(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路内に晒される積層型の排気ガスセンサであって、
排気側電極と大気側電極との間に介在して、両者間での酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、
前記電解質層における前記大気側電極側に積層され、前記大気側電極が晒される大気層を形成する大気層形成層と、
前記電解質層における前記排気側電極側に積層され、前記排気側電極に到達する排気ガスの速度を律速する多孔質の拡散抵抗層と、
前記排気通路内に晒される部位を全て覆うように設けられた多孔質のトラップ層と、を備え、
前記トラップ層は、
前記拡散抵抗層におけるガスの出入口部近傍の範囲を覆う第１のトラップ層と、
前記第１のトラップ層に覆われていない範囲であって、少なくとも前記大気層形成層を覆う第２のトラップ層と、
を含み、前記第１のトラップ層の厚みは、前記第２のトラップ層のそれに比して、薄く形成されていることを特徴とする排気ガスセンサ。
【請求項２】
前記排気ガスセンサは、前記電解質層を加熱するためのヒータが埋め込まれたヒータ層を更に含み、
前記第２のトラップ層は、前記ヒータ層の近傍の範囲を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１記載の排気ガスセンサ。
【請求項３】
前記第１のトラップ層の気孔率は、前記第２のトラップ層のそれに比して、高いことを特徴とする請求項１または２記載の排気ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガスセンサに係り、特に、排気ガスセンサの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００３−３２２６３２号公報に開示されているように、センサ素子に水滴が付着しても、その素子本体にクラックが生じることを防止することのできる積層型のガスセンサが提案されている。このガスセンサでは、少なくとも、測定対象気体に晒されることになる先端側の全周に、多孔質接着層と多孔質表面層とからなる多孔質保護層が形成されている。このとき、素子本体の長手方向に延びる４つの角部からの多孔質保護層の厚みは２０μｍ以上となるように形成されている。これにより、クラックの発生し易い素子本体の角部に水滴が付着しても、水滴が多孔質保護層内に分散されることになり、素子本体にクラックが発生することを有効に抑制することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２２６３２号公報
【特許文献２】特開２００７−２０６０８２号公報
【非特許文献１】発明協会公開技報公技番号２００２-６３３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来のガスセンサのように、排気ガスセンサにおける排気ガスに晒されるセンサ素子の全周を多孔質層で厚く覆うほど、排気ガスセンサの耐被水性を向上させることができる。しかしながら、一方において、多孔質層を厚くすると、排気ガス側の電極に到達する排気ガスの速度が必要以上に規制されてしまう。このため、センサの出力応答性が低下してしまう問題が生じる。また、多孔質層には、機関の停止中に排気ガス成分が付着する。これらの付着物が機関の冷間始動の暖機過程において脱離すると、電極近傍において排気ガス成分が変化するため、センサ出力にズレが生じる。この付着物は、多孔質層が厚く設けられるほど多量に付着する。このため、多孔質層が厚く設けられるほど、センサ出力にズレが生じる期間が長くなり、システムの空燃比制御性に影響が生じる。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気ガスセンサの耐被水性の向上と機能性の向上とを高い次元で両立することのできる排気ガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路内に晒される積層型の排気ガスセンサであって、
排気側電極と大気側電極との間に介在して、両者間での酸素イオンの移動を可能とする電解質層と、
前記電解質層における前記大気側電極側に積層され、前記大気側電極が晒される大気層を形成する大気層形成層と、
