JP2007010564A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータの漏れ電流によりガスセンサとしての検出精度が低下してしまうことを防止する。
【解決手段】ヒータパターン１０における発熱パターン１２が、積層面において検出空間２３０と重なる領域を避けるように形成されているため、少なくとも検出空間２３０に面する電極，つまりセンサセル２０における一方の電極２２が積層面において発熱パターン１２と重ならない構造になっていることになる。これにより、センサセル２０における一方の電極２２は、積層面において発熱パターン１２と重なっている場合と比べて、発熱パターン１２からの距離が遠くなることで絶縁抵抗が高くなるため、結果、発熱パターン１２からの漏れ電流の影響を受けにくくすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検出ガスに含まれる特定成分の濃度を検出するガスセンサに関する。

従来、被検出ガスに含まれる特定成分の濃度を検出するために用いるガスセンサは、ポンプセルにて酸素を排出した被検出ガスを検出空間に導入し、この検出空間に設けられたセンサセルの通電状態に応じたパラメータ，具体的にいうと、センサセルを構成する一対の電極間を流れる電流値を、被検出ガスに含まれる特定成分の濃度を示すパラメータとして検出するように構成されている。

このとき、ポンプセルおよびセンサセルを適切に機能させるためには、これらセルが活性状態となる温度まで加熱しておく必要があるため、ガスセンサには、ヒータパターンを形成してなるヒータ部が備えられることが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１５７０６３号公報

しかし、上述したようにヒータ部が備えられた構成とした場合には、ヒータ部に形成されたヒータパターンからの漏れ電流が、ポンプセルによる酸素の排出，センサセルによるパラメータの検出に悪影響を与えてしまう恐れがある。

例えば、ポンプセルにおいては、一対の電極間への通電により酸素の排出が制御される構造となっているため、この通電電流にヒータパターンからの漏れ電流が重畳してしまうと、酸素の排出が抑制されてしまう恐れがある。また、センサセルにおいては、一対の電極間を流れる電流値をパラメータとして検出する構造となっているため、この電流にヒータパターンからの漏れ電流が重畳してしまうと、本来検出すべきパラメータよりも大きいまたは小さいパラメータを特定成分の濃度として検出してしまう恐れがある。

このことは、ポンプセルであれば、その制御に際しての電流値がｍAオーダであり一般に漏れ電流の影響を受けない程度に大きい（または、大きくすることができる）ことから、僅かな漏れ電流であれば問題にならないが、センサセルにおいては、その検出に際しての電流値がμAオーダでありポンプセルにおける電流値よりも遙かに小さいため、わずかな漏れ電流であっても大きな影響を受けてしまう。

このように、ヒータによる漏れ電流は、センサセルによる検出に際しての電流値に大きな影響を与えてしまい、結果的にガスセンサとしての検出精度を低下させる要因となってしまうという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ヒータの漏れ電流によりガスセンサとしての検出精度が低下してしまうことを防止することである。

上記課題を解決するため請求項１に記載のガスセンサは、第１の固体電解質部，ポンプセル，第２の固体電解質部，センサセル，ヒータ部を有している。これらのうち、第１の固体電解質部は、層状をなす部材である。また、ポンプセルは、一対の電極からなり、該電極のうち、一方の電極が外部から被検出ガスの導入される導入空間に面していると共に、この一対の電極間への通電によって、前記導入空間における被検出ガスに含まれる酸素を、該導入空間から前記第１の固体電解質部を介して他方の電極側へ排出可能なものである。また、第２の固体電解質部は、該ポンプセルを構成する前記第１の固体電解質部と同一層または該第１の固体電解質部に積層された層である。また、センサセルは、一対の電極からなり、該電極のうち、一方の電極が前記導入空間につながる検出空間に面していると共に、この一対の電極間の通電状態に基づいて、前記検出空間における被検出ガスに含まれる特定成分の濃度を検出可能なものである。そして、ヒータ部は、前記第１の固体電解質部および前記第２の固体電解質部に積層される層状のセラミック基体に、発熱パターンとその両端に接続されてなる一対のリードパターンとで構成されたヒータパターンが埋設されてなり、前記発熱パターンが、各部の積層方向と交差する面において前記検出空間と重なる領域を避けて形成されたものである。

