JP5488289B2 - 酸素センサ素子 - Google Patents
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Description
本発明は、車両用内燃機関の燃焼制御等に用いられる酸素センサ素子に関する。
車両用内燃機関の燃焼制御等に用いられる酸素センサ素子としては、例えば、先端が閉塞されると共に基端が開放され、内側に基準ガス室が設けられたコップ型の固体電解質体と、該固体電解質体の外側面に形成され、被測定ガスと接触する測定電極と、固体電解質体の内側面に形成された基準電極とを有し、基準ガス室にヒータを挿入配置してなる構成のものが知られている。
上記酸素センサ素子は、例えば、Ｐｔ（白金）等の触媒作用によりセンサ出力を得ることから、電極材料としてＰｔ等を使用している。しかしながら、貴金属のＰｔ等は高価であるため、製品コストが高くなってしまう。そのため、使用量を削減することが低コスト化を図るための必須の課題となっている。
そこで、特許文献１では、高温となる素子先端部（検出部）のみに測定電極及び基準電極が固定電解質体を介して対向する位置に形成された酸素センサ素子が提案されている。これによれば、電極の形成面積を小さくすることができるため、電極材料の使用量を削減し、低コスト化を図ることができる。
ところで、酸素センサ素子のセンサ出力は、温度によって変化する。そのため、センサ出力の安定化のために素子の温度制御が行われている。温度制御の手法としては、素子の抵抗温度特性を用いたものが一般的である。これは固体電解質体のインピーダンスが温度と１対１の関係を持つことから、素子抵抗をモニタリングすることで素子温度を把握することができ、素子抵抗が一定の範囲に維持されるように素子温度を調整することで素子温度を一定の範囲に制御するというものである。近年、燃費向上、触媒浄化率向上の観点から、５５０℃以上の高温でのセンサ使用の要求が高くなっており、高温での温度ばらつきが小さいセンサ素子が望まれている。
しかしながら、上記特許文献１の酸素センサ素子は、活性時間、応答性といった特性を確保するため、また素子に対する排ガスの接触方向によって方向性が生じることを防止するため、素子先端部の外側面に形成した測定電極に対向する位置に基準電極が形成されている。そのため、活性時間を短くするために固体電解質体を大きくすることができない一般的な酸素センサ素子では、特に５５０℃以上の高温において、温度に対するインピーダンス変化が小さくなり、素子温度を精度良く制御することができず、素子温度のばらつきが大きくなってしまうという問題が生じていた。
本発明は、かかる問題点を鑑みてなされたもので、素子温度をより精度良く制御することができ、かつ、電極材料削減による低コスト化も図ることができる酸素センサ素子を提供しようとするものである。
第１の発明は、先端が閉塞されると共に基端が開放され、内側に基準ガス室が設けられたコップ型の固体電解質体と、該固体電解質体の外側面に形成され、被測定ガスと接触する測定電極と、上記固体電解質体の内側面に形成された基準電極とを有し、上記基準ガス室にヒータを挿入配置してなる酸素センサ素子であって、
上記測定電極は、上記固体電解質体の先端部における上記外側面を覆うように形成されており、
上記基準電極は、上記固体電解質体の上記内側面のうち、上記固体電解質体を介して上記測定電極に対向する領域である測定電極対向領域内に形成されており、
上記ヒータは、上記固体電解質体の上記内側面の上記測定電極対向領域における上記基準電極が形成されていない部分に接触しており、
上記測定電極の面積Ｓ１と上記基準電極の面積Ｓ２とが０．３８５≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３の関係を満たすことを特徴とする酸素センサ素子にある（請求項１）。
上記測定電極は、上記固体電解質体の先端部における上記外側面を覆うように形成されており、
上記基準電極は、上記固体電解質体の上記内側面のうち、上記固体電解質体を介して上記測定電極に対向する領域である測定電極対向領域内に形成されており、
上記ヒータは、上記固体電解質体の上記内側面の上記測定電極対向領域における上記基準電極が形成されていない部分に接触しており、
上記測定電極の面積Ｓ１と上記基準電極の面積Ｓ２とが０．３８５≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３の関係を満たすことを特徴とする酸素センサ素子にある（請求項１）。
第２の発明は、先端が閉塞されると共に基端が開放され、内側に基準ガス室が設けられたコップ型の固体電解質体と、該固体電解質体の外側面に形成され、被測定ガスと接触する測定電極と、上記固体電解質体の内側面に形成された基準電極とを有し、上記基準ガス室にヒータを挿入配置してなる酸素センサ素子であって、
上記基準電極は、上記固体電解質体の先端部における上記内側面を覆うように形成されており、
上記測定電極は、上記固体電解質体の上記外側面のうち、上記固体電解質体を介して上記基準電極に対向する領域である基準電極対向領域内に形成されるとともに上記固体電解質体の上記外側面の上記基準電極対向領域内において周方向に分割して形成されており、
上記ヒータは、少なくとも一部が上記固体電解質体の上記内側面における上記測定電極に対向する位置に接触しており、
上記基準電極の面積Ｓ２と上記測定電極の面積Ｓ１とが０．０５≦Ｓ１／Ｓ２＜１．３８の関係を満たすことを特徴とする酸素センサ素子にある（請求項３）。
上記基準電極は、上記固体電解質体の先端部における上記内側面を覆うように形成されており、
