JP2010060452A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両等に搭載されて各種ガスを検出するために用いられるガスセンサ、特にワイヤレス型のガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor mounted on a vehicle or the like and used for detecting various gases, and more particularly to a wireless gas sensor.
例えば、車両内燃機関の排気管にガスセンサが設けられており、排気ガス中の酸素等のガス濃度を検出して、その検出信号を基に機関本体各部の制御が行われている。ガスセンサは、一般に、ジルコニア等の酸素イオン導電性の固体電解質を利用したものが広く用いられている(例えば、特許文献1等)。
特許文献1のガスセンサの基本構造を図7に示す。ガスセンサは、ガス検出素子101と、ガス検出素子の基端部を保持するハウジング102と、ガス検出素子101からの検出信号が入力される制御部103とを備えている。ガス検出素子101は、酸素イオン導電性の固体電解質を、例えばコップ型に形成した基体104を有し、このコップ型の基体104を挟んで内外表面に電極が形成され、固体電解質内を酸素イオンが拡散する性質を利用して、ガス濃度を測定する。
The basic structure of the gas sensor of Patent Document 1 is shown in FIG. The gas sensor includes a
ガス検出素子101の電極端子には、検出結果を取り出すためにリード線105が接続される。リード線105は、ハウジング102に固定した保護カバー106の開口に配設したブッシュ107を貫通して外部に引き出され、その延出端が車両の制御部103と直接電気的に接続されて検出信号を出力するようになっている。
A
一方、従来より、家庭用または車両用の制御システムにおいて、検出結果を制御部に無線等を用いて発信することが可能なワイヤレス装置が提案されている(例えば、特許文献2、3等)。特許文献2には、温度、湿度等の変化を検知して、その結果を制御ユニットに送信可能とした空調用ワイヤレスセンサが、特許文献3には、車両ドアをロックするためのロック手段を携帯機から送信可能としたワイヤレス制御装置が開示されている。このようなワイヤレス装置は、有線式のセンサな配線の引き回しが不要になるといった利点がある。
ところが、ワイヤレス装置は、検出結果を外部に設置した制御部へ発信するために、内部に電源を備える必要がある。例えば、電池を内蔵したものでは、電池の消耗による機能低下を避けるために、定期的な電池交換や保守点検が要求される。あるいは、これらの頻度を少なくしようとして電池容量を大きくすると、装置が大型化する不具合があり、実用的でなかった。 However, in order to transmit the detection result to a control unit installed outside, the wireless device needs to have a power source inside. For example, a battery with a built-in battery requires periodic battery replacement and maintenance and inspection in order to avoid functional degradation due to battery consumption. Alternatively, if the battery capacity is increased in order to reduce these frequencies, there is a problem that the apparatus becomes larger, which is not practical.
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、車両内燃機関の排気管に設置されて、酸素等のガス濃度を良好に検出するガスセンサに適用され、検出信号をワイヤレスで制御部に発信することができ、しかも内蔵電池の交換といった手間が不要であり、小型で実用性の高いガスセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and is applied to a gas sensor that is installed in an exhaust pipe of a vehicle internal combustion engine and detects a gas concentration such as oxygen well, and detects a detection signal. An object of the present invention is to provide a gas sensor that can be transmitted wirelessly to a control unit and does not require the trouble of replacing a built-in battery, and is small and highly practical.