前記電解質層における前記排気側電極側に積層され、前記排気側電極に到達する排気ガスの速度を律速する多孔質の拡散抵抗層と、
前記排気通路内に晒される部位を全て覆うように設けられた多孔質のトラップ層と、を備え、
前記トラップ層は、
前記拡散抵抗層におけるガスの出入口部近傍の範囲を覆う第１のトラップ層と、
前記第１のトラップ層に覆われていない範囲であって、少なくとも前記大気層形成層を覆う第２のトラップ層と、
を含み、前記第１のトラップ層の厚みは、前記第２のトラップ層のそれに比して、薄く形成されていることを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、
前記排気ガスセンサは、前記電解質層を加熱するためのヒータが埋め込まれたヒータ層を更に含み、
前記第２のトラップ層は、前記ヒータ層の近傍の範囲を覆うように設けられていることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記第１のトラップ層の気孔率は、前記第２のトラップ層のそれに比して、高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
積層型の排気ガスセンサにおいて、内燃機関の排気通路に晒される部位には、多孔質のトラップ層が全てを覆うように設けられている。排気ガスセンサをトラップ層で覆うこととすると、排気ガス中の水分が当該センサに被水した場合の熱衝撃を効果的に緩和することができるので、クラック等の発生を効果的に抑制することができる。その一方で、内燃機関の停止中においては、トラップ層は排気通路内の排気ガス成分を吸着し、暖機過程においてこれらの吸着成分を放出する。このため、拡散抵抗層のガス出入口部の近傍のトラップ層が厚く設けられていると、脱離した吸着成分が拡散抵抗層に多量に導入されてしまい、センサ出力のズレが長期間に渡って発生してしまう。第１の発明によれば、拡散抵抗層におけるガスの出入口部の近傍を覆う第１のトラップ層の厚みが、少なくとも大気層形成層を覆う第２のトラップ層の厚みに比して薄くなるように形成されている。このため、本発明によれば、脱離した排気ガス成分が拡散抵抗層内に導入される量を効果的に抑制することができるので、出力ずれ時間を短期化することができる。これにより、センサの被水性の向上と機能性の向上とを両立することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、排気ガスセンサには、電解質層を加熱するためのヒータが埋め込まれたヒータ層が積層されている。そして、第１のトラップ層よりも厚い第２のトラップ層は、ヒータ層の近傍を覆うように形成されている。ヒータ層は他の部位に比して高温となるため、被水による熱衝撃でクラックが発生し易い。このため、本発明によれば、ヒータ層の近傍の耐被水性を効果的に向上させることができる。
【００１５】
積層型の排気ガスセンサにおいて、内燃機関の排気通路に晒される部位には、多孔質のトラップ層が全てを覆うように設けられている。多孔質のトラップ層は、気孔率が低いほど被水による熱衝撃を緩和することができる。このため、排気ガスセンサを気孔率の低いトラップ層で覆うこととすると、被水によるクラック等の発生を効果的に抑制することができる。その一方で、内燃機関の停止中においては、トラップ層は排気通路内の排気ガス成分を吸着し、暖機過程においてこれらの吸着成分を放出する。多孔質のトラップ層は、気孔率が高いほど表面積が減るため吸着しうる排気ガス成分量が減少する。このため、拡散抵抗層のガス出入口部の近傍のトラップ層の気孔率が低いと、排気ガス成分を多量に吸着してしまい、センサ出力のズレが長期間に渡って発生してしまう。第３の発明によれば、拡散抵抗層におけるガスの出入口部の近傍を覆う第１のトラップ層の気孔率が、他の部位を覆う第２のトラップ層の気孔率に比して高くなるように形成されている。このため、本発明によれば、排気ガスセンサの出力ずれ期間を効果的に短期化するとともに、被水によるクラック等の発生を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２１】
実施の形態１．
［空燃比センサの構成］
