JP5056723B2 - Gas sensor element - Google Patents
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Description
本発明は、自動車エンジン等の内燃機関から排出される燃焼排気中の特定ガス成分濃度を測定するガスセンサに用いられるガスセンサ素子の耐久性、耐被水性強度向上に関するものである。 The present invention relates to an improvement in durability and moisture resistance of a gas sensor element used in a gas sensor for measuring a specific gas component concentration in combustion exhaust gas discharged from an internal combustion engine such as an automobile engine.
従来、自動車エンジン等の内燃機関の燃焼排気流路に、該燃焼排気中に含まれる酸素、窒素酸化物、アンモニア、水素等の特定ガス成分の濃度を検知するガスセンサを配設して、内燃機関の燃焼制御や排ガス浄化装置の制御を行っている。
このようなガスセンサとして、例えば、酸素センサの場合、平板状に形成された酸素イオン導伝性の固体電解質層と、該固体電解質層の一方の表面に形成されて被測定ガスに接する測定電極層と、該測定電極層側に形成されて上記被測定ガスを透過する多孔質拡散抵抗層と、上記固体電解質層の他方の表面に形成されて基準ガスに接する基準電極層と、該基準電極層側に形成されて上記基準ガスを導入する基準ガス室を有する基準ガス室形成層と、発熱体を内部に有する絶縁性の基体とを積層してなる積層型ガスセンサ素子が用いられている。
Conventionally, a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas component such as oxygen, nitrogen oxides, ammonia, and hydrogen contained in the combustion exhaust gas is disposed in the combustion exhaust flow path of the internal combustion engine such as an automobile engine, and the internal combustion engine. Combustion control and exhaust gas purification device control.
As such a gas sensor, for example, in the case of an oxygen sensor, an oxygen ion conductive solid electrolyte layer formed in a flat plate shape, and a measurement electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer and in contact with the gas to be measured A porous diffusion resistance layer that is formed on the measurement electrode layer side and transmits the gas to be measured; a reference electrode layer that is formed on the other surface of the solid electrolyte layer and is in contact with a reference gas; and the reference electrode layer A laminated gas sensor element is used which is formed by laminating a reference gas chamber forming layer having a reference gas chamber which is formed on the side and into which the reference gas is introduced, and an insulating substrate having a heating element therein.
一方、被測定流体としての燃焼排気中には、P、Ca、Zn、Si等のオイル含有成分やK、Na、Pb等のガソリン添加成分からなる被毒物質が含まれており、積層型ガスセンサ素子の測定電極層や多孔質拡散層がこれらの被毒物質に汚染されて、ガスセンサの応答性劣化や出力異常等の問題を引き起こす虞がある。また、燃焼排気中には、水蒸気も含まれており、これが凝縮して水滴となり積層型ガスセンサ素子に付着する虞もある。 On the other hand, the combustion exhaust as the fluid to be measured contains poisonous substances composed of oil-containing components such as P, Ca, Zn, and Si and gasoline-added components such as K, Na, and Pb. The measurement electrode layer and the porous diffusion layer of the element may be contaminated with these poisoning substances, which may cause problems such as deterioration in response of the gas sensor and abnormal output. The combustion exhaust gas also contains water vapor, which may condense and form water droplets that adhere to the stacked gas sensor element.
加えて、このような積層型ガスセンサ素子は、固体電解質層を特定のイオンに対してイオン電導性を示すべく、内蔵された発熱体によって例えば700℃以上の高温に加熱・活性化された状態で使用されている。
このため、被測定ガス雰囲気中の水滴の付着(被水)によって、積層型ガスセンサ素子に大きな熱衝撃が加わり素子の被水割れを生じる虞もある。
In addition, in such a stacked gas sensor element, the solid electrolyte layer is heated and activated at a high temperature of, for example, 700 ° C. or higher by a built-in heating element so as to exhibit ionic conductivity with respect to specific ions. in use.
For this reason, adhesion of water droplets in the measurement gas atmosphere (water exposure) may cause a large thermal shock to the stacked gas sensor element and cause water cracking of the element.
そこで、ガスセンサ素子の外周面に所定膜厚の多孔質保護層を形成することによって、該多孔質保護層内に上記被毒物質を捕獲して誤動作を防止したり、水滴が付着したときには、水滴を該多孔質保護層内に分散させて熱衝撃を緩和させ素子全体にクラックが発生するのを防止したりできることが知られている(特許文献1、特許文献2参照)。
Therefore, by forming a porous protective layer with a predetermined film thickness on the outer peripheral surface of the gas sensor element, the poisoning substance is captured in the porous protective layer to prevent malfunction, or when water droplets adhere, Is dispersed in the porous protective layer to relieve thermal shock and prevent the entire device from cracking (see
このような多孔質保護層は、例えば所定の粒度分布を有するアルミナ等の耐熱性セラミック粉末を無機バインダ及び分散剤とともに水又は有機溶媒等の分散媒に分散させたスラリーにガスセンサ素子の被測定流体中に晒される部分を浸漬(ディッピング)して、ガスセンサ素子の外周面に該スラリーの膜を形成し、これを乾燥、焼結することにより得られる(特許文献1参照)。 Such a porous protective layer is, for example, a fluid to be measured of a gas sensor element in a slurry in which a heat-resistant ceramic powder such as alumina having a predetermined particle size distribution is dispersed in a dispersion medium such as water or an organic solvent together with an inorganic binder and a dispersant. It is obtained by immersing (dipping) a portion exposed to the inside to form a film of the slurry on the outer peripheral surface of the gas sensor element, and drying and sintering the film (see Patent Document 1).
