JP7382857B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサに関し、特に、センサ素子に備わるヒータに投入されるパワーの抑制に関する。
従来より、内燃機関からの排ガスなどの被測定ガス中に含まれる所望ガス成分の濃度を知るためのガスセンサとして、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなり、表面や内部にいくつかの電極を備えるセンサ素子を有するものが、広く知られている。係るセンサ素子として、長尺板状の素子形状を有し、かつ、被測定ガスを導入する部分が備わる側の端部に、多孔質体からなる保護層（多孔質保護層）が設けられるものが公知である（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に開示されるようなセンサ素子においては、ガス導入口から内部空室に導入された被測定ガスが電気化学的ポンプセルによってポンピングされる際に固体電解質を流れる電流に基づいて、所望ガス成分の濃度が特定される。
そのようなセンサ素子の表面に保護層を設けるのは、ガスセンサの使用時におけるセンサ素子の耐被水性を確保するためである。具体的には、内部に備わるヒータによって加熱された状態にあるセンサ素子の表面に水滴が付着した場合に、水滴からの熱（冷熱）に起因する熱衝撃がセンサ素子に作用して、センサ素子が割れてしまう、被水割れを防止するためである。
また、このようなガスセンサにおいて、センサ素子は、筒状のハウジングの内部に配置され、セラミック部品やセラミック粉末（圧粉体）などによって固定される。さらには、自動車の排出ガスに含まれる所望のガス成分を測定するべく、自動車の排気管に取り付けられる場合などにおいて、エンジンの始動時に発生する水のセンサ素子への付着を防止することや、水のセンサ素子内への侵入を防止することを主目的として、ガスセンサには、センサ素子のガス導入口が備わる側の端部近傍を保護する保護カバーが設けられてなる（例えば、特許文献２参照）。
ガスセンサの組付け時には通常、組み付け精度を考慮して、ハウジングとセンサ素子との間に所定のクリアランスが確保される。
一方で、ガスセンサの使用の際、センサ素子は、固体電解質を活性化させるべく、内部に備わるヒータによって所定の温度に加熱される。その際には、金属部品であるハウジングや保護カバーなどからの輻射による保温効果が期待されるが、組付け時のクリアランスを過度に確保すると、係る保温効果を十分に得るためにヒータが必要とするパワーが増大するため、結果としてヒータの負荷が増大し、ヒータ寿命が低下する、という問題がある。
また、係る保温効果の発現の程度は、先端保護層の性状（例えば厚みや気孔率など）にも左右される。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、使用時のヒータへの投入パワーが抑制されるガスセンサを実現することを、目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、被測定ガス中に含まれる検知対象ガス成分を検知して当該検知対象ガス成分の濃度を特定するガスセンサであって、一方端部側に前記被測定ガスの導入口を備え、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる素子基体と、前記素子基体の内部に埋設されてなるヒータと、前記素子基体の前記一方端部側の所定範囲を被覆する多孔質の先端保護層と、を有するセンサ素子と、前記センサ素子が内部に固定的に配置される金属部材と、を備え、前記センサ素子と前記金属部材の内面との最短距離が０．２０ｍｍ以上０．９５ｍｍ以下であり、前記金属部材の前記内面のうち、前記センサ素子との間で前記最短距離をなす部分の算術平均粗さが５μｍ以下である、ことを特徴とする。
本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサであって、前記金属部材が、内部に前記センサ素子が固定される金属製のハウジングと、前記ハウジングに付設され、前記センサ素子の前記一方端部側を囲繞するとともに内部に被測定ガスが流入可能とされてなる金属製の保護カバーと、を含み、前記最短距離が前記ハウジングの内面と前記センサ素子との距離である、ことを特徴とする。
本発明の第３の態様は、被測定ガス中に含まれる検知対象ガス成分を検知して当該検知対象ガス成分の濃度を特定するガスセンサであって、一方端部側に前記被測定ガスの導入口を備え、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる素子基体と、前記素子基体の内部に埋設されてなるヒータと、前記素子基体の前記一方端部側の所定範囲を被覆する多孔質の先端保護層と、を有するセンサ素子と、内部に前記センサ素子が固定される金属製のハウジングと、前記ハウジングに付設され、前記センサ素子の前記一方端部側を囲繞するとともに内部に被測定ガスが流入可能とされてなる金属製の保護カバーと、を備え、前記ハウジングの内面と前記保護カバーの内面のうち、前記センサ素子に近接する方の内面と前記センサ素子との最短距離が０．２０ｍｍ以上０．９５ｍｍ以下であり、前記センサ素子に近接する方の内面の算術平均粗さが５μｍ以下である、ことを特徴とする。
