JP6365428B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子及びセンサ素子を加熱するヒータを備えるガスセンサに関する。

酸素センサ、Ａ／Ｆセンサ（空燃比制御用センサ）等として用いられるガスセンサとしては、コップ型のセンサ素子の内部にヒータが配置されたものがある。
センサ素子は、コップ型の固体電解質体の外周に被測定ガスに晒される測定電極を有し、コップ型の固体電解質体の内周に基準ガスに晒される基準電極を有している。そして、被測定ガスと基準ガスとの酸素濃度の差に応じて、測定電極と基準電極との間に生じる酸素イオン電流を検出している。また、ヒータによって、固体電解質体及び各電極の温度が活性化温度になるまで加熱している。

例えば、特許文献１においては、酸素イオン伝導性の固体電解質部と、固体電解質部の内外面に設けられた一対の電極部と、固体電解質部の内部空洞に収納されたヒータ部とを備える酸素センサについて開示されている。この酸素センサにおいては、酸素センサを短時間で活性化温度にするために、ヒータ部の外径と固体電解質部の内径との関係、ヒータ部の外径とヒータ部に設けられた発熱体の軸方向長さとの関係を定めている。

特開平４−１５７３５８号公報

ところで、酸素濃度が逐次変化する被測定ガスに晒される測定電極は、コップ型の固体電解質体の先端側部分に規定の大きさの測定部を設け、この測定部からリード部によって電極ホルダまで引き出している。そして、リード部は、ヒータにおける発熱部が設けられた位置に対向して配置されており、この発熱部によって加熱されることになる。リード部が加熱されると、リード部を構成する電極材料の凝集が生じ、その電気抵抗が高くなる傾向にある。そして、リード部の電気抵抗が高くなると、測定電極と基準電極とによって検出される酸素イオン電流に変動が生じ、センサ出力に変動が生じる要因となる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、センサ出力に生じる変動を抑制することができ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、酸素イオン伝導性を有するとともに円筒部及び該円筒部の先端を閉塞する閉塞先端部を有するコップ型の固体電解質体、上記円筒部の外周に設けられて被測定ガスに晒される測定電極、及び上記円筒部の内周に設けられて基準ガスに晒される基準電極を備えるセンサ素子と、
上記円筒部内に該円筒部の中心軸線に沿って配置された断面円形状のセラミック基材、及び該セラミック基材の外周における周方向の特定部位に設けられた発熱体を備えるヒータと、を含むガスセンサであって、
上記測定電極は、上記円筒部の先端側に環状に形成された測定部と、該測定部から基端側に向けて上記円筒部の周方向の１箇所又は複数個所に形成されたリード部とを有しており、
上記１箇所のリード部又は上記複数個所のリード部のいずれかは、上記セラミック基材の外周の周方向における、上記発熱体が設けられていない非発熱部位に対向してい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、センサ素子における測定電極のリード部の位置と、ヒータにおける発熱体の位置とを規定している。
具体的には、測定電極における、１箇所のリード部又は複数個所のリード部のいずれかは、セラミック基材の外周の周方向における、発熱体が設けられていない非発熱部位に対向している。これにより、ヒータによってセンサ素子における測定電極の測定部を加熱する際には、測定電極のリード部が加熱されにくくすることができる。これにより、リード部を構成する電極材料の凝集が生じにくくし、リード部の電気抵抗の増加を抑制することができる。
それ故、上記ガスセンサによれば、センサ出力に生じる変動を抑制することができる。

実施例にかかる、ガスセンサを側方から見た状態で示す断面説明図。 実施例にかかる、センサ素子及びヒータを側方から見た状態で示す断面説明図。 実施例にかかる、センサ素子及びヒータを、センサ素子の軸線方向から見た状態で示す断面説明図。 実施例にかかる、センサ素子を側方から見た状態で示す説明図。 実施例にかかる、センサ素子を、図４とは９０°異なる側方から見た状態で示す説明図。 実施例にかかる、センサ素子の基端側部分に外周側ホルダを装着する状態を示す説明図。 実施例にかかる、ヒータを構成する中芯及び外周シートを示す斜視図。 実施例にかかる、非発熱部位の周方向の中心に対する、対向側リード部の周方向の中心のずれ角度と、対向側リード部の温度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。
上記ガスセンサにおいては、上記リード部は、上記円筒部の周方向における互いに反対側に位置する２箇所に形成されており、該２箇所のリード部のうちのいずれかが、上記非発熱部位に対向していてもよい。
この場合には、リード部を２箇所に形成することにより、リード部は、１箇所の幅を小さくしながら断面積を大きくすることができる。そのため、リード部の形成を容易にして、電気抵抗を低く抑えるための必要なリード部の断面積を確保することができる。

