JP4269765B2 - 積層型ガスセンサ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は，車両用内燃機関の燃焼制御等に用いることができる積層型ガスセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
車両用エンジンの排気系にＡ／Ｆセンサを設け，排気ガス中の酸素濃度等からＡ／Ｆを検出し，該Ａ／Ｆを利用してエンジン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エンジンの燃焼室においてＡ／Ｆが特定の値となるようにエンジンの燃焼状態を制御することが重要である。
Ａ／Ｆセンサが内蔵する積層型のＡ／Ｆセンサ素子として，拡散抵抗部を経由して素子外部から被測定ガスを導入する被測定ガス室と，酸素イオン導電性の固体電解質板に上記被測定ガス室において被測定ガスと接触するよう設けた被測定ガス側電極と，上記固体電解質板に設けた基準電極とからなる構成が知られている。
上記構成において，固体電解質板と被測定ガス側電極と基準電極とにより電気化学セルが構成され，該電気化学セルが被測定ガス室内の酸素濃度に対する検出セルとして機能する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−６５７８２号公報
【０００４】
【解決しようとする課題】
近年，排気ガス制御フィードバックシステムに用いるＡ／Ｆセンサ素子に，早期活性及び高検出精度等の性能が必要となってきた。
特に早期活性については，排出ガス規制の規制対象であり，エンジン冷始動初期に大量に排出されるハイドロカーボン（以下ＨＣと記載）の低減のために今後ますます重要となってくることが考えられる。
Ａ／Ｆセンサ素子を早期活性させるためにはＡ／Ｆセンサ素子自身の熱容量の低減，即ちＡ／Ｆセンサ素子の体格小型化及び過渡活性時における素子加熱のエネルギー量の増加が有効である。
しかしながら，早期活性のための急激な温度上昇はＡ／Ｆセンサ素子の出力特性への様々な影響が懸念される。
【０００５】
上記構成のＡ／Ｆセンサ素子において，出力は拡散抵抗部を利用した限界電流等（１セル方式においては限界電流，２セル方式においてはポンプ電流等）を利用する。拡散抵抗部を通して排気ガスをＡ／Ｆセンサ素子内部の被測定ガス室に導入し，該被測定ガス室において被測定ガスは被測定ガス側電極と接触し，これによってセンサ出力が発現する。
ところでＡ／Ｆセンサ素子は所定の活性温度に加熱してやらねばセンサ出力を発現することができない。以下，Ａ／Ｆセンサ素子が活性温度に達するまでの期間を過渡活性時と記載する。
【０００６】
過渡活性時に被測定ガス室内の残留ガスは急激に加熱されて膨張する一方で，拡散抵抗部によって残留ガスの被測定ガス室から素子外部への排出は大いに妨げられる。
この状態でＡ／Ｆセンサ素子が活性温度に到達し，活性状態となった場合，Ａ／Ｆセンサ素子の被測定ガス室は一時的に素子外部の排気ガスを取り込むことが出来ずに，被測定ガス室内に既に存在する残留ガスの状態に基づいたＡ／Ｆを出力してしまう。従って，車両用エンジンから排出された排気ガスに基づいたＡ／Ｆを出力できずに，異常出力を発現するという現象が懸念される。
【０００７】
Ａ／Ｆの出力と時間経過との関係として，大気中に放置されたセンサにおける例を概略的に図１４に記載した。
時間０でエンジンを冷始動する。排気系に設置されたＡ／Ｆセンサ素子は温度が低い間は出力がでない。ある程度時間が経過すると素子が温まり出力が発現しはじめる。しかし上述した残留ガスの影響で本来ならば破線で示すような状態の出力となるべきところが，実線で示すような異常出力が発現する。
【０００８】
エンジン停止時，即ちＡ／Ｆセンサ素子不活性時（常温時）は，Ａ／Ｆセンサ近辺に排気管外部から進入した大気が存在していると考えられる。よって，被測定ガス室内の残留ガスは実質大気と同様の酸素濃度になっていると考えられる。従って，上記異常出力はエンジン内のＡ／Ｆよりもリーンな値を発現することが多い。
Ａ／Ｆセンサ素子が活性温度に達し，昇温の停止に伴う被測定ガス室内部における残留ガスの膨張の停止，及びＡ／Ｆセンサ素子自身のガスポンピング等によって被測定ガス室内の残留ガスと素子外部の排気ガスとが置換されることから，図１４に示すごとく，上記異常出力は緩和され，時間の経過と共に改善の方向に向かう。
しかしながら，上記異常出力は正常なＡ／Ｆ出力の発現を遅らせることから早期活性において大きな問題となることが考えられる。
【０００９】
従来，このような残留ガスによる異常出力発現防止対策が提案されている。
まず，拡散抵抗部の拡散抵抗を小さくすることで，被測定ガス室内の残留ガスを速やかに排出することが可能である。しかしながら，拡散抵抗を小さくした場合，異常出力の抑制と共に限界電流出力が発現し難くなるため，Ａ／Ｆセンサ素子出力精度が著しく低下してしまうおそれがある。
また，被測定ガスに何らかの変化，特に被測定ガス圧力が変動する際に（車両用エンジンシステムにおいて排気ガス圧は比較的大きな幅で変動する），拡散抵抗が小さいとガス圧力変動に伴う出力の不安定化（脈動等）が予想される。
【００１０】
また，Ａ／Ｆセンサ素子を素子活性温度に加熱する際の昇温速度を低速化し，素子活性到達までに被測定ガス室内の残留ガス排出が十分実現できるレベルで加熱することで異常出力を防ぐことができる。しかしながら，早期活性が低下するため好ましくない。
このような問題は，Ａ／Ｆセンサ素子以外のガスセンサ素子で，被測定ガス室に拡散抵抗部を通じて被測定ガスを導入する形式の素子で早期活性や高精度検出を両立させたいタイプの素子においても発生する。
【００１１】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，過渡活性時に異常出力が発現し難く，早期活性を有する積層型ガスセンサ素子を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題の解決手段】
第１の発明は，拡散抵抗部を経由して素子外部から被測定ガスを導入する被測定ガス室と，酸素イオン導電性の固体電解質板に上記被測定ガス室において被測定ガスと接触するよう設けた被測定ガス側電極と，該被測定ガス側電極と一対となって電気化学セルを形成するよう上記固体電解質板に設けた基準電極とを有するガスセンサ素子において，
上記被測定ガス室へ被測定ガスを導入する上記拡散抵抗部は１枚であり，
また，上記被測定ガス室の容積Ｖｃは０．１５ｍｍ3以下であり，
かつ上記被測定ガス室の積層方向に沿った最大高さｈは５〜１８μｍであることを特徴とする積層型ガスセンサ素子にある（請求項１）。
【００１３】
積層型ガスセンサ素子の異常出力は，従来技術に記載したように，過渡活性時の急速加熱に伴う被測定ガス室内残留ガスの膨張が拡散抵抗部によって妨げられ，外部から新鮮な被測定ガスが被測定ガス室に入り難い状態にあることが原因である。
そこで，本発明では，被測定ガス側電極が対面する被測定ガス室の容積Ｖｃを０．１５ｍｍ3以下として，残留ガス量を減らして，拡散抵抗部の拡散抵抗を従来のままとして，積層型ガスセンサ素子の活性が完了する前に被測定ガス室内の残留ガスを排出完了できるように構成する。
従って，本発明によれば，過渡活性時に異常出力が発現し難く，早期活性を有する積層型ガスセンサ素子を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は，拡散抵抗部を通じて被測定ガス室に被測定ガスを導入する構成の積層型ガスセンサ素子全般に対して適用できる。
後述する実施例１に示すような単純なヒータ一体型の１セル方式の素子の他，実施例７に示すような２セル方式の素子や実施例８の２セルでヒータ別体型の素子について，本発明を適用することができる。
Ａ／Ｆや酸素濃度以外のガス濃度を測定するセルを備えた複合ガスセンサ素子で，拡散抵抗部を通じて被測定ガスを被測定ガス室に導入する方式の積層型ガスセンサ素子に本発明を適用することもできる。