上記測定電極は、上記固体電解質体の上記外側面のうち、上記固体電解質体を介して上記基準電極に対向する領域である基準電極対向領域内に形成されるとともに上記固体電解質体の上記外側面の上記基準電極対向領域内において周方向に分割して形成されており、
上記ヒータは、少なくとも一部が上記固体電解質体の上記内側面における上記測定電極に対向する位置に接触しており、
上記基準電極の面積Ｓ２と上記測定電極の面積Ｓ１とが０．０５≦Ｓ１／Ｓ２＜１．３８の関係を満たすことを特徴とする酸素センサ素子にある（請求項３）。
第１の発明の酸素センサ素子において、上記測定電極は、上記固体電解質体の先端部における上記外側面を覆うように形成されており、上記基準電極は、上記固体電解質体の上記内側面の上記測定電極対向領域内に形成されている。そして、上記測定電極の面積Ｓ１と上記基準電極の面積Ｓ２とが０．３８５≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３の関係を満たしている。これにより、上記酸素センサ素子の温度をより精度良く制御することができる。
すなわち、本発明は、上記測定電極の面積Ｓ１に対する上記基準電極の面積Ｓ２を所定の範囲で小さくすることにより、上記酸素センサ素子の温度に対する上記固体電解質体のインピーダンスの傾き（以下、適宜、温度勾配という）が大きくなることを見出したことに大きな特徴がある。そして、上記温度勾配が大きくなることにより、インピーダンスの検出によって上記酸素センサ素子の温度をより正確に把握することができる。これにより、センサ出力の安定化のために上記酸素センサ素子の温度制御を行う際、該酸素センサ素子の温度をより精度良く所望の温度に制御することができる。また、特に、上記ヒータは、上記固体電解質体の上記内側面の上記測定電極対向領域における上記基準電極が形成されていない部分に接触している。そのため、抵抗値が最も低くなる上記ヒータとの接触部分に上記基準電極を形成しないことにより、上記温度勾配をより一層大きくすることができる。
また、上記測定電極の面積Ｓ１に対する上記基準電極の面積Ｓ２を所定の範囲で小さくしているため、上記測定電極の面積Ｓ１を一定とし、上記測定電極対向領域全体に上記基準電極を形成した場合に比べて、該基準電極の電極形成面積を小さくすることができる。これにより、Ｐｔ（白金）等の貴金属が用いられる電極材料の使用量を削減し、低コスト化を図ることができる。
第２の発明の酸素センサ素子において、上記基準電極は、上記固体電解質体の先端部における上記内側面を覆うように形成されており、上記測定電極は、上記固体電解質体の上記外側面の上記基準電極対向領域内に形成されている。そして、上記基準電極の面積Ｓ２と上記測定電極の面積Ｓ１とが０．０５≦Ｓ１／Ｓ２＜１．３８の関係を満たしている。これにより、上記酸素センサ素子の温度をより精度良く制御することができる。
すなわち、本発明は、上記第１の発明とは逆に、上記基準電極の面積Ｓ２に対する上記測定電極の面積Ｓ１を所定の範囲で小さくすることにより、上記温度勾配が大きくなることを見出したことに大きな特徴がある。そして、上記第１の発明と同様に、上記温度勾配が大きくなることにより、インピーダンスの検出によって上記酸素センサ素子の温度をより正確に把握することができる。これにより、センサ出力の安定化のために上記酸素センサ素子の温度制御を行う際、該酸素センサ素子の温度をより精度良く所望の温度に制御することができる。また、特に、上記測定電極は、上記固体電解質体の上記外側面の上記基準電極対向領域内において周方向に分割して形成されており、上記ヒータは、少なくとも一部が上記固体電解質体の上記内側面における上記測定電極に対向する位置に接触している。そのため、上記測定電極が周方向に分割して形成されていることにより、上記測定電極と上記基準電極との面積比Ｓ１／Ｓ２を容易に変更することができ、上記温度勾配の調整が容易となる。また、上記ヒータが上記基準電極に接触していると共にその接触部分に上記測定電極が対向していることにより、活性時間を短く、応答性を高くすることができる。
また、上記基準電極の面積Ｓ２に対する上記測定電極の面積Ｓ１を所定の範囲で小さくしているため、上記基準電極の面積Ｓ２を一定とし、上記基準電極対向領域全体に上記測定電極を形成した場合に比べて、該測定電極の電極形成面積を小さくすることができる。これにより、Ｐｔ（白金）等の貴金属が用いられる電極材料の使用量を削減し、低コスト化を図ることができる。
このように、本発明によれば、素子温度をより精度良く制御することができ、かつ、電極材料削減による低コスト化も図ることができる酸素センサ素子を提供することができる。
上記第１及び第２の発明において、上記酸素センサ素子の温度に対する上記固体電解質体のインピーダンスの傾きである上記温度勾配は、次のようにして求めることができる。すなわち、上記酸素センサ素子の温度Ｘ（℃）とインピーダンスＹ（Ω）との関係をグラフに表し、その近似曲線Ｙ＝ａ・ｂX（ｂ：定数）を導き出す。これにより、上記温度勾配の値ａを求めることができる。
上記第１の発明において、上記測定電極は、上記固体電解質体の先端部における上記外側面を覆うように形成されている。すなわち、上記固体電解質体の先端部における上記外側面に対して周方向全周にわたって形成されている。
また、上記測定電極は、例えば、上記固体電解質体の先端から上記測定電極の後端までの距離を上記固体電解質体の軸方向全長の５０％に設定することができる。
また、上記測定電極は、例えば、上記固体電解質体の先端から上記測定電極の後端までの距離を上記固体電解質体の軸方向全長の５０％に設定することができる。