請求項1記載の発明は、被測定ガス中の特定成分を検出するガス検出素子と、該ガス検出素子の基端部を保持するハウジングと、上記ガス検出素子からの検出信号が入力される制御部とを備えるガスセンサであって、
上記ハウジングに固定した保護カバー端部に、上記検出信号を上記ハウジング外に設けた上記制御部へ発信するための発信部を設けて、該発信部と上記ガス検出素子の基端部とをリード線で接続し、上記制御部には、上記発信部からの信号を受信する受信部を設けて、ワイヤレス通信部となし、
上記ワイヤレス通信部は、上記保護カバー内に振動エネルギ、風力エネルギ、光エネルギ、熱エネルギおよび化学エネルギの少なくとも1種を用いて発電可能な電源部を設けて上記発信部に接続し、上記電源部からの電力供給により上記検出信号を発信可能となしたことを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a gas detection element for detecting a specific component in a gas to be measured, a housing for holding a base end portion of the gas detection element, and a control for inputting a detection signal from the gas detection element. A gas sensor comprising:
A transmitting part for transmitting the detection signal to the control unit provided outside the housing is provided at the end of the protective cover fixed to the housing, and the transmitting part and the base end of the gas detection element are lead. Connected by a line, the control unit is provided with a receiving unit for receiving a signal from the transmitting unit, and is not a wireless communication unit,
The wireless communication unit is provided with a power supply unit capable of generating power using at least one of vibration energy, wind energy, light energy, thermal energy, and chemical energy in the protective cover, and is connected to the transmission unit. The above-mentioned detection signal can be transmitted by supplying power from.
上記構成において、ワイヤレス通信部は、被測定ガス中に設置されるガス検出素子に接続される発信部と、外部の制御部側に設けられる受信部によって、特定成分の検出信号を無線で通信可能とする。その際に必要な電力は、電源部において発生させた電気エネルギによってまかなわれるので、内蔵電池の交換といった手間が不要であり、小型で実用性の高いガスセンサが得られる。 In the above configuration, the wireless communication unit can communicate the detection signal of a specific component wirelessly by the transmitting unit connected to the gas detection element installed in the gas to be measured and the receiving unit provided on the external control unit side And The electric power required at that time is provided by the electric energy generated in the power supply unit, so that the trouble of replacing the built-in battery is unnecessary, and a small and highly practical gas sensor can be obtained.
請求項2記載の発明において、上記電源部は、ガスセンサ自体の振動に対応して相対的に振動する振動部を備え、該振動部の振動エネルギを電気エネルギに変換して電力源とする。 According to a second aspect of the present invention, the power supply unit includes a vibration unit that vibrates relatively in response to the vibration of the gas sensor itself, and converts the vibration energy of the vibration unit into electric energy to be used as a power source.
具体的には、上記電源部は、上記ガス検出素子自体の振動を利用し、振動エネルギを電気エネルギに変換する素子を用いて、電力を供給することができる。 Specifically, the power supply unit can supply electric power using an element that converts vibration energy into electric energy using vibration of the gas detection element itself.
請求項3記載の発明において、上記ガス検出素子は、固体電解質体に一対の電極を設けて、一方の電極を被測定ガスに、他方の電極を基準ガスに接触するように配置した構成であり、
上記電源部は、被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度差に応じて上記ガス検出素子の上記固体電解質体内を酸素イオンが移動する時に発生する電気エネルギを電力源とする。
In the invention according to claim 3, the gas detection element has a configuration in which a pair of electrodes is provided on the solid electrolyte body, and one electrode is disposed in contact with the gas to be measured and the other electrode is in contact with the reference gas. ,
The power supply unit uses, as a power source, electric energy generated when oxygen ions move in the solid electrolyte body of the gas detection element according to a difference in oxygen concentration between a gas to be measured and a reference gas.
具体的には、上記電源部は、固体電解質体を用いたガス検出素子において、ガス検出時に流れる電流を利用して、電力を供給することができる。 Specifically, the power supply unit can supply power using a current flowing during gas detection in a gas detection element using a solid electrolyte body.