上記測定電極は、上記２箇所のリード部の基端部分を、周方向の一方側部分において連結する連結部を有しており、上記センサ素子の上記円筒部の基端側における外周には、上記連結部が形成された上記周方向の一方側部分に対面して外周側ホルダが取り付けられていてもよい。
この場合には、連結部が周方向の一方側部分にのみ形成されていることにより、連結部に対して外周側ホルダを対面させたときに、センサ素子の周方向における、２箇所のリード部が配置される位置と、外周側ホルダが配置される位置との関係を一定にすることができる。これにより、ガスセンサの組付時において、２箇所のリード部のいずれかを、ヒータにおける非発熱部位に対向させることが容易になる。

また、上記ガスセンサは、内燃機関における空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサとして用いることができる。
この場合には、酸素濃淡電池式の酸素センサ等に比べてセンサ出力の精度が要求されるＡ／Ｆセンサにおいて、センサ出力の精度を向上させる効果を顕著に得ることができる。

以下に、ガスセンサにかかる実施例について、図面を参照して説明する。
本例のガスセンサ１は、図１〜図３に示すように、センサ素子２及びヒータ６を備えている。センサ素子２は、酸素イオン伝導性を有し、かつ円筒部３１及び円筒部３１の先端を閉塞する閉塞先端部３２を有するコップ型の固体電解質体３と、円筒部３１の外周に設けられて被測定ガスＧに晒される測定電極４と、円筒部３１の内周に設けられて基準ガスＡに晒される基準電極５とを備えている。ヒータ６は、円筒部３１内に円筒部３１の中心軸線Ｘに沿って配置された断面円形状のセラミック基材６１と、セラミック基材６１の外周における周方向Ｃの特定部位に設けられた発熱体６２とを備えている。
測定電極４は、図４、図５に示すように、円筒部３１の先端側に環状に形成された測定部４１と、測定部４１から基端側に向けて円筒部３１の周方向Ｃの２個所に形成されたリード部４２Ａ，４２Ｂとを有している。２個所のリード部４２Ａ，４２Ｂのうちの一方である対向側リード部４２Ａは、図３に示すように、セラミック基材６１の外周の周方向Ｃにおける、発熱体６２が設けられていない非発熱部位６５に対向している。

以下に、本例のガスセンサ１について、図１〜図８を参照して詳説する。
本例のガスセンサ１は、内燃機関における空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサとして用いられる。Ａ／Ｆセンサは、内燃機関の排気管に配置され、排気管内を流れる排ガスを被測定ガスＧとして、空燃比を検出する。Ａ／Ｆセンサにおいては、出力電流が限界電流特性を示す電圧を測定電極４と基準電極５との間に印加し、測定電極４と基準電極５との間に固体電解質体３を通って流れる酸素イオン電流の大きさ及び正逆方向に応じて、空燃比を検出する。Ａ／Ｆセンサにおいては、酸素イオン電流が流れる方向によって、理論空燃比に対して空気過剰なリーン状態と、理論空燃比に対して燃料過剰なリッチ状態とを検出することができ、酸素イオン電流の大きさに応じて空燃比を検出する。

図１に示すように、センサ素子２は、ハウジング７１の中心穴７１１内に挿通されており、ハウジング７１から突出するセンサ素子２の部分は、ハウジング７１に取り付けられた保護カバー７２によって覆われている。
図４、図５に示すように、センサ素子２の円筒部３１は、先端側の部分に比べて基端側の部分が太い形状に形成されている。円筒部３１の外周に設けられた測定電極４のリード部４２Ａ，４２Ｂは、円筒部３１の周方向Ｃにおける互いに反対側に位置する２箇所に形成されている。リード部４２Ａ，４２Ｂは、ガスセンサ１に要求されるセンサ出力の精度を確保するために必要な断面積に形成されている。