本発明の第４の態様は、第３の態様に係るガスセンサであって、前記ハウジングの内面が前記保護カバーの内面よりも前記センサ素子に近接する、ことを特徴とする。
本発明の第５の態様は、第１ないし第４の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記素子基体が長尺板状であり、前記先端保護層が、前記一方端部と、前記一方端部と連続する前記素子基体の４つの側面とを覆うように設けられてなる内側先端保護層と、前記内側先端保護層を覆うように設けられてなり、前記内側先端保護層よりも気孔率が小さい外側先端保護層と、を備え、前記内側先端保護層の厚みが４５０μｍ以上６５０μｍ以下であり、気孔率が４５％～６０％である、ことを特徴とする。
本発明の第６の態様は、第５の態様に係るガスセンサであって、前記外側先端保護層の算術平均粗さが５０μｍ以下である、ことを特徴とする。
本発明の第１ないし第６の態様によれば、ガスセンサの使用時にヒータによってセンサ素子が所定の駆動温度に加熱される際に、金属部材からの輻射によるセンサ素子の保温効果が、好適に得られるので、加熱に際し必要とされるヒータのパワーが抑制され、ヒータひいてはガスセンサの長寿命化が図られる。
＜センサ素子およびガスセンサの概要＞
図１は、本実施の形態に係るガスセンサ１００の構成の概略図である。図１は、センサ素子（ガスセンサ素子）１０の長手方向に沿った断面図を含んでいる。センサ素子１０は、被測定ガス中の所定ガス成分を検知しその濃度を測定するガスセンサ１００の、主たる構成要素であるセラミックス構造体である。センサ素子１０は、いわゆる限界電流型のガスセンサ素子である。図１においては、センサ素子１０の長手方向をｘ軸とし、幅方向をｙ方向とし、厚み方向をｚ軸とする、右手系のｘｙｚ座標を付している（図２においても同様。）。
図１は、本実施の形態に係るガスセンサ１００の構成の概略図である。図１は、センサ素子（ガスセンサ素子）１０の長手方向に沿った断面図を含んでいる。センサ素子１０は、被測定ガス中の所定ガス成分を検知しその濃度を測定するガスセンサ１００の、主たる構成要素であるセラミックス構造体である。センサ素子１０は、いわゆる限界電流型のガスセンサ素子である。図１においては、センサ素子１０の長手方向をｘ軸とし、幅方向をｙ方向とし、厚み方向をｚ軸とする、右手系のｘｙｚ座標を付している（図２においても同様。）。
ガスセンサ１００は、センサ素子１０のほか、ポンプセル電源３０と、ヒータ電源４０と、コントローラ５０とを主として備える。
なお、図１においては図示を省略しているが、実際のガスセンサ１００においては、センサ素子１０はハウジングと称される筐体内に収容されてなり、また、その一方端部Ｅ１側は保護カバーにて覆われている（図２参照）。これらの詳細については後述する。
図１に示すように、センサ素子１０は概略、長尺板状の素子基体１の一方端部Ｅ１側が、多孔質の先端保護層２にて被覆された構成を有する。
素子基体１は、長尺板状のセラミックス体１０１を主たる構造体とするとともに、該セラミックス体１０１の２つの主面上には主面保護層１７０を備え、さらに、センサ素子１０においては、一先端部側の端面（セラミックス体１０１の先端面１０１ｅ）および４つの側面の外側に先端保護層２が設けられてなる。なお、以降においては、センサ素子１０（もしくは素子基体１、セラミックス体１０１）の長手方向における両端面を除く４つの側面を単に、センサ素子１０（もしくは素子基体１、セラミックス体１０１）の側面と称する。
セラミックス体１０１は、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア（イットリウム安定化ジルコニア）を主成分とするセラミックスからなる。また、係るセラミックス体１０１の外部および内部には、センサ素子１０の種々の構成要素が設けられてなる。係る構成を有するセラミックス体１０１は、緻密かつ気密なものである。なお、図１に示すセンサ素子１０の構成はあくまで例示であって、センサ素子１０の具体的構成はこれに限られるものではない。
図１に示すセンサ素子１０は、セラミックス体１０１の内部に第一の内部空室１０２と第二の内部空室１０３と第三の内部空室１０４とを有する、いわゆる直列三室構造型のガスセンサ素子である。すなわち、センサ素子１０においては概略、第一の内部空室１０２が、セラミックス体１０１の一方端部Ｅ１側において外部に対し開口する（厳密には先端保護層２を介して外部と連通する）ガス導入口１０５と第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０を通じて連通しており、第二の内部空室１０３が第三の拡散律速部１３０を通じて第一の内部空室１０２と連通しており、第三の内部空室１０４が第四の拡散律速部１４０を通じて第二の内部空室１０３と連通している。なお、ガス導入口１０５から第三の内部空室１０４に至るまでの経路を、ガス流通部とも称する。本実施の形態に係るセンサ素子１０においては、係る流通部がセラミックス体１０１の長手方向に沿って一直線状に設けられてなる。