【００１５】
本発明にかかる拡散抵抗部は，被測定ガス室と素子外部との間に設けた気体の拡散を阻害するよう構成された１枚の部材であり，被測定ガス室は拡散抵抗部を通じて素子外部から被測定ガスを取り入れるよう構成する。
上記拡散抵抗部は，ポーラスな多孔質層で構成する場合，小径のピンホールで構成する場合等がある。またピンホールを設け，該ピンホールに多孔質材料を充填する構成もある。また，素子外部と通じる通路を設けて，該通路から被測定ガス室に向かう空間に多孔質材料を配置して拡散抵抗部を構成することもできる。
【００１６】
また，拡散抵抗部を通じて被測定ガス室に被測定ガスを導入するよう構成したガスセンサ素子は限界電流式の素子として機能する。
すなわち，固体電解質板に一対の電極を設けて一方の電極を被測定ガス室にさらし，他方を基準電極として用いて通電した場合を考える。
被測定ガス室に対する被測定ガスの出入りが拡散抵抗部を通じて行われていない場合は，電圧の上昇に応じて両電極間を流れる電流も増大する。
拡散抵抗部を設けた場合は，電圧が上昇しても電流が増大しないフラット域が特定の電圧範囲において発現する。このフラット域における電流値（限界電流値）が被測定ガス室内の酸素濃度に対応するため，被測定ガス室のガス（酸素）濃度を検出することができる。
【００１７】
本発明における被測定ガス室の容積Ｖｃは被測定ガス室と対面する被測定ガス側電極を除いた正味の容積である。更に，被測定ガス室に対する拡散抵抗部が，例えばピンホール等の空間からなる場合は，ピンホールを含まない正味の被測定ガス室の容積がＶｃとなる。
そして，Ｖｃが０．１５ｍｍ3以上である場合は，活性完了までに被測定ガス室から残留ガスが十分に排出されないため，図１４に示すような異常出力が発現するおそれがある。この異常出力は，被測定ガス室から残留ガスの排出が完了し，被測定ガス室の内部が外部から新規に導入した被測定ガスで占められ，定常となるまで継続する。
【００１８】
また，本発明では，上記ガスセンサ素子は，上記被測定ガス室において，被測定ガスと接触すると共に被測定ガス中の酸素をポンピング可能なポンピング電極を有し，
上記ポンピング電極の上記被測定ガス室に対する露出面積をＳｐ，被測定ガス室の容積をＶｃとすると，Ｖｃ／Ｓｐ＜０．０２ｍｍであることが好ましい（請求項３）。
【００１９】
固体電解質板に設けた一対の電極からなる電気化学セルに電圧を印加すると，低電位側の電極が酸素分子を分解して酸素イオンとなし，該酸素イオンは固体電解質板を通過して高電位側の電極に移動し，高電位側の電極で還元されて再び酸素分子となる。このような構成にかかるセルの電極は酸素のポンピングが可能なポンピング電極である。
【００２０】
本発明にかかる積層型ガスセンサ素子において，被測定ガス室に上述した酸素をポンピング可能なポンピング電極を被測定ガス室にさらして設けることで，過渡活性時に該ポンピング電極を通じて，酸素の排出を促進することができる。
排出量はポンピング電極の露出面積に応じて大となる点から，被測定ガス室の容積Ｖｃとポンピング電極の露出面積Ｓｐとの間にＶｃ／Ｓｐ＜０．０２ｍｍなる関係が成立することで，過渡活性時の異常出力を抑制することができる。
Ｖｃ／Ｓｐ≧０．０２ｍｍの場合は，センサ活性後のガスポンピングによる排出が不十分のため，異常出力が収束して定常出力となるまでの時間が長くかかるおそれがある。
【００２１】
被測定ガス側電極がポンピング電極と同様の機能を持つ場合は，被測定ガス側電極の露出面積もＳｐに含める必要がある。
ポンピング電極が複数ある場合は総露出面積をＳｐとする。
露出面積Ｓｐは，ポンピング電極において最もポンピング時に支配的な，最大面積となる固体電解質板と略平行な面のみを考慮すればよい。
【００２２】
本発明において，残留ガスの量から考えれば，被測定ガス室の容積がより小さいほうが過渡活性時の異常出力抑制には有効である。
しかしながら，被測定ガス室の容積があまり小さいと，被測定ガス室の内部において被測定ガスの均質化が行われず，被測定ガスが常に被測定ガス側電極の特定の部分にしか到達せずに，正しい測定ができなくなるおそれがある。
この問題は被測定ガス室の容積Ｖｓよりも被測定ガス室の積層方向に沿った最大高さｈに依存する。ここで最大高さｈとは，被測定ガス室の底面と該底面と対向する天井面との間を積層型ガスセンサ素子の積層方向に沿って測定した長さである。また，底面や天井面は積層型ガスセンサ素子の積層方向に略直交する面である。
【００２３】
本発明において，上記最大高さｈは５〜１８μｍである（請求項１），このような最大高さｈとすることで過渡活性時の異常出力を抑制すると共に被測定ガスを被測定ガス側電極の全体に満遍なく到達できるようにして，検出精度の低下を防止することができる。
仮に最大高さが５μｍ未満である場合は，被測定ガス側電極の全体に被測定ガスがいきわたらずに，検出精度が低下するおそれがある。積層高さが１８μｍを越えた場合は，被測定ガス室の容積Ｖｃが大となって，過渡活性時に異常出力が発生するおそれがある。
また，より好ましくは，最大高さｈを１０〜１５μｍとすることが好ましい（請求項２）。
【００２４】
また，本発明にかかる積層型ガスセンサ素子は，素子活性温度に加熱する際の昇温速度を１００〜２５０℃／秒として使用することができる（請求項４）。
昇温速度を上記範囲とすることで，積層型ガスセンサ素子の大きさにもよるが，室温からの活性時間を５秒程度にすることができ，超早期活性な素子を得ることができる。昇温速度が１００℃未満では早期活性を得ることができず，昇温速度が２５０℃を越えた場合は，素子を加熱するヒータの温度を高くせねばならず，素子の耐熱衝撃限界を越えてしまうおそれがある。
活性時間が５秒程度となった素子は，自動車エンジンの排気系に設置して排気ガス制御フィードバックシステムの構成要素として使用することで，エンジン冷始動時の非常に早い時間からＨＣ排出を抑制することができ，環境にクリーンかつ近年の厳しい排気ガス規制に対応することができる。
【００２５】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１について，図１〜図３を用いて説明する。
本例の積層型ガスセンサ素子１は拡散抵抗部１５を経由して素子外部から被測定ガスを導入する被測定ガス室２３と，酸素イオン導電性の固体電解質板１１に上記被測定ガス室２３において被測定ガスと接触するよう設けた被測定ガス側電極２１と，該被測定ガス側電極２１と一対となって電気化学セル２を形成するよう上記固体電解質板１１に設けた基準電極２２とを有する。
そして，上記被測定ガス室２３の容積Ｖｃは０．１５ｍｍ3以下である。
【００２６】
以下，詳細に説明する。
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１は，自動車エンジンの排気管に設置して，自動車エンジンから排出される排気ガス中の酸素濃度からエンジン燃焼室のＡ／Ｆを測定するガスセンサに内蔵して用いられる。このガスセンサは，測定したＡ／Ｆを利用して上記自動車エンジンの燃焼制御を行う排気ガス制御フィードバックシステムの一部である。
【００２７】
図１，図２に示すごとく，本例の積層型ガスセンサ素子１は，ヒータ基板１９０と発熱体１９１からなるヒータ１９と基準ガス室２４形成用のスペーサ１３と絶縁板１２と，固体電解質板１１と被測定ガス室２３形成板１４と，拡散抵抗部１５と，緻密層１６とを積層して構成する。
ヒータ１９は，ヒータ基板１９０と該ヒータ基板１９０上に設けた通電により発熱する発熱体１９１とリード部１９２とを有し，リード部１９２はヒータ基板１９０に設けた導電性のスルーホール１９３にて，ヒータ基板１９０の外側面１９５に形成した端子部１９４と導通するよう構成する。上記端子部１９４から電力を与えることで，発熱体１９１が発熱して積層型ガスセンサ素子１を活性温度に昇温することができる。
【００２８】
スペーサ１３は基準ガス室２４用の溝部１３０を有する。