また、上記測定電極の面積Ｓ１と上記基準電極の面積Ｓ２との関係が、Ｓ２／Ｓ１≧０．７２３の場合には、上記温度勾配を大きくするという本発明の効果を十分に得ることができないおそれがある。なお、Ｓ２／Ｓ１＜０．０１０の場合には、上記測定電極の面積Ｓ１に対する上記基準電極の面積Ｓ２が非常に小さくなり、上記測定電極と上記基準電極との間において導通不良が生じるおそれがある。
また、上記基準電極は、上記固体電解質体の上記内側面の上記測定電極対向領域内において周方向に連続して形成され、上記酸素センサ素子の軸心と上記基準電極の周方向の両端とがなす角度が１０°〜３６０°であることが好ましい（請求項２）。
この場合には、周方向の角度を変更することにより、面積比Ｓ２／Ｓ１を容易に変更することができ、上記温度勾配の調整が容易となる。
この場合には、周方向の角度を変更することにより、面積比Ｓ２／Ｓ１を容易に変更することができ、上記温度勾配の調整が容易となる。
上記第２の発明において、上記基準電極は、上記固体電解質体の先端部における上記内側面を覆うように形成されている。すなわち、上記固体電解質体の先端部における上記内側面に対して周方向全周にわたって形成されている。
また、上記基準電極は、例えば、上記固体電解質体の先端から上記基準電極の後端までの距離を上記固体電解質体の軸方向全長の５０％以下に設定することができる。
また、上記基準電極は、例えば、上記固体電解質体の先端から上記基準電極の後端までの距離を上記固体電解質体の軸方向全長の５０％以下に設定することができる。
また、上記基準電極の面積Ｓ２と上記測定電極の面積Ｓ１との関係がＳ１／Ｓ２＜０．０５の場合には、上記基準電極の面積Ｓ２に対する上記測定電極の面積Ｓ１が小さくなりすぎ、上記測定電極と上記基準電極との間において導通不良が生じるおそれがある。
一方、Ｓ１／Ｓ２≧１．３８の場合には、上記温度勾配を大きくするという本発明の効果を十分に得ることができないおそれがある。
一方、Ｓ１／Ｓ２≧１．３８の場合には、上記温度勾配を大きくするという本発明の効果を十分に得ることができないおそれがある。
また、上記基準電極の面積Ｓ２と上記測定電極の面積Ｓ１とが０．４１≦Ｓ１／Ｓ２＜１．３８の関係を満たすことが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記温度勾配が極端に大きく変化しないことから、面積比Ｓ１／Ｓ２に対する上記温度勾配のばらつきを抑制することができる。
この場合には、上記温度勾配が極端に大きく変化しないことから、面積比Ｓ１／Ｓ２に対する上記温度勾配のばらつきを抑制することができる。
（参考例１）
本例の酸素センサ素子１は、図１〜図３に示すごとく、先端が閉塞されると共に基端が開放され、内側に基準ガス室１３が設けられたコップ型の固体電解質体１０と、固体電解質体１０の外側面１０１に形成され、被測定ガスと接触する測定電極１１と、固体電解質体１０の内側面１０２に形成された基準電極１２とを有し、基準ガス室１３にヒータ２を挿入配置してなる。
本例の酸素センサ素子１は、図１〜図３に示すごとく、先端が閉塞されると共に基端が開放され、内側に基準ガス室１３が設けられたコップ型の固体電解質体１０と、固体電解質体１０の外側面１０１に形成され、被測定ガスと接触する測定電極１１と、固体電解質体１０の内側面１０２に形成された基準電極１２とを有し、基準ガス室１３にヒータ２を挿入配置してなる。
同図に示すごとく、測定電極１１は、固体電解質体１０の先端部１００における外側面１０１を覆うように形成されており、基準電極１２は、固体電解質体１０の内側面１０２のうち、固体電解質体１０を介して測定電極１１に対向する領域である測定電極対向領域１０２ａ内に形成されている。
また、測定電極１１の面積Ｓ１と基準電極１２の面積Ｓ２とが０．０１０≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３の関係を満たす。
以下、これを詳説する。
また、測定電極１１の面積Ｓ１と基準電極１２の面積Ｓ２とが０．０１０≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３の関係を満たす。
以下、これを詳説する。
図１、図２に示すごとく、酸素センサ素子１は、先端側が閉塞され、基端側が開放されている有底筒状のコップ型の固体電解質体１０を有する。
図１に示すごとく、固体電解質体１０の外側面１０１には、測定電極１１が形成されている。測定電極１１は、固体電解質体１０の先端部１００における外側面１０１を覆うように周方向全周にわたって形成されている。
また、固体電解質体１０の外側面１０１には、測定電極１１に対して導通するように外側リード部１１１及び外側ターミナル部１１２が形成されている。
図１に示すごとく、固体電解質体１０の外側面１０１には、測定電極１１が形成されている。測定電極１１は、固体電解質体１０の先端部１００における外側面１０１を覆うように周方向全周にわたって形成されている。
また、固体電解質体１０の外側面１０１には、測定電極１１に対して導通するように外側リード部１１１及び外側ターミナル部１１２が形成されている。
図２に示すごとく、固体電解質体１０の内側面１０２には、基準電極１２が形成されている。基準電極１２は、固体電解質体１０の内側面１０２のうち、固体電解質体１０を介して測定電極１１に対向する領域である測定電極対向領域１０２ａ内に形成されている。本例では、測定電極対向領域１０２ａの先端側において、基準電極１２が周方向全周にわたって形成されている。
また、固体電解質体１０の内側面１０２には、基準電極１２に対して導通するように内側リード部１２１及び内側ターミナル部１２２が形成されている。
また、固体電解質体１０の内側面１０２には、基準電極１２に対して導通するように内側リード部１２１及び内側ターミナル部１２２が形成されている。
