WO2021166549A1 - ガスセンサ素子 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a laminated gas sensor element.
- a gas sensor element configured to output a limit current value, which is a current value generated when a predetermined voltage is applied between the measurement electrode and the reference electrode.
- a limit current value which is a current value generated when a predetermined voltage is applied between the measurement electrode and the reference electrode.
- a relational curve between the applied voltage and the output current (hereinafter referred to as a VI curve) is determined according to the concentration of the specific gas in the gas to be measured.
- the VI curve has a flat portion in which the output current value hardly changes even if the applied voltage changes in a certain applied voltage section.
- the specific gas concentration in the gas to be measured can be detected based on the limit current value which is the current value of the flat portion.
- the current value in the flat portion is preferably constant as much as possible, and it is desirable that the current value does not fluctuate as much as possible depending on the applied voltage.
- the difficulty of fluctuation of the output current due to the applied voltage in the flat portion is called flatness.
- the gas sensor element by heating and activating the part constituting the sensor cell in the solid electrolyte body to a predetermined temperature, oxygen ions can be conducted and a specific gas concentration can be measured. Therefore, the gas sensor element has a heater for heating the solid electrolyte body.
- Patent Document 1 discloses a laminated gas sensor element formed by laminating a plurality of ceramic layers, which is configured to introduce a gas to be measured into a chamber from the tip side in the longitudinal direction of the element. ..
- the gas sensor element configured to introduce the gas to be measured into the chamber from the tip side has the following problems. That is, the gas to be measured introduced into the chamber from the tip side first reaches the vicinity of the tip portion of the measurement electrode. However, if the temperature of the solid electrolyte in the vicinity of the tip of the measurement electrode is not sufficiently high, the oxygen ion conductivity at the site may be low. Then, there is a concern that the specific gas concentration in the chamber varies, and it becomes difficult to secure excellent flatness. If the flatness is low, the output current is likely to differ depending on the applied voltage, and a measurement error is likely to occur.
- the present disclosure is intended to provide a gas sensor element having excellent flatness.
- One aspect of the present disclosure is a limit current type configured to stack a plurality of ceramic layers and output a limit current value depending on a specific gas concentration in the gas to be measured when a predetermined voltage is applied.
- It is a gas sensor element A solid electrolyte with oxygen ion conductivity and A heater that heats the solid electrolyte and The measurement electrode and the reference electrode provided on the solid electrolyte body, and A chamber facing the measurement electrode and into which the gas to be measured is introduced, A gas inlet provided on the tip side of the chamber in the longitudinal direction of the gas sensor element, and It has a diffusion resistance part provided at the gas inlet and The heat generating center of the heater is in the gas sensor element arranged on the tip side of the electrode center of the measuring electrode.
- the heat generating center of the heater is arranged on the tip side of the electrode center of the measurement electrode. Therefore, it becomes easy to raise the temperature of the solid electrolyte in the vicinity of the tip of the measurement electrode sufficiently. That is, the portion of the solid electrolyte body near the tip of the measurement electrode can be sufficiently activated.
- the gas to be measured introduced into the chamber from the gas introduction port on the tip side via the diffusion resistance portion can be sufficiently treated in the vicinity of the tip portion of the measurement electrode. That is, the component of the specific gas that has reached the vicinity of the tip of the measurement electrode can be conducted to the reference electrode side as oxygen ions at a sufficient processing speed. Therefore, even if the measurement gas is introduced into the chamber from the tip side, the flatness of the gas sensor element can be improved.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of the gas sensor element according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 3A and 3B are a cross-sectional view taken along the line IIIa-IIIa of FIG. 1 and a cross-sectional view taken along the line IIIb-IIIb of FIG.
- FIG. 4 is a diagram showing the temperature distribution of the heater in the longitudinal direction.
- FIG. 5 is an explanatory diagram of the VI curve.
- FIG. 6 is a schematic diagram showing how the oxygen ion current moves in the gas sensor element of the comparative form, and a diagram showing the distribution of the oxygen concentration in the chamber.
- FIG. 7 is a schematic diagram showing how the oxygen ion current moves in the gas sensor element of the first embodiment, and a diagram showing the distribution of the oxygen concentration in the chamber.
- FIG. 8 is an explanatory diagram of the gas sensor element in the comparative form.
- FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line IX-IX of FIG.
- FIG. 10 is a diagram showing a VI curve by the gas sensor element in the comparative form.
- FIG. 11 is a diagram showing the measurement results of the relationship between the heat generation center position and the flatness in Experimental Example 1.
- FIG. 12 is an explanatory view showing the dimensions of each part of the gas sensor element in Experimental Example 1.
- FIG. 13 is a diagram showing a VI curve by the gas sensor element with the position of the heat generation center as the electrode center.
- FIG. 41 is a diagram showing a VI curve by the gas sensor element in which the position of the heat generation center is on the tip side of the electrode center.
- FIG. 15 is a plan explanatory view of the heater in the second embodiment in which the heat generating base end portion is also arranged on the tip side from the tip end of the measurement electrode.
- FIG. 16 is a plan explanatory view of the heater in the second embodiment in which the heat generating base end portion is arranged on the tip side from the electrode center.
- FIG. 17 is a plan explanatory view of the heater in the second embodiment in which the heat generating base end portion is arranged on the tip end side of the electrode base end portion.
- FIG. 18 is a plan explanatory view of the heater in which the heat generating base end portion is arranged on the base end side of the electrode base end portion in the second embodiment.
- FIG. 19 is a plan explanatory view of the heater according to the third embodiment.
- FIG. 20 is a plan explanatory view of another heater according to the third embodiment.
- FIG. 21 is a plan explanatory view of the heater according to the fourth embodiment.
- FIG. 22 is a plan explanatory view of another heater according to the fourth embodiment.
- FIG. 23 is a plan explanatory view of still another heater according to the fourth embodiment.
- FIG. 24 is a plan explanatory view of the heater in the fifth embodiment in which the number of turns is changed.
- FIG. 25 is a plan explanatory view of the heater folded back so that the uneven shape appears in the width direction in the fifth embodiment.
- FIG. 26 is a plan explanatory view of a heater in which a part of the wiring width is reduced in the fifth embodiment.
- FIG. 27 is a plan explanatory view of the heater in the fifth embodiment in which the thickness of a part of the wiring is reduced.
- FIG. 28 is a plan explanatory view of the heater provided with the plurality of branch wiring portions in the fifth embodiment.
- FIG. 29 is a development explanatory view of the gas sensor element provided with a plurality of sensor cells in the sixth embodiment.
- the gas sensor element 1 of this embodiment is formed by laminating a plurality of ceramic layers. Further, the gas sensor element 1 of the present embodiment is a limit current type gas sensor element. That is, the gas sensor element 1 is configured to output a limit current value depending on a specific gas concentration in the gas to be measured when a predetermined voltage is applied.
- the gas sensor element 1 includes a solid electrolyte body 2, a heater 5, a measurement electrode 31, a reference electrode 32, a chamber 4, a gas introduction port 150, and a diffusion resistance portion 15.
- the solid electrolyte body 2 has oxygen ion conductivity.
- the heater 5 heats the solid electrolyte body 2.
- the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 are provided on the solid electrolyte body 2.
- the chamber 4 faces the measurement electrode 31 and is a space into which the gas to be measured is introduced.
- the gas introduction port 150 is provided on the tip end side of the chamber 4 in the longitudinal direction Y of the gas sensor element 1.
- the diffusion resistance portion 15 is provided at the gas introduction port 150.
- the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the electrode center 31C of the measuring electrode 31.
- the heat generating center 5C of the heater 5 can be defined as the maximum temperature portion when the temperature of the maximum temperature portion is stabilized at 700 ° C. by controlling the energization of the heater 5.
- the temperature of the heater 5 differs depending on the position Y0 in the longitudinal direction Y and has a distribution. Even if the maximum temperature portion of the heater 5 is stabilized at 700 ° C., the other portions will be less than 700 ° C. Therefore, when the maximum temperature portion of the heater 5 is stabilized at 700 ° C., the position in the longitudinal direction Y that becomes the maximum temperature portion is defined as the heat generation center 5C.
- the horizontal axis of FIG. 4 indicates the distance Y0 in the longitudinal direction Y from the tip of the gas sensor element 1, and the vertical axis indicates the temperature T.
- the curve M1 in the figure shows the temperature distribution of the heater 5 in the gas sensor element 1 of the present embodiment. Further, the curve M2 in the figure shows the temperature distribution of the heater 5 in the gas sensor element 9 of the comparative form described later.
- the 700 ° C. of the maximum temperature portion of the heater 5 described above is the temperature at which the heat generating center 5C of the heater 5 is defined, and does not specify the temperature when the gas sensor element 1 is used.
- the temperature of the maximum temperature portion can be appropriately set.
- the temperature of the maximum temperature portion when the gas sensor element 1 is used can be appropriately set in the range of, for example, 600 ° C. to 950 ° C.
- the temperature of the heater 5 is measured by measuring the gas sensor element 1 from the main surface on the side close to the heater 5 in the stacking direction Z (in this embodiment, the main surface of the heater layer 14 described later) with a thermograph. The temperature that can be obtained.
- the gas sensor element 1 includes a porous layer covering the surface thereof (for example, a trap layer for capturing a toxic substance)
- the porous layer is peeled off to expose a dense ceramic layer. And measure the temperature.
- the gas sensor element 1 has an elongated shape, and a measurement electrode 31 and a reference electrode 32 are formed at positions close to one end in the longitudinal direction Y thereof.
- the side in the longitudinal direction Y where the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 are provided is called the tip end side, and the opposite side is called the base end side.
- the direction orthogonal to both the longitudinal direction Y and the stacking direction Z is referred to as the width direction W.
- the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the position 31D on the L / 4 base end side from the tip 31A of the measurement electrode 31.
- L is the total length of the measurement electrode 31 in the longitudinal direction Y.
