JP4659889B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
NOxセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質層の表面に一対の電極を形成してなるセルを1つないし複数備えたガスセンサ素子を有し、被測定ガス空間に連通する第1測定室内の酸素濃度を酸素濃度検出セルによって測定し、第1測定室内が所定の酸素濃度になるように第1測定室内の酸素を第1ポンピングセルによって制御(汲み入れ、汲み出し)する。さらに、酸素濃度が制御された被測定ガスが第1測定室から第2測定室へ流入し、第2ポンピングセルに一定電圧を印加することによって第2測定室内の被測定ガスに含まれるNOxをN2とO2に分解し、この際、第2ポンピングセルの一対の電極間に流れる第2ポンプ電流を測定することにより被測定ガス中のNOx濃度が検出される。
そこで、センサ素子部を加熱するヒータのうち、センサ素子100の先端側のパターン94aを密にし、第2ポンピングセル(センサ素子100の後端部)に対応する部分のパターン94cを取り除くことで、第2ポンピングセルの温度を低くしてオフセット値の変動を防止する技術が開発されている(特許文献1参照)。
ところで、第1抵抗部とリード部の抵抗が同一であると第1抵抗部が自発的に発熱しないため、第1抵抗部は外界の温度の影響を受け、内側第2ポンプ電極を所定温度に制御することが難しくなる。これに対し、本発明では、第1抵抗部をリード部より高抵抗にしているため、第1抵抗部が確実に発熱し、内側第2ポンプ電極を所定温度に制御できる。
さらに、第2抵抗部を第1抵抗部より高抵抗にしているため、第2抵抗部側の発熱が強くなり、第1抵抗部の温度を第2抵抗部より低くすることができる。その結果、内側第2ポンプ電極を低い温度に制御し、オフセット値の変動を防止することができる。又、第2抵抗部を高い温度にすることで、第2抵抗部に対して長手方向に重なる第1ポンピングセルが低温になって酸素ポンピング能力が不足しオフセット値が変動することを防止できる。
なお、本発明において、「抵抗」とは単位長さあたりの抵抗のことを指す。
又、「長手方向先方側」とは、長手方向から見て前記第2ポンピングセルより前記第1ポンピングセルに近い側をいう。「長手方向後方側」とはこの逆方向である。
このような構成とすると、ヒータの最も高温となる発熱中心に屈曲部が位置しないため、屈曲部が局所的に過熱することをさらに抑制し、ヒータの耐久性をさらに向上させることができる。又、発熱中心が直線抵抗部にあるため、発熱中心から屈曲部まで伝熱する間にある程度放熱され、屈曲部の過熱が防止される。
ここで、ヒータの発熱中心とは、ある一定方向から見たときのヒータの最大温度部分をいい、通常、ヒータの中心部が最も温度が高く、周縁部へ向かって温度が低下する。
このような構成とすると、ガスセンサが高温の被測定ガスに曝されても第2ポンピングセルの温度上昇を抑制できる、これは、通常、高熱の被測定ガスは、ガスセンサの筐体外側から筐体内部のガスセンサ素子固定部へ伝熱し、さらにガスセンサ素子へ伝わる。従って、被測定ガスからの伝熱によって第2ポンピングセルが高温になるのを抑制するためには、ガスセンサ素子固定部から第2ポンプ電極の中央部(Lの位置)までの距離を長くすることが好ましい。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るガスセンサ(NOxセンサ)200の長手方向に沿う断面図を示す。NOxセンサ200は、排気管に固定されるためのねじ部139が外表面に形成された筒状の主体金具138と、軸線方向(NOxセンサ200の長手方向:図中上下方向)に延びる板状形状をなすNOxセンサ素子(ガスセンサ素子)10と、NOxセンサ素子10の径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ106と、軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔168の内壁面がNOxセンサ素子の後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材166と、NOxセンサ素子10と絶縁コンタクト部166との間に配置される6個の接続端子110(図1では、4個図示)とを備えている。
又、この実施形態では、ガスセンサ200の筐体側をなすセラミックホルダ151等によってNOxセンサ素子10が固定され、セラミックホルダ151の下面側からNOxセンサ素子10が突出している。従って、NOxセンサ素子10のうち、セラミックホルダ151の下面と同じ位置の部分を固定端10bとする。
図2において、NOxセンサ素子10は、第1固体電解質層11a、絶縁層14a、第2固体電解質層12a、絶縁層14b、第3固体電解質層13a、及び絶縁層14c、14dをこの順に積層した構造を有する。第1固体電解質層11aと第2固体電解質層12aとの層間に第1測定室16が画成され、第1測定室16の左端(入口)に配置された第1拡散抵抗体15aを介して外部から被測定ガスGMが導入される。
