JP4532001B2

JP4532001B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP4532001B2
Application number: JP2001052975A
Authority: JP
Inventors: 真治熊澤; 雄二大井; 暢博早川; 峰次那須; 宏治塩谷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: JP2002257777A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス等に含まれる窒化酸化物等のガスを測定するための、酸素イオン伝導性固体電解質を用いたガスセンサに関する。更に詳しくは、ガスセンサを短時間で使用可能にするとともに、酸素イオン伝導性固体電解質及び制御回路等のの破壊を防ぐガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素酸化物の濃度を検出するためのガスセンサとして、酸素イオン伝導性固体電解質層に電極を設けた酸素イオンポンプセルを２基使用したガスセンサがある。このガスセンサは被測定ガスを、図１に示すガスセンサ素子の第１拡散通路４１を介して第１測定室２１に導入し、且つ、第１測定室２１の第１電極３１１、３１２に電圧を印加して、第２測定室２２入り口の酸素濃度を一定にするように酸素を素子外へ汲み出す。尚、この汲み出しによって一酸化窒素等の窒化酸化物も幾らか分解される。
【０００３】
更に、第２測定室２２の第２電極３２１、３２２に電圧を印加して、第１測定室２１の被測定ガスが第２拡散通路４２を介して流入する第２測定室２２内の酸素を汲み出すとともに、窒化酸化物を分解する。このとき、第２測定室２２の第２電極３２１、３２２に流れる電流Ｉp2は、窒化酸化物の濃度に比例する。このため、電流Ｉp2から窒化酸化物濃度を算出するとともに、第１測定室２１の第１電極３１１、３１２に流れる電流Ｉp1を用いた補正を行うことで、正確な窒化酸化物濃度を求めることができる。
【０００４】
また、このセンサ素子は酸素イオン伝導性固体電解質を用いているため、この固体電解質が電解質として機能する温度域（例えば５００〜９００℃）で使用することが必要であり、温度域以外に電位差がある場合は、無理にポンプとして機能しようとした結果、素子破壊が起きる場合があった。このため、昇温中は素子破壊を防ぐために、第２電極３２１、３２２に電圧を印加しないことで、電位差を生じないようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第２電極３２１、３２２に電圧を印加することなく昇温を行うと、自然に生じた電位差によって第２測定室２２側に酸素が汲みこまれる場合があり、昇温後、酸素を余分に汲み出す必要が生じて、使用できない時間が増えることがあった。
本発明は、このような問題点を解決するものであり、昇温中に第２測定室へ酸素が汲みこまれることがなく、短時間で使用可能となり、素子破壊が起きることがないガスセンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のガスセンサは、拡散通路を介して測定ガスを拡散できる少なくとも１つの測定室と、該測定室に面して酸素イオン伝導性固体電解質体からなる少なくとも１つのポンプセルを具備し、該ポンプセルに電流を流すことで酸素を測定室内外へポンピングし、その時に流れる電流値から測定ガス中の被検出ガス濃度を測定するガスセンサであって、該ポンプセルに流れる電流を該測定室内から酸素を汲み出す方向に流し、該方向とは逆の方向に流れる電流を抑制する逆電流抑制手段を備え、上記ポンプセルがポンピング可能である活性状態にあるかを判定する判定手段を備え、上記逆電流抑制手段は該判定手段の結果が未活性状態であれば上記測定室内へ酸素を汲み入れる方向に流れる電流を抑制することを特徴とする。
【０００９】
また、本ガスセンサは、拡散通路を介して測定ガスを拡散できる第１及び第２測定室と、該第１及び第２測定室に面して酸素イオン伝導性固体電解質体からなる第１及び第２ポンプセルを具備し、該第１ポンプセルは該第１測定室に面し、該第２ポンプセルは該第２測定室に面し、該第１測定室は拡散抵抗下で周囲の測定ガスと連通し、該第２測定室は拡散抵抗下で該第１測定室と連通し、該第１ポンプセルによって該第１測定室中の酸素濃度を制御することで、第２測定室に流入する酸素量を所定量に制御し、該第２ポンプセルによって該第２測定室中の酸素濃度を制御することで、該第２測定室に流入する被検出ガス濃度を測定するガスセンサであって、該第２ポンプセルに流れる電流を該第２測定室内から酸素を汲み出す方向に流し、該方向とは逆の方向に流れる電流を抑制する逆電流抑制手段を備え、上記第２ポンプセルがポンピング可能である活性状態にあるかを判定する判定手段を備え、上記逆電流抑制手段は該判定手段の結果が未活性状態であれば上記第２測定室内へ酸素を汲み入れる方向に流れる電流を抑制することを特徴とする。