第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０、第三の拡散律速部１３０、および第四の拡散律速部１４０はいずれも、図面視上下２つのスリットとして設けられている。第一の拡散律速部１１０、第二の拡散律速部１２０、第三の拡散律速部１３０、および第四の拡散律速部１４０は、通過する被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する。なお、第一の拡散律速部１１０と第二の拡散律速部１２０の間には、被測定ガスの脈動を緩衝する効果を有する緩衝空間１１５が設けられている。
また、セラミックス体１０１の外面には外部ポンプ電極１４１が備わり、第一の内部空室１０２には内部ポンプ電極１４２が備わっている。さらには、第二の内部空室１０３には補助ポンプ電極１４３が備わり、第三の内部空室１０４には、測定対象ガス成分の直接の検知部である測定電極１４５が備わっている。加えて、セラミックス体１０１の他方端部Ｅ２側には、外部に連通し基準ガスが導入される基準ガス導入口１０６が備わっており、該基準ガス導入口１０６内には、基準電極１４７が設けられている。
例えば、係るセンサ素子１０の測定対象が被測定ガス中のＮＯｘである場合であれば、以下のようなプロセスによって、被測定ガス中のＮＯｘガス濃度が算出される。
まず、第一の内部空室１０２に導入された被測定ガスは、主ポンプセルＰ１のポンピング作用（酸素の汲み入れ或いは汲み出し）によって、酸素濃度が略一定に調整されたうえで、第二の内部空室１０３に導入される。主ポンプセルＰ１は、外部ポンプ電極１４１と、内部ポンプ電極１４２と、両電極の間に存在するセラミックス体１０１の部分であるセラミックス層１０１ａとによって構成される電気化学的ポンプセルである。第二の内部空室１０３においては、同じく電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルＰ２のポンピング作用により、被測定ガス中の酸素が素子外部へと汲み出されて、被測定ガスが十分な低酸素分圧状態とされる。補助ポンプセルＰ２は、外部ポンプ電極１４１と、補助ポンプ電極１４３と、両電極の間に存在するセラミックス体１０１の部分であるセラミックス層１０１ｂとによって構成される。
外部ポンプ電極１４１、内部ポンプ電極１４２、および補助ポンプ電極１４３は、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ２とのサーメット電極）として形成されてなる。なお、被測定ガスに接触する内部ポンプ電極１４２および補助ポンプ電極１４３は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。
補助ポンプセルＰ２によって低酸素分圧状態とされた被測定ガス中のＮＯｘは、第三の内部空室１０４に導入され、第三の内部空室１０４に設けられた測定電極１４５において還元ないし分解される。測定電極１４５は、第三の内部空室１０４内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する多孔質サーメット電極である。係る還元ないし分解の際には、測定電極１４５と基準電極１４７との間の電位差が、一定に保たれている。そして、上述の還元ないし分解によって生じた酸素イオンが、測定用ポンプセルＰ３によって素子外部へと汲み出される。測定用ポンプセルＰ３は、外部ポンプ電極１４１と、測定電極１４５と、両電極の間に存在するセラミックス体１０１の部分であるセラミックス層１０１ｃとによって構成される。測定用ポンプセルＰ３は、測定電極１４５の周囲の雰囲気中におけるＮＯｘの分解によって生じた酸素を汲み出す電気化学的ポンプセルである。
主ポンプセルＰ１、補助ポンプセルＰ２、および測定用ポンプセルＰ３におけるポンピング（酸素の汲み入れ或いは汲み出し）は、コントローラ５０による制御のもと、ポンプセル電源（可変電源）３０によって各ポンプセルに備わる電極の間にポンピングに必要な電圧が印加されることにより、実現される。測定用ポンプセルＰ３の場合であれば、測定電極１４５と基準電極１４７との間の電位差が所定の値に保たれるように、外部ポンプ電極１４１と測定電極１４５との間に電圧が印加される。ポンプセル電源３０は通常、各ポンプセル毎に設けられる。
コントローラ５０は、測定用ポンプセルＰ３により汲み出される酸素の量に応じて測定電極１４５と外部ポンプ電極１４１との間を流れるポンプ電流Ｉｐ２を検出し、このポンプ電流Ｉｐ２の電流値（ＮＯｘ信号）と、分解されたＮＯｘの濃度との間に線型関係があることに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。
なお、好ましくは、ガスセンサ１００は、それぞれのポンプ電極と基準電極１４７との間の電位差を検知する、図示しない複数の電気化学的センサセルを備えており、コントローラ５０による各ポンプセルの制御は、それらのセンサセルの検出信号に基づいて行われる。
