(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体と，該固体電解質体に設けた被測定ガス側電極と基準電極とを有し，
上記被測定ガス側電極と対面するチャンバを有し，
上記チャンバとガスセンサ素子の外部雰囲気とを結ぶ導出孔を有し，該導出孔の外部雰囲気側の開口部を覆うように多孔質材からなる拡散抵抗層を有し，
かつ上記拡散抵抗層は直接外部雰囲気に対し露出し，その外面にこれ以上他の拡散抵抗を備えた部材のないよう構成してなり，
かつ，上記導出孔と上記拡散抵抗層との間の拡散抵抗比は０．０５〜０．４であることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項２】
請求項１において，上記導出孔を複数備えることを特徴とするガスセンサ素子。
【請求項３】
請求項１又は２において，上記ガスセンサ素子は，上記チャンバ内の酸素濃度を調節するポンプセル又は上記チャンバ内の酸素濃度を監視するモニタセルを備えた２セル式であることを特徴とするガスセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，車両用内燃機関の燃焼制御などに用いることができるガスセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
車両用エンジンの排気系にＡ／Ｆセンサ素子を内蔵したガスセンサを設け，排気ガス中の酸素濃度などから空燃比を測定し，これを利用してエンジンの燃焼制御を行うことがある。
車両の排気ガス浄化に三元触媒を用いる場合，効率よく排気ガスを浄化するためには車両用エンジンの燃焼室において空燃比が特定の値を有することが重要である。
従って，Ａ／Ｆセンサ素子で精度よく空燃比の測定を行うことで，精度高い燃焼制御を実現することができ，三元触媒による排気ガスの浄化効率を高めることができる（これが排気ガス制御フィードバックシステムの原理である）。
【０００３】
【解決しようとする課題】
ところで発明者らは長時間放置されたＡ／Ｆセンサ素子が，活性化温度に達した後から１０数秒程度の間に，出力がリッチシフトを発生するという現象を見出した。なお，活性化温度とは，Ａ／Ｆセンサ素子がＡ／Ｆを検出可能となる温度である。
【０００４】
このリッチシフトは車両に搭載する排気ガス制御フィードバックシステムに上記Ａ／Ｆセンサ素子を採用した場合に問題となる。
すなわち，エンジン始動直後の空燃比制御において出力のリッチシフトが発生した場合，エンジンの燃焼を著しく不安定にする。最悪の場合，エンジンの空燃比を極端にリーン側に制御して，失火（エンジン停止）にいたるおそれもある。
【０００５】
リッチシフトは次のようなプロセスにより発生〜消滅に至ると考えられる。
すなわち，リッチシフトはＡ／Ｆセンサ素子が高湿雰囲気に長時間放置された後に発生する。高湿雰囲気にＡ／Ｆセンサ素子を放置した場合，素子の内部に水分が浸入し，吸着する。特に後述する比較例１，２に記載したような構成の素子の場合は拡散抵抗層と排気ガス側電極との間，また電極の近傍により多く吸着する。
【０００６】
上記水分はＡ／Ｆセンサ素子が活性化温度に達することで，脱離，気化する。
気化した水分，つまり水蒸気は体積膨張しつつ多孔質拡散層等を通じて素子の外部に脱出しようとするが，多孔質拡散層の通過はそれなりの時間を要する。
従って，素子の内部（特に被測定ガス側電極の近傍）で水蒸気圧が上昇し，相対的に酸素分圧が低下する。これによってＡ／Ｆセンサ素子の出力にリッチシフトが発生する（図２に示すＡ部）。
【０００７】
しかしながら，水蒸気は多孔質拡散層を通じて少しずつ外部に抜け，これと同時に素子周辺の排気ガスが内部に取り込まれる。これにより，時間の経過と共にリッチシフトがおさまり，通常の出力を得る。
このように，水分の脱離→気化による水蒸気の急激な体積膨張が，１〜２Ａ／Ｆ程度の大きなリッチシフトを引き起こすと考えられる。
もちろん素子外部の雰囲気が乾燥していればこのような問題は発生しないが，駐車車両の排気管内は排気ガスに含まれる水分によって高湿雰囲気となっており，リッチシフトの発生確率を高める環境である。
