JP2002082091A - ガスセンサ素子の出力特性調整方法 - Google Patents

ガスセンサ素子の出力特性調整方法

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JP2002082091A
JP2002082091A JP2001134424A JP2001134424A JP2002082091A JP 2002082091 A JP2002082091 A JP 2002082091A JP 2001134424 A JP2001134424 A JP 2001134424A JP 2001134424 A JP2001134424 A JP 2001134424A JP 2002082091 A JP2002082091 A JP 2002082091A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力特性が非常に精密に揃ったガスセンサ素
子を容易に得ることができる,ガスセンサ素子の出力特
性の調整方法を提供すること。 【解決手段】 固体電解質体11と,該固体電解質体1
1に設けた被測定ガス側電極と基準ガス側電極とよりな
るガスセンサ素子1であって,これに対し通電すること
により出力特性値を所定の値とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は,車両用内燃機関の燃焼制御用の
空燃比センサ素子等に利用されるガスセンサ素子に関す
る。
【0002】
【従来技術】車両用内燃機関の排気系に設置され,内燃
機関の燃焼制御に利用される空燃比センサが知られてい
る。この空燃比センサに内蔵される空燃比センサ素子の
電圧−電流特性は,後述する図5,図7〜図9に示すご
とく,ある電圧値までは印加電圧に比例した大きさの電
流が流れ,その後,電圧がふえても電流値が変化しなく
なるフラット域があらわれる。その後,再び電圧と電流
とが比例するような状態を呈する。上記フラット域にお
ける電流値は限界電流値と呼ばれ,この限界電流値を利
用することで,空燃比センサ素子は内燃機関の空燃比を
測定するのである。
【0003】ところで,限界電流値は同じ仕様の素子で
あっても,例えば製造誤差等によってばらつくことがあ
る。正確な空燃比測定のためには,いずれの素子につい
ても同一の被測定ガスに曝された際には,同一の限界電
流値を呈する必要がある。
【0004】そこで従来は,特開平8−193974号
に示されるごとく,例えば被測定ガス側電極上に設けた
限界電流値を制御する拡散抵抗部を素子の限界電流値に
応じて適宜切り落とす,切削する等して拡散抵抗部の厚
み等を変更することで限界電流値を調整していた。
【0005】
【解決しようとする課題】しかしながら,従来方法は素
子の機械的加工を伴うため,面倒であった。更に,機械
的加工そのものの加工精度から,非常に精密に限界電流
値が揃った素子を得ることは困難であった。
【0006】本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので,出力特性値が非常に精密に揃ったガスセ
ンサ素子を容易に得ることができる,ガスセンサ素子の
出力特性の調整方法を提供しようとするものである。
【0007】
【課題の解決手段】請求項1に記載の発明は,固体電解
質体と,該固体電解質体に設けた被測定ガス側電極と基
準ガス側電極とよりなるガスセンサ素子であって,上記
ガスセンサ素子に通電することにより出力特性値を所定
の値とすることを特徴とするガスセンサ素子の出力特性
調整方法にある。
【0008】本発明の作用につき出力特性値として限界
電流値を採用した場合を例にとって説明する。ガスセン
サ素子に対し通電することで,素子の限界電流値が変化
する。図5に示すごとく,あるガスセンサ素子の通電前
と通電後の限界電流特性を見ると,空燃比が18での限
界電流値は同図に示す矢線方向に上昇し((1)から
(2)へとフラット域が移動する),空燃比が13の場
合は同図に示す矢線方向に低下している((3)から
(4)へとフラット域が移動する)。
【0009】従って,ガスセンサ素子を所望の限界電流
値よりも若干低めまたは高めとなるような仕様で製造
し,その後,通電により限界電流値を所望の値に調整す
る。この点について縦軸に限界電流値,横軸に通電時間
を採用した図4を用いて説明する。所望の限界電流値が
