JP2023125262A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】センサ素子の先端検出部に割れが生じる可能性を、より効果的に下げることができるガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサ1のセンサ素子2は、固体電解質体31、ヒータ34及び保護層20を有する。保護層20は、センサ素子2の検出先端部25を覆っており、気孔率が25%以上である。保護層20における、固体電解質体31とヒータ34との対向方向Dの固体電解質体31が位置する側の平面部分である遮蔽側部分22の厚みt2は、保護層20における、対向方向Dのヒータ34が位置する側の平面部分であるヒータ側部分21の厚みt1よりも大きい。【選択図】図2
Description
本発明は、ガスセンサに関する。
ガスセンサは、例えば、自動車の排気管に配置され、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれる種々のガスを検出するために用いられる。ガスセンサは、ガスを検出するためのセンサ素子の他に、センサ素子を排気管等に取り付けるハウジング等を備える。
センサ素子は、検出対象ガスに晒される電極が設けられた固体電解質体、固体電解質体に積層された絶縁体、絶縁体に埋設されたヒータ等を有する。センサ素子の長手方向の検出先端部には、電極と、ヒータの発熱部とが対向して配置されている。検出先端部の表面には、センサ素子を被水による割れ等から保護するための多孔質の保護層が設けられている。
センサ素子においては、割れ(クラック)の発生を防止する目的等に応じて、保護層の厚みを、センサ素子の長手方向の中心軸線の周りの各部位において適宜異ならせることが行われている。例えば、特許文献1の積層型ガスセンサ素子及びガスセンサにおいては、抵抗発熱体を内部に有するヒータ層と、ヒータ層に積層された一対の電極を有する検出層との境界部等に割れが生じにくくするために、積層方向に直交する側面に形成された保護層の厚みを、積層方向の両側の表面に形成された保護層の厚みよりも厚くすることが行われている。
発明者らの研究開発により、センサ素子において割れが生じるメカニズムには種々の形態があることが分かった。センサ素子の長手方向に直交する断面においては、ヒータが配置された側の温度が相対的に高温になり、ヒータが配置されていない側の温度が相対的に低温になる。この現象を考慮すると、センサ素子の長手方向に直交する断面において、保護層を設ける厚みには、特許文献1を含む従来のガスセンサのセンサ素子とは異なる工夫が必要である。特に、近年、センサ素子の更なる早期活性化が求められる場合には、センサ素子の昇温速度が更に速くなり、熱衝撃によってセンサ素子に割れが生じる可能性が高まる。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、センサ素子の先端検出部に割れが生じる可能性を、より効果的に下げることができるガスセンサを提供しようとするものである。
本発明の一態様は、
検出対象ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
前記センサ素子の長手方向(L)の検出先端部(25)において前記検出対象ガスに晒される電極(311,312)が設けられた固体電解質体(31)と、
前記電極に対向する位置に発熱部(341)を有し、前記固体電解質体に対向して配置されたヒータ(34)と、
前記検出先端部を覆い、気孔率が25%以上である保護層(20)と、を有し、
前記保護層における、前記固体電解質体と前記ヒータとの対向方向(D)の前記固体電解質体が位置する側の平面部分である遮蔽側部分(22)の厚み(t2)は、前記保護層における、前記対向方向の前記ヒータが位置する側の平面部分であるヒータ側部分(21)の厚み(t1)よりも大きい、ガスセンサにある。
検出対象ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
前記センサ素子の長手方向(L)の検出先端部(25)において前記検出対象ガスに晒される電極(311,312)が設けられた固体電解質体(31)と、
前記電極に対向する位置に発熱部(341)を有し、前記固体電解質体に対向して配置されたヒータ(34)と、
前記検出先端部を覆い、気孔率が25%以上である保護層(20)と、を有し、
前記保護層における、前記固体電解質体と前記ヒータとの対向方向(D)の前記固体電解質体が位置する側の平面部分である遮蔽側部分(22)の厚み(t2)は、前記保護層における、前記対向方向の前記ヒータが位置する側の平面部分であるヒータ側部分(21)の厚み(t1)よりも大きい、ガスセンサにある。
前記一態様のガスセンサのセンサ素子においては、センサ素子の検出先端部を覆う保護層の気孔率を25%以上にしている。この構成により、保護層の熱伝導率を適切に低くして、固体電解質体及びヒータを含む素子体から保護層への熱引けが生じにくくなる。また、保護層の遮蔽側部分の厚みは、保護層のヒータ側部分の厚みよりも大きい。この構成により、保護層のヒータ側部分の保温効果に比べて、保護層の遮蔽側部分の保温効果が高くなり、ヒータによる検出先端部の昇温過程において、検出先端部における対向方向の温度分布が生じにくくなる。そして、熱引けが生じにくい効果と、温度分布が生じにくくなる効果とが相まって、センサ素子の検出先端部に熱応力が生じにくくすることができる。
前記一態様のガスセンサによれば、センサ素子の先端検出部に割れが生じる可能性を、より効果的に下げることができる。
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
<実施形態1>
本形態のガスセンサ1は、図1~図3に示すように、検出対象ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子2を備える。センサ素子2は、固体電解質体31、ヒータ34及び保護層20を有する。固体電解質体31には、センサ素子2の長手方向Lの検出先端部25において、検出対象ガスに晒される電極311,312が設けられている。ヒータ34は、固体電解質体31に対向して配置されており、電極311,312に対向する位置に発熱部341を有する。保護層20は、センサ素子2の検出先端部25を覆っており、気孔率が25%以上である。保護層20における、固体電解質体31とヒータ34との対向方向Dの固体電解質体31が位置する側の平面部分である遮蔽側部分22の厚みt2は、保護層20における、対向方向Dのヒータ34が位置する側の平面部分であるヒータ側部分21の厚みt1よりも大きい。
<実施形態1>
本形態のガスセンサ1は、図1~図3に示すように、検出対象ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子2を備える。センサ素子2は、固体電解質体31、ヒータ34及び保護層20を有する。固体電解質体31には、センサ素子2の長手方向Lの検出先端部25において、検出対象ガスに晒される電極311,312が設けられている。ヒータ34は、固体電解質体31に対向して配置されており、電極311,312に対向する位置に発熱部341を有する。保護層20は、センサ素子2の検出先端部25を覆っており、気孔率が25%以上である。保護層20における、固体電解質体31とヒータ34との対向方向Dの固体電解質体31が位置する側の平面部分である遮蔽側部分22の厚みt2は、保護層20における、対向方向Dのヒータ34が位置する側の平面部分であるヒータ側部分21の厚みt1よりも大きい。
以下に、本形態のガスセンサ1について詳説する。
(ガスセンサ1)
図1に示すように、ガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)の排気管7の取付口71に配置され、排気管7を流れる排ガスGを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれるガスとしての酸素、特定ガス等の濃度を検出するために用いられる。ガスセンサ1は、排ガスGにおける酸素、未燃ガス等の濃度に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ(A/Fセンサ)として用いてもよい。
(ガスセンサ1)
図1に示すように、ガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)の排気管7の取付口71に配置され、排気管7を流れる排ガスGを検出対象ガスとして、検出対象ガスに含まれるガスとしての酸素、特定ガス等の濃度を検出するために用いられる。ガスセンサ1は、排ガスGにおける酸素、未燃ガス等の濃度に基づいて、内燃機関における空燃比を求める空燃比センサ(A/Fセンサ)として用いてもよい。
排気管7には、排ガスG中の有害物質を浄化するための触媒が配置されており、ガスセンサ1は、排気管7における排ガスGの流れ方向において、触媒の上流側又は下流側のいずれに配置してもよい。また、ガスセンサ1は、排ガスGを利用して内燃機関が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管に配置してもよい。また、ガスセンサ1を配置する配管は、内燃機関から排気管7に排気される排ガスGの一部を、内燃機関の吸気管に再循環させる排気再循環機構における配管としてもよい。
(センサ素子2)
図2及び図3に示すように、固体電解質体31には、絶縁体33A,33Bが積層されており、ヒータ34は、絶縁体33B内に埋設されている。固体電解質体31及び絶縁体33A,33Bは、積層タイプのセンサ素子2を形成している。センサ素子2は、長尺の長方形状に形成されており、後述する素子保持材42によって保持された状態でハウジング41に保持されている。絶縁体33A,33Bは、固体電解質体31の第1表面301に積層された第1絶縁体33A及び固体電解質体31の第2表面302に積層された第2絶縁体33Bによって構成されている。ヒータ34は、第2絶縁体33Bに埋設されている。
図2及び図3に示すように、固体電解質体31には、絶縁体33A,33Bが積層されており、ヒータ34は、絶縁体33B内に埋設されている。固体電解質体31及び絶縁体33A,33Bは、積層タイプのセンサ素子2を形成している。センサ素子2は、長尺の長方形状に形成されており、後述する素子保持材42によって保持された状態でハウジング41に保持されている。絶縁体33A,33Bは、固体電解質体31の第1表面301に積層された第1絶縁体33A及び固体電解質体31の第2表面302に積層された第2絶縁体33Bによって構成されている。ヒータ34は、第2絶縁体33Bに埋設されている。
なお、ヒータ34は、第1絶縁体33Aに埋設されていてもよい。この場合には、ヒータ側は、第1絶縁体33Aが配置された側となり、遮蔽側は、第2絶縁体33Bが配置された側となる。
(長手方向L,対向方向D,幅方向W)
本形態において、ガスセンサ1及びセンサ素子2の長手方向Lとは、センサ素子2が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、長手方向Lに直交し、固体電解質体31と各絶縁体33A,33Bとが対向する方向(積層された方向)を、対向方向(積層方向)Dという。また、長手方向Lと対向方向Dとに直交する方向を、幅方向Wという。また、センサ素子2の長手方向Lにおいて、排ガスGに晒される側を先端側L1といい、先端側L1の反対側を基端側L2という。
本形態において、ガスセンサ1及びセンサ素子2の長手方向Lとは、センサ素子2が長尺形状に延びる方向のことをいう。また、長手方向Lに直交し、固体電解質体31と各絶縁体33A,33Bとが対向する方向(積層された方向)を、対向方向(積層方向)Dという。また、長手方向Lと対向方向Dとに直交する方向を、幅方向Wという。また、センサ素子2の長手方向Lにおいて、排ガスGに晒される側を先端側L1といい、先端側L1の反対側を基端側L2という。
(固体電解質体31、排気電極311及び大気電極312)
図2及び図3に示すように、固体電解質体31は、所定の活性温度において、酸素イオン(O2-)の伝導性を有するものである。固体電解質体31の第1表面301には、排ガスGに晒される排気電極311が設けられており、固体電解質体31の第2表面302には、大気Aに晒される大気電極312が設けられている。排気電極311と大気電極312とは、センサ素子2の長手方向Lの、排ガスGに晒される先端側L1の部位において、固体電解質体31を介して対向方向Dに重なる位置に配置されている。センサ素子2の長手方向Lの先端側L1の部位には、排気電極311及び大気電極312と、これらの電極311,312の間に挟まれた固体電解質体31の部分とによるセンサセルが形成されている。
図2及び図3に示すように、固体電解質体31は、所定の活性温度において、酸素イオン(O2-)の伝導性を有するものである。固体電解質体31の第1表面301には、排ガスGに晒される排気電極311が設けられており、固体電解質体31の第2表面302には、大気Aに晒される大気電極312が設けられている。排気電極311と大気電極312とは、センサ素子2の長手方向Lの、排ガスGに晒される先端側L1の部位において、固体電解質体31を介して対向方向Dに重なる位置に配置されている。センサ素子2の長手方向Lの先端側L1の部位には、排気電極311及び大気電極312と、これらの電極311,312の間に挟まれた固体電解質体31の部分とによるセンサセルが形成されている。
固体電解質体31は、ジルコニア系酸化物からなり、ジルコニア(酸化ジルコニウム)を主成分とし(50質量%以上含有し)、希土類金属元素又はアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアからなる。固体電解質体31を構成するジルコニアの一部は、イットリア、スカンジア又はカルシアによって置換される。
排気電極311及び大気電極312は、酸素に対する触媒活性を示す貴金属としての白金、及び固体電解質体31との共材としてのジルコニア系酸化物を含有している。図1及び図2に示すように、排気電極311及び大気電極312には、これらの電極311,312をガスセンサ1の外部と電気接続するための電極リード部が接続されている。
(ガス室35)
図2及び図3に示すように、固体電解質体31の第1表面301には、第1絶縁体33Aと固体電解質体31とに囲まれたガス室35が隣接して形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aの長手方向Lの先端側L1の部位において、排気電極311を収容する位置に形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aと拡散抵抗部32と固体電解質体31とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管7内を流れる排ガスGは、拡散抵抗部32を通過してガス室35内に導入される。
図2及び図3に示すように、固体電解質体31の第1表面301には、第1絶縁体33Aと固体電解質体31とに囲まれたガス室35が隣接して形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aの長手方向Lの先端側L1の部位において、排気電極311を収容する位置に形成されている。ガス室35は、第1絶縁体33Aと拡散抵抗部32と固体電解質体31とによって閉じられた空間部として形成されている。排気管7内を流れる排ガスGは、拡散抵抗部32を通過してガス室35内に導入される。
(拡散抵抗部32)
図2及び図3に示すように、本形態の拡散抵抗部32(ガス導入部)32は、ガス室35の長手方向Lの先端側L1の部位に設けられている。拡散抵抗部32は、第1絶縁体33Aに形成された導入口内に、アルミナ(酸化アルミニウム)等の金属酸化物の多孔質体を配置することによって形成されている。ガス室35に導入される排ガスGの拡散速度(流量)は、排ガスGが拡散抵抗部32における多孔質体の気孔を通過する速度が制限されることによって決定される。なお、拡散抵抗部32は、ガス室35の幅方向Wの両側に設けられていてもよい。
図2及び図3に示すように、本形態の拡散抵抗部32(ガス導入部)32は、ガス室35の長手方向Lの先端側L1の部位に設けられている。拡散抵抗部32は、第1絶縁体33Aに形成された導入口内に、アルミナ(酸化アルミニウム)等の金属酸化物の多孔質体を配置することによって形成されている。ガス室35に導入される排ガスGの拡散速度(流量)は、排ガスGが拡散抵抗部32における多孔質体の気孔を通過する速度が制限されることによって決定される。なお、拡散抵抗部32は、ガス室35の幅方向Wの両側に設けられていてもよい。
(大気ダクト36)
図2及び図3に示すように、固体電解質体31の第2表面302には、第2絶縁体33Bと固体電解質体31とに囲まれ、大気Aが導入される大気ダクト36が隣接して形成されている。大気ダクト36は、第2絶縁体33Bにおける、大気電極312を収容する長手方向Lの部位から、センサ素子2の長手方向Lにおける基端位置まで形成されている。
図2及び図3に示すように、固体電解質体31の第2表面302には、第2絶縁体33Bと固体電解質体31とに囲まれ、大気Aが導入される大気ダクト36が隣接して形成されている。大気ダクト36は、第2絶縁体33Bにおける、大気電極312を収容する長手方向Lの部位から、センサ素子2の長手方向Lにおける基端位置まで形成されている。
(各絶縁体33A,33B)
図2及び図3に示すように、第1絶縁体33Aは、ガス室35を形成するものであり、第2絶縁体33Bは、大気ダクト36を形成するとともにヒータ34を埋設するものである。第1絶縁体33A及び第2絶縁体33Bは、アルミナ(酸化アルミニウム)等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体33A,33Bは、排ガスG又は大気Aである気体が透過することができない緻密体として形成されている。
図2及び図3に示すように、第1絶縁体33Aは、ガス室35を形成するものであり、第2絶縁体33Bは、大気ダクト36を形成するとともにヒータ34を埋設するものである。第1絶縁体33A及び第2絶縁体33Bは、アルミナ(酸化アルミニウム)等の金属酸化物によって形成されている。各絶縁体33A,33Bは、排ガスG又は大気Aである気体が透過することができない緻密体として形成されている。
(ヒータ34)
図2及び図3に示すように、ヒータ34は、発熱体として構成されており、大気ダクト36を形成する第2絶縁体33B内に埋設されている。ヒータ34は、通電によって発熱する発熱部341と、発熱部341の、長手方向Lの基端側L2に繋がるヒータリード部とを有する。発熱部341は、固体電解質体31と各絶縁体33A,33Bとの対向方向Dにおいて、少なくとも一部が排気電極311及び大気電極312に重なる位置に配置されている。ヒータ34は、導電性を有する金属材料によって構成されている。
図2及び図3に示すように、ヒータ34は、発熱体として構成されており、大気ダクト36を形成する第2絶縁体33B内に埋設されている。ヒータ34は、通電によって発熱する発熱部341と、発熱部341の、長手方向Lの基端側L2に繋がるヒータリード部とを有する。発熱部341は、固体電解質体31と各絶縁体33A,33Bとの対向方向Dにおいて、少なくとも一部が排気電極311及び大気電極312に重なる位置に配置されている。ヒータ34は、導電性を有する金属材料によって構成されている。
センサ素子2の検出先端部25は、センサ素子2において、排気電極311、大気電極312及び発熱部341が配置された、長手方向Lの先端側の部位として形成されている。
(保護層20)
図2及び図3に示すように、保護層20は、排ガスGが通過可能な気孔を有するセラミックス材料としての、互いに結合された複数のセラミックス粒子によって構成されている。保護層20には、アルミナ(酸化アルミニウム)、スピネル(尖晶石)等の粒子が用いられる。検出先端部25の長手方向Lに直交する断面における各部位の保護層20の厚みt1,t2は、この断面内の温度分布が生じにくくするために、適宜異なっている。
図2及び図3に示すように、保護層20は、排ガスGが通過可能な気孔を有するセラミックス材料としての、互いに結合された複数のセラミックス粒子によって構成されている。保護層20には、アルミナ(酸化アルミニウム)、スピネル(尖晶石)等の粒子が用いられる。検出先端部25の長手方向Lに直交する断面における各部位の保護層20の厚みt1,t2は、この断面内の温度分布が生じにくくするために、適宜異なっている。
固体電解質体31及び絶縁体33A,33Bによる素子体の長手方向Lに直交する断面は、C面(テーパ面)又はR面(曲面)による4つの角部が形成された四角形状を有する。素子体とは、保護層20を除くセンサ素子2のことをいう。固体電解質体31とヒータ34との対向方向Dの固体電解質体31が位置する側の平面部分は、第1絶縁体33Aの表面として形成されている。固体電解質体31とヒータ34との対向方向Dのヒータ34が位置する側の平面部分は、第2絶縁体33Bの表面として形成されている。各平面部分とは、C面又はR面を除く、幅方向Wに平行な表面のことをいう。
保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2とは、遮蔽側の平面部分、換言すれば第1絶縁体33Aの対向方向Dの表面の全体に設けられた保護層20の部分の厚みt2のことを示す。保護層20のヒータ側部分21の厚みt1とは、ヒータ側の平面部分、換言すれば第2絶縁体33Bの対向方向Dの表面の全体に設けられた保護層20の部分の厚みt1のことを示す。
保護層20の遮蔽側部分22の全体の厚みt2は、保護層20のヒータ側部分21の全体の厚みt1よりも大きい。保護層20の遮蔽側部分22及びヒータ側部分21は、平坦状になるように形成されている。そして、保護層20の遮蔽側部分22の幅方向Wのどこの位置の厚みt2も、保護層20のヒータ側部分21の幅方向Wのどこの位置の厚みt1よりも大きい。
発熱部341の長手方向Lの発熱中心位置Hについての、センサ素子2の長手方向Lに直交する断面において、保護層20の遮蔽側部分22の全体の厚みt2は、保護層20のヒータ側部分21の全体の厚みt1の1.3倍以上である。本形態においては、センサ素子2の長手方向Lにおける、発熱部341が配置された位置の全体についての長手方向Lに直交する断面において、保護層20の遮蔽側部分22の幅方向Wのどこの位置の厚みt2も、保護層20のヒータ側部分21の幅方向Wのどこの位置の厚みt1の1.3倍以上である。この構成により、ヒータ34素子の検出先端部25の長手方向Lに直交する断面における温度分布がより生じにくくすることができる。
また、保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2は、498μm以上である。より具体的には、保護層20の遮蔽側部分22の幅方向Wのどこの位置の厚みt2も、498μm以上である。この構成により、保護層20の遮蔽側部分22の保温効果(断熱効果)を適切に発揮することができる。保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2は、例えば、1000μm以下とすればよい。
保護層20のヒータ側部分21の厚みt1は、被水によるセンサ素子2の素子体の割れを防止できる範囲内で、極力薄くしてもよい。保護層20のヒータ側部分21の厚みt1は、例えば、100μm以上であって498μm未満とすればよい。
また、保護層20における、長手方向L及び対向方向Dの双方に直交する幅方向Wの両側に位置する側方部分23の厚みt3は、保護層20のヒータ側部分21の厚みt1よりも大きい。この構成により、保護層20の側方部分23における保温効果を向上させることができ、センサ素子2の検出先端部25の長手方向Lに直交する断面における温度分布がより生じにくくすることができる。
保護層20の側方部分23の厚みt3は、保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2よりも小さくてもよく、大きくてもよい。また、センサ素子2の長手方向Lの先端面にも保護層20は形成されている。
(保護層20の気孔率の測定方法)
保護層20の気孔率は、種々の方法によって測定することができる。例えば、保護層20の一部の断面をSEM(走査型電子顕微鏡)によって観察し、断面内における気孔の割合を二値化等によって算出して、これを気孔率としてもよい。SEMの倍率は、保護層20における粒子のサイズや気孔のサイズに応じて変えてもよい。例えば、保護層20を構成する主材の粒径と気孔のサイズが数マイクロから数十マイクロオーダーで有れば、500~2000倍程度で観察することがある。また、保護層20における複数の断面を観察し、複数の断面における気孔の割合の平均値を気孔率としてもよい。気孔率の単位は、体積%となるが、実質的には、断面における割合として、面積%として捉えてもよい。
保護層20の気孔率は、種々の方法によって測定することができる。例えば、保護層20の一部の断面をSEM(走査型電子顕微鏡)によって観察し、断面内における気孔の割合を二値化等によって算出して、これを気孔率としてもよい。SEMの倍率は、保護層20における粒子のサイズや気孔のサイズに応じて変えてもよい。例えば、保護層20を構成する主材の粒径と気孔のサイズが数マイクロから数十マイクロオーダーで有れば、500~2000倍程度で観察することがある。また、保護層20における複数の断面を観察し、複数の断面における気孔の割合の平均値を気孔率としてもよい。気孔率の単位は、体積%となるが、実質的には、断面における割合として、面積%として捉えてもよい。
(保護層20の形成方法)
保護層20は、保護層20を形成するためのセラミックス材料のスラリーを、センサ素子2の素子体の検出先端部25に噴射し、乾燥させることによって形成してもよい。この場合には、保護層20の遮蔽側部分22がヒータ側部分21に比べて厚くなるようにスラリーを噴射する。
保護層20は、保護層20を形成するためのセラミックス材料のスラリーを、センサ素子2の素子体の検出先端部25に噴射し、乾燥させることによって形成してもよい。この場合には、保護層20の遮蔽側部分22がヒータ側部分21に比べて厚くなるようにスラリーを噴射する。
また、保護層20は、センサ素子2の素子体の検出先端部25を成形型内に配置し、成形型内に保護層20を形成するためのセラミックス材料のスラリーを注入して、型成形によって形成してもよい。この場合には、保護層20の遮蔽側部分22がヒータ側部分21に比べて厚くなるように、成形型のキャビティを形成する。
また、保護層20は、保護層20を形成するためのセラミックス材料のスラリーの中に、センサ素子2の素子体の検出先端部25を浸漬した後に取り出し、乾燥させることによって形成してもよい。この場合には、保護層20の遮蔽側部分22がヒータ側部分21に比べて厚くなるように、スラリーからセンサ素子2の素子体の検出先端部25を取り出した後の状態を管理する。
なお、素子体の検出先端部25に保護層20が形成された後には、保護層20を含むセンサ素子2の全体が焼成される。
(他のセンサ素子2の構成)
図4に示すように、保護層20を除くセンサ素子2は、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有していてもよい。具体的には、センサ素子2における絶縁体33A,33Bは、アルミナ材料とする以外にも、ジルコニア材料によって構成してもよい。ジルコニア材料は、固体電解質体31を構成するジルコニア材料と同種の材料とすればよい。固体電解質体31及び絶縁体33A,33Bによる素子体の多く又はほとんどがジルコニア材料によって構成されている場合には、絶縁体33A,33Bにアルミナ材料が使用されている場合に比べて、割れが生じやすい状態にある。そのため、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有するセンサ素子2の場合には、検出先端部25の長手方向Lに直交する断面における温度分布が生じにくくなる効果がより顕著に得られる。
図4に示すように、保護層20を除くセンサ素子2は、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有していてもよい。具体的には、センサ素子2における絶縁体33A,33Bは、アルミナ材料とする以外にも、ジルコニア材料によって構成してもよい。ジルコニア材料は、固体電解質体31を構成するジルコニア材料と同種の材料とすればよい。固体電解質体31及び絶縁体33A,33Bによる素子体の多く又はほとんどがジルコニア材料によって構成されている場合には、絶縁体33A,33Bにアルミナ材料が使用されている場合に比べて、割れが生じやすい状態にある。そのため、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有するセンサ素子2の場合には、検出先端部25の長手方向Lに直交する断面における温度分布が生じにくくなる効果がより顕著に得られる。
また、図示は省略するが、センサ素子2は、1つの固体電解質体31を有するものに限られず、複数の固体電解質体31を有するものとしてもよい。この場合にも、ヒータ34は、対向方向Dの片寄った位置に配置され、対向方向Dにおいて、ヒータ34に近い側がヒータ側となり、その反対側が遮蔽側となる。
(ガスセンサ1の他の構成)
図1に示すように、ガスセンサ1は、センサ素子2を排気管7に配置するとともにセンサ制御装置5に電気配線するために、ハウジング41、素子保持材42、端子保持材43、接触部材431、接点端子44、先端側カバー45、基端側カバー46、ブッシュ47、リード線48等を有する。
図1に示すように、ガスセンサ1は、センサ素子2を排気管7に配置するとともにセンサ制御装置5に電気配線するために、ハウジング41、素子保持材42、端子保持材43、接触部材431、接点端子44、先端側カバー45、基端側カバー46、ブッシュ47、リード線48等を有する。
ハウジング41は、ガスセンサ1を排気管7の取付口71に締め付けるために用いられる。ハウジング41は、素子保持材42等を介してセンサ素子2を保持する。センサ素子2は、ガラス421を介して素子保持材42に保持され、素子保持材42は、かしめ用材料422,423,424を介してハウジング41に保持されている。素子保持材42の長手方向Lの基端側L2には、接点端子44を保持する端子保持材43が連結されている。端子保持材43は、接触部材431によって基端側カバー46に支持されている。
接点端子44は、センサ素子2における、各電極311,312及びヒータ34をリード線48に電気的に接続するものである。接点端子44は、端子保持材43内に配置された状態で、接続金具441を介してリード線48に接続されている。
図1に示すように、先端側カバー45は、ハウジング41の長手方向Lの先端側L1に設けられており、センサ素子2の検出先端部25を覆う。先端側カバー45には、センサ素子2に接触する排ガスGが流通可能なガス流通孔451が形成されている。センサ素子2の検出先端部25及び先端側カバー45は、内燃機関の排気管7内に配置される。排気管7内を流れる排ガスGの一部は、先端側カバー45のガス流通孔451から先端側カバー45内に流入する。そして、先端側カバー45内の排ガスGは、センサ素子2の保護層20及び拡散抵抗部32を通過して排気電極311へと導かれる。
基端側カバー46は、ハウジング41の長手方向Lの基端側L2に設けられており、ガスセンサ1の長手方向Lの基端側L2に位置する配線部を覆って、この配線部を大気Aに含まれる水等から保護するためのものである。配線部は、センサ素子2に電気的に繋がる部分としての、接点端子44、接点端子44とリード線48との接続部分(接続金具441)等によって構成される。
基端側カバー46の長手方向Lの基端側L2の部分の内周側には、複数のリード線48を保持するブッシュ47が保持されている。基端側カバー46には、ガスセンサ1の外部から大気Aを導入するための大気導入孔461が形成されている。大気導入孔461は、撥水フィルタ462によって覆われている。センサ素子2における、大気ダクト36の基端位置は、基端側カバー46内の空間に開放されており、大気Aは、大気ダクト36内の大気電極312へ導かれる。
(センサ制御装置5)
図1に示すように、ガスセンサ1におけるリード線48は、ガスセンサ1におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置5に電気接続されている。センサ制御装置5は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置6と連携してガスセンサ1における電気制御を行うものである。センサ制御装置5は、各種制御回路、コンピュータ等を用いて構成されている。なお、センサ制御装置5は、エンジン制御装置6内に構築してもよい。センサ制御装置5は、排気電極311と大気電極312との間に直流電圧を印加する回路511、及び排気電極311と大気電極312との間に流れる電流を検出する回路512等を用いて構成されている。
図1に示すように、ガスセンサ1におけるリード線48は、ガスセンサ1におけるガス検出の制御を行うセンサ制御装置5に電気接続されている。センサ制御装置5は、エンジンにおける燃焼運転を制御するエンジン制御装置6と連携してガスセンサ1における電気制御を行うものである。センサ制御装置5は、各種制御回路、コンピュータ等を用いて構成されている。なお、センサ制御装置5は、エンジン制御装置6内に構築してもよい。センサ制御装置5は、排気電極311と大気電極312との間に直流電圧を印加する回路511、及び排気電極311と大気電極312との間に流れる電流を検出する回路512等を用いて構成されている。
(作用効果)
本形態のガスセンサ1のセンサ素子2においては、センサ素子2の検出先端部25を覆う保護層20の気孔率を25%以上にしている。この構成により、保護層20の熱伝導率を適切に低くして、固体電解質体31及びヒータ34を含む素子体から保護層20への熱引けが生じにくくなる。また、保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2は、保護層20のヒータ側部分21の厚みt1よりも大きい。この構成により、保護層20のヒータ側部分21の保温効果(断熱効果)に比べて、保護層20の遮蔽側部分22の保温効果が高くなり、ヒータ34によるセンサ素子2の昇温過程において、センサ素子2の検出先端部25における対向方向Dの温度分布(温度差)が生じにくくなる。そして、熱引けが生じにくい効果と、温度分布が生じにくくなる効果とが相まって、センサ素子2の検出先端部25に熱応力が生じにくくすることができる。
本形態のガスセンサ1のセンサ素子2においては、センサ素子2の検出先端部25を覆う保護層20の気孔率を25%以上にしている。この構成により、保護層20の熱伝導率を適切に低くして、固体電解質体31及びヒータ34を含む素子体から保護層20への熱引けが生じにくくなる。また、保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2は、保護層20のヒータ側部分21の厚みt1よりも大きい。この構成により、保護層20のヒータ側部分21の保温効果(断熱効果)に比べて、保護層20の遮蔽側部分22の保温効果が高くなり、ヒータ34によるセンサ素子2の昇温過程において、センサ素子2の検出先端部25における対向方向Dの温度分布(温度差)が生じにくくなる。そして、熱引けが生じにくい効果と、温度分布が生じにくくなる効果とが相まって、センサ素子2の検出先端部25に熱応力が生じにくくすることができる。
ヒータ34によってセンサ素子2の検出先端部25を昇温する過程においては、検出先端部25のヒータ側の温度が、検出先端部25の遮蔽側の温度よりも高くなり、検出先端部25の対向方向Dに温度分布が生じる。このとき、発明者らの研究開発から得られた知見により、検出先端部25のヒータ側の部分には幅方向Wの外側への引張応力が生じ、検出先端部25の遮蔽側の部分には幅方向Wの内側への圧縮応力が生じることが分かった。この引張応力及び圧縮応力の発生により、検出先端部25に割れが生じやすい状態が形成される。
本形態のガスセンサ1のセンサ素子2においては、この温度分布に応じた引張応力及び圧縮応力の発生を緩和するために、保護層20の気孔率を25%以上とし、検出先端部25に設ける保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2を、保護層20のヒータ側部分21の厚みt1よりも大きくする。すなわち、保護層20のヒータ側部分21の厚みt1が相対的に小さいことにより、ヒータ側部分21の保温効果が低くなる。一方、保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2が相対的に大きいことにより、遮蔽側部分22の保温効果が高くなる。この構成により、センサ素子2の検出先端部25の対向方向Dに生じる温度分布が緩和される。そのため、検出先端部25に熱応力が生じにくくなり、検出先端部25に割れが生じにくくすることができる。
センサ素子2に生じる昇温ストレスが最も高くなるタイミングが、エンジン始動後のセンサ始動時である。センサ始動時には、ヒータ34への本通電を行って、センサ素子2を早期に活性化させる。また、ヒータ34への本通電前に微通電することによって、センサ素子2に生じる昇温ストレスを緩和するような制御をする場合もある。ただし、本通電においていかに早くセンサ素子2を昇温するかが早期活性のポイントとなる。
本形態のガスセンサ1のセンサ素子2においては、センサ素子2の検出先端部25を覆う保護層20に工夫をすることにより、センサ素子2の昇温速度を20℃/s以上にして、センサ素子2を早期に活性化させる場合にも、検出先端部25に割れが生じにくくすることができる。
このように、本形態のガスセンサ1によれば、センサ素子2の検出先端部25に割れが生じる可能性を、より効果的に下げることができる。
<実施形態2>
本形態は、保護層20の一部を2層構造にしたセンサ素子2について示す。図4に示すように、本形態の保護層20の遮蔽側部分22は、気孔率が相対的に大きい内側層221と、内側層221の外側に積層され、内側層221に比べて気孔率が相対的に小さい外側層222とによって構成されている。内側層221は、センサ素子2の対向方向Dにおける遮蔽側の部分の保温効果を高めるために、保護層20のヒータ側部分21及び外側層222に比べて気孔率を高くしたものである。
本形態は、保護層20の一部を2層構造にしたセンサ素子2について示す。図4に示すように、本形態の保護層20の遮蔽側部分22は、気孔率が相対的に大きい内側層221と、内側層221の外側に積層され、内側層221に比べて気孔率が相対的に小さい外側層222とによって構成されている。内側層221は、センサ素子2の対向方向Dにおける遮蔽側の部分の保温効果を高めるために、保護層20のヒータ側部分21及び外側層222に比べて気孔率を高くしたものである。
内側層221を除く保護層20の全体は、同種のセラミックス材料によって構成されており、内側層221は、他の部分と気孔率が異なるセラミックス材料によって構成されている。より具体的には、本形態の保護層20のヒータ側部分21、側方部分23、外側層222は、気孔率が25%以上である同種の第1セラミックス材料によって構成されており、内側層221は、第1セラミックス材料に比べて気孔率が高い第2セラミックス材料によって構成されている。
保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2とは、内側層221と外側層222とを合わせた厚みt2のことをいう。そして、内側層221と外側層222とを合わせた遮蔽側部分22の厚みt2は、ヒータ側部分21の厚みt1よりも大きい。
内側層221は、例えば、5μm以上の厚みで形成されていればよい。内側層221を除く保護層20の残りの部分は、センサ素子2の素子体を被水による割れから保護できる範囲で決定すればよい。保護層20の遮蔽側部分22が内側層221及び外側層222によって構成されていることにより、遮蔽側部分22による保温効果をより高めることができ、センサ素子2の検出先端部25における対向方向Dの温度分布がより生じにくくすることができる。
本形態のガスセンサ1における、その他の構成、作用効果等については、実施形態1の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態1に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1の構成要素と同様である。
(確認試験1)
本確認試験においては、保護層20の気孔率の大きさが、センサ素子2の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、保護層20の気孔率が異なる複数のセンサ素子2のサンプルについて、センサ素子2を加熱するためにヒータ34に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの保護層20の気孔率は、8~55%の範囲内で変化させ、印加電圧は、10~20Vの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層20において、ヒータ側部分21の厚みt1と遮蔽側部分22の厚みt2とは、約500μmとして同じにした。
本確認試験においては、保護層20の気孔率の大きさが、センサ素子2の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、保護層20の気孔率が異なる複数のセンサ素子2のサンプルについて、センサ素子2を加熱するためにヒータ34に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの保護層20の気孔率は、8~55%の範囲内で変化させ、印加電圧は、10~20Vの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層20において、ヒータ側部分21の厚みt1と遮蔽側部分22の厚みt2とは、約500μmとして同じにした。
表1には、確認試験1による結果を示す。表1においては、センサ素子2のいずれの部位にも割れが生じなかった場合を○の記号によって示し、センサ素子2のいずれかの部位に割れが生じた場合を×の記号によって示す。
保護層20の気孔率が20%以下である場合には、印加電圧が10Vのときでもセンサ素子2のサンプルに割れが生じた。一方、保護層20の気孔率が25%である場合には、印加電圧が12Vまでは割れが生じず、気孔率が25%から高くなるに連れて印加電圧をより高くしても割れが生じない結果が得られた。特に、保護層20の気孔率が25%以上であることにより、センサ素子2の検出先端部25の保温効果が高まり、センサ素子2の耐久性が向上することが分かった。また、保護層20の気孔率は、保護層20の被水に対する性能、強度等を考慮して、例えば、55%以下とすればよい。
(確認試験2)
本確認試験においては、保護層20の、ヒータ側部分21の厚みt1に対する遮蔽側部分22の厚みt2の比率が、センサ素子2の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、当該厚みの比率が異なる複数のセンサ素子2のサンプルについて、ヒータ34に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの当該厚みの比率は、0.85~3.0倍の範囲内で変化させ、印加電圧は、10~20Vの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層20の気孔率は25%とした。
