JP2022153759A - Sensor element and gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサ素子及びガスセンサに関する。 The present invention relates to sensor elements and gas sensors.
従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOxやアンモニアなどの複数の成分の濃度を検出するガスセンサが知られている。例えば、特許文献1には、酸素イオン伝導性の固体電解質層からなる構造体と、混成電位電極と、主ポンプ電極と、測定電極と、基準電極と、を備えたガスセンサが記載されている。構造体には、被測定ガスが導入されるガス導入口と、ガス導入口に連通した予備空室,酸素濃度調整室及び測定空室が形成されている。予備空室には混成電位電極が配設され、酸素濃度調整室には主ポンプ電極が配設され、測定空室には測定電極が配設されている。このガスセンサでは、主ポンプ電極の電圧に基づいて酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御し、測定電極のポンプ電流に基づいて測定空室内のNO濃度を測定する。また、混成電位電極の混成電位に基づいてアンモニア濃度を測定する。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a gas sensor that detects concentrations of multiple components such as NOx and ammonia in a gas to be measured such as automobile exhaust gas. For example,
ところで、このようなガスセンサにおいて、NOxなどの酸化物ガス濃度の検出精度及びアンモニア濃度の検出精度をより高めたいという要望があり、そのためにセンサ素子が備える複数の電極の配置をより適切にすることが望まれていた。また、測定電極の位置によっては酸化物ガス濃度の検出の応答性が低下する場合があり、そのような応答性の低下も抑制したいという要望があった。 By the way, in such a gas sensor, there is a demand for improving the detection accuracy of oxide gas concentration such as NOx and the detection accuracy of ammonia concentration. was desired. In addition, depending on the position of the measurement electrode, the responsiveness of detecting the oxide gas concentration may be lowered, and there has been a demand to suppress such a decrease in responsiveness.
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出し且つ酸化物ガス濃度の検出の応答性の低下を抑制することを主目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems, and is capable of accurately detecting a specific oxide gas concentration and ammonia concentration in a gas to be measured, and preventing a decrease in responsiveness in detecting the oxide gas concentration. The main purpose is to suppress
本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。 The present invention employs the following means in order to achieve the above main object.
本発明のセンサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、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、長手方向を有する素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室に配設された調整用ポンプ電極を有し、該酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた測定室の内周面上に配設され、前記被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度を検出するための測定電極と、
前記素子本体に配設された検知電極を有し、前記被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた起電力を発生させる混成電位セルと、
前記素子本体を加熱するヒータと、
を備え、
前記素子本体の前記長手方向を前後方向として、前記調整用ポンプ電極及び前記測定電極は、前記素子本体のうちの前側に配設されており、
前記検知電極は、前記素子本体のうち前記調整用ポンプ電極よりも前方に配設されており、
前記検知電極,前記調整用ポンプ電極,及び前記ヒータは、前記ヒータにより加熱されたときに前記調整用ポンプ電極の方が前記検知電極よりも高温になるように配置され、
前記検知電極と前記調整用ポンプ電極との前記前後方向の距離Aが1mm以上であり、
前記被測定ガス流通部の入口であるガス導入口から前記測定電極までの前記前後方向の距離Lが13mm以下である、
ものである。
The sensor element of the present invention is
an element main body having an oxygen ion-conducting solid electrolyte layer, a measuring gas flow section for introducing and circulating a measuring gas, and having a longitudinal direction;
an adjustment pump cell having an adjustment pump electrode disposed in the oxygen concentration adjustment chamber of the gas flow portion to be measured, and adjusting the oxygen concentration in the oxygen concentration adjustment chamber;
A sensor for detecting a concentration of a specific oxide gas in the gas to be measured, disposed on the inner peripheral surface of a measurement chamber provided downstream of the oxygen concentration adjustment chamber in the gas flow section to be measured. a measuring electrode;
a mixed potential cell having a detection electrode disposed on the element body and generating an electromotive force corresponding to the concentration of ammonia in the gas to be measured;
a heater for heating the element body;
with
With the longitudinal direction of the element body as the front-rear direction, the adjustment pump electrode and the measurement electrode are disposed on the front side of the element body,
The detection electrode is disposed in front of the adjustment pump electrode in the element body,
The detection electrode, the adjustment pump electrode, and the heater are arranged so that the adjustment pump electrode becomes hotter than the detection electrode when heated by the heater,
The distance A in the front-rear direction between the detection electrode and the adjustment pump electrode is 1 mm or more,
The distance L in the front-rear direction from the gas introduction port, which is the entrance of the gas flow part to be measured, to the measurement electrode is 13 mm or less.
It is.
このセンサ素子を用いて、例えば以下のように被測定ガスに含まれる特定の酸化物ガス濃度及びアンモニア濃度を検出することができる。まず、調整用ポンプセルを動作させて、被測定ガス流通部内に導入された被測定ガスの酸素濃度を調整する。これにより、酸素濃度の調整後の被測定ガスが測定室に到達する。そして、特定の酸化物ガスに由来して測定室で発生する酸素(特定の酸化物ガスが測定室で還元されたときに発生する酸素)に応じた検出値を取得し、取得した検出値に基づいて被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度を検出する。また、混成電位セルにおいて被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた混成電位が生じるため、この混成電位に基づいてアンモニア濃度を検出する。上記の検出値は被測定ガス中のアンモニアの影響も受ける場合があるため、被測定ガス中のアンモニア濃度に基づいて特定の酸化物ガス濃度の補正を行ってもよい。そして、このセンサ素子では、調整用ポンプセルの調整用ポンプ電極及び測定室内の測定電極が素子本体のうちの前側に配設されており、混成電位セルの検知電極は調整用ポンプ電極よりもさらに前方に配設されている。また、検知電極,調整用ポンプ電極,及びヒータは、ヒータにより検知電極及び調整用ポンプ電極が加熱されたときに調整用ポンプ電極の方が検知電極よりも高温になるように配置されている。そして、検知電極と調整用ポンプ電極との前後方向の距離Aが1mm以上となっている。これにより、検知電極及び調整用ポンプ電極がヒータにより加熱されたときに両電極に十分な温度差を生じさせることができる。ここで、調整用ポンプセルの酸素のポンプ能力が十分高くなるため、調整用ポンプ電極は比較的高い温度にすることが好ましい。一方、検知電極の温度が高すぎると検知電極周辺のアンモニアが燃焼してしまいアンモニア濃度の検出精度が低下する場合があるため、検知電極の温度は高すぎないことが好ましい。本発明のセンサ素子では、調整用ポンプ電極の方が検知電極よりも高温になるように両電極及びヒータが配置され且つ距離Aが1mm以上であることで、調整用ポンプセルの温度が十分高く且つ検知電極の温度が高くなりすぎない状態でセンサ素子を使用できる。これにより、混成電位セルと調整用ポンプセルとを共に適切に動作させることができ、被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出できる。さらに、本発明のセンサ素子では、被測定ガス流通部の入口であるガス導入口から測定電極までの前後方向の距離Lが13mm以下となっている。距離Lが大きすぎると、ガス導入口から被測定ガス流通部に流入した被測定ガスが測定電極に到達するまでに要する時間が長くなり、酸化物ガス濃度の検出の応答性が低下する場合があるが、距離Lが13mm以下であることで、応答性の低下を抑制できる。以上のことから、本発明のセンサ素子では、被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出でき且つ酸化物ガス濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。 Using this sensor element, it is possible to detect specific oxide gas concentration and ammonia concentration contained in the gas to be measured, for example, as follows. First, the adjustment pump cell is operated to adjust the oxygen concentration of the gas to be measured introduced into the gas flow section to be measured. As a result, the gas to be measured whose oxygen concentration has been adjusted reaches the measurement chamber. Then, a detection value corresponding to the oxygen generated in the measurement chamber due to the specific oxide gas (oxygen generated when the specific oxide gas is reduced in the measurement chamber) is obtained, and the obtained detection value is A specific oxide gas concentration in the gas to be measured is detected based on the above. Further, since a mixed potential corresponding to the ammonia concentration in the gas to be measured is generated in the mixed potential cell, the ammonia concentration is detected based on this mixed potential. Since the above detection value may be affected by ammonia in the gas to be measured, the specific oxide gas concentration may be corrected based on the ammonia concentration in the gas to be measured. In this sensor element, the adjusting pump electrode of the adjusting pump cell and the measuring electrode in the measuring chamber are arranged on the front side of the element body, and the detection electrode of the mixed potential cell is further forward than the adjusting pump electrode. are placed in The sensing electrode, the adjusting pump electrode, and the heater are arranged so that the adjusting pump electrode becomes hotter than the sensing electrode when the sensing electrode and the adjusting pump electrode are heated by the heater. A distance A in the front-rear direction between the detection electrode and the adjustment pump electrode is 1 mm or more. As a result, a sufficient temperature difference can be generated between the detection electrode and the adjustment pump electrode when the heater heats the electrodes. Here, since the oxygen pumping capacity of the adjustment pump cell is sufficiently high, it is preferable to set the temperature of the adjustment pump electrode to a relatively high temperature. On the other hand, if the temperature of the sensing electrode is too high, the ammonia around the sensing electrode may burn and the ammonia concentration detection accuracy may drop. Therefore, the temperature of the sensing electrode is preferably not too high. In the sensor element of the present invention, both electrodes and the heater are arranged so that the temperature of the adjustment pump electrode is higher than that of the detection electrode, and the distance A is 1 mm or more, so that the temperature of the adjustment pump cell is sufficiently high and The sensor element can be used without the temperature of the sensing electrode becoming too high. As a result, both the mixed potential cell and the adjustment pump cell can be appropriately operated, and the specific oxide gas concentration and ammonia concentration in the gas to be measured can be accurately detected. Furthermore, in the sensor element of the present invention, the distance L in the front-rear direction from the gas introduction port, which is the entrance of the gas flow part to be measured, to the measurement electrode is 13 mm or less. If the distance L is too large, it takes a long time for the gas to be measured that has flowed into the gas flow part to be measured from the gas introduction port to reach the measuring electrode, which may reduce the responsiveness of oxide gas concentration detection. However, when the distance L is 13 mm or less, the decrease in responsiveness can be suppressed. As described above, the sensor element of the present invention can accurately detect the specific oxide gas concentration and ammonia concentration in the gas to be measured, and can suppress a decrease in the responsiveness of detecting the oxide gas concentration.
