JP2000283959A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸素濃度や窒素酸化物濃度を従来よりも正確
に測定できるガスセンサを供給すること。 【解決手段】 ＮＯｘセンサ１の第１測定室１７内に
は、白金と酸化ジルコニウム粉末を混合して多孔質化し
たサーメット多孔質体からなる導電性多孔質層２９が設
けられている。導電性多孔質層２９は、第１測定室１７
内にある第１酸素ポンプセル１１の多孔質電極１１ｃに
電気的に接続されている。第１拡散孔２１を介して流入
する被測定ガスは、もれなく導電性多孔質層２９の内部
を通過して第１測定室１７内へ到達する。このような導
電性多孔質層２９を設けると、第１酸素ポンプセル１１
のポンピング能力が、第１測定室１７の壁面に多孔質電
極１１ｃのみを備えているものに比べて格段に高くな
り、第２測定室１９への酸素の流入を抑制できるので、
窒素酸化物濃度を正確に測定できるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定ガスとは区
分された小室内に被測定ガスを導入し、被測定ガスから
酸素をポンピングすることで、被測定ガス中の酸素、含
酸素ガス濃度あるいは還元性ガス濃度を測定するガスセ
ンサに関する。

【０００２】従来、被測定ガス中の酸素濃度を測定する
ための酸素センサとしては、例えば、特願平８−２１７
８１５号公報に記載されたものが知られている。あるい
は、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を測定する為のＮＯ
ｘセンサとして、例えば、特開平８−２７１４７６号公
報に記載されたものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の酸素センサやＮＯｘセンサにおいては、酸素分圧基
準セルからの出力電圧によって第１室内の酸素濃度を検
出して、第１の酸素ポンピング手段を制御しているにも
関わらず、第１室内の酸素濃度が正確に目標値にならな
いことがあった。

【０００４】そして、それによって正確に酸素濃度が測
定できなくなったり、ＮＯｘセンサにおいては第２酸素
ポンプセルに流れる電流値が、理論値よりも大きな値に
なってしまい、その為、正確にＮＯｘの測定が出来ない
と言う問題が有った。本発明は、上記問題を解決するた
めに為されたものであり、その目的は、酸素濃度や窒素
酸化物濃度を従来よりも正確に測定できるガスセンサを
供給することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段、および発明の効果】上記
目的を達成するため、発明者は、第１室内で正確に酸素
濃度が制御できない原因について検討した。そして、そ
の原因が第１酸素ポンプセルが第１室の壁面に形成され
ているため、室内の酸素を十分にポンピングするだけの
能力がないことにある事を見出した。第１酸素ポンプセ
ルでポンピングされない酸素は、例えば酸素センサにお
いては第１拡散律速部を介して外部に逃げてしまった
り、ＮＯｘセンサにおいては第２拡散律速部を介して第
２室に流れ込んで、正確な測定を不可能にする。

【０００６】そこで、発明者は第１室内の酸素をより確
実に第１室外へ汲み出す手段について種々検討を重ね
た。その結果上記請求項１に記載の構成を備えたガスセ
ンサに想到し、所期の目的を達した。この発明の多孔質
体はガスを通過させる多孔質のものであれば何でも良い
が、白金又はロジウムあるいはそれらの合金の多孔質体
とすることが出来る。白金又はロジウムは酸素をイオン
化する触媒能力及び電気伝導性に優れているのはもちろ
んのこと、その他の物理的耐久性、化学的耐久性にも優
れているので望ましい。また、機械的強度などを向上さ
せるために合金化することも出来る。

【０００７】この様に構成されたガスセンサにおいて
は、多孔質体はポンピング手段の一部として機能する。
即ち、第１の酸素ポンピング手段に外部から電圧が印加
された場合には、多孔質体全体において、酸素をポンピ
ングするように機能する。具体的には、第１の拡散律速
部を介して第１室の空間部に向かって被測定ガスが流れ
ると、被測定ガス中の酸素は必ず多孔質体と接触するこ
とになり、それによって被測定ガス中の酸素がイオン化
する。そして、イオン化した酸素は第１の酸素ポンピン
グ手段によって第１室の外にポンプアウトされる。

【０００８】特に、第１室内へ流入する被測定ガスが、
大きな内部表面積を有する導電性多孔質体内を通過する
ように構成されているので、第１酸素ポンプセルの電極
表面付近を被測定ガスが通過するように構成された従来
品に比べ、酸素のイオン化に関与する表面積が著しく増
大する。そのため、その分だけイオン化することなく通
過してしまう酸素の量が減少する。

