JP2019168327A - ガスセンサの検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも測定ばらつきが抑制された、複数のガスセンサを同時に検査可能な検査装置を提供する。【解決手段】応答性検査装置が、被検センサ配置部とガス流通部とをそれぞれに備える複数の検査用配管部が一の方向に連結されてなり、かつ、それぞれのガス流通部が同軸に連接したガス流路を内部に有するチャンバと、ガス流路に対して検査用ガスを供給するガス供給部と、を備え、複数の検査用配管部がそれぞれ、ガス流路の外周の上流側端部と下流側端部とに、隣り合う検査用配管部同士を連結するための平板状の当接部を有してなり、当接部はガス流路に対して垂直であり、当接部内部に１対のカートリッジヒータが埋設されてなり、１対のカートリッジヒータが、応答性検査の際にガス供給部から供給された検査用ガスが一のガス流路内で検査温度に保たれるように、当接部を介して検査用ガスを加熱する、ようにした。【選択図】図８

Description

本発明は、ガスセンサの検査装置に関し、特に、ガスセンサの応答性を検査する装置に関する。

従来より、被検ガス中の所望ガス成分の濃度を知るために、各種の測定装置が用いられている。例えば、燃焼ガス等の被検ガス中の所定ガス成分の濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質層上にＰｔなどからなる電極を形成することにより構成した電気化学セルを有するガスセンサが公知である。

このようなガスセンサは、例えば、自動車の排出ガスに含まれる所望のガス成分の測定に用いられる。自動車の排気管に取り付けられるガスセンサには、エンジンの始動時に発生する水のセンサ素子への付着を防止すること、および水のセンサ素子内への侵入を防止することを主目的として、センサ素子を保護する保護カバーが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

また、製造された個々のガスセンサがあらかじめ規格として定められた応答性を有しているか、出荷前に検査を行う必要がある。ここで、応答性とは、ガスセンサを評価する際の特性の１つであり、例えば、検知対象たるガス成分を含む被検ガスがガスセンサの存在する空間に与えられてから、ガスセンサが実際にガス成分の検知を示す信号（電流値もしくは電圧値）を出力するまでに要する時間（応答時間）で表される。応答時間が短い方ほど、ガスセンサは優れた応答性を有しているということができる。係る応答性検査のための装置がすでに公知である（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に開示された検査装置においては、一のガス流路の途中に複数の検査位置を設けることで、複数のガスセンサの検査を並行して同時に実行可能とされてなり、しかも、それぞれの検査位置の上流側に、水平方向に長手方向を有する矩形状の開口部を備える整流板を設けることで、検査位置間における応答性評価値のばらつきが抑制されるようになっている。さらに、特許文献２には、最上流側の検査位置を与える検査用配管部のさらに上流側に、検査用配管部と同一の構成を有するダミー配管部を設けることで、検査位置間における応答性評価値のばらつきをさらに抑制するという対応も開示されている。

特開２０１１−３８９５３号公報 特開２０１７−１８１３３８号公報

特許文献２に開示された検査装置においては、それぞれにガスセンサを配置可能な複数の検査用配管部を直列に接続することで形成されたパイプ状のチャンバに対し、上流側から検査用ガスを流すことにより、複数のガスセンサの検査を並行して同時に行うことが可能である。しかしながら、チャンバ内において下流側に向かうにつれて検査用ガスの温度が低下することが原因で、応答性検査のための測定に、検査位置によるばらつきが発生し得るという問題があることがわかった。

また、同じガスセンサ群に対して複数回の測定を繰り返す場合であって、検査用ガスとして、高温の燃焼ガスと常温の被測定ガスとの混合ガスを用いる場合、回数を重ねるごとにチャンバ内の温度が低下することが原因で、応答性検査のための測定に、測定回によるばらつきが発生し得るという問題があることもわかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも測定ばらつきが抑制された、複数のガスセンサを同時に検査可能な検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、ガスセンサの所定ガス成分に対する応答性を検査する装置であって、検査対象たるガスセンサが配置される被検センサ配置部と前記所定ガス成分を含む検査用ガスが流れるガス流通部とをそれぞれに備える複数の検査用配管部が一の方向に連結されてなり、かつ、記複数の検査用配管部のそれぞれの前記ガス流通部が同軸に連接することで内部に一のガス流路が形成されてなるチャンバと、前記ガス流路に対して前記検査用ガスを供給するガス供給部と、前記複数の検査用配管部の各々の前記被検センサ配置部に前記ガスセンサが配置され、かつ、前記ガス供給部によって前記ガス流路に所定の検査温度の前記検査用ガスが供給された状態で、前記ガスセンサからの出力に基づいて前記ガスセンサの応答性を検査する、応答性検査処理部と、を備え、前記複数の検査用配管部がそれぞれ、前記ガス流路の外周の上流側端部と下流側端部とに、隣り合う前記検査用配管部同士を連結するための平板状の当接部を有してなり、前記当接部は前記ガス流路に対して垂直に設けられてなり、前記当接部の内部に、前記ガス流通部を挟んで互いに平行に、１対のカートリッジヒータが埋設されてなり、前記１対のカートリッジヒータは、前記応答性の検査に際して前記ガス供給部から供給された前記検査用ガスが前記一のガス流路内で前記検査温度に保たれるように、前記当接部を介して前記検査用ガスを加熱する、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサの検査装置であって、前記当接部の内部に１対のカートリッジヒータのそれぞれに沿って埋設された１対の熱電対、をさらに備え、前記応答性検査処理部は、前記１対の熱電対からの出力に基づいて、前記検査用ガスが前記一のガス流路内で前記検査温度に保たれるように前記１対のカートリッジヒータの加熱状態を制御する、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に係るガスセンサの検査装置であって、前記ガス供給部が、ＬＮＧを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼ガス生成部と、前記燃焼ガスを前記検査温度にまで冷却する冷却部と、前記冷却部で冷却された前記燃焼ガスに空気と前記所定ガス成分とを混合して前記検査用ガスを生成する混合部と、前記混合部において生成された前記検査用ガスの温度を前記検査温度に調節する温度調節器と、を備えることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１ないし第３の態様のいずれかに係るガスセンサの検査装置であって、隣り合う前記検査用配管部の一方の下流側端部と他方の上流側端部とが、それぞれの前記当接部の間に整流板を挟んで連結されており、前記整流板は、前記一のガス流路に対して直交しているとともに、前記一のガス流路に対して開口する矩形状の開口部を有しており、前記開口部は、前記一のガス流路が水平面内において一の方向に延在する場合において、水平面内において前記一の方向に直交する方向に長手方向を有してなる、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第１ないし第４の態様のいずれかに係るガスセンサの検査装置であって、前記検査対象たるガスセンサが、酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分とするセンサ素子と、少なくとも前記センサ素子のガス導入口が備わる側の端部である第１の端部を覆う保護カバーと、を備えるものであり、前記保護カバーが、ガスを流通可能な複数の貫通孔を備えており、前記検査対象たるガスセンサは、前記応答性の検査の際、前記複数の被検センサ配置部のそれぞれにおいて、前記貫通孔を通じて前記センサ素子の前記第１の端部に前記検査用ガスが到達可能に配置される、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第１ないし第５の態様のいずれかに記載のガスセンサの検査装置であって、前記ガスセンサがＮＯｘセンサであり、前記所定ガス成分がＮＯｘである、ことを特徴とする。