本発明のセンサ素子において、前記距離Aが4mm以下であってもよい。こうすれば、ヒータに加熱されたときの検知電極と調整用ポンプ電極との温度差が大きくなりすぎない。そのため、センサ素子が熱衝撃に強くなり、熱衝撃によるセンサ素子のクラックを抑制できる。センサ素子に与えられる熱衝撃は、例えば被測定ガス中の水分の付着に起因して生じる。 In the sensor element of the present invention, the distance A may be 4 mm or less. This prevents the temperature difference between the detection electrode and the adjustment pump electrode when heated by the heater from becoming too large. Therefore, the sensor element is resistant to thermal shock, and cracking of the sensor element due to thermal shock can be suppressed. A thermal shock applied to the sensor element is caused, for example, by adhesion of moisture in the gas to be measured.
本発明のセンサ素子において、前記検知電極は、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に配設されていてもよい。こうすれば、検知電極が調整用ポンプ電極よりも前方且つ素子本体の外側に配設される、すなわち検知電極が素子本体の前端付近且つ素子本体の外側に配設されるから、被測定ガスが検知電極に到達しやすくなり、アンモニア濃度の検出の応答性が向上する。 In the sensor element of the present invention, the detection electrode may be arranged outside the element main body so as to be in contact with the gas to be measured. With this configuration, the detection electrode is arranged in front of the adjustment pump electrode and outside the element body, that is, the detection electrode is arranged near the front end of the element body and outside the element body, so that the gas to be measured can be measured. It becomes easier to reach the detection electrode, and the responsiveness of ammonia concentration detection is improved.
本発明のセンサ素子において、前記検知電極は、前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の上流側に設けられていてもよい。 In the sensor element of the present invention, the detection electrode may be provided on the upstream side of the oxygen concentration adjustment chamber in the measurement gas circulation section.
前記検知電極が前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の上流側に設けられている態様の本発明のセンサ素子において、前記検知電極と前記測定電極との前記前後方向の距離Cが11mm以下であってもよい。距離Cが11mm以下では、被測定ガスが検知電極の周辺を通過してから測定電極の周辺に到達するまでの時間が比較的短くなるため、センサ素子の酸化物ガス濃度の検出の応答性とアンモニア濃度の検出の応答性とが同程度になる。すなわち、酸化物ガス濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが比較的近い値になる。そのため、例えば時々刻々と被測定ガスの組成が変化する場合でも、酸化物ガス濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さくなる。 In the sensor element of the present invention in which the detection electrode is provided on the upstream side of the oxygen concentration adjustment chamber in the gas flow section to be measured, the distance C between the detection electrode and the measurement electrode in the front-rear direction is may be 11 mm or less. When the distance C is 11 mm or less, the time required for the gas to be measured to pass through the periphery of the sensing electrode and reach the periphery of the measurement electrode is relatively short. The responsiveness of ammonia concentration detection becomes comparable. That is, the response time for detecting the oxide gas concentration and the response time for detecting the ammonia concentration are relatively close to each other. Therefore, even if the composition of the gas to be measured changes from moment to moment, for example, the deviation in detection timing of the oxide gas concentration and the ammonia concentration is reduced.
本発明のセンサ素子において、前記ガス導入口は前記素子本体の前端面に開口しており、前記被測定ガス流通部は、前記ガス導入口から前記測定電極まで前後方向に延びる流路であってもよい。 In the sensor element of the present invention, the gas introduction port is open to the front end surface of the element main body, and the measurement target gas circulation portion is a flow path extending in the front-rear direction from the gas introduction port to the measurement electrode. good too.
本発明のガスセンサは、上述したいずれかの態様のセンサ素子を備えたものである。そのため、このガスセンサは、上述した本発明のセンサ素子と同様の効果、例えば被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出でき且つ酸化物ガス濃度の検出の応答性の低下を抑制できる効果が得られる。 A gas sensor according to the present invention includes the sensor element according to any one of the aspects described above. Therefore, this gas sensor has the same effects as the sensor element of the present invention described above, for example, it can accurately detect a specific oxide gas concentration and ammonia concentration in the gas to be measured, and the responsiveness of oxide gas concentration detection is reduced. can be obtained.
次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態であるガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図2は、図1の部分拡大図である。図3は、制御装置90と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図である。このガスセンサ100は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関の排ガス管などの配管に取り付けられる。ガスセンサ100は、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中の特定の酸化物ガス(ここではNOx)の濃度と、被測定ガス中のアンモニアの濃度とを検出する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional schematic diagram schematically showing an example of the configuration of a
ガスセンサ100は、センサ素子101と、ガスセンサ100全体を制御する制御装置90と、を備えている。センサ素子101は、長尺な直方体形状をした素子本体101aと、素子本体101aの一部を含んで構成される各セル21,41,50,55,80~83と、素子本体101aを被覆する多孔質の保護層85と、を備えている。図1に示すように、素子本体101aの長手方向を前後方向、素子本体101aの厚み方向を上下方向とする。また、素子本体101aの幅方向(長手方向及び厚み方向に垂直な方向)を左右方向とする。
The
センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体(素子本体101a)を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
The
素子本体101aの前端側(図1の左端部側)であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40と、第4拡散律速部60と、第3内部空所61とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。
A
ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40と、第3内部空所61とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画された素子本体101a内部の空間である。
The
第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。また、第4拡散律速部60は、第2固体電解質層6の下面との隙間として形成された1本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第3内部空所61に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。ガス導入口10は、被測定ガス流通部の入口であり、素子本体101aの前端面に開口している。また、被測定ガス流通部は、前後方向に延びる流路であり、ガス導入口10から後方に延びるように配設されている。そのため、ガス導入口10から被測定ガス流通部内に導入された被測定ガスは、後方に移動していく。被測定ガス流通部内には、ガス導入口10側から内側ポンプ電極22,補助ポンプ電極51,及び測定電極44がこの順に配設されている。被測定ガス流通部は、ガス導入口10から測定電極44まで前後方向に延びる流路となっている。
Each of the first diffusion rate-controlling
また、被測定ガス流通部よりも前端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。
