JP2018096951A - ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比の変化に対して速やかに応答し、空燃比の検出の精度の低下を抑制することができるガスセンサ素子を提供する。【解決手段】第１面が排気ガスにさらされる第１固体電解質層１２と、前記第１固体電解質層の前記第１面に設けられた第１電極１１と、前記第１固体電解質層の前記第１面とは反対側の面である第２面に設けられた第２電極１３と、前記第１固体電解質層の前記第２面に設けられた第２固体電解質層１４と、前記第２固体電解質層の前記第１固体電解質層側の面とは反対の面に設けられた第３電極１５と、前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流を検出する検出部３０と、前記第２電極と前記第３電極との間に一定の電流を流す制御部４０と、を具備するガスセンサ素子１００。【選択図】図１

Description

本発明はガスセンサ素子に関する。

ガスセンサ素子は、車両の排気経路に設けられ、車両の内燃機関における空燃比などを検出する。例えば、固体電解質を利用し、限界電流値を検出することで空燃比を検出する。特許文献１には、固体電解質層の基準ガス室内の酸素濃度を一定とする技術が記載されている。

特開平１１−７２４７３号公報

しかし基準電流に基づいて酸素濃度を制御すると、空燃比の連続的な変化に対応することが難しく、空燃比の検出の精度が低下する可能性がある。

そこで、空燃比の変化に対して速やかに応答し、空燃比の検出の精度の低下を抑制することが可能なガスセンサ素子を提供することを目的とする。

上記目的は、第１面が排気ガスにさらされる第１固体電解質層と、前記第１固体電解質層の前記第１面に設けられた第１電極と、前記第１固体電解質層の前記第１面とは反対側の面である第２面に設けられた第２電極と、前記第１固体電解質層の前記第２面に設けられた第２固体電解質層と、前記第２固体電解質層の前記第１固体電解質層側の面とは反対の面に設けられた第３電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流を検出する検出部と、前記第２電極と前記第３電極との間に一定の電流を流す制御部と、を具備するガスセンサ素子によって達成できる。

上記目的は、第１面が排気ガスにさらされる第１固体電解質層と、前記第１固体電解質層の前記第１面に設けられた第１電極と、前記第１固体電解質層の前記第１面とは反対側の面である第２面に設けられた第２電極と、前記第１固体電解質層の前記第２面側に設けられた第２固体電解質層と、前記第２固体電解質層の前記第１固体電解質層側の面とは反対の面に設けられた第３電極と、前記第２固体電解質層の前記第１固体電解質層側の面に設けられた第４電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流を検出する検出部と、前記第３電極と前記第４電極との間に一定の電流を流す制御部と、を具備するガスセンサ素子によっても達成できる。

空燃比の変化に対して速やかに応答し、空燃比の検出の精度の低下を抑制することが可能なガスセンサ素子を提供できる。

図１はガスセンサ素子を例示する断面図である。 図２はガスセンサ素子を例示する分解斜視図である。 図３は電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は動作時のガスセンサ素子を示す図である。 図５（ａ）は応答時間の例を示す図である。図５（ｂ）は応答精度の例を示す図である。 図６（ａ）は第２実施形態に係るガスセンサ素子を例示する断面図である。図６（ｂ）は第３実施形態に係るガスセンサ素子を例示する断面図である。図６（ｃ）は第４実施形態に係るガスセンサ素子を例示する断面図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態のガスセンサ素子１００について説明する。図１は第１実施形態に係るガスセンサ素子１００を例示する断面図である。図２はガスセンサ素子１００を例示する分解斜視図である。ガスセンサ素子１００は例えば自動車など車両の排気経路に設けられ、内燃機関の空燃比を検出する。

図１に示すように、ガスセンサ素子１００は、センサセル１０、ポンピングセル２０、検出部３０、および制御部４０を備える。センサセル１０は、固体電解質層１２（第１固体電解質層）および電極１１（第１電極）を有する。ポンピングセル２０は固体電解質層１４（第２固体電解質層）および電極１５（第３電極）を有する。電極１３（第２電極）はセンサセル１０とポンピングセル２０とに共有される。