I0,また通電前の各ガスセンサ素子の限界電流値は同
図に示す範囲M内にあるとする。
【0010】この場合,同図に示す曲線A,B,Cに示
すごとく,通電時間に応じて限界電流値が増大する。そ
こで,限界電流値がI0となったA1,B1,C1の時
点で通電をやめれば,所望の限界電流値を持ったガスセ
ンサ素子を得ることができる。なお,通電前の限界電流
値が高いAは通電時間が短くて済み,通電前が低いCは
通電時間が長くかかる。以上により,確実かつ正確に出
力特性値の代表例である限界電流値が一定となったガス
センサ素子を製造することができる。
【0011】また,本発明にかかる方法によれば,完成
したガスセンサ素子に通電することで,限界電流値の調
整を行なうことができる。この方法は,ガスセンサ素子
そのものに対して手を加える必要がなく,さらに製造さ
れたガスセンサ素子の全数に対して通電処理を施すこと
が可能である。更に,通電処理は容易に実行可能で,手
間やコストがあまりかからない。このように,非常に容
易にセンサ素子全数の調整を行なうことができる。
【0012】従来は例えばロットごとに代表的な素子を
サンプルとして取出し,このサンプルに対する必要な加
工量にて,ロット全体を機械加工により処理していた。
この方法は個々のガスセンサ素子に応じた調整方法では
ないので,多少なりともバラツキが残ってしまう。本発
明にかかる調整方法は個々のガスセンサ素子に対する調
整であるため,非常に正確である。
【0013】以上,本発明によれば,出力特性値が非常
に精密に揃ったガスセンサ素子を容易に得ることができ
る,ガスセンサ素子の出力特性の調整方法を提供するこ
とができる。
【0014】なお,上記通電はガスセンサ素子に設けた
被測定ガス側電極,基準ガス側電極から電圧を印加して
実行することができる。または,被測定ガス側電極,基
準ガス側電極と導通した状態にあるリード部や端子等か
ら電圧を印加してもよい。
【0015】次に,請求項2に記載の発明のように,上
記通電はリーン雰囲気で行なうことが好ましい。リーン
雰囲気で通電した場合,限界電流値等の出力特性値が大
きく(電圧の印加方向によっては正に大である場合も負
に大であることもある。)なるため,調整を容易かつ確
実に行なうことができる。
【0016】上記リーン雰囲気とは,気化燃料や燃焼排
ガス等を殆ど含んでいない雰囲気を指しており,本発明
の通電の際に最も好ましい雰囲気として,大気雰囲気を
挙げることができる。また,その他にも窒素ガスやAr
ガス等の不活性ガスよりなる雰囲気で通電を行なうこと
もできる。
【0017】次に,請求項3に記載の発明のように,上
記通電は活性温度以上の雰囲気で行なうことが好まし
い。限界電流値等の出力特性値は温度に依存して変化
し,活性温度以上の温度で安定するため,通電を活性温
度以上の素子温度で行なうことで正確な調整を実現する
ことができる。
【0018】次に,請求項4記載の発明のように,上記
通電は600℃以上の雰囲気で行うことが好ましい。と
ころで,ガスセンサ素子は活性化温度以上に加熱してや
らねば,限界電流のフラット域のような出力特性を示さ
ないことが知られている。後述する実施形態例に記載し
たようなイットリアを含むジルコニア系固体電解質体よ
りなるガスセンサ素子は,温度600℃程度でガスセン
サ素子の出力が安定しはじめる。従って,本請求項に示
すような通電を行うことで,上記構成のガスセンサ素子
における限界電流特性等の出力特性を容易に調整するこ
とができる。
【0019】次に,請求項5記載の発明のように,上記
被測定ガス側電極及び上記基準ガス側電極を含む一対の
電極が複数設けられたガスセンサ素子において,少なく
とも一つの電極に対して行われることが好ましい。つま
り,本発明にかかる方法は,複数のセル(一枚の固体電
解質体の両面に電極が設けてあり,かつこれら3者が共
同することで機能する電気化学的セルを指している)を
持つ積層型の素子において特定のセル,または全てのセ
ルに対して適用することができ,このような複雑な構成
の素子に対する調整を容易に実現できる。
【0020】本発明にかかる通電は,ガスセンサ素子を
ガスセンサに組み込んだ後,センサ外から通電しても本
発明にかかる効果を得ることができるし,実施形態例に
示したように,ガスセンサ素子そのものに対し通電して
も効果を得ることができる。
【0021】次に,請求項6記載の発明のように,上記