Further, at a position farther from the front end side than the measured gas circulation part, between the upper surface of the
大気導入層48は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。
The
基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。また、後述するように、基準電極42を用いて第1内部空所20内,第2内部空所40内,及び第3内部空所61内の酸素濃度(酸素分圧)を測定することが可能となっている。基準電極42は、多孔質サーメット電極(例えば、PtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。
The
被測定ガス流通部において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間から素子本体101a内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、素子本体101aの外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10から素子本体101aの内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空所20へ導入される被測定ガスの圧力変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。
In the measured gas circulation portion, the
主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。外側ポンプ電極23は、被測定ガスに接触するように素子本体101aの外側に設けられている。本実施形態では、具体的には、外側ポンプ電極23は素子本体101aの上面に設けられている。
The
内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。
The
内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに
接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
The
主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。
In the
また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。
In order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力(電圧V0)を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、電圧V0が目標値となるように可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。
By measuring the electromotive force (voltage V0) in the oxygen partial pressure
第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。
The third diffusion
第2内部空所40は、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ100においては精度の高いNOx濃度測定が可能となる。
After the oxygen concentration (oxygen partial pressure) has been adjusted in the first
補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体
に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、素子本体101aの外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
The
係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
The
補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。
In the
また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。
In order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere inside the second
なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力(電圧V1)に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。
The
また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その電圧V0の上述した目標値が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。
Along with this, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure
第4拡散律速部60は、第2内部空所40で補助ポンプセル50の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第3内部空所61に導く部位である。第4拡散律速部60は、第3内部空所61に流入するNOxの量を制限する役割を担う。
The fourth diffusion
第3内部空所61は、あらかじめ第2内部空所40において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第4拡散律速部60を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、第3内部空所61において、測定用ポンプセル41の動作により行われる。
After the oxygen concentration (oxygen partial pressure) has been adjusted in the second
測定用ポンプセル41は、第3内部空所61内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第3内部空所61に面する第1固体電解質層4の上面に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極44は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を、内側ポンプ電極22よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第3内部空所61内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。
The measuring
測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。
In the
また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力(電圧V2)に基づいて可変電源46が制御される。
Also, in order to detect the oxygen partial pressure around the measuring
第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第4拡散律速部60を通じて第3内部空所61内の測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された電圧V2が一定(目標値)となるように可変電源46の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。
The measured gas guided into the second
また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力(電圧Vref)によりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。
An
このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。
In the
また、素子本体101aには、検知電極56が配設されている。検知電極56は、被測定ガスと接触するように素子本体101aの外側に配設されている。より具体的には、検知電極56は、素子本体101aの上面に配設されている。また、検知電極56は、素子本体101aのうち内側ポンプ電極22よりも前方に配設されている。この検知電極56と、基準電極42と、両電極間の固体電解質層である第2固体電解質層6,スペーサ層5,第1固体電解質層4,及び第3基板層3とによって、混成電位セル55が構成されている。混成電位セル55では、検知電極56において被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた混成電位(起電力EMF)が生じる。そして、検知電極56と基準電極42との間の起電力EMFの値が被測定ガス中のアンモニア濃度の検出に用いられる。検知電極56は、アンモニア濃度に応じた混成電位を生じ、アンモニア濃度に対する検出感度を有する材料を主成分として構成されている。検知電極56は、例えば金(Au)などの貴金属を主成分としてもよいし、導電性酸化物を主成分としてもよい。貴金属を主成分とする場合、検知電極56は、Au-Pt合金を主成分とすることが好ましい。ここで、主成分とは、含まれる成分全体のうち存在量(atm%,原子量比)が最も多い成分をいうものとする。本実施形態では、検知電極56は、Au-Pt合金とジルコニアとの多孔質サーメット電極とした。
A
さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、素子本体101aを加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータコネクタ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74と、圧力放散孔75とを備えている。
Further, the
ヒータコネクタ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。
The
ヒータ72は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータコネクタ電極71と接続されており、該ヒータコネクタ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、素子本体101aを形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
The
また、ヒータ72は、第1内部空所20から第3内部空所61の全域に渡って埋設されており、素子本体101a全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
Further, the
ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
The
圧力放散孔75は、第3基板層3及び大気導入層48を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。
The
ここで、センサ素子101のうち主に酸化物ガス濃度(ここではNOx濃度)を検出するため用いられる部分(本実施形態では各セル21,41,50,80~83)を、酸化物ガス検出部(本実施形態ではNOx検出部)とも称する。また、センサ素子101のうち主にアンモニア濃度を検出するために用いられる部分(本実施形態では混成電位セル55)を、アンモニア検出部とも称する。NOx検出部及びアンモニア検出部は、いずれも、素子本体101aのうちの前側、すなわち素子本体101aの前後方向の中央よりも素子本体101aの前端に近い領域に、配設されている。したがって、NOx検出部及びアンモニア検出部に含まれる各電極22,23,42,44,51,56も、素子本体101aのうちの前側に配設されている。
Here, the portion of the
混成電位セル55の検知電極56,主ポンプセル21の内側ポンプ電極22,及びヒータ72は、ヒータ72により検知電極56及び内側ポンプ電極22が加熱されたときに、内側ポンプ電極22の方が検知電極56よりも高温になるように配置されている。また、図2に示す検知電極56と内側ポンプ電極22の前後方向の距離Aが、1mm以上となっている。これにより、検知電極56及び内側ポンプ電極22がヒータ72により加熱されたときに、両電極56,22に十分な温度差を生じさせることができ、混成電位セル55及び主ポンプセル21を共に適切に動作させることができる。
