JP2001289814A - ガスセンサ - Google Patents
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- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
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- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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- F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
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- F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
- F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
- F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
- F02D41/1458—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with determination means using an estimation
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱衝撃など,熱による悪影響を及ぼすことな
く早期活性を実現することができるガスセンサを提供す
ること。 【解決手段】 固体電解質体10と外側面に設けた被測
定ガス側電極12と基準ガス室100に対面する基準ガ
ス側電極11とよりなるガスセンサ素子1を有し,基準
ガス室100にはヒータ3が収納される。ヒータ3の外
周面は基準ガス室100の内側面と当接する当接部30
を有しており,ヒータ3における発熱ピーク位置は当接
部30の近傍にある。
く早期活性を実現することができるガスセンサを提供す
ること。 【解決手段】 固体電解質体10と外側面に設けた被測
定ガス側電極12と基準ガス室100に対面する基準ガ
ス側電極11とよりなるガスセンサ素子1を有し,基準
ガス室100にはヒータ3が収納される。ヒータ3の外
周面は基準ガス室100の内側面と当接する当接部30
を有しており,ヒータ3における発熱ピーク位置は当接
部30の近傍にある。
Description
【0001】
【技術分野】本発明は,自動車用内燃機関の排気系に設
置され,内燃機関の燃焼制御などに利用するガスセンサ
に関する。
置され,内燃機関の燃焼制御などに利用するガスセンサ
に関する。
【0002】
【従来技術】自動車用内燃機関の排気系にはガスセンサ
が設置され,該ガスセンサの検出値を元に内燃機関を燃
焼制御して,排ガス浄化の効率を高めている。ところで
ガスセンサは活性温度以上に加熱されなければ検出値を
得ることができない。よって,内燃機関の始動後の早い
時期から正しい検出値を得て,早期より排ガス浄化の効
率を高めるために,ガスセンサにはヒータが内蔵されて
いる。
が設置され,該ガスセンサの検出値を元に内燃機関を燃
焼制御して,排ガス浄化の効率を高めている。ところで
ガスセンサは活性温度以上に加熱されなければ検出値を
得ることができない。よって,内燃機関の始動後の早い
時期から正しい検出値を得て,早期より排ガス浄化の効
率を高めるために,ガスセンサにはヒータが内蔵されて
いる。
【0003】
【解決しようとする課題】ところで,近年の排気ガス規
制強化のために,従来以上のガスセンサの更なる早期活
性が求められている。より一層の早期活性を実現するた
めには,例えばヒータの発熱量を高めるなどして,ガス
センサが活性温度に至るまでの時間を短くすればよい。
制強化のために,従来以上のガスセンサの更なる早期活
性が求められている。より一層の早期活性を実現するた
めには,例えばヒータの発熱量を高めるなどして,ガス
センサが活性温度に至るまでの時間を短くすればよい。
【0004】ヒータの発熱量を高める方法として,例え
ばヒータ内部に設けた発熱部の電気抵抗値を小さくし,
発熱部の発熱量を高める方法が考えられる。しかしなが
ら,発熱量を高めることでヒータに大きな熱衝撃が生
じ,クラックが発生することがある。また,ヒータの早
期劣化の原因となることもある。このように単にヒータ
の発熱量を高めるだけでは早期活性の実現は困難であっ
た。
ばヒータ内部に設けた発熱部の電気抵抗値を小さくし,
発熱部の発熱量を高める方法が考えられる。しかしなが
ら,発熱量を高めることでヒータに大きな熱衝撃が生
じ,クラックが発生することがある。また,ヒータの早
期劣化の原因となることもある。このように単にヒータ
の発熱量を高めるだけでは早期活性の実現は困難であっ
た。
【0005】本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので,熱衝撃など,熱による悪影響を及ぼすこ
となく早期活性を実現することができるガスセンサを提
供しようとするものである。
されたもので,熱衝撃など,熱による悪影響を及ぼすこ
となく早期活性を実現することができるガスセンサを提
供しようとするものである。
【0006】
【課題の解決手段】請求項1に記載の発明は,内部に基
準ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固体電
解質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基準ガ
ス室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準ガス
側電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準ガス
室にはヒータが収納されてなるガスセンサにおいて,上
記ヒータの外周面は上記基準ガス室の内側面と当接する
当接部を有しており,上記ヒータにおける発熱ピーク位
置は上記当接部の近傍にあることを特徴とするガスセン
サにある。
準ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固体電
