JP6424528B2 - ガスセンサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子に関する。

ガス濃度検出装置として、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子と、特定ガス濃度に応じた信号電流を計測する制御回路部とを備えたものが知られている。ガスセンサ素子と制御回路部とは、信号配線によって接続され、該信号配線を通じて信号電流を授受している。

かかるガス濃度検出装置においては、外部からの電気的ノイズが信号配線に重畳し、検出精度に影響することが懸念される。そこで、特許文献１においては、信号配線を通じて電気的ノイズが制御回路部に影響することを防ぐための構成が開示されている。すなわち、特許文献１に開示された構成は、制御回路部と信号配線との間に接続回路部が設けられ、該接続回路部と制御回路部との間に仕切板を設けると共に仕切板を貫通する貫通コンデンサを介して接続回路部と制御回路部とを接続した構成としている。

特開２００７−２４９０８号公報

しかしながら、信号配線に重畳した電気的ノイズがガスセンサ素子に流入すると、結局ガスセンサ素子の出力に影響するため、センサ出力を正確に得ることが困難となり、正確なガス濃度検出が困難となるおそれがある。また、ガス濃度の検出能力の向上や精度の向上が近年、排出ガス規制の強化に伴い求められており、電気的ノイズの効果的な低減が重要となってきた。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、電気的ノイズの影響を効果的に抑制することができる高精度のガスセンサ素子を提供しようとするものである。

本発明の第１の態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセルを上記固体電解質体と共に構成する一対のセンサ用電極と、
該一対のセンサ用電極にそれぞれ電気的に接続された一対のセンサ用端子部と、
上記センサ用電極と上記センサ用端子部との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第１フィルタ構成部と、を有し、
上記第１フィルタ構成部は、コンデンサ部と抵抗部とからなり、上記コンデンサ部は、上記固体電解質体の両主面に形成されると共に互いに対向配置された一対のコンデンサ電極と、該一対のコンデンサ電極の間に介在した上記固体電解質体の一部とによって構成されており、上記抵抗部は、上記固体電解質体の主面に形成されていることを特徴とするガスセンサ素子にある。
本発明の第２の態様は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセルを上記固体電解質体と共に構成する一対のセンサ用電極と、
該一対のセンサ用電極にそれぞれ電気的に接続された一対のセンサ用端子部と、
上記センサ用電極と上記センサ用端子部との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第１フィルタ構成部と、を有し、
さらに、被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセルを上記固体電解質体と共に構成する一対のポンプ用電極と、
該一対のポンプ用電極にそれぞれ電気的に接続された一対のポンプ用端子部と、を有し、
上記ポンプ用電極と上記ポンプ用端子部との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第２フィルタ構成部を有することを特徴とするガスセンサ素子にある。

上記ガスセンサ素子は、上記センサ用電極と上記センサ用端子部との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第１フィルタ構成部を有する。しかも、ガスセンサ素子自体に第１フィルタ構成部が設けてあるため、第１フィルタ構成部はセンサセルに極めて近い位置に配置されることとなる。これにより、センサ用端子部から電気的ノイズが流入しても、上記フィルタ構成部によって除去することができる。それゆえ、電気的ノイズがセンサセルに影響することを効果的に防ぎ、安定した正確なセンサ出力を得ることが可能となる。すなわち、センサ出力に対する電気的ノイズの影響を効果的に抑制することができる。

以上のごとく、本発明によれば、電気的ノイズの影響を効果的に抑制することができる高精度のガスセンサ素子を提供することができる。

実施形態１における、固体電解質体の第１主面側から見たガスセンサ素子の平面説明図。 図１のII−II線矢視断面説明図。 実施形態１における、固体電解質体の第２主面側から見たガスセンサ素子の平面説明図。 実施形態１における、ガスセンサ素子の等価回路図。 実施形態２における、固体電解質体の第１主面側から見たガスセンサ素子の平面説明図。 図５のVI−VI線矢視断面説明図。 実施形態２における、固体電解質体の第２主面側から見たガスセンサ素子の平面説明図。 実施形態２における、ガスセンサ素子の等価回路図。 実施形態３における、固体電解質体の第１主面側から見たガスセンサ素子の平面説明図。 実施形態３における、固体電解質体の第２主面側から見たガスセンサ素子の平面説明図。

