JP6382178B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
特許文献1のガスセンサは、固体電解質体における、ガス室に接する表面には、排ガスの酸素濃度を調整するためのポンプ電極と、酸素濃度が調整された後の排ガスにおける残存酸素濃度を監視するモニタ電極と、酸素濃度が調整された後の排ガスにおける特定ガス成分濃度を監視するセンサ電極とを配置して構成されている。また、モニタ電極とセンサ電極とは、ポンプ電極に対して、ガス室における被測定ガスの流れの下流側に互いに隣接して配置されている。
該固体電解質板の一方の表面である第1表面(201)に隣接して形成された被測定ガス室(101)と、
上記固体電解質板の上記第1表面に設けられ、上記被測定ガス室における被測定ガス(G)に晒されるポンプ電極(21)と、
上記固体電解質板の上記第1表面における、上記ポンプ電極に対する被測定ガスの流れの下流側の位置に、互いに隣接して設けられ、上記被測定ガス室における被測定ガスに晒されるモニタ電極(22)及びセンサ電極(23)と、
上記固体電解質板の他方の表面である第2表面(202)に設けられ、基準ガス(A)に晒される1つ又は複数の基準電極(24)と、
上記固体電解質板に対向して配置され、該固体電解質板を加熱するヒータ(5)と、
上記ポンプ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2A)を介して電圧が印加されるときに、上記被測定ガス室における被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル部(31)と、
上記モニタ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2B)を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの残留酸素濃度を検出するモニタセル部(32)と、
上記センサ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2C)を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセル部(33)と、を備え、
被測定ガスの流れの方向(F)に直交する幅方向(W)において、上記ポンプ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるポンプ電極用リード部(211)と、上記センサ電極との間には、上記モニタ電極が配置されており、
上記ポンプ電極用リード部と、上記センサ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるセンサ電極用リード部(231)との間には、上記モニタ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるモニタ電極用リード部(221)が配置されており、
上記モニタ電極用リード部は、上記ポンプ電極用リード部から離れた側に偏って上記モニタ電極に繋がっている、ガスセンサにある。
本発明の他の態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質板(2)と、
該固体電解質板の一方の表面である第1表面(201)に隣接して形成された被測定ガス室(101)と、
上記固体電解質板の上記第1表面に設けられ、上記被測定ガス室における被測定ガス(G)に晒されるポンプ電極(21)と、
上記固体電解質板の上記第1表面における、上記ポンプ電極に対する被測定ガスの流れの下流側の位置に、互いに隣接して設けられ、上記被測定ガス室における被測定ガスに晒されるモニタ電極(22)及びセンサ電極(23)と、
上記固体電解質板の他方の表面である第2表面(202)に設けられ、基準ガス(A)に晒される1つ又は複数の基準電極(24)と、
上記固体電解質板に対向して配置され、該固体電解質板を加熱するヒータ(5)と、
上記ポンプ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2A)を介して電圧が印加されるときに、上記被測定ガス室における被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル部(31)と、
上記モニタ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2B)を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの残留酸素濃度を検出するモニタセル部(32)と、
上記センサ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2C)を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセル部(33)と、を備え、
被測定ガスの流れの方向(F)に直交する幅方向(W)において、上記ポンプ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるポンプ電極用リード部(211)と、上記センサ電極との間には、上記モニタ電極が配置されており、
上記ポンプ電極用リード部と、上記センサ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるセンサ電極用リード部(231)との間には、上記モニタ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるモニタ電極用リード部(221)が配置されており、
上記センサ電極用リード部は、上記ポンプ電極用リード部から離れた側に偏って上記センサ電極に繋がっている、ガスセンサにある。
センサセル部によって検出する特定ガス成分は、被測定ガス中に僅かしか存在せず、この特定ガス成分がセンサ電極において分解される際にセンサセル部に流れる電流は微弱である。一方、ポンプセル部に流れる電流は、排ガス等の被測定ガスに含まれる酸素を排出する際に流れるものであり、センサセル部に流れる電流に比べて桁違いに大きい。