The
検知電極56及び内側ポンプ電極22の温度の具体例について説明する。混成電位セル55の検知電極56及び主ポンプセル21の内側ポンプ電極22は、ヒータ72により加熱されたときに、第1温度条件を満たすことが好ましい。第1温度条件は、検知電極56の温度が550℃以上700℃以下の範囲内となり且つ内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上になるという条件である。この第1温度条件を満たすことで、混成電位セル55及び主ポンプセル21を共に適切に動作させることができるため、第1温度条件を満たすことが好ましい。第1温度条件は、言い換えると、ヒータ72により検知電極56の温度が550℃以上700℃以下の範囲内となるように加熱されたときに内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上になることを意味する。検知電極56の温度が550℃以上700℃以下の範囲内となるとは、検知電極56のいずれの部分の温度も550℃以上700℃以下の範囲から外れていないことを意味する。内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上になるとは、内側ポンプ電極22のいずれの部分の温度も725℃以上であることを意味する。距離Aが1mm以上であることで、両電極56,22に十分な温度差を生じさせることができるため、言い換えると、内側ポンプ電極22の最低温度を高くしても検知電極56の温度を低く維持しやすいため、第1温度条件を満たしやすい。
A specific example of the temperatures of the
なお、ヒータ72により検知電極56の温度が550℃以上700℃以下の範囲内となるように加熱されたときに内側ポンプ電極22の最低温度が常に725℃以上に加熱される場合に限らず、そのような加熱が可能であれば、第1温度条件を満たしていると言える。例えば、検知電極56の温度が550℃以上600℃未満の範囲内にあるときには内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上とならない場合であっても、検知電極56の温度が600℃以上700℃以下の範囲内にあるときに内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上となるのであれば、検知電極56及び内側ポンプ電極22は第1温度条件を満たすように配置されていることになる。
It is not limited to the case where the lowest temperature of the
また、上述した距離Aは4mm以下であることが好ましい。距離Aが4mm以下では、ヒータ72に加熱されたときの検知電極56と内側ポンプ電極22との温度差が大きくなりすぎないため、センサ素子101が熱衝撃に強くなり、熱衝撃によるセンサ素子101のクラックを抑制できる。距離Aは3mm以下としてもよい。
Moreover, the distance A described above is preferably 4 mm or less. When the distance A is 4 mm or less, the temperature difference between the
検知電極56及び内側ポンプ電極22の温度差が大きくなりすぎない場合の具体例について説明する。検知電極56及び内側ポンプ電極22は、ヒータ72により加熱されたときに、第2温度条件を満たすことが好ましい。第2温度条件は、検知電極56の最低温度と内側ポンプ電極22の最高温度との差が400℃以下になるという条件である。第2温度条件を満たすことで、ヒータ72に加熱されたときの検知電極56と内側ポンプ電極22との温度差が小さいため、センサ素子101が熱衝撃に強くなり、熱衝撃によるセンサ素子101のクラックを抑制できる。距離Aが4mm以下であることで、第2温度条件を満たしやすい。また、検知電極56の最低温度と内側ポンプ電極22の最高温度との差は350℃以下であることがより好ましい。
A specific example in which the temperature difference between the sensing
ヒータ72と検知電極56と内側ポンプ電極22との互いの位置関係を調整することで、ヒータ72により加熱されたときに内側ポンプ電極22の方が検知電極56よりも高温になるようにすることができる。例えば、ヒータ72の発熱中心(最も高温になる部分であり、例えばヒータ72の前後左右の中心)の真上に内側ポンプ電極22を配置することで、内側ポンプ電極22の温度を検知電極56よりも高くしやすい。また、検知電極56と内側ポンプ電極22との位置関係を調整することで、距離Aを調整できる。
By adjusting the mutual positional relationship between the
また、図2に示すガス導入口10から測定電極44までの前後方向の距離Lが、13mm以下となっている。距離Lが13mm以下であることで、NOx濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。距離Lは11mm以下がより好ましい。
In addition, the distance L in the front-rear direction from the
検知電極56は、図1に示すように、外側ポンプ電極23よりも前方に配設されている。また、本実施形態では、外側ポンプ電極23は、上面視で内側ポンプ電極22とほぼ同じ大きさ及び同じ位置になるように配設されている。そのため、検知電極56と外側ポンプ電極23との前後方向の距離は、上述した距離Aと同じ値となっている。
The
センサ素子101は、図1に示すように、緩衝層84を備えている。緩衝層84は、多孔質体であり、素子本体101aの表面に配設されて保護層85と素子本体101aとを接着する役割を果たす。緩衝層84は、第2固体電解質層6の上面の少なくとも一部を被覆する上側緩衝層84aと、第1基板層1の下面の少なくとも一部を被覆する下側緩衝層84bと、を備えている。上側緩衝層84aは、検知電極56及び外側ポンプ電極23も被覆している。上側緩衝層84a及び下側緩衝層84bの各々は、素子本体101aの前端から、NOx検出部及びアンモニア検出部に含まれる各電極22,23,42,44,51,56よりも後方までの領域に存在している。また、上側緩衝層84a及び下側緩衝層84bの各々は、被測定ガス流通部の後端及び保護層85の後端よりも後方まで存在している。緩衝層84は、例えばアルミナ、ジルコニア、スピネル、コージェライト,マグネシアなどの多孔質セラミックスからなるものである。緩衝層84の主成分は、保護層85の主成分と同じであることが好ましい。本実施形態では、緩衝層84はアルミナからなる多孔質セラミックスであるものとした。
The
保護層85は、多孔質体であり、素子本体101aの前端部の周辺、より具体的にはNOx検出部及びアンモニア検出部が存在する領域の周囲を被覆している。保護層85は、素子本体101aの前端面を全て被覆し、素子本体101aの上下左右の面の一部を被覆している。保護層85は緩衝層84よりも外側に配置されており、上側緩衝層84aの上面及び下側緩衝層84bの下面を被覆している。保護層85は、被測定ガス流通部の後端よりも後方まで存在している。保護層85は、例えば被測定ガス中の水分等が付着して素子本体101aにクラックが生じるのを抑制する役割を果たす。保護層85は、例えばアルミナ、ジルコニア、スピネル、コージェライト,マグネシアなどの多孔質セラミックスからなるものである。本実施形態では、保護層85はアルミナからなる多孔質セラミックスであるものとした。保護層85は多孔質体であるため、被測定ガスは保護層85の内部を流通してガス導入口10に到達可能である。また、保護層85及び緩衝層84は多孔質体であるため、被測定ガスは保護層85及び緩衝層84の内部を流通して外側ポンプ電極23及び検知電極56に到達可能である。なお、センサ素子101は緩衝層84及び保護層85を備えなくてもよい。
The
制御装置90は、図3に示すように、上述した可変電源24,46,52と、制御部91と、を備えている。
The
制御部91は、CPU92,図示しないRAM,及び記憶部94などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部94は、例えばEEPROMなどの情報の書き換えが可能な不揮発性メモリであり、各種データを記憶する装置である。制御部91は、混成電位セル55にて検出される起電力EMF、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80にて検出される電圧V0、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される電圧V1、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出される電圧V2、センサセル83にて検出される電圧Vref、主ポンプセル21にて検出されるポンプ電流Ip0、補助ポンプセル50にて検出されるポンプ電流Ip1及び測定用ポンプセル41にて検出されるポンプ電流Ip2を入力する。また、制御部91は、可変電源24,46,52が出力する電圧Vp0,Vp1,Vp2を制御し、これにより、主ポンプセル21,測定用ポンプセル41及び補助ポンプセル50を制御する。記憶部94には、後述する目標値V0*,V1*,V2*なども記憶されている。制御部91のCPU92は、これらの目標値V0*,V1*,V2*を参照して、各セル21,41,50の制御を行う。また、制御部91は、ヒータ72に通電する図示しないヒータ電源を制御して、ヒータ電源がヒータ72に供給する電力を制御する。
The
制御部91は、電圧V0が目標値(目標値V0*と称する)となるように(つまり第1内部空所20の酸素濃度が目標濃度となるように)可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御する。そのため、ポンプ電流Ip0は被測定ガスの酸素濃度に応じて変化する。そのため、制御部91は、ポンプ電流Ip0に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出できる。例えば、ポンプ電流Ip0と被測定ガス中の酸素濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成して記憶部94に記憶しておく。そして、制御部91はポンプ電流Ip0とこの対応関係とを用いて、被測定ガス中の酸素濃度を検出する。
The
また、制御部91は、電圧V1が一定値(目標値V1*と称する)となるように(つまり第2内部空所40の酸素濃度がNOxの測定に実質的に影響がない所定の低酸素濃度となるように)可変電源52の電圧Vp1をフィードバック制御する。これとともに、制御部91は、電圧Vp1によって流れるポンプ電流Ip1が一定値(目標値Ip1*と称する)となるように、ポンプ電流Ip1に基づいて電圧V0の目標値V0*を設定(フィードバック制御)する。これにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となる。また、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧が、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御される。目標値V0*は、第1内部空所20の酸素濃度が0%よりは高く且つ低酸素濃度となるような値に設定される。
In addition, the
さらに、制御装置90は、電圧V2が一定値(目標値V2*と称する)となるように(つまり第3内部空所61内の酸素濃度が所定の低濃度になるように)可変電源46の電圧Vp2をフィードバック制御する。これにより、被測定ガス中のNOxが第3内部空所61で還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、第3内部空所61内から酸素が汲み出される。そして、制御装置90は、特定の酸化物ガス(ここではNOx)に由来して第3内部空所61で発生する酸素に応じた検出値としてのポンプ電流Ip2を取得し、このポンプ電流Ip2に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を導出する。
Further, the
また、制御部91は、混成電位セル55の起電力EMFを取得し、起電力EMFに基づいて被測定ガス中のアンモニア濃度を検出する。起電力EMFは被測定ガス中の酸素の影響も受けるため、制御部91は、起電力EMFと、ポンプ電流Ip0に基づいて導出した被測定ガス中の酸素濃度と、を用いて被測定ガス中のアンモニア濃度を検出することが好ましい。例えば、被測定ガス中の酸素濃度(又は酸素濃度を表す値としてのポンプ電流Ip0)と起電力EMFとアンモニア濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成して記憶部94に記憶しておく。そして、制御部91は被測定ガス中の酸素濃度と起電力EMFとこの対応関係とを用いて、被測定ガス中のアンモニア濃度を検出する。これにより、制御部91は、酸素濃度による起電力EMFの誤差を補正したアンモニア濃度を導出できる。
