JP2018179856A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】基準電極における内側リード部の形状及び周方向の幅を調整して、センサ素子の軸方向における温度分布を目標とする温度分布に近づけることができるガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサは、有底筒状の固体電解質体３、検出電極４Ｂ及び基準電極４Ａを有するセンサ素子２と、固体電解質体３を加熱するためのヒータとを備える。基準電極４Ａは、基準電極４Ａの最も先端側Ｌ１の位置の周方向Ｃの全周に設けられた内側検知部４１、基準電極４Ａの最も基端側Ｌ２の位置の周方向Ｃの全周に設けられた内側接続部４３、及び内側検知部４１と内側接続部４３とを繋ぐ位置の周方向Ｃの一部に設けられた内側リード部４２を有する。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。【選択図】図２
Description
本発明は、センサ素子及びヒータを備えるガスセンサに関する。
内燃機関の排気管に配置されるガスセンサは、排気管内を流れる排ガスを検出ガスとし、この検出ガスと大気等の基準ガスとの酸素濃度の差等を利用して、ガス検出を行う。ガスセンサには、排ガスの組成から求められる内燃機関の空燃比が、理論空燃比に対して燃料リッチ側にあるか燃料リーン側にあるかを検出する用途、排ガスから求められる内燃機関の空燃比を定量的に検出する用途等がある。
ガスセンサにおいては、有底筒状の固体電解質体の内側面及び外側面に電極を配置した有底筒状のセンサ素子、又は板状の固体電解質体の両面に電極を配置した板状のセンサ素子が用いられる。特に、有底筒状のセンサ素子においては、固体電解質体の内側に、固体電解質体及び電極を活性温度に加熱するためのヒータが配置される。また、有底筒状のセンサ素子においては、固体電解質体の内側面に設けられた電極は、基準電極として大気等の基準ガスに晒され、固体電解質体の外側面に設けられた電極は、検出電極として検出ガスに晒される。
有底筒状のセンサ素子における検出電極は、固体電解質体の外側面の周方向の一部に設けて、部分電極化を図ることが知られている。一方、有底筒状のセンサ素子における基準電極は、一般的に、固体電解質体の内側面の周方向の全周に設けられている。
例えば、特許文献１の酸素センサにおいては、検出電極の部分電極化を図る技術が開示されている。この酸素センサにおいて、固体電解質体の外側面に設けられた検出電極の周方向の形成範囲は、固体電解質体の先端部におけるヒータから離れるに従って縮小されている。
ところで、有底筒状のセンサ素子において、固体電解質体の外側面に配置された検出電極による検知部は、固体電解質体の先端側の位置に設けられ、ヒータの発熱部も、検知部を効果的に加熱するために、固体電解質体の先端側の位置に設けられる。また、固体電解質体における検知部よりも基端側の位置は、ガスセンサのハウジングに保持される。そのため、ヒータによって固体電解質体を加熱するときには、固体電解質体の先端側の位置の温度が固体電解質体の基端側の位置の温度よりも高くなる。
また、固体電解質体がハウジングに保持されていることによって、固体電解質体からハウジングに向けて熱が奪われる現象も存在する。そのため、このハウジングへの熱引けの影響も受けて、固体電解質体の基端側の位置の温度はより低くなる。この熱引けの影響は、固体電解質体を構成する材料の熱伝導率及び電極を構成する材料の熱伝導率の大きさに左右される。セラミックス材料を用いて構成される固体電解質体に比べて、金属材料を用いて構成される電極の熱伝導率は高い。そのため、熱引けを少なくするためには、電極の面積を減らすことが効果的になる。
ガスセンサに要求される性能には、固体電解質体を迅速かつ高温に加熱して、固体電解質体及び電極による早期活性を図ること等がある。この早期活性を図るためには、検出電極だけでなく基準電極も部分電極化することによって、ハウジングへの熱引けが生じる量を減らすことが考えられる。特許文献１の酸素センサにおいては、検出電極が部分電極化されていることにより、ハウジングへの熱引けの影響を緩和させることができる。
しかし、センサ素子を用いて構成されるガスセンサの用途によっては、センサ素子の軸線方向における先端側から基端側への軸線方向における温度分布を、より適切に管理することが必要になる。そして、目標とする、センサ素子の温度分布を実現するためには、部分電極化する基準電極の形状に更なる工夫が必要であることが分かった。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、基準電極における内側リード部の形状及び周方向の幅を調整して、センサ素子の軸方向における温度分布を目標とする温度分布に近づけ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、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いる、ガスセンサにある。
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、