第1測定室16のうち入口と反対端には第2拡散抵抗体15bが配置され、第2拡散抵抗体15bを介して第1測定室16の右側には、第1測定室16と連通する第2測定室18が画成されている。第2測定室18は、第2固体電解質層12aを貫通して第1固体電解質層11aと第3固体電解質層13aとの層間に形成されている。
絶縁層14a〜14dはアルミナを主体とし、第1拡散抵抗体15a及び第2拡散抵抗体15bはアルミナ等の多孔質物質からなる。又、ヒータ50は白金等からなる。
なお、絶縁層14bは、第2固体電解質層12aに接する基準電極12cが内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室17を形成している。そして、酸素濃度検出セル12に予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第1測定室16から基準酸素室17内に送り込み、酸素基準とする。
なお、対極第2ポンプ電極13cは、第3固体電解質層13a上における絶縁層14bの切り抜き部に配置され、基準電極12cに対向して基準酸素室17に面している。
このとき、第1測定室16内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル12の電極間電圧(端子間電圧)Vsに対応したものとなるため、この電極間電圧Vsが一定電圧V1(例えば425mV)になるように第1ポンピングセル11の電極間電圧(端子間電圧)Vp1を制御することにより、第1測定室16内の酸素濃度をNOxが分解しない程度に調整する。
図3(b)において、ヒータ50は、リード部50aと、長手方向(NOxセンサ素子10の長手方向と同じ方向)に延びる直線抵抗部50b、50b1と、隣接する2つの直線抵抗部の間を繋ぐ屈曲部50c1、50c2とを連結してなる。
さらに、長手方向において内側第2ポンプ電極13bが第1抵抗部50bx内に位置している。より詳しくは、内側第2ポンプ電極13bの先端及び後端が第1抵抗部50bxに対して長手方向に重なっている(図3のA1、A2に相当)。なお、長手方向における内側第2ポンプ電極13bの中心Pについても、長手方向で第1抵抗部50bxと重なる。
なお、第2ポンピングセル13のうち、第2ポンプ対電極13cは第1抵抗部50bxの外にあるが、NOxやH2O等の解離場所は内側第2ポンプ電極13b上であるため、内側第2ポンプ電極13bの温度を制御すればよい。
又、第1抵抗部50bxをリード部50aより幅狭にすると、第1抵抗部50bxがリード部50aより高抵抗になるので、第1抵抗部50bxが確実に発熱し、内側第2ポンプ電極13bを所定温度に制御できる。
ここで、ヒータ50の発熱中心Hcとは、ある一定方向から見たとき(この実施形態では、ガスセンサ素子10(=ヒータ50)の長手方向)のヒータ50の最大温度部分をいい、通常、ヒータ50の中心部が最も温度が高く、周縁部へ向かって温度が低下する。
このような構成とすると、ヒータ50の最も高温となる発熱中心Hcに屈曲部50c1、50c2が位置しないため、屈曲部50c1、50c2が局所的に過熱することをさらに抑制し、ヒータ50の耐久性をさらに向上させることができる。又、発熱中心Hcが直線抵抗部50b1、50bにあるため、発熱中心Hcから屈曲部50c1、50c2まで伝熱する間にある程度放熱され、屈曲部50c1、50c2の過熱が防止される。
同様に、後述する実施例に示すように、第1ポンピングセル11の温度が850℃を超えると、固体電解質層の電子伝導が高くなってオフセット値を低下させることが判明した。このため、第1ポンピングセル11の温度が700〜850℃となるよう、ヒータ50を制御することが好ましい。なお、第1ポンピングセル11の温度を700℃以上とする理由は、これより低温とすると固体電解質層のイオン伝導性が低くなって酸素のポンピング能が不足するからである。
通常、高熱の被測定ガス(排ガス)は、NOxセンサ10の外側(Hex:主体金具138の鍔部)から筐体内部のNOxセンサ素子保持部(セラミックホルダ151)へ伝熱し、さらにNOxセンサ素子10へ伝わる。従って、被測定ガスからの伝熱によって第2ポンピングセル13が高温になるのを抑制するためには、セラミックホルダ151から内側第2ポンプ電極13bまでの距離を長くすることが好ましい。
後述する実施例に示すように、L(内側第2ポンプ電極13b中央)≧2.4×tの関係を満たすと、高温の被測定ガスに曝されても第2ポンピングセル13の温度上昇を抑制できることが判明した。
このNOxセンサ200を用い、ヒータ50に通電し、第2ポンピングセル13(内側第2ポンプ電極13b)の温度が所定温度になるようにヒータ電圧を制御した。ヒータ50に通電して30分後、O2=0% H2O=10% N2=バランスのガス(ガス温度120℃)を総流量18リットル流したとき、第2ポンプ電流Ip2の出力を30秒間取得し、その平均をオフセット値(オフセット電流)とした。
第2ポンピングセル13の温度を種々変化させたときのオフセット値の変化を図5に示す。第2ポンピングセル13の温度が650℃を超えると、オフセット電流が生じ始めることがわかった。これは、ガス中の水の解離に起因するものと考えられる。