絶縁板１２は，基準電極２２を基準ガス室２４に露出させるための窓部１２０を有する。
固体電解質板１１の一方の表面１１１は被測定ガス室２３に露出する被測定ガス側電極２１とリード部２１１と素子の外部に露出する端子部２１２を有する。
また，固体電解質板１１の他方の表面１１２は絶縁板１２で覆われており，該絶縁板１２の窓部１２０を通じて基準ガス室２４に露出する基準電極２２を固体電解質板１１の表面１１２に設け，上記基準電極２２と導通するリード部２２１と内部端子２２２を絶縁板１２の表面に設ける。
そして，上記基準電極２２は，絶縁板１２，固体電解質板１１に設けたスルーホール２２３，２２４を通じて，固体電解質板１２の表面１１１に設けた端子部２２５と導通する。
被測定ガス側電極２１，固体電解質板１１，基準電極２２から本例の積層型ガスセンサ素子１における電気化学セル２が構成される。
【００２９】
固体電解質板１１の表面１１１に，被測定ガス室２３形成用の窓部１４０を有するスペーサ１４を積層する。このスペーサ１４は，固体電解質板１１と幅は同程度であるが，長手方向の長さはだいたい被測定ガス側電極１４を覆う程度である。
上記スペーサ１４の窓部１４０を塞ぐように拡散抵抗部１５を構成する多孔質層を積層し，該多孔質層をガスを通さない緻密層１６で覆う。
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１において，ヒータ基板１９０，スペーサ１３，絶縁板１２，スペーサ１４，多孔質層，緻密層１６はすべてアルミナからなる。固体電解質板１１は部分安定化ジルコニアからなる。
また，拡散抵抗部１５を構成する多孔質層はポーラスでガスが透過可能なアルミナセラミックで構成するが，他は緻密でガスを通さないアルミナセラミックからなる。
なお，積層型ガスセンサ素子１の製造時に焼成収縮等から生じる問題を回避するため，固体電解質板１１以外をジルコニアからなるセラミックで構成することもできる。
【００３０】
そして，本例にかかる被測定ガス室２３は，固体電解質板１１とスペーサ１４と拡散抵抗部１５となる多孔質層にて囲まれた空間から形成される。
図３の矢線Ｇに示すごとく，多孔質層で緻密層１６で覆われていない外部に露出した側面１５１から被測定ガスが入ることができる。また，過渡活性時に被測定ガス室２３内の残留ガスが膨張した際は，拡散抵抗部１５である多孔質層を経由して，側面１５１から素子外部に残留ガスが抜けていく。
なお，被測定ガス室２３の容積ＶｃはＸ線ＣＴスキャンを用いて三次元的に捕らえることで測定することができ，本例にかかる積層型ガスセンサ素子１では０．１３ｍｍ3であった。
【００３１】
また，本例の電気化学セル２は，通電により酸素を被測定ガス室２３と，素子外部との間でポンピングできるため，上記被測定ガス側電極２１はポンピング電極として機能する。被測定ガス側電極２１においてもっともポンピング時に支配的な，最大面積となる固体電解質板１１と略平行な面２１１の被測定ガス室２３に対する露出面積Ｓｐは７．５ｍｍ2で，Ｖｃ／Ｓｐ＝０．０１７ｍｍとなる。また，被測定ガス室２３の積層方向に沿った最大高さｈは，図３に示すごとく，固体電解質板１１で被測定ガス室２３に露出する表面１１１と拡散抵抗部１５を形成する多孔質層で被測定ガス室２３に露出する表面１５１との間の，積層型ガスセンサ素子１の積層方向に沿って測定した長さであり，本例はｈ＝１５μｍである。
【００３２】
本例の作用効果について説明する。
ガスセンサ素子１の異常出力は，過渡活性時の急速加熱に伴う被測定ガス室２３内残留ガスの膨張が拡散抵抗部１５によって妨げられ，外部から新鮮な被測定ガスが被測定ガス室２３に入り難い状態にあることが原因である。
従って，本例では，被測定ガス側電極２１が対面する被測定ガス室２３の容積Ｖｃを０．１５ｍｍ3以下として，残留ガス量を減らして，積層型ガスセンサ素子１の活性が完了する前に被測定ガス室２３内の残留ガスを排出完了できるように構成する。
従って，本例によれば，過渡活性時に異常出力が発現し難く，早期活性を有する積層型ガスセンサ素子を提供することができる。
【００３３】
特に，本例にかかる積層型ガスセンサ素子１において，被測定ガス室２３における残留ガスは５秒以内で素子外部に排出される。
従って本例の積層型ガスセンサ素子１を組み込んだ排気ガス制御フィードバックシステムは，エンジン始動後５秒程度で排気ガス制御フィードバックシステムを機能させることができ，エンジン始動後の早い時期から三元触媒による排気ガスの浄化効率を高めて，エンジン始動初期のＨＣ排出量を減らすことができる。
【００３４】
（実施例２）
本例は，図４に示すごとく，被測定ガス室の容積Ｖｃとエンジン冷始動時に発生する異常出力との関係について測定したものである。
実施例１に示す構成の積層型ガスセンサ素子を多数準備する。各素子の被測定ガス室Ｖｃの容積は０〜０．３５ｍｍ3の範囲に分布している。また，Ｖｃ＝０なる素子は，被測定ガス室いっぱいに被測定ガス側電極が設けてあり，被測定ガス側電極と拡散抵抗層とが密着した状態にある。
また，異常出力量は４％酸素／窒素雰囲気において５秒でセンサが活性するような加熱を行った時のセンサ出力最大値（異常出力における出力最大値）と，十分時間が経過した後の定常出力の差分を測定評価した値である。
そして，縦軸に異常出力量，横軸に被測定ガス室容積Ｖｃをとって，測定結果を図４にプロットした。
図４より，Ｖｃが０．１５ｍｍ3以下であれば，異常出力は発生しないか非常に小さく積層型ガスセンサ素子の性能に大きな影響を与えないことが分かった。
【００３５】
（実施例３）
本例は，図５に示すごとく，被測定ガス室の容積Ｖｃとポンピング電極の被測定ガス室に対する露出面積をＳｐとした場合のＶｃ／Ｓｐの値と，エンジン冷始動時に発生する異常出力との関係について測定したものである。
実施例１に示す構成の積層型ガスセンサ素子を多数準備する。各素子のＶｃ／Ｓｐは０から０．０３５ｍｍの範囲に分布している。また，Ｖｃ／Ｓｐ＝０なる素子は，被測定ガス室いっぱいに被測定ガス側電極が設けてあり，被測定ガス側電極と拡散抵抗層とが密着した状態にある。異常出力の測定方法は実施例２と同様である。
そして，縦軸に異常出力量，横軸にＶｃ／Ｓｐをとって，測定結果を図５にプロットした。
図５より，Ｖｃ／Ｓｐが０．０２ｍｍ以下であれば，異常出力は発生しないか非常に小さく積層型ガスセンサ素子の性能に大きな影響を与えないことが分かった。
【００３６】
（実施例４）
本例は，図６に示すごとく，被測定ガス室の最大高さｈと，エンジン冷始動時に発生する異常出力との関係について測定したものである。
実施例１に示す構成の積層型ガスセンサ素子を多数準備する。各素子のｈは０から０．０３５ｍｍの範囲に分布している。また，ｈ＝０なる素子は，被測定ガス室いっぱいに被測定ガス側電極が設けてあり，被測定ガス側電極と拡散抵抗層とが密着した状態にある。異常出力の測定方法は実施例２と同様である。
そして，縦軸に異常出力量，横軸にｈをとって，測定結果を図６にプロットした。
図６より，ｈが０．０１５ｍｍ（＝１５μｍ）以下であれば，異常出力は発生しないか非常に小さく積層型ガスセンサ素子の性能に大きな影響を与えないことが分かった。
【００３７】
（実施例５）
本例は，図７〜図１０に示すごとく，被測定ガス室の最大高さｈが２μｍ，５μｍ，１０μｍ，３０μｍである場合，拡散抵抗層から入った被測定ガスがどのような状態で被測定ガス側電極に到達するかについてモンテカルロシミュレーションを利用して調べた結果について説明する。
このシミュレーションはセンサガス取り込み口から進入して排気電極に到達するまでのガス粒子の挙動をモンテカルロ法によって計算し，被測定ガス側電極上のガス分布を求めるものである。これによって，図３に示すように被測定ガス側電極の端部位置Ｐ１から中心位置Ｐ２までの間における被測定ガスの到達分布を算出し，その結果を図７〜図１０に記載した。
【００３８】
