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JP5271944B2 - ガスセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、センサ素子を備え、被測定ガス成分中の所定ガス成分を測定するガスセンサに関する。
従来より、被測定ガス中の所望ガス成分の濃度を知るために、各種の測定装置が用いられている。例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のNOx濃度を測定する装置として、ジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質層上にPt電極およびRh電極を形成することにより構成した電気化学的ポンプセルを有するガスセンサが公知である。このようなガスセンサには、多孔質体からなり、測定電極に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極を保護するための電極保護層が測定電極を覆うように形成されている。
例えば、測定電極の端部近傍においても十分な厚さを有するように電極保護層を形成することで、電極金属の酸化/還元の繰り返し等によって生じる応力により電極保護層にクラックが生じることや電極保護層が剥離することを、効果的に阻止したガスセンサが公知である(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−284223号公報
しかし、特許文献1に開示されているようなガスセンサを自動車エンジン等の内燃機関の排気系に取り付けて内燃機関を駆動させる際、排ガス中に含まれる有害成分(Mg,Na,Ca等)が多孔質体から成る電極保護層を目詰まりさせることがある。このような電極保護層の目詰まりによって被測定ガスが測定電極まで到達しにくくなり、NOx等の被測定ガス成分に対するガスセンサの感度、すなわち測定精度がガスセンサの使用とともに徐々に低下してしまうという問題がある。
また、特許文献1に開示されているようなガスセンサにおいては、電極保護層の構造を工夫することによって電極保護層に生じるクラックや剥離の発生が効果的に阻止されているものの、電極金属の酸化/還元の繰り返し等により電極保護層が応力を受けていることに変わりはない。すなわち、上述のようなガスセンサには、使用とともに電極保護層にクラックや剥離等が生じる可能性が高くなり、電極保護層にクラックや剥離等が生じることで測定精度が低下するという問題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、繰り返しの使用によっても測定精度が安定的に保たれるガスセンサを提供することを目的とする。
請求項1の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子を有し、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサであって、前記センサ素子は、前記外部空間から被測定ガスを導入するガス導入口と、前記ガス導入口と所定の拡散抵抗の下で連通してなる緩衝空間と、前記緩衝空間と所定の拡散抵抗の下で連通してなる第1の内部空所と、前記第1の内部空所と所定の拡散抵抗の下で連通してなる第2の内部空所と、平均気孔径が200nm以上100μm以下、気孔率が20%以上80%以下の多孔質体からなり、前記第2の内部空所内のうち前記第2の内部空所の端部から前記センサ素子の長手方向の所定の位置までに埋設され、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する多孔質拡散層と、前記第1の内部空所の表面に形成された主ポンピングセル用の第1の電極と前記第1および第2の内部空所とは異なる空間に形成された第2の電極との間に所定電圧を印加することで、前記第1の内部空所中の酸素を汲み出し可能な主ポンピングセルと、前記第2の内部空所の表面に形成された補助ポンピングセル用の第1の電極と前記第2の電極との間に所定電圧を印加することで、前記第2の内部空所中の酸素を汲み出し可能な補助ポンピングセルと、前記第2の内部空所の表面に露出するように形成され前記多孔質拡散層により前記所定の拡散抵抗が付与された前記所定ガス成分中の酸化物気体成分を還元可能な第3の電極と前記第1および第2の内部空所とは異なる部位に形成された第4の電極との間に電圧を印加して、前記第3の電極と前記第4の電極との間を流れる電流を測定可能に設けられた測定セルと、を備える。
請求項の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子を有し、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサであって、前記センサ素子は、前記外部空間から被測定ガスを導入するガス導入口と、前記ガス導入口と所定の拡散抵抗の下で連通してなる緩衝空間と、前記緩衝空間と所定の拡散抵抗の下で連通してなる第1の内部空所と、前記第1の内部空所と所定の拡散抵抗の下で連通してなる第2の内部空所と、平均気孔径が200nm以上100μm以下、気孔率が20%以上80%以下の多孔質体からなり、前記ガス導入口、前記緩衝空間および前記第1の内部空所内に埋設され、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