JP2006170888A - Gas sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば自動車の排気ガス中の酸素濃度やNOx濃度、空燃比等、被測定ガス中の所定のガス濃度を検出するためのガスセンサ素子に関する。 The present invention relates to a gas sensor element for detecting a predetermined gas concentration in a gas to be measured, such as an oxygen concentration, NOx concentration, air-fuel ratio, etc., in an automobile exhaust gas, for example.
従来から、例えば自動車の排気ガス中の酸素濃度やNOx濃度、空燃比等、被測定ガス中の所定のガスの濃度を検出するための各種のガスセンサ素子が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, various gas sensor elements for detecting the concentration of a predetermined gas in a gas to be measured such as oxygen concentration, NOx concentration, air-fuel ratio, etc. in an automobile exhaust gas are known.
例えば、NOx濃度を測定するためのNOxセンサ素子として次のようなガスセンサ素子が知られている。すなわち、このNOxセンサ素子は、第1拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される第1測定室と、この第1測定室に第2拡散抵抗を介して連通する第2測定室を有している。また、第1測定室に面するように第1酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルが形成され、第2測定室に面するように第2酸素ポンプセルが形成されている。上記の各測定室は、間隔を設けて積層配置された2つの板状の固体電解質体と、これら固体電解質体に挟まれ測定室の側壁を形成する絶縁部材からなる側壁部とによって形成されている。そして、これらの測定室内に位置するように固体電解質体には酸素ポンプセル等を構成する電極が形成されている(例えば、特許文献1参照。)。
このようなガスセンサ素子においては、固体電解質体にクラックが発生してガスセンサ素子の機能が損なわれる場合がある。このようなクラックの発生について本発明者等が詳査したところ、次のような原因でクラックが発生する場合があることが判明した。 In such a gas sensor element, a crack may occur in the solid electrolyte body and the function of the gas sensor element may be impaired. As a result of detailed investigations by the inventors regarding the occurrence of such cracks, it has been found that cracks may occur due to the following reasons.
すなわち、固体電解質体となる未焼成固体電解質シートに、電極となる未焼成電極、測定室の側壁となる未焼成側壁シート等を印刷及び積層し、積層体を形成した後、脱脂工程において加熱した際等に、積層体を構成する未焼成固体電解質シートに生切れが発生する。そして、このように生切れが発生すると、生切れが発生した部位が熱衝撃下においてクラック起点となり、焼成後の固体電解質体にクラックが発生する。なお、後述する図5に示されように、このような生切れ30は、特に測定室の周縁部で絶縁部材(側壁部)との接触部分周辺において発生する。
That is, an unsintered electrode serving as an electrode, an unsintered sidewall sheet serving as a sidewall of a measurement chamber, and the like are printed and laminated on an unsintered solid electrolyte sheet serving as a solid electrolyte body to form a laminate, and then heated in a degreasing process. In some cases, the unfired solid electrolyte sheet constituting the laminate is broken. And when a piece of raw material occurs in this way, the part where the piece of raw material has occurred becomes a crack starting point under thermal shock, and a crack is generated in the solid electrolyte body after firing. Note that, as shown in FIG. 5 to be described later, such a
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止して、生切れに起因する固体電解質体のクラックの発生を防止することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるガスセンサ素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems. The present invention prevents the occurrence of burnout in the unfired solid electrolyte sheet, can prevent the occurrence of cracks in the solid electrolyte body due to the burnout, and improves the reliability as compared with the prior art. An object of the present invention is to provide a gas sensor element that can handle the above.
(請求項1)
上記目的を達成するために本発明のガスセンサ素子は、2つの固体電解質体の間に側壁部を形成する絶縁体が介在することにより、前記2つの固体電解質体の間に被測定ガスを導入する測定室が形成され、かつ、前記2つの固体電解質体のうちの少くとも一方の固体電解質体の表面に、前記測定室に面するように電極が形成されたガスセンサ素子であって、前記電極の端部のうちの少くともと一部が、前記絶縁体と重なるように配置されていることを特徴とする。
(Claim 1)
In order to achieve the above object, the gas sensor element of the present invention introduces a gas to be measured between two solid electrolyte bodies by interposing an insulator forming a side wall between the two solid electrolyte bodies. A gas sensor element in which a measurement chamber is formed and an electrode is formed on the surface of at least one of the two solid electrolyte bodies so as to face the measurement chamber, At least a part of the end portion is disposed so as to overlap the insulator.
