JP2007040820A - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質体に形成された複数のスルーホール間での電気的なリークの発生を防止することのできるガスセンサ素子及びガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサ素子１００において、第２固体電解質体１５１には、第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９の２つのスルーホールが形成されている。これら第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９は、第２固体電解質体１５１の長手方向にずらして配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するためのガスセンサ素子及びガスセンサに関する。

従来から、例えば自動車から排出される排気ガス等の被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサが知られている。このようなガスセンサでは、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度に応じて電気的特性が変化するガスセンサ素子を用いている。このガスセンサ素子は、例えば、ジルコニアを主体とする固体電解質体を具備しており、１又は複数の固体電解質体と、電極、絶縁層、ヒータ等を積層し、全体として板状の外径を有するよう構成したものが知られている。なお、ヒータは、例えば、アルミナを主体としたセラミック層（絶縁層）と発熱抵抗体等を積層した構造とされている。

上記のようなガスセンサ素子では、板状の長手方向における一方の端部（先端部）が被測定ガスに晒される検知部とされ、他端側（後端側）が主体金具に固定される固定部とされている。このため、板状に形成された固体電解質体の先端側の両面には、基準電極部及び測定電極部等が設けられ、これらの電極を引き出すためのリード部（基準リード部及び検知リード部）が、固体電解質体の長手方向に沿って形成されている。

また、ガスセンサ素子の後端側の最外側面には、外部との電気的接続を行うための電極パッドが設けられている。そして、固体電解質体等の後端側にスルーホールを形成して、積層構造の中間部分の電極を、最外側表面の電極パッドにまで引き出す構造とすることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２９４６８７号公報

ところで、固体電解質体は、温度が上昇すると抵抗が減少する性質を有する。また、ガスセンサ素子においては、小型化の要請からその幅を拡げることには限界がある。このため、固体電解質体の後端部に複数のスルーホールを形成した場合、固体電解質体の温度が上昇した際に、これらのスルーホール間で電気的なリークが生じる可能性があるという問題があることが判明した。

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、固体電解質体に形成された複数のスルーホール間での電気的なリークの発生を防止することのできるガスセンサ素子及びガスセンサを提供することを目的とする。

本発明のガスセンサ素子は、板状に形成され、被測定ガス中の特定ガスの濃度に応じて電気的特性が変化する固体電解質体と、該固体電解質体の長手方向先端側に位置し、互いが対向するように形成された一対の電極本体部と、一対の該電極本体部に電気的に接続し、長手方向に延びる電極リード部と、前記電極本体部の対向方向にみたときに前記固体電解質体よりも一方の電極本体部側に設けられ、長手方向に延びる少なくとも１つ以上の導電部と、前記固体電解質体の長手方向後端側に該固体電解質体を貫通して設けられ、内部に導体層が形成された複数のスルーホールと、を具備し、複数の前記スルーホールと、一方の前記電極本体部から延びる一方の電極リード部及び前記導電部とがそれぞれが対になるようにして電気的に接続するガスセンサ素子であって、前記複数のスルーホールのうち隣接する２つのスルーホールを、前記固体電解質体の前記長手方向における位置をずらして配置したことを特徴とする。

上記構成の本発明のガスセンサ素子では、固体電解質体に形成される複数のスルーホールを、固体電解質体の長手方向における位置をずらして配置することにより、長手方向位置を揃えて並べて配置した場合に比べて、スルーホール間の距離を拡大することができる。これによって、固体電解質体に形成されたスルーホール同士で電気的なリークが発生することを防止することができる。

なお、例えば、スルーホールが固体電解質体に３つ形成されている場合、それぞれが隣接する２つのスルーホールの長手方向における位置がずれていればよく、隣接しない２つのスルーホールの長手方向における位置は略同一であってもよいし、ずれていてもよい。このように、複数のスルーホールが固体電解質体に形成される場合には、隣接しない２つのスルーホールを見たときに、長手方向における位置が略同一であっても良いし、ずれていても良い。さらに、隣接する２つのスルーホールの長手方向にずらす量は、離れていれば離れているほうが好ましいが、ガスセンサ素子が実使用時に５００℃を超える部位に形成すると、温度からの影響による電気的なリークが発生するため、５００℃以下の部位に設けることが好ましい。さらに、隣接する２つのスルーホールの形成位置が、固体電解質体の長手方向においてかぶらないように設けることがより好ましい。