（実施形態１）
上記ガスセンサ素子の実施形態につき、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態のガスセンサ素子１は、図１〜図３に示すごとく、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２と、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセル３を固体電解質体２と共に構成する一対のセンサ用電極３１と、一対のセンサ用電極３１にそれぞれ電気的に接続された一対のセンサ用端子部６３と、を有する。
そして、ガスセンサ素子１は、さらに、センサ用電極３１とセンサ用端子部６３との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第１フィルタ構成部７１を有する。つまり、ガスセンサ素子１自体に第１フィルタ構成部が設けてあり、第１フィルタ構成部７１はセンサセル３に極めて近い位置に配置されることとなる。

ガスセンサ素子１は、例えば、車両用の内燃機関等の排気系に配設して用いられる。
また、本実施形態のガスセンサ素子１は、排ガス等の被測定ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するＮＯｘセンサ素子である。
そして、ガスセンサ素子１は、被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル４を固体電解質体２と共に構成する一対のポンプ用電極４１と、一対のポンプ用電極４１にそれぞれ電気的に接続された一対のポンプ用端子部６４とを有する。
さらに、ガスセンサ素子１は、被測定ガス中の酸素濃度を検出するモニタセル５を固体電解質体２と共に構成する一対のモニタ用電極５１と、一対のモニタ用電極５１にそれぞれ電気的に接続された一対のモニタ用端子部６５とを有する。

ガスセンサ素子１は、後述する被測定ガス室に導入された被測定ガス中の酸素をポンプセル４によって排出することで、被測定ガス室中の酸素濃度を調整する。センサセル３は、所定の電圧を印加することで、被測定ガス中のＮＯｘ及び酸素の濃度に起因する出力電流が流れるよう構成されている。また、モニタセル５は、被測定ガス中の酸素濃度に起因する出力電流が流れるよう構成されている。これにより、センサセル３の出力値から、モニタセル５の出力値を減算することで、ＮＯｘに起因する出力値を得ることができ、ＮＯｘ濃度を検出することができる。

本実施形態において、図１に示すごとく、固体電解質体２の一方の主面（第１主面２１）に設けたセンサ用電極３１とポンプ用電極４１とモニタ用電極５１とは、互いに独立しているが、図３に示すごとく、他方の主面（第２主面２２）に設けたセンサ用電極３１とポンプ用電極４１とモニタ用電極５１とは、互いに一体化された一つの共通電極１２となっている。

固体電解質体２は、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ₂）からなる長尺の板状体からなる。また、図示を省略したが、固体電解質体２の第１主面２１側には、センサ用電極３１とポンプ用電極４１とモニタ用電極５１とに面する被測定ガス室が形成されている。被測定ガス室は、固体電解質体２の第１主面２１に積層されたセラミックからなる空間形成層（図示略）によって形成されている。また、固体電解質体２の第２主面２２側にも、図示を省略したセラミック層が積層されている。図１〜図３においては、固体電解質体２の両主面側に積層されたセラミック層を省略している。

図１〜図３に示すごとく、センサセル３（センサ用電極３１）とポンプセル４（ポンプ用電極４１）とモニタセル（モニタ用電極５１）とは、固体電解質体２の長手方向の先端側に配され、センサ用端子部６３とポンプ用端子部６４とモニタ用端子部６５とは、固体電解質体２の長手方向の基端側に配されている。また、第２主面２２側のセンサ用端子部６３とポンプ用端子部６４とモニタ用端子部６５とは、一つの共通端子６０によって構成されており、共通電極１２に電気的に接続されている。

また、図１に示すごとく、センサセル３とモニタセル５とは、互いにガスセンサ素子１における軸方向の同等の位置に配されており、ガスセンサ素子１の幅方向に並んで配置されている。そして、ポンプセル４は、センサセル３及びモニタセル５よりも先端側に配置されている。第１主面２１におけるポンプ用電極４１及びモニタ用電極５１は、それぞれリード部１１４、１１５によって、ポンプ用端子部６４、モニタ用端子部６５に、接続されている。そして、センサ用電極３１は、リード部１１３によって、第１フィルタ構成部７１に接続されている。