通電は限界電流域で行うことが好ましい。これにより,
限界電流値を上昇させることができる。
【0022】また,本発明は,積層型のガスセンサ素子
の他,コップ型のガスセンサ素子に対して適用すること
もできる。
【0023】更に,空燃比測定用のガスセンサ素子でな
くとも,例えば各種のNOx,HC,COの濃度を測定
するガスセンサ素子のように限界電流値を利用して特定
のガス濃度を測定するよう構成された素子であれば,本
発明を適用することができる。
【0024】さらに,本発明にかかる通電の際は,直流
電流を印加しても,交流電流を印加してもよい。
【0025】
【発明の実施の形態】実施形態例1 本発明の実施形態例にかかるガスセンサ素子の出力特性
調整方法につき,図1〜図3を用いて説明する。本例の
調整方法は,図2(a),(b)に示すごとき,固体電
解質体11と,該固体電解質体11に設けた被測定ガス
側電極12と基準ガス側電極13とよりなるガスセンサ
素子1に対して適用することができて,これに通電する
ことにより限界電流値を所定の値とする調整方法であ
る。
【0026】以下,詳細に説明する。本例のガスセンサ
素子1は自動車内燃機関の排気系に設置され,内燃機関
の燃焼制御に用いる空燃比センサに内蔵されて使用され
る。また,このガスセンサ素子1は1セルタイプの積層
型の素子である。
【0027】図1,図2(a),(b)に示すごとく,
本例のガスセンサ素子1は,イットリアを含むジルコニ
アよりなる固体電解質体11と大気を導入する導入部1
7が設けられた絶縁板13とよりなり,また,別の絶縁
板16,22の間に通電により発熱する発熱体25を埋
設して構成したヒータ2が一体的に配置されている。
【0028】上記固体電解質体11は,表面側に白金を
含む被測定ガス側電極12を,裏面側に白金を含む基準
ガス側電極15を有する。ここに表面側が被測定ガスと
対面する側で,裏面側が基準ガスと対面する側である。
また,上記固体電解質体11の表面側には,被測定ガス
側電極12を保護する電極保護膜50が配置されてい
る。
【0029】また,上記被測定ガス側電極12には,ガ
スセンサ素子1における出力を取り出すためのリード部
18と端子181とが延設されている。同様に,上記基
準ガス側電極15においてもリード部19及びスルーホ
ール(図示略)を介して表面側に端子191が延設され
ている。
【0030】上記固体電解質体11の裏面側には,基準
ガスの導入部17となる矩形の切り込み設けた絶縁板1
3が配置され,該絶縁板13の更に裏面側には,絶縁板
16及び絶縁板22,両者の間に設けられた発熱体25
とリード部26,27とよりなるヒータ2が配置されて
いる。
【0031】また,本例のガスセンサ素子の限界電流特
性の一例を図5に示す。同図は限界電流特性を(1)空
燃比=18の時,(3)空燃比=13の時にそれぞれ測
定したもので,空燃比=18の時のフラット域(電圧が
変化しても電流値が殆ど変化しない領域)から限界電流
値は0.5アンペア程度,空燃比=13のフラット域か
ら限界電流値は−0.43アンペア程度である。
【0032】このようなガスセンサ素子1を,図1に示
すごとく,電源31と電流計32とを接続した回路3に
設置する。ガスセンサ素子1に対する通電は被測定ガス
側電極と基準ガス側電極とから行なう。実際には被測定
ガス側電極と電気的に導通が取られた端子191,基準
ガス側電極の電気的に導通がとられた端子181から電
圧を印加する。また,図示を略したが,電流計32を監
視して,電流値32が所定値を越えた時に電源31から
の電圧印加を停止する制御装置が設けてある。
【0033】次に,本例にかかる調整方法の妥当性につ
いて以下のような試験を行なった。まず,図2(a),
(b)に記載した構成のガスセンサ素子を準備する。こ
れを図1に記載したような回路構成の装置を利用して,
ガスセンサ素子1に対し通電する。この通電に当たり,
ガスセンサ素子1は素子温度が900℃±10℃に保持
されており,また通電は大気中(つまりリーン雰囲気で
の通電が実現される。)で行なった。また,ガスセンサ
素子1に加わる電圧は0.8Vとする。この大きさの電
圧は電圧−電流特性においてフラット域に含まれる(空
燃比=大気の時)。また,上記通電時は直流電流を付与
する。
【0034】以上の条件で通電を開始し,通電時間の経
過とともに変化する電流値を記録した。その結果を図3
