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JP2017072581A - ガスセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】応答性を向上させ、気筒間のインバランスの測定精度を向上させることができるガスセンサを提供すること。
【解決手段】ガスセンサ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の一方の主面に設けられて測定ガスGに晒される測定電極31と、固体電解質体2の他方の主面に設けられて基準ガスAに晒される基準電極32とを備えている。固体電解質体2を構成する結晶粒子201の間の粒界静電容量C1は、150μF以下である。また、固体電解質体2を構成する結晶粒子201と測定電極31及び基準電極32との間の界面抵抗R2は、80Ω以下である。さらに、測定電極31の膜厚t1は、2〜8μmである。
【選択図】図3

Description

本発明は、固体電解質体の両表面に電極を有するガスセンサに関する。
内燃機関の排気管に配置されるガスセンサにおいては、内燃機関から排気される排ガスを測定ガスとし、大気を基準ガスとして、測定ガス中の酸素濃度、特定ガス成分濃度等を測定している。また、ガスセンサのセンサ素子は、固体電解質体と、固体電解質体における測定ガスに晒される主面に設けられた測定電極と、固体電解質体における基準ガスに晒される主面に設けられた基準電極とを有する。ガスセンサを空燃比センサとして用いる場合には、酸素濃度の差によって固体電解質体を介して測定電極と基準電極との間に生じる電流を測定し、測定ガスにおける酸素濃度に基づいて、内燃機関の空燃比を算出している。
内燃機関の各気筒から順次排気される排ガスは、適宜混ざり合いながら排気管内を順次流れ、ガスセンサのセンサ素子における測定電極に順次到達する。そして、測定電極と基準電極との間に流れる電流によって、排気管内を順次流れた、測定ガスとしての排ガスにおける酸素濃度が順次求められる。
ガスセンサにおいては、各気筒の燃料噴射装置による燃料噴射量のばらつき等によって生じる、気筒間の空燃比のばらつき(気筒間のインバランス)を精度よく検出することが求められる。そして、内燃機関においては、ガスセンサによって検出した気筒間の空燃比のばらつきを各気筒の燃料噴射装置にフィードバックして、気筒間の空燃比のばらつきを減少させるよう制御している。
例えば、特許文献1のガスセンサにおいては、多気筒エンジンにおける各気筒間の空燃比がばらつく現象であるインバランスを検知するために、ガスセンサの応答性を高める工夫がなされている。具体的には、検知素子の検知部を2重のプロテクタによって囲い、外側プロテクタにおける複数の外側孔のそれぞれの開口面積を、内側プロテクタにおける複数の内側孔のそれぞれの開口面積よりも大きくしている。これにより、検知対象ガスが、複数の外側孔及び複数の内側孔を経由して検知素子の検知部へ導入される時間を短縮して、ガスセンサの応答性を高めている。
特開2012−21895号公報
ところで、気筒間のインバランスを精度よく検出するためには、排ガスをガスセンサにおける測定電極に迅速に到達させ、かつ固体電解質体を介して測定電極と基準電極との間に、排ガスに含まれる酸素がイオン化した酸素イオン(酸化物イオン)を迅速に通過させることが重要である。
しかしながら、従来のガスセンサにおいては、固体電解質体を介して測定電極と基準電極との間に迅速に酸素イオンを通過させる工夫はなされていない。そのため、ガスセンサの応答性を高めて、気筒間のインバランスを精度よく検出するためには、更なる工夫が必要とされる。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、応答性を向上させ、気筒間のインバランスの測定精度を向上させ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、ガス濃度を測定するためのセンサ素子(10)を備えるガスセンサ(1)において、
上記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)と、該固体電解質体の一方の主面に設けられて測定ガス(G)に晒される測定電極(31)と、上記固体電解質体の他方の主面に設けられて基準ガス(A)に晒される基準電極(32)とを有し、