電極の端部が側壁部を構成する絶縁体と重なっていないと、ガスセンサ素子となる積層体を加熱した際に、未焼成電極は自由に収縮でき、一方未焼成固体電解質シートは側壁部によって収縮を抑制される。このため、未焼成固体電解質シートが未焼成電極の収縮によって引っ張られて、生切れが発生する。本発明のガスセンサ素子では、固体電解質体となる未焼成固体電解質シートを脱脂工程において加熱した際等に、この未焼成固体電解質シートと電極となる未焼成電極とが、側壁部(絶縁体)によって共に収縮を抑制され、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止することができる。 If the end of the electrode does not overlap with the insulator that constitutes the side wall, the unfired electrode can be freely shrunk when the laminated body serving as the gas sensor element is heated, while the unfired solid electrolyte sheet is shrunk by the side wall. Is suppressed. For this reason, the unsintered solid electrolyte sheet is pulled by the shrinkage of the unsintered electrode, and the raw material is cut. In the gas sensor element of the present invention, when the unsintered solid electrolyte sheet to be the solid electrolyte body is heated in the degreasing process, the unsintered solid electrolyte sheet and the unsintered electrode to be the electrode are separated by the side wall (insulator). In both cases, shrinkage is suppressed, and it is possible to prevent the unfired solid electrolyte sheet from being burned out.
(請求項2)
また、本発明のガスセンサ素子は、前記電極が四角形状に形成され、対向する2辺が、前記絶縁体と重なるように配置されていることを特徴とする。このように、四角形状の電極の対向する2辺において、加熱時の収縮を抑制することにより、より確実に未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止することができる。
(Claim 2)
The gas sensor element of the present invention is characterized in that the electrode is formed in a quadrangular shape and two opposing sides overlap with the insulator. In this way, by suppressing shrinkage during heating on the two opposing sides of the rectangular electrode, it is possible to more reliably prevent the unfired solid electrolyte sheet from being burned out.
(請求項3)
また、本発明のガスセンサ素子は、前記電極のうちの前記絶縁体と重なるように配置されている部分の少くとも一部は、自身の厚さ方向両面が前記絶縁体によって挟まれるように構成されていることを特徴とする。このような構成とすることにより、絶縁体と固体電解質体との接着代を確保することができる。
(Claim 3)
In addition, the gas sensor element of the present invention is configured such that at least a part of the electrode disposed so as to overlap the insulator is sandwiched between both sides in its thickness direction by the insulator. It is characterized by. By setting it as such a structure, the adhesion margin of an insulator and a solid electrolyte body is securable.
(請求項4)
また、本発明のガスセンサ素子は、前記絶縁体の一部に、前記一方の固体電解質体と前記電極との間に介在するように前記測定室内部に向かって突出する突出部が形成されていることを特徴とする。このような構成とすることにより、測定室の容積減少を抑制しつつ絶縁体と固体電解質体との接着代を確保することができる。
(Claim 4)
In the gas sensor element of the present invention, a protruding portion that protrudes toward the inside of the measurement chamber is formed in a part of the insulator so as to be interposed between the one solid electrolyte body and the electrode. It is characterized by that. By adopting such a configuration, it is possible to secure a bonding allowance between the insulator and the solid electrolyte body while suppressing a decrease in the volume of the measurement chamber.
(請求項5,6)
また、本発明のガスセンサ素子は、第1拡散抵抗体を介して被測定ガスを導入する第1測定室と、前記第1測定室内から外部に被測定ガス中の酸素を汲み出す、又は、外部から前記第1測定室内に酸素を汲み入れる第1酸素ポンプセルと、前記第1測定室内の被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セルと、前記第1測定室に第2拡散抵抗体を介して接続された第2測定室と、前記第2測定室内の被測定ガス中の窒素酸化物が分解して発生した酸素の移動を検出してNOx濃度を検出する第2酸素ポンプセルと、を具備したことを特徴とする。また、このようなガスセンサ素子において、前記電極は、前記酸素分圧検知セルを構成するために前記第1測定室内に配置されていることを特徴とする。本発明のガスセンサ素子は、かかる構成のNOxセンサ素子に適用することができ、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止して、生切れに起因する固体電解質体のクラックの発生を防止することができる。
(
The gas sensor element of the present invention includes a first measurement chamber that introduces a gas to be measured through a first diffusion resistor, and pumps out oxygen in the gas to be measured from the first measurement chamber to the outside. A first oxygen pump cell for pumping oxygen into the first measurement chamber, an oxygen partial pressure detection cell for detecting the oxygen concentration in the gas under measurement in the first measurement chamber, and a second diffusion resistance in the first measurement chamber A second measurement chamber connected through the body, and a second oxygen pump cell for detecting NOx concentration by detecting movement of oxygen generated by decomposition of nitrogen oxides in the gas to be measured in the second measurement chamber; It is characterized by comprising. Further, in such a gas sensor element, the electrode is arranged in the first measurement chamber in order to constitute the oxygen partial pressure detection cell. The gas sensor element of the present invention can be applied to the NOx sensor element having such a configuration, prevents the unfired solid electrolyte sheet from being burned out, and prevents the occurrence of cracks in the solid electrolyte body due to the burnout. Can be prevented.