解質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基準ガ
ス室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準ガス
側電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準ガス
室にはヒータが収納されてなるガスセンサにおいて,上
記ヒータの外周面は上記基準ガス室の内側面と当接する
当接部を有しており,上記ヒータにおける発熱ピーク位
置は上記当接部の近傍にあることを特徴とするガスセン
サにある。
【0007】本発明において最も注目すべきことは,ヒ
ータにおける発熱ピーク位置がヒータ外周面の基準ガス
室の内側面と当接する当接部の近傍にあることである。
ータにおける発熱ピーク位置がヒータ外周面の基準ガス
室の内側面と当接する当接部の近傍にあることである。
【0008】次に,本発明の作用につき説明する。本発
明にかかるガスセンサではヒータの発熱ピーク位置が当
接部の近傍にくるように構成してある。上記当接部とは
固体電解質体の内側面とヒータとが当接する箇所で,ヒ
ータからの熱がガスセンサ素子に対し最も効率的に伝達
される箇所である。
明にかかるガスセンサではヒータの発熱ピーク位置が当
接部の近傍にくるように構成してある。上記当接部とは
固体電解質体の内側面とヒータとが当接する箇所で,ヒ
ータからの熱がガスセンサ素子に対し最も効率的に伝達
される箇所である。
【0009】このため,従来品とヒータの発熱量が変わ
らずとも効率よくガスセンサ素子の加熱ができるため,
熱衝撃や熱によるガスセンサ素子やヒータの劣化などの
各種悪影響を伴うことなく早期活性を実現することがで
きる。なお発熱ピーク位置とは,後述する図4に示すご
とく,ヒータにおいて最も温度の高くなる位置である。
らずとも効率よくガスセンサ素子の加熱ができるため,
熱衝撃や熱によるガスセンサ素子やヒータの劣化などの
各種悪影響を伴うことなく早期活性を実現することがで
きる。なお発熱ピーク位置とは,後述する図4に示すご
とく,ヒータにおいて最も温度の高くなる位置である。
【0010】以上,本発明によれば,熱衝撃など,熱に
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
【0011】また,本発明にかかるガスセンサでは,ヒ
ータとして,後述する図3に示すごとき,セラミック製
の軸心の周囲に導電性ペーストなどで発熱部及びリード
部等を印刷したセラミックシートを巻回して構成したセ
ラミックヒータを利用することが一般的である。なお,
上記発熱部を構成する導電性ペーストの成分としては,
W,W−Mo,W−Re,Pt等が挙げられる。
ータとして,後述する図3に示すごとき,セラミック製
の軸心の周囲に導電性ペーストなどで発熱部及びリード
部等を印刷したセラミックシートを巻回して構成したセ
ラミックヒータを利用することが一般的である。なお,
上記発熱部を構成する導電性ペーストの成分としては,
W,W−Mo,W−Re,Pt等が挙げられる。
【0012】また,上記ヒータの外周面の当接部は,後
述する図1に示すごとく,ヒータを基準ガス室に対し,
ガスセンサ素子と同軸的に配置して,ヒータの先端部に
環状の当接部が形成される場合の他,後述する図10に
示すごとく,ヒータの片側面に当接部が形成されること
もある。
述する図1に示すごとく,ヒータを基準ガス室に対し,
ガスセンサ素子と同軸的に配置して,ヒータの先端部に
環状の当接部が形成される場合の他,後述する図10に
示すごとく,ヒータの片側面に当接部が形成されること
もある。
【0013】なお,本発明は,内燃機関の燃焼制御等に
利用される各種空燃比センサに適用することができる。
また,広くヒータをセンサ素子内部に挿入する形態を取
るセンサについて適用することができる。
利用される各種空燃比センサに適用することができる。
また,広くヒータをセンサ素子内部に挿入する形態を取
るセンサについて適用することができる。
【0014】次に,請求項2記載の発明は,内部に基準
ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固体電解
質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基準ガス
室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準ガス側
電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準ガス室
にはヒータが収納されてなるガスセンサにおいて,上記
ヒータは通電により発熱する発熱部を有しており,上記
発熱部は上記当接部の近傍における電気抵抗値が最大と
なるよう構成されていることを特徴とするガスセンサに
ある(後述する図9参照)。
ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固体電解
質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基準ガス
室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準ガス側
電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準ガス室
にはヒータが収納されてなるガスセンサにおいて,上記
ヒータは通電により発熱する発熱部を有しており,上記
発熱部は上記当接部の近傍における電気抵抗値が最大と
なるよう構成されていることを特徴とするガスセンサに
ある(後述する図9参照)。
【0015】これにより,ヒータ当接部近傍は発熱量が
増し,効率よくガスセンサ素子を加熱することができ,
活性時間を短くすることができる。このため,従来品と
ヒータの発熱量が変わらずとも効率よくガスセンサ素子
の加熱ができるため,熱衝撃や熱によるガスセンサ素子
やヒータの劣化などの各種悪影響を伴うことなく早期活
性を実現することができる。
増し,効率よくガスセンサ素子を加熱することができ,
活性時間を短くすることができる。このため,従来品と
ヒータの発熱量が変わらずとも効率よくガスセンサ素子
の加熱ができるため,熱衝撃や熱によるガスセンサ素子
やヒータの劣化などの各種悪影響を伴うことなく早期活