Further, the
ポンプ電流Ip2は、被測定ガス中のアンモニアの影響も受ける。これは、以下の理由による。被測定ガス中にアンモニアが含まれると、アンモニアが被測定ガス流通部内で酸素と反応してNOが生じ、そのNOに由来して第3内部空所61内で酸素が発生する。そのため、測定用ポンプセル41が汲み出す酸素には、このようなアンモニア由来の酸素が含まれてしまう。したがって、ポンプ電流Ip2の値は被測定ガス中のアンモニア濃度によっても変化する。そのため、制御部91は、ポンプ電流Ip2と、上述した起電力EMFに基づいて導出した被測定ガス中のアンモニア濃度と、を用いて被測定ガス中のNOx濃度を検出することが好ましい。例えば、ポンプ電流Ip2とアンモニア濃度とNOx濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成して記憶部94に記憶しておく。そして、制御部91はポンプ電流Ip2と被測定ガス中のアンモニア濃度とこの対応関係とを用いて、被測定ガス中のNOx濃度を導出する。これにより、制御部91は、アンモニア濃度によるポンプ電流Ip2の誤差を補正したNOx濃度を導出できる。
Pump current Ip2 is also affected by ammonia in the gas to be measured. This is for the following reasons. When ammonia is contained in the gas to be measured, the ammonia reacts with oxygen in the gas flow part to be measured to generate NO, and oxygen is generated in the third
こうして構成されたガスセンサ100の使用例を以下に説明する。制御部91のCPU92は、まず、ヒータ電源を制御してヒータ72に電力を供給して、ヒータ72の温度が目標温度(例えば900℃など)になるように制御する。CPU92は、例えばヒータ72の温度に換算可能な値(例えばヒータ72の抵抗値,又は電流値など)を取得し、その値に基づいてヒータ電源をフィードバック制御することで、ヒータ72の温度を制御する。ヒータ72の目標温度は、各セル21,41,50,55,80~83の固体電解質が活性化するような値として、予め定めておく。また、ヒータ72の目標温度は、検知電極56及び内側ポンプ電極22が上述した第1温度条件と第2温度条件との少なくとも一方を満たすように定められていることが好ましい。本実施形態では、第1温度条件と第2温度条件とを共に満たすような値として、ヒータ72の目標温度が定められている。
A usage example of the
ヒータ72の温度が目標温度(又は目標温度付近)に到達すると、CPU92は、上述した各ポンプセル21,41,50の制御や、上述した各センサセル80~83からの各電圧V0,V1,V2,Vrefの取得、及び混成電位セル55からの起電力EMFの取得を開始する。この状態で、被測定ガスが検知電極56に到達すると、混成電位セル55は起電力EMFを発生させる。また、被測定ガスがガス導入口10から導入されると、被測定ガスは、第1拡散律速部11,緩衝空間12及び第2拡散律速部13を通過し、第1内部空所20に到達する。そして、第1内部空所20及び第2内部空所40において被測定ガスの酸素濃度が主ポンプセル21及び補助ポンプセル50によって調整され、調整後の被測定ガスが第3内部空所61に到達する。そして、CPU92は、上述したようにポンプ電流Ip0,起電力EMF,ポンプ電流Ip2,及び記憶部94に記憶された各種の対応関係に基づいて、被測定ガス中のアンモニア濃度及びNOx濃度を導出する。CPU92は、導出したアンモニア濃度及びNOx濃度を例えばエンジンECUに送信する。なお、CPU92は、アンモニア濃度についてはNOx濃度の算出時の補正に用いるのみとして、最終的にエンジンECUに送信するのはNOx濃度のみであってもよい。
When the temperature of the
このように制御装置90がセンサ素子101を用いてアンモニア濃度及びNOx濃度を検出するにあたり、本実施形態のセンサ素子101では、上述したように、ヒータ72により加熱されたときに内側ポンプ電極22の方が検知電極56よりも高温になるように、検知電極56,内側ポンプ電極22,及びヒータ72が配置されている。そして、検知電極56と内側ポンプ電極22との前後方向の距離Aが1mm以上となっている。これにより、検知電極56及び内側ポンプ電極22がヒータ72により加熱されたときに両電極に十分な温度差を生じさせることができる。ここで、主ポンプセル21を構成する固体電解質が十分活性化して主ポンプセル21の酸素のポンプ能力が十分高くなるため、主ポンプセル21は比較的高い温度にすることが好ましい。例えば上述した第1温度条件として説明したように、主ポンプセル21の内側ポンプ電極22の最低温度を725℃以上にすることが好ましい。一方、検知電極56の温度が高すぎると検知電極56周辺のアンモニアが燃焼してしまいアンモニア濃度の検出精度が低下する場合があるため、検知電極56の温度は高すぎないことが好ましい。例えば上述した第1温度条件として説明したように、検知電極56の温度が700℃以下であることが好ましい。本実施形態のセンサ素子101では、内側ポンプ電極22の方が検知電極56よりも高温になるように両電極22,56及びヒータ72が配置され且つ距離Aが1mm以上であることで、主ポンプセル21の温度が十分高く且つ検知電極56の温度が高くなりすぎない状態でセンサ素子101を使用できる。これにより、混成電位セル55と内側ポンプ電極22とを共に適切に動作させることができ、被測定ガス中のNOx濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出できる。
When the
さらに、本実施形態のセンサ素子101では、ガス導入口10から測定電極44までの前後方向の距離Lが13mm以下となっている。上述したように被測定ガス流通部はガス導入口10から測定電極44まで前後方向に延びる流路となっており、距離Lはガス導入口10から被測定ガス流通部に流入した被測定ガスが測定電極44に到達するまでに要する時間と相関がある。そのため、距離Lは、NOx濃度の検出の応答性と相関がある。この距離Lが大きすぎると、NOx濃度の検出の応答性が低下する場合があるが、距離Lが13mm以下であることで、応答性の低下を抑制できる。
Furthermore, in the
以上のことから、本実施形態のセンサ素子101では、被測定ガス中のNOx濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出でき且つNOx濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。なお、上述したようにアンモニア濃度をNOx濃度の導出に用いる場合は、アンモニア濃度の検出精度が向上することによっても、NOx濃度の検出精度が向上する。
As described above, the
また、図2に示す内側ポンプ電極22の前端から測定電極44の前端までの距離Bは、小さすぎると、測定電極44が内側ポンプ電極22に近いことで測定電極44の温度が高くなり、測定電極44に流れるリーク電流の影響でポンプ電流Ip2が過剰な値になりNOx濃度を実際より高めに検出してしまう場合がある。そのため、距離Bはある程度以上の長さ(例えば5mm以上)を確保することが好ましい。そして、距離Bをある程度以上の長さに設定しようとする場合、距離Aを長くすると距離L(>距離A+距離B)が長くなりやすい。しかし、距離Lが長すぎると上述したようにNOx濃度の検出の応答性が低下するため、この場合でも距離Aが1mm以上且つ距離Lが13mm以下となるように、距離A及び距離Lを定めることが重要である。また、距離Bが大きすぎると測定電極44の温度が低くなり、測定電極44のNOx還元触媒としての機能が減少してNOx濃度を実際より低めに検出してしまう場合があるため、距離Bは例えば10mm以下にすることが好ましい。
Also, if the distance B from the front end of the
上述した第1温度条件のうち「検知電極56の温度が550℃以上」に関して補足する。検知電極56の温度が550℃以上では、検知電極56の表面に吸着したアンモニアが検知電極56の触媒作用によって燃焼するが、検知電極56の温度が550℃未満では、アンモニアが燃焼しにくくなり検知電極56の表面にアンモニアが残ってしまうことでアンモニア濃度の変化に対する混成電位(起電力EMF)の応答性が低下する場合がある。検知電極56の温度が550℃以上となるようにすれば、そのような応答性の低下を抑制できる。ヒータ72の目標温度を高くすれば検知電極56と内側ポンプ電極22の温度を共に高くできるため、これにより検知電極56の温度を550℃以上にすることができる。また、距離Aが4mm以下であれば、上述したように検知電極56と内側ポンプ電極22との温度差が大きくなりすぎないため、検知電極56の温度を550℃以上にしやすい。
Of the first temperature conditions described above, "the temperature of the
上述した第1温度条件のうち「内側ポンプ電極22の最低温度が725℃以上」に関して補足する。主ポンプセル21の他に補助ポンプ電極51及び測定用ポンプセル41も酸素のポンピングを行うが、第1内部空所20は第2内部空所40及び第3内部空所61の上流に位置しており、主ポンプセル21が汲み出す酸素の量は補助ポンプ電極51及び測定用ポンプセル41が汲み出す酸素の量よりもはるかに多い。そのため、主ポンプセル21,補助ポンプ電極51及び測定用ポンプセル41の中でも特に主ポンプセル21についてはポンプ能力が十分高くなるようにする必要がある。したがって、補助ポンプセル50の補助ポンプ電極51及び測定用ポンプセル41の測定電極44については、内側ポンプ電極22ほど高温にする必要はない。
Of the first temperature conditions described above, "the minimum temperature of the
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の素子本体101aが本発明の素子本体に相当し、第1内部空所20が酸素濃度調整室に相当し、内側ポンプ電極22が調整用ポンプ電極に相当し、主ポンプセル21が調整用ポンプセルに相当し、第3内部空所61が測定室に相当し、測定電極44が測定電極に相当し、検知電極56が検知電極に相当し、混成電位セル55が混成電位セルに相当し、ヒータ72がヒータに相当する。
Here, correspondence relationships between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. The
以上説明した本実施形態のガスセンサ100によれば、センサ素子101の検知電極56,内側ポンプ電極22,及びヒータ72は、ヒータ72により検知電極56及び内側ポンプ電極22が加熱されたときに内側ポンプ電極22の方が検知電極56よりも高温になるように配置され、且つ、検知電極56と内側ポンプ電極22との前後方向の距離Aが1mm以上となっている。これにより、被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出できる。さらに、ガス導入口10から測定電極44までの前後方向の距離Lが13mm以下となっているため、NOx濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。以上のことから、本実施形態のガスセンサ100では、被測定ガス中のNOx濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出でき且つNOx濃度の検出の応答性の低下を抑制できる。
According to the
また、距離Aが4mm以下であることで、ヒータ72に加熱されたときの検知電極56と内側ポンプ電極22との温度差が大きくなりすぎない。そのため、センサ素子101が熱衝撃に強くなり、熱衝撃によるセンサ素子101のクラックを抑制できる。センサ素子101に与えられる熱衝撃は、例えば被測定ガス中の水分の付着に起因して生じる。
Further, since the distance A is 4 mm or less, the temperature difference between the
さらに、検知電極56が内側ポンプ電極22よりも前方且つ被測定ガスと接触するように素子本体101aの外側に設けられている。すなわち、検知電極56が素子本体101aの前端付近且つ素子本体101aの外側に設けられている。これにより、例えば検知電極56が被測定ガス流通部に配設されている場合と比較して、被測定ガスが検知電極56に到達しやすくなり、アンモニア濃度の検出の応答性が向上する。
Furthermore, the