本発明によれば、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止して、生切れに起因する固体電解質体のクラックの発生を防止することができ、従来に比べて信頼性の向上を図ることのできるガスセンサ素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the unfired solid electrolyte sheet from being burned out, and to prevent the occurrence of cracks in the solid electrolyte body due to the burned out, improving the reliability compared to the conventional case. A gas sensor element capable of achieving the above can be provided.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るNOxセンサ素子の要部概略構成を示す断面図である。図1に示すように、NOxセンサ素子は、互いに積層配置された第1酸素ポンプセル1、第2酸素ポンプセル2及び酸素分圧検知セル3を具備している。また、このNOxセンサ素子に隣接して、NOxセンサ素子を所定の作動温度に加熱するためのヒータ4が設けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of a NOx sensor element according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the NOx sensor element includes a first
第1酸素ポンプセル1と酸素分圧検知セル3の間には、第1測定室5が形成されている。この第1測定室5には、第1拡散孔7を介して、被測定ガスが導入される。第1測定室5は、第2拡散孔8を通じて、第2測定室6と連通している。
A
第1酸素ポンプセル1は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体17と、固体電解質体17上に形成された一対の電極9,10から構成されている。電極10は第1測定室5内に位置するよう配置され、電極9は第1測定室5の外部に位置するように配置されている。第1酸素ポンプセル1では、電極10上で第1測定室5内の酸素等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質体17を通って電極9側に汲み出される。このとき固体電解質体17を通じて流れる電流が第1酸素ポンプ電流Ip1である。
The first
第2酸素ポンプセル2は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体18と、固体電解質体18上に形成された一対の電極13,14から構成されている。電極13は第2測定室6内に位置するように配置されている。電極14は第2測定室6外に位置するように配置されると共に酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。電極13上で第2測定室6内のNOx等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質体18を通って電極14側に汲み出される。このとき固体電解質体18を通じて流れる電流が第2酸素ポンプ電流Ip2である。
The second
酸素分圧検知セル3は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体19と、固体電解質体19上に形成された一対の電極11,12から構成されている。電極11は第1測定室5内に位置するように配置されている。酸素分圧検知セル3を通じて電極11,12間に一定に制御された電流Icpを流すことにより、酸素分圧検知セル3を通じて電極12側に汲み込まれる酸素イオン量は一定となる。これによって、電極12は酸素濃度が安定した雰囲気に晒された状態となる。したがって、電極11と電極12の間に発生する電位差に基づいて、第1測定室5内の酸素濃度、すなわち、被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。
The oxygen partial
また、図1において、20は第1酸素ポンプセル制御手段、21は酸素分圧検知セル制御手段、22は第2酸素ポンプセル制御手段である。酸素分圧セル制御手段21は、酸素分圧検知セル3に現れる第1測定室5内の酸素濃度を検出すると共に、第1測定室5外に設けられた電極12上の酸素濃度を制御する。第1酸素ポンプセル制御手段20は、酸素分圧検知セル3の検出出力に基づいて第1酸素ポンプ電流Ip1を制御することにより、第1測定室5内の酸素濃度を可及的に一定に制御する。第2酸素ポンプセル制御手段22は、第2酸素ポンプセル2に可及的に一定な所定の電圧を印加することにより、NOx濃度に応じた第2酸素ポンプ電流Ip2が流れるように第2酸素ポンプセル2を制御する。なお、第1酸素ポンプ電流Ip1は、抵抗120から取り出すことができ、第2酸素ポンプ電流Ip2は、抵抗122から取り出すことができる。
In FIG. 1, 20 is a first oxygen pump cell control means, 21 is an oxygen partial pressure detection cell control means, and 22 is a second oxygen pump cell control means. The oxygen partial pressure cell control means 21 detects the oxygen concentration in the
上記構成のNOxセンサ素子において、酸素分圧検知セル3を構成する電極11は、図2に示すように、第1測定室5内に矩形状に形成されている。そして、電極11の両側端部(図中上下方向端部)111は、第1測定室5の側壁部を形成するアルミナ等からなる絶縁性セラミック15の部分にまで延在し、絶縁性セラミック15と重なる(ラップする)ように配置されている。なお、図2において16は、第1測定室5の内部を所定間隔に保持するための柱の役割を果たす柱状の多孔質体であり、112は、電極11からNOxセンサ素子の基端側(図中右側)に導出されたリード部である。
In the NOx sensor element having the above configuration, the