- the tip 5A of the heater 5 is arranged closer to the tip than the tip 31A of the measurement electrode 31.
- the temperature of the tip 5A of the heater 5 is 600 ° C. or higher when the temperature of the heat generating center 5C is maintained at 700 ° C.
- the heat generating base end portion 5B of the heater 5 is arranged on the base end side of the base end 31B of the measurement electrode 31.
- the chamber forming layer 11 and the shielding layer 12 are sequentially laminated on the surface of the solid electrolyte body 2 on the side where the measurement electrode 31 is provided. Further, the duct forming layer 13 and the heater layer 14 are sequentially laminated on the surface of the solid electrolyte body 2 on the side where the reference electrode 32 is provided.
- the chamber forming layer 11 is a ceramic layer formed so as to surround the chamber 4 from a direction orthogonal to the stacking direction Z.
- the chamber 4 is formed between the chamber forming layer 11, the solid electrolyte body 2, and the shielding layer 12.
- a diffusion resistance portion 15 is provided in a part of the chamber cambium 11.
- the diffusion resistance portion 15 is a portion where the gas to be measured is introduced into the chamber 4 while being diffused.
- the gas introduction port 150 is formed at the tip of the gas sensor element 1.
- the gas introduction port 150 is open to the tip end side of the gas sensor element 1.
- a diffusion resistance portion 15 is provided at the gas introduction port 150. That is, the diffusion resistance portion 15 is arranged on the tip end side of the chamber 4.
- the diffusion resistance portion 15 is made of a porous ceramic. As a result, the gas to be measured is introduced into the chamber 4 from the tip end side of the element.
- the duct forming layer 13 is a ceramic layer formed so as to cover the duct 6 from the side opposite to the solid electrolyte body 2 and to surround the duct 6 from a direction orthogonal to the stacking direction Z. ..
- the duct forming layer 13 does not block the proximal end side of the duct 6. That is, the duct 6 is open to the base end portion of the gas sensor element 1.
- the reference gas is introduced into the duct 6 from the proximal end side of the gas sensor element 1. Then, the reference gas comes into contact with the reference electrode 32 formed so as to face the duct 6.
- the reference gas is the atmosphere.
- the solid electrolyte body 2 is a ceramic layer containing zirconia as a main component.
- the chamber forming layer 11, the shielding layer 12, the duct forming layer 13, and the heater layer 14 are all ceramic layers containing alumina as a main component.
- the diffusion resistance portion 15 also contains alumina as a main component. However, it is made of a porous ceramic body so that the gas to be measured can permeate.
- the heater 5 is formed in the heater layer 14. That is, a heater pattern is formed on the surface of the heater layer 14 on the duct forming layer 13 side. As shown in FIG. 3B, the heater 5 has a heater heating unit 51 and a heater lead unit 52. The heater lead portion 52 is connected to the proximal end side of the heater heating portion 51 and extends to the proximal end side. The heater heating unit 51 has a larger conduction resistance than the heater lead unit 52. As a result, when the heater 5 is energized, the heater heating unit 51 mainly generates heat.
- the heater heating unit 51 has a shape that is folded twice on the tip side and once on the base end side.
- the heat generating center 5C of the heater 5 exists at a position close to the tip of the heater heat generating portion 51. A part of the heat of the heater heat generating portion 51 is dissipated through the heater lead portion 52 connected to the proximal end side.
- the volume of the portion on the tip side of the heater heating portion 51 is relatively small. That is, the heat capacity of the portion on the tip side of the heater heating portion 51 is relatively small. Due to such a factor, the heat generating center 5C is present at a position close to the tip of the heater heating unit 51.
- the gas sensor element 1 is formed by laminating a plurality of ceramic layers, but in the finished product state, there may be no boundary between the ceramic layers.
- the boundary between the chamber forming layer 11 and the shielding layer 12 and the boundary between the duct forming layer 13 and the heater layer 14 may not exist.
- the gas sensor element 1 has a duct 6 facing the reference electrode 32 (see FIGS. 1 and 2).
- the gas sensor element 1 of this embodiment is configured such that oxygen in the chamber 4 is pumped into the duct 6 by a sensor cell 16 composed of a solid electrolyte body 2, a measurement electrode 31, and a reference electrode 32.
- the gas sensor element 1 is an A / F sensor element. That is, the gas to be measured is the exhaust gas of an internal combustion engine that burns a mixture of air and fuel. Then, the mixing ratio of air and fuel in the air-fuel mixture can be measured based on the limit current value.
- the gas sensor element 1 of this embodiment is used by being attached to the exhaust system of an internal combustion engine of a vehicle, for example.
- the gas sensor element 1 is assembled in a gas sensor provided with a housing, an element cover, and the like (not shown), and then installed in the exhaust system. Then, the exhaust gas flowing through the exhaust system is introduced into the chamber 4 from the gas introduction port 150 of the gas sensor element 1 via the diffusion resistance portion 15 as the gas to be measured. In this state, the concentration of oxygen in the exhaust gas is detected by measuring the current value flowing between the electrodes when a voltage is applied between the measurement electrode 31 and the reference electrode 32.
- VI curve L1 to L3 as shown in FIG. That is, VI curves (L1 to L3) that differ depending on the partial pressure of the oxygen concentration in the gas to be measured are drawn, but in each VI curve, there is a flat portion F in which the current value hardly changes even if the voltage value rises. Therefore, a stable current value can be obtained by applying a voltage between the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 so that the current value (that is, the limit current value) in the flat portion F can be measured. Then, the oxygen concentration can be detected from this current value, and the air-fuel ratio can be derived.
- the measurement of these current values and the derivation of the air-fuel ratio can be performed by, for example, an ECU (abbreviation of electronic control unit) mounted on the vehicle based on the detection signal obtained by the gas sensor element 1. Further, the ECU can also control the voltage application between the electrodes and the energization control of the heater 5.
- ECU abbreviation of electronic control unit
- the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the electrode center 31C of the measuring electrode 31. Therefore, it becomes easy to raise the temperature of the solid electrolyte 2 in the vicinity of the tip of the measurement electrode 31 sufficiently. That is, the portion of the solid electrolyte body 2 near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently activated. As a result, the gas to be measured introduced into the chamber 4 from the gas introduction port 150 on the tip side via the diffusion resistance portion 15 can be sufficiently treated in the vicinity of the tip portion of the measurement electrode 31.
- the component of the specific gas that has reached the vicinity of the tip of the measurement electrode 31 can be conducted to the reference electrode 32 side as oxygen ions at a sufficient processing speed. Therefore, even if the measurement gas is introduced into the chamber 4 from the tip side, the flatness of the gas sensor element 1 can be improved.
- the responsiveness of the gas sensor element 1 is the mounting posture of the gas sensor (that is, the sensor module incorporating the gas sensor element 1) with respect to the measurement point. Can be less affected by. That is, as described above, the gas sensor element 1 is used by being attached to the exhaust system of the internal combustion engine. In such a case, the gas sensor element 1 is attached in a state where the longitudinal direction Y is orthogonal to the gas flow. At this time, the direction W in the width direction of the gas sensor element 1 with respect to the direction of the gas flow may change depending on the mounting state. However, the direction of the tip with respect to the direction of the gas flow does not change significantly depending on the mounting state. Therefore, the mounting posture of the gas sensor element 1 having the gas introduction port 150 and the diffusion resistance portion 15 at the tip portion does not easily affect the responsiveness.
- the gas introduction port 150 and the diffusion resistance portion 15 are formed outside the width direction W with respect to the chamber 4, as in the gas sensor element 9 of the comparative form shown in FIGS. 8 and 9 described later.
- the responsiveness is likely to change depending on the mounting posture of the gas sensor element 9 with respect to the pipe. That is, since the direction W in the width direction of the gas sensor element 9 changes depending on the mounting posture, the direction of the gas introduction port 150 with respect to the gas flow changes depending on the mounting posture.
- the gas introduction port 150 faces the upstream side of the gas flow, the gas to be measured is easily introduced into the chamber 4.
- the opening direction of the gas introduction port 150 is arranged so as to be orthogonal to the gas flow, it becomes relatively difficult for the gas to be measured to be introduced into the chamber 4. That is, the ease with which the gas to be measured enters the chamber 4 varies depending on the mounting posture, and the responsiveness varies accordingly.
- the gas sensor element in which the gas inlet 150 is open to the tip side is less likely to cause the above-mentioned variation in responsiveness, which is advantageous from the viewpoint of responsiveness.
- the responsiveness is a performance that evaluates the fluctuation of the specific gas concentration in the gas to be measured at the measurement point at the speed detected by the gas sensor element. The faster this detection speed, that is, the faster the response speed, the better the responsiveness.
- the gas to be measured reaches the vicinity of the tip portion of the measurement electrode 31 after being introduced into the chamber 4. If the temperature of the solid electrolyte 2 is not sufficiently high in the vicinity of the tip of the measurement electrode 31, the activity of the site becomes insufficient. Therefore, as shown in FIG. 6, the moving speed of oxygen ions per unit area becomes small, and the distribution of the specific gas concentration occurs in the longitudinal direction Y in the chamber 4.
- the arrow O 2- shown in FIG. 6 represents the movement of oxygen ions, and the thickness of the arrow is an image of the moving speed of oxygen ions per unit area. The same applies to the arrow O 2- shown in FIG. 7, which will be described later.
- oxygen cannot be pumped at a sufficient processing speed near the tip of the measuring electrode 31. Then, the oxygen concentration may be inclined in the chamber 4. When the slope of the oxygen concentration occurs, the flatness of the VI curve described above is lowered. That is, the flat portion of the VI curve is likely to be inclined.