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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いる、ガスセンサにある。
前記ガスセンサにおいては、有底筒状のセンサ素子における基準電極の形成の仕方に工夫をしている。
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。
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。
そして、センサ素子の中心軸線に沿った軸方向における温度分布において、内側検知部の周辺における温度を、固体電解質体及び各電極の活性化に適した高い温度に、できるだけ均一に近い状態で維持することができる。また、基準電極における内側リード部の形状及び周方向の幅を調整することにより、センサ素子の軸方向における温度分布を目標とする温度分布に近づけることができる。
前記基準電極の内側リード部の構成は、特に、ガスセンサを、排ガスが接触する検出電極と大気が接触する基準電極との間の酸素濃度の差に応じて、検出電極と基準電極との間に生じる起電力を検出する用途に用いる場合に有効である。詳細は、後述する実施形態において示すが、内側リード部の構成により、内燃機関の空燃比が、燃料リッチ側であって理論空燃比に近い弱リッチ領域にあるときに、空燃比と起電力との関係を示すラインの勾配が急峻になり、弱リッチ領域における空燃比の検出精度を向上させることができる。
なお、センサ素子及びガスセンサにおいては、センサ素子の底部が設けられた側を先端側といい、先端側とは反対側を基端側という。
本発明の一態様によれば、基準電極における内側リード部の形状及び周方向の幅を調整して、センサ素子の軸方向における温度分布を目標とする温度分布に近づけることができるガスセンサを提供することができる。
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜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。
＜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。
基準電極４Ａは、図２に示すように、内側検知部４１、内側接続部４３及び内側リード部４２を有する。内側検知部４１は、基準電極４Ａの最も先端側Ｌ１の位置であって発熱部５２１と対向する位置において、筒部３１の中心軸線Ｏを中心とする周方向Ｃの全周に亘って設けられている。内側接続部４３は、図１及び図２に示すように、基準電極４Ａの最も基端側Ｌ２の位置において、周方向Ｃの全周に亘って設けられており、内側端子金具７１に接続されている。内側リード部４２は、図２及び図５に示すように、内側検知部４１と内側接続部４３とを繋ぐ位置において、周方向Ｃの一部に設けられている。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。
本形態のセンサ素子２及びガスセンサ１においては、センサ素子２の中心軸線Ｏに沿った方向を軸方向Ｌといい、センサ素子２の中心軸線Ｏの周りの方向を周方向Ｃといい、センサ素子２の中心軸線Ｏから放射状に広がる方向を径方向Ｒという。また、センサ素子２及びガスセンサ１においては、センサ素子２の底部３２が設けられた側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１とは反対側を基端側Ｌ２という。
以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（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。
（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。
ガスセンサ１は、内燃機関における空燃比を、排気管内に配置された三元触媒の触媒活性が効果的に維持される理論空燃比の近傍にするために用いられる。ガスセンサ１は、排気管における三元触媒の配置位置よりも、排ガスの流れの上流側の位置及び下流側の位置のいずれに配置することもできる。
特に、本形態のガスセンサ１は、センサ素子２の軸方向Ｌの温度分布を適切に保つことができるため、内燃機関の排ガスがより低温になる場合にも有効に使用することができる。また、排気管における三元触媒の配置位置よりも下流側の位置においては、三元触媒の配置位置よりも上流側の位置に比べて排ガスの温度が低くなる。本形態のガスセンサ１は、排ガスの温度が低くなる、三元触媒の配置位置よりも下流側の位置に配置することが好適である。なお、三元触媒の配置位置よりも上流側の位置には、空燃比を検出する空燃比センサを配置し、内燃機関の燃焼制御においては、空燃比センサと酸素センサとを併用することができる。
（センサ素子２）
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。
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。
