JP3931783B2

JP3931783B2 - ガスセンサ素子

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Publication number: JP3931783B2
Application number: JP2002286900A
Authority: JP
Inventors: 昭一郎延命; 晋一郎今村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2003240750A; US20030106796A1; EP1319944A2; EP1319944A3

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，内燃機関の排気系に取付け排気ガス中の特定ガス濃度等を検知し，燃焼制御等に利用するガスセンサ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車エンジンの排気系には燃焼制御に利用するためのガスセンサが設けてあり，ここに内蔵するガスセンサ素子として，以下に示すような構成の素子が知られている。
【０００３】
上記ガスセンサ素子は，固体電解質板と該固体電解質板の表面に設けた被測定ガス雰囲気と対面する被測定ガス側電極と基準ガス雰囲気と対面する基準電極とよりなる。上記ガスセンサ素子において，被測定ガス側電極にはガス透過性の拡散層を積層し，該拡散層にはガス不透過性の遮蔽層を積層する。また上記ガスセンサ素子において，固体電解質板には基準電極と対面する基準ガス室を構成する基準ガス室形成板を積層する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１２０４２９号公報
【０００５】
【解決しようとする課題】
ところで，上記ガスセンサ素子の固体電解質板は，基準ガス室と被測定ガス室に挟まれる位置に存在するため，上記固体電解質板には割れや亀裂が生じやすい。特に，ガスセンサ素子製作時の焼成を終えた後に室温まで冷却するが，この冷却過程でガスセンサ素子に割れや亀裂が生じやすかった。
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，固体電解質板に割れや亀裂等の不良が生じ難いガスセンサ素子を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、部分安定化ジルコニアよりなる固体電解質板と該固体電解質板の表面に被測定ガス雰囲気と対面する被測定ガス側電極と基準ガス雰囲気と対面する基準電極とを有し、上記固体電解質板に被測定ガス側電極を覆うガス透過性の拡散層を積層し、ガス不透過性の部分安定化ジルコニアからなり、さらにアルミナ系絶縁層によりコーティングされた遮蔽層を該拡散層に積層し、
また上記固体電解質板に基準電極と対面する基準ガス室を構成する基準ガス室形成板を積層し、
上記遮蔽層，拡散層及び基準ガス室形成板は、ガスセンサ素子を製造する際の焼成後の冷却時において１４７０℃から４５７℃へと冷却する際に、固体電解質板との収縮率の差が０．１％以下となる材料で構成されると共に、
上記遮蔽層は、部分安定化ジルコニアからなり、ガスセンサ素子を製造する際の焼成後の冷却時において１４７０℃から４５７℃へと冷却する際に、上記固体電解質板との収縮率の差が０．１％以下となる材料で構成することを特徴とするガスセンサ素子にある（請求項１）。
【０００８】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明にかかるガスセンサ素子では，上記拡散層及び基準ガス室形成板は，ガスセンサ素子を製造する際の焼成後の冷却時において１４７０℃から４５７℃へと冷却する際の部分安定化ジルコニアよりなる固体電解質板との収縮率の差を０．３％以下と小さくする。
よって，冷却過程での収縮率の差に起因する発生応力を減らすことができる。そのため，基準ガス室と被測定ガス室に挟まれて，強度的に脆弱な固体電解質板に割れや亀裂が生じ難くなる。
【０００９】
本発明によれば，固体電解質板に割れや亀裂等の不良が生じ難いガスセンサ素子を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明（請求項１）にかかる焼成後の冷却時について説明すると，本発明にかかるガスセンサ素子は後述する実施例１に示すように，各グリーンシートを積層，プレスして相互に接着し未焼積層体となし，該未焼積層体を加熱して，焼成することにより作製する。この焼成を終えた後に室温まで冷却するが，該冷却の際の収縮率の差を上述した条件とする。
上記において収縮率の差が０．３％より大である場合は，固体電解質板と拡散層及び基準ガス室形成板との間の収縮率の差が大きくなり，発生応力が大となって固体電解質板に割れや亀裂が生じるおそれがある。
また，差が０％，つまり固体電解質板と拡散層及び基準ガス室形成板との収縮率が等しい場合は収縮率の差に起因する応力が生じないため，固体電解質板に割れや亀裂が生じ難くなり，もっとも好ましい。
【００１１】
また，１４７０℃より高温の環境はガスセンサ素子の耐熱限界を越えており，固体電解質板，基準ガス質形成板等が劣化するおそれがある。そのため，１４７０℃より高温にガスセンサ素子を曝すことはなく，１４７０℃以下で収縮率差が０．３％以下であれば実用上の問題は生じない。
また，部分安定化ジルコニアは温度４５７℃で相転移し（後述する図５参照），ここを境に収縮率が変化する。従って，これより低温の領域ではガスセンサ素子を構成する各種のセラミック類と固体電解質板との収縮率の差が大きくなり難い。
従って，１４７０℃から４５７℃の範囲で収縮率差が０．３％以下であれば充分に本発明にかかる効果を得ることができる。
【００１２】
また，上記遮蔽層は，部分安定ジルコニアからなり，ガスセンサ素子を製造する際の焼成後の冷却時において１４７０℃から４５７℃へと冷却する際に，上記固体電解質板との収縮率の差が０．１％以下となる材料で構成する。
上記収縮率の差を０．１％以下とすることで，更に固体電解質板に発生する収縮率の差に起因する応力低減を図って，焼成後冷却における固体電解質板の割れを抑制できる。
【００１３】
また，上記遮蔽層は部分安定化ジルコニアからなる。
ジルコニアにＭｇＯ，ＣａＯ，希土類酸化物などを数ｍｏｌ％添加した材料は立方晶系の蛍石構造をとり，相転移を起こさなくなる。これが安定化ジルコニアである。部分安定化ジルコニアは，組成の一部分を安定化したジルコニアである。
上記遮蔽層を固体電解質板と同様に部分安定化ジルコニアで構成することで，冷却過程での発生応力を生じ難くすることができる（実施例１参照）。
【００１４】
なお，本発明において固体電解質板や遮蔽層に使用する部分安定化ジルコニアは，イットリア（酸化イットリウム）をジルコニア（酸化ジルコニウム）に対し，４〜７ｍｏｌ％添加した材料を使用することができる。
【００１５】
基準ガス室形成板や拡散層，固体電解質板についても，全体または一部分を部分安定化ジルコニアで形成することができる。
【００１６】
また，上記遮蔽層は部分安定化ジルコニアからなり，該遮蔽層はアルミナ系絶縁層によりコーティングすることが好ましい（請求項２）。
部分安定化ジルコニアは熱水に弱いため，熱水に強いアルミナ系の絶縁層によってコーティングすることで，熱水による遮蔽層の被水割れを防止することができる。
【００１７】
本発明は，酸素センサ素子，ＮＯｘセンサ素子，ＨＣセンサ素子，ＣＯセンサ素子など，各種のセラミックと固体電解質体とを積層して構成する積層型の素子に適用することができる。また，１本で複数種類のガス濃度を測定可能な複合センサ素子に適用することもできる。
【００１８】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本発明にかかるガスセンサ素子について図１〜図６を用いて説明する。
図１〜図３に示すごとく，部分安定化ジルコニアよりなる固体電解質板１１と該固体電解質板１１の表面に被測定ガス雰囲気と対面する被測定ガス側電極１２１と基準ガス雰囲気と対面する基準電極１３１とを有し，上記固体電解質板１１に被測定ガス側電極１２１を覆うガス透過性の拡散層１４１を積層し，該拡散層１４１にガス不透過性の遮蔽層１４２を積層する。
【００１９】
また上記固体電解質板１１に基準電極１３１と対面する基準ガス室を構成する基準ガス室形成板１５を積層し，上記遮蔽層１４２は，ガスセンサ素子１を製造する際の焼成後の冷却時において１４７０℃から４５７℃へと冷却する際に，固体電解質板１１との収縮率の差が０．３％以下となる材料よりなる。本例では固体電解質板１１と同じ組成の部分安定化ジルコニアより構成する。
【００２０】
以下，詳細に説明する。
本例のガスセンサ素子１は，自動車エンジンの排気系に設置したガスセンサに内蔵して使用する。このガスセンサが排気ガス中の酸素濃度を測定し，測定値からエンジンの空燃比を検出し，該空燃比をエンジンの燃焼制御に利用する。
【００２１】
図１〜図３に示すごとく，本例のガスセンサ素子１は，基準ガス室形成板１５，固体電解質板１１，拡散層１４１，遮蔽層１４２を積層して構成する。
基準ガス室形成板１５は，断面がコ字状で基準ガスを導入する基準ガス室となる溝部１５０を備える。
固体電解質板１１は，被測定ガス側電極１２１と基準電極１３１とを有し，これらの電極１２１，１３１に電気的に導通するリード部１２２，１３２を備える。
また，上記被測定ガス側電極１２１を覆うように拡散層１４１が，該拡散層１４１を覆うように遮蔽層１４２が積層される。
【００２２】
また，本例のガスセンサ素子１は，基準ガス室形成板１５の固体電解質板１１と対面する側の反対面に，セラミックヒータ１９を一体的に備える。
セラミックヒータ１９は，ヒータシート１９１と該ヒータシート１９１に設けた発熱体１８１及び該発熱体１８１に通電するリード部１８２，発熱体１８１を覆うように積層される２枚のヒータ絶縁板１９５，１９７よりなる。
ヒータ絶縁板１９５は窓部１９６を有する。この窓部１９６は発熱体１８１及びリード部１８２と同形状で，両者を埋め込み可能な形状で，発熱体１８１及びリード部１８２をヒータシート１９１とヒータ絶縁板１９７に挟んだ際に凹凸を均して平滑とするために設ける。
また，リード部１８２はヒータシート１９１に設けた導電性のスルーホール１９０を通じて端子１８３と電気的に導通する。
【００２３】
上記ヒータ絶縁板１９７と上記基準ガス室形成板１５との間，基準ガス室形成板１５と固体電解質板１１との間，拡散層１４１と遮蔽層１４２との間はそれぞれ接着層１６１，１６２，１６５が介在する。また，固体電解質体１１と拡散層１４１との間は絶縁層１６３と接着層１６４とが介在する。
【００２４】
上記基準ガス室形成板１５，上記拡散層１４１，上記ヒータシート１９１，ヒータ絶縁板１９５，１９７，そして絶縁層１６３及び接着層１６１，１６２，１６４，１６５はアルミナよりなる。
各組成を以下に記載する。
基準ガス室形成板１５，ヒーターシート１９１：ジルコニア２％含有するアルミナ
拡散層１４１，ヒータ絶縁板１９５，１９７，接着層１６１，１６２，１６４，１６５：純度９９．９％以上のアルミナ
絶縁層１６３：純度９９．９％以上のアルミナで，ジルコニア５００ｐｐｍ，マグネシア３００ｐｐｍを追加
また，拡散層１４１の気孔率は１４％である。
上記固体電解質板１１と上記遮蔽層１４２はイットリアをジルコニアに対して６ｍｏｌ％添加した部分安定化ジルコニアよりなる。
【００２５】
上記固体電解質板１１には基準ガス室となる溝部１５０と対面する基準電極１３１を有し，上記接着層１６２は，基準電極１３１と対面する位置に窓１３９を有する。また，基準電極１３１はリード部１３２，内部端子１３３，また固体電解質板１１に設けた導電性のスルーホール１３４，絶縁層１６３に設けた導電性のスルーホール１３５を通じて，端子１３６と電気的に導通する。
【００２６】
上記絶縁層１６３，接着層１６４は，被測定ガス側電極１２１と対面する位置に窓１２８，１２９を有する。また，被測定ガス側電極１２１はリード部１２２を介して端子１２３と電気的に導通する。
ガスセンサ素子１の出力は上記端子１２３，１３６より得ることができる。
また，図３に示すごとく絶縁層１６３と接着層１６４に設けた窓１２８，１２９は積層により被測定ガス側電極１２１を格納する小室１２７となる。
また，この小室１２７は，拡散層１４１を通じて被測定ガスが導入される。
【００２７】
次に，本例にかかるガスセンサ素子１の製造方法を簡単に説明する。
固体電解質板１１用のグリーンシートをドクターブレード法，または押し出し成形法から作成する。次いで，このグリーンシートに被測定ガス側電極１２１，基準電極１３１，リード部１３２，内部端子１３３を形成するための印刷部を設ける。なお，固体電解質板１１用のグリーンシートにはあらかじめスルーホール１３４を設けておく。
【００２８】
基準ガス室形成板１５用の未焼成形体は射出成形，切削成形，プレス成形，貼り合わせ成形等により作成する。
また，ヒーターシート１９１，遮蔽層１４２，拡散層１４１用のグリーンシートはドクターブレード法，押し出し成形法等により作成する。
また，遮蔽層１４２，拡散層１４１はペーストより作成することもできる。
またヒーターシート１９１用のグリーンシートには発熱体１８１等用の印刷部を設ける。スルーホール１９０も予め設けておく。
【００２９】
また，各種接着層１６１，１６２，１６４，１６５，絶縁層１６３は，接着層用，絶縁層用のペーストを作成してこれをグリーンシートに対し印刷する。窓１２９，１３９，１２８を持つものについては，ペーストを用いたスクリーン印刷で，ヒータ絶縁板１９５，１９７も同様にペーストを用いたスクリーン印刷で形成する。
また，固体電解質板１１用のグリーンシートに上記絶縁層１６３用のペーストを塗布した後に，被測定ガス側電極１２１，リード部１２２，端子１３６，１２３を形成するための印刷部を設ける。
【００３０】
また，遮蔽層１４２，拡散層１４１の少なくともいずれか１つをペーストにて作成した場合は，接着層１６５を除くことができる。また，拡散層１４１をペーストにて作成する場合は接着層１６４と重ねることができる。すなわち，接着層１６４を拡散層１４１と一体的に形成することができる。
【００３１】
以上のように作成された各グリーンシートを図１に示すような順序で積層し，プレスすると，接着層１６１，１６２，１６４，１６５の接着性（粘着性）によって相互に接着し，未焼積層体を得た。この未焼積層体を１４７０℃まで加熱して焼成した。
その後，１４７０℃から室温まで冷却し，本例のガスセンサ素子１を得た。
【００３２】
本例にかかる作用効果について説明する。
本例にかかるガスセンサ素子１は，上述したごとき各グリーンシートを積層し未焼積層体とした後，これを焼成する。焼きあがった後は室温となるまで冷却する。
この冷却過程において，遮蔽層１４２，拡散層１４１，そして固体電解質板１１の相互に作用する発生応力を考える。
【００３３】
遮蔽層１４２のヤング率はＥ１，線膨張係数はα１，厚さはｔ１，拡散層１４１のヤング率はＥ２，線膨張係数はα２，厚さはｔ２，固体電解質板１１のヤング率はＥ３，線膨張係数はα３，厚さはｔ３である。
よって，各層に発生する発生応力σｉ＝−Ｅｉ・Δαｉ・ΔＴｉとなる。
ここにｉは１〜３のいずれか，Δαは線膨張係数差，ΔＴは温度変化である。
【００３４】
ΔＴが負となる冷却過程を考える。
このとき，線膨張係数が大きい場合，引張応力σ１〜σ３が発生する。
仮に外力が作用しなければ，力はつりあうから，ｂ（σ１・ｔ１＋σ２・ｔ２＋σ２・ｔ２）＝０となる。ここにｂは各層の幅である。
従って，σ３＝−（１／ｔ３）（σ１・ｔ１＋σ２・ｔ２）となる。
【００３５】
本例にかかるガスセンサ素子１で用いた部分安定化ジルコニアの線膨張係数は温度が１５００℃から４５０℃まで低下する間は１０．６ｐｐｍ，アルミナの線膨張係数は温度が１５００℃から４５０℃まで低下する間は８ｐｐｍである。
【００３６】
そのため，仮に遮蔽層１４２がアルミナよりなる場合は，σ１＜０，σ２＜０，σ３＞０となる。また，本例のガスセンサ素子１は遮蔽層１４２が部分安定化ジルコニアであるから，σ１＞０，σ２＜０，σ３＞０となる。
以上より，遮蔽層１４２を部分安定化ジルコニアとした場合のほうが，アルミナとした場合よりもσ３が小さくなる。
【００３７】
本例のガスセンサ素子１で固体電解質板１１は部分安定化ジルコニアより構成する。部分安定化ジルコニアは高温（１５００℃程度）から冷却する際，温度４５７℃でＭ相（モノクリニック相，単斜晶相）からＴ相（テトラゴナル相，正方晶相）へと変態する。このとき，図５に示すごとく，収縮率の傾きがかわる。
【００３８】
また，本例のガスセンサ素子１において，固体電解質板１１と遮蔽層１４２以外の部分はアルミナより構成する。アルミナは温度の低下に応じて収縮率が変化するが，その変化の傾きは図５に示すごとく略一定である。
アルミナと部分安定化ジルコニアの収縮率の差がもっとも大となるのは部分安定化ジルコニアがＭ相からＴ相へと変態する温度４５７℃付近である。
【００３９】
また，固体電解質板１１に対し遮蔽層１４２から加わる応力は，図６に記載した（ａ）も（ｂ）も未焼積層体を焼成している間は上昇しつづける。温度１４７０℃で焼成を終えて冷却過程に移行し，温度が低下し始めると共に急に小さくなっていく。これは高温のために，固体電解質板１１も遮蔽層１４２もガスセンサ素子１のその他の部分も，いずれの部位にもクリープが生じるためである。
なお（ａ）は遮蔽層１４２がアルミナよりなる従来タイプのガスセンサ素子，（ｂ）は本例にかかるガスセンサ素子１である。
【００４０】
その後，図６に示すごとく，１３００℃程度で応力は上昇しはじめる。そして，応力が温度低下とともに上昇し，およそ４５７℃の時点で極大となる。これは上述したごとくアルミナと部分安定化ジルコニアの収縮率の差が最大となるためである。
仮に遮蔽層１４２がアルミナからなる場合は，極大の際に発生応力が部分安定化ジルコニアの材料強度を越えるため（同図に示す（ａ）参照），固体電解質板１１の割れや亀裂が発生する。
【００４１】
しかしながら，本例によれば（ｂ）に示すごとく，発生応力が全体として小さく，４７５℃の時点で極大となっても，発生応力がジルコニアの材料強度を越えない。
そのため，割れや亀裂が発生し難くなり，不良品が減少する（後述する実施例２参照）。
【００４２】
以上，本例によれば，固体電解質板に割れや亀裂等の不良が生じ難いガスセンサ素子を提供することができる。
【００４３】
なお，本例にかかる基準ガス室形成板１５はひとつの成形体よりなるが，図４に示すごとく，形成板１５１と穴を有する形成板１５２とを積層して，基準ガス室形成板１５を構成することができる。
この場合も本例と同様の作用効果を有する。
【００４４】
（実施例２）
本例では，実施例１に示すような固体電解質板１１とともに遮蔽層１４２が部分安定化ジルコニアからなるガスセンサ素子１や，その他の構成の素子について，冷却過程における最大発生応力を算出した。
本例の算出では実施例１の図３や図４と同じ構造をもつ試料１〜４，比較試料Ｃ１，Ｃ２を準備した。各固体電解質板１１や遮蔽層１４２等のどの部分がアルミナか，どの部分が部分安定化ジルコニアかについては，表１に一覧を記載した。
以上の各試料について，最大発生応力を有限要素法にて計算し，結果を図７に記載した。
【００４５】
同図に示すごとく，遮蔽層，拡散層及び基準ガス室形成板の少なくとも１つ以上を固体電解質板と同じ組成の部分安定化ジルコニアで構成することで，最大発生応力を減らすことができた。
そのため，固体電解質板に割れや欠損を生じ難くすることができる。
【００４６】
【表１】

【００４７】
（実施例３）
本例は，本発明にかかる部分安定化ジルコニアよりなるガスセンサ素子と，従来構成等の比較試料Ｃ１のガスセンサ素子とを多数製造した際の不良率について測定した。
実施例１に示した製造方法に基づいてガスセンサ素子（試料１）を多数製造し，完成したガスセンサ素子について，超絶縁検査を行い，不良品と良品との判定を行い，不良率を測定した。比較試料Ｃ１についても同様に行った。
結果を図８に記載した。
【００４８】
同図より知れるごとく，実施例１にかかる試料１のガスセンサ素子は不良品が０であったが，比較試料Ｃ１のガスセンサ素子の不良率は３割弱と非常に高かった。このように実施例１にかかるガスセンサ素子は製造不良が少ないため，歩留まりが高く，製造コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，ガスセンサ素子の斜視展開図。
【図２】実施例１における，ガスセンサ素子の斜視図。
【図３】実施例１における，ガスセンサ素子の要部断面図。
【図４】実施例１における，基準ガス室形成板が２枚の形成板より構成されたガスセンサ素子の要部断面図。
【図５】実施例２における，部分安定化ジルコニアとアルミナとの冷却過程での収縮率の変化を示す線図。
【図６】実施例２における，冷却過程での発生応力について示す説明図。
【図７】実施例３における，試料１〜試料４，比較試料Ｃ１，Ｃ２の最大発生応力について示す線図。
【図８】実施例４における，不良率について示す線図。
【符号の説明】
１．．．ガスセンサ素子，
１１．．．固体電解質板，
１２１．．．被測定ガス側電極，
１３１．．．基準電極，
１４１．．．拡散層，
１４２．．．遮蔽層，
１５．．．基準ガス室形成板，

Claims

部分安定化ジルコニアよりなる固体電解質板と該固体電解質板の表面に被測定ガス雰囲気と対面する被測定ガス側電極と基準ガス雰囲気と対面する基準電極とを有し、上記固体電解質板に被測定ガス側電極を覆うガス透過性の拡散層を積層し、ガス不透過性の部分安定化ジルコニアからなり、さらにアルミナ系絶縁層によりコーティングされた遮蔽層を該拡散層に積層し、
また上記固体電解質板に基準電極と対面する基準ガス室を構成する基準ガス室形成板を積層し、
上記遮蔽層，拡散層及び基準ガス室形成板は、ガスセンサ素子を製造する際の焼成後の冷却時において１４７０℃から４５７℃へと冷却する際に、固体電解質板との収縮率の差が０．１％以下となる材料で構成されると共に、
上記遮蔽層は、部分安定化ジルコニアからなり、ガスセンサ素子を製造する際の焼成後の冷却時において１４７０℃から４５７℃へと冷却する際に、上記固体電解質板との収縮率の差が０．１％以下となる材料で構成することを特徴とするガスセンサ素子。