JP4762539B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関の排気ガス中の酸素など、被測定ガス中の特定のガスを検出するためのガスセンサに関する。

従来から、ガスセンサの一つとして、先端部が閉じた中空軸状で内外面に電極層を有するガス検出素子を備えた酸素センサが知られている。このような酸素センサでは、基準ガスとしての大気を酸素検出素子の内側に導入し、外側に被測定ガスを接触させ、内外の酸素濃度差に応じて生じる酸素濃淡電池起電力を測定することによって、酸素濃度を検出する。

ところで、上記の酸素センサでは、温度が低い場合は固体電解質部材で構成された酸素検出素子の活性が充分でない。このため、発熱部を有するヒータを酸素検出素子の中空部に挿入したものがある。

さらに、ヒータの中心軸線が酸素検出素子中空部の中心軸線に対して偏心して配置されるとともに、ヒータの酸素検出素子との接触部分に高温発熱部を配した構成の酸素センサも知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。このような酸素センサでは、発熱部が酸素検出素子の必要部位に対して効率的に加熱を行い、酸素検出素子の局部的な昇温を効率良く短時間で行うことができる。これによって、酸素検出素子を早期に活性化し、早期に酸素濃度を検出することができる。
特開２０００−２６６７１８号公報 特開２００１−７４６８７号公報

しかしながら、上述したヒータの中心軸線が酸素検出素子中空部の中心軸線に対して偏心して配置されるとともに、ヒータと酸素検出素子の接触位置に高温発熱部を配した構成の酸素センサでは、次のような課題があることが判明した。すなわち、このような酸素センサでは、接触位置のヒータ発熱を大きくし過ぎると、ヒータ内部の発熱体とヒータ表面の温度差が大きくなり、ヒータ表面部において、周方向の引張応力が高くなり、軸方向クラックが発生する可能性が高くなるという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、ガス検出素子の局部的な昇温を効率良く短時間で行うことができ、ガス検出素子を早期に活性化して、早期にガス濃度の検出を可能とすることができるとともに、クラックの発生等を抑制して寿命の長期化を図ることのできるガスセンサを提供することを目的とする。

（請求項１）
上記目的を達成するために、本発明のガスセンサは、先端部が閉じた有底筒状で内外面に電極層を有するガス検出素子と、前記ガス検出素子の中空部に挿入され、その先端部に発熱部を有する棒状のヒータとを備え、前記ヒータの中心軸線が前記ガス検出素子の中空部の中心軸線に対して片側に寄るように偏心して配置されたガスセンサであって、前記ヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体の内部に周方向に沿って埋設された発熱体とを具備し、前記ヒータの発熱部は、前記ガス検出素子の内壁に接触する接触部位に対応して設けられた高温発熱部と当該高温発熱部以外の発熱部とを有し、前記高温発熱部における前記発熱体の単位長さ当たりの最高抵抗値をＲｃとし、前記高温発熱部以外の発熱部における前記発熱体の単位長さ当たりの最低抵抗値をＲｓとしたとき、Ｒｃ／Ｒｓが１．５〜３．０であり、且つ、前記発熱体は前記セラミック基体の厚さ方向中央より外側の位置に周方向に沿って埋設され、前記ヒータの外側表面と前記発熱体までの距離をｄ、前記ヒータの半径をＲとしたとき、ｄが、５μｍ＜ｄ＜２５０μｍ、２Ｒが１〜５ｍｍ、ｄ／Ｒが０．１６以下であることを特徴とする。

上記構成の本発明のガスセンサによれば、ヒータ各部の発生熱量とガス検出素子への伝熱量がバランスして、ヒータ各部に大きな温度差が生じないようにすることによって、クラックの発生を抑制し、寿命の長期化を図ることができる。

（請求項２）
また、本発明のガスセンサでは、前記ヒータの発熱部は、軸方向に沿って延び、周方向に列設された複数の本体部と、複数の該本体部のそれぞれについて、隣り合う本体部の端部を連結する接続部と、により一本に連なる前記発熱体が前記セラミック基体の内部に周方向に沿って埋設され、前記高温発熱部が、前記複数の本体部のうち中央に配設された本体部にあることを特徴とする。高温発熱部を発熱体の本体部のうち中央部に形成することで、ガス検出素子との接触位置を正確に形成することができる。