- the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the electrode center 31C of the measuring electrode 31. Therefore, it is easy to raise the temperature of the solid electrolyte 2 near the tip of the measurement electrode 31. Then, as shown in FIG. 7, the moving speed of oxygen ions per unit area becomes sufficiently high, and oxygen can be pumped at a sufficient processing speed near the tip of the measuring electrode 31. Therefore, as shown in FIG. 7, the inclination of the oxygen concentration in the chamber 4 is less likely to occur. As a result, flatness can be improved.
- FIGS. 6 and 7 show a configuration in which the base end of the diffusion resistance portion 15 and the tip end 31A of the measurement electrode 31 are provided at the same position in the longitudinal direction Y for convenience of explanation. Then, the distribution of the oxygen concentration in the chamber 4 when the gas sensor element is exposed to the gas to be measured having an oxygen concentration of 20% is also shown in a graph.
- FIGS. 6 and 7 are schematic views for convenience of explanation, and the graphs shown together with them are also schematic views.
- the temperature near the tip of the measuring electrode 31 can be increased by increasing the heat generation amount of the heater heating unit 51. May be sufficiently increased.
- raising the temperature near the tip of the measuring electrode 31 by such a method is disadvantageous from the viewpoint of the durability of the heater 5, the power consumption, and the like. Therefore, in the present embodiment, as described above, the heat generating center 5C is arranged closer to the tip side than the electrode center 31C to effectively improve the flatness.
- the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged from the tip 31A of the measurement electrode 31 to the tip side of the position 31D on the L / 4 base end side. This makes it easier to raise the temperature near the tip of the measurement electrode 31. As a result, the flatness can be further improved.
- the tip 5A of the heater 5 is arranged on the tip side of the tip 31A of the measurement electrode 31. As a result, the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be increased more reliably. As a result, the flatness can be further improved.
- the heat generating base end portion 5B of the heater 5 is arranged on the base end side of the base end 31B of the measurement electrode 31. This makes it easier to maintain the temperature of the solid electrolyte 2 high throughout the measurement electrode 31. As a result, the area of the sensor cell 16 having a sufficient oxygen pumping ability can be increased. As a result, the resistance value Ri (that is, ⁇ V / ⁇ I) up to the flat portion in the VI curve can be suppressed. Thereby, the flat portion in the VI curve can be enlarged. When the flat portion becomes large, the durability of the gas sensor element 1 is improved, and the life of the gas sensor element 1 can be extended. That is, as the use of the gas sensor element 1 is continued, the resistance value Ri gradually increases and the flat portion gradually decreases. If the flat portion becomes too small, it becomes difficult to measure the critical current value. Therefore, making the flat portion as large as possible leads to a longer life of the gas sensor element 1.
- the measurement electrode 31 fits between the tip 5A of the heater 5 and the heating base end 5B in the longitudinal direction Y. As a result, the flat portion is enlarged and the life is extended.
- the tip 5A of the heater 5 is set to the base end side from the tip end 31A of the measuring electrode 31, and the heat generating base end portion 5B is set to the base end 31B of the measuring electrode 31. It can also be on the more tip side (see, for example, some of the variations shown in embodiments 2, 3 and 4 described later). As a result, the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently raised while suppressing power consumption.
- the gas sensor element 1 of the present embodiment is configured so that the sensor cell 16 composed of the solid electrolyte body 2, the measurement electrode 31 and the reference electrode 32 can pump oxygen in the chamber 4 to the duct 6. ..
- the deviation of the applied voltage tends to affect the error of the measurement accuracy. Therefore, it is particularly significant to improve the flatness by improving the position of the heat generating center 5C as described above.
- the gas sensor element 1 is an A / F sensor element.
- early activity of A / F sensor elements is an important factor, and there is a tendency to increase the rate of temperature rise. Therefore, in order to increase the heat-resistant stress, the height of the chamber 4 in the stacking direction Z is lowered.
- the height of the chamber 4 is lowered to 50 ⁇ m or less, more preferably 30 ⁇ m or less.
- the inclination of the oxygen concentration in the chamber 4 tends to occur, which tends to be disadvantageous in terms of flatness. Therefore, as described above, it is particularly significant to improve the flatness by improving the position of the heat generating center 5C.
- the present embodiment is a form of the gas sensor element 9 in which the gas introduction port 150 and the diffusion resistance portion 15 are formed outside the width direction W with respect to the chamber 4.
- the gas sensor element 9 is not provided with a gas introduction port on the tip end side of the chamber 4.
- the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged at a position equivalent to the electrode center 31C of the measuring electrode 31 in the longitudinal direction Y (see the curve M2 in FIG. 4).
- FIG. 10 shows the VI curve of the gas sensor element 9 of this embodiment.
- the applied voltage between the electrodes is gradually increased to nearly 1 V, and then the applied voltage is gradually decreased to measure the change in the output current. It was obtained by.
- the way the output current changes may be slightly different between when the voltage rises and when the voltage drops, and the deviation appears in the VI curve of FIG.
- FIG. 13 and FIG. 14 which will be described later, the VI curve by each gas sensor element was obtained by the same method.
- the gas to be measured is introduced into the chamber 4 from the outside in the width direction W. Therefore, the gas to be measured immediately after being introduced into the chamber 4 via the diffusion resistance portion 15 comes into contact with the vicinity of the central portion of the measurement electrode 31 in the longitudinal direction Y. Since this portion is also near the heat generating center 5C of the heater 5, it is in a sufficiently activated state. Therefore, as shown in FIG. 10, the flatness of the VI curve is excellent.
- the responsiveness tends to fluctuate depending on the mounting posture to the exhaust system.
- Example 1 In this example, as shown in FIG. 11, the relationship between the position of the heat generating center 5C of the heater 5 and the flatness was investigated. That is, various gas sensor elements having the same configuration as that of the gas sensor element 1 of the first embodiment were prepared as samples except for the position of the heat generating center 5C.
- the chamber 4, the measuring electrode 31, the gas inlet 150, the diffusion resistance portion 15, and the like have the dimensional relationship shown in FIG.
- the height of the stacking direction Z of the chamber 4 was set to 20 ⁇ m.
- a plurality of levels of samples were prepared in which the position of the heat generating center 5C was changed between 1.25 and 2.7 mm as the distance Y1 in the longitudinal direction Y from the tip of the element.
- the width W2 of the heater heating unit 51 was set to 2.5 mm.
- the flatness was evaluated for each level of sample.
- the flatness was evaluated by acquiring VI curves as shown in FIGS. 13 and 14 for each sample.
- the method of acquiring the VI curve is the same as that of the VI curve of FIG. 10 described above.
- the difference ⁇ IL (see FIG. 13) between the output current value when the applied voltage was 0.6 V and the output current value when the applied voltage was 0.7 V was used as an index of flatness.
- the curve may deviate slightly between when the voltage rises and when the voltage falls. In that case, ⁇ IL was measured using the average curve of both.
- the above measurement was performed 5 times for each level.
- the evaluation results are shown in FIG.
- the alternate long and short dash lines 31A, 31D, and 31B shown in the figure indicate distances Y1 corresponding to the respective positions 31A, 31D, and 31B (see FIGS. 1 and 3) of the measurement electrode 31.
- the ⁇ IL which is an index of flatness is 0.036 mA or less.
- ⁇ I ⁇ 0.036 mA corresponds to a width of ⁇ 1% of the limit current value of 1.8 mA of the gas sensor element used in this example. That is, it is considered that the gas sensor element satisfying ⁇ I ⁇ 0.036 mA can realize the measurement accuracy within an error of 1%.
- the heat generating center 5C of the heater 5 is arranged on the tip side of the tip 31A of the measurement electrode 31.
- 15 to 18 show variations of the pattern of the heater 5 while showing the positional relationship with the measurement electrode 31.
- the heat generation center 5C and the heat generation base end portion 5B are also arranged on the tip side of the tip end 31A of the measurement electrode 31.
- the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the tip end 31A of the measurement electrode 31 and on the tip end side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31.
- the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31 and on the tip end side of the base end 31B of the measurement electrode 31.
- the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the base end 31B of the measurement electrode 31.
- the heater 5 shown in FIG. 18 has a shape in which the line width of the heater pattern becomes narrower toward the tip end side of the heater heating unit 51. As a result, Joule heat is more likely to be generated at a position closer to the tip of the heater heating unit 51.
- the heat generating center 5C is set to be closer to the tip side than the tip 31A of the measurement electrode 31.
- the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently raised. Therefore, the flatness can be improved.
- the heater 5 shown in FIG. 18 is particularly easy to secure a wide flat portion. Therefore, it is easy to extend the service life. In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.
- the heating center 5C of the heater 5 is arranged between the tip 31A of the measuring electrode 31 and the electrode center 31C of the measuring electrode 31, and the heating base end 5B is the measuring electrode. It is a form arranged on the tip side of the base end 31B of 31. 19 and 20 show variations of the pattern of the heater 5 while showing the positional relationship with the measurement electrode 31, respectively.
- the heating base end portion 5B is arranged on the tip side of the measurement electrode 31 with respect to the electrode center 31C.
- the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31 and on the tip end side of the base end 31B of the measurement electrode 31. Others are the same as in the first embodiment.
- the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently raised. Therefore, the flatness can be improved. In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.
- the tip 5A of the heater 5 is arranged on the proximal end side of the tip 31A of the measurement electrode 31.
- 21 to 23 show variations of the pattern of the heater 5 while showing the positional relationship with the measurement electrode 31.
- both the tip 5A and the heating base end 5B are arranged between the tip 31A of the measurement electrode 31 and the electrode center 31C.
- the tip 5A and the heat generation center 5C are arranged between the tip 31A and the electrode center 31C of the measurement electrode 31, and the heat generation base end 5B is the electrode center 31C and the base end 31B of the measurement electrode 31. It is placed between.
- the tip 5A and the heat generation center 5C are arranged between the tip 31A of the measurement electrode 31 and the electrode center 31C, and the heat generation base end 5B is located closer to the base end side than the base end 31B of the measurement electrode 31. Have been placed. Others are the same as in the first embodiment.
