JP2015230220A - ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造によって、特定ガス濃度の検出精度を効果的に向上させることができるガスセンサ素子を提供すること。
【解決手段】ガスセンサ素子は、被測定ガス空間における酸素濃度を調整するポンプセル、及びセンサ電極と基準電極との間に流れる酸素イオン電流を測定するセンサセルを備えている。ガスセンサ素子は、内燃機関において燃料の噴射が行われるときにセンサセルによって測定される酸素イオン電流Ｉ１から、内燃機関において燃料の噴射が断絶された時から所定時間経過後にセンサセルによって測定される酸素イオン電流Ｉ２を減算して、補正後の酸素イオン電流値Ｉに基づく特定ガス濃度を検出するよう構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気管を流れる排気ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子に関する。

窒素酸化物（ＮＯｘ）等の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子は、内燃機関の排気管等に配置されて用いられる。ガスセンサ素子においては、固体電解質体の表裏両面に一対に設けられた電極に電圧を印加して、被測定ガスとしての排気ガス中の酸素濃度を所定の濃度以下に調整している。また、特定ガス濃度の検出精度を向上させるために、酸素濃度の調整を行った後に残留する酸素の濃度を測定するか、あるいは酸素濃度の調整を行った後にさらに酸素濃度の調整を行っている。

例えば、特許文献１のガスセンサ素子においては、固体電解質体に一対の電極を設けて形成された酸素ポンプセルによって被測定ガス中の酸素濃度を調整し、固体電解質体に一対の電極を設けて形成された酸素モニタセルによって被測定ガス中の残留酸素濃度を検出している。また、固体電解質体に一対の電極を設けて形成されたセンサセルによって被測定ガス中の特定ガス濃度を検出している。そして、特定ガス濃度として検出される酸素イオン電流値から、残留酸素濃度として検出される酸素イオン電流値を減算して、特定ガス濃度の検出に与える残留酸素による影響を低減している。

特開２００２−３１０９８７号公報

しかしながら、特許文献１等のガスセンサ素子においては、酸素モニタセルを構成する電極の材料と、センサセルを構成する電極の材料とが異なるため、酸素モニタセルとセンサセルとには、酸素濃度に対する出力感度、劣化による感度低下の度合等について差が生じる。この差が、ガスセンサ素子によって特定ガス濃度を検出する際の誤差要因となる。従って、センサセルにおける酸素イオン電流値から酸素モニタセルにおける酸素イオン電流値を減算することによっては、特定ガス濃度の検出精度をさらに向上させることが困難である。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、簡単な構造によって、特定ガス濃度の検出精度を効果的に向上させることができるガスセンサ素子を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、内燃機関の排気管に配置して、該排気管を流れる排気ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
該固体電解質体の一方の表面側に形成され、被測定ガスとしての上記排気ガスが拡散抵抗体を通過して導入される被測定ガス空間と、
上記固体電解質体の他方の表面側に形成され、基準ガスが導入される基準ガス空間と、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられたポンプ電極を有し、該ポンプ電極と上記固体電解質体の上記基準ガス空間側の表面に設けられた基準電極との間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間における酸素濃度を調整するポンプセルと、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面であって、上記被測定ガスの流れ方向における上記ポンプ電極の配置位置よりも下流側の位置に設けられたセンサ電極を有し、該センサ電極と上記基準電極との間に流れる酸素イオン電流を測定するセンサセルと、を備え、
上記内燃機関において燃料の噴射が行われるときに上記センサセルによって測定される酸素イオン電流値から、上記内燃機関において燃料の噴射が断絶された時から所定時間経過後に上記センサセルによって測定される酸素イオン電流値を減算して、上記特定ガス濃度を検出するよう構成されていることを特徴とするガスセンサ素子にある。

上記ガスセンサ素子は、センサセルを用いて、ポンプセルによる酸素濃度調整後の被測定ガス中の残留酸素濃度が、特定ガス濃度の検出精度に与える影響を低減するものである。
具体的には、ガスセンサ素子は、内燃機関において燃料の噴射が行われるときにセンサセルによって測定される酸素イオン電流値から、内燃機関において燃料の噴射が断絶された時から所定時間経過後にセンサセルによって測定される酸素イオン電流値を減算して、特定ガス濃度を検出する。これにより、センサセルによって特定ガス濃度が検出されるときの酸素イオン電流値から、センサセルによって特定ガス濃度が検出されないときの酸素イオン電流値を減算することができる。そのため、特定ガス濃度の検出精度に、被測定ガス中の残留酸素濃度が与える影響を低減させることができる。

