
ある好適な実施形態において、前記アルミナ含有層は、酸化物半導体粒子およびアルミナ粒子を含む多孔質構造を有し、前記アルミナ粒子の平均粒径は、前記酸化物半導体粒子の平均粒径よりも大きい。 In a preferred embodiment, the alumina-containing layer has a porous structure including oxide semiconductor particles and alumina particles, and the average particle size of the alumina particles is larger than the average particle size of the oxide semiconductor particles. .
ある好適な実施形態において、前記酸化物半導体層を形成する前記酸化物は、さらにジルコニウムを含む。 In a preferred embodiment, the oxide forming the oxide semiconductor layer further contains zirconium.
あるいは、本発明によるガスセンサは、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層の抵抗率を検出する検出電極と、を備えた抵抗型のガスセンサであって、前記酸化物半導体層は、アルミナを含み、前記酸化物半導体層に含まれるアルミナが、前記検出電極側で相対的に濃度が高くなるような濃度分布を有し、そのことによって上記目的が達成される。 Alternatively, a gas sensor according to the present invention is a resistance type gas sensor comprising an oxide semiconductor layer formed of an oxide containing cerium and a detection electrode for detecting a resistivity of the oxide semiconductor layer, The oxide semiconductor layer contains alumina, and the alumina contained in the oxide semiconductor layer has a concentration distribution such that the concentration is relatively high on the detection electrode side, whereby the above object is achieved. .
ある好適な実施形態において、本発明によるガスセンサは酸素センサである。 In a preferred embodiment, the gas sensor according to the present invention is an oxygen sensor.
本発明による内燃機関は、上記構成を有するガスセンサを備えている。 The internal combustion engine by this invention is provided with the gas sensor which has the said structure.
本発明による輸送機器は、上記構成を有する内燃機関を備えている。 A transportation device according to the present invention includes an internal combustion engine having the above-described configuration.
本発明によるガスセンサは、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層を備えた抵抗型ガスセンサである。本発明によるガスセンサでは、酸化物半導体層が、アルミナを含むアルミナ含有層を含んでおり、検出電極は、このアルミナ含有層に接触するように設けられている。このことにより、酸素分圧の低い雰囲気下(つまり燃料リッチ側)での酸化物半導体層の抵抗率が低くなるので、センサ出力の酸素分圧依存性が大きくなる。そのため、検出精度が向上する。 The gas sensor according to the present invention is a resistance type gas sensor including an oxide semiconductor layer formed of an oxide containing cerium. In the gas sensor according to the present invention, the oxide semiconductor layer includes an alumina-containing layer containing alumina, and the detection electrode is provided in contact with the alumina-containing layer. As a result, the resistivity of the oxide semiconductor layer in an atmosphere with a low oxygen partial pressure (that is, on the fuel rich side) is reduced, and the oxygen partial pressure dependency of the sensor output is increased. Therefore, detection accuracy is improved.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
