JP7741752B2 - Gas sensor control method - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサの制御方法に関する。 The present invention relates to a method for controlling a gas sensor.
ガスセンサは、自動車の排気ガス等の被測定ガス中の対象とするガス成分(酸素O2、窒素酸化物NOx、アンモニアNH3、炭化水素HC、二酸化炭素CO2等)の検出や濃度の測定に使用されている。例えば、自動車の排気ガス中の対象とするガス成分濃度を測定し、その測定値に基づいて自動車に搭載されている排気ガス浄化システムを最適に制御することが行われている。 Gas sensors are used to detect and measure the concentration of target gas components (oxygen O2 , nitrogen oxides NOx, ammonia NH3 , hydrocarbons HC, carbon dioxide CO2, etc.) in measurement gases such as automobile exhaust gases. For example, the concentration of target gas components in automobile exhaust gases is measured, and the exhaust gas purification system installed in the automobile is optimally controlled based on the measured value.
このようなガスセンサとしては、ジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性の固体電解質を用いたセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。ガスセンサは、対象とするガス成分を検知するために、固体電解質の酸素イオン伝導性を発現させる温度まで、センサ素子を加熱して用いられる。 Known examples of such gas sensors include a gas sensor having a sensor element that uses an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia ( ZrO2 ). In order to detect a target gas component, the gas sensor is used by heating the sensor element to a temperature at which the solid electrolyte exhibits oxygen ion conductivity.
例えば、特許第6208060号公報には、ガスセンサに備わるセンサ素子が、前記センサ素子を加熱するためのヒータを備えることが開示されている。また、センサ素子として、酸素濃度を調整するための主ポンプセル及び補助ポンプセルと、測定対象ガス成分(例えばNOx)を検出するための測定ポンピングセルを有する態様が開示されている。 For example, Japanese Patent Publication No. 6208060 discloses that the sensor element of a gas sensor is equipped with a heater for heating the sensor element. It also discloses an embodiment in which the sensor element includes a main pump cell and an auxiliary pump cell for adjusting the oxygen concentration, and a measurement pumping cell for detecting the gas component to be measured (e.g., NOx).
また、特許第6208060号公報には、センサ素子を所定の動作温度にまで昇温するための昇温プロファイルの設定方法と、昇温プロファイルの例(図7)が開示されている。 Furthermore, Japanese Patent Publication No. 6208060 discloses a method for setting a temperature rise profile for raising the temperature of a sensor element to a predetermined operating temperature, and an example of the temperature rise profile (Figure 7).
ガスセンサは自動車に搭載されている排気ガス浄化システム等の制御に用いられ、測定対象ガス(酸素O2、窒素酸化物NOx、アンモニアNH3、炭化水素HC、二酸化炭素CO2等)の濃度を正確に測定することが求められる。ガスセンサの始動時においても、可能な限り短時間で正確な測定ができるようになることが求められる。 Gas sensors are used to control exhaust gas purification systems installed in automobiles, and are required to accurately measure the concentration of target gases (oxygen O2 , nitrogen oxides NOx, ammonia NH3 , hydrocarbons HC, carbon dioxide CO2 , etc.) Even at startup, the gas sensor is required to be able to perform accurate measurements in as short a time as possible.
ガスセンサは、固体電解質の酸素イオン伝導性を発現させる温度まで、センサ素子が加熱されていることを要する。従って、ガスセンサが、排気ガス浄化システム等より始動信号(Dew point)を受けてから、正確な測定が開始できるまでの時間(すなわち、始動時間)は、センサ素子の加熱に要する時間に主に依存する。 A gas sensor requires that the sensor element be heated to a temperature that will cause the solid electrolyte to exhibit oxygen ion conductivity. Therefore, the time it takes for a gas sensor to start measuring accurately after receiving a dew point signal from an exhaust gas purification system, etc. (i.e., the start-up time) depends primarily on the time it takes for the sensor element to heat up.
ガスセンサの始動時間中は、測定対象ガス(窒素酸化物NOx等)を検出できないため、排気ガス浄化システムが十分に機能せず、排気ガスに含まれる窒素酸化物NOx等が、浄化されることなくそのまま排出されてしまうことがある。このような状況を減らすために、始動時間の短縮が求められている。 During the gas sensor's startup time, it is unable to detect the target gas (nitrogen oxides, NOx, etc.), which means the exhaust gas purification system does not function properly, and nitrogen oxides, NOx, etc. contained in the exhaust gas may be emitted unpurified. To prevent this situation, there is a need to shorten the startup time.
また、被測定ガス中にNOxと高濃度の酸素とが存在している場合には、一般にNOx濃度の測定精度を高く保つことが難しい傾向がある。 Furthermore, when NOx and high concentrations of oxygen are present in the gas being measured, it generally tends to be difficult to maintain high accuracy in measuring the NOx concentration.
そこで、本発明は、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの始動時間を短くすることができる、始動時におけるガスセンサの制御方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for controlling a gas sensor during startup that can shorten the startup time from when the gas sensor is started until accurate measurement can begin.
さらに、本発明は、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの始動時間が短く、かつ、被測定ガス中の酸素濃度が高い場合であっても、長期間の使用にわたりそのガスセンサのNOxの検出精度を高く維持することができる、始動時におけるガスセンサの制御方法を提供することを目的とする。 Furthermore, the present invention aims to provide a method for controlling a gas sensor at startup that shortens the startup time from when the gas sensor is started until accurate measurement can begin, and that can maintain high NOx detection accuracy over long periods of use, even when the oxygen concentration in the measured gas is high.
本発明者は、始動時間を短縮するために、センサ素子を所望の温度に加熱するのに要する時間(すなわち、昇温時間)を短縮することを、以下のように検討した。 In order to shorten the start-up time, the inventors investigated ways to shorten the time required to heat the sensor element to the desired temperature (i.e., the temperature rise time), as follows:
昇温時間を短くするためには、ヒータの昇温速度を上げることが考えられる。しかしながら、ヒータの昇温速度が大きすぎると、センサ素子の内部構造にクラックが生じるリスクが増大するという問題が確認された。後述の比較形態1において詳述する。 Increasing the heater's heating rate is one way to shorten the temperature rise time. However, it has been confirmed that if the heater's heating rate is too high, there is an increased risk of cracks occurring in the internal structure of the sensor element. This is discussed in more detail in Comparative Example 1 below.
一方、特許第6208060号公報に開示されているような昇温プロファイルに従い、センサ素子の温度が高くなるほど昇温速度を低下させることによって、センサ素子の内部構造のクラックが発生するリスクを低下させることができる。しかしながら、センサ素子の温度が高い領域(駆動温度に近い領域)の昇温速度を小さくする必要があるために、昇温時間が長くなる傾向がある。 On the other hand, by following the temperature rise profile disclosed in Japanese Patent No. 6208060 and decreasing the temperature rise rate as the temperature of the sensor element increases, the risk of cracks occurring in the internal structure of the sensor element can be reduced. However, because the temperature rise rate needs to be reduced in the high-temperature region of the sensor element (region close to the operating temperature), the temperature rise time tends to be longer.
また、昇温時間を短くするためには、センサ素子の駆動温度を下げることが考えられる。しかしながら、駆動温度が低すぎると、センサ素子を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が悪化する。その結果、特に被測定ガスの酸素濃度が高い場合に、測定対象ガス(窒素酸化物NOx等)を正確に検出することができなくなるという問題が確認された。後述の比較形態2において詳述する。 In addition, one way to shorten the temperature rise time is to lower the operating temperature of the sensor element. However, if the operating temperature is too low, the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte that makes up the sensor element deteriorates. As a result, it has been confirmed that the target gas (nitrogen oxides, NOx, etc.) cannot be accurately detected, particularly when the oxygen concentration of the target gas is high. This is described in more detail in Comparative Example 2 below.
本発明者は、鋭意検討の結果、ガスセンサの活性判定部によってセンサ素子が測定可能な活性状態であるか否かを判定し、センサ素子が測定可能な活性状態であることの判定がなされた時におけるヒータ温度(すなわち、活性温度)から先行駆動を開始し、その後、定常駆動温度に達してから定常駆動を行うように、ガスセンサを制御することにより、ガスセンサを始動してから測定が開始できるまでの始動時間を短くすることができることを見出した。さらに、同制御法でガスセンサを制御することにより、被測定ガス中の酸素濃度が高い場合であっても、長期間の使用にわたりそのガスセンサのNOxの検出精度を高く維持することができることを見出した。 After extensive research, the inventors discovered that the startup time from when the gas sensor was started until measurement could begin can be shortened by controlling the gas sensor so that the gas sensor's activity determination unit determines whether the sensor element is in an activated state where measurements can be made, starts pre-driving from the heater temperature (i.e., the activation temperature) when it is determined that the sensor element is in an activated state where measurements can be made, and then begins steady-state driving once the steady-state driving temperature is reached. Furthermore, by controlling the gas sensor with this control method, the inventors discovered that the NOx detection accuracy of the gas sensor can be maintained at a high level over long periods of use, even when the oxygen concentration in the gas being measured is high.
本発明には、以下の発明が含まれる。
(1) 被測定ガス中のNOxを検出するためのガスセンサの制御方法であって、
前記ガスセンサは、
センサ素子と、
前記センサ素子が測定可能な活性状態であるか否かを判定する活性判定部と、
を含み、
前記センサ素子は、
積層された酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通部と、
前記被測定ガス流通部の内表面に配設された内側主ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記内側主ポンプ電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素を所望の濃度に調整する主ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部の内表面の、前記内側主ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された測定電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記測定電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中のNOxを検出する測定用ポンプセルと、
前記基体部を加熱するヒータと、
前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
を含み、
前記制御方法は、
前記ヒータにより前記センサ素子を加熱し、前記活性判定部が前記センサ素子を測定可能な活性状態であると判定する活性温度まで昇温する、昇温ステップと、
前記ヒータにより前記活性温度から定常駆動温度まで前記センサ素子を昇温するとともに、前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを検出する、先行駆動ステップと、
前記ヒータにより前記センサ素子を前記定常駆動温度に保持するとともに、前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを引き続き検出する、定常駆動ステップと、
を含む、被測定ガス中のNOxを検出するためのガスセンサの制御方法。
The present invention includes the following inventions.
(1) A method for controlling a gas sensor for detecting NOx in a measurement gas, comprising:
The gas sensor comprises:
A sensor element;
an activation determination unit that determines whether the sensor element is in a measurable activated state;
Including,
The sensor element is
a long plate-shaped substrate including a plurality of stacked oxygen ion conductive solid electrolyte layers;
a measurement gas flow portion formed at one end of the base portion in the longitudinal direction;
a main pump cell including an inner main pump electrode disposed on an inner surface of the measurement target gas flow portion and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement target gas flow portion and corresponding to the inner main pump electrode, the main pump cell adjusting oxygen in the measurement target gas to a desired concentration;
a measurement pump cell for detecting NOx in the measurement gas, the measurement pump cell including: a measurement electrode disposed on an inner surface of the measurement gas flow portion at a position farther from the one longitudinal end of the base portion than the inner main pump electrode; and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement gas flow portion and corresponding to the measurement electrode;
a heater for heating the base portion;
a reference electrode disposed inside the base portion so as to be in contact with a reference gas;
Including,
The control method includes:
a temperature raising step of heating the sensor element by the heater to an activation temperature at which the activation determining unit determines that the sensor element is in a measurable activated state;
a pre-driving step of raising the temperature of the sensor element from the activation temperature to a steady-state driving temperature by the heater and operating the main pump cell and the measuring pump cell to detect NOx in the measurement gas;
a steady-state driving step of maintaining the sensor element at the steady-state driving temperature by the heater and operating the main pump cell and the measuring pump cell to continuously detect NOx in the measurement gas;
A method for controlling a gas sensor for detecting NOx in a measurement gas, comprising:
(2) 前記先行駆動ステップにおいて前記主ポンプセルにより調整される酸素濃度は、前記定常駆動ステップにおいて前記主ポンプセルにより調整される酸素濃度よりも高い、上記(1)に記載の制御方法。 (2) The control method described in (1) above, wherein the oxygen concentration adjusted by the main pump cell in the advance driving step is higher than the oxygen concentration adjusted by the main pump cell in the steady driving step.
(3) 前記センサ素子は、さらに、
前記被測定ガス流通部の内表面の、前記内側主ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された補助ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記補助ポンプ電極と対応している外側ポンプ電極とを含む補助ポンプセルを含み、
前記補助ポンプ電極は、前記測定電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から近い位置に配設されている、上記(1)又は(2)に記載の制御方法。
(3) The sensor element further comprises:
an auxiliary pump cell including an auxiliary pump electrode disposed on an inner surface of the measurement gas flow portion at a position farther from the one longitudinal end of the base portion than the inner main pump electrode; and an outer pump electrode disposed at a position different from the measurement gas flow portion of the base portion and corresponding to the auxiliary pump electrode,
The control method according to (1) or (2) above, wherein the auxiliary pump electrode is disposed at a position closer to the one end in the longitudinal direction of the base portion than the measurement electrode.
(4) 前記補助ポンプセルにおいて、前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間の起電力に基づいて、前記補助ポンプセルに流れるポンプ電流を制御し、
前記主ポンプセルにおいて、前記補助ポンプセルに流れる前記ポンプ電流が一定の値となるように、前記内側主ポンプ電極と前記基準電極との間の起電力を制御することを含む、上記(3)に記載の制御方法。
(4) In the auxiliary pump cell, a pump current flowing through the auxiliary pump cell is controlled based on an electromotive force between the auxiliary pump electrode and the reference electrode;
The control method according to (3) above, further comprising controlling an electromotive force between the inner main pump electrode and the reference electrode in the main pump cell so that the pump current flowing through the auxiliary pump cell is constant.
(5) 前記先行駆動ステップにおいて、前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間の起電力が、前記定常駆動ステップにおける前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間の起電力よりも小さい値に制御される、上記(4)に記載の制御方法。 (5) The control method described in (4) above, wherein, in the advance driving step, the electromotive force between the auxiliary pump electrode and the reference electrode is controlled to a value smaller than the electromotive force between the auxiliary pump electrode and the reference electrode in the steady driving step.
(6) 前記先行駆動ステップにおいて、前記補助ポンプセルに流れるポンプ電流が、前記定常駆動ステップにおける前記補助ポンプセルに流れるポンプ電流よりも大きい値に制御される、上記(4)又は(5)に記載の制御方法。 (6) The control method described in (4) or (5) above, wherein the pump current flowing through the auxiliary pump cell in the advance driving step is controlled to a value greater than the pump current flowing through the auxiliary pump cell in the steady driving step.
(7) 前記測定用ポンプセルにおいて、前記測定電極と前記基準電極との間の起電力に基づいて、前記測定用ポンプセルに流れるポンプ電流を制御することを含み、
前記先行駆動ステップにおいて、前記測定電極と前記基準電極との間の起電力が、前記定常駆動ステップにおける前記測定電極と前記基準電極との間の起電力とは異なる値に制御される、上記(1)~(6)のいずれかに記載の制御方法。
(7) The method includes controlling a pump current flowing through the measurement pump cell based on an electromotive force between the measurement electrode and the reference electrode in the measurement pump cell,
A control method described in any one of (1) to (6) above, wherein in the advance driving step, the electromotive force between the measurement electrode and the reference electrode is controlled to a value different from the electromotive force between the measurement electrode and the reference electrode in the steady-state driving step.
(8) 前記先行駆動ステップにおいて、前記測定電極と前記基準電極との間の起電力が、前記定常駆動ステップにおける前記測定電極と前記基準電極との間の起電力よりも大きい値に制御される、上記(7)に記載の制御方法。 (8) The control method described in (7) above, wherein, in the advance driving step, the electromotive force between the measurement electrode and the reference electrode is controlled to a value greater than the electromotive force between the measurement electrode and the reference electrode in the steady driving step.
(9) 前記活性判定部は、前記ヒータの温度、前記主ポンプセルの抵抗値、及び前記内側主ポンプ電極と前記基準電極との間の抵抗値からなる群から選ばれる少なくとも1つに基づいて、前記センサ素子が測定可能な活性状態であるか否かの判定を行う、上記(1)~(8)のいずれかに記載の制御方法。 (9) A control method described in any one of (1) to (8) above, in which the activity determination unit determines whether the sensor element is in a measurable active state based on at least one selected from the group consisting of the heater temperature, the resistance value of the main pump cell, and the resistance value between the inner main pump electrode and the reference electrode.
(10) 前記先行駆動ステップにおいて、前記ヒータは、予め設定された前記先行駆動ステップにおける昇温速度に基づいて前記活性温度から前記定常駆動温度まで加熱される、上記(1)~(9)のいずれかに記載の制御方法。 (10) A control method described in any one of (1) to (9) above, wherein, in the advance driving step, the heater is heated from the activation temperature to the steady driving temperature based on a preset temperature rise rate in the advance driving step.