例えば、このような従来のガスセンサ素子として、図8(a)に示すガスセンサ素子10Zは、平板状に形成した固体電解質層100Zの一方の表面に測定電極層110Zを形成し、他方の面に基準電極層120Zを形成し、基準電極層120Zの側に積層して基準ガスとして大気を導入する基準ガス室130Zを形成する基準ガス室形成層131Zを配設し、さらに測定電極層110Zの側に積層して多孔質体からなる拡散抵抗層160Zを配設してセンサ部11Zとなし、平板状に形成した絶縁体140Z、141Zの内部に発熱体150Zを設けてヒータ部14Zとなし、センサ部11Zとヒータ部14Zとを積層、焼成して一体のガスセンサ素子を構成している。
ところが、断面略矩形のガスセンサ素子10Zの表面に、アルミナ等の保護層形成材料と分散剤と無機バインダ等とを水又は有機溶剤等の分散媒に分散させてスラリー状又はペースト状に調整し、ディッピング、刷毛塗り、スプレー噴霧、印刷等の湿式的手法により多孔質保護層170Zを形成しようとすると、図8(a)に示すように、表面張力等の影響により多孔質保護層170Zの膜厚tHTRZ、tSNZ、tSDZは、発熱面SHTRZ、センサ面SSNZ、側面SSDZにおいて、それぞれの平面の中心部分で最も厚くなり、それぞれの平面が交わる稜線LZ、即ち、ガスセンサ素子10zの長手方向の端縁の近傍において薄くなることが判明した。
However, the surface of the
このように膜厚分布が生じた状態で多孔質保護層170Zを乾燥、焼結すると、乾燥時の収縮及び焼結時の収縮のストレスが多孔質保護層170Z内部で稜線LZ付近に集中し、多孔質保護層170Zが稜線LZを境に分断される虞がある。また、多孔質保護層170Zが稜線LZにおいて分断されることによりガスセンサ素子10Zと多孔質保護層170Zとの密着強度が低下し、剥離しやすくなることが判明した。
Thus the porous
加えて、断面略矩形に形成されたヒータ部14Zにおいては、絶縁体141Zの発熱面方向の板厚t141Z1及び側面方向の板厚ts141Zに対して、内蔵される発熱体150Zの端縁と稜線LZまでの距離t141Z2が長い。
このため、発熱体150Zの発熱時には、ヒータ部14Z内部に温度勾配が生じ、熱的なストレスとなる。このように状態でガスセンサ素子10Zが被水すると、被水による熱衝撃とヒータ部14Zの内部ストレスとの相乗的なストレスによって容易にガスセンサ素子が破壊される虞がある。
In addition, in the heater unit 14 Z formed in a substantially rectangular cross section, with respect to the heat generating surface direction of the
Therefore, when heating of the heating element 0.99 Z, a temperature gradient is generated inside the heater unit 14 Z, the thermal stress. With such
一方、図8(b)に示すように、ガスセンサ素子10Xでは、ガスセンサ素子10Zと同様な構成に加え、長手方向の端縁に沿ってC面状の稜面CXを少なくとも素子先端側の発熱領域に形成し、断面略六角形状又は略八角形状に形成することによって、発熱体150Xの端縁から稜面CX表面までの距離が短くなり、発熱体150X表面から発熱面SHTRX方向への発熱量と稜面CX方向への発熱量との均一化を図り、ヒータ部14Z内部に発生する熱ストレスを緩和できると期待される。
しかしながら、このような熱ストレスを緩和する構造のガスセンサ素子10Xにおいても、稜面CXと側面SSDXとが交わる側面側稜線L1X、又は、稜面CXと発熱面SHTRXとが交わる発熱面側稜線L2Xにおいて、上述の断面矩形状のガスセンサ素子10Zと同様、多孔質保護層170Xの膜厚が局所的に薄くなり、多孔質保護層170Xが分断され、剥離を招く虞がある。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, in the
However, also in the
そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、被測定ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサに用いられるガスセンサ素子であって、該ガスセンサ素子の表面を覆う多孔質保護層の剥離が起こり難く、耐久性に優れたガスセンサ素子の提供を目的とするものである。 Therefore, in view of such circumstances, the present invention is a gas sensor element used in a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas component in a gas to be measured, and the porous protective layer covering the surface of the gas sensor element is unlikely to peel off. An object of the present invention is to provide a gas sensor element having excellent durability.
請求項1の発明では、被測定ガス流路に載置され、被測定ガス中の特定成分の濃度を検出する略平板状に形成されたセンサ部と、該センサ部に積層して上記センサ部を加熱、活性化する略平板状に形成されたヒータ部とを具備し、少なくとも上記ヒータ部の長手方向の端縁に沿って、少なくとも2以上の稜面からなる多重稜面部を設けるとともに、該多重稜面部を含む上記ガスセンサ素子の外周面の所定の範囲を湿式的手法で形成した多孔質保護層によって包囲せしめたガスセンサ素子において、上記多重稜面部は、少なくとも上記ヒータ部側面に連なる側面側稜面と上記ヒータ部の発熱面に連なる発熱面側稜面とを含み、上記多孔質保護層は、上記側面側稜面と上記ヒータ部の側面とが交わる側面側稜線上に形成した上記多孔質保護層の膜厚を側面側膜厚t 1 とし、上記発熱面側稜面と上記ヒータ部発熱面とが交わる発熱面側稜線上に形成した上記多孔質保護層の膜厚を発熱面側膜厚t 2 としたとき、下記式1の関係を満たす範囲に設定する。
1.0・t 1 ≦t 2 ≦1.6・t 1 ・・・式1
According to the first aspect of the present invention, there is provided a sensor unit that is placed in the measured gas flow path and detects the concentration of a specific component in the measured gas, and is formed in a substantially flat plate shape, and the sensor unit stacked on the sensor unit. A heater portion formed in a substantially flat plate shape that heats and activates, and at least along the edge in the longitudinal direction of the heater portion, a multiple ridge surface portion composed of at least two ridge surfaces is provided, In the gas sensor element in which a predetermined range of the outer peripheral surface of the gas sensor element including the multiple ridge surface portion is surrounded by a porous protective layer formed by a wet method, the multiple ridge surface portion is at least a side surface ridge continuous with the heater portion side surface. The porous protective layer is formed on a side-side ridge line where the side-side ridge surface and the side surface of the heater part intersect with each other. Protective layer film Was a side surface side thickness t 1, and the thickness of the porous protective layer formed on the heat generating surface side on the edge line and the heat generating surface side ridge surface and the heater unit heating surface intersects with the heat generating surface side thickness t 2 At this time, it is set to a range satisfying the relationship of the following
1.0 · t 1 ≦ t 2 ≦ 1.6 · t 1 Formula 1
本発明者等の鋭意試験によって、上記多孔質保護層の膜厚を請求項1の発明の範囲に設定することによって、上記多孔質保護層の剥離をさらに効果的に抑制できることが判明した。
請求項1の発明によれば、所定の範囲に設定した上記多重稜面部を介することによって、上記ヒータ部の発熱面から側面に向かって緩やかに角度変化するため、湿式的手法を用いて形成した上記多孔質保護層膜厚の局所的な薄肉化が抑制され、乾燥、焼結時に上記多孔質保護層の収縮が起こっても上記ヒータ部の発熱面と側面との境界で分断されることがなく、上記多孔質保護層と上記ガスセンサ素子との密着強度が増し、剥離が起こり難くなる。したがって、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するガスセンサに用いられるガスセンサ素子の耐久性が向上する。
As a result of diligent tests by the present inventors, it has been found that by setting the film thickness of the porous protective layer within the scope of the invention of
According to the first aspect of the present invention, since the angle gradually changes from the heat generation surface of the heater portion to the side surface through the multiple ridge surface portion set in a predetermined range, it is formed using a wet method. Local thinning of the porous protective layer thickness is suppressed, and even if the porous protective layer shrinks during drying and sintering, it is divided at the boundary between the heating surface and the side surface of the heater part. In addition, the adhesion strength between the porous protective layer and the gas sensor element is increased, and peeling is less likely to occur. Therefore, the durability of the gas sensor element used in the gas sensor for detecting the specific gas component concentration in the gas to be measured is improved.
請求項2の発明では、被測定ガス流路に載置され、被測定ガス中の特定成分の濃度を検出する略平板状に形成されたセンサ部と、該センサ部に積層して上記センサ部を加熱、活性化する略平板状に形成されたヒータ部とを具備し、少なくとも上記ヒータ部の長手方向の端縁に沿って、少なくとも2以上の稜面からなる多重稜面部を設けるとともに、該多重稜面部を含む上記ガスセンサ素子の外周面の所定の範囲を湿式的手法で形成した多孔質保護層によって包囲せしめたガスセンサ素子において、上記多重稜面部は、少なくとも上記ヒータ部側面に連なる側面側稜面と上記ヒータ部の発熱面に連なる発熱面側稜面とを含み、上記ヒータ部の発熱面から上記側面側稜面と上記ヒータ部の側面とが交わる側面側稜線までの高さを側面側稜面高H1とし、上記ヒータ部の発熱面から上記発熱面側稜面と上記側面側稜面との交わる稜線までの高さを発熱面側稜面高H2としたとき、下記式2の関係を満たす範囲に設ける。
1/2・H1≦H2≦3/4・H1・・・式2
According to a second aspect of the present invention, there is provided a sensor unit that is placed in the measurement gas flow path and that is formed in a substantially flat plate shape for detecting the concentration of a specific component in the measurement gas, and the sensor unit is stacked on the sensor unit. A heater portion formed in a substantially flat plate shape that heats and activates, and at least along the edge in the longitudinal direction of the heater portion, a multiple ridge surface portion composed of at least two ridge surfaces is provided, In the gas sensor element in which a predetermined range of the outer peripheral surface of the gas sensor element including the multiple ridge surface portion is surrounded by a porous protective layer formed by a wet method, the multiple ridge surface portion is at least a side surface ridge continuous with the heater portion side surface. And a heating surface side ridge surface connected to the heating surface of the heater portion, and the height from the heat generation surface of the heater portion to the side surface ridge line where the side surface ridge surface intersects the side surface of the heater portion is the side surface side. Ridge height H 1 And then, when the heat generating surface side ridge surface height H 2 the height of the ridge intersects with the heat generating surface side ridge surface and the side surface side ridge surface from the heating surface of the heater unit, the range satisfying the relation of the
1/2 · H 1 ≤ H 2 ≤ 3/4 · H 1 ...