- the temperature near the tip of the measurement electrode 31 can be sufficiently raised. Therefore, the flatness can be improved.
- the heater 5 shown in FIG. 23 is particularly easy to secure a wide flat portion. Therefore, it is easy to extend the service life. In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.
- FIGS. 24 to 28 variations of the pattern in the heater heating unit 51 of the heater 5 are shown.
- the heater heating unit 51 shown in FIG. 24 is a form in which the number of turns is changed with respect to the heater heating unit 51 (see FIG. 3) shown in the first embodiment. That is, in the heater 5 of FIG. 24, the number of turns on the tip side is set to 3 times, and the number of turns on the base end side is set to 2 times. It is also possible to adopt the one in which the number of turns is variously changed.
- the heater heating unit 51 shown in FIG. 25 has a folded shape so that an uneven shape appears in the width direction W.
- the number of turns can also be changed in various ways.
- the heater heating unit 51 shown in FIG. 26 has a particularly small wiring width.
- the heat generating center 5C can be provided between the tip end and the base end of the thin wire portion 511 having a narrowed wiring width.
- the heater heating unit 51 shown in FIG. 27 has a part of the wiring thickness reduced.
- the heat generating center 5C can be provided between the tip end and the base end of the thin wire portion 512 having a thin wiring thickness.
- the heater heating unit 51 shown in FIG. 28 has a plurality of branch wiring units 513 connected in parallel to each other.
- the branch wiring portion 513 shows two forms, but it is also possible to provide three or more branch wiring portions 513.
- this embodiment is a form of a gas sensor element 1 including a plurality of electrochemical cells (16, 16N, 16M).
- a plurality of electrodes are formed on the surface of the solid electrolyte body 2 of the gas sensor element 1 on the chamber 4 side.
- Each of these plurality of electrodes constitutes an electrochemical cell together with the reference electrode 32 and the solid electrolyte body 2. That is, the gas sensor element 1 of this embodiment has a plurality of electrochemical cells.
- the heater 5 When a plurality of electrochemical cells are provided in this way, the heater 5 generates heat in relation to the measuring electrode 31 constituting the sensor cell 16 which is the electrochemical cell provided at the position closest to the diffusion resistance portion 15 in the longitudinal direction Y. Define the center 5C.
- the sensor cell 16 arranged on the most tip side in the longitudinal direction Y is also a pump cell that pumps oxygen in the chamber 4 to the duct 6.
- the oxygen concentration in the chamber 4 is adjusted by this pump cell.
- the oxygen concentration in the exhaust gas is measured by measuring the current value flowing during this pumping and measuring the limit current value. Then, based on this oxygen concentration, the air-fuel ratio (that is, A / F) of the internal combustion engine can be measured.
- a NOx cell 16N and a monitor cell 16M can be used.
- the NOx cell 16N has a NOx electrode 31N that is active on NOx (ie, nitrogen oxides).
- the monitor cell 16M has an oxygen-active monitoring electrode 31M.
- the monitor cell 16M detects the oxygen concentration in the chamber 4.
- the NOx concentration in the gas to be measured can be detected based on the oxygen ion current flowing through the NOx cell 16N and the oxygen ion current flowing through the monitor cell 16M. That is, the gas sensor element of this embodiment has a function of detecting the air-fuel ratio (that is, A / F) as well as a function of detecting the NOx concentration.
- the heat generating center 5C is arranged on the tip side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31 in the sensor cell 16 (which is also a pump cell), which is the electrochemical cell arranged on the most tip side.
- the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the base end 31B of the measurement electrode 31.
- the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the base end of the NOx electrode 31N.
- the heat generating base end portion 5B is arranged on the base end side of the base end of the monitor electrode 31M.
- the gas sensor element 1 having a plurality of electrochemical cells as in this embodiment the gas sensor element having excellent flatness can be provided by arranging the position of the heat generating center 5C on the tip side of the electrode center 31C of the measurement electrode 31. Obtainable. In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.
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Abstract
複数のセラミック層を積層してなると共に、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成された限界電流式のガスセンサ素子(1)。ガスセンサ素子(1)は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)と、固体電解質体(2)を加熱するヒータ(5)と、固体電解質体(2)に設けられた測定電極(31)及び基準電極(32)と、測定電極(31)に面し被測定ガスが導入されるチャンバ(4)と、長手方向(Y)においてチャンバ(4)の先端側に設けられたガス導入口(150)と、ガス導入口(150)に設けられた拡散抵抗部(15)と、を有する。ヒータ(5)の発熱中心(5C)は、測定電極(31)の電極中心(31C)よりも先端側に配置されている。
Description
本出願は、2020年2月17日に出願された日本出願番号2020-24017号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