上記固体電解質体を構成する結晶粒子(201)の間の粒界静電容量(C1)は、150μF以下である、ガスセンサにある。
上記ガスセンサにおいては、固体電解質体を構成する結晶粒子の間の粒界静電容量が150μF以下である。
ガスセンサにおける固体電解質体の等価回路は、固体電解質体を構成する結晶粒子内の内部抵抗と、固体電解質体を構成する結晶粒子の間の粒界抵抗及び粒界静電容量と、固体電解質体を構成する結晶粒子と測定電極及び基準電極との間の界面抵抗及び界面静電容量との和によって表すことができる。上記ガスセンサにおいては、粒界静電容量を極力小さくすることにより、ガスセンサの使用時において、酸素イオンが、固体電解質体を通過して測定電極と基準電極との間を移動しやすくすることができる。これにより、測定電極に接触する測定ガスの酸素濃度と、基準電極に接触する基準ガスの酸素濃度との差を検出するときのガスセンサの応答性を向上させることができる。
それ故、上記ガスセンサによれば、その応答性を向上させ、気筒間のインバランスの測定精度を向上させることができる。
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
実施形態1にかかる、ガスセンサの全体を示す断面説明図。 実施形態1にかかる、ガスセンサのセンサ素子を、その長手方向に直交する方向に切断した断面で示す説明図。 実施形態1にかかる、固体電解質体、測定電極及び基準電極のミクロ構造を模式的に示す説明図。 実施形態1にかかる、固体電解質体の等価回路を示す説明図。 実施形態1にかかる、粒界静電容量とインバランス応答性との関係を示すグラフ。 実施形態1にかかる、界面抵抗とインバランス応答性との関係を示すグラフ。 実施形態1にかかる、測定電極の膜厚とインバランス応答性との関係を示すグラフ。 実施形態2にかかる、ガスセンサの内側カバー及び外側カバーの周辺を示す断面説明図。 実施形態2にかかる、内側カバーの内側通過孔及び外側カバーの外側通過孔の形成状態を示す図で、図8におけるIX−IX線断面説明図。 実施形態2にかかる、内側カバー及び外側カバーにおける孔間距離と、インバランス応答性及びセンサ素子の被水量との関係を示すグラフ。
上述したガスセンサにおける好ましい実施の形態について説明する。
上記粒界静電容量は小さいほど好ましいが、製造のしやすさの観点より、50μF以上とすることができる。粒界静電容量は、固体電解質体を構成する結晶粒子が分極していないほど、小さくなると考えられる。
また、上記固体電解質体を構成する結晶粒子と上記測定電極及び上記基準電極との間の界面抵抗は、80Ω以下とすることができる。
上記界面抵抗を極力小さくすることにより、ガスセンサの使用時において、酸素イオンが、固体電解質体を通過して測定電極と基準電極との間を移動しやすくすることができる。これにより、測定電極に接触する測定ガスの酸素濃度と、基準電極に接触する基準ガスの酸素濃度との差を検出するときのガスセンサの応答性をより向上させることができる。
上記界面抵抗は、小さいほど好ましいが、製造のしやすさの観点より、20Ω以上とすることができる。界面抵抗は、固体電解質体を構成する結晶粒子と、白金等を含有する各電極とが微細複合化されているほど、小さくなると考えられる。
また、上記測定電極の膜厚は、2〜8μmとすることができる。
この場合には、測定電極の膜厚を極力小さくすることにより、ガスセンサの使用時において、酸素イオンが、固体電解質体を通過して測定電極と基準電極との間を移動しやすくすることができる。これにより、測定電極に接触する測定ガスの酸素濃度と、基準電極に接触する基準ガスの酸素濃度との差を検出するときのガスセンサの応答性をさらに向上させることができる。
製造上の観点より、測定電極の膜厚を2μm未満とすることは困難である。一方、測定電極の膜厚が8μm超過となる場合には、上記酸素イオンを移動しやすくする効果が得られにくくなる。また、測定電極の膜厚は、8μm未満、あるいは7μ以下とすることもできる。
以下に、ガスセンサにかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
(実施形態1)
