JP4791877B2 - ヒータ付きガスセンサ素子、ガスセンサ素子、ヒータ素子、及び、ガスセンサ - Google Patents
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この酸素濃度検出器のうち、ヒータ素子の発熱体(電気的機能部)及び導出電極部(電-極リード部)は、その材料となる白金を安価なタングステンに代えて形成されている。
そこで、安価でかつ、導通路を酸化防止するための手法の一つとして、少なくとも電極取出部を、耐酸化性及びガス不透化性を有したプラチナ等の貴金属やこの種の貴金属が含まれた合金で形成して、ガスが電極取出部から導通路に向けて侵入しないようにすることが考えられる。
しかしながら、耐酸化性及びガス不透過性を有した、貴金属を含む合金で電極取出部全体を形成すると、固形成分率が高いため、硬度が高く、電極取出部の表面は滑らかとなり、この電極取出部に電極端子を機械的に接触させても電気的導通が十分に得られない場合がある。特に、外部からの振動等がセラミック電子機能体に伝わるような場合のセラミック電子機能体の実使用では、セラミック電子機能体の電極取り出し部と外部機器の電極端子との間で、この振動等に起因した接続不良が起きる虞がある。
あるいは、ガス検知部、自身の一端で上記ガス検知部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備えるガスセンサ素子であって、上記導通路は、自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、上記電極取出部は、上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、上記ビア導体は、耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、上記電極パッドは、耐酸化性を有する材料からなり、少なくとも自身の外部露出面をなす部分が上記ビア導体より粗である組織を有するガスセンサ素子である。
ガス検知部、自身の一端で上記ガス検知部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備えるガスセンサ素子であって、上記導通路は、自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、上記電極取出部は、上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、上記電極パッドは、少なくとも上記ビア導体と接触して電気的に導通してなり、上記セラミック層の上記外表面上で上記ビア導体を気密に覆うビア導体被覆部と、上記ビア導体被覆部と電気的に導通してなり、上記電極パッドの外部露出面をなし、上記ビア導体被覆部を覆う外部露出部と、を有し、上記ビア導体被覆部は、耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、上記外部露出部は、耐酸化性を有する材料からなり、上記ビア導体被覆部より粗である組織を有するガスセンサ素子である。
さらには、発熱部、自身の一端で上記発熱部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備えるヒータ素子であって、上記導通路は、自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、上記電極取出部は、上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、上記ビア導体は、耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、上記電極パッドは、耐酸化性を有する材料からなり、少なくとも自身の外部露出面をなす部分が上記ビア導体より粗である組織を有するヒータ素子である。
従って、電極パッドが大気等の酸化性のガスにさらされた場合であっても、電極パッド及びビア導体は酸化されない。しかも、ビア導体が、電極パッドから電極リード部へのガスの侵入を防ぐことにより、電極リード部の酸化をも確実に防止できる。
従って、ヒータ付きガスセンサ素子におけるガス検知部及び発熱部、ガスセンサ素子におけるガス検知部、あるいは、ヒータ素子における発熱部への通電にあたり、外部機器の電極端子を電極パッドに圧接させてこれらを接続しようとすると、この圧接時の押圧力により電極パッドの外部露出面をなす部分が潰れるように変形して、外部機器の電極端子の一部が電極パッドに食い込む形態となり、電極パッドと外部機器の電極端子との機械的な接触面積を大きく取ることができる。さらに、電極パッドの外部露出面をなす部分が変形することで、外部機器の電極端子が電極パッド上を滑り難くなるため、外部機器の電極端子をより安定した状態で接触させることができる。
従って、電極パッドと外部機器の電極端子との電気的な接続不良の発生が抑制できる。
即ち、本発明のヒータ付きガスセンサ素子では、ガスセンサ素子部及びヒータ素子部それぞれにおける電極取出部について、大気等の酸化性ガスに晒されても自身の酸化が防止できる。このほか、ガスセンサ素子部及びヒータ素子部のそれぞれにおいて、電極取出部から電極リード部への大気等の酸化性ガスの侵入をも防止できる、電極リード部の酸化をも確実に回避することができる。
しかも、ガスセンサ素子部とヒータ素子部それぞれにおいて、電極パッドあるいはその外部露出部を粗の組織としていることで、外部機器の電極端子と電極パッドとの間での電気的接続を適切に維持することができる。
また、本発明のガスセンサ素子では、大気等の酸化性ガスに電極取出部が晒されても、自身の酸化が防止することができている。また、電極取出部から電極リード部への大気等の酸化性ガスの侵入もビア導体あるいはビア導体被覆部によって遮られ、卑金属からなる電極リード部の酸化を確実に回避することができる。