図４〜図６に示すように、測定電極４は、測定部４１及び２箇所のリード部４２Ａ，４２Ｂ以外に、２箇所のリード部４２Ａ，４２Ｂの基端部分を、周方向Ｃの一方側部分において連結する連結部４３を有している。連結部４３は、２箇所のリード部４２Ａ，４２Ｂが合わさる状態で形成されている。また、連結部４３は、円筒部３１の周方向Ｃの略半周の部分に形成されている。センサ素子２の円筒部３１の基端側における外周には、連結部４３が形成された周方向Ｃの部分に対面して外周側ホルダ７３が取り付けられている。本例の外周側ホルダ７３は、連結部４３が形成された周方向Ｃの一方側部分とは反対側の部分から連結部４３に接触している。外周側ホルダ７３の基端側には、リード部分としての外周引出部７３１が周方向Ｃの中心部分から引き出されている。そして、図１に示すように、外周引出部７３１には、ガスセンサ１の外部に引き出されるリード線７３２が接続されている。

また、図１、図２に示すように、基準電極５は、円筒部３１の内周の全体に形成されている。センサ素子２の円筒部３１の基端側における内周には、基準電極５の基端部分に導通される内周側ホルダ７４が取り付けられている。内周側ホルダ７４の基端側には、リード部分としての内周引出部７４１が周方向Ｃの中心部分から引き出されている。そして、内周引出部７４１には、ガスセンサ１の外部に引き出されるリード線７４２が接続されている。

図７に示すように、発熱体６２の発熱部６２１が延びる方向の両端部には、発熱部６２１の断面積に比べて大きな断面積の導通部６２２が、ヒータ６の基端側に引き出される状態で一対に形成されている。一対の導通部６２２を介して発熱部６２１に通電することにより、発熱部６２１にジュール熱が発生し、このジュール熱によってヒータ６を発熱させることができる。図１に示すように、ヒータ６の基端側における外周には、一対の導通部６２２にそれぞれ導通される一対のヒータホルダ７５が取り付けられている。ヒータホルダ７５の基端側には、リード部分としてのヒータ引出部７５１が周方向Ｃの中心部分から引き出されている。そして、ヒータ引出部７５１には、ガスセンサ１の外部に引き出されるリード線７５２が接続されている。

図１に示すように、外周側ホルダ７３から基端側に引き出された外周引出部７３１の周方向Ｃの位置と、内周側ホルダ７４から基端側に引き出された内周引出部７４１の周方向Ｃの位置とは、互いに１８０°異なっている。また、一対のヒータホルダ７５から基端側にそれぞれ引き出された各ヒータ引出部７５１の周方向Ｃの位置と、外周引出部７３１及び内周引出部７４１の周方向Ｃの位置とは、互いに９０°異なっている。

本例のガスセンサ１においては、センサ素子２の円筒部３１の周方向Ｃの一方側部分にのみ連結部４３を形成した工夫、及び各引出部７３１，７４１，７５１を配置する位置をそれぞれ９０°異ならせた工夫によって、ガスセンサ１の組付時に対向側リード部４２Ａを非発熱部位６５に対向させることを容易にしている。
そして、連結部４３に対して外周側ホルダ７３を対面させたときに、センサ素子２の周方向Ｃにおける、対向側リード部４２Ａが配置される位置と、外周側ホルダ７３が配置される位置との関係を一定にすることができる。また、内周引出部７４１を外周引出部７３１とは反対側に配置し、ヒータ引出部７５１を外周引出部７３１及び内周引出部７４１と周方向Ｃに９０°異ならせて配置することにより、センサ素子２の周方向Ｃの位置と、ヒータ６の周方向Ｃの位置とが決まり、対向側リード部４２Ａを非発熱部位６５に容易に対向させることができる。

