(57)【要約】【課題】固体電解質及び電極の劣化を抑制し、良好な検出性を維持する限界電流式ガスセンサを提供することを課題とする。【解決手段】限界電流式ガスセンサ１は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層２と、この固体電解質層２に着設された高い活性度を有する正負一対の第一電極３と、この第一電極３の外側で固体電解質層２に着設された正負一対の第二電極４及び第三電極５と、これらの電極の負電極３ｂ、４ｂ、５ｂの周囲に配設された第一拡散抵抗層６と、負電極３ｂを包囲して配置された第二拡散抵抗層７と、各電極間に電圧を印加することにより、固体電解質層２の両面間に生じる限界電流に基づいて被測定ガス内の酸素濃度と水蒸気濃度を検出する電流計１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及び演算装置１７と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性を有する固体電解質層と、
当該固体電解質層に着設された正負一対の第一電極と、
当該第一電極の一方の電極の周囲に配設された第一拡散抵抗層と、
前記第一電極の両極間に電圧を印加することにより、前記固体電解質層の両面間の水蒸気濃度差に応じて生じる限界電流に基づいて被測定ガス内の水蒸気濃度を検出する第一検出手段と、を備え、
前記第一電極は、活性度の高い電極であることにより、水蒸気濃度差を検出するための限界電流の生じる印加電圧を低下させたことを特徴とする限界電流式ガスセンサ。
【請求項２】
請求項１記載の限界電流式ガスセンサにおいて、
前記固体電解質層に着設され、一方の電極が前記第一拡散抵抗層に包囲された正負一対の第二電極と、
前記第二電極の両極間に電圧を印加することにより、前記固体電解質層の両面間の酸素濃度差に応じて生じる限界電流に基づいて被測定ガス内の酸素濃度を検出する第二検出手段と、
を備えたことを特徴とした限界電流式ガスセンサ。
【請求項３】
請求項１記載の限界電流式ガスセンサにおいて、
前記固体電解質層に着設され、一方の電極が前記第一拡散抵抗層に包囲された正負一対の第二電極と、
前記第二電極の両極間に電圧を印加することにより、前記固体電解質層の両面間の酸素濃度差に応じて生じる限界電流に基づいて被測定ガス内の酸素濃度を検出する第二検出手段と、を備え、
前記第一電極における水蒸気濃度差に応じて生じる限界電流と、前記第二電極における酸素濃度差に応じて生じる限界電流と、を同一の印加電圧で発生させることを特徴とした限界電流式ガスセンサ。
【請求項４】
請求項１記載の限界電流式ガスセンサにおいて、
前記固体電解質層に着設され、一方の電極が前記第一拡散抵抗層に包囲された正負一対の第二電極と、
前記第二電極の両極間に電圧を印加することにより、前記固体電解質層の両面間の酸素濃度差に応じて生じる限界電流に基づいて被測定ガス内の酸素濃度を検出する第二検出手段と、を備え、
前記第一拡散抵抗層は、前記第一電極までの拡散距離が前記第二電極までの拡散距離よりも長くなるように形成されたことを特徴とする限界電流式ガスセンサ。
【請求項５】
請求項１記載の限界電流式ガスセンサにおいて、
前記固体電解質層に着設され、一方の電極が前記第一拡散抵抗層に包囲された正負一対の第二電極と、
前記第二電極の両極間に電圧を印加することにより、前記固体電解質層の両面間の酸素濃度差に応じて生じる限界電流に基づいて被測定ガス内の酸素濃度を検出する第二検出手段と、
前記第一拡散抵抗層に包囲された区画内部で前記第一電極を包囲する第二拡散抵抗層と、
を備えたことを特徴とする限界電流式ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス内の酸素濃度を検出する限界電流式ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用燃料として、ガソリンにバイオエタノールを混合した燃料（バイオガソリン）がある。このようなバイオガソリンは、ガソリンへアルコール燃料を混合する際の混合精製過程において水が混入する。このようなバイオガソリンを燃焼した際の排気ガス中に含まれる水蒸気量を測定することにより、アルコール濃度を予測し、燃料性状を検出することができる。
【０００３】