本開示は、積層型のガスセンサ素子に関する。
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ素子として、測定電極と基準電極との間に所定の電圧を印加したときに生じる電流値である限界電流値を出力するよう構成されたガスセンサ素子がある。かかる限界電流式のガスセンサ素子においては、被測定ガス中の特定ガスの濃度に応じて、印加電圧と出力電流との関係曲線(これを、以下VI曲線という)が定まる。そして、VI曲線は、ある印加電圧の区間において、印加電圧が変化しても出力電流値の変化が殆ど生じないフラット部が存在する。このフラット部の電流値である限界電流値に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出することができる。一般に、フラット部における電流値は、極力一定であることが好ましく、印加電圧によって極力変動しないような状態が望ましい。フラット部における印加電圧による出力電流の変動のし難さを、フラット性という。
また、ガスセンサ素子においては、固体電解質体におけるセンサセルを構成する部位を所定の温度に加熱し、活性化させることで、酸素イオンの伝導が可能となり、特定ガス濃度の測定が可能となる。そのために、ガスセンサ素子は、固体電解質体を加熱するためのヒータを有する。
そして、複数のセラミック層を積層してなる積層型のガスセンサ素子として、素子の長手方向の先端側からチャンバに被測定ガスを導入するよう構成されたものが、例えば特許文献1に開示されている。
先端側からチャンバに被測定ガスを導入するよう構成されたガスセンサ素子においては、以下のような課題がある。
すなわち、先端側からチャンバに導入される被測定ガスは、測定電極の先端部付近に、まず到達する。ところが、測定電極の先端部付近における固体電解質体の温度が充分に高くなっていないと、当該部位における酸素イオン伝導度が低くなる場合がある。そうすると、チャンバ内の特定ガス濃度にばらつきが生じ、優れたフラット性を確保することが困難となることが懸念される。フラット性が低いと、印加電圧によって出力電流に差が生じやすくなり、測定誤差が生じやすくなることとなる。
すなわち、先端側からチャンバに導入される被測定ガスは、測定電極の先端部付近に、まず到達する。ところが、測定電極の先端部付近における固体電解質体の温度が充分に高くなっていないと、当該部位における酸素イオン伝導度が低くなる場合がある。そうすると、チャンバ内の特定ガス濃度にばらつきが生じ、優れたフラット性を確保することが困難となることが懸念される。フラット性が低いと、印加電圧によって出力電流に差が生じやすくなり、測定誤差が生じやすくなることとなる。
本開示は、優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供しようとするものである。
本開示の一態様は、複数のセラミック層を積層してなると共に、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成された限界電流式のガスセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
上記固体電解質体を加熱するヒータと、
上記固体電解質体に設けられた測定電極及び基準電極と、
上記測定電極に面し被測定ガスが導入されるチャンバと、
上記ガスセンサ素子の長手方向において上記チャンバの先端側に設けられたガス導入口と、
上記ガス導入口に設けられた拡散抵抗部と、を有し、
上記ヒータの発熱中心は、上記測定電極の電極中心よりも先端側に配置されている、ガスセンサ素子にある。
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、
上記固体電解質体を加熱するヒータと、
上記固体電解質体に設けられた測定電極及び基準電極と、
上記測定電極に面し被測定ガスが導入されるチャンバと、
上記ガスセンサ素子の長手方向において上記チャンバの先端側に設けられたガス導入口と、
上記ガス導入口に設けられた拡散抵抗部と、を有し、
上記ヒータの発熱中心は、上記測定電極の電極中心よりも先端側に配置されている、ガスセンサ素子にある。
上記ガスセンサ素子においては、ヒータの発熱中心が、測定電極の電極中心よりも先端側に配置されている。それゆえ、測定電極の先端部付近における固体電解質体の温度を充分に高くしやすくなる。つまり、固体電解質体における、測定電極の先端部付近の部位を充分に活性化することができる。その結果、先端側のガス導入口から拡散抵抗部を介してチャンバに導入された被測定ガスを、測定電極の先端部付近において、充分に処理することができる。つまり、測定電極の先端部付近に到達した特定ガスの成分を、充分な処理速度にて、酸素イオンとして固体電解質体を基準電極側へ伝導させることができる。
それゆえ、先端側からチャンバに測定ガスを導入する構成であっても、ガスセンサ素子のフラット性を高くすることができる。
それゆえ、先端側からチャンバに測定ガスを導入する構成であっても、ガスセンサ素子のフラット性を高くすることができる。
以上のごとく、上記態様によれば、優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供することができる。
本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、実施形態1における、ガスセンサ素子の断面図であり、
図2は、図1のII-II線矢視断面図であり、
図3は、(a)図1のIIIa-IIIa線矢視断面図、(b)図1のIIIb-IIIb線矢視断面図であり、
図4は、長手方向におけるヒータの温度分布を示す線図であり、
図5は、VI曲線の説明図であり、
図6は、比較形態のガスセンサ素子における、酸素イオン電流の移動の仕方を表す模式図、及びチャンバ内の酸素濃度の分布を示す線図であり、
図7は、実施形態1のガスセンサ素子における、酸素イオン電流の移動の仕方を表す模式図、及びチャンバ内の酸素濃度の分布を示す線図であり、
図8は、比較形態における、ガスセンサ素子の説明図であり、
図9は、図8のIX-IX線矢視断面図であり、
図10は、比較形態における、ガスセンサ素子によるVI曲線を示す線図であり、
図11は、実験例1における、発熱中心位置とフラット性との関係の測定結果を示す線図であり、
図12は、実験例1における、ガスセンサ素子の各部の寸法を示す説明図であり、
図13は、発熱中心の位置を電極中心としたガスセンサ素子によるVI曲線を示す線図であり、
図41は、発熱中心の位置を電極中心よりも先端側としたガスセンサ素子によるVI曲線を示す線図であり、
図15は、実施形態2における、発熱基端部も測定電極の先端より先端側に配されたヒータの平面説明図であり、
図16は、実施形態2における、発熱基端部が電極中心より先端側に配されたヒータの平面説明図であり、
図17は、実施形態2における、発熱基端部が電極基端部より先端側に配されたヒータの平面説明図であり、
図18は、実施形態2における、発熱基端部が電極基端部より基端側に配されたヒータの平面説明図であり、
図19は、実施形態3における、ヒータの平面説明図であり、
図20は、実施形態3における、他のヒータの平面説明図であり、
図21は、実施形態4における、ヒータの平面説明図であり、
図22は、実施形態4における、他のヒータの平面説明図であり、
図23は、実施形態4における、さらに他のヒータの平面説明図であり、
図24は、実施形態5における、折返し回数を変更したヒータの平面説明図であり、
図25は、実施形態5における、幅方向に凹凸形状が表れるように折り返したヒータの平面説明図であり、
図26は、実施形態5における、一部の配線幅を小さくしたヒータの平面説明図であり、
図27は、実施形態5における、一部の配線厚みを小さくしたヒータの平面説明図であり、
図28は、実施形態5における、複数の分岐配線部を設けたヒータの平面説明図であり、
図29は、実施形態6における、センサセルを複数備えたガスセンサ素子の展開説明図である。
(実施形態1)
ガスセンサ素子に係る実施形態について、図1~図5を参照して説明する。
本形態のガスセンサ素子1は、複数のセラミック層を積層してなる。また、本形態のガスセンサ素子1は、限界電流式のガスセンサ素子である。すなわち、ガスセンサ素子1は、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成されている。
ガスセンサ素子に係る実施形態について、図1~図5を参照して説明する。
本形態のガスセンサ素子1は、複数のセラミック層を積層してなる。また、本形態のガスセンサ素子1は、限界電流式のガスセンサ素子である。すなわち、ガスセンサ素子1は、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成されている。
ガスセンサ素子1は、図1~図3に示すごとく、固体電解質体2と、ヒータ5と、測定電極31及び基準電極32と、チャンバ4と、ガス導入口150と、拡散抵抗部15と、を有する。
固体電解質体2は、酸素イオン伝導性を有する。ヒータ5は、固体電解質体2を加熱する。測定電極31及び基準電極32は、固体電解質体2に設けられている。チャンバ4は、測定電極31に面し被測定ガスが導入される空間である。ガス導入口150は、ガスセンサ素子1の長手方向Yにおいてチャンバ4の先端側に設けられている。拡散抵抗部15は、ガス導入口150に設けられている。
固体電解質体2は、酸素イオン伝導性を有する。ヒータ5は、固体電解質体2を加熱する。測定電極31及び基準電極32は、固体電解質体2に設けられている。チャンバ4は、測定電極31に面し被測定ガスが導入される空間である。ガス導入口150は、ガスセンサ素子1の長手方向Yにおいてチャンバ4の先端側に設けられている。拡散抵抗部15は、ガス導入口150に設けられている。
図1、図3に示すごとく、ヒータ5の発熱中心5Cは、測定電極31の電極中心31Cよりも先端側に配置されている。ここで、ヒータ5の発熱中心5Cは、ヒータ5への通電制御を行って最高温度部位の温度を700℃にて安定させたときの当該最高温度部位として、定義することができる。
すなわち、ヒータ5の温度は、図4に示すごとく、長手方向Yの位置Y0によって異なり、分布を有する。ヒータ5の最高温度部位を700℃にて安定させても、他の部位は、700℃未満となる。そこで、ヒータ5の最高温度部位が700℃にて安定させたときに、当該最高温度部位となる、長手方向Yの位置を、発熱中心5Cと定義する。
なお、図4の横軸は、ガスセンサ素子1の先端からの長手方向Yの距離Y0を示し、縦軸が温度Tを示す。同図の曲線M1は、本形態のガスセンサ素子1におけるヒータ5の温度分布を示す。また、同図の曲線M2は、後述する比較形態のガスセンサ素子9におけるヒータ5の温度分布を示す。
上述したヒータ5の最高温度部位の700℃は、あくまでもヒータ5の発熱中心5Cを定義する際の温度であり、ガスセンサ素子1の使用時の温度を規定するものではない。ガスセンサ素子1を使用する場合、最高温度部位の温度は適宜設定することができる。ガスセンサ素子1の使用時における最高温度部位の温度は、例えば、600℃~950℃の範囲にて適宜設定することができる。
また、ヒータ5の温度は、ガスセンサ素子1を、積層方向Zにおいてヒータ5に近い側の主面(本形態においては、後述するヒータ層14の主面)から、サーモグラフにて測定することにより得られる温度である。このとき、ガスセンサ素子1が、その表面を覆う多孔質層(例えば、被毒物質を捕捉するトラップ層)を備える場合は、当該多孔質層を剥がして、緻密なセラミック層を露出させた状態にて、温度測定を行う。