また、この残留酸素濃度の影響を低減させるために、センサ電極とは材質が異なるモニタ電極を有する酸素モニタセル等のセルを別途用いる必要がない。これにより、酸素モニタセル等を用いる際に生じる誤差要因をなくすことができる。また、酸素モニタセル等のセルを別途設ける必要がなく、ガスセンサ素子の構造を簡単にすることもできる。
それ故、上記ガスセンサ素子によれば、簡単な構造によって、特定ガス濃度の検出精度を効果的に向上させることができる。

実施例１にかかる、ガスセンサ素子を示す断面図。 実施例１にかかる、図１のI−I断面図。 実施例１にかかる、ＮＯｘ濃度とセンサセル出力電流値との関係を、（ａ）通常時のセンサセル出力電流値、（ｂ）フューエルカット時のセンサセル出力電流値、（ｃ）補正後のセンサセル出力電流値について示すグラフ。 実施例２にかかる、ガスセンサ素子を示す断面図。 実施例２にかかる、図４のII−II断面図。 実施例３にかかる、ガスセンサ素子を示す断面図。 実施例３にかかる、図６のIII−III断面図。

上述したガスセンサ素子における好ましい実施の形態について説明する。
上記ガスセンサ素子においては、上記所定時間は、内燃機関における排気ガスの流速を考慮し、内燃機関から、排気管におけるガスセンサ素子へ排気ガスが到達するまでの時間差に基づいて決定することができる。
また、上記被測定ガス空間は、上記ポンプセルが配置された第１ガス空間と、上記センサセルが配置された第２ガス空間とによって構成されており、上記第１ガス空間と上記第２ガス空間とは、上記被測定ガスの流れ方向における空間断面積を縮小する障害壁、又はガスを透過させる性質を有する多孔質体によって仕切られた状態で連通されていてもよい。
この場合には、被測定ガスを、ポンプセルのポンプ電極が配置された第１ガス空間にできるだけ長く滞留させることができる。そして、ポンプセルによって被測定ガス中の酸素濃度を調整する精度を向上させることができる。その結果、ガスセンサ素子における特定ガス濃度の検出精度のさらなる向上が期待できる。

また、上記第２ガス空間には、上記ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の上記被測定ガス中の酸素濃度をさらに調整する補助ポンプセルが設けられており、該補助ポンプセルは、上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられた補助ポンプ電極を有し、該補助ポンプ電極と上記基準電極との間に電圧を印加して、上記第２ガス空間における酸素濃度を調整するよう構成されていてもよい。
この場合には、補助ポンプセルによって被測定ガス中の酸素濃度を調整する精度をさらに向上させることができる。その結果、ガスセンサ素子における特定ガス濃度の検出精度のさらなる向上が期待できる。

以下に、ガスセンサ素子にかかる実施例について、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例のガスセンサ素子１は、内燃機関（エンジン）の排気管に配置して、排気管を流れる排気ガス中の特定ガス濃度を検出するために用いる。
ガスセンサ素子１は、図１、図２に示すように、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２、被測定ガス空間５１、基準ガス空間５２、ポンプセル４１及びセンサセル４２を備えている。被測定ガス空間５１は、固体電解質体２の一方の表面側に形成されており、被測定ガスＧとしての排気ガスが拡散抵抗体３２を通過して導入される空間である。基準ガス空間５２は、固体電解質体２の他方の表面側に形成されており、基準ガスＡが導入される空間である。

