JP2003021613A

JP2003021613A - ガスセンサ素子

Info

Publication number: JP2003021613A
Application number: JP2001205260A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shinmon; 宏之新門
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-01-24

Abstract

(57)【要約】【課題】早期活性に優れたガスセンサ素子を提供する
こと。【解決手段】被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する
よう構成されたセンサユニット２と，該センサユニット
２を加熱するよう構成されたヒータユニット３とがクリ
アランス１０をあけて対向して配置され，上記センサユ
ニット２と上記ヒータユニット３とが対向する対向面２
５１，３５１のいずれか一方の少なくとも一部分に対
し，高放射率層１１が設けてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，内燃機関の排気系等に設置して
排ガス中の特定ガス濃度等を検出するよう構成されたガ
スセンサ素子に関する。

【０００２】

【従来技術】自動車エンジンの排気系に設置され，排ガ
ス中の酸素濃度等から空燃比を測定し，エンジンの燃焼
制御に利用されるガスセンサが知られている。このガス
センサに内蔵されるガスセンサ素子としては，積層型で
電極を設けた酸素イオン導電性の固体電解質板と絶縁板
とを交互に積層した積層型の素子等が知られている。ガ
スセンサ素子は活性温度に達しないと正確なガス濃度の
検知ができないため，一体的にヒータを設けることがあ
る。または，別体的にヒータを設ける（特開平１１−８
３７９５号）ことがある。

【０００３】

【解決しようとする課題】近年は厳しい排ガス規制を満
たすために精度高い空燃比制御が自動車エンジンにおい
て必要となることがある。そのため，エンジン始動直後
の早い時期からガスセンサ素子が正しく空燃比を検出で
きる，つまりガスセンサ素子が早期活性に優れることが
要求される。また，エンジンの空燃比測定を行うガスセ
ンサ素子の他，例えば排ガス中の大気汚染物質濃度を直
接測定して，エンジンの燃焼制御を行うよう構成された
ガスセンサ素子であっても，同様の早期活性が必要であ
る。

【０００４】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，早期活性に優れたガスセンサ素子を提供
しようとするものである。

【０００５】

【課題の解決手段】第１の発明は，被測定ガス中の特定
ガス濃度を検出するよう構成されたセンサユニットと，
該センサユニットを加熱するよう構成されたヒータユニ
ットとがクリアランスをあけて対向して配置され，上記
センサユニットと上記ヒータユニットとが対向する対向
面のいずれか一方の少なくとも一部分に対し，高放射率
層が設けてあることを特徴とするガスセンサ素子にある
（請求項１）。

【０００６】センサユニットとヒータユニットとがクリ
アランスをあけて配置されたガスセンサ素子において，
ヒータユニットからの熱はクリアランスを経由してセン
サユニットに伝達される。両者の対向面に高放射率層を
設けることで，対向面における放射率が改善される。よ
って，熱の伝達が速やかに行われるようになり，ヒータ
ユニットによるセンサユニットの効率よい加熱が可能と
なる。

【０００７】したがって，常温から速やかにガス濃度検
出可能な活性温度までヒータユニットがセンサユニット
を昇温することができ，早期活性に優れたガスセンサ素
子を得ることができる。なお，放射率とは，物体の熱放
射の輝度と同温度の黒体放射の輝度との比である。物体
が黒体に類似するほどその物体の放射率は高くなる。

【０００８】以上，第１の発明によれば，早期活性に優
れたガスセンサ素子を提供することができる。

【０００９】第２の発明は，被測定ガス中の特定ガス濃
度を検出するよう構成されたセンサユニットと，該セン
サユニットを加熱するよう構成されたヒータユニットと
がクリアランスをあけて対向して配置され，上記センサ
ユニットは電極を有し，該電極が高放射率材料で構成さ
れている及び／または上記ヒータユニットが高放射率材
料で構成されていることを特徴とするガスセンサ素子に
ある（請求項１０）。

【００１０】第２の発明において，電極を高放射率材料
で構成することで，ヒータユニットによる電極の効率よ
い加熱が実現できる。また，ガスセンサ素子の活性温度
は電極の活性温度に大きく依存するため，電極の放射率
改善が早期活性につながる。また，ヒータユニットその
ものを高放射率材料とすることで，ヒータユニットによ
るセンサユニット加熱の効率を高めることができる。

