ガスセンサ
【課題】 搭載性に優れて設置箇所の制約がなく、被水割れや被毒を抑制できる、小型で実用性の高いガスセンサを提供する。
【解決手段】 ガスセンサ１は、排気管壁に固定される筒状ハウジング４の開口内にセンサ素子３を保持し、外部の制御部１２にセンサ素子３からの検出信号を出力する。センサ素子3は板状体で、基体３１の厚さ方向をセンサ軸方向としてハウジング４の先端開口縁より内方に配置され、センサ軸に対して垂直な２つの対向する面を有し、通路側の一方の面に排気側電極３３を形成し、他方に大気側電極３２を形成して検出部とする。
【解決手段】 ガスセンサ１は、排気管壁に固定される筒状ハウジング４の開口内にセンサ素子３を保持し、外部の制御部１２にセンサ素子３からの検出信号を出力する。センサ素子3は板状体で、基体３１の厚さ方向をセンサ軸方向としてハウジング４の先端開口縁より内方に配置され、センサ軸に対して垂直な２つの対向する面を有し、通路側の一方の面に排気側電極３３を形成し、他方に大気側電極３２を形成して検出部とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載されて各種ガスを検出するために用いられるガスセンサ、特に小型のガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両内燃機関の排気管にガスセンサを設け、排気ガス中の酸素等のガス濃度を検出して、その検出信号を基に機関本体各部を制御することが行われている。ガスセンサは、一般に、ジルコニア等の酸素イオン導電性の固体電解質を利用したものが広く用いられている。従来技術として、特許文献１のガスセンサの基本構造を図８に示す。ガスセンサＳは、センサ素子１０１と、その基端部を保持するハウジング１０２を備え、センサ素子１０１からの検出信号は外部の制御部（図示せず）に入力される。センサ素子１０１は、酸素イオン導電性の固体電解質を、例えばコップ型に形成した基体１０３を有し、このコップ型の基体１０３を挟んで内外表面に電極が形成され、固体電解質内を酸素イオンが拡散する性質を利用して、ガス濃度を測定する。
【０００３】
ガスセンサは、ハウジング１０２の外周に設けたねじ部にて図示しない排気管壁に固定され、二重筒状の素子カバー１０４内に保持されるセンサ素子１０１の先端部が、排気管内に位置する。センサ素子１０１の電極端子には、検出結果を取り出すためにリード線１０５が接続される。リード線１０５は、ハウジング１０２に固定した保護カバー１０６の開口に配設したブッシュ１０７を貫通して外部に引き出され、その延出端が車両の制御部と直接電気的に接続されて検出信号を出力するようになっている。
【０００４】
一方、家庭用または車両用の制御システムにおいて、検出結果を制御部に無線等を用いて発信することが可能なワイヤレス装置が知られている（例えば、特許文献２、３）。このようなワイヤレス装置は、有線式のセンサに必要な配線の引き回しが不要になるといった利点があるが、内蔵電池の交換が必要となる。そこで、本発明者等は、検出信号をワイヤレスで制御部に発信することができるだけでなく、電源部を備え、内蔵電池の交換が不要な小型のガスセンサを先に提案した（特許文献４）。
【０００５】
また、内燃機関の低温始動時等に、排気管内の凝縮水がガスセンサに付着すると、ヒータ加熱による熱衝撃でセンサ素子の被水割れを生じるおそれがある。この対策として、センサ素子に、撥水性の表面層を形成して水の付着を抑制する構成（例えば、特許文献５）、素子カバーの開口の形状や配置を工夫して、排水性能を向上させるか水の侵入を抑制する構成が提案されている（例えば、特許文献６、７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１２２４１４号公報
【特許文献２】特開平７−３１８１４４号公報
【特許文献３】特開２００８−５０９４３号公報
【特許文献４】特開２０１０−６０４５２号公報
【特許文献５】特開平８−２４０５５９号公報
【特許文献６】特開２００８−７６２１１号公報
【特許文献７】特開２００８−４６１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献４のガスセンサは、電源部を小型とし、排気管外部へ延出する配線の引き回しを不要にしたことで、全体をコンパクトにできる。ただし、排気管内に位置する素子部構造は、従来のガスセンサと同様である。つまり、従来のガスセンサが、素子カバー１０４とともにセンサ素子１０１を排気管中央部付近まで突出させる基本構造であるため、より小径の排気管には配置できず、搭載性が悪い。
【０００８】
しかも、従来のガスセンサは、センサ素子１０１を排気流れの中央部に位置するために、レスポンスは良好であるものの、素子部を排気中の水や被毒物が直撃しやすい。このため、凝縮水が生じやすい場所には取り付けできず、設置位置が制約される。これに対して、特許文献５〜７のガスセンサは、素子表面層の追加や、素子カバー形状といった構造の見直しで対応しているが、いずれも構造が複雑となってコスト高となる懸念がある。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するために、車両内燃機関の排気管等に設置されるガスセンサの搭載性を改善し、設置箇所の制約なく酸素等のガス濃度を良好に検出すること、しかも構造を簡易にしながら、被水割れや被毒を抑制可能とすることで、小型で低コストであり実用性の高い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】
【００１０】
請求項１記載の発明は、被測定ガス中の特定ガス成分を検出するセンサ素子と、該センサ素子を内部に保持する筒状ハウジングと、上記センサ素子からの検出信号を外部の制御部に出力する出力部とを備えるガスセンサであって、
上記筒状ハウジングは、被測定ガスが流通する通路壁に固定されて、一端側が上記通路内に突出開口し、該一端側開口縁より内方に上記センサ素子を配置しており、
上記センサ素子は、センサ軸に対して垂直な２つの対向する面を有し、この２つの面のうち上記通路側の一方に測定側電極を形成し、他方に基準側電極を形成した検出部を備えている。
【００１１】
請求項２記載の発明において、上記センサ素子は板状体であり、固体電解質を板状に成形した基体と、該基体の対向する２つの板面の一方に形成した上記測定側電極が、上記筒状ハウジングの開口に面するように配置している。
【００１２】
請求項３記載の発明において、上記センサ素子は、上記筒状ハウジングの上記一端側開口内に、上記基体の厚み方向がセンサ軸方向となるように配置されており、センサ軸方向の素子長さがセンサ径方向の素子長さより短く形成されている。
【００１３】
請求項４記載の発明において、上記センサ素子と上記筒状ハウジングの上記一端側の開口縁との間に、多孔性の保護層を形成している。
【００１４】
請求項５記載の発明において、上記筒状ハウジングの他端側に上記出力部を設けたセンサ軸方向の全長をＬ１とし、上記筒状ハウジングの上記一端側の開口縁から上記センサ素子の先端面までの距離をＬ２とした時に、Ｌ２／Ｌ１×１００＝６．２５〜２５％としている。
【００１５】
請求項６記載の発明において、上記出力部は、上記ハウジングの他端側に発信部と電源部を設けて、上記発信部から上記制御部に設けた受信部に信号を出力するワイヤレス通信部としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１記載のガスセンサは、センサ素子がハウジング内に保持されるので、被測定ガスの通路内への突出長が短くなり、小型にできる。また、通路内を流通する被測定ガスに凝縮水や被毒物質が含まれていても、センサ素子を直撃することがない。したがって、素子カバーをなくすことができ、簡易な構成で、搭載性に優れ、しかも被水割れや被毒が生じにくいガスセンサとすることができるので、実用性が高い。