する多孔質拡散層と、前記第1の内部空所の表面に形成された主ポンピングセル用の第1の電極と前記第1および第2の内部空所とは異なる空間に形成された第2の電極との間に所定電圧を印加することで、前記第1の内部空所中の酸素を汲み出し可能な主ポンピングセルと、前記第2の内部空所の表面に形成された補助ポンピングセル用の第1の電極と前記第2の電極との間に所定電圧を印加することで、前記第2の内部空所中の酸素を汲み出し可能な補助ポンピングセルと、前記第2の内部空所の表面に露出するように形成され前記多孔質拡散層により前記所定の拡散抵抗が付与された前記所定ガス成分中の酸化物気体成分を還元可能な第3の電極と前記第1および第2の内部空所とは異なる部位に形成された第4の電極との間に電圧を印加して、前記第3の電極と前記第4の電極との間を流れる電流を測定可能に設けられた測定セルと、を備える
請求項の発明は、請求項に記載のガスセンサにおいて、前記ガス導入口と前記第3の電極の間に、それぞれが1または複数のスリットからなる複数の拡散律速部、をさらに備え、前記第3の電極と最も近い前記拡散律速部との間に前記多孔質拡散層が設けられてなる。
請求項1ないし請求項の発明によれば、繰り返しの使用によっても測定精度が安定的に保たれるガスセンサを実現することができる。

また、多孔質拡散層に目詰まりを生じさせることなく、被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与することが可能なガスセンサを実現することができる。
第1の実施の形態に係るガスセンサの構成を概略的に示した断面模式図である。 第1の実施の形態に係るガスセンサの構成を概略的に示した部分断面図である。 ガス導入口10側から見た図2に示すガスセンサのA−A′断面を概略的に示した図である。 第2の実施の形態に係るガスセンサの構成を概略的に示した部分断面図である。 水溶液の滴下量とセンサ出力の変化率との関係を示した図である。 酸化還元繰り返し数とセンサ出力の変化率との関係を示した図である。 気孔率とセンサ出力との関係を示した図である。
<第1の実施の形態>
<ガスセンサの概略構成>
はじめに、ガスセンサ100の概略構成について説明する。
図1は、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。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構造を有する細長な長尺の板状体形状の素子である。また、これら6つの層を形成する固体電界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。
センサ素子101の一先端部であって、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とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。ただし、第2内部空所40には第1多孔質拡散層91が設けられている。
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センサ素子101内部の空間である。
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。なお、ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位をガス流通部とも称する。
また、ガス流通部よりも先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。
大気導入層48は、多孔質アルミナ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。
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内や第2内部空所40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。
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センサ素子101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、センサ素子101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からセンサ素子101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濃度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濃度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。
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と対応する領域に外部空間に露出する態様にて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。
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。