このように構成されたガスセンサにおいては、ヒータ部の発熱パターンが、各層（固体電解質部，ヒータ部）の積層方向と交差する面（以降、「積層面」という）において検出空間と重なる領域を避けるように形成されているため、少なくとも検出空間に面する電極，つまりセンサセルにおける一方の電極が積層面において発熱パターンと重ならない構造となる。

これにより、センサセルにおける一方の電極は、積層面において発熱パターンと重なっている場合と比べて、発熱パターンからの距離が遠くなることで絶縁抵抗が高くなるため、結果、ヒータパターンからの漏れ電流の影響を受けにくくすることができる。

なお、この構成におけるセンサセルは、一対の電極間の通電状態に基づいて特定成分の濃度を検出可能なものであるが、ここで、通電状態に基づいて特定成分の濃度を検出するためには、例えば、一対の電極間において通電される電流値，または，電極間の電圧値に応じたパラメータを特定成分の濃度として検出する、といったような構成とすればよい。

また、ヒータ部の発熱パターンが、各部の積層方向と交差する面において検出空間と重なる領域を避けて形成されている状態とは、各部の積層方向にガスセンサを投影した場合に、発熱パターンが検出空間と重ならない状態のことである。

また、上述したヒータ部は、積層面において検出空間と重なる領域を避けて発熱パターンが形成されていればよく、その具体的な発熱パターンの形状は特に限定されない。
ただ、請求項２に記載のように、前記ヒータ部は、各部の積層方向と交差する面において前記検出空間および前記センサセルと重なる領域を避けて前記発熱パターンが形成されている、と好適である。

このように構成すれば、ヒータ部の発熱パターンが、積層面において検出空間およびセンサセルと重なる領域を避けるように形成されているため、検出空間およびセンサセル，つまりセンサセルの電極両方が積層面において発熱パターンと重ならない構造となる。

これにより、センサセルにおける一対の電極は、一方の電極だけでなく、他方の電極についても、発熱パターンからの距離が遠くなることで絶縁抵抗が高くなるため、より発熱パターンからの漏れ電流の影響を受けにくくすることができる。

また、上述したガスセンサにおいては、少なくとも前記ポンプセルおよび前記センサセルそれぞれの一部が、各部の積層方向と交差する面において重ならない位置関係となるように配置されている場合であれば、請求項３に記載のように、構成するとよい。

請求項３に記載のガスセンサにおいて、前記ヒータ部における前記発熱パターンは、各部の積層方向と交差する面における前記ヒータ部の発熱領域が、前記導入空間に面するポンプセルの電極を中心に分布する位置関係となるように形成されている。

このように構成すれば、積層面におけるヒータ部の発熱領域が導入空間を中心に分布するため、導入空間と検出空間との間，つまりポンプセルとセンサセルとの間に、ポンプセル側の温度が高くなるような温度差をつくり出すことができる。

通常、ポンプセルとセンサセルとを有するガスセンサにおいては、センサセルよりもポンプセルの方が、適切に活性状態とするために高い温度を必要とすることが一般的である。これは、導入空間に導入された被検出ガスに含まれる酸素を排出するためのポンピング能力を、ポンプセルにおいて十分に確保する必要があるからである。そのため、このようなことを考慮せずにヒータ部を設けることは、各セルの活性状態と温度との関係を適切なものとすることができなくなってしまい、結果、ガスセンサとしての検出精度を低下させる要因となってしまう。

例えば、特許文献１のガスセンサ（ガスセンサ素子）では、ヒータ部（ヒータシート）の長手方向に沿って規則正しく形成された発熱パターン（ヒータ電極１４）が、積層面において検出空間（第２内部空間７ｂ）と重なっていることから（例えば、図５参照）、その発熱パターンは、積層面全体を均一に加熱するように発熱することとなる。そのため、このガスセンサの有するポンプセル（酸素ポンプセル２）およびセンサセル（４）についても均一に加熱されることとなり、各セルの活性状態と温度との関係を適切にすることができなくなる恐れがある。これは、この特許文献１においては、センサセルよりもポンプセルの方が高い温度を必要とすることを考慮していないからである。

