JP2006105768A

JP2006105768A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2006105768A
Application number: JP2004292371A
Authority: JP
Inventors: Susumu Naito; 将内藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】低消費電力で早期活性に優れるガスセンサを提供すること。
【解決手段】固体電解質体２１に被測定ガス側電極２３と基準ガス側電極２２を設けたセンサ素子２と、センサ素子２を保持する筒状のハウジング１２と、ハウジング１２の先端側に設けた被測定ガス側カバー６と、ハウジング１２の基端側に設けた基準ガス側カバー７１とを備えるガスセンサにおいて、センサ素子２を誘導加熱する誘導コイル５とを被測定ガス側カバー６内に収納した。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素濃度等の測定を行うガスセンサに関し、例えば、内燃機関の排気系に設置されるガスセンサに関する。

内燃機関の排気系に設置されて排気ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度等を測定するガスセンサとして、固体電解質体に被測定ガス側電極および基準ガス側電極を設けたセンサ素子を用いて基準ガスと被測定ガスの濃度差に応じた信号を検出するものが知られている。

この種のガスセンサは、センサ素子が所定の温度範囲にないとガス濃度を測定することができないため、センサ素子の温度を調整しなければならない。特に、内燃機関始動直後においては、センサ素子の温度は外気温程度となっており、この状態から速やかにセンサ素子を所定温度に加熱する必要がある。このため、センサ素子を加熱するヒータが設けられている。

このヒータとしては、絶縁性セラミック内にタングステン等の発熱体を有するセラミックヒータが知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。また、その他のヒータとして、ハロゲンランプ、タングステンよりなる赤外線球、炭化珪素よりなるクロード等の外部熱源を用いるものがある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−１４０７７号公報特開２０００−１０６２６６号公報特開平１１−２８７７８４号公報

前述のセラミックヒータを用いてセンサ素子を加熱するガスセンサは、セラミックヒータとセンサ素子とを接触させて伝熱する構成である。しかし、セラミックヒータの熱がセンサ素子にすべて伝熱されるのではなく、セラミックヒータの熱の一部はセンサ素子の加熱に利用されることなく大気中に放熱される。このため、セラミックヒータの熱を有効に利用しているとは言えず、早期活性のためにヒータ発熱量を大きくしたとしても、センサ素子の加熱に利用されない熱量も増加するため、ヒータの消費電力が大きくなる割に早期活性を達成することができない。なお、本明細書において、「早期活性」とは、センサ素子加熱開始後、速やかにセンサ素子作動温度となってガス濃度検出ができることを意味する。

また、ハロゲンランプ等の熱源を用いるガスセンサでは、別に設けられた熱源から放射状に発せられる熱を熱導入部材に導入して伝熱する必要があり、特に熱導入部材に導入されずに取りこぼされセンサ素子の加熱に利用されない熱が生じるため、ヒータの消費電力が大きくなる割に早期活性を達成することができない。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、低消費電力で早期活性に優れるガスセンサを提供しようとするものである。

請求項１の発明は、固体電解質体に被測定ガス側電極と基準ガス側電極を設けたセンサ素子と、前記センサ素子を誘導加熱する誘導コイルとを備えたことを特徴とするガスセンサである。

本発明は、センサ素子を加熱するために誘導コイルを用いたものである。誘導コイルによる加熱は、センサ素子に設けた被測定ガス側電極および基準ガス側電極に渦電流を発生させてセンサ素子を加熱するものである。そして、電極自体を発熱させることができるため、ガス濃度検知部を速やかに加熱することができ、消費電力を抑えつつ早期活性に優れるガスセンサを得ることができる。ここで、ガス濃度検知部とは、被測定ガス側電極および基準ガス側電極が設けられた箇所の近傍をいう。

請求項２の発明は、前記被測定ガス側電極が前記誘導コイルの内側に配置されていることを特徴とするガスセンサである。誘導コイルの内側は誘導コイルによって発生する磁束密度が高く、効果的にセンサ素子を加熱することができる。

請求項３の発明は、前記センサ素子を保持する筒状のハウジングと、前記ハウジングの先端側に設けた被測定ガス側カバーと、前記ハウジングの基端側に設けた基準ガス側カバーとを備え、前記誘導コイルを前記被測定ガス側カバー内に収納したことを特徴とするガスセンサである。このように、被測定ガス側カバー内に誘導コイルを配置することにより、センサ素子と誘導コイルとを一体化することができ、ガスセンサの取り付け性が向上する。

請求項４の発明は、前記センサ素子が、前記被測定ガス側電極および前記基準ガス側電極以外の導体部を有することを特徴とするガスセンサである。このように電極以外の導体部を設けることでより一層早期活性を実現することができる。

請求項５の発明は、前記導体部の厚みが１〜１０μｍであることを特徴とするガスセンサである。導体部の厚みを上記範囲内とすることで導体部に渦電流が流れる際に電気抵抗による十分なジュール損失が得られ、早期活性に優れるガスセンサを得ることができる。