本実施形態のガスセンサ1は、図1〜図4に示すように、ガス濃度を測定するためのセンサ素子10を備える。センサ素子10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の一方の主面に設けられて測定ガスGに晒される測定電極31と、固体電解質体2の他方の主面に設けられて基準ガスAに晒される基準電極32とを備える。固体電解質体2を構成する結晶粒子201の間の粒界静電容量C1は、150μF以下である。また、固体電解質体2を構成する結晶粒子201と測定電極31及び基準電極32との間の界面抵抗R2は、80Ω以下である。さらに、測定電極31の膜厚t1は、2〜8μmであり、基準電極32の膜厚t2は、2〜15μmである。
ガスセンサ1は、内燃機関としてのエンジンの排気管に配置され、排気管を通過する排ガスを測定ガスGとするとともに、大気を基準ガスAとして、測定ガスGの酸素濃度を求め、この酸素濃度に基づいてエンジンにおけるA/F(空燃比)を求める。
本実施形態のガスセンサ1は、測定ガスGの拡散律速に基づく限界電流特性を利用して、エンジンの空燃比を定量的に求めるA/Fセンサである。ガスセンサ1は、これ以外にも、エンジンにおける燃料と空気との混合比である空燃比が、理論空燃比に対して燃料過剰なリッチ状態にあるか空気過剰なリーン状態にあるかを検出する濃淡電池式のものとすることもできる。
エンジンは複数の気筒を有するものである。複数の気筒においては、燃料噴射装置から気筒ごとに異なるタイミングで噴射される燃料と、空気とによる混合気が燃焼する。そして、各気筒において混合気が燃焼した後には、各気筒から燃焼後の排ガスが排気管へ順次排気される。
排気管においては、各気筒から排気される排ガスが順次流れ、図1に示すように、ガスセンサ1における外側カバー8の外側通過孔811及び内側カバー7の内側通過孔711を経由して、センサ素子10のガス測定部12へと順次取り込まれる。そして、ガスセンサ1においては、各気筒から排気される排ガスを測定ガスGとして、この測定ガスG中の酸素濃度に基づいて、各気筒における空燃比を順次求めることになる。そして、この各気筒間における空燃比の差(ばらつき)を、気筒間の空燃比のインバランス(不均衡)という。従って、気筒間のインバランスを精度よく求めるためには、ガスセンサ1の応答性を高めることが必要である。
図1に示すように、ガスセンサ1は、センサ素子10と、センサ素子10を保持する絶縁碍子62と、絶縁碍子62を保持するハウジング61と、ハウジング61に保持された内側カバー7及び外側カバー8とを備える。内側カバー7及び外側カバー8は、絶縁碍子62から突出する、センサ素子10の突出部11を覆っている。突出部11には、測定ガスGが取り込まれて、測定ガスGにおける酸素濃度が測定されるガス測定部12が設けられている。内側カバー7には、測定ガスGが通過する内側通過孔711,721が形成され、外側カバー8には、測定ガスGが通過する外側通過孔811,821が形成されている。
なお、内側カバー7及び外側カバー8の二重の保護カバーを用いる代わりに、一重の保護カバーを用いることもできる。
図2に示すように、ガス測定部12は、測定ガスGが導入される導入部13、測定電極31、基準電極32、測定電極31と基準電極32とに挟まれる固体電解質体2の一部を有する。センサ素子10における固体電解質体2には、固体電解質体2及び各電極31,32を加熱して活性化させるためのヒータ5が積層されている。
固体電解質体2の一方の主面には、測定ガスGが導入される測定ガス室41が形成されており、測定電極31は測定ガス室41に配置されている。測定ガス室41は、絶縁体43、及び測定ガスGを所定の拡散速度で通過させる拡散抵抗層44によって囲まれて形成されている。固体電解質体2の他方の主面には、基準ガスAが導入される基準ガス室42が形成されており、基準電極32は基準ガス室42に配置されている。固体電解質体2に積層されたヒータ5は、通電によって発熱する発熱体52と、発熱体52を埋設するセラミック基板51とによって形成されている。基準ガス室42は、セラミック基板51によって囲まれて形成されている。
図3に示すように、固体電解質体2は、板形状を有し、イットリア部分安定化ジルコニア(以下、ジルコニアという。)からなる多数の結晶粒子201が集まって形成されている。結晶粒子201同士は、焼結されることによって互いに連なっている。測定電極31及び基準電極32は、白金等の貴金属成分301、及び固体電解質体2との共材としてのジルコニア成分202を含有している。結晶粒子201とジルコニア成分202とは同じものである。
なお、固体電解質体2には、希土類金属元素もしく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もしくは部分安定化ジルコニアを用いることができる。