図１および図２に示すように、固体電解質層１２の下面（第１面）に電極１１、セラミック層１６および拡散抵抗層１８が設けられている。セラミック層１６および拡散抵抗層１８にはセラミック層１９が貼り付けられている。固体電解質層１２、セラミック層１６および１９ならびに拡散抵抗層１８は内燃機関の排気ガスが導入されるガス室１０ａを区画する。電極１１はガス室１０ａ内に配置されている。固体電解質層１２の上面（第２面）には電極１３および固体電解質層１４が固着され、電極１３は固体電解質層１２および１４の間に位置する。固体電解質層１４の固体電解質層１２と対向する面とは反対の面（上面）に、電極１５が設けられている。

図１および図２に示すように固体電解質層１２および１４は板状の部材であり、例えばジルコニア（ＺｒＯ_２）に安定剤として酸化カルシウム（ＣａＯ）または酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などを固溶させた酸素イオン伝導性酸化物の焼結体である。固体電解質層１２および１４は、層の両側の酸素濃度に応じて濃度の高い側から低い側に酸素イオン（Ｏ^２−）を通す特性（酸素電池特性）を有する。また固体電解質層１２および１４は、電位差に応じて負極から正極に酸素イオンを移動させる特性（酸素ポンプ特性）を有する。

セラミック層１６、１９および拡散抵抗層１８は例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックで形成されている。拡散抵抗層１８はセラミック層１６よりも密度が低いため、排気ガスが拡散抵抗層１８を通じてガス室１０ａに導入される。セラミック層１６は拡散抵抗層１８よりも密度が高いため気体を通しにくい。ヒータ１７はセラミック層１６に内蔵されており、固体電解質層１２および１４を活性温度（例えば６５０〜７５０℃）まで加熱する。図２ではヒータ１７はセラミック層１６から取り出して図示している。電極１１、１３および１５は例えば白金など触媒活性の高い金属で形成されている。積層方向（図１の上下方向）において電極１１、１３および１５は互いに重なる。

図１に示すように、検出部３０は、互いに電気的に接続された電源３２および電流計３４を有する。電極１１および１３は検出部３０と電気的に接続されている。電源３２が電極１１および１３間に電圧を印加することで、電極間に電流が流れる。電流計３４が電流を検出することで、空燃比が検出される。

図３は電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図である。横軸は電源３２が印加する電圧を示し、縦軸はセンサセル１０に流れる電流を示す。電流がＶ軸に平行な部分は限界電流を表す。図３に示すように、空燃比（Ａ／Ｆ）に応じて限界電流は変化する。空燃比が理論空燃比のとき、限界電流は０である。空燃比がリーンならば限界電流はＶ軸より上側であり、空燃比が高くなるほど限界電流は大きくなる。リッチならば限界電流はＶ軸より下側であり、空燃比が低くなるほど限界電流は小さくなる。すなわち、電流計３４により限界電流の向きおよび大きさを検出することで、空燃比を検出することができる。

制御部４０は、互いに電気的に接続された電源４２および電流計４４を有する。電極１３および１５は制御部４０に電気的に接続されている。電源４２が電極１３および１５間に電圧を印加することで、固体電解質層１４に酸素イオンが流れ、電極間に電流が流れる。電流計４４は電流を検出し、電源４２は検出される電流が一定になるように電圧を変化させる。制御部４０は電極１３および１５間に一定の電流を流すことで、電極１３に供給する酸素イオンの量を一定とする。

次にガスセンサ素子１００の動作について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）は動作時のガスセンサ素子１００を示す図である。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、制御部４０の電源４２が、電極１３を正極、電極１５を負極として、電極１３および１５間に電圧を印加する。固体電解質層１４の外側の酸素ガスおよび水蒸気は電気分解され、酸素イオンが発生する。ブロック矢印で示すように酸素イオンは、固体電解質層１４中を移動し電極１３に到達する。これにより、電極１３から固体電解質層１４を介して電極１５に電流Ｉ１が流れ、電子（ｅ⁻）は電流Ｉ１とは逆向きに移動する。制御部４０が電極１３および１５間に一定の電流を流すことで、固体電解質層１４を移動する酸素イオンの量および電極１３付近における酸素濃度が一定に保たれる。電極１３からは酸素ガスおよび酸素イオンが発生すると推測される。