図3は、図2のA−A断面の構成を拡大して示すものである。同図に示すように、第1測定室5の側壁部を形成する絶縁性セラミック15の内側端部には、電極11と固体電解質体19との間に介在するように第1測定室5内部に向かって突出する突出部151が形成されている。そして、電極11の端部111は、突出部151の上に配置されると共に、端部111の一部が絶縁性セラミック15内に埋設されるように、つまり、その両面が絶縁性セラミック15によって挟まれるように配置されている。このような構成とすることにより、NOxセンサ素子の積層方向から見たときの電極11と絶縁性セラミック15の重なり部分の面積(ラップ量)を増大させることができ、かつ、絶縁性セラミック15と固体電解質体19との接着代及び第1測定室5の容積を確保することができる。
FIG. 3 shows an enlarged configuration of the AA cross section of FIG. As shown in the figure, at the inner end of the insulating
すなわち、単に電極11の端部を、固体電解質体19と絶縁性セラミック15との間に延在させると、固体電解質体19と絶縁性セラミック15との接着代が減少し、これらの接着性に問題が生じる可能性がある。また、単に絶縁性セラミック15側を電極11の端部と重なるように延在させると第1測定室5の容積が減少してしまう。このような問題を解消しつつ、ラップ量を増大させるために、図3に示した構成を採用している。
That is, simply extending the end portion of the
上記のような構成とすることにより、未焼成の段階で脱脂工程等で加熱した際に、固体電解質体19となる未焼成固体電解質シートと電極11となる未焼成電極とが、側壁部によって共に収縮を抑制され、未焼成固体電解質シートに生切れが発生することを防止することができる。
With the above-described configuration, when heated in a degreasing process or the like in an unfired stage, the unfired solid electrolyte sheet that becomes the
すなわち、例えば図5に示すように、電極11の端部が側壁部を構成する絶縁性セラミック15と重なっていない構成の場合、脱脂工程等においてガスセンサ素子となる積層体を加熱した際に、電極11となる未焼成電極は自由に収縮でき、一方固体電解質体19となる未焼成固体電解質シートは側壁部によって収縮を抑制される。このため、未焼成固体電解質シートが未焼成電極の収縮によって引っ張られて、生切れ30が発生する可能性が生じる。このような生切れ30が発生する可能性は、特に電極11の端部が側壁部の近傍にまで延在している場合に高くなる。このような未焼成固体電解質シートの生切れ30の発生を、図2,3に示す構成とすることにより防止することができる。
That is, for example, as shown in FIG. 5, in the case where the end of the
実際に、電極11を、図2,3に示す構成として製作したNOxセンサ素子(サンプル数500)について、脱脂工程において保持温度約400℃で約4時間加熱した後、未焼成固体電解質シートの生切れの発生の有無を観察したところ、生切れの発生率は0%であった。一方、電極11を、図5に示す構成として製作したNOxセンサ素子(サンプル数500)について、同様な脱脂工程による加熱を行ったところ、未焼成固体電解質シートの生切れの発生率は約70%であった。この結果から明らかなとおり、本実施形態によれば、未焼成固体電解質シートの生切れの発生を確実に防止することができる。したがって、生切れに起因する固体電解質体のクラックの発生を防止して、信頼性の向上を図ることができる。
Actually, the NOx sensor element (500 samples) manufactured with the configuration shown in FIGS. 2 and 3 was heated for about 4 hours at a holding temperature of about 400 ° C. in the degreasing process, and then the green solid electrolyte sheet was formed. When the occurrence of cutting was observed, the occurrence rate of raw cutting was 0%. On the other hand, when the NOx sensor element (sample number: 500) manufactured with the
なお、本実施形態においては、図4に示すように、固体電解質体19に形成された電極12、及び固体電解質体18に形成された電極14についても上記の電極11と同様な構成となっている。さらに、図1に示した固体電解質体17に形成された電極10、固体電解質体18に形成された電極13についても同様な構成となっている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the
上記の実施形態では、NOxセンサ素子の矩形状の電極11の1方向の両側端部を側壁部を構成する絶縁性セラミックとラップさせた構成とした場合について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、電極が4辺とも側壁部と近接して配置されたものについては、4辺とも側壁部とラップさせた構成としても良い。また、電極の1辺のみが側壁部と近接して配置されたものについては、1辺のみ側壁部とラップさせた構成としても良い。また、NOxセンサ素子に限らず、他のガスセンサ素子、例えば、空燃比センサ素子等についても同様にして適用することができる。
In the above embodiment, the case has been described in which the both ends in one direction of the