性を実現することができる。
【0016】以上,本発明によれば,熱衝撃など,熱に
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
【0017】上述したようなセラミックヒータに対し電
気抵抗値が最大となる部分を構成するには,例えば後述
する図4(a)に示すごとく,発熱ピーク位置としたい
箇所の発熱部の線幅を狭くして電気抵抗を高くする方法
がある。また,発熱ピーク位置としたい箇所の発熱部の
厚みを薄くして電気抵抗を高くする方法がある。また,
発熱ピーク位置としたい箇所の発熱部の材質を他の部分
よりも電気抵抗の高い材料で構成する方法がある(後述
する図9参照)。
気抵抗値が最大となる部分を構成するには,例えば後述
する図4(a)に示すごとく,発熱ピーク位置としたい
箇所の発熱部の線幅を狭くして電気抵抗を高くする方法
がある。また,発熱ピーク位置としたい箇所の発熱部の
厚みを薄くして電気抵抗を高くする方法がある。また,
発熱ピーク位置としたい箇所の発熱部の材質を他の部分
よりも電気抵抗の高い材料で構成する方法がある(後述
する図9参照)。
【0018】次に,請求項3記載の発明のように,内部
に基準ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固
体電解質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基
準ガス室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準
ガス側電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準
ガス室にはヒータが収納されてなるガスセンサにおい
て,上記発熱部は上記当接部の近傍におけるパターン密
度が最大となるよう構成されていることを特徴とするガ
スセンサにある(後述する図11参照)。
に基準ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固
体電解質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基
準ガス室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準
ガス側電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準
ガス室にはヒータが収納されてなるガスセンサにおい
て,上記発熱部は上記当接部の近傍におけるパターン密
度が最大となるよう構成されていることを特徴とするガ
スセンサにある(後述する図11参照)。
【0019】これにより,ヒータ当接部近傍の発熱密度
が増加し,すなわち,ガスセンサ素子を効率よく加熱す
ることができ,活性時間を短くすることができる。この
ため,従来品とヒータの発熱量が変わらずとも効率よく
ガスセンサ素子の加熱ができるため,熱衝撃や熱による
ガスセンサ素子やヒータの劣化などの各種悪影響を伴う
ことなく早期活性を実現することができる。
が増加し,すなわち,ガスセンサ素子を効率よく加熱す
ることができ,活性時間を短くすることができる。この
ため,従来品とヒータの発熱量が変わらずとも効率よく
ガスセンサ素子の加熱ができるため,熱衝撃や熱による
ガスセンサ素子やヒータの劣化などの各種悪影響を伴う
ことなく早期活性を実現することができる。
【0020】以上,本発明によれば,熱衝撃など,熱に
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
【0021】上述したようなセラミックヒータに対し発
熱部のパターン密度を最大とするためには,例えば,後
述する図11に示すごとく,発熱ピーク位置としたい箇
所に発熱部を集中形成する方法が挙げられる。
熱部のパターン密度を最大とするためには,例えば,後
述する図11に示すごとく,発熱ピーク位置としたい箇
所に発熱部を集中形成する方法が挙げられる。
【0022】次に,請求項4記載の発明のように,内部
に基準ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固
体電解質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基
準ガス室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準
ガス側電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準
ガス室にはヒータが収納されてなるガスセンサにおい
て,上記ヒータは通電により発熱する発熱部を有してお
り,上記発熱部におけるガスセンサ基端側には高抵抗部
分が設けてあることを特徴とするガスセンサにある。
に基準ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固
体電解質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基
準ガス室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準
ガス側電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準
ガス室にはヒータが収納されてなるガスセンサにおい
て,上記ヒータは通電により発熱する発熱部を有してお
り,上記発熱部におけるガスセンサ基端側には高抵抗部
分が設けてあることを特徴とするガスセンサにある。
【0023】このように,発熱部の基端側に高抵抗部分
を設けることで,図12に示すごとく,急激に上昇した
発熱ピークではなく,発熱ピーク近傍の温度上昇を抑制
することができ,全体に温度分布を均一化させることが
できる。そのため,発熱ピーク箇所における急峻な温度
上昇を原因とした熱衝撃によるヒータ割れを抑制するこ
とができる。
を設けることで,図12に示すごとく,急激に上昇した
発熱ピークではなく,発熱ピーク近傍の温度上昇を抑制
することができ,全体に温度分布を均一化させることが
できる。そのため,発熱ピーク箇所における急峻な温度
上昇を原因とした熱衝撃によるヒータ割れを抑制するこ
とができる。
【0024】以上,本発明によれば,熱衝撃など,熱に
