JP2016020894A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータによるポンプセル及びセンサセルの適切な温度制御を可能にするガスセンサを提供すること。
【解決手段】センサ素子及びヒータが積層されたセンサ構造体は、保持体から先端側に突出するセンサ突出部を有している。センサ素子は、固体電解質体、被測定ガス空間、基準ガス空間、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えている。ヒータの発熱部の全体は、センサ突出部に配置されている。センサ突出部が保持体から突出する長手方向における、発熱部が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部の長さＨ（ｍｍ）は、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋６８．６の各関係ラインＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４によって囲まれる範囲内にある。
【選択図】図６

Description

本発明は、排気ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサに関する。

ガスセンサは、内燃機関の排気管に配置され、排気管を流れる排気ガス中の特定ガス濃度を検出するために用いられる。ガスセンサにおいては、センサ素子にヒータが積層されたセンサ構造体を保持体に保持し、センサ構造体の先端部を保持体から突出させ、この先端部が被測定ガスに晒されるようにしている。ヒータは、固体電解質体及びこれに設けられた電極を、センサ活性を有する温度に加熱するために、セラミック基板に、通電によって発熱する導体層を設けて形成されている。また、センサ素子には、被測定ガスとしての排気ガスの酸素濃度を調整するポンプセル、ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の被測定ガスの特定ガス濃度を検出するためのセンサセル等が形成されている。
例えば、特許文献１に開示されたガスセンサ素子は、通電により発熱する発熱体を備えたヒータ部を有している。特許文献１においては、ヒータ抵抗とヒータ電力との関係がヒータ制御関数を満たすように、ヒータ電圧を調整して、ガスセンサ素子の温度を制御することが開示されている。

特開２００３−６５９９９号公報

特許文献１等においては、ガスセンサ素子（センサ素子）の温度を制御することを目的としている。ポンプセル及びセンサセルに必要な機能はそれぞれ異なり、それらを構成する電極の材料が互いに異なる。これにより、ポンプセル及びセンサセルを制御する最適温度(電極の活性温度)がそれぞれ異なる。そのため、ポンプセル、センサセル等の複数のセルを最適温度に制御するためには、センサ素子の構造的な配置関係も重要である。具体的には、ヒータの導体層における発熱部が形成された領域の長さと、センサ構造体の先端部が保持体から突出する長さとの関係が重要であることがわかった。すなわち、ヒータによって加熱されるセンサ構造体の熱は、センサ構造体よりも温度が低い保持体へと逃げており、センサ構造体の先端部が保持体から突出する長さを適切にしなければ、ポンプセル及びセンサセルの温度を適切に制御できないことがわかった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、ヒータによるポンプセル及びセンサセルの適切な温度制御を可能にするガスセンサを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、センサ素子及びヒータが積層されたセンサ構造体と、該センサ構造体を保持する保持体とを有し、該保持体から先端側に突出する、上記センサ構造体におけるセンサ突出部が被測定ガスに晒されるよう構成されたガスセンサにおいて、
上記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
該固体電解質体の一方の表面側に形成され、被測定ガスとしての上記排気ガスが拡散抵抗体を通過して導入される被測定ガス空間と、
上記固体電解質体の他方の表面側に形成され、基準ガスが導入される基準ガス空間と、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面に設けられたポンプ電極を有し、該ポンプ電極と上記固体電解質体の上記基準ガス空間側の表面に設けられた基準電極との間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間における酸素濃度を調整するポンプセルと、
上記固体電解質体の上記被測定ガス空間側の表面であって、上記ポンプ電極の配置位置よりも基端側に設けられたセンサ電極を有し、該センサ電極と上記基準電極との間に流れる酸素イオン電流を測定するセンサセルと、を備えており、
上記ヒータは、通電によって発熱する発熱部と、該発熱部の一対の端部に繋がる一対のリード部とを備えており、
上記発熱部の全体は、上記センサ突出部に配置されており、
上記発熱部の発熱中心は、上記センサ電極の中心よりも先端側に位置しており、
上記センサ突出部の先端から上記発熱部の基端までの距離をＤとしたとき、上記センサ突出部の先端から上記センサ電極の中心までの距離Ｅは、Ｅ＝０．７〜１．３Ｄの範囲内にあり、上記センサ突出部の先端から上記ポンプ電極の中心までの距離Ｆは、Ｆ＝０．３〜０．７Ｄの範囲内にあり、
上記センサ突出部が上記保持体から突出する長手方向における、上記発熱部が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）及び上記センサ突出部の長さＨ（ｍｍ）は、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋６８．６の各関係ラインによって囲まれる範囲内にあることを特徴とするガスセンサにある。