ポンプセル４１は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１に設けられたポンプ電極２１を有している。ポンプセル４１は、ポンプ電極２１と固体電解質体２の基準ガス空間５２側の表面２０２に設けられた基準電極２５との間に電圧を印加して、被測定ガス空間５１における酸素濃度を調整するよう構成されている。センサセル４２は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１に設けられたセンサ電極２２を有している。センサ電極２２は、被測定ガスＧの流れ方向Ｆにおけるポンプ電極２１の配置位置よりも下流側の位置に設けられている。センサセル４２は、センサ電極２２と基準電極２５との間に流れる酸素イオン電流を測定するよう構成されている。
ガスセンサ素子１は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、内燃機関において燃料の噴射が行われるときにセンサセル４２によって測定される酸素イオン電流Ｉ１から、内燃機関において燃料の噴射が断絶された時から所定時間経過後にセンサセル４２によって測定される酸素イオン電流Ｉ２を減算して、補正後の酸素イオン電流値Ｉに基づく特定ガス濃度を検出するよう構成されている。

以下に、本例のガスセンサ素子１について、図１〜図５を参照して詳説する。
本例のガスセンサ素子１は、カバー内に配置された状態で、自動車の排気管内に配置して使用される。また、被測定ガスＧは排気管を通過する排気ガスであり、ガスセンサ素子１は、排気ガス中の特定ガス成分としてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するために用いられる。なお、ガスセンサ素子１は、ＮＨ₃（アンモニア）の濃度を測定するものとすることもできる。
図１に示すように、ポンプ電極２１、センサ電極２２及び基準電極２５は、１つの固体電解質体２に対して設けられている。固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１には、絶縁性の第１スペーサ３１１を介して被測定ガス空間５１を形成するための絶縁体３１が積層されている。固体電解質体２の基準ガス空間５２側の表面２０２には、絶縁性の第２スペーサ３３を介して固体電解質体２を加熱するためのヒータ６が積層されている。

図１に示すように、ガスセンサ素子１は、長尺形状を有しており、長手方向Ｌの一方側から被測定ガスＧを導入するよう構成されている。拡散抵抗体３２は、第１スペーサ３１１における長手方向Ｌの一方側端部に形成された被測定ガスＧの導入口３１２に埋設されている。ガスセンサ素子１における被測定ガスＧの流れ方向Ｆは、長手方向Ｌの一方側から他方側に向けた方向となる。

図１、図２に示すように、拡散抵抗体３２は、ガスを透過させる性質を有する多孔質体によって構成されており、被測定ガスＧが所定の拡散速度で被測定ガス空間５１に導入されるようにする。ヒータ６は、絶縁体基板６１の間に、通電を行うための導体層６２を設けて構成されている。導体層６２は、ポンプ電極２１及びセンサ電極２２と対向する位置に配置される加熱導体部６２１と、加熱導体部６２１の両端に繋がる一対のリード部６２２とを有している。
ポンプセル４１は、ポンプ電極２１と基準電極２５との間に電圧を印加するための電圧印加手段を有している。センサセル４２は、センサ電極２２と基準電極２５との間に流れる電流を測定するための電流測定手段を有している。

固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアの基板である。本例の基準電極２５は、ポンプ電極２１及びセンサ電極２２に対向する位置において、これらの電極２１，２２に共通して設けられている。基準電極２５は、ポンプ電極２１及びセンサ電極２２のそれぞれに対して分離して設けることもできる。ポンプ電極２１及び基準電極２５は、酸素分解性能を有する材料としての白金及び金等を用いて構成されており、センサ電極２２は、ＮＯｘ分解性能を有する材料としての白金及びロジウム等を用いて構成されている。

次に、ガスセンサ素子１において特定ガス濃度としてのＮＯｘ濃度の検出を行う動作、及びガスセンサ素子１の作用効果について説明する。
ガスセンサ素子１によって被測定ガスＧ中のＮＯｘ濃度の検出を行う際には、被測定ガスＧとしての排気ガスが拡散抵抗体３２を通過して被測定ガス空間５１に導入される。また、基準ガスＡとしての大気が基準ガス空間５２に導入される。
そして、ポンプセル４１におけるポンプ電極２１と基準電極２５との間に電圧が印加され、被測定ガス空間５１における被測定ガスＧ中の酸素が排出される。そして、被測定ガス空間５１における被測定ガスＧ中の酸素濃度が、一定の酸素濃度になるよう調整される。