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
【0025】次に,請求項5記載の発明は,内部に基準
ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固体電解
質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基準ガス
室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準ガス側
電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準ガス室
にはヒータが収納されてなるガスセンサにおいて,上記
ヒータは通電により発熱する発熱部を有しており,また
上記ヒータの外周面は上記基準ガス室の内側面と当接す
る当接部を有しており,上記ヒータにおける発熱ピーク
位置が温度900℃に到達するに要する時間の1/5以
上が,上記発熱部のパターン中心と上記発熱部の当接部
側の先端とを結ぶ線上の3/4以内に当接部側に上記発
熱ピーク位置が存在するように,上記発熱部は構成され
ていることを特徴とするガスセンサにある。
ガス室を有する有底円筒型の固体電解質体と該固体電解
質体の外側面に設けた被測定ガス側電極と上記基準ガス
室に対面する固体電解質体の内側面に設けた基準ガス側
電極とよりなるガスセンサ素子を有し,上記基準ガス室
にはヒータが収納されてなるガスセンサにおいて,上記
ヒータは通電により発熱する発熱部を有しており,また
上記ヒータの外周面は上記基準ガス室の内側面と当接す
る当接部を有しており,上記ヒータにおける発熱ピーク
位置が温度900℃に到達するに要する時間の1/5以
上が,上記発熱部のパターン中心と上記発熱部の当接部
側の先端とを結ぶ線上の3/4以内に当接部側に上記発
熱ピーク位置が存在するように,上記発熱部は構成され
ていることを特徴とするガスセンサにある。
【0026】このような条件を満たすよう発熱部を構成
することで,従来品とヒータの発熱量が変わらずとも効
率よくガスセンサ素子の加熱ができるため,熱衝撃や熱
によるガスセンサ素子やヒータの劣化などの各種悪影響
を伴うことなく早期活性を実現することができる。3/
4以内に当接部側に発熱ピーク位置が存在する時間が,
900℃に発熱ピークが到達するに要する時間の1/5
未満である場合は,活性時間が遅くなるという問題が生
じるおそれがある。また,900℃に発熱ピークが到達
する間,発熱ピークが3/4以内に当接部側に存在する
ことが早期活性実現の点からから好ましい。
することで,従来品とヒータの発熱量が変わらずとも効
率よくガスセンサ素子の加熱ができるため,熱衝撃や熱
によるガスセンサ素子やヒータの劣化などの各種悪影響
を伴うことなく早期活性を実現することができる。3/
4以内に当接部側に発熱ピーク位置が存在する時間が,
900℃に発熱ピークが到達するに要する時間の1/5
未満である場合は,活性時間が遅くなるという問題が生
じるおそれがある。また,900℃に発熱ピークが到達
する間,発熱ピークが3/4以内に当接部側に存在する
ことが早期活性実現の点からから好ましい。
【0027】また,900℃に到達するに要する時間の
1/5以上,発熱ピーク位置が3/4より発熱部のパタ
ーン中心側に位置する場合は,活性時間が遅くなるとい
う問題が生じるおそれがある。
1/5以上,発熱ピーク位置が3/4より発熱部のパタ
ーン中心側に位置する場合は,活性時間が遅くなるとい
う問題が生じるおそれがある。
【0028】以上,本発明によれば,熱衝撃など,熱に
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
よる悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することが
できるガスセンサを提供することができる。
【0029】
【発明の実施の形態】実施形態例1 本発明の実施形態例にかかるガスセンサにつき,図1〜
図9を用いて説明する。図1に示すごとく,本例のガス
センサ2は,内部に基準ガス室100を有する有底円筒
型の固体電解質体10と該固体電解質体10の外側面に
設けた被測定ガス側電極12と上記基準ガス室100に
対面する固体電解質体10の内側面に設けた基準ガス側
電極11とよりなるガスセンサ素子1を有し,上記基準
ガス室100にはヒータ3が収納されている。
図9を用いて説明する。図1に示すごとく,本例のガス
センサ2は,内部に基準ガス室100を有する有底円筒
型の固体電解質体10と該固体電解質体10の外側面に
設けた被測定ガス側電極12と上記基準ガス室100に
対面する固体電解質体10の内側面に設けた基準ガス側
電極11とよりなるガスセンサ素子1を有し,上記基準
ガス室100にはヒータ3が収納されている。
【0030】上記ヒータ3の外周面は上記基準ガス室1
00の内側面と当接する当接部30を有しており,上記
ヒータ3における発熱ピーク位置(図4(a)参照)は
上記当接部30の近傍にある。上記当接部30は図1よ
り知れるごとく,基準ガス室100の底部近傍の内側面
に対し環状に当接している。なお,図1に示すごとく,
上記ガスセンサ素子1の被測定ガス側電極12の外方に
は多孔性の保護層13が設けてある。
00の内側面と当接する当接部30を有しており,上記
ヒータ3における発熱ピーク位置(図4(a)参照)は
上記当接部30の近傍にある。上記当接部30は図1よ
り知れるごとく,基準ガス室100の底部近傍の内側面
に対し環状に当接している。なお,図1に示すごとく,
上記ガスセンサ素子1の被測定ガス側電極12の外方に
は多孔性の保護層13が設けてある。
【0031】以下,詳細に説明する。本例のガスセンサ
2は,図2に示すごとく,ハウジング20に挿入配置さ
れたセンサ素子1と,該ハウジング20の先端側に配置
された二重の被測定ガス側カバー21と,基端側に配置
された大気側カバー22とを有する。
2は,図2に示すごとく,ハウジング20に挿入配置さ
れたセンサ素子1と,該ハウジング20の先端側に配置
された二重の被測定ガス側カバー21と,基端側に配置
された大気側カバー22とを有する。
【0032】大気側カバー22の内部には,絶縁碍子2
3とゴムブッシュ24が設けてあり,両者の内部には挿
通穴が複数設けてある。この挿通穴にはガスセンサ素子
1の出力取出し部281,282,該出力取出し部28