上記ガスセンサにおいては、センサ突出部が保持体から突出する方向における、発熱部が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部の長さＨ（ｍｍ）の適切な範囲を規定している。
具体的には、発熱部が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部の長さＨ（ｍｍ）は、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋６８．６の各ラインによって囲まれる範囲内にある。これにより、ヒータによって固体電解質体、ポンプ電極、センサ電極、基準電極の各電極を加熱する際に、ポンプセルの温度を７４０℃以上の適切な範囲内に保ち、センサセルの温度を６５０〜８３０℃の適切な範囲内に保つことができる。なお、ここでいうポンプセルの温度とは、被測定ガス空間内のポンプ電極の温度のことをいい、ここでいうセンサセルの温度とは、被測定ガス空間内のセンサ電極の温度のことをいう。
それ故、上記ガスセンサによれば、ヒータによるポンプセル及びセンサセルの適切な温度制御が可能になる。

なお、ポンプセルの温度が７４０℃未満になると、ポンプセルが酸素を十分に排出することができず、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度が悪化する。また、センサセルの温度が８３０℃を超えると、センサセルが被測定ガス中の水分を検知して、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度が悪化する。

実施例にかかる、ガスセンサのセンサ構造体におけるセンサ突出部を示す断面図。 実施例にかかる、センサ突出部を示す図で、図１におけるI−I線矢視断面図。 実施例にかかる、ガスセンサを示す説明図。 実施例にかかる、ガスセンサの全体を示す説明図。 実施例にかかる、発熱部が形成された範囲の長さＬとセンサ電極の温度との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、発熱部が形成された範囲の長さＬとセンサ突出部の長さＨとの関係を示すグラフ。 実施例にかかる、保持体の直径とポンプ電極の温度の違いとの関係を示すグラフ。 実施例にかかる、ポンプ電極の温度とセンサセルのオフセット電流との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、ポンプ電極の温度とセンサセルの酸素イオン電流との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、センサ電極の温度とセンサセルの検出誤差との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、センサ電極の温度とセンサセルのオフセット電流との関係を示すグラフ。 実施例にかかる、発熱部が形成された範囲の長さＬとセンサ突出部の長さＨとの関係を示すグラフ。

上述したガスセンサにおける好ましい実施の形態について説明する。
上記ガスセンサは、上記ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の残留酸素濃度を測定するモニタセルを備えていてもよい。モニタセルは、上記固体電解質体の被測定ガス空間側の表面であって、上記センサ電極に対して上記長手方向に直交する幅方向に並んで設けられたモニタ電極を有しており、モニタ電極と上記基準電極との間に流れる酸素イオン電流を測定するよう構成することができる。

上記距離Ｅが０．７Ｄ未満になると、上記発熱部が形成された範囲の長さが長くなり過ぎて、上記ヒータによって上記センサ素子を加熱する効率が低下する。一方、上記距離Ｅが１．３Ｄ超過になると、上記発熱部が形成された範囲の長さが短くなり過ぎて、上記センサ電極の温度を適切に制御できなくなる。
上記距離Ｆが０．３Ｄ未満になると、上記ヒータによって上記センサ素子を加熱する効率が低下する。一方、上記距離Ｆが０．７Ｄ超過になると、上記ポンプ電極の温度を適切に制御できなくなる。