その点、上述のような発熱領域の分布を実現できる本ガスセンサであれば、積層面におけるヒータ部の発熱領域が導入空間を中心に分布することで、検出空間つまりセンサセル側よりも、導入空間つまりポンプセル側の温度が高くなるような温度差をつくり出すことができるため、各セルの活性状態と温度との関係を適切なものとすることが可能となる。なお、このような温度差は、ポンプセルとセンサセルとの重なりが少ないほど，また，ポンプセルとセンサセルとが積層面において離れているほど、大きくすることができる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
１．全体構成
１−１．第１の構成（第１実施形態）
本実施形態におけるガスセンサ１は、自動車の内燃機関や各種燃焼機器（例えば、ボイラなど）における排気ガスに含まれる窒素酸化物（以降、「ＮＯｘ」という）の濃度を検出するためのＮＯｘセンサとして構成されたものであって、図１に示すように、それぞれシート状の部材により形成された層として、絶縁層１１０，絶縁層１２０，センサセル２０を構成する固体電解質層１３０，絶縁層１４０，モニタセル３０を構成する固体電解質層１５０，絶縁層１６０，ポンプセル４０を構成する固体電解質層１７０，絶縁層１８０が、順番（図１における下から上へ向かう順番）に積層された構造となっている。なお、本実施形態のガスセンサでは、各層１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０，１８０が焼成により一体化された構造となっている。また、絶縁層１１０と絶縁層１２０とからなるセラミック基体内には、ヒータパターン１０が埋設されており、これによりヒータ部１９０が形成されている。

これらのうち、まず、固体電解質層１７０は、ジルコニアを主体とする固体電解質体からなるシート部材であって、この部材における先端（図１における左端，以下同様）側の上下面（図１における上下面，以下同様）を挟むように設けられた一対の電極４２，４４によりポンプセル４０を形成している。このポンプセル４０における下（図１における下，以下同様）側の電極４２には、多孔質体からなる保護層４６によりコーティングされている。なお、上（図１における上，以下同様）側の電極４４周辺に位置する絶縁層１８０には、多孔質体からなる多孔質部１８２が形成されている。

続いて、固体電解質層１７０の下側に位置する絶縁層１６０は、アルミナ等の絶縁性セラミックからなるシート状の部材であって、その先端側に、ガスセンサ１外部から被検出ガスを導入するための空間であって、固体電解質層１７０，１５０で挟まれた導入空間２１０を形成するスペーサとして機能している。

この導入空間２１０は、その先端側にポンプセル４０における下側の電極４２全体が面する位置関係となるように形成されている。また、この導入空間２１０のうち、先端部分には、それぞれガスセンサ１外部から導入空間２１０へ向かう方向（図１における矢印参照）に沿って配置された多孔質体からなる拡散抵抗体２１２，２１４が設けられている。また、導入空間２１０のうち、後端（図１における右端，以下同様）側の領域には、それぞれ長手方向に沿って配置された多孔質体からなる２つの拡散抵抗体２１６，２１８が設けられており、これにより、この導入空間２１０の後端側への被検出ガスの流通を制限している。

続いて、絶縁層１６０の下側に位置する固体電解質層１５０は、ジルコニアを主体とする固体電解質体からなるシート部材であって、この部材におけるポンプセル４０より後端側の上下面を挟むように設けられた一対の電極３２，３４によりモニタセル３０を形成している。このモニタセル３０における上側の電極３２は、導入空間２１０に面している。また、この固体電解質層１５０には、モニタセル３０より後端側であって、導入空間２１０における後端側に設けられた拡散抵抗体２１６，２１８の間に対応する領域に、上下方向に貫通する貫通孔２２０が形成されている。