従来、このような排気ガス中の水蒸気の濃度検出は、酸素濃度の検出に利用される限界電流式ガスセンサを用いて行われている。一般的な限界電流式ガスセンサは、酸素イオン透過性を有するジルコニア固体電解質の両端に正負一対の電極を配置し、負極側の面に微小な孔の形成された拡散抵抗層を備えて構成されている。このようなセンサの負極側に排気ガス、正極側に大気を導入し、両電極間に電圧を印加することにより、ジルコニア固体電解質内を酸素イオンが通過して電流が通じるようになる。このような電流は、排気ガスの空燃比がリーンであると、排気ガス中の余剰酸素が負極から電子を受け取りイオン化し、負極側から正極側へと移動するので、正極から負極へ向けて電流が流れる。一方、排気ガスの空燃比がリッチであると、酸素イオンの移動が逆転し、負極から正極へ向けて電流が流れる。
【０００４】
次に、このような限界電流式ガスセンサによる排気ガスの水蒸気濃度検出の原理について説明する。図５は、排気ガスの空燃比がリーンである場合の電極間を流れる電流と電極間の印加電圧との関係を示している。図５に示すように、印加電圧がＶａより低いときは印加電圧に応じて酸素イオンが伝導するので、電流もそれにほぼ比例して変化する。ところが、印加電圧が電圧値Ｖａ−Ｖｂの領域においては、負極部内への酸素拡散量が負極側に備えられた拡散抵抗層において制限され、排気ガス中の酸素濃度に応じた値となる。それに伴い電流値は制限されて第一限界電流Ｉａとなり第一平坦部（第一限界電流領域）Ｆａとして現れる。このような第一限界電流Ｉａは、雰囲気中の酸素ガス濃度に応じた値となるので、第一限界電流Ｉａから雰囲気中の酸素濃度を予測することができる。印加電圧が、第一限界電流Ｉａが得られる電圧Ｖｂよりさらに高くなると、負極において排気ガス中の水蒸気が電気分解され、その分解で生じた酸素イオンがさらに増加し正極に移動するため、電流値が増大する。
【０００５】
印加電圧をさらに高くすると電流値は水蒸気濃度に応じてさらに増大するが、印加電圧が電圧値Ｖｃ−Ｖｄに達すると、拡散抵抗層を通過する水蒸気の量が制限され、それに伴い発生する電流が制限され、測定ガス中の水蒸気濃度に応じた第二限界電流Ｉｂとなり第二平坦部（第二限界電流領域）Ｆｂを示す。Ｉａ／Ｉｂ比は、測定ガスの成分の量が同じであれば原理的に常に一定である。
【０００６】
この第二限界電流Ｉｂは、例えば大気中のような酸素濃度一定の場合、水蒸気濃度に応じて右上がりに線形的に変化する。従って、第二限界電流Ｉｂを検出信号として水蒸気濃度を測定することができる。
【０００７】
このような限界電流式ガスセンサを用いた水蒸気測定装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の水蒸気測定装置は、Ｉａ／Ｉｂ比が一定であること、さらに、大気中の酸素濃度が一定であることを利用して、センサの劣化を考慮した補正を行うことにより、水蒸気濃度を長期的に正確に測定することを可能にしている。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−２６９３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように限界電流式ガスセンサは、排気ガスに含まれる水蒸気の濃度を検出することができる。しかしながら、限界電流式ガスセンサによって水蒸気の濃度を検出するためには、電極へ高電圧を印加しなければならない。また、このとき、ジルコニア固体電解質や電極を流れる限界電流が増加することになる。このような印加電圧の上昇及び限界電流の増加により、ジルコニア固体電解質を構成する素子の結晶構造が崩れやすくなり、また、電極の劣化が進行してしまう。これにより、素子強度の低下やヒステリシスの増加による検出性の悪化が生じ得る。また、限界電流の増加による過電流に対応する制御装置の搭載を必要とするため、装置構成の複雑化及びコスト増となる。
【００１０】
そこで、本発明は、固体電解質及び電極の劣化を抑制し、良好な検出性を維持する限界電流式ガスセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる課題を解決する本発明の限界電流式ガスセンサは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層と、当該固体電解質層に着設された正負一対の第一電極と、当該第一電極の一方の電極の周囲に配設された第一拡散抵抗層と、前記第一電極の両極間に電圧を印加することにより、前記固体電解質層の両面間の水蒸気濃度差に応じて生じる限界電流に基づいて被測定ガス内の水蒸気濃度を検出する第一検出手段と、を備え、前記第一電極は、活性度の高い電極であることにより、水蒸気濃度差を検出するための限界電流の生じる印加電圧を低下させたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、酸素分子のイオン化を促進し、比較的低い印加電圧において水蒸気濃度に応じた限界電流を発生することができる。これにより、固体電解質を構成する素子の劣化が抑制され、検出性や素子強度が維持される。このような電極の活性度は、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）などの貴金属の構成を変えることにより変化させることができる。また、貴金属粒径や焼成温度を変更することで変化させることができる。