なお，モンテカルロ法は，ガス粒子等のランダムな運動をする現象に対して，乱数を用いて個々の挙動を表現する一方で，上記の粒子数を著しく大きくすることによって統計的に現象，傾向を見出すものである。
本シミュレーションにおいては個々のガス粒子のブラウン運動における衝突時の運動方向の変化に関して，一様乱数を用いて衝突後の運動方向の決定を行った。
【００３９】
図７〜図１０から明らかであるが，被測定ガス室の最大高さｈが５μｍを越えると，中心位置Ｐ２まで被測定ガスが到達するようになり，最大高さｈが１０μｍを越えると，端部位置Ｐ１から中心位置Ｐ２まで大体満遍なく被測定ガスが届くようになる。
反対に最大高さｈが２μｍでは中心位置Ｐ２に届く被測定ガスの量が少なすぎて，電極の端部にガスの偏りとそれに伴う限界電流の不安定化（平坦性の低下）が生じるおそれがあり，高精度の測定ができなくなる可能性がある。
また，最大高さ３０μｍの場合，被測定ガス室容積が大きくなりすぎて，本発明にかかる効果が得られなくなるおそれがある。
【００４０】
（実施例６）
本例は，図１１に示すごとく，昇温速度とエンジン冷始動時に発生する異常出力との関係について測定したものである。
実施例１に示す構成の積層型ガスセンサ素子を多数準備する。各素子の昇温はヒータに与える電力を増減させることで調整する。昇温速度０とは，即ち加熱を行わないということである。
そして，縦軸に異常出力量，横軸に昇温速度をとって，測定結果を図１１にプロットした。
図１１より，昇温速度が２５０℃以下であれば本発明にかかる素子では異常出力を発生しないものであることが分かった。
【００４１】
（実施例７）
本例は，図１２に示すごとく，固体電解質板３１，３４，スペーサ３２，３５，絶縁板３６，ヒータ基板３７を積層してなる２セル型の積層型ガスセンサ素子３である。
積層型ガスセンサ素子３は，固体電解質板３１，３４とスペーサ３２にて囲まれた被測定ガス室３２０を有し，該被測定ガス室３２０に対する被測定ガスの導入は，固体電解質板３１及び多孔質層３３に設けた貫通穴３１０を通じて行われる。上記多孔質層３３が拡散抵抗部となる。また，積層型ガスセンサ素子３は，固体電解質板３４，スペーサ３５，絶縁板３６にて囲まれた基準ガス室３５０を有する。
【００４２】
第１電気化学セル４１は，固体電解質板３１と一対の電極４１１，４１２とよりなり，電極４１１は素子外部の被測定ガスと直に接し，電極４１２は被測定ガス室３２０と対面する。また電極４１１，４１２は環状である。
第２電気化学セル４２は，固体電解質板３４と一対の電極４２１，４２２とよりなり，電極４２１は被測定ガス室３２０と接し，電極４２２は基準ガス室３５０と対面する。また電極４２１は環状である。
【００４３】
第１電気化学セル４１は被測定ガス室３２０と素子外部との間で酸素のポンピングを行うことができる。このポンピングによって酸素イオン電流Ｉが電極４１１，４１２間を流れる。第２電気化学セル４２の電極４２１，４２２との間で被測定ガス室３２０内と基準ガス室３５０の酸素濃度差による濃淡起電力Ｖが発生する。ここでＶが一定の値になるようＩを調整し被測定ガス室３２０の酸素濃度を一定に保つようにすればＡ／Ｆに対応したＩ値を得ることができる。
このような構成の積層型ガスセンサ素子３において，被測定ガス室３２０の容積Ｖｃを０．１５ｍｍ3以下とすることで，実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
また，本例にかかる積層型ガスセンサ素子３において，Ｖｃ／Ｓｐ＜０．０２ｍｍなる関係が成立する際も，過渡活性時の異常出力を抑制することができる。
なお，本例にかかる素子３におけるＳｐは電極４１２の面積に相当する。
【００４５】
（実施例８）
本例は，図１３に示すごとく，２セル型の積層型ガスセンサ素子５でヒータが別体で設けてある。
本例の積層型ガスセンサ素子５は，素子本体５０１とクリアランス５００を空けて設けたヒータ５０２とからなり，素子本体５０１は，固体電解質板５１，５３，多孔質材料からなる多孔質スペーサ５２とからなり，ヒータ５０２は，絶縁板５４と発熱体５５０を設けたヒータ基板５５とからなる。
また，積層型ガスセンサ素子５は，固体電解質板５１，５３，スペーサ５２にて囲まれた被測定ガス室５２０を有する。
【００４６】
第１電気化学セル４３は，固体電解質板５１に内蔵された電極４３１と被測定ガス室５２０にさらされた電極４３２とよりなる。
第２電気化学セル４４は，固体電解質板５３と一対の電極４４１，４４２とよりなり，電極４４１は被測定ガス室５２０と接し，電極４４２はクリアランス５００と対面し，素子の外部にある被測定ガスにさらされている。
多孔質スペーサ５２は拡散抵抗を有し，被測定ガス室５２０に対する被測定ガスの導入は，側面５２５から行われる。
【００４７】
第２電気化学セル４４に通電することで被測定ガス室５２０と外部の被測定ガスとの間で酸素のポンピングを行うことができる。このときポンピングによって酸素イオン電流Ｉが流れる。
また，第１電気化学セル４３の電極４３１，４３２間に微弱な電圧を印加することで，電極４３２付近の酸素イオンがイオン化して，電極４３１側に移動し，電極４３１，４３２間で電位差Ｖが生じ，この電位差Ｖを測定する。
ここでＶが一定の値になるようにＩを調整し被測定ガス室５２０の酸素濃度を一定に保つようにすれば空燃比に対応したＩ値を得ることができる。
このような構成の積層型ガスセンサ素子５において，被測定ガス室５２０の容積Ｖｃを０．１５ｍｍ3以下とすることで，実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【００４８】
また，本例にかかる積層型ガスセンサ素子３において，Ｖｃ／Ｓｐ＜０．０２ｍｍなる関係が成立する際も，過渡活性時の異常出力を抑制することができる。
なお，本例にかかる素子３におけるＳｐは電極４４１の面積に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の断面を示す説明図。
【図２】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の斜視展開図。
【図３】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の被測定ガス室についての要部拡大説明図。
【図４】実施例２における，異常出力量と被測定ガス室の容積Ｖｃとの関係を示す線図。
【図５】実施例３における，異常出力量とＶｃ／Ｓｐとの関係を示す線図。
【図６】実施例４における，異常出力量と被測定ガス室の最大高さｈとの関係を示す線図。
【図７】実施例５における，最大高さｈ＝２μｍである時のガス分布を示す説明図。
【図８】実施例５における，最大高さｈ＝５μｍである時のガス分布を示す説明図。
【図９】実施例５における，最大高さｈ＝１０μｍである時のガス分布を示す説明図。
【図１０】実施例５における，最大高さｈ＝３０μｍである時のガス分布を示す説明図。
【図１１】実施例６における，異常出力量と昇温速度との関係を示す線図。
【図１２】実施例７における，２セル型の積層型ガスセンサ素子の説明図。
【図１３】実施例８における，２セル型でヒータ別体の積層型ガスセンサ素子の説明図。
【図１４】エンジン冷始動時の出力と時間との関係を示す線図。
【符号の説明】
１．．．積層型ガスセンサ素子，
１１．．．固体電解質板，
１５．．．拡散抵抗部，
２．．．電気化学セル，
２１．．．被測定ガス側電極，
２２．．．基準電極，
２３．．．被測定ガス室，
【技術分野】
本発明は，車両用内燃機関の燃焼制御等に用いることができる積層型ガスセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
車両用エンジンの排気系にＡ／Ｆセンサを設け，排気ガス中の酸素濃度等からＡ／Ｆを検出し，該Ａ／Ｆを利用してエンジン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エンジンの燃焼室においてＡ／Ｆが特定の値となるようにエンジンの燃焼状態を制御することが重要である。
