JP4901969B2 - 酸素検出素子 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の内燃機関やボイラ等の各種燃焼機器において、測定対象ガス中の酸素成分を検出するのに用いる有底筒状の酸素検出素子に関し、特に内部に加熱用のヒータが配置される酸素検出素子に関する。

近年、北米をはじめとする内燃機関の排気ガス規制の基準がますます厳しくなる傾向にあり、こうした排気ガス規制の基準を満足するためには、内燃機関始動時に排出されるエミッションを低減することが必要となる。

そして、エミッションを低減するためのシステムとして、三元触媒と酸素センサを備えたクローズドループシステムが現在主流となっており、内燃機関の始動時のエミッションを低減するためには、このクローズドループシステムを早期に動作させることが必要となる。

ここで、酸素センサとして、例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質体（ジルコニア等）からなる酸素検出素子を備えたものを使用する場合、酸素を検出するには、酸素検出素子を活性化温度（例えば、３５０℃以上）に維持しなくてはならない。そして、上記のクローズドループシステムを早期に動作させるには、内燃機関の始動開始から酸素検出素子が活性化して安定した検出信号が出力されるまでの時間（以下、ライトオフ時間という）を短縮する必要がある。

そして、ライトオフ時間を短縮するための酸素センサとして、ジルコニアなどの固体電解質体からなる酸素検出素子の厚みを薄く形成し、内部抵抗を低減することでライトオフ時間を短くすることができる酸素センサが、特開平７−２８０７７１号公報により提案されている。

また、ライトオフ時間を短縮するための他の酸素センサとして、酸素検出素子を加熱するためのヒータを備えた酸素センサが知られており、この酸素センサによれば、内燃機関の始動後、このヒータにより酸素検出素子を加熱して早期に活性化温度まで昇温することで、ライトオフ時間を短縮することができる。なお、ヒータの熱を効率よく酸素検出素子に伝導させるためには、ヒータを酸素検出素子に直接接触させると良い。

よって、このようにヒータを備えた酸素センサを用いることでライトオフ時間を短縮できることから、上記のクローズドループシステムを早期に動作させることが可能となり、これにより、内燃機関の始動時のエミッションの低減を図ることができ、排気ガス規制の基準を満足することができる。

ところで、上記のようにヒータを備えた酸素センサにおいては、ヒータの発熱量を増大させることでライトオフ時間を短縮することができるが、過剰にヒータの発熱量を増大させた場合、酸素検出素子が破損する虞がある。

つまり、酸素検出素子を形成する固体電解質体は熱伝導の速度が遅いため、ヒータを酸素検出素子の内表面に接触させた場合、酸素検出素子の内表面と外表面との間に温度勾配が発生することになる。そして、ヒータの発熱量を過度に大きくした場合には、ヒータとの接触部分とそれ以外の部分との温度勾配の発生に伴い酸素検出素子に大きな熱応力が生じ、酸素検出素子に割れ（クラック）が生じることがある。

そして、上記公報（特開平７−２８０７７１号）では、酸素検出素子の厚みを薄く形成するとともに、酸素検出素子のテーパ部の形状を規定することで、応力集中に対するテーパ部の強度を向上させているが、ヒータの加熱によって生じる熱応力に対する強度の向上させたものではなく、クラックが生じる虞がある。

他方、ヒータの発熱量を増大させることで、ある程度まではライトオフ時間を短縮することはできるが、ヒータの発熱量の増大のみではライトオフ時間の短縮には限界があり、特に、内表面から外表面にかけての厚さが厚く形成された酸素検出素子においては、限界となるライトオフ時間が長くなってしまう。このような酸素検出素子を用いた場合、上述のクローズドループシステムを早期に動作状態とするためのライトオフ時間を達成することが困難となる。

そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、ヒータによる加熱により活性化される酸素検出素子であり、ライトオフ時間を短縮できるとともにクラックの発生を抑制することができる酸素検出素子を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体を、一端が閉塞し他端が開口した有底筒状に形成すると共に、固体電解質体の閉塞端側の外表面に測定対象ガスと接触する測定電極を形成し、かつ、固体電解質体の内表面に基準電極を形成してなり、固体電解質体が、その開口端から内部に配置されるヒータにより加熱されて活性化状態となることにより、内表面と外表面との酸素濃度の差に応じた起電力を、測定電極と基準電極との間に発生する酸素検出素子であって、ヒータは、固体電解質体の内部の奥行き方向に対して傾斜した状態で固体電解質体の内部に配置されるとともに、固体電解質体の内表面に直接接触する状態で配置されており、固体電解質体のうち、少なくともヒータと接触する接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．２〜０．７［ｍｍ］であり、固体電解質体における厚さを規定する部分は、ヒータとの接触部分に加えて、接触部分の端部から３［ｍｍ］以内の範囲を含んでおり、固体電解質体は、閉塞端側が測定対象ガスに晒され、測定電極は、測定対象ガスと接触する検知部と、外部の接続端子と接触するために固体電解質体の開口端近くに設けられた接続部と、検知部と接続部とを電気的に接続するためのリード部と、を備えること、を特徴とする酸素検出素子である。

つまり、請求項１に記載の酸素検出素子は、固体電解質体の内表面から外表面にかけての厚さが規定されており、特に、ヒータとの接触部分の厚さが０．７［ｍｍ］以下に規定されている。

ここで、酸素検出素子は、ヒータへの投入電力を大きくするほどライトオフ時間が短くなるが、ヒータへの投入電力の増加によるライトオフ時間の短縮には限界がある。
すなわち、図３に示されているヒータへの投入電力とライトオフ時間との関係から判るように、ヒータへの投入電力が８０［Ｗ］以上となる範囲では、ヒータへの供給電力の増加に対してライトオフ時間はほとんど減少しない。このため、ヒータへの投入電力を、ライトオフ時間の短縮割合が低下する範囲（図３では、８０［Ｗ］以上）に設定することは、電力を無駄に消費することになり、ヒータへの投入電力としては、ライトオフ時間の短縮割合が低下する範囲を避けて設定するのが一般的である。

そして、固体電解質体におけるヒータとの接触部分の厚さを０．７０［ｍｍ］以下に規定した酸素検出素子は、後述する実験結果（図３および図４）から判るように、ヒータへの投入電力が８０［Ｗ］以下となる範囲においては、ライトオフ時間がクラック発生時間よりも短くなる。つまり、無駄な電力消費を避けることを考慮して設定されるヒータへの投入電力の範囲内（８０［Ｗ］以下）においては、本発明（請求項１）の酸素検出素子は、ヒータからの熱供給によってクラックが発生することなく、活性化状態に達することが可能となる。

よって、本発明（請求項１）の酸素検出素子は、ヒータによる加熱を行い早期に活性化させる際に、クローズドループシステムを早期に動作させるためのライトオフ時間を達成できると共に、クラックが発生するのを防ぐことができる。

ところで、内燃機関においては、マイコンなどを用いて、運転状態に応じて点火時期や燃料供給量などの制御処理を実行する制御装置を備えたものが知られている。そして、この制御装置で実行される制御処理のうち、特に内燃機関の出力を低下させるための制御処理として、燃料供給を停止するフューエルカット処理がある。つまり、フューエルカット処理では、燃料の供給を停止することで内燃機関の動力源となる燃料の燃焼が行われるのを強制的に停止し、内燃機関の出力を低下させるのである。
そして、フューエルカット処理が実行されると、燃料の燃焼が行われないため、燃料が燃焼する場合に比べて排気ガスの温度が低下することになり、酸素検出素子は、低温の排気ガスにさらされることとなり、酸素検出素子自体の温度が低下する。すると、温度の低下に伴い酸素検出素子の活性化が不十分となり、酸素検出により発生する起電力としての信号出力幅が狭く（小さく）なり、酸素検出精度が低下してしまう。
そこで、本発明（請求項１）の酸素検出素子においては、固体電解質体のうち、少なくともヒータとの前記接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．２［ｍｍ］以上で構成されている。
つまり、後述する実験結果（図６）によれば、固体電解質体の厚さが０．２［ｍｍ］以上の酸素検出素子は、フューエルカット処理を実行した時の信号出力幅が、少なくとも通常時の信号出力幅の８０％（４８０［ｍＶ］）以上となり、酸素の有無が判定可能な大きさの信号を出力することができる。
よって、本発明（請求項１）の酸素検出素子によれば、内燃機関の運転状態に応じてフューエルカット処理が行われて酸素検出素子の温度が低下した場合においても、酸素の有無を判定可能な信号出力幅の検出信号を出力することができ、酸素検出の検出精度が低下するのを防ぐことができる。

