WO2016002735A1 - ガスセンサ素子 - Google Patents

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WO2016002735A1
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heater
sensor element
gas sensor
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power consumption
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雄輔 遠藤
浩史 野田
伊藤　誠
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Denso Corp
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Denso Corp
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells

Definitions

  • This disclosure relates to a gas sensor element.
  • Patent Document 1 discloses a bottomed cylindrical solid electrolyte body, a pair of electrodes provided on an outer peripheral surface and an inner peripheral surface of the solid electrolyte body, and a solid electrolyte body.
  • a so-called cup-type O 2 sensor element including a porous layer laminated on the outer peripheral surface side is disclosed.
  • the accuracy of air-fuel ratio control can be improved by providing an A / F sensor that detects the air-fuel ratio (A / F) downstream of the exhaust gas purification catalyst (rear environment). ing. Since the A / F sensor needs to be used at a high temperature, the A / F sensor is provided with a heater for heating the electrode. In such a rear environment, since the amount of water to the A / F sensor is likely to increase, in order to increase the reliability of the A / F sensor, the thickness of the porous layer provided on the outer periphery of the sensor element is increased. It is possible to do. However, when the porous layer is thickened, the heat capacity of the entire element increases and the power consumption of the heater increases.
  • the output limit current varies depending on the oxygen concentration in the exhaust gas and the concentration of other gas components such as HC and NOX.
  • the output limit current is changed. Therefore, when the thickness of the porous layer is excessively increased or decreased, the output limit current exceeds the appropriate range.
  • the limit current exceeds an appropriate range, there is a problem that sufficient detection accuracy of the A / F cannot be obtained.
  • the present disclosure has been made in view of such a background, and aims to provide a gas sensor element that requires less power consumption, is excellent in A / F detection accuracy, and has high reliability.
  • a cup-shaped solid electrolyte body provided with an atmosphere chamber therein and closed at the front end side and opened at the base end side, and a measurement gas side wall surface facing the measurement gas of the solid electrolyte body
  • a measurement electrode provided; a reference electrode provided on a reference gas side wall facing the atmospheric chamber; a porous layer made of a porous material laminated on the measured gas side wall in the solid electrolyte; and
  • a heater that is disposed in the atmospheric chamber and that is in contact with the bottom of the atmospheric chamber and that generates heat when energized, wherein the axial length of the heating portion is A, and Assuming that the length in the axial direction is B, the weight of the porous layer satisfies the relationship of 0.07 ⁇ B / A ⁇ 1, and in the region from the position 2 mm from the heat generating portion to the proximal end side to the distal end side. Is 0.60 to 0.85 g Moni, the weight of the heater is in a gas sensor element, which
  • the weight of the porous layer is 0.60 g to 0.85 g in the region from the position 2 mm from the heat generating portion to the proximal end side to the distal end side.
  • the output limit current can be set to an appropriate range, so that the A / F detection accuracy is excellent.
  • the heater weight is 0.19 g to 0.25 g, so that power consumption can be suppressed, and damage due to self-heating of the heater is prevented, resulting in excellent reliability.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a heater in the first embodiment. The figure showing the relationship between the weight of a porous layer in Example 1, power consumption ratio, and (DELTA) IL. The figure showing the relationship between the weight of a heater, generated stress, and power consumption ratio in Example 1. FIG. The figure showing the relationship between the outer diameter of a heater, the diameter of a hollow part, generated stress, and power consumption reduction rate in Example 1. FIG. Sectional drawing of the front end side of the gas sensor element in Example 2.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a heater in the first embodiment. The figure showing the relationship between the weight of a porous layer in Example 1, power consumption ratio, and (DELTA) IL. The figure showing the relationship between the weight of a heater, generated stress, and power consumption ratio in Example 1.
  • FIG. The figure showing the relationship between the outer diameter of a heater, the diameter of a hollow part, generated stress, and power consumption reduction rate in Example 1.
  • the gas sensor element of the present disclosure can be used for air-fuel ratio control in an automobile internal combustion engine.
  • the gas sensor element 1 of this example will be described with reference to FIGS.
  • the gas sensor element 1 of this example is provided in a gas sensor 100 as shown in FIG.
  • the gas sensor element 1 includes a solid electrolyte body 10, a measurement electrode 20, a reference electrode 30, a porous layer 40, and a heater 50.
  • the solid electrolyte body 10 has an atmospheric chamber 11 inside, has a cup shape in which the distal end side Y1 is closed and the proximal end side Y2 is opened.
  • the measurement electrode 20 is provided on the measured gas side wall surface 10 a facing the measured gas of the solid electrolyte body 10.
  • the reference electrode 30 is provided on the reference gas side wall surface 10 b facing the atmospheric chamber 11 of the solid electrolyte body 10.
  • the porous layer 40 is made of a porous material and is laminated on the measured gas side wall surface 10 a of the solid electrolyte body 10.
