JP2008151557A - ガスセンサ素子及びこれを用いたガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】耐被水性及びセンサ特性を向上させることができるガスセンサ素子及びこれを用いたガスセンサを提供すること。
【解決手段】ガスセンサ素子１は、酸素イオン導電性の固体電解質体３と、固体電解質体３の一方の表面に設けて被測定ガスＧに曝される被測定ガス側電極３１と、固体電解質体３の他方の表面に設けて基準ガスＡに曝される基準ガス側電極３２とを有している。固体電解質体３は、一端に被測定ガス導入口２０１を備えると共に他端に底部２０２を備えた有底筒形状体２の横断面方向の一部を構成している。有底筒形状体２の横断面方向の残部は、ヒータ加熱部４１を設けた絶縁性のヒータ配設体４によって構成してある。被測定ガス側電極３１は、固体電解質体３の内周面３０３に設けてあり、基準ガス側電極３２は、固体電解質体３の外周面３０４において、被測定ガス側電極３１と対向する位置に設けてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用エンジン等の内燃機関の燃焼制御等に用いることができるガスセンサ素子及びこれを用いたガスセンサに関する。

酸素濃度の変化に起因して出力を変化させることができるガスセンサは、ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等の特定ガス濃度の検出を行う際や、内燃機関の空燃比制御を行う際などに用いられる。
例えば、車両用内燃機関の排気系にガスセンサを設け、排気ガス中の酸素濃度等から空燃比を検出し、これを利用して内燃機関の燃焼制御を行うことがある（排気ガス制御フィードバックシステム）。特に、三元触媒を用いて効率よく排気ガスを浄化するためには車両用内燃機関の燃焼室において空燃比が特定の値となるように制御することが重要である。

例えば、特許文献１に開示されるように、ガスセンサには、排気ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサ素子が内蔵されている。このガスセンサ素子は、酸素イオン導電性の固体電解質体と、固体電解質体の一方の表面に設けた被測定ガス側電極と、固体電解質体の他方の表面に設けた基準ガス側電極とを有している。そして、ガスセンサ素子は、被測定ガス側電極に接触する排気ガスと、基準ガス側電極に接触する基準ガスとの酸素濃度の違いにより出力を変化させ、特定ガス濃度の検出や、空燃比の検出を行うことができる。

ところで、近年、ガスセンサにおいては早期活性能力が要求されており、ガスセンサ素子においては、特にエンジン始動時において、強力なヒータにより急速な加熱昇温が行われる。ところが、エンジン始動時においては排気管内に結露凝集した水滴群が排気ガス流によって勢いよく排出され、特に加熱昇温中のガスセンサ素子に水滴が当たることによって被水割れが発生するおそれがある。

この問題を解決するために、通常、ガスセンサは、排気ガスの状態を積極的に検知するためにガスセンサ素子を排気管の内部に深く挿入しつつ、排気ガス流の影響を緩和するためにガスセンサ素子をカバーで覆う構造となっている。そのため、カバー内への排気ガス流入量を相当量絞り込むことによって上述の水滴の進入を防止することを防止し、上記の被水割れを防いでいる。
しかしながら、ガスセンサ素子の耐被水性とセンサ特性とを両立させるためには、上記カバーのみによる工夫では十分ではなく、更なる工夫が必要とされる。

特開２０００−６５７８２号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐被水性及びセンサ特性を向上させることができるガスセンサ素子及びこれを用いたガスセンサを提供しようとするものである。

第１の発明は、酸素イオン導電性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の表面に設けて被測定ガスに曝される被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の表面に設けて基準ガスに曝される基準ガス側電極とを有するガスセンサ素子において、
上記固体電解質体は、一端に被測定ガス導入口を備えると共に他端に底部を備えた有底筒形状体の少なくとも一部を構成しており、上記被測定ガス側電極は、上記固体電解質体の内周側に設けてあり、上記基準ガス側電極は、上記固体電解質体の外周側において、上記被測定ガス側電極と対向する位置に設けてあることを特徴とするガスセンサ素子にある（請求項１）。

本発明のガスセンサ素子は、有底筒形状体の少なくとも一部を構成する固体電解質体において、内周側に被測定ガス側電極を設け、外周側であって被測定ガス側電極と対向する位置に基準ガス側電極を設けている。そして、本発明のガスセンサ素子において、被測定ガスは、有底筒形状体の内周側へ流入し、固体電解質体の内周側に設けた被測定ガス側電極に接触する。

