JP4569034B2

JP4569034B2 - ガスセンサ素子の出力特性調整方法

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Publication number: JP4569034B2
Application number: JP2001134424A
Authority: JP
Inventors: 和也中川; 和弘岡崎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2021-05-01
Also published as: DE10129344B4; US6524467B2; US20010052471A1; JP2002082091A; DE10129344A1

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，車両用内燃機関の燃焼制御用の空燃比センサ素子等に利用されるガスセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
車両用内燃機関の排気系に設置され，内燃機関の燃焼制御に利用される空燃比センサが知られている。
この空燃比センサに内蔵される空燃比センサ素子の電圧−電流特性は，後述する図５，図７〜図９に示すごとく，ある電圧値までは印加電圧に比例した大きさの電流が流れ，その後，電圧がふえても電流値が変化しなくなるフラット域があらわれる。その後，再び電圧と電流とが比例するような状態を呈する。
上記フラット域における電流値は限界電流値と呼ばれ，この限界電流値を利用することで，空燃比センサ素子は内燃機関の空燃比を測定するのである。
【０００３】
ところで，限界電流値は同じ仕様の素子であっても，例えば製造誤差等によってばらつくことがある。正確な空燃比測定のためには，いずれの素子についても同一の被測定ガスに曝された際には，同一の限界電流値を呈する必要がある。
【０００４】
そこで従来は，特開平８−１９３９７４号に示されるごとく，例えば被測定ガス側電極上に設けた限界電流値を制御する拡散抵抗部を素子の限界電流値に応じて適宜切り落とす，切削する等して拡散抵抗部の厚み等を変更することで限界電流値を調整していた。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，従来方法は素子の機械的加工を伴うため，面倒であった。
更に，機械的加工そのものの加工精度から，非常に精密に限界電流値が揃った素子を得ることは困難であった。
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，出力特性値が非常に精密に揃ったガスセンサ素子を容易に得ることができる，ガスセンサ素子の出力特性の調整方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，固体電解質体と，該固体電解質体に設けた被測定ガス側電極と基準ガス側電極とよりなるガスセンサ素子であって，
上記ガスセンサ素子の上記被測定ガス側電極と上記基準ガス側電極との間に，該ガスセンサ素子の活性温度以上の雰囲気において，通電することにより出力特性値を所定の値とすることを特徴とするガスセンサ素子の出力特性調整方法にある。
【０００８】
本発明の作用につき出力特性値として限界電流値を採用した場合を例にとって説明する。
ガスセンサ素子に対し通電することで，素子の限界電流値が変化する。
図５に示すごとく，あるガスセンサ素子の通電前と通電後の限界電流特性を見ると，空燃比が１８での限界電流値は同図に示す矢線方向に上昇し（（１）から（２）へとフラット域が移動する），空燃比が１３の場合は同図に示す矢線方向に低下している（（３）から（４）へとフラット域が移動する）。
【０００９】
従って，当初はガスセンサ素子を所望の限界電流値よりも若干低めまたは高めとなるような仕様で製造しておき，その後，通電により限界電流値を所望の値に調整する方法を採用する。
この点について縦軸に限界電流値，横軸に通電時間を採用した図４を用いて説明する。
まず，ここで所望の限界電流値をＩ０とし，一方通電前の各ガスセンサ素子の限界電流値は同図に示す範囲Ｍ内にあるとする。