本発明の第１ないし第６の態様によれば、ガスセンサの応答性の検査に際して、検査位置間における検査用ガスの温度の差異に起因した測定ばらつきや、複数回の測定を行う場合における測定回ごとの検査用ガスの温度の差異に起因した測定ばらつきが、好適に抑制される。

ガスセンサ１の要部の内部構成を例示する断面図である。 センサ素子１０の構成の一例を模式的に示す断面図である。 ガスセンサ１の応答性検査について説明するための図である。 検査装置１０００の構成を概略的に示す図である。 ガス供給部１０２０の構成を模式的に示す図である。 チャンバ１００１の長手方向に沿った垂直断面図である。 図６のＱ−Ｑ’位置におけるチャンバ１００１の長手方向に垂直な断面図である。 当接部１０５１および１０６１の構成を説明するための図である。 整流板１０７０の正面図である。

＜ガスセンサの構成＞
図１は、本実施の形態において行う応答性検査の対象となるガスセンサ（より詳細には、その本体部）１の要部の内部構成を例示する断面図である。本実施の形態において、ガスセンサ１とは、その内部に備わるセンサ素子１０によって所定のガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。なお、センサ素子１０は、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスを主たる構成材料とする長尺の柱状あるいは薄板状の部材である。センサ素子の構成については後述する。

ガスセンサ１は、センサ素子１０に加え、外側保護カバー２と、内側保護カバー３と、固定ボルト４と、ハウジング５とから、主として構成される。

外側保護カバー２および内側保護カバー３は、センサ素子１０のうち、使用時に被検ガスに直接に接触する部分、具体的には、後述するガス導入口１０４や第１内部空所１０２や第２内部空所１０３などが備わる一先端部１０ａを保護する、略円筒状の外装部材である。外側保護カバー２と内側保護カバー３とは、図１に示すように２層構造をなしており、かつ、両者は同軸に配置される。そして、センサ素子１０の一先端部１０ａは、内側保護カバー３によって囲繞される空間に配置される。

外側保護カバー２は、概略、開放端を有しかつ該開放端側からハウジング５に嵌め合わされる円筒状の嵌合部２ａと、嵌合部２ａに対し略同一の径にて連続する円筒状の部位である中間部２ｂと、中間部２ｂよりも断面径が小さい有底筒状の部位である先端部２ｃとを有している。嵌合部２ａ、中間部２ｂ、先端部２ｃは同軸となっている。また、中間部２ｂと先端部２ｃとは、外側保護カバー２全体の延在方向に直交する屈曲面２ｄを介して連続している。

中間部２ｂの先端部２ｃ寄りの位置には、複数の第１貫通孔Ｈ１が設けられている。複数の第１貫通孔Ｈ１は、中間部２ｂの周方向において等間隔に設けられている。また、先端部２ｃの側面の底部寄りの位置には、複数の第２貫通孔Ｈ２が設けられている。複数の第２貫通孔Ｈ２は、先端部２ｃの周方向において等間隔に設けられている。

内側保護カバー３は、概略、開放端を有しかつ該開放端側からハウジング５に嵌め合わされる円筒状の嵌合部３ａと、嵌合部２ａよりも小さい径を有する連続する円筒状の部位である中間部３ｂと、中間部３ｂに連続する円錐台状の部位である先端部３ｃとを有している。中間部３ｂには断面視Ｕ字状に外側へと突出する突出部３ｄが周方向にわたって設けられている。嵌合部３ａ、中間部３ｂ、先端部３ｃは同軸となっており、また、嵌合部３ａと中間部３ｂとは、外側保護カバー２全体の延在方向に直交する屈曲面３ｅを介して連続している。

さらには、中間部３ｂの屈曲面３ｅ寄りの位置には、複数の第３貫通孔Ｈ３が設けられている。複数の第３貫通孔Ｈ３は、中間部３ｂの周方向において等間隔に設けられている。加えて、先端部３ｃの底部の中央部分には、第４貫通孔Ｈ４が設けられている。