これにより、固体電解質体の外周側に設けた被測定ガス側電極に接触する場合に比べて、被測定ガスが流れる排気管内等で結露凝集した水滴群が、ヒータ等によって加熱された被測定ガス側電極の周辺に到達、接触し難くすることができる。そのため、ガスセンサ素子が被水割れを起こしてしまうことを効果的に抑制することができる。

また、基準ガス側電極が固体電解質体における外周側に設けてあることにより、基準ガス側電極の周辺の拡散抵抗をほとんど無視することができ、特に、被測定ガスの空燃比が著しく低い場合でも、基準ガス側電極から被測定ガス側電極へと十分な量の酸素イオンを導くことができる。そのため、ガスセンサ素子のセンサ特性（特に空燃比測定範囲）を向上させることができる。

それ故、本発明によれば、ガスセンサ素子の耐被水性及びセンサ特性を向上させることができる。

第２の発明は、上記第１の発明に記載のガスセンサ素子を用いて構成したガスセンサであって、
該ガスセンサは、上記基準ガスを導入する基準ガス室を形成したハウジング内に、上記ガスセンサ素子を配設してなり、
上記有底筒形状体における上記被測定ガス導入口は、上記ハウジングの外部に開口しており、
上記被測定ガスが通過する排気管内から上記被測定ガス導入口へ当該被測定ガスを導入するよう構成したことを特徴とするガスセンサにある（請求項７）。

本発明のガスセンサは、上記第１の発明のガスセンサ素子を用いて構成したものであり、排気管内の排気ガスの空燃比を測定することができるものである。
本発明のガスセンサにおいては、被測定ガスに含まれる水滴群が、ハウジングの外部に開口する被測定ガス導入口内へ流入し難くすることができ、かつハウジング内に十分な容量の基準ガス室を形成することができる。
それ故、本発明によれば、上記第１の発明と同様に、ガスセンサ素子の耐被水性及びセンサ特性を向上させることができる。

上述した第１、第２の発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記第１の発明において、上記有底筒形状体は、その横断面方向の一部を上記固体電解質体によって形成し、その横断面方向の残部をヒータ加熱部を設けた絶縁性のヒータ配設体によって形成し、上記ヒータ加熱部は、上記固体電解質体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設けた軸方向位置に対応して設けることが好ましい（請求項２）。
この場合には、ヒータ加熱部によって、被測定ガス側電極及び基準ガス側電極を迅速に加熱することができると共に、被測定ガス中に含まれる水滴群がヒータ加熱部の周辺に到達することを効果的に抑制することができる。これにより、ガスセンサ素子においてヒータ加熱部の周辺が被水割れを起こしてしまうことを効果的に抑制することができる。

また、上記被測定ガス導入口から上記ヒータ加熱部までの最短距離は、上記被測定ガス導入口の内形における最大寸法以上であることが好ましい（請求項３）。特に、上記ヒータ加熱部は、上記有底筒形状体における上記被測定ガス導入口から１０ｍｍ以上離れた位置に設けることが好ましい（請求項４）。

これらの場合には、被測定ガス中に含まれる水滴群が、ヒータ加熱部の周辺に直接接触することを抑制することができる。また、これと同時に、被測定ガス中に含まれる水滴群は、加熱部（ヒータ加熱部によって加熱される有底筒形状体の内周側の部位）に比べて低温の非加熱部（ヒータ加熱部によってほとんど加熱されない有底筒形状体の内周側の部位）に衝突することにより、気化蒸発が促進される。そのため、加熱部周辺への水滴群の衝突による被水割れを防止することができる。
なお、上記ヒータ加熱部を被測定ガス導入口から１０ｍｍ以上離れた位置に設けるとは、被測定ガス導入口からヒータ加熱部までの最短距離が１０ｍｍ以上であることをいう。

また、上記被測定ガス側電極は、多孔質体によって覆うことが好ましい（請求項５）。
この場合には、多孔質体によって、被測定ガス中に含まれる水滴群が、被測定ガス側電極に直接接触してしまうことを抑制することができる。また、多孔質体によって、被測定ガス中に含まれる被毒物質から被測定ガス側電極を保護することができる。