  • the heater 50 is disposed in the atmosphere chamber 11 and is in contact with the bottom 11a of the atmosphere chamber 11, and has a heat generating portion 51 that generates heat when energized.
  • the relationship of 0.07 ⁇ B / A ⁇ 1 is satisfied, where A is the length in the axial direction Y of the heat generating portion 51 and B is the length in the axial direction of the measuring electrode 20.
  • the weight WB of the porous layer 40 is 0.60 g to 0.
  • the weight WA of the heater 50 is 0.19 g to 0.25 g.
  • the solid electrolyte body 10 is mainly composed of zirconia (ZrO 2 ). As shown in FIG. 2, the outer side surface of the solid electrolyte body 10 forms a measured gas side wall surface 10 a facing the measured gas, and the inner side surface of the solid electrolyte body 10 faces the reference gas side wall surface facing the atmospheric chamber 11. 10b.
  • the measurement electrode 20 provided on the measured gas side wall surface 10a is formed on the entire circumference with a predetermined length in the axial direction Y at a position facing a heat generating portion 51 described later, and has a strip shape in the circumferential direction.
  • the length B in the axial direction Y of the measurement electrode 20 can be set to 0.5 mm to 3.0 mm, for example.
  • a signal lead portion (not shown) is formed on the outer surface of the solid electrolyte body 10 so as to extend from the measurement electrode 20 to the proximal end side Y2.
  • the reference electrode 30 is formed on substantially the entire reference gas side wall surface 10 b of the solid electrolyte body 10.
  • the bottom 11a of the atmospheric chamber 11 formed inside the cup-shaped solid electrolyte body 10 has a substantially hemispherical shape.
  • the front end 53 of the heater 50 disposed in the atmospheric chamber 11 is in contact with the bottom 11 a of the atmospheric chamber 11.
  • the heater 50 is a heater using a ceramic body such as alumina or silicon nitride, and includes a ceramic mandrel 54 and a ceramic sheet 55 wound around the mandrel 54.
  • the mandrel 54 is formed in a cylindrical shape having a hollow portion 54 a extending in the axial direction Y. As shown in FIG.
  • the ceramic sheet 55 is formed with a heat generating portion 51 made of a conductive paste containing tungsten and rhenium or molybdenum.
  • the heat generating portion 51 is located on the distal end side Y1 of the mandrel 54.
  • the heat generating part 51 is for heating the gas sensor element 1 to the activation temperature by generating heat by energization.
  • the length A in the axial direction Y of the heat generating portion 51 can be set to, for example, 3.0 mm to 7.0 mm. Therefore, the length A in the axial direction Y of the heat generating portion 51 and the length B in the axial direction Y of the measurement electrode 20 satisfy the relationship of 0.07 ⁇ B / A ⁇ 1.
  • the outer diameter of the mandrel 54 of the heater 50 is P and the diameter of the hollow portion 54a is Q
  • P and Q satisfy the relationship 0.28 ⁇ Q / P ⁇ 0.6.
  • the outer diameter P of the mandrel 54 can be 2.5 mm to 3.4 mm.
  • the diameter Q of the hollow portion 54a can be set to 0.9 mm to 1.5 mm. The Q / P satisfies the above relationship.
  • the porous layer 40 includes a diffusion resistance layer 41 laminated on the measured gas side wall surface 10 a of the solid electrolyte body 10, and a trap layer 42 laminated on the outer side of the diffusion resistance layer 41. And have.
  • the diffusion resistance layer 41 is made of a gas-permeable alumina porous body, and the porosity and the like are set to a predetermined value so as to transmit the gas to be measured that is brought into contact with the measurement electrode 20.
  • the trap layer 42 is made of a porous body that captures poisonous substances in the exhaust gas.
  • the trap layer 42 has a porosity higher than that of the diffusion resistance layer 41, and is configured so as not to affect the diffusibility of the gas to be measured.
  • the porous layer 40 is provided with a protective layer made of a porous material for ensuring water resistance between the diffusion resistance layer 41 and the trap layer 42. Further, a catalyst layer that purifies (combusts) H 2 and suppresses output deviation may be provided between the protective layer and the trap layer 42.
  • the weight WB of the porous layer 40 in the region (tip region) S from the position 52 of 2 mm from the heat generating portion 51 to the proximal side Y2 to the distal side Y1 is set to 0.60 g to 0.85 g. it can. Further, the weight WA of the heater 50 in the tip region S can be 0.19 g to 0.25 g.
  • the porous layer is thicker than the sensor element. Therefore, normally, the integrated power consumption in the A / F sensor element is larger than the integrated power consumption in the O 2 sensor element.
  • the integrated power consumption ratio increases as the weight WB of the porous layer 40 increases.
  • the rate of increase that is, the differential value of the curve indicating the integrated power consumption ratio
  • the power consumption becomes excessive when the value exceeds 0.85 g.