1,282に接続金具290を介して接続されるリード
線291,292等が配置される。また,符号293は
ヒータ3に対し電力を供給するためのリード線である。
3とゴムブッシュ24が設けてあり,両者の内部には挿
通穴が複数設けてある。この挿通穴にはガスセンサ素子
1の出力取出し部281,282,該出力取出し部28
1,282に接続金具290を介して接続されるリード
線291,292等が配置される。また,符号293は
ヒータ3に対し電力を供給するためのリード線である。
【0033】上記ヒータ3は,図3に示すごとくセラミ
ック製の心棒39の周囲にタングステンとレニウムを含
有する導電性ペーストよりなる発熱部31及びリード部
32を設けたセラミックシート38を巻回して構成され
ている。そして,上記ヒータ3はガスセンサ素子1に対
し,図1に示すごとく,同軸的に挿入されている。
ック製の心棒39の周囲にタングステンとレニウムを含
有する導電性ペーストよりなる発熱部31及びリード部
32を設けたセラミックシート38を巻回して構成され
ている。そして,上記ヒータ3はガスセンサ素子1に対
し,図1に示すごとく,同軸的に挿入されている。
【0034】上記発熱部31の形状について,図4
(a)より詳細に説明する。発熱部31はヒータ3の先
端側が幅細に形成されている。図4(a)のA部が発熱
部31であり,A部の先端側をA1,基端側をA2とす
ると,両者は共にW−Re合金よりなり,A1はより幅
細で抵抗値は1.2Ω,A2は1.0Ωである。なお,
A1,A2の長さは共に3mmである。また,同図にヒ
ータ3における当接部30を点線で囲って記載した。
(a)より詳細に説明する。発熱部31はヒータ3の先
端側が幅細に形成されている。図4(a)のA部が発熱
部31であり,A部の先端側をA1,基端側をA2とす
ると,両者は共にW−Re合金よりなり,A1はより幅
細で抵抗値は1.2Ω,A2は1.0Ωである。なお,
A1,A2の長さは共に3mmである。また,同図にヒ
ータ3における当接部30を点線で囲って記載した。
【0035】また,図4(a)に,ヒータ3に通電した
際の温度分布を記載した。同図に示すごとく,発熱部3
1の中央よりやや先端側に最も温度の高くなる発熱ピー
ク位置がある。
際の温度分布を記載した。同図に示すごとく,発熱部3
1の中央よりやや先端側に最も温度の高くなる発熱ピー
ク位置がある。
【0036】次に,本例にかかるガスセンサと比較例の
ガスセンサの性能とを比較評価した。本例にかかるガス
センサは上述した図1〜図3,図4(a)にかかるガス
センサである。比較例にかかるガスセンサは発熱部の形
状を除いて,本例にかかるガスセンサとまったく同じ構
成である。比較例にかかるガスセンサの発熱部99は図
4(b)にかかるB部である。その形状は先端側から基
端側まで幅が均一である。また,発熱ピーク位置を調べ
たところ発熱部の略中央にあった。
ガスセンサの性能とを比較評価した。本例にかかるガス
センサは上述した図1〜図3,図4(a)にかかるガス
センサである。比較例にかかるガスセンサは発熱部の形
状を除いて,本例にかかるガスセンサとまったく同じ構
成である。比較例にかかるガスセンサの発熱部99は図
4(b)にかかるB部である。その形状は先端側から基
端側まで幅が均一である。また,発熱ピーク位置を調べ
たところ発熱部の略中央にあった。
【0037】二つのガスセンサを図5に示すごとく,エ
ンジン4のエキゾーストマニホルド41と該マニホルド
41に接続された排気管42との継ぎ目から距離d=5
cmとなるように設置する。なお,エンジン内容積は
2.2リットルである。
ンジン4のエキゾーストマニホルド41と該マニホルド
41に接続された排気管42との継ぎ目から距離d=5
cmとなるように設置する。なお,エンジン内容積は
2.2リットルである。
【0038】エンジン4を常温からスタートさせる。エ
ンジン4が稼働し,排出される排気ガスの温度が徐々に
上昇する。ガスセンサ1は排ガス中に曝されており,ま
たヒータ3により内部からも温められるので,徐々に温
度が上昇し,センサ出力が発生する。この状態を図6に
記載した。同図に示すごとくセンサ出力は0Vから時間
と共に上昇する。0.45Vに達するまでの時間を活性
時間とする。なお,ヒータ3に対する印加電圧は14
V,電圧を印加した時間は10秒である。本例と比較例
のガスセンサの活性時間についてそれぞれ図7に記載し
た。同図に示されるごとく,本例のガスセンサの活性時
間のほうが短かった。
ンジン4が稼働し,排出される排気ガスの温度が徐々に
上昇する。ガスセンサ1は排ガス中に曝されており,ま
たヒータ3により内部からも温められるので,徐々に温
度が上昇し,センサ出力が発生する。この状態を図6に
記載した。同図に示すごとくセンサ出力は0Vから時間
と共に上昇する。0.45Vに達するまでの時間を活性
時間とする。なお,ヒータ3に対する印加電圧は14
V,電圧を印加した時間は10秒である。本例と比較例
のガスセンサの活性時間についてそれぞれ図7に記載し
た。同図に示されるごとく,本例のガスセンサの活性時
間のほうが短かった。
【0039】また,ヒータ3の通電発熱による耐久性に
ついて次のように測定した。本例と比較例とにかかる多
数のヒータを準備し,各ヒータをガスセンサ素子に挿入
した状態で11V〜21Vの電圧を10秒間通電した。
この測定から,横軸に通電した電圧を,縦軸に通電後の
各ヒータに発生した割れの発生率を採った図8に示す線
図を作製した。同図より,本例にかかるヒータは割れが
発生し難いことが分かった。
ついて次のように測定した。本例と比較例とにかかる多
数のヒータを準備し,各ヒータをガスセンサ素子に挿入
した状態で11V〜21Vの電圧を10秒間通電した。
この測定から,横軸に通電した電圧を,縦軸に通電後の
各ヒータに発生した割れの発生率を採った図8に示す線
図を作製した。同図より,本例にかかるヒータは割れが
発生し難いことが分かった。
【0040】次に本例の作用効果について説明する。本
例にかかるガスセンサ1ではヒータ3の発熱ピーク位置
が当接部30の近傍にくるように構成してある。このた
め,効率よくガスセンサ素子1の加熱ができるため,熱
衝撃や熱によるガスセンサ素子1やヒータ3の劣化など
の各種悪影響を伴うことなく早期活性を実現することが
できる。
例にかかるガスセンサ1ではヒータ3の発熱ピーク位置
が当接部30の近傍にくるように構成してある。このた