Ａ／Ｆセンサが内蔵する積層型のＡ／Ｆセンサ素子として，拡散抵抗部を経由して素子外部から被測定ガスを導入する被測定ガス室と，酸素イオン導電性の固体電解質板に上記被測定ガス室において被測定ガスと接触するよう設けた被測定ガス側電極と，上記固体電解質板に設けた基準電極とからなる構成が知られている。
上記構成において，固体電解質板と被測定ガス側電極と基準電極とにより電気化学セルが構成され，該電気化学セルが被測定ガス室内の酸素濃度に対する検出セルとして機能する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−６５７８２号公報
【０００４】
【解決しようとする課題】
近年，排気ガス制御フィードバックシステムに用いるＡ／Ｆセンサ素子に，早期活性及び高検出精度等の性能が必要となってきた。
特に早期活性については，排出ガス規制の規制対象であり，エンジン冷始動初期に大量に排出されるハイドロカーボン（以下ＨＣと記載）の低減のために今後ますます重要となってくることが考えられる。
Ａ／Ｆセンサ素子を早期活性させるためにはＡ／Ｆセンサ素子自身の熱容量の低減，即ちＡ／Ｆセンサ素子の体格小型化及び過渡活性時における素子加熱のエネルギー量の増加が有効である。
しかしながら，早期活性のための急激な温度上昇はＡ／Ｆセンサ素子の出力特性への様々な影響が懸念される。
【０００５】
上記構成のＡ／Ｆセンサ素子において，出力は拡散抵抗部を利用した限界電流等（１セル方式においては限界電流，２セル方式においてはポンプ電流等）を利用する。拡散抵抗部を通して排気ガスをＡ／Ｆセンサ素子内部の被測定ガス室に導入し，該被測定ガス室において被測定ガスは被測定ガス側電極と接触し，これによってセンサ出力が発現する。
ところでＡ／Ｆセンサ素子は所定の活性温度に加熱してやらねばセンサ出力を発現することができない。以下，Ａ／Ｆセンサ素子が活性温度に達するまでの期間を過渡活性時と記載する。
【０００６】
過渡活性時に被測定ガス室内の残留ガスは急激に加熱されて膨張する一方で，拡散抵抗部によって残留ガスの被測定ガス室から素子外部への排出は大いに妨げられる。
この状態でＡ／Ｆセンサ素子が活性温度に到達し，活性状態となった場合，Ａ／Ｆセンサ素子の被測定ガス室は一時的に素子外部の排気ガスを取り込むことが出来ずに，被測定ガス室内に既に存在する残留ガスの状態に基づいたＡ／Ｆを出力してしまう。従って，車両用エンジンから排出された排気ガスに基づいたＡ／Ｆを出力できずに，異常出力を発現するという現象が懸念される。
【０００７】
Ａ／Ｆの出力と時間経過との関係として，大気中に放置されたセンサにおける例を概略的に図１４に記載した。
時間０でエンジンを冷始動する。排気系に設置されたＡ／Ｆセンサ素子は温度が低い間は出力がでない。ある程度時間が経過すると素子が温まり出力が発現しはじめる。しかし上述した残留ガスの影響で本来ならば破線で示すような状態の出力となるべきところが，実線で示すような異常出力が発現する。
【０００８】
エンジン停止時，即ちＡ／Ｆセンサ素子不活性時（常温時）は，Ａ／Ｆセンサ近辺に排気管外部から進入した大気が存在していると考えられる。よって，被測定ガス室内の残留ガスは実質大気と同様の酸素濃度になっていると考えられる。従って，上記異常出力はエンジン内のＡ／Ｆよりもリーンな値を発現することが多い。
Ａ／Ｆセンサ素子が活性温度に達し，昇温の停止に伴う被測定ガス室内部における残留ガスの膨張の停止，及びＡ／Ｆセンサ素子自身のガスポンピング等によって被測定ガス室内の残留ガスと素子外部の排気ガスとが置換されることから，図１４に示すごとく，上記異常出力は緩和され，時間の経過と共に改善の方向に向かう。
しかしながら，上記異常出力は正常なＡ／Ｆ出力の発現を遅らせることから早期活性において大きな問題となることが考えられる。
【０００９】
従来，このような残留ガスによる異常出力発現防止対策が提案されている。
まず，拡散抵抗部の拡散抵抗を小さくすることで，被測定ガス室内の残留ガスを速やかに排出することが可能である。しかしながら，拡散抵抗を小さくした場合，異常出力の抑制と共に限界電流出力が発現し難くなるため，Ａ／Ｆセンサ素子出力精度が著しく低下してしまうおそれがある。
また，被測定ガスに何らかの変化，特に被測定ガス圧力が変動する際に（車両用エンジンシステムにおいて排気ガス圧は比較的大きな幅で変動する），拡散抵抗が小さいとガス圧力変動に伴う出力の不安定化（脈動等）が予想される。
【００１０】
また，Ａ／Ｆセンサ素子を素子活性温度に加熱する際の昇温速度を低速化し，素子活性到達までに被測定ガス室内の残留ガス排出が十分実現できるレベルで加熱することで異常出力を防ぐことができる。しかしながら，早期活性が低下するため好ましくない。
このような問題は，Ａ／Ｆセンサ素子以外のガスセンサ素子で，被測定ガス室に拡散抵抗部を通じて被測定ガスを導入する形式の素子で早期活性や高精度検出を両立させたいタイプの素子においても発生する。
【００１１】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，過渡活性時に異常出力が発現し難く，早期活性を有する積層型ガスセンサ素子を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題の解決手段】
第１の発明は，拡散抵抗部を経由して素子外部から被測定ガスを導入する被測定ガス室と，酸素イオン導電性の固体電解質板に上記被測定ガス室において被測定ガスと接触するよう設けた被測定ガス側電極と，該被測定ガス側電極と一対となって電気化学セルを形成するよう上記固体電解質板に設けた基準電極とを有するガスセンサ素子において，
上記被測定ガス室へ被測定ガスを導入する上記拡散抵抗部は１枚であり，
また，上記被測定ガス室の容積Ｖｃは０．１５ｍｍ3以下であり，
かつ上記被測定ガス室の積層方向に沿った最大高さｈは５〜１８μｍであることを特徴とする積層型ガスセンサ素子にある（請求項１）。
【００１３】
積層型ガスセンサ素子の異常出力は，従来技術に記載したように，過渡活性時の急速加熱に伴う被測定ガス室内残留ガスの膨張が拡散抵抗部によって妨げられ，外部から新鮮な被測定ガスが被測定ガス室に入り難い状態にあることが原因である。
そこで，本発明では，被測定ガス側電極が対面する被測定ガス室の容積Ｖｃを０．１５ｍｍ3以下として，残留ガス量を減らして，拡散抵抗部の拡散抵抗を従来のままとして，積層型ガスセンサ素子の活性が完了する前に被測定ガス室内の残留ガスを排出完了できるように構成する。
従って，本発明によれば，過渡活性時に異常出力が発現し難く，早期活性を有する積層型ガスセンサ素子を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は，拡散抵抗部を通じて被測定ガス室に被測定ガスを導入する構成の積層型ガスセンサ素子全般に対して適用できる。
後述する実施例１に示すような単純なヒータ一体型の１セル方式の素子の他，実施例７に示すような２セル方式の素子や実施例８の２セルでヒータ別体型の素子について，本発明を適用することができる。
Ａ／Ｆや酸素濃度以外のガス濃度を測定するセルを備えた複合ガスセンサ素子で，拡散抵抗部を通じて被測定ガスを被測定ガス室に導入する方式の積層型ガスセンサ素子に本発明を適用することもできる。
【００１５】
本発明にかかる拡散抵抗部は，被測定ガス室と素子外部との間に設けた気体の拡散を阻害するよう構成された１枚の部材であり，被測定ガス室は拡散抵抗部を通じて素子外部から被測定ガスを取り入れるよう構成する。
上記拡散抵抗部は，ポーラスな多孔質層で構成する場合，小径のピンホールで構成する場合等がある。またピンホールを設け，該ピンホールに多孔質材料を充填する構成もある。また，素子外部と通じる通路を設けて，該通路から被測定ガス室に向かう空間に多孔質材料を配置して拡散抵抗部を構成することもできる。
【００１６】
また，拡散抵抗部を通じて被測定ガス室に被測定ガスを導入するよう構成したガスセンサ素子は限界電流式の素子として機能する。