固体電解質体３の底部３２は、半球面状に形成されており、固体電解質体３の筒部３１は、円筒状に形成されている。固体電解質体３の軸方向Ｌにおける、底部３２と反対側の位置には、固体電解質体３の内側に基準ガスＡを流入させることができる開口部３３が形成されている。筒部３１の軸方向Ｌにおける各部の外径は、ハウジング６１への取り付けを考慮して、適宜変化している。
図１及び図３に示すように、検出電極４Ｂは、外側検知部４５、外側接続部４７及び外側リード部４６を有する。外側検知部４５は、検出電極４Ｂの最も先端側Ｌ１の位置であって固体電解質体３を挟んで内側検知部４１と対向する位置において、筒部３１の中心軸線Ｏを中心とする周方向Ｃの全周に亘って設けられている。外側接続部４７は、検出電極４Ｂの最も基端側Ｌ２の位置において、周方向Ｃの全周に亘って設けられており、外側端子金具７２に接続されている。外側リード部４６は、外側検知部４５と外側接続部４７とを繋ぐ位置において、周方向Ｃの一部に設けられている。
基準電極４Ａの内側検知部４１は、外側検知部４５に比べて軸方向Ｌに長いとともに、固体電解質体３を挟んで外側検知部４５の全体の内側に対向している。
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。
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。
図２に示すように、本形態の基準電極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３段階に縮小するよう変化して形成されている。内側リード部４２においては、最も先端側Ｌ１に位置する先端側部位４２１の周方向Ｃにおける形成範囲が最も大きく、先端側部位４２１の基端側Ｌ２に隣接する中間部位４２２の周方向Ｃにおける形成範囲が、先端側部位４２１の周方向Ｃにおける形成範囲よりも小さく、中間部位４２２の基端側Ｌ２に隣接する基端側部位４２３の周方向Ｃにおける形成範囲が、中間部位４２２の周方向Ｃにおける形成範囲よりも小さい。先端側部位４２１と中間部位４２２との間、及び中間部位４２２と基端側部位４２３との間には、段差４２４が形成されている。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い。
先端側部位４２１、中間部位４２２及び基端側部位４２３は、筒部３１の中心軸線Ｏ及び軸方向Ｌに平行に形成されている。言い換えれば、先端側部位４２１、中間部位４２２及び基端側部位４２３の周方向Ｃの両側端４２０は、軸方向Ｌに対して平行である。先端側部位４２１、中間部位４２２及び基端側部位４２３の相互間の段差４２４は、軸方向Ｌに直交して形成されていてもよく、軸方向Ｌに対して傾斜して形成されていてもよい。
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２段階に縮小するよう変化して形成されていてもよい。この場合において、２段階に縮小する内側リード部４２の先端側部位及び基端側部位の周方向Ｃの両側端は、軸方向Ｌに対して平行に形成される。また、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４段階以上に縮小するよう変化して形成されていてもよい。
基準電極４Ａの内側検知部４１は、筒部３１の内側面３０２における先端側Ｌ１の位置の全周と、底部３２の内側面３０２の全体とに連続して設けられている。そして、ヒータ５の先端部の先端５０１は、底部３２の内側面３０２における内側検知部４１に接触している。一方、検出電極４Ｂの外側検知部４５は、底部３２の外側面３０１には設けられていない。
基準電極４Ａの内側接続部４３は、筒部３１の内側面３０２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、内側リード部４２の周方向Ｃにおける形成範囲は、内側接続部４３の周方向Ｃにおける形成範囲よりも小さくなる。
内側リード部４２及び外側リード部４６は、周方向Ｃにおける１箇所において、中心軸線Ｏ及び軸方向Ｌに平行に形成されている。また、内側リード部４２の周方向Ｃの中心を通る仮想線は、軸方向Ｌに平行である。
検出電極４Ｂにおける外側リード部４６の周方向Ｃにおける形成箇所と、基準電極４Ａにおける内側リード部４２の周方向Ｃにおける形成箇所との相対的位置関係は、任意に決定することができる。なお、図２及び図５においては、一例として、内側リード部４２と外側リード部４６とが周方向Ｃに互いに９０°ずれた位置に形成された状態を記載している。
基準電極４Ａの内側リード部４２の軸方向Ｌに直交する方向の最小断面積、及び検出電極４Ｂの外側リード部４６の軸方向Ｌに直交する方向の最小断面積は、ガスセンサ１の出力電圧に影響しない抵抗値を確保し、耐熱性の観点から問題とならない範囲で決定する。また、内側検知部４１の近傍に位置する内側リード部４２、及び外側検知部４５の近傍に位置する外側リード部４６は、それら自体も各検知部４１，４５と同様にガス検出を行う機能を発現する。
センサ素子２の先端部には、少なくとも検出電極４Ｂの外側検知部４５の全体を覆うように、セラミックスの多孔質体からなる保護層２１が設けられている。保護層２１は、検出電極４Ｂの被毒及び被水を防止するためのものである。