【００１０】
この場合，同図に示す曲線Ａ，Ｂ，Ｃに示すごとく，通電時間に応じて限界電流値が増大する。そこで，ガスセンサ素子に通電を行ない，限界電流値がＩ０となったＡ１，Ｂ１，Ｃ１の時点で通電をやめれば，所望の限界電流値を持ったガスセンサ素子を得ることができる。なお，通電前の限界電流値が高いＡは通電時間が短くて済み，通電前の限界電流値が低いＣは通電時間が長くかかる。
以上により，確実かつ正確に出力特性値の代表例である限界電流値が一定となったガスセンサ素子を製造することができる。
【００１１】
また，本発明にかかる方法によれば，完成したガスセンサ素子に通電することで，限界電流値の調整を行なうことができる。
この方法は，ガスセンサ素子そのものに対して手を加える必要がなく，さらに製造されたガスセンサ素子の全数に対して通電処理を施すことが可能である。更に，通電処理は容易に実行可能で，手間やコストがあまりかからない。
このように，非常に容易にセンサ素子全数の調整を行なうことができる。
【００１２】
従来は例えばロットごとに代表的な素子をサンプルとして取出し，このサンプルに対する必要な加工量にて，ロット全体を機械加工により処理していた。
この方法は個々のガスセンサ素子に応じた調整方法ではないので，多少なりともバラツキが残ってしまう。
本発明にかかる調整方法は個々のガスセンサ素子に対する調整であるため，非常に正確である。
【００１３】
以上，本発明によれば，出力特性値が非常に精密に揃ったガスセンサ素子を容易に得ることができる，ガスセンサ素子の出力特性の調整方法を提供することができる。
【００１４】
なお，上記通電はガスセンサ素子に設けた被測定ガス側電極，基準ガス側電極から電圧を印加して実行することができる。
または，被測定ガス側電極，基準ガス側電極と導通した状態にあるリード部や端子等から電圧を印加してもよい。
【００１５】
次に，請求項２に記載の発明のように，上記通電はリーン雰囲気で行なうことが好ましい。
リーン雰囲気で通電した場合，限界電流値等の出力特性値が大きく（電圧の印加方向によっては正に大である場合も負に大であることもある。）なるため，調整を容易かつ確実に行なうことができる。
【００１６】
上記リーン雰囲気とは，気化燃料や燃焼排ガス等を殆ど含んでいない雰囲気を指しており，本発明の通電の際に最も好ましい雰囲気として，大気雰囲気を挙げることができる。
また，その他にも窒素ガスやＡｒガス等の不活性ガスよりなる雰囲気で通電を行なうこともできる。
【００１７】
次に，本発明においては，上記通電は活性温度以上の雰囲気で行なう。
限界電流値等の出力特性値は温度に依存して変化し，活性温度以上の温度で安定するため，通電を活性温度以上の素子温度で行なうことで正確な調整を実現することができる。
【００１８】
次に，請求項３記載の発明のように，上記通電は６００℃以上の雰囲気で行うことが好ましい。
ところで，ガスセンサ素子は活性化温度以上に加熱してやらねば，限界電流のフラット域のような出力特性を示さないことが知られている。
後述する実施形態例に記載したようなイットリアを含むジルコニア系固体電解質体よりなるガスセンサ素子は，温度６００℃程度でガスセンサ素子の出力が安定しはじめる。
従って，本請求項に示すような通電を行うことで，上記構成のガスセンサ素子における限界電流特性等の出力特性を容易に調整することができる。
【００１９】
次に，請求項４記載の発明のように，上記被測定ガス側電極及び上記基準ガス側電極を含む一対の電極が複数設けられたガスセンサ素子において，少なくとも一つの電極に対して行われることが好ましい。
つまり，本発明にかかる方法は，複数のセル（一枚の固体電解質体の両面に電極が設けてあり，かつこれら３者が共同することで機能する電気化学的セルを指している）を持つ積層型の素子において特定のセル，または全てのセルに対して適用することができ，このような複雑な構成の素子に対する調整を容易に実現できる。
【００２０】
本発明にかかる通電は，ガスセンサ素子をガスセンサに組み込んだ後，センサ外から通電しても本発明にかかる効果を得ることができるし，実施形態例に示したように，ガスセンサ素子そのものに対し通電しても効果を得ることができる。