また、センサ素子１０においては、セラミックス体１０１の内部にヒータ１５０が埋設されている。ヒータ１５０は、ガス流通部の図１における図面視下方側において、一方端部Ｅ１近傍から少なくとも測定電極１４５および基準電極１４７の形成位置までの範囲にわたって設けられる。ヒータ１５０は、センサ素子１０の使用時に、セラミックス体１０１を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるべく、センサ素子１０を加熱することを主たる目的として、設けられてなる。より詳細には、ヒータ１５０はその周囲を絶縁層１５１に囲繞される態様にて設けられてなる。
ヒータ１５０は、例えば白金などからなる抵抗発熱体である。ヒータ１５０は、コントローラ５０による制御のもと、ヒータ電源４０からの給電により発熱する。
本実施の形態に係るセンサ素子１０はその使用時、ヒータ１５０によって、少なくとも第一の内部空室１０２から第二の内部空室１０３に至る範囲の温度が５００℃以上となるように、加熱される。さらには、ガス導入口１０５から第三の内部空室１０４に至るまでのガス流通部全体が５００℃以上となるように、加熱される場合もある。これらは、各ポンプセルを構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高め、各ポンプセルの能力が好適に発揮されるようにするためである。係る場合、最も高温となる第一の内部空室１０２付近の温度は、７００℃～８００℃程度となる。
以降においては、セラミックス体１０１の２つの主面のうち、図１において図面視上方側に位置する、主に主ポンプセルＰ１、補助ポンプセルＰ２、および測定用ポンプセルＰ３が備わる側の主面（あるいは当該主面が備わるセンサ素子１０の外面）をポンプ面と称し、図１において図面視下方に位置する、ヒータ１５０が備わる側の主面（あるいは当該主面が備わるセンサ素子１０の外面）をヒータ面と称することがある。換言すれば、ポンプ面は、ヒータ１５０よりもガス導入口１０５、３つの内部空室、および各ポンプセルに近接する側の主面であり、ヒータ面はガス導入口１０５、３つの内部空室、および各ポンプセルよりもヒータ１５０に近接する側の主面である。
セラミックス体１０１のそれぞれの主面上の他方端部Ｅ２側には、センサ素子１０と外部との間の電気的接続を図るための複数の電極端子１６０が形成されてなる。これらの電極端子１６０は、セラミックス体１０１の内部に備わる図示しないリード線を通じて、上述した５つの電極と、ヒータ１５０の両端と、図示しないヒータ抵抗検出用のリード線と、所定の対応関係にて電気的に接続されている。よって、センサ素子１０の各ポンプセルに対するポンプセル電源３０から電圧の印加や、ヒータ電源４０からの給電によるヒータ１５０の加熱は、電極端子１６０を通じてなされる。
さらに、センサ素子１０においては、セラミックス体１０１のポンプ面およびヒータ面に、上述した主面保護層１７０（１７０ａ、１７０ｂ）が備わっている。主面保護層１７０は、アルミナからなる、厚みが５μｍ～３０μｍ程度であり、かつ２０％～４０％程度の気孔率にて気孔が存在する層であり、セラミックス体１０１の主面（ポンプ面およびヒータ面）や、ポンプ面側に備わる外部ポンプ電極１４１に対する、異物や被毒物質の付着を防ぐ目的で設けられてなる。それゆえ、ポンプ面側の主面保護層１７０ａは、外部ポンプ電極１４１を保護するポンプ電極保護層としても機能するものである。
なお、本実施の形態において、気孔率は、評価対象物のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像に対し公知の画像処理手法（二値化処理など）を適用することで求めるものとする。
図１においては、電極端子１６０の一部を露出させるほかはポンプ面およびヒータ面の略全面にわたって主面保護層１７０が設けられてなるが、これはあくまで例示であり、図１に示す場合よりも、主面保護層１７０は、一方端部Ｅ１側の外部ポンプ電極１４１近傍に偏在させて設けられてもよい。
＜先端保護層の詳細＞
センサ素子１０においては、上述のような構成を有する素子基体１の一方端部Ｅ１から所定範囲の最外周部に、先端保護層２が設けられてなる。
センサ素子１０においては、上述のような構成を有する素子基体１の一方端部Ｅ１から所定範囲の最外周部に、先端保護層２が設けられてなる。
先端保護層２を設けるのは、素子基体１のうちガスセンサ１００の使用時に高温（最高で７００℃～８００℃程度）となる部分を囲繞することによって、当該部分における耐被水性を確保し、当該部分が直接に被水することによる局所的な温度低下に起因した熱衝撃により素子基体１にクラック（被水割れ）が生じることを、抑制するためである。
加えて、先端保護層２は、センサ素子１０の内部にＭｇなどの被毒物質が入り込むことを防ぐ、耐被毒性の確保のためにも、設けられてなる。
図１に示すように、本実施の形態に係るセンサ素子１０においては、先端保護層２が、内側先端保護層２２、外側先端保護層２３の２層で構成される。また、先端保護層２と（内側先端保護層２２と）素子基体１の間には、下地層３が設けられる。