次に、固体電解質体３に基準電極４Ａ及び検出電極４Ｂを形成する方法について説明する。
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。
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。
具体的には、有機白金化合物が有機溶媒に溶解されて、バインダー等によって粘度が調整された活性ペーストを、多孔質のゴム材、スポンジ材、フェルト材等を所定形状に形成した多孔質担体に含浸させる。そして、この多孔質担体を、基準電極４Ａ及び検出電極４Ｂのパターン形状を描くよう、固体電解質体３に接触させ、活性ペーストを固体電解質体３に付着させる。
次いで、活性ペーストが設けられた固体電解質体３に熱処理を行い、活性ペースト中の有機物を除去するとともに、活性ペーストにおける有機白金化合物中の白金原子を固体電解質体３に定着させ、基準電極４Ａ及び検出電極４Ｂの電極パターンを形成する。なお、熱処理は、基準電極４Ａを形成するための活性ペーストが固体電解質体３に付着された後と、検出電極４Ｂを形成するための活性ペーストが固体電解質体３に付着された後とにおいて、別々に行うこともできる。
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。
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。
なお、多孔質担体を用いて基準電極４Ａ及び検出電極４Ｂのパターン形状を描く代わりに、マスキングゴムによって固体電解質体３の内側面３０２及び外側面３０１の電極を形成しない箇所をマスキングして、電極パターンを形成することもできる。また、各電極４Ａ，４Ｂは、無電解めっき処理を行って形成する以外にも、電気めっき処理を行って形成することもでき、また、白金微粒子を含有するペーストを用いて形成することもできる。
電極パターンを形成する精度を向上させる場合、複雑な電極パターンを形成する場合等には、多孔質担体を用いた無電解めっき処理を行うことが好ましい。また、排ガス中の微量ガス成分に対する感受性、膜厚精度、耐熱性等を向上させる観点からも、無電解めっき処理を行うことが好ましい。
本形態の部分電極化を図った基準電極４Ａの、固体電解質体３の内側面３０２における電極削減率は、次の範囲内にある。ここで、図２に示すように、固体電解質体３の内側面３０２全体の表面積をＳ１とし、固体電解質体３の内側面３０２全体において、基準電極４Ａが形成された表面積をＳ２とする。電極削減率は、固体電解質体３の内側面３０２全体において、基準電極４Ａが削減された表面積の割合として、（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１によって表される。そして、電極削減率は、０．３≦（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１≦０．７の関係を有する。この数値範囲が示す臨界意義については、後述する確認試験１において示す。
また、基準電極４Ａの平均膜厚は、０．４〜１．６μｍの範囲内にある。この数値範囲が示す臨界意義については、後述する確認試験２において示す。基準電極４Ａの各部である内側検知部４１、内側リード部４２及び内側接続部４３は、厚みが均一になるよう形成されている。ただし、基準電極４Ａには、多数の気孔が形成されており、この多数の気孔には、基準電極４Ａの内部から表面まで連続して形成されたものがある。基準電極４Ａの平均膜厚は、基準電極４Ａの平面方向における１０箇所の膜厚を測定し、この１０箇所の膜厚の平均値とする。
（他のセンサ素子２）
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。
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。
（ヒータ５）
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。
（ガスセンサ１の他の構成）
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、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。
（ハウジング６１）
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。
また、センサ素子２における最も外径が大きい部分であるフランジ部３４が小径穴部６１２の端部に係止されることにより、センサ素子２の挿通穴６１１から先端側Ｌ１への抜け出しが防止されている。ハウジング６１の軸方向Ｌの基端側部位には、内周側に屈曲するかしめ部６１５が形成されている。そして、かしめ部６１５とフランジ部３４との間においてシール材６４が軸方向Ｌに圧縮されて、センサ素子２がハウジング６１に保持されている。センサ素子２の先端側部位であって、特に内側検知部４１及び外側検知部４５が形成された部位は、ハウジング６１から軸方向Ｌの先端側Ｌ１に突出して配置されている。
（先端側カバー６２及び基端側カバー６３）
