JP2019211436A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】基準電極への基準ガスの導入量を適切に確保するとともに、センサ素子の伝熱性を高め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１のセンサ素子２は、固体電解質体３１、検出電極３１１、基準電極３１２、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ、発熱体３４及び基準ガスダクト３６を備える。基準ガスダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、固体電解質体３１の第２主面３０２に隣接して、基準ガスダクト３６の長尺方向Ｌの後端開口部３６０から基準電極３１２の配置位置まで形成されており、後端開口部３６０から基準電極３１２まで基準ガスＡを導入する。基準電極３１２の長尺方向Ｌの後端位置３１２Ａにおける、基準ガスダクト３６の長尺方向Ｌに直交する横断面の断面積Ｓ１は、後端開口部３６０における、基準ガスダクト３６の横断面の断面積Ｓ２の０．２倍以上１倍未満である。【選択図】図３

Description

本発明は、長尺板形状のセンサ素子を備えるガスセンサに関する。

ガスセンサは、例えば、内燃機関の排気管に配置され、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける酸素濃度等の特定ガス成分の濃度を検出するために用いられる。ガスセンサのセンサ素子は、酸素イオンの伝導性を有する固体電解質体と、固定電解質体の表面に設けられて排ガス等の検出対象ガスに晒される検出電極と、固体電解質体の表面に設けられて大気等の基準ガスに晒される基準電極とを有する。また、基準電極への基準ガスの供給を十分に行うために、センサ素子に、基準ガスが導入される基準ガスダクトを形成することが行われている。

また、センサ素子には、固体電解質体、検出電極及び基準電極を活性温度に加熱するための発熱体が埋設されている。発熱体は、検出電極及び基準電極に対向する位置に配置されて通電によって発熱する発熱部と、発熱部の両端に繋がった一対のリード部とを有する。

また、例えば、特許文献１のセンサ素子及びセンサにおいては、センサ素子を加熱するための消費電力を低減しつつ、基準電極に対する大気供給量の不足を抑制する工夫がなされている。特許文献１においては、基準電極へ大気を導入するための大気導入部の断面形状及び断面積を適切な範囲内に設定することが行われている。なお、基準電極に対する大気供給量が不足する場合は、特に、ガスセンサによって、内燃機関から排気管に排気される排ガスの組成に基づいて内燃機関の空燃比を求める際に、理論空燃比に比べて燃料が過剰である、空燃比のリッチ状態を検出する場合に生じる。

特開２０１５−３４７８２号公報

基準電極への基準ガスの導入量を多く維持するためには、基準ガスダクトにおける、長尺方向に直交する断面の断面積は大きい方がよい。一方、基準ガスダクトの断面積が大きくなると、センサ素子における断熱部が大きくなり、発熱体によってセンサ素子を加熱する際の伝熱性が悪化する。

基準電極へ基準ガスを導入する基準ガスダクトは、センサ素子の長尺方向の広い範囲に亘って形成されている。また、検出電極、基準電極、及び発熱体の発熱部が設けられた、センサ素子のガス検知部は、センサ素子の長尺方向の先端部に形成されている。そして、センサ素子の先端部は後端部に比べて高温になり、センサ素子の先端部においては、基準ガスダクト内の基準ガスも高温になる。

発明者の研究により、基準電極への基準ガスの導入量を適切に維持しつつ、センサ素子の伝熱性を高めるためには、基準ガスダクトの長尺方向における断面積に変化を設けることが有効であることが見出された。特許文献１のセンサ素子及びセンサにおいては、基準ガスダクト（大気導入部）の長尺方向における断面積に変化を設けることは行われていない。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、基準電極への基準ガスの導入量を適切に確保するとともに、センサ素子の伝熱性を高め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、長尺板形状のセンサ素子（２）を備えるガスセンサ（１）において、
前記センサ素子は、
酸素イオンの伝導性を有する固体電解質体（３１）と、
前記固体電解質体における、検出対象ガス（Ｇ）に晒される第１主面（３０１）であって前記センサ素子の長尺方向（Ｌ）の先端側位置に設けられた検出電極（３１１）と、
前記固体電解質体における、基準ガス（Ａ）に晒される第２主面（３０２）であって前記長尺方向の先端側位置に設けられた基準電極（３１２）と、
前記固体電解質体に積層された絶縁体（３３Ａ，３３Ｂ）と、
前記絶縁体内に埋設され、前記検出電極及び前記基準電極に対向する位置に配置された、通電によって発熱する発熱部（３４１）、及び前記発熱部の、前記長尺方向の後端側に繋がるリード部（３４２）を有する発熱体（３４）と、
前記絶縁体における、前記固体電解質体の前記第２主面に隣接する位置であって、前記長尺方向の後端開口部（３６０）から前記基準電極の配置位置まで形成され、前記後端開口部から前記基準ガスが導入される基準ガスダクト（３６）と、を備え、
前記基準電極の前記長尺方向の後端位置（３１２Ａ）における、前記基準ガスダクトの前記長尺方向に直交する横断面の断面積（Ｓ１）は、前記後端開口部における、前記基準ガスダクトの前記横断面の断面積（Ｓ２）の０．２倍以上１倍未満である、ガスセンサにある。

前記一態様のガスセンサにおいては、基準電極の長尺方向の後端位置における、基準ガスダクトの横断面の断面積は、後端開口部における、基準ガスダクトの横断面の断面積の０．２倍以上１倍未満である。この構成により、基準電極への基準ガスの導入量を適切に確保するとともに、センサ素子の伝熱性を高めることができる。