ところで、酸素検出素子におけるクラックの発生は、温度勾配により熱応力が発生することに起因しており、固体電解質体のうち、ヒータが直接接触している箇所が最も熱応力が発生しやすく、最もクラックが発生しやすい箇所である。しかし、固体電解質体のうち、ヒータが直接接触している箇所の周囲についても熱応力は発生しやすく、このような周囲部分についてもクラックの発生を抑えるべく固体電解質体の厚さを上述のように規定することが望ましい。
そこで、本発明（請求項１）の酸素検出素子においては、固体電解質体における厚さを規定する部分が、ヒータとの接触部分に加えて、接触部分の端部から３［ｍｍ］以内の範囲を含むようにしている。
ここで、後述する実験結果（図７）によれば、固体電解質体の全体が厚さ０．８５［ｍｍ］である酸素検出素子に比べて、ヒータが直接接触する部位の端部から３［ｍｍ］までの範囲の固体電解質体の厚さを０．８０［ｍｍ］とした酸素検出素子は、クラック発生時間が長くなる。つまり、固体電解質体において、少なくともヒータが直接接触する部位およびその部位の端部から３［ｍｍ］の範囲までを、上述した厚さに形成することで、クラックの発生をより良好に抑制することができることを示している。

よって、本発明（請求項１）に記載の酸素検出素子によれば、固体電解質体のうち熱応力が発生しやすい箇所におけるクラックの発生をより確実に抑えることができ、酸素検出素子が破損するのをより好適に防ぐことが可能となる。

ところで、酸素センサは、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するために用いられることがあるが、例えば、冬季や寒冷地のように低温環境で使用される内燃機関では運転停止後に排気管に凝縮水が溜まることがあり、その内燃機関の始動時には、排気ガスと共にその凝縮水が酸素検出素子に付着することがある。そして、ヒータにより活性化状態となっている酸素検出素子は、その温度が約３５０℃以上となっており、排気ガス中の水滴（凝縮水）が酸素検出素子に付着すると、水滴が付着した部分とその周囲との間に温度勾配が生じ、これに伴い発生する熱応力の差によって固体電解質体にクラックが発生する虞がある。

そこで、上述（請求項１）の酸素検出素子においては、請求項２に記載のように、固体電解質体のうち、少なくともヒータとの前記接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．６［ｍｍ］以下であるとよい。

つまり、後述する実験結果（図５）によれば、固体電解質体の厚さが０．６［ｍｍ］以下の酸素検出素子は、温度が４５０℃よりも低い場合には、水滴が付着することによってクラックが発生することがない。また、酸素検出素子は、約３５０℃以上で活性化状態となるが、実際の使用環境下においては４００℃程度に維持されていることが多く、固体電解質体の厚さが０．６［ｍｍ］以下に形成された酸素検出素子は、実際の使用環境下において被水によるクラックの発生を防ぐことができる。

よって、本発明（請求項２）の酸素検出素子によれば、水滴が付着することによるクラックの発生を抑えることができ、水滴の付着しやすい環境において使用する場合においても、酸素検出素子の破損を良好に防ぐことができる。

また、酸素検出素子においては、前述したように、ヒータへの投入電力の増加によるライトオフ時間の短縮には限界（下限値）があるが、ライトオフ時間の下限値に達するヒータへの投入電力の値が小さいほど、ライトオフ時間を短く設定し、かつ、ヒータでの電力消費を抑えることが可能となる。

そこで、上述（請求項１または請求項２）の酸素検出素子においては、請求項３に記載のように、固体電解質体のうち、少なくともヒータとの前記接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．５［ｍｍ］以下であるとよい。

つまり、後述する実験結果（図３）によれば、固体電解質体の厚さが０．５［ｍｍ］以下の酸素検出素子は、ヒータへの投入電力の変化に対するライトオフ時間の変化量が小さく、ヒータへの投入電力を５０［Ｗ］とした場合でも、ライトオフ時間を６［ｓｅｃ］程度とすることができる。

よって、本発明（請求項３）の酸素検出素子によれば、ヒータへの投入電力を比較的小さく設定した場合でもライトオフ時間を短くすることができ、酸素検出素子を活性化させる際のヒータでの電力消費を抑えて、省電力化を図ることができる。