に記載した。同図より知れるごとく,ガスセンサ素子か
ら得られる電流値は時間の経過とともに増大した。ただ
し,ある程度以上の時間経過の後(だいたい4時間以
降)は大きく増大しなかった。以上の実験結果より,あ
る程度低めの限界電流値が得られるように,ガスセンサ
素子を構成し,本例に記載したような方法でガスセンサ
素子に通電することで,限界電流値の調整を行なうこと
ができる,確実かつ正確に限界電流値が一定となったガ
スセンサ素子を製造することができることが分かった。
【0035】また,本例にかかる方法によれば,完成し
たガスセンサ素子に通電することで,限界電流値の調整
を行なうことができる。また,この方法は,ガスセンサ
素子そのものに対して手を加える必要がなく,さらに製
造されたガスセンサ素子の全数に対して通電処理を施す
ことが可能である。更に,通電処理は容易に実行可能
で,手間やコストがかからない。このように,非常に容
易にセンサ素子全数の調整を行なうことができる。更に
個々のガスセンサ素子に対する調整であるため,非常に
正確である。
【0036】以上,本例によれば,限界電流値が非常に
精密に揃ったガスセンサ素子を容易に得ることができ
る,ガスセンサ素子の限界電流特性の調整方法を提供す
ることができる。
【0037】また,ガスセンサ素子を空燃比センサに組
付けて,上記通電を行なっても同じ効果を得ることがで
きる。この時,ガスセンサ素子における端子に対し,電
気的に導通したリード線が空燃比センサに設けてある。
従って,通電の際はこのリード線を利用してガスセンサ
素子に対する通電を実行することができる。
【0038】更に,空燃比センサは最終的に次のような
センサシステムに取付けて,運用される。つまり,上記
リード線は最終的にガスセンサ素子駆動用の外部電源に
接続されている。また,空燃比ガスセンサの外部には上
記外部電源より通電した際に素子出力を監視する装置が
設けてあるが,ここにおける素子出力とは上述の実験で
測定した電流値と同義である。センサシステムは上記外
部電源や素子出力の監視装置を備えている。従って,ガ
スセンサ素子を空燃比センサに組付けた後,上記センサ
システムに対し設置し,センサシステム上から上述した
通電による限界電流値の調整を行なうこともできる。こ
のような場合,調整に際して新たな調整装置等を準備す
る必要がないため,よりコスト安である。また,直流電
流を流しているので,安価で単純な直流電源を準備する
だけで調整を行うことができる。
【0039】また,限界電流値を利用してガス濃度の測
定を行なうようなNOx,CO,HCガスセンサ素子に
ついても同様の結果を得ることができる。また,交流電
流で調整を行うこともできる。この場合は,電極の正負
の向きに関係なく接続することができるため,作業性に
優れる。
【0040】実施形態例2 本例はコップ型のガスセンサ素子の出力調整方法につい
て説明する。本例のガスセンサ素子3は,図6に示すご
とき,ガスセンサ39に組みつけて使用され,また,こ
の状態で本例にかかる出力調整が行われる。
【0041】上記ガスセンサ39は筒状のハウジング3
1と該ハウジング31に挿通配置されたガスセンサ素子
3と,上記ハウジング31の先端側に配置した被測定ガ
ス側カバー311と,基端側に配置した大気側カバー3
12とよりなる。
【0042】上記ガスセンサ素子3は,内部に大気室を
設けたコップ状の固体電解質体とその外側面に設けた白
金を含む被測定ガス側電極,内側面に設けた白金を含む
基準ガス側電極とよりなる(図示略)。外側面が被測定
ガスと対面する側で,内側面が基準ガスと対面する側で
ある。基準ガスとして大気室に導入された大気が使用さ
れる。また,被測定ガス側電極を覆うようにこれを保護
する電極保護膜が設けてある。
【0043】また,固体電解質体の外側面,内側面には
各電極と導通可能に構成されたリード部,端子部が同様
に白金より構成されている。大気側カバー312の内部
において,取り出し端子321,322,接続端子32
3,324を介して,ガスセンサ3の外部に延設される
リード線325,326に対し,上記各電極の電気的導
通が確保される。なお,上記大気室には棒状のセラミッ
クヒータ300が挿通配置され,このセラミックヒータ
300に対して電圧を印可するヒータ用リード線335
が設けてある。ただし,図6では2本のヒータ用リード
線のうち1本が図示されていない。
