JP6511405B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
該固体電解質板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表面に設けられ、基準ガス(A)に晒される1つ又は複数の基準電極(24,25)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(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を検出するモニタセル(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残留酸素及び特定ガス成分を検出するセンサセル(33)と、を備え、
上記モニタ電極及び上記センサ電極は、上記被測定ガス室の同一空間内に配置されており、
上記センサ電極の最大膜厚は上記モニタ電極の最大膜厚よりも大きく、かつ上記センサ電極の最大膜厚と上記モニタ電極の最大膜厚との差は4μm以上30μm以下である、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1つ又は複数の固体電解質板(2,20A,20B)と、
該固体電解質板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表面に設けられ、基準ガス(A)に晒される1つ又は複数の基準電極(24,25)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(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を検出するモニタセル(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残留酸素及び特定ガス成分を検出するセンサセル(33)と、を備え、
上記モニタ電極の全体は、酸素を分解可能で特定ガス成分を分解しない金属成分を含むサーメット材料によって構成されており、
上記センサ電極の全体は、酸素及び特定ガス成分を分解可能な金属成分を含むサーメット材料によって構成されており、
上記センサ電極の最大膜厚(t2)は上記モニタ電極の最大膜厚(t1)よりも大きく、かつ上記センサ電極の最大膜厚と上記モニタ電極の最大膜厚との差は4μm以上30μm以下である、ガスセンサにある。
なお、ガスセンサにおいては、センサセルの出力からモニタセルの出力を差し引くことにより、特定ガス成分の検出に残留酸素が与える影響を補正することができる。
一方、モニタ電極による酸素の分解能力と、センサ電極による酸素の分解能力とを均衡させるためには、センサ電極の最大膜厚は、モニタ電極の最大膜厚よりも4μm以上大きい必要がある。
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31と、モニタセル32及びセンサセル33を備える。
固体電解質板2は、酸素イオン伝導性を有するものである。被測定ガス室101は、固体電解質板2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の一方の表面である第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及びセンサ電極23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F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。
なお、図1、図2等におけるモニタ電極22、センサ電極23等の図示は、概念的なものであり、モニタ電極22、センサ電極23等の実際の膜厚等を示すものではない。
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6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31、モニタセル32及びセンサセル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、及びジルコニア成分を含むサーメット材料を用いて構成されている。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、及びジルコニア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、及びジルコニア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33の電流の出力からモニタセル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補正されて、特定ガス成分であるNOxの濃度が求められる。
また、各電極22,23の最大膜厚t1,t2は、光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いた観察によって測定することができる。各電極22,23の最大膜厚t1,t2は、例えば、イオンビーム加工等によって電極22,23を切断し、この断面面をSEM(走査電子顕微鏡法)等によって観察して測定することができる。
センサ電極23を用いたセンサセル33においては、被測定ガス室101に導入された特定ガス成分を完全に分解するときの限界電流を検出する必要がある。そのため、センサ電極23の最大膜厚t2は5μm以上であることが好ましい。
センサ電極23を用いたセンサセル33の応答時間を短く維持する必要性から、センサ電極23の最大膜厚t2は35μm以下であることが好ましい。
センサ電極23を用いたセンサセル33の応答時間を短く維持する必要性から、モニタ電極22の最大膜厚t1は20μm以下であることが好ましい。