め,効率よくガスセンサ素子1の加熱ができるため,熱
衝撃や熱によるガスセンサ素子1やヒータ3の劣化など
の各種悪影響を伴うことなく早期活性を実現することが
できる。
【0041】以上,本例によれば,熱衝撃など,熱によ
る悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することがで
きるガスセンサを提供することができる。
る悪影響を及ぼすことなく早期活性を実現することがで
きるガスセンサを提供することができる。
【0042】なお,本例は発熱部の幅をかえて発熱ピー
ク位置を変更したが,次のような発熱部を用いても本例
と同様の効果を得ることができる。図9のC部が発熱部
31であり,C部の先端側をC1,基端側をC2とする
と,C1はW−Re合金よりなり,C2はW−Mo合金
あるいはWよりなる。C1の抵抗値は1.2Ω,C2は
1.0Ωである。なお,C1,C2の長さは共に3mm
である。このように構成することで上述した図4(a)
にかかる発熱部31と同様の発熱ピーク位置を持つこと
ができる。そして,本例と同様の作用効果を得ることが
できる。
ク位置を変更したが,次のような発熱部を用いても本例
と同様の効果を得ることができる。図9のC部が発熱部
31であり,C部の先端側をC1,基端側をC2とする
と,C1はW−Re合金よりなり,C2はW−Mo合金
あるいはWよりなる。C1の抵抗値は1.2Ω,C2は
1.0Ωである。なお,C1,C2の長さは共に3mm
である。このように構成することで上述した図4(a)
にかかる発熱部31と同様の発熱ピーク位置を持つこと
ができる。そして,本例と同様の作用効果を得ることが
できる。
【0043】実施形態例2 本例は図10に示すごとく,ヒータがガスセンサ素子に
対し同軸的に配置されていないガスセンサについて説明
する。図10に示すごとき位置関係でヒータ3がガスセ
ンサ素子1に配置されている。ヒータ3は基準ガス室1
00に対し傾いているため,基準ガス室100の内側面
と当接する当接部30はヒータ3の図面右側の位置にあ
る。
対し同軸的に配置されていないガスセンサについて説明
する。図10に示すごとき位置関係でヒータ3がガスセ
ンサ素子1に配置されている。ヒータ3は基準ガス室1
00に対し傾いているため,基準ガス室100の内側面
と当接する当接部30はヒータ3の図面右側の位置にあ
る。
【0044】上記ヒータ3も実施形態例1の図3に示す
ごとく,セラミック製の心棒39と該心棒39に巻回さ
れるセラミックシート38よりなる。上記セラミックシ
ート38に設けた発熱部31の形状を図11に示す。こ
の発熱部31は同図に示すごとく隣接する発熱部の間隔
がD1である部分とD2である部分とがあり,D1<D
2である。間隔の狭い箇所は集中して発熱部が形成され
ているため,このような発熱部を持つヒータ3の発熱ピ
ークは図11に示すような形状となる。なお,同図に示
した符号Lは発熱部の軸方向の長さで,本例では6mm
である。
ごとく,セラミック製の心棒39と該心棒39に巻回さ
れるセラミックシート38よりなる。上記セラミックシ
ート38に設けた発熱部31の形状を図11に示す。こ
の発熱部31は同図に示すごとく隣接する発熱部の間隔
がD1である部分とD2である部分とがあり,D1<D
2である。間隔の狭い箇所は集中して発熱部が形成され
ているため,このような発熱部を持つヒータ3の発熱ピ
ークは図11に示すような形状となる。なお,同図に示
した符号Lは発熱部の軸方向の長さで,本例では6mm
である。
【0045】よって,ヒータ3の側面の周方向の一部分
に発熱ピーク位置が形成され,この発熱ピーク位置が当
接部30に近接することで,センサ素子1を効率的に加
熱することができる。また,当接部30近傍への熱輻射
の効果も大きくなり,早期活性に有効である。その他詳
細は実施形態例1と同様であり,同様の作用効果を有す
る。
に発熱ピーク位置が形成され,この発熱ピーク位置が当
接部30に近接することで,センサ素子1を効率的に加
熱することができる。また,当接部30近傍への熱輻射
の効果も大きくなり,早期活性に有効である。その他詳
細は実施形態例1と同様であり,同様の作用効果を有す
る。
【0046】実施形態例3 本例は図12に示すごとき発熱部31を持つヒータにつ
いて説明する。本例のヒータは,通電により発熱する発
熱部31を有しており,上記発熱部31におけるガスセ
ンサ基端側には幅細に形成された高抵抗部分315が設
けてある。その他は実施形態例1と同様の構成である。
いて説明する。本例のヒータは,通電により発熱する発
熱部31を有しており,上記発熱部31におけるガスセ
ンサ基端側には幅細に形成された高抵抗部分315が設
けてある。その他は実施形態例1と同様の構成である。
【0047】また,このような発熱部31を持つヒータ
を多数準備し,各ヒータをガスセンサ素子に挿入した状
態で11V〜21Vの電圧を10秒間通電し,各ヒータ
に発生した割れの発生率を実施形態例1において作製し
た図8に共に記載した。このように,発熱部31の基端
側に幅細の高抵抗部分315を設けることで,図12に
示すごとく,急激に上昇した発熱ピークではなく,発熱
ピーク近傍の温度上昇を抑制することができ,全体に温
度分布を均一化させることができる。
を多数準備し,各ヒータをガスセンサ素子に挿入した状
態で11V〜21Vの電圧を10秒間通電し,各ヒータ
に発生した割れの発生率を実施形態例1において作製し
た図8に共に記載した。このように,発熱部31の基端
側に幅細の高抵抗部分315を設けることで,図12に
示すごとく,急激に上昇した発熱ピークではなく,発熱
ピーク近傍の温度上昇を抑制することができ,全体に温
度分布を均一化させることができる。
【0048】そのため,早期活性の実現と共に,図8に
示すごとく発熱ピーク箇所における急峻な温度上昇を原
因とした熱衝撃によるヒータ割れを抑制することができ
る。その他は実施形態例1と同様の作用効果を有する。
示すごとく発熱ピーク箇所における急峻な温度上昇を原
因とした熱衝撃によるヒータ割れを抑制することができ
る。その他は実施形態例1と同様の作用効果を有する。
【0049】実施形態例4 本例のガスセンサは図1等に記載したものと同様の構造
を有しており,内部に基準ガス室を有する有底円筒型の
固体電解質体と該固体電解質体の外側面に設けた被測定
ガス側電極と上記基準ガス室に対面する固体電解質体の
内側面に設けた基準ガス側電極とよりなるガスセンサ素
