JP2019002739A - センサ素子、及びそれを備えたガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】大気導入孔を備えたセンサ素子における強度を向上させたセンサ素子、及びそれを備えたガスセンサを提供する。【解決手段】少なくとも第１層１５０第２層１３０と第３層１４０とが積層方向に積層されてなる板状のセンサ素子１０であって、第１層と第３層は、いずれもセラミックを主体として構成され、第２層は、積層方向において第１層と第３層との間に配置され、第２層は、端面に開口する大気導入孔１３１を有し、軸線Ｏ方向に垂直な断面を見たとき、センサ素子の上端面１０ａ、１０ｂとセンサ素子の重心Ｇ１とを最短距離で結ぶ線分Ｐ１の長さＬ１と、センサ素子の上端面と大気導入孔の重心Ｇ２とを最短距離で結ぶ線分Ｐ２の長さＬ２とが、｜Ｌ２−Ｌ１｜／Ｌ１≦０．０５の関係を満たす。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるセンサ素子、及びそれを備えたガスセンサに関する。

従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分（酸素等）の濃度を検出するためのガスセンサが用いられている。このガスセンサとして、自身の内部にセンサ素子を有し、センサ素子は、複数のセラミック層を積層した板状であると共に、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極を有し、そのうち一方の電極が素子内部に開口する空気（大気）導入孔に臨む構成が知られている（特許文献１参照）。
図６に示すように、この大気導入孔５１０はセンサ素子の一端面に開口し、センサ素子の寸法の第１層５０１と第３層５０３との間に、例えば積層方向から見て上記端面に向かってコ字状に切り欠かれた隙間を有する第２層５０２を積層して形成することができる。

特開２００３−１０７０４２号公報（図１、図２）

しかしながら、セラミック層を積層した板状のセンサ素子の内部に上述の大気導入孔５１０を開口した場合、大気導入孔５１０の上下に位置する第１層５０１と第３層５０３の強度が低いため、積層方向に荷重Ｆが掛かると、第１層５０１と第３層５０３のうち強度がより低い層（図６では厚みの薄い第１層５０１）にクラックが入るおそれがある。
そこで、本発明は、大気導入孔を備えたセンサ素子における強度を向上させたセンサ素子、及びそれを備えたガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のセンサ素子は、軸線方向に延び、少なくとも第１層と第２層と第３層とが積層方向に積層されてなる板状のセンサ素子であって、前記第１層と前記第３層は、いずれもセラミックを主体として構成され、前記第２層は、積層方向において前記第１層と前記第３層との間に配置され、前記第２層は、端面に開口する大気導入孔を有し、前記軸線方向に垂直な断面を見たとき、前記センサ素子の上端面と前記センサ素子の重心Ｇ１とを最短距離で結ぶ線分Ｐ１の長さＬ１と、前記センサ素子の上端面と前記大気導入孔の重心Ｇ２とを最短距離で結ぶ線分Ｐ２の長さＬ２とが、｜Ｌ２−Ｌ１｜／Ｌ１≦０．０５の関係を満たすことを特徴とする。

このセンサ素子によれば、センサ素子の上端面から積層方向へ向かう両重心Ｇ１，Ｇ２の距離の差が±５％以下となっている。大気導入室はセンサ素子の空隙の大部分（又は全部）を占めるので、両重心Ｇ１，Ｇ２が積層方向に近接するということは、大気導入室を挟んで積層方向の反対方向の第１層と第３層との厚み（強度）が同等であることを表す。
このため、大気導入孔の上下に位置する第１層と第３層に積層方向に荷重が掛かったとき、第１層と第３層とに応力がほぼ均等に生じるので、第１層と第３層の一方の強度が低い場合に比べ、センサ素子の破壊強度が向上する。

本発明のセンサ素子において、Ｌ１＝Ｌ２の関係を満たすとよい。
このセンサ素子によれば、第１層と第３層との厚み（強度）がより同等になるので、センサ素子の破壊強度がさらに向上する。
好ましい。