本実施形態のガスセンサ1は、A/Fセンサとして、測定電極31と基準電極32との間に、限界電流特性を示す所定の電圧Vを印加して使用される。測定ガスG中の酸素分子O2は、測定電極31における貴金属成分301とジルコニア成分202との界面において、電子e-を受け取って酸素イオンO2-になる。そして、酸素イオンO2-は、測定電極31から基準電極32へと固体電解質体2を通過する。固体電解質体2を通過した酸素イオンO2-は、基準電極32における貴金属成分301とジルコニア成分202との界面において電子e-を受け渡して再び酸素分子O2となる。
図3、図4に示すように、ガスセンサ1における固体電解質体2の等価回路Xは、固体電解質体2を構成する結晶粒子201内の内部抵抗R0と、固体電解質体2を構成する結晶粒子201の間の粒界抵抗R1及び粒界静電容量C1と、固体電解質体2を構成する結晶粒子201と測定電極31及び基準電極32との間の、界面抵抗R2及び界面静電容量C2との和によって表すことができる。
内部抵抗R0は、測定電極31と基準電極32との間に固体電解質体2を経由して電流が流れる際に、固体電解質体2を構成する複数の結晶粒子201自体に生じる抵抗を示す。内部抵抗R0の値は、結晶粒子201の材質によって変化する。
粒界抵抗R1は、測定電極31と基準電極32との間に固体電解質体2を経由して電流が流れる際に、固体電解質体2を構成する結晶粒子201同士の間に生じる抵抗を示す。粒界静電容量C1は、測定電極31と基準電極32との間に固体電解質体2を経由して電流が流れる際に、固体電解質体2を構成する結晶粒子201同士の間に生じる静電容量を示す。粒界抵抗R1及び粒界静電容量C1の値は、複数の結晶粒子201同士の接触状態によって変化する。
界面抵抗R2は、測定電極31と基準電極32との間に固体電解質体2を経由して電流が流れる際に、固体電解質体2を構成する結晶粒子201と測定電極31との間、及び固体電解質体2を構成する結晶粒子201と基準電極32との間に生じる抵抗を示す。界面静電容量C2は、測定電極31と基準電極32との間に固体電解質体2を経由して電流が流れる際に、固体電解質体2を構成する結晶粒子201と測定電極31との間、及び固体電解質体2を構成する結晶粒子201と基準電極32との間に生じる静電容量を示す。界面抵抗R2及び界面静電容量C2の値は、複数の結晶粒子201と測定電極31との接触状態、複数の結晶粒子201と基準電極32との接触状態によって変化する。
固体電解質体2における粒界静電容量C1と界面抵抗R2とは、高速フーリエ変換(FFT)を行って信号解析を行うダイナミック・シグナル・アナライザによって求めることができる。また、粒界静電容量C1及び界面抵抗R2の値は、ガスセンサ1を使用する温度である、700〜800℃における値とすることができる。
測定電極31の膜厚t1及び基準電極32の膜厚t2は、測定電極31が形成された位置において固体電解質体2を切断し、この切断面を走査型電子顕微鏡(SEM)によって観察することによって求めることができる。
図5は、粒界静電容量C1(μF)とインバランス応答性(−)との関係を示す。インバランス応答性は、ガスセンサ1へ供給される測定ガスG中の酸素濃度の変化による理論上の空燃比(A/F)の振幅Xと、ガスセンサ1によって実際に出力される空燃比の振幅Yとの比(Y/X)で表され、気筒間に生じる空燃比の差であるインバランスを求めるための応答の速さを表す。インバランス応答性は、値が大きくなって1に近づくほど応答性がよいことを示す。
同図は、固体電解質体2における粒界静電容量C1が異なる複数のガスセンサ1を準備し、各ガスセンサ1によって測定ガスG中の酸素濃度を測定する際のインバランス応答性を求めた結果を示す。
同図に示すように、粒界静電容量C1が大きくなると、インバランス応答性が低下することが分かる。そして、粒界静電容量C1が150μFよりも大きい付近において、インバランス応答性が他に比べて急激に低下する部分がある。従って、粒界静電容量C1を150μF以下とすることにより、ガスセンサ1のインバランス応答性を良好にできることが分かる。
なお、インバランス応答性は、ガスセンサ1に必要とされる性能上、0.25〜0.3以上であることが要求される。
図6は、界面抵抗R2(Ω)とインバランス応答性(−)との関係を示す。同図は、固体電解質体2における界面抵抗R2が異なる複数のガスセンサ1を準備し、各ガスセンサ1によって測定ガスG中の酸素濃度を測定する際のインバランス応答性を求めた結果を示す。