【０００８】
なお，このような問題はＡ／Ｆセンサ素子以外の，車両用内燃機関の燃焼制御や排気ガス制御フィードバックシステムに利用する各種ガスセンサ素子（酸素センサ素子，ＮＯｘセンサ素子等）において同じように生じる問題である。
【０００９】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，リッチシフトの生じ難いガスセンサ素子を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題の解決手段】
説明の都合上，まず参考発明について述べる。
参考発明は，固体電解質体と，該固体電解質体に設けた被測定ガス側電極と基準電極とを有し，
上記被測定ガス側電極と対面するチャンバを有し，
上記チャンバとガスセンサ素子の外部雰囲気とを結び，チャンバ内から直接外部雰囲気へつながる導出孔を有することを特徴とするガスセンサ素子にある。
【００１１】
また，本発明は，固体電解質体と，該固体電解質体に設けた被測定ガス側電極と基準電極とを有し，
上記被測定ガス側電極と対面するチャンバを有し，
上記チャンバとガスセンサ素子の外部雰囲気とを結ぶ導出孔を有し，該導出孔の外部雰囲気側の開口部を覆うように多孔質材からなる拡散抵抗層を有し，
かつ上記拡散抵抗層は直接外部雰囲気に対し露出し，その外面にこれ以上他の拡散抵抗を備えた部材のないよう構成してなり，
かつ，上記導出孔と上記拡散抵抗層との間の拡散抵抗比は０．０５〜０．４であることを特徴とするガスセンサ素子にある（請求項１）。
【００１２】
本発明の作用効果につき説明する。
上記発明にかかるガスセンサ素子は被測定ガス側電極の対面するチャンバと外部雰囲気とを結ぶ導出孔を有する。
ガスセンサ素子が長時間高湿雰囲気に曝され，大量の水分が内部に入り込んだ状態で活性化温度に達し，水分が水蒸気となった場合，水蒸気は上記導出孔を通じて速やかに外部雰囲気に放出される。
従って，チャンバ内の酸素分圧低下によるリッチシフトが生じ難くなる。
【００１３】
以上，本発明によれば，リッチシフトの生じ難いガスセンサ素子を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明にかかるガスセンサ素子は，酸素イオン導電性の固体電解質体に被測定ガス側電極と基準電極とを設け，これらの電極から構成する電気化学セルを流れる酸素イオン電流に基づいて，所定のガス濃度を測定するものである。
被測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ素子の他，特定のガスを分解して酸素イオンを生成し，この酸素イオンに基づいて特定ガスの濃度を測定するような構成のガスセンサ素子もある。特定ガスとしては例えばＮＯｘやＣＯ，ＨＣなどが例示できる。
さらに，内燃機関の排気系に設置し，排気ガス中の酸素濃度を測定して，その測定値に基づいて内燃機関の燃焼室における空燃比（Ａ／Ｆ）を測定するガスセンサ素子もある。
【００１５】
また，上記チャンバは拡散抵抗層や導出孔を通じて被測定ガスが入り込む場所である。本発明にかかるガスセンサ素子は，このチャンバと基準電極が対面する基準ガスとの間のガス濃度差から生じる酸素イオン電流に基づいて測定を行う。
また，上記導入孔はチャンバを覆う導入孔形成板に設けたピンホールより構成することができる。
【００１６】
また，参考発明にかかるガスセンサ素子では，チャンバが導出孔を通じて直接素子の外部に導通することもある。この場合，導出孔を通じて外部の被測定ガスがチャンバに入り込む。
【００１７】
また，本発明では，拡散抵抗層を設けることで，被測定ガスの温度に依存した出力変動を防止して，より正確なセンサ出力を得ることができる。
また，拡散抵抗層を設けた後，切削加工などにより上記拡散抵抗層をトリミングすることでセンサ出力の微調整を図ることができる。この構成は外部に調整回路などを設ける必要がないため，便利である。
【００１８】
また本発明にかかる拡散層は，上記拡散抵抗層は直接外部雰囲気に対し露出し，その外面にこれ以上他の拡散抵抗を備えた部材のないよう構成する。これにより，拡散抵抗層以外の部分で水蒸気の放出が阻害されることがなくなる。