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、検知電極56が素子本体101aの外側に配設されていたが、素子本体101aの内部に配設されていてもよい。例えば、検知電極56が被測定ガス流通部のうちの第1内部空所20の上流側に設けられていてもよい。図4は、変形例の検知電極156の配置を示す拡大断面図である。検知電極156は第2拡散律速部13の上流の緩衝空間12に設けられている。また、検知電極156は内側ポンプ電極22及び補助ポンプ電極51と同様に、緩衝空間12においてトンネル形態の構造をしている。具体的には、検知電極156は、緩衝空間12の天井面である第2固体電解質層6の下面に形成された天井電極部156aと、緩衝空間12の底面である第1固体電解質層4の上面に形成された底部電極部156bと、天井電極部156aと底部電極部156bとを接続するように形成された側部電極部(図示省略)と、を備えている。このように検知電極156を配置した場合でも、検知電極156と基準電極42とその間の固体電解質層である第2固体電解質層6,スペーサ層5,第1固体電解質層4,及び第3基板層3とによって、混成電位セル55が構成される。そして、検知電極156は、アンモニア濃度に応じた混成電位を生じる。そのため、上述した実施形態と同様に、混成電位セル55の起電力EMFに基づいて被測定ガス中のアンモニア濃度を検出できる。また、図4の例では、上述した実施形態と異なり素子本体101aが第1拡散律速部11を備えず、上述した実施形態よりもガス導入口10の開口面積が大きくなっている。これにより、検知電極156に被測定ガスが到達しやすくなるため、検知電極156によるアンモニア濃度の検出の応答性が向上する。したがって、図4のように第1拡散律速部11を省略することが好ましい。図4には、検知電極156と内側ポンプ電極22との距離A,内側ポンプ電極22の前端から測定電極44の前端までの距離Bについても図示した。なお、検知電極156をトンネル形態の構造とせず、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との一方に配設してもよい。また、第1拡散律速部11を省略しなくてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the
図4のように検知電極156が被測定ガス流通部のうちの第1内部空所20の上流側に設けられている場合において、検知電極156と測定電極44との前後方向の距離Cが11mm以下であることが好ましい。図4に示すように、距離Cは距離Aと距離Bとの和に等しい。距離Cが11mm以下では、被測定ガスが検知電極156の周辺を通過してから測定電極44の周辺に到達するまでの時間が比較的短くなるため、センサ素子101のNOx濃度の検出の応答性とアンモニア濃度の検出の応答性とが同程度になる。すなわち、NOx濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが比較的近い値になる。NOx濃度の検出の応答時間とは、具体的には、被測定ガス中のNOx濃度の変化に応じて検出部23におけるNOx濃度を表す検出値(ここではポンプ電流Ip2)が変化するまでの時間である。同様に、アンモニア濃度の検出の応答時間とは、具体的には、被測定ガス中のアンモニア濃度の変化に応じて混成電位セル55におけるアンモニア濃度を表す検出値(ここでは起電力EMF)が変化するまでの時間である。そして、このNOx濃度の検出の応答時間とアンモニア濃度の検出の応答時間とが比較的近いことで、例えば時々刻々と被測定ガスの組成が変化する場合でも、センサ素子101によるNOx濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さくなる。距離Cは、9mm以下がより好ましく、7mm以下がさらに好ましい。
When the
上述した実施形態では、素子本体101aには基準電極42が1つ配設され、基準電極42がNOx検出部の基準電極とアンモニア検出部の基準電極とを兼ねていたが、これに限られない。例えば、基準電極42はNOx検出部用の基準電極とし、アンモニア検出部の混成電位セル55が備える基準電極を基準電極42とは別に設けてもよい。
In the above-described embodiment, one
上述した実施形態では、外側ポンプ電極23は、主ポンプセル21の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに接触する部分に配設された外側主ポンプ電極と、補助ポンプセル50の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに接触する部分に配設された外側補助ポンプ電極と、測定用ポンプセル41の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに接触する部分に配設された外側測定電極と、を兼ねていたが、これに限られない。外側主ポンプ電極,外側補助ポンプ電極,及び外側測定電極のうちのいずれか1以上を、外側ポンプ電極23とは別にセンサ素子101の外側に設けてもよい。
In the above-described embodiment, the
上述した実施形態では、ガスセンサ100のセンサ素子101は第1内部空所20,第2内部空所40,第3内部空所61を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、図5のセンサ素子201のように、第3内部空所61を備えないものとしてもよい。図5に示した変形例のセンサ素子201では、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。また、測定電極44は、第2内部空所40内の第1固体電解質層4の上面に配設されている。測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されてなる。第4拡散律速部45は、アルミナ(Al2O3)などのセラミックス多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、上述した実施形態の第4拡散律速部60と同様に、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担う。また、第4拡散律速部45は、測定電極44の保護膜としても機能する。補助ポンプ電極51の天井電極部51aは、測定電極44の直上まで形成されている。このような構成のセンサ素子201であっても、上述した実施形態と同様に例えばポンプ電流Ip2に基づいてNOx濃度を検出できる。この場合、測定電極44の周囲が測定室として機能することになる。
In the embodiment described above, the
上述した実施形態では、センサ素子101の素子本体101aは複数の固体電解質層(層1~6)を有する積層体としたが、これに限られない。素子本体101aは、酸素イオン伝導性の固体電解質層を少なくとも1つ含み、且つ被測定ガス流通部が内部に設けられていればよい。例えば、図1において第2固体電解質層6以外の層1~5は固体電解質以外の材質からなる構造層(例えばアルミナからなる層)としてもよい。この場合、センサ素子101が有する各電極は第2固体電解質層6に配設されるようにすればよい。例えば、図1の測定電極44は第2固体電解質層6の下面に配設すればよい。また、基準ガス導入空間43を第1固体電解質層4の代わりにスペーサ層5に設け、大気導入層48を第1固体電解質層4と第3基板層3との間に設ける代わりに第2固体電解質層6とスペーサ層5との間に設け、基準電極42を第3内部空所61よりも後方且つ第2固体電解質層6の下面に設ければよい。
In the above-described embodiment, the
上述した実施形態では、ガスセンサ100は特定の酸化物ガス濃度としてNOx濃度を検出したが、これに限らず他の酸化物濃度を特定の酸化物ガス濃度としてもよい。特定の酸化物ガス濃度を測定する場合には、上述した実施形態と同様に特定の酸化物ガスそのものを第3内部空所61で還元したときに酸素が発生するから、制御部91はこの酸素に応じた検出値を取得して特定の酸化物ガス濃度を検出できる。この場合も、アンモニア濃度に基づく酸化物ガス濃度の補正は上述した実施形態と同様に行うことができる。
In the above-described embodiment, the
上述した実施形態では、CPU92は、測定用ポンプ制御処理として、電圧V2が目標値V2*となるように可変電源46の電圧Vp2をフィードバック制御する処理を行い、このときの検出値(ポンプ電流Ip2)に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を検出したが、これに限られない。例えば、CPU92は、測定用ポンプ制御処理として、ポンプ電流Ip2が一定の目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41を制御(例えば電圧Vp2を制御)し、このときの検出値(電圧V2)を用いてNOx濃度を検出してもよい。ポンプ電流Ip2が目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41が制御されることで、ほぼ一定の流量で第3内部空所61から酸素が汲み出されることになる。そのため、被測定ガス中のNOxが第3内部空所61で還元されることにより発生する酸素の多寡に応じて第3内部空所61の酸素濃度が変化し、これにより電圧V2が変化する。したがって、電圧V2が被測定ガス中のNOx濃度に応じた値になる。そのため、この電圧V2に基づいてNOx濃度を算出できる。例えば予め記憶部94に電圧V2とNOx濃度との対応関係を記憶しておけばよい。
In the above-described embodiment, the
上述した実施形態では、制御部91は、ポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるように、ポンプ電流Ip1に基づいて電圧V0の目標値V0*を設定(フィードバック制御)し、電圧V0が目標値V0*となるようにポンプ電圧Vp0をフィードバック制御したが、他の処理を行ってもよい。例えば、制御部91は、ポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるように、ポンプ電流Ip1に基づいてポンプ電圧Vp0をフィードバック制御してもよい。すなわち、制御部91は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80からの電圧V0の取得や目標値V0*の設定を省略して、ポンプ電流Ip1に基づいて直接的にポンプ電圧Vp0を制御(ひいてはポンプ電流Ip0を制御)してもよい。
In the above-described embodiment, the
上述した実施形態では、制御部91は、電圧V2が目標値V2*となるように可変電源46の電圧Vp2をフィードバック制御する処理を行い、このときのポンプ電流Ip2を検出値として取得し、この検出値に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を検出したが、これに限られない。例えば、制御部91は、ポンプ電流Ip2が一定の目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41を制御(例えば電圧Vp2を制御)し、このときの電圧V2を検出値として取得し、この検出値を用いてNOx濃度を検出してもよい。ポンプ電流Ip2が目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41が制御されることで、ほぼ一定の流量で第3内部空所61から酸素が汲み出されることになる。そのため、被測定ガス中のNOxが第3内部空所61で還元されることにより発生する酸素の多寡に応じて第3内部空所61の酸素濃度が変化し、これにより電圧V2が変化する。したがって、電圧V2が被測定ガス中のNOx濃度に応じた値になる。そのため、この電圧V2に基づいてNOx濃度を算出できる。この場合も、アンモニア濃度に基づくNOx濃度の補正は上述した実施形態と同様に行うことができる。例えば、電圧V2とアンモニア濃度とNOx濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどを予め実験により作成して記憶部94に記憶しておけばよい。
In the above-described embodiment, the
以下には、ガスセンサの具体的な例を実施例として説明する。実験例2~6,9~13が本発明の実施例に相当し、実験例1,7,8,14が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Specific examples of the gas sensor will be described below as examples. Experimental Examples 2 to 6 and 9 to 13 correspond to examples of the present invention, and Experimental Examples 1, 7, 8 and 14 correspond to comparative examples. In addition, the present invention is not limited to the following examples.