なお、図１に示す第１貫通孔Ｈ１、第２貫通孔Ｈ２、第３貫通孔Ｈ３、および第４貫通孔の配置位置および配置個数はあくまで例示であって、これに限られるものではない。

外側保護カバー２および内側保護カバー３が以上のような構成を有することから、ガスセンサ１が使用される際、あるいは後述する検査装置１０００において検査される際、ガスセンサ１の外部の雰囲気はまず、外部から第１貫通孔Ｈ１を通じて外側保護カバー２の中間部２ｂと内側保護カバー３の中間部３ｂとの間の領域ＲＥ１に流入する。そして、領域ＲＥ１に流入した雰囲気は、突出部３ｄによる整流作用を受けつつ、第３貫通孔Ｈ３を通じて、センサ素子１０の一先端部１０ａが配置された内側保護カバー３の内部の領域ＲＥ２に侵入する。領域ＲＥ２に入り込んだ雰囲気の一部はセンサ素子１０の内部に取り込まれ、被検ガスの濃度の算出に利用される。センサ素子１０の内部に取り込まれなかった雰囲気は、第４貫通孔Ｈ４を通じて、領域ＲＥ２から内側保護カバー３の先端部３ｃと外側保護カバー２の先端部２ｃとの間の領域ＲＥ３に流出する。外側保護カバー２の先端部２ｃにおいては、第２貫通孔Ｈ２を通じてガスセンサ１の外側の雰囲気が出入り可能になっているので、領域ＲＥ２から領域ＲＥ３へと流出した雰囲気は、ガスセンサ１の外側から第２貫通孔Ｈ２を通じて領域ＲＥ３へと取り込まれた雰囲気ともども、第２貫通孔Ｈ２を通じて外部へと流出する。

固定ボルト４は、センサ本体部１を測定位置に固定する際に用いられる環状の部材である。固定ボルト４は、ねじ切りがされたボルト部４ａと、ボルト部４ａを螺合する際に保持される保持部４ｂとを備えている。ボルト部４ａは、センサ本体部１の取り付け位置に設けられたナットと螺合する。例えば、自動車の排気管に設けられたナット部にボルト部４ａが螺合されることで、センサ本体部１は、外側保護カバー２の側が排気管内に露出する態様にて該排気管に固定される。また、本実施の形態においては、ガスセンサ１を後述する検査装置１０００に取り付ける場合にも、ボルト部４ａが用いられる。

また、ガスセンサ１の内部においては、図１に示すように、センサ素子１０が、ガス導入口等が備わる一先端部１０ａを残して、交互に隣接配置された複数のガイシと複数の封止材（タルク）のそれぞれの軸中心位置に嵌合されている。なお、図１においては、２つのガイシ６、８と両者の間に備わる１つの封止材７とを示しているが、実際には、ガイシ８に隣接してさらにもう一つの封止材ともう一つのガイシとがこの順に嵌め合わされている。また、２つのガイシ６、８とその間の封止材７が、略円筒状をなすハウジング５の内筒部に嵌合されてなる。そして、このハウジング５の一方端側は外側保護カバー２および内側保護カバー３に嵌合されてなり、他方端側は凹部４ｃに挿入される図示を省略する別のカバーに嵌合されてなり、ハウジング５の外周に、固定ボルト４が固着されてなる。

以上のような構成を有することで、ガスセンサ１では、所定位置に取り付けられた状態において、センサ素子１０の一先端部１０ａの周りの雰囲気（外側保護カバー２および内側保護カバー３内の雰囲気）と外部の雰囲気とが完全に遮断されるようになっており、これにより、被検ガス中における対象ガス成分の濃度を精度良く測定できるようになっている。

＜センサ素子の構成例＞
図２は、ガスセンサ１に備わるセンサ素子１０の構成の一例を模式的に示す断面図である。図２においては、センサ素子１０が、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニアを主成分とするセラミックスを構造材料として構成されてなる限界電流型のＮＯｘセンサ素子である場合について、その構成を示している。

係るセンサ素子１０は、第１内部空所１０２が第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０を通じて外部空間に開放されたガス導入口１０４と連通し、第２内部空所１０３が第三の拡散律速部１３０を通じて第１内部空所１０２と連通する構成を備える、いわゆる直列二室構造型のセンサ素子である。なお、ガスセンサ１においてセンサ素子１０は、ガス導入口１０４が備わる端部Ｅ１の側が図１における一先端部１０ａの側となるように配置される。係るセンサ素子１０を用い、以下のようなプロセスが実行されることで、被検ガス中のＮＯｘの濃度が算出される。

まず、第１内部空所１０２に導入された被検ガスは、センサ素子１０の外面に設けられた外部ポンプ電極１４１と、第１内部空所１０２に設けられた内部ポンプ電極１４２と、両電極の間のセラミックス層１０１ａとによって構成される電気化学的ポンプセルである主ポンプセルのポンピング作用（酸素の汲み入れ或いは汲み出し）によって、酸素濃度が略一定に調整されたうえで、第２内部空所１０３に導入される。第２内部空所１０３においては、同じく電気化学的ポンプセルである、外部ポンプ電極１４１と、第２内部空所１０３に設けられた補助ポンプ電極１４３と、両電極の間のセラミックス層１０１ｂとによって構成される補助ポンプセルのポンピング作用により、被検ガス中の酸素が汲み出されて、被検ガスが十分な低酸素分圧状態とされる。

係る低酸素分圧状態の被検ガス中のＮＯｘは、第２内部空所１０３に保護層１４４に被覆される態様にて設けられた測定電極１４５において還元ないし分解される。そして、係る還元ないし分解によって生じた酸素イオンが、測定電極１４５と、基準ガス導入口１０５に通じる多孔質アルミナ層１４６内に設けられた基準電極１４７と、両者の間のセラミックス層１０１ｃとによって構成される電気化学的ポンプセルである測定ポンプセルによって汲み出される。そして、その際に生じる電流（ＮＯｘ電流）の電流値と、ＮＯｘ濃度との間に線型関係があることに基づいて、被検ガス中のＮＯｘ濃度が求められる。

なお、主ポンプセル、補助ポンプセル、および測定ポンプセルにおけるポンピングは、図示しない可変電源によってそれぞれのポンプセルを構成するポンプ電極間に第１内部空所１０２、第２内部空所１０３、および測定電極１４５近傍における酸素濃度に応じた電圧が印加されることで実現される。