【００１１】以上，第２の発明によれば，早期活性に優
れたガスセンサ素子を提供することができる。

【００１２】第３の発明は，被測定ガス中の特定ガス濃
度を検出するよう構成されたセンサユニットと，該セン
サユニットを加熱するよう構成されたヒータユニットと
がクリアランスをあけて対向して配置され，上記センサ
ユニットと上記ヒータユニットとが対向する対向面の双
方に対し少なくとも部分的に接するように充填材がクリ
アランス中に配置されていることを特徴とするガスセン
サ素子にある（請求項１５）。

【００１３】充填材によりクリアランスが少なくとも部
分的に塞がれるため，ヒータユニットとセンサユニット
との間に固体間伝導可能な熱の通路が形成される。この
ため，ヒータユニットによるセンサユニットの効率よい
加熱を可能とすることができる。

【００１４】以上，第３の発明によれば，早期活性に優
れたガスセンサ素子を提供することができる。

【００１５】第４の発明は，被測定ガス中の特定ガス濃
度を検出するよう構成されたセンサユニットと，該セン
サユニットを加熱するよう構成されたヒータユニットと
がクリアランスをあけて対向して配置され，上記センサ
ユニットと上記ヒータユニットとが対向する対向面の少
なくとも一方に対し凸部を設けてあることを特徴とする
ガスセンサ素子にある（請求項１８）。

【００１６】凸部を設けた部分において対向面との間の
距離をより短くすることができため，ヒータユニットか
らセンサユニットへの効率よい熱の伝達が可能となる。
このため，ヒータユニットによるセンサユニットの効率
よい加熱を可能とすることができる。

【００１７】以上，第４の発明によれば，早期活性に優
れたガスセンサ素子を提供することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】上記第１の発明（請求項１）にお
いて，センサユニットは，例えば固体電解質板に設けた
一対の電極よりなる構造を有する電気化学的セルを少な
くとも１つ含むことができる。上記電気化学的セルは，
例えば特定ガス濃度を検出するセンサセルや，センサユ
ニット内部に設けた被測定ガス室内の酸素濃度を調整す
るポンプセル，被測定ガス室内の特定ガス濃度を監視す
るモニタセル等，さまざまな機能を有し，その機能に応
じた構成を有する。また，第１の発明におけるヒータユ
ニットは，例えば通電により発熱する発熱体を内蔵した
構成を有する。なお，第２〜第４の発明におけるセンサ
ユニットやヒータユニットも，第１の発明と同様の構成
をとることができる。

【００１９】また，上記センサユニットと上記ヒータユ
ニットとのクリアランスは０．１〜１ｍｍであることが
好ましい（請求項２）。この場合には，センサの活性時
間が速く，かつガスセンサ素子の信頼性を高めることが
できる。クリアランスとしては，センサユニットとヒー
タユニットとが対向する際に向かい合う対向面間の距離
でもっとも狭い部分を採用する。クリアランスが０．１
ｍｍ未満である場合は，熱膨張の影響でセンサユニット
とヒータユニットとが干渉し，応力が加わり，破断する
おそれがあり，１ｍｍより広い場合は，熱が充分に伝わ
らず，活性時間が遅くなるおそれがある。

【００２０】また，上記センサユニットにおける上記ヒ
ータユニットとの対向面の少なくとも一部分を覆うよう
に高放射率層が設けてあることが好ましい（請求項
３）。また，上記ヒータユニットにおける上記センサユ
ニットとの対向面の少なくとも一部分を覆うように高放
射率層が設けてあることが好ましい（請求項４）。ま
た，上記センサユニットにおける上記ヒータユニットと
の対向面と，上記ヒータユニットにおける上記センサユ
ニットとの対向面との少なくとも一部分を覆うように高
放射率層が設けてあることが好ましい（請求項５）。ま
た，上記ヒータユニット及び上記センサユニットの全表
面を覆うように高放射率層が設けてあることが好ましい
（請求項６）。上記いずれの場合においても，高放射率
層によって，ヒータユニットからセンサユニットへの伝
熱の効率が向上し，ガスセンサ素子の活性時間を早くす
ることができる。

【００２１】また，上記高放射率層は，アルミナ，酸化
チタン，酸化ジルコニウム，酸化鉄，酸化ニッケル，酸
化マンガン，酸化銅，酸化コバルト，酸化クロム，酸化
トリウム，コージェライト，窒化珪素，窒化アルミニウ
ムより選択される一種以上よりなることが好ましい（請
求項７）。これにより，放射率０．３以上となる高放射
率層を容易に得ることができる。