しかも、電極パッドを粗の組織とすることにより、外部機器の電極端子との接続において、両者の機械的接触をより安定した状態にできる。従って、自動車の走行等に起因して、このガスセンサ素子に振動が伝わった場合でも、電極パッドと外部機器の電極端子との間での電気的接続を適切に維持できる。
さらには、ヒータ素子でも、大気等の酸化性ガスに電極取出部が晒されたときでも、電極取出部自身の酸化が防止できるほか、この電極取出部から電極リード部への大気等の酸化性ガスの侵入もビア導体あるいはビア導体被覆部で遮られ、卑金属からなる電極リード部の酸化を確実に回避することができる。
しかも、電極パッドあるいはその外部露出部を粗の組織としていることで、外部機器の電極端子と電極パッドとの間での電気的接続を適切に維持することができる。
また、「電極リード部」は、電極取出部よりも導通路の一端側に位置して電極取出部に接続し、セラミック層内に気密に埋設されていれば、その形態や構成は特に限定されない。例えば、セラミック層同士の層間に配置された導体配線層や、ヒータ付きガスセンサ素子内、ガスセンサ素子内、あるいはヒータ素子内でセラミック層を貫通して延びる中実あるいは中空のビア導体、これらを組み合わせた形態等が挙げられる。
加えて、ガスセンサ素子としては、例えば、自動車等の排気管に装着され、排気管内を流通する排気ガス中の酸素濃度を検出するなどの用途に用いる酸素センサ、空燃比センサ、NOxセンサ、COセンサを挙げることができる。
さらに、ヒータ素子としては、例えば、シャワートイレにおける洗浄水の急速加熱用など単独で用いるヒータ素子や、前述のガスセンサ素子と同時に用いて、これを加熱し活性化させるためのヒータ素子などが挙げられる。
ヒータ付きガスセンサ素子としては、例えば、ヒータ素子によりガスセンサ素子を加熱して活性化させ、被測定ガス中の特定のガスの濃度等を検出する酸素センサ、空燃比センサ、NOxセンサ、COセンサなどが挙げられる。
あるいは、上述のガスセンサ素子であって、前記電極パッドは、前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなるガスセンサ素子とすると良い。
さらには、上述のヒータ素子であって、前記電極パッドは、前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなるヒータ素子とすると良い。
また、例えば、電極パッドをPt等の貴金属で形成した場合と比べ、セラミック材を使用する分だけ、貴金属の使用を抑えることができるので、電極パッドを安価にできる。ひいては、ヒータ付きガスセンサ素子、ガスセンサ素子、あるいはヒータ素子を安価にできる。
あるいは、ガス検知部、自身の一端で上記ガス検知部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備えるガスセンサ素子であって、上記導通路は、自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、上記電極取出部は、上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、上記電極パッドは、少なくとも上記ビア導体と接触して電気的に導通してなり、上記セラミック層の上記外表面上で上記ビア導体を気密に覆うビア導体被覆部と、上記ビア導体被覆部と電気的に導通してなり、上記電極パッドの外部露出面をなし、上記ビア導体被覆部を覆う外部露出部と、を有し、上記ビア導体被覆部は、耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、上記外部露出部は、耐酸化性を有する材料からなり、上記ビア導体被覆部より粗である組織を有するガスセンサ素子である。
さらには、発熱部、自身の一端で上記発熱部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備えるヒータ素子であって、上記導通路は、自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、上記電極取出部は、上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、上記電極パッドは、少なくとも上記ビア導体と接触して電気的に導通してなり、上記セラミック層の上記外表面上で上記ビア導体を気密に覆うビア導
体被覆部と、上記ビア導体被覆部と電気的に導通してなり、上記電極パッドの外部露出面をなし、上記ビア導体被覆部を覆う外部露出部と、を有し、上記ビア導体被覆部は、耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、上記外部露出部は、耐酸化性を有する材料からなり、上記ビア導体被覆部より粗である組織を有するヒータ素子である。
従って、電極パッドが大気等の酸化性のガスにさらされた場合であっても、電極パッドは酸化されない。しかも、電極パッドのビア導体被覆部が、ビア導体への、及びこれを通じた電極リード部へのガスの侵入を防ぎ、電極リード部の酸化をも確実に防止できる。
従って、ヒータ付きガスセンサ素子におけるガス検知部及び発熱部、ガスセンサ素子におけるガス検知部、あるいは、ヒータ素子における発熱部への通電にあたり、外部機器の電極端子を電極パッドに圧接させてこれらを接続しようとすると、この圧接時の押圧力により外部露出部が潰れるように変形して、外部機器の電極端子の一部が電極パッドに食い込む形態となり、電極パッドと外部機器の電極端子との機械的な接触面積を大きく取ることができる。さらに、電極パッドの外部露出面が変形することで、外部機器の電極端子が電極パッド上を滑り難くなるため、外部機器の電極端子をより安定した状態で接触させることができる。
従って、電極パッドと外部機器の電極端子との電気的な接続不良の発生が抑制できる。
即ち、本発明のヒータ付きガスセンサ素子では、ガスセンサ素子部及びヒータ素子部それぞれにおける電極取出部について、大気等の酸化性ガスに晒されても自身の酸化が防止できる。このほか、ガスセンサ素子部及びヒータ素子部のそれぞれにおいて、電極取出部から電極リード部への大気等の酸化性ガスの侵入をも防止できる、電極リード部の酸化をも確実に回避することができる。