また，水分（水蒸気）が素子の外部に向かう時，拡散抵抗層を通過する時点ではそれなりの拡散抵抗を受けるが，導出孔の存在が，チャンバ内での水蒸気分圧上昇を抑制する。そのためリッチシフトを抑制することができる。
【００１９】
また，上記導出孔を複数備えることが好ましい（請求項２）。
水分（水蒸気）の抜ける道は導出孔及び拡散抵抗層である。ここで導出孔の開口面積が一定であれば（限界電流値を所定の値とするため，導出孔の開口面積は所定の値に設定する），導出孔の数には依存しないが，導出孔を複数個設けることで，１つの孔から抜ける水分（水蒸気）量を分散させて，抜ける時間をより速くすることができる。
従って，リッチシフトがより生じ難くなる。
【００２０】
また，上記ガスセンサ素子は，上記チャンバ内の酸素濃度を調節するポンプセル又は上記チャンバ内の酸素濃度を監視するモニタセルを備えた２セル式とすることもできる（請求項３）。
リッチシフトはガスセンサ素子の構造にかかわらず発生するため，２セル式の素子であっても本発明にかかる構成は有効にリッチシフトを防止することができる。
そして，２セル式の素子としては，例えば，後述する図４等のような，チャンバ内の酸素濃度を調節するポンプセル用の電極を備えるもの，チャンバ内の酸素濃度を監視するモニタセンサ用の電極を備えるものなどが挙げられる。
【００２１】
次に，本発明において上記導出孔と上記拡散抵抗層との間の拡散抵抗比は０．０５〜０．４である。
導出孔の拡散抵抗をＤ１，拡散抵抗層の拡散抵抗をＤ２とすると，拡散抵抗比は，｛Ｄ２／（Ｄ１＋Ｄ２）｝であり，この値が０．０５〜０．４となる。
Ｄ１，Ｄ２は上記二つの拡散抵抗がチャンバで形成された拡散抵抗より十分大きい場合，以下のようにあらわすことができる。
リーン側
Ｉｓ＝（Ｄ１＋Ｄ２）ｌｎ｛（１−ＰＯ２）／Ｐ｝
リッチ側
Ｉｓ＝（Ｄ１＋Ｄ２）ｌｎ｛（１−ＰＭ）／Ｐ｝
ＰＯ２は酸素分圧，ＰＭは未燃焼ガスの分圧，ここに未燃焼ガスとはＨ２，ＣｎＨ，ＣＯなどである。）
【００２２】
拡散抵抗比を上述の範囲に保つことで以下に示すような効果を得る。
すなわち，拡散抵抗比とリッチシフト量との間には，図６のような関係があり，これによると拡散抵抗比が０．４以下においてはリッチシフト量は実使用上問題ないレベルである。しかしながら０．４を超えるところでリッチシフト量が急激に上昇する。これは拡散抵抗比の増加のために拡散抵抗層を厚化することで，拡散抵抗層への吸着水分量が増大し，リッチシフト量の増大につながったものと考えられる。
以上によって，拡散抵抗比を０．４以下とすることでリッチシフトを実使用上問題ないレベルに抑えるという効果を得ることができる。
【００２３】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本例のガスセンサ素子１は，図１に示すごとく，固体電解質体１１と，該固体電解質体１１に設けた一対の被測定ガス側電極１２１と基準電極１２２とを有し，上記被測定ガス側電極１２１と対面するチャンバ１４０を有し，上記チャンバ１４０とガスセンサ素子１の外部雰囲気とを結ぶ導出孔１５０を有する。
そして，導出孔１５０の外部雰囲気側の開口部１５１を覆うように多孔質材からなる拡散抵抗層１６を有し，かつ上記拡散抵抗層１６は直接外部雰囲気に対し露出し，その外面にこれ以上他の拡散抵抗を備えた部材のないよう構成する。
【００２４】
以下詳細に説明する。
本例のガスセンサ素子１は，ガスセンサに内蔵して自動車エンジンの排気系に取り付けて使用され，排気ガス制御フィードバックシステムの一部として用い，排気ガス内の酸素濃度から自動車エンジン燃焼室のＡ／Ｆを検知するよう構成した素子である。
【００２５】
図１に示すごとく，本例のガスセンサ素子１は，板状で酸素イオン導電性のジルコニアよりなる固体電解質体１１と，該固体電解質体１１の両面にそれぞれ設けた被測定ガス側電極１２１と基準電極１２２とよりなり，被測定ガス側電極１２１は固体電解質体１１とスペーサー１４，導出孔形成板１５により区切られた空間であるチャンバ１５０に対面し，基準電極１２２は固体電解質体１１とスペーサ１３とにより区切られた空間である基準ガス室１３０に対面する。