以下に、ガスセンサにかかる実施例について、図１〜図１２を参照して説明する。
本例のガスセンサ１は、図１、図４に示すように、センサ素子１１及びヒータ６が積層されたセンサ構造体１０と、センサ構造体１０を保持する保持体１２とを有している。センサ構造体１０の長手方向Ｍにおける先端部は、保持体１２から先端側に突出するセンサ突出部１００を形成している。センサ突出部１００は、被測定ガスＧに晒される部分である。

センサ素子１１は、図２、図３に示すように、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２、被測定ガス空間５１、基準ガス空間５２、ポンプセル４１、モニタセル４２及びセンサセル４３を備えている。被測定ガス空間５１は、固体電解質体２の一方の表面側において、被測定ガスＧとしての排気ガスが拡散抵抗体３２を通過して導入される空間として形成されている。基準ガス空間５２は、固体電解質体２の他方の表面側において、基準ガスＡが導入される空間として形成されている。ポンプセル４１は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１に設けられたポンプ電極２１を有している。ポンプセル４１は、ポンプ電極２１と、固体電解質体２の基準ガス空間５２側の表面２０２に設けられた基準電極２５との間に電圧を印加して、被測定ガス空間５１における酸素濃度を調整するよう構成されている。

モニタセル４２は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１であって、センサ電極２３に対して長手方向Ｍに直交する幅方向に並んで設けられたモニタ電極２２を有している。モニタセル４２は、モニタ電極２２と基準電極２５との間に流れる酸素イオン電流を測定し、ポンプセル４１によって酸素濃度が調整された後の残留酸素濃度を測定するよう構成されている。センサセル４３は、固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１であって、ポンプ電極２１の配置位置よりも基端側に設けられたセンサ電極２３を有している。センサセル４３は、センサ電極２３と基準電極２５との間に流れる酸素イオン電流を測定し、この酸素イオン電流と、モニタセル４２における酸素イオン電流との差分に基づいて、特定ガス濃度を測定するよう構成されている。

図１に示すように、ヒータ６は、通電によって発熱する発熱部６２と、発熱部６２の一対の端部６２２に繋がる一対のリード部６３とを備えている。発熱部６２の全体は、センサ突出部１００に配置されている。発熱部６２の発熱中心６０１は、センサ電極２３の中心２３１よりも長手方向Ｍの先端側に位置している。センサ突出部１００の先端１０１から、発熱部６２の基端６２１までの距離をＤとしたとき、センサ突出部１００の先端１０１からセンサ電極２３の中心２３１までの距離Ｅは、Ｅ＝０．７〜１．３Ｄの範囲内にある。センサ突出部１００の先端１０１からポンプ電極２１の中心２１１までの距離Ｆは、Ｆ＝０．３〜０．７Ｄの範囲内にある。

図６に示すように、センサ突出部１００が保持体１２から突出する長手方向Ｍにおける、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）は、Ｈ＝Ｌの関係ラインＸ１、Ｈ＝２０の関係ラインＸ２、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．７１の関係ラインＸ３、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋６８．６の関係ラインＸ４によって囲まれる範囲内にある。ここで、発熱部６２の基端６２１は、発熱部６２が一対のリード部６３に繋がる境界位置のことをいう。また、センサ電極２３の中心２３１とは、センサ電極２３を平面視したときの図心のことをいう。また、ポンプ電極２１の中心２１１とは、ポンプ電極２１を平面視したときの図心のことをいう。