また、図６の実験結果によれば、固体電解質体の厚さが０．４［ｍｍ］以上の酸素検出素子は、フューエルカット処理を実行した場合でも、出力する検出信号の信号出力幅が変動しないことが判る。

このため、上述（請求項１から請求項３のいずれか）の酸素検出素子においては、請求項４に記載のように、固体電解質体のうち、少なくともヒータとの前記接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．４［ｍｍ］以上であるとよい。

つまり、請求項４に記載の酸素検出素子によれば、フューエルカット処理の実行によって信号出力幅が低下することがなくなり、フューエルカット時においても酸素検出の検出精度が低下するのを確実に防ぐことができる。

本発明が適用された酸素検出素子が備えられる酸素センサの内部構成図である。 実施例の酸素検出素子の断面図である。 検出素子本体の接触部分の厚さおよびヒータへの投入電力を変化させて、ライトオフ時間を測定した第１実験の実験結果である。 検出素子本体の接触部分の厚さおよびヒータへの投入電力を変化させて、クラック発生時間を測定した第２実験の実験結果である。 酸素検出素子Ｓに水滴を滴下させたことによりクラックが発生する温度を測定した第３実験の実験結果である。 内燃機関の運転状態がフューエルカット状態となった時の酸素検出素子の信号出力幅について測定した第４実験の実験結果である。 厚さが０．８０［ｍｍ］以下に形成された部分の大きさが異なる酸素検出素子について、クラック発生時間を測定した第５実験の実験結果である。

以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。
まず、本発明の酸素検出素子が備えられる酸素センサについて、図１に示す内部構成図を用いて説明する。なお、この酸素センサは、自動車の内燃機関やボイラ等の各種燃焼機器の排気ガス中の酸素を検出するためのセンサである。

図１に示すように、酸素センサ１は、ジルコニア等により、一端が閉塞し他端が開口した有底筒状に形成されると共に、外側中央に鍔部３ａが形成された検出素子本体３と、検出素子本体３の内面側に形成された白金等からなる内側電極５（図１では図示省略）と、検出素子本体３の外面側に形成された白金等からなる外側電極７（図１では図示省略）と、からなる酸素検出素子Ｓを備えている。

そして、酸素センサ１では、酸素検出素子Ｓの開口部の内面側および外面側に、それぞれ接続端子９および接続端子１０が配置されており、内側電極５および外側電極７からの信号を取り出すための（被覆保護された）リード線１３およびリード線１４が、接続端子９，１０を介して内側電極５および外側電極７に接続されている。

また、酸素検出素子Ｓの内部には、酸素検出素子Ｓを加熱して活性化させるために、棒状のセラミックヒータ１７が収納されており、このセラミックヒータ１７の端部のうち、酸素検出素子Ｓの閉塞端部側に位置する端部１７ａの内部には、発熱体（図示省略）が備えられている。また、セラミックヒータ１７の端部のうち、端部１７ａとは反対側の端部１７ｂには、表面に一対の電極パターン（図示省略）が形成されており、この電極パターンはセラミックヒータ１７の内部で発熱体と電気的に接続されている。なお、セラミックヒータ１７は、アルミナ等の絶縁性セラミックを使用して形成されたヒータである。

そして、セラミックヒータ１７は、酸素検出素子Ｓの内部の奥行き方向に対して僅かに傾斜した状態で酸素検出素子Ｓの内部に配置されると共に、酸素検出素子Ｓの開口部より嵌入されて内側電極５に接続される接続端子９に形成されたヒータ保持部９ａにより保持される。なお、このとき、セラミックヒータ１７は、端部１７ａが接点Ａにて酸素検出素子Ｓの内表面に接触するように配置される。このとき、セラミックヒータ１７の端部１７ｂに備えられる一対の電極パターンには、ロー付けにより一対のリード端子１８が接続され、一対のリード端子１８には、ヒータ通電用のリード線１５，リード線１６が接続される。そして、リード線１５，リード線１６を通じて電力供給されることによりセラミックヒータ１７の内部に備えられる発熱体が発熱すると、セラミックヒータ１７から接点Ａを介して酸素検出素子Ｓに熱が伝導して、酸素検出素子Ｓ（詳しくは、酸素検出素子Ｓを構成する固体電解質体）が活性化される。