また、センサ素子１０には図示しないヒータ部が設けられており、上述の動作は、ヒータ部に通電することでセンサ素子１０を６００℃〜７００℃程度の温度に加熱しつつ行われる。それゆえ、後述する検査装置における検査も、係る温度にまでセンサ素子を加熱したうえで行われる。

＜応答性検査の概要＞
次に、本実施の形態において行う、ガスセンサ１の応答性検査についてその概要を説明する。

上述のように、ガスセンサ１においては、被検ガスが導入されるセンサ素子１０のガス導入口１０４を含む一先端部１０ａが外側保護カバー２および内側保護カバー３によって囲繞されているので、外側保護カバー２内に流入した被検ガスが測定電極１４５に到達し、測定対象成分の濃度に応じた出力変化を生じさせるまでには幾ばくかの時間を要する。被検ガス中の測定対象たるガス成分の濃度をできるだけリアルタイムに測定するには、被検ガスに実際に生じている濃度変化にできるだけ迅速に追随してガスセンサ１の出力が変化することが求められる。この被検ガスの濃度変化に対する出力変化の追随性を応答性と称する。

本実施の形態においては、係る応答性の検査を、対象成分ガス濃度が既知の被検ガスをパルス的に流したときのセンサ出力の変化の度合いに基づいて行う。

図３は、本実施の形態において行う、ガスセンサ１の応答性検査について説明するための図である。より具体的には、図３は、ガスセンサ１の応答性検査の際の検査用ガスの流量プロファイル（図３（ａ））と、係る流量プロファイルにて検査用ガスが与えられた際にガスセンサ１に生じるセンサ出力電流の変化を表すセンサ出力電流プロファイル（図３（ｂ））とを併せて示している。

本実施の形態においては、ガスセンサ１が存在する所定の閉空間（チャンバ）に対し、図３（ａ）に示すように、ある時刻ｔ１にガスセンサ１の検出対象ガス成分を含む成分比一定の検査用ガスの一定流量ａでの供給を開始した後、図３（ｂ）に示すように時刻ｔ２でガスセンサ１からの出力（センサ出力電流）が当該検出対象ガス成分の濃度に見合う一定値Ｉａになったとする場合の、センサ出力信号が０．３３Ｉａなる値から０．６６Ｉａなる値にまで増加するのに要する時間Δｔを、応答性評価値と定める。そして、この応答性評価値に基づいて、応答性検査の良否を判断するものとする。

係る応答性検査において評価に用いられるセンサ出力電流としては、具体的には、主ポンプセルにおいて外部ポンプ電極１４１と内部ポンプ電極１４２との間を流れる電流（Ｉｐ０とも称する）が例示される。

＜検査装置の概略構成＞
図４は、応答性検査を行う検査装置１０００の構成を概略的に示す図である。検査装置１０００は、検査対象たるガスセンサ１が配置されるとともに検査用ガスが流されるチャンバ１００１と、検査用ガスを生成するガス供給部１００２と、チャンバ１００１を通過した検査用ガスが排気されるガス排気部１００３と、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成され、ガスセンサ１の応答性検査を実行する（より詳細には、応答性検査のために各部の動作を制御する）応答性検査処理部１００４とを主として備える。

チャンバ１００１は、水平面内において一の方向に延在するように配置されている。チャンバ１００１は、その図面視右側である上流側から順に、Ａ〜Ｄの４つの検査位置が定められており、それぞれに検査対象とされるガスセンサ１が配置される。これにより、検査装置１０００においては、検査位置Ａ〜Ｄにおいて同時並行的に検査を行えるようになっている。また、チャンバ１００１に対しては、矢印ＡＲ１にて示すように、ガス供給部１００２から検査用ガスが供給される。一方、チャンバ１００１を通過した検査用ガスは、矢印ＡＲ２にて示すように、ガス排気部１００３へと排出され、ガス排気部１００３において適宜の態様にて排気される。

係る構成を有する検査装置１０００において応答性検査を行う場合、４つの検査位置Ａ〜Ｄに応答性検査の対象たるガスセンサ１を配置する。なお、図４においてはガスセンサ１を概略的に図示しているが、より詳細には、４つの検査位置Ａ〜Ｄのそれぞれにおいて、ガスセンサ１は、図１のボルト部４ａよりも下方の部分がチャンバ１００１内に位置するように配置される。

そして、応答性検査処理部１００４から検査実行指示が出されると、図３（ａ）に例示したようなガス流量プロファイルを実現するべく、ガス供給部１００２から検査用ガスを一定流量にて供給する。なお、その際の流量の設定は、それぞれの検査位置Ａ〜Ｄに配置されたガスセンサ１の外側保護カバー２内部に検査用ガスが良好に到達する限りにおいて、適宜に定められてよい。例えば、ガスセンサ１が実使用される際に配置される環境でのガス流量に近い値が設定されてもよいし、検査の効率性の観点から設定されてもよい。

一方で、係る検査用ガスの供給開始とともに、応答性検査処理部１００４は、検査対象とされている４つのガスセンサ１のそれぞれについて、センサ出力電流をモニタし、図３（ｂ）に例示したような出力プロファイルを得る。それぞれのプロファイルから、図３（ｂ）におけるΔｔに相当する応答性評価値を求める。そして、応答性評価値が所定の閾値以下であれば、そのガスセンサ１は良好な応答性を有していると判断して、後段の処理に供する。

（ガス供給部）
次に、ガス供給部１０２０の構成について、具体的に説明する。図５は、ガス供給部１０２０の構成を模式的に示す図である。

ガス供給部１０２０においては、第１エア供給源１１０１とＬＮＧ供給源１１０２とが燃焼管１１０３に対し接続されてなる。検査の実行時には、それぞれからエア（空気）とＬＮＧ（液化天然ガス）とが供給された状態で、燃焼管１１０３に付設されたバーナー１１０４によってＬＮＧが点火され、燃焼管１１０３内で燃焼されることで、燃焼ガスＧ０が生成される。係る燃焼ガスＧ０は、例えば、空気過剰率λが０．８から０．９の範囲にあり、温度は約８００℃に達している。これらのエアおよびＬＮＧの供給量の調整は、応答性検査処理部１００４がそれぞれの供給配管に付設されてなるバルブの開度を制御することによりなされる態様であってもよいし、作業者がマニュアルで調整する態様であってもよい。