本発明のセンサ素子において、前記積層方向から見て前記大気導入孔の内側の領域における前記第１層と前記第３層の外表面から、それぞれ前記積層方向に沿って前記重心Ｇ２に向かって荷重を掛けたとき、前記第１層の破壊強度Ｂ１、前記第３層の破壊強度Ｂ２が、｜Ｂ１−Ｂ２｜／Ｂ２≦０．１９であるとよい。
このセンサ素子によれば、第１層と第３層との強度が同等（両破壊強度Ｂ１，Ｂ２の差が±１９％以下）となるので、積層方向に荷重が掛かったときのセンサ素子の破壊強度が向上する。

本発明のセンサ素子が限界電流式センサ素子を構成するとよい。
限界電流式センサ素子は大気導入室の大きさが大きい傾向にあるので、本発明がより有効となる。

本発明のガスセンサは、板状のセンサ素子と、該センサ素子を保持する主体金具とを備えたガスセンサであって、前記センサ素子として、前記積層型ガスセンサ素子を用いる。

この発明によれば、大気導入孔を備えたセンサ素子における強度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るセンサ素子を備えたガスセンサ（酸素センサ）の一例の軸線方向に沿う断面図である。 センサ素子の模式分解斜視図である。 センサ素子の軸線方向に直交する模式断面図である。 第１層及び第２層の破壊強度の測定方法を示す図である。 センサ素子の第１層と第３層の厚みを変えたときの重心Ｇ１，Ｇ２のズレ、及び第１層と第３層の破損の有無を示す図である。 従来の大気導入孔を備えたセンサ素子に荷重を掛けた状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係るセンサ素子を備えたガスセンサ（酸素センサ）１の一例の軸線Ｏ方向に沿う断面図、図２はセンサ素子１０の模式分解斜視図、図３はセンサ素子１０の軸線Ｏ方向に直交する断面図である。

ガスセンサ１は、センサ素子１０と主体金具２０とを主に備える。センサ素子１０は長尺板状の素子であり、被測定ガスである排ガス中の酸素濃度を測定するためのセンサセルを有している。センサ素子１０は、センサセルが配置されている先端部１０ｓと、リード線７８、７９と電気的に接続されるセンサ側電極パッド部１４、１５（１５のみ図示）が配置されている後端部１０ｋとを有する。センサ素子１０は、先端部１０ｓが主体金具２０の先端側より突出し、後端部１０ｋが主体金具２０の後端側よりも突出した形態で、主体金具２０によって保持されている。

主体金具２０は、センサ素子１０を内部に保持する筒状をなし、主体金具２０の先端側には金属製筒状の外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２が配置され、センサ素子１０の先端部１０ｓを覆っている。外部プロテクタ３１及び内部プロテクタ３２は複数のガス導入孔３１ｈ、３２ｈを有し、ガス導入孔３１ｈ、３２ｈを通じて被測定ガスをセンサ素子１０の先端部１０ｓの周囲に導入する。

主体金具２０の内部には、センサ素子１０の外周を取り囲む環状のセラミックホルダ２１と、粉末充填層（以下、滑石リングともいう）２２，２３と、セラミックスリーブ２４とが、この順に先端側から配置されている。セラミックホルダ２１及び滑石リング２２の外周には、金属ホルダ２５が配置され、セラミックスリーブ２４の後端側には加締めパッキン２６が配置されている。そして、主体金具２０の後端部２７は、加締めパッキン２６を介してセラミックスリーブ２４を先端側に押圧するように加締められている。