図１〜図３に示すごとく、第１フィルタ構成部７１は、センサセル３とセンサ用端子部６３との間に接続されている。これにより、第１フィルタ構成部７１は、センサ用電極３１に極めて近い位置に配置されている。第１フィルタ構成部７１は、コンデンサ部７１Ｃと抵抗部７１Ｒとからなる。コンデンサ部７１Ｃは、図２に示すごとく、固体電解質体２の両主面に形成されると共に互いに対向配置された一対のコンデンサ電極７１１と、その間に介在した固体電解質体２の一部とによって構成されている。すなわち、固体電解質体２の一部が、コンデンサ部７１Ｃの誘電体として機能するよう構成してある。一対のコンデンサ電極７１１は、それぞれセンサ用電極３１に接続されている。

また、第１フィルタ構成部７１は、コンデンサ部７１Ｃの基端側に抵抗部７１Ｒを有する。抵抗部７１Ｒは、コンデンサ電極７１１とセンサ用端子部６３との間に接続され、所定の抵抗値となるよう蛇行した配線パターンによって構成されている。抵抗部７１Ｒは、固体電解質体２の両主面にそれぞれ形成されている。なお、抵抗部７１Ｒは、例えば、導体の線幅を小さくしたり、厚みを薄くしたりすることによって構成することもできる。あるいは、抵抗部７１Ｒは、電気抵抗率の高い材料によって構成することもできる。

図４に、本実施形態のガスセンサ素子１の等価回路を示す。同図に示すように、フィルタ構成部７１は、センサセル３とセンサ用端子部６３との間の配線中に形成されている。そして、センサセル３の一対のセンサ用電極３１と一対のセンサ用端子部６３とをそれぞれ繋ぐ一対の配線上に、抵抗部７１Ｒが形成されており、上記一対の配線を懸架するように、コンデンサ部７１Ｃが形成されている。これにより、コンデンサ部７１Ｃと抵抗部７１Ｒとによって、フィルタ回路（ＲＣ回路）が構成されている。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ素子１においては、センサ用電極３１とセンサ用端子部６３との間の配線に、電気的ノイズを除去する第１フィルタ構成部７１が接続されている。これにより、センサ用端子部６３から電気的ノイズが流入しても、フィルタ構成部７１によって除去することができる。しかも、ガスセンサ素子１自体に第１フィルタ構成部７１が設けてあるため、第１フィルタ構成部７１はセンサセル３に極めて近い位置に配置されることとなる。そのため、電波性の電気ノイズに対しても除去能力を高めることができる。それゆえ、電気的ノイズがセンサセル３の出力に影響することを効果的に防ぎ、微小信号での検出が要求される領域においても、安定した正確なセンサ出力を得ることが可能となる。

すなわち、センサセル３へ印加する電圧への電気的ノイズの重畳を低減させることができるので、印加電圧値を高精度に安定させることができる。そのため、ＮＯｘ濃度に起因するセンサ出力電流を高精度に検出することができる。つまり、センサ出力に対する電気的ノイズの影響を効果的に抑制することができる。その結果、ＮＯｘ濃度の検出精度を効果的に向上させることが可能となる。

また、第１フィルタ構成部７１は、コンデンサ部７１Ｃと抵抗部７１Ｒとからなる。そして、コンデンサ部７１Ｃは、一対のコンデンサ電極７１１と、その間に介在した固体電解質体２の一部とによって構成されており、抵抗部７１Ｒは、固体電解質体２の主面に形成されている。これにより、第１フィルタ構成部７１をコンパクトに形成することができると共に、フィルタ効果を効率的に得やすい。すなわち、もともと存在する固体電解質体２をコンデンサ部７１Ｃの一部として利用することにより、ガスセンサ素子１の大型化を招くことなくコンデンサ部７１Ｃを設けることができる。しかも、固体電解質体２は一般に誘電率が高いため、コンデンサ部７１Ｃの誘電体として用いることにより、容量の大きいコンデンサ部７１Ｃを得やすい。また、抵抗部７１Ｒも、固体電解質体２の主面に形成されているため、特にガスセンサ素子１の大型化を招くこともない。したがって、ガスセンサ素子１の大型化を招くことなく、フィルタ効果の高いフィルタ構成部７１を効率的に形成することができる。

また、本実施形態のガスセンサ素子１は、ＮＯｘセンサに用いられるものである。ＮＯｘセンサは、出力電流が微弱であるため、電気的ノイズがセンサセル３に流入すると、検出精度に影響が出やすい。かかる観点から、上述のように、電気的ノイズを効果的に除去することができ、本実施形態のガスセンサ素子１は、ＮＯｘセンサに用いられるものとして特に好適であるといえる。