  • the change in the limit current output when the weight WB of the porous layer 40 in the tip region S was changed between 0.20 g and 1.10 g was verified.
  • the current value obtained by measuring the weight WB of the porous layer 40 of the gas sensor element 1 in the atmosphere with the gas sensor element 1 having the reference weight as a predetermined reference weight is IL 0
  • ⁇ IL represents a deviation from the target value
  • ⁇ IL is an index of detection accuracy. If ⁇ IL exceeds ⁇ 15% which is an appropriate range, sufficient detection accuracy cannot be obtained, and ⁇ IL needs to be ⁇ 15% or less.
  • ⁇ IL is ⁇ 15% or less.
  • the weight WB of the porous layer 40 is 0.60 g to 0.85 g in the tip region S, the heat capacity of the gas sensor element 1 in the tip region S is excessively large. Therefore, an increase in power consumption of the heater 50 can be suppressed. Furthermore, since the weight WB of the porous layer 40 is within the above range, the output limit current can be set to an appropriate range, and thus the A / F detection accuracy is excellent.
  • Power consumption ratio test 2 Regarding the gas sensor element 1 of this example, the power consumption when the weight WA of the heater 50 in the tip region S is changed between 0.10 g and 0.30 g, and the conventional cup-type O 2 sensor (power consumption ratio) The same power consumption as in Test 1 was compared. Specifically, as in the power consumption ratio test 1 described above, the integrated power consumption ratio in the gas sensor element 1 of this example was calculated. In order to achieve the effect of reducing power consumption, the cumulative power consumption ratio needs to be 1.0 or less. As shown in FIG. 5, when the weight WA of the heater 50 is 0.25 g or less, the integrated power consumption ratio in the gas sensor element 1 is 1.0 or less.
  • the maximum stress generated by self-heating when the weight WA of the heater 50 in the tip region S was changed between 0.10 g and 0.30 g was verified. Specifically, by stress analysis simulation, the heater resistance of the heater 50 was set to 3 ⁇ , and the maximum stress generated in the heat generating part 51 when the heat generating part 51 reached 1000 ° C. by applying a voltage of 16 V to the heater 50 was calculated. . If the generated stress in the heater 50 exceeds 135 MPa, the heater 50 may be damaged by the generated stress. Therefore, the generated stress in the heater 50 needs to be 135 MPa or less. As shown in FIG. 5, when the weight WA of the heater 50 is 0.19 g or more, the generated stress in the heater 50 is shown to be 135 MPa or less.
  • the weight WA of the heater 50 is 0.19 g to 0.25 g in the tip region S, power consumption can be suppressed and damage due to self-heating of the heater 50 is prevented. And excellent reliability.
  • the maximum stress generated by self-heating when the diameter Q of the hollow portion 54a was changed with respect to the outer diameter P of the mandrel 54 of the heater 50 was verified.
  • the heater resistance of the heater 50 is set to 3 ⁇ by the stress analysis simulation, and the heater 50 is heated to a temperature of 1000 ° C. by applying a voltage of 16V to the heater 50.
  • the maximum stress generated at 50 was calculated. If the generated stress in the heater 50 exceeds 135 MPa, the heater 50 is damaged by the generated stress, and thus the generated stress in the heater 50 needs to be 135 MPa or less.
  • the generated stress in the heater 50 is preferably 120 MPa or less. As shown in FIG. 6, it was shown that when Q / P is 0.6 or less, the generated stress in the heater 50 is 135 MPa or less. Furthermore, it was shown that when Q / P is 0.5 or less, the generated stress in the heater 50 is 120 MPa or less.
  • P and Q must satisfy the range indicated by the arrow V in FIG. 6, that is, the relationship of 0.28 ⁇ Q / P ⁇ 0.6. confirmed. Furthermore, in order to further improve the reliability, it was confirmed that P and Q preferably satisfy the relationship of 0.28 ⁇ Q / P ⁇ 0.5.
  • the outer diameter P of the heater 50 (the outer diameter of the mandrel 54) P and the inner diameter of the heater 50 (the diameter of the hollow portion 54a) Q are 0.28 ⁇ Q / P ⁇ 0.6. Since the relationship is satisfied, the gas sensor element 1 can suppress power consumption, and the heater 50 is prevented from being damaged due to self-heating, and thus has excellent reliability.
  • the gas sensor element 1 can be incorporated in, for example, a rear gas sensor installed downstream of the catalyst filter in the exhaust system of the internal combustion engine. That is, the gas sensor 100 incorporating the gas sensor element 1 can be disposed on the downstream side of the catalyst filter that purifies the exhaust gas in the exhaust system of the automobile engine. In this case, a limit current depending on the oxygen concentration in the exhaust gas after passing through the catalyst filter is output. The air-fuel ratio in the air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine can be calculated based on the obtained limit current and fed back to the engine control system.
  • the gas sensor element 1 of the present invention is not limited to this, and can be used in various modes.