本発明によれば、ガス検出素子の局部的な昇温を効率良く短時間で行うことができ、ガス検出素子を早期に活性化して、早期にガス濃度の検出を可能とすることができるとともに、クラックの発生等を抑制して寿命の長期化を図ることのできるガスセンサを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る酸素センサの概略構成を示すものである。

同図に示すように、酸素センサ１は、酸素検出素子２と、ヒータ３とを備えている。酸素検出素子２は、ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性固体電解質部材から構成され、先端が閉じた有底筒状に形成されている。酸素検出素子２の外面及び内面には、そのほぼ全面を覆うように、例えばＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成された外側電極層２０と内側電極層２１とが設けられている。また、ヒータ３は、酸素検出素子２の中空部分に挿入されている。

上記酸素検出素子２の鍔部２２付近の周囲を取り囲むＳＵＳ４３０製の主体金具５が設けられている。この主体金具５には、酸素センサ１を排気管等の取付部に取付けるためのねじ部５１と、排気管の取付部への取付時に取付金具をあてがう六角部５２と、ねじ部５１と六角部５２との間に突出部５３を有している。なお、突出部５３の先端面には、ガスケット７が設けられている。そして、主体金具５の内周面には、先端部に向かって縮径する金具側段部５４が設けられており、この金具側段部５４にパッキン５５を介して後述するインシュレータ９を支持している。

主体金具５と酸素検出素子２との間には、絶縁性セラミックから形成されたインシュレータ８、９が設けられており、これらのインシュレータ８、９の間に、圧縮された状態で滑石（タルク）等の粉末層１０が配置されている。この粉末層１０によって、酸素検出素子２と主体金具５との間が封止され、気密性が確保されるようになっている。また、インシュレータ８の後端側には、環状リング５７が設けられている。

また、主体金具５の先端側には、酸素検出素子２の先端側（検知部）を覆うように、プロテクタ１１が取り付けられている。このプロテクタ１１には、被測定ガスを導入して酸素検出素子２の先端側（検知部）と接触させるための複数のガス透過口１２が設けられている。

そして、主体金具５の後端側には、主体金具５の後端部に設けられた加締め部５６によって固定されるＳＵＳ３０４Ｌ製の内筒部材２３が取付けられている。内筒部材２３は略中間位置にて後端側に向かって径小となる段部２４を有し、段部２４よりも後端側に基準ガスをガス検出素子内部に取り込むガス導入孔２５が周方向に沿って所定間隔で複数設けられている。また、内筒部材２３の段部２４よりも先端側にてＳＵＳ３０４Ｌ製の外筒部材２６と加締められ、固定されている。この外筒部材２６にもガス導入孔２５に対応する位置に複数の補助ガス導入孔２７が設けられている。そしてこのガス導入孔２５と補助ガス導入孔２７との間には、ガス導入孔２５を覆うフィルタ１３が形成されている。このフィルタ１３は、外筒部材２６の補助ガス導入孔２７の先端側及び後端側を加締めることで固定されている。

また、内筒部材２３の内側には、セラミックセパレータ１５が形成されている。このセラミックセパレータ１５は、外側電極と接続する外側電極接続金具１９、内側電極と接続する内側電極接続金具１８及びヒータ３と接続するヒータ接続端子２８を、それぞれに対応するリード線１６，１７，２９と接続するようにして内装する。また、リード線１６，１７，２９は、外筒部材２６の後端側に固定されたゴム製のグロメット１４を貫通して外部と接続する。

