JP6809355B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
前記固体電解質体を加熱するための発熱部(521)を先端部に有し、前記先端部の先端(501)が前記底部の内側面に接触する状態で、前記固体電解質体の内側に配置されたヒータ(5)と、を備え、
内燃機関から排気される排ガスが流れる排気管に配置され、前記排ガスを前記検出ガスとして、前記固体電解質体を介して前記検出電極と前記基準電極との間に生じる起電力を検出して、前記内燃機関の空燃比が、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多いリッチ側にあるか、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い少ないリーン側にあるかを判定するために用いられ、
前記理論空燃比が14.5であるときの、前記内燃機関に供給された空気質量を燃料の完全燃焼に理論上必要な最少空気質量で除した値である空気過剰率λを1.00とした場合、前記起電力に基づいて、空気過剰率λが0.97〜1.00である範囲内の空燃比を検出するために用いられるガスセンサにおいて、
前記基準電極は、
前記基準電極の最も先端側(L1)の位置であって前記発熱部と対向する位置において、前記筒部の中心軸線(O)を中心とする周方向(C)の全周に設けられた内側検知部(41)と、
前記基準電極の最も基端側(L2)の位置において、前記周方向の全周又は一部に設けられ、内側端子金具(71)に接続される内側接続部(43)と、
前記内側検知部と前記内側接続部とを繋ぐ位置において、前記周方向の一部に設けられ、前記内側接続部に比べて前記周方向における形成範囲が狭い内側リード部(42)と、を有し、
前記内側リード部の前記周方向における形成範囲は、前記内側検知部から前記内側接続部に向かうに連れて段階的又はテーパ状に縮小しており、
前記固体電解質体の内側面全体の表面積をS1とし、前記固体電解質体の内側面全体において、前記基準電極が形成された表面積をS2としたとき、
前記固体電解質体の内側面全体において、前記基準電極が削減された表面積の割合(S1−S2)/S1は、0.3≦(S1−S2)/S1≦0.7の関係を有する、ガスセンサにある。
基準電極は、内側検知部、内側接続部及び内側リード部を有しており、内側リード部の周方向の幅は、内側検知部から内側接続部に向かうに連れて段階的又はテーパ状に縮小している。また、ヒータにおける、発熱部が設けられた先端部の先端が、固体電解質体の底部の内側面に接触している。これらの構成により、センサ素子及びヒータがハウジングに配置されたガスセンサにおいて、発熱部によって基準電極の内側検知部が適切に加熱されるとともに、内側検知部から内側リード部及び内側接続部を経由したセンサ素子の基端側への伝熱を適切に抑えることができる。
<実施形態>
本形態のガスセンサ1は、図1に示すように、センサ素子2及びヒータ5を備える。センサ素子2は、図2及び図3に示すように、筒状の筒部31の先端部が曲面状の底部32によって閉塞されたイオン伝導性を有する固体電解質体3と、固体電解質体3の外側面301に設けられて検出ガスGに晒される検出電極4Bと、固体電解質体3の内側面302に設けられて基準ガスAに晒される基準電極4Aとを有する。ヒータ5は、図4に示すように、固体電解質体3を加熱するための発熱部521を先端部に有しており、先端部の先端501が底部32の内側面302に接触する状態で、固体電解質体3の内側に配置されている。
(内燃機関)
ガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)から排気される排ガスが流れる排気管内に配置される。ガスセンサ1は、排気管内を流れる排ガスを検出ガスGとするとともに、大気を基準ガスAとして、ガス検出を行うものである。本形態のガスセンサ1は、固体電解質体3を介して検出電極4Bと基準電極4Aとの間に生じる起電力を検出して、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比が、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い燃料リッチ側にあるか、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が少ない燃料リーン側にあるかを判定する酸素センサ(λセンサともいう。)として用いられる。
図2に示すように、センサ素子2の固体電解質体3は、ジルコニアを主成分とするものであり、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体3は、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアから構成することができる。固体電解質体3は、所定の活性化温度において、酸化物イオン(O2-)を伝導させるイオン伝導性を有するものである。検出電極4B及び基準電極4Aは、酸素に対する触媒活性を示す白金、及び固体電解質体3を構成する材料を含有している。