  • the gas sensor element 1 that requires less power consumption, is excellent in A / F detection accuracy, and has high reliability.
  • the gas sensor element 1 of this example includes an outer peripheral surface 50 a of the heater 50 and an inner peripheral surface of the atmospheric chamber 11 (that is, the reference electrode 30 laminated on the reference gas side wall surface 10 b of the solid electrolyte body 10). Between the two, a porous filling layer 60 filled with a porous material is formed.
  • symbol is attached
  • the porous filling layer 60 is made of the same kind of alumina (spinel) material as the forming material of the porous layer 40. Thereby, the heat generated from the heat generating portion 51 of the heater 50 is efficiently transmitted to the solid electrolyte body 10 through the porous filling layer 60, which contributes to reduction of power consumption. Note that the gas sensor element 1 of this example also provides the same operational effects as in the case of the first embodiment.

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Abstract

　消費電力が少なくて済むとともに、Ａ／Ｆの検出精度に優れるガスセンサ素子を提供する。ガスセンサ素子１は、コップ型の固体電解質体１０、測定電極２０、基準電極３０、及び多孔質層４０を有する。そして、固体電解質体１０の内側の大気室１１には、その底部１１ａに接触するようにヒータ５０が配設されている。ヒータ５０の発熱部５１の軸方向Ｙの長さをＡとし、測定電極２０の軸方向Ｙの長さをＢとしたとき、０．０７≦Ｂ／Ａ≦１の関係を満たしている。そして、発熱部５１より基端側Ｙ２へ２ｍｍの位置から先端側の領域Ｓにおいて、多孔質層４０の重量ＷＢが０．６０ｇ～０．８５ｇであるとともに、ヒータ５０の重量ＷＡが０．１９ｇ～０．２５ｇである。

Description

ガスセンサ素子
　本開示は、ガスセンサ素子に関する。
関連出願の相互参照
　本出願は、２０１４年６月３０日にされた日本出願番号２０１４－１３３４８４号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　従来、自動車等の内燃機関における空燃比制御のために、排ガス中の被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサが用いられている。このようなガスセンサに備えられている素子として、特許文献１には、有底円筒状の固体電解質体と固体電解質体の外周面及び内周面に設けられた一対の電極と、固体電解質体の外周面側に積層される多孔質層と、を備えるいわゆるコップ型のＯ２センサ素子が開示されている。
特開２０００‐８１４１１号公報
　近年の低エミッション化の要請に応じて、排ガス浄化用触媒の下流（リア環境）に空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサを設けることにより、空燃比制御の精度向上が図られている。Ａ／Ｆセンサは高温下で使用する必要があるため、Ａ／Ｆセンサには電極を加熱するヒータが備えられている。そして、かかるリア環境では、Ａ／Ｆセンサに対する被水量が増加しやすいことから、当該Ａ／Ｆセンサの信頼性を高めるためには、センサ素子の外周に設けられる多孔質層の厚さを大きくすることが考えられる。しかしながら、多孔質層を肉厚にすると素子全体の熱容量が増加して、ヒータの消費電力量が増加することとなる。