主体金具２０の後端側には、センサ素子１０の後端部１０ｋを取り囲むように筒状の外筒５１が配置されている。さらに、外筒５１の内側には、セパレータ６０が配置されている。セパレータ６０は、センサ素子１０の後端部１０ｋを取り囲むと共に、４本のリード線７８，７９（図１では２本のみ表示）を互いに離間して保持する。
セパレータ６０は軸線Ｏ方向に貫通する挿入孔６２を有し、挿入孔６２にセンサ素子１０の後端部１０ｋが挿入されている。又、挿入孔６２には４個の端子部材７５，７６が互いに離間して配置されており、それぞれセンサ素子１０のセンサ側電極パッド部１４、１５及び図示しない２個のヒータ側電極パッド部１６，１７（１７のみ図示）に電気的に接続されている。
一方、外筒５１の後端側には、外筒５１の後端開口部を閉塞するグロメット７３が嵌合され、４本のリード線７８，７９がグロメット７３の挿通孔を貫通して外部に引き出されている。なお、センサ素子１０の後端部１０ｋと外部の大気とは、図示しない連通路によって連通している。

次に、図２、図３を参照してセンサ素子１０の構成について説明する。
センサ素子１０は厚さ方向（積層方向）に、図２の上方から順に、第１セラミック層１１０、第２セラミック層１２０、第３セラミック層１３０、及びヒータ層１４０を積層してなる。各層１１０〜１４０は、アルミナ等の絶縁性セラミックからなり、外形寸法（少なくとも幅及び長さ）の等しい矩形板状をなしている。

第１セラミック層１１０は、保護層１１０ａと、測定室層１１０ｂとを積層してなり、測定室層１１０ｂの先端側（図２の左側）には測定室１１１が矩形状に開口している。又、測定室層１１０ｂの長辺側の両側面には、測定室１１１を外部と区画する多孔質拡散層１１３が配置されている。一方、測定室１１１の先端側と後端側には、測定室１１１の側壁をなすセラミック絶縁層１１５が配置されている。
測定室１１１は多孔質拡散層１１３を介して外部と連通しており、多孔質拡散層１１３は外部と測定室１１１との間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する。これにより、センサ素子１０は限界電流式センサ素子を構成する。又、各多孔質拡散層１１３はセンサ素子１０の長手方向（軸線Ｏ方向）に沿う両側壁を構成して外部に臨むようになっている。

第２セラミック層１２０は、矩形板状の固体電解質体１２２を備えたセル層１２１と、固体電解質体１２２の表裏面にそれぞれ設けられた基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５とを備えている。セル層１２１の先端側（図２の左側）には矩形状に開口する貫通部１２１ｈが設けられ、貫通部１２１ｈに埋め込まれるように固体電解質体１２２が配置されている。なお、基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５から後端側へ向かってリード部１２３Ｌ，１２５Ｌがそれぞれ伸びている。
固体電解質体１２２，基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５は、被測定ガス中の酸素濃度の検出セルを構成し、被測定ガス側電極１２５は測定室１１１に臨み、基準ガス側電極１２３は後述する大気導入室１３１に臨んでいる。

リード部１２３Ｌは、セル層１２１、測定室層１１０ｂ及び保護層１１０ａに設けられたスルーホールを介してセンサ側電極パッド部１４と電気的に接続されている。又、リード部１２５Ｌは、測定室層１１０ｂ及び保護層１１０ａに設けられたスルーホールを介してセンサ側電極パッド部１５と電気的に接続されている。
そして、基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５の検出信号が、センサ側電極パッド部１４，１５から２本のリード線７９を介して外部に出力され、酸素濃度が検出される。

第３セラミック層１３０は、先端側（図２の左側）から後端側へ向かって大気導入室１３１が平面視コの状に開口する枠体をなしている。従って、大気導入室１３１は後端側の面（図２の右側の面）に開口して外部と連通している。