このように生成された燃焼ガスＧ０は、配管１１０５を通じて燃焼管１１０３から排出される。係る配管１１０５は途中、冷却ジャケット１１０６にて被覆されており、係る被覆箇所を通過した燃焼ガスは、検査時の検査用ガスの温度（検査温度）と同程度の温度（図５では３５０℃）にまで冷却される。

また、配管１１０５の、係る冷却ジャケット１１０６の被覆箇所よりも下流側には、第２エア供給源１１０７とつながるエア供給配管１１０８と、ＮＯ供給源１１０９とつながるＮＯ供給配管１１１０とが、この順に上流側から接続されてなる。ＮＯ供給源１１０９からは、ガスセンサ１における測定対象ガス成分としてのＮＯが供給される。第２エア供給源１１０７からは、最終的にチャンバ１００１に供給するガスの空気過剰率を調整するためのエアが供給される。

これらのエアおよびＮＯは、燃焼ガスＧ１に対し混合される。係る混合がなされることで、測定対象ガス成分としてＮＯを含む検査用ガスＧ１が得られる。なお、ＮＯ供給源１１０９からのＮＯの供給量は、検査用ガスＧ１中のＮＯ濃度が例えば０〜５００ｐｐｍ程度となる範囲で適宜に調整される。また、第２エア供給源１１０７からのエアの供給量は、検査用ガスＧ１における空気過剰率λが０．９〜１．１となる範囲で適宜に調整される。これらのＮＯおよびエアの供給量の調整は、応答性検査処理部１００４がそれぞれの供給配管に付設されてなるバルブの開度を制御することによりなされる態様であってもよいし、作業者がマニュアルで調整する態様であってもよい。

ただし、これらＮＯ供給源１１０９から供給されるＮＯと第２エア供給源１１０７から供給されるエアの温度はいずれも室温（２５℃程度）であることから、これらを単に燃焼ガスと混合するのみでは、検査用ガスＧ１の温度は検査温度よりも低下する。それゆえ、ガス供給部１０２０においては、配管１１０５におけるＮＯ供給配管１１１０の接続部分よりも下流側に温度調節器（ＴＣ）１１１１が設けられており、係る温度調節器１１１１により、検査用ガスＧ１の温度があらかじめ定めた検査温度（例えば３５０℃）に調節されるようになっている。そして、このように、温度およびガス成分が調整された検査用ガスＧ１が、チャンバ１００１に供されることとなる。

（チャンバの構成）
図６は、チャンバ１００１の長手方向に沿った垂直断面図である。図７は、図６のＱ−Ｑ’位置におけるチャンバ１００１の長手方向に垂直な断面図である。なお、図６および以降の図においては、チャンバ１００１の長手方向であってチャンバ１００１において検査用ガスの流れる向きをｘ軸正方向とし、鉛直方向上向きをｚ軸正方向とする右手系のｘｙｚ座標を付している。

チャンバ１００１は、４つの検査用配管部１０１０（１０１０Ａ〜１０１０Ｄ）と、上流側配管部１０１１と、補助配管部１０１２と、下流側配管部１０１３とを主として備える。これら検査用配管部１０１０、上流側配管部１０１１、補助配管部１０１２、および下流側配管部１０１３はいずれも同径の円柱状のガス流通部１０２０を有している。

チャンバ１００１においては、上流側配管部１０１１、補助配管部１０１２、４つの検査用配管部１０１０、下流側配管部１０１３が上流側から（ガス供給部１００２に近い側から）この順に、かつ、それぞれのガス流通部１０２０が同軸となるように、連接配置されている。これにより、チャンバ１００１には、水平面内において一の方向（ｘ軸方向）に延在する一のガス流路ＦＰが形成されている。なお、４つの検査用配管部１０１０Ａ〜１０１０Ｄがこの順に上流側から連接配置されている。

それぞれの検査用配管部１０１０は、ガス流通部１０２０に加え、該ガス流通部１０２０に対して垂直に設けられた孔部である被検センサ配置部１０３０と、被検センサ配置部１０３０と対向する位置においてガス流通部１０２０に対し垂直に設けられた孔部である温度センサ配置部１０４０とを備える。より具体的には、被検センサ配置部１０３０と温度センサ配置部１０４０とは、ガス流通部１０２０が水平面内に沿って配置された状態において、前者が鉛直上方に延在し、後者が鉛直下方に延在するように、設けられている。なお、４つの検査用配管部１０１０Ａ〜１０１０Ｄは同一の構造を有していることから、それぞれに備わる被検センサ配置部１０３０はガス流路ＦＰの延在方向において等間隔に位置しており、それゆえ、検査位置Ａ〜検査位置Ｄも等間隔となっている。

４つの検査用配管部１０１０Ａ〜１０１０Ｄのそれぞれに備わる被検センサ配置部１０３０がそれぞれ、検査対象とされるガスセンサ１が配置される検査位置Ａ〜Ｄに該当する。被検センサ配置部１０３０には、センサ素子１０が、その外側保護カバー２の側をガス流通部１０２０に突出させる態様にて挿入され、ボルト部４ａによって被検センサ配置部１０３０に固定される。なお、ガス流通部１０２０への外側保護カバー２の突出の程度は、外側保護カバー２および内側保護カバー３の形状や外側保護カバー２および内側保護カバー３に備わる第１貫通孔Ｈ１〜第４貫通孔の位置やサイズなどに応じて適宜に定められてよい。