図１は、本発明の実施の形態１において用いられる積層型の空燃比センサ１０の構成を説明するための図である。より具体的には、図１は、空燃比センサ１０のセンサ素子部分の断面図を示す。空燃比センサ１０は、図１に示す断面構造を有するセンサ素子と、そのセンサ素子を保護するためのカバーを備えている。空燃比センサ１０には、そのカバーに覆われたセンサ素子が排気ガスに晒されるように、内燃機関の排気通路に組み付けられる。
【００２２】
空燃比センサ１０のカバーには、排気通路の内部を通過するガスがセンサ素子に到達するように、複数の通気孔が設けられている。このため、図１に示す空燃比センサ１０（センサ素子）は、周囲が排気ガスに晒された状態に置かれることになる。
【００２３】
空燃比センサ１０は、ヒータ層１２を有している。ヒータ層１２の内部には、センサ素子を活性温度に加熱するためのヒータ１４が埋め込まれている。図１において、ヒータ層１２の上には、大気層形成層１６が配置されている。大気層形成層１６は、アルミナなどのセラミックスで構成されている。
【００２４】
大気層形成層１６の上部には、ジルコニア等で構成された電解質層２０が配置されている。大気層形成層１６の中央上部には、大気層１８を形成するための窪みが設けられている。大気層１８は、大気層形成層１６および電解質層２０により排気通路の内部空間から隔絶されており、且つ、図示しない大気孔により大気に開放されている。
【００２５】
電解質層２０の下面には、大気層１８に晒されるように、大気側電極２２が配置されている。一方、電解質層２０の上面には、排気側電極が配置されている。排気側電極２０は、拡散抵抗層２６により覆われている。拡散抵抗層２６は、多孔質性の物質であり、排気通路を流れるガスが排気側電極２４に到達する速度を、適度に規制する働きを有している。
【００２６】
拡散抵抗層２６の上部には、遮蔽層２８が配置されている。遮蔽層２８は、拡散抵抗層２６の上部を覆うことで、当該拡散抵抗層２６内に流入するガスの出入口を出入口部２６ａのみに制限している。
【００２７】
本実施の形態の空燃比センサ１０は、排気通路内に晒されるセンサ素子の全周囲を覆うようにトラップ層３０が配置されている。トラップ層３０は、多孔質性の物質であり、主としてアルミナ等のセラミックで構成されている。またトラップ層３０は、センサ素子を覆う厚みを領域毎に異なる厚みに設定している。より具体的には、センサ素子における拡散抵抗層２６の出入口部２６ａの近傍を覆う範囲には、薄い厚みで構成されたトラップ層３０ａが配置されている。また、トラップ層３０における上記トラップ層３０ａ以外の範囲、すなわち、主としてヒータ層１２および大気層形成層１６を覆う範囲には、トラップ層３０ａの厚みよりも厚い厚みで構成されたトラップ層３０ｂが配置されている。
【００２８】
［本実施の形態１の特徴］
次に、本実施の形態の特徴について説明する。上述したとおり、空燃比センサ１０は、センサ素子が内燃機関の排気通路内に晒されるように配置される。空燃比センサ１０は、センサ素子がヒータ１４或いは排気熱から受熱して活性することにより、所望の性能を発揮することができる。
【００２９】
ここで、排気通路内を流れる排気ガス中には水滴や油滴が含まれている。このため、これらの水分が高温のセンサ素子に被水すると、熱衝撃によりセンサ素子にクラックが発生するおそれがある。そこで、本実施の形態の空燃比センサ１０では、排気通路内に晒されるセンサ素子の全域をトラップ層３０で保護することとしている。具体的には、図１に示すとおり、ヒータ層１２、大気層形成層１６、電解質層２０、拡散抵抗層２６、および遮蔽層２８が積層されてなるセンサ素子の周囲をトラップ層３０が覆うように形成されている。トラップ層３０は、多孔質のセラミックで構成されている。このため、排気ガス中の水分が当該トラップ層３０に被水すると、水分が当該多孔質の内部を浸透して拡散されるため、センサ素子への熱衝撃が緩和される。これにより、被水による空燃比センサ１０の素子割れを効果的に抑制することができる。
【００３０】