【００１０】
上記「逆電流抑制手段」は、酸素イオン伝導性固体電解質体や制御回路の各素子に逆電流が流れ、素子破壊を防ぐ為の手段である。この手段は任意に選択することができる。つまり、上記逆電流抑制手段は、ダイオードとしたり、直流電源を用いることを挙げることができる。
また、トランジスタや電界効果トランジスタ等の制御素子としてもよいし、制御回路の各素子内に一体として備えることもできる。
また、上記直流電源の電圧は１０〜２００ｍＶ（特に２０〜１２０ｍＶ、更に好ましくは３０〜１００ｍＶ）が好ましい。電位の範囲が１０ｍＶ未満では、十分な抑止効果が得られず第２測定室に酸素が汲みこまれる恐れがあるし、２００ｍＶを超えると、無理に第２測定室から酸素を汲み出すほどの電位となって、固体電解質積層の破壊を起こす恐れが生じるからである。
【００１１】
更に、このようなガスセンサは、上記ポンプセルがポンピング可能である活性状態にあるかを判定する判定手段を備え、上記逆電流抑制手段は該判定手段の結果が未活性状態であれば上記逆の方向に流れる電流を抑制することができる。
この活性状態の判断は任意の方法で行うことができるが、動作可能温度未満であれば未活性状態とし、動作可能温度以上であれば活性状態とすることを例示できる。
尚、上記測定ガスは窒素酸化物等とすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガスセンサに関する実施例により本発明を更に詳しく説明する。本ガスセンサは、ガソリンエンジン等の内燃機関の排気管に接続され、排気ガス中の窒化酸化物ガス濃度を測定するために用いられる。
【００１３】
〔実施例１〕
本実施例１のガスセンサは、逆電流抑制手段にダイオードを用いたガスセンサである。本ガスセンサに用いられるガスセンサ素子は、図１に示すように、対向する２枚のヒータ６１、６２と、ヒータ６１、６２の間に設けられる、薄膜状ジルコニアからなる第１固体電解質層１１、第２固体電解質層１２及び第３固体電解質層１３を備える。また、各固体電解質層１１、１２、１３の間には、それぞれアルミナからなる絶縁層５１、５２が挟まれている。
第１固体電解質層１１及び第２固体電解質層１２の間には空隙とした第１測定室２１が設けられている。また、第２固体電解質層１２及び第３固体電解質層１３の間には、第２測定室２２と、絶縁層５２内に形成される基準酸素室２３とが設けられている。
更に、第１測定室２１は、連通孔を設けた絶縁層４１である第１拡散通路４１を介して外気に通じる。また、第２測定室２２は、第２固体電解質層１２に設けられた第２拡散通路４２を介して第１測定室２１に接続されている。
【００１４】
第１固体電解質層１１の表裏面上には第１電極（Ｐ1）が設けられており、第１ポンプセルとして機能する。このうち、陽極側である第１電極３１１（Ｐ1⁺）はヒータ６１側であり、陰極側である第１電極３１２（Ｐ1^-）は第１測定室２１内に位置する。
また、第３固体電解質層１３の表面上には第２電極（Ｐ2）が設けられており、第２ポンプセルとして機能する。このうち、陽極側である第２電極３２１（Ｐ2⁺）は基準酸素室２３内、陰極側である第２電極３２２（Ｐ2^-）は第２測定室２２内に位置する。
更に、第２固体電解質層１２の表裏面上には基準電極（Ｓ）が設けられている。このうち、陽極側である基準電極３３１（Ｓ⁺）は基準酸素室２３内、陰極側である基準電極３３２（Ｓ^-）は第１測定室２１内に位置する。
【００１５】
図２に本実施例１のガスセンサ素子の制御回路図を示す。第１電極３１２（Ｐ1^-）、第２電極３２２（Ｐ2^-）及び基準電極３３２（Ｓ^-）は互いに接続され、オペアンプ７１の入力側、ＰＩＤ（比例積分微分）素子７３の出力側に接続されている。
また、第１電極３１１（Ｐ1⁺）はオペアンプ７１の出力側に、第２電極３２１（Ｐ2⁺）は、逆電流抑制手段であるダイオード８を介してオペアンプ７２の出力側に、そして基準電極３３１（Ｓ⁺）はＰＩＤ７３の入力側に接続されている。
【００１６】
次いで、上記ガスセンサ素子及びその制御回路を用いたガスセンサの昇温時の動作を説明する。