温度センサ配置部１０４０には、被検センサ配置部１０３０近傍における検査用ガスの温度をモニタするための温度センサが挿入配置される。なお、温度センサの形態は特に限定されない。なお、温度センサ配置部１０４０においてガス流通部１０２０内に挿入された温度センサは、ガス流路ＦＰを流れる検査用ガスに対しては整流部材の一種としても機能する。

ただし、各検査用配管部１０１０に温度センサを設けることは必須の態様ではなく、温度センサ配置部１０４０が省略される態様であってもよい。あるいは、温度センサ配置部１０４０と同様に設けられた孔部に対し、単に整流作用のみを有する部材が挿入される態様であってもよい。

上流側配管部１０１１は、ガス供給部１００２に接続された配管部である。

補助配管部１０１２は、上流側配管部１０１１と４つの検査用配管部１０１０のうちもっとも上流側に位置する検査用配管部１０１０Ａとを接続する部位である。なお、図６に示す場合においては、２つの補助配管部１０１２Ａおよび１０１２Ｂがこの順に、上流側から配置されている。

下流側配管部１０１３は、ガス排気部１００３に接続された配管部である。検査用配管部１０１０を通過した検査用ガスを排気する部位である。下流側配管部１０１３は、４つの検査用配管部１０１０のうちもっとも下流側に位置する検査用配管部１０１０Ｄに接続されている。なお、下流側配管部１０１３には、ガス流路ＦＰを通過してきた検査用ガスにおける空気過剰率λをモニタするためのＡ／Ｆセンサが配置されるＡ／Ｆセンサ配置部１０８０が設けられている。好ましくは、さらに下流側に、図示を省略するＮＯｘ分析計が設けられる。

上流側配管部１０１１、２つの補助配管部１０１２、４つの検査用配管部１０１０、および下流側配管部１０１３はいずれも、隣り合う配管部との連結を行うための第１連結部１０５０と第２連結部１０６０とを備えている。より具体的には、それぞれの配管部の上流側の端部には第１連結部１０５０が備わっており、下流側の端部には第２連結部１０６０が備わっている。第１連結部１０５０および第２連結部１０６０はそれぞれ、該ガス流通部１０２０の外周においてガス流通部１０２０に対して垂直に設けられた平板状の当接部１０５１および１０６１を備えている。

図８は、これら当接部１０５１および１０６１の構成を説明するための図である。図８（ａ）が当接部１０５１を示し、図８（ｂ）が当接部１０６１を示している。いずれも、ｙ軸方向正の側から見た図となっている。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、当接部１０５１と当接部１０６１にはそれぞれ、ガス流通部１０２０を囲む四方位置に貫通孔１０５１ａ〜１０５１ｄおよび１０６１ａ〜１０６１ｄが設けられている。そして、図６に示すように、隣り合う２つの配管部の一方に備わる当接部１０５１の貫通孔１０５１ａ〜１０５１ｄのそれぞれに挿通されたボルト１０５２が、他方の配管部に備わる当接部１０６１の貫通孔１０６１ａ〜１０６１ｄを貫通し、該貫通孔１０６１ａ〜１０６１ｄからの突出部分にナット１０６２が螺合されることで、隣り合う２つの配管部が連結されている。

また、図８（ａ）に示すように、当接部１０５１においては、ガス流通部１０２０と貫通孔１０５１ａとの間、および、ガス流通部１０２０と貫通孔１０５１ｃとの間に、それぞれ、カートリッジヒータＣＨ１およびＣＨ２が埋設されてなる。これら一対のカートリッジヒータＣＨ１とＣＨ２は、ｙｚ平面内においてｚ軸方向（鉛直方向）から傾斜した姿勢にて、ガス流通部１０２０を挟んで互いに平行に、かつ、相反する向きに埋設されてなる。加えて、それぞれのカートリッジヒータＣＨ１とＣＨ２に沿うように、熱電対ＴＨＣ１およびＴＨＣ２も埋設されてなる。

そして、図８（ｂ）に示すように、当接部１０６１においても同様に、ガス流通部１０２０と貫通孔１０６１ｄとの間、および、ガス流通部１０２０と貫通孔１０６１ｂとの間に、それぞれ、カートリッジヒータＣＨ３およびＣＨ４が埋設されてなる。これら一対のカートリッジヒータＣＨ３とＣＨ４も、ｙｚ平面内において傾斜した姿勢にて、ガス流通部１０２０を挟んで互いに平行に、かつ、相反する向きに埋設されてなる。加えて、それぞれのカートリッジヒータＣＨ３とＣＨ４に沿うように、熱電対ＴＨＣ３およびＴＨＣ４も埋設されてなる。

カートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４は、応答性検査処理部１００４による制御のもと、周囲を加熱するヒータである。応答性検査処理部１００４は、熱電対ＴＨＣ１〜ＴＨＣ４からの出力（起電力値）に基づき、カートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４の加熱状態を制御する。

上述のように、隣り合う配管部の一方の当接部１０５１と他方の当接部１０６１とがボルト１０５２とナット１０６２にて接続されることから、両者は、図８に示す向きで重なり合うことになる。これにより、当該接続部分では概略、ガス流通部１０２０が平面視でその四方をカートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４にて囲繞された状態が実現されている。

このように配置されたカートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４により当接部１０５１および１０６１が加熱されると、間接的に、ガス流通部１０２０（ガス流路ＦＰ）を流れる検査用ガスが、当該接続部分において周囲から加熱されることになる。係る加熱により、ガス流路ＦＰを通過する検査用ガスの温度低下が抑制される。なお、カートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４はガス流通部１０２０に対して突出していないので、その存在によって検査用ガスの流れを妨げることはない。

なお、カートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４をｚ軸方向から傾斜させて設けるのは必須の態様ではないが、カートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４による加熱の範囲を確保するという観点からは、このように設けることが好ましい。