具体的には、基準ガスダクトの後端開口部における横断面の断面積は、基準電極へ基準ガスを十分に導入することができる大きさに設定する。そして、基準ガスダクトの、基準電極の後端位置における横断面の断面積は、発熱体の発熱部によって、固体電解質体、検出電極及び基準電極を加熱する際に、基準ガスダクトが断熱部となって発熱部から固体電解質体等への伝熱を妨げることを緩和する断面積に設定することができる。これにより、基準電極への基準ガスの導入量を適切に確保するとともに、センサ素子の伝熱性を高めることができる。

また、基準ガスダクトの、基準電極の後端位置よりも先端側に位置するダクト部分は、発熱部に対向する位置にあり、この先端側に位置するダクト部分内の基準ガスは、これよりも後端側に位置するダクト部分内の基準ガスに比べて発熱部によって高温に加熱される。そして、先端側に位置するダクト部分内の基準ガスの拡散係数は、後端側に位置するダクト部分内の基準ガスの拡散係数に比べて大きくなる。拡散係数は、基準電極へ基準ガスが供給される際に、固体電解質体を介して基準電極から検出電極へ移動する酸素イオン量を左右する。つまり、拡散係数が大きいほど、酸素イオンの移動量は多くなる。

そのため、先端側に位置するダクト部分の横断面の断面積が小さくなっても、基準電極から検出電極への酸素イオンの移動量を適切に確保することができる。特に、検出対象ガスから求められる内燃機関の空燃比がリッチ状態にあるときに、検出電極における未燃ガス等を化学反応させるための十分な酸素イオンを基準電極から検出電極へ移動させることができる。これにより、先端側に位置するダクト部分の横断面の断面積が小さくても、基準電極から検出電極への酸素イオンの移動があまり制約されず、センサ素子における電気化学反応を良好に維持することができる。

それ故、前記一態様のガスセンサによれば、基準電極への基準ガスの導入量を適切に確保するとともに、センサ素子の伝熱性を高めることができる。

基準電極の長尺方向の後端位置における、基準ガスダクトの横断面の断面積が、後端開口部における、基準ガスダクトの横断面の断面積の０．２倍未満である場合には、基準電極への基準ガスの導入量を十分に維持することが難しくなる。一方、基準電極の長尺方向の後端位置における、基準ガスダクトの横断面の断面積が、後端開口部における、基準ガスダクトの横断面の断面積の１倍以上である場合には、センサ素子の伝熱性を高めることが難しくなる。

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。

実施形態１にかかる、ガスセンサを示す断面図。 実施形態１にかかる、積層前のセンサ素子を示す斜視図。 実施形態１にかかる、センサ素子を示す断面図。 実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図３のIV−IV断面図。 実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図３のV−V断面図。 実施形態１にかかる、他のセンサ素子を示す断面図。 実施形態１にかかる、大気の温度の変化に対する拡散係数の変化を示すグラフ。 実施形態２にかかる、センサ素子を示す、図３のIV−IV断面相当図。 実施形態３にかかる、センサ素子を示す断面図。 実施形態４にかかる、センサ素子を示す断面図。 実施形態４にかかる、他のセンサ素子を示す断面図。

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１＞
本形態のガスセンサ１は、図１〜図５に示すように、長尺板形状のセンサ素子２を備える。センサ素子２は、固体電解質体３１、検出電極３１１、基準電極３１２、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ、発熱体３４及び基準ガスダクト３６を備える。固体電解質体３１は、活性化温度において酸素イオンの伝導性を有するものである。検出電極３１１は、固体電解質体３１における、検出対象ガスＧに晒される第１主面３０１であってセンサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の位置に設けられている。基準電極３１２は、固体電解質体３１における、基準ガスＡに晒される第２主面３０２であって長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の位置に設けられている。

絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、絶縁性を有しており、固体電解質体３１の第１主面３０１に積層された第１絶縁体３３Ａと、固体電解質体３１の第２主面３０２に積層された第２絶縁体３３Ｂとがある。発熱体３４は、第２絶縁体３３Ｂ内に埋設されており、検出電極３１１及び基準電極３１２に対向する位置に配置された、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１の、長尺方向Ｌの後端側に繋がる発熱体リード部（リード部）３４２とを有する。基準ガスダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、固体電解質体３１の第２主面３０２に隣接して、基準ガスダクト３６（センサ素子２及び第２絶縁体３３Ｂ）の長尺方向Ｌの後端開口部３６０から基準電極３１２の配置位置まで形成されており、後端開口部３６０から基準電極３１２まで基準ガスＡを導入するためのものである。

図３に示すように、基準電極３１２の長尺方向Ｌの後端位置３１２Ａにおける、基準ガスダクト３６の長尺方向Ｌに直交する横断面の断面積Ｓ１は、後端開口部３６０における、基準ガスダクト３６の横断面の断面積Ｓ２の０．２倍以上１倍未満である。

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）の排気管等に配置され、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスＧとして、検出対象ガスＧにおける酸素濃度等を検出するために用いられる。ガスセンサ１は、排ガスにおける酸素濃度、未燃ガス濃度等に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサとして用いることができる。また、ガスセンサ１は、空燃比センサ以外にも、酸素濃度を求める種々の用途として用いることができる。

排気管には、排ガス中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ１は、排気管における排ガスの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置することもできる。また、ガスセンサ１は、排ガスを利用して内燃機関が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置することもできる。また、ガスセンサ１を配置する配管は、内燃機関から排気管に排気される排ガスの一部を、内燃機関の吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管とすることもできる。

空燃比センサは、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の状態から、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の状態まで定量的に連続して空燃比を検出することができるものである。空燃比センサにおいては、拡散抵抗部（拡散律速部）３２によってガス室３５へ導かれる検出対象ガスＧの拡散速度が絞られる際に、検出電極３１１と基準電極３１２との間に、酸素イオンの移動量に応じた電流が出力される限界電流特性を示すための所定の電圧が印加される。