請求項4記載の発明において、上記ガス検出素子は、固体電解質体に一対の電極を設けて、一方の電極を被測定ガスに、他方の電極を基準ガスに接触するように配置した構成であり、
上記電源部は、上記ガス検出素子自体の振動に追従して振動する振動部を備え、該振動部の振動エネルギを変換して得られる電気エネルギ、または被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度差に応じて上記ガス検出素子の上記固体電解質体内を酸素イオンが移動する時に発生する電気エネルギ、の少なくとも一方を電力源とする。
In the invention according to claim 4, the gas detection element has a configuration in which a pair of electrodes are provided on a solid electrolyte body, and one electrode is disposed in contact with a gas to be measured and the other electrode is in contact with a reference gas. ,
The power supply unit includes a vibration unit that vibrates following the vibration of the gas detection element itself, and the electric energy obtained by converting the vibration energy of the vibration unit or the oxygen concentration difference between the gas to be measured and the reference gas Accordingly, at least one of electric energy generated when oxygen ions move in the solid electrolyte body of the gas detection element is used as a power source.
具体的には、上記電源部は、固体電解質体を用いたガス検出素子において、上記ガス検出素子自体の振動を利用して、振動エネルギを電気エネルギに変換し、またはガス検出時に固体電解質体内を流れる電流を利用して、電力を供給することができる。 Specifically, in the gas detection element using a solid electrolyte body, the power supply unit converts vibration energy into electric energy by using vibration of the gas detection element itself, or in the solid electrolyte body during gas detection. Electric power can be supplied using the flowing current.
(第1実施形態)
図1〜4に本発明を適用したガスセンサの第1実施形態を示す。本実施形態は、例えば車両内燃機関の排気管に搭載されるガスセンサSとして説明する。図1は、本発明のガスセンサSの概略構成を示すブロック図、図2はガスセンサSをエンジンEの排気管E1に取り付けた状態を示す図である。図1、2において、本発明のガスセンサSは、排気管E1内に下半部が突出位置するように取り付けられて、被測定ガスである排ガス中に含まれる特定成分を検出するもので、代表的なものとして酸素センサがある。その他、空燃比センサ、NOxセンサ、CO2センサ、HCセンサ等、排ガス中の特定のガス成分やその濃度を検出する種々のガスセンサに適用することができる。
(First embodiment)
1 to 4 show a first embodiment of a gas sensor to which the present invention is applied. This embodiment is described as a gas sensor S mounted on an exhaust pipe of a vehicle internal combustion engine, for example. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a gas sensor S of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a state in which the gas sensor S is attached to an exhaust pipe E1 of an engine E. 1 and 2, the gas sensor S of the present invention is attached so that the lower half protrudes from the exhaust pipe E1, and detects a specific component contained in the exhaust gas that is the gas to be measured. A typical example is an oxygen sensor. In addition, the present invention can be applied to various gas sensors that detect specific gas components and their concentrations in exhaust gas, such as air-fuel ratio sensors, NOx sensors, CO 2 sensors, and HC sensors.