同図に示すように、界面抵抗R2が大きくなると、インバランス応答性が低下することが分かる。そして、界面抵抗R2が80Ωよりも大きい付近において、インバランス応答性が他に比べて急激に低下する部分がある。従って、界面抵抗R2を80Ω以下とすることにより、ガスセンサ1のインバランス応答性を良好にできることが分かる。
図7は、測定電極31の膜厚t1(μm)とインバランス応答性(−)との関係を示す。同図は、測定電極31の膜厚t1が異なる複数のガスセンサ1を準備し、各ガスセンサ1によって測定ガスG中の酸素濃度を測定する際のインバランス応答性を求めた結果を示す。
同図に示すように、測定電極31の膜厚t1が大きくなると、インバランス応答性が低下することが分かる。そして、測定電極31の膜厚t1が8μmよりも大きい付近において、インバランス応答性が他に比べて急激に低下する部分がある。従って、測定電極31の膜厚t1を8μm以下とすることにより、ガスセンサ1のインバランス応答性を良好にできることが分かる。なお、測定電極31の膜厚t1を2μm未満にすることは製造上困難である。
本実施形態のガスセンサ1においては、固体電解質体2を構成する結晶粒子201の間の粒界静電容量C1、固体電解質体2を構成する結晶粒子201と測定電極31及び基準電極32との間の界面抵抗R2、及び測定電極31の膜厚t1を規定することによって、ガスセンサ1のインバランス応答性を向上させることができる。具体的には、粒界静電容量C1、界面抵抗R2及び測定電極31の膜厚t1を規定の値以下とすることにより、ガスセンサ1の使用時において、酸素イオンO2-が、固体電解質体2を通過して測定電極31と基準電極32との間を移動しやすくすることができる。これにより、測定電極31に接触する測定ガスGの酸素濃度と、基準電極32に接触する基準ガスAの酸素濃度との差を検出するときのガスセンサ1の応答性を向上させることができる。
気筒間のインバランスは、エンジンの各気筒における空燃比に生じる不均衡のことを示す。エンジンの各気筒から排気管に排気される排ガスの排気のタイミングは適宜異なっている。そして、気筒間のインバランスは、ガスセンサ1に到達する排ガスの酸素濃度の、逐次繰り返される瞬間的な変化を観察することによって測定される。そのため、気筒間のインバランスの測定精度を向上させるためには、瞬間的な酸素濃度の変化を測定できるよう、ガスセンサ1によって酸素濃度を検出する際の応答性をさらに高くする必要が生じる。
排ガスの酸素濃度の変化は、固体電解質体2を通過して測定電極31と基準電極32との間を移動する酸素イオンO2-の変化によって測定される。従って、気筒間のインバランスを測定するためには、粒界静電容量C1、界面抵抗R2及び測定電極31の膜厚t1を規定の値以下とすることが重要になる。
それ故、本実施形態のガスセンサ1によれば、粒界静電容量C1、界面抵抗R2及び測定電極31の膜厚t1を規定の値以下とすることによって、気筒間のインバランスの測定精度を向上させることができる。
上述した粒界静電容量C1及び界面抵抗R2を有する固体電解質体2、並びに上述した膜厚t1を有する測定電極31は、固体電解質体2を焼成するときの温度、焼成後の固体電解質体2における測定電極31と基準電極32との間に印加する電圧、この電圧を印加する時間に工夫をして得たものである。
固体電解質体2を焼成するときには、固体電解質体2を構成するイットリア部分安定化ジルコニアのセラミックシートの各表面に、測定電極31を構成する金属ペースト及び基準電極32を構成する金属ペーストを塗布した。そして、測定電極31及び基準電極32が設けられた固体電解質体2を焼成して形成した。また、固体電解質体2を焼成した後には、固体電解質体2を介して測定電極31と基準電極32との間に電圧を印加して、固体電解質体2、測定電極31及び基準電極32の状態を調整した。
固体電解質体2の焼成温度は、従来の焼成温度が500〜800℃であったのに対し、800℃を超えて900℃以下とした。焼成温度を高くすることにより、固体電解質体2の結晶粒子201等の状態が変化し、上述した粒界静電容量C1及び界面抵抗R2を有する固体電解質体2の製造が可能になった。
また、焼成後の固体電解質体2における測定電極31と基準電極32との間には、大気の雰囲気下において、2.5〜3Vの電圧を8秒間印加した。この電圧は、従来の電圧に比べて高いものであり、高い電圧を極めて短い時間印加することにより、上述した粒界静電容量C1及び界面抵抗R2を有する固体電解質体2の製造が可能になった。