図３及び図４に示すように、空燃比センサにおいて、燃料リーン側の空燃比を検出する際には、検出対象ガスＧに含まれる酸素が、イオンとなって検出電極３１１から固体電解質体３１を介して基準電極３１２へ移動する際に生じる電流を検出する。また、空燃比センサにおいて、燃料リッチ側の空燃比を検出する際には、検出対象ガスＧに含まれる未燃ガス（炭化水素、一酸化炭素、水素等）を反応させるために、基準電極３１２から固体電解質体３１を介して検出電極３１１へイオンとなった酸素が移動し、未燃ガスと酸素とが反応する際に生じる電流を検出する。

（センサ素子２）
図３及び図４に示すように、センサ素子２は、固体電解質体３１に、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された積層タイプのものである。固体電解質体３１は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニアを主成分とし（５０質量％以上含有し）、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３１を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換することができる。

また、検出電極３１１及び基準電極３１２は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体３１との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。共材は、固体電解質体３１にペースト状の電極材料を印刷（塗布）して両者を焼結する際に、電極材料によって形成される検出電極３１１及び基準電極３１２と固体電解質体３１との結合強度を維持するためのものである。

固体電解質体３１の第１主面３０１には、第１絶縁体３３Ａと固体電解質体３１とに囲まれたガス室３５が隣接して形成されている。ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａにおける、検出電極３１１が配置された位置に形成されている。固体電解質体３１の第２主面３０２には、第２絶縁体３３Ｂと固体電解質体３１とに囲まれた基準ガスダクト３６が隣接して形成されている。基準ガスダクト３６は、第２絶縁体３３Ｂにおける、基準電極３１２が配置された位置からセンサ素子２の後端位置まで形成されている。また、第１絶縁体３３Ａには、ガス室３５へ検出対象ガスＧを所定の拡散速度で導入するための拡散抵抗部３２が、ガス室３５に連通する状態で設けられている。

図１及び図３示すように、センサ素子２は、長尺形状に形成されており、検出電極３１１、基準電極３１２、ガス室３５、拡散抵抗部３２及び発熱体３４の発熱部３４１は、長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位に配置されている。センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位には、検出電極３１１及び基準電極３１２と、これらの電極３１１，３１２の間に挟まれた固体電解質体３１の部分とによる検知部２１が形成されている。

センサ素子２の長尺方向Ｌとは、センサ素子２が長尺形状に形成された方向のことをいう。また、長尺方向Ｌに直交し、横断面における、固体電解質体３１と絶縁体３３Ａ，３３Ｂとが積層された方向、換言すれば、固体電解質体３１、絶縁体３３Ａ，３３Ｂ及び発熱体３４が積層された方向を、積層方向Ｄという。また、横断面における、積層方向Ｄに直交する方向、換言すれば、長尺方向Ｌと積層方向Ｄとに直交する方向を、幅方向Ｗという。また、センサ素子２の長尺方向Ｌにおいて、検知部２１が形成された側を先端側Ｌ１といい、先端側Ｌ１の反対側を後端側Ｌ２という。

図２に示すように、検出電極３１１及び基準電極３１２には、これらの電極３１１，３１２をガスセンサ１の外部と電気接続するための電極リード部３１３，３１４が接続されており、この電極リード部３１３，３１４は、長尺方向Ｌの後端側Ｌ２の部位まで引き出されている。なお、図２、図３、図５等においては、分かりやすくするために、センサ素子２の長尺方向Ｌの長さを短くして示す。

また、図２及び図５に示すように、発熱体３４は、通電によって発熱する発熱部３４１と、発熱部３４１に繋がる一対の発熱体リード部３４２とを有する。発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。発熱体リード部３４２は、長尺方向Ｌの後端側Ｌ２の部位まで引き出されている。発熱体３４は、導電性を有する金属材料を含有している。

発熱部３４１は、発熱体３４における先端部において長尺方向Ｌに蛇行する形状に形成されている。なお、発熱部３４１は、幅方向Ｗに蛇行して形成されていてもよい。発熱部３４１は、長尺方向Ｌに直交する積層方向Ｄにおいて、検出電極３１１及び基準電極３１２に対向する位置に配置されている。発熱体リード部３４２からの通電によって発熱部３４１が発熱することにより、検出電極３１１、基準電極３１２、及び固体電解質体３１における、各電極３１１，３１２の間に挟まれた部分が目標とする温度に加熱される。

発熱部３４１の断面積は、発熱体リード部３４２の断面積よりも小さく、発熱部３４１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部３４２の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部３４１及び発熱体リード部３４２が延びる方向に直交する面の断面積のことをいう。そして、一対の発熱体リード部３４２に電圧が印加されると、発熱部３４１がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、検知部２１の周辺が加熱される。

第１絶縁体３３Ａは、ガス室３５を形成するものであり、第２絶縁体３３Ｂは、基準ガスダクト３６を形成するとともに、発熱体３４を埋設するものである。第１絶縁体３３Ａ及び第２絶縁体３３Ｂは、アルミナ（酸化アルミニウム）によって形成されている。各絶縁体３３Ａ，３３Ｂは、検出対象ガスＧ又は基準ガスＡが透過することができない緻密体として形成されており、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂには、気体が通過することができる気孔がほとんど形成されていない。

図２及び図３に示すように、第１絶縁体３３Ａは、ガス室３５を形成するために積層方向Ｄに貫通された貫通穴３３２を有する絶縁スペーサ３３１と、絶縁スペーサ３３１に積層されて、貫通穴３３２を閉じるための絶縁プレート３３４とによって形成されている。本形態の拡散抵抗部３２は、ガス室３５の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して形成されている。拡散抵抗部３２は、第１絶縁体３３Ａの絶縁スペーサ３３１において、ガス室３５の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に隣接して開口された導入口３３３内に配置されている。