本発明のガスセンサSは、センサ本体1と、公知の電子制御ユニット(ECU)からなる制御部11とを備えている。センサ本体1の発信部21と制御部11の受信部22は、後述するようにワイヤレス通信部2を構成している。制御部11となるECUは、一般的な内燃機関用の基本構成を有するもので、ガスセンサSの他、機関各部に設けた各種センサ類からの情報が入力している。そして、これら情報に基づいて、機関が所望の運転状態となるように、エンジンEの燃焼室内へ燃料噴射するインジェクタIの駆動および各種装置の作動をフィードバック制御する。
The gas sensor S of the present invention includes a sensor body 1 and a
ガスセンサSのセンサ本体1は、図3に示すごとく、ガス検出素子3と、ガス検出素子3の基端側半部(図の上半部)を保持するハウジング4と、ハウジング4の上端側に固定された保護カバー5と、ハウジング4の下端側に固定された素子カバー6とを有する。保護カバー5の上端開口部は、カプラ51で封止され、カプラ51の上面に設けた筒状部内に、ワイヤレス通信部2の発信部21が収容されている。ガスセンサSは、二重筒状の素子カバー6で覆われる下半部が、被測定ガスである排ガスが存在する排気管内に位置するように、ハウジング4のフランジ部を排気管壁に設けた取付穴に装着し、ガスケット41を介してねじ固定する。この時、素子カバー6の側面および底面に設けた多数の貫通穴61を介して、ガス検出素子3に排ガスが導入される。
As shown in FIG. 3, the sensor main body 1 of the gas sensor S includes a gas detection element 3, a housing 4 that holds a proximal half (upper half) of the gas detection element 3, and an upper end side of the housing 4. It has a fixed protective cover 5 and an element cover 6 fixed to the lower end side of the housing 4. The upper end opening of the protective cover 5 is sealed with a coupler 51, and the
ガス検出素子3は、図示するように、コップ型に形成された例えばジルコニア等の固体電解質よりなる基体31を有する。図4はガス検出素子3の詳細構造を示す図で、基体31は、その内部を基準ガスが存在する大気室32とし、大気室32に接する内部表面に触媒金属としてPtを含有する多孔質の内部電極331を形成している。また、基体31の外側表面には触媒金属としてPtを含有する多孔質の外部電極341が形成され、外部電極341の表面は多孔質のコーティング層342で被覆されている。図3において、これら内部電極331および外部電極341は、ガス検出素子3の基端部において、内部電極ホルダ33、外部電極ホルダ34に接続される。内部電極ホルダ33、外部電極ホルダ34は、それぞれ下端部に設けたバネ部によってガス検出素子3の内表面、外表面に押圧保持され、電気的接続を確保するようになっている。
As shown in the figure, the gas detection element 3 has a
内部電極ホルダ33、外部電極ホルダ34は、平板状の端子部が保持カバー5内を上方に延び、カプラー51に設けた挿通穴を通って、その上方の発信部21に接続されている。カプラー51は、フッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなる。また、内部電極ホルダ33、外部電極ホルダ34は、Ni基超耐熱合金、例えばインコネル(インコ社商品名:耐熱温度約550℃)等からなる。ガス検出素子3は、SUS等よりなるハウジング4内に挿通され、段付きとした中間部が、ハウジング4内の段付き部に、SUS等よりなるパッキン42を介して支持される。また、ガス検出素子3の基端部外周面と、ハウジング4内周面との間には、アルミナ等のインシュレータ42が介設される。
The internal electrode holder 33 and the external electrode holder 34 have plate-like terminal portions extending upward in the holding cover 5 and are connected to the transmitting
上記構成において、ガス検出素子3は、固体電解質よりなる基体31と、基準ガスが存在する大気室32に接する内部電極331、被測定ガスである排ガスに接する外部電極341とが、酸素濃淡電池を構成し、量電極の酸素濃度差に応じた起電力を発生する。図4の基体31となる固体電解質、例えば、ZrO2にY2O3を添加した安定化ジルコニア固体電解質は、酸素イオンの空格子を有する酸素イオン伝導体であり、図3の排気管E1から素子カバー6内に流入する排ガスは、コーティング層342を通過して外部電極341に到達している。この時、高酸素分圧の大気に接触する内部電極331にて、酸素が電子を得て酸素イオンとなり、固体電解質内を移動して、低酸素分圧の外部電極341にて電子を放出する電極反応が起こり、ネルンストの式で与えられる起電力が発生する。よって、この起電力を内部電極ホルダ33、外部電極ホルダ34を介して取り出し、発信部22からガス濃度の検出信号として、ワイヤレス通信により制御部11の受信部22へ出力することができる。
In the above configuration, the gas detection element 3 includes a base 31 made of a solid electrolyte, an internal electrode 331 in contact with the