【００１７】
請求項２記載のガスセンサは、板状センサ素子とすることで、小型でシンプルな構成となるので、従来のコップ型素子よりも生産工程が簡素化でき、低コスト化が可能である。
【００１８】
請求項３記載のガスセンサは、板状センサ素子の厚み方向がセンサ軸方向、すなわち筒状ハウジングの軸方向となるように、ハウジングに収容されるので、軸方向長を短くして小型にできる。また、センサ軸方向に対してセンサ径方向の素子長さを長くしているので、出力取り出しのための構造も容易に形成できる。
【００１９】
請求項４記載のガスセンサは、ハウジングの開口部に多孔性の保護層を有するので、センサ素子を被水や被毒からより効果的に保護することができる。
【００２０】
請求項５記載のガスセンサは、センサ軸方向長Ｌ１に対して、ハウジングの開口縁から素子先端面までの距離Ｌ２が所定の範囲となるように設定すると、上記効果を得やすい。
【００２１】
請求項６記載のガスセンサは、出力部がワイヤレス通信部として構成されるので、より小型で、搭載性に優れ、内蔵電池の交換が不要で実用性が高いガスセンサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の第１実施形態であり、（ａ）はガスセンサの全体構成図、（ｂ）はガスセンサを車両エンジンの排気管へ搭載した例を示す図、（ｃ）は本発明の第２実施形態であり、ガスセンサを小型船舶エンジンの排気管へ搭載した例を示す図である。
【図２】（ａ）はガスセンサの詳細構成を説明するための断面図、（ｂ）は酸素センサ素子として構成した例を示す要部拡大図、（ｃ）は空燃比センサ素子として構成した例を示す要部拡大図である。
【図３】本発明のガスセンサを排気管へ搭載した構成を、従来のガスセンサと比較して示す断面図である。
【図４】（ａ）は本発明のガスセンサを小型船舶エンジンの排気管へ搭載した効果を説明するための図、（ｂ）〜（ｄ）は車両エンジンの排気管へ搭載した効果を説明するための図である。
【図５】（ａ）は本発明のガスセンサの詳細構成を示す断面図、（ｂ）はセンサ素子の生産工程を説明するための図である。
【図６】（ａ）はガスセンサの保護層と応答性の関係を示す図、（ｂ）はガスセンサの素子構成と応答性の関係を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）はそれぞれセンサ素子厚さおよび素子温度と応答性の関係を示す図、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ水滴下量および素子温度と素子割れ率の関係を示す図、（ｅ）は素子内部抵抗と素子温度の関係を示す図である。
【図８】従来のガスセンサの全体構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明を適用した内燃機関用のガスセンサ１の第１実施形態であり、本実施形態は、例えば図１（ｂ）に示すように、車両エンジンの排気通路への搭載例として説明する。本発明のガスセンサ１は、被測定ガスである排ガス中に含まれる特定成分を検出するもので、代表的なものとして酸素センサ、空燃比センサがある。その他、ＮＯｘセンサ、ＣＯ２センサ、ＨＣセンサ等、排ガス中の特定のガス成分やその濃度を検出する種々のガスセンサに適用することができる。本発明のガスセンサ１は、車両以外のエンジンへ搭載することもでき、図１（ｃ）には、第２実施形態として、例えば小型船舶エンジンの排気通路に搭載されるガスセンサ１を示している。
【００２４】
図１（ａ）の全体構成図に示すように、本発明のガスセンサ１は、センサ本体１１と、公知の電子制御ユニット（ＥＣＵ）からなる制御部１２を備える。センサ本体１１の発信部２１と電源部２２は、出力部であるワイヤレス通信部２を構成しており、制御部１２に設けられる受信部へ、ワイヤレスで出力可能となっている。ＥＣＵは、一般的な車両エンジン用の基本構成を有するもので、ガスセンサ１の他、機関各部に設けた各種センサ類からの情報に基づいて、機関の運転および各種装置の作動をフィードバック制御する。
【００２５】
ガスセンサ１のセンサ本体１１は、センサ素子３と、センサ素子３を内部に保持する筒状ハウジング４と、ワイヤレス通信部２とを有する。筒状ハウジング４は、中間部外周にフランジ部４１を有し、このフランジ部４１より先端側(図の下端側)が、非測定ガスが流通する通路である排気通路内に突出位置する。図１（ｂ）では、排気通路である排気管Ｐの途中に介設した三元触媒６の外周壁に取り付け穴を設けて、ガスセンサ１のハウジング４を挿通固定している。具体的には、図１（ａ）において、金属製（例えばＳＵＳ等）のハウジング４の先端部(図の下端部)外周にネジ部４２を形成し、フランジ部４１の下面にシール用のガスケットを配置して、取り付け穴にねじ固定する。
【００２６】
ワイヤレス通信部２は、筒状ハウジング４の基端側(図の上端側)に設けられる。ハウジング４の基端側開口(図の上端側開口)は、カプラー５で封止され、カプラー５の上面に設けた筒状部内に、後述するワイヤレス通信部２の発信部２１が収容されている。カプラー５内には、電源部２２を構成する振動素子２３と、変換素子２４が収容保持される。振動素子２３はセンサ本体１１自体の振動に対応して相対的に振動するものであり、この振動エネルギを変換素子２４が電気エネルギに変換して、発信部２１の電力源とする。このようにワイヤレス通信部２は、自己発電可能な電源部２２を有するので、内蔵電池が不要であり、電池交換や保守点検の手間が省ける利点がある。カプラー５は、多孔質フッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる。
【００２７】
次に、本発明の特徴部分であるセンサ素子３の構成と配置について説明する。本実施形態において、センサ素子３は、図示するように矩形の板状体であり、ハウジング４は、排気通路内に突出開口する筒状の先端部内に、センサ素子３の厚み方向をセンサ軸方向として先端部内空間を上下に仕切るように配置し、例えばアルミナ等からなるインシュレータ４３を介して絶縁保持している。このように本発明では、センサ素子３をハウジング４内に収容する構成としており、従来のようにハウジング４外に突出する部分を覆う素子カバーを設けていない。
【００２８】
センサ素子３は、例えばジルコニア等の固体電解質よりなる基体３１と、その対向する２面に形成される電極３２、３３からなる検出部を有する。基体３１は、所望形状（ここでは長方形）の板状体に成形されて、厚み方向に対向する２面を電極形成面としており、基端面（図の上面）に基準側電極である大気側電極３２が、先端面（図の下面）に測定側電極である排気側電極３３が、例えば白金ペースト等を用いて印刷形成されている。インシュレータ４３は筒状で、中央に開口を有する先端面を有し、該先端面上にセンサ素子３を保持している。この時、インシュレータ４３先端面の開口は、センサ素子３の排気側電極３３の形成位置と一致するように形成され、排気側電極３３に排気通路から排気が導入可能となる。大気側電極３２が露出するインシュレータ４３内空間には、排気通路外部の空間から大気が導入される。
【００２９】