しかも、ガスセンサ素子部とヒータ素子部それぞれにおいて、電極パッドの外部露出部を粗の組織としていることで、外部機器の電極端子と電極パッドとの間での電気的接続を適切に維持することができる。
また、本発明のガスセンサ素子では、大気等の酸化性ガスに電極取出部が晒されても、自身の酸化が防止することができている。また、電極取出部から電極リード部への大気等の酸化性ガスの侵入もビア導体あるいはビア導体被覆部によって遮られ、卑金属からなる電極リード部の酸化を確実に回避することができる。
しかも、電極パッドの外部露出部を粗の組織とすることにより、外部機器の電極端子との接続において、両者の機械的接触をより安定した状態にできる。従って、自動車の走行等に起因して、このガスセンサ素子に振動が伝わった場合でも、電極パッドと外部機器の電極端子との間での電気的接続を適切に維持できる。
さらには、ヒータ素子でも、大気等の酸化性ガスに電極取出部が晒されたときでも、電極取出部自身の酸化が防止できるほか、この電極取出部から電極リード部への大気等の酸化性ガスの侵入もビア導体あるいはビア導体被覆部で遮られ、卑金属からなる電極リード部の酸化を確実に回避することができる。
しかも、電極パッドの外部露出部を粗の組織としていることで、外部機器の電極端子と電極パッドとの間での電気的接続を適切に維持することができる。
あるいは、上述のガスセンサ素子であって、前記電極パッドの前記ビア導体被覆部及び前記外部露出部は、前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなるガスセンサ素子とすると良い。
さらには、上述のヒータ素子であって、前記電極パッドの前記ビア導体被覆部及び前記外部露出部は、前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなるヒータ素子とすると良い。
また、例えば、電極パッドをPt等の貴金属で形成した場合と比べ、セラミック材を使用する分だけ、貴金属の使用を抑えることができるので、電極パッドを安価にできる。ひいては、ヒータ付きガスセンサ素子、ガスセンサ素子、あるいはヒータ素子を安価にできる。
あるいは、上述のガスセンサ素子であって、前記ビア導体被覆部は、前記セラミック材を、前記外部露出部よりも多く含有してなるガスセンサ素子とすると良い。
さらには、上述のヒータ素子であって、前記ビア導体被覆部は、前記セラミック材を、前記外部露出部よりも多く含有してなるヒータ素子とすると良い。
その一方で、外部露出部において、絶縁材であるセラミック材の含有率をビア導体被覆部よりも少なくすることで、外部の電極端子と外部露出部との導通抵抗をより小さく抑えることで、電極パッド全体としての導電性の低下を抑制できる。
あるいは、上記段落のいずれかに記載のガスセンサ素子であって、前記電極取出部は、貴金属―卑金属合金からなるガスセンサ素子とすると良い。
さらには、上記段落のいずれかに記載のヒータ素子であって、前記電極取出部は、貴金属―卑金属合金からなるヒータ素子とすると良い。
これにより、卑金属を使用する分だけ、電極取出部における貴金属の使用量を抑えることができるので、ヒータ付きガスセンサ素子、ガスセンサ素子、あるいはヒータ素子を安価にできる。
あるいは、上記段落のいずれかに記載のガスセンサ素子を用いたガスセンサとすると良い。
従って、これらのガスセンサを使用した場合において、ガスセンサ素子あるいはヒータ付きガスセンサ素子の電極取出部が大気など酸化性のガスに晒された場合でも、電極取出部自身の酸化を防止できる上、卑金属からなる電極リード部の酸化も防止できる。しかも、このガスセンサ素子(ヒータ付きガスセンサ素子)との導通のための電極端子との接続も確実に行いうるので、安価で、信頼性の高いガスセンサとなし得る。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態では、ガスセンサ素子部201とヒータ素子部270とを備えるセンサ素子200を用いたガスセンサ100を例にとって説明する。 なお、図1は、本実施形態に係るガスセンサ100の形態及び構造を示す断面図である。また、以下、本実施形態のガスセンサ100及び各部品の説明では、図1に示す配置としたときの下方側を先端側とし、上方側を後端側とする。したがって、図2及び図3では、左方が先端側、右方が後端側となる。また、図2は、ガスセンサ100に組み込まれるセンサ素子200(ヒータ付きガスセンサ素子)の分解斜視図である。更に、図3は、センサ素子200の後端部分と外部の接続端子との接続の様子を示す説明図である。
本実施形態のセンサ素子200は、酸素センサ素子201にヒータ素子270を複合したヒータ付きガスセンサ素子である。この酸素センサ素子201は、基準酸素自己生成方式の酸素センサ素子である。また、センサ素子200は、構造的には、センサ基板210と、リード基板230とに分けられ、これらは、接着層281を介して互いに接合されている。
また、第1センサリード部223の先端部223pも、Ptからなる多孔質のリードであり、長さ約5.4mm、幅約0.33mmである。この第1センサリード部223の先端部223pも、Ptからなるため、耐酸化性を有し、実使用において検知多孔質電極部221を通じて取り込まれたガスが接触しても酸化せず導電性を維持できる。
第2アルミナ層217の表面(図2中、上側の面)側には、検知多孔質電極部221と対向するように配置された基準多孔質状極部225、及び、これに電気的に接続する第2センサリード部227のうち、後端側(図2中、右側)へ直線的に延びた後に内側に折れ曲がる先端部227pが形成されている。
また、第2センサリード部227の先端部227pも、Ptからなる多孔質のリードであり、長さ(長手方向の長さ)約5.4mm、幅約0.33mmである。この第2センサリード部227の先端部227pも、Ptからなるため、耐酸化性を有し、実使用において基準多孔質電極部225に侵入したガスが接触しても導電性を維持できる。
