JP6769910B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数積層してなり、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた積層体と、
前記積層体の内部に形成され、前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスが導入される基準電極と、
前記被測定ガス流通部の内周面上に配設された測定電極と、
前記積層体のうち前記被測定ガスに晒される部分に配設された被測定ガス側電極と、
前記基準電極の周囲に前記基準ガスを導入する基準ガス導入部と、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に繰り返しオンオフされる制御電圧を印加して、前記基準電極の周囲に酸素の汲み入れを行う基準ガス調整手段と、
前記制御電圧のオンによって生じ前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電位差の大きい第1期間と、前記制御電圧のオフによって生じ前記第1期間から前記電位差が立ち下がった後の第2期間とのうち、該第2期間中に、前記基準電極と前記測定電極との間の電圧に基づいて前記被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出手段と、
を備え、
下記式(1)を満たすものである。
(ただし、
Tfは、前記第1期間と前記第2期間との間の前記電位差の立ち下がり時間[msec]、
T2は、前記第2期間の長さである第2時間[msec])
(ただし、
Vref0は、大気中に前記積層体を配置し且つ前記制御電圧を印加しない状態における前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電圧[mV]、
Vref1は、大気中に前記積層体を配置し且つ前記制御電圧のオンオフを繰り返した状態における前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電圧の最小値[mV]、
Vref2は、大気中に前記積層体を配置し且つ前記制御電圧のオンオフを繰り返した状態における前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電圧の最大値[mV])
(ただし、
Tfは、第1期間と第2期間との間の電位差の立ち下がり時間[msec]、
T2は、第2期間の長さである第2時間[msec])
(ただし、
Vref0は、大気中に前記積層体を配置し且つ前記制御電圧を印加しない状態における前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電圧[mV]、
Vref1は、大気中に前記積層体を配置し且つ前記制御電圧のオンオフを繰り返した状態における前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電圧の最小値[mV]、
Vref2は、大気中に前記積層体を配置し且つ前記制御電圧のオンオフを繰り返した状態における前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電圧の最大値[mV])
上述した製造方法により図1,2に示したガスセンサ100を作製し、実験例1とした。なお、センサ素子101を作製するにあたり、セラミックスグリーンシートは、安定化剤のイットリアを4mol%添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形により成形した。図1の圧粉体145a,145bとしてはタルク粉末を成形したものとした。大気導入層48はアルミナのセラミックスとした。大気導入層48の気孔率は40体積%であった。基準電極42の面積Sは0.6mm2とした。基準ガス調整ポンプセル90の電源回路92が印加する制御電圧Vp3は、周期Tが10msec、オン時間Tonが2.0msec、オフ時間Toffが8.0msecのパルス電圧とした。電源回路92が印加する制御電圧Vp3の最大値(最大電圧Vp3max)は、制御電圧Vp3によって基準電極42に流れるピーク電流Ip3maxが22μAとなるような値に設定した。この制御電圧Vp3に基づくセンサセル83の電圧Vrefの立ち下がり時間Tfは1.5msecであり、第2時間T2は6.5msecであった。
センサ素子101は基準電極42の面積S以外は実験例1と同じとし、面積S,周期T,オン時間Ton,オフ時間Toff,及びピーク電流Ip3maxを表1に示すように種々変更したガスセンサを作製して実験例2〜22とした。ピーク電流Ip3maxは、最大電圧Vp3maxを変更することにより調整した。これらにより、実験例2〜22では、立ち下がり時間Tf,第2時間T2及び比T2/Tfも実験例1から種々変更された。