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。
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。
ハウジング６１の軸方向Ｌの基端側部位には、基端側カバー６３が装着されている。基端側カバー６３は、排気管の外部に配置される。基端側カバー６３の一部には、基端側カバー６３内へ基準ガスＡとしての大気を導入するための導入孔６３１が形成されている。導入孔６３１には、液体を通過させない一方、気体を通過させるフィルタ６３２が配置されている。導入孔６３１から基端側カバー６３内に導入される基準ガスＡは、基端側カバー６３内の隙間を通過して、センサ素子２の内側面３０２における基準電極４Ａへと導かれる。
図１に示すように、センサ素子２の基端側部位の内側面３０２には、基準電極４Ａの内側接続部４３に接触する内側端子金具７１が装着されている。また、センサ素子２の基端側部位の外側面３０１には、検出電極４Ｂの外側接続部４７に接触する外側端子金具７２が装着されている。内側端子金具７１及び外側端子金具７２には、センサ素子２の基準電極４Ａ及び検出電極４Ｂを、外部の制御装置に電気的に接続するためのリード線６５が取り付けられている。リード線６５は、基端側カバー６３内に配置されたブッシュ６６によって保持されている。
本形態のガスセンサ１は、酸素センサとして用いる際に、空燃比が、燃料リッチ側における、理論空燃比近傍の弱リッチ領域にある場合に、特殊な空燃比センサとして用いることができる。この空燃比センサとして用いる場合には、ガスセンサ１の出力電圧の微小な変化を検出する。
言い換えれば、本形態のガスセンサ１は、理論空燃比が１４．５であるときの、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、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ることができる。
（作用効果）
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。
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。
そして、センサ素子２の中心軸線Ｏに沿った軸方向Ｌにおける温度分布において、内側検知部４１の周辺における温度を、固体電解質体３及び各電極４Ａ，４Ｂの活性化に適した高い温度に、できるだけ均一に近い状態で維持することができる。また、基準電極４Ａにおける内側リード部４２の形状及び周方向Ｃにおける形成範囲を調整することにより、センサ素子２の軸方向Ｌにおける温度分布を目標とする温度分布に近づけることができる。
図７には、センサ素子２の底部３２の外側面３０１における軸方向Ｌの先端から軸方向Ｌの基端側Ｌ２への位置（ｍｍ）と、各位置におけるセンサ素子２の温度（℃）との関係を示す。同図においては、部分電極化を図った基準電極４Ａを有する本形態のセンサ素子２の軸方向Ｌにおける温度分布Ｔ１と、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の軸方向Ｌにおける温度分布Ｔ２とを示す。
本形態のセンサ素子２においては、先端からの位置が５〜２５ｍｍである範囲の温度が、比較形態のセンサ素子２に比べて高くなっていることが分かる。そして、本形態のセンサ素子２においては、固体電解質体３において外側検知部４５及び内側検知部４１が配置される軸方向Ｌの範囲である、先端からの位置が５〜２０ｍｍの範囲における温度が、目標とする温度である５００℃に近い状態に維持されている。これにより、基準電極４Ａの部分電極化を図ることにより、センサ素子２の目標とする温度分布が得られやすいことが分かった。
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に接触しているセンサ素子２においては、センサ素子２の先端側Ｌ１の部分が基端側Ｌ２の部分に比べて多く加熱される。また、センサ素子２の基端側Ｌ２の部分がハウジング６１に保持されていることにより、基端側Ｌ２の部分からハウジング６１へと熱引けが生じる。そして、本形態のセンサ素子２においては、内側リード部４２の形成箇所において、基準電極４Ａの形成範囲が削減されていることにより、センサ素子２の先端側Ｌ１から基端側Ｌ２への熱引けが生じにくくなる。つまり、基準電極４Ａの熱伝導率は固体電解質体３の熱伝導率よりも高いため、基準電極４Ａの形成範囲が削減されていることにより、センサ素子２の先端側Ｌ１から基端側Ｌ２への熱引けが生じにくくなる。
この熱引けが生じにくくする効果は、部分電極化によって検出電極４Ｂが削減されていることによっても得られる。ただし、検出電極４Ｂとヒータ５との距離に比べて、基準電極４Ａとヒータ５との距離は小さく、基準電極４Ａはヒータ５に近接する。そのため、基準電極４Ａの内側リード部４２を削減することにより、センサ素子２の先端側Ｌ１から基端側Ｌ２への熱引けが生じにくい効果が顕著になり、センサ素子２の温度をより適切に維持することができる。
基準電極４Ａの内側リード部４２の構成は、ガスセンサ１を酸素センサとして用い、空燃比が、燃料リッチ側における、理論空燃比近傍の弱リッチ領域にある場合にのみ空燃比センサとして用いる場合に有効である。