ガス室３５は、第１絶縁体３３Ａと拡散抵抗部３２と固体電解質体３１とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管内を流れる排ガスである検出対象ガスＧは、拡散抵抗部３２を通過してガス室３５内に導入される。

拡散抵抗部３２は、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に隣接して形成してもよい。この場合には、拡散抵抗部３２は、第１絶縁体３３Ａの絶縁スペーサ３３１において、ガス室３５の幅方向Ｗの両側に隣接して開口された導入口３３３内に配置される。

拡散抵抗部３２は、アルミナ等の多孔質のセラミックスによって形成されている。ガス室３５に導入される検出対象ガスＧの拡散速度（流量）は、検出対象ガスＧが拡散抵抗部３２における気孔を透過する速度が制限されることによって決定される。

なお、拡散抵抗部３２は、多孔質体を用いて形成する以外にも、ガス室３５に連通された小さな貫通穴であるピンホールを用いて形成することもできる。

図２及び図３に示すように、第２絶縁体３３Ｂは、基準ガスダクト３６を構成する切欠き部３３６が形成された絶縁スペーサ３３５と、絶縁スペーサ３３５に積層された第１ヒータプレート３３７と、第１ヒータプレート３３７との間に発熱体３４を挟み込んで第１ヒータプレート３３７に積層された第２ヒータプレート３３８とによって形成されている。

第１絶縁体３３Ａの絶縁スペーサ３３１及び第２絶縁体３３Ｂの絶縁スペーサ３３５においては、成形、切削、ペーストの塗布等の種々の方法によって、貫通穴３３２又は切欠き部３３６を形成することができる。

基準ガスダクト３６は、長尺方向Ｌの後端側Ｌ２が開口された、基準ガスＡのダクトとして形成されている。基準ガスダクト３６は、センサ素子２の長尺方向Ｌの後端位置から、固体電解質体３１を介してガス室３５と対向する位置まで形成されている。基準電極３１２は、基準ガスダクト３６内における先端側Ｌ１の部位に配置されている。基準ガスダクト３６には、基準ガスＡとしての大気が、センサ素子２の後端側Ｌ２から導入される。

図１に示すように、センサ素子２の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の部位の全周には、検出電極３１１に対する被毒物質、排気管内に生じる凝縮水等を捕獲するための多孔質層３７が設けられている。多孔質層３７は、アルミナ等の多孔質のセラミックスによって形成されている。多孔質層３７の気孔率は、拡散抵抗部３２の気孔率よりも大きく、多孔質層３７を透過することができる検出対象ガスＧの流量は、拡散抵抗部３２を透過することができる検出対象ガスＧの流量よりも多い。

（基準ガスダクト３６）
図３及び図５に示すように、基準ガスダクト３６は、センサ素子２の長尺方向Ｌに直交する横断面の断面積が、長尺方向Ｌにおいて変化して形成されたものである。基準ガスダクト３６は、基準電極３１２の後端位置３１２Ａよりも長尺方向Ｌの後端側Ｌ２の位置に、横断面の断面積が変化するダクト境界部３６３を有する。本形態において、基準ガスダクト３６における、ダクト境界部３６３よりも長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に位置する部分を先端側ダクト部３６１といい、基準ガスダクト３６における、ダクト境界部３６３よりも長尺方向Ｌの後端側Ｌ２に位置する部分を後端側ダクト部３６２という。

基準ガスダクト３６は、発熱体３４の発熱部３４１によって高温に加熱されやすい先端側ダクト部３６１の横断面の断面積を、後端側ダクト部３６２よりも縮小させた形状を有する。本形態のダクト境界部３６３は、先端側ダクト部３６１の横断面の断面積が後端側ダクト部３６２の横断面の断面積から急激に縮小する段差部として形成されている。先端側ダクト部３６１における、固体電解質体３１とは反対側に位置する積層方向Ｄの壁面３３９は、後端側ダクト部３６２における、固体電解質体３１とは反対側に位置する積層方向Ｄの壁面３３９よりも固体電解質体３１に近い位置にある。そして、先端側ダクト部３６１の長尺方向Ｌの全長における横断面の断面積は、後端側ダクト部３６２の長尺方向Ｌの全長における横断面の断面積よりも小さい。

先端側ダクト部３６１の長尺方向Ｌの全長における積層方向Ｄの厚みは、後端側ダクト部３６２の長尺方向Ｌの全長における積層方向Ｄの厚みよりも小さい。これに伴い、基準電極３１２の後端位置３１２Ａにおける、基準ガスダクト３６の積層方向Ｄの厚みは、後端開口部３６０における、基準ガスダクト３６の積層方向Ｄの厚みよりも小さい。

また、図３及び図５に示すように、先端側ダクト部３６１の長尺方向Ｌの全長における幅方向Ｗの幅は、後端側ダクト部３６２の長尺方向Ｌの全長における幅方向Ｗの幅とほぼ同じである。そして、先端側ダクト部３６１の横断面の断面積は、先端側ダクト部３６１の積層方向Ｄの厚みを後端側ダクト部３６２の積層方向Ｄの厚みよりも小さくすることによって、後端側ダクト部３６２の横断面の断面積よりも小さくしている。また、先端側ダクト部３６１の長尺方向Ｌの長さは、後端側ダクト部３６２の長尺方向Ｌの長さよりも短い。また、先端側ダクト部３６１の容積は、後端側ダクト部３６２の容積よりも小さい。

本形態の後端側ダクト部３６２の積層方向Ｄの厚み及び幅方向Ｗの幅は、長尺方向Ｌにおいて一定である。また、後端側ダクト部３６２の横断面の断面積は、長尺方向Ｌにおいて一定である。一方、先端側ダクト部３６１の幅方向Ｗの幅は、長尺方向Ｌにおいて一定であり、先端側ダクト部３６１の積層方向Ｄの厚みは、長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に行くに連れて縮小している。そして、先端側ダクト部３６１の横断面の断面積は、長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に行くに連れて縮小している。