また、上述したとおり、トラップ層３０は、被水による空燃比センサ１０の素子割れを効果的に抑制することができる。しかも、トラップ層３０の厚みが厚いほど、被水による熱衝撃の緩和の効果が大きい。しかしながら、その一方で、トラップ層３０の厚みを厚くすると、内燃機関の暖機過程におけるセンサ出力ズレ期間が長くなるおそれがある。すなわち、より具体的には、内燃機関の運転を停止した状態で放置すると、排気通路内に充満している排気ガス等に含まれる炭化水素（ＨＣ）等のリッチガス成分が、セラミックで構成されるトラップ層３０に吸着する。この吸着したリッチガス成分は、内燃機関の暖機過程において脱離するため、拡散抵抗層２６内を通過するリッチガス成分が増加し、センサ出力にズレが生じてしまう。特に、トラップ層３０が厚いほどリッチガス成分の付着量が増えるため、内燃機関の暖機過程において、センサ出力にズレが生じる期間がより長期化してしまう。
【００３１】
そこで、本実施の形態の空燃比センサ１０においては、センサ素子における拡散抵抗層２６の出入口部２６ａの近傍を覆う範囲に、薄い厚みで構成されたトラップ層３０ａを配置することとする。これにより、内燃機関の運転を停止中に、出入口部２６ａの近傍に付着するリッチガス成分の付着量を減らすことができる。したがって、脱離したリッチガス成分が拡散抵抗層２６内に侵入し、出力ズレの期間が長期化する事態を効果的に抑制することができる。また、センサ素子割れが起こりやすいヒータ層１２の近傍等は、トラップ層３０ａよりも厚みの厚いトラップ層３０ｂが配置されている。このため、被水による熱衝撃からセンサ素子を有効に保護することができる。
【００３２】
このように、本実施の形態の空燃比センサ１０によれば、厚みの異なるトラップ層３０ａ，３０ｂを設けることで，出力ズレの期間が長期化する事態を効果的に抑制するとともに、被水によるセンサ素子割れが起こる事態を効果的に抑制することができる。したがって、空燃比センサの機能性の確保と耐被水性の向上との両立を図ることができる。
【００３３】
ところで、上述した実施の形態１においては、空燃比センサ１０について、厚みの異なるトラップ層３０ａ，３０ｂを配置することにより、センサの機能性と耐被水性との両立を図ることとしているが、本発明が実施可能なセンサは空燃比センサに限られない。すなわち、測定ガス内に晒される積層型のセンサであれば、酸素センサ等の他の排気ガスセンサであってもよい。
【００３４】
また、上述した実施の形態１においては、トラップ層３０として、多孔質のアルミナを使用しているが、使用可能な材料はこれに限られない。すなわち、多孔質のセラミックからなる材料であれば、他の材料を用いることとしてもよい。
【００３５】
また、上述した実施の形態１においては、拡散抵抗層２６の出入口部２８ａに厚みの薄いトラップ層３０ａを配置することとしているが、拡散抵抗層２６上は熱衝撃によるクラックが発生し難い。このため、センサの機能性を更に向上させるべく、トラップ層３０ａを配置しないこととしてもよい。これにより、暖機過程におけるセンサ出力のズレが生じる期間を効果的に短縮し、センサの機能性をさらに高めることができる。
【００３６】
尚、上述した実施の形態１においては、空燃比センサ１０が前記第１の発明における「排気ガスセンサ」に、トラップ層３０ａが前記第１の発明における「第１のトラップ層」に、トラップ層３０ｂが前記第１の発明における「第２のトラップ層」に、それぞれ相当している。
【００３８】
実施の形態２．
［空燃比センサの構成］
図２は、本発明の実施の形態２において用いられる積層型の空燃比センサ５０の構成を説明するための図である。尚、空燃比センサ５０は、後述するトラップ層５２を除いて図１に示す空燃比センサ１０と同様の構成を有している。
【００３９】
図２に示すとおり、本実施の形態の空燃比センサ５０は、排気通路内に晒されるセンサ素子の全周囲を覆うようにトラップ層５２が配置されている。トラップ層５２は、図１に示すトラップ層３０と同様に、多孔質性のセラミック（アルミナ）で構成されている。またトラップ層５２は、センサ素子を覆う領域毎に異なる気孔率を有している。より具体的には、センサ素子における拡散抵抗層２６の出入口部２６ａの近傍を覆う範囲には、気孔率の高い材料で構成されたトラップ層５２ａが配置されている。また、トラップ層５２における上記トラップ層５２ａ以外の範囲、すなわち、主としてヒータ層１２および大気層形成層１６を覆う範囲には、トラップ層５２ａの気孔率よりも低い気孔率の材料で構成されたトラップ層５２ｂが配置されている。尚、トラップ層５２ａとトラップ層５２ｂとは、同じ厚さで構成されている。
【００４０】
［本実施の形態２の特徴］