図3において、ワイヤレス通信部2を構成する発信部21および受信部22は、例えば、公知の無線LAN規格に対応するネットワーク通信機能を備え、検出したガス濃度情報を出入力可能である。ここで、発信部21が無線LANを用いると、車両グランドアースにより、ノイズの影響を受けにくい利点がある。また、汎用性が高く、小型化が可能で実用性が高い。その他、電波無線、赤外線、光通信を用いたワイヤレス通信を採用することもできる。
In FIG. 3, a
ここで、本発明のワイヤレス通信部2は、発信部21から検出信号を発信可能とするために、自己発電可能な電源部23を備える。電源部23は、本実施形態では、発信部21下方のカプラー51内に保持される振動部としての振動素子24と、振動エネルギを電気エネルギに変換する変換素子25からなる。振動素子24はセンサ本体1自体の振動に対応して相対的に振動するものであり、この振動エネルギを変換素子25が電気エネルギに変換して、発信部21の電力源とする。
Here, the
なお、本実施形態のように、ガスセンサSが排気管E1に設置される場合、排ガスは最大1000℃程度の高温になることから、熱に弱い発信回路を備える発信部21は、熱源からより遠い位置にあることが望ましい。一方、振動素子24は、振動する排気管E1により近い位置に設置されるとよい。すなわち、本実施形態の使用環境に対しては、排気管E1に近い位置から振動素子24、変換素子25、発信部21となる図3の配置が最適であり、熱害を回避しながら、高性能のワイヤレス通信を実施することができる。
In addition, when the gas sensor S is installed in the exhaust pipe E1 as in the present embodiment, the exhaust gas becomes a high temperature of about 1000 ° C. at the maximum, so that the
電力源としては、振動エネルギの他、風力エネルギを用いることもできる。図5は、本発明の第2実施形態として、風力発電方法を採用した電源部23を用いた例で、保護カバー5内に固定した軸27周りに回転可能なフィン26が設けられ、その回転運動を図示しない発電機に伝えて電力を発生させる。フィン26は、図示するように外部に露出する構成とされ、風力による発電機能の他、発信部21回路保護のための冷却機能、さらには、大気室32内へ大気を強制的に導入することによる信号安定機能といった利点がある。その他の構成は、第1実施形態と同様である。
As the power source, wind energy can be used in addition to vibration energy. FIG. 5 shows an example in which the
このように、本発明では、振動エネルギ、風力エネルギ、光エネルギ、熱エネルギおよび化学エネルギの少なくとも1種を用いて電気エネルギを発生可能なものであればよい。例えば、高温となるセンサ本体1の熱を利用して電気エネルギに変換したり、ソーラー電池等をセンサ本体1に付設したりすることもできる。 As described above, in the present invention, it is only necessary to generate electric energy using at least one of vibration energy, wind energy, light energy, thermal energy, and chemical energy. For example, the heat of the sensor main body 1 that is high in temperature can be converted into electric energy, or a solar battery or the like can be attached to the sensor main body 1.
さらに、化学エネルギとして、上述した図4のガス検出素子3の電極における排ガスとの反応を利用することもできる。この際、固体電解質よりなる基体31内を酸素イオンが移動することにより、電力・電流が発生するため、これを発信部21に導入することで、電力源としてもよい。この酸素イオンの移動により発生する電力と、上記の振動素子24による電力とを組み合わせると、より好ましい。図6(a)、(b)に示すように、センサ本体1と制御部11の距離によって発信部21の電流も大きくなるので、ガスセンサS構成や配置に応じて発信部21に必要な電力が得られるように、電源部23の構成を適宜選択すればよい。
Furthermore, reaction with the exhaust gas in the electrode of the gas detection element 3 of FIG. 4 mentioned above can also be utilized as chemical energy. At this time, since oxygen ions move in the
このように、本発明によれば、内蔵電池や外部からの電力供給を不要とし、電池交換や保守点検の手間を大幅に削減した、メンテナンスフリーのワイヤレスガスセンサが実現できる。 Thus, according to the present invention, it is possible to realize a maintenance-free wireless gas sensor that eliminates the need for a built-in battery or external power supply and greatly reduces the labor required for battery replacement and maintenance / inspection.