(11) 前記先行駆動ステップにおける前記昇温速度が多段階に設定されている、上記(10)に記載の制御方法。 (11) The control method described in (10) above, in which the temperature rise rate in the advance driving step is set in multiple stages.
(12) 前記昇温ステップにおいて、予め設定された前記昇温ステップにおける昇温速度に基づいて前記活性温度まで加熱される、上記(1)~(11)のいずれかに記載の制御方法。 (12) A control method described in any one of (1) to (11) above, wherein, in the temperature-raising step, heating to the activation temperature is performed based on a preset temperature-raising rate in the temperature-raising step.
(13) 前記昇温ステップにおける前記昇温速度が多段階に設定されている、上記(12)に記載の制御方法。 (13) The control method described in (12) above, wherein the temperature increase rate in the temperature increase step is set in multiple stages.
(14) センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御ユニットと、を含むガスセンサであって、
前記センサ素子は、
積層された酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通部と、
前記被測定ガス流通部の内表面に配設された内側主ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記内側主ポンプ電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素を所望の濃度に調整する主ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部の内表面の、前記内側主ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された測定電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記測定電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中のNOxを検出する測定用ポンプセルと、
前記基体部を加熱するように配設されたヒータと、
前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
を含み、
前記制御ユニットは、
前記センサ素子が測定可能な活性状態であるか否かを判定する活性判定部と、
前記ヒータの温度を制御するヒータ制御部と、
前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを検出するポンプ制御部と、
を含み、
前記活性判定部は、前記センサ素子が測定可能な活性状態であるか否かを判定し、
前記ヒータ制御部は、前記ヒータにより前記センサ素子を、前記活性判定部が前記センサ素子を測定可能な活性状態であると判定する活性温度まで加熱し、さらに、定常駆動温度まで加熱し、
前記ポンプ制御部は、前記センサ素子が前記活性温度になった時に前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルの動作を開始し、さらに、前記センサ素子が前記定常駆動温度になった時に前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルを引き続き動作させる、ガスセンサ。
(14) A gas sensor including a sensor element and a control unit that controls the sensor element,
The sensor element is
a long plate-shaped substrate including a plurality of stacked oxygen ion conductive solid electrolyte layers;
a measurement gas flow portion formed at one end of the base portion in the longitudinal direction;
a main pump cell including an inner main pump electrode disposed on an inner surface of the measurement target gas flow portion and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement target gas flow portion and corresponding to the inner main pump electrode, the main pump cell adjusting oxygen in the measurement target gas to a desired concentration;
a measurement pump cell for detecting NOx in the measurement gas, the measurement pump cell including: a measurement electrode disposed on an inner surface of the measurement gas flow portion at a position farther from the one longitudinal end of the base portion than the inner main pump electrode; and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement gas flow portion and corresponding to the measurement electrode;
a heater disposed to heat the base portion;
a reference electrode disposed inside the base portion so as to be in contact with a reference gas;
Including,
The control unit
an activation determination unit that determines whether the sensor element is in a measurable activated state;
a heater control unit that controls the temperature of the heater;
a pump control unit that operates the main pump cell and the measurement pump cell to detect NOx in the measurement gas;
Including,
the activation determination unit determines whether the sensor element is in an activated state where measurement is possible;
the heater control unit heats the sensor element by the heater to an activation temperature at which the activation determination unit determines that the sensor element is in a measurable activated state, and further heats the sensor element to a steady-state driving temperature;
The pump control unit starts operation of the main pump cell and the measurement pump cell when the sensor element reaches the activation temperature, and further continues operation of the main pump cell and the measurement pump cell when the sensor element reaches the steady-state operating temperature.
本発明によれば、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの始動時間を短くすることができる。 This invention shortens the startup time from when the gas sensor is started until accurate measurements can begin.
さらに、本発明によれば、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの始動時間が短く、かつ、被測定ガス中の酸素濃度が高い場合であっても、長期間の使用にわたりそのガスセンサのNOxの検出精度を高く維持することができる。 Furthermore, according to the present invention, the startup time from when the gas sensor is started until accurate measurement can begin is short, and the gas sensor's NOx detection accuracy can be maintained at a high level over long periods of use, even when the oxygen concentration in the measured gas is high.
本発明のガスセンサは、センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御ユニットと、を含んでいる。 The gas sensor of the present invention includes a sensor element and a control unit that controls the sensor element.
本発明のガスセンサに含まれるセンサ素子は、
積層された酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通部と、
前記被測定ガス流通部の内表面に配設された内側主ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記内側主ポンプ電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素を所望の濃度に調整する主ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部の内表面の、前記内側主ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された測定電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記測定電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中のNOxを検出する測定用ポンプセルと、
前記基体部を加熱するヒータと、
前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
を含む。
The sensor element included in the gas sensor of the present invention is
a long plate-shaped substrate including a plurality of stacked oxygen ion conductive solid electrolyte layers;
a measurement gas flow portion formed at one end of the base portion in the longitudinal direction;
a main pump cell including an inner main pump electrode disposed on an inner surface of the measurement target gas flow portion and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement target gas flow portion and corresponding to the inner main pump electrode, the main pump cell adjusting oxygen in the measurement target gas to a desired concentration;
a measurement pump cell for detecting NOx in the measurement gas, the measurement pump cell including: a measurement electrode disposed on an inner surface of the measurement gas flow portion at a position farther from the one longitudinal end of the base portion than the inner main pump electrode; and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement gas flow portion and corresponding to the measurement electrode;
a heater for heating the base portion;
a reference electrode disposed inside the base portion so as to be in contact with a reference gas;
Includes.
本発明のガスセンサに含まれる制御ユニットは、
前記センサ素子が測定可能な活性状態であるか否かを判定する活性判定部と、
前記ヒータの温度を制御するヒータ制御部と、
前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを検出するポンプ制御部と、
を含む。
The control unit included in the gas sensor of the present invention comprises:
an activation determination unit that determines whether the sensor element is in a measurable activated state;
a heater control unit that controls the temperature of the heater;
a pump control unit that operates the main pump cell and the measurement pump cell to detect NOx in the measurement gas;
Includes.
以下に、本発明のガスセンサの実施形態の一例を詳しく説明する。 An example embodiment of the gas sensor of the present invention is described in detail below.
[ガスセンサの概略構成]
本発明のガスセンサについて、図面を参照して以下に説明する。図1は、センサ素子101を含むガスセンサ100の概略構成の一例を示す長手方向の垂直断面模式図である。以下においては、図1を基準として、上下とは、図1の上側を上、下側を下とし、図1の左側を先端側、右側を後端側とする。
[Outline of gas sensor configuration]
The gas sensor of the present invention will be described below with reference to the drawings. Fig. 1 is a schematic vertical cross-sectional view in the longitudinal direction showing an example of the general configuration of a gas sensor 100 including a sensor element 101. In the following, with reference to Fig. 1, the upper side of Fig. 1 will be referred to as the top, the lower side as the bottom, the left side of Fig. 1 as the leading end side, and the right side as the trailing end side.
図1において、ガスセンサ100は、センサ素子101によって被測定ガス中のNOxを検知し、その濃度を測定する限界電流型のNOxセンサの一例を示している。 In Figure 1, the gas sensor 100 is an example of a limiting current type NOx sensor that uses a sensor element 101 to detect NOx in the measurement gas and measure its concentration.
また、ガスセンサ100は、制御ユニット90を含む。図2は、制御ユニット90と、センサ素子101の接続関係を示すブロック図である。 The gas sensor 100 also includes a control unit 90. Figure 2 is a block diagram showing the connection between the control unit 90 and the sensor element 101.
(センサ素子)
センサ素子101は、複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層が積層された構造を有する基体部102を含む、長尺板状の素子である。長尺板状とは、長板状、あるいは、帯状ともいう。基体部102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。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。前記6つの層は全て同じ厚みであってもよいし、各層毎に異なる厚みであってもよい。各層の間は、固体電解質からなる接着層を介して接着されており、基体部102には前記接着層を含む。図1においては、前記6つの層からなる層構成を例示したが、本発明における層構成はこれに限られるものではなく、任意の層の数及び層構成としてよい。
(sensor element)
The sensor element 101 is a long, plate-shaped element including a base portion 102 having a structure in which multiple oxygen-ion conductive solid electrolyte layers are stacked. The long, plate-shaped structure is also referred to as a long plate or a strip-shaped structure. The base portion 102 has a structure in which six layers are stacked in this order from bottom to top as viewed in the drawing: a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, a third substrate layer 3, a first solid electrolyte layer 4, a spacer layer 5, and a second solid electrolyte layer 6, each of which is made of an oxygen-ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). The solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The six layers may all have the same thickness or may have different thicknesses. The layers are bonded together via adhesive layers made of solid electrolyte, and the base portion 102 includes the adhesive layers. While FIG. 1 illustrates a layer structure consisting of six layers, the layer structure of the present invention is not limited to this and any number and layer structure may be used.
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 sensor element 101 is manufactured, for example, by laminating ceramic green sheets corresponding to each layer, performing the required processing and printing circuit patterns on them, and then firing them to integrate them.
センサ素子101の長手方向の一方の端部(以下、先端部という)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が形成されている。被測定ガス流通部15は、ガス導入口10から長手方向に、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 gas inlet 10 is formed at one longitudinal end (hereinafter referred to as the tip) of the sensor element 101, between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4. The measurement gas flow section 15 is formed in the longitudinal direction from the gas inlet 10, with a first diffusion-controlling section 11, a buffer space 12, a second diffusion-controlling section 13, a first internal cavity 20, a third diffusion-controlling section 30, a second internal cavity 40, a fourth diffusion-controlling section 60, and a third internal cavity 61 adjacently and communicating in this order.
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センサ素子101内部の空間である。 The gas inlet 10, buffer space 12, first internal cavity 20, second internal cavity 40, and third internal cavity 61 are spaces within the sensor element 101, defined by hollowing out the spacer layer 5, with the upper portion defined by the underside of the second solid electrolyte layer 6, the lower portion defined by the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, and the sides defined by the side surfaces of the spacer layer 5.
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1において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。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、所望の拡散抵抗を付与する形態であればよく、その形態は前記スリットに限定されるものではない。 The first diffusion rate-limiting section 11, the second diffusion rate-limiting section 13, and the third diffusion rate-limiting section 30 are each provided as two horizontally elongated slits (with the openings extending in the direction perpendicular to the plane of the drawing in Figure 1). The first diffusion rate-limiting section 11, the second diffusion rate-limiting section 13, and the third diffusion rate-limiting section 30 may each have any shape that provides the desired diffusion resistance, and their shape is not limited to the slits.
第4拡散律速部60は、1本の横長の(図1において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、スペーサ層5と第2固体電解質層6との間に設けられる。第4拡散律速部60は、所望の拡散抵抗を付与する形態であればよく、その形態は前記スリットに限定されるものではない。 The fourth diffusion-controlling portion 60 is provided between the spacer layer 5 and the second solid electrolyte layer 6 as a single horizontally elongated slit (with the opening extending longitudinally in the direction perpendicular to the plane of the drawing in Figure 1). The fourth diffusion-controlling portion 60 may have any shape that provides the desired diffusion resistance, and its shape is not limited to the slit.
また、被測定ガス流通部15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は、センサ素子101の他方の端部(以下、後端部という)に開口部を有している。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。 Furthermore, at a position farther from the tip side than the measurement gas flow portion 15, a reference gas introduction space 43 is provided between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5, at a position defined on the side by the side surface of the first solid electrolyte layer 4. The reference gas introduction space 43 has an opening at the other end (hereinafter referred to as the rear end) of the sensor element 101. Air, for example, is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas when measuring the NOx concentration.
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。 The air introduction layer 48 is a layer made of porous alumina, and a reference gas is introduced into the air introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43. The air introduction layer 48 is also formed to cover the reference electrode 42.
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。すなわち、基準電極42は、多孔質である大気導入層48と基準ガス導入空間43とを介して、基準ガスと接するように配設されている。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。 The reference electrode 42 is an electrode formed in a manner sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4, and as described above, is surrounded by an air introduction layer 48 that connects to the reference gas introduction space 43. In other words, the reference electrode 42 is disposed so as to come into contact with the reference gas via the porous air introduction layer 48 and the reference gas introduction space 43. Furthermore, as described below, the reference electrode 42 can be used to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20, the second internal space 40, and the third internal space 61.
被測定ガス流通部15において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口しており、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。 In the measurement gas flow section 15, the gas inlet 10 is open to the external space, and the measurement gas is introduced into the sensor element 101 from the external space through the gas inlet 10.
本実施形態においては、被測定ガス流通部15は、センサ素子101の先端面に開口したガス導入口10から被測定ガスが導入される形態であるが、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば、被測定ガス流通部15には、ガス導入口10の凹所が存在しなくてもよい。この場合は、第1拡散律速部11が実質的にガス導入口となる。
また、例えば、被測定ガス流通部15は、基体部102の長手方向に沿う側面に、緩衝空間12あるいは第1内部空所20の緩衝空間12に近い位置と連通する開口を有している形態であってもよい。この場合は、前記開口を通じて、基体部102の長手方向に沿う側面から被測定ガスが導入される。
また、例えば、被測定ガス流通部15は、多孔体を通じて被測定ガスが導入される構成になっていてもよい。
In this embodiment, the measurement gas flow section 15 is configured such that the measurement gas is introduced through the gas inlet 10 opening at the tip end surface of the sensor element 101, but the present invention is not limited to this configuration. For example, the measurement gas flow section 15 does not need to have a recess for the gas inlet 10. In this case, the first diffusion-controlling section 11 essentially serves as the gas inlet.
Furthermore, for example, the measurement gas flow part 15 may have an opening in a side surface along the longitudinal direction of the base part 102, the opening communicating with the buffer space 12 or a position in the first internal space 20 close to the buffer space 12. In this case, the measurement gas is introduced from the side surface along the longitudinal direction of the base part 102 through the opening.
Furthermore, for example, the measurement gas flow portion 15 may be configured so that the measurement gas is introduced through a porous body.
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。 The first diffusion-controlling section 11 is a section that imparts a predetermined diffusion resistance to the measurement gas taken in through the gas inlet 10.
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。 The buffer space 12 is a space provided to guide the measurement gas introduced from the first diffusion-controlling section 11 to the second diffusion-controlling section 13.
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。 The second diffusion rate-controlling section 13 is a section that provides a predetermined diffusion resistance to the measurement gas introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20.
第1内部空所20に導入される被測定ガスの量が所定の範囲になっていればよい。すなわち、センサ素子101の先端部から第2拡散律速部13の全体として、所定の拡散抵抗を付与されていればよい。例えば、第1拡散律速部11が直接第1内部空所20と連通する、すなわち、緩衝空間12と、第2拡散律速部13とが存在しない態様としてもよい。 It is sufficient that the amount of measurement gas introduced into the first internal space 20 is within a predetermined range. In other words, it is sufficient that a predetermined diffusion resistance is imparted to the entire area from the tip of the sensor element 101 to the second diffusion-controlling section 13. For example, it is also possible for the first diffusion-controlling section 11 to be directly connected to the first internal space 20, i.e., for the buffer space 12 and the second diffusion-controlling section 13 not to exist.
緩衝空間12は、被測定ガスの圧力が変動する場合に、その圧力変動が検出値に与える影響を緩和するために設けられた空間である。 The buffer space 12 is a space provided to mitigate the effect of pressure fluctuations on the detected value when the pressure of the gas being measured fluctuates.
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内部空間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。 When the measurement gas is introduced from outside the sensor element 101 into the first internal space 20, pressure fluctuations in the measurement gas in the external space (exhaust pressure pulsations, if the measurement gas is automobile exhaust gas) cause the measurement gas to be suddenly drawn into the sensor element 101 from the gas inlet 10. Instead of being introduced directly into the first internal space 20, the measurement gas is introduced into the first internal space 20 after the pressure fluctuations are canceled out through the first diffusion-controlling section 11, buffer space 12, and second diffusion-controlling section 13. This makes the pressure fluctuations of the measurement gas introduced into the first internal space almost negligible.
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。 The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure in the measurement gas introduced through the second diffusion-controlling section 13. This oxygen partial pressure is adjusted by the operation of the main pump cell 21.