【００１２】
このような限界電流式ガスセンサにおいて、前記固体電解質層に着設され、一方の電極が前記第一拡散抵抗層に包囲された正負一対の第二電極と、前記第二電極の両極間に電圧を印加することにより、前記固体電解質層の両面間の酸素濃度差に応じて生じる限界電流に基づいて被測定ガス内の酸素濃度を検出する第二検出手段と、を備えた構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすることにより、水蒸気濃度を測定する電極と酸素濃度を測定する電極とを分轄して、それぞれの電極から水蒸気濃度と酸素濃度とを検出することができる。このような各電極は、活性度の異なる電極とすることができる。さらに、このような限界電流式ガスセンサは、前記第一電極における水蒸気濃度差に応じて生じる限界電流と、前記第二電極における酸素濃度差に応じて生じる限界電流と、を同一の印加電圧で発生させる構成とすることができる（請求項３）。このような構成とすることにより、第一電極及び第二電極へ印加する電圧の範囲を縮小することができる。このため、電極へ電圧を印加するための電源を小型化することができる。特に、第二電極における限界電流の発生する印加電圧で、第一電極における限界電流を発生させる構成とすることにより、印加電圧が低下されるので、固体電解質層の素子や電極の劣化を抑制することができる。これにより、ヒステリシスの増加による検出性の悪化を抑制し、素子の強度を維持することができる。
【００１３】
また、このような限界電流式ガスセンサは、前記固体電解質層に着設され、一方の電極が前記第一拡散抵抗層に包囲された正負一対の第二電極と、前記第二電極の両極間に電圧を印加することにより、前記固体電解質層の両面間の酸素濃度差に応じて生じる限界電流に基づいて被測定ガス内の酸素濃度を検出する第二検出手段と、を備え、前記第一拡散抵抗層は、前記第一電極までの拡散距離が前記第二電極までの拡散距離よりも長くなるように形成することができる（請求項４）。このように構成することにより、第一電極に到達する被測定ガスの濃度が第二電極に到達する被測定ガスの濃度と比較して低下するので、第一電極の周囲の酸素濃度及び水蒸気濃度が低下する。これにより、第一電極における水蒸気濃度に応じた限界電流の値を減少させ、センサのヒステリシス増加による検出性の悪化を抑制するので良好な検出性を維持することができる。
【００１４】
また、このような限界電流式ガスセンサは、前記第一拡散抵抗層に包囲された区画内部で前記第一電極を包囲する第二の拡散抵抗層と、を備えた構成とすることができる（請求項５）。このような構成とすることにより、第一電極へ到達する排気ガス濃度が第二電極に比べて低下するので、第一電極の周囲の酸素濃度及び水蒸気濃度が低下し、第一電極における水蒸気濃度に応じた限界電流の値を減少させることができる。これにより、良好な検出性を維持することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の限界電流式ガスセンサは、低い印加電圧により水蒸気濃度を検出する限界電流を発生させるので、センサを構成する素子や電極の劣化が抑制され、良好な検出性を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の限界電流式ガスセンサ（以下、「センサ」という。）１を断面にして示した説明図である。センサ１は、内燃機関の排気通路（図示しない）内に配置され、排気ガスの空燃比を検出するために用いられるものである。
【００１８】
まず、図１に示すセンサ１の構成について説明する。センサ１は、固体電解質層２と、第一電極３、第二電極４及び第三電極５と、第一拡散抵抗層６及び第二拡散抵抗層７とを備えている。固体電解質層２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア焼結体から形成されている。第一電極３は、固体電解質層２の面２ａに正電極３ａが着設されている。また、この正電極３ａに対向するように負電極３ｂが固体電解質層２の面２ｂに着設されている。正電極３ａ及び負電極３ｂは、高い電子導電性、化学的安定性、触媒活性度を有する白金を材料として形成されている。