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、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。
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。
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6と、スペーサ層5と、第1固体電解質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。
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、起電力V0が一定となるように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内部空所内20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。
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。
第2内部空所40は、内部に設けられた第1多孔質拡散層91によって、第3拡散律速部30から導入された被測定ガスに対し窒素酸化物(NOx)濃度の測定に適した所定の拡散抵抗を付与したうえで、該被測定ガスを測定用ポンプセル41に供する部位である。
図2は、第2内部空所40の構成を説明するために、本実施の形態に係るセンサ素子101の構成を概略的に示した部分断面図である。また、図3は、ガス導入口10側から見た図2に示すガスセンサ100のA−A′断面を概略的に示した図である。
第1多孔質拡散層91は、少なくともセンサ素子101の各層を構成する固体電解質よりも平均気孔径および気孔率が大きい多孔質体からなり、好ましくは、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスや金属のうち少なくとも一種類を主成分として構成される多孔質体からなる層である。
図2,図3に示すように、第1多孔質拡散層91は、第2内部空所40内の第3拡散律速部30との境界からセンサ素子長手方向の所定の位置aまでの空間に埋設されている。なお、位置aは、測定電極44(後述する)のガス導入口10側の端部bよりもガス導入口10側である。
第3拡散律速部30との境界から位置aまでの距離や、第1多孔質拡散層91の平均気孔径および気孔率は、第1多孔質拡散層91によって被測定ガスに対して付与しようとする、窒素酸化物(NOx)濃度の測定に適した拡散抵抗の程度に応じて適宜規定されればよい。なお、第1多孔質拡散層91の平均気孔径および気孔率は、第1多孔質拡散層91の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて撮影し、画像解析により気孔部分を抽出することによって算出するものとする。
ただし、第1多孔質拡散層91は、平均気孔径が200nm〜100μmであり、気孔率が20%〜80%であることが好適である。平均気孔径と気孔率とをこれらの範囲に定めた場合、第1多孔質拡散層91においては、有害成分の粒子を十分に捕捉しつつも目詰まりが生じることなく、被測定ガスに対して所望の拡散抵抗が付与される。なお、有害成分は、被測定ガス中を固体粒子として浮遊しているだけでなく、被測定ガス中に液体または気体の状態で含まれている場合があり、第1多孔質拡散層91における目詰まりは、その気孔表面において固体の有害成分粒子の付着のみならず液体もしくは気体の有害成分粒子の析出が進行することによっても起こり得る。
仮に、第1多孔質拡散層91の平均気孔径が200nm未満の場合や気孔率が20%未満の場合、被測定ガス中に含まれる有害成分が付着することにより第1多孔質拡散層91に目詰まりが生じて被測定ガスが測定電極44まで到達しにくくなり、ガスセンサ100の測定性能が低下するため好ましくない。
一方で、第1多孔質拡散層91の平均気孔径が100μmを越える場合や気孔率が80%を越える場合は、ほとんどの有害成分粒子が捕捉されることなく第1多孔質拡散層91を通過してしまうことになり好ましくない。また、気孔率が80%を越える第1多孔質拡散層91については、これを好適に形成するのが難しいという問題もある。
このように、第2内部空所40では、第1多孔質拡散層91によって、第3拡散律速部30から導入された被測定ガスに対して窒素酸化物(NOx)濃度の測定に適した所定の拡散抵抗が付与される。
加えて、第2内部空所40では、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が行われるようになっている。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。
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、センサ素子101と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。
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、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。
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。