本発明者等の鋭意試験によって、上記多重稜面部を請求項2の発明の範囲に設定することによって、上記多孔質保護層の剥離を抑制するとともに、上記ガスセンサ素子の被水割れを効果的に抑制できることが判明した。
By setting the multiple ridge surface portions within the scope of the invention according to
本発明のガスセンサ素子は、自動車エンジン等の内燃機関の燃焼排気流路に設けられ燃焼排気中に含まれる酸素、NOX、NH3、HC(ハイドロキシカーボン)等の特定ガス成分を検出し、内燃機関の燃焼制御や燃焼排気処理制御等に利用するガスセンサに用いられるものである。
本発明の第1の実施形態におけるガスセンサ素子として最も基本的な構成の酸素センサに用いられるガスセンサ素子10を例として図を参照しながら説明する。図1(a)は、本実施形態におけるガスセンサ素子10の断面図、(b)は、要部拡大断面図である。
The gas sensor element of the present invention is provided in a combustion exhaust passage of an internal combustion engine such as an automobile engine, and detects specific gas components such as oxygen, NO x , NH 3 , and HC (hydroxycarbon) contained in the combustion exhaust, It is used for a gas sensor used for engine combustion control, combustion exhaust treatment control, and the like.
The
図1に示すように、ガスセンサ素子10は、略平板状に形成されたセンサ部11とヒータ部14とを積層して構成され、その外周面は多孔質保護層170で覆われている。
ヒータ部14の側面SSDと発熱面SHTRとの間には長手方向の端縁に沿って、本発明の要部であり、複数の稜面からなる多重稜面S1、S2が形成されている。
側面SSD側には発熱面SHTRに対して所定の角度θ1を設けて第1の稜面として側面側稜面S1が所定の稜面高H1で形成され、発熱面SHTR側には発熱面SHTRに対して所定の角度θ2を設けて第2の稜面として発熱面側稜面S2が所定の稜面高H2で形成されている。
さらに、側面SSDと側面側稜面S1とが交わる側面側稜線L1上の多孔質保護層170の膜厚t1と、発熱面SHTRと発熱面側稜面S2とが交わる発熱面側稜線L2上の膜厚t2との間には、下記式1の関係が成立している。
t1≦t2≦1.6・t1・・・式1
また、側面側稜面高H1と発熱面側稜面高H2との間には、下記式2の関係が成立している。
1/2・H1≦H2≦3/4・H1・・・式2
As shown in FIG. 1, the
Between the side surface S SD of the heater 14 and the heat generating surface S HTR along the longitudinal direction of the edge, a main part of the present invention, multiple crest surfaces S 1, S 2 comprising a plurality of ridges surfaces formed Has been.
The side surface S SD side surface side ridge surface S 1 is formed in a predetermined edge surface height H 1 as a first edge surface with a predetermined angle theta 1 with respect to the heat generating surface S HTR, heating surface S HTR side Is provided with a predetermined angle θ 2 with respect to the heat generating surface SHTR , and a heat generating surface side ridge surface S 2 is formed with a predetermined ridge surface height H 2 as a second ridge surface.
Further, the thickness t 1 of the porous
t 1 ≦ t 2 ≦ 1.6 · t 1 Formula 1
Between the side surface side ridge surface height H 1 and the heat generating surface side ridge surface height H 2, the relationship of the following
1/2 · H 1 ≤ H 2 ≤ 3/4 · H 1 ...
センサ部11は、平板状に成形した固体電解質層100と、固体電解質層100の被測定ガスに接する側の表面に形成された測定電極層110と、さらに測定電極層110側に積層して形成された被測定ガスを所定の拡散抵抗の下で透過する多孔質の拡散抵抗層160と、固体電解質層100の他方の表面に形成されて基準ガスとして導入される大気に接する基準電極層120と、基準電極層120の側に積層して形成されて基準ガスを導入する基準ガス室130を形成するための基準ガス室形成層131とによって構成されている。ヒータ部14は、平板状に成形した絶縁性の基体140、141の内側に積層して発熱体150が形成されている。
The
なお、本実施形態において、θ1は40度から50度の範囲で設けられ、θ2は17.5度から27.5度の範囲で設けられている。
また、側面側稜線L1上の多孔質保護層170の膜厚t1は、125μm〜250μm程度に形成され、発熱側稜線L2上の多孔質保護層170の膜厚t2は、200μm〜250μm程度に形成されている。ただし、側面側稜線L1上の多孔質保護層170の膜厚t1と発熱側稜線L2上の多孔質保護層170の膜厚t2とは、発熱面側稜線上膜厚t2を側面側稜線上膜厚t1に対して1.0倍から1.6倍の範囲に設定することが望ましい。一方、側面側稜面S1の稜面高H1は、0.2mmから0.4mmの範囲で設けられ、発熱面側稜面S2の稜面高H2は、0.1mmから0.3mmの範囲で設けられている。ただし、側面側稜面高H1に対して発熱面側稜面高H2は2分の1から4分の3の範囲に設定するのが望ましい。
さらに、絶縁性基体140、141の板厚t140、t141は、150μmから170μmの範囲に形成され、ガスセンサ素子10全体としては、板厚1.4mm、幅3.4mm程度に形成され、装着される被測定ガス流路に応じた長さに形成されている。
In the present embodiment, θ 1 is provided in the range of 40 degrees to 50 degrees, and θ 2 is provided in the range of 17.5 degrees to 27.5 degrees.
The thickness t 1 of the porous
Further, the plate thicknesses t 140 and t 141 of the insulating bases 140 and 141 are formed in the range of 150 μm to 170 μm, and the
また、センサ面SSNの表面温度は、ヒータ部11の発熱面SHTRに比べて温度が低く、さらに、センサ部11を構成する固体電解質層100と拡散抵抗層160とは、多孔質であるため熱ストレスに対する耐久性が高いので元来被水割れを生じ難いが、側面SSDとセンサ面SSNとの間にも同様の多重稜面を形成することによってセンサ部11の耐久性をさらに向上することもできる。
The surface temperature of the sensor surface S SN is lower temperature than the heat generating surface S HTR of the
図2、図3を参照して本発明の第1の実施形態におけるガスセンサ素子10の製造方法について説明する。図2は、最も基本的な構成のガスセンサ素子積層体10STKの展開斜視図であり、図3は、ガスセンサ素子10の製造方法概要を、(a)から(d)の順を追って示す斜視図である。
A method for manufacturing the
固体電解質層100は、ジルコニア等の酸素イオン導電性セラミック材料をポリビニルブチラール(PVB)等の結合材、ジブチルフタレート(DBP)等の可塑剤、分散剤とともにトルエン、エタノール等の分散媒に分散させたスラリーを配合し、これを用いてドクターブレード法等により所定の板厚の平板状に形成して得られる。
In the
固体電解質層100の被測定ガス側の表面には、測定電極層110、測定電極リード部111を印刷形成し、他方の表面には、基準電極層120、基準電極リード部121を印刷形成する。これらの印刷形成には、白金ペーストと上述の固体電解質層形成用のスラリーとを混合したペースト等が用いられる。
The
基準ガス室130は、例えばアルミナ等の絶縁性セラミック材料をPBV、DBP、分散剤等とともに分散媒に分散させたスラリーを用いてドクターブレード法によりシート状に形成し、これを金型等で略U字形に打ち抜いた基準ガス室形成層131を複数枚積層して形成する。
The
上述の絶縁性セラミックシートを用いて平板状の絶縁性基体141とし、この一方の表面に白金ペーストとアルミナスラリーとを混合したペーストを用いて発熱体150と一対の発熱体リード部151、152とを印刷形成し、他方の表面に一対の発熱体端子部155、156を印刷形成し、絶縁性基体141に穿設した一対のスルーホール内に発熱体リード部151、152と発熱体端子部155、156とを導通するスルーホール電極153、154を吸引印刷等により形成する。
絶縁性基体141の発熱体150の印刷された側に積層して絶縁性基体141と同様の絶縁性基体140を配設し、発熱体150を内蔵するヒータ部14を形成する。
Using the above-mentioned insulating ceramic sheet, a flat
An
固体電解質層100の測定電極層110が形成された側に積層して、上述したアルミナシートよりも粒径の粗いアルミナ等の耐熱性セラミック材料を結合材とともに分散媒に分散させたスラリーを用いて拡散抵抗層160を形成する。なお、拡散抵抗層160は、本図に示すように平板状に形成したものを積層しても良いし、測定電極層110を覆うように印刷形成しても良い。
また、測定電極リード部111が形成された側に積層して測定電極リード部111を保護すべく上記絶縁性基体141と同様の絶縁性セラミックシートにより絶縁層161を形成する。なお、絶縁層161は、測定電極リード部111を保護するとともに、拡散抵抗層160内を通過する被測定ガスが基準ガスを導入する基準ガス室130の開口端側への拡散を防止する。
測定電極端子部112と基準電極端子部122とを保護層161の表面に印刷形成し、保護層161に穿設したスルーホール内に、測定電極リード部11と測定電極端子部112とを導通するホール電極113並びに基準電極リード部121と基準電極端子部122とを導通するスルーホール電極123を吸引印刷等により形成する。
Using a slurry obtained by laminating the
In addition, an insulating
The measurement
以上のようにしてセンサ部11とヒータ部14とを積層することにより図3(a)に示すような有底筒状のガスセンサ素子積層体10STKを形成することができる。なお、各層の積層に際して、積層される層と層とのそれぞれの材料を適宜混合した接着層ペーストを用いた接着積層によって一体の積層体としても良いし、加熱圧着によって一体の積層体としても良い。
By laminating the
得られたガスセンサ素子積層体10STKの発熱面SHTRと両側の側面SSDとセンサ面SSNとの4面の内2面によって形成される4角の稜線の長手方向に沿って本発明の要部である多重稜面部S1、S2を形成して、ガスセンサ稜面形成体10SPDを得る。
少なくとも、発熱面SHTRの両側に長低方向に伸びるように、側面SSDと側面側稜面S1との交わる側面側稜線L1と、発熱面SHTRと発熱面側稜面S2との交わる発熱面側稜線L2が形成される。
The resulting gas
At least, so as to extend in the long lower direction on both sides of the heat generating surface S HTR, a side surface side ridgeline L 1 intersects the side surface S SD and the side side edge surface S 1, the heat generating surface S HTR a heat generating surface side ridge surface S 2 heat generating surface side ridge line L 2 intersecting the is formed.
具体的な多重稜面部S1、S2の形成方法としては、ガスセンサ素子積層体10STKの焼成前に稜面を形成する方法と焼成後に稜面を形成する方法のいずれを用いても良い。焼成前に多重稜面部S1、S2を形成する場合には、加工精度が劣る虞もあるが、加工に要する時間は短く、極めて容易である。一方、焼成後に多重稜面部S1、S2を加工する場合には、焼成体の強度が高いので加工に時間を要するが、寸法精度に優れている。
As a specific method of forming the multiple ridge surface portions S 1 and S 2 , either a method of forming a ridge surface before firing the gas
例えば、複数のガスセンサ素子を同時に形成すべく、複数個取りで形成したガスセンサ積層体10STKを積層する際にV字状の溝部を設けて、これを個辺に分割することによってガスセンサ積層体10STKの4角にC面状の第1の稜面S1を形成することができる。これをさらに研磨することによって第2の稜面部S2を形成することができる。
また、焼成前の加工の場合、シート成形材料の熱可塑性を利用して、加熱圧縮することによって多重稜面部S1、S2を形成することも可能である。
このようにして得られたガスセンサ素子稜面形成体10SPDを焼成した後、図3(c)に示すように、その表面に湿式的手法を用いて多孔質保護層170を形成する。より具体的な湿式的手法としては、例えば、アルミナ等の保護層形成材料と分散剤と無機バインダ等とを水又は有機溶剤等の分散媒に分散させてスラリー状に調整し、これにガスセンサ素子稜面形成体10SPDを浸漬し、ガスセンサ素子稜面形成体10SPDの所定の範囲を多孔質保護層形成材料でコーティングし、これを乾燥、焼結することによってガスセンサ素子10を得ることができる。
For example, in order to form a plurality of gas sensor elements at the same time, when the
In the case of processing before firing, it is also possible to form the multiple ridge surface portions S 1 and S 2 by heat compression using the thermoplasticity of the sheet molding material.
After the gas sensor element ridge
このとき、多重稜面部S1、S2によって稜面の角度変化が緩やかになっている。このため、多孔質保護層170が稜線L1、L2、L3によって分断されることなく、比較的均一な膜厚を維持して形成することができる。
なお、本発明は、多孔質保護層170をディッピングによって形成した場合に特に優れた効果を発揮するものであるが、本発明において、多孔質保護層170の形成方法は、ディッピングに限るものではない。
例えば、多孔質保護層材料をペースト状に調整し、刷毛塗りや印刷によって多孔質保護層170を形成しても良いし、多孔質保護層材料をスラリー状に調整しスプレー噴霧することによって多孔質保護層170を形成しても良い。或いは、スラリー状に調整した多孔質保護層材料をドクターブレード法等によってシート状に形成し、ガスセンサ素子稜面形成体10SPDの被測定ガスに晒される部位を覆うように貼り付けて多孔質保護層170を形成しても良い。
いずれの製法によって多孔質保護層170を形成した場合であっても、多重稜面部S1、S2によって稜面の角度が緩やかに変化しているので、本発明の効果である乾燥、焼成時の収縮ストレスの緩和効果が発揮され、多孔質保護層170が稜線L1、L2において分断され虞がない。
なお、多重稜面部S1、S2は、2以上からなる複数の平面状に形成された稜面で構成しても良いし、連続的に湾曲する曲面で構成しても良い。
At this time, the angle change of the ridge surface is moderated by the multiple ridge surface portions S 1 and S 2 . For this reason, the porous
The present invention exhibits a particularly excellent effect when the porous
For example, the porous protective layer material may be adjusted to a paste form, and the porous
Even when the porous
The multiple ridge surface portions S 1 and S 2 may be formed by a plurality of flat ridge surfaces formed of two or more, or may be formed by a curved surface that is continuously curved.
図4、図5を参照して本発明の効果について説明する。
図4は、発熱面側稜線L2上の多孔質保護層170の膜厚t2を所定の厚み(例えば200μm)に形成し、側面側稜線L1上の多孔質保護層170の膜厚t1を変化させて(例えば110〜250μm)形成した場合の保護層剥離の発生頻度を調査した試験結果を示す特性図である。
図4に示すように、側面側稜線上膜厚t1に対して発熱面側稜線上膜厚t2が相対的に薄くなるように形成した場合、即ち、t2/t1が1より小さい場合には、発熱面側稜面S2上で多孔質保護層170の剥離が発生し、側面側稜線上膜厚t1に対して発熱面側稜線上膜厚t2が1.6倍よりも厚くなるように形成した場合には、即ち、t2/t1が1.6より大きい場合には、側面側稜面S1上で多孔質保護層170の剥離が発生している。したがって、発熱面側稜線上膜厚t2を側面側稜線上膜厚t1の1.0倍から1.6倍の範囲に設定することが望ましいことが判明した。
The effects of the present invention will be described with reference to FIGS.
4, the thickness t 2 of the porous
As shown in FIG. 4, when the heat generating surface side ridge line thickness t 2 is formed relatively thin with respect to the side surface ridge line thickness t 1 , that is, t 2 / t 1 is smaller than 1. If the separation of the porous
図5(a)に示すように、側面側稜面S1を所定の値(例えば、θ1=45度、H1=0.4mm)に形成し、発熱面側稜面S2は、θ2を22.5度とし、H2を0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.3mmとなるように、S2(1)、S2(2)、S2(3)、S2(4)、S2(5)を変化させ、これに同一条件で多孔質保護層170を設けた試料1、試料2、試料3、試料4、試料5について被水割れ試験を行い、その結果を本図(b)に示す。なお、本図(a)において、各試料の特徴を明確にすべく、多孔質保護層170は省略して記載してある。
また、被水割れ試験の方法は、ヒータ部11に通電をし、発熱面SHTR上の温度を700℃に加熱したガスセンサ素子10の発熱面側稜面S2に0.5μlの水滴を滴下し、被水割れの発生有無を調査することによって行った。
本図(b)に示すように、多重稜面部S1、S2を設けることによって被水割れが減少し、発熱面側稜面S2の稜面高H2を側面側稜面S1の稜面高H1の2分の1以上、4分の3以下の範囲とすることによってさらに被水割れを抑制できることが判明した。
As shown in FIG. 5A, the side surface side ridge surface S 1 is formed to a predetermined value (for example, θ 1 = 45 degrees, H 1 = 0.4 mm), and the heat generation surface side ridge surface S 2 is θ 2 is set to 22.5 degrees, and S 2 (1), S 2 (2), and S 2 (so that H 2 is 0.05 mm, 0.1 mm, 0.15 mm, 0.2 mm, and 0.3 mm. 3), S 2 (4), S 2 (5) were changed, and water cracking test was performed on
Further, the method of the water cracking test, the
As shown in this figure (b), by providing multiple ridge surface portions S 1 and S 2 , water cracking is reduced, and the ridge surface height H 2 of the heat generating surface side ridge surface S 2 is set to the side surface ridge surface S 1 . It has been found that water cracking can be further suppressed by setting the ridge surface height H 1 to be in the range of 1/2 or more and 3/4 or less.