ヒータ層１４０は、第１層１４０ａ、第２層１４０ｂ、及び第１層１４０ａと第２層１４０ｂの間に配置される発熱体１４１を備えている。第１層１４０ａは第３セラミック層１３０と対向している。発熱体１４１は、蛇行状のパターンを有する発熱部１４１ｍ、及び発熱部１４１ｍの両端から後端側に延びる２つのリード部１４１Ｌを備えている。
各リード部１４１Ｌは、第２層１４０ｂに設けられたスルーホールを介してヒータ側電極パッド部１６，１７と電気的に接続されている。そして、２本のリード線７８を介してヒータ側電極パッド部１６，１７から発熱体１４１に通電することで、発熱体１４１が発熱し、固体電解質体１２２を活性化する。

固体電解質体１２２は、例えばジルコニア（ＺｒＯ_２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）又はカルシア（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することができる。

基準ガス側電極１２３及び被測定ガス側電極１２５、発熱体１４１、センサ側電極パッド部１４，１５、ヒータ側電極パッド部１６，１７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、Ｒｈ、Ｐｄ等を挙げることができ、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。

ここで、第１セラミック層１１０と第２セラミック層１２０との積層体１５０が特許請求の範囲の「第１層」に相当する。又、第３セラミック層１３０、ヒータ層１４０がそれぞれ特許請求の範囲の「第２層」、「第３層」に相当する。
大気導入室１３１が特許請求の範囲の「大気導入孔」に相当する。
なお、第１層、第３層が「セラミックを主体とする」とは、各層の構成成分のうち、セラミックの合計割合が５０質量％を超えることをいう。

そして、図３に示すように、軸線Ｏ方向に垂直な断面を見たとき、センサ素子１０の上面１０ａと前記センサ素子の重心Ｇ１とを最短距離で結ぶ線分Ｐ１の長さＬ１と、前記センサ素子の上端面と前記大気導入孔の重心Ｇ２とを最短距離で結ぶ線分Ｐ２の長さＬ２とが、｜Ｌ２−Ｌ１｜／Ｌ１≦０．０５の関係を満たす。
つまり、センサ素子１０の上端面１０ａから積層方向へ向かう両重心Ｇ１，Ｇ２の距離の差が±５％以下となっている。大気導入室１３１はセンサ素子１０の空隙の大部分（又は全部）を占めるので、両重心Ｇ１，Ｇ２が積層方向に近接するということは、大気導入室１３１を挟んで積層方向の反対方向の第１層１５０と第３層１４０との厚み（強度）が同等であることを表す。

このため、大気導入孔１３１の上下に位置する第１層１５０と第３層１４０に積層方向に荷重Ｆが掛かったとき、第１層１５０と第３層１４０とに応力がほぼ均等に生じるので、第１層１５０と第３層１４０の一方の強度が低い場合に比べ、センサ素子の破壊強度が向上する。

特に、Ｌ１＝Ｌ２であると、第１層１５０と第３層１４０との厚み（強度）がより同等になるので好ましい。
なお、センサ素子１０の上面１０ａの代わりに、下面１０ｂ側から重心Ｇ１、Ｇ２に向かって線分Ｐ１、Ｐ２を規定しても同様に｜Ｌ２−Ｌ１｜／Ｌ１≦０．０５の関係を満たすのはいうまでもない。従って、上面１０ａ及び下面１０ｂが特許請求の範囲の「上端面」に相当する。

図４に示すように、積層方向から見て大気導入孔１３１の内側の領域Ｓにおける第１層１５０の外表面（上面１０ａ）から、積層方向に沿って重心Ｇ２に向かって荷重Ｆｓを掛けたとき、第１層１５０の破壊強度をＢ１とする。同様に、図示はしないが領域Ｓにおける第３層１４０の外表面（下面１０ｂ）から、積層方向に沿って重心Ｇ２に向かって荷重Ｆｓを掛けたとき、第３層１４０の破壊強度をＢ２とする。
このとき、｜Ｂ１−Ｂ２｜／Ｂ２≦０．１９であると、第１層１５０と第３層１４０との強度が同等（両破壊強度Ｂ１，Ｂ２の差が±１９％以下）となるので、積層方向に荷重Ｆが掛かったときの破壊強度が向上する。