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。
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。
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、その起電力V0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。
すなわち、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)に保たれる。
第2内部空所40内において酸素濃度が調整された被測定ガスは、測定用ポンプセル41が作動することによってそのNOx濃度を測定される。測定用ポンプセル41は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第1多孔質拡散層91から離間した位置に露出する態様で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、平面視ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第2内部空所40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。
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。
また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第2固体電界質層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、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V2に基づいて可変電源46が制御される。
上述したように、第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、第1多孔質拡散層91を通じて窒素酸化物(NOx)濃度の測定に適した所定の拡散抵抗が付与され、かつ、補助ポンプセル50により酸素分圧が制御されたうえで、測定電極44に到達することとなる。この測定電極44に到達した窒素酸化物は還元され(2NO→N2+O2)、これにより酸素が発生する。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にて検出された制御電圧V2が一定となるように可変電源の電圧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。
すなわち、ガスセンサ100においては、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。
また、測定電極44と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とを組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極44の周りの雰囲気中のNOx成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のNOx成分の濃度を求めることも可能である。
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。
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、センサ素子101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、ヒータ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74、圧力放散孔75とを備えている。
ヒータ電極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。
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を介してヒータ電極71と接続されており、該ヒータ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
また、ヒータ72は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子101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。
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。
圧力放散孔75は、第3基板層3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。
以上説明したように、本実施の形態に係るガスセンサ100では、従来のガスセンサにおいて測定電極44を覆うように形成されていた電極保護層に代えて、第1多孔質拡散層91を設けることにより、測定電極44に供される被測定ガスの拡散抵抗が調整される。電極保護層を備えないので、従来のガスセンサにおいて電極保護層を形成することで生じていた種々の問題(例えば、被測定ガス中に含まれる有害成分が電極保護層を目詰まりさせる問題や、電極保護層にクラックや剥離が生じる問題など)は全て排除されている。