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。
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。
空気過剰率λが１の付近に、理論空燃比に対するリッチ領域とリーン領域との境界が存在する。空気過剰率λが１以上の範囲にあるリーン領域においては、ガスセンサ１の出力電圧が０．１Ｖ程度出力される一方、空気過剰率λが０．９７〜１の範囲にある弱リッチ領域においては、ガスセンサ１の出力電圧が０．７〜０．８３Ｖ程度出力される。弱リッチ領域における出力電圧は、λ＝１のストイキ値（理論空燃比）からリッチ側に行くに連れて出力電圧が徐々に上昇する関係がある。本形態においては、この空気過剰率λの変化に対して出力電圧が上昇する変化の傾き、言い換えれば、空気過剰率λ（又は空燃比）と出力電圧（又は起電力）との関係を示す関係ラインの勾配を、出力電圧の変化率とする。
図８に示すように、本形態のセンサ素子２における弱リッチ領域における出力電圧の変化率は、図９に示すように、比較形態のセンサ素子における弱リッチ領域における出力電圧の変化率に比べて大きいことが分かる。言い換えれば、本形態のセンサ素子２における弱リッチ領域の関係ラインは、比較形態のセンサ素子における弱リッチ領域の関係ラインに比べて急峻になっていることが分かる。これにより、本形態のセンサ素子２においては、弱リッチ領域の空燃比（空気過剰率λ）を検出する際に、空燃比の小さな変化を出力電圧の変化として検出することが容易になる。そのため、本形態のガスセンサ１によれば、弱リッチ領域における空燃比の検出精度を向上させることができる。このような弱リッチ領域における出力電圧の変化率が大きくなるといった特性は、前述した部分電極化を図った基準電極４Ａの構成によるところが大きい。
センサ素子２の検出電極４Ｂにおいては、排ガスの組成に応じて、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）等の未燃ガスが吸着する状態と、ＮＯｘ（窒素酸化物）が吸着する状態とが入れ替わる。センサ素子２の検出電極４Ｂに接触する排ガスの空燃比が燃料リッチ側にあるときには、検出電極４ＢにおけるＰｔ（白金）には、リッチガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）等の未燃ガスが吸着している。次いで、検出電極４Ｂに接触する排ガスの空燃比が燃料リッチ側から燃料リーン側に入れ替わる際には、リーンガス中のＮＯ等が検出電極４ＢにおけるＰｔに吸着するとともに、Ｐｔに吸着したＨＣ、ＣＯ等が検出電極４ＢにおけるＰｔから離脱する。
このとき、センサ素子２が、燃料リッチを検出している状態においても、ＨＣ、ＣＯ等が離脱した部分にＮＯが吸着する。これにより、理論空燃比の近傍において燃料リッチを検出しているときにおいて、ガスセンサ１の出力電圧が若干低下することになる。そして、弱リッチ領域から理論空燃比にかけて出力電圧が緩やかに傾斜する状態が形成される。この出力電圧が緩やかに傾斜する状態は、Ｐｔに対するＣＯの吸着エネルギーは、Ｐｔに対するＨＣの吸着エネルギーよりも高く、ＣＯに比べてＨＣが素早く離脱することによっても起こる。
固体電解質体３の内側面３０２の全体に基準電極４Ａが形成されている場合には、基準電極４Ａの基端側部分が先端側部分よりも低温になっている度合いが強い。そのため、低温になっている基端側部分におけるリッチガス中のＨＣ、ＣＯ等が離脱しづらく、弱リッチ領域から理論空燃比の近傍までガスセンサ１の出力電圧が維持されやすく、弱リッチ領域における出力電圧の傾斜が緩慢になる。
一方、部分電極化を図った本形態の基準電極４Ａにおいては、図７に示したように、基準電極４Ａの内側検知部４１と基準電極４Ａの内側リード部４２との温度差が小さくなる。そのため、特に内側リード部４２に吸着しているリッチガス中のＨＣ、ＣＯ等の脱離が早くなり、弱リッチ領域から理論空燃比の近傍までガスセンサ１の出力電圧が若干維持されにくくなり、弱リッチ領域における出力電圧の傾斜が急峻になる。
センサ素子２における外側検知部４５及び内側検知部４１の温度は、４００〜６００℃の範囲内に維持することが好ましい。この温度が低いほど、後述するＨＣの吸着エネルギーとＣＯの吸着エネルギーとの差が生じやすく、弱リッチ領域におけるガスセンサ１の出力電圧の傾斜が急峻になりやすい。しかし、外側検知部４５及び内側検知部４１の温度が４００℃未満になると、検出電極４Ｂ及び基準電極４Ａの触媒活性が弱くなり、ガスセンサ１の出力電圧が安定しないおそれがある。一方、外側検知部４５及び内側検知部４１の温度が６００℃を超えると、ＨＣの吸着エネルギーとＣＯの吸着エネルギーとの差が小さくなり、弱リッチ領域におけるガスセンサ１の出力電圧の傾斜が急峻になりにくい。従って、外側検知部４５及び内側検知部４１の温度は、５００℃に近くなるよう、４５０〜５５０℃の範囲内に維持することがより好ましい。