【００２１】
次に，請求項５記載の発明のように，上記ガスセンサ素子はガス拡散抵抗部を有し，上記通電は限界電流域で行うことが好ましい。
これにより，限界電流値を上昇させることができる。
【００２２】
また，本発明は，積層型のガスセンサ素子の他，コップ型のガスセンサ素子に対して適用することもできる。
【００２３】
更に，空燃比測定用のガスセンサ素子でなくとも，例えば各種のＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯの濃度を測定するガスセンサ素子のように限界電流値を利用して特定のガス濃度を測定するよう構成された素子であれば，本発明を適用することができる。
【００２４】
さらに，本発明にかかる通電の際は，直流電流を印加しても，交流電流を印加してもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかるガスセンサ素子の出力特性調整方法につき，図１〜図３を用いて説明する。
本例の調整方法は，図２（ａ），（ｂ）に示すごとき，固体電解質体１１と，該固体電解質体１１に設けた被測定ガス側電極１２と基準ガス側電極１３とよりなるガスセンサ素子１に対して適用することができて，これに通電することにより限界電流値を所定の値とする調整方法である。
【００２６】
以下，詳細に説明する。
本例のガスセンサ素子１は自動車内燃機関の排気系に設置され，内燃機関の燃焼制御に用いる空燃比センサに内蔵されて使用される。
また，このガスセンサ素子１は１セルタイプの積層型の素子である。
【００２７】
図１，図２（ａ），（ｂ）に示すごとく，本例のガスセンサ素子１は，イットリアを含むジルコニアよりなる固体電解質体１１と大気を導入する導入部１７が設けられた絶縁板１３とよりなり，また，別の絶縁板１６，２２の間に通電により発熱する発熱体２５を埋設して構成したヒータ２が一体的に配置されている。
【００２８】
上記固体電解質体１１は，表面側に白金を含む被測定ガス側電極１２を，裏面側に白金を含む基準ガス側電極１５を有する。ここに表面側が被測定ガスと対面する側で，裏面側が基準ガスと対面する側である。
また，上記固体電解質体１１の表面側には，被測定ガス側電極１２を保護する電極保護膜５０が配置されている。
【００２９】
また，上記被測定ガス側電極１２には，ガスセンサ素子１における出力を取り出すためのリード部１８と端子１８１とが延設されている。同様に，上記基準ガス側電極１５においてもリード部１９及びスルーホール（図示略）を介して表面側に端子１９１が延設されている。
【００３０】
上記固体電解質体１１の裏面側には，基準ガスの導入部１７となる矩形の切り込み設けた絶縁板１３が配置され，該絶縁板１３の更に裏面側には，絶縁板１６及び絶縁板２２，両者の間に設けられた発熱体２５とリード部２６，２７とよりなるヒータ２が配置されている。
【００３１】
また，本例のガスセンサ素子の限界電流特性の一例を図５に示す。
同図は限界電流特性を（１）空燃比＝１８の時，（３）空燃比＝１３の時にそれぞれ測定したもので，空燃比＝１８の時のフラット域（電圧が変化しても電流値が殆ど変化しない領域）から限界電流値は０．５アンペア程度，空燃比＝１３のフラット域から限界電流値は−０．４３アンペア程度である。
【００３２】
このようなガスセンサ素子１を，図１に示すごとく，電源３１と電流計３２とを接続した回路３に設置する。ガスセンサ素子１に対する通電は被測定ガス側電極と基準ガス側電極とから行なう。実際には被測定ガス側電極と電気的に導通が取られた端子１８１，基準ガス側電極の電気的に導通がとられた端子１９１から電圧を印加する。
また，図示を略したが，電流計３２を監視して，電流値３２が所定値を越えた時に電源３１からの電圧印加を停止する制御装置が設けてある。
【００３３】
次に，本例にかかる調整方法の妥当性について以下のような試験を行なった。
まず，図２（ａ），（ｂ）に記載した構成のガスセンサ素子を準備する。
これを図１に記載したような回路構成の装置を利用して，ガスセンサ素子１に対し通電する。