図１、図２に示すごとく、固体電解質体１０の外側面１０１に形成された測定電極１１の電極形成面積をＳ１とし、固体電解質体１０の内側面１０２の測定電極対向領域１０２ａ内に形成された基準電極１２の電極形成面積をＳ２とした場合に、０．０１０≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３の関係を満たす。
本例では、固体電解質体１０は、部分安定化ジルコニアよりなる。また、測定電極１１、外側リード部１１１、外側ターミナル部１１２、基準電極１２、内側リード部１２１、内側ターミナル部１２２は、いずれもＰｔ（白金）よりなる。
また、測定電極１１、外側リード部１１１、外側ターミナル部１１２、基準電極１２、内側リード部１２１、内側ターミナル部１２２は、固体電解質体１０の外側面１０１又は内側面１０２に、貴金属化合物であるジベンジリデンＰｔを含有するペーストをパッド印刷等により所望の形状に印刷し、熱処理を施してＰｔ核形成部を得た後、無電解メッキを施すことによって形成する。
図３に示すごとく、基準ガス室１３には、棒状のヒータ２が挿入配置されている。ヒータ２は、固体電解質体１０の内側面１０２の測定電極対向領域１０２ａにおける基準電極１２が形成されている部分に接触している。また、ヒータ２の先端部２００には、発熱抵抗体（図示略）が内蔵されている。
そして、酸素センサ素子１は、ヒータ２により加熱された状態において、被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度差に対応した電位差が固体電解質体１０の測定電極１１と基準電極１２との間に生じ、この電位差によって被測定ガスの酸素濃度を求めることができるよう構成されている。
そして、酸素センサ素子１は、ヒータ２により加熱された状態において、被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度差に対応した電位差が固体電解質体１０の測定電極１１と基準電極１２との間に生じ、この電位差によって被測定ガスの酸素濃度を求めることができるよう構成されている。
次に、本例の酸素センサ素子１を用いた酸素センサ３の構造を説明する。
図４に示すごとく、酸素センサ３は、ハウジング３０を有し、このハウジング３０に酸素センサ素子１がシール固定されている。
ハウジング３０の先端側には、被測定ガス室３１０が形成されており、酸素センサ素子１を保護するための二重の被測定ガス側カバー３１１、３１２が設けてある。また、ハウジング３０の基端側には、三段の大気側カバー３２１、３２２、３２３が設けてある。
図４に示すごとく、酸素センサ３は、ハウジング３０を有し、このハウジング３０に酸素センサ素子１がシール固定されている。
ハウジング３０の先端側には、被測定ガス室３１０が形成されており、酸素センサ素子１を保護するための二重の被測定ガス側カバー３１１、３１２が設けてある。また、ハウジング３０の基端側には、三段の大気側カバー３２１、３２２、３２３が設けてある。
同図に示すごとく、大気側カバー３２２、３２３の基端側には、リード線３７１、３８１、３９１が挿入された弾性絶縁部材３５が設けてある。
リード線３７１は、ヒータ２に対して通電し、これを発熱させるためのものである。また、リード線３８１、３９１は、固体電解質体において発生した電流を信号として取り出し、これを外部に送るためのものである。
リード線３７１は、ヒータ２に対して通電し、これを発熱させるためのものである。また、リード線３８１、３９１は、固体電解質体において発生した電流を信号として取り出し、これを外部に送るためのものである。
同図に示すごとく、リード線３８１、３９１の先端側には、接続端子３８２、３９２が設けてある。接続端子３８２、３９２は、酸素センサ素子１に固定された金属端子３８３、３９３に接触し、導通している。
また、金属端子３８３、３９３は、それぞれ酸素センサ素子１の外側ターミナル部１１２、内側ターミナル部１２２（図１、図２参照）に対して接触固定されている。
また、金属端子３８３、３９３は、それぞれ酸素センサ素子１の外側ターミナル部１１２、内側ターミナル部１２２（図１、図２参照）に対して接触固定されている。
次に、本例の酸素センサ素子１における作用効果について説明する。
本例の酸素センサ素子１において、測定電極１１は、固体電解質体１０の先端部１００における外側面１０１を覆うように形成されており、基準電極１２は、固体電解質体１０の内側面１０２の測定電極対向領域１０２ａ内に形成されている。そして、測定電極１１の面積Ｓ１と基準電極１２の面積Ｓ２とが０．０１０≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３の関係を満たしている。これにより、酸素センサ素子１の温度をより精度良く制御することができる。
本例の酸素センサ素子１において、測定電極１１は、固体電解質体１０の先端部１００における外側面１０１を覆うように形成されており、基準電極１２は、固体電解質体１０の内側面１０２の測定電極対向領域１０２ａ内に形成されている。そして、測定電極１１の面積Ｓ１と基準電極１２の面積Ｓ２とが０．０１０≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３の関係を満たしている。これにより、酸素センサ素子１の温度をより精度良く制御することができる。