これは燃費の低下を招く要因の一つとなるため、好ましくない。また、限界電流によりＡ／Ｆを検出するＡ／Ｆセンサでは、排ガス中の酸素濃度、ＨＣやＮＯＸなどの他のガス成分濃度によって、出力される限界電流が変化することから、多孔質層の厚さを変化させると、出力される限界電流が変化することとなる。したがって、多孔質層の厚さを過度に大きく又は小さくすると、出力される限界電流が適正な範囲を超えてしまう。そして、限界電流を検出してＡ／Ｆを検出するＡ／Ｆセンサでは、限界電流が適正な範囲を超えると、Ａ／Ｆの十分な検出精度が得られないという問題が生じる。一方、ヒータの消費電力を低減するには、ヒータの重量を削減してその熱容量を低減させることが考えられる。しかし、ヒータの重量を過度に削減すれば、ヒータの発熱に応じて生じるヒータの応力が過度に上昇することによってヒータが破損するおそれがあることから、信頼性が低下するという問題がある。
　本開示は、かかる背景に鑑みてなされたもので、消費電力が少なくて済むとともに、Ａ／Ｆの検出精度に優れ、高い信頼性が得られるガスセンサ素子を提供しようとするものである。
　本開示の一態様は、内部に大気室を設けると共に先端側が閉塞され、基端側が開口されたコップ型の固体電解質体と、該固体電解質体の被測定ガスと対面する被測定ガス側壁面に設けられた測定電極と、上記大気室と対面する基準ガス側壁面に設けられた基準電極と、上記固体電解質体における上記被測定ガス側壁面に積層された多孔質からなる多孔質層と、上記大気室に配設されて上記大気室の底部に接触しているとともに、通電により発熱する発熱部を有するヒータと、を備え、上記発熱部の軸方向の長さをＡとし、上記測定電極の軸方向の長さをＢとしたとき、０．０７≦Ｂ／Ａ≦１の関係を満たすとともに、上記発熱部より基端側へ２ｍｍの位置から先端側の領域において、上記多孔質層の重量が０．６０ｇ～０．８５ｇであるとともに、上記ヒータの重量が０．１９ｇ～０．２５ｇであることを特徴とするガスセンサ素子にある。
　上記ガスセンサ素子においては、発熱部より基端側へ２ｍｍの位置から先端側の領域において、多孔質層の重量が０．６０ｇ～０．８５ｇとなっている。これにより、当該領域における素子の熱容量が過度に大きくなることが防止されるため、ヒータの消費電力の増加を抑制することができる。さらに、多孔質層の重量が上記範囲内であるため、出力される限界電流を適正な範囲とすることができることから、Ａ／Ｆの検出精度に優れる。また、当該領域において、ヒータの重量が０．１９ｇ～０．２５ｇとなっていることから、消費電力を抑制できるとともに、ヒータの自己発熱による破損が防止されて信頼性に優れる。
　以上のごとく、本開示によれば、消費電力が少なくて済むとともに、Ａ／Ｆの検出精度に優れ、高い信頼性が得られるガスセンサ素子を提供することができる。
実施例１における、ガスセンサ素子を備えるガスセンサの断面図。 実施例１における、ガスセンサ素子の先端側の断面図。 実施例１における、ヒータの構成を表す模式図。 実施例１における、多孔質層の重量と消費電力比及びΔＩＬとの関係を表す図。 実施例１における、ヒータの重量と発生応力及び消費電力比との関係を表す図。 実施例１における、ヒータの外径及び中空部の径と発生応力及び消費電力低減率との関係を表す図。 実施例２における、ガスセンサ素子の先端側の断面図。
　本開示のガスセンサ素子は、自動車の内燃機関における空燃比制御に使用することができる。
（実施例１）
　本例のガスセンサ素子１につき、図１～図６を用いて説明する。
　本例のガスセンサ素子１は、図１に示すように、ガスセンサ１００に備えられている。
　ガスセンサ素子１は、図２に示すように、固体電解質体１０、測定電極２０、基準電極３０、多孔質層４０、及びヒータ５０を備える。
　固体電解質体１０は、内部に大気室１１を有すると共に先端側Ｙ１が閉塞され、基端側Ｙ２が開口されたコップ型を成している。
　測定電極２０は、固体電解質体１０の被測定ガスと対面する被測定ガス側壁面１０ａに設けられている。
　基準電極３０は、固体電解質体１０の大気室１１と対面する基準ガス側壁面１０ｂに設けられている。
　多孔質層４０は、多孔質からなり、固体電解質体１０における被測定ガス側壁面１０ａに積層されている。
　ヒータ５０は、大気室１１に配設されて大気室１１の底部１１ａに接触しているとともに、通電により発熱する発熱部５１を有する。
　そして、発熱部５１の軸方向Ｙの長さをＡとし、測定電極２０の軸方向の長さをＢとしたとき、０．０７≦Ｂ／Ａ≦１の関係を満たす。また、軸方向Ｙにおける発熱部５１より基端側Ｙ２へ２ｍｍの位置５２から先端側の領域（以下、「先端領域Ｓ」ともいう）において、多孔質層４０の重量ＷＢが０．６０ｇ～０．８５ｇであるとともに、ヒータ５０の重量ＷＡが０．１９ｇ～０．２５ｇである。なお、本開示において、数値範囲の指定に「～」を用いたとき、特に定義する場合を除き、境界の数値はその範囲に含まれる。