まず、図1および図2を参照しながら、本実施形態におけるガスセンサ10の構造を説明する。図1および図2は、それぞれガスセンサ10を模式的に示す分解斜視図および断面図である。ガスセンサ10は、図1および図2に示すように、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層11と、酸化物半導体層11の抵抗率を検出する検出電極12とを備えた抵抗型の酸素センサである。
First, the structure of the
酸化物半導体層11および検出電極12は、基板13によって支持されている。基板13は、アルミナやマグネシアなどの絶縁体から形成されている。基板13は、互いに対向する主面13aおよび裏面13bを有しており、主面13a上に酸化物半導体層11および検出電極12が設けられている。
The
酸化物半導体層11は、多孔質構造を有し、雰囲気の酸素分圧に応じて酸素を放出あるいは吸収する。これにより、酸化物半導体層11中の酸素空孔濃度が変化し、酸化物半導体層11の抵抗率が変化するので、この抵抗率の変化を検出電極12で計測することにより、酸素濃度を検出することができる。
The
酸化物半導体層11を形成する酸化物としては、例えば、酸化セリウムや、酸化セリウムと酸化ジルコニウムの複合体を用いることができる。セリウムに加えてジルコニウムを含む酸化物を用いることにより、特許文献4に記載されているように検出精度が向上する。酸化物半導体層11は、典型的には、主として酸化セリウムを(つまり50mol%以上)含んでいる。
As an oxide that forms the
検出電極12は、導電性を有する材料から形成されており、例えば、白金や白金ロジウム合金、金などの金属材料から形成されている。検出電極12は、酸化物半導体層11の抵抗率の変化を効率よく計測できるよう、櫛歯状に形成されていることが好ましい。
The
基板13の裏面13b側には、酸化物半導体層11を昇温させるためのヒータ14が設けられている。本実施形態におけるヒータ14は、抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の発熱素子である。ヒータ14から引き延ばされた電極14aに電圧を印加すると、所定の形状に形成された発熱体に電流が流れて発熱体が発熱し、そのことによって加熱が行われる。熱は、基板13を介して酸化物半導体層11に伝達される。発熱体は、金属材料から形成されることが多い。このヒータ14によって酸化物半導体層11を昇温させて速やかに活性化させることにより、内燃機関の始動時における検出精度を向上させることができる。
A
本実施形態におけるガスセンサ10の酸化物半導体層11は、図2に示すように、アルミナが添加されたアルミナ含有層11aと、アルミナが添加されていないアルミナ非含有層11bとが積層されて構成されている。つまり、酸化物半導体層11は、アルミナを含むアルミナ含有層11aを含んでいる。そして、検出電極12は、このアルミナ含有層11aに接触するように設けられている。言い換えると、ガスセンサ10の厚さ方向(基板13の主面13aに垂直な方向)に沿って検出電極12側からアルミナ含有層11a、アルミナ非含有層11bがこの順に積層されており、アルミナ含有層11aは、酸化物半導体層11中で検出電極12側に位置している。
As shown in FIG. 2, the
このように、酸化物半導体層11がアルミナ含有層11aを含んでいると、ガスセンサ10の検出精度が向上する。以下、この理由を説明する。
As described above, when the
本願発明者は、抵抗型ガスセンサの検出精度を向上させるために種々の検討を重ね、その結果、セリウムを含む酸化物にアルミナを添加すると、酸化物半導体層の抵抗率が低くなるという驚くべき現象を発見した。アルミナについては、高い電気絶縁性を有することが知られており、従来、材料の電気抵抗を低くする目的でアルミナを用いることはなかった。勿論、ガスセンサ用の酸化物半導体についても抵抗率を低くする目的でアルミナを添加した例は報告されていない。 The inventor of the present application has made various studies in order to improve the detection accuracy of the resistance type gas sensor. As a result, when alumina is added to the oxide containing cerium, the surprising phenomenon that the resistivity of the oxide semiconductor layer decreases. I found Alumina is known to have high electrical insulation, and conventionally alumina has not been used for the purpose of reducing the electrical resistance of materials. Of course, no example of adding alumina for the purpose of reducing the resistivity of an oxide semiconductor for a gas sensor has been reported.