主ポンプセル21は、前記被測定ガス流通部15の内表面に配設された内側主ポンプ電極22と、前記基体部102の前記被測定ガス流通部15とは異なる位置(図1においては、前記基体部102の外面)に配設された、前記内側主ポンプ電極22と対応している外側ポンプ電極23とを含む電気化学的ポンプセルである。「前記内側主ポンプ電極22と対応している」とは、前記外側ポンプ電極23が、前記内側主ポンプ電極22と、第2固体電解質層6を介して設けられていることを意味する。 The main pump cell 21 is an electrochemical pump cell including an inner main pump electrode 22 disposed on the inner surface of the measurement gas flow portion 15, and an outer pump electrode 23 disposed at a position on the base portion 102 different from the measurement gas flow portion 15 (in FIG. 1, on the outer surface of the base portion 102) that corresponds to the inner main pump electrode 22. "Corresponding to the inner main pump electrode 22" means that the outer pump electrode 23 is disposed on the inner main pump electrode 22 via a second solid electrolyte layer 6.
すなわち、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を有する内側主ポンプ電極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。 In other words, the main pump cell 21 is an electrochemical pump cell comprising an inner main pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal space 20, an outer pump electrode 23 provided on the upper surface of the second solid electrolyte layer 6 in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a and exposed to the external space, and the second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes.
内側主ポンプ電極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 inner main pump electrode 22 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (second solid electrolyte layer 6 and first solid electrolyte layer 4) that define the first internal space 20, and the spacer layer 5 that provides the sidewalls. Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6, which provides the ceiling surface of the first internal space 20, and a bottom electrode portion 22b is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, which provides the bottom surface. Side electrodes (not shown) are formed on the sidewall surfaces (inner surfaces) of the spacer layer 5 that form both sidewalls of the first internal space 20 to connect the ceiling electrode portion 22a and the bottom electrode portion 22b, and are arranged in a tunnel-shaped structure at the locations where the side electrodes are located.
内側主ポンプ電極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主ポンプ電極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 inner main pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as porous cermet electrodes (for example, a cermet electrode of Pt containing 1% Au and ZrO2 ). The inner main pump electrode 22, which comes into contact with the measurement gas, is formed using a material with a weakened ability to reduce the NOx component in the measurement gas.
主ポンプセル21においては、内側主ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を可変電源24により印加して、内側主ポンプ電極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 main pump cell 21, by applying a desired pump voltage Vp0 between the inner main pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 using a variable power supply 24 and flowing a pump current Ip0 in either a positive or negative direction between the inner main pump electrode 22 and the outer pump electrode 23, it is possible to pump oxygen from the first internal space 20 out to the external space, or to pump oxygen from the external space into the first internal space 20.
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、内側主ポンプ電極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。 In addition, to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner main pump electrode 22, the second solid electrolyte 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, i.e., the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump.
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内部空所内20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。 The oxygen concentration (oxygen partial pressure) within the first internal space 20 can be determined by measuring the electromotive force V0 in the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump. Furthermore, the pump current Ip0 is controlled by feedback controlling the pump voltage Vp0 so that the electromotive force V0 remains constant. This allows the oxygen concentration within the first internal space 20 to be maintained at a predetermined constant value.
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 rate-controlling section 30 applies a predetermined diffusion resistance to the measurement gas, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) of which has been controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and guides the measurement gas into the second internal space 40.
第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧をより高精度に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、補助ポンプセル50が作動することによって調整される。第2内部空所40及び補助ポンプセル50がない構成とすることもできる。酸素分圧の調整の精度の観点からは、第2内部空所40及び補助ポンプセル50があることがより好ましい。 The second internal space 40 is provided as a space for more precisely adjusting the oxygen partial pressure in the measurement gas introduced through the third diffusion-controlling section 30. This oxygen partial pressure is adjusted by the operation of the auxiliary pump cell 50. The second internal space 40 and auxiliary pump cell 50 may be omitted. From the perspective of precision in adjusting the oxygen partial pressure, it is more preferable to have the second internal space 40 and auxiliary pump cell 50.
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。 In the second internal space 40, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is first adjusted in the first internal space 20, and then the oxygen partial pressure of the measurement gas introduced through the third diffusion-controlling section is further adjusted by the auxiliary pump cell 50. This allows the oxygen concentration in the second internal space 40 to be kept constant with high precision, enabling the gas sensor 100 to measure NOx concentrations with high accuracy.
補助ポンプセル50は、前記被測定ガス流通部15の内表面の、前記内側主ポンプ電極22よりも前記基体部102の長手方向の先端部から遠い位置に配設された補助ポンプ電極51と、前記基体部102の前記被測定ガス流通部15とは異なる位置(図1においては、前記基体部102の外面)に配設された、前記補助ポンプ電極51と対応している外側ポンプ電極23とを含む電気化学的ポンプセルである。「前記補助ポンプ電極51と対応している」とは、前記外側ポンプ電極23が、前記補助ポンプ電極51と、第2固体電解質層6を介して設けられていることを意味する。 The auxiliary pump cell 50 is an electrochemical pump cell including an auxiliary pump electrode 51 disposed on the inner surface of the measurement gas flow portion 15 at a position farther from the longitudinal tip of the base portion 102 than the inner main pump electrode 22, and an outer pump electrode 23 disposed at a position on the base portion 102 different from the measurement gas flow portion 15 (in FIG. 1, on the outer surface of the base portion 102) that corresponds to the auxiliary pump electrode 51. "Corresponding to the auxiliary pump electrode 51" means that the outer pump electrode 23 is provided on the auxiliary pump electrode 51 via a second solid electrolyte layer 6.
すなわち、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。 In other words, the auxiliary pump cell 50 is an auxiliary electrochemical pump cell composed of an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided over substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal space 40, an outer pump electrode 23 (not limited to the outer pump electrode 23; any suitable electrode between the sensor element 101 and an outer electrode will suffice), and the second solid electrolyte layer 6.
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主ポンプ電極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の下面に天井電極部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の上面には、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。 The auxiliary pump electrode 51 is disposed within the second internal cavity 40 in a tunnel-shaped structure similar to the inner main pump electrode 22 disposed within the first internal cavity 20. That is, a ceiling electrode portion 51a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6, which provides the ceiling surface of the second internal cavity 40, and a bottom electrode portion 51b is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, which provides the bottom surface of the second internal cavity 40. Side electrodes (not shown) connecting the ceiling electrode portion 51a and bottom electrode portion 51b are formed on both wall surfaces of the spacer layer 5, which provide the side walls of the second internal cavity 40, forming a tunnel-shaped structure.
なお、補助ポンプ電極51についても、内側主ポンプ電極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。 Like the inner main pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51 is also made of a material with a reduced ability to reduce the NOx components in the measurement gas.
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を可変電源52により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 auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23 using a variable power supply 52, oxygen in the atmosphere within the second internal space 40 can be pumped out to the external space, or oxygen can be pumped into the second internal space 40 from the external space.
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 addition, to control the oxygen partial pressure in the atmosphere within the second internal space 40, an electrochemical sensor cell, i.e., an oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump, is formed by the auxiliary pump electrode 51, reference electrode 42, second solid electrolyte layer 6, spacer layer 5, first solid electrolyte layer 4, and third substrate layer 3.
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。 The auxiliary pump cell 50 performs pumping using a variable power supply 52 whose voltage is controlled based on the electromotive force V1 detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81. This allows the oxygen partial pressure in the atmosphere within the second internal space 40 to be controlled to a low level that does not substantially affect NOx measurement.
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。 In addition, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, and by controlling its electromotive force V0, the gradient of the oxygen partial pressure in the measurement gas introduced from the third diffusion-controlling section 30 into the second internal space 40 is controlled to be constant at all times. When used as a NOx sensor, the oxygen concentration in the second internal space 40 is maintained at a constant value of approximately 0.001 ppm by the action of the main pump cell 21 and auxiliary pump cell 50.
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)がさらに低く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。 The fourth diffusion-controlling section 60 provides a predetermined diffusion resistance to the measurement gas, whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) has been further reduced by the operation of the auxiliary pump cell 50 in the second internal space 40, and guides the measurement gas into the third internal space 61.
第3内部空所61は、第4拡散律速部60を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定を測定するための空間として設けられている。測定用ポンプセル41の動作によりNOx濃度が測定される。 The third internal space 61 is provided as a space for measuring the concentration of nitrogen oxides (NOx) in the measurement gas introduced through the fourth diffusion-controlling section 60. The NOx concentration is measured by the operation of the measurement pump cell 41.
測定用ポンプセル41は、前記被測定ガス流通部15の内表面の、前記補助ポンプ電極51よりも前記基体部102の長手方向の先端部から遠い位置に配設された測定電極44と、前記基体部102の前記被測定ガス流通部15とは異なる位置(図1においては、前記基体部102の外面)に配設された、前記測定電極44と対応している外側ポンプ電極23とを含む電気化学的ポンプセルである。「前記測定電極44と対応している」とは、前記外側ポンプ電極23が、前記測定電極44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とを介して設けられていることを意味する。 The measurement pump cell 41 is an electrochemical pump cell including a measurement electrode 44 disposed on the inner surface of the measurement gas flow portion 15 at a position farther from the longitudinal tip of the base portion 102 than the auxiliary pump electrode 51, and an outer pump electrode 23 disposed on the base portion 102 at a position different from the measurement gas flow portion 15 (in FIG. 1, on the outer surface of the base portion 102) that corresponds to the measurement electrode 44. "Corresponding to the measurement electrode 44" means that the outer pump electrode 23 is provided via the measurement electrode 44, second solid electrolyte layer 6, spacer layer 5, and first solid electrolyte layer 4.
すなわち、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(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、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。 That is, the measurement pump cell 41 measures the NOx concentration in the measurement gas within the third internal space 61. The measurement pump cell 41 is an electrochemical pump cell composed of a measurement electrode 44 provided on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the third internal space 61, an outer pump electrode 23 (not limited to the outer pump electrode 23; any suitable outer electrode will suffice), the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4.
測定電極44は、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 electrode 44 is a porous cermet electrode. The measuring electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere within the third internal space 61.
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。 The measurement pump cell 41 pumps out oxygen produced by the decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere surrounding the measurement electrode 44, and the amount of oxygen produced can be detected as a pump current Ip2.
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、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。 In addition, to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, the second solid electrolyte layer 6, spacer layer 5, first solid electrolyte layer 4, third substrate layer 3, measurement electrode 44, and reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, i.e., an oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump. The variable power supply 46 is controlled based on the electromotive force V2 detected by the oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump.
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。 The measurement gas introduced into the second internal space 40 reaches the measuring electrode 44 in the third internal space 61 through the fourth diffusion-controlling part 60 under conditions in which the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxides in the measurement gas around the measuring electrode 44 are reduced (2NO → N2 + O2 ) to generate oxygen. This generated oxygen is then pumped by the measuring pump cell 41, and the voltage Vp2 of the variable power supply is controlled so that the control voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 remains constant. Because the amount of oxygen generated around the measuring electrode 44 is proportional to the nitrogen oxide concentration in the measurement gas, the pump current Ip2 in the measuring pump cell 41 can be used to calculate the nitrogen oxide concentration in the measurement gas.
また、測定電極44と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と基準電極42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。 Furthermore, by combining the measurement electrode 44, first solid electrolyte layer 4, third substrate layer 3, and reference electrode 42 to form an oxygen partial pressure detection means as an electrochemical sensor cell, it is possible to detect an electromotive force corresponding to the difference between the amount of oxygen generated by reduction of NOx components in the atmosphere around the measurement electrode 44 and the amount of oxygen contained in the reference atmosphere, thereby making it possible to determine the concentration of NOx components in the measured gas.
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。 The second solid electrolyte layer 6, spacer layer 5, first solid electrolyte layer 4, third substrate layer 3, outer pump electrode 23, and reference electrode 42 form an electrochemical sensor cell 83, and the electromotive force Vref obtained by this sensor cell 83 can be used to detect the oxygen partial pressure in the measured gas outside the sensor.
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 gas sensor 100 having this configuration, the main pump cell 21 and auxiliary pump cell 50 are operated to provide the measurement gas, whose oxygen partial pressure is always maintained at a constant low value (a value that has no substantial effect on NOx measurement), to the measurement pump cell 41. Therefore, the NOx concentration in the measurement gas can be determined based on the pump current Ip2 that flows when oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out of the measurement pump cell 41, which is approximately proportional to the NOx concentration in the measurement gas.
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、ヒータリード76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。 Furthermore, the sensor element 101 is equipped with a heater section 70 that adjusts the temperature by heating and keeping the sensor element 101 warm in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater section 70 includes a heater electrode 71, a heater 72, a heater lead 76, a through hole 73, a heater insulating layer 74, and a pressure release hole 75.
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を外部電源であるヒータ電源77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 heater electrode 71 is an electrode formed in contact with the underside of the first substrate layer 1. By connecting the heater electrode 71 to a heater power supply 77, which is an external power source, it is possible to supply power to the heater section 70 from outside.
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、ヒータ72に接続していて且つセンサ素子101の長手方向後端側に延びているヒータリード76と、スルーホール73と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。 The heater 72 is an electrical resistor sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3. The heater 72 is connected to the heater electrode 71 via a heater lead 76 that is connected to the heater 72 and extends to the longitudinal rear end of the sensor element 101, and via a through-hole 73. When power is supplied from the outside through the heater electrode 71, the heater 72 generates heat, heating and keeping warm the solid electrolyte that forms the sensor element 101.
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、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。主ポンプセル21、補助ポンプセル50、及び測定用ポンプセル41が作動できるように温度が調整されていればよい。これらの全域が同じ温度に調整される必要はなく、センサ素子101に温度分布があってもよい。 The heater 72 is embedded throughout the entire area from the first internal space 20 to the third internal space 61, making it possible to adjust the entire sensor element 101 to a temperature that activates the solid electrolyte. The temperature needs to be adjusted so that the main pump cell 21, auxiliary pump cell 50, and measurement pump cell 41 can operate. It is not necessary for these entire areas to be adjusted to the same temperature; there may be a temperature distribution within the sensor element 101.
本実施形態のセンサ素子101においては、ヒータ72が基体部102に埋設された態様であるが、この態様に限定されるものでない。ヒータ72は、基体部102を加熱するように配設されていればよい。すなわち、ヒータ72は、上述の主ポンプセル21、補助ポンプセル50、及び測定用ポンプセル41が作動できる酸素イオン伝導性を発現させる程度に、センサ素子101を加熱できるものであればよい。例えば、本実施形態のように基体部102に埋設されていてもよい。あるいは、例えば、ヒータ部70が基体部102とは別のヒータ基板として形成され、基体部102の隣接位置に配設されていてもよい。 In the sensor element 101 of this embodiment, the heater 72 is embedded in the base portion 102, but this is not a limitation. The heater 72 is only required to be disposed so as to heat the base portion 102. In other words, the heater 72 is only required to be capable of heating the sensor element 101 to an extent that it develops oxygen ion conductivity that enables the main pump cell 21, auxiliary pump cell 50, and measurement pump cell 41 to operate. For example, as in this embodiment, the heater may be embedded in the base portion 102. Alternatively, for example, the heater portion 70 may be formed as a heater substrate separate from the base portion 102 and disposed adjacent to the base portion 102.
ヒータ絶縁層74は、ヒータ72及びヒータリード76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及びヒータリード76との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72及びヒータリード76との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。 The heater insulating layer 74 is an insulating layer made of an insulator such as alumina and formed on the upper and lower surfaces of the heater 72 and heater lead 76. The heater insulating layer 74 is formed to provide electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and heater lead 76, and between the third substrate layer 3 and the heater 72 and heater lead 76.
圧力放散孔75は、第3基板層3を貫通し、ヒータ絶縁層74と基準ガス導入空間43とが連通するように形成されている。圧力放散孔75によって、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇が緩和されうる。なお、圧力放散孔75のない構成としてもよい。 The pressure relief hole 75 penetrates the third substrate layer 3 and is formed to connect the heater insulating layer 74 to the reference gas introduction space 43. The pressure relief hole 75 can mitigate the increase in internal pressure that accompanies a temperature rise within the heater insulating layer 74. Note that the pressure relief hole 75 may be omitted.
(制御ユニット)
本実施形態のガスセンサは、上述のセンサ素子101と、センサ素子101を制御する制御ユニット90とを含む。図2は、制御ユニット90と、センサ素子101の各ポンプセル21、50、41及びヒータ部70との接続関係を示すブロック図である。制御ユニット90は、ヒータ制御部91、活性判定部92、ポンプ制御部93、酸素濃度検出部94、NOx濃度検出部95を含む。制御ユニット90の実体は、センサ素子101を制御するように設計/設定されたマイクロプロセッサである。
(control unit)
The gas sensor of this embodiment includes the above-described sensor element 101 and a control unit 90 that controls the sensor element 101. Fig. 2 is a block diagram showing the connection relationship between the control unit 90 and the pump cells 21, 50, 41 and heater unit 70 of the sensor element 101. The control unit 90 includes a heater control unit 91, an activity determination unit 92, a pump control unit 93, an oxygen concentration detection unit 94, and a NOx concentration detection unit 95. The control unit 90 is actually a microprocessor designed and configured to control the sensor element 101.