大気側電極３２および排気側電極３３は、インシュレータ４３内に配置される大気側電極ホルダ３４、排気側電極ホルダ３５にそれぞれ接続される。これら大気側電極ホルダ３４、排気側電極ホルダ３５は、例えばＮｉ基超合金（耐熱温度約５５０℃）等からなり、縦方向の複数箇所にスリットを形成したバネ部を有する形状として、センサ素子３の表面に押圧され、電気的接続を確保するようになっている。ハウジング４は、先端開口縁が内方に屈曲してフランジ部を形成し、このフランジ部とカプラー５の間に、インシュレータ４３を保持している。また、インシュレータ４３の外周とハウジング４内周面の間は、ＳＵＳ等よりなるパッキン４４でシールされる。
【００３０】
これにより、センサ軸方向長（厚み方向長）がセンサ径方向よりも短いセンサ素子３を、ハウジング４の開口より内方に保持し、排気通路内への突出長を短くすることができる。この時、センサ素子３に、排気通路内の排気流れが直接衝突しないので、素子カバーがなくても凝縮水による被水割れや被毒物質による汚染を抑制できるが、好適には、センサ素子３の先端面とハウジング４の開口縁との間に、多孔質の保護層３６を設ける。保護層３６は、例えばアルミナ等の多孔質材料からなり、多孔度を適宜調整することにより拡散抵抗層、被毒トラップ層の２層構造とすることもできる。
【００３１】
図２により、本発明のガスセンサ１の基本作動を説明する。図２（ａ）において、センサ素子３は、例えば、代表的なガスセンサである酸素センサ素子として構成されており、排気側電極３３の下方に形成される保護層３６（多孔質アルミナ）を通過して、図示しない排気管から被測定ガスである排気が取り込まれる。一方、カプラー５を構成する多孔質ＰＴＦＥを通過してハウジング４内に外気が取り込まれ、大気側電極３２の上方に、基準ガスとしての大気が存在している。カプラー５を構成する多孔質ＰＴＦＥは、例えばポリフロン原料の粒径を大小混ぜることで圧縮成形時の密度を向上させ、またガラス粉末を２０〜３０％添加することにより熱による変形を抑えながらシール性・通気性を確保できる。
【００３２】
この時、図２（ｂ）に示すように、ジルコニア固体電解質（基体３１）を挟んで、大気側電極３２と排気側電極３３が対向配置され、酸素濃淡電池を構成する。保護層３６は、排気側電極３３に接する拡散抵抗層の外側に、気孔率のより大きい被毒トラップ層を配置することで、排気中に含まれる被毒物質を捕捉するようになっている。上記構成において、酸素センサ素子には、ジルコニア固体電解質（基体３１）の両面に設けた大気側電極３２と排気側電極３３の酸素濃度差に応じた起電力を発生する。この起電力を大気側電極ホルダ３４、排気側電極ホルダ３５を介して取り出し、発信部２１からガス濃度の検出信号として、ワイヤレス通信により制御部１２の受信部へ出力することができる。
【００３３】
図２（ｃ）に示すように、センサ素子３を、空燃比（Ａ／Ｆ）センサ素子として構成することもできる。この場合、センサ素子３には、大気側電極３２を正極性、排気側電極３３を負極性とする一定のバイアス電圧Ｖｏが印加されている。排気の空燃比がリーンの時には、酸素ポンプ特性により、排気側電極３３から大気側電極へ酸素イオン（Ｏ２−）の移動が起こり、その結果、正極から、大気側電極３２、ジルコニア固体電解質（基体３１）、排気側電極３３を介して、負極へと電流が流れる。この時流れる限界電流の大きさを検出すれば、酸素濃度を知ることができ、リーン領域における空燃比を知ることができる。一方、排気の空燃比がリッチの時には酸素濃淡電池特性により、大気側電極３２から排気側電極３３へ酸素イオン（Ｏ２−）の移動が引き起こす方向に作用し、大気側電極３２から、電圧源を通って排気側電極３３へ電流が流れる。この時流れる電流の大きさは、移動する酸素イオン（Ｏ２−）の量に依存し、さらには排気中から拡散抵抗層（保護層３６）を通って拡散により流入するＨＣ、ＣＯ等の未燃ガス濃度に対応するため、この限界電流の大きさを検出すれば、未燃ガス濃度を知ることができ、リッチ領域における空燃比を知ることができる。
【００３４】
図３に、本発明のガスセンサ１を排気管に取り付けた状態を、従来のガスセンサＳと比較して示す。従来のガスセンサＳは、センサ素子１０１が排気管内に突出しており、凝縮水や被毒物質が直撃しやすい構成となっている。このため、二重の素子カバー１０４で保護する必要があり、構成が複雑となる。これに対して、本発明のガスセンサ１は、検出部を小さくし、素子カバーをなくして簡素な構造とした小型センサである。すなわち、センサ素子３をハウジング４内に収容したので、凝縮水や被毒物質が直撃することがなく、被水割れや被毒を防止する効果が高い。しかも、排気通路内への突出長を短くすることができ、素子カバーをなくすことで、簡素な構造でコストを低減し、搭載性を向上させることができる。
【００３５】
また、内蔵電池不要のワイヤレス通信部２によりセンサ出力を発信するので、排気通路外への突出長も短くなり、取り付け位置の制約が小さい。このため、図１（ｂ）のように、従来のガスセンサＳでは困難であった三元触媒６外周への取り付けも可能となり、対向する車両ボディＢとの間隔は、より小径の排気管Ｐに取り付けられた従来のガスセンサＳと同等とすることができる。また、本発明のガスセンサ１は、内部への突出長も小さいので、排気通路構造や排気流通への影響が小さく、三元触媒６内の酸素濃度または空燃比を直接測定できるので、エンジンのフィードバック制御に大きく貢献する。
【００３６】
ここで、ワイヤレス通信部２を構成する発信部２１および制御部１２の受信部は、例えば、公知の無線ＬＡＮ規格に対応するネットワーク通信機能を備え、検出したガス濃度情報を出入力可能である。発信部２１に無線ＬＡＮを用いると、車両グランドアースにより、ノイズの影響を受けにくい利点がある。また、汎用性が高く、小型化が可能で実用性が高い。その他、電波無線、赤外線、光通信を用いたワイヤレス通信を採用することもできる。
【００３７】
なお、電源部２２の電力源としては、振動エネルギの他、光エネルギ、熱エネルギおよび化学エネルギの少なくとも１種を用いて電気エネルギを発生可能なものであればよい。例えば、高温となるセンサ本体１１の熱を利用して電気エネルギに変換し、あるいはソーラー電池等をセンサ本体１１に付設することもできる。また、化学エネルギとして、上述したセンサ素子３の電極における排ガスとの反応を利用することもできる。この際、固体電解質よりなる基体３１内を酸素イオンが移動することにより、電力・電流が発生するため、これを発信部２１に導入することで、電力源としてもよい。
【００３８】
本発明のガスセンサ１は小型であり、また排気流れがセンサ素子３に対向していないので、より径の小さい排気管、あるいは従来形状では凝縮水や被毒物質の影響を受けるおそれがある場所にも搭載が可能である。例えば、図１（ｃ）のような小型船舶の船外機では、従来のガスセンサＳは、エンジンの排気管とその周囲のエンジンカバーとの間にスペースがあり、排気流れに対して位置調節が容易な場所に設けられる。例えば、各気筒からの排気ポートの集合部付近では、水冷されているために凝縮水が発生しやすく、しかも排気流れの方向がそれぞれ異なるために、従来のガスセンサＳでは素子カバーを有していても、被水を避けることは難しい。これに対して、本発明のガスセンサ１は、排気ポートの集合部近傍への配置が可能であり、耐被水性を確保しながら小型化を実現する。しかも、従来のガスセンサＳの設置場所では、単一の気筒からの排気のみが流通するが、本発明のガスセンサ１は、排気の集合部で測定できるので、精度よい検出が可能であり制御性が向上する。
【００３９】
ここで、図４（ａ）に示すように、ガスセンサ１の搭載位置は、ハウジング４のフランジ４１より基端側のＡ寸法、先端側のＢ寸法によって制約を受ける。すなわち、図１（ｃ）の船外機であれば、エンジンの排気管の外側にＡ寸法以上のスペースが、排気管内にＢ寸法以上のスペースが必要となる。また、排気管内には、エンジンからの凝縮水Ｃ、船外からの海水Ｄが浸入するが、図示するように、本発明のガスセンサ１を排気の集合部に設置した場合には、寸法に充分な余裕があり、かつ被水しにくい配置とすることができる。