センサセル33のインピーダンスが大きい場合には、モニタセル32における残留酸素の分解が遅延し、その結果、モニタセル32の検出精度が悪化することになる。そのため、モニタ電極22の最大膜厚t1は3μm以上であることが好ましい。
また、電極膜厚差が30μmよりも大きくなるに連れて、正の検出誤差が増加していくことが分かる。この理由は次のように考える。すなわち、各電極22,23の最大膜厚t1,t2が大きいほど、各電極22,23と被測定ガス室101内の残留酸素(酸素分子)との接触機会が増え、残留酸素に対する各電極22,23の感度が高くなる。そして、電極膜厚差が30μmよりも大きくなると、残留酸素に対するモニタ電極22の感度に比べて、残留酸素に対するセンサ電極23の感度が高くなり過ぎて、正の検出誤差が大きくなると考える。ここで、正の検出誤差は、実際の一酸化窒素の濃度に対して、ガスセンサ1によって検出した一酸化窒素の濃度が高くなってしまう誤差のことを示す。
また、上記結果より、センサ電極23の最大膜厚t2とモニタ電極22の最大膜厚t1との差は4μm以上であることが好ましいといえる。この理由は次のように考える。すなわち、各電極22,23を構成する成分のうち、残留酸素(酸素分子)に対する活性が高い成分はPtである。
一方、モニタ電極22による酸素の分解能力と、センサ電極23による酸素の分解能力とを均衡させるためには、センサ電極23の最大膜厚t2は、モニタ電極22の最大膜厚t1よりも4μm以上大きい必要がある。
例えば、図12、図13に示すように、ポンプ電極21と、モニタ電極22及びセンサ電極23とは、別々の固体電解質板20A,20Bに設けることもできる。この場合には、ガスセンサ1は、ポンプ電極21が設けられた第1の固体電解質板20Aと、モニタ電極22及びセンサ電極23が設けられた第2の固体電解質板20Bとを有している。第1の固体電解質板20Aには、第1絶縁板41及び拡散抵抗体44を介して第2の固体電解質板20Bが積層されており、第2の固体電解質板20Bにおけるモニタ電極22及びセンサ電極23を設けた表面とは反対側の表面には、他の基準電極25が設けられている。また、第2の固体電解質板20Bには、他の基準ガス室103を形成するための第4絶縁板45及び第5絶縁板46が積層されており、他の基準電極25は、他の基準ガス室103に配置されている。
また、本発明は、上記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に適用することが可能である。
101 被測定ガス室
2,20A,20B 固体電解質板
21 ポンプ電極
22 モニタ電極
23 センサ電極
24,25 基準電極
31 ポンプセル
32 モニタセル
33 センサセル
Claims (6)
- 酸素イオン伝導性を有する1つ又は複数の固体電解質板(2,20A,20B)と、
該固体電解質板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表面に設けられ、基準ガス(A)に晒される1つ又は複数の基準電極(24,25)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(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を検出するモニタセル(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残留酸素及び特定ガス成分を検出するセンサセル(33)と、を備え、
上記モニタ電極及び上記センサ電極は、上記被測定ガス室の同一空間内に配置されており、
上記センサ電極の最大膜厚(t2)は上記モニタ電極の最大膜厚(t1)よりも大きく、かつ上記センサ電極の最大膜厚と上記モニタ電極の最大膜厚との差は4μm以上30μm以下である、ガスセンサ。 - 酸素イオン伝導性を有する1つ又は複数の固体電解質板(2,20A,20B)と、
該固体電解質板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表面に設けられ、基準ガス(A)に晒される1つ又は複数の基準電極(24,25)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(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を検出するモニタセル(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残留酸素及び特定ガス成分を検出するセンサセル(33)と、を備え、
上記モニタ電極の全体は、酸素を分解可能で特定ガス成分を分解しない金属成分を含むサーメット材料によって構成されており、
上記センサ電極の全体は、酸素及び特定ガス成分を分解可能な金属成分を含むサーメット材料によって構成されており、
上記センサ電極の最大膜厚(t2)は上記モニタ電極の最大膜厚(t1)よりも大きく、かつ上記センサ電極の最大膜厚と上記モニタ電極の最大膜厚との差は4μm以上30μm以下である、ガスセンサ。 - 上記モニタ電極及び上記センサ電極は、上記被測定ガス室における、上記ポンプ電極の配置位置を通過した後の上記被測定ガスの流れ(F)の方向に対して、垂直な方向に並んで配置されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 上記センサ電極の最大膜厚と上記モニタ電極の最大膜厚との差は5μm以上10μm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 上記センサ電極の最大膜厚は、5μm以上35μm以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 上記モニタ電極の最大膜厚は、3μm以上20μm以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のガスセンサ。
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