また、酸素検出素子Ｓは、セラミック製の筒状の保持部材２１，保持部材２３，タルク粉末２５，パッキン２７等を介して、耐熱金属製の主体金具２９内に、主体金具２９を貫いて図の上下方向に延びるように、その軸中心を合わせて配置される。そして、主体金具２９の下部には、酸素検出素子Ｓの先端部（筒の一端を閉塞した側）の周囲を覆うように、測定対象ガスを導入する孔部３１ａを有する保護キャップ３１が装着され、主体金具２９の上部には、酸素検出素子Ｓおよびセラミックヒータ１７の上部の周囲を覆うように、例えば、ステンレスからなる耐熱金属製の内筒３３がＯリング３５を介して加締めによって取り付けられ、更に、内筒３３の上部には、例えば、ステンレスからなる耐熱金属製の外筒３９が外嵌される。

尚、内筒３３の上部と外筒３９との間の空間（即ち、図１における酸素検出素子Ｓの上方の空間）には、リード線１３〜１６が貫通する貫通孔４３が形成された略円柱状のセラミックセパレータ４５およびグロメットゴム４７が、図の下側より順に配置され、これによって、酸素センサ１の内部に水等が侵入するのを防止している。

そして、この酸素センサは、保護キャップ３１にて保護された酸素検出素子Ｓの先端部が排気管内部に突出して、測定対象ガスである排気ガスに晒されるよう、主体金具２９を介して、内燃機関等の排気管に取り付けられる。

このように取り付けられた酸素センサは、内燃機関が始動されるとセラミックヒータ１７への電力供給が開始されて、セラミックヒータ１７により加熱された酸素検出素子Ｓが活性化状態となる。この結果、酸素検出素子Ｓの内側電極５と外側電極７との間には、リード線１３〜１６の捩り芯線の隙間等を介して酸素検出素子Ｓの筒内側に導入される大気を酸素濃度の基準として、その酸素濃度と測定対象ガス中の酸素濃度との比に応じた電圧が発生し、その電圧が検出信号として外部に出力されることになる。

なお、酸素検出素子Ｓが活性化した後においては、セラミックヒータ１７へ供給する電力量をデューティー制御して、酸素検出素子Ｓの温度を一定範囲内に制御することにより、酸素検出素子Ｓの温度が過剰に上昇するのを防いでいる。

次に、酸素検出素子Ｓの製造方法について説明する。そして、本実施例の酸素検出素子Ｓを拡大した断面図を図２に示す。なお、図２においては、右半分を断面図として酸素検出素子Ｓの構成を示している。

まず、バインダとジルコニア粉末およびイットリア粉末を混合したものを、ラバープレス法により有底筒状のプレス体として形成する。このとき、プレス体は、内表面から外表面にかけての厚さが、最終的な検出素子本体３よりも厚く形成されており、砥石などによりプレス体の外表面を切削することで、プレス体を最終的な検出素子本体３の寸法に等しい成形体に加工する。

そして、成形体を１５００℃程度の温度で焼成し、内表面および外表面にそれぞれ内側電極５および外側電極７を形成する。このあと、外側電極７の表面に溶射法により保護層（図示省略）を形成することで、測定対象ガスに含まれる有害成分により外側電極７が侵食されるのを防ぐ。

このようにして形成された酸素検出素子Ｓは、図２に示すように、ジルコニア等により一端が閉塞し他端が開口した有底筒状に形成されると共に外側中央に鍔部３ａが形成された検出素子本体３と、検出素子本体３の内面側に形成された白金等からなる内側電極（基準電極）５と、検出素子本体３の外面側に形成された白金等からなる外側電極（測定電極）７と、を備えている。

なお、外側電極７は、鍔部３ａから閉塞した端部にかけての検出素子本体３の表面に形成される検知部７ａと、接続端子１０（図１参照。図２では図示省略）と接触するために検出素子本体３の開口端近くに設けられた接続部７ｂと、検知部７ａと接続部７ｂとを電気的に接続するためのリード部７ｃとから形成されている。

また、内側電極５は、検出素子本体３の内表面全体に形成されており、酸素センサを形成する際には、検出素子本体３の開口端近くで接続端子９（図１参照。図２では図示省略）と接触する。