【００２６】
スペーサ１３には通電により発熱する発熱体１９０を設けたヒータ基板１９が設けてある。この発熱体１９０に本例のガスセンサ素子１使用時に通電して，ガスセンサ素子１を活性化温度となす。
【００２７】
導出孔１５０を設けた導出孔形成板１５に多孔質セラミックよりなる拡散抵抗層１６を積層する。そして，拡散抵抗層１６により導出孔１５の開口部１５１を含む導出孔形成板１５の全面が覆われる。また拡散抵抗層１６は直接素子の外部に露出しており，その表面にはガスの流通を阻害するものはない。
【００２８】
次に本例にかかるガスセンサ素子１の出力タイムチャートを測定した。
自動車エンジン実機の排気系にガスセンサに組み付けた本例のガスセンサ素子１を装着する。エンジンを始動することで排気ガスが発生し，該排気ガスの温度とガスセンサ素子１に内蔵された発熱体１９０に通電することによる加熱とで，素子１が活性化温度に到達する。
エンジン始動直後から２０秒が経過する時点までのガスセンサ素子１の出力をＡ／Ｆ換算した線図を図２に記載した。
なお，上記測定に先立って，エンジンの排気系の湿度を９５％以上に維持し，この状態にガスセンサ素子１を２４時間放置しておく。
【００２９】
図２における実施例１と記載した折線が本例にかかるガスセンサ素子１の出力で，同図より明らかであるが，エンジン始動から２０秒の間にリッチシフトは生じなかった。
【００３０】
また，後述する比較例１にかかるガスセンサ素子９を用いて，上記に記載した要領で出力の時間変化を測定した。その結果が比較（１）と符合をつけた折線である。同図より明らかであるが，Ａ部という非常に大きなリッチシフトが８〜１０秒で発生した。
【００３１】
また，後述する比較例１にかかるガスセンサ素子９を設置したエンジンの排気系を，非常に乾燥した雰囲気（湿度２０％以下）に２４時間放置した後，上記に記載した要領で出力の時間変化を測定した。その結果が比較（２）と符合をつけた折線である。同図より明らかであるが，乾燥しているため素子の内部に水分が殆ど存在せず，リッチシフトが生じてない。
【００３２】
次に本例にかかる作用効果について説明する。
本例のガスセンサ素子１は被測定ガス側電極１２１の対面するチャンバ１４０と外部雰囲気とを結ぶ導出孔１５０を有する。導出孔１５０はその開口部１５１を覆うように拡散抵抗層１６を有し，該拡散抵抗層１６は直接外部雰囲気に対し露出し，その外面にこれ以上他の拡散抵抗を備えた部材のない状態にある。
【００３３】
そのため，ガスセンサ素子１が長時間高湿雰囲気に曝され，大量の水分が内部に入り込んだ状態で活性化温度に達し，水分が水蒸気となった場合，水蒸気は上記導出孔１５０，拡散抵抗層１６を通じて速やかに外部雰囲気に放出される。
また，拡散抵抗層１６を通過する時点ではそれなりの拡散抵抗を受けるが，導出孔１５０の存在が，チャンバ１４０内での水蒸気分圧上昇を抑制する。
従って，本例にかかる構成のガスセンサ素子１では，チャンバ１４０内の酸素分圧低下によるリッチシフトが生じ難くなる。
【００３４】
また，本例にかかるガスセンサ素子１は拡散抵抗層１６を備えているため，被測定ガスの温度に依存した出力変動を防止して，より正確なセンサ出力を得ることができる。また，拡散抵抗層１６を設けた後，切削加工などにより上記拡散抵抗層をトリミングすることでセンサ出力の微調整を図ることができる。この構成は外部に調整回路などを設ける必要がないため，便利である。
【００３５】
以上，本発明によれば，リッチシフトの生じ難いガスセンサ素子を提供することができる。
【００３６】
（実施例２）
本例は図３に示すごとく，拡散抵抗層を持たないガスセンサ素子１である。
このガスセンサ素子１は固体電解質体１１と，該固体電解質体１１に設けた被測定ガス側電極１２１と基準電極１２２とを有する。上記被測定ガス側電極１２１と対面するチャンバ１４０を有し，上記チャンバ１４０とガスセンサ素子１の外部雰囲気とを結び，チャンバ１４０内から外部雰囲気へ直接開口する導出孔１５０を有する。
