JP2019039693A - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
長板状の素子本体(2)と、上記素子本体の表面を保護する多孔質の保護層(3)と、を備えるガスセンサ素子(1)において、
上記素子本体は、長手方向(Z)の一端面(21)側の端部にガス検知部(4)を有し、
上記保護層は、上記一端面を層状に被覆する端面部(32)と、上記一端面に連なる複数の側面(22)を層状に被覆する複数の側面部(33)と、上記端面部及び上記側面部のうち隣り合う2つを接続する角部(34)とからなり、かつ、上記端面部及び上記側面部の1つ以上において、外表面(31)が、上記角部に滑らかに連続する凹面状であり、上記角部に近づくほど層厚が厚くなる、ガスセンサ素子にある。
上記ガスセンサ素子を備えて、被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガスセンサ(S)であって、
上記ガスセンサ素子の外周を支持する筒状ハウジング(H)と、上記ハウジングの一端側に取付けられるカバー体(S1)とを備え、上記カバー体内に、上記保護層が設けられる上記ガスセンサ素子の一端側が収容されると共に、上記カバー体に設けられた通孔(S13、S14)を介して、被測定ガスが上記カバー体内に導入される、ガスセンサにある。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
以下に、ガスセンサ素子及びガスセンサに係る実施形態について、図1〜図15を参照して説明する。図1、図2に示されるガスセンサ素子1は、図3に示されるガスセンサSの主要部を構成し、筒状のインシュレータIに挿通された状態で、その外周が筒状ハウジングHに支持される。ガスセンサSは、例えば、自動車用エンジンの排ガス浄化システムに適用されて、被測定ガスである排ガス中の特定ガス濃度を検出する。具体的には、酸素濃度を検出する酸素センサや、酸素濃度に基づいて空燃比(すなわち、A/F)を検出する空燃比センサ等に用いることができる。
ガスセンサ素子1に形成される保護層3及び外表面31の詳細構成については、後述する。
固体電解質体11は、例えば、ジルコニア系の固体電解質からなり、ヒータ基板53、基準ガス室形成層17、多孔質拡散抵抗層14、拡散抵抗層形成層15、遮蔽層16は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックスからなる。
図1中に拡大して示すように、保護層3は、素子本体2の先端面21側の端部の外周、すなわち、先端面21の全体とこれに連なる側面22の端部を覆って、層状に形成されている。保護層3の外形は、素子本体2の外形に沿う形状であり、その厚さ分だけ素子本体2よりも大きくなっている。ここでは、基端側半部においては、素子本体2と概略相似形状をなし、先端側半部においては、先端面21側ほど層厚が厚くなる末広がりのテーパ形状をなしている。
式1:σ=α×E×ΔT
すなわち、水滴Wの染み込みが生じた低温部3Lと、その下方に接する高温部3Hとの間に熱応力が発生して、低温部3Lが熱収縮する。この被水による熱収縮が同じ箇所に連続して生じると、保護層3の内部において疲労破壊が生じ、剥がれに至る(例えば、図8の(4)参照)。
図10に示すように、素子本体2の表面に保護層3を設ける方法として、型成形方法を採用することができる。(1)に示す工程では、まず、容器状の成形型100に、保護層3を構成するセラミックス材料を含むスラリ200を注入する。成形型100は、例えば、割り子構造の2つの型101、102からなり、2つの型101、102の衝合部に形成される中空部103が、保護層3の外形に対応する形状となっている。例えば、2つの型101、102の先端側半部の内周表面を、先端側へ向けて外方に広がるテーパ状に形成することで、上記図1に示した保護層3を成形できる。
上記した方法により製作したガスセンサ素子1のサンプルについて、保護層3の凹面形状による耐被水性を評価した。図11に示すように、ガスセンサ素子1のサンプルは、保護層3の側面部33の1つが曲面状の凹面となっており、長手方向Zの断面における外表面31の輪郭線311は、一連なりの曲線状となっている。保護層3の層厚は、先端側の角部34に近いほど厚くなっており、素子本体2の先端面21の近傍において、輪郭線311は、R値が最も小さくなる最小R部312を有している。ここでは、角部34の近傍を除く側面部33の層厚は、概略一定としている。このとき、輪郭線311の曲線形状を変化させることで、最小R部312のR値を変化させたサンプル1〜8について、以下の連続被水試験を行った。
制御温度:750℃
被水量:2μL
角部34における層厚:250μm程度
角部34の近傍を除く側面部33の層厚:200μm程度
ディスペンサDの高さh:30mm
ガスセンサ素子及びガスセンサに係る実施形態2について、図15〜図18を参照して説明する。上記実施形態1におけるガスセンサ素子1は、保護層3の端面部32又は側面部33を、全体が滑らかな曲面からなる凹面状とし、外表面31の輪郭線311が曲線状となるように形成したが、全体に凹面状に形成され、角部34に滑らかに連続していれば、必ずしも曲面にて構成されていなくてもよい。