【０００９】その結果、第１室の空間部へ流入する被測
定ガス中の酸素濃度は非常に精度良く酸素分圧が制御さ
れる。その為、酸素センサにおいては被測定ガス中の酸
素濃度を測定することが出来、ＮＯｘセンサにおいて
は、第２室に流入する酸素を低減できるので、正確にＮ
Ｏｘを測定できるようになる。また、還元性ガスセンサ
などの堤合にも第２室において正確に酸素濃度をコント
ロールできるので、精度良くＨＣなどの還元性ガスを測
定することが出来る。

【００１０】なお、多孔質体としては白金又はロジウム
著しくはそれら合金と酸素イオン伝導性を有する固体電
解質体を用いて構成しても良い。固体電解質体としては
酸素ポンピング能力を有する酸化ジルコニウムなどを用
いることが出来る。この様に固体電解質体を混合するこ
とによって、多孔質体の部分における酸素イオンの移動
が多孔質体表面の移動だけでなく多孔質体を構成する固
体電解質体の内部を経由することも出来るので、更にポ
ンピング能力を向上させることが出来る。また、固体電
解質体を多孔質体の骨材にすることによって、白金やロ
ジウムは触媒として担持させることもできる。

【００１１】また、触媒中に金を含有させることもでき
る。ＮＯｘセンサの場合、ＮＯの解離は酸素と同じくら
い起きやすいので、第１室で酸素だけをポンピングしよ
うとしてもＮＯも同時に解離してしまうため、第２室で
のＮＯの測定に影響を与えてしまうことが多かった。し
かし、上述の様に金を含有させることでＮＯに対する触
媒能力だけを落とした触媒とすることができるので、Ｎ
Ｏｘの測定精度を向上させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
一例を挙げて説明する。図１に示すように、ＮＯｘセン
サ１は、第１酸素ポンプセル１１、酸素分圧基準セル１
３、および第２酸素ポンプセル１５を積層した構造にな
っている。また、第１酸素ポンプセル１１と酸素分圧基
準セル１３との間には、第１室１７が形成され、酸素分
圧基準セル１３と第２酸素ポンプセル１５との間には、
第２室１９が形成されている。そして、第１室１７は、
第１拡散孔２１を介して被測定ガス側に連通し、第２拡
散孔２３を介して第２室１９に連通している。また、上
記各部を加熱するために一対のヒータ２５，２７を備え
ている。さらに、このＮＯｘセンサ１における特徴的な
構成として、第１拡散孔２１から第１室１７にかけての
流路内には、導電性多孔質層２９が設けられている。

【００１３】これらの内、第１酸素ポンプセル１１は、
酸素イオン伝導性のある固体電解質層１１ａの表裏各面
に一対の多孔質電極１１ｂ，１１ｃを形成したものであ
る。酸素分圧基準セル１３は、酸素イオン伝導性のある
固体電解質層１３ａの表裏各面に一対の多孔質電極１３
ｂ，１３ｃを形成したものである。第２酸素ポンプセル
１５は、酸素イオン伝導性のある固体電解質層１５ａの
一方の面に一対の多孔質電極１５ｂ，１５ｃを形成した
ものである。

【００１４】第１室１７は、第１室１７となる穴が打ち
抜かれた絶縁層３１を、第１酸素ポンプセル１１と酸素
分圧基準セル１３との間に挟み込んで形成されている。
第２室１９は、第２室１９となる穴が打ち抜かれた絶縁
層３３を、酸素分圧基準セル１３と第２酸素ポンプセル
１５との間に挟み込んで形成されている。

【００１５】第１拡散孔２１は、絶縁層３１の一部に、
ガスの流入を制限する拡散律速層として機能する多孔質
体を埋め込んで形成されたものである。第２拡散孔２３
は、固体電解質層１３ａの一部に、同じく拡散律速層と
して機能する多孔質体を埋め込んで形成されたものであ
る。

【００１６】ヒータ２５は、図示しないスペーサを介在
させて第１酸素ポンプセル１１に直接接触しない状態に
配置され、ヒータ２７も図示しないスペーサを介在させ
て第１酸素ポンプセル１１に直接接触しない状態に配置
されている。導電性多孔質層２９は、白金と酸化ジルコ
ニウム粉末を混合して多孔質化したサーメット多孔質体
であり、白金には重量比にして０．５外重量％の金が添
加されている。この導電性多孔質層２９は、酸素のイオ
ン化を促す触媒能力及び電気伝導性を有し、第１室１７
内にある第１酸素ポンプセル１１の多孔質電極１１ｃに
電気的に接続されている。そして、第１拡散孔２１を介
して流入する被測定ガスは、もれなく導電性多孔質層２
９の内部を通過して第１室１７内へ到達するようになっ
ている。