【００１９】
第二電極４及び第三電極５は、並列して固体電解質層２に着設されている。また、第二電極４及び第三電極５は、第二電極４と第三電極５との間に第一電極３が配置されるように着設されている。第二電極４は、固体電解質層２の面２ａに正電極４ａが着設され、これに対向するように面２ｂに負電極４ｂが着設されている。第三電極５も同様に固体電解質層２の面２ａに正電極５ａが着設され、これに対向するように面２ｂに負電極５ｂが着設されている。第二電極４の正電極４ａ及び負電極４ｂは、白金を材料として形成されているが、第一電極３の正電極３ａ及び負電極３ｂと比較して活性度が低い。また、第三電極５の正電極５ａ及び負電極５ｂは、第二電極４の正電極４ａ及び負電極４ｂと同一のものである。
【００２０】
第一拡散抵抗層６は、固体電解質層２の面２ｂで負電極４ｂ及び負電極５ｂの周囲に配設されている。第一拡散抵抗層６は、第一拡散抵抗層６に重ねて配置される支持体８とともに、負電極３ｂ、４ｂ、５ｂを包囲し、外側区画１０を形成している。さらに、第二拡散抵抗層７は、負電極３ｂと負電極４ｂ、及び、負電極３ｂと負電極５ｂとの間に配置され、第一拡散抵抗層６に包囲された外側区画１０の内部で第一電極３の負電極３ｂを包囲して内側区画１１を形成している。第一拡散抵抗層６及び第二拡散抵抗層７は、多孔構造をしており、流入前のガス中の成分濃度に応じて、通過できるガス中の成分濃度を減少させる。すなわち、流入前のガス中の成分濃度が高いほど、通過できるガス中の成分量は多く、流入前のガス中の成分濃度が低いほど、通過できるガス中の成分量は少なくなる。
【００２１】
また、センサ１は、熱伝導性の良い支持体９を備えている。支持体９は、固体電解質層２の面２ａ側に、正電極３ａ、４ａ、５ａを包囲する区画１２を形成するように配置されている。さらに、この支持体９内にはヒータ１３が設けられている。このヒータ１３は、空燃比の検出が可能となる所定の活性化温度以上にセンサ１を昇温するためのものである。
【００２２】
また、センサ１は、第一電極３、第二電極４、第三電極５の各電極間に電圧を印加する電源１４、印加電圧を測定する電圧計１５、第一電極３を流れる電流を測定する第一電流計１６ａ、第二電極４を流れる電流を測定する第二電流計１６ｂ、第三電極５を流れる電流を測定する第三電流計１６ｃを備えている。電圧計１５及び第一電流計１６ａ、第二電流計１６ｂ、第三電流計１６ｃは演算装置１７と接続されている。この演算装置１７と第一電流計１６ａとが組合わされたものが、本発明の第一検出手段に相当する。また、演算装置１７と、第二電流計１６ｂまたは第三電流計１６ｃとが組み合わされたものが、本発明の第二検出手段に相当する。
【００２３】
次に、このようなセンサ１による酸素濃度、水蒸気濃度の検出方法について説明する。図２は、センサ１の固体電解質層２を中心とする部分を拡大した説明図である。センサ１の周囲は排気が通じており、排気は、矢示１８で示すように、第一拡散抵抗層６を通過して外側区画１０まで到達することが可能である。外側区画１０まで到達した排気ガスは、さらに、矢示１９で示すように、第二拡散抵抗層７を通過して内側区画１１まで到達することが可能である。すなわち、負電極３ｂ、４ｂ、５ｂは排気と接触するように構成されている。ただし、第一拡散抵抗層６を通過する際に、排気ガス中の成分濃度が低下する。また、第二拡散抵抗層７を通過する際に、さらに排気ガス中の成分濃度が低下する。一方、センサ１の支持体９と固体電解質層２によって形成された区画１２は、大気と連通するように構成されており、これによって、正電極３ａ、４ａ、５ａは大気と接触するように構成されている。
【００２４】
このように大気と排気と接触するように構成された各電極間に電源１４により電圧が印加されると、電極近傍の酸素分子がイオン化され、固体電解質層２内を電流が流れる。このような電流は、印加電圧の上昇とともに増加するが、外側区画１０及び内側区画１１に導入される排気ガスが第一拡散抵抗層６及び第二拡散抵抗層７により通過を制限されて、イオン化する酸素の量が飽和すると、一定値を示すようになる。このような電流の値を限界電流という。このような限界電流の値は各電流計によって取得され、演算装置１７において、予め取得されている限界電流の値と酸素濃度及び水蒸気濃度の情報と照合される。これにより、排気ガス中の酸素濃度及び水蒸気濃度が検出される。
【００２５】