焼成後の固体電解質体2における測定電極31と基準電極32との間に電圧を印加する時間は、例えば、5〜15秒間とすることができる。
また、上述した膜厚t1の測定電極31は、セラミックシートに塗布する金属ペーストの厚みが極力小さくなるように調整し、上記焼成及び電圧の印加を行って得た。
(実施形態2)
本実施形態においては、図8、図9に示すように、センサ素子10を覆う内側カバー7と、内側カバー7を覆う外側カバー8との構成をより具体的に示す。また、内側カバー7の内側側壁部71に設ける内側通過孔711と、外側カバー8の外側側壁部81に設ける外側通過孔811との適切な位置関係についても示す。
本実施形態のガスセンサ1においては、センサ素子10の中心を通る中心軸線Oの方向を軸方向L、軸方向Lの周りを周方向C、軸方向Lにおいて、突出部11が絶縁碍子62から突出する側を先端側L2、先端側L2の反対側を基端側L1として示す。
図8に示すように、内側カバー7及び外側カバー8は、有底円筒状に形成されている。内側カバー7は、周方向Cに沿って設けられた環状の内側側壁部71と、内側側壁部71の先端側L2の端部に設けられた内側底部72とを有する。外側カバー8は、周方向Cに沿って設けられた環状の外側側壁部81と、外側側壁部81の先端側L2の端部に設けられた外側底部82とを有する。
内側側壁部71は、絶縁碍子62の外周に装着されるとともに外側側壁部81の内周に密着される基端部731と、基端部731の先端側L2において基端部731よりも縮径して設けられた中間部732と、中間部732の先端側L2において中間部732よりも縮径して設けられた先端部733とを有する。
内側側壁部71の中間部732における周方向Cの複数の部位、及び内側底部72の中心部には、測定ガスGが通過する内側通過孔711,721が形成されている。また、外側側壁部81における周方向Cの複数の部位、及び外側底部82の中心部には、測定ガスが通過する外側通過孔811,821が形成されている。図9に示すように、内側側壁部71の中間部732における内側通過孔711は、周方向Cの8箇所に等間隔に形成されている。また、外側側壁部81における外側通過孔811は、周方向Cの4箇所に等間隔に形成されている。
内側カバー7の内側底部72は、外側カバー8の外側底部82における外側通過孔821内に配置されている。
図8、図9に示すように、内側カバー7の内側側壁部71と外側カバー8の外側側壁部81との間には、測定ガスGが流通する環状の流通空間70が形成されている。流通空間70における、内側側壁部71の中間部732の外周側に位置する空間部70Aの径方向Rの幅は、流通空間70における、内側側壁部71の先端部733の外周側に位置する空間部70Bの径方向Rの幅よりも狭い。ここで、径方向Rとは、センサ素子10の中心軸線Oを中心とする径方向Rのことをいう。
このような流通空間70の構成により、外側側壁部81の外側通過孔811から流通空間70に入った測定ガスG中の水が、内側側壁部71の内側通過孔711から内側カバー7内へ入りにくくすることができる。
内側側壁部71の中間部732における複数の内側通過孔711は、ガス測定部12よりも軸方向Lの基端側L1の部位であって軸方向Lの同じ部位において、周方向Cに等間隔に設けられている。外側側壁部81における複数の外側通過孔811は、ガス測定部12よりも軸方向Lの先端側L2の部位であって軸方向Lの同じ部位において、周方向Cに等間隔に設けられている。
図8に示すように、ガス測定部12は、ガスセンサ1の軸方向Lにおいて、内側側壁部71の中間部732における内側通過孔711が形成された位置と、内側側壁部71における、中間部732と先端部733との間の段差部が設けられた位置との間に配置されている。この位置関係により、内側カバー7内において、エンジンの各気筒から時間差を持って排気された排ガスである測定ガスG同士が混合されにくくして、気筒間のインバランスの測定精度を維持することができる。また、内側カバー7の内側底部72における内側通過孔721からセンサ素子10への被水を抑制することもできる。
また、内側側壁部71の中間部732における複数の内側通過孔711の孔径は、外側側壁部81における複数の外側通過孔811の孔径よりも小さい。この孔径の違いによっても、外側側壁部81の外側通過孔811から流通空間70に入った測定ガスG中の水が、内側側壁部71の内側通過孔711から内側カバー7内へ入りにくくすることができる。