そして、検出素子本体３は、セラミックヒータ１７（図２では図示省略）との接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．８０［ｍｍ］以下に形成されている。なお、ここでいう接触部分とは、セラミックヒータ（図２では図示省略）が直接接触する接点Ａ（図１参照）および接点Ａの端部から３［ｍｍ］以内の部分を少なくとも含む領域のことである。また、検出素子本体３の接触部分の厚さは、成形体を形成するためにプレス体を切削加工する際に、切削度合いを調整することで決定することができる。

ここで、酸素検出素子Ｓの検出素子本体３における内表面から外表面にかけての厚さを変化させた場合において、セラミックヒータ（以下、単にヒータともいう）への通電開始から酸素検出素子が活性化して安定した検出信号が出力されるまでの時間（ライトオフ時間）やヒータへの通電開始から酸素検出素子Ｓにクラックが発生するまでの時間（クラック発生時間）等について測定した実験結果を以下に説明する。

まず、第１実験として、検出素子本体３の接触部分の厚さおよびヒータへの投入電力を変化させた場合に、酸素検出素子Ｓが活性化するのに要する時間であるライトオフ時間を測定する実験を実施した。そして、第１実験の実験結果を図３に示す。なお、図３では、横軸をヒータ投入電力、縦軸をライトオフ時間とする座標平面上に、厚さ毎にそれぞれの測定結果を線グラフとして表している。

そして、第１実験の実験結果によれば、ヒータ投入電力が８０［Ｗ］以上となる場合には、すべての接触部分の厚さにおいて、ライトオフ時間にほとんど差がないことが判る。つまり、ヒータ投入電力として８０［Ｗ］以上の電力供給を行ったとしても更にライトオフ時間が大幅に短縮されることはなく、無駄な電力消費を抑えることを考慮すると、ヒータ投入電力は８０［Ｗ］以下に設定することが望ましい。

次に、第２実験として、検出素子本体３の接触部分の厚さおよびヒータへの投入電力を変化させた場合に、ヒータへの電力供給を開始してから酸素検出素子Ｓにクラックが発生するまでの時間を測定する実験を実施した。そして、第２実験の実験結果を図４に示す。なお、図４では、横軸をヒータ投入電力、縦軸をクラック発生時間とする座標平面上に、厚さ毎にそれぞれの測定結果を線グラフとして表している。

そして、第２実験の実験結果によれば、ヒータへの投入電力を８０［Ｗ］とした場合のクラック発生時間は、厚さが０．８５［ｍｍ］であると約７．５［sec ］となり、厚さが０．８０［ｍｍ］であると９［sec ］となり、厚さが０．７０［ｍｍ］以下となると１２［sec ］以上となる。

これら第１実験および第２実験の実験結果から、ヒータ投入電力として８０［Ｗ］を投入した場合において、クラック発生時間がライトオフ時間よりも長くなる接触部分の厚さ、つまり活性化するまでにクラックが発生しない接触部分の厚さの最大値は、０．８０［ｍｍ］となる。なお、８０［Ｗ］という電力値は、ヒータ投入電力として、無駄な電力消費を抑えつつ、酸素検出素子Ｓを活性化させるための最大電力値であり、実際の使用時においてヒータ投入電力として設定される最大値である。

よって、第１実験および第２実験の実験結果によれば、ヒータの発熱量として実際の使用時に想定される最大発熱量が設定された場合においても、酸素検出素子Ｓの接触部分の厚さを０．８０［ｍｍ］以下に設定することで、クラックが発生することなく、酸素検出素子Ｓを活性化できることが判る。

ここで、酸素検出素子においては、前述したように、ヒータへの投入電力の増加によるライトオフ時間の短縮には限界（下限値）があるが、ライトオフ時間の下限値に達するヒータへの投入電力の値が小さいほど、ライトオフ時間を短く設定し、かつ、ヒータでの電力消費を抑えることが可能となる。

そして、第１実験の実験結果によれば、検出素子本体３の接触部分の厚さが０．５０［ｍｍ］以下の酸素検出素子は、ヒータへの投入電力の変化に対するライトオフ時間の変化量が小さく、ヒータへの投入電力を５０［Ｗ］とした場合でも、約６［sec ］程度のライトオフ時間を実現することができる。

