JP2014052363A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】検出素子(71)の一対の電極のうち、一方の電極は被測定ガスに接する検知電極(87)であり、他方の電極は酸素基準部として機能する基準電極(95)である。この空燃比センサ(1)においては、基準電極(95)には、固体電解質体(7)の表面に沿って延設された多孔質の基準電極リード(97)が接続されており、基準電極リード(97)は、貴金属を主成分とするとともに、セラミックを含有してなり、基準電極リード(97)の比抵抗は、基準電極(95)の比抵抗より低い。また、セラミックの焼結平均一次粒子径は、貴金属の焼結平均一次粒子径より大きい。
【選択図】図3
Description
この種のガスセンサとしては、例えば下記特許文献1に記載の様に、固体電解質体を挟むように一対の電極(検知電極と基準電極)を設けた検出素子と、検出素子を加熱する発熱体を絶縁基板の内部に配置したヒータ部材とを積層したセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。
特に、焼結平均一次粒子径として表現する場合は、焼結体における平均一次粒子径を示しており、この焼結平均一次粒子径は、焼成後の焼結体の断面をSEM等で観察し、二次粒子を除いて一次粒子のみをカウントすることで算出できる。
本第2態様では、基準電極リードの通気量は、基準電極の通気量の66.4%以上であるので、後述する実験例から明らかな様に、十分な通気性を有している。よって、基準電極としての機能を十分に発揮できる。
本第3態様では、発熱体によって検出素子を加熱することにより、固体電解質体を速やかに活性化温度にまで上昇させることができる。
(4)本発明では、第4態様として、被測定ガス中の特定ガスを検出するための検出素子と、絶縁層上に形成されて、前記検出素子を加熱する多孔質の発熱体と、を備えたガスセンサであって、前記発熱体には、前記絶縁層の表面に沿って延設された多孔質の発熱体リードが接続されており、前記発熱体リードは、貴金属を主成分とするとともに、セラミックを含有してなり、前記発熱体リードの比抵抗は、前記発熱体の比抵抗より低く、前記セラミックの焼結平均一次粒子径は、前記貴金属の焼結平均一次粒子径より大きいことを特徴とする。
本第2態様では、発熱体リードの通気量は、発熱体の通気量の20%以上であるので、後述する実験例から明らかな様に、十分な通気性を有している。よって、発熱体リードの断線を、一層効果的に低減することができる。
(7)本発明は、第7態様として、前記基準電極リードの通気量は、前記基準電極の通気量の66.4%以上であり、且つ、前記発熱体リードの通気量は、前記発熱体の通気量の20%以上であることを特徴とする。
(8)本発明は、第8態様として、前記貴金属は、白金、パラジウム、白金−パラジウム合金、白金−金合金のいずれか1種であることを特徴とする。
(9)本発明は、第9態様として、前記貴金属の焼結平均一次粒子径は、1.5μm以下であることを特徴とする。
[第1実施形態]
以下では、ガスセンサとして、被測定ガス中の酸素濃度(従って空燃比)を検出できる空燃比センサの実施形態について説明する。
この空燃比センサは、例えば、自動車に搭載した内燃機関の排気管(図示しない)に取り付けられて、排気管内を流通する排ガス中の酸素ガス成分の濃度に基づき空燃比を検出するものである。なお、図1の下方を空燃比センサの先端側とし、その反対側を後端側として説明する。
主体金具9は、その外周に雄ねじ部14を備えており、雄ねじ部14を内燃機関の排気管に形成された雌ねじ孔部(図示せず)に締着することにより、主体金具9自身が排気管に固定される。
プロテクタ13は、内側プロテクタ19及び外側プロテクタ21により、2重壁構造となっている。
セラミックホルダ33は、アルミナ製であり、金属カップ31内に嵌め込まれている。滑石リング35は、金属カップ31の内部及び主体金具9の内部の一部にわたり充填されている。スリーブ37は、アルミナ製であり、滑石リング35を後端側から押さえるように、主体金具9に嵌装されている。
セパレータ55は、アルミナからなり、センサ素子7の後端部を覆っている。セパレータ55は、内部に4つの接続端子59、61(図1では2つを示す)を保持しており、各接続端子59、61は、空燃比センサ1の外部に引き出される4本の被覆導線63、65(図1では2本を示す)と各電極パッド47〜53とをそれぞれ電気的に接続している。なお、セパレータ55は、自身の外周面と外筒11の内周面との間に嵌装された保持部材67により保持されている。
図2に示すように、センサ素子7は、酸素濃度の検出を行う板状の検出素子71と、この検出素子71に貼り合わされ、検出素子71を早期に活性化させるための加熱を行う板状のヒータ部材73とを備えている。
一方、センサ素子7の後端側には、その表面及び裏面に、上述した電極パッド47〜53が形成されている(図2では表面の電極パッド47、49のみを示す)。
<検出素子71の構成>