【００４０】
図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、本発明のガスセンサ１を車両エンジンに搭載する場合には、ガスセンサ１の基端側のＡ寸法がエンジンルームスペースによって制約され、ガスセンサ１の先端側のＢ寸法が排気管内スペースによって制約を受ける。なお、図４（ｄ）に図示するように、三元触媒６の側面には、車両ボディＢや路面との間のようなスペースの制約はなく、従来のガスセンサＳであっても設置可能であるが、飛石がガスセンサＳの頭部に当たって破損するため、現実的ではない。
【００４１】
次に、図３において、ガスセンサ１のサイズを変更した時の、保護層３６による耐被水性および応答性への影響を調べた。ガスセンサ１の軸方向の全長をＬ１、センサ素子３の先端面からガスセンサ１の先端までの距離をＬ２とし、排気管への取り付け径となるネジ径をＭ８、Ｍ１２、Ｍ１８の３種類について、全長Ｌ１を２０ｍｍ〜６０ｍｍまたは２０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲で変更した。なお、ここでは全長Ｌ１を、ガスセンサ１の先端からカプラー５の基端までの距離とし、いずれもＬ２は５ｍｍとした。耐被水性は、素子部に１００μｌの水を滴下した時の割れの有無を、応答性は、素子温度６００℃で、導入されるガスの空燃比（λ）を、λ＝０．９０→１．１０、λ＝１．１０→０．９０となるように変化させた時の出力が、空燃比に追従して変化するまでの時間を調べた（０．６Ｖ⇔０．３Ｖ）。また、比較のため、従来のガスセンサＳについても同様の評価を行い、結果を表1に示した。
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１に明らかなように、本発明のガスセンサ１は、ネジ径や全長によらず、優れた耐被水性を示し、従来センサＳよりも向上した。また、応答性は、従来センサＳより若干劣るもののほぼ同等であり、実用上問題ない値が得られた。これらより、通常使用されるガスセンサ１のサイズであれば、Ｌ２／Ｌ１×１００＝６．２５〜２５％の範囲となるように設定することで、耐被水性と応答性を両立させ、十分な効果が得られる。
【００４４】
さらに、素子構成がシンプルであるために、生産工程が簡素化可能である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例では、センサ素子３の基体３１を長方形としているので、固体電解質をシート化することで切削が容易になり、１シートから多数の基体３１を取り出すことができる。また、長方形の素子形状であると、出力取り出し構造が複雑になることがなく、量産効果、コスト低減効果が大である。
【００４５】
図６（ａ）に示すように、本発明のガスセンサ１において、保護層３６の構成とセンサ素子３の応答性には相関がある。本発明では、センサ素子３がハウジングから突出していないため、応答性については従来のガスセンサＳに対してやや劣る。応答性をよくするには、保護層３６となる多孔質アルミナ層を通過する排気のガス拡散スピードが重要であり、原料となるアルミナ粒径を大小混ぜて、その比率を調整したアルミナスラリーに浸漬して保護層３６を形成し、応答性との関係を調べた（素子温度６００℃）。図示の結果から、アルミナ粒径が大の比率が大きいほど応答性が良好であり、これら比率を適宜調整してガス拡散スピードを設定するとよいことがわかる。
【００４６】
図６（ｂ）に、本発明のガスセンサ１において、センサ素子３の排気側電極３３が排気ガスに接触する面積と、応答性の関係を示す。図示するように、接触面積が大きいほど、応答性が速くなっている。また、図７(ａ)、（ｂ)に示すように、保護層３６厚さが薄いほど、あるいは素子温度が高いほど、応答性が速くなる。ただし、図７(ｃ)、（ｄ)に示すように、被水割れについては、水滴下量が多いほど、あるいは素子温度が高いほど、素子割れ率が高くなるので、これら素子構成や検出条件を必要に応じて適宜調整するのがよい。
【００４７】
図７（ｅ）に示すように、本発明のガスセンサ１において、センサ素子３の内部抵抗は、素子温度と相関があるので、これを利用して簡易構造の温度センサとして使用することもできる。例えば、センサ素子３を自己発熱により加熱し、素子インピーダンスをモニタすることで早期活性化し、ヒータレスで早期に三元触媒のフィードバック制御を開始して排気浄化性能を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
このようにして形成される本発明のガスセンサは、小型でメンテナンスフリーのワイヤレスガスセンサであるので、軽自動車のターボエンジンのようにエンジンルームにスペースが少ない場合に優位である。あるいは、二輪自動車に設置した場合には、小型で目立たないためにデザイン性に優れる。このように従来設置が困難であったエンジンその他のガスセンサとして好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ ガスセンサ
１１ センサ本体
１２ 制御部
２ ワイヤレス通信部（出力部）
２１ 発信部
２２ 電源部
２３ 振動素子
２４ 変換素子
３ センサ素子
３１ 基体
３２ 大気側電極（基準側電極）
３３ 排気側電極（測定側電極）
３４ 大気側ホルダ
３５ 排気側ホルダ
３６ 保護層
４ ハウジング
４１ フランジ部
５ カプラー
６ 三元触媒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載されて各種ガスを検出するために用いられるガスセンサ、特に小型のガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両内燃機関の排気管にガスセンサを設け、排気ガス中の酸素等のガス濃度を検出して、その検出信号を基に機関本体各部を制御することが行われている。ガスセンサは、一般に、ジルコニア等の酸素イオン導電性の固体電解質を利用したものが広く用いられている。従来技術として、特許文献１のガスセンサの基本構造を図８に示す。ガスセンサＳは、センサ素子１０１と、その基端部を保持するハウジング１０２を備え、センサ素子１０１からの検出信号は外部の制御部（図示せず）に入力される。センサ素子１０１は、酸素イオン導電性の固体電解質を、例えばコップ型に形成した基体１０３を有し、このコップ型の基体１０３を挟んで内外表面に電極が形成され、固体電解質内を酸素イオンが拡散する性質を利用して、ガス濃度を測定する。
【０００３】
ガスセンサは、ハウジング１０２の外周に設けたねじ部にて図示しない排気管壁に固定され、二重筒状の素子カバー１０４内に保持されるセンサ素子１０１の先端部が、排気管内に位置する。センサ素子１０１の電極端子には、検出結果を取り出すためにリード線１０５が接続される。リード線１０５は、ハウジング１０２に固定した保護カバー１０６の開口に配設したブッシュ１０７を貫通して外部に引き出され、その延出端が車両の制御部と直接電気的に接続されて検出信号を出力するようになっている。
【０００４】
一方、家庭用または車両用の制御システムにおいて、検出結果を制御部に無線等を用いて発信することが可能なワイヤレス装置が知られている（例えば、特許文献２、３）。このようなワイヤレス装置は、有線式のセンサに必要な配線の引き回しが不要になるといった利点があるが、内蔵電池の交換が必要となる。そこで、本発明者等は、検出信号をワイヤレスで制御部に発信することができるだけでなく、電源部を備え、内蔵電池の交換が不要な小型のガスセンサを先に提案した（特許文献４）。