各固体電解質層１１、１２、１３を活性化し、ガスセンサ素子を使用可能な温度域にするには、ヒータ６１、６２を通電し、ガスセンサ素子の温度が５００〜９００℃に達するまで加熱する。
【００１７】
ガスセンサ素子の昇温時に第２電極（Ｐ2）に電位を掛けないことで、第２測定室２２に酸素が汲みこまれるのを防止することができる。このため、活性後は早期に第２測定室２２の酸素濃度を低減させ、窒素酸化物濃度を求めることができる。更に、オペアンプ７２の出力先に逆電流抑制手段であるダイオード８を設けたため、第２測定室２２に酸素が汲みこむ方向に電流が流れるのを防止することができるとともに、オペアンプ７２の破壊を防止することができる。
【００１８】
尚、各固体電解質層１１、１２、１３が活性化し、使用可能な温度域に達した後は、第１電極（Ｐ1）、第２電極（Ｐ2）に通常の印加を行い、窒素酸化物濃度を求めることができる。また、第１電極（Ｐ1）３１１、３１２間では、４００ｍＶ程度の電位差があるため、窒素酸化物も２０〜３０％程度分解される。
【００１９】
〔実施例２〕
本実施例２のガスセンサは、逆電流抑制手段に定電圧電源を用いたガスセンサである。本ガスセンサに用いられるガスセンサ素子は図１に示すように、実施例１と同じ構成である。
【００２０】
図３に本実施例１のガスセンサ素子の制御回路図を示す。第１電極３１２（Ｐ1^-）、第２電極３２２（Ｐ2^-）及び基準電極３３２（Ｓ^-）は互いに接続され、オペアンプ７１の入力側、ＰＩＤ（比例積分微分）素子７３の出力側、及び定電圧電源８２の入力側に接続されている。
また、第１電極３１１（Ｐ1⁺）はオペアンプ７１の出力側に、第２電極３２１（Ｐ2⁺）は、定電圧電源８２及びオペアンプ７２の出力側に、そして基準電極３３１（Ｓ⁺）はＰＩＤ素子７３の入力側に接続されている。
【００２１】
次いで、上記ガスセンサ素子及びその制御回路を用いたガスセンサの昇温時の動作を説明する。
各固体電解質層１１、１２、１３を活性化し、ガスセンサ素子を使用可能な温度域にするには、ヒータ６１、６２を通電し、ガスセンサ素子の温度が５００〜９００℃に達するまで加熱する。
また、第２電極（Ｐ2）には、定電圧電源８２を用いて、酸素が該基準酸素室側へ移動する極性の電位を印加する。つまり、第２電極３２１（Ｐ2⁺）が正、第２電極３２２（Ｐ2^-）が負となるように、４０〜７０ｍＶの電位をかける。
【００２２】
ガスセンサ素子の昇温時に第２電極（Ｐ2）にポンピングが起きない程度の電位を掛けることで、第２電極（Ｐ2）間の電位によるポンプ作用が起きず、第２測定室２２に酸素が汲みこまれるのを防止することができる。このため、活性後は早期に第２測定室２２の酸素濃度を低減させ、窒素酸化物濃度を求めることができる。また、印加する電位は、酸素の汲み出しに必要な電位より低い２００ｍＶ以下の４０〜７０ｍＶであるため、実際には酸素の移動が抑制され、固体電解質の破壊を防止することができる。
【００２３】
〔実施例３〕
本実施例３のガスセンサは、第２ポンプセルの電圧印加用の電源自体を逆電流抑制手段として用いたガスセンサである。本ガスセンサに用いられるガスセンサ素子は図１に示すように、実施例１と同じ構成である。
【００２４】
図４に本実施例１のガスセンサ素子の制御回路図を示す。第１電極３１２（Ｐ1^-）、第２電極３２２（Ｐ2^-）及び基準電極３３２（Ｓ^-）は互いに接続され、オペアンプ７１の入力側、ＰＩＤ（比例積分微分）素子７３の出力側に接続されている。
また、第１電極３１１（Ｐ1⁺）はオペアンプ７１の出力側に、第２電極３２１（Ｐ2⁺）はオペアンプ７２の出力側に、そして基準電極３３１（Ｓ⁺）はＰＩＤ素子７３の入力側に接続されている。
【００２５】
次いで、上記ガスセンサ素子及びその制御回路を用いたガスセンサの昇温時の動作を説明する。
各固体電解質層１１、１２、１３を活性化し、ガスセンサ素子を使用可能な温度域にするには、ヒータ６１、６２を通電し、ガスセンサ素子の温度が５００〜９００℃に達するまで加熱する。
また、第２電極（Ｐ2）には、定電圧源Ｖｒｅｆ２及びオペアンプ７２を用いて、酸素が該基準酸素室側へ移動する極性の電位を印加する。つまり、第２電極３２１（Ｐ2⁺）が正、第２電極３２２（Ｐ2^-）が負となるように、４０〜７０ｍＶの電位をかける。
【００２６】