下地層３は、その上に形成される内側先端保護層２２（さらには外側先端保護層２３）との間における接着性（密着性）を確保するべく設けられる層である。下地層３は少なくとも、素子基体１のポンプ面側およびヒータ面側の２つの主面上に設けられてなる。すなわち、下地層３は、ポンプ面側の下地層３ａとヒータ面側の下地層３ｂとを備える。ただし、下地層３は、セラミックス体１０１の（素子基体１の）先端面１０１ｅ側には設けられない。
下地層３は、アルミナにて、３０％～６０％の気孔率を有しかつ１５μｍ～５０μｍの厚みに形成されてなる。なお、下地層３は、後述するように、内側先端保護層２２および外側先端保護層２３とは異なり、素子基体１の作製の過程で素子基体１ともども形成される。
内側先端保護層２２と外側先端保護層２３は、素子基体１の一方端部Ｅ１側の先端面１０１ｅと４つの側面とを覆うように（素子基体１の一方端部Ｅ１側の外周に）、内側から順に設けられてなる。
内側先端保護層２２は、アルミナにて、４５％～６０％の気孔率を有しかつ４５０μｍ～６５０μｍの厚みを有するように、設けられてなる。また、外側先端保護層２３は、アルミナにて、内側先端保護層２２よりも小さい１０％～４０％の気孔率を有しかつ５０μｍ～３００μｍの厚みを有するように、設けられてなる。これにより、先端保護層２においては、外側先端保護層２３よりも熱伝導率の小さい内側先端保護層２２が、該内側先端保護層２２よりも気孔率の小さい外側先端保護層２３に、被覆された構成となっている。内側先端保護層２２は、低熱伝導率の層として設けられることで、外部から素子基体１への熱伝導を抑制する機能を有してなる。
好ましくは、外側先端保護層２３の表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａが５０μｍ以下とされる。係る場合、金属部材に近接する部分の表面粗さが小さくなるため、センサ素子１０からの輻射による伝熱が抑えられる、という効果が期待される。
内側先端保護層２２と外側先端保護層２３は、表面に下地層３が形成された素子基体１に対し、それぞれの構成材料を順次に溶射（プラズマ溶射）することで形成される。これは、素子基体１の作製とともにあらかじめ形成されてなる下地層３と内側先端保護層２２の間にアンカー効果を発現させ、下地層３に対する（外側に形成される外側先端保護層２３も含めた）内側先端保護層２２の接着性（密着性）を、確保するためである。これは、換言すれば、下地層３が内側先端保護層２２との間における接着性（密着性）を確保する機能を有しているということを意味する。
なお、内側先端保護層２２と外側先端保護層２３は、下地層３（３ａ、３ｂ）の全体を被覆するように設けられるのではなく、下地層３のうち、センサ素子１０の長手方向において一方端部Ｅ１側とは反対側の端部を露出させる態様にて、形成される。これは、下地層３に対する（外側に形成される外側先端保護層２３も含めた）内側先端保護層２２の接着性（密着性）を、より確実に確保するためである。
これに加え、図１に示すセンサ素子１０においては、外側先端保護層２３が、内側先端保護層２２の一方端部Ｅ１側とは反対側の端部を露出させる態様にて、形成されてなるが、これは必須の態様ではなく、外側先端保護層２３は内側先端保護層２２の当該端部を覆うように形成されていてもよい。
＜センサ素子の封止と保護カバー＞
図２は、ガスセンサ１００におけるセンサ素子１０の周囲（特に一方端部Ｅ１の周囲）の詳細な構成を示す図である。図２に示したガスセンサ１００においては、センサ素子１０のポンプ面側が図面手前を向いている。
図２は、ガスセンサ１００におけるセンサ素子１０の周囲（特に一方端部Ｅ１の周囲）の詳細な構成を示す図である。図２に示したガスセンサ１００においては、センサ素子１０のポンプ面側が図面手前を向いている。
図１においては図示を省略しているが、ガスセンサ１００において、センサ素子１０は、その一方端部Ｅ１の近傍を除き、金属製（例えばＳＵＳ製）の中空円筒状の部材であるハウジング３０２内に収容されてなる。より具体的には、係る収容に先立ってセンサ素子１０の外周にセラミックサポータ３０３や圧粉体３０４といった環装部品が環装され、さらにその外周にハウジング３０２が環装された後、外力の印加によって圧粉体３０４を圧縮させることによって、センサ素子１０はハウジング３０２内に固定されるとともに、一方端部Ｅ１と他方端部Ｅ２との間が気密に封止された状態が実現されてなる。係る固定は、円筒状をなしているハウジング３０２の内部空間の中心軸Ｃにセンサ素子１０の中心軸を一致させる態様にてなされる。その際、センサ素子１０は、先端保護層２の形成範囲の大部分がハウジング３０２の一先端部（図２においてはｘ軸方向下端部）から図面下方（ｘ軸負方向）に突出するように、固定される。
なお、図２においては図示の簡単のため、セラミックサポータ３０３と圧粉体３０４とを一つずつのみ示しているが、実際には、これらは交互に複数個積層される。また、図２においては、先端保護層２の図示も単純化している。