図3に、本実施形態におけるガスセンサ10を実際に試作し、アルミナの添加量(アルミナ含有層11a中のアルミナの重量分率)を変化させて酸化物半導体層11の抵抗率(すなわちセンサ出力)を測定した結果を示す。図3は、横軸にラムダ(λ)をとり、縦軸にセンサ出力を対数軸でとったグラフである。なお、ラムダ(λ)は、実際の空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを示す値であり、λ=(供給される空気量)/(理論的に必要な空気量)という関係式で表される。λ=1の場合(グラフの中央)、空燃比は理論空燃比と一致している。これに対し、λ<1の場合(グラフの左側)は、供給される空気量が不足しており、混合気は濃厚である(つまりリッチ側)。また、λ>1の場合(グラフの右側)は、供給される空気量が過剰であり、混合気は希薄である(つまりリーン側)。
In FIG. 3, the
図3からわかるように、アルミナを添加することによって、リッチ側での抵抗率が大きく低下している。そのため、センサ出力の酸素分圧依存性が大きくなるので、検出精度が向上する。なお、アルミナの添加により酸化物半導体層11の抵抗率が低下するメカニズムについては明らかではないが、リッチ側で抵抗率が低下すること自体は実験的に確認されている。
As can be seen from FIG. 3, the resistivity on the rich side is greatly reduced by adding alumina. As a result, the oxygen partial pressure dependency of the sensor output is increased, and the detection accuracy is improved. Note that although the mechanism by which the resistivity of the
図4に、リッチ側での酸化物半導体層11の抵抗率とアルミナ添加量との関係を示す。なお、図4では、アルミナ添加量が0wt%のときの抵抗率を100%として抵抗率を相対値で示している。
FIG. 4 shows the relationship between the resistivity of the
図4に示すように、アルミナ添加量が0wt%から約5wt%まではアルミナの量が増加するにつれて抵抗率が大きく低下し、アルミナ添加量が約5wt%を超えるとアルミナの量が増加するにつれてわずかずつ抵抗率が増加する。図4からもわかるように、アルミナ含有層11aのアルミナ含有量を4.5wt%以上12wt%以下とすることによって、酸化物半導体層11の抵抗率を20%以下と十分に低くすることができる。
As shown in FIG. 4, when the amount of alumina added is 0 wt% to about 5 wt%, the resistivity greatly decreases as the amount of alumina increases, and when the amount of alumina added exceeds about 5 wt%, the amount of alumina increases. The resistivity increases slightly. As can be seen from FIG. 4, the resistivity of the
本実施形態におけるガスセンサ10は、例えば以下のようにして製造することができる。
The
まず、基板13を用意する。基板13は、絶縁性の表面を備え、以下の工程で行う熱処理温度、および、ガスセンサ10の使用温度において変形等が実質的に生じない程度の耐熱性を有していることが好ましい。図3および図4にデータを示した試作例のガスセンサでは、厚さが0.635mm、幅が5mm、長さが15mmのアルミナ基板を用いた。
First, the
次に、基板13の主面13a上に検出電極12を形成する。検出電極12は、導電性を有し、基板13と同程度の耐熱性を有する材料から形成する。検出電極12の形成方法としては、例えば、スクリーン印刷法を用いることができる。試作例では、主面13a上に白金ペーストをスクリーン印刷法を用いて塗布した後、焼成を行うことによって、厚さが8μm、幅が100μm、櫛歯状の電極間の距離が100μmとなるように検出電極12を形成した。
Next, the
続いて、検出電極12を覆うように酸化物半導体層11を形成する。具体的には、まず、酸化物半導体の粒子を含む2種類のスラリーを用意する。一方のスラリーには、アルミナの粒子が添加されており、他方のスラリーにはアルミナの粒子は添加されていない。
Subsequently, the
次に、アルミナ粒子が添加されている方のスラリーを、検出電極12を覆うように基板13の主面13a上に塗布し、その後焼成することによって、多孔質構造を有するアルミナ含有層11aを形成する。
Next, the alumina-containing
続いて、アルミナ粒子が添加されていない方のスラリーを、アルミナ含有層11a上に塗布し、その後焼成することによって、多孔質構造を有するアルミナ非含有層11bを形成する。このようにして、酸化物半導体層11が形成される。
Then, the
試作例では、セリウムを主成分としジルコニウムが20mol%添加された複合酸化物(Ce0.8Zr0.2O2-δという化学式で表される)の粒子(平均粒径は10nm〜50nm)を含むスラリーを用いて焼成後の厚さが5μmとなるようにアルミナ非含有層11bを形成した。また、上述したアルミナ非含有層11b用のスラリーにさらに5mol%のアルミナ(平均粒径は200nm〜800nm)が添加されたものを用いて焼成後の厚さが5μmとなるようにアルミナ含有層11aを形成した。
In the prototype example, a slurry containing particles (average particle diameter: 10 nm to 50 nm) of a composite oxide (expressed by a chemical formula of Ce 0.8 Zr 0.2 O 2-δ ) containing cerium as a main component and 20 mol% of zirconium is added. The non-alumina-containing