すなわち，固体電解質板に一対の電極を設けて一方の電極を被測定ガス室にさらし，他方を基準電極として用いて通電した場合を考える。
被測定ガス室に対する被測定ガスの出入りが拡散抵抗部を通じて行われていない場合は，電圧の上昇に応じて両電極間を流れる電流も増大する。
拡散抵抗部を設けた場合は，電圧が上昇しても電流が増大しないフラット域が特定の電圧範囲において発現する。このフラット域における電流値（限界電流値）が被測定ガス室内の酸素濃度に対応するため，被測定ガス室のガス（酸素）濃度を検出することができる。
【００１７】
本発明における被測定ガス室の容積Ｖｃは被測定ガス室と対面する被測定ガス側電極を除いた正味の容積である。更に，被測定ガス室に対する拡散抵抗部が，例えばピンホール等の空間からなる場合は，ピンホールを含まない正味の被測定ガス室の容積がＶｃとなる。
そして，Ｖｃが０．１５ｍｍ3以上である場合は，活性完了までに被測定ガス室から残留ガスが十分に排出されないため，図１４に示すような異常出力が発現するおそれがある。この異常出力は，被測定ガス室から残留ガスの排出が完了し，被測定ガス室の内部が外部から新規に導入した被測定ガスで占められ，定常となるまで継続する。
【００１８】
また，本発明では，上記ガスセンサ素子は，上記被測定ガス室において，被測定ガスと接触すると共に被測定ガス中の酸素をポンピング可能なポンピング電極を有し，
上記ポンピング電極の上記被測定ガス室に対する露出面積をＳｐ，被測定ガス室の容積をＶｃとすると，Ｖｃ／Ｓｐ＜０．０２ｍｍであることが好ましい（請求項３）。
【００１９】
固体電解質板に設けた一対の電極からなる電気化学セルに電圧を印加すると，低電位側の電極が酸素分子を分解して酸素イオンとなし，該酸素イオンは固体電解質板を通過して高電位側の電極に移動し，高電位側の電極で還元されて再び酸素分子となる。このような構成にかかるセルの電極は酸素のポンピングが可能なポンピング電極である。
【００２０】
本発明にかかる積層型ガスセンサ素子において，被測定ガス室に上述した酸素をポンピング可能なポンピング電極を被測定ガス室にさらして設けることで，過渡活性時に該ポンピング電極を通じて，酸素の排出を促進することができる。
排出量はポンピング電極の露出面積に応じて大となる点から，被測定ガス室の容積Ｖｃとポンピング電極の露出面積Ｓｐとの間にＶｃ／Ｓｐ＜０．０２ｍｍなる関係が成立することで，過渡活性時の異常出力を抑制することができる。
Ｖｃ／Ｓｐ≧０．０２ｍｍの場合は，センサ活性後のガスポンピングによる排出が不十分のため，異常出力が収束して定常出力となるまでの時間が長くかかるおそれがある。
【００２１】
被測定ガス側電極がポンピング電極と同様の機能を持つ場合は，被測定ガス側電極の露出面積もＳｐに含める必要がある。
ポンピング電極が複数ある場合は総露出面積をＳｐとする。
露出面積Ｓｐは，ポンピング電極において最もポンピング時に支配的な，最大面積となる固体電解質板と略平行な面のみを考慮すればよい。
【００２２】
本発明において，残留ガスの量から考えれば，被測定ガス室の容積がより小さいほうが過渡活性時の異常出力抑制には有効である。
しかしながら，被測定ガス室の容積があまり小さいと，被測定ガス室の内部において被測定ガスの均質化が行われず，被測定ガスが常に被測定ガス側電極の特定の部分にしか到達せずに，正しい測定ができなくなるおそれがある。
この問題は被測定ガス室の容積Ｖｓよりも被測定ガス室の積層方向に沿った最大高さｈに依存する。ここで最大高さｈとは，被測定ガス室の底面と該底面と対向する天井面との間を積層型ガスセンサ素子の積層方向に沿って測定した長さである。また，底面や天井面は積層型ガスセンサ素子の積層方向に略直交する面である。
【００２３】
本発明において，上記最大高さｈは５〜１８μｍである（請求項１），このような最大高さｈとすることで過渡活性時の異常出力を抑制すると共に被測定ガスを被測定ガス側電極の全体に満遍なく到達できるようにして，検出精度の低下を防止することができる。
仮に最大高さが５μｍ未満である場合は，被測定ガス側電極の全体に被測定ガスがいきわたらずに，検出精度が低下するおそれがある。積層高さが１８μｍを越えた場合は，被測定ガス室の容積Ｖｃが大となって，過渡活性時に異常出力が発生するおそれがある。
また，より好ましくは，最大高さｈを１０〜１５μｍとすることが好ましい（請求項２）。
【００２４】
また，本発明にかかる積層型ガスセンサ素子は，素子活性温度に加熱する際の昇温速度を１００〜２５０℃／秒として使用することができる（請求項４）。
昇温速度を上記範囲とすることで，積層型ガスセンサ素子の大きさにもよるが，室温からの活性時間を５秒程度にすることができ，超早期活性な素子を得ることができる。昇温速度が１００℃未満では早期活性を得ることができず，昇温速度が２５０℃を越えた場合は，素子を加熱するヒータの温度を高くせねばならず，素子の耐熱衝撃限界を越えてしまうおそれがある。
活性時間が５秒程度となった素子は，自動車エンジンの排気系に設置して排気ガス制御フィードバックシステムの構成要素として使用することで，エンジン冷始動時の非常に早い時間からＨＣ排出を抑制することができ，環境にクリーンかつ近年の厳しい排気ガス規制に対応することができる。
【００２５】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１について，図１〜図３を用いて説明する。
本例の積層型ガスセンサ素子１は拡散抵抗部１５を経由して素子外部から被測定ガスを導入する被測定ガス室２３と，酸素イオン導電性の固体電解質板１１に上記被測定ガス室２３において被測定ガスと接触するよう設けた被測定ガス側電極２１と，該被測定ガス側電極２１と一対となって電気化学セル２を形成するよう上記固体電解質板１１に設けた基準電極２２とを有する。
そして，上記被測定ガス室２３の容積Ｖｃは０．１５ｍｍ3以下である。
【００２６】
以下，詳細に説明する。
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１は，自動車エンジンの排気管に設置して，自動車エンジンから排出される排気ガス中の酸素濃度からエンジン燃焼室のＡ／Ｆを測定するガスセンサに内蔵して用いられる。このガスセンサは，測定したＡ／Ｆを利用して上記自動車エンジンの燃焼制御を行う排気ガス制御フィードバックシステムの一部である。
【００２７】
図１，図２に示すごとく，本例の積層型ガスセンサ素子１は，ヒータ基板１９０と発熱体１９１からなるヒータ１９と基準ガス室２４形成用のスペーサ１３と絶縁板１２と，固体電解質板１１と被測定ガス室２３形成板１４と，拡散抵抗部１５と，緻密層１６とを積層して構成する。
ヒータ１９は，ヒータ基板１９０と該ヒータ基板１９０上に設けた通電により発熱する発熱体１９１とリード部１９２とを有し，リード部１９２はヒータ基板１９０に設けた導電性のスルーホール１９３にて，ヒータ基板１９０の外側面１９５に形成した端子部１９４と導通するよう構成する。上記端子部１９４から電力を与えることで，発熱体１９１が発熱して積層型ガスセンサ素子１を活性温度に昇温することができる。
【００２８】
スペーサ１３は基準ガス室２４用の溝部１３０を有する。
絶縁板１２は，基準電極２２を基準ガス室２４に露出させるための窓部１２０を有する。
固体電解質板１１の一方の表面１１１は被測定ガス室２３に露出する被測定ガス側電極２１とリード部２１１と素子の外部に露出する端子部２１２を有する。
また，固体電解質板１１の他方の表面１１２は絶縁板１２で覆われており，該絶縁板１２の窓部１２０を通じて基準ガス室２４に露出する基準電極２２を固体電解質板１１の表面１１２に設け，上記基準電極２２と導通するリード部２２１と内部端子２２２を絶縁板１２の表面に設ける。
そして，上記基準電極２２は，絶縁板１２，固体電解質板１１に設けたスルーホール２２３，２２４を通じて，固体電解質板１２の表面１１１に設けた端子部２２５と導通する。