次いで、ポンプセル４１によって酸素濃度の調整が行われた被測定ガスＧが、
被測定ガス空間５１の下流側（他方側）へと流れる。そして、図３（ａ）に示すように、センサセル４２においては、センサ電極２２と基準電極２５との間に、ＮＯｘ濃度及び残留酸素濃度に応じた量の酸素イオン電流Ｉ１が流れる。
本例のガスセンサ素子１においては、内燃機関からＮＯｘがほとんど排気されなくなる状態を利用して、被測定ガス空間５１における残留酸素濃度が、ＮＯｘ濃度の検出精度に与える影響を低減する。すなわち、内燃機関からＮＯｘがほとんど排気されない状態（フューエルカット状態）においては、図３（ｂ）に示すように、センサ電極２２と基準電極２５との間には、酸素濃度に応じた量の酸素イオン電流Ｉ２が流れる。また、ポンプセル４１においては、常時、被測定ガスＧ中の酸素濃度が一定になるよう制御されている。そのため、フューエルカット時のセンサセル４２における酸素イオン電流Ｉ２と、内燃機関において燃焼が行われる燃焼時のセンサセル４２における酸素イオン電流Ｉ２’とはほぼ同じであると考える。

そして、フューエルカット時のセンサセル４２における酸素イオン電流Ｉ２は、内燃機関において燃料の噴射が断絶された時から所定時間経過後にセンサセル４２によって測定される酸素イオン電流Ｉ２とする。また、通常時のセンサセル４２における酸素イオン電流Ｉ１は、内燃機関において燃料の噴射が行われるときにおいて、ＮＯｘ濃度及び残留酸素濃度に応じて測定される酸素イオン電流Ｉ１とする。

こうして、ガスセンサ素子１においては、図３（ｃ）に示すように、内燃機関において燃料の噴射が行われる通常時のセンサセル４２における酸素イオン電流値Ｉ１から、内燃機関において燃料の噴射が断絶された時から所定時間経過後にセンサセル４２によって測定される酸素イオン電流値Ｉ２を減算して、補正後の酸素イオン電流値Ｉが求められる。そして、この補正後の酸素イオン電流値Ｉに基づいて特定ガス濃度が検出される。
これにより、センサセル４２によってＮＯｘ濃度が検出されるときの酸素イオン電流値から、センサセル４２によってＮＯｘ濃度が検出されないときの酸素イオン電流値を減算することができる。そのため、ＮＯｘ濃度の検出精度に、被測定ガスＧ中の残留酸素濃度が与える影響を低減させることができる。

また、この残留酸素濃度の影響を低減させるために、センサ電極２２とは材質が異なるモニタ電極を有する酸素モニタセル等のセルを別途用いる必要がない。これにより、酸素モニタセル等を用いる際に生じる誤差要因をなくすことができる。また、酸素モニタセル等のセルを別途設ける必要がなく、ガスセンサ素子１の構造を簡単にすることもできる。
それ故、本例のガスセンサ素子１によれば、簡単な構造によって、ＮＯｘ濃度の検出精度を効果的に向上させることができる。

（実施例２）
本例のガスセンサ素子１においては、図４、図５に示すように、被測定ガス空間５１が、ポンプセル４１が配置された第１ガス空間５１１と、センサセル４２が配置された第２ガス空間５１２とによって構成されている。
第１ガス空間５１１は、拡散抵抗体３２が設けられた長手方向Ｌの一方側に形成されており、第２ガス空間５１２は、第１ガス空間５１１に隣接して、長手方向Ｌの他方側に形成されている。そして、被測定ガスＧを第１ガス空間５１１にできるだけ長く滞留させるようにして、被測定ガスＧ中の残留酸素が第２ガス空間５１２におけるセンサ電極２２へ流れにくくしている。

第１ガス空間５１１と第２ガス空間５１２とは、被測定ガスＧの流れ方向Ｆにおける空間断面積を縮小する障害壁３４によって仕切られた状態で連通されている。障害壁３４は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１から突出して設けられており、絶縁体３１と障害壁３４の端面との間には、被測定ガスＧが通過するスリット（隙間）３４１が形成されている。