上述したようにして基板13の主面13a上に検出電極12および酸化物半導体層11を形成するのとは別途に、基板13の裏面13b上に、ヒータ14を形成する。ヒータ14の材料としては、白金やタングステンなどの金属材料を用いることができる。また、非金属材料を用いることもでき、例えば、酸化レニウムなどの良導体酸化物を用いることができる。ヒータ14を形成する方法としては、スクリーン印刷法が好適に用いられる。
As described above, the
このようにして、ガスセンサ10を製造することができる。なお、本実施形態では、図2に示したように、酸化物半導体層11の一部のみがアルミナ含有層11aである構成を示したが、図5に示すように、酸化物半導体層11の全部がアルミナ含有層11aであってもよい。
In this way, the
酸化物半導体層11の低抵抗化の観点からは、アルミナは検出電極12側に偏在していることが好ましい。つまり、酸化物半導体層11の一部のみがアルミナ含有層11aであることが好ましい。図6に、酸化物半導体層11の一部のみがアルミナ含有層11aである(すなわちアルミナが検出電極12側に偏在している)場合と、酸化物半導体層11の全部がアルミナ含有層11aである(すなわちアルミナが酸化物半導体層11全体に遍在している)場合とについて、酸化物半導体層11の抵抗率を示す(縦軸は対数軸)。
From the viewpoint of reducing the resistance of the
図6からわかるように、酸化物半導体層11の一部のみ(検出電極12側の部分のみ)がアルミナ含有層11aである方が抵抗率が低い。これは、アルミナ粒子が酸化物半導体層11の全体に存在していると、排気ガス中の酸素の酸素空孔への取り込みが妨げられやすくなるからであると推測される。図2に示したように、酸化物半導体層11の一部のみをアルミナ含有層11aとし、排気ガスに接触する他の部分をアルミナ非含有層11bとすることにより、酸素空孔への酸素の取り込みが好適に行われ、酸化物半導体層11のさらなる低抵抗化が可能となる。
As can be seen from FIG. 6, the resistivity is lower when only part of the oxide semiconductor layer 11 (only the part on the
一方、図5に示したように、酸化物半導体層11の全部をアルミナ含有層11aにすると、酸化物半導体層11を形成する際に、2種類のスラリーを用意したり、塗布工程および焼成工程をそれぞれ2回行ったりする必要がなくなるので、ガスセンサ10の製造を簡略化、低コスト化することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 5, when the
なお、ここまでの説明では、酸化物半導体層11内におけるアルミナの濃度がガスセンサ10の厚さ方向に沿って2段階に変化する場合(図2に示した構成)や、ほぼ一定である場合(図5に示した構成)を例示したが、酸化物半導体層11内におけるアルミナの濃度は、ガスセンサ10の厚さ方向に沿って3段階以上に変化してもよいし、線形的(連続的)に変化してもよい。ただし、酸化物半導体層11の低抵抗化の観点からは、酸化物半導体層11の、排気ガスに接触する側ではアルミナ濃度が相対的に低いことが好ましく(たとえ酸化物半導体層11の全体にアルミナが含まれている場合であっても)、つまり、酸化物半導体層11に含まれるアルミナが、検出電極12側で相対的に濃度が高くなるような濃度分布を有することが好ましい。換言すれば、酸化物半導体層11におけるアルミナ濃度は、ガスセンサ10の表面側よりも検出電極12側の方で高いことが好ましい。
In the description so far, the concentration of alumina in the
既に述べたように、酸化物半導体層11は、酸化物半導体粒子を含む多孔質構造を有している。セリウムを含む酸化物半導体粒子の平均粒径を小さく、具体的には200nm以下にすると、粒子内における酸素空孔の移動距離が減ったり、酸化物半導体の表面積が増えたりすることにより、酸素の濃度変化に対する出力の応答時間が短縮されるので、ガスセンサ10の応答性が向上する。また、酸化物半導体粒子の平均粒径を小さくすると、酸化物半導体粒子同士の接合部の数が増えるので、多孔質構造の強度が向上するという効果も得られる。
As already described, the
また、アルミナ粒子の平均粒径は、酸化物半導体粒子の平均粒径よりも大きいことが好ましい。アルミナ粒子の平均粒径を酸化物半導体粒子の平均粒径よりも大きくすると、相対的に大きなアルミナ粒子を取り巻くように相対的に小さな酸化物半導体粒子が配置されるので、酸化物半導体粒子の配置が緻密になりすぎることが防止される。そのため、多孔質構造の空孔率が高くなる。 The average particle size of the alumina particles is preferably larger than the average particle size of the oxide semiconductor particles. When the average particle size of the alumina particles is larger than the average particle size of the oxide semiconductor particles, the relatively small oxide semiconductor particles are disposed so as to surround the relatively large alumina particles. Is prevented from becoming too dense. Therefore, the porosity of the porous structure is increased.