内側電極接続金具１８は、先端側に形成されたヒータ把持部１８１の内面でヒータ３の外面を把持する。また、金具本体部１８２の外面と酸素検出素子２の内面との接触により、内側電極接続金具１８及びヒータ３を軸方向の所定位置に固定する役割を果たす。さらに、金具本体部１８２の周方向の一部が図中上方に延在するようにして引出し線部１８３が構成され、この引出し線部１８３のさらに上方にコネクタ１８４が設けられている。ヒータ把持部１８１は、ヒータ３の周囲を包囲するＣ字状の横断面形状を有している。そして、ヒータ３の挿入にともない拡径して弾性的にヒータ３を把持する。

金具本体部１８２は、左右両側の縁に鋸刃状の接触部１８５がそれぞれ複数形成された板状部分を円筒状に曲げ加工することにより、ヒータ３を包囲する形態で形成されている。そして、金具本体部１８２の外周面及び接触部１８５と酸素検出素子２の内壁面（内側電極層２１内面）との間の摩擦力によって内側電極接続金具１８及びヒータ３を酸素検出素子２に対し軸線方向に位置決めする役割を果たすとともに、複数の接触部１８５の各先端部において内側電極層２１内面と接触・導通するようになっている。

一方、外側電極接続金具１９は、円筒状の金具本体部１９１を有する。この金具本体部１９１の周方向の一部が図中上方に延在するようにして引出し線部１９２が構成され、この引出し線部１９２のさらに上方にコネクタ１９３が設けられている。金具本体部１９１は、酸素検出素子２の周囲を包囲するＣ字状の横断面形状を有している。そして、酸素検出素子２の挿入にともない拡径して弾性的に酸素検出素子２を把持する。

この酸素センサ１は、ねじ部５１より先端側（図１において下側）が排気管内等に位置し、それより後端側（図１において上側）が外部の大気中に位置した状態で使用される。そして、基準ガスとしての大気が酸素検出素子２の内側に導入される。一方、酸素検出素子２の外側にはプロテクタ１１のガス透過口１２を介して導入された排気ガスが接触し、酸素検出素子２には、その内外面の酸素濃度差に応じて酸素濃淡電池起電力が生じる。そして、この酸素濃淡電池起電力を、排気ガス中の酸素濃度の検出信号として内側電極層２１、内側電極接続金具１８、リード線１７、及び外側電極層２０、外側電極接続金具１９、リード線１６を介して取り出すことにより、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。

ヒータ３は、図２にも示すように、ヒータ３の発熱部３３表面を酸素検出素子２の内壁面に側方から押し付ける、いわゆる横当て接触方式において、発熱部３３表面の先端部のみが内壁面に接触する状態となっている。この横当て接触方式では、接触位置を介した熱伝導により、また接触位置近傍での熱輻射により、発熱部３３の接触位置の部分からは大量の熱が酸素検出素子２の内壁面へ熱伝達される。

ヒータ３は、図２に示すように、円筒状のセラミック基体３０内に抵抗発熱体３１及びリード部３１４（図４参照）を埋設して構成されている。このヒータ３は、例えば、図３に示すように、セラミックス粉末をバインダとともに板状に成形した粉末成形体３０１の板面に、抵抗発熱体３１及びリード部３１４の原料粉末を含有するペーストを用いて、抵抗発熱体及びリード部のパターン３１１を印刷し、粉末成形体３０１と同様に作製された粉末成形体３０３を積層し、別途形成された円筒状の筒状成形体３０２の外周面に対し粉末成形体３０３が内側となるように巻き付け、これを焼成する方法等により製造される。

抵抗発熱体３１は高融点金属を主体に構成されており、使用可能な高融点金属としては、Ｗが代表的であるがＭｏ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、ＲｕあるいはＭｏＳｉ₂ 、Ｍｏ（Ｓｉ、Ａｌ）３Ｃ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ等の化合物も使用可能であり、これらは単独で用いても複合させて用いてもいずれでもよい。また、セラミック基体３０は、熱伝導性と高温強度及び高温耐食性に優れていることからＡｌ₂ Ｏ₃ を主体に構成できるが、このほかにもムライト、コージェライト、スピネル等のＡｌ₂ Ｏ₃ 成分を含有したセラミックを使用することができる。なお、セラミック基体中には、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｂ₂ Ｏ₅ 等の１種又は２種以上からなる焼結助剤成分が、合計で１５重量％以下の範囲で含有されていてもよい。