また、「導電部」は、例えば、電極本体部の対向方向にみたときに、固体電解質体に対して一方の電極本体部側に板状のヒータが積層されたガスセンサ素子の場合には、そのヒータを構成する２つの基板に挟まれて形成される発熱抵抗体のことを指す。さらに、例えば、電極本体部の対向方向にみたときに、固体電解質体に対して一方の電極本体部側にガス検出室を介してもう１つ固体電解質体及びそれに形成される一対の電極本体部（以下、第２電極本体部とも言う。）が積層されたガスセンサ素子の場合には、一対の第２電極本体部のうちの何れか、もしくは両方の第２電極本体部のことを指す。

さらに、本発明のガスセンサ素子は、複数の前記スルーホールにそれぞれが対になるようにして電気的に接続すると共に、前記電極本体部の対向方向にみたときに前記固体電解質体よりも他方の電極本体部側に設けられる複数の電極パッドを有し、複数の前記電極パッドは、前記固体電解質体の長手方向に略同位置に形成されていることが好ましい。このように、電極パッドの長手方向の位置を略同位置に形成しつつ、スルーホールの位置を電極パッドの長手方向に長さの範囲内とすることで、他の構成部分に変更を加えることなく、容易にスルーホール間の電気的なリークを防止することができる。なお、「長手方向に略同位置に形成される」とは、例えば、２つの電極パッドが形成される場合に、製造上の寸法公差等を加味して同位置に形成することを指す。また、このように構成されたガスセンサ素子を、主体金具に組み込んでガスセンサを構成することにより、固体電解質体における電気的なリークを防止したガスセンサを得ることができる。

本発明のガスセンサ素子及びガスセンサによれば、固体電解質体に形成された複数のスルーホール間での電気的なリークの発生を防止することができる。

以下、本発明の実施形態に係る積層型のガスセンサ素子１００を、図面を参照して説明する。図１は、全体形状が板状とされたガスセンサ素子１００の構造を示す分解斜視図であり、ガスセンサ素子１００は、ガスセンサ素子本体３００と、ヒータ２００を積層させて構成されている。

ヒータ２００は、アルミナを主体とする第１基体１２１及び第２基体１２２と、第１基体１２１と第２基体１２２とに挟まれ、白金を主体とする発熱体１２３を有している。発熱体１２３は、先端側に位置する発熱部１２４と、発熱部１２４から第１基体１２１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部１２５とを有している。そして、ヒータリード部１２５の端末は、第１基体１２１に設けられる２つのヒータ側スルーホール１２６を介して２つのヒータ側パッド１２０と電気的に接続されている。

ガスセンサ素子本体３００は、酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１５０とを備える。酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１５０との間には、絶縁層１４０が設けられ、酸素ポンプセル１５０の外側（図中上側）には、保護層１６０が設けられている。

酸素濃度検出セル１３０は、第１固体電解質体１３１と、その第１固体電解質体１３１の両面に形成された第１電極１３２及び第２電極１３３とから構成されている。第１電極１３２は、第１電極部１３４と、第１電極部１３４から第１固体電解質体１３１の長手方向に延びる第１リード部１３５とから構成されている。第２電極１３３は、第２電極部１３６と、第２電極部１３６から第１固体電解質体１３１の長手方向に延びる第２リード部１３７とから構成されている。なお、上記第１リード部１３５及び第２リード部１３７と第１固体電解質体１３１との間には、図示しない絶縁層が形成されている。

そして、第１リード部１３５の端末は、第１固体電解質体１３１に設けられた第１スルーホール１３８、後述する絶縁層１４０に設けられた第２スルーホール１４４、第２固体電解質体１５１に設けられた第４スルーホール１５８及び保護層１６０に設けられた第６スルーホール１６４を介して３個設けられたガスセンサ素子側パッド１６７のうちの１つと電気的に接続されている。一方、第２リード部１３７の端末は、後述する絶縁層１４０に設けられた第３スルーホール１４５、第２固体電解質体１５１に設けられた第５スルーホール１５９及び保護層１６０に設けられた第７スルーホール１６５を介してガスセンサ素子側パッド１６７のうちの１つと電気的に接続されている。

