JP2018040716A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、熱伝導率は、熱伝導率=熱拡散率×比熱×密度の式で表される。気孔率が3〜20%である多孔質ジルコニア固体電解質層の密度は、ジルコニア固体電解質基体の80〜97%となる。また、気孔を有しないジルコニア固体電解質基体と、多孔質ジルコニア固体電解質層との熱拡散率及び比熱にはほとんど差がない。そのため、多孔質ジルコニア固体電解質層の熱伝導率は、ジルコニア固体電解質基体の熱伝導率に比べて80%程度低くなる。
上記センサ素子は、
金属酸化物からなる1つ又は複数の固体電解質層(2,2A,2B)と、
該固体電解質層の両主面(201,202,203,204,205,206)に設けられた複数の電極(31,32,33,34)と、
上記固体電解質層における上記主面のいずれかに隣接して形成され、上記電極のいずれかに検出ガス(G)を接触させるための検出ガス室(51)と、
上記固体電解質層に積層され、上記検出ガス室へ上記検出ガス(G)を所定の拡散速度で導入するための多孔質の金属酸化物からなる拡散抵抗層(40)と、
上記固体電解質層に積層された金属酸化物からなる絶縁層(41,42,43,44,45,41A,42A,43A,44A,45A,46A)と、
該絶縁層に配置された発熱体(6)と、を備え、
上記絶縁層における、上記固体電解質層と上記発熱体との間に位置する部分には、上記絶縁層を構成する金属酸化物の熱伝導率を100%とした場合に、59%以下の熱伝導率を有する金属酸化物からなる伝熱抑制層(7)が配置されている、ガスセンサにある。
それ故、上記ガスセンサによれば、絶縁性を確保するとともに、センサ素子における金属酸化物同士の界面の周辺又は金属酸化物と検出ガス室との界面の周辺にクラックが生じにくくすることができる。
(実施形態1)
本形態のガスセンサ100は、酸素、NOx等のガス濃度を検出するセンサ素子1を備える。センサ素子1は、図1に示すように、金属酸化物からなる1つの固体電解質層2と、固体電解質層2の両主面201,202に設けられた一対の電極31,32と、固体電解質層2に積層された金属酸化物からなる絶縁層41,42,43,44,45と、絶縁層44,45に埋設された発熱体6とを備える。絶縁層43,44における、固体電解質層2と発熱体6との間に位置する部分には、絶縁層41,42,43,44,45を構成する金属酸化物の熱伝導率よりも熱伝導率が低い金属酸化物からなる伝熱抑制層7が配置されている。伝熱抑制層7を構成する金属酸化物の熱伝導率は、絶縁層41,42,43,44,45を構成する金属酸化物の熱伝導率を100%とした場合に、59%以下である。
センサ素子1は絶縁碍子71に保持されており、絶縁碍子71はハウジング70に保持されている。ガスセンサ100は、ハウジング70によって排気管に取り付けられ、センサ素子1は、排気管内に配置される。また、ハウジング70には、センサ素子1の先端部を覆う二重のカバー77A,77Bが取り付けられている。センサ素子1は、長尺形状に形成されており、検出ガスGを検出するためのガス検知部10は、センサ素子1における長尺方向Lの先端側の端部に設けられている。
なお、第1主面201、第2主面202とは、固体電解質層2における表面のうち最も面積が大きな一対の表面のことをいう。
この構成により、発熱部61において生じる熱が、拡散抵抗層40と検出ガス室51と固体電解質層2との第1境界部分A1へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。
この構成によっても、発熱部61において生じる熱が、拡散抵抗層40と検出ガス室51と固体電解質層2との第1境界部分A1へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。
この構成によっても、発熱部61において生じる熱が、拡散抵抗層40と検出ガス室51と固体電解質層2との第1境界部分A1へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。
以下に、伝熱抑制層7が配置された本形態のセンサ素子1と、本形態のセンサ素子1から伝熱抑制層7が除かれた従来のセンサ素子9(図4参照)とを比較して、各センサ素子1,9におけるクラック(割れ)の生じやすさについて考察する。
それ故、本形態のセンサ素子1によれば、絶縁性を確保するとともに、金属酸化物からなる拡散抵抗層40と検出ガス室51との界面M1に位置する、拡散抵抗層40にクラックKが生じにくくすることができる。
本形態においては、図6に示すように、電極33,34が設けられた2枚の固体電解質層2A,2Bを用いたセンサ素子1について示す。
