JP2020139760A - ガスセンサ素子及びガスセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
ガス中の所定成分の濃度を検出するのに用いられるガスセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を備えた素子本体と、
前記素子本体の表面の部位であって使用時に高温になる所定部位と、
少なくとも前記所定部位を覆うように設けられた多孔質保護層と、
前記多孔質保護層と前記所定部位との間に設けられた第1空間層と、
を備え、
前記多孔質保護層の内面のうち前記所定部位と対向する領域の最大高さ粗さRzは、50μm以下である、
ものである。
上述した実施形態のセンサ素子101の製造方法に従って、複数のセラミックスグリーンシートを積層した小積層体に緩衝層91bを形成するためのペーストを塗布したものを焼成することにより、図2,3に示したセンサ素子101を作製した。具体的には、まず、前後方向の長さが67.5mm、左右方向の幅が4.25mm、上下方向の厚さが1.45mmのセンサ素子本体101aを作製した。なお、センサ素子本体101aを作製するにあたり、セラミックスグリーンシートは、安定化剤のイットリアを4mol%添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形により成形した。緩衝層91bを形成するためのペーストは、以下のように調製した。まず、原料粉末として、粒径D50=5μmのアルミナ粉末を用意した。そして、アルミナ粉末の体積割合を10vol%とし、バインダー溶液(ポリビニルアセタールとブチルカルビトール)を40vol%とし、助溶剤(アセトン)を45vol%とし、分散剤(ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル)を5vol%としてこれらを調合し、ポットミル混合機の回転数を200rpmとして3時間混合して、ペーストの調整を行った。
実験例2〜5では、多孔質保護層91を溶射する前のセンサ素子本体101aの最大高さ粗さRzを20〜40μmの範囲で変化させた以外は、実験例1と同様にしてセンサ素子101を作製した。得られた実験例2〜5のセンサ素子101につき、多孔質保護層91の内面のうち外側ポンプ電極23と対向する領域の最大高さ粗さRzと、空間層93のうち外側ポンプ電極23に対向する第1空間層93aの厚みのバラツキを測定した。それらの結果を表1に示す。なお、実験例2〜5では、空間層93の平均厚みが50μmとなるように調整した。
実験例1〜5では熱膨張差により空間層93を形成したが、実験例6〜9では多孔質保護層91を溶射する前に空間層93と同形状の消失材をディッピングにより塗布し、その後溶射により多孔質保護層91を成膜したあと、600℃に加熱して消失材を消失させることにより空間層93を形成した。ここでは、消失材としてテオブロミンを用いた。また、溶射条件は実験例1と同じにした。得られた実験例6〜9のセンサ素子101につき、多孔質保護層91の内面のうち外側ポンプ電極23と対向する領域の最大高さ粗さRzと、空間層93のうち外側ポンプ電極23に対向する第1空間層93aの厚みのバラツキを測定した。それらの結果を表1に示す。なお、実験例6〜9では、空間層93の平均厚みが50μmとなるように調整した。
実験例1〜9のセンサ素子について、多孔質保護層91の性能(センサ素子101の耐被水性)を評価した。具体的には、まず、ヒータ72に通電して温度を800℃とし、センサ素子101を加熱した。この状態で、大気雰囲気中で主ポンプセル21,補助ポンプセル50,主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80,補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81等を作動させて、第1内部空所内20内の酸素濃度を所定の一定値に保つように制御した。そして、ポンプ電流Ip0が安定するのを待った後、多孔質保護層91に水滴をたらし、ポンプ電流Ip0が所定の閾値を超えた値に変化したか否かに基づいて、センサ素子101のクラックの有無を判定した。なお、水滴による熱衝撃でセンサ素子101にクラックが生じると、クラック部分を通過して第1内部空所内20内に酸素が流入しやすくなるため、ポンプ電流Ip0の値が大きくなる。そのため、ポンプ電流Ip0が実験で定められる所定の閾値を超えている場合に、水滴でセンサ素子101にクラックが生じたと判定した。水滴の量は8μLと12μLとした。それらの結果を表1に示す。
Claims (8)
- ガス中の所定成分の濃度を検出するのに用いられるガスセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を備えた素子本体と、
前記素子本体の表面の部位であって使用時に高温になる所定部位と、
少なくとも前記所定部位を覆うように設けられた多孔質保護層と、
前記多孔質保護層と前記所定部位との間に設けられた第1空間層と、
を備え、
前記多孔質保護層の内面のうち前記所定部位と対向する領域の最大高さ粗さRzは、50μm以下である、
ガスセンサ素子。 - 前記多孔質保護層の内面のうち前記所定部位と対向する領域の最大高さ粗さRzは、40μm以下である、
請求項1に記載のガスセンサ素子。 - 前記第1空間層は、厚みバラツキが20%以下である、
請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。 - 前記固体電解質層は、ジルコニア層であり、
前記多孔質保護層は、多孔質アルミナ層である、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。 - 前記所定部位は、固体電解質層の酸素イオン伝導性を利用して所定成分を検出するのに用いられる電極群の1つである外側電極である、
請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。 - 前記素子本体は、長尺な直方体形状であり、
前記素子本体のうち長手方向の一方の端面を含む先端部には、前記電極群が設けられ、
前記多孔質保護層は、前記先端部の表面を覆うように設けられ、
前記多孔質保護層と前記先端部の表面との間には、前記第1空間層を含む空間層が存在している、
請求項5に記載のガスセンサ素子。 - 前記所定部位は、外部空間から前記素子本体の内部に前記ガスを取り込む空間であるガス流通部を前記素子本体の表面に投影した部位である、
請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスセンサ素子。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載されたガスセンサ素子
を備えたガスセンサ。
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