続いて、固体電解質層１５０の下側に位置する絶縁層１４０は、アルミナ等の絶縁性セラミックからなるシート状の部材であって、固体電解質層１５０における貫通孔２２０に対応する領域に、この貫通孔２２０を介して連結された導入空間２１０との間で流通する被検出ガス（に含まれる特定成分）の濃度を検出するための検出空間２３０を形成するスペーサとして機能している。また、この絶縁層１４０のうち、モニタセル３０における下側の電極３４に面する領域には、後述のように基準となるガス（本実施形態においては酸素）が満たされる多孔質体２４０が設けられている。なお、この多孔質体２４０は、アルミナ等の絶縁性セラミックにより形成されている。

続いて、絶縁層１４０の下側に位置する固体電解質層１３０は、ジルコニアを主体とする固体電解質体からなるシート部材であって、この部材の上面に沿って間隔をあけて設けられた一対の電極２２，２４によりセンサセル２０を形成している。これらセンサセル２０のうち、一方の電極２２は、検出空間２３０に面する位置に設けられており、他方の電極２４は、その一部が多孔質体２４０に接するように設けられている。なお、このセンサセル２０については、上述した各層（１１０〜１８０）の積層方向（図１における上下方向，以下同様）と直交する面（図１における水平面；以降、「積層面」という）において、他方の電極２４の一部分のみがポンプセル４０の電極４２，４４と重なっている。つまり、センサセル２０の一方の電極２２および検出空間２３０は、積層面においてポンプセル４０とは重ならない位置関係となっている。

続いて、固体電解質層１３０の下側に位置する絶縁層１２０は、アルミナ等の絶縁性セラミックからなるシート状の部材である。
そして、絶縁層１２０の下側に位置する絶縁層１１０は、同じくアルミナ等の絶縁性セラミックからなるシート状の部材の上面にＰｔを主体とするヒータパターン１０が形成されたものである。このヒータパターン１０は、図２に示すように、それぞれ長手方向（図２における左右方向）に沿って延びる経路を複数回（本実施形態においては３回）屈曲させながら幅方向（図２における上下方向）全体に渡らせたパターンからなる発熱パターン１２と、この発熱パターン１２の端部１４，１６に各々接続されて長手方向に延びる一対のリードパターン１８とを含むものである。なお、ヒータパターン１０は、発熱パターン１２による発熱を集中させるために、発熱パターン１２の線幅をリードパターン１８の線幅よりも細くして単位長さ当たりの抵抗値が小さくなるように形成されている。そして、ヒータパターン１０のうち発熱パターン１２の後端部（図２における右端の屈曲部分）は、積層面において検出空間２３０と重なる領域よりも先端側に位置するように形成されている。

このように、発熱パターン１２が、積層面において検出空間２３０と重ならない位置関係であると、センサセル２０の一方の電極２２および検出空間２３０が積層面においてポンプセル４０とは重なっていない構造上、ヒータの発熱領域は、導入空間２１０に面するポンプセル４０の電極４２を中心に分布することになる。これにより、ヒータパターン１０への通電を行った際に、センサセル２０側の温度よりもポンプセル４０側の温度を高くすることができる。

なお、上述したヒータパターン１０の発熱パターン１２としては、それぞれ長手方向に沿って延びる経路を複数回屈曲させながら幅方向全体に渡らせたパターンとなっている構成を例示したが、積層面において検出空間２３０と重なる領域を避けて形成されていれば、その具体的なパターンについては特に限定されない。
１−２．第２の構成（第２実施形態）
本実施形態におけるガスセンサは、第１の構成におけるガスセンサ１と同様の構成であるが、絶縁層１１０に形成されたヒータパターン１０が異なっているだけであるため、この相違点についてのみ説明する。

本実施形態における絶縁層１１０は、絶縁性セラミックからなるシート状の部材の上面にヒータパターン１０が形成されたものである。このヒータパターン１０は、図３に示すように、それぞれ長手方向に沿って延びる経路を複数回屈曲させながら幅方向全体に渡らせた発熱パターン１２と、この発熱パターン１２に接続される一対のリードパターン１８とを有する点で第１実施形態と同様であるが、この発熱パターン１２の後端部（図３における右端の屈曲部分）が、積層面においてセンサセル２０の電極２４と重なる領域よりも先端側に位置するように形成されている。なお、図３では、発熱パターン１２の後端部と、積層面において電極２４に重なる領域との間隔が設けられていない形状となっているが、この間隔を広く設ける（つまり、発熱パターン１２の後端部を先端側にシフトさせる）ような形状としてもよい。