すなわち、本例は、測定電極１１の面積Ｓ１に対する基準電極１２の面積Ｓ２を所定の範囲で小さくすることにより、酸素センサ素子１の温度に対する固体電解質体１０のインピーダンスの傾き（温度勾配）が大きくなることを見出したことに大きな特徴がある。そして、上記温度勾配が大きくなることにより、インピーダンスの検出によって酸素センサ素子１の温度をより正確に把握することができる。これにより、センサ出力の安定化のために酸素センサ素子１の温度制御を行う際、酸素センサ素子１の温度をより精度良く所望の温度に制御することができる。
また、測定電極１１の面積Ｓ１に対する基準電極１２の面積Ｓ２を所定の範囲で小さくしているため、測定電極１１の面積Ｓ１を一定とし、測定電極対向領域１０２ａ全体に基準電極１２を形成した場合に比べて、基準電極１２の電極形成面積を小さくすることができる。これにより、Ｐｔ（白金）等の貴金属が用いられる電極材料の使用量を削減し、低コスト化を図ることができる。
このように、本例によれば、素子温度をより精度良く制御することができ、かつ、電極材料削減による低コスト化も図ることができる酸素センサ素子１を提供することができる。
（実験例１）
次に、表１、表２に示すごとく、試料Ａ１〜Ａ１２の酸素センサ素子について性能試験を行った。
試料Ａ１〜Ａ１２の酸素センサ素子は、参考例１の酸素センサ素子と同様の構造である。ただし、基準電極の構成がそれぞれ異なる。
次に、表１、表２に示すごとく、試料Ａ１〜Ａ１２の酸素センサ素子について性能試験を行った。
試料Ａ１〜Ａ１２の酸素センサ素子は、参考例１の酸素センサ素子と同様の構造である。ただし、基準電極の構成がそれぞれ異なる。
具体的には、試料Ａ１は、図５に示すごとく、基準電極１２が固体電解質体１０の内側面１０２の測定電極対向領域１０２ａ全体に形成されている従来品である。
試料Ａ２、Ａ３は、図２に示すごとく、基準電極１２が測定電極対向領域１０２ａの先端側において、周方向全周にわたって形成されている。そして、基準電極１２の先端長さがそれぞれ異なっている。
試料Ａ２、Ａ３は、図２に示すごとく、基準電極１２が測定電極対向領域１０２ａの先端側において、周方向全周にわたって形成されている。そして、基準電極１２の先端長さがそれぞれ異なっている。
試料Ａ４〜Ａ１１は、図６（ａ）、（ｂ）に示すごとく、基準電極１２が測定電極対向領域１０２ａ内において、周方向に連続して形成されている。そして、基準電極１２の周面積を９〜１８０°の範囲で変更したものである。なお、図６は、試料Ａ４の酸素センサ素子１である。
試料Ａ１２は、図７に示すごとく、基準電極１２が測定電極対向領域１０２ａの基端側において、周方向全周にわたって形成されている。そして、図８に示すごとく、ヒータ２が固体電解質体１０の内側面１０１の測定電極対向領域１０２ａにおける基準電極１２が形成されていない部分に接触している。
試料Ａ１２は、図７に示すごとく、基準電極１２が測定電極対向領域１０２ａの基端側において、周方向全周にわたって形成されている。そして、図８に示すごとく、ヒータ２が固体電解質体１０の内側面１０１の測定電極対向領域１０２ａにおける基準電極１２が形成されていない部分に接触している。
次に、表１に示す酸素センサ素子（試料Ａ１〜Ａ１２）の各項目について説明する。
ヒータの接点位置（ｍｍ）は、酸素センサ素子１の先端からヒータ２の先端までの距離ａ１である（図３参照）。
測定電極の先端長さ（ｍｍ）は、酸素センサ素子１の先端から測定電極１１の後端までの距離ａ２である（図１参照）。
測定電極のリード周長さ（ｍｍ）は、外側リード部１１１の周方向の長さａ３である（図１参照）。
ヒータの接点位置（ｍｍ）は、酸素センサ素子１の先端からヒータ２の先端までの距離ａ１である（図３参照）。
測定電極の先端長さ（ｍｍ）は、酸素センサ素子１の先端から測定電極１１の後端までの距離ａ２である（図１参照）。
測定電極のリード周長さ（ｍｍ）は、外側リード部１１１の周方向の長さａ３である（図１参照）。
基準電極の先端長さ（ｍｍ）は、酸素センサ素子１の先端から基準電極１２の後端までの距離ａ４である（図２参照）。
基準電極の周長さ（ｍｍ）は、基準電極１２の周方向の長さである。
基準電極の電極端面位置（ｍｍ）は、酸素センサ素子１の先端から基準電極１２の先端までの距離ａ５である（図７参照）。
基準電極の周長さ（ｍｍ）は、基準電極１２の周方向の長さである。
基準電極の電極端面位置（ｍｍ）は、酸素センサ素子１の先端から基準電極１２の先端までの距離ａ５である（図７参照）。
基準電極のリード周長さ（ｍｍ）は、内側リード部１２１の周方向の長さａ６である（図２参照）。
基準電極の周面積（°）は、酸素センサ素子１の軸心Ｏと基準電極１２の周方向の両端とがなす角度θである（図６（ｂ）参照）。
面積比Ｓ２／Ｓ１は、測定電極１１の面積Ｓ１に対する基準電極１２の面積Ｓ２の割合である。
基準電極の周面積（°）は、酸素センサ素子１の軸心Ｏと基準電極１２の周方向の両端とがなす角度θである（図６（ｂ）参照）。
面積比Ｓ２／Ｓ１は、測定電極１１の面積Ｓ１に対する基準電極１２の面積Ｓ２の割合である。
次に、表２に示す酸素センサ素子（試料Ａ１〜Ａ１２）の性能試験について説明する。
ＶＡについては、モデルガス特性検査装置を用い、ガス温度４００℃、素子ヒータＯＦＦ（自己発熱なし）の条件において、モデルガス中で酸素センサ素子を自己フィードバックさせたときの出力振幅ＶＡを測定した。
ＶＡの判定は、０．７５Ｖ以上のものを◎、０．６５Ｖ以上０．７５Ｖ未満のものを○、０．６５Ｖ未満のものを×とした。
ＶＡについては、モデルガス特性検査装置を用い、ガス温度４００℃、素子ヒータＯＦＦ（自己発熱なし）の条件において、モデルガス中で酸素センサ素子を自己フィードバックさせたときの出力振幅ＶＡを測定した。
ＶＡの判定は、０．７５Ｖ以上のものを◎、０．６５Ｖ以上０．７５Ｖ未満のものを○、０．６５Ｖ未満のものを×とした。