ガスセンサ素子1は長尺形状を有し、その長手方向Yの一端に近い位置に、測定電極31及び基準電極32が形成されている。長手方向Yにおける、測定電極31及び基準電極32が設けられた側を、先端側、その反対側を基端側という。また、長手方向Y及び積層方向Zの双方に直交する方向を、幅方向Wという。
図1、図3に示すごとく、本形態において、ヒータ5の発熱中心5Cは、測定電極31の先端31AからL/4基端側の位置31Dよりも先端側に配置されている。ここで、Lは、長手方向Yにおける測定電極31の全長である。
ヒータ5の先端5Aは、測定電極31の先端31Aよりも先端側に配置されている。なお、本形態において、ヒータ5の先端5Aは、発熱中心5Cの温度を700℃に維持しているときの温度が600℃以上となる。
ヒータ5の先端5Aは、測定電極31の先端31Aよりも先端側に配置されている。なお、本形態において、ヒータ5の先端5Aは、発熱中心5Cの温度を700℃に維持しているときの温度が600℃以上となる。
ヒータ5の発熱基端部5Bは、測定電極31の基端31Bよりも基端側に配置されている。ここで、発熱基端部5Bは、ヒータ5における、発熱中心5Cの温度を700℃に維持しているときの温度が600℃以上となる部位のうち最も基端側の部位である。
すなわち、図4において、曲線M1が、直線T=600と交わる点における距離Y1が、発熱基端部5Bの素子先端からの距離に相当する。
すなわち、図4において、曲線M1が、直線T=600と交わる点における距離Y1が、発熱基端部5Bの素子先端からの距離に相当する。
本形態のガスセンサ素子1においては、図1、図2に示すごとく、固体電解質体2における測定電極31を設けた側の面に、チャンバ形成層11と遮蔽層12とを順次積層してある。また、固体電解質体2における基準電極32を設けた側の面に、ダクト形成層13とヒータ層14とが順次積層してある。
チャンバ形成層11は、積層方向Zに直交する方向からチャンバ4を囲むように形成されたセラミック層である。チャンバ形成層11と、固体電解質体2と遮蔽層12との間に、チャンバ4が形成される。なお、図1、図3(a)に示すごとく、チャンバ形成層11の一部には、拡散抵抗部15が設けられている。拡散抵抗部15は、被測定ガスを拡散させながらチャンバ4に導入する部位である。
ガス導入口150は、ガスセンサ素子1の先端部に形成されている。そして、ガス導入口150は、ガスセンサ素子1の先端側に開口している。このガス導入口150に、拡散抵抗部15が設けられている。すなわち、チャンバ4の先端側に拡散抵抗部15が配置されている。拡散抵抗部15は、多孔質のセラミックからなる。これにより、素子の先端側から被測定ガスをチャンバ4に導入するよう構成されている。
ダクト形成層13は、図1,図2に示すごとく、ダクト6を固体電解質体2と反対側から覆うと共に、積層方向Zに直交する方向からダクト6を囲むように形成されたセラミック層である。ただし、ダクト形成層13は、ダクト6の基端側を塞いでいない。すなわち、ダクト6は、ガスセンサ素子1の基端部に開口している。これにより、基準ガスは、ガスセンサ素子1の基端側からダクト6に導入される。そして、基準ガスは、ダクト6に面して形成された基準電極32に接する。本形態において、基準ガスは大気である。
固体電解質体2は、ジルコニアを主成分とするセラミック層である。チャンバ形成層11、遮蔽層12、ダクト形成層13、ヒータ層14は、いずれもアルミナを主成分とするセラミック層である。拡散抵抗部15も、アルミナを主成分とする。ただし、被測定ガスを透過させることができるよう、多孔質のセラミック体からなる。
ヒータ5は、ヒータ層14に形成されている。すなわち、ヒータ層14におけるダクト形成層13側の面に、ヒータパターンが形成されている。図3(b)に示すごとく、ヒータ5は、ヒータ発熱部51とヒータリード部52とを有する。ヒータリード部52は、ヒータ発熱部51の基端側に接続され、基端側へ延設されている。ヒータ発熱部51は、ヒータリード部52よりも導通抵抗が大きい。これにより、ヒータ5に通電したとき、主にヒータ発熱部51が発熱する。
本形態においては、ヒータ発熱部51は、先端側にて2回、基端側にて1回折り返した形状を有する。ヒータ5の発熱中心5Cは、ヒータ発熱部51の中でも、先端に近い位置に存在する。ヒータ発熱部51の熱の一部は、基端側に接続されたヒータリード部52を介して放熱される。また、ガスセンサ素子1において、ヒータ発熱部51よりも先端側の部位は比較的体積が小さい。すなわち、ヒータ発熱部51よりも先端側の部位は、熱容量が比較的小さい。このような要因から、ヒータ発熱部51の中でも先端に近い位置に発熱中心5Cが存在することとなる。
ガスセンサ素子1は、複数のセラミック層を積層してなるが、完成品の状態において、各セラミック層の間の境界が存在しない場合もある。例えば、チャンバ形成層11と遮蔽層12との間の境界、ダクト形成層13とヒータ層14との境界は、存在しない場合がある。
上述のように、ガスセンサ素子1は、基準電極32が面するダクト6を有する(図1、図2参照)。本形態のガスセンサ素子1は、固体電解質体2と測定電極31と基準電極32とによって構成されたセンサセル16によって、チャンバ4内の酸素がダクト6にポンピングされるよう構成されている。
本形態において、ガスセンサ素子1は、A/Fセンサ素子である。すなわち、被測定ガスは、空気と燃料との混合気を燃焼させる内燃機関の排ガスである。そして、限界電流値を基に混合気における空気と燃料との混合比を測定することができるよう構成されている。
本形態のガスセンサ素子1は、例えば車両の内燃機関の排気系に取り付けて用いられる。なお、ガスセンサ素子1は、図示を省略するハウジング、素子カバー等を備えたガスセンサ内に組付けられたうえで、排気系に設置される。そして、排気系を流通する排ガスが、被測定ガスとして、ガスセンサ素子1のガス導入口150から拡散抵抗部15を介してチャンバ4に導入される。この状態において、測定電極31と基準電極32との間に電圧を印加したときに電極間に流れる電流値を測定することにより、排ガス中の酸素の濃度を検出する。
この電圧値と電流値との関係は、図5に示すようなVI曲線(L1~L3)を描く。すなわち、被測定ガス中の酸素濃度の分圧によって異なるVI曲線(L1~L3)を描くが、各VI曲線において、電圧値が上昇しても電流値がほとんど変化しないフラット部Fが存在する。したがって、このフラット部Fにおける電流値(すなわち限界電流値)が測定できるような電圧を測定電極31と基準電極32との間に印加することにより、安定した電流値が得られる。そして、この電流値から酸素濃度を検出することができ、ひいては空燃比を導き出すことができる。
これらの電流値の測定や空燃比の導出は、ガスセンサ素子1にて得られた検出信号を基に、例えば、車両に搭載されたECU(電子制御ユニットの略)にて行うことができる。また、電極間への電圧印加の制御、ヒータ5への通電制御等も、ECUにて行うことができる。
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記ガスセンサ素子1においては、ヒータ5の発熱中心5Cが、測定電極31の電極中心31Cよりも先端側に配置されている。それゆえ、測定電極31の先端部付近における固体電解質体2の温度を充分に高くしやすくなる。つまり、固体電解質体2における、測定電極31の先端部付近の部位を充分に活性化することができる。その結果、先端側のガス導入口150から拡散抵抗部15を介してチャンバ4に導入された被測定ガスを、測定電極31の先端部付近において、充分に処理することができる。つまり、測定電極31の先端部付近に到達した特定ガスの成分を、充分な処理速度にて、酸素イオンとして固体電解質体2を基準電極32側へ伝導させることができる。
それゆえ、先端側からチャンバ4に測定ガスを導入する構成であっても、ガスセンサ素子1のフラット性を高くすることができる。
上記ガスセンサ素子1においては、ヒータ5の発熱中心5Cが、測定電極31の電極中心31Cよりも先端側に配置されている。それゆえ、測定電極31の先端部付近における固体電解質体2の温度を充分に高くしやすくなる。つまり、固体電解質体2における、測定電極31の先端部付近の部位を充分に活性化することができる。その結果、先端側のガス導入口150から拡散抵抗部15を介してチャンバ4に導入された被測定ガスを、測定電極31の先端部付近において、充分に処理することができる。つまり、測定電極31の先端部付近に到達した特定ガスの成分を、充分な処理速度にて、酸素イオンとして固体電解質体2を基準電極32側へ伝導させることができる。
それゆえ、先端側からチャンバ4に測定ガスを導入する構成であっても、ガスセンサ素子1のフラット性を高くすることができる。
また、チャンバ4の先端側にガス導入口150及び拡散抵抗部15を設けているため、ガスセンサ素子1の応答性が、測定箇所に対するガスセンサ(すなわち、ガスセンサ素子1を内蔵したセンサモジュール)の取付姿勢に影響され難くすることができる。すなわち、上述のように、ガスセンサ素子1は、内燃機関の排気系に取り付けて用いられる。かかる場合において、ガスセンサ素子1は、ガス流れに対して長手方向Yが直交するような状態にて、取り付けられる。このとき、ガス流れの向きに対して、ガスセンサ素子1の幅方向Wの向きが、取付状態によって変わることはある。しかし、ガス流れの向きに対する先端部の向きが取付状態によって大きく変わることはない。それゆえ、先端部にガス導入口150及び拡散抵抗部15を有するガスセンサ素子1は、取付姿勢が応答性に影響し難い。
これに対して、後述の図8、図9に示す比較形態のガスセンサ素子9のように、ガス導入口150及び拡散抵抗部15が、チャンバ4に対して幅方向Wの外側に形成されている場合には、配管に対するガスセンサ素子9の取付姿勢によって、応答性が変わりやすい。つまり、ガスセンサ素子9の幅方向Wの向きが取付姿勢によって変わるため、取付姿勢によって、ガス流れに対するガス導入口150の向きが変わることとなる。そして、ガス導入口150の向きが、ガス流れの上流側を向いた場合には、被測定ガスがチャンバ4に導入されやすくなる。一方、ガス導入口150の開口方向がガス流れに対して直交するように配された場合には、比較的被測定ガスがチャンバ4に導入され難くなる。つまり、取付姿勢によって、チャンバ4への被測定ガスの入りやすさが変動し、これに伴い、応答性が変動することとなる。
ガス導入口150が先端側に開口しているガスセンサ素子は、上記のような応答性のバラツキが生じにくく、応答性の観点では有利となる。なお、応答性は、測定箇所における被測定ガス中の特定ガス濃度の変動を、ガスセンサ素子が検出する速度にて評価される性能である。この検出速度、すなわち応答速度が速いほど、応答性に優れている。
ところが、先端側からガスがチャンバ4に導入される構造の場合、被測定ガスはチャンバ4に導入された後、測定電極31の先端部付近に到達することとなる。この測定電極31の先端部付近において、仮に固体電解質体2の温度が充分に高くなっていないと、当該部位の活性が不充分となる。それゆえ、図6に示すごとく、単位面積当たりの酸素イオンの移動速度が小さくなり、チャンバ4内において、特定ガス濃度の分布が、長手方向Yに生じてしまう。図6に示す矢印O2-は、酸素イオンの移動を表し、矢印の太さが単位面積当たりの酸素イオンの移動速度をイメージしている。後述する図7に示す矢印O2-についても同様である。
つまり、測定電極31の先端部付近において、充分な処理速度にて酸素をポンピングできなくなる。そうすると、チャンバ4内において、酸素濃度の傾斜が生じるおそれがある。かかる酸素濃度の傾斜が生じると、上述したVI曲線のフラット性が低下する。つまり、VI曲線のフラット部が、傾斜しやすくなる。