検出電極4Bの外側接続部47は、筒部31の外側面301の周方向Cの一部にのみ形成されていてもよい。この場合、外側リード部46の周方向Cにおける形成範囲は、外側接続部47の周方向Cにおける形成範囲よりも小さくなる。
本形態の基準電極4A及び検出電極4Bは、無電解めっき処理によって形成されている。この無電解めっき処理は、室温において電気的に不活性な材質からなる固体電解質体に対して行うため、めっきを施す箇所に活性化処理を行った後に行う。
その後、固体電解質体3の電極パターンを、還元剤を含有する無電解白金めっき液中に浸漬させ、電極パターンにおける白金を析出させる。こうして、固体電解質体3に基準電極4A及び検出電極4Bが形成される。
また、図6に示すように、基準電極4Aの内側リード部42は、軸方向Lの先端側L1から基端側L2に向けて、周方向Cにおける形成範囲がテーパ状に縮小するよう変化して形成されていてもよい。このテーパ状の内側リード部42の周方向Cにおける形成範囲は、内側検知部41から内側接続部43まで連続して変化している。内側リード部42の軸方向Lにおける形成範囲は、内側検知部41の軸方向Lにおける形成範囲、及び内側接続部43の軸方向Lにおける形成範囲よりも長く、内側リード部42の周方向Cの両側端420は、緩やかなテーパ状に形成されている。基準電極4Aを平面上に展開したときに、内側リード部42の周方向Cの両端の間の傾斜角度は、2〜10°の範囲内にある。
図4に示すように、ヒータ5は、セラミックスの基材51A,51Bと、基材51Bに設けられた導体からなる発熱体52とを有する。発熱部521は、発熱体52において断面積が最も縮小して形成されており、発熱体52に通電したときにジュール熱によって発熱する部位である。発熱部521は、発熱体52における先端部において軸方向Lに蛇行する形状に形成されている。ヒータ5は、心棒となる基材51Aの周りに、発熱体52が設けられたシート状の基材51Bを巻き付けて形成されている。基準電極4Aの内側検知部41の内側面302には、心棒となる基材51Aの先端501が接触している。
図1に示すように、ガスセンサ1は、センサ素子2及びヒータ5以外に、センサ素子2を保持するハウジング61、ハウジング61の先端側部位に装着された先端側カバー62、ハウジング61の基端側部位に装着された基端側カバー63、センサ素子2の基端側部位の内側面302に装着された内側端子金具71、センサ素子2の基端側部位の外側面301に装着された外側端子金具72等を備える。
図1に示すように、ハウジング61には、センサ素子2を保持するために、軸方向Lに向けて貫通する挿通穴611が形成されている。挿通穴611は、軸方向Lの先端側L1に位置する小径穴部612と、軸方向Lの基端側L2に位置して小径穴部612よりも拡径した大径穴部613とを有する。センサ素子2は、挿通穴611の小径穴部612内及び大径穴部613内に挿通され、センサ素子2と大径穴部613との隙間内に配置されるタルク粉末、スリーブ等のシール材64を介して保持されている。
図1に示すように、ハウジング61の軸方向Lの先端側部位には、ハウジング61から先端側L1に突出するセンサ素子2の部分を覆って、センサ素子2を保護するための先端側カバー62が装着されている。先端側カバー62は、排気管内に配置される。先端側カバー62には、検出ガスGを通過させるためのガス通過孔621が形成されている。先端側カバー62は、二重構造のものとすることができ、一重構造のものとすることもできる。先端側カバー62のガス通過孔621から先端側カバー62内に流入する検出ガスGとしての排ガスは、センサ素子2の保護層21を通過して検出電極4Bへと導かれる。
本形態のガスセンサ1においては、有底筒状のセンサ素子2における基準電極4Aの形成の仕方に工夫をしている。
基準電極4Aは、内側検知部41、内側接続部43及び内側リード部42を有しており、内側リード部42の周方向Cにおける形成範囲は、内側検知部41から内側接続部43に向かうに連れて段階的に縮小している。また、ヒータ5における、発熱部521が設けられた先端部の先端501が、固体電解質体3の底部32の内側面302に接触している。これらの構成により、センサ素子2及びヒータ5がハウジング61に配置されたガスセンサ1において、発熱部521によって基準電極4Aの内側検知部41が適切に加熱されるとともに、内側検知部41から内側リード部42及び内側接続部43を経由したセンサ素子2の基端側L2への伝熱を適切に抑えることができる。
図8には、本形態のセンサ素子2について、空気過剰率λとガスセンサ1の出力電圧(V)との関係を示し、図9には、固体電解質体3の内側面302の全体に基準電極4Aを有する比較形態のセンサ素子について、空気過剰率λとガスセンサ1の出力電圧(V)との関係を示す。