図3に示すように、検出素子71は、酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体77を備えている。なお、図3では、図面右側を先端側、その反対側を後端側として説明する。
中間層79は、部分安定化ジルコニアからなり、固体電解質体77の表面に形成されている。なお、中間層79におけるイットリアの添加量は、例えば4.3mol%であるが、この中間層79を省略してもよい。
絶縁層83は、例えばアルミナからなる矩形状の緻密層であり、検知電極リード89を覆うように、固体電解質体77の表面に積層されている。
一方、検出素子7の裏面側には、通気性を有する多孔質の基準電極部93が形成されている。この基準電極部93は、先端側に配置された矩形状の多孔質の基準電極95と、基準電極95から後端側に線状に延出された多孔質の基準電極リード97とからなる。
具体的には、基準電極95と基準電極リード97は、貴金属(例えば白金)を主成分とするとともに、セラミック(例えばジルコニア)を含有してなり、更に、基準電極リード97の比抵抗は基準電極95の比抵抗より低く、且つ、セラミックの焼結平均一次粒子径は貴金属の焼結平均一次粒子径より大きい。しかも、基準電極リード97の通気量は、基準電極95の通気量の20%以上である。更に、セラミックの焼結平均一次粒子径と貴金属の焼結平均一次粒子径とは、共に1.5μm以下である。
<ヒータ部材73の構成>
図3に戻り、ヒータ部材73は、例えばアルミナからなる一対の絶縁層103、105と、この一対の絶縁層103、105の間に挟持された多孔質のヒータ107とを備えている。
具体的には、発熱体109と発熱体リード111、113は、貴金属(例えば白金)を主成分とするとともに、セラミック(例えばジルコニア)を含有してなり、更に、発熱体リード111、113の比抵抗は発熱体109の比抵抗より低く、且つ、セラミックの焼結平均一次粒子径は貴金属の焼結平均一次粒子径より大きい。しかも、発熱体リード111、113の通気量は、発熱体109の通気量の20%以上である。更に、セラミックの焼結平均一次粒子径と貴金属の焼結平均一次粒子径とは、共に1.5μm以下である。
なお、基準電極部93とヒータ107の製造方法以外は、従来と同様であるので、基準電極部93とヒータ107の製造方法を中心に説明する。
特に、本実施形態では、ヒータ107のパターンを形成する際には、まず、一対の発熱体リード111、113を構成する材料を用いて、絶縁層105上に発熱体リード111、113のパターンを形成する。ここで、発熱体リード111、113を構成する材料としては、上述した発熱体リード111、113の構造を形成するための材料を使用する。具体的には、平均一次粒子径0.6μmの白金を94質量%、平均一次粒子径1.0μmのアルミナを6質量%含む材料に、有機材料等を加えてペースト化したものを用いる。
d)次に、本実施形態の空燃比センサ1の効果について説明する。
空燃比センサ1の検知電極87を排ガスに晒すとともに、基準電極95に酸素基準源となる酸素を供給する(即ち大気を導入する)することにより、検知電極95と基準電極95とにおける酸素濃度の違いによって起電力を生じる。この起電力は、酸素濃度の違いに対応しているので、起電力から酸素濃度(従って空燃比)を求めることができる。
本実施形態では、検出素子71とヒータ部材73とを備えたセンサ素子7について説明したが、ヒータ部材73を省略することもできる。この場合は、基準電極部93が外部に露出しないように、絶縁層103で覆う。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
この空燃比センサは、排気管内を流通する排ガス中の酸素ガス成分の濃度に基づき空燃比を検出する、いわゆる全領域空燃比センサである。なお、図6の下方を空燃比センサの先端側とし、その反対側を後端側として説明する。
具体的には、主体金具209の後端側には、外筒211が固定され、先端側には、内側プロテクタ215及び外側プロテクタ217からなる2重壁構造のプロテクタ213が固定されている。
更に、前記センサ素子207は、その長手方向中間部位にて、保持体205内に同軸的に嵌装されており、このセンサ素子207は、後に詳述する様に、その先端側に、検出部239を備えるとともに、後端側に、電極パッド241、242、243、244、245(図7、図8参照)を備えている。
セパレータ246は、先端セパレータ248及び後端セパレータ249からなり、先端セパレータ248は、センサ素子207の後端部を覆っている。なお、先端セパレータ248は、その外周面と外筒211の内周面との間に嵌装した保持部材250により保持され、後端セパレータ249は、先端セパレータ248とグロメット247との間に挟まれている。
b)次に、空燃比センサ201の要部であるセンサ素子207について、図7及び図8に基づいて説明する。
以下に、検出素子271とヒータ部材273との構成を詳しく説明する。
<検出素子271の構成>
図8に示すように、検出素子271は、主として、酸素ポンプセル281及び酸素濃度検出セル283を備えている。