図４は、抵抗発熱体３１の印刷パターンを展開して示す模式図である。抵抗発熱体３１は、セラミック基体３０の軸線方向に沿って延びる複数の本体部３１２が、周方向に間隔を設けて配置されるとともに、隣接する本体部３１２が、両端部において接続部３１３により順次連結された、つづら折れ状の一本の連続形態に形成されている。そして、抵抗発熱体３１の後端側の両端には、電源接続用の２つのリード部３１４が一体化されて形成されている。

そして、酸素検出素子２の内壁面と接触する位置（素子接触部）Ｔがほぼ中央にあり、各本体部３１２は、素子接触部Ｔに近い中央のものほどその線幅Ｗ（断面積Ｓ）が段階的に小さくなるものとされている。図中に示す中央部の本体部３１２の線幅はＷｃであり、最外側の本体部３１２の線幅はＷｓである。

抵抗発熱体３１の線幅Ｗの大・小関係は、単位長さ当たりの電気抵抗値の大・小関係に反比例する。したがって、抵抗発熱体３１の線幅Ｗの大・小関係は、発熱量の大・小関係に反比例する。すなわち、他の部分に較べて最も線幅が小さな中央部の線幅Ｗｃの部分は、他の部分に較べて電気抵抗値及び発熱量が最大となっており、この部分が高温発熱部となっている。また、この高温発熱部以外の部分では、最も線幅が大きな最外側の線幅Ｗｓの部分の電気抵抗値が最小となっている。

そして、本実施形態において、中央部の線幅Ｗｃの部分の単位長さ当たりの抵抗値（最高抵抗値）Ｒｃは、単位長さ当たりの抵抗値が最低となっている線幅Ｗｓの部分の抵抗値（最低抵抗値）Ｒｓに対する比（Ｒｃ／Ｒｓ）が１．５〜３．０となるように設定されている。

本実施形態では、抵抗発熱体３１が同一の材料から構成され、各部における単位断面積、の単位長さ当たりの抵抗が同一となっている。なお、抵抗発熱体３１とリード部３１４との抵抗が３．７Ωとなっている。したがって、線幅の比の逆数が、抵抗値の比になっている。以下、本実施形態において、上記の比（Ｒｃ／Ｒｓ）を１．５〜３．０としている理由について説明する。

Ｒｃ／Ｒｓの値が、耐クラック性に与える影響を次のようにしての評価した。まず、ヒータ３と酸素検出素子２を組み付けたものを用いて、ヒータ３に１８Ｖの電圧を１０秒印加したオンの状態と、電圧を印加しない１２０秒のオフ（空冷）の状態を１サイクルとして、このサイクルを１００サイクル繰り返した。この後、酸素検出素子２からヒータ３を抜き取り、ヒータ３表面のクラック発生の有無を、拡大鏡にて観察することによって耐クラック性を評価した。各サンプル数は２０本である。表１は、Ｒｃ／Ｒｓの値が、耐クラック性に与える影響を評価した結果を示すものである。

表１に示すように、Ｒｃ／Ｒｓが１．５未満の場合、発熱体中央に周方向クラックが発生し、クラック発生率はＲｃ／Ｒｓ＝１．０の場合１００％（比較例１）、Ｒｃ／Ｒｓ＝１．３の場合７５％であった（比較例２）。

また、Ｒｃ／Ｒｓが３．０より大きい場合、発熱体中央部表面に軸方向クラックが発生し、クラック発生率はＲｃ／Ｒｓ＝３．２の場合８０％（比較例３）、Ｒｃ／Ｒｓ＝４．２の場合１００％であった（比較例４）。

これに対して、Ｒｃ／Ｒｓが１．５〜３．０の場合、クラック発生率は０％であった （実施例１〜５）。この結果から明らかなように、Ｒｃ／Ｒｓを１．５〜３．０とすることにより、クラックの発生を抑制し、酸素センサの寿命の長期化を図ることができる。

