JP2018009937A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
また、センサ電極の表面領域に存在するRhの偏析は、所定の範囲を超える場合に、特定ガス成分に対するセンサ電極の感度の変化量、言い換えればガスセンサの出力変化量が許容できる範囲を超えることが確認された。
上記センサ素子は、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)と、
該固体電解質体における、測定ガス(G)に晒される第1主面(201)に設けられ、該測定ガス中の特定ガス成分を検出するためのセンサ電極(32)と、
上記固体電解質体における、基準ガス(A)に晒される第2主面(202)に設けられた基準電極(33)と、を備え、
上記センサ電極は、貴金属成分の全体を100質量%とした場合、Ptを30〜70質量%、Rhを70〜30質量%含有するPt−Rh合金からなり、
上記センサ電極の最表面(101)から該センサ電極の厚み方向(T)への深さが350nmまでにおける、Pt−Rh合金中のRhの含有量の変動量は、10質量%の範囲内にある、ガスセンサにある。
図1に示すように、本形態のガスセンサ100は、内燃機関の排気系統を流れる排ガスを測定ガスGとして導入し、排ガス中の、特定ガス成分としてのNOx(窒素酸化物)の濃度を検出するものである。また、ガスセンサ100において用いる基準ガスAは、酸素濃度が一定の大気である。
ヒータ54は、セラミックスの基板541と、この基板541の内部に埋設された、通電によって発熱する発熱体542とを有している。
測定ガス室41内における測定ガスGの流れは、センサ素子1の長尺方向Lの先端側L1から基端側L2に向けた流れとなる。
センサ素子1の先端部に接触する測定ガスGは、保護層6及び拡散抵抗体522を通過して測定ガス室41に導入される。そして、測定ガス室41内の測定ガスGの酸素濃度は、ポンプ電極31と基準電極33との間に電圧が印加されて調整される。また、酸素濃度が調整された後の測定ガスG中の特定ガス成分は、センサ電極32において分解され、センサ電極32と基準電極33との間に流れる電流によって検出される。
センサ電極32のPt−Rh合金におけるRhの含有量が30質量%未満の場合には、センサ電極32の触媒活性が低下するという問題がある。一方、センサ電極32のPt−Rh合金におけるRhの含有量が70質量%超過の場合には、Ptに比べて熱膨張し易いRhの影響によって、ガスセンサ100の使用中の冷熱繰り返しを受けてセンサ電極32の剥離が生じるという問題がある。
図3には、センサ電極32の最表面101から深さ350nmまでの表面範囲T1を模式的に示す。同図に示すように、センサ電極32の最表面101は、多数のPt−Rh合金の粒子X及び多数の固体電解質の粒子Yによって、複雑な凹凸形状を有する。この最表面101には、溝状に窪む多数の気孔が形成されている。センサ電極32の最表面101から深さ350nmまでの表面範囲T1は、凹凸形状の各表面から、凹凸形状に倣ってセンサ電極32及びセンサ素子1の厚み方向Tに測定される範囲のことをいう。この表面範囲T1は、凹凸形状に倣ったセンサ電極32の表面層として捉えることができる。この表面範囲T1は、0.5〜5μmの大きさのPt−Rh合金の粒子における最表面101から厚み方向Tへの深さが350nmまでの表面層として捉えることができる。
この許容変動量は、ガスセンサ100を長期間使用する際の目標とする熱耐久時間Rを5400(Hr)としたときに、この熱耐久時間R内において、特定ガス成分に対するセンサ電極32の感度の変化量としてのガスセンサ100の出力変化量が±10質量%以内に収まることを条件にして求めた。
同図においては、表面範囲T1内における、Pt−Rh合金中のRhの含有量の偏析がほとんどない場合、10%の偏析がある場合、20%の偏析がある場合について、ガスセンサ100の出力変化量を測定した結果を示す。
また、表面範囲T1内に、Pt−Rh合金中のRhの含有量に生じた偏析(変動量)が10質量%である場合には、5400(Hr)経過時のガスセンサ100の出力変化量が−10%の範囲内に収まった。さらに、表面範囲T1内に、Pt−Rh合金中のRhの含有量に生じた偏析(変動量)が20質量%である場合には、5400(Hr)経過時のガスセンサ100の出力変化量が−10%の範囲を超えた。
この結果より、Pt−Rh合金中のRhの含有量の許容変動量は、10質量%であることが確認された。そして、Pt−Rh合金中のRhの含有量が10質量%の範囲内にあることにより、ガスセンサの出力変化量を許容範囲内にできることが分かった。
なお、Rh2O3は、Pt−Rh合金の粒子Xの最表面を分析した結果においてしか検出されず、どの深さまで形成されているかは分かっていない。
同図においては、センサ電極32の最表面101から厚み方向Tへの深さが350nmまでの表面範囲T1において、Rhの偏析がほとんど存在せず、Pt−Rh合金中のRhの含有量の変動幅は3質量%程度である。
なお、本発明は、実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。
100 ガスセンサ
101 最表面
2 固体電解質体
31 ポンプ電極
32 センサ電極
33 基準電極
41 測定ガス室
42 基準ガス室
Claims (3)
- ガス濃度を検出するセンサ素子(1)を備えるガスセンサ(100)において、
上記センサ素子は、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)と、
該固体電解質体における、測定ガス(G)に晒される第1主面(201)に設けられ、該測定ガス中の特定ガス成分を検出するためのセンサ電極(32)と、
上記固体電解質体における、基準ガス(A)に晒される第2主面(202)に設けられた基準電極(33)と、を備え、
上記センサ電極は、貴金属成分の全体を100質量%とした場合、Ptを30〜70質量%、Rhを70〜30質量%含有するPt−Rh合金からなり、
上記センサ電極の最表面(101)から該センサ電極の厚み方向(T)への深さが350nmまでにおける、Pt−Rh合金中のRhの含有量の変動量は、10質量%の範囲内にある、ガスセンサ。 - 上記Pt−Rh合金を構成する粒子の大きさは、0.5〜5μmの範囲内にある、請求項1に記載のガスセンサ。
- 上記固体電解質体の上記第1主面には、測定ガスが導入される測定ガス室(41)が設けられており、
上記固体電解質体の上記第2主面には、基準ガスが導入される基準ガス室(42)が設けられており、
上記固体電解質体における、上記センサ電極が設けられた位置よりも測定ガスの流れの上流側の位置には、測定ガス室内の測定ガスの酸素濃度を調整するためのポンプ電極(31)が設けられている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
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