[実験例1~7]
図1~3に示したガスセンサ100のセンサ素子101について、距離A及び距離Lを下記の表2に示すように種々変更したものを、それぞれ実験例1~7とした。この実験例1~7の各々について、内側ポンプ電極22のポンプ能力と検知電極56を用いたアンモニア濃度の検出精度とが両立するようなヒータ72によるセンサ素子101の加熱が可能であるか否かを調べた。具体的には、まず、実験例1のガスセンサ100を配管に取り付け、制御部91がヒータ72の温度を制御してヒータ72が所定の目標温度に到達した状態、且つ、制御部91が上述した各ポンプセル21,41,50の制御や、上述した各センサセル80~83からの各電圧V0,V1,V2,Vrefの取得、及び混成電位セル55からの起電力EMFの取得を行っている状態とした。この状態で、後述する内側ポンプ電極22のポンプ能力の評価と、検知電極56を用いたアンモニア濃度の検出精度の評価とを行い、両方の評価が「優」となっているか否かを調べた。少なくともいずれか一方の評価が「優」でなかった場合には、ヒータ72の目標温度を種々変更して、両方の評価が「優」となるようなヒータ72によるセンサ素子101の加熱が可能か否かを調べた。実験例2~7の各々のガスセンサ100についても、実験例1と同様に、両方の評価が「優」となるようなヒータ72によるセンサ素子101の加熱が可能か否かを調べた。
[Experimental Examples 1 to 7]
Experimental Examples 1 to 7 were obtained by changing the distance A and the distance L of the
内側ポンプ電極22のポンプ能力の評価は、以下のように行った。制御部91が上述した制御を行っている状態で、ベースガスが窒素でありNOx濃度が500ppmであるモデルガスを被測定ガスとして、被測定ガスを配管に流し、時間が経過して値が安定した後のポンプ電流Ip2の値を調べた。500ppmのNOx濃度に対応する正しいポンプ電流Ip2の値を基準(100%)として、取得されたポンプ電流Ip2の値を百分率で表した値を、NOx濃度検出の感度(%)の値として算出した。そして、NOx濃度検出の感度が95%を超えていた場合に内側ポンプ電極22のポンプ能力を「優」と判定し、95%以下であった場合に内側ポンプ電極22のポンプ能力を「不可」と判定した。ここで、内側ポンプ電極22の酸素ポンプ能力が低いと、主ポンプセル21による第1内部空所20の酸素の汲み出し量が不足して電圧V0が目標値V0*になかなか到達しなくなる。その結果、制御部91はポンプ電圧Vp0を高くするように可変電源24を制御することになる。そして、ポンプ電圧Vp0が高すぎると第1内部空所20内で被測定ガス中のNOxが分解されやすくなるため、ポンプ電流Ip2の値が実際のNOx濃度に対応する正しい値よりも小さくなる。すなわちNOx濃度検出の感度が低下する。そのため、NOx濃度検出の感度によって内側ポンプ電極22の酸素ポンプ能力を評価することができる。
Evaluation of the pumping capacity of the
アンモニア濃度の検出精度の評価は、以下のように行った。制御部91が上述した制御を行っている状態で、ベースガスが窒素でありアンモニア濃度が500ppmであるモデルガスを被測定ガスとして、被測定ガスを配管に流し、混成電位セル55の起電力EMFの値が安定するまで待った。安定した後の起電力EMFの値を、アンモニア濃度検出の感度を表す値とした。このアンモニア濃度検出の感度を表す値(起電力EMF)が小さいほど、検知電極56を用いたアンモニア濃度の検出精度が低いことを意味する。そして、起電力EMFが170mV以上であった場合にアンモニア濃度の検出精度を「優」と判定し、起電力EMFが170mV未満であった場合にアンモニア濃度の検出精度を「不可」と判定した。
Evaluation of the detection accuracy of the ammonia concentration was performed as follows. While the
また、実験例1~7の各々について、距離LとNOx濃度検出の応答性との関係を調べた。具体的には、まず、制御部91が上述した制御を行っている状態で、ベースガスが窒素でありNOx濃度が0ppmであるモデルガスを被測定ガスとして、被測定ガスを配管に流し、ポンプ電流Ip2の値が安定するまで待った。そして、配管内に流す被測定ガスのNOx濃度を0ppmから500ppmに変化させた場合における、ポンプ電流Ip2の値の時間変化を調べた。NOx濃度を変化させる直前のポンプ電流Ip2の値を0%、NOx濃度の変化後にポンプ電流Ip2が変化して安定したときの値を100%として、ポンプ電流Ip2の値が10%を越えたときから90%を越えるまでの経過時間をNOx濃度検出の応答時間[sec]とした。この応答時間が短いほどセンサ素子101のNOx濃度検出の応答性が高いことを意味する。そして、NOx濃度検出の応答時間が1.1sec以下であった場合にNOx濃度検出の応答性を「A(優)」と判定し、1.2sec以下であった場合にNOx濃度検出の応答性を「B(可)」と判定し、1.2secを超えていた場合にNOx濃度検出の応答性を「F(不可)」と判定した。
Also, for each of Experimental Examples 1 to 7, the relationship between the distance L and the responsiveness of NOx concentration detection was examined. Specifically, first, in a state where the
また、実験例1~7の各々について、ヒータ72が目標温度に到達している状態での、検知電極56の最低温度と内側ポンプ電極22の最高温度との差を調べた。
Further, for each of Experimental Examples 1 to 7, the difference between the minimum temperature of the
表1に、実験例1~7の各々における距離Aと、距離Lと、内側ポンプ電極22のポンプ能力と検知電極56を用いたアンモニア濃度の検出精度との両立が可能か否かの判定結果と、NOx濃度検出の応答時間と、応答性の評価と、検知電極56の最低温度と内側ポンプ電極22の最高温度との差と、をまとめて示す。
Table 1 shows the distance A and the distance L in each of Experimental Examples 1 to 7, and the determination result of whether or not the pumping capacity of the
表1に示すように、距離Aが1mm以上である実験例2~7では、内側ポンプ電極22のポンプ能力と検知電極56を用いたアンモニア濃度の検出精度との両立が可能であった。これに対し、距離Aが0mmである実験例1では、両立はできなかった。具体的には、実験例1では、ヒータ72の目標温度を低くすると内側ポンプ電極22のポンプ能力の評価が「不可」となり、内側ポンプ電極22のポンプ能力の評価が「優」になるように目標温度を高くすると、検知電極56を用いたアンモニア濃度の検出精度の評価が「不可」となった。これらの実験例1~7の結果から、距離Aが1mm以上であれば、主ポンプセル21と混成電位セル55とを共に適切に動作させることができることが確認された。
As shown in Table 1, in Experimental Examples 2 to 7 in which the distance A was 1 mm or more, both the pumping ability of the
また、距離Lが小さいほど、NOx濃度検出の応答時間が短くなる傾向が確認された。具体的には、距離Lが13mm以下となっている実験例1~6では、NOx濃度検出の応答時間がいずれも1.2sec以下であり、応答性の評価は「A(優)」又は「B(可)」であった。特に、距離Lが11mm以下である実験例1~4は、NOx濃度検出の応答時間がいずれも1.1sec以下であり、応答性の評価は「A(優)」であった。これに対し、距離Lが13mmを超えている実験例7は、NOx濃度検出の応答時間が1.3sec以上であり、応答性の評価は「F(不可)」であった。これらの結果から、距離Lが13mm以下であれば、NOx濃度濃度検出の応答性の低下を抑制できることが確認された。 Also, it was confirmed that the smaller the distance L, the shorter the response time for NOx concentration detection. Specifically, in Experimental Examples 1 to 6 in which the distance L is 13 mm or less, the response time for NOx concentration detection is all 1.2 sec or less, and the responsiveness is evaluated as "A (excellent)" or " B (acceptable)”. In particular, in Experimental Examples 1 to 4 in which the distance L was 11 mm or less, the NOx concentration detection response time was 1.1 sec or less, and the responsiveness was evaluated as "A (excellent)." On the other hand, in Experimental Example 7, in which the distance L exceeds 13 mm, the NOx concentration detection response time was 1.3 sec or longer, and the responsiveness was evaluated as "F (impossible)." From these results, it was confirmed that if the distance L is 13 mm or less, it is possible to suppress a decrease in the responsiveness of NOx concentration detection.
以上の結果から、実験例2~6のように距離Aが1mm以上且つ距離Lが13mm以下であれば、被測定ガス中のNOx濃度及びアンモニア濃度を精度良く検出でき、且つNOx濃度検出の応答性の低下を抑制できることが確認された。 From the above results, if the distance A is 1 mm or more and the distance L is 13 mm or less as in Experimental Examples 2 to 6, the NOx concentration and ammonia concentration in the gas to be measured can be accurately detected, and the NOx concentration detection response It was confirmed that the decrease in sex can be suppressed.