【0044】ガスセンサ素子3の出力調整は,図6に示
すごとく,センサ39の外に引き出されたリード線32
5,326を通じて行う。同図に示すごとく,リード線
325,326に対し,電流計352と電源351とを
正極側がリード取り出し端子322に接続されるリード
線326へ,負極側がリード取り出し端子321に接続
されるリード線325へ接続する。また,符号353は
ヒータ電源で,これはヒータ用のリード線335及び図
6から見えない位置にあるもう1本のヒーター用のリー
ド線に接続される。
【0045】この状態で,ヒーター電源353よりセラ
ミックヒータ300に通電し,ガスセンサ素子3を素子
温度850℃まで加熱する。その後,ガスセンサ素子3
に1.3Vを印加する。なお,本例のセンサ素子3にお
いて,温度850℃でのフラット域に上記印加電圧であ
る1.3Vが含まれる(図8参照)。なお,フラット域
とは電圧が変化しても電流が変化しない領域のことで,
図7に記載したような領域をさしている。
【0046】電圧印加開始後,電流計352の値をモニ
タしたところ,しばらくの間は急な上昇を続けたが,実
施形態例1と同様に,約4時間後には電流計352の値
は上昇し難くなった。この時点で電圧印加をやめた。以
上により出力特性値の調整を行うことができた。
【0047】また,本例では出力調整時の電圧印加を8
50℃で行っている。何故850℃が適切であったかに
ついて以下に説明する。図7に,本例のコップ型のセン
サ素子3の温度600℃,温度850℃における電圧−
電流特性を示す。電圧−電流特性はあるところまでは電
圧の増大と共に電流も増大するが,あるところから電圧
が増大しても電流が増大しない,フラット域と呼ばれる
部分が現れる。その後,電圧がある程度高くなると再び
電圧に伴って電流が増大するようになる。ただし温度が
高いほうがより低電圧の印加でフラット域が登場する。
また,電流に応じて電流が増大するが,その増大の率が
急峻である。
【0048】次に,図8に示すごとく,温度が850℃
際の電圧−電流特性と共に温度が±10℃の範囲でばら
ついた時の特性を示す。また,図9には,温度が600
℃である場合の電圧−電流特性,温度が±10℃の範囲
でばらついた時の特性を示す。同図より,温度が600
℃の場合は,電圧−電流の関係における増大時の傾きが
大きいため,温度がばらついた際に印加した電圧がフラ
ット域からはずれてしまう可能性が高くなる。
【0049】同図より,本例で印加した1.3V(同図
に示す破線L)が温度が600℃未満である場合はフラ
ット域からはずれるおそれのあることがわかる。このよ
うに,出力調整にあたり,温度を850℃とすることで
確実に電圧をフラット域で印加することができ,仮に温
度が600℃未満である場合は通電による出力調整が実
施し難いことがわかる。
【0050】実施形態例3 また,本発明にかかる出力調整方法は,図10,図11
に示すごとき2セルタイプの積層型のガスセンサ素子4
に対して適用することもできる。本例の積層型のガスセ
ンサ素子4は,被測定ガス中のガス濃度を検出するセン
サセル401と被測定ガス室に対し酸素ガスをポンピン
グするポンプセル402とを有する。
【0051】固体電解質体41,被測定ガスが導入され
る小室430を設けた絶縁板43,固体電解質体11と
大気を導入する導入部170が設けられた絶縁板13,
発熱体25とリード部26,27を設けたヒータ2を構
成する絶縁板22が積層され,ガスセンサ素子4が構成
されている。
【0052】上記固体電解質体41の両面には一対のポ
ンプ電極42,45が設けてあり,これらによりポンプ
セル402が構成される。上記ポンプ電極42,45の
中央には被測定ガスを小室430に導入するためのピン
ホール410が設けてある。上記小室430は電極12
と対面するよう設けてある。また,上記固体電解質体4
1にはポンプ電極42,45と導通したリード部42
1,451,電圧印加用の端子422,484,493
が設けてある。電極42はリード部421を介して端子
422に接続されている。電極45はリード部451,
スルーホール492を経て端子493に接続されてい
る。
【0053】また,上記固体電解質体11の両面には一
対の電極12,15が設けてあり,これらによりセンサ
セル401が構成される。電極12はリード部18と,
電極15はリード部19と導通され,これらリード部1
8,19も固体電解質体11に設けてある。そして,電