ここまでは、酸化物半導体層11にアルミナを添加する場合について説明した。図7に、アルミナの代わりにシリカ・酸化バリウム(SiO2・BaO)を5wt%添加した場合の抵抗率(相対値)を示す。図7からわかるように、シリカ・酸化バリウムを添加した場合には、何も添加しなかった場合に比べて抵抗率はあまり低下しなかった。このことから、酸化物半導体層11の抵抗率を低下させるのにはアルミナが特に適していることがわかる。
So far, the case where alumina is added to the
また、図7には、アルミナの代わりにシリカ・アルミナ(SiO2・Al2O3)を5wt%添加した場合の抵抗率も示している。図7からわかるように、シリカ・アルミナを添加した場合には、何も添加しなかった場合に比べて抵抗率は大きく低下した。このように、酸化物半導体層11にはアルミナを単独で添加しなくてもよく、シリカ・アルミナのような複合物を添加してもよい。つまり、酸化物半導体層11の一部または全部がアルミナを成分として含んでいればよい。なお、図7に示した例では、添加したシリカ・アルミナ全体におけるアルミナの割合は1/4であり、添加量はアルミナに換算すると1.25wt%である。
FIG. 7 also shows the resistivity when 5 wt% of silica / alumina (SiO 2 .Al 2 O 3 ) is added instead of alumina. As can be seen from FIG. 7, when silica / alumina was added, the resistivity was greatly reduced compared to when nothing was added. Thus, alumina may not be added to the
また、参考までに、図8に、アルミナの代わりにシリカ・酸化カルシウム(SiO2・CaO)を5wt%添加した場合の抵抗率(相対値)を示す。図8からわかるように、シリカ・酸化カルシウムを添加した場合には、何も添加しなかった場合に比べて抵抗率が100倍以上高くなった。このことからも、酸化物半導体層11の抵抗率を低下させるためにはアルミナを用いるのが好ましいことがわかる。
For reference, FIG. 8 shows the resistivity (relative value) when 5 wt% of silica / calcium oxide (SiO 2 / CaO) is added instead of alumina. As can be seen from FIG. 8, when silica / calcium oxide was added, the resistivity was increased 100 times or more compared to when nothing was added. This also shows that it is preferable to use alumina in order to reduce the resistivity of the
次に、図9(a)、(b)および図10を参照しながら、ガスセンサ10を実際に内燃機関の排気管に取り付けるための構成を説明する。
Next, a configuration for actually attaching the
ガスセンサ10は、図9(a)および図10に示すように、その基端部において第1のハウジング20に保持されている。第1のハウジング20は、例えば、セラミックから形成されたセラミックガイドである。ガスセンサ10は、さらに、第1のハウジング20ごと第2のハウジング21に保持されている。第2のハウジング21は、例えば、ステンレスから形成された金属ケースである。第2のハウジング21の表面には、ねじが切られており、第2のハウジング21は、このねじに螺合するナット22によって排気管に固定される。
As shown in FIGS. 9A and 10, the
実際の使用に際しては、図9(b)に示すように、ガスセンサ10を覆うように保護キャップ25が設けられる。ガスセンサ10による検出結果は、検出線24を介して制御装置に出力される。第1のハウジング20内は、充填材(例えばタルク粉末)23によって気密封止がなされている。
In actual use, as shown in FIG. 9B, a
続いて、本実施形態におけるガスセンサ10を備え、内燃機関を駆動源とする車両を説明する。図11に、ガスセンサ10を備えた自動二輪車300を模式的に示す。
Next, a vehicle including the
自動二輪車300は、図11に示すように、本体フレーム301とエンジン(内燃機関)100とを備える。本体フレーム301の前端にヘッドパイプ302が設けられている。ヘッドパイプ302にはフロントフォーク303が左右方向に揺動可能に設けられている。また、フロントフォーク303の下端に前輪304が回転可能に支持されている。ヘッドパイプ302の上端にはハンドル305が取り付けられている。
The
本体フレーム301の後端上部から後方に伸びるようにシートレール306が取り付けられている。本体フレーム301の上部には燃料タンク307が設けられ、シートレール306上にメインシート308aおよびタンデムシート308bが設けられている。また、本体フレーム301の後端に後方へ伸びるリアアーム309が取り付けられている。リアアーム309の後端に後輪310が回転可能に支持されている。