ガスセンサ素子の昇温時に第２電極（Ｐ2）にポンピングが起きない程度の電位を掛けることで、第２電極（Ｐ2）間の電位によるポンプ作用が起きず、第２測定室２２に酸素が汲みこまれるのを防止することができる。このため、活性後は早期に第２測定室２２の酸素濃度を低減させ、窒素酸化物濃度を求めることができる。また、印加する電位は、酸素の汲み出しに必要な電位より低い２００ｍＶ以下の４０〜７０ｍＶであるため、実際には酸素の移動が抑制され、固体電解質の破壊を防止することができる。
【００２７】
尚、本発明においては、上記実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した態様とすることができる。即ち、ガスセンサ素子の制御回路に用いられている逆電流抑制手段は、図２に示すダイオード８に限らず、任意の素子を用いることができる。また、オペアンプ７２内に一体として備えることができる。更に、必要に応じてオペアンプ７１及びＰＩＤ７３に逆電流抑制手段を設けることができる。また、本実施例で検知するガスの種類は、窒素酸化物ガスのみとしたが、電極Ｓを酸素濃度検出用として用い、酸素及び窒素酸化物ガス濃度を求めることができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のガスセンサによれば、ガスセンサ素子の昇温中に第２測定室に酸素が汲みこまれることが無く、短時間で使用可能にすることができる。また、ガスセンサ素子の素子破壊を防ぐことができる。更に、ガスセンサ素子昇温時に制御回路の破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のガスセンサに用いるガスセンサ素子の構造を説明するための断面図である。
【図２】本実施例１のガスセンサの制御回路を説明するための回路図である。
【図３】本実施例２のガスセンサの制御回路を説明するための回路図である。
【図４】本実施例２のガスセンサの制御回路を説明するための回路図である。
【符号の説明】
１１；第１固体電解質層、１２；第２固体電解質層、１３；第３固体電解質層、２１；第１測定室、２２；第２測定室、２３；基準酸素室、３１１；第１電極（Ｐ1⁺）、３１２；第１電極（Ｐ1^-）、３２１；第２電極（Ｐ2⁺）、３２２；第２電極（Ｐ2^-）、３３１；基準電極（Ｓ⁺）、３３２；基準電極（Ｓ^-）、４１；第１拡散通路、４２；第２拡散通路、５１、５２；絶縁層、６１、６２；ヒータ、７１、７２；オペアンプ、７３；ＰＩＤ素子、８１；ダイオード、８２；定電圧電源。

Claims

拡散通路を介して測定ガスを拡散できる少なくとも１つの測定室と、該測定室に面して酸素イオン伝導性固体電解質体からなる少なくとも１つのポンプセルを具備し、該ポンプセルに電流を流すことで酸素を測定室内外へポンピングし、その時に流れる電流値から測定ガス中の被検出ガス濃度を測定するガスセンサであって、
該ポンプセルに流れる電流を該測定室内から酸素を汲み出す方向に流し、該方向とは逆の方向に流れる電流を抑制する逆電流抑制手段を備え、
上記ポンプセルがポンピング可能である活性状態にあるかを判定する判定手段を備え、上記逆電流抑制手段は該判定手段の結果が未活性状態であれば上記測定室内へ酸素を汲み入れる方向に流れる電流を抑制することを特徴とするガスセンサ。
拡散通路を介して測定ガスを拡散できる第１及び第２測定室と、該第１及び第２測定室に面して酸素イオン伝導性固体電解質体からなる第１及び第２ポンプセルを具備し、
該第１ポンプセルは該第１測定室に面し、該第２ポンプセルは該第２測定室に面し、該第１測定室は拡散抵抗下で周囲の測定ガスと連通し、該第２測定室は拡散抵抗下で該第１測定室と連通し、該第１ポンプセルによって該第１測定室中の酸素濃度を制御することで、第２測定室に流入する酸素量を所定量に制御し、該第２ポンプセルによって該第２測定室中の酸素濃度を制御することで、該第２測定室に流入する被検出ガス濃度を測定するガスセンサであって、
該第２ポンプセルに流れる電流を該第２測定室内から酸素を汲み出す方向に流し、該方向とは逆の方向に流れる電流を抑制する逆電流抑制手段を備え、
上記第２ポンプセルがポンピング可能である活性状態にあるかを判定する判定手段を備え、上記逆電流抑制手段は該判定手段の結果が未活性状態であれば上記第２測定室内へ酸素を汲み入れる方向に流れる電流を抑制することを特徴とするガスセンサ。
上記逆電流抑制手段は、ダイオードである請求項１又は２記載のガスセンサ。
上記逆電流抑制手段は、直流電源である請求項１又は２記載のガスセンサ。
上記直流電源の電圧は１０〜２００ｍＶである請求項４記載のガスセンサ。
上記測定ガスは窒素酸化物である請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ。