JP2021124389A - ガスセンサ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数のセラミック層を積層してなる積層型のガスセンサ素子1。ガスセンサ素子1は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体2と、固体電解質体2の両主面に設けられた測定電極31及び基準電極32と、測定電極31に面し被測定ガスを導入するチャンバ4と、固体電解質体2を加熱するヒータ5と、を有する。チャンバ4は、ガスセンサ素子1の長手方向に直交する断面において、長手方向及び積層方向の双方に直交する幅方向Wに突出した突出角部43を有する。突出角部43の頂点433は、積層方向におけるチャンバ4の中心4Cよりもヒータ5に近い側に配置されている。
【選択図】図1
Description
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)と、
該固体電解質体の両主面に設けられた測定電極(31)及び基準電極(32)と、
上記測定電極に面し被測定ガスを導入するチャンバ(4)と、
上記固体電解質体を加熱するヒータ(5)と、を有し、
上記チャンバは、上記ガスセンサ素子の長手方向(Y)に直交する断面において、長手方向及び積層方向(Z)の双方に直交する幅方向(W)に突出した突出角部(43)を有し、
該突出角部の頂点(433)は、積層方向における上記チャンバの中心(4C)よりも上記ヒータに近い側に配置されている、ガスセンサ素子にある。
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。
ガスセンサ素子に係る実施形態について、図1〜図13を参照して説明する。
本形態のガスセンサ素子1は、図1、図2に示すごとく、複数のセラミック層を積層してなる積層型のガスセンサ素子である。ガスセンサ素子1は、固体電解質体2と、測定電極31及び基準電極32と、チャンバ4と、ヒータ5と、を有する。
長手方向Yのいずれの位置においても、突出角部43の頂点433は、積層方向Zにおけるチャンバ4の中心4Cよりもヒータ5に近い側に配置されている。
第1面41と第2面42とは、略同一の幅とすることができる。ただし、第1面41の幅を第2面42の幅よりも大きくすることもできる。或いは、第1面41の幅を第2面42の幅よりも小さくすることもできる。
まず、図6に示すごとく、未焼性の状態の固体電解質体2の一方の面に、チャンバ形成層11の一部となるセラミックペースト11aを塗布する。ここで、セラミックペースト11aは、固体電解質体2の表面のうち、チャンバ4の第1面41となる部分を除く領域に、塗布する。なお、図6においては、この段階において、固体電解質体2における他方の面に基準電極32となる導電ペースト320を印刷した状態を示している。
以上により、図1、図2に示すような、ガスセンサ素子1が得られる。
上記ガスセンサ素子1においては、突出角部43の頂点433が、積層方向Zにおけるチャンバ4の中心4Cよりもヒータ5に近い側に配置されている。それゆえ、ヒータ5による加熱時に発生する温度差によって、突出角部43の頂点433に隣接するセラミック層に作用する引張応力を、抑制することができる。その結果、素子割れを効果的に防ぐことができる。
一方、突出角部43を起点とするセラミック層の亀裂は、突出角部43の突出方向に直交する方向に作用する引張応力が大きいほど生じやすくなる。
本例においては、表1に示すように、種々の形状のガスセンサ素子について、素子割れ防止効果及び測定精度を調べた。
すなわち、チャンバ4の幅Wc、ダクト6の幅Wd、角部高さt1、中心高さt2等の各部の寸法を種々変更した複数のガスセンサ素子を試料1〜10として用意した。
本形態は、図20〜図22に示すごとく、チャンバ4への被測定ガスの導入箇所を、チャンバ4の幅方向Wの両側に設けた形態である。
本形態においては、図21、図22に示すごとく、拡散抵抗部15を、長手方向Yにおける、チャンバ4中央部付近に設けている。そして、チャンバ4の先端側はチャンバ形成層11の一部によって閉塞されている。つまり、チャンバ4は、先端側においてはガスが透過しないように閉塞されている。
一方、拡散抵抗部15が存在しない位置におけるガスセンサ素子1の断面は、図1に示す実施形態1のガスセンサ素子1の断面と同様である。
本形態においても、実施形態1と同様の作用効果を有する。
本形態は、図23〜図27に示すごとく、固体電解質体2におけるヒータ5に近い側のセラミック層の構造のバリエーションの形態である。なお、図23〜図27においては、測定電極及び基準電極を省略してある。図28〜図35においても同様である。
図24に示すガスセンサ素子1は、ダクト6に多孔質体60を充填してある。この多孔質体60は、大気側からダクト6に侵入する被毒物質を吸着除去する機能を有する。
図26に示すガスセンサ素子1は、ヒータ5をダクト6よりも幅方向の外側に配置したものである。すなわち、ヒータ5が、ダクト6と積層方向Zに重ならない位置に形成されている。
図27に示すガスセンサ素子1は、チャンバ4をヒータ5とダクト6との間の位置に形成したものである。
その他は、実施形態1と同様の構成及び作用効果を得ることができる。
また、チャンバ4の形状や構造も、例えば、図28〜図31に示すごとく、種々変更することができる。なお、図28〜図31においては、ガスセンサ素子1の一部の構成(例えばダクト形成層13、ヒータ層14)を省略してある。後述する図33〜図35も同様である。
図29に示すように、突出角部43を形成するチャンバ形成層11の内側面を、凹曲面とすることもできる。
本形態は、図32に示すごとく、複数のチャンバ4を積層方向Zに配置したガスセンサ素子1の形態である。
また、本形態においては、固体電解質体2が2層設けられている。そして、各固体電解質体2a、2bにおける、ヒータ5と反対側の面に、それぞれチャンバ形成層11が積層されている。これらのチャンバ形成層11によって、チャンバ4(4a、4b)がそれぞれ形成されている。
本形態は、図33〜図35に示すごとく、上述の実施形態2の変形形態として、拡散抵抗部15の形成位置を種々変更したガスセンサ素子の形態である。
図33に示すように、拡散抵抗部15が、チャンバ形成層11と遮蔽層12との間に介在した構成とすることができる。この場合において、拡散抵抗部15は、チャンバ4の第2面42を形成するものとすることができる。また、拡散抵抗部15は、チャンバ4の長手方向Yの全体にわたり形成されているものとすることもできる。或いは、実施形態2(図21、図22参照)のように、チャンバ4の長手方向Yの一部のみに、拡散抵抗部15を設けることもできる。
その他は、実施形態1と同様である。本形態においても、実施形態1と同様の作用効果を得ることができる。
本形態は、図35に示すごとく、2つの固体電解質体2の間にチャンバ4を設けた2セル構造のガスセンサ素子1の形態である。
ヒータ5に近い側の固体電解質体2aに、参照セルを設け、ヒータ5から遠い側の固体電解質体2bにポンプセルを設ける。ポンプセルにおけるチャンバ4と反対側は、多孔質層17を介して素子表面に露出している。チャンバ形成層11の一部には、拡散抵抗部15が設けられている。また、参照セルにおけるチャンバ4と反対側には、特に空間は設けられていない。すなわち、本形態においては、ダクトが形成されていない。
その他は、実施形態1と同様である。本形態においても、実施形態1と同様の作用効果を得ることができる。
2 固体電解質体
31 測定電極
32 基準電極
4 チャンバ
43 突出角部
433 頂点
5 ヒータ
Claims (5)
- 複数のセラミック層を積層してなる積層型のガスセンサ素子(1)であって、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(2)と、
該固体電解質体の両主面に設けられた測定電極(31)及び基準電極(32)と、
上記測定電極に面し被測定ガスを導入するチャンバ(4)と、
上記固体電解質体を加熱するヒータ(5)と、を有し、
上記チャンバは、上記ガスセンサ素子の長手方向(Y)に直交する断面において、長手方向及び積層方向(Z)の双方に直交する幅方向(W)に突出した突出角部(43)を有し、
該突出角部の頂点(433)は、積層方向における上記チャンバの中心(4C)よりも上記ヒータに近い側に配置されている、ガスセンサ素子。 - 長手方向に直交する断面において、少なくとも一部の上記突出角部の角度(α)は30°以下である、請求項1に記載のガスセンサ素子。
- 上記基準電極に面し基準ガスが導入されるダクト(6)を有し、積層方向において上記ダクトを挟んで上記固体電解質体と反対側に上記ヒータが配されており、上記チャンバは上記ダクトよりも幅方向の寸法が大きい、請求項1又は2に記載のガスセンサ素子。
- 上記チャンバの幅Wcと、上記ダクトの幅Wdとは、1<Wc/Wd≦1.73を満たす、請求項3に記載のガスセンサ素子。
- 上記突出角部は、積層方向における両側において、同一材料に面して形成されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガスセンサ素子。
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