図７に示すように、ヒータ６は、セラミック製の中芯６３の回りに、導電材料からなる発熱体６２が設けられたセラミック製の外周シート６４が巻き付けられて形成される。発熱体６２は、センサ素子２の軸線方向Ｌに向けて繰り返し往復する蛇行状に形成されている。発熱体６２は、外周シート６４の内側面にスクリーン印刷等によって印刷されている。そして、図３に示すように、外周シート６４を中芯６３の回りに巻き付けたときには、周方向Ｃに位置する巻付方向の発熱体６２の端部６２５同士の間に、発熱体６２が設けられていない非発熱部位６５が形成される。また、発熱体６２は、中芯６３と外周シート６４との間に挟み込まれる。同図においては、発熱体６２の全体を簡略的に示す。また、中芯６３に外周シート６４が巻き付けられた状態において、非発熱部位６５の周方向Ｃの中心には、外周シート６４の巻付方向の端部６４１同士の間に形成された溝部６１１が位置する。

図３に示すように、センサ素子２の内周にヒータ６が挿通配置された状態において、測定電極４の２箇所のリード部４２Ａ，４２Ｂのうちの対向側リード部４２Ａは、セラミック基材６１の外周における、発熱体６２が設けられていない非発熱部位６５に対向している。本例の対向側リード部４２Ａの周方向Ｃの中心Ｃ１は、非発熱部位６５の周方向Ｃの中心Ｃ２と一致している。
図８には、非発熱部位６５の周方向Ｃの中心Ｃ２に対する、対向側リード部４２Ａの周方向Ｃの中心Ｃ１のずれ角度（°）と、対向側リード部４２Ａの温度（平均温度）（℃）との関係を示す。この対向側リード部４２Ａの温度は、対向側リード部４２Ａにおける、測定電極４の測定部４１の基端から基端側へ０．５ｍｍ離れた位置における温度で示す。

同図に示すように、ずれ角度が０°の場合には、対向側リード部４２Ａの温度は最も低く抑えられる。また、ずれ角度が±１５°以内の範囲においては、対向側リード部４２Ａの温度があまり高くならないことが分かる。一方、ずれ角度が±１５°を超えると対向側リード部４２Ａの温度が大幅に高くなり、ずれ角度が±２５°を超える場合には、対向側リード部４２Ａの温度が高い温度で飽和することが分かる。従って、ずれ角度は、±１５°以内とすることが好ましい。

本例のガスセンサ１においては、測定電極４における対向側リード部４２Ａは、セラミック基材６１の外周における、発熱体６２が設けられていない非発熱部位６５に対向している。これにより、ヒータ６によってセンサ素子２における測定電極４の測定部４１を加熱する際には、測定電極４の対向側リード部４２Ａが加熱されにくくすることができる。
対向側リード部４２Ａを構成する電極材料の凝集は、この電極材料の温度が高くなるほど生じやすくなる。そして、測定電極の一対のリード部がヒータにおける発熱体に対向する従来のガスセンサにおいては、各リード部の温度が８００℃を超え（図８参照）、電極材料の凝集が生じやすい状態にある。そして、電極材料の凝集によって、各リード部の電気抵抗が増加し、センサ出力の精度に影響を与えるおそれがあった。

一方、発熱体６２が設けられていない非発熱部位６５に対向側リード部４２Ａが対向する本例のガスセンサ１においては、非発熱部位６５に対する対向側リード部４２Ａのずれ角度を±１５°以内にすれば、対向側リード部４２Ａの温度を７２０℃以下に維持できる（図８参照）。これにより、対向側リード部４２Ａを構成する電極材料の凝集が生じにくくし、対向側リード部４２Ａの電気抵抗の増加を抑制することができる。

それ故、本例のガスセンサ１によれば、センサ出力に生じる変動（特に長期間使用する際にセンサ出力に生じる変動）を抑制することができ、ガスセンサ１の信頼性を向上させることができる。また、ガスセンサ１としてのＡ／Ｆセンサに、非発熱部位６５に対向側リード部４２Ａが対向する構造を採用することにより、センサ出力に生じる変動を抑制する効果を顕著に得ることができる。

なお、図示は省略するが、測定電極４のリード部は、円筒部３１の周方向Ｃの１箇所のみに形成されていてもよい。この場合には、１箇所のリード部をセラミック基材６１の外周における非発熱部位６５に対向させることができる。