次に、本実施の形態２の特徴について説明する。上述した実施の形態１における空燃比センサ１０では、拡散抵抗層２６における出入口部２８ａ近傍は、厚みの薄いトラップ層３０ａを配置することで、機関停止中に当該出入口部２８ａの近傍に付着するリッチ成分の量を減らすこととしている。
【００４１】
一方、本実施の形態２においては、拡散抵抗層２６における出入口部２８ａ近傍のトラップ層５２ａの気孔率を高くしている点に特徴がある。つまり、機関停止中にトラップ層５２に付着するリッチ成分量は、トラップ層５２の気孔率が高いほど表面積が減るため少量となる。このため、トラップ層５２ａの気孔率を高くすることで、機関停止中に当該出入口部２８ａの近傍に付着するリッチ成分の量を効果的に減らすことができる。これにより、機関の暖機過程において脱離したリッチガス成分が拡散抵抗層２６内に侵入し、出力ズレの期間が長期化する事態を効果的に抑制することができる。
【００４２】
また、図２に示すとおり、センサ素子割れが起こりやすいヒータ層１２の近傍は、気孔率の低いトラップ層５２ｂで覆われている。トラップ層の気孔率が低いほど、センサ素子が被水により受ける熱衝撃が緩和される。このため、トラップ層５２ｂに覆われた範囲について、被水による熱衝撃からセンサ素子を有効に保護することができる。
【００４３】
また、上述したとおり、機能性の向上のために、拡散抵抗層２６に近傍は気孔率の高いトラップ層５２ａで覆われている。そこで、本実施の形態では、トラップ層５２ａの厚みを、トラップ層５２ｂの厚み、すなわち、被水に対して十分な効果がある厚みと同等としている。このため、気孔率の高いトラップ層５２ａに覆われた範囲においても、被水による熱衝撃からセンサ素子を有効に保護することができる。
【００４４】
このように、本実施の形態の空燃比センサ５０によれば、気孔率の異なるトラップ層５２ａ，５２ｂを設けることで，出力ズレの期間が長期化する事態を効果的に抑制するとともに、被水によるセンサ素子割れが起こる事態を効果的に抑制することができる。したがって、空燃比センサの機能性の確保と耐被水性の向上との両立を図ることができる。
【００４５】
ところで、上述した実施の形態２においては、空燃比センサ５０について、気孔率の異なるトラップ層５２ａ，５２ｂを配置することにより、センサの機能性と耐被水性との両立を図ることとしているが、本発明が実施可能なセンサは空燃比センサに限られない。すなわち、測定ガス内に晒される積層型のセンサであれば、酸素センサ等の他の排気ガスセンサであってもよい。
【００４６】
また、上述した実施の形態２においては、トラップ層５２として、多孔質のアルミナを使用しているが、使用可能な材料はこれに限られない。すなわち、多孔質のセラミックからなる材料であれば、他の材料を用いることとしてもよい。
【００４７】
また、上述した実施の形態２においては、トラップ層５２ａの厚みを、トラップ層５２ｂと同道としているが、トラップ層５２ａの厚みはこれに限られない。すなわち、上述した実施の形態１における空燃比センサ１０のように、拡散抵抗層２６の出入口部２８ａの近傍におけるトラップ層５２ａの厚みをトラップ層５２ｂよりも薄い層とすることとしてもよい。これにより、暖機過程におけるセンサ出力のズレが生じる期間を効果的に短縮し、センサの機能性をさらに高めることができる。
【００４８】
尚、上述した実施の形態２においては、空燃比センサ１０が前記第３の発明における「排気ガスセンサ」に、トラップ層３０ａが前記第３の発明における「第１のトラップ層」に、トラップ層３０ｂが前記第３の発明における「第２のトラップ層」に、それぞれ相当している。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１において用いられる空燃比センサの構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態２において用いられる空燃比センサの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  空燃比センサ
１８  大気層
２０  電解質層
２２  大気側電極
２４  排気側電極
２６  拡散抵抗層
２８  遮蔽層
３０，３０ａ，３０ｂ  トラップ層
５０  空燃比センサ
５２  ５２ａ，５２ｂ  トラップ層
【図１】
0004992744.tif 000002
【図２】
0004992744.tif 000003