図３に示すように、本形態の先端側ダクト部３６１における、固体電解質体３１とは反対側に位置する積層方向Ｄの壁面３３９は、固体電解質体３１から離れる方向に膨らむ曲面状に形成されている。先端側ダクト部３６１は、横断面の断面積Ｓ１が一定になる形状に形成されていてもよい。また、先端側ダクト部３６１の先端側Ｌ１の端部のみが曲面状に形成され、先端側Ｌ１の端部を除く部位は平面状に形成されていてもよい。

また、図６に示すように、ダクト境界部３６３は、先端側ダクト部３６１における、固体電解質体３１とは反対側に位置する積層方向Ｄの壁面３３９が、後端側ダクト部３６２における、固体電解質体３１とは反対側に位置する積層方向Ｄの壁面３３９に対して屈曲する屈曲部として形成されていてもよい。この場合には、先端側ダクト部３６１における、固体電解質体３１とは反対側に位置する積層方向Ｄの壁面３３９は、長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に行くに連れて固体電解質体３１に近づくテーパ面として形成することができる。

また、基準ガスダクト３６の容積は、ガス室３５の容積よりも大きい。また、基準ガスダクト３６の長尺方向Ｌの長さは、ガス室３５の長尺方向Ｌの長さよりも長く、基準ガスダクト３６の積層方向Ｄの厚みは、ガス室３５の積層方向Ｄの厚みよりも大きい。

（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等の他に、センサ素子２を保持する第１インシュレータ４２、第１インシュレータ４２を保持するハウジング４１、第１インシュレータ４２に連結された第２インシュレータ４３、第２インシュレータ４３に保持されてセンサ素子２に接触する接点端子４４を備える。また、ガスセンサ１は、ハウジング４１の先端側Ｌ１の部分に装着された先端側カバー４５、ハウジング４１の後端側Ｌ２の部分に装着されて第２インシュレータ４３、接点端子４４等を覆う後端側カバー４６、接点端子４４に繋がるリード線４８を後端側カバー４６に保持するためのブッシュ４７等を備える。

先端側カバー４５は、内燃機関の排気管内に配置される。先端側カバー４５には、検出対象ガスＧとしての排ガスを通過させるためのガス通過孔４５１が形成されている。先端側カバー４５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４５のガス通過孔４５１から先端側カバー４５内に流入する検出対象ガスＧとしての排ガスは、センサ素子２の多孔質層３７及び拡散抵抗部３２を通過して検出電極３１１へと導かれる。

図１に示すように、後端側カバー４６は、内燃機関の排気管の外部に配置される。後端側カバー４６には、後端側カバー４６内へ基準ガスＡとしての大気を導入するための大気導入孔４６１が形成されている。大気導入孔４６１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４６２が配置されている。大気導入孔４６１から後端側カバー４６内に導入される基準ガスＡは、後端側カバー４６内の隙間及び基準ガスダクト３６を通過して基準電極３１２へと導かれる。

図１及び図２に示すように、接点端子４４は、検出電極３１１の電極リード部３１３、基準電極３１２の電極リード部３１４、発熱体３４の発熱体リード部３４２のそれぞれに接続されるよう、第２インシュレータ４３に複数配置されている。また、リード線４８は、接点端子４４のそれぞれに接続されている。

図１及び図３に示すように、ガスセンサ１におけるリード線４８は、ガスセンサ１におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置６に電気接続される。センサ制御装置６は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置と連携してガスセンサ１における電気制御を行うものである。センサ制御装置６には、検出電極３１１と基準電極３１２との間に流れる電流を測定する測定回路６１、検出電極３１１と基準電極３１２との間に電圧を印加する印加回路６２、発熱体３４に通電を行うための通電回路等が形成されている。なお、センサ制御装置６は、エンジン制御装置内に構築してもよい。

（製造方法）
センサ素子２の製造においては、固体電解質体３１、各絶縁体３３Ａ，３３Ｂ、拡散抵抗部３２、発熱体３４等を積層して積層体とし、この積層体を加熱して焼結する。検出電極３１１及び基準電極３１２は、白金、固体電解質、溶媒等を含有するペースト材料を固体電解質体３１に印刷（塗布）し、センサ素子２の積層体を焼結する際に、白金及び固体電解質が焼結されて形成される。

（作用効果）
本形態のガスセンサ１においては、基準電極３１２の長尺方向Ｌの後端位置３１２Ａを含む先端側ダクト部３６１の横断面の断面積は、後端開口部３６０を含む後端側ダクト部３６２の横断面の断面積の０．２倍以上１倍未満である。この構成により、基準電極３１２への基準ガスＡの導入量を適切に確保するとともに、センサ素子２の伝熱性を高めることができる。

具体的には、後端側ダクト部３６２の後端開口部３６０における横断面の断面積Ｓ２は、基準電極３１２へ基準ガスＡを十分に導入することができる大きさに設定する。そして、基準電極３１２の後端位置３１２Ａを含む先端側ダクト部３６１の横断面の断面積Ｓ１は、発熱体３４の発熱部３４１によって、固体電解質体３１、検出電極３１１及び基準電極３１２を加熱する際に、基準ガスダクト３６が断熱部となって発熱部３４１から固体電解質体３１等への伝熱を妨げることを緩和する断面積に設定する。これにより、基準電極３１２への基準ガスＡの導入量を適切に確保するとともに、センサ素子２の伝熱性を高めることができる。