１ ガスセンサ
２ センサ素子
３ 固体電解質体
３１ 円筒部
３２ 閉塞先端部
４ 測定電極
４１ 測定部
４２Ａ，４２Ｂ リード部
５ 基準電極
６ ヒータ
６１ セラミック基材
６２ 発熱体
６５ 非発熱部位

Claims (6)

1. 酸素イオン伝導性を有するとともに円筒部（３１）及び該円筒部（３１）の先端を閉塞する閉塞先端部（３２）を有するコップ型の固体電解質体（３）、上記円筒部（３１）の外周に設けられて被測定ガス（Ｇ）に晒される測定電極（４）、及び上記円筒部（３１）の内周に設けられて基準ガス（Ａ）に晒される基準電極（５）を備えるセンサ素子（２）と、
   上記円筒部（３１）内に該円筒部（３１）の中心軸線（Ｘ）に沿って配置された断面円形状のセラミック基材（６１）、及び該セラミック基材（６１）の外周における周方向（Ｃ）の特定部位に設けられた発熱体（６２）を備えるヒータ（６）と、を含むガスセンサ（１）であって、
   上記測定電極（４）は、上記円筒部（３１）の先端側に環状に形成された測定部（４１）と、該測定部（４１）から基端側に向けて上記円筒部（３１）の周方向（Ｃ）の１箇所又は複数個所に形成されたリード部（４２Ａ，４２Ｂ）とを有しており、
   上記１箇所のリード部（４２Ａ）又は上記複数個所のリード部（４２Ａ，４２Ｂ）のいずれか（４２Ａ）は、上記セラミック基材（６１）の外周の周方向（Ｃ）における、上記発熱体（６２）が設けられていない非発熱部位（６５）に対向していることを特徴とするガスセンサ（１）。
2. 上記リード部（４２Ａ，４２Ｂ）は、上記円筒部（３１）の周方向（Ｃ）における互いに反対側に位置する２箇所に形成されており、
   該２箇所のリード部（４２Ａ，４２Ｂ）のうちのいずれか（４２Ａ）が、上記非発熱部位（６５）に対向していることを特徴とする、請求項１に記載のガスセンサ（１）。
3. 上記非発熱部位（６５）の周方向（Ｃ）の中心（Ｃ２）に対する、該非発熱部位（６５）に対向する上記１箇所のリード部（４２Ａ）又は上記複数個所のリード部（４２Ａ，４２Ｂ）のうちのいずれか（４２Ａ）における周方向（Ｃ）の中心（Ｃ１）のずれ角度は、±１５°以内であ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. 上記測定電極（４）は、上記２箇所のリード部（４２Ａ，４２Ｂ）の基端部分を、周方向（Ｃ）の一方側部分において連結する連結部（４３）を有しており、
   上記センサ素子（２）の上記円筒部（３１）の基端側における外周には、上記連結部（４３）が形成された上記周方向（Ｃ）の一方側部分に対面して外周側ホルダ（７３）が取り付けられていることを特徴とする、請求項２に記載のガスセンサ（１）。
5. 上記センサ素子（２）の上記円筒部（３１）の基端側における内周には、上記基準電極（５）の基端部分に導通される内周側ホルダ（７４）が取り付けられており、
   上記発熱体（６２）の上記発熱部（６２１）の両端部には、該発熱部（６２１）の断面積に比べて大きな断面積の導通部（６２２）が、上記ヒータ（６）の基端側に引き出される状態で一対に形成されており、
   上記ヒータ（６）の基端側における外周には、上記一対の導通部（６２２）にそれぞれ導通される一対のヒータホルダ（７５）が取り付けられており、
   上記外周側ホルダ（７３）から基端側に引き出された外周引出部（７３１）の周方向（Ｃ）の位置と、上記内周側ホルダ（７４）から基端側に引き出された内周引出部（７４１）の周方向（Ｃ）の位置とは、互いに１８０°異なっており、
   上記一対のヒータホルダ（７５）から基端側に引き出されたヒータ引出部（７５１）の周方向（Ｃ）の位置と、上記外周引出部（７３１）及び上記内周引出部（７４１）の周方向（Ｃ）の位置とが、互いに９０°異なっていることを特徴とする、請求項４に記載のガスセンサ（１）。
6. 内燃機関における空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサとして用いられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスセンサ（１）。

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