子を有し,上記基準ガス室にはヒータが収納されてい
る。また,ヒータは通電により発熱する発熱部を有して
おり,ヒータの外周面は上記基準ガス室の内側面と当接
する当接部を有する。
を有しており,内部に基準ガス室を有する有底円筒型の
固体電解質体と該固体電解質体の外側面に設けた被測定
ガス側電極と上記基準ガス室に対面する固体電解質体の
内側面に設けた基準ガス側電極とよりなるガスセンサ素
子を有し,上記基準ガス室にはヒータが収納されてい
る。また,ヒータは通電により発熱する発熱部を有して
おり,ヒータの外周面は上記基準ガス室の内側面と当接
する当接部を有する。
【0050】本例のガスセンサにおいて,ヒータにおけ
る発熱ピーク位置が温度900℃に到達するに要する時
間の1/5以上が,上記発熱部のパターン中心と上記発
熱部の当接部側の先端とを結ぶ線上の3/4以内に当接
部側に上記発熱ピーク位置が存在する。
る発熱ピーク位置が温度900℃に到達するに要する時
間の1/5以上が,上記発熱部のパターン中心と上記発
熱部の当接部側の先端とを結ぶ線上の3/4以内に当接
部側に上記発熱ピーク位置が存在する。
【0051】図13に,本例のガスセンサに設けたガス
センサ素子の通電後より1秒おきの発熱部の温度プロフ
ァイルを記載した線図を掲載する。なお,Oがパターン
中心,各温度プロファイル線に付した矢線M1〜M5が
発熱ピーク位置(つまりその時点でもっとも温度が高い
ところ)である。Lが発熱パターン長さとなり,L1,
L2が発熱パターンの先端側及び基端側の端部となる。
また,図示は省略するが,上記ヒータの外周面と基準ガ
ス室内側面との当接部はL3である。なお,本例のLは
6mmとした。
センサ素子の通電後より1秒おきの発熱部の温度プロフ
ァイルを記載した線図を掲載する。なお,Oがパターン
中心,各温度プロファイル線に付した矢線M1〜M5が
発熱ピーク位置(つまりその時点でもっとも温度が高い
ところ)である。Lが発熱パターン長さとなり,L1,
L2が発熱パターンの先端側及び基端側の端部となる。
また,図示は省略するが,上記ヒータの外周面と基準ガ
ス室内側面との当接部はL3である。なお,本例のLは
6mmとした。
【0052】本例にかかるガスセンサ素子は,同図より
知れるように,発熱ピーク位置が温度900℃に到達す
るに5秒必要である。また,パターン中心Oと当接部側
の先端とを結ぶ線L1−L2上の3/4より当接部側と
は,同図に記載した破線Mよりも左側の領域Pを指して
いる。同図にかかる温度プロファイルによれば,M3〜
M5はPの範囲内にあることから,少なくとも3秒以上
の間,発熱ピーク位置が領域P内に存在する。
知れるように,発熱ピーク位置が温度900℃に到達す
るに5秒必要である。また,パターン中心Oと当接部側
の先端とを結ぶ線L1−L2上の3/4より当接部側と
は,同図に記載した破線Mよりも左側の領域Pを指して
いる。同図にかかる温度プロファイルによれば,M3〜
M5はPの範囲内にあることから,少なくとも3秒以上
の間,発熱ピーク位置が領域P内に存在する。
【0053】このようなセンサ素子を設けたガスセンサ
について,実施形態例1の要領で活性時間と耐久性につ
いて測定したところ,実施形態例1と同様に活性時間が
短く,ガスセンサ素子に割れが生じ難いことが分かっ
た。その他,詳細な構造は実施形態例1と同様であり,
また同様の作用効果を有する。
について,実施形態例1の要領で活性時間と耐久性につ
いて測定したところ,実施形態例1と同様に活性時間が
短く,ガスセンサ素子に割れが生じ難いことが分かっ
た。その他,詳細な構造は実施形態例1と同様であり,
また同様の作用効果を有する。
【0054】実施形態例5 本例のガスセンサは図1等に示すものと同様の構造を有
しているが,発熱部の形状が以下に示すように異なる。
図14に示す発熱部31は,ヒータの軸方向ではなく,
ヒータの径方向に折曲げたパターンを持っている。各部
の寸法G1〜G6は,同図に示すごとく,G1>G2>
G3>G4という関係が成立し,またG5<G6であ
る。
しているが,発熱部の形状が以下に示すように異なる。
図14に示す発熱部31は,ヒータの軸方向ではなく,
ヒータの径方向に折曲げたパターンを持っている。各部
の寸法G1〜G6は,同図に示すごとく,G1>G2>
G3>G4という関係が成立し,またG5<G6であ
る。
【0055】本例は上述した寸法関係が成立するため,
先端側(同図における下方が先端側となる)へゆくほど
発熱部31の密度が高くなり,よって通電した際に生じ
る熱量が大きくなり,ガスセンサ素子を素早く加熱する
ことができる。その他詳細は実施形態例1と同様であ
り,同様の作用効果を有する。
先端側(同図における下方が先端側となる)へゆくほど
発熱部31の密度が高くなり,よって通電した際に生じ
る熱量が大きくなり,ガスセンサ素子を素早く加熱する
ことができる。その他詳細は実施形態例1と同様であ
り,同様の作用効果を有する。
【0056】実施形態例6 本例のガスセンサは図1等に示すものと同様の構造を有
しているが,発熱部の形状が以下に示すように異なる。
また,本例のガスセンサにおいては,実施形態例2と同
様に,ヒータがガスセンサ素子に対して傾斜して配置さ
れる。
しているが,発熱部の形状が以下に示すように異なる。
また,本例のガスセンサにおいては,実施形態例2と同
様に,ヒータがガスセンサ素子に対して傾斜して配置さ
れる。
【0057】図15に示すごとく,本例にかかる発熱部
31は当接部に径方向のパターンを集中させ,また軸方
向についても先端側(同図における下方が先端側とな
る)に集中した形状に構成されている。なお,この発熱
部31の発熱パターン長さLは6mmである。
31は当接部に径方向のパターンを集中させ,また軸方
向についても先端側(同図における下方が先端側とな
る)に集中した形状に構成されている。なお,この発熱
部31の発熱パターン長さLは6mmである。
【0058】このように先端側に集中させた形状とする
ことで,発熱ピークをヒータの当接部に対し接触する箇
所の軸上で,かつヒータのより先端側に位置させること
ができる。これにより,当接部からの熱伝導の高効率化
を図ると共に,当接部の近傍に対する熱輻射の効果を大
きくすることができ,よって,早期活性の実現により有
効となる。
ことで,発熱ピークをヒータの当接部に対し接触する箇
所の軸上で,かつヒータのより先端側に位置させること