上記のように、Ｒｃ／Ｒｓを１．５〜３．０とすることにより、クラックの発生を抑制できるのは、以下のような理由によるものと推測される。

すなわち、前述したとおり、ヒータ３の高温発熱部は、酸素検出素子２の内壁部に横当て接触方式により接触しているので、この接触位置や接触位置の近傍からは大量の熱が奪われる。一方、高温発熱部以外の部分では、ヒータ３により発生した熱は熱輻射により酸素検出素子２の内壁に伝えられるので、伝熱量は、接触位置及びその近傍に較べて低くなる。

このため、例えば、Ｒｃ／Ｒｓが１．５より小さな場合は、酸素検出素子２に対して効率良くヒータ３の熱を伝えられず、ヒータ３内部の温度が接触部のヒータ３表面温度より高くなり、ヒータ３内部の温度差により周方向のクラックが発生してしまう。

また、Ｒｃ／Ｒｓが３．０より大きくなると、発熱量が抵抗発熱体３１中央部に集中してしまうため、昇温時におけるヒータ３内部の抵抗発熱体３１中央とヒータ３表面の温度勾配が大きくなり、ヒータ３表面部において周方向の引張応力が高くなり、軸方向クラックが発生してしまう。

そして、Ｒｃ／Ｒｓを１．５〜３．０とすることにより、ヒータ３各部の発生熱量と酸素検出素子２への伝熱量がバランスしてヒータ３各部に大きな温度差が生じないので、クラックの発生を抑制できる。

また、本実施形態では、図５に示されるように、抵抗発熱体３１はセラミック基体３０の厚さ方向中央より外側の位置に周方向に沿って埋設されている。そして、ヒータ３の外側表面と抵抗発熱体３１までの距離ｄ、ヒータ３の半径をＲとしたとき、ｄが５μｍより大、２Ｒが１〜５ｍｍであり、且つ、ｄ／Ｒが０．１６以下とされている。これは、以下ような理由による。

すなわち、表２は、上記のｄ／Ｒの値が、耐クラック性に与える影響を評価した結果を示すものである。耐クラック性の評価は、まずヒータ３と酸素検出素子２を組み付けたものを用いて、ヒータ３に２０Ｖの電圧を１０秒印加したオンの状態と、電圧を印加しない１２０秒のオフ（空冷）の状態を１サイクルとして、このサイクルを１００サイクル繰り返した後、酸素検出素子２からヒータ３を抜き取り、ヒータ３表面のクラック発生の有無を、拡大鏡にて観察することによって行った。各サンプル数は２０本である。

ヒータ３の外表面から埋設した抵抗発熱体３１までの距離ｄは、ヒータ３のセラミック基体３０を構成する筒状成形体３０２に巻き付ける抵抗発熱体３１を形成したシートの厚さを調整することによって行った。また、ヒータ３の半径Ｒ、ヒータ３の外表面から抵抗発熱体３１までの距離ｄは、ヒータ３の抵抗発熱体３１中央を切断し、断面をデジタルマイクロスコープで観察して測定した。

表２に示されるように、ｄ／Ｒの値が０．２８の場合クラック発生率が７５％（比較例５）、ｄ／Ｒの値が０．２１の場合クラック発生率が３０％（比較例６）、ｄ／Ｒの値が０．１８の場合クラック発生率が２０％であった（比較例７）。また、ｄ＝５μｍとして、ｄ／Ｒの値を０．０１未満とした場合クラック発生率が２０％となるとともに、酸素検出素子２へのリーク電流が生じ、酸素検出素子２の起電力測定ができなくなった（比較例８）。なお、この比較例８の場合は、助剤成分のマイグレーション（助剤成分の移動）により体積膨張してクラックが発生したものと推測される。