それ故、上記ガスセンサにおいては、ポンプ電極用リード部とセンサ電極との間にモニタ電極を介在させることによって、特定ガス成分濃度の検出精度を高めることができる。
本形態のガスセンサ1は、図1〜図3に示すように、固体電解質板2、被測定ガス室101、ポンプ電極21、モニタ電極22、センサ電極23、基準電極24、ヒータ5、ポンプセル部31、モニタセル部32及びセンサセル部33を備える。
固体電解質板2は、酸素イオン伝導性を有しており、板状に形成されている。被測定ガス室101は、固体電解質板2の一方の表面である第1表面201に隣接して形成されている。ポンプ電極21は、固体電解質板2の第1表面201に設けられており、被測定ガス室101における被測定ガスGに晒されている。モニタ電極22とセンサ電極23とは、固体電解質板2の第1表面201における、ポンプ電極21に対する被測定ガスGの流れの下流側の位置に、互いに隣接して設けられており、被測定ガス室101における被測定ガスGに晒されている。基準電極24は、固体電解質板2の他方の表面である第2表面202に設けられており、基準ガスAに晒されている。
ガスセンサ1は、車両における内燃機関の排気通路に配置されて用いられ、排気通路を流れる排ガスを被測定ガスGとして、排ガス中に含まれる特定ガス成分としてのNOx(窒素酸化物)の濃度を検出するものである。図5に示すように、ガスセンサ1は、センサ素子を構成するものであり、長尺形状に形成されている。ガスセンサ1の長尺方向Lの基端側部分は、絶縁碍子12に保持されており、絶縁碍子12は、内燃機関に取り付けられるハウジング13に保持されている。また、ガスセンサ1の長尺方向Lの先端側部分には、被測定ガスGが流入する検知部11が設けられており、検知部11は、貫通孔141が設けられた保護カバー14によって覆われている。被測定ガス室101、ポンプ電極21、モニタ電極22、センサ電極23、基準電極24、ヒータ5、ポンプセル部31、モニタセル部32及びセンサセル部33等は、検知部11に配置されている。
ポンプ電極21及びモニタ電極22は、酸素を分解可能で特定ガス成分を分解しない、Pt−Au合金等の金属成分を含むサーメット材料を用いて構成されており、センサ電極23は、酸素及び特定ガス成分を分解可能な、Pt−Rh合金等の金属成分を含むサーメット材料を用いて構成されている。基準電極24は、酸素を分解可能な、Pt等の金属成分を含むサーメット材料を用いて構成されている。
第3絶縁板43は、ガスセンサ1の長尺方向Lの基端部に開口部を有する切欠き形状に形成されている。基準ガス室102は、固体電解質板2の第2表面202とセラミック基板51との間において、第3絶縁板43によって三方が囲まれて形成されている。基準ガスAは、ガスセンサ1の長尺方向Lの基端部から基準ガス室102に流入する。
発熱部522の抵抗値は、リード部521の抵抗値よりも大きい。発熱部522の抵抗値は、導体層52全体の抵抗値の50%以上を占めるようにすることができる。発熱部522は、ポンプ電極21、モニタ電極22及びセンサ電極23が配置された平面領域の略全体に対向する位置に設けられている。
また、ガスセンサ1の動作を制御する制御部においては、センサセル部33の電流の出力からモニタセル部32の電流の出力が差し引かれることにより、被測定ガスGである排ガス中の残存酸素の影響が緩和されて、特定ガス成分であるNOxの濃度が求められる。
モニタ電極用リード部221は、ポンプ電極用リード部211から離れた側に偏ってモニタ電極22に繋がっている。より具体的には、モニタ電極用リード部221は、モニタ電極22の下流側端部における、ポンプ電極用リード部211から最も離れた位置に繋がっている。この構成により、モニタ電極用リード部221をポンプ電極用リード部211から遠ざけることが容易になる。また、センサ電極用リード部231は、ポンプ電極用リード部211から離れた側に偏ってセンサ電極23に繋がっている。より具体的には、センサ電極用リード部231は、センサ電極23の下流側端部における、ポンプ電極用リード部211から最も離れた位置に繋がっている。この構成により、センサ電極用リード部231をポンプ電極用リード部211から遠ざけることが容易になる。
センサセル部33によって検出するNOx等の特定ガス成分は、排ガス等の被測定ガスG中に僅かしか存在せず、この特定ガス成分がセンサ電極23において分解される際にセンサセル部33に流れる電流は微弱である。一方、ポンプセル部31に流れる電流は、被測定ガスGに含まれる酸素を排出する際に流れるものであり、センサセル部33に流れる電流に比べて桁違いに大きい。
それ故、ガスセンサ1においては、ポンプ電極用リード部211とセンサ電極23との間にモニタ電極22を介在させることによって、特定ガス成分濃度の検出精度を高めることができる。
ガスセンサ1を製造する際に、固体電解質板2、各絶縁板41,42,43及びヒータ5等を積層した積層体の燒結を行うとき、あるいはガスセンサ1を使用するときにおいては、高温の環境下に晒されたポンプ電極用リード部211の金属成分等が揮発するおそれがある。この場合、ポンプ電極用リード部211から揮発した金属成分等がセンサ電極23に付着して、センサ電極23が被毒すると、特定ガス成分濃度の検出精度を悪化させる要因となり得る。そのため、ポンプ電極用リード部211とセンサ電極23との間にモニタ電極22を介在させ、センサ電極23をポンプ電極用リード部211からできるだけ遠ざけることによって、センサ電極23の被毒のおそれを少なくすることができる。
本確認試験においては、ポンプ電極用リード部211における上流側部分211Aとモニタ電極用リード部221との間隔w1と、ガスセンサ1による特定ガス成分濃度の検出誤差との関係を測定した。そして、このリード部211A,221同士の間隔w1が異なる複数のガスセンサ1を試作し、各ガスセンサ1の被測定ガス室101には、酸素の濃度が5%、一酸化窒素(NO)の濃度が100ppm、残部が窒素である被測定ガスGを流入させて、特定ガス成分濃度の検出を行った。
本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態として採用することができる。
101 被測定ガス室
2 固体電解質板
21 ポンプ電極
211 ポンプ電極用リード部
22 モニタ電極
23 センサ電極