この通電に当たり，ガスセンサ素子１は素子温度が９００℃±１０℃に保持されており，また通電は大気中（つまりリーン雰囲気での通電が実現される。）で行なった。また，ガスセンサ素子１に加わる電圧は０．８Ｖとする。この大きさの電圧は電圧−電流特性においてフラット域に含まれる（空燃比＝大気の時）。
また，上記通電時は直流電流を付与する。
【００３４】
以上の条件で通電を開始し，通電時間の経過とともに変化する電流値を記録した。その結果を図３に記載した。
同図より知れるごとく，ガスセンサ素子から得られる電流値は時間の経過とともに増大した。ただし，ある程度以上の時間経過の後（だいたい４時間以降）は大きく増大しなかった。
以上の実験結果より，ある程度低めの限界電流値が得られるように，ガスセンサ素子を構成し，本例に記載したような方法でガスセンサ素子に通電することで，限界電流値の調整を行なうことができる，確実かつ正確に限界電流値が一定となったガスセンサ素子を製造することができることが分かった。
【００３５】
また，本例にかかる方法によれば，完成したガスセンサ素子に通電することで，限界電流値の調整を行なうことができる。
また，この方法は，ガスセンサ素子そのものに対して手を加える必要がなく，さらに製造されたガスセンサ素子の全数に対して通電処理を施すことが可能である。更に，通電処理は容易に実行可能で，手間やコストがかからない。
このように，非常に容易にセンサ素子全数の調整を行なうことができる。
更に個々のガスセンサ素子に対する調整であるため，非常に正確である。
【００３６】
以上，本例によれば，限界電流値が非常に精密に揃ったガスセンサ素子を容易に得ることができる，ガスセンサ素子の限界電流特性の調整方法を提供することができる。
【００３７】
また，ガスセンサ素子を空燃比センサに組付けて，上記通電を行なっても同じ効果を得ることができる。
この時，ガスセンサ素子における端子に対し，電気的に導通したリード線が空燃比センサに設けてある。
従って，通電の際はこのリード線を利用してガスセンサ素子に対する通電を実行することができる。
【００３８】
更に，空燃比センサは最終的に次のようなセンサシステムに取付けて，運用される。
つまり，上記リード線は最終的にガスセンサ素子駆動用の外部電源に接続されている。また，空燃比ガスセンサの外部には上記外部電源より通電した際に素子出力を監視する装置が設けてあるが，ここにおける素子出力とは上述の実験で測定した電流値と同義である。
センサシステムは上記外部電源や素子出力の監視装置を備えている。
従って，ガスセンサ素子を空燃比センサに組付けた後，上記センサシステムに対し設置し，センサシステム上から上述した通電による限界電流値の調整を行なうこともできる。
このような場合，調整に際して新たな調整装置等を準備する必要がないため，よりコスト安である。
また，直流電流を流しているので，安価で単純な直流電源を準備するだけで調整を行うことができる。
【００３９】
また，限界電流値を利用してガス濃度の測定を行なうようなＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣガスセンサ素子についても同様の結果を得ることができる。
また，交流電流で調整を行うこともできる。この場合は，電極の正負の向きに関係なく接続することができるため，作業性に優れる。
【００４０】
実施形態例２
本例はコップ型のガスセンサ素子の出力調整方法について説明する。
本例のガスセンサ素子３は，図６に示すごとき，ガスセンサ３９に組みつけて使用され，また，この状態で本例にかかる出力調整が行われる。
【００４１】
上記ガスセンサ３９は筒状のハウジング３１と該ハウジング３１に挿通配置されたガスセンサ素子３と，上記ハウジング３１の先端側に配置した被測定ガス側カバー３１１と，基端側に配置した大気側カバー３１２とよりなる。
【００４２】
上記ガスセンサ素子３は，内部に大気室を設けたコップ状の固体電解質体とその外側面に設けた白金を含む被測定ガス側電極，内側面に設けた白金を含む基準ガス側電極とよりなる（図示略）。外側面が被測定ガスと対面する側で，内側面が基準ガスと対面する側である。基準ガスとして大気室に導入された大気が使用される。また，被測定ガス側電極を覆うようにこれを保護する電極保護膜が設けてある。