また、距離Aが4mm以下である実験例1~5では、検知電極56の最低温度と内側ポンプ電極22の最高温度との差が400℃以下であり、検知電極56と内側ポンプ電極22との温度差が大きくなりすぎないことが確認された。
Further, in Experimental Examples 1 to 5 in which the distance A was 4 mm or less, the difference between the lowest temperature of the
[実験例8~14]
図4に示したように、検知電極156を素子本体101aの内側に配設した態様のセンサ素子101について、距離C,距離A及び距離Lを下記の表2に示すように種々変更したものを、それぞれ実験例8~14とした。実験例8~14は、いずれも距離Bは6mmとした。この実験例8~14の各々について、NOx濃度検出の応答時間とアンモニア濃度検出の応答時間との差を調べた。具体的には、ベースガスが窒素でありアンモニア濃度が0ppmであるモデルガスを被測定ガスとして、被測定ガスを配管に流し、混成電位セル55の起電力EMFの値及び測定用ポンプセル41のポンプ電流Ip2の値が安定するまで待った。そして、配管内に流す被測定ガスのアンモニア濃度を0ppmから500ppmに変化させた場合における、起電力EMFの値及びポンプ電流Ip2の値の時間変化を調べた。アンモニア濃度を変化させる直前の起電力EMFの値を0%、アンモニア濃度の変化後に起電力EMFが変化して安定したときの値を100%として、起電力EMFの値が10%を越えたときから90%を越えるまでの経過時間をアンモニア濃度検出の応答時間[sec]とした。同様の方法で、ポンプ電流Ip2の値が10%を越えたときから90%を越えるまでの経過時間をNOx濃度検出の応答時間[sec]とした。上述したように、被測定ガス中のアンモニア濃度が変化するとポンプ電流Ip2も変化するため、アンモニアを含むモデルガスを用いることで、NOx濃度検出の応答時間とアンモニア濃度検出の応答時間との両方を調べることができる。そして、得られた両者の応答時間の差を算出した。応答時間の差が小さいほど、センサ素子101によるNOx濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さいことを意味する。そして、応答時間の差が0.8sec以下であった場合に応答時間の差を「A(差が非常に小さい)」と判定し、0.9sec以下であった場合に応答時間の差を「B(差が小さい)」と判定し、0.9secを超えていた場合に応答時間の差を「F(差が大きい)」と判定した。表2に、実験例8~14の各々における、距離Cと、距離Aと、距離Lと、アンモニア濃度検出の応答時間と、NOx濃度検出の応答時間と、応答時間の差と、応答時間の差の評価と、をまとめて示す。
[Experimental Examples 8 to 14]
As shown in FIG. 4, regarding the
表2に示すように、距離Cが小さいほど、アンモニア濃度検出の応答時間とNOx濃度検出の応答時間との差が小さくなる傾向が確認された。具体的には、距離Cが11mm以下となっている実験例8~13では、応答時間の差がいずれも0.9sec以下であり、応答時間の差の評価は「A(差が非常に小さい)」又は「B(差が小さい)」であった。特に、距離Cが9mm以下である実験例8~11は、応答時間の差がいずれも1.1sec以下であり、応答時間の差の評価は「A(差が非常に小さい)」であった。これに対し、距離Cが11mmを超えている実験例14は、応答時間の差が1.3secであり、応答時間の差の評価は「F(差が大きい)」であった。これらの結果から、距離Cが11mm以下であれば、NOx濃度及びアンモニア濃度の検出タイミングのずれが小さくなることが確認された。また、距離Cは9mm以下が好ましく、7mm以下がより好ましいと考えられる。 As shown in Table 2, it was confirmed that the smaller the distance C, the smaller the difference between the response time for detecting the ammonia concentration and the response time for detecting the NOx concentration. Specifically, in Experimental Examples 8 to 13 in which the distance C is 11 mm or less, the difference in response time is 0.9 sec or less, and the evaluation of the difference in response time is "A (difference is very small). )” or “B (small difference)”. In particular, in Experimental Examples 8 to 11 in which the distance C was 9 mm or less, the difference in response time was 1.1 sec or less, and the evaluation of the difference in response time was "A (very small difference)". . On the other hand, in Experimental Example 14 in which the distance C exceeds 11 mm, the difference in response time was 1.3 sec, and the evaluation of the difference in response time was "F (large difference)". From these results, it was confirmed that when the distance C is 11 mm or less, the deviation in detection timing of the NOx concentration and the ammonia concentration becomes small. Moreover, it is considered that the distance C is preferably 9 mm or less, and more preferably 7 mm or less.
なお、実験例8~14は、距離A及び距離Lを実験例1~7と同じように変化させており、実験例8~14についても表1と同様の結果が得られた。例えば、距離Aが1mm以上且つ距離Lが13mm以下である実験例9~13は、内側ポンプ電極22のポンプ能力と検知電極156を用いたアンモニア濃度の検出精度との両立が可能であり、NOx濃度検出の応答性の評価は「優(A)」又は「可(B)」であった。
In Experimental Examples 8 to 14, the distance A and the distance L were changed in the same manner as in Experimental Examples 1 to 7, and the same results as in Table 1 were obtained for Experimental Examples 8 to 14 as well. For example, in Experimental Examples 9 to 13 in which the distance A is 1 mm or more and the distance L is 13 mm or less, it is possible to achieve both the pumping ability of the
1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、10 ガス導入口、11 第1拡散律速部、12 緩衝空間、13 第2拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、24 可変電源、30 第3拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 第4拡散律速部、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、55 混成電位セル、56 検知電極、60 第4拡散律速部、61 第3内部空所、70 ヒータ部、71 ヒータコネクタ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、84 緩衝層、84a 上側緩衝層、84b 下側緩衝層、85 保護層、90 制御装置、91 制御部、92 CPU、94 記憶部、100 ガスセンサ、101,201 センサ素子、101a 素子本体、156 検知電極、156a 天井電極部、156b 底部電極部。 REFERENCE SIGNS LIST 1 first substrate layer 2 second substrate layer 3 third substrate layer 4 first solid electrolyte layer 5 spacer layer 6 second solid electrolyte layer 10 gas inlet 11 first diffusion control section 12 buffer space, 13 second diffusion rate-limiting section, 20 first internal cavity, 21 main pump cell, 22 inner pump electrode, 22a ceiling electrode section, 22b bottom electrode section, 23 outer pump electrode, 24 variable power supply, 30 third diffusion rate-limiting section , 40 second internal cavity, 41 measurement pump cell, 42 reference electrode, 43 reference gas introduction space, 44 measurement electrode, 45 fourth diffusion rate-limiting section, 46 variable power source, 48 atmosphere introduction layer, 50 auxiliary pump cell, 51 auxiliary pump Electrode 51a Ceiling electrode portion 51b Bottom electrode portion 52 Variable power source 55 Mixed potential cell 56 Detection electrode 60 Fourth diffusion rate-determining portion 61 Third internal space 70 Heater portion 71 Heater connector electrode 72 Heater , 73 through hole 74 heater insulating layer 75 pressure dissipation hole 80 oxygen partial pressure detection sensor cell for main pump control 81 oxygen partial pressure detection sensor cell for auxiliary pump control 82 oxygen partial pressure detection sensor cell for measurement pump control 83 Sensor cell 84 Buffer layer 84a Upper buffer layer 84b Lower buffer layer 85 Protective layer 90 Control device 91 Control unit 92 CPU 94 Storage unit 100 Gas sensor 101, 201 Sensor element 101a Element body 156 Sensing electrode, 156a ceiling electrode portion, 156b bottom electrode portion.
Claims (7)
前記被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室に配設された調整用ポンプ電極を有し、該酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた測定室の内周面上に配設され、前記被測定ガス中の特定の酸化物ガス濃度を検出するための測定電極と、
前記素子本体に配設された検知電極を有し、前記被測定ガス中のアンモニア濃度に応じた起電力を発生させる混成電位セルと、
前記素子本体を加熱するヒータと、
を備え、
前記素子本体の前記長手方向を前後方向として、前記調整用ポンプ電極及び前記測定電極は、前記素子本体のうちの前側に配設されており、
前記検知電極は、前記素子本体のうち前記調整用ポンプ電極よりも前方に配設されており、
前記検知電極,前記調整用ポンプ電極,及び前記ヒータは、前記ヒータにより加熱されたときに前記調整用ポンプ電極の方が前記検知電極よりも高温になるように配置され、
前記検知電極と前記調整用ポンプ電極との前記前後方向の距離Aが1mm以上であり、
前記被測定ガス流通部の入口であるガス導入口から前記測定電極までの前記前後方向の距離Lが13mm以下である、
センサ素子。 an element main body having an oxygen ion-conducting solid electrolyte layer, a measuring gas flow section for introducing and circulating a measuring gas, and having a longitudinal direction;
an adjustment pump cell having an adjustment pump electrode disposed in the oxygen concentration adjustment chamber of the gas flow portion to be measured, and adjusting the oxygen concentration in the oxygen concentration adjustment chamber;
A sensor for detecting a concentration of a specific oxide gas in the gas to be measured, disposed on the inner peripheral surface of a measurement chamber provided downstream of the oxygen concentration adjustment chamber in the gas flow section to be measured. a measuring electrode;
a mixed potential cell having a detection electrode disposed on the element body and generating an electromotive force corresponding to the concentration of ammonia in the gas to be measured;
a heater for heating the element body;
with
With the longitudinal direction of the element body as the front-rear direction, the adjustment pump electrode and the measurement electrode are disposed on the front side of the element body,
The detection electrode is disposed in front of the adjustment pump electrode in the element body,
The detection electrode, the adjustment pump electrode, and the heater are arranged so that the adjustment pump electrode becomes hotter than the detection electrode when heated by the heater,
The distance A in the front-rear direction between the detection electrode and the adjustment pump electrode is 1 mm or more,
The distance L in the front-rear direction from the gas introduction port, which is the entrance of the gas flow part to be measured, to the measurement electrode is 13 mm or less.
sensor element.
請求項1に記載のセンサ素子。 The distance A is 4 mm or less,
A sensor element according to claim 1 .
請求項1又は2に記載のセンサ素子。 The sensing electrode is arranged outside the element body so as to be in contact with the gas to be measured.
3. A sensor element according to claim 1 or 2.
請求項1又は2に記載のセンサ素子。 The detection electrode is provided on the upstream side of the oxygen concentration adjustment chamber in the measurement gas circulation section,
3. A sensor element according to claim 1 or 2.
請求項4に記載のセンサ素子。 The distance C between the detection electrode and the measurement electrode in the front-rear direction is 11 mm or less,
5. A sensor element according to claim 4.
前記被測定ガス流通部は、前記ガス導入口から前記測定電極まで前後方向に延びる流路である、
請求項1~5のいずれか1項に記載のセンサ素子。 The gas introduction port is open to the front end surface of the element body,
The measured gas flow portion is a flow path extending in the front-rear direction from the gas introduction port to the measurement electrode,
The sensor element according to any one of claims 1-5.
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