そこで、本形態のガスセンサ素子1においては、ヒータ5の発熱中心5Cを、測定電極31の電極中心31Cよりも先端側に配置している。それゆえ、測定電極31の先端部付近における固体電解質体2の温度を高くしやすい。そうすると、図7に示すごとく、単位面積当たりの酸素イオンの移動速度が充分に大きくなり、測定電極31の先端部付近において充分な処理速度にて酸素をポンピングすることができる。それゆえ、図7に示すごとく、チャンバ4内における酸素濃度の傾斜が生じにくくなる。その結果、フラット性を向上させることができる。
なお、図6、図7は、説明の便宜上、拡散抵抗部15の基端と測定電極31の先端31Aとが、長手方向Yの同位置に設けた構成を示している。そして、ガスセンサ素子が酸素濃度20%の被測定ガスに曝されたときのチャンバ4内の酸素濃度の分布をグラフにて併記している。また、あくまでも、図6、図7は、説明の便宜のための模式図であり、これらに併記したグラフも概略図である。
なお、ヒータ5の発熱中心5Cが、電極中心31Cと同じ位置もしくはそれよりも基端側であっても、ヒータ発熱部51の発熱量を大きくすることで、測定電極31の先端部付近の温度を充分に高めることが可能な場合もある。しかし、このような手法にて測定電極31の先端部付近の温度を高めることは、ヒータ5の耐久性、消費電力等の観点において、不利となる。そこで、本形態においては、上述のように、発熱中心5Cを電極中心31Cよりも先端側に配置することで、効果的にフラット性を向上させている。
本形態においては、図1、図2に示すごとく、ヒータ5の発熱中心5Cは、測定電極31の先端31AからL/4基端側の位置31Dよりも先端側に配置されている。これにより、測定電極31の先端部付近の温度を高くしやすくなる。その結果、フラット性をより向上させやすくすることができる。
ヒータ5の先端5Aは、測定電極31の先端31Aよりも先端側に配置されている。これにより、測定電極31の先端部付近の温度をより確実に高くすることができる。その結果、フラット性をより向上させることができる。
ヒータ5の発熱基端部5Bは、測定電極31の基端31Bよりも基端側に配置されている。これにより、測定電極31の全体にわたり、固体電解質体2の温度を高く維持しやすくなる。その結果、センサセル16のうち、充分な酸素ポンピング能力を有する領域の面積を大きくすることができる。その結果、VI曲線におけるフラット部に至るまでの抵抗値Ri(すなわちΔV/ΔI)を抑制することができる。これにより、VI曲線におけるフラット部を大きくすることができる。このフラット部が大きくなると、ガスセンサ素子1の耐久性が向上し、長寿命化を図ることができる。すなわち、ガスセンサ素子1の使用の継続により、抵抗値Riは徐々に大きくなり、フラット部が徐々に小さくなる。フラット部が小さくなりすぎると、限界電流値を測定することが困難となる。それゆえ、フラット部を極力大きくしておくことが、ガスセンサ素子1の長寿命化につながる。
なお、本形態においては、長手方向Yにおいてヒータ5の先端5Aと発熱基端部5Bとの間に測定電極31が収まる。これにより、フラット部を大きくし、長寿命化が図られている。ただし、発熱中心5Cを電極中心31Cより先端側に設けたうえで、ヒータ5の先端5Aを測定電極31の先端31Aより基端側としたり、発熱基端部5Bを測定電極31の基端31Bより先端側としたりすることもできる(例えば、後述する実施形態2、3、4に示すバリエーションの一部を参照)。これにより、消費電力を抑制しつつ測定電極31の先端部付近の温度を充分に上昇させることができる。
また、本形態のガスセンサ素子1は、固体電解質体2と測定電極31と基準電極32とによって構成されたセンサセル16が、チャンバ4内の酸素をダクト6にポンピングすることができるよう構成されている。かかる構成のガスセンサ素子1は、一般に、印加電圧のずれが、測定精度の誤差に影響しやすい。それゆえ、上述のような発熱中心5Cの位置の改善により、フラット性を向上させる意義が特に大きい。
また、本形態において、ガスセンサ素子1は、A/Fセンサ素子である。A/Fセンサ素子は、一般に、早期活性が重要な要素となり、昇温速度を高くする傾向にある。そのため、耐熱応力を高めるべく、積層方向Zのチャンバ4の高さを低くする。例えば、チャンバ4の高さを50μm以下、さらに好ましくは30μm以下と、低くする。そうすると、上述のような、チャンバ4内における酸素濃度の傾斜が生じやすくなり、フラット性において不利となりやすい。そこで、上述のように、発熱中心5Cの位置の改善により、フラット性を向上させる意義が特に大きい。
以上のごとく、本形態によれば、優れたフラット性を有するガスセンサ素子を提供することができる。
(比較形態)
本形態は、図8、図9に示すごとく、ガス導入口150及び拡散抵抗部15が、チャンバ4に対して幅方向Wの外側に形成されているガスセンサ素子9の形態である。
ガスセンサ素子9においては、チャンバ4の先端側にはガス導入口を設けていない。また、ヒータ5の発熱中心5Cは、長手方向Yにおいて、測定電極31の電極中心31Cと同等の位置に配置されている(図4の曲線M2参照)。
本形態は、図8、図9に示すごとく、ガス導入口150及び拡散抵抗部15が、チャンバ4に対して幅方向Wの外側に形成されているガスセンサ素子9の形態である。
ガスセンサ素子9においては、チャンバ4の先端側にはガス導入口を設けていない。また、ヒータ5の発熱中心5Cは、長手方向Yにおいて、測定電極31の電極中心31Cと同等の位置に配置されている(図4の曲線M2参照)。
なお、図10に、本形態のガスセンサ素子9によるVI曲線を示す。このVI曲線は、ガスセンサ素子を大気中に配置した状態において、電極間への印加電圧を1V近くまで徐々に上昇させた後、印加電圧を徐々に下降させて、出力電流の変化を測定することにより得たものである。電圧上昇時と電圧下降時とでは、出力電流の変化の仕方が若干異なることがあり、そのずれが、図10のVI曲線において表れている。なお、後述する図13、図14についても、同様の手法にて、それぞれのガスセンサ素子によるVI曲線を得たものである。
その他は、実施形態1と同様である。なお、本形態において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本形態においては、被測定ガスは、幅方向Wの外側からチャンバ4内に導入される。それゆえ、拡散抵抗部15を介してチャンバ4に導入された直後の被測定ガスは、測定電極31における、長手方向Yの中央部付近に接する。この部分は、ヒータ5の発熱中心5C付近でもあるため、充分に活性化した状態にある。それゆえ、図10に示すごとく、VI曲線のフラット性に関しては優れている。ただし、上述したように、排気系への取付姿勢によって応答性が変動しやすいという課題を有している。
(実験例1)
本例においては、図11に示すごとく、ヒータ5の発熱中心5Cの位置と、フラット性との関係につき調べた。
すなわち、発熱中心5Cの位置以外は、実施形態1のガスセンサ素子1と同様の構成の種々のガスセンサ素子を、試料として用意した。
本例においては、図11に示すごとく、ヒータ5の発熱中心5Cの位置と、フラット性との関係につき調べた。
すなわち、発熱中心5Cの位置以外は、実施形態1のガスセンサ素子1と同様の構成の種々のガスセンサ素子を、試料として用意した。
具体的に試料として作製したガスセンサ素子において、チャンバ4、測定電極31、ガス導入口150、拡散抵抗部15等は、図12に示す寸法関係を有する。チャンバ4の積層方向Zの高さは20μmとした。そして、発熱中心5Cの位置を、素子先端からの長手方向Yの距離Y1として、1.25~2.7mmの間にて変更した複数水準の試料を用意した。なお、距離Y1=2.7mmの位置は、測定電極31の電極中心31Cの位置でもある。また、ヒータ発熱部51の幅W2は、2.5mmとした。
各水準の試料につき、フラット性を評価した。フラット性の評価にあたっては、図13、図14に示すようなVI曲線を、各試料について取得することにより行った。VI曲線の取得の仕方は、上述した図10のVI曲線と同様である。なお、図13は、Y1=2.7mmのガスセンサ素子によるVI曲線を示す。図14は、Y1=1.25mmのガスセンサ素子によるVI曲線を示す。
そして、印加電圧0.6Vのときの出力電流値と、印加電圧0.7Vのときの出力電流値との差ΔIL(図13参照)を、フラット性の指標とした。なお、VI曲線によっては電圧上昇時と電圧下降時とで、曲線が若干ずれることもあるが、その場合は、両者の平均の曲線を用いてΔILを測定した。また、各水準5回ずつ、上記の測定を行った。評価結果を、図11に示す。同図に示す一点鎖線31A、31D、31Bは、測定電極31の各位置31A、31D、31B(図1、図3参照)に相当する距離Y1を示している。
同図に示すように、発熱中心5Cの位置がガスセンサ素子の先端部に近付くほど、ΔILが小さくなっている。すなわち、発熱中心5Cの位置がガスセンサ素子の先端部に近付くほど、フラット性が向上することが分かる。そして、発熱中心5Cの位置が電極中心31Cの位置にあるものよりも、発熱中心5Cの位置が電極中心31Cより先端側にあるものの方が、フラット性が向上することが分かる。
さらには、発熱中心5Cの位置が、測定電極31の先端31Aから測定電極31の全長Lの1/4の位置31Dより先端側にあるものは、フラット性の指標となるΔILを0.036mA以下とすることができる。ここで、ΔI≦0.036mAは、本例にて用いたガスセンサ素子の限界電流値1.8mAの±1%の幅に相当する。つまり、ΔI≦0.036mAを満たすガスセンサ素子は、誤差1%以内の測定精度を実現できるものであると考えられる。
(実施形態2)
本形態は、図15~図18に示すごとく、ヒータ5の発熱中心5Cを測定電極31の先端31Aよりも先端側に配置した形態である。
図15~図18は、それぞれ、ヒータ5のパターンのバリエーションを、測定電極31との位置関係を示しつつ、表したものである。
本形態は、図15~図18に示すごとく、ヒータ5の発熱中心5Cを測定電極31の先端31Aよりも先端側に配置した形態である。
図15~図18は、それぞれ、ヒータ5のパターンのバリエーションを、測定電極31との位置関係を示しつつ、表したものである。
図15に示すヒータ5は、発熱中心5Cと共に、発熱基端部5Bも、測定電極31の先端31Aより先端側に配置している。
図16に示すヒータ5は、発熱基端部5Bが、測定電極31の先端31Aより基端側であって、測定電極31の電極中心31Cより先端側に配置している。
図16に示すヒータ5は、発熱基端部5Bが、測定電極31の先端31Aより基端側であって、測定電極31の電極中心31Cより先端側に配置している。
図17に示すヒータ5は、発熱基端部5Bが、測定電極31の電極中心31Cより基端側であって、測定電極31の基端31Bより先端側に配置している。
図18に示すヒータ5は、発熱基端部5Bが、測定電極31の基端31Bより基端側に配置している。なお、図18に示すヒータ5は、ヒータ発熱部51の先端部側ほど、ヒータパターンの線幅が狭くなる形状を有する。これにより、ヒータ発熱部51の先端に近い位置において、よりジュール熱が発生しやすくなる。これにより、発熱中心5Cを測定電極31の先端31Aよりも先端側となるようにしている。
図18に示すヒータ5は、発熱基端部5Bが、測定電極31の基端31Bより基端側に配置している。なお、図18に示すヒータ5は、ヒータ発熱部51の先端部側ほど、ヒータパターンの線幅が狭くなる形状を有する。これにより、ヒータ発熱部51の先端に近い位置において、よりジュール熱が発生しやすくなる。これにより、発熱中心5Cを測定電極31の先端31Aよりも先端側となるようにしている。
その他は、実施形態1と同様である。なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本形態のガスセンサ素子においても、測定電極31の先端部付近を充分に昇温することができる。そのため、フラット性を向上させることができる。なお、図18に示すヒータ5は、特にフラット部を広く確保しやすい。それゆえ、長寿命化を図りやすい。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