本形態の基準電極４Ａ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に向かうに連れて段階的に縮小している。この段階的な内側リード部４２の形成により、軸方向Ｌにおける基準電極４Ａの表面積の変化、言い換えれば軸方向Ｌに直交する方向の基準電極４Ａの断面積の変化を緩やかにすることができる。これにより、基準電極４Ａの内側リード部４２と固体電解質体３との境界部の面積が増加する。そして、ヒータ５の加熱によってセンサ素子２を目標とする温度まで昇温する際に、その昇温途中において生じる、固体電解質体３と基準電極４Ａとの熱膨張差が緩やかになる。そのため、内側リード部４２に加わる熱応力が緩和され、内側リード部４２に剥離等が生じにくくすることができる。
仮に、基準電極４Ａの内側検知部４１と内側リード部４２との境界部における表面積及び断面積の変化が急激になっていると、次の問題が想定される。すなわち、ヒータ５の加熱によってセンサ素子を目標とする温度まで昇温する際に、その昇温途中において、固体電解質体３と基準電極４Ａとの熱膨張差に起因して、内側検知部４１と内側リード部４２との境界部に加わる熱応力が大きくなり、内側リード部４２に剥離等が生じるおそれがある。
それ故、本形態のガスセンサ１によれば、基準電極４Ａにおける内側リード部４２の形状及び周方向Ｃにおける形成範囲を調整して、センサ素子２の軸方向Ｌにおける温度分布を目標とする温度分布に近づけることができる。また、弱リッチ領域においては、酸素センサとして使用するだけでなく、空燃比の変化を定量的に検出する空燃比センサとして使用することが可能になる。そして、この弱リッチ領域における空燃比の検出精度を向上させることができる。
なお、本形態における作用効果は、内側リード部４２の周方向Ｃにおける形成範囲が、内側検知部４１から内側接続部４３に向かうに連れてテーパ状に縮小している場合にも同様に得られる。
＜確認試験１＞
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。
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。
各サンプルにおける検出電極４Ｂの外側検知部４５、外側リード部４６及び外側接続部４７の各寸法は次のようにした。図３に示すように、センサ素子２の全長Ｌ１を４０ｍｍとし、センサ素子２の先端から外側検知部４５の先端までの長さＬ２を２ｍｍとし、外側検知部４５の長さＬ３を５ｍｍとし、センサ素子２の先端から外側接続部４７の先端までの長さＬ４を３０ｍｍとし、外側接続部４７の長さＬ５を３５ｍｍとした。いずれも軸方向Ｌの長さとして示す。
また、本試験においては、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。また、各サンプルのセンサ素子２の先端の温度が安定した後、各サンプルのガスセンサ１に対して、空燃比が０．９７となるよう、一酸化炭素、メタン、プロパン及び窒素が混合されたリッチガスを供給し、基準電極４Ａと検出電極４Ｂとの間に検出された電圧を、出力電圧（センサ出力）として測定した。
また、空気過剰率λが弱リッチ領域である０．９７〜１．００の範囲を、空気過剰率λが０．９７〜０．９８、０．９８〜０．９９及び０．９９〜１．００の３つの範囲に分け、この３つの範囲における出力電圧の変化率を求めた。そして、３つの範囲における出力電圧の変化率のうちの最も小さな値を、出力電圧の変化率とした。
３つの範囲における出力電圧の変化率は、第１の範囲の出力電圧の変化率をα１、第２の範囲の出力電圧の変化率をα２、及び第３の範囲の出力電圧の変化率をα３として、次の計算式に基づいて求めた。
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。
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。
弱リッチ領域における出力電圧の変化率が大きくなり、傾斜度が急峻になったことの判定の基準は、出力電圧の変化率が１０以上であるか否かとした。そして、変化率が１０以上である場合を、急峻であるとして○とし、変化率が１０未満である場合を、緩慢であるとして×とした。
また、本試験においては、各サンプルのセンサ素子２の内部抵抗も測定した。この内部抵抗は、基準電極４Ａと検出電極４Ｂとの間における抵抗として測定した。各サンプルにおける検出電極４Ｂの形状は同じであり、各サンプルの基準電極４Ａの電極削減率（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１×１００（％）が大きくなるに連れて、内部抵抗は増加する。
高温雰囲気下においては、基準電極４Ａ及び検出電極４Ｂに熱凝集が生じ、センサ素子２の内部抵抗が増加することが考えられる。そこで、各サンプルのガスセンサ１をエンジンの排気管に配置し、空気過剰率λが０．９５になるようにしてエンジンを１０００ｒｐｍで１０００時間運転した。そして、このエンジンの運転後に、各サンプルのガスセンサ１におけるセンサ素子２の内部抵抗を測定した。内部抵抗の判定においては、内部抵抗が２００ｋΩ以下である場合を○とし、内部抵抗が２００ｋΩを超える場合を×とした。
変化率の判定及び内部抵抗の判定を行った結果を表１に示す。