実験例1のガスセンサを自動車の排ガス管の配管に取り付けた。そして、ヒータ72に通電して温度を800℃とし、センサ素子101を加熱した。次に、自動車のガソリンエンジン(1.8L)を所定の運転条件(エンジンの回転数が4500rpm、空燃費A/Fが値11.0、負荷トルクが130N・m、排ガスのゲージ圧力が60kPa、排ガスの温度が800℃)で運転した。この状態で、基準ガス調整ポンプセル90を含む全てのポンプセルを動作させて、NOx濃度の測定及び基準ガス調整ポンプセル90による基準電極42への酸素の汲み入れを開始した。測定用ポンプセル41によるNOx濃度の検出は、周期T毎に第2期間中のなるべく遅いタイミングで行うようにした。測定用ポンプセル41及び基準ガス調整ポンプセル90以外の各ポンプセルについても、周期Tと同じ周期で動作し、且つ第2期間中のなるべく遅いタイミングが動作期間となるようにした。そして、全てのポンプセルの動作開始から各ポンプセルの初期安定化に必要な80秒が経過した直後のポンプ電流Ip2を測定した。実験例2〜22についても同様にしてポンプ電流Ip2を測定した。実験例1〜22の各々について、測定されたポンプ電流Ip2の値が、正しい値(排ガス中のNOx濃度500ppmに相当する値)に非常に近い第1許容範囲内(正しい値を100%として、50%〜200%の範囲内)であった場合には、NOx濃度の検出精度を「A」と判定した。測定されたポンプ電流Ip2の値が、第1許容範囲外であった場合には、NOx濃度の検出精度を「B」と判定した。
上述した検出精度の評価試験と同様に、実験例1のガスセンサを配管に取りつけ、ヒータ72に通電した。次に、自動車のガソリンエンジンを上述した検出精度の評価試験と同じ条件で運転し、且つ基準ガス調整ポンプセル90のみを動作させた。この状態を20分間維持して、その間の電圧Vrefを測定し、最小電圧Vrefminが所定の閾値未満になったか否かを調べた。閾値は、最小電圧Vrefminの測定開始時の値の70%とした。そして、最小電圧Vrefminが20分間経過しても閾値未満にならなかった場合には、酸素の汲み入れ量を「A」と判定した。最小電圧Vrefminが20分経過前に閾値未満になった場合には、酸素の汲み入れ量を「B」と判定した。実験例2〜22についても同様にして最小電圧Vrefminを測定して評価を行った。ここで、基準ガス調整ポンプセル90が動作すると、制御電流Ip3が流れて酸素を汲み入れることで、排ガスが空間149内に侵入したことによる基準電極42の周囲の酸素濃度の低下を補っている。一方、基準電極42の酸素濃度が低下するほど、外側ポンプ電極23と基準電極42との酸素濃度差が小さくなって電圧Vref*が小さくなるため、最小電圧Vrefminも小さくなる。そのため、時間経過に伴う最小電圧Vrefminの低下の速度が速い場合は、基準ガス調整ポンプセル90による酸素の汲み入れ量が不足しており酸素濃度の低下を補う効果が不十分であることを意味する。実験例1〜22の各々の酸素の汲み入れ量の評価結果を、上記の表1に示した。
Claims (5)
- 酸素イオン伝導性の固体電解質層を複数積層してなり、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた積層体と、
前記積層体の内部に形成され、前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスが導入される基準電極と、
前記被測定ガス流通部の内周面上に配設された測定電極と、
前記積層体のうち前記被測定ガスに晒される部分に配設された被測定ガス側電極と、
前記基準電極の周囲に前記基準ガスを導入する基準ガス導入部と、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に繰り返しオンオフされる制御電圧を印加して、前記基準電極の周囲に酸素の汲み入れを行う基準ガス調整手段と、
前記制御電圧のオンによって生じ前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電位差の大きい第1期間と、前記制御電圧のオフによって生じ前記第1期間から前記電位差が立ち下がった後の第2期間とのうち、該第2期間中に、前記基準電極と前記測定電極との間の電圧に基づいて前記被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出手段と、
を備え、
下記式(1)を満たす、
ガスセンサ。
Tf≦T2 (1)
(ただし、
Tfは、前記第1期間と前記第2期間との間の前記電位差の立ち下がり時間[msec]、
T2は、前記第2期間の長さである第2時間[msec]) - 前記制御電圧によって前記基準電極に流れるピーク電流Ip3maxが10μA以上である、
請求項1に記載のガスセンサ。 - 前記第2時間T2が10msec以下である、
請求項1又は2に記載のガスセンサ。 - 前記立ち下がり時間Tfが3msec以下である、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 下記式(2)で導出される立ち下がり時残留電圧DVref10が55mV以下である、
請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスセンサ。
DVref10=(Vref2−Vref1)×0.1+Vref1−Vref0 (2)
(ただし、
Vref0は、大気中に前記積層体を配置し且つ前記制御電圧を印加しない状態における前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電圧[mV]、
Vref1は、大気中に前記積層体を配置し且つ前記制御電圧のオンオフを繰り返した状態における前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電圧の最小値[mV]、
Vref2は、大気中に前記積層体を配置し且つ前記制御電圧のオンオフを繰り返した状態における前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の電圧の最大値[mV])
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