A
本体フレーム301の中央部にはエンジン100が保持されている。エンジン100の前部にはラジエター311が取り付けられている。エンジン100の排気ポートには排気管312が接続されている。以下において詳細に説明するように、排気管にはエンジン100に近い順にガスセンサ10、三元系触媒104および消音器106が設けられている。ガスセンサ10の先端部は排気管312の排気ガスが通過する通路内に露出しており、ガスセンサ10は排気ガス中の酸素を検出する。ガスセンサ10には、図1などに示したヒータ14が取り付けられており、エンジン100の始動時にはヒータ14により酸化物半導体層11が昇温される(例えば5秒で700℃まで昇温される)ことによって、酸化物半導体層11の検出感度が高められる。
The
エンジン100には、変速機315が連結されており、変速機315の出力軸316は駆動スプロケット317に取り付けられている。駆動スプロケット317はチェーン318を介して後輪310の後輪スプロケット319に連結されている。
A
図12は、エンジン100の制御系の主要な構成を示している。エンジン100のシリンダ101には吸気弁110、排気弁106および点火プラグ108が設けられている。またエンジンを冷却する冷却水の水温を計測する水温センサ116が設けられている。吸気弁110は、空気吸入口をもつ吸気管122に接続されている。吸気管122にはエアーフローメータ112、スロットルバルブのスロットルセンサ114および燃料噴射装置111が設けられている。
FIG. 12 shows the main configuration of the control system of
エアーフローメータ112、スロットルセンサ114、燃料噴射装置111、水温センサ116、点火プラグ108およびガスセンサ10は、制御部であるコンピュータ118に接続されている。コンピュータ118には自動二輪車300の速度を示す車速信号120も入力される。
The
図示しないセルモータによって、ライダーがエンジン100を始動させると、コンピュータ118はエアーフローメータ112、スロットルセンサ114および水温センサ116から得られる検出信号および車速信号120に基づき、最適な燃料量を計算し、計算結果に基づいて、燃料噴射装置111へ制御信号を出力する。燃料噴射装置111から噴射される燃料は、吸気管122から供給される空気と混合され、適切なタイミングで開閉される吸気バルブ110を介してシリンダ101へ噴出される。シリンダ101において噴出された燃料は燃焼し、排気ガスとなって排気弁106を介して排気管312へ導かれる。
When the rider starts the
ガスセンサ10は排気ガス中の酸素を検出し、検出信号をコンピュータ118へ出力する。コンピュータ118は、ガスセンサ10からの信号に基づき、空燃比が理想空燃比からどの程度ずれているかを判断する。そして、エアーフローメータ112およびスロットルセンサ114から得られる信号によって定まる空気量に対して、理想空燃比となるように燃料噴射装置111から噴出する燃料量を制御する。このように、ガスセンサ10と、ガスセンサ10に接続されたコンピュータ(制御部)118とを含む空燃比制御装置によって、内燃機関の空燃比が適切に制御される。
The
図13に、ガスセンサ10のヒータ14の制御フローを示す。エンジン100が始動され、メインスイッチがオン状態になる(ステップS1)と、ヒータ14への通電が開始される(ステップS2)。次に、ヒータ14の温度が検出され(ステップS3)、ヒータ14の温度が設定温度よりも低いか否かが判定される(ステップS4)。ヒータ14の温度の検出は、ヒータ14の抵抗値が温度に依存して変化することを利用し、ヒータ14に流れる電流を検出することによって行うことができる。ヒータ14の温度が設定温度よりも低い場合には、引き続いてヒータ14への通電が行われる(ステップS2)。一方、ヒータ14の温度が設定温度以上である場合には、ヒータ14への通電を一定時間停止し(ステップS5)、再びヒータ14への通電が開始された(ステップS2)後、ヒータ14の温度の検出が行われる(ステップS3)。このような制御フローにより、ヒータ14の温度が一定に保たれる。
FIG. 13 shows a control flow of the
本実施形態におけるガスセンサ10を備えた自動二輪車300では、エンジン100の始動後速やかに優れた検出精度で排気ガス中の酸素濃度およびその変化を検出することができる。このため、始動時においても、適切な空燃比で燃料および空気を混合し、最適な条件で燃料を燃焼させることができ、排気ガス中のNOxをはじめ規制物質の濃度を低減することができる。また、燃費の向上をはかることも可能である。
In the