極12はリード部18,導電性のスルーホール491,
492を経て端子493に電気的に接続される。電極1
5はリード部19,導電性のスルーホール481,48
2,483を経て端子484に電気的に接続される。
【0054】また,発熱体25と導通したリード部2
6,27は,それぞれ導電性のスルーホール260,2
70を経て端子261,271に電気的に接続される。
なお,端子261,271にはヒータ用電源290を備
えた回路29が接続される。
【0055】このガスセンサ素子4に対し出力調整を行
うには,端子484と端子493に接続された,電源4
86と電流計485を備えた回路48,端子422,端
子493に接続された,電源496と電流計495を備
えた回路49を用いて,ポンプセル402,センサセル
401に対し通電することにより行う。
【0056】このような構成の積層型のガスセンサ素子
4についても,実施形態例1と同様の効果を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1における,ガスセンサ素子に対す
る通電の説明図。
【図2】実施形態例1における,ガスセンサ素子の
(a)断面説明図,(b)斜視展開図。
【図3】実施形態例1における,電流と通電時間との関
係を示す線図。
【図4】実施形態例1における,限界電流値と通電時間
との関係を示す線図。
【図5】実施形態例1における,空燃比18及び13の
際の電圧と電流との関係を示す線図。
【図6】実施形態例2における,コップ型のガスセンサ
素子を内蔵したガスセンサの説明図。
【図7】実施形態例2における,ガスセンサ素子の温度
850℃,600℃における電圧と電流との関係を示す
線図。
【図8】実施形態例2における,ガスセンサ素子の温度
850℃及び±10℃における電圧と電流との関係を示
す線図。
【図9】実施形態例2における,ガスセンサ素子の温度
600℃及び±10℃における電圧と電流との関係を示
す線図。
【図10】実施形態例3における,2セルタイプのガス
センサ素子の斜視展開説明図。
【図11】実施形態例3における,2セルタイプのガス
センサ素子の断面説明図。
【符号の説明】
1...ガスセンサ素子, 11...固体電解質体, 12...被測定ガス側電極, 15...基準ガス側電極,
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 27/46 331 325A

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質体と,該固体電解質体に設け
    た被測定ガス側電極と基準ガス側電極とよりなるガスセ
    ンサ素子であって,上記ガスセンサ素子に通電すること
    により出力特性値を所定の値とすることを特徴とするガ
    スセンサ素子の出力特性調整方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において,上記通電はリーン雰
    囲気で行なうことを特徴とするガスセンサ素子の出力特
    性調整方法。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において,上記通電は
    活性温度以上の雰囲気で行なうことを特徴とするガスセ
    ンサ素子の出力特性調整方法。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3において,上記通電は60
    0℃以上の雰囲気で行うことを特徴とするガスセンサ素
    子の出力特性方法。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか一項において,
    上記被測定ガス側電極及び上記基準ガス側電極を含む一
    対の電極が複数設けられたガスセンサ素子において,少
    なくとも一つの電極に対して行われることを特徴とする
    ガスセンサ素子の出力特性調整方法。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか一項において,
    上記通電は限界電流域で行うことを特徴とするガスセン
    サ素子の出力特性調整方法。
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