さらには、隣り合う検査用配管部１０１０同士の間、上流側配管部１０１１と補助配管部１０１２Ａとの間、および、検査用配管部１０１０Ｄと下流側配管部１０１３との間には、第１連結部１０５０と第２連結部１０６０との連結に際し、整流板１０７０が挟み込まれている。図９は、整流板１０７０の正面図である。整流板１０７０は、中央部分に幅（ｙ軸方向のサイズ）がｗで高さ（ｚ軸方向のサイズ）がｈである矩形の開口部１０７０ａを有する薄板部材である。整流板１０７０は、前記ガス流路ＦＰに対して直交するように、かつ、図９に示すように、その開口部１０７０ａがガス流通部１０２０の構成するガス流路ＦＰと同軸となるように、挟み込まれている。

より詳細には、開口部１０７０ａの幅ｗは流路ＦＰの（ガス流通部１０２０の）直径と同じ値に定められ、開口部１０７０ａの高さｈは幅ｗよりも小さい値に定められる。加えて、開口部１０７０ａは、ガス流路ＦＰが水平面内において一の方向（ｘ軸方向）に延在する場合において、水平面内において該一の方向に直交する方向（ｙ軸方向）に長手方向を有するように設けられている。また、整流板１０７０は、隣り合う２つの配管部を接続するために用いられるボルト１０５２が開口部１０７０ａの四方に備わる固定用の貫通孔１０７０ｂに対しても挿通されることによって、２つの配管部の間に挟持固定されている。

これにより、検査位置Ａ〜Ｄとなる４つの被検センサ配置部１０３０の上流側には必ず、水平方向に長手方向を有する矩形状の開口部１０７０ａを備える整流板１０７０が設けられていることになる。

なお、上述したように、検査用配管部１０１０Ａ〜１０１０Ｄの構造は同一であり、かつ、検査位置Ａ〜Ｄはガス流路ＦＰの延在方向において等間隔であるので、各被検センサ配置部１０３０と（検査位置Ａ〜Ｄと）その上流側に設けられた整流板１０７０との距離も同一である。

以上のような構成を有するチャンバ１００１において応答性検査を行う場合、あらかじめ温度センサ配置部１０４０およびＡ／Ｆセンサ配置部１０８０にそれぞれ所定の温度センサとＡ／Ｆセンサとを配置した状態で、４つの検査用配管部１０１０Ａ〜１０１０Ｄのそれぞれの被検センサ配置部１０３０（検査位置Ａ〜Ｄ）に応答性検査の対象たるガスセンサ１が配置される。そのうえで、応答性検査処理部１００４による制御のもと、図３（ａ）に例示したようなガス流量プロファイルに基づいてガス供給部１００２から検査用ガスが供給され、それぞれのガスセンサ１に対して並行に、応答性検査が行われる。

係る場合、チャンバ１００１においては、検査位置Ａ〜Ｄのそれぞれに配置されたガスセンサ１の存在位置における（より具体的にはセンサ素子１０の備わる外側保護カバー２内の）検査用ガスの流れの状態（流速分布）に、著しい相違が生じないようになっている。すなわち、検査位置間での流速分布の均一化が実現されるようになっている。

これは、上述のような整流板１０７０を備える構成が採用されることで、整流板１０７０の開口部１０７０ａを通過することで整流された検査用ガスが、４つの検査位置Ａ〜Ｄのそれぞれに配置されたガスセンサ１の近傍に対し供給されることによる効果である。

しかも、各検査位置Ａ〜Ｄにおける検査用ガスの温度が絶えず所定の検査温度に保たれるように、カートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４による加熱状態が制御される。具体的には、ガス流路ＦＰを流れる検査用ガスが、隣り合う検査用配管部１０１０の一方の当接部１０５１と他方の当接部１０６１との接続部分において周囲から概ね均等に加熱されるように、カートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４による加熱状態が制御される。

以上のような構成および制御により、検査装置１０００で行われる応答性検査においては、検査位置間における流速分布の不均一に起因した測定ばらつきが好適に抑制されてなることに加えて、検査用ガスの温度の差異に起因した測定ばらつきや、複数回の測定を行う場合における測定回ごとの検査用ガスの温度の差異に起因した測定ばらつきについても、好適に抑制される。

これはすなわち、一のガス流路に設けた複数の検査箇所において同時並行的に応答性検査を行う場合には、どの検査箇所においても同様の評価がなされることが求められるところ、チャンバ１００１を備える検査装置１０００は、この点において優れているということを意味する。

なお、流速分布の均一化に加えて検査用ガスの温度の測定ばらつきが実現されることから、本実施の形態に係る検査装置においては、従来よりも検査用ガスの流速を低めた検査の実行も可能である。具体的には、例えば特許文献２に開示されているような従来の検査装置においては１２ｍ／ｓｅｃ．以上の流速で検査用ガスを流すことが好ましいとされていたところ、本実施の形態に係る検査装置においては、１〜１０ｍ／ｓｅｃ．の流速で検査用ガスを流すことも可能となっている。これにより、装置の汎用性が向上するので、設備投資費の削減が図られる。

また、従来の検査装置においては、流入させた検査用ガスによってチャンバを加熱するようになっていたため、装置の起動から検査の開始までに時間を要したが、本実施の形態に係る検査装置においては、起動と同時にカートリッジヒータＣＨ１〜ＣＨ４による加熱を開始することにより、チャンバを加熱することができるので、従来の検査装置に比してより短時間で検査を開始することが可能となっている。

＜変形例＞
補助配管部１０１２Ｂと検査位置Ａを与える被検センサ配置部１０１０Ａとの間に、検査用配管部１０１０と同一の構成を有するダミー配管部が挿入されていてもよい。係る場合、上流側において隣接する補助配管部１０１２Ｂとの接続、および、下流側において隣接する検査用配管部１０１０Ａとの接続は、他の配管部同士の接続と同様になされる。また、ダミー配管部の当接部にも、上述の実施の形態と同様に、カートリッジヒータおよび熱電対が埋設される。さらには、ダミー配管部と補助配管部１０１２Ｂとの間、および、ダミー配管部と検査用配管部１０１０Ａとの間にも、図９に示した整流板１０７０が挟み込まれる。