1……第1酸素ポンプセル、2……第2酸素ポンプセル、3……酸素分圧検知セル、4……ヒータ、5……第1測定室、6……第2測定室、7……第1拡散孔、8……第2拡散孔、9〜14……電極、15……絶縁性セラミック、16……多孔質体、17〜19……固体電解質体、20……第1酸素ポンプセル制御手段、21……酸素分圧検知セル制御手段、22……第2酸素ポンプセル制御手段。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電極の端部のうちの少くともと一部が、前記絶縁体と重なるように配置されていることを特徴とするガスセンサ素子。 A measurement chamber for introducing a gas to be measured is formed between the two solid electrolyte bodies by interposing an insulator forming a side wall between the two solid electrolyte bodies, and the two solid electrolyte bodies A gas sensor element in which an electrode is formed on the surface of at least one of the solid electrolyte bodies so as to face the measurement chamber,
A gas sensor element, wherein at least a part of an end portion of the electrode is disposed so as to overlap the insulator.
前記電極が四角形状に形成され、対向する2辺が、前記絶縁体と重なるように配置されていることを特徴とするガスセンサ素子。 The gas sensor element according to claim 1,
The gas sensor element, wherein the electrodes are formed in a quadrangular shape, and two opposing sides overlap with the insulator.
前記電極のうちの前記絶縁体と重なるように配置されている部分の少くとも一部は、自身の厚さ方向両面が前記絶縁体によって挟まれるように構成されていることを特徴とするガスセンサ素子。 The gas sensor element according to claim 1 or 2,
A gas sensor element characterized in that at least a part of a portion of the electrode arranged so as to overlap the insulator is configured such that both surfaces in the thickness direction of the electrode are sandwiched by the insulator. .
前記絶縁体の一部に、前記一方の固体電解質体と前記電極との間に介在するように前記測定室内部に向かって突出する突出部が形成されていることを特徴とするガスセンサ素子。 The gas sensor element according to any one of claims 1 to 3,
A gas sensor element, wherein a protruding portion that protrudes toward the inside of the measurement chamber is formed in a part of the insulator so as to be interposed between the one solid electrolyte body and the electrode.
前記ガスセンサ素子は、
第1拡散抵抗体を介して被測定ガスを導入する第1測定室と、
前記第1測定室内から外部に被測定ガス中の酸素を汲み出す、又は、外部から前記第1測定室内に酸素を汲み入れる第1酸素ポンプセルと、
前記第1測定室内の被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セルと、
前記第1測定室に第2拡散抵抗体を介して接続された第2測定室と、
前記第2測定室内の被測定ガス中の窒素酸化物が分解して発生した酸素の移動を検出してNOx濃度を検出する第2酸素ポンプセルと、
を具備したことを特徴とするガスセンサ素子。 The gas sensor element according to any one of claims 1 to 4,
The gas sensor element is
A first measurement chamber for introducing a gas to be measured through a first diffusion resistor;
A first oxygen pump cell that pumps oxygen in the gas to be measured from the first measurement chamber to the outside, or pumps oxygen from the outside into the first measurement chamber;
An oxygen partial pressure detection cell for detecting the oxygen concentration in the gas under measurement in the first measurement chamber;
A second measurement chamber connected to the first measurement chamber via a second diffusion resistor;
A second oxygen pump cell for detecting NOx concentration by detecting the movement of oxygen generated by decomposition of nitrogen oxides in the gas to be measured in the second measurement chamber;
A gas sensor element comprising:
前記電極は、前記酸素分圧検知セルを構成するために前記第1測定室内に配置されていることを特徴とするガスセンサ素子。 The gas sensor element according to claim 5,
The gas sensor element, wherein the electrode is disposed in the first measurement chamber to constitute the oxygen partial pressure detection cell.
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