JP2018021820A - ガスセンサ素子 - Google Patents
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Abstract
Description
このNOxセンサでは、被測定ガスが第1測定室に導入され、固体電解質体と一対の第1電極とからなる第1ポンピングセルによって被測定ガスの酸素濃度が所定の濃度に調整される。そして、この酸素濃度が調整された被測定ガスが第1測定室から第2測定室に流入し、固体電解質体と一対の第2電極とからなる第2ポンピングセルにて被測定ガス中のNOxが分解され、一対の第2電極間にNOx濃度に応じた第2ポンピング電流が流れる。
保護層は、素子本体部の先端側において素子本体部の周囲を覆う多孔質の内側保護層と、内側保護層の周囲を覆う多孔質の外側保護層とを有する。つまり、内側保護層の全周が外側保護層により覆われている。さらに、外側保護層は内側保護層よりも緻密である。
本開示の一態様では、発熱抵抗体が、複数の直線部と、先端側折返部と、後端側折返部とを有して、蛇行状に形成されるようにしてもよい。直線部は、素子本体部の長手方向に沿って延びる。先端側折返部は、複数の直線部のうちの互いに隣り合う2つの直線部を素子本体部の先端側で繋ぐ。後端側折返部は、複数の直線部のうちの互いに隣り合う2つの直線部を素子本体部の後端側で繋ぐ。そして本開示の一態様では、後端側折返部は、第2固体電解質体の後端側の端部よりも、素子本体部の長手方向に沿って素子本体部の先端側の端部から遠くなるように配置されるようにしてもよい。
本実施形態のNOxセンサ1は、車両に搭載され、内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物(以下、NOx)を検出する。
本体部21は、ガスセンサ1の軸線Oの方向(以下、軸線方向DA)に延びる円筒状に形成され、その外周に雄ネジ21aが形成されている。雄ネジ21aは、ガスセンサ1を内燃機関の排気管に取り付けるために排気管に設けられている取付ネジ孔に嵌め合わせることが可能な形状を有する。また本体部21は、軸線方向DAに沿って貫通する貫通孔21bを備える。貫通孔21bの内周壁には、径方向内側に向かって突出する段部21cが形成されている。
主体金具2の貫通孔21bの内部には、先端側FEから後端側BEに向かって順に、ガスセンサ素子3の径方向周囲を取り囲む筒状の部材であるセラミックホルダ41と、粉末充填層である滑石リング42,43と、セラミックスリーブ44とが積層されている。
分離部9は、セパレータ91,92と保持部材93を備える。セパレータ91,92は、軸線方向DAに延びる円筒状に形成されたセラミック製の部材であり、先端側FEから後端側BEに向かって順にセパレータ91とセパレータ92とが積層された状態で、外筒6内に配置される。
固体電解質層131は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。第1測定室121と接触する領域における一部分のセラミック層114が除去され、セラミック層114の代わりに固体電解質層131が充填されている。
固体電解質層141は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。固体電解質層131よりも後端側(すなわち、図2の右側)の領域における一部分のセラミック層116が除去され、セラミック層116の代わりに固体電解質層141が充填されている。
固体電解質層151は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。基準酸素室146および第2測定室148と接触する領域とその周辺の領域のセラミック層118が除去され、セラミック層118の代わりに固体電解質層151が充填されている。
制御回路180は、回路基板上に配置されたアナログ回路である。制御回路180は、Ip1ドライブ回路181、Vs検出回路182、基準電圧比較回路183、Icp供給回路184、Vp2印加回路185、Ip2検出回路186およびヒータ駆動回路187を備える。
基準電圧比較回路183は、基準電圧(例えば、425mV)とVs検出回路182の出力(すなわち、電圧Vs)とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路181へ出力する。そしてIp1ドライブ回路181は、電圧Vsが基準電圧と等しくなるように、第1ポンピング電流Ip1の流れる向きと第1ポンピング電流Ip1の大きさとを制御するとともに、第1測定室121内の酸素濃度を、NOxが分解しない程度の所定値に調整する。
電極パッド36aは、スルーホール導体L1によってリード部133aに接続される。電極パッド36bは、スルーホール導体L2によってリード部143aに接続される。電極パッド36cは、スルーホール導体L3によってリード部152aに接続される。
スルーホール導体L2は、貫通孔H2,H3,H4,H5の内表面に導体を形成することで作成される。貫通孔H2,H4はそれぞれ、絶縁層113,115における後端側BEの端部に形成される。貫通孔H3,H5はそれぞれ、セラミック層114,116における後端側BEの端部に形成される。
まず、センサ制御装置170が起動すると、センサ制御装置170は、ヒータ160に電力を供給する。ヒータ160は、第1ポンピングセル130、酸素濃度検出セル140および第2ポンピングセル150を活性化温度まで加熱する。
センサ制御装置170は、第2ポンピングセル150のポンピング電極152とポンピング電極153との間に一定電圧Vp2を印加する。この電圧は、排気ガス中のNOxガスが酸素と窒素ガスに分解する程度の電圧に設定されている。これにより、排気ガス中のNOxが、窒素と酸素に分解される。NOxの分解により生じた酸素を第2測定室148から汲み出すように、第2ポンピングセル150に第2ポンピング電流Ip2が流れる。第2ポンピング電流Ip2とNOx濃度の間には比例関係があるので、第2ポンピング電流Ip2の電流値を検出することによって排気ガス中のNOx濃度を検出することができる。