以下に、本例のガスセンサについてさらに詳説する。
本例のガスセンサ１は、図４に示すように、センサ構造体１０のセンサ突出部１００を収容するカバー１３を有しており、カバー１３に設けられた貫通孔１３１から、センサ構造体１０のセンサ突出部１００に、被測定ガスＧとしての排気ガスを導入するよう構成されている。ガスセンサ１は、自動車の排気管内に配置されて使用される。被測定ガスＧは排気管を通過する排気ガスであり、ガスセンサ１は、排気ガス中の特定ガスとしてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するために用いられる。
保持体１２は、センサ構造体１０をガスセンサ１のハウジング１４に保持するための絶縁碍子から構成されている。センサ構造体１０の長手方向Ｍにおける基端側部分は、保持体１２の内部に埋設されている。

図２、図３に示すように、ポンプ電極２１、モニタ電極２２、センサ電極２３及び基準電極２５は、１つの固体電解質体２に対して設けられている。固体電解質体２の被測定ガス空間５１側の表面２０１には、絶縁性の第１スペーサ３１１を介して被測定ガス空間５１を形成するための絶縁体３１が積層されている。固体電解質体２の基準ガス空間５２側の表面２０２には、絶縁性の第２スペーサ３３を介して固体電解質体２を加熱するためのヒータ６が積層されている。

ヒータ６における発熱部６２及び一対のリード部６３は、絶縁性を有する一対のセラミック基板６１の間に挟持されている。図１に示すように、発熱部６２は、センサ構造体１０の長手方向Ｍに蛇行する形状を有している。発熱部６２の断面積は、各リード部６３の断面積よりも小さい。この断面積は、発熱部６２及びリード部６３において電流が流れる方向に直交する方向の断面積として表される。発熱部６２の断面積は、発熱部６２が蛇行して形成される全長においてほぼ一定である。一対のリード部６３に通電を行う際には、発熱部６２が発熱してジュール熱を発生させる。発熱部６２の発熱中心６０１は、発熱部６２及びセンサ素子１１の幅方向の中心位置であって、発熱部６２の長手方向Ｍの略中心位置にある。
また、発熱部６２とリード部６３とは、セラミック基板６１に別々に印刷されて形成される
。そのため、発熱部６２とリード部６３とは、一部が重なりあう。

図２に示すように、センサ構造体１０は、長尺形状を有しており、長手方向Ｍの一方側としての先端側から被測定ガスＧを導入するよう構成されている。拡散抵抗体３２は、第１スペーサ３１１における長手方向Ｍの一方側端部に形成された被測定ガスＧの導入口３１２に埋設されている。拡散抵抗体３２は、ガスを透過させる性質を有する多孔質体によって構成されており、被測定ガスＧが所定の拡散速度で被測定ガス空間５１に導入されるようにする。センサ素子１１における被測定ガスＧの流れ方向Ｎは、長手方向Ｍの一方側から他方側に向けた方向となる。

ポンプセル４１は、ポンプ電極２１と基準電極２５との間に電圧を印加するための電圧印加手段を有している。モニタセル４２は、モニタ電極２２と基準電極２５との間に流れる電流を測定するための電流測定手段を有している。センサセル４３は、センサ電極２３と基準電極２５との間に流れる電流を測定するための電流測定手段を有している。

図２、図３に示すように、固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアの基板である。本例の基準電極２５は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３に対して、固体電解質体２の厚み方向に重なる位置において、これらの電極２１，２２，２３に共通して設けられている。基準電極２５は、ポンプ電極２１、モニタ電極２２及びセンサ電極２３のそれぞれに対して分離して設けることもできる。

ポンプ電極２１は、酸素分解性能を有する材料としてのＰｔ−Ａｕ合金を用いて構成されており、モニタ電極２２及び基準電極２５は、酸素分解性能を有する材料としてのＰｔを用いて構成されている。また、センサ電極２３は、ＮＯｘ分解性能を有する材料としてのＰｔ−Ｒｈ合金を用いて構成されている。また、各電極２１，２２，２３，２５には、固体電解質体２との共材としてのジルコニアを含有している。
ポンプ電極２１におけるＰｔ−Ａｕ合金中のＡｕの含有量は、２０質量％以下とすることができる。センサ電極２３におけるＰｔ−Ｒｈ合金中のＲｈの含有量は、８０質量％以下とすることができる。