24 基準電極
5 ヒータ
Claims (5)
- 酸素イオン伝導性を有する固体電解質板(2)と、
該固体電解質板の一方の表面である第1表面(201)に隣接して形成された被測定ガス室(101)と、
上記固体電解質板の上記第1表面に設けられ、上記被測定ガス室における被測定ガス(G)に晒されるポンプ電極(21)と、
上記固体電解質板の上記第1表面における、上記ポンプ電極に対する被測定ガスの流れの下流側の位置に、互いに隣接して設けられ、上記被測定ガス室における被測定ガスに晒されるモニタ電極(22)及びセンサ電極(23)と、
上記固体電解質板の他方の表面である第2表面(202)に設けられ、基準ガス(A)に晒される1つ又は複数の基準電極(24)と、
上記固体電解質板に対向して配置され、該固体電解質板を加熱するヒータ(5)と、
上記ポンプ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2A)を介して電圧が印加されるときに、上記被測定ガス室における被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル部(31)と、
上記モニタ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2B)を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの残留酸素濃度を検出するモニタセル部(32)と、
上記センサ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2C)を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセル部(33)と、を備え、
被測定ガスの流れの方向(F)に直交する幅方向(W)において、上記ポンプ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるポンプ電極用リード部(211)と、上記センサ電極との間には、上記モニタ電極が配置されており、
上記ポンプ電極用リード部と、上記センサ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるセンサ電極用リード部(231)との間には、上記モニタ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるモニタ電極用リード部(221)が配置されており、
上記モニタ電極用リード部は、上記ポンプ電極用リード部から離れた側に偏って上記モニタ電極に繋がっている、ガスセンサ。 - 酸素イオン伝導性を有する固体電解質板(2)と、
該固体電解質板の一方の表面である第1表面(201)に隣接して形成された被測定ガス室(101)と、
上記固体電解質板の上記第1表面に設けられ、上記被測定ガス室における被測定ガス(G)に晒されるポンプ電極(21)と、
上記固体電解質板の上記第1表面における、上記ポンプ電極に対する被測定ガスの流れの下流側の位置に、互いに隣接して設けられ、上記被測定ガス室における被測定ガスに晒されるモニタ電極(22)及びセンサ電極(23)と、
上記固体電解質板の他方の表面である第2表面(202)に設けられ、基準ガス(A)に晒される1つ又は複数の基準電極(24)と、
上記固体電解質板に対向して配置され、該固体電解質板を加熱するヒータ(5)と、
上記ポンプ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2A)を介して電圧が印加されるときに、上記被測定ガス室における被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル部(31)と、
上記モニタ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2B)を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの残留酸素濃度を検出するモニタセル部(32)と、
上記センサ電極と上記基準電極との間に上記固体電解質板の一部(2C)を介して流れる電流を検出して、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセル部(33)と、を備え、
被測定ガスの流れの方向(F)に直交する幅方向(W)において、上記ポンプ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるポンプ電極用リード部(211)と、上記センサ電極との間には、上記モニタ電極が配置されており、
上記ポンプ電極用リード部と、上記センサ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるセンサ電極用リード部(231)との間には、上記モニタ電極から被測定ガスの流れの下流側に向けて伸びるモニタ電極用リード部(221)が配置されており、
上記センサ電極用リード部は、上記ポンプ電極用リード部から離れた側に偏って上記センサ電極に繋がっている、ガスセンサ。 - 上記ポンプ電極用リード部における、上記幅方向から上記モニタ電極に対向する部分を含む上流側部分(211A)と、上記モニタ電極用リード部との間には、0.5mm以上の間隔(w1)が空けられている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 上記ポンプ電極用リード部における、上記上流側部分は、上記固体電解質板と、上記被測定ガス室を形成する絶縁板(41)との間に埋設されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 上記ポンプ電極用リード部における上記上流側部分と上記モニタ電極用リード部との上記間隔は、上記ポンプ電極用リード部における、上記上流側部分よりも被測定ガスの流れの下流側に位置する下流側部分(211B)と上記モニタ電極用リード部との間隔(w2)よりも大きい、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
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