よって、検出素子本体３の接触部分の厚さが０．５０［ｍｍ］以下に形成された酸素検出素子によれば、ヒータへの投入電力を比較的小さく設定した場合でもライトオフ時間を短くすることができ、酸素検出素子を活性化させる際のヒータでの電力消費を抑えて、省電力化を図ることができる。

次に、第３実験として、酸素検出素子Ｓに水滴（５［μＬ］）を滴下させたことによりクラックが発生する温度（クラック発生温度）を、検出素子本体３におけるヒータとの接触部分の厚さ毎に測定する実験を実施した。そして、第３実験の実験結果を図５に示す。なお、図５では、横軸を酸素検出素子におけるヒータとの接触部分の厚さ、縦軸をクラック発生温度とする座標平面上に、クラックが発生しない場合を○印で、クラックが発生した場合を×印で記すことで、測定結果を表している。また、図中にクラックが発生する温度を点線で記載しており、図におけるこの点線よりも上側の領域が、酸素検出素子のクラック発生領域となる。

そして、第３実験の実験結果によれば、ヒータとの接触部分の厚さが薄くなるに従い、クラック発生温度が高くなる傾向があることが判る。また、ヒータとの接触部分の厚さが０．６［ｍｍ］の場合には４５０℃以上でクラックが発生し、ヒータとの接触部分の厚さが０．７［ｍｍ］の場合には３７５℃以上でクラックが発生していることが判る。

他方、本実施例の酸素検出素子は、ジルコニアを主体に形成されており、３５０℃で活性化するものであり、実使用環境においては、４００℃前後で使用されることが多い。
よって、第３実験の実験結果によれば、接触部分の厚さを０．６［ｍｍ］以下に形成した酸素検出素子は、実際の使用環境での温度（約４００℃）において被水によるクラックの発生を防ぐことができ、排気管などのように水滴の付着が起こりうる環境においても使用可能となる。

続いて、第４実験として、内燃機関の運転状態が燃料供給を停止した状態（フューエルカット状態）となり排気ガスの温度が低下したときの、酸素検出素子の信号出力幅について、酸素検出素子の厚さ毎に測定する実験を実施した。なお、ここでの信号出力幅とは、測定対象ガス中の酸素濃度が高い場合に酸素検出素子が出力する検出信号と、酸素濃度が低い場合に酸素検出素子が出力する検出信号とにおける出力値の差を表している。

そして、第４実験の実験結果を図６に示す。なお、図６では、横軸を酸素検出素子におけるヒータとの接触部分の厚さ、縦軸を信号出力幅とする座標平面上に、素子の厚さ毎に信号出力幅を記すことで測定結果を示している。

図６に示す実験結果によれば、酸素検出素子の接触部分の厚さが０．４［ｍｍ］以上であれば信号出力幅は６００［ｍＶ］であり、フューエルカットによる温度低下が原因となり信号出力幅が低下することはない。また、酸素検出素子の接触部分の厚さが０．２［ｍｍ］以上であれば、フューエルカットにより温度低下が発生した場合においても、信号出力幅が４８０［ｍＶ］よりも大きい値を示している。

このことから、酸素検出素子の接触部分の厚さが０．２［ｍｍ］以上であれば、フューエルカット後の信号出力幅が、フューエルカット前の信号出力幅に対して８０％以上の大きさとなることが判る。また、酸素検出素子から出力される検出信号に基づき酸素の有無を判定する機器については、一般に、信号出力幅が通常時の８０％以上であれば、酸素の有無の判定は可能である。

よって、接触部分の厚さが０．２［ｍｍ］以上に形成された酸素検出素子は、内燃機関の運転状態がフューエルカット状態となった場合においても、酸素検出を継続して行うことが可能となる。さらに、接触部分の厚さが０．４［ｍｍ］以上に形成された酸素検出素子を用いることにより、内燃機関の運転状態がフューエルカット状態となることで信号出力幅が低下することがなくなり、酸素検出精度を一定に維持することができる。

続いて、第５実験として、厚さが０．８０［ｍｍ］以下に形成された部分の大きさが異なる酸素検出素子について、ヒータへの通電開始から酸素検出素子Ｓにクラックが発生するまでの時間を測定する実験を実施した。なお、０．８０［ｍｍ］以下に形成されている部分以外の酸素検出素子Ｓの厚さは、０．８５［ｍｍ］に形成されている。