センサセル１０に流れる電流（電極１１および１３間に流れる電流）の向きは、固体電解質層１２の上側と下側とにおける酸素濃度の差に応じて定まる。制御部４０が一定の電流を流すことで、電極１３付近すなわち固体電解質層１２の上側の酸素濃度は一定になる。この一定の酸素濃度を基準に、ガス室１０ａ中の酸素濃度に応じて電流の向きが定まる。以下に説明するように、空燃比がリーン状態における電流Ｉ２と、リッチ状態における電流Ｉ３とでは電流の向きが反対になる。

図４（ａ）は空燃比がリーンの状態を示す。リーン状態における排気ガス中の酸素濃度は高い。電源３２が電極１１および１３間に電圧を印加することで、ガス室１０ａ中の酸素はイオン化される。ブロック矢印で示すように酸素イオンは電極１３に向けて固体電解質層１２中を移動する。このとき、図４（ａ）に矢印で示すように、電極１１から電極１３に電流Ｉ２が流れ、電子（ｅ⁻）は電流Ｉ２とは逆向きに移動する。電流Ｉ２の大きさは、固体電解質層１２を移動する酸素イオンの量によって決まる。したがって電流計３４により電流Ｉ２を検出することで、排気ガス中の空燃比および酸素濃度を検出することができる。

図４（ｂ）は空燃比がリッチの状態を示す。リッチ状態における排気ガス中の酸素濃度は低く、一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が高い。また排気ガスはＣＯ以外に炭化水素（ＨＣ）および水素（Ｈ_２）なども含む。ポンピングセル２０により電極１３に酸素イオンが移動する。電源３２が電極１１および１３間に電圧を印加することで、酸素イオンは固体電解質層１２を移動し、電極１１付近に到達する。これによりガス室中の排気ガスは酸化される。このとき、図４（ｂ）に矢印で示すように、電極１３から電極１１に電流Ｉ３が流れ、電子（ｅ⁻）は電流Ｉ３とは逆向きに移動する。電流Ｉ３の大きさは固体電解質層１２を移動する酸素イオンの量によって決まるため、電流計３４により電流Ｉ３を検出することで、排気ガス中の空燃比および酸素濃度を検出することができる。

第１実施形態によれば、制御部４０が電極１３と電極１５との間に一定の電流を流すため、電極１３付近における酸素濃度が一定になる。この一定の酸素濃度を基準として、図４（ａ）および図４（ｂ）に示したようにセンサセル１０の電流の向きおよび大きさが定まる。空燃比が連続的に変化した場合でも、制御部４０がポンピングセル２０を定電流制御するため、基準となる酸素濃度は変化しない。したがって空燃比の変化に対する空燃比検出の応答性が向上し、その結果、検出の精度の低下が抑制される。

図５（ａ）は応答時間の例を示す図である。縦軸は応答時間を示す。応答時間とは空燃比が変化した時点（例えば１１から１５に変化した時点）から空燃比を検出するまでの時間である。横軸は比較例と第１実施形態を示す。比較例は電極１３〜１５間に一定の電流を流すものではなく、電極１３付近の酸素濃度も一定ではない。比較例では空燃比に応じて電流の大きさを変え、当該電流により電極１３に酸素イオンを供給する。

図５（ａ）に示すように、第１実施形態における応答時間Ｔ２は、比較例における応答時間Ｔ１の半分程度である。つまり、第１実施形態により速やかな応答が可能となる。

図５（ｂ）は応答精度の例を示す図である。縦軸は正しい空燃比（例えば１４．５）を検出する際の精度である。精度とは例えば複数回検出を行った際の正解率である。第１実施形態における検出精度Ａ２は比較例における検出精度Ａ１より高い。つまり、第１実施形態により検出精度の低下が抑制される。また第１実施形態の構成は簡単であるため、低コスト化が可能である。

図１に示したように、ヒータ１７がセラミック層１９に内蔵され、ヒータ１７が発生させる熱はセラミック層１９および１６、ならびに拡散抵抗層１８を通じて固体電解質層１２および１４に伝わる。このため固体電解質層１２および１４が速やかに活性温度に到達し、空燃比検出の応答性が向上する。活性温度に達するまでの時間は例えば２秒である。またヒータ１７の消費電力が抑制され、例えば４Ｗ程度である。