一方、酸素ポンプセル１５０は、第２固体電解質体１５１と、その第２固体電解質体１５１の両面に形成された第３電極１５２、第４電極１５３とから構成されている。第３電極１５２は、第３電極部１５４と、第３電極部１５４から第２固体電解質体１５１の長手方向に延びる第３リード部１５５とから構成されている。第４電極１５３は、第４電極部と１５６と、第４電極部１５６から第２固体電解質体１５１の長手方向に延びる第４リード部１５７とから構成されている。なお、上記第３リード部１５５及び第４リード部１５７と第２固体電解質体１５１との間には、図示しない絶縁層が形成されている。

そして、第３リード部１５５の端末は、第２固体電解質体１５１に設けられた第５スルーホール１５９及び後述する保護層１６０に設けられた第７スルーホール１６５を介して１つのガスセンサ素子側パッド１６７と電気的に接続されている。一方、第４リード部１５７の端末は、保護層１６０に設けられた第８スルーホール１６６を介して１つのガスセンサ素子側パッド１６７と電気的に接続されている。なお、第２リード部１３７と第３リード部１５５は、第３スルーホール１４５を介して同電位となっている。

これら第１固体電解質体１３１、第２固体電解質体１５１は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）あるいはカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。

発熱体１２３、第１電極１３２、第２電極１３３、第３電極１５２、第４電極１５３、ヒータ側パッド１２０及びガスセンサ素子側パッド１６７は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等を挙げることができる。これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。

もっとも、発熱体１２３、第１電極１３２、第２電極１３３、第３電極１５２、第４電極１５３、ヒータ側パッド１２０及びガスセンサ素子側パッド１６７は、耐熱性、耐酸化性を考慮すると、Ｐｔを主体に構成することがより一層好ましい。さらに、発熱体１２３、第１電極１３２、第２電極１３３、第３電極１５２、第４電極１５３、ヒータ側パッド１２０及びガスセンサ素子側パッド１６７は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。このセラミック成分は、固着という観点から、積層される側の主体となる材料（例えば、第１固体電解質体１３１、第２固体電解質体１５１の主体となる成分）と同様の成分であることが好ましい。

上記酸素ポンプセル１５０と酸素濃度検出セル１３０との間に形成された絶縁層１４０は、絶縁部１４１と拡散律速部１４３とからなる。この絶縁層１４０の絶縁部１４１には、第２電極部１３６及び第３電極部１５４に対応する位置にガス検出室１４２が形成されている。このガス検出室１４２は、絶縁層１４０の幅方向で外部と連通しており、該連通部には、外部とガス検出室１４２との間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部１４３が配置されている。

絶縁部１４１は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。拡散律速部１４３は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部１４３によって検出ガスがガス検出室１４２へ流入する際の律速が行われる。

また、第２固体電解質体１５１の表面には、第４電極１５３を挟み込むようにして、保護層１６０が形成されている。この保護層１６０は、第４電極部１５６を挟み込むようにして、第４電極部１５６を被毒から防御するための多孔質の電極保護部１６３と、第４リード部１５７を挟み込むようにして、第２固体電解質体１５１を保護するための補強部１６１とからなる。補強部１６１には、開口部１６２が設けられ、この開口部１６２内に位置するように、電極保護部１６３が設けられている。

上記ガスセンサ素子１００において、第２固体電解質体１５１には、内部に導体層（図示せず。）が形成され、第２固体電解質体１５１の厚さ方向の電気的導通を得るためのスルーホールとして、第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９の２つのスルーホールが形成されている。そして、これら第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９は、図２に示すように、第２固体電解質体１５１の長手方向にずらして配置されている。即ち、図２において、第５スルーホール１５９は、図中左側に、第４スルーホール１５８は、図中右側にずらして配置されており、そのずれ量は、図中点線で示すガスセンサ素子側パッド１６７の長さの範囲内とされている。