第2ポンピングセル13の温度を種々変化させたときのNOxゲインの変化を図6に示す。第2ポンピングセル13の温度が400℃未満の場合、NOxゲインが低下し、第2ポンピングセル13のNOx分解能が低下することがわかった。
実施例1,2より、第2ポンピングセル13の温度を400〜650℃に制御することが好ましい。
第1ポンピングセル11の温度を種々変化させたときのオフセット値の変化を図7に示す。第1ポンピングセル11の温度が700℃未満の場合、オフセット電流が増えた。これは、酸素のポンピング能が不足するためである。一方、第1ポンピングセル11の温度が850℃を超えるとオフセット電流が減少した。これは、第1ポンピングセル11の入側(先端側)での電子伝導の寄与が大きくなり、出側(後端側)での酸素ポンピングが主となるため、第1測定室の酸素濃度勾配が急になったためと考えられる。
実施例3より、第1ポンピングセル11の温度を700〜850℃に制御することが好ましい。
得られた結果を表8に示す。L=3.5mm以上の場合、第2ポンピングセル13の温度が650℃以下となった。このことより、L≧2.4×tの関係を満たすことが好ましいことが判明した。
又、上記実施形態では、NOxセンサ素子10を構成する固体電解質層11a、12a、13aを3層としたが、固体電解質層を2層としてもよい。固体電解質層が2層であるNOxセンサ素子構造は、例えば特開2004−354400号公報(図3)に記載されている。
10 ガスセンサ素子(NOxセンサ素子)
11 第1ポンピングセル
12 酸素濃度検出セル
13 第2ポンピングセル
11a〜13a 第1固体電解質層〜第3固体電解質層
11b 第1対極電極(外側第1ポンプ電極)
11c 内側第1ポンプ電極
12b 検知電極
12c 基準電極
13b 内側第2ポンプ電極
13c 対極第2ポンプ電極
16 第1測定室
18 第2測定室
50 ヒータ
50a リード部
50b、50b1 直線抵抗部
50bx 第1抵抗部
50by 第2抵抗部
50i 第3抵抗部
50k 主発熱部
50c1、50c2 屈曲部
Claims (8)
- 間隔を開けて積層される2層の固体電解質層の間に区画され外部から被測定ガスを導入する第1測定室と、
前記第1測定室に面して配置される内側第1ポンプ電極、及び該内側第1ポンプ電極の対極となる第1対極電極を備え前記第1測定室内の酸素分圧を制御するための第1ポンピングセルと、
前記第1測定室に連通して周囲から区画され前記第1測定室から前記酸素分圧が制御された被測定ガスを導入する第2測定室と、
前記第2測定室内に設けられた内側第2ポンプ電極、及び該内側第2ポンプ電極の対極となる第2対極電極を備え、前記第2測定室内の被測定ガス中の特定ガス成分を検出する第2ポンピングセルと、
前記固体電解質層の積層方向に沿って配置され、前記第1ポンピングセル及び前記第2ポンピングセルを加熱するヒータと、を有する、長手方向に延びるガスセンサ素子を備えるガスセンサにおいて、
前記ヒータは、前記長手方向に延びる一対のリード部と、前記リード部の先端に接続すると共に、該リード部より高抵抗の第1抵抗部と、前記第1抵抗部の先端よりも前記長手方向先方側に配置されて前記第1抵抗部より高抵抗の第2抵抗部を有すると共に、該第1抵抗部の先端に接続する主発熱部と、を有し、前記内側第1ポンプ電極及び前記第1対極電極に対して前記内側第2ポンプ電極が前記長手方向に重ならず、かつ前記内側第2ポンプ電極の少なくとも一部が前記第1抵抗部に対して前記長手方向に重なるガスセンサ。 - 前記内側第2ポンプ電極の先端及び後端が、前記第1抵抗部に対して前記長手方向に重なる請求項1記載のガスセンサ。
- 前記内側第1ポンプ電極の先端及び後端が、前記第2抵抗部に対して前記長手方向に重なる請求項1又は2記載のガスセンサ。
- 前記ヒータは、前記長手方向に延びる少なくとも2つ以上の直線抵抗部と、隣接する2つの前記直線抵抗部の間を繋ぐ屈曲部とを連結してなり、
前記第1抵抗部は、前記長手方向に垂直な幅方向における最も外側の前記直線抵抗部に配置されている請求項1〜3のいずれかに記載のガスセンサ。 - 前記長手方向において前記ヒータの発熱中心が前記第2抵抗部内の前記直線抵抗部に位置する請求項4記載のガスセンサ。
- 前記主発熱部は、前記第1抵抗部の先端よりも前記長手方向後方側に配置されてなる第3抵抗部を有しており、前記第3抵抗部は、前記第2抵抗部よりも低抵抗で、且つ前記リード部よりも高抵抗である請求項1〜5のいずれかに記載のガスセンサ。
- 前記ヒータの抵抗は、該ヒータの線幅、厚み、及び材質の少なくとも1以上を変えることによって変えられている請求項1〜6のいずれかに記載のガスセンサ。
- 前記ガスセンサ素子の前記長手方向先端側が、ガスセンサの筐体側から突出するように固定され、
前記長手方向における前記ガスセンサ素子の固定端から前記第2ポンプ電極の中心までの長さをLとし、前記ガスセンサ素子の厚みをtとしたとき、L≧2.4×tの関係を満たす請求項1〜7のいずれかに記載のガスセンサ。
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