以上のごとく、本実施形態によれば、電気的ノイズの影響を効果的に抑制することができる高精度のガスセンサ素子を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図５〜図８に示すごとく、フィルタ構成部７１の構成を変更した形態である。
すなわち、図８に示すごとく、センサセル３における一対のセンサ用電極３１にそれぞれ接続された一対の配線（リード部１１３）に対して、コンデンサ部７１Ｃ１、７１Ｃ２をそれぞれ個別に接続している。各コンデンサ部７１Ｃ１、７１Ｃ２は、それぞれ各配線とグランドとの間に、設けられている。また、抵抗部７１Ｒが、配線におけるコンデンサ部７１Ｃ１、７１Ｃ２よりもセンサ用端子部６３側に設けてある。

かかる回路構成を有するフィルタ構成部７１は、ガスセンサ素子１において、図５〜図７に示す状態で係止されている。すなわち、２つのコンデンサ部７１Ｃ１、７１Ｃ２は、ガスセンサ素子１の幅方向に並んで配置されている。そして、一方のコンデンサ部７１Ｃ１は、第１主面２１側のコンデンサ電極７１１を、センサ用電極３１と抵抗部７１Ｒとの間に接続し、第２主面２２側のコンデンサ電極７１１を、接地されたグランド端子６６に接続している。他方のコンデンサ部７１Ｃ２は、第１主面２１側のコンデンサ電極７１１を、固体電解質体２を貫通するスルーホールを介してグランド端子６６に接続し、第２主面２２側のコンデンサ電極７１１を、センサ用電極３１（共通電極１２）と抵抗部７１Ｒとの間に接続している。

その他は、実施形態１と同様の構成及び作用効果を有する。なお、本実施形態又は本実施形態に関する図面において用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を表す。

（実施形態３）
本実施形態は、図９、図１０に示すごとく、ポンプセル４及びモニタセル５にも、電気的ノイズを除去するフィルタ構成部（第２フィルタ構成部７２、第３フィルタ構成部７３）を接続した、ガスセンサ素子１の形態である。

すなわち、本例のガスセンサ素子１は、第１フィルタ構成部７１の他に、ポンプセル４に接続された第２フィルタ構成部７２と、モニタセル５に接続された第３フィルタ構成部７３とを備えている。このように、第２フィルタ構成部７２及び第３フィルタ構成部７３も、ガスセンサ素子１自体に設けられているため、ポンプセル４やモニタセル５に対して極めて近い位置に配置されることとなる。

図９に示すごとく、第２フィルタ構成部７２が、ポンプ用電極４１とポンプ用端子部６４との間の配線に接続されている。また、第３フィルタ構成部７３が、モニタ用電極５１とモニタ用端子部６５との間の配線に接続されている。
また、第１フィルタ構成部７１は、実施形態１と同様に、センサ用電極３１とセンサ用端子部６３との間の配線に接続されている。

第１フィルタ構成部７１、第２フィルタ構成部７２、第３フィルタ構成部７３は、それぞれ、コンデンサ部７１Ｃ、７２Ｃ、７３Ｃと、抵抗部７１Ｒ、７２Ｒ、７３Ｒとからなる。コンデンサ部７１Ｃ、７２Ｃ、７３Ｃは、それぞれ、固体電解質体２の第１主面２１側に設けられたコンデンサ電極７１１、７２１、７３１と、第２主面２２側に設けられたコンデンサ電極７１０と、両者の間の固体電解質体２の一部とによって構成されている。そして、図９に示すごとく、第１主面２１側に設けられた３つのコンデンサ電極７１１、７２１、７３１は、互いに独立して形成されており、図１０に示すごとく、第２主面２２側に設けられたコンデンサ電極７１０は、３つのコンデンサ部７１Ｃ、７２Ｃ、７３Ｃに跨って形成された１つの共通の電極として一体化している。

また、第２主面２２におけるコンデンサ電極７１０と共通端子６０との間には、抵抗部７４Ｒが接続されている。抵抗部７４Ｒは、第１フィルタ構成部７１、第２フィルタ構成部７２、及び第３フィルタ構成部７３の一部として機能する。

その他は、実施形態１と同様である。なお、本実施形態又は本実施形態に関する図面において用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を表す。