このように第２固体電解質体１５１に配置された第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９の２つのスルーホールを、第２固体電解質体１５１の長手方向にずらして配置すると、ずらさずに並べて配置した場合に比べて第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９との間の距離を長くすることができる。これによって、第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９との間で電気的なリークが発生することを防止することができる。

ガスセンサ素子１００の全体の大きさは、例えば、長手方向の寸法３０ｍｍ〜６０ｍｍ、幅寸法２．５ｍｍ〜６ｍｍ、厚み１ｍｍ〜３ｍｍの範囲等の制限があり、固体電解質体に複数のスルーホールを形成する場合、固体電解質体の幅方向に間隔を設けることには限界がある。このため、従来においては、固体電解質体の温度が上昇して抵抗が減少するとスルーホール間において電気的なリークが発生する場合があった。

これに対して、本実施形態のガスセンサ素子１００では、第２固体電解質体１５１に設けられた第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９を、第２固体電解質体１５１の長手方向にずらして配置することによってこれらの間の距離を長くし、電気的なリークが発生することを防止できる。

また、本実施形態では、第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９を、ガスセンサ素子側パッド１６７の長さの範囲内で、第２固体電解質体１５１の長手方向にずらして配置しているので、後述するガスセンサ素子側パッド１６７との電気的な接続部（接続端子１１６）等の構成に変更を加えることなく、容易に電気的リークを防止することができる。本実施形態では、第４スルーホール１５８と第５スルーホール１５９を第２固体電解質体１５１の長手方向に４ｍｍずらして配置しており、このずらす量は少なくとも３ｍｍ以上とすることが好ましい。

ところで、ガスセンサ素子１００では、図１において左側の先端部が測定部であり、ヒータ２００の発熱部１２４によって、高温に加熱される。そして、上記した第４スルーホール１５８、第５スルーホール１５９等が設けられた後端部は、先端側の測定部と比較すると低温になっている。そして、固体電解質体は温度が高いほど抵抗が減少するので、スルーホールを固体電解質体の長手方向先端側（高温側）に必要以上にずらすことは好ましくない。例えば、スルーホール間の距離が５ｍｍの場合、４５０℃では電気的なリークが発生しないが、５００℃となると電気的なリークが発生してしまう。また、６００℃以上となると、リード部とスルーホールとの間で電気的なリークが発生する場合がある。したがって、スルーホールは、最高温度が５００℃以下となる部位に設けることが好ましい。

なお、本実施形態における第２固体電解質体１５１が特許請求の範囲における固体電解質体に相当し、第４電極部１５６が特許請求の範囲における他方の電極本体部に相当し、第３電極部１５４が特許請求の範囲における一方の電極本体部に相当し、第３リード部１５５及び第４リード部１５７が特許請求の範囲における電極リード部に相当し、第１電極１３２が特許請求の範囲における導電部に相当し、第４スルーホール及び第５スルーホールが特許請求の範囲における複数のスルーホールに相当し、ガスセンサ素子側パッド１６７が特許請求の範囲における電極パッドに相当する。

図３は、上述したガスセンサ素子１００が組み込まれたガスセンサであり、具体的には内燃機関の排気管に取り付けられ、排ガス中の酸素濃度の測定に使用されるガスセンサ６００の一例を示した全体断面図である。

図３に示す主体金具３０は、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部３１と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部３２とを有している。また、主体金具３０には、径方向内側に向かって突出する金具側段部３３が設けられており、この金具側段部３３はガスセンサ素子１００を保持するための金属ホルダ３４を支持している。そしてこの金属ホルダ３４の内側にはガスセンサ素子１００を所定位置に配置するセラミックホルダ３５、滑石３６が先端側から順に配置されている。

この滑石３６は、金属ホルダ３４内に配置される第１滑石３７と、金属ホルダ３４の後端に渡って配置される第２滑石３８とからなる。そして第２滑石３８の後端側には、アルミナ製のスリーブ３９が配置されている。このスリーブ３９は多段の円筒状に形成されており、軸線に沿うように軸孔３９１が設けられ、内部にガスセンサ素子１００を挿通している。そして、主体金具３０の後端側の加締め部３０１が内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材４０を介してスリーブ３９が主体金具３０の先端側に押圧されている。