このように、発熱パターン１２が、積層面においてセンサセル２０の電極２４と重ならないと、センサセル２０の他方の電極２４の一部分を除いた大部分が積層面においてポンプセル４０と重なっていない構造上、ヒータの発熱領域は、導入空間２１０に面するポンプセル４０における電極２２の先端側を中心に分布することになる。これにより、ヒータパターン１０への通電を行った際に、センサセル２０側の温度よりもポンプセル４０側の温度を高くすることができる。
２．動作原理
次に、本ガスセンサ１の被検出ガス（ＮＯｘガス）雰囲気内での動作を説明する。

まず、ヒータ部１９０のヒータパターン１０への通電により、ポンプセル４０，モニタセル３０，センサセル２０それぞれが活性状態となる温度まで加熱した状態とする。
この状態において、被検出ガスが拡散抵抗体２１２，２１４を介して導入空間２１０に導入された後（図２における矢印参照）、ポンプセル４０の電極４２，４４間に、上側の電極４４が正極となるように電圧を印加することで、導入空間２１０内における被検出ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり、この酸素イオンが下側の電極４２から固体電解質層１７０を介して上側の電極４４側へ排出される。

このとき、電極４２，４４間に印加する電圧の大きさは、モニタセル３０の動作状態に基づいて制御される。この制御について詳述すると、まず、電極３２から電極３４の方向に一定の微弱電流を流すことで、導入空間２１０から多孔質体２４０へと固体電解質層１５０を介して酸素が移動し、多孔質体２４０が基準の酸素溜まりとなる。そして、電極３２，３４間に発生する起電力（電圧値）があらかじめ定めた値となるように電極４２，４４間に印加する電圧を調整するのである。つまり、モニタセル３０より出力される電圧に基づき、ポンプセル４０を流れる電流の値が制御される。

こうして、ガスセンサ１外部から導入された被検出ガスは、導入空間２１０において酸素が排出された状態で、固体電解質層１５０の貫通孔２２０を介して検出空間２３０に到達することとなる。

そして、センサセル２０の電極２２，２４間に、多孔質体２４０に面する電極２４が正極となるように一定の電圧を印加することで、検出空間２３０内における被検出ガス中の特定成分，具体的にはＮＯｘが窒素（Ｎ₂）と酸素（Ｏ₂）とに解離されて、この酸素が検出空間２３０に面する電極２２から固体電解質層１３０を介して多孔質体２４０に接する電極２４側へ汲み出される。このとき、センサセル２０に流れるポンプ電流の大きさが、被検出ガスに含まれるＮＯｘに比例する関係を有するため、このセンサセル２０に流れるポンプ電流の電流値を、ＮＯｘ濃度を示すパラメータとして検出すれば、ＮＯｘ濃度を算出することができる。
３．作用，効果
このように構成されたガスセンサ１においては、ヒータパターン１０の発熱パターン１２が、積層面において検出空間２３０と重なる領域を避けるように形成されているため、少なくとも検出空間２３０に面する電極，つまりセンサセル２０における一方の電極２２が積層面において発熱パターン１２と重ならない構造になっていることになる。

これにより、センサセル２０における一方の電極２２は、積層面において発熱パターン１２と重なっている場合と比べて、発熱パターン１２からの距離が遠くなることで絶縁抵抗が高くなるため、結果、発熱パターン１２からの漏れ電流の影響を受けにくくすることができる。

特に、ヒータパターン１０を第２実施形態のように構成した場合には、発熱パターン１２が、積層面において検出空間２３０およびセンサセル２０と重なる領域を避けるように形成されていることから、検出空間２３０およびセンサセル２０，つまりセンサセル２０の電極両方が積層面において発熱パターン１２と重ならない構造となる。そのため、センサセル２０における一対の電極２２，２４は、その他方の電極２４についても、発熱パターン１２からの距離が遠くなることで絶縁抵抗が高くなり、結果、より発熱パターン１２からの漏れ電流の影響を受けにくくすることができる。