そして、第５実験の実験結果を図７に示す。なお、図７では、横軸をヒータ投入電力、縦軸をクラック発生時間とする座標平面上に、厚さが０．８０［ｍｍ］以下に形成された部分の大きさ毎にそれぞれの測定結果を線グラフとして表している。また、酸素検出素子としては、厚さが０．８０［ｍｍ］以下に形成された部位が、（Ａ）無し、（Ｂ）ヒータが直接接触している部位の端部から直径１［ｍｍ］の範囲、（Ｃ）ヒータが直接接触している部位の端部から直径２［ｍｍ］の範囲、（Ｄ）ヒータが直接接触している部位の端部から直径３［ｍｍ］の範囲、の４種類の酸素検出素子を用いて測定した。

図７に示す実験結果によれば、（Ａ）のクラック発生時間に対して、（Ｂ）及び（Ｃ）のクラック発生時間はあまり大きな差はなく、（Ｄ）のクラック発生時間は長くなっていることが判る。具体的には、ヒータ投入電力が８０［Ｗ］の場合には、（Ａ）のクラック発生時間に比べて（Ｄ）のクラック発生時間は、約１．５［sec ］長くなっている。

このことから、酸素検出素子は、検出素子本体（固体電解質体）のうち少なくともヒータが直接接触する部位およびその部位の端部から３［ｍｍ］の範囲までを、０．８０［ｍｍ］以下の厚さに形成することで、クラックの発生をより良好に抑制することができ、酸素検出素子が破損するのをより好適に防ぐことが可能となる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施例では、ヒータが傾斜した状態で内部に配置されて、ヒータとの接触部位が点となる酸素検出素子について説明したが、ヒータとして酸素検出素子の内面に接触する面積が大きくなる形状のヒータを配置して、ヒータからの熱伝導を良好となるよう構成された酸素検出素子であってもよい。そして、こうした酸素検出素子においても、ヒータが直接接触する部位の端部から３［ｍｍ］以内の領域の厚さを、０．８０［ｍｍ］以下に形成することで、ライトオフ時間を短く実現しつつ、クラックの発生を抑えることができる。

１…酸素センサ、３…検出素子本体、３ａ…鍔部、５…内側電極、７…外側電極、１７…セラミックヒータ、Ｓ…酸素検出素子。

Claims (4)

1. 酸素イオン伝導性の固体電解質体を、一端が閉塞し他端が開口した有底筒状に形成すると共に、該固体電解質体の閉塞端側の外表面に測定対象ガスと接触する測定電極を形成し、かつ、該固体電解質体の内表面に基準電極を形成してなり、
   前記固体電解質体が、その開口端から内部に配置されるヒータにより加熱されて活性化状態となることにより、内表面と外表面との酸素濃度の差に応じた起電力を、前記測定電極と前記基準電極との間に発生する酸素検出素子であって、
   前記ヒータは、前記固体電解質体の内部の奥行き方向に対して傾斜した状態で前記固体電解質体の内部に配置されるとともに、前記固体電解質体の内表面に直接接触する状態で配置されており、
   前記固体電解質体のうち、少なくとも前記ヒータと接触する接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．２〜０．７［ｍｍ］であり、
   前記固体電解質体における厚さを規定する部分は、前記ヒータとの前記接触部分に加えて、前記接触部分の端部から３［ｍｍ］以内の範囲を含んでおり、
   前記固体電解質体は、閉塞端側が前記測定対象ガスに晒され、
   前記測定電極は、前記測定対象ガスと接触する検知部と、外部の接続端子と接触するために前記固体電解質体の開口端近くに設けられた接続部と、前記検知部と前記接続部とを電気的に接続するためのリード部と、を備えること、
   を特徴とする酸素検出素子。
2. 前記固体電解質体のうち、少なくとも前記ヒータとの前記接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．６［ｍｍ］以下であること、
   を特徴とする請求項１に記載の酸素検出素子。
3. 前記固体電解質体のうち、少なくとも前記ヒータとの前記接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．５［ｍｍ］以下であること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の酸素検出素子。
4. 前記固体電解質体のうち、少なくとも前記ヒータとの前記接触部分における内表面から外表面にかけての厚さが、０．４［ｍｍ］以上であること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の酸素検出素子。

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