制御ユニット90は、センサ素子101の各センサセル80、81、82、83における起電力(V0、V1、V2、Vref)、各ポンプセル21、50、41におけるポンプ電流(Ip0、Ip1、Ip2)、及びヒータ部70におけるヒータ電圧Vhとヒータ電流Ihを取得するように構成されている。また、制御ユニット90は、可変電源24、52、46、及びヒータ電源77に制御信号を出力するように構成されている。 The control unit 90 is configured to acquire the electromotive forces (V0, V1, V2, Vref) in each sensor cell 80, 81, 82, 83 of the sensor element 101, the pump currents (Ip0, Ip1, Ip2) in each pump cell 21, 50, 41, and the heater voltage Vh and heater current Ih in the heater section 70. The control unit 90 is also configured to output control signals to the variable power supplies 24, 52, 46 and the heater power supply 77.
ヒータ制御部91は、ヒータ72の温度を制御することができるように構成されている。ヒータ制御部91は、所望の昇温速度でヒータ72を加熱し、また、ヒータ72の温度を所望の温度に保持する。 The heater control unit 91 is configured to be able to control the temperature of the heater 72. The heater control unit 91 heats the heater 72 at a desired temperature rise rate and also maintains the temperature of the heater 72 at a desired temperature.
ヒータ72を加熱するためには、公知の種々の制御方法を用いることができる。例えば、ヒータ72に一定の電圧を印加して加熱することもできる。ヒータ72の抵抗値に基づいてヒータ電源77の出力を変化させ、所望の昇温速度となるように制御することもできる。あるいは、主ポンプセル21、補助ポンプセル50、及び測定用ポンプセル41における抵抗値のうちの少なくとも1つに基づいてヒータ電源77の出力を制御し所望の昇温速度となるように制御することもできる。 Various known control methods can be used to heat the heater 72. For example, a constant voltage can be applied to the heater 72 to heat it. The output of the heater power supply 77 can be changed based on the resistance value of the heater 72 to control it to achieve the desired temperature rise rate. Alternatively, the output of the heater power supply 77 can be controlled based on at least one of the resistance values of the main pump cell 21, the auxiliary pump cell 50, and the measurement pump cell 41 to control it to achieve the desired temperature rise rate.
例えば、ヒータ制御部91は、ヒータ72におけるヒータ電圧Vhとヒータ電流Ihとから算出されるヒータ抵抗値Rh(=Vh/Ih)に基づいて、ヒータ72が目標温度に到達するように、ヒータ電源77に出力する制御信号をフィードバック制御する。 For example, the heater control unit 91 feedback-controls the control signal output to the heater power supply 77 based on the heater resistance value Rh (= Vh/Ih) calculated from the heater voltage Vh and heater current Ih in the heater 72 so that the heater 72 reaches the target temperature.
活性判定部92は、センサ素子101が測定可能な活性状態であるか否かを判定する。すなわち、主ポンプセル21、補助ポンプセル50、及び測定用ポンプセル41が駆動しうる活性状態になっているかどうかを判定する。ここで、「活性状態」とは、各ポンプセル21、50、41を構成する固体電解質がヒータ72によって加熱され、その結果、後述のポンプセル制御が可能な程度に、酸素イオン伝導性が発現している状態をいう。 The activity determination unit 92 determines whether the sensor element 101 is in an active state where measurements can be taken. That is, it determines whether the main pump cell 21, auxiliary pump cell 50, and measurement pump cell 41 are in an active state where they can be driven. Here, "active state" refers to a state in which the solid electrolyte constituting each pump cell 21, 50, 41 is heated by the heater 72, resulting in oxygen ion conductivity being exhibited to an extent that pump cell control, as described below, is possible.
センサ素子101が測定可能な活性状態であるか否かは、例えば、後述のポンプセル制御が可能な程度に、酸素イオン伝導性が発現しているか否かによって判定できる。酸素イオン伝導性が高くなると、各ポンプセル21、50、41における抵抗値が低下する。主ポンプセル21(内側主ポンプ電極22と外側ポンプ電極23)、補助ポンプセル50(補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23)、及び測定用ポンプセル41(測定電極44と外側ポンプ電極23)のうちのいずれかのポンプセルにおける抵抗値を検出することにより、活性状態であるか否かを判定してもよい。例えば、主ポンプセル21に一定のVp0を印加した時のIp0の値を検出し、抵抗値Rp0(=Vp0/Ip0)を算出する。算出された抵抗値Rp0が所望の値になった時に、活性状態であると判定してもよい。 Whether the sensor element 101 is in a measurable active state can be determined, for example, by determining whether oxygen ion conductivity is sufficient to enable pump cell control, as described below. As oxygen ion conductivity increases, the resistance of each pump cell 21, 50, 41 decreases. The active state may be determined by detecting the resistance of any of the pump cells: the main pump cell 21 (inner main pump electrode 22 and outer pump electrode 23), the auxiliary pump cell 50 (auxiliary pump electrode 51 and outer pump electrode 23), and the measurement pump cell 41 (measurement electrode 44 and outer pump electrode 23). For example, the value of Ip0 when a constant Vp0 is applied to the main pump cell 21 is detected, and the resistance value Rp0 (= Vp0/Ip0) is calculated. The active state may be determined when the calculated resistance value Rp0 reaches a desired value.
活性状態であると判定される主ポンプセル21における抵抗値Rp0は、センサ素子101の構成によって異なり得る。例えば、活性状態であると判定される抵抗値Rp0は300Ω~1000Ωとしてもよい。また、例えば、600Ω~1000Ωとしてもよい。あるいは、300Ω~400Ωとしてもよい。 The resistance value Rp0 of the main pump cell 21 that is determined to be in an active state may vary depending on the configuration of the sensor element 101. For example, the resistance value Rp0 that is determined to be in an active state may be between 300 Ω and 1000 Ω. It may also be between 600 Ω and 1000 Ω. Or, it may be between 300 Ω and 400 Ω.
各ポンプセル21、50、41の場合と同様に、酸素イオン伝導性が高くなると、各センサセル80、81、82、83における抵抗値も低下する。主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80(内側主ポンプ電極22と基準電極42)、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81(補助ポンプ電極51と基準電極42)、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82(測定電極44と基準電極42)、及びセンサセル83(外側ポンプ電極23と基準電極42)のうちのいずれかのセンサセルにおける抵抗値を検出することにより、活性状態であるか否かを判定してもよい。 As with the pump cells 21, 50, and 41, increasing oxygen ion conductivity also decreases the resistance value in each of the sensor cells 80, 81, 82, and 83. The active state may be determined by detecting the resistance value in any of the sensor cells: the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80 (inner main pump electrode 22 and reference electrode 42), the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81 (auxiliary pump electrode 51 and reference electrode 42), the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 (measurement electrode 44 and reference electrode 42), and the sensor cell 83 (outer pump electrode 23 and reference electrode 42).
また、酸素イオン伝導性は、固体電解質温度が高くなるほど向上する。この関係を考慮し、センサ素子101の温度、あるいは、ヒータ72の温度に基づいて、センサ素子101が測定可能な活性状態であるか否かを判定してもよい。 Furthermore, oxygen ion conductivity improves as the solid electrolyte temperature increases. Taking this relationship into consideration, it may be possible to determine whether the sensor element 101 is in a measurable active state based on the temperature of the sensor element 101 or the temperature of the heater 72.
活性状態であると判定されるヒータ72の温度は、センサ素子101の構成によって異なり得る。本実施形態においては、例えば、活性状態であると判定されるヒータ72の温度は、550℃~700℃となり得る。また、例えば、550℃~650℃となり得る。あるいは、650℃~700℃となり得る。 The temperature at which the heater 72 is determined to be in an activated state may vary depending on the configuration of the sensor element 101. In this embodiment, for example, the temperature at which the heater 72 is determined to be in an activated state may be between 550°C and 700°C. It may also be between 550°C and 650°C. Alternatively, it may be between 650°C and 700°C.
例えば、ヒータ72の温度に基づいてセンサ素子101が測定可能な活性状態であるか否かを判定する場合において、予め、センサ素子101におけるヒータ72の温度と酸素イオン伝導性の相関関係を取得し、その相関関係から所望の酸素イオン伝導性が発現するヒータ温度を設定してもよい。ヒータ72が設定温度になった時に、活性状態であると判定してもよい。ヒータ温度が設定温度であることの判定は、上述のヒータ制御部91における場合と同様に、ヒータ抵抗値Rhを用いて行ってもよい。 For example, when determining whether the sensor element 101 is in a measurable activated state based on the temperature of the heater 72, the correlation between the temperature of the heater 72 in the sensor element 101 and oxygen ion conductivity may be obtained in advance, and the heater temperature at which the desired oxygen ion conductivity is achieved may be set based on that correlation. The activated state may be determined when the heater 72 reaches the set temperature. Whether the heater temperature is at the set temperature may be determined using the heater resistance value Rh, as in the heater control unit 91 described above.
活性判定部92は、上述のヒータ制御部91が所望の昇温速度でヒータ72を加熱している間、適時、センサ素子101が測定可能な活性状態であるか否かの判定を行う。活性判定部92における判定は連続的に行われてもよいし、適宜決められたタイミングで行われてもよい。判定は、例えば、上述のポンプセル21、50、41のそれぞれにおける抵抗値、センサセル80、81、82、83のそれぞれにおける抵抗値、センサ素子101の温度、及びヒータ72の温度のうちの1つ又は2つ以上を用いて行ってもよい。 While the heater control unit 91 heats the heater 72 at the desired temperature rise rate, the activity determination unit 92 periodically determines whether the sensor element 101 is in a measurable activated state. The determination by the activity determination unit 92 may be performed continuously or at appropriately determined timing. The determination may be performed using, for example, one or more of the resistance values of the pump cells 21, 50, and 41, the resistance values of the sensor cells 80, 81, 82, and 83, the temperature of the sensor element 101, and the temperature of the heater 72.
活性判定部92が、センサ素子101を測定可能な活性状態に達していないと判定した場合は、ヒータ制御部91が、センサ素子101が活性状態になるまで、引き続きヒータ72を加熱する(後述の昇温ステップ)。活性判定部92が、センサ素子101を測定可能な活性状態に達したと判定した場合は、ヒータ制御部91が引き続きヒータ72を加熱し、かつ、後述のポンプ制御部93が動作する(後述の先行駆動ステップ)。 If the activity determination unit 92 determines that the sensor element 101 has not yet reached a measurable activation state, the heater control unit 91 continues to heat the heater 72 until the sensor element 101 reaches an activation state (the temperature increase step described below). If the activity determination unit 92 determines that the sensor element 101 has reached a measurable activation state, the heater control unit 91 continues to heat the heater 72, and the pump control unit 93 described below operates (the advance drive step described below).
活性判定部92がセンサ素子101を測定可能な活性状態であると判定した時におけるヒータ72の温度を活性温度と称することとする。 The temperature of the heater 72 when the activation determination unit 92 determines that the sensor element 101 is in an activated state where it can be measured is referred to as the activation temperature.
ポンプ制御部93は、主ポンプセル21、補助ポンプセル50、及び測定用ポンプセル41を制御する。 The pump control unit 93 controls the main pump cell 21, the auxiliary pump cell 50, and the measurement pump cell 41.
ポンプ制御部93は、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が一定値(設定値V0SETと称する)となるように、主ポンプセル21における可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御する。起電力V0は内側主ポンプ電極22近傍の酸素分圧を示しているので、起電力V0を一定にすることは、内側主ポンプ電極22近傍の酸素分圧を一定にすることを意味する。結果として、主ポンプセル21におけるポンプ電流Ip0は、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化する。 The pump control unit 93 feedback-controls the pump voltage Vp0 of the variable power supply 24 in the main pump cell 21 so that the electromotive force V0 in the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80 is kept at a constant value (referred to as a set value V0 SET ). Since the electromotive force V0 indicates the oxygen partial pressure in the vicinity of the inner main pump electrode 22, maintaining the electromotive force V0 constant means maintaining the oxygen partial pressure in the vicinity of the inner main pump electrode 22 constant. As a result, the pump current Ip0 in the main pump cell 21 changes depending on the oxygen concentration in the measurement gas.
被測定ガス中の酸素分圧が、設定値V0SETに相当する酸素分圧より高い場合には、主ポンプセル21において、第1内部空所20から酸素を排出する。一方、被測定ガス中の酸素分圧が、設定値V0SETに相当する酸素分圧より低い場合(例えば、炭化水素HC等が含まれている場合)には、主ポンプセル21において、センサ素子101の外の空間から、第1内部空所20に酸素を汲み入れる。従って、ポンプ電流Ip0は、正負のどちらの値も取り得る。 When the oxygen partial pressure in the measurement gas is higher than the oxygen partial pressure corresponding to the set value V0 SET , the main pump cell 21 discharges oxygen from the first internal space 20. On the other hand, when the oxygen partial pressure in the measurement gas is lower than the oxygen partial pressure corresponding to the set value V0 SET (for example, when hydrocarbons HC are contained), the main pump cell 21 pumps oxygen from the space outside the sensor element 101 into the first internal space 20. Therefore, the pump current Ip0 can be either positive or negative.
ポンプ制御部93は、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81における起電力V1が一定値(設定値V1SETと称する)となるように、補助ポンプセル50における可変電源52のポンプ電圧Vp1をフィードバック制御する。起電力V1は補助ポンプ電極51近傍の酸素分圧を示しているので、起電力V1を一定にすることは、補助ポンプ電極51近傍の酸素分圧を一定にすることを意味する。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 pump control unit 93 feedback controls the pump voltage Vp1 of the variable power supply 52 in the auxiliary pump cell 50 so that the electromotive force V1 in the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81 becomes a constant value (referred to as a set value V1 SET ). Since the electromotive force V1 indicates the oxygen partial pressure in the vicinity of the auxiliary pump electrode 51, maintaining the electromotive force V1 constant means maintaining the oxygen partial pressure in the vicinity of the auxiliary pump electrode 51 constant. In this way, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40 is controlled to a low level that does not substantially affect the measurement of NOx.
また、これとともに、補助ポンプセル50におけるポンプ電流Ip1が一定値(設定値Ip1SETと称する)となるように、ポンプ電流Ip1に基づいて起電力V0の設定値V0SETを設定するフィードバック制御を行う。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がポンプ電流Ip1に基づいて設定された設定値V0SETに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、第4拡散律速部60から第3内部空所61に導入される被測定ガス中の酸素濃度が約0.001ppm程度の一定の値に保たれると感がられる。 In addition, feedback control is performed to set a set value V0 SET of the electromotive force V0 based on the pump current Ip1 so that the pump current Ip1 in the auxiliary pump cell 50 remains constant (referred to as the set value Ip1 SET ). Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, and the electromotive force V0 is controlled to the set value V0 SET based on the pump current Ip1, thereby controlling the gradient of the oxygen partial pressure in the measurement gas introduced from the third diffusion rate-controlling part 30 into the second internal space 40 to be always constant. When used as a NOx sensor, the oxygen concentration in the second internal space 40 is maintained at a constant value of approximately 0.001 ppm by the action of the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50. That is, it appears that the oxygen concentration in the measurement gas introduced from the fourth diffusion-controlling section 60 into the third internal space 61 is maintained at a constant value of about 0.001 ppm.
ポンプ制御部93は、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出される起電力V2が一定値(設定値V2SETと称する)となるように、測定用ポンプセル41における可変電源46のポンプ電圧Vp2をフィードバック制御する。測定電極極44において、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。発生した酸素は、起電力V2が設定値V2SETとなるように、測定用ポンプセル41によりポンプアウトされる。設定値V2SETは、測定電極44においてNOxを実質的に全て分解する値として設定することができる。 The pump control unit 93 feedback-controls the pump voltage Vp2 of the variable power supply 46 in the measurement pump cell 41 so that the electromotive force V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 becomes a constant value (referred to as the set value V2 SET ). At the measurement electrode 44, nitrogen oxides in the measurement gas are reduced (2NO → N 2 + O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped out by the measurement pump cell 41 so that the electromotive force V2 becomes the set value V2 SET . The set value V2 SET can be set to a value that substantially all of the NOx is decomposed at the measurement electrode 44.