本形態のセンサ素子２の先端部においては、先端側ダクト部３６１の容積が小さい分、第２絶縁体３３Ｂの容積が大きくなり、発熱体３４の発熱部３４１によって、検出電極３１１、基準電極３１２、及び各電極３１１，３１２の間に位置する固体電解質体３１の部分が加熱されやすくなる。これにより、発熱体３４によってセンサ素子２を活性化するための時間を短くすることができる。

また、先端側ダクト部３６１は、発熱部３４１に対向する位置にあり、この先端側ダクト部３６１内の基準ガスＡは、後端側ダクト部３６２内の基準ガスＡに比べて発熱部３４１によって高温に加熱される。そして、先端側ダクト部３６１内の基準ガスＡの拡散係数は、後端側ダクト部３６２内の基準ガスＡの拡散係数に比べて大きくなる。拡散係数は、基準電極３１２へ基準ガスＡが供給される際に、固体電解質体３１を介して基準電極３１２から検出電極３１１へ移動する酸素イオン量を左右する。つまり、拡散係数が大きいほど、酸素イオンの移動量は多くなる。

そのため、先端側ダクト部３６１の横断面の断面積が小さくなっても、基準電極３１２から検出電極３１１への酸素イオンの移動量を適切に確保することができる。特に、検出対象ガスＧから求められる内燃機関の空燃比がリッチ状態にあるときに、検出電極３１１における未燃ガス等を化学反応させるための十分な酸素イオンを基準電極３１２から検出電極３１１へ移動させることができる。これにより、先端側ダクト部３６１の横断面の断面積が小さくても、基準電極３１２から検出電極３１１への酸素イオンの移動があまり制約されず、センサ素子２における電気化学反応を良好に維持することができる。

それ故、本形態のガスセンサ１によれば、基準電極３１２への基準ガスＡの導入量を適切に確保するとともに、センサ素子２の伝熱性を高めることができる。

（断面積Ｓ１，Ｓ２）
先端側ダクト部３６１の基準電極３１２の後端位置３１２Ａにおける横断面の断面積Ｓ１は、後端側ダクト部３６２の後端開口部３６０における横断面の断面積Ｓ２の０．２倍以上としている。この断面積の比Ｓ１／Ｓ２が０．２倍未満である場合には、基準電極３１２への基準ガスＡの導入量を十分に維持することが難しくなる。「０．２倍以上」という値は、次の理由に基づいて求められる。

「０．２倍以上」という値は、先端側ダクト部３６１内における基準ガスＡとしての大気と、後端開口部３６０における基準ガスＡとしての大気との、温度差による拡散係数の違いに基づいて求めた。気体の拡散係数は、主に温度の関数として求められる。気体の拡散係数をＤ［ｍ²／ｓ］、ボルツマン定数をｋ［ＪＫ^-1］、温度をＴ［Ｋ］、分子半径をａ［ｎｍ］としたとき、Ｄ＝２／（３ａ²）×（ｋＴ／π）^3/2によって表すことができる。

そして、この拡散係数の式を用いて、基準ガスＡとしての大気の温度Ｔを常温（２０℃）から７００℃まで変化させたときの拡散係数Ｄを計算した結果を図７に示す。ガスセンサ１においては、常温（約２０℃）の大気が後端側ダクト部３６２の後端開口部３６０から導入され、先端側ダクト部３６１内の大気は、発熱体３４の発熱部３４１によって７００℃程度まで加熱される。

同図においては、横軸に、基準ガスダクト３６内に導入される大気の温度をとり、縦軸に、拡散係数比をとって、大気の温度に対して拡散係数がどれだけ変化するかを示す。拡散係数比は、２０℃のときの大気の拡散係数を基準拡散係数として、各温度における拡散係数が基準拡散係数に対して何倍となったかを示す。

この拡散係数の変化を確認したところ、７００℃における大気の拡散係数は、２０℃における大気の拡散係数の５．２倍程度になった。この結果より、先端側ダクト部３６１の基準電極３１２の後端位置３１２Ａにおける横断面の断面積Ｓ１は、後端側ダクト部３６２の後端開口部３６０における横断面の断面積Ｓ２の１／５まで小さくすることが可能と考え、「０．２倍以上」との値を導き出した。

＜実施形態２＞
本形態は、実施形態１とは異なるセンサ素子２の形態について示す。
図８に示すように、基準電極３１２の後端位置３１２Ａを含む先端側ダクト部３６１の幅方向Ｗの幅は、後端開口部３６０を含む後端側ダクト部３６２の幅方向Ｗの幅よりも小さく形成することができる。先端側ダクト部３６１の横断面の断面積は、先端側ダクト部３６１の幅方向Ｗの幅が後端側ダクト部３６２の幅方向Ｗの幅よりも小さいことによって、後端側ダクト部３６２の横断面の断面積よりも小さくなる。

また、ダクト境界部３６３は、基準ガスダクト３６の幅方向Ｗの壁面３３９Ａが段差状に変化する部位として形成されている。また、ダクト境界部３６３は、基準ガスダクト３６の幅方向Ｗの壁面３３９Ａが傾斜状に変化する部位の長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の端部として形成することもできる。また、先端側ダクト部３６１は、基準ガスダクト３６の積層方向Ｄの厚み及び幅方向Ｗの幅の両方が縮小した部位として形成することができる。

本形態のガスセンサ１におけるその他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。

＜実施形態３＞
本形態も、実施形態１とは異なるセンサ素子２の形態について示す。
図９に示すように、センサ素子２の先端部の積層方向Ｄの厚みは、後端部の積層方向Ｄの厚みに比べて小さくすることができる。具体的には、センサ素子２は、長尺方向Ｌにおける基準電極３１２の後端位置３１２Ａの近傍又は後端側Ｌ２に、横断面の断面積が変化する素子境界部２４を有していてもよい。素子境界部２４よりも長尺方向Ｌの先端側Ｌ１に位置する先端側素子部２２の横断面の断面積は、素子境界部２４よりも長尺方向Ｌの後端側Ｌ２に位置する後端側素子部２３の横断面の断面積よりも小さくすることができる。