また、図１に示すように、保持体１２における、センサ構造体１０を保持する部分は、直径φｄがφ５〜１２ｍｍである円柱形状に形成されている。保持体１２における、センサ構造体１０を保持する部分の直径φｄは、センサ構造体１０の幅との関係で決定することができる。
図７には、保持体１２の直径φｄ（ｍｍ）と、センサ素子１１におけるポンプ電極２１の温度（平均温度）の違い（℃）との関係を示す。ポンプ電極２１の温度の違いは、保持体１２の直径φｄがφ７．５ｍｍであるときのポンプ電極２１の温度を基準温度として０（℃）で表すとともに、保持体１２の直径φｄがφ７．５ｍｍから変化したときのポンプ電極２１の温度から、基準温度を差し引いた温度差（℃）として表す。

同図から分かるように、保持体１２の直径φｄがφ５〜１２ｍｍである範囲においては、ポンプ電極２１の温度に大きな変化は生じなかった。これに対し、保持体１２の直径φｄがφ１２ｍｍよりも大きくなる場合には、センサ構造体１０から保持体１２への熱引け（伝熱）が多くなって、ポンプ電極２１の温度が低下する。一方、保持体１２の直径φｄがφ５ｍｍよりも小さくなる場合には、センサ構造体１０から保持体１２への熱引け（伝熱）が少なくなって、ポンプ電極２１の温度が上昇する。

以上の結果より、保持体１２の直径φｄがφ５〜１２ｍｍの範囲内にあることにより、保持体１２のサイズがポンプ電極２１の温度に与える影響を小さくすることができる。なお、同図の特性は、ポンプ電極２１以外のセンサ電極２３等においても同様に見られる。従って、保持体１２の直径φｄがφ５〜１２ｍｍの範囲内にあることにより、保持体１２のサイズがポンプセル４１及びセンサセル４３の温度に与える影響を小さくすることができる。

本例のガスセンサ１は、ヒータ６によってセンサ素子１１を加熱する際に、ポンプ電極２１の温度を７４０〜９２０℃の範囲内に保ち、センサ電極２３の温度を６５０〜８３０℃の範囲内に保つよう構成されている。ポンプ電極２１の温度及びセンサ電極２３の温度は、ヒータ６の温度によって決定される。ポンプ電極２１の温度を７４０〜９２０℃の範囲内に保ち、センサ電極２３の温度を６５０〜８３０℃の範囲内に保つために、ヒータ６の温度は、７１０〜８９０℃とすることができる。

ポンプ電極２１の中心２１１からヒータ６の発熱中心６０１までの距離は、センサ電極２３の中心２３１からヒータ６の発熱中心６０１までの距離よりも短い。また、モニタ電極２２の中心２２１からヒータ６の発熱中心６０１までの距離は、センサ電極２３の中心２３１からヒータ６の発熱中心６０１までの距離とほぼ等しい。そして、ポンプ電極２１は、モニタ電極２２及びセンサ電極２３よりも高い温度に加熱される。
なお、ポンプ電極２１、固体電解質体２及び基準電極２５によって構成されるポンプセル４１の温度はポンプ電極２１の温度に等しいとする。また、モニタセル４２及びセンサセル４３についても同様に、それぞれモニタ電極２２又はセンサ電極２３の温度に等しいとする。

図８には、ポンプ電極２１の温度（℃）と、センサセル４３に流れるオフセット電流（μＡ）との関係を示す。センサセル４３に流れるオフセット電流は、被測定ガス空間５１内のＮＯｘ濃度がゼロであるにも拘らず、センサセル４３に流れる酸素イオン電流のことをいう。
同図において、ポンプ電極２１の温度が７４０℃よりも低下していくと、センサセル４３におけるオフセット電流が増加していくことが分かる。この理由は、ポンプ電極２１の温度が低下すると、ポンプセル４１が酸素を十分に排出することができず、被測定ガス空間５１内の残存酸素が増加したためである。