【００２２】また，上記高放射率層はセラミック粉体７
０〜９０重量部に酸化鉄，酸化ニッケル，酸化マンガ
ン，酸化コバルトのいずれか一種以上を合計１０〜３０
重量部，混合してなる材料粉末を焼結した焼結材料より
なることが好ましい（請求項８）。これにより，高放射
率層の熱膨張率がセンサユニット，ヒータユニットの間
において同等となり，良好な密着性を得ることができ
る。

【００２３】酸化鉄等の含有量が１０重量部未満である
場合は，放射率が低下して０．３以下となり，伝熱が不
十分となるおそれがある。３０重量部を越えた場合は，
高放射率層とセンサユニット，ヒータユニットの間の密
着性が低下するおそれがある。

【００２４】また，上記高放射率層は５〜２０μｍの厚
みを有することが好ましい（請求項９）。これにより，
高い放射率と高い強度を確保することができる。高放射
率層が５μｍ未満である場合は，放射率が低下するおそ
れがある。２０μｍを越えた場合は，膜付着力低下に伴
う剥離が生じるおそれがある。

【００２５】第２の発明（請求項１０）では，センサユ
ニットの電極が高放射率材料で構成されている。また
は，ヒータユニットが高放射率材料で構成されている。
または，電極及びヒータユニットの双方が高放射率材料
で構成されている。これらの場合，電極を構成する高放
射率材料としては電極として機能可能な導電性を有する
高放射材料を用いることができる。また，ヒータユニッ
トを構成する高放射率材料は絶縁性の高放射率材料を用
いることができる。

【００２６】また，上記電極を構成する高放射率材料は
Ｐｔブラックよりなること（請求項１１）が好ましい。
これにより，センサ素子が早く加熱され，活性時間を早
くすることができる。また，Ｐｔブラックとは，塩化白
金酸塩を還元した物質である。

【００２７】また，上記ヒータユニットを構成する高放
射率材料は窒化珪素であることが好ましい（請求項１
２）。これにより，活性時間を早くすることができる。

【００２８】また，上記高放射率層または上記高放射率
材料の気孔率は１０％以上であることが好ましい（請求
項１３）。これにより，被測定ガスをセンサユニット内
の被測定ガス室等に導入することができる。気孔率が１
０％未満である場合は，被測定ガスを充分に導入するこ
とができないおそれがある。また，気孔率は５０％以上
とすることがさらに好ましい。

【００２９】また，上記高放射率層及び上記高放射率材
料の放射率は０．３以上であることが好ましい（請求項
１４）。これにより，活性時間を早くすることができ
る。放射率が０．３未満である場合は，活性時間が遅く
なるおそれがある。

【００３０】また，第３の発明（請求項１５）では，充
填材をクリアランスに配置するが，クリアランスは少な
くとも部分的に充填され，ヒータユニット及びセンサユ
ニットに対し上記充填材が接触した部分が少なくとも一
ヶ所存在すればよい。また，充填材はヒータユニットと
センサユニットとの間の熱的通路として機能するため，
ヒータユニットの一部とセンサユニットの一部とに接触
していることが好ましい。もっとも好ましいのはヒータ
ユニットやセンサユニットの対向面の全面と充填材が接
触している場合である。また，クリアランスの全てを充
填するように充填材を配置することもできるし，クリア
ランスの一部を充填するように充填材を配置することも
できる。

【００３１】また，上記上記充填材は無機接着材である
ことが好ましい（請求項１６）。または，上記充填材は
ガラス材であることが好ましい（請求項１７）。これに
より，センサユニットとヒータユニットとの伝熱性能が
向上し，活性時間を早くすることができる。上記無機接
着剤としては，アルミナ等の耐火性セラミックや無機ポ
リマーからなるものを用いることができる。また，ガラ
ス材としては，結晶化ガラスよりなるものを用いること
ができる。

【００３２】また，第４の発明で設ける凸部は，ヒータ
ユニットにのみ，センサユニットのみ，またはヒータユ
ニットとセンサユニットの双方に対し設けることができ
る。この凸部はヒータユニットやセンサユニットにおけ
る一方の対向面に設けられ，他方の対向面に対面するよ
うに設けることができる。また，凸部は一つだけ設ける
こともできるし，複数個設けることもできる。

【００３３】また，上記凸部は上記センサユニット及び
／または上記ヒータユニットに対し一体的または別体的
に設けてあることが好ましい（請求項１９）。これによ
り，センサユニットとヒータユニットとの伝熱が向上
し，活性時間を早くすることができる。

【００３４】また，上記凸部は該凸部を設けた対向面に
対向するもう一方の対向面に対し当接していることが好
ましい（請求項２０）。凸部が自分を設けた対向面に対
応するもう一方の対向面に対し接触している場合は，ヒ
ータユニットからの熱は凸部を経由した固体間伝導によ
ってセンサユニットに伝導する。そのため，ヒータユニ
ットのセンサユニットの効率よい加熱が可能となる。