一方、ｄが５μｍより大きい範囲で、ｄ／Ｒを０．１６以下とすると、クラック発生率を０％とすることができた（実施例６〜１３）。また、ヒータ３は、酸素検出素子２の内部に挿入するものであるため、その実用的な直径の範囲は、直径２Ｒが１〜５ｍｍの範囲（半径Ｒが０．５〜２．５ｍｍの範囲）である。また、表２に示されるように、半径Ｒが１．４１ｍｍ程度の場合、ヒータ３の外側表面と抵抗発熱体３１までの距離ｄは、５μｍ＜ｄ＜２５０μｍの範囲とすることが好ましい。

上記のように、ｄが５μｍより大、２Ｒが１〜５ｍｍであり、且つ、ｄ／Ｒが０．１６以下とすることにより、クラックの発生を抑制することができる。また、半径Ｒが１．４１ｍｍ程度の場合、５μｍ＜ｄ＜２５０μｍの範囲とすることにより、クラックの発生を抑制することができる。

なお、上記実施形態は、抵抗発熱体３１の組成、厚さ等を変化させること無く、さらに、中央部の線幅Ｗｃと最外部の線幅Ｗｓを軸方向に略同一にすることで、最高抵抗値Ｒｃと最低抵抗値Ｒｓを特定したが、これに限らず、素子接触部Ｔの部分の単位長さ当たりの抵抗値が最高抵抗値Ｒｃになっており、素子接触部Ｔ以外の部分に単位長さ当たりの抵抗値が最低抵抗値Ｒｓとなっていればよい。つまり、素子接触部Ｔの部分と素子接触部Ｔ以外の部分の抵抗発熱体３１の膜厚の調整、素子接触部Ｔの部分と素子接触部Ｔ以外の部分の抵抗発熱体３１の材料の調整等を行うことができる。線幅に関しても、軸方向に略同一にするのではなく、素子接触部Ｔの線幅を最も狭くすることができる。

本発明の一実施形態に係る酸素センサの断面概略構成を示す図。 図１の酸素センサの要部断面概略構成を拡大して示す図。 図１の酸素センサのヒータの製造工程の例を説明するための図。 図１の酸素センサのヒータの抵抗発熱パターンの構成を説明するための図。 図１の酸素センサのヒータの断面構成を示す図。

符号の説明

１……酸素センサ、２……酸素検出素子、３……ヒータ、５……主体金具、３１……抵抗発熱体、３１２……本体部、３１３……接続部、３１４……リード部。

Claims (2)

1. 先端部が閉じた有底筒状で内外面に電極層を有するガス検出素子と、
   前記ガス検出素子の中空部に挿入され、その先端部に発熱部を有する棒状のヒータとを備え、
   前記ヒータの中心軸線が前記ガス検出素子の中空部の中心軸線に対して片側に寄るように偏心して配置されたガスセンサであって、
   前記ヒータは、セラミック基体と、該セラミック基体の内部に周方向に沿って埋設された発熱体とを具備し、
   前記ヒータの発熱部は、前記ガス検出素子の内壁に接触する接触部位に対応して設けられた高温発熱部と当該高温発熱部以外の発熱部とを有し、
   前記高温発熱部における前記発熱体の単位長さ当たりの最高抵抗値をＲｃとし、
   前記高温発熱部以外の発熱部における前記発熱体の単位長さ当たりの最低抵抗値をＲｓとしたとき、
   Ｒｃ／Ｒｓが１．５〜３．０であり、且つ、
   前記発熱体は前記セラミック基体の厚さ方向中央より外側の位置に周方向に沿って埋設され、前記ヒータの外側表面と前記発熱体までの距離をｄ、前記ヒータの半径をＲとしたとき、ｄが、５μｍ＜ｄ＜２５０μｍ、２Ｒが１〜５ｍｍ、ｄ／Ｒが０．１６以下であることを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記ヒータの発熱部は、軸方向に沿って延び、周方向に列設された複数の本体部と、複数の該本体部のそれぞれについて、隣り合う本体部の端部連結する接続部と、により一本に連なる前記発熱体が前記セラミック基体の内部に周方向に沿って埋設され、
   前記高温発熱部が、前記複数の本体部のうち中央に配設された本体部にあることを特徴とするガスセンサ。

Images