【００４３】
また，固体電解質体の外側面，内側面には各電極と導通可能に構成されたリード部，端子部が同様に白金より構成されている。
大気側カバー３１２の内部において，取り出し端子３２１，３２２，接続端子３２３，３２４を介して，ガスセンサ３の外部に延設されるリード線３２５，３２６に対し，上記各電極の電気的導通が確保される。
なお，上記大気室には棒状のセラミックヒータ３００が挿通配置され，このセラミックヒータ３００に対して電圧を印可するヒータ用リード線３３５が設けてある。ただし，図６では２本のヒータ用リード線のうち１本が図示されていない。
【００４４】
ガスセンサ素子３の出力調整は，図６に示すごとく，センサ３９の外に引き出されたリード線３２５，３２６を通じて行う。
同図に示すごとく，リード線３２５，３２６に対し，電流計３５２と電源３５１とを正極側がリード取り出し端子３２２に接続されるリード線３２６へ，負極側がリード取り出し端子３２１に接続されるリード線３２５へ接続する。
また，符号３５３はヒータ電源で，これはヒータ用のリード線３３５及び図６から見えない位置にあるもう１本のヒーター用のリード線に接続される。
【００４５】
この状態で，ヒーター電源３５３よりセラミックヒータ３００に通電し，ガスセンサ素子３を素子温度８５０℃まで加熱する。その後，ガスセンサ素子３に１．３Ｖを印加する。
なお，本例のセンサ素子３において，温度８５０℃でのフラット域に上記印加電圧である１．３Ｖが含まれる（図８参照）。なお，フラット域とは電圧が変化しても電流が変化しない領域のことで，図７に記載したような領域をさしている。
【００４６】
電圧印加開始後，電流計３５２の値をモニタしたところ，しばらくの間は急な上昇を続けたが，実施形態例１と同様に，約４時間後には電流計３５２の値は上昇し難くなった。この時点で電圧印加をやめた。
以上により出力特性値の調整を行うことができた。
【００４７】
また，本例では出力調整時の電圧印加を８５０℃で行っている。
何故８５０℃が適切であったかについて以下に説明する。
図７に，本例のコップ型のセンサ素子３の温度６００℃，温度８５０℃における電圧−電流特性を示す。
電圧−電流特性はあるところまでは電圧の増大と共に電流も増大するが，あるところから電圧が増大しても電流が増大しない，フラット域と呼ばれる部分が現れる。その後，電圧がある程度高くなると再び電圧に伴って電流が増大するようになる。
ただし温度が高いほうがより低電圧の印加でフラット域が登場する。また，電流に応じて電流が増大するが，その増大の率が急峻である。
【００４８】
次に，図８に示すごとく，温度が８５０℃際の電圧−電流特性と共に温度が±１０℃の範囲でばらついた時の特性を示す。
また，図９には，温度が６００℃である場合の電圧−電流特性，温度が±１０℃の範囲でばらついた時の特性を示す。
同図より，温度が６００℃の場合は，電圧−電流の関係における増大時の傾きが大きいため，温度がばらついた際に印加した電圧がフラット域からはずれてしまう可能性が高くなる。
【００４９】
同図より，本例で印加した１．３Ｖ（同図に示す破線Ｌ）が温度が６００℃未満である場合はフラット域からはずれるおそれのあることがわかる。
このように，出力調整にあたり，温度を８５０℃とすることで確実に電圧をフラット域で印加することができ，仮に温度が６００℃未満である場合は通電による出力調整が実施し難いことがわかる。
【００５０】
実施形態例３
また，本発明にかかる出力調整方法は，図１０，図１１に示すごとき２セルタイプの積層型のガスセンサ素子４に対して適用することもできる。
本例の積層型のガスセンサ素子４は，被測定ガス中のガス濃度を検出するセンサセル４０１と被測定ガス室に対し酸素ガスをポンピングするポンプセル４０２とを有する。
【００５１】
固体電解質体４１，被測定ガスが導入される小室４３０を設けた絶縁板４３，固体電解質体１１と大気を導入する導入部１７０が設けられた絶縁板１３，発熱体２５とリード部２６，２７を設けたヒータ２を構成する絶縁板２２が積層され，ガスセンサ素子４が構成されている。
【００５２】