温度勾配ａについては、電気炉を用い、大気雰囲気中の条件において、ヒータ通電により素子先端を５５０℃、６５０℃、７５０℃に加熱する。このとき、酸素センサ素子に１０ｋＨｚの交流電圧を印加したときに得られる電流値から算出される素子抵抗を測定する。そして、素子温度Ｘ（℃）と素子抵抗（インピーダンス）Ｙ（Ω）との関係をグラフに表し、その近似曲線Ｙ＝ａ・ｂX（ｂ：定数）を導き出す。これにより、温度勾配の値ａを求める。
温度勾配ａの判定は、測定電極及び対向電極を対向する位置に設けた従来品である試料Ａ１の温度勾配ａ＝８８．２を基準として、温度勾配ａが８８．２以下のものを×、８８．２超え９８．２以下のものを○、９８．２を超えるものを◎とした。
温度勾配ａの判定は、測定電極及び対向電極を対向する位置に設けた従来品である試料Ａ１の温度勾配ａ＝８８．２を基準として、温度勾配ａが８８．２以下のものを×、８８．２超え９８．２以下のものを○、９８．２を超えるものを◎とした。
次に、表２に示す酸素センサ素子（試料Ａ１〜Ａ１２）の性能試験の結果について説明する。
従来品の試料Ａ１の面積比Ｓ２／Ｓ１（＝０．７２３）よりも面積比Ｓ２／Ｓ１が小さい試料Ａ２〜Ａ１２は、いずれも温度勾配判定が○又は◎であった。また、ＶＡの判定も◎であった。
なお、面積比Ｓ２／Ｓ１が０．０１０よりも小さい試料Ａ１１は、測定電極の面積Ｓ１に対する基準電極の面積Ｓ２が非常に小さいため、測定電極と基準電極との間において導通不良が生じるおそれがある。
従来品の試料Ａ１の面積比Ｓ２／Ｓ１（＝０．７２３）よりも面積比Ｓ２／Ｓ１が小さい試料Ａ２〜Ａ１２は、いずれも温度勾配判定が○又は◎であった。また、ＶＡの判定も◎であった。
なお、面積比Ｓ２／Ｓ１が０．０１０よりも小さい試料Ａ１１は、測定電極の面積Ｓ１に対する基準電極の面積Ｓ２が非常に小さいため、測定電極と基準電極との間において導通不良が生じるおそれがある。
以上の結果から、試料Ａ２〜Ａ１０、Ａ１２のように、面積比Ｓ２／Ｓ１を０．０１０≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３とすることにより、温度勾配ａを大きくすることができることがわかった。そして、酸素センサ素子の温度をより精度良く所望の温度に制御することができることがわかった。
また、図９は、従来品の試料Ａ１及び試料Ａ２、Ａ５、Ａ６の素子温度（℃）と素子抵抗Ｚａｃ（Ω）との関係を示したものである。
同図からもわかるように、試料Ａ２、Ａ５、Ａ６は、従来品の試料Ａ１に比べて温度勾配ａが大きい。また、試料Ａ２、Ａ５、Ａ６は、面積比Ｓ２／Ｓ１が小さくなるにしたがって、温度勾配ａが大きくなっている。
同図からもわかるように、試料Ａ２、Ａ５、Ａ６は、従来品の試料Ａ１に比べて温度勾配ａが大きい。また、試料Ａ２、Ａ５、Ａ６は、面積比Ｓ２／Ｓ１が小さくなるにしたがって、温度勾配ａが大きくなっている。
（参考例２）
本例は、図１０〜図１２に示すごとく、測定電極１１及び基準電極１２の構成を変更した例である。
本例では、図１０に示すごとく、基準電極１２は、固体電解質体１０の先端部１００における内側面１０２を覆うように周方向全周にわたって形成されている。
図１１に示すごとく、測定電極１１は、固体電解質体１０の外側面１０１のうち、固体電解質体１０を介して基準電極１２に対向する領域である基準電極対向領域１０１ａ内に形成されている。本例では、基準電極対向領域１０１ａの先端側において、測定電極１１が周方向全周にわたって形成されている。
図１２に示すごとく、ヒータ２は、固体電解質体１０の内側面１０２における測定電極１１に対向する位置に接触している。
本例は、図１０〜図１２に示すごとく、測定電極１１及び基準電極１２の構成を変更した例である。
本例では、図１０に示すごとく、基準電極１２は、固体電解質体１０の先端部１００における内側面１０２を覆うように周方向全周にわたって形成されている。
図１１に示すごとく、測定電極１１は、固体電解質体１０の外側面１０１のうち、固体電解質体１０を介して基準電極１２に対向する領域である基準電極対向領域１０１ａ内に形成されている。本例では、基準電極対向領域１０１ａの先端側において、測定電極１１が周方向全周にわたって形成されている。
図１２に示すごとく、ヒータ２は、固体電解質体１０の内側面１０２における測定電極１１に対向する位置に接触している。
図１０、図１１に示すごとく、固体電解質体１０の外側面１０１に形成された測定電極１１の電極形成面積をＳ１とし、固体電解質体１０の内側面１０２の測定電極対抗領域１０２ａ内に形成された基準電極１２の電極形成面積をＳ２とした場合に、０．０５≦Ｓ１／Ｓ２＜１．３８の関係を満たす。
その他は、参考例１と同様の構成である。
その他は、参考例１と同様の構成である。
次に、本例の酸素センサ素子１における作用効果について説明する。
本例は、参考例１とは逆に、基準電極１２の面積Ｓ２に対する測定電極１１の面積Ｓ１を所定の範囲で小さくすることにより、上記温度勾配が大きくなることを見出したことに大きな特徴がある。そして、参考例１と同様に、上記温度勾配が大きくなることにより、インピーダンスの検出によって酸素センサ素子１の温度変化をより正確に知ることができる。これにより、センサ出力の安定化のために酸素センサ素子１の温度制御を行う際、酸素センサ素子１の温度をより精度良く所望の温度に制御することができる。
本例は、参考例１とは逆に、基準電極１２の面積Ｓ２に対する測定電極１１の面積Ｓ１を所定の範囲で小さくすることにより、上記温度勾配が大きくなることを見出したことに大きな特徴がある。そして、参考例１と同様に、上記温度勾配が大きくなることにより、インピーダンスの検出によって酸素センサ素子１の温度変化をより正確に知ることができる。これにより、センサ出力の安定化のために酸素センサ素子１の温度制御を行う際、酸素センサ素子１の温度をより精度良く所望の温度に制御することができる。