係るダミー配管部を具備する検査装置においてガスセンサの応答性を検査する際には、上述の実施形態と同様にガスセンサが配置されることに加えて、ダミー配管部の被検センサ配置部に、ガスセンサと同一の形状および構造を有するダミーセンサが配置される。また、温度センサ配置部には上述の実施の形態と同様の温度センサが配置される。そして、上述の実施形態と同様に検査用ガスがガス流路ＦＰに供給されるが、その際には、ダミーセンサに備わるカートリッジヒータも、検査用ガスの温度を検査温度に保つための加熱に用いられる。

１ ガスセンサ
２ 外側保護カバー
３ 内側保護カバー
５ ハウジング
６、８ ガイシ
７ 封止材
１０ センサ素子
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ セラミックス層
１０２ 第１内部空所
１０３ 第２内部空所
１０４ ガス導入口
１０５ 基準ガス導入口
１１０ 第一の第３拡散律速部
１２０ 第二の拡散律速部
１３０ 第三の拡散律速部
１４１ 外部ポンプ電極
１４２ 内部ポンプ電極
１４３ 補助ポンプ電極
１４４ 保護層
１４５ 測定電極
１４６ 多孔質アルミナ層
１４７ 基準電極
１０００ 検査装置
１００１ チャンバ
１０１０（１０１０Ａ〜１０１０Ｄ） 検査用配管部
１０１１ 上流側配管部
１０１２（１０１２Ａ、１０１２Ｂ） 補助配管部
１０１３ 下流側配管部
１０２０ ガス流通部
１０３０ 被検センサ配置部
１０５１ （第１連結部の）当接部
１０５１ａ〜１０５１ｄ、１０６１ａ〜１０６１ｄ 貫通孔
１０６１ （第２連結部の）当接部
１０７０ 整流板
１０７０ａ 開口部
１０７０ｂ 貫通孔
１１１１ 温度調節器
ＣＨ１〜ＣＨ４ カートリッジヒータ
ＦＰ ガス流路
ＴＨＣ１〜ＴＨＣ４ 熱電対

Claims (6)

1. ガスセンサの所定ガス成分に対する応答性を検査する装置であって、
   検査対象たるガスセンサが配置される被検センサ配置部と前記所定ガス成分を含む検査用ガスが流れるガス流通部とをそれぞれに備える複数の検査用配管部が一の方向に連結されてなり、かつ、記複数の検査用配管部のそれぞれの前記ガス流通部が同軸に連接することで内部に一のガス流路が形成されてなるチャンバと、
   前記ガス流路に対して前記検査用ガスを供給するガス供給部と、
   前記複数の検査用配管部の各々の前記被検センサ配置部に前記ガスセンサが配置され、かつ、前記ガス供給部によって前記ガス流路に所定の検査温度の前記検査用ガスが供給された状態で、前記ガスセンサからの出力に基づいて前記ガスセンサの応答性を検査する、応答性検査処理部と、
   を備え、
   前記複数の検査用配管部がそれぞれ、前記ガス流路の外周の上流側端部と下流側端部とに、隣り合う前記検査用配管部同士を連結するための平板状の当接部を有してなり、
   前記当接部は前記ガス流路に対して垂直に設けられてなり、
   前記当接部の内部に、前記ガス流通部を挟んで互いに平行に、１対のカートリッジヒータが埋設されてなり、
   前記１対のカートリッジヒータは、前記応答性の検査に際して前記ガス供給部から供給された前記検査用ガスが前記一のガス流路内で前記検査温度に保たれるように、前記当接部を介して前記検査用ガスを加熱する、
   ことを特徴とするガスセンサの検査装置。
2. 請求項１に記載のガスセンサの検査装置であって、
   前記当接部の内部に１対のカートリッジヒータのそれぞれに沿って埋設された１対の熱電対、
   をさらに備え、
   前記応答性検査処理部は、前記１対の熱電対からの出力に基づいて、前記検査用ガスが前記一のガス流路内で前記検査温度に保たれるように前記１対のカートリッジヒータの加熱状態を制御する、
   ことを特徴とするガスセンサの検査装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサの検査装置であって、
   前記ガス供給部が、
   ＬＮＧを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼ガス生成部と、
   前記燃焼ガスを前記検査温度にまで冷却する冷却部と、
   前記冷却部で冷却された前記燃焼ガスに空気と前記所定ガス成分とを混合して前記検査用ガスを生成する混合部と、
   前記混合部において生成された前記検査用ガスの温度を前記検査温度に調節する温度調節器と、
   を備えることを特徴とする、ガスセンサの検査装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサの検査装置であって、
   隣り合う前記検査用配管部の一方の下流側端部と他方の上流側端部とが、それぞれの前記当接部の間に整流板を挟んで連結されており、
   前記整流板は、前記一のガス流路に対して直交しているとともに、前記一のガス流路に対して開口する矩形状の開口部を有しており、
   前記開口部は、前記一のガス流路が水平面内において一の方向に延在する場合において、水平面内において前記一の方向に直交する方向に長手方向を有してなる、
   ことを特徴とするガスセンサの検査装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のガスセンサの検査装置であって、
   前記検査対象たるガスセンサが、
   酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分とするセンサ素子と、
   少なくとも前記センサ素子のガス導入口が備わる側の端部である第１の端部を覆う保護カバーと、
   を備えるものであり、
   前記保護カバーが、ガスを流通可能な複数の貫通孔を備えており、
   前記検査対象たるガスセンサは、前記応答性の検査の際、前記複数の被検センサ配置部のそれぞれにおいて、前記貫通孔を通じて前記センサ素子の前記第１の端部に前記検査用ガスが到達可能に配置される、
   ことを特徴とするガスセンサの検査装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のガスセンサの検査装置であって、
   前記ガスセンサがＮＯｘセンサであり、
   前記所定ガス成分がＮＯｘである、
   ことを特徴とするガスセンサの検査装置。

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