本実施形態の場合には、ポンプセル４及びモニタセル５への電気的ノイズの影響をも、抑制することができる。すなわち、ポンプセル４への電気的ノイズの影響を抑制することで、被測定ガス中における酸素濃度をより適切な値に保つことができ、センサ出力を安定させることができる。また、モニタセル５への電気的ノイズの影響を抑制することで、被測定ガス中における酸素濃度に起因するセンサ出力のオフセットをより正確に補正することができる。その結果、ＮＯｘ濃度をより正確に測定することが可能となる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の形態を採りうる。上記実施形態においては、ガスセンサ素子として、ＮＯｘセンサ素子を示したが、例えば、被測定ガス中の酸素濃度に依存した限界電流により、内燃機関における空燃比を測定するためのＡ／Ｆセンサ素子や、被測定ガス中の酸素分圧に基づく起電力から内燃機関における空燃比を検出するためのＯ₂センサ素子とすることもできる。

１ ガスセンサ素子
２ 固体電解質体
３ センサセル
３１ センサ用電極
６３ センサ用端子部
７１ 第１フィルタ構成部

Claims (5)

1. 酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
   被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセル（３）を上記固体電解質体（２）と共に構成する一対のセンサ用電極（３１）と、
   該一対のセンサ用電極（３１）にそれぞれ電気的に接続された一対のセンサ用端子部（６３）と、
   上記センサ用電極（３１）と上記センサ用端子部（６３）との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第１フィルタ構成部（７１）と、を有し、
   上記第１フィルタ構成部（７１）は、コンデンサ部（７１Ｃ、７１Ｃ１、７１Ｃ２）と抵抗部（７１Ｒ）とからなり、上記コンデンサ部（７１Ｃ、７１Ｃ１、７１Ｃ２）は、上記固体電解質体（２）の両主面（２１、２２）に形成されると共に互いに対向配置された一対のコンデンサ電極（７１１）と、該一対のコンデンサ電極（７１１）の間に介在した上記固体電解質体（２）の一部とによって構成されており、上記抵抗部（７１Ｒ）は、上記固体電解質体（２）の主面（２１、２２）に形成されていることを特徴とするガスセンサ素子（１）。
2. 被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル（４）を上記固体電解質体（２）と共に構成する一対のポンプ用電極（４１）と、該一対のポンプ用電極（４１）にそれぞれ電気的に接続された一対のポンプ用端子部（６４）と、を有するガスセンサ素子（１）であって、上記ポンプ用電極（４１）と上記ポンプ用端子部（６４）との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第２フィルタ構成部（７２）を有することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ素子（１）。
3. 被測定ガス中の酸素濃度を検出するモニタセル（５）を上記固体電解質体（２）と共に構成する一対のモニタ用電極（５１）と、該一対のモニタ用電極（５１）にそれぞれ電気的に接続された一対のモニタ用端子部（６５）と、を有するガスセンサ素子（１）であって、上記モニタ用電極（５１）と上記モニタ用端子部（６５）との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第３フィルタ構成部（７３）を有することを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ素子（１）。
4. 酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
   被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセル（３）を上記固体電解質体（２）と共に構成する一対のセンサ用電極（３１）と、
   該一対のセンサ用電極（３１）にそれぞれ電気的に接続された一対のセンサ用端子部（６３）と、
   上記センサ用電極（３１）と上記センサ用端子部（６３）との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第１フィルタ構成部（７１）と、を有し、
   さらに、被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル（４）を上記固体電解質体（２）と共に構成する一対のポンプ用電極（４１）と、
   該一対のポンプ用電極（４１）にそれぞれ電気的に接続された一対のポンプ用端子部（６４）と、を有し、
   上記ポンプ用電極（４１）と上記ポンプ用端子部（６４）との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第２フィルタ構成部（７２）を有することを特徴とするガスセンサ素子（１）。
5. 被測定ガス中の酸素濃度を検出するモニタセル（５）を上記固体電解質体（２）と共に構成する一対のモニタ用電極（５１）と、該一対のモニタ用電極（５１）にそれぞれ電気的に接続された一対のモニタ用端子部（６５）と、を有するガスセンサ素子（１）であって、上記モニタ用電極（５１）と上記モニタ用端子部（６５）との間の配線に接続されて電気的ノイズを除去する第３フィルタ構成部（７３）を有することを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ素子（１）。

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