ただし、本実施の形態に係るガスセンサ100では、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された被測定ガスが、電極保護層を介して測定電極44に到達するのではなく測定電極44に直接到達するため、被測定ガス中に含まれる有害成分が第1多孔質拡散層91を通過した後、測定電極44に直接到達することも起こり得る。
しかしながら、有害成分粒子のほとんど(特に、比較的粒子径の大きな固体粒子)はあらかじめ第1多孔質拡散層91において捕捉されているために、測定電極44にまで到達した被測定ガス中に含まれる有害成分の粒子はごくわずかである。よって、仮に被測定ガス中に含まれる有害成分粒子が測定電極44にまで到達し、測定電極44に付着したとしても、電極金属の酸化/還元に影響を与えることはほとんどない。
ゆえに、本実施の形態に係るガスセンサ100は、電極保護層に生じる目詰まりや電極保護層に生じるクラックや剥離の発生を原因とする、使用に伴う測定精度の低下が好適に抑制されたものとなっている。換言すれば、繰り返しの使用によっても測定精度が安定的に保たれたものとなっている。
なお、上述のような第1多孔質拡散層91を備えるセンサ素子101の形成は、例えば、上述したグリーンシートプロセスにおいてスペーサ層5に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工を行った後、第1多孔質拡散層91となる多孔質体の構成材料(例えばアルミナ、シリカなど)と焼成により消失する気孔形成用の材料(例えばメチルセルロース、でんぷん、カーボンブラック、テオブロミンなどの粉末および粒子など)とを含むペーストを第1固体電解質層4表面に塗布するようにしておき、その後は上述と同様に各層に対応するセラミックスグリーンシートを積層、焼成することによって実現可能である。
以上のように、本実施の形態によれば、ガスセンサ100において第2内部空所40内に第1多孔質拡散層91を設けることによって、繰り返しの使用によっても測定精度を安定的に保たせることができる。
<第2の実施の形態>
第2の実施の形態においては、第1の実施の形態に係るガスセンサ100とは異なる場所に多孔質拡散層が設けられる態様について説明する。
図4は、第2の実施の形態に係るガスセンサ200のセンサ素子201の構成を概略的に示す部分断面図である。なお、第1の実施の形態に係るセンサ素子101と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図4に示すように、センサ素子201は、ガス導入口10内に埋設された第2多孔質拡散層92aと、緩衝空間12内に埋設された第3多孔質拡散層92bと、第1内部空所20内に埋設された第4多孔質拡散層92cと、を含む多孔質拡散層群92を備える。一方、第1の実施の形態とは異なり、第2内部空所40において第1多孔質拡散層91は設けられていない。また、測定電極44は露出する態様で設けられている。
多孔質拡散層群92に含まれる上記3つの多孔質拡散層は、第1多孔質拡散層91と同様に、少なくともセンサ素子101の各層を構成する固体電解質よりも平均気孔径および気孔率が大きい多孔質体からなり、好ましくは、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスや金属のうち少なくとも一種類を主成分として構成される多孔質体からなる層である。
多孔質拡散層92の平均気孔径および気孔率は、ガス導入口10を通じて外部から取り込まれた被測定ガスに対して付与しようとする、窒素酸化物(NOx)濃度の測定に適した拡散抵抗の程度に応じて適宜規定されればよい。
ただし、多孔質拡散層群92に含まれる3つの多孔質拡散層は、第1多孔質拡散層91と同様に、平均気孔径が200nm〜100μmであり、気孔率が20%〜80%であることが好適である。なお、各層の平均気孔径および気孔率は、各層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて撮影し、画像解析により気孔部分を抽出することによって算出するものとする。
センサ素子201においては、ガス導入口10を通じて外部空間から取り込まれた被測定ガスが、第2多孔質拡散層92a、第1拡散律速部11、第3多孔質拡散層92b、第2拡散律速部13、第4多孔質拡散層92cおよび第3拡散律速部30を順次に通過することによって、窒素酸化物(NOx)濃度の測定に適した所定の拡散抵抗を付与されたうえで、第2内部空所40に導入され、測定電極44に到達することとなる。
すなわち、本実施の形態に係るガスセンサ200では、従来のガスセンサにおいて測定電極44を覆うように形成されていた電極保護層に代えて、ガス導入口10、緩衝空間12および第1内部空所20内に多孔質拡散層群92を設けることにより、測定電極に供される被測定ガスの拡散抵抗が調整される。電極保護層を備えないので、第1の実施の形態と同様に、従来のガスセンサにおいて電極保護層を形成することで生じていた種々の問題は全て排除されている。
以上のように、本実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様に、ガスセンサ200において多孔質拡散層群92を設けることによって、繰り返しの使用によっても測定精度を安定的に保たせることができる。