請求項６の発明は、センサ信号の特定周波数成分を除去する信号処理を行うことを特徴とするガスセンサである。この構成により、センサ信号に重畳した、特に上記の渦電流における交流周波数のノイズを除去することで高精度なガス濃度検出を実現できる。

（第１実施形態）
本実施形態にかかるガスセンサ１について図１を用いて説明する。ガスセンサ１は、図１に示すごとく、センサ素子２と、センサ素子２を保持するハウジング１２と、ハウジング１２の一端に設けた被測定ガス側カバー６と、ハウジング１２の他端に設けた基準ガス側カバー７１と、被測定ガス側カバー６の内側に配置した誘導コイル５を有している。

なお、本明細書では、ガスセンサ１の軸線方向において被測定ガスカバー６を設けた側を「先端側」、これと反対側であって基準ガス側カバー７１を設けた側を「基端側」として説明を行う。

以下詳細説明する。図１〜図３に示すごとく、センサ素子２は複数のセラミックシートを積層して構成される。ジルコニアからなる板状の固体電解質体２１に固体電解質体２１を介して対向するように基準ガス側電極２２と被測定ガス側電極２３を有している。これら電極は、白金からなり、スクリーン印刷、スパッタリング成膜等により形成される。また、被測定ガス側電極２３の先端側を覆うように多孔質拡散抵抗層２５および遮蔽層２６が形成されている。この多孔質拡散抵抗層２５はアルミナ等の多孔質セラミックからなり、遮蔽層２６はアルミナ等の緻密なセラミックからなる。多孔質拡散抵抗層２５および遮蔽層２６により被測定ガス側電極２３に到達する被測定ガスの量を規制している。また、固体電解質体２１の基準ガス側電極２２を設けた側には、ダクト形成シート２７および２９が設けられ、基準ガスを基準ガス側電極２２まで導くダクト２４を形成している。

ハウジング１２は、ステンレスからなる略円筒形状を有する部材である。ハウジング１２の外径面には、軸方向中央部に内燃機関の排気管に着座するフランジがあり、フランジよりも先端側に排気管と結合する雄ねじが形成されている。ハウジング１２の内径面には、貫通穴５５を有する円筒状の絶縁碍子５２が配置されている。貫通穴５５にはセンサ素子２が挿通されており、絶縁碍子５２の基端側内径に設けた空間にガラス５３を注入することで絶縁碍子５２とセンサ素子２とを固定している。

被測定ガス側カバー６は、内側カバー６１、外側カバー６２よりなる二重構造である。被測定ガス側カバー６は、有底筒状の形状を有し、その開口端にはつば部が設けられている。このつば部がハウジング１２の先端側にかしめおよびスポット溶接等により接合されることで、被測定ガス側カバー６はハウジング１２に固定される。被測定ガス側カバー６は、被測定ガスを導入するための被測定ガス導入穴６３を有し、ここから被測定ガスを導入して、内側カバー６１の内部の被測定ガス室６４を被測定ガス雰囲気にする。

基準ガス側カバー７１は、略円筒形状で、一端に大径部を有し、他端に小径部を備えている。小径部と大径部との間には段部８１が形成されており、大径部の内径面にはリード端子１６を保持する絶縁保持部材５６が設けられている。基準ガス側カバー７１の大径部端部は、ハウジング１２の基端側にレーザ溶接により溶接固定されており、基準ガス側カバー７１の小径部端部は弾性絶縁部材１４により封止されている。基準ガス側カバー７１の小径部の外周面には、撥水フィルタ７４を介して筒状の外側カバー７２がかしめ固定されている。基準ガス側カバー７１と外側カバー７２はともに基準ガスを導入する基準ガス導入穴７３を有し、この基準ガス導入穴７３を通じて、基準ガス側電極２２に基準ガスを導入する。

センサの信号取り出し線１８は、リード端子１６を介して基準ガス側電極２２と被測定ガス側電極２３に電気的に接続しており、弾性絶縁部材１４に設けた穴を貫通してセンサ出力が外部へと取り出される。このリード線には、センサ信号の特定周波数成分を除去する信号処理を行う回路（図示せず）が接続されている。

誘導コイル５は、銅からなる導電性の線材をらせん状に巻くことで形成されたもので、被測定ガス側カバー６の内周面にエポキシ樹脂等で接着固定される。このとき、センサ素子２の被測定ガス側電極２３が誘導コイル５の内側に位置している。この導電性の線材の両端には図示しないリード線が接続されており、交流電流が供給される。

本発明のガスセンサ１の作動について以下に説明する。

内燃機関始動後、誘導コイル５は交流電圧を印加される。誘導コイル５に交流電流が流れると、誘導コイルの内部には交番磁束が発生する。この磁束により被測定ガス側電極２３および基準ガス側電極２２に渦電流を発生し、電極自体が発熱する。このため、センサ素子２のガス濃度検知部が速やかに加熱される。同時に、内燃機関の排気管内の排気ガスが、ガスセンサ１の被測定ガス導入穴６３より被測定ガス室６４に導入される。また、基準ガスは、内燃機関始動前から基準ガス導入穴７３より基準ガス側電極２２に導入されている。