【０００５】
また、内燃機関の低温始動時等に、排気管内の凝縮水がガスセンサに付着すると、ヒータ加熱による熱衝撃でセンサ素子の被水割れを生じるおそれがある。この対策として、センサ素子に、撥水性の表面層を形成して水の付着を抑制する構成（例えば、特許文献５）、素子カバーの開口の形状や配置を工夫して、排水性能を向上させるか水の侵入を抑制する構成が提案されている（例えば、特許文献６、７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１２２４１４号公報
【特許文献２】特開平７−３１８１４４号公報
【特許文献３】特開２００８−５０９４３号公報
【特許文献４】特開２０１０−６０４５２号公報
【特許文献５】特開平８−２４０５５９号公報
【特許文献６】特開２００８−７６２１１号公報
【特許文献７】特開２００８−４６１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献４のガスセンサは、電源部を小型とし、排気管外部へ延出する配線の引き回しを不要にしたことで、全体をコンパクトにできる。ただし、排気管内に位置する素子部構造は、従来のガスセンサと同様である。つまり、従来のガスセンサが、素子カバー１０４とともにセンサ素子１０１を排気管中央部付近まで突出させる基本構造であるため、より小径の排気管には配置できず、搭載性が悪い。
【０００８】
しかも、従来のガスセンサは、センサ素子１０１を排気流れの中央部に位置するために、レスポンスは良好であるものの、素子部を排気中の水や被毒物が直撃しやすい。このため、凝縮水が生じやすい場所には取り付けできず、設置位置が制約される。これに対して、特許文献５〜７のガスセンサは、素子表面層の追加や、素子カバー形状といった構造の見直しで対応しているが、いずれも構造が複雑となってコスト高となる懸念がある。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するために、車両内燃機関の排気管等に設置されるガスセンサの搭載性を改善し、設置箇所の制約なく酸素等のガス濃度を良好に検出すること、しかも構造を簡易にしながら、被水割れや被毒を抑制可能とすることで、小型で低コストであり実用性の高い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】
【００１０】
請求項１記載の発明は、被測定ガス中の特定ガス成分を検出するセンサ素子と、該センサ素子を内部に保持する筒状ハウジングと、上記センサ素子からの検出信号を外部の制御部に出力する出力部とを備えるガスセンサであって、
上記筒状ハウジングは、被測定ガスが流通する通路壁に固定されて、一端側が上記通路内に突出開口し、該一端側開口縁より内方に上記センサ素子を配置しており、
上記センサ素子は、センサ軸に対して垂直な２つの対向する面を有し、この２つの面のうち上記通路側の一方に測定側電極を形成し、他方に基準側電極を形成した検出部を備えている。
【００１１】
請求項２記載の発明において、上記センサ素子は板状体であり、固体電解質を板状に成形した基体と、該基体の対向する２つの板面の一方に形成した上記測定側電極が、上記筒状ハウジングの開口に面するように配置している。
【００１２】
請求項３記載の発明において、上記センサ素子は、上記筒状ハウジングの上記一端側開口内に、上記基体の厚み方向がセンサ軸方向となるように配置されており、センサ軸方向の素子長さがセンサ径方向の素子長さより短く形成されている。
【００１３】
請求項４記載の発明において、上記センサ素子と上記筒状ハウジングの上記一端側の開口縁との間に、多孔性の保護層を形成している。
【００１４】
請求項５記載の発明において、上記筒状ハウジングの他端側に上記出力部を設けたセンサ軸方向の全長をＬ１とし、上記筒状ハウジングの上記一端側の開口縁から上記センサ素子の先端面までの距離をＬ２とした時に、Ｌ２／Ｌ１×１００＝６．２５〜２５％としている。
【００１５】
請求項６記載の発明において、上記出力部は、上記ハウジングの他端側に発信部と電源部を設けて、上記発信部から上記制御部に設けた受信部に信号を出力するワイヤレス通信部としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１記載のガスセンサは、センサ素子がハウジング内に保持されるので、被測定ガスの通路内への突出長が短くなり、小型にできる。また、通路内を流通する被測定ガスに凝縮水や被毒物質が含まれていても、センサ素子を直撃することがない。したがって、素子カバーをなくすことができ、簡易な構成で、搭載性に優れ、しかも被水割れや被毒が生じにくいガスセンサとすることができるので、実用性が高い。
【００１７】
請求項２記載のガスセンサは、板状センサ素子とすることで、小型でシンプルな構成となるので、従来のコップ型素子よりも生産工程が簡素化でき、低コスト化が可能である。
【００１８】
請求項３記載のガスセンサは、板状センサ素子の厚み方向がセンサ軸方向、すなわち筒状ハウジングの軸方向となるように、ハウジングに収容されるので、軸方向長を短くして小型にできる。また、センサ軸方向に対してセンサ径方向の素子長さを長くしているので、出力取り出しのための構造も容易に形成できる。
【００１９】
請求項４記載のガスセンサは、ハウジングの開口部に多孔性の保護層を有するので、センサ素子を被水や被毒からより効果的に保護することができる。
【００２０】
請求項５記載のガスセンサは、センサ軸方向長Ｌ１に対して、ハウジングの開口縁から素子先端面までの距離Ｌ２が所定の範囲となるように設定すると、上記効果を得やすい。
【００２１】
請求項６記載のガスセンサは、出力部がワイヤレス通信部として構成されるので、より小型で、搭載性に優れ、内蔵電池の交換が不要で実用性が高いガスセンサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の第１実施形態であり、（ａ）はガスセンサの全体構成図、（ｂ）はガスセンサを車両エンジンの排気管へ搭載した例を示す図、（ｃ）は本発明の第２実施形態であり、ガスセンサを小型船舶エンジンの排気管へ搭載した例を示す図である。
【図２】（ａ）はガスセンサの詳細構成を説明するための断面図、（ｂ）は酸素センサ素子として構成した例を示す要部拡大図、（ｃ）は空燃比センサ素子として構成した例を示す要部拡大図である。
【図３】本発明のガスセンサを排気管へ搭載した構成を、従来のガスセンサと比較して示す断面図である。
【図４】（ａ）は本発明のガスセンサを小型船舶エンジンの排気管へ搭載した効果を説明するための図、（ｂ）〜（ｄ）は車両エンジンの排気管へ搭載した効果を説明するための図である。
【図５】（ａ）は本発明のガスセンサの詳細構成を示す断面図、（ｂ）はセンサ素子の生産工程を説明するための図である。
【図６】（ａ）はガスセンサの保護層と応答性の関係を示す図、（ｂ）はガスセンサの素子構成と応答性の関係を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）はそれぞれセンサ素子厚さおよび素子温度と応答性の関係を示す図、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ水滴下量および素子温度と素子割れ率の関係を示す図、（ｅ）は素子内部抵抗と素子温度の関係を示す図である。