図９には、ポンプ電極２１の温度（℃）と、センサセル４３において、所定濃度のＮＯｘを検出する際に流れる酸素イオン電流（μＡ）との関係を示す。
同図において、ポンプ電極２１の温度が９２０℃よりも上昇していくと、センサセル４３における酸素イオン電流が減少することが分かる。この理由は、ポンプ電極２１の温度が上昇すると、ポンプセル４１においてＮＯｘが分解され、被測定ガス空間５１内のＮＯｘが減少したためである。

従って、ポンプ電極２１の温度を７４０〜９２０℃の範囲内に維持することにより、ガスセンサ１によるＮＯｘ濃度の検出精度を高く維持できることが分かった。さらに、後述するように、センサ電極２３におけるＡｕの被毒を生じさせないためには、ポンプ電極２１の温度は７４０〜８５０℃の範囲内に維持することが好ましいことが分かった。

図１０には、センサ電極２３の温度（℃）と、センサセル４３によるＮＯｘ濃度の検出誤差（ｐｐｍ）との関係を示す。
同図において、センサ電極２３の温度が６５０〜７６０℃の範囲内にある場合には、センサセル４３によるＮＯｘ濃度の検出精度にほとんど誤差は生じていないことが分かる。これに対し、センサ電極２３の温度が７６０℃よりも上昇していくと、ポンプ電極２３を構成するＰｔ−Ａｕ合金中のＡｕが飛散して、センサ電極２３を被毒することにより、センサセル４３におけるＮＯｘ活性が低下し、ＮＯｘ濃度の検出誤差が大きくなる。一方、センサ電極２３の温度が６５０℃よりも低下していくと、センサセル４３がＮＯｘ活性を示す温度に加熱されず、ＮＯｘ濃度の検出誤差が大きくなる。

図１１には、センサ電極２３の温度（℃）と、センサセル４３に流れるオフセット電流（μＡ）との関係を示す。センサセル４３に流れるオフセット電流は、被測定ガス空間５１内のＮＯｘ濃度がゼロであるにも拘らず、センサセル４３に流れる酸素イオン電流のことをいう。
同図において、センサ電極２３の温度が８３０℃よりも上昇していくと、センサセル４３におけるオフセット電流が増加していくことが分かる。この理由は、センサ電極２３の温度が上昇すると、センサセル４３において被測定ガス空間５１内の水分が分解されたためである。

従って、センサ電極２３の温度を６５０〜８３０℃の範囲内に維持することにより、ガスセンサ１によるＮＯｘ濃度の検出精度を高く維持できることが分かる。さらに、センサ電極２３におけるＡｕの被毒を生じさせないためには、センサ電極２３の温度は６５０〜７６０℃の範囲内に維持することが好ましいことが分かる。

ガスセンサ１における発熱部６２とセンサ突出部１００との長さ関係は、次のようにして求めた関係式によって決定される。
図６に示すように、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）は、Ｌ≦Ｈ≦２０の関係式を満たすよう決定される。Ｌ≦Ｈの関係式Ｘ１は、発熱部６２の全体がセンサ突出部１００に配置されている構成から導き出される関係式である。つまり、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）の全体は、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）以下となる。
また、Ｈ≦２０の関係式Ｘ２は、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が長すぎると、このセンサ突出部１００が折れる可能性が高くなることより、センサ突出部１００が折れないための条件となる。

Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．７１の関係式Ｘ３、及びＨ＝−４．２４Ｌ＋６８．６の関係式Ｘ４は、次のようにして求めた。
まず、図５に示すように、ポンプ電極２１の温度を７４０℃としたときの、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）とセンサ電極２３の温度Ｔ（℃）との関係を求めた。また、この関係は、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）を１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍと変化させて求めた。これにより、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍの各場合について直線回帰を行い、各関係直線Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３を求めた。