次に、このようなセンサ１の測定する限界電流について説明する。図３は、第一電極３を流れる電流及び第二電極４を流れる電流と印加電圧との関係を示した説明図である。図３中の実線は第一電極３を流れる電流と印加電圧との関係を示し、破線は第二電極４を流れる電流と印加電圧との関係を示した説明図である。第一電極３は第二電極４と比較して活性度が高いため、低い印加電圧で酸素濃度に応じた第一限界電流領域Ｆ１ａ及び水蒸気濃度に応じた第二限界電流領域Ｆ１ｂが現れる。そのため、第二電極４のＶ−Ｉ特性と比較して低印加電圧側に圧縮されたＶ−Ｉ特性が得られる。なお、第三電極５から得られる測定値は第二電極と同一のものとなるので、省略する。
【００２６】
さらに、第一電極３の検出する排気ガス成分は第二拡散抵抗層７を通過するため、第一電極３は、第二電極４と比較して、より濃度の低いガスの検出を行うことになる。このため、第一電極３における限界電流は低い値となる。すなわち、第二電極４のＶ−Ｉ特性と比較して低電流側に圧縮されたＶ−Ｉ特性が得られる。
【００２７】
このように第一電極３は低印加電圧、低限界電流で水蒸気濃度を検出することができる。このように、第一電極３は高電圧が印加されないため、固体電解質層２の素子の劣化が抑制されて、良好な検出性と素子強度が維持される。さらに、限界電流の値が減少することにより、ヒステリシスの増加による検出性の悪化が抑制される。また、過電流に対応する制御装置が必要ないため、装置構成やコストの負担を減少することができる。
【００２８】
さらに、センサ１は、第一電極３において水蒸気濃度に基づく限界電流領域Ｆ１ｂと、第二電極４において酸素濃度に基づく限界電流領域Ｆ２ａとの両方を満たす印加電圧、すなわち、図３中に示すＶ１ｃ−Ｖ２ｂの範囲内の電圧Ｖｏを第一電極３と第二電極４の電極間に印加する。これにより、第一電極３における水蒸気濃度の検出と第二電極４における酸素濃度の検出を同時に行うことができる。なお、上記の説明は第二電極４を第三電極５としても同様である。
【００２９】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【００３０】
例えば、本発明の限界電流式センサは、第一電極、第二電極及び第三電極の素材、面積、大きさ、形状を自由に変更し、電極の特性を変更することができる。また、第一拡散抵抗層、第二拡散抵抗層の厚さ、密度を自由に変更し、排気ガス濃度の低減を調整することができる。
【００３１】
また、第一拡散抵抗層は、第一電極までの排気ガスの拡散距離を第二電極までの拡散距離よりも長くなるように形成された構成とすることができる。図４は、このような第一拡散抵抗層２２を備えたセンサ２１を断面にして示した説明図である。センサ２１は、第一拡散抵抗層６、及び第二拡散抵抗層７に代えて、第一拡散抵抗層２２を備えた点で、実施例のセンサ１と相違している。その他の構成は実施例と同一であるため、実施例と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付している。センサ２１のように、第一電極までの排気ガスの拡散距離を長くすることにより、排気ガス濃度が低下されるので、限界電流を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の限界電流式ガスセンサを断面にして示した説明図である。
【図２】センサの固体電解質層を中心とする部分を拡大した説明図である。
【図３】第一電極を流れる電流及び第二電極を流れる電流と印加電圧との関係を示した説明図である。
【図４】本発明の他の限界電流式ガスセンサを断面にして示した説明図である。
【図５】排気ガスの空燃比がリーンである場合の従来の限界電流式ガスセンサの電極間を流れる電流と電極間の印加電圧との関係を示した説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  限界電流式ガスセンサ
２  固体電解質層
３  第一電極
４  第二電極
５  第三電極
６  第一拡散抵抗層
７  第二拡散抵抗層
１５  電圧計
１６ａ  第一電流計
１６ｂ  第二電流計
１６ｃ  第三電流計
１７  演算装置
Ｆａ、Ｆ１ａ、Ｆ２ａ  酸素濃度に応じた第一限界電流領域
Ｆｂ、Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂ  水蒸気濃度に応じた第二限界電流領域
【図１】
2009075011.tif 000003
【図２】
2009075011.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009075011.tif 000006
【図５】
2009075011.tif 000007