図8に示すように、内側通過孔711の中心と外側通過孔811の中心との間の軸方向Lの距離(孔間距離L3という。)は、5〜11mmの範囲内にある。軸方向Lの距離L3とは、内側通過孔711と外側通過孔811との周方向C及び径方向Rの位置を合わせたときに、内側通過孔711の中心と外側通過孔811の中心との軸方向Lの位置の違いとして表される。
本形態の内側カバー7においては、複数の内側通過孔711の軸方向Lの位置は互いに同じである。また、本形態の外側カバー8においては、複数の外側通過孔811の軸方向Lの位置は互いに同じである。
一方、内側通過孔711同士の軸方向Lの位置は、互いに異なっていてもよい。また、外側通過孔811同士の軸方向Lの位置は、互いに異なっていてもよい。これらの場合には、全ての内側通過孔711の中心の軸方向Lの位置の平均値(中間値)と、全ての外側通過孔811の中心の軸方向Lの位置の平均値(中間値)との距離を、5〜11mmの範囲内にする。
図9に示すように、本形態の内側側壁部71の中間部732における内側通過孔711は、周方向Cの10箇所に形成されている。また、本形態の外側側壁部81における外側通過孔811は、周方向Cの8箇所に形成されている。なお、内側通過孔711は、周方向Cの6〜12箇所に形成することができ、外側通過孔811は、周方向Cの4〜10箇所に形成することができる。孔間距離L3の5〜11mmの最適な範囲は、内側通過孔711及び外側通過孔811の形成数が変わっても同様である。
また、内側通過孔711の周方向Cの形成箇所と外側通過孔811の周方向Cの形成箇所とは、互いに合わせる必要はなく、互いにずれていてもよい。
外側側壁部81の外側通過孔811から流通空間70に流入した測定ガスGは、流通空間70を周方向Cへ流れる流れと、流通空間70を軸方向Lの基端側L2へ流れる流れと、流通空間70を軸方向Lの先端側L1へ流れる流れとに分かれる。そして、流通空間70を軸方向Lの基端側L2へ流れる測定ガスGの一部が、内側側壁部71の内側通過孔711から内側カバー7内に流入し、センサ素子10のガス測定部12に接触して、測定ガスG中の酸素濃度の測定に使用される。また、内側カバー7内に流入した測定ガスGは、ガスセンサ1が取り付けられた排気管中の測定ガスGの流れによる負圧効果を受けて、内側底部72の内側通過孔721を通過して内側カバー7の外部へ流出する。
内側通過孔711の中心と外側通過孔811の中心との間の軸方向Lの距離L3(孔間距離という。)は、インバランス応答性及びセンサ素子10の被水量を考慮して決定される。
図10は、孔間距離L3(mm)と、インバランス応答性(−)及びセンサ素子10の被水量(μL)との関係を示すグラフである。同図は、内側カバー7及び外側カバー8における孔間距離L3が異なる複数のガスセンサ1を準備し、各ガスセンサ1を用いて排ガス中の酸素濃度を測定する際のインバランス応答性及びセンサ素子10の被水量を求めた結果を示す。
インバランス応答性の求め方及び内容は上述した通りである。
センサ素子10の被水量は、次のようにして求めた。
まず、下準備として、センサ素子10の表面にカーボンを塗布し、センサ素子10を約200℃に加熱してカーボンをセンサ素子10に定着させる。このとき、カーボンは黒色を呈している。そして、ガスセンサ1の使用時において、センサ素子10に水が付着したときには、水が付着した部分のカーボンが飛散し、この部分の黒色の色合いが白色に近づくように薄くなることを観察する。
また、センサ素子10への水の付着量と、センサ素子10の表面における黒色の変色面積(被水痕)との間の相関関係を、被水量の測定を行う前に予め求めておく。そして、エンジンの排気管にガスセンサ1を配置して、エンジンを燃焼させるときに、センサ素子10の表面における変色面積を測定し、この変色面積を上記相関関係に照合して、センサ素子10への水の付着量を被水量として求めた。
インバランス応答性は、センサ素子10のガス測定部12への測定ガスGの流れやすさ、及びセンサ素子10における酸素イオンの伝導のしやすさによって影響を受ける。そして、ガス測定部12へ測定ガスGが流れやすく、また酸素イオンO2-が伝導しやすいほど、インバランス応答性が良くなる。一方、ガス測定部12へ測定ガスGが流れやすくなるということは、ガス測定部12へ測定ガスG中の水も到達しやすくなることを意味する。