また、上記有底筒形状体の内周側に形成された被測定ガス室においては、上記ヒータ加熱部近傍の部位を多孔質体によって覆うことが好ましい（請求項６）。
この場合には、被測定ガス中に含まれる水滴群が加熱部（ヒータ加熱部によって加熱される有底筒形状体の内周側の部位）に衝突した際に、多孔質体によって、水滴を吸収すると同時に蒸発を促進し被水割れを防ぐことができる。

また、上記第２の発明において、上記ガスセンサは、上記有底筒形状体における上記被測定ガス導入口を、上記排気管内に配置し、上記被測定ガス側電極及び上記基準ガス側電極を、上記排気管の外部に配置して用いるよう構成することが好ましい（請求項８）。
この場合には、有底筒形状体において被測定ガス側電極の周辺の部位に、被測定ガスから生じた水滴群が一層接触し難くすることができる。

以下に、本発明のガスセンサ素子及びこれを用いたガスセンサにかかる実施例につき、図面と共に説明する。
（実施例１）
本例のガスセンサ素子１は、図１〜図３に示すごとく、酸素イオン導電性の固体電解質体３と、固体電解質体３の一方の表面に設けて被測定ガスＧに曝される被測定ガス側電極３１と、固体電解質体３の他方の表面に設けて基準ガスＡに曝される基準ガス側電極３２とを有している。
図１、図２に示すごとく、本例の固体電解質体３は、一端に被測定ガス導入口２０１を備えると共に他端に底部２０２を備えた有底筒形状体２の横断面方向の一部を構成している。また、有底筒形状体２の横断面方向の残部は、ヒータ加熱部４１を設けた絶縁性のヒータ配設体４によって構成してある。
そして、被測定ガス側電極３１は、固体電解質体３の内周面３０３に設けてあり、基準ガス側電極３２は、固体電解質体３の外周面３０４において、被測定ガス側電極３１と対向する位置に設けてある。

以下に、本例のガスセンサ素子１及びこれを用いたガスセンサ１０につき、図１〜図４と共に詳説する。
図３に示すごとく、本例のガスセンサ素子１は、ガスセンサ１０として車両用内燃機関の排気管６に配設し、この排気管６内を通過する排気ガスを被測定ガスＧとして、排気ガスの酸素濃度及び空燃比を検出することによって、車両用内燃機関における空燃比の制御に用いる。また、本例のガスセンサ素子１は、空燃比の値を出力することができるものであり、限界電流特性を利用したＡ／Ｆセンサを構成する。

本例の固体電解質体３は、ジルコニア等を用いたセラミックスからなり、ヒータ配設体４は、アルミナ等を用いたセラミックスからなる。
また、図１、図２に示すごとく、有底筒形状体２は、固体電解質体３及びヒータ配設体４を板形状に形成し、ヒータ配設体４を所定の厚みのスペーサ等を介して固体電解質体３に積層することによって形成することができる。また、有底筒形状体２の横断面形状は、四角形状又は丸形状等の種々の形状にすることができる。また、ヒータ加熱部４１は、絶縁性のヒータシート同士の間に挟持して設けることができる。

図１に示すごとく、本例のヒータ加熱部４１は、固体電解質体３において被測定ガス側電極３１及び基準ガス側電極３２を設けた軸方向位置に対応して設けてある。また、本例のヒータ配設体４は、固体電解質体３と対向して設けてあり、本例のヒータ加熱部４１は、有底筒形状体２の被測定ガス室（中空部）２１を介して、被測定ガス側電極３１と対向する位置に設けてある。
また、本例のヒータ加熱部４１は、有底筒形状体２における被測定ガス導入口２０１から１０ｍｍ以上離れた位置（本例では、約１５ｍｍ離れた位置）に設けてある。すなわち、有底筒形状体２における被測定ガス導入口２０１からヒータ加熱部４１までの最短距離Ｘは、１０ｍｍ以上となっている。

図３に示すごとく、本例のガスセンサ１０は、基準ガスＡ（本例では大気）を導入する基準ガス室５０を形成したハウジング５内に、ガスセンサ素子１を配設してなる。ハウジング５は、当該ガスセンサ１０を排気管６に取り付けるための取付部５１１を設けた先端側ハウジング部分５１と、この先端側ハウジング部分５１に連結した後端側ハウジング部分５２とを有している。ガスセンサ素子１は、その先端側部分が、固定部材５３を介して先端側ハウジング部分５１に配設してあり、その後端側部分が、絶縁物５７を介して後端側ハウジング部分５２に配設してある。
また、後端側ハウジング部分５２には、基準ガスＡをハウジング５内に導入するための基準ガス導入口５２１が形成してある。また、有底筒形状体２における被測定ガス導入口２０１は、上記先端側ハウジング部分５１の外部に開口している。