誘導コイル５により加熱が開始された後、センサ素子２の被測定ガス側電極２３と基準ガス側電極２２の間に上述の誘導コイル５への引加電圧と異なる周波数の交流電圧が印加され、信号処理を施すことで固体電解質体２１の抵抗値が検出される。センサ素子温度が上昇し、固体電解質体２１の抵抗値が所定の値となったところで誘導コイルに印加する電圧を小さくし、センサ素子温度を調整する。

所定の温度となったガスセンサ素子は排気ガス中の酸素濃度に応じた限界電流値を出力する。限界電流値とは、例えば排気ガスの状態が酸素過多の場合、基準ガス側電極２２と被測定ガス側電極２３の間に電圧を印加し、その電圧を徐々に高くすると最終的には電流が変化しなくなる。この電流が限界電流であり、基準ガス側電極２２と被測定ガス側電極２３間の電圧引加による酸素ポンピング量が、多孔質層２４のガス拡散抵抗による排気ガス中の酸素のセンサ内への流入量を上回るために起こる現象である。上記限界電流値から酸素濃度を測定し、空燃比を求めることができる。この空燃比を示すセンサ信号には、前記渦電流の影響によるノイズが重畳しているが、センサ信号の特定周波数成分を除去する信号処理を行うことで高精度な空燃比を検出することができる。

また、空燃比検出中に、固体電解質体２１の温度コントロールを行う。これは、固体電解質体２１の温度が、所定温度以下である場合は固体電解質体が電気的に高抵抗となって機能しないことと、高温時には破損や電極の溶融等を起こす可能性が高まるためである。固体電解質体２１の温度が所定の温度より低い場合は、誘導コイル５に印加する電圧を上げ、所定の温度より高い場合には誘導コイル５に印加する電圧を下げる。

固体電解質体２１の温度コントロールを行うために、固体電解質体２１の温度をモニターする。その方法として、センサ素子２に交流電圧を印加させる。その時のセンサ素子２を印加後、得られる電流を測定する。この電流と交流電圧の関係から素子抵抗を求め、あらかじめ検出しておいた素子複素抵抗と固体電解質２１の温度との関係式より、間接的に固体電解質体２１の温度を求めることができる。

なお、温度においては上述の方法のほかに、素子に白金抵抗体等を内蔵することにより、抵抗体の抵抗値を測定することによって間接的に固体電解質体の温度を求めることも可能である。

（第２実施形態）
本実施形態は、図４に示すごとく、第１実施形態のガスセンサにおけるセンサ素子２に導体部２８を設けたものである。その他の構造と作用は、第１実施形態と同様である。

誘導コイル５に交流電圧を印加すると、被測定ガス側電極２３と基準ガス側電極２２に渦電流が流れるとともに、導体部２８にも渦電流が流れる。このため、センサ素子２をより早く加熱することができ、早期活性を実現できる。

図５は、第２実施形態のガスセンサにおいて、導体部２８の厚みを変化させた場合の素子昇温速度を示したものである。図５から導体部２８の厚みが１〜１０μｍのときに素子昇温速度が高いことが分かる。これは、加熱導体板の厚みが１〜１０μｍの範囲のとき、渦電流密度と導体部２８の抵抗によって定まる発熱量が大きくなるからである。したがって、導体部２８の厚みを１〜１０μｍとしたガスセンサが好ましい。なお、１μｍより薄い場合には渦電流が流れる際の抵抗が高いために渦電流自体が流れにくく、また１０μｍより厚い場合には渦電流は多く流れるものの抵抗が小さいために十分なジュール損失が得られず、さらに大電流を供給する必要が出てくるために容量の大きな電流が必要となるため経済的ではない。

第１実施形態における、ガスセンサの断面図。第１実施形態における、センサ素子の展開斜視図。図１のＡ−Ａ線矢視断面図第２実施形態における、ガスセンサの断面図。第２実施形態における、素子昇温速度を示す図。

符号の説明

１ガスセンサ
２センサ素子
５誘導コイル
６被測定ガス側カバー
１２ハウジング
１４弾性絶縁部材
２１固体電解質体
２２基準ガス側電極
２３被測定ガス側電極
２８導体部

Claims

固体電解質体に被測定ガス側電極と基準ガス側電極を設けたセンサ素子と、前記センサ素子を誘導加熱する誘導コイルとを備えたことを特徴とするガスセンサ。
請求項１において、前記被測定ガス側電極は、前記誘導コイルの内側に配置されていることを特徴とするガスセンサ。
請求項１または２において、前記センサ素子を保持する筒状のハウジングと、前記ハウジングの先端側に設けた被測定ガス側カバーと、前記ハウジングの基端側に設けた基準ガス側カバーとを備え、前記誘導コイルを前記被測定ガス側カバー内に収納したことを特徴とするガスセンサ。
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記センサ素子は、前記被測定ガス側電極および前記基準ガス側電極以外の導体部を有することを特徴とするガスセンサ。
請求項４において、前記導体部の厚みが１〜１０μｍであることを特徴とするガスセンサ。
請求項１〜５のいずれかにおいて、センサ信号の特定周波数成分を除去する信号処理を行うことを特徴とするガスセンサ。