また、図１において概略的に示していた、他方端部Ｅ２に備わる複数の電極端子１６０と、外部のポンプセル電源３０、ヒータ電源４０、コントローラ５０などとの電気的接続は、図２における図示範囲よりも上方に設けられてなり、かつ、それらヒータ電源４０等と電気的に接続されてなる図示しないコンタクト部材の、接点部材を備えた挿入口に、センサ素子１０の他方端部Ｅ２側が挿入される態様にてなされる。
ハウジング３０２の外周には、スクリューナット３２０が環装されており、ガスセンサ１００は、スクリューナット３２０の外周の雄ねじ部を用いて、測定位置にねじ止め固定されるようになっている。
さらに、ガスセンサ１００は金属製（例えばＳＵＳ製）の保護カバー３０５を備える。保護カバー３０５は、センサ素子１０のハウジング３０２から突出した部分を囲繞するように、ハウジング３０２の一先端部に付設されてなる。保護カバー３０５は、外側保護カバー３０５Ａと、内側保護カバー３０５Ｂとの２層構造を有する。
外側保護カバー３０５Ａは、ガスセンサ１００の使用時、直接に被測定ガスと接触する部位である。外側保護カバー３０５Ａは、ハウジング３０２の図面視外周下端部への固定部分を含む円筒状の大径部３０６と、係る大径部３０６よりも縮径された有底円筒状の小径部３０７と、これら大径部３０６と小径部３０７とを接続する段差部３０８とから構成された、断面視段差形状を有してなる。大径部３０６および段差部３０８にはそれぞれ、被測定ガスが外側保護カバー３０５Ａの内側に流入可能に設けられた貫通孔３０６ｈ、３０８ｈが備わっている。貫通孔３０６ｈ、３０８ｈはそれぞれ、周方向において適宜の間隔で複数設けられてなる。一方、小径部３０７およびその底部３０９には、被測定ガスが外側保護カバー３０５Ａの内側から流出可能に設けられた貫通孔３０７ｈ、３０９ｈが備わっている。貫通孔３０７ｈも、周方向において適宜の間隔で複数設けられてなる。
一方、内側保護カバー３０５Ｂは、ハウジング３０２の図面視下端部への固定部分から延在する円筒状の第１の部分３０５Ｂ１と、第１の部分３０５Ｂ１の外側に付設されてなる第２の部分３０５Ｂ２とからなる。第２の部分３０５Ｂ２は、外側から加締め部３１０を設けることにより、第１の部分３０５Ｂ１との間に流路３１１が形成される態様にて第１の部分３０５Ｂ１に対し固定されてなるとともに、外側保護カバー３０５Ａにおいて小径部３０７と段差部３０８とがなしている角部に係止されている。
また、第１の部分３０５Ｂ１の図面視下端部は開放されているのに対し、第２の部分３０５Ｂ２の図面視下端部はテーパー部３１２となっており、その先端部（下端部）に貫通孔３１２ｈが備わっている。センサ素子１０の一方端部Ｅ１は第１の部分３０５Ｂ１の図面視下端部からわずかに突出している。なお、一方端部Ｅ１から外側保護カバー３０５Ａの底部３０９までの距離は約１０ｍｍである。
以上のような構成の保護カバー３０５を備えたガスセンサ１００が使用される際、被測定ガスは、矢印ＡＲ１およびＡＲ２にて示すように、貫通孔３０６ｈ、３０８ｈを通じて外側保護カバー３０５Ａと内側保護カバー３０５Ｂの間の空間に流入する。さらに、矢印ＡＲ３およびＡＲ４にて示すように、内側保護カバー３０５Ｂの第１の部分３０５Ｂ１と第２の部分３０５Ｂ２の流路３１１を通じて、センサ素子１０の一方端部Ｅ１の近傍部分が存在する内側保護カバー３０５Ｂ内の空間に流入する。
すなわち、保護カバー３０５は、内部に位置するセンサ素子１０の一方端部Ｅ１側から被測定ガスが流入するように構成されている、「先端流入」タイプの保護カバーである。
なお、内側保護カバー３０５Ｂ内の被測定ガスは、適宜、貫通孔３１２ｈさらには貫通孔３０７ｈおよび３０９ｈを通じて、外部へと排出される。
＜ヒータパワーの抑制＞
上述のように、センサ素子１０はその使用時、各ポンプセルを構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高め、各ポンプセルの能力が好適に発揮されるようにする目的で、ヒータ１５０によって、少なくとも第一の内部空室１０２から第二の内部空室１０３に至る範囲の温度が５００℃以上となるように、加熱される。その際、最も高温となる第一の内部空室１０２付近の温度は、７００℃～８００℃程度となる。
上述のように、センサ素子１０はその使用時、各ポンプセルを構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高め、各ポンプセルの能力が好適に発揮されるようにする目的で、ヒータ１５０によって、少なくとも第一の内部空室１０２から第二の内部空室１０３に至る範囲の温度が５００℃以上となるように、加熱される。その際、最も高温となる第一の内部空室１０２付近の温度は、７００℃～８００℃程度となる。
ヒータ１５０の長寿命化という観点からは、上述したセンサ素子１０の各部の加熱を出来るだけ小さいヒータパワー（ヒータ１５０への投入電力）で実現することが好ましい。それゆえ、ヒータ１５０にて発生した熱を、できるだけセンサ素子１０の外部さらにはガスセンサ１００の外部に逃がさないことが、求められる。
