JP2010060452A

JP2010060452A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2010060452A
Application number: JP2008227052A
Authority: JP
Inventors: Ryuji Fujiwara; 竜二藤原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: JP5024239B2

Abstract

【課題】検出信号をワイヤレスで制御部に発信することができ、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。
【解決手段】ガスセンサＳは、ハウジング４にガス検出素子３を保持するセンサ本体１と制御部１１を有し、ハウジング４に固定した保護カバー５の上端に設けた発信部２１と、外部の制御部に設けた受信部２２にて、ワイヤレス通信部２を構成する。ワイヤレス通信部２は、発信部２１の電力源として、振動エネルギ、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２３を設けて、発信部２１に電力供給することにより検出信号を発信可能としている。
【選択図】図１

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。

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）。
特開２００８−１２２４１４号公報

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。

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。

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。
特開平７−３１８１４４号公報特開２００８−５０９４３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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、ＣＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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、ＺｒＯ_２にＹ_２Ｏ_３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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明のガスセンサの概略構成を示したブロック図である。本発明のガスセンサを排気管に取り付けた状態を示す図である。本発明の第１実施形態のガスセンサの全体構成を示す断面図である。本発明のガスセンサの作動原理を説明するための図である。本発明の第２実施形態のガスセンサの全体構成を示す図である。（ａ）は本発明のガスセンサにおけるセンサ本体と制御部の距離を、（ｂ）は距離と電流の関係を示す図である。従来のガスセンサの全体構成を示す断面図である。

符号の説明

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

Claims

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ガスセンサ。
請求項１記載のガスセンサにおいて、
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ガスセンサ。
請求項１記載のガスセンサにおいて、
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ガスセンサ。
請求項１記載のガスセンサにおいて、
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ガスセンサ。