【００３５】なお，凸部が対向面に対し接触していない
場合でも，凸部と対向面とのクリアランス距離が短くな
るため，ヒータユニットのセンサユニットに対する効率
よい加熱が長くなる

【００３６】また，上記凸部は，常温では向かい合う対
向面と分離した状態にあり，使用環境下での熱膨張で大
きさが変動した時に，上記対向面と接触する状態となる
ような構成でもよい。

【００３７】また，上記凸部を設けた部分におけるクリ
アランスがヒータユニット，センサユニットの最短距離
となる。ガスセンサ素子においてもっとも加熱したい部
分は，ガスセンサ素子におけるガス濃度の検出にかかわ
る部分である。凸部を設けることで，特定の部分に対す
る優先的な加熱を行うことが可能となる。この場合，よ
り効率高い早期活性を実現することができる。

【００３８】以上の第１〜第４にかかるガスセンサ素子
としては，被測定ガス中の酸素濃度を検出するタイプの
他，ＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯ等の他の成分ガスを測定する素
子として用いることができる。また，エンジンの空燃比
制御用として使用される場合には空燃比検出素子として
用いることができる。その他の用途であっても，早期活
性が必要とされる場合は，本発明にかかるガスセンサ素
子を用いることができる。

【００３９】

【実施例】以下に，図面を用いて本発明の実施例につい
て説明する。（実施例１）本例のガスセンサ素子について，図１〜図
６を用いて説明する。図１に示すごとく，本例のガスセ
ンサ素子１は，被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する
よう構成されたセンサユニット２と，該センサユニット
２を加熱するよう構成されたヒータユニット３とがクリ
アランスをあけて対向して配置された構成を有する。そ
して，上記センサユニット２と上記ヒータユニット３と
が対向する対向面２５１，３５１のうち，ヒータユニッ
ト３の対向面３５１の全面に高放射率層１１が設けてあ
る。

【００４０】以下，詳細に説明する。本例のガスセンサ
素子１は自動車エンジンの排気系に設置するガスセンサ
に内蔵されて使用される。また，本例のガスセンサ素子
１は自動車エンジンの空燃比を検出可能な空燃比センサ
素子として機能する。

【００４１】図１，図２に示すごとく，ガスセンサ素子
１は別体のセンサユニット２とヒータユニット３とより
なる。センサユニット２は，酸素イオン導電性ジルコニ
ア製の固体電解質板２１，アルミナセラミック製のスペ
ーサー２３とよりなる。

【００４２】固体電解質板２１の両面には被測定ガス側
の電極２１１，基準ガス室２１０と対面する基準電極２
１２とが設けてある。上記電極２１１，基準電極２１２
は図示を略したリード部や端子部を介して素子出力が取
り出されたりするよう構成されている。

【００４３】被測定ガス側の電極２１１を設けた側は拡
散抵抗層２４１でおおわれ，さらにその上はガス遮蔽層
２４２で被われる。拡散抵抗層２４１及びガス遮蔽層２
４２の側面は被毒物のトラップ層２４３で被われてい
る。本例のガスセンサ素子１において，被測定ガスは側
面のトラップ層２４３から入り，拡散抵抗層２４１を経
由して，電極２１１に到達する。

【００４４】また，スペーサー２３の固体電解質板２１
と対面する側には一端が閉塞，他端が解放された溝部が
設けてあり，このスペーサー２３が固体電解質板２１に
積層されることで基準ガス室２１０が構成される。溝部
が解放された端部から，基準ガスとしての大気が導入さ
れる。

【００４５】また，ヒータユニット３は，３枚のセラミ
ック板３１〜３３が積層され，これらのセラミック板３
１〜３３の間に設けた発熱体３０よりなる。なお，発熱
体３０からリード部３０１が延設され，該リード部３０
１は図示を略した端子部に電気的に接続されている。

【００４６】センサユニット２とヒータユニット３はク
リアランス１０をあけて対向配置されている。クリアラ
ンス１０の距離Ｄはセンサユニット２の対向面２５１，
ヒータユニット３の対向面３５１との間の長さでもっと
も小さい部分を採用し，本例のガスセンサ素子１では，
０．５ｍｍである。