同図に示すごとく、本例のガスセンサ１０は、有底筒形状体２における被測定ガス導入口２０１が排気管６内に位置するように、先端側ハウジング部分５１の先端部分を排気管６内に配設して用いる。また、ガスセンサ１０を排気管６に配設したときには、被測定ガス側電極３１、基準ガス側電極３２及びヒータ加熱部４１は、排気管６の外部に配置される。
また、被測定ガス側電極３１及び基準ガス側電極３２は、被測定ガス側電極３１又は基準ガス側電極３２から連続して固体電解質体３にそれぞれ形成した導体部３１１、３２１、並びにハウジング５に固定した導通金具５４及びリード線５５を介して、ガスセンサ１０の外部に導通される。

なお、先端側ハウジング部分５１の先端には、被測定ガス導入口２０１を覆うカバー５６を設けることができる。このカバー５６は、例えば、内側カバー５６１と、この内側カバー５６１を覆う外側カバー５６２との２重構造とすることができる。また、内側カバー５６１及び外側カバー５６２には、被測定ガスＧが通過する穴５６０を形成しておく。

また、図１に示すごとく、被測定ガス側電極３１は、多孔質体５８によって覆うことができる。また、有底筒形状体２の内周側におけるヒータ加熱部４１近傍の壁面は、多孔質体５９によって覆うことができる。これにより、被測定ガスＧ中に含まれる水滴群が、被測定ガス側電極３１に直接接触してしまうことを抑制することができ、また、被測定ガスＧ中に含まれる被毒物質から被測定ガス側電極３１を保護することができる。

本例のガスセンサ素子１において、被測定ガスの空燃比を測定する際には、排気管６内の被測定ガスＧは、有底筒形状体２の被測定ガス導入口２０１から有底筒形状体２の内周側（被測定ガス室２１内）へ流入する。そして、被測定ガスＧは、固体電解質体３の内周面３０３に設けた被測定ガス側電極３１に接触し、上記空燃比が検知される。
また、車両用内燃機関の始動時には、ガスセンサ素子１を早期に所定の活性温度に到達させるため、ヒータ加熱部４１を通電により発熱させ、被測定ガス側電極３１及び基準ガス側電極３２の周辺を急速に加熱する。

本例においては、被測定ガス側電極３１を有底筒形状体２の内周面３０３に設けたことにより、被測定ガスＧは、従来の固体電解質体３の外周面３０４に設けた被測定ガス側電極３１に接触する場合に比べて、排気管６内で結露凝集した水滴群が、有底筒形状体２においてヒータ加熱部４１を設けた部位よりも先端側の部位に接触、蒸発し、ヒータ加熱部４１によって加熱された部位の周辺に到達、接触し難くすることができる。そのため、ガスセンサ素子１が、ヒータ加熱部４１の周辺において被水割れを起こしてしまうことを効果的に抑制することができる。
また、被測定ガス側電極３１、基準ガス側電極３２及びヒータ加熱部４１の有底筒形状体２における加熱部位を排気管６の外部に配置したことにより、有底筒形状体２における加熱部位の周辺に、被測定ガスＧから生じた水滴群が一層接触し難くすることができる。

また、基準ガス側電極３２が固体電解質体３における外周面３０４に設けてあることにより、基準ガス側電極３２の周辺の拡散抵抗をほとんど無視することができ、特に、被測定ガスＧとしての排気ガスが燃料リッチであるときに、基準ガス側電極３２から被測定ガス側電極３１へと十分な量の酸素イオンを導くことができる。そのため、ガスセンサ素子１のセンサ特性（空燃比測定範囲）を向上させることができる。