図6に本発明のガスセンサ素子10を備えたガスセンサ1の全体構成を示す。
ガスセンサ1は、ガスセンサ素子10と、絶縁性保持部材20を介してその内側にガスセンサ素子10を保持するハウジング30とガスセンサ素子10の被測定ガスに晒される部分を覆うカバー体50、51とガスセンサ素子10のヒータ部14への給電を行う一対の通電線157a、157bとガスセンサ素子10からの出力信号を取り出す一対の信号線115、125を保持するケーシング40とによって構成されている。
ハウジング30は、ステンレス等の金属製で、略筒型に形成されており、基端側のボス部32にはケーシング40が嵌着され、先端側の加締め部34には二重筒状のカバー体50、51が固定されている。
ハウジング30の中腹外周部にはネジ部33が形成され、図略の内燃機関の年商排気流路600の流路壁60にガスケット37を介して螺結されることにより、ガスセンサ検出素子10の先端側が被測定ガス流路600内に配設されカバー体50、51で覆われた状態で固定されている。
ハウジング30には、ネジ部33を締め付けるための六角部35が形成されている。
FIG. 6 shows the overall configuration of the
The
The
A
The
カバー体50、51は、ステンレス等の耐熱性金属製で、略有底円筒状のインナカバー50とアウタカバー51とからなる二重筒構造をしている。
インナカバー50とアウタカバー51とにはそれぞれ被測定ガスを内部に導入しつつガスセンサ素子10の被水防止を図る開口501、503、511、512が形成され、基端側に設けられたフランジ部503、513によってハウジング30の加締め部34に加締め固定されている。
The
The
ガスセンサ素子10は、インシュレータ20によってハウジング30との絶縁性を確保しつつハウジング30の内部に固定されている。ガスセンサ素子10の被測定ガスに晒される先端部は、多孔質保護層170で覆われている。
The
一対の信号線115、125と一対の通電線158a、158bとは、基端部絶縁封止材420によってケーシング基端部411内に保持され、接続金具114、124、157a、157bを介してセンサ素子10の測定電極端子112、基準電極端子122、発熱体通電端子155、156にそれぞれ接続されている。
The pair of signal lines 115 and 125 and the pair of energization lines 158a and 158b are held in the casing
基端部絶縁封止材420には、基準ガス導入り口412が形成され、基準ガス導入口412から撥水フィルタ421を介して導入された大気が、ガスセンサ素子10の基準ガス室130内に導入されている。
A
図略の通電制御装置によって発熱体150に通電され、発熱体150によって、固体電解質層100が活性化されると、拡散抵抗層160を介して測定電極層110に接する被測定ガス中の酸素濃度と基準電極層120に接する基準ガス室130内に導入された大気中の酸素濃度との差によって両電極間に電位差が生じ、これを測定することによって、被測定ガス中の酸素濃度を検出できる。
When the
本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、図7(a)に示すように、ガスセンサ素子10aは、ヒータ部14aとセンサ部11aとによって構成され、ガスセンサ素子10aの少なくともヒータ部14a側の長手方向の端縁に少なくとも2以上の複数の稜面S1、S2を形成することによって、多孔質保護層170の剥離を抑制するとともにガスセンサ素子10aの被水割れを防止しようとする本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であり、センサ部11aには如何なるセンサ機能を有するものであっても適用し得るものである。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. As shown in FIG. 7A, the
例えば、本図(b)に示すように、酸素をポンピングして被測定ガス室133a内の酸素濃度を調整する酸素ポンプセル100a、110a、120a、180、181と、被測定ガス室133a内の酸素濃度を検出する酸素モニタセル100b、110b、110dと、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセル100b、110c、110dと、被測定ガスの空燃比を検出する空燃比検出セル120a、110dとを設けて、空燃比検出セル120a、110dにおける被測定ガス側電極120aと酸素ポンプセル100a、110a、120a、180、181におけるポンプ電極120aとを共通化させ、酸素モニタセル100b、110b、110dにおける基準ガス側電極110dと、センサセル100b、110c、110dにおける基準ガス側電極110dと、空燃比検出セル120a、110dにおける基準ガス側電極110dとの3つの電極を共通化した複合ガスセンサ素子10a等にも適用し得るものである。
For example, as shown in FIG. 5B,
また、上記実施形態においては、酸素センサ、NOxセンサ、空燃比センサ等に用いられるセンサ部11を構成する固体電解質として、酸素イオン電導性の固体電解質を用いた場合について説明したが、本発明はこのような酸素由来ガス成分の検出を行うガスセンサに限らず、プロトン電導性の固体電解質を用いて、アンモニアや炭化水素等の水素成分含有ガスを検出するガスセンサ等任意のガスセンサに適用可能である。
In the above embodiment, the case where an oxygen ion conductive solid electrolyte is used as the solid electrolyte constituting the
10 ガスセンサ素子
11 センサ部
100 固体電解質層
110 測定電極
120 基準電極
130 基準ガス室
14 ヒータ部
140、141 絶縁性基体
150 発熱体
160 拡散抵抗層
170 多孔質保護層
L1 第1の稜線(側面側稜線)
L2 第2の稜線(発熱面側稜線)
SSD 側面
S1 第1の稜面(側面側稜面)
S2 第2の稜面(発熱面側稜面)
SHTR 発熱面
H1 第1の稜面高(側面側稜面高)
H2 第2の稜面高(発熱面側稜面高)
t1 第1の稜線上膜厚(側面側稜線上膜厚)
t2 第2の稜線上膜厚(発熱面側稜線上膜厚)
θ1 第1の稜面角度(側面側稜面角度)
θ2 第2の稜面角度(発熱面側稜面角度)
DESCRIPTION OF
L 2 2nd ridge line (heat generation surface side ridge line)
S SD side surface S 1 first ridge surface (side surface ridge surface)
S2 2nd ridge surface (heating surface side ridge surface)
S HTR heating surface H 1 1st ridge surface height (side surface ridge surface height)
H 2 2nd ridge surface height (heating surface side ridge surface height)
t 1 First film thickness on the ridge line (film thickness on the side ridge line)
t 2 Second ridge line thickness (heat generation surface side ridge line thickness)
θ 1 First ridge surface angle (side surface ridge surface angle)
θ 2 Second ridge surface angle (heating surface side ridge surface angle)
Claims (2)
少なくとも上記ヒータ部の長手方向の端縁に沿って、少なくとも2以上の稜面からなる多重稜面部を設けるとともに、該多重稜面部を含む上記ガスセンサ素子の外周面の所定の範囲を湿式的手法で形成した多孔質保護層によって包囲せしめたガスセンサ素子において、