本実施形態においては、ガス測定部12への測定ガスGの流れやすさの尺度となるインバランス応答性、及びガス測定部12への水の到達しやすさの尺度となるセンサ素子10の被水量について、ガスセンサ1の性能を維持できる適切な範囲を測定により求めた。
同図に示すように、インバランス応答性は、孔間距離L3が大きくなるに連れて低下する。そして、インバランス応答性は、孔間距離L3が11mmを超えるときに急激に低下する。従って、孔間距離L3は、11mm以下とすることにより、インバランス応答性を、0.25以上となるように良好に維持できることが分かる。
また、センサ素子10の被水量は、孔間距離L3が小さくなるに連れて多くなる。そして、被水量は、孔間距離L3が5mm未満になるときに急激に多くなる。従って、孔間距離L3は、5mm以上とすることにより、センサ素子10の被水量を、0.2μL未満となるように少なく抑えられることが分かる。
このように、孔間距離L3が5〜11mmの関係を満たす内側カバー7及び外側カバー8を用いることにより、気筒間のインバランスの測定精度を維持することができるとともに、センサ素子10の被水性を高く維持することができると言える。
本形態のガスセンサ1のその他の構成は、上記実施形態1の場合と同様である。また、実施形態1に示した符号と同一の符号が示す構成要素等は、実施形態1における構成要素等と同様である。本形態においても、実施形態1と同様の作用効果を得ることができる。
本発明は、上記各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。
1 ガスセンサ
2 固体電解質体
201 結晶粒子
31 測定電極
32 基準電極
G 測定ガス
A 基準ガス

Claims (4)

  1. ガス濃度を測定するためのセンサ素子(10)を備えるガスセンサ(1)において、
    上記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)と、該固体電解質体の一方の主面に設けられて測定ガス(G)に晒される測定電極(31)と、上記固体電解質体の他方の主面に設けられて基準ガス(A)に晒される基準電極(32)とを有し、
    上記固体電解質体を構成する結晶粒子(201)の間の粒界静電容量(C1)は、150μF以下である、ガスセンサ。
  2. 上記固体電解質体を構成する結晶粒子と上記測定電極及び上記基準電極との間の界面抵抗(R2)は、80Ω以下である、請求項1に記載のガスセンサ。
  3. 上記測定電極の膜厚(t1)は、2〜8μmである、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
  4. 上記センサ素子を保持する絶縁碍子(62)と、
    該絶縁碍子を保持するハウジング(61)と、
    該ハウジングに保持され、上記絶縁碍子から突出する、上記センサ素子の突出部(11)を覆う内側カバー(7)と、
    上記ハウジングに保持され、上記内側カバーを覆う外側カバー(8)と、をさらに備え、
    上記突出部には、上記測定ガスが導入される導入部(13)、上記固体電解質体の一部、上記測定電極及び上記基準電極を含むガス測定部(12)が設けられており、
    上記センサ素子の中心を通る中心軸線(O)の方向を軸方向(L)、該軸方向の周りを周方向(C)、上記軸方向において、上記突出部が上記絶縁碍子から突出する側を先端側(L2)、該先端側の反対側を基端側(L1)としたとき、
    上記内側カバーにおける、上記周方向に沿って設けられた環状の内側側壁部(71)には、上記ガス測定部よりも上記軸方向の上記基端側の部位であって上記周方向の複数の部位に、測定ガスが通過する内側通過孔(711)が形成されており、
    上記外側カバーにおける、上記周方向に沿って設けられた環状の外側側壁部(81)には、上記ガス測定部よりも上記軸方向の上記先端側の部位であって上記周方向の複数の部位に、測定ガスが通過する外側通過孔(811)が形成されており、
    上記内側通過孔の中心と上記外側通過孔の中心との間の上記軸方向の距離(L3)は、5〜11mmの範囲内にある、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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