【００４７】上記ヒータユニット３の対向面３５１に厚
さ１０μｍの高放射率層１１が設けてある。高放射率層
１１は幅方向については図１に示すごとく全面に，幅方
向と直交する方向については，図２（ｂ）に示すごと
く，電極２１１が設けてある箇所のみに形成されてい
る。また，高放射率層１１は酸化鉄とセラミック粉体よ
りなる混合材料よりなり，気孔率は２０％，放射率は
０．３％である。

【００４８】本例にかかるガスセンサ素子１は，センサ
ユニット２とヒータユニット３とが対向する，対向面３
５１に対し高放射率層１１を設けてある。このため，対
向面３５１における放射率が高くなり，熱の伝達が速や
かに行われるようになる。よって，ヒータユニット３に
よるセンサユニット２の効率よい加熱が可能となる。し
たがって，センサユニット２を常温から速やかにガス濃
度検出可能な活性温度まで昇温することができ，早期活
性に優れたガスセンサ素子１を得ることができる。

【００４９】以上，本例によれば，早期活性に優れたガ
スセンサ素子を得ることができる。

【００５０】また，本例は空燃比センサ素子として機能
するガスセンサ素子１について説明した。同じような構
成で，図３に示すごとく，酸素センサ素子として機能す
るガスセンサ素子４について，本例にかかる高放射率層
１１を設けて，早期活性の改善を図ることができる。

【００５１】図３に示すガスセンサ素子１は，センサユ
ニット２とヒータユニット３とよりなり，ヒータユニッ
ト３は図１に示すガスセンサ素子１と同様の構成であ
る。センサユニット２は固体電解質板２１とスペーサー
２３とよりなり，固体電解質板２１には電極２１１，２
１２が設けてある。

【００５２】電極２１２は基準ガス室２１０と対面し，
電極２１１を設けた固体電界質板２１の表面全体が保護
層２６１により被覆されている。保護層２６１はトラッ
プ層２６２によって被覆される。トラップ層２６２及び
保護層２６１はいずれも通気性のある多孔質セラミック
よりなる。以上の構成のガスセンサ素子１についても，
ヒータユニット３の対向面３５１に高放射率層１１を設
けることで，上述と同様に優れた早期活性を得ることが
できる。

【００５３】なお，上述したガスセンサ素子１は対向面
３５１に高放射率層１１を設けたが，図４に示すごと
く，対向面２５１に高放射率層１１を設けることもでき
る。図５に示すごとく，対向面２５１，３５１の両方に
高放射率層１１を設けることもできる。

【００５４】図６に示すごとく，センサユニット２，ヒ
ータユニット３の全表面を高放射率層１１で覆うことも
できる。なお，全表面を覆う場合は，高放射率層１１が
上述した被毒物のトラップ層２４３と同じ役割を果たせ
るように多孔質に構成する。これにより，被測定ガスは
センサユニット２の側部において高放射率層１１を経由
して拡散抵抗層２４１に入る。その他，詳細は上述の図
１，図２にかかるガスセンサ素子と同様の構成と，作用
効果を有する。

【００５５】（実施例２）本例は，実施例１における図
１及び図３にかかるガスセンサ素子と，これらと同じ形
状であるが，高放射率層１１を持たないガスセンサ素子
と，活性時間を比較試験した。まず，酸素センサ素子と
して機能する図３にかかるガスセンサ素子１と，これか
ら高放射率層１１をのぞいた素子との比較について説明
する。比較試験に用いた装置について説明する。図７に
示すごとく，６気筒のエンジン８の排気管８００が二方
へ分岐し，一方はバイパス管８０１，他方は計測部管８
０２である。双方分岐の近傍にバルブ８０３，８０４が
設けてある。計測部管８０２に対し試験したいガスセン
サ素子を内蔵したガスセンサ８１が差し込まれている。

【００５６】ここでエンジン８における空燃比を，符号
８２を付した線図に示すように，０．９５〜１．０５ま
で周期Ｐ＝２秒で変更する。このＡ／Ｆサイクルの環境
下で，エンジン始動直後からガスセンサ素子の出力がＡ
／Ｆサイクルに追随し始める，図７（ｂ）に示すｍの値
を測定する。

【００５７】エンジン始動直後はガスセンサ素子の温度
が高くないため，図７（ｂ）に示すごとく，Ａ／Ｆに対
応した出力をガスセンサ素子が出すことができない。時
間が経過して活性化温度以上に達した状態で，Ａ／Ｆに
対応した出力をガスセンサ素子は出すことができる。本
例のようにＡ／Ｆが変動する場合は，ガスセンサ素子の
出力もＡ／Ｆの変動に呼応して変化する。