なお、第１ガス空間５１１と第２ガス空間５１２とは、障害壁３４によって仕切る代わりに、ガスを透過させる性質を有する多孔質体によって仕切ることもできる。多孔質体は、第１ガス空間５１１と第２ガス空間５１２とを完全に仕切る状態で設けることができる。
本例のガスセンサ素子１のその他の構造及び図中の符号は、上記実施例１と同様であり、本例のガスセンサ素子１によっても上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例のガスセンサ素子１においては、図６、図７に示すように、第２ガス空間５１２には、ポンプセル４１によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスＧ中の酸素濃度をさらに調整する補助ポンプセル４３が設けられている。
補助ポンプセル４３は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１に設けられた補助ポンプ電極２３を有しており、補助ポンプ電極２３と基準電極２５との間に電圧を印加して、第２ガス空間５１２における酸素濃度を調整するよう構成されている。補助ポンプ電極２３は、第２ガス空間５１２において、被測定ガスＧの流れ方向Ｆにおけるセンサ電極２２の配置位置よりも上流側の位置に設けられている。補助ポンプセル４３を用いる場合には、補助ポンプセル４３によって被測定ガスＧ中の残留酸素濃度をさらに調整することができ、ＮＯｘ濃度の検出精度をさらに向上させることができる。
本例のガスセンサ素子１のその他の構造及び図中の符号は、上記実施例１と同様であり、本例のガスセンサ素子１によっても上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１ ガスセンサ素子
２ 固体電解質体
２１ ポンプ電極
２２ センサ電極
２５ 基準電極
３２ 拡散抵抗体
４１ ポンプセル
４２ センサセル
５１ 被測定ガス空間
５１１ 第１ガス空間
５１２ 第２ガス空間
５２ 基準ガス空間
Ａ 基準ガス
Ｇ 被測定ガス

Claims (3)

1. 内燃機関の排気管に配置して、該排気管を流れる排気ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子（１）であって、
   酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
   該固体電解質体（２）の一方の表面側に形成され、被測定ガス（Ｇ）としての上記排気ガスが拡散抵抗体（３２）を通過して導入される被測定ガス空間（５１）と、
   上記固体電解質体（２）の他方の表面側に形成され、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス空間（５２）と、
   上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（５１）側の表面（２０１）に設けられたポンプ電極（２１）を有し、該ポンプ電極（２１）と上記固体電解質体（２）の上記基準ガス空間（５２）側の表面（２０２）に設けられた基準電極（２５）との間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間（５１）における酸素濃度を調整するポンプセル（４１）と、
   上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（５１）側の表面（２０１）であって、上記被測定ガス（Ｇ）の流れ方向（Ｆ）における上記ポンプ電極（２１）の配置位置よりも下流側の位置に設けられたセンサ電極（２２）を有し、該センサ電極（２２）と上記基準電極（２５）との間に流れる酸素イオン電流を測定するセンサセル（４２）と、を備え、
   上記内燃機関において燃料の噴射が行われるときに上記センサセル（４２）によって測定される酸素イオン電流値（Ｉ１）から、上記内燃機関において燃料の噴射が断絶された時から所定時間経過後に上記センサセル（４２）によって測定される酸素イオン電流値（Ｉ２）を減算して、上記特定ガス濃度を検出するよう構成されていることを特徴とするガスセンサ素子（１）。
2. 上記被測定ガス空間（５１）は、上記ポンプセル（４１）が配置された第１ガス空間（５１１）と、上記センサセル（４２）が配置された第２ガス空間（５１２）とによって構成されており、
   上記第１ガス空間（５１１）と上記第２ガス空間（５１２）とは、上記被測定ガス（Ｇ）の流れ方向（Ｆ）における空間断面積を縮小する障害壁（３４）、又はガスを透過させる性質を有する多孔質体によって仕切られた状態で連通されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ素子（１）。
3. 上記第２ガス空間（５１２）には、上記ポンプセル（４１）によって酸素濃度が調整された後の上記被測定ガス（Ｇ）中の酸素濃度をさらに調整する補助ポンプセル（４３）が設けられており、
   該補助ポンプセル（４３）は、上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（５１）側の表面（２０１）に設けられた補助ポンプ電極（２３）を有し、該補助ポンプ電極（２３）と上記基準電極（２５）との間に電圧を印加して、上記第２ガス空間（５１２）における酸素濃度を調整するよう構成されていることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ素子（１）。

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