このうち、外側ポンプ電極部287は、その先端側に外側ポンプ電極313を備えるとともに、外側ポンプ電極313から延びる外側リード315を備えている。この外側リード315の後端は、第1絶縁層285のスルーホール部317を介して電極パッド241に接続されている。
一方、前記基準電極部307は、前記第1実施形態と同様に、先端側に配置された多孔質の基準電極339と、基準電極339から後端側に延びる多孔質の基準電極リード341とからなる。
具体的には、前記第1実施形態と同様に、基準電極339と基準電極リード341は、貴金属(例えば白金)を主成分とするとともに、セラミック(例えばジルコニア)を含有してなり、更に、基準電極リード341の比抵抗は基準電極339の比抵抗より低い。また、セラミックの焼結平均一次粒子径は貴金属の焼結平均一次粒子径より大きく、且つ、両方の粒子とも焼結平均一次粒子径は1.5μm以下であり、しかも、基準電極リード341の通気量は、基準電極95の通気量の66.4%以上である。
<ヒータ部材273の構成>
図8に戻り、ヒータ部材273は、前記第1実施形態と同様に、例えばアルミナからなる一対の絶縁層351、353と、この一対の絶縁層351、353の間に挟持された多孔質のヒータ355とを備えている。
具体的には、前記第1実施形態と同様に、発熱体357と発熱体リード359、361は、貴金属(例えば白金)を主成分とするとともに、セラミック(例えばジルコニア)を含有してなり、更に、発熱体リード359、361の比抵抗は発熱体357の比抵抗より低い。また、セラミックの焼結平均一次粒子径は貴金属の焼結平均一次粒子径より大きく、且つ、両方の粒子とも焼結平均一次粒子径は1.5μm以下であり、しかも、発熱体リード359、361の通気量は、発熱体357の通気量の20%以上である。
c)次に、上述した構成を備えた空燃比センサ201の基本的な動作を説明する。
なお、基準電極部307とヒータ355の製造方法以外は、従来と同様であるので、基準電極部307とヒータ355の製造方法を詳しく説明する。
固体電解質体289の表裏面に外側ポンプ電極287や内側ポンプ電極291のパターンを形成し、また、固体電解質体305の表裏面に検知電極部303や基準電極部307のパターンを形成する。
特に、本実施形態では、ヒータ355のパターンを形成する際には、まず、一対の発熱体リード359、361を構成する材料を用いて、絶縁層353上に発熱体リード359、361のパターンを形成する。ここで、発熱体リード359、361を構成する材料としては、上述した発熱体リード359、361の構造を形成するための材料を使用する。具体的には、平均一次粒子径0.6μmの白金を94質量%、平均一次粒子径1.0μmのアルミナを6質量%含む材料に、有機材料等を加えてペースト化したものを用いる。
e)次に、本実施形態による作用効果について説明する。
本実施形態では、検出素子271とヒータ部材273とを備えたセンサ素子207について説明したが、ヒータ部材273を省略することもできる。
[実験例]
次に、本発明の効果を確認した実験例について説明する。
<実験例1>
本実験例は、発熱体及び発熱体リードを備えたヒータについて、発熱体と発熱体リードとにおける通気量(単位面積当たりの通気量)の違いによるヒータの耐久性を調べたものである。
なお、通気量は、発熱体と発熱体リードとにおいて、それぞれの白金とアルミナの原料の平均一次粒子径を違えることによって異なるように設定した。また、発熱体と発熱体リードとの通気量は、VIC社製 コンソール型全自動Heリークディテクター MS−50を用いて測定した。
本実験例は、基準電極及び基準電極リードを備えた基準電極部について、基準電極リードにおける通気量(単位面積当たりの通気量)の違いによる空燃比センサの出力及びその時間的変化を調べたものである。
なお、通気量は、基準電極リードの白金とアルミナの原料の平均一次粒子径を違えることによって異なるように設定した。また、基準電極と基準電極リードとの通気量は、VIC社製 コンソール型全自動Heリークディテクター MS−50を用いて測定した。
その結果を、図11及び図13に記す。なお、図13では、基準電極の通気量(A)(0.663×10−6cc/sec)に対する基準電極リードの通気量(B)の割合である通気量比B/A(%)を示している。
ここで、図13の試料No.16が、(基準電極リードの)原料のPtの平均一次粒子径(0.6μm)より大きな平均一次粒子径(1.0μm)のセラミックを用いたものであり、十分な通気量が確保されている。
一方、試料No.17〜19は、(基準電極リードの)原料のPtの平均一次粒子径より小さな平均一次粒子径のセラミックを用いた比較例である。
更に、試料No.20は、Ptとセラミックの平均一次粒子径(10μm)より小さな平均一次粒子径(0.8μm)のセラミックを用いたものであり、十分な通気量が確保されているが、導電性を確保するために多くのPtが使用されている。
それに対して、比較例の試料No.17〜18では、基準室形成電流の印加を中止した後にも大きなセンサ出力が残っており好ましくない。