酸素濃度検知部94は、主ポンプセル21におけるポンプ電流Ip0を取得し、予め記憶されているポンプ電流Ip0と被測定ガス中の酸素濃度との相関関係に基づいて、被測定ガス中の酸素濃度を検出する。後述する先行駆動ステップ及び定常駆動ステップのそれぞれに対応する、複数のポンプ電流Ip0と被測定ガス中の酸素濃度との相関関係を予め記憶しておいてもよい。先行駆動ステップにおいては、先行駆動ステップにおける相関関係に基づいて酸素濃度を算出し、定常駆動ステップにおいては、定常駆動ステップにおける相関関係に基づいて酸素濃度を算出してもよい。あるいは、酸素濃度検知部94がない構成としてもよい。 The oxygen concentration detection unit 94 acquires the pump current Ip0 in the main pump cell 21 and detects the oxygen concentration in the measurement gas based on a pre-stored correlation between the pump current Ip0 and the oxygen concentration in the measurement gas. Multiple correlations between the pump current Ip0 and the oxygen concentration in the measurement gas corresponding to the advance driving step and the steady driving step described below may be stored in advance. In the advance driving step, the oxygen concentration may be calculated based on the correlation in the advance driving step, and in the steady driving step, the oxygen concentration may be calculated based on the correlation in the steady driving step. Alternatively, the oxygen concentration detection unit 94 may be omitted.
NOx濃度検知部95は、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を取得し、予め記憶されているポンプ電流Ip2と被測定ガス中のNOx濃度との相関関係に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を検出する。後述する先行駆動ステップ及び定常駆動ステップのそれぞれに対応する、複数のポンプ電流Ip2と被測定ガス中のNOx濃度との相関関係を予め記憶しておいてもよい。先行駆動ステップにおいては、先行駆動ステップにおける相関関係に基づいてNOx濃度を算出し、定常駆動ステップにおいては、定常駆動ステップにおける相関関係に基づいてNOx濃度を算出してもよい。 The NOx concentration detection unit 95 acquires the pump current Ip2 in the measurement pump cell 41 and detects the NOx concentration in the measurement gas based on a pre-stored correlation between the pump current Ip2 and the NOx concentration in the measurement gas. Multiple correlations between the pump current Ip2 and the NOx concentration in the measurement gas corresponding to the advance driving step and the steady driving step described below may be stored in advance. In the advance driving step, the NOx concentration may be calculated based on the correlation in the advance driving step, and in the steady driving step, the NOx concentration may be calculated based on the correlation in the steady driving step.
[ガスセンサの制御方法]
本発明の制御方法は、
ヒータによりセンサ素子を加熱し、活性判定部が前記センサ素子を測定可能な活性状態であると判定する活性温度まで昇温する、昇温ステップと、
前記ヒータにより前記活性温度から定常駆動温度まで前記センサ素子を加熱するとともに、前記主ポンプセルと測定用ポンプセルとを含むポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを検出する、先行駆動ステップと、
前記ヒータにより前記センサ素子を前記定常駆動温度に保持するとともに、前記主ポンプセルと測定用ポンプセルとを含むポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを引き続き検出する、定常駆動ステップと、
を含む。
[Gas sensor control method]
The control method of the present invention comprises:
a temperature raising step of heating the sensor element by a heater to an activation temperature at which an activation determining unit determines that the sensor element is in a measurable activated state;
a pre-driving step of heating the sensor element from the activation temperature to a steady-state driving temperature by the heater and operating a pump cell including the main pump cell and a measurement pump cell to detect NOx in the measurement gas;
a steady-state driving step of maintaining the sensor element at the steady-state driving temperature by the heater and operating a pump cell including the main pump cell and a measurement pump cell to continuously detect NOx in the measurement gas;
Includes.
本実施形態のガスセンサ100の始動時における制御を、以下に詳しく説明する。図3は、ガスセンサ100の始動時における、本発明の実施形態1に係るヒータ温度の時間変化と、ポンプセルの駆動との関係の一例を示す模式図である。横軸は時間(秒)を、縦軸はヒータ温度(℃)を示す。 The control performed during startup of the gas sensor 100 of this embodiment will be described in detail below. Figure 3 is a schematic diagram showing an example of the relationship between the change in heater temperature over time and the drive of the pump cell during startup of the gas sensor 100 according to embodiment 1 of the present invention. The horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents heater temperature (°C).
始動時におけるガスセンサ100の制御方法は、昇温ステップと、先行駆動ステップと、定常駆動ステップを含む。 The control method for the gas sensor 100 at startup includes a temperature rise step, a pre-drive step, and a steady-state drive step.
ガスセンサ100を始動してから正確な測定が開始できるまでの所要時間を始動時間と称する。始動時間には、ヒータ制御部91がセンサ素子101を測定可能な温度まで昇温するのに要する昇温時間と、昇温後にポンプ制御部93が上述の制御を開始してNOx濃度を正確に測定できるようになるまでの時間を含む。 The time required from starting the gas sensor 100 until accurate measurement can begin is referred to as the startup time. The startup time includes the temperature rise time required for the heater control unit 91 to heat the sensor element 101 to a temperature at which measurement is possible, and the time required for the pump control unit 93 to begin the above-mentioned control after temperature rise until the NOx concentration can be accurately measured.
昇温ステップは、ヒータ72によりセンサ素子101を加熱し、活性判定部92が前記センサ素子101を測定可能な活性状態であると判定する活性温度まで昇温する。 In the temperature-raising step, the heater 72 heats the sensor element 101 until the activation temperature is reached, at which the activation determination unit 92 determines that the sensor element 101 is in a measurable activated state.
すなわち、昇温ステップにおいて、ヒータ制御部91は、ヒータ72によりセンサ素子101を、活性判定部92がセンサ素子101を測定可能な活性状態であると判定する活性温度まで加熱する。図3においては、横軸の原点(0秒)において、ガスセンサ100が始動したことを示している。 That is, in the temperature-raising step, the heater control unit 91 causes the heater 72 to heat the sensor element 101 to an activation temperature at which the activation determination unit 92 determines that the sensor element 101 is in an activated state where measurements can be made. In Figure 3, the gas sensor 100 is started up at the origin (0 seconds) of the horizontal axis.
ガスセンサ100が始動信号(Dew point)を受信すると、ヒータ制御部91は、センサ素子101の加熱を開始する。すなわち、昇温ステップが開始する。例えば、ガスセンサ100が自動車等に搭載されている場合には、ECU(Electronic Control Unit)や排ガス処理システム等からガスセンサ100に始動信号が送られる。ガスセンサ100の制御ユニット90に外部から電気を供給することにより、昇温ステップを開始させてもよい。 When the gas sensor 100 receives a start signal (Dew point), the heater control unit 91 starts heating the sensor element 101. That is, the temperature-raising step begins. For example, if the gas sensor 100 is installed in an automobile or the like, a start signal is sent to the gas sensor 100 from an ECU (Electronic Control Unit), exhaust gas treatment system, or the like. The temperature-raising step may be started by supplying electricity to the control unit 90 of the gas sensor 100 from an external source.
活性判定部92がセンサ素子101を測定可能な活性状態に達していないと判定した場合には、引き続き昇温ステップが行われる。そして、活性判定部92がセンサ素子101を測定可能な活性状態に達したと判定した時に、昇温ステップが終了し、後述の先行駆動ステップが開始される。 If the activity determination unit 92 determines that the sensor element 101 has not yet reached a measurable activation state, the temperature rise step continues. Then, when the activity determination unit 92 determines that the sensor element 101 has reached a measurable activation state, the temperature rise step ends and the advance drive step, described below, begins.
実施形態1の昇温ステップにおいて、一定の昇温速度で、昇温ステップの開始時間(図3において、0秒とする)からヒータ72が活性温度T1となるまでt1の時間で昇温される。すなわち、時間t1において、昇温ステップが終了し、後述の先行駆動ステップが開始される。後述のように、先行駆動ステップにおいては、被測定ガス中のNOxを検出することができる。本実施形態1において、時間t1は昇温時間を意味している。 In the temperature rise step of embodiment 1, the heater 72 is heated at a constant rate over time t1 from the start of the temperature rise step (0 seconds in Figure 3) until it reaches activation temperature T1. That is, at time t1, the temperature rise step ends and the advance drive step, described below, begins. As described below, the advance drive step allows NOx in the measurement gas to be detected. In embodiment 1, time t1 refers to the temperature rise time.
活性温度T1は、例えば、550℃~700℃であってよい。また、例えば、550℃~650℃であってよい。あるいは、650℃~700℃であってよい。例えば、活性温度T1が650℃であってもよい。ただし、活性温度T1は、後述の定常駆動温度T2よりも低いことを条件とする。 Activation temperature T1 may be, for example, 550°C to 700°C. It may also be, for example, 550°C to 650°C. Alternatively, it may be 650°C to 700°C. For example, activation temperature T1 may be 650°C. However, activation temperature T1 must be lower than steady-state operating temperature T2, which will be described later.
活性温度T1まで昇温する際の昇温速度は、昇温時にセンサ素子101の内部構造にクラックが発生しない(発生確率が実使用に耐える程度に低い)ような昇温速度となるように、適宜設定することができる。昇温ステップの間、昇温速度が一定である必要はなく、昇温ステップにおいて、昇温速度は多段階に設定されていてもよい。段階の数や各段階における昇温速度は、適宜設定することができる。 The rate of temperature rise when raising the temperature to the activation temperature T1 can be set appropriately so that cracks do not occur in the internal structure of the sensor element 101 during temperature rise (the probability of cracks occurring is low enough to withstand practical use). The rate of temperature rise does not need to be constant during the temperature rise step, and the rate of temperature rise may be set in multiple stages during the temperature rise step. The number of stages and the rate of temperature rise in each stage can be set appropriately.
活性温度T1まで昇温するのに要する時間(=昇温時間)t1は、通常、活性温度T1との関係において、例えば、20秒~50秒となり得る。このような範囲であれば、昇温時間の短縮によるガスセンサの始動時間の短縮が可能である。 The time t1 required to raise the temperature to the activation temperature T1 (=heat-up time) is typically, for example, 20 to 50 seconds in relation to the activation temperature T1. Within this range, it is possible to shorten the start-up time of the gas sensor by shortening the heat-up time.
先行駆動ステップは、活性判定部92がセンサ素子101を測定可能な活性状態に達したと判定した時に開始する。すなわち、先行駆動ステップは、センサ素子101が活性温度に到達した時に開始する。そして、センサ素子101が定常駆動温度に到達した時に、先行駆動ステップは終了し、後述の定常駆動ステップが開始する。 The advance driving step begins when the activation determination unit 92 determines that the sensor element 101 has reached a measurable activation state. In other words, the advance driving step begins when the sensor element 101 reaches its activation temperature. Then, when the sensor element 101 reaches its steady-state driving temperature, the advance driving step ends and the steady-state driving step, described below, begins.
先行駆動ステップは、ヒータ72により前記活性温度から定常駆動温度までセンサ素子101を加熱するとともに、主ポンプセル21と測定用ポンプセル41を動作させて被測定ガス中のNOxを検出する。 The advance drive step involves heating the sensor element 101 from the activation temperature to the steady-state drive temperature using the heater 72, and operating the main pump cell 21 and measurement pump cell 41 to detect NOx in the measurement gas.
すなわち、先行駆動ステップにおいて、ヒータ制御部91は、ヒータ72によりセンサ素子101を、活性温度から、さらに、予め設定された所定の定常駆動温度まで加熱する。 That is, in the advance driving step, the heater control unit 91 causes the heater 72 to heat the sensor element 101 from the activation temperature to a predetermined steady-state driving temperature that has been set in advance.
これとともに、ポンプ制御部93は、センサ素子101が活性温度になった時に主ポンプセル21と測定用ポンプセル41とを含むポンプセルの動作を開始する。 At the same time, the pump control unit 93 starts operation of the pump cells, including the main pump cell 21 and the measurement pump cell 41, when the sensor element 101 reaches its activation temperature.
実施形態1の先行駆動ステップにおいて、一定の昇温速度で、ヒータ72が活性温度T1から定常駆動温度T2となるまで昇温される。ガスセンサ100の始動からの経過時間はt2である。定常駆動温度T2は、例えば、750℃~850℃であってよい。また、例えば、750℃~800℃としてもよい。あるいは、800℃~850℃としてもよい。 In the advance driving step of embodiment 1, the heater 72 is heated at a constant rate from the activation temperature T1 to the steady-state driving temperature T2. The time elapsed since the start-up of the gas sensor 100 is t2. The steady-state driving temperature T2 may be, for example, 750°C to 850°C. It may also be, for example, 750°C to 800°C. Or, it may be, for example, 800°C to 850°C.
先行駆動ステップにおける昇温速度は、昇温時にセンサ素子101の内部構造にクラックが発生しない(発生確率が実使用に耐える程度に低い)ような昇温速度となるように、適宜設定することができる。先行駆動ステップの間、昇温速度が一定である必要はなく、先行駆動ステップにおいて、昇温速度は多段階に設定されていてもよい。段階の数や各段階における昇温速度は、適宜設定することができる。 The temperature rise rate in the advance driving step can be set appropriately so that cracks do not occur in the internal structure of the sensor element 101 during temperature rise (the probability of this occurring is low enough to withstand practical use). The temperature rise rate does not need to be constant during the advance driving step, and the temperature rise rate in the advance driving step may be set in multiple stages. The number of stages and the temperature rise rate in each stage can be set appropriately.
先行駆動ステップの時間、すなわち、活性温度T1から定常駆動温度T2まで昇温するのに要する時間(t2-t1)は、通常、活性温度T1及び定常駆動温度T2との関係において、例えば、5秒~30秒となり得る。 The time for the advance drive step, i.e., the time required to raise the temperature from the activation temperature T1 to the steady-state drive temperature T2 (t2-t1), can typically be, for example, 5 to 30 seconds, depending on the relationship between the activation temperature T1 and the steady-state drive temperature T2.
また、実施形態1の先行駆動ステップにおいて、ヒータ72が活性温度T1となった時に、各ポンプセル21、50、41の動作が開始され、先行駆動ステップの全域において、被測定ガス中のNOxを検出することができる。具体的には、上述のポンプ制御部93の種々の制御が行われる。また、酸素濃度検出部94及びNOx濃度検出部95によって、被測定ガス中の酸素濃度及びNOx濃度が検出される。 Furthermore, in the advance driving step of embodiment 1, when the heater 72 reaches the activation temperature T1, operation of each pump cell 21, 50, 41 begins, and NOx in the measurement gas can be detected throughout the entire advance driving step. Specifically, the pump control unit 93 performs various controls as described above. Furthermore, the oxygen concentration detection unit 94 and NOx concentration detection unit 95 detect the oxygen concentration and NOx concentration in the measurement gas.
定常駆動ステップは、センサ素子101が定常駆動温度に到達した時に開始する。定常駆動ステップが開始した後は、通常、ガスセンサ100の駆動が終了されるまで、定常駆動ステップが続く。 The steady-state driving step begins when the sensor element 101 reaches the steady-state driving temperature. After the steady-state driving step begins, it typically continues until driving of the gas sensor 100 is terminated.
定常駆動ステップは、ヒータ72によりセンサ素子101を定常駆動温度に保持するとともに、主ポンプセル21と測定用ポンプセル41とを含むポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを引き続き検出する。 The steady-state drive step involves using the heater 72 to maintain the sensor element 101 at a steady-state drive temperature, while operating the pump cells, including the main pump cell 21 and the measurement pump cell 41, to continue detecting NOx in the gas being measured.
すなわち、定常駆動ステップにおいて、ヒータ制御部91は、ヒータ72によりセンサ素子101を、定常駆動温度に保持する。 That is, in the steady-state drive step, the heater control unit 91 uses the heater 72 to maintain the sensor element 101 at the steady-state drive temperature.
これとともに、ポンプ制御部93は、センサ素子101が定常駆動温度になった時に引き続き前記主ポンプセル21と測定用ポンプセル41とを含むポンプセルを動作させる。 At the same time, the pump control unit 93 continues to operate the pump cells, including the main pump cell 21 and the measurement pump cell 41, when the sensor element 101 reaches a steady-state operating temperature.
実施形態1の定常駆動ステップにおいて、ヒータ72は定常駆動温度T2に保持されている。 In the steady-state drive step of embodiment 1, the heater 72 is maintained at steady-state drive temperature T2.
また、ヒータ72が定常駆動温度T2となった時に、各ポンプセル21、50、41は引き続き動作させているので、定常駆動ステップにおいても、被測定ガス中のNOxを引き続き検出することができる。具体的には、上述のポンプ制御部93の種々の制御が行われる。また、酸素濃度検出部94及びNOx濃度検出部95によって、被測定ガス中の酸素濃度及びNOx濃度が検出される。 Furthermore, when the heater 72 reaches the steady-state operating temperature T2, the pump cells 21, 50, and 41 continue to operate, so NOx in the measurement gas can continue to be detected even during the steady-state operating step. Specifically, the pump control unit 93 performs various controls as described above. Furthermore, the oxygen concentration detection unit 94 and NOx concentration detection unit 95 detect the oxygen concentration and NOx concentration in the measurement gas.
このように、実施形態1においては、先行駆動ステップの開始時間t1以降に、被測定ガス中のNOxを検出することが可能である。 In this way, in embodiment 1, it is possible to detect NOx in the measurement gas after the start time t1 of the advance driving step.
