JP7071951B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
イオン伝導性を有する固体電解質体(21)、前記固体電解質体の第1表面(201)に設けられて検出対象ガス(G)に晒される複数の検出電極(22,22A,22B)、及び前記固体電解質体の第2表面(202)における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極(23,23A,23B)を有するセンサ素子部(2)と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、アンモニアガス濃度及び酸素濃度に基づく混成電位を検出する検出部(51)と、を備え、
複数の前記検出電極は、温度変化に対する感度特性が互いに異なるとともに、互いに電気接続されており、
複数の前記検出電極の目標作動温度は、350℃~550℃の温度範囲内の特定の温度として設定されており、
前記検出部は、複数の前記検出電極による、感度特性が平均化された状態の混成電位を検出するよう構成されている、ガスセンサ(1)にある。
<実施形態1>
本形態のガスセンサ1は、図1~図3に示すように、センサ素子部2及び検出部51を備える。センサ素子部2は、イオン伝導性を有する固体電解質体21と、固体電解質体21の第1表面201に設けられて検出対象ガスGに晒される複数の検出電極22と、固体電解質体21の第2表面202における、複数の検出電極22に対向する位置に設けられた基準電極23とを有する。
(内燃機関7)
図4に示すように、ガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)7の排気管71に配置されて使用される。ガスセンサ1による検出対象ガスGは、内燃機関7から排気管71へ排気された排ガスである。そして、ガスセンサ1は、排気管71内に配置された、NOxを還元する触媒72の排ガスの流れの下流側の位置に配置されており、触媒72から流出するアンモニアガスの濃度を検出する。
図1に示すように、本形態のガスセンサ1は、混成電位式のものである。そして、ガスセンサ1は、特定ガス成分濃度としてのアンモニアガス濃度、及び酸素ガス濃度に基づく混成電位を検出し、この混成電位を酸素ガス濃度によって補正して、アンモニアガス濃度を検出するものである。検出部51においては、酸素の電気化学的還元反応(以下、単に還元反応という。)による還元電流と、アンモニアの電気化学的酸化反応(以下、単に酸化反応という。)による酸化電流とが等しくなるときに生じる、複数の検出電極22と基準電極23との間の電位差ΔVを混成電位として検出するよう構成されている。
図1に示すように、排気管71には、NOxを還元するための触媒72と、触媒72へアンモニアを含む還元剤Kを供給する還元剤供給装置73とが配置されている。触媒72は、触媒担体に、NOxの還元剤Kとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒72の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、NOxの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置73から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置73は、排気管71における、触媒72よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアガスを排気管71へ供給するものである。アンモニアガスは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置73には、尿素水のタンク731が接続されている。
図1~図3に示すように、センサ素子部2は、複数の検出電極22及び基準電極23が設けられた固体電解質体21と、発熱体41が埋設された絶縁体3とが積層されて形成されている。センサ素子部2は、長尺形状に形成されている。センサ素子部2の長手方向Xの先端側X1の部位は、ガスセンサ1を構成するカバー内に収容された状態で、排気管71内に配置される。センサ素子部2においては、長手方向Xに直交して固体電解質体21と絶縁体3とが積層された方向を積層方向Dといい、長手方向X及び積層方向Dの両方に直交する方向を幅方向Wという。
図1~図3に示すように、固体電解質体21は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。ジルコニア材料には、イットリア(酸化イットリウム)等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いることができる。
図1~図3に示すように、検出電極22は、固体電解質体21における、酸素及びアンモニアが含まれる検出対象ガスGに晒される第1表面201に設けられている。検出電極22は、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体21と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。検出電極22を構成する貴金属には、金(Au)、白金(Pt)-金合金、白金-パラジウム合金、パラジウム-金合金等を用いることができる。また、検出電極22は、貴金属及びジルコニア材料の他に、あるいは貴金属に代えて、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物(ペロブスカイト型酸化物)を含有していてもよい。複数の検出電極22における、貴金属、金属酸化物又はペロブスカイト型酸化物の含有量が互いに異なることにより、複数の検出電極22の温度変化に対する感度特性を異ならせることができる。
図1~図3に示すように、基準電極23は、固体電解質体21における、第1表面201とは反対側の第2表面202に設けられている。第2表面202及び第2表面202に設けられた基準電極23は、基準ガスAとしての大気に晒されている。基準電極23は、酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体21と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。基準電極23を構成する貴金属には、白金(Pt)等を用いることができる。