【００１７】このように構成されたＮＯｘセンサ１によ
って窒素酸化物濃度を測定する際には、ＮＯｘセンサ１
が目標温度を維持するようにヒータ２５，２７に与える
電力が制御される。また、ＮＯ（一酸化窒素）を分解さ
せる程度の電圧が第１酸素ポンプセル１１に印加され
る。この時、酸素分圧基準セル１３からの出力電圧が一
定値となるように第１酸素ポンプセル１１に印加する電
圧がフィードバック制御され、第１酸素ポンプセル１１
の電極間には第１ポンプ電流Ｉｐ１が流れる。また、窒
素酸化物を分解させる程度の電圧が第２酸素ポンプセル
１５に印加され、第２酸素ポンプセル１５の電極間には
第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れる。

【００１８】この状態において、被測定ガスは、外部か
ら第１拡散孔２１を介してＮＯｘセンサ１の内部へと流
入し、導電性多孔質層２９の内部を通過して第１室１７
内へ到達する。その際、導電性多孔質層２９は、多孔質
電極１１ｃに電気的に接続されているため、第１酸素ポ
ンプセル１１の負極の一部として機能することになる。
そのため、被測定ガス中の酸素は、導電性多孔質層２９
の内部表面に接触することによってイオン化し、その酸
素イオンが導電性多孔質層２９の細孔を伝って固体電解
質層１１ａに至り、第１酸素ポンプセル１１の作用で第
１室１７外へと汲み出される。

【００１９】その結果、被測定ガス中の酸素は、導電性
多孔質層２９を通過する間に大部分が汲み出されてしま
うことになり、第２室１９へ流入する被測定ガス中に
は、酸素がほとんど存在しなくなる。すなわち、第１酸
素ポンプセル１１のポンピング能力が、第１室１７の壁
面に多孔質電極１１ｃのみを備えているものに比べて格
段に高くなる。

【００２０】したがって、第２酸素ポンプセル１５の電
極間に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値は、第２室
１９へ流入した窒素酸化物濃度をより正確に反映した電
流値となり、従来以上に窒素酸化物濃度の測定精度が高
くなる。このように、上記ＮＯｘセンサ１によれば、導
電性多孔質層２９が、第１拡散孔２１から第１室１７に
かけての流路内に設けられて、第１室１７内にある第１
酸素ポンプセル１１の多孔質電極１１ｃに電気的に接続
され、第１室１７内へ流入するガスが導電性多孔質層２
９内を通過するように構成されている。そのため、第１
酸素ポンプセル１１のポンピング能力が高くなって、第
２室１９へ到達する酸素がほとんど存在しなくなる。そ
の結果、第２酸素ポンプセル１５の電極間に流れる第２
ポンプ電流Ｉｐ２の電流値は、第２室１９へ流入した窒
素酸化物濃度をより正確に反映した値となり、従来以上
に窒素酸化物濃度の測定精度が高くなる。

【００２１】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明の実施形態については上記のもの以外にも種
々の具体的形態が考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態として説明したＮＯｘセン
サの概略構成を表わす従断面図である。

【符号の説明】

１・・・ＮＯｘセンサ、１１・・・第１酸素ポンプセ
ル、１３・・・酸素分圧基準セル、１５・・・第２酸素
ポンプセル、１７・・・第１室、１９・・・第２室、２
１・・・第１拡散孔、２３・・・第２拡散孔、２５，２
７・・・ヒータ、２９・・・導電性多孔質層。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の拡散律速部を介して被測定ガスに連
   通する第１室を有し、 前記第１室には、該第１室内の酸素を汲み出しあるいは
   汲み入れる第１の酸素ポンピング手段が設けられたガス
   センサであって、 前記第１室内には多孔質体などで充填されていない空間
   部と、多孔質体によって充填された多孔質部が存在し、 前記多孔質部は前記第１の拡散律速部から前記空間部を
   繋ぐ経路の少なくとも一部を充填する様に設けられた多
   孔質体からなり、 該多孔質体は電気伝導性を有し、且つ酸素のイオン化を
   促す触媒を有し、 前記第１のポンピング手段は前記多孔質体と電気的に導
   通している事を特徴とするガスセンサ。
2. 【請求項２】前記触媒は、少なくとも白金又はロジウム
   を含むことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
3. 【請求項３】前記触媒は、金を含有していることを特徴
   とする請求項１記載のガスセンサ。
4. 【請求項４】前記多孔質体は、白金又はロジウム若しく
   はそれらの合金の多孔質体からなることを特徴とする請
   求項１記載のガスセンサ。
5. 【請求項５】前記多孔質体は、白金又はロジウム若しく
   はそれらの合金と酸素イオン伝導性を有する固体電解質
   体を含むことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
6. 【請求項６】前記第１室に対して、第２の拡散律速部を
   介して連通する第２室を有し、 該第２室には、被測定ガス中の検出ガスを検出する検出
   手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の
   ガスセンサ。