　以下、本例のガスセンサ素子１について、詳述する。
　固体電解質体１０は、ジルコニア（ＺｒＯ２）を主成分としてなる。図２に示すように、固体電解質体１０の外側面は被測定ガスと対面する被測定ガス側壁面１０ａをなしており、固体電解質体１０の内側面は大気室１１と対面する基準ガス側壁面１０ｂをなしている。被測定ガス側壁面１０ａに設けられる測定電極２０は後述の発熱部５１に対向する位置において軸方向Ｙに所定の長さで全周に形成されており、周方向に帯状をなしている。測定電極２０の軸方向Ｙにおける長さＢは、例えば、０．５ｍｍ～３．０ｍｍとすることができる。そして、測定電極２０から基端側Ｙ２へ延びるように、固体電解質体１０の外側面に信号リード部（図示せず）が形成されている。一方、基準電極３０は、固体電解質体１０の基準ガス側壁面１０ｂの略全面に形成されている。
　コップ型の固体電解質体１０の内側に形成される大気室１１の底部１１ａは、略半球面状となっている。大気室１１に配置されるヒータ５０は、その先端５３が大気室１１の底部１１ａに接触している。ヒータ５０は、アルミナ、窒化ケイ素等の磁器体を用いたヒータであって、セラミック製の心棒５４と、心棒５４の周囲に巻回されたセラミックシート５５とを有する。心棒５４は、図３に示すように、軸方向Ｙに延びる中空部５４ａを有する円筒状に形成されている。図２に示すように、セラミックシート５５には、タングステンとレニウムもしくは、モリブデンを含有する導電性ペーストよりなる発熱部５１が形成されている。発熱部５１は心棒５４の先端側Ｙ１に位置している。発熱部５１は、通電によって発熱することにより、ガスセンサ素子１を活性温度まで加熱するためのものである。発熱部５１の軸方向Ｙの長さＡは、例えば、３．０ｍｍ～７．０ｍｍとすることができる。したがって、発熱部５１の軸方向Ｙの長さＡと、測定電極２０の軸方向Ｙの長さＢとは、０．０７≦Ｂ／Ａ≦１の関係を満たしている。
　図３に示すように、ヒータ５０の心棒５４の外径をＰとし、中空部５４ａの径をＱとしたとき、ＰとＱは０．２８＜Ｑ／Ｐ≦０．６の関係を満たしている。例えば、心棒５４の外径Ｐは２．５ｍｍ～３．４ｍｍとすることができる。また、中空部５４ａの径Ｑは０．９ｍｍ～１．５ｍｍとすることができる。そして、当該Ｑ／Ｐは上記関係を満たしている。
　図２に示すように、多孔質層４０は、固体電解質体１０の被測定ガス側壁面１０ａに積層されてなる拡散抵抗層４１と、拡散抵抗層４１のさらに外側に積層されてなるトラップ層４２とを有する。拡散抵抗層４１はガス透過性のアルミナ多孔体からなり、測定電極２０に接触させる被測定ガスを透過するように気孔率等が所定の値に設定されている。トラップ層４２は排ガス中の被毒物を捕獲する多孔質体からなる。トラップ層４２は拡散抵抗層４１の気孔率よりも高い気孔率を有しており、被測定ガスの拡散性に影響を及ぼさないように構成されている。
　なお、図示しないが多孔質層４０には、拡散抵抗層４１とトラップ層４２との間に、耐被水性を確保するための多孔質体からなる保護層が備えられている。また、保護層とトラップ層４２との間に、Ｈ２を浄化（燃焼）させて、出力ズレを抑制する触媒層を備えていてもよい。
　ガスセンサ素子１において、発熱部５１より基端側Ｙ２へ２ｍｍの位置５２から先端側Ｙ１の領域（先端領域）Ｓにおける多孔質層４０の重量ＷＢは、０．６０ｇ～０．８５ｇとすることができる。また、先端領域Ｓにおけるヒータ５０の重量ＷＡは、０．１９ｇ～０．２５ｇとすることができる。
（消費電力比試験１）
　本例のガスセンサ素子１について、先端領域Ｓにおける多孔質層４０の重量ＷＢを０．２０ｇ～１．１０ｇの間で変更したときの消費電力と、従来品であるコップ型のＯ２センサ素子（株式会社デンソー社製、型番１５０２００－３０００）の消費電力とを比較した。具体的には、走行モードＬＡ＃４における積算消費電力について、上記従来品における積算消費電力を１として、本例のガスセンサ素子１における積算消費電力比を算出した。Ａ／Ｆセンサ素子は、限界電流を検出させるために被測定ガスの拡散を制限する所定の厚さの拡散抵抗層を多孔質層として備えていることから、当該拡散抵抗層を要しないＯ２センサ素子に比べて、多孔質層が厚くなる。そのため、通常、Ａ／Ｆセンサ素子における積算消費電力は、Ｏ２センサ素子における積算消費電力に比べて多くなる。図４に示すように、多孔質層４０の重量ＷＢが増加するのにしたがって、上記積算消費電力比は増加している。そして、多孔質層４０の重量ＷＢが０．８５ｇを超えるとその増加率（すなわち、積算消費電力比を示す曲線の微分値）が急激に上昇していることから、多孔質層４０の重量ＷＢが０．８５ｇを超えると、消費電力が過剰となることが示された。
（限界電流試験）