【図８】従来のガスセンサの全体構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明を適用した内燃機関用のガスセンサ１の第１実施形態であり、本実施形態は、例えば図１（ｂ）に示すように、車両エンジンの排気通路への搭載例として説明する。本発明のガスセンサ１は、被測定ガスである排ガス中に含まれる特定成分を検出するもので、代表的なものとして酸素センサ、空燃比センサがある。その他、ＮＯｘセンサ、ＣＯ２センサ、ＨＣセンサ等、排ガス中の特定のガス成分やその濃度を検出する種々のガスセンサに適用することができる。本発明のガスセンサ１は、車両以外のエンジンへ搭載することもでき、図１（ｃ）には、第２実施形態として、例えば小型船舶エンジンの排気通路に搭載されるガスセンサ１を示している。
【００２４】
図１（ａ）の全体構成図に示すように、本発明のガスセンサ１は、センサ本体１１と、公知の電子制御ユニット（ＥＣＵ）からなる制御部１２を備える。センサ本体１１の発信部２１と電源部２２は、出力部であるワイヤレス通信部２を構成しており、制御部１２に設けられる受信部へ、ワイヤレスで出力可能となっている。ＥＣＵは、一般的な車両エンジン用の基本構成を有するもので、ガスセンサ１の他、機関各部に設けた各種センサ類からの情報に基づいて、機関の運転および各種装置の作動をフィードバック制御する。
【００２５】
ガスセンサ１のセンサ本体１１は、センサ素子３と、センサ素子３を内部に保持する筒状ハウジング４と、ワイヤレス通信部２とを有する。筒状ハウジング４は、中間部外周にフランジ部４１を有し、このフランジ部４１より先端側(図の下端側)が、非測定ガスが流通する通路である排気通路内に突出位置する。図１（ｂ）では、排気通路である排気管Ｐの途中に介設した三元触媒６の外周壁に取り付け穴を設けて、ガスセンサ１のハウジング４を挿通固定している。具体的には、図１（ａ）において、金属製（例えばＳＵＳ等）のハウジング４の先端部(図の下端部)外周にネジ部４２を形成し、フランジ部４１の下面にシール用のガスケットを配置して、取り付け穴にねじ固定する。
【００２６】
ワイヤレス通信部２は、筒状ハウジング４の基端側(図の上端側)に設けられる。ハウジング４の基端側開口(図の上端側開口)は、カプラー５で封止され、カプラー５の上面に設けた筒状部内に、後述するワイヤレス通信部２の発信部２１が収容されている。カプラー５内には、電源部２２を構成する振動素子２３と、変換素子２４が収容保持される。振動素子２３はセンサ本体１１自体の振動に対応して相対的に振動するものであり、この振動エネルギを変換素子２４が電気エネルギに変換して、発信部２１の電力源とする。このようにワイヤレス通信部２は、自己発電可能な電源部２２を有するので、内蔵電池が不要であり、電池交換や保守点検の手間が省ける利点がある。カプラー５は、多孔質フッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる。
【００２７】
次に、本発明の特徴部分であるセンサ素子３の構成と配置について説明する。本実施形態において、センサ素子３は、図示するように矩形の板状体であり、ハウジング４は、排気通路内に突出開口する筒状の先端部内に、センサ素子３の厚み方向をセンサ軸方向として先端部内空間を上下に仕切るように配置し、例えばアルミナ等からなるインシュレータ４３を介して絶縁保持している。このように本発明では、センサ素子３をハウジング４内に収容する構成としており、従来のようにハウジング４外に突出する部分を覆う素子カバーを設けていない。
【００２８】
センサ素子３は、例えばジルコニア等の固体電解質よりなる基体３１と、その対向する２面に形成される電極３２、３３からなる検出部を有する。基体３１は、所望形状（ここでは長方形）の板状体に成形されて、厚み方向に対向する２面を電極形成面としており、基端面（図の上面）に基準側電極である大気側電極３２が、先端面（図の下面）に測定側電極である排気側電極３３が、例えば白金ペースト等を用いて印刷形成されている。インシュレータ４３は筒状で、中央に開口を有する先端面を有し、該先端面上にセンサ素子３を保持している。この時、インシュレータ４３先端面の開口は、センサ素子３の排気側電極３３の形成位置と一致するように形成され、排気側電極３３に排気通路から排気が導入可能となる。大気側電極３２が露出するインシュレータ４３内空間には、排気通路外部の空間から大気が導入される。
【００２９】
大気側電極３２および排気側電極３３は、インシュレータ４３内に配置される大気側電極ホルダ３４、排気側電極ホルダ３５にそれぞれ接続される。これら大気側電極ホルダ３４、排気側電極ホルダ３５は、例えばＮｉ基超合金（耐熱温度約５５０℃）等からなり、縦方向の複数箇所にスリットを形成したバネ部を有する形状として、センサ素子３の表面に押圧され、電気的接続を確保するようになっている。ハウジング４は、先端開口縁が内方に屈曲してフランジ部を形成し、このフランジ部とカプラー５の間に、インシュレータ４３を保持している。また、インシュレータ４３の外周とハウジング４内周面の間は、ＳＵＳ等よりなるパッキン４４でシールされる。
【００３０】
これにより、センサ軸方向長（厚み方向長）がセンサ径方向よりも短いセンサ素子３を、ハウジング４の開口より内方に保持し、排気通路内への突出長を短くすることができる。この時、センサ素子３に、排気通路内の排気流れが直接衝突しないので、素子カバーがなくても凝縮水による被水割れや被毒物質による汚染を抑制できるが、好適には、センサ素子３の先端面とハウジング４の開口縁との間に、多孔質の保護層３６を設ける。保護層３６は、例えばアルミナ等の多孔質材料からなり、多孔度を適宜調整することにより拡散抵抗層、被毒トラップ層の２層構造とすることもできる。
【００３１】
図２により、本発明のガスセンサ１の基本作動を説明する。図２（ａ）において、センサ素子３は、例えば、代表的なガスセンサである酸素センサ素子として構成されており、排気側電極３３の下方に形成される保護層３６（多孔質アルミナ）を通過して、図示しない排気管から被測定ガスである排気が取り込まれる。一方、カプラー５を構成する多孔質ＰＴＦＥを通過してハウジング４内に外気が取り込まれ、大気側電極３２の上方に、基準ガスとしての大気が存在している。カプラー５を構成する多孔質ＰＴＦＥは、例えばポリフロン原料の粒径を大小混ぜることで圧縮成形時の密度を向上させ、またガラス粉末を２０〜３０％添加することにより熱による変形を抑えながらシール性・通気性を確保できる。
【００３２】
この時、図２（ｂ）に示すように、ジルコニア固体電解質（基体３１）を挟んで、大気側電極３２と排気側電極３３が対向配置され、酸素濃淡電池を構成する。保護層３６は、排気側電極３３に接する拡散抵抗層の外側に、気孔率のより大きい被毒トラップ層を配置することで、排気中に含まれる被毒物質を捕捉するようになっている。上記構成において、酸素センサ素子には、ジルコニア固体電解質（基体３１）の両面に設けた大気側電極３２と排気側電極３３の酸素濃度差に応じた起電力を発生する。この起電力を大気側電極ホルダ３４、排気側電極ホルダ３５を介して取り出し、発信部２１からガス濃度の検出信号として、ワイヤレス通信により制御部１２の受信部へ出力することができる。
【００３３】