本形態におけるガスセンサ素子1及びガスセンサSの基本構造は、上記実施形態1と同様であり、説明を省略する。
なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
このように、保護層3の外表面31が、角部34に滑らかに連続していない形状であると、水滴Wの広がりが抑制されて、熱応力σが大きくなりやすい。
実験例1と同様にして、図21に示す形状のガスセンサ素子1のサンプルを製作し、保護層3の凹面形状による耐被水性を評価した。図21において、ガスセンサ素子1のサンプルは、保護層3の側面部33の1つが、傾斜面を有する凹面となっており、長手方向Zの断面における輪郭線313は、複数の直線部が連続する屈曲部314を有する。保護層3の層厚は、素子本体2の先端側の角部34に近いほど厚くなっており、角部34の近傍を除く側面部33の層厚は、概略一定となっている。このとき、角部34に至る傾斜面の形状を変化させることで、屈曲部314における角度θを変化させたサンプル9〜17について、実験例1と同様にして、連続被水試験を行った。
表2に連続被水試験の結果を示すように、傾斜面を有する凹面からなる保護層3についても、角部34における層厚が厚くなることで、2μLの水滴Wの滴下を同一箇所に繰り返した場合に、数千回以上の連続被水に耐えることが可能となった。また、図22に屈曲部314の角度θと被水回数の関係を示すように、角度θが150°以上の範囲で、剥離が生じるまでの被水回数が急増している。このように、屈曲部314の角度θが大きく角部34に滑らかに連続する凹面において、滴下した水滴Wの形状が大きく変化することが可能になる。そして、水滴Wと外表面31との接触面積が大きくなることで、上記式1に示したΔTが減少し、連続被水による耐剥離性を向上させることが可能になる。
1 ガスセンサ素子
2 素子本体
21 先端面(一端面)
3 保護層
31 外表面
32 端面部
33 側面部
34 角部
4 ガス検知部
Claims (9)
- 長板状の素子本体(2)と、上記素子本体の表面を保護する多孔質の保護層(3)と、を備えるガスセンサ素子(1)において、
上記素子本体は、長手方向(Z)の一端面(21)側の端部にガス検知部(4)を有し、
上記保護層は、上記一端面を層状に被覆する端面部(32)と、上記一端面に連なる複数の側面(22)を層状に被覆する複数の側面部(33)と、上記端面部及び上記側面部のうち隣り合う2つを接続する角部(34)とからなり、かつ、上記端面部及び上記側面部の1つ以上において、外表面(31)が、上記角部に滑らかに連続する凹面状であり、上記角部に近づくほど層厚が厚くなる、ガスセンサ素子。 - 上記保護層は、上記端面部及び上記側面部の全てにおいて、上記外表面が、上記角部に滑らかに連続する凹面状である、請求項1に記載のガスセンサ素子。
- 上記外表面は、滑らかな曲面を有する凹面状である、請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。
- 上記外表面は、上記長手方向又は長手方向と直交する方向の断面において、滑らかに連続する曲線部からなる輪郭線(311)を有する、請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。
- 上記外表面は、上記輪郭線の最小R部(312)におけるR値が、0.4mm以上である、請求項4に記載のガスセンサ素子。
- 上記外表面は、滑らかに連続する複数の傾斜面を有する凹面状である、請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。
- 上記外表面は、上記長手方向又は長手方向と直交する方向の断面において、滑らかに連続する複数の直線部を組み合わせた輪郭線(313)を有する、請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。
- 上記外表面は、上記輪郭線に形成される屈曲部(314)の最小角度が、150°以上である、請求項7に記載のガスセンサ素子。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載のガスセンサ素子を備えて、被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガスセンサ(S)であって、
上記ガスセンサ素子の外周を支持する筒状ハウジング(H)と、上記ハウジングの一端側に取付けられるカバー体(S1)とを備え、上記カバー体内に、上記保護層が設けられる上記ガスセンサ素子の一端側が収容されると共に、上記カバー体に設けられた通孔(S13、S14)を介して、被測定ガスが上記カバー体内に導入される、ガスセンサ。
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