それ故、本例によれば、ガスセンサ素子１の耐被水性及びセンサ特性を向上させることができる。

本例においては、１セルタイプのガスセンサ素子１について説明したが、これ以外にも、図４に示すごとく、ポンプセル１１及びセンサセル１２等をそれぞれ備えた２セルタイプのガスセンサ素子１Ａに適用することもできる。この場合には、固体電解質体３を内外方向に積層し、内側の固体電解質体３Ａにおいては、その内周面３０３に一方のポンプ電極１１Ａを配置すると共にその外周面３０４に他方のポンプ電極１１Ｂを配置し、外側の固体電解質体３Ｂにおいては、その内周面３０３に被測定ガス側電極３１としての一方のセンサ電極１２Ａを配置すると共に、その外周面３０４に基準ガス側電極３２としての他方のセンサ電極１２Ｂを配置することができる。

また、上記ガスセンサ素子１は、空燃比を検出するよう構成する以外にも、例えば、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の特定ガス成分の濃度を検出するよう構成することができる。また、上記ガスセンサ素子１は、空燃比及び特定ガス成分の濃度を検出する複合センサ素子とすることもできる。
また、上記被測定ガス導入口２０１の近傍には、拡散抵抗の低いトラップ層を形成することができる。この場合には、ガスセンサ素子１が被水の影響を受けることをより効果的に防止することができる。

実施例における、ガスセンサ素子を軸方向に切断して示す断面説明図。 実施例における、ガスセンサ素子を横断面方向に切断して示す断面説明図。 実施例における、ガスセンサを軸方向に切断して示す断面説明図。 実施例における、他のガスセンサ素子を軸方向に切断して示す断面説明図。

符号の説明

１ ガスセンサ素子
１０ ガスセンサ
２ 有底筒形状体
２０１ 被測定ガス導入口
２０２ 底部
３ 固体電解質体
３０３ 内周面
３０４ 外周面
３１ 被測定ガス側電極
３２ 基準ガス側電極
４ ヒータ配設体
４１ ヒータ加熱部
５ ハウジング
５０ 基準ガス室
６ 排気管
Ｇ 被測定ガス（排気ガス）
Ａ 基準ガス（大気）

Claims (8)

1. 酸素イオン導電性の固体電解質体と、該固体電解質体の一方の表面に設けて被測定ガスに曝される被測定ガス側電極と、上記固体電解質体の他方の表面に設けて基準ガスに曝される基準ガス側電極とを有するガスセンサ素子において、
   上記固体電解質体は、一端に被測定ガス導入口を備えると共に他端に底部を備えた有底筒形状体の少なくとも一部を構成しており、上記被測定ガス側電極は、上記固体電解質体の内周側に設けてあり、上記基準ガス側電極は、上記固体電解質体の外周側において、上記被測定ガス側電極と対向する位置に設けてあることを特徴とするガスセンサ素子。
2. 請求項１において、上記有底筒形状体は、その横断面方向の一部が上記固体電解質体によって形成してあると共に、その横断面方向の残部がヒータ加熱部を設けた絶縁性のヒータ配設体によって形成してあり、
   上記ヒータ加熱部は、上記固体電解質体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設けた軸方向位置に対応して設けてあることを特徴とするガスセンサ素子。
3. 請求項２において、上記被測定ガス導入口から上記ヒータ加熱部までの最短距離は、上記被測定ガス導入口の内形における最大寸法以上であることを特徴とするガスセンサ素子。
4. 請求項３において、上記ヒータ加熱部は、上記有底筒形状体における上記被測定ガス導入口から１０ｍｍ以上離れた位置に設けてあることを特徴とするガスセンサ素子。
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は、多孔質体によって覆ってあることを特徴とするガスセンサ素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記有底筒形状体の内周側に形成された被測定ガス室は、上記ヒータ加熱部近傍の部位が多孔質体によって覆ってあることを特徴とするガスセンサ素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスセンサ素子を用いて構成したガスセンサであって、
   該ガスセンサは、上記基準ガスを導入する基準ガス室を形成したハウジング内に、上記ガスセンサ素子を配設してなり、
   上記有底筒形状体における上記被測定ガス導入口は、上記ハウジングの外部に開口しており、
   上記被測定ガスが通過する排気管内から上記被測定ガス導入口へ当該被測定ガスを導入するよう構成したことを特徴とするガスセンサ。
8. 請求項７において、上記有底筒形状体における上記被測定ガス導入口は、上記排気管内に配置し、上記被測定ガス側電極及び上記基準ガス側電極は、上記排気管の外部に配置するよう構成したことを特徴とするガスセンサ。

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