　本例のガスセンサ素子１において、先端領域Ｓにおける多孔質層４０の重量ＷＢを０．２０ｇ～１．１０ｇの間で変更したときの出力される限界電流の変化について検証をした。具体的には、ガスセンサ素子１の多孔質層４０の重量ＷＢを所定の基準重量として当該基準重量のガスセンサ素子１により大気中で測定して得られた電流値をＩＬ０とし、多孔質層４０の重量ＷＢを上述の如く変化させて大気中で測定して得られた電流値をＩＬ１として、両者の変化率ΔＩＬ（％）＝（ＩＬ１－ＩＬ０）／ＩＬ０×１００を算出した。すなわち、ΔＩＬは、狙い値からのズレを表すものであって、ΔＩＬは検出精度の指標となる。そして、ΔＩＬが適正な範囲である±１５％を超えると、十分な検出精度が得られないことから、ΔＩＬは±１５％以下であることを要する。図４に示すように、本例のガスセンサ素子１においては、多孔質層４０の重量ＷＢが０．６０ｇ以上０．９０ｇ以下であれば、ΔＩＬが±１５％以下となることが示された。
　以上の消費電力比試験１及び限界電流試験の結果から、多孔質層４０の重量ＷＢは図４において矢印Ｔで示す範囲、すなわち、０．６０ｇ～０．８５ｇであることを要することが確認された。
　本例のガスセンサ素子１によれば、先端領域Ｓにおいて、多孔質層４０の重量ＷＢが０．６０ｇ～０．８５ｇとなっていることから、先端領域Ｓにおけるガスセンサ素子１の熱容量が過度に大きくなることが防止されるため、ヒータ５０の消費電力の増加を抑制することができる。さらに、多孔質層４０の重量ＷＢが上記範囲内であるため、出力される限界電流を適正な範囲とすることができることから、Ａ／Ｆの検出精度に優れる。
（消費電力比試験２）
　本例のガスセンサ素子１について、先端領域Ｓにおけるヒータ５０の重量ＷＡを０．１０ｇ～０．３０ｇの間で変更したときの消費電力と、従来品であるコップ型のＯ２センサ（消費電力比試験１の場合と同一もの）の消費電力とを比較した。具体的には、上述の消費電力比試験１と同様に、本例のガスセンサ素子１における積算消費電力比を算出した。消費電力の低減効果を奏するには、当該積算消費電力比は１．０以下であることを要する。図５に示すように、ヒータ５０の重量ＷＡが０．２５ｇ以下であれば、ガスセンサ素子１における積算消費電力比が１．０以下となることが示された。
（発生応力試験１）
　本例のガスセンサ素子１について、先端領域Ｓにおけるヒータ５０の重量ＷＡを０．１０ｇ～０．３０ｇの間で変更したときの自己発熱による最大発生応力を検証した。具体的は、応力解析シミュレーションにより、ヒータ５０のヒータ抵抗を３Ωとし、かかるヒータ５０に１６Ｖの電圧を印加して発熱部５１が１０００℃に到達したときの発熱部５１の最大発生応力を算出した。ヒータ５０における発生応力が１３５ＭＰａを超えると、ヒータ５０は当該発生応力により破損するおそれがあるため、ヒータ５０における発生応力は１３５ＭＰａ以下であることを要する。図５に示すように、ヒータ５０の重量ＷＡが０．１９ｇ以上であれば、ヒータ５０における発生応力は１３５ＭＰａ以下となることが示された。
　以上の消費電力比試験２及び発生応力試験１の結果から、ヒータ５０の重量ＷＡは図５において矢印Ｕで示す範囲、すなわち、０．１９ｇ～０．２５ｇであることを要することが確認された。
　本例のガスセンサ素子１では、先端領域Ｓにおいて、ヒータ５０の重量ＷＡが０．１９ｇ～０．２５ｇとなっていることから、消費電力を抑制できるとともに、ヒータ５０の自己発熱による破損が防止されて信頼性に優れる。
　（消費電力低減試験）
　本例のガスセンサ素子１について、ヒータ５０の心棒５４の外径Ｐに対して中空部５４ａの径Ｑを変更させたときの消費電力の低減率について試験を行った。具体的には、Ｑ／Ｐ＝０であるとき、すなわち、中空部５４ａが形成されていない状態の消費電力量Ｖ０を基準として、当該Ｑ／Ｐを０～０．６３まで変化させたときのガスセンサ素子１の消費電力量Ｖ１を測定し、（Ｖ０－Ｖ１）／Ｖ０×１００により消費電力低減率（％）を算出した。当該消費電力の低減効果が確実に発揮されるために、消費電力低減率は１．０％以上であることを要する。図６に示すように、ガスセンサ素子１における消費電力低減率は、Ｑ／Ｐが０．２８より大きれば消費電力低減率が１．０％よりも大きくなることが示された。
（発生応力試験２）
　本例のガスセンサ素子１について、ヒータ５０の心棒５４の外径Ｐに対して中空部５４ａの径Ｑを変更させたときの自己発熱による最大発生応力を検証した。具体的には、発生応力試験１と同様に、応力解析シミュレーションにより、ヒータ５０のヒータ抵抗を３Ωとし、かかるヒータ５０に１６Ｖの電圧を印加して発熱部５１が１０００℃に到達したときのヒータ５０における最大発生応力を算出した。ヒータ５０における発生応力が１３５ＭＰａを超えると、ヒータ５０は当該発生応力により破損するため、ヒータ５０における発生応力は１３５ＭＰａ以下であることを要する。さらに信頼性を一層向上させるためには、ヒータ５０における発生応力は１２０ＭＰａ以下であることが好ましい。図６に示すように、Ｑ／Ｐが０．６以下であれば、ヒータ５０における発生応力は１３５ＭＰａ以下となることが示された。さらに、Ｑ／Ｐが０．５以下であれば、ヒータ５０における発生応力は１２０ＭＰａ以下となることが示された。