先行駆動ステップの開始温度、すなわち、活性温度T1は、上述のとおり、定常駆動温度T2よりも低い。センサ素子101の強度(主に、基体部102を構成するZrO2の強度)は、温度が低いほど高くなる。従って、センサ素子101の内部構造のクラックが抑制できる程度に、昇温ステップにおける昇温速度を大きくすることが可能である。その結果、昇温時間t1を短縮することができる。その結果、ガスセンサ100の始動時間を短縮することができる。 As described above, the starting temperature of the advance driving step, i.e., the activation temperature T1, is lower than the steady-state driving temperature T2. The strength of the sensor element 101 (mainly the strength of the ZrO2 constituting the base portion 102) increases as the temperature decreases. Therefore, it is possible to increase the temperature rise rate in the temperature rise step to a degree that suppresses cracks in the internal structure of the sensor element 101. As a result, the temperature rise time t1 can be shortened. As a result, the start-up time of the gas sensor 100 can be shortened.
また、先行駆動ステップから定常駆動ステップに移行することにより、より酸素イオン伝導性の高い温度で各ポンプセル21、50,41を動作させることができるため、全体として被測定ガス中のNOxの検出精度を高く維持することができる。 In addition, by transitioning from the advance drive step to the steady drive step, each pump cell 21, 50, 41 can be operated at a temperature with higher oxygen ion conductivity, thereby maintaining high overall detection accuracy for NOx in the measured gas.
さらに、先行駆動ステップにおける各ポンプセル21、50,41の動作を、定常駆動ステップにおける各ポンプセル21、50,41の動作と異なる動作にすることにより、被測定ガス中のNOxの検出精度をより高くすることが可能である。 Furthermore, by making the operation of each pump cell 21, 50, 41 during the advance drive step different from the operation of each pump cell 21, 50, 41 during the steady drive step, it is possible to further improve the detection accuracy of NOx in the measurement gas.
具体的には、先行駆動ステップにおいて主ポンプセル21により調整される酸素濃度を、定常駆動ステップにおいて主ポンプセル21により調整される酸素濃度よりも高い濃度にしてもよい。 Specifically, the oxygen concentration adjusted by the main pump cell 21 in the advance driving step may be set to a higher concentration than the oxygen concentration adjusted by the main pump cell 21 in the steady driving step.
先行駆動ステップの開始温度、すなわち、活性温度T1は、上述のとおり、定常駆動温度T2よりも低い。センサ素子101の基体部102を構成する固体電解質は、その温度が高いほど、高い酸素イオン伝導性を有している。活性温度T1における酸素イオン伝導性は、常駆動温度T2における酸素イオン伝導性よりもやや低いと思われる。すなわち、活性温度T1における主ポンプセル21の抵抗値Rp0は、定常駆動温度T2における主ポンプセル21の抵抗値Rp0よりもやや高いと思われる。従って、特に被測定ガス中の酸素濃度が高い時(すなわち、主ポンプセル21に流れるべきIp0が大きい時)には、主ポンプセル21に印加されるポンプ電圧Vp0がより高くなると考えられる。 As mentioned above, the starting temperature of the advance driving step, i.e., the activation temperature T1, is lower than the steady-state driving temperature T2. The higher the temperature of the solid electrolyte constituting the base portion 102 of the sensor element 101, the higher its oxygen ion conductivity. The oxygen ion conductivity at the activation temperature T1 is thought to be slightly lower than the oxygen ion conductivity at the normal driving temperature T2. In other words, the resistance value Rp0 of the main pump cell 21 at the activation temperature T1 is thought to be slightly higher than the resistance value Rp0 of the main pump cell 21 at the steady-state driving temperature T2. Therefore, when the oxygen concentration in the measured gas is particularly high (i.e., when the Ip0 that should flow through the main pump cell 21 is large), the pump voltage Vp0 applied to the main pump cell 21 is thought to be higher.
ポンプ電圧Vp0が高くなりすぎると、内側主ポンプ電極22において、NOxが分解されてしまう。その結果、測定ポンプセル41によって検出される電流値Ip2が本来検出されるべき値より小さくなってしまう。そして、特に被測定ガスの酸素濃度が高い場合において、NOxの検出精度が低下する。 If the pump voltage Vp0 becomes too high, NOx will be decomposed at the inner main pump electrode 22. As a result, the current value Ip2 detected by the measuring pump cell 41 will be smaller than the value that should be detected. This will reduce the accuracy of NOx detection, especially when the oxygen concentration of the measured gas is high.
先行駆動ステップにおいて主ポンプセル21により調整される酸素濃度を、定常駆動ステップにおいて主ポンプセル21により調整される酸素濃度よりも高い濃度にすると、被測定ガス中の酸素濃度に応じて主ポンプセル21に流れるべきIp0を低下させることができる。その結果、特に被測定ガス中の酸素濃度が高い時におけるポンプ電圧Vp0の上昇を抑制することができる。従って、被測定ガス中のNOxの検出精度をより高くすることが可能である。 By setting the oxygen concentration adjusted by the main pump cell 21 in the advance drive step to a higher concentration than the oxygen concentration adjusted by the main pump cell 21 in the steady drive step, it is possible to reduce the Ip0 that should flow to the main pump cell 21 according to the oxygen concentration in the measured gas. As a result, it is possible to suppress increases in pump voltage Vp0, particularly when the oxygen concentration in the measured gas is high. This makes it possible to further improve the accuracy of detecting NOx in the measured gas.
また、先行駆動ステップにおいて、補助ポンプ電極51と基準電極42との間の起電力V1を、定常駆動ステップにおける補助ポンプ電極51と基準電極42との間の起電力V1よりも小さい値に制御してもよい。 Furthermore, in the advance driving step, the electromotive force V1 between the auxiliary pump electrode 51 and the reference electrode 42 may be controlled to a value smaller than the electromotive force V1 between the auxiliary pump electrode 51 and the reference electrode 42 in the steady driving step.
すなわち、先行駆動ステップにおいては、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81における起電力V1の設定値V1SETを、定常駆動ステップにおける設定値V1SETよりも小さな値に設定してもよい。定常駆動ステップにおける設定値(定常駆動温度T2における設定値)V1SETは350mV~430mVとしてもよい。 That is, in the advance driving step, the set value V1SET of the electromotive force V1 in the oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump may be set to a value smaller than the set value V1SET in the steady driving step. The set value V1SET in the steady driving step (the set value at the steady driving temperature T2) may be 350 mV to 430 mV.
先行駆動ステップの開始時、すなわち、活性温度T1における設定値V1SETを300mV~380mVとしてもよい。ただし、活性温度T1における設定値V1SETは、定常駆動ステップにおける設定値V1SETの値より小さいことを条件とする。 At the start of the advance driving step, i.e., at the activation temperature T1, the set value V1 SET may be set to 300 mV to 380 mV, provided that the set value V1 SET at the activation temperature T1 is smaller than the set value V1 SET in the steady driving step.
先行駆動ステップにおいて、活性温度T1における設定値V1SETから定常駆動温度T2における設定値V1SETまで、連続的に設定値V1SETを変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。あるいは、常に活性温度T1における設定値V1SETを用いてもよい。 In the advance driving step, the set value V1 SET may be changed continuously or stepwise from the set value V1 SET at the activation temperature T1 to the set value V1 SET at the steady driving temperature T2, or the set value V1 SET at the activation temperature T1 may be always used.
あるいは、先行駆動ステップにおいて、補助ポンプセル50に流れるポンプ電流Ip1を、定常駆動ステップにおける補助ポンプセル50に流れるポンプ電流Ip1よりも大きい値に制御してもよい。 Alternatively, in the advance driving step, the pump current Ip1 flowing through the auxiliary pump cell 50 may be controlled to a value greater than the pump current Ip1 flowing through the auxiliary pump cell 50 in the steady driving step.
すなわち、先行駆動ステップにおいては、補助ポンプセル50におけるポンプ電流Ip1の設定値Ip1SETを、定常駆動ステップにおける設定値Ip1SETよりも大きな値に設定してもよい。定常駆動ステップにおける設定値Ip1SETは3μA~10μAとしてもよい。 That is, in the advance driving step, the set value Ip1 SET of the pump current Ip1 in the auxiliary pump cell 50 may be set to a value greater than the set value Ip1 SET in the steady driving step. The set value Ip1 SET in the steady driving step may be set to 3 μA to 10 μA.
先行駆動ステップの開始時、すなわち、活性温度T1における設定値Ip1SETを5μA~15μAとしてもよい。ただし、活性温度T1における設定値Ip1SETは、定常駆動ステップにおける設定値Ip1SETの値より大きいことを条件とする。 At the start of the advance driving step, i.e., at the activation temperature T1, the set value Ip1 SET may be set to 5 μA to 15 μA, provided that the set value Ip1 SET at the activation temperature T1 is greater than the set value Ip1 SET in the steady driving step.
先行駆動ステップにおいて、活性温度T1における設定値Ip1SETから定常駆動温度T2における設定値Ip1SETまで、連続的に設定値Ip1SETを変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。あるいは、常に活性温度T1における設定値Ip1SETを用いてもよい。 In the advance driving step, the set value Ip1 SET may be changed continuously or stepwise from the set value Ip1 SET at the activation temperature T1 to the set value Ip1 SET at the steady driving temperature T2, or the set value Ip1 SET at the activation temperature T1 may be always used.
このような設定値V1SET及び/又は設定値Ip1SET基づく制御を行うことは、結果的に、上述の先行駆動ステップにおいて主ポンプセル21により調整される酸素濃度を、定常駆動ステップにおいて主ポンプセル21により調整される酸素濃度よりも高い濃度にすることになる。 Performing control based on such set value V1 SET and/or set value Ip1 SET results in the oxygen concentration adjusted by the main pump cell 21 in the above-mentioned advance driving step being higher than the oxygen concentration adjusted by the main pump cell 21 in the steady-state driving step.
上述のとおり、先行駆動ステップにおいて主ポンプセル21により調整される酸素濃度を、定常駆動ステップにおいて主ポンプセル21により調整される酸素濃度よりも高い濃度にすると、被測定ガス中の酸素濃度に応じて主ポンプセル21に流れるべきIp0を低下させることができる。その結果、特に被測定ガス中の酸素濃度が高い時におけるポンプ電圧Vp0の上昇を抑制することができる。従って、被測定ガス中のNOxの検出精度をより高くすることが可能である。 As described above, if the oxygen concentration adjusted by the main pump cell 21 in the advance drive step is set to a higher concentration than the oxygen concentration adjusted by the main pump cell 21 in the steady drive step, the Ip0 that should flow to the main pump cell 21 can be reduced according to the oxygen concentration in the measured gas. As a result, the increase in pump voltage Vp0 can be suppressed, particularly when the oxygen concentration in the measured gas is high. This makes it possible to further improve the accuracy of detecting NOx in the measured gas.
また、定常駆動ステップにおいて主ポンプセル21により調整される酸素濃度は十分低いため、長期間使用した場合において、測定電極44の劣化をより低減することができると考えられる。測定電極44の近傍の酸素濃度が十分に低い場合には、測定電極44の金属成分の酸化や蒸発を抑制することができると考えられる。従って、測定電極44のNOxを還元する(分解する)触媒活性が低下する(劣化する)ことを防ぐことができる。その結果、長期間使用した場合においても、高い検出精度を維持することが可能である。 In addition, because the oxygen concentration adjusted by the main pump cell 21 during the steady-state operation step is sufficiently low, it is believed that deterioration of the measurement electrode 44 can be further reduced even with long-term use. When the oxygen concentration near the measurement electrode 44 is sufficiently low, it is believed that oxidation and evaporation of the metal components of the measurement electrode 44 can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent a decrease (deterioration) in the catalytic activity of the measurement electrode 44 to reduce (decompose) NOx. As a result, high detection accuracy can be maintained even with long-term use.
先行駆動ステップにおいて、さらに、前記測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82における前記測定電極44と前記基準電極42との間の起電力V2が、前記定常駆動ステップにおける前記測定電極44と前記基準電極42との間の起電力V2とは異なる値に制御されてもよい。好ましくは、先行駆動ステップにおいて、前記測定電極44と前記基準電極42との間の起電力V2が、前記定常駆動ステップにおける前記測定電極44と前記基準電極42との間の起電力V2よりも大きい値に制御されてよい。 In the advance driving step, the electromotive force V2 between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 in the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 may be controlled to a value different from the electromotive force V2 between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 in the steady driving step. Preferably, in the advance driving step, the electromotive force V2 between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 may be controlled to a value greater than the electromotive force V2 between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 in the steady driving step.
先行駆動ステップの開始前(図3におけるt1まで)は、被測定ガス流通部15の内はガスセンサ100の周囲のガス雰囲気(例えば大気雰囲気)になっている。従って、先行駆動ステップの開始前においては、通常、第3内部空所61内は、先行駆動ステップが行われている時よりも酸素濃度が高い。つまり、測定電極44の近傍には先行駆動ステップが行われている時よりも多くの酸素が存在した状態である。 Before the advance driving step begins (up to t1 in Figure 3), the inside of the measurement gas flow section 15 is the gas atmosphere surrounding the gas sensor 100 (e.g., the air atmosphere). Therefore, before the advance driving step begins, the oxygen concentration in the third internal space 61 is usually higher than when the advance driving step is being performed. In other words, there is more oxygen near the measurement electrode 44 than when the advance driving step is being performed.
このような状態で先行駆動ステップを開始した場合、先行駆動ステップの開始直後においては、測定用ポンプセル41により、被測定ガス中のNOxに由来する酸素に加えて、先行駆動ステップの開始前から第3内部空所61内に存在している酸素を汲み出すことになる。従って、先行駆動ステップの開始直後においては、測定用ポンプセル41に流れるポンプ電流Ip2は、被測定ガス中のNOx濃度に対応した電流値よりも大きな電流値となり得る。その結果、先行駆動ステップの開始直後においては、ポンプ電流Ip2に基づいて算出されるNOx濃度、すなわち、ガスセンサ100のNOx濃度出力値が、実際の被測定ガス中のNOx濃度よりも大きな値として出力される場合がある。 If the advance driving step is started in this state, immediately after the advance driving step starts, the measurement pump cell 41 will pump out oxygen derived from NOx in the measurement gas, as well as oxygen that has been present in the third internal space 61 since before the advance driving step started. Therefore, immediately after the advance driving step starts, the pump current Ip2 flowing through the measurement pump cell 41 may be greater than the current value corresponding to the NOx concentration in the measurement gas. As a result, immediately after the advance driving step starts, the NOx concentration calculated based on the pump current Ip2, i.e., the NOx concentration output value of the gas sensor 100, may be output as a value greater than the actual NOx concentration in the measurement gas.
先行駆動ステップの開始前から第3内部空所61内に存在している酸素を測定用ポンプセル41により素早く汲み出すために、先行駆動ステップにおいて、前記測定電極44と前記基準電極42との間の起電力V2を、定常駆動ステップにおける測定用ポンプセル41における前記測定電極44と前記基準電極42との間の起電力V2とは異なる値に制御してもよい。好ましくは、定常駆動ステップにおける測定用ポンプセル41における前記測定電極44と前記基準電極42との間の起電力V2よりも大きい値に制御してもよい。 In order to allow the measurement pump cell 41 to quickly pump out oxygen that is present in the third internal space 61 before the start of the advance driving step, the electromotive force V2 between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 in the advance driving step may be controlled to a value different from the electromotive force V2 between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 in the measurement pump cell 41 in the steady driving step. Preferably, it may be controlled to a value greater than the electromotive force V2 between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 in the measurement pump cell 41 in the steady driving step.
すなわち、先行駆動ステップにおいては、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82における起電力V2の設定値V2SETを、定常駆動ステップにおける設定値V2SETよりも大きな値に設定してもよい。定常駆動ステップにおける設定値(定常駆動温度T2における設定値)V2SETは350mV~550mVとしてもよい。 That is, in the advance driving step, the set value V2SET of the electromotive force V2 in the oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump may be set to a value greater than the set value V2SET in the steady driving step. The set value V2SET in the steady driving step (set value at steady driving temperature T2) may be 350 mV to 550 mV.
先行駆動ステップの開始時、すなわち、活性温度T1における設定値V2SETを400mV~1.2Vとしてもよい。ただし、活性温度T1における設定値V2SETは、定常駆動ステップにおける設定値V2SETの値とは異なることを条件とする。より好ましくは、活性温度T1における設定値V2SETは、定常駆動ステップにおける設定値V2SETの値より大きいことを条件とする。 At the start of the advance driving step, i.e., at the activation temperature T1, the set value V2 SET may be set to 400 mV to 1.2 V. However, the set value V2 SET at the activation temperature T1 must be different from the set value V2 SET in the steady driving step. More preferably, the set value V2 SET at the activation temperature T1 must be greater than the set value V2 SET in the steady driving step.