その結果、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）とセンサ電極２３の温度Ｔ（℃）とは比例関係にあり、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）が長くなるほど、センサ電極２３の温度Ｔ（℃）が高くなった。この結果は単純に、発熱部６２が長くなれば、その発熱量が多くなったことに基づく。また、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）を長くするほど、センサ電極２３の温度が高くなった。この結果は、センサ突出部１００の長さＨが長くなれば、センサ構造体１０から保持体１２への熱引け（伝熱）が少なくなることに基づく。

そして、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍの各場合について、センサ電極２３の温度が６５０℃となるときの、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）を上記各関係直線Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３に代入し、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．１７の関係式Ｘ３を求めた。また、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍの各場合について、センサ電極２３の温度が８３０℃となるときの、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）を上記各関係直線Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３に代入し、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋６８．６の関係式Ｘ４を求めた。

こうして、ガスセンサ１における発熱部６２とセンサ突出部１００との関係として、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）との関係は、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋６８．６の各関係ラインＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４として求められる。そして、この各関係ラインＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４によって囲まれる範囲内において、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）とを決定することにより、ポンプ電極２１の温度を７４０℃以上の適切な範囲内に保ち、センサ電極２３の温度を６５０〜８３０℃の適切な範囲内に保つことができる。

なお、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）との位置関係が、関係ラインＸ３よりも左側の領域にあると、センサセル４３の温度を６５０℃以上に保つことができなくなる。また、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）との位置関係が、関係ラインＸ４よりも右側の領域にあると、センサセル４３の温度を８３０℃以下に保つことができなくなる。

また、ヒータ６による加熱を行う際に、ポンプ電極２１の温度とセンサ電極２３の温度とは、ヒータ６の加熱量に比例して、ともに上昇する。ポンプ電極２１の温度はセンサセル４３の温度に比例する。具体的には、センサ電極２３が６５０℃になるときのポンプ電極２１の温度は約７４０℃であり、センサ電極２３の温度が８３０℃になるときのポンプ電極２１の温度は約９２０℃である。
そのため、センサ電極２３の温度が６５０〜８３０℃の範囲内になるよう、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）とセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）とを決定すれば、ポンプ電極２１の温度を７４０〜９２０℃の範囲内にすることができる。

それ故、本例のガスセンサ１によれば、ヒータ６によるポンプセル４１及びセンサセル４３の適切な温度制御が可能になる。

また、図１２に示すように、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）及びセンサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）は、Ｈ＝Ｌの関係ラインＸ１、Ｈ＝２０の関係ラインＸ２、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．７１の関係ラインＸ３、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋５８．５３の関係ラインＸ５によって囲まれる範囲内にあることがさらに好ましい。
Ｈ＝−４．２４Ｌ＋５８．５３の関係ラインＸ５は、関係式Ｘ３及び関係式Ｘ４と同様にして、センサ突出部１００の長さＨ（ｍｍ）が１５．３ｍｍ、１３．３ｍｍ、１１．３ｍｍの各場合について、センサ電極２３の温度が７６０℃となるときの、発熱部６２が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）を上記各関係直線Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３に代入して求めた。また、ポンプ電極２１の温度はセンサセル４３の温度に比例し、センサ電極２３が７６０℃になるときのポンプ電極２１の温度は約８５０℃である。

この場合には、ポンプ電極２１の温度を７４０〜８５０℃の適切な範囲内に保ち、センサ電極２３の温度を６５０〜７６０℃の適切な範囲内に保つことができる。そして、ポンプ電極２１を構成するＰｔ−Ａｕ合金中のＡｕが、センサ電極２３を被毒することを防止することができる。