上記多重稜面部は、少なくとも上記ヒータ部側面に連なる側面側稜面と上記ヒータ部の発熱面に連なる発熱面側稜面とを含み、上記多孔質保護層は、上記側面側稜面と上記ヒータ部の側面とが交わる側面側稜線上に形成した上記多孔質保護層の膜厚を側面側膜厚t 1 とし、上記発熱面側稜面と上記ヒータ部発熱面とが交わる発熱面側稜線上に形成した上記多孔質保護層の膜厚を発熱面側膜厚t 2 としたとき、下記式1の関係を満たす範囲に設定したことを特徴とするガスセンサ素子。
1.0・t 1 ≦t 2 ≦1.6・t 1 ・・・式1 A sensor unit that is placed in the measurement gas flow path and detects the concentration of a specific component in the measurement gas, and a sensor unit that is formed in a substantially flat plate shape, and that is stacked on the sensor unit to heat and activate the sensor unit. A heater portion formed in a flat plate shape ,
At least along the edge in the longitudinal direction of the heater portion, a multiple ridge surface portion including at least two ridge surfaces is provided, and a predetermined range of the outer peripheral surface of the gas sensor element including the multiple ridge surface portion is formed by a wet method. In the gas sensor element surrounded by the formed porous protective layer ,
The multiple ridge surface portion includes at least a side surface ridge surface continuous with the heater portion side surface and a heat generation surface side ridge surface continuous with the heat generation surface of the heater portion, and the porous protective layer includes the side surface ridge surface and the heater. the thickness of the side surface and the above porous protective layer formed on the side face side on the edge line intersecting parts and side surface side thickness t 1, the heat generating surface side ridge surface and the heater unit heating surface and the heating surface on the edge line intersects when the film thickness of the formed the porous protective layer was changed to the heat generating surface side thickness t 2, the gas sensor element, characterized in that set in a range satisfying the relation of the following formula 1.
1.0 · t 1 ≦ t 2 ≦ 1.6 · t 1 Formula 1
少なくとも上記ヒータ部の長手方向の端縁に沿って、少なくとも2以上の稜面からなる多重稜面部を設けるとともに、該多重稜面部を含む上記ガスセンサ素子の外周面の所定の範囲を湿式的手法で形成した多孔質保護層によって包囲せしめたガスセンサ素子において、
上記多重稜面部は、少なくとも上記ヒータ部側面に連なる側面側稜面と上記ヒータ部の発熱面に連なる発熱面側稜面とを含み、
上記ヒータ部の発熱面から上記側面側稜面と上記ヒータ部の側面とが交わる側面側稜線までの高さを側面側稜面高H 1 とし、上記ヒータ部の発熱面から上記発熱面側稜面と上記側面側稜面との交わる稜線までの高さを発熱面側稜面高H 2 としたとき、下記式2の関係を満たす範囲に設定したことを特徴とするガスセンサ素子。
1/2・H 1 ≦H 2 ≦3/4・H 1 ・・・式2 A sensor unit that is placed in the measurement gas flow path and detects the concentration of a specific component in the measurement gas, and a sensor unit that is formed in a substantially flat plate shape, and that is stacked on the sensor unit to heat and activate the sensor unit. A heater portion formed in a flat plate shape,
At least along the edge in the longitudinal direction of the heater portion, a multiple ridge surface portion including at least two ridge surfaces is provided, and a predetermined range of the outer peripheral surface of the gas sensor element including the multiple ridge surface portion is formed by a wet method. In the gas sensor element surrounded by the formed porous protective layer,
The multiple ridge surface portion includes at least a side surface ridge surface continuous with the heater portion side surface and a heat generation surface side ridge surface continuous with the heat generation surface of the heater portion,
The height from the heat generating surface of the heater portion to the side surface side ridge intersection between the side surface of the side surface side ridge surface and the heater portion and the side surface side ridge surface height H 1, the heat generating surface side ridge from the heating surface of the heater unit A gas sensor element, wherein a height to a ridge line where the surface and the side surface side ridge surface intersect is set to a range satisfying the relationship of the following formula 2 when the heat generation surface side ridge surface height H 2 is set .
1/2 · H 1 ≤ H 2 ≤ 3/4 · H 1 ... Formula 2
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