その他詳細な構成は実施例１と同様であり，作用効果も実施例１と同様である。
【００３７】
（実施例３）
本例は図４に示すごとく２セル式のガスセンサ素子１である。
このガスセンサ素子１は実施例１と同様の構成であるが，導出孔形成板１５を固体電解質で構成し，導出孔１５０を取り囲むように一対の電極１２３，１２４を設ける。この電極１２３，１２４と導出孔形成板１５によってチャンバ１４０内の酸素濃度を一定に保持するポンプセルを構成する。
その他詳細な構成は実施例１と同様であり，作用効果も実施例１と同様である。
【００３８】
（実施例４）
本例は図５に示すごとく多数の導出孔１５０を有するガスセンサ素子１である。
このガスセンサ素子１は実施例１と同様の構成であるが，素子の長手方向に一列に沿って５つの導出孔１５０を有する。その他詳細な構成は実施例１と同様である。
【００３９】
また，本例のガスセンサ素子１において，水分（水蒸気）の抜ける道は５つの導出孔１５０及び拡散抵抗層１６である。５つの孔を設けることで，１つの孔から抜ける水分（水蒸気）量を分散させて，抜ける時間をより速くすることができる。従って，リッチシフトがより生じ難くなる。
その他詳細は実施例１と同様の作用効果を有する。
【００４０】
（比較例１）
図７に示すごとく，ガスセンサ素子９は，下から順に，発熱体１９０を備えたヒータ基板１９０，スペーサ１３，固体電解質体１１，スペーサ１４，拡散抵抗層１６，そしてガス遮閉層９１を積層した素子である（特開２０００−２７５２１５号）。
チャンバ１４０に侵入した水分（水蒸気）は拡散抵抗層１６を経由し，ガス遮閉層９１を避けて外部に出て行く。ガス遮閉層９１は素子の積層方向の面を覆うように設けてあるため，水分（水蒸気）は素子の側面側から出て行くことになり，水蒸気の出て行く際の経路が比較的長い。従って，リッチシフトが生じやすい。
【００４１】
（比較例２）
図８に示すごとく，ガスセンサ素子９０は，図１に示した本発明のガスセンサ素子１と同様の構成であり，拡散抵抗層１６の積層方向と直交する表面に対しさらにピンホール９２０を設けた板９２を設けた素子である（実公平７−２３７３５号）。
ピンホール９２０は拡散抵抗を備えるため，ここでチャンバ１４０から外部に出て行く水分（水蒸気）は拡散抵抗を受ける。
すなわち，導出孔１５０，拡散抵抗層１６に続いてピンホール９２０という経路を通じて水分（水蒸気）は外部に出て行く。そのため，本発明と同様の導出孔１５０を備えていても，リッチシフトを防止することはできない。ピンホール９２０によって，水分（水蒸気）が出て行くことが阻害されるためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，ガスセンサ素子の断面説明図。
【図２】実施例１における，本例や比較例にかかるガスセンサ素子の経過時間とＡ／Ｆとの関係を示す線図。
【図３】実施例２における，拡散抵抗層を持たないガスセンサ素子の断面説明図。
【図４】実施例３における，２セル式のガスセンサ素子の断面説明図。
【図５】実施例４における，多数の導出孔を有するガスセンサ素子の説明図。
【図６】拡散抵抗比とリッチシフト量との関係を示す線図。
【図７】比較例１における，チャンバに拡散抵抗層，ガス遮閉層を積層したガスセンサ素子の説明図。
【図８】比較例２における，拡散抵抗層に拡散抵抗を有するピンホールを備えた板を積層したガスセンサ素子の説明図。
【符号の説明】
１．．．ガスセンサ素子，
１１．．．固体電解質体，
１２１．．．被測定ガス側電極，
１２２．．．基準電極，
１４０．．．チャンバ，
１５０．．．導出孔，
１６．．．拡散抵抗層，
【図１】
0003867610.tif 000002
【図２】
0003867610.tif 000003
【図３】
0003867610.tif 000004
【図４】
0003867610.tif 000005
【図５】
0003867610.tif 000006
【図６】
0003867610.tif 000007
【図７】
0003867610.tif 000008
【図８】
0003867610.tif 000009