素子境界部２４は、先端側素子部２２の横断面の断面積が後端側素子部２３の横断面の断面積から急激に縮小する段差部として形成することができる。先端側ダクト部３６１における、第２絶縁体３３Ｂの積層方向Ｄの外側面３３０は、後端側ダクト部３６２における、第２絶縁体３３Ｂの積層方向Ｄの外側面３３０よりも、固体電解質体３１に近い位置に形成されている。換言すれば、先端側素子部２２の横断面の断面積は、積層方向Ｄにおいて、先端側素子部２２における第２絶縁体３３Ｂの外側面３３０が、後端側素子部２３における第２絶縁体３３Ｂの外側面３３０よりも固体電解質体３１に近いことによって、後端側素子部２３の横断面の断面積よりも小さくすることができる。

また、同図に示すように、先端側素子部２２の横断面の断面積は、先端側素子部２２の積層方向Ｄの厚みが後端側素子部２３の積層方向Ｄの厚みよりも小さいことによって、後端側素子部２３の横断面の断面積よりも小さくすることができる。換言すれば、先端側素子部２２の積層方向Ｄの厚みは、第２絶縁体３３Ｂの外側面３３０に形成された切欠き部２２１によって、後端側素子部２３の積層方向Ｄの厚みよりも小さく形成することができる。発熱部３４１は、第２絶縁体３３Ｂにおける、切欠き部２２１が形成された位置の積層方向Ｄに隣接する位置に埋設することができる。

本形態においては、先端側素子部２２における第２絶縁体３３Ｂの体積が小さくなり、センサ素子２の熱容量が小さくなる。そのため、発熱体３４によって固体電解質体３１等を加熱する際の消費電力を低減させることができる。また、発熱体３４の発熱部３４１を、検出電極３１１及び基準電極３１２に近い位置に配置することができ、発熱体３４によるセンサ素子２の早期活性化を図ることができる。

本形態のガスセンサ１におけるその他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。

＜実施形態４＞
本形態も、実施形態１とは異なるセンサ素子２の形態について示す。
図１０に示すように、発熱体３４は、第１絶縁体３３Ａの内部に埋設することもできる。これにより、発熱体３４の発熱部３４１を検出電極３１１及び基準電極３１２により近い位置に配置することができる。そのため、発熱体３４によって固体電解質体３１等を加熱する際の消費電力をさらに低減させることができ、発熱体３４によるセンサ素子２のさらなる早期活性化を図ることができる。また、発熱体３４を第１絶縁体３３Ａの内部に埋設する場合においても、センサ素子２の先端部における第２絶縁体３３Ｂに切欠き部２２１を形成することができ、切欠き部２２１を形成しないこともできる。

また、図１１に示すように、基準ガスダクト３６の先端側ダクト部３６１と後端側ダクト部３６２との間には、先端側ダクト部３６１の積層方向Ｄの壁面３３９と後端側ダクト部３６２の積層方向Ｄの壁面３３９とを繋ぐ、長尺方向Ｌに対して傾斜するダクト傾斜面３６４が形成されていてもよい。この場合には、ダクト境界部３６３は、屈曲部としての、ダクト傾斜面３６４における長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の端部とすることができる。

また、同図に示すように、センサ素子２の先端側素子部２２と後端側素子部２３との間には、先端側素子部２２の積層方向Ｄの外側面３３０と後端側素子部２３の積層方向Ｄの外側面３３０とを繋ぐ、長尺方向Ｌに対して傾斜する素子傾斜面２５が形成されていてもよい。この場合には、素子境界部２４は、屈曲部としての、素子傾斜面２５における長尺方向Ｌの先端側Ｌ１の端部とすることができる。

また、図示は省略するが、ダクト傾斜面３６４の端部及びダクト境界部３６３は、屈曲部とする以外にも、曲面状の端部としてもよい。また、素子傾斜面２５の端部及び素子境界部２４も、屈曲部とする以外にも、曲面状の端部としてもよい。曲面状の端部とは、屈曲部となる角部をＲ形状に丸めることを示す。

本形態のガスセンサ１におけるその他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。

また、実施形態１〜４に示すセンサ素子２の構造は、センサ素子２が取り得る構造の一例を示す。センサ素子２の構造は、実施形態１，２に示す種々の組み合わせによる構造とすることができる。また、ガスセンサ１の用途によっては、ガス室３５及び拡散抵抗部３２が設けられていないセンサ素子２を用いることもできる。

＜確認試験＞
本確認試験においては、基準ガスダクト３６に先端側ダクト部３６１及び後端側ダクト部３６２が形成されていない従来のセンサ素子（比較品）と、実施形態１に示したセンサ素子２（実施品１）、及び実施形態３に示した、発熱体３４が第２絶縁体３３Ｂの内部に埋設され、第２絶縁体３３Ｂに切欠き部２２１が形成されたセンサ素子２（実施品２）、及び実施形態４に示した、発熱体３４が第１絶縁体３３Ａの内部に埋設されたセンサ素子２（実施品３）について、発熱体３４に必要とされる消費電力の比較を行った。

各センサ素子は、ガスセンサ１の使用時の作動温度である７００℃になるように発熱体３４によって加熱した。発熱体３４の消費電力を確認した結果、比較品のセンサ素子の消費電力が９．３Ｗであったことに対し、実施品１の消費電力は８．５Ｗ、実施品２の消費電力は７．２Ｗ、及び実施品３の消費電力は５．８Ｗとなった。実施品１〜３においては、基準ガスダクト３６の横断面の断面積が変化する状態に形成したことによって、センサ素子２の消費電力が低減される効果が得られることが分かった。また、実施品２，３においては、発熱体３４の発熱部３４１を、検出電極３１１及び基準電極３１２に近づけることによって、発熱体３４の消費電力がさらに低減することが分かった。