【００５８】以上の測定結果を図８に記載した。高放射
率層１１を設けたガスセンサ素子のほうが比較例（高放
射率層１１がないガスセンサ素子）よりも活性時間が短
くなっていることが同図より確認された。

【００５９】また，同様にして，図１にかかるガスセン
サ素子１について，大気中，常温（２０℃）の雰囲気に
てヒータユニット３に１２．５Ｖの電圧を印加して内部
に内蔵された発熱体を発熱させた。この状態でガスセン
サ素子１全体の電気抵抗値（これは交流のインピーダン
ス測定で測定する）が１５０Ω以下となる時間を測定
し，１５０Ω以下となるまでの時刻を早期活性時間とし
た。

【００６０】以上の測定結果を図９に記載した。高放射
率層１１を設けたガスセンサ素子のほうが比較例（高放
射率層１１がないガスセンサ素子）よりも活性時間が短
くなっていることが同図より確認された。

【００６１】（実施例３）本例にかかるガスセンサ素子
１は，図１０にしめすごとく，高放射率層をもたないガ
スセンサ素子１で，構造的には従来品と殆ど同じであ
る。図１０に示される，ヒータユニット３を構成するセ
ラミック板３１〜３３は窒化珪素という高放射率材料で
構成されており，センサユニット２における電極２１１
及び２１２は白金ブラックという高放射率材料で構成さ
れている。これらの高放射率材料の放射率はそれぞれ
０．３（セラミック板３１〜３３），０．６（電極２１
１，２１２）である。また，セラミック板３１〜３３の
気孔率は１％以下，電極２１１，２１２の気孔率は５％
である。その他，構造的には実施例１と同様である。

【００６２】本例にかかるガスセンサ素子１は，高放射
率層こそ持たないもの，ヒータユニット３を構成するセ
ラミック板３１〜３３が窒化珪素よりなり，固体電解質
板２１に設けた電極２１１，２１２が白金ブラックより
なる。このため，ヒータユニット３からの熱が効率よく
電極２１１，２１２に伝えられる。また，ガスセンサ素
子の活性温度は電極２１１，２１２の活性温度に大きく
依存するため，電極２１１，２１２の放射率改善が早期
活性につながる。よって，本例によれば早期活性に優れ
たガスセンサ素子を提供することができる。

【００６３】（実施例４）本例は，図１１に示されるご
とく，センサユニット４とヒータユニット２との間が充
填材で充填され，かつセンサユニット４が２セルタイプ
で被測定ガスを側面より導入するタイプのガスセンサ素
子１である。図１１に示すごとく，ガスセンサ素子１
は，センサセル４１とポンプセル４２を有するセンサユ
ニット４と，充填材１５を介して配置されたヒータユニ
ット３とよりなる。上記センサユニット４は，固体電解
質体板４３，４５，４７とその間に設けた多孔性の拡散
層４４，４６とよりなる。拡散層４６は内室４６０を構
成するための窓部が設けてある。また，電極４２２を覆
う拡散層４８が設けてある。

【００６４】このガスセンサ素子１において，被測定ガ
スとなる排ガスはガスセンサ素子１の側面に露出した拡
散層４４の側面から入って，センサセル４１の電極４１
１に達する。センサセル４１のもう一方の電極４１２と
対面する内室４６０は，拡散層４６の側面から入った被
測定ガスが溜められている。また，内室４６０にはポン
プセル４２の電極４２１が対面する。電極４２２はセン
サユニット４とヒータユニット３との間のクリアランス
に対面する位置にあり，拡散層４８で覆われている。上
記クリアランスに充填材１５が充填されている。なお，
上記充填材１５としては，耐熱無機充填材のアロンセラ
ミック（東亜合成株式会社製品）を用いた。

【００６５】本例にかかるガスセンサ素子１では，ヒー
タユニット３からの熱は充填材１５を介した固体間伝導
によってセンサユニット４に到達する。このため，ヒー
タユニット３によるセンサユニット４の効率よい加熱を
可能とすることができ，早期活性に優れたガスセンサ素
子を得ることができる。

【００６６】また，本例は充填材１５としてアロンセラ
ミックを用いている。アロンセラミックは耐熱性に優
れ，冷熱サイクルにおける高い接着強さを有し，さらに
異種材料間でも剥離などが生じ難い優れた接着剤であ
る。このような材料を充填材１５として用いているた
め，温度差の大きな冷熱サイクルに晒されて使用される
ガスセンサ素子１として充分な耐久性を得ることができ
る。