本発明は上記実施形態に限定されず、大気導入孔を有するあらゆるガスセンサ（センサ素子）に適用可能であり、本実施の形態の酸素センサ（酸素センサ素子）に適用することができるが、これらの用途に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（ＮＯｘセンサ素子）や、ＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ（ＨＣセンサ素子）等に本発明を適用してもよい。
また、大気導入孔の形状や寸法も限定されない。
第１層１５０、第２層１３０、及び第３層１４０はそれぞれ単層でも複数層の積層体でもよい。又、上述のように、第１層１５０及び／又は第３層１４０が大気導入孔１３１以外の空隙（空間）を含んでもよい。但し、この空間の積層方向の高さは大気導入孔１３１の高さよりも小さいものとする。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

アルミナ製の第１層１５０、第３層１４０の厚みを表１に示すように種々に変え、図２、図３に示すセンサ素子１０を製造した。なお、第１層１５０〜第３層１４０までのセンサ素子１０の厚みを１．０５ｍｍとし、大気導入孔１３１の幅（センサ素子１０の幅方向の大気導入孔１３１の長さ）を１．０ｍｍとした。
このセンサ素子１０につき、図４に示すように、積層方向から見て大気導入孔１３１の内側の領域Ｓにおける第１層１５０の上面１０ａに、ロードセルのヘッド３００を置き、積層方向に沿って重心Ｇ２に向かって荷重Ｆｓ＝２００ＭＰａを掛け、第１層１５０が破壊したときの荷重を測定し、単位面積で除して破壊強度Ｂ１を求めた。同様にして、センサ素子１０を上下ひっくり返し、領域Ｓにおける第３層１４０の下面１０ｂに、ロードセルのヘッド３００を置き、破壊強度Ｂ２を求めた。
得られた結果を図５に示す。

図５に示すように、｜Ｌ２−Ｌ１｜／Ｌ１≦０．０５、｜Ｂ１−Ｂ２｜／Ｂ２≦０．１９の関係を満たす場合、第１層１５０及び第３層１４０が破損しなかった。一方、この関係を満たさない場合、第１層１５０又は第３層１４０が破損した。

１ ガスセンサ
１０ センサ素子
１０ａ、１０ｂ センサ素子の上端面
２０ 主体金具
１５０ 第１層
１３０ 第２層
１３１ 大気導入孔
１４０ 第３層
Ｏ 軸線

Claims (5)

1. 軸線方向に延び、少なくとも第１層と第２層と第３層とが積層方向に積層されてなる板状のセンサ素子であって、
   前記第１層と前記第３層は、いずれもセラミックを主体として構成され、
   前記第２層は、積層方向において前記第１層と前記第３層との間に配置され、
   前記第２層は、端面に開口する大気導入孔を有し、
   前記軸線方向に垂直な断面を見たとき、前記センサ素子の上端面と前記センサ素子の重心Ｇ１とを最短距離で結ぶ線分Ｐ１の長さＬ１と、前記センサ素子の上端面と前記大気導入孔の重心Ｇ２とを最短距離で結ぶ線分Ｐ２の長さＬ２とが、｜Ｌ２−Ｌ１｜／Ｌ１≦０．０５の関係を満たすことを特徴とするセンサ素子。
2. Ｌ１＝Ｌ２の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記積層方向から見て前記大気導入孔の内側の領域における前記第１層と前記第３層の外表面から、それぞれ前記積層方向に沿って前記重心Ｇ２に向かって荷重を掛けたとき、前記第１層の破壊強度Ｂ１、前記第３層の破壊強度Ｂ２が、｜Ｂ１−Ｂ２｜／Ｂ２≦０．１９であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ素子。
4. 限界電流式センサ素子を構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ素子。
5. 板状のセンサ素子と、該センサ素子を保持する主体金具とを備えたガスセンサであって、
   前記センサ素子として、請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層型ガスセンサ素子を用いるガスセンサ。

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