なお、ここでは自動二輪車を例示したが、本発明は四輪自動車などの他の輸送機器にも好適に用いられる。また、内燃機関はガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであってもよい。 Although a motorcycle is illustrated here, the present invention is also suitably used for other transportation equipment such as a four-wheeled vehicle. The internal combustion engine is not limited to a gasoline engine, and may be a diesel engine.
本発明によると、セリウムを含む酸化物から形成された酸化物半導体層を備えた抵抗型ガスセンサの検出精度を向上させることができる。本発明によるガスセンサは、優れた検出精度を有しているので、乗用車、バス、トラック、オートバイ、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの種々の輸送機器用の内燃機関に好適に用いられる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the detection accuracy of a resistance type gas sensor provided with the oxide semiconductor layer formed from the oxide containing cerium can be improved. Since the gas sensor according to the present invention has excellent detection accuracy, it can be suitably used for internal combustion engines for various transportation equipment such as passenger cars, buses, trucks, motorcycles, tractors, airplanes, motor boats, and civil engineering vehicles.
10 ガスセンサ
11 酸化物半導体層
11a アルミナ含有層
11b アルミナ非含有層
12 検出電極
13 基板
14 ヒータ
20 第1のハウジング
21 第2のハウジング
23 充填材
25 保護キャップ
100 エンジン
300 自動二輪車
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記酸化物半導体層の抵抗率を検出する検出電極と、
を備えた抵抗型のガスセンサであって、
前記酸化物半導体層は、アルミナを含むアルミナ含有層を含み、
前記検出電極は、前記アルミナ含有層に接触するように設けられているガスセンサ。 An oxide semiconductor layer formed from an oxide containing cerium;
A detection electrode for detecting a resistivity of the oxide semiconductor layer;
A resistance type gas sensor comprising:
The oxide semiconductor layer includes an alumina-containing layer including alumina,
The gas sensor provided so that the detection electrode may contact the alumina content layer.
前記酸化物半導体層の抵抗率を検出する検出電極と、
を備えた抵抗型のガスセンサであって、
前記酸化物半導体層は、アルミナを含み、
前記酸化物半導体層に含まれるアルミナが、前記検出電極側で相対的に濃度が高くなるような濃度分布を有するガスセンサ。 An oxide semiconductor layer formed from an oxide containing cerium;
A detection electrode for detecting a resistivity of the oxide semiconductor layer;
A resistance type gas sensor comprising:
The oxide semiconductor layer includes alumina,
A gas sensor having a concentration distribution such that alumina contained in the oxide semiconductor layer has a relatively high concentration on the detection electrode side.
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WO2019017090A1 (en) * | 2017-07-18 | 2019-01-24 | ヤマハ発動機株式会社 | Saddle-type vehicle having independent throttle-type engine mounted thereon |
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