また、基準電極１２の面積Ｓ２に対する測定電極１１の面積Ｓ１を所定の範囲で小さくしているため、基準電極１２の面積Ｓ２を一定とし、基準電極対向領域１０１ａ全体に測定電極１１を形成した場合に比べて、測定電極１１の電極形成面積を小さくすることができる。これにより、Ｐｔ（白金）等の貴金属が用いられる電極材料の使用量を削減し、低コスト化を図ることができる。
このように、本例によれば、素子温度をより精度良く制御することができ、かつ、電極材料削減による低コスト化も図ることができる酸素センサ素子１を提供することができる。
（実験例２）
次に、表３〜表６に示すごとく、試料Ｂ１〜Ｂ２３の酸素センサ素子について性能試験を行った。
試料Ｂ１〜Ｂ２３の酸素センサ素子は、参考例２の酸素センサ素子と同様の構造である。ただし、測定電極の構成がそれぞれ異なる。
次に、表３〜表６に示すごとく、試料Ｂ１〜Ｂ２３の酸素センサ素子について性能試験を行った。
試料Ｂ１〜Ｂ２３の酸素センサ素子は、参考例２の酸素センサ素子と同様の構造である。ただし、測定電極の構成がそれぞれ異なる。
具体的には、試料Ｂ１は、図１３に示すごとく、測定電極１１が固体電解質体１０の外側面１０１の基準電極対向領域１０１ａ全体に形成されている従来品である。
試料Ｂ２〜Ｂ６、Ｂ１７〜Ｂ２０は、図１４に示すごとく、測定電極１１が基準電極対向領域１０１ａ内に形成されており、その測定電極１１が周方向に分割されている。そして、測定電極１１の対称軸角度、検出部本数及び検出部幅がそれぞれ異なるものである。なお、図１４は、試料Ｂ１８の酸素センサ素子１である。
試料Ｂ７、Ｂ８は、図１０に示すごとく、測定電極１１が固体電解質体１０の先端部１００における外側面１０１を覆うように周方向全周にわたって形成されている。そして、測定電極１１の先端長さがそれぞれ異なっている。
試料Ｂ２〜Ｂ６、Ｂ１７〜Ｂ２０は、図１４に示すごとく、測定電極１１が基準電極対向領域１０１ａ内に形成されており、その測定電極１１が周方向に分割されている。そして、測定電極１１の対称軸角度、検出部本数及び検出部幅がそれぞれ異なるものである。なお、図１４は、試料Ｂ１８の酸素センサ素子１である。
試料Ｂ７、Ｂ８は、図１０に示すごとく、測定電極１１が固体電解質体１０の先端部１００における外側面１０１を覆うように周方向全周にわたって形成されている。そして、測定電極１１の先端長さがそれぞれ異なっている。
試料Ｂ９〜Ｂ１６は、図１０を参照のごとく、測定電極１１が基準電極対向領域１０１ａ内において、周方向に連続して又は分割して形成されている。そして、測定電極１１の周長さ、検出部本数、検出部幅及び周面積がそれぞれ異なるものである。
試料Ｂ２１〜Ｂ２３は、図１５に示すごとく、測定電極１１が基準電極対向領域１０１ａの基端側において、周方向全周にわたって形成されている。そして、測定電極１１の先端長さ及び電極端面位置が異なるものである。なお、図１５は、試料Ｂ２３の酸素センサ素子１である。
試料Ｂ２１〜Ｂ２３は、図１５に示すごとく、測定電極１１が基準電極対向領域１０１ａの基端側において、周方向全周にわたって形成されている。そして、測定電極１１の先端長さ及び電極端面位置が異なるものである。なお、図１５は、試料Ｂ２３の酸素センサ素子１である。
次に、表３、表４に示す酸素センサ素子（試料Ｂ１〜Ｂ２３）の各項目について説明する。ただし、上記表１の項目と同じものについては説明を省略する。
測定電極の周長さ（ｍｍ）とは、測定電極１１の周方向の長さである。ただし、測定電極１１が分割されている場合には、各測定電極１１の周方向の長さの合計である。
測定電極の電極端面位置（ｍｍ）とは、酸素センサ素子１の先端から測定電極１１の先端までの距離ａ７である（図１５参照）。
測定電極の対称軸角度（°）とは、酸素センサ素子１の軸心を中心とする回転対称軸の軸同士間の角度である。
測定電極の周長さ（ｍｍ）とは、測定電極１１の周方向の長さである。ただし、測定電極１１が分割されている場合には、各測定電極１１の周方向の長さの合計である。
測定電極の電極端面位置（ｍｍ）とは、酸素センサ素子１の先端から測定電極１１の先端までの距離ａ７である（図１５参照）。
測定電極の対称軸角度（°）とは、酸素センサ素子１の軸心を中心とする回転対称軸の軸同士間の角度である。
測定電極の検出部本数とは、測定電極１１が周方向に分割されている数である。
測定電極の検出部幅（ｍｍ）とは、周方向に分割された各測定電極１１の周方向の幅ａ８である（図１４参照）。
測定電極のリード周長さ（ｍｍ）とは、外側リード部１１１の周方向の長さａ９である（図１０参照）。
測定電極の周面積（°）とは、酸素センサ素子１の軸心と測定電極１１（周方向に分割されている場合には分割された各測定電極１１）の周方向の両端とがなす角度である。
面積比Ｓ１／Ｓ２とは、測定電極１１の面積Ｓ２に対する基準電極１２の面積Ｓ１の割合である。
測定電極の検出部幅（ｍｍ）とは、周方向に分割された各測定電極１１の周方向の幅ａ８である（図１４参照）。
測定電極のリード周長さ（ｍｍ）とは、外側リード部１１１の周方向の長さａ９である（図１０参照）。
測定電極の周面積（°）とは、酸素センサ素子１の軸心と測定電極１１（周方向に分割されている場合には分割された各測定電極１１）の周方向の両端とがなす角度である。
面積比Ｓ１／Ｓ２とは、測定電極１１の面積Ｓ２に対する基準電極１２の面積Ｓ１の割合である。
次に、表５、表６に示す酸素センサ素子（試料Ｂ１〜Ｂ２３）の性能試験について説明する。
ＶＡについては、実験例１と同様の方法であり、同様に判定を行った。