この点に関し、センサ素子１０のなかでも特に、使用時にヒータ１５０によって高温に加熱される部分は、図２に示したように、ハウジング３０２や保護カバー３０５などの金属部材（金属部品）に囲繞されている。ヒータ１５０による加熱時、これらの金属部材からの輻射には保温効果がある。ヒータパワーの抑制という観点からは、係る輻射による保温効果がより好適に得られることが好ましい。
これを踏まえて、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、センサ素子１０とこれに最も近接する金属部材との距離（最短距離）が０．９５ｍｍ以下となるようにする。図２に示す場合、センサ素子１０と最も近接する金属部材はハウジング３０２であり、両者は先端保護層２のうちセンサ素子１０の側面（ｚｘ平面に平行な面）を覆う部分とハウジング３０２の内面３０２ａとのなす間隙Ｇにおいて最も近接するので、係る間隙Ｇにおける両者の距離ｄが０．９５ｍｍ以下とされる。ただし、保護カバー３０５の方がハウジング３０２よりもセンサ素子１０に近接する態様であってもよく、その際にはセンサ素子１０と保護カバー３０５との距離が０．９５ｍｍ以下とされる。
なお、センサ素子１０と金属部材との距離を０．９５ｍｍ以下とすることは、金属部材の内径を小さくすることや、先端保護層２の厚みを大きくすることで、実現が可能である。
加えて、金属部材のうち、少なくともセンサ素子１０に最も近接する部分（図２に示す場合であればハウジング３０２）の、内面（センサ素子１０を向いている面）の算術平均粗さＲａが、５μｍ以下とされる。以下、係る算術平均粗さを単に内面粗さとも称する。
少なくともこれらの要件をともにみたすことで、ガスセンサ１００においては、使用時のヒータパワーが好適に抑制される。
ただし、組付け時のクリアランスの観点からは、センサ素子１０と金属部材との距離は０．２０ｍｍ以上であることが好ましい。
なお、上述したように、センサ素子１０の一方端部Ｅ１側は２層構成の先端保護層２にて被覆されている。そのうち、主として断熱を担う、内側先端保護層２２は、４５％～６０％の気孔率を有しかつ４５０μｍ～６５０μｍの厚みを有するように設けられてなる。これは、耐被水性さらには耐熱衝撃性を確保することが主たる目的ではあるが、ヒータパワーの抑制にも一定の効果を奏している。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、センサ素子とこれに最も近接する金属部材とのなす間隙における両者の距離が０．９５ｍｍ以下となるように、かつ、当該金属部材の内面粗さＲａが５μｍ以下となるように、ガスセンサが構成される。これにより、ガスセンサの使用時に内部に備わるヒータによってセンサ素子が所定の駆動温度に加熱される際に、金属部材からの輻射によるセンサ素子の保温効果が、好適に得られるので、加熱に際し必要とされるヒータのパワーが抑制され、ヒータひいてはガスセンサの長寿命化が図られる。
＜変形例＞
上述の実施の形態においては、３つの内部空室を備えたセンサ素子を対象としているが、センサ素子が３室構造であることは必須ではない。すなわち、センサ素子が、内部空室を２つあるいは１つ備える態様であってもよい。
上述の実施の形態においては、３つの内部空室を備えたセンサ素子を対象としているが、センサ素子が３室構造であることは必須ではない。すなわち、センサ素子が、内部空室を２つあるいは１つ備える態様であってもよい。
また、上述の実施の形態においては、内側先端保護層２２および外側先端保護層２３をアルミナにて設けることとし、両層を形成する際の溶射材として、アルミナ粉末を用いているが、これは必須の態様ではない。アルミナに代えて、ジルコニア（ＺｒＯ２）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ムライト（Ａｌ６Ｏ１３Ｓｉ２）などの金属酸化物を用いて、内側先端保護層２２および外側先端保護層２３を設ける態様であってもよい。係る場合は、それらの金属酸化物の粉末を溶射材として採用すればよい。
図２に示した構成を有し、かつ、センサ素子１０とハウジング３０２との距離ｄと、ハウジング３０２の内面粗さＲａとの組み合わせが相異なる多数のガスセンサ１００を作製し、それぞれの値がヒータパワーに与える影響を確認した。
具体的には、ハウジング３０２の内面粗さＲａをおよそ５μｍとしつつ、ハウジング３０２の内径と先端保護層２の厚みとの組み合わせを違えることで、距離ｄの値を０．７８ｍｍ、０．９２ｍｍ、０．９５ｍｍ、１．０２ｍｍ、１．０５ｍｍの５水準に違え、それぞれの水準について順に、１３個、１６個、５個、１２個、１３個のガスセンサを作製した。加えて、距離ｄの値を０．９５ｍｍとし、ハウジング３０２の内面粗さＲａをおよその値で０．１μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、７．５μｍ、１０μｍとしたガスセンサも１個ずつ作製した。
そして、全てのガスセンサ１００について、素子の温度（最高到達温度）を８５０℃に設定してヒータ１５０によるセンサ素子１０の加熱を行い、その際のヒータパワーを測定した。