この結果から、試料No.16のように、基準電極リードの通気量は、基準電極の66.4%以上であれば優れた性能を発揮することが分かる。
本実験例は、基準電極リード及び発熱体リードについて、貴金属の焼結平均粒子径の違いによる比抵抗の変化を調べたものである。
その結果を、図14に記す。
本実験例は、基準電極リード及び発熱体リードについて、セラミックの焼結平均粒子径の違いによる基板への密着性を調べたものである。
その結果を、図15に記す。
例えば、上記実施形態では、被測定ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガスセンサとして、被測定ガス中の酸素濃度(従って空燃比)を検出する空燃比センサを例示したが、これに限定されない。本発明は、基準酸素部を自己生成するガスセンサであれば適用でき、例えば被測定ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサにおいて、酸素基準極として機能する基準電極部の基準電極リードを、上記実施形態あるいは変形例に例示した構成とすることができる。
7、207…センサ素子
71、271…検出素子
73、273…ヒータ部材
77、289、305…固体電解質体
87、331…検知電極
95、339…基準電極
97、341…基準電極リード
109、357…発熱体
111、113、359、361…発熱体リード
Claims (10)
- 板状の固体電解質体と、該固体電解質体を挟んで当該固体電解質体上に形成された一対の電極と、を有する検出素子を備えるとともに、
前記一対の電極のうち、一方の電極は、被測定ガスに接する検知電極であり、他方の電極は、酸素基準部として機能する基準電極であるガスセンサにおいて、
前記基準電極には、前記固体電解質体の表面に沿って延設された多孔質の基準電極リードが接続されており、
前記基準電極リードは、貴金属を主成分とするとともに、セラミックを含有してなり、
前記基準電極リードの比抵抗は、前記基準電極の比抵抗より低く、
前記セラミックの焼結平均一次粒子径は、前記貴金属の焼結平均一次粒子径より大きいことを特徴とするガスセンサ。 - 前記基準電極リードの通気量は、前記基準電極の通気量の66.4%以上であることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。
- 前記検出素子を加熱する発熱体を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 被測定ガス中の特定ガスを検出するための検出素子と、
絶縁層上に形成されて、前記検出素子を加熱する多孔質の発熱体と、
を備えたガスセンサであって、
前記発熱体には、前記絶縁層の表面に沿って延設された多孔質の発熱体リードが接続されており、
前記発熱体リードは、貴金属を主成分とするとともに、セラミックを含有してなり、
前記発熱体リードの比抵抗は、前記発熱体の比抵抗より低く、
前記セラミックの焼結平均一次粒子径は、前記貴金属の焼結平均一次粒子径より大きいことを特徴とするガスセンサ。 - 前記発熱体リードの通気量は、前記発熱体の通気量の20%以上であることを特徴とする請求項4に記載のガスセンサ。
- 板状の固体電解質体と、該固体電解質体を挟んで当該固体電解質体上に形成された一対の電極と、を有する検出素子と、
絶縁層上に形成されて、前記検出素子を加熱する多孔質の発熱体と、
を備え、
前記一対の電極のうち、一方の電極は、被測定ガスに接する検知電極であり、他方の電極は、酸素基準部として機能する基準電極であるガスセンサであって、
前記基準電極には、前記固体電解質体の表面に沿って延設された多孔質の基準電極リードが接続されるとともに、前記発熱体には、前記絶縁層の表面に沿って延設された多孔質の発熱体リードが接続されており、
前記基準電極リード及び発熱体リードは、貴金属を主成分とするとともに、セラミックを含有してなり、
前記基準電極リードの比抵抗は、前記基準電極より低く、且つ、前記発熱体リードの比抵抗は、前記発熱体より低く、
前記基準電極リード及び前記発熱体リードのセラミックの焼結平均一次粒子径は、前記貴金属の焼結平均一次粒子径より大きいことを特徴とするガスセンサ。 - 前記基準電極リードの通気量は、前記基準電極の通気量の66.4%以上であり、且つ、前記発熱体リードの通気量は、前記発熱体の通気量の20%以上であることを特徴とする請求項6に記載のガスセンサ。
- 前記貴金属は、白金、パラジウム、白金−パラジウム合金、白金−金合金のいずれか1種であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 前記貴金属の焼結平均一次粒子径は、1.5μm以下であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 前記セラミックの焼結平均一次粒子径は、1.5μm以下であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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