(実施形態3)
本形態は、図19、図20に示すごとく、ヒータ5の発熱中心5Cを測定電極31の先端31Aと測定電極31の電極中心31Cとの間に配置しつつ、発熱基端部5Bを測定電極31の基端31Bよりも先端側に配置した形態である。
図19、図20は、それぞれ、ヒータ5のパターンのバリエーションを、測定電極31との位置関係を示しつつ、表したものである。
本形態は、図19、図20に示すごとく、ヒータ5の発熱中心5Cを測定電極31の先端31Aと測定電極31の電極中心31Cとの間に配置しつつ、発熱基端部5Bを測定電極31の基端31Bよりも先端側に配置した形態である。
図19、図20は、それぞれ、ヒータ5のパターンのバリエーションを、測定電極31との位置関係を示しつつ、表したものである。
図19に示すヒータ5は、発熱基端部5Bが、測定電極31の電極中心31Cよりも先端側に配置されている。
図20に示すヒータ5は、発熱基端部5Bが、測定電極31の電極中心31Cよりも基端側であって、測定電極31の基端31Bよりも先端側に配置されている。
その他は、実施形態1と同様である。
図20に示すヒータ5は、発熱基端部5Bが、測定電極31の電極中心31Cよりも基端側であって、測定電極31の基端31Bよりも先端側に配置されている。
その他は、実施形態1と同様である。
本形態のガスセンサ素子においても、測定電極31の先端部付近を充分に昇温することができる。そのため、フラット性を向上させることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
(実施形態4)
本形態は、図21~図23に示すごとく、ヒータ5の先端5Aを測定電極31の先端31Aよりも基端側に配置した形態である。
図21~図23は、それぞれ、ヒータ5のパターンのバリエーションを、測定電極31との位置関係を示しつつ、表したものである。
本形態は、図21~図23に示すごとく、ヒータ5の先端5Aを測定電極31の先端31Aよりも基端側に配置した形態である。
図21~図23は、それぞれ、ヒータ5のパターンのバリエーションを、測定電極31との位置関係を示しつつ、表したものである。
図21に示すヒータ5は、先端5Aと発熱基端部5Bとのいずれもが、測定電極31の先端31Aと電極中心31Cとの間に配置されている。
図22に示すヒータ5は、先端5A及び発熱中心5Cが測定電極31の先端31Aと電極中心31Cとの間に配置され、発熱基端部5Bが測定電極31の電極中心31Cと基端31Bとの間に配置されている。
図22に示すヒータ5は、先端5A及び発熱中心5Cが測定電極31の先端31Aと電極中心31Cとの間に配置され、発熱基端部5Bが測定電極31の電極中心31Cと基端31Bとの間に配置されている。
図23に示すヒータ5は、先端5A及び発熱中心5Cが測定電極31の先端31Aと電極中心31Cとの間に配置され、発熱基端部5Bが測定電極31の基端31Bより基端側に配置されている。
その他は、実施形態1と同様である。
その他は、実施形態1と同様である。
本形態のガスセンサ素子においても、測定電極31の先端部付近を充分に昇温することができる。そのため、フラット性を向上させることができる。なお、図23に示すヒータ5は、特にフラット部を広く確保しやすい。それゆえ、長寿命化を図りやすい。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
(実施形態5)
本形態においては、図24~図28に示すごとく、ヒータ5のヒータ発熱部51におけるパターンのバリエーションを示す。
図24に示すヒータ発熱部51は、実施形態1にて示したヒータ発熱部51(図3参照)に対し、折返し回数を変更した形態である。すなわち、図24のヒータ5は、先端側の折返し回数を3回、基端側の折返し回数を2回としている。この折返し回数を種々変更したものを採用することもできる。
本形態においては、図24~図28に示すごとく、ヒータ5のヒータ発熱部51におけるパターンのバリエーションを示す。
図24に示すヒータ発熱部51は、実施形態1にて示したヒータ発熱部51(図3参照)に対し、折返し回数を変更した形態である。すなわち、図24のヒータ5は、先端側の折返し回数を3回、基端側の折返し回数を2回としている。この折返し回数を種々変更したものを採用することもできる。
図25に示すヒータ発熱部51は、幅方向Wに凹凸形状が表れるように折り返した形状を有する。この折返し回数も、種々変更することができる。
図26に示すヒータ発熱部51は、一部の配線幅を特に小さくしたものである。配線幅を細くした細線部511の先端と基端との間が、発熱中心5Cとなるようにすることができる。
図26に示すヒータ発熱部51は、一部の配線幅を特に小さくしたものである。配線幅を細くした細線部511の先端と基端との間が、発熱中心5Cとなるようにすることができる。
図27に示すヒータ発熱部51は、一部の配線厚みを小さくしたものである。配線厚みを薄くした薄線部512の先端と基端との間が、発熱中心5Cとなるようにすることができる。
図28に示すヒータ発熱部51は、互いに並列接続された複数の分岐配線部513を有する。図28においては、分岐配線部513が2つの形態を示したが、3つ以上の分岐配線部513を設けたものとすることもできる。
(実施形態6)
本形態は、図29に示すごとく、電気化学セル(16、16N、16M)を複数備えたガスセンサ素子1の形態である。
本形態において、ガスセンサ素子1の固体電解質体2における、チャンバ4側の面には、複数の電極が形成されている。
本形態は、図29に示すごとく、電気化学セル(16、16N、16M)を複数備えたガスセンサ素子1の形態である。
本形態において、ガスセンサ素子1の固体電解質体2における、チャンバ4側の面には、複数の電極が形成されている。
これら複数の電極は、それぞれ、基準電極32と固体電解質体2と共に、電気化学セルを構成している。すなわち、本形態のガスセンサ素子1は、複数の電気化学セルを有する。このように複数の電気化学セルを有する場合、長手方向Yにおいて最も拡散抵抗部15に近い位置に設けられた電気化学セルであるセンサセル16を構成する測定電極31との関係において、ヒータ5の発熱中心5Cを規定する。
本形態においては、長手方向Yにおいて最も先端側に配されたセンサセル16は、チャンバ4内の酸素をダクト6へポンピングするポンプセルでもある。このポンプセルにて、チャンバ4内の酸素濃度を調整している。このポンピング時に流れる電流値を測定して、限界電流値を測定することで、排ガス中の酸素濃度を測定している。そして、この酸素濃度に基づいて、内燃機関の空燃比(すなわちA/F)を測定することができる。
また、上記電気化学セルのうち、センサセル16以外は、例えば、NOx用セル16Nと、モニタセル16Mとすることができる。NOx用セル16Nは、NOx(すなわち窒素酸化物)に活性なNOx用電極31Nを有する。モニタセル16Mは、酸素に活性なモニタ用電極31Mを有する。モニタセル16Mは、チャンバ4内の酸素濃度を検出する。NOx用セル16Nに流れる酸素イオン電流とモニタセル16Mに流れる酸素イオン電流とに基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を検出することができる。
すなわち、本形態のガスセンサ素子は、NOx濃度の検出機能とともに、空燃比(すなわちA/F)の検出機能を併せ持つ。
すなわち、本形態のガスセンサ素子は、NOx濃度の検出機能とともに、空燃比(すなわちA/F)の検出機能を併せ持つ。
そして、上述のように、発熱中心5Cは、最も先端側に配された電気化学セルであるセンサセル16(ポンプセルでもある)における測定電極31の電極中心31Cよりも、先端側に配置されている。また、発熱基端部5Bは、測定電極31の基端31Bよりも基端側に配置されている。発熱基端部5Bは、NOx用電極31Nの基端よりも基端側に配されている。さらには、発熱基端部5Bは、モニタ用電極31Mの基端よりも基端側に配されている。
その他は、実施形態1と同様である。
本形態のように、複数の電気化学セルを有するガスセンサ素子1においても、発熱中心5Cの位置を測定電極31の電極中心31Cよりも先端側に配置することで、フラット性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
本形態のように、複数の電気化学セルを有するガスセンサ素子1においても、発熱中心5Cの位置を測定電極31の電極中心31Cよりも先端側に配置することで、フラット性に優れたガスセンサ素子を得ることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
本開示は上記各実施形態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種々の実施形態に適用することが可能である。
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
Claims (6)
- 複数のセラミック層を積層してなると共に、所定の電圧を印加したとき被測定ガス中の特定ガス濃度に依存した限界電流値を出力するよう構成された限界電流式のガスセンサ素子(1)であって、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)と、
上記固体電解質体を加熱するヒータ(5)と、
上記固体電解質体に設けられた測定電極(31)及び基準電極(32)と、
上記測定電極に面し被測定ガスが導入されるチャンバ(4)と、
上記ガスセンサ素子の長手方向(Y)において上記チャンバの先端側に設けられたガス導入口(150)と、
上記ガス導入口に設けられた拡散抵抗部(15)と、を有し、
上記ヒータの発熱中心(5C)は、上記測定電極の電極中心(31C)よりも先端側に配置されている、ガスセンサ素子。 - 上記ヒータの発熱中心は、長手方向における上記測定電極の全長をLとしたとき、上記測定電極の先端(31A)からL/4基端側の位置(31D)よりも先端側に配置されている、請求項1に記載のガスセンサ素子。
- 上記ヒータの先端(5A)は、上記測定電極の先端(31A)よりも先端側に配置されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。
- 上記ヒータの発熱基端部(5B)は、上記測定電極の基端(31B)よりも基端側に配置されており、
上記発熱基端部は、上記ヒータにおける、上記発熱中心の温度を700℃に維持しているときの温度が600℃以上となる部位のうち最も基端側の部位である、請求項1~3のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。 - 上記被測定ガスは、空気と燃料との混合気を燃焼させる内燃機関の排ガスであって、上記ガスセンサ素子は、上記限界電流値を基に上記混合気における空気と燃料との混合比を測定することができるよう構成された、A/Fセンサ素子である、請求項1~4のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
- 上記基準電極が面するダクト(6)を有し、上記固体電解質体と上記測定電極と上記基準電極とによって構成されたセンサセル(16)によって、上記チャンバ内の酸素が上記ダクトにポンピングされるよう構成された、請求項1~5のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
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