【００６７】また，本例における充填材１５として，ガ
ラス材を用いることができる。このガラス材は結晶化ガ
ラスである。上記ガラス材を用いることで，伝熱性を上
昇させ，活性時間を早くすることができる。その他詳細
は上記アロンセラミックを用いたガスセンサ素子１と同
様である。

【００６８】（実施例５）本例のガスセンサ素子は，図
１２，図１３に示されるごとく，センサユニット２とヒ
ータユニット５とよりなり，ヒータユニット５における
対向面５４１に凸部５３０，５５が設けてある。

【００６９】図１２に示すごとく，本例のガスセンサ素
子１は，図３に示すガスセンサ素子１と同様の構成のセ
ンサユニット２を持つ。また，本例のヒータユニット５
はセラミック板５１〜５３よりなる。上記セラミック板
５３は，センサユニット２に向かう凸部５３０を三ヶ所
に一体的に設けてある。なお，上記凸部５３０の先端面
５３１は，センサユニット２の対向面２５１と当接した
状態にある。上記凸部５３０はセラミック板５３と一体
成形されており，同じ材質である。その他詳細は実施例
１と同様である。

【００７０】また，図１３に示すごとく，ヒータユニッ
ト５に対し，別体としての凸部５５をヒータユニット５
を構成するセラミック板５４に設けることもできる。こ
の場合，センサユニット２の対向面２５１と向かい合う
対向面５４１に対し，セラミック板５４，５２，５１と
同じ材質で別体の凸部５５が設けてあり，対向面５４１
に対し凸部５５の先端面５５１が隙間をおいて設けてあ
る。この隙間は，ガスセンサ素子１の使用環境となる高
温雰囲気等で，ヒータユニット５とセンサユニット２が
膨張した際に，対向面２５１と５５１とが接触可能とな
る程度の距離である。その他詳細は実施例１と同様であ
る。

【００７１】本例にかかるガスセンサ素子１のように，
凸部５３０，５５を設けることで，ヒータユニット５と
センサユニット２との間で固体間伝導を通じて熱を伝え
ることができるため，センサユニット２を効率よく加熱
することができる。そのため，優れた早期活性を得るこ
とができる。

【００７２】また，本例のガスセンサ素子１では，凸部
５３０，５５を設けた部分がもっとも熱が伝わりやす
い。従って，本例の図１２，図１３にかかるガスセンサ
素子１では，もっとも効率よく加熱したい電極２１２の
近傍に対して凸部５３０，５５を当接させる，または近
づけることで，効率よい加熱が実現できる。従って，優
れた早期活性を得ることができる。その他詳細は実施例
１と同様の作用効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１にかかる，ガスセンサ素子の断面説明
図。