図２（ｃ）に示すように、センサ素子３を、空燃比（Ａ／Ｆ）センサ素子として構成することもできる。この場合、センサ素子３には、大気側電極３２を正極性、排気側電極３３を負極性とする一定のバイアス電圧Ｖｏが印加されている。排気の空燃比がリーンの時には、酸素ポンプ特性により、排気側電極３３から大気側電極へ酸素イオン（Ｏ２−）の移動が起こり、その結果、正極から、大気側電極３２、ジルコニア固体電解質（基体３１）、排気側電極３３を介して、負極へと電流が流れる。この時流れる限界電流の大きさを検出すれば、酸素濃度を知ることができ、リーン領域における空燃比を知ることができる。一方、排気の空燃比がリッチの時には酸素濃淡電池特性により、大気側電極３２から排気側電極３３へ酸素イオン（Ｏ２−）の移動が引き起こす方向に作用し、大気側電極３２から、電圧源を通って排気側電極３３へ電流が流れる。この時流れる電流の大きさは、移動する酸素イオン（Ｏ２−）の量に依存し、さらには排気中から拡散抵抗層（保護層３６）を通って拡散により流入するＨＣ、ＣＯ等の未燃ガス濃度に対応するため、この限界電流の大きさを検出すれば、未燃ガス濃度を知ることができ、リッチ領域における空燃比を知ることができる。
【００３４】
図３に、本発明のガスセンサ１を排気管に取り付けた状態を、従来のガスセンサＳと比較して示す。従来のガスセンサＳは、センサ素子１０１が排気管内に突出しており、凝縮水や被毒物質が直撃しやすい構成となっている。このため、二重の素子カバー１０４で保護する必要があり、構成が複雑となる。これに対して、本発明のガスセンサ１は、検出部を小さくし、素子カバーをなくして簡素な構造とした小型センサである。すなわち、センサ素子３をハウジング４内に収容したので、凝縮水や被毒物質が直撃することがなく、被水割れや被毒を防止する効果が高い。しかも、排気通路内への突出長を短くすることができ、素子カバーをなくすことで、簡素な構造でコストを低減し、搭載性を向上させることができる。
【００３５】
また、内蔵電池不要のワイヤレス通信部２によりセンサ出力を発信するので、排気通路外への突出長も短くなり、取り付け位置の制約が小さい。このため、図１（ｂ）のように、従来のガスセンサＳでは困難であった三元触媒６外周への取り付けも可能となり、対向する車両ボディＢとの間隔は、より小径の排気管Ｐに取り付けられた従来のガスセンサＳと同等とすることができる。また、本発明のガスセンサ１は、内部への突出長も小さいので、排気通路構造や排気流通への影響が小さく、三元触媒６内の酸素濃度または空燃比を直接測定できるので、エンジンのフィードバック制御に大きく貢献する。
【００３６】
ここで、ワイヤレス通信部２を構成する発信部２１および制御部１２の受信部は、例えば、公知の無線ＬＡＮ規格に対応するネットワーク通信機能を備え、検出したガス濃度情報を出入力可能である。発信部２１に無線ＬＡＮを用いると、車両グランドアースにより、ノイズの影響を受けにくい利点がある。また、汎用性が高く、小型化が可能で実用性が高い。その他、電波無線、赤外線、光通信を用いたワイヤレス通信を採用することもできる。
【００３７】
なお、電源部２２の電力源としては、振動エネルギの他、光エネルギ、熱エネルギおよび化学エネルギの少なくとも１種を用いて電気エネルギを発生可能なものであればよい。例えば、高温となるセンサ本体１１の熱を利用して電気エネルギに変換し、あるいはソーラー電池等をセンサ本体１１に付設することもできる。また、化学エネルギとして、上述したセンサ素子３の電極における排ガスとの反応を利用することもできる。この際、固体電解質よりなる基体３１内を酸素イオンが移動することにより、電力・電流が発生するため、これを発信部２１に導入することで、電力源としてもよい。
【００３８】
本発明のガスセンサ１は小型であり、また排気流れがセンサ素子３に対向していないので、より径の小さい排気管、あるいは従来形状では凝縮水や被毒物質の影響を受けるおそれがある場所にも搭載が可能である。例えば、図１（ｃ）のような小型船舶の船外機では、従来のガスセンサＳは、エンジンの排気管とその周囲のエンジンカバーとの間にスペースがあり、排気流れに対して位置調節が容易な場所に設けられる。例えば、各気筒からの排気ポートの集合部付近では、水冷されているために凝縮水が発生しやすく、しかも排気流れの方向がそれぞれ異なるために、従来のガスセンサＳでは素子カバーを有していても、被水を避けることは難しい。これに対して、本発明のガスセンサ１は、排気ポートの集合部近傍への配置が可能であり、耐被水性を確保しながら小型化を実現する。しかも、従来のガスセンサＳの設置場所では、単一の気筒からの排気のみが流通するが、本発明のガスセンサ１は、排気の集合部で測定できるので、精度よい検出が可能であり制御性が向上する。
【００３９】
ここで、図４（ａ）に示すように、ガスセンサ１の搭載位置は、ハウジング４のフランジ４１より基端側のＡ寸法、先端側のＢ寸法によって制約を受ける。すなわち、図１（ｃ）の船外機であれば、エンジンの排気管の外側にＡ寸法以上のスペースが、排気管内にＢ寸法以上のスペースが必要となる。また、排気管内には、エンジンからの凝縮水Ｃ、船外からの海水Ｄが浸入するが、図示するように、本発明のガスセンサ１を排気の集合部に設置した場合には、寸法に充分な余裕があり、かつ被水しにくい配置とすることができる。
【００４０】
図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、本発明のガスセンサ１を車両エンジンに搭載する場合には、ガスセンサ１の基端側のＡ寸法がエンジンルームスペースによって制約され、ガスセンサ１の先端側のＢ寸法が排気管内スペースによって制約を受ける。なお、図４（ｄ）に図示するように、三元触媒６の側面には、車両ボディＢや路面との間のようなスペースの制約はなく、従来のガスセンサＳであっても設置可能であるが、飛石がガスセンサＳの頭部に当たって破損するため、現実的ではない。
【００４１】
次に、図３において、ガスセンサ１のサイズを変更した時の、保護層３６による耐被水性および応答性への影響を調べた。ガスセンサ１の軸方向の全長をＬ１、センサ素子３の先端面からガスセンサ１の先端までの距離をＬ２とし、排気管への取り付け径となるネジ径をＭ８、Ｍ１２、Ｍ１８の３種類について、全長Ｌ１を２０ｍｍ〜６０ｍｍまたは２０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲で変更した。なお、ここでは全長Ｌ１を、ガスセンサ１の先端からカプラー５の基端までの距離とし、いずれもＬ２は５ｍｍとした。耐被水性は、素子部に１００μｌの水を滴下した時の割れの有無を、応答性は、素子温度６００℃で、導入されるガスの空燃比（λ）を、λ＝０．９０→１．１０、λ＝１．１０→０．９０となるように変化させた時の出力が、空燃比に追従して変化するまでの時間を調べた（０．６Ｖ⇔０．３Ｖ）。また、比較のため、従来のガスセンサＳについても同様の評価を行い、結果を表1に示した。
【００４２】
【表１】
【００４３】
表１に明らかなように、本発明のガスセンサ１は、ネジ径や全長によらず、優れた耐被水性を示し、従来センサＳよりも向上した。また、応答性は、従来センサＳより若干劣るもののほぼ同等であり、実用上問題ない値が得られた。これらより、通常使用されるガスセンサ１のサイズであれば、Ｌ２／Ｌ１×１００＝６．２５〜２５％の範囲となるように設定することで、耐被水性と応答性を両立させ、十分な効果が得られる。
【００４４】
さらに、素子構成がシンプルであるために、生産工程が簡素化可能である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例では、センサ素子３の基体３１を長方形としているので、固体電解質をシート化することで切削が容易になり、１シートから多数の基体３１を取り出すことができる。また、長方形の素子形状であると、出力取り出し構造が複雑になることがなく、量産効果、コスト低減効果が大である。
【００４５】