１ ガスセンサ
１０ センサ構造体
１００ センサ突出部
１１ センサ素子
１２ 保持体
２ 固体電解質体
２１ ポンプ電極
２３ センサ電極
２５ 基準電極
３２ 拡散抵抗体
４１ ポンプセル
４３ センサセル
５１ 被測定ガス空間
５２ 基準ガス空間
６ ヒータ
６２ 発熱部
６３ リード部
Ｇ 被測定ガス
Ａ 基準ガス
Ｍ 長手方向

Claims (4)

1. センサ素子（１１）及びヒータ（６）が積層されたセンサ構造体（１０）と、該センサ構造体（１０）を保持する保持体（１２）とを有し、該保持体（１２）から先端側に突出する、上記センサ構造体（１０）におけるセンサ突出部（１００）が被測定ガス（Ｇ）に晒されるよう構成されたガスセンサ（１）において、
   上記センサ素子（１１）は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、
   該固体電解質体（２）の一方の表面側に形成され、被測定ガス（Ｇ）としての上記排気ガスが拡散抵抗体（３２）を通過して導入される被測定ガス空間（５１）と、
   上記固体電解質体（２）の他方の表面側に形成され、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス空間（５２）と、
   上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（５１）側の表面（２０１）に設けられたポンプ電極（２１）を有し、該ポンプ電極（２１）と上記固体電解質体（２）の上記基準ガス空間（５２）側の表面（２０２）に設けられた基準電極（２５）との間に電圧を印加して、上記被測定ガス空間（５１）における酸素濃度を調整するポンプセル（４１）と、
   上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス空間（５１）側の表面（２０１）であって、上記ポンプ電極（２１）の配置位置よりも基端側に設けられたセンサ電極（２３）を有し、該センサ電極（２３）と上記基準電極（２５）との間に流れる酸素イオン電流を測定するセンサセル（４３）と、を備えており、
   上記ヒータ（６）は、通電によって発熱する発熱部（６２）と、該発熱部（６２）の一対の端部（６２２）に繋がる一対のリード部（６３）とを備えており、
   上記発熱部（６２）の全体は、上記センサ突出部（１００）に配置されており、
   上記発熱部（６２）の発熱中心（６０１）は、上記センサ電極（２３）の中心（２３１）よりも先端側に位置しており、
   上記センサ突出部（１００）の先端（１０１）から上記発熱部（６２）の基端（６２１）までの距離をＤとしたとき、上記センサ突出部（１００）の先端（１０１）から上記センサ電極（２３）の中心（２３１）までの距離Ｅは、Ｅ＝０．７〜１．３Ｄの範囲内にあり、上記センサ突出部（１００）の先端（１０１）から上記ポンプ電極（２１）の中心（２１１）までの距離Ｆは、Ｆ＝０．３〜０．７Ｄの範囲内にあり、
   上記センサ突出部（１００）が上記保持体（１２）から突出する長手方向（Ｍ）における、上記発熱部（６２）が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）及び上記センサ突出部（１００）の長さＨ（ｍｍ）は、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋６８．６の各関係ライン（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４）によって囲まれる範囲内にあることを特徴とするガスセンサ（１）。
2. 上記センサ突出部（１００）が上記保持体（１２）から突出する長手方向（Ｍ）における、上記発熱部（６２）が形成された範囲の長さＬ（ｍｍ）及び上記センサ突出部（１００）の長さＨ（ｍｍ）は、Ｈ＝Ｌ、Ｈ＝２０、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋４２．７１、Ｈ＝−４．２４Ｌ＋５８．５３の各関係ライン（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ５）によって囲まれる範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ（１）。
3. 上記ポンプ電極（２１）は、Ｐｔ−Ａｕ合金を含有し、上記センサ電極（２３）は、Ｐｔ−Ｒｈ合金を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ（１）。
4. 上記保持体（１２）における、上記センサ構造体（１０）を保持する部分は、直径（φｄ）がφ５〜１２ｍｍである円柱形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。

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