本試験においては、ガスセンサ1の性能試験として、基準電極4Aの電極削減率(S1−S2)/S1×100(%)を変化させたときの弱リッチ領域におけるガスセンサ1の出力電圧の変化率(傾斜度)の違い、及びセンサ素子2の軸方向Lの各部における温度の違いを測定した。具体的には、センサ素子2の電極削減率(S1−S2)/S1×100(%)を25%、30%、50%、70%、75%と5段階に変化させたガスセンサ1の各サンプルを試験品1〜5とし、試験品1〜5についての出力電圧の変化率を求めた。また、基準電極4Aの内側検知部41の軸方向Lの長さを10mmとし、基準電極4Aの内側接続部43の軸方向Lの長さを5mmとした。なお、本試験の電極削減率は百分率にして示す。
α1=(V0.97−V0.98)/0.01
α2=(V0.98−V0.99)/0.01
α3=(V0.99−V1.00)/0.01
なお、空気過剰率λが1.00の場合の出力電圧をV1.00とし、空気過剰率λが0.99の場合の出力電圧をV0.99とし、空気過剰率λが0.98の場合の出力電圧をV0.98とし、空気過剰率λが0.97の場合の出力電圧をV0.97とする。
本試験においては、基準電極4Aの平均膜厚(μm)の最適な範囲を確認した。具体的には、基準電極4Aの平均膜厚を変化させたときのガスセンサ1の応答性及びセンサ素子2の内部抵抗を確認した。また、基準電極4Aの平均膜厚を0.33μm、0.40μm、1.12μm、1.60μm、1.68μmの5段階に変化させたセンサ素子2を用いたガスセンサ1の各サンプルを試験品6〜10とし、試験品6〜10についての応答性及び内部抵抗を求めた。また、基準電極4Aの内側検知部41の軸方向Lの長さは10mmとし、基準電極4Aの内側接続部43の軸方向Lの長さは5mmとし、基準電極4Aの電極削減率(S1−S2)/S1×100(%)は40%とした。また、各サンプルについて、ヒータ5によってセンサ素子2の先端が500℃になるよう加熱し、センサ素子2の先端の温度を測定した。その他の条件は、確認試験1の場合と同様である。
2 センサ素子
3 固体電解質体
4A 基準電極
41 内側検知部
42 内側リード部
43 内側接続部
4B 検出電極
5 ヒータ
Claims (4)
- 筒状の筒部(31)の先端部が曲面状の底部(32)によって閉塞されたイオン伝導性を有する固体電解質体(3)、前記固体電解質体の外側面(301)に設けられて検出ガス(G)に晒される検出電極(4B)、及び前記固体電解質体の内側面(302)に設けられて基準ガス(A)に晒される基準電極(4A)を有するセンサ素子(2)と、
前記固体電解質体を加熱するための発熱部(521)を先端部に有し、前記先端部の先端(501)が前記底部の内側面に接触する状態で、前記固体電解質体の内側に配置されたヒータ(5)と、を備え、
内燃機関から排気される排ガスが流れる排気管に配置され、前記排ガスを前記検出ガスとして、前記固体電解質体を介して前記検出電極と前記基準電極との間に生じる起電力を検出して、前記内燃機関の空燃比が、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多いリッチ側にあるか、理論空燃比と比べて空気に対する燃料の割合が多い少ないリーン側にあるかを判定するために用いられ、
前記理論空燃比が14.5であるときの、前記内燃機関に供給された空気質量を燃料の完全燃焼に理論上必要な最少空気質量で除した値である空気過剰率λを1.00とした場合、前記起電力に基づいて、空気過剰率λが0.97〜1.00である範囲内の空燃比の変化を定量的に検出するために用いられるガスセンサにおいて、
前記基準電極は、
前記基準電極の最も先端側(L1)の位置であって前記発熱部と対向する位置において、前記筒部の中心軸線(O)を中心とする周方向(C)の全周に設けられた内側検知部(41)と、
前記基準電極の最も基端側(L2)の位置において、前記周方向の全周又は一部に設けられ、内側端子金具(71)に接続される内側接続部(43)と、
前記内側検知部と前記内側接続部とを繋ぐ位置において、前記周方向の一部に設けられ、前記内側接続部に比べて前記周方向における形成範囲が狭い内側リード部(42)と、を有し、
前記内側リード部の前記周方向における形成範囲は、前記内側検知部から前記内側接続部に向かうに連れて段階的又はテーパ状に縮小しており、
前記固体電解質体の内側面全体の表面積をS1とし、前記固体電解質体の内側面全体において、前記基準電極が形成された表面積をS2としたとき、
前記固体電解質体の内側面全体において、前記基準電極が削減された表面積の割合(S1−S2)/S1は、0.3≦(S1−S2)/S1≦0.7の関係を有する、ガスセンサ。 - 前記内側検知部は、前記筒部の内側面における先端側の位置の全周と、前記底部の内側面の全体とに連続して設けられており、
前記ヒータの前記先端部の先端は、前記底部の内側面における前記内側検知部に接触している、請求項1に記載のガスセンサ。 - 前記内側リード部は、前記中心軸線に平行に形成されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 前記基準電極の平均膜厚は、0.4〜1.6μmの範囲内にある、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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