図３は、センサ素子１０とハウジング３０２との距離ｄを横軸とし、ヒータパワー（Heater Power）を縦軸として、距離ｄおよびハウジング３０２の内面粗さＲａとヒータパワーとの関係を示した分布図である。
図３からは、距離ｄが０．９５ｍｍ以下の範囲にあり、かつ、内面粗さＲａがおよそ５μｍ以下である場合は、ヒータパワーが概ね６Ｗ～７Ｗとなっているのに対し、いずれか一方の要件をみたさない場合には、ヒータパワーは最小でもせいぜい７Ｗ程度に留まっていることがわかる。
係る結果は、距離ｄが０．９５ｍｍ以下となり、内面粗さＲａが５μｍ以下となるようにガスセンサを構成することで、ヒータパワーが低減されることを示している。
１ 素子基体
２ 先端保護層
３ 下地層
１０ センサ素子
２２ 内側先端保護層
２３ 外側先端保護層
１００ ガスセンサ
１５０ ヒータ
１５１ 絶縁層
１６０ 電極端子
１７０ 主面保護層
３０２ ハウジング
３０３ セラミックサポータ
３０４ 圧粉体
３０５ 保護カバー
３０５Ａ 外側保護カバー
３０５Ｂ 内側保護カバー
３０６ 大径部
３０７ 小径部
３０８ 段差部
３０９ 底部
３１１ 流路
３１２ テーパー部
３２０ スクリューナット
Ｅ１ 一方端部
Ｅ２ 他方端部
Ｇ 間隙
Ｐ１ 主ポンプセル
Ｐ２ 補助ポンプセル
Ｐ３ 測定用ポンプセル
ｄ 距離
２ 先端保護層
３ 下地層
１０ センサ素子
２２ 内側先端保護層
２３ 外側先端保護層
１００ ガスセンサ
１５０ ヒータ
１５１ 絶縁層
１６０ 電極端子
１７０ 主面保護層
３０２ ハウジング
３０３ セラミックサポータ
３０４ 圧粉体
３０５ 保護カバー
３０５Ａ 外側保護カバー
３０５Ｂ 内側保護カバー
３０６ 大径部
３０７ 小径部
３０８ 段差部
３０９ 底部
３１１ 流路
３１２ テーパー部
３２０ スクリューナット
Ｅ１ 一方端部
Ｅ２ 他方端部
Ｇ 間隙
Ｐ１ 主ポンプセル
Ｐ２ 補助ポンプセル
Ｐ３ 測定用ポンプセル
ｄ 距離
Claims (6)
- 被測定ガス中に含まれる検知対象ガス成分を検知して当該検知対象ガス成分の濃度を特定するガスセンサであって、
一方端部側に前記被測定ガスの導入口を備え、
酸素イオン伝導性の固体電解質からなる素子基体と、
前記素子基体の内部に埋設されてなるヒータと、
前記素子基体の前記一方端部側の所定範囲を被覆する多孔質の先端保護層と、
を有するセンサ素子と、
前記センサ素子が内部に固定的に配置される金属部材と、
を備え、
前記センサ素子と前記金属部材の内面との最短距離が０．２０ｍｍ以上０．９５ｍｍ以下であり、
前記金属部材の前記内面のうち、前記センサ素子との間で前記最短距離をなす部分の算術平均粗さが５μｍ以下である、
ことを特徴とする、ガスセンサ。 - 請求項１に記載のガスセンサであって、
前記金属部材が、
内部に前記センサ素子が固定される金属製のハウジングと、
前記ハウジングに付設され、前記センサ素子の前記一方端部側を囲繞するとともに内部に被測定ガスが流入可能とされてなる金属製の保護カバーと、
を含み、
前記最短距離が前記ハウジングの内面と前記センサ素子との距離である、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 被測定ガス中に含まれる検知対象ガス成分を検知して当該検知対象ガス成分の濃度を特定するガスセンサであって、
一方端部側に前記被測定ガスの導入口を備え、
酸素イオン伝導性の固体電解質からなる素子基体と、
前記素子基体の内部に埋設されてなるヒータと、
前記素子基体の前記一方端部側の所定範囲を被覆する多孔質の先端保護層と、
を有するセンサ素子と、
内部に前記センサ素子が固定される金属製のハウジングと、
前記ハウジングに付設され、前記センサ素子の前記一方端部側を囲繞するとともに内部に被測定ガスが流入可能とされてなる金属製の保護カバーと、
を備え、
前記ハウジングの内面と前記保護カバーの内面のうち、前記センサ素子に近接する方の内面と前記センサ素子との最短距離が０．２０ｍｍ以上０．９５ｍｍ以下であり、
前記センサ素子に近接する方の内面の算術平均粗さが５μｍ以下である、
ことを特徴とする、ガスセンサ。 - 請求項３に記載のガスセンサであって、
前記ハウジングの内面が前記保護カバーの内面よりも前記センサ素子に近接する、
ことを特徴とする、ガスセンサ。 - 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記素子基体が長尺板状であり、
前記先端保護層が、
前記一方端部と、前記一方端部と連続する前記素子基体の４つの側面とを覆うように設けられてなる内側先端保護層と、
前記内側先端保護層を覆うように設けられてなり、前記内側先端保護層よりも気孔率が小さい外側先端保護層と、
を備え、
前記内側先端保護層の厚みが４５０μｍ以上６５０μｍ以下であり、気孔率が４５％～６０％である、
ことを特徴とする、ガスセンサ。 - 請求項５に記載のガスセンサであって、
前記外側先端保護層の算術平均粗さが５０μｍ以下である、
ことを特徴とする、ガスセンサ。
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