JP6476607B2 - ガスセンサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ素子に関する。

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Ｏ_２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ＮＯ_Ｘ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。

本発明は、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。

本発明の一態様は、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、本発明によれば、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。

本発明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。

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（ＺｒＯ_２）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とからなる。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の被測定ガス側表面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、Ｈ_２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Ｏ_２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Ｏ_２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、Ｏ_２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ＩＬ_０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ＩＬ_１として、両者の変化率ΔＩＬ（％）＝（ＩＬ_１−ＩＬ_０）／ＩＬ_０×１００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Ｏ_２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Ｖ_０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、（Ｖ_０−Ｖ_１）／Ｖ_０×１００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以下であることを要する。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を要することが確認された。

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 (4)

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）。
4. 上記多孔質層（４０）は、
   上記被測定ガス側壁面（１０ａ）に積層されるとともに、上記被測定ガスを透過させる拡散抵抗層（４１）と、
   該拡散抵抗層（４１）の外側に設けられるとともに、該拡散抵抗層（４１）の気孔率よりも高い気孔率を有し、被毒物を捕獲する多孔質からなるトラップ層（４２）と、
   上記拡散抵抗層（４１）と上記トラップ層（４２）との間に設けられた多孔質体からなる保護層と、
   該保護層と上記トラップ層（４２）との間に設けられるとともに、水素ガスを燃焼させるように構成された触媒層と、
   を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサ素子（１）。

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