本形態のセンサ素子1においては、2枚の固体電解質層2A,2Bの間に、検出ガスGが導入される検出ガス室51が形成されている。第1固体電解質層2Aの両主面203,204には、検出ガス室51内の検出ガスGの酸素濃度を調整するための一対のポンプ電極33が、第1固体電解質層2Aを介して互いに対向する位置に設けられている。一方のポンプ電極33は、検出ガス室51内に配置されており、他方のポンプ電極33は、検出ガスGが透過可能な多孔質体からなるガス導入層40A内に埋設されている。
伝熱抑制層7は、第4絶縁層44Aと第5絶縁層45Aとの間に埋設されている。発熱体6は、第5絶縁層45Aと第6絶縁層46Aとの間に埋設されている。また、伝熱抑制層7を構成する金属酸化物の熱伝導率は、絶縁層41A,42A,43A,44A,45A,46Aを構成する金属酸化物の熱伝導率を100%とした場合に、59%以下である。
この構成により、発熱部61において生じる熱が、第2固体電解質層2Bと第3絶縁層43Aと第4絶縁層44Aとの境界部分へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。
この構成によっても、発熱部61において生じる熱が、第2固体電解質層2Bと第3絶縁層43Aと第4絶縁層44Aとの境界部分へ、最短距離で伝わることを抑制する効果を高めることができる。
それ故、本形態のセンサ素子1によっても、絶縁性を確保するとともに、金属酸化物同士の界面としての、第2固体電解質層2Bと第3絶縁層43Aとの界面M2において、特に第2固体電解質層2BにクラックKが生じにくくすることができる。
本確認試験においては、伝熱抑制層7を構成する金属酸化物の熱伝導率E1が、絶縁層41,42,43,44,45を構成する金属酸化物の熱伝導率E2よりもどれだけ低い場合に、センサ素子の早期活性時においてセンサ素子にクラックが生じにくくなるかの確認を行った。
本確認試験においては、実施形態1に示したセンサ素子1が伝熱抑制層7を有しない場合(図4のセンサ素子9)である比較品1、及び実施形態1に示したセンサ素子1であって、伝熱抑制層7の熱伝導率E1が異なる複数種類のセンサ素子1である試験品1〜4を準備した。また、絶縁層41,42,43,44,45には、熱伝導率E2が32[W・m-1・K-1]であるアルミナを用い、伝熱抑制層7には、熱伝導率E1が8[W・m-1・K-1]であるジルコニア、又はジルコニアとアルミナの混合物を用いた。
そして、本確認試験においては、発熱体6に印加する電圧を10〜27Vの範囲で変更したときに、比較品1のセンサ素子9及び試験品1〜4のセンサ素子1の各拡散抵抗層40にクラックが生じたか否かを確認した。発熱体6の発熱部61の抵抗値は2.0Ωとし、伝熱抑制層7の厚みは10μmとし、発熱体6に印加する電圧の時間は5秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。
本確認試験においては、実施形態1に示したセンサ素子1(試験品5〜7)と、実施形態1に示した従来のセンサ素子9(比較品2)とについて、各センサ素子1,9の早期活性時におけるクラック耐性を確認した。具体的には、発熱体6に印加する電圧を10〜27Vの範囲で変更したときに、各センサ素子1,9の拡散抵抗層40にクラックが生じたか否かを確認した。発熱体6の発熱部61の抵抗値は2.0Ωとし、伝熱抑制層7の厚みは10μmとし、発熱体6に印加する電圧の時間は5秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。なお、絶縁層41,42,43,44,45にはアルミナを用い、伝熱抑制層7にはジルコニアを用いた。
本確認試験においては、実施形態1に示したセンサ素子1について、伝熱抑制層7の適切な厚みtを確認した。具体的には、伝熱抑制層7の厚みtを2〜109μmの範囲で変更させたときに、拡散抵抗層40又は伝熱抑制層7にクラックが生じたか否かを確認した。発熱体6の発熱部61の抵抗値は2.0Ωとし、発熱体6に印加する電圧は27Vとし、電圧を印加する時間は5秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。
そして、伝熱抑制層7の厚みは、4〜75μmとすることにより、センサ素子1にクラックが生じにくくできることが確認された。
本確認試験においては、実施形態2に示したセンサ素子1(試験品8〜10)と、実施形態2に示した従来のセンサ素子9(比較品3)とについて、各センサ素子1,9の早期活性時におけるクラック耐性を確認した。具体的には、発熱体6に印加する電圧を10〜27Vの範囲で変更したときに、各センサ素子1,9の第2固体電解質層2Bにクラックが生じたか否かを確認した。発熱体6の発熱部61の抵抗値は2.0Ωとし、伝熱抑制層7の厚みは10μmとし、発熱体6に印加する電圧の時間は5秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。なお、絶縁層41A,42A,43A,44A,45A,46Aにはアルミナを用い、伝熱抑制層7にはジルコニアを用いた。