<変形例>
以上の説明においては、測定電極44を覆うように電極保護層を形成する態様に代えて、第1多孔質拡散層91を第2内部空所40内の一部の領域に形成する態様、あるいは、第2多孔質拡散層92aをガス導入口10内に、第3多孔質拡散層92bを緩衝空間12に、第4多孔質拡散層98cを第1内部空所20内に形成する態様について説明したが、本発明の適用はこれに限られるものではなく、ガス導入口10、緩衝空間12、第1内部空所20および第2内部空所40内のいずれか1つ以上に多孔質拡散層を形成する態様であってもよい。
(実施例1)
実施例1として、第1の実施の形態に係るガスセンサ100の実施例であるガスセンサAと、第2の実施の形態に係るガスセンサ200の実施例であるガスセンサBと、比較例であるガスセンサCに対して、Mg被毒試験を行った。なお、ガスセンサAの第1多孔質拡散層91の平均気孔径が3μm、気孔率が48%、ガスセンサBの多孔質拡散層群92の平均気孔径が12μm、気孔率が32%である。また、ガスセンサCは、測定電極44が多孔質体である電極保護層に覆われている、従来のガスセンサである。
Mg被毒試験は、Mg等のイオンを含んだ水溶液をセンサ素子の先端部近傍に滴下してからガスセンサを駆動させることを繰り返し行い、水溶液の滴下量に対するセンサ出力(Ip2)の変化率を測定することで行った。該滴下は、10μlごとに行い、合計で80μlの水溶液を滴下した。本実施例において、センサ出力(Ip2)の変化率とは、水溶液を滴下しないとき(滴下量0μl)のセンサ出力に対する、水溶液を滴下したときのセンサ出力との差分値の、水溶液を滴下しないときのセンサ出力に対する比で表される値である。
係るMg被毒試験においては、Mg等の付着により多孔質体に目詰まりが生じると、センサ出力(Ip2)の変化率が変動する。したがって、センサ出力(Ip2)の変化率を測定することにより、Mg等の物質により多孔質体に目詰まりが生じているか否かを判断することができる。
Mg被毒試験の結果を図5に示す。図5に示すように、ガスセンサAおよびガスセンサBでは、滴下量に関わらず変化率がほぼ0%に保たれていた。これに対し、ガスセンサCでは、滴下量が増加するにつれて変化率が低下した。以上の結果より、ガスセンサCでのみ多孔質体に目詰まりが生じているものと判断される。係る結果は、ガスセンサAおよびガスセンサBのように電極保護層に代えて第1多孔質拡散層91あるいは多孔質拡散層群92を設けることが、多孔質体の目詰まりにより生じるセンサ出力(Ip2)の変化率の変動を抑制するうえで効果的であることを意味している。
また、水溶液の滴下量の増加とともにガスセンサの駆動時間(繰り返しの使用時間)も増加することから、図5に示す結果は、Mg等の有害物質のガスセンサへの付着が継続的に起こりうる状況下での、ガスセンサの駆動時間とセンサ出力(Ip2)の変化率との関係を示しているともいえる。図5に示す結果において、ガスセンサAおよびガスセンサBでは駆動時間に関わらず変化率がほぼ0%であるということは、ガスセンサAおよびガスセンサBでは、第1多孔質拡散層91あるいは多孔質拡散層群92において目詰まりが生じていないだけではなく、測定電極44が有害物質の被毒の影響をほとんど受けていないということでもある。すなわち、図5に示す結果は、電極保護層に代えて第1多孔質拡散層91あるいは多孔質拡散層群92を設けることが、繰り返しの使用に伴う測定精度の低下を抑制するうえで効果的であることをも意味している。
(実施例2)
実施例2では、実施例1に用いたガスセンサA〜ガスセンサCの3つに、比較例としてガスセンサDおよびガスセンサEをさらに追加して、計5つのガスセンサに対し酸化還元試験を行った。なお、ガスセンサDおよびガスセンサEは、実施例1における比較例であったガスセンサCと同一の構造を有している。
酸化還元試験は、測定電極周辺の雰囲気を制御して酸化雰囲気と還元雰囲気とが交互に実現されるようにし、酸化還元繰り返し数に対するセンサ出力(Ip2)の変化率を測定することで行った。酸化雰囲気は空気の導入により形成し、還元雰囲気は不活性ガスの導入により形成した。本実施例において、センサ出力(Ip2)の変化率とは、酸化還元回数が1回のときのセンサ出力に対する、酸化還元を繰り返し行ったときのセンサ出力との差分値の、酸化還元回数が1回のときのセンサ出力に対する比で表される値である。
係る酸化還元試験においては、多孔質体にクラックや剥離が生じると、センサ出力(Ip2)の変化率が変動する。したがって、センサ出力(Ip2)の変化率を測定することにより、繰り返しの使用に伴う測定精度の低下の有無を判断できるとともに、多孔質体にクラックや剥離が生じているか否かを判断することができる。
酸化還元試験の結果を図6に示す。図6に示すように、ガスセンサAおよびガスセンサBでは、酸化還元繰り返し数に関わらず変化率がほぼ0%に保たれていた。これに対し、ガスセンサCからガスセンサEは、酸化還元繰り返し数が18000〜32000回を超えると、変化率が急激に増加した。以上の結果より、ガスセンサCからガスセンサEでは多孔質体にクラックや剥離が生じているものと判断される。係る結果は、ガスセンサAおよびガスセンサBのように電極保護層に代えて第1多孔質拡散層91あるいは多孔質拡散層群92を設けることが、繰り返しの使用に伴う測定精度の低下を抑制するうえで効果的であるとともに、多孔質体に生じるクラックや剥離により生じるセンサ出力(Ip2)の変化率の変動を抑制するうえで効果的であることを意味している。