温度勾配ａについては、実験例１と同様の方法で求める。また、温度勾配ａの判定は、測定電極及び対向電極を対向する位置に設けた従来品である試料Ｂ１の温度勾配ａ＝８８．２を基準として、温度勾配ａが８８．２以下のものを×、８８．２超え９８．２以下のものを○、９８．２を超えるものを◎とした。
ＶＡについては、実験例１と同様の方法であり、同様に判定を行った。
温度勾配ａについては、実験例１と同様の方法で求める。また、温度勾配ａの判定は、測定電極及び対向電極を対向する位置に設けた従来品である試料Ｂ１の温度勾配ａ＝８８．２を基準として、温度勾配ａが８８．２以下のものを×、８８．２超え９８．２以下のものを○、９８．２を超えるものを◎とした。
応答性については、エンジン評価ベンチにおいて、ガス温度４００℃、素子温度５５０℃の条件において、リッチとリーンとを強制的にステップ応答させたときのリッチからリーンの出力変化時間及びリーンからリッチへの出力変化時間の和を測定した。応答差は、ある向きで測定した出力変化時間の和と１８０°回転させた状態で出力変化時間の和との差（応答性差（ｍｓ））を測定した。
応答性の判定は、応答性差が４００ｍｓ以上のものを×、４００ｍｓ未満のものを○とした。
応答性の判定は、応答性差が４００ｍｓ以上のものを×、４００ｍｓ未満のものを○とした。
次に、表５、表６に示す酸素センサ素子（試料Ｂ１〜Ｂ２３）の性能試験の結果について説明する。
従来品の試料Ｂ１の面積比Ｓ１／Ｓ２（＝１．３８）よりも面積比Ｓ１／Ｓ２が小さい試料Ｂ２〜Ｂ２６は、いずれも温度勾配判定が◎であった。また、ＶＡの判定も◎であった。また、応答性の判定は、検出部本数が１であり、測定電極が軸対称に配置されていない試料Ｂ２、Ｂ９については×であったが、それ以外のものについては○であった。
なお、面積比Ｓ１／Ｓ２が０．０５よりも小さい試料Ｂ１６は、基準電極の面積Ｓ２に対する測定電極の面積Ｓ１が非常に小さいため、測定電極と基準電極との間において導通不良が生じるおそれがある。
従来品の試料Ｂ１の面積比Ｓ１／Ｓ２（＝１．３８）よりも面積比Ｓ１／Ｓ２が小さい試料Ｂ２〜Ｂ２６は、いずれも温度勾配判定が◎であった。また、ＶＡの判定も◎であった。また、応答性の判定は、検出部本数が１であり、測定電極が軸対称に配置されていない試料Ｂ２、Ｂ９については×であったが、それ以外のものについては○であった。
なお、面積比Ｓ１／Ｓ２が０．０５よりも小さい試料Ｂ１６は、基準電極の面積Ｓ２に対する測定電極の面積Ｓ１が非常に小さいため、測定電極と基準電極との間において導通不良が生じるおそれがある。
以上の結果から、試料Ｂ２〜Ｂ１５、Ｂ１７〜Ｂ２３のように、面積比Ｓ１／Ｓ２を０．０５≦Ｓ１／Ｓ２＜１．３８とすることにより、温度勾配ａを大きくすることができることがわかった。そして、酸素センサ素子の温度をより精度良く所望の温度に制御することができることがわかった。
１ 酸素センサ素子
１０ 固体電解質体
１００ 先端部
１０１ 外側面
１０２ 内側面
１０２ａ 測定電極対向領域
１１ 測定電極
１２ 基準電極
１３ 基準ガス室
２ ヒータ
１０ 固体電解質体
１００ 先端部
１０１ 外側面
１０２ 内側面
１０２ａ 測定電極対向領域
１１ 測定電極
１２ 基準電極
１３ 基準ガス室
２ ヒータ
Claims (4)
- 先端が閉塞されると共に基端が開放され、内側に基準ガス室が設けられたコップ型の固体電解質体と、該固体電解質体の外側面に形成され、被測定ガスと接触する測定電極と、上記固体電解質体の内側面に形成された基準電極とを有し、上記基準ガス室にヒータを挿入配置してなる酸素センサ素子であって、
上記測定電極は、上記固体電解質体の先端部における上記外側面を覆うように形成されており、
上記基準電極は、上記固体電解質体の上記内側面のうち、上記固体電解質体を介して上記測定電極に対向する領域である測定電極対向領域内に形成されており、
上記ヒータは、上記固体電解質体の上記内側面の上記測定電極対向領域における上記基準電極が形成されていない部分に接触しており、
上記測定電極の面積Ｓ１と上記基準電極の面積Ｓ２とが０．３８５≦Ｓ２／Ｓ１＜０．７２３の関係を満たすことを特徴とする酸素センサ素子。 - 請求項１に記載の酸素センサ素子において、上記基準電極は、上記固体電解質体の上記内側面の上記測定電極対向領域内において周方向に連続して形成され、上記酸素センサ素子の軸心と上記基準電極の周方向の両端とがなす角度が１０°〜３６０°であることを特徴とする酸素センサ素子。
- 先端が閉塞されると共に基端が開放され、内側に基準ガス室が設けられたコップ型の固体電解質体と、該固体電解質体の外側面に形成され、被測定ガスと接触する測定電極と、上記固体電解質体の内側面に形成された基準電極とを有し、上記基準ガス室にヒータを挿入配置してなる酸素センサ素子であって、
上記基準電極は、上記固体電解質体の先端部における上記内側面を覆うように形成されており、
上記測定電極は、上記固体電解質体の上記外側面のうち、上記固体電解質体を介して上記基準電極に対向する領域である基準電極対向領域内に形成されるとともに上記固体電解質体の上記外側面の上記基準電極対向領域内において周方向に分割して形成されており、
上記ヒータは、少なくとも一部が上記固体電解質体の上記内側面における上記測定電極に対向する位置に接触しており、
上記基準電極の面積Ｓ２と上記測定電極の面積Ｓ１とが０．０５≦Ｓ１／Ｓ２＜１．３８の関係を満たすことを特徴とする酸素センサ素子。 - 請求項３に記載の酸素センサ素子において、上記基準電極の面積Ｓ２と上記測定電極の面積Ｓ１とが０．４１≦Ｓ１／Ｓ２＜１．３８の関係を満たすことを特徴とする酸素センサ素子。
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