図3に示すように、素子本体部31のセラミック層114,116,118となる未焼成絶縁シート、固体電解質層131,141,151となる未焼成固体電解質シート、絶縁層113となる未焼成絶縁層シート、絶縁層119,120となる未焼成絶縁シートを作製する。
さらに、絶縁層120となる未焼成絶縁シートには、貫通孔H13,H14,H15となる孔を形成し、この孔の内周面にはメタライズインクを塗布する。
次に、絶縁層120となる未焼成絶縁シートの上面に、ヒータパターンを覆うように、絶縁層119となる未焼成絶縁シートを積層する。
この層を形成する際には、基準酸素室146および第2測定室148となる部分には層を形成せずに、開口としておく。そして、基準酸素室146となる開口の底部には、多孔質体147となる多孔質スラリーを印刷する。また、この多孔質スラリーの上面と、第2測定室148となる開口には、昇華剤としてカーボンペーストを印刷する。
次に、固体電解質層141となる未焼成固体電解質シートに、第1測定室121と第2測定室148とを接続するための導入路141aとなる貫通孔を開ける。なお、この貫通孔には、カーボンペーストを充填する。
さらに、セラミック層116となる未焼成絶縁シートの上面に、アルミナスラリーを用いて、絶縁層115となる層を印刷する。この層には、拡散抵抗体122を形成する位置に第1の開口を設けるとともに、第1測定室121となる位置にも第2の開口を設けておく。そして、第1の開口には、拡散抵抗体122となる多孔質スラリーを印刷する。また、第1測定室121となる第2の開口には、カーボンペーストを印刷する。なお、第1の開口と第2の開口とは、ガスが流通可能となるように繋がっている。
そして、セラミック層114となる未焼成絶縁シートの上面に、ポンピング電極133となる電極パターンと、リード部133aとなるリードパターンを形成する。一方、セラミック層114となる未焼成絶縁シートの下面には、ポンピング電極132となる電極パターンと、リード部132aとなるリードパターンを形成する。
直線部161cは、一端が折返部161fの他端に接続されて先端側FEに向かって延び、他端が折返部161gの一端に接続される。図4では、折返部161fにおける後端側BEの端部を折返点Ptで示している。
また発熱抵抗体161が、複数の直線部161a,161b,161c,161dと、折返部161e,161f,161gとを有して、蛇行状に形成されている。直線部161a〜dは、素子本体部31の軸線方向DAに沿って延びる。折返部161eは、互いに隣り合う2つの直線部161a,161bを素子本体部31の先端側FEで繋ぐ。折返部161gは、互いに隣り合う2つの直線部161c,161dを素子本体部31の先端側FEで繋ぐ。折返部161fは、互いに隣り合う2つの直線部161b,161cを素子本体部31の後端側BEで繋ぐ。そして折返部161fは、固体電解質層151の後端側BEの端部よりも、素子本体部31の軸線方向DAに沿って素子本体部31の先端側FEの端部から遠くなるように配置される。
また、セラミック層118は絶縁層に相当し、固体電解質層151は第2固体電解質体に相当し、ポンピング電極152,153は第2電極に相当する。
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
Claims (2)
- 被測定ガスが導入される測定室と、
酸素イオン伝導性の第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体上に形成された一対の第1電極とを有し、前記一対の第1電極の間で第1ポンピング電流を流すことにより、前記測定室に導入された前記被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第1ポンピングセルと、
絶縁層に形成された貫通孔の内部に配置された酸素イオン伝導性の第2固体電解質体と、前記第2固体電解質体上に形成された一対の第2電極とを有し、前記第1ポンピングセルにて前記測定室内における酸素濃度が調整された前記被測定ガスに含まれる窒素酸化物の濃度に応じて値が変化する第2ポンピング電流が前記一対の第2電極の間で流れる第2ポンピングセルと、
発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の両端に接続された一対のリード部とを有し、前記第1ポンピングセルおよび前記第2ポンピングセルを加熱するヒータと
を有し、長尺の板状に形成された素子本体部と、
前記素子本体部の先端側において前記素子本体部の周囲を覆う多孔質の内側保護層と、前記内側保護層の周囲を覆う多孔質の外側保護層とを有する保護層と
を備えたガスセンサ素子であって、
前記外側保護層は前記内側保護層よりも緻密であり、
前記内側保護層は、その後端側の端部が、前記第2固体電解質体の後端側の端部よりも、前記素子本体部の長手方向に沿って前記素子本体部の先端側の端部から遠くなるように前記素子本体部の周囲を覆い、
前記発熱抵抗体は、その後端側の端部が、前記第2固体電解質体の後端側の端部よりも、前記素子本体部の長手方向に沿って前記素子本体部の先端側の端部から遠くなるように、前記素子本体部の先端側と前記素子本体部の後端側との間で延びるように形成されているガスセンサ素子。 - 請求項1に記載のガスセンサ素子であって、
前記発熱抵抗体は、前記素子本体部の長手方向に沿って延びる複数の直線部と、前記複数の直線部のうちの互いに隣り合う2つの直線部を前記素子本体部の先端側で繋ぐ先端側折返部と、前記複数の直線部のうちの互いに隣り合う2つの直線部を前記素子本体部の後端側で繋ぐ後端側折返部とを有して、蛇行状に形成されており、
前記後端側折返部は、前記第2固体電解質体の後端側の端部よりも、前記素子本体部の長手方向に沿って前記素子本体部の先端側の端部から遠くなるように配置されるガスセンサ素子。
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