図１および図２に示したように、電極１１、１３および１５それぞれの全体が上下方向において重なる。このため電極間の電気抵抗が低減するため、大きな電流を検出することができる。この結果、空燃比の検出の精度低下が抑制され、また検出範囲が広くなる。

電極１３に大きな電流が流れると電極１３が固体電解質層１２および１４から剥離する恐れがある。第１実施形態によれば、電極１３に流れる電流が一定であるため剥離が抑制される。検出部３０に、電極１１および１３間の電圧を検出する電圧計を設けてもよい。電圧を検出することで排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。

（第２実施形態）
図６（ａ）は第２実施形態に係るガスセンサ素子２００を例示する断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図６（ａ）に示すように、固体電解質層１２および１４間にセラミック層５０および５１が設けられ、固体電解質層１２および１４ならびにセラミック層５０および５１によりガス室５２が形成される。ガス室５２内であって固体電解質層１２の表面に電極５３（第２電極）が設けられ、固体電解質層１４の表面に電極１３（第４電極）が設けられている。固体電解質層１２、電極１１および５３はセンサセル１０を形成する。固体電解質層１４、電極１３および１５はポンピングセル２０を形成する。検出部３０の電源３２は電極１１と電極５３との間に電圧を印加する。電流計３４が電極１１および５３間の電流を検出することで、空燃比を検出することができる。制御部４０の電源４２は電極１５と電極１３との間に一定の電流を流す。

第２実施形態によれば、電極１５と電極５３との間に一定の電流が流れるため、固体電解質層１４を移動してガス室５２に供給される酸素濃度が一定になる。このため、第１実施形態と同様に、空燃比の検出の精度の低下が抑制される。

（第３実施形態）
図６（ｂ）は第３実施形態に係るガスセンサ素子３００を例示する断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図６（ｂ）に示すように、固体電解質層１２とセラミック層１９との間に２つの拡散抵抗層１８ａおよび１８ｂが設けられている。拡散抵抗層１８ａおよび１８ｂは電極１１を挟むように対向し、固体電解質層１２およびセラミック層１９とともにガス室１０ａを形成する。第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に空燃比検出の精度の低下が抑制される。

（第４実施形態）
図６（ｃ）は第４実施形態に係るガスセンサ素子４００を例示する断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図６（ｃ）に示すように、上下方向において、電極１１、１３および１５それぞれの一部が重なる。このため電気抵抗が低減され、空燃比の検出の精度低下が抑制され、また検出範囲が広くなる。図１および図６（ｃ）に示したように電極１１、１３および１５の少なくとも一部が互いに重なることで、電極間の電気抵抗は低減される。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ センサセル
１０ａ、５２ ガス室
１１、１３、１５、５３ 電極
１２、１４ 固体電解質層
１６、１９、５０、５１ セラミック層
１７ ヒータ
１８、１８ａ、１８ｂ 拡散抵抗層
２０ ポンピングセル
３０ 検出部
３２、４２ 電源
３４、４４ 電流計
４０ 制御部
１００、２００、３００、４００ ガスセンサ素子

Claims (2)

1. 第１面が排気ガスにさらされる第１固体電解質層と、
   前記第１固体電解質層の前記第１面に設けられた第１電極と、
   前記第１固体電解質層の前記第１面とは反対側の面である第２面に設けられた第２電極と、
   前記第１固体電解質層の前記第２面に設けられた第２固体電解質層と、
   前記第２固体電解質層の前記第１固体電解質層側の面とは反対の面に設けられた第３電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流を検出する検出部と、
   前記第２電極と前記第３電極との間に一定の電流を流す制御部と、を具備するガスセンサ素子。
2. 第１面が排気ガスにさらされる第１固体電解質層と、
   前記第１固体電解質層の前記第１面に設けられた第１電極と、
   前記第１固体電解質層の前記第１面とは反対側の面である第２面に設けられた第２電極と、
   前記第１固体電解質層の前記第２面側に設けられた第２固体電解質層と、
   前記第２固体電解質層の前記第１固体電解質層側の面とは反対の面に設けられた第３電極と、
   前記第２固体電解質層の前記第１固体電解質層側の面に設けられた第４電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流を検出する検出部と、
   前記第３電極と前記第４電極との間に一定の電流を流す制御部と、を具備するガスセンサ素子。
   

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