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。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。

１ ガスセンサ
２ センサ素子
３１ 固体電解質体
３１１ 検出電極
３１２ 基準電極
３１２Ａ 後端位置
３３Ａ，３３Ｂ 絶縁体
３４ 発熱体
３６ 基準ガスダクト
３６０ 後端開口部

Claims (11)

1. 長尺板形状のセンサ素子（２）を備えるガスセンサ（１）において、
   前記センサ素子は、
   酸素イオンの伝導性を有する固体電解質体（３１）と、
   前記固体電解質体における、検出対象ガス（Ｇ）に晒される第１主面（３０１）であって前記センサ素子の長尺方向（Ｌ）の先端側位置に設けられた検出電極（３１１）と、
   前記固体電解質体における、基準ガス（Ａ）に晒される第２主面（３０２）であって前記長尺方向の先端側位置に設けられた基準電極（３１２）と、
   前記固体電解質体に積層された絶縁体（３３Ａ，３３Ｂ）と、
   前記絶縁体内に埋設され、前記検出電極及び前記基準電極に対向する位置に配置された、通電によって発熱する発熱部（３４１）、及び前記発熱部の、前記長尺方向の後端側に繋がるリード部（３４２）を有する発熱体（３４）と、
   前記絶縁体における、前記固体電解質体の前記第２主面に隣接する位置であって、前記長尺方向の後端開口部（３６０）から前記基準電極の配置位置まで形成され、前記後端開口部から前記基準ガスが導入される基準ガスダクト（３６）と、を備え、
   前記基準電極の前記長尺方向の後端位置（３１２Ａ）における、前記基準ガスダクトの前記長尺方向に直交する横断面の断面積（Ｓ１）は、前記後端開口部における、前記基準ガスダクトの前記横断面の断面積（Ｓ２）の０．２倍以上１倍未満である、ガスセンサ。
2. 前記横断面における、前記固体電解質体と前記絶縁体とが積層された方向を積層方向（Ｄ）としたとき、
   前記基準電極の前記後端位置における、前記基準ガスダクトの前記積層方向の厚みは、前記後端開口部における、前記基準ガスダクトの前記積層方向の厚みよりも小さい、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記横断面における、前記固体電解質体と前記絶縁体とが積層された方向を積層方向（Ｄ）とするとともに、前記積層方向に直交する方向を幅方向（Ｗ）としたとき、
   前記基準電極の前記後端位置における、前記基準ガスダクトの前記幅方向の幅は、前記後端開口部における、前記基準ガスダクトの前記幅方向の幅よりも小さい、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記基準ガスダクトは、前記基準電極の前記後端位置よりも前記長尺方向の後端側の位置に、前記横断面の断面積が変化するダクト境界部（３６３）を有し、
   前記ダクト境界部よりも前記長尺方向の先端側に位置する先端側ダクト部（３６１）の前記横断面の断面積は、前記ダクト境界部よりも前記長尺方向の後端側に位置する後端側ダクト部（３６２）の前記横断面の断面積よりも小さい、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記ダクト境界部は、前記先端側ダクト部の前記横断面の断面積が前記後端側ダクト部の前記横断面の断面積から急激に縮小する段差部として形成されている、請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記ダクト境界部は、前記先端側ダクト部の壁面（３３９）が前記後端側ダクト部の壁面（３３９）に対して屈曲する屈曲部として形成されている、請求項４に記載のガスセンサ。
7. 前記後端側ダクト部の前記横断面の断面積は、前記長尺方向において一定であり、
   前記先端側ダクト部の少なくとも一部における前記横断面の断面積は、前記長尺方向の先端側に行くに連れて縮小している、請求項４〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
8. 前記センサ素子は、前記長尺方向における前記基準電極の前記後端位置の近傍又は後端側に、前記横断面の断面積が変化する素子境界部（２４）を有し、
   前記素子境界部よりも前記長尺方向の先端側に位置する先端側素子部（２２）の前記横断面の断面積は、前記素子境界部よりも前記長尺方向の後端側に位置する後端側素子部（２３）の前記横断面の断面積よりも小さい、請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
9. 前記センサ素子は、
   前記絶縁体における、前記固体電解質体の前記第１主面に隣接する位置であって、前記検出電極が配置された位置に形成されたガス室（３５）と、
   前記ガス室に連通して前記絶縁体に設けられ、前記ガス室へ前記検出対象ガスを所定の拡散速度で導入するための拡散抵抗部（３２）と、をさらに備え、
   前記絶縁体は、前記固体電解質体の前記第１主面に積層された第１絶縁体（３３Ａ）と、前記固体電解質体の前記第２主面に積層された第２絶縁体（３３Ｂ）とによって構成されており、
   前記先端側素子部の前記横断面の断面積（Ｓ３）は、前記固体電解質体と前記絶縁体との積層方向（Ｄ）において、前記先端側素子部における前記第２絶縁体の外側面（３３０）が、前記後端側素子部における前記第２絶縁体の外側面（３３０）よりも前記固体電解質体に近いことによって、前記後端側素子部の前記横断面の断面積（Ｓ４）よりも小さい、請求項８に記載のガスセンサ。
10. 前記発熱部は、前記先端側素子部における前記第２絶縁体の内部に埋設されている、請求項９に記載のガスセンサ。
11. 前記発熱部は、前記先端側素子部における前記第１絶縁体の内部に埋設されている、請求項９に記載のガスセンサ。

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