被測定ガス側電極２１，固体電解質板１１，基準電極２２から本例の積層型ガスセンサ素子１における電気化学セル２が構成される。
【００２９】
固体電解質板１１の表面１１１に，被測定ガス室２３形成用の窓部１４０を有するスペーサ１４を積層する。このスペーサ１４は，固体電解質板１１と幅は同程度であるが，長手方向の長さはだいたい被測定ガス側電極１４を覆う程度である。
上記スペーサ１４の窓部１４０を塞ぐように拡散抵抗部１５を構成する多孔質層を積層し，該多孔質層をガスを通さない緻密層１６で覆う。
本例にかかる積層型ガスセンサ素子１において，ヒータ基板１９０，スペーサ１３，絶縁板１２，スペーサ１４，多孔質層，緻密層１６はすべてアルミナからなる。固体電解質板１１は部分安定化ジルコニアからなる。
また，拡散抵抗部１５を構成する多孔質層はポーラスでガスが透過可能なアルミナセラミックで構成するが，他は緻密でガスを通さないアルミナセラミックからなる。
なお，積層型ガスセンサ素子１の製造時に焼成収縮等から生じる問題を回避するため，固体電解質板１１以外をジルコニアからなるセラミックで構成することもできる。
【００３０】
そして，本例にかかる被測定ガス室２３は，固体電解質板１１とスペーサ１４と拡散抵抗部１５となる多孔質層にて囲まれた空間から形成される。
図３の矢線Ｇに示すごとく，多孔質層で緻密層１６で覆われていない外部に露出した側面１５１から被測定ガスが入ることができる。また，過渡活性時に被測定ガス室２３内の残留ガスが膨張した際は，拡散抵抗部１５である多孔質層を経由して，側面１５１から素子外部に残留ガスが抜けていく。
なお，被測定ガス室２３の容積ＶｃはＸ線ＣＴスキャンを用いて三次元的に捕らえることで測定することができ，本例にかかる積層型ガスセンサ素子１では０．１３ｍｍ3であった。
【００３１】
また，本例の電気化学セル２は，通電により酸素を被測定ガス室２３と，素子外部との間でポンピングできるため，上記被測定ガス側電極２１はポンピング電極として機能する。被測定ガス側電極２１においてもっともポンピング時に支配的な，最大面積となる固体電解質板１１と略平行な面２１１の被測定ガス室２３に対する露出面積Ｓｐは７．５ｍｍ2で，Ｖｃ／Ｓｐ＝０．０１７ｍｍとなる。また，被測定ガス室２３の積層方向に沿った最大高さｈは，図３に示すごとく，固体電解質板１１で被測定ガス室２３に露出する表面１１１と拡散抵抗部１５を形成する多孔質層で被測定ガス室２３に露出する表面１５１との間の，積層型ガスセンサ素子１の積層方向に沿って測定した長さであり，本例はｈ＝１５μｍである。
【００３２】
本例の作用効果について説明する。
ガスセンサ素子１の異常出力は，過渡活性時の急速加熱に伴う被測定ガス室２３内残留ガスの膨張が拡散抵抗部１５によって妨げられ，外部から新鮮な被測定ガスが被測定ガス室２３に入り難い状態にあることが原因である。
従って，本例では，被測定ガス側電極２１が対面する被測定ガス室２３の容積Ｖｃを０．１５ｍｍ3以下として，残留ガス量を減らして，積層型ガスセンサ素子１の活性が完了する前に被測定ガス室２３内の残留ガスを排出完了できるように構成する。
従って，本例によれば，過渡活性時に異常出力が発現し難く，早期活性を有する積層型ガスセンサ素子を提供することができる。
【００３３】
特に，本例にかかる積層型ガスセンサ素子１において，被測定ガス室２３における残留ガスは５秒以内で素子外部に排出される。
従って本例の積層型ガスセンサ素子１を組み込んだ排気ガス制御フィードバックシステムは，エンジン始動後５秒程度で排気ガス制御フィードバックシステムを機能させることができ，エンジン始動後の早い時期から三元触媒による排気ガスの浄化効率を高めて，エンジン始動初期のＨＣ排出量を減らすことができる。
【００３４】
（実施例２）
本例は，図４に示すごとく，被測定ガス室の容積Ｖｃとエンジン冷始動時に発生する異常出力との関係について測定したものである。
実施例１に示す構成の積層型ガスセンサ素子を多数準備する。各素子の被測定ガス室Ｖｃの容積は０〜０．３５ｍｍ3の範囲に分布している。また，Ｖｃ＝０なる素子は，被測定ガス室いっぱいに被測定ガス側電極が設けてあり，被測定ガス側電極と拡散抵抗層とが密着した状態にある。
また，異常出力量は４％酸素／窒素雰囲気において５秒でセンサが活性するような加熱を行った時のセンサ出力最大値（異常出力における出力最大値）と，十分時間が経過した後の定常出力の差分を測定評価した値である。
そして，縦軸に異常出力量，横軸に被測定ガス室容積Ｖｃをとって，測定結果を図４にプロットした。
図４より，Ｖｃが０．１５ｍｍ3以下であれば，異常出力は発生しないか非常に小さく積層型ガスセンサ素子の性能に大きな影響を与えないことが分かった。
【００３５】
（実施例３）
本例は，図５に示すごとく，被測定ガス室の容積Ｖｃとポンピング電極の被測定ガス室に対する露出面積をＳｐとした場合のＶｃ／Ｓｐの値と，エンジン冷始動時に発生する異常出力との関係について測定したものである。
実施例１に示す構成の積層型ガスセンサ素子を多数準備する。各素子のＶｃ／Ｓｐは０から０．０３５ｍｍの範囲に分布している。また，Ｖｃ／Ｓｐ＝０なる素子は，被測定ガス室いっぱいに被測定ガス側電極が設けてあり，被測定ガス側電極と拡散抵抗層とが密着した状態にある。異常出力の測定方法は実施例２と同様である。
そして，縦軸に異常出力量，横軸にＶｃ／Ｓｐをとって，測定結果を図５にプロットした。
図５より，Ｖｃ／Ｓｐが０．０２ｍｍ以下であれば，異常出力は発生しないか非常に小さく積層型ガスセンサ素子の性能に大きな影響を与えないことが分かった。
【００３６】
（実施例４）
本例は，図６に示すごとく，被測定ガス室の最大高さｈと，エンジン冷始動時に発生する異常出力との関係について測定したものである。
実施例１に示す構成の積層型ガスセンサ素子を多数準備する。各素子のｈは０から０．０３５ｍｍの範囲に分布している。また，ｈ＝０なる素子は，被測定ガス室いっぱいに被測定ガス側電極が設けてあり，被測定ガス側電極と拡散抵抗層とが密着した状態にある。異常出力の測定方法は実施例２と同様である。
そして，縦軸に異常出力量，横軸にｈをとって，測定結果を図６にプロットした。
図６より，ｈが０．０１５ｍｍ（＝１５μｍ）以下であれば，異常出力は発生しないか非常に小さく積層型ガスセンサ素子の性能に大きな影響を与えないことが分かった。
【００３７】
（実施例５）
本例は，図７〜図１０に示すごとく，被測定ガス室の最大高さｈが２μｍ，５μｍ，１０μｍ，３０μｍである場合，拡散抵抗層から入った被測定ガスがどのような状態で被測定ガス側電極に到達するかについてモンテカルロシミュレーションを利用して調べた結果について説明する。
このシミュレーションはセンサガス取り込み口から進入して排気電極に到達するまでのガス粒子の挙動をモンテカルロ法によって計算し，被測定ガス側電極上のガス分布を求めるものである。これによって，図３に示すように被測定ガス側電極の端部位置Ｐ１から中心位置Ｐ２までの間における被測定ガスの到達分布を算出し，その結果を図７〜図１０に記載した。
【００３８】
なお，モンテカルロ法は，ガス粒子等のランダムな運動をする現象に対して，乱数を用いて個々の挙動を表現する一方で，上記の粒子数を著しく大きくすることによって統計的に現象，傾向を見出すものである。
本シミュレーションにおいては個々のガス粒子のブラウン運動における衝突時の運動方向の変化に関して，一様乱数を用いて衝突後の運動方向の決定を行った。
【００３９】
図７〜図１０から明らかであるが，被測定ガス室の最大高さｈが５μｍを越えると，中心位置Ｐ２まで被測定ガスが到達するようになり，最大高さｈが１０μｍを越えると，端部位置Ｐ１から中心位置Ｐ２まで大体満遍なく被測定ガスが届くようになる。
反対に最大高さｈが２μｍでは中心位置Ｐ２に届く被測定ガスの量が少なすぎて，電極の端部にガスの偏りとそれに伴う限界電流の不安定化（平坦性の低下）が生じるおそれがあり，高精度の測定ができなくなる可能性がある。