また、主体金具３０の先端側外周には、主体金具３０の先端から突出するガスセンサ素子１００の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔２４１を有する金属製のプロテクタ２４が溶接により取り付けられている。このプロテクタ２４は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ４１、内側には後端部４２１の外径が先端部４２２の外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ４２が配置されている。

一方、主体金具３０の後端側には、外筒２５の先端側が挿入されている。この外筒２５は、先端側の拡径した先端部２５１を主体金具３０にレーザ溶接等により固定されている。外筒２５の後端側内部には、セパレータ５０が配置され、セパレータ５０と外筒２５の隙間に保持部材５１が介在している。この保持部材５１は、後述するセパレータ５０の突出部５０１に係合し、外筒２５を加締めることにより外筒２５とセパレータ５０とにより固定されている。

また、セパレータ５０には、ガスセンサ素子１００のリード線１１１〜１１５を挿入するための通孔５０２が先端側から後端側にかけて貫設されている（なお、リード線１１４，１１５は図示せず。）。通孔５０２内には、リード線１１１〜１１５とガスセンサ素子１００の外部端子（ヒータ側パッド１２０及びガスセンサ素子側パッド１６７）とを接続する接続端子１１６が収容されている。各リード線１１１〜１１５は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してＥＣＵ等の外部機器と各リード線１１１〜１１５とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線１１１〜１１５は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて被覆した構造を有している。

さらに、セパレータ５０の後端側には、外筒２５の後端側の開口部２５２を閉塞するための略円柱状のゴムキャップ５２が配置されている。このゴムキャップ５２は、外筒２５の後端内に装着された状態で、外筒２５の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒２５に固着されている。ゴムキャップ５２にも、リード線１１１〜１１５を挿入するための通孔５２１が先端側から後端側にかけて貫設されている。

以上のように構成されたガスセンサ素子１００が組み込まれたガスセンサ６００によれば、固体電解質体に形成された複数のスルーホール間での電気的なリークの発生を防止することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。例えば、酸素センサ以外のガスセンサ、例えばＨＣセンサ、ＣＯセンサ、ＮＯｘセンサに使用する積層型ガスセンサ素子に対しても、上記と同様にして適用することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサ素子の構成を模式的に示す分解斜視図。 図１のガスセンサ素子の要部構成を拡大して示す図。 本発明の実施形態に係るガスセンサの構成を示す断面図。

符号の説明

１００……ガスセンサ素子、２００……ヒータ、３００……ガスセンサ素子本体、１３０……酸素濃度検出セルと、１５０……酸素ポンプセル、１５１……固体電解質、１５８……第４スルーホール、１５９……第５スルーホール、１６７……ガスセンサ素子側パッド。

Claims (3)

1. 板状に形成され、被測定ガス中の特定ガスの濃度に応じて電気的特性が変化する固体電解質体と、
   該固体電解質体の長手方向先端側に位置し、互いが対向するように形成された一対の電極本体部と、
   一対の該電極本体部に電気的に接続し、長手方向に延びる電極リード部と、
   前記電極本体部の対向方向にみたときに前記固体電解質体よりも一方の電極本体部側に設けられ、長手方向に延びる少なくとも１つ以上の導電部と、
   前記固体電解質体の長手方向後端側に該固体電解質体を貫通して設けられ、内部に導体層が形成された複数のスルーホールと、を具備し、
   複数の前記スルーホールと、一方の前記電極本体部から延びる一方の電極リード部及び前記導電部とがそれぞれが対になるようにして電気的に接続するガスセンサ素子であって、
   前記複数のスルーホールのうち隣接する２つのスルーホールを、前記固体電解質体の前記長手方向における位置をずらして配置したことを特徴とするガスセンサ素子。
2. 複数の前記スルーホールにそれぞれが対になるようにして電気的に接続すると共に、前記電極本体部の対向方向にみたときに前記固体電解質体よりも他方の電極本体部側に設けられる複数の電極パッドを有し、
   複数の前記電極パッドは、前記固体電解質体の長手方向に略同位置に形成されていることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ素子。
3. 請求項１又は２記載のガスセンサ素子を、主体金具に組み込んだことを特徴とするガスセンサ。

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