S ガスセンサ
1 センサ本体
11 制御部
2 ワイヤレス通信部
21 発信部
22 受信部
23 電源部
24 振動素子
25 変換素子
26 フィン
3 ガス検出素子
31 基体
4 ハウジング
5 保護カバー
6 素子カバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS S Gas sensor 1 Sensor
Claims (4)
上記ハウジングに固定した保護カバー端部に、上記検出信号を上記ハウジング外に設けた上記制御部へ発信するための発信部を設けて、該発信部と上記ガス検出素子の基端部とをリード線で接続し、上記制御部には、上記発信部からの信号を受信する受信部を設けて、ワイヤレス通信部となし、
上記ワイヤレス通信部は、上記保護カバー内に振動エネルギ、風力エネルギ、光エネルギ、熱エネルギおよび化学エネルギの少なくとも1種を用いて発電可能な電源部を設けて上記発信部に接続し、上記電源部からの電力供給により上記検出信号を発信可能となしたことを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor comprising: a gas detection element that detects a specific component in a gas to be measured; a housing that holds a base end portion of the gas detection element; and a control unit that receives a detection signal from the gas detection element. ,
A transmitting part for transmitting the detection signal to the control unit provided outside the housing is provided at the end of the protective cover fixed to the housing, and the transmitting part and the base end of the gas detection element are lead. Connected by a line, the control unit is provided with a receiving unit for receiving a signal from the transmitting unit, and is not a wireless communication unit,
The wireless communication unit includes a power supply unit that can generate power using at least one of vibration energy, wind energy, light energy, thermal energy, and chemical energy in the protective cover, and connects to the transmission unit. A gas sensor characterized in that the detection signal can be transmitted by supplying electric power from.
上記電源部は、ガスセンサ自体の振動に対応して相対的に振動する振動部を備え、該振動部の振動エネルギを電気エネルギに変換して電力源とするガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, wherein
The said power supply part is a gas sensor provided with the vibration part which vibrates relatively according to the vibration of gas sensor itself, and converts the vibration energy of this vibration part into electrical energy, and uses it as an electric power source.
上記ガス検出素子は、固体電解質体に一対の電極を設けて、一方の電極を被測定ガスに、他方の電極を基準ガスに接触するように配置した構成であり、
上記電源部は、被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度差に応じて上記ガス検出素子の上記固体電解質体内を酸素イオンが移動する時に発生する電気エネルギを電力源とするガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, wherein
The gas detection element has a configuration in which a pair of electrodes is provided on a solid electrolyte body, and one electrode is disposed in contact with a gas to be measured and the other electrode is in contact with a reference gas.
The power source is a gas sensor that uses electric energy generated when oxygen ions move in the solid electrolyte body of the gas detection element as a power source in accordance with a difference in oxygen concentration between a gas to be measured and a reference gas.
上記ガス検出素子は、固体電解質体に一対の電極を設けて、一方の電極を被測定ガスに、他方の電極を基準ガスに接触するように配置した構成であり、
上記電源部は、上記ガス検出素子自体の振動に追従して振動する振動部を備え、該振動部の振動エネルギを変換して得られる電気エネルギ、または被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度差に応じて上記ガス検出素子の上記固体電解質体内を酸素イオンが移動する時に発生する電気エネルギ、の少なくとも一方を電力源とするガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, wherein
The gas detection element has a configuration in which a pair of electrodes is provided on a solid electrolyte body, and one electrode is disposed in contact with a gas to be measured and the other electrode is in contact with a reference gas.
The power supply unit includes a vibration unit that vibrates following the vibration of the gas detection element itself, and the electric energy obtained by converting the vibration energy of the vibration unit or the oxygen concentration difference between the gas to be measured and the reference gas A gas sensor using as a power source at least one of electrical energy generated when oxygen ions move in the solid electrolyte body of the gas detection element.
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