　以上の消費電力低減試験及び発生応力試験２の結果から、Ｐ及びＱは図６において矢印Ｖで示す範囲、すなわち、０．２８＜Ｑ／Ｐ≦０．６の関係を満たすことを要することが確認された。さらに、信頼性を一層向上させるためには、Ｐ及びＱが０．２８＜Ｑ／Ｐ≦０．５の関係を満たすことが好ましいことが確認された。
　本例のガスセンサ素子１は、ヒータ５０の外径（心棒５４の外径）Ｐと、ヒータ５０の内径（中空部５４ａの径）Ｑとが、０．２８＜Ｑ／Ｐ≦０．６の関係を満たしているため、ガスセンサ素子１は消費電力を抑制できるとともに、ヒータ５０の自己発熱による破損が防止されて信頼性に優れる。
　なお、ガスセンサ素子１は、例えば、内燃機関の排気系における触媒フィルタよりも下流側に設置されるリア用ガスセンサに内蔵されるものとすることができる。すなわち、ガスセンサ素子１を内蔵したガスセンサ１００は、自動車エンジンの排気系において、排ガスを浄化する触媒フィルタの下流側に配置されるものとすることができる。この場合、触媒フィルタを通過した後の排ガス中の酸素濃度に依存した限界電流を出力する。そして、得られた限界電流に基づいて、内燃機関に供給された混合気における空燃比を算出して、エンジン制御システムにフィードバックするよう構成することができる。ただし、本発明のガスセンサ素子１は、これに限定されるものではなく、種々の態様にて使用することができる。
　以上のごとく、本例によれば、消費電力が少なくて済むとともに、Ａ／Ｆの検出精度に優れ、高い信頼性が得られるガスセンサ素子１を提供することができる。
（実施例２）
　本例のガスセンサ素子１は、図７に示すように、ヒータ５０の外周面５０ａと大気室１１の内周面（すなわち、固体電解質体１０の基準ガス側壁面１０ｂに積層された基準電極３０）との間には、多孔質が充填されてなる多孔質充填層６０が形成されている。なお、実施例１の場合と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
　多孔質充填層６０は、多孔質層４０の形成材料と同種のアルミナ（スピネル）材料からなる。これにより、多孔質充填層６０を介して、ヒータ５０の発熱部５１から生じた熱が固体電解質体１０へ効率的に伝達されることから消費電力の低減に寄与する。なお、本例のガスセンサ素子１によっても、実施例１の場合と同等の作用効果を奏する。
　１　ガスセンサ素子
　１０　固体電解質体
　１０ａ　被測定ガス側壁面
　１０ｂ　基準ガス側壁面
　１１　大気室
　２０　測定電極
　３０　基準電極
　４０　多孔質層
　５０　ヒータ
　５１　発熱部
　６０　多孔質充填層

Claims (3)

  1. 　内部に大気室（１１）を設けると共に先端側（Ｙ１）が閉塞され、基端側（Ｙ２）が開口されたコップ型の固体電解質体（１０）と、
    　該固体電解質体（１０）の被測定ガスと対面する被測定ガス側壁面（１０ａ）に設けられた測定電極（２０）と、
    　上記大気室（１１）と対面する基準ガス側壁面（１０ｂ）に設けられた基準電極（３０）と、
    　上記固体電解質体（１０）における上記被測定ガス側壁面（１０ａ）に積層された多孔質からなる多孔質層（４０）と、
    　上記大気室（１１）に配設されて上記大気室（１１）の底部（１１ａ）に接触しているとともに、通電により発熱する発熱部（５１）を有するヒータ（５０）と、を備え、
    　上記発熱部（５１）の軸方向（Ｙ）の長さをＡとし、上記測定電極（２０）の軸方向（Ｙ）の長さをＢとしたとき、０．０７≦Ｂ／Ａ≦１の関係を満たすとともに、
    　上記発熱部（５１）より基端側（Ｙ２）へ２ｍｍの位置から先端側（Ｙ１）の領域（Ｓ）において、上記多孔質層（４０）の重量（ＷＢ）が０．６０ｇ～０．８５ｇであるとともに、上記ヒータ（５０）の重量（ＷＡ）が０．１９ｇ～０．２５ｇであることを特徴とするガスセンサ素子（１）。
  2. 　上記ヒータ（５０）は中空の筒状に形成されており、上記ヒータ（５０）の外径をＰとし、上記ヒータ（５０）の内径をＱとしたとき、０．２８＜Ｑ／Ｐ≦０．６の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ素子（１）。
  3. 　上記ヒータ（５０）の外周面（５０ａ）と上記大気室（１１）の内周面との間には、多孔質が充填されてなる多孔質充填層（６０）が形成されてい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素子（１）。
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