上記固体電解質体４１の両面には一対のポンプ電極４２，４５が設けてあり，これらによりポンプセル４０２が構成される。
上記ポンプ電極４２，４５の中央には被測定ガスを小室４３０に導入するためのピンホール４１０が設けてある。上記小室４３０は電極１２と対面するよう設けてある。
また，上記固体電解質体４１にはポンプ電極４２，４５と導通したリード部４２１，４５１，電圧印加用の端子４２２，４８４，４９３が設けてある。
電極４２はリード部４２１を介して端子４２２に接続されている。電極４５はリード部４５１，スルーホール４９２を経て端子４９３に接続されている。
【００５３】
また，上記固体電解質体１１の両面には一対の電極１２，１５が設けてあり，これらによりセンサセル４０１が構成される。
電極１２はリード部１８と，電極１５はリード部１９と導通され，これらリード部１８，１９も固体電解質体１１に設けてある。
そして，電極１２はリード部１８，導電性のスルーホール４９１，４９２を経て端子４９３に電気的に接続される。電極１５はリード部１９，導電性のスルーホール４８１，４８２，４８３を経て端子４８４に電気的に接続される。
【００５４】
また，発熱体２５と導通したリード部２６，２７は，それぞれ導電性のスルーホール２６０，２７０を経て端子２６１，２７１に電気的に接続される。
なお，端子２６１，２７１にはヒータ用電源２９０を備えた回路２９が接続される。
【００５５】
このガスセンサ素子４に対し出力調整を行うには，端子４８４と端子４９３に接続された，電源４８６と電流計４８５を備えた回路４８と，端子４２２，端子４９３に接続された，電源４９６と電流計４９５を備えた回路４９とを用いて，センサセル４０１とポンプセル４０２に対しそれぞれ通電することにより行う。
【００５６】
このような構成の積層型のガスセンサ素子４についても，実施形態例１と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，ガスセンサ素子に対する通電の説明図。
【図２】実施形態例１における，ガスセンサ素子の（ａ）断面説明図，（ｂ）斜視展開図。
【図３】実施形態例１における，電流と通電時間との関係を示す線図。
【図４】実施形態例１における，限界電流値と通電時間との関係を示す線図。
【図５】実施形態例１における，空燃比１８及び１３の際の電圧と電流との関係を示す線図。
【図６】実施形態例２における，コップ型のガスセンサ素子を内蔵したガスセンサの説明図。
【図７】実施形態例２における，ガスセンサ素子の温度８５０℃，６００℃における電圧と電流との関係を示す線図。
【図８】実施形態例２における，ガスセンサ素子の温度８５０℃及び±１０℃における電圧と電流との関係を示す線図。
【図９】実施形態例２における，ガスセンサ素子の温度６００℃及び±１０℃における電圧と電流との関係を示す線図。
【図１０】実施形態例３における，２セルタイプのガスセンサ素子の斜視展開説明図。
【図１１】実施形態例３における，２セルタイプのガスセンサ素子の断面説明図。
【符号の説明】
１．．．ガスセンサ素子，
１１．．．固体電解質体，
１２．．．被測定ガス側電極，
１５．．．基準ガス側電極，

Claims

固体電解質体と，該固体電解質体に設けた被測定ガス側電極と基準ガス側電極とよりなるガスセンサ素子であって，
上記ガスセンサ素子の上記被測定ガス側電極と上記基準ガス側電極との間に，該ガスセンサ素子の活性温度以上の雰囲気において，通電することにより出力特性値を所定の値とすることを特徴とするガスセンサ素子の出力特性調整方法。
請求項１において，上記通電はリーン雰囲気で行なうことを特徴とするガスセンサ素子の出力特性調整方法。
請求項１又は２において，上記通電は６００℃以上の雰囲気で行うことを特徴とするガスセンサ素子の出力特性調整方法。
請求項１〜３のいずれか一項において，上記被測定ガス側電極及び上記基準ガス側電極を含む一対の電極が複数設けられたガスセンサ素子において，少なくとも一つの電極に対して行われることを特徴とするガスセンサ素子の出力特性調整方法。
請求項１〜４のいずれか一項において，上記ガスセンサ素子はガス拡散抵抗部を有し，上記通電は限界電流域で行うことを特徴とするガスセンサ素子の出力特性調整方法。