(実施例3)
本実施例では、第1の実施の形態に係るガスセンサ100における第1多孔質拡散層91の平均気孔率と気孔径とを種々に違えたものを用意し、実施例1と同様の手順にて、Mg被毒試験を行った。
図7は、実施例1と同様の算出方法によって求めた、Mg等のイオンを含んだ水溶液の滴下量が80μlに達したときのセンサ出力(Ip2)の変化率を、気孔率に対してプロットしたグラフである。変化率の絶対値が5%以内であれば、測定精度に照らして実用上の問題はないと判断されるところ、図7に示すように、平均気孔径を0.2μm(200nm)以上とし、気孔率を20%以上とする場合に、変化率がこの要件をみたすことが確認された。
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5
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
30 第3拡散律速部
40 第2内部空所
44 測定電極
91 第1多孔質拡散層
92 多孔質拡散層群
92a 第2多孔質拡散層
92b 第3多孔質拡散層
92c 第4多孔質拡散層
100 ガスセンサ
101 センサ素子

Claims (3)

  1. 酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子を有し、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサであって、
    前記センサ素子は、
    前記外部空間から被測定ガスを導入するガス導入口と、
    前記ガス導入口と所定の拡散抵抗の下で連通してなる緩衝空間と、
    前記緩衝空間と所定の拡散抵抗の下で連通してなる第1の内部空所と、
    前記第1の内部空所と所定の拡散抵抗の下で連通してなる第2の内部空所と、
    平均気孔径が200nm以上100μm以下、気孔率が20%以上80%以下の多孔質体からなり、前記第2の内部空所内のうち前記第2の内部空所の端部から前記センサ素子の長手方向の所定の位置までに埋設され、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する多孔質拡散層と、
    前記第1の内部空所の表面に形成された主ポンピングセル用の第1の電極と前記第1および第2の内部空所とは異なる空間に形成された第2の電極との間に所定電圧を印加することで、前記第1の内部空所中の酸素を汲み出し可能な主ポンピングセルと、
    前記第2の内部空所の表面に形成された補助ポンピングセル用の第1の電極と前記第2の電極との間に所定電圧を印加することで、前記第2の内部空所中の酸素を汲み出し可能な補助ポンピングセルと、
    前記第2の内部空所の表面に露出するように形成され前記多孔質拡散層により前記所定の拡散抵抗が付与された前記所定ガス成分中の酸化物気体成分を還元可能な第3の電極と前記第1および第2の内部空所とは異なる部位に形成された第4の電極との間に電圧を印加して、前記第3の電極と前記第4の電極との間を流れる電流を測定可能に設けられた測定セルと、を備える、ガスセンサ。
  2. 酸素イオン伝導性の固体電解質を主成分として構成されるセンサ素子を有し、被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサであって、
    前記センサ素子は、
    前記外部空間から被測定ガスを導入するガス導入口と、
    前記ガス導入口と所定の拡散抵抗の下で連通してなる緩衝空間と、
    記緩衝空間と所定の拡散抵抗の下で連通してなる第1の内部空所と、
    前記第1の内部空所と所定の拡散抵抗の下で連通してなる第2の内部空所と、
    平均気孔径が200nm以上100μm以下、気孔率が20%以上80%以下の多孔質体からなり、前記ガス導入口、前記緩衝空間および前記第1の内部空所内に埋設され、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する多孔質拡散層と、
    前記第1の内部空所の表面に形成された主ポンピングセル用の第1の電極と前記第1および第2の内部空所とは異なる空間に形成された第2の電極との間に所定電圧を印加することで、前記第1の内部空所中の酸素を汲み出し可能な主ポンピングセルと、
    前記第2の内部空所の表面に形成された補助ポンピングセル用の第1の電極と前記第2の電極との間に所定電圧を印加することで、前記第2の内部空所中の酸素を汲み出し可能な補助ポンピングセルと、
    前記第2の内部空所の表面に露出するように形成され前記多孔質拡散層により前記所定の拡散抵抗が付与された前記所定ガス成分中の酸化物気体成分を還元可能な第3の電極と前記第1および第2の内部空所とは異なる部位に形成された第4の電極との間に電圧を印加して、前記第3の電極と前記第4の電極との間を流れる電流を測定可能に設けられた測定セルと、を備える、ガスセンサ。
  3. 前記ガス導入口と前記第3の電極の間に、それぞれが1または複数のスリットからなる複数の拡散律速部、
    をさらに備え、
    前記第3の電極と最も近い前記拡散律速部との間に前記多孔質拡散層が設けられてなる、請求項に記載のガスセンサ。
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