また、上記実施形態においては、ポンプセル４０およびセンサセル２０それぞれの大部分が、積層面において重ならない位置関係となるように配置されている結果、ヒータ部１９０の発熱領域が、導入空間２１０に面するポンプセル４０の電極２２を中心に分布する。そのため、導入空間２１０と検出空間２３０との間，つまりポンプセル４０とセンサセル２０との間に、ポンプセル４０側の温度が高くなるような温度差をつくり出すことができる。

通常、ポンプセルとセンサセルとを有するガスセンサにおいては、センサセルよりもポンプセルの方が、適切に活性状態とするために高い温度を必要とすることが一般的である。本実施形態のガスセンサにおいては、センサセル２０側の温度を６５０℃〜７７０℃とした場合に、これよりもポンプセル４０側の温度を８０℃〜１３０℃程度高くする必要がある。よって、このようなことを考慮せずにヒータ部１９０を設けることは、各セルの活性状態と温度との関係を適切なものとすることができなくなってしまい、結果、ガスセンサとしての検出精度を低下させる要因となってしまう。

ところが、上述のような発熱領域の分布を実現できる本ガスセンサ１であれば、積層面におけるヒータ部１９０の発熱領域が導入空間２１０を中心に分布することで、検出空間２３０つまりセンサセル２０側よりも、導入空間２１０つまりポンプセル４０側の温度が高くなるような温度差をつくり出すことができるため、各セルの活性状態と温度との関係を適切なものとすることが可能となる。

ガスセンサの内部構造を示す図（要部断面図） ヒータ層のヒータパターンを示す図（第１実施形態） ヒータ層のヒータパターンを示す図（第２実施形態）

符号の説明

１…ガスセンサ、１０…ヒータパターン、１２…発熱パターン、１８…リードパターン、２０…センサセル、２２，２４…電極、３０…モニタセル、３２，３４…電極、４０…ポンプセル、４２，４４…電極、４６…保護層、１１０…絶縁層、１２０…絶縁層、１３０…固体電解質層、１４０…絶縁層、１５０…固体電解質層、１６０…絶縁層、１７０…固体電解質層、１８０…絶縁層、１８２…多孔質部、１９０…ヒータ部、２１０…導入空間、２１２〜２１８…拡散抵抗体、２２０…貫通孔、２３０…検出空間、２４０…多孔質体。

Claims (3)

1. 層状をなす第１の固体電解質部と、
   一対の電極からなり、該電極のうち、一方の電極が外部から被検出ガスの導入される導入空間に面していると共に、この一対の電極間への通電によって、前記導入空間における被検出ガスに含まれる酸素を、該導入空間から前記第１の固体電解質部を介して他方の電極側へ排出可能なポンプセルと、
   該ポンプセルを構成する前記第１の固体電解質部と同一層または該第１の固体電解質部に積層された層である第２の固体電解質部と、
   一対の電極からなり、該電極のうち、一方の電極が前記導入空間につながる検出空間に面していると共に、この一対の電極間の通電状態に基づいて、前記検出空間における被検出ガスに含まれる特定成分の濃度を検出可能なセンサセルと、
   前記第１の固体電解質部および前記第２の固体電解質部に積層される層状のセラミック基体に、発熱パターンとその両端に接続されてなる一対のリードパターンとで構成されたヒータパターンが埋設されてなり、前記発熱パターンが、各部の積層方向と交差する面において前記検出空間と重なる領域を避けて形成されているヒータ部と、を有している
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記ヒータ部は、各部の積層方向と交差する面において前記検出空間および前記センサセルと重なる領域を避けて前記発熱パターンが形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 少なくとも前記ポンプセルおよび前記センサセルそれぞれの一部が、各部の積層方向と交差する面において重ならない位置関係となるように配置されており、
   前記ヒータ部における前記発熱パターンは、各部の積層方向と交差する面における前記ヒータ部の発熱領域が、前記導入空間に面するポンプセルの電極を中心に分布する位置関係となるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。

Images