先行駆動ステップにおいて、活性温度T1における設定値V2SETから定常駆動温度T2における設定値V2SETまで、連続的に設定値V2SETを変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。あるいは、常に活性温度T1における設定値V2SETを用いてもよい。 In the advance driving step, the set value V2 SET may be changed continuously or stepwise from the set value V2 SET at the activation temperature T1 to the set value V2 SET at the steady driving temperature T2, or the set value V2 SET at the activation temperature T1 may be always used.
このような設定値V2SETに基づく制御を行うと、測定用ポンプセル41において、先行駆動ステップの開始前から第3内部空所61内に存在している酸素をより素早く汲み出すことができる。その結果、先行駆動ステップ開始後のより早い段階から、被測定ガス中のNOxに由来する酸素のみを測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2として検出することができる。従って、ガスセンサ100は、先行駆動ステップ開始後のより早い段階から精度よくNOx濃度を検出することができ得る。すなわち、センサ素子101の昇温後NOx濃度を正確に測定できるようになるまでの時間をより短縮することができ得る。 By performing control based on this set value V2 SET , the measurement pump cell 41 can more quickly pump out the oxygen present in the third internal space 61 before the start of the advance driving step. As a result, only the oxygen derived from NOx in the measurement gas can be detected as the pump current Ip2 in the measurement pump cell 41 from an earlier stage after the start of the advance driving step. Therefore, the gas sensor 100 can accurately detect the NOx concentration from an earlier stage after the start of the advance driving step. In other words, the time required for the sensor element 101 to be able to accurately measure the NOx concentration after the temperature of the sensor element 101 is increased can be further shortened.
先行駆動ステップにおいて、ヒータ72は、予め設定された昇温速度に基づいて活性温度T1から定常駆動温度T2まで加熱されてもよい。 In the advance driving step, the heater 72 may be heated from the activation temperature T1 to the steady-state driving temperature T2 based on a preset temperature rise rate.
上述の実施形態1においては、図3に示されるように、ヒータ72の昇温速度は、先行駆動ステップの全域において一定である。上述のとおり、昇温速度は一定である必要はなく、先行駆動ステップにおいて、昇温速度は多段階に設定されていてもよい。段階の数や各段階における昇温速度は、適宜設定することができる。 In the above-described first embodiment, as shown in FIG. 3, the temperature rise rate of the heater 72 is constant throughout the entire advance driving step. As mentioned above, the temperature rise rate does not need to be constant, and the temperature rise rate may be set in multiple stages during the advance driving step. The number of stages and the temperature rise rate in each stage can be set as appropriate.
例えば、図4は、実施形態2として、先行駆動ステップにおいて、3段階の昇温速度が設定されている場合の例を示す。図4は、ガスセンサ100の始動時における、実施形態2に係るヒータ温度の時間変化と、ポンプセルの駆動との関係を示す模式図である。横軸は時間(秒)を、縦軸はヒータ温度(℃)を示す。図4においても、図3と同様に、昇温ステップの開始時間を0秒としている。 For example, Figure 4 shows an example of a second embodiment in which three stages of temperature rise rates are set in the advance drive step. Figure 4 is a schematic diagram showing the relationship between the change in heater temperature over time and the drive of the pump cell when the gas sensor 100 is started up according to the second embodiment. The horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents heater temperature (°C). As with Figure 3, the start time of the temperature rise step in Figure 4 is set to 0 seconds.
実施形態2において、先行駆動ステップにおけるヒータ72の昇温過程は3つに分割されている。図4を参照すれば、昇温ステップが終了する活性温度T1(時間t1)から先行駆動ステップの第1段階の昇温が始まり、温度Ta(時間ta)まで一定の昇温速度で昇温される。温度Ta(時間ta)から先行駆動ステップの第2段階の昇温が始まり、温度Tb(時間tb)まで一定の昇温速度で昇温される。温度Tb(時間tb)から先行駆動ステップの第3段階の昇温が始まり、定常駆動温度T2(時間t2)まで一定の昇温速度で昇温される。 In embodiment 2, the temperature rise process of the heater 72 in the advance driving step is divided into three stages. Referring to FIG. 4, the first stage of the advance driving step begins from the activation temperature T1 (time t1) where the temperature rise step ends, and the temperature rises at a constant rate to temperature Ta (time ta). The second stage of the advance driving step begins from temperature Ta (time ta), and the temperature rises at a constant rate to temperature Tb (time tb). The third stage of the advance driving step begins from temperature Tb (time tb), and the temperature rises at a constant rate to steady driving temperature T2 (time t2).
実施形態2の先行駆動ステップにおいて、3段階に、かつ、それぞれの段階が連続するように、昇温速度が切り替えられている。図4に例示するように、各段階における昇温速度が、第1段階、第2段階、第3段階の順に小さくなるようにヒータ72を昇温することが好ましい。そのような昇温であれば、温度が高くセンサ素子101の強度が低下している状態における昇温速度をより小さくすることができる。そのため、センサ素子101の内部構造にクラックが生じるリスクをより低減することができる。 In the advance driving step of embodiment 2, the temperature rise rate is switched between three successive stages. As shown in FIG. 4, it is preferable to raise the temperature of the heater 72 so that the temperature rise rate in each stage decreases in the order of stage 1, stage 2, and stage 3. With such temperature rise, the temperature rise rate can be further reduced when the temperature is high and the strength of the sensor element 101 is reduced. This further reduces the risk of cracks occurring in the internal structure of the sensor element 101.
[比較形態1及び2]
図5は、ガスセンサ100の始動時における、比較形態1及び2に係るヒータ温度の時間変化と、駆動ステップとの関係の例を示す模式図である。横軸は時間(秒)を、縦軸はヒータ温度(℃)を示す。図5においても、図3と同様に、昇温ステップの開始時間を0秒としている。
[Comparative Forms 1 and 2]
5 is a schematic diagram showing an example of the relationship between the change in heater temperature over time and the driving step in Comparative Examples 1 and 2 at the start of the gas sensor 100. The horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents heater temperature (°C). In FIG. 5, as in FIG. 3, the start time of the temperature increase step is set to 0 seconds.
比較形態1は、ヒータ72を定常駆動温度T2まで速い昇温速度で昇温することによって、昇温時間をt1に短縮する形態である。このような形態においては、昇温時間それ自体は短縮することが可能である。 Comparative Example 1 is a configuration in which the temperature rise time is shortened to t1 by heating the heater 72 to the steady-state operating temperature T2 at a high temperature rise rate. In this configuration, the temperature rise time itself can be shortened.
しかしながら、定常駆動温度T2まで速い昇温速度で昇温すると、センサ素子101の内部構造にクラックが生じるリスクが増大するという問題がある。 However, if the temperature is increased to the steady-state operating temperature T2 at a rapid rate, there is a problem in that the risk of cracks occurring in the internal structure of the sensor element 101 increases.
詳しく説明すると、本比較形態1において、センサ素子101は、内部に埋設されたヒータ72により加熱される。ヒータ72の昇温速度が大きすぎると、昇温の過程において、ヒータ72とセンサ素子101のヒータ72から離れた箇所との間に温度差が生じ、センサ素子101の内部構造にクラックが生じるという問題があった。特に、センサ素子101の温度が高い時には、センサ素子101を構成する固体電解質(例えば、ZrO2)の強度が低下するため、よりセンサ素子101の内部構造にクラックが生じやすいという問題がある。 More specifically, in Comparative Example 1, the sensor element 101 is heated by a heater 72 embedded inside. If the temperature rise rate of the heater 72 is too high, a temperature difference occurs between the heater 72 and a portion of the sensor element 101 that is distant from the heater 72 during the temperature rise process, which causes a problem of cracks occurring in the internal structure of the sensor element 101. In particular, when the temperature of the sensor element 101 is high, the strength of the solid electrolyte (e.g., ZrO 2 ) that constitutes the sensor element 101 decreases, which causes a problem of more easily causing cracks in the internal structure of the sensor element 101.
比較形態2は、ヒータ72を、実施形態1及び2における活性温度T1よりも低い値に設定された温度TLまで昇温し、温度TLから定常駆動を行うことによって、昇温時間をt1に短縮する形態である。温度TLは従来の定常駆動温度T2よりも低い温度であるため、従来の昇温速度で昇温した場合でも、昇温時間を短縮することができる。 Comparative embodiment 2 is an embodiment in which the heater 72 is heated to a temperature TL, which is set to a value lower than the activation temperature T1 in embodiments 1 and 2, and steady-state operation is performed from temperature TL, thereby shortening the temperature rise time to t1. Because temperature TL is lower than the conventional steady-state operation temperature T2, the temperature rise time can be shortened even when the temperature is raised at a conventional rate.
しかしながら、温度TLは実施形態1及び2における活性温度T1よりも低い。そのため、基体部102を構成する固体電解質の温度TLにおける酸素イオン伝導性は、活性温度T1における酸素イオン伝導性より低い。従って、主ポンプセル21における抵抗値Rp0はより大きいと考えられる。主ポンプセル21における抵抗値Rp0が高い場合は、主ポンプセル21において、被測定ガス中の酸素濃度を調整する際に印加されるポンプ電圧値Vp0が大きくなると考えられる。特に被測定ガスの酸素濃度が高い場合に、ポンプ電圧Vp0がより大きくなる。この場合、特に被測定ガスの酸素濃度が高い場合には、主ポンプセル21を構成する内側主ポンプ電極22においてNOxを一部分解してしまう。その結果、測定ポンプセル41によって検出される電流値Ip2が本来検出されるべき値より小さくなってしまう。そして、特に被測定ガスの酸素濃度が高い場合において、被測定ガス中のNOxの検出精度が低下するという問題がある。 However, temperature TL is lower than the activation temperature T1 in embodiments 1 and 2. Therefore, the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte constituting the base portion 102 at temperature TL is lower than the oxygen ion conductivity at activation temperature T1. Therefore, the resistance value Rp0 of the main pump cell 21 is likely to be larger. When the resistance value Rp0 of the main pump cell 21 is high, the pump voltage value Vp0 applied to the main pump cell 21 when adjusting the oxygen concentration of the measured gas is likely to be large. In particular, when the oxygen concentration of the measured gas is high, the pump voltage Vp0 becomes larger. In this case, when the oxygen concentration of the measured gas is particularly high, some of the NOx is decomposed at the inner main pump electrode 22 constituting the main pump cell 21. As a result, the current value Ip2 detected by the measuring pump cell 41 becomes smaller than the value that should be detected. This causes a problem of reduced accuracy in detecting NOx in the measured gas, particularly when the oxygen concentration of the measured gas is high.
通常、ガスセンサ100を長期間使用すると、主ポンプセル21における抵抗値Rp0は増加していく傾向がある。比較形態2において、上述のように主ポンプセル21におけるポンプ電圧値Vp0は大きい。従って、比較形態2においては、ガスセンサ100を長期間使用した場合に、より一層、被測定ガス中のNOxの検出精度が低下することが懸念される。 Normally, when the gas sensor 100 is used for an extended period of time, the resistance value Rp0 of the main pump cell 21 tends to increase. In Comparative Example 2, as described above, the pump voltage value Vp0 of the main pump cell 21 is large. Therefore, in Comparative Example 2, there is a concern that the detection accuracy of NOx in the measurement gas will further decrease when the gas sensor 100 is used for an extended period of time.
以下に、ガスセンサを具体的に作製した例を実施例として説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The following describes specific examples of gas sensors. Note that the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
実施例1として、図1及び図2に示されるガスセンサ100を作製した。具体的には、センサ素子101は、以下のように作製した。まず、安定化剤のイットリアを4mol%添加したジルコニア粒子と有機バインダーと分散剤と可塑剤と有機溶剤とを混合し、テープ成形により、各層1~6に対応する6枚のセラミックスグリーンシートを成形した。次に、各層1~6に対応するセラミックスグリーンシートに、印刷時や積層時の位置決めに用いるシート穴や各内部空所20,40,61等の穴を形成する加工を行い、また、各層毎に電極等を形成するための種々のパターンをスクリーン印刷により形成した。その後、各層1~6に対応するグリーンシートを積層・圧着処理して積層体とした。得られた積層体を切断してセンサ素子101の単位に切り分けた。切り分けられた積層体を焼成して、センサ素子101を得た。作製したセンサ素子101に、各電源及び制御ユニット90を電気的に接続して、実施例1のガスセンサ100を作製した。
[Example 1]
As Example 1, a gas sensor 100 shown in FIGS. 1 and 2 was fabricated. Specifically, the sensor element 101 was fabricated as follows. First, zirconia particles containing 4 mol% yttria as a stabilizer were mixed with an organic binder, a dispersant, a plasticizer, and an organic solvent, and six ceramic green sheets corresponding to layers 1 to 6 were formed by tape casting. Next, the ceramic green sheets corresponding to layers 1 to 6 were processed to form holes for sheet positioning during printing and lamination, as well as holes for internal spaces 20, 40, and 61. Various patterns for forming electrodes and the like were also formed by screen printing. The green sheets corresponding to layers 1 to 6 were then stacked and pressure-bonded to form a laminate. The resulting laminate was then cut into individual sensor elements 101. The cut laminates were fired to obtain the sensor elements 101. The produced sensor element 101 was electrically connected to the power supplies and the control unit 90 to produce the gas sensor 100 of Example 1.
実施例1のガスセンサ100においては、先行駆動ステップにおける各設定値V1SET、設定値Ip1SET及び設定値V2SETと、定常駆動ステップにおける各設定値V1SET、設定値Ip1SET及び設定値V2SETとをそれぞれ表1に示すように設定した。 In the gas sensor 100 of Example 1, the set values V1 SET , Ip1 SET , and V2 SET in the advance driving step and the set values V1 SET , Ip1 SET , and V2 SET in the steady driving step were set as shown in Table 1.
[実施例2~3]
実施例2及び3のガスセンサ100においては、先行駆動ステップにおける各設定値V1SET、設定値Ip1SET及び設定値V2SETと、定常駆動ステップにおける各設定値V1SET、設定値Ip1SET及び設定値V2SETとをそれぞれ表1に示すように設定した。それ以外は実施例1のガスセンサ100と同じように作製した。
[Examples 2 to 3]
In the gas sensors 100 of Examples 2 and 3, the set values V1 SET , Ip1 SET , and V2 SET in the advance driving step and the set values V1 SET , Ip1 SET , and V2 SET in the steady driving step were set as shown in Table 1. Other than that, the gas sensors 100 were fabricated in the same manner as the gas sensor 100 of Example 1.
[比較例1]
先行駆動ステップを行わなかった以外は、実施例1のガスセンサ100と同じように作製した。定常駆動ステップにおける各設定値V1SET、設定値Ip1SET及び設定値V2SETとは、それぞれ表1に示すように設定した。
[Comparative Example 1]
Except for not performing the preceding driving step, the gas sensor 100 was fabricated in the same manner as the gas sensor 100 of Example 1. The set values V1 SET , Ip1 SET and V2 SET in the steady driving step were set as shown in Table 1.
実施例1~3及び比較例1のいずれにおいても、ヒータ制御部91が図3に示すような昇温を行うように構成した。活性温度T1を600℃、定常駆動温度T2を800℃とした。すなわち、ヒータ72の温度の上昇の仕方は、実施例1~3及び比較例1の全てで同じになるようにした。 In all of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the heater control unit 91 was configured to perform the temperature increase as shown in Figure 3. The activation temperature T1 was set to 600°C, and the steady-state operating temperature T2 was set to 800°C. In other words, the way the temperature of the heater 72 increased was the same in all of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
実施例1~3のいずれにおいても、ヒータ72の温度が600℃となった時に先行駆動ステップが開始するように構成した。 In all of Examples 1 to 3, the advance driving step is configured to begin when the temperature of heater 72 reaches 600°C.
[始動時間の測定]
作製した実施例1~3及び比較例1のガスセンサについて、始動時間の測定を行った。具体的には以下のように行った。
[Start-up time measurement]
The start-up time was measured for the fabricated gas sensors of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. Specifically, the measurement was carried out as follows.
実施例1~3及び比較例1のガスセンサをモデルガス装置において測定した。実施例1~3及び比較例1のガスセンサをモデルガス装置の測定用配管に取り付けた。NO=100ppmかつO2=18%のモデルガスを測定用配管に流した状態で、実施例1~3及び比較例1のガスセンサを駆動し、NOx濃度出力値の波形を測定した。なお、測定に用いたモデルガス中におけるNOとO2以外のガス成分は、H2O(3%)、及びN2(残部)とした。ガス成分の単位はいずれも体積基準である。 The gas sensors of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured in a model gas device. The gas sensors of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were attached to the measurement pipe of the model gas device. With a model gas with NO = 100 ppm and O2 = 18% flowing through the measurement pipe, the gas sensors of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were driven and the waveforms of the NOx concentration output values were measured. The gas components other than NO and O2 in the model gas used for measurement were H2O (3%) and N2 (balance). All gas component units are based on volume.