電極削減率が３０％未満である試験品１については、出力電圧の変化率が１０未満となったため、その判定が×となった。また、電極削減率が７０％超過である試験品５については、内部抵抗が２００ｋΩを超えたため、その判定が×となった。そして、電極削減率が３０〜７０％の範囲内にある試験品２〜４については、出力電圧の変化率の判定及び内部抵抗の判定がともに○となった。この結果より、基準電極４Ａの電極削減率が３０〜７０％の範囲内にあることにより、弱リッチ領域におけるガスセンサ１の出力電圧の変化勾配を急峻にでき、かつセンサ素子２の内部抵抗を低く抑えることができることが分かった。
本試験における結果は、実施形態の図６に示した、内側リード部４２が先端側Ｌ１から基端側Ｌ２に向かうに連れてテーパ状に変化する場合について示した。ただし、実施形態の図２に示した、内側リード部４２が先端側Ｌ１から基端側Ｌ２に向かうに連れて段階的に変化する場合についても、同様の結果が得られた。
また、本試験においては、各サンプルのセンサ素子２の軸方向Ｌの各部における温度を測定した。この温度の測定は、熱電対を用い、熱電対の測温接点を検出電極４Ｂの形成箇所に接触させて行った。各部における温度は、センサ素子２の先端から基端側Ｌ２へ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ離れた各位置について測定した。
センサ素子２の温度を測定した結果を表２に示す。
センサ素子２の先端から基端側Ｌ２へ５〜２０ｍｍの範囲内の位置においては、センサ素子２の温度が４００℃以上に保たれている。しかし、センサ素子２の先端から基端側Ｌ２へ２５〜４０ｍｍの範囲内の位置においては、基準電極４Ａの電極削減率（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１×１００（％）が小さいほど、センサ素子２の温度の低下が顕著になることが分かる。このことより、基準電極４Ａの電極削減率を大きくした方が、センサ素子２の温度を軸方向Ｌの広範囲に亘って高く維持できることが分かる。
＜確認試験２＞
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。
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。
基準電極４Ａの平均膜厚は、蛍光Ｘ線膜厚計を用い、基準電極４Ａの任意の１０箇所の膜厚を測定し、その平均値とした。ガスセンサ１の応答性は、各サンプルのセンサ素子２を用いたガスセンサ１をエンジンの排気管に配置し、エンジンにおける空燃比を、空気過剰率λが０．９５である燃料リッチ状態から空気過剰率λが１．０５である燃料リーン状態に、複数回に亘って変化させたときに、ガスセンサ１の出力電圧が０．６Ｖから０．３Ｖになるまでの電圧低下時間によって判定した。そして、この判定においては、この電圧低下時間が２００ｍｓ以下である場合を○とし、この時間が２００ｍｓ超過である場合を×とした。センサ素子２の内部抵抗は、確認試験１の場合と同様にして、測定し、判定した。
ガスセンサ１の応答性の判定及びセンサ素子の内部抵抗の判定を行った結果を表３に示す。
基準電極４Ａの平均膜厚が０．３３ｍｍである試験品６については、センサ素子２の内部抵抗が２００ｋΩを超えたため、その判定が×となった。また、基準電極４Ａの平均膜厚が１．６８ｍｍである試験品１０については、ガスセンサ１の応答性が２００ｍｓを超えたため、その判定が×となった。そして、基準電極４Ａの平均膜厚が０．４〜１．６μｍの範囲内にある試験品７〜９については、応答性の判定及び内部抵抗の判定がともに○となった。この結果より、基準電極４Ａの平均膜厚０．４〜１．６μｍの範囲内にあることにより、ガスセンサ１の応答性を高く維持し、かつセンサ素子２の内部抵抗を低く抑えることができることが分かった。
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。
１ ガスセンサ
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
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 (6)
- 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いる、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、請求項１又は２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１〜３のいずれか１項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１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
- 前記ガスセンサは、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、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
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