また，最大高さ３０μｍの場合，被測定ガス室容積が大きくなりすぎて，本発明にかかる効果が得られなくなるおそれがある。
【００４０】
（実施例６）
本例は，図１１に示すごとく，昇温速度とエンジン冷始動時に発生する異常出力との関係について測定したものである。
実施例１に示す構成の積層型ガスセンサ素子を多数準備する。各素子の昇温はヒータに与える電力を増減させることで調整する。昇温速度０とは，即ち加熱を行わないということである。
そして，縦軸に異常出力量，横軸に昇温速度をとって，測定結果を図１１にプロットした。
図１１より，昇温速度が２５０℃以下であれば本発明にかかる素子では異常出力を発生しないものであることが分かった。
【００４１】
（実施例７）
本例は，図１２に示すごとく，固体電解質板３１，３４，スペーサ３２，３５，絶縁板３６，ヒータ基板３７を積層してなる２セル型の積層型ガスセンサ素子３である。
積層型ガスセンサ素子３は，固体電解質板３１，３４とスペーサ３２にて囲まれた被測定ガス室３２０を有し，該被測定ガス室３２０に対する被測定ガスの導入は，固体電解質板３１及び多孔質層３３に設けた貫通穴３１０を通じて行われる。上記多孔質層３３が拡散抵抗部となる。また，積層型ガスセンサ素子３は，固体電解質板３４，スペーサ３５，絶縁板３６にて囲まれた基準ガス室３５０を有する。
【００４２】
第１電気化学セル４１は，固体電解質板３１と一対の電極４１１，４１２とよりなり，電極４１１は素子外部の被測定ガスと直に接し，電極４１２は被測定ガス室３２０と対面する。また電極４１１，４１２は環状である。
第２電気化学セル４２は，固体電解質板３４と一対の電極４２１，４２２とよりなり，電極４２１は被測定ガス室３２０と接し，電極４２２は基準ガス室３５０と対面する。また電極４２１は環状である。
【００４３】
第１電気化学セル４１は被測定ガス室３２０と素子外部との間で酸素のポンピングを行うことができる。このポンピングによって酸素イオン電流Ｉが電極４１１，４１２間を流れる。第２電気化学セル４２の電極４２１，４２２との間で被測定ガス室３２０内と基準ガス室３５０の酸素濃度差による濃淡起電力Ｖが発生する。ここでＶが一定の値になるようＩを調整し被測定ガス室３２０の酸素濃度を一定に保つようにすればＡ／Ｆに対応したＩ値を得ることができる。
このような構成の積層型ガスセンサ素子３において，被測定ガス室３２０の容積Ｖｃを０．１５ｍｍ3以下とすることで，実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
また，本例にかかる積層型ガスセンサ素子３において，Ｖｃ／Ｓｐ＜０．０２ｍｍなる関係が成立する際も，過渡活性時の異常出力を抑制することができる。
なお，本例にかかる素子３におけるＳｐは電極４１２の面積に相当する。
【００４５】
（実施例８）
本例は，図１３に示すごとく，２セル型の積層型ガスセンサ素子５でヒータが別体で設けてある。
本例の積層型ガスセンサ素子５は，素子本体５０１とクリアランス５００を空けて設けたヒータ５０２とからなり，素子本体５０１は，固体電解質板５１，５３，多孔質材料からなる多孔質スペーサ５２とからなり，ヒータ５０２は，絶縁板５４と発熱体５５０を設けたヒータ基板５５とからなる。
また，積層型ガスセンサ素子５は，固体電解質板５１，５３，スペーサ５２にて囲まれた被測定ガス室５２０を有する。
【００４６】
第１電気化学セル４３は，固体電解質板５１に内蔵された電極４３１と被測定ガス室５２０にさらされた電極４３２とよりなる。
第２電気化学セル４４は，固体電解質板５３と一対の電極４４１，４４２とよりなり，電極４４１は被測定ガス室５２０と接し，電極４４２はクリアランス５００と対面し，素子の外部にある被測定ガスにさらされている。
多孔質スペーサ５２は拡散抵抗を有し，被測定ガス室５２０に対する被測定ガスの導入は，側面５２５から行われる。
【００４７】
第２電気化学セル４４に通電することで被測定ガス室５２０と外部の被測定ガスとの間で酸素のポンピングを行うことができる。このときポンピングによって酸素イオン電流Ｉが流れる。
また，第１電気化学セル４３の電極４３１，４３２間に微弱な電圧を印加することで，電極４３２付近の酸素イオンがイオン化して，電極４３１側に移動し，電極４３１，４３２間で電位差Ｖが生じ，この電位差Ｖを測定する。
ここでＶが一定の値になるようにＩを調整し被測定ガス室５２０の酸素濃度を一定に保つようにすれば空燃比に対応したＩ値を得ることができる。
このような構成の積層型ガスセンサ素子５において，被測定ガス室５２０の容積Ｖｃを０．１５ｍｍ3以下とすることで，実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【００４８】
また，本例にかかる積層型ガスセンサ素子３において，Ｖｃ／Ｓｐ＜０．０２ｍｍなる関係が成立する際も，過渡活性時の異常出力を抑制することができる。
なお，本例にかかる素子３におけるＳｐは電極４４１の面積に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の断面を示す説明図。
【図２】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の斜視展開図。
【図３】実施例１における，積層型ガスセンサ素子の被測定ガス室についての要部拡大説明図。
【図４】実施例２における，異常出力量と被測定ガス室の容積Ｖｃとの関係を示す線図。
【図５】実施例３における，異常出力量とＶｃ／Ｓｐとの関係を示す線図。
【図６】実施例４における，異常出力量と被測定ガス室の最大高さｈとの関係を示す線図。
【図７】実施例５における，最大高さｈ＝２μｍである時のガス分布を示す説明図。
【図８】実施例５における，最大高さｈ＝５μｍである時のガス分布を示す説明図。
【図９】実施例５における，最大高さｈ＝１０μｍである時のガス分布を示す説明図。
【図１０】実施例５における，最大高さｈ＝３０μｍである時のガス分布を示す説明図。
【図１１】実施例６における，異常出力量と昇温速度との関係を示す線図。
【図１２】実施例７における，２セル型の積層型ガスセンサ素子の説明図。
【図１３】実施例８における，２セル型でヒータ別体の積層型ガスセンサ素子の説明図。
【図１４】エンジン冷始動時の出力と時間との関係を示す線図。
【符号の説明】
１．．．積層型ガスセンサ素子，
１１．．．固体電解質板，
１５．．．拡散抵抗部，
２．．．電気化学セル，
２１．．．被測定ガス側電極，
２２．．．基準電極，
２３．．．被測定ガス室，
Claims (4)
- 拡散抵抗部を経由して素子外部から被測定ガスを導入する被測定ガス室と，酸素イオン導電性の固体電解質板に上記被測定ガス室において被測定ガスと接触するよう設けた被測定ガス側電極と，該被測定ガス側電極と一対となって電気化学セルを形成するよう上記固体電解質板に設けた基準電極とを有するガスセンサ素子において，
上記被測定ガス室へ被測定ガスを導入する上記拡散抵抗部は１枚であり，
また，上記被測定ガス室の容積Ｖｃは０．１５ｍｍ3以下であり，
かつ上記被測定ガス室の積層方向に沿った最大高さｈは５〜１８μｍであることを特徴とする積層型ガスセンサ素子。 - 請求項１において，上記被測定ガス室の積層方向に沿った最大高さｈは１０〜１５μｍであることを特徴とする積層型ガスセンサ素子。
- 請求項１又は２において，上記ガスセンサ素子は，上記被測定ガス室において被測定ガスと接触すると共に被測定ガス中の酸素をポンピング可能なポンピング電極を有し，
上記ポンピング電極の上記被測定ガス室に対する露出面積をＳｐ，被測定ガス室の容積をＶｃとすると，Ｖｃ／Ｓｐ＜０．０２ｍｍであることを特徴とするガスセンサ素子。 - 請求項１〜３のいずれか１項において，素子活性温度に加熱する際の昇温速度を１００〜２５０℃／秒として使用することを特徴とする積層型ガスセンサ素子。
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