本確認試験においては、実施形態2に示したセンサ素子1について、伝熱抑制層7の適切な厚みtを確認した。具体的には、伝熱抑制層7の厚みtを3〜101μmの範囲で変更させたときに、第2固体電解質層2B又は伝熱抑制層7にクラックが生じたか否かを確認した。発熱体6の発熱部61の抵抗値は2.0Ωとし、発熱体6に印加する電圧は27Vとし、電圧を印加する時間は5秒間とした。また、クラックが生じた部分が染色される方法を利用してクラックの有無を確認した。
そして、伝熱抑制層7の厚みは、5〜72μmとすることにより、センサ素子1にクラックが生じにくくできることが確認された。
1 センサ素子
2,2A,2B 固体電解質層
31,32,33,34 電極
41,42,43,44,45,41A,42A,43A,44A,45A,46A 絶縁層
6 発熱体
7 伝熱抑制層
Claims (7)
- ガス濃度を検出するためのセンサ素子(1)を備えるガスセンサ(100)であって、
上記センサ素子は、
金属酸化物からなる1つ又は複数の固体電解質層(2,2A,2B)と、
該固体電解質層の両主面(201,202,203,204,205,206)に設けられた複数の電極(31,32,33,34)と、
上記固体電解質層における上記主面のいずれかに隣接して形成され、上記電極のいずれかに検出ガス(G)を接触させるための検出ガス室(51)と、
上記固体電解質層に積層され、上記検出ガス室へ上記検出ガス(G)を所定の拡散速度で導入するための多孔質の金属酸化物からなる拡散抵抗層(40)と、
上記固体電解質層に積層された金属酸化物からなる絶縁層(41,42,43,44,45,41A,42A,43A,44A,45A,46A)と、
該絶縁層に埋設された発熱体(6)と、を備え、
上記絶縁層における、上記固体電解質層と上記発熱体との間に位置する部分には、上記絶縁層を構成する金属酸化物の熱伝導率を100%とした場合に、59%以下の熱伝導率を有する金属酸化物からなる伝熱抑制層(7)が配置されている、ガスセンサ。 - 上記固体電解質層及び上記伝熱抑制層は、ジルコニア材料によって構成されており、
上記絶縁層は、アルミナ材料によって構成されている、請求項1に記載のガスセンサ。 - 上記検出ガス室は、上記固体電解質層の第1主面(201)に隣接して、上記拡散抵抗層と上記絶縁層とによって囲まれて形成されており、
上記固体電解質層の第2主面(202)には、上記絶縁層によって囲まれた基準ガスダクト(52)が隣接して形成されており、
上記検出ガス室の外形を上記伝熱抑制層に、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向(D)に向けて投影したときに、上記伝熱抑制層は、上記検出ガス室の外形を覆う位置及び大きさに形成されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。 - 上記センサ素子は、上記固体電解質層を複数備え、上記検出ガス室は、上記固体電解質層同士の間に形成されており、
複数の上記固体電解質層のうちの上記伝熱抑制層に最も近い特定固体電解質層の側面は、上記絶縁層内に埋設されており、
上記特定固体電解質層の外形を上記伝熱抑制層に、上記特定固体電解質層と上記絶縁層との積層方向(D)に向けて投影したときに、上記伝熱抑制層は、上記特定固体電解質層の外形を覆う位置及び大きさに形成されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。 - 上記発熱体は、蛇行する導体によって形成されて通電によって発熱する発熱部(61)と、該発熱部を構成する導体の両端に繋がる導体であって、上記発熱部の電気抵抗率よりも電気抵抗率が低く、上記発熱部に通電するための一対のリード部(62)とを有し、
上記発熱部の外形を上記伝熱抑制層に、上記固体電解質層と上記絶縁層との積層方向(D)に向けて投影したときに、上記伝熱抑制層は、上記発熱部の外形を覆う位置及び大きさに形成されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。 - 上記伝熱抑制層は、上記絶縁層の内部に埋設されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記伝熱抑制層と該伝熱抑制層に最も近い上記固体電解質層との間隔(D1,D3)は、上記伝熱抑制層と上記発熱体との間隔(D2,D4)よりも狭い、請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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