図６（ａ）に示すように、本発明のガスセンサ１において、保護層３６の構成とセンサ素子３の応答性には相関がある。本発明では、センサ素子３がハウジングから突出していないため、応答性については従来のガスセンサＳに対してやや劣る。応答性をよくするには、保護層３６となる多孔質アルミナ層を通過する排気のガス拡散スピードが重要であり、原料となるアルミナ粒径を大小混ぜて、その比率を調整したアルミナスラリーに浸漬して保護層３６を形成し、応答性との関係を調べた（素子温度６００℃）。図示の結果から、アルミナ粒径が大の比率が大きいほど応答性が良好であり、これら比率を適宜調整してガス拡散スピードを設定するとよいことがわかる。
【００４６】
図６（ｂ）に、本発明のガスセンサ１において、センサ素子３の排気側電極３３が排気ガスに接触する面積と、応答性の関係を示す。図示するように、接触面積が大きいほど、応答性が速くなっている。また、図７(ａ)、（ｂ)に示すように、保護層３６厚さが薄いほど、あるいは素子温度が高いほど、応答性が速くなる。ただし、図７(ｃ)、（ｄ)に示すように、被水割れについては、水滴下量が多いほど、あるいは素子温度が高いほど、素子割れ率が高くなるので、これら素子構成や検出条件を必要に応じて適宜調整するのがよい。
【００４７】
図７（ｅ）に示すように、本発明のガスセンサ１において、センサ素子３の内部抵抗は、素子温度と相関があるので、これを利用して簡易構造の温度センサとして使用することもできる。例えば、センサ素子３を自己発熱により加熱し、素子インピーダンスをモニタすることで早期活性化し、ヒータレスで早期に三元触媒のフィードバック制御を開始して排気浄化性能を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
このようにして形成される本発明のガスセンサは、小型でメンテナンスフリーのワイヤレスガスセンサであるので、軽自動車のターボエンジンのようにエンジンルームにスペースが少ない場合に優位である。あるいは、二輪自動車に設置した場合には、小型で目立たないためにデザイン性に優れる。このように従来設置が困難であったエンジンその他のガスセンサとして好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ ガスセンサ
１１ センサ本体
１２ 制御部
２ ワイヤレス通信部（出力部）
２１ 発信部
２２ 電源部
２３ 振動素子
２４ 変換素子
３ センサ素子
３１ 基体
３２ 大気側電極（基準側電極）
３３ 排気側電極（測定側電極）
３４ 大気側ホルダ
３５ 排気側ホルダ
３６ 保護層
４ ハウジング
４１ フランジ部
５ カプラー
６ 三元触媒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の特定ガス成分を検出するセンサ素子と、該センサ素子を内部に保持する筒状ハウジングと、上記センサ素子からの検出信号を外部の制御部に出力する出力部とを備えるガスセンサであって、
上記筒状ハウジングは、被測定ガスが流通する通路壁に固定されて、一端側が上記通路内に突出開口し、該一端側開口縁より内方に上記センサ素子を配置しており、
上記センサ素子は、センサ軸に対して垂直な２つの対向する面を有し、この２つの面のうち上記通路側の一方に測定側電極を形成し、他方に基準側電極を形成した検出部を備えていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
上記センサ素子は板状体であり、固体電解質を板状に成形した基体と、該基体の対向する２つの板面の一方に形成した上記測定側電極が、上記筒状ハウジングの開口に面するように配置する請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
上記センサ素子は、上記筒状ハウジングの上記一端側開口内に、上記基体の厚み方向がセンサ軸方向となるように配置されており、センサ軸方向の素子長さがセンサ径方向の素子長さより短く形成される請求項２記載のガスセンサ。
【請求項４】
上記センサ素子と上記筒状ハウジングの上記一端側の開口縁との間に、多孔性の保護層を形成した請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
上記筒状ハウジングの他端側に上記出力部を設けたセンサ軸方向の全長をＬ１とし、上記筒状ハウジングの上記一端側の開口縁から上記センサ素子の先端面までの距離をＬ２とした時に、Ｌ２／Ｌ１×１００＝６．２５〜２５％とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
上記出力部は、上記ハウジングの他端側に発信部と電源部を設けて、上記発信部から上記制御部に設けた受信部に信号を出力するワイヤレス通信部とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１】
被測定ガス中の特定ガス成分を検出するセンサ素子と、該センサ素子を内部に保持する筒状ハウジングと、上記センサ素子からの検出信号を外部の制御部に出力する出力部とを備えるガスセンサであって、
上記筒状ハウジングは、被測定ガスが流通する通路壁に固定されて、一端側が上記通路内に突出開口し、該一端側開口縁より内方に上記センサ素子を配置しており、
上記センサ素子は、センサ軸に対して垂直な２つの対向する面を有し、この２つの面のうち上記通路側の一方に測定側電極を形成し、他方に基準側電極を形成した検出部を備えていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
上記センサ素子は板状体であり、固体電解質を板状に成形した基体と、該基体の対向する２つの板面の一方に形成した上記測定側電極が、上記筒状ハウジングの開口に面するように配置する請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
上記センサ素子は、上記筒状ハウジングの上記一端側開口内に、上記基体の厚み方向がセンサ軸方向となるように配置されており、センサ軸方向の素子長さがセンサ径方向の素子長さより短く形成される請求項２記載のガスセンサ。
【請求項４】
上記センサ素子と上記筒状ハウジングの上記一端側の開口縁との間に、多孔性の保護層を形成した請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
上記筒状ハウジングの他端側に上記出力部を設けたセンサ軸方向の全長をＬ１とし、上記筒状ハウジングの上記一端側の開口縁から上記センサ素子の先端面までの距離をＬ２とした時に、Ｌ２／Ｌ１×１００＝６．２５〜２５％とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
上記出力部は、上記ハウジングの他端側に発信部と電源部を設けて、上記発信部から上記制御部に設けた受信部に信号を出力するワイヤレス通信部とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−３７４２８（Ｐ２０１２−３７４２８Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７８９０３（Ｐ２０１０−１７８９０３）
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月９日（２０１０．８．９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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