本確認試験においては、保護層20の、ヒータ側部分21の厚みt1に対する遮蔽側部分22の厚みt2の比率が、センサ素子2の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、当該厚みの比率が異なる複数のセンサ素子2のサンプルについて、ヒータ34に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの当該厚みの比率は、0.85~3.0倍の範囲内で変化させ、印加電圧は、10~20Vの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層20の気孔率は25%とした。
表2には、確認試験2による結果を示す。表2においては、センサ素子2のいずれの部位にも割れが生じなかった場合を○の記号によって示し、センサ素子2のいずれかの部位に割れが生じた場合を×の記号によって示す。
ヒータ側部分21の厚みt1に対する遮蔽側部分22の厚みt2の比率が大きくなるほど、印加電圧を高くしてもセンサ素子2のサンプルに割れが生じにくくなることが分かった。そして、この割れは、保護層20の比率が1.3倍未満になると、低い印加電圧であっても生じやすくなることが分かった。そのため、ヒータ側部分21の厚みt1に対する遮蔽側部分22の厚みt2の比率が1.3倍以上であることにより、センサ素子2の検出先端部25における対向方向Dの温度分布が生じにくくなり、センサ素子2の耐久性が向上することが分かった。また、ヒータ側部分21の厚みt1に対する遮蔽側部分22の厚みt2の比率は、保護層20の被水に対する性能等を考慮して、例えば、3.0倍以下とすればよい。
(確認試験3)
本確認試験においては、保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2が、センサ素子2の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2が異なる複数のセンサ素子2のサンプルについて、ヒータ34に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2は、112~730μmの範囲内で変化させ、印加電圧は、10~20Vの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層20において、気孔率は25%とし、ヒータ側部分21に対する遮蔽側部分22の厚みt2の比率は1.3倍となるようにした。
本確認試験においては、保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2が、センサ素子2の耐久性に与える影響を確認した。具体的には、保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2が異なる複数のセンサ素子2のサンプルについて、ヒータ34に印加する電圧を適宜変化させて、各サンプルに割れが生じていないかを確認した。各サンプルの保護層20の遮蔽側部分22の厚みt2は、112~730μmの範囲内で変化させ、印加電圧は、10~20Vの範囲内で変化させた。各サンプルの保護層20において、気孔率は25%とし、ヒータ側部分21に対する遮蔽側部分22の厚みt2の比率は1.3倍となるようにした。
表3には、確認試験3による結果を示す。表3においては、センサ素子2のいずれの部位にも割れが生じなかった場合を○の記号によって示し、センサ素子2のいずれかの部位に割れが生じた場合を×の記号によって示す。
遮蔽側部分22の厚みt2の比率が大きくなるほど、印加電圧を高くしてもセンサ素子2のサンプルに割れが生じにくくなることが分かった。そして、この割れは、遮蔽側部分22の厚みt2が498μm未満になると、低い印加電圧であっても生じやすくなることが分かった。そのため、遮蔽側部分22の厚みt2が498μm以上であることにより、センサ素子2の耐久性が向上することが分かった。また、遮蔽側部分22の厚みt2は、温度分布がどれだけ生じにくくなるかを考慮して、例えば、730μm以下とすればよい。
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。
1 ガスセンサ
2 センサ素子
20 保護層
21 ヒータ側部分
22 遮蔽側部分
25 検出先端部
31 固体電解質体
34 ヒータ
2 センサ素子
20 保護層
21 ヒータ側部分
22 遮蔽側部分
25 検出先端部
31 固体電解質体
34 ヒータ
Claims (6)
- 検出対象ガスに含まれるガスを検出するためのセンサ素子(2)を備えるガスセンサ(1)であって、
前記センサ素子は、
前記センサ素子の長手方向(L)の検出先端部(25)において前記検出対象ガスに晒される電極(311,312)が設けられた固体電解質体(31)と、
前記電極に対向する位置に発熱部(341)を有し、前記固体電解質体に対向して配置されたヒータ(34)と、
前記検出先端部を覆い、気孔率が25%以上である保護層(20)と、を有し、
前記保護層における、前記固体電解質体と前記ヒータとの対向方向(D)の前記固体電解質体が位置する側の平面部分である遮蔽側部分(22)の厚み(t2)は、前記保護層における、前記対向方向の前記ヒータが位置する側の平面部分であるヒータ側部分(21)の厚み(t1)よりも大きい、ガスセンサ。 - 前記発熱部の前記長手方向の発熱中心位置(H)についての、前記センサ素子の前記長手方向に直交する断面において、
前記保護層の前記遮蔽側部分の全体の厚みは、前記保護層の前記ヒータ側部分の全体の厚みの1.3倍以上である、請求項1に記載のガスセンサ。 - 前記保護層の前記遮蔽側部分の厚みは、498μm以上である、請求項1又は2に記載のガスセンサ。
- 前記保護層における、前記長手方向及び前記対向方向の双方に直交する幅方向(W)の両側に位置する側方部分(23)の厚みは、前記保護層の前記ヒータ側部分の厚みよりも大きい、請求項1~3のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 前記保護層を除く前記センサ素子は、ジルコニア材料が占める体積の割合が最も多い組成を有する、請求項1~4のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 前記保護層の前記遮蔽側部分は、内側層(221)と、前記内側層の外側に積層され、前記内側層に比べて気孔率が小さい外側層(222)とによって構成されている、請求項1~5のいずれか1項に記載のガスセンサ。
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