リード基板230は、第3アルミナ層231と第4アルミナ層237と第5アルミナ層239とがこの順序で積層されてなる。このうち、第3アルミナ層231は、アルミナからなるセラミック層であり、その外形は、長さ約40mm、幅約4.5mm、厚さ約0.23mmの矩形板状である。この第3アルミナ層231の中央付近で、第2アルミナ層217に形成した開口218に対応する位置には、3つの開口232(直径約0.5mm)が幅方向に並んで形成されている。これらの開口232のうち、両端に配設された開口には、それぞれWからなるビア導体223t,227tが充填形成されている。これらのビア導体223t,227tは、第1センサリード部223及び第2センサリード部227の一部をなす。
また、第3アルミナ層231の後端側(図2中、右側)の所定位置には、2つの開口234(直径約0.3mm)が幅方向に並んで形成されている。これらの開口234には、センサ電極取出部256の一部をなすビア導体235が充填形成されている。このビア導体235は、それぞれ貴金属と卑金属の合金であるPt‐18.4wt%Wからなる緻密な組織とされ、耐酸化性及びガス不透過性を有する。なお、緻密な組織としては、具体的に、気孔率5%以下、好ましくは0%である。
かくして、第1センサリード部223は、検知多孔質電極部221とセンサ電極取出部256とを、また、第2センサリード部227は、基準多孔質電極部225とセンサ電極取出部256とを電気的に導通させている。
このように、センサ素子200は、第1,第2センサリード部223,227の後端部223q,227q及びガス放出部261から多孔質保護層211まで積層された酸素センサ素子部240が、第4アルミナ層237からヒータ電極パッド265まで積層されたヒータ素子270に複合されたヒータ付属ガスセンサ素子であり、両者の機能を得られるものである。
同様に、本実施形態では、ヒータ電極取出部266のうち、ビア導体241が、耐酸化性を有し、かつ、ガス不透過性を有する緻密な材質(Pt−W)からなる。このように、このビア導体241が、ヒータ電極パッド265からヒータリード部273へのガス(大気)の侵入を防ぐため、このヒータリード部273の酸化も防止されている。
まず、焼成後に第1〜第5アルミナ層213,217,231,237,239となる第1〜第5未焼成アルミナシートを作製する。具体的には、アルミナ粉末97質量部と、イットリア5.4mol%共沈型ジルコニア3質量部と、ブチラール樹脂14質量部と、ジブチルフタレート7質量部を配合し、更にトルエン及びメチルエチルケトンからなる混合溶媒を混合して、スラリーとする。そして、これをドクターブレード法によりシート状とし、トルエン及びエチルメチルケトンを揮発させて、第1〜第5未焼成アルミナシートを作製する。更に、第1未焼成アルミナシートには開口214を穿孔し、第2未焼成アルミナシートには開口218を穿孔し、第3未焼成アルミナシートには開口232,234を穿孔し、第5未焼成アルミナシートには開口240を穿孔する。
させて、未焼成保護シートを作製する。
の条件で真空圧着する。そして、未焼成固体電解質シートを積層した未焼成第2アルミナシートの一方の面に、上記導電性ペーストを用いて第1センサパターンを20±10μmの厚さで印刷し、乾燥させる。
まず、焼成後にビア導体223t,227t及びビア導体235となる未焼成ビア導体を第3未焼成アルミナシートに形成する。また、このシートに、焼成後に接続パッド223u,227uの一部となる接続パッドパターン、及び、焼成後にセンサ電極パッド255となるセンサ電極パッドパターンを形成する。
具体的には、W45vol%と、アルミナ8vol%と、ポリビニルブチラール樹脂20vol%と、溶剤27vol%とを混合して、高密度タングステン導電性インクとする。そして、この高密度タングステン導電性インクを、第3未焼成アルミナシートの中央よりも先端側の所定位置に形成した3つの開口232のうち、両端の2つの開口に充填印刷し、未焼成ビア導体を形成する。
また、アルミナ粉末3質量部とタングステン粉末100質量部とを配合し、エトセルバインダー6質量部を加え、更にブチルカルビトールを溶媒として混合し調製された導電性ペーストを使用して、第3未焼成アルミナシートの一方の面(表面となる面)に、上述の未焼成ビア導体を覆う円板状に印刷し、乾燥させて、接続パッドパターンを形成する。
に、アルミナ粉末3質量部とエトセルバインダー6質量部を加え、更にブチルカルビトールを溶媒として混合し調製された導電性ペーストを使用して、第3未焼成アルミナシートの一方の面(表面となる面)に、未焼成ビア導体を覆う矩形状に印刷し、乾燥させて、センサ電極パッドパターンを形成する。
また、Pt粉末81.6vol%とタングステン粉末18.4vol%とを合わせたものを100質量部とし、さらに、アルミナ粉末3質量部とエトセルバインダー6質量部を加え、更にブチルカルビトールを溶媒として混合し調製された導電性ペーストを使用して、第5未焼成アルミナシートの一方の面(裏面239Rとなる面)に、未焼成ビア導体を覆うように所定形状に印刷し、乾燥させて、ヒータ電極パッドパターン(ヒータ電極パッド層のパターン)を形成する。
次に、3つの開口282のうち、両端に位置する2つの開口に、それぞれAg−5wt%Pdからなるロウ材を印刷する。その後、ヒータ基板210とセンサ基板230を貼り合わせて乾燥させる。次に、これを、大気雰囲気下、250℃で4時間、更に、N2−O2(250ppm以下)の雰囲気下、400℃で4時間加熱し、脱脂する。更に、窒素雰囲気下、1050℃で2時間焼成し、両基板を完全に接合する。またこれにより、ロウ材からなる接続部223r,227rを介して、ビア導体223s,227sと、接続パッド223u,227uとが、機械的にも電気的にも接続される。かくしてセンサ素子200が完成する。
センサ素子200に一体に組み付けられるフランジ部125は、アルミナ製のセラミックリング121と、滑石粉末を充填圧縮した滑石リング122と、セラミックリング121及び滑石リング122を内部に収容可能な大きさの筒状をなす金属製ホルダ120とから構成されている。このフランジ部125は、次のようにしてセンサ素子200に組み付ける。
まず、センサ素子200を挿通可能な大きさの開口断面積を有するリング状の滑石成形体を準備し、センサ素子200の所定位置に金属製ホルダ120、セラミックリング121及び滑石成形体を順に配置する。そして、滑石成形体を圧潰して圧縮変形させ、滑石リング121を形成し、金属製ホルダ120及びセラミックリング121を滑石リング122と共にセンサ素子200に一体に組み付ける。これにより、主体金具102の段部109に係合させるためのフランジ部125が、センサ素子200に対して固定した状態で設けられる。
130が主体金具102内に組み込まれる際に、そのスリーブ130によって押圧されて行われる。
また、この先端部161の軸線方向略中央には、電極ホルダ140の開口146に係合して電極ホルダ140と電極金具160との位置決めを行うための突片163が突設されている。
フランジ部125が一体に組み付けられたセンサ素子200を、検出部側を主体金具102の先端側にして主体金具102内に挿入する。すると、主体金具102の先端側の段部109にフランジ部125の先端側の端部が当接する位置で、センサ素子200が主体金具102に対して位置決めされる。
このようにした状態で、リング部材108をスリーブ130上に載置し、主体金具102の加締め部107を内側に曲げるようにして加締めを行う。スリーブ130はリング部材108を介し、主体金具102の先端方向に加締めによる押圧力を受け、滑石リング123を圧縮する。これによって、滑石リング123は変形して周囲の隙間を埋め、主体金具102内で、センサ素子200及びフランジ部125を固定する。
このように、外部露出面255a,265aをなす部分を含めセンサ電極パッド255及びヒータ電極パッド265全体を、ビア導体235,241より粗の組織としている。このため、電極金具160の先端部161とセンサ電極取出部256との接続や、先端部161とヒータ電極取出部266との接続において、センサ電極パッド255及びヒータ電極パッド265に外力が加わったときに、変形し易い。
これにより、検知多孔質電極部221、基準多孔質電極部225及び発熱部271への通電にあたり、電極金具160の先端部161を各電極パッド255,265に圧接させて、これらを互いに接続させようとすると、この圧接時の押圧力により、電極パッド255,265が潰れて変形し、先端部161の一部が電極パッド255,265に食い込む形態となる。これにより、電極パッド255,265と電極金具160との機械的な接触面積を大きく取ることができる。
さらに、電極パッド255,265が変形することで、電極端子160の先端部161が電極パッド255,265上を滑り難くなるため、電極金具160がより安定した状態で接触させることができる。
したがって、本実施形態のセンサ素子200及びガスセンサ100では、電極パッド255,265と電極金具160の先端部161との電気的な接続不良の発生が抑制できる。
このため、センサ電極取出部256やヒータ電極取出部266が、大気等のガスに晒されても、ビア導体235,241が、センサ電極取出部256やヒータ電極取出部266から第1,2センサリード部223,227の後端部223q,227qやヒータリード部273へのガスの侵入を防ぐ。したがって、第1,2センサリード部223,227の後端部223q,227qやヒータリード部273の材質をタングステン等の卑金属としても、実使用時において適切にこれらの酸化を防止できる。
また、貴金属−卑金属合金であるPt‐18.4wt%Wで形成されたビア導体235,241は、耐酸化性及びガス不透過性を有するので、ビア導体235,241をすべて貴金属から形成する場合と比して、卑金属を使用する分だけ貴金属の使用を抑えることができる。これにより、ビア導体235,241を、ひいてはガスセンサ100を安価にできる。
次いで、第2の実施形態について、図4を用いて説明する。
本実施形態に係るガスセンサ101(図1参照)及びそれに用いるセンサ素子300は、前述の実施形態1に係るガスセンサ100及びこれに用いるセンサ素子200とは、電極取出部の構成のみが異なり、それ以外の部分は同様である。したがって、実施形態1と同様な部分の説明は、省略あるいは簡素化し、異なる部分を中心に説明することとする。
一方、外部露出部355Bは、Pt‐18.4wt%Wにアルミナ3wt%を含む材料からなり、耐酸化性を有するが、ビア導体被覆部355Aより粗である組織、具体的には、多孔質の組織からなる。さらに具体的には、この外部露出部355Bの気孔率が40〜60%の範囲とされている。
一方、外部露出部365Bは、同じくPt‐18.4wt%Wにアルミナ3wt%を含む材料からなり、耐酸化性を有するが、ビア導体被覆部365Aより粗である組織、具体的には、多孔質の組織からなる。具体的には、この外部露出部365Bの気孔率が40〜60%の範囲とされている。
これにより、検知多孔質電極部221、基準多孔質電極部225及び発熱部271への通電にあたり、電極金具160の先端部161を各電極パッド355,365に圧接させて、これらを互いに接続させようとすると、この圧接時の押圧力により、電極パッド355,365の外部露出部355B,365Bが潰れて変形し、先端部161の一部が外部露出部355B,365Bに食い込む形態となる。これにより、各電極パッド355,365と電極金具160との機械的な接触面積を大きく取ることができる。
さらに、電極パッド355,365の外部露出部355B,365Bが変形することで、電極端子160の先端部161が電極パッド355,365上を滑り難くなるため、電極金具160がより安定した状態で接触させることができる。
したがって、本実施形態2のセンサ素子300及びガスセンサ101でも、電極パッド355,365と電極金具160の先端部161との電気的な接続不良の発生が抑制できる。
一方、外部露出部355B,365Bに含有するアルミナを、ビア導体被覆部355A,365Aより少なくすることで、この外部露出部355B,365Bにおける導通抵抗をより小さく抑え、各電極パッド355,365での導電性の低下を防止している。
また、ビア導体被覆部355A,365Aを貴金属−卑金属合金であるPt‐18.4wt%Wで形成しているので、これらを貴金属から形成する場合と比して、卑金属を使用する分だけ貴金属の使用を抑えることができ、ガスセンサ101を安価にできる。
次いで、第3の実施形態について、図5及び図6を参照して説明する。
上述の実施形態1,2では、酸素センサ素子部201,301にヒータ素子部270,370を複合してなるセンサ素子200,300を備えるガスセンサ100,101をそれぞれ例示して説明した。
これに対し、図2と図5とを対比すれば容易に理解できるように、本実施形態3では、ガスセンサ100,101におけるセンサ素子200をかえて、これからヒータ素子部270を除いた構成を有するセンサ素子400を組み込んだガスセンサ102について説明する。つまり、本実施形態3に係るガスセンサ102に組み込まれるセンサ素子400は、前述の実施形態1に係るセンサ素子200のうちの酸素センサ素子部201と同様のものである。
したがって、前述の実施形態1と同様な部分の説明は省略あるいは簡素化し、異なる部分を中心に説明することとする。なお、図5は、ガスセンサ102に組み込まれるセンサ素子400の分解斜視図である。
一方、このセンサ電極パッド455は、ビア導体435と同じく貴金属‐卑金属であるPt‐18.4wt%Wからなり、耐酸化性を有するが、ビア導体435より粗である組織からなる。具体的には、多孔質の組織からなり、その気孔率は40〜60%の範囲である。このセンサ電極パッド455は、ビア導体435を覆うように配置され、これと導通している。
このような自動車の排気管内にこのガスセンサ102を用いた場合、センサ電極取出部456が大気等のガスに晒されても、ビア導体435が耐酸化性及びガス不透過性を有している。このため、センサ電極取出部456から第1,2センサリード部223,227の後端部223q,227qへのガスの侵入を防ぐ。したがって、卑金属を主体とした第1,2センサリード部223,227の後端部223q,227qの酸化を防止できる。
これにより、検知多孔質電極部221、基準多孔質電極部225及び発熱部271への通電にあたり、電極金具160の先端部161をセンサ電極パッド455に圧接させて、これらを互いに接続させようとすると、この圧接時の押圧力により、センサ電極パッド455が潰れて変形し、先端部161の一部がセンサ電極パッド455に食い込む形態となる。これにより、センサ電極パッド455と電極金具160との機械的な接触面積を大きく取ることができる。
さらに、センサ電極パッド455が変形することで、電極端子160の先端部161がセンサ電極パッド455上を滑り難くなるため、電極金具160がより安定した状態で接触させることができる。
したがって、本実施形態3のセンサ素子400及びガスセンサ102でも、電極パッド455と電極金具160の先端部161との電気的な接続不良の発生が抑制できる。
次いで、第4の実施形態について、図7及び図8を参照して説明する。
上述の実施形態1,2では、酸素センサ素子部201,301にヒータ素子部270,370を複合してなるセンサ素子200,300を備えるガスセンサ100,101についてそれぞれ説明した。
これに対して、本実施形態4では、ヒータ素子570について説明する。また、本実施形態4に係るヒータ素子570は、前述の実施形態1に係るセンサ素子200におけるヒータ素子部270とは、ヒータ電極取出部の構成が異なるが、それ以外の部分ではヒータ素子270と同様のものである。また、このヒータ電極取出部566は、実施形態2に係るセンサ素子300におけるヒータ素子部370と同様のものである。
したがって、上述の実施形態1〜3と同様な部分の説明は省略あるいは簡素化し、異なる部分を中心に説明することとする。なお、図7は、ヒータ素子570の分解斜視図である。
一方、ヒータ電極パッド565は、内側にあるビア導体被覆部565Aと、これを覆う外部露出部565Bとの二層からなる。このうち、ビア導体被覆部565Aは、貴金属‐卑金属であるPt‐18.4wt%Wに、共素地として第5アルミナ層239をなすアルミナと同じアルミナを8wt%含有する材料からなり、耐酸化性及びガス不透過性を有している。このビア導体被覆部565Aは、第5アルミナ層239の外表面239R上でビア導体541を気密に覆い、このビア導体541と接触して電気的に導通している。
しかし、ヒータ電極パッド565の外部露出面565Sをなす外部露出部565Bは、ビア導体被覆部565Aと若干異なり、Pt‐18.4wt%Wにアルミナを含有しているが、その含有率をビア導体被覆部565Aよりも少ない3wt%としている。さらに、この外部露出部565Bは、ビア導体被覆部565Aより粗である組織からなる。具体的には、多孔質の組織されており、その気孔率は40〜60%である。
これにより、発熱部271への通電にあたり、電極金具160の先端部161をヒータ電極パッド565に圧接させて、これらを互いに接続させようとすると、この圧接時の押圧力により、ヒータ電極パッド565の外部露出部565Bが潰れて変形し、先端部161の一部が外部露出部565Bに食い込む形態となる。これにより、ヒータ電極パッド565と電極金具160との機械的な接触面積を大きく取ることができる。
さらに、ヒータ電極パッド565の外部露出部565Bが変形することで、電極端子160の先端部161がヒータ電極パッド565上を滑り難くなるため、電極金具160がより安定した状態で接触させることができる。
したがって、本実施形態5のヒータ素子570でも、ヒータ電極パッド565と電極金具160の先端部161との電気的な接続不良の発生が抑制できる。
一方、外部露出部565Bに含有するアルミナを、ビア導体被覆部565Aより少なくすることで、この外部露出部565Bにおける導通抵抗をより小さく抑え、ヒータ電極パッド565での導電性の低下を防止している。
例えば、実施形態1,2,3,4では、貴金属−卑金属合金の例として、Pt−18.4wt%Wを例示して説明したが、耐酸化性を有する他の組成の貴金属−卑金属合金を用いることもできる。また、卑金属を混ぜないでPt等の貴金属を用いることができることは明らかである。
400 ガスセンサ素子
201,301 酸素センサ素子部(ガスセンサ素子)
205 酸素検知部
223 第1センサリード部
223q 後端部(電極リード部)
227 第2センサリード部
227q 後端部(電極リード部)
270,370 ヒータ素子部
570 ヒータ素子
239R 外表面
271 発熱部
273 ヒータリード部(電極リード部)
266,366 ヒータ電極取出部(電極取出部)
241 ビア導体
231R 外表面
256,356,456 センサ電極取出部(電極取出部)
235,335,435 ビア導体
255,355,455 センサ電極パッド(電極パッド)
355A ビア導体被覆部
355B 外部露出部
255a,355S,456a 外部露出面
266,366,566 ヒータ電極取出部(電極取出部)
241,341,541 ビア導体
265,365,565 ヒータ電極パッド(電極パッド)
365A,565A ビア導体被覆部
365B,565B 外部露出部
265a,365S,565S 外部露出面
Claims (20)
- ガス検知部を備えるガスセンサ素子部、及び、発熱部を備えるヒータ素子部を有し、
上記ガスセンサ素子部及びヒータ素子部は、自身の一端で上記ガス検知部または上記発熱部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備える
ヒータ付きガスセンサ素子であって、
上記導通路は、
自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、
上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、
卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、
上記電極取出部は、
上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、
このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、
上記ビア導体は、
耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、
上記電極パッドは、
耐酸化性を有する材料からなり、少なくとも自身の外部露出面をなす部分が上記ビア導体より粗である組織を有する
ヒータ付きガスセンサ素子。 - 請求項1に記載のヒータ付きガスセンサ素子であって、
前記電極パッドは、
前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなる
ヒータ付きガスセンサ素子。 - ガス検知部を備えるガスセンサ素子部、及び、発熱部を備えるヒータ素子部を有し、
上記ガスセンサ素子部及びヒータ素子部は、自身の一端で上記ガス検知部または上記発熱部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備える
ヒータ付きガスセンサ素子であって、
上記導通路は、
自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、
上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、
卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、
上記電極取出部は、
上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、
このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、
上記電極パッドは、
少なくとも上記ビア導体と接触して電気的に導通してなり、上記セラミック層の上記外表面上で上記ビア導体を気密に覆うビア導体被覆部と、
上記ビア導体被覆部と電気的に導通してなり、上記電極パッドの外部露出面をなし、上記ビア導体被覆部を覆う外部露出部と、を有し、
上記ビア導体被覆部は、
耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、
上記外部露出部は、
耐酸化性を有する材料からなり、上記ビア導体被覆部より粗である組織を有する
ヒータ付きガスセンサ素子。 - 請求項3に記載のヒータ付きガスセンサ素子であって、
前記電極パッドの前記ビア導体被覆部及び前記外部露出部は、
前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなる
ヒータ付きガスセンサ素子。 - 請求項4に記載のヒータ付きガスセンサ素子であって、
前記ビア導体被覆部は、
前記セラミック材を、
前記外部露出部よりも多く含有してなる
ヒータ付きガスセンサ素子。 - 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のヒータ付きガスセンサ素子であって、
前記電極取出部は、
貴金属―卑金属合金からなる
ヒータ付きガスセンサ素子。 - 請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載のヒータ付きガスセンサ素子を備える
ガスセンサ。 - ガス検知部、自身の一端で上記ガス検知部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備えるガスセンサ素子であって、
上記導通路は、
自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、
上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、
上記電極取出部は、
上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、
このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、
上記ビア導体は、
耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、
上記電極パッドは、
耐酸化性を有する材料からなり、少なくとも自身の外部露出面をなす部分が上記ビア導体より粗である組織を有する
ガスセンサ素子。 - 請求項8に記載のガスセンサ素子であって、
前記電極パッドは、
前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなる
ガスセンサ素子。 - ガス検知部、自身の一端で上記ガス検知部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備えるガスセンサ素子であって、
上記導通路は、
自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、
上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、
上記電極取出部は、
上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、
このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、
上記電極パッドは、
少なくとも上記ビア導体と接触して電気的に導通してなり、上記セラミック層の上記外表面上で上記ビア導体を気密に覆うビア導体被覆部と、
上記ビア導体被覆部と電気的に導通してなり、上記電極パッドの外部露出面をなし、上記ビア導体被覆部を覆う外部露出部と、を有し、
上記ビア導体被覆部は、
耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、
上記外部露出部は、
耐酸化性を有する材料からなり、上記ビア導体被覆部より粗である組織を有する
ガスセンサ素子。 - 請求項10に記載のガスセンサ素子であって、
前記電極パッドの前記ビア導体被覆部及び前記外部露出部は、
前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなる
ガスセンサ素子。 - 請求項11に記載のガスセンサ素子であって、
前記ビア導体被覆部は、
前記セラミック材を、
前記外部露出部よりも多く含有してなる
ガスセンサ素子。 - 請求項8〜請求項12のいずれか一項に記載のガスセンサ素子であって、
前記電極取出部は、
貴金属―卑金属合金からなる
ガスセンサ素子。 - 請求項8〜請求項13のいずれか1項に記載のガスセンサ素子を備える
ガスセンサ。 - 発熱部、自身の一端で上記発熱部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備えるヒータ素子であって、
上記導通路は、
自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、
上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、
上記電極取出部は、
上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、
このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、
上記ビア導体は、
耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、
上記電極パッドは、
耐酸化性を有する材料からなり、少なくとも自身の外部露出面をなす部分が上記ビア導体より粗である組織を有する
ヒータ素子。 - 請求項15に記載のヒータ素子であって、
前記電極パッドは、
前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなる
ヒータ素子。 - 発熱部、自身の一端で上記発熱部と電気的に導通する導通路、及びこの導通路の一部を気密に覆う絶縁性のセラミック層を備えるヒータ素子であって、
上記導通路は、
自身の他端を含み、一部が外部に露出する電極取出部と、
上記電極取出部よりも上記導通路の上記一端側に位置して上記電極取出部に接続し、卑金属を主体とする材質からなり、上記セラミック層内に気密に埋設された電極リード部と、を有し、
上記電極取出部は、
上記セラミック層を貫通し、上記電極リード部に電気的に接続するビア導体と、
このビア導体に電気的に接続し、上記セラミック層の外表面上において外部に露出して配置された電極パッドと、を含み、
上記電極パッドは、
少なくとも上記ビア導体と接触して電気的に導通してなり、上記セラミック層の上記外表面上で上記ビア導体を気密に覆うビア導体被覆部と、
上記ビア導体被覆部と電気的に導通してなり、上記電極パッドの外部露出面をなし、上記ビア導体被覆部を覆う外部露出部と、を有し、
上記ビア導体被覆部は、
耐酸化性を有する材料からなり、緻密でガス不透過性を有し、
上記外部露出部は、
耐酸化性を有する材料からなり、上記ビア導体被覆部より粗である組織を有する
ヒータ素子。 - 請求項17に記載のヒータ素子であって、
前記電極パッドの前記ビア導体被覆部及び前記外部露出部は、
前記セラミック層をなすセラミック材を含有する材料からなる
ヒータ素子。 - 請求項18に記載のヒータ素子であって、
前記ビア導体被覆部は、
前記セラミック材を、
前記外部露出部よりも多く含有してなる
ヒータ素子。 - 請求項15〜請求項19のいずれか一項に記載のヒータ素子であって、
前記電極取出部は、
貴金属―卑金属合金からなる
ヒータ素子。
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