図6に、実施例1~3及び比較例1のガスセンサ100の始動時における、NOx濃度出力値の時間変化を示す。横軸は時間(秒)を、縦軸はガスセンサ100のNOx濃度出力値(ppm)を示す。図6においても、図3と同様に、昇温ステップの開始時間を0秒としている。ガスセンサ100の始動からNOx濃度出力値が100ppm±10ppm(90ppm~110ppm)の範囲内になるまでの時間を始動時間とした。 Figure 6 shows the change in NOx concentration output value over time at the start of the gas sensors 100 of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. The horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents the NOx concentration output value (ppm) of the gas sensor 100. In Figure 6, as in Figure 3, the start time of the temperature rise step is set to 0 seconds. The start time was the time from the start of the gas sensor 100 until the NOx concentration output value fell within the range of 100 ppm ± 10 ppm (90 ppm to 110 ppm).
実施例1~3はいずれも、比較例1と比べて明らかに始動時間が早くなっていることが確認できた。 It was confirmed that Examples 1 to 3 all had significantly faster start-up times than Comparative Example 1.
実施例3は、先行駆動ステップにおける設定値V1SET及びIp1SETと、定常駆動ステップにおける設定値V1SET及びIp1SETとは同じ値とした。一方、実施例1及び2は、先行駆動ステップにおける設定値V1SETを定常駆動ステップにおける設定値V1SETよりも小さく、先行駆動ステップにおける設定値Ip1SETを定常駆動ステップにおける設定値Ip1SETよりも大きくしている。すなわち、先行駆動ステップにおいて、主ポンプセル21により調整される第1内部空所20内の酸素濃度が、定常駆動ステップにおける第1内部空所20内の酸素濃度よりも高い濃度になるように制御している。 In Example 3, the set values V1 SET and Ip1 SET in the advance driving step are the same as the set values V1 SET and Ip1 SET in the steady driving step. On the other hand, in Examples 1 and 2, the set value V1 SET in the advance driving step is smaller than the set value V1 SET in the steady driving step, and the set value Ip1 SET in the advance driving step is larger than the set value Ip1 SET in the steady driving step. That is, in the advance driving step, the oxygen concentration in the first internal space 20 adjusted by the main pump cell 21 is controlled to be higher than the oxygen concentration in the first internal space 20 in the steady driving step.
実施例1及び2においては、実施例3の場合のようにNOx濃度出力値が90ppm程度から本来の100ppmまでゆっくり変化する様子は見られなかった。実施例1及び2においては、先行駆動ステップにおいて、第1内部空所20内の酸素濃度を定常駆動ステップにおける濃度よりも高い濃度に制御したため、被測定ガス中の酸素濃度に応じて主ポンプセル21に流れるべきポンプ電流Ip0が実施例3の場合よりも小さくなっていたと考えられる。これにより、ポンプ電圧Vp0が高くなりすぎることを抑制できたと推察される。その結果、実施例1及び2においては、測定ポンプセル41に流れる電流値Ip2から算出されるNOx濃度出力値は、より早く被測定ガス中のNOx濃度を正しく示すようになったと考えられる。 In Examples 1 and 2, the NOx concentration output value did not change slowly from approximately 90 ppm to the original 100 ppm as in Example 3. In Examples 1 and 2, the oxygen concentration in the first internal space 20 was controlled to a higher concentration in the advance drive step than in the steady drive step. This is thought to have caused the pump current Ip0 that should flow to the main pump cell 21 in accordance with the oxygen concentration in the measured gas to be smaller than in Example 3. This is thought to have prevented the pump voltage Vp0 from becoming too high. As a result, in Examples 1 and 2, the NOx concentration output value calculated from the current value Ip2 flowing through the measuring pump cell 41 is thought to have more quickly accurately indicated the NOx concentration in the measured gas.
実施例1においては、さらに、先行駆動ステップにおける設定値V2SETを定常駆動ステップにおける設定値V2SETよりも大きくしている。その結果、測定用ポンプセル41において、先行駆動ステップの開始前から第3内部空所61内に存在している酸素をより素早く汲み出すことができたために、より始動時間が短くなったと考えられる。 In Example 1, the set value V2SET in the advance driving step is set to be larger than the set value V2SET in the steady driving step. As a result, the measurement pump cell 41 can more quickly pump out the oxygen that has been present in the third internal space 61 since before the advance driving step started, which is thought to have shortened the start-up time.
本発明によれば、比較形態1及び2における上述の問題を解消しつつ、センサ素子101の昇温時間を短縮することができる。その結果、ガスセンサ100の始動時間を短縮することができる。 The present invention can reduce the temperature rise time of the sensor element 101 while resolving the problems described above in Comparative Examples 1 and 2. As a result, the start-up time of the gas sensor 100 can be reduced.
従って、本発明によれば、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの始動時間を短くするように、被測定ガス中のNOxを検出するためにガスセンサを制御することができる。 Therefore, according to the present invention, the gas sensor can be controlled to detect NOx in the gas being measured so as to shorten the startup time from when the gas sensor is started until accurate measurement can begin.
さらに、本発明によれば、ガスセンサを始動してから正確な測定が開始できるまでの始動時間が短く、かつ、被測定ガス中の酸素濃度が高い場合であっても、長期間の使用にわたりそのガスセンサのNOxの検出精度を高く維持するように、被測定ガス中のNOxを検出するためにガスセンサを制御することができる。 Furthermore, according to the present invention, the startup time from when the gas sensor is started until accurate measurement can begin is short, and the gas sensor can be controlled to detect NOx in the measured gas so that the NOx detection accuracy of the gas sensor is maintained high over long periods of use, even when the oxygen concentration in the measured gas is high.
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
15 被測定ガス流通部
20 第1内部空所
21 主ポンプセル
22 内側主ポンプ電極
22a (内側主ポンプ電極の)天井電極部
22b (内側主ポンプ電極の)底部電極部
23 外側ポンプ電極
24 (主ポンプセルの)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
46 (測定用ポンプセルの)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 (補助ポンプ電極の)天井電極部
51b (補助ポンプ電極の)底部電極部
52 (補助ポンプセルの)可変電源
60 第4拡散律速部
61 第3内部空所
70 ヒータ部
71 ヒータ電極
72 ヒータ
73 スルーホール
74 ヒータ絶縁体
75 圧力放散孔
76 ヒータリード
77 ヒータ電源
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
90 制御ユニット
91 ヒータ制御部
92 活性判定部
93 ポンプセル制御部
94 酸素濃度検出部
95 NOx濃度検出部
100 ガスセンサ
101 センサ素子
102 基体部
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 rate-controlling section 12 Buffer space 13 Second diffusion rate-controlling section 15 Measurement gas flow section 20 First internal space 21 Main pump cell 22 Inner main pump electrode 22a Ceiling electrode section 22b (of inner main pump electrode) Bottom electrode section 23 Outer pump electrode 24 (of main pump cell) Variable power supply 30 Third diffusion rate-controlling section 40 Second internal space 41 Measurement pump cell 42 Reference electrode 43 Reference gas introduction space 44 Measurement electrode 46 (of measurement pump cell) Variable power supply 48 Air introduction layer 50 Auxiliary pump cell 51 Auxiliary pump electrode 51a Ceiling electrode section 51b (of auxiliary pump electrode) Bottom electrode section 52 (of auxiliary pump electrode) Variable power supply 60 Fourth diffusion rate-controlling portion 61 Third internal space 70 Heater portion 71 Heater electrode 72 Heater 73 Through hole 74 Heater insulator 75 Pressure diffusion hole 76 Heater lead 77 Heater power supply 80 Oxygen partial pressure detection sensor cell for controlling main pump 81 Oxygen partial pressure detection sensor cell for controlling auxiliary pump 82 Oxygen partial pressure detection sensor cell for controlling measurement pump 83 Sensor cell 90 Control unit 91 Heater control portion 92 Activation determination portion 93 Pump cell control portion 94 Oxygen concentration detection portion 95 NOx concentration detection portion 100 Gas sensor 101 Sensor element 102 Base portion
Claims (14)
前記ガスセンサは、
センサ素子と、
前記センサ素子が測定可能な活性状態であるか否かを判定する活性判定部と、
を含み、
前記センサ素子は、
積層された酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通部と、
前記被測定ガス流通部の内表面に配設された内側主ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記内側主ポンプ電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素を所望の濃度に調整する主ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部の内表面の、前記内側主ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された測定電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記測定電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中のNOxを検出する測定用ポンプセルと、
前記基体部を加熱するヒータと、
前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
を含み、
前記制御方法は、
前記ヒータにより前記センサ素子を加熱し、前記活性判定部が前記センサ素子を測定可能な活性状態であると判定する活性温度まで昇温する、昇温ステップと、
前記ヒータにより前記活性温度から定常駆動温度まで前記センサ素子を途中で降温させることなく単調に昇温するとともに、前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを検出する、先行駆動ステップと、
前記ヒータにより前記センサ素子を前記定常駆動温度に保持するとともに、前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを引き続き検出する、定常駆動ステップと、
を含む、被測定ガス中のNOxを検出するためのガスセンサの制御方法。 A method for controlling a gas sensor for detecting NOx in a measurement gas, comprising:
The gas sensor comprises:
A sensor element;
an activation determination unit that determines whether the sensor element is in a measurable activated state;
Including,
The sensor element is
a long plate-shaped substrate including a plurality of stacked oxygen ion conductive solid electrolyte layers;
a measurement gas flow portion formed at one end of the base portion in the longitudinal direction;
a main pump cell including an inner main pump electrode disposed on an inner surface of the measurement target gas flow portion and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement target gas flow portion and corresponding to the inner main pump electrode, the main pump cell adjusting oxygen in the measurement target gas to a desired concentration;
a measurement pump cell for detecting NOx in the measurement gas, the measurement pump cell including: a measurement electrode disposed on an inner surface of the measurement gas flow portion at a position farther from the one longitudinal end of the base portion than the inner main pump electrode; and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement gas flow portion and corresponding to the measurement electrode;
a heater for heating the base portion;
a reference electrode disposed inside the base portion so as to be in contact with a reference gas;
Including,
The control method includes:
a temperature raising step of heating the sensor element by the heater to an activation temperature at which the activation determining unit determines that the sensor element is in a measurable activated state;
a preceding driving step in which the heater is used to monotonically raise the temperature of the sensor element from the activation temperature to a steady driving temperature without cooling it midway, and the main pump cell and the measuring pump cell are operated to detect NOx in the measurement gas;
a steady-state driving step of maintaining the sensor element at the steady-state driving temperature by the heater and operating the main pump cell and the measuring pump cell to continuously detect NOx in the measurement gas;
A method for controlling a gas sensor for detecting NOx in a measurement gas, comprising:
前記被測定ガス流通部の内表面の、前記内側主ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された補助ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記補助ポンプ電極と対応している外側ポンプ電極とを含む補助ポンプセルを含み、
前記補助ポンプ電極は、前記測定電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から近い位置に配設されている、請求項1又は2に記載の制御方法。 The sensor element further comprises:
an auxiliary pump cell including an auxiliary pump electrode disposed on an inner surface of the measurement gas flow portion at a position farther from the one longitudinal end of the base portion than the inner main pump electrode; and an outer pump electrode disposed at a position different from the measurement gas flow portion of the base portion and corresponding to the auxiliary pump electrode,
3. The control method according to claim 1, wherein the auxiliary pump electrode is disposed at a position closer to the one end in the longitudinal direction of the base portion than the measurement electrode.
前記主ポンプセルにおいて、前記補助ポンプセルに流れる前記ポンプ電流が一定の値となるように、前記内側主ポンプ電極と前記基準電極との間の起電力を制御することを含む、請求項3に記載の制御方法。 a pump current flowing through the auxiliary pump cell is controlled based on an electromotive force between the auxiliary pump electrode and the reference electrode in the auxiliary pump cell;
4. The control method according to claim 3, further comprising controlling an electromotive force between the inner main pump electrode and the reference electrode in the main pump cell so that the pump current flowing through the auxiliary pump cell is constant.
前記先行駆動ステップにおいて、前記測定電極と前記基準電極との間の起電力が、前記定常駆動ステップにおける前記測定電極と前記基準電極との間の起電力とは異なる値に制御される、請求項1~6のいずれかに記載の制御方法。 controlling a pump current flowing through the measurement pump cell based on an electromotive force between the measurement electrode and the reference electrode in the measurement pump cell;
7. The control method according to claim 1, wherein in the advance driving step, the electromotive force between the measurement electrode and the reference electrode is controlled to a value different from the electromotive force between the measurement electrode and the reference electrode in the steady driving step.
前記センサ素子は、
積層された酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通部と、
前記被測定ガス流通部の内表面に配設された内側主ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記内側主ポンプ電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素を所望の濃度に調整する主ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部の内表面の、前記内側主ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された測定電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通部とは異なる位置に配設された、前記測定電極と対応している外側ポンプ電極とを含み、被測定ガス中のNOxを検出する測定用ポンプセルと、
前記基体部を加熱するヒータと、
前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
を含み、
前記制御ユニットは、
前記センサ素子が測定可能な活性状態であるか否かを判定する活性判定部と、
前記ヒータの温度を制御するヒータ制御部と、
前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルを動作させて被測定ガス中のNOxを検出するポンプ制御部と、
を含み、
前記活性判定部は、前記センサ素子が測定可能な活性状態であるか否かを判定し、
前記ヒータ制御部は、前記ヒータにより前記センサ素子を、前記活性判定部が前記センサ素子を測定可能な活性状態であると判定する活性温度まで加熱し、さらに、途中で降温させることなく単調に定常駆動温度まで加熱し、
前記ポンプ制御部は、前記センサ素子が前記活性温度になった時に前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルの動作を開始し、さらに、前記センサ素子が前記定常駆動温度になった時に前記主ポンプセルと前記測定用ポンプセルを引き続き動作させる、ガスセンサ。 A gas sensor comprising a sensor element and a control unit for controlling the sensor element,
The sensor element is
a long plate-shaped substrate including a plurality of stacked oxygen ion conductive solid electrolyte layers;
a measurement gas flow portion formed at one end of the base portion in the longitudinal direction;
a main pump cell including an inner main pump electrode disposed on an inner surface of the measurement target gas flow portion and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement target gas flow portion and corresponding to the inner main pump electrode, the main pump cell adjusting oxygen in the measurement target gas to a desired concentration;
a measurement pump cell for detecting NOx in the measurement gas, the measurement pump cell including: a measurement electrode disposed on an inner surface of the measurement gas flow portion at a position farther from the one longitudinal end of the base portion than the inner main pump electrode; and an outer pump electrode disposed on the base portion at a position different from the measurement gas flow portion and corresponding to the measurement electrode;
a heater for heating the base portion;
a reference electrode disposed inside the base portion so as to be in contact with a reference gas;
Including,
The control unit
an activation determination unit that determines whether the sensor element is in a measurable activated state;
a heater control unit that controls the temperature of the heater;
a pump control unit that operates the main pump cell and the measurement pump cell to detect NOx in the measurement gas;
Including,
the activation determination unit determines whether the sensor element is in an activated state where measurement is possible;
the heater control unit heats the sensor element by the heater to an activation temperature at which the activation determination unit determines that the sensor element is in a measurable activated state, and further heats the sensor element monotonically to a steady driving temperature without cooling it down midway ;
The pump control unit starts operation of the main pump cell and the measurement pump cell when the sensor element reaches the activation temperature, and further continues operation of the main pump cell and the measurement pump cell when the sensor element reaches the steady-state operating temperature.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001281211A (en) | 2000-03-29 | 2001-10-10 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Gas sensor control method and internal combustion engine control method |
| JP2009069140A (en) | 2007-08-23 | 2009-04-02 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Gas sensor control device |
| US20100218751A1 (en) | 2007-07-27 | 2010-09-02 | Stefan Barnikow | Method for heating a gas sensor |
| US20150268192A1 (en) | 2014-03-24 | 2015-09-24 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for setting temperature rise profile of sensor element of gas sensor |
-
2022
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001281211A (en) | 2000-03-29 | 2001-10-10 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Gas sensor control method and internal combustion engine control method |
| US20100218751A1 (en) | 2007-07-27 | 2010-09-02 | Stefan Barnikow | Method for heating a gas sensor |
| JP2009069140A (en) | 2007-08-23 | 2009-04-02 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Gas sensor control device |
| US20150268192A1 (en) | 2014-03-24 | 2015-09-24 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for setting temperature rise profile of sensor element of gas sensor |
| JP2015184109A (en) | 2014-03-24 | 2015-10-22 | 日本碍子株式会社 | Method for setting temperature-rise profile of sensor element provided in gas sensor |
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