ができる。これにより,当接部からの熱伝導の高効率化
を図ると共に,当接部の近傍に対する熱輻射の効果を大
きくすることができ,よって,早期活性の実現により有
効となる。
【図1】実施形態例1における,ガスセンサ素子の要部
断面説明図。
断面説明図。
【図2】実施形態例1における,ガスセンサの縦断面説
明図。
明図。
【図3】実施形態例1における,ヒータの展開図。
【図4】実施形態例1における,ヒータの発熱部の形状
を示す説明図。
を示す説明図。
【図5】実施形態例1における,エンジンに対するガス
センサ取付けの説明図。
センサ取付けの説明図。
【図6】実施形態例1における,ガスセンサのセンサ出
力の時間変化を示す説明図。
力の時間変化を示す説明図。
【図7】実施形態例1における,本例及び比較例の活性
時間を示す線図。
時間を示す線図。
【図8】実施形態例1及び3における,ヒータ割れの発
生率と印加電圧との関係を示す線図。
生率と印加電圧との関係を示す線図。
【図9】実施形態例1における,異なる材料よりなる発
熱部を示す説明図。
熱部を示す説明図。
【図10】実施形態例2における,ヒータがガスセンサ
素子に対し同軸的に配置されていない(傾いた)状態の
説明図。
素子に対し同軸的に配置されていない(傾いた)状態の
説明図。
【図11】実施形態例2における,ヒータに設けた発熱
部の展開説明図。
部の展開説明図。
【図12】実施形態例3における,ヒータに設けた発熱
部の展開説明図。
部の展開説明図。
【図13】実施形態例4における,ヒータに通電した際
の温度プロファイルを示す線図。
の温度プロファイルを示す線図。
【図14】実施形態例5における,ヒータに設けた発熱
部の展開説明図。
部の展開説明図。
【図15】実施形態例6における,ヒータに設けた発熱
部の展開説明図。
部の展開説明図。
1...センサ素子, 10...固体電解質体, 100...基準ガス室, 11...基準ガス側電極, 12...被測定ガス側電極, 2...ガスセンサ, 3...ヒータ, 30...当接部, 31...発熱部,
Claims (5)
- 【請求項1】 内部に基準ガス室を有する有底円筒型の
固体電解質体と該固体電解質体の外側面に設けた被測定
ガス側電極と上記基準ガス室に対面する固体電解質体の
内側面に設けた基準ガス側電極とよりなるガスセンサ素
子を有し,上記基準ガス室にはヒータが収納されてなる
ガスセンサにおいて,上記ヒータの外周面は上記基準ガ
ス室の内側面と当接する当接部を有しており,上記ヒー
タにおける発熱ピーク位置は上記当接部の近傍にあるこ
とを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項2】 内部に基準ガス室を有する有底円筒型の
固体電解質体と該固体電解質体の外側面に設けた被測定
ガス側電極と上記基準ガス室に対面する固体電解質体の
内側面に設けた基準ガス側電極とよりなるガスセンサ素
子を有し,上記基準ガス室にはヒータが収納されてなる
ガスセンサにおいて,上記ヒータは通電により発熱する
発熱部を有しており,上記発熱部は上記当接部の近傍に
おける電気抵抗値が最大となるよう構成されていること
を特徴とするガスセンサ。 - 【請求項3】 内部に基準ガス室を有する有底円筒型の
固体電解質体と該固体電解質体の外側面に設けた被測定
ガス側電極と上記基準ガス室に対面する固体電解質体の
内側面に設けた基準ガス側電極とよりなるガスセンサ素
子を有し,上記基準ガス室にはヒータが収納されてなる
ガスセンサにおいて,上記発熱部は上記当接部の近傍に
おけるパターン密度が最大となるよう構成されているこ
とを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項4】 内部に基準ガス室を有する有底円筒型の
固体電解質体と該固体電解質体の外側面に設けた被測定
ガス側電極と上記基準ガス室に対面する固体電解質体の
内側面に設けた基準ガス側電極とよりなるガスセンサ素
子を有し,上記基準ガス室にはヒータが収納されてなる
ガスセンサにおいて,上記ヒータは通電により発熱する
発熱部を有しており,上記発熱部におけるガスセンサ基
端側には高抵抗部分が設けてあることを特徴とするガス
センサ。 - 【請求項5】 内部に基準ガス室を有する有底円筒型の
固体電解質体と該固体電解質体の外側面に設けた被測定
ガス側電極と上記基準ガス室に対面する固体電解質体の
内側面に設けた基準ガス側電極とよりなるガスセンサ素
子を有し,上記基準ガス室にはヒータが収納されてなる
ガスセンサにおいて,上記ヒータは通電により発熱する
発熱部を有しており,また上記ヒータの外周面は上記基
準ガス室の内側面と当接する当接部を有しており,上記
ヒータにおける発熱ピーク位置が温度900℃に到達す
るに要する時間の1/5以上が,上記発熱部のパターン
中心と上記発熱部の当接部側の先端とを結ぶ線上の3/
4以内に当接部側に上記発熱ピーク位置が存在するよう
に,上記発熱部は構成されていることを特徴とするガス
センサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000397062A JP2001289814A (ja) | 2000-02-01 | 2000-12-27 | ガスセンサ |
| EP01102053A EP1122537A3 (en) | 2000-02-01 | 2001-01-30 | Gas sensor |
| US09/774,650 US6740218B2 (en) | 2000-02-01 | 2001-02-01 | Gas sensor |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000023847 | 2000-02-01 | ||
| JP2000-23847 | 2000-02-01 | ||
| JP2000397062A JP2001289814A (ja) | 2000-02-01 | 2000-12-27 | ガスセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001289814A true JP2001289814A (ja) | 2001-10-19 |
Family
ID=26584631
Family Applications (1)
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