【図２】実施例１にかかる，ガスセンサ素子の（ａ）斜
視図，（ｂ）断面説明図。

【図３】実施例１にかかる，酸素センサ素子として機能
するガスセンサ素子の断面説明図。

【図４】実施例１にかかる，センサユニット側に高放射
率層を設けたガスセンサ素子の断面説明図。

【図５】実施例１にかかる，センサユニット及びヒータ
ユニットの双方に高放射率層を設けたガスセンサ素子の
断面説明図。

【図６】実施例１にかかる，センサユニット及びヒータ
ユニットの全表面に高放射率層を設けたガスセンサ素子
の断面説明図。

【図７】実施例２にかかる，ガスセンサ素子の活性時間
について測定する装置についての説明図。

【図８】実施例２にかかる，高放射率層を有するガスセ
ンサ素子ともたない比較例のガスセンサ素子との活性時
間を比較する線図。

【図９】実施例２にかかる，高放射率層を有するガスセ
ンサ素子ともたない比較例のガスセンサ素子との活性時
間を比較する線図。

【図１０】実施例３にかかる，高放射率材料よりなる電
極と，高放射率材料よりなるヒータユニットを有するガ
スセンサ素子の断面説明図。

【図１１】実施例４にかかる，２セルのガスセンサ素子
の断面説明図。

【図１２】実施例５にかかる，ヒータユニットのセラミ
ック板と一体の凸部を有するガスセンサ素子の断面説明
図。

【図１３】実施例５にかかる，ヒータユニットのセラミ
ック板と別体の凸部を有するガスセンサ素子の断面説明
図。

【符号の説明】

１．．．ガスセンサ素子，１０．．．クリアランス，１１．．．高放射率層，１５．．．充填材，２，４．．．センサユニット，２５１，３５１．．．対向面，３，５．．．ヒータユニット，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/02 Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２５Ｈ 27/416 ３３１３１１ＧＦターム(参考） 2G060 AA03 AD01 AD04 AE40 AF03 AF06 AF07 AG05 AG11 EB04 EB07 GA01 HB06 HC09 HD03 HE03 3G084 BA09 BA24 CA01 CA02 DA10 FA28 3G091 AA02 BA27 EA33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する
よう構成されたセンサユニットと，該センサユニットを
加熱するよう構成されたヒータユニットとがクリアラン
スをあけて対向して配置され，上記センサユニットと上
記ヒータユニットとが対向する対向面のいずれか一方の
少なくとも一部分に対し，高放射率層が設けてあること
を特徴とするガスセンサ素子。
【請求項２】請求項１において，上記センサユニット
と上記ヒータユニットとのクリアランスは０．１〜１ｍ
ｍであることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項３】請求項１または２において，上記センサ
ユニットにおける上記ヒータユニットとの対向面の少な
くとも一部分を覆うように高放射率層が設けてあること
を特徴とするガスセンサ素子。
【請求項４】請求項１または２において，上記ヒータ
ユニットにおける上記センサユニットとの対向面の少な
くとも一部分を覆うように高放射率層が設けてあること
を特徴とするガスセンサ素子。
【請求項５】請求項１または２において，上記センサ
ユニットにおける上記ヒータユニットとの対向面と，上
記ヒータユニットにおける上記センサユニットとの対向
面との少なくとも一部分を覆うように高放射率層が設け
てあることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項６】請求項１または２において，上記ヒータ
ユニット及び上記センサユニットの全表面を覆うように
高放射率層が設けてあることを特徴とするガスセンサ素
子。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか一項において，
上記高放射率層は，アルミナ，酸化チタン，酸化ジルコ
ニウム，酸化鉄，酸化ニッケル，酸化マンガン，酸化
銅，酸化コバルト，酸化クロム，酸化トリウム，コージ
ェライト，窒化珪素，窒化アルミニウムより選択される
一種以上よりなることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか一項において，
上記高放射率層はセラミック粉体７０〜９０重量部に酸
化鉄，酸化ニッケル，酸化マンガン，酸化コバルトのい
ずれか一種以上を合計１０〜３０重量部，混合してなる
材料粉末を焼結した焼結材料よりなることを特徴とする
ガスセンサ素子。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか一項において，
上記高放射率層は５〜２０μｍの厚みを有することを特
徴とするガスセンサ素子。
【請求項１０】被測定ガス中の特定ガス濃度を検出す
るよう構成されたセンサユニットと，該センサユニット
を加熱するよう構成されたヒータユニットとがクリアラ
ンスをあけて対向して配置され，上記センサユニットは
電極を有し，該電極が高放射率材料で構成されている及
び／または上記ヒータユニットが高放射率材料で構成さ
れていることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項１１】請求項１０において，上記電極を構成
する高放射率材料はＰｔブラックであることを特徴とす
るガスセンサ素子。
【請求項１２】請求項１０において，上記ヒータユニ
ットを構成する高放射率材料は窒化珪素であることを特
徴とするガスセンサ素子。
【請求項１３】請求項１〜１２のいずれか一項におい
て，上記高放射率層または上記高放射率材料の気孔率は
１０％以上であることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項１４】請求項１〜１３のいずれか一項におい
て，上記高放射率層及び上記高放射率材料の放射率は
０．３以上であることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項１５】被測定ガス中の特定ガス濃度を検出す
るよう構成されたセンサユニットと，該センサユニット
を加熱するよう構成されたヒータユニットとがクリアラ
ンスをあけて対向して配置され，上記センサユニットと
上記ヒータユニットとが対向する対向面の双方に対し少
なくとも部分的に接するように充填材がクリアランス中
に配置されていることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項１６】請求項１５において，上記充填材は無
機接着材であることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項１７】請求項１５において，上記充填材はガ
ラス材であることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項１８】被測定ガス中の特定ガス濃度を検出す
るよう構成されたセンサユニットと，該センサユニット
を加熱するよう構成されたヒータユニットとがクリアラ
ンスをあけて対向して配置され，上記センサユニットと
上記ヒータユニットとが対向する対向面の少なくとも一
方に対し凸部を設けてあることを特徴とするガスセンサ
素子。
【請求項１９】請求項１８において，上記凸部は上記
センサユニット及び／または上記ヒータユニットに対し
一体的または別体的に設けてあることを特徴とするガス
センサ素子。
【請求項２０】請求項１８または１９において，上記
凸部は該凸部を設けた対向面に対向するもう一方の対向
面に対し当接していることを特徴とするガスセンサ素
子。