図1~図3に示すように、絶縁体3は、基準ガスダクト24を形成する切欠き部が設けられたスペーサ絶縁体部31と、発熱体41が埋設されたヒータ絶縁体部32とによって形成されている。絶縁体3は、アルミナ等の絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。基準ガスダクト24は、基準電極23が配置された位置から長手方向Xの基端側X2の位置まで形成されている。基準ガスダクト24内には、長手方向Xの基端側X2の位置に形成された開口部241から基準ガスAとしての大気が導入される。
図1~図3に示すように、絶縁体3のヒータ絶縁体部32には、通電によって発熱する発熱体41が埋設されている。発熱体41は、発熱部411と、発熱部411に繋がる発熱体リード部412とによって形成されている。発熱部411は、検出電極22及び基準電極23に積層方向Dにおいて対向する位置に配置されている。発熱体41には、発熱体41に通電を行うための通電制御部52が接続されている。通電制御部52は、発熱体41に、PWM(パルス幅変調)制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。通電制御部52は、センサ制御ユニット5内に形成されている。
図1及び図3に示すように、ガスセンサ1の検出部51は、検出電極22と基準電極23との間に生じる混成電位としての電位差(電圧)ΔVに基づいて、検出対象ガスGにおけるアンモニア濃度を検出する。図8に示すように、検出部51は、検出電極22における、酸素の還元反応による還元電流とアンモニアの酸化反応による酸化電流とが等しくなるときに生じる、検出電極22と基準電極23との間の電位差ΔVを検出する。検出電極22と基準電極23との間に生じる電位差ΔVは、アンモニア及び酸素が含まれる検出対象ガスGによって検出電極22に生じる混成電位を示す。
図11に示すように、温度変化に対する検出電極22における感度特性は、検出電極22のガス感度として、検出部51によって検出される混成電位の出力が最大になる最大出力温度Tmaxによって示される。混成電位に対する検出電極22のガス感度は、センサ素子部2の温度、換言すれば、検出電極22の温度の変化を受けて変化する。検出電極22のガス感度は、最大出力温度Tmaxにおいて最大になるとともに、最大出力温度Tmaxから離れるほど小さくなる。そして、検出電極22のガス感度は、山形状のグラフによって表される。
本形態のガスセンサ1は、アンモニア濃度及び酸素濃度に基づく混成電位を検出するものであり、混成電位を検出するための検出電極22を2つ有するものである。そして、2つの検出電極22は、温度変化に対する感度特性としての最大出力温度Tmaxが異なるとともに、検出部51においては1つの信号線として互いに電気接続されている。
本形態は、図13及び図14に示すように、複数の検出電極22が、固体電解質体21における長手方向Xに並ぶ状態で配置された場合について示す。センサ素子部2においては、発熱体41の発熱部411の発熱中心Oが長手方向Xのいずれかの位置に存在し、センサ素子部2における長手方向Xにおいては、発熱中心Oから離れるほど温度が低くなるといった山形状の温度勾配が存在する。
本形態は、図16及び図17に示すように、複数の検出電極22A,22Bが直列接続された場合について示す。この場合には、いずれかの検出電極22Bといずれかの基準電極23Aとが、固体電解質体21を貫通するスルーホール211を介して電気接続される。本形態においては、固体電解質体21の第1表面201には2つの検出電極22A,22Bが設けられており、固体電解質体21の第2表面202には2つの基準電極23A,23Bが設けられている。
2 センサ素子部
21 固体電解質体
22 検出電極
23 基準電極
51 検出部
Claims (6)
- イオン伝導性を有する固体電解質体(21)、前記固体電解質体の第1表面(201)に設けられて検出対象ガス(G)に晒される複数の検出電極(22,22A,22B)、及び前記固体電解質体の第2表面(202)における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極(23,23A,23B)を有するセンサ素子部(2)と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、アンモニアガス濃度及び酸素濃度に基づく混成電位を検出する検出部(51)と、を備え、
複数の前記検出電極は、温度変化に対する感度特性が互いに異なるとともに、互いに電気接続されており、
複数の前記検出電極の目標作動温度は、350℃~550℃の温度範囲内の特定の温度として設定されており、
前記検出部は、複数の前記検出電極による、感度特性が平均化された状態の混成電位を検出するよう構成されている、ガスセンサ(1)。 - 複数の前記検出電極における感度特性は、前記検出部によって検出される混成電位の出力が最大になる最大出力温度(Tmax)によって示され、
複数の前記検出電極における前記最大出力温度は互いに異なっている、請求項1に記載のガスセンサ。 - 前記センサ素子部は、前記固体電解質体に積層されて、前記固体電解質体、複数の前記検出電極及び前記基準電極を加熱する発熱体(41)をさらに有し、
複数の前記検出電極は、前記固体電解質体の長手方向(X)に並ぶ状態で配置されており、
複数の前記検出電極のうちの前記最大出力温度が最も高い検出電極の中心(Oa)が、前記発熱体の発熱部(411)の発熱中心(O)の最も近くに位置する、請求項2に記載のガスセンサ。 - 複数の前記検出電極は、所定の隙間(S)を空けて設けられており、
前記固体電解質体の第1表面には、複数の前記検出電極を並列の状態で電気接続するリード部(221)が設けられている、請求項1~3のいずれか1項に記載のガスセンサ。 - 前記リード部は、前記固体電解質体の長手方向(X)の基端側(X2)の位置から1本で形成され、前記長手方向の途中の位置において2つに分岐して形成されている、請求項4に記載のガスセンサ。
